JP2017229139A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ニッケル水素電池を含むバッテリのメモリ量を高精度に推定するとともに、バッテリを適切に保護しつつバッテリを十分に活用するための技術を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ３００は、ニッケル水素電池を含むバッテリ１００のメモリ量とバッテリ１００の使用開始時からの経過時間との対応関係を示すマップＭＰ１を記憶する。マップＭＰ１は、バッテリ１００のＯＣＶと温度Ｔｂとを含んで定義された使用条件毎に区分して定められる。ＥＣＵ３００は、マップＭＰ１を参照して使用条件の区分が変化しない時間内でのメモリ量Ｍを逐次算出するとともに、算出されたメモリ量Ｍを使用開始時から積算することによってバッテリ１００の積算メモリ量ΣＭを推定し、積算メモリ量ΣＭを用いて充電電力上限値Ｗｉｎおよび放電電力上限値Ｗｏｕｔを設定する。
【選択図】図９

Description

本発明は電池システムに関し、より特定的にはニッケル水素電池を含む電池システムに関する。

ニッケル水素電池においてメモリ効果が生じることが知られている。メモリ効果とは、ニッケル水素電池に蓄えられた電力が完全に消費されていない状態での充電（いわゆる継ぎ足し充電）が繰り返された場合に、ニッケル水素電池の放電電圧が正常時（メモリ効果が生じていないとき）と比べて低くなる現象である。メモリ効果はニッケル水素電池の充電側においても生じる可能性があり、充電側においては充電電圧が正常時と比べて高くなる。

ニッケル水素電池のメモリ効果による電圧変化量（以下「メモリ量」とも称する）を推定するための技術が提案されている。メモリ量を推定することによって、たとえばニッケル水素電池の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）の推定精度を向上させることが可能になるためである。たとえば特開２００７−３３３４４７号公報（特許文献１）は、ニッケル水素電池の開放電圧に基づいてニッケル水素電池の起電力を算出し、算出された起電力とＳＯＣとの関係を用いて起電力からＳＯＣを推定する充電状態推定装置を開示する。特許文献１に開示された充電状態推定装置では、ＳＯＣの推定に先立ちメモリ量に応じて開放電圧を補正することによってＳＯＣの推定精度を向上させる。

特開２００７−３３３４４７号公報

バッテリの充放電を適切に制御するためには、メモリ量を高精度に推定することが求められる。特許文献１に開示の技術ではメモリ量の推定精度に改善の余地が存在する。

また、一般に電池システムでは、バッテリの保護を目的として、バッテリの充放電に制限が設けられる。より詳細には、バッテリへの充電電力がその制御上限値を示す充電電力上限値Ｗｉｎを上回らず、かつ、バッテリからの放電電力がその制御上限値を示す放電電力上限値Ｗｏｕｔを上回らないようにバッテリの充放電が制御される。また、バッテリの電圧には、その使用範囲の上限値ＵＬと下限値ＬＬとが定められており、電圧が上限値ＵＬを上回らず、かつ、電圧が下限値ＬＬを下回らないようにバッテリの充放電が制御される。

バッテリからの放電時の電圧は、放電が行われていないときの電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）よりも放電による電圧降下量だけ低下するので、放電電力が大きいほど電圧が低くなる。バッテリに放電側のメモリ効果が生じた場合には、メモリ効果が生じていない正常時と比べて電圧が低くなり、バッテリの放電に伴い電圧が下限値ＬＬに達しやすくなる。したがって、電圧が下限値ＬＬを下回らないようにするためには、放電電力上限値Ｗｏｕｔ（絶対値）を正常時と比べて低く設定することが望ましい。しかしながら、放電電力上限値Ｗｏｕｔを低く設定し過ぎると、バッテリを保護することはできるものの、バッテリの放電が過度に制限されてバッテリを十分に活用することができない可能性がある。

逆に、バッテリへの充電時の電圧は、充電が行われていないときの電圧（ＯＣＶ）よりも上昇し、充電電力が大きいほど電圧が高くなる。バッテリに充電側のメモリ効果が生じた場合には、電圧が正常時と比べて高くなるので、バッテリの充電に伴い電圧が上限値ＵＬに達しやすくなる。したがって、電圧が上限値ＵＬを上回らないようにするためには、充電電力上限値Ｗｉｎ（絶対値）を正常時と比べて低く設定することが望ましい。しかしながら、充電電力上限値Ｗｉｎを低く設定し過ぎると、バッテリを保護することはできるものの、バッテリの充電が過度に制限されてバッテリを十分に活用することができない可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ニッケル水素電池を含むバッテリのメモリ量を高精度に推定するとともに、バッテリを適切に保護しつつバッテリを十分に活用するための技術を提供することである。

本発明のある局面に従う電池システムは、外部機器に電力を供給する。電池システムは、ニッケル水素電池を含むバッテリと、バッテリと外部機器との間で電力を変換可能に構成された電力変換装置と、制御装置とを備える。制御装置は、バッテリへの充電電力が充電電力の制御上限値を上回らず、かつ、バッテリからの放電電力が放電電力の制御上限値を上回らないように電力変換装置を制御する。制御装置は、バッテリのメモリ効果による電圧変化量を示すメモリ量とバッテリの使用開始時からの経過時間との対応関係を示すデータを記憶する。データは、バッテリの開放電圧と温度とを含んで定義された使用条件毎に区分して定められる。制御装置は、記憶されたデータを参照して使用条件の区分が変化しない時間内でのメモリ量を逐次算出するとともに、算出されたメモリ量を使用開始時から積算することによってバッテリの現在のメモリ量を推定し、推定されたメモリ量を用いて充電電力の制御上限値および放電電力の制御上限値を設定する。

本発明者らの実験結果（後述）によれば所定期間中に生じたメモリ量を設定する主要因がニッケル水素電池の開放電圧と温度とであるところ、上記構成によれば、推定装置には、ニッケル水素電池の使用開始時からの経過時間とメモリ量との対応関係を示すデータが、ニッケル水素電池の開放電圧と温度とを含んで定義された使用条件毎に記憶されている。したがって、推定装置は、ニッケル水素電池の使用条件に対応するデータを参照することにより、使用条件の区分が変化しない時間内でのメモリ量を高精度に算出することができる。そして、高精度に算出されたメモリ量を積算することによって、ニッケル水素電池の現在のメモリ量についても高精度に推定することができる。

さらに、上記構成によれば、上述のようにして推定されたメモリ量を用いて充電電力上限値および放電電力上限値が設定される。このメモリ量は高精度に推定されたものであるため、充電電力上限値を小さく設定し過ぎてバッテリを十分に活用することができなかったり、あるいは充電電力上限値を大きく設定し過ぎてバッテリを適切に保護することができなかったりすることが防止される。放電電力上限値についても同様である。すなわち、バッテリを適切に保護しつつバッテリを十分に活用することが可能になる。

本発明によれば、ニッケル水素電池を含むバッテリのメモリ量を高精度に推定するとともに、バッテリを適切に保護しつつバッテリを十分に活用することができる。

本実施の形態に係る電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。 バッテリに含まれるセルの構成を示す図である。 発明者らが実施した３種類の試験結果を説明するための図である。 各使用条件下での経過時間とメモリ量との対応関係を示すタイムチャートである。 メモリ量推定処理を説明するためのタイムチャートである。 積算メモリ量推定処理を示すフローチャートである。 充電電力上限値Ｗｉｎおよび放電電力上限値Ｗｏｕｔを設定するためのマップの一例を示す図である。 実施の形態におけるバッテリの放電電力上限値制御を示すタイムチャートである。 本実施の形態におけるバッテリの放電電力上限値制御および充電電力上限値制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

以下では、本発明の本実施の形態に係る電池システムがハイブリッド車に搭載される構成を例に説明する。しかし、本実施の形態に係る電池システムが搭載可能な車両はハイブリッド車に限定されず、電気自動車であってもよいし、燃料自動車であってもよい。また、電池システムの用途は車両用に限定されるものではなく、定置用であってもよい。

［実施の形態］
＜車両構成＞
図１は、本実施の形態に係る電池システムが搭載されたハイブリッド車の全体構成を概略的に示すブロック図である。車両１は、ハイブリッド自動車、電気自動車または燃料自動車であって、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）１０と、動力伝達ギア２０と、駆動輪３０と、電力制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）４０と、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）５０と、電池システム２とを備える。電池システム２は、バッテリ１００と、電圧センサ２１０と、電流センサ２２０と、温度センサ２３０と、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３００とを備える。

モータジェネレータ１０は、たとえば三相交流回転電機である。モータジェネレータ１０の出力トルクは、減速機および動力分割機構を含んで構成された動力伝達ギア２０を介して駆動輪３０に伝達される。モータジェネレータ１０は、車両１の回生制動動作時には、駆動輪３０の回転力によって発電することも可能である。モータジェネレータ１０に加えてエンジン（図示せず）が搭載されたハイブリッド自動車では、エンジンおよびモータジェネレータ１０を協調的に動作させることによって必要な車両駆動力を発生させる。なお、図１ではモータジェネレータが１つだけ設けられる構成が示されるが、モータジェネレータの数はこれに限定されず、モータジェネレータを複数（たとえば２つ）設ける構成としてもよい。

ＰＣＵ４０は、いずれも図示しないが、インバータとコンバータとを含む。バッテリ１００の放電時には、コンバータは、バッテリ１００から供給された電圧を昇圧してインバータに供給する。インバータは、コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ１０を駆動する。一方、バッテリ１００の充電時には、インバータは、モータジェネレータ１０によって発電された交流電力を直流電力に変換してコンバータに供給する。コンバータは、インバータから供給された電圧を降圧してバッテリ１００に供給する。

ＳＭＲ５０は、バッテリ１００とＰＣＵ４０とを結ぶ電流経路に電気的に接続されている。ＳＭＲ５０がＥＣＵ３００からの制御信号に応じて閉成されている場合、バッテリ１００とＰＣＵ４０との間で電力の授受が行なわれ得る。

バッテリ１００は、再充電が可能に構成された直流電源であり、本実施の形態ではニッケル水素電池を含んで構成される。バッテリ１００に含まれる各セル１０１の詳細な構成については図２にて説明する。

電圧センサ２１０は、バッテリ１００の電圧Ｖｂを検出する。電流センサ２２０は、バッテリ１００に入出力される電流Ｉｂを検出する。温度センサ２３０は、バッテリ１００の温度Ｔｂを検出する。各センサは、その検出結果をＥＣＵ３００に出力する。なお、電圧センサは、セル毎に１つずつ設けられていてもよいし、複数個のセル（たとえば数個）毎に１つずつ設けられていてもよい。この場合は、各セルまたは複数個のセル毎にメモリ量（後述）を推定してもよい。同様に、温度センサもセル毎に１つずつ設けられていてもよいし、複数個のセル毎に１つずつ設けられていてもよい。

ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０１と、メモリ（ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory））３０２と、タイマ３０３と、入出力バッファ（図示せず）と等を含んで構成される。ＥＣＵ３００は、各センサから受ける信号、ならびにメモリ３０２に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、車両１および電池システム２が所望の状態となるように各機器を制御する。ＥＣＵ３００により実行される主要な処理として、バッテリ１００に生じたメモリ効果による電圧変化量の推定処理と、推定された電圧変化量に基づく充電電力上限値Ｗｉｎおよび放電電力上限値Ｗｏｕｔの設定処理とが挙げられるが、これらの処理については後述する。

図２は、バッテリ１００に含まれるセル１０１の構成を示す図である。各セル１０１の構成は共通であるため、図２では１つのセル１０１のみを代表的に示す。セル１０１は、たとえば角形密閉式のセルであり、ケース１０２と、ケース１０２に設けられた安全弁１０３と、ケース１０２内に収容された電極体１０４および電解液（図示せず）とを含む。なお、図２ではケース１０２の一部を透視して電極体１０４を示す。

ケース１０２は、いずれも金属からなるケース本体および蓋体を含み、蓋体がケース本の開口部上で全周溶接されることにより密閉される。安全弁１０３は、ケース１０２内部の圧力が所定値を超えると、ケース１０２内部のガス（水素ガス等）の一部を外部に排出する。電極体１０４は、正極板と、負極板と、セパレータとを含む。正極板は袋状のセパレータ内に挿入されており、セパレータ内に挿入された正極板と、負極板とが交互に積層されている。正極板および負極板は、図示しない正極端子および負極端子にそれぞれ電気的に接続される。

電極体１０４および電解液の材料としては従来公知の各種材料を用いることができる。本実施の形態においては、一例として、正極板には、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）_２またはＮｉＯＯＨ）を含む正極活物質層と、発泡ニッケルなどの活物質支持体とを含む電極板が用いられる。負極板には、水素吸蔵合金を含む電極板が用いられる。セパレータには、親水化処理された合成繊維からなる不織布が用いられる。電解液には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などを含むアルカリ水溶液が用いられる。

＜バッテリのメモリ効果＞
以上のように構成された電池システム２において、バッテリ１００のメモリ効果による電圧変化量（電圧降下量または電圧上昇量）を示す「メモリ量」を高精度に推定することが求められる。

本発明者は、後述する３種類の実験結果から、メモリ量の大きさを定める主要因として、バッテリ１００の電圧Ｖｂ（より詳細には開放電圧）および温度Ｔｂに関する条件に着目した。以下では、バッテリ１００の開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）と温度Ｔｂとの組合せを含んで定義される条件をバッテリ１００の「使用条件」とも称する。さらに、本発明者は、ある期間中に生じたメモリ量を推定する際には、その期間以前のバッテリ１００の「使用条件」については考慮しなくてよいことに着目した（後述）。

これらの知見に基づいて、本実施の形態においては、所定期間中に生じたメモリ量を逐次積算することによって、その積算値である総量としてのメモリ量（以下「積算メモリ量」とも称する）を推定する。このような手法を採用することにより、実験結果またはシミュレーション結果を用いて所定期間中のメモリ量を高精度に推定することができれば、その積算メモリ量についても高精度に推定することが可能になるためである。以下、この手法について詳細に説明する。

図３は、本発明者が実施した３種類の実験結果を説明するための図である。図３（Ａ）に示すように、３種類の実験とは、バッテリ１００の定電圧試験、放置試験およびサイクル試験である。

定電圧試験とは、所定期間（図３に示す例では数日間）、図示しない外部電源を用いてバッテリ１００外部からバッテリ１００に電圧を印加することによってバッテリ１００の電圧Ｖｂを一定に保持する試験である。放置試験とは、外部電源による電圧印加を行なうことなく所定期間、バッテリ１００を放置する試験である。放置試験ではバッテリ１００の自己放電によるＳＯＣ低下の影響が現れるのに対し、定電圧試験では自己放電によるＳＯＣ低下の影響が現れない。したがって、これらの試験結果を比較することによって、バッテリ１００の自己放電がメモリ量に与える影響の大きさを求めることができる。

サイクル試験とは、所定期間、所定のＳＯＣ幅でバッテリ１００の充放電を繰り返し行なう試験である。充放電電流の大きさが互いに異なる複数のサイクル試験の結果を比較することによって、充放電電流がメモリ量に与える影響の大きさを求めることができる。

バッテリ１００の温度ＴｂがＴ１（室温）の場合と、温度ＴｂがＴ１よりも高いＴ２（高温）の場合とで、いずれも等しい期間（上記所定期間）に亘って３種類の試験を実施した結果を図３（Ｂ）に示す。白い正方形のマーカは温度Ｔ１における定電圧試験結果を示し、白い円形のマーカは温度Ｔ１における放置試験結果を示し、白い菱形のマーカは温度Ｔ１におけるサイクル試験結果を示す。黒い正方形のマーカは温度Ｔ２における定電圧試験結果を示し、黒い円形のマーカは温度Ｔ２における放置試験結果を示し、黒い菱形のマーカは温度Ｔ２におけるサイクル試験結果を示す。

図３（Ｂ）において、横軸はバッテリ１００（あるいは各セル１０１）のＯＣＶを表し、縦軸はメモリ量（ここでは放電時の電圧低下量）Ｍを表す。図４（Ｂ）に示すように、ＯＣＶが所定範囲内の場合にメモリ量Ｍが特に大きい。また、バッテリ１００の温度Ｔｂが高いほどメモリ量Ｍが大きくなる。これらの結果から、バッテリ１００のＯＣＶと温度Ｔｂとの組合せにより定義される使用条件（ＯＣＶ，Ｔｂ）に応じて、所定期間中に生じたメモリ量が定まることが分かる。

その一方で、各温度Ｔ１，Ｔ２において、定電圧試験結果（正方形のマーカ参照）と放置試験結果（円形のマーカ参照）とは互いに近い箇所にプロットされる。このことから、バッテリ１００の自己放電がメモリ量に与える影響が相対的に小さいことが分かる。さらに、サイクル試験結果（菱形マーカ参照）も他の２つの試験結果（正方形および円形のマーカ参照）に近い箇所にプロットされる。このことから、バッテリ１００の充放電電流についてもメモリ量に与える影響が比較的小さいことが分かる。

なお、ＯＣＶとＳＯＣとの間には相関関係が存在するので、ＯＣＶに代えてＳＯＣを横軸に用いた場合でも図３（Ｂ）と同様の結果が得られる。また、図３では放電側のメモリ効果について代表的に説明したが、電圧変化量の符号が異なるものの、充電側のメモリ効果についても使用条件（ＯＣＶ，Ｔｂ）によってメモリ量を定義することができる。

図３に一例を示した実験を様々な使用条件（ＯＣＶ，Ｔｂ）下で行なうことによって、バッテリ１００の使用開始時からの時間の経過とともに生じるメモリ量を使用条件（ＯＣＶ，Ｔｂ）に応じて推定することが可能になる。

図４は、各使用条件下での経過時間とメモリ量との対応関係を示すタイムチャートである。図４において、横軸はバッテリ１００の使用開始時からの経過時間を表し、縦軸はメモリ量を表す。なお、バッテリ１００の使用開始時（経過時間の初期値）は、バッテリ１００の製造時であってもよいし、バッテリ１００の完全リフレッシュ充放電時（バッテリ１００に生じたメモリ効果を完全に解消するための充放電時）であってもよい。

上述の実験を使用条件毎に実施することにより、図４に示すように、時間経過に伴うメモリ量の増加を示す曲線を使用条件毎に取得することができる。なお、図４および後述する図５では、理解を容易にするため、３種類の使用条件Ｐ〜Ｒにそれぞれ対応する曲線Ｃ_Ｐ〜Ｃ_Ｒが取得される例について説明するが、実際にはより多くの使用条件について同様の曲線が取得される。

＜積算メモリ量推定処理＞
使用条件Ｐ〜Ｒ下で生じたメモリ量を曲線Ｃ_Ｐ〜Ｃ_Ｒを参照することでそれぞれ算出し、算出されたメモリ量を積算する処理を繰り返し実行することによって「積算メモリ量」を推定することができる。この処理を「積算メモリ量推定処理」とも称し、以下に詳細に説明する。

図５は、本実施の形態における積算メモリ量推定処理を説明するためのタイムチャートである。図５（Ａ）において、横軸はバッテリ１００の使用開始時からの経過時間を表し、縦軸は使用条件を表す。図５（Ａ）では、所定期間Δｔ毎に使用条件が判定され、使用条件がＰ，Ｑ，Ｒの順に変化する場合について説明する。使用条件Ｐ，Ｑ，Ｒ下での期間をＬ_Ｐ，Ｌ_Ｑ，Ｌ_Ｒでそれぞれ示す。

図５（Ｂ）において、横軸はバッテリ１００の使用開始時からの経過時間を表し、縦軸はメモリ量を表す。まず、使用条件Ｐ下では、曲線Ｃ_Ｐを参照して所定期間Δｔ毎にメモリ量Ｍを逐次積算する。その結果、使用条件Ｐ下で期間Ｌ_Ｐが経過する間に生じたメモリ量はＭ_Ｐになる。メモリ量Ｍの積算結果を「積算メモリ量ΣＭ」と記載すると、期間Ｌ_Ｐが経過したときの積算メモリ量ΣＭはＭ_Ｐである。

次に、使用条件がＰからＱへと変化すると、積算メモリ量ΣＭ＝Ｍ_Ｐに対応する曲線Ｃ_Ｑ（図５に示した曲線Ｃ_Ｑを時間軸方向にＬ_Ｐだけ平行移動した曲線）上の点から曲線Ｃ_Ｑを参照して、所定期間Δｔ毎にメモリ量Ｍを逐次積算する。使用条件Ｑ下で期間Ｌ_Ｑが経過する間に生じたメモリ量がＭ_Ｑである場合、期間Ｌ_Ｑが経過したときの積算メモリ量ΣＭは、Ｍ_ＰとＭ_Ｑとの和（Ｍ_Ｐ＋Ｍ_Ｑ）である。

さらに、使用条件がＱからＲへと変化すると、積算メモリ量ΣＭ＝（Ｍ_Ｐ＋Ｍ_Ｑ）に対応する曲線Ｃ_Ｒ（図４に示した曲線Ｃ_Ｒを時間軸方向に（Ｌ_Ｐ＋Ｌ_Ｑ）だけ平行移動した曲線）上の点から曲線Ｃ_Ｒを参照して、所定期間Δｔ毎にメモリ量Ｍを逐次積算する。使用条件Ｒ下で期間Ｌ_Ｒが経過する間に生じたメモリ量がＭ_Ｒである場合、全期間（Ｌ_Ｐ＋Ｌ_Ｑ＋Ｌ_Ｒの期間）に生じた積算メモリ量ΣＭは、Ｍ_ＰとＭ_ＱとＭ_Ｒとの和（Ｍ_Ｐ＋Ｍ_Ｑ＋Ｍ_Ｒ）である。

このように、本実施の形態では、使用条件の変化に伴い異なる曲線へと移行して積算メモリ量ΣＭを算出する際に、移行前の曲線に従って算出された積算メモリ量ΣＭの引き継が可能であることを前提としている。すなわち、ある曲線に従って積算メモリ量ΣＭが所定値に達した場合と、他の曲線に従って積算メモリ量ΣＭと上記所定値に達した場合とでは、メモリ効果に影響を与えるバッテリ１００の状態（主に正極活物質層の状態）が互いに等しいとの電気化学的知見を前提としている。

以上のように、本実施の形態では、所定期間Δｔ毎に使用条件Ｐ〜Ｒに応じたメモリ量Ｍを算出し、算出されたメモリ量Ｍを遂次積算する処理を繰り返し実行することによって、全期間にわたって生じた積算メモリ量ΣＭを算出することができる。

上記の内容は漸化式を用いて説明することができる。すなわち、下記式（１）に示すように、Ｎ回目の積算処理での積算メモリ量ΣＭ（Ｎ）は、（Ｎ−１）回目の積算処理までの積算メモリ量ΣＭ（Ｎ−１）に、（Ｎ−１）回目の積算処理時からＮ回目の積算処理時までの間（所定期間Δｔの間）の使用条件に応じたメモリ量Ｍ（Ｎ）を加算することによって算出することができる。なお、Ｎは自然数である。

ΣＭ（Ｎ）＝ΣＭ（Ｎ−１）＋Ｍ（Ｎ） ・・・（１）
＜積算メモリ量推定処理フロー＞
図６は、本実施の形態における積算メモリ量推定処理を示すフローチャートである。図６および後述する図９に示すフローチャートは、所定周期毎または所定条件が成立する度にメインルーチン（図示せず）から呼び出されて実行される。これらのフローチャートに含まれる各ステップ（以下「Ｓ」と略す）は、基本的にはＥＣＵ３００によるソフトウェア処理によって実現されるが、その一部または全部がＥＣＵ３００内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

図６に示すフローチャートの処理が繰り返し実行されることにより、積算メモリ量ΣＭが順次更新される。このフローチャートはＮ回目の積算処理を示し、（Ｎ−１）回目（前回）の積算処理時までの積算メモリ量ΣＭ（Ｎ−１）がメモリに記憶されている。

Ｓ１１０において、ＥＣＵ３００は、（Ｎ−１）回目の積算処理時までの積算メモリ量ΣＭ（Ｎ−１）をメモリから読み出す。

Ｓ１２０において、ＥＣＵ３００は、電圧センサ２１０および電流センサ２２０をそれぞれ用いてバッテリ１００の電圧Ｖｂ（Ｎ）および電流Ｉｂ（Ｎ）を取得する。そして、ＥＣＵ３００は、電圧Ｖｂ（Ｎ）から充放電電流による電圧降下量（＝Ｉｂ（Ｎ）×Ｒ）を減算してＯＣＶ（Ｎ）を算出する。なお、バッテリ１００の内部抵抗をＲで示す。

Ｓ１３０において、ＥＣＵ３００は、温度センサ２３０を用いてバッテリ１００の温度Ｔｂ（Ｎ）を取得する。これにより、マップＭＰ１において参照すべき使用条件（ＯＣＶ（Ｎ）と温度Ｔｂ（Ｎ）との組合せ）が設定される。

Ｓ１４０において、ＥＣＵ３００は、所定期間Δｔが経過するまで待機する。メモリ量Ｍを適切に算出するためには、所定期間Δｔだけ待機している間に使用条件の区分が変化しないことが求められる。よって、所定期間Δｔは、待機中に使用条件の区分が変化しない時間に定めることが好ましい。

Ｓ１５０において、ＥＣＵ３００は、メモリに記憶されたマップＭＰ１から使用条件（ＯＣＶ（Ｎ），Ｔｂ（Ｎ））に対応する曲線を参照して、所定期間Δｔに生じたメモリ量Ｍ（Ｎ）を算出する。この処理については図６（Ｂ）にて詳細に説明したため、説明は繰り返さない。

Ｓ１６０において、ＥＣＵ３００は、Ｓ１１０にて読み出した（Ｎ−１）回目の積算処理までの積算メモリ量ΣＭ（Ｎ−１）にＳ１５０にて算出されたメモリ量Ｍ（Ｎ）を加算することによって、Ｎ回目の積算処理までの積算メモリ量ΣＭ（Ｎ）を算出する（上記式（１）参照）。なお、車両１の出荷時には積算メモリ量の初期値ΣＭ（０）が、たとえば０に設定される。また、バッテリ１００のリフレッシュ充放電の実行後にも積算メモリ量の初期値ΣＭ（０）を０に設定してもよい。

Ｓ１７０において、ＥＣＵ３００は、図６に示すフローチャートが次回呼び出された場合に備えて、Ｓ１６０にて算出された積算メモリ量ΣＭ（Ｎ）をメモリに記憶する。

以上のように、本発明者らの実験結果に基づいて予め準備されたマップＭＰ１内の曲線（Ｃ_Ｐ〜Ｃ_Ｒ等）を用いて、所定期間Δｔ毎に生じたメモリ量Ｍがバッテリ１００の使用条件（ＯＣＶおよび温度Ｔｂ）に応じて算出される。使用条件に上記パラメータを採用することにより、所定期間Δｔ毎のメモリ量Ｍを高精度に推定することができる。さらに、上記曲線間で積算メモリ量ΣＭを引き継ぐことが可能であるとの電気化学的知見に基づく前提の下、高精度に算出されたメモリ量Ｍを逐次積算することによって積算メモリ量ΣＭが算出される。これにより、積算メモリ量ΣＭについても高精度に推定することができる。

なお、図６では「所定期間」Δｔ毎にメモリ量Ｍを推定する処理を例に説明したが、一定周期でメモリ量Ｍを推定することは必須ではない。所定期間Δｔの長さは、たとえばバッテリ１００の使用条件またはＥＣＵ３００の演算負荷の状況等に応じた可変値としてもよい。あるいは、バッテリ１００の使用条件を監視し、使用条件が変化したことをトリガとして（言い換えれば曲線Ｃ_Ｐ〜Ｃ_Ｒ間を移行すべきことをトリガとして）メモリ量Ｍを推定するようにしてもよい。この場合には、使用条件がある条件から他の条件へと変化するまでの期間（図５（Ｂ）における期間Ｌ_Ｐ，Ｌ_Ｑ，Ｌ_Ｒ）が「所定期間」に相当する。これにより、メモリ量Ｍの推定回数を低減してＥＣＵ３００の演算負荷を低減することができる。

＜充放電電力の制限＞
以上のように構成された車両１においては、バッテリ１００の保護を目的として、バッテリ１００の充放電に制限が設けられる。より詳細には、バッテリ１００への充電電力が充電電力上限値Ｗｉｎを上回らず、かつ、バッテリ１００からの放電電力が放電電力上限値Ｗｏｕｔを上回らないようにバッテリ１００の充放電が制御される。さらに、バッテリ１００の電圧Ｖｂには、その使用範囲の上限値ＵＬと下限値ＬＬとが定められており、電圧Ｖｂが上限値ＵＬを上回らず、かつ、電圧Ｖｂが下限値ＬＬを下回らないようにバッテリ１００の充放電が制御される。

ここで、バッテリ１００からの放電時の電圧Ｖｂは、放電が行われていないときの電圧Ｖｂ（ＯＣＶ）よりも放電による電圧降下量だけ低下するので、放電電力が大きいほど電圧Ｖｂが低くなる。バッテリ１００に放電側のメモリ効果が生じた場合には、メモリ効果が生じていない正常時と比べて電圧Ｖｂが低くなり、バッテリ１００の放電に伴い電圧Ｖｂが下限値ＬＬに達しやすくなる。したがって、電圧Ｖｂが下限値ＬＬを下回らないようにするためには、放電電力上限値Ｗｏｕｔ（絶対値）を正常時と比べて低く設定することが望ましい（言い換えると放電電力上限値Ｗｏｕｔを絞ることが望ましい）。しかしながら、放電電力上限値Ｗｏｕｔを低く設定し過ぎると、バッテリ１００を保護することはできるものの、バッテリ１００の放電が過度に制限されてバッテリ１００を十分に活用することができない可能性がある。

逆に、バッテリ１００への充電時の電圧Ｖｂは、充電が行われていないときの電圧Ｖｂ（ＯＣＶ）よりも上昇し、充電電力が大きいほど電圧Ｖｂが高くなる。バッテリ１００に充電側のメモリ効果が生じた場合には、電圧Ｖｂが正常時と比べて高くなるので、バッテリ１００の充電に伴い電圧Ｖｂが上限値ＵＬに達しやすくなる。したがって、電圧Ｖｂが上限値ＵＬを上回らないようにするためには、充電電力上限値Ｗｉｎ（絶対値）を正常時と比べて小さく設定することが望ましい（言い換えると充電電力上限値Ｗｉｎを絞ることが望ましい）。しかしながら、充電電力上限値Ｗｉｎを小さく設定し過ぎると、バッテリ１００を保護することはできるものの、バッテリ１００の充電が過度に制限されてバッテリ１００を十分に活用することができない可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、バッテリ１００の放電側の積算メモリ量を示す「放電メモリ量」ΣＭｄｃｈと、バッテリ１００の充電側の積算メモリ量を示す「充電メモリ量」ΣＭｃｈｇとを算出し、放電メモリ量ΣＭｄｃｈに応じて放電電力上限値Ｗｏｕｔを設定するとともに、充電メモリ量ΣＭｃｈｇに応じて充電電力上限値Ｗｉｎを設定する制御を実行する。放電メモリ量ΣＭｄｃｈと充電メモリ量ΣＭｃｈｇとは、図６に示した積算メモリ量推定処理により別々に（互いに独立に）算出される。そして、充電電力上限値Ｗｉｎおよび放電電力上限値Ｗｏｕｔは、以下に示すようなマップＭＰ２を用いて充電メモリ量ΣＭｃｈｇおよび放電メモリ量ΣＭｄｃｈからそれぞれ設定することができる。

図７は、充電電力上限値Ｗｉｎおよび放電電力上限値Ｗｏｕｔを設定するためのマップＭＰ２の一例を示す図である。図７には、マップＭＰ２を概念的に示すグラフが示されている。横軸は、バッテリ１００の温度Ｔｂを示す。縦軸上方にはバッテリ１００の放電電力上限値Ｗｏｕｔを示し、縦軸下方にはバッテリ１００の充電電力上限値Ｗｉｎを示す。なお、マップＭＰ２は、バッテリ１００（あるいはセル１０１）の内圧Ｐｉｎに応じて定めることが好ましい（後述）。図７では、内圧ＰｉｎがＰ０の場合のマップＭＰ２を示す。

温度Ｔｂが所定値未満の場合には、バッテリ１００の電解液が凍結している可能性があるためバッテリ１００の充放電が禁止される。よって、放電電力上限値Ｗｏｕｔおよび充電電力上限値Ｗｉｎは、いずれも０に設定される。

温度Ｔｂが所定値以上になると、バッテリ１００の充放電が許容される。放電電力上限値Ｗｏｕｔ（絶対値）は、温度Ｔｂが高くなるに従って高く設定される。なお、図示しないが、バッテリ１００保護の観点から所定温度以上では充電電力上限値Ｗｉｎおよび放電電力上限値Ｗｏｕｔを０に設定してもよい。一方、図７では放電メモリ量ΣＭｄｃｈがＤ０〜Ｄ３（Ｄ０＜Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３）の場合を示すところ、放電メモリ量ΣＭｄｃｈが大きいほど、同じ温度Ｔｂにおける放電電力上限値Ｗｏｕｔは低く設定される。

充電電力上限値Ｗｉｎ（絶対値）についても同様に、温度Ｔｂが高くなるに従って高く設定される。一方、充電メモリ量ΣＭｃｈｇが大きいほど、同じ温度Ｔｂにおける充電電力上限値Ｗｉｎは低く設定される。図７に示すような関係がマップＭＰ２としてＥＣＵ３００のメモリ３０２に記憶される。

ここでは、バッテリ１００の放電メモリ量ΣＭｄｃｈを算出し、その算出結果に応じてバッテリ１００の放電電力上限値Ｗｏｕｔを設定する制御を例に説明する。以下、この制御をバッテリ１００の放電電力上限値制御とも称する。

図８は、本実施の形態におけるバッテリ１００の放電電力上限値制御を示すタイムチャートである。図８において、縦軸は、上から順にバッテリ１００のＳＯＣ、バッテリ１００の放電メモリ量ΣＭｄｃｈ、およびバッテリ１００の放電電力上限値Ｗｏｕｔを示す。横軸は経過時間を示す。図８に示される経過時間の長さは、放電メモリ量ΣＭｄｃｈ（中段に示す）および放電電力上限値Ｗｏｕｔ（下段に示す）については、たとえば数週間〜数カ月のオーダーである。そのため、明確さのため図示しないが、その間には、車両１のイグニッションオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）とイグニッションオフ（ＩＧ−ＯＮ）とが繰り返されることになる。一方、図８の上段には、中段および下段に示す経過時間の一部分を拡大して示す。すなわち、バッテリ１００のＳＯＣ（上段に示す）についての経過時間の長さは、たとえばＩＧ−ＯＦＦからＩＧ−ＯＮまでの期間であり、具体的にはたとえば数十分間〜数時間のオーダーである。

図８に示すように、バッテリ１００の使用開始時（たとえばバッテリ１００の新品時）（０）においては放電メモリ量ΣＭｄｃｈは略０である。バッテリ１００の放電電力上限値Ｗｏｕｔは、バッテリ１００の使用開始時の初期値であるＷｏｕｔ０である。

車両１の走行に伴い、放電メモリ量ΣＭｄｃｈは徐々に増加する。そして、放電メモリ量ΣＭｄｃｈが増加するに従って、放電電力上限値Ｗｏｕｔは減少する。放電電力上限値Ｗｏｕｔの減少態様は、図７に示したマップＭＰ２を用いて放電メモリ量ΣＭｄｃｈから設定される。

時刻ｔ１において放電メモリ量ΣＭｄｃｈがしきい値ＴＨに達すると、バッテリ１００のリフレッシュ放電が開始される。リフレッシュ放電は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間実行される。リフレッシュ放電により放電メモリ量ΣＭｄｃｈは減少する。すなわち、バッテリ１００のメモリ効果が（少なくとも部分的に）解消される。放電メモリ量ΣＭｄｃｈが減少するに従って、放電電力上限値Ｗｏｕｔは増加する。

なお、メモリ量推定処理を実行する場合には、リフレッシュ放電（またはリフレッシュ充電）によるメモリ効果の解消度合い（解消量）を予め求めておくことが望ましい。たとえば、リフレッシュ放電時の温度Ｔｂと、リフレッシュ放電時のＳＯＣの変化幅と、リフレッシュ放電によるメモリ効果の解消度合いとの相関関係を実験により予め求めておき、マップ（図示せず）としてメモリ３０２に記憶させておく。このようなマップを参照することでリフレッシュ放電（またはリフレッシュ充電）を行なう毎の放電メモリ量ΣＭｄｃｈ（または充電メモリ量ΣＭｃｈｇ）の減少量を算出することができる。リフレッシュ放電後（リフレッシュ充電後）には、減少後の放電メモリ量ΣＭｄｃｈ（または充電メモリ量ΣＭｃｈｇ）にメモリ量を再度積算していけばよい。

また、バッテリ１００のＳＯＣは、それまでＳＯＣ中心Ｃ（たとえばＳＯＣ＝５０％）付近であったところ、リフレッシュ放電に伴い一時的に低下する。なお、上記しきい値ＴＨは、放電メモリ量ΣＭｄｃｈの許容最大値ＭＡＸよりも小さな値に予め定められる。

時刻ｔ２においてリフレッシュ放電が停止されると、上述のように放電メモリ量ΣＭｄｃｈは再び増加に転じ、それにより放電電力上限値Ｗｏｕｔは減少に転じる。また、バッテリ１００のＳＯＣはＳＯＣ中心Ｃへと戻る。その後、時刻ｔ３において、放電メモリ量ΣＭｄｃｈが再びしきい値ＴＨに達すると、バッテリ１００のリフレッシュ放電が実行される。時刻ｔ３以降の放電メモリ量ΣＭｄｃｈの減少態様および放電電力上限値Ｗｏｕｔの増加態様は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間の態様と同等であるため、説明は繰り返さない。

図９は、本実施の形態におけるバッテリ１００の放電電力上限値制御および充電電力上限値制御を示すフローチャートである。図９（Ａ）はバッテリ１００の放電電力上限値制御を示し、図９（Ｂ）はバッテリ１００の充電電力上限値制御を示す。

まず、図９（Ａ）を参照して、Ｓ１００において、ＥＵ３００は、上述の積算メモリ量推定処理を実行することによってバッテリ１００の放電メモリ量ΣＭｄｃｈを算出する。

Ｓ１１において、ＥＣＵ３００は、マップＭＰ２を参照することによって、Ｓ１００にて算出した放電メモリ量ΣＭｄｃｈに対応する放電電力上限値Ｗｏｕｔを設定する。その後、図９（Ａ）に示す処理が所定周期毎または所定条件が成立する度に繰り返し実行されることにより、放電電力上限値Ｗｏｕｔが車両１の状況に応じた適切な値に維持される。

次に、図９（Ｂ）を参照して、Ｓ１００において、ＥＵ３００は、積算メモリ量推定処理を実行することによってバッテリ１００の充電メモリ量ΣＭｃｈｇを算出する。

Ｓ２１において、ＥＣＵ３００は、バッテリ１００の内圧Ｐｉｎを算出する。この算出手法は公知であるため、詳細な説明は繰り返さない（たとえば特開２００７−５３０５８号公報参照）。

Ｓ３１において、ＥＣＵ３００は、マップＭＰ２を参照することによって、バッテリ１００の内圧Ｐｉｎおよび充電メモリ量ΣＭｃｈｇに対応する充電電力上限値Ｗｉｎを設定する。なお、充電電力上限値Ｗｉｎを高く設定する際には、内圧Ｐｉｎがその限界しきい値を下回るように電圧Ｖｂを設定することが望ましい。その後、図９（Ｂ）に示す一連の処理が繰り返し実行される。

以上のように、本実施の形態によれば、充電メモリ量ΣＭｃｈｇを用いて充電電力上限値Ｗｉｎが設定されるとともに、放電メモリ量ΣＭｄｃｈを用いて放電電力上限値Ｗｏｕｔが設定される。充電メモリ量ΣＭｃｈｇは高精度に推定されたものであるため、充電電力上限値Ｗｉｎを低く設定し過ぎてバッテリ１００を十分に活用することができなかったり、あるいは充電電力上限値Ｗｉｎを高く設定し過ぎてバッテリ１００を適切に保護することができなかったりすることが防止される。バッテリ１００の放電側（すなわち放電電力上限値Ｗｏｕｔ）についても同様である。したがって、バッテリ１００を適切に保護しつつバッテリ１００を十分に活用することが可能になる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 車両、２ 電池システム、１０ モータジェネレータ、２０ 動力伝達ギア、３０ 駆動輪、４０ ＰＣＵ、５０ ＳＭＲ、１００ バッテリ、１０１ セル、１０２ ケース、１０３ 安全弁、１０４ 電極体、２１０ 電圧センサ、２２０ 電流センサ、２３０ 温度センサ、３００ ＥＣＵ、３０１ ＣＰＵ、３０２ メモリ、３０３ タイマ。

Claims (1)

1. 外部機器に電力を供給する電池システムであって、
   ニッケル水素電池を含むバッテリと、
   前記バッテリと前記外部機器との間で電力を変換可能に構成された電力変換装置と、
   前記バッテリへの充電電力が前記充電電力の制御上限値を上回らず、かつ、前記バッテリからの放電電力が前記放電電力の制御上限値を上回らないように前記電力変換装置を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記バッテリのメモリ効果による電圧変化量を示すメモリ量と前記バッテリの使用開始時からの経過時間との対応関係を示すデータを記憶し、
   前記データは、前記バッテリの開放電圧と温度とを含んで定義された使用条件毎に区分して定められ、
   前記制御装置は、記憶されたデータを参照して前記使用条件の区分が変化しない時間内でのメモリ量を逐次算出するとともに、算出されたメモリ量を前記使用開始時から積算することによって前記バッテリの現在のメモリ量を推定し、推定されたメモリ量を用いて前記充電電力の制御上限値および前記放電電力の制御上限値を設定する、電池システム。

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