JP6342306B2 - 車両用電池制御装置及び車両用電池制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド車両等の車両に搭載される電池の制御に用いられる車両用電池制御装置、及び、車両用電池制御方法に関する。

ニッケル水素電池等の二次電池は、例えば過放電を繰り返すことにより、容量の低下や、内部抵抗の増大等の電池特性の劣化が徐々に進行することが知られている。そこで二次電池が過放電とはならない電圧として定めた下限電圧に基づいて二次電池の放電を制御する電池制御装置が特許文献１に提案されている。

特許文献１に記載の電池制御装置は、電池の入出力電圧の下限電圧を電池温度に応じて設定し、電池温度が低いときの下限電圧を電池温度が高いときの下限電圧以下とする。

特許第４２００９５６号公報

特許文献１に記載の電池制御装置によれば、放電時の電圧が下限電圧よりも下がらないように規制されることで二次電池の劣化が抑制されるようになる。ただし近年は、二次電池の蓄電量をより有効に利用することが求められている。このとき、必要以上に下限電圧を低く設定してしまうと、急激な放電などが生じたときなどに過放電を生じるおそれが高まる。そこで、放電を規制することとなる上記下限電圧についてもより適切に設定することが求められている。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであってその目的は、電池の放電を規制する下限電圧をより適切に設定することのできる車両用電池制御装置、及び、車両用電池制御方法を提供することにある。

上記課題を解決する車両用電池制御装置は、主活物質と添加物としての金属化合物とを含む正極を有する車両用の二次電池の放電を制御する車両用電池制御装置であって、前記二次電池の蓄電量に関する充電状態を取得する充電状態取得部と、前記二次電池の温度を取得する温度取得部と、前記二次電池の下限電圧を設定する下限電圧設定部とを備え、前記下限電圧設定部は、前記下限電圧を、前記充電状態から得られる蓄電量が多いときほど高い値とし、該蓄電量が少ないときほど低い値として設定するとともに、前記下限電圧の前記蓄電量当たりの変化が前記取得される温度が高いときほど大きくなり、前記取得される温度が低いときほど小さくなるように設定することを要旨とする。

上記課題を解決する車両用電池制御方法は、主活物質と添加物としての金属化合物とを含む正極を有する車両用の二次電池の放電を制御する車両用電池制御方法であって、前記二次電池の蓄電量に関する充電状態を取得するステップと、前記二次電池の温度を取得するステップと、前記二次電池の下限電圧を設定するステップとを備え、前記下限電圧を設定するステップでは、前記下限電圧を、前記充電状態から得られる蓄電量が多いときほど高い値とし、該蓄電量が少ないときほど低い値として設定するとともに、前記下限電圧の前記蓄電量当たりの変化が前記取得される温度が高いときほど大きくなり、前記取得される温度が低いときほど小さくなるように設定することを要旨とする。

上記課題を解決する下限電圧の決定方法は、主活物質と添加物としての金属化合物とを含む正極を有する車両用の二次電池の放電制御に用いられる下限電圧を決定する方法であって、前記下限電圧を、前記二次電池を放電して、前記正極の電位が金属化合物の金属溶出反応の開始電位に到達したときの二次電池の電圧に基づいて決定する工程を有し、前記下限電圧を、前記放電を行う前の二次電池の蓄電量に関する充電状態及び温度毎にそれぞれ設定することを要旨とする。

このような構成又は方法によれば、下限電圧が二次電池の温度に加えて該二次電池の蓄電量に基づいて設定される。これにより、二次電池の放電を規制する下限電圧がより適切に設定されるようになる。そして、こうした下限電圧の設定により、二次電池の過放電が抑制されて該二次電池の性能の劣化も抑制され、電池寿命を延ばすことができるようになる。また、下限電圧が適切かつ低く設定されることから二次電池の出力範囲が広げられより多くの電力出力が可能になり、二次電池の出力性能が高められる。

なお通常、二次電池の電圧はその使用にともなって徐々に低下するものであることから、ここで蓄電量に応じて定められる下限電圧は、急激な放電によって生じる急激な電圧低下を規制するときのみに利用されてもよい。

好ましい構成として、前記下限電圧は、前記二次電池を所定の出力電流で放電したとき、前記正極の電位が前記金属化合物の金属溶出反応の開始電位であるときの前記二次電池の端子間電圧に対応して定められている。

このような構成によれば、下限電圧が金属溶出反応の開始電位に対応して定められることにより、この下限電圧によれば正極に金属化合物の溶出反応が生じることが抑制され、ひいては、二次電池の性能の低下も抑制される。

好ましい構成として、前記下限電圧設定部は、前記取得される温度が特定温度以上のとき、前記下限電圧を前記取得される充電状態から得られる蓄電量に応じて設定する。
上述したように、下限電圧の設定に関し、二次電池の温度が高くなると二次電池の蓄電量が下限電圧に与える影響が大きくなる。そこで、この構成によるように、特定温度以上（例えば、０℃以上）のときに二次電池の蓄電量による影響を考慮するようにすることで、蓄電量の影響を大きく受ける温度において下限電圧の設定が適切になされるようになる。

好ましい構成として、前記充電状態取得部は、前記充電状態を随時取得し、前記下限電圧設定部は、前記取得された充電状態に基づいて、前記下限電圧の設定を更新する。
このような構成によれば、最新の蓄電量に応じて下限電圧が更新されることで、二次電池の制御を蓄電量に応じた適切なものとすることが可能になる。

好ましい構成として、前記温度取得部は、前記二次電池の温度を随時取得し、前記下限電圧設定部は、前記取得された前記二次電池の温度に基づいて、前記下限電圧の前記蓄電量当たりの変化の大きさが異なるように前記下限電圧を設定する。

このような構成によれば、温度に応じて下限電圧の蓄電量当たりの変化の大きさの設定が更新されることで、二次電池の制御を温度に応じた適切なものとすることが可能になる。

好ましい構成として、前記二次電池はニッケル水素二次電池であり、前記主活物質がニッケル酸化物であり、前記金属化合物がコバルト化合物である。
このような構成によれば、ニッケル水素二次電池において、正極からのコバルトの溶出が抑制されるようになる。

このような車両用電池制御装置、及び、車両用電池制御方法によれば、電池の放電を規制する下限電圧をより適切に設定することができる。

この車両用電池制御の原理説明として、下限電圧と温度との関係をＳＯＣとの関係も含めて示すグラフ。 上記下限電圧を測定するための構成の概略を示すブロック図。 上記原理説明として、下限電圧の求め方の具体例を示す図。 上記原理に基づく車両用電池制御装置の一実施形態についてその構成の概略を示すブロック図。 同実施形態において下限電圧を設定する処理の処理手順を示すフローチャート。

（原理説明）
図１〜図３を参照して、アルカリ蓄電池としてのニッケル水素二次電池の利用にあたって設定される下限電圧について説明する。ここではニッケル水素二次電池は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両に搭載され、走行用モータの電源として用いられる。

一般的に、ニッケル水素二次電池では、満充電された電池容量に対する残存容量の割合がＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）［％］で示される。このＳＯＣは、請求項でいう「二次電池の蓄電量に関する充電状態」に対応する。そして一般に、ニッケル水素二次電池は、その充放電を、使用範囲として定められたＳＯＣの範囲内（例えば、２０％〜８０％の間）に規制されている。

またニッケル水素二次電池では、電池性能を劣化させるおそれのある電圧としての下限電圧が放電を規制する電圧として設定されている。下限電圧は、その設定が低いほどニッケル水素二次電池の出力範囲が広がって出力できる電気量が増加するため出力低下が抑制される。一方、下限電圧は、その設定値が低すぎると過放電による電池の性能劣化を招くおそれが高まる。

ところでニッケル水素二次電池では、そのＳＯＣが放電開始時には使用範囲内にあったとしても、大電流による充放電によって、その出力電圧が下限電圧を超えて低下してしまうおそれもある。とりわけ、車両に搭載されたニッケル水素二次電池は、走行負荷の急激な上昇に応じて要求される大電流の放電により過放電が生じるおそれがあるため、過放電を規制する適切な下限電圧が設定されることが望ましい。

そこで、ここでは適切な下限電圧の定め方の原理について説明する。なお、後に詳述するが、下限電圧は、ニッケル水素二次電池の正極に含有される金属化合物の非可逆的に進行する金属溶出反応の開始電圧に応じて定められる値であって、金属溶出反応の開始電圧は、ニッケル水素二次電池を所定の出力電流で放電させることに応じて求められる。

そうした事情のもと、発明者らは、ニッケル水素二次電池の正極のオキシ水酸化コバルトのコバルトが溶出する金属溶出反応に基づいて適切な下限電圧を把握できることを見出した。そして、下限電圧を、電池温度とＳＯＣとの関係に基づいて適切に設定することができることを見出した。これにより、発明者らは、ニッケル水素二次電池の出力範囲を広げて出力低下を抑制させるとともに、過放電による電池性能の劣化が抑制される下限電圧を設定することができた。

以下、この原理説明では、ニッケル水素二次電池を構成する単電池１００（図２参照）について下限電圧を設定する場合について説明する。
図１には、発明者らにより設定される下限電圧が、「電池温度」と「大電流の放電が開始される直前のＳＯＣ」（以下、直前ＳＯＣと称す）との関係も含めてグラフで示されている。この図１を参照して、下限電圧と電池温度との関係を直前ＳＯＣとの関係を含めて説明する。なお、大電流の放電はその放電中にＳＯＣを大きく変化させるため、ここでは下限電圧が直前ＳＯＣとの関係によって設定されるようになっている。以下、蓄電量が多いときＳＯＣが「高い」といい、蓄電量が少ないときＳＯＣが「低い」という。

本発明では、まず、単電池１００は、電池温度が低いほど下限電圧が低く設定され、電池温度が高いほど下限電圧が高くなるように設定される。こうした下限電圧の態様が、図１のグラフＬ１０，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３に示されている。

また、下限電圧と直前ＳＯＣとの関係について説明する。下限電圧に直前ＳＯＣが与える影響の度合いは、電池温度が高いほど大きく、電池温度が低いほど小さい。そこで、下限電圧と電池温度との関係にＳＯＣの与える影響が大きいか小さいかを区分けするための温度を特定温度とする。ここでは、特定温度を、例えば摂氏０度（０℃）とする。なお、特定温度は、経験、実験、理論などに基づいて予め設定することができる。電池温度が特定温度より低ければ、下限電圧と電池温度との関係に直前ＳＯＣが及ぼす影響は小さいことから直前ＳＯＣの高低にかかわらず、下限電圧は電池温度との関係により設定される。そして電池温度が特定温度よりも低いときの下限電圧の態様が図１のグラフＬ１０に示されている。一方、特定温度（０℃）以上では、下限電圧と電池温度との関係に直前ＳＯＣが及ぼす影響が大きくなることから、直前ＳＯＣの高低の別に下限電圧と電池温度との関係が定められる。こうした電池温度が特定温度以上における下限電圧の態様が、図１に、ＳＯＣの高さの別にグラフＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３でそれぞれ示されている。なお、ＳＯＣの高さは、グラフＬ１１＞グラフＬ１２＞グラフＬ１３の関係にある。また下限電圧の高さも、グラフＬ１１＞グラフＬ１２＞グラフＬ１３の関係にある。このように下限電圧は、直前ＳＯＣが高いほど高く設定され、直前ＳＯＣが低いほど低く設定される。

さらに、下限電圧は、電池温度が特定温度以上のとき、電池温度に対する変化が、直前ＳＯＣが高いほど大きく、直前ＳＯＣが低いほど小さい。よって、図１に示すように、直前ＳＯＣが高いときの下限電圧を示すグラフＬ１１の温度変化に対する変化量（傾き）は、直前ＳＯＣが中程度のときの下限電圧を示すグラフＬ１２の電池温度に対する変化量（傾き）よりも大きい。また、前記グラフＬ１２の変化量（傾き）は、直前ＳＯＣが低いときの下限電圧を示すグラフＬ１３の電池温度に対する変化量（傾き）よりも大きい。ここでは、電池温度が特定温度であるとき、下限電圧は、直前ＳＯＣの高低にかかわらず略同じであることから、電池温度が特定温度より高いときの下限電圧は、直前ＳＯＣの高さに応じて高くなり、グラフＬ１１＞グラフＬ１２＞グラフＬ１３の関係になる。

また、グラフＬ１１の傾き＞グラフＬ１２の傾き＞グラフＬ１３の傾きの関係から、直前ＳＯＣの高さが高いほど、電池温度に対する電圧の上昇率が高いことが示されている。よって、特定温度以上では、電池温度が高くなるにつれて各直前ＳＯＣに対応するグラフＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３からそれぞれ得られる各下限電圧間の差が大きくなる。例えば、第１の温度＜第２の温度とするとき、第１の温度でのグラフＬ１１とグラフＬ１２とからそれぞれ得られる各下限電圧間の電圧差ΔＤ１１と、第２の温度でのグラフＬ１１とグラフＬ１２とからそれぞれ得られる各下限電圧間の電圧差ΔＤ２１とは、電圧差ΔＤ１１＜電圧差ΔＤ２１の関係になる。同様に、第１の温度＜第２の温度とするとき、第１の温度でのグラフＬ１２とグラフＬ１３とからそれぞれ得られる各下限電圧間の電圧差ΔＤ１２と、第２の温度でのグラフＬ１２とグラフＬ１３とからそれぞれ得られる各下限電圧間の電圧差ΔＤ２２とは、電圧差ΔＤ１２＜電圧差ΔＤ２２の関係になる。

つまり、下限電圧の各直前ＳＯＣ間での差（例えば、電圧差ΔＤ１１や電圧差ΔＤ２１）は取得される電池温度が高いほど大きくなり、取得される温度が低いほど小さくなる。例えば、第２の温度で取得される電圧差ΔＤ２１は、第１の温度で取得される電圧差ΔＤ１１より大きい。

これらのことから、下限電圧は、直前ＳＯＣが高い（蓄電量が多い）ときほど高い値として設定され、直前ＳＯＣが低い（蓄電量が少ない）ときほど低い値として設定される。また、下限電圧は、下限電圧の各直前ＳＯＣ間での差が、電池温度が高いときほど大きく、電池温度が低いときほど小さく設定される。

上述のように下限電圧を定めた理由について述べる。
本発明者らは、過放電による単電池１００の劣化が、正極の劣化に起因することを見出し、その正極の劣化する電圧をもとに下限電圧を算出した。ここでいう過放電による単電池１００の劣化は、正極に添加物として含まれる金属化合物（例えば、コバルト化合物）の非可逆的に進行する金属溶出（コバルトの溶出）反応が開始したときである（詳細は後述）。

また、単電池１００は、大電流での放電より受ける高い負荷によれば劣化を生じやすくなる。そこで、大電流での放電のとき、過放電となることを抑制させるために下限電圧を設定することは、電池性能の維持や寿命の延長の観点から望ましい。

そこで単電池１００の下限電圧を、各設定ＳＯＣから所定の出力電流としての大電流の放電（例えば、２５Ｃ）を行ったとき、正極電位Ｖｐが上記単電池１００の劣化を生じさせない最低電圧としての所定の電位Ｖｔｈ（例えば、０．２８［Ｖ］）に達した時のセル電圧Ｖｃ（図２の単電池１００の端子間電圧）として定めた。つまり、正極電位Ｖｐが電位Ｖｔｈを下回ったとき、正極の劣化が起きることから、正極電位Ｖｐが電位Ｖｔｈのときのセル電圧Ｖｃを求め、これを下限電圧とする。

以下、図２及び図３を参照して、図１に示す下限電圧の求め方の具体例を示す。
図２に示すように、ニッケル水素二次電池は、複数の単電池１００（第１〜第６セル１０１〜１０６）が直列に接続された電池モジュール１０として構成されている。電池モジュール１０は、各セル１０１〜１０６を電気的に直列接続させてなる正極端子１１と、負極端子１２とを充放電に用いる入出力端子として備える。正極端子１１及び負極端子１２にはそれぞれ、外部配線である正側配線ＰＬ及び負側配線ＮＬが接続され、これら正側配線ＰＬ及び負側配線ＮＬを介して電動モータや電源等が接続されている。電池モジュール１０は、一体電槽がその内側の空間を隔壁によって仕切ることにより６つの電槽が設けられ、各電槽が各セル１０１〜１０６に対応する。単電池１００は、水素吸蔵合金を含む所定枚数の負極１１１と、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）_２）を含む所定枚数の正極１１２とを、耐アルカリ性樹脂の不織布から構成されるセパレータ（図示略）を介して積層した電極群１１３を備えている。そして、単電池１００は、電極群１１３の負極１１１を負極側の集電板１１４に接続させ、電極群１１３の正極１１２を正極側の集電板１１５に接続させ、電解液（図示略）とともに樹脂製の電槽内に収容して構成される。

正極１１２は、金属多孔体である発泡ニッケル基板と、発泡ニッケル基板に充填された水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル等のニッケル酸化物を主成分とする正極活物質、添加剤（導電剤等）を有する。

導電剤は、オキシ水酸化コバルト（ＣｏＯＯＨ）等のコバルト化合物であり、ニッケル酸化物の表面を被覆している。
負極１１１は、パンチングメタルなどからなる電極支持体と、電極支持体に塗布された水素吸蔵合金（ＭＨ）とを有する。

単電池１００の出荷時の状態である初期状態では、負極容量が正極容量よりも大きい正極規制とされている。このため、負極容量には、正極容量に対して余分に設けられた充電リザーブ及び放電リザーブが設けられている。従って、正極１１２のＳＯＣが１００％に到達した状態が、単電池１００においてもＳＯＣが１００％の状態（満充電状態）である。また、正極１１２のＳＯＣが０％に到達した状態、即ち正極１１２の活物質の充電部分がなくなった状態が、単電池１００のＳＯＣが０％の状態である。

そうした単電池１００は、正極１１２のＳＯＣが０％を下回っても放電が継続されると正極１１２に劣化が生じる。
また単電池１００は、直前ＳＯＣが使用範囲内であっても、大電流の放電によってそのセル電圧Ｖｃが低下して正極１１２の正極電位Ｖｐが所定の電位Ｖｔｈよりも低下することで、コバルトの溶出反応が生じるおそれが高まる。

図２を参照して、下限電圧を測定する構成について説明する。ここでは、電池モジュール１０の単電池１００のうち、第３のセル１０３を例に説明する。なお、その他のセル１０１，１０２，１０４，１０５，１０６についても、第３のセル１０３と同様に下限電圧を測定することができる。

第３のセル１０３には、各測定器を介して下限電圧を測定する測定装置３０が接続されている。第３のセル１０３には、その正極側の集電板１１５に正極ピン２１Ｐが電気的に接続され、負極側の集電板１１４に負極ピン２１Ｎが電気的に接続され、正極１１２と負極１１１との間に正極電位Ｖｐ及び負極電位Ｖｎを測定するための参照極２１Ｃが設けられている。参照極２１Ｃは、通常、電解液に適したものが使用される。本実施形態では、アルカリ電解液に適した酸化水銀参照極（Ｈｇ／ＨｇＯ）を用いている。

第３のセル１０３には、参照極２１Ｃに対する正極電位Ｖｐを測定する第１の電圧計２３Ｐと、参照極２１Ｃに対する負極電位Ｖｎを測定する第２の電圧計２３Ｎとが接続されている。第１の電圧計２３Ｐは、正極ピン２１Ｐ（配線２２Ｐ）と参照極２１Ｃ（配線２２Ｃ）との間に電気的に接続されており、第２の電圧計２３Ｎは、負極ピン２１Ｎ（配線２２Ｎ）と参照極２１Ｃ（配線２２Ｃ）との間に電気的に接続されている。また、第３のセル１０３には、第３のセル１０３を放電させる放電回路２６と、放電回路２６に流れる電流を測定する電流計２５とが接続されている。放電回路２６と電流計２５とは、正極ピン２１Ｐ（配線２２Ｐ）及び負極ピン２１Ｎ（配線２２Ｎ）の間に直列接続されている。

各電圧計２３Ｐ，２３Ｎ、放電回路２６及び電流計２５は、測定装置３０に接続されている。第１及び第２の電圧計２３Ｐ，２３Ｎはそれぞれの測定した電圧に応じた信号を、電流計２５は測定した電流に応じた信号をそれぞれ測定装置３０に出力する。なお、第３のセル１０３の正極ピン２１Ｐと負極ピン２１Ｎとの間のセル電圧Ｖｃは、各電圧計２３Ｐ，２３Ｎの測定結果より算出できる。

また、第３のセル１０３には、電池温度を測定する温度計２０が温度測定可能に設けられている。温度計２０は測定した電池温度に応じた信号を測定装置３０に出力する。
測定装置３０は、演算部や記憶部を有するコンピュータを含み構成されており、記憶部等に記憶されたプログラムの演算部での演算処理を通じて下限電圧測定処理などの各種処理を行う。また測定装置３０は、入力される各信号から第３のセル１０３の正極電位、負極電位、放電電流及び電池温度を取得する。また、測定装置３０は、放電させる電流量の指示を出力し、その出力に応じた電流を放電回路２６から放電させる。

また、測定装置３０は、ＳＯＣ算出部３１と下限電圧取得部３２とを備える。
ＳＯＣ算出部３１は、公知の手法により第３のセル１０３の大電流を流す直前の直前ＳＯＣを算出する。ＳＯＣ算出部３１は、必要に応じて、電池モジュール１０の端子間電圧や入出力電流などを用いてもよい。

下限電圧取得部３２は、下限電圧を取得する処理手順に従って第３のセル１０３の下限電圧を取得する。下限電圧取得部３２は、下限電圧を、電池温度が「高温」のとき直前ＳＯＣが「低ＳＯＣ」、「中ＳＯＣ」及び「高ＳＯＣ」の場合、「中温」のとき直前ＳＯＣが「低ＳＯＣ」、「中ＳＯＣ」及び「高ＳＯＣ」の場合、「低温」のとき直前ＳＯＣが「低ＳＯＣ」、「中ＳＯＣ」及び「高ＳＯＣ」の場合についてそれぞれ取得する。ここでは「低ＳＯＣ」は２０％、「中ＳＯＣ」は４０％、「高ＳＯＣ」は８０％とする。なお、下限電圧を取得する処理の行われた単電池１００の正極には金属溶出反応が生じてしまうことから、下限電圧を取得する電池温度及び直前ＳＯＣの組合せが変わる都度、単電池１００は新しいものに交換される。

まず、下限電圧取得部３２は、下限電圧を取得する電池温度及び直前ＳＯＣの組合せを特定し、この特定した組合せに対応する状態に、第３のセル１０３の電池温度及び直前ＳＯＣがなることに応じて下限電圧の測定を開始する。例えば、下限電圧を取得する組合せとして「高温」かつ「低ＳＯＣ」が特定されているとき、下限電圧取得部３２は、電池温度が「高温」であり、かつ、ＳＯＣが「２０％」であることを条件に、下限電圧の取得を開始する。

下限電圧の取得が開始されると、下限電圧取得部３２は、第３のセル１０３に蓄電されている電気を放電回路２６から大電流で放電させる。図３において「高温」かつＳＯＣ「低」に示されるように、第３のセル１０３は、大電流での放電が継続されることに応じてＳＯＣが低下し、また、セル電圧Ｖｃも低下する。セル電圧Ｖｃは、正極電位Ｖｐと負極電位Ｖｎとの間の電位差であり、正極電位Ｖｐの低下、及び、負極電位Ｖｎの上昇により電位差が小さくなることによって低下する。そして、下限電圧取得部３２は、正極電位Ｖｐが所定の電位Ｖｔｈに到達したときのセル電圧Ｖｃを下限電圧として取得する。

同様の方法で、電池温度と直前ＳＯＣとの各組合せについてもそれぞれ測定されたセル電圧Ｖｃを下限電圧として取得する。そして下限電圧は、図１に示される各点のデータのように取得され、これら点から各グラフＬ１０，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３が求められる。

図３には、電池温度と直前ＳＯＣとの各組合せについて測定される各電圧を示す。なお、電池温度は、「高温」＞「中温」＞「特定温度」≧「低温」の関係にあるものとする。
図３に示すように、単電池１００は、大電流の放電に伴って正極電位Ｖｐ及び負極電位Ｖｎが変化する。正極電位Ｖｐは、放電の継続によってＳＯＣが低下することにともなって低くなり、電位Ｖｔｈに達する。一方、負極電位Ｖｎは、正極電位Ｖｐが電位Ｖｔｈに達するまでの間に上昇するが、電池温度が低くなるほど上昇が大きく、また、ＳＯＣが低くなるほど上昇が大きくなる。よって負極電位Ｖｎは、「高温」かつ「高ＳＯＣ」のとき、大電流の放電による上昇は小さい。ゆえに、正極電位Ｖｐの電位Ｖｔｈと負極電位Ｖｎとの差は大きく維持されるため、正極電位Ｖｐが電位Ｖｔｈのときのセル電圧Ｖｃに対応する下限電圧は高くなる。逆に負極電位Ｖｎは、「低温」かつ「低ＳＯＣ」のとき、大電流の放電による上昇が大きい。ゆえに、正極電位Ｖｐの電位Ｖｔｈと負極電位Ｖｎとの差が小さくなり下限電圧が低くなる。

図３を参照して、まず「低ＳＯＣ」の例を説明する。「高温」かつ「低ＳＯＣ」のとき、正極電位Ｖｐが電位Ｖｔｈのとき測定される負極電位Ｖｎとの関係から、正極電位Ｖｐが電位Ｖｔｈのときのセル電圧Ｖｃである下限電圧は、電圧Ｖ１１（１．０５［Ｖ］）として求められる。また、同様の関係から、下限電圧は、「中温」かつ「低ＳＯＣ」のとき、電圧Ｖ１２（０．９８［Ｖ］）となり、「低温」かつ「低ＳＯＣ」のとき、電圧Ｖ１３（０．８８［Ｖ］）となる。低ＳＯＣのとき、電池温度に対して下限電圧は、電圧Ｖ１１＞電圧Ｖ１２＞電圧Ｖ１３の関係を有しており、こうして得られた下限電圧に基づいて、図１のグラフＬ１３が得られる。

続いて「中ＳＯＣ」の例を説明する。上記と同様の関係から、下限電圧は、「高温」かつ「中ＳＯＣ」のとき、電圧Ｖ２１（１．０７［Ｖ］）となり、「中温」かつ「中ＳＯＣ」のとき、電圧Ｖ２２（０．９９［Ｖ］）となり、「低温」かつ「中ＳＯＣ」のとき、電圧Ｖ２３（０．８８［Ｖ］）となる。中ＳＯＣのとき、電池温度に対して下限電圧、電圧Ｖ２１＞電圧Ｖ２２＞電圧Ｖ２３の関係を有しており、こうして得られた下限電圧に基づいて、図１のグラフＬ１２が求められる。

引き続き「高ＳＯＣ」の例を説明する。上記と同様の関係から、セル電圧Ｖｃは、「高温」かつ「高ＳＯＣ」のとき、電圧Ｖ３１（１．０９［Ｖ］）となり、「中温」かつ「高ＳＯＣ」のとき、電圧Ｖ３２（１．００［Ｖ］）となり、「低温」かつ「高ＳＯＣ」のとき、電圧Ｖ３３（０．８８［Ｖ］）となる。高ＳＯＣのとき、電池温度に対して下限電圧は、電圧Ｖ３１＞電圧Ｖ３２＞電圧Ｖ３３の関係を有しており、こうして得られた下限電圧に基づいて、図１のグラフＬ１１が求められる。

また、電池温度を中心に説明する。下限電圧は、同じ電池温度であれば、直前ＳＯＣが高いほど高くなる。よって、「高温」の場合、電圧Ｖ３１＞電圧Ｖ２１＞電圧Ｖ１１との関係を有し、「中温」の場合、電圧Ｖ３２＞電圧Ｖ２２＞電圧Ｖ１２との関係を有する。なお、「低温」の場合、直前ＳＯＣの影響が小さいため、ここでは、電圧Ｖ３３≒電圧Ｖ２３≒電圧Ｖ１３となる。

これらより、下限電圧は、同じ電池温度であれば、直前ＳＯＣが高いほど高くなる。さらに、下限電圧は、同じ直前ＳＯＣであれば、電池温度が高いほど高くなる。よって、下限電圧は、電池温度が高いほど高く、及び、直前ＳＯＣが高いほど高くなる。また、電池温度における下限電圧の直前ＳＯＣ当たりの変化は電池温度が高温のときほど大きくなり、電池温度が低温のときほど小さくなる。そして、直前ＳＯＣが下限電圧に与える影響は、電池温度が特定温度より高いときに大きい。

なお、大電流の放電による正極電位Ｖｐの低下態様や負極電位Ｖｎの上昇態様は、放電量や電池容量、電極の構成、直前ＳＯＣ、電池温度などによって相違する。また、大電流の放電によりＳＯＣが低下する態様も、放電量や電池容量、電極の構成、直前ＳＯＣ、電池温度などによって相違する。そのため、下限電圧は、放電量や電池容量、電極の構成、直前ＳＯＣ、電池温度などに応じて設定されることが好ましい。

ところで、ＳＯＣは、大電流の放電に応じて逐次変化するものであるが、ここで直前ＳＯＣに基づいて取得される下限電圧は、放電中のＳＯＣの変化を考慮しなくとも、電池の性能劣化が抑えられる好適な下限電圧として得られる。

（一実施形態）
図４及び図５を参照して、車両用電池制御装置及び車両用電池制御方法を具体化した一実施形態について説明する。なお、電池モジュール１０の構造は上述と同様であることから詳細な説明については割愛する。また、本実施形態では、上述のようにして得られた単電池１００の下限電圧を、電池モジュール１０を構成するセル数倍である６倍にして電池モジュール１０用の下限電圧として設定する。よって、電池モジュール１０用の下限電圧は、電池モジュール１０を所定の出力電流で放電したとき、正極電位Ｖｐが正極１１２に含まれているコバルト化合物の金属溶出反応の開始電位に基づくものとして定められる。

図４に示すように、正極端子１１に接続される正側配線ＰＬ及び負極端子１２に接続される負側配線ＮＬには負荷（電動モータ）や電源等が接続されている。
電池モジュール１０には、電池の放電を制御する車両用電池制御装置としての制御装置５０が接続されている。制御装置５０は、上述した下限電圧を電池モジュール１０の電池状態に応じて設定する。そして、制御装置５０は、電動モータなどの放電回路（図示略）による大電流の放電によっても電池モジュール１０の端子間電圧が電池モジュール１０用に設定された下限電圧よりも低下することがないように電池モジュール１０からの放電を規制する。

電池モジュール１０は、正極端子１１と負極端子１２との間に端子間電圧を測定する電圧計４０が電気的に接続され、負側配線ＮＬに入出力電流を測定する電流計４１が電気的に直列接続されている。電圧計４０は測定した端子間電圧に応じた信号を、電流計４１は測定した電流に応じた信号をそれぞれ制御装置５０に出力する。

制御装置５０は、演算部や記憶部を有するコンピュータを含み構成されており、記憶部等に記憶されたプログラムの演算部での演算処理を通じて下限電圧設定処理などの各種処理を行う。制御装置５０は、入力される各信号から電池モジュール１０の端子間電圧、入出力電流及び電池温度を得るとともに、放電を規制する信号などを電動モータの駆動を制御する負荷制御装置などに出力する。

制御装置５０は、充電状態取得部としてのＳＯＣ算出部５１と、温度取得部５２と、下限電圧設定部５３と、記憶部等に記憶された下限電圧データ５４とを備えている。下限電圧データ５４には、図１に示される各グラフＬ１０，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３に対応するデータが保持されている。なお、この対応するデータは、電池温度と直前ＳＯＣとに基づいて対応する下限電圧が取得される関数や、各グラフＬ１０，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３を曲線又は直線で近似する関数などであってもよい。また、本実施形態では、説明の便宜上、下限電圧の設定に際し、グラフＬ１０に対応するデータ、グラフＬ１１の「高ＳＯＣ」に対応するデータ、及びグラフＬ１３の「低ＳＯＣ」に対応するデータを使用する一方、グラフＬ１２の「中ＳＯＣ」に対応するデータは使用しないものとする。

ＳＯＣ算出部５１は、公知の方法により電池モジュール１０の最新のＳＯＣを算出し、この最新のＳＯＣが下限電圧を設定するときに直前ＳＯＣとして用いられる。例えば、ＳＯＣは、電池モジュール１０の端子間電圧や入出力電流などに基づいて算出される。

温度取得部５２は、温度計２０から得られる最新の電池温度を取得し、この最新の電池温度が下限電圧を設定するときに電池温度として用いられる。
下限電圧設定部５３は、最新のＳＯＣ及び最新の電池温度を下限電圧データ５４と照合することによって、電池モジュール１０の最新の電池状態に対応する下限電圧を取得する。そして、下限電圧設定部５３は、下限電圧データ５４に保持されている単電池１００用の下限電圧をセル数倍である６倍した値を基にして、電池モジュール１０用の下限電圧として設定又は更新する。

図５を参照して、下限電圧設定部５３による電池モジュール１０用の下限電圧を設定する処理の手順について説明する。下限電圧を設定する処理は、所定の周期又は所定の間隔で繰り返し随時行われる。なお、下限電圧を設定する処理は、直前ＳＯＣの値や電池温度が更新又は変更されたタイミングなどで行われてもよい。処理の繰り返し実行の間隔は、定期的でも不定期的でもよいが、電池モジュール１０の電池状態の変化に対応するかたちで随時実行されることが好ましい。

下限電圧の設定処理が開始されると、下限電圧設定部５３は温度取得部５２によって測定された電池温度を取得する（図５のステップＳ１０）。そして、下限電圧設定部５３は、取得した電池温度が特定温度Ｔ１よりも小さいか否かを判断する（図５のステップＳ１１）。上述の通り、特定温度Ｔ１よりも低い温度であれば下限電圧に直前ＳＯＣが及ぼす影響が小さい。特定温度Ｔ１は、予め制御装置５０の記憶部などに保持されている。

測定した電池温度が特定温度Ｔ１よりも低いと判断された場合（図５のステップＳ１１でＹＥＳ）、下限電圧設定部５３は、取得した電池温度が特定温度Ｔ１未満であることに対応するデータとして、図１のグラフＬ１０に対応するデータを下限電圧データ５４から選択する（図５のステップＳ１２：温度特性選択）。そして、下限電圧設定部５３は、選択したデータに取得した電池温度を照合させることで、該取得した電池温度に対応する下限電圧を取得し、電池モジュール１０用の下限電圧を算出する（図５のステップＳ１３）。こうして算出された下限電圧が、電池モジュール１０用の下限電圧として制御装置５０に設定又は更新される。

一方、取得した電池温度が特定温度Ｔ１以上であると判断された場合（図５のステップＳ１１でＮＯ）、下限電圧設定部５３は、ＳＯＣ算出部５１により算出された電池モジュール１０の直前ＳＯＣを取得する（図５のステップＳ１４）。ここでは、電池モジュール１０の直前ＳＯＣと単電池１００の直前ＳＯＣとは実質的に同じであるものとする。そして、下限電圧設定部５３は、取得した直前ＳＯＣが判定割合Ｒ１よりも小さいか否かを判断する（図５のステップＳ１５）。判定割合Ｒ１は、電池温度が特定温度Ｔ１以上のときに直前ＳＯＣに基づいて、下限電圧の算出に適したデータを下限電圧データ５４から選択するための値である。判定割合Ｒ１は、「高ＳＯＣ」（８０％）と「低ＳＯＣ」（２０％）との間の値（例えば４０％）とされており、予め制御装置５０の記憶部などに保持されている。そして判定割合Ｒ１に対する大小を区分することで、直前ＳＯＣに近いＳＯＣに対応するデータを選択することができる。具体的には、直前ＳＯＣを判定割合Ｒ１と比較することで、図１に示すグラフＬ１１又はグラフＬ１３のいずれかに対応するデータが下限電圧の設定のために選択される。

直前ＳＯＣが判定割合Ｒ１よりも小さいと判断された場合（図５のステップＳ１５でＹＥＳ）、下限電圧設定部５３は、低ＳＯＣに対応するデータとして、例えば図１のグラフＬ１３に対応するデータを選択する（図５のステップＳ１６：低ＳＯＣ特性選択）。

一方、直前ＳＯＣが判定割合Ｒ１以上と判断された場合（図５のステップＳ１５でＮＯ）、下限電圧設定部５３は、高ＳＯＣに対応するデータとして、例えば図１のグラフＬ１１に対応するデータを選択する（図５のステップＳ１７：高ＳＯＣ特性選択）。

そして、下限電圧を取得するためのデータが選択されると、下限電圧設定部５３は、選択したデータに測定した電池温度を照合して、該測定した電池温度に対応する下限電圧を取得し、電池モジュール１０用の下限電圧を算出する（図５のステップＳ１３）。こうして算出された電池モジュール１０用の下限電圧が制御装置５０に設定・更新される。そして、電池モジュール１０用の下限電圧の設定処理が終了される。

この下限電圧の設定処理によって、ＳＯＣ当たりの下限電圧の変化の大きさが異なる「高ＳＯＣ」のデータ及び「低ＳＯＣ」のデータの関係に電池温度を適用することにより、選択された「高ＳＯＣ」のデータ又は「低ＳＯＣ」のデータから電池温度に対応する下限電圧が取得され、電池モジュール１０用の下限電圧が設定される。換言すると、この下限電圧の設定処理によれば、電池温度に応じて下限電圧のＳＯＣ当たりの変化の大きさの設定が、設定又は更新される。

このように、電池モジュール１０の現在の電池状態に対応する下限電圧が随時設定されることで、大電流での放電が急に要求されたとしても、適切な下限電圧が設定されているようになる。そして、大電流による放電がなされたとしても、電池モジュール１０の端子間電圧が下限電圧に達することで放電が規制され、電池モジュール１０の過放電が抑制されるようになる。電池モジュール１０の過放電が抑制されることで、各単電池１００の性能を劣化させる正極１１２の性能の劣化が抑制され、電池寿命が延ばされるようになる。また、下限電圧が適切かつ低く設定されることによって電圧出力の範囲が広がるため電池モジュール１０からより多くの電力出力が可能になり、電池モジュール１０の出力性能が高められる。

以上説明したように、本実施形態の車両用電池制御装置、及び、車両用電池制御方法によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
（１）下限電圧が電池モジュール１０の電池温度に加えて該電池モジュール１０の直前ＳＯＣに基づいて設定される。これにより、電池モジュール１０の放電を規制する下限電圧がより適切に設定されるようになる。そして、こうした下限電圧の設定により、電池モジュール１０の過放電が抑制されて該電池モジュール１０の性能の劣化も抑制され、電池寿命を延ばすことができるようになる。また、下限電圧が適切かつ低く設定されることからより多くの電力出力が可能になり、電池モジュール１０の出力性能が高められる。

なお通常、電池モジュール１０の電圧はその使用にともなって徐々に低下するものであることから、ここで直前ＳＯＣに応じて定められる下限電圧は、急激な放電によって生じる急激な電圧低下を規制するときにのみ利用されてもよい。

（２）下限電圧の設定に関し、電池モジュール１０の電池温度が高くなると電池モジュール１０の直前ＳＯＣが下限電圧に与える影響が大きくなる。そこで、特定温度以上（例えば０℃以上）のときに電池モジュール１０の直前ＳＯＣによる影響を考慮するようにすることで、直前ＳＯＣの影響を大きく受ける電池温度において下限電圧の設定が適切になされるようになる。

（３）随時取得する直前ＳＯＣに応じて下限電圧が更新されることで、電池モジュール１０の制御を直前ＳＯＣに応じた適切なものとすることが可能になる。
（４）図１に示したグラフに対応するデータから電池温度に基づき下限電圧を取得することで、電池温度に応じて下限電圧の直前ＳＯＣ当たりの変化の大きさの設定が更新されることとなり、電池モジュール１０の制御を温度に応じた適切なものとすることが可能になる。

（５）下限電圧が正極１１２のコバルト化合物の溶出反応の開始電位に対応して定められることにより、この下限電圧によれば正極１１２にコバルト化合物の溶出反応が生じることが抑制され、ひいては、電池モジュール１０の性能の低下も抑制される。

（その他の実施形態）
なお上記実施形態は、以下の態様で実施することもできる。
・上記実施形態では、図１に示すように、ＳＯＣが高いほど下限電圧は高く設定される場合について例示した。しかしこれに限らず、他の要因により、ＳＯＣが高いほど下限電圧が高くなる関係性が変化する可能性もある。例えば、ＳＯＣが低い場合、設定した下限電圧に達するまでに要する時間が、ＳＯＣが高い場合に比べて早くなる。そのため、ＳＯＣが低い場合、安全性を考慮して下限電圧を上記実施形態よりも高く設定し、ＳＯＣが高い場合、そのまま又はＳＯＣが低い場合よりも小さい幅で高く設定するようにしてもよい。

・上記実施形態等では、電池モジュール１０は６つのセルが直列接続されて構成される場合について例示した。しかしこれに限らず、電池モジュールは５つ以下のセル、又は、７つ以上のセルが直列接続された構成されていてもよい。また、電池モジュールは単電池であってもよい。いずれにしろ、電池モジュールを構成している直列接続されるセルの数に応じて下限電圧を設定するようにすればよい。また、電池モジュールが複数直列又は並列に接続された電池ブロック毎に下限電圧を設定してもよい。

・上記実施形態では、下限電圧が金属溶出反応を生じる電位の測定に基づき定められる場合について例示した。しかしこれに限らず、上記実施形態の下限電圧と、その他の方法で求められた下限電圧とを組み合わせて用いてもよい。例えば、下限電圧を、特定温度以上の温度範囲では上記実施形態で求めたものとし、特定温度未満のときにはその他の方法で求めたものとするようにしてもよい。

・上記実施形態等では、下限電圧は金属溶出反応が生じる電位である場合について例示した。しかしこれに限らず、下限電圧は、金属溶出反応を生じさせない電圧であれば、金属溶出反応を生じる電圧よりも所定のマージンなどが加算されてより高く設定されてもよい。

・上記実施形態等では、下限電圧は、電池温度が特定温度以上のとき「高温」、「中温」及び「低温」のときのそれぞれについて、直前ＳＯＣが「低ＳＯＣ」、「中ＳＯＣ」及び「高ＳＯＣ」の３つの場合についてそれぞれ取得される場合について例示した。しかしこれに限らず、下限電圧が取得される電池温度と直前ＳＯＣの組合せはこれより多くても少なくてもよい。例えば、電池温度は複数かつ任意の温度とされてもよく、各電池温度に組み合わされる直前ＳＯＣも複数かつ任意の値とされてもよい。下限電圧を取得するときの組合せの数は、少なければ取得に要する時間を短縮することができるようになり、多ければ取得精度を高めることができるようになる。

・上記実施形態では、下限電圧データ５４の高ＳＯＣと低ＳＯＣとの２つのデータが使用され、判定割合Ｒ１が１つである場合について例示した。しかしこれに限らず、下限電圧データとして３種類以上のＳＯＣに対応する各データが使用されていてもよい。この場合、ＳＯＣの種類より１つ少ない数の判定割合を設ける。この設けた判定割合で取得したＳＯＣを区分することで、該取得したＳＯＣに対応する適切なデータを下限電圧データから選択することができる。

・上記実施形態では、コバルトが溶出されない最低電圧である所定の電位Ｖｔｈを０．２８［Ｖ］とする場合について例示した。しかしこれに限らず、所定の電位は、正極からコバルトが溶出されない最低電圧よりも高い電位であればよい。例えば、金属溶出反応が生じる範囲を０．１〜０．５［Ｖ］の範囲から選択してもよい。

・上記実施形態では、特定温度Ｔ１が０℃である場合について例示した。しかしこれに限らず、特定温度Ｔ１は、０℃よりも高くても、逆に０℃よりも低くてもよい。これにより、電池の下限電圧と温度との関係に、さらに直前ＳＯＣとの関係を考慮するときの電池温度を電池の態様に併せて適切な値にすることができる。

・上記実施形態では、正極を構成する活物質がニッケル化合物、添加物がコバルト化合物である場合について例示した。しかしこれに限らず、正極を構成する活物質と添加物の関係が、「活物質の劣化が生じる電位」＞「添加物の金属溶出反応が生じる電位」の関係にあれば、活物質や添加物がその他の化合物から構成されていてもよい。

・上記実施形態等では、ニッケル水素二次電池の蓄電量に関する充電状態がＳＯＣである場合について例示した。しかしこれに限らず、ニッケル水素二次電池の蓄電量に関する充電状態は、実際の蓄電量（充電量）であってもよい。通常、蓄電量（充電量）とＳＯＣとは相互に変換可能である。同様に、下限電圧に関するデータについても、ＳＯＣとの関係に代えて蓄電量（充電量）との関係をもちいてもよい。

・上記実施形態では、ニッケル水素二次電池は自動車の電源として用いられる場合について例示した。しかしこれに限らず、ニッケル水素二次電池は、電源として用いられるものであれば、自動車以外の電源として用いられてもよい。

１０…電池モジュール、１１…正極端子、１２…負極端子、２０…温度計、２１Ｃ…参照極、２１Ｎ…負極ピン、２１Ｐ…正極ピン、２３Ｐ…第１の電圧計、２３Ｎ…第２の電圧計、２５…電流計、２６…放電回路、３０…測定装置、３１…ＳＯＣ算出部、３２…下限電圧取得部、４０…電圧計、４１…電流計、５０…制御装置、５１…ＳＯＣ算出部、５２…温度取得部、５３…下限電圧設定部、５４…下限電圧データ、１００…単電池、１０１〜１０６…第１〜第６セル、１１１…負極、１１２…正極、１１３…電極群、１１４…集電板、１１５…集電板、ＮＬ…負側配線、ＰＬ…正側配線。

Claims (7)

1. 主活物質と添加物としての金属化合物とを含む正極を有する車両用の二次電池の放電を制御する車両用電池制御装置であって、
   前記二次電池の蓄電量に関する充電状態を取得する充電状態取得部と、
   前記二次電池の温度を取得する温度取得部と、
   前記二次電池の下限電圧を設定する下限電圧設定部とを備え、
   前記下限電圧設定部は、前記下限電圧を、前記充電状態から得られる蓄電量が多いときほど高い値とし、該蓄電量が少ないときほど低い値として設定するとともに、前記下限電圧の前記蓄電量当たりの変化が前記取得される温度が高いときほど大きくなり、前記取得される温度が低いときほど小さくなるように設定する
   ことを特徴とする車両用電池制御装置。
2. 前記下限電圧は、前記二次電池を所定の出力電流で放電したとき、前記正極の電位が前記金属化合物の金属溶出反応の開始電位であるときの前記二次電池の端子間電圧に対応して定められている
   請求項１に記載の車両用電池制御装置。
3. 前記下限電圧設定部は、前記取得される温度が特定温度以上のとき、前記下限電圧を前記取得される充電状態から得られる蓄電量に応じて設定する
   請求項１又は２に記載の車両用電池制御装置。
4. 前記充電状態取得部は、前記充電状態を随時取得し、
   前記下限電圧設定部は、前記取得された充電状態に基づいて、前記下限電圧の設定を更新する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用電池制御装置。
5. 前記温度取得部は、前記二次電池の温度を随時取得し、
   前記下限電圧設定部は、前記取得された前記二次電池の温度に基づいて、前記下限電圧の前記蓄電量当たりの変化の大きさが異なるように前記下限電圧を設定する
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用電池制御装置。
6. 前記二次電池はニッケル水素二次電池であり、前記主活物質がニッケル酸化物であり、前記金属化合物がコバルト化合物である
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用電池制御装置。
7. 主活物質と添加物としての金属化合物とを含む正極を有する車両用の二次電池の放電を制御する車両用電池制御方法であって、
   前記二次電池の蓄電量に関する充電状態を取得するステップと、
   前記二次電池の温度を取得するステップと、
   前記二次電池の下限電圧を設定するステップとを備え、
   前記下限電圧を設定するステップでは、前記下限電圧を、前記充電状態から得られる蓄電量が多いときほど高い値とし、該蓄電量が少ないときほど低い値として設定するとともに、前記下限電圧の前記蓄電量当たりの変化が前記取得される温度が高いときほど大きくなり、前記取得される温度が低いときほど小さくなるように設定する
   ことを特徴とする車両用電池制御方法。

Images