JP6406217B2 - 車両用ニッケル水素電池の内圧推定システム - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されたニッケル水素電池の内圧推定システムに関する。

回転電機を駆動源とするハイブリッド車両や電気自動車では、直流電源としてニッケル水素電池が用いられる。ニッケル水素電池は、過充電時に正極から酸素ガスが発生することが知られている。酸素ガスの発生に伴って電池内圧が増加して安全弁の開放に繋がることから、これを回避するため、従来からニッケル水素電池の内圧監視が行われている。

内圧監視に当たり、ニッケル水素電池の電流、電圧、温度等をモニタリングし、これらの値に基づいてニッケル水素電池の内圧が推定される。例えば特許文献１では、酸素ガス発生量を、電池モジュールの充電効率と電流値に基づいて算出している。さらに、正極で発生した酸素ガスは負極である水素吸蔵合金に取り込まれた水素（水素原子）と反応して水になることから、当該反応に基づく酸素ガス吸収量を算出している。酸素ガス吸収量の算出に当たり、特許文献１では電池モジュールの酸素圧と単位時間当たりの酸素ガス吸収量との関係を示すマップが用いられる。両者の関係には温度依存性があることが知られており、推定を行う演算部には電池モジュールの温度に応じたマップ（特性曲線）が複数記憶されている。

特許第５５２７００１号公報

ところで、酸素ガス吸収量は酸素ガスと反応する水素量に応じて変化する。したがって電池モジュールの温度のみによって、つまり水素量の変化が反映されずに酸素ガス吸収量を求める従来の推定システムは精度向上の余地がある。

本発明は、車両用ニッケル水素電池の内圧推定システムに関する。このシステムは、車両電源であるニッケル水素電池と、演算部を備える。演算部は、前記ニッケル水素電池の正極における酸素ガス発生量と、負極である水素吸蔵合金に取り込まれた水素と酸素ガスとの反応による酸素ガス吸収量とから酸素圧を算出する。さらに前記演算部は、算出された酸素圧と、前記水素吸蔵合金の水素平衡圧とから、前記ニッケル水素電池の内圧を算出する。加えて前記演算部は、前記水素吸蔵合金の表面層に吸着された吸着水素と酸素ガスとの反応による第１の吸収量と、前記水素吸蔵合金内部に吸蔵された吸蔵水素と酸素ガスとの反応による第２の吸収量との和から、前記酸素ガス吸収量を算出する。

本発明によれば、水素吸蔵合金の表面層に吸着された吸着水素による酸素ガス吸収量と、水素吸蔵合金内部に吸蔵された吸蔵水素による酸素ガス吸収量とに基づいてニッケル水素電池全体の酸素ガス吸収量を求めている。酸素ガスと反応する水素を吸着水素と吸蔵水素とに分けてそれぞれの変化を推定することで、従来よりも精度よく酸素ガス吸収量を推定できる。

本実施形態に係るニッケル水素電池の内圧推定システム及びその周辺機器の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るニッケル水素電池の内圧推定フローである。 水素吸蔵合金の模式図である。 充電時の水素吸蔵合金における水素の移動を説明する図である。 吸着水素と吸蔵水素との、酸素ガスとの反応速度を比較する図である。 水素吸蔵合金における充電時の化学反応を説明する図である。 水素吸蔵合金における放電時の化学反応を説明する図である。 本実施形態に係る内圧推定を行ったときのグラフである。

図１に、本実施形態に係るニッケル水素電池の内圧推定システム及びその周辺機器の構成が例示されている。本実施形態に係るニッケル水素電池の内圧推定システムは、電気自動車、ハイブリッド車両、及びプラグインハイブリッド車両等の、ニッケル水素電池１０を直流電源（車両電源）とする車両に搭載される。ニッケル水素電池１０の内圧推定システムは、ニッケル水素電池モジュール１２及び制御部１４を含んで構成される。

ニッケル水素電池モジュール１２は、ニッケル水素電池（電池セル）１０を複数直列接続させた積層体（スタック）から構成される。なお、一部の電池セル群を並列接続し、その電池セル群同士を直列接続させてもよい。

ニッケル水素電池モジュール１２から出力される直流電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１６によって昇圧される。さらに昇圧後の電力はインバータ１８によって直交変換され、車両の駆動源である回転電機２０に供給される。また、回転電機２０の回生時には回生電力がインバータ１８によって交直変換される。変換後の直流電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１６によって降圧されてニッケル水素電池モジュール１２に供給される。

ニッケル水素電池１０は正極に水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）_２）、負極に水素吸蔵合金（Ｍ）、電解質に水酸化カリウム（ＫＯＨ）が使用される二次電池である。水素吸蔵合金は、水素吸蔵能力に優れたＴｉ、Ｚｒ、Ｐｄ、Ｍｇ等の金属と、水素放出能力に優れたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の金属の合金から構成される。また、正極と負極の間に絶縁体からなるセパレータが挟まれる。正極、セパレータ、負極、及び電解質は電池ケース内に収容される。電池ケースには安全弁が設けられ、ケース内圧（電池内圧）が所定の耐圧上限を超過すると開弁する。

ニッケル水素電池１０の放電時には、正極で下記数式（１）、負極で下記数式（２）の反応が生じる。

充電時には正極で下記数式（３）、負極で下記数式（４）の反応が生じる。

数式（１）〜（４）の右辺に示されているように、放電時、充電時ともにガスは発生しない。一方、充電が過剰に進んだいわゆる過充電状態においては、副反応として正極で下記数式（５）の反応が生じて酸素ガス（Ｏ_２）が発生する。

これに対して負極では下記数式（６）に示すように、負極である水素吸蔵合金（Ｍ）に取り込まれた水素原子（Ｈ）と酸素ガス（Ｏ_２）が反応して水（Ｈ_２Ｏ）が得られる。

下記にて詳細に説明するように、ニッケル水素電池１０の内圧推定においては、過充電時の正極における酸素ガス増加量と、負極における酸素ガス吸収量とに基づいて内圧推定が行われる。さらに本実施形態に係る内圧推定では、酸素ガス吸収量の推定に当たり、負極である水素吸蔵合金の表面層に吸着した吸着水素と酸素ガスとの反応と、水素吸蔵合金内部に吸蔵された吸蔵水素と酸素ガスとの反応とで個別にモデル式を設け、それぞれの酸素ガス吸収量を求めることで、従来よりも高精度の内圧推定を可能としている。

制御部１４は、コンピュータから構成されてよく、演算部２２、記憶部２４、及び図示しない機器・センサインターフェースが内部バスを介して互いに接続されている。

制御部１４は、機器・センサインターフェースを介して、種々のセンサからの信号を受信する。具体的には、ニッケル水素電池モジュール１２の両端電圧Ｖ_ｂを検出する電圧センサ２６、ニッケル水素電池モジュール１２に流れる電流Ｉ_ｂを検出する電流センサ２８、及び、ニッケル水素電池モジュール１２の温度Ｔ_ｂを検出する温度センサ３０から各検出値を受信する。なお、図示の便宜上、電圧センサ２６及び温度センサ３０はニッケル水素電池モジュール１２全体の電圧及び温度を検出するように示されているが、特定のニッケル水素電池１０（電池セル）の両端電圧及び温度を検出するようにしてもよい。これらの検出値をもとに、制御部１４はニッケル水素電池１０の内圧推定を行う。制御部１４の記憶部２４には、内圧推定を実行するための推定プログラムが記憶されている。

また、制御部１４は、ニッケル水素電池１０の内圧推定値が安全弁の耐圧上限近傍に到達したときに、安全弁の作動を回避するためにニッケル水素電池１０に対して電力制限を掛けるようにしてもよい。

＜ニッケル水素電池の内圧推定フロー＞
図２に、ニッケル水素電池１０の本実施形態に係る内圧推定フローが例示されている。演算部２２は正極における酸素ガス発生量の算出（Ｓ１０）、負極である水素吸蔵合金における酸素ガス吸収量の算出（Ｓ１２）、及び水素吸蔵合金における水素平衡圧の算出（Ｓ１４）を並行して実行する。さらに演算部２２は酸素ガス発生量と酸素ガス吸収量から酸素圧を算出する（Ｓ１６）。最後に、水素平衡圧と酸素圧から、ニッケル水素電池１０の内圧を算出する（Ｓ１８）。

酸素ガス発生量の算出（Ｓ１０）は、既存の算出手段を用いることから、ここでは簡単に説明する。上述したように、ニッケル水素電池１０の酸素ガス発生反応は、過充電時、具体的には正極電位が酸素発生電位を超過したときに副反応として生じる。さらに酸素発生電位は電池温度が高温であるほど引き下げられることが知られている。これらの特性から、ニッケル水素電池１０の酸素ガス発生量Ｐ_ｇｅｎ（ｔ）は、ニッケル水素電池１０のＯＣＶ電圧（開路電圧）Ｖ_０、ニッケル水素電池１０の温度Ｔ_ｂを用いて下記数式（７）のように表すことができる。

ステップＳ１４にて算出される水素平衡圧は、ニッケル水素電池１０の水素吸蔵合金に吸蔵される水素量と放出される水素量とが釣り合うときの水素ガス圧（水素分圧）を示す。水素平衡圧Ｐ_ｅｑは電池温度に応じて変化することが知られており、ニッケル水素電池１０の温度Ｔ_ｂを用いてＰ_ｅｑ（Ｔ_ｂ）のように表すことができる。

酸素ガス吸収量の算出（Ｓ１２）に当たり、本実施形態では負極である水素吸蔵合金の表面層に吸着した吸着水素と酸素ガスとの反応と、水素吸蔵合金内部に吸蔵された吸蔵水素と酸素ガスとの反応とで個別にモデル式を設けている。

図３には水素吸蔵合金３２の模式図が示されている。水素吸蔵合金３２の表面にはＮｉ−Ｃｏ層等の表面層３４が形成される。この表面層３４に吸着される水素原子（吸着水素）をＨ_αで示す。また、水素吸蔵合金３２の内部に吸蔵された（金属原子Ｍの隙間に潜り込んだ）水素原子（吸蔵水素）をＨ_βで示す。

図４には、充電中の水素吸収過程、すなわち数式（４）の模式図が示されている。水分子（Ｈ_２Ｏ）が水素吸蔵合金３２の表面層３４に接触すると、電子（ｅ⁻）を取り込みながら水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が放出され、また水素原子Ｈ_αが表面層３４に吸着される。この水素原子は拡散過程で水素吸蔵合金３２の内部に移動し、吸蔵水素Ｈ_βとなる。なお、放電過程では移動方向が入れ替わり、水素吸蔵合金３２内部から表面層３４に水素原子が移動する。

ここで、図５に示すように、吸着水素Ｈ_αは吸蔵水素Ｈ_βよりも酸素ガス（Ｏ_２）近傍にあり、相対的に酸素ガスと反応し易い。このことから、吸着水素Ｈ_αが表面層３４に大量に蓄積された場合、吸蔵水素Ｈ_βの挙動をベースに酸素ガス吸収量を推定する従来技術と比較して、酸素ガス吸収量は増加する（酸素ガス量は減少する）と考えられる。

吸着水素Ｈ_αが表面層３４に大量に蓄積される場合とは、例えば表面層３４への水素の吸着速度が水素吸蔵合金３２内への拡散速度を上回る場合である。その直後に酸素ガスとの反応が生じると、大量の吸着水素Ｈ_αが速やかに酸素ガスと反応して酸素ガス吸収量が増加する。

実際の車両駆動を例に採ると、車両が降坂から登坂に切り替わったときが挙げられる。車両降坂時、車両の回転電機は回生駆動し、ニッケル水素電池１０が充電される。このとき、図６に示すように吸着水素Ｈ_αが表面層３４に大量に蓄積される。その後の車両登坂時に、回転電機が力行駆動され、ニッケル水素電池１０が放電する。このとき、図７に示すように電池内の酸素ガスが水素吸蔵合金３２の表面層３４にある吸着水素Ｈ_αと反応する。吸着水素Ｈ_αは放電に伴い次々と表面層３４に押し出され、酸素ガスと順次反応する。このようにして酸素ガス吸収量が増加する、言い換えると、電池内の酸素ガス量が減少する。

吸蔵水素Ｈ_βによる酸素ガス吸収量は、既存の算出手段を用いる。すなわち、吸蔵水素Ｈ_βによる酸素ガス吸収量は酸素圧Ｐ_ｏ及び電池温度Ｔ_ｂに応じて変化することが知られており、これらのパラメータを用いて、吸蔵水素Ｈ_βによる酸素ガス吸収量はｆＨ_β（Ｐ_ｏ，Ｔ_ｂ）のように表すことができる。

吸着水素Ｈ_αによる酸素ガス吸収量に当たり、まず吸着水素Ｈ_αの濃度Ｄ_Ｈｎを算出する。吸着水素濃度Ｄ_Ｈｎは下記数式（８）から求められる。

数式（８）中、Ｋは充放電による水素増減項（係数）を表す。吸着水素Ｈ_αから吸蔵水素Ｈ_βに移行（拡散）する速度が電池温度Ｔ_ｂに応じて変化することが知られており、水素増減項Ｋは電池温度Ｔ_ｂをパラメータに持つ。また、電池電流Ｉ_ｂの増減に伴って水素量が変化するから、水素増減項Ｋは電池電流Ｉ_ｂをパラメータに持つ。

また、数式（８）中、右辺第２項は要するに時刻ｎ−１からｎまでの吸着水素Ｈ_αの増減分を表している。右辺第２項で（−Ｉ_ｂ）となっているのは充電（Ｉ_ｂ＜０）のとき吸着水素Ｈ_αが増加し、放電（Ｉ_ｂ＞０）のとき吸着水素Ｈ_αが減少することを表している。また第２項末尾のτはいわゆるなまし処理のための時定数である。数式（８）を用いて、吸着水素Ｈ_αによる酸素ガス吸収量はｆＨ_α（Ｄ_Ｈ，Ｉ_ｂ，Ｔ_ｂ）のように表すことができる。

以上から、吸着水素Ｈ_αによる酸素ガス吸収量（第１の吸収量）ｆＨ_α（Ｄ_Ｈ，Ｉ_ｂ，Ｔ_ｂ）と吸蔵水素Ｈ_βによる酸素ガス吸収量（第２の吸収量）ｆＨ_β（Ｐ_ｏ，Ｔ_ｂ）をそれぞれ求め、さらにこれらの和を求めることで、ニッケル水素電池１０全体の酸素ガス吸収量を求めることができる。

関数ｆＨ_α及びｆＨ_βはシミュレーション等によって求めることができる。さらに関数ｆＨ_α及びｆＨ_βのパラメータＩ_ｂ、Ｔ_ｂは電流センサ２８、温度センサ３０から取得できる。また、吸着水素濃度Ｄ_Hは数式（８）を用いてパラメータＩ_ｂ、Ｔ_ｂから算出できる。つまり、事前にシミュレーション等により取得した関数ｆＨ_α及びｆＨ_βに、電流センサ２８，温度センサ３０から取得した電流値Ｉ_ｂ及び温度値Ｔ_ｂを入力すれば、吸着水素Ｈ_α及び吸蔵水素Ｈ_βによる酸素ガス吸収量が算出可能となる。

なお、吸着水素Ｈ_αによる酸素ガス吸収量から、吸着水素Ｈ_αによる酸素ガス吸収体積ＶＨ_αが求められる。同様にして、吸蔵水素Ｈ_βによる酸素ガス吸収量から、吸蔵水素Ｈ_βによる酸素ガス吸収体積ＶＨ_βが求められる。これらの吸収体積ＶＨ_α，ＶＨ_βの和は、下記数式（９）のように、酸素圧の変化量ｄＰ_ｏ／ｄｔに比例する。

吸収体積ＶＨ_α，ＶＨ_βに加えて、数式（７）の酸素ガス発生量Ｐ_ｇｅｎから酸素ガス発生体積Ｖ_ｇｅｎを求め、ＶＨ_α，ＶＨ_β，Ｖ_ｇｅｎの和を取れば、ニッケル水素電池１０内の酸素ガス体積変化が求められる。この体積変化に基づけば、酸素圧の変化量ｄＰ_ｏ／ｄｔを求めることができる。酸素圧の変化量ｄＰ_ｏ／ｄｔを直近（時刻ｔ＝ｎ−１）の酸素圧値に加えれば、変化後（時刻ｔ＝ｎ）の酸素圧値を求めることができる。これに時刻ｔ＝ｎにおける水素平衡圧を加えることで、時刻ｔ＝ｎにおけるニッケル水素電池１０の内圧Ｐ_ｂ（ｎ）を求めることができる。

図８には、本実施形態に係る内圧推定を行ったときのグラフが示されている。横軸は時間を表し、縦軸は電池内圧（酸素圧と水素平衡圧の和）を表す。実線は実際の電池内圧を表し、一点鎖線は本実施形態に係る内圧推定、つまり吸着水素Ｈ_α及び吸蔵水素Ｈ_βによる酸素ガス吸収量の変化に応じた内圧推定を表す。破線は従来の内圧推定、つまり吸着水素Ｈ_αの挙動を考慮しない内圧推定を表す。このグラフに示されているように、本実施形態に係る内圧推定は、従来の内圧推定よりも実際の電池内圧との誤差が小さく、精度の高い推定であることが分かる。

１０ ニッケル水素電池、１２ ニッケル水素電池モジュール、１４ 制御部、１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１８ インバータ、２０ 回転電機、２２ 演算部、２４ 記憶部、２６ 電圧センサ、２８ 電流センサ、３０ 温度センサ、３２ 水素吸蔵合金、３４ 表面層、Ｈ_α 吸着水素、Ｈ_β 吸蔵水素。

Claims (1)

1. 車両電源であるニッケル水素電池と、
   前記ニッケル水素電池の正極における酸素ガス発生量と、負極である水素吸蔵合金に取り込まれた水素と酸素ガスとの反応による酸素ガス吸収量とから酸素圧を算出し、算出された酸素圧と、前記水素吸蔵合金の水素平衡圧とから、前記ニッケル水素電池の内圧を算出する演算部を備えた、
   車両用ニッケル水素電池の内圧推定システムであって、
   前記演算部は、前記水素吸蔵合金の表面層に吸着された吸着水素と酸素ガスとの反応による第１の吸収量と、前記水素吸蔵合金内部に吸蔵された吸蔵水素と酸素ガスとの反応による第２の吸収量との和から、前記酸素ガス吸収量を算出することを特徴とする、車両用ニッケル水素電池の内圧推定システム。

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