2017 Fiscal Year Research-status Report
回路シミュレータ用Liイオン電池物理モデルの開発とマルチドメインシミュレーション
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17K06318
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
河野 昭彦 金沢工業大学, 工学部, 准教授 (40597689)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
漆畑 広明 金沢工業大学, 工学部, 教授 (40723367)
藤田 洋司 金沢工業大学, 工学部, 教授 (40720222)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | リチウムイオン電池 / モデル化 / シミュレーション工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，リチウムイオン電池（LIB）の電極構造の近似手法，モデルの支配方程式の構築に取り組んだ。容量2.2Ahの18650型LIBをモデル開発用電池に選定した。まず，同LIBの充放電特性を測定した。次に，同LIBの電気化学インピーダンスをSOC（充電レベル）を変数に測定し，等価回路によるフィッティング解析を実施した。これにより，電解液イオン伝導抵抗，正極と負極の電荷移動抵抗および電気二重層容量のSOC依存性を定量化した（以下，これらを電池反応パラメータという）。また，同LIBのSOCと開回路電圧（OCV）との関係（以下，OCV曲線という）を実測から決定した。以上の電池反応パラメータとOCV曲線をモデルに適用するため，以下のモデリング方法を開発した。
LIBのモデリングでは，多孔質電極における電池反応の表現が重要である。しかし，開発を目指すモデルは回路シミュレータ上での動作を目標とするため，同シミュレータの計算能力で多孔質電極の電池反応を詳細に再現することは，難易度が高い。そこで，第一ステップとして，正極，負極を活物質粒子1個ずつで代表させる1粒子近似モデルの支配方程式を構築した。本モデルでは，電解液イオン伝導抵抗等による抵抗過電圧，正極および負極における活性化過電圧，電解液中のLi+および活物質中のLiの濃度勾配による濃度過電圧が独立で加成性が成立すると仮定し，これに対応した計算方法を検討した。具体的には，抵抗過電圧はオームの法則，活性化過電圧はButler-Volmerの式を採用し，これらの式には上記の電解液イオン伝導抵抗，正極および負極の電荷移動抵抗の実測値を取り込んだ。また，濃度過電圧は拡散方程式と相に対応させたNernstの式を組み合わせた計算方法を確立した。
また，上記に加え，参照電極を配置した3極式LIBの開発を進め，単電極特性の評価が可能になりつつある。
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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
『1．研究実績の概要』欄で述べた通り，概ね当初の計画通りに研究が進んでいる。実際のLIBの性能把握がおおよそ完了するとともに，モデルの妥当性検証のための基礎データを集積することが出来た。また，実際のLIBの電池反応パラメータやOCV曲線等の決定もおおよそ完了し，モデリングパラメータを一通り揃えることが出来た。
以上のようにモデル開発の前段階の解析が順調に進んだため，モデルのアルゴリズム開発に一部着手した。懸案事項であった回路シミュレータ上での拡散方程式計算アルゴリズムの開発は，計算負荷が大きいこと等の問題はあるが，おおよそ目途が立ちつつある。そこで，まだ完全ではないが，現状のアルゴリズムを統合し，簡易的にLIBモデルを構築し定電流放電シミュレーションを実施した。計算結果においては，僅かながら実測値との誤差が生じた。したがって，電池反応パラメータのチューニングもしくはモデルの支配方程式の再検討が必要であり，平成30年度に実施予定である。
参照電極を配置した3極式LIBによる実験的解析においては，正極／負極間特性の再現性に優れたラミネート型LIBの作製技術を確立した。しかし，ラミネート型セルへの参照電極（金属Li箔）の配置の難しさから，単電極特性の測定結果が安定しない問題が生じている。平成30年度は，単電極電位応答や単電極電気化学インピーダンスが再現性良く測定できるようにセル構造を改良する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，第一に，電池反応パラメータのチューニングもしくはモデルの支配方程式の再検討を行い，モデルの計算精度向上に注力する。第二に，モデルの支配方程式を回路シミュレータ上で計算する技術を洗練し， LIB物理モデルを完成させる。第三に，モータモデル，電力変換器モデル，制御器モデル等を回路シミュレータ上で構築し，複合電気システムを構成するコンポーネントのモデルを整備する。以上が完了した後，各モデルを回路シミュレータ上で接続しシミュレーションを行うことにより，コンポーネント間のエネルギーフロー，負荷／電力変換器の動作とLIBの出力特性，内部物理化学的状態等との関係を解析し，システム中でのLIBの挙動やシステム効率をマルチレベル，マルチドメインで解明する。
『1．研究実績の概要』欄で述べたように，本モデルは1粒子近似を基本としているため，多孔質電極の電池反応が再現出来ていない。これがモデルの計算精度に影響を及ぼす可能性（特に，大電流での充放電時）が考えられる。そこで，もし電池反応パラメータのチューニングもしくはモデルの支配方程式の再検討によっても計算精度の向上が見込めない場合は，多孔質電極の応答が模擬可能な分布定数回路理論（伝送線モデル）の知見（多孔質電極内の過電圧分布，反応電流分布の電気回路的計算方法）を適用し，モデルを改良する予定である。
また，参照電極を配置した3極式LIBによる実験的解析においては，参照電極－電極距離間，参照電極の形状および配置方法等を検討し，単電極特性が安定して測定できるようにセル構造を改良する。3極式LIBにより得られた結果とモデルによる計算結果とを比較検討し，モデルの計算精度を詳細に検証する。
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| Causes of Carryover |
本年度は，当初予期していなかったこと等が生じることなく研究を進めることが出来た。そのため，3極式LIBの作製等で必要となる材料費が抑えられ，次年度使用額が生じた。この次年度使用額は，平成30年度に実施する，3極式LIBのセル構造改良にて生じる消耗品の購入に充てる予定である。
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Research Products
(6 results)
