JP6776756B2

JP6776756B2 - 電池システム

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Publication number: JP6776756B2
Application number: JP2016180618A
Authority: JP
Inventors: 雅文野瀬
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2036-09-15
Also published as: JP2018044889A

Description

本発明は、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。

特許文献１（ＷＯ２０１２／０４９８５２号）は、組電池の再利用可否を診断する診断装置を開示する。診断対象の組電池は、直列に接続された複数の単電池を含む。単電池は、たとえばニッケル水素電池である。複数の単電池は、複数のブロックに分けられている。この診断装置においては、組電池の再利用可否の診断時、各ブロックの内部抵抗のうち最も高い内部抵抗が診断指標として用いられる。したがって、この診断装置によれば、最も劣化の進んだブロックの内部抵抗に基づいて組電池の再利用可否が診断されるため、誤った診断が行なわれる可能性を低減することができる（特許文献１参照）。

ＷＯ２０１２／０４９８５２号

ニッケル水素電池の充放電が繰り返されると、負極の抵抗が低下する点が上記特許文献１において指摘されている。負極の抵抗が低下すると、ニッケル水素電池の内部抵抗も低下する。したがって、内部抵抗の推定時に、ニッケル水素電池の充放電に起因する負極抵抗の低下が適切に考慮されないと、内部抵抗の推定精度が低下する。

本発明は、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内部抵抗を推定する電池システムにおいて、内部抵抗の推定精度の低下を抑制することである。

本発明に従う電池システムは、ニッケル水素電池と、電圧センサと、電流センサと、制御装置とを備える。電圧センサは、ニッケル水素電池の電圧を検知する。電流センサは、ニッケル水素電池の電流を検知する。制御装置は、電圧センサ及び電流センサの検知結果を用いて、ニッケル水素電池の内部抵抗を推定するように構成されている。制御装置は、ニッケル水素電池の負極における水素発生量が所定量未満であると判定される場合には、内部抵抗の推定を実行する一方、水素発生量が所定量以上であると判定される場合には、内部抵抗の推定を非実行とする。

本発明者は、ニッケル水素電池の負極電位が所定レベルまで低下すると、負極において水素が発生し、負極抵抗の推定結果にばらつきが生じることを見い出した。負極抵抗の推定結果がばらつくと、内部抵抗の推定時に、ニッケル水素電池の充放電に起因する負極抵抗の低下を適切に考慮することができない。本発明に従う電池システムにおいては、負極における水素発生量が所定量以上であると判定される場合には、ニッケル水素電池の内部抵抗の推定が非実行とされる。したがって、この電池システムによれば、負極抵抗の推定結果がばらつく可能性が高い場合にはニッケル水素電池の内部抵抗が推定されないため、負極における水素発生が内部抵抗の推定に与える影響を低減することができる。

この発明によれば、ニッケル水素電池の内部抵抗を推定する電池システムにおいて、内部抵抗の推定精度の低下を抑制することができる。

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。ニッケル水素単電池における、負極抵抗の推定値と負極電位との関係を示す図である。ニッケル水素単電池における、低負荷状態での負極単極の充電曲線を示す図である。ニッケル水素単電池における、負極電位と水素発生電流との関係を示す図である。ニッケル水素単電池における、負極電位と電流との関係を示す図である。実施の形態１における、組電池の入出力制限の更新処理手順を示すフローチャートである。実施の形態２における、組電池の入出力制限の更新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。

［実施の形態１］
（電池システムの構成）
図１は、本実施の形態１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。）を検知する。電流センサ２２０は、組電池１００の充放電電流を検知する。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。）を検知する。各センサは、検知結果を示す信号を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。

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、駆動軸を介して駆動輪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を介して組電池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ている。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ている。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ている。

ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入出力インターフェイスと（いずれも図示せず）を含む。ＥＣＵ３００は、各センサからの信号及びメモリ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。

（内部抵抗の推定精度向上）
電池システム１０においては、組電池１００に含まれる各ニッケル水素単電池の内部抵抗が推定され、推定された内部抵抗に基づいて組電池１００の入出力制限が行なわれる。すなわち、電池システム１０において、組電池１００の最大出力電力及び最大入力電力は、推定された内部抵抗に基づいて定期的に更新される。内部抵抗の推定精度が低下すると、組電池１００の入出力が必要以上に厳しく制限される可能性がある。したがって、内部抵抗の推定精度を向上することは重要である。

一方、ニッケル水素単電池の充放電が繰り返されると、負極の抵抗が低下することが知られている。すなわち、組電池１００の充放電が繰り返されると、各単セルの負極抵抗が低下する。負極抵抗が低下すると、ニッケル水素単電池の内部抵抗も低下する。したがって、内部抵抗を高精度に推定するためには、組電池１００の充放電に起因する負極抵抗の低下を考慮する必要がある。

本発明者は、ニッケル水素単電池の負極電位が所定レベルまで低下すると、負極において水素が発生し、負極抵抗の推定結果にばらつきが生じることを見出した。負極抵抗の推定結果がばらつくと、内部抵抗の推定時に、組電池１００の充放電に起因する負極抵抗の低下をうまく考慮することができない。その結果、内部抵抗の推定精度が低下する。

図２は、ニッケル水素単電池における、負極抵抗の推定値と負極電位との関係を示す図である。図２を参照して、横軸は負極抵抗の推定値を示し、縦軸は負極電位を示す。負極電位がＶ１付近に低下するまでは、負極抵抗の推定値と負極電位との間には、直線４００により示されるような相関がある。一方、負極電位がＶ１付近まで低下すると、負極抵抗の推定値は、たとえば領域４１０においてばらついている。これは、後述のように、負極電位が低下すると、負極において水素発生反応を伴なう場合と伴わない場合とが生じ、それによって負極の推定値が変わってくるためであると考えられる。

したがって、負極電位がＶ１付近まで低下し、負極における水素発生量が所定量以上となった場合、負極抵抗の推定精度を高く維持することは難しい。なお、「所定量」は、たとえば、その量の水素が負極において発生した場合の内部抵抗の推定誤差が許容範囲を超える量である。

そこで、本実施の形態１に従う電池システム１０において、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池の負極における水素発生量が所定量未満であると判定される場合には、内部抵抗の推定を実行する一方、負極における水素発生量が所定量以上であると判定される場合には、内部抵抗の推定を非実行とする。電池システム１０によれば、負極抵抗の推定結果がばらつく可能性が高い場合にはニッケル水素単電池の内部抵抗が推定されないため、負極における水素発生が内部抵抗の推定に与える影響を低減することができる。

次に、負極における水素発生量が所定量以上となった場合に、負極抵抗の推定結果にばらつきが生じる理由について考察する。

図３は、ニッケル水素単電池における、低負荷状態での負極単極の充電曲線を示す図である。図３を参照して、横軸は負極容量を示し、縦軸は負極電位を示す。充電期間Ａにおいては、以下の反応式（１）に従って、負極である水素吸蔵合金（Ｍ）が徐々に水素化物（ＭＨ）に変化する。

Ｍ＋Ｈ_２Ｏ＋ｅ⁻ ＝ＭＨ＋ＯＨ⁻ ・・・（１）
負極の満充電容量を超えて、その後、充電期間Ｂにおいて充電が継続されると、水素吸蔵合金（負極）がそれ以上水素を吸蔵することができず、以下の反応式（２）に従って水素が発生する（水の電気分解）。

２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ＝Ｈ_２＋２ＯＨ⁻ ・・・（２）
高負荷状態でニッケル水素単電池の充電が行なわれる場合、負極が満充電容量に達していない場合であっても、水素吸蔵合金の表面が水素化物となり、上記反応式（２）に示される反応が進行し得る。負極抵抗の推定結果のばらつきは、上記反応式（２）に示される反応を伴なうか否かによって生じるものと考えられる。

次に、本実施の形態１に従う電池システム１０において、ニッケル水素単電池の負極における水素発生量が所定量未満であるか否かの判定がどのように行なわれるかについて説明する。

図４は、ニッケル水素単電池における、負極電位と水素発生電流との関係を示す図である。図４を参照して、横軸は負極電位を示し、縦軸は水素発生電流を示す。水素発生電流とは、負極に流れる電流のうち水素の発生に寄与する電流をいう。

水素発生電流と水素発生量とは正比例の関係にある。したがって、水素発生電流が大きくなるほど、水素発生量は多くなる。たとえば、電池システム１０において、ＥＣＵ３００は、水素発生電流がＨＩ１未満である場合に水素発生量が所定量未満であると判定することもできるし、負極電位がＮＥ１より高い場合に水素発生量が所定量未満であると判定することもできる。水素発生電流がどのような値（ＨＩ１）未満である場合に水素発生量が所定量未満となり、負極電位がどのような値（ＮＥ１）より高い場合に水素発生量が所定量未満となるかは、予め実験によって求められている。

負極電位を基準に水素発生量が所定量未満であるか否かを判定する場合には、ＥＣＵ３００は、たとえば、公知の種々の方法によってニッケル水素単電池の負極電位を推定し、推定された負極電位が基準となる負極電位より高いか否かを判定する。また、水素発生電流を基準に水素発生量が所定量未満であるか否かを判定する場合には、ＥＣＵ３００は、たとえば、図４の関係を示す式を内部メモリに記憶し、推定された負極電位と内部メモリに記憶された関係式とから水素発生電流を推定する。

なお、図４に示される関係は、ニッケル水素単電池の温度によって変化する。したがって、ＥＣＵ３００は、たとえば、負極電位を基準に水素発生量が所定量未満であるか否かを判定する場合には、基準となる負極電位をニッケル水素単電池の温度ごとに用意する。また、ＥＣＵ３００は、たとえば、水素発生電流を基準に水素発生量が所定量未満であるか否かを判定する場合には、基準となる水素発生電流をニッケル水素単電池の温度ごとに用意する。

図５は、ニッケル水素単電池における、負極電位とニッケル水素単電池の電流（充電電流を正とする）との関係を示す図である。図５を参照して、横軸は負極電位を示し、縦軸は電流（充電電流を正とする）を示す。上述のように負極電位と水素発生量とは相関があり、かつ、図５に示すように負極電位と電流とは相関があるため（充電電流が大きいほど負極電位が低くなる）、ＥＣＵ３００は、電流がＩ１未満である場合に水素発生量が所定量未満であると判定することもできる。なお、電流がどのような値（Ｉ１）未満である場合に水素発生量が所定量未満となるかは、予め実験によって求められている。

なお、図５に示される関係は、ニッケル水素単電池の温度によって変化する。したがって、ＥＣＵ３００は、たとえば、ニッケル水素単電池の電流を基準に水素発生量が所定量未満であるか否かを判定する場合には、基準となる電流をニッケル水素単電池の温度ごとに用意する。

次に、ニッケル水素単電池の内部抵抗推定を含む、組電池１００の入出力制限の更新処理手順について説明する。

（入出力制限の更新処理手順）
図６は、本実施の形態１における、組電池１００の入出力制限の更新処理手順を示すフローチャートである。図６を参照して、このフローチャートに示される処理は、車両システムの作動中にＥＣＵ３００により所定のサイクルで実行される。

ＥＣＵ３００は、電圧センサ２１０、電流センサ２２０、及び、温度センサ２３０から組電池１００に含まれるニッケル水素単電池の電圧、電流、及び、温度を示す信号をそれぞれ取得する（ステップＳ１００）。

ＥＣＵ３００は、取得された電圧、電流、及び、温度を示す信号に従って、負極における水素発生量が所定量未満であると判定される条件が成立するか否かを判定する（ステップＳ１１０）。

ＥＣＵ３００は、たとえば、取得された電流値が予め内部メモリに記憶されている電流値（単セルの温度毎に用意されている。）未満であるか否かや、取得された電圧値や電流値等から推定される負極電位が予め内部メモリに記憶されている負極電位（単セルの温度毎に用意されている。）以上であるか否かによって、負極における水素発生量が所定量未満であると判定される条件が成立するか否かを判定する。

また、ＥＣＵ３００は、たとえば、推定された負極電位から水素発生電流（又は水素発生量）を推定し、推定された水素発生電流（又は水素発生量）が予め内部メモリに記憶されている水素発生電流（又は水素発生量）未満であるか否かを直接判定してもよい。

負極における水素発生量が所定量未満であると判定される条件が成立しないと判定されると（ステップＳ１１０においてＮＯ）、内部抵抗の推定は非実行とされ、処理はリターンに移行する。

一方、負極における水素発生量が所定量未満であると判定される条件が成立すると判定されると（ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、内部抵抗の算出（推定）を実行する（ステップＳ１２０）。ＥＣＵ３００は、たとえば、ステップＳ１００において取得された電圧と電流とからニッケル水素単電池の内部抵抗を算出する。その後、ＥＣＵ３００は、算出された内部抵抗に基づいて、組電池１００の入出力制限値を更新する（ステップＳ１３０）。

以上のように、本実施の形態１に従う電池システム１０において、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池の負極における水素発生量が所定量未満であると判定される場合には、内部抵抗の推定を実行する一方、負極における水素発生量が所定量以上であると判定される場合には、内部抵抗の推定を非実行とする。電池システム１０によれば、負極抵抗の推定結果がばらつく可能性が高い場合にはニッケル水素単電池の内部抵抗が推定されないため、負極における水素発生が内部抵抗の推定に与える影響を低減することができる。

［実施の形態２］
上記実施の形態１においては、負極における水素発生量が所定量未満であると判定される条件が成立した場合には、水素発生反応が内部抵抗の推定に与える影響については考慮されることなく、ニッケル水素単電池の内部抵抗が推定された。本実施の形態２においては、負極における水素発生量が所定量未満であると判定される条件が成立した場合であっても、水素発生反応が内部抵抗の推定に与える影響が考慮された上で、ニッケル水素単電池の内部抵抗が推定される。以下、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

本実施の形態２に従う車両１Ａは、電池システム１０Ａを備える。電池システム１０Ａは、ＥＣＵ３００Ａを含む。

ＥＣＵ３００Ａは、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェイスと（いずれも図示せず）を含む。ＥＣＵ３００Ａは、各センサからの信号及びメモリ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。

図７は、本実施の形態２における、組電池１００の入出力制限の更新処理手順を示すフローチャートである。図７を参照して、このフローチャートに示される処理は、車両システムの作動中にＥＣＵ３００Ａにより所定のサイクルで実行される。

ステップＳ２００〜Ｓ２２０に示される処理は、図６のステップＳ１００〜Ｓ１２０に示される処理と同様である。ステップＳ２２０において、ニッケル水素単電池の内部抵抗が算出されると、ＥＣＵ３００Ａは、負極抵抗を算出する（ステップＳ２３０）。ＥＣＵ３００Ａは、たとえば、正極抵抗を予め内部メモリに記憶しておき、ステップＳ２２０において算出された内部抵抗から正極抵抗を減算することにより負極抵抗（ＲＢ１）を算出する。

その後、ＥＣＵ３００Ａは、負極における水素発生反応の影響を考慮して、算出された負極抵抗を補正する（ステップＳ２４０）。ＥＣＵ３００Ａは、たとえば、次の手順によって負極抵抗（ＲＢ１）を補正する。まず、ＥＣＵ３００Ａは、ステップＳ２００において取得された電圧値や電流値等から推定される負極電位に基づいて、水素発生電流を推定する。なお、負極電位と水素発生電流との関係を示すデータは内部メモリに記憶されている。ＥＣＵ３００Ａは、ステップＳ２００において取得された電流値（ＩＢ１）から、推定された水素発生電流値（水素発生反応に寄与する電流値）を減算した電流値（ＩＢ２（内部抵抗に寄与する電流値））を算出する。そして、ＥＣＵ３００Ａは、次の式（Ａ）に従って負極抵抗を補正する。

補正後の負極抵抗＝ＲＢ１ × ＩＢ２／ＩＢ１・・・（Ａ）
ＥＣＵ３００Ａは、補正後の負極抵抗に基づいて補正後の内部抵抗を算出する（ステップＳ２５０）。ＥＣＵ３００Ａは、たとえば、補正後の負極抵抗に正極抵抗を加算することによって、補正後の内部抵抗を算出する。ＥＣＵ３００Ａは、算出された補正後の内部抵抗に基づいて、組電池１００の入出力制限値を更新する（ステップＳ２６０）。

以上のように、本実施の形態２に従う電池システム１０Ａにおいて、ＥＣＵ３００Ａは、ニッケル水素単電池の負極における水素発生量が所定量未満であると判定される場合であっても、水素発生反応が内部抵抗の推定に与える影響が考慮された上で、ニッケル水素単電池の内部抵抗が推定される。電池システム１０Ａによれば、負極における水素発生量が少ない場合であっても水素発生反応が内部抵抗の推定に与える影響が考慮されるため、実施の形態１に従う電池システム１０よりも、さらに内部抵抗の推定精度を向上することができる。

なお、上記実施の形態２においては、ニッケル水素単電池の負極における水素発生量が所定量未満であると判定されない場合には、内部抵抗の推定が非実行とされることとした。しかしながら、ニッケル水素単電池の負極における水素発生量が所定量未満であると判定されない場合における処理は、必ずしもこのような処理に限定されない。たとえば、ニッケル水素単電池の負極における水素発生量が所定量以上であると判定される場合であっても、水素発生反応が内部抵抗の推定に与える影響を考慮（補正）しつつ、ニッケル水素単電池の内部抵抗を推定するような構成としてもよい。これにより、負極における水素発生量の大小に拘わらず、ニッケル水素単電池の内部抵抗を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、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、２０ＰＣＵ、３０ＭＧ、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、３００ＥＣＵ、４００直線、４１０領域。

Claims

ニッケル水素電池と、
前記ニッケル水素電池の電圧を検知する電圧センサと、
前記ニッケル水素電池の電流を検知する電流センサと、
前記電圧センサ及び前記電流センサの検知結果を用いて、前記ニッケル水素電池の内部抵抗を推定するように構成された制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記ニッケル水素電池の負極における水素発生量が所定量未満であると判定される場合には、水素発生反応への寄与分を除くように補正された負極抵抗に基づいて前記内部抵抗の推定を実行する一方、前記水素発生量が前記所定量以上であると判定される場合には、前記内部抵抗の推定を非実行とする、電池システム。
ニッケル水素電池と、
前記ニッケル水素電池の電圧を検知する電圧センサと、
前記ニッケル水素電池の電流を検知する電流センサと、
前記電圧センサ及び前記電流センサの検知結果を用いて、前記ニッケル水素電池の内部抵抗を推定するように構成された制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記ニッケル水素電池の負極における水素発生量が所定量以上であると判定される場合には、水素発生反応への寄与分を除くように補正された負極抵抗に基づいて前記内部抵抗の推定を実行する、電池システム。
前記制御装置は、
前記電圧センサおよび前記電流センサの検出値に基づいて推定される負極電位に基づいて、水素発生反応に寄与する電流を示す水素発生電流を推定し、
前記電流センサの検出値から前記水素発生電流を減算して、前記内部抵抗に寄与する電流を算出し、
前記内部抵抗に寄与する電流を用いて、負極抵抗を補正する、請求項１または請求項２に記載の電池システム。