JP6951041B2 - 二次電池システム - Google Patents

Description

本開示は、二次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備えた二次電池システムに関する。

近年、二次電池システムが搭載されたハイブリッド車両（ＨＶ）または電気自動車（ＥＶ）などの車両の普及が進んでいる。このような車両に搭載される二次電池システムにおいては、ニッケル水素電池が二次電池として広く採用されている。

一般に、ニッケル水素電池において高電圧または高温での充電が行なわれると、充電反応とは異なる副反応により電池内部でガスが発生することが知られている。このガスの発生に伴ってニッケル水素電池の内圧が過度に上昇すると、ニッケル水素電池の劣化が早められたり、ニッケル水素電池に設けられた安全弁が作動したりする可能性がある。そのため、ニッケル水素電池の内圧に応じてニッケル水素電池の充電電力を制御する技術が提案されている。

たとえば特開２０１１−２３９５７３号公報（特許文献１）に開示された二次電池の充電制御方法によれば、二次電池内でガスが発生する電位（ガス発生電位）まで二次電池の電圧が上昇せず、かつ、二次電池の安全弁が作動する圧力まで二次電池の内圧が上昇しように、充電電力の制御上限値が設定される。

特開２０１１−２３９５７３号公報

ニッケル水素電池の内部には、酸素ガス、水素ガス、窒素ガスおよび水蒸気が含まれる。水蒸気量は他の気体量と比べて無視できるほど小さいので、以下では、酸素ガス、水素ガスおよび窒素ガスについて考える。この場合、ニッケル水素電池の内圧は、酸素分圧、水素分圧および窒素分圧の和により表される。

各気体の分圧を算出するためにニッケル水素電池の内部に多数のセンサ（たとえば、圧カセンサ、酸素濃度センサ、水素濃度センサ、湿度センサなど）を設置することは、たとえば車両に搭載される二次電池システムでは、技術的観点またはコスト等の観点から難しい場合がある。

一方、各気体の分圧の温度依存性を予め求め、温度センサにより検出された温度から分圧を算出する手法も考えられる（たとえば特許文献１参照）。しかし、詳細は後述するが（図４参照）、本発明者らの測定結果（実測結果）によれば、ニッケル水素電池の充放電が繰り返された場合、水素分圧は、時間の経過に伴い、あるいは電流値の増加に伴い、上昇し得る。そのため、たとえば特許文献１のように単に温度依存性を用いて水素分圧を算出する簡易な手法では、時間経過または電流値増加に伴う水素分圧の変化が算出されない。言い換えれば、ニッケル水素電池の充放電履歴に伴う水素分圧の変化が反映されない。したがって、水素分圧を正確に算出することができない可能性がある。この点において、特許文献１に開示された内圧（特に水素分圧）の推定手法には、その推定精度に向上の余地が存在する。

本開示は上記課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備えた二次電池システムにおいて、圧カセンサ、酸素濃度センサ、水素濃度センサ、湿度センサなどの多数のセンサをニッケル水素電池の内部に設けることなく、ニッケル水素電池の内圧の推定精度を向上させることである。

（１）本開示のある局面に従う二次電池システムは、ニッケル水素電池である二次電池と、二次電池の電圧を検出する電圧センサと、二次電池に入出力される電流を検出する電流センサと、二次電池の温度を検出する温度センサと、二次電池の電圧、電流および温度の検出値を用いて二次電池の内圧を推定する推定装置とを備える。推定装置は、二次電池の温度の検出値を用いて二次電池の窒素分圧を算出する。推定装置は、二次電池の電圧、電流および温度の検出値を用いて二次電池の酸素分圧を算出する。推定装置は、二次電池の電圧、電流および温度の検出値を用いて二次電池の水素分圧を算出する。推定装置は、窒素分圧、酸素分圧および水素分圧の和を算出することで二次電池の内圧を推定する。

（２）推定装置は、二次電池の電圧、電流および温度の検出値を用いて二次電池における水素ガス発生速度および水素ガス吸収速度を算出し、算出された水素ガス発生速度および水素ガス吸収速度から二次電池の水素分圧を算出する。

（３）好ましくは、推定装置は、二次電池の電圧および電流の検出値から算出される二次電池の総電流のうち負極活物質に流れた電流割合を示すパラメータ、ならびに、二次電池の電流の検出値を用いて、水素ガス発生速度を算出する。推定装置は、所定時間前に算出された二次電池の水素分圧と、二次電池の温度から算出される平衡水素圧との差、および、二次電池の温度の検出値を用いて、水素ガス吸収速度を算出する。

（４）より好ましくは、推定装置は、水素ガス発生速度と水素ガス吸収速度との差に所定時間を乗算することにより二次電池内における水素ガスの変化量を算出する。推定装置は、算出された水素ガスの変化量に所定の定数を乗算することによって所定時間が経過する間の水素分圧の変化量を算出する。推定装置は、算出された水素分圧の変化量を、所定時間前に算出された水素分圧に加算することによって、所定時間が経過した後の水素分圧を算出する。

上記構成によれば、二次電池の温度に加えて、二次電池の電圧および電流を用いて、水素ガスの時間変化を考慮した上で水素分圧が算出される。これにより、多数のセンサ（圧カセンサ、酸素濃度センサ、水素濃度センサ、湿度センサなど）をニッケル水素電池の内部に設けなくてもよい。また、水素分圧の温度依存性を用いて二次電池の温度から水素分圧を算出する構成と比べて、水素分圧の推定精度を向上させることができる。したがって、二次電池の内圧の推定精度を向上させることができる。

本開示によれば、ニッケル水素電池を備えた二次電池システムにおいて、多数のセンサをニッケル水素電池の内部に設けることなく、ニッケル水素電池の内圧の推定精度を向上させることができる。

本実施の形態に係る二次電池システムが搭載されたハイブリッド車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。 組電池に含まれるセルの構成を示す図である。 本実施の形態における組電池の充電制御を説明するためのフローチャートである。 組電池に種々のセンサを取り付け、パラメータ（電圧、電流および内圧）の時間変化を測定した結果の一例を示す図である。 水素ガス吸収速度を算出するためのマップの一例を示す図である。 図３に示した内圧推定処理を詳細に説明するためのフローチャートである。 組電池の極板間電圧と電流割合との関係を示すマップの一例を示す図である。 酸素ガス吸収速度を算出するためのマップの一例を示す図である。 本実施の形態における内圧推定処理による内圧の推定結果を示す図である。

以下、本開示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。

［実施の形態］
＜二次電池システムの構成＞
以下では、本実施の形態に係る二次電池システムがハイブリッド車両に搭載された構成を例に説明する。しかし、本実施の形態に係る二次電池システムは、電気自動車または燃料電池車などの他の車両に搭載されてもよい。また、本実施の形態に係る二次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、たとえば定置用であってもよい。

図１は、本実施の形態に係る二次電池システムが搭載されたハイブリッド車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。車両１は、二次電池システム２と、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）１０，２０と、動力分割機構３０と、エンジン４０と、駆動輪５０とを備える。二次電池システム２は、組電池１００と、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）１５０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の各々は三相交流回転電機である。モータジェネレータ１０は、動力分割機構３０を介してエンジン４０のクランク軸に連結される。モータジェネレータ１０は、エンジン４０を始動させる際には組電池１００の電力を用いてエンジン４０のクランク軸を回転させる。また、モータジェネレータ１０はエンジン４０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組電池１００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は、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、組電池１００からの電力およびモータジェネレータ１０により発電された電力のうちの少なくとも一方を用いて駆動軸を回転させる。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組電池１００に充電される。

動力分割機構３０は、たとえば遊星歯車機構であり、エンジン４０のクランク軸、モータジェネレータ１０の回転軸、および駆動軸の三要素を機械的に連結する。エンジン４０は、ガソリンエンジン等の内燃機関であり、ＥＣＵ３００からの制御信号に応じて車両１が走行するための駆動力を発生する。

ＰＣＵ２００は、組電池１００とモータジェネレータ１０，２０との間で電力を変換する。いずれも図示しないが、インバータと、コンバータとを含む。インバータは、一般的な三相インバータである。コンバータは、昇圧動作時には組電池１００から供給された電圧を昇圧してインバータに供給する。コンバータは、降圧動作時にはインバータから供給された電圧を降圧して組電池１００を充電する。ＳＭＲ１５０は、組電池１００とＰＣＵ２００とを結ぶ電流経路に電気的に接続される。ＳＭＲ１５０がＥＣＵ３００からの制御信号に応じて閉成されている場合、組電池１００とＰＣＵ２００との間で電力の授受が行なわれ得る。

組電池１００においては、複数のセル１０１が直列接続されてブロック（モジュール）が構成され、複数のブロックが直列接続されて組電池１００が構成されている。各セル１０１は、ニッケル水素電池である。セル１０１の構成については図２にて、より詳細に説明する。

組電池１００には、電圧センサ１１０と、電流センサ１２０と、温度センサ１３０とが設けられている。電圧センサ１１０および温度センサ１３０の監視単位は特に限定されず、たとえばブロック毎であったり、隣接する複数のセル１０１（ブロック内のセル数未満の数のセル）毎であったり、セル毎であったりしてもよい。本実施の形態では、組電池１００の内部構成が特に影響しないので、複数のブロックを互いに区別したり複数のセル１０１を互いに区別したりしなくてもよい。したがって、以下では説明の理解を容易にするため、包括的に組電池１００と記載する。

電圧センサ１１０は、組電池１００の電圧ＶＢを検出する。電流センサ１２０は、組電池１００に入出力される電流ＩＢを検出する。温度センサ１３０は、組電池１００の温度ＴＢを検出する。各センサは、その検出結果をＥＣＵ３００に出力する。ＥＣＵ３００は、各センサによる検出結果に基づいて組電池１００のＳＯＣ（State Of Charge）を算出する。また、以下に説明するように、ＥＣＵ３００は、各センサによる検出結果に基づいて組電池１００の内圧Ｐを推定する。

ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０１と、メモリ３０２と、入出力バッファ（図示せず）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３０２に格納されたマップ（後述するマップＭＰ１〜ＭＰ４を含む）およびプログラムに基づいて、車両１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制御として組電池１００の充放電制御が挙げられる。たとえば、ＥＣＵ３００は、組電池１００の保護を目的として、組電池１００への充電電力が充電電力上限値Ｗｉｎ（後述）を上回らないように組電池１００の充電電力を制御する。この充電制御については後に詳細に説明する。

図２は、組電池１００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２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２では、ケース１０２の一部の透視により電極体１０４が示されている。

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。ただし、ケース１０２の材料は金属に限定されず、ケース１０２を介してのガス透過量が所定量以下に抑えられるのであれば、樹脂などが採用されてもよい。安全弁１０３は、ケース１０２の内圧Ｐが所定値を超えると、ケース１０２内部のガス（酸素ガス、水素ガス、窒素ガス等）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ている。

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（たとえばＬａＮｉ_５またはＲｅＮｉ_５）を負極活物質として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）などを含むアルカリ水溶液が用いられる。ただし、図２に示したセル１０１の構成は例示に過ぎず、任意の構成のニッケル水素電池をセル１０１として採用することができる。

以上にように構成された二次電池システム２においては、以下に説明するような組電池１００の充電制御が実行される。

＜充電制御＞
図３は、本実施の形態における組電池１００の充電制御を説明するためのフローチャートである。図３および後述する図６に示すフローチャートは、所定の周期（本開示に係る「所定時間」）毎にメインルーチン（図示せず）から呼び出されて実行される。なお、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、ＥＣＵ３００内に作製された専用のハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

Ｓ１０において、ＥＣＵ３００は、電圧センサ１１０、電流センサ１２０および温度センサ１３０から、組電池１００の電圧ＶＢ、電流ＩＢおよび温度ＴＢをそれぞれ取得する。また、ＥＣＵ３００は、組電池１００の内部抵抗Ｒを算出する。

組電池１００の内部抵抗Ｒは、たとえば以下のように算出することができる。すなわち、複数の電圧ＶＢおよび電流ＩＢの検出値を電圧電流座標上にプロットし、プロットされた各点の近似式を求めた場合に、この近似式で表される直線の傾きを内部抵抗Ｒとして算出することができる。また、一般に、二次電池の内部抵抗は温度依存性を有する。そのため、内部抵抗Ｒと温度ＴＢとの相関関係を示すマップ（図示せず）をＥＣＵ３００のメモリ３０２に格納しておいてもよい。ＥＣＵ３００は、このマップを参照することによって、温度センサ１３０により検出された温度ＴＢから内部抵抗Ｒを算出することができる。

Ｓ２０において、ＥＣＵ３００は、組電池１００（セル１０１）の極板間電圧Ｖ０を算出する。極板間電圧Ｖ０とは、組電池１００（セル１０１）の正極と負極との間の電圧である。極板間電圧Ｖ０は、下記式（１）に示すように、電圧センサ１１０により検出される組電池１００の電圧ＶＢ（端子電圧）と、内部抵抗Ｒによる電圧変化分（ＩＢ×Ｒ）とから算出することができる。なお、電流ＩＢについては組電池１００の充電方向が負方向に定められている。すなわち、組電池１００の放電時にはＶＢ＜Ｖ０となり、充電時にはＶＢ＞Ｖ０となる。
Ｖ０＝ＶＢ＋（ＩＢ×Ｒ） ・・・（１）

Ｓ３０において、ＥＣＵ３００（本開示に係る「推定装置」）は、組電池１００の内圧Ｐを推定するための「内圧推定処理」を実行する。内圧推定処理については、後に詳細に説明する。

Ｓ４０において、ＥＣＵ３００は、組電池１００の内圧Ｐに基づいて、組電池１００の充電電力上限値Ｗｉｎを算出する。充電電力上限値Ｗｉｎとは、組電池１００の内圧Ｐが、安全弁１０３が作動（開弁）する圧力まで上昇しないように設定される、充電電力の制御上限値である。より具体的には、組電池１００の内圧Ｐと充電電力上限値Ｗｉｎとの相関関係を示すマップ（図示せず）が予め準備され、ＥＣＵ３００のメモリ３０２に格納されている（たとえば特許文献１の図４参照）。このマップにおいては、内圧Ｐが所定値ＰＢよりも低い場合、充電電力上限値Ｗｉｎは一定である。内圧Ｐが所定値ＰＢ以上になると、内圧Ｐの上昇に伴い、充電電力上限値Ｗｉｎは減少する。内圧Ｐと充電電力上限値Ｗｉｎとの相関関係を示すマップ（図示せず）を参照することにより、内圧Ｐから充電電力上限値Ｗｉｎを算出することができる。

Ｓ５０において、ＥＣＵ３００は、組電池１００の内圧Ｐを所定の基準値と比較する。内圧Ｐが基準値よりも高い場合（Ｓ５０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ３００は、充電電力上限値Ｗｉｎに基づいて、組電池１００の充電電力を制限する（Ｓ６０）。一方、内圧Ｐが基準値以下の場合（Ｓ５０においてＮＯ）には、ＥＣＵ３００は、Ｓ６０の処理を実行することなく処理をメインルーチンへと戻す（Ｓ７０）。

＜組電池の内圧変化＞
Ｓ３０にて内圧推定処理が実行される旨を説明したが、ニッケル水素電池である組電池１００の内部には、酸素ガス、水素ガス、窒素ガスおよび水蒸気が含まれる。内圧推定における各気体の分圧の影響について以下に説明する。

図４は、組電池１００に種々のセンサを取り付け、パラメータ（電流ＩＢ、電圧ＶＢおよび内圧Ｐ）の時間変化を測定した結果の一例を示す図である。図４において、横軸は経過時間を示す。縦軸は、上から順に、組電池１００の電流ＩＢ、電圧ＶＢおよび内圧Ｐを示す。

図４には、組電池１００を繰り返し充放電させた場合の各パラメータの測定結果（または算出結果）が示されている。上述のように、電流ＩＢは組電池１００の充電方向が負方向に定められている。組電池１００内の各気体の分圧の和である内圧Ｐには、水素分圧Ｐ_Ｈ２と、酸素分圧Ｐ_Ｏ２と、窒素分圧Ｐ_Ｎ２と、水蒸気圧Ｐ_Ｈ２Ｏとが含まれる。

図４において、水蒸気圧Ｐ_Ｈ２Ｏは、組電池１００の内部に温度センサおよび湿度センサ（いずれも図示せず）を設置し、飽和水蒸気圧を用いて算出された値である。組電池１００内部の水蒸気量は、酸素量および水素量に比べて無視できるほど小さいので、水蒸気圧Ｐ_Ｈ２Ｏ＝０とみなすことができる。

窒素分圧Ｐ_Ｎ２は、以下のように算出されたものである。すなわち、組電池１００を充放電させる前に内圧Ｐ、水素濃度、酸素濃度、温度ＴＢおよび湿度を測定し、これらの測定結果から窒素分圧Ｐ_Ｎ２の初期値を算出した。窒素は組電池１００の充放電反応に関与しないので、窒素分圧Ｐ_Ｎ２は、組電池１００の充放電中には温度ＴＢに応じて定まるものとして、温度ＴＢから算出した。

酸素分圧Ｐ_Ｏ２および水素分圧Ｐ_Ｈ２は、水蒸気圧Ｐ_Ｈ２Ｏと同様に、組電池１００の内部に多数のセンサ（圧カセンサ、酸素濃度センサ、水素濃度センサ、温度センサおよび湿度センサ）を設置することによって測定された値である。

組電池１００を繰り返し充放電させた場合、充電中の酸素分圧Ｐ_Ｏ２の上昇量は大きいが、それと同程度に放電中の酸素分圧Ｐ_Ｏ２の低下量も大きい。これに対し、充電中の水素分圧Ｐ_Ｈ２の上昇量は酸素分圧Ｐ_Ｏ２の上昇量と同程度に大きいにもかかわらず、放電中の水素分圧Ｐ_Ｈ２の低下量は酸素分圧Ｐ_Ｏ２の低下量と比べて小さい。これは、酸素が負極の水素吸蔵合金と反応する速度と比べて、水素が水素吸蔵合金に吸収される速度が遅いためと推察される。

本発明者らの測定結果によれば、図４に示すように、水素分圧Ｐ_Ｈ２は、時間の経過に伴い、あるいは電流値の増加に伴い上昇し得る。よって、組電池１００の内圧Ｐの推定においては、水素分圧Ｐ_Ｈ２の変化を高精度に算出することが重要であることがわかる。

水素分圧Ｐ_Ｈ２の算出のために組電池１００の内部に多数のセンサを設置することは、車載用の二次電池システム２では、技術的観点あるいはコスト等の観点から難しい。一方、水素分圧Ｐ_Ｈ２の算出手法としては、水素分圧Ｐ_Ｈ２の温度依存性を予め求め、温度センサ１３０により測定された温度ＴＢから水素分圧Ｐ_Ｈ２を算出する手法も考えられる（たとえば特許文献１参照）。しかし、そのような簡易な手法では、時間経過に伴う水素分圧Ｐ_Ｈ２の変化が反映されない、言い換えれば、ニッケル水素電池の充放電履歴に伴う水素分圧Ｐ_Ｈ２の変化が反映されない可能性がある。よって、水素分圧Ｐ_Ｈ２を正確に算出することができない可能性がある。この点において、特許文献１に開示された手法では内圧Ｐの推定精度に向上の余地が存在する。

＜水素分圧の算出＞
そこで、本実施の形態においては、以下に説明するように水素ガス発生速度（単位時間当たりの水素ガスの発生量）αおよび水素ガス吸収速度（単位時間当たりの水素ガスの吸収量あるいは減少量）γを算出し、それらの算出結果に基づいて水素分圧Ｐ_Ｈ２を算出する構成を採用する。以下、より詳細に説明する。

まず、水素ガス発生速度αが下記式（２）に従って算出される。式（２）では、総電流のうち負極活物質に流れた電流割合をη_１で表す。このため、（１−η_１）は、負極上で副反応として水素ガス発生に消費される電流割合（以下、「水素電流割合」とも称する）を示す。なお、Ｋ１は、所定の定数である。
α＝（−ＩＢ）×（１−η_１）×Ｋ１ ・・・（２）

次に、水素ガス吸収速度γが算出される。水素ガス吸収速度γは、水素分圧Ｐ_Ｈ２が所定の単位時間（本開示に係る「所定周期」に相当）で繰り返し算出される場合に、前回の演算周期（ｎ回目の演算周期、ｎは自然数）で算出された水素分圧Ｐ_Ｈ２（ｎ）と、平衡水素圧Ｐ_ｅｑとの差（Ｐ_Ｈ２（ｎ）−Ｐ_ｅｑ）を用いて算出することができる。より具体的には、この差（Ｐ_Ｈ２（ｎ）−Ｐ_ｅｑ）と、温度ＴＢとの相関関係を示すマップＭＰ１を用いて水素ガス吸収速度γを算出することができる。

図５は、水素ガス吸収速度γを算出するためのマップＭＰ１の一例を示す図である。図５に示すようなマップＭＰ１が予め実験により求められ、ＥＣＵ３００のメモリ３０２に格納されている。ＥＣＵ３００は、マップＭＰ１を参照することにより、差（Ｐ_Ｈ２（ｎ）−Ｐ_ｅｑ）と温度ＴＢとから水素ガス吸収速度γを算出することができる。なお、図５に示す具体的な数値は例示に過ぎず、実際には、より狭い温度間隔で、より広い温度幅において同様の相関関係を求めることができる。後述する図７および図８に記載された数値についても同様である。

水素ガス変化速度（単位時間当たりの水素ガスの変化量）は、（α−γ）により表されるので、単位時間の時間幅をΔｔで表すと、水素ガスの変化量は（α−γ）×Δｔと表される。したがって、今回の演算時（（ｎ＋１）回目の演算時）における水素分圧Ｐ_Ｈ２（ｎ＋１）は、下記式（３）により算出することができる。Ｋ２は、水素ガスの変化量を水素分圧の変化量に変換するための定数であり、たとえば実験により求めることができる。このような手法を採用することにより、水素分圧Ｐ_Ｈ２の変化を時間経過とともに遂次算出することが可能になるので、内圧Ｐの推定精度を向上させることができる。
Ｐ_Ｈ２（ｎ＋１）＝Ｐ_Ｈ２（ｎ）＋Ｋ２×（α−γ）×Δｔ ・・・（３）

＜内圧推定処理フロー＞
図６は、図３に示した内圧推定処理（Ｓ３０の処理）を詳細に説明するためのフローチャートである。図６を参照して、Ｓ３１０において、ＥＣＵ３００は、組電池１００の窒素分圧Ｐ_Ｎ２を算出する。窒素分圧Ｐ_Ｎ２は、実測された温度ＴＢに基づいて算出されるが、窒素分圧Ｐ_Ｎ２の温度依存性を予め求め、マップ（図示せず）としてメモリ３０２に格納しておくことにより、組電池１００の温度ＴＢから算出してもよい。

Ｓ３２０において、ＥＣＵ３００は、負極上での水素電流割合（１−η_１）を算出するとともに、正極上での副反応として酸素ガス発生に消費される電流の割合（以下、「酸素電流割合」とも称する）である（１−η_２）を算出する（η_２は、正極上での通常反応の割合である）。酸素電流割合（１−η_２）は、たとえば、組電池１００の極板間電圧Ｖ０と（１−η_２）との関係を示すマップＭＰ３を用いて算出することができる。

図７は、組電池１００の極板間電圧Ｖ０と電流割合（１−η_１），（１−η_２）との関係を示すマップの一例を示す図である。図７（Ａ）には、複数の温度ＴＢの検出値について、極板間電圧Ｖ０と水素電流割合（１−η_１）との関係を示すマップＭＰ２が示されている。マップＭＰ２を参照することによって、温度ＴＢおよび極板間電圧Ｖ０から水素電流割合（１−η_１）を算出することができる。酸素電流割合（１−η_２）についても同様に、図７（Ｂ）に示すようなマップＭＰ３を用いて算出することができる（詳細については特許文献１の図５参照）。

図６に戻り、Ｓ３３０において、ＥＣＵ３００は、酸素電流割合（１−η_２）と、電流ＩＢとに基づいて、組電池１００の酸素ガス発生速度δを算出する。酸素ガス発生速度δは、酸素ガス発生量を算出するために式（２）の定数Ｋ１が他の定数に適宜変更された式を用いて、水素ガス発生速度αと同様に算出することができる（詳細については特許文献１の式（２）または式（３）参照）。

Ｓ３４０において、ＥＣＵ３００は、組電池１００の酸素ガス吸収速度εを算出する。酸素ガス吸収速度εの算出には、たとえば、組電池１００内の酸素分圧Ｐ_Ｏ２と酸素ガス吸収速度εとの関係を表すマップＭＰ４を用いることができる。

図８は、酸素ガス吸収速度εを算出するためのマップＭＰ４の一例を示す図である。図８に示すようなマップＭＰ４を参照することにより、酸素分圧Ｐ_Ｏ２から酸素ガス吸収速度εを算出することができる。なお、酸素分圧Ｐ_Ｏ２と酸素ガス吸収速度εとの関係は温度依存性を有するので、図８に示すように、組電池１００の温度ＴＢ毎に当該関係を求めておくことが望ましい。

図６に戻り、Ｓ３５０において、ＥＣＵ３００は、酸素ガス発生速度δと酸素ガス吸収速度εとの差（δ−ε）に基づいて、すなわち組電池１００内の酸素ガス変化速度に基づいて、酸素分圧Ｐ_Ｏ２を算出する。より具体的には、酸素分圧Ｐ_Ｏ２は、下記式（４）により算出することができる。なお、Ｋ３は、酸素ガスの変化量を酸素分圧Ｐ_Ｏ２の変化量に変換するための定数である。Ｐ_Ｏ２（ｎ＋１）は今回演算時における酸素分圧を示し、Ｐ_Ｏ２（ｎ）は、前回演算時（単位時間前の演算時）における酸素分圧を示す。
Ｐ_Ｏ２（ｎ＋１）＝Ｐ_Ｏ２（ｎ）＋Ｋ３×（δ−ε）×Δｔ ・・・（４）

Ｓ３６０において、ＥＣＵ３００は、Ｓ３２０にて算出された水素電流割合（１−η_１）と、電流ＩＢとに基づいて、組電池１００の水素ガス発生速度αを算出する。水素ガス発生速度αの算出手法については式（２）にて詳細に説明したため、ここでは説明は繰り返さない。

Ｓ３７０において、ＥＣＵ３００は、マップＭＰ１（図５参照）を参照することによって、温度ＴＢから組電池１００の水素ガス吸収速度γを算出する。

Ｓ３８０において、ＥＣＵ３００は、上記式（３）に従って、水素ガス発生速度αおよび水素ガス吸収速度γに基づいて水素分圧Ｐ_Ｈ２を算出する。

Ｓ３９０において、ＥＣＵ３００は、Ｓ３１０にて算出された窒素分圧Ｐ_Ｎ２と、Ｓ３５０にて算出された酸素分圧Ｐ_Ｏ２と、Ｓ３８０にて算出された水素分圧Ｐ_Ｈ２の和を算出することで内圧Ｐを算出する（Ｐ＝Ｐ_Ｎ２＋Ｐ_Ｏ２＋Ｐ_Ｈ２）。その後、処理は図３に示したＳ４０へと戻される。

図９は、本実施の形態における内圧推定処理による内圧Ｐの推定結果を示す図である。図９（Ａ）には、内圧Ｐが上昇するような電圧ＶＢが印加された場合の内圧Ｐ（および各分圧）の推定結果が示されている。図９（Ｂ）には、内圧Ｐが低下するような電圧ＶＢが印加された場合の内圧Ｐ（および各分圧）の推定結果が示されている。

図９（Ａ）を参照して、印加された電圧ＶＢに追従して水素分圧Ｐ_Ｈ２（および内圧Ｐ）が増加していることが分かる。また、図９（Ｂ）を参照して、印加された電圧ＶＢに追従して水素分圧Ｐ_Ｈ２（および内圧Ｐ）が低下していることが分かる。

以上のように、本実施の形態によれば、水素ガス発生速度αおよび水素ガス吸収速度γに基づいて水素分圧Ｐ_Ｈ２が算出される。これにより、水素分圧Ｐ_Ｈ２の温度依存性を用いて組電池１００の温度ＴＢから水素分圧Ｐ_Ｈ２を算出する構成と比べて、水素分圧Ｐ_Ｈ２の推定精度を向上させることができる。また、図４に示した測定結果のように、組電池１００の内部に圧カセンサ、酸素濃度センサ、水素濃度センサ、温度センサおよび湿度センサ（いずれも図示せず）を設置しなくても、精度良く水素分圧Ｐ_Ｈ２を算出することが可能である。したがって、内圧Ｐの推定精度を向上させることができる。その結果、内圧Ｐに基づいて組電池１００の充電電力を制限する処理（図３に示した処理）を高精度に実行することが可能になる。

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。本開示の範囲は、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 二次電池システム、１０，２０ モータジェネレータ、３０ 動力分割機構、４０ エンジン、５０ 駆動輪、１００ 組電池、１０１ セル、１０２ ケース、１０３ 安全弁、１０４ 電極体、１１０ 電圧センサ、１２０ 電流センサ、１３０ 温度センサ、３００ ＥＣＵ、３０１ ＣＰＵ、３０２ メモリ。

Claims (3)

1. ニッケル水素電池である二次電池と、
   前記二次電池の電圧を検出する電圧センサと、
   前記二次電池に入出力される電流を検出する電流センサと、
   前記二次電池の温度を検出する温度センサと、
   前記二次電池の電圧、電流および温度の検出値を用いて前記二次電池の内圧を推定する推定装置とを備え、
   前記推定装置は、
   前記二次電池の温度の検出値を用いて前記二次電池の窒素分圧を算出し、
   前記二次電池の電圧、電流および温度の検出値を用いて前記二次電池の酸素分圧を算出し、
   前記二次電池の電圧、電流および温度の検出値から算出される前記二次電池の総電流のうち負極活物質に流れた電流割合を示すパラメータ、ならびに、前記二次電池の電流の検出値を用いて、水素ガス発生速度を算出し、
   所定時間前に算出された前記二次電池の水素分圧と、前記二次電池の温度から算出される平衡水素圧との差、および、前記二次電池の温度の検出値を用いて、水素ガス吸収速度を算出し、
   前記水素ガス発生速度および前記水素ガス吸収速度から前記二次電池の水素分圧を算出し、
   前記窒素分圧、前記酸素分圧および前記水素分圧の和を算出することで前記二次電池の内圧を推定する、二次電池システム。
2. 前記推定装置は、
   前記水素ガス発生速度と前記水素ガス吸収速度との差に前記所定時間を乗算することにより前記二次電池内における水素ガスの変化量を算出し、
   算出された前記水素ガスの変化量に所定の定数を乗算することによって前記所定時間が経過する間の前記水素分圧の変化量を算出し、
   算出された前記水素分圧の変化量を、前記所定時間前に算出された水素分圧に加算することによって、前記所定時間が経過した後の前記水素分圧を算出する、請求項１に記載の二次電池システム。
3. 前記推定装置は、前記二次電池の電圧、電流および温度の検出値を用いて前記二次電池における酸素ガス発生速度および酸素ガス吸収速度を算出し、算出された前記酸素ガス発生速度および前記酸素ガス吸収速度から前記二次電池の酸素分圧を算出する、請求項１または２に記載の二次電池システム。

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