研究論文 各種電動車両に搭載したリチウムイオン蓄電池の 許容劣化度に関する検討 * 1) 隅田祐介 2) 松村広基 3) 楊瑋翔 4) 紙屋雄史 5) 大聖泰弘 6) 森田賢治 Investigation of Acceptable Levels of Li-ion Battery

各種電動車両に搭載したリチウムイオン蓄電池の

許容劣化度に関する検討

*

隅田 祐介1) _{松村 広基}2) _{楊 瑋翔}3) _{紙屋 雄史}4) _{大聖 泰弘}5) _{森田 賢治}6)

Investigation of Acceptable Levels of Li-ion Battery Deterioration in Different Electric-driven Vehicle Types

Yusuke Sumida Hiroki Matsumura Yang Wei Hsiang Yushi Kamiya Yasuhiro Daisho Kenji Morita

This paper discusses the levels of deterioration in Li-ion batteries that are acceptable in different types of electric-driven vehicles. Simulation-based analysis of the adverse effects of battery deterioration on vehicle performance was carried out, and acceptable degrees of battery deterioration are proposed based on the criteria of 20% loss of performance (20% reduction in cruising range for BEVs, 20% increase in fuel consumption for HEVs and 20% increase in CO2 emissions for PHEVs).

KEY WORDS: EV and HV systems, Lithium ion battery, Battery deterioration, CO2 emissions (A3)

1. ま え が き 近年，環境・エネルギー問題の観点から，自動車の電動化 が精力的に進められている．本論文は，電動車両の心臓部と 見なされている蓄電池の許容劣化度について検討した結果を まとめたものである． 電動車両に搭載された蓄電池の劣化が進行すると，当然なが ら車両の動力性能や環境性能が悪化する．しかし，悪化の内容 や程度については，車両方式により大きく異なったものとなる． 例えば，同一の劣化進行特性を有する蓄電池をハイブリッド自 動車に搭載した場合とプラグインハイブリッド自動車に搭載し た場合では，車両性能悪化現象は全く異なったものとなる．し たがって，蓄電池の許容劣化度については，現象の特徴をふま えつつ，車両方式ごと別々に定める必要があると考える． このような背景のもと，本研究では電動車両の中でも，近 年普及が進みつつある電気自動車，ハイブリッド自動車，プ ラグインハイブリッド自動車（_{Battery Electric Vehicle，Hybrid} Electric Vehicle，Plug-in Hybrid Electric Vehicle，以後，BEV， HEV，PHEV と略す．）の 3 種類の車両方式を対象とした検 討を行う．はじめに，搭載したリチウムイオン蓄電池の劣化 （容量劣化ならびに内部抵抗劣化）が進行した際に，車両性 能が悪化する様子について，数値シミュレーションにより詳 細な評価を行う．そして，得られた情報をもとに，各車両方 式への要求事項を踏まえ，車載リチウムイオン蓄電池の許容 劣化度の決定を試みる． * 2012 年 10 月 4 日 受理．2012 年 10 月 4 日 自動車技術会秋 季学術講演会において発表． 1)・2)・3)・4)・5) 早稲田大学 (169-8555 新宿区大久保3-4-1-S55-704) 6) （財）日本自動車研究所 (305-0822 つくば市苅間 2530) 2. シミュレーションの詳細 2.1. 検討対象とする各車両の諸元とシミュレーションの�要 検討対象とする_{BEV，HEV，PHEV の車両諸元を表 1 に示} す．_{HEV・PHEV ではシリーズパラレル型ハイブリッドシス} テムを搭載した乗用車を想定している(1)．シミュレーションに おいては，車両に搭載されたモータ・エンジン・発電機を連 結する動力分割機構や，エンジンクランキング現象等を再現 している（図_{1）．なお，検討する走行モードは JC08 モード} である(2)．

Table 1 Vehicle Specifications

Parameter _BEV Value _{HEV PHEV} Curb Weight kg 1380 1310 1500 Engine Max. Power kW - 73 73

Motor Max. Power kW 80 60 60 Generator Max. Power kW - 30 30

Battery System Weight kg 160 22.4 60.0 Voltage V 360 345 345 Number of Cells (Series × Parallel) (96×2) 192 (92×1)92 (92×2)184 Capacity Ah (kWh) 66 (24) 6.5 (2.2) 17 (6.0) Drive Power Power Split Device

Generator Motor Engine

Accessory

Battery Fuel Tank

Vehicle Speed (Input) Split Control

System

Fig. 1 HEV/PHEV Simulation model に家電利用も考慮し，家庭にも電力負荷をかけないようなロ ジックとした．提案手法を用いて車の充電時刻予測した結果， ピーク時刻の電力を成り行き充電の場合に比べて 5 分の 1 以 下に軽減できることを確認した． 以上，本論文では，社会に対する車充電マネジメントの基 本的な手法についての提案と結果例を示した．今回対象外に した特異日についての手法，車両の特性，充電機器の種別, パラメータの値等の詳細を考慮した手法については今後の課 題である． Appendix AppendixAppendix Appendix 第 3 節で複数日分の夏のデータが入手できず 1 日分の走行 データおよび都市電力データを用いて最適充電カーブを作成 した．複数日分のデータと結果の違いを，冬のデータで確認 する． 具体的には，12 月 20 日のデータで最適充電カーブを作成し 充電時刻を予測した場合と 12 月 16 日～22 日の平日 5 日間の データで最適充電カーブを作成し充電時刻を予測した場合と を比較した．比較例として，1 月 12 日の予測結果の比較を図 10 に示す．図に示すように，1 日のみでも複数日での予測結 果と変わらないことが分かる． Tim e P o w er Ener g y (GW h) 16 17 18 19 20 21 22 23 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 One-day Several days

Fig.10 Predicted results by the difference of the number of days which were used for calculating the Optimal Charging Curve

謝 謝 謝 謝 辞辞辞辞 本研究を行うにあたり，中部電力の「電力需要状況のお知 らせ」，および(社)日本建築学会の「住宅内のエネルギー消 費量に関する調査研究委員会」より貴重なデータを使用させ て頂きました．ここに記して感謝の意を表します． 参 参 参 参 考考考考 文文文文 献献献 献 (1) 堀雅夫，金田武；HEV, PHEV 導入によるエネルギー需給 変化と CO_2 削減の効果，自動車技術会論文集，Vol.40, No.4, p.1101-1106 (2009)

(2) Axsen, J. and Kurani, K.S.：Anticipating plug-in hybrid vehicle energy impacts in California: Constructing consumer-informed recharge profiles, Transportation Research Part D, Vol.15,

p.212–219 (2010)

(3) Li Zhang, Tim Brown, G. Scott Samuelsen：Fuel reduction and electricity consumption impact of different charging scenarios for plug-in hybrid electric vehicles, Journal of Power Sources, Vol.196，p.6559–6566 (2011)

(4) Luk Knapen, Bruno Kochan, Tom Bellemans, Davy Janssens, Geert Wets, Using Activity-Based Modeling to Predict Spatial and Temporal Electrical Vehicle Power demand in Flanders, Transportation Research Board 91st Annual Meeting, 12-2646 (2012)

(5) Kang, J.E. and Recker, W.W.：An activity-based assessment of the potential impacts of plug-in hybrid electric vehicles on energy and emissions using 1-day travel data, Transportation Research Part D, Vol.14, p.541-556 (2009)

(6) 金森亮，森川高行, 奥宮正哉，山本俊行，伊藤孝行：電気 自動車の普及下における都市交通と電力需要に関する研 究, 土木計画学研究・講演集，Vol.44, p.52 (2011) (7) 中上聡：車種別利用パターンを考慮したプラググインハイ ブリッド車導入と CO2 排出量の評価，日本エネルギー学 会誌，Vol.89(3)，p.249-258 (2010) (8) 高木雅昭，岩船由美子，浅野浩志：電気自動車の負荷持続 曲線に基づいたボトム充電アルゴリズム，第 24 回電気学 会全国大会，No.6-145, p.258-259 (2012) (9) 志賀孝広，森博子，森健司：ルールカーブによる家と車の 最適エネルギーマネジメント，第 28 回エネルギーシステ ム・経済・環境コンファレンス，講演番号 5-4, (2012) (10) 財団法人自動車検査登録情報協会, 「自動車保有台数統計 データ」のホームページ, http://www.airia.or.jp/number/index.html (11) Wikipedia,「プラグインハイブリッドカー」のホームペー ジ, http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%97%E3%83%A9%E3 %82%B0%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%8F%E3%8 2%A4%E3%83%96%E3%83%AA%E3%83%83%E3%83% 89%E3%82%AB%E3%83%BC (12) Wikipedia,「電気自動車」のホームページ, http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B0%97%E 8%87%AA%E5%8B%95%E8%BB%8A (13) 経済産業省，「次世代自動車普及目標」のホームページ http://www.meti.go.jp/press/20100412002/20100412002-2.pd f (14) 中部電力，「電力需要状況のお知らせ」のホームページ http://denki-yoho.chuden.jp/ (15) (社)日本建築学会 住宅内のエネルギー消費量に関する 調査研究委員会，「住宅におけるエネルギー消費量デー タベース」のホームページ http://tkkankyo.eng.niigata-u.ac.jp/HP/HP/database/index.htm

Vol.44,No.2,March 2013.

423

3.1.2. 蓄電池劣化による影響 はじめに，①出力性能について分析する．蓄電池劣化と最 大出力の関係を図_{4 に示す．蓄電池最大出力は，許容最大放} 電率，さらには下限電圧の制約を受けて内部抵抗増加ととも に減少するが，本検討における_{JC08 モードの最大要求出力は} 22kW 程度であり，内部抵抗増加率 500%程度でも十分に要求 を満たすことが可能との結論となった． 次に，蓄電池劣化が車両性能に及ぼす影響について，②電 力消費率，および③一充電走行距離の悪化の様子を図_{5 に示} す．また，容量劣化と内部抵抗劣化の影響について個別に分 析するため，それぞれが単独で進行した場合の結果を補足的 に表_{5，6 にまとめる．電力消費率については，容量維持率 40%} （その際の内部抵抗増加率は約_{500%）時でも，その悪化率は} 10%未満である．この悪化の原因は，表 6 に示す通り，内部抵 抗劣化によるジュール損失増大によるものである．一方，一 充電走行距離については，容量維持率 _{40%（その際の内部抵} 抗増加率は約_{500%）時では 60%程度の悪化となる．これは，} 表_{5 に示す通り，主に容量劣化によるもので，当然ながら容} 量低下率と同等の悪化率となる． 以上の検討結果より，_{BEV において蓄電池劣化の影響を受} けやすい車両性能は一充電走行距離と言える．また，その性 能悪化をもたらす支配的な蓄電池劣化因子は，容量劣化である． 20 40 60 80 100 0 30 60 90 120 100 235 370 505 640 Capacity Maintenance Rate  Cs % M ax .O ut pu t Po w er kW

Internal Resistance Increasing Rate Rs % SOC 10% SOC 20% SOC 30%

Max. Request Battery Output Power @JC08 mode

Fig. 4 Relationship between Battery Deterioration and Max. Output Power of BEVs Battery System

9.93  9.67  9.35  9.14  200  156  113  ₇₄  100 235 370 505 0 60 120 180 240 0 5 10 15 20 100 80 60 40 Internal Resistance Increasing Rate Rs % Ra ng e km El ec tr ic ity  E co no m y km /k W h Capacity Maintenance Rate Cs % Electricity Economy km/kWh Range km

Fig. 5 Relationship between Battery Deterioration and Vehicle Performance of BEVs

Table 5 Relationship between Capacity Maintenance Rate and Vehicle Performance of BEVs

Cs [%] _@JC08mode Req. Power ECR [km/kWh] RD [km]

100 satisfied 9.93 200 80 satisfied 9.97 (+0.33%) _(-20%) 160 60 satisfied 9.97 (+0.38%) _(-40%) 120 40 satisfied 9.92 (-0.12%) _(-60%) 80

Table 6 Relationship between Internal Resistance Increasing Rate and Vehicle Performance of BEVs

Rs [%] _@JC08mode Req. Power ECR [km/kWh] RD [km]

100 satisfied 9.93 200 200 satisfied 9.76 (-1.8%) _(-1.6%)196 300 satisfied 9.59 (-3.5%) _(-3.1%)193 400 satisfied 9.35 (-5.9%) _(-5.2%)189 500 satisfied 9.17 (-7.7%) _(-6.8%)186 3.2. HEV における車両性能悪化現象 3.2.1. 分析対象とする車両性能 HEV では，モータのみで走行を行う BEV と異なりエンジ ンも併用するため，蓄電池の出力性能が悪化しても車両要求 出力を満足することができる．そのため，_{JC08 モード最大要} 求出力に係る検討は行わない．ここでは，燃費_{FCR [L/100km]} を分析対象性能とする．蓄電池性能悪化による出力不足を補 うためにエンジン稼働率が上がれば，燃費は悪化する．また， 回生エネルギー回収率が悪化しても燃費の悪化を招く．燃費 を分析対象とすることで，これらの事象の影響を踏まえ，総 合的な評価を行うことができるようになる． 3.2.2. 蓄電池劣化による影響 蓄電池劣化と燃費悪化の関係を図_{6 に示す．また，容量劣} 化と内部抵抗劣化の影響について個別に分析するため，それ ぞれが単独で進行した場合の結果を補足的に表_{7，8 にまとめ} る．表中には，_{JC08 モードを 1 回走行した際のエンジン稼働} 時間と回生電力回収率（回生により充電され得る電力のうち， 蓄電池入力性能悪化現象を考慮することで導出される回収可 能電力の割合）も記載している． 内部抵抗増加率約_{500%（その際の容量維持率は 40%）時の} 燃費の悪化率は_{20%程度である．これは，表 8 に示す通り，} 内部抵抗劣化による影響が支配的である．内部抵抗劣化によ るジュール損失の増大以外にも，エンジン稼働時間の増加や 回生電力回収率の悪化も燃費の悪化をもたらしている． 以上の検討結果より，_{HEV において蓄電池劣化の影響を受} けやすい車両性能は燃費と言える．また，その性能悪化をも たらす支配的な蓄電池劣化因子は，内部抵抗劣化である． 2.2. エンジン起動条件と暖機条件（HEV・PHEV） HEV・PHEV におけるエンジン起動条件を表 2，3 に示す． PHEV では，電力消費を主として走行する Charge Depleting (CD) mode とガソリン消費を主として走行する Charge Sustain (CS) mode でエンジン起動条件が異なる．起動時のエンジンは， オペレーティングカーブ上を動作させる(1)．

エンジン暖機については，_{HEV では走行開始時に行うもの} とする．_{PHEV では，CD mode をモータのみで走行する All} Electric (AE)制御時には CS mode に切り替わる際に，モータと エンジンを併用する_{Blended (Bld.)制御時には，走行開始時に} 行うものとする．暖機運転中のエンジン出力は触媒暖機に専 念するものとし，車両要求出力は蓄電池が担当する(1)．

Table 2 HEV's Engine ON Conditions High (SOC 50% or over) Low (SOC under 50%) ●Drive Power:15kW or over

▲Vehicle Speed:55km/h or over (Engine stops @SOC 52.5%

or over)

●Drive Power:10kW or over ▲Vehicle Speed:25km/h or over

■SOC: under 47.5%

Table 3 PHEV's Engine ON Conditions Engine

Control (SOC 90-32.5%) CD mode

CS mode High (SOC

32.5% or over) under 32.5%)Low (SOC AE (Engine stops _{all time)} ●Drive Power: _{15kW or over}

▲Vehicle Speed: 55km/h or over (Engine stops @SOC 35% or over) ●Drive Power: 10kW or over ▲Vehicle Speed: 25km/h or over ■SOC: under 30% Bld._ X kW ●Drive Power: X kW or over ▲Vehicle Speed: 55km/h or over 2.3. 検討対象とする蓄電池 各種電動車両に搭載する蓄電池の単セルあたりの開放電圧 と内部抵抗の_{State of Charge（以後，SOC と略す．）依存性を} 図_{2，3 に示す．これらの特性は，市販の BEV 用蓄電池，HEV} 用蓄電池の放電特性等を参考(3)にしており，それぞれの車両に 適用される．なお，_{PHEV には，HEV 用蓄電池の特性を適用} する．また，内部抵抗は，想定する蓄電池システムの容量に 合わせて補正している(4)．本検討では，端子電圧の上下限と， 車両方式毎に許容最大充放電率の制限を設定する．これらの 蓄電池条件を表_{4 に示す．} 本論文では，蓄電池の新品時に対する容量を容量維持率_Cs [%]と定義する．内部抵抗増加率 Rs [%]も同様とする．実使用 環境下では，容量劣化と内部抵抗劣化は同時に進行するが， その際の進行比率は，保存劣化試験の結果(5)を参考とした．蓄 電池の_{SOC については，新品時・劣化時ともにその時点での} 容量を基準に決定し，容量劣化は開放電圧の_{SOC 依存性には} 影響しないとした(6)． 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 20 40 60 80 100 O pe n Ci rc ui tV ol ta ge V SOC % BEV HEV・PHEV

Fig. 2 Characteristics of Open-Circuit Voltage of Lithium-ion Battery (Single Cell)

0 2 4 6 8 0 20 40 60 80 100 In te rn al Re sis ta nc e m Ω SOC % BEV(33Ah) HEV(6.5Ah) PHEV(8.7Ah)

Fig. 3 Characteristics of Internal Resistance of Lithium-ion Battery (Single Cell)

Table 4 Conditions of Lithium-ion Battery (Single Cell) Vehicle Types BEV HEV PHEV Upper Limit Voltage V 4.3

Lower Limit Voltage V 2.5

Max. Discharge Rate C 5 20 20 Max. Charge Rate C 3 20 20

3. 蓄電池劣化が進行した際の車両性能悪化現象 本章では，リチウムイオン蓄電池の劣化（容量劣化・内部 抵抗劣化により再現）が各車両の性能に及ぼす悪影響につい て，分析評価した結果をまとめる． 3.1. BEV における車両性能悪化現象 3.1.1. 分析対象とする車両性能 BEV における分析対象性能として，①出力（JC08 モードの 最大要求出力の満足），②電力消費率，③一充電走行距離を 選定した．_{BEV では，エンジンを有する HEV や PHEV と異} なり，モータのみで走行を行う．ゆえに，蓄電池の劣化が進 行した場合でも，出力性能を満足していることを確認する必 要がある．電力消費率_{ECR [km/kWh]，一充電走行距離 RD [km]} については，_{BEV の代表的な性能値であることから，当然な} がら対象とする．ここで，電力消費率は次式で定義する． ECR＝RD / EC_BEV …(1) EC_BEV [kWh]は一充電消費電力量である．本検討では，走行後 の蓄電電力を使い果たした状態から満充電までに要するエネ ルギーとする．

3.1.2. 蓄電池劣化による影響 はじめに，①出力性能について分析する．蓄電池劣化と最 大出力の関係を図_{4 に示す．蓄電池最大出力は，許容最大放} 電率，さらには下限電圧の制約を受けて内部抵抗増加ととも に減少するが，本検討における_{JC08 モードの最大要求出力は} 22kW 程度であり，内部抵抗増加率 500%程度でも十分に要求 を満たすことが可能との結論となった． 次に，蓄電池劣化が車両性能に及ぼす影響について，②電 力消費率，および③一充電走行距離の悪化の様子を図_{5 に示} す．また，容量劣化と内部抵抗劣化の影響について個別に分 析するため，それぞれが単独で進行した場合の結果を補足的 に表_{5，6 にまとめる．電力消費率については，容量維持率 40%} （その際の内部抵抗増加率は約_{500%）時でも，その悪化率は} 10%未満である．この悪化の原因は，表 6 に示す通り，内部抵 抗劣化によるジュール損失増大によるものである．一方，一 充電走行距離については，容量維持率 _{40%（その際の内部抵} 抗増加率は約_{500%）時では 60%程度の悪化となる．これは，} 表_{5 に示す通り，主に容量劣化によるもので，当然ながら容} 量低下率と同等の悪化率となる． 以上の検討結果より，_{BEV において蓄電池劣化の影響を受} けやすい車両性能は一充電走行距離と言える．また，その性 能悪化をもたらす支配的な蓄電池劣化因子は，容量劣化である． 20 40 60 80 100 0 30 60 90 120 100 235 370 505 640 Capacity Maintenance Rate  Cs % M ax .O ut pu t Po w er kW

Internal Resistance Increasing Rate Rs % SOC 10% SOC 20% SOC 30%

Max. Request Battery Output Power @JC08 mode

Fig. 4 Relationship between Battery Deterioration and Max. Output Power of BEVs Battery System

9.93  9.67  9.35  9.14  200  156  113  ₇₄  100 235 370 505 0 60 120 180 240 0 5 10 15 20 100 80 60 40 Internal Resistance Increasing Rate Rs % Ra ng e km El ec tr ic ity  E co no m y km /k W h Capacity Maintenance Rate Cs % Electricity Economy km/kWh Range km

Fig. 5 Relationship between Battery Deterioration and Vehicle Performance of BEVs

Table 5 Relationship between Capacity Maintenance Rate and Vehicle Performance of BEVs

Cs [%] _@JC08mode Req. Power ECR [km/kWh] RD [km]

100 satisfied 9.93 200 80 satisfied 9.97 (+0.33%) _(-20%) 160 60 satisfied 9.97 (+0.38%) _(-40%) 120 40 satisfied 9.92 (-0.12%) _(-60%) 80

Table 6 Relationship between Internal Resistance Increasing Rate and Vehicle Performance of BEVs

Rs [%] _@JC08mode Req. Power ECR [km/kWh] RD [km]

100 satisfied 9.93 200 200 satisfied 9.76 (-1.8%) _(-1.6%)196 300 satisfied 9.59 (-3.5%) _(-3.1%)193 400 satisfied 9.35 (-5.9%) _(-5.2%)189 500 satisfied 9.17 (-7.7%) _(-6.8%)186 3.2. HEV における車両性能悪化現象 3.2.1. 分析対象とする車両性能 HEV では，モータのみで走行を行う BEV と異なりエンジ ンも併用するため，蓄電池の出力性能が悪化しても車両要求 出力を満足することができる．そのため，_{JC08 モード最大要} 求出力に係る検討は行わない．ここでは，燃費_{FCR [L/100km]} を分析対象性能とする．蓄電池性能悪化による出力不足を補 うためにエンジン稼働率が上がれば，燃費は悪化する．また， 回生エネルギー回収率が悪化しても燃費の悪化を招く．燃費 を分析対象とすることで，これらの事象の影響を踏まえ，総 合的な評価を行うことができるようになる． 3.2.2. 蓄電池劣化による影響 蓄電池劣化と燃費悪化の関係を図_{6 に示す．また，容量劣} 化と内部抵抗劣化の影響について個別に分析するため，それ ぞれが単独で進行した場合の結果を補足的に表_{7，8 にまとめ} る．表中には，_{JC08 モードを 1 回走行した際のエンジン稼働} 時間と回生電力回収率（回生により充電され得る電力のうち， 蓄電池入力性能悪化現象を考慮することで導出される回収可 能電力の割合）も記載している． 内部抵抗増加率約_{500%（その際の容量維持率は 40%）時の} 燃費の悪化率は_{20%程度である．これは，表 8 に示す通り，} 内部抵抗劣化による影響が支配的である．内部抵抗劣化によ るジュール損失の増大以外にも，エンジン稼働時間の増加や 回生電力回収率の悪化も燃費の悪化をもたらしている． 以上の検討結果より，_{HEV において蓄電池劣化の影響を受} けやすい車両性能は燃費と言える．また，その性能悪化をも たらす支配的な蓄電池劣化因子は，内部抵抗劣化である． 2.2. エンジン起動条件と暖機条件（HEV・PHEV） HEV・PHEV におけるエンジン起動条件を表 2，3 に示す． PHEV では，電力消費を主として走行する Charge Depleting (CD) mode とガソリン消費を主として走行する Charge Sustain (CS) mode でエンジン起動条件が異なる．起動時のエンジンは， オペレーティングカーブ上を動作させる(1)．

エンジン暖機については，_{HEV では走行開始時に行うもの} とする．_{PHEV では，CD mode をモータのみで走行する All} Electric (AE)制御時には CS mode に切り替わる際に，モータと エンジンを併用する_{Blended (Bld.)制御時には，走行開始時に} 行うものとする．暖機運転中のエンジン出力は触媒暖機に専 念するものとし，車両要求出力は蓄電池が担当する(1)．

Table 2 HEV's Engine ON Conditions High (SOC 50% or over) Low (SOC under 50%) ●Drive Power:15kW or over

▲Vehicle Speed:55km/h or over (Engine stops @SOC 52.5%

or over)

●Drive Power:10kW or over ▲Vehicle Speed:25km/h or over

■SOC: under 47.5%

Table 3 PHEV's Engine ON Conditions Engine

Control (SOC 90-32.5%) CD mode

CS mode High (SOC

32.5% or over) under 32.5%)Low (SOC AE (Engine stops _{all time)} ●Drive Power: _{15kW or over}

▲Vehicle Speed: 55km/h or over (Engine stops @SOC 35% or over) ●Drive Power: 10kW or over ▲Vehicle Speed: 25km/h or over ■SOC: under 30% Bld._ X kW ●Drive Power: X kW or over ▲Vehicle Speed: 55km/h or over 2.3. 検討対象とする蓄電池 各種電動車両に搭載する蓄電池の単セルあたりの開放電圧 と内部抵抗の_{State of Charge（以後，SOC と略す．）依存性を} 図_{2，3 に示す．これらの特性は，市販の BEV 用蓄電池，HEV} 用蓄電池の放電特性等を参考(3)にしており，それぞれの車両に 適用される．なお，_{PHEV には，HEV 用蓄電池の特性を適用} する．また，内部抵抗は，想定する蓄電池システムの容量に 合わせて補正している(4)．本検討では，端子電圧の上下限と， 車両方式毎に許容最大充放電率の制限を設定する．これらの 蓄電池条件を表_{4 に示す．} 本論文では，蓄電池の新品時に対する容量を容量維持率_Cs [%]と定義する．内部抵抗増加率 Rs [%]も同様とする．実使用 環境下では，容量劣化と内部抵抗劣化は同時に進行するが， その際の進行比率は，保存劣化試験の結果(5)を参考とした．蓄 電池の_{SOC については，新品時・劣化時ともにその時点での} 容量を基準に決定し，容量劣化は開放電圧の_{SOC 依存性には} 影響しないとした(6)． 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 20 40 60 80 100 O pe n Ci rc ui tV ol ta ge V SOC % BEV HEV・PHEV

Fig. 2 Characteristics of Open-Circuit Voltage of Lithium-ion Battery (Single Cell)

0 2 4 6 8 0 20 40 60 80 100 In te rn al Re sis ta nc e m Ω SOC % BEV(33Ah) HEV(6.5Ah) PHEV(8.7Ah)

Fig. 3 Characteristics of Internal Resistance of Lithium-ion Battery (Single Cell)

Table 4 Conditions of Lithium-ion Battery (Single Cell) Vehicle Types BEV HEV PHEV Upper Limit Voltage V 4.3

Lower Limit Voltage V 2.5

Max. Discharge Rate C 5 20 20 Max. Charge Rate C 3 20 20

3. 蓄電池劣化が進行した際の車両性能悪化現象 本章では，リチウムイオン蓄電池の劣化（容量劣化・内部 抵抗劣化により再現）が各車両の性能に及ぼす悪影響につい て，分析評価した結果をまとめる． 3.1. BEV における車両性能悪化現象 3.1.1. 分析対象とする車両性能 BEV における分析対象性能として，①出力（JC08 モードの 最大要求出力の満足），②電力消費率，③一充電走行距離を 選定した．_{BEV では，エンジンを有する HEV や PHEV と異} なり，モータのみで走行を行う．ゆえに，蓄電池の劣化が進 行した場合でも，出力性能を満足していることを確認する必 要がある．電力消費率_{ECR [km/kWh]，一充電走行距離 RD [km]} については，_{BEV の代表的な性能値であることから，当然な} がら対象とする．ここで，電力消費率は次式で定義する． ECR＝RD / EC_BEV …(1) EC_BEV [kWh]は一充電消費電力量である．本検討では，走行後 の蓄電電力を使い果たした状態から満充電までに要するエネ ルギーとする．

PHEV において蓄電池劣化の影響を受けやすい車両性能は， CD レンジ，複合燃費である．容量維持率 40%（その際の内部 抵抗増加率は約_{500%）時の悪化率は，CD レンジ：65%，複} 合燃費：_{40%程度となる．その性能悪化をもたらす支配的な蓄} 電池劣化因子は容量劣化であるが，容量劣化と内部抵抗劣化 のうち一方が支配的となる_{BEV や HEV とは異なり，内部抵} 抗劣化の影響も比較的大きく受けていることが特徴と言える．

Table 9 Relationship between Capacity Maintenance Rate and Vehicle Performance of PHEVs (AE Control)

Cs [%] UF RCD [km] [km/kWh] ECR [km/l] FCS [km/l] FPH 100 0.53 30.8 8.61 28.8 61.2 80 0.47 _(-19%) 24.8 _(+0.68%) 8.66 _(+0.47%) 29.0 _(-11%) 54.2 60 0.38 _(-40%) 18.4 _(-0.48%) 8.57 _(+0.65%) 29.0 _(-23%) 47.0 40 0.28 _(-60%) 12.2 _(-0.63%) 8.55 _(+0.72%) 29.0 _(-34%) 40.5

Table 10 Relationship between Internal Resistance Increasing Rate and Vehicle Performance of PHEVs (AE Control)

Rs [%] UF RCD [km] [km/kWh] ECR [km/l] FCS [km/l] FPH 100 0.53 30.8 8.61 28.8 61.2 200 0.53 _(-1.1%) 30.5 _(-1.3%) 8.49 _(+0.72%) 29.0 _(+0.04%)61.2 300 0.52 _(-4.2%) 29.5 _(-4.7%) 8.20 _(-2.8%) 28.0 _(-5.4%) 57.9 400 0.50 _(-8.1%) 28.3 _(-8.7%) 7.85 _(-4.1%) 27.6 _(-9.0%) 55.7 500 0.49 _(-12%) 27.0 _(-13%) 7.47 _(-5.8%) 27.0 _(-13%) 53.3 4. 各車両方式における蓄電池許容劣化度についての検討 本章では，各車両方式の蓄電池許容劣化度について検討す る．ここでは，統一的な処理を行うために，以下の通りに進 める． はじめに，車両への要求事項や，種々の性能に対する蓄電 池劣化の影響の強さなどを踏まえ，蓄電池許容劣化度決定に 用いる最も重要な「車両性能」を各車両方式毎に定める．次 に，容量劣化と内部抵抗劣化のうち，選定した車両性能の悪 化に対して支配的な「劣化因子」を定める．なお，ここでは 内部抵抗劣化と同様の指標と見なせ，より把握が容易な蓄電 池の最大出力維持率Ps [%]も併用する．最後に，選定した車 両性能が_20%(8)悪化する際の劣化因子の劣化度を，「蓄電池許 容劣化度」と定める． 以下，各車両方式の蓄電池許容劣化度について検討した結 果をまとめる． BEV では，前章の分析結果より，一充電走行距離を蓄電池 許容劣化度決定に用いる車両性能として選定した．これに大 きく影響を及ぼす蓄電池劣化因子は，容量劣化である．図 ₈ のシミュレーション結果より，「一充電走行距離_20%悪化を もたらす容量維持率_{80%程度」を BEV における蓄電池許容劣} 化度と定めることとした． HEV では，前章の分析結果より，燃費を蓄電池許容劣化度 決定に用いる車両性能として選定した．これに大きく影響を 及ぼす蓄電池劣化因子は，内部抵抗劣化である．図_{9 のシミ} ュレーション結果より，「燃費 _{20%悪化をもたらす最大出力} 維持率_{40%程度（内部抵抗増加率では約 450%に相当）」を} HEV における蓄電池許容劣化度と定めることとした． PHEV では，電力とガソリンを消費するため，これらを総 合的に考慮する必要がある．以下の式より電費と燃費を_CO2 排出率に換算し，按分和させた_CO2排出率_{mPHEV_CO2 [g/km]を} 蓄電池許容劣化度決定に用いる車両性能として選定した．

mCO2_CD = αgas / FCD + αele / ECR …(6)

mCO2_CS = αgas / FCS …(7)

mPHEV_CO2 = UF × mCO2_CD + (1 – UF ) × mCO2_CS …(8)

ここで，_αgasはガソリンの_CO2排出源単位（_{2322g-CO2/L），αele} は電気エネルギーの_CO2排出源単位（_{375g-CO2/kWh）である} (9)_{．前章の分析結果より，PHEV の車両性能に支配的な劣化因} 子は，容量劣化であることが確認できている．図_{10 のシミュ} レーション結果より，「_CO2排出率 _{20%悪化をもたらす容量} 維持率_{50%程度」を PHEV における蓄電池許容劣化度と定め} ることとした． 5. ま と め 1) BEV において重要かつ蓄電池劣化の影響を受けやすい車両 性能は一充電走行距離である．また，その性能悪化をもたら す支配的な蓄電池劣化因子は，容量劣化である．本研究では， 「一充電走行距離_{20%悪化をもたらす容量維持率 80%程度」} を_{BEV における蓄電池許容劣化度と定めることとした．} 2) HEV において重要かつ蓄電池劣化の影響を受けやすい車両 性能は燃費である．また，その性能悪化をもたらす支配的な 蓄電池劣化因子は，内部抵抗劣化である．本研究では，「燃 費_{20%悪化をもたらす最大出力維持率 40%程度」を HEV にお} ける蓄電池許容劣化度と定めることとした． 3) PHEV において重要かつ蓄電池劣化の影響を受けやすい車 両性能は，_{CD レンジと複合燃費である．また，その性能悪化} をもたらす支配的な蓄電池劣化因子は，容量劣化である．本 研究では，電費と燃費を総合的に考慮し，「_CO2排出率 _20% 悪化をもたらす容量維持率_{50%程度」を PHEV における蓄電} 池許容劣化度と定めることとした． 3.07  3.22  3.54  3.79  100 235 370 505 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 100 80 60 40

Internal Resistance Increasing Rate Rs %

Ra te  o f C ha ng e    % Fu el  C on su m pt io n L/ 10 0k m Capacity Maintenance Rate Cs % Fuel Consumption L/100km Rate of Change %

Fig. 6 Relationship between Battery Deterioration and Vehicle Performance of HEVs

Table 7 Relationship between Capacity Maintenance Rate and Vehicle Performance of HEVs

Cs [%] FCR [L/100km] [km/L] 1/FCR Engine ON Time [s] Max. Regeneration Rate [%] 100 3.07 32.6 281 100 80 _(+0.37%) 3.08 _(-0.36%)32.5 _(+0.07%) 282 100 60 _(+1.0%) 3.10 _(-1.0%) 32.3 _(-0.82%) 279 100 40 _(+1.9%) 3.13 _(-1.8%) 32.0 _(-2.2%) 275 100

Table 8 Relationship between Internal Resistance Increasing Rate and Vehicle Performance of HEVs

Rs [%] FCR [L/100km] [km/L] 1/FCR Engine ON Time [s] Max. Regeneration Rate [%] 100 3.07 32.6 281 100 200 _(+3.2%) 3.17 _(-3.1%) 31.6 _(+1.2%) 287 100 300 _(+8.4%) 3.33 _(-7.8%) 30.1 _(+6.1%) 299 99.6 400 _(+16%) 3.56 _(-14%) 28.1 _(+11%) 311 97.1 500 _(+21%) 3.70 _(-17%) 27.0 _(+12%) 314 93.1 3.3. PHEV における車両性能悪化�象 3.3.1. 分析対象とする車両性能 PHEV においても，HEV と同様の理由で JC08 モード最大要 求出力に係る検討は行わない．ここでは，国土交通省の定め る_{7 つの評価指標}(7)を分析対象性能とする．以下，その詳細に ついて記述する． ① _{CD レンジ RCD [km]：CD mode 走行が可能な距離} ② _{CD 燃費 FCD [km/L]：CD mode 走行時の燃費} ③ _{CS 燃費 FCS [km/L]：CS mode 走行時の燃費} ④ _{複合燃費 FPH [km/L]：FCD}と_FCSを複合させた燃費で，次式 で導出される． 1/ FPH = UF × 1/ FCD + (1 – UF) × 1/ FCS …(2) ここで_{UF（ユーティリティファクタ）は以下の通りであ} る(2)． UF (RCD) = 1 – exp (29.1 (RCD / 400)6 – 98.9 (RCD / 400)5 + 134 (RCD / 400)4 – 89.5 (RCD / 400)3 + 32.5 (RCD / 400)2 – 11.8 (RCD / 400)) …(3) ⑤ _{等価 EV レンジ REV [km]：外部充電エネルギーを用いて走} 行した距離で，_{AE 制御を採用する PHEV については RCD} と_REVは同値となる．本検討では以下のとおり算出する． REV = RCD × (1/ FCS – 1/ FCD) / (1/ FCS) …(4) ⑥ _{一充電消費電力量 EC_PHEV [kWh]：走行終了後，外部充電器} を用いて満充電する際に要する電力量である． ⑦ _{電力消費率 ECR [km/kWh]：CD mode 走行時の電力消費率で} あり，次式で導出される． ECR = REV / EC_PHEV …(5) 3.3.2. 蓄電池劣化に�る影響 蓄電池劣化と_{PHEV の車両性能の悪化の関係を図7 に示す．} また，容量劣化と内部抵抗劣化の影響について個別に分析す るため，それぞれが単独で進行した場合の結果を補足的に表_9， 10 にまとめる．ここでは，紙面の都合上，蓄電池劣化の影響 を大きく受ける_{AE 制御のみを扱う}(1)． 28.8  28.4  27.9  27.3  61.2  51.4  43.6  _36.4  0.53  0.45  0.36  0.25  100 235 370 505 0.0  0.2  0.4  0.6  0.8  0 20 40 60 80 100 80 60 40 Internal Resistance Increasing Rate Rs % U til ity  F ac to r Fu el  E co no m y km /L CD  R an ge   km Capacity Maintenance Rate Cs % CD F.E. km/L CS F.E. km/L Combined F.E. km/L CD Range km UF

(a) Fuel Economy Performance

8.6  8.1  7.8  7.3  3.6  2.9  _2.2  1.4  30.8  23.3  16.9  _10.6  100 235 370 505 0 12 24 36 0 4 8 12 100 80 60 40 Internal Resistance Increasing Rate Rs % To ta l E le ct ric ity  C ha rg ed     kW h El ec tr ic ity  E co no m y km /k W h Eq ui va le nt  E V  Ra ng e    k m Capacity Maintenance Rate Cs % Electricity Economy km/kWh Total Electricity Charged kWh Equivalent EV Range km

(b) Electricity Economy Performance

Fig. 7 Relationship between Battery Deterioration and Vehicle Performance of PHEVs (AE Control)

PHEV において蓄電池劣化の影響を受けやすい車両性能は， CD レンジ，複合燃費である．容量維持率 40%（その際の内部 抵抗増加率は約_{500%）時の悪化率は，CD レンジ：65%，複} 合燃費：_{40%程度となる．その性能悪化をもたらす支配的な蓄} 電池劣化因子は容量劣化であるが，容量劣化と内部抵抗劣化 のうち一方が支配的となる_{BEV や HEV とは異なり，内部抵} 抗劣化の影響も比較的大きく受けていることが特徴と言える．

Table 9 Relationship between Capacity Maintenance Rate and Vehicle Performance of PHEVs (AE Control)

Cs [%] UF RCD [km] [km/kWh] ECR [km/l] FCS [km/l] FPH 100 0.53 30.8 8.61 28.8 61.2 80 0.47 _(-19%) 24.8 _(+0.68%) 8.66 _(+0.47%) 29.0 _(-11%) 54.2 60 0.38 _(-40%) 18.4 _(-0.48%) 8.57 _(+0.65%) 29.0 _(-23%) 47.0 40 0.28 _(-60%) 12.2 _(-0.63%) 8.55 _(+0.72%) 29.0 _(-34%) 40.5

Table 10 Relationship between Internal Resistance Increasing Rate and Vehicle Performance of PHEVs (AE Control)

Rs [%] UF RCD [km] [km/kWh] ECR [km/l] FCS [km/l] FPH 100 0.53 30.8 8.61 28.8 61.2 200 0.53 _(-1.1%) 30.5 _(-1.3%) 8.49 _(+0.72%) 29.0 _(+0.04%)61.2 300 0.52 _(-4.2%) 29.5 _(-4.7%) 8.20 _(-2.8%) 28.0 _(-5.4%) 57.9 400 0.50 _(-8.1%) 28.3 _(-8.7%) 7.85 _(-4.1%) 27.6 _(-9.0%) 55.7 500 0.49 _(-12%) 27.0 _(-13%) 7.47 _(-5.8%) 27.0 _(-13%) 53.3 4. 各車両方式における蓄電池許容劣化度についての検討 本章では，各車両方式の蓄電池許容劣化度について検討す る．ここでは，統一的な処理を行うために，以下の通りに進 める． はじめに，車両への要求事項や，種々の性能に対する蓄電 池劣化の影響の強さなどを踏まえ，蓄電池許容劣化度決定に 用いる最も重要な「車両性能」を各車両方式毎に定める．次 に，容量劣化と内部抵抗劣化のうち，選定した車両性能の悪 化に対して支配的な「劣化因子」を定める．なお，ここでは 内部抵抗劣化と同様の指標と見なせ，より把握が容易な蓄電 池の最大出力維持率Ps [%]も併用する．最後に，選定した車 両性能が_20%(8)悪化する際の劣化因子の劣化度を，「蓄電池許 容劣化度」と定める． 以下，各車両方式の蓄電池許容劣化度について検討した結 果をまとめる． BEV では，前章の分析結果より，一充電走行距離を蓄電池 許容劣化度決定に用いる車両性能として選定した．これに大 きく影響を及ぼす蓄電池劣化因子は，容量劣化である．図 ₈ のシミュレーション結果より，「一充電走行距離_20%悪化を もたらす容量維持率_{80%程度」を BEV における蓄電池許容劣} 化度と定めることとした． HEV では，前章の分析結果より，燃費を蓄電池許容劣化度 決定に用いる車両性能として選定した．これに大きく影響を 及ぼす蓄電池劣化因子は，内部抵抗劣化である．図_{9 のシミ} ュレーション結果より，「燃費 _{20%悪化をもたらす最大出力} 維持率_{40%程度（内部抵抗増加率では約 450%に相当）」を} HEV における蓄電池許容劣化度と定めることとした． PHEV では，電力とガソリンを消費するため，これらを総 合的に考慮する必要がある．以下の式より電費と燃費を_CO2 排出率に換算し，按分和させた_CO2排出率_{mPHEV_CO2 [g/km]を} 蓄電池許容劣化度決定に用いる車両性能として選定した．

mCO2_CD = αgas / FCD + αele / ECR …(6)

mCO2_CS = αgas / FCS …(7)

mPHEV_CO2 = UF × mCO2_CD + (1 – UF ) × mCO2_CS …(8)

ここで，_αgasはガソリンの_CO2排出源単位（_{2322g-CO2/L），αele} は電気エネルギーの_CO2排出源単位（_{375g-CO2/kWh）である} (9)_{．前章の分析結果より，PHEV の車両性能に支配的な劣化因} 子は，容量劣化であることが確認できている．図_{10 のシミュ} レーション結果より，「_CO2排出率 _{20%悪化をもたらす容量} 維持率_{50%程度」を PHEV における蓄電池許容劣化度と定め} ることとした． 5. ま と め 1) BEV において重要かつ蓄電池劣化の影響を受けやすい車両 性能は一充電走行距離である．また，その性能悪化をもたら す支配的な蓄電池劣化因子は，容量劣化である．本研究では， 「一充電走行距離_{20%悪化をもたらす容量維持率 80%程度」} を_{BEV における蓄電池許容劣化度と定めることとした．} 2) HEV において重要かつ蓄電池劣化の影響を受けやすい車両 性能は燃費である．また，その性能悪化をもたらす支配的な 蓄電池劣化因子は，内部抵抗劣化である．本研究では，「燃 費_{20%悪化をもたらす最大出力維持率 40%程度」を HEV にお} ける蓄電池許容劣化度と定めることとした． 3) PHEV において重要かつ蓄電池劣化の影響を受けやすい車 両性能は，_{CD レンジと複合燃費である．また，その性能悪化} をもたらす支配的な蓄電池劣化因子は，容量劣化である．本 研究では，電費と燃費を総合的に考慮し，「_CO2排出率 _20% 悪化をもたらす容量維持率_{50%程度」を PHEV における蓄電} 池許容劣化度と定めることとした． 3.07  3.22  3.54  3.79  100 235 370 505 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 100 80 60 40

Internal Resistance Increasing Rate Rs %

Ra te  o f C ha ng e    % Fu el  C on su m pt io n L/ 10 0k m Capacity Maintenance Rate Cs % Fuel Consumption L/100km Rate of Change %

Fig. 6 Relationship between Battery Deterioration and Vehicle Performance of HEVs

Table 7 Relationship between Capacity Maintenance Rate and Vehicle Performance of HEVs

Cs [%] FCR [L/100km] [km/L] 1/FCR Engine ON Time [s] Max. Regeneration Rate [%] 100 3.07 32.6 281 100 80 _(+0.37%) 3.08 _(-0.36%)32.5 _(+0.07%) 282 100 60 _(+1.0%) 3.10 _(-1.0%) 32.3 _(-0.82%) 279 100 40 _(+1.9%) 3.13 _(-1.8%) 32.0 _(-2.2%) 275 100

Table 8 Relationship between Internal Resistance Increasing Rate and Vehicle Performance of HEVs

Rs [%] FCR [L/100km] [km/L] 1/FCR Engine ON Time [s] Max. Regeneration Rate [%] 100 3.07 32.6 281 100 200 _(+3.2%) 3.17 _(-3.1%) 31.6 _(+1.2%) 287 100 300 _(+8.4%) 3.33 _(-7.8%) 30.1 _(+6.1%) 299 99.6 400 _(+16%) 3.56 _(-14%) 28.1 _(+11%) 311 97.1 500 _(+21%) 3.70 _(-17%) 27.0 _(+12%) 314 93.1 3.3. PHEV における車両性能悪化�象 3.3.1. 分析対象とする車両性能 PHEV においても，HEV と同様の理由で JC08 モード最大要 求出力に係る検討は行わない．ここでは，国土交通省の定め る_{7 つの評価指標}(7)を分析対象性能とする．以下，その詳細に ついて記述する． ① _{CD レンジ RCD [km]：CD mode 走行が可能な距離} ② _{CD 燃費 FCD [km/L]：CD mode 走行時の燃費} ③ _{CS 燃費 FCS [km/L]：CS mode 走行時の燃費} ④ _{複合燃費 FPH [km/L]：FCD}と_FCSを複合させた燃費で，次式 で導出される． 1/ FPH = UF × 1/ FCD + (1 – UF) × 1/ FCS …(2) ここで_{UF（ユーティリティファクタ）は以下の通りであ} る(2)． UF (RCD) = 1 – exp (29.1 (RCD / 400)6 – 98.9 (RCD / 400)5 + 134 (RCD / 400)4 – 89.5 (RCD / 400)3 + 32.5 (RCD / 400)2 – 11.8 (RCD / 400)) …(3) ⑤ _{等価 EV レンジ REV [km]：外部充電エネルギーを用いて走} 行した距離で，_{AE 制御を採用する PHEV については RCD} と_REVは同値となる．本検討では以下のとおり算出する． REV = RCD × (1/ FCS – 1/ FCD) / (1/ FCS) …(4) ⑥ _{一充電消費電力量 EC_PHEV [kWh]：走行終了後，外部充電器} を用いて満充電する際に要する電力量である． ⑦ _{電力消費率 ECR [km/kWh]：CD mode 走行時の電力消費率で} あり，次式で導出される． ECR = REV / EC_PHEV …(5) 3.3.2. 蓄電池劣化に�る影響 蓄電池劣化と_{PHEV の車両性能の悪化の関係を図7 に示す．} また，容量劣化と内部抵抗劣化の影響について個別に分析す るため，それぞれが単独で進行した場合の結果を補足的に表_9， 10 にまとめる．ここでは，紙面の都合上，蓄電池劣化の影響 を大きく受ける_{AE 制御のみを扱う}(1)． 28.8  28.4  27.9  27.3  61.2  51.4  43.6  _36.4  0.53  0.45  0.36  0.25  100 235 370 505 0.0  0.2  0.4  0.6  0.8  0 20 40 60 80 100 80 60 40 Internal Resistance Increasing Rate Rs % U til ity  F ac to r Fu el  E co no m y km /L CD  R an ge   km Capacity Maintenance Rate Cs % CD F.E. km/L CS F.E. km/L Combined F.E. km/L CD Range km UF

(a) Fuel Economy Performance

8.6  8.1  7.8  7.3  3.6  2.9  _2.2  1.4  30.8  23.3  16.9  _10.6  100 235 370 505 0 12 24 36 0 4 8 12 100 80 60 40 Internal Resistance Increasing Rate Rs % To ta l E le ct ric ity  C ha rg ed     kW h El ec tr ic ity  E co no m y km /k W h Eq ui va le nt  E V  Ra ng e    k m Capacity Maintenance Rate Cs % Electricity Economy km/kWh Total Electricity Charged kWh Equivalent EV Range km

(b) Electricity Economy Performance

Fig. 7 Relationship between Battery Deterioration and Vehicle Performance of PHEVs (AE Control)

リチウムイオン電池の劣化のモデル化に関する研究

―劣化加速試験一年経過時点における報告―

加地 健太郎1） _{田中 謙司}2) _{秋元 博路}3） _{張 静}4) _{今村 大地}5)

Evaluation Model for Lithium-ion Battery Deterioration

- A Report Based on One Year Deterioration Experiment-

Kentaro Kaji Kenji Tanaka Hiromichi Akimoto Jing Zhang Daichi Imamura

Lithium-ion Batteries (LiB) are increasingly used in automobiles and buildings since around 2010. Although the lifetime of several years is long enough for LiB used in small electronic devices, a life time of more than 10 years will be required for LiB in infrastructures However, many LiB users are reporting uncertainty of the life time of LiB. This is one of the major problems which prevent LiB from spreading to society. Therefore, it is important to predict the degradation of battery performance and the lifetime of LiB based on the present performance. It will decide proper installation place of used battery and how to use them in the future. The authors developed an evaluation model of used LiBs. The model contains two elements: (1) degradation speed database of experiments and (2) the modeling of use pattern and condition of LiB.

KEY WORDS: lithium ion battery, state of charge, charge/discharge Evaluation model (A3) 1．ま え が き 2000 年代後半より，リチウムイオン電池(LiB)はその性能の 向上により，民生用途としての利用から車載用途や定置用途 といったインフラ用途としての利用へと適用範囲が拡大して きた．しかしインフラ用途に使用する LiB は民生用に比べて 長期の使用に耐えることが求められ，LiB がその一部を構成す るシステムに対して要求される性能を発揮できなくなるまで の期間を寿命として定義すると，インフラ用途の LiB は民生 用途の LiB の 2 年から 3 年の寿命と違って 10 年以上の寿命で あることが要請される．しかし，現在は電池の寿命を予測す る手法が未だに確立されていないために，ユーザーが電池の 寿命の不確実性を甘受しており，このことがインフラ用途の LiB の普及を妨げる一要因となっている．そのため，LiB の性 能を評価し，ユーザーに対して LiB の寿命を保証する手法を 確立することが要請されている． LIB の劣化に関しては，部材ごとに劣化のメカニズムにつ いて考察した研究(2,3)_{や劣化要因と放電曲線の関係について考} 察した研究(4,5,6)_{がある．また，LIB の寿命推定に関する研究} に関しては恒常的な劣化環境の中で_{LIB を劣化させた場合の} 寿命推定モデルを構築した研究がある(7,8）_{．近年では，車載用} 電池や再生エネルギー（RE）の出力変動を平滑化させること を目的とした電池など，LIB の用途別に劣化要因が LIB の残 存性能に与える影響を考察した研究がなされている(9）_．これ らの研究は，リチウムイオン電池の劣化の要因と劣化の現象 について考察したものであるが，実用電池について劣化をモ デル化し，寿命推定を行ったうえで，電池の資産価値を評価 する手法を構築した研究はこれまでにない． 本研究では，電池開発用の精緻なモデルではなくユーザー が_{LiB を使用するうえで安心して LiB を使えるシステムレベ} ルのマクロな評価モデルを目指す．そのために必要となる_LiB の性能をエネルギー密度 E[J]および出力密度 P[W]と定義し たうえで，18650 型 LiB の劣化加速試験のデータ解析をもと にLiB の劣化モデルを開発する． 2．リチウムイオン電池の劣化因子と劣化の種類 LiB の性能劣化は仕事量および仕事率（出力）の減少として 現れるが，LiB の使用条件や環境条件と性能劣化の因果関係は 完全には解明されていない(1)_{．本研究では，LiB の代表的な劣} 化因子を，温度，保存電圧，使用時の放電レートとし，LiB

＊

*2012 年 10 月 4 日受理．2012 年 10 月 4 日自動車技術会秋 季学術講演会において発表． 1)・2)・4)東京大学大学院工学系研究科技術経営戦略学専攻 (113-0033 東京都文京区本郷 7-3-1 船形試験水槽二階) 3) Korea Advanced Institute of Science and Technology

(Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-701, Republic of Korea)

5) (一財)日本自動車研究所 FC・EV 研究部性能研究グループ (305-0822 茨城県つくば市苅間 2530) 100 235 370 505 640 0 40 80 120 160 200 240 20 40 60 80 100 120 140 20 40 60 80 100 Internal Resistance Increasing Rate Rs % Capacity Maintenance Rate Cs % Rate of Change % Range km

Max. Output Power Maintenance Rate Ps %

100 81 56 41 32 Ra te of Ch an ge % Ra ng e km

Fig. 8 Relationship between Range and BEV's Battery Deterioration

100 235 370 505 640 3.0  3.2  3.4  3.6  3.8  4.0  4.2  80 90 100 110 120 130 140 20 40 60 80 100 Internal Resistance Increasing Rate Rs % Capacity Maintenance Rate Cs % Rate of Change % F.C. L/100km

Max. Output Power Maintenance Rate Ps %

100 73 46 40 34 27 Fu el Co ns um pt io n L/ 10 0k m Ra te of Ch an ge % 450

Fig. 9 Relationship between Fuel Consumption and HEV's Battery Deterioration

100 235 370 505 640 50 60 70 80 90 100 110 80 90 100 110 120 130 140 20 40 60 80 100 Internal Resistance Increasing Rate Rs % Capacity Maintenance Rate Cs % Rate of Change % CO2 Emissions g/km

Max. Output Power Maintenance Rate Ps %

100 67 43 31 25 Ra te of Ch an ge % CO2 Em is si on s g/ km 50

Fig. 10 Relationship between WtoW CO2 Emissions and PHEV's Battery Deterioration

参 _{考 文 献} (1) 木野戸秀将，落合和樹，松村広基，紙屋雄史，大聖泰弘， 森田賢治：「プラグインハイブリッド自動車におけるリチウ ムイオン蓄電池の許容劣化度についての検討」，自動車技術 会論文集，_{Vol. 43，No. 2，20124254，pp. 491-496（2012）} (2) 軽・中量車燃料消費率試験方法（JC08 モード燃料消費率 等試験方法）_{, TRIAS, 5-9-2009（2009）} (3) GS YUASA：「産業用リチウムイオン電池」製品カタログ （_2011） (4) 仁科 辰夫，「高速充放電リチウムイオン二次電池の開発」， FB テクニカルニュース，No.64 号（2008） (5) 竹井勝仁：「重要性が増してきた二次電池技術の最前線」， 電気学会誌，_{No. 130, Vol. 5, pp. 280- 284（2010）} (6) 廣田幸嗣，足立修一，出口欣高，小笠原悟司：「電気自動 車 の 制 御 シ ス テ ム 」 ， 東 京 電 機 大 学 出 版 局 ，_ISBN978- 4-501-41830-4（2009） (7) 河合英直，新国哲也：「プラグインハイブリッド車の特徴 とその評価に対する課題」，自動車技術，_{Vol. 63，No. 9，pp.} 29-36（2009）

(8) Japan automobile research institute, Japan Electric Vehicle Standard D708（1999）

(9) 環境省：「温室効果ガス総排出量算定方法ガイドライン」 （_2011）