JP2008547008A - 自動車アキュムレータ用のバッテリー状態検出方法および装置 - Google Patents

自動車アキュムレータ用のバッテリー状態検出方法および装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、直列に接続された複数のセル(1a〜1l)を備えるバッテリー(1)、とりわけ自動車用バッテリーのバッテリーパラメータ(U2, SOC, Ri)の検出方法に関する。基準電位がアースではないセル群(1a〜1l)に対してバッテリーパラメータを検出するために、バッテリーパラメータが計算される。ここでは、第1のセル群(2a)で降下する電圧(U1)と、第1のセル群(2a)と第3のセル群(2b)を含む第2のセル群(1)で降下する第2の電圧(Ug)が測定され、前記第3のセル群(2b)のバッテリーパラメータ(U2,SOC,Ri)が、前記測定された第1の電圧(U1)と第2の電圧(Ug)に基づいて計算される。

Description

本発明は請求項1の上位概念によるバッテリー、とりわけ車両バッテリーの状態検出方法、並びに請求項7の上位概念による相応の装置に関する。
従来の車両バッテリー(アキュムレータ)、例えばNiMHバッテリーまたは鉛塩酸バッテリーは通常、直接に接続された複数の個別セルからなり、これらの個別セルはそれぞれ数V(例えば2V)の部分電圧を形成する。ここではセルの数がバッテリーの公称電圧を決定する。公称電圧が12Vであるバッテリーは、それぞれ約2Vの6つのセルを含む。車載電源の電源電圧が比較的に高い場合、例えば24Vまたは42Vの場合、通常は複数の12Vバッテリーが直列に接続される。
車両バッテリーを診断するために、いわゆるバッテリー状態識別装置(BZE)を使用することが公知である。これは制御装置に格納されたアルゴリズム(数学的モデル)であり、連続的に測定されたバッテリーパラメータ、例えばバッテリー電流、バッテリー電圧、およびバッテリー温度から目下のバッテリー状態を計算する。充電状態を推定するために、BZEは例えば電流パルスに対するバッテリーのパルス応答を評価する。
製造公差と種々異なる外部の影響(例えば種々異なる温度、機械的負荷、老化等)のため、バッテリーの個々のセルまたは直列に接続された個々の(12V)バッテリーの寿命は完全には同じではない。このことによりバッテリー全体の出力能力が制限される。なぜならバッテリーは、もっとも弱いセルが放電するとそれ以上放電することができず、もっとも強いセルが完全に充電されるとそれ以上充電することができないからである。
個々のセルの種々異なる特性を診断の際に考慮するために、バッテリー全体の状態を分析するだけでなく、個々のセルの状態または個々の群の状態も検出することが公知である。このためには、セルで降下する電圧を測定し、BZEに供給することが必要である。しかし測定電圧は種々異なる基準電位に関連しない。例えば直列に接続された2つの12Vバッテリーを含む24Vバッテリーの場合、(24Vと12Vの端子を備える)第1の部分バッテリーの基準電位は+12Vの場合、ボディであり、(12Vとアースの端子を備える)第2の部分バッテリーの基準電位はアースである。このことは信号処理の際の困難性を引き起こす。なぜなら従来の制御装置は、アースを基準電位として設計された信号入力端だけを有するからである。
信号のさらなる処理を可能にするためには、電位差を第1の部分バッテリーの電圧センサで、または制御装置で補正しなければならない。補正の手段は例えば、第1の部分バッテリーの電圧(基準電位+12V)を差動増幅器によってアースに関連させることである。しかし回路コストがこの解決手段の場合は比較的に高い。
従って本発明の方法および装置の課題は、基準電位がアースではないセル群のバッテリーパラメータを簡単に検出できるように構成することである。
本発明によればこの課題は、請求項１および請求項7に記載の特徴によって解決される。本発明の他の実施形態は従属請求項の対象である。
本発明の重要な技術思想は、基準電位がアースではないセル群のバッテリーパラメータ(例えば電圧、充電状態または内部抵抗)を、電圧が同じ基準電位、有利にはアースに関連する2つの別の群の電圧から引き出すことである。本発明によればバッテリーパラメータは次のようにして検出される。すなわち、第1のセル群で降下する電圧と、前記第1のセル群および第3のセル群を含む第2のセル群で降下する電圧とを測定し、前記第3の群のバッテリーパラメータを測定した2つの電圧に基づいて計算するのである。このことは、第3のセル群のセル電圧が測定されず、従って電圧信号を別の基準電位により処理する必要がないという格別の利点を有する。
1つのセル群は本発明では1つまたは複数のセルを含むことができる。 ここでバッテリーパラメータとはバッテリー状態パラメータであり、例えば充電状態SOC、老化状態(ないしは出力能力)SOH、または他の状態パラメータ、並びに外部電圧、内部抵抗R、または任意の他の電気的バッテリーパラメータである。
本発明の第1実施形態によれば、第3のセル群で降下する第3の電圧(U2)を測定された第1の電圧(U1)と第2の電圧(Ug)から計算することができる。第3の電圧(U2)に対しては：U2 = Ug - U1である。この第3の電圧に基づいてさらに、別のバッテリーパラメータ、例えば第3のセル群の充電状態を計算することができる。
本発明の別の実施形態によれば、まず第1のセル群と第2のセル群の電圧U2，Ugが測定され、そこからそれぞれのバッテリーパラメータ、例えば充電状態が計算され、その後に第3のセル群に対するバッテリーパラメータの値が計算される。
第1と第2の電圧は有利には同じ基準電位、とりわけアースを有する。
バッテリーパラメータを検出するための本発明の装置は、第1のセル群ないしは第2のセル群で降下する電圧を測定するための電圧センサと、計算ユニットとを有する。この計算ユニットには、測定された電圧が供給され、そこから計算ユニットは第3のセル群の求めるバッテリーパラメータを計算する。電圧センサは有利には第1のセル群と第2のセル群に対して別個のセンサを有する。選択的に、第1のセル群と第2のセル群との間を切り替えることのできるただ1つの電圧センサを設けることもできる。
電圧センサは有利には分圧器を有し、この分圧器は測定電圧を所定の電圧領域に低減する。
電圧センサは有利にはA/D変換器を有し、このA/D変換器はアナログ電圧信号をサンプリングしてデジタル化する。
以下に、添付図面に基づいて本発明の実施例をより詳細に説明する。図面
図1は、本発明の実施形態によるバッテリー状態パラメータを検出する構成を概略的に示す。
図2は、バッテリー状態パラメータを検出するための方法の主要な方法ステップを示す。
図1は、バッテリーパラメータ、例えばバッテリー1の充電状態SOCを検出する構成を示す。ここでバッテリー1は直列に接続された2つの12Vアキュムレータ2a，2bを有し、これらはそれぞれ複数の個別セル1a〜1fないし1g〜1lからなる。
バッテリーパラメータを計算するために数学的バッテリーモデル7が設けられており、このバッテリーモデルは制御装置6にソフトウエアとして格納されている。モデル7は例えばアキュムレータ2a，2bまたはバッテリー全体1の充電状態SOCを、電流パルスに対する電圧U1，U2ないしUgのパルス応答から求めることができる。(回路の僅かな変更によって、個々のセル1a〜1lまたはセル群のバッテリーパラメータも検出することができる。)
さらにこの構成体は第1の電圧センサ4と第2の電圧センサ5を有する。第1の電圧センサ4は第1のアキュムレータ2aで降下する電圧U1を測定し、第2の電圧センサ5はバッテリー全体1で降下する電圧Ugを測定する。
アナログ測定値U1,UgはA/D変換器(図示せず)によってデジタル化され、制御装置6にデジタルで供給される。
バッテリー1を流れる電流1は電流センサ3によって測定される。温度測定のために1つまたは複数の温度センサ(図示せず)を設けることができる。
ここで制御装置6は、アースに関連するインタフェースだけを有する。従って制御装置6に、別の基準電位を有する電圧U2を供給するのは簡単ではない。それでもなお電圧U2、またはアキュムレータ2bに関する別のバッテリーパラメータを検出することができるようにするため、バッテリーモデル7は、電圧U2ないしはアキュムレータ2bのバッテリーパラメータが電圧U1とUgから計算されるように実現されている。電圧U2については、次の式が成り立つ：
U2 = Ug - U1
計算された電圧U2から電流パルスに対するパルス応答が、バッテリー電流1とバッテリー温度Tを考慮して評価され、これによりアキュムレータ2bの充電状態SOCまたは他のバッテリーパラメータ、例えば老化状態(SOH)または内部抵抗Riが計算される。
択一的に、第2のアキュムレータ2bのバッテリーパラメータ(SOC，SOH，Ri)をU2の計算なしで検出することもできる。すなわちバッテリーパラメータを、第1のアキュムレータ2aとバッテリー全体1の相応のパラメータから求めるのである。この場合、第1のアキュムレータ2aとバッテリー全体1の充電状態SOCがバッテリーモデル7によって求められ、そこから第2のアキュムレータ2bの充電状態SOCが計算される。この充電状態からさらに他のパラメータを計算することもできる。
図2は、第2のアキュムレータ2bの充電状態SOCを検出するための主要な方法ステップをフローチャートに示す。ここでまずステップ10で第1のアキュムレータ2aで降下する電圧U1とが測定され、ステップ11でバッテリー全体1で降下する電圧Ugがセンサ4，5によって測定され、制御装置6に供給される。次にバッテリーモデル7はステップ12で、第2のアキュムレータ2bで降下する電圧U2を計算し、そこからステップ13で第2のアキュムレータ2bの充電状態SOCを求める。
図1は、本発明の実施形態によるバッテリー状態パラメータを検出する構成を概略的に示す。 図2は、バッテリー状態パラメータを検出するための方法の主要な方法ステップを示す。
符号の説明
1 バッテリー全体
1a〜1l 個々のセル
2a、2b アキュムレータ
3 電流センサ
4 電圧センサ
5 電圧センサ
6 制御装置
7 数学的バッテリーモデル
10〜13 方法ステップ
U1 第1のアキュムレータ2aにおける電圧降下
U2 第2のアキュムレータ2bにおける電圧降下
Ug バッテリー全体の電圧降下
l バッテリー電流
T バッテリー温度
SOC 充電状態
SOH 出力能力
Ri 内部抵抗

Claims (10)

  1. 直列に接続された複数のセルを備えるバッテリーのバッテリーパラメータ(U2, SOC, Ri)の検出方法において、
    ・第1のセル群(2a)で降下する第1の電圧(U1)が測定され、
    ・前記第1のセル群(2a)と第3のセル群(2b)を有する第2のセル群(1)で降下する第2の電圧(Ug)が測定され、
    ・前記第3のセル群(2b)のバッテリーパラメータ(U2,SOC,Ri)が、前記測定された第1の電圧(U1)と第2の電圧(Ug)に基づいて計算される、ことを特徴とする方法。
  2. 請求項1記載の方法において、
    前記第3のセル群(2b)で降下する電圧(U2)が、前記測定された第1の電圧(U1)と第2の電圧(Ug)から計算される、ことを特徴とする方法。
  3. 請求項1記載の方法において、
    前記第1の電圧(U1)に基づいて前記第1のセル群(2a)のバッテリーパラメータ（SOC, Ri）が計算され、前記第2の電圧(Ug)に基づいて前記第2のセル群(1)に対するバッテリーパラメータ（SOC, Ri）が計算され、前記2つの値に基づいて前記第3のセル群(2b)に対するバッテリーパラメータ（SOC, Ri）が計算される、ことを特徴とする方法。
  4. 請求項1から3までのいずれか一項記載の方法において、
    前記第1の電圧(U1)と第2の電圧(Ug)は同じ基準電位を有する、ことを特徴とする方法。
  5. 請求項4記載の方法において、
    前記基準電位はアースである、ことを特徴とする方法。
  6. 請求項1から5までのいずれか一項記載の方法において、
    充電状態が計算される、ことを特徴とする方法。
  7. 直列に接続された複数のセル(1a〜1l)を備えるバッテリーのバッテリーパラメータ(U2, SOC, Ri)の検出装置において、
    ・第1のセル群(2a)で降下する第1の電圧(U1)を測定する第1の電圧センサ(4)と、
    ・前記第1のセル群(2a)と第3のセル群(2b)を有する第2のセル群(1)で降下する第2の電圧(Ug)を測定する第2の電圧センサ(5)と、
    ・前記測定された2つの電圧(U1,Ug)が供給される計算ユニット(7)とを有し、
    該計算ユニットは、前記第3のセル群(2b)のバッテリーパラメータ(U2,SOC,Ri)を前記2つの電圧(U1,Ug)に基づいて計算する、ことを特徴とする装置。
  8. 請求項7記載の装置において、
    前記第1と第2の電圧センサ(4，5)は分圧器を有する、ことを特徴とする装置。
  9. 請求項7または8記載の装置において、
    前記第1と第2の電圧センサ(4，5)はA/D変換器を有する、ことを特徴とする装置。
  10. 請求項7から9までのいずれか一項記載の装置において、
    前記計算ユニット(7)は充電状態(SOC)を計算する、ことを特徴とする装置。
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