JP6627669B2 - 電池システム - Google Patents

Description

この発明は、電池システムに関し、特に、ニッケル水素電池を備える電池システムに関する。

特開２００８−４２９６０号公報（特許文献１）は、リチウムイオン電池の充放電を制御する充放電制御装置を開示する。この充放電制御装置においては、過充電及び過放電を回避した状態で、リチウムイオン電池が所定電力を継続的に入出力可能な時間が予測される（特許文献１参照）。

特開２００８−４２９６０号公報

ニッケル水素電池を備える電池システムにおいても、上記特許文献１に開示される電池システムのように、ニッケル水素電池の電圧が下限電圧に達するまでに、継続して所定電力を出力可能な時間を推定することが考えられる。

ところで、ニッケル水素電池においては、充放電を繰り返すことにより負極（水素吸蔵合金）が活性化し、負極抵抗が低下する。負極抵抗が低下することによって、ニッケル水素電池の内部抵抗も低下する。低下後の内部抵抗値を正確に推定することができれば、ニッケル水素電池の最大出力を拡大することができ、より効率的に電池エネルギーを活用することができる。

しかしながら、低下後の内部抵抗値の推定を誤ると好ましくない事態が生じ得る。たとえば、内部抵抗値を過小に推定して最大出力を拡大すると、最大出力時に、ニッケル水素電池の電圧は、想定よりも早く下限電圧に到達する。ニッケル水素電池においては、電圧が下限電圧に到達すると、それ以上電圧が低下しないようにするために電力の出力制限がかかる場合がある。ニッケル水素電池の電圧が想定よりも早く下限電圧に到達することによってニッケル水素電池において出力制限がかかると、電池システムの応答性が想定外に悪化する可能性がある。

この発明は、このような問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電圧が下限電圧に達するまで継続して所定電力を出力可能な時間を推定する電池システムにおいて、ニッケル水素電池の内部抵抗値を高精度に推定することである。

この発明に従う電池システムは、ニッケル水素電池と、制御装置とを備える。制御装置は、メモリを含み、ニッケル水素電池の出力を制御する。メモリは、ニッケル水素電池の内部抵抗値毎における、ニッケル水素電池の電圧が下限電圧に達するまでの出力継続時間と出力電力との関係を示すデータを記憶する。制御装置は、ニッケル水素電池の内部抵抗値を推定する。制御装置は、ニッケル水素電池が所定電力を継続して出力した場合に電圧が下限電圧に達するのに要した時間と、推定された内部抵抗値、所定電力、及び上記データに従って求められた出力継続時間との比較結果を用いて内部抵抗値を補正する。

上記データにより示される、内部抵抗値毎における出力継続時間と出力電力との関係は、たとえば実験によって予め高精度に導出される。この電池システムにおいては、推定された内部抵抗値を補正するために、ニッケル水素電池が所定電力を継続して出力した場合にニッケル水素電池の電圧が下限電圧に達するのに要した時間と、推定されたニッケル水素電池の内部抵抗値、所定電力、及び上記データに従って求められた出力継続時間との比較結果が用いられる。この電池システムによれば、実際に下限電圧に達するのに要した時間と上記データに基づく出力継続時間との差に基づいて内部抵抗値が補正されるため、ニッケル水素電池の内部抵抗値の推定精度を向上することができる。

この発明によれば、ニッケル水素電池の電圧が下限電圧に達するまで継続して所定電力を出力可能な時間を推定する電池システムにおいて、ニッケル水素電池の内部抵抗値を高精度に推定することができる。その結果、この電池システムによれば、ニッケル水素電池の出力を適切に制御することができる。

電池システムが搭載される車両の構成を概略的に示すブロック図である。 メモリに記憶されるマップの例を説明するための図である。 ニッケル水素単電池の内部抵抗値をマップを用いることによって補正する方法を説明するための図である。 ニッケル水素単電池の内部抵抗値を補正するための具体的処理手順を示すフローチャートである。 変形例における、ニッケル水素単電池の内部抵抗値を補正するための具体的処理手順を示すフローチャートである。

以下、この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、図中同一又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。

（電池システムの構成）
図１は、本実施の形態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ブロック図である。なお、図１に示される車両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れず、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可能である。

図１を参照して、車両１は、電池システム１０と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）２０と、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）３０と、駆動輪４０とを備える。電池システム１０は、組電池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。

組電池１００は、直列に接続された複数のニッケル水素単電池（単セル）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、組電池１００内の各セルの電圧（以下「セル電圧」とも称する。）を検出する。電流センサ２２０は、組電池１００の充放電電流を検出する。温度センサ２３０は、組電池１００内の各セルの温度（以下「セル温度」とも称する。）を検出する。各センサは、検出結果を示す信号をＥＣＵ３００に出力する。なお、必ずしもセル単位で電圧や温度を監視する必要はなく、たとえば、複数のセルによって構成されるモジュール単位や組電池単位で電圧や温度を監視してもよい。

組電池１００に含まれるニッケル水素単電池においては、電池の劣化防止の観点から出力の最大値が定められている。ニッケル水素単電池における出力の最大値は、たとえば、電力を継続して出力する時間（以下「出力継続時間」とも称する。）、セル電圧、セル温度、及び、セルの内部抵抗値に応じて定められる。ｔ０秒継続して出力できる電力の最大値を以下では「最大ｔ０秒出力値」とも称する。最大ｔ０秒出力値の電力をｔ０秒継続して出力すると、ニッケル水素単電池の電圧は下限電圧に達する。セル電圧が下限電圧に達すると、組電池１００の入出力を制限するなどして、ニッケル水素単電池の出力に制限がかかる。なお、たとえば、１秒継続して出力できる電力の最大値を「最大１秒出力値」と称し、１０秒継続して出力できる電力の最大値を「最大１０秒出力値」と称する。

ＭＧ３０は、組電池１００から供給される電力によって駆動される。ＭＧ３０の駆動力は、駆動軸を通じて駆動輪４０に伝達される。また、車両１の制動時には、ＭＧ３０は、駆動輪４０の回転力により駆動されることによって発電機として動作する。ＭＧ３０の発電電力は、ＰＣＵ２０を通じて組電池１００に充電される。

ＰＣＵ２０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。ＰＣＵ２０は、ＥＣＵ３００からのスイッチング指令に従って、組電池１００とＭＧ３０との間で双方向に電力変換が可能に構成される。コンバータは、組電池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る。インバータは、直流電力とＭＧ３０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）とを含む。ＥＣＵ３００は、各センサからの信号およびメモリ３１０に記憶された情報に基づいてＰＣＵ２０を制御することによって、組電池１００の充放電を制御する。

メモリ３１０は、ニッケル水素単電池の内部抵抗値毎における、出力継続時間と最大ｔ０秒出力値（単電池毎の出力値）との関係を示すマップ（データ）を記憶する。なお、マップについては後程詳細に説明する。ＥＣＵ３００は、マップを参照しつつ監視ユニット２００の各種検出結果を用いることによって、ニッケル水素単電池における最大ｔ０秒出力値を推定する。また、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池の出力開始後、セル電圧が下限電圧に到達するまでの時間を計測することができる。

（ニッケル水素電池の内部抵抗値の推定精度向上）
上述のように、組電池１００は複数のニッケル水素単電池を含む。ニッケル水素単電池においては、充放電を繰り返すことにより負極（水素吸蔵合金）が活性化し、負極抵抗が低下する。負極抵抗が低下することによって、ニッケル水素単電池の内部抵抗も低下する。低下後の内部抵抗値を正確に推定することができれば、ニッケル水素単電池の最大出力を拡大することができ、より効率的に電池エネルギーを活用することができる。

しかしながら、低下後の内部抵抗値の推定を誤ると好ましくない事態が生じ得る。たとえば、内部抵抗値を過少に推定して最大出力を拡大すると、最大出力時に、セル電圧は、想定よりも早く下限電圧に到達する。上述のように、ニッケル水素単電池においては、セル電圧が下限電圧に到達すると、それ以上セル電圧が低下しないようにするために電力の出力制限がかかる。セル電圧が想定よりも早く下限電圧に到達することによってニッケル水素単電池において出力制限がかかると、電池システムの応答性が想定外に悪化する可能性がある。

この実施の形態に従う電池システム１０においては、組電池１００に含まれるニッケル水素単電池の内部抵抗値をなるべく正確に推定するために、以下のような構成が採用される。すなわち、メモリ３１０は、組電池１００に含まれるニッケル水素単電池の内部抵抗値毎における、出力継続時間と最大ｔ０秒出力値との関係を示すマップ（データ）を記憶する。このマップは、たとえば実験によって予め高精度に作成される。

そして、ＥＣＵ３００は、監視ユニット２００の各種検出結果を用いることによってニッケル水素単電池の内部抵抗値を一旦推定する。ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池が所定電力を継続して出力した場合にニッケル水素単電池の電圧が下限電圧に達するのに要した時間と、上記推定されたニッケル水素単電池の内部抵抗値、所定電力、及びマップに従って求められた出力継続時間との比較結果を用いて、内部抵抗値を補正する。より具体的には、ＥＣＵ３００は、両時間を比較した結果それらが異なる場合には、マップを参照しつつ、実際にニッケル水素単電池の電圧が下限電圧に達するのに要した時間と所定電力とを用いることによって導出される値（内部抵抗値）に基づいて内部抵抗値を補正する。

ＥＣＵ３００は、組電池１００に含まれる各ニッケル水素単電池について上記処理を行なう。なお、本実施の形態に従う電池システム１０とは異なり、複数のニッケル水素単電池によって構成されるモジュール単位や組電池単位で電圧や温度が監視される場合には、内部抵抗値の補正が監視単位で行なわれることとしてもよい。

本実施の形態に従う電池システム１０によれば、推定された内部抵抗値の補正のために、高精度に作成されたマップが用いられるため、ニッケル水素単電池の内部抵抗値の推定精度を向上することができる。

図２は、メモリ３１０に記憶されるマップ群の例を説明するための図である。図２を参照して、マップ群４００は複数のマップを含む。各々のマップは、上述のように、ニッケル水素単電池の内部抵抗値毎における、出力継続時間と最大ｔ０秒出力値との関係を示す。各マップは、セル電圧及びセル温度毎に設けられる。

各マップの横軸はニッケル水素単電池の内部抵抗値を示し、縦軸は出力継続時間を示す。内部抵抗値と出力継続時間とが交差するマスには、その内部抵抗値及び出力継続時間における最大ｔ０秒出力値が対応付けられる。

図３は、ニッケル水素単電池の内部抵抗値の推定値をマップを用いることによって補正する方法を説明するための図である。図３を参照して、マップ４０１は、マップ群４００に含まれる複数のマップのうち、セル電圧Ｖ１及びセル温度Ｔ１に対応するマップである。たとえば、この例では、電圧センサ２１０の出力値がＶ１であり、温度センサ２３０の出力値がＴ１である。

ＥＣＵ３００は、監視ユニット２００の各種検出結果を用いることによってニッケル水素単電池の内部抵抗値を推定する（ＳＴＥＰ１）。この例では、内部抵抗値はＲ３と推定される。ＥＣＵ３００は、内部抵抗値Ｒ３に対応する複数の最大ｔ０秒出力値を取得する（ＳＴＥＰ２）。

ニッケル水素単電池の現在の出力値が、たとえばＰ３４（最大Ｓ４秒出力値）であるとする（ＳＴＥＰ３）。Ｐ３４に対応する出力継続時間はＳ４である（ＳＴＥＰ４）。しかしながら、実際にはＰ３４の出力をＳ２（＜Ｓ４）秒出力した時点でセル電圧が下限電圧に到達したとする（ＳＴＥＰ５）。この場合には、ＳＴＥＰ１における内部抵抗値の推定が誤っている可能性が高い。出力継続時間Ｓ２に対応する最大ｔ０秒出力値のうち、Ｐ５２がＰ３４に最も近い値であるとする（ＳＴＥＰ６）。ＥＣＵ３００は、最大ｔ０秒出力値Ｐ５２に対応する内部抵抗値Ｒ５を正しい内部抵抗値とする（ＳＴＥＰ７）。このように、電池システム１０によれば、高精度に作成されたマップを用いることによって、ニッケル水素単電池の内部抵抗値を補正することができる。

（内部抵抗値推定の処理手順）
図４は、ニッケル水素単電池の内部抵抗値を補正するための具体的処理手順を示すフローチャートである。図４を参照して、このフローチャートに示される処理は、車両１の走行中にＥＣＵ３００により繰り返し実行される。

ＥＣＵ３００は、電圧センサ２１０、電流センサ２２０、及び温度センサ２３０からセル電圧を示す信号、電流を示す信号、及びセル温度を示す信号をそれぞれ取得する（ステップＳ１００）。

ＥＣＵ３００は、取得された各種信号を用いることによって組電池１００に含まれるニッケル水素単電池の内部抵抗値を推定する（ステップＳ１１０）。たとえば、ＥＣＵ３００は、各種信号を用いることによって推定された内部抵抗値と、過去に推定された内部抵抗値とに基づいた統計処理を行なうことにより、内部抵抗値の推定を行なうことができる。

ＥＣＵ３００は、電圧センサ２１０及び温度センサ２３０の検出結果に対応するマップをマップ群４００（図２）から取得し、取得されたマップにおいて、推定された内部抵抗値に対応する複数の最大ｔ０秒出力値を取得する（ステップＳ１２０）。

その後、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池の現在の出力値（出力電力）がいずれかの最大ｔ０秒出力値か否かを判定する（ステップＳ１３０）。最大ｔ０秒出力値は、本発明における「所定電力」の一例である。ニッケル水素単電池の現在の出力値がいずれの最大ｔ０秒出力値でもないと判定されると（ステップＳ１３０においてＮＯ）、処理はリターンに移行する。

一方、ニッケル水素単電池の現在の出力値がいずれかの最大ｔ０秒出力値になったと判定されると（ステップＳ１３０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池の電圧が下限電圧に到達するまでの時間の計測を開始するとともに、セル電圧が下限電圧に到達したか否かを判定する（ステップＳ１４０）。ニッケル水素単電池の電圧が下限電圧に到達する前に出力値が変動したと判定されると（ステップＳ１４０においてＮＯ）、処理はリターンに移行する。

一方、ニッケル水素単電池の電圧が下限電圧に到達したと判定されると（ステップＳ１４０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、マップにおいて、推定された内部抵抗値及びニッケル水素単電池の出力値に対応する出力継続時間（ｔ０）と、下限電圧に到達するまでに要した時間（ｔ１）とが異なるか否かを判定する（ステップＳ１５０）。出力継続時間ｔ０と下限電圧に到達するまでに要した時間ｔ１とが等しいと判定されると（ステップＳ１５０においてＮＯ）、ステップＳ１１０において推定された内部抵抗値は正しい可能性が高いため、内部抵抗値は補正されず、処理はリターンに移行する。

一方、出力継続時間ｔ０と下限電圧に到達するまでに要した時間ｔ１とが異なると判定されると（ステップＳ１５０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池の出力値と下限電圧に到達するまでに要した時間ｔ１との整合がとれる値に内部抵抗値を補正する（ステップＳ１６０）。具体的には、ＥＣＵ３００は、マップにおいて、ニッケル水素単電池の出力値（マップにおける最大ｔ０秒出力値に相当）と下限電圧に到達するまでに要した時間ｔ１（マップにおける出力継続時間に相当）とに対応付けられている値（内部抵抗値）を正しい内部抵抗値とすることによって、内部抵抗値を補正する。

このように、本実施の形態に従う電池システム１０において、ＥＣＵ３００は、監視ユニット２００の各種検出結果を用いることによってニッケル水素単電池の内部抵抗値を一旦推定する。ＥＣＵ３００は、所定電力をニッケル水素単電池が継続して出力した場合にニッケル水素単電池の電圧が下限電圧に達するのに要した時間と、上記推定されたニッケル水素単電池の内部抵抗値、所定電力、及びマップに従って求められた出力継続時間との比較結果を用いて内部抵抗値を補正する。この電池システム１０によれば、推定された内部抵抗値の補正のために、高精度に作成されたマップが用いられるため、ニッケル水素単電池の内部抵抗値の推定精度を向上することができる。その結果、電池システム１０によれば、ニッケル水素単電池を適切に制御することができる。

［変形例］
以下に説明する変形例においては、ニッケル水素単電池の内部抵抗値は負極の活性化により徐々に低下する点に着目している。ニッケル水素単電池の内部抵抗値に関して妥当な推定が行なわれる限り、推定されるニッケル水素単電池の内部抵抗値は徐々に低下するはずである。そこで、この変形例に従う電池システム１０においては、ニッケル水素単電池の電圧が想定よりも早く下限電圧に到達した場合に（内部抵抗値を過小に推定した場合に）、内部抵抗値が前回（１サイクル前）の推定値（＞今回の推定値）に戻される。これにより、内部抵抗値が過小に推定された状態を解消することができる。その結果、セル電圧が想定よりも早く下限電圧に到達することを回避でき、電池システム１０の応答性が想定外に悪化する事態を回避することができる。

図５は、上記実施の形態の変形例における、ニッケル水素単電池の内部抵抗値を補正するための具体的処理手順を示すフローチャートである。図５を参照して、このフローチャートに示される処理は、車両１の走行中にＥＣＵ３００により繰り返し実行される。なお、ステップＳ２００〜Ｓ２４０は、図４におけるステップＳ１００〜Ｓ１４０と同様であるので特に説明しない。

ステップＳ２４０において、ニッケル水素単電池の電圧が下限電圧に到達したと判定されると（ステップＳ２４０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、下限電圧に到達するまでに要した時間（ｔ１）が、マップにおいて、推定された内部抵抗値及びニッケル水素単電池の出力値に対応する出力継続時間（ｔ０）よりも短いか否かを判定する（ステップＳ２５０）。ステップＳ２５０においては、内部抵抗値が過小に推定されているか否かが判定されている。

下限電圧に到達するまでに要した時間ｔ１が出力継続時間ｔ０以上であると判定されると（ステップＳ２５０においてＮＯ）、処理はステップＳ２００に移行する。一方、下限電圧に到達するまでに要した時間ｔ１が出力継続時間ｔ０よりも短いと判定されると（ステップＳ２５０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、内部抵抗値を前回の推定値（＞今回の推定値）に戻す。これにより、内部抵抗値が過小に推定された状態を解消することができる。

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、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 電池システム、２０ ＰＣＵ、３０ ＭＧ、４０ 駆動輪、１００ 組電池、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、４００ マップ群、４０１ マップ。

Claims (1)

1. ニッケル水素電池と、
   メモリを含み、前記ニッケル水素電池の出力を制御する制御装置とを備え、
   前記メモリは、前記ニッケル水素電池の内部抵抗値毎における、前記ニッケル水素電池の電圧が下限電圧に達するまでの出力継続時間と出力電力との関係を示すデータを記憶し、
   前記制御装置は、
   前記ニッケル水素電池の内部抵抗値を推定し、
   前記ニッケル水素電池が所定電力を継続して出力した場合に前記電圧が前記下限電圧に達するのに要した時間と、推定された前記内部抵抗値、前記所定電力、及び前記データに従って求められた前記出力継続時間との比較結果を用いて、前記内部抵抗値を補正する、電池システム。

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