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

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

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

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

1600V 1760V

0km 5km 10km

800A 800A

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

鉄道用大電力蓄電システム開発

SOC (%)

Charge current（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]

Voltage [V]

-200 0 200 400 600 800 1000 1200

Current [A]

Battery voltage Battery 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 本技術は，鉄道架線電圧安定

化装置に導入，約10年の運転

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

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

劣化診断の必要性

売り手 視点 コスト

高価 低減 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

不安定 安心 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

劣化診断の必要性

 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

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

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

2b 2a

4a 4b

1

3

1, 3

2b, 4b(R

_B1

+R

_B2

)

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

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

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

2b 2a

4b 4a 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

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）

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 n

F z f n t z

 



  

  0 ( ) ^st F s   ^ f t e ^ dt

 

1

1 2 1

ln 1

z e s t

s z z

t t z

   

  

  

電流ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ

i

_B

(nt)

電流ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ

i

_B

(nt)

電圧ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ

v

_Z

(nt)

電圧ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ

v

_Z

(nt)

電流ｚ変換

I

_B

(z)

電流ｚ変換

I

_B

(z)

電圧ｚ変換

V

_Z

(z)

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)

Ｚ領域インピーダンス

Z

_B

(z)=V

_Z

(z)/I

_B

(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

R

_B0 直列抵抗

R

_B0

並列容量

C

_Bk 並列容量

C

_Bk 並列抵抗

R

_Bk 並列抵抗

R

_Bk

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

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)

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！

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

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 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

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

R

_Bi

R

_B1

C

_B1

I

_B

V

_Zi

V

_Z1

並列内部抵抗

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-232C

ＰＣ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）

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 100 ｋバイト以下

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）

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。

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。

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

■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 HP: http://liaison.doshisha.ac.jp/

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E-mail: [email protected]>

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