JP6834416B2 - Battery system - Google Patents

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Description

本開示は、電池システムに関し、より特定的には、水酸化ニッケルを正極活物質として含むアルカリ二次電池を備えた電池システムに関する。 The present disclosure relates to a battery system, and more specifically to a battery system including an alkaline secondary battery containing nickel hydroxide as a positive electrode active material.

二次電池の正極電位が所定の下限電位よりも低くなったり所定の上限電位よりも高くなったりした場合には、正極での副反応が起こり、正極が劣化し得る。負極についても同様に、負極電位が所定の電位範囲外になることで劣化する可能性がある。よって、正極および負極の劣化抑制を目的に、正極電位および負極電位の各々を算出(監視)する技術が提案されている。たとえば国際公開第2013/105140号(特許文献1)には、正極開放電位および負極開放電位から正極電位および負極電位がそれぞれ算出され、正極電位および負極電位の各々が所定の電位範囲内で変化するように二次電池の充放電が制御される技術が開示されている。 When the positive electrode potential of the secondary battery becomes lower than the predetermined lower limit potential or higher than the predetermined upper limit potential, a side reaction occurs at the positive electrode, and the positive electrode may deteriorate. Similarly, the negative electrode may be deteriorated when the negative electrode potential is out of the predetermined potential range. Therefore, a technique for calculating (monitoring) each of the positive electrode potential and the negative electrode potential has been proposed for the purpose of suppressing deterioration of the positive electrode and the negative electrode. For example, in International Publication No. 2013/105140 (Patent Document 1), the positive electrode potential and the negative electrode potential are calculated from the positive electrode open potential and the negative electrode open potential, respectively, and each of the positive electrode potential and the negative electrode potential changes within a predetermined potential range. As described above, a technique for controlling the charging / discharging of the secondary battery is disclosed.

国際公開第2013/105140号International Publication No. 2013/105140 特開2016−103449号公報JP-A-2016-103449 特開2016−91978号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-91978 特開2013−72659号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-72659 特開2008−243373号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-243373 特開2010−60384号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-60384

近年、水酸化ニッケルを正極活物質として含むアルカリ二次電池の一種であるニッケル水素電池が、車載用などの各種用途に広く普及している。ニッケル水素電池等のアルカリ二次電池ではメモリ効果が生じ得ることが知られている。メモリ効果とは、アルカリ二次電池に蓄えられた電力が十分に消費されていない状態での充電(いわゆる継ぎ足し充電)が繰り返された場合に、放電電圧が初期状態(メモリ効果が生じていない状態)と比べて低くなる現象である。メモリ効果はアルカリ二次電池の充電側においても生じる可能性があり、メモリ効果によって充電電圧が初期状態と比べて高くなる。より詳細には、メモリ効果が生じると、放電時には正極開放電位が初期状態と比べて低くなり、その結果、放電電圧が低下する。一方、充電時には正極開放電位が初期状態と比べて高くなり、その結果、充電電圧が上昇する。 In recent years, nickel-metal hydride batteries, which are a type of alkaline secondary batteries containing nickel hydroxide as a positive electrode active material, have become widespread in various applications such as in-vehicle use. It is known that an alkaline secondary battery such as a nickel-metal hydride battery can produce a memory effect. The memory effect is a state in which the discharge voltage is in the initial state (a state in which the memory effect does not occur) when charging is repeated in a state where the power stored in the alkaline secondary battery is not sufficiently consumed (so-called recharge). ) Is a phenomenon that is lower than that. The memory effect may also occur on the charging side of the alkaline secondary battery, and the memory effect causes the charging voltage to be higher than in the initial state. More specifically, when the memory effect occurs, the positive electrode open potential becomes lower at the time of discharge than in the initial state, and as a result, the discharge voltage decreases. On the other hand, during charging, the positive electrode open potential becomes higher than in the initial state, and as a result, the charging voltage rises.

特許文献1に開示された正極電位および負極電位の算出手法は、主にリチウムイオン二次電池に適用されるものである。リチウムイオン二次電池では顕著なメモリ効果は生じないので、特許文献1に開示の手法では、メモリ効果について何ら考慮されていないので、アルカリ二次電池の正極電位の算出精度に改善の余地が存在する。 The method for calculating the positive electrode potential and the negative electrode potential disclosed in Patent Document 1 is mainly applied to a lithium ion secondary battery. Since a remarkable memory effect does not occur in a lithium ion secondary battery, the method disclosed in Patent Document 1 does not consider the memory effect at all, so there is room for improvement in the calculation accuracy of the positive electrode potential of the alkaline secondary battery. To do.

本開示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、アルカリ二次電池を備えた電池システムにおいて、メモリ効果を考慮して正極電位の算出精度を向上可能な技術を提供することである。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and an object of the present disclosure is to provide a technique capable of improving the calculation accuracy of the positive electrode potential in consideration of the memory effect in a battery system including an alkaline secondary battery. That is.

本開示のある局面に従う電池システムは、水酸化ニッケルを正極活物質として含むアルカリ二次電池と、アルカリ二次電池の正極電位および負極電位を用いてアルカリ二次電池の充放電を制御する制御装置とを備える。制御装置は、アルカリ二次電池の端子間電圧および前記アルカリ二次電池の入出力電流のうちの少なくとも一方を入力として含む、アルカリ二次電池の内部挙動を推定するための電池モデルを用いて、アルカリ二次電池の正極開放電位および負極開放電位から正極活物質の内部における水素濃度を算出する。制御装置は、水素濃度から、正極開放電位の初期電位からのメモリ効果による電位変化量である「メモリ量」を算出し、初期電位とメモリ量とを用いて正極開放電位を算出する。 A battery system according to a certain aspect of the present disclosure is an alkaline secondary battery containing nickel hydroxide as a positive electrode active material, and a control device that controls charging / discharging of the alkaline secondary battery using the positive electrode potential and the negative electrode potential of the alkaline secondary battery. And. The control device uses a battery model for estimating the internal behavior of the alkaline secondary battery, which includes at least one of the voltage between the terminals of the alkaline secondary battery and the input / output current of the alkaline secondary battery as an input. The hydrogen concentration inside the positive electrode active material is calculated from the positive electrode open potential and the negative electrode open potential of the alkaline secondary battery. The control device calculates the "memory amount", which is the amount of potential change due to the memory effect from the initial potential of the positive electrode open potential, from the hydrogen concentration, and calculates the positive electrode open potential using the initial potential and the memory amount.

好ましくは、正極活物質は、電池モデルにおいて球状と仮定されるとともに、径方向に複数の領域に仮想的に分割される。制御装置は、複数の領域における水素濃度の分布から、複数の領域の各々の局所的な水素濃度である「局所水素量」の分布を算出する。制御装置は、正極活物質の表面を含む領域における局所水素量である「表面水素量」から初期電位を算出し、複数の領域における局所水素量の平均量である「平均水素量」からメモリ量を算出する。 Preferably, the positive electrode active material is assumed to be spherical in the battery model and is virtually divided into a plurality of regions in the radial direction. The control device calculates the distribution of the "local hydrogen amount", which is the local hydrogen concentration of each of the plurality of regions, from the distribution of the hydrogen concentration in the plurality of regions. The control device calculates the initial potential from the "surface hydrogen amount" which is the local hydrogen amount in the region including the surface of the positive electrode active material, and the memory amount from the "average hydrogen amount" which is the average amount of the local hydrogen amounts in a plurality of regions. Is calculated.

好ましくは、電池システムは、記憶装置をさらに備える。記憶装置は、正極開放電位のメモリ効果による所定時間での電位変化量である「微小メモリ量」と、アルカリ二次電池が使用されているときの平均水素量である「使用水素量」との関係が、平均水素量の複数の範囲毎に特定されたデータを記憶する。制御装置は、データを参照することによって、使用水素量から微小メモリ量を複数の範囲毎に遂次算出し、微小メモリ量を複数の範囲毎に積算することによってメモリ量を算出する。 Preferably, the battery system further comprises a storage device. The storage device has a "micro memory amount" which is the amount of potential change in a predetermined time due to the memory effect of the positive electrode open potential and a "hydrogen used amount" which is the average amount of hydrogen when an alkaline secondary battery is used. The relationship stores data identified for each of multiple ranges of average hydrogen content. The control device sequentially calculates the minute memory amount for each of a plurality of ranges from the amount of hydrogen used by referring to the data, and calculates the memory amount by integrating the minute memory amount for each of the plurality of ranges.

好ましくは、制御装置は、複数の範囲のうち使用水素量よりも平均水素量が多い範囲では、正極開放電位が減少する方向に微小メモリ量を積算し、使用水素量が増加した場合、増加後の使用水素量よりも平均水素量が少ない範囲では、上記減少する方向に積算された微小メモリ量を0に設定する。制御装置は、複数の範囲のうち使用水素量よりも平均水素量が少ない範囲では、正極開放電位が増加する方向に微小メモリ量を積算し、使用水素量が減少した場合、減少後の使用水素量よりも平均水素量が多い範囲では、上記増加する方向に積算された微小メモリ量を0に設定する。 Preferably, the control device integrates a minute memory amount in the direction in which the positive electrode open potential decreases in a range in which the average amount of hydrogen is larger than the amount of hydrogen used among the plurality of ranges, and when the amount of hydrogen used increases, after the increase. In the range where the average amount of hydrogen is smaller than the amount of hydrogen used in, the amount of minute memory accumulated in the decreasing direction is set to 0. The control device integrates the minute memory amount in the direction in which the positive electrode open potential increases in the range where the average hydrogen amount is smaller than the hydrogen amount used in the plurality of ranges, and when the hydrogen used amount decreases, the hydrogen used after the decrease In the range where the average hydrogen amount is larger than the amount, the minute memory amount accumulated in the increasing direction is set to 0.

上記構成によれば、局所水素量(より具体的には平均水素量)からメモリ量が算出され、正極開放電位の初期電位とメモリ量とを用いて正極開放電位が算出される。さらに、正極電位は、たとえば正極開放電位と過電圧との和(すなわち、初期電位+メモリ量+過電圧)から算出することができる。このように、メモリ効果を考慮した上で正極開放電位を算出することにより、正極開放電位の算出精度が向上するので、正極電位の算出精度を向上させることができる。 According to the above configuration, the memory amount is calculated from the local hydrogen amount (more specifically, the average hydrogen amount), and the positive electrode open potential is calculated using the initial potential of the positive electrode open potential and the memory amount. Further, the positive electrode potential can be calculated from, for example, the sum of the positive electrode open potential and the overvoltage (that is, initial potential + memory amount + overvoltage). In this way, by calculating the positive electrode open potential in consideration of the memory effect, the calculation accuracy of the positive electrode open potential is improved, so that the calculation accuracy of the positive electrode potential can be improved.

好ましくは、使用水素量は、アルカリ二次電池の過去の使用履歴を用いて算出される。
アルカリ二次電池の正極では、メモリ効果とは別に、アルカリ二次電池の過去の使用履歴(ヒステリシス)に応じて正極開放電位が変化する現象が知られている。上記構成によれば、ヒステリシスの影響を考慮して使用水素量が算出されるので、ヒステリシスによる電位変化量を正極開放電位に反映させることができる。したがって、正極電位の算出精度をさらに向上させることができる。
Preferably, the amount of hydrogen used is calculated using the past usage history of the alkaline secondary battery.
In the positive electrode of an alkaline secondary battery, apart from the memory effect, it is known that the positive electrode opening potential changes according to the past usage history (hysteresis) of the alkaline secondary battery. According to the above configuration, since the amount of hydrogen used is calculated in consideration of the influence of hysteresis, the amount of potential change due to hysteresis can be reflected in the positive electrode open potential. Therefore, the calculation accuracy of the positive electrode potential can be further improved.

好ましくは、制御装置は、正極電位が所定の上限正極電位よりも高いとの第1の条件と、負極電位が所定の下限負極電位よりも低いとの第2の条件とのうちの少なくとも一方が成立した場合には、第1および第2の条件がいずれも成立していない場合と比べて、アルカリ二次電池の充電電力上限値を小さく設定する。制御装置は、負極電位が所定の上限負極電位よりも高いとの第3の条件と、正極電位が所定の下限正極電位よりも低いとの第4の条件とのうちの少なくとも一方が成立した場合には、第3および第4の条件がいずれも成立していない場合と比べて、アルカリ二次電池の放電電力上限値を小さく設定する。 Preferably, the control device has at least one of a first condition that the positive electrode potential is higher than a predetermined upper limit positive electrode potential and a second condition that the negative electrode potential is lower than a predetermined lower limit negative electrode potential. When the condition is satisfied, the upper limit of the charging power of the alkaline secondary battery is set smaller than that when neither of the first and second conditions is satisfied. The control device satisfies at least one of a third condition that the negative electrode potential is higher than a predetermined upper limit negative electrode potential and a fourth condition that the positive electrode potential is lower than a predetermined lower limit positive electrode potential. Is set to a smaller discharge power upper limit value of the alkaline secondary battery than in the case where neither the third nor the fourth condition is satisfied.

上限正極電位および下限正極電位は、それらの間の電位範囲内であれば正極の劣化につながる副反応(劣化反応)が起こらないように定められる、したがって、上記構成によれば、第1または第4の条件成立による正極での劣化反応の発生を抑制することができる。同様に、上限負極電位および下限負極電位は、それらの間の電位範囲内であれば負極の劣化につながる副反応(劣化反応)が起こらないように定められるので、第2または第3の条件成立による負極での劣化反応の発生についても抑制することができる。 The upper limit positive electrode potential and the lower limit positive electrode potential are determined so that a side reaction (deterioration reaction) leading to deterioration of the positive electrode does not occur within the potential range between them. Therefore, according to the above configuration, the first or first It is possible to suppress the occurrence of a deterioration reaction at the positive electrode due to the condition 4 being satisfied. Similarly, the upper limit negative electrode potential and the lower limit negative electrode potential are determined so that a side reaction (deterioration reaction) leading to deterioration of the negative electrode does not occur within the potential range between them, so that the second or third condition is satisfied. It is also possible to suppress the occurrence of deterioration reaction at the negative electrode due to the above.

好ましくは、アルカリ二次電池は、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ある。正極電位および負極電位は、負極活物質の交換電流密度を用いて算出される。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量に関連する指標値(クラック指標値)を算出し、指標値を用いて交換電流密度を算出する。 Preferably, the alkaline secondary battery is a nickel-metal hydride battery containing a hydrogen storage alloy as a negative electrode active material. The positive electrode potential and the negative electrode potential are calculated using the exchange current density of the negative electrode active material. The control device calculates an index value (crack index value) related to the amount of cracks generated in the negative electrode active material from the current input / output to the nickel-metal hydride battery and the temperature of the nickel-metal hydride battery, and uses the index value to exchange current. Calculate the density.

ニッケル水素電池の充放電または温度変化に伴い負極活物質にクラックが生じると、負極活物質に新たな表面が露出して反応表面積が増加する。これにより、負極の反応抵抗が低下し、負極活物質の交換電流密度が増加する。上記構成によれば、クラック指標値が算出され、このクラック指標値を用いて負極活物質の交換電流密度が算出される。そして、負極活物質の交換電流密度を用いて正極電位および負極電位が算出される。このように、クラックの発生に伴う負極活物質の交換電流密度を考慮することで、正極電位および負極電位の算出精度をさらに向上させることができる。 When the negative electrode active material is cracked due to charging / discharging or temperature change of the nickel-metal hydride battery, a new surface is exposed to the negative electrode active material and the reaction surface area is increased. As a result, the reaction resistance of the negative electrode decreases, and the exchange current density of the negative electrode active material increases. According to the above configuration, a crack index value is calculated, and the exchange current density of the negative electrode active material is calculated using this crack index value. Then, the positive electrode potential and the negative electrode potential are calculated using the exchange current density of the negative electrode active material. As described above, by considering the exchange current density of the negative electrode active material due to the occurrence of cracks, the calculation accuracy of the positive electrode potential and the negative electrode potential can be further improved.

好ましくは、アルカリ二次電池の負極活物質は、電池モデルにおいて球状と仮定されるとともに、径方向に複数の領域に仮想的に分割される。制御装置は、電池モデルを用いて算出された、負極活物質の表面を含む領域における水素濃度から、負極開放電位を算出し、正極開放電位および負極開放電位から、アルカリ二次電池の満充電容量を算出する。 Preferably, the negative electrode active material of the alkaline secondary battery is assumed to be spherical in the battery model and is virtually divided into a plurality of regions in the radial direction. The control device calculates the negative electrode open potential from the hydrogen concentration in the region including the surface of the negative electrode active material calculated using the battery model, and from the positive electrode open potential and the negative electrode open potential, the full charge capacity of the alkaline secondary battery. Is calculated.

上記構成によれば、メモリ効果を考慮して正極開放電位および負極開放電位が高精度に算出され、高精度に算出された正極開放電位および負極開放電位からアルカリ二次電池の満充電容量がさらに算出される。したがって、満充電容量についても算出精度を向上させることができる。 According to the above configuration, the positive electrode open potential and the negative electrode open potential are calculated with high accuracy in consideration of the memory effect, and the full charge capacity of the alkaline secondary battery is further increased from the highly accurate calculated positive electrode open potential and negative electrode open potential. It is calculated. Therefore, the calculation accuracy can be improved also for the fully charged capacity.

本開示によれば、アルカリ二次電池を備えた電池システムにおいて、メモリ効果を考慮して正極電位の算出精度を向上させることができる。 According to the present disclosure, in a battery system including an alkaline secondary battery, the calculation accuracy of the positive electrode potential can be improved in consideration of the memory effect.

本実施の形態に係る電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic the whole structure of the vehicle which mounted the battery system which concerns on this Embodiment. 単電池の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a cell cell. 単電池の充電時の制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control at the time of charging a cell. 単電池の放電時の制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control at the time of discharging a cell. 本実施の形態における電池モデルの概念図である。It is a conceptual diagram of the battery model in this embodiment. 電池モデルに使用されるパラメータを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the parameter used for a battery model. 正極活物質の内部における水素濃度分布の算出手法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation method of the hydrogen concentration distribution in the positive electrode active material. 開放電位と局所水素量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an open potential and a local hydrogen amount. メモリ効果による正極開放電位の変化の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the change of the positive electrode open potential by a memory effect. 単電池の使用に伴いメモリ量Mが増加する様子を示す図である。It is a figure which shows the mode that the memory amount M increases with the use of a cell. 微小メモリ量の積算を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the integration of the minute memory amount. メモリ効果発生後の充放電曲線の算出手法を概念的に説明するための図である。It is a figure for conceptually explaining the calculation method of the charge / discharge curve after the memory effect occurs. 本実施の形態におけるマップの概念図である。It is a conceptual diagram of the map in this embodiment. 使用水素量を考慮した微小メモリ量の積算手法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the integration method of the minute memory amount considering the amount of hydrogen used. 本実施の形態における電位算出処理に関するECUの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the ECU regarding the potential calculation process in this embodiment. メモリ量算出部のより詳細な構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the more detailed structure of the memory amount calculation part. 本実施の形態における電位算出処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the potential calculation process in this embodiment. 変形例1における正極開放電位の算出手法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation method of the positive electrode open potential in the modification 1. 変形例2における電位算出処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the potential calculation process in the modification 2. 負極活物質に生じるクラックを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the crack which occurs in a negative electrode active material. 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 demonstrating the calculation process of a crack index value. クラック指標値と負極活物質の交換電流密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the crack index value and the exchange current density of a negative electrode active material.

以下、本開示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 disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.

以下では、本開示の実施の形態に係る電池システムが車両に搭載された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、たとえば定置用であってもよい。 In the following, a configuration in which the battery system according to the embodiment of the present disclosure is mounted on a vehicle will be described as an example. However, the use of the battery system is not limited to the vehicle, and may be, for example, stationary.

[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電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。車両100は、車両(ハイブリッド自動車、電気自動車または燃料電池車)であって、モータジェネレータ(MG:Motor Generator)1と、動力伝達ギア2と、駆動輪3と、電力制御ユニット(PCU:Power Control Unit)4と、システムメインリレー(SMR:System Main Relay)5と、電池システム200とを備える。電池システム200は、組電池10と、電圧センサ21と、電流センサ22と、温度センサ23と、電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)30とを備える。
[Embodiment]
<Battery system configuration>
FIG. 1 is a block diagram schematically showing an overall configuration of a vehicle equipped with a battery system according to the present embodiment. The vehicle 100 is a vehicle (hybrid vehicle, electric vehicle, or fuel cell vehicle), and includes a motor generator (MG) 1, a power transmission gear 2, a drive wheel 3, and a power control unit (PCU: Power Control). It includes a Unit) 4, a System Main Relay (SMR) 5, and a battery system 200. The battery system 200 includes an assembled battery 10, a voltage sensor 21, a current sensor 22, a temperature sensor 23, and an electronic control unit (ECU) 30.

MG1は、たとえば三相交流回転電機である。MG1の出力トルクは、減速機および動力分割機構を含んで構成された動力伝達ギア2を介して駆動輪3に伝達される。MG1は、車両100の回生制動動作時には、駆動輪3の回転力によって発電することも可能である。MG1に加えてエンジン(図示せず)が搭載されたハイブリッド自動車では、エンジンおよびMG1を協調的に動作させることによって必要な車両駆動力を発生させる。なお、図1ではMGが1つだけ設けられる構成が示されるが、MGの数はこれに限定されず、MGを複数(たとえば2つ)設ける構成としてもよい。 MG1 is, for example, a three-phase AC rotary electric machine. The output torque of MG1 is transmitted to the drive wheels 3 via a power transmission gear 2 including a speed reducer and a power split mechanism. The MG1 can also generate electricity by the rotational force of the drive wheels 3 during the regenerative braking operation of the vehicle 100. In a hybrid vehicle in which an engine (not shown) is mounted in addition to the MG1, the required vehicle driving force is generated by operating the engine and the MG1 in a coordinated manner. Although FIG. 1 shows a configuration in which only one MG is provided, the number of MGs is not limited to this, and a plurality (for example, two) MGs may be provided.

PCU4は、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。組電池10の放電時には、コンバータは、組電池10から供給された電圧を昇圧してインバータに供給する。インバータは、コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換してMG1を駆動する。一方、組電池10の充電時には、インバータは、MG1によって発電された交流電力を直流電力に変換してコンバータに供給する。コンバータは、インバータから供給された電圧を降圧して組電池10に供給する。 PCU4 includes an inverter and a converter (not shown). When the assembled battery 10 is discharged, the converter boosts the voltage supplied from the assembled battery 10 and supplies it to the inverter. The inverter converts the DC power supplied from the converter into AC power to drive the MG1. On the other hand, when charging the assembled battery 10, the inverter converts the AC power generated by the MG 1 into DC power and supplies it to the converter. The converter steps down the voltage supplied from the inverter and supplies it to the assembled battery 10.

SMR5は、組電池10とPCU4とを結ぶ電力線に電気的に接続されている。SMR5がECU30からの制御信号に応じて閉成されている場合、組電池10とPCU4との間で電力の授受が行なわれ得る。 The SMR 5 is electrically connected to a power line connecting the assembled battery 10 and the PCU 4. When the SMR 5 is closed in response to a control signal from the ECU 30, electric power can be exchanged between the assembled battery 10 and the PCU 4.

組電池10は、複数(たとえば数個)の電池ブロック(図示せず)を含んで構成され、各電池ブロックは、複数(たとえば数個〜数十個)の単電池11を含んで構成される。複数の単電池11の各々は、アルカリ二次電池である。本実施の形態では、上記アルカリ二次電池としてニッケル水素電池を用いた構成を例に説明する。 The assembled battery 10 is configured to include a plurality of (for example, several) battery blocks (not shown), and each battery block is configured to include a plurality of (for example, several to several tens) single batteries 11. .. Each of the plurality of cell cells 11 is an alkaline secondary battery. In the present embodiment, a configuration using a nickel-metal hydride battery as the alkaline secondary battery will be described as an example.

電圧センサ21は、各単電池11の電圧Vbを検出する。電流センサ22は、組電池10に入出力される電流Ibを検出する。温度センサ23は、電池ブロックの温度Tbを検出する。各センサは、その検出結果をECU30に出力する。なお、電圧センサ21は、電池ブロックの電圧を検出してもよい。電圧ブロックの電圧を単電池数で割ることにより、単電池11の電圧Vbを算出することができる。また、温度センサ23は、各単電池11の温度を検出してもよいし、組電池10全体の温度を検出してもよい。 The voltage sensor 21 detects the voltage Vb of each cell 11. The current sensor 22 detects the current Ib input / output to / from the assembled battery 10. The temperature sensor 23 detects the temperature Tb of the battery block. Each sensor outputs the detection result to the ECU 30. The voltage sensor 21 may detect the voltage of the battery block. The voltage Vb of the cell 11 can be calculated by dividing the voltage of the voltage block by the number of cells. Further, the temperature sensor 23 may detect the temperature of each cell 11 or the temperature of the entire assembled battery 10.

ECU30は、CPU(Central Processing Unit)31と、メモリ(ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory))32と、入出力バッファ(図示せず)とを含んで構成される。ECU30は、各センサから受ける信号ならびにメモリ32に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、車両100および電池システム200が所望の状態となるように各機器を制御する。ECU30により実行される主要な処理として、単電池11の正極電位Vおよび負極電位Vを算出する「電位算出処理」が挙げられるが、この処理については後述する。 The ECU 30 includes a CPU (Central Processing Unit) 31, a memory (ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory)) 32, and an input / output buffer (not shown). The ECU 30 controls each device so that the vehicle 100 and the battery system 200 are in a desired state based on the signal received from each sensor and the map and program stored in the memory 32. As a main process executed by the ECU 30, there is a “potential calculation process” for calculating the positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 of the cell 11, and this process will be described later.

図2は、単電池11の構成を示す図である。各単電池11の構成は共通であるため、図2では1つの単電池11のみを代表的に示す。単電池11は、たとえば角形密閉式のセルであり、ケース12と、ケース12に設けられた安全弁13と、ケース12内に収容された電極体14および電解液(図示せず)とを含む。なお、図2ではケース12の一部を透視して電極体14を示している。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the cell 11. Since the configuration of each cell 11 is common, only one cell 11 is typically shown in FIG. The cell 11 is, for example, a square sealed cell, and includes a case 12, a safety valve 13 provided in the case 12, an electrode body 14 housed in the case 12, and an electrolytic solution (not shown). In FIG. 2, a part of the case 12 is seen through to show the electrode body 14.

ケース12は、いずれも金属からなるケース本体121および蓋体122を含み、ケース本体121に設けられた開口上で蓋体122が全周溶接されることにより密閉されている。安全弁13は、ケース12内部の圧力が所定値を超えると、ケース12内部のガス(水素ガス等)の一部を外部に排出する。電極体14は、正極141と、負極142と、セパレータ143とを含む。正極141は袋状のセパレータ143内に挿入されており、セパレータ143内に挿入された正極141と、負極142とが交互に積層されている。正極141および負極142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ている。 The case 12 includes a case main body 121 and a lid body 122 made of metal, and is sealed by welding the lid body 122 all around the opening provided in the case main body 121. When the pressure inside the case 12 exceeds a predetermined value, the safety valve 13 discharges a part of the gas (hydrogen gas, etc.) inside the case 12 to the outside. The electrode body 14 includes a positive electrode 141, a negative electrode 142, and a separator 143. The positive electrode 141 is inserted in the bag-shaped separator 143, and the positive electrode 141 inserted in the separator 143 and the negative electrode 142 are alternately laminated. The positive electrode 141 and the negative electrode 142 are electrically connected to a positive electrode terminal and a negative electrode terminal (not shown), respectively.

電極体14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141には、水酸化ニッケル(水酸化ニッケル(II)(Ni(OH))またはオキシ水酸化ニッケル(III)(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142には、水素吸蔵合金を含む電極板が用いられる。セパレータ143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)を含むアルカリ水溶液が用いられる。 Various conventionally known materials can be used as the material of the electrode body 14 and the electrolytic solution. In the present embodiment, as an example, the positive electrode active material layer containing nickel hydroxide (nickel hydroxide (II) (Ni (OH) 2 ) or nickel oxyhydroxide (III) (NiOOH)) is contained in the positive electrode 141. And an electrode plate containing an active material support such as nickel foam. An electrode plate containing a hydrogen storage alloy is used for the negative electrode 142. As the separator 143, a non-woven fabric made of a hydrophilized synthetic fiber is used. As the electrolytic solution, an alkaline aqueous solution containing potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH) is used.

<充放電制御>
電池システム200においては、単電池11の正極電位Vおよび負極電位Vの各々が電位算出処理により算出される。正極電位Vとは、単電池11が通電状態にあるときの単電池11の正極141の電位である。負極電位Vとは、単電池11が通電状態にあるときの単電池11の負極142の電位である。一方、単電池11が非通電状態(無負荷状態)にあるとき、単電池11の正極141の電位を正極開放電位Uと言い、負極142の電位を負極開放電位Uと言う。
<Charging / discharging control>
In the battery system 200, each of the positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 of the cell 11 is calculated by the potential calculation process. The positive electrode potential V 1 is the potential of the positive electrode 141 of the cell 11 when the cell 11 is energized. The negative electrode potential V 2 is the potential of the negative electrode 142 of the cell 11 when the cell 11 is energized. On the other hand, when the cell 11 is in the non-energized state (no load state), the potential of the positive electrode 141 of the cell 11 is referred to as the positive electrode open potential U 1, and the potential of the negative electrode 142 is referred to as the negative electrode open potential U 2 .

メモリ効果が生じると、その発生度合いに応じて正極開放電位Uが変化する。この場合、正極開放電位Uは、メモリ効果が生じていない初期状態での正極開放電位である「初期電位」Eと、正極開放電位Uの初期電位Eからのメモリ効果による電位変化量である「メモリ量」Mとの和により表される。また、単電池11の充放電時には、単電池11の抵抗成分に応じた電位変化量である「過電圧」ηについても考慮しなくてはならない(後述の式(10)参照)。したがって、下記式(1)に示すように、正極電位Vは、初期電位Eと、メモリ量Mと、過電圧ηとの和により表される。

Figure 0006834416
When the memory effect occurs, the positive electrode open potential U 1 changes according to the degree of occurrence. In this case, the positive electrode open-circuit potential U 1 is a positive electrode open-circuit potential in the initial state in which the memory effect has not occurred "initial potential" E 1, the potential change due to the memory effect from the initial potential E 1 of the positive electrode open-circuit potential U 1 It is represented by the sum of the quantity "memory amount" M. Further, when charging / discharging the cell 11, it is necessary to consider the “overvoltage” η 1 which is the amount of potential change according to the resistance component of the cell 11 (see the formula (10) described later). Therefore, as shown in the following equation (1), the positive electrode potential V 1 is represented by the sum of the initial potential E 1 , the memory amount M, and the overvoltage η 1.
Figure 0006834416

一方、単電池11の負極142ではメモリ効果については特に考慮しなくてよい。したがって、下記式(2)に示すように、負極電位Vは、負極開放電位Uと、過電圧ηとの和により表される。

Figure 0006834416
On the other hand, in the negative electrode 142 of the cell 11, the memory effect need not be particularly considered. Therefore, as shown in the following equation (2), the negative electrode potential V 2 is represented by the sum of the negative electrode open potential U 2 and the overvoltage η 2.
Figure 0006834416

単電池11の充電時には、正極電位Vが正極開放電位Uよりも過電圧ηだけ高くなり、負極電位Vが負極開放電位Uよりも過電圧ηだけ低くなる。一方、単電池11の放電時には、正極電位Vが正極開放電位Uよりも過電圧ηだけ低くなり、負極電位Vが負極開放電位Uよりも過電圧ηだけ高くなる。電池システム200では、正極電位Vおよび負極電位Vのうちの少なくとも一方が過度に低くなったり高くなったりした場合に、電極劣化を抑制するために単電池11の充放電が通常時と比べて抑制される。 When the cell 11 is charged, the positive electrode potential V 1 becomes higher than the positive electrode open potential U 1 by an overvoltage η 1, and the negative electrode potential V 2 becomes lower than the negative electrode open potential U 2 by an overvoltage η 2. On the other hand, when the cell 11 is discharged, the positive electrode potential V 1 is lower than the positive electrode open potential U 1 by an overvoltage η 1, and the negative electrode potential V 2 is higher than the negative electrode open potential U 2 by an overvoltage η 2. In the battery system 200, compared with the case where at least one of the positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 is or higher may become too low, the charge and discharge of the cells 11 in order to suppress the electrode deterioration and normal Is suppressed.

図3は、単電池11の充電時の制御を示すフローチャートである。図3および後述する図4に示すフローチャートの処理は、所定の条件が成立する度または所定の演算周期毎にメインルーチン(図示せず)から呼び出されて実行される。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ECU30によるソフトウェア処理によって実現されるが、その一部または全部がECU30内に作製されたハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。 FIG. 3 is a flowchart showing control during charging of the cell 11. The processing of the flowchart shown in FIG. 3 and FIG. 4 to be described later is called and executed from the main routine (not shown) every time a predetermined condition is satisfied or at a predetermined calculation cycle. Each step (hereinafter abbreviated as "S") included in these flowcharts is basically realized by software processing by the ECU 30, but a part or all of the hardware (electric circuit) manufactured in the ECU 30. May be realized by.

S11において、ECU30は、電位算出処理を実行することにより、単電池11の正極電位Vおよび負極電位Vを算出する。電位算出処理については後に詳細に説明する。 In S11, ECU 30 executes the potential calculating process to calculate the positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 of the cells 11. The potential calculation process will be described in detail later.

S12において、ECU30は、正極電位Vが所定の上限電位ULよりも高いか否かを判定する。正極電位Vが過度に高くなると、NiHの生成等の劣化反応が生じ得る。上限電位ULとは、そのような劣化反応が生じないように実験等により予め定められた電位である。 In S12, the ECU 30 determines whether or not the positive electrode potential V 1 is higher than the predetermined upper limit potential UL 1. If the positive electrode potential V 1 becomes excessively high, a deterioration reaction such as the formation of Ni 2 O 3 H may occur. The upper limit potential UL 1 is a potential predetermined by experiments or the like so that such a deterioration reaction does not occur.

正極電位Vが上限電位UL以下の場合(S12においてNO)、ECU30は、処理をS13に進め、負極電位Vが所定の下限電位LL未満であるか否かをさらに判定する。下限電位LLとは、単電池11の負極での劣化反応が生じないように実験等により予め定められた電位である。 When the positive electrode potential V 1 is equal to or less than the upper limit potential UL 1 (NO in S12), the ECU 30 advances the process to S13 and further determines whether or not the negative electrode potential V 2 is less than the predetermined lower limit potential LL 2. The lower limit potential LL 2 is a potential predetermined by an experiment or the like so that a deterioration reaction does not occur at the negative electrode of the cell 11.

正極電位Vが上限電位UL以下であり(S12においてNO)、かつ負極電位Vが下限電位LL以上である場合(S13においてNO)、ECU30は、処理をメインルーチンへと戻す。 When the positive electrode potential V 1 is equal to or lower than the upper limit potential UL 1 (NO in S12) and the negative electrode potential V 2 is equal to or higher than the lower limit potential LL 2 (NO in S13), the ECU 30 returns the process to the main routine.

これに対し、正極電位Vが上限電位ULよりも高い場合(S12においてYES)または負極電位Vが下限電位LL未満である場合(S13においてYES)には、ECU30は、通常の充電時(正極電位Vが上限電位UL以下であり、かつ負極電位Vが下限電位LL以上である場合)と比べて、単電池11の充電を抑制する。具体的には、ECU30は、通常の充電時と比べて、単電池11の充電を許容する充電電力上限値Win(の大きさ)を小さく設定する(S14)。 On the other hand, when the positive electrode potential V 1 is higher than the upper limit potential UL 1 (YES in S12) or the negative electrode potential V 2 is less than the lower limit potential LL 2 (YES in S13), the ECU 30 is charged normally. Compared with the time (when the positive electrode potential V 1 is the upper limit potential UL 1 or less and the negative electrode potential V 2 is the lower limit potential LL 2 or more), the charging of the cell 11 is suppressed. Specifically, the ECU 30 sets the charging power upper limit value Win (magnitude) that allows charging of the cell 11 to be smaller than that during normal charging (S14).

充電電力上限値Winが低く設定されることにより、過電圧η,ηの大きさが小さくなるので、正極電位Vの過度の上昇が抑制されるとともに、負極電位Vの過度の低下が抑制される。これにより、正極電位Vが上限電位UL以下であり、かつ負極電位Vが下限電位LL以上である状態(通常の充電時の状態)が実現される。よって、正極141および負極142での劣化反応の発生を抑制することができる。 By setting the upper limit value Win of the charging power to be low , the magnitudes of the overvoltages η 1 and η 2 become small, so that the excessive rise of the positive electrode potential V 1 is suppressed and the negative electrode potential V 2 is excessively lowered. It is suppressed. As a result, a state in which the positive electrode potential V 1 is equal to or lower than the upper limit potential UL 1 and the negative electrode potential V 2 is equal to or higher than the lower limit potential LL 2 (a state during normal charging) is realized. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of deterioration reactions at the positive electrode 141 and the negative electrode 142.

図4は、単電池11の放電時の制御を示すフローチャートである。S21において、ECU30は、電位算出処理により、単電池11の正極電位Vおよび負極電位Vを算出する。この処理は、単電池11の充電時におけるS11の処理(図3参照)と同等である。 FIG. 4 is a flowchart showing the control of the cell 11 when it is discharged. In S21, ECU 30 is the potential calculating process to calculate the positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 of the cells 11. This process is equivalent to the process of S11 (see FIG. 3) when charging the cell 11.

S22において、ECU30は、負極電位Vが所定の上限電位ULよりも高いか否かを判定する。負極電位Vが過度に高くなると、負極活物質の劣化反応が生じ得る。上限電位ULとは、そのような劣化反応が生じないように実験等により予め定められた電位である。 In S22, the ECU 30 determines whether or not the negative electrode potential V 2 is higher than the predetermined upper limit potential UL 2. If the negative electrode potential V 2 becomes excessively high, a deterioration reaction of the negative electrode active material may occur. The upper limit potential UL 2 is a potential predetermined by an experiment or the like so that such a deterioration reaction does not occur.

負極電位Vが上限電位UL以下の場合(S22においてNO)、ECU30は、処理をS23に進め、正極電位Vが所定の下限電位LL未満であるか否かをさらに判定する。正極電位Vが過度に低くなると、正極141に含まれる材料(たとえばコバルト等)の劣化反応(溶出など)が生じ得る。下限電位LLとは、そのような劣化反応が生じないように実験等により予め定められた電位である。 When the negative electrode potential V 2 is equal to or less than the upper limit potential UL 2 (NO in S22), the ECU 30 advances the process to S23 and further determines whether or not the positive electrode potential V 1 is less than the predetermined lower limit potential LL 1. If the positive electrode potential V 1 becomes excessively low, a deterioration reaction (elution or the like) of the material (for example, cobalt or the like) contained in the positive electrode 141 may occur. The lower limit potential LL 1 is a potential predetermined by an experiment or the like so that such a deterioration reaction does not occur.

負極電位Vが上限電位UL以下であり(S22においてNO)、かつ正極電位Vが下限電位LL以上である場合(S23においてNO)、ECU30は、処理をメインルーチンへと戻す。 When the negative electrode potential V 2 is equal to or lower than the upper limit potential UL 2 (NO in S22) and the positive electrode potential V 1 is equal to or higher than the lower limit potential LL 1 (NO in S23), the ECU 30 returns the process to the main routine.

これに対し、負極電位Vが上限電位ULよりも高い場合(S22においてYES)または正極電位Vが下限電位LL未満である場合(S23においてYES)には、ECU30は、通常の放電時(負極電位Vが上限電位UL以下であり、かつ正極電位Vが下限電位LL以上である場合)と比べて、単電池11の放電を抑制する。具体的には、ECU30は、通常の放電時と比べて、単電池11の放電を許容する放電電力上限値Wout(の大きさ)を小さく設定する(S24)。 On the other hand, when the negative electrode potential V 2 is higher than the upper limit potential UL 2 (YES in S22) or the positive electrode potential V 1 is less than the lower limit potential LL 1 (YES in S23), the ECU 30 discharges normally. Compared with the time (when the negative electrode potential V 2 is the upper limit potential UL 2 or less and the positive electrode potential V 1 is the lower limit potential LL 1 or more), the discharge of the cell 11 is suppressed. Specifically, the ECU 30 sets the discharge power upper limit value Wout (magnitude) that allows the discharge of the cell 11 to be smaller than that at the time of normal discharge (S24).

放電電力上限値Woutが低く設定されることにより、過電圧η,ηの大きさが小さくなるので、正極電位Vの過度の低下が抑制されるとともに、負極電位Vの過度の上昇が抑制される。これにより、負極電位Vが上限電位UL以下であり、かつ正極電位Vが下限電位LL以上である状態(通常の放電時の状態)が実現される。よって、正極141および負極142での劣化反応の発生を抑制することができる。 By setting the discharge power upper limit value Wout to a low value , the magnitudes of the overvoltages η 1 and η 2 become small, so that an excessive decrease in the positive electrode potential V 1 is suppressed and an excessive increase in the negative electrode potential V 2 is suppressed. It is suppressed. As a result, a state in which the negative electrode potential V 2 is equal to or lower than the upper limit potential UL 2 and the positive electrode potential V 1 is equal to or higher than the lower limit potential LL 1 (normal discharge state) is realized. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of deterioration reactions at the positive electrode 141 and the negative electrode 142.

<電池モデル>
次に、正極電位Vおよび負極電位Vの算出に用いられる電池モデルについて詳細に説明する。
<Battery model>
Next, the battery model used for calculating the positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 will be described in detail.

図5は、本実施の形態における電池モデルの概念図である。ニッケル水素電池の正極は、球状の正極活物質の集合体を含み、負極は、球状の負極活物質の集合体を含む。ニッケル水素電池の放電時には、負極活物質と電解液との界面では水素イオン(プロトン、Hで示す)および電子(eで示す)が放出される一方で、正極活物質と電解液との界面では水素イオンおよび電子が吸収される。ニッケル水素電池の充電時には、水素イオンおよび電子の放出/吸収に関し、上記反応とは逆の反応が起こる。 FIG. 5 is a conceptual diagram of the battery model according to the present embodiment. The positive electrode of the nickel-metal hydride battery contains an aggregate of spherical positive electrode active materials, and the negative electrode contains an aggregate of spherical negative electrode active materials. When the nickel hydrogen battery is discharged, hydrogen ions (protons, indicated by H + ) and electrons ( indicated by e − ) are emitted at the interface between the negative electrode active material and the electrolytic solution, while the positive electrode active material and the electrolytic solution are discharged. Hydrogen ions and electrons are absorbed at the interface. When charging a nickel-metal hydride battery, a reaction opposite to the above reaction occurs with respect to the release / absorption of hydrogen ions and electrons.

一般に、車載用のECUの演算能力は、研究開発用の演算装置の演算能力と比べると低いので、車載用である電池システム200においては、ECU30の演算負荷を低減することが求められる。したがって、本実施の形態においては、以下のように電池モデルが単純化される。すなわち、正極141には多数の正極活物質が含まれるところ、各正極活物質における電気化学反応が均一であるとの仮定の下に、多数の正極活物質を単一の正極活物質(正極活物質モデル)151で代表させる。同様に、負極142に含まれる多数の負極活物質における電気化学反応が均一であるとの仮定の下に、多数の負極活物質を単一の負極活物質(負極活物質モデル)152で代表させる。このように単純化された活物質モデルを採用した上で、正極活物質151の内部における水素濃度分布と、負極活物質152の内部における水素濃度分布とが算出される。 In general, the computing power of the vehicle-mounted ECU is lower than the computing power of the research and development computing device. Therefore, in the vehicle-mounted battery system 200, it is required to reduce the computing load of the ECU 30. Therefore, in the present embodiment, the battery model is simplified as follows. That is, when the positive electrode 141 contains a large number of positive electrode active materials, a large number of positive electrode active materials are combined with a single positive electrode active material (positive electrode activity) under the assumption that the electrochemical reaction in each positive electrode active material is uniform. Material model) 151 is represented. Similarly, under the assumption that the electrochemical reaction in a large number of negative electrode active materials contained in the negative electrode 142 is uniform, a large number of negative electrode active materials are represented by a single negative electrode active material (negative electrode active material model) 152. .. After adopting the active material model simplified in this way, the hydrogen concentration distribution inside the positive electrode active material 151 and the hydrogen concentration distribution inside the negative electrode active material 152 are calculated.

図6は、電池モデルに使用されるパラメータ(変数および定数)を説明するための図である。以下に説明するパラメータでは、特許文献1等と同様に、添字eが付されたものは電解液中の値であることを意味し、添字sが付されたものは活物質中の値であることを意味する。添字jは、正極および負極を区別するためのものであり、j=1の場合には正極活物質151における値であることを意味し、j=2の場合には負極活物質152における値であることを意味する。添字jが省略された場合には、は正極活物質151および負極活物質152における値を包括的に表している。 FIG. 6 is a diagram for explaining parameters (variables and constants) used in the battery model. In the parameters described below, as in Patent Document 1 and the like, those with the subscript e mean the values in the electrolytic solution, and those with the subscript s are the values in the active material. Means that. The subscript j is for distinguishing between the positive electrode and the negative electrode, and when j = 1, it means that it is the value in the positive electrode active material 151, and when j = 2, it is the value in the negative electrode active material 152. It means that there is. When the subscript j is omitted, indicates the values in the positive electrode active material 151 and the negative electrode active material 152 comprehensively.

図7は、正極活物質151の内部における水素濃度分布の算出手法を説明するための図である。本電池モデルにおいては、球状の正極活物質151の内部にて、極座標の周方向の水素濃度分布は一様と仮定され、径方向の水素濃度分布のみが考慮される。言い換えると、正極活物質151は、水素の移動方向を径方向に限定した1次元モデルである。 FIG. 7 is a diagram for explaining a method for calculating the hydrogen concentration distribution inside the positive electrode active material 151. In this battery model, it is assumed that the hydrogen concentration distribution in the circumferential direction of the polar coordinates is uniform inside the spherical positive electrode active material 151, and only the hydrogen concentration distribution in the radial direction is considered. In other words, the positive electrode active material 151 is a one-dimensional model in which the moving direction of hydrogen is limited to the radial direction.

正極活物質151は、その径方向にN個(N:2以上の自然数)の領域に仮想的に分割され、各領域が添字k(k=1〜N)により区別される。領域kにおける水素濃度cs1kは、正極活物質151の径方向における領域kの位置r1kと、時間tとの関数として表される(下記式(3)参照)。

Figure 0006834416
The positive electrode active material 151 is virtually divided into N regions (N: 2 or more natural numbers) in the radial direction, and each region is distinguished by a subscript k (k = 1 to N). The hydrogen concentration c s1k in region k, and the position r 1k region k in the radial direction of the positive electrode active material 151, is expressed as a function of the time t (the following formula (3) refer).
Figure 0006834416

詳細な手法については後述するが、本実施の形態では、各領域kについて、水素濃度cs1kが算出され(すなわち濃度分布が算出され)、さらに、算出された水素濃度cs1kが規格化される。具体的には、下記式(4)に示すように、水素の最大濃度(限界水素濃度)cs1,maxに対する、領域kにおける水素濃度cs1kの比率が算出される。なお、限界水素濃度cs1,maxは既知であるとする。

Figure 0006834416
Although details will be described later approach, in the present embodiment, for each area k, the hydrogen concentration c s1k is calculated (i.e. the concentration distribution is calculated), further, the calculated hydrogen concentration c s1k is normalized .. Specifically, as shown in the following formula (4), for the maximum concentration (limit hydrogen concentration) c s1, max of hydrogen, the ratio of hydrogen concentration c s1k in the region k is calculated. It is assumed that the critical hydrogen concentrations cs1 and max are known.
Figure 0006834416

以下では、規格化後の値であるθ1kを領域kの「局所水素量」と称する。局所水素量θ1kは、規格化された値であり、正極活物質151の領域kに存在する水素の量に応じて0〜1の範囲内で変化し得る。 Hereinafter, the value θ 1k after standardization is referred to as the “local hydrogen amount” in the region k. The local hydrogen amount θ 1k is a standardized value and can change in the range of 0 to 1 depending on the amount of hydrogen present in the region k of the positive electrode active material 151.

また、k=Nである最外周領域N(すなわち正極活物質151の表面)における局所水素量θ1Nを「表面水素量」と称する。さらに、下記式(5)に示すように、全領域k(k=1〜N)の局所水素量θ1kの平均量を「平均水素量」と称し、θ1,aveで表す。

Figure 0006834416
Further, the local hydrogen amount θ 1N in the outermost peripheral region N (that is, the surface of the positive electrode active material 151) where k = N is referred to as “surface hydrogen amount”. Further, as shown in the following formula (5), the average amount of the local hydrogen amount θ 1k in the entire region k (k = 1 to N) is referred to as “average hydrogen amount” and is represented by θ 1, ave.
Figure 0006834416

図7では正極活物質151を例に説明したが、負極活物質152の内部における水素濃度(の分布)cs2kおよび局所水素量(の分布)θ2kの算出手法についても同等である。なお、正極活物質151と負極活物質152とでは領域の分割数が異なってもよいが、本実施の形態では説明の簡易化のため、分割数がいずれもNであるとする。 In FIG. 7, the positive electrode active material 151 has been described as an example, but the calculation method of the hydrogen concentration (distribution) cs2k and the local hydrogen amount (distribution) θ 2k inside the negative electrode active material 152 is also the same. The positive electrode active material 151 and the negative electrode active material 152 may have different numbers of divisions, but in the present embodiment, the number of divisions is assumed to be N for simplification of description.

図8は、開放電位と局所水素量との関係を示す図である。図8(A)には、正極活物質151の表面水素量θ1Nと、正極開放電位の初期電位E(メモリ効果が生じていない状態での正極開放電位U)との関係を示す。図8(B)には、負極活物質152の表面水素量θ2Nと、負極開放電位Uとの関係を示す。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the open potential and the amount of local hydrogen. FIG. 8A shows the relationship between the surface hydrogen amount θ 1N of the positive electrode active material 151 and the initial potential E 1 of the positive electrode open potential (positive electrode open potential U 1 in the state where the memory effect does not occur). FIG. 8B shows the relationship between the surface hydrogen amount θ 2N of the negative electrode active material 152 and the negative electrode open potential U 2.

図8(A)および図(B)に示すように、初期電位Eおよび負極開放電位Uは、表面水素量θ1Nおよび表面水素量θ2Nにそれぞれ依存して変化する特性を有する。そのため、単電池11の初期状態(たとえば製造直後の状態)において、表面水素量θ1Nと初期電位Eとの関係、および表面水素量θ2Nと負極開放電位Uとの関係を測定することにより、表面水素量θ1Nの変化に対する初期電位Eの変化特性、および表面水素量θ2Nの変化に対する負極開放電位Uの変化特性を規定したマップMP1を作成し、メモリ32に記憶させておく。ECU30は、マップMP1を参照することによって、表面水素量θ1N,θ2Nから初期電位Eおよび負極開放電位Uをそれぞれ算出することができる。なお、マップMP1に代えて、データテーブルまたは関数を用いてもよい。 As shown in FIGS. 8A and 8B, the initial potential E 1 and the negative electrode open potential U 2 have the property of changing depending on the surface hydrogen amount θ 1N and the surface hydrogen amount θ 2N, respectively. Therefore, in the initial state of the cell 11 (for example, the state immediately after production), the relationship between the surface hydrogen amount θ 1N and the initial potential E 1 and the relationship between the surface hydrogen amount θ 2N and the negative electrode open potential U 2 are measured. Accordingly, to create a map MP1 which defines change characteristics of the negative electrode open-circuit potential U 2 with respect to the initial change in the characteristics of the potential E 1, and the change of the surface amount of hydrogen theta 2N relative surface amount of hydrogen theta change in 1N, and stored in the memory 32 deep. The ECU 30 can calculate the initial potential E 1 and the negative electrode open potential U 2 from the surface hydrogen amounts θ 1N and θ 2N , respectively, by referring to the map MP1. A data table or a function may be used instead of the map MP1.

<ニッケル水素電池のメモリ効果>
図8に示したマップMP1(特に図8(A)参照)にはメモリ効果の影響が反映されていないので、正極開放電位Uにメモリ効果の影響を反映させるための手法について以下に詳細に説明する。
<Memory effect of nickel-metal hydride batteries>
Since the map MP1 (especially FIG. 8 (A) refer) shown in Figure 8 does not reflect the influence of the memory effect, in detail below method to reflect the influence of the memory effect in the positive electrode open-circuit potential U 1 explain.

図9は、メモリ効果による正極開放電位Uの変化の一例を示す図である。メモリ効果が生じていない状態(初期状態)における正極開放電位U(=初期電位E)を1点鎖線で表し、メモリ効果が生じた状態における正極開放電位Uを実線で表す。 Figure 9 is a diagram showing an example of a change in the positive electrode open-circuit potential U 1 by the memory effect. The positive electrode open potential U 1 (= initial potential E 1 ) in the state where the memory effect does not occur (initial state) is represented by a alternate long and short dash line, and the positive electrode open potential U 1 in the state where the memory effect occurs is represented by a solid line.

図9(A)において、横軸は単電池11のSOCを示し、縦軸は電位を示す。単電池11がある程度の期間、放置された後に放電された場合、正極開放電位Uは、放電側のメモリ効果によって初期電位Eよりも低くなる。この放電側のメモリ効果による電位差(放電曲線間の電位差)を「放電メモリ量」Mdcと称する。 In FIG. 9A, the horizontal axis represents the SOC of the cell 11 and the vertical axis represents the potential. When the cell 11 is discharged after being left for a certain period of time, the positive electrode open potential U 1 becomes lower than the initial potential E 1 due to the memory effect on the discharge side. The potential difference (potential difference between discharge curves) due to the memory effect on the discharge side is referred to as "discharge memory amount" Mdc.

図示しないが、単電池11の充電時には、充電側のメモリ効果によって、正極開放電位Uが初期電位Eよりも高くなる。この充電側のメモリ効果による電位差(充電曲線間の電位差)を「充電メモリ量」Mchと称する。式(1)にて説明したメモリ量Mとは、放電メモリ量Mdcおよび充電メモリ量Mchを包括的に表すものである。 Although not shown, when the cell 11 is charged, the positive electrode open potential U 1 becomes higher than the initial potential E 1 due to the memory effect on the charging side. The potential difference (potential difference between charging curves) due to the memory effect on the charging side is referred to as "charging memory amount" Mch. The memory amount M described in the formula (1) comprehensively represents the discharge memory amount Mdc and the charge memory amount Mch.

図9(A)は、メモリ効果による正極開放電位Uの変化をSOCに対して示す図である。これに対し、本実施の形態では、図9(B)に示すように、横軸がSOCから正極活物質151の平均水素量θ1,aveへと変更される。このように、メモリ効果の影響を考慮する際の視点(切り口)をSOCから平均水素量θ1,aveへと変えることにより、水素濃度分布(局所水素量分布)とメモリ量Mとの橋渡しが可能になるためである。 9 (A) is a diagram showing a change in the positive electrode open-circuit potential U 1 by the memory effect on SOC. On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 9B, the horizontal axis is changed from SOC to the average hydrogen amount θ 1, ave of the positive electrode active material 151. In this way, by changing the viewpoint (cut) when considering the effect of the memory effect from SOC to the average hydrogen amount θ 1, ave , the bridge between the hydrogen concentration distribution (local hydrogen amount distribution) and the memory amount M can be achieved. This is to be possible.

なお、単電池11の放電時には、正極活物質151内の水素濃度cs1が高くなるので(図5参照)、平均水素量θ1,aveが増加する。つまり、SOCの変化方向と平均水素量θ1,aveの変化方向とは、逆である。 When the cell 11 is discharged, the hydrogen concentration cs1 in the positive electrode active material 151 increases (see FIG. 5), so that the average hydrogen amount θ 1, ave increases. That is, the changing direction of SOC and the changing direction of average hydrogen amount θ 1, ave are opposite to each other.

単電池11が使用されているときの平均水素量(ここでは放電開始前の平均水素量)を「使用水素量」θと称する。放電側のメモリ効果は、使用水素量θよりも高い平均水素量θ1,aveの範囲で生じる。放電メモリ量Mdcの大きさは、平均水素量θ1,ave(使用水素量θよりも多い平均水素量)によって異なる。図示しないが、充電メモリ量Mchの大きさも同様に、平均水素量θ1,ave(使用水素量θよりも少ない平均水素量)によって異なる。よって、以下、各平均水素量θ1,aveにおけるメモリ量M(Mdc,Mch)の具体的な算出手法について説明する。 The average amount of hydrogen when the cell 11 is used (here, the average amount of hydrogen before the start of discharge) is referred to as "amount of hydrogen used" θ 0. The memory effect on the discharge side occurs in the range of the average hydrogen amount θ 1, ave higher than the hydrogen amount used θ 0. The magnitude of the discharge memory amount Mdc differs depending on the average hydrogen amount θ 1, ave (the average hydrogen amount larger than the hydrogen amount used θ 0). Although not shown, the magnitude of the charge memory amount Mch also differs depending on the average hydrogen amount θ 1, ave (the average hydrogen amount less than the hydrogen amount used θ 0). Therefore, a specific calculation method of the memory amount M (Mdc, Mch) at each average hydrogen amount θ 1, ave will be described below.

<微小メモリ量の積算>
図10は、単電池11の使用に伴いメモリ量Mが増加する様子を示す図である。図10において、横軸は単電池11の初期状態からの経過時間を示し、縦軸はメモリ量M(の大きさ)を示す。
<Integration of minute memory amount>
FIG. 10 is a diagram showing how the memory amount M increases with the use of the cell 11. In FIG. 10, the horizontal axis represents the elapsed time from the initial state of the cell 11, and the vertical axis represents the amount of memory M (magnitude).

本発明者らは、様々な使用条件下(たとえば温度Tb等が異なる条件下)で使用された単電池11に生じたメモリ量を評価する各種評価試験を実施し、単電池11の使用条件毎にメモリ量Mと経過時間との関係を示すデータを取得した。図10および後述する図11では、理解を容易にするため、3種類の使用条件A〜Cにそれぞれ対応する曲線L〜Lが取得された例について説明するが、実際には、より多くの使用条件について同様の曲線が取得される。上記評価試験の結果から、本発明者らは、ある期間が経過する間に生じたメモリ量Mは、たとえば所定の演算周期Δt毎に、Δtの間に生じたメモリ量である「微小メモリ量」ΔMを逐次算出し、微小メモリ量ΔMを積算することによって算出可能であることを見出した。また、本発明者らは、途中で変わっても微小メモリ量ΔMの積算が可能であることを見出した。 The present inventors have conducted various evaluation tests for evaluating the amount of memory generated in the cell 11 used under various usage conditions (for example, under conditions where the temperature Tb and the like are different), and for each usage condition of the cell 11. Data showing the relationship between the amount of memory M and the elapsed time was acquired. In Figure 11 Figure 10 and described below, for ease of understanding, an example will be described in which the curve L A ~L C is acquired respectively corresponding to the three operating conditions A through C, in fact, more A similar curve is obtained for the conditions of use of. From the results of the above evaluation test, the present inventors have found that the amount of memory M generated during the elapse of a certain period is, for example, the amount of memory generated during Δt at each predetermined calculation cycle Δt. It was found that it can be calculated by sequentially calculating ΔM and integrating the minute memory amount ΔM. Further, the present inventors have found that the minute memory amount ΔM can be integrated even if it changes on the way.

図11は、微小メモリ量ΔMの積算を説明するための図である。図11において、横軸は、単電池11の初期状態からの経過時間を示す。縦軸は、上から順に、単電池11の使用条件(たとえば温度Tb)およびメモリ量Mの大きさを示す。ここでは、上図に示すように、演算周期Δtが経過する度に使用条件が判定され、使用条件がA,B,Cの順に変化した場合について説明する。 FIG. 11 is a diagram for explaining the integration of the minute memory amount ΔM. In FIG. 11, the horizontal axis indicates the elapsed time from the initial state of the cell 11. The vertical axis indicates the usage conditions (for example, temperature Tb) of the cell 11 and the magnitude of the memory amount M in order from the top. Here, as shown in the above figure, a case where the usage condition is determined each time the calculation cycle Δt elapses and the usage condition changes in the order of A, B, and C will be described.

まず、使用条件A下では曲線Lが参照され、演算周期Δt毎に微小メモリ量ΔMが算出され、さらに積算される。その結果、使用条件A下で生じたメモリ量Mは、Mとなる。 First, under use conditions A is referred to a curve L A, small amount of memory ΔM is calculated for each calculation cycle Delta] t, it is further integrated. As a result, the amount of memory M produced with the use condition A, the M A.

次に、時刻tbにおいて使用条件がAからBに変化すると、曲線L(図10に示した曲線Lを時間軸方向に平行移動した曲線)においてメモリ量M=Mの点から曲線Lが参照される。そして、演算周期Δt毎に微小メモリ量ΔMが算出され、さらに積算される。使用条件B下で生じたメモリ量MがMである場合、使用条件Bの終了時点でのメモリ量Mは、MとMとの和(M+M)となる。 Next, when the use conditions are changed from A to B at time tb, the curve L B curve in terms of memory capacity M = M A in (curve translating the curve L B shown in the time axis direction in FIG. 10) L B is referenced. Then, the minute memory amount ΔM is calculated for each calculation cycle Δt and further integrated. If the amount of memory M produced under conditions of use B is M B, the amount of memory M at the end of the use condition B is the sum of the M A and M B (M A + M B).

さらに、時刻tcにおいて使用条件がBからCに変化すると、曲線L(図10に示した曲線Lを時間軸方向に平行移動した曲線)においてメモリ量M=(M+M)の点から曲線Lが参照される。そして、演算周期Δt毎に微小メモリ量ΔMが算出され、さらに積算される。使用条件C下で生じたメモリ量MがMである場合、全期間で生じたメモリ量Mは、MとMとMとの和(M+M+M)となる。 Furthermore, the use conditions are changed from B to C at time tc, the curve L C terms of memory quantity M = (M B + M C) at (curve translating the curve L C shown in the time axis direction in FIG. 10) curve L C is referenced from. Then, the minute memory amount ΔM is calculated for each calculation cycle Δt and further integrated. If the amount of memory M generated under use conditions C is M C, amount of memory M generated in the entire period is the sum of the M A and M B and M C (M A + M B + M C).

このように、本実施の形態では、単電池11の使用条件が変化した場合に、微小メモリ量ΔMを算出するために参照する曲線を、ある曲線から他の曲線へと切り替える。切替前の曲線に従って算出されたメモリ量Mは、切替後にも引き継ぐことが可能である。そして、切替時点からは、切替後の曲線に従って微小メモリ量ΔMが算出され、切替前から引き継がれたメモリ量Mに積算されていく。なお、このような積算(曲線の引き継ぎ)が可能であるのは、ある曲線に従って算出されたメモリ量Mと、他の曲線に従って算出されたメモリ量Mとが等しい場合には、正極活物質151の状態が同じと考えられるためである。 As described above, in the present embodiment, when the usage conditions of the cell 11 change, the curve referred to for calculating the minute memory amount ΔM is switched from one curve to another. The memory amount M calculated according to the curve before switching can be inherited even after switching. Then, from the time of switching, the minute memory amount ΔM is calculated according to the curve after switching, and is integrated into the memory amount M inherited from before the switching. It should be noted that such integration (curve inheritance) is possible when the memory amount M calculated according to a certain curve and the memory amount M calculated according to another curve are equal to the positive electrode active material 151. This is because the state of is considered to be the same.

<平均水素量の範囲>
図9(B)にて説明したように、単電池11が使用されているときの使用水素量θから単電池11が充電された場合、使用水素量θよりも少ない平均水素量θ1,aveの範囲において、正極開放電位Uが初期状態と比べて充電メモリ量Mchだけ高くなる。一方、単電池11が放電された場合には、使用水素量θよりも多い平均水素量θ1,aveの範囲において、正極開放電位Uが初期状態と比べて放電メモリ量Mdcだけ低くなる。
<Range of average hydrogen amount>
As described with reference to FIG. 9B, when the cell 11 is charged from the amount of hydrogen used θ 0 when the cell 11 is used, the average amount of hydrogen θ 1 is less than the amount of hydrogen used θ 0. In the range of, ave , the positive electrode open potential U 1 is higher by the amount of charge memory Mch as compared with the initial state. On the other hand, when the cell 11 is discharged, the positive electrode open potential U 1 becomes lower by the discharge memory amount Mdc than in the initial state in the range of the average hydrogen amount θ 1, ave , which is larger than the hydrogen amount used θ 0. ..

このように、メモリ効果発生後の単電池11の充放電時に正極開放電位Uがどのように変化するかを算出するためには、使用水素量θを始点(基準点)とする充放電曲線を算出することを要する(たとえば図9(B)の実線参照)。この充放電曲線は、以下に説明するように、使用水素量θよりも多い平均水素量θ1,aveの範囲内の各値での放電メモリ量Mdcを算出するとともに、使用水素量θよりも少ない平均水素量θ1,aveの範囲内の各値での充電メモリ量Mchを算出することにより求めることができる。 In this way, in order to calculate how the positive electrode open potential U 1 changes during charging / discharging of the cell 11 after the memory effect occurs, charging / discharging with the amount of hydrogen used θ 0 as the starting point (reference point) It is necessary to calculate the curve (see, for example, the solid line in FIG. 9B). The charge-discharge curve, as described below, calculates the discharge amount of memory Mdc at each value within the range of greater than the amount of hydrogen used theta 0 average hydrogen amount theta 1, ave, the amount of hydrogen used theta 0 It can be obtained by calculating the charge memory amount Mch at each value within the range of the average hydrogen amount θ 1, ave , which is smaller than that.

図12は、メモリ効果発生後の充放電曲線の算出手法を概念的に説明するための図である。図12において、横軸は正極活物質151の平均水素量θ1,aveを示し、縦軸は電位を示す。 FIG. 12 is a diagram for conceptually explaining a method of calculating the charge / discharge curve after the memory effect occurs. In FIG. 12, the horizontal axis represents the average hydrogen amount θ 1, ave of the positive electrode active material 151, and the vertical axis represents the electric potential.

上述のように、メモリ量Mは平均水素量θ1,aveによって異なる。そのため、本実施の形態では、平均水素量θの範囲(0〜1の範囲)が、たとえば0.05ずつ20個の範囲に分割される。そして、20個の範囲毎に、所定の演算周期Δtが経過する度に単電池11の使用条件に応じて微小メモリ量ΔMが遂次算出され、算出された微小メモリ量Δtが積算されることによって、各範囲におけるメモリ量Mが算出される。 As described above, the memory amount M differs depending on the average hydrogen amount θ 1, ave. Therefore, in the present embodiment, the range of the average hydrogen amount θ 1 (range of 0 to 1) is divided into 20 ranges of, for example, 0.05 each. Then, every time a predetermined calculation cycle Δt elapses for each of the 20 ranges, the minute memory amount ΔM is continuously calculated according to the usage conditions of the cell 11, and the calculated minute memory amount Δt is integrated. The memory amount M in each range is calculated by.

単電池11の使用条件とは、より具体的には、演算周期Δtが経過する間の平均水素量θ1,aveと単電池11の絶対温度Tとの組合せ(θ1,ave,T)により定まる条件である。単電池11の使用条件(θ1,ave,T)毎に評価試験を予め行なうことにより、マップMP2を予め準備することができる。 More specifically, the usage condition of the cell 11 depends on the combination (θ 1, ave , T) of the average hydrogen amount θ 1, ave and the absolute temperature T of the cell 11 during the elapsed calculation cycle Δt. It is a fixed condition. The map MP2 can be prepared in advance by performing an evaluation test in advance for each usage condition (θ 1, ave, T) of the cell 11.

図13は、本実施の形態におけるマップMP2の概念図である。マップMP2では、20個の平均水素量θ1,aveの範囲毎に別個に、単電池11の使用条件(θ1,ave,T)と、その使用条件(θ1,ave,T)下で演算周期Δtが経過する間に生じる微小メモリ量ΔMとの対応関係を示すデータ(たとえば図10の曲線L〜L参照)が規定されている。なお、データ形式は特に限定されず、データテーブルまたは関数(関係式)であってもよい。 FIG. 13 is a conceptual diagram of the map MP2 in the present embodiment. In the map MP2, the average hydrogen amount of 20 pieces is separately set for each range of θ 1, ave under the usage conditions (θ 1, ave , T) of the cell 11 and the usage conditions (θ 1, ave , T). data indicating the correspondence relation between small memory amount ΔM occurring during the calculation period Δt has elapsed (see, for example, the curve L a ~L C in FIG. 10) is defined. The data format is not particularly limited, and may be a data table or a function (relational expression).

ECU30は、20個の平均水素量θ1,aveの範囲毎に、演算周期Δtの間の単電池11の使用条件(θ1,ave,T)に応じたデータ(曲線)を参照することで、演算周期Δtの間に新たに生じた微小メモリ量ΔMを算出する。さらに、ECU30は、20個の範囲毎に、それまでの全期間の微小メモリ量ΔMを積算することによってメモリ量Mを算出する。上述のように、途中で使用条件が変わった場合であっても微小メモリ量ΔMの積算が可能である。 The ECU 30 refers to the data (curve) according to the usage conditions (θ 1, ave , T) of the cell 11 during the calculation cycle Δt for each range of 20 average hydrogen amounts θ 1, ave. , The minute memory amount ΔM newly generated during the calculation cycle Δt is calculated. Further, the ECU 30 calculates the memory amount M by integrating the minute memory amount ΔM for the entire period up to that point for each of the 20 ranges. As described above, even if the usage conditions change in the middle, the minute memory amount ΔM can be integrated.

なお、平均水素量θ1,aveの範囲の分割数(上述の例では20個)および各範囲内での使用条件数に関し、できるだけ大きな値を用いることで、より詳細な評価試験結果をマップMP2に反映させることが可能になるので、メモリ量Mの算出精度が向上する。その一方で、分割数が過度に多くなったり使用条件数が過度に多くなったりすると、マップサイズ(マップMP2のデータ量)が増大し、メモリ32に必要な容量が大きくなるとともにCPU31の演算負荷が大きくなり得る。したがって、平均水素量θ1,aveの範囲の分割数および各範囲内での使用条件数は、メモリ量Mの算出精度とECU30の処理能力とのバランスが取れるように決定することが望ましい。 By using as large a value as possible regarding the number of divisions in the range of the average hydrogen amount θ 1, ave (20 in the above example) and the number of usage conditions in each range, a more detailed evaluation test result can be mapped MP2. The calculation accuracy of the memory amount M is improved because it can be reflected in. On the other hand, if the number of divisions becomes excessively large or the number of usage conditions becomes excessively large, the map size (the amount of data of the map MP2) increases, the capacity required for the memory 32 increases, and the computing load of the CPU 31 increases. Can be large. Therefore, it is desirable to determine the number of divisions in the range of the average hydrogen amount θ 1, ave and the number of usage conditions within each range so as to balance the calculation accuracy of the memory amount M and the processing capacity of the ECU 30.

<メモリ効果の解消>
単電池11の充放電が行なわれると、平均水素量θ1,aveの使用水素量θが変化する場合がある。このような場合には、以下のようにすることで、使用水素量θの変化を微小メモリ量ΔMの積算結果に反映させることができる。
<Elimination of memory effect>
When the cell 11 is charged and discharged, the average amount of hydrogen θ 1 and the amount of hydrogen used θ 0 of ave may change. In such a case, the change in the amount of hydrogen used θ 0 can be reflected in the integration result of the minute memory amount ΔM by doing the following.

図14は、使用水素量θを考慮した微小メモリ量ΔMの積算手法を説明するための図である。図14において、横軸は平均水素量θ1,aveを示し、縦軸はメモリ量Mを示す。ここでは、時刻t1から時刻t2までの期間には単電池11が放電され、その後、時刻t2から時刻t3までの期間には単電池11が充電された場合を例に説明する。 FIG. 14 is a diagram for explaining an integration method of a minute memory amount ΔM in consideration of the amount of hydrogen used θ 0. In FIG. 14, the horizontal axis represents the average hydrogen amount θ 1, ave , and the vertical axis represents the memory amount M. Here, a case will be described in which the cell cell 11 is discharged during the period from time t1 to time t2, and then the cell cell 11 is charged during the period from time t2 to time t3.

時刻t1までの微小メモリ量Δtの積算結果を図14上部に示す。放電側のメモリ効果は、使用水素量θよりも少ない平均水素量θ1,aveの範囲では生じず、使用水素量θよりも多い平均水素量θ1,aveの範囲でのみ生じる。したがって、放電メモリ量Mdcは、使用水素量θよりも多い平均水素量θ1,aveの範囲でのみ微小メモリ量ΔMを積算することによって算出される。一方、充電側のメモリ効果は、使用水素量θよりも多い平均水素量θ1,aveの範囲では生じず、使用水素量θよりも少ない平均水素量θ1,aveの範囲でのみ生じる。したがって、充電メモリ量Mchは、使用水素量θよりも少ない低い平均水素量θ1,aveの範囲でのみ微小メモリ量ΔMを積算することによって算出される。 The integration result of the minute memory amount Δt up to the time t1 is shown in the upper part of FIG. Memory effect of the discharge side, not occur with a small average amount of hydrogen theta 1, ave range than the amount of hydrogen used theta 0, it occurs only to the extent of more than the amount of hydrogen used theta 0 average hydrogen amount theta 1, ave. Therefore, the discharge memory amount Mdc is calculated by accumulating the minute memory amount ΔM only in the range of the average hydrogen amount θ 1, ave , which is larger than the hydrogen amount used θ 0. On the other hand, the memory effect of the charge side is not generated in the range of more than the amount of hydrogen used theta 0 average hydrogen amount theta 1, ave, occurs only in the range of less than the amount of hydrogen used theta 0 average hydrogen amount theta 1, ave .. Therefore, the charge memory amount Mch is calculated by accumulating the minute memory amount ΔM only in the range of the average hydrogen amount θ 1, ave , which is smaller than the hydrogen amount used θ 0.

時刻t1から時刻t2までの期間に単電池11が放電されると、使用水素量θが増加する。そうすると、増加後の使用水素量θよりも少ない平均水素量θ1,aveの範囲では、放電側のメモリ効果が解消され、放電メモリ量Mdcが0になる。ただし、増加後の使用水素量θにおける放電メモリ量Mdcは、直ちには解消されずに残る。これにより、たとえば図9(B)において、時刻t1における放電曲線が実線で示した曲線であった場合に、時刻t2においては、点線で示す(L(t=t2)で示す)ように放電曲線形状が変化する。 When the cell 11 is discharged during the period from time t1 to time t2, the amount of hydrogen used θ 0 increases. Then, in the range of the average hydrogen amount θ 1, ave , which is smaller than the increased hydrogen consumption amount θ 0 , the memory effect on the discharge side is eliminated and the discharge memory amount Mdc becomes 0. However, the amount of discharge memory Mdc at the amount of hydrogen used θ 0 after the increase remains unresolved immediately. As a result, for example, in FIG. 9B, when the discharge curve at time t1 is a curve shown by a solid line, at time t2, the discharge curve is shown by a dotted line (indicated by L (t = t2)). The shape changes.

逆に、時刻t2から時刻t3までの期間に単電池11が充電されると、使用水素量θが減少する。そうすると、減少後の使用水素量θよりも多い平均水素量θ1,aveの範囲では、充電側のメモリ効果が解消され、充電メモリ量Mchが0になる。ただし、減少後の使用水素量θにおける充電メモリ量Mchは、直ちには解消されずに残る。 On the contrary, when the cell 11 is charged during the period from the time t2 to the time t3, the amount of hydrogen used θ 0 decreases. Then, in the range of the average hydrogen amount θ 1, ave , which is larger than the reduced hydrogen consumption amount θ 0 , the memory effect on the charging side is eliminated, and the charging memory amount Mch becomes 0. However, the charge memory amount Mch at the reduced hydrogen consumption amount θ 0 remains without being immediately eliminated.

このように、本実施の形態では、平均水素量θ1、aveの20個の範囲毎に、単電池11の使用条件(θ1,ave,T)に応じた微小メモリ量ΔMを遂次算出し、算出された微小メモリ量ΔMを積算する処理が繰り返し実行される。この積算の際には、平均水素量θ1,aveの使用水素量θがどのように変化したかに応じて、それまでの積算量が0にリセットされる。 As described above, in the present embodiment, the minute memory amount ΔM according to the usage conditions (θ 1, ave , T) of the cell 11 is continuously calculated for each of the 20 ranges of the average hydrogen amount θ 1 and ave. Then, the process of accumulating the calculated minute memory amount ΔM is repeatedly executed. At the time of this integration, the integrated amount up to that point is reset to 0 according to how the average hydrogen amount θ 1, ave used hydrogen amount θ 0 changes.

<機能ブロック>
図15は、本実施の形態における電位算出処理に関するECU30の機能ブロック図である。ECU30は、電池パラメータ決定部310と、電流密度算出部320と、過電圧算出部330と、濃度分布算出部340と、水素量算出部350と、開放電位算出部360と、メモリ量算出部370と、電位算出部380とを含む。
<Functional block>
FIG. 15 is a functional block diagram of the ECU 30 related to the potential calculation process according to the present embodiment. The ECU 30 includes a battery parameter determination unit 310, a current density calculation unit 320, an overvoltage calculation unit 330, a concentration distribution calculation unit 340, a hydrogen amount calculation unit 350, an open potential calculation unit 360, and a memory amount calculation unit 370. , The potential calculation unit 380 and the like.

電池パラメータ決定部310は、電圧センサ21から単電池11の電圧Vbを受けるとともに、温度センサ23から電池ブロック(図示せず)の温度Tbを受ける。電池パラメータ決定部310は、電圧Vbを単電池11の端子間電圧Vとして設定するとともに、温度Tbを絶対温度T(単位:ケルビン)に換算する。また、電池パラメータ決定部310は、後述する電池モデル式中の他のパラメータを絶対温度T等に応じて決定する。より具体的には、電池パラメータ決定部310は、交換電流密度ioj、活物質の拡散係数Dsj、反応抵抗Rr、直流抵抗Rd等のパラメータを絶対温度T等に応じて決定する。 The battery parameter determination unit 310 receives the voltage Vb of the cell 11 from the voltage sensor 21 and the temperature Tb of the battery block (not shown) from the temperature sensor 23. The battery parameter determination unit 310 sets the voltage Vb as the voltage V between the terminals of the cell 11 and converts the temperature Tb into the absolute temperature T (unit: Kelvin). Further, the battery parameter determination unit 310 determines other parameters in the battery model formula described later according to the absolute temperature T and the like. More specifically, the battery parameter determination unit 310 determines parameters such as the exchange current density i oji , the diffusion coefficient D sj of the active material, the reaction resistance Rr, and the DC resistance Rd according to the absolute temperature T and the like.

より具体的には、交換電流密度io1とは、正極活物質151における酸化電流密度(アノード電流密度)と還元電流とが等しくなるときの電流密度である。交換電流密度io1は、表面水素量θ1Nおよび絶対温度Tに依存して変化する特性を有する。したがって、交換電流密度io1と表面水素量θ1Nおよび絶対温度Tとの対応関係を規定した特性マップ(図示せず)を予め準備しておくことにより、水素量算出部350により算出される表面水素量θ1N(後述)と、絶対温度Tとから、交換電流密度io1を算出することができる。交換電流密度io2についても同様であるため、詳細な説明は繰り返さない。 More specifically, the exchange current density io1 is the current density when the oxidation current density (anode current density) in the positive electrode active material 151 and the reduction current become equal. The exchange current density i o1 has a characteristic that changes depending on the surface hydrogen amount θ 1N and the absolute temperature T. Therefore, the surface calculated by the hydrogen amount calculation unit 350 by preparing in advance a characteristic map (not shown) that defines the correspondence between the exchange current density io1 and the surface hydrogen amount θ 1N and the absolute temperature T. The exchange current density io1 can be calculated from the amount of hydrogen θ 1N (described later) and the absolute temperature T. Since the same applies to the exchange current density io2 , the detailed description will not be repeated.

反応抵抗Rrとは、正極活物質151および負極活物質152の表面において電荷の授受が行われるときの抵抗成分である。反応抵抗Rrは、下記式(6)に従って、絶対温度Tおよび交換電流密度ioj(j=1,2)から算出することができる。

Figure 0006834416
The reaction resistance Rr is a resistance component when charges are transferred and received on the surfaces of the positive electrode active material 151 and the negative electrode active material 152. The reaction resistance Rr can be calculated from the absolute temperature T and the exchange current density ioji (j = 1, 2) according to the following formula (6).
Figure 0006834416

直流抵抗Rdとは、水素イオンおよび電子が正極活物質151と負極活物質152との間を移動するときの抵抗成分である。直流抵抗Rdは、絶対温度Tに依存して変化する特性を有する。したがって、直流抵抗Rdの測定結果に基づき、直流抵抗Rdと絶対温度Tとの対応関係を規定した特性マップ(図示せず)を予め準備しておくことにより、絶対温度Tから直流抵抗Rdを算出することができる。 The DC resistance Rd is a resistance component when hydrogen ions and electrons move between the positive electrode active material 151 and the negative electrode active material 152. The DC resistance Rd has a characteristic that changes depending on the absolute temperature T. Therefore, the DC resistance Rd is calculated from the absolute temperature T by preparing in advance a characteristic map (not shown) that defines the correspondence between the DC resistance Rd and the absolute temperature T based on the measurement result of the DC resistance Rd. can do.

活物質の拡散係数Dsjについても同様に、表面水素量θ,θおよび絶対温度Tに対する依存性を有するため、予め準備されたマップ(図示せず)を用いて算出することができる。なお、表面水素量θ1N,θ2Nおよび絶対温度Tの両方を上述の各マップの引数とすることは必須ではなく、精度は低下し得るものの、いずれか一方のみ(たとえば絶対温度Tのみ)を引数としてもよい。電池パラメータ決定部310により決定された各パラメータは、他の機能ブロックに適宜出力される。 Similarly, the diffusion coefficient D sj of the active material has a dependence on the surface hydrogen amounts θ 1 , θ 2 and the absolute temperature T, and therefore can be calculated using a map (not shown) prepared in advance. It is not essential to use both the surface hydrogen amounts θ 1N , θ 2N and the absolute temperature T as arguments for each of the above maps, and although the accuracy may decrease, only one of them (for example, only the absolute temperature T) should be used. It may be an argument. Each parameter determined by the battery parameter determination unit 310 is appropriately output to another functional block.

電流密度算出部320は、電池パラメータ決定部310から端子間電圧V、交換電流密度iojおよび直流抵抗Rd等のパラメータを受けるとともに、電位算出部380から正極開放電位Uおよび負極開放電位Uを受ける。電流密度算出部320は、下記式(7)に従って電流密度Iを算出する。式(7)における正極開放電位Uおよび負極開放電位Uとしては、前回の演算周期での算出結果が代入される。

Figure 0006834416
The current density calculation unit 320 receives parameters such as the voltage V between terminals, the exchange current density ioj, and the DC resistance Rd from the battery parameter determination unit 310, and also receives the positive electrode open potential U 1 and the negative electrode open potential U 2 from the potential calculation unit 380. Receive. The current density calculation unit 320 calculates the current density I according to the following equation (7). As the positive electrode open potential U 1 and the negative electrode open potential U 2 in the equation (7), the calculation results in the previous calculation cycle are substituted.
Figure 0006834416

式(7)は非線形方程式である。式(7)から電流密度Iを算出するには、ニュートン法等の反復法が用いられる。すなわち、電流密度Iの初期値を仮定した上で、絶対温度Tなどを引数として、交換電流密度ioj等の各パラメータを代入して端子間電圧Vの現在値を算出する。このようにして算出された端子間電圧Vと、電圧センサ21により検出された端子間電圧Vとが所定誤差内に収束するまで反復計算を行なうことにより、式(7)から電流密度Iを求めることができる。なお、ここでは電圧入力の例を説明したが、電流入力、すなわち電流センサ22による検出値から電流密度Iを算出してもよく、電流入力の場合には収束演算は不要になる。 Equation (7) is a nonlinear equation. To calculate the current density I from equation (7), an iterative method such as Newton's method is used. That is, after assuming the initial value of the current density I, the current value of the voltage V between the terminals is calculated by substituting each parameter such as the exchange current density ioj with the absolute temperature T or the like as an argument. The current density I is obtained from the equation (7) by iteratively calculating until the voltage V between the terminals calculated in this way and the voltage V between the terminals detected by the voltage sensor 21 converge within a predetermined error. be able to. Although an example of voltage input has been described here, the current density I may be calculated from the current input, that is, the value detected by the current sensor 22, and in the case of current input, the convergence calculation becomes unnecessary.

なお、電流密度算出部320は、式(7)に代えて下記式(8)を用いて電流密度Iを算出してもよい。式(8)は、式(7)の簡易式である。具体的には、式(8)は、式(7)において、arcsinh項を線形近似し、さらに式(7)に含まれる上記式(6)の右辺のパラメータを反応抵抗Rrに置換したものである。

Figure 0006834416
The current density calculation unit 320 may calculate the current density I by using the following formula (8) instead of the formula (7). Equation (8) is a simplified equation of equation (7). Specifically, in the formula (8), the arcsinh term is linearly approximated in the formula (7), and the parameter on the right side of the above formula (6) included in the formula (7) is replaced with the reaction resistance Rr. is there.
Figure 0006834416

さらに、電流密度算出部320は、電流密度Iから反応電流密度jを算出し、過電圧算出部330および濃度分布算出部340に出力する。反応電流密度jとは、活物質の単位体積当たりの水素生成速度に相当する。電流密度Iと反応電流密度jとの間には下記式(9)が成立するため、電流密度Iを反応電流密度jに換算することができる。

Figure 0006834416
Furthermore, the current density calculating unit 320 calculates the reaction current density j j from the current density I, and outputs the overvoltage calculation unit 330 and the density distribution calculation section 340. The reaction current density j j corresponds to the hydrogen production rate per unit volume of the active material. Since the following equation (9) holds between the current density I and the reaction current density j j , the current density I can be converted into the reaction current density j j.
Figure 0006834416

過電圧算出部330は、電池パラメータ決定部310から絶対温度Tおよび交換電流密度iojを受けるとともに、電流密度算出部320から反応電流密度jを受ける。過電圧算出部330は、バトラー・ボルマー(Butler-Volmer)の関係式から導かれる下記式(10)(詳細については特許文献1参照)に従って、正極側の過電圧ηおよび負極側の過電圧ηを算出し、電位算出部380に出力する。

Figure 0006834416
Overvoltage calculating unit 330, along with receiving the absolute temperature T and exchange current densities i oj from the battery parameter determining section 310 receives a reaction current density j j from the current density calculating unit 320. The overvoltage calculation unit 330 sets the overvoltage η 1 on the positive electrode side and the overvoltage η 2 on the negative electrode side according to the following equation (10) (see Patent Document 1 for details) derived from the Butler-Volmer relational equation. It is calculated and output to the potential calculation unit 380.
Figure 0006834416

濃度分布算出部340は、電池パラメータ決定部310から活物質の拡散係数Dsjを受けるとともに、電流密度算出部320から反応電流密度jを受ける。詳細は特許文献1等に記載されているが、下記式(11)は、極座標系の拡散方程式である。式(11)の境界条件は、下記式(12)および式(13)のように設定することができる。濃度分布算出部340は、式(11)〜(13)に従って、正極活物質151の内部の水素濃度分布cs1k(k=1〜N)と、負極活物質152の内部の水素濃度分布cs2kとを算出し、水素量算出部350に出力する。

Figure 0006834416
The concentration distribution calculation unit 340 receives the diffusion coefficient D sj of the active material from the battery parameter determination unit 310 and the reaction current density j j from the current density calculation unit 320. Details are described in Patent Document 1 and the like, but the following equation (11) is a diffusion equation in a polar coordinate system. The boundary conditions of the equation (11) can be set as the following equations (12) and (13). Density distribution calculation section 340, equation (11) to according to (13), the interior of the hydrogen concentration distribution c s1k of the positive electrode active material 151 and (k = 1 to N), the interior of the hydrogen concentration distribution c S2K of the negative electrode active material 152 Is calculated and output to the hydrogen amount calculation unit 350.
Figure 0006834416

水素量算出部350は、濃度分布算出部340から水素濃度分布csjk(j=1,2)を受ける。水素量算出部350は、水素濃度分布cs1kに基づき正極活物質151の表面局所量θ1Nを算出するとともに、水素濃度分布cs2kに基づき負極活物質152の表面水素量θ2Nを算出し、開放電位算出部360に出力する(上記式(4)参照)。さらに、水素量算出部350は、上記式(5)に従って、水素濃度分布cs1kから平均水素量θ1,ave(より具体的には使用水素量θ)を算出し、メモリ量算出部370に出力する。 The hydrogen amount calculation unit 350 receives the hydrogen concentration distribution c sjk (j = 1, 2) from the concentration distribution calculation unit 340. Hydrogen amount calculation unit 350, calculates the local surface weight theta 1N of the positive electrode active material 151 on the basis of the hydrogen concentration distribution c s1k, to calculate the surface amount of hydrogen theta 2N of the negative electrode active material 152 on the basis of the hydrogen concentration distribution c S2K, It is output to the open potential calculation unit 360 (see the above equation (4)). Further, the hydrogen amount calculation unit 350 calculates the average hydrogen amount θ 1, ave (more specifically, the hydrogen amount used θ 0 ) from the hydrogen concentration distribution c s1k according to the above equation (5), and the memory amount calculation unit 370. Output to.

開放電位算出部360は、電池パラメータ決定部310から絶対温度Tを受けるとともに、水素量算出部350から表面水素量θ1N,θ2Nを受ける。開放電位算出部360は、図8に示したマップMP1を参照することによって、表面水素量θ1Nから初期電位Eを算出するとともに、表面水素量θ2Nから負極開放電位Uを算出する。算出された初期電位Eおよび負極開放電位Uは、電位算出部380に出力される。 The open potential calculation unit 360 receives the absolute temperature T from the battery parameter determination unit 310 and the surface hydrogen amounts θ 1N and θ 2N from the hydrogen amount calculation unit 350. The open potential calculation unit 360 calculates the initial potential E 1 from the surface hydrogen amount θ 1N and calculates the negative electrode open potential U 2 from the surface hydrogen amount θ 2N by referring to the map MP1 shown in FIG. The calculated initial potential E 1 and the negative electrode open potential U 2 are output to the potential calculation unit 380.

メモリ量算出部370は、以下のようにすることで、平均水素量θ1,aveの各範囲について、メモリ量Mを算出する。 The memory amount calculation unit 370 calculates the memory amount M for each range of the average hydrogen amount θ 1, ave by doing as follows.

図16は、メモリ量算出部370のより詳細な構成を示す機能ブロック図である。メモリ量算出部370は、使用条件設定部371と、微小メモリ量算出部372と、積算部373とを含む。 FIG. 16 is a functional block diagram showing a more detailed configuration of the memory amount calculation unit 370. The memory amount calculation unit 370 includes a usage condition setting unit 371, a minute memory amount calculation unit 372, and an integration unit 373.

使用条件設定部371は、電池パラメータ決定部310から絶対温度Tを受けるとともに、水素量算出部350から使用水素量θを受ける。使用条件設定部371は、図13に示したマップMP2を参照することによって、単電池11の使用条件(θ1,ave,T)に応じた曲線を平均水素量θ1,aveの範囲毎に選択し、微小メモリ量算出部372に出力する。 The use condition setting unit 371 receives the absolute temperature T from the battery parameter determination unit 310 and the hydrogen amount θ 0 used from the hydrogen amount calculation unit 350. By referring to the map MP2 shown in FIG. 13, the usage condition setting unit 371 draws a curve according to the usage conditions (θ 1, ave , T) of the cell 11 for each range of the average hydrogen amount θ 1, ave. It is selected and output to the minute memory amount calculation unit 372.

微小メモリ量算出部372は、使用条件設定部371からの曲線を用いて、所定の演算周期Δtの間に新たに生じた微小メモリ量ΔMを平均水素量θ1,aveの範囲毎に算出し、積算部373に出力する。 The minute memory amount calculation unit 372 uses the curve from the usage condition setting unit 371 to calculate the minute memory amount ΔM newly generated during the predetermined calculation cycle Δt for each range of the average hydrogen amount θ 1, ave. , Output to the integration unit 373.

積算部373は、微小メモリ量算出部372からの微小メモリ量ΔMを平均水素量θ1,aveの範囲毎に積算する。使用水素量θが変化した場合には、図14にて説明したように、それまでの積算量を適宜リセットする(0に設定する)。平均水素量θ1,aveの各範囲のメモリ量Mは、電位算出部380に出力される。 The integration unit 373 integrates the minute memory amount ΔM from the minute memory amount calculation unit 372 for each range of the average hydrogen amount θ 1, ave. When the amount of hydrogen used θ 0 changes, the accumulated amount up to that point is appropriately reset (set to 0) as described with reference to FIG. The memory amount M in each range of the average hydrogen amount θ 1, ave is output to the potential calculation unit 380.

図15に戻り、電位算出部380は、開放電位算出部360から初期電位E1および負極開放電位Uを受け、メモリ量算出部370からメモリ量Mを受け、過電圧算出部330から過電圧η,ηを受ける。電位算出部380は、正極開放電位Uおよび負極開放電位Uを電流密度算出部320に出力する。さらに、電位算出部380は、上記式(1)に従って正極電位Vを算出するとともに(V=E+M+η)、上記式(2)に従って負極電位Vを算出する(V +η)。電位算出部380により算出された正極電位Vおよび負極電位Vは、図示しない充放電制御部に出力され、この充放電制御部により、図3および図4にて説明した充放電制御が実行される。 Returning to Figure 15, the potential calculating unit 380 receives the initial potential E1 and the negative electrode open-circuit potential U 2 from the open voltage calculating unit 360 receives the amount of memory M from the memory amount calculating section 370, the overvoltage eta 1 from overvoltage calculating section 330, Receive η 2. The potential calculation unit 380 outputs the positive electrode open potential U 1 and the negative electrode open potential U 2 to the current density calculation unit 320. Further, the potential calculation unit 380 calculates the positive electrode potential V 1 according to the above formula (1) (V 1 = E 1 + M + η 1 ), and calculates the negative electrode potential V 2 according to the above formula (2) (V 2 = U). 2 + η 2 ). The positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 calculated by the potential calculation unit 380 are output to a charge / discharge control unit (not shown), and the charge / discharge control unit executes the charge / discharge control described with reference to FIGS. 3 and 4. Will be done.

<電位算出処理の処理フロー>
図17は、本実施の形態における電位算出処理(図3のS11および図4のS21の処理)を示すフローチャートである。図17および後述する図19に示すフローチャートは、所定の演算周期Δt(たとえばΔt=100ms)毎にメインルーチン(図示せず)から呼び出されて実行される。これらのフローチャートに含まれる各ステップは、基本的にはECU30によるソフトウェア処理によって実現されるが、その一部または全部がECU30内に作製されたハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。
<Processing flow of potential calculation processing>
FIG. 17 is a flowchart showing the potential calculation process (process of S11 of FIG. 3 and S21 of FIG. 4) in the present embodiment. The flowchart shown in FIG. 17 and FIG. 19 described later is called and executed from the main routine (not shown) every predetermined calculation cycle Δt (for example, Δt = 100 ms). Each step included in these flowcharts is basically realized by software processing by the ECU 30, but a part or all of them may be realized by hardware (electric circuit) manufactured in the ECU 30.

S101において、ECU30は、電圧センサ21から単電池11の電圧Vbを取得するとともに、電流センサ22から電池ブロック(図示せず)の温度Tbを取得する。ECU30は、以降の処理において、電圧Vbを端子間電圧Vとして使用するとともに、温度Tbを絶対温度Tに換算する。 In S101, the ECU 30 acquires the voltage Vb of the cell 11 from the voltage sensor 21 and the temperature Tb of the battery block (not shown) from the current sensor 22. In the subsequent processing, the ECU 30 uses the voltage Vb as the voltage V between the terminals and converts the temperature Tb into the absolute temperature T.

ECU30のメモリ32には、前回の演算周期で算出された、正極活物質151の内部における水素濃度分布cs1k(k=1〜N)と、負極活物質152の内部における水素濃度分布cs2kとが記憶されている。ECU30は、前回の演算周期で算出された水素濃度分布csjk(j=1,2)を読み出す。なお、車両100のスタートスイッチ(図示せず)が押された(たとえばイグニッションオン)後の最初の演算周期では、車両100のイグニッションオフ直前の演算周期でメモリ32に記憶された水素濃度分布csjkが読み出される。ECU30は、正極活物質151の最外周領域の水素濃度cs1Nから表面水素量θ1Nを算出するとともに、負極活物質152の最外周領域Nの水素濃度cs2Nから表面水素量θ2Nを算出する(上記式(4)参照)(S102)。 The ECU30 memory 32, calculated in the previous computation cycle, the hydrogen concentration distribution c s1k inside of the positive electrode active material 151 (k = 1~N), hydrogen concentration distribution c S2K inside of the negative electrode active material 152 Is remembered. The ECU 30 reads out the hydrogen concentration distribution c sjk (j = 1, 2) calculated in the previous calculation cycle. In the first calculation cycle after the start switch (not shown) of the vehicle 100 is pressed (for example, the ignition is turned on), the hydrogen concentration distribution c sjk stored in the memory 32 in the calculation cycle immediately before the ignition of the vehicle 100 is turned off. Is read out. The ECU 30 calculates the surface hydrogen amount θ 1N from the hydrogen concentration c s1N in the outermost peripheral region of the positive electrode active material 151, and calculates the surface hydrogen amount θ 2N from the hydrogen concentration c s2N in the outermost peripheral region N of the negative electrode active material 152. (Refer to the above equation (4)) (S102).

S103において、ECU30は、図8に示したマップMP1を参照することによって、表面水素量θ1Nから初期電位Eを算出するとともに、表面水素量θ2Nから負極開放電位Uを算出する。 In S103, the ECU 30 calculates the initial potential E 1 from the surface hydrogen amount θ 1N and calculates the negative electrode open potential U 2 from the surface hydrogen amount θ 2N by referring to the map MP1 shown in FIG.

S104において、ECU30は、交換電流密度ioj、反応抵抗Rr、直流抵抗Rd、および活物質の拡散係数Dsjの各パラメータを算出する。この算出手法については、図15にて詳細に説明したため、説明は繰り返さない。 In S104, the ECU 30 calculates each parameter of the exchange current density i oji , the reaction resistance Rr, the DC resistance Rd, and the diffusion coefficient D sj of the active material. Since this calculation method has been described in detail with reference to FIG. 15, the description will not be repeated.

S105において、ECU30は、上記式(7)および式(8)のいずれか一方に従って、正極開放電位 、負極開放電位 、交換電流密度iojおよび絶対温度Tから電流密度Iを算出する。さらに、ECU30は、上記式(9)に従って、電流密度Iを反応電流密度j(j=1,2)に換算する。 In S105, the ECU 30 calculates the current density I from the positive electrode open potential U 1 , the negative electrode open potential U 2 , the exchange current density ioj, and the absolute temperature T according to either of the above equations (7) and (8). .. Further, the ECU 30 converts the current density I into the reaction current density j j (j = 1, 2) according to the above equation (9).

S106において、ECU30は、上記式(10)に従って、絶対温度T、反応電流密度jおよび交換電流密度iojから過電圧η(j=1,2)を算出する。 In S106, the ECU 30 calculates the overvoltage η j (j = 1, 2) from the absolute temperature T, the reaction current density j j, and the exchange current density ioj according to the above equation (10).

S107において、ECU30は、上記式(11)〜式(13)に従って、正極活物質151の内部の水素濃度分布cs1k(k=1〜N)と、負極活物質152の内部の水素濃度分布cs2kとを算出する。水素濃度分布csjk(j=1,2)の算出結果は、次回の演算周期でのS102の処理に備えてメモリ32に記憶される。 In S107, the ECU 30 has a hydrogen concentration distribution c s1k (k = 1 to N) inside the positive electrode active material 151 and a hydrogen concentration distribution c inside the negative electrode active material 152 according to the above equations (11) to (13). Calculate s2k . The calculation result of the hydrogen concentration distribution c sjk (j = 1, 2) is stored in the memory 32 in preparation for the processing of S102 in the next calculation cycle.

S108において、ECU30は、S107にて算出された正極活物質151の内部の水素濃度分布cs1kから、上記式(4)に従って局所水素量分布θ1k(k=1〜N)を算出する。 In S108, the ECU 30 calculates the local hydrogen amount distribution θ 1k (k = 1 to N) from the hydrogen concentration distribution c s1k inside the positive electrode active material 151 calculated in S107 according to the above formula (4).

S109において、ECU30は、S108にて算出された局所水素量分布θ1kから、全領域kの平均量である平均水素量θ1,aveを算出する(上記式(5)参照)。この平均水素量θ1,aveが使用水素量θとして用いられる。 In S109, the ECU 30 calculates the average hydrogen amount θ 1, ave , which is the average amount of the entire region k, from the local hydrogen amount distribution θ 1k calculated in S108 (see the above equation (5)). This average hydrogen amount θ 1, ave is used as the hydrogen amount used θ 0 .

S110において、ECU30は、20個の平均水素量θ1,aveの範囲毎に、今回の演算周期における微小メモリ量ΔMを算出する。この算出手法については、図12および図13にて詳細に説明したため、説明は繰り返さない。 In S110, the ECU 30 calculates the minute memory amount ΔM in the current calculation cycle for each range of 20 average hydrogen amounts θ 1, ave. Since this calculation method has been described in detail with reference to FIGS. 12 and 13, the description will not be repeated.

S111において、ECU30は、上記20個の範囲毎に、S110にて算出された微小メモリ量ΔMを積算することによってメモリ量Mを算出する。単電池11の充放電に伴い、前回の演算周期から使用水素量θが変化した場合には、変化前の使用水素量θと変化後の使用水素量θとの間の範囲において、それまでの積算量が適宜リセットされる。この積算およびリセットの手法についても図14にて詳細に説明したため、説明は繰り返さない。 In S111, the ECU 30 calculates the memory amount M by integrating the minute memory amount ΔM calculated in S110 for each of the above 20 ranges. As the charge and discharge of the cells 11, if the amount of hydrogen used theta 0 from the previous operation cycle has changed in a range between the amount of hydrogen used theta 0 before the change and the amount of hydrogen used theta 0 after the change, The accumulated amount up to that point is reset as appropriate. Since the method of integration and reset has also been described in detail in FIG. 14, the description will not be repeated.

S112において、ECU30は、S103にて算出された初期電位Eと、S106にて算出された過電圧ηと、S111にて算出されたメモリ量Mとを用いて、正極電位Vを算出する(式(1)参照)。この正極開放電位Uに、S106にて算出された過電圧ηを加算することにより、正極電位V1が算出される。なお、上記20個の範囲毎に初期電位Eとメモリ量Mとを加算した場合、隣接する範囲間で正極開放電位Uが滑らかにつながらない可能性がある。そのため、ある範囲と、その範囲に隣接する範囲との間を適切な関数(たとえば線形関数)を用いて補完することができる。これにより、平均水素量θ1,aveに関して滑らかな正極開放電位Uを取得することができる。 In S112, ECU 30 includes a initial potential E 1 calculated in S103, the overvoltage eta 1 calculated in S106, by using the amount of memory M calculated in S111, to calculate the positive electrode potential V 1 (See equation (1)). This positive electrode open-circuit potential U 1, by adding an overvoltage eta 1 calculated in S106, the positive potential V1 is calculated. When the initial potential E 1 and the memory amount M are added for each of the above 20 ranges, the positive electrode open potential U 1 may not be smoothly connected between the adjacent ranges. Therefore, an appropriate function (for example, a linear function) can be used to complement a range and a range adjacent to the range. Thereby, a smooth positive electrode open potential U 1 can be obtained with respect to the average hydrogen amount θ 1, ave.

さらに、ECU30は、S103にて算出された負極開放電位Uと、S106にて算出された過電圧ηとを用いて、上記20個の範囲毎に負極電位Vを算出する(式(2)参照)。 Further, the ECU 30 calculates the negative electrode potential V 2 for each of the above 20 ranges by using the negative electrode open potential U 2 calculated in S103 and the overvoltage η 2 calculated in S106 (Equation (2). )reference).

以上のように、本実施の形態によれば、予め準備されたマップMP2(図13参照)を参照することによって、平均水素量θ1,aveの範囲毎に、単電池11の使用条件(θ1,ave,T)に応じた微小メモリ量ΔMが遂次算出され、さらに積算される。このようにして算出されたメモリ量Mが、マップMP1(図8参照)を参照することによって表面水素量θ1Nから算出された初期電位Eに加算される。これにより、正極141に生じたメモリ効果の影響を正極開放電位Uに反映させることができるので、正極電位Vの算出精度を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, by referring to the map MP2 (see FIG. 13) prepared in advance, the usage conditions (θ) of the cell 11 are set for each range of the average hydrogen amount θ 1, ave. The minute memory amount ΔM according to 1, ave , T) is calculated one after another and further integrated. Thus the amount of memory M, which is calculated by the map MP1 is added to the initial potential E 1 calculated from the surface amount of hydrogen theta 1N by reference (see FIG. 8). As a result, the influence of the memory effect generated on the positive electrode 141 can be reflected in the positive electrode open potential U 1 , so that the calculation accuracy of the positive electrode potential V 1 can be improved.

また、図17に示したフローチャートのS105にて説明したように、電流密度Iを算出する際には、前回の演算周期での正極開放電位Uおよび負極開放電位Uの算出結果が用いられる。この正極開放電位Uはメモリ効果の影響を考慮した上で高精度に算出されたものであるため、電流密度Iについても、メモリ効果の影響を考慮されていない場合と比べて、高精度に算出することができる。これにより、負極活物質152の反応電流密度jおよび過電圧ηも高精度に算出されることになる(式(10)参照)。その結果、S112にて、今回の演算周期における負極電位Vの算出精度についても向上させることができる(式(2)参照)。 Further, as described in S105 of the flowchart shown in FIG. 17, when calculating the current density I, the calculation results of the positive electrode open potential U 1 and the negative electrode open potential U 2 in the previous calculation cycle are used. .. Since the positive electrode open potential U 1 is calculated with high accuracy in consideration of the influence of the memory effect, the current density I is also highly accurate as compared with the case where the influence of the memory effect is not taken into consideration. Can be calculated. As a result, the reaction current density j 2 and the overvoltage η 2 of the negative electrode active material 152 are also calculated with high accuracy (see equation (10)). As a result, at S112, it is possible to improve the negative electrode calculation accuracy of the potential V 2 in the current calculation cycle (Equation (2) refer).

さらに、本実施の形態では、充放電制御の一例として、充電時に正極電位Vが上限電位ULよりも高くなった場合(図3のS12においてYES)には、通常時と比べて、充電電力上限値Winが小さく設定される(S14)。また、放電時に正極電位Vが下限電位LLよりも低くなった場合(図4のS23においてYES)には、通常時と比べて、放電電力上限値Woutが小さく設定される(S24)。本実施の形態によれば、正極電位Vを高精度に算出可能であるため、正極電位V1に基づく上記判定を適切に行なうことができる。その結果、副反応による劣化から正極141を保護することができる。詳細な説明は繰り返さないが、負極142についても同様に、副反応による劣化から保護することができる。 Further, in the present embodiment, as an example of charge / discharge control, when the positive electrode potential V 1 becomes higher than the upper limit potential UL 1 during charging (YES in S12 of FIG. 3), charging is performed as compared with the normal state. The power upper limit value Win is set small (S14). Further, when the positive electrode potential V 1 becomes lower than the lower limit potential LL 1 at the time of discharging (YES in S23 of FIG. 4), the discharge power upper limit value Wout is set smaller than that at the normal time (S24). According to this embodiment, since it is possible to calculate the positive electrode potential V 1 with high accuracy, the determination based on the positive potential V1 can be performed appropriately. As a result, the positive electrode 141 can be protected from deterioration due to a side reaction. Although the detailed description will not be repeated, the negative electrode 142 can be similarly protected from deterioration due to a side reaction.

なお、本実施の形態では、アルカリ二次電池の一例としてニッケル水素電池を用いた場合について説明したが、本実施の形態で説明した手法が適用可能なアルカリ二次電池はこれに限定されるものではない。本実施の形態の手法は、水酸化ニッケルを正極活物質として含み、メモリ効果が発生する他のアルカリ二次電池(たとえばニッケルカドミウム電池またはニッケル亜鉛電池)にも適用することができる。 In the present embodiment, the case where a nickel-metal hydride battery is used as an example of the alkaline secondary battery has been described, but the alkaline secondary battery to which the method described in the present embodiment can be applied is limited to this. is not it. The method of the present embodiment can also be applied to other alkaline secondary batteries (for example, nickel-cadmium batteries or nickel-zinc batteries) containing nickel hydroxide as a positive electrode active material and generating a memory effect.

[変形例1]
ニッケル水素電池の正極では、メモリ効果とは別に、単電池11の過去の使用履歴(ヒステリシス)に応じて正極開放電位Uが変化する現象が知られている。したがって、この現象も考慮した上で正極開放電位Uを算出することが好ましい。変形例1では、ヒステリシスをさらに考慮した上で正極開放電位Uを算出する手法について説明する。
[Modification 1]
In the positive electrode of a nickel-metal hydride battery, a phenomenon is known in which the positive electrode open potential U 1 changes according to the past usage history (hysteresis) of the cell 11 apart from the memory effect. Therefore, it is preferable to calculate the positive electrode open potential U 1 in consideration of this phenomenon. In the first modification, a method of calculating the positive electrode open potential U 1 after further considering the hysteresis will be described.

図18は、変形例1における正極開放電位Uの算出手法を説明するための図である。図18において、横軸は平均局所水素量θ1,aveを示し、縦軸は電位を示す。 Figure 18 is a diagram for illustrating a calculation method of the positive electrode open-circuit potential U 1 in Modification 1. In FIG. 18, the horizontal axis represents the average local hydrogen amount θ 1, ave , and the vertical axis represents the electric potential.

変形例1では、ヒステリシスを考慮するために、上述の実施の形態で用いた使用水素量θに代えて、所定期間における使用水素量θの時間平均である「平均使用水素量」θ0,meanが用いられる。また、ヒステリシスは、所定期間において使用水素量θが変化した範囲内で生じる。したがって、上記所定期間における使用水素量θの最大値である「最大使用水素量」をθ0,maxと表し、使用水素量θの最小値である「最小使用水素量」をθ0,minと表す。 In the first modification, in order to consider hysteresis , instead of the amount of hydrogen used θ 0 used in the above-described embodiment, the “average amount of hydrogen used” θ 0, which is the time average of the amount of hydrogen used θ 0 in a predetermined period, is θ 0. , Mean is used. Further, hysteresis occurs within a range in which the amount of hydrogen used θ 0 changes in a predetermined period. Therefore, the maximum value of the amount of hydrogen used theta 0 in the predetermined time period "maximum amount of hydrogen used," a represents a theta 0, max, the minimum value of the amount of hydrogen used theta 0 "minimum amount of hydrogen used" a theta 0, Expressed as min .

平均水素量θ1,aveが最大使用水素量θ0,max以上の範囲では、ヒステリシスの影響を特に考慮しなくてよいため、隣接する2つの正極開放電位Uの間(隣接する2点間)が線形補完される。平均水素量θ1,aveが最小使用水素量θ0,min以下の範囲についても同様に、隣接する2つの正極開放電位Uの間が線形補完される。 In the range where the average hydrogen amount θ 1, ave is greater than or equal to the maximum hydrogen amount θ 0, max , the influence of hysteresis does not need to be considered, so it is between two adjacent positive electrode open potentials U 1 (between two adjacent points). ) Is linearly complemented. Similarly, in the range where the average hydrogen amount θ 1, ave is the minimum hydrogen amount θ 0, min or less, the space between the two adjacent positive electrode open potentials U 1 is linearly interpolated.

これに対し、平均水素量θ1,aveが平均使用水素量θ0,meanと最大使用水素量θ0,maxとの間の範囲では、ヒステリシスの影響が生じ得る。しかし、平均使用水素量θ0,meanでは、図9(B)にて説明したように初期電位Eに近い電位となるため、ヒステリシスの影響が相対的に小さいと考えられる。 On the other hand, in the range where the average hydrogen amount θ 1, ave is between the average hydrogen consumption θ 0, main and the maximum hydrogen consumption θ 0, max , the influence of hysteresis can occur. However, when the average amount of hydrogen used is θ 0 and main , the potential is close to the initial potential E 1 as described in FIG. 9B, so that the influence of hysteresis is considered to be relatively small.

したがって、変形例1では、図17に示したフローチャートのS112にて説明した補完手法(隣接する全範囲をたとえば線形補完する手法)に代えて、平均使用水素量θ0,meanでの正極開放電位Uと、最大使用水素量θ0,maxでの正極開放電位Uとを結ぶように補完が行なわれる。一例として、下記式(14)に示すように、自然数nをべき指数とする、べき関数による補完を行なうことができる。なお、自然数nは、実験等により予め定められる。

Figure 0006834416
Therefore, in the modified example 1, instead of the complementing method described in S112 of the flowchart shown in FIG. 17 (a method of linearly complementing the entire adjacent range, for example), the positive electrode open potential at an average hydrogen consumption θ 0, mean. and U 1, complement is performed so as to connect the positive electrode open-circuit potential U 1 at maximum amount of hydrogen used θ 0, max. As an example, as shown in the following equation (14), complementation by a power function with a natural number n as a power exponent can be performed. The natural number n is predetermined by an experiment or the like.
Figure 0006834416

一方、平均水素量θ1,aveが最小使用水素量θ0,minと平均使用水素量θ=との間の範囲では、下記式(15)に示す、べき関数による補完が行なわれる。

Figure 0006834416
On the other hand, in the range where the average hydrogen amount θ 1, ave is between the minimum hydrogen consumption θ 0, min and the average hydrogen consumption θ =, the complementation by the power function shown in the following equation (15) is performed.
Figure 0006834416

以上のように、変形例1によれば、メモリ効果に加えて、単電池11のヒステリシスの影響を正極開放電位Uに反映させることができるので、正極開放電位Uの算出精度を向上させ、ひいては正極電位Vの算出精度を向上させることができる。 As described above, according to the first modification, in addition to the memory effect, because the influence of the hysteresis of the cell 11 can be reflected in the positive electrode open-circuit potential U 1, to improve the calculation accuracy of the positive electrode open-circuit potential U 1 As a result, the calculation accuracy of the positive electrode potential V 1 can be improved.

[変形例2]
電解液中では、反応物質である水酸化物イオン(OH)の濃度cが時間の経過とともに変化し、濃度勾配が生じ得る。その結果、正極活物質151と負極活物質152との間で濃度勾配に起因する濃度過電圧Δφが生じ、正極電位Vおよび負極電位Vが影響を受ける可能性がある。変形例2においては、メモリ効果に加えて、濃度過電圧Δφをさらに考慮することによって、正極電位Vおよび負極電位Vの算出精度を一層向上させる手法について説明する。
[Modification 2]
The electrolytic solution, hydroxide ions which are reactants (OH -) concentration c e of change over time, the concentration gradient may occur. As a result, a concentration overvoltage Δφ e due to the concentration gradient is generated between the positive electrode active material 151 and the negative electrode active material 152, and the positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 may be affected. In the second modification, in addition to the memory effect, by further considering the concentration overpotential [Delta] [phi e, described technique of the calculation accuracy of the positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 is further improved.

図19は、変形例2における電位算出処理を示すフローチャートである。このフローチャートは、S206A,S206Bの処理をさらに含む点において、実施の形態のフローチャート(図17参照)と異なる。 FIG. 19 is a flowchart showing the potential calculation process in the second modification. This flowchart differs from the flowchart of the embodiment (see FIG. 17) in that it further includes the processing of S206A and S206B.

S206Aにおいて、ECU30は、正極活物質151と負極活物質152との間の反応物質の濃度差Δcを算出する。反応物質の濃度差Δcは、電解液の実効拡散係数D eff、電解液の体積分率εおよび、水酸化物イオン(OH)の輸率t に依存するため、たとえば下記式(16)〜式(18)に従って算出することができる(詳細については特許文献4参照)。なお、式(16)において、(t)が付されたパラメータは前回の演算周期のものであることを示し、(t+Δt)が付されたパラメータは今回の演算周期のものであることを示す。

Figure 0006834416
In S206A, ECU 30 calculates a density difference .DELTA.c e reactant between the positive electrode active material 151 and negative electrode active material 152. Density difference .DELTA.c e reactant, the effective diffusion coefficient D e eff of the electrolytic solution, the volume fraction of electrolyte epsilon e and hydroxide ions - transport number t of (OH) - because it depends on the o, for example, the following It can be calculated according to the formulas (16) to (18) (see Patent Document 4 for details). In the equation (16), the parameter with (t) indicates that it belongs to the previous calculation cycle, and the parameter with (t + Δt) indicates that it belongs to the current calculation cycle.
Figure 0006834416

S206Bにおいて、ECU30は、S206Aにて算出された反応物質の濃度差Δcから濃度過電圧Δφを算出する。具体的には、濃度差Δcと濃度過電圧Δφとの対応関係を事前の評価実験により求めマップ(図示せず)として準備しておくことで、濃度差Δcから濃度過電圧Δφを算出することができる。 In S206b, ECU 30 calculates the concentration overpotential [Delta] [phi e from the density difference .DELTA.c e reactant calculated in S206A. Specifically, by determining the form of a map (not shown) determined by preliminary evaluation experiments the correspondence between the density difference .DELTA.c e and concentration overpotential [Delta] [phi e, calculates the concentration overpotential [Delta] [phi e from the density difference .DELTA.c e can do.

実施の形態では、図17に示したフローチャートのS105において、上記式(7)または式(8)に従って電流密度Iが算出されると説明した。これに対し、変形例2においては、電流密度Iの算出に下記式(19)または式(20)が用いられる(S205)。これにより、前回の演算周期で算出された初期電位Eおよび負極開放電位Uに加えて、前回の演算周期で算出された濃度過電圧Δφをさらに用いて電流密度Iが算出されることになるので、濃度過電圧Δφの影響を電流密度Iに反映させることができる。

Figure 0006834416
In the embodiment, it has been explained that the current density I is calculated according to the above equation (7) or (8) in S105 of the flowchart shown in FIG. On the other hand, in the modified example 2, the following equation (19) or equation (20) is used for calculating the current density I (S205). As a result, the current density I is calculated by further using the concentration overvoltage Δφ e calculated in the previous calculation cycle in addition to the initial potential E 1 and the negative electrode open potential U 2 calculated in the previous calculation cycle. Therefore, the influence of the concentration overvoltage Δφ e can be reflected in the current density I.
Figure 0006834416

なお、残りのS201〜S204,S206,S207〜S212の処理は、実施の形態のフローチャートにおけるS101〜S104,S106〜S112の処理とそれぞれ同等であるため、説明は繰り返さない。 Since the remaining processes of S201 to S204, S206, and S207 to S212 are the same as the processes of S101 to S104 and S106 to S112 in the flowchart of the embodiment, the description will not be repeated.

以上のように、変形例2によれば、電解液中の反応物質の濃度分布に起因する濃度過電圧Δφを考慮した上で電流密度Iが算出される。これにより、電流密度Iの算出精度が向上するため、ひいては正極電位Vおよび負極電位Vの算出精度を一層向上させることができる。 As described above, according to the modified example 2, the current density I is calculated in consideration of the concentration overvoltage Δφ e caused by the concentration distribution of the reactants in the electrolytic solution. Accordingly, in order to improve the accuracy of calculation of the current density I, it is possible to turn improve the calculation accuracy of the positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 more.

[変形例3]
変形例2では、予め準備されたマップを参照することによって、反応物質の濃度差Δcから濃度過電圧Δφが算出される例を説明した。しかし、濃度過電圧Δφの算出手法はマップを用いた手法に限られず、以下に説明する算出式を用いることもできる。
[Modification 3]
In Modification 2, an example was described by referring to a pre-prepared map, the concentration overvoltage [Delta] [phi e from the density difference .DELTA.c e reactant is calculated. However, the method for calculating the concentration overvoltage Δφ e is not limited to the method using a map, and the calculation formula described below can also be used.

電解液の電位φと、反応物質の濃度cと、反応電流密度jとの間には下記式(21)が成立する。式(21)において、電解液の実効イオン導電率をκe effで表し、電解液の実効拡散導電率をκ effで表す。

Figure 0006834416
The following equation (21) is established between the potential φ e of the electrolytic solution, the concentration c e of the reactant, and the reaction current density j j. In the formula (21), the effective ionic conductivity of the electrolytic solution is represented by κ e eff , and the effective diffusion conductivity of the electrolytic solution is represented by κ D eff .
Figure 0006834416

まず、電解液中における直流抵抗Rdによる電圧降下と濃度過電圧Δφとが互いに独立であるとみなすと、上記式(21)の差分式である下記式(22)が導かれる。

Figure 0006834416
First, assuming that the voltage drop due to the DC resistance Rd and the concentration overvoltage Δφ e in the electrolytic solution are independent of each other, the following equation (22), which is a difference equation of the above equation (21), is derived.
Figure 0006834416

上記式(22)の左辺の括弧内は0になるので、式(22)から下記式(23)がさらに導かれる。

Figure 0006834416
Since the value in parentheses on the left side of the above equation (22) is 0, the following equation (23) is further derived from the equation (22).
Figure 0006834416

下記式(24)に示すように、上記式(23)から濃度過電圧Δφを反応物質の濃度cの関数として表すことができる。なお、係数γは下記式(25)を意味する。式(25)において、塩濃度変化量(c)と平均活量係数(f±)の変化量との相関関係を予め実験等により求め、マップまたは関数として保持しておくことで、塩濃度変化量に対する平均活量係数の変化量を算出することができる。

Figure 0006834416
As shown in the following formula (24) may represent the concentration overpotential [Delta] [phi e as a function of the concentration c e of the reactants from the above equation (23). The coefficient γ means the following equation (25). In equation (25), the correlation between the amount of change in salt concentration (ce ) and the amount of change in average activity coefficient (f ± ) is obtained in advance by experiments or the like, and is retained as a map or function to obtain salt concentration. The amount of change in the average activity coefficient with respect to the amount of change can be calculated.
Figure 0006834416

上記式(24)をさらに変形すると、下記式(26)が得られる。式(26)では、正極における反応物質の濃度および負極における反応物質の濃度をce1,ce2でそれぞれ表す。また、濃度勾配が生じる前の反応物質の濃度(初期濃度)をce,iniで表す。この初期濃度ce,iniは既知の値である。

Figure 0006834416
By further modifying the above equation (24), the following equation (26) is obtained. In formula (26), the concentration of the reactant at the positive electrode and the concentration of the reactant at the negative electrode are represented by ce1 and ce2, respectively. In addition, the concentration (initial concentration) of the reactant before the concentration gradient is generated is represented by ce and ini. The initial concentrations ce and ini are known values.
Figure 0006834416

式(26)は対数を含むため、線形近似することで下記の近似式(27)が得られる。

Figure 0006834416
Since the equation (26) includes a logarithm, the following approximation equation (27) can be obtained by linear approximation.
Figure 0006834416

式(27)は、濃度過電圧Δφを濃度差Δcの一次式として表したものである。したがって、図19に示したフローチャートのS206Bにおいて、たとえECU30が高度な演算処理能力および大容量のメモリを有していなくても、濃度差Δcから濃度過電圧△φを容易に算出することができる。 Equation (27) expresses the concentration overvoltage Δφ e as a linear equation of the concentration difference Δ c e. Accordingly, in S206B of the flowchart shown in FIG. 19, even if no if ECU30 has a memory of high processing power and large capacity, it is possible to easily calculate the concentration overpotential △ phi e from the density difference .DELTA.c e it can.

[変形例4]
水素吸蔵合金の負極活物質152の内部における水素濃度分布cs2kに偏りが生じると、負極活物質152の領域k(k=1〜N)毎に局所的な体積変化量が異なることになり、水素吸蔵合金の結晶格子内に歪みが生じ得る。この歪みにより負極活物質152内に応力が発生し、発生した応力が負極活物質152の機械的な限界強度を超過すると、負極活物質152にクラックが生じ得る。
[Modification example 4]
If the hydrogen concentration distribution cs2k inside the negative electrode active material 152 of the hydrogen storage alloy is biased, the amount of local volume change will differ for each region k (k = 1 to N) of the negative electrode active material 152. Distortion can occur in the crystal lattice of the hydrogen storage alloy. Due to this strain, stress is generated in the negative electrode active material 152, and when the generated stress exceeds the mechanical limit strength of the negative electrode active material 152, cracks may occur in the negative electrode active material 152.

図20は、負極活物質152に生じるクラックを説明するための模式図である。図20に示すように、負極活物質152にクラック153が生じることで新たな表面が露出する。たとえばリチウムイオン二次電池では負極活物質にクラックが生じた場合に、負極活物質と電解液との反応により露出表面に被膜が形成され、負極の反応抵抗が増加するところ、ニッケル水素電池である単電池11においては、そのような被膜形成の影響は極めて小さい。単電池11では、電池反応に寄与し得る負極活物質152の反応表面積が単に増加することになる。したがって、負極(負極活物質152)の反応抵抗が減少し、それにより負極の交換電流密度io2が増加する。その結果、電流密度Iおよび反応電流密度jが変化することになるので、正極開放電位Uおよび負極開放電位Uが変化する可能性がある(上記式(7)〜式(10)参照)。よって、単電池11においては、時間が経過するに従って、クラック153の発生により負極活物質152の交換電流密度io2が増加する影響についても考慮することが好ましい。 FIG. 20 is a schematic view for explaining the cracks generated in the negative electrode active material 152. As shown in FIG. 20, the formation of cracks 153 in the negative electrode active material 152 exposes a new surface. For example, in a lithium ion secondary battery, when a crack occurs in the negative electrode active material, a film is formed on the exposed surface by the reaction between the negative electrode active material and the electrolytic solution, and the reaction resistance of the negative electrode increases. In the cell 11, the influence of such film formation is extremely small. In the cell 11, the reaction surface area of the negative electrode active material 152, which can contribute to the battery reaction, is simply increased. Therefore, the reaction resistance of the negative electrode (negative electrode active material 152) decreases, which increases the exchange current density io2 of the negative electrode. As a result, the current density I and the reaction current density j j change, so that the positive electrode open potential U 1 and the negative electrode open potential U 2 may change (see equations (7) to (10) above). ). Therefore, in the cell 11, it is preferable to consider the effect that the exchange current density io2 of the negative electrode active material 152 increases due to the generation of cracks 153 as time passes.

負極活物質152に生じたクラック153の量(クラック量)は、以下に説明するように、クラック指標値Xを用いて表すことができる。なお、クラック量とは、クラック153の数およびクラック153の深さの両方を含み得る指標値である。 The amount of cracks 153 (crack amount) generated in the negative electrode active material 152 can be expressed using the crack index value X as described below. The crack amount is an index value that can include both the number of cracks 153 and the depth of the cracks 153.

図21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21において、横軸は経過時間を示し、縦軸は負極活物質152内に作用する応力Fsを示す。 FIG. 21 is a diagram for explaining the calculation process of the crack index value X. In FIG. 21, the horizontal axis represents the elapsed time, and the vertical axis represents the stress Fs acting in the negative electrode active material 152.

応力Fsが負極活物質152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153が発生する。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を上回った量である超過量(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。 When the stress Fs exceeds the mechanical limit strength (typically the tensile limit strength) of the negative electrode active material 152, crack 153 occurs. Therefore, as shown with diagonal lines, the progress of damage due to cracks within a predetermined period is performed by time-integrating the excess amount (in other words, the damage amount) ΔF, which is the amount of stress Fs exceeding the limit strength Flim. The degree can be calculated.

より具体的には、下記式(28)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の間のクラック指標値の増加量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。

Figure 0006834416
More specifically, as shown in the following equation (28), the crack index value X (t2) at the time t2 when the period Δt has elapsed from the time t1 is the increase amount ΔX of the crack index value during Δt at the time t1. It is calculated by adding to the crack index value X (t1) in.
Figure 0006834416

式(28)において、クラック指標値の増加量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δ」に期間Δtを乗算することにより算出される(下記式(29)参照)。

Figure 0006834416
In the formula (28), the increase amount ΔX of the crack index value is calculated by multiplying the “crack generation coefficient δ” per unit time based on the stress excess amount ΔF at time t2 (or time t1) by the period Δt. (See equation (29) below).
Figure 0006834416

応力の超過量ΔFとクラック発生係数δとの関係は、単電池11を流れる電流Ibと温度Tbとの組合せ(Ib,Tb)が異なる様々な条件下で単電池11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。具体的には、以下のような定量化手法を採用することができる。 Regarding the relationship between the excess stress ΔF and the crack generation coefficient δ, the durability test of the cell 11 is performed in advance under various conditions in which the combination (Ib, Tb) of the current Ib flowing through the cell 11 and the temperature Tb is different. It can be quantified by doing so. Specifically, the following quantification method can be adopted.

様々な上記条件下での耐久試験の実施後に単電池11を解体し、負極活物質152をSEM(Scanning Electron Microscope)により観察したり種々の画像処理を施したりすることによって、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。一方で、各組合せ(Ib,Tb)での耐久試験中に負極活物質152内に発生した応力Fsは、たとえば拡散方程式(11)を用いた水素濃度分布演算(図17のS107参照)にフックの法則による応力計算をさらに盛り込むことによって算出可能である。したがって、クラック発生が確認される条件(クラックが発生し出す条件)をSEM観察等により特定し、その条件下での応力Fsを算出することにより、限界強度Flimを規定することができる。これにより、応力Fsが限界強度Flimを超過することによるクラック指標値の増加量ΔXと、応力Fsが限界強度Flimを超過した時間とを算出することが可能になるので、クラック発生係数δを事前に規定することができる。このようにしてクラック発生係数δを条件の組合せ(Ib,Tb)毎にマップ(図示せず)として予め準備し、メモリ32に記憶させておくことができる。 After performing the durability test under various above conditions, the cell 11 is disassembled, and the negative electrode active material 152 is observed by SEM (Scanning Electron Microscope) or subjected to various image processing to combine the conditions (Ib). , Tb), the amount of cracks generated can be quantified. On the other hand, the stress Fs generated in the negative electrode active material 152 during the durability test for each combination (Ib, Tb) is hooked to, for example, the hydrogen concentration distribution calculation (see S107 in FIG. 17) using the diffusion equation (11). It can be calculated by further incorporating the stress calculation according to the law of. Therefore, the critical strength Flim can be defined by specifying the conditions under which cracks are confirmed (conditions under which cracks begin to occur) by SEM observation or the like and calculating the stress Fs under those conditions. As a result, it is possible to calculate the amount of increase ΔX of the crack index value due to the stress Fs exceeding the limit strength Flim and the time when the stress Fs exceeds the limit strength Flim. Can be specified in. In this way, the crack generation coefficient δ can be prepared in advance as a map (not shown) for each combination of conditions (Ib, Tb) and stored in the memory 32.

図22は、クラック指標値Xと負極活物質152の交換電流密度io2との関係を示す図である。図22において、横軸は経過時間を示す。縦軸は、上から順にクラック指標値X、負極活物質152の反応抵抗、および負極活物質152の交換電流密度io2(上方が増加方向である)を示す。 FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the crack index value X and the exchange current density io2 of the negative electrode active material 152. In FIG. 22, the horizontal axis indicates the elapsed time. The vertical axis shows the crack index value X, the reaction resistance of the negative electrode active material 152, and the exchange current density io2 of the negative electrode active material 152 (the upper direction is the increasing direction) in this order from the top.

図22に示すように、クラック指標値Xが増加するに従って、負極活物質152の反応抵抗が減少し、それにより負極活物質152の交換電流密度io2は増加する。図22に一例を示すような関係がマップとしてECU30のメモリ32に記憶される。 As shown in FIG. 22, as the crack index value X increases, the reaction resistance of the negative electrode active material 152 decreases, and thereby the exchange current density io2 of the negative electrode active material 152 increases. A relationship as shown in FIG. 22 as an example is stored in the memory 32 of the ECU 30 as a map.

ECU30は、上記式(28)および式(29)に従って、図示しない別ルーチンにより増加量ΔXを逐次積算し、クラック指標値Xを算出する。そして、ECU30は、電位算出処理において交換電流密度io2を算出する際に(図17のS104参照)、図22に示すマップを用いてクラック指標値Xから交換電流密度io2を算出する。これにより、負極活物質152にクラック153が発生することによる交換電流密度io2の増加を反映させることができ、その結果、正極電位Vおよび負極電位Vの算出精度を一層向上させることができる。 The ECU 30 sequentially integrates the increase amount ΔX by another routine (not shown) according to the above equations (28) and (29), and calculates the crack index value X. Then, ECU 30 is (see S104 in FIG. 17) when calculating the exchange current density i o2 in potential calculating process to calculate the exchange current density i o2 from cracking index X using the map shown in FIG. 22. Thus, it is possible to reflect the increase in the exchange current density i o2 due to cracks 153 may occur in the negative electrode active material 152, as a result, is possible to further improve the calculation accuracy of the positive electrode potential V 1 and the negative electrode potential V 2 it can.

[変形例5]
ニッケル水素電池では、自己放電により正極活物質に水素イオンが挿入されることで、正極活物質内部の水素濃度が変化し得る。一般に、ニッケル水素電池における自己放電の影響は、リチウムイオン二次電池等における自己放電の影響よりも大きい。したがって、変形例5においては、自己放電に関する支配方程式をさらに考慮する構成について説明する。
[Modification 5]
In a nickel-metal hydride battery, the hydrogen concentration inside the positive electrode active material can be changed by inserting hydrogen ions into the positive electrode active material by self-discharge. In general, the effect of self-discharge in a nickel-metal hydride battery is larger than the effect of self-discharge in a lithium ion secondary battery or the like. Therefore, in the modified example 5, a configuration that further considers the governing equation regarding self-discharge will be described.

自己放電による電流の密度(自己放電電流密度i side)は、たとえばターフェル(Tafel)の関係式またはバトラー・ボルマーの関係式を用いて表すことができる。下記式(30)は、ターフェルの関係式により自己放電電流密度i sideを表したものである。なお、式(30)では、自己放電が発生する基準電位をUeqで表している。

Figure 0006834416
The self-discharge current density (self-discharge current density i 1 side ) can be expressed using, for example, the Tafel equation or the Butler-Volmer equation. The following equation (30) expresses the self-discharge current density i 1 side by the Tafel equation. In the formula (30), the reference potential at which self-discharge occurs is represented by Ueq.
Figure 0006834416

自己放電電流密度i sideは、絶対温度Tの関数であるとともに、正極活物質151の表面水素量θ1Nの関数でもある。よって、自己放電交換電流密度i0,1 sideの絶対温度Tおよび表面水素量θ1Nに対する依存性を事前の評価試験により求め、マップ(図示せず)を予め作成することで、自己放電電流密度i sideを算出することができる。 The self-discharge current density i 1 side is a function of the absolute temperature T and also a function of the surface hydrogen amount θ 1N of the positive electrode active material 151. Therefore, the dependence of the self-discharge exchange current density i 0, 1 side on the absolute temperature T and the surface hydrogen amount θ 1 N is obtained by a preliminary evaluation test, and a map (not shown) is created in advance to obtain the self-discharge current density. i 1 side can be calculated.

式(30)を電池モデルにさらに盛り込むことで、正極開放電位Uに自己放電の影響がさらに反映される。これにより、正極開放電位Uの算出精度を向上させ、ひいては正極電位Vの算出精度を一層向上させることができる。 By further include formula (30) to the battery model, the influence of the self-discharge is further reflected in the positive electrode open-circuit potential U 1. As a result, the calculation accuracy of the positive electrode open potential U 1 can be improved, and the calculation accuracy of the positive electrode potential V 1 can be further improved.

[変形例6]
単電池11の正極ではNiHが生成することにより正極の単極容量が減少する劣化が生じ、負極では負極酸化により負極活物質が不活性化することにより負極の単極容量が減少する劣化が生じ得る。さらに、正極と負極との間で組成対応ずれ(いわゆる負極充電リザーブずれ、または放電リザーブずれ)が生じやすい。その結果、単電池11の満充電容量が減少する(満充電容量の減少の詳細については特許文献1参照)。変形例6においては、3つの劣化パラメータ(k1,k2,ΔQs)を用いて、劣化後の単電池11の満充電容量Qを算出する手法について説明する(たとえば特許文献1,6参照)。
[Modification 6]
In the positive electrode of the cell 11, the generation of Ni 2 O 3 H causes deterioration in which the unipolar capacity of the positive electrode is reduced, and in the negative electrode, the negative electrode active material is inactivated by the negative electrode oxidation, so that the unipolar capacity of the negative electrode is reduced. Deterioration can occur. Further, a composition correspondence deviation (so-called negative electrode charge reserve deviation or discharge reserve deviation) is likely to occur between the positive electrode and the negative electrode. As a result, the full charge capacity of the cell 11 is reduced (see Patent Document 1 for details of the reduction in the full charge capacity). In the sixth modification, a method of calculating the full charge capacity Q d of the deteriorated single battery 11 by using three deterioration parameters (k1, k2, ΔQs) will be described (see, for example, Patent Documents 1 and 6).

劣化後の単電池11の正極容量Qは、正極容量維持率k1と初期状態での正極容量Q1,iniとの積により表される(Q=k×Q1,ini)。同様に、劣化後の単電池11の負極容量Qは、負極容量維持率kと初期状態での負極容量Q2,iniとの積により表される(Q=k×Q2,ini)。一方、正極と負極との間における組成対応ずれ容量ΔQは、ΔQ=k×Q2,ini×Δθにより表される。ここで、Δθとは、正極組成軸に対する負極組成軸のずれ量である。 The positive electrode capacity Q 1 of the deteriorated cell 11 is represented by the product of the positive electrode capacity retention rate k1 and the positive electrode capacity Q 1, ini in the initial state (Q 1 = k 1 × Q 1, ini ). Similarly, the negative electrode capacity Q 2 of the deteriorated cell 11 is represented by the product of the negative electrode capacity retention rate k 2 and the negative electrode capacity Q 2, ini in the initial state (Q 2 = k 2 × Q 2,). ini ). On the other hand, the composition correspondence deviation capacity ΔQ s between the positive electrode and the negative electrode is represented by ΔQ s = k 2 × Q 2, ini × Δθ 2 . Here, Δθ 2 is the amount of deviation of the negative electrode composition axis with respect to the positive electrode composition axis.

上記各劣化パラメータk,k,ΔQは、たとえば特許文献6に記載されているような公知の手法を用いて、正極開放電位Uおよび負極開放電位Uから算出することができる。そして、正極開放電位Uおよび負極開放電位Uから算出された劣化パラメータを用いることで、下記式(31)に従って単電池11の満充電容量Qdを算出することができる。

Figure 0006834416
The deterioration parameters k 1 , k 2 , and ΔQ s can be calculated from the positive electrode open potential U 1 and the negative electrode open potential U 2 by using a known method as described in, for example, Patent Document 6. Then, by using the deterioration parameters calculated from the positive electrode open potential U 1 and the negative electrode open potential U 2 , the full charge capacity Qd of the cell 11 can be calculated according to the following formula (31).
Figure 0006834416

式(31)では、正極141の厚さLおよび正極活物質151の体積分率εs1に劣化パラメータkの影響が反映されている(L=L10×√k、εs1=εs10×√k、ただし、L10およびεs10は劣化前の初期値を表す)。極板面積をSで表す。 In equation (31), the influence of the deterioration parameter k 1 to a thickness L 1 and volume fraction epsilon s1 of the positive electrode active material 151 of the positive electrode 141 are reflected (L 1 = L 10 × √k 1, ε s1 = ε s10 × √k 1, however, L 10 and epsilon s10 represents the initial value before deterioration). The plate area is represented by S.

また、式(31)では、単電池11のSOCが100%に相当する場合の局所水素量θ1Nをθ1_100で表し、SOCが0%に相当する場合の局所水素量θ1Nをθ1_0で表す。これらの値θ1_100およびθ1_0には、実施の形態にて説明した手法によりメモリ効果の影響が反映されている。 Further, in the equation (31), the local hydrogen amount θ 1N when the SOC of the cell 11 corresponds to 100% is represented by θ 1_100 , and the local hydrogen amount θ 1N when the SOC corresponds to 0% is θ 1_0 . Represent. The effects of the memory effect are reflected in these values θ 1_100 and θ 1_0 by the method described in the embodiment.

以上のように、変形例6によれば、メモリ効果を考慮して正極開放電位Uが算出され、高精度に算出された正極開放電位Uと、負極開放電位Uとを用いて単電池11の満充電容量Qがさらに算出される。したがって、満充電容量Qについても算出精度を向上させることができる。 As described above, according to the modification 6, in consideration of the memory effect positive electrode open-circuit potential U 1 is calculated, isolated using a positive electrode open-circuit potential U 1 calculated with high precision, and a negative electrode open-circuit potential U 2 The full charge capacity Q d of the battery 11 is further calculated. Therefore, the calculation accuracy can be improved also for the full charge capacity Q d.

なお、上述の実施の形態および各変形例では、0.05刻みの使用水素量θの範囲毎にメモリ量を積算する手法を説明した。しかし、使用水素量θへの依存が小さく、ほぼ一律にメモリ効果が生じる系では、使用水素量θにかかわらずメモリ量を積算してもよい。この場合、ECU30の演算負荷を低減できるため、車載用途により適した構成となる。 In the above-described embodiment and each modification, a method of integrating the amount of memory for each range of the amount of hydrogen used θ 0 in increments of 0.05 has been described. However, in a system in which the dependence on the amount of hydrogen used θ 0 is small and the memory effect is produced almost uniformly, the amount of memory may be integrated regardless of the amount of hydrogen used θ 0. In this case, since the calculation load of the ECU 30 can be reduced, the configuration is more suitable for in-vehicle use.

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。 The embodiments disclosed this time should be considered as exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the scope of claims rather than the description of the embodiment described above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

1 モータジェネレータ(MG)、2 動力伝達ギア、3 駆動輪、4 電力制御ユニット(PCU)、5 システムメインリレー(SMR)、10 組電池、11 単電池、12 ケース、13 安全弁、14 電極体、21 電圧センサ、22 電流センサ、23 温度センサ、30 電子制御ユニット(ECU)、31 CPU、32 メモリ、100 車両、121 ケース本体、122 蓋体、141 正極、142 負極、143 セパレータ、151 正極活物質、152 負極活物質、153 クラック、200 電池システム、310 電池パラメータ決定部、320 電流密度算出部、330 過電圧算出部、340 濃度分布算出部、350 水素量算出部、360 開放電位算出部、370 メモリ量算出部、371 使用条件設定部、372 微小メモリ量算出部、373 積算部、380 電位算出部。 1 Motor generator (MG), 2 Power transmission gear, 3 Drive wheels, 4 Power control unit (PCU), 5 System main relay (SMR), 10 sets of batteries, 11 cell cells, 12 cases, 13 safety valves, 14 electrode bodies, 21 Voltage sensor, 22 Current sensor, 23 Temperature sensor, 30 Electronic control unit (ECU), 31 CPU, 32 Memory, 100 Vehicles, 121 Case body, 122 lid, 141 positive electrode, 142 negative electrode, 143 separator, 151 positive electrode active material , 152 Negative electrode active material, 153 cracks, 200 Battery system, 310 Battery parameter determination unit, 320 Current density calculation unit, 330 Overvoltage calculation unit, 340 Concentration distribution calculation unit, 350 Hydrogen amount calculation unit, 360 Open potential calculation unit, 370 memory Amount calculation unit, 371 usage condition setting unit, 372 minute memory amount calculation unit, 373 integration unit, 380 potential calculation unit.

Claims (7)

水酸化ニッケルを正極活物質として含むアルカリ二次電池と、
前記アルカリ二次電池の正極電位および負極電位を用いて前記アルカリ二次電池の充放電を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、演算周期毎に電位算出処理を実行し、
前記電位算出処理は、
前記アルカリ二次電池の端子間電圧および前記アルカリ二次電池の入出力電流のうちのいずれか一方を入力として含む、前記アルカリ二次電池の内部挙動を推定するための電池モデルを用いて、各々前回の演算周期で算出された前記アルカリ二次電池の正極開放電位および負極開放電位ならびに前記正極活物質の内部における水素濃度から、水素濃度を算出するとともに、前回の演算周期で算出された水素濃度から前記正極開放電位の初期電位を算出し、
前記水素濃度から、前記初期電位からのメモリ効果による電位変化量であるメモリ量を算出し、
前記初期電位と前記メモリ量とを用いて前記正極開放電位を算出し、算出された正極開放電位に基づいて前記正極電位を算出する処理を含む、電池システム。
An alkaline secondary battery containing nickel hydroxide as a positive electrode active material,
A control device for controlling charging / discharging of the alkaline secondary battery using the positive electrode potential and the negative electrode potential of the alkaline secondary battery is provided.
The control device executes the potential calculation process every calculation cycle,
The potential calculation process
Using a battery model for estimating the internal behavior of the alkaline secondary battery, which includes either the voltage between the terminals of the alkaline secondary battery or the input / output current of the alkaline secondary battery as an input , each is used. The hydrogen concentration is calculated from the positive electrode open potential and the negative electrode open potential of the alkaline secondary battery calculated in the previous calculation cycle, and the hydrogen concentration inside the positive electrode active material, and the hydrogen concentration calculated in the previous calculation cycle. The initial potential of the positive electrode open potential is calculated from
From the hydrogen concentration, to calculate the amount of memory which is the potential change amounts due to the memory effect from the prior Symbol Initial potential,
A battery system including a process of calculating the positive electrode open potential using the initial potential and the amount of memory , and calculating the positive electrode potential based on the calculated positive electrode open potential.
前記正極活物質は、前記電池モデルにおいて球状と仮定されるとともに、径方向に複数の領域に仮想的に分割され、
前記制御装置は、
前記複数の領域における水素濃度の分布から、前記複数の領域の各々の局所的な前記水素濃度である局所水素量の分布を算出し、
前記正極活物質の表面を含む領域における前記局所水素量である表面水素量から前記初期電位を算出し、
前記複数の領域における前記局所水素量の平均量である平均水素量から前記メモリ量を算出する、請求項1に記載の電池システム。
The positive electrode active material is assumed to be spherical in the battery model, and is virtually divided into a plurality of regions in the radial direction.
The control device is
From the distribution of hydrogen concentration in the plurality of regions, the distribution of the local hydrogen amount, which is the local hydrogen concentration in each of the plurality of regions, is calculated.
The initial potential was calculated from the amount of surface hydrogen, which is the amount of local hydrogen in the region including the surface of the positive electrode active material.
The battery system according to claim 1, wherein the memory amount is calculated from an average hydrogen amount which is an average amount of the local hydrogen amounts in the plurality of regions.
前記正極開放電位の前記メモリ効果による所定時間での電位変化量である微小メモリ量と、前記アルカリ二次電池が使用されているときの前記平均水素量である使用水素量との関係が、前記平均水素量の複数の範囲毎に特定されたデータを記憶する記憶装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記データを参照することによって、前記使用水素量から前記微小メモリ量を前記複数の範囲毎に遂次算出し、前記微小メモリ量を前記複数の範囲毎に積算することによって前記メモリ量を算出する、請求項2に記載の電池システム。
The relationship between the minute memory amount, which is the amount of potential change of the positive electrode open potential due to the memory effect in a predetermined time, and the hydrogen consumption amount, which is the average hydrogen amount when the alkaline secondary battery is used, is described above. Further equipped with a storage device for storing data specified for each of a plurality of ranges of the average hydrogen amount,
The control device sequentially calculates the minute memory amount for each of the plurality of ranges from the amount of hydrogen used by referring to the data, and integrates the minute memory amount for each of the plurality of ranges. The battery system according to claim 2, wherein the amount of memory is calculated.
前記制御装置は、
前記複数の範囲のうち前記使用水素量よりも前記平均水素量が多い範囲では、前記正極開放電位が減少する方向に前記微小メモリ量を積算し、前記使用水素量が増加した場合、増加後の前記使用水素量よりも前記平均水素量が少ない範囲では、前記減少する方向に積算された前記微小メモリ量を0に設定し、
前記複数の範囲のうち前記使用水素量よりも前記平均水素量が少ない範囲では、前記正極開放電位が増加する方向に前記微小メモリ量を積算し、前記使用水素量が減少した場合、減少後の前記使用水素量よりも前記平均水素量が多い範囲では、前記増加する方向に積算された前記微小メモリ量を0に設定する、請求項3に記載の電池システム。
The control device is
In the range in which the average amount of hydrogen is larger than the amount of hydrogen used in the plurality of ranges, the amount of minute memory is integrated in the direction in which the positive electrode open potential decreases, and when the amount of hydrogen used increases, after the increase. In the range where the average amount of hydrogen is smaller than the amount of hydrogen used, the minute memory amount accumulated in the decreasing direction is set to 0.
In the range in which the average amount of hydrogen is smaller than the amount of hydrogen used in the plurality of ranges, the amount of minute memory is integrated in the direction in which the positive electrode open potential increases, and when the amount of hydrogen used decreases, after the decrease. The battery system according to claim 3, wherein the minute memory amount integrated in the increasing direction is set to 0 in a range in which the average hydrogen amount is larger than the hydrogen amount used.
前記制御装置は、
前記正極電位が所定の上限正極電位よりも高いとの第1の条件と、前記負極電位が所定の下限負極電位よりも低いとの第2の条件とのうちの少なくとも一方が成立した場合には、前記第1および第2の条件がいずれも成立していない場合と比べて、前記アルカリ二次電池の充電電力上限値を小さく設定するとともに、
前記負極電位が所定の上限負極電位よりも高いとの第3の条件と、前記正極電位が所定の下限正極電位よりも低いとの第4の条件とのうちの少なくとも一方が成立した場合には、前記第3および第4の条件がいずれも成立していない場合と比べて、前記アルカリ二次電池の放電電力上限値を小さく設定する、請求項1に記載の電池システム。
The control device is
When at least one of the first condition that the positive electrode potential is higher than the predetermined upper limit positive electrode potential and the second condition that the negative electrode potential is lower than the predetermined lower limit negative electrode potential is satisfied. , The upper limit of the charging power of the alkaline secondary battery is set smaller than that in the case where neither the first and the second conditions are satisfied.
When at least one of the third condition that the negative electrode potential is higher than the predetermined upper limit negative electrode potential and the fourth condition that the positive electrode potential is lower than the predetermined lower limit positive electrode potential is satisfied. The battery system according to claim 1, wherein the upper limit value of the discharge power of the alkaline secondary battery is set smaller than that in the case where none of the third and fourth conditions are satisfied.
前記アルカリ二次電池は、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あり、
前記制御装置は、
前記負極活物質の交換電流密度に基づいて前記入出力電流を算出し、
前記入出力電流に基づいて、前記正極活物質の単位体積当たりの水素生成速度に相当する正極反応電流密度と、前記負極活物質の単位体積当たりの水素生成速度に相当する負極反応電流密度とを算出し、
前記正極反応電流密度および前記負極反応電流密度に基づいて、前記正極活物質の内部における水素濃度および前記負極活物質の内部における水素濃度を算出するように構成され、
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量に関連する指標値を算出し、前記指標値を用いて前記交換電流密度を算出する、請求項1に記載の電池システム。
The alkaline secondary battery is a nickel-metal hydride battery containing a hydrogen storage alloy as a negative electrode active material.
The control device is
The input / output current is calculated based on the exchange current density of the negative electrode active material.
Based on the input / output current, the positive electrode reaction current density corresponding to the hydrogen production rate per unit volume of the positive electrode active material and the negative electrode reaction current density corresponding to the hydrogen production rate per unit volume of the negative electrode active material are determined. Calculate and
It is configured to calculate the hydrogen concentration inside the positive electrode active material and the hydrogen concentration inside the negative electrode active material based on the positive electrode reaction current density and the negative electrode reaction current density.
The control device calculates an index value related to the amount of cracks generated in the negative electrode active material from the current input / output to the nickel-metal hydride battery and the temperature of the nickel-metal hydride battery, and uses the index value to perform the exchange. The battery system according to claim 1, wherein the current density is calculated.
前記アルカリ二次電池の負極活物質は、前記電池モデルにおいて球状と仮定されるとともに、径方向に複数の領域に仮想的に分割され、
前記制御装置は、
前記電池モデルを用いて算出された、前記負極活物質の表面を含む領域における水素濃度から、前記負極開放電位を算出し、
前記正極開放電位および前記負極開放電位から、前記アルカリ二次電池の満充電容量を算出する、請求項1に記載の電池システム。
The negative electrode active material of the alkaline secondary battery is assumed to be spherical in the battery model, and is virtually divided into a plurality of regions in the radial direction.
The control device is
The negative electrode open potential was calculated from the hydrogen concentration in the region including the surface of the negative electrode active material calculated using the battery model.
The battery system according to claim 1, wherein the full charge capacity of the alkaline secondary battery is calculated from the positive electrode open potential and the negative electrode open potential.
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