(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル水素電池の放電制御装置であって、
前記ニッケル水素電池に流れる電流を検出する電流センサと、
前記電流センサの測定した電流に基づいて前記ニッケル水素電池の筐体からの水素抜け量を推定し、推定した水素抜け量に基づいて前記ニッケル水素電池から出力する電力の上限値を決定する放電制御部とを備える、ニッケル水素電池の放電制御装置。
【請求項２】
前記ニッケル水素電池は、車両に搭載され、車両駆動用のモータに電力を供給し、
前記放電制御部は、前記電流センサの測定した電流に加え、前記車両の走行距離に基づいて前記ニッケル水素電池の筐体からの水素抜け量を推定する、請求項１に記載のニッケル水素電池の放電制御装置。
【請求項３】
前記放電制御部は、前記車両が単位走行距離を走行するごとに前記電流の測定値の２乗に対応する水素抜け量を積算し、積算した水素抜け量が増加したことに応じて前記上限値を減少させる、請求項２に記載のニッケル水素電池の放電制御装置。
【請求項４】
ニッケル水素電池の放電制御方法であって、
前記ニッケル水素電池に流れる電流を検出するステップと、
検出された前記電流に基づいて前記ニッケル水素電池の筐体からの水素抜け量を推定し、推定した水素抜け量に基づいて前記ニッケル水素電池から出力する電力の上限値を決定するステップとを備える、ニッケル水素電池の放電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はニッケル水素電池の放電制御装置およびニッケル水素電池の放電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車には、車両推進用のモータを駆動させるために二次電池が搭載されている。このような二次電池としては、サイズが小型であり、かつ高容量化が可能なニッケル水素蓄電池が用いられる場合が多い。
【０００３】
特開２００８−１８９１２１号公報（特許文献１）には、プラグインハイブリッド車両に搭載されたニッケル水素蓄電池の寿命を延ばす技術が開示されている。
【０００４】
この技術では、放電リザーブの上限値より高い値に充電量の初期下限値が設定されることによって、放電リザーブの上限値及び充電リザーブの下限値間に一定の充放電可能な容量を確保しつつ、放電リザーブの上限値上に充電量のマージンが設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８９１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特開２００８−１８９１２１号公報は、水素リザーブに着目して電池の延命について考案されたものであり、水素抜けによる電池劣化の程度に応じた好適な放電制御については記載されていない。
【０００７】
ニッケル水素電池は、長年使用すると筐体からの微量な水素抜けのために性能が劣化する。この劣化を考慮せずに電池から当初の出力可能な電力を最大許容電力とすると、電池からの出力が不足する可能性がある。
【０００８】
しかし、劣化を見込んで当初から最大許容電力を低く設定すると、電池の性能を発揮できず車両要求性能を満たすために電池の容量を大きくする必要がある。また、ハイブリッド自動車の場合には、走行に使用可能な電池パワーが小さくなるのでエンジンが頻繁に始動してしまう。エンジン効率が低い低パワー出力時はなるべくエンジンを使用せずにモータのみで走行するＥＶ走行を行ないたいが、ＥＶ走行領域が小さくなると燃費も低下してしまう。
【０００９】
この発明の目的は、電池劣化を考慮した好適な放電制御が実行可能なニッケル水素電池の放電制御装置およびニッケル水素電池の放電制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、要約すると、ニッケル水素電池の放電制御装置であって、ニッケル水素電池に流れる電流を検出する電流センサと、電流センサの測定した電流に基づいてニッケル水素電池の筐体からの水素抜け量を推定し、推定した水素抜け量に基づいてニッケル水素電池から出力する電力の上限値を決定する放電制御部とを備える。
【００１１】
好ましくは、ニッケル水素電池は、車両に搭載され、車両駆動用のモータに電力を供給する。放電制御部は、電流センサの測定した電流に加え、車両の走行距離に基づいてニッケル水素電池の筐体からの水素抜け量を推定する。
【００１２】
より好ましくは、放電制御部は、車両が単位走行距離を走行するごとに電流の測定値の２乗に対応する水素抜け量を積算し、積算した水素抜け量が増加したことに応じて上限値を減少させる。
【００１３】
この発明は、他の局面では、ニッケル水素電池の放電制御方法であって、ニッケル水素電池に流れる電流を検出するステップと、検出された電流に基づいてニッケル水素電池の筐体からの水素抜け量を推定し、推定した水素抜け量に基づいてニッケル水素電池から出力する電力の上限値を決定するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電池が劣化していない状態のときは電池性能が十分に発揮でき、電池が劣化した場合においても劣化を急速に促進させないような好適な放電制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係るハイブリッド自動車１の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の制御装置３０が行なう電池出力上限値の決定に関する制御を説明するためのフローチャートである。
【図３】水素抜け量と電流２乗値との関係について説明するための図である。
【図４】水素抜け量を規定したマップを示す図である。
【図５】電流２乗値から水素抜け量を決定する説明をするための図である。
【図６】電池の水素量の経年変化を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付してそれらについての説明は繰返さない。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態に係るハイブリッド自動車１の構成を示すブロック図である。
【００１８】
図１を参照して、ハイブリッド自動車１は、前輪２０Ｒ，２０Ｌと、後輪２２Ｒ，２２Ｌと、エンジン２００と、プラネタリギヤＰＧと、デファレンシャルギヤＤＧと、ギヤ４，６とを含む。
【００１９】
ハイブリッド自動車１は、さらに、電池ＢＡＴと、電池ＢＡＴの出力する直流電力を昇圧する昇圧ユニット２０と、昇圧ユニット２０との間で直流電力を授受するインバータ１４とを含む。
【００２０】
ハイブリッド自動車１は、さらに、プラネタリギヤＰＧを介してエンジン２００の動力を受けて発電を行なうモータジェネレータＭＧ１と、回転軸がプラネタリギヤＰＧに接続されるモータジェネレータＭＧ２とを含む。インバータ１４はモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に接続され交流電力と昇圧回路からの直流電力との変換を行なう。
【００２１】
プラネタリギヤＰＧは、サンギヤと、リングギヤと、サンギヤおよびリングギヤの両方に噛合うピニオンギヤと、ピニオンギヤをサンギヤの周りに回転可能に支持するプラネタリキャリヤとを含む。プラネタリギヤＰＧは第１〜第３の回転軸を有する。第１の回転軸はエンジン２００に接続されるプラネタリキャリヤの回転軸である。第２の回転軸はモータジェネレータＭＧ１に接続されるサンギヤの回転軸である。第３の回転軸はモータジェネレータＭＧ２に接続されるリングギヤの回転軸である。
【００２２】
この第３の回転軸にはギヤ４が取付けられ、このギヤ４はギヤ６を駆動することによりデファレンシャルギヤＤＧに動力を伝達する。デファレンシャルギヤＤＧは、ギヤ６から受ける動力を前輪２０Ｒ，２０Ｌに伝達するとともに、ギヤ６，４を介して前輪２０Ｒ，２０Ｌの回転力をプラネタリギヤＰＧの第３の回転軸に伝達する。
【００２３】
プラネタリギヤＰＧはエンジン２００，モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の間で動力を分割する役割を果たす。すなわちプラネタリギヤＰＧの３つの回転軸のうちの２つの回
転軸の回転が定まれば残る１つの回転軸の回転は自ずと定められる。したがって、エンジン２００を最も効率のよい領域で動作させつつ、モータジェネレータＭＧ１の発電量を制御してモータジェネレータＭＧ２を駆動させることにより車速の制御を行ない、全体としてエネルギ効率のよい自動車を実現している。
【００２４】
直流電源である電池ＢＡＴは、直流電力を昇圧ユニット２０に供給するとともに、昇圧ユニット２０からの直流電力によって充電される。電池ＢＡＴは、組電池であり、直列に接続された複数のニッケル水素電池ユニットＢ０〜Ｂｎを含む。昇圧ユニット２０と電池ＢＡＴとの間にはシステムメインリレーＳＲ１，ＳＲ２が設けられ車両非運転時には高電圧が遮断される。
【００２５】
昇圧ユニット２０は電池ＢＡＴから受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧された直流電圧をインバータ１４に供給する。インバータ１４は供給された直流電圧を交流電圧に変換してエンジン始動時にはモータジェネレータＭＧ１を駆動制御する。また、エンジン始動後にはモータジェネレータＭＧ１が発電した交流電力はインバータ１４によって直流に変換されて昇圧ユニット２０によって電池ＢＡＴの充電に適切な電圧に変換され電池ＢＡＴが充電される。
【００２６】
また、インバータ１４はモータジェネレータＭＧ２を駆動する。モータジェネレータＭＧ２はエンジン２００を補助して前輪２０Ｒ，２０Ｌを駆動する。制動時には、モータジェネレータＭＧ２は回生運転を行ない、車輪の回転エネルギを電気エネルギに変換する。得られた電気エネルギは、インバータ１４および昇圧ユニット２０を経由して電池ＢＡＴに戻される。
【００２７】
ハイブリッド自動車１は、さらに、電池ＢＡＴの温度ＴＢを検出する温度センサ８と、電池ＢＡＴの電流ＩＢを検出する電流センサ９と、電池ＢＡＴの電圧ＶＢを検出する電圧センサ１０とを含む。温度センサ８は、電池ＢＡＴの温度ＴＢを検知して制御装置３０に送信する。電流センサ９は、電池ＢＡＴの電流ＩＢを検知して制御装置３０に送信する。電圧センサ１０は、電池ＢＡＴの電圧ＶＢを検知して制御装置３０に送信する。
【００２８】
ハイブリッド自動車１は、さらに、図示しないアクセルペダルからの入力と温度ＴＢ、電流ＩＢおよび電圧ＶＢとに応じてエンジン２００、インバータ１４および昇圧ユニット２０を制御する制御装置３０とを含む。
【００２９】
ところで、電池ＢＡＴ中の直列に接続された複数のニッケル水素電池ユニットＢ０〜Ｂｎは、経年劣化により電池性能がすこしずつ劣化していく。経年劣化の主な要因の１つは、ニッケル水素電池ユニットＢ０〜Ｂｎのケースからの水素抜けにより水素量が減少することである。ケースに樹脂を採用した場合には金属を採用した場合よりも水素抜け量が大きくなる。
【００３０】
したがって、本実施の形態では、水素抜け量に応じて電池出力に許容される出力上限値Ｗｏｕｔを決定する。
【００３１】
図２は、図１の制御装置３０が行なう電池出力上限値の決定に関する制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、一定時間経過毎または所定の条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。
【００３２】
図１、図２を参照して、まず処理が開始されると、制御装置３０は、ステップＳ１において電流ＩＢを電流センサ９によって検出し、ステップＳ２において電流２乗値のなまし処理を実施する。電流２乗値は、電流ＩＢの２乗である。そしてなまし処理は、対象となる数値（電流２乗値）の変化度合いを緩慢にする処理である。
【００３３】
具体的には、次式（１）に基づいて処理が行なわれる。
Ｉ2（ｎ）＝（（Ｋ−Ｔ）×Ｉ2（ｎ−１）＋Ｔ×Ｉ2）／Ｋ    …（１）
ここで、Ｉ2（ｎ）は、今回の制御サイクルで算出された電流２乗値をなまし処理した値を示す。また、Ｉ2（ｎ−１）は、前回の制御サイクルで算出された電流２乗値をなまし処理した値を示す。Ｉ2は、測定された電池電流ＩＢの２乗値を示す。Ｋは、なまし時間（なまし定数、時定数ともいう）を示し、Ｔは、制御周期を示す。
【００３４】
ステップＳ２の処理を実行した後に、制御装置３０はステップＳ３において所定距離（たとえば、１ｋｍ）車両が走行したか否かを判断する。前回のステップＳ４以降の処理が実行されてからまだ所定距離を車両が走行していない場合には、再びステップＳ１の処理が実行される。一方、前回のステップＳ４以降の処理が実行されてから所定距離を車両が走行した場合には、ステップＳ４に処理が進む。
【００３５】
ステップＳ４では、制御装置３０は、ステップＳ２処理後の電流２乗値から水素抜け量を算出する。
【００３６】
図３は、水素抜け量と電流２乗値との関係について説明するための図である。図３において縦軸には電池の充電状態ＳＯＣ（残存容量、充電量という場合もある）が示され、横軸には時間が示されている。
【００３７】
図１のハイブリッド自動車は、充電状態ＳＯＣを所定の目標値Ｋに維持するように、電池の放電と充電とを繰返している。充電は、エンジン２００の力を使用して発電機（モータジェネレータＭＧ１）で発電した電力や、回生制動によって電動機（モータジェネレータＭＧ２）で発電された電力によって行なわれる。
【００３８】
図３に示すように、同じ目標値Ｋに充電状態ＳＯＣを維持する場合でも、運転者の運転によって充電状態ＳＯＣの変化は異なる。たとえばラインＫＡに示すようにゆっくりと変化する場合もあれば、ラインＫＢに示すように頻繁に変化する場合もある。水素抜け量は、ラインＫＢに示す場合のほうがラインＫＡに示す場合よりも多い。したがって、ラインＫＢに示すように小刻みに充放電が発生するほうが、ニッケル水素電池の劣化の進み具合は大きい。たとえば、頻繁に加減速を行なったりするとラインＫＢに示すような変化が見られる。
【００３９】
そこで、本実施の形態では、ニッケル水素電池の水素抜け量を推定する方法として、電池電流ＩＢの２乗値を使用する。
【００４０】
図４は、水素抜け量を規定したマップを示す図である。図４では、電池電流ＩＢの２乗値Ｊ１、Ｊ２、…、Ｊｎに対してそれぞれ単位走行距離（たとえば１ｋｍ）あたりの水素抜け量Ｈ１、Ｈ２、…、Ｈｎが規定されている。水素抜け量Ｈ１、Ｈ２、…、Ｈｎは、たとえば、実験的に予め求めておいた値とすることができる。
【００４１】
図５は、電流２乗値から水素抜け量を決定する説明をするための図である。図５に示すように、電流２乗値が増加すると単位走行距離（たとえば１ｋｍ）あたりの水素抜け量も増加する傾向がある。したがって、図２のステップＳ４では、図４のマップからなまし処理後の現在の電流２乗値（式（１）のＩ2（ｎ））に対応する水素抜け量が読み出される。電流２乗値がＪｍである場合には、図５に示すように対応する水素抜け量ＨｍがステップＳ４で求められる。
【００４２】
再び図２を参照して、ステップＳ５では、ステップＳ４で求められた水素抜け量が今まで積算されていた水素抜け量の積算値に加えられる。
【００４３】
続いて、ステップＳ６において、制御装置３０は、水素抜け量が判定しきい値まで増加したか否かを判断する。判定しきい値は、ニッケル水素電池の出力特性が悪化する水素抜け量に基づいて決定されている。
【００４４】
ステップＳ６において、水素抜け量が判定しきい値まで増加した場合にはステップＳ８に処理が進み、まだ判定しきい値まで増加していない場合にはステップＳ７に処理が進む。ステップＳ７では、制御装置３０は、電池ＢＡＴの出力上限値Ｗｏｕｔを通常値Ａに設定する。一方、ステップＳ８では、制御装置３０は、電池ＢＡＴの出力上限値Ｗｏｕｔを通常値Ａよりも小さい制限値Ｂに設定する。
【００４５】
ステップＳ７，Ｓ８のいずれかの処理が終了すると、ステップＳ９に処理が進み制御はメインルーチンに戻される。
【００４６】
図６は、電池の水素量の経年変化を示した図である。図６において縦軸には、ニッケル水素電池の筐体内部の水素量が示されている。また横軸には使用開始からの経過年数が示されている。
【００４７】
図６を参照して、ラインＬＡ，ＬＢ，ＬＣは、異なる走行のさせ方をした場合の水素量の変化を示している。ラインＬＡ，ＬＢ，ＬＣの電流２乗値をそれぞれＪＡ，ＪＢ，ＪＣとすると、ＪＡ＞ＪＢ＞ＪＣである。
【００４８】
そして、ラインＬＡ，ＬＢ，ＬＣによって、初期の水素量（初期値）Ｘ０から故障となる水素量Ｘ２まで、電池筐体内部の水素量がどのように変化したかが示されている。
【００４９】
ラインＬＡでは、経過年数がＹ１となったときに、図２のステップＳ６で水素抜け量が判定しきい値まで増加し、電池ＢＡＴの出力上限値Ｗｏｕｔが通常値Ａから制限値Ｂに変更された場合が示される。図２のステップＳ６の水素抜け量の判定しきい値は、図６においてはＸ０−Ｘ１に対応する。水素量が初期値Ｘ０からＸ１に減少したときに電池は出力特性が悪化し、さらに水素量がＸ２に減少すると電池は故障した状態となる。
【００５０】
ラインＬＡにおいて、もし経過年数がＹ１に到達した以降も電池ＢＡＴの出力上限値Ｗｏｕｔを通常値Ａ（ステップＳ７）のままにしておいた場合には破線で示すように経過年数Ｙ２で寿命に至ってしまう。これに対し、経過年数がＹ１に到達した時に電池ＢＡＴの出力上限値Ｗｏｕｔを制限値Ｂ（ステップＳ８）に変更した場合には、経過年数Ｙ６になるまで電池を使用し続けることができる。経過年数Ｙ１〜Ｙ６の間には電池ＢＡＴの出力上限値Ｗｏｕｔが制限されるので車両の運動性能も当初よりも制限される場合もありうるが、ユーザの要求もさまざまであるので、不満を感じるユーザは電池の交換等を検討すればよく、不満を感じないユーザにとっては電池を長く使い続けることができる。ラインＬＢ，ＬＣについても同様なことが言える。
【００５１】
ラインＬＢにおいて、もし経過年数がＹ３に到達した以降も電池ＢＡＴの出力上限値Ｗｏｕｔを通常値Ａのままにしておいた場合には破線で示すように経過年数Ｙ４で寿命に至ってしまう。これに対し、経過年数がＹ３に到達した時に電池ＢＡＴの出力上限値Ｗｏｕｔを制限値Ｂに変更した場合には、経過年数Ｙ８になるまで電池を使用し続けることができる。
【００５２】
ラインＬＣにおいて、もし経過年数がＹ５に到達した以降も電池ＢＡＴの出力上限値Ｗｏｕｔを通常値Ａのままにしておいた場合には破線で示すように経過年数Ｙ７で寿命に至ってしまう。これに対し、経過年数がＹ５に到達した時に電池ＢＡＴの出力上限値Ｗｏｕｔを制限値Ｂに変更した場合には、経過年数Ｙ９になるまで電池を使用し続けることができる。
【００５３】
最後に、再び図１等を参照して本実施の形態について総括する。
ニッケル水素電池の放電制御装置は、ニッケル水素電池ユニットＢ０〜Ｂｎに流れる電流を検出する電流センサ９と、電流センサ９の測定した電流に基づいてニッケル水素電池ユニットＢ０〜Ｂｎの各筐体からの水素抜け量を推定し、推定した水素抜け量に基づいてニッケル水素電池ユニットＢ０〜Ｂｎから出力する電力の上限値を決定する制御装置３０とを備える。
【００５４】
好ましくは、ニッケル水素電池ユニットＢ０〜Ｂｎは、ハイブリッド自動車１に搭載され、車両駆動用のモータジェネレータＭＧ２に電力を供給する。制御装置３０は、電流センサの測定した電流に加え、車両の走行距離に基づいてニッケル水素電池ユニットＢ０〜Ｂｎの各筐体からの水素抜け量を推定する。
【００５５】
より好ましくは、制御装置３０は、ハイブリッド自動車１が単位走行距離（たとえば１ｋｍ）を走行するごとに（図２のステップＳ３でＹＥＳ）、電流の測定値の２乗に対応する水素抜け量を積算し（図２のステップＳ５）、積算した水素抜け量が増加したことに応じて上限値を減少させる。より具体的には、制御装置３０は、積算した水素抜け量がしきい値を超えたことに応じて上限値を減少させる（図２のステップＳ６，Ｓ８）。
【００５６】
この発明は、他の局面では、ニッケル水素電池の放電制御方法である。図２に示すように、ニッケル水素電池の放電制御方法は、ニッケル水素電池に流れる電流を検出するステップ（Ｓ１）と、検出された電流に基づいてニッケル水素電池の筐体からの水素抜け量を推定し、推定した水素抜け量に基づいてニッケル水素電池から出力する電力の上限値を決定するステップ（Ｓ４〜Ｓ８）とを備える。
【００５７】
なお、図２、図４、図５では、単位走行距離が１ｋｍである例を示したが、単位走行距離はこれに限定されるものではなく、適宜異なる値を採用しても良い。
【００５８】
また、図２では、水素抜け量の積算処理を単位走行距離（たとえば１ｋｍ）だけ車両が走行する毎に行なう例を示したが、これに限定されるものではなく他の条件が成立したときに積算処理を行なうようにしてもよい。たとえば、ステップＳ３の「１ｋｍ走行」という条件に代えて、「一定時間が経過」という条件を採用し、一定時間が経過する毎にステップＳ４以降の処理を行なうようにしても良い。
【００５９】
さらに、図２では、水素抜け量が判定しきい値に達したときに出力上限値Ｗｏｕｔを減少させたが、判定しきい値を複数設けて、多段階に出力上限値Ｗｏｕｔを減少させたり、判定しきい値を設けずに、水素抜け量に対応する出力上限値をマップから読み出し水素抜け量が増加するにしたがって出力上限値Ｗｏｕｔを多段階または連続的に減少させるようにしたりしても良い。
【００６０】
本実施の形態によれば、電池の劣化を予測して電池が劣化する前は電池性能を十分発揮させ、電池の劣化がある程度進んでからは劣化が急速に進行しないように電池出力を制限する。このようにすることによって、電池が新しいうちは車両の高い駆動性能を享受することが可能であり、電池の劣化がある程度進んだ後には高い駆動性能を制限して電池劣化を抑制する。したがって、電池劣化がある程度進んだ後であってもユーザが急いで電池を交換する必要がなくなり、高い駆動性能を必要とするユーザが希望により電池の交換をすればよくなる。
【００６１】
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。
【符号の説明】
【００６２】
１  ハイブリッド自動車、４，６  ギヤ、８  温度センサ、９  電流センサ、１０  電圧センサ、１４  インバータ、２０  昇圧ユニット、２０Ｒ，２０Ｌ  前輪、２２Ｒ，２２Ｌ  後輪、３０  制御装置、２００  エンジン、Ｂ０〜Ｂｎ  ニッケル水素電池ユニット、ＢＡＴ  電池、ＤＧ  デファレンシャルギヤ、ＭＧ１，ＭＧ２  モータジェネレータ、ＰＧ  プラネタリギヤ、ＳＲ１，ＳＲ２  システムメインリレー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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