リチウムイオン電池の 稼動時劣化診断 同志社大学理工学部電気工学科教授長岡直人 2016/3/3 関西 10 私大新技術説明会 1

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1 リチウムイオン電池の 稼動時劣化診断 同志社大学理工学部電気工学科教授長岡直人 1

2 発電 送電 トレンドは交流から直流へ 大容量集中電源火力 水力 原子力交流発電 ( 同期発電機 ) 交流送電 電力変換 AC/AC 変換 ( 変圧器 ) 負荷 分散電源 ( 地産地消 ) 自然エネルギー直流発電 ( 太陽 燃料電池 ) 直流送電周波数変換所 北本連絡 AC/DC 変換 ( 整流 ) DC/DC 変換 ( コンバータ ) 回転機交流駆動インバータ制御 照明白熱電球 蛍光灯インバータ蛍光灯 LED 一般負荷 交流負荷家電機器など 配電交流配電 電子機器の増加情報機器 家電機器 直流配電? 未開拓分野イノベーション 2

3 産学連携の一例 鉄道用大電力蓄電システム開発 電気鉄道 回生ブレーキ 保守の簡素化 省エネルギー 回生電流により架線電圧上昇 変電所 A 800A 0.04 /km 変電所 B 800A 回生電流 1600A 1760V 架線 1600V 電圧 1600A 架線電圧 0km 5km 10km 上昇 大容量リチウムイオン電池開発 リチウムイオン電池に回生電力を吸収 電圧安定化 架線電圧 1600V 電力貯蔵装置 0.04 /km 1600A 1600A 回生電流 1600A 0km 5km 10km リチウムイオン電池ユニット 容量 最大放電電流 最大充電電流 電圧範囲 定格電圧 直列数 60 Ah 600 A (10C) 600 A (10C) 2.75 ~ 4.15V/cell 3.6 V/cell (655.2V/unit) 182cell/unit 架線電圧安定化のために, リチウムイオン電池に回生エネルギーを貯蔵 大容量電池の制御, き電系 ( 送電系統 ) のシミュレーション技術, モデリング法を有機的に結合し, システムを実現仕様 : 過酷な運転環境に耐える, 長寿命システムの設計 3

4 鉄道用大電力蓄電システム開発 Charge current(a) C charge 5C charge charge discharge 電池充放電特性 最大電圧による制限 10C discharge 最低電圧による制限 5C discharge SOC (%) SOC と最大充放電電流 Voltage [V] Battery voltage Battery current Time [s] リチウムイオン電池過渡電圧応答による内部抵抗推定 0 Current [A] 本技術は, 鉄道架線電圧安定化装置に導入, 約 10 年の運転実績あり 動的内部抵抗測定装置 電流急変時の電池電圧変化をマイコンにより検出し内部抵抗を動的測定 ( 試作機 ) 4

5 劣化診断の必要性 余剰電力貯蔵 周波数安定化 エネルギー安全保障 大容量蓄電長寿命低コスト 出力変動抑制 温暖化対策 再生可能エネルギー 系統過渡現象解析 モデリング技術 内部抵抗測定器 リチウムイオン電池 劣化診断 稼働時診断 電極材料 鉄道用蓄電装置 蓄電設備の安定運用には劣化診断技術確立が必須これまでの電池開発技術, 大容量蓄電設備開発実績, 回路モデリング技法及び電力系統解析技術を応用して, 稼働時に電池の劣化を診断する装置を開発する 5

6 劣化診断の必要性 劣化診断 近江商人の心得 三方良し 容量増加 高価 コスト低減 売り手視点 売り手良し 安定運用 不安定 安全安心 買い手視点 買い手良し 大量使用 廃棄物増 環境親和性 世間視点 世間良し 6

7 劣化 ( 寿命 ) 予測 系統用蓄電設備 長期間利用 メンテナンス重要 劣化診断必須 動作中診断技術未確立 電気鉄道蓄電設備劣化診断法応用 寿命予測法を応用した技術展開 充放電制御 SOCの動的監視技術の開発急務 急速充放電と緩慢充放電 最適充放電法の確立 劣化診断の必要性 NEDO 委託業務 安全 低コスト大規模蓄電システム技術開発 2011~2015 年度 最適充放電制御 数値シミュレーション不可欠 シミュレーション技術 電池のモデリング, パワーエレ回路, デバイス 鉛電池 ニッケル水素電池 リチウムイオン電池 電気 2 重層キャパシタ 充放電制御 SOC 監視 SOC 推定 劣化 ( 寿命 ) 予測 動的内部インピーダンス測定 7

8 従来技術とその問題点 既に実用化されているものには, 交流法による定常解析法等があるが 電池を取り外して試験 測定器が高価 電池抵抗の測定も一手法であるが 接触抵抗の影響大 実装により影響 厳格に管理されたシステム以外では困難 8

9 劣化と等価回路定数 ( 従来法 ) 充放電サイクル数 ( 劣化 ) 1, 3 50 Hz 径増加 交流法 ( 従来法 ) による測定結果 1Hz 径増加 1kHz 2b, 4b(R B1 +R B2 ) 1 2b 2a 交流法による測定結果とモデルの対応 高周波 直列抵抗 半円直径 RC 回路抵抗 3 4b 4a 9

10 稼動時劣化診断 リチウムイオン二次電池 電気鉄道, 電気自動車, 電力機器等の大型機器 系統連系蓄電システム大容量化 稼働時劣化診断 稼動時内部インピーダンス測定交流重畳法では, 稼働中測定不可 稼働状態での測定法確立必要 ( 抵抗測定は開発 実用化済 ) 過渡現象を利用したインピーダンス推定 稼働状態で測定可 内部インピーダンスと劣化の特性を利用 内部インピーダンスの稼働中測定により, 内部インピーダンスと劣化特性の関係を明らかに 過渡現象モデリング技術を電池モデリングに! ( 時間領域 ) 過渡特性は,( 周波数領域 ) インピーダンスと対応 稼働時 SOC 推定も 10

11 電池内部インピーダンスと過渡波形 1. 電流印加直後, 電圧が急峻に上昇 2. その後電圧が徐々に上昇 a. 充電 (SOCの上昇) による内部電圧の上昇 b. 残りを内部インピーダンスの電圧降下で表現 3. 電流遮断直後, 電圧が急峻に下降 4. その後電圧が徐々に上昇 a. 充電 (SOCの上昇) なし b. 内部インピーダンス内の放電で表現 1 2b 2a 2 パルス充電時のリチウムイオン電池電圧応答の例 3 2b 4b 1 3 4b 4a 2a 4a 11

12 過渡現象解析とモデリング Z 変換 サンプリングを前提 デジタル信号処理に好都合 時間領域と周波数領域の架け橋 時間遅れをz 1 なる演算子で表現 z 1 =exp(-s t) なる関係から, 周波数領域へも変換可能 実数計算 ( 複素演算不要 ) z s 1 e s t 1 2 z 1 ln z t t z 1 0 フーリエ ラプラス変換 st F s f () te dt 周波数領域 F z Z 変換 微分方程式 積分方程式 n 0 サンプリング 時間領域 f n t z n 12

13 過渡現象解析とモデリング 電池のモデリング リチウムイオン電池の等価回路を電池の電圧電流過渡波形のみから, 従来の抵抗モデルではなく,1 次もしくは 2 次の RC 回路モデルを採用し, 過渡特性を精度よく表現 本モデルのパラメータを安定に求めるため,Z 変換と有理関数近似を組み合わせることにより解決 電流サンフ リンク i B (n t) 電流 z 変換 I B (z) 電圧サンフ リンク v Z (n t) 電圧 z 変換 V Z (z) Z 領域インピーダンス Z B (z)=v Z (z)/i B (z) Measured Estimated 有理関数 (Pade) 近似パラメータ推定 直列抵抗 R B0 並列抵抗 R Bk 並列容量 C Bk 13

14 電動バイクに走行試験による劣化特性測定と診断 ー実回路による検証ー (a) 電動バイク (b) データロガー リチウムイオン電池: 14 直 8 並列 50 V ( V) 2016/3/3 関西10私大 新技術説明会 14

15 電動バイクに走行試験による劣化特性測定と診断 測定結果 推定結果 推定結果 測定結果 放電中特性 任意充放電波形に対する精度確認! 電流測定結果 待機中特性 15

16 電動バイクに走行試験による劣化特性測定と診断 Low freq. Low freq. 1 Hz 放電時 1 Hz 待機時 内部インピーダンスを内部電圧ー SOC 特性を知ることなしに推定 バイク運転時の電圧 電流のみから内部インピーダンスを推定できることを確認 16

17 電池充電時の電圧波形 簡易診断も可能 充電直後電圧波形拡大図 内部 ( 定常 ) 電圧との差 斜線部 を積分 電圧積分値 並列内部抵抗 R Bi RB1 C B1 I B V Zi V Z1 電池充電直後の回復電圧波形を積分 積分値が並列内部抵抗 R B1 と強い相間 並列内部抵抗 R B1 は劣化と強い相間 劣化が電圧積分値により推定可 17

18 劣化診断装置の開発 ( プロトタイプ ) RS-232C PC との通信 ( デバッグ用 ) 放電制御回路 ( デバッグ用 ) 256 バイト EEPROM 定数格納 ( 電池プロファイル ) 電圧 電流 温度 8 ビットマイコン z 変換ベース劣化診断プログラム LCD ( デバッグ用 ) LED ( デバッグ用 ) ボタン 18

19 新技術の特徴 従来技術との比較 従来技術の問題点であった設備停止を要せず, 稼動時劣化診断を実現することに成功 従来交流法は試験設備の制限 制約から, 研究 開発段階での使用に限られていたが, 稼動時診断が可能で, 機器に組み込み診断することが可能 いつでも, どこでも, 誰でも! 専用の充放電装置が不要 本技術の適用により, マイコンあるいは FPGA にて診断装置を実現できるため, 診断コストが極めて削減できる 必要メモリ 100k バイト以下 19

20 想定される用途 本技術の特徴は機器に組み込み可能なことで, あらゆる装置に応用できる 系統安定化大電力貯蔵システム 太陽光発電, 風力発電, 離島, 電気 ( ハイブリッド ) 自動車 電気自動車充電スタンド 電池診断装置 (2 次利用判定 ) 医療機器 BMS(Battery Management System) 20

21 実用化に向けた課題 現在, マイコンを用いた劣化診断装置プロトタイプまで開発済 今後, 材料 容量の異なるリチウムイオン電池について実験データを取得し, 異なる特性を有する電池に適用していく場合の条件設定 組み電池への適用法の検討 精度検証 ( 電池のばらつき ) センサー設置箇所 位置 ( 温度 ) ニッケル水素電池など他種の電池についても提案法がの適応性検討 実用化に向けて, 大容量電池について, 精度検証 現有試験設備の電流容量の制限により, 未実現 21

22 企業への期待 大容量電池の特性についての共同研究希望 FPGA 組み込み技術, 実装技術, 電池の電圧 電流 温度特性測定ノウハウを持つ, 企業との共同研究を希望 BMS 開発, 輸送機器 ( 鉄道 自動車 産業機器 ) 分野をはじめ, 蓄電池応用分野への展開を考えている企業には, 本技術の導入が有効と思われる 22

23 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 等価回路合成方法並びに装置, および回路診断方法 出願番号 : 特願 公開番号 : 特開 出願人 : 学校法人同志社 発明者 : 長岡直人 発明の名称 : 電池劣化診断方法および電池劣化診断装置 出願番号 : 特願 ( 出願日 :2015 年 2 月 24 日 ) 出願人 : 学校法人同志社 発明者 : 長岡直人, 吉岡直之, 成田直哉 発明の名称 : データ抽出装置, データ抽出方法およびデータ抽出プログラム 出願番号 : 特願 ( 出願日 :2015 年 11 月 4 日 ) 出願人 : 学校法人同志社 発明者 : 長光左千男, 長岡直人 23

24 お問い合わせ先 同志社大学 リエゾンオフィス 知的財産センター 京田辺オフィス 京都府京田辺市多々羅都谷 1-3 同志社大学京田辺校地ローム記念館 3 階 HP: TEL: FAX: jt-liais@mail.doshisha.ac.jp> 産官学連携コーディネーター奥平有三 rs-oy6@mail.doshisha.ac.jp 知的財産コーディネーター石橋広通 jt-chiz8@mail.doshisha.ac.jp 24

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