Battery Design Studio HEEDSによる急速充電に向けたリチウムイオン電池 … · Battery Design Studio とHEEDSによる急速充電に向けたリチウムイオン電池の設計探査

Battery Design Studio

と HEEDSによる急速充電に向けたリチウムイオン電池の設計探査シミュレーション佐伯卓哉シーメンスPLMソフトウェア

www.siemens.com/plmUnrestricted © Siemens AG 2017

http://www.siemens.com/plm

Unrestricted © Siemens AG 2017

6.30.2017Page 2 Takuya Saeki / Siemens PLM Software

アジェンダ

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シーメンスPLMソフトウェアが提供するバッテリーモデリング用CAEソフトウェアと適応範囲

• セル設計ツール

• モジュール・パック設計プラットフォーム

• 全体システム解析ツール

急速充電

• 急速充電の重要性

• 急速充電のモデル化手法

• 充電挙動のレートおよび温度依存性のキャラクタリゼーション

• 急速充電に向けたセル設計の最適化

• 結論



Wide Length Scale Solution

シーメンスPLMソフトウェアが提供するバッテリーモデリング用CAEソフトウェアと適応範囲

Micro-structure

Electrochemistry

SEM・X線トモグラフィー等から得られた電極微細構造を使用し、電

気化学解析を実施

電極内部の微細構造に依存した立体的効果を可視化

Virtual Cell

Design and Test

材料物性・電極構造などの

セルの基本設計

電圧・電流・発熱量などの電

池の基本特性を予測・分析

Overall System Design – LMS

Amesim

複雑なパワートレインシステムモデルの解析・

セルモジュール、パックの3次元解析を連成して解くためのインターフェイス

Battery pack design

複雑な電力系統の熱流体･電気化学解析

3次元での温度、SOC、電流密度、分極熱、ジュール熱分布を解析



セル設計ツール – Battery Design Studio (BDS)

• セル設計 & 材料物性値

• セルのキャラクタリゼーション

• Newman式などを用いた物理モデル・

等価回路によるバッテリー解析モデル

• 様々なシミュレーションに対応：

• 充放電サイクル試験

• 劣化解析

• 安全性解析

• 電気化学インピーダンス(EIS)解析

Virtual Cell

Design and Test

材料物性・電極構造などのセルの基本設計

電圧・電流・発熱量などの電池の基本特性

を予測・分析



モジュール・パックレベルの熱設計ツールSTAR-CCM+ Battery Simulation Module (BSM)

• BDSの電気化学モデルと熱流体解析モデルを連

成し、熱流体･電気化学解析を実施

• 高精度な温度分布の予測に向け、

セル発熱の3次元的な分布を解析

• 実際のHEV/EV運転サイクル条件で、パック・モ

ジュールにおける空冷システム、液冷システムの

構築に向けた複合的な冷却システムを解析

Battery pack design

複雑な電力系統の熱流体･電気化学解析

3次元での温度、SOC、電流密度、分極熱、ジュール熱分布を解析

Heat map Temp map



全体システム解析– LMS AMESIM and Co-simulation

Overall System Design –

LMS Amesim

複雑なパワートレインシステムモデルの解析

セルモジュール、パックの3次元解析を連成して解くためのインターフェイス

• 詳細な 3D 解析の1D システムシミュレーションへの統合

• 3Dのセルモジュール・パック解析・完全な xEV での1Dパワートレインシステ

ムモデルの解析を統合し、電池セルモジュール・パックの設計に重点的に取

り組むことが可能

• 現実的な走行パターンに対応した電流印加パターン、冷却条件プロファイル

が3Dのセルモジュール・パック解析に適用されます。

Amesim STAR-CCM+

BSM



急速充電 – 電気自動車(EV)に必要不可欠な要素

急速充電は走行距離に対する懸念を払拭するため、大多数のドライバーが急速充電を重

要だと考えています。

急速充電はセル容量の50%を20分間で充電するものと定義されます。



急速充電 – 技術的な検討事項

• 車載用AC/DC コンバータが高価であり、実用上DC 充電が唯一の急速充電の方法と

なっていますが、充電時に発生する熱を除去する方法が必要となります。

• バッテリーの長寿命化のため、バッテリーの温度は例えば45℃などのある上限温度以

下に保たれる必要があります。

• カレンダー寿命の劣化を防ぐため、Li析出は回避されなければなりません。

リチウムイオン電池での一般的なガイドライン

• 0℃、あるいはそれ以下の温度のような、低温での充電は避ける

• 高レート(>0.75 Cレート)での充電は避ける



急速充電のシミュレーション – Li析出

N. Legrand et al. / J. Power Sources 245 (2014) 208-216

リチウム析出は、マイクロ秒単位の充放電サイクルでの容量低減により実験的に同定されます。

SAFT VL41M cell (41 Ah at 4.0 V)

model. physics with computeCan oLiLi

Fig. 3 Schematic representation of Li plating occurrence.

fulfulled" is

0condition amic thermodyn theas

soon asoccur can plating Li that considered we"

oLiLi



負極側の劣化に伴う内部抵抗増加とリチウム析出

リチウム析出が開始するCレートは、劣化に伴い負極SEI抵抗(RSEI, neg)が増加するにつれて下がります。

電解液の添加剤が負極側の抵抗を決めるために重要な役割を果たします。

経年劣化したセルは、金属リチウム析出が起こりやすくなります。

Q. Liu, R. Petibon, C. Du, J. Dahn, J. Electrochem.

Soc., 164(6) A1173 (2017)



Newmanらによる DUALモデル

金属リチウムは初めに、負極/セパレータ界面近傍で析出する傾向があります。

該当部では電流密度が最大となるためです。

負極/セパレータ界面近傍の電極電位(solid/liquid potential drop)をモニタリングします。電極電位の値が 0 V となった場合、熱力学的にLi析出が発生しやすくなります。

c1

jn



セル内の内部抵抗の分離・可視化

3) Liquid-Phase Ohmic drop L

eff

L

tot

dxj

j0

21

A. Nyman, T. G. Zavalis, R. Elger, M. Behm, G. Lindbergh “Analysis of the Polarization in a Li-Ion Battery Cell by

Numerical Simulation” J. Electrochem. Soc., 157(11) A136-A1246 (2010).

セル内の内部抵抗の成分をその成因となる物理現象に基づいて※切り分け、各々の抵抗に起因する電圧損失を定量的に評価可能

1) Solid Diffusion Polarization

L

avesurfloc

tot

dxEEajj

0

1

2) Kinetic Overpotential

L

surfLSloc

tot

dxEajj

0

1

4) Solid-Phase Ohmic drop L

eff

S

tot

dxj

j0

21

5) Electrolyte diffusion polarization dxjx

c

Fc

RT

jL

Lc

L

Ltot

0

21

6) Contact Resistance Losses contactappl Rj



セル温度の算出方法 – Lumped Energy Balance

Energy balance

over entire cell

convectionnatural,

convectionforcedconstant,

33.0

,

ambo

o

ambconv

gen

convgenp

TTh

hh

TThQ

dT

dUTVUIQ

QQdt

dTmc

T

Qgen convQ

ambT

Cycler GUI

セルの幾何的形状やセル内の温度分布を考慮せず、熱容量だけを集中系として取り扱うことで、セルにおける熱量の収支を計算



ベースデザイン: NCA/グラファイト系 18650型セル

Cell Properties Value

Voltage, V 3.71

Capacity, Ahr 2.80

Energy, Whr 10.391

Energy Density

Whr/kg 223

Whr/liter 615

Weight, g 46.597

Volume, cm³ 16.901

Active Area, m² 0.093

Electrolyte Mass, g 4.120

Separator Area, m² 0.108

Heat Capacity@25°C, J/g-K 0.613

Computed

Electrode Properties

Positive

Value

Negative

Value

Average Voltage, V 3.81 0.104

Stoichiometry at formation

0.284 0.953

Unit Capacity, mAh/cm² 3.024 3.477

Thickness(w/collector), µ 116.0 133.3

Coating Porosity, % 20.0 20.0

Coated Length*, cm 163.2 167.3

Coating Thickness*, µ 50.0 61.7

Coating Weight, g 16.881 10.529

Total Length, cm 82.4 88.2

Loading, mg/cm² 36.3 21.3

Heat-transfer area, cm² 34



3 A (~1C) CC/CV充電解析、4.2 V カットオフ-10C環境温度下における熱伝達係数(HTC)の影響

セル温度T C

負極側電極電位Neg/Sep Potential (V)

環境温度-10C,熱伝達係数(HTC) 25

W/m2-Kにおいて、

1C CC/CV充電解析を実施

負極側電極電位はマイナスまで低下

セル電圧Cell Volts (V)

Li析出発生



3 A (~1C) CC/CV充電解析、4.2 V カットオフ25℃環境下における熱伝達係数(HTC)の影響

熱伝達係数(HTC)の値を増やすと、セル温度T(℃),

負極側電極電位(V)が低下



セル温度T C

Li析出は熱力学的に起こらない



6 A (~2C) CC/CV充電解析、4.2 V カットオフ25℃環境下における熱伝達係数(HTC)の影響

HTC大 → セル温度、負極側電極電位が低下


セル温度T C




急速充電時の電池の発熱の原因は何か?

3A(~1C), HTC = 25 W/m2-K, 25C

PosActivation

Diffusion-Electrolyte

NegActivation

Ohmic-Electrolyte

Qechem 電気化学反応に起因する発熱(Echem heat)が支配的内部抵抗の主な原因: 正極の活性化過電圧(PosActivationOverpotential(v))



1C充電時、周囲環境温度が -10Cに達すると、

熱力学的にリチウム析出が発生しやすくなります。

3 A(~1C) CC/CV充電解析 4.2 Vカットオフ0% SOC, 充電時周囲環境温度(Tamb)変化(-10℃ ~ 25℃)の効果






温度許容範囲(<45℃)

HTC = 25 W/m2-K




セル温度T C



HTC = 25 W/m2-K



セル温度は許容値(45℃)を越えてしまう

セル温度T C





周囲環境温度5℃, 3Cレートでの充電は、セル温度(℃)が 50C以上となってしまう

SOC ,%HTC = 25 W/m2-K

2C, あるいは2C以上での充電レート, 充電時周囲環境温度 5Cにおける急速充電：20分で60% SOC以上の充電が可能

1C

2C3C

セル温度T C



Qechem

PosActivation

Diffusion-Electrolyte

NegActivation

Ohmic-Electrolyte

セルの内部加熱の原因は何か? 6A,充電時周囲環境温度25℃



負極側のSEI抵抗の値がある値を

超えると、リチウム金属の析出が起こる可能性大

劣化後のセルはリチウム析出が起こりやすい

固相内Li拡散に伴う電極活物質の

クラッキングを主因とする劣化は考慮していません

注意事項: 負極活物質の劣化による内部抵抗増加の影響

Source: arXiv:1210.3672

[physics.chem-ph]a

SEI layer,

growth a

t1/2 (Source:

NREL, K.

Smith, 2009)

負極側電極電位 Neg/Sep Potential (V) セル電圧 Cell Volts (V)

セル温度 T ℃



充電時レート特性向上に向けてのセル設計によるアプローチ

1) 正極/負極の活性化過電圧(Positive/Negative Activation Overpotential)の低減

• 活物質の表面積を増やす– セル容量劣化速度の増大

• 添加剤導入によるSEI皮膜抵抗の低減– R&D側の課題

2) 電解液の拡散/電気的抵抗分極(Diffusion/Ohmic Polarization in Electrolyte)の低減

• 電極塗布量削減による電極内電解液領域の拡大 –出力密度の低下

• 電極、セパレータの屈曲度(tortuosity)の低減/空隙率の増加 – 出力密度の低下

3) 集電体/タブにおけるオーム発熱の低減

• 集電体/タブの厚さの増加 –出力密度の低下



シミュレーション結果のここまでのまとめ

• 負極活物質表面劣化に伴う内部抵抗値が、リチウム金属の析出可能性に大きく影響

• 熱伝達係数 (HTC)を大きくすると、セル温度・負極側電極電位が低下

• -10Cでは、リチウム析出の可能性大。1C充電、HTC = 25 W/m2-Kの条件について

もリチウム析出が発生。

• 2C充電では、20分以内に>60% SOCとなるが、セル温度はHTC = 25 W/m2-Kの条

件下で急激に上昇しうる(50℃以上)

• 電気化学反応に起因する内部発熱(Echem heat) が充電時の発熱要因として支配的と

なる。個々の物理現象による内部抵抗の成因 (例えば、正極側活性化過電圧)は

Newman式から同定可能

セル温度の上限値の制約がある中で総充電時間を最小化するため、熱伝達係数と充電

電流との間のトレードオフを考慮する必要。バッテリーパックの熱システムの設計が、

急速充電の可否に多大な影響を及ぼす



最適化計算のメソドロジー

HEEDS® MDO は、設計探査プロセスを自動化します。新しい設計概念を発見することにより、製品品質を向上させ、開発コストを大きく削減することができます。

Design Parameters (14 in total)Paste Electronic Conductivity/ Surface Area of active materials/ Particle size/Activation Energy of Solid-State Diffusion Coefficient/Active Energy of SEI /Bruggemancoefficients

Each design has different combination of design parameters

RMSE sum (0.5C, 1C, 2C, 3C, 5C)

Higher Fidelity

Battery Design

0.5 C 1 C

2 C 3 C 5 C

解析事例:多変数の合わせ込み解析(STAR Japanese Conference 2016)



目的: 20分経過時累積充電容量(Ah)の最大化(4.2Vカットオフ)

熱伝達係数： 25 W/m2-K

制約条件：

① セル温度≦ 45℃

② 負極電極電位≧ 0.001V

目的関数：

累積充電容量(Ah)の最大化



Objective History (feasible designs)

– 11.8% パフォーマンス向上



ベストデザインのセルでの急速充電シミュレーション結果20分経過時のSOC: 74%

最適化後のセルは、Li析出間際で回避

充電時最大温度は45℃を越えない

Volts

Amps

Volts

Amps

TC

Vnegsep

TC

セル温度 T ℃



ベストデザインでの急速充電シミュレーション結果

電気化学的な反応による発熱量が支配的であり、中でも正極側活性化過電圧と電解質の拡散分極に起因する電気化学的な発熱量の寄与大

Watts



20分経過時のSOC値とセル容量の関係



Next Step: STAR-CCM+ Battery Simulation Module (BSM)

最適化されたセルをモジュール化、パック化した場合の温度分布の確認方法

Battery

Design

Studio

TBM file

Battery

Simulation

Module



結論

• バッテリーの電気化学-熱連成解析モデルにより、以下のよう

な広範な物理現象が説明可能となります:

•電流分布

•過熱

• Li析出

• 電気化学-熱連成解析モデルとセルの基本設計値についての設

計探査を組み合わせ、物理モデル上で現実的なデザインを探

査可能です。

• Battery Design StudioとHEEDSを組み合わせることにより、

急速充電に向けて最適化された電池の設計探査シミュレー

ションを実施できます。



Takuya Saeki

Application Engineer

Siemens PLM Software Computational Dynamics K.K.

16F Shin-Yokohama Square Building

2-3-12 Shin-Yokohama, Kohoku-ku Yokohama 222-0033, Japan

Phone: +81 45 475 3285

Fax: +81 45 475 3295

E-mail:

[email protected]

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