JP2014074588A - 二次電池状態検知装置および二次電池状態検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の電力を消耗させることなく、二次電池の状態を正確に検知することが可能な二次電池状態検知装置を提供することを提供すること。
【解決手段】車両に搭載された二次電池の状態を検知する二次電池状態検知装置１において、二次電池１４の端子に接続されたスイッチ１５ａ，１５ｂをスイッチングすることにより二次電池に蓄積された電力を放電させる放電手段（放電回路１５）と、放電手段によって放電がなされているときの電圧および電流に基づいて二次電池の状態を検知する検知手段（制御部１０）と、車両にユーザが接近してから、車両の原動機が始動されるまでの期間に、放電手段と検知手段を制御して二次電池の状態を検知する制御を行う制御手段（制御部１０）と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池状態検知装置および二次電池状態検知方法に関するものである。

特許文献１には、二次電池に所定の周波数の交流電流を出力させ、そのときの二次電池のインピーダンスを測定することで、二次電池の状態（寿命）を検知する技術が開示されている。

特開平０４−１９８７８３号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、インピーダンスを測定してから時間が経過すると、その間に二次電池の状態が変化することから、測定結果が誤差を有することになる。そこで、従来においては、短いインターバル（例えば、１時間）で測定することで、誤差の少ない直近の状態を検知するようにしているが、このような方法では、二次電池が頻繁に放電されてしまうため、蓄積されている電力が消費されるという問題点がある。そこで、長いインターバル（例えば、６時間）で測定することで、電力の消費を抑えることができるが、その場合、前述のように、測定から時間が経過したときには、検知結果が誤差を有するという問題点がある。

そこで、本発明は、二次電池の電力を消耗させることなく、二次電池の状態を正確に検知することが可能な二次電池状態検知装置および二次電池状態検知方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、車両に搭載された二次電池の状態を検知する二次電池状態検知装置において、前記二次電池の端子に接続されたスイッチをスイッチングすることにより前記二次電池に蓄積された電力を放電させる放電手段と、前記放電手段によって放電がなされているときの電圧および電流に基づいて前記二次電池の状態を検知する検知手段と、前記車両にユーザが接近してから、前記車両の原動機が始動されるまでの期間に、前記放電手段と前記検知手段を制御して前記二次電池の状態を検知する制御を行う制御手段と、を有することを特徴とする。
このような構成によれば、二次電池の電力を消耗させることなく、二次電池の状態を正確に検知することが可能になる。

また、本発明の一側面は、前記制御手段は、前記二次電池の充電率が所定の範囲以外の場合には、前記車両にユーザが接近してから、前記車両の原動機が始動されるまでの期間であっても、前記二次電池の状態の検知を実行しないことを特徴とする。
このような構成によれば、誤差が大きい範囲を除外することにより、正確に状態を検知することができる。

また、本発明の一側面は、前記制御手段は、前記二次電池から負荷に流れる電流が所定量増加した場合に、前記放電手段と前記検知手段を制御して前記二次電池の状態を検知する制御を行うことを特徴とする。
このような構成によれば、ユーザが接近し、負荷に電流が流れた場合に、二次電池の状態を検知することができる。

また、本発明の一側面は、前記制御手段は、前記車両のドアを施錠または解錠するためのアクチュエータに電流が流れた場合に電流が所定量増加したとして、前記放電手段と前記検知手段を制御して前記二次電池の状態を検知する制御を行うことを特徴とする。
このような構成によれば、ユーザが接近してドアが解錠されたことを検出して、二次電池の状態を検知することができる。

また、本発明の一側面は、前記制御手段は、前記ユーザが有する前記車両のドアを解錠または施錠するための鍵から送信される信号を受信して認証に成功した場合に、前記放電手段と前記検知手段を制御して前記二次電池の状態を検知する制御を行うことを特徴とする。
このような構成によれば、正当なユーザが車両に接近した時点で、二次電池の状態を検知することができる。

また、本発明の一側面は、前記検知手段によって検知された前記二次電池の状態を、前記二次電池の状態に応じて補正する補正手段を有することを特徴とする。
このような構成によれば、補正によって二次電池の状態をより正確に検知することが可能になる。

また、本発明は、車両に搭載された二次電池の状態を検知する二次電池状態検知方法において、前記二次電池の端子に接続されたスイッチをスイッチングすることにより前記二次電池に蓄積された電力を放電させる放電ステップと、前記放電ステップによって放電がなされているときの電圧および電流に基づいて前記二次電池の状態を検知する検知ステップと、前記車両にユーザが接近してから、前記車両の原動機が始動されるまでの期間に、前記放電ステップと前記検知ステップを制御して前記二次電池の状態を検知する制御を行う制御ステップと、を有することを特徴とする。
このような方法によれば、二次電池の電力を消耗させることなく、二次電池の状態を正確に検知することが可能になる。

本発明によれば、二次電池の電力を消耗させることなく、二次電池の状態を正確に検知することが可能な二次電池状態検知装置および二次電池状態検知方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る二次電池状態検知装置の構成例を示す図である。 図１に示す放電回路の詳細な構成例を示す図である。 二次電池のＳＯＣと内部インピーダンスとの関係を示す図である。 本発明の実施形態において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）実施形態の構成の説明
図１は、本発明の実施形態に係る二次電池状態検知装置を有する車両の電源系統を示す図である。この図において、二次電池状態検知装置１は、制御部１０、電圧センサ１１、電流センサ１２、温度センサ１３、および、放電回路１５を主要な構成要素としており、二次電池１４の状態を検知する。ここで、制御部１０は、放電回路１５を制御するとともに、電圧センサ１１、電流センサ１２、および、温度センサ１３からの出力を参照し、二次電池１４の状態を検知する。また、制御部１０は、ＩＧ（Ignition）信号、ドア信号、および、通信信号を入力し、これらの信号に基づいて、二次電池１４の状態検知処理を実行する。

電圧センサ１１は、二次電池１４の端子電圧を検知し、制御部１０に通知する。電流センサ１２は、二次電池１４に流れる電流を検知し、制御部１０に通知する。温度センサ１３は、二次電池１４自体または周囲の環境温度を検知し、制御部１０に通知する。放電回路１５は、後述するように、２つのスイッチと、抵抗素子が直列接続されて構成され、制御部１０によってこれらのスイッチがオン／オフ制御されることにより二次電池１４を間欠的に放電させる。制御部１０は、間欠的な放電が実行されている際の電圧と電流から二次電池１４の内部インピーダンスを求め、求めた内部インピーダンスに基づいて二次電池１４の状態を検知する。

二次電池１４は、例えば、正極（陽極板）に二酸化鉛、負極（陰極板）に海綿状の鉛、電解液として希硫酸を用いた液式鉛蓄電池等によって構成され、オルタネータ１６によって充電され、スタータモータ１８を駆動してエンジン１７を始動するとともに、負荷１９に電力を供給する。なお、鉛蓄電池以外の二次電池（ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等）を使用してもよい。オルタネータ１６は、エンジン１７によって駆動され、交流電力を発生して整流回路によって直流電力に変換し、二次電池１４を充電する。

エンジン１７は、例えば、原動機であるガソリンエンジンおよびディーゼルエンジン等のレシプロエンジンまたはロータリーエンジン等によって構成され、スタータモータ１８によって始動され、トランスミッションを介して駆動輪を駆動し車両に推進力を与えるとともに、オルタネータ１６を駆動して電力を発生させる。スタータモータ１８は、例えば、直流電動機によって構成され、二次電池１４から供給される電力によって回転力を発生し、エンジン１７を始動する。負荷１９は、例えば、電動ステアリングモータ、デフォッガ、イグニッションコイル、カーオーディオ、および、カーナビゲーション等によって構成され、二次電池１４からの電力によって動作する。

図２は、図１に示す放電回路の構成例を示す図である。この図に示すように、放電回路１５は、２つのスイッチ１５ａ，１５ｂ、および、抵抗素子１５ｃが直列接続されて構成されている。ここで、スイッチ１５ａ，１５ｂは、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチまたはリレー等の電磁スイッチによって構成され、制御部１０の端子Ｂ，Ｃから供給される制御信号に応じオンまたはオフの状態となる。抵抗素子１５ｃは、スイッチ１５ａ，１５ｂがともにオンの状態になった場合に、二次電池１４から所定の放電電流を流す。抵抗素子１２ａは、電流センサ１２を構成し、流れた電流に対応する電圧を発生して制御部１０の端子Ｄ，Ｅに供給する。抵抗素子１２ａの一端および端子Ｅは接地されている。この抵抗素子１２ａに生じる電圧を検出することで、抵抗素子１２ａに流れる電流を知ることができる。なお、制御部１０は端子Ａ，Ｄに印加される電圧を検出することで、二次電池１４の電圧を検出する電圧センサ１１として動作する。

（Ｂ）実施形態の動作の説明
つぎに、本実施形態の動作について説明する。以下では本実施形態の動作の概略を説明した後、図３，４を参照して動作の詳細を説明する。

本実施形態では、車両が停車され、例えば、負荷１９がスリープモード（負荷１９に流れる電流を減少させ、二次電池１４の消耗を抑える動作モード）に遷移した状態において、ユーザが車両に接近してから、スタータモータ１８によってエンジン１７が始動されるまでの期間に、放電回路１５によってパルス放電を行って二次電池１４の状態を検知する。

例えば、ユーザが会社から帰宅して自宅の駐車場に車両を駐車し、翌朝出社する際に、車両のドアの鍵を解錠（または施錠）するための無線通信機能を有する鍵を所持するユーザが車両に接近すると、鍵から送信された電波が車両側で受信され、正当なユーザであることが認証されると（例えば、鍵から送信されたＩＤ（Identification）と、車両側に記憶されているＩＤが一致すると）ドアが解錠される。

制御部１０は、鍵を所持するユーザの接近をトリガとして、車両側で発生する種々の状態変化のいずれかを検出する。状態変化としては、例えば、鍵との間の認証の成功、認証の成功による解錠を示す信号の発生、解錠を示す信号によるアクチュエータの動作、アクチュエータの動作による電流の変化、室内灯の点灯、解錠後にドアがユーザによって開かれたこと、ユーザが座席に着座したこと、イグニッションキーがオンの状態にされたこと等を状態変化として検出することができる。もちろん、正確を期すために、これらのいずれかではなく、複数の組み合わせでもよい。なお、イグニッションキーが始動位置まで回転されて、スタータモータ１８が回転を開始した場合には、非常に大きな電流が二次電池１４からスタータモータ１８に流れるため、この状態では二次電池１４の内部インピーダンスを正確に測定できない。このため、内部インピーダンスの測定は、スタータモータ１８が回転されるまでの期間に実行される。

制御部１０が車両の上述したような状態変化のいずれかを検出すると、制御部１０は、まず、二次電池１４の充電率（ＳＯＣ：State of Charge）が所定の範囲内か否かを判定し、所定の範囲内でない場合には内部インピーダンスの測定を実行しない。

図３は、ＳＯＣと内部インピーダンスの関係を示す図である。黒丸は、各ＳＯＣ値における内部インピーダンス値を示している。この図に示すように、実線の楕円で囲んでいる領域では、内部インピーダンスの値が急激に変化している。より具体的には、ＳＯＣが２０％未満の場合と、ＳＯＣが１００％に近い状態（満充電に近い状態）では、内部インピーダンスが急激に変化する。このため、このような領域で内部インピーダンスを測定すると、正確な値を得ることができないことから、二次電池１４の状態を正確に検知できない。なお、図３に示す特性は、二次電池のサイズ、容量、経年変化、および、環境温度等によって、グラフのオフセット値（縦軸において黒丸がプロットされる位置）は変化するものの、グラフ自体の形状は略同様となる。このため、二次電池のサイズ等によらず、同じ基準で判定することができる。そこで、本実施形態では、ＳＯＣが２０％未満の場合と、ＳＯＣが１００％に近い状態では、内部インピーダンスの測定は実行しない。もちろん、正確を期すために、例えば、３０％未満または２５％の場合を除外するようにしてもよい。

制御部１０は、ＳＯＣが２０％未満でも１００％近い状態のいずれでもない場合には、放電回路１５のスイッチ１５ａをオンの状態にした後、スイッチ１５ｂを間欠的にオン／オフさせることで、二次電池１４を間欠的に放電させる。このとき、抵抗素子１２ａの両端における電圧降下により放電電流を検出することができる。また、電圧センサ１１によって二次電池１４の電圧を検出することができる。

制御部１０は、パルス放電を実行している際の二次電池１４の電圧および電流を検出し、二次電池１４の内部インピーダンスを求める。そして、求めた内部インピーダンスに対して、二次電池１４の成層化を考慮した補正（成層化補正）、二次電池１４の分極を考慮した補正（分極補正）、および、負荷１９の暗電流を考慮した補正（暗電流補正）、および、温度センサ１３によって検出された温度による補正を施す。そして、補正後の内部インピーダンスに基づいて、二次電池１４の状態（例えば、ＳＯＣ（State of Charge）やＳＯＨ（State of Health））を算出する。

このようにして検知された二次電池１４の状態は、例えば、図示しない上位の制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）に伝えられる。制御ＥＣＵでは、このようにして検知されたＳＯＣに基づいて、オルタネータ１６の発電電圧を制御するとともに、ＳＯＣが所定の範囲に入るように二次電池１４を充電制御する。また、制御ＥＣＵは、検知されたＳＯＨに基づいて、二次電池１４の交換時期が近づいている場合には、ユーザに対して、交換を促す表示等を行う。

以上に説明したように、本実施形態では、ユーザが車両に接近してから、エンジン１７が始動されるまでの期間に、二次電池１４の状態を検知するようにした。このため、ユーザが車両を使用する直前に二次電池１４の状態を検知するので、最新の情報に基づいて、オルタネータ１６を制御したり、最新の情報に基づいてＳＯＨを推定し、交換時期を正確に通知したりすることができる。また、エンジン１７を始動する直前に１回だけ検知を行うようにしたので、二次電池１４の消耗を防ぐことができる。

つぎに、図４を参照して、本実施形態の詳細な動作について説明する。図４は、図１に示す制御部１０において実行される処理の流れを説明するための図である。このフローチャートの処理が開始されると、以下のステップが実行される。

ステップＳ１では、制御部１０は、通信機能を有する鍵との間で認証に成功したか否かを判定し、認証に成功した場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）にはステップＳ２に進み、それ以外の場合（ステップＳ１：Ｎｏ）には同様の処理を繰り返す。例えば、通信機能を有する鍵を所持するユーザが、停車している車両に接近し、通信可能エリア内に立ち入った場合には、鍵と車両の通信部との間で認証処理が実行され、正当なユーザであると認証された場合には、認証に成功した（Ｙｅｓ）と判定し、ステップＳ２に進む。

なお、認証に成功した場合ではなく、鍵と車両の間で通信が確立した場合を判定基準とすることも可能であるが、その場合には、同じ種類の車両の鍵を持った他のユーザが接近した場合でも通信が確立するので、認証が成立することを判定基準とする方がより望ましい。

ステップＳ２では、制御部１０は、充電率（ＳＯＣ）が所定の範囲内か否かを判定し、所定の範囲内である場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）にはステップＳ３に進み、それ以外の場合（ステップＳ２：Ｎｏ）には処理を終了する。例えば、ＳＯＣが２０％以上、かつ、満充電（略１００％）でない場合には、ＳＯＣが所定の範囲内であるとしてステップＳ３に進み、２０％未満または満充電（略１００％）の場合には処理を終了する。

ステップＳ３では、制御部１０は、スイッチ１５ａをオンの状態にするとともに、スイッチ１５ｂを間欠的にオン／オフし、そのときの電流の変化を抵抗素子１２ａの電圧降下により検出するとともに、電圧センサ１１によって電圧を検出する。

ステップＳ４では、制御部１０は、測定処理を継続するか否かを判定し、測定を継続する場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）にはステップＳ３に戻って同様の処理を繰り返し、それ以外の場合（ステップＳ４：Ｎｏ）にはステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、制御部１０は、ステップＳ３において測定した二次電池１４の電流値および電圧値に基づいて二次電池１４の内部インピーダンスを算出する。

ステップＳ６では、制御部１０は、ステップＳ５において求めた内部インピーダンスの値に対して、二次電池１４の成層化を考慮した補正である成層化補正、二次電池１４の分極を考慮した補正である分極補正、負荷１９の暗電流を考慮した補正である暗電流補正、および、温度センサ１３によって検出された温度による補正である温度補正を実行する。これらの補正により、成層化等の影響を受けない内部インピーダンスの値を得ることができる。

ステップＳ７では、制御部１０は、ステップＳ６で補正した内部インピーダンスの値に基づいて、二次電池１４の状態であるＳＯＣおよびＳＯＨを検知する。

ステップＳ８では、制御部１０は、ステップＳ７で求めた二次電池１４の状態を各部に通知する。具体的には、制御部１０は、上位の装置であるＥＣＵに対してステップＳ７で検知したＳＯＣおよびＳＯＨの値を通知する。ＥＣＵは、通知されたＳＯＣに基づいてオルタネータ１６が発生する電圧を制御してＳＯＣが所望の範囲に収まるように充電制御を行うとともに、ＳＯＨが所定の値以下になっている場合には二次電池１４の交換の必要があることをユーザに通知する。

以上の処理によれば、通信機能を有する鍵を所持したユーザが車両に接近し、鍵と車両の間で認証に成功した場合に、二次電池１４の内部インピーダンスの測定処理が実行される。このため、ユーザが車両を使用する直前に、１回の測定により二次電池１４の最新の状態を検知することができるので、二次電池１４の電力の消費を少なくするとともに、状態を正確に検知することができる。これにより、正確なＳＯＣの値に基づいてオルタネータ１６を制御することから、不要な充電の機会を減らすことで、燃費を改善することができる。また、正確なＳＯＨの値に基づいて、二次電池１４の交換を促すことができるので、二次電池１４の劣化によってエンジン１７が始動できなくなったりすることを確実に防止できる。

（Ｃ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、放電回路１５を制御部１０とは独立した構成としたが、これらを一体構成としてもよい。

また、以上の実施形態では、２つのスイッチ１５ａ，１５ｂを設けるようにしたが、１つのスイッチによって放電を行うようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、ＳＯＣが２０％未満の場合に検知を実行しないようにしたが、例えば、３０％未満の場合に実行しないようにすることは勿論、「２５％」未満の場合や２０％「以下」の場合に実行しないようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、図４の処理において、鍵の認証に成功した場合に、二次電池１４の状態検知処理を実行するようにしたが、鍵を所持するユーザの接近をトリガとして、車両側で発生する種々の状態変化のいずれかを検出して検知処理を実行することができる。なお、状態変化としては、前述したように、鍵との間の認証の成功、認証の成功による解錠を示す信号の発生、解錠を示す信号によるアクチュエータの動作、アクチュエータの動作による電流の変化、室内灯の点灯、解錠後にドアがユーザによって開かれたこと、ユーザが座席に着座したこと、ＩＧ信号に基づいてイグニッションキーがオンの状態にされたこと等を状態変化として検出することができる。また、これらの状態変化を検出したことを伝える、上位ユニットからの通信信号に基づいて状態検知処理を実行するようにしてもよい。もちろん、これらのいずれかを検出した場合のみならず、複数の組み合わせによって検知処理を実行するようにしてもよい。

なお、本明細書中において、「車両にユーザが接近してから、車両の原動機が始動されるまでの期間」とは、前述のように鍵の接近を自動的に認証する鍵の場合には、鍵を所持するユーザが車両に接近してからエンジン１７が始動されるまでの期間をいう。また、接近することで自動的に認証される鍵ではなく、操作部が操作されることにより信号が送信されてドアの鍵が施錠または解錠される鍵の場合には、操作部が操作されてからエンジン１７が始動されるまでの期間をいう。さらに、通信機能を有しない鍵であって、鍵穴に鍵を挿入して手動で解錠する場合には、鍵穴に鍵が挿入されてからエンジン１７が始動されるまでの期間をいう。

また、以上の実施形態では、図２に示すように、抵抗素子１２ａはグランド側に配置するようにしたが、例えば、二次電池１４の正極端子側に配置するようにしてもよい。また、スイッチ１５ａ，１５ｂおよび抵抗素子１５ｃの接続については、図２以外の接続方法、例えば、スイッチ１５ａ，１５ｂを直接接続し、それに対して抵抗素子１５ｃを直列に接続するようにしてもよい。

１ 二次電池状態検知装置
１０ 制御部（検知手段、判定手段、補正手段）
１１ 電圧センサ
１２ 電流センサ
１３ 温度センサ
１４ 二次電池
１５ 放電回路（放電手段）
１６ オルタネータ
１７ エンジン
１８ スタータモータ
１９ 負荷

Claims (7)

1. 車両に搭載された二次電池の状態を検知する二次電池状態検知装置において、
   前記二次電池の端子に接続されたスイッチをスイッチングすることにより前記二次電池に蓄積された電力を放電させる放電手段と、
   前記放電手段によって放電がなされているときの電圧および電流に基づいて前記二次電池の状態を検知する検知手段と、
   前記車両にユーザが接近してから、前記車両の原動機が始動されるまでの期間に、前記放電手段と前記検知手段を制御して前記二次電池の状態を検知する制御を行う制御手段と、
   を有することを特徴とする二次電池状態検知装置。
2. 前記制御手段は、前記二次電池の充電率が所定の範囲以外の場合には、前記車両にユーザが接近してから、前記車両の原動機が始動されるまでの期間であっても、前記二次電池の状態の検知を実行しないことを特徴とする請求項１に記載の二次電池状態検知装置。
3. 前記制御手段は、前記二次電池から負荷に流れる電流が所定量増加した場合に、前記放電手段と前記検知手段を制御して前記二次電池の状態を検知する制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池状態検知装置。
4. 前記制御手段は、前記車両のドアを施錠または解錠するためのアクチュエータに電流が流れた場合に電流が所定量増加したとして、前記放電手段と前記検知手段を制御して前記二次電池の状態を検知する制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の二次電池状態検知装置。
5. 前記制御手段は、前記ユーザが有する前記車両のドアを解錠または施錠するための鍵から送信される信号を受信して認証に成功した場合に、前記放電手段と前記検知手段を制御して前記二次電池の状態を検知する制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池状態検知装置。
6. 前記検知手段によって検知された前記二次電池の状態を、前記二次電池の状態に応じて補正する補正手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の二次電池状態検知装置。
7. 車両に搭載された二次電池の状態を検知する二次電池状態検知方法において、
   前記二次電池の端子に接続されたスイッチをスイッチングすることにより前記二次電池に蓄積された電力を放電させる放電ステップと、
   前記放電ステップによって放電がなされているときの電圧および電流に基づいて前記二次電池の状態を検知する検知ステップと、
   前記車両にユーザが接近してから、前記車両の原動機が始動されるまでの期間に、前記放電ステップと前記検知ステップを制御して前記二次電池の状態を検知する制御を行う制御ステップと、
   を有することを特徴とする二次電池状態検知方法。

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