バッテリー急速充電の限界とは

AVL CRUISE™ M は、マルチ分野・マルチフィジックスに対応したシステム性能シミュレーションツールです。本シミュレーションソフトウェアは、バッテリー技術分野において幅広い用途に対応しています。具体例として、バッテリーの寿命、熱管理、熱安全性、性能設計のシミュレーションを包括的に行うシミュレーションが可能です。

バッテリーから車両までのシームレスな製品開発のために、CRUISE M は車両のエネルギーマネジメントモデルおよび熱管理モデルと連携させることが可能です。

CRUISE M のバッテリーモデルは多様なオプションを提供しており、ユーザーはグローバル熱源モデル、オーミック内部抵抗熱源モデル、等価回路モデル、電気化学モデルの4段階から選択できます。一般的に使用されるバッテリーモデルは、等価電気回路モデルと電気化学モデルです。ここでは、電気化学モデルを例に取り、CRUISE M におけるバッテリー急速充電シミュレーションの一般的な手順を示し、急速充電バッテリーにおける制約要因について説明します。

バッテリー充電プロセス の制約は多岐にわたり、一般的には充電出力の制限、充電電流の制限、バッテリー温度の制限、電圧制限、アノード電位保護の制限などが含まれます。バッテリーの充電速度が制限される理由や、どのように最適化できるかを理解するためには、ソフトウェアを用いてこれらすべての制約要因を考慮することが重要です。

本例では、3P6S 構成のパウチセルモジュールを示します。セルの寸法は 354×96×9 mm で、化学組成は NMC 811 です。単セルの容量は 60Ah、初期SOCは 20%、急速充電範囲は 20％から 80％までです。シミュレーション要件に基づき、急速充電モデルは以下のように構築されます。

バッテリーは、「チャージャー」と呼ばれるバッテリーテスターコンポーネントによって充電される一方で、冷却境界によって熱的に制御されます。冷却戦略は「Cooling Control」という関数内に記述されています。

CRUISE M には、電気化学モデルとして擬似二次元モデル（P2Dモデル）と単一粒子モデル（SPMモデル）の2種類があります。P2Dモデルでは、リチウムイオン（Li⁺）はセルの厚さ方向、すなわち負極からセパレーターを介して正極へと輸送されます。微視的には、Li⁺は球状電極の中心から粒子表面の半径方向に拡散し、その後電解質にインターカレーションした後、別の電極へ移動・拡散します。さらに、Li⁺はこの電極から別の電極の表面に埋め込まれた後、粒子中心へと拡散します。一方、SPMモデルでは、リチウムイオンが液体膜相を介して一つの電極粒子から別の電極粒子へ輸送される微視的な過程が考慮されています。

P2Dモデルは高い精度を示しますが、多くのパラメーター入力と多数の非線形方程式を必要とするため、計算効率は低くなります。一方、単一粒子モデル（SPMモデル）は、1Cレートでのバッテリーの充放電プロセスを迅速にシミュレーションできることが実証されています。SPMモデルは電解質の影響を無視するため、セルの種類によっては高Cレート時に精度が低下する場合があります。しかし、非常に高速（実時間の最大1000倍）で計算可能なため、まず概念検討に用い、その後より精度の高いP2Dモデルに置き換えることが可能です。

本ソフトウェアは、電気化学モデルの開発を支援するさまざまな機能を提供しています。その一例が Electrode Balancing Wizard で、試験データに基づき電極の迅速なパラメーター設定を可能にします。電極データを取得した後は、電気化学インピーダンススペクトルを用いて装置の反応動力学パラメーターを決定する必要があります。EIS Wizard は、反応動力学パラメーターの設定や、セパレーターおよび電解質パラメーターの組み合わせを支援します。

図4に示すように、Electrode Balancing Wizard によって電極がパラメーター化されると、CRUISE M のデータベースにはカスタマイズされた電極情報が格納されます。その後、電気化学モデルコンポーネント内で、対応する電極材料、セパレーター材料、および電解質材料が選択されます。

バッテリー温度が35°Cを超える場合は冷却戦略を「アクティブ」と定義し、32°C未満の場合は「非アクティブ」と定義することができます。

前述の通り、バッテリーの充電は電流・電力、温度、電圧、アノード電位保護など、さまざまな要因によって制限されます。Battery Tester コンポーネントは、これらの制約を考慮に入れています。コンポーネントの設定を用いることで、充放電電流を自由に検討することが可能です。さらに、温度およびアノード電位のPI制御を実装することもできます。そのためには、まず「Layout Configuration」と「Cell Data」セクションにモジュールおよびセルの情報を入力する必要があります。「Cell Limits」セクションでは、上限・下限電圧や温度範囲など、バッテリーの保護制限条件を定義します。

急速充電タスクは、50 kWの電力上限、240 Aの電流上限、および4.35 Vの電圧上限で定義されます。PIコントローラによる温度制御およびアノード電位制御を有効にし、上限温度および下限アノード電位を入力します。なお、アノード電位が0未満になるとバッテリー内でリチウムメッキが発生し、寿命や安全性に影響を及ぼします。これを防ぐため、アノード電位は0以上となるように設定してください。ここでは、下限として10 mVの安全マージンを設定しています。

データバス接続およびソルバー設定を構成すると、モデルの構築は完了です。

マルチ計算機能を用いて、初期バッテリー温度が 0°C、25°C、45°C、50°C の4つの充電条件をシミュレーションしました。図7にはSOCおよびモジュール電流が示されており、初期温度25°Cで充電速度が最も速く、初期温度0°Cで最も遅いことが確認できます。実際には、周囲温度が異なると、制約要因も異なります。

図8のバッテリー温度から、さらに多くの情報が得られます。温度保護を55°Cに設定したため、初期温度が45°Cおよび55°Cの2つの条件では、バッテリー温度が迅速に55°Cに達することが確認できます。これによりPI温度コントローラーが作動し、充電電流が大幅に低下します。図7(b)に示すように、両条件においてバッテリー温度が50°Cに達した時点で電流が大きく低下しており、つまりバッテリー温度が充電電流を制限していることがわかります。

しかし、初期温度が0°Cの場合は状況が異なります。図8に示すように、初期温度が0°Cではバッテリー温度は55°Cに達することはありませんが、充電電流は充電プロセス全体を通して最低のままです。これは、低温時にはバッテリーのアノード電位が低くなり、リチウムメッキ保護が発動しやすくなるためです。詳細は図9をご参照ください。

ご覧の通り、初期温度が0°Cの場合、アノード電位は初期段階で10 mV未満となり、PIアノード電位コントローラが作動して充電電流を制限します。初期温度が25°Cの場合でも、充電後半にはアノード電位が約10 mVまで低下し、電流保護が作動して電流が制限されます。

CRUISE M のシミュレーションモデルを用いて、バッテリー充電における制約要因を観察し、これにより、充電プロセスの理解を深めました。CRUISE M モデルの利点のひとつは、モデル構築が容易である点です。電気化学モデルを活用することであ、バッテリーの急速充電の可能性を検討し、概念設計段階で評価することも可能です。

急速充電のシミュレーションでは、充電時間に影響を与えるさまざまな制約を分析し、充電速度を最適化するためのさらなる検討が必要です。