(57)【要約】【課題】ニッケル水素電池を搭載する電池システムおいて、蓄電部への出力要求を満足させつつ、ニッケル水素電池の正極におけるコバルト溶出、及び、負極における負極劣化を抑制する。【解決手段】ＥＣＵ１００は、出力要求により第１の蓄電装置１０に含まれるセルの正極電位が第１の電位以下となる場合に、第１の蓄電装置１０の放電を抑制するとともに出力要求に従って第２の蓄電装置１５の放電を制御する。そして、ＥＣＵ１００は、出力要求により第１の蓄電装置１０に含まれるセルの負極電位が第２の電位以上となる場合に、第１の蓄電装置１０の放電を抑制するとともに出力要求に従って第２の蓄電装置１５の放電を制御する。第１の電位は、第１の蓄電装置１０の正極内でコバルト溶出が生じる電位である。第２の電位は、第１の蓄電装置１０の負極の酸化による負極劣化が生じる電位である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の蓄電装置を含む蓄電部と、
前記蓄電部の放電を制御する制御装置とを備え、
前記第１の蓄電装置は、正極にコバルト化合物を含むニッケル水素電池で構成され、
前記制御装置は、
前記蓄電部への出力要求により前記第１の蓄電装置の正極電位が第１の電位以下となる場合に、前記第１の蓄電装置の放電を抑制するとともに前記出力要求に従って前記第２の蓄電装置の放電を制御し、
前記出力要求により前記第１の蓄電装置の負極電位が第２の電位以上となる場合に、前記第１の蓄電装置の放電を抑制するとともに前記出力要求に従って前記第２の蓄電装置の放電を制御し、
前記第１の電位は、前記第１の蓄電装置の正極内でコバルト溶出が生じる電位であり、
前記第２の電位は、前記第１の蓄電装置の負極の酸化による負極劣化が生じる電位である、電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電池システムに関し、特に、第１及び第２の蓄電装置を備える電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００６−８１３００号公報（特許文献１）は、蓄電装置と、蓄電装置に蓄えられた電力によって駆動するモータと、エンジンとを備えるハイブリッド車両を開示する。このハイブリッド車両においては、蓄電装置の入出力電圧に関して、上限電圧と下限電圧とが設定されている。これにより、蓄電装置の寿命への悪影響を低減することができる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−８１３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蓄電装置としてニッケル水素電池が用いられる場合に、正極にコバルト化合物が含まれているときは、正極においてコバルトが溶出し、正極劣化が生じる可能性がある。負極においては、負極の酸化によって負極劣化が生じる可能性がある。正極におけるコバルト溶出、及び、負極における負極劣化のいずれが生じたとしてもニッケル水素電池の電池性能が悪化する。
【０００５】
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搭載する電池システムおいて、蓄電部への出力要求を満足させつつ、ニッケル水素電池の正極におけるコバルト溶出、及び、負極における負極劣化を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のある局面に従う電池システムは、蓄電部と、制御装置とを備える。蓄電部は、第１及び第２の蓄電装置を含む。制御装置は、蓄電部の充放電を制御する。第１の蓄電装置は、正極にコバルト化合物を含むニッケル水素電池で構成される。制御装置は、蓄電部への出力要求により第１の蓄電装置の正極電位が第１の電位以下となる場合に、第１の蓄電装置の放電を抑制するとともに蓄電部への出力要求に従って第２の蓄電装置の放電を制御し、蓄電部への出力要求により第１の蓄電装置の負極電位が第２の電位以上となる場合に、第１の蓄電装置の放電を抑制するとともに蓄電部への出力要求に従って第２の蓄電装置の放電を制御する。第１の電位は、第１の蓄電装置の正極内でコバルト溶出が生じる電位である。第２の電位は、第１の蓄電装置の負極の酸化による負極劣化が生じる電位である。
【０００７】
この電池システムにおいては、蓄電部への出力要求により第１の蓄電装置の正極電位が第１の電位（正極内でコバルト溶出が生じる電位）以下となる場合、又は、蓄電部への出力要求により第１の蓄電装置の負極電位が第２の電位（負極の酸化による負極劣化が生じる電位）以上となる場合に、第１の蓄電装置の放電が抑制される。第１の蓄電装置の放電が抑制されることによって、正極電位の低下及び負極電位の上昇が抑制される。したがって、この電池システムによれば、正極におけるコバルト溶出、及び、負極における負極劣化を抑制することができる。また、この電池システムにおいては、第１の蓄電装置の放電が抑制されるのに合わせて第２の蓄電装置の放電が促進されるため、蓄電部への出力要求を満足させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ニッケル水素電池を搭載する電池システムにおいて、蓄電部への出力要求を満足させつつ、ニッケル水素電池の正極におけるコバルト溶出、及び、負極における負極劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電池システムが搭載される車両の構成を概略的に示す図である。
【図２】電池システムにおける充放電制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】第２の蓄電装置の充電状態の制御について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
（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２が搭載される車両１の構成を概略的に示す図である。以下では、車両１がハイブリッド車両である場合について説明するが、本実施の形態による電池システム２は、ハイブリッド車両に搭載されるものに限定されず、ニッケル水素電池を搭載した車両全般、さらには車両以外の用途にも適用可能である。
【００１２】
図１を参照して、車両１は、電池システム２と、コンバータ２５，２７と、インバータ３０と、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor  Generator）４１，４２と、エンジン５０と、動力分割機構６０と、駆動軸７０と、駆動輪８０とを備える。電池システム２は、第１の蓄電装置１０と、第２の蓄電装置１５と、監視ユニット２０，３５と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic  Control  Unit）１００とを備える。
【００１３】
エンジン５０は、空気と燃料との混合気を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギによって、クランクシャフトを回転させる駆動力を発生する。ＭＧ４１，４２は、発電機としても電動機としても機能する。
【００１４】
ＭＧ４１は、たとえば三相交流回転電機であり、主として、動力分割機構６０を通じて伝達されるエンジン５０の出力の一部を用いて発電する発電機として動作する。ＭＧ４１が発電した電力は、第１の蓄電装置１０及び第２の蓄電装置１５の充電、又は、ＭＧ４２の駆動に用いられる。
【００１５】
ＭＧ４２は、たとえば三相交流回転電機であり、第１の蓄電装置１０からの電力、第２の蓄電装置１５からの電力及びＭＧ４１の発電電力の少なくともいずれかによって駆動される。ＭＧ４２の駆動力は、駆動軸７０に伝達される。また、車両１の制動時には、ＭＧ４２は、駆動輪８０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。
【００１６】
第１の蓄電装置１０は、ＭＧ４１，４２を駆動するための電力を蓄える。第１の蓄電装置１０は、直列に接続された複数のニッケル水素単電池（単セル）を含む組電池で構成される。各セルの正極には、たとえば導電材として、コバルト化合物が含まれている。
【００１７】
監視ユニット２０は、電圧センサ２１と、電流センサ２２と、温度センサ２３とを含む。電圧センサ２１は、各セルの端子間電圧（以下「セル電圧ＶＣ」とも称する。）を検知する。電流センサ２２は、第１の蓄電装置１０の充放電電流（以下「電流ＩＣ」とも称する。）を検知する。温度センサ２３は、各セルの温度（以下「セル温度ＴＣ」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ＥＣＵ１００に出力する。
【００１８】
第２の蓄電装置１５は、たとえば、ニッケル水素単電池以外の蓄電要素を含む蓄電装置で構成される。第２の蓄電装置１５は、たとえば、電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池、そして燃料電池を含んで構成される。なお、後述のように、第１の蓄電装置１０の状態に応じて第１の蓄電装置１０の放電が禁止される場合があり、この場合には第２の蓄電装置１５から大電力が放電される可能性がある。電気二重層キャパシタは大電流の充放電に適したデバイスであるため、第２の蓄電装置１５としてはより好ましい。
【００１９】
第２の蓄電装置１５も、第１の蓄電装置１０と同様、ＭＧ４１，４２を駆動するための電力を蓄える。監視ユニット３５は、電圧センサ３１と、電流センサ３２と、温度センサ３３とを含む。電圧センサ３１，電流センサ３２及び温度センサ３３は、第２の蓄電装置１５の電圧ＶＢ、電流ＩＢ及び温度ＴＢをそれぞれ検知する。各センサは、検知結果を示す信号をＥＣＵ１００に出力する。
【００２０】
コンバータ２５は、第１の蓄電装置１０とインバータ３０との間に設けられる。コンバータ２５は、ＥＣＵ１００からの制御信号（ＰＷＣ１）によって制御され、第１の蓄電装置１０とインバータ３０との間で電圧変換を行なう。
【００２１】
コンバータ２７は、第２の蓄電装置１５とインバータ３０との間に設けられる。コンバータ２７は、ＥＣＵ１００からの制御信号（ＰＷＣ２）によって制御され、第２の蓄電装置１５とインバータ３０との間で電圧変換を行なう。コンバータ２５とコンバータ２７とは、インバータ３０に対して並列に接続される。
【００２２】
インバータ３０は、コンバータ２５，２７とＭＧ４１，４２との間に設けられる。インバータ３０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に従って、コンバータ２５，２７とＭＧ４１，４２との間で直流電力と交流電力との変換を実行するように構成される。インバータ３０は、ＭＧ４１，４２の状態をそれぞれ別々に制御可能に構成されており、たとえば、ＭＧ４１を回生（発電）状態にしつつ、ＭＧ４２を力行状態にすることができる。
【００２３】
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）と、入出力インターフェイスと、メモリ（いずれも図示せず）とを含んで構成される。ＥＣＵ１００は、各センサからの信号及びメモリに記憶された情報に基づき、エンジン５０、コンバータ２５，２７、及びインバータ３０を制御することによって、第１の蓄電装置１０及び第２の蓄電装置１５の充放電を制御する。
【００２４】
（第１の蓄電装置の劣化抑制及びドライバビリティの両立）
上述のように、第１の蓄電装置１０は複数のニッケル水素単電池を含む組電池で構成されており、各セルにおける正極にはコバルト化合物が含まれている。このような正極においては、第１の蓄電装置１０の放電時に正極電位が所定電位以下となると、正極においてコバルト溶出が生じる。
【００２５】
コバルト溶出が生じると、その後、コバルトの再析出が局所的に起こることによって微短絡が生じる可能性や、電池が劣化する可能性がある。また、コバルトの再析出後、電子伝導性ネットワークが初期状態と比較して不均一となることによって電池容量に寄与しない活物質が生成される懸念もある。その結果、電池容量や入出力性能の低下といった電池の劣化につながる可能性がある。
【００２６】
本実施の形態に従う電池システム２において、ＥＣＵ１００は、出力要求により第１の蓄電装置１０に含まれるセルの正極電位が正極内でコバルト溶出が生じる電位以下となる場合に、第１の蓄電装置１０の放電を抑制するとともに出力要求に従って第２の蓄電装置１５の放電を制御する。したがって、この電池システム２によれば、正極におけるコバルト溶出を抑制することができる。
【００２７】
また、第１の蓄電装置１０の放電時に負極電位が所定電位以上となると、負極酸化が生じる可能性がある。負極酸化が生じると、電池容量の低下や抵抗増加といった問題が生じ得る。
【００２８】
本実施の形態に従う電池システム２において、ＥＣＵ１００は、出力要求により第１の蓄電装置１０に含まれるセルの負極電位が負極の酸化による負極劣化が生じる電位以上となる場合に、第１の蓄電装置１０の放電を抑制するとともに出力要求に従って第２の蓄電装置１５の放電を制御する。したがって、この電池システム２によれば、負極における負極劣化を抑制することができる。
【００２９】
また、この電池システム２においては、第１の蓄電装置１０の放電が抑制されるのに合わせて第２の蓄電装置１５の放電が促進されることによって電池への出力要求が満たされるため、ドライバビリティが損なわれない。
【００３０】
（充放電制御の処理手順）
図２は、電池システム２における充放電制御の処理手順を示すフローチャートである。図２を参照して、このフローチャートに示される処理は、たとえば、車両システムの作動中に所定のサイクルで繰り返し実行される。
【００３１】
ＥＣＵ１００は、電圧センサ２１、温度センサ２３、及び電流センサ２２から第１の蓄電装置１０に含まれる各セルの電圧ＶＣ及び温度ＴＣ、並びに電流ＩＣを示す信号をそれぞれ取得する（ステップＳ１００）。
【００３２】
ＥＣＵ１００は、電圧ＶＣ、温度ＴＣ、及び電流ＩＣを用いることによって、各セルの正極電位及び負極電位を算出する（ステップＳ１１０）。たとえば、実験により予め求められた、セルの電圧及び温度並びに電流と、正極電位及び負極電位との関係を示すデータがＥＣＵ１００内のメモリに記憶されている。ＥＣＵ１００は、メモリに記憶されたデータを参照しつつ、電圧ＶＣ、温度ＴＣ、及び電流ＩＣを用いることによって、正極電位及び負極電位を算出することができる。もしくは、ＥＣＵ１００は、公知の電気化学反応モデルなどを利用し、電圧ＶＣ、温度ＴＣ、及び電流ＩＣから正極及び負極の電位を推定してもよい。
【００３３】
その後、ＥＣＵ１００は、第１の蓄電装置１０及び第２の蓄電装置１５からなる蓄電部に対する出力要求があるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。出力要求がないと判定された場合に（ステップＳ１２０においてＮＯ）、ＭＧ４１，４２が発電したときは、ＥＣＵ１００は、第１の蓄電装置１０及び第２の蓄電装置１５を充電するようにインバータ３０及びコンバータ２５，２７を制御する（ステップＳ１３０）。
【００３４】
一方、蓄電部に対する出力要求があると判定されると（ステップＳ１２０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、第１の蓄電装置１０について、各セルの正極電位が第１の保護電位以下となったか、又は、負極電位が第２の保護電位以上となったかを判定する（ステップＳ１４０）。なお、第１の保護電位は、正極電位がそれ以下となると正極内でコバルト溶出が生じる可能性が高い電位であり、予め定められている。また、第２の保護電位は、負極電位がそれ以上となると負極酸化による負極劣化が生じる可能性が高い電位であり、予め定められている。第１及び第２の保護電位を示すデータは、たとえばＥＣＵ１００内のメモリに記憶されている。
【００３５】
すべてのセルの正極電位が第１の保護電位を上回っており、かつ、すべてのセルの負極電位が第２の保護電位を下回っていると判定されると（ステップＳ１４０においてＮＯ），ＥＣＵ１００は、第１の蓄電装置１０及び第２の蓄電装置１５の放電により、蓄電部に対する出力要求に応えるようにインバータ３０及びコンバータ２５，２７を制御する（ステップＳ１６０）。なお、この場合には、必ずしも第２の蓄電装置１５による放電を行なわなくてもよく、たとえば、第１の蓄電装置１０のみで出力要求に応えるようにしてもよい。
【００３６】
一方、第１の蓄電装置１０において、少なくとも一部のセルについて、正極電位が第１の保護電位以下、又は、負極電位が第２の保護電位以上であると判定されると（ステップＳ１４０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、第１の蓄電装置１０の放電を禁止するとともに第２の蓄電装置１５のみの放電によって、蓄電部に対する出力要求に応えるようにインバータ３０及びコンバータ２５，２７を制御する（ステップＳ１５０）。
【００３７】
なお、この場合には、必ずしも第１の蓄電装置１０の放電を完全に停止する必要はなく、たとえば、正極電位が第１の保護電位を上回り、かつ、負極電位が第２の保護電位を下回る範囲において、第１の蓄電装置１０を使用してもよい。また、ステップＳ１５０における第２の蓄電装置１５のみによる放電は、たとえば、蓄電部に対する出力要求が所定レベル以下に低下するまで継続される。所定レベルは、たとえば、出力要求に従って第１の蓄電装置１０を放電したとしても、第１の蓄電装置１０の正極電位が第１の保護電位を上回り、かつ、負極電位が第２の保護電位を下回る出力要求レベルである。
【００３８】
このように、本実施の形態に従う電池システム２において、ＥＣＵ１００は、正極電位が正極内でコバルト溶出が生じる電位以下となる場合に、第１の蓄電装置１０の放電を抑制するとともに出力要求に従って第２の蓄電装置１５の放電を制御し、かつ、負極電位が負極の酸化による負極劣化が生じる電位以上となる場合に、第１の蓄電装置１０の放電を抑制するとともに出力要求に従って第２の蓄電装置１５の放電を制御する。
【００３９】
したがって、この電池システム２によれば、正極におけるコバルト溶出、及び、負極における負極劣化を抑制することができる。また、この電池システム２においては、第１の蓄電装置１０の放電が抑制されるのに合わせて第２の蓄電装置１５の放電が促進されることによって電池への出力要求が満たされるため、ドライバビリティが損なわれない。
【００４０】
（第２の蓄電装置における充電状態制御）
上述のように、第１の蓄電装置１０において、正極電位が第１の保護電位以下となった場合、又は、負極電位が第２の保護電位以上となった場合に、第２の蓄電装置１５のみで電池への出力要求が満たされる。この場合には、第２の蓄電装置１５の放電電力に関して、第１の蓄電装置１０及び第２の蓄電装置１５の両方で出力要求を満たす場合と比較して、大きい電力が第２の蓄電装置１５からＭＧ４２に供給される。
【００４１】
本実施の形態においては、第２の蓄電装置１５の充電状態は、大電力の放電に対応できるように制御される。たとえば、第２の蓄電装置１５の充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）値（満充電容量に対する残存容量を０〜１００％で表わした値である。）の目標値が、たとえば第１の蓄電装置１０におけるＳＯＣ値の目標値よりも高い所定値（たとえば、５０％以上）とされる。たとえば、やや充電過多となるように、第２の蓄電装置１５のＳＯＣ値は制御される。
【００４２】
図３は、第２の蓄電装置１５の充電状態の制御について説明するための図である。図３を参照して、上部の図は第２の蓄電装置１５のＳＯＣ値の変化を示し、下部の図は第２の蓄電装置１５の充放電電流の変化を示す。上部の図の横軸は時間を示し、縦軸は第２の蓄電装置１５のＳＯＣ値を示す。下部の図の横軸は時間を示し、縦軸は第２の蓄電装置１５の充放電電流を示す。たとえばこの例では、ＳＯＣ値の目標値は、所定値Ｓ２（たとえば、５０％以上）とされる。
【００４３】
時刻ｔ０において、ＳＯＣ値は、所定値Ｓ２よりも小さいＳ１である。したがって、ＥＣＵ１００は、第２の蓄電装置１５に電流Ｉｄが充電されるようにコンバータ２７及びインバータ３０を制御する。なお、ＥＣＵ１００は、たとえば、電圧ＶＢ又は電流ＩＢを用いる既存の方法によって第２の蓄電装置１５のＳＯＣ値を推定することができる。
【００４４】
時刻ｔ１において、電力の出力要求が生じ、第１の蓄電装置１０において、正極電位が第１の保護電位以下となった、又は、負極電位が第２の保護電位以上となったとする。この場合に、第１の蓄電装置１０の放電が禁止されるため、図示するように、電池に対する出力要求は、第２の蓄電装置１５の放電のみで満たされる。たとえば、第２の蓄電装置１５からは電流Ｉｃが出力される。これに伴ない、第２の蓄電装置１５のＳＯＣ値は、時刻ｔ１〜ｔ２にかけて急速に低下する。しかしながら、第２の蓄電装置１５のＳＯＣ値が予め高い値（たとえば、Ｓ１より高い値）に制御されているため、大電力による放電が行なわれても第２の蓄電装置１５のＳＯＣ値はＳＯＣ値の下限値（＜Ｓ１）に達しない。したがって、本実施の形態に従う第２の蓄電装置１５は、大電力の放電に対応することができる。なお、時刻ｔ２〜ｔ４においても、時刻ｔ０〜ｔ２と同様の制御が行なわれる。
【００４５】
［他の実施の形態］
以上のように、この発明の実施の形態を説明した。しかしながら、この発明は必ずしもこの実施の形態に限定されない。ここでは、他の実施の形態の一例について説明する。
【００４６】
上記の実施の形態においては、セル毎に電圧（セル電圧）及び温度（セル温度）が監視された。しかしながら、電圧及び温度の監視単位は、これに限定されない。たとえば、複数のセルを１つの監視単位としてもよい。
【００４７】
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。
【符号の説明】
【００４８】
１  車両、２  電池システム、１０  第１の蓄電装置、１５  第２の蓄電装置、２０，３５  監視ユニット、２１，３１  電圧センサ、２２，３２  電流センサ、２３，３３  温度センサ、２５，２７  コンバータ、３０  インバータ、４１，４２  ＭＧ、５０  エンジン、６０  動力分割機構、７０  駆動軸、８０  駆動輪、１００  ＥＣＵ。
【図１】
2018006239.tif 000003
【図２】
2018006239.tif 000004
【図３】
2018006239.tif 000005