MITSUBISHI DENKI GIHO

特集論文

吉岡省二＊
吉瀬万希子＊＊

蓄電池制御技術
Battery Charge Discharge Control Technology
Shoji Yoshioka, Makiko Kise

要旨
太陽光，風力等の自然エネルギーで発電した電力の有効200Wh/kg以上を持つ高エネルギー密度型があり，高出力利用には，変動する発電電力を効率良く貯蔵し，需要に応型はより速く電力を貯蔵又は放電できる電池，高エネルギ

じた電力を供給することが条件となる。再生可能エネルギ

ー密度型は単位重量あたり，より多くのエネルギーを貯蔵ーを本格導入するには，電力需給バランスの精密制御が必できる電池であり，スマートグリッドなど大規模な定置用要で，それを可能にする電力インフラがスマートグリッド

電力貯蔵には，高エネルギー密度型が適している。一方，である。家庭，ビル，工場等に設置された太陽電池モジュ

LIBは寿命特性に課題があり，充放電特性の経年劣化と使ールで発電される電力と，需要家の電力消費は一致しない

用条件による安全性低下等の問題がある。現状は電圧や電ため，電力の過剰供給と過負荷防止には，電力バッファと流の制御によって必要寿命を確保しているが，蓄電池シスなる蓄電池システムがスマートグリッドには不可欠である。

テムの信頼性，安全性を更に追求するためには，電池特性蓄電池には，電力貯蔵可能な二次電池である鉛蓄電池，を熟知して構築した制御技術が必要である。特に電池使用

ニッカド電池，ニッケル水素電池等があるが，エネルギー条件と環境条件は寿命特性への影響が大きい。

密度，環境負荷，自己放電性能を考慮すると，自動車用に普及拡大の始まったリチウムイオン二次電池（Lithium Ion（注1）

Battery：LIB）が現在最も有力である。LIBには出力密度（注2）1,000W/kgを超える高出力型とエネルギー密度

本稿では，蓄電池を長期間最適状態に保ち，システムの信頼性を優先した蓄電池制御技術について述べる。
（注１） 電池充放電時の電池出力（W）を電池重量で除した値（注２） 電池出力（W）と出力可能時間（h）の積である蓄電エネルギー（Wh＝3,600ジュール）を電池重量で除した値

電気二重層PCS系統／−電気二重層

C1

C1R0−／−
Voc
正極負荷−／−充放電制御
へ展開
太陽電池など電池制御装置他の直流電源

蓄電池
モジュール

イオン伝導Rw

固相拡散Rw

R1R1電極反応

Voc
負極

固相拡散電極反応

電池反応の等価回路モデル

LiLi
Li

電荷移動反応Lie-e-e-++Li+

Li

Li

蓄電池システム構成例

電荷移動反応Li原子の固相拡散（正極）Liイオンの泳動

Li

Li

Li原子の固相拡散（負極）DC Power
PCS：Power Conditioning System
Voc ：Voltage of open circuit

充電時LIBの電極反応と物質移動過程

蓄電池システムの構成例と充放電制御に用いるリチウムイオン電池反応の等価回路モデル
正極の固相からリチウム原子が脱離し，エネルギーレベルの高い負極固相内に挿入されることでリチウムイオン電池に電力が貯蔵される。貯蔵の過程で複数の電荷移動反応とイオン移動を経由するため，抵抗（イオン伝導抵抗R0，電極反応抵抗R1，固相拡散の抵抗Rw）と，電極界面の電気二重層に蓄えられるキャパシタンス成分C1を考慮することで電池反応は等価回路で表せる。このモデルを基に，正確なSOC，充放電可能最大電力，電池寿命の推定によって，安全性と信頼性の高い蓄電池システムの構築が可能となる。

50（148） ＊先端技術総合研究所（博士（エネルギー科学）） ＊＊同研究所

三菱電機技報・Vol.86・No.2・2012

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特集論文
逸脱したときに電力を遮断する制御であり，電池保護優先

1．ま え が きの制御である。この場合，システムの動作状態に関係なく三菱電機は，衛星携帯電話，人工衛星用電源等，リチウ充電や放電が急停止するため，負荷，系統，発電装置の故ムイオン電池を使った蓄電池システムを開発している。リ障など，ユーザーの利益・利便性を損なう場合がある。図チウムイオン電池はエネルギー密度が高く，小型軽量化が２は，電池保護と蓄電池システムの効率的利用を両立させ（1）可能であるが，高コストと寿命特性の観点から ，これまる基本的な蓄電池制御アルゴリズムである。システムの動で本格的な普及拡大には至っていない。コストに関しては，作開始直後に各単電池電圧，温度を測定し，各種電池パラ電気自動車などの普及に伴う生産量拡大によって，2010年メータを推定する。電池のパラメータはいくつかあり，電の約¥110/Whから，5年後には¥80/Whに低下する予想も力貯蔵レベルを表すSOC（State Of Charge）もその１つで（2）ある 。一方，充電時の熱安定性，高温環境下の化学的安定ある。SOCは放電可能，又は充電可能電気量を電池容量性等，電池材料や構造に起因した寿命と安全性に関する課に対する割合で表現した値であり，SOC＝100％を超える（3）（ 4）と電池は過充電状態となる。その他，現時点の使用可能最寿命と安全性は，電池制御技術で確保できる。しかし，蓄大電力，又は充電可能最大電力を現すSOP（State Of maxi-電池システムの効率的動作と両立させるには，電池制御のmum Power），電池の健全度を表すSOH（State Of Health）高度化が必要となる。電池制御とは，簡単に言うと 電流等が主要な制御パラメータである。制御では，各電池パラを流すか，止めるかを電圧と温度で判断し，実行する こメータの推定値から，電池がダメージを受け，システム停とであるが，高度な制御とは，電池容量，温度，内部抵抗，止が予想される場合は，動作指令の変更を要求する。問題

充電レベル等の電池状態を正確に把握した制御を意味する。

がなければ要求にしたがって充放電が実行される。電池状

本稿では，リチウムイオン電池の寿命と安全性を考慮し態が急変して予見不可能状態となって，電池パラメータが題があるため，関係する多くの規格が国内外に存在する。

た制御方法について述べる。

制御範囲を外れると，システムの保護動作が機能してシス

2．蓄電池システムテムは緊急停止する。
2. 2等価回路モデルによる電池制御

自然エネルギーと電力貯蔵を組み合わせた蓄電池システ

電池パラメータとして最も重要なS O C 推定は， 電流積ムの一例を図１に示す。蓄電池モジュールの電圧，電流，分法と開回路電圧（Voc）演算法を組み合わせる方法が一般

温度等，電池状態のデータを電池制御装置に送り，これをに用いられる。充放電時の電流積分値から通電電気量を算基に，充電状態，余寿命，充放電可能電力・電力量等，制出し， 初期値からの加減によって現在のS O C を算出でき御上重要なパラメータを算出し，充放電動作の判断に使用るが，検知される電流値には誤差が含まれる。また，電池する。太陽電池や風力発電機で発電された電力は電圧変換が劣化するとSOC＝100％に相当する容量の絶対値が減少器を通った後，コントロールされた電流値で電池に蓄えらするので，電流積分法だけでは，正確なSOC推定ができれ，同時に，最も効率的なタイミングで系統に送電，又はない。そこで，Voc演算法で補うことで正確なSOC推定が負荷で消費される。パワーフローの制御はパワーコンディ
ショナ（PCS）が行い，電池制御装置からの情報を基に電力Startをコントロールする。
2. 1

初期電池状態検知

制御アルゴリズム

蓄電池システムの最も簡単な制御は，上下限電圧範囲を充放電指令値決定

充放電指令値変更

電池パラメータ演算PCS
系統／−−／−

負荷設定可能か?

NoYes
充放電条件決定・実行−／−

電池状態検知太陽電池など電池制御装置他の直流電源蓄電池モジュール

制御範囲外か?

No

Yes
電池保護／システム停止

図１．蓄電池システムの構成例

蓄電池制御技術・吉岡・吉瀬

図２．電池システム制御アルゴリズム
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特集論文可能になる。Vocは図３のようにSOCと一対一に対応する回る条件が事前に把握でき，電池保護による電流遮断を事ので，Vocを測定すれば厳密なSOCが得られる。ただし，前に回避できる。また，充電時の電圧を計算することで，SOCとVocの関係は電池材料に強く依存し，ハードカーボ定電流制御から上限電圧値における定電圧制御へ移行する

ン系の負極を用いたリチウムイオン電池はVocのSOC変化タイミングが予測できる。等価回路の時定数は，電池の種が大きく，グラファイト系負極は変化が小さい。しかし，類によっても異なるが，数分から数時間である。特に低温充放電停止直後のVocは，電池のコンデンサー成分に蓄えで抵抗，ワールブルグインピーダンスが増大して時定数はられた電荷の放電によって， 電池電圧が変化するため，大きくなる。このように等価回路による電池制御では，使Vocの真値を得るには数分，数時間を要する場合もある。

用環境の変化に応じた電流電圧応答を予測できる特長を持

この問題を解決するため，無負荷時を含む任意の電流におつ。

ける電池電圧を計算できる数理モデルを構築した。 まず，

3．寿命評価技術

電池反応を，図４に示した集中定数系の等価回路でモデル化した。電池反応による電気的特性を抵抗R0，R1，ワール

スマートグリッドなど据置き用のリチウムイオン電池は，ブルグインピーダンスR w ，キャパシタンスC 1 とすると，最低でも10年の寿命が必要とされている。しかし，温度環電池電圧は式盧，式盪で表せる。電流遮断後にI 1 がゼロに境，充放電電流／電圧，充放電サイクル数等，使用条件になる時間を計算・推定し，その時の電圧から得られるVoc

よって寿命が短くなるため，メンテナンスや電池制御で寿と，図３の関係からSOCの真値が推定できる。

命予測が必要になる。リチウムイオン電池の寿命評価技術

×I1−R0×I………………………盧V＝Voc−（R1＋Rw）

によって，電池システムの寿命設計と余寿命診断が可能に

I1＝I−I2 ………………………………………………盪

なる。

また，式盧，式盪からは通電時の電池電圧も推定できる。

3. 1

任意の放電電流における電池電圧を予測し，下限電圧を下劣化メカニズム

リチウムイオン電池の劣化は，繰り返し充放電によるサイクル劣化と，充電状態で長期間，高温下に暴露されたときの保存劣化によって，蓄電容量（Wh又はAh），充放電可4.5能電力（W），安全性が低下する。蓄電容量の低下は，負極又は正極活物質表面に生じる不可逆な化学反応によって，グラファイト系負荷のLIBVoc（V）4.0

リチウムイオンが挿入脱離するホスト構造の消失に起因する現象である。その他，充放電可能電力が低下するという劣化モードがあり，内部インピーダンスの上昇と先に述べ3.5たホスト構造消失による局所的電流密度の上昇が主要因でハードカーボン系負荷のLIBある。内部インピーダンス成分は，電極反応抵抗，電子伝3.0

導抵抗（ 接触抵抗を含む）， 電解液中のイオン伝導抵抗と，電極部材と電解液との固液反応によって電極表面に沈着・2.5
010050生成するSEI（Solid Electrolyte Interface）の抵抗からなる。

SOC（%）

SEI層は，電解液中の溶媒と，電極部材中のリチウムが反図３．充電レベル（SOC）と開回路電圧（Voc）の関係

応して電極粒子表面に生成する数ナノメートル程度の薄い
QC (C)

固体層であり，固液界面におけるSEI成長反応を自ら抑制1する役割がある。また，SEI層はリチウムイオン伝導層と考えられており，リチウムイオン電池の充放電サイクル特I2VC1性の安定に寄与している。しかし，高温暴露や長時間の高Voc
C1(＋)の原因となり，また，溶液中のリチウムイオン濃度の低下

R0Rw

Q＝f(Voc)

I1R1など，寿命劣化の主要因である。

Q(Ah)

I1Rw(V)

V

I1(A)

I

3. 2

寿命設計技術容量が初期から一定量低下するまでを寿命と呼ぶ。寿命は，電池材料，電池構造の他に，充放電制御，環境温度等
Voc(V)(−)

図４．充電方向の電流をプラスとした時の集中定数系のLIB等価回路モデル
52（150）電圧保持等によるSEI層の過度な成長は，大きな内部抵抗の外部要因の影響を受ける。図５は，保存劣化の環境温度依存性，図６はサイクル劣化の電流値依存性を示している。
長期保存時における保存劣化は，式蘯に示すように，温度
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初期値
25℃

80

10045℃

容量維持率(%)

容量維持率(%)

10060℃
60

現在測定値

80

寿命予測式º

寿命設定値
60
余寿命

40060

18012040時間又はサイクル数

保存時間（日）図７．蓄電容量の劣化曲線と余寿命予測

図５．保存劣化の温度特性SOC＝100％で放電させた容量を測定する。初期容量から低下した容量が，寿命予測式蘯に一致すると仮定し，図７のように寿命
1000.5C設定値までの時間又はサイクル数を余寿命として推定する。
また，電池の寿命は容量低下だけではなく，内部抵抗の容量維持率 (%)

1.0C
80増大による放電電圧の低下（回生時は上昇）を示す場合もある。放電電圧の低下は，環境温度が低い条件でも生じるので，寿命評価には，電池状態の正確な測定が重要である。

2.0C

4．む

60

すび

リチウムイオン電池の制御は，一言で言えば，電池の保護と負荷・回生機器の要求を両立させることである。電池

400400800

サイクル数（回）C：充放電時の電流（1.0Cは1時間で100％充放電する電流に相当）

図６．サイクル劣化の充放電電流依存性の保護だけであれば，電圧，電流，温度の範囲を逸脱したときに動作する保護回路だけあればよい。一方，回生を頻繁に繰返すシステムでは，電池寿命を管理する高度な制御が必要となる。特に，リチウムイオン電池は多種多様であTとSOCの関数となる。一方，サイクル劣化は，サイクルるため電池種ごとに適した制御がある。各電池パラメータ数nと電流Iが因子に加わり，劣化量は時間又はサイクル数の予測と計測に基づいたリチウムイオン電池制御は，リチで積分したFs又はFcで表され，劣化後の蓄電容量Cpは次ウムイオン電池の能力を最大限活用し，システムの要求に式で求められる。なお，Cp̲iniは初期容量を意味する。

的確にこたえることができる。

Cp＝Cp̲ini×{1−Fs（T，SOC）−

参 考 文 献Fc（T，SOC，n，I）} ……蘯
リチウムイオン電池の劣化は，使用材料，構造によって盧

Tobishima，S.，et al.：A consideration of lithium

異なるがこれは，寿命予測式蘯に含まれる関数形の違いにcell safety，Journal of Power Sources，81〜82，882相当する。したがって，精度の高い寿命予測式は，電池種〜886（1999）ごとのパラメータ評価が必要となる。
3. 3

盪余寿命測定技術

劣化が進行し，現在の状態からあらかじめ設定した許容士経済（2011）蘯

産業用リチウム二次電池の安全性試験（単電池及び電池システム），電池工業会規格（2011）

劣化レベルに達するまでの時間，又は充放電サイクル数を余寿命と定義する。この評価には現在容量，出力特性を正エネルギー・大型二次電池・材料の将来展望2011：富盻

SECONDARY LITHIUM-ION CELLS FOR THE

確に把握する測定技術が重要となる。電池容量のリアルタ

PROPULSION OF ELECTRIC ROAD VEHICLES

イム検出は困難である。 通常はシステムを停止させ，（IEC−62660），IEC（2010）

100％充電の状態から，電池の放電下限電圧まで一定条件

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