JP5692037B2 - 電池充放電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池充放電制御装置に係り、特に二次電池が過放電になることを推定する電池充放電制御装置に関する。

電動機を搭載した電気自動車等は、二次電池に蓄えられた電力により電動機を駆動している。このような電気自動車の特有な機能として、回生制動がある。回生制動は、車両制動時、電動機を発電機として機能させることにより、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換し、制動を行うものである。また、得られた電気エネルギは二次電池に充電され、加速等を行うときに再利用される。

二次電池は、充電の際の電圧上昇に伴い充電の副反応でガスが発生し、二次電池の内圧が上昇する。例えば、ニッケル水素二次電池では、主に酸素ガスが発生し、内圧が上昇する。従来から、このような二次電池の内圧上昇に伴って充電制御を行い、二次電池を保護する技術が開示されている。

例えば、特許文献１には、二次電池の内圧に影響を与える二次電池の物理量と、その物理量に基づいて算出される二次電池の内圧特性の変化を表す特性変化指数から、二次電池の内圧を推定し、推定された二次電池の内圧に基づいて二次電池の充電制御を行う技術が開示されている。

また、特許文献２には、二次電池の充電の際に発生する振動を測定し、その測定値が予め定めた値より大きいときに、二次電池内でガスが発生したと判定し、二次電池の充電を停止し、あるいは二次電池の充電電流値を下げる制御を行う技術が開示されている。

また、特許文献３には、二次電池の内圧が上昇するまでは、第１の電流によって第１のレートで二次電池を充電し、二次電池の内圧が上昇を開始した後に、第１の電流より低い第２の電流によって第１のレートより低い第２のレートで二次電池の充電を行う制御技術が開示されている。

特開２００７−５３０５８号公報 特開平１１−３２９５１０号公報 特開２００２−２７６８１号公報

二次電池が放電するときは、過放電にならないように電池電圧に関する閾値が設けられ、閾値を下回る時間が予め定めた時間よりも長くなると異常信号を出力するようにして、保護が行われる。

二次電池の放電が継続して続くと過放電になりやすい。車両に搭載される回転電機の駆動に用いられる二次電池の例を述べると、二次電池は電圧変換器を介して適切なシステム電圧に昇圧され、そのシステム電圧の下で作動するインバータによって回転電機が駆動される。ここで、電圧変換器の正極側母線に接続される側のスイッチング素子が常時オンの状態になると、電圧変換器は昇圧制御が行えず、二次電池の電力がインバータを介して回転電機に供給され続ける。このような状態では、二次電池の放電が継続して続き、過放電になりやすい。電圧変換器の正極側母線に接続される側のスイッチング素子が常時オンの状態になるのは、制御の仕方による他に、このスイッチングが何かの原因で故障する場合が考えられる。

このようなときに、二次電池からの電力供給を止めることが考えられるが、車両が走行中の場合にいきなり電力供給を止めるのは好ましくない。そこで、ベクトル制御の電流指令値の中で、トルクに寄与するｑ軸電流をゼロとし、トルクに寄与しないｄ軸電流を流し、これによって車速を次第に落として車両を退避させることが行われる。この場合、車速がゼロになるまで、電圧変換器が昇圧制御を行わず、二次電池が放電をし続ける。

電圧変換器が昇圧制御を行わず、二次電池が放電を続けると、二次電池の電池電圧が次第に低下する。このときに、上記のように、二次電池が過放電になるおそれがあると異常信号を出すように、電池電圧に関する閾値が用いられる。

ところで、インバータの制御モードが矩形波制御モードとＰＷＭ制御モードとの切替が行われる切替点近傍まで電池電圧が低下すると、制御モードが変化することなどで電池電圧や電池電流が増減を繰り返すハンチング現象を生じることがある。例えば、電池電圧が低下すると矩形波モードからＰＷＭ制御モードに切り替わり、これにより電池電圧が上昇する。電池電圧が上昇すると、ＰＷＭ制御モードから矩形波制御モードに戻される。このように、電池電圧が増減を繰り返すと、過放電の異常検出のための閾値を下回る時間が短く、異常検出がなされないことが生じる。

このような場合、電池電圧の異常検出に代えて、特許文献１に述べるような電池内圧の異常検出を行うことが考えられる。しかし、特許文献１の方法は、過充電についての電池内圧の推定に関するものであって、過放電についてその方法をそのまま用いることができない。

本発明の目的は、二次電池の過放電を推定できる電池充放電制御装置を提供することである。

本発明に係る電池充放電制御装置は、負極が水素を吸蔵しあるいは水素を放出する電極であって、充電時に負極側で水素を放出し、放電時には電気分解によって正極側で水素を発生する二次電池についてその過放電によって上昇する内圧を推定する内圧推定手段と、内圧推定手段によって推定された内圧が、予め定めた閾値内圧以上となるときに、二次電池が過放電であると推定する過放電推定手段と、を備え、内圧推定手段は、二次電池の極板間電圧が、放電時においてこれ以下のときに水素を発生するとされる水素発生電位閾値以下のときに、極板間電圧に応じた正極側における水素発生効率に基づいて水素発生量を求め、水素による内圧に応じた負極側における水素吸蔵率に基づいて水素減少量を求め、水素発生量と水素減少量とに基づいて内圧を推定することを特徴とする。

また、本発明に係る電池充放電制御装置は、二次電池の極板間電圧について、過放電保護のために予め定めた閾値電圧と比較する手段と、二次電池に接続される負荷の電力消費特性によって、二次電池の極板間電圧が閾値電圧を挟んで上下に発振する状態となるときに、二次電池の極板間電圧が閾値電圧を下回る時間を積算し、積算された時間が予め定めた閾値積算時間以上となるときに、二次電池が過放電であると推定する過放電推定手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電池充放電制御装置において、負荷は回転電機であり、過放電推定手段は、二次電池の極板間電圧に応じて回転電機の駆動制御モードが切替えられ、その切替によって、二次電池の極板間電圧が閾値電圧を挟んで上下に発振するときに、二次電池の極板間電圧が閾値電圧を下回る時間を積算して閾値積算時間と比較することが好ましい。

上記構成の少なくとも１つにより、電池充放電制御装置は、二次電池の過放電によって上昇する内圧を推定する。特許文献１では、二次電池の過充電推定について、正極側の酸素ガスの発生による内圧の上昇を用いている。二次電池が放電するときは、正極側で水素が発生する。これによって電池内圧が上昇するので、内圧推定によって、二次電池の過放電を推定できる。過放電のときの電池内圧の推定は、極板間電圧に応じた正極側における水素発生効率に基づいて水素発生量を求め、水素による内圧に応じた負極側における水素吸蔵率に基づいて水素減少量を求め、水素発生量と水素減少量とに基づいて内圧を推定する。これによって、電池電圧によらなくても、内圧推定によって、二次電池の過放電を推定できる。

また、上記構成の少なくとも１つにより、電池充放電制御装置は、二次電池の極板間電圧が閾値電圧を下回る時間を積算し、積算された時間が予め定めた閾値積算時間以上となるときに、二次電池が過放電であると推定する。このようにすれば、二次電池の極板間電圧が閾値電圧を挟んで上下に発振して、閾値電圧を下回る時間が個々では短くても、積分した値が大きければ、二次電池が過放電であると推定できる。これによって、瞬時的な電池電圧では判断が困難な過放電を適切に推定することができる。

また、電池充放電制御装置において、負荷が回転電機であって、二次電池の極板間電圧に応じて回転電機の駆動制御モードが切替えられ、その切替によって、二次電池の極板間電圧が閾値電圧を挟んで上下に発振するときに、二次電池の極板間電圧が閾値電圧を下回る時間を積算して閾値積算時間と比較する。これによって、瞬時的な電池電圧では判断が困難な過放電を適切に推定することができる。

本発明に係る実施の形態の電池充放電制御装置が用いられる回転電機駆動システムを示す図である。 本発明に係る課題を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、閾値電圧を下回る時間を積算して過充電を推定する方法を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、閾値電圧を下回る時間を積算して過充電を推定する手順を示すフローチャートである。 二次電池の充電時のガス発生を示す図である。 二次電池の放電時のガス発生を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、電池内圧の推定に基づいて過充電を推定する方法を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、電池内圧の推定に基づいて過充電を推定する手順を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態において、電池内圧の推定の手順を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態において、電池温度と水素ガス発生電位との関係を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、電池温度と水素ガス発生効率との関係を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、水素ガス圧と吸蔵される水素ガス量との関係を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、電池温度と平衡酸素ガス圧との関係を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施形態につき、詳細に説明する。以下では、電池として、ニッケル水素二次電池を述べるが、これ以外でも、水と電解質を用い、充放電時に電極から水素ガスまたは酸素ガスを発生する二次電池であれば、同様に本発明を適用できる。

以下で述べる二次電池の各特性は、説明のための例示であって、対象とする二次電池の仕様に応じ、適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、回転電機１２に接続される電源回路１４を制御装置３０によって制御して、回転電機１２の駆動制御が行われる回転電機制御システム１０の構成を示す図である。回転電機制御システム１０は、ハイブリッド車両に搭載される。ここで、電源回路１４には二次電池１６が含まれる。制御装置３０は、回転電機制御システム１０の全体の動作制御を行うが、ここでは、二次電池１６の充放電制御を行う電池充放電制御装置としての機能を有する。

回転電機１２は、ハイブリッド車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）であって、電源回路１４から電力が供給されるときはモータとして機能し、図示されていないエンジンによる駆動時、あるいはハイブリッド車両の制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。

電源回路１４を構成する二次電池１６は、充放電可能な高電圧用の組電池である。具体的には、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するニッケル水素組電池である。組電池は、単電池または電池セルと呼ばれる端子電圧が１Ｖから数Ｖの電池を複数個組み合わせて、上記の所定の端子電圧を得るようにしたものである。

電池電圧検出器２２は、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bを検出する電圧検出手段である。二次電池１６について水の電気分解を基礎に起電力が発生する機構を考えるときには、端子間電圧Ｖ_Bは、正極と負極の極板間電圧であるので、電池電圧検出器２２は、極板間電圧の検出手段ということができる。

電流検出器２４は、二次電池１６に入出力される電池電流Ｉ_Bを検出する電流検出手段である。温度検出器２６は、二次電池１６の電池温度θ_Bを検出する温度検出手段である。電池電圧検出器２２、電流検出器２４、温度検出器２６によって検出されたデータは、適当な信号線を用いて制御装置３０に伝送される。

電圧変換器１８は、二次電池１６とインバータ２０の間に配置され、直流電圧変換機能を有する回路である。電圧変換器１８は、リアクトルと、スイッチング素子を含んで構成される。電圧変換機能としては、二次電池１６側の電圧をリアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して昇圧しインバータ２０側に供給する昇圧機能と、インバータ２０側からの電力を二次電池１６側に降圧して充電電力として供給する降圧機能とを有する。

電圧変換器１８とインバータ２０を接続する正極側母線と負極側母線の間の電圧はシステム電圧Ｖ_Hと呼ばれる。システム電圧検出器２８は、システム電圧Ｖ_Hを検出する電圧検出手段である。

電圧変換器１８の前後に設けられる平滑コンデンサは、二次電池１６側の電圧、電流を平滑化するコンデンサと、インバータ２０側の電圧、電流を平滑化するコンデンサである。

インバータ２０は、回転電機１２に直接的に接続される回路で、複数のスイッチング素子と逆接続ダイオード等を含んで構成され、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う機能を有する。すなわち、インバータ２０は、回転電機１２を発電機として機能させるときは、回転電機１２からの交流三相回生電力を直流電力に変換し、二次電池１６側に充電電流として供給する交直変換機能を有する。また、回転電機１２をモータとして機能させるときは、二次電池１６側からの直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機１２に交流駆動電力として供給する直交変換機能を有する。

制御装置３０は、ここでは、二次電池１６の充放電制御を行う機能を有する。特に、二次電池１６の過放電を推定する過放電推定部３２を含む。かかる制御装置３０は、車両搭載に適したコンピュータで構成することができる。

図２は、二次電池１６が継続して放電されるときの状態を時系列で示す図である。図２では、上段から下段に向かって、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bまたはシステム電圧Ｖ_Hの概略図、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bの詳細図、電池電流Ｉ_Bの詳細図、制御装置３０における電源回路１４の制御モードの切替を示す図が示されている。

最上段の二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bまたはシステム電圧Ｖ_Hは、電圧変換器１８が昇圧も降圧も行わない状態で、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_B＝システム電圧Ｖ_Hとして示されている。このように電圧変換器１８が昇降圧を行わないで、二次電池１６の放電が継続して行われる状態としては、電源回路１４の制御モードがＰＷＭ制御モードと矩形波制御モードの切替が行われる切替点近傍にあるときを上げることができる。また、電圧変換器１８が故障して、正極側母線に接続されるスイッチング素子が常時オン状態となるときも昇降圧が行われない。

このような状態で二次電池１６の放電が継続すると、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが低下し、電源回路１４の制御モードの切替点の電圧となる。そのときに、今まで矩形波制御モードであったものがＰＷＭ制御モードに切り替わる。ＰＷＭ制御モードに切り替わると、システム電圧Ｖ_Hがやや上昇する。これによって、システム電圧Ｖ_Hが制御モードの切替点を越すと、ＰＷＭ制御モードから矩形波制御モードに戻る。矩形波制御モードに切り替わると、システム電圧Ｖ_Hがまた低下して、制御モードの切替点を下回り、再びＰＷＭ制御モードとなる。

このように、二次電池１６の放電が継続して二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが低下すると、端子間電圧Ｖ_Bに応じて回転電機１２の駆動制御モードが切替えられる。その様子が図２（ｄ）に示される。そして、その切替によって、二次電池１６の極板間電圧である端子間電圧Ｖ_Bが増減を繰り返して変動し、発振状態となる。その様子が図２（ｂ）に示される。二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが増減を繰り返して発振すると、電池電流Ｉ_Bも増減を繰り返して発振する。その様子が図２（ｃ）に示される。

図３は、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが増減を繰り返して発振するときに、二次電池１６の過放電を適切に推定する方法を説明する図である。

図３（ａ）は、二次電池１６の過放電を検出して保護を図る閾値電圧Ｖ_Bthがこの二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが発振状態の上下電圧の間にあるときを示す図である。横軸は時間、縦軸は二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bである。ここで、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを下回る時間が予め定めた時間よりも長くなると、過放電の恐れがあるとする異常信号を出力するように、閾値電圧Ｖ_Bthが設定される。その意味で、閾値電圧Ｖ_Bthは、二次電池１６の保護閾値電圧である。

図３（ｂ）は、横軸に時間をとり、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを下回る時間をカウンタで計数したときの計数値Ｎを縦軸にとった図である。過放電の恐れがあるとして異常信号を出力するために予め設定された時間に対応する計数値がＮ_thとして示される。二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを下回るとカウンタは計数を始め、端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを下回っている間は計数値Ｎが増加を続ける。しかし、端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを越すと、カウンタはリセットされ、計数値Ｎはゼロに戻される。すなわち、端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを下回り続けて、計数値ＮがＮ_thに達して初めて、過放電の恐れがあるとして異常信号が出力される。

ところが、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを挟んで発振状態にあり、端子間電圧Ｖ_Bの繰り返し増減の周期が短いと、計数値ＮがＮ_thに達する前に、図３（ｂ）に示されるようにゼロに戻ってしまう。このようなときは、二次電池１６は放電を継続し、過放電の恐れがあるにもかかわらず、異常信号が出力されないことになる。

そこで、制御装置３０の過放電推定部３２は、計数値Ｎを積算し、積算された値が予め定めた閾値積算時間以上となるときに、二次電池が過放電であると推定する。その様子が図３（ｃ）に示される。横軸は時間で、縦軸には計数値Ｎを積算したΣＮがとられる。（ΣＮ）_thが二次電池１６の過放電を推定するのに用いられる閾値積算時間である。図３（ｃ）の例では、時間ｔ₁において、ΣＮが（ΣＮ）_th以上となるので、このときに二次電池１６が過放電状態にあると推定し、その結果が異常信号として出力される。

図４は、図３の説明を過放電推定の手順として示すフローチャートである。各手順は、コンピュータである制御装置３０の過放電推定部３２において、ソフトウェアを実行して処理される各処理手順に対応する。

最初は、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bth以下となったか否かが判断される（Ｓ１０）。図３（ａ）の例では、時間ｔ₀の時点でＳ１０の判断が肯定される。Ｓ１０の判断が肯定されると、次に、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが発振状態にあるか否かが判断される（Ｓ１２）。その判断は、端子間電圧Ｖ_Bの時間経過とその変化を監視して行うことができる。また、図３（ｂ）で説明したように、計数値Ｎが繰り返しゼロに戻ることを検出して行うこともできる。

Ｓ１２の判断が否定されるときは、通常の処理として、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを下回る時間が予め定めた時間以上か否かが判断される。具体的には、図３（ｂ）で説明したように、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを下回る時間をカウンタで計数したときの計数値Ｎを用いることができる。すなわち、過放電の恐れがあるとして異常信号を出力するために予め設定された時間に対応する計数値をＮ_thとして、計数値ＮがＮ_th以上となるか否かを判断する（Ｓ１４）。判断が肯定されると、二次電池１６が過充電状態にあると推定し、その結果が異常信号として出力される（Ｓ２０）。

Ｓ１２の判断が肯定されるときは、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを下回る時間を積算し、積算された時間が予め定めた閾値積算時間以上か否かが判断される。具体的には、図３（ｃ）で説明したように、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを下回る時間をカウンタで計数したときの計数値Ｎの積算値ΣＮを用いることができる。すなわち、過放電の恐れがあるとして異常信号を出力するために予め設定された時間に対応するΣＮを（ΣＮ）_thとして、積算値ΣＮが（ΣＮ）_th以上となるか否かを判断する（Ｓ１６）。判断が肯定されると、二次電池１６が過充電状態にあると推定し、その結果が異常信号として出力される（Ｓ２０）。

このようにして、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが増減を繰り返す発振状態であっても、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが閾値電圧Ｖ_Bthを下回る時間を積算することで、二次電池１６の過放電を適切に推定できる。

この他に、二次電池１６の内圧に基づいても、二次電池１６の過放電を適切に推定できる。以下で述べるこの方法は、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが増減を繰り返す発振状態のときは勿論用いることができるが、二次電池１６が通常の動作状態にあるときでも適用が可能である。

図５と図６は、ニッケル水素二次電池の充電時と放電時におけるガスの発生により定まる内圧Ｐの様子を説明する図である。これらの図において、水と電解質に正極と負極が浸かっている容器が、ニッケル水素二次電池を模式的に示すものである。ニッケル水素二次電池の正極としては、水酸化ニッケルが用いられ、負極としては、水素吸蔵合金が用いられる。電解質としては、濃水酸化カリウム水溶液が用いられる。なお、これは一例であって、これ以外の電極材料、電解質組成であってもよい。

図５では、正極と負極の間に別の電池が接続されて、ニッケル水素二次電池が充電されるときが示される。図６では、正極と負極の間に負荷が接続されて、ニッケル水素二次電池が放電されるときが示される。

図５の充電のときは、充電用の電池から供給される電子ｅ^-は、負極で水Ｈ₂Ｏと反応し、水素Ｈ₂を発生する。このときの反応式は、２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋２ＯＨ^-として表される。ここで残ったＯＨ^-は、電解質中を正極側に移動し、正極で電子ｅ^-を失いながら、酸素Ｏ₂を発生する。このときの反応式は、２ＯＨ^-→Ｈ₂Ｏ＋（１／２）Ｏ₂＋２ｅ^-として表される。

簡単にまとめると、充電のときは、負極の水素吸蔵合金から水素Ｈ₂が放出され、正極で酸素Ｏ₂が発生する。この酸素Ｏ₂の圧力Ｐ_O2と、平衡状態の水素Ｈ₂の圧力Ｐ_H2との和が、ニッケル水素二次電池の内圧Ｐとなる。

図６の放電のときは、図５で説明した反応式が逆となり、正極で水素Ｈ₂が発生し、負極において酸素Ｏ₂が発生する。過放電では、負極における酸素Ｏ₂の発生が支配的であるが、放電の初期ではまず正極で水素Ｈ₂が発生する。したがって、ニッケル水素二次電池の過放電の恐れを早期に検出するには、正極の水素Ｈ₂の圧力Ｐ_H2をニッケル水素二次電池の内圧Ｐとして用いることがよい。なお、必要であれば、酸素Ｏ₂の圧力Ｐ_O2を加算してもよい。

図７は、図３に対応する図で、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが増減を繰り返して発振するときに、二次電池１６の内圧Ｐを用いて、二次電池１６の過放電を適切に推定する方法を説明する図である。

図７（ａ）は、図３（ａ）と同じ図で、横軸が時間、縦軸が二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bである。二次電池１６が放電を継続すると、図６で説明したように、正極で水素Ｈ₂が発生し、二次電池１６の内圧Ｐが時間と共に増大する。その様子が図７（ｂ）に示される。ここでは、横軸が時間、縦軸が二次電池１６の内圧Ｐである。二次電池１６が過放電の恐れがある状態に対応する内圧Ｐを閾値内圧Ｐ_thとすると、内圧Ｐが閾値内圧Ｐ_th以上となった時間ｔ₂に、二次電池１６が過放電の恐れがあるとする異常信号が出力される。

図８は、図７の説明を過放電推定の手順として示すフローチャートで、図４に対応するものである。ここでは、Ｓ１０，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ２０の内容は図４に対応する各ステップと同じであるので、詳細な説明を省略する。Ｓ１８は、図４のＳ１６に代わって実行される手順である。すなわち、Ｓ１２の判断が肯定されると、二次電池１６の内圧Ｐの推定が行われ、推定された内圧Ｐが閾値内圧Ｐ_th以上のときに、二次電池１６が過放電の恐れがあるとする異常信号が出力される。

二次電池１６の内圧Ｐは、圧力検出手段を用いて取得することができる。適当な圧力検出手段を用いることができない場合でも、二次電池１６の時々刻々の端子間電圧Ｖ_B、電池温度θ_B、電池電流Ｉ_Bを取得して内圧Ｐを推定することができる。

図９は、二次電池１６の内圧Ｐの推定の手順を示すフローチャートである。ここでは、まず、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが水素発生電位以下であるか否かが判断される（Ｓ３０）。ここでの水素発生電位とは、負極において水素が発生する電位のことで、二次電池１６が充電状態にあって、負極に水素が発生する状態にあることを示す電位である。二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが水素発生電位以下であるということは、二次電池１６が充電状態でなく、放電状態にあることを示す。

その様子を図１０に示す。図１０の横軸は電池温度θ_Bで、縦軸は、負極において水素が発生する電位に対応する端子間電圧である。図１０は、二次電池１６の構成が定まれば、予めマップ化しておくことができる。図１０で示される曲線が二次電池１６の充電と放電の境界を示す特性線である。

ある時点における二次電池１６について、図１で説明した温度検出器２６で電池温度θ_Bを取得し、電池電圧検出器２２によって端子間電圧Ｖ_Bを取得する。取得された電池温度θ_Bと端子間電圧Ｖ_Bの組み合わせを現在の二次電池１６の状態として、図１０に当てはめることで、現在の二次電池１６の状態が放電状態か否かを判断できる。例えば、図１０において黒丸で示す状態がある時点の二次電池１６の状態であるときは、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが水素発生電位以下であり、二次電池１６は放電状態にあることになる。

実際には、常時、電池温度θ_Bと端子間電圧Ｖ_Bを監視し、図１０を用いて、端子間電圧Ｖ_Bが低下して、水素発生電位以下となったときを検出する。そのときにＳ３０の判断が肯定されるので、そのときを初期状態として、Ｓ３２以下の手順が実行される。

再び図９に戻り、Ｓ３０の判断が肯定されると、正極の水素発生効率から正極における水素発生量αを求める（Ｓ３２）。水素発生量αは、二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bが高いほど高い値を示す。その様子を図１１に示す。ここでは横軸が二次電池１６の端子間電圧Ｖ_Bで、縦軸が正極における水素発生効率である。端子間電圧Ｖ_Bが閾値Ｖ₀以下では水素はほとんど発生せず、Ｖ₀以上の端子間電圧Ｖ_Bにおいては、Ｖ_Bが高くなるほど、水素発生効率は大きくなる。閾値Ｖ₀は、図１０で説明した水素発生電位に関連する電圧である。

水素発生効率が図１１から求められると、正極における水素発生量αは、α＝（水素発生効率）×（電池電流Ｉ_B）×（係数Ｋα）の関係式を用いて計算される。ここで、係数Ｋαは、水素発生に必要な電子の数に対応するもので、ファラデ定数に関連する値として、予め求めておくことができる。

こうして水素発生量αが求められると、再び図９に戻り、負極における水素吸蔵による水素減少量γの算出が行われる（Ｓ３４）。水素発生量αから水素減少量γを差し引いた値（α−γ）は、二次電池１６における残存水素量である。水素の圧力Ｐ_H2は、残存水素量（α−γ）が変化することで変動する。Ｓ３４の処理に合わせて、残存水素量（α−γ）に基づいて水素の圧力Ｐ_H2の算出が行われる（Ｓ３６）。具体的には、逐次計算によって、Ｓ３４とＳ３６の計算が繰り返し行われる。

ここで、ある時間における水素圧をＰ_Xとして、そのときから時間ΔＴが経過したときの水素圧をＰ₀とすると、近似的に、Ｐ₀＝Ｐ_X＋Ｋ_P×（α−γ）×ΔＴと書くことができる。Ｋ_Pは実験等で予め求めることができる係数である。

負極における水素吸蔵による水素減少量γは水素の圧力Ｐ_H2が高いほど増大する。その特性は、二次電池１６の構成が定まれば、予めマップ化して求めておくことができる。図１２に１つの例を示す。ここでは、横軸に水素の圧力Ｐ_H2がとられ、縦軸に負極における水素吸蔵による水素減少量γがとられる。

図１２と、Ｐ₀＝Ｐ_X＋Ｋ_P×（α−γ）×ΔＴの式を用いて、逐次計算により、以下のようにして、各時刻における水素減少量γと水素の圧力Ｐ_H2を求めることができる。すなわち、初期状態としてＰ_X＝大気圧とされる。初期状態とは、Ｓ３０で判断が肯定されたときである。そのときはまだ放電による水素の発生が始まったころであるので、二次電池１６の内圧Ｐは上昇していないので、その状態をＰ_X＝大気圧とできる。

そして、図１２から大気圧下の水素減少量γを取得する。次に、Ｓ３２で算出された水素発生量αを用いて、残存水素量（α−γ）を計算する。その後に、Ｐ₀＝Ｐ_X＋Ｋ_P×（α−γ）×ΔＴを用いて、初期状態から時間ΔＴ経過後の水素の圧力Ｐ₀を計算する。

このようにして、初期状態から時間ΔＴ経過後の水素の圧力Ｐ₀が求まると、図１１を再び用いて、水素の圧力Ｐ₀の下の水素減少量γ₀を取得する。そして、残存水素量（α−γ₀）を計算する。その後に、Ｐ₁＝Ｐ_X＋Ｋ_P×（α−γ₀）×ΔＴを用いて、初期状態から時間２ΔＴ経過後の水素の圧力Ｐ₁を計算する。以下同様にして、時間ΔＴ経過毎の水素減少量と水素圧を順次求めてゆく。

再び図９に戻り、時間ΔＴ経過毎の水素の圧力Ｐ_H2が求められると、次に、平衡状態の酸素の圧力Ｐ_O2を求める（Ｓ３８）。平衡状態の酸素の圧力Ｐ_O2は電池温度θ_Bの関数として、二次電池１６の構成が定まれば、予め求めてマップ化することができる。図１３は、その一例を示す図である。ここでは、横軸に電池温度θ_Bがとられ、縦軸に平衡状態の酸素の圧力Ｐ_O2がとられている。

時間ΔＴ経過毎の水素の圧力Ｐ_H2と平衡状態の酸素の圧力Ｐ_O2が求められると、再び図９に戻り、二次電池１６の放電時内圧Ｐ＝Ｐ_H2＋Ｐ_O2が算出される。このようにして、初期状態から時間ΔＴ経過毎の放電時内圧Ｐが算出されると、これを予め定めた閾値内圧Ｐ_thと比較し、内圧ＰがＰ_th以上となったときに、二次電池１６が過放電の恐れがあるとして、異常信号が出力される。

時間ΔＴの間隔は、放電が継続的に行われているときは、過放電のために適当な監視間隔として設定することができる。放電が断続的に行われる図７（ａ）のような場合には、放電が行われる時間を時間ΔＴとし、放電が行われない期間は内圧Ｐが変化しないものとして、推定計算を進めることができる。

本発明に係る電池充放電制御装置は、二次電池を用いる電源回路の制御等に利用できる。

１０ 回転電機制御システム、１２ 回転電機、１４ 電源回路、１６ 二次電池、１８ 電圧変換器、２０ インバータ、２２ 電池電圧検出器、２４ 電流検出器、２６ 温度検出器、２８ システム電圧検出器、３０ （電池充放電）制御装置、３２ 過放電推定部。

Claims (3)

1. 負極が水素を吸蔵しあるいは水素を放出する電極であって、充電時に負極側で水素を放出し、放電時には電気分解によって正極側で水素を発生する二次電池についてその過放電によって上昇する内圧を推定する内圧推定手段と、
   内圧推定手段によって推定された内圧が、予め定めた閾値内圧以上となるときに、二次電池が過放電であると推定する過放電推定手段と、
   を備え、
   内圧推定手段は、
   二次電池の極板間電圧が、放電時においてこれ以下のときに水素を発生するとされる水素発生電位閾値以下のときに、極板間電圧に応じた正極側における水素発生効率に基づいて水素発生量を求め、
   水素による内圧に応じた負極側における水素吸蔵率に基づいて水素減少量を求め、
   水素発生量と水素減少量とに基づいて内圧を推定することを特徴とする電池充放電制御装置。
2. 二次電池の極板間電圧について、過放電保護のために予め定めた閾値電圧と比較する手段と、
   二次電池に接続される負荷の電力消費特性によって、二次電池の極板間電圧が前記閾値電圧を挟んで上下に発振する状態となるときに、二次電池の極板間電圧が前記閾値電圧を下回る時間を積算し、積算された時間が予め定めた閾値積算時間以上となるときに、二次電池が過放電であると推定する過放電推定手段と、
   を備えることを特徴とする電池充放電制御装置。
3. 請求項２に記載の電池充放電制御装置において、
   負荷は回転電機であり、
   過放電推定手段は、二次電池の極板間電圧に応じて回転電機の駆動制御モードが切替えられ、その切替によって、二次電池の極板間電圧が前記閾値電圧を挟んで上下に発振するときに、二次電池の極板間電圧が前記閾値電圧を下回る時間を積算して閾値積算時間と比較することを特徴とする電池充放電制御装置。

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