Technical Report
報文

大規模蓄電システム用リチウムイオン電池モジュールの開発
Development of Li-ion battery module forlarge scale energy storage system
宮山時

脇下井康貴敦貴＊

志＊士＊

井飛中山上鷹井城朋

強重＊

吉本健太＊

志＊＊

川内

智弘＊＊

啓裕太＊

史＊＊

内亘堀幸富勝＊

洋＊＊

上松楠野島

勉＊

寿均＊

樹＊＊

Yasutaka Miyawaki
Tomoshige Inoue
Kenta Yoshimoto
Tsutomu Ueno
Atsushi Tokii
Keita Nakai
Tomikatsu Uchihori
Hitoshi Matsushima
Takashi Yamashita
Tsuyoshi Hidaka
Tomohiro Kawauchi
Toshiki Kusunoki
Hiroshi Yamashiro
Yukihiro WataruAbstract
In recent years, the introduction of a power storage system has been increasing in order to suppress the output
fluctuation of wind power and solar power. We have newly developed the lithium-ion battery module LEPS-1-16

for large-scale energy storage systems. Compared with the conventional model, the volume energy density and life

performance were improved, so the battery equipment could be downsized. The battery system has high safety,

long-term reliability, and excellent maintainability with a remote monitoring system, so it is ideal for large-scaleenergy storage systems that use a large amount of batteries.

Key words : Li-ion battery module, Remote monitoring system

1

まえがき

さから，今後のさらなる普及拡大が期待されており，政府は 2030 年度に 1,000 万 kW の風力発電導入を

近年，人口増加や経済成長にともない，世界のエネ掲げている 1．国内では北海道や東北が風や土地確保

ルギー需要が増加しており，石油や石炭など限りあるの観点から最適地とされており，多くの風力発電設備化石燃料に代わる，再生可能エネルギーの利用拡大がの設置が計画されている．

求められている．なかでも，風力発電は発電効率の高しかし，風力発電は気象条件により発電量が大きく変化し，その出力変動が系統利用者に影響をおよぼす

産業電池電源事業部＊ ‌

可能性があるため，北海道電力では出力 20 kW 以上

電源システム生産本部の風力発電設備に対して，電池設備などを設置し出力開発部
リチウムエナジージャパン株式会社＊＊ ‌

変動を緩和することを求めている．

技術部© 2020 GS Yuasa International Ltd., All rights reserved.

9

GS Yuasa Technical Report2020 年 6 月

第 17 巻

第1号

能が求められる．以降でそれぞれの要求性能に対する今回当社は北海道北豊富変電所に導入される，出力開発品での取り組みについて述べる．

240 MW，容量 720 MWh の世界最大規模の蓄電システムを受注 したことから，従来機種よりもエネル①電池設備のコンパクト化（低コスト化）

ギー密度と寿命を改善した「大規模蓄電システム用リ②高い安全性2チウムイオン電池モジュール LEPS-1-16」を新たに③長期信頼性④遠隔監視システムによる予防保全開発したので，ここに製品概要を報告する．

2 大規模蓄電システムの概要と求められる性能

3

電池設備のコンパクト化
設置スペースとコストの両面において電池設備のコンパクト化は重要である．今回開発した電池モジュー

図 1 に風力発電向け大規模蓄電システムの一例をル（以下，LEPS-1-16）は従来機種よりエネルギー示す．アプリケーションごとに異なる電圧や電池容量に柔軟に対応するため，電池システムは電池モジュー密度が向上し，寿命性能が改善している．LEPS-1-

ル， バ ッ テ リ マ ネ ー ジ メ ン ト ユ ニ ッ ト（ 以 降，16 を 搭 載 し た 電 池 設 備 は 従 来 機 種（ 以 下，BMU），電流センサ，ブレーカなどのコンポーネント

LIM50EN-12）を搭載した場合と比較して，32％のから構成されている．電池モジュールはさらに複数個小型化を実現した．図 2 に示すように，内訳はエネのセルとセル監視基板（以降，CMU）から構成されルギー密度向上の寄与が 27％，寿命性能改善の寄与ている．電池システムは搭載する電池モジュールの直が 7％である．
3.1

列数で必要な電圧を，並列数で必要な容量を設計す

電池モジュールのエネルギー密度向上

LEPS-1-16 の仕様を表 1 に，外観図を図 3 に示す．

る．前述の容量 720 MWh の蓄電システムの場合，約 21 万台の電池モジュール（約 330 万個のセル）LEPS-1-16 はエネルギー容量が向上した新規開発セが使用される．

ルを採用し，モジュール 1 台あたりの搭載セル数を社会インフラ向けの大規模蓄電システムでは，非常

12 セ ル か ら 16 セ ル に 増 や し た こ と に よ り，
LIM50EN-12 と比べて体積エネルギー密度が 73％向に多くの電池を長期間使用するために，次のような性

風力発電

発電出力

合成出力

電力系統

放電

充電

受変電設備

蓄電池システムPCS

蓄電池遠隔監視システム
リチウムイオン電池設備（容量720 MWh）
GSユアサ供給範囲

図 1 風力発電向け大規模蓄電システム
Fig. 1 Large-scale power storage system for wind power generation.

10

GS Yuasa Technical Report2020 年 6 月

エネルギー密度向上の効果第1号

上した．このエネルギー密度向上により電池設備は11010027％小型化できた．

LIM50EN-12搭載システム

9080

3.2

セルの寿命性能改善

リチウムイオン電池は経年劣化や使用によるサイク70ル劣化により電池容量が低下する．蓄電システムは劣60化後の寿命末期でも所定の充放電ができるよう計画さ50れるため，電池の寿命性能は電池システムの設置容量LEPS-1-16搭載システム4030に大きな影響を与える．

LEPS-1 セルのサイクル寿命特性を図 4 に，カレン20

ダー寿命特性を図 5 に示す．従来機種の LIM50EN セ

100

第 17 巻ルと比較して，2500 サイクル時点での容量維持率が01020304050607080

約 13％改善した．カレンダー寿命特性は従来機種と90 100 110

寿命改善の効果（設置容量の低減）同等である．この寿命性能改善により，20 年間の稼

図 2 電池設備の小型化
Fig. 2 Miniaturization of the battery equipment.
120

表 1 LEPS-1-16 モジュールの仕様
Table. 1 Speciﬁcations of LEPS-1-16 module.
開発機
LEPS-1-16セル構成
16 セル直列×1 並列
定格電圧59.04 V
使用電圧範囲
44.0 ～ 68.0 V
定格容量61.75 Ah
エネルギー容量
3,645.7 Wh
体積エネルギー密度 210.9 Wh/L
質量エネルギー密度 125.7 Wh/kg
寸法※
182 × 720 ×
W×D×H
132 mm
質量29 kg※ハーネスおよび突起部を除く容量維持率（%）

仕様

100

従来機
LIM50EN-12
12 セル直列×
1 並列
44.40 V
33.0 ～ 49.2 V
47.5 Ah
2,109.0 Wh
121.9 Wh / L
78.1 Wh / kg
219 × 617 ×128 mm
27 kg

80
6040
2000500

1000

1500

2000

2500

サイクル数（回）図 4 LEPS-1 セルのサイクル寿命特性
Fig. 4 Cycle life characteristics of LEPS-1 cell at 25℃,75%DOD (SOC25%-100%)120

容量維持率（%）

1008060402000246810期間（月）図 3 LEPS-1-16 モジュールの外観
Fig. 3 Appearance of LEPS-1-16 module.

図 5 LEPS-1 セルのカレンダー寿命特性
Fig. 5 Calendar life characteristics of LEPS-1 cell at25℃.

11

GS Yuasa Technical Report2020 年 6 月

働を想定した寿命シミュレーションの結果，LEPS-第1号

排気し，高温ガスの熱が周囲のセルに伝わらない構造

1-16 搭載システムでは LIM50EN-12 搭載システムとした．また，セル間距離を適切に設定し，セル間に断熱板を配置することで，熱暴走セルの熱が隣接セルと比べて設置容量を 7％低減することができた．

4

第 17 巻に伝わりにくい構造としている．以上の工夫により，高い安全性

万一セルが熱暴走した場合でも，隣接セルへの連鎖を抑制することで，JIS C 8715-2 で規定されている「耐類焼試験」をクリアしている．

リチウムイオン電池は内部に可燃性の有機電解液を使用しているため，大量の電池を使用する大規模蓄電

図 6 に示すように，当社ではセル，モジュール，システムにおいては，安全性は最も重要な要求事項でシステムそれぞれの段階で安全対策を施し，トータルある．

として高いシステム安全性を確保している．

オン二次電池の単電池及び電池システム－第 2 部：

5

LEPS-1 セルは JIS C 8715-2（産業用リチウムイ安全性要求事項）で規定されている「耐内部短絡試験」をクリアしているため，セルの内部短絡による発長期信頼性
大規模蓄電システムでは 10 ～ 20 年の電池寿命を煙や発火の危険性は基本的に取り除かれている．しか要求される．LEPS-1-16 はモジュール 1 台に 16 個し，著しい過充電や高温条件ではセルが熱暴走に至るのセルと，1 枚の CMU を搭載しているため，セルのおそれがあるため，当社では BMU によりセル電圧と寿命特性改善だけでなく，セルの構造耐久性や CMUモジュール温度を常時監視し，セルが安全な範囲を逸の高信頼性が重要となる．
5.1

脱した場合には速やかに主回路を遮断するシステムを構築している．

電池セルの構造耐久性

一般的にリチウムイオン電池は劣化にともなうガス

それでも万一，なんらかの理由でセルが熱暴走した発生と極板の膨張にともない，セルの内圧が上昇する

場合には，セルに設けた安全弁からは高温のガスが噴ため，長期使用時にはセルケースの気密漏れによる漏出する．LEPS-1-16 はこの高温の噴出ガスを適切に液の懸念がある．当社のセルは強靭な SUS ケースを出典：千代田化工建設株式会社＜耐内部短絡特性＞＜類焼抑制構造＞

高性能セパレータを採用し、コンタミによる内部短絡が発生しても熱暴走しない

万が一、１セルが熱暴走しても隣接セルに連鎖しない

JIS C 8715-2
耐内部短絡試験“合格”

JIS C 8715-2
耐類焼試験”合格”

図 6 電池システムの安全性
Fig. 6 Saftey of Battery system.

12＜BMUによる監視・制御＞☆信頼と実績のBMU☆電圧監視回路は二重化☆長年の実績で培った充放電
制御方法＜遠隔監視システム＞

全セル常時監視による異常の早期発見、予防保全

GS Yuasa Technical Report2020 年 6 月

蓄電池情報の送信

NIC
BMU

蓄電池情報

FW

HUB

BMU

第1号

データセンター

蓄電池設備

NIC

第 17 巻

遠隔監視
クラウドサーバ

・パラメータ設定
・ファームウェア更新

NIC

蓄電池情報の閲覧

BMU・障害連絡・復旧・設備の保守

バックヤード（ＧＳユアサ）

略称の意味：
NIC：通信用ネットワークインターフェースカード
FW：ファイヤーウォール
HUB：遠隔監視ネットワーク用のハブ

図 7 遠隔監視システムの構成
Fig. 7 Conﬁguration of remote monitoring system.
図 7 に当社が提供する遠隔監視システムの構成図採用し，レーザ溶接による封口により 20 年の使用にを示す．遠隔監視システムは BMU の電池情報を中継耐える構造耐久性を実現している．
5.2

CMU の長期信頼性

し て 送 信 す る 通 信 デ バ イ ス（ 以 降，NIC：NetworkInterface Card）と，NIC からの情報を蓄積する遠隔CMU はセル電圧やモジュール温度を計測する安全性担保のための重要コンポーネントである．LEPS-

監視クラウドサーバとで構成され，ネットワークを介

1-16 に搭載している CMU はつぎに示すアプローチ

して Web サーバにアクセスすることで収集したデータを閲覧することができる．

により長期信頼性を確保している．①長寿命・高信頼

6.1

性部品の選定，②回路の二重化設計，フェールセーフ

NIC の役割

設計，③ディレーティングによる部品への負荷低減，

NIC は BMU に接続され，セル電圧，モジュール温④健全性担保のための自己診断機能搭載，⑤各種信頼度，電流，警報などの電池情報をクラウドサーバに送性評価試験の実施．

信する．タブレット型の通信端末をもちいることで，電池設備の NIC に直接アクセスして，電池データをまた，高信頼性設計によって長寿命化した CMU で閲覧することもできる．

あっても多くの電子部品を使用しているため，一定の6.2確率で故障することは想定する必要がある．LEPS1-16 は CMU をモジュールの正面に配置し，特殊なクラウドサーバの役割と機能

クラウドサーバは NIC で収集したデータを蓄積し，工具なしで脱着できる構造とすることで，CMU 故障遠隔端末からのアクセスに応じて Web 画面を提示す時の迅速な交換を可能とした．

る．図 8 に顧客向け Web 画面を示す．階層別の展開

6表示が可能で，膨大な数のセルから構成される大規模遠隔監視システム

蓄電システムであっても，全体構成を把握しながら細部の状態を確認できるため，故障セルを容易に特定す

大規模蓄電システムではトラブルの未然防止や異常ることができる．異常発生時には警報メールを配信す

発生時の復旧時間短縮のため，蓄電池の状態を遠隔かる機能を有しており，トラブル時の復旧作業をサポーらデータ収集・監視することが求められる ．

トする．また，Web 画面にて BMU や CMU，NIC の313

GS Yuasa Technical Report2020 年 6 月

第 17 巻第1号

階層2

階層3
階層4

異常セル
最下位層

図 8 遠隔監視モニタの Web 画面
Fig. 8 Web screen of remote monitoring monitor.

ファームウェア更新および，各種設定値の更新・変更に貢献するべく，今後さらなる性能向上，低コスト化が可能なため，遠隔地にいながら電池設備の保守や予を目指して，大規模蓄電システムの開発に取り組んで防保全が可能となる．

いく．

7

まとめ

参考文献

大規模蓄電システムに搭載する，リチウムイオン電

1.	「長期エネルギー需給見通し 関連資料」資源エネル池モジュール LEPS-1-16 をあらたに開発した．従来

ギー庁 2015 年
2.	News Release「北海道豊富町に設置する世界最大機種と比較して体積エネルギー密度が 73％向上して規模の蓄電池設備を受注」2018 年 10 月

おり，寿命性能の改善とあわせて，電池設備を 32％

3.	GS Yuasa Technical Report 第 16 巻 第 1 号 2019

小型化することができた．さらに，当社の電池システ

年6月.

ムは高い安全性と長期信頼性および，遠隔監視システ
ムによる優れた保守性を備えているため，大量の電池を使用する大規模蓄電システムに最適である．
再生可能エネルギーの普及と持続可能な社会の実現

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