リチウムイオン電池の稼動時劣化診断 · • 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

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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

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トレンドは交流から直流へ

発電大容量集中電源火力・水力・原子力

交流発電（同期発電機）

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）

送電交流送電直流送電

周波数変換所・北本連絡

電力変換 AC/AC変換（変圧器）AC/DC変換（整流）

DC/DC変換（コンバータ）

負荷

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

電子機器の増加情報機器・家電機器

配電交流配電直流配電？・未開拓分野

イノベーション


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産学連携の一例鉄道用大電力蓄電システム開発

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

1600V

0km 5km 10km

1600A

1600A

回生電流1600A架線電圧

0.04/km

電力貯蔵装置

リチウムイオン電池に回生電力を吸収→電圧安定化

変電所A 変電所B

1600V1760V

0km 5km 10km

800A800A

1600A

回生電流1600A

架線電圧

0.04/km

架線

電圧上昇

回生電流により架線電圧上昇

保守の簡素化・省エネルギー

電気鉄道・回生ブレーキ

大容量リチウムイオン電池開発

容量 60 Ah

最大放電電流 600 A (10C)

最大充電電流 600 A (10C)

電圧範囲 2.75 ~ 4.15V/cell

定格電圧3.6 V/cell (655.2V/unit)

直列数 182cell/unit

リチウムイオン電池ユニット

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


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鉄道用大電力蓄電システム開発

SOC (%)

Char

ge c

urre

nt（A

)

0

100

200

300

500

600

20 40 60 100

charge

discharge

80

400

10C discharge

5C discharge

10C charge

5C charge

電池充放電特性

最大電圧による制限

最低電圧による制限

600

620

640

660

680

700

720

740

0 10 20 30 40

Time [s]

Vol

tage

[V]

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

Cur

rent

[A]

Battery voltageBattery current

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）

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

リチウムイオン電池過渡電圧応答による内部抵抗推定SOCと最大充放電電流

動的内部抵抗測定装置


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劣化診断の必要性

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。

大容量蓄電

長寿命低コスト

エネルギー安全保障

温暖化対策

再生可能エネルギー

出力変動抑制

周波数安定化

余剰電力貯蔵

劣化診断

リチウムイオン電池

電極材料

鉄道用蓄電装置

稼働時診断

内部抵抗

測定器

モデリング技術

系統過渡現象解析


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売り手視点

コスト低減

高価容量増加

世間視点

環境親和性

廃棄物増

大量使用


買い手視点

安全安心

不安定安定運用

「売り手良し」

「買い手良し」

「世間良し」

「売り手良し」

「買い手良し」

「世間良し」

近江商人の心得『三方良し』

近江商人の心得『三方良し』劣化

診断

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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

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，・・・

• 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

デバイス

• SOC監視

• SOC推定

充放電制御

• 動的内部インピーダンス測定

劣化（寿命）予測

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


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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


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劣化と等価回路定数（従来法）

• 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


1 kHz

50 Hz

1 Hz

2a2b

4a4b

1

3

1, 3

2b, 4b(RB1+RB2)

径増加

径増加

充放電サイクル数（劣化）

交流法（従来法）による測定結果

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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

• 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


大容量化

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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


2a2b

4a4b

1

3

• パルス充電時のリチウムイオン電池電圧応答の例

1

2

2a

2b

3

4a

4b

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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(-st)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）


時間領域

• 微分方程式

• 積分方程式

• 微分方程式

• 積分方程式

周波数領域

• フーリエ・ラプラス変換

• フーリエ・ラプラス変換

Z変換• サンプリング• サンプリング

0

n

nF z f n t z

0

( ) stF s f t e dt

1

1 2 1ln1

s tz ezs z

t t z

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電流ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞiB(nt)

電流ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞiB(nt)

電圧ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞvZ(nt)

電圧ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞvZ(nt)

電流ｚ変換IB(z)

電流ｚ変換IB(z)

電圧ｚ変換VZ (z)

電圧ｚ変換VZ (z)

Ｚ領域インピーダンスZB(z)=VZ(z)/IB(z)

Ｚ領域インピーダンスZB(z)=VZ(z)/IB(z)

有理関数（Pade）近似パラメータ推定

有理関数（Pade）近似パラメータ推定

直列抵抗RB0

直列抵抗RB0

並列容量CBk

並列容量CBk

並列抵抗RBk

並列抵抗RBk

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。

Estimated

Measured

過渡現象解析とモデリング


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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 (3.6×14 V)


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電動バイクに走行試験による劣化特性測定と診断

放電中特性待機中特性

電流測定結果

測定結果

推定結果

推定結果測定結果

任意充放電波形に対する

精度確認！2016/3/3 関西10私大新技術説明会

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電動バイクに走行試験による劣化特性測定と診断

Low freq.

1 Hz

Low freq.

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

放電時待機時

1 Hz


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簡易診断も可能

• 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RB1と強い相間

• 並列内部抵抗RB1は劣化と強い相間

• 劣化が電圧積分値により推定可

電池充電時の電圧波形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

RBi RB1CB1IB

VZi VZ1

並列内部抵抗


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8ビットマイコンｚ変換ベース

劣化診断プログラム

256バイト EEPROM定数格納

（電池プロファイル）

RS-232CＰＣとの通信（デバッグ用）

放電制御回路（デバッグ用）

LED （デバッグ用）LCD （デバッグ用）ボタン

電圧・電流・温度

劣化診断装置の開発（プロトタイプ）


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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


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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（ＢａｔｔｅｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）


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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。


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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。


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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2012-127669• 公開番号：特開2013-253784• 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2015-033944（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2015-216762（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


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■京田辺オフィス〒610-0394 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

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