プリウス技術検討室

リチウムイオンバッテリ（以下、ＬＩＢ）の採用見送りのニュースがありましたね。
残念がる声もありますが、一度、ＬＩＢの特徴と、それによる効果をまとめておくことも
意義があると思います。（将来のＬＩＢ採用で何が可能となるのかの期待もできますね）

･･･書き始めたら、予想以上に長文になりました･･･

◆ＬＩＢの特徴
(1) 単セルの電池電圧が他の電池に対し高い（3.6Ｖ～）
(2) 重量出力密度が高い（2500～3500W/kg）
(3) 重量エネルギー密度が高い　（80～90Wh/kg）
(4) 自己放電が少ない
(5) メモリ効果が小さい
--------
(6) 温度管理がシビア
(7) 熱暴走・発火のリスクがある
(8) コストが高い　

ここで、自動車、ハイブリッド車での効果を考えてみましょう。

◆LIBのメリット　
(1)は必要な電圧に対して、構成するセル数を少なくできるという点があります。
Ni-MH２次電池で、1.2Vですから、20型では201.6Vとするのに、
168本のバッテリを直列で接続しています。
これが、単セルの電圧が高くなることで、直列接続数を減らすことが出来ます。
構成するセルの放電容量のばらつきがあると、最も容量の少ないセルから過放電となります。
これを防ぐために監視構成を要したり、安全率の設定がありますが、
直列接続数が少ないほどばらつき要因が減ります。

(2)、(3)は電池の小型化・軽量化が可能ということですね。
およそNi-MHの２倍の性能があります。
（同サイズ、同重量でよければ、その分出力、エネルギー量を大きくできます）
ハイブリッド用としては、実使用において、エネルギー密度よりも、
出力密度向上の効果が大きいと思います。
（EV走行時、どこまで加速できるか、どの程度の坂まで登れるかが出力で
　どれだけの距離走行できるかがエネルギーと思ってください）

EV走行距離が伸びることを希望する人もいるでしょうが、
バッテリを多く積んで､エネルギー容量を増やす効果と、
重量増による走行に必要なエネルギー損失がバランスするポイントを
選択することになると思います。

ここまで長くなってしまいましたし、
(4)、（5)は分かりやすいので、まぁいいですね(^^;）

◆LIBのデメリット　
さて、課題のほうです。
(6)、(7)はノートPC等の発火事故でも有名ですが、電池内部が高温となった場合に、
電池正極、負極の間のセパレーターが溶解（メルトダウン）し、発熱していく問題があります。
LIBには有機電解液が用いられますが､そのため発火やガスの発生ということもあります。
（Ni-MHは水溶性電解液）

もともとLIBは危険領域が130～150℃であるようで、
70～90℃で保護回路が働くようになっています。
しかし、それでも過放電、過充電や環境温度によって正極、負極、セパレータに
ストレスが加わると、内部異常に繋がり熱暴走となる危険性があります。
（ex. 過充電時の負極のLi析出、低温使用時の負極Li析出）
異常時に、電池が機能停止するだけでなく、発熱・発火となる危険性があるのですね。

まぁ、基本特性に対する、このような安全性の課題も、ゆくゆくは解決されていくのでしょうが、
それぞれの対策とそれによるコスト上昇の問題があります。
製品として成立するような妥協点において、現時点ではNi-MHのほうが優位ということなのでしょうね。

5/8 日刊工業新聞では（幹部）コメントとしか書かれていないですが、
『安全性を最優先』、（技術的には）『搭載可能なレベルに近づいている』
ですか･･･（幹部がこんなこと記者に漏らすかなぁ･･･）

２０１０年には、年間で１００万台のハイブリッド車を販売する方針
（http://www.carview.co.jp/news/0/37622/）を掲げるトヨタ、
１台の車両火災が品質問題となり、ユーザーの信頼を失う結果となりますから
慎重になりますよね。

残念ではありますが、自動車に LIB が本当に大丈夫なの？とは思っていましたから、ある意味予想通りだったかもしれません。

リチウムイオン電池は、危険を伴うために制御用のICを
付けるのが原則でおり、それがコスト競争に晒されたために、
それをケチって、リスクが上昇したという話を聞いたことがあります。

それと高密度化を計ったためにショートし易くなったとかですね。

トヨタが自ら設計し（松下と合同？）、自ら製造すれば、
その辺のリスクは多少なりとも回避できると思います。

＃今は製品メーカーと電池メーカーが違うというちぐはぐさが問題かと。。

模型用としては、リチウム・イオンでなく、リチウム・ポリマーが主流になりつつあります
最大の特徴は､軽くて大容量が得られるということ
ＮｉＭＨやＮｉＣｄに比べ､短時間で大電流を流すことが可能です
電気自動車のように長時間走ることには､向きませんが､発進時や急加速など大電流を必要とする部分ではうってつけの性能を示します

また、プリの回生、充電などでは６０Ａとか流れることがありますが、リチウム系では致命的ですね
１０Ｃ（容量の１０倍）以上の電流での充電は危険を伴います

色々考えるとやはりもっと研究が必要だと思います

Vitzのアイドリングストップするヤツは
大丈夫なのかなぁ～？

さんが書かれているとおり、
発進・回生時の強電流の充放電繰り返しに対する耐久性・品質確保が難しいのでしょうね。
放電レート 1Cは公称容量値セルを定電流放電して、ちょうど1時間で放電終了となる電流値のこと。
12Ahで1Cなら12A、5Cなら1/5=0.2H で放電完了となる電流値で、12Ah/0.2=60Aですね。
（５Cか･･･ベンチャーの２０C対応：ラミネート形LIBの記事を読んだことがあります）

放電レートが大きくなるとセルの内部抵抗による電圧ドロップもありますし、
自己発熱も大きくなりますよね。
充電時の電圧管理（セルあたり4.2～4.25V）も厳しく、-20℃の低温での作動もある･･･
（LIBの充電には『定電圧／定電流充電』が望ましい）

耐久性・品質に万全を期すための安全マージンをとったりすると、
コストのハードルは高そうですね。

さん、こんばんは。
> Vitzのアイドリングストップするヤツは
> 大丈夫なのかなぁ～？
-----------
そういえば、ヴィッツでインテリジェンス・アイドリングストップってありましたね。
http://www.toyota.co.jp/jp/special/k_forum/tenji/pdf/014.pdf
3.6V 12Ah 1300WのLIBを４個直列接続して、14.4Vのシステムになっているようですね。
580gなので、2240W/kg、74Wh/kg といったところでしょうか。（大体平均的な数値）

プリウス20型のNi-MHの容量が6.5Ahですから、12Ahと容量約2倍ですね。
（単純計算ながら、このセルを使用した場合･･･
　重量比較で、56セルで20型と同じ201.6Vにしたとして、
　0.58×56=32.48kg と20型の45kgに対し30%の軽量化･･･
　　↑実際はこうは行かないでしょうが･･･）

こちらは、エンジン起動用と、アイドリングストップ時の電力供給が用途ですが、どうなんでしょうね。
エアコンはアイドリングストップ時は、送風のみのようですが、
エンジンのクランキングは結構な電流が流れたはず。(数十Ａ）

だいたい、このヴィッツ用のＬＩＢを開発したのは、
どこのメーカーでしょうね？（一部記事にトヨタ内製の情報あり）

もし、将来、LIBの導入が行われたとしたら･･･
バッテリを小型化・軽量化しつつ、容量、出力の増大が期待できます。
A;小型化･･･車両のスペース効率の向上
　　　　　　　プリウスはまだいいほうですが､エスティマHVのセンターコンソールや、
　　　　　　　LS600ｈLのトランクを見ると、重要な要素と思えますよね
B:軽量化･･･電池容量の設定の仕方によりますが､10～20kgの軽量化効果
　　　　　　　車両重量1300kgに対し、1.5％ながら、燃費に寄与

C:容量増大･･･EV走行距離が長くなる効果と、
　　　　　　　強制充電、回生放棄の発生するケースの低減

D:出力増大･･･モーター負担割合を増やすことが出来るので、燃費寄与大
　　　　　　　弱登板で電気系出力不足からエンジン走行となっていた領域を
　　　　　　　モーター走行で負担できる可能性あり
　　　　　　　車両全体としての系でのエネルギー変換効率の向上
といったところでしょうか･･･

プリマニにも書きましたが･･･
（2007/7）のCAR GRAPHIC誌の
テクニカルレポートの特集で
『最新の自動車用リチウムイオン電池技術』
という記事がありました。

Liイオンバッテリの特性や、各正極材質の特性が
分かりやすく解説されていましたので、
よろしければご参考に･･･
（日産とNECの合弁会社、オートモーティブ・エナジー・サプライ
　への取材による記事）

電池の基本特性を主に説明しているため、
HEVで使用する上での回生充電制御や電池制御、
自動車で使用する上での課題・コストについては
あまり触れられていません。
ただ説明はとても親切で図表も多いですから、参考になると思います。
（というか、この記事がもう少し早く発売されていれば･･･
　私の説明はこの記事の補足で済んだのに･･･(^^;

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