BMS付きのバッテリ3Dモデルで、急速充電シミュレーションやってみませんか

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CoThermでTAIThermモデルと1Dシステムモデルの連成を実現、電池の”頭”であるBMS制御による電池の実挙動を初めてシミュレーションで検証することが可能。BMS制御ロジックの最適化、電池性能評価、車両エネルギーマネジメントの見極めなどにご活用いただける。

従来の電池解析では、電流または電圧のプロファイルが先に決まっていて、それを入力条件として3次元解析モデルに設定されてる。BMSはまるで存在していないように、電池がどんな条件でもそのプロファイルに従って挙動するとなっている。実車では、BMSが電池の状態をモニタリングして、その状態に応じて時々刻々に電池の入出力電流またはセル電圧を制御しているため、想定されているプロファイルの通りに動いていないのはほとんどだ。それをゆえに、従来の電池解析では実車性能の予測性に欠如している。特に、急速充電性能、長距離の連続走行などのシナリオでは従来の解析手法では適用できないと考えている。

弊社はこの課題を認識し、BMSありの電池解析ソリューションを開発した。まずは、長年蓄積したBMS開発経験をもとに、BMSの数値モデルの作成し、市販の1Dシステムツールに織り込んでみた。各社では独自のBMSを開発して、一律ではないが、MBSE観点からみると、BMSに担う機能が共通していると考えている。弊社開発した汎用BMS数値モデルをもとに、各社が開発したBMSに適用、カスタマイズすることが可能になっている。その以外に、充電器モデル、温調モデル、空調モデルも用意しており、車両全体の関連システムに必要に応じて拡張することができる。

そして、CoTherm連成プラットフォームでTAIThermと1Dシステムツールの連成解析テンプレートを構築した。CoThermでシムレースに連成できていると検証しておる。お客様には弊社提案のテンプレートを利用することで、連成に手数をかけることが極力削減できている。

低温時加温での充電シミュレーション

北海道は真冬になったときに、凍っている天気でバッテリも冷えてしまう。リチウムイオン電池の中の電解液はドロドロになり、リチウムイオンは正極から負極への移動は行き詰まっている、充電は超おそ~くなる。電池を温めないといけない、ヒーターを付けてみようと思ったとたんに、3次元TAIThermモデルと1次元のBMSモデルを連成してシミュレーションを回してみた。1000Wであれば、電池温度が5℃でも、そこそこ行けている。3000Wであれば、電池温度が-5℃でも6割ぐらい行ける。30minで6割ぐらい充電できるなら、エアコン付きで150km~300km走れるので、お客様はまあまあ普通に電池自動車で外に出かけることができる。

シミュレーションで出力された0℃温度断面の充電プロファイルを見ると、この電池の弱みと強みは捉えることができた。ヒーターなしでは、ほとんど充電電流が上がらなかったのは、この電池の自己発熱対熱容量は小さかったことを示している。ある意味で、この電池が穏やかな熱特性を持っていた。1000Wでは40A強まで上げられるが、温度上昇の効果が限られているため、やはりある温度領域までは充電性能がまずかったとわかった。3000Wでは1100sでグーと電流が上がったのは、その温度の壁を飛び出して、一気に電流が入っている領域を持っているとわかる。まあ、この電池はある温度を境として弱いと強いとはっきりと分けているだろうね。

 

高温時冷却での充電シミュレーション

アメリカのアリゾナ州では真夏になったときに、日差しが強くて、平均気温が37℃以上に上る。急速充電ステーションで充電して、しばらく電池があっちっちくなり、リチウムイオンは非常に活発になっていて、電極をボロボロさせる恐れがある。BMSは電池を少し落ち着かせないといけない、そうすると、充電器からの充電電流は絞ってしまう。この時は、電池を冷やさないといけない、冷却器を付けてみようと思って、また3次元TAIThermモデルと1次元のBMSモデルを連成してシミュレーションを回してみた。25℃ぐらいの水温を400L/hrの流速で流せば、電池は冷やされて快適温度になり、6割ぐらい急速充電が可能、600L/hrの流速で流せば、さらに8割ぐらい急速充電ができる。

こちらのシミュレーションで出力された充電プロファイルを見るとも、この電池の”性格”はいろいろわかってくる。冷却なしでは、最初はグーと電流が上がって、そしてしばらくプラトーが続き、200s過ぎたら徐々に電流が絞られている挙動を示した。これは、この電池がある温度までの高温領域は実はきわめて電流の受け入れ性がよくて、ただ、ある温度をこえたら、徐々に電池劣化の心配が強くなってしまって、電流を絞りながら温度を収まらないといけないだろう。冷却ありでは、面白いのは電流が絞られている途中に、ある時間でいきなり電流が上がるという変な挙動が示されている。これはおそらくBMSの中に電流絞りロジックに強制的にスイッチを設定されていて、平滑処理はされていないだろうと思う。これはBMS設計によくあるミスであり、実車ではお客様は充電中のSOCが急に変動するという現象につながっている、BMS設計のやり直しだよね。

 

 

EThermoは1Dシステムモデル、TAIThermモデル、CFDモデル、CoTherm連成モデルを含めた一括的なソリューションを提供する。

弊社は電池解析について技術サポート、コンサルティングを承っております。ご質問がございましたら、お気軽くに弊社までご連絡ください。

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