SPICE MATLABユーザー向け二次電池シミュレーションセミナー資料(05JUN2015)

1. 1.リチウムイオン電池のモデル
2.ニッケル水素電池のモデル
3.鉛蓄電池のモデル
4.リチウムイオンキャパシタのモデル
5.電気二重層キャパシタのモデル
6.二次電池とキャパシタのハイブリッド回路シミュレーション事例
7.質疑応答
SPICE , MATLABユーザー向け二次電池
シミュレーションセミナー
2015年6月5日
1Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

2. 2Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

3. 2014年9月25日(木曜日)
3Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

4. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 4

5. 半導体メーカー及び電子部品メーカー(サプライヤ企業)
電子機器メーカー
自動車メーカー
社会インフラメーカー
(1)お客様への自社製品のSPICEモデルの提供
(2)自社製品のアプリケーション回路開発
(1)研究開発及び設計
(2)故障解析
キーワード：電源回路、インバータ回路、モーター駆動回路、LED照明回路及び電池回路
(1)研究開発及び設計
キーワード：ACモーター駆動回路、インバータ回路、LED照明回路HEV、EV、
二次電池、燃料電池及び回生回路
(1)全体システム回路設計
(2)故障解析
キーワード：太陽電池システム、スマートグリッドシステム、二次電池
対象の市場
5Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

6. 【環境発電(エナジーハーベスト)分野】
発電デバイス+ハーベストIC+アプリケーション回路
【生体信号分野】
⇒人体のSPICEモデル＋電子回路シミュレーション
(1)心臓
(2)脳＋神経
(3)血液
【教育分野】
(1)実務向けオンサイトセミナー
⇒企業向け教育プログラムの提供及び実施
(2)教育用プログラム
⇒LTspiceで回路学習+キットで実機学習
光起電力(太陽電池)
振動発電(ピエゾ素子)
温度差発電(ペルチェ素子)
＋ ハーベストIC ＋ アプリケーション回路
対象の市場
6Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

7. 回路解析シミュレータの用途は、多様化しています。
(1)研究開発
①次世代半導体のデバイスモデリング及びアプリケーション開発
②システム開発及び回路開発の回路動作現象
(2)回路設計
①アプリケーション開発
②トポロジーの開発及び選定
③回路設計及び回路動作検証
④損失計算
⑤ノイズ検証
⑥熱解析
(3)クレーム解析
①故障解析
②オープン・ショート
③想定外使用
④サージ解析
回路解析シミュレータの用途の多様化
7Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

8. 回路シミュレーションのポイント
【ポイント1】
回路解析シミュレーションの解析精度=スパイスモデルの解析精度である。
■有償SPICEでも無償SPICEでも採用するSPICEモデルで解析精度が決定される。
■1個でも変な動作をするスパイスモデルがあるとNG
【ポイント2】
シミュレーションの用途に応じたSPICEモデルを採用する。
■波形動作確認であれば、簡易SPICEモデルでも問題ない。
■損失計算を行う場合、過渡現象において再現性のあるSPICEモデルを採用する。
■温度シミュレーションをしたい場合には、温度対応SPICEモデルを採用する。
■ノイズシミュレーションをしたい場合には、ノイズ対応SPICEモデルを採用する。
【ポイント3】
回路シミュレーションをする回路は正確に入力する。
■回路シミュレーションをする場合、回路知識が必要です。
■回路解析結果の正誤を判断する必要があります。
8Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

9. 回路設計のワークフロー
仕様
回路方式選択
(トポロジーの選定)
詳細回路設計
回路図作成
材料表作成
基板設計
回路設計
ビー・テクノロジー製品及びサービス
コンセプトキット製品
デザインキット製品
シンプルモデル
デバイスモデリング教材
スパイス・パーク
デバイスモデリング
サービス
カスタムデザインキット
サービス
ビー・テクノロジー製品及びサービス
9Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

10. シミュレーション上の課題について
第一
の壁
第二
の壁
第三
の壁
第一の壁：SPICEの習得
第二の壁：SPICEモデルの入手
第三の壁：シミュレーション技術
10Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

11. シミュレーション解析時間
10％90％
実際のシミュレーション
解析時間
実際の解析時間は10％程度です。90％の時間をSPICEモデルの入手
に費やしています。
SPICEモデルの入手に費やしています。
●サプライヤ企業から入手する
●スパイス・パークからダウンロードする
●デバイスモデリングサービスを活用する
●自分でSPICEモデルを作成する
シミュレーション上の課題について
11Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

12. ダイオードのSPCIEモデルを作成する場合の事例
(ダイオードのSPICEモデルは3種類ある)
デバイスモデリング
の難易度
高い
低い
電流減少率モデル
⇒等価回路で-didtを再現している
IFIR法モデル
⇒等価回路でTrr(trj +trb)を再現している
パラメータモデル
⇒パラメータだけで作成できる簡易型モデル
シミュレーション上の課題について
12Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

13. ①再現性問題
実機波形とシミュレーション波形が合わない
【解決方法】
○目的に合ったSPICEモデルを採用する
○目に見えない寄生素子も考慮し、回路図に反映させる
【ご提供するサービス】
○SPICEモデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」
○シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」
②解析時間問題
早くシミュレーション結果を知りたいのにシミュレーションに多くの時間を有する
【解決方法】
○目的に合ったSPICEモデルを採用する
○タイムスケール機能を採用する
【ご提供するサービス】
○SPICEモデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」
○シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」
③収束エラー問題
最後までシミュレーションが実行出来ず、途中で計算が止まってしまう。
【解決方法】
○SPICEの.OPTIONSのパラメータを最適化する。
○スナバ回路等を挿入して急変する過渡応答性、過渡現象を緩和する。
○回路動作に影響しないように微小抵抗を適宜挿入する。
【ご提供するサービス】
○収束エラー解決サービス
シミュレーション上の課題について
13Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

14. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 14
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
PSpice Version
LTspice Version
MATLAB Version

15. Parameter Settings
C is the amp-hour battery capacity [Ah]
– e.g. C = 0.3, 1.4, or 2.8 [Ah]
NS is the number of cells in series
– e.g. NS=1 for 1 cell battery, NS=2 for 2 cells
battery (battery voltage is double from 1 cell)
SOC is the initial state of charge in percent
– e.g. SOC=0 for a empty battery (0%), SOC=1 for
a full charged battery (100%)
TSCALE turns TSCALE seconds into a second
– e.g. TSCALE=60 turns 60s or 1min into a second,
TSCALE=3600 turns 3600s or 1h into a second,
• From the Li-Ion Battery specification, the model is characterized by setting parameters
C, NS, SOC and TSCALE.
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 15
Model Parameters:
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 1
TSCALE = 1
C = 1.4
(Default values)
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

16. • The battery information refer to a battery part number LIR18500 of EEMB BATTERY.
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 16
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 1
TSCALE = 60
C = 1.4
Battery capacity is
input as a model
parameter
Nominal Voltage 3.7V
Nominal
Capacity
Typical 1400mAh (0.2C discharge)
Charging Voltage 4.20V±0.05V
Charging Std. Current 700mA
Max Current
Charge 1400mA
Discharge 2800mA
Discharge cut-off voltage 2.75V
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

17. Time
0s 50s 100s 150s 200s
1 V(HI) 2 I(IBATT)
3.0V
3.2V
3.4V
3.6V
3.8V
4.0V
4.2V
4.4V
1
0A
0.4A
0.6A
0.8A
1.0A
1.2A
1.4A
2
SEL>>SEL>>
V(X_U1.SOC)
0V
0.2V
0.4V
0.6V
0.8V
1.0V
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 0
NS = 1
TSCALE = 60
C = 1.4
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 17
• Charging Voltage: 4.20V±0.05V
• Charging Current: 700mA (0.5 Charge)
Current=700mA
Voltage=4.20V
Capacity=100%
(minute)
Measurement Simulation
SOC=0 means battery
start from 0% of
capacity (empty)
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

18. PARAMETERS:
rate = 0.5
CAh = 1.4
N = 1
0
Vin
5V
IBATT
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 0
NS = {N}
TSCALE = 60
C = 1.4
0
C1
10n
HI
IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
Limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
0
Voch
{(4.20*N)-8.2m}
DMOD
D1
0
*Analysis directives:
.TRAN 0 200 0 0.5
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 18
1 minute in seconds
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage*1) - VF of D1
Input Voltage
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

19. Time
0s 100s 200s 300s 400s
V(HI)
2.6V
2.8V
3.0V
3.2V
3.4V
3.6V
3.8V
4.0V
4.2V
4.4V
0
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 1
TSCALE = 60
C = 1.4
HI
0
0
IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
PARAMETERS:
rate = 1
CAh = 1.4
C1
10n
sense
*Analysis directives:
.TRAN 0 300 0 0.5
.STEP PARAM rate LIST 0.2,0.5,1
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 19
0.2C
0.5C
1C
(minute)
TSCALE turns 1 minute in seconds,
battery starts from 100% of capacity (fully charged)
• Battery voltage vs. time are simulated at 0.2C, 0.5C, and 1C discharge rates.
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

20. 0
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 1
TSCALE = 60
C = 1.4
HI
0
0IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
PARAMETERS:
rate = 0.2
CAh = 1.4
C1
10n
sense
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 20
*Analysis directives:
.TRAN 0 296.82 0 0.5
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
1 minute in seconds
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

21. + -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 4
TSCALE = 60
C = 4.4
• The battery information refer to a battery part number PBT-BAT-0001 of BAYSUN Co., Ltd.
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 21
The number of cells in
series is input as a
model parameter
Output Voltage DC 12.8~16.4V
Capacity of Approximately 4400mAh
Input Voltage DC 20.5V
Charging Time About 5 hours
Basic Specification
Li-ion needs 4 cells
to reach this
voltage level
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

22. Time
0s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8s 9s 10s
1 V(HI) 2 I(IBATT)
12V
13V
14V
15V
16V
17V
18V
1
0A
0.8A
1.2A
1.6A
2.0A
2.4A
2
>>
V(X_U1.SOC)
0V
0.2V
0.4V
0.6V
0.8V
1.0V
SEL>>
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 22
• Input Voltage: 20.5V
• Charging Voltage: 16.8V
• Charging Current: 880mA (0.2 Charge)
Current=880mA
Voltage=16.8V
Capacity=100%
(hour)
The battery needs 5 hours to be fully charged
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

23. PARAMETERS:
rate = 0.2
CAh = 4.4
N = 4
0
Vin
20.5V
IBATT
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 0
NS = {N}
TSCALE = 3600
C = 4.4
0
C1
10n
HI
IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
Limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
0
Voch
{(4.2*N)-8.2m}
DMOD
D1
0
*Analysis directives:
.TRAN 0 10 0 0.05
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 23
1 Hour in seconds
Input Voltage
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage*4) - VF of D1
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

24. Time
0s 0.4s 0.8s 1.2s 1.6s 2.0s
V(HI)
10V
11V
12V
13V
14V
15V
16V
17V
18V
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 24
• Charging Voltage: 16.8V
• Charging Current: 880mA (0.2 Charge)
(hour)
0.5C
1C
16.4V
12.8V
Output
voltage
range
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

25. 0
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 4
TSCALE = 3600
C = 4.4
HI
0
0IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
PARAMETERS:
rate = 1
CAh = 4.4
C1
10n
sense
*Analysis directives:
.TRAN 0 3 0 0.05
.STEP PARAM rate LIST 0.5,1
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 25
1 Hour in seconds
Parametric sweep “rate”
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

26. 1. Benefit of the Model
2. Model Feature
3. Simulink Model of Lithium-Ion Battery
4. Concept of the Model
5. Pin Configurations
6. Li-Ion Battery Specification (Example)
6.1 Charge Time Characteristic
6.1.1 Charge Time Characteristic (Simulation Circuit)
6.1.2 Charge Time Characteristic (Simulation Settings)
6.2 Discharge Time Characteristic (Simulation Circuit)
6.2.1 Discharge Time Waveform - 1400mAh (0.2C discharge)
6.2.2 Discharge Time Waveform - 1400mAh (0.5C discharge)
6.2.3 Discharge Time Waveform - 1400mAh (1.0C discharge)
6.2.4 Discharge Time Characteristic (Simulation Settings)
6.3 Vbat vs. SOC Characteristic
6.3.1 Vbat vs. SOC Characteristic (Simulation Circuit)
6.3.2 Vbat vs. SOC Characteristic (Simulation Settings)
7. Extend the number of Cell (Example)
7.1.1 Charge Time Circuit - NS=4, TSCALE=3600
7.1.2 Charge Time Waveform - NS=4, TSCALE=3600
7.2.1 Discharge Time Circuit - NS=4, TSCALE=3600
7.2.2 Discharge Time Waveform - NS=4, TSCALE=3600
7.3 Charge & Discharge Time (Simulation Settings)
8. Port Specifications
Simulation Index
Appendix Diode
26Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

27. 1. Benefit of the Model
• The model enables circuit designer to predict
and optimize battery runtime and circuit
performance.
• The model can be easily adjusted to your
own battery specifications by editing a few
parameters that are provided in the datasheet.
• The model is optimized to
reduce the convergence error and the
simulation time
27Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

28. • This Li-Ion Battery Simplified Simulink Model is for users who require the
model of a Li-Ion Battery as a part of their system.
• Battery Voltage(Vbat) vs. Battery Capacity Level (SOC) Characteristic, that can
perform battery charge and discharge time at various current rate conditions,
are accounted by the model.
• As a simplified model, the effects of cycle number and temperature are
neglected.
VSOC
2
MINUS
1
PLUS
VOC
+-
Rtransient_S
+-
Rtransient_L
+-
Rseries
Ibatt
+-
Ctransient_S
+-
Ctransient_L
+-
Capacity
2. Model Feature
28
Battery Circuit Model
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

29. 3. Simulink Model of Lithium-Ion Battery
29
Equivalent Circuit of Lithium-Ion Battery Model using Matlab
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1
VSOC
2
MINUS
1
PLUS
f(x)=0
Solver
Configuration
PSS
V
+
-
PS S
+-
0.03
RTS
0.034
RTL
IBAT
RTS
CTS
CAH
N
TSCALE
RTCT_S
RTCT_S_EQV
IBAT
RTL
CTL
CAH
N
TSCALE
RTCT_L
RTCT_L_EQV
IBAT
RS
N
CAH
RSO
RS_EQV
0.045
RS
PS S
PSS
+
-
U
+
-
U
-K-
-K-
f(u)
SOC VOUT
EOCV
I
+
-
1800
CTS
15000
CTL
TSCALE
CAH
IBAT
SOC_SETTING
SOC0
CAPACITY
+-
4
%SOC
3
Tscale
2
C
1
NS
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

30. 4. Concept of the Model
30
Li-Ion battery
Simplified Simulink Model
[Spec: C, NS]
Adjustable SOC : 0-100(%)
+
-
• The model is characterized by parameters: C, which represent the battery
capacity and SOC, which represent the battery initial capacity level.
• Open-circuit voltage (VOC) vs. SOC is included in the model as a behavioral
model.
• NS (Number of Cells in series) is used when the Li-ion cells are in series to
increase battery voltage level.
Output
Characteristics
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

31. VB
VIN
5V
1
Tscale
100
Soc
V
+
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.5C (700mA)1.4
Capacity
5. Pin Configurations
C is the amp-hour battery capacity [Ah]
– e.g. C = 0.2, 1.4, or 2.0 [Ah]
NS is the number of cells in series
– e.g. NS=1 for 1 cell battery, NS=2 for 2 cells
battery (battery voltage is double from 1 cell)
SOC is the initial state of charge in percent
– e.g. SOC=0 for a empty battery (0%), SOC=100
for a full charged battery (100%)
TSCALE turns TSCALE seconds into a second
– e.g. TSCALE=60 turns 60s or 1min into a second
TSCALE=3600 turns 3600s or 1h into a second
• From the Li-Ion Battery specification, the model is characterized by setting parameters
C, NS, SOC and TSCALE.
31
Model Parameters:
Probe
“SOC”
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

32. VBATT
Vo
(4.2
VIN
5V
1
Tscale
100
Soc
+-
V
+
-
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.5C (700mA)1.4
Capacity
6. Li-Ion Battery Specification (Example)
• The battery information refer to a battery part number LIR18500 of EEMB BATTERY.
32
Battery capacity is input as
a model parameter
Nominal Voltage 3.7V
Nominal
Capacity
Typical 1400mAh (0.2C discharge)
Charging Voltage 4.20V±0.05V
Charging Std. Current 700mA
Max Current
Charge 1400mA
Discharge 2800mA
Discharge cut-off voltage 2.75V
Table 1
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

33. 6.1 Charge Time Characteristic
33
• Charging Voltage: 4.20V±0.05V
• Charging Current: 700mA (0.5C
Charge)
Current=700mA
Voltage=4.20V
Datasheet Simulation
SOC=0 means battery start from
0% of capacity (empty)
%SOC
(Second)
VBATT
VIN
5V
1
Tscale
0
Soc
+-
V
+
-
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.5C (700mA)1.4
Capacity
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

34. VBATT
Voch
(4.24*Ns)-0.07
VIN
5V
1
Tscale
0
Soc
+-
V
+
-
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.5C (700mA)1.4
Capacity
6.1.1 Charge Time Characteristic
 Simulation Circuit
34
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage*1) - VF of Diode
Input Voltage
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

35. 6.1.2 Charge Time Characteristic
 Simulation Settings
35
Table 2: Simulation settings
Property Value
StartTime 0
StopTime 12000
AbsTol auto
InitialStep auto
ZcThreshold auto
MaxConsecutiveZCs 1000
NumberNewtonIterations 1
MaxStep 1
MinStep auto
MaxConsecutiveMinStep 1
RelTol 1e-3
SolverMode Auto
Solver ode23t
SolverName ode23t
SolverType Variable-step
SolverJacobianMethodControl auto
ShapePreserveControl DisableAll
ZeroCrossControl UseLocalSettings
ZeroCrossAlgorithm Adaptive
SolverResetMethod Fast
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

36. 6.2 Discharge Time Characteristic
 Simulation Circuit
36
• Battery voltage vs. time are simulated at 0.2C, 0.5C, and 1C discharge rates.
battery starts from 100% of capacity
(fully charged)
VBAT
1
Tscale
100
Soc
V
+
-
PSS
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
IDIS
0.2C (280mA)
1.4
Capacity
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

37. 37
0.2C discharge (280mA)
6.2.1 Discharge Time Waveform
 1400mAh (0.2C discharge)
• Nominal Voltage: 3.7V
• Discharge cut-off voltage: 2.75V
(Second)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

38. 38
0.5C discharge (700mA)
6.2.2 Discharge Time Waveform
 1400mAh (0.5C discharge)
• Nominal Voltage: 3.7V
• Discharge cut-off voltage: 2.75V
(Second)
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1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

39. 39
1.0C discharge (1400mA)
6.2.3 Discharge Time Waveform
 1400mAh (1.0C discharge)
• Nominal Voltage: 3.7V
• Discharge cut-off voltage: 2.75V
(Second)
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1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

40. 40
6.2.4 Discharge Time Characteristic
 Simulation Settings
Table 3: Simulation settings
Property Value
StartTime 0
StopTime 24000, 9600, 4800
AbsTol auto
InitialStep auto
ZcThreshold auto
MaxConsecutiveZCs 1000
NumberNewtonIterations 1
MaxStep 10
MinStep auto
MaxConsecutiveMinStep 1
RelTol 1e-3
SolverMode Auto
Solver ode23t
SolverName ode23t
SolverType Variable-step
SolverJacobianMethodControl auto
ShapePreserveControl DisableAll
ZeroCrossControl UseLocalSettings
ZeroCrossAlgorithm Adaptive
SolverResetMethod Fast
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1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

41. 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
DischargeCapacity
(%vs.0.2C)
Battery Discharge Current (vs. C Rate)
Mesurement
Simulation
6.3 Vbat vs. SOC Characteristic
41
• Nominal Voltage: 3.7V
• Capacity: 1400mAh (0.2C discharge)
• Discharge cut-off voltage: 2.75V
2.60
2.80
3.00
3.20
3.40
3.60
3.80
4.00
4.20
4.40
-0.200.20.40.60.81
Voltage(V)
Capacity (%)
0.5C
0.2C
1C
Datasheet Simulation
SimulationVbat vs. SOC
1
Tscale
100
Soc
V
+
-
PSS
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
IDIS
1400mAh*(discharge rate)
1.4
Capacity
100
Cal
VBAT
SOC
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MATLAB

42. 6.3.1 Vbat vs. SOC Characteristic
 Simulation Circuit
42
Vbat vs. SOC
1
Tscale
100
Soc
V
+
-
PSS
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
IDIS
1400mAh*(discharge rate)
1.4
Capacity
100
Cal
VBAT
SOC
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MATLAB

43. 6.3.2 Vbat vs. SOC Characteristic
 Simulation Settings
43
Table 4: Simulation settings
Property Value
StartTime 0
StopTime 19200
AbsTol auto
InitialStep auto
ZcThreshold auto
MaxConsecutiveZCs 1000
NumberNewtonIterations 1
MaxStep 10
MinStep auto
MaxConsecutiveMinStep 1
RelTol 1e-3
SolverMode Auto
Solver ode23t
SolverName ode23t
SolverType Variable-step
SolverJacobianMethodControl auto
ShapePreserveControl DisableAll
ZeroCrossControl UseLocalSettings
ZeroCrossAlgorithm Adaptive
SolverResetMethod Fast
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1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

44. VBATT
Voch
(4.2*Ns)-70m
VIN
20.5V
3600
Tscale
0
Soc
+-
V
+
-
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
4
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.2C (880mA)4.4
Capacity
• The battery information refer to a battery part number PBT-BAT-0001 of BAYSUN Co., Ltd.
44
The number of cells in
series is input as a model
parameter
Output Voltage DC 12.8~16.4V
Capacity of Approximately 4400mAh
Input Voltage DC 20.5V
Charging Time About 5 hours
Basic Specification
Li-ion needs 4 cells to
reach this voltage level
7. Extend the number of Cell (Example)
 NS=4, TSCALE=3600
1 hour into a second (in
simulation)
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1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

45. VBATT
Voch
(4.218*Ns)-12m
VIN
20.5V
3600
Tscale
0
Soc
+-
V
+
-
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
4
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.2C (880mA)4.4
Capacity
7.1.1 Charge Time Circuit
 NS=4, TSCALE=3600
45
Input Voltage
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage  4) - VF of Diode
Number of Cells
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MATLAB

46. 46
• Input Voltage: 20.5V
• Charging Voltage: 16.8V
• Charging Current: 880mA (0.2 Charge)
Current=880mA
Voltage=16.8V
Capacity=100%
(hour)
The battery needs 5 hours to be fully charged
7.1.2 Charge Time Waveform
 NS=4, TSCALE=3600
BATTERY PACK LI-ION 12.8~16.4V
Number of Cells: 4
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1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

47. VBAT
3600
Tscale
100
Soc
V
+
-
PSS
4
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
IDIS
0.5C (2200mA)
4.4
Capacity
7.2.1 Discharge Time Circuit
 NS=4, TSCALE=3600
47
Number of Cells
• Output Voltage: 12.8~16.4V
• Capacity: 4400mAh
• Discharge Current: 2200mA (0.5C)
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MATLAB

48. 48
2200mA (0.5C)
16.4V
12.8V
Output
voltage
range
7.2.2 Discharge Time Waveform
 NS=4, TSCALE=3600
• Output Voltage: 12.8~16.4V
• Capacity: 4400mAh
• Discharge Current: 2200mA (0.5C)
BATTERY PACK LI-ION 12.8~16.4V
Number of Cells: 4
(hour)
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1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

49. 7.3 Charge & Discharge Time
 Simulation Settings
49
Table 5: Simulation settings
Property Value
StartTime 0
StopTime 8, 3
AbsTol auto
InitialStep auto
ZcThreshold auto
MaxConsecutiveZCs 1000
NumberNewtonIterations 1
MaxStep 0.01
MinStep auto
MaxConsecutiveMinStep 1
RelTol 1e-3
SolverMode Auto
Solver ode23t
SolverName ode23t
SolverType Variable-step
SolverJacobianMethodControl auto
ShapePreserveControl DisableAll
ZeroCrossControl UseLocalSettings
ZeroCrossAlgorithm Adaptive
SolverResetMethod Fast
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1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

50. 8. Port Specifications
50
Table 6
Parameter Simulink Simscape
NS O
C O
TSCALE O
%SOC O
VSOC O
PLUS O
MINUS O
VSOC
VIN
5V
60
Tscale
0
Soc
SENSE_
I
+
-
SENSE_IBAT
PS S
PS S
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.5C
IBAT
1.4
Capacity
Battery Model
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

51. Appendix
51Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
If Diode is error, Please choice Diode of SPICE-Compatiable
Semiconductors/Diode
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

52. Appendix
52Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
Setting of Diode
Emission coefficient ,ND Default Value change 0.01
1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

53. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 53
2.ニッケル水素電池のシンプルモデル
PSpice Version
LTspice Version
MATLAB Version
http://ow.ly/NQNU2
http://ow.ly/NQO3I

54. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 54
3.鉛蓄電池のシンプルモデル
PSpice Version
LTspice Version
MATLAB Version
http://ow.ly/NQOhK
http://ow.ly/NQOo3

55. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 55
3.鉛蓄電池のシンプルモデル
PSpice Version
LTspice Version
MATLAB Version
http://ow.ly/NQOhK
http://ow.ly/NQOo3

56. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 56
4.リチウムイオンのシンプルモデル
PSpice Version
LTspice Version
MATLAB Version
http://ow.ly/NQOMH
http://ow.ly/NQOTT

57. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 57
5.電気二重層キャパシタのシンプルモデル
PSpice Version
LTspice Version
MATLAB Version
http://ow.ly/NQPmB
http://ow.ly/NQPso

58. How to Design of Power Management of
Hybrid Circuit(Battery and EDLC)
using LTspice Simple Model
LTspice Version
58Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
6.二次電池とキャパシタのハイブリッド回路シミュレーション事例

59. 1.Circuit Method
2.Battery System only
3.Battery and EDLC System
4.Conclusion
LTspice Version
SPICE Model using Simple Model by Bee Technologies
Lithium Ion Battery Model
http://www.bee-tech.info/simple-model-for-spice/lithium-ion-battery-model/
Electric Double-Layer Capacitor Model
http://www.bee-tech.info/simple-model-for-spice/edlc-model/
59Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
6.二次電池とキャパシタのハイブリッド回路シミュレーション事例

60. 1.Circuit Method
Battery System only Hybrid(Battery and EDLC) System
Lithium
Ion
Battery
Current
Load
Lithium
Ion
Battery
Current
Load
EDLC
Control
Current Load Profile
Hybrid(Battery and EDLC) System
If Current load >0.6[A], EDLC work
If Current load =<0.6[A], Lithium Ion Battery work
60Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
6.二次電池とキャパシタのハイブリッド回路シミュレーション事例

61. 1.Circuit Method
Current Load Profile
Hybrid(Battery and EDLC) System
If Current load >0.6[A], EDLC work
If Current load =<0.6[A], Lithium Ion Battery work
EDLC work
Lithium Ion Battery work
61Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
6.二次電池とキャパシタのハイブリッド回路シミュレーション事例

62. 2.Battery System only
62Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
6.二次電池とキャパシタのハイブリッド回路シミュレーション事例

63. 2.Battery System only
Current Load
Battery Voltage
Battery SOC(%): 100->91.64
63Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
6.二次電池とキャパシタのハイブリッド回路シミュレーション事例

64. 3.Battery and EDLC System
64Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
6.二次電池とキャパシタのハイブリッド回路シミュレーション事例

65. Control
Battery Voltage
Battery SOC(%): 100->94.32
3.Battery and EDLC System
Current Load
EDLC Voltage
65Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
6.二次電池とキャパシタのハイブリッド回路シミュレーション事例

66. 4. Conclusion
Battery System only Hybrid(Battery and EDLC) System
Lithium
Ion
Battery
Current
Load
Lithium
Ion
Battery
Current
Load
EDLC
Control
SOC[%]
Start Stop
Lithium Ion
Battery
100 91.64
SOC[%]
Start Stop
Lithium Ion Battery 100 94.32
If high Current wave form quickly, Hybrid Circuit is better.
66Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
6.二次電池とキャパシタのハイブリッド回路シミュレーション事例

67. 67Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
ビー・テクノロジーのサイト
http://www.beetech.info/
デバイスモデリング研究所のサイト
http://beetech-icyk.blogspot.jp/

68. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 68
質疑応答