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電池やキャパシタのマネジメント~BMSやスマートグリッド~

山形大学  理工学研究科(工学系)  物質化学工学専攻  🔋 C1 仁科辰夫・立花和宏


  1 寿命?
物質
保証期間 初期故障が起きた場合メーカー責任である可能性があり、ユーザーに過失が無い場合に無償修理に応じる期間。
耐用年数 税法上の減価償却資産の耐用年数から 木造住宅の法定耐用年数は22年 1 ) 。 たとえば 木造住宅の法定耐用年数は22年 2 ) 自動車は4年、蓄電池は6年。 物理的耐用年数と物理的耐用寿命の区別はあいまい。 期待耐用年数。電池の場合は、容量が80%に低下するサイクル数を1日1回充電で計算 3 )
耐用寿命 物理的、維持費が償却コストより高額になるなど経済的な理由で、 メーカーの保守部品の打ち切りなど。使えなくなること。電池の場合は、膨らみも。 耐用寿命を過ぎた 工業製品は、 リユースができないので、リサイクルするか、 廃棄物となります。
耐用期間 薬事法用語 4 ) 。 消耗品等を交換したり、修理・オーバーホールを繰り返したりしても、その機器の信頼性・安全性が目標値を維持できなくなる予想される耐用寿命。

電池の状態

  2  ブラウザからアクセスできるPCやスマホ電池の状態
項目 説明
残量(SOC 5 ) バッテリーの貯蓄率(%)として 読み取り可能。 満充電時から測定した放電容量ではなく、 公称容量[Ah]を使用する場合があります。 またSOC- OCV曲線から推定することもあります。容量維持率とも。
満充電までに必要な時間 秒単位で 読み取り可能=電池の 内部抵抗と充電電圧から計算
枯渇するまでの残り時間 秒単位で 読み取り可能= 残り容量/(消費電力/公称電圧)
劣化率(SOH 6 ) 現在、未対応 状態監視保全のために必要。
電圧 現在、未対応 公称電圧より大幅に下がった場合、 緊急保全が必要。 内部短絡などの恐れも。
内部抵抗 現在、未対応
温度 現在、未対応、過熱時のアラート発生に必要。
湿度 現在、未対応
結露 現在、未対応、水没時の短絡などアラート発生に必要。

PCや スマホの電池の状態は、ブラウザからアクセスできます。いずれ、自動車や 住宅の電池の状態もブラウザからアクセスできるようになるでしょう。 バッテリの状態はjavaとhtml5で読み取ります。 バッテリーでユーザー追跡可能になります。 この電池は誰が作ったのか、逆追跡も可能になるでしょう。

ftp://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/

  3  SOCの測定 7 ) 8 )
項目 説明
電圧測定方式 電圧 SOC-OCV曲線から推定することもあります。 電池の起電力が、 ネルンストの式と関係することが根拠です。
Ve.m.f.Q = E+ Q - E- Q
E = E0 - RT nF ln Q 0 -Q Q
クーロン・カウンタ方式 電流、時間 SOC[%] = RM/FCC 9 ) 反応量が ファラデーの法則に従うことが根拠です。
電池セル・モデリング方式
インピーダンス・トラック方式 電流、電圧、温度 電池の内部抵抗が、放電深さで変わることが根拠です。
Vo Q = Ve.m.f. Q - η t Q Q t
拡張カルマンフィルター方式など

BMSの機能

  4  BMSの機能
項目
セルの過充電、過放電を防ぐ機能 電位検出
セルの過電流を防ぐ機能 短絡検出、発熱検出
セルの温度管理を行う機能 発熱検出
電池残量(SOC)を算出する機能 積算電気量、電位
セル電圧の均等化(セルバランス)を行う機能

ユニオンプレス リチウムイオン電池用保護回路(BMS)と組電池について ―コンバート EV 用リチウムイオン電池モジュールの開発― *


バッテリー、セル、電極

158 バッテリー、セル、電極
©K.Tachibana

電源装置としての電池はバッテリーと言います。

ストリングの接続には、モノポーラとバイポーラがあります。


  5  電池を表現する用語
用語 説明
バッテリー (電池) 乾電池 のような電池は、単セルで電池である。 鉛蓄電池のような電池は、組電池で電池である。 乾電池でも006Pのような積層電池は、組電池で電池である。
セル (電池) 正極、負極、電解液の 三要素を含む一組。組電池と区別して単セルとも言う。

生活と電池

  6   生活と電池バッテリー
工業製品 システム 電池の種類
住宅 据え置き型電池(卒FIT)(ESS/BESS * LIB 、建物付属の蓄電池電源設備としての法定耐用年数は6年。
スマホ 内蔵 充電式電池( LIB
PC UPS LIB
自動車 駆動用 LIB ニッケル水素( モノポーラ、バイポーラ)
自動車 始動用 鉛電池(モノポーラ、バイポーラ)
リモコン 乾電池 ×2 乾電池
電動歯ブラシ 乾電池
時計 乾電池

エネルギー(電力量・ワットアワー)と仕事率(ワット)は違います! 蓄電池の電池容量は、電気エネルギ―です。

電池の値段
蓄電池システムの基礎
UPSとESS
UPSとESS

電池の内部抵抗とSOC- OCV曲線

  1 198 🖱 電池の内部抵抗とSOC- OCV曲線
©K.Tachibana

電池の内部抵抗 が大きくなると、カットオフ電圧に到達する時間が短くなり、電池の容量が小さくなります。 内部抵抗は、溶液抵抗(抵抗過電圧)と接触抵抗からなります。 接触抵抗は、オーミックコンタクトでは、固体間接触の集中抵抗からなり、 またショットキーコンタクトでは、反応抵抗(活性化過電圧)や皮膜抵抗となります。 SOCの推定に使われます。


充放電の上限電圧と下限電圧の例

  7   リチウムイオン電池 充放電の上限電圧と下限電圧の例
電圧 内容
危険 5.00 安全弁解放
4.25 保護回路作動電圧
注意 4.20 使用上限電圧
適性 4.15 カットオフ上限電圧
3.30 カットオフ下限電圧
注意 3.00 使用下限電圧
危険 2.40 保護回路作動電圧
🖱 電池の内部抵抗と充放電曲線

0.01V違うと、副反応のリスクが急激に増大します。 特に ADCの精度が低いと危険です。


エネルギーの時代

  8  エネルギーの変換
🧪 化学 電力 💪 動力 🌟 🔥
🧪 化学 電池 ◇ 鉄砲 (火薬) ◇ 化学発光 ◇ 暖炉
電力 蓄電池 電解 ◇ モーター
🔊スピーカー
◇ LED ◇ ヒーター
Q=I2R
💪動力 ◇ 高圧合成 ◇ 発電機
🎤マイク
◇応力発光 ヒートポンプ
pV=nRT
🌟 光合成 ◇ 太陽電池 蛍光 電子レンジ
🔥 ◇ 加熱合成 ◇ 熱電変換 熱機関
pV=nRT
◇ 白熱電球
黒体放射
01.エネルギー化学 13.エネルギー化学 15.エネルギー変換特論 0216

電池の体積と放熱性能

  9   粉体と比表面積 10 )
量名 記号 単位
密度 ρ kg/m3
比表面積形状係数 φ φ=6(、立方体、直径と高さが等しい円柱
直径 d m d=2×半径(
比表面積 S m2/kg S=φ÷ρ×(1/d)
比表面積 S m2/kg S=φ÷ρ×∫1/d(w)*dw
08, 12, 15, エネルギー化学特論

ゾウがなぜ大きいか言えば、体温維持に有利だからです。 熱流量は、伝熱面積に比例するので、体積あたりの面積が小さい方が有利なのです。

逆に 電池の内部抵抗 による発熱を考えた場合、 体積の大きな電池ほど、放熱が不利になります。


バッテリーのサイズ

  10  バッテリーの電池容量とサイズ
用途 平均的な電池容量/kWh
住宅 4~10 *
自家用車 ( EV) 40~60 *
スマホ 0.0012~0.0014 *

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電池の大型化と外皮面積
©K.Tachibana

モノと電気エネルギー

  11   電気エネルギー (電力量)
モノ 電気エネルギー/ kWh
一日あたりの 住宅 11 *
スマホ 1回充電 0.001
自動車 40
かつ丼 1

エネルギー(電力量・ワットアワー)と仕事率(ワット)は違います! 蓄電池の電池容量は、電気エネルギ―です。


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V2H
©

太陽エネルギー 二酸化炭素 蓄電池 ソーラーパネル 電気自動車
  2 低炭素住宅 とV2H

V2Hとは、電気自動車の電池を、 住宅の電池(ESS)のかわりに使うことです。 電気自動車電池容量は、 40kWh程度とすれば、住宅の電池10kWhの4世帯分に相当します。


山形大学工学部の現在の使用電力

  3 山形大学 米沢キャンパス の現在( 2022-10-6)の使用電力
©S.Okuyama

米沢キャンパスだけで、 1500kWもの 電力を使っています。 太陽光発電で賄えるのは、 昼間の日光があるときで、せいぜい30kW。再生可能エネルギーの太陽光だけでは、電気が全然足りません。

スマートグリッドでは、 センサーを使って電力を計測し、インターネットの通信を使って、発電量を制御します。気候に左右されやすい再生可能エネルギーでは、余剰電力を電池に蓄えます。


スマートグリッドでの情報通信の流れ

↕ 情報 通信
送配電系統管理事業者
↕ 情報 通信
電力供給事業者
↕ 情報 通信
スマートメーター
↕ 情報 通信
室内モニター (HEMS)
↕ 情報 通信
家電類・ソーラーパネル
  4 スマートグリッドでの情報通信の流れ
©K.Tachibana
02.エネルギー化学 05.無機工業化学 02.情報処理概論 15.情報処理概論 0304

情報量 (エントロピー) の単位

  12 情報量エントロピー) の単位
対数の底 通常の単位 JISおよびISOが定めた単位 備考
2 ビット (bit) シャノン (shannon)
e ナット (nat) ナット (nat)
e ディット (dit) ハートレー (hartley)
01. 情報処理概論 15. エネルギー化学特論 09. 品質管理

インターネット百葉箱

家電 自動車 といった「モノ」を インターネットに接続する技術
IoTの対象となるモノ 家電 (冷蔵庫、テレビ、ドアホン、 給湯器)や 自動車
センサー カメラ、 マイク、タッチセンサー、スマートメーター、温度センサー、湿度センサー
通信 光ケーブル、無線通信、メタリックケーブル
  5 IoT
13.情報処理概論 10.エネルギー化学 10.無機工業化学 15.エネルギー化学特論 IoT

  6 山形大学 米沢キャンパスに設置された インターネット百葉箱 ®ライブ (2022-10-6) 映像

インターネット百葉箱®は教材のウチダが開発した IoT教材です。 全国の学校の 気温・湿度・気圧・天候を、 単位で比較することができます。


CCCV

  7 CCCV動作


AI

AIの中でも今はやりの深層学習は、テンソルフローなどのライブラリにお任せしょましょう。 概念だけ把握すれば、だいじょうぶです。

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パーセプトロン
©
https://jp.mathworks.com/campaigns/offers/battery-management-systems-white-paper.html https://jp.mathworks.com/content/dam/mathworks/white-paper/gated/jp-battery-management-systems-white-paper.pdf https://jp.mathworks.com/content/dam/mathworks/tag-team/Objects/s/76108-sae-2013-simplified-ekf-battery-model.pdf

バッテリの管理はマイコンで

シャント バッテリーストリング アナログフロントエンド マイコン
  8 電池管理用マイコンの例

バッテリーストリング の各セルの電圧を差動アンプでひろい、 積分型の高精度AD変換器でデジタルデータにします。 電流はシャント抵抗の両端の電圧を作動アンプでひろいます。 アナログフロントエンド(AFE)がやります。 マイコン(マイクロコントロールユニット、MCU)で処理します。


ルネサスよりRAJ240090のスペック

そうした中でルネサスは、「産業向けリチウムイオン電池管理ICとして業界初」というマイコン(RL78 CPUコア)を内蔵し、ソフトウェアで柔軟に多様な電池システム仕様に対応できる電池管理ICを実現した。電池残量の計測や、過電圧、過電流などの安全監視機能(アナログフロントエンド部)とマイコンが1パッケージ化されたため、電池制御の電圧測定に必要な高精度A-Dコンバーターとマイコンとのマッチングを事前に調整した上で提供するため、キャリブレーション作業が大幅に削減できるとする。その他、新製品は、電源、FETドライバー、リアルタイムクロックなどを搭載し、電池管理システム部分のトータルコストを従来品よりも「30%削減可能」(同社)とした。
シリアル通信 C ラズベリーパイ・エッジ

スマホアプリを作ってみよう

電池の劣化

  13 電池(単セル)の劣化
分類 材料 特徴
寸法や形状 ガス発生 ガスの発生によって膨らみ、 電子伝導経路が寸断される
活物質の膨張収縮 活物質の膨張収縮によって隙間が生じ、電子伝導経路が寸断される
集電体の腐食 集電体の腐食によって隙間が生じ、電子伝導経路が寸断される
バルク 電解液の重合
界面 集電体の皮膜の生成

11 ) 正極と合材間の接触抵抗の増加が支配的かも 12 )


参考文献


エネルギー化学特論
  1. はじめに
  2. エネルギーの種類と物質

    「椅子を高く持ち上げたときに消費するエネルギーは、椅子の位置エネルギーに時間をかけて求めることができる」はほんとうか??

  3. 電解工業と電気化学

    銅の電解精錬に使う電力は何のためか?それを節電するにはどうしたらいいか?注意すべき点は何か??

  4. 電池の起電力と分解電圧
  5. 電気エネルギーと物質~電池の系譜~
  6. 電池の内部抵抗と過電圧
  7. 二次電池とキャパシタ
  8. リチウムイオン二次電池の構造
  9. セラミックス材料~正極活物質と導電助材の働き~
  10. 金属材料~負極活物質と集電体の働き~
  11. 有機材料~リチウム電池の電解液~
  12. 高分子材料~リチウム電池のバインダーやセパレータの働き~
  13. 化学工学とリチウム電池~分散・スラリーの作成と塗布乾燥~
  14. サイクリックボルタンメトリーによる電池やキャパシタの評価
  15. 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
  16. 電池やキャパシタのマネジメント~BMSやスマートグリッド~


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