成果報告書詳細
管理番号20160000000510
タイトル平成27年度成果報告書 環境・医療分野の国際研究開発・実証プロジェクト ロボット分野の国際研究開発・実証事業 災害対応ロボット向けバッテリーシステムの研究開発
公開日2016/7/7
報告書年度2015 - 2015
委託先名日本電気株式会社
プロジェクト番号P12001
部署名ロボット・AI部
和文要約災害ロボット用バッテリーシステムの開発に先立ち、リチウムイオン電池を使用する2グループのロボット(産総研のHRP-2改および東大稲葉研のJAXON)についてバッテリーの仕様を調査した。具体的には、これら2体のロボットに電力計測モジュールを搭載し、ロボットが歩行、停止、待機など特徴的な動作をする時の電力データを取得した。
バッテリーの開発では、2種類のバッテリーを開発してモジュール化した。EV向け仕様のNEC製ラミネート型リチウムイオン電池と、急速充放電性に優れたリチウムイオン電池を新たに開発して用いた。後者は特に負極材と電解液を新しく開発しており、エネルギー密度はEV向け仕様のNEC製ラミネート型リチウムイオン電池を上回り、約8分で80%以上の容量を充電、電流量8Cレートで80%以上の容量を放電でき、高い安全性も確保できた。産総研、東大稲葉研には、それぞれのロボットに仕様を調整した電池を設計、作製し、モジュールを提供した。これらの電池について、従来これらのロボットに用いられている鉄オリビン系リチウムイオン電池を比較対象とし、産総研および東大稲葉研それぞれのロボットの歩行時の電流消費パターンに基づいた放電パターンで充放電を行い、サイクル特性を評価実施した。充電条件は、災害現場において急速充電によりロボットを継続的に使用する状況を想定し、30分間で充電が完了する電流量2Cレートで行った。産総研ロボットでは、190サイクル後に従来の鉄オリビン系リチウムイオン電池だと放電容量が最初の88%まで劣化するのに対し、NEC製ラミネート型リチウムイオン電池では91%、新開発の急速充放電性に優れたリチウムイオン電池だと99%の容量が維持され、大幅な改善が見られた。さらに新開発の急速充放電性に優れたリチウムイオン電池では、電流量6Cレートで2900サイクル充放電した後の容量評価とその劣化原因を分析した。バッテリー制御システムの開発では、従来の鉄オリビン系リチウムイオン電池、NEC製ラミネート型リチウムイオン電池、新開発の急速充放電性に優れたリチウムイオン電池の3種類のバッテリーに対し、高精度残量推定方式に対応した基板/モジュール試作及び制御ソフト(電圧補正方式)を試作した。従来のバッテリー残量推定の実力は、動作時では推定精度約5%、保管時では30%程度の誤差が生じていたが、新方式では3種類とも動作時の推定精度5%以下を実現した。一方で従来の鉄オリビン系リチウムイオン電池では、保管時誤差抑制が困難であった。バッテリーの運用モードを最適化し、ロボットを長時間運用するための手法を検討した。その結果、(1)電池内部抵抗が上昇し電圧降下が拡大するため、放電末期の大出力タスクは避ける、(2)大出力後は電圧降下及び温度上昇が拡大するため、小出力タスク又は停止を組み込む、(3)低温時は容量低下が特に大きいため、事前にタスク計画を縮小することが必要との結論に至った。
以上の開発したバッテリーシステムを、国際ロボット展(iREX2015)でロボットに搭載し、動作させた。高精度残量推定の実証では、新方式の適用により、いずれの電池モジュールにおいても誤差約3%を実現した。また長時間運用の実証でも、両モジュールとも従来の鉄オリビン系リチウムイオン電池を用いたモジュールに比べ、同一容積比で約10%、同一重量比で約30%の長時間動作を実現した。新開発の急速充放電性に優れたリチウムイオン電池のモジュールは、特に高出力時に電圧低下量、容量低下率が低く、他のモジュールに比べ優れることがわかった。
英文要約Prior to the development of battery systems for disaster robotics, we investigated the specifications of lithium-ion battery for the two groups of robots (HRP-2 kai from AIST and JAXON from Inaba Lab of University of Tokyo). Specifically, we equipped these two robots with power measurement module and acquired the characteristic power data when they were walking, stopping and waiting. Two types of batteries are developed and modularized. One is a laminate-type manganese lithium-ion battery. The other one is newly developed laminate-type lithium-ion battery which has the superior specifications in rapid charge and discharge. The energy density is higher than the former one. More than 80% of its capacity can be charged within about 8 minutes and discharged by current 8C rate, as well as the ensure of high safety. To compare with the conventional cylindrical-type lithium iron phosphate battery used in the robots, cycle characteristic of our batteries was evaluated based on power consumption patterns during each robot’s walking. Charge condition is set by current 2C rate to complete charge within 30 minutes, assuming the situation in which rapid charge is necessary for continuous use of robot in the disaster site. For the same robot HRP-2 kai from AIST, after 190 cycles the capacity of the conventional cylindrical-type lithium iron phosphate battery was deteriorated to 88%, while the others had significant improvement: the laminate-type manganese lithium-ion battery was 91% and the newly developed one with superior specifications in rapid charge and discharge was 99%. High accuracy battery residual capacity estimation capable board/module prototype and control software (voltage correction method) were developed. The estimate accuracy can be controlled under 5% in operation stage by the newly developed method for all the three kinds of batteries. On the other hand, it is difficult to suppress the storage estimation error for the conventional cylindrical-type lithium iron phosphate battery. The batteries operation modes were optimized. Meanwhile, the methods for long time operation of robot were also discussed. As a result, (1)since the voltage will drop dramatically while battery internal resistance increased, high power output task should be avoid at the final stage of discharge (2)Low output task or stop action should be incorporated since the voltage dropped and temperature increased after high power output. (3)It is concluded shorter time task should be scheduled in low temperature since the capacity in low temperature is smaller than conventional circumstance. The developed system above was exhibited in International Robot Exhibition in Dec. 2015. The newly developed fast chargeable lithium ion battery is especially highlighted for its low voltage and capacity drop at high power output.
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