JP6729033B2 - Battery system - Google Patents

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Description

本発明は電池システムに関し、より特定的には、水素吸蔵合金を負極活物質として含むニッケル水素電池を備えた電池システムに関する。 The present invention relates to a battery system, and more particularly to a battery system including a nickel hydrogen battery containing a hydrogen storage alloy as a negative electrode active material.

近年、電池システムを搭載した、ハイブリッド車両等の電動車両の普及が進んでいる。これらの電池システムでは、様々な要因によってバッテリが劣化し得る。そのため、要因に応じた劣化の度合いを判定する技術が提案されている。たとえば特開2011−228213号公報(特許文献1)は、リチウムイオン電池の正極板に形成された活物質層中の正極活物質の割れ(クラック)の判定方法を開示する。特許文献1によれば、正極活物質の割れが生じているか否かを、リチウムイオン電池の放電量の積算値の平方根と電池容量との組データをプロットしたグラフを用いて判定する。 In recent years, electric vehicles, such as hybrid vehicles, equipped with a battery system have become popular. In these battery systems, the battery may deteriorate due to various factors. Therefore, a technique for determining the degree of deterioration according to the factors has been proposed. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2011-228213 (Patent Document 1) discloses a method for determining cracks of a positive electrode active material in an active material layer formed on a positive electrode plate of a lithium ion battery. According to Patent Document 1, whether or not a crack in the positive electrode active material has occurred is determined using a graph in which pair data of the square root of the integrated value of the discharge amount of the lithium ion battery and the battery capacity is plotted.

特開2011−228213号公報JP, 2011-228213, A

本発明者は、水素吸蔵合金を負極活物質として含むニッケル水素電池では、負極活物質におけるクラックの発生時および進行時の態様が、他の二次電池(たとえばリチウムイオン電池)の負極活物質における態様と異なる点に着目した(詳細は後述)。そして、負極活物質におけるクラックによる劣化の進行度合いを考慮せずにニッケル水素電池の充放電を継続した場合、クラックによる劣化がさらに進行して電池性能の低下(具体的には負極の反応抵抗の増加または負極容量の低下)が引き起こされる可能性があることに着目した。 The present inventor has found that in a nickel-hydrogen battery containing a hydrogen storage alloy as a negative electrode active material, the aspect of the occurrence and progress of cracks in the negative electrode active material is different from that in the negative electrode active material of another secondary battery (for example, a lithium ion battery). Focusing on the difference from the aspect (details will be described later). Then, when charging and discharging of the nickel-hydrogen battery are continued without considering the degree of progress of deterioration due to cracks in the negative electrode active material, deterioration due to cracks further progresses and battery performance deteriorates (specifically, the reaction resistance of the negative electrode It was noted that there is a possibility that increase or decrease in negative electrode capacity) may occur.

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、水素吸蔵合金を負極活物質として含むニッケル水素電池を備えた電池システムにおいて、負極活物質に生じたクラックによる電池性能の低下を抑制可能な技術を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is a battery system including a nickel-hydrogen battery containing a hydrogen storage alloy as a negative electrode active material, in which battery performance due to cracks generated in the negative electrode active material It is to provide a technology capable of suppressing the decrease.

本発明のある局面に従う電池システムは、外部機器に電力を供給する。電池システムは、水素吸蔵合金を負極活物質として含むニッケル水素電池と、ニッケル水素電池と外部機器との間で電力を変換する電力変換装置と、ニッケル水素電池への充電電力が充電電力の制御上限値未満となり、かつ、ニッケル水素電池からの放電電力が放電電力の制御上限値未満となるように電力変換装置を制御する制御装置とを備える。制御装置は、ニッケル水素電池に入出力される電流、およびニッケル水素電池の温度から、負極活物質に生じるクラックによる劣化の進行度合いに関連する指標値を算出する。制御装置は、劣化の進行度合いが所定量よりも大きいことを指標値が示す場合には、劣化の進行度合いが所定量よりも小さいことを指標値が示す場合と比べて、充電電力の制御上限値および放電電力の制御上限値を小さくする。 A battery system according to an aspect of the present invention supplies electric power to an external device. The battery system consists of a nickel-hydrogen battery that contains a hydrogen-absorbing alloy as the negative electrode active material, a power converter that converts electric power between the nickel-hydrogen battery and external equipment, and the charging power to the nickel-hydrogen battery is the upper limit for controlling the charging power. And a control device that controls the power conversion device so that the discharge power from the nickel-hydrogen battery becomes less than the control upper limit value of the discharge power. The controller calculates an index value related to the degree of progress of deterioration due to cracks generated in the negative electrode active material, from the current input to and output from the nickel hydrogen battery and the temperature of the nickel hydrogen battery. When the index value indicates that the degree of progress of deterioration is larger than the predetermined amount, the control device compares the control upper limit of charging power with the case where the index value indicates that the degree of progress of deterioration is smaller than the predetermined amount. Decrease the control value and control upper limit of discharge power.

充電電力または放電電力が大きいほど負極活物質内に発生する水素(H)濃度の偏りが大きくなる。負極活物質内における局所的な水素量(プロトン量)が異なることで、局所的な体積変化量も異なることになり、その結果、結晶格子内に歪みが生じて応力が発生する。この応力も充電電力または放電電力が大きいほど増加する。上記構成によれば、指標値に応じて充電電力の制御上限値および放電電力の制御上限値を小さくすることによって、負極活物質に作用する応力が低減できる。したがって、クラックによる劣化のさらなる進行を抑制し、電池性能の低下を抑制することができる。 The greater the charging power or the discharging power, the greater the bias of the concentration of hydrogen (H) generated in the negative electrode active material. Since the local hydrogen amount (proton amount) in the negative electrode active material is different, the local volume change amount is also different. As a result, strain is generated in the crystal lattice and stress is generated. This stress also increases as the charging power or discharging power increases. According to the above configuration, the stress acting on the negative electrode active material can be reduced by reducing the control upper limit value of the charging power and the control upper limit value of the discharging power according to the index value. Therefore, it is possible to suppress further progress of deterioration due to cracks and suppress deterioration of battery performance.

本実施の形態に係る電池システムが搭載されたハイブリッド車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram schematically showing an overall configuration of a hybrid vehicle equipped with the battery system according to the present embodiment. バッテリに含まれる各セルの構成をより詳細に示す図である。It is a figure which shows the structure of each cell contained in a battery in detail. 二次電池の負極活物質内にて生じるクラックを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the crack which arises in the negative electrode active material of a secondary battery. ニッケル水素電池の内部抵抗および電池容量の時間経過を説明するためのタイムチャートである。3 is a time chart for explaining the time course of internal resistance and battery capacity of a nickel-hydrogen battery. クラック指標値の算出処理を説明するための図である。It is a figure for explaining a calculation processing of a crack index value. クラック指標値の時間変化の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a time change of a crack index value. バッテリの入出力電力の制限を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the limitation of the input/output electric power of a battery. 本実施の形態に係るバッテリの充放電制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the charging/discharging control of the battery which concerns on this Embodiment.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will not be repeated.

以下では、本発明の実施の形態に係る電池システムがハイブリッド車両に搭載される構成を例に説明する。しかし、電池システムの用途は車両用に限定されるものではなく、定置用であってもよい。 Hereinafter, a configuration in which the battery system according to the embodiment of the present invention is mounted on a hybrid vehicle will be described as an example. However, the use of the battery system is not limited to the vehicle use, and may be the stationary use.

[本実施の形態]
<電池システムの構成>
図1は、本実施の形態に係る二次電池システムが搭載されたハイブリッド車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。車両1は、二次電池システム2と、モータジェネレータ(MG:Motor Generator)10,20と、動力分割機構30と、エンジン40と、駆動輪50とを備える。二次電池システム2は、バッテリ100と、システムメインリレー(SMR:System Main Relay)150と、電力制御ユニット(PCU:Power Control Unit)200と、電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)300とを備える。
[This Embodiment]
<Battery system configuration>
FIG. 1 is a block diagram schematically showing an overall configuration of a hybrid vehicle equipped with the secondary battery system according to the present embodiment. The vehicle 1 includes a secondary battery system 2, motor generators (MG) 10 and 20, a power split mechanism 30, an engine 40, and drive wheels 50. The secondary battery system 2 includes a battery 100, a system main relay (SMR) 150, a power control unit (PCU) 200, and an electronic control unit (ECU) 300. Prepare

モータジェネレータ10,20の各々は三相交流回転電機である。モータジェネレータ10は、動力分割機構30を介してエンジン40のクランク軸に連結される。モータジェネレータ10は、エンジン40を始動させる際にはバッテリ100の電力を用いてエンジン40のクランク軸を回転させる。また、モータジェネレータ10はエンジン40の動力を用いて発電することも可能である。モータジェネレータ10によって発電された交流電力は、PCU200により直流電力に変換されてバッテリ100に充電される。また、モータジェネレータ10によって発電された交流電力は、モータジェネレータ20に供給される場合もある。 Each of motor generators 10 and 20 is a three-phase AC rotating electric machine. The motor generator 10 is connected to the crankshaft of the engine 40 via the power split mechanism 30. When starting the engine 40, the motor generator 10 uses the power of the battery 100 to rotate the crankshaft of the engine 40. The motor generator 10 can also generate power using the power of the engine 40. The AC power generated by motor generator 10 is converted into DC power by PCU 200 and charged in battery 100. Further, the AC power generated by the motor generator 10 may be supplied to the motor generator 20.

モータジェネレータ20は、バッテリ100からの電力およびモータジェネレータ10により発電された電力のうちの少なくとも一方を用いて駆動軸を回転させる。また、モータジェネレータ20は回生制動によって発電することも可能である。モータジェネレータ20によって発電された交流電力は、PCU200により直流電力に変換されてバッテリ100に充電される。 Motor generator 20 rotates the drive shaft using at least one of the electric power from battery 100 and the electric power generated by motor generator 10. Further, the motor generator 20 can also generate power by regenerative braking. The AC power generated by motor generator 20 is converted into DC power by PCU 200 and charged in battery 100.

動力分割機構30は、たとえば遊星歯車機構であり、エンジン40のクランク軸、モータジェネレータ10の回転軸、および駆動軸の三要素を機械的に連結する。エンジン40は、ガソリンエンジン等の内燃機関であり、ECU300からの制御信号に応じて車両1が走行するための駆動力を発生する。 The power split mechanism 30 is, for example, a planetary gear mechanism, and mechanically connects the three elements of the crankshaft of the engine 40, the rotation shaft of the motor generator 10, and the drive shaft. The engine 40 is an internal combustion engine such as a gasoline engine, and generates a driving force for the vehicle 1 to travel in response to a control signal from the ECU 300.

PCU200は、バッテリ100とモータジェネレータ10,20との間で電力を変換する。いずれも図示しないが、インバータと、コンバータとを含む。インバータは、一般的な三相インバータである。コンバータは、昇圧動作時にはバッテリ100から供給された電圧を昇圧してインバータに供給する。コンバータは、降圧動作時にはインバータから供給された電圧を降圧してバッテリ100を充電する。SMR150は、バッテリ100とPCU200とを結ぶ電流経路に電気的に接続される。SMR150がECU300からの制御信号に応じて閉成されている場合、バッテリ100とPCU200との間で電力の授受が行なわれ得る。なお、モータジェネレータ10,20は本発明に係る「外部機器」に相当し、PCU200は本発明に係る「電力変換装置」に相当する。 PCU 200 converts electric power between battery 100 and motor generators 10 and 20. Although not shown in any of the drawings, an inverter and a converter are included. The inverter is a general three-phase inverter. During the boosting operation, the converter boosts the voltage supplied from the battery 100 and supplies it to the inverter. During the step-down operation, the converter steps down the voltage supplied from the inverter to charge the battery 100. SMR 150 is electrically connected to a current path connecting battery 100 and PCU 200. When SMR 150 is closed in response to a control signal from ECU 300, electric power can be exchanged between battery 100 and PCU 200. The motor generators 10 and 20 correspond to the "external device" according to the present invention, and the PCU 200 corresponds to the "power conversion device" according to the present invention.

バッテリ100は、各々がニッケル水素電池である複数のセル101を含む。各セル101の構成については図2にて説明する。バッテリ100には、電圧センサ110と、電流センサ120と、温度センサ130とが設けられる。電圧センサ110は、バッテリ100の電圧Vbを検出する。電流センサ120は、バッテリ100に入出力される電流Ibを検出する。温度センサ130は、バッテリ100の温度Tbを検出する。各センサは、その検出結果をECU300に出力する。ECU300は、各センサによる検出結果に基づいてバッテリ100のSOC(State Of Charge)を算出する。 Battery 100 includes a plurality of cells 101, each of which is a nickel hydrogen battery. The configuration of each cell 101 will be described with reference to FIG. The battery 100 is provided with a voltage sensor 110, a current sensor 120, and a temperature sensor 130. The voltage sensor 110 detects the voltage Vb of the battery 100. The current sensor 120 detects the current Ib input/output to/from the battery 100. The temperature sensor 130 detects the temperature Tb of the battery 100. Each sensor outputs the detection result to ECU 300. ECU 300 calculates the SOC (State Of Charge) of battery 100 based on the detection result of each sensor.

ECU300は、CPU(Central Processing Unit)301と、メモリ302と、入出力バッファ(図示せず)と等を含んで構成される。ECU300は、各センサから受ける信号、ならびにメモリ302に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、車両1が所望の状態となるように各機器を制御する。ECU300により実行される主要な制御としてバッテリ100の充放電制御が挙げられる。たとえば、ECU300は、バッテリ100の保護を目的として、バッテリ100への充電電力が充電電力上限値(制御上限値)Winを上回らず、かつバッテリ100からの放電電力が放電電力上限値(制御上限値)Woutを上回らないようにバッテリ100の充放電を制御する。この充放電制御については後に詳細に説明する。 The ECU 300 includes a CPU (Central Processing Unit) 301, a memory 302, an input/output buffer (not shown), and the like. ECU 300 controls each device so that vehicle 1 is in a desired state based on a signal received from each sensor and a map and a program stored in memory 302. The main control executed by the ECU 300 is charge/discharge control of the battery 100. For example, for the purpose of protecting the battery 100, the ECU 300 determines that the charging power to the battery 100 does not exceed the charging power upper limit value (control upper limit value) Win, and the discharging power from the battery 100 is the discharging power upper limit value (control upper limit value). ) The charge/discharge of the battery 100 is controlled so as not to exceed Wout. This charge/discharge control will be described in detail later.

図2は、バッテリ100に含まれるセル101の構成を示す図である。各セル101の構成は共通であるため、図2では1つのセル101のみを代表的に示す。セル101は、たとえば角形密閉式のセルであり、ケース102と、ケース102に設けられた安全弁103と、ケース102内に収容された電極体104および電解液(図示せず)とを含む。なお、図2ではケース102の一部を透視して電極体104を示す。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the cell 101 included in the battery 100. Since the configuration of each cell 101 is common, only one cell 101 is representatively shown in FIG. The cell 101 is, for example, a prismatic closed cell, and includes a case 102, a safety valve 103 provided in the case 102, an electrode body 104 housed in the case 102, and an electrolytic solution (not shown). In addition, in FIG. 2, the electrode body 104 is shown by seeing through a part of the case 102.

ケース102は、いずれも金属からなるケース本体および蓋体を含み、蓋体がケース本の開口部上で全周溶接されることにより密閉される。安全弁103は、ケース102内部の圧力が所定値を超えると、ケース102内部のガス(水素ガス等)の一部を外部に排出する。電極体104は、正極板と、負極板と、セパレータとを含む。正極板は袋状のセパレータ内に挿入されており、セパレータ内に挿入された正極板と、負極板とが交互に積層されている。正極板および負極板は、図示しない正極端子および負極端子にそれぞれ電気的に接続される。 The case 102 includes a case main body and a lid body, both of which are made of metal, and is hermetically sealed by welding the entire circumference of the lid body on the opening of the case book. When the pressure inside the case 102 exceeds a predetermined value, the safety valve 103 discharges a part of the gas (hydrogen gas or the like) inside the case 102 to the outside. The electrode body 104 includes a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator. The positive electrode plate is inserted in the bag-shaped separator, and the positive electrode plate and the negative electrode plate inserted in the separator are alternately laminated. The positive electrode plate and the negative electrode plate are electrically connected to a positive electrode terminal and a negative electrode terminal (not shown), respectively.

電極体104および電解液の材料としては従来公知の各種材料を用いることができる。本実施の形態においては、一例として、正極板には、水酸化ニッケル(Ni(OH)またはNiOOH)を含む正極活物質層と、発泡ニッケルなどの活物質支持体とを含む電極板が用いられる。負極板には、水素吸蔵合金(たとえばLaNiまたはReNi)を負極活物質として含む電極板が用いられる。セパレータには、親水化処理された合成繊維からなる不織布が用いられる。電解液には、水酸化カリウム(KOH)または水酸化ナトリウム(NaOH)などを含むアルカリ水溶液が用いられる。 As the material of the electrode body 104 and the electrolytic solution, various conventionally known materials can be used. In this embodiment, as an example, an electrode plate including a positive electrode active material layer containing nickel hydroxide (Ni(OH) 2 or NiOOH) and an active material support such as foamed nickel is used as the positive electrode plate. To be For the negative electrode plate, an electrode plate containing a hydrogen storage alloy (eg, LaNi 5 or ReNi 5 ) as a negative electrode active material is used. As the separator, a nonwoven fabric made of hydrophilized synthetic fibers is used. An alkaline aqueous solution containing potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH) is used as the electrolytic solution.

<クラック発生による劣化>
ニッケル水素電池の負極活物質として一般的に用いられる水素吸蔵合金では、ニッケル水素電池の充放電に伴って負極活物質内に水素濃度の偏り(分布)が生じ得る。負極活物質内における局所的な水素量(プロトン量)が異なることで、局所的な体積変化量も異なることになり、その結果、結晶格子内に歪みが生じて応力が発生し得る。このように負極活物質内に発生する応力が負極活物質の機械的な限界強度を超過することでクラックが生じ得る。このクラックについて、リチウムイオン電池の負極活物質内に生じるクラックと比較しながら以下に説明する。
<Degradation due to cracks>
In a hydrogen storage alloy generally used as a negative electrode active material of a nickel hydrogen battery, a bias (distribution) of hydrogen concentration may occur in the negative electrode active material as the nickel hydrogen battery is charged and discharged. Since the local hydrogen amount (proton amount) in the negative electrode active material is different, the local volume change amount is also different, and as a result, strain may occur in the crystal lattice and stress may be generated. As described above, when the stress generated in the negative electrode active material exceeds the mechanical limit strength of the negative electrode active material, cracks may occur. This crack will be described below in comparison with the crack generated in the negative electrode active material of the lithium ion battery.

図3は、二次電池の負極活物質内にて生じるクラックを説明するための図である。図3(A)はリチウムイオン電池の負極活物質4(たとえばグラファイトまたはシリコン)を模式的に示し、図3(B)はニッケル水素電池の負極活物質(たとえばLaNi)を模式的に示す。 FIG. 3 is a diagram for explaining a crack generated in the negative electrode active material of the secondary battery. FIG. 3(A) schematically shows the negative electrode active material 4 (eg graphite or silicon) of a lithium ion battery, and FIG. 3(B) schematically shows the negative electrode active material (eg LaNi 5 ) of a nickel hydrogen battery.

図4は、ニッケル水素電池の内部抵抗および電池容量の時間経過を説明するためのタイムチャートである。図4において、横軸は経過時間を示す。初期時刻(0)は、たとえばニッケル水素電池(バッテリ100)の製造直後の時刻である。縦軸は、上から順にニッケル水素電池の内部抵抗(より詳細には負極の反応抵抗)および電池容量(より詳細には負極容量)を示す。 FIG. 4 is a time chart for explaining the internal resistance and the battery capacity of a nickel-hydrogen battery over time. In FIG. 4, the horizontal axis represents elapsed time. The initial time (0) is, for example, the time immediately after the manufacture of the nickel hydrogen battery (battery 100). The vertical axis represents the internal resistance (more specifically, the reaction resistance of the negative electrode) and the battery capacity (more specifically, the negative electrode capacity) of the nickel-hydrogen battery from the top.

図3(A)に示すように、リチウムイオン電池の負極活物質4には被膜(SEI(Solid Electrolyte Interphase)膜)42が形成される。リチウムイオン電池の充放電による負極活物質4内のリチウム濃度の偏りおよび負極活物質4の体積に伴って負極活物質4にクラック41が生じると、新たな表面が露出する。露出した表面には、負極活物質4と電解液との反応により新たな被膜42が形成される。その結果、リチウムイオン電池の内部抵抗(より詳細には負極の反応抵抗)が増加し得る。 As shown in FIG. 3A, a coating (SEI (Solid Electrolyte Interphase) film) 42 is formed on the negative electrode active material 4 of the lithium ion battery. When a crack 41 occurs in the negative electrode active material 4 due to the uneven concentration of lithium in the negative electrode active material 4 due to charge and discharge of the lithium ion battery and the volume of the negative electrode active material 4, a new surface is exposed. A new coating 42 is formed on the exposed surface by the reaction between the negative electrode active material 4 and the electrolytic solution. As a result, the internal resistance of the lithium-ion battery (more specifically, the reaction resistance of the negative electrode) can increase.

これに対し、図3(B)に示すように、ニッケル水素電池の負極活物質5にクラック51が生じて新たな表面が露出しても被膜形成の影響は極めて小さい。すなわち、ニッケル水素電池では、単に電池反応に寄与し得る負極活物質5の反応表面が増加することになるので、図4の期間T1に示すように内部抵抗が減少し得る。 On the other hand, as shown in FIG. 3(B), even if a crack 51 is generated in the negative electrode active material 5 of the nickel-hydrogen battery and a new surface is exposed, the influence of the film formation is extremely small. That is, in the nickel-hydrogen battery, the reaction surface of the negative electrode active material 5 that can simply contribute to the battery reaction increases, so that the internal resistance can decrease as shown in the period T1 of FIG.

しかしながら、クラック51による劣化が進行するに従いクラック51が次第に深くなり、図3(B)に斜線で示すように、最終的には元の負極活物質5の粒子の一部が微粉化された状態となり得る。つまり、負極活物質5の粒子の一部が、当該粒子の残りの部分と、図示しない他の粒子とから孤立した状態(電気的に接続されていない状態)となり得る。そうすると、電池反応に寄与し得る反応面積が減少することになるので、図4の期間T2に示すように、内部抵抗が増加するとともに電池容量が減少する可能性がある。 However, as the deterioration due to the cracks 51 progresses, the cracks 51 become gradually deeper, and finally, as shown by the diagonal lines in FIG. 3B, a part of the particles of the original negative electrode active material 5 is pulverized. Can be. That is, a part of the particles of the negative electrode active material 5 may be in a state of being isolated from the rest of the particles and other particles (not electrically connected) that are not shown. Then, the reaction area that can contribute to the battery reaction is reduced, and thus the internal resistance may increase and the battery capacity may decrease as shown in period T2 of FIG.

そこで、本実施の形態においては、負極活物質5におけるクラックによる劣化の進行度合いを示すクラック指標値Xを算出し、クラック指標値Xに基づいてバッテリ100の充放電を制御する構成を採用する。より詳細に説明すると、クラック51による劣化の進行度合いと負極活物質5内に作用する応力Fsとの間には相関関係が存在する。したがって、バッテリ100の電流Ibおよび温度Tbから応力Fsを推定し、応力Fsの推定結果を用いてクラック指標値Xを算出する。 Therefore, in the present embodiment, a configuration is adopted in which a crack index value X indicating the degree of progress of deterioration due to cracks in the negative electrode active material 5 is calculated, and charging/discharging of the battery 100 is controlled based on the crack index value X. More specifically, there is a correlation between the degree of deterioration progressed by the crack 51 and the stress Fs acting on the negative electrode active material 5. Therefore, the stress Fs is estimated from the current Ib and the temperature Tb of the battery 100, and the crack index value X is calculated using the estimation result of the stress Fs.

<クラック指標値の算出>
図5は、クラック指標値Xの算出処理を説明するための図である。図5において、横軸は経過時間を表し、縦軸は負極活物質5内に作用する応力Fsを表す。応力Fsが負極活物質5の機械的な限界強度(典型的には引っ張り限界強度)Flimを上回るとクラック51が発生すると考えられる。したがって、斜線を付して示すように、応力Fsが限界強度Flimを上回った超過量(言い換えるとダメージ量)ΔFの時間積分を行なうことにより、所定期間内でのクラックによるダメージの進行度合いを算出することができる。
<Calculation of crack index value>
FIG. 5 is a diagram for explaining a process of calculating the crack index value X. In FIG. 5, the horizontal axis represents the elapsed time and the vertical axis represents the stress Fs acting on the negative electrode active material 5. It is considered that when the stress Fs exceeds the mechanical limit strength (typically the tensile limit strength) Flim of the negative electrode active material 5, cracks 51 occur. Therefore, as shown by hatching, the degree of progress of damage due to cracks within a predetermined period is calculated by performing time integration of the excess amount (in other words, the damage amount) ΔF in which the stress Fs exceeds the limit strength Flim. can do.

より詳細には、下記式(1)に示すように、時刻t1から期間Δtだけ経過した時刻t2におけるクラック指標値X(t2)は、Δtの間に増加したクラック指標値(増加量)ΔXを時刻t1におけるクラック指標値X(t1)に加算することによって算出される。 More specifically, as shown in the following formula (1), the crack index value X(t2) at the time t2 when the period Δt has elapsed from the time t1 is the crack index value (increase amount) ΔX increased during Δt. It is calculated by adding to the crack index value X(t1) at time t1.

X(t2)=X(t1)+ΔX ・・・(1)
上記式(1)において、増加量ΔXは、時刻t2(または時刻t1)における応力の超過量ΔFに基づく単位時間当たりのクラック発生係数kに期間Δtを乗算することにより算出することができる(下記式(2)参照)。
X(t2)=X(t1)+ΔX (1)
In the above formula (1), the increase amount ΔX can be calculated by multiplying the crack generation coefficient k per unit time based on the stress excess amount ΔF at time t2 (or time t1) by the period Δt (see below). See formula (2)).

ΔX=k×Δt ・・・(2)
応力の超過量ΔFと単位時間当たりのクラック発生係数kとの関係は、バッテリ100の電流Ibと温度Tbとの組合せ(Ib,Tb)が異なる様々な条件下でバッテリ100の耐久試験を事前に実施することにより定量化することができる。以下、この定量化の手法についてより詳細に説明する。
ΔX=k×Δt (2)
Regarding the relationship between the excess amount of stress ΔF and the crack generation coefficient k per unit time, the durability test of the battery 100 is performed in advance under various conditions in which the combination (Ib, Tb) of the current Ib of the battery 100 and the temperature Tb is different. It can be quantified by carrying out. Hereinafter, this quantification method will be described in more detail.

様々な条件下での耐久試験を実施した後にバッテリ100を解体し、負極活物質5をSEM(Scanning Electron Microscope)を用いて観察したり、種々の画像処理を行なったりすることによって、バッテリ100の条件の組合せ(Ib,Tb)に応じたクラック発生量を定量化することができる。一方、各組合せ(Ib,Tb)における耐久試験中、負極活物質5内に発生する応力Fsは、モデル式の錬成(たとえば拡散方程式での水素濃度分布計算とフックの法則での応力計算とを錬成)などにより算出することが可能である。すなわち、上述の耐久試験後のSEM観察または画像処理などにおけるクラック発生判定結果から限界強度Flimを規定することができ、それにより、応力Fsが限界強度Flimを超過した量(ΔF)と単位時間当たりのクラック発生係数kとの関係を事前に規定することができる。ただし、限界強度Flimは、理論的な材料物性(たとえば引っ張り強度限界)に基づいて決定してもよい。このようにして事前に規定した超過量ΔFと単位時間当たりのクラック発生係数kとの相関関係をマップMP1(または関係式)として予め準備し、メモリ302に記憶させておくことができる。 After performing the durability test under various conditions, the battery 100 is disassembled, the negative electrode active material 5 is observed by using an SEM (Scanning Electron Microscope), and various image processing is performed, so that the battery 100 It is possible to quantify the amount of cracks generated according to the combination of conditions (Ib, Tb). On the other hand, during the durability test of each combination (Ib, Tb), the stress Fs generated in the negative electrode active material 5 is calculated by model formula (for example, hydrogen concentration distribution calculation by diffusion equation and stress calculation by Hooke's law). It is possible to calculate it by such as refining). That is, the limit strength Flim can be specified from the crack occurrence determination result in the SEM observation after the durability test or the image processing, and the amount (ΔF) of the stress Fs exceeding the limit strength Flim and the unit time per unit time. The relationship with the crack generation coefficient k can be specified in advance. However, the limit strength Flim may be determined based on theoretical material properties (for example, tensile strength limit). In this way, the correlation between the excess amount ΔF defined in advance and the crack generation coefficient k per unit time can be prepared in advance as a map MP1 (or a relational expression) and stored in the memory 302.

また、上述の物質拡散と応力予測とを錬成させたモデル式をECU300に実装しておくことで、車両1上において、任意の走行条件下で発生した応力Fsを制御周期に合わせて算出することが可能となる。応力Fsと限界強度Flimとの差分である超過量ΔFを逐次算出することで、マップMP1の参照によりクラック発生係数kを算出することができる。応力Fsが限界強度Flim以下の場合、超過量ΔFは0となり、クラック発生係数kも0となるので、クラックの発生は進行していないと判定される。 Further, by mounting a model formula in which the above-mentioned substance diffusion and stress prediction are refined in the ECU 300, the stress Fs generated under arbitrary traveling conditions on the vehicle 1 can be calculated in accordance with the control cycle. Is possible. By successively calculating the excess amount ΔF which is the difference between the stress Fs and the limit strength Flim, the crack generation coefficient k can be calculated by referring to the map MP1. When the stress Fs is less than or equal to the limit strength Flim, the excess amount ΔF becomes 0 and the crack generation coefficient k also becomes 0. Therefore, it is determined that the crack generation has not progressed.

<クラック指標値に応じた充放電制御>
図6は、クラック指標値Xの時間変化の一例を示す図である。図6において、横軸は経過時間を表す。初期時刻(0)は、たとえばバッテリ100の製造直後の時刻である。縦軸はクラック指標値Xを表す。
<Charge/discharge control according to crack index value>
FIG. 6 is a diagram showing an example of the change over time in the crack index value X. In FIG. 6, the horizontal axis represents elapsed time. The initial time (0) is, for example, the time immediately after the battery 100 is manufactured. The vertical axis represents the crack index value X.

クラック指標値Xには、しきい値Xthおよび許容上限値Xpが実験またはシミュレーションにより設定される。許容上限値Xpとは、図3および図4にて説明したように、負極活物質5の粒子の一部が他の粒子から孤立した状態となり、その結果、内部抵抗の増加および電池容量の減少を引き起こす可能性がある値である。しきい値Xthは、許容上限値Xpよりも低い値であり、本発明に係る「所定値」に相当する。 As the crack index value X, a threshold value Xth and an allowable upper limit value Xp are set by experiment or simulation. As described with reference to FIGS. 3 and 4, the allowable upper limit value Xp means that a part of the particles of the negative electrode active material 5 are isolated from other particles, and as a result, the internal resistance increases and the battery capacity decreases. Is a value that can cause. The threshold value Xth is a value lower than the allowable upper limit value Xp and corresponds to the “predetermined value” according to the present invention.

クラック指標値Xがしきい値Xthに達した場合には、応力Fsのさらなる増大を抑制(あるいは、すでに発生した応力Fsを緩和)し、クラック指標値Xが許容上限値Xpに達しないようにすることが望ましい。したがって、本実施の形態では以下に説明するように、応力Fsの増大を抑制するためにバッテリ100の入出力電力の制限を強化する。 When the crack index value X reaches the threshold value Xth, further increase of the stress Fs is suppressed (or the already generated stress Fs is relaxed) so that the crack index value X does not reach the allowable upper limit value Xp. It is desirable to do. Therefore, in the present embodiment, as described below, the restriction on the input/output power of battery 100 is strengthened in order to suppress the increase in stress Fs.

図7は、バッテリ100の入出力電力の制限を説明するための図である。図7には、充電電力上限値Winおよび放電電力上限値Woutを設定するためのマップMP2の一例が概念的に示される。横軸は、バッテリ100の温度Tbを示す。縦軸上方にはバッテリ100の放電電力上限値Woutを示し、縦軸下方にはバッテリ100の充電電力上限値Winを示す。 FIG. 7 is a diagram for explaining the limitation of the input/output power of the battery 100. FIG. 7 conceptually shows an example of a map MP2 for setting the charging power upper limit value Win and the discharging power upper limit value Wout. The horizontal axis represents the temperature Tb of the battery 100. The upper limit of the vertical axis indicates the discharge power upper limit value Wout of the battery 100, and the lower limit of the vertical axis indicates the charge power upper limit value Win of the battery 100.

温度Tbが所定温度Tf未満の場合には、バッテリ100の電解液が凍結している可能性があるためバッテリ100の充放電が禁止される。よって、放電電力上限値Woutおよび充電電力上限値Winは、いずれも0に設定される。なお、図示しないが、バッテリ100保護の観点から所定温度以上では充電電力上限値Winおよび放電電力上限値Woutを0に設定してもよい。 If the temperature Tb is lower than the predetermined temperature Tf, the electrolyte of the battery 100 may be frozen, and thus charging/discharging of the battery 100 is prohibited. Therefore, both the discharge power upper limit value Wout and the charge power upper limit value Win are set to 0. Although not shown, the charging power upper limit value Win and the discharging power upper limit value Wout may be set to 0 at or above a predetermined temperature from the viewpoint of protecting the battery 100.

温度Tbが所定温度Tf以上になると、バッテリ100の充放電が許可される。温度Tbが高くなるに従って放電電力上限値Woutの絶対値は大きくなる。クラック指標値Xが許容上限値Xp以上の場合には、クラック指標値Xが許容上限値Xp未満の場合と比べて、同一温度Tbにおける放電電力上限値Woutの絶対値が小さく設定される。 When the temperature Tb becomes equal to or higher than the predetermined temperature Tf, charging/discharging of the battery 100 is permitted. The absolute value of the discharge power upper limit value Wout increases as the temperature Tb increases. When the crack index value X is equal to or more than the allowable upper limit value Xp, the absolute value of the discharge power upper limit value Wout at the same temperature Tb is set smaller than when the crack index value X is less than the allowable upper limit value Xp.

同様に、温度Tbが高くなるに従って充電電力上限値Winの絶対値も大きくなる。クラック指標値Xが許容上限値Xp以上の場合には、クラック指標値Xが許容上限値Xp未満の場合と比べて、同一温度Tbにおける充電電力上限値Winの絶対値が小さく設定される。 Similarly, the absolute value of the charging power upper limit Win also increases as the temperature Tb increases. When the crack index value X is equal to or greater than the allowable upper limit value Xp, the absolute value of the charging power upper limit value Win at the same temperature Tb is set smaller than when the crack index value X is less than the allowable upper limit value Xp.

このように、本実施の形態においては、クラック指標値Xがしきい値Xth以上になると、クラック指標値Xがしきい値Xth未満の場合と比べて、充電電力上限値Win(の絶対値)および放電電力上限値Wout(の絶対値)が小さく設定される。言い換えると、充電電力上限値Winおよび放電電力上限値Woutが絞られる。図7に一例を示すような相関関係がマップMP2としてECU300のメモリ302に記憶される。 As described above, in the present embodiment, when the crack index value X becomes equal to or greater than the threshold value Xth, the charging power upper limit value Win (absolute value) is higher than when the crack index value X is less than the threshold value Xth. And the discharge power upper limit value Wout (absolute value) is set small. In other words, the charging power upper limit value Win and the discharging power upper limit value Wout are narrowed down. A correlation as an example shown in FIG. 7 is stored in the memory 302 of the ECU 300 as the map MP2.

<充放電制御フロー>
図8は、本実施の形態に係るバッテリ100の充放電制御を示すフローチャートである。このフローチャートは、所定条件成立時または所定時間間隔毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。なお、これらのフローチャートに含まれる各ステップ(以下「S」と略す)は、基本的にはECU300によるソフトウェア処理によって実現されるが、ECU300内に作製された専用のハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。
<Charge/discharge control flow>
FIG. 8 is a flowchart showing charge/discharge control of battery 100 according to the present embodiment. This flowchart is called from the main routine and executed when a predetermined condition is satisfied or at predetermined time intervals. Note that each step (hereinafter abbreviated as “S”) included in these flowcharts is basically realized by software processing by the ECU 300, but is realized by dedicated hardware (electric circuit) created in the ECU 300. May be done.

図8に示すフローチャートの処理が繰り返し実行されることにより、クラック指標値Xが順次更新される。このフローチャートはn回目の演算処理を示し、(n−1)回目(前回)の処理時までのクラック指標値X(n−1)がメモリ302に記憶されているものとする。 The crack index value X is sequentially updated by repeatedly executing the process of the flowchart shown in FIG. This flowchart shows the n-th arithmetic processing, and it is assumed that the crack index value X(n-1) up to the (n-1)-th (previous) processing is stored in the memory 302.

S10において、ECU300は、バッテリ100に設けられた各センサから電圧Vb、電流Ibおよび温度Tbを取得する。また、ECU300は、電圧VbからOCVを算出する。なお、ここではOCVをパラメータとして含む例について説明するが、OCVは応力推定に必須のパラメータではない。 In S10, the ECU 300 acquires the voltage Vb, the current Ib, and the temperature Tb from each sensor provided in the battery 100. The ECU 300 also calculates OCV from the voltage Vb. An example in which OCV is included as a parameter will be described here, but OCV is not an essential parameter for stress estimation.

S20において、ECU300は、S10にて取得したOCV、電流Ibおよび温度Tbから上述のモデル式を利用することで応力Fsを算出する。この算出手法については既に説明したため、詳細な説明は繰り返さない。 In S20, the ECU 300 calculates the stress Fs by using the above-described model formula from the OCV, the current Ib, and the temperature Tb acquired in S10. Since this calculation method has already been described, detailed description will not be repeated.

S30において、ECU300は、限界強度Flimに対する応力Fsの超過量ΔFからマップMP1を参照することでクラック発生係数kを算出し、それを用いて今回のクラック発生量ΔX(n)を算出する。上記式(2)にて説明したように、今回のクラック発生量ΔX(n)は、クラック発生係数kと超過期間との積として算出することができる。 In S30, the ECU 300 calculates the crack generation coefficient k by referring to the map MP1 from the excess amount ΔF of the stress Fs with respect to the limit strength Flim, and uses this to calculate the current crack generation amount ΔX(n). As described in the equation (2), the present crack generation amount ΔX(n) can be calculated as the product of the crack generation coefficient k and the excess period.

S40において、今回(n回目)の演算処理までのクラック指標値X(n)を算出する。クラック指標値X(n)は、下記式(3)に示すように、今回の演算処理におけるクラック発生量ΔX(n)を前回((n−1)回目)の演算処理までのクラック指標値X(n−1)に加算することにより算出することができる。 In S40, the crack index value X(n) up to this time (n-th) arithmetic processing is calculated. The crack index value X(n) is the crack index value X from the previous ((n-1)th) calculation process to the crack generation amount ΔX(n) in this calculation process, as shown in the following equation (3). It can be calculated by adding to (n-1).

X(n)=X(n−1)+ΔX(n) ・・・(3)
S50において、ECU300は、S40にて算出したクラック指標値X(n)がしきい値Xth以上であるか否かを判定する。クラック指標値X(n)がしきい値Xth未満の場合(S50においてNO)、ECU300は、処理をS70に進め、マップMP2(図7参照)を参照して通常時の充電電力上限値Winおよび放電電力上限値Woutを使用する。一方、クラック指標値X(n)がしきい値Xth以上の場合(S50においてYES)、ECU300は、処理をS60に進め、マップMP2を参照して充電電力上限値Winおよび放電電力上限値Woutを通常時よりも低下させることによってバッテリ100の入出力電力の制限を強化する。
X(n)=X(n-1)+ΔX(n) (3)
In S50, the ECU 300 determines whether the crack index value X(n) calculated in S40 is equal to or greater than the threshold value Xth. If the crack index value X(n) is less than the threshold value Xth (NO in S50), the ECU 300 advances the process to S70 and refers to the map MP2 (see FIG. 7) to determine the normal charging power upper limit Win and The discharge power upper limit value Wout is used. On the other hand, when crack index value X(n) is equal to or greater than threshold value Xth (YES in S50), ECU 300 advances the process to S60 and refers to map MP2 to determine charge power upper limit value Win and discharge power upper limit value Wout. The limit of the input/output power of the battery 100 is strengthened by lowering it from the normal time.

以上のように、本実施の形態によれば、水素吸蔵合金を含む負極活物質5に作用する応力Fsに起因して負極活物質5に生じるクラックによる劣化の進行度合いを示すクラック指標値Xを算出する。そして、クラック指標値Xがしきい値Xth以上になった場合には、クラック指標値Xがしきい値Xth未満の場合と比べて、バッテリ100の充電電力上限値Win(の絶対値)および放電電力上限値Wout(の絶対値)が小さく設定される。充電電力または放電電力が大きいほど負極活物質5内の結晶格子の歪みが大きくなるところ、充電電力上限値Winおよび放電電力上限値Woutを小さくすることにより負極活物質5内に発生する歪みを低減できるので、クラック指標値Xのさらなる増加が防止される。したがって、クラックによる劣化の進行を抑制し、それにより負極の反応抵抗の増加および負極容量の減少(すなわち電池性能の低下)を抑制することができる。 As described above, according to the present embodiment, the crack index value X indicating the degree of progress of deterioration due to the crack generated in the negative electrode active material 5 due to the stress Fs acting on the negative electrode active material 5 containing the hydrogen storage alloy is set as follows. calculate. When the crack index value X is equal to or greater than the threshold value Xth, the charging power upper limit value Win (absolute value) and discharge of the battery 100 are higher than when the crack index value X is less than the threshold value Xth. The power upper limit value Wout (absolute value) is set small. When the charge power or the discharge power increases, the distortion of the crystal lattice in the negative electrode active material 5 increases. By decreasing the charge power upper limit value Win and the discharge power upper limit value Wout, the strain generated in the negative electrode active material 5 is reduced. Therefore, the crack index value X is prevented from further increasing. Therefore, it is possible to suppress the progress of deterioration due to cracks, thereby suppressing an increase in the reaction resistance of the negative electrode and a decrease in the negative electrode capacity (that is, a decrease in battery performance).

なお、以上の実施の形態では引っ張り強度を用いる例について説明した。一般的には、負極活物質のクラックの有無を判定するために用いられるパラメータは引っ張り強度と考えられるものの、引っ張り強度に加えて(または代えて)圧縮強度の影響を考慮してもよい。引っ張り強度および圧縮強度の両方の影響を考慮することによって、より高精度にクラックの発生の有無を判定することが可能となる。 In addition, in the above embodiment, the example using the tensile strength has been described. Generally, the parameter used to determine the presence or absence of cracks in the negative electrode active material is considered to be tensile strength, but the influence of compressive strength may be considered in addition to (or instead of) tensile strength. By considering the influences of both the tensile strength and the compressive strength, it becomes possible to more accurately determine whether or not a crack has occurred.

また、図7では充電電力上限値Winおよび放電電力上限値Woutの両方を制限する構成を例に説明したが、充電電力上限値Winおよび放電電力上限値Woutのうちのいずれか一方のみを制限してもよい。 In addition, in FIG. 7, the configuration in which both the charging power upper limit value Win and the discharging power upper limit value Wout are limited has been described as an example, but only one of the charging power upper limit value Win and the discharging power upper limit value Wout is limited. May be.

さらに、バッテリ100の充放電の途中に充放電を休止する休止期間を設けてもよい。休止期間中には負極活物質5内の水素濃度の偏りが緩和され、その結果として負極活物質5内の結晶格子の歪みが緩和されるので、負極活物質5内にクラックが生じにくくなるためである。あるいは、水素濃度の偏りの緩和を促進するために、積極的にバッテリ100の充放電を行なってもよい。すなわち、バッテリ100の充電時と放電時とでは負極活物質5内の水素濃度の偏りの発生方向が反対であるため、たとえばバッテリ100の放電を一定時間行なった後には逆に充電を行なうことにより、水素濃度の偏りを緩和することができる。その結果、クラックの発生を抑制することができる。 Further, a rest period may be provided during charging/discharging of the battery 100 to suspend charging/discharging. Since the bias of the hydrogen concentration in the negative electrode active material 5 is alleviated during the rest period, and as a result, the strain of the crystal lattice in the negative electrode active material 5 is alleviated, cracks are less likely to occur in the negative electrode active material 5. Is. Alternatively, the battery 100 may be positively charged and discharged in order to promote the alleviation of the bias in the hydrogen concentration. That is, since the bias direction of the hydrogen concentration in the negative electrode active material 5 is opposite between the time of charging the battery 100 and the time of discharging the battery 100, for example, the battery 100 may be discharged for a certain time and then charged in reverse. It is possible to reduce the bias in hydrogen concentration. As a result, the generation of cracks can be suppressed.

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、上記した実施の形態の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。 It should be considered that the embodiments disclosed this time are exemplifications in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the claims, and is intended to include meanings equivalent to the claims and all modifications within the scope.

1 車両、2 二次電池システム、4,5 負極活物質、10,20 モータジェネレータ、30 動力分割機構、40 エンジン、41,51 クラック、42 被膜、50 駆動輪、100 バッテリ、101 セル、102 ケース、103 安全弁、104 電極体、110 電圧センサ、120 電流センサ、130 温度センサ、150 SMR、200 PCU、300 ECU、301 CPU、302 メモリ。 1 vehicle, 2 secondary battery system, 4,5 negative electrode active material, 10,20 motor generator, 30 power split mechanism, 40 engine, 41,51 crack, 42 coating, 50 drive wheel, 100 battery, 101 cell, 102 case , 103 safety valve, 104 electrode body, 110 voltage sensor, 120 current sensor, 130 temperature sensor, 150 SMR, 200 PCU, 300 ECU, 301 CPU, 302 memory.

Claims (1)

外部機器に電力を供給する電池システムであって、
水素吸蔵合金を負極活物質として含むニッケル水素電池と、
前記ニッケル水素電池と前記外部機器との間で電力を変換する電力変換装置と、
前記ニッケル水素電池への充電電力が前記充電電力の制御上限値未満となり、かつ、前記ニッケル水素電池からの放電電力が前記放電電力の制御上限値未満となるように前記電力変換装置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に入出力される電流、および前記ニッケル水素電池の温度から、前記負極活物質に生じるクラックによる劣化の進行度合いに関連する指標値を算出し、
前記劣化の進行度合いが所定量よりも大きいことを前記指標値が示す場合には、前記劣化の進行度合いが前記所定量よりも小さいことを前記指標値が示す場合と比べて、前記充電電力の制御上限値および前記放電電力の制御上限値を小さくする、電池システム。
A battery system for supplying power to an external device,
A nickel-hydrogen battery containing a hydrogen storage alloy as a negative electrode active material,
A power converter that converts power between the nickel-hydrogen battery and the external device,
Control for controlling the power conversion device such that charging power to the nickel-hydrogen battery is less than a control upper limit value of the charging power, and discharging power from the nickel-hydrogen battery is less than a control upper limit value of the discharging power. Equipped with a device,
The control device is
From the current input to and output from the nickel-hydrogen battery, and the temperature of the nickel-hydrogen battery, calculate an index value related to the degree of progress of deterioration due to cracks generated in the negative electrode active material,
When the index value indicates that the degree of progress of the deterioration is larger than a predetermined amount, compared with the case where the index value indicates that the degree of progress of the deterioration is smaller than the predetermined amount, the charging power A battery system for reducing the control upper limit value and the control upper limit value of the discharge power.
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