Technical Report
報 文

アイドリングストップ車用12 V リチウムイオン電池の開発
Development of 12 V Lithium-ion Batteryfor Start and Stop Vehicle System小牛西嶌大助＊修＊＊

上青Daisuke Konishi
Osamu Ushijima

田木純也＊＊

卓＊＊

Jyunya Ueda
Takashi Aoki

水楠田寿芳樹＊＊彦＊＊＊

Toshiki Kusunoki
Yoshihiko Mizuta

Abstract
We have developed 12 V lithium-ion battery which consists of four 69 Ah cells, a relay ASSY, a current sensor anda battery management unit which has a LIN(Local interconnect network) interface with the vehicle ECU(Electroniccontrol unit). External battery configuration is compatible with DIN LN5 for 12 V lead-acid battery, and operation-

al voltage range is almost the same as the lead-acid battery. Therefore, the new lithium-ion battery is physicallyreplaceable with the LN5 size lead-acid battery in the vehicle, however, the LIN interface protocol between the ve-hicle ECU and the battery management unit should be modified, and also the control of the alternator should beoptimized for the lithium-ion battery. The new lithium-ion battery has some advantages in comparison with thetraditional lead-acid battery in terms of light weight, high power and long life.

Key words : Lithium-ion battery ; Lead-acid battery ; Idling-stop ; Start and Stop ; Micro-hybrid ; 12 V ; Long life ;Safe ; LIN interface

1緒言

開発コストおよびシステムコストが抑えられ，既存車種への適用が比較的容易であることから，近年，欧州アイドリングストップシステムは，電気自動車およおよび日本において急速に普及しつつある．アイドリびハイブリッド車と比べると，燃料節約や CO2 排出ングストップシステムは，2007 年頃から欧州で普及量削減効果は，相対的に小さいものの，自動車全体のしはじめ，日本でも主要自動車メーカーが相次いで搭載している．そのシステムは自動車メーカー独自の名＊称で呼ばれていることが多く，一般的には，スタート

リチウムイオン電池事業部（株）
リチウムエナジー ジャパン＊＊＊＊＊

リチウムイオン電池事業部

アンドストップシステム，マイクロハイブリッドシス

技術部

テム，アイドリングストップシステムなどである．

開発本部当社が生産販売しているアイドリングストップ車用第三開発部© 2013 GS Yuasa International Ltd., All rights reserved.

16

GS Yuasa Technical Report2013 年 12 月

第 10 巻第2号の鉛蓄電池は，低コストながら過酷な自動車環境にもぼ同じであり，既存の鉛蓄電池との置き換えが容易で耐え，低温から高温まで安定したエンジンスタートがある．しかしながら過充電などの不適切な利用を避けできる非常に優れた電池であるが，近年，電池に求めるために，電池に管理装置を含む保護機能を内蔵するられる性能が非常に高まってきており，一部の車種にことで，想定されるあらゆるリスクに対応できるようおいては，鉛蓄電池では対応できないケースが生じつ設計した．

つある．
現在開発が進められている最新の自動車では，

本報告書では，このアイドリングストップ車用 12

さらなる低燃料消費が求められる一方で，自動車の高V リチウムイオン電池の仕様，性能および安全機能を度な電装化による高電力負荷が進んでおり，これにと中心にのべる．

もない搭載する電池にも，高容量，高出力そして軽量2化が求められている．これらに加えて，高安全，高信頼，長いサイクル寿命，高い回生電力受入能力，そし仕様て低自己放電なども必須要件として求められている．

アイドリングストップ車用 12 V リチウムイオン電今回開発したアイドリングストップ車用 12 V リチ

池 “019SLIB” の主要仕様，外観および内部構造に関ウムイオン電池は，欧州で一般的な DIN 規格の鉛蓄して説明する．
2.1

電池 LN5 サイズと互換性があり，動作電圧範囲もほ

主要仕様

今回開発した “019SLIB” の主要仕様とブロック図とをそれぞれ Table 1 と Fig. 1 とに示す．

Table 1 Specifications of 019SLIB type 12 V lithium-ion battery.
Chemistry
Nominal capacity / Ah
Nominal voltage / V
Operational voltage range/ VConstruction
Mass / kgSeries LN (DIN spec.)
Dimensions / mmBMU, Relay, Shunt resistor

Vehicle control

WL
H“019SLIB” は，初期容量が 69 Ah のリン酸鉄系リ

019SLIB
Lithium Iron Phosphate/ Graphite
69
13.2
7.0 to 14.4
Cell model : LEV60F
Four LEV60F cells connected in series
13.6
LN5353175190Equipped

チウムイオン電池 “LEV60F” を 4 直列に接続した構成であり，通常動作電圧範囲は，鉛蓄電池と互換性のある 7.0 ～ 14.4 V とすることができた．電池には，常に電池電圧と電池内温度を監視して電池情報を車両側へ通信する電池管理装置 (BMU)，通電電流を測定するためのシャント抵抗および異常時に電池回路を遮断するリレーを内蔵して高安全性および高信頼性を実現した．また，質量は同サイズの鉛蓄電池と比べて，ほぼ半分に軽減することができた．
2.2

外観“019SLIB” の外観を Fig. 2 に示す．欧州で一般的な

12 V lithium-ion starter battery

Negativeterminal

Latching relay

Battery cover

BMU

Handles

Positive
terminal

Monitoring
Protection

Thermistor
Powermanagement
ECU

Cell balancing

Thermistor
Shuntresistor

Battery statecalculation
Diagnosis

LIN communication

Battery housing

Fig. 1 Control block diagram of 019SLIB type 12 V
lithium-ion battery.

Fig. 2 Outer appearance of 019SLIB type 12 V lithium-ion battery.

17

GS Yuasa Technical Report2013 年 12 月

第 10 巻第2号

性能．特に低温環境下でエンジンを始動させるコDIN 規格の鉛蓄電池 LN5 サイズに準拠しており，既ールドクランキング性能．

存車種に搭載している鉛蓄電池をリチウムイオン電池(4) アイドリングストップ車特有の浅い放電深度の充に置き換える際に，車両側の電池搭載構造を大きく変放電を繰り返した際の寿命特性．

更する必要がないように考慮している．
図に示す構成部品以外に，万一内部のセルがベント以下に，これら電池性能，特性に関して説明する．

3.1

した場合に，発生ガスを車室外に排出するための排出口を設けている．また，車両側のパワーマネジメント

動作電圧範囲“019SLIB” に内蔵する “LEV60F” はリン酸鉄系リECU (Electronic control unit) との信号インターフェーチウムイオン電池であり，4 直列で構成すると，Fig.

スとして，LIN (Local interconnect network) コネクタ

4 に示すように，アイドリングストップ車に搭載されを設けている．ている現行の鉛蓄電池の通常動作電圧範囲に合致す

2.3

内部構造

る．通常動作電圧範囲は，自動車メーカ－，車種によ“019SLIB” の内部構造を Fig. 3 に示す．“LEV60F”って異なるが，搭載されている電装機器がおおよそを 4 直列に接続したモジュールを中心に，電池の正10～14 V の範囲で正常に動作するように，自動車シ極端子側にリレー，負極端子側に BMU とシャント抵ステムは設計されている．また，通常，アイドリング抗を配置することで，電池内のかぎられた空間を効率ストップ車では，アイドリングストップ時に，確実によく活用している．

エ ン ジ ン を 再 始 動 で き る よ う に， 電 池 の 充 電状 態

3(State of charge: SOC) が，所定の範囲内になるように電池性能充電制御されている．この制御は，電池内の BMU からの情報（電池温度，SOC 演算値，電池劣化状態など）をもとに，自動車側のパワーマネジメント ECU がオ

アイドリングストップ車用 12 V リチウムイオン電

ルタネータおよびエンジン停止のタイミングなどを制池に求められる性能を下記に示す．

(1) 自動車に搭載される電装機器が正常動作するため御することにより実現している．
3.2の電圧範囲．
(2) 頻繁にアイドリングストップするような市街地で充放電特性および放電容量“019SLIB” の 25 ℃における，1 CA での充放電特の走行パターンにおいても，高度に電装化された性および各放電レートでの放電特性をそれぞれ Fig. 5

車載機器に安定した電圧を継続供給するために十および Fig. 6 に示す．鉛蓄電池とは異なり，高率放電分な放電容量および短時間に充電できる充電受入(3 CA) 時においても，ほぼ 1 CA 放電時と同じ放電容性能．

量を確保していることがわかる．これは，高度に電装(3) 高負荷のスターターを駆動することのできる出力化された高電力負荷の自動車において，頻繁にエンジン停止状態が発生した場合でも，安定した電力をより長い時間供給できることを示している．

OCV / V

LEV60F
cells
BMU
Relay

16151413Usable
1210 to 14 V
11Allowable
108 to 14.4 V
98760 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

SOC / ％Fig. 3 Inner structure of 019SLIB type 12 V lithiumion battery.

Fig. 4 Operating voltage range of 019SLIB type 12 Vlithium-ion battery.

18

GS Yuasa Technical Report

3.3

2013 年 12 月

コールドクランキング

第 10 巻第2号

なお，低温環境下におけるエンジンの始動性能は，欧州のアイドリングストップ車用の電池は低温環境電池の温度だけではなく，SOC および劣化状態（直下でのエンジンの始動性が重要視される．エンジンの流抵抗，電池容量）などが大きく影響する．このため，低温始動を模擬した高率放電試験結果を Fig. 7 に示

BMU からの情報をもとに，自動車側のパワーマネジす．また，電池温度 -18 ℃において，SOC100% から，メント ECU は、エンジンを再始動することができる

電流値 750, 850, および 930 A でそれぞれ 30 秒間放最低限の SOC を下回らないように、オルタネータを電したときの電圧挙動から，EN および SAE 規格で規最適制御する．

定されているコールドクランキング電流（CCA）を推3.4℃において，10 秒間放電したときに 7.5 V を，30 秒ンは，電気自動車などのように広い SOC 範囲で充放間放電したときに 7.2 V を保持できる電流値として規電される場合と異なり，狭い SOC 範囲において充放定されている．Fig. 8 に示すように，EN および SAE電される PSOC (Partial state of charge) で使用される．

規格で規定される CCA はそれぞれ 780 および 870 A

電池の温度や状態によっても変化するが，一般的なアとなる．

イドリングストップ車は，たとえば 60 ～ 80% または，測した．CCA(EN) および CCA(SAE) は，それぞれ -18

充放電サイクル寿命 (DOD50%)

アイドリングストップ車における電池の使用パター

70 ～ 90% のような SOC 範囲で制御されていること

151413121110987に，DOD100% の充放電サイクルではなく，PSOC 充
Charge8.48.2Discharge

0204060

Voltage / V

Voltage / Vが多い．現実的な電池のサイクル寿命を推測するため

80

Amount of electricity / Ah

7.6850 A

7.4930 A

7.00510152025Time / sec.

3035Fig. 7 Discharge characteristics for 019SLIB type 12 V
lithium-ion battery. Battery discharged at various currents of 750 A(○), 850 A(◇), and 930 A (□) at -18 ℃.

20 A

7.7180 A

207.660 A

Voltage / V

Voltage / V7.87.2Fig. 5 Charge and discharge characteristics for 019
SLIB type 12 V lithium-ion battery. Battery was charged
at 60 A to 14.0 V and then, discharged at 60 A to 9.0 V
at 25 ℃ .
Charge (□) and Discharge (○).

151413121110
9870750 A

8.0

40

60

80

7.5
7.4
7.3
7.2
7.1

Capacity / Ah

7.0
700

750

800

850

900950Discharge Current / AFig. 6 Discharge characteristics for 019SLIB type 12V lithium-ion battery. Battery discharged at variouscurrents of 20 A(○), 60 A(◇), and 180 A(□) at 25 ℃.

Fig. 819

Estimation of CCA (EN) and CCA (SAE).

1000

GS Yuasa Technical Report2013 年 12 月

4.1

放電サイクルを実施した．なお，一般的には PSOC の第 10 巻第2号

電池管理装置機能(1) LIN 通信機能

範囲は上記のように比較的狭いと考えられるが，試験としては一般的な使用よりも厳しい条件である約

自動車側のパワーマネジメント ECU との通信手

50% の DOD(Depth of discharge) の PSOC 充放電サイ段として LIN 通信機能をもつ．

(2) セルバランサー機能

クル試験を実施して，寿命特性を確認した．また，試験を加速させるため，45 ℃でおこなった．

電池性能を最大限にひきだすために，各単電池のこの試験におけるエネルギースループット（放電容容量を均等化するセルバランサー機能をもつ．

(3) 自己診断機能（ダイアグノーシス）

量の積算値）に対する，電池容量の推移を Fig. 9 に示
す．90,000 Ah のエネルギースループットを経たあと電池の高いメンテナンス性をサポートするため，でも，電池容量維持率は約 70% であり，非常に優れBMU の故障を検知する高度な自己診断機能をもつ．

たサイクル寿命性能を示す．

また，自動車に搭載されている電装品の異常を自動4車のパワーマネジメント ECU に知らせるために，電電池管理装置（BMU）池の暗電流の異常を検知する機能も合わせてもつ．

(4) 安全機能

ア過充電，過放電，過電流，電池過熱の検出回路を主にヨーロッパで普及しているアイドリングストッ装備する．

プ車用の鉛蓄電池の BMU は，電池の負極端子に取り付けるタイプの IBS(Intelligent battery sensor) が普及

イ重大な電池事故をひき起こす可能性のある過充電している． IBS は，LIN 通信により，電池端子電圧，を防止するための冗長検出回路を装備する．

電流（シャント抵抗が IBS に内蔵）および SOC など

ウ電池異常検知時には，LIN 通信により自動車側のの情報を自動車側のパワーマネジメント ECU に送信

パワーマネジメント ECU に異常を知らせると同して，オルタネータを制御している．したがって，鉛時に，自ら内蔵リレーを遮断して電池を保護する．

蓄電池自体には，過充電，過電流などから電池を保護

エ自動車非搭載時（電池単体）においても，過充電，するためのリレーやヒューズなどの電装部品は内蔵さ過放電，過電流などの検知機能およびリレー遮断れていない．

機能は常時動作する．

(5) SOC 演算機能

一方，“019SLIB” には，リチウムイオン電池特有の機能および安全装置が求められるため，各単電池電圧自動車の低燃料消費と，確実なエンジン再始動とと電池内部温度を高精度で計測する必要があり，上記を同時に実現するために，自動車側のパワーマネジのような電装部品は外付けではなく，電池に内蔵してメント ECU に，適切なアイドリングストップのタいる．“019SLIB” の BMU 回路のブロック図を Fig. 10

イミングを判断させるための情報として，精度の高に示す．

い SOC 情報を送信する．
電池に流れる電流のダイナミックレンジは数 mA

Capacity / Ah

～ 1500 A 程度と広いため，電流計測回路は自動で80706050403020100

計測レンジの切り替えをおこない，高精度の電流計

25 ℃測をおこなう．

(6) オルタネータ制御
電池電圧，電流，SOC，温度，インピーダンス，45 ℃

および容量劣化などの度合いに応じて，最適な充電，回生を受けるために，自動車側のパワーマネジメン
ト ECU に対して，これらの情報を送信し，オルタネータが適切な充電をおこなうように制御する．

04.2

15,000 30,000 45,000 60,000 75,000 90,000

Energy Throughput / Ah

鉛蓄電池とリチウムイオン電池の管理システムの違い

主にヨーロッパで普及しているアイドリングストッ

Fig. 9 Energy throughput performance during repetition of PSOC cycle life test for 019SLIB type 12 V lithium-ion battery at 25 ℃ (○) and 45 ℃ (◇).

プ車用鉛蓄電池の電池管理システムと，“019SLIB” の電池管理システムとの大きな違いは，電池を保護する

20

GS Yuasa Technical Report2013 年 12 月

第 10 巻第2号

ON signal
OFF signal
OR

Level shift / Multiplex

Alternator
ADC1(14-bit)

Threshold

100μohm(Msx.)

INT

Digital comparator
ADC2(16-bit)

Vref 2Starter

12 V lithium-ion battery

VehicleCircuit block diagram of 019SLIB type 12 V lithium-ion battery.

応もしくは熱暴走なし，セルの可逆的ダメーための安全機能が，電池の内部にあるかどうかである．

ジ，保護デバイスの修理が必要．

両者の比較を Table 2 に示す．

5Powermanagement
unit

ADC3(16-bit)

Internal temperature

Fig. 10Multiplex

Programmable gain
amplifier

LIN interface

Vref 1Micro control unit

Thermistor 2

Cell balancing

Thermistor 1

Secondary protection for cell over-voltage

Relayunit

Level 2 : 電解液漏れなし，開弁なし，火もしくは炎な

安全性

し，亀裂無し，爆発無し，発熱反応もしくは熱暴走なし，回復できないダメージ，修理が必要．

“019SLIB” は，電池特性試験，環境試験，寿命試験，EMC 試験，信頼性試験，車両マッチング試験および，

6

クラッシュ，過充電，過放電，逆電圧，落下，釘刺しなどを含む安全性試験を実施して，自動車品質を満足結言することを確認している．安全性試験のうち，クラッ

近年，日本では，EV，HEV，PHEV などの電気自動シュ，過充電および外部短絡試験の結果を Table 3 に

車以外の環境車分野においても，アイドリングストッ示す．なお，すべての試験において，発火や発煙はな

プシステムを含む低燃費消費のためのパワーマネジメかった．

ント技術が，軽自動車まで急速に進んでいる．これにな お，“FreedomCAR Electrical Energy Storage Sys-ともない，電池性能，耐久性についてこれまで以上にtem Abuse Test Manual for Electric and Hybrid Elec-

要求が厳しくなっている．当社では，これらの要求をtric Vehicle Applications” の 2.2.5 節では，Level 1 お満足する高性能な鉛蓄電池を開発して，市場のニーズよび Level 2 のハザードは下記のように定義されていにマッチした製品を供給している．
しかし一方で，欧州のハイクラスの自動車では，低る ．
3

Level 1 : 異常なし，電解液漏れなし，開弁なし，火も燃料消費を基本コンセプトとして，さらなる自動車のしくは炎なし，亀裂無し，爆発無し，発熱反高度電装化のために大電力電源を必要としている．そ21

GS Yuasa Technical Report

Table 2

2013 年 12 月

第 10 巻第2号

Comparison of management system for lead-acid battery and 019SLIB.

FunctionMeasurement function

Lead-acid battery(Europe）
Battery terminal voltage
External temperature of battery
Charge and discharge current
Quiescent current

019SLIB
Cell voltage × 4ch
Battery terminal voltage
Cell temperature × 2ch
Charge and discharge current
Quiescent current
Safety function
No safety function
Internal cutoff switch（disconnected due toover charge, over discharge, over current,over heat）
Redundant design of cell over voltage detecting circuit
SOC (State of charge) calculation Current integrating function
Current integrating
Full charge detection due to equalizedRefer to look-up table in voltage-current
chargemeasurement plot at charge and discharge
Refer to look-up table in cell open voltage
Regular reset of full charge
SOH (State of health) calculation Lifetime judgment due to voltage de- Calendar degradation calculation
scent at cranking
DC resistance calculation at cranking
Self-diagnosis
No self-diagnosis function
Defect of voltage measurement circuit
Internal switch failure
Sensor defectArithmetic circuit defectMemory defect
Cell defectQuiescent current defectInstallation location
Negative terminal(external）
Inside of battery

Table 3

Safety test results for 019SLIB type 12 V lithium-ion battery.

TestCrushOvercharge
External short circuitConditions
100% SOC, Φ 150 mm
Displacement of 15%(Freedom CAR 1st stage)
CC-CV charge at 120 A
to 22 V from 100% SOC(UN recommendation)
Total external resistance:
less than 0.1 ohm at 55 ℃
(UN recommendation)

ResultNo flame
No venting

Level
2

No flame
No venting(Relay contactor open)
No flame
No venting1の要求を満足するためには，搭載する電池の質量エネ2した．

ルギー密度を高めて，電池質量をできるかぎり軽量化

今後，低コスト化を進めると同時に，電池サイズのする必要がある．また，自動車の最適なパワーマネジラインナップを増やしていく予定である．また，近年，メントを実現して，燃料消費をさらに低減させるため電装品に求められる機能安全（ISO 26262）に完全適に，電池に関する情報を電池自身が管理して，それを合した，さらに安全な電池システムを開発していく所

自動車側のパワーマネジメント ECU に供給すること存である．

も求められている．

文

当面，これらの需要は特定の自動車市場に限定されたものかもしれないが，将来的には，大衆車にも適用献できる可能性がある．今回，この新たな市場要求に対

1. Kohji Hara, Ken Sawai, Shinji Ishimoto, Takeshi

応すべく，外観は鉛蓄電池と互換ではあるが，すべてKondo, Motoyuki Suzuki, Satoshi Inagaki, andShigeharu Osumi, GS Yuasa Technical Report , 6(1),の構成品を新たに設計し，高性能，長寿命，高エネル

7 (2009).

ギー密度，そして高安全なリチウムイオン電池を開発

22

GS Yuasa Technical Report2013 年 12 月第 10 巻

第2号

3. Daniel H. Doughty, and Chris C. Crafts, FreedomCAR

2. Hidetoshi Wada, Masaaki Hosokawa, and TakaoOhmae, GS Yuasa Technical Report, 9(2 ) , 16Electrical Energy Storage System Abuse Test

(2012).

Manual for Electric and Hybrid Electric Vehicle
Applications, SANDIA REPORT SAND2005-3123,

p.15-16(2005).

23