JP5655838B2 - 電池システム - Google Patents

Description

本発明は、ニッケル水素電池における負極リザーブ量に基づいて、ニッケル水素電池の入出力を制限する電池システムに関する。

特許文献１には、バッテリの過去における温度履歴の分布と、バッテリの温度に対する実際のバッテリの実仕事量増加速度とに基づいて、バッテリの劣化度を求めている。ここで、必要に応じて、バッテリの出力を制限することにより、バッテリの寿命を延ばすようにしている。

特開２０１１−０１０４６５号公報

特許文献１では、１回のドライブサイクル内におけるバッテリの温度を検出することにより、バッテリの温度履歴分布を作成している。ここで、バッテリの劣化は、車両が走行しているときのバッテリの温度だけでなく、車両を放置しているときのバッテリの温度によっても影響を受ける。特に、車両を放置しているときのバッテリの温度が高くなるほど、バッテリが劣化しやすい。

車両を走行しているときのバッテリの温度だけに基づいて、バッテリの劣化を特定してしまうと、実際のバッテリの劣化度は、特定されたバッテリの劣化度よりも高くなってしまい、バッテリの寿命を目標値まで延ばすことができなくなってしまう。

本発明は、ニッケル水素電池の充放電を制御する電池システムであり、温度センサおよびコントローラを有する。温度センサは、ニッケル水素電池の温度を検出して、検出結果をコントローラに出力する。コントローラは、ニッケル水素電池の負極リザーブ量が目標値よりも小さいとき、ニッケル水素電池の充放電を制限する。

ここで、コントローラは、負極リザーブ量を算出する周期の間、温度センサを用いて、充放電を行っているときのニッケル水素電池の温度と、充放電を行っていないときのニッケル水素電池の温度とを取得する。そして、コントローラは、ニッケル水素電池の温度および負極リザーブ量の変化量の対応関係を用いて、取得した温度（充放電時の温度と非充放電時の温度）に対応した変化量を算出し、この変化量を用いて負極リザーブ量を算出する。

本発明において、ニッケル水素電池の負極リザーブ量を把握すれば、ニッケル水素電池の劣化状態を把握することができる。すなわち、負極リザーブ量は、ニッケル水素電池の放電容量と相関関係があり、ニッケル水素電池の劣化によって、ニッケル水素電池の放電容量が低下すれば、負極リザーブ量が低下する。このため、負極リザーブ量が目標値よりも低下したときには、ニッケル水素電池の充放電を制限することにより、ニッケル水素電池の劣化が進行することを抑制できる。また、負極リザーブ量を目標値に沿って推移させることができる。

負極リザーブ量の変化量は、ニッケル水素電池の温度に依存するため、負極リザーブ量の変化量および温度の対応関係を予め求めておけば、ニッケル水素電池の温度に対応した負極リザーブ量の変化量を算出し、この変化量を用いて負極リザーブ量を算出することができる。ここで、本発明では、充放電を行っているときのニッケル水素電池の温度だけでなく、充放電を行っていないときのニッケル水素電池の温度も考慮して、負極リザーブ量を算出（推定）している。これにより、充放電を行っているときのニッケル水素電池の温度だけに基づいて負極リザーブ量を算出（推定）する場合に比べて、負極リザーブ量の推定精度を向上させることができる。

負極リザーブ量は、負極リザーブ量に関する増加量および減少量を加算することによって算出することができる。負極リザーブ量は、負極の腐食に応じて増加するため、これを増加量として規定することができる。また、負極リザーブ量は、ニッケル水素電池の外部に水素が放出されることに応じて減少するため、これを減少量として規定することができる。

負極リザーブ量の増加量は、ニッケル水素電池の温度に依存するため、増加量および温度の対応関係を予め求めておけば、ニッケル水素電池の温度に対応した増加量を特定することができる。また、負極リザーブ量の減少量は、ニッケル水素電池の温度に依存するため、減少量および温度の対応関係を予め求めておけば、ニッケル水素電池の温度に対応した減少量を特定することができる。増加量および減少量を特定するときには、上述したように、充放電を行っているときのニッケル水素電池の温度だけでなく、充放電を行っていないときのニッケル水素電池の温度も考慮する。

ニッケル水素電池の充放電を制限したときに負極リザーブ量を算出する周期は、ニッケル水素電池の充放電を制限しないときに負極リザーブ量を算出する周期よりも短くすることができる。ニッケル水素電池の充放電を制限するときには、負極リザーブ量が目標値よりも小さくなっているため、負極リザーブ量を算出する周期を短縮させることにより、負極リザーブ量の変化や、負極リザーブ量および目標値の関係を把握しやすくなる。

ニッケル水素電池の充放電を制限すれば、通電に伴うニッケル水素電池の温度上昇を抑制することができ、負極リザーブ量の減少を抑制することができる。これに伴い、負極リザーブ量を目標値よりも大きくすることができる。ここで、負極リザーブ量が目標値よりも大きくなったときには、充放電の制限を解除することにより、ニッケル水素電池の充放電を効率良く行うことができる。

ニッケル水素電池は、車両に搭載することができる。この場合には、例えば、複数の単電池（ニッケル水素電池）を電気的に直列に接続することによって組電池を構成し、組電池を車両に搭載することができる。ここで、ニッケル水素電池から出力された電気エネルギを運動エネルギに変換すれば、この運動エネルギを用いて、車両を走行させることができる。

ニッケル水素電池を車両に搭載した構成において、コントローラは、車両の使用状態に応じて、ニッケル水素電池の寿命を規定する走行距離又は経過時間を選択することができる。具体的には、車両を頻繁に走行させる使用状態では、ニッケル水素電池の寿命は、走行距離に依存しやすいため、このような場合には、走行距離を選択することができる。また、車両を頻繁に走行させない使用状態では、ニッケル水素電池の寿命は、経過時間に依存しやすいため、このような場合には、経過時間を選択することができる。

走行距離を選択したときには、走行距離が、目標とする走行距離に到達するまで、負極リザーブ量が、ニッケル水素電池の寿命に相当する負極リザーブ量に到達しないように、目標値を設定することができる。例えば、走行距離が、目標とする走行距離に到達したときに、負極リザーブ量が、寿命に相当する負極リザーブ量に到達するように、走行距離に応じた目標値を設定することができる。

より具体的には、走行距離が延びるほど、寿命に相当する負極リザーブ量に向かって、目標値（負極リザーブ量）を低下させることができる。ここで、負極リザーブ量を目標値に沿って推移させれば、目標とする走行距離まで、ニッケル水素電池を使用し続けることができる。

経過時間を選択したときには、経過時間が、目標とする経過時間に到達するまで、負極リザーブ量が、ニッケル水素電池の寿命に相当する負極リザーブ量に到達しないように、目標値を設定することができる。例えば、経過時間が、目標とする経過時間に到達したときに、負極リザーブ量が、寿命に相当する負極リザーブ量に到達するように、経過時間に応じた目標値を設定することができる。

より具体的には、経過時間が長くなるほど、寿命に相当する負極リザーブ量に向かって、目標値（負極リザーブ量）を低下させることができる。ここで、負極リザーブ量を目標値に沿って推移させれば、目標とする経過時間まで、ニッケル水素電池を使用し続けることができる。

車両の走行距離および経過時間の一方が、閾値に到達するたびに、負極リザーブ量および目標値の比較を行うことができる。ここで、閾値は、走行距離および経過時間のそれぞれについて設定される。これにより、走行距離又は経過時間が変化することに応じて、負極リザーブ量および目標値の関係を把握することができる。

電池システムの構成を示す図である。 負極リザーブ量に基づいて、組電池の入出力を制限する処理を示すフローチャートである。 負極リザーブ量の判定タイミングを判別する処理を示すフローチャートである。 負極リザーブ量を推定する処理を示すフローチャートである。 負極の腐食に伴う負極リザーブ量の増加量と、組電池の温度との関係を示す図である。 水素が電池ケースを透過することに伴う負極リザーブ量の減少量と、組電池の温度との関係を示す図である。 負極リザーブ量の増加量および減少量と、負極リザーブ量との関係を示す図である。 負極リザーブ量の目標値を算出する処理を示すフローチャートである。 互いに異なる走行パターンにおいて、走行距離および経過時間の関係を示す図である。 走行パターンが変更されたときにおいて、走行距離および経過時間の関係を示す図である。 総走行距離に関する負極リザーブ量の目標値を示す図である。 総経過時間に関する負極リザーブ量の目標値を示す図である。 負極リザーブ量（推定値）および負極リザーブ量（目標値）の推移を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、本実施例の電池システムの構成を示す図である。図１に示す電池システムは、車両に搭載されている。車両としては、ハイブリッド自動車は電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両を走行させる動力源として、後述する組電池に加えて、エンジン又は燃料電池といった他の動力源を備えている。電気自動車は、車両を走行させる動力源として、後述する組電池だけを備えている。

組電池１０は、電気的に直列に接続された複数の単電池１１を有する。単電池１１としては、ニッケル水素電池が用いられる。単電池１１の数は、組電池１０の要求出力などに基づいて、適宜設定することができる。本実施例では、組電池１０を構成する、すべての単電池１１が電気的に直列に接続されているが、組電池１０には、電気的に並列に接続された複数の単電池１１が含まれていてもよい。

単電池１１は、充放電を行う発電要素を電池ケースに収容することによって構成することができる。また、複数の発電要素を電池ケースに収容することもでき、この場合には、電池ケースの内部において、複数の発電要素を電気的に直列に接続することができる。電池ケースは、例えば、樹脂で形成することができる。

発電要素は、正極板と、負極板と、正極板および負極板の間に配置されたセパレータとを有する。正極板は、集電板と、集電板の表面に形成された正極活物質層とを有し、負極板は、集電板と、集電板の表面に形成された負極活物質層とを有する。ここで、正極活物質層、負極活物質層およびセパレータには、電解液が含まれている。正極活物質層は、水酸化ニッケルなどの正極活物質を含んでおり、負極活物質層は、負極活物質としての水素吸蔵合金を含んでいる。

監視ユニット２１は、組電池１０の端子間電圧を検出して、検出結果をコントローラ３０に出力する。ここで、監視ユニット２１は、各単電池１１の端子間電圧を検出することができる。また、上述したように、電池ケースに複数の発電要素を収容したとき、監視ユニット２１は、複数の発電要素における端子間電圧を検出することができる。

電流センサ２２は、組電池１０に流れる電流を検出し、検出結果をコントローラ３０に出力する。ここで、組電池１０を放電しているときには、電流センサ２２によって検出される電流値として、正の値を用いることができる。また、組電池１０を充電しているときには、電流センサ２２によって検出される電流値として、負の値を用いることができる。

本実施例では、組電池１０の正極端子と接続された正極ラインＰＬに電流センサ２２を設けているが、電流センサ２２は、組電池１０に流れる電流値を検出できればよく、電流センサ２２を設ける位置は適宜設定することができる。また、複数の電流センサ２２を用いることもできる。温度センサ２３は、組電池１０（単電池１１）の温度を検出して、検出結果をコントローラ３０に出力する。

コントローラ３０は、メモリ３１を有しており、メモリ３１は、コントローラ３０が所定の処理（例えば、本実施例で説明する処理）を行うための各種の情報を記憶している。また、コントローラ３０は、タイマ３２を有しており、タイマ３２は、時間の計測に用いられる。本実施例では、メモリ３１やタイマ３２が、コントローラ３０に内蔵されているが、メモリ３１およびタイマ３２の少なくとも一方は、コントローラ３０の外部に設けることができる。走行距離メータ３３は、車両を使用し始めてから現在までの走行距離を計測し、計測結果をコントローラ３０に出力する。

正極ラインＰＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂが設けられている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂは、コントローラ３０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。組電池１０の負極端子と接続された負極ラインＮＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇが設けられている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｇは、コントローラ３０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｇには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐおよび電流制限抵抗Ｒが電気的に並列に接続されている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｐおよび電流制限抵抗Ｒは、電気的に直列に接続されている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｐは、コントローラ３０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。電流制限抵抗Ｒは、組電池１０を負荷（具体的には、後述するインバータ２４）と接続するときに、突入電流が流れることを抑制するために用いられる。

組電池１０は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬを介して、インバータ２４と接続されている。組電池１０をインバータ２４と接続するとき、コントローラ３０は、まず、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂをオフからオンに切り替えるとともに、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオフからオンに切り替える。これにより、電流制限抵抗Ｒに電流を流して、突入電流が流れることを抑制できる。

次に、コントローラ３０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替えた後に、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオンからオフに切り替える。これにより、組電池１０およびインバータ２４の接続が完了し、図１に示す電池システムは、起動状態（Ｒｅａｄｙ−Ｏｎ）となる。コントローラ３０には、車両のイグニッションスイッチのオン／オフに関する情報が入力され、コントローラ３０は、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わると、図１に示す電池システムを起動する。

一方、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わったとき、コントローラ３０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオンからオフに切り替える。これにより、組電池１０およびインバータ２４の接続が遮断され、電池システムは、停止状態（Ｒｅａｄｙ−Ｏｆｆ）となる。

インバータ２４は、組電池１０から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータ２５に出力する。モータ・ジェネレータ２５は、インバータ２４から出力された交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。モータ・ジェネレータ２５によって生成された運動エネルギは、車輪に伝達され、車両を走行させることができる。

車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ２５は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギ（交流電力）に変換する。インバータ２４は、モータ・ジェネレータ２５が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を組電池１０に出力する。これにより、組電池１０は、回生電力を蓄えることができる。

本実施例では、組電池１０をインバータ２４に接続しているが、これに限るものではない。具体的には、組電池１０およびインバータ２４の間の電流経路に、昇圧回路を設けることができる。昇圧回路は、組電池１０の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ２４に出力することができる。また、昇圧回路は、インバータ２４の出力電圧を降圧し、降圧後の電力を組電池１０に出力することができる。

次に、本実施例において、組電池１０の入出力を制御する処理について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。図２に示す処理は、コントローラ３０によって実行されるとともに、所定の周期で繰り返して行われる。

ステップＳ１０１において、コントローラ３０は、負極のリザーブ量の判定を行うタイミングであるか否かを判別する。リザーブ量の判定とは、後述するように、リザーブ量に基づいて、組電池１０の劣化が進行しすぎていないか否かを判定する処理である。ステップＳ１０１の処理の詳細については、後述する。

一般的に、単電池（ニッケル水素電池）１１では、負極の容量を正極の容量よりも大きくしている。これにより、単電池１１の放電容量は、正極の容量によって制限され、このような制限を正極規制という。単電池１１の放電容量を正極規制とすることにより、過充電時及び過放電時において、単電池１１の内圧が上昇することを抑制できる。

なお、負極を正極と対比して、充電可能な過剰な未充電部分を充電リザーブ量といい、放電可能な過剰な充電部分を放電リザーブ量という。充電リザーブ量および放電リザーブ量は、相関関係を有しており、充電リザーブ量や放電リザーブ量を増加させれば、単電池１１の放電容量を向上させることができる。本実施例では、負極リザーブ量（充電リザーブ量又は放電リザーブ量）に基づいて、組電池１０の劣化が進行しすぎているか否かを判定するようにしている。

負極リザーブ量の判定を行うタイミングであれば、コントローラ３０は、ステップＳ１０２の処理を行う。一方、負極リザーブ量の判定を行うタイミングでなければ、コントローラ３０は、図２に示す処理を終了する。

ステップＳ１０２において、コントローラ３０は、現在における組電池１０の負極リザーブ量を推定する。ここで、負極リザーブ量を推定する処理の詳細については、後述する。ステップＳ１０３において、コントローラ３０は、負極リザーブ量の目標値を算出する。負極リザーブ量の目標値は、組電池１０の寿命を確保するための目標値であり、後述するように、走行距離および経過時間を考慮して算出される。負極リザーブ量の目標値を算出する処理の詳細については、後述する。

ステップＳ１０４において、コントローラ３０は、ステップＳ１０２の処理で算出された負極リザーブ量（推定値）が、ステップＳ１０３の処理で算出された負極リザーブ量（目標値）よりも小さいか否かを判別する。ここで、負極リザーブ量（推定値）が負極リザーブ量（目標値）よりも小さいとき、コントローラ３０は、ステップＳ１０５の処理を行う。一方、負極リザーブ量（推定値）が負極リザーブ量（目標値）よりも大きいとき、コントローラ３０は、図２に示す処理を終了する。

負極リザーブ量（推定値）が負極リザーブ量（目標値）よりも小さいとき、コントローラ３０は、組電池１０の劣化（容量の低下）が想定よりも進行していると判別する。一方、負極リザーブ量（推定値）が負極リザーブ量（目標値）よりも大きいとき、コントローラ３０は、組電池１０の劣化（容量の低下）が想定よりも進行していないと判別する。

ステップＳ１０５において、コントローラ３０は、組電池１０の入出力（充放電）を許容する上限電力を低下させる。ここで、車両を走行させるときには、組電池１０の電力が上限電力を超えないように、組電池１０の入出力が制御される。このため、上限電力を低下させて組電池１０の入出力を制限することにより、負極リザーブ量の減少を抑制することができる。

組電池１０の入出力を制限すれば、入出力に伴う組電池１０の温度上昇を抑制でき、組電池１０の温度上昇を抑制することにより、負極リザーブ量の減少を抑制することができる。このように、負極リザーブ量の減少を抑制することにより、組電池１０の劣化（容量の低下）が進行することを遅らせることができ、組電池１０の寿命を延ばすことができる。

上限電力は、組電池１０の入力電力および出力電力のそれぞれで設定される。組電池１０の入出力のそれぞれに関する上限電力は、適宜設定することができる。ここで、上限電力は、組電池１０の温度やＳＯＣ（State of Charge）に基づいて予め設定しておくことができ、ステップＳ１０５の処理では、予め設定された値よりも上限電力を低下させることになる。ＳＯＣとは、満充電容量に対する、現在の充電容量の割合である。

上限電力を予め設定するとき、例えば、組電池１０の温度が上昇するほど、上限電力を低下させたり、組電池１０の温度が低下するほど、上限電力を低下させたりすることができる。また、組電池１０のＳＯＣが、予め定めた上限ＳＯＣよりも高いとき、上限電力（入力電力）を低下させたり、組電池１０のＳＯＣが、予め定めた下限ＳＯＣよりも低いとき、上限電力（出力電力）を低下させたりすることができる。

ここで、上限電力を低下させる量は、負極リザーブ量（推定値）および負極リザーブ量（目標値）の関係にかかわらず、一定値とすることができる。一方、上限電力を低下させる量は、負極リザーブ量（推定値）および負極リザーブ量（目標値）の差分に応じて変化させることができる。

具体的には、負極リザーブ量（推定値）および負極リザーブ量（目標値）の差分が大きくなるほど、上限電力を低下させる量を増加させることができる。言い換えれば、負極リザーブ量（推定値）および負極リザーブ量（目標値）の差分が大きくなるほど、組電池１０の入出力を、より制限させることができる。このように、負極リザーブ量（推定値）および負極リザーブ量（目標値）の差分に応じて、上限電力を低下させる量を変化させることにより、負極リザーブ量（推定値）の低下を抑制しやすくなり、負極リザーブ量（推定値）を負極リザーブ量（目標値）に素早く近づけることができる。

ステップＳ１０６において、コントローラ３０は、組電池１０の入出力を制限する処理を解除する。具体的には、ステップＳ１０５の処理によって、組電池１０の入出力を制限することにより、負極リザーブ量（推定値）が負極リザーブ量（目標値）よりも大きくなったとき、コントローラ３０は、組電池１０の入出力の制限を解除する。これにより、上限電力は、ステップＳ１０５の処理によって組電池１０の入出力を制限する前の値に戻る。なお、組電池１０の入出力を制限していないとき、ステップＳ１０６の処理では、入出力の制限が解除されることはなく、予め設定された上限電力が用いられる。

次に、図２に示すステップＳ１０１の処理の詳細について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。図３に示す処理は、コントローラ３０によって実行される。

ステップＳ２０１において、コントローラ３０は、走行距離メータ３３の出力に基づいて、区間走行距離をカウントするとともに、タイマ３２を用いて区間経過時間をカウントする。ここで、区間走行距離とは、前回において負極リザーブ量の判定を行ったときから現在までの走行距離である。また、区間経過時間とは、前回において負極リザーブ量の判定を行ったときから現在までの経過時間であり、車両が走行しているとき、言い換えれば、イグニッションスイッチがオンのときにおける経過時間である。

ステップＳ２０２において、コントローラ３０は、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わった直後であるか否かを判別する。イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わった直後であるとき、コントローラ３０は、ステップＳ２０３の処理を行う。一方、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わってから時間が経過しているとき、コントローラ３０は、ステップＳ２０４の処理を行う。ここで、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わった直後であるか否かの判別は、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わってから、所定時間が経過しているか否かを判別すればよい。

ステップＳ２０３において、コントローラ３０は、ステップＳ２０１の処理で用いられる区間経過時間に対して、車両を放置している時間（放置時間という）を加算する。車両を放置している時間とは、イグニッションスイッチがオフとなっている時間であり、この時間は、タイマ３２を用いて計測することができる。そして、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったときには、区間経過時間として、放置時間を含めた時間を用いる。

ステップＳ２０４において、コントローラ３０は、ステップＳ２０１の処理でカウントした区間走行距離が閾値（走行距離）よりも長いか否かを判別する。閾値（走行距離）は、負極リザーブ量の判定を行うタイミングを規定する値である。すなわち、区間走行距離が閾値（走行距離）に到達するたびに、負極リザーブ量の判定が行われる。

また、コントローラ３０は、ステップＳ２０４において、ステップＳ２０１の処理でカウントした区間経過時間が閾値（経過時間）よりも長いか否かを判別する。閾値（経過時間）は、負極リザーブ量の判定を行うタイミングを規定する値である。すなわち、区間経過時間が閾値（経過時間）に到達するたびに、負極リザーブ量の判定が行われる。

コントローラ３０は、区間走行距離および区間経過時間の一方が閾値よりも長くなったときには、ステップＳ２０５の処理を行う。一方、コントローラ３０は、区間走行距離および区間経過時間の両者が閾値よりも短いときには、ステップＳ３０１の処理に戻る。

ステップＳ２０５において、コントローラ３０は、区間走行距離および区間経過時間の一方が閾値よりも長くなったとき、負極リザーブ量の判定を行うタイミングであると判別する。また、ステップＳ２０５において、コントローラ３０は、ステップＳ２０１の処理で得られた区間走行距離および区間経過時間をメモリ３１に記憶する。ここで、ステップＳ２０４の処理からステップＳ２０５の処理に進むため、区間走行距離および区間経過時間の一方は、閾値よりも長い値となり、他方は、閾値よりも短い値となる。

次に、図２に示すステップＳ１０２の処理、すなわち、現在における負極リザーブ量を推定する処理について、図４に示すフローチャートを用いて具体的に説明する。図４に示す処理は、コントローラ３０によって実行される。

ステップＳ３０１において、コントローラ３０は、温度センサ２３によって検出された組電池１０の温度を取得する。ここでの組電池１０の温度は、過去における組電池１０の温度である。具体的には、コントローラ３０は、前回において負極リザーブ量の判定を行ったときから、今回において負極リザーブ量の判定を行うまでの間における組電池１０の温度を取得する。ここで、温度センサ２３によって検出された温度をメモリ３１に記憶しておけば、過去における組電池１０の温度を取得することができる。

ここで、車両を走行しているときには、走行中における組電池１０の温度が温度センサ２３によって検出され、この温度がメモリ３１に記憶される。また、車両を放置しているときには、放置中における組電池１０の温度が温度センサ２３によって検出され、この温度がメモリ３１に記憶される。車両を放置している間では、所定の周期で温度センサ２３の出力を読み込むことにより、放置中における組電池１０の温度を検出することができる。

ステップＳ３０２において、コントローラ３０は、負極リザーブ量の変化量を算出する。負極リザーブ量は、負極の腐食に伴う負極リザーブ量の増加量と、水素が電池ケースを透過することに伴う負極リザーブ量の減少量とに応じて変化する。そこで、増加量および減少量を特定すれば、負極リザーブ量の変化量を算出することができる。

負極の腐食が進行すると、負極リザーブ量が増加することが知られている。また、電池ケースの内部に存在する水素は、電池ケースを透過して、電池ケースの外部に移動してしまうことがある。この場合には、水素が電池ケースを透過することに伴い、負極リザーブ量が減少することになる。

負極の腐食に伴う負極リザーブ量の増加量は、組電池１０の温度に依存し、この依存性は、実験などによって予め求めておくことができる。例えば、負極リザーブ量の増加量と、組電池１０の温度とは、図５に示す関係を有する。図５において、横軸は、組電池１０の温度を示し、縦軸は、負極の腐食に伴う負極リザーブ量の増加量を示す。

図５に示す例では、組電池１０の温度が上昇するほど、負極リザーブ量の増加量が上昇する。言い換えれば、組電池１０の温度が低下するほど、負極リザーブ量の増加量が減少する。図５に示すマップは、予め用意しておき、このマップに関する情報は、メモリ３１に記憶しておくことができる。

図５に示すマップを用いれば、図４に示すステップＳ３０１の処理で取得された組電池１０の温度に対応した負極リザーブ量の増加量を特定することができる。ここで、ステップＳ３０１の処理において、取得した組電池１０の温度が変化しているときには、例えば、この温度分布の最頻値を特定し、最頻値に対応した負極リザーブ量の増加量を特定することができる。

一方、組電池１０の温度が変化しているときには、図５に示すマップを用いて、各電池温度に対応した負極リザーブ量の増加量を特定しておき、各電池温度の発生時間に応じて、負極リザーブ量の増加量に重み付けを行うことができる。具体的には、電池温度の発生時間が長いほど、負極リザーブ量の増加量に乗算される重み付け係数を大きくすることができる。そして、重み付けされた負極リザーブ量の増加量を加算することにより、負極リザーブ量の増加量を算出することができる。

水素が電池ケースを透過することに伴う負極リザーブ量の減少量は、組電池１０の温度に依存し、この依存性は、実験などによって予め求めておくことができる。例えば、負極リザーブ量の減少量と、組電池１０の温度とは、図６に示す関係を有する。図６において、横軸は、組電池１０の温度を示し、縦軸は、水素が電池ケースを透過することに伴う負極リザーブ量の減少量を示す。

図６に示す例では、組電池１０の温度が上昇するほど、負極リザーブ量の減少量が上昇する。言い換えれば、組電池１０の温度が低下するほど、負極リザーブ量の減少量が減少する。図６に示すマップは、予め用意しておき、このマップに関する情報は、メモリ３１に記憶しておくことができる。

図６に示すマップを用いれば、図４に示すステップＳ３０１の処理で取得された組電池１０の温度に対応した負極リザーブ量の減少量を特定することができる。ここで、ステップＳ３０１の処理において、取得した組電池１０の温度が変化しているときには、例えば、この温度分布の最頻値を特定し、最頻値に対応した負極リザーブ量の減少量を特定することができる。

一方、組電池１０の温度が変化しているときには、図６に示すマップを用いて、各電池温度に対応した負極リザーブ量の減少量を特定しておき、各電池温度の発生時間に応じて、負極リザーブ量の減少量に重み付けを行うことができる。具体的には、電池温度の発生時間が長いほど、負極リザーブ量の減少量に乗算される重み付け係数を大きくすることができる。そして、重み付けされた負極リザーブ量の減少量を加算することにより、負極リザーブ量の減少量を算出することができる。

コントローラ３０は、負極の腐食に伴う負極リザーブ量の増加量と、水素が電池ケースを透過することに伴う負極リザーブ量の減少量とを加算することにより、負極リザーブ量の変化量を算出することができる。

ここで、負極の腐食に伴う負極リザーブ量の増加量が、水素が電池ケースを透過することに伴う負極リザーブ量の減少量よりも大きいとき、負極リザーブ量の変化量は、正の値となる。一方、負極の腐食に伴う負極リザーブ量の増加量が、水素が電池ケースを透過することに伴う負極リザーブ量の減少量よりも小さいとき、負極リザーブ量の変化量は、負の値となる。また、負極の腐食に伴う負極リザーブ量の増加量が、水素が電池ケースを透過することに伴う負極リザーブ量の減少量と等しいとき、負極リザーブ量の変化量は、０となる。

ステップＳ３０３において、コントローラ３０は、現在の組電池１０における負極リザーブ量を算出する。具体的には、コントローラ３０は、前回算出した負極リザーブ量に対して、ステップＳ３０２の処理で算出した変化量を加算することにより、現在の負極リザーブ量を算出する。

ここで、負極リザーブ量の変化量が正の値であれば、現在の負極リザーブ量は、前回の負極リザーブ量よりも大きくなる。また、負極リザーブ量の変化量が負の値であれば、現在の負極リザーブ量は、前回の負極リザーブ量よりも小さくなる。通常、車両を走行させるほど、又は、時間が経過するほど、組電池１０の劣化が進行して、負極リザーブ量は低下しやすい。

図７には、負極リザーブ量の推移（一例）を示している。図７において、縦軸は、負極リザーブ量を示し、横軸は、経過時間を示す。また、点線は、負極の腐食に伴う負極リザーブ量の増加量を示し、一点鎖線は、水素が電池ケースを透過することに伴う負極リザーブ量の減少量を示している。実線は、図４に示す処理によって算出された負極リザーブ量の推移を示す。

組電池１０が初期状態にあるときの負極リザーブ量に対して、増加量および減少量を加算することにより、現在の組電池１０における負極リザーブ量を算出することができる。ここで、初期状態とは、組電池１０を使用し始めたときの状態であり、経過時間が０であるときの状態をいう。図７に示すように、組電池１０を使用し始めた後の期間では、負極リザーブ量は、初期状態の負極リザーブ量よりも増加する。そして、負極リザーブ量がピーク値に到達した後では、負極リザーブ量が減少し続ける。

次に、負極リザーブ量（目標値）を算出する処理について、図８に示すフローチャートを用いて具体的に説明する。図８に示す処理は、コントローラ３０によって実行される。また、図８に示す処理は、イグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったときに開始される。

ステップＳ４０１において、コントローラ３０は、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとして、走行距離および経過時間の一方を選択する。具体的には、図３に示すステップＳ２０４の処理において、区間経過時間が閾値（経過時間）に到達する前に、区間走行距離が閾値（走行距離）に到達したとき、コントローラ３０は、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとして、走行距離を選択する。一方、区間走行距離が閾値（走行距離）に到達する前に、区間経過時間が閾値（経過時間）に到達したとき、コントローラ３０は、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとして、経過時間を選択する。

図９には、互いに異なる走行パターン（使用状態）Ａ，Ｂにおいて、総走行距離および総経過時間の関係を示している。図９において、縦軸は総走行距離を示し、横軸は総経過時間を示している。総走行距離とは、車両を使用し始めてから現在までの間における走行距離である。総経過時間とは、車両を使用し始めてから現在までの間における経過時間である。

図９に示す黒丸は、負極リザーブ量の判定が行われるタイミングを示している。走行パターンＡでは、区間走行距離が閾値（走行距離）ΔＬ＿ｔｈに到達するたびに、負極リザーブ量の判定が行われているため、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとしては、走行距離が選択される。

走行パターンＢでは、区間経過時間が閾値（経過時間）Δｔ＿ｔｈに到達するたびに、負極リザーブ量の判定が行われているため、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとしては、経過時間が選択される。

ここで、図９に示す境界線ＢＬに対して、矢印Ｄ１側の領域では、区間経過時間が閾値（経過時間）Δｔ＿ｔｈに到達する前に、区間走行距離が閾値（走行距離）ΔＬ＿ｔｈに到達する。したがって、境界線ＢＬよりも矢印Ｄ１側の領域では、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとして、走行距離が選択される。

また、境界線ＢＬに対して、矢印Ｄ２側の領域では、区間走行距離が閾値（走行距離）ΔＬ＿ｔｈに到達する前に、区間経過時間が閾値（経過時間）Δｔ＿ｔｈに到達する。したがって、境界線ＢＬよりも矢印Ｄ２側の領域では、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとして、経過時間が選択される。

車両のユーザが同一であれば、図９における走行パターンＡ又は走行パターンＢを示しやすい。一方、車両を使っている間に、ユーザが変更されたとき、総走行距離および総経過時間の関係は、例えば、図１０に示す挙動を示す。

図１０において、時刻ｔ１までは、区間走行距離が閾値（走行距離）ΔＬ＿ｔｈに到達する前に、区間経過時間が閾値（経過時間）Δｔ＿ｔｈに到達している。このため、時刻ｔ１までは、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとして、経過時間が選択される。一方、時刻ｔ１以降では、区間経過時間が閾値（経過時間）Δｔ＿ｔｈに到達する前に、区間走行距離が閾値（走行距離）ΔＬ＿ｔｈに到達している。このため、時刻ｔ１以降では、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとして、走行距離が選択される。

本実施例では、上述したように、前回における負極リザーブ量の判定タイミングから今回における負極リザーブ量の判定タイミングまでの間において、走行距離（区間走行距離）および経過時間（区間経過時間）を取得している。そして、取得した区間走行距離および区間経過時間のうち、閾値に先に到達したものに基づいて、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータを選択している。このため、走行パターンが変化しても、この変化に対応した負極リザーブ量（目標値）を設定することができる。

図８に示すステップＳ４０２において、コントローラ３０は、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータが走行距離であるか否かを判別する。ステップＳ４０１の処理において、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとして、走行距離を選択したとき、コントローラ３０は、ステップＳ４０３の処理を行う。一方、ステップＳ４０１の処理において、負極リザーブ量（目標値）を設定するためのパラメータとして、経過時間を選択したとき、コントローラ３０は、ステップＳ４０４の処理を行う。

ステップＳ４０３において、コントローラ３０は、現在までの総走行距離に基づいて、負極リザーブ量（目標値）を算出する。図３に示すステップＳ２０５の処理では、負極リザーブ量の判定を行うたびに、区間走行距離がメモリ３１に記憶されるため、負極リザーブ量の判定を行った分だけ、区間走行距離を積算することにより、現在までの総走行距離を算出することができる。

負極リザーブ量（目標値）を算出するときには、まず、図１１に示すマップを予め用意しておく。図１１において、横軸は、総走行距離を示し、縦軸は、負極リザーブ量を示す。Ａ＿ｉｎｉは、組電池１０が初期状態にあるときの負極リザーブ量を示し、Ａ＿ｌｉｍは、組電池１０の寿命を規定する負極リザーブ量（下限値）を示す。ここで、組電池１０の負極リザーブ量が負極リザーブ量（下限値）Ａ＿ｌｉｍよりも低下したときには、組電池１０が寿命に到達しており、組電池１０を使用し続けることができない。

総走行距離が距離Ｌ＿ｌｉｍに到達するまで、組電池１０を使用し続けたいとき、負極リザーブ量（目標値）は、例えば、図１１に示すように設定することができる。具体的には、負極リザーブ量Ａ＿ｉｎｉと、総走行距離Ｌ＿ｌｉｍおよび負極リザーブ量（下限値）Ａ＿ｌｉｍの交点とを結ぶ直線を、負極リザーブ量（目標値）として設定することができる。

ここで、図１１に示す負極リザーブ量（目標値）は、一例であり、これに限るものではない。すなわち、負極リザーブ量Ａ＿ｉｎｉと、総走行距離Ｌ＿ｌｉｍおよび負極リザーブ量（下限値）Ａ＿ｌｉｍの交点とを考慮して、負極リザーブ量（目標値）を設定することができる。具体的には、総走行距離が距離Ｌ＿ｌｉｍに到達するまで、負極リザーブ量が負極リザーブ量（下限値）Ａ＿ｌｉｍよりも低下しないように、負極リザーブ量（目標値）を設定することができる。

図１１に示すマップを用いれば、現在までの総走行距離に対応した負極リザーブ量（目標値）を特定することができる。現在の負極リザーブ量、言い換えれば、図２のステップＳ１０２の処理で算出した負極リザーブ量（推定値）が、負極リザーブ量（目標値）よりも低下しなければ、総走行距離が距離Ｌ＿ｌｉｍに到達するまで、負極リザーブ量が負極リザーブ量（下限値）Ａ＿ｌｉｍよりも低下してしまうことを抑制できる。すなわち、総走行距離が距離Ｌ＿ｌｉｍに到達するまで、組電池１０を使用し続けることができる。

図８に示すステップＳ４０４において、コントローラ３０は、現在までの総経過時間に基づいて、負極リザーブ量（目標値）を算出する。図３に示すステップＳ２０５の処理では、負極リザーブ量の判定を行うたびに、区間経過時間がメモリ３１に記憶されるため、負極リザーブ量の判定を行った分だけ、区間経過時間を積算することにより、現在までの総経過時間を算出することができる。

負極リザーブ量（目標値）を算出するときには、まず、図１２に示すマップを予め用意しておく。図１２において、横軸は、総経過時間を示し、縦軸は、負極リザーブ量を示す。Ａ＿ｉｎｉは、組電池１０が初期状態にあるときの負極リザーブ量を示し、Ａ＿ｌｉｍは、組電池１０の寿命を規定する負極リザーブ量（下限値）を示す。図１２に示す負極リザーブ量Ａ＿ｉｎｉ，Ａ＿ｌｉｍは、図１１に示す負極リザーブ量Ａ＿ｉｎｉ，Ａ＿ｌｉｍと同じである。

総経過時間が時間ｔ＿ｌｉｍに到達するまで、組電池１０を使用し続けたいとき、負極リザーブ量（目標値）は、例えば、図１２に示すように設定することができる。具体的には、負極リザーブ量Ａ＿ｉｎｉと、総経過時間ｔ＿ｌｉｍおよび負極リザーブ量（下限値）Ａ＿ｌｉｍの交点とを結ぶ直線を、負極リザーブ量（目標値）として設定することができる。

ここで、図１２に示す負極リザーブ量（目標値）は、一例であり、これに限るものではない。すなわち、負極リザーブ量Ａ＿ｉｎｉと、総経過時間ｔ＿ｌｉｍおよび負極リザーブ量（下限値）Ａ＿ｌｉｍの交点とを考慮して、負極リザーブ量（目標値）を設定することができる。具体的には、総経過時間が時間ｔ＿ｌｉｍに到達するまで、負極リザーブ量が負極リザーブ量（下限値）Ａ＿ｌｉｍよりも低下しないように、負極リザーブ量（目標値）を設定することができる。

図１２に示すマップを用いれば、現在までの総経過時間に対応した負極リザーブ量（目標値）を特定することができる。現在の負極リザーブ量、言い換えれば、図２のステップＳ１０２の処理で算出した負極リザーブ量（推定値）が、負極リザーブ量（目標値）よりも低下しなければ、総経過時間が時間ｔ＿ｌｉｍに到達するまで、負極リザーブ量が負極リザーブ量（下限値）Ａ＿ｌｉｍよりも低下してしまうことを抑制できる。すなわち、総経過時間が時間ｔ＿ｌｉｍに到達するまで、組電池１０を使用し続けることができる。

図１３には、図２に示す処理を行ったときの負極リザーブ量（推定値）の挙動を示している。図１３において、縦軸は、負極リザーブ量を示し、横軸は、時間を示し、時間は走行距離に対応している。図１３に示す時刻ｔ１〜ｔ９は、負極リザーブ量の判定処理を行うタイミングを示している。図１３に示す実線は、図２に示すステップＳ１０２の処理で算出される負極リザーブ量（推定値）を示し、図１３に示す一点鎖線は、図２に示すステップＳ１０３の処理で算出される負極リザーブ量（目標値）を示す。

図１３において、時刻ｔ１〜ｔ３では、負極リザーブ量（推定値）が負極リザーブ量（目標値）よりも大きくなっているため、組電池１０の入出力を制限する処理（図２に示すステップＳ１０５の処理）は行われない。一方、時刻ｔ４において、負極リザーブ量（推定値）が負極リザーブ量（目標値）よりも小さくなったときには、組電池１０の入出力を制限する処理（図２に示すステップＳ１０５の処理）が行われる。

ここで、組電池１０の入出力を制限したときには、図１３に示すように、負極リザーブ量の判定処理を行う期間を短くすることができる。具体的には、組電池１０の入出力を制限した後の閾値（走行距離）ΔＬ＿ｔｈを、組電池１０の入出力を制限する前の閾値（走行距離）ΔＬ＿ｔｈよりも短くすることができる。また、組電池１０の入出力を制限した後の閾値（経過時間）Δｔ＿ｔｈを、組電池１０の入出力を制限する前の閾値（経過時間）Δｔ＿ｔｈよりも短くすることができる。

このように、組電池１０の入出力を制限した後において、負極リザーブ量の判定処理を行う期間を短くすることにより、入出力の制限に伴う負極リザーブ量（推定値）の挙動を把握しやすくなる。図１３の時刻ｔ４〜ｔ７に示すように、組電池１０の入出力を制限することにより、負極リザーブ量（推定値）を負極リザーブ量（目標値）に近づけることができる。

図１３では、時刻ｔ８において、負極リザーブ量（推定値）が負極リザーブ量（目標値）よりも大きくなっている。これにより、コントローラ３０は、組電池１０の入出力を制限する処理（図２に示すステップＳ１０５の処理）を解除する。組電池１０の入出力を制限する処理を解除したとき、負極リザーブ量の判定処理を行う期間は、元の期間に戻される。すなわち、時刻ｔ８から時刻ｔ９までの期間は、時刻ｔ１〜ｔ２（ｔ２〜ｔ３，ｔ３〜ｔ４）までの期間と等しくなる。

本実施例によれば、負極リザーブ量（推定値）を算出するときに、車両を走行させているときの組電池１０の温度だけでなく、車両を放置しているときの組電池１０の温度も考慮している。組電池１０の寿命は、車両を走行させているときの温度だけでなく、車両を放置しているときの温度の影響も受けやすい。そこで、車両を放置しているときの組電池１０の温度も考慮して、負極リザーブ量（推定値）を算出することにより、負極リザーブ量（推定値）の精度を向上させることができる。

また、本実施例では、走行距離および経過時間を考慮して、負極リザーブ量（目標値）を設定している。すなわち、車両の走行パターン（図９に示す走行パターンＡ，Ｂ）に応じて、組電池１０の寿命を規定するパラメータ（走行距離や経過時間）を選択しており、選択されたパラメータに関して、組電池１０の寿命を所定値（図１１に示す総走行距離Ｌ＿ｌｉｍ、図１２に示す総経過時間ｔ＿ｌｉｍ）まで延ばすようにしている。

なお、本実施例では、単電池１１を車両に搭載した場合について説明しているが、これに限るものではない。すなわち、単電池１１の負極リザーブ量に基づいて、単電池１１の充放電を制御するシステムであれば、本発明を適用することができる。ここで、単電池１１の負極リザーブ量（推定値）は、図４に示す処理と同様に、単電池１１を充放電しているときの温度と、単電池１１を充放電していないときの温度とに基づいて、算出することができる。

１０：組電池、１１：単電池（ニッケル水素電池）、２１：監視ユニット、
２２：電流センサ、２３：温度センサ、２４：インバータ、
２５：モータ・ジェネレータ、３０：コントローラ、３１：メモリ、３２：タイマ、
ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ，ＳＭＲ−Ｐ：システムメインリレー、Ｒ：電流制限抵抗、
ＰＬ：正極ライン、ＮＬ：負極ライン

Claims (6)

1. ニッケル水素電池の充放電を制御する電池システムであって、
   前記ニッケル水素電池の温度を検出する温度センサと、
   前記ニッケル水素電池の負極リザーブ量が目標値よりも小さいとき、前記ニッケル水素電池の充放電を制限するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、
   前記負極リザーブ量を算出する周期の間、前記温度センサを用いて、充放電を行っているときの前記ニッケル水素電池の温度と、充放電を行っていないときの前記ニッケル水素電池の温度とを取得し、
   前記ニッケル水素電池の温度および前記負極リザーブ量の変化量の対応関係を用いて、取得した温度に対応した前記変化量を算出し、この変化量を用いて前記負極リザーブ量を算出することを特徴とする電池システム。
2. 前記コントローラは、
   前記変化量として、前記ニッケル水素電池の温度に応じて変化し、負極の腐食に伴う前記負極リザーブ量の増加量と、前記ニッケル水素電池の温度に応じて変化し、前記ニッケル水素電池の外部への水素の放出に伴う前記負極リザーブ量の減少量とを算出し、
   前記増加量および前記減少量を加算した量を用いて、前記負極リザーブ量を算出することを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
3. 前記コントローラは、前記ニッケル水素電池の充放電を制限したときに前記負極リザーブ量を算出する周期を、前記ニッケル水素電池の充放電を制限しないときに前記負極リザーブ量を算出する周期よりも短くすることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池システム。
4. 前記コントローラは、前記ニッケル水素電池の充放電を制限した後に、前記負極リザーブ量が前記目標値よりも大きくなったとき、前記充放電の制限を解除することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電池システム。
5. 前記ニッケル水素電池は、車両に搭載され、前記車両を走行させる運動エネルギに変換される電気エネルギを出力し、
   前記コントローラは、
   前記車両の使用状態に応じて、前記ニッケル水素電池の寿命を規定する走行距離又は経過時間を選択し、
   走行距離を選択したときには、走行距離が目標とする走行距離に到達するまで、前記負極リザーブ量が前記ニッケル水素電池の寿命に相当する前記負極リザーブ量に到達しないように、前記目標値を設定し、
   経過時間を選択したときには、経過時間が目標とする経過時間に到達するまで、前記負極リザーブ量が前記ニッケル水素電池の寿命に相当する前記負極リザーブ量に到達しないように、前記目標値を設定する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の電池システム。
6. 前記コントローラは、前記車両の走行距離および経過時間の一方が、閾値に到達するたびに、前記負極リザーブ量および前記目標値の比較を行うことを特徴とする請求項５に記載の電池システム。

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