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成果報告書詳細
管理番号20170000000293
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 リチウムイオン電池応用・実用化先端技術開発事業 研究開発項目(3)「車載用リチウムイオン電池の試験評価法の開発」(一般財団法人日本自動車研究所)
公開日2018/3/23
報告書年度2015 - 2016
委託先名一般財団法人日本自動車研究所
プロジェクト番号P12003
部署名スマートコミュニティ部
和文要約 現在、車載用蓄電池の主流であるリチウムイオン電池(以下、LIB)に対して、安全性と寿命すなわち経時的な容量劣化に関する市場の関心が非常に高まっている。これらを適切に評価するための技術開発や標準化は、今後のLIB開発と電動車両普及のために益々重要であり、昨今IEC、ISOの国際標準審議あるいは国連の基準審議の場でも重要課題として扱われている。そこで、一般財団法人日本自動車研究所(JARI)と国立研究開発法人産業技術総合研究所(AIST)は、次世代LIBも含む車載用LIBの安全性試験法開発と寿命試験法検証を行った。

1) 安全性試験法の開発
 国際標準(IEC 62660-3)では内部短絡試験法、国際標準・基準(ISO 6469-1、EVS-GTR)では熱連鎖試験法を議論中である。内部短絡では、異物による短絡を想定した強制内部短絡試験(FISC)の代替試験法、熱連鎖では、起点となる1セルを熱暴走させる手法が必要であり、それらの手法について開発を行った。
 内部短絡試験法では代替試験法検討用の比較データとしてパウチ形、角形、円筒形の各セルのFISCでの短絡層数のばらつきを把握した。一方、代替試験候補の中からは実験的に先端Niチップ付きセラミック釘刺に絞り込み、釘の停止位置精度やセルの固定法の影響検証等を実施した。またばらつきが大きい円筒形電池では釘刺位置の管理改良等も行い、事象、短絡層数の両面で先端Niチップ付きセラミック釘刺に代替試験法としての可能性があることを確認した。平成28年8月、平成29年3月のIEC国際会議で結果を報告した。
 熱連鎖試験法ではパウチ形、角形、円筒形のセル種類ごとに、候補となる各手法の発生事象、セル表面温度、熱量を評価し手法を絞り込んだ。その中で各種電池への適用範囲が広いヒータ加熱法ではシミュレーションでセル体積とヒータ熱量の関係を把握し、ヒータ熱量一般化の可能性も確認した。平成27年12月、国連EVS-GTRフェーズ1に熱連鎖試験法案を提出し審議に貢献した。平成29年下期のISO会議およびEVS-GTRのフェーズ2でも引き続き活動予定である。

2) 寿命試験法の検証
 国内外のEV 5車種およびPHEV1車種の車載LIBを対象に以下の評価を行った。
 単セル寿命試験法(IEC62660-1)検証では、IECの寿命試験法が実車両の劣化要因を反映しているか検証するため、WLTC等の認証試験モード走行模擬条件とIEC条件でのサイクル寿命試験を実施し、Cレート分布や劣化傾向の比較を行った。その結果、Cレート分布および寿命試験の劣化の差異は小さく、劣化機構も同様であった。さらに、実走行車両の電池劣化はIEC試験のサイクル劣化と保存劣化の和で説明可能であることを確認し、既存寿命試験法の妥当性を明らかにした。そのほか、第三者が実施可能とするため平成29年3月のIEC国際会議で改定提案を行った。
 組電池試験法(ISO12405-2)検証では、ISOの電池パック試験法は第三者による試験が困難かつ高コストであるため、単セル試験による代用性を検証した。寿命に影響を及ぼす可能性のある電圧と温度に着目し、電池パックと単セルとの差異を評価した。その結果、パック内の電圧分布は小さい一方、温度は単セル試験時と比べて高く、劣化の差異が生じる要因として電池温度が重要であることが分かった。実際、モジュールと単セルでの寿命試験の結果、両者の温度差から想定される以上の性能差は生じなかったことから、電池パック充放電時の単セル温度を反映させることによる電池パック試験の単セル試験による代用可能性を確認した。
英文要約Technical developments and standardization for the proper evaluation method of safety and lifetime performance of lithium-ion battery (LIB) for the automotive applications become more and more important. The safety and lifetime test methods have been treated as important subjects for the international standardization activities in IEC and ISO, and UN. JARI and AIST have developed and verified the safety and lifetime test procedure of LIB for EVs.

1) Development of safety test method
*Internal short circuit test: To simulate an internal short circuit of a cell caused by contaminations, IEC62660-3 provides forced internal short circuit (FISC) test. However, FISC has technical difficulty, and alternative methods have been discussing. We focused to the ceramic nail with Ni-tip on the top injection method as an alternative, and compared with the deviation data of shorted layers in the FISC test. We improved the accuracy of the nail injection control, and confirmed the ceramic nail injection method can be possible as an alternative test method. We have reported our results at IEC meeting in Aug. 2016 and March 2017.
*Thermal propagation test: ISO6469-1 and EVS-GTR have been discussing thermal propagation test method, and we examined the methods for thermal runaway at one cell, triggering thermal propagation. We tested several methods by evaluating surface temperature and calorific value. We studied the relationship between cell volume and applied calorific value by numerical simulations of heated by heater method which can be applied to various cells, and calorific value of the heater capacity could be generalized. We presented our proposals to the UN EVS-GTR phase 1 in Dec. 2015.

2) Verification of lifetime test method
*Lifetime test for cells (IEC62660-1): To confirm whether the lifetime test of IEC reflects the actual degradation factors of EVs, we compared the IEC cycle test with driving cycle simulating tests. These test showed little differences in C-rate distribution, capacity fade, and degradation mechanism. The performance of the degraded cells in used EVs could be explained by the sum of cycle and calendar degradations of IEC tests, and we concluded that the IEC lifetime test is valid. We proposed the refined drafts to the IEC meeting held in March, 2017.
*Lifetime test for packs (ISO12405-2): Because the lifetime test method of ISO are so large scale and high cost, we examined the cell test instead. We focused to cell voltage and temperature as a cause of difference in packs and cells, and evaluated the differences. The temperature of cells in pack test was higher than cell test, and voltage distribution in pack was small. The comparison of module and cell cycle tests showed that the performance difference was almost due to the temperature difference and we concluded that substitution of the pack test by cell test can be possible by applying the cell temperature during the pack test.
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