JP2011017546A - 車両用鉛バッテリの劣化診断装置及び劣化診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】任意のタイミングで鉛バッテリの劣化を診断できるようにする。
【解決手段】ＥＣＵ５が、ＤＣＤＣコンバータ３から弱電系負荷２への電力供給を停止させてから鉛バッテリ２での分極が解消するまでの所定時間Ｘｓが経過した後に、電流センサ６により測定された鉛バッテリ２の放電電流Ａｎと電圧センサ７により測定されたバッテリ電圧Ｖｎとを読み込んで、このときのバッテリ電圧Ｖｎが放電電流Ａｎに応じて定まる判定閾値Ｖｓ以下となっている場合に鉛バッテリ２が劣化していると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の弱電系負荷の電源として用いられる鉛バッテリの劣化を診断する劣化診断装置及び劣化診断方法に関する。

従来、車両用鉛バッテリの劣化を診断する劣化診断装置として、エンジンのクランキング時における鉛バッテリの瞬低電圧を測定し、このクランキング時の瞬低電圧が所定の閾値以下となっている場合に、鉛バッテリが劣化していると判定するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−１２７２０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の劣化診断装置では、エンジンのクランキング時における鉛バッテリの瞬低電圧を閾値と比較して鉛バッテリの劣化を判定する構成となっているため、エンジン始動時でなければ診断を行うことができないという問題があった。

本発明は、上記の問題点を解消すべく創案されたものであって、任意のタイミングで鉛バッテリの劣化を診断することが可能な車両用鉛バッテリの劣化診断装置及び劣化診断方法を提供することを目的としている。

本発明は、弱電系負荷に対して電力供給可能に接続された電力供給部から弱電系負荷への電力供給を停止して、この電力供給停止時から鉛バッテリでの分極が解消するまでの所定時間が経過した後に鉛バッテリの放電電流及びバッテリ電圧を測定し、バッテリ電圧が放電電流に応じて定まる判定閾値以下となっている場合に、鉛バッテリが劣化していると判定する。

本発明によれば、エンジンのクランキング時における鉛バッテリの瞬低電圧によらず、分極が解消した状態での放電電流及びバッテリ電圧に基づいて鉛バッテリの劣化を判定するので、任意のタイミングで鉛バッテリの劣化診断を行うことができる。

第１の実施形態の電源システムの構成を示す図である。 鉛バッテリの大電流放電時における瞬低電圧が劣化度と比例関係にあることを説明する図である。 放電電流に応じて瞬低電圧と劣化度との関係が変化することを説明する図である。 劣化が生じた鉛バッテリと新品で劣化のない鉛バッテリとに対して周期的に一定電流で充放電を繰り返したときのそれぞれのバッテリ電圧の変化を対比して示すグラフ図である。 鉛バッテリの劣化診断を行う際にＥＣＵが実行する一連の処理の流れを示すフローチャートである。 第２の実施形態の電源システムの構成を示す図である。 第３の実施形態の電源システムの構成を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、一般的なハイブリッド車の弱電系の電源システムに対して本発明を適用した場合の構成を示している。
この電源システムは、車両の弱電系負荷１の電源となる鉛バッテリ２を備える。また、弱電系負荷１及び鉛バッテリ２に対してＤＣＤＣコンバータ３が接続されている。ＤＣＤＣコンバータ３は、車両駆動用電源であるリチウムイオンバッテリ４からの高電圧を弱電圧に電圧変換し、弱電系負荷１や鉛バッテリ２に電力供給する。すなわち、この電源システムでは、弱電系負荷１に対して鉛バッテリ２とＤＣＤＣコンバータ３の双方から電力供給が可能となっており、また、鉛バッテリ２の充電状態が低下した場合には、ＤＣＤＣコンバータ３からの電力で鉛バッテリ２を充電できるようになっている。なお、車両駆動用電源は高出力のバッテリであればよく、リチウムイオンバッテリ４以外にも、例えばニッケル水素バッテリを用いることができる。

また、この電源システムには、リチウムイオンバッテリ４の状態に応じてＤＣＤＣコンバータ３の動作を制御する機能を持つ電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略称する。）５が設けられている。このＥＣＵ５には、鉛バッテリ２の放電電流を測定する電流センサ６及びバッテリ電圧を測定する電圧センサ７が接続されており、これら電流センサ６及び電圧センサ７の測定値がＥＣＵ５に入力されるようになっている。本実施形態では、これら電流センサ６及び電圧センサ７の測定値を用いて鉛バッテリ２の劣化を診断する機能を、ＥＣＵ５に持たせている。なお、ＥＣＵ５の作動電源は、鉛バッテリ２又はＤＣＤＣコンバータ３となる。

ここで、鉛バッテリ２の劣化度と放電電流及びバッテリ電圧との関係について、図２及び図３を用いて説明する。

鉛バッテリ２が放電を開始した直後は、バッテリ電圧が瞬間的に低下する（この放電開始直後に瞬間的に低下したバッテリ電圧の電圧値を瞬低電圧と呼ぶ。）。ここで、例えば、スタータに電力供給してエンジンのクランキングを行う場合のような大電流放電時には、鉛バッテリ２の劣化度合いが大きいほど瞬低電圧が低い値となることが一般的に知られている。すなわち、鉛バッテリ２の劣化度として劣化Ａ＜劣化Ｂ＜劣化Ｃの関係にある３つの劣化度を考えた場合、大電流放電時には、図２に示すように、劣化Ａの鉛バッテリ２の瞬低電圧Ｖａと、劣化Ｂの鉛バッテリ２の瞬低電圧Ｖｂと、劣化Ｃの鉛バッテリ２の瞬低電圧をＶｃとがＶａ＞Ｖｂ＞Ｖｃの関係となり、鉛バッテリ２の劣化度と瞬低電圧が比例関係にあることが知られている。

しかしながら、鉛バッテリ２の放電電流が小さい領域では、鉛バッテリ２の分極の影響によって、図３に示すように、劣化Ａの鉛バッテリ２の瞬低電圧Ｖａ’と、劣化Ｂの鉛バッテリ２の瞬低電圧Ｖｂ’と、劣化Ｃの鉛バッテリ２の瞬低電圧をＶｃ’とがＶａ’＞Ｖｂ’＞Ｖｃ’の関係とならない場合があり、鉛バッテリ２の劣化度と瞬低電圧が比例関係になるとは限らない。このため、鉛バッテリ２の瞬低電圧を測定して劣化度を判定する場合は、判定のタイミングがエンジン始動時のような大電流放電時に限られていた。

そこで、本実施形態では、ＥＣＵ５が、鉛バッテリ２が放電を開始してから分極が解消されるまでの所定時間が経過した後の放電電流及びバッテリ電圧に基づいて鉛バッテリ２の劣化を診断することで、任意のタイミングで鉛バッテリ２の劣化診断を行えるようにしている。具体的には、ＥＣＵ５は、いずれかの弱電系負荷１が作動している状態でＤＣＤＣコンバータ３から弱電系負荷１への電力供給を停止させることで、鉛バッテリ２の放電を開始させる。そして、ＤＣＤＣコンバータ３の電力供給停止から所定時間経過した後に、電流センサ６により測定された鉛バッテリ２の放電電流及び電圧センサ７により測定されたバッテリ電圧を読み込み、読み込んだバッテリ電圧の値が、読み込んだ放電電流に応じて定まる判定閾値以下となっている場合に、鉛バッテリ２が劣化していると判定する。

図４は、劣化が生じた鉛バッテリ２と新品で劣化のない鉛バッテリ２とに対して、周期的（２０秒毎）に一定電流で充放電を繰り返したときのそれぞれのバッテリ電圧の変化を示すグラフ図である。なお、図中の実線のグラフが劣化が生じた鉛バッテリ２のバッテリ電圧の変化を示し、破線のグラフが劣化のない鉛バッテリ２のバッテリ電圧の変化を示している。

図４に示すように、鉛バッテリ２の放電開始時Ｔ１の直後は、劣化が生じている鉛バッテリ２と劣化のない鉛バッテリ２の双方でバッテリ電圧が急激に低下している。この放電開始直後のバッテリ電圧の低下の度合いは、鉛バッテリ２の分極の影響を受けているため、鉛バッテリ２の劣化度に対応したものとはなっていない。しかしながら、放電開始時Ｔ１から所定時間（例えば５秒）が経過したＴ２のタイミングでは、分極の影響が解消されることによってバッテリ電圧が鉛バッテリ２の劣化度を反映したものとなり、劣化が生じた鉛バッテリ２のバッテリ電圧が、劣化のない鉛バッテリ２のバッテリ電圧に比べて十分に低い値となっている。したがって、時刻Ｔ２以降のタイミングで測定したバッテリ電圧を劣化の判定閾値と比較することで、放電電流の大きさに関わらず、鉛バッテリ２の劣化診断が可能となる。なお、バッテリ電圧の値はそのときの放電電流の大きさに依存するので、劣化の判定閾値は、バッテリ電圧と同時に測定した放電電流に応じて定めるようにする。つまり、放電電流が大きいほど判定閾値を下げるようにすればよい。

図５は、本実施形態の電源システムにおいて鉛バッテリ２の劣化診断を行う際にＥＣＵ５が実行する一連の処理の流れを示すフローチャートである。この図５に示す劣化診断は、何れかの弱電系負荷１が作動している任意のタイミングで実行することができ、例えば、弱電系負荷１の動作が不安定となっていることが検出された場合や、車両乗員のスイッチ操作などにより診断開始の指示入力がなされた場合などに実行可能である。

図５のフローが開始されると、ＥＣＵ５は、まずステップＳ１０１において、ＤＣＤＣコンバータ３から弱電系負荷１への電力供給を停止させることで、鉛バッテリ２の放電を開始させるとともに、所定時間Ｘｓを計測するためのタイマカウントをスタートする。ＤＣＤＣコンバータ３から弱電系負荷１への電力供給の停止は、例えば、ＤＣＤＣコンバータ３の変換電圧を下げることで実現してもよいし、ＤＣＤＣコンバータ３の出力側にスイッチを設け、このスイッチを一時的にオフすることで実現するようにしてもよい。また、所定時間Ｘｓは鉛バッテリ２の放電開始から分極の影響が解消されるのに十分な時間に設定すればよく、予め実験などによって最適な時間（例えば５秒）を求めておけばよい。

その後、ＥＣＵ５は、ステップＳ１０２において、ＤＣＤＣコンバータ３の電力供給停止から所定時間Ｘｓが経過するまで待機し、所定時間Ｘｓが経過した段階（ステップＳ１０２でＹＥＳの判定）で、ステップＳ１０３に処理を移行する。

次に、ＥＣＵ５は、ステップＳ１０３において、現時点（ＤＣＤＣコンバータ３の電力供給停止から所定時間Ｘｓ経過後）で電流センサ６により測定された鉛バッテリ２の放電電流Ａｎと、電圧センサ７により測定された鉛バッテリ２のバッテリ電圧Ｖｎとを読み込む。

次に、ＥＣＵ５は、ステップＳ１０４において、ＤＣＤＣコンバータ３から弱電系負荷１への電力供給を再開させる。なお、このＤＣＤＣコンバータ３の電力供給再開は、鉛バッテリ２の放電電流及びバッテリ電圧を測定した後であれば、どのタイミングで行うようにしてもよい。

次に、ＥＣＵ５は、ステップＳ１０５において、ステップＳ１０３で読み込んだ放電電流に応じて、鉛バッテリ２の劣化を判定するための判定閾値Ｖｓを設定する。なお、放電電流ごとの判定閾値Ｖｓは、予め実験等によって最適な値を求めておき、ＥＣＵ５の内部メモリなどに記憶させておけばよい。

次に、ＥＣＵ５は、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０３で読み込んだバッテリ電圧ＶｎとステップＳ１０５で設定した判定閾値Ｖｓとを比較して、バッテリ電圧Ｖｎが判定閾値Ｖｓ以下となっているかどうかを判定する。そして、バッテリ電圧Ｖｎが判定閾値Ｖｓ以下の場合に、ステップＳ１０７において、鉛バッテリ２を保護するフェールセーフ制御を実行する。ここでのフェールセーフ制御は、例えば、ＤＣＤＣコンバータ３の変換電圧を上げることにより鉛バッテリ２から弱電系負荷１への放電を制限するといった制御となる。また、警告音の出力などにより鉛バッテリ２の劣化を車両乗員に報知して、バッテリ交換を促すようにしてもよい。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の電源システムでは、ＥＣＵ５が、ＤＣＤＣコンバータ３から弱電系負荷２への電力供給を停止させてから鉛バッテリ２での分極が解消するまでの所定時間Ｘｓが経過した後に、電流センサ６により測定された鉛バッテリ２の放電電流Ａｎと電圧センサ７により測定されたバッテリ電圧Ｖｎとを読み込んで、このときのバッテリ電圧Ｖｎが放電電流Ａｎに応じて定まる判定閾値Ｖｓ以下となっている場合に鉛バッテリ２が劣化していると判定するようにしている。したがって、本実施形態の電源システムによれば、例えばスタータに電力供給してエンジンのクランキングを行うエンジン始動時のように鉛バッテリ２から大電流が放電されるタイミング以外であっても鉛バッテリ２に劣化が生じているか否かを適切に判定することができ、任意のタイミングで鉛バッテリ２の劣化診断を行うことができる。

また、本実施形態の電源システムでは、ＥＣＵ５が、鉛バッテリ２が劣化していると判定したときに、鉛バッテリ２から弱電系負荷１への放電を制限するフェールセーフ制御を実行するようにしているので、鉛バッテリ２のバッテリ上がりや弱電系負荷１の電力失陥を未然に防止することが可能となる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態として、エンジン始動車の弱電系の電源システムに対して本発明を適用した例を説明する。

本実施形態の電源システムの構成を図６に示す。本実施形態の電源システムでは、ＤＣＤＣコンバータ３の代わりにエンジンの駆動により発電するオルタネータ８を用い、このオルタネータ８に対して弱電系負荷１と鉛バッテリ２とを並列に接続している。つまり、この電源システムでは、弱電系負荷１に対して鉛バッテリ２とオルタネータ８の双方から電力供給が可能となっており、また、鉛バッテリ２の充電状態が低下した場合には、オルタネータ８の発電電力で鉛バッテリ２を充電できるようになっている。その他の構成は、第１の実施形態と共通である。

本実施形態における鉛バッテリ２の劣化診断は、以下のように行われる。
まず、いずれかの弱電系負荷１が作動している状態で、ＥＣＵ５がオルタネータ８から弱電系負荷１への電力供給を停止させることで、鉛バッテリ２の放電を開始させる。そして、ＥＣＵ５は、第１の実施形態と同様に、オルタネータ８の電力供給停止から鉛バッテリ２の分極が解消されるまでの所定時間Ｘｓが経過した後に、電流センサ６により測定された鉛バッテリ２の放電電流Ａｎと電圧センサ７により測定されたバッテリ電圧Ｖｎとを読み込み、バッテリ電圧Ｖｎの値が、放電電流Ａｎに応じて定まる判定閾値Ｖｓ以下となっている場合に、鉛バッテリ２が劣化していると判定してフェール制御を実行する。

以上のように、本実施形態の電源システムでは、ＥＣＵ５が、オルタネータ８から弱電系負荷２への電力供給を停止させてから鉛バッテリ２での分極が解消するまでの所定時間Ｘｓが経過した後の放電電流Ａｎとバッテリ電圧Ｖｎとに基づいて鉛バッテリ２の劣化を判定するようにしているので、第１の実施形態と同様に、エンジン始動時のような大電流放電時に限らず、任意のタイミングで鉛バッテリ２の劣化診断を行うことができる。また、鉛バッテリ２が劣化していると判定したときにフェールセーフ制御を実行することで、鉛バッテリ２のバッテリ上がりや弱電系負荷１の電力失陥を未然に防止することが可能となる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態として、ハイブリッド車の回生電力を利用する弱電系の電源システムに対して本発明を適用した例を説明する。

本実施形態の電源システムの構成を図７に示す。本実施形態の電源システムでは、ＤＣＤＣコンバータ３やオルタネータ８の代わりに車輪の回転により発電する回生モータ９を用い、この回生モータ９に対して弱電系負荷１と鉛バッテリ２とを並列に接続している。つまり、この電源システムでは、弱電系負荷１に対して鉛バッテリ２と回生モータ９の双方から電力供給が可能となっており、また、鉛バッテリ２の充電状態が低下した場合には、回生モータ９の発電電力で鉛バッテリ２を充電できるようになっている。その他の構成は、第１及び第２の実施形態と共通である。

本実施形態における鉛バッテリ２の劣化診断は、以下のように行われる。
まず、いずれかの弱電系負荷１が作動している状態で、ＥＣＵ５が回生モータ９から弱電系負荷１への電力供給を停止させることで、鉛バッテリ２の放電を開始させる。そして、ＥＣＵ５は、第１及び第２の実施形態と同様に、回生モータ９の電力供給停止から鉛バッテリ２の分極が解消されるまでの所定時間Ｘｓが経過した後に、電流センサ６により測定された鉛バッテリ２の放電電流Ａｎと電圧センサ７により測定されたバッテリ電圧Ｖｎとを読み込み、バッテリ電圧Ｖｎの値が、放電電流Ａｎに応じて定まる判定閾値Ｖｓ以下となっている場合に、鉛バッテリ２が劣化していると判定してフェール制御を実行する。

以上のように、本実施形態の電源システムでは、ＥＣＵ５が、回生モータ９から弱電系負荷２への電力供給を停止させてから鉛バッテリ２での分極が解消するまでの所定時間Ｘｓが経過した後の放電電流Ａｎとバッテリ電圧Ｖｎとに基づいて鉛バッテリ２の劣化を判定するようにしているので、第１及び第２の実施形態と同様に、エンジン始動時のような大電流放電時に限らず、任意のタイミングで鉛バッテリ２の劣化診断を行うことができる。また、鉛バッテリ２が劣化していると判定したときにフェールセーフ制御を実行することで、鉛バッテリ２のバッテリ上がりや弱電系負荷１の電力失陥を未然に防止することが可能となる。

以下、参考として、上述した各実施形態と特許請求の範囲の記載との対応関係を付記する。
上述した各実施形態の電源システムにおいて、電流センサ６及び電圧センサ７が、特許請求の範囲に記載の「電流測定手段」及び「電圧測定手段」に相当する。また、第１の実施形態の電源システムにおけるＤＣＤＣコンバータ３、第２の実施形態の電源システムにおけるオルタネータ８、第３の実施形態の電源システムにおける回生モータ９が、それぞれ特許請求の範囲に記載の「電力供給部」に相当する。また、図５に示した劣化診断の処理を実行するＥＣＵ５が、特許請求の範囲に記載の「判定手段」に相当する。また、特に図５のステップＳ１０７におけるフェールセーフ制御を実行するＥＣＵ５が、特許請求の範囲に記載の「放電制限手段」に相当する。

なお、上述した各実施形態は、本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲がこれらの実施形態として開示した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、上述した各実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

１ 弱電系負荷
２ 鉛バッテリ
３ ＤＣＤＣコンバータ
４ リチウムイオンバッテリ
５ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
６ 電流センサ
７ 電圧センサ
８ オルタネータ
９ 回生モータ

Claims (6)

1. 車両の弱電系負荷の電源として用いられる鉛バッテリの劣化を診断する劣化診断装置であって、
   前記鉛バッテリの放電電流を測定する電流測定手段と、
   前記鉛バッテリの出力電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記弱電系負荷に対して電力供給可能に接続された電力供給部と、
   前記電力供給部から前記弱電系負荷への電力供給を停止し、当該電力供給停止から前記鉛バッテリでの分極が解消するまでの所定時間が経過した後に前記電流測定手段で測定された放電電流及び前記電圧測定手段で測定されたバッテリ電圧を読み込んで、読み込んだバッテリ電圧が、読み込んだ放電電流に応じて定まる判定閾値以下となっている場合に、前記鉛バッテリが劣化していると判定する判定手段と、を備えることを特徴とする車両用鉛バッテリの劣化診断装置。
2. 前記電力供給部は、高電圧バッテリからの高電圧を弱電圧に電圧変換して前記弱電系負荷又は前記鉛バッテリに電力供給するＤＣＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１に記載の車両用鉛バッテリの劣化診断装置。
3. 前記電力供給部は、エンジンの駆動により発電するオルタネータであることを特徴とする請求項１に記載の車両用鉛バッテリの劣化診断装置。
4. 前記電力供給部は、車輪の回転により発電する回生モータであることを特徴とする請求項１に記載の車両用鉛バッテリの劣化診断装置。
5. 前記判定手段により前記鉛バッテリが劣化していると判定された場合に、前記鉛バッテリの放電を制限する放電制限手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の車両用鉛バッテリの劣化診断装置。
6. 車両の弱電系負荷の電源として用いられる鉛バッテリの劣化を診断する方法であって、
   前記弱電系負荷に対して電力供給可能に接続された電力供給部から前記弱電系負荷への電力供給を停止するステップと、
   前記電力供給部から前記弱電系負荷への電力供給を停止してから前記鉛バッテリでの分極が解消するまでの所定時間が経過した後に前記鉛バッテリの放電電流及びバッテリ電圧を測定するステップと、
   前記測定したバッテリ電圧が、前記測定した放電電流に応じて定まる判定閾値以下となっている場合に、前記鉛バッテリが劣化していると判定するステップと、を有することを特徴とする車両用鉛バッテリの劣化診断方法。

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