JP6508097B2 - ニッケル水素電池の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ニッケル水素電池の充放電を制御する技術に関する。

特許第５７６１３７８号公報（特許文献１）には、リチウムイオン電池の充放電を制御するコントローラが開示されている。このコントローラは、リチウムイオン電池の状態から負極電位を推定し、推定された負極電位が所定範囲（下限電位以上かつ上限電位以下の範囲）内で変化するようにリチウムイオン電池の充放電を制御する。これにより、リチウム析出などによる電池性能の低下が抑制される。

特許第５７６１３７８号公報

従来より、ハイブリッド車両用の二次電池としては、リチウムイオン電池だけでなく、ニッケル水素電池も多く採用されている。ニッケル水素電池の放電時には負極電位が増加すること、および放電時に負極電位が過剰に増加すると負極が劣化し電池特性が低下することが知られている。そのため、ニッケル水素電池の放電時にも、特許文献１のように、負極電位を推定し、推定された負極電位を上限電位以下に制御することが肝要である。

しかしながら、一般的に、リチウムイオン電池の負極には炭素が用いられるのに対し、ニッケル水素電池の負極には水素吸蔵合金（ＭＨ）が用いられる。このような構造の違いにより、ニッケル水素電池の負極電位は、所定条件下において、リチウムイオン電池の負極電位とは異なる特有の挙動を示し得る。そのため、リチウムイオン電池を前提とした特許文献１の推定方法をニッケル水素電池にそのまま適用すると、負極電位の推定精度が低下してしまうことが懸念される。したがって、ニッケル水素電池により適合した負極電位の推定方法の開発が望まれる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ニッケル水素電池の放電中において、負極電位を精度よく推定することによって、より確実に負極電位をしきい電位以下に制御することである。

（１） この発明に係る制御装置は、負極に水素吸蔵合金が用いられるニッケル水素電池の制御装置であって、ニッケル水素電池の温度を検出可能に構成された温度検出部と、ニッケル水素電池の放電電流を検出可能に構成された電流検出部と、放電電流を制御可能に構成された制御部とを備える。制御部は、ニッケル水素電池の放電中であり、かつ温度がしきい温度以下である場合、単位時間あたりの負極電位増加量を放電電流から算出し、単位時間あたりの負極電位増加量を積算することによって時間経過による負極電位増加量を算出する。制御部は、負極の開放電位と、負極の反応抵抗および放電電流の積と、時間経過による負極電位増加量との合計を、負極の電位として算出する。制御部は、算出された負極の電位がしきい電位を超えた場合に放電電流を所定値以下に制限する。

ニッケル水素電池の放電中には、負極電位が開放電位（非通電時の電位）よりも増加することが知られている。放電中の負極電位増加量は、従来、放電電流および負極の反応抵抗（負極の活物質において生じる電荷移動抵抗）の積によって一義的に決まり、放電電流および負極の反応抵抗が一定であれば負極電位も一定であると考えられていた。しかしながら、負極に水素吸蔵合金が用いられるニッケル水素電池においては、温度がしきい温度（たとえば０℃）以下かつ放電電流が所定値よりも大きい条件下では、放電電流および負極の反応抵抗が一定であっても時間の経過とともに負極電位が徐々に増加し、その際の単位時間あたりの負極電位増加量は放電電流が大きいほど大きい、というニッケル水素電池特有の負極電位挙動が生じることが、出願人によって新たに見い出された。

上記構成による制御部は、上述したニッケル水素電池特有の挙動を考慮して、負極の電位を算出する。具体的には、温度がしきい温度以下である低温域での放電中において、単位時間あたりの負極電位増加量を放電電流から算出し、単位時間あたりの負極電位増加量を積算することによって時間経過による負極電位増加量（すなわちニッケル水素電池特有の負極電位増加量）を算出する。そして、制御部は、負極の開放電位と放電電流および負極の反応抵抗の積との合計（すなわち従来相当の負極電位の推定値）に、さらに時間経過による負極電位増加量（ニッケル水素電池特有の負極電位増加量）を加えた値を、負極の電位として算出する。これにより、ニッケル水素電池特有の負極電位挙動を考慮して、負極の電位を精度よく算出（推定）することができる。

そして、制御部は、精度よく算出された負極の電位がしきい電位を超えた場合に、放電電流を所定値以下に制限する。これにより、負極電位の増加量が低減されるので、負極の電位がしきい電位以下に制御される。その結果、ニッケル水素電池の放電中において、負極の電位を精度よく推定することによって、より確実に負極の電位をしきい電位以下に制御することができる。

（２） 好ましくは、制御部は、ニッケル水素電池の電圧変化量の履歴から、負極の反応抵抗の初期値からの低下度合を示す負極活性化率を算出し、負極活性化率を用いて負極の反応抵抗を補正する。

一般的に、電池の充放電を繰り返すと、劣化により負極の反応抵抗は増加する傾向にある。ところが、負極に水素吸蔵合金が用いられるニッケル水素電池においては、充放電を繰り返すことで、水素吸蔵合金の表面が活性化され、負極の反応抵抗が低下し得る。この点を考慮し、制御部は、ニッケル水素電池の電圧変化量の履歴から、負極の反応抵抗の初期値からの低下度合を示す負極活性化率を算出し、負極活性化率を用いて、負極の電位の算出に用いられる負極の反応抵抗を補正する。これにより、負極の活性化による反応抵抗の低下を考慮した上で、負極の電位をより精度よく推定することが可能になる。

車両の構成を概略的に示すブロック図である。 電池ユニットの構成をより詳細に示す図である。 電池セルの内部構成を概略的に示す図である。 非通電時の正極電位および負極電位と、放電時の正極電位および負極電位とを、模式的に示す図である。 低温域における放電電流Ｉと単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶとの対応関係の一例を示す図である。 ＥＣＵの処理手順の一例を示すフローチャート（その１）である。 時間経過による負極電位増加量ΣΔＶの算出手法を模式的に示す図である。 初期状態における放電時の正極電位および負極電位と、長期使用後における放電時の正極電位および負極電位とを、模式的に示す図である。 ＥＣＵの処理手順の一例を示すフローチャート（その２）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。

［実施の形態１］
＜車両構成＞
図１は、本実施の形態によるニッケル水素電池の制御装置が搭載される車両１の構成を概略的に示すブロック図である。図１には、車両１内の電気系統の充放電制御に関連するシステム構成が示されている。

なお、図１に示す車両１は電気自動車であるが、本発明を適用可能な車両は電気自動車に限らず、ハイブリッド車および燃料電池車など、ニッケル水素電池を搭載する任意の電動車両に適用することが可能である。

車両１は、二次電池システム１０と、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）２０と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）３０と、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）４０と、駆動輪５０とを備える。二次電池システム１０は、電池ユニット１００と、監視ユニット２００と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３００とを備える。

電池ユニット１００は、直列に接続された複数のニッケル水素電池セル１１０（図２参照）を含む。

監視ユニット２００は、電圧センサ２１０と、電流センサ２２０と、温度センサ２３０とを含む。電圧センサ２１０は、電池ユニット１００内の各セルの電圧（以下「セル電圧ＶＣ」ともいう）を検出可能に構成される。電流センサ２２０は、二次電池システム１０から放電される電流（以下「放電電流Ｉ」ともいう）を検出可能に構成される。温度センサ２３０は、電池ユニット１００内の温度（以下「電池温度Ｔ」ともいう）を検出可能に構成される。各センサは、その検出結果を示す信号をＥＣＵ３００に出力する。

ＳＭＲ２０は、電池ユニット１００とＰＣＵ３０との間に電気的に接続されている。ＳＭＲ２０は、ＥＣＵ３００からの制御信号に応答してオンオフされる。これにより、電池ユニット１００とＰＣＵ３０との間の導通および遮断が切り替えられる。

ＰＣＵ３０は、たとえばコンバータと、インバータ（いずれも図示せず）とを含む。ＰＣＵ３０は、ＥＣＵ３００からのスイッチング指令に従って、電池ユニット１００とＭＧ４０との間で双方向に電力変換が可能に構成されている。コンバータは、電池ユニット１００とインバータとの間で双方向の直流電圧変換を実行するように構成されている。インバータは、直流電力とＭＧ４０に入出力される交流電力との間の双方向の電力変換を実行するように構成されている。

より具体的には、インバータは、電池ユニット１００からコンバータを経由して供給される直流電力を交流電力に変換してＭＧ４０に供給する。これにより、ＭＧ４０は駆動輪５０の駆動力を発生する。一方、車両１の回生制動時には、インバータは、ＭＧ４０が発生する交流電力（回生電力）を直流電力に変換してコンバータに供給する。これにより、電池ユニット１００が充電される。

ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）（図示せず）と、メモリ３１０と、入出力インターフェイス（図示せず）とを含んで構成される。ＥＣＵ３００は、各センサからの信号およびメモリに記憶された情報に基づいてＰＣＵ３０を制御することによって、電池ユニット１００の充放電を制御する。なお、ＥＣＵ３００の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより構成されてもよい。

＜電池ユニットの構成＞
図２は、電池ユニット１００の構成をより詳細に示す図である。電池ユニット１００は、複数のニッケル水素電池セル１１０（以下、単に「電池セル１１０」ともいう）と、一対のエンドプレート１１２と、拘束バンド１１４と、複数のバスバー１１６とを含む。セル数は特に限定されない。ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は互いに直交する。鉛直方向上方をｚ軸の正方向とする。

複数の電池セル１１０の各々は、たとえば扁平角型の形状を有する。複数の電池セル１１０は、最も面積が大きい側面が互いに距離を隔てて対向するように、ｙ方向に積層されている。図２では、複数の電池セル１１０を積層して構成される積層体のうち、積層方向の一方端が部分的に示されている。この積層方向（ｙ方向）における一方端および他方端にそれぞれ対向するように、一対のエンドプレート１１２（図２では一方のみを示す）が配置されている。一対のエンドプレート１１２は、全ての電池セル１１０を挟み込んだ状態で拘束バンド１１４によって拘束されている。

各セル１１０は正極端子および負極端子を有し、その正極端子が隣接するセルの負極端子と対向するように配置されている。あるセルの正極端子と隣接するセルの負極端子とは、ボルトおよびナット（いずれも図示せず）を用いてバスバー１１６によって締結されることにより電気的に接続されている。これにより、電池ユニット１００内において複数の電池セル１１０は互いに直列に接続されている。

図３は、電池セル１１０の内部構成を概略的に示す図である。電池セル１１０の内部には、正極１３０と、負極１４０と、セパレータ１５０とが収容されている。上述したように、電池セル１１０はニッケル水素電池であり、正極１３０にはニッケル酸化物もしくはニッケル水酸化物が用いられ、負極１４０には水素吸蔵合金（ＭＨ）が用いられる。正極１３０と負極１４０とは、電解液に浸された状態で、セパレータ１５０を介して多層に積層されている。電解液には、水酸化カリウム水溶液などのアルカリ電解液が用いられる。

以下では、正極１３０の電位を「正極電位Ｖ_（＋）」と記載し、負極１４０の電位を「負極電位Ｖ_（−）」と記載する。また、非通電時の正極１３０の電位を「正極開放電位ＯＣＰ_（＋）」と記載し、非通電時の負極１４０の電位を「負極開放電位ＯＣＰ_（−）」と記載する。

＜放電電流の制限＞
図４は、非通電時の正極電位Ｖ_（＋）および負極電位Ｖ_（−）と、放電時の正極電位Ｖ_（＋）および負極電位Ｖ_（−）とを、模式的に示す図である。

非通電時においては、負極電位Ｖ_（−）は負極開放電位ＯＣＰ_（−）となり、正極電位Ｖ_（＋）は正極開放電位ＯＣＰ_（＋）となる。負極電位Ｖ_（−）と正極電位Ｖ_（＋）との差がセル電圧ＶＣである。

放電時の負極電位Ｖ_（−）は、負極１４０の活物質である水素吸蔵合金において生じる電荷移動抵抗（以下（以下「負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}」ともいう）の影響によって、負極開放電位ＯＣＰ_（−）よりも増加する。反応抵抗による負極電位Ｖ_（−）の増加量は、放電電流Ｉと負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}との積（＝Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}）で表わされる。

ニッケル水素電池のように、アルカリ電解液中で水素吸蔵合金の負極を用いる場合、放電時に負極電位Ｖ_（−）が過剰に増加すると、水素吸蔵合金が酸化されて劣化するため電池特性が低下することが知られている。そこで、ＥＣＵ３００は、後述する手法によって負極電位Ｖ_（−）を推定し、推定された負極電位Ｖ_（−）が、水素吸蔵合金の酸化を防止可能な負極電位の上限値（以下「上限電位Ｖ_{（−）ｍａｘ}」ともいう）を超えないように放電電流Ｉを制限する。

＜負極電位の推定＞
放電中の負極電位Ｖ_（−）の増加量は、従来、反応抵抗による負極電位Ｖ_（−）の増加量（＝Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}）によって一義的に決まり、放電電流Ｉおよび負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}が一定であれば負極電位Ｖ_（−）も一定であると考えられていた。

しかしながら、負極に水素吸蔵合金が用いられるニッケル水素電池においては、電池温度Ｔがしきい温度Ｔ１（たとえば０℃）以下かつ放電電流Ｉが所定値Ｉ_ｍａｘよりも大きい条件下では、放電電流Ｉおよび負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}が一定であっても時間の経過とともに負極電位Ｖ_（−）が徐々に増加し、その際の単位時間あたりの負極電位増加量は放電電流Ｉが大きいほど大きい、というニッケル水素電池特有の負極電位挙動が生じることが、本出願人によって新たに見い出された。

図５は、電池温度Ｔがしきい温度Ｔ１以下の低温域における放電電流Ｉと単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶとの対応関係の一例を示す図である。

放電電流Ｉが所定値Ｉ_ｍａｘ以下である場合には、単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶは０である。すなわち、放電電流Ｉが所定値Ｉ_ｍａｘ以下である場合には、低温域においても、常温域と同様に時間経過による負極電位増加は生じない。

一方、放電電流Ｉが所定値Ｉ_ｍａｘ以上である場合には、単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶは０よりも大きくなり、かつ放電電流Ｉが大きいほど単位時間当たりの負極電位増加ΔＶが大きくなる。すなわち、低温域において、放電電流Ｉが所定値Ｉ_ｍａｘよりも大きい場合には、放電電流Ｉが一定であっても時間の経過とともに負極電位Ｖ_（−）は単位時間あたりに負極電位増加量ΔＶずつ増加し、その際の単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶは放電電流Ｉにほぼ比例して大きくなる、という特性を有する。

さらに、放電電流Ｉと単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶとの対応関係（所定値Ｉ_ｍａｘの大きさを含む）は、電池温度Ｔに応じて変化することも明らかになった。

さらに、時間経過による負極電位Ｖ_（−）の増加量は、放電電流Ｉが所定値Ｉ_ｍａｘ以下に制限されると、所定の時定数で減少することも明らかになった。

以上のようなニッケル水素電池特有の負極電位挙動を考慮して、ＥＣＵ３００は負極電位Ｖ_（−）を推定する。具体的には、ＥＣＵ３００は、図５に示す対応関係を規定するマップ（以下「Ｉ−ΔＶマップ」ともいう）を電池温度Ｔ毎（図５に示す例では温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４…（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４…）毎）に予め記憶しておき、低温域での放電中において、実際の電池温度Ｔに対応するＩ−ΔＶマップを特定する。そして、ＥＣＵ３００は、特定されたＩ−ΔＶマップを参照して単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶを放電電流Ｉから算出し、単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶを積算することによって時間経過による負極電位増加量ΣΔＶを算出する。

そして、ＥＣＵ３００は、負極開放電位ＯＣＰ_（−）と反応抵抗による負極電位増加量Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}との合計（すなわち従来相当の負極電位の推定値）に、さらに時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ（ニッケル水素電池特有の負極電位増加量）を加えた値を、負極電位Ｖ_（−）として算出する。これにより、ニッケル水素電池特有の負極電位挙動を考慮して、負極電位Ｖ_（−）を精度よく算出（推定）することができる。

そして、ＥＣＵ３００は、精度よく算出された負極電位Ｖ_（−）が上限電位Ｖ_{（−）ｍａｘ}を超えた場合に、放電電流Ｉを所定値Ｉ_ｍａｘ以下に制限する処理（以下「放電電流制限」ともいう）を行なう。放電電流制限によって放電電流Ｉが所定値Ｉ_ｍａｘ以下に制限されると、反応抵抗による負極電位増加量Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}が低下するとともに、時間経過による負極電位増加量も所定の時定数で低下する。そのため、負極電位Ｖ_（−）を上限電位Ｖ_{（−）ｍａｘ}以下に制御することができる。その結果、ニッケル水素電池の放電中において、負極電位Ｖ_（−）を精度よく推定することによって、より確実に負極電位Ｖ_（−）を上限電位Ｖ_{（−）ｍａｘ}以下に制御することができる。

さらに、放電電流制限によって時間経過による負極電位増加量が所定の時定数で低下することに鑑み、ＥＣＵ３００は、放電電流制限を継続している期間（以下「制限期間」ともいう）が所定のしきい値を超えた場合には、時間経過による負極電位の増加が解消したものとして、放電電流制限を解除する。これにより、放電電流Ｉを不必要に制限することが抑制される。

＜負極電位推定および放電電流制限のフローチャート＞
図６は、ＥＣＵ３００が負極電位Ｖ_（−）を推定して放電電流制限を行なう際の処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは所定の演算周期Δｔが経過する毎に実行される。

ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１０にて、ＥＣＵ３００は、電池セル１１０の放電中であるか否かを判定する。放電中でない場合（Ｓ１０にてＮＯ）、ＥＣＵ３００は処理は終了する。

放電中である場合（Ｓ１０にてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、Ｓ２０にて、上述の放電電流制限（放電電流Ｉを所定値Ｉ_ｍａｘ以下に制限する処理）の実行中である否かを判定する。

放電電流制限中でない場合（Ｓ２０にてＮＯ）、ＥＣＵ３００は、Ｓ３０にて、監視ユニット２００から放電電流Ｉおよび電池温度Ｔを取得する。

Ｓ４０にて、ＥＣＵ３００は、電池温度Ｔがしきい温度Ｔ１以下であるか否かを判定する。この判定は、時間経過による負極電位の増加が生じ得る低温域であるのか否かを判定する処理である。

電池温度Ｔがしきい温度Ｔ１よりも高い場合（Ｓ４０にてＮＯ）、時間経過による負極電位の増加が生じない常温域であるため、ＥＣＵ３００は、Ｓ５０にて、負極電位Ｖ_（−）を下記の式（１）を用いて算出する。

Ｖ_（−）＝ＯＣＰ_（−）＋Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）} …（１）
式（１）において、「ＯＣＰ_（−）」は上述したように非通電時の負極１４０の電位である。たとえば、ＥＣＵ３００は、メモリに予め記憶されたＴ−ＯＣＰ_（−）マップ（実験等によって求められた電池温度Ｔと負極開放電位ＯＣＰ_（−）との対応関係を示すデータ）を参照して、電池温度Ｔに対応する負極開放電位ＯＣＰ_（−）を算出する。

式（１）において、「Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}」は、放電電流Ｉと負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}との積であり、反応抵抗による負極電位増加量を表わす。たとえば、ＥＣＵ３００は、メモリに予め記憶されたＴ−Ｒ_{ＣＴ（−）}マップ（実験等によって求められた電池温度Ｔと負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}との対応関係を示すデータ）を参照して、電池温度Ｔに対応する負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}を算出する。

式（１）は、負極開放電位ＯＣＰに、反応抵抗による負極電位増加量Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}を加えた値を、負極電位Ｖ_（−）として算出するものである。式（１）は、従来相当の負極電位Ｖ_（−）の推定手法を表わすものである。

一方、電池温度Ｔがしきい温度Ｔ１以下である場合（Ｓ４０にてＹＥＳ）、時間経過による負極電位の増加が生じ得る低温域であるため、ＥＣＵ３００は、後述するＳ６０〜Ｓ６５にて負極電位Ｖ_（−）を算出する。

Ｓ６０にて、ＥＣＵ３００は、Ｓ３０で取得した電池温度Ｔから、所定値Ｉ_ｍａｘ（低温域において時間経過による負極電位増加が生じない放電電流Ｉの最大値）を算出する。具体的には、ＥＣＵ３００は、電池温度Ｔ毎にメモリに記憶されている複数のＩ−ΔＶマップ（図５参照）から、Ｓ３０で取得した電池温度Ｔに対応するＩ−ΔＶマップを特定し、特定されたＩ−ΔＶマップに記憶されている所定値Ｉ_ｍａｘを読み出す。

Ｓ６１にて、ＥＣＵ３００は、Ｓ３０で取得した放電電流ＩがＳ６０で算出した所定値Ｉ_ｍａｘを超えているか否かを判定する。

放電電流Ｉが所定値Ｉ_ｍａｘを超えている場合（Ｓ６１にてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、Ｓ６２にて、Ｓ３０で取得した電池温度Ｔおよび放電電流Ｉから、今回サイクルにおける単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶ_（ｎ）を算出する。ＥＣＵ３００は、Ｓ６０にて特定されたＩ−ΔＶマップを参照して、今回サイクルの放電電流Ｉに対応する負極電位増加量ΔＶを算出し、算出されたΔＶを今回サイクルにおけるΔＶ_（ｎ）に設定する。

Ｓ６３にて、ＥＣＵ３００は、下記の式（２ａ）を用いて、時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ_（ｎ）を算出する。

ΣΔＶ_（ｎ）＝ΣΔＶ_{（ｎ−１）}＋｛ΔＶ_（ｎ）・Δｔ｝ …（２ａ）
式（２ａ）において、「ΣΔＶ_{（ｎ−１）}」は、前回サイクルで算出された、時間経過による負極電位増加量である。「ΔＶ_（ｎ）・Δｔ」は、今回サイクルの演算周期Δｔの経過による負極電位増加量である。

図７は、時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ_（ｎ）の算出手法を模式的に示す図である。ＥＣＵ３００は、今回サイクルにおける単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶ_（ｎ）に今回サイクルの演算周期Δｔを乗じた値（＝ΔＶ_（ｎ）・Δｔ）を、今回サイクルの負極電位増加量として算出する。そして、ＥＣＵ３００は、前回サクルで算出された時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ_{（ｎ−１）}に、今回サイクルの負極電位増加量ΔＶ_（ｎ）・Δｔを加えた値を、今回サイクルにおける時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ_（ｎ）として算出する。すなわち、ＥＣＵ３００は、単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶを演算周期毎に積算することによって、時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ_（ｎ）を算出する。

放電電流Ｉが所定値Ｉ_ｍａｘ以下である場合（Ｓ６１にてＮＯ）、時間経過による負極電位の増加量が所定の時定数で徐々に減少することに鑑み、ＥＣＵ３００は、Ｓ６４にて、下記の式（２ｂ）を用いて、時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ_（ｎ）を算出する。

ΣΔＶ_（ｎ）＝Ｍａｘ［｛ΣΔＶ_{（ｎ−１）}−α｝，０］ …（２ｂ）
式（２ｂ）において、「α」は、今回の演算周期Δｔの経過による負極電位の減少量である。式（２ｂ）の右辺は、「ΣΔＶ_{（ｎ−１）}−α」と「０」とのうちの大きい方の値を選択することを意味する。すなわち、「ΣΔＶ_{（ｎ−１）}−α」が０以下の値になった場合には、時間経過による負極電位の増加が完全に解消しているものとして、時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ_（ｎ）は０に設定される。

なお、Ｓ６３あるいはＳ６４で算出されたΣΔＶ_（ｎ）は、メモリに記憶され、次回サイクルにおいて「前回サイクルで算出されたΣΔＶ_{（ｎ−１）}」として用いられる。

Ｓ６５にて、ＥＣＵ３００は、負極電位Ｖ_（−）を下記の式（２）を用いて算出する。
Ｖ_（−）＝ＯＣＰ_（−）＋Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}＋ΣΔＶ_（ｎ） …（２）
すなわち、ＥＣＵ３００は、負極開放電位ＯＣＰ_（−）と反応抵抗による負極電位増加量Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}との合計（すなわち従来相当の負極電位の推定値）に、さらに時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ（ニッケル水素電池特有の負極電位増加量）を加えた値を、負極電位Ｖ_（−）として算出する。これにより、ニッケル水素電池特有の負極電位挙動を考慮して、負極電位Ｖ_（−）が精度よく算出（推定）される。

Ｓ７０にて、ＥＣＵ３００は、Ｓ５０またはＳ６５で算出された負極電位Ｖ_（−）が上限電位Ｖ_{（−）ｍａｘ}を超えているか否かを判定する。

負極電位Ｖ_（−）が上限電位Ｖ_{（−）ｍａｘ}を超えていない場合（Ｓ７０にてＮＯ）、ＥＣＵ３００は処理を終了する。

負極電位Ｖ_（−）が上限電位Ｖ_{（−）ｍａｘ}を超えている場合（Ｓ７０にてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、Ｓ８０にて、上述の放電電流制限（放電電流Ｉを所定値Ｉ_ｍａｘ以下に制限する処理）を行なう。

既に放電電流制限中である場合（Ｓ２０にてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、Ｓ８１にて、上述の制限期間（放電電流制限処理が継続されている期間）が所定のしきい値を超えたか否かを判定する。この判定は、時間経過による負極電位増加が放電電流制限処理によって解消したか否かを判定するための処理である。

制限期間がしきい値を超えていない場合（Ｓ８１にてＮＯ）、ＥＣＵ３００は、Ｓ８４にて、放電電流制限を継続する。

制限期間がしきい値を超えている場合（Ｓ８１にてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、Ｓ８２にて、メモリに記憶されているΣΔＶ_（ｎ）を０にリセットする）。その後、ＥＣＵ１００は、Ｓ８３にて、放電電流制限を解除する。

以上のように、本実施の形態によるＥＣＵ３００は、ニッケル水素電池特有の負極電位挙動を考慮して、負極電位Ｖ_（−）を推定する。具体的には、ＥＣＵ３００は、電池温度Ｔがしきい温度Ｔ１以下である低温域での放電中において、単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶを放電電流Ｉから算出し、単位時間あたりの負極電位増加量ΔＶを積算することによって時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ（すなわちニッケル水素電池特有の負極電位増加量）を算出する。そして、ＥＣＵ３００は、負極開放電位ＯＣＰ_（−）と反応抵抗による負極電位増加量Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}との合計（すなわち従来相当の負極電位推定値）に、さらに時間経過による負極電位増加量ΣΔＶ（ニッケル水素電池特有の負極電位増加量）を加えた値を、負極電位Ｖ_（−）として算出する。これにより、ニッケル水素電池特有の負極電位挙動を考慮して、負極の電位を精度よく算出（推定）することができる。

そして、ＥＣＵ３００は、精度よく算出された負極電位Ｖ_（−）が上限電位Ｖ_{（−）ｍａｘ}を超えた場合に放電電流制限を行なう。これにより、時間経過による負極電位増加量ΣΔＶを加味しない従来の負極電位の推定値を用いる場合に比べて、より確実に負極電位Ｖ_（−）を上限電位Ｖ_{（−）ｍａｘ}以下に制御することができる。

［実施の形態２］
一般的に、電池を長期間使用すると、劣化によって負極反応抵抗は増加する。しかしながら、ニッケル水素電池においては、長期間の使用によって充放電が繰り返されることで、負極に用いられる水素吸蔵合金の表面が活性化されて負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}が低下するという、ニッケル水素電池特有の現象が生じ得る。

図８は、初期状態における放電時の正極電位Ｖ_（＋）および負極電位Ｖ_（−）と、長期使用後における放電時の正極電位Ｖ_（＋）および負極電位Ｖ_（−）とを、模式的に示す図である。図８において、「Ｒ_{ＣＴ（−）ｉｎｉ}」は初期状態における負極反応抵抗（初期値）であり、「Ｒ_{ＣＴ（−）}」は長期使用後の負極反応抵抗である。なお、図８には、時間経過による負極電位増加量が生じていない場合が例示されている。

放電時の負極電位Ｖ_（−）は、負極開放電位ＯＣＰ_（−）よりも、反応抵抗による負極電位増加量Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}だけ増加する。ところが、上述のように、ニッケル水素電池においては、長期使用による負極の活性化によって、負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}は、初期値Ｒ_{ＣＴ（−）ｉｎｉ}よりも低下し得る。そのため、放電電流Ｉが同じである場合、長期使用後における反応抵抗による負極電位増加量Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）}が、初期状態における反応抵抗による負極電位増加量Ｉ・Ｒ_{ＣＴ（−）ｉｎｉ}よりも小さくなる。

したがって、仮に、長期使用後においても初期値Ｒ_{ＣＴ（−）ｉｎｉ}を用いて負極電位Ｖ_（−）を推定すると、負極電位Ｖ_（−）の推定値が実際の値よりも大きくなる。そのため、実際の負極電位がより上限電位Ｖ_{（−）ｍａｘ}を超え難くなり劣化防止の観点からは好ましいが、その反面、放電電流Ｉが不必要に制限され、本来の電池性能を使い切ることができないことになる。また、セル電圧ＶＣから負極電位Ｖ_（−）の推定値を差し引いて正極電位Ｖ_（＋）の推定値を算出する場合には、正極電位Ｖ_（＋）の推定値が実際の正極電位よりも大きくなり、実際の正極電位が下限電位Ｖ_{（＋）ｍａｘ}よりも低下して正極の劣化を招くことも懸念される。

そこで、本実施の形態２によるＥＣＵ３００は、負極電位Ｖ_（−）の推定に用いられる負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}を、負極の活性化の度合いに応じて補正する。具体的には、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素電池のセル電圧ＶＣの変化量の履歴から、負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}の初期値からの低下度合を示す負極活性化率の最小値Ｙｍｉｎを算出し、負極活性化率の最小値Ｙｍｉｎを用いて負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}を補正する。これにより、負極活性化による負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}の低下を考慮した上で、負極電位Ｖ_（−）をより精度よく推定することができる。

図９は、本実施の形態２によるＥＣＵ３００が負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}を補正する際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは所定周期で繰り返し実行される。

Ｓ９０にて、ＥＣＵ３００は、電池セル１１０の放電開始時であるか否かを判定する。放電開始時でない場合（Ｓ９０にてＮＯ）、ＥＣＵ３００は処理は終了する。

放電開始時である場合（Ｓ９０にてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、Ｓ９１にて、放電開始から所定時間ｔ１が経過した時の放電電流Ｉおよび電池温度Ｔと、放電開始から所定時間ｔ１が経過するまでのセル電圧変化量ＶＣを取得する。

Ｓ９２にて、ＥＣＵ３００は、Ｓ９１で取得されたセル電圧変化量ＶＣを放電電流Ｉで除算した値（＝ＶＣ／Ｉ）を、所定時間ｔ１経過時の電池抵抗Ｒ_（ｔ１）として算出し、算出された電池抵抗Ｒ_（ｔ１）を電池温度Ｔに対応付けてメモリに記憶する。

Ｓ９３にて、ＥＣＵ３００は、メモリに記憶されている電池抵抗Ｒ_（ｔ１）のデータ数が予め定められたＮ個を超えたか否かを判定する。データ数がＮ個以下である場合（Ｓ９３にてＮＯ）、ＥＣＵ３００は処理を終了する。

データ数がＮ個を超えている場合（Ｓ９３にてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、Ｓ９４にて、電池温度Ｔ毎に、電池抵抗Ｒ_（ｔ１）の最大値（以下「電池抵抗最大値Ｒ_{（ｔ１）ｍａｘ}」という）を特定する。ここで、電池抵抗Ｒ_（ｔ１）の最大値を特定するのは、検出誤差やばらつきを考慮して、電池抵抗が実際の値よりも過剰に低下していると誤って認識することを回避するためである。なお、電池抵抗Ｒ_（ｔ１）のデータが存在しない温度領域における電池抵抗最大値Ｒ_{（ｔ１）ｍａｘ}は、データが存在する温度領域における電池抵抗最大値Ｒ_{（ｔ１）ｍａｘ}を用いて補完的に算出される。

Ｓ９５にて、ＥＣＵ３００は、電池温度Ｔ毎に、負極反応抵抗の最大値Ｒ_{ＣＴ（−）ｍａｘ}を下記の式（３）を用いて算出する。

Ｒ_{ＣＴ（−）ｍａｘ}＝Ｒ_{（ｔ１）ｍａｘ}−｛Ｒ_{（＋）ｉｎｉ}＋Ｒ_{（Ｌ）ｉｎｉ}＋Ｒ_{Ｍ（−）ｉｎｉ}｝…（３）
式（３）において、「Ｒ_{（ｔ１）ｍａｘ}」は、Ｓ９４にて特定された電池抵抗の最大値である。「Ｒ_{（＋）ｉｎｉ}」は、放電時の正極１３０の抵抗Ｒ_（＋）（反応抵抗および金属抵抗を含む）の初期値であり、予めメモリに記憶されている。「Ｒ_{（Ｌ）ｉｎｉ}」は、放電時の電解液の抵抗Ｒ_（Ｌ）の初期値であり、予めメモリに記憶されている。「Ｒ_{Ｍ（−）ｉｎｉ}」は、放電時の負極１４０の金属抵抗Ｒ_Ｍ（−）の初期値であり、予めメモリに記憶されている。すなわち、電池抵抗は、正極抵抗Ｒ_（＋）、電解液の抵抗Ｒ_（Ｌ）、負極の金属抵抗Ｒ_Ｍ（−）、負極の反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}の合計であることに鑑み、ＥＣＵ３００は、Ｓ９４にて特定された電池抵抗最大値Ｒ_{（ｔ１）ｍａｘ}から、負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}以外の抵抗成分を減算した値を、現在の負極反応抵抗の最大値Ｒ_{ＣＴ（−）ｍａｘ}として算出する。

Ｓ９６にて、ＥＣＵ３００は、電池温度Ｔ毎に、負極活性化率の下限値Ｙｍｉｎを下記の式（４）を用いて算出する。なお、負極活性化率とは、負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}の初期値からの低下度合を示す指標である。

Ｙｍｉｎ＝Ｒ_{ＣＴ（−）ｉｎｉ}／Ｒ_{ＣＴ（−）ｍａｘ} …（４）
式（４）において、「Ｒ_{ＣＴ（−）ｉｎｉ}」は、負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}の初期値であり、予めメモリに記憶されている。「Ｒ_{ＣＴ（−）ｍａｘ}」は、Ｓ９５にて算出された負極反応抵抗の最大値である。

Ｓ９７にて、ＥＣＵ３００は、上述の図６のＳ５０またはＳ６５において負極電位Ｖ_（−）の算出に用いられる負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}を、負極活性化率の下限値Ｙｍｉｎを用いて補正する。たとえば、ＥＣＵ３００は、負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}の算出に用いられるＴ−Ｒ_{ＣＴ（−）}マップに記憶されている各電池温度Ｔの負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}を、下記の式（５）を用いて補正する。

Ｒ_{ＣＴ（−）}＝Ｒ_{ＣＴ（−）ｉｎｉ}／Ｙｍｉｎ …（５）
以上のように、本実施の形態２によるＥＣＵ３００は、負極電位Ｖ_（−）の推定に用いられる負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}を、負極１４０の活性化の度合いに応じて補正する。具体的には、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素電池のセル電圧変化量ＶＣの履歴から負極活性化率Ｙｍｉｎを算出し、負極活性化率Ｙｍｉｎを用いて負極反応抵抗Ｒ_{ＣＴ（−）}を補正する。これにより、負極活性化による反応抵抗の低下を考慮した上で、負極電位Ｖ_（−）をより精度よく推定することができる。

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、１０ 二次電池システム、５０ 駆動輪、１００ 電池ユニット、１１０ ニッケル水素電池セル、１１２ エンドプレート、１１４ 拘束バンド、１１６ バスバー、１３０ 正極、１４０ 負極、１５０ セパレータ、２００ 監視ユニット、２１０ 電圧センサ、２２０ 電流センサ、２３０ 温度センサ、３００ ＥＣＵ、３１０ メモリ。

Claims (2)

1. 負極に水素吸蔵合金が用いられるニッケル水素電池の制御装置であって、
   前記ニッケル水素電池の温度を検出可能に構成された温度検出部と、
   前記ニッケル水素電池の放電電流を検出可能に構成された電流検出部と、
   前記放電電流を制御可能に構成された制御部とを備え、
   前記制御部は、前記ニッケル水素電池の放電中であり、かつ前記温度がしきい温度以下である場合、
   単位時間あたりの負極電位増加量を前記放電電流から算出し、
   前記単位時間あたりの負極電位増加量を積算することによって時間経過による負極電位増加量を算出し、
   前記負極の開放電位と、前記負極の反応抵抗および前記放電電流の積と、前記時間経過による負極電位増加量との合計を、前記負極の電位として算出し、
   算出された前記負極の電位がしきい電位を超えた場合に前記放電電流を所定値以下に制限する、ニッケル水素電池の制御装置。
2. 前記制御部は、
   前記ニッケル水素電池の電圧変化量の履歴から、前記負極の反応抵抗の初期値からの低下度合を示す負極活性化率を算出し、
   前記負極活性化率を用いて前記負極の反応抵抗を補正する、請求項１に記載のニッケル水素電池の制御装置。

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