JP2018014210A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ニッケル水素電池を備える電池システムにおいて、負極の反応抵抗の低下を考慮することによって内部抵抗の推定精度を向上する。【解決手段】ＥＣＵ３００は、所定時間として第１の時間が設定されている場合には、電流変化量の大きさが第１の所定量以上であり、かつ、電流変化量の大きさが最大となった時点以後のニッケル水素単電池の電流の変動幅が第１の所定量より小さい第２の所定量以下であるときに、電流変化量及び電圧変化量を記憶し、記憶された電流変化量及び電圧変化量を用いて内部抵抗を推定し、所定時間として第１の時間よりも短い第２の時間が設定されている場合には、電流変化量の大きさが第３の所定量以上であるときに、電流変化量及び電圧変化量を記憶し、記憶された電流変化量及び電圧変化量を用いて内部抵抗を推定する。【選択図】図１

Description

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

特開２０１１−２２２１３３号公報（特許文献１）は、電池パック（組電池）を搭載した電動車両を開示する。電池パックは、複数の単位電池（単電池）を含む。電池パック内には、複数の単位電池の温度を正確に検知するために、複数の温度センサが設けられている。また、この電動車両においては、各単位電池の内部抵抗が推定される。複数の温度センサによる検知結果の最大値と、推定された各単位電池の内部抵抗とを用いることによって、電池パックの入出力制限が行なわれる（特許文献１参照）。

特開２０１１−２２２１３３号公報

ニッケル水素電池においては、充放電を繰り返すことにより負極（水素吸蔵合金）が活性化し、負極の反応抵抗が低下する。負極の反応抵抗が低下することによって、ニッケル水素電池の内部抵抗も低下する。

ところで、ニッケル水素電池を備える電池システムにおいても、上記特許文献１に開示される電動車両のように、ニッケル水素電池の内部抵抗を推定することによって、ニッケル水素電池の入出力制限を行なうことが考えられる。上述のように、ニッケル水素電池の内部抵抗は、ニッケル水素電池の充放電が繰り返されることにより低下する。したがって、低下後の内部抵抗が正確に推定されなければ、ニッケル水素電池の入出力が必要以上に厳しく制限される可能性がある。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、ニッケル水素電池を備える電池システムにおいて、負極の反応抵抗の低下を考慮することによって内部抵抗の推定精度を向上することである。

この発明に従う電池システムは、ニッケル水素電池と、制御装置とを備える。制御装置は、ニッケル水素電池の内部抵抗を推定するように構成されている。制御装置は、所定時間におけるニッケル水素電池の電流変化量及び電圧変化量を監視する。所定時間は、ニッケル水素電池の温度によって異なるように設定される。制御装置は、所定時間として第１の時間が設定されている場合には、電流変化量の大きさが第１の所定量以上であり、かつ、電流変化量の大きさが最大となった時点以後のニッケル水素電池の電流の変動幅が第１の所定量よりも小さい第２の所定量以下であるときに、電流変化量及び電圧変化量を記憶する。制御装置は、記憶された電流変化量及び電圧変化量を用いてニッケル水素電池の内部抵抗を推定する。制御装置は、所定時間として第１の時間よりも短い第２の時間が設定されている場合には、電流変化量の大きさが第３の所定量以上であるときに、電流変化量及び電圧変化量を記憶する。制御装置は、記憶された電流変化量及び電圧変化量を用いてニッケル水素電池の内部抵抗を推定する。

ニッケル水素電池の入出力は、過去の入出力の影響を受けやすい（ヒステリシス）。制御装置は、過去の入出力の影響が大きいタイミングで検知された電流変化量及び電圧変化量を用いることによってニッケル水素電池の内部抵抗を推定したとしても、負極の反応抵抗の低下分を内部抵抗に正確に反映させることができない。その結果、制御装置は、ニッケル水素電池の内部抵抗を正確に推定することができない。この電池システムにおいては、所定時間における電流変化量が所定の条件（電流変化量及び電圧変化量から推定される内部抵抗において、負極の反応抵抗の影響が支配的となるための条件）を満たすタイミングにおける電流変化量及び電圧変化量が内部抵抗の推定に用いられる。したがって、この電池システムによれば、内部抵抗の推定において、負極の反応抵抗の低下を考慮することができる。

この発明によれば、ニッケル水素電池を備える電池システムにおいて、負極の反応抵抗の低下を考慮することによって内部抵抗の推定精度を向上することができる。

電池システムが搭載される車両の構成を概略的に示すブロック図である。 ニッケル水素単電池の温度が常温である場合に、負極の反応抵抗の影響があらわれやすい条件を説明するための図である。 ニッケル水素単電池の温度が低温である場合に、負極の反応抵抗の影響があらわれやすい条件を説明するための図である。 所定時間として第１の時間が設定されている場合に、電流変化量及び電圧変化量が内部抵抗推定のために記憶される条件を説明するための図である。 所定時間として第２の時間が設定されている場合に、電流変化量及び電圧変化量が内部抵抗推定のために記憶される条件を説明するための図である。 電池システムにおけるニッケル水素単電池の内部抵抗の推定処理手順を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［電池システムの構成］
図１は、本実施の形態に従う電池システムが搭載される車両１の構成を概略的に示すブロック図である。なお、図１に示される車両１は電気自動車であるが、本発明を適用可能な車両は電気自動車に限られず、ハイブリッド車および燃料電池車など、ニッケル水素電池を搭載する任意の電動車両に適用可能である。

図１を参照して、車両１は、電池システム１０と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）２０と、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）３０と、駆動輪４０とを備える。電池システム１０は、組電池１００と、監視ユニット２００と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３００とを備える。

組電池１００は、直列に接続された複数のニッケル水素単電池（単セル）を含む。監視ユニット２００は、電圧センサ２１０と、電流センサ２２０と、温度センサ２３０とを含む。電圧センサ２１０は、組電池１００内の各セルの電圧（以下「セル電圧」とも称する。）を検知する。電流センサ２２０は、組電池１００の充放電電流を検知する。温度センサ２３０は、組電池１００内の各セルの温度（以下「セル温度」とも称する。）を検知する。各センサは、検知結果を示す信号をＥＣＵ３００に出力する。なお、必ずしもセル単位で電圧や温度を監視する必要はなく、たとえば、複数のセルによって構成されるモジュール単位や組電池単位で電圧や温度を監視してもよい。

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

ＰＣＵ２０は、たとえばコンバータと、インバータ（いずれも図示せず）とを含む。ＰＣＵ２０は、ＥＣＵ３００からのスイッチング指令に従って、組電池１００とＭＧ３０との間で双方向に電力変換が可能に構成されている。コンバータは、組電池１００とインバータとの間で双方向の直流電圧変換を実行するように構成されている。インバータは、直流電力とＭＧ３０に入出力される交流電力との間の双方向の電力変換を実行するように構成されている。

ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入出力インターフェイスと（いずれも図示せず）を含む。ＥＣＵ３００は、各センサからの信号およびメモリに記憶された情報に基づいてＰＣＵ２０を制御することによって、組電池１００の充放電を制御する。

［内部抵抗の推定精度向上］
上述のように、電池システム１０において、組電池１００は、ニッケル水素単電池を含む。ニッケル水素単電池においては、充放電を繰り返すことにより負極（水素吸蔵合金）が活性化し、負極の反応抵抗が低下する。負極の反応抵抗が低下することによって、ニッケル水素単電池の内部抵抗が低下する。したがって、ニッケル水素単電池の内部抵抗を正確に推定するためには、負極の反応抵抗の低下分を十分に考慮する必要がある。

ところで、ニッケル水素単電池の入出力は、過去の入出力の影響を受けやすい（ヒステリシス）。したがって、過去の入出力の影響が大きいタイミングで検知された電流変化量及び電圧変化量からニッケル水素単電池の内部抵抗を推定したとしても、負極の反応抵抗の低下分は、内部抵抗に正確には反映されない。

本実施の形態に従う電池システム１０において、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池の負極の反応抵抗の影響が支配的となる条件が成立した場合に電流変化量及び電圧変化量を記憶する。ＥＣＵ３００は、記憶された電流変化量及び電圧変化量を用いてニッケル水素単電池の内部抵抗を推定する。負極の反応抵抗の影響が支配的となるタイミングで検知された電流変化量及び電圧変化量を用いてニッケル水素単電池の内部抵抗が推定されるため、電池システム１０によれば、内部抵抗の推定において負極の反応抵抗の低下を十分に考慮することができる。なお、ＥＣＵ３００は、たとえば、組電池１００に含まれる各ニッケル水素単電池に関して電流変化量及び電圧変化量を記憶し、各ニッケル水素単電池に関して内部抵抗を推定する。

本発明者は、さらに、ニッケル水素単電池の負極の反応抵抗の影響が支配的となる条件がニッケル水素単電池の温度により異なることを見出した。

図２は、ニッケル水素単電池の温度が常温（たとえば、２５℃）である場合に、負極の反応抵抗の影響があらわれやすい条件を説明するための図である。図２を参照して、横軸は対象となるニッケル水素単電池が新品であるか回収品であるかを示し、縦軸はニッケル水素単電池の内部抵抗を示す。

回収品は、充放電が繰り返し行なわれた単セルである。本来、ニッケル水素単電池においては、充放電が繰り返されることによって負極の反応抵抗が低下する。したがって、新品よりも回収品の方が内部抵抗が低いはずである。

右側の新品及び回収品の内部抵抗は、新品及び回収品のそれぞれにおいて、常温下で１秒間の電流変化量及び電圧変化量を検知することによって推定された値である。本来、上述のように新品よりも回収品の方が内部抵抗が低いはずであるが、この場合には両者にほとんど差がない。これは、常温下では１秒間というある程度長い時間において、推定された内部抵抗に、ニッケル水素単電池の過去の入出力の影響が大きく反映されたためと考えられる。

左側の新品及び回収品の内部抵抗は、新品及び回収品のそれぞれにおいて、常温下で０．１秒間の電流変化量及び電圧変化量を検知することによって推定された値である。この場合には、回収品の方が新品よりも内部抵抗が低くなっており、推定された内部抵抗に負極の反応抵抗の低下分が反映されているといえる。したがって、負極の反応抵抗の低下分を正確に推定するために、常温下では０．１秒という短時間における電流変化量及び電圧変化量を検知する必要がある。

図３は、ニッケル水素単電池の温度が低温（たとえば、マイナス（−）３０℃）である場合に、負極の反応抵抗の影響があらわれやすい条件を説明するための図である。図３を参照して、図２と同様、横軸は対象となるニッケル水素単電池が新品であるか回収品であるかを示し、縦軸はニッケル水素単電池の内部抵抗を示す。

左側の新品及び回収品の内部抵抗は、新品及び回収品のそれぞれにおいて、低温下で０．１秒間の電流変化量及び電圧変化量を検知することによって推定された値である。この場合には、新品と回収品との間で推定された内部抵抗にほとんど差がない。これは、低温下では０．１秒という短時間では負極の反応抵抗の影響が十分にあらわれなかったためと考えられる。

右側の新品及び回収品の内部抵抗は、新品及び回収品のそれぞれにおいて、低温下で１秒間の電流変化量及び電圧変化量を検知することによって推定された値である。この場合には、回収品の方が新品よりも内部抵抗が低くなっており、推定された内部抵抗に負極の反応抵抗の低下分が反映されているといえる。したがって、負極の反応抵抗の低下分を正確に推定するために、低温下では１秒というある程度長い時間における電流変化量及び電圧変化量を検知する必要がある。

そこで、本実施の形態に従う電池システム１０において、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池の内部抵抗を推定するために所定時間におけるニッケル水素単電池の電流変化量及び電圧変化量を監視し、所定時間は、ニッケル水素単電池の温度によって異なるように設定される。これにより、電流変化量及び電圧変化量を記憶するべきか否かを判定する間隔が温度に応じて適切に設定される。たとえば、ニッケル水素単電池の温度が低温である場合には、所定時間として１秒が設定され、ニッケル水素単電池の温度が常温である場合には、所定時間として０．１秒が設定される。

ＥＣＵ３００は、所定時間として第１の時間（たとえば１秒）が設定されている場合（たとえば、低温の場合）には、以下の２つの条件を両方満たす場合に、ニッケル水素単電池の電流変化量及び電圧変化量を内部抵抗の推定のために記憶する。第１の条件は、所定時間における電流変化量の大きさが第１の所定量以上であることである。第２の条件は、所定時間における電流変化量の大きさが最大となった時点以後の電流の変動幅が第２の所定量（第２の所定量＜第１の所定量）以下であることである。

図４は、所定時間として第１の時間が設定されている場合に、電流変化量及び電圧変化量が内部抵抗推定のために記憶される条件を説明するための図である。図４を参照して、横軸は時間を示し、縦軸はニッケル水素単電池の電流を示す。

時刻ｔ０１〜ｔ０１＋１秒までの１秒が所定時間であるとする。この場合に、上記第１の条件における「所定時間における電流変化量の大きさ」は、時刻ｔ０１＋１秒における電流Ｉ１１から時刻ｔ０１における電流Ｉ１０を差し引いたΔＩ０である。したがって、ΔＩ０が第１の所定量以上である場合に、上記第１の条件が満たされる。第１の条件が満たされている場合、電流変化量及び電圧変化量から推定される内部抵抗において、負極の反応抵抗の影響がある程度大きくなっているものと考えられる。

時刻ｔ０１〜ｔ０１＋１秒の間において、時刻ｔ０１からの電流変化量の大きさが最大となる時刻はｔ０２である。したがって、上記第２の条件における「所定時間における電流変化量の大きさが最大となった時点以後の電流の変動幅」は、時刻ｔ０２〜ｔ０１＋１秒における変動幅であるΔＩ１である。したがって、ΔＩ１が第２の所定量以下である場合に、上記第２の条件が満たされる。第２の条件が満たされない場合（ΔＩ１が大きく変動する場合）には、電流変化量及び電圧変化量から推定される内部抵抗において、拡散抵抗（反応抵抗よりも時定数が遅い）等の影響が大きくなってきているものと考えられる。したがって、ＥＣＵ３００は、第２の条件が満たされていない場合の電流変化量及び電圧変化量によっては、負極の反応抵抗の低下を正確に推定することができない。

所定時間として第１の時間が設定されている場合には、上記第１及び第２の条件が満たされるときに、負極の反応抵抗の影響が支配的になっていると考えられる。ＥＣＵ３００は、このタイミングで記憶された電流変化量及び電圧変化量を用いて内部抵抗を推定することによって、負極の反応抵抗の低下分を十分に考慮することができる。

ＥＣＵ３００は、所定時間として第２の時間（たとえば０．１秒）が設定されている場合（たとえば、常温の場合）には、所定時間における電流変化量の大きさが第３の所定量以上であるときに、ニッケル水素単電池の電流変化量及び電圧変化量を内部抵抗の推定のために記憶する。所定時間における電流変化量の大きさが第３の所定量以上である場合には、負極の反応抵抗の影響が支配的になっていると考えられるからである。ＥＣＵ３００は、このタイミングで記憶された電流変化量及び電圧変化量を用いて内部抵抗を推定することによって、負極の反応抵抗の低下分を十分に考慮することができる。

図５は、所定時間として第２の時間が設定されている場合に、電流変化量及び電圧変化量が内部抵抗推定のために記憶される条件を説明するための図である。図５を参照して、横軸は時間を示し、縦軸はニッケル水素単電池の電流を示す。

時刻ｔ０〜ｔ０＋０．１秒までの０．１秒が所定時間であるとする。この場合に、時刻ｔ０＋０．１秒における電流Ｉ１から時刻ｔ０における電流Ｉ０を差し引いた値が、所定時間における電流変化量の大きさとなる。したがって、ＥＣＵ３００は、この値が第３の所定量以上であるときに、電流変化量及び電圧変化量を内部抵抗の推定のために記憶する。

なお、所定時間として第２の時間（たとえば、０．１秒）が設定されている場合には、第１の時間（たとえば、１秒）が設定されている場合と異なり、上記第２の条件が課されていない。これは、所定時間が短い場合には、電流変化量及び電圧変化量から推定される内部抵抗において、時定数の遅い拡散抵抗の影響が大きくなる可能性が低いからである。

このように、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池の負極の反応抵抗の影響が支配的となる条件が成立した場合に電流変化量及び電圧変化量を記憶し、記憶された電流変化量及び電圧変化量を用いてニッケル水素単電池の内部抵抗を推定する。したがって、電池システム１０によれば、内部抵抗の推定において負極の反応抵抗の低下を十分に考慮することができる。

［内部抵抗推定の処理手順］
図６は、電池システム１０におけるニッケル水素単電池の内部抵抗の推定処理手順を示すフローチャートである。図６を参照して、このフローチャートに示される処理は、車両システムの作動中にＥＣＵ３００により繰り返し実行される。

ＥＣＵ３００は、電圧センサ２１０、電流センサ２２０、及び温度センサ２３０からセル電圧を示す信号、電流を示す信号、及びセル温度を示す信号をそれぞれ取得する（ステップＳ１００）。ＥＣＵ３００は、取得されたセル温度を参照することによって、ニッケル水素単電池の温度が低温であるか常温であるかを判定する（ステップＳ１１０）。たとえば、ＥＣＵ３００は、０℃以上を常温と判定し、０℃未満を低温と判定する。

ニッケル水素単電池の温度が低温であると判定されると（ステップＳ１１０において「低温」）、ＥＣＵ３００は、上述の所定時間として第１の時間（たとえば、１秒）を設定する（ステップＳ１２０）。

その後、ＥＣＵ３００は、第１の時間前に検知された電流（ＥＣＵ３００の内部のメモリに記憶されている。）と今サイクルにおいて検知された電流との差の絶対値（所定時間における電流変化量の大きさ）が第１の所定量以上か否かを判定する（ステップＳ１３０）。所定時間における電流変化量の大きさが第１の所定量未満であると判定されると（ステップＳ１３０においてＮＯ）、処理はリターンに移行する。

所定時間における電流変化量の大きさが第１の所定量以上であると判定されると（ステップＳ１３０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、第１の時間前から電流変化量の大きさが最大となった時点以後から今サイクルまでの電流の変動幅が第２の所定値以下か否かを判定する（ステップＳ１４０）。電流の変動幅が第２の所定値を上回ると判定されると（ステップＳ１４０においてＮＯ）、処理はリターンに移行する。

電流の変動幅が第２の所定値以下であると判定されると（ステップＳ１４０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、第１の時間前から今サイクルまでの電圧変化量及び電流変化量（所定時間における電圧変化量及び電流変化量）を内部抵抗を推定するために内部メモリに記憶する（ステップＳ１５０）。

その後、ＥＣＵ３００は、今サイクルにステップＳ１５０において記憶された電圧変化量及び電流変化量、並びに、過去のサイクルにステップＳ１５０において記憶された電圧変化量及び電流変化量を用いることによって、低温におけるニッケル水素単電池の内部抵抗を推定する（ステップＳ１６０）。たとえば、ＥＣＵ３００は、過去に記憶された電圧変化量及び電流変化量と、今回記憶された電圧変化量及び電流変化量とを、適度に重みづけした上で用いることによりニッケル水素単電池の内部抵抗を推定する。なお、ここで推定される内部抵抗は、ｔ秒（第１の時間）抵抗値であり、第１の時間における電圧変化量及び電流変化量から求められる抵抗値である。

ＥＣＵ３００は、推定された内部抵抗に基づいて、ニッケル水素単電池の入出力制限値を更新する（ステップＳ１７０）。

ステップＳ１１０において、ニッケル水素単電池の温度が常温であると判定されると（ステップＳ１１０において「常温」）、ＥＣＵ３００は、上述の所定時間として第２の時間（たとえば、０．１秒）を設定する（ステップＳ１８０）。

その後のステップＳ１９０〜Ｓ２２０の処理は、ステップＳ１３０，Ｓ１５０〜Ｓ１７０の処理とそれぞれ実質的に同一である。異なる点として、たとえば、ステップＳ１９０〜Ｓ２２０における所定時間が第１の時間であるのに対し、ステップＳ１３０，Ｓ１５０〜Ｓ１７０における所定時間が第２の時間である点や、ステップＳ１３０におけるしきい値が第１の所定量であるのに対し、ステップＳ１９０におけるしきい値が第３の所定量である点がある。

なお、ニッケル水素単電池の温度が常温である場合には、ステップＳ１４０のような判定が行なわれない。これは、上述の通り、所定時間が短い場合（たとえば、０．１秒）には、電流変化量及び電圧変化量から推定される内部抵抗において、時定数の遅い拡散抵抗の影響が大きくなる可能性が低いからである。

以上のように、本実施の形態に従う電池システム１０において、ＥＣＵ３００は、ニッケル水素単電池の負極の反応抵抗の影響が支配的となるタイミングで電流変化量及び電圧変化量を記憶し、記憶された電流変化量及び電圧変化量を用いてニッケル水素単電池の内部抵抗を推定する。したがって、電池システム１０によれば、内部抵抗の推定において負極の反応抵抗の低下を十分に考慮することができる。

なお、ニッケル水素単電池の内部抵抗の推定処理手順は、必ずしも低温と常温とで分ける必要はない。たとえば、極低温（たとえば、−３０℃以下）と低温（たとえば、０℃未満）と常温（たとえば、０℃以上）とで内部抵抗の推定処理手順を分けてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 車両、１０ 電池システム、２０ ＰＣＵ、３０ ＭＧ、４０ 駆動輪、１００ 組電池、２００ 監視ユニット、２１０ 電圧センサ、２２０ 電流センサ、２３０ 温度センサ、３００ ＥＣＵ。

Claims (1)

1. ニッケル水素電池と、
   前記ニッケル水素電池の内部抵抗を推定するように構成された制御装置とを備え、
   前記制御装置は、所定時間における前記ニッケル水素電池の電流変化量及び電圧変化量を監視し、
   前記所定時間は、前記ニッケル水素電池の温度によって異なるように設定され、
   前記制御装置は、
   前記所定時間として第１の時間が設定されている場合には、
   前記電流変化量の大きさが第１の所定量以上であり、かつ、前記電流変化量の大きさが最大となった時点以後の前記ニッケル水素電池の電流の変動幅が前記第１の所定量より小さい第２の所定量以下であるときに、前記電流変化量及び前記電圧変化量を記憶し、記憶された前記電流変化量及び前記電圧変化量を用いて前記内部抵抗を推定し、
   前記所定時間として前記第１の時間よりも短い第２の時間が設定されている場合には、前記電流変化量の大きさが第３の所定量以上であるときに、前記電流変化量及び前記電圧変化量を記憶し、記憶された前記電流変化量及び前記電圧変化量を用いて前記内部抵抗を推定する、電池システム。

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