JP2005269824A

JP2005269824A - ハイブリッドシステム

Info

Publication number: JP2005269824A
Application number: JP2004081250A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Nakagaki; 充弘中垣
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】蓄電装置としてニッケル水素電池を使用するハイブリッドシステムにおいて、ニッケル水素電池の充電状態（ＳＯＣ）や充放電電流の大小に関わらず、正確なＳＯＣの推定を可能とすることにより、ニッケル水素電池の過放電・過充電を防止するとともに効率の良い電池容量の使用を可能とする。また、ニッケル水素電池の充電時において、充電電流を調整することによって過充電を防止する。
【解決手段】システムコントローラ１によって演算されるニッケル水素電池２７のＳＯＣが、ニッケル水素電池２７が定電圧特性を示す定電圧ＳＯＣ範囲内にある場合は、ニッケル水素電池２７の充放電電流の積算値に基づいてＳＯＣを推定し、演算されるＳＯＣが、定電圧ＳＯＣ範囲を下回っている場合は、予め設定される、ニッケル水素電池２７の放電電圧特性曲線Ｄの傾きに基づいて、ＳＯＣを推定するとともにニッケル水素電池２７の放電終止を決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンから少なくとも機械的駆動力と電力を取り出すハイブリッドシステムに関し、特に、エンジンをアシストする電動機（モータ）への電力の供給及び発電機からの発電電力の蓄電を行う蓄電装置として、ニッケル水素電池を備えるハイブリッドシステムに関する。

近年、自動車や、建設機械などの作業機などにおいては、エンジンを駆動源とする発電機と、この発電機による発電電力を蓄電する蓄電装置としてのバッテリ（二次電池）と、このバッテリから供給される電力が用いられて駆動するモータ（電動機）とを備え、発電機によるバッテリの蓄電と、モータによるエンジンのトルクアシストとを行うことで、省エネルギー化を図りつつ、エンジンを有効に使用することによって効率的な運転を可能とする、いわゆるハイブリッドシステムが採用されており、このような技術が今後の主流となりつつある。

このようなハイブリッドシステムにおいては、蓄電装置として用いられるバッテリとして、大電流放電が可能であり使用可能な温度範囲が広い等の理由から、ニッケル水素電池が一般的に使用されている（例えば、特許文献１参照。）。
そして、こうしたハイブリッドシステムにおいては、加速時や高い作業負荷がかかったとき等の高負荷状態では、バッテリからモータへ電力が供給されモータによるトルクアシストが行われ、減速時や作業負荷がかかってないとき等の低負荷状態では、発電機からの発電電力がバッテリに蓄電される。つまり、エンジンの高負荷状態ではバッテリの放電が行われ、低負荷状態ではバッテリの充電が行われており、エンジンの負荷状態に応じてバッテリの充放電電流が変化する。そこで、このようなバッテリの充放電に対応するため、バッテリの残存容量（充電状態：ＳＯＣ）は５０％程度に維持されることが好ましく、そのため、ＳＯＣは検出する必要がある。
また、バッテリが満充電状態付近及び完全放電状態付近にある場合は、バッテリの過充電及び過放電を防止するため、バッテリのＳＯＣ検出のより高い正確性が要求される。

特開平１１−１６５５４０号公報

しかし、前記特許文献１にも示されているように、ハイブリッドシステムの蓄電装置としてニッケル水素電池を使用した場合、ＳＯＣの検出について、及びニッケル水素電池の充電時において次のような不具合がある。

まず、ニッケル水素電池のＳＯＣの検出について説明する。
図２はニッケル水素電池の放電時におけるＳＯＣに対する電圧特性を示す図であるが、この図に示すように、ニッケル水素電池を放電させると、ＳＯＣの減少にともない電池電圧も低下する。ＳＯＣが大きいときは、ＳＯＣの減少にともなう電池電圧の低下は小さく、電池電圧は略一定の電圧を保つ。つまり、ＳＯＣが大きい領域ではニッケル水素電池は定電圧特性を示す。ところが、ＳＯＣが少なくなってニッケル水素電池が完全放電状態に近付くと、電池電圧は急激に低下する。
このように、ＳＯＣがある程度よりも大きい領域では、ニッケル水素電池は定電圧特性を示し、ＳＯＣの変化にともなって電池電圧はほとんど変化しないため、ＳＯＣを検出する際、電池電圧に基づいて推定することが困難であった。

次に、ニッケル水素電池の充電時について説明する。
図５はニッケル水素電池の充電時における電圧特性を示す図であるが、この図における従来の電圧特性曲線に示すように、ニッケル水素電池は充電時間が経過していくと、満充電状態付近に至るまでは、略一定の電池電圧を保ち、満充電状態付近のある時点から急激に電池電圧が上昇する。そして、電池電圧が頂点に達した後、電圧が下降する時点をニッケル水素電池の満充電状態として充電完了、即ち充電終止としていた。
このように、ニッケル水素電池を充電する際の充電終止を、ニッケル水素電池の電圧特性のみに基づいて決定すると、満充電状態付近で大電流による充電が行われた場合など、ニッケル水素電池の過充電を引き起こしてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、これらの不具合を解消するためのものであり、蓄電装置としてニッケル水素電池を使用するハイブリッドシステムにおいて、ニッケル水素電池のＳＯＣや充放電電流の大小に関わらず、正確なＳＯＣの推定を可能とすることにより、ニッケル水素電池の過放電・過充電を防止するとともに効率の良い電池容量の使用を可能とすることを目的とする。また、ニッケル水素電池の充電時において、充電電流を調整することによって過充電を防止することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、エンジンと、該エンジンをアシストするモータと、これらを制御する制御手段と、前記エンジンを駆動源とする発電機と、前記モータへの電力の供給及び前記発電機からの発電電力の蓄電を行う蓄電装置としてのニッケル水素電池と、を有するハイブリッドシステムにおいて、前記制御手段は、該制御手段によって演算される前記ニッケル水素電池の充電状態が、ニッケル水素電池が定電圧特性を示す所定の充電状態範囲内にある場合は、ニッケル水素電池の充放電電流の積算値に基づいてニッケル水素電池の充電状態を推定し、前記演算される充電状態が、前記所定の充電状態範囲を下回った場合は、予め設定される、ニッケル水素電池の充電状態に対する放電時の電池電圧の特性を示す放電電圧特性曲線の傾きに基づいて、ニッケル水素電池の充電状態を推定するとともにニッケル水素電池の放電終止を決定するものである。

請求項２においては、前記制御手段は、前記ニッケル水素電池の放電電流が大きくなるに従い、前記放電電圧特性曲線の放電終止充電状態を、高充電状態側に推移させ、ニッケル水素電池の放電電流が小さくなるに従い、前記放電電圧特性曲線の放電終止充電状態を、低充電状態側に推移させるものである。

請求項３においては、前記制御手段は、前記ニッケル水素電池の充電時、ニッケル水素電池の電池電圧値が、予め設定される規定値を上回った場合、ニッケル水素電池への充電電流を減少させ、前記電池電圧値の時間変化率が負の値となった時に、ニッケル水素電池の充電を停止させるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、定電圧特性を示すため電圧に基づいて推定することが困難であったニッケル水素電池のＳＯＣを、正確に推定することが可能となる。

請求項２においては、定電圧特性を示すため電圧に基づいて推定することが困難であったニッケル水素電池のＳＯＣを、正確に推定することが可能となるとともに、ニッケル水素電池の充放電電流の大小に応じてＳＯＣを推定することができる。これにより、ニッケル水素電池の電池容量を効率良く使用することができ、ニッケル水素電池の過放電・過充電を防止することができる。

請求項３においては、ニッケル水素電池の過充電を防止することができる。これにより、ニッケル水素電池の寿命を延ばすことができる。また、ニッケル水素電池のＳＯＣが１００％付近の充電末期では、充電電流を少量にすることにより、ニッケル水素電池の容量密度及び充電精度を高めることができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係るハイブリッドシステムの構成の一例を示す図、図２はニッケル水素電池の放電時におけるＳＯＣに対する電圧特性を示す図、図３は電解液の比重と電池回路電圧の関係を示す図、図４は電解液の比重とニッケル水素電池の放電深度（ＤＯＤ）の関係を示す図、図５はニッケル水素電池の充電時における電圧特性を示す図である。

まず、本発明に係るハイブリッドシステムの概略構成について図１を用いて説明する。
なお、本実施例においては、モータ及び発電機の機能を兼ね備えたモータジェネレータ１１を有するハイブリッドシステムを用いて説明するが、これに限定されず、モータと発電機とを別々に備えた構成のハイブリッドシステム等においても本発明の効果を得ることができる。つまり、本発明は、エンジンをアシストするモータへの電力の供給及び発電機からの発電電力の蓄電を行う蓄電装置として、ニッケル水素電池を有するハイブリッドシステムにおいて適用可能である。

本ハイブリッドシステムは、エンジン２の出力軸部の駆動を、エンジン２と、モータ及び発電機として機能するモータジェネレータ１１との両方により可能としている。前記出力軸部から取り出された駆動力は、クラッチ部や動力伝達装置などを介して、自動車や作業機などにおける走行部や各種作業部などの負荷７に伝達される。

モータジェネレータ１１は、エンジン２のクランク軸にその駆動軸が連結された状態で付設されており、インバータコンバータ１２を介して蓄電システム部２０と電気的に接続されている。
また、モータジェネレータ１１は、モータまたは発電機として機能するものであり、モータとして機能することによって負荷７を駆動するエンジン２のトルクアシストを行い、発電機として機能することによってその発電電力及び負荷７側の慣性力などによる回生発電を蓄電装置へと蓄電する。
前記インバータコンバータ１２は、インバータまたはコンバータとして機能するものであり、入力される電力を直流または交流に変換するとともに、所定の電圧及び周波数に変換するものである。
前記蓄電システム部２０には、蓄電装置としてのニッケル水素電池２７と、該ニッケル水素電池２７の出入力電圧を昇降圧する昇降圧チョッパ２２と、ニッケル水素電池２７の充放電電流の検出及びニッケル水素電池２７の端子電圧の検出を行う電流・電圧センサ２５とが設けられている。
前記電流・電圧センサ２５によって検出される電流値及び電圧値は、昇降圧チョッパ２２を介してシステムコントローラ１に入力される。

以上のエンジン２、インバータコンバータ１２、及び昇降圧チョッパ２２は、制御手段としてのシステムコントローラ１と通信接続されており、該システムコントローラ１によって本ハイブリッドシステムが制御される構成となっている。

このような構成のハイブリッドシステムにおいて、前述したようにモータ及び発電機としての機能を有するモータジェネレータ１１は、作業状況などに応じて各機能を発揮する。
モータジェネレータ１１をモータとして作動させる場合には、ニッケル水素電池２７から電力が供給される。ニッケル水素電池２７から供給される電力は、インバータコンバータ１２に入力される。このとき、インバータコンバータ１２はインバータとして機能して、入力された電力を所定に変換し、この変換された電力をモータジェネレータ１１に供給する。
このように、モータジェネレータ１１がモータとして作動することにより、その駆動力が、エンジン２のクランク軸と連結しているモータジェネレータ１１の駆動軸からエンジン２に伝達され、エンジン２の起動時のスタータとしての利用や高負荷時のトルクアシストが行われる。

一方、モータジェネレータ１１を発電機として作動させる場合には、エンジン２の駆動力によりモータジェネレータ１１が作動して発電が行われる。モータジェネレータ１１で発電される電力は、インバータコンバータ１２に入力される。この際、インバータコンバータ１２はコンバータとして機能する。そして、インバータコンバータ１２によって所定の変換が行われた電力は、ニッケル水素電池２７に蓄電される。

このようなモータジェネレータ１１によるトルクアシスト及び発電は、システムコントローラ１からインバータコンバータ１２へ送信される速度指令（モータ指令）及びエンジン２の燃料噴射量や機関回転数などを基準にして、エンジン２にかかる負荷に応じて行われる。つまり、エンジン２にかかる負荷が一定値より高くなった場合に、ニッケル水素電池２７から電力を供給してモータジェネレータ１１をモータとして作動させ、エンジン２のトルクアシストを行い、エンジン２にかかる負荷が一定値より低くなった場合に、モータジェネレータ１１を発電機として作動させ、該モータジェネレータ１１による発電電力をニッケル水素電池２７へと蓄電するように制御されている。

以上のような構成のハイブリッドシステムにおいて、前述したように、蓄電装置としてのニッケル水素電池２７は、エンジン２をアシストするモータとして作動するモータジェネレータ１１への電力の供給、及び発電機として作動するモータジェネレータ１１からの発電電力の蓄電を行うものであり、これらの所作にともなって充放電を行う。そのため、ニッケル水素電池２７の残存容量（充電状態：ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ、以下、「ＳＯＣ」とする。）は、正確に推定される必要がある。つまり、ハイブリッドシステムにおける蓄電装置のＳＯＣは、ハイブリッドシステムが適用される自動車や作業機などの走行や作業などに密接に関わっているため、蓄電装置のＳＯＣをより正確に推定してこれを走行や作業などに反映させることにより、ハイブリッドシステムの電気効率の向上や、蓄電装置の過放電・過充電を防止することができる。以下、本発明のハイブリッドシステムにおける蓄電装置としてのニッケル水素電池２７のＳＯＣの推定、及びニッケル水素電池２７の充電方法について説明する。

まず、ニッケル水素電池２７のＳＯＣの推定について説明する。
本発明においては、ＳＯＣがある所定の値より大きい領域にある場合は、略一定の電池電圧値を示すというニッケル水素電池２７の定電圧特性に鑑み、ニッケル水素電池２７が定電圧特性を示すＳＯＣの領域にある場合は、ＳＯＣの推定をニッケル水素電池２７の充放電電流に基づいて行い、定電圧特性を示すＳＯＣの領域を下回ると、ＳＯＣの推定をニッケル水素電池２７の電池電圧に基づいて行うこととしている。

すなわち、本ハイブリッドシステムにおいては、システムコントローラ１によって演算されるニッケル水素電池２７のＳＯＣが、ニッケル水素電池２７が定電圧特性を示す所定のＳＯＣ範囲内にある場合は、ニッケル水素電池２７の充放電電流の積算値に基づいてニッケル水素電池２７のＳＯＣを推定し、システムコントローラ１によって演算されるＳＯＣが、前記所定のＳＯＣの範囲を下回った場合は、ニッケル水素電池２７のＳＯＣに対する放電時の電池電圧の特性を示す曲線の傾きに基づいて、ニッケル水素電池２７のＳＯＣを推定するとともにニッケル水素電池２７の放電終止を決定している。以下、詳細に説明する。

まず、システムコントローラ１によるニッケル水素電池２７のＳＯＣの演算方法について説明する。
ニッケル水素電池２７のＳＯＣは、ニッケル水素電池２７の起電力とニッケル水素電池２７の電解液の比重との関係から、システムコントローラ１にて演算される。
具体的に説明すると、充放電中の電池電圧（ニッケル水素電池２７の端子電圧）Ｖ_ＮＩは、次式（１）により表される。
Ｖ_ＮＩ＝Ｅ_Ｏ±Ｉ_ＣＤ・Ｒ_Ｏ・・・（１）
この式を用いてニッケル水素電池２７のＳＯＣを算出する。式（１）において、Ｅ_Ｏはニッケル水素電池２７の起電力（電池開路電圧）、Ｉ_ＣＤはニッケル水素電池２７の充放電電流、Ｒ_Ｏはニッケル水素電池２７の内部抵抗である。ニッケル水素電池２７の充放電電流Ｉ_ＣＤは、電流の向きによって充電電流または放電電流となり、式（１）においては、正（＋）の場合には、充電電流であり、負（−）の場合には放電電流である。

前記電流・電圧センサ２５によって検出される電池電圧Ｖ_ＮＩ、及び充放電電流Ｉ_ＣＤは、昇降圧チョッパ２２からシステムコントローラ１に送信される。システムコントローラ１は、入力された電池電圧Ｖ_ＮＩ及び充放電電流Ｉ_ＣＤに基づいてニッケル水素電池２７の内部抵抗Ｒ_Ｏを演算する。この算出された内部抵抗Ｒ_Ｏに基づき、式（１）から電池開路電圧Ｅ_Ｏを演算する。そして、予めシステムコントローラ１には、図３に示すような、電池開路電圧Ｅ_Ｏとニッケル水素電池２７の電解液の比重との関係と、図４に示すような、電解液の比重とニッケル水素電池２７の放電深度（ＤｅｐｔｈｏｆＤｉｓｃｈａｒｇｅ、以下、「ＤＯＤ」とする。）との関係が記憶されている。なお、システムコントローラ１には、電解液とＤＯＤとの関係に代えて、電解液とＳＯＣとの関係を予め記憶させておいてもよい。このＤＯＤとＳＯＣとは、ともにニッケル水素電池２７の充電状態を表す量であり、両者の間には、ＤＯＤ＋ＳＯＣ＝１００％という関係がある。

電池開路電圧Ｅ_Ｏが分かると、システムコントローラ１は、電池開路電圧Ｅ_Ｏと電解液の比重との関係により、ある電池温度（周囲温度）に対するニッケル水素電池２７の比重が算出される。そして、算出された電解液の比重から、電解液の比重とＤＯＤとの関係によりニッケル水素電池２７のＤＯＤが演算され、このＤＯＤに対するニッケル水素電池２７のＳＯＣが演算される。なお、このニッケル水素電池２７のＳＯＣの演算方法は一例であり、システムコントローラ１によって一定以上の正確性を有するニッケル水素電池２７のＳＯＣが随時演算できる方法であれば、予め記憶される計算式を用いる等の他の方法を採用してもよく、前記演算方法に限定されるものではない。

このようにして、システムコントローラ１において演算されるニッケル水素電池２７のＳＯＣが、前記所定のＳＯＣ範囲（以下、「定電圧ＳＯＣ範囲」とする。）内にある場合は、ニッケル水素電池２７の充放電電流の積算値に基づいてＳＯＣを推定する。以下、この充放電電流の積算値に基づいて推定するＳＯＣをＳＯＣ１とする。
この場合、ニッケル水素電池２７の充放電電流Ｉ_ＣＤを積分してＳＯＣ１を推定する。具体的には、前記定電圧ＳＯＣ範囲は、例えば、約８０％〜６０％に設定される。
まず、システムコントローラ１からの指示により、ニッケル水素電池２７の充放電電流Ｉ_ＣＤを電流・電圧センサ２５により検出する。このとき、検出された充放電電流Ｉ_ＣＤはシステムコントローラ１に入力される。次に、システムコントローラ１は、ニッケル水素電池２７の充放電電流Ｉ_ＣＤを積分（電流積算）することにより、Ｉ_ＣＤ・Δｔを求める。ここで、Δｔは、充放電電流Ｉ_ＣＤの検出時間である。

そして、ＳＯＣ１を次式により推定する。
ＳＯＣ１＝ＳＯＣ±Ｉ_ＣＤ・Δｔ・・・（２）
式（２）の右辺のＳＯＣは、前述したように、ニッケル水素電池２７の電池電圧Ｖ_ＮＩ及び充放電電流Ｉ_ＣＤを検出することにより算出されるＳＯＣである。また、右辺の±（プラスマイナス）の符号は、前述の式（１）の場合と同様に、ニッケル水素電池２７の充放電電流の向きによって定まり、充電電流のときは＋（プラス）となり、放電電流のときは−（マイナス）となる。そして、式（２）によれば、ニッケル水素電池２７にて充放電が行われている場合には、ＳＯＣに変動があることを示しており、その変動後のＳＯＣをＳＯＣ１としている。ＳＯＣ１は、ニッケル水素電池２７が充電状態の場合には増加し、放電状態の場合には減少するため、このＳＯＣ１からニッケル水素電池２７の状態の変化を知ることができる。
このように、ニッケル水素電池２７のＳＯＣが前記定電圧ＳＯＣ範囲内にある場合、充放電電流の積算値に基づいてＳＯＣ１を推定することにより、ニッケル水素電池２７が定電圧特性を示すＳＯＣの範囲においても、正確なＳＯＣの推定が可能となる。

一方、システムコントローラ１において演算されるニッケル水素電池２７のＳＯＣが、前記定電圧ＳＯＣ範囲（約８０％〜６０％）を下回った場合は、ニッケル水素電池２７の電池電圧Ｖ_ＮＩに基づいてＳＯＣを推定する。以下、この電池電圧Ｖ_ＮＩに基づいて推定するＳＯＣをＳＯＣ２とする。
この場合、図２に示すような、ニッケル水素電池２７のＳＯＣに対する放電時の電池電圧Ｖ_ＮＩの特性を示す曲線（以下、「放電電圧特性曲線Ｄ」とする。）の傾きに基づいて推定する。
図２に示す放電電圧特性曲線Ｄからわかるように、ニッケル水素電池２７のＳＯＣが前記定電圧ＳＯＣ範囲を下回った場合は、ニッケル水素電池２７の電池電圧Ｖ_ＮＩは、ＳＯＣの減少にともなって除々に低下していく。そして、ＳＯＣが少なくなってニッケル水素電池２７が完全放電状態に近付くと、電池電圧Ｖ_ＮＩは急激に低下する。このように、ＳＯＣが前記定電圧ＳＯＣ範囲を下回ると、ニッケル水素電池２７の電池電圧Ｖ_ＮＩはＳＯＣの減少にともなって変化（低下）するため、この電池電圧Ｖ_ＮＩの変化率、即ち放電電圧特性曲線Ｄの傾きに基づいてＳＯＣ２を推定する。

具体的には、システムコントローラ１に、前記放電電圧特性曲線Ｄを予めマップとして（グラフを）記憶させておく。そして、前述したようにシステムコントローラ１において演算されるニッケル水素電池２７のＳＯＣが、前記定電圧ＳＯＣ範囲（範囲内の最小設定値）を下回った場合、システムコントローラ１は、ニッケル水素電池２７の電池電圧Ｖ_ＮＩのＳＯＣに対する変化率（ｄＶ_ＮＩ／ｄＳＯＣ）を算出する。そして、この電池電圧Ｖ_ＮＩの変化率（傾き）に対応する放電電圧特性曲線Ｄの位置からＳＯＣ２を推定する。

また、このようにして推定されるＳＯＣ２が、ニッケル水素電池２７の完全放電状態（ＳＯＣ＝０％）となった場合、この時点をニッケル水素電池２７の放電終止としている。
この場合、放電電圧特性曲線Ｄにおいて、ニッケル水素電池２７が放電終止となるＳＯＣに対応する位置の傾きを、規定値（以下、「放電終止変化率」とする。）としてシステムコントローラ１に予め設定しておく。
通常は、ハイブリッドシステムにおいてニッケル水素電池２７の充放電を両立させるため、ニッケル水素電池２７のＳＯＣは５０％程度に維持するのが好ましいが、例えば、モータのみを駆動源として電動走行を行う場合など、ニッケル水素電池２７からの電力の供給が多くなりＳＯＣが低下した場合、放電電圧特性曲線Ｄに沿って電池電圧Ｖ_ＮＩが低下していく。そして、電池電圧Ｖ_ＮＩのＳＯＣに対する変化率が、前記放電終止変化率に達した時点で、システムコントローラ１は、ニッケル水素電池２７の放電を停止させる。つまり、予め設定される前記放電終止変化率により、ニッケル水素電池２７の放電終止を決定している。

このうように、ニッケル水素電池２７のＳＯＣを推定する場合において、ＳＯＣが、電池電圧Ｖ_ＮＩが定電圧特性を示す定電圧ＳＯＣ範囲内にある場合は、ＳＯＣの推定をニッケル水素電池２７の充放電電流の積算値に基づいて行い、ＳＯＣが、前記定電圧ＳＯＣ範囲を下回った場合は、ニッケル水素電池２７の電池電圧Ｖ_ＮＩの変化率に基づいて推定することにより、定電圧特性を示すため電圧に基づいて推定することが困難であったニッケル水素電池２７のＳＯＣを、正確に推定することが可能となる。

以上説明したようなＳＯＣの推定により、ニッケル水素電池２７のＳＯＣを正確に推定することができるのであるが、例えば、ニッケル水素電池２７を大電流で放電させた場合、電池電圧Ｖ_ＮＩは低下し、放電電圧特性曲線Ｄは、図２のＤＨに示すような特性曲線となる。つまり、ニッケル水素電池２７からの放電電流が大電流となることにより、電池電圧Ｖ_ＮＩは低下し放電可能な時間も短くなる。
このような場合、前述したように、予め設定される放電電圧特性曲線Ｄの傾きに基づいてＳＯＣ２を推定すると、推定されるべきＳＯＣ２よりも多く推定してしまうこととなる。つまり、ニッケル水素電池２７の放電電流が大きくなると、電池電圧Ｖ_ＮＩの変化率、特にＳＯＣが完全放電状態付近では、その変化率が高くなるため、この場合の電池電圧Ｖ_ＮＩの変化率を放電電圧特性曲線Ｄに対応させてＳＯＣ２を推定すると、放電電流が大きい程、推定されるべきＳＯＣ２よりも大きい値を推定することとなってしまう。
逆に、放電電流が小さくなると、電池電圧Ｖ_ＮＩの変化率が小さくなるため、放電電流が小さい程、推定されるべきＳＯＣ２よりも小さい値を推定することとなる。

そこで、本発明においては、前述したように、放電電圧特性曲線Ｄの傾きに基づいてＳＯＣ２を推定するＳＯＣの範囲、即ち、定電圧ＳＯＣ範囲を下回る範囲でのＳＯＣ２の推定に際しては、ニッケル水素電池２７の放電電流が大きくなるに従い、放電終止時のＳＯＣ（以下、「放電終止ＳＯＣ」とする。）を、高ＳＯＣ側に推移させ、逆に、放電電流が小さくなるに従い、放電終止ＳＯＣを低ＳＯＣ側に推移させることとしている。
ここで、「放電終止ＳＯＣ」とは、放電電圧特性曲線Ｄの傾き（変化率）が前記放電終止変化率となる時点でのＳＯＣであり、本実施例においては放電終止ＳＯＣ＝０％としている。
また、「放電終止ＳＯＣを推移する」とは、放電電圧特性曲線Ｄの傾きに対応する放電終止ＳＯＣの値を変化させることであり、放電終止ＳＯＣのみを推移させることと、前記定電圧ＳＯＣ範囲を下回る範囲において、放電電圧特性曲線Ｄの傾きに対応するＳＯＣの値の範囲（目盛り）を縮小または拡大することとを含む概念とする。

図２においては、放電電流が大きくなった場合の放電電圧特性曲線ＤＨに対応させるため、放電終止ＳＯＣを高ＳＯＣ側に推移させた（ＳＯＣの値の範囲を縮小させた）場合を示す。この場合、放電終止ＳＯＣを推移させないとすると、実際はＳＯＣが放電終止ＳＯＣ付近に達しているにも関わらずＳＯＣを２０％付近であると推定することとなるが、放電終止ＳＯＣを推移させることにより、より正確なＳＯＣの推定を行うことが可能となる。
また、図示は省略するが、例えば、微小な電流による放電が継続するような場合、電池電圧Ｖ_ＮＩは上昇し、放電電圧特性曲線は高電圧側かつＳＯＣの範囲が拡大する方向になだらかな曲線となる。この場合、放電終止ＳＯＣを低ＳＯＣ側に推移させる（ＳＯＣの値の範囲を拡大させる）ことにより、推定されるべきＳＯＣよりも少なく推定することもなくなる。
このように、ニッケル水素電池２７の充放電電流の大小に応じて放電終止ＳＯＣを推移させることにより、充放電電流に応じて放電電圧特性曲線を設定する必要もなくなり、基準となる放電電圧特性曲線Ｄを設定することにより、充放電電流の大きさに応じて正確なＳＯＣを推定することが可能となる。

つまり、本発明におけるニッケル水素電池２７のＳＯＣの推定は、ＳＯＣが前記定電圧ＳＯＣ範囲内にある場合は、充放電電流の大小に関わらず、この充放電電流の積算値に基づいて行い、ＳＯＣが定電圧ＳＯＣ範囲を下回った場合は、充放電電流の大小に応じて放電終止ＳＯＣを推移させながら、前記放電電圧特性曲線Ｄの傾きに基づいて行う。

このように、ニッケル水素電池２７のＳＯＣを推定することにより、定電圧特性を示すため電圧に基づいて推定することが困難であったニッケル水素電池２７のＳＯＣを、正確に推定することが可能となるとともに、ニッケル水素電池２７の充放電電流の大小に応じてＳＯＣを推定することができる。これにより、ニッケル水素電池２７の電池容量を効率良く使用することができ、ニッケル水素電池２７の過放電・過充電を防止することができる。

次に、ニッケル水素電池２７の充電方法について図５を用いて説明する。
図５には、ニッケル水素電池２７の充電時における電池電圧Ｖ_ＮＩの時間変化（充電電圧特性）を表しており、太線で示すのが本発明における充電電圧特性曲線Ｃであり、細線で示すのが従来の充電電圧特性曲線である。これらを比較しながら、本発明におけるニッケル水素電池２７の充電方法について説明する。

まず、従来のニッケル水素電池２７の充電方法について説明する。
ニッケル水素電池２７の充電時においては、通常、ニッケル水素電池２７の電池電圧Ｖ_ＮＩは、略一定の電圧値となる電圧特性を示す。そして、充電される時間が経過してニッケル水素電池２７の満充電状態に近付くと、ある時点から電池電圧Ｖ_ＮＩが急激に上昇する。この急激に上昇した電池電圧Ｖ_ＮＩが頂点に達し、その後、下降し始める時点をニッケル水素電池２７の充電終止時としていた。つまり、ニッケル水素電池２７を充電する際システムコントローラ１は、充電電流の大きさに関わらず、充電していく過程のニッケル水素電池２７の充電特性によって、電池電圧Ｖ_ＮＩが自動的に下降し始める時点を充電終止と判断し、この時点をニッケル水素電池２７の満充電状態としてニッケル水素電池２７への充電電流を停止していた。

しかし、このようにニッケル水素電池２７の充電終止を判断すると、充電電流の大きさが制限されていないため、例えばニッケル水素電池２７の満充電状態付近で大電流の充電が行われた場合、ニッケル水素電池２７が過充電となるおそれがある。そこで、本発明においては、ニッケル水素電池２７充電時、ニッケル水素電池２７が満充電状態に近付くと充電電流を減少させ、この後、電池電圧が下降し始める時点を充電終止として、ニッケル水素電池２７の過充電を防止する。

具体的には、ニッケル水素電池２７の充電時において、略一定の電圧値となる電圧特性を示す範囲から電池電圧Ｖ_ＮＩが急激に上昇し始めるが、この付近の電池電圧を上限値Ｖ_{ＮＩＭＡＸ}として予めシステムコントローラ１に設定しておく。
そして、ニッケル水素電池２７の充電時、電池電圧Ｖ_ＮＩが上限値Ｖ_{ＮＩＭＡＸ}を超えるまでは、充電電流Ｉ_Ｃを最大電流としてニッケル水素電池２７の充電を行う。ニッケル水素電池２７の充電時間が経過していくことにより、ニッケル水素電池２７のＳＯＣは除々に大きくなる。そして、電池電圧Ｖ_ＮＩが上昇して前記上限値Ｖ_{ＮＩＭＡＸ}となった時、充電電流Ｉ_Ｃを減少させる。ここでの充電電流Ｉ_Ｃの減少の程度は限定されるものではないが、例えば、一定時間経過毎に充電電流Ｉ_Ｃを半減させて行く等の方法がある。

このようにして、充電電流Ｉ_Ｃを減少させニッケル水素電池２７の充電を継続していくと、図５に示す充電電圧特性曲線Ｃに示すように、ニッケル水素電池２７のＳＯＣが、満充電状態となる１００％に近付くため、充電電流Ｉ_Ｃを減少させても電池電圧Ｖ_ＮＩが変化しなくなる（充電電圧特性曲線Ｃの頂点近傍）。この状態では、充電電流Ｉ_Ｃも微小電流となる。そして、除々に電流が流れなくなり、電池電圧Ｖ_ＮＩが一定となるため、この状態では特別な制御を必要としない。その後、電池電圧Ｖ_ＮＩが下降し始めた時点、即ち電池電圧の時間変化率（ｄＶ_ＮＩ／ｄｔ）が負の値となった時点をニッケル水素電池２７の充電終止とする。

このように、ニッケル水素電池２７の充電時において、満充電状態付近になると充電電流を減少させることにより、ニッケル水素電池２７の過充電を防止することができる。これにより、ニッケル水素電池２７の寿命を延ばすことができる。また、ニッケル水素電池２７のＳＯＣが１００％付近の充電末期では、充電電流を少量にすることにより、ニッケル水素電池２７の容量密度及び充電精度を高めることができる。

本発明に係るハイブリッドシステムの構成の一例を示す図。ニッケル水素電池の放電時におけるＳＯＣに対する電圧特性を示す図。電解液の比重と電池回路電圧の関係を示す図。電解液の比重とニッケル水素電池の放電深度（ＤＯＤ）の関係を示す図。ニッケル水素電池の充電時における電圧特性を示す図。

符号の説明

１システムコントローラ
２エンジン
１１モータジェネレータ
２５電流・電圧センサ
２７ニッケル水素電池

Claims

エンジンと、該エンジンをアシストするモータと、これらを制御する制御手段と、前記エンジンを駆動源とする発電機と、前記モータへの電力の供給及び前記発電機からの発電電力の蓄電を行う蓄電装置としてのニッケル水素電池と、を有するハイブリッドシステムにおいて、
前記制御手段は、
該制御手段によって演算される前記ニッケル水素電池の充電状態が、ニッケル水素電池が定電圧特性を示す所定の充電状態範囲内にある場合は、ニッケル水素電池の充放電電流の積算値に基づいてニッケル水素電池の充電状態を推定し、
前記演算される充電状態が、前記所定の充電状態範囲を下回った場合は、予め設定される、ニッケル水素電池の充電状態に対する放電時の電池電圧の特性を示す放電電圧特性曲線の傾きに基づいて、ニッケル水素電池の充電状態を推定するとともにニッケル水素電池の放電終止を決定することを特徴とするハイブリッドシステム。
前記制御手段は、
前記ニッケル水素電池の放電電流が大きくなるに従い、前記放電電圧特性曲線の放電終止充電状態を、高充電状態側に推移させ、
ニッケル水素電池の放電電流が小さくなるに従い、前記放電電圧特性曲線の放電終止充電状態を、低充電状態側に推移させることを特徴とする請求項１記載のハイブリッドシステム。
前記制御手段は、
前記ニッケル水素電池の充電時、
ニッケル水素電池の電池電圧値が、予め設定される規定値を上回った場合、ニッケル水素電池への充電電流を減少させ、前記電池電圧値の時間変化率が負の値となった時に、ニッケル水素電池の充電を停止させることを特徴とする請求項１記載のハイブリッドシステム。