JP2021141655A - 電池システム及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
<電池システムの構成>
図1は、本開示に従う電池システムが搭載される車両1の構成を概略的に示す図である。なお、以下では、車両1が電気自動車(EV(Electric Vehicle))である場合について代表的に説明するが、本開示の電池システムは、EVに搭載されるものに限定されず、ハイブリッド車両(HV(Hybrid Vehicle))や燃料電池車両(FCV(Fuel Cell Vehicle))等に搭載されてもよく、さらには車両以外の用途にも適用可能である。
ニッケル水素電池では、一般的に、正極の容量よりも負極の容量を大きく設計し、負極容量の中に、電池の満充電後でも充電可能な未充電部である充電リザーブと、電池の完全放電後でも放電可能な充電部である放電リザーブとが設けられる。
実施の形態1では、電池温度、放電電気量及びΔSOCと、充電リザーブ量との対応関係を事前の試験により予め求めてマップにしてメモリ104に記憶しておき、そのマップを用いて充電リザーブ量を算出するものとした。本実施の形態2では、モデルを用いて充電リザーブ量を算出する。
そこで、本実施の形態2では、電池の負極容量、正極容量、及び放電リザーブ量を算出し、式(1)から充電リザーブ量を算出する。以下、負極容量、正極容量、及び放電リザーブ量の各々の算出方法について説明する。なお、負極容量の算出に放電リザーブ量を用いるため、まず、放電リザーブ量の算出について説明する。
放電リザーブ量は、負極の水素吸蔵合金の腐食(水素の自己充電)による増加分(以下「a項」と称する。)と、電池の電槽(ケース111)からの水素の透過(水素分子が小さいために電槽を透過)による減少分(以下「b項」と称する。)とから算出することができる。
a項:負極の合金腐食(水素の自己充電)による増加分
b項:電槽からの水素透過による減少分
図8は、放電リザーブ量の推移の一例を示した図である。この図8では、a項(増加量)及びb項(減少量)の各々についても示されている。以下、a項(増加量)及びb項(減少量)の各々の算出について詳しく説明する。
水素吸蔵合金からなる負極は、電解液中の水成分(H2O)の酸素と結合することで酸化し、ダメージを受けて容量が減少する。なお、負極容量の減少は、図9において、負極容量を示す縦枠210の長さが短くなることで示される。一方、残った水素は、負極に吸収され、その結果、以下に説明するように放電リザーブ量が増加する。
電池の充放電に拘わらず、負極と電解液との反応は進行し、それにより放電リザーブ量は増加する。すなわち、放電リザーブ量は、電池を放置しておいても、時間の経過とともに増加する。以下、この充放電に拘わらず時間の経過とともに増加する放電リザーブ量の増加分を「放置による放電リザーブ増加量」と称する。
係数a1,a2は、事前の試験により予め求められ、メモリ104に記憶されている。
図12は、放電リザーブ増加量と電池の放電電気量との関係の一例を示す図である。図12を参照して、放電電気量が多くなるほど、放電リザーブ増加量は大きくなる。
係数a3,a4は、事前の試験により予め求められ、メモリ104に記憶されている。
水素が電槽(ケース111)を透過して抜けていくことにより、負極の水素が減少し、負極SOCが低下する。図9のモデルにおいて、負極SOCの上端と、電池SOCを示す正極SOCの上端とは一致するため、負極SOCが低下すると、その分、負極容量を示す縦枠210は上方に移動する。その結果、縦枠210の下端と、正極容量を示す縦枠200の下端との差によって示される放電リザーブ量は減少する。電槽からの水素透過は、電池の充放電に拘わらず生じ、その透過量は、電池の温度が高いほど多い。
ここで、補正係数は、図16に例示されるように、負極SOCが高いほど大きくなる係数である。
上述のように、負極は、酸化することでダメージを受け、容量が減少する。放電リザーブ量を算出する過程で算出される上記a項は、負極の合金腐食(酸化)による増加分であることから、このa項と負極容量の減少量とは相関がある。
ここで、負極容量初期値は、電池の初期状態の負極容量であり、事前に測定又は算出されてメモリ104に記憶されている。また、係数c1も、事前の試験により予め求められ、メモリ104に記憶されている。
正極容量は、放電電気量に応じて減少する。図18は、放電電気量と正極容量との関係の一例を示す図である。図18を参照して、放電電気量が増加するほど、正極容量が減少することが分かる。そこで、本実施の形態2では、次式によって正極容量を算出する。
ここで、正極容量初期値は、電池の初期状態の正極容量であり、事前に測定又は算出されてメモリ104に記憶されている。また、係数c2も、事前の試験により予め求められ、メモリ104に記憶されている。
Claims (10)
- ニッケル水素電池と、
前記ニッケル水素電池の充放電を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記ニッケル水素電池の放電電流の積算値を示す放電電気量を算出し、
所定時間における前記ニッケル水素電池のSOC変動幅を算出し、
前記ニッケル水素電池の温度、前記放電電気量、及び前記SOC変動幅から、前記ニッケル水素電池の充電リザーブ量を算出する、電池システム。 - 前記制御装置は、前記充電リザーブ量がしきい値を下回った場合に、前記充電リザーブ量の減少を抑制する制御を実行する、請求項1に記載の電池システム。
- 前記制御装置は、前記充電リザーブ量が前記しきい値を下回った場合に、前記充電リザーブ量が前記しきい値を下回っていない場合に比べて前記SOC変動幅を小さくするように、前記ニッケル水素電池の充放電を制御する、請求項2に記載の電池システム。
- 前記制御装置は、前記充電リザーブ量が前記しきい値を下回った場合に、前記充電リザーブ量が前記しきい値を下回っていない場合に比べて前記ニッケル水素電池のSOCの制御下限を引き上げることにより、前記SOC変動幅を小さくする、請求項3に記載の電池システム。
- 前記制御装置は、
前記温度と時間と前記ニッケル水素電池の放電リザーブ量の増加量との予め求められた対応関係を用いて、前記温度及び時間による前記増加量を示す第1の放電リザーブ増加量を算出し、
前記温度、前記放電電気量及び前記SOC変動幅と、前記増加量との予め求められた対応関係を用いて、前記温度、前記放電電気量及び前記SOC変動幅による前記増加量を示す第2の放電リザーブ増加量を算出し、
前記温度と時間と前記放電リザーブ量の減少量との予め求められた対応関係を用いて前記温度及び時間から算出される前記減少量を、前記ニッケル水素電池の負極SOCが高いほど値が大きくなる予め求められた係数で補正することによって、前記負極SOCにより補正された前記減少量を算出し、
前記第1の放電リザーブ増加量に前記第2の放電リザーブ増加量を加算した放電リザーブ総増加量から前記補正された減少量を減算することによって、前記ニッケル水素電池の放電リザーブ量を算出し、
前記放電リザーブ総増加量と前記ニッケル水素電池の負極容量の減少量との予め求められた対応関係を用いて算出される前記負極容量の減少量を、前記ニッケル水素電池の初期状態における初期負極容量から減算することによって、前記負極容量を算出し、
前記放電電気量と前記ニッケル水素電池の正極容量の減少量との予め求められた対応関係を用いて算出される前記正極容量の減少量を、前記ニッケル水素電池の初期状態における初期正極容量から減算することによって、前記正極容量を算出し、
前記負極容量から前記正極容量及び前記放電リザーブ量を減算することによって前記充電リザーブ量を算出する、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電池システム。 - ニッケル水素電池を備える電池システムの制御方法であって、
前記ニッケル水素電池の放電電流の積算値を示す放電電気量を算出するステップと、
所定時間における前記ニッケル水素電池のSOC変動幅を算出するステップと、
前記ニッケル水素電池の温度、前記放電電気量、及び前記SOC変動幅から、前記ニッケル水素電池の充電リザーブ量を算出するステップとを含む、電池システムの制御方法。 - 前記充電リザーブ量がしきい値を下回った場合に、前記充電リザーブ量の減少を抑制する制御を実行するステップをさらに含む、請求項6に記載の電池システムの制御方法。
- 前記実行するステップは、前記充電リザーブ量が前記しきい値を下回った場合に、前記充電リザーブ量が前記しきい値を下回っていない場合に比べて前記SOC変動幅を小さくするように、前記ニッケル水素電池の充放電を制御するステップを含む、請求項7に記載の電池システムの制御方法。
- 前記実行するステップは、前記充電リザーブ量が前記しきい値を下回った場合に、前記充電リザーブ量が前記しきい値を下回っていない場合に比べて前記ニッケル水素電池のSOCの制御下限を引き上げることにより、前記SOC変動幅を小さくするステップを含む、請求項8に記載の電池システムの制御方法。
- 前記充電リザーブ量を算出するステップは、
前記温度と時間と前記ニッケル水素電池の放電リザーブ量の増加量との予め求められた対応関係を用いて、前記温度及び時間による前記増加量を示す第1の放電リザーブ増加量を算出するステップと、
前記温度、前記放電電気量及び前記SOC変動幅と、前記増加量との予め求められた対応関係を用いて、前記温度、前記放電電気量及び前記SOC変動幅による前記増加量を示す第2の放電リザーブ増加量を算出するステップと、
前記温度と時間と前記放電リザーブ量の減少量との予め求められた対応関係を用いて前記温度及び時間から算出される前記減少量を、前記ニッケル水素電池の負極SOCが高いほど値が大きくなる予め求められた係数で補正することによって、前記負極SOCにより補正された前記減少量を算出するステップと、
前記第1の放電リザーブ増加量に前記第2の放電リザーブ増加量を加算した放電リザーブ総増加量から前記補正された減少量を減算することによって、前記ニッケル水素電池の放電リザーブ量を算出するステップと、
前記放電リザーブ総増加量と前記ニッケル水素電池の負極容量の減少量との予め求められた対応関係を用いて算出される前記負極容量の減少量を、前記ニッケル水素電池の初期状態における初期負極容量から減算することによって、前記負極容量を算出するステップと、
前記放電電気量と前記ニッケル水素電池の正極容量の減少量との予め求められた対応関係を用いて算出される前記正極容量の減少量を、前記ニッケル水素電池の初期状態における初期正極容量から減算することによって、前記正極容量を算出するステップと、
前記負極容量から前記正極容量及び前記放電リザーブ量を減算することによって前記充電リザーブ量を算出するステップとを含む、請求項6から請求項9のいずれか1項に記載の電池システムの制御方法。
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