JP2010036718A - バッテリ劣化判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの内部抵抗を正確に演算し、バッテリの劣化状態の判定精度を向上させる。
【解決手段】クランキング時にバッテリの電圧Ｖ及び電流Ｉを複数回検出し、該検出毎に電圧Ｖ及び電流Ｉの相関係数γを演算する（Ｓ20）。該相関係数γが閾値Ｂ回以上連続して閾値Ａ未満となった場合に、バッテリが劣化状態であると判定する（Ｓ100）。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリ劣化判定装置に関し、特にバッテリの電圧及び電流に基づいて劣化状態を判定する技術に関する。

例えばアイドルストップ車両のようにエンジンの停止、始動が頻繁に行われる車両において、経年変化等によりバッテリが劣化すると、バッテリの残存容量が許容量より低下し易くなりエンジンの始動が困難になる虞がある。そこで、エンジン始動不能を未然に防止するために、バッテリが劣化している状態ではアイドルストップを禁止する必要がある。
バッテリはその劣化に伴い内部抵抗が増加する。したがって、内部抵抗を推定することで、バッテリの劣化状態を把握することが可能である。バッテリの内部抵抗を推定する方法としては、例えばクランキング時のように負荷を掛けた状態で電圧及び電流を検出し、これらの電圧及び電流から内部抵抗を演算する方法が一般的である。また、この演算精度を向上させるために、電圧及び電流のデータを複数回サンプリングして、近似直線を求めこの傾きから内部抵抗を演算する方法が知られている。更に、各電圧及び電流のデータについて相関係数を演算し、相関係数の低いデータを除いて内部抵抗を演算することで、電気的外乱による影響を低減させている（特許文献１）。
特許第３００９０２２号公報

しかしながら、バッテリが極端に劣化している場合には、クランキング時においてバッテリの電圧及び電流が大きく変化してしまう。したがって、相関係数の低下したデータが多くなるので、上記特許文献１のように相関係数が低下したデータを除いて内部抵抗を演算すると、データが不足して内部抵抗の演算精度が低下する虞がある。そして、この内部抵抗に基づいてバッテリの劣化状態を判定すると誤判定を招く虞がある。

本発明はこのような問題に鑑み発明されたものであって、バッテリの電圧及び電流から劣化状態を正確に判定できるバッテリ劣化判定装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、エンジンの始動用モータに電力を供給するバッテリの電圧及び電流を検出する検出手段と、検出手段により電圧及び電流を複数回検出し、該検出毎に電圧及び電流の相関係数を演算する相関係数演算部と、前記始動用モータの作動時に相関係数演算部により演算された相関係数が所定回数以上連続して所定値以下となった場合に、バッテリが劣化状態であると判定する第１の劣化判定手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１において、検出手段により検出した複数組の電圧及び電流に基づいてバッテリの内部抵抗を演算する内部抵抗演算手段と、内部抵抗演算手段により演算した内部抵抗に基づいてバッテリが劣化状態であるか否かを判定する第２の劣化判定手段と、を更に備えたことを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項２において、内部抵抗演算手段は、相関係数演算部において演算した相関係数が所定値以下である場合に、該所定値以下の相関係数に対応する電圧及び電流を除いて内部抵抗を演算することを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、エンジンは、アイドルストップ車両の走行用エンジンであって、少なくとも第１の劣化判定手段によりバッテリが劣化状態であると判定された場合に、アイドルストップを規制する規制手段を更に備えたことを特徴とする。

本発明の請求項１のバッテリ劣化判定装置によれば、エンジン始動時に複数組の電圧及び電流のデータについて相関係数を演算し、相関係数の低い値が所定回数以上連続して所定値以下となった場合にバッテリが劣化状態であると判定するので、バッテリの電圧及び電流のばらつきが大きくバッテリの内部抵抗の演算精度が確保できないような場合でも、バッテリの電圧及び電流から正確に劣化判定を行うことができる。

また、本発明の請求項２のバッテリ劣化判定装置によれば、電圧及び電流の複数組のデータからバッテリの内部抵抗を演算し、この内部抵抗に基づいてもバッテリの劣化状態を判定するので、劣化判定の精度を向上させることができる。
また、本発明の請求項３のバッテリ劣化判定装置によれば、電圧及び電流について相関係数が低下したデータを除いて内部抵抗が演算されるので、電気的外乱による影響を排除した内部抵抗の演算が可能となり、劣化判定の精度を更に向上させることができる。

また、本発明の請求項４のバッテリ劣化判定装置によれば、バッテリが劣化していると判定された場合にアイドルストップが規制されるので、エンジンの再始動不能を回避することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る車両のバッテリ充電部の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態のバッテリ劣化判定装置を採用する車両には、エンジン１、オルタネータ２及びバッテリ３が備えられている。オルタネータ２は、エンジン１により駆動されて発電し、図示しないヘッドランプ等の電気機器４に対して電力を供給するとともに、バッテリ３に電力を供給して充電する。

バッテリ３の端子間には、バッテリ３の電圧を測定する電圧センサ１０（検出手段）が設けられている。オルタネータ２とバッテリ３の端子とを繋ぐ線路には、バッテリ３の入出力電流を検出する電流センサ１１（検出手段）が設けられている。また、バッテリ３には、バッテリ３の温度を検出する温度センサ１２が設けられている。
車両には、バッテリ３の劣化状態を判定するバッテリ管理ユニット２０が設けられている。バッテリ管理ユニット２０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）及びカウンタを含んで構成され、電圧センサ１０、電流センサ１１及び温度センサ１２からの検出情報を入力する。

また、バッテリ管理ユニット２０は、エンジン全般の制御を行う車両制御ユニット２１とＣＡＮ通信により情報伝達可能に接続されており、車両のキースイッチ信号等の情報を入力し、バッテリ３の劣化判定信号を車両制御ユニット２１に出力する。
車両制御ユニット２１には、アイドルストップ制御部が備えられている。該アイドルストップ制御部は、所定の停止条件、例えばキースイッチ、アイドルスイッチ及びブレーキスイッチがオン、車速が所定車速以下ならびにエンジン回転速度が所定回転数以下である場合に、エンジン１の燃料噴射弁からの燃料噴射を停止してエンジン運転を停止させる。また、アイドルストップ制御部は、上記エンジン運転の停止後に、所定の始動条件、例えばアクセルペダルの踏み込みによりアイドルスイッチがオフ又はブレーキ操作解除によりブレーキスイッチがオフとなった場合に、図示しないスタータモータを作動させてエンジン１を再始動する。

そして、車両制御ユニット２１は、バッテリ管理ユニット２０からのバッテリ劣化判定信号が入力したときには、アイドルストップ制御部によるエンジン運転の停止を規制する（規制手段）。
図２は、バッテリ管理ユニット２０におけるバッテリの劣化判定要領を示すフローチャートである。本ルーチンは、キースイッチオン時に繰り返し実行される。

先ず、図２に示すように、ステップＳ１０では、エンジン始動中であるか否か、詳しくは、クランキング中であるか否かを判定する。エンジン始動中である場合は、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、内部抵抗値Ｒ及び相関係数γを演算する。内部抵抗Ｒは、電圧センサ１０から入力したバッテリ４の電圧Ｖと、電流センサ１１から入力した電流Ｉとにより、Ｒ＝Ｖ/Ｉを計算して求められる。更に、内部抵抗値Ｒは、温度センサ１２から入力したバッテリ３の温度に基づいて補正される。

相関係数γは、クランキング開始から入力した全ての電圧Ｖ（k＝１、、、ｎ）及び電流Ｉ（k＝１、、、ｎ）から、次式（１）により求められる（相関係数演算部）。

ただし、ｎはクランキング開始からのサンプリング数、即ち、クランキング開始からの本相関関数の演算回数でもある。そして、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０では、ステップＳ２０において演算した相関係数γが閾値Ａ以上であるか否かを判別する。閾値Ａは、バッテリ３が劣化状態である場合の相関係数をあらかじめ実験等により確認して設定すればよい。相関係数γが閾値Ａ以上である場合は、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、カウンタＮ＝０にリセットする。そして、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、クランキング開始からそれまでに演算した内部抵抗Ｒtに、ステップＳ２０において演算した内部抵抗値Ｒを加えて、内部抵抗Ｒtを更新する。詳しくは、クランキング開始以降に、相関係数が閾値Ａ以上であると判定された全てのバッテリ３の電圧Ｖ及び電流Ｉについて、最小２乗法により近似直線を求め、その勾配から内部抵抗Ｒtを求める（内部抵抗演算手段）。そして、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、ステップＳ５０において演算した内部抵抗Ｒtが閾値Ｃ以下であるか否かを判別する。閾値Ｃは、始動に必要なバッテリ３の容量に相当する内部抵抗にすればよい。内部抵抗Ｒtが閾値Ｃ以下である場合は、ステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、バッテリ３が正常であると判定する。そして、本ルーチンを終了する。

ステップ３０において相関係数γが閾値Ａ未満であると判定した場合は、ステップＳ８０に進む。
ステップＳ８０では、カウンタＮ＝Ｎ＋１にする。そして、ステップＳ９０に進む。
ステップ９０では、カウンタＮが閾値Ｂ以上であるか否かを判別する。カウンタＮが閾値Ｂ以上である場合は、ステップＳ１００に進む。閾値Ｂは、外乱等による相関係数の変動が排除されるように適宜設定すればよい。

また、ステップＳ６０において内部抵抗Ｉが閾値Ｃより大きいと判定した場合は、ステップＳ１００に進む。
ステップＳ１００では、バッテリ３が劣化状態であると判定する（ステップＳ６０からの判定は第２の劣化手段、ステップＳ９０からの判定は第１の劣化判定手段に該当する）。そして本ルーチンを終了する。

ステップＳ１０において、エンジン始動中でないと判定した場合、またはステップＳ９０においてカウンタＮが閾値Ｂ未満であると判定した場合は、ステップＳ６０に進む。
以上の制御により、本実施形態では、エンジン１の始動時、詳しくはクランキング時において、電圧センサ１０からバッテリ４の電圧Ｖと、電流センサ１１から電流Ｉとを入力してバッテリ４の内部抵抗値Ｒを求める。電圧Ｖ及び電流Ｉの計測は複数回行われ、これら複数のデータから最小２乗法により内部抵抗Ｒｔが決定される。各電圧Ｖ及び電流Ｉについて、相関係数が演算され、相関係数の低いデータは内部抵抗Ｒｔの演算用データから除かれる。したがって、例えばクランキング時にオルタネータ２が発電したり、電動パワーステアリングが作動したりして電気負荷が変動してバッテリ３の電圧に影響を及ぼしても、そのときのデータが除かれるので、内部抵抗Ｒｔの演算精度を向上させることができる。したがって、電気的外乱によるバッテリ劣化の誤判定を防止することができる。

図３は、内部抵抗値Ｒと相関係数γのデータの一例を示すグラフである。図３に示すように、電気的外乱（例えばオルタネータ２の作動）のない状態では、相関係数γが高い値を維持している（図中ａ群）。これに対し、電気的外乱等によりバッテリの電圧Ｖが一時的に変動したデータは、相関係数が著しく低下する（図中ｂ）。したがって、相関係数が閾値Ａより低いデータを除くことで、内部抵抗Ｒの変動データを除くことができる。

図４は、エンジン始動時における電流Ｉと電圧Ｖのデータの一例を示すグラフであり、クランキング中に電気的外乱（オルタネータ２の作動）のある場合のデータを含んでいる。
図４に示すように、オルタネータ非作動時における電流Ｉと電圧Ｖとの関係は略直線上に集まっている（ａ群）。オルタネータ２が作動した場合には、電圧Ｖが上昇するので、この直線上から大きく逸脱してしまう(ｂ群)。したがって、オルタネータ非作動時のみのデータ（ａ群）から最小２乗法により求めた傾きと、オルタネータ作動時及び非作動時の両方のデータ（ａ群＋ｂ群）を含んだデータで最小２乗法により求めた傾きとは異なってしまう。オルタネータ非作動時のみのデータから求めた傾きが、外乱の影響を排除した真のバッテリの内部抵抗であり、本実施形態では、相関係数γが閾値Ａより低いデータを除くことで、オルタネータ２が作動した場合のデータを除いた真のバッテリ３の内部抵抗Ｒｔを演算することができる。

そして、本実施形態では、バッテリ３の内部抵抗Ｒｔが閾値Ｃより大きい場合にはバッテリが劣化していると判定する。このように、本実施形態では、バッテリ３の内部抵抗Ｒｔに基づいてバッテリ３の劣化状態の判定を可能としている。
特に、本実施形態では、相関係数γが閾値Ａより低下したデータが閾値Ｂ回以上続いた場合には、バッテリが劣化状態であると判定する。これにより、例えば経年変化による劣化のように、徐々に内部抵抗が低下しているような場合でも、バッテリの劣化を正確に判定することができる。

図５は、バッテリ３の劣化度合と相関係数γとの関係を示すグラフである。図５に示すように、バッテリ３が所定以上劣化すると、相関係数γが低下する傾向にある。これは、バッテリ３が劣化するとバッテリ３の充電可能容量が低下し、クランキング時においてバッテリ３の電圧Ｖ及び電流Ｉの変動が大きくなる傾向になるためと考えられる。本実施形態では、これを利用して上記のようにバッテリ３の電圧Ｖ及び電流Ｉの相関関数γの低下に基づいてバッテリ３の劣化を判定可能としている。

以上のように、本実施形態ではバッテリ３の電圧Ｖ及び電流Ｉの相関係数γを演算することで、電気的外乱により電圧Ｖ及び電流Ｉの変動があった場合にバッテリ劣化の誤判定を防止できるだけでなく、外乱のない場合でも相関係数γの演算を利用してバッテリ劣化判定の精度を向上させることができる。
なお、本実施形態では、バッテリ３の劣化判定をアイドルストップ制御におけるエンジン運転停止の規制に利用しているが、本願発明はこれに限定するものではなく、運転者への警告等他の用途への利用も可能である。また、本願発明は、車両に搭載されたバッテリだけではなく、バッテリの劣化判定に広く利用できるものである。

本発明に係る車両のバッテリ充電部の概略構成図である。 バッテリ管理ユニットにおけるバッテリの劣化判定要領を示すフローチャートである。 内部抵抗値と相関係数のデータの一例を示すグラフである。 エンジン始動時における電流と電圧のデータの一例を示すグラフである。 バッテリの劣化度合と相関係数との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ エンジン
２ オルタネータ
３ バッテリ
１０ 電圧センサ
１１ 電流センサ
２０ バッテリ管理ユニット

Claims (4)

1. エンジンの始動用モータに電力を供給するバッテリの電圧及び電流を検出する検出手段と、
   前記検出手段により電圧及び電流を複数回検出し、該検出毎に前記電圧及び電流の相関係数を演算する相関係数演算部と、
   前記始動用モータの作動時に前記相関係数演算部により演算された相関係数が所定回数以上連続して所定値より低下した場合に、前記バッテリが劣化状態であると判定する第１の劣化判定手段と、
   を備えたことを特徴とするバッテリ劣化判定装置。
2. 前記検出手段により検出した複数組の電圧及び電流に基づいて前記バッテリの内部抵抗を演算する内部抵抗演算手段と、
   前記内部抵抗演算手段により演算した前記内部抵抗に基づいて前記バッテリが劣化状態であるか否かを判定する第２の劣化判定手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ劣化判定装置。
3. 前記内部抵抗演算手段は、前記相関係数演算部において演算した相関係数が所定値以下である場合に、該所定値以下の相関係数に対応する前記電圧及び電流を除いて前記内部抵抗を演算することを特徴とする請求項２に記載のバッテリ劣化判定装置。
4. 前記エンジンは、アイドルストップ車両の走行用エンジンであって、
   少なくとも前記第１の劣化判定手段により前記バッテリが劣化状態であると判定された場合に、アイドルストップを規制する規制手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバッテリ劣化判定装置。

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