二次電池社会システム研究会 · 2016. 6. 13. · 放電レート(ev) 3.7c 0.5c...

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二次電池社会システム研究会分科会

東京大学大学院工学系研究科工学系研究科

総括プロジェクト機構

田中謙司

本日の内容

内外情勢１．内外情勢のＵＰＤＡＴＥ

– 国内での二次電池サービス事業

• ハウスメーカー• ハウスメ カ

• 蓄電池リース

• 不動産事業

– 海外における同行

リチウムイオ 電池 劣化と寿命推定研究 最近 動向２．リチウムイオン電池の劣化と寿命推定研究-最近の動向

ＯＮＥエナジー株式会社 （オリックス、ＮＥＣ、エプコ）

4Rエナジー社

（ドイツ）家庭用蓄電池導入補助金 （引用）

A comparative analysis of the cumulative energy demand ofA comparative analysis of the cumulative energy demand of stationary grid-integrated battery systemsB. Zimmermann, M. Baumann, B. Simon, H. Dura and M. Weil

Institute for Technology Assessment and Systems Analysis (ITAS)

, , ,

Institute for Technology Assessment and Systems Analysis (ITAS)

KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association www.kit.edu

Battery pack tests to detect unbalancing effects in series connected Li‐ion cellsin series connected Li ion cells

I. Aizpuru, U. Iraola, J.M. Canales, E. Unamuno, I. Gilp

iaizpuru@mondragon.edu 11-06-2013

III. BATTERY PERFORMANCE WITH UNBALANCING EFFECTS

Charge/Discharge Unbalanced 2S1P Battery pack: ΔQ=20 %; ΔSOC=17,5 %

a) No balancing b) Charge balancing

3,2V Qnew=10Ah QEOL=8Ah

a) No balancing b) Charge balancing

Mode Aprox. Wh obtained Max. energy

Energyused

Energy unused

a) (V1+V2)·min(Q1(charge),Q2(charge)) 57.644.8

(77%)12.8

(23%)

c) Discharge balancing d) Charge/Discharge balancing

b) (V1+V2)·QEOL 57.651.2

(88%)6.4

(12%)

c) V1·Q1(charge)+V2·Q2(charge) 57.654.4

(94%)3.2

(6%)57 6

d) V1·Qnew+V2·QEOL 57.657.6

(100 %)0 (0%)

d) Charge/Discharge balancingc) Discharge balancing

IV.C TEST RESULTS

CHARGE/DISCHARGE TESTS

Values Tests

Qmean [Ah] First cycles ΔVmax [V] Last cycles ΔVmax [V]

Charge Discharge Charge Discharge

Equal temperature-Balanced-Low rate 6.91 0.17 0.35 0.17 0.33

Equal temperature-Balanced-High rate 4.62 0.04 0.12 0.04 0.12

Temperature mismatch-Balanced-Low rate 6.65 0.22 0.1 0.22 0.15

Equal temperature-Unbalanced-Low rate 6.637 0.2 0.6 0.2 0.6

REST TESTS

Values Tests

Qini Qlost max a Qlost min a %Qlost/Qnominal/month b %Qlost/Qnominal/week b

C l d lif 50% 3 25 0 05 0 76% 0 19%Calendar life 50% 3.25 0.05 0.76% 0.19%Calendar life 70% 4.55 0.1 1.5% 0.375% External circuitry INA 210 3.25 0.36 (Cell1) 0.12 (Cell4) 5.54% 1.38% External circuitry INA 210+balancing 3.25 0.37 (Cell1) 0.12 (Cell4) 5.7% 1.42% External circuitry TI bq76PL536 3.25 0.22 (Cell4) 0.16 (Cell1) 3.38% 0.845% E t l i it NI 9205 RIO 3 25 0 1 0 1 1 5% 0 375%External circuitry NI 9205 cRIO 3.25 0.1 0.1 1.5% 0.375%

a Qlost per monthb Respect to Qlost maxCapacity decrease due to high 

rates TemperatureratesNo voltage variation, no unbalancing degradation Temperature 

mismatchHigh SOCmore self dischargeExternal circuitry capacity deviations Analog measurement

電池性能評価モデル（ver.2.0）

東京大学大学院工学系研究科

田中謙司

実際の電池使用環境は実験条件よりも遥かに複雑である実験条件よりも遥かに複雑である

EVの実走行データを見るに、実際の電池使用環境は非常に複雑である。これらひと

つひとつについて実験することは不可能であり 先端研究のようなアプロ チで実際つひとつについて実験することは不可能であり、先端研究のようなアプローチで実際の劣化を再現することは難しいと思われる。

実験条件と実際の電池使用環境の比較（イメ ジ図）

T 0 50 [℃] T 0 50 [℃]

実験条件と実際の電池使用環境の比較（イメージ図）

Experimental Condition Real Data (image)

Temp = 0 ~ 50 [℃]

C]

Temp = 0 ~ 50 [℃]

C]

= 0 ~ 5 [C

= 0 ~ 5 [C

C –rate 

C –rate 

20※ C-rate : 電池使用負荷の激しさを表す指標。満充電容量を使い切るまでに要した時間[hour]の逆数。

①電池評価モデル（表示案）ユ ザ が求める電池性能の定義ユーザーが求める電池性能の定義

・二次電池のシステム側の要請は,エネルギー密度Eと出力密度Pの2つである.ザ 性能 ①容 ② 部抵抗 が ば・すなわちユーザーは電池性能として①容量Qと②内部抵抗Rがわかればよい.

エネルギー密度システム側の要請例

電池燃費

QVQVPdtE average_

①容量

・走行可能距離

出力密度

①容量

駆動力

加速の強さ IRIVIVP 0

②内部抵抗

・加速の強さ

② 抵

21残存性能=電池劣化後の①容量Q・②内部抵抗R

①電池評価モデル（表示案）容量の4段階評価 容量減少に基づく出力評価容量の4段階評価 容量減少に基づく出力評価

用途別の最大放電レートで電流を流したとき、システムの上下限電圧に対し内部抵抗 起 する電 降 分 割合 基づき電池 出力を評価するて内部抵抗に起因する電圧降下分の割合に基づき電池の出力を評価する。

電圧

[V]

出力評価例

電

評価 容量減少（％）

A 10%以下Ｄ電圧降下（最大レート）

容量減少幅

B 10‐20%

C 20‐40%

D 40%以上

電池仕様容量

D 40%以上

22

放電量[Ah]

①電池評価モデル（表示案）出力の4段階評価 内部抵抗に基づく出力評価出力の4段階評価 内部抵抗に基づく出力評価

用途別の最大放電レートで電流を流したとき、システムの上下限電圧に対し内部抵抗 起 する電 降 分 割合 基づき電池 出力を評価するて内部抵抗に起因する電圧降下分の割合に基づき電池の出力を評価する。

システム上限電圧

電圧

[V]

出力評価例

電

評価 最大レート電圧降下/システム上下限電圧

A 10%以下Ｄ電圧降下（最大レート）

A 10%以下

B 10‐30%

C 30‐50%システム下限電圧

D 50%以上

23

放電量[Ah]

①電池評価モデル（表示案）用途別の標準使用シナリオによる評価（残存性能）

温度、入出力モードの使用実績から、車載用電池の劣化環境条件を設定

滞在時間比率 温度別分布 搭載電池滞在時間比率の温度別分布(EV搭載電池) 使用シナリオ（車載例）

過酷条件 標準条件

温度 46℃ 24℃温度 46℃ 24℃

放電レート(EV) 3.7C 0.5C

放電レート(PHV) 6 9C 2 1C

車載電池の放電時間比率の放電レート帯域別分布

放電レ ト(PHV) 6.9C 2.1C

SOC幅 0‐100% 60‐90%

JC08モードの電池入出力例車載電池の放電時間比率の放電レート帯域別分布

0 60.81

1.2

レート[C]

電池入出力例

00.20.40.6

0 200 400 600 800 1000 1200

放電

レ

24※SOC: State of Charge 充電率

0 200 400 600 800 1000 1200時間[s]

電池残存性能評価例

現在性能評価 AA → A 最も低評価の指標を外出し現在性能評価

(容量, 出力)AA → A 最も低評価の指標を外出し

18650型電池の評価例

ＰＨＥＶ用途 ＥＶ用途 定置用途*

新品電池 C (AC) B (AB) A (AA)

使用電池（5.5年予測）

D (BD) D (AD) B (AB)

出力評価：電圧降下分（内部抵抗*最大放電レートの電流）/システム上下限電圧が、Ａ：10%以内、Ｂ：10-20%、Ｃ：30%-50%、Ｄ：50%以上

容量評価：残存容量が新品時に比べて、Ａ：80%以上、Ｂ：60-80%、Ｃ：40-60%、Ｄ：40%以下

②‐2 小型充放電試験に基づく電池評価モデル

電池系列評価（劣化デ タベ 構築）電池系列評価（劣化データベース構築）

②‐2 実験による電池系列の劣化データベース構築

容量劣化分ΔQはサイクル劣化による容量減少Qcと保存劣化による容量減少QTの和容量劣化分ΔQはサイクル劣化による容量減少Qcと保存劣化による容量減少QTの和で表す。また内部抵抗増加分も同様にサイクル劣化と保存劣化の和とする。

QQQ timecycle QQQ

Qcnl cycleCTSOCfQ ),,(qcycle cycleCTSOCfQ ),,(

Qtnqtime timeCTSOCfQ ),,(

timecycle RRR y

Rcnrcycle cycleCTSOCfR ),,(

39

Rtnrtime timeCTSOCfR ),,(

②‐2 任意条件の劣化速度補完 （実験データ累積により適宜更改）

Experiment Degradation

C-rate, SOC, Temp, Timeのそれぞれについて補間、dQs/dt(C-rate,SOC,Temp,Time)を得る

∆Qc(DAY)@SOCrange

ExperimentData

DegradationRate Table

∆Qc(DAY)@SOCrange∆Qc(DAY)@SOCrange

te

Tempte

Temp

te

Temp

dQc/dt Table

C-r

at

C-r

at

C-r

at

線形補間

Temp

dQc/dt

dQc/dt Table

Arrhenius補間

C-r

ate dQc/dt

@DAY@SOCrang

eTemp∆Qs(DAY-1)@SOCrange

Temp Temp

線形補間∆Qs(DAY-1)@SOCrange∆Qs(DAY-1)@SOCrange

-rat

e

Temp

-rat

e

Temp

-rat

e

Temp

C-

C-

C-

線形補間

Arrhenius補間

41

]/)[%,,( dayCTSOCf q 時間依存劣化速度のDB化②-2

(SOC90% , 5‐50℃,0C)(SOC70% , 5‐50℃,0C)

（0C, 0day to180day）

小容量試験の実測値に基づき、アレニウスの式から実測以外の

容量減少速度 (SOC100% , 5‐50℃,0C)qf実測値

fqも算出実測値

)exp(*RTEAf a

q

20 25 50℃

fq容量減少速度表 （0C, 0day to180day）

5 10 15 … 50℃

SOC 100

5 10 15 … 50℃

SOC 100

SOC 80

… 20 25 … 50℃

SOC 100

SOC 80

各条件毎に表を作成して、データベース化

SOC 80

SOC70SOC70

SOC70

42

]/)[%,,( dayCTSOCf q 保存劣化速度のDB化②-2

サイクル劣化試験結果を保存劣化とサイクル劣化に分けて劣化速度を算定する

2/1)( iSOCTfQ

サイク 劣化寄与分

保存劣化寄与分

量率

[%]

100 2/1),( timeSOCTfQ qtime

cycleCTSOCfQ qcycle ),,(サイクル劣化寄与分

容量

100

yfQ qcycle ),,(

経過日数 容量

率[%

]

回転数経過日数回転数

容 回転数

20 25 50℃

容量減少速度表 （1C）

5 10 15 … 50℃

SOC 100

5 10 15 … 50℃

SOC 100

SOC 80

… 20 25 … 50℃

SOC  0‐100 0.026

SOC  65‐85 0.015

各条件毎に表を作成して、データベース化

43

SOC 80

SOC70

SOC 80

SOC70SOC 45‐65

■ケーススタディ：⼀般家庭で3kWhの蓄電池を使⽤時。②-2

Temperature Operation Data

以下のような使⽤パターンを劣化量計算のインプットデータにした。

Temperature(1st,11th,21st Day of Each Month)

Operation Data(House Use)

20

25

)

1001

0

5

10

15

20

Tem

p. (

degC

)

TokyoMiyakoOfunato

0

25

50

75

-1

-0.5

0

0.5

SOC

(%)

C Ra

te

C (Left) SOC (Right)

00:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 Time (hh:mm)

0-10:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 Time (hh:mm)

Data Source: Japan Meteorological Agency Web Site

Data Source: Real Operating Data (@Private House)

Ofunato

Tokyo

3kWh LIB

y

Miyako

57劣化速度DBおよび残存性能推定手法の適用例(2/2)②-2

適用結果を以下に示す。

右に示したような評価軸を設定することで、将来時点における電池性能を定量的に評価することが可能となる。

100

R k A

最終評価例

シナリオ変更点

90 %]

Rank Aシナリオ変更点

容量率[%

EV(JC08)＠東京→定置＠東京

Rank B

80 容 EV(JC08)＠東京→定置＠東京

EV(JC08)＠東京→定置＠宮古島

EV(JC08)@東京 Rank C

70 0 1 2 3 4 5

EV(JC08)@宮古島

経過日数[year] * 周期変動は、気温の変動に起因する

END