Technical Report報文

航空機用大形リチウムイオン電池の開発
Development of Large-sized Lithium-ion Batteryfor Aviation Applications
上田純也*

Jyunya Ueda

石田義貴*

志Yoshitaka Ishida

築隆

弘 **

Takahiro Shizuki

園田輝男*

Teruo Sonoda

Abstract
The application of lithium-ion battery in aviation use has been examined in recent years because it is able tocontribute the reduction of the aircraft operating cost by making the airframe light and saving the fuel consumption. GS YUASA has long-term experiences of manufacturing large-sized lithium-ion cells and batteries forvarious applications. Based on fostered technologies by these experiences, we have developed new large-sized
lithium-ion cells, "LVP10" and "LVP65". The batteries using these cells have also been developed for aviation
applications. Nominal capacities of "LVP10" and "LVP65" are 10 and 65 Ah, respectively. These cells work as apower source for engine start or backup of electric devices in airplane. They are optimized to achieve high rate
discharge capability and long life required for aviation application; for example, "LVP10" type cell has dischargeable capacity of 99% at large current of 5 I tA based on that of 1 I tA , and "LVP65" type one has good capacity of
89% after 1000 cycles of full charge-discharge cycle life test at 25 oC. The batteries, "LVP10-7" and "LVP65-8"
are designed to have high durability to severe environmental conditions and operational conditions simulated inairplane. Additionally, "LVP65-8" battery is equipped with the battery monitoring unit and internal contactor toensure its safety during operation. These new lithium-ion batteries are being tested on actual airplane to extractpotential problems for the further improvement. They are going to be applied to actual commercial airplane.

Key words : Lithium-ion battery ; Airplane ; High rate discharge

1

緒言

燃費のよい電気自動車の開発などはその一例である．
航空機においても燃料消費をできるだけ少なくして，近年，地球温暖化による気候変動の問題が大きく取温室効果ガスの排出量を低減させるための技術開発がり上げられている．その対策の一つとして温室効果ガ進められており，例えば機体の軽量化もその一つであ

スの排出量を低減させるための取り組みが , さまざまる．

な分野でおこなわれており，たとえば環境にやさしく

航空機にはいくつかの電池が搭載されており，それらの多くはエンジンのスターター用や電子機器類の* 研究開発センター 第三開発部**（株）ジーエス・ユアサ テクノロジー 事業推進部© 2010 GS Yuasa International Ltd., All rights reserved.

バックアップ用の電源として使用されている．これらの電池には鉛蓄電池やニッケルカドミウム電池が主と14

GS Yuasa Technical Report2010 年 6 月

第7巻

第1号

して使用されてきたが，高容量・高エネルギー密度で回形電極群の両端に，それぞれ正・負極の集電体を配あるリチウムイオン電池に置き換えることによって，した構造であり，構造部材による内部抵抗を最小限に機体を軽量化することができ，機体の燃料消費を大幅抑える設計となっている．これらの特長に加えて，さに抑えることができる．

らに航空機用電池として下記に示す改良をおこなった．
(1) エンジンスタートに必要な大電流放電性能と非常時

当社では，すでに大形リチウムイオン電池として，産業用途向けの「LIM シリーズ」

1,2)や，宇宙などののバックアップ性能とを両立するために，極板設計

3)

特殊環境用途向けのリチウムイオン電池 を量産・販を最適化した．
(2) エンジンスタート時の大電流放電に耐えるために，売しており，これまでに長期間運用した実績がある．
そこで，これらの事業でつちかった技術をもとに，あらたに航空機用電池として，10 Ah 級のその組電池

LVP10-7LVP65-8とLVP10および 65 Ah 級の端子などの通電部の面積を大きくした．
(3) 機体中の限られたスペースを有効に活用するために，とLVP65

電池の高さを大きくして，その設置面積をできるだを開発した．本報告では，これらの航け小さくした．

空機用大形リチウムイオン電池およびその組電池の諸特性についてのべる．

2

特長と性能

2.1

特長

Table 1 Speciﬁcations of LVP10 and LVP65 typelithium-ion cells.
Model
Nominal capacity / Ah
Nominal voltage / V
Dimensions / mm

航空機用大形リチウムイオン電池 LVP10 およびLVP65の外観写真を Fig. 1 に，仕様を Table 1 にMass / kg
Speciﬁc energy / Wh kg 1-1
Energy density / Wh L

それぞれ示す．これらの電池のケースは，いずれもステンレス製の角形形状とした．角形のケースは，表面積が大きく放熱性にすぐれており，大電流放電時におLVP1011.53.7
H 80*W 130
L210.585195

LVP65753.7178*
133512.899230* Without terminal height

いても電池温度が上昇しにくい特長がある．さらに，角形形状であることにより，電池を密に配置することNegative terminalができるために，体積効率の高い組電池設計が可能とな る．LVP65 電 池 の 内 部 の 構 造 を Fig. 2 に 示 す．

Positive terminal

LVP10 電池も類似の構造である．電池の内部は，産業用大形リチウムイオン電池 LIM401,2)と同様に，巻Case

Positive
electrode

NegativeelectrodeSeparator

Rupture plateFig. 2 Schematic structure of LVP65 type lithiumion cell.

Fig. 1 Outer appearance of LVP10 and LVP65
type lithium-ion cells.

15

GS Yuasa Technical Report

2. 22010 年 6 月

性能

第7巻

第1号

で 2.75 V まで放電したときの放電特性を示す．放電

2.2.1 LVP10 電池

電流が大きくなると分極の増大による電池電圧の低下

LVP10 電池を 25 C において 10 A で 4.0 V まで定が認められるが，50 A（5 I tA）放電においても 10 A電流で充電し，ひきつづき合計 3 時間，定電圧で充電放電時の 99% 以上の容量を放電できることがわかる．

したときの充電特性を Fig. 3 に示す．この電池は，完

このようなすぐれた放電性能は，材料や電極処方の最全放電状態から 80% 以上の充電深度（SOC）まで 1 時適化によって実現した．

間で充電することが可能である．航空機は離陸の際に2.2.2o

LVP65 電池電池の SOC が高い状態であることを義務づけられてLVP65 電池の放電性能を評価するために，環境温いるため，このすぐれた充電受入性能によって，離陸度 25 oC にて 70 A で 4.025 V まで定電流で充電し，までの時間を短縮することができる．また，Fig. 4 に，ひきつづき同じ電圧で充電時間が合計 3 時間，定電圧同条件で充電したのち，10，30 および 50 A の電流値充電したのち，50，200 および 700 A の電流値で 2.75V まで放電をおこなった．その放電性能を Fig. 5 に示す．電流値が大きくなるにしたがって分極の増大に

Voltage

100Voltage / V

4.080

3.560

2.540Current

3.020012ともなう電池電圧の低下が確認できるが，700 A（約120State of charge

310 I tA）においても 50 A 放電時の約 97% という高いState of charge / %Current / A4.5

容量が得られることがわかる．つぎに，環境温度の影響をみるために，同一条件で充電して，環境温度を-20，0 および 25 oC にしてから，電池温度が環境温度と同等になるまで充分な時間放置したのち，70 Aで 2.75 V まで放電した．そのときの特性を Fig. 6 に示す．環境温度が低くなるほど，電池電圧が低下する
ものの，-20 oC の低温下においても 25 oC の放電容量0の 98% という高い値が得られることがわかる．すな
わち，LVP65 は航空機用途で想定されるような幅広Time / hour

い温度範囲において，すぐれた放電性能を維持するこFig. 3 Charge characteristics for LVP10 type lithium-ion cells. The cells were charged at 10 A to 4.0
V for 3 hours in total at 25 ℃. Voltage (□), state ofcharge (△), and current (○).とができる電池であるといえる．
寿命性能を評価するために，サイクルおよびカレンダー寿命試験をおこなった．サイクル寿命試験として，

4.5

4.5Voltage / V

4.030 A50 A

3.5
3.0
2.550 A

4.0Voltage / V10 A200 A

700 A

3.5
3.0
2.502468

10

2.00

12Discharge capacity / AhFig. 4 Discharge characteristics at various currents of 10 A (□), 30 A (△), and 50 A (○) at 25℃ for LVP10 type lithium-ion cells. The cells weredischarged to 2.75 V after charged at 10 A to 4.0 Vfor 3 hours in total at 25 ℃.

2040
Capacity / Ah

6080Fig. 5 Discharge characteristics at various currentsof 50 A (○), 200 A (△), and 700 A (□) at 25 ℃ for
LVP65 type lithium-ion cells. Cells were discharged
to 2.75 V after charged at 70 A to 4.025 V for 3hours at 25 ℃.

162010 年 6 月

4.5Voltage / V0℃

3.5
3.0
2.5
2.00

204060Capacity / Ah20015060

100405045 ℃ 25 ℃

2000250500

750-501000Cycle number / -Fig. 6 Discharge characteristics at 50 A under various temperatures of 25 ℃ (○), 0 ℃ (△), and -20℃ (□) for LVP65 type lithium-ion cells. Cells weredischarged to 2.75 V after charged at 70 A to 4.025
V for 3 hours at 25 ℃.

Fig. 7 Charge and discharge cycle life performance for LVP65 type lithium-ion cells with cycling
under 25 ℃ (○) and 45 ℃ (△). The cells were discharged to 2.75 V at 70 A after charged at 70 A to4.025 V for 3 hours in total at 25 and 45 ℃.

120(Discharge capacity / Initialcapacity) x 100 / %

環境温度 25 および 45 oC における 100％ DOD 充放電性能を調べた．試験条件は，70 A で 4.025 V まで 325 ℃

100時間充電し，その後 70 A で 2.75 V まで放電するパターンを 1000 回繰り返した．その結果を Fig. 7 に示す．
図から，1000 サイクル後の容量は，初期のものに比o

45 ℃

80080

25025 ℃

100-20 ℃第1号o

較して，25 C では 89％，45 C では 81% であることがわかる．また，サイクルの進行にともなう電池の内部抵抗の推移も測定した．内部抵抗の値は，25 oC において電池を所定の SOC まで充電したのち，ひきつづき 35 から 120 A の電流値で所定時間放電したとき25045 ℃

Resistance increase basedon initial value / %25 ℃

4.0(Discharge capacity / Initialcapacity) x 100 / %

120

第7巻

Resistance increase basedon initial value / %GS Yuasa Technical Report

200801506010045 ℃

4025 ℃

2005000100200-50300

Floating period / dayの電池電圧と放電電流との関係から算出した．電池のo

内部抵抗は 1000 サイクル後において，25 C では初Fig. 8 Calendar life performance for LVP65 typelithium-ion cells under ﬂoating conditions of 4.025
V at 25 ℃ ( ○ ) and 45 ℃ ( △ ). The cells werecharged at 70 A to 4.025 V at 25 and 45 ℃. Capacity was checked periodically to conﬁrm the retained cell capacity at the discharge condition of
70 A to 2.75 V at 25 ℃.

期値からほとんど変化しておらず，さらに 45 oC でも，増加率は 22% と小さい．このことは，LVP65 電池がエンジンスタートに必要な出力放電性能を長期間にわたって維持できることを示している．つぎに，カレン
ダー寿命試験として，環境温度 25 および 45 oC における性能を調べた．試験条件は，それぞれの環境温度において LVP65 電池を 70 A で 4.025 V まで充電して，ひきつづき同じ電圧で 15 日間，30 日間あるいは 90

45 oC で 17% であり，サイクル寿命試験結果と同様に日間充電したのちに，70 A で 2.75 V まで放電すると内部抵抗の変化が非常に小さく，良好な性能であるこいう定電圧充電寿命試験を繰り返しおこなった．そのとがわかる．

放電容量および電池内部抵抗の推移を Fig. 8 に示す．
日数の経過とともに放電容量は低下したが，試験前

3組電池

3.1LVP10-7 電池

oの放電容量と比較すると，270 日目において 25 C で91％，45 oC で 84% の放電容量を維持している．また，
o

内部抵抗の 270 日目における増加率は，25 C で 4%，LVP10 電池を 7 直列に接続した組電池

17LVP10-7

GS Yuasa Technical Report2010 年 6 月

第7巻

第1号の外観写真およびおもな仕様をそれぞれ Fig. 9 および(1) 組電池のいかなる故障も検知する自己診断機能

Table 2 に示す．外部の組電池監視装置（BMU）に(2) 過充電などの異常モードに対する独立二重保護機能

電池電圧と電池温度とを出力するために，各電池には(3) コンタクタを用いた組電池自身による異常充電遮断

電圧検出リードとサーミスターとが取り付けられてい機能

る．また，外部短絡が生じたときにも短絡電流によっ

つぎに，LVP65-8 組電池のエンジンスタート放電て外部機器を破損することを防ぐために組電池内部に時の電圧挙動を Fig. 11 に示す．試験条件としては，ヒューズが備えられている．

環境温度 25 oC にて LVP65-8 組電池を 70 A で 32.2 V

3.2LVP65-8 電池まで定電流で充電し，ひきつづき同じ電圧で充電時間
LVP65-8が合計 3 時間となるように定電圧充電したのち，環境の 外 観 写 真 お よ び 仕 様 を そ れ ぞ れ Fig. 10 お よ び

温度 25，0 および -18 oC にて 15 kW の定電力放電をTable 3 に示す．組電池内部には LVP65 電池に加えて，おこなった．図から，放電時のピーク電流は低温ほどBMU とコンタクタとが備え付けられている．BMU大きくなり，-18 oC では 650 A を超えている．しかは常に電池電圧および組電池内部温度を監視し，異常しながら，このような低温・大電流の放電条件においを検出した場合には，充電を停止するよう充電器に信てもこの組電池は 20 V 以上の電圧を維持しており，号を出力する機能を備えている．また，常に電池電圧すぐれたエンジンスタート特性を有していることがわを均等化するためにバランサー機能を備えている．こかる．

LVP65 電池を 8 直列に接続した組電池

れらの機能に加えて，航空機用電池に要求される高い信頼性を実現するために下記に示すような機能を追加した．

Table 2battery.

Speciﬁcation of LVP10-7 type lithium-ion

Model
Nominal capacity / Ah
Nominal voltage / V
Dimensions (H x W x L) / mm
Mass / kg
Speciﬁc energy / Wh kg 1-1
Energy density / Wh L

Table 3battery.

LVP10-7
11.5
25.9
115 x 200 x 200
5.257
65

Speciﬁcation of LVP65-8 type lithium-ion

Model
Nominal capacity / Ah
Nominal voltage / V
Dimensions (H x W x L) / mm
Mass / kg
Speciﬁc energy / Wh kg 1-1
Energy density / Wh L

Fig. 9 Outer appearance of LVP10-7 type lithiumion battery.

LVP65-875
29.6
215 x 280 x 335
28.5
78110Fig. 10 Outer appearance of LVP65-8 type lithiumion battery.

18

GS Yuasa Technical Report

Voltage / V

30-18 ℃

251000800

1560025 ℃

50-1000 ℃ -18 ℃

400第1号を開発した．これらの電池は充電性能，おり，さらに航空機用電池に求められる高い信頼性も兼ね備えている．従来航空機用電池に使用されてきた鉛蓄電池やニッケルカドミウム電池よりも高性能で軽量であることから，機体の燃費向上に大きく貢献すると期待できる．今後は電池を機体に搭載した飛行試験にて様々な性能評価をおこない，実用化への問題点を200抽出する．また，さらなる電池性能の改良を目指して，

010 20 30 40 50 60

航空機用リチウムイオン電池の開発に注力していく予定である．なお，本報告でのべたTime / s

LVP65-8

LVP10-7

およびは，ボーイング社の次世代航空機 787 型機に搭載され，運用されることになっている．

Fig.11 Discharge performances of LVP65-8 typelithium-ion batteries for engine start under various
temperatures of 25 ℃ (○), 0 ℃ (△), and -18 ℃ (□).
Fully charged batteries were discharged at constant
power of 15 kW.

4第7巻

高率および低温放電性能，および寿命性能にすぐれて

1200

2010LVP65-8

140025 ℃ 0 ℃

Current / A35

2010 年 6 月

文献1) Y. Seyama, T. Shimozono, K. Nishiyama, H. Nakamura, and T. Sonoda, GS News Technical Report ,結言

62 (2), 76 (2003).
2) I. Suzuki and T Shizuki, IEICE/IEEE INTELEC

2003 Proceedings , p. 317, Yokohama (2003).

航空機用大形リチウムイオン電池として，10 Ah級のLVP10および 65 Ah 級のLVP65を開発した．また，その組電池として， LVP10-7および3) 曽根理嗣，川崎治，今村文隆，井上剛文，吉田浩明，第 50 回電池討論会要旨集，p. 126 (2009)．

19