2017 Fiscal Year Research-status Report
リチウムイオン電池の詳細発熱計算と電池モジュールの発熱を考慮したシミュレータ構築
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16K06233
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| Research Institution | The University of Shiga Prefecture |
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Principal Investigator |
乾 義尚 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (70168425)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 正志 茨城大学, 工学部, 講師 (40583985)
平山 智士 滋賀県立大学, 工学部, 助教 (70759274)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | リチウムイオン電池 / 発熱推定 / 交流インピーダンス特性 / 等価回路 / 電池モジュール / 温度上昇 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウムイオン電池モジュールを電動機駆動用や電力調整用の蓄電池としてその能力を最大限に引き出すためには，その高精度な動作特性シミュレータが必要不可欠である．リチウムイオン電池モジュールは，充放電時の発熱により顕著な温度上昇が発生し，しかもその温度上昇により特性が変化してしまう．従って，電池モジュールのシミュレータ構築には，電池の発熱量の正確な推定と温度上昇の計算手法の確立が必要不可欠である．そこで，本研究ではまず，リチウムイオン電池充放電時の発熱量の高精度な推定が可能な新しい詳細発熱計算手法を開発する．次に，以前の研究で開発済みの単電池の過渡応答シミュレータと劣化評価手法をそれと複合し発展させて電池モジュールの発熱と劣化を考慮した動作特性シミュレータを構築し，さらにその妥当性を確認することを目的としている．上記のうち，リチウムイオン電池充放電時の発熱量の高精度な推定が可能な新しい詳細発熱計算手法の開発については，平成28年度の研究で達成した．
平成29年度は，本研究の2年目であり，まず，開発済のリチウムイオン電池の詳細発熱計算手法を用いて単電池の温度解析コードを作成し，既に開発済みの過渡応答シミュレータと劣化評価手法を組み合わせて，発熱と劣化を考慮して単電池の温度変化を精度よく計算可能な動作特性シミュレータを構築した．次に，自然対流により冷却されている円筒型リチウムイオン単電池を対象として，その充放電時の温度変化を種々の充放電条件の場合について詳細に測定し，測定結果と解析結果を比較・検討してシミュレータの妥当性を確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度の当初目的は，リチウムイオン単電池の発熱を考慮した動作特性シミュレータの構築とその妥当性の確認で，研究実施計画は次の通りであった．
まず，「①詳細発熱計算手法を組み込んだ単電池の発熱を考慮した動作特性シミュレータの構築」を行う．具体的には，開発済のリチウムイオン電池の発熱計算手法を用いて単電池の温度解析コードを作成し，既に開発済みの過渡応答シミュレータと劣化評価手法を組み合わせて，発熱と劣化を考慮して単電池の温度変化を精度よく計算可能な動作特性シミュレータを構築する．次に「②実験結果との比較・検討による発熱を考慮した単電池用シミュレータの妥当性の確認」を行う．具体的には，自然対流により冷却されている円筒型リチウムイオン単電池を対象として，その充放電時の温度変化を種々の充放電条件の場合について詳細に測定し，測定結果と解析結果を比較・検討してシミュレータの妥当性を確認する．
リチウムイオン電池の詳細発熱計算手法では電池の内部等価回路を利用して発熱量の計算を行っているが，電池の温度と充電状態に依存してその内部等価回路の回路定数は値が大きく変化する．従って，この発熱量の計算を動作特性シミュレータに組み込んで精度よく行うためには，その内部等価回路の回路定数を電池の温度と充電状態のなめらかな関数としてどれだけうまく同定できるのかがキーポイントとなるが，この問題点については電池のインピーダンスの周波数応答から回路定数をある程度予測できることを利用して解決できた．以上より，実績としては，上記の①および②の両方を年度内に終了することができており，概ね順調に進展しているものと判断している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の初年度であった平成28年度は，パルス充放電時でもリチウムイオン電池の発熱量を精度よく推定することができる等価回路を利用した新しいリチウムイオン単電池の発熱計算手法を提案・完成させ，さらにその妥当性を確認した．2年目の平成29年度は，リチウムイオン単電池を対象として，発熱を考慮した動作特性シミュレータを構築し，さらに単電池の温度上昇を詳細に測定し，測定結果と解析結果を比較・検討してシミュレータの妥当性を確認した．
本研究の最終年度である平成30年度は，以上のこれまでの研究の成果を活かして，リチウムイオン電池モジュールに対する動作特性シミュレータを構築し，さらにその妥当性を確認して，本研究を完成させる予定である．研究実施計画は次の通りである．まず，「①単電池用シミュレータの拡張・発展によるモジュール用動作特性シミュレータの構築」を行う．具体的には，前年度に構築したリチウムイオン単電池用のシミュレータを拡張・発展させて，電池モジュールを取り扱えるようにし，モジュール用の動作特性シミュレータを構築する．次に「②実験結果との比較・検討によるモジュール用の動作特性シミュレータの妥当性の確認」を行う．具体的には，リチウムイオン電池モジュールとして電動アシスト自転車用バッテリを用い，充放電時の温度分布変化と各電池の電圧過渡応答を種々の充放電条件の場合について詳細に測定し，測定結果と解析結果を比較・検討することにより，本シミュレータの妥当性を確認する．
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| Causes of Carryover |
交付された予算額はほぼ使い切ったが，最終的に残額を0円にまでは調整しなかったので，1,275円というごくわずかな残額が出た．この残額については，最終年度である2018年度の物品費として有効に利用する予定である．
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