リチウムイオンバッテリ用交流内部加熱インバータ

AC Internal Heating Inverter for Lithium-Ion Batteries

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 電気自動車(EV)の電力源として用いられるリチウムイオンバッテリ(LIB)の特性は温度に大きく依存し、氷点下での内部抵抗は常温時と比べて10倍以上となり航続距離は半分以下に低下してしまいます。特性劣化防止のためにヒータが用いられますが、空気や水を熱媒体として用いる「外部加熱」では熱漏れが生じるため加熱効率が悪く、加熱ムラによるLIBの早期劣化を引き起こす恐れがあります。それに対し、LIBの内部抵抗におけるジュール熱を利用した「内部加熱」では熱漏れや加熱ムラが生じないため、EV用LIBの加熱手法として有望視されています。しかし、内部加熱手法ではLIBに対して数kHzの交流電流を与える必要があり、そのためにはインバータが追加で必要となるためEVの複雑化・高コスト化を招く。
 研究室では、EVに既存する電力変換器である充放電器およびセルバランス回路を利用した交流内部加熱手法を開発しています。EVに既存する電力変換器のスイッチング素子を利用することで、インバータを用いることなく交流電流を生成します。加熱用インバータを追加することなく交流内部加熱機能を実現できるため、EV電源システムの劇的な簡素化と低コスト化を達成できます。

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 Characteristics of lithium-ion batteries (LIBs) in electric vehicles (EVs) degrade at low temperatures, and their increased internal impedances at sub-zero temperatures shorten cruising distance significantly. Traditional external heating techniques using air or liquid as a heating medium lead to heat diffusion and nonuniform temperature distribution due to heat conduction and convection, resulting in the low heating efficiency or premature deterioration of LIBs. Meanwhile, internal heating techniques utilize the Joule heat generated by ac current flowing through LIBs offer higher heating efficiency and no heat leak. However, ac heating inverters are additionally necessary, increasing system complexity and cost.
  We are developing novel ac heating techniques utilizing charge-discharge regulators or cell equalizers that exist in EVs. Switching devices in such converters allow generating ac heating current even without using inverters. The proposed ac heating techniques realize Internal heating capability without relying on inverters, achieving a simplified system and cost reduction of EVs
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バッテリ放電カーブの温度依存性
Temperature dependence of discharging curves

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従来の外部加熱手法
Traditional external heating method

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リチウムイオンバッテリの等価回路
Equivalent circuit of lithium-ion batteries

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充放電器(DABコンバータ)を利用した交流内部加熱インバータ
AC heating inverter utilizing charge-discharge regulator (DAB converter)

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12セルバッテリに対する加熱実験

Heating experiment for 12-cell battery

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セルバランス回路を利用した交流内部加熱インバータ
AC heating inverter utilizing cell equalizer