JP6717066B2 - 電池システム - Google Patents

Description

本発明は電池システムに関し、より特定的にはニッケル水素電池を含む電池システムに関する。

ニッケル水素電池においてメモリ効果が生じることが知られている。メモリ効果とは、ニッケル水素電池に蓄えられた電力が完全に消費されていない状態での充電（いわゆる継ぎ足し充電）が繰り返された場合に、ニッケル水素電池の放電電圧が正常時（メモリ効果が生じていないとき）と比べて低くなる現象である。メモリ効果はニッケル水素電池の充電側においても生じる可能性があり、充電側においては充電電圧が正常時と比べて高くなる。

ニッケル水素電池のメモリ効果による電圧変化量（以下「メモリ量」とも称する）を推定するための技術が提案されている。メモリ量を推定することによって、たとえばニッケル水素電池の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）の推定精度を向上させることが可能になるためである。たとえば特開２００７−３３３４４７号公報（特許文献１）は、ニッケル水素電池の開放電圧に基づいてニッケル水素電池の起電力を算出し、算出された起電力とＳＯＣとの関係を用いて起電力からＳＯＣを推定する充電状態推定装置を開示する。特許文献１に開示された充電状態推定装置では、ＳＯＣの推定に先立ちメモリ量に応じて開放電圧を補正することによってＳＯＣの推定精度を向上させる。

特開２００７−３３３４４７号公報

メモリ量が所定値よりも大きくなった場合には、メモリ量を解消するための充放電を実行することが望ましい。この充放電は、一般にリフレッシュ充放電（リフレッシュ充電またはリフレッシュ放電）とも称される。リフレッシュ充放電を実行すべきか否かを適切に判定するためには、メモリ量を高精度に推定することが求められる。

また、電池システムの用途（たとえば車両用途）によっては電池システムの使用状況に応じてバッテリが強制的に充電されたり放電されたりし得るので、バッテリを自由に充放電することができない場合がある。そのため、バッテリのリフレッシュ充放電を適時に実行できない可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ニッケル水素電池のメモリ量を高精度に推定するとともに、推定されたメモリ量が所定値よりも大きい場合にバッテリのリフレッシュ充放電を適時に実行するための技術を提供することである。

本発明のある局面に従う電池システムは、ニッケル水素電池を含む第１のバッテリと、第２のバッテリと、第１のバッテリと第２のバッテリとの間で電力を変換可能に構成された電力変換装置と、制御装置とを備える。制御装置は、第１のバッテリのメモリ効果による電圧変化量を示すメモリ量を推定するとともに、推定された結果を用いて電力変換装置を制御する。制御装置は、第１のバッテリの使用開始時からの経過時間とメモリ量との対応関係を示すデータを記憶する。データは、第１のバッテリの開放電圧と温度とを含んで定義された使用条件毎に区分して定められる。制御装置は、記憶されたデータを参照して使用条件の区分が変化しない時間内でのメモリ量を逐次算出するとともに、算出されたメモリ量を逐次積算することによって第１のバッテリの現在のメモリ量を推定する。制御装置は、推定されたメモリ量が所定値よりも大きい場合に、電力変換装置を制御することによって、メモリ量が減少するように第１のバッテリと第２のバッテリとの間で充放電を行なう。

本発明者らの実験結果（後述）によれば所定期間中に生じたメモリ量を決定する主要因がニッケル水素電池の開放電圧と温度とであるところ、上記構成によれば、推定装置には、ニッケル水素電池の使用開始時からの経過時間とメモリ量との対応関係を示すデータが、ニッケル水素電池の開放電圧と温度とを含んで定義された使用条件毎に記憶されている。したがって、推定装置は、ニッケル水素電池の使用条件に対応するデータを参照することにより、使用条件の区分が変化しない時間内でのメモリ量を高精度に算出することができる。そして、高精度に算出されたメモリ量を積算することによって、ニッケル水素電池の現在のメモリ量についても高精度に推定することができる。

メモリ量が所定値よりも大きい場合にはリフレッシュ充放電を実行することが望ましいが、仮に第２のバッテリが設けられていないときには、第１のバッテリの使用状況によっては第１のバッテリの所望の充放電を実行することができない可能性がある。たとえば第１のバッテリに蓄えられた電力を電池システム外部に供給している場合には、第１のバッテリのリフレッシュ充電を実行することはできない。これに対し、上記構成によれば第２のバッテリが設けられているので、第１のバッテリと第２のバッテリとの間で電力変換装置を介して充放電を実行することができる。よって、たとえば、第２のバッテリに蓄えられた電力を電池システム外部に供給しつつ第１のバッテリを充電することが可能である。したがって、第１のバッテリの使用状況にかかわらず、第１のバッテリのリフレッシュ充放電を適時に実行することができる。

本発明によれば、ニッケル水素電池のメモリ量を高精度に推定することができるとともに、推定されたメモリ量が所定値よりも大きい場合にバッテリのリフレッシュ充放電を適時に実行することができる。

本実施の形態に係る電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。 車両に搭載された電池システムの構成をより詳細に説明するための回路ブロック図である。 メインバッテリに含まれるセルの構成を示す図である。 発明者らが実施した３種類の試験結果を説明するための図である。 各使用条件下での経過時間とメモリ量との対応関係を示すタイムチャートである。 メモリ量推定処理を説明するためのタイムチャートである。 積算メモリ量推定処理を示すフローチャートである。 実施の形態におけるメインバッテリのリフレッシュ充電制御を示すフローチャートである。 本実施の形態におけるメインバッテリのリフレッシュ放電制御を示すフローチャートである。 本実施の形態の変形例におけるサブバッテリの充放電制御を説明するためのタイムチャートである。 本実施の形態の変形例におけるサブバッテリの充放電制御を示すフローチャートである。

以下、本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、図中同一また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。

以下では、本発明の本実施の形態に係る電池システムがハイブリッド車に搭載される構成を例に説明する。しかし、本実施の形態に係る電池システムが搭載可能な車両はハイブリッド車に限定されず、電気自動車であってもよいし、燃料自動車であってもよい。また、電池システムの用途は車両用に限定されるものではなく、定置用であってもよい。

［実施の形態］
＜車両構成＞
図１は、本実施の形態に係る電池システムが搭載されたハイブリッド車の全体構成を概略的に示すブロック図である。車両１は、モータジェネレータ１０，２０と、動力分割機構３０と、駆動軸４０と、減速機５０と、エンジン６０と、車輪７０と、電池システム２とを備える。電池システム２は、メインバッテリ１１０と、サブバッテリ１２０と、電力制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）２００と、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３００とを備える。

モータジェネレータ１０，２０の各々は、たとえば三相交流永久磁石型モータである。モータジェネレータ１０は、エンジン６０を始動させる際にはメインバッテリ１１０および／またはサブバッテリ１２０の電力を用いてエンジン６０のクランクシャフトを回転させる。また、モータジェネレータ１０は、エンジン６０の動力を用いて発電することも可能である。モータジェネレータ１０によって発電された交流電力は、ＰＣＵ２００により直流電力に変換されてメインバッテリ１１０および／またはサブバッテリ１２０に充電される。また、モータジェネレータ１０によって発電された交流電力がモータジェネレータ２０に供給される場合もある。

モータジェネレータ２０は、メインバッテリ１１０からの供給電力、サブバッテリ１２０からの供給電力、およびモータジェネレータ１０による発電電力のうちの少なくとも１つを用いて出力軸を回転させる。また、モータジェネレータ２０は、回生制動によって発電することも可能である。モータジェネレータ２０によって発電された交流電力は、ＰＣＵ２００により直流電力に変換されてメインバッテリ１１０および／またはサブバッテリ１２０に充電される。

動力分割機構３０は、たとえば図示しない遊星歯車機構を含んで構成され、エンジン６０のクランクシャフト、モータジェネレータ１０の回転軸、および駆動軸４０の三要素を機械的に連結する。動力分割機構３０は、上記三要素のうちのいずれか一つを反力要素とすることによって、他の２つの要素間での動力の伝達を可能とする。

減速機５０は、動力分割機構３０およびモータジェネレータ２０のうちの少なくとも一方からの動力を車輪７０に伝達する。また、車輪７０が受けた路面からの反力は、減速機５０を介してモータジェネレータ２０に伝達される。これにより、モータジェネレータ２０は回生制動時に発電する。

エンジン６０は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジン等の内燃機関である。エンジン６０は、ＥＣＵ３００からの制御信号に応じて車両１が走行するための動力を発生する。エンジン６０により発生した動力は動力分割機構３０に出力される。

ＰＣＵ２００は、メインバッテリ１１０および／またはサブバッテリ１２０に蓄えられた直流電力を昇圧し、昇圧された電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１０，２０に供給する。また、ＰＣＵ２００は、モータジェネレータ１０，２０で発電された交流電力を直流電力に変換して、メインバッテリ１１０および／またはサブバッテリ１２０に供給する。さらに、ＰＣＵ００は、メインバッテリ１１０とサブバッテリ１２０との間で充放電が可能に構成される。ＰＣＵ２００の詳細な構成については図２にて説明する。

メインバッテリ１１０およびサブバッテリ１２０の各々は、再充電が可能に構成された直流電源である。本実施の形態では、メインバッテリ（第１のバッテリ）１１０は、ニッケル水素電池を含んで構成される。ニッケル水素電池は複数（たとえば数十〜数百）のセル１０１を含むが、各セル１０１の構成については図３にて説明する。本実施の形態では、サブバッテリ（第２のバッテリ）１２０は、電気二重層キャパシタなどのキャパシタを含んで構成される。ただし、サブバッテリ１２０は、ニッケル水素電池もしくはリチウムイオン二次電池などの二次電池または燃料電池であってもよい。

ＥＣＵ３００は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入出力バッファと等を含んで構成される。ＥＣＵ３００は、各センサから受ける信号、ならびにメモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、車両１および電池システム２が所望の状態となるように各機器を制御する。ＥＣＵ３００により実行される主要な処理として、メインバッテリ１１０に生じたメモリ効果による電圧変化量の推定処理、ならびにメインバッテリ１１０およびサブバッテリ１２０の充放電制御が挙げられるが、これらの処理については後述する。

＜電池システムの構成＞
図２は、車両１に搭載された電池システム２の構成をより詳細に説明するための回路ブロック図である。ＰＣＵ２００は、コンバータ２１０，２２０と、インバータ２３０，２４０と、コンデンサＣと、電圧センサ２５０とを含む。また、メインバッテリ１１０とコンバータ２１０とを結ぶ電力線にはシステムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）４００が電気的に接続される。さらに、メインバッテリ１１０には監視ユニット１１２が設けられるとともに、サブバッテリ１２０には監視ユニット１２２が設けられる。

ＳＭＲ４００は、ＥＣＵ３００からの制御信号に応じて開放または閉成される。これにより、メインバッテリ１１０とＰＣＵ２００との間の電気的な接続および遮断が切り替えられる。

監視ユニット１１２は、メインバッテリ１１０の電圧Ｖｂ１、メインバッテリ１１０に入出力される電流Ｉｂ１、およびメインバッテリ１１０の温度Ｔｂ１を検出し、それらの検出結果をＥＣＵ３００に出力する。同様に、監視ユニット１２２は、サブバッテリ１２０の電圧Ｖｂ２、サブバッテリ１２０に入出力される電流Ｉｂ２、およびサブバッテリ１２０の温度Ｔｂ２を検出し、それらの検出結果をＥＣＵ３００に出力する。ＥＣＵ３００は、監視ユニット１１２，１２２による検出結果に基づいて、メインバッテリ１１０およびサブバッテリ１２０の充放電を制御する。

コンバータ２１０は、たとえばチョッパ方式のコンバータであって、コンデンサＣ１と、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２と、ダイオードＤ１１，Ｄ１２とを含む。コンデンサＣ１は、メインバッテリ１１０に並列に接続され、メインバッテリ１１０の電圧Ｖｂ１を平滑化する。スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の各々は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２は、コンバータ２１０とインバータ２３０とを結ぶ電力線ＰＬと電力線ＮＬとの間に互いに直列に接続される。ダイオードＤ１１，Ｄ１２は、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２のコレクタ−エミッタ間に逆並列にそれぞれ接続される。リアクトルＬ１の一方端は、メインバッテリ１１０の高電位側に接続される。リアクトルＬ１の他方端は、スイッチング素子Ｑ１１とスイッチング素子Ｑ１２との中間点（スイッチング素子Ｑ１１のエミッタとスイッチング素子Ｑ１２のコレクタとの接続点）に接続される。

コンバータ２１０は、各スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２をスイッチング動作させるためのＰＷＭ（Pulse Width Modulation)方式の制御信号ＰＷＭＣ１に応じて、メインバッテリ１１０の電圧Ｖｂ１を昇圧して電力線ＰＬ，ＮＬ間に供給する。また、コンバータ２１０は、制御信号ＰＷＭＣ１に応じて、電力線ＰＬ，ＮＬ間の直流電圧を降圧してメインバッテリ１１０を充電する。

コンバータ２２０は、コンバータ２１０と同様に、たとえばチョッパ方式のコンバータであって、電力線ＰＬ，ＮＬ間にコンバータ２１０に並列に接続される。コンバータ２２０の構成は、コンバータ２１０の構成と基本的に同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。

コンバータ２１０，２２０を制御することによって、メインバッテリ１１０とサブバッテリ１２０との間の充放電を制御することが可能である。すなわち、メインバッテリ１１０から放電された電力を用いてサブバッテリ１２０を充電したり、逆にサブバッテリ１２０から放電された電力を用いてメインバッテリ１１０を充電したりすることができる。なお、コンバータ２１０，２２０の構成は特に限定されるものではなく、他の公知の構成を採用することもできる。

コンデンサＣは、電力線ＰＬ，ＮＬ間にコンバータ２１０に並列に接続される。コンデンサＣは、コンバータ２１０，２２０の一方または両方から供給された直流電圧を平滑化してインバータ２３０，２４０に供給する。

電圧センサ２５０は、コンデンサＣの両端の電圧、すなわち電力線ＰＬ，ＮＬ間の電圧（以下「システム電圧」とも称する）ＶＨを検出し、その検出結果をＥＣＵ３００に出力する。

インバータ２３０は、システム電圧ＶＨが供給されると、直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１０に供給する。これにより、モータジェネレータ１０が駆動される。同様に、インバータ２４０は、システム電圧ＶＨが供給されると、直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ２０に供給する。これにより、モータジェネレータ２０が駆動される。

ＥＣＵ３００は、システム電圧ＶＨの目標値を示す目標システム電圧ＶＨｔａｇを設定し、システム電圧ＶＨが目標システム電圧ＶＨｔａｇに追従するようにコンバータ２１０，２２０を制御する。また、ＥＣＵ３００は、インバータ２３０，２４０を制御することによってモータジェネレータ１０，２０を駆動する。なお、図２では、ＥＣＵ３００が１つのユニットとして構成される例を示すが、ＥＣＵ３００を複数のユニットに分割して構成することも可能である。

図３は、メインバッテリ１１０に含まれるセル１０１の構成を示す図である。各セル１０１の構成は共通であるため、図３では１つのセル１０１のみを代表的に示す。セル１０１は、たとえば角形密閉式のセルであり、ケース１０２と、ケース１０２に設けられた安全弁１０３と、ケース１０２内に収容された電極体１０４および電解液（図示せず）とを含む。なお、図３ではケース１０２の一部を透視して電極体１０４を示す。

ケース１０２は、いずれも金属からなるケース本体および蓋体を含み、蓋体がケース本の開口部上で全周溶接されることにより密閉される。安全弁１０３は、ケース１０２内部の圧力が所定値を超えると、ケース１０２内部のガス（水素ガス等）の一部を外部に排出する。電極体１０４は、正極板と、負極板と、セパレータとを含む。正極板は袋状のセパレータ内に挿入されており、セパレータ内に挿入された正極板と、負極板とが交互に積層されている。正極板および負極板は、図示しない正極端子および負極端子にそれぞれ電気的に接続される。

電極体１０４および電解液の材料としては従来公知の各種材料を用いることができる。本実施の形態においては、一例として、正極板には、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）_２またはＮｉＯＯＨ）を含む正極活物質層と、発泡ニッケルなどの活物質支持体とを含む電極板が用いられる。負極板には、水素吸蔵合金を含む電極板が用いられる。セパレータには、親水化処理された合成繊維からなる不織布が用いられる。電解液には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を含むアルカリ水溶液が用いられる。

＜メインバッテリのメモリ効果＞
以上のように構成された電池システム２において、メインバッテリ１１０のメモリ効果による電圧変化量（電圧降下量または電圧上昇量）を示す「メモリ量」を高精度に推定することが求められる。

本発明者は、後述する３種類の実験結果から、メモリ量の大きさを定める主要因として、メインバッテリ１１０の電圧Ｖｂ１（より詳細には開放電圧）および温度Ｔｂ１に関する条件に着目した。以下では、メインバッテリ１１０の開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）と温度Ｔｂ１との組合せを含んで定義される条件をメインバッテリ１１０の「使用条件」とも称する。さらに、本発明者は、ある期間中に生じたメモリ量を推定する際には、その期間以前のメインバッテリ１１０の「使用条件」については考慮しなくてよいことに着目した（後述）。

これらの知見に基づいて、本実施の形態においては、所定期間中に生じたメモリ量を逐次積算することによって、その積算値である総量としてのメモリ量（以下「積算メモリ量」とも称する）を推定する。このような手法を採用することにより、実験結果またはシミュレーション結果を用いて所定期間中のメモリ量を高精度に推定することができれば、その積算メモリ量についても高精度に推定することが可能になるためである。以下、この手法について詳細に説明する。

図４は、本発明者が実施した３種類の実験結果を説明するための図である。図４（Ａ）に示すように、３種類の実験とは、メインバッテリ１１０の定電圧試験、放置試験およびサイクル試験である。

定電圧試験とは、所定期間（図４に示す例では数日間）、図示しない外部電源を用いてメインバッテリ１１０外部からメインバッテリ１１０に電圧を印加することによってメインバッテリ１１０の電圧Ｖｂ１を一定に保持する試験である。放置試験とは、外部電源による電圧印加を行なうことなく所定期間、メインバッテリ１１０を放置する試験である。放置試験ではメインバッテリ１１０の自己放電によるＳＯＣ低下の影響が現れるのに対し、定電圧試験では自己放電によるＳＯＣ低下の影響が現れない。したがって、これらの試験結果を比較することによって、メインバッテリ１１０の自己放電がメモリ量に与える影響の大きさを求めることができる。

サイクル試験とは、所定期間、所定のＳＯＣ幅でメインバッテリ１１０の充放電を繰り返し行なう試験である。充放電電流の大きさが互いに異なる複数のサイクル試験の結果を比較することによって、充放電電流がメモリ量に与える影響の大きさを求めることができる。

メインバッテリ１１０の温度Ｔｂ１がＴ１（室温）の場合と、温度Ｔｂ１がＴ１よりも高いＴ２（高温）の場合とで、いずれも等しい期間（上記所定期間）に亘って３種類の試験を実施した結果を図４（Ｂ）に示す。白い正方形のマーカは温度Ｔ１における定電圧試験結果を示し、白い円形のマーカは温度Ｔ１における放置試験結果を示し、白い菱形のマーカは温度Ｔ１におけるサイクル試験結果を示す。黒い正方形のマーカは温度Ｔ２における定電圧試験結果を示し、黒い円形のマーカは温度Ｔ２における放置試験結果を示し、黒い菱形のマーカは温度Ｔ２におけるサイクル試験結果を示す。

図４（Ｂ）において、横軸はメインバッテリ１１０（あるいは各セル１０１）のＯＣＶを表し、縦軸はメモリ量（ここでは放電時の電圧低下量）Ｍを表す。図４（Ｂ）に示すように、ＯＣＶが所定範囲内の場合にメモリ量Ｍが特に大きい。また、メインバッテリ１１０の温度Ｔｂ１が高いほどメモリ量Ｍが大きくなる。これらの結果から、メインバッテリ１１０のＯＣＶと温度Ｔｂ１との組合せにより定義される使用条件（ＯＣＶ，Ｔｂ１）に応じて、所定期間中に生じたメモリ量が定まることが分かる。

その一方で、各温度Ｔ１，Ｔ２において、定電圧試験結果（正方形のマーカ参照）と放置試験結果（円形のマーカ参照）とは互いに近い箇所にプロットされる。このことから、メインバッテリ１１０の自己放電がメモリ量に与える影響が相対的に小さいことが分かる。さらに、サイクル試験結果（菱形マーカ参照）も他の２つの試験結果（正方形および円形のマーカ参照）に近い箇所にプロットされる。このことから、メインバッテリ１１０の充放電電流についてもメモリ量に与える影響が比較的小さいことが分かる。

なお、ＯＣＶとＳＯＣとの間には相関関係が存在するので、ＯＣＶに代えてＳＯＣを横軸に用いた場合でも図３（Ｂ）と同様の結果が得られる。また、図３では放電側のメモリ効果について代表的に説明したが、電圧変化量の符号が異なるものの、充電側のメモリ効果についても使用条件（ＯＣＶ，Ｔｂ）によってメモリ量を定義することができる。

図４に一例を示した実験を様々な使用条件（ＯＣＶ，Ｔｂ１）下で行なうことによって、メインバッテリ１１０の使用開始時からの時間の経過とともに生じるメモリ量を使用条件（ＯＣＶ，Ｔｂ１）に応じて推定することが可能になる。

図５は、各使用条件下での経過時間とメモリ量との対応関係を示すタイムチャートである。図５において、横軸はメインバッテリ１１０の使用開始時からの経過時間を表し、縦軸はメモリ量を表す。なお、メインバッテリ１１０の使用開始時（経過時間の初期値）は、メインバッテリ１１０の製造時であってもよいし、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充放電時であってもよい。

上述の実験を使用条件毎に実施することにより、図５に示すように、時間経過に伴うメモリ量の増加を示す曲線を使用条件毎に取得することができる。なお、図５および後述する図６では、理解を容易にするため、３種類の使用条件Ｐ〜Ｒにそれぞれ対応する曲線Ｃ_Ｐ〜Ｃ_Ｒが取得される例について説明するが、実際にはより多くの使用条件について同様の曲線が取得される。

＜積算メモリ量推定処理＞
使用条件Ｐ〜Ｒ下で生じたメモリ量を曲線Ｃ_Ｐ〜Ｃ_Ｒを参照することでそれぞれ算出し、算出されたメモリ量を積算する処理を繰り返し実行することによって「積算メモリ量」を推定することができる。この処理を「積算メモリ量推定処理」とも称し、以下に詳細に説明する。

図６は、本実施の形態における積算メモリ量推定処理を説明するためのタイムチャートである。図６（Ａ）において、横軸はメインバッテリ１１０の使用開始時からの経過時間を表し、縦軸は使用条件を表す。図６（Ａ）では、所定期間Δｔ毎に使用条件が判定され、使用条件がＰ，Ｑ，Ｒの順に変化する場合について説明する。使用条件Ｐ，Ｑ，Ｒ下での期間をＬ_Ｐ，Ｌ_Ｑ，Ｌ_Ｒでそれぞれ示す。

図６（Ｂ）において、横軸はメインバッテリ１１０の使用開始時からの経過時間を表し、縦軸はメモリ量を表す。まず、使用条件Ｐ下では、曲線Ｃ_Ｐを参照して所定期間Δｔ毎にメモリ量Ｍを逐次積算する。その結果、使用条件Ｐ下で期間Ｌ_Ｐが経過する間に生じたメモリ量はＭ_Ｐになる。メモリ量Ｍの積算結果を「積算メモリ量ΣＭ」と記載すると、期間Ｌ_Ｐが経過したときの積算メモリ量ΣＭはＭ_Ｐである。

次に、使用条件がＰからＱへと変化すると、積算メモリ量ΣＭ＝Ｍ_Ｐに対応する曲線Ｃ_Ｑ（図５に示した曲線Ｃ_Ｑを時間軸方向にＬ_Ｐだけ平行移動した曲線）上の点から曲線Ｃ_Ｑを参照して、所定期間Δｔ毎にメモリ量Ｍを逐次積算する。使用条件Ｑ下で期間Ｌ_Ｑが経過する間に生じたメモリ量がＭ_Ｑである場合、期間Ｌ_Ｑが経過したときの積算メモリ量ΣＭは、Ｍ_ＰとＭ_Ｑとの和（Ｍ_Ｐ＋Ｍ_Ｑ）である。

さらに、使用条件がＱからＲへと変化すると、積算メモリ量ΣＭ＝（Ｍ_Ｐ＋Ｍ_Ｑ）に対応する曲線Ｃ_Ｒ（図５に示した曲線Ｃ_Ｒを時間軸方向に（Ｌ_Ｐ＋Ｌ_Ｑ）だけ平行移動した曲線）上の点から曲線Ｃ_Ｒを参照して、所定期間Δｔ毎にメモリ量Ｍを逐次積算する。使用条件Ｒ下で期間Ｌ_Ｒが経過する間に生じたメモリ量がＭ_Ｒである場合、全期間（Ｌ_Ｐ＋Ｌ_Ｑ＋Ｌ_Ｒの期間）に生じた積算メモリ量ΣＭは、Ｍ_ＰとＭ_ＱとＭ_Ｒとの和（Ｍ_Ｐ＋Ｍ_Ｑ＋Ｍ_Ｒ）である。

このように、本実施の形態では、使用条件の変化に伴い異なる曲線へと移行して積算メモリ量ΣＭを算出する際に、移行前の曲線に従って算出された積算メモリ量ΣＭの引き継ぎが可能であることを前提としている。すなわち、ある曲線に従って積算メモリ量ΣＭが所定値に達した場合と、他の曲線に従って積算メモリ量ΣＭと上記所定値に達した場合とでは、メモリ効果に影響を与えるメインバッテリ１１０の状態（主に正極活物質層の状態）が互いに等しいとの電気化学的知見を前提としている。

以上のように、本実施の形態では、所定期間Δｔ毎に使用条件Ｐ〜Ｒに応じたメモリ量Ｍを算出し、算出されたメモリ量Ｍを遂次積算する処理を繰り返し実行することによって、全期間にわたって生じた積算メモリ量ΣＭを算出することができる。

上記の内容は漸化式を用いて説明することができる。すなわち、下記式（１）に示すように、Ｎ回目の積算処理での積算メモリ量ΣＭ（Ｎ）は、（Ｎ−１）回目の積算処理までの積算メモリ量ΣＭ（Ｎ−１）に、（Ｎ−１）回目の積算処理時からＮ回目の積算処理時までの間（所定期間Δｔの間）の使用条件に応じたメモリ量Ｍ（Ｎ）を加算することによって算出することができる。なお、Ｎは自然数である。

ΣＭ（Ｎ）＝ΣＭ（Ｎ−１）＋Ｍ（Ｎ） ・・・（１）
＜積算メモリ量推定処理フロー＞
図７は、本実施の形態における積算メモリ量推定処理を示すフローチャートである。図７ならびに後述する図８、図９および図１１に示すフローチャートは、所定周期毎または所定条件が成立する度にメインルーチン（図示せず）から呼び出されて実行される。これらのフローチャートに含まれる各ステップ（以下「Ｓ」と略す）は、基本的にはＥＣＵ３００によるソフトウェア処理によって実現されるが、その一部または全部がＥＣＵ３００内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

図７に示すフローチャートの処理が繰り返し実行されることにより、積算メモリ量ΣＭが順次更新される。このフローチャートはＮ回目の積算処理を示し、（Ｎ−１）回目（前回）の積算処理時までの積算メモリ量ΣＭ（Ｎ−１）がメモリに記憶されている。

Ｓ１１０において、ＥＣＵ３００は、（Ｎ−１）回目の積算処理時までの積算メモリ量ΣＭ（Ｎ−１）をメモリから読み出す。

Ｓ１２０において、ＥＣＵ３００は、監視ユニット１１２を用いてメインバッテリ１１０の電圧Ｖｂ１（Ｎ）および電流Ｉｂ１（Ｎ）を取得し、電圧Ｖｂ１（Ｎ）から充放電電流による電圧降下量（＝Ｉｂ１（Ｎ）×Ｒ）を減算してＯＣＶ（Ｎ）を算出する。なお、メインバッテリ１１０の内部抵抗をＲで示す。

Ｓ１３０において、ＥＣＵ３００は、監視ユニット１１２を用いてメインバッテリ１１０の温度Ｔｂ１（Ｎ）を取得する。これにより、マップＭＰ１において参照すべき使用条件（ＯＣＶ（Ｎ）と温度Ｔｂ１（Ｎ）との組合せ）が決定される。

Ｓ１４０において、ＥＣＵ３００は、所定期間Δｔが経過するまで待機する。メモリ量Ｍを適切に算出するためには、所定期間Δｔだけ待機している間に使用条件の区分が変化しないことが求められる。よって、所定期間Δｔは、待機中に使用条件の区分が変化しない時間に定めることが好ましい。

Ｓ１５０において、ＥＣＵ３００は、メモリに記憶されたマップＭＰ１から使用条件（ＯＣＶ（Ｎ），Ｔｂ１（Ｎ））に対応する曲線を参照して、所定期間Δｔに生じたメモリ量Ｍ（Ｎ）を算出する。この処理については図６（Ｂ）にて詳細に説明したため、説明は繰り返さない。

Ｓ１６０において、ＥＣＵ３００は、Ｓ１１０にて読み出した（Ｎ−１）回目の積算処理までの積算メモリ量ΣＭ（Ｎ−１）にＳ１５０にて算出されたメモリ量Ｍ（Ｎ）を加算することによって、Ｎ回目の積算処理までの積算メモリ量ΣＭ（Ｎ）を算出する（上記式（１）参照）。なお、車両１の出荷時には積算メモリ量の初期値ΣＭ（０）が、たとえば０に設定される。また、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充放電の実行後にも積算メモリ量の初期値ΣＭ（０）を０に設定してもよい。

Ｓ１７０において、ＥＣＵ３００は、図７に示すフローチャートが次回呼び出された場合に備えて、Ｓ１６０にて算出された積算メモリ量ΣＭ（Ｎ）をメモリに記憶する。

以上のように、本発明者らの実験結果に基づいて予め準備されたマップＭＰ１内の曲線（Ｃ_Ｐ〜Ｃ_Ｒ等）を用いて、所定期間Δｔ毎に生じたメモリ量Ｍがメインバッテリ１１０の使用条件（ＯＣＶおよび温度Ｔｂ１）に応じて算出される。使用条件に上記パラメータを採用することにより、所定期間Δｔ毎のメモリ量Ｍを高精度に推定することができる。さらに、上記曲線間で積算メモリ量ΣＭを引き継ぐことが可能であるとの電気化学的知見の下、高精度に算出されたメモリ量Ｍを逐次積算することによって積算メモリ量ΣＭが算出される。これにより、積算メモリ量ΣＭについても高精度に推定することができる。

なお、図７では「所定期間」Δｔ毎にメモリ量Ｍを推定する処理を例に説明したが、一定周期でメモリ量Ｍを推定することは必須ではない。所定期間Δｔの長さは、たとえばメインバッテリ１１０の使用条件またはＥＣＵ３００の演算負荷の状況等に応じた可変値としてもよい。あるいは、メインバッテリ１１０の使用条件を監視し、使用条件が変化したことをトリガとして（言い換えれば曲線Ｃ_Ｐ〜Ｃ_Ｒ間を移行すべきことをトリガとして）メモリ量Ｍを推定するようにしてもよい。この場合には、使用条件がある条件から他の条件へと変化するまでの期間（図６（Ｂ）における期間Ｌ_Ｐ，Ｌ_Ｑ，Ｌ_Ｒ）が「所定期間」に相当する。これにより、メモリ量Ｍの推定回数を低減してＥＣＵ３００の演算負荷を低減することができる。

上述の積算メモリ量推定処理をメインバッテリ１１０の充電側について実行することにより、充電側の積算メモリ量（以下「充電メモリ量」とも称する）ΣＭｃｈｇを算出することができる。また、積算メモリ量推定処理をメインバッテリ１１０の放電側について実行することにより、放電側の積算メモリ量（以下「放電メモリ量」とも称する）ΣＭｄｃｈを算出することができる。

ここで、メインバッテリ１１０の充電メモリ量ΣＭｃｈｇが所定値よりも大きい場合には、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充電を行なうことが望ましい。しかし、仮にサブバッテリ１２０が設けられていないときには、車両１の使用状況によってはメインバッテリ１１０の所望の充電を行なうことができない可能性が考えられる。たとえばメインバッテリ１１０に蓄えられた電力を電池システム２外部（モータジェネレータ１０，２０）に供給している場合には、メインバッテリ１１０を充電することができない。詳細な説明は繰り返さないが、メインバッテリ１１０の放電メモリ量ΣＭｄｃｈおよびリフレッシュ放電についても同様である。

そこで、本実施の形態においては、メインバッテリ１１０に加えてサブバッテリ１２０を設け、メインバッテリ１１０とサブバッテリ１２０との間での充放電をコンバータ２２０を用いて制御可能な構成を採用する。これにより、たとえば、サブバッテリ１２０に蓄えられた電力をモータジェネレータ１０，２０に供給しつつメインバッテリ１１０に充電することが可能である。あるいは、モータジェネレータ１０，２０により発電された電力をサブバッテリ１２０に充電しつつ、メインバッテリ１１０に蓄えられた電力についてもサブバッテリ１２０に放電することが可能である。したがって、車両１の使用状況にかかわらず、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充放電をより確実に実行することができる。以下、本実施の形態における電池システム２の充放電制御について詳細に説明する。

以下では、メインバッテリ１１０の充電メモリ量ΣＭｃｈｇを算出し、その算出結果に応じてメインバッテリ１１０のリフレッシュ充電を実行する際の処理について代表的に説明する。

図８は、本実施の形態におけるメインバッテリ１１０のリフレッシュ充電制御を示すフローチャートである。Ｓ１００において、ＥＵ３００は、上述の積算メモリ量推定処理を実行することによってメインバッテリ１１０の充電メモリ量ΣＭｃｈｇを算出する。

Ｓ２０において、ＥＣＵ３００は、充電メモリ量ΣＭｃｈｇが所定値よりも大きいか否かを判定する。充電メモリ量ΣＭｃｈｇが所定値以下の場合（Ｓ２０においてＮＯ）には、ＥＣＵ３００は、メインバッテリ１１０に生じた充電側のメモリ効果は依然として小さいとして、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充電を実行することなく処理をメインルーチンへと戻す。

これに対し、充電メモリ量ΣＭｃｈｇが所定値よりも大きい場合（Ｓ２０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、メインバッテリ１１０に生じた充電側のメモリ効果が比較的大きくメモリ効果を解消することが望ましいとして処理をＳ３０に進め、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充電を実行する。より具体的には、ＥＣＵ３００は、コンバータ２２０を制御することによって、サブバッテリ１２０に蓄えられた電力をメインバッテリ１１０に供給させる。これにより、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充電が実現される。なお、サブバッテリ１２０に蓄えられた電力に加えて、モータジェネレータ１０，２０により発電された電力をインバータ２３０，２４０およびコンバータ２１０を介してメインバッテリ１１０に供給させてもよい。

Ｓ４０において、ＥＣＵ３００は、コンバータ２２０を制御することによって、メインバッテリ１１０に蓄えられた電力を介してサブバッテリ１２０に供給させ、それによりメインバッテリ１１０のＳＯＣを通常使用される範囲（以下「使用範囲」とも称する）内の値（たとえばＳＯＣ中心）へと戻す。これにより一連の処理が終了し、ＥＣＵ３００は処理をメインルーチンへと戻す。なお、メインバッテリ１１０に蓄えられた電力については、コンバータ２１０およびインバータ２３０，２４０を制御してモータジェネレータ１０，２０に供給してもよい。

図９は、本実施の形態におけるメインバッテリ１１０のリフレッシュ放電制御を示すフローチャートである。この制御は、メインバッテリ１１０の充放電の方向が異なるものの、基本的には図８に示した制御と同等であるため、詳細な説明は繰り返さない。

以上のように、本実施の形態によれば、メインバッテリ１１０とサブバッテリ１２０との間の充放電がコンバータ２２０の制御により実行可能である。したがって、車両１（あるいはメインバッテリ１１０）の使用状況にかかわらず、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充電を所望のタイミングで（すなわち適時に）より確実に実行することができる。メインバッテリ１１０のリフレッシュ放電についても同様に適時に実行することができる。

メインバッテリ１１０に生じたメモリ効果を速やかに解消するためには、許容範囲内のうちできるだけ大きな電流によりメインバッテリ１１０のリフレッシュ充放電を実行することが望ましい。リチウムイオン電池をサブバッテリ１２０として用いる場合に大電流で充電を行うと、サブバッテリ１２０の劣化（いわゆるハイレート劣化）が進行してしまう可能性がある。本実施の形態ではキャパシタ（より詳細には電気二重層キャパシタ）がサブバッテリ１２０として用いられるので、大電流での充放電を行なったとしてもサブバッテリ１２０の劣化を抑制しつつ、メインバッテリ１１０に生じたメモリ効果を速やかに解消することができる。

［変形例］
サブバッテリ１２０の容量が過度に小さい場合には、サブバッテリ１２０の容量が十分に大きい場合と比べて、サブバッテリ１２０のＳＯＣが使用範囲の上限値または下限値に達してしまったり、サブバッテリ１２０の電圧が許容範囲の上限値または下限値に達してしまったりしやすい。したがって、サブバッテリ１２０の保護が必要となり、所望のタイミングでメインバッテリ１１０のリフレッシュ充放電を実行（未実行の場合には開始、実行中の場合には継続）することができない可能性がある。本実施の形態の変形例では、たとえサブバッテリ１２０の容量が小さい場合であっても、より確実にメインバッテリ１１０のリフレッシュ充放電を実行するための制御について説明する。

図１０は、本実施の形態の変形例におけるサブバッテリ１２０の充放電制御を説明するためのタイムチャートである。図１０において、横軸は経過時間を示す。縦軸は、上から順にサブバッテリ１２０のＳＯＣおよびサブバッテリ１２０に入出力される電流Ｉｂ２を示す。

時刻ｔ１よりも前には、サブバッテリ１２０のＳＯＣは所定のしきい値ＳＯＣｔｈよりも高い。その後、たとえば車両１の走行に伴いサブバッテリ１２０が放電され、サブバッテリ１２０のＳＯＣが徐々に低下する。

時刻ｔ１においてサブバッテリ１２０のＳＯＣがしきい値ＳＯＣｔｈを下回ると、サブバッテリ１２０のＳＯＣを調整（図１０では回復）するためにサブバッテリ１２０が充電される。この充電電力としては、メインバッテリ１１０に蓄えられた電力を供給してもよいし、モータジェネレータ１０、２０により発電された電力を供給してもよい。サブバッテリ１２０が充電されることにより、サブバッテリ１２０のＳＯＣは所定値ＳＯＣｒｄｙに達する（時刻ｔ２参照）。

その後、時刻ｔ３においてメインバッテリ１１０のリフレッシュ充電が開始されると、サブバッテリ１２０に蓄えられた電力がコンバータ２２０を介してメインバッテリ１１０へと供給される。このとき、サブバッテリ１２０には十分な電力が蓄えられているので、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充電を確実に実行することができる。

図１１は、本実施の形態の変形例におけるサブバッテリ１２０の充放電制御を示すフローチャートである。Ｓ２１０において、ＥＣＵ３００は、公知の手法を用いてサブバッテリ１２０のＳＯＣを算出する。

Ｓ２２０において、ＥＣＵ３００は、サブバッテリ１２０のＳＯＣがしきい値ＳＯＣｔｈ未満であるか否かを判定する。サブバッテリ１２０のＳＯＣがしきい値ＳＯＣｔｈ以上の場合（Ｓ２２０においてＮＯ）には、ＥＣＵ３００は、以降の処理をスキップして処理をメインルーチンへと戻す。

一方、サブバッテリ１２０のＳＯＣがしきい値ＳＯＣｔｈ未満の場合（Ｓ２２０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、コンバータ２２０を制御することによって、上記ＳＯＣが所定値ＳＯＣｒｄｙに達するまでサブバッテリ１２０を充電する（図１０における時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間参照）。

以上のように、本実施の形態の変形例によれば、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充電に先立ち、サブバッテリ１２０を充電してサブバッテリ１２０のＳＯＣを予め高めておくことにより、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充電中にサブバッテリ１２０の電力が枯渇することを防止できる。したがって、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充電をより確実に実行することができる。

なお、メインバッテリ１１０のリフレッシュ充電を実行するためにサブバッテリ１２０を予め充電する例について説明したが、メインバッテリ１１０のリフレッシュ放電を実行するためにサブバッテリ１２０を予め放電することもできる。また、図１０および図１１では、予め充放電を実行するか否かを判定するためのパラメータとしてサブバッテリ１２０のＳＯＣを用いる例について説明したが、ＳＯＣに代えてサブバッテリ１２０の電圧Ｖｂ２から分極の相当分を差し引いたＯＣＶを用いても同様の制御が可能である。

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、上記した実施の形態の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。

１ 車両、２ 電池システム、１０，２０ モータジェネレータ、３０ 動力伝達ギヤ、４０ 駆動軸、５０ 減速機、６０ エンジン、７０ 駆動輪、１１０ メインバッテリ、１２０ サブバッテリ、１１２，１２２ 監視ユニット、１０１ セル、１０２ ケース、１０３ 安全弁、１０４ 電極体、２００ ＰＣＵ、２１０，２２０ コンバータ、２３０，２４０ インバータ、２５０ 電圧センサ、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１１，Ｄ１２ ダイオード、Ｌ１，Ｌ２ リアクトル、３００ ＥＣＵ、４００ ＳＭＲ。

Claims (1)

1. ニッケル水素電池を含む第１のバッテリと、
   第２のバッテリと、
   前記第１のバッテリと前記第２のバッテリとの間で電力を変換可能に構成された電力変換装置と、
   前記第１のバッテリのメモリ効果による電圧変化量を示すメモリ量を推定するとともに、推定されたメモリ量を用いて前記電力変換装置を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記第１のバッテリの使用開始時からの経過時間と前記メモリ量との対応関係を示すデータを記憶し、
   前記データは、前記第１のバッテリの開放電圧と温度とを含んで定義された使用条件毎に区分して定められ、
   前記制御装置は、
   記憶されたデータを参照して、前記使用条件の区分が変化しない時間内でのメモリ量を算出するとともに、前記使用条件の区分が変化すると、変化後の区分が持続する時間内でのメモリ量を算出し、
   前記使用条件の区分が変化しない時間内でのメモリ量と変化後の区分が持続する時間内でのメモリ量とを積算することによって前記第１のバッテリの現在のメモリ量を推定し、
   推定された前記現在のメモリ量が所定値よりも大きい場合に、前記電力変換装置を制御することによって、前記現在のメモリ量が減少するように前記第１のバッテリと前記第２のバッテリとの間で充放電を行なう、電池システム。

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