JP3695175B2

JP3695175B2 - 車両用二次電池の満充電判定装置

Info

Publication number: JP3695175B2
Application number: JP29540998A
Authority: JP
Inventors: 克英菊地; 中村　　勉; 吉則岡崎; 孝紀守屋
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: JP2000123886A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用二次電池の満充電判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、車両用バッテリの満充電判定装置としては、バッテリの充電時にて、その満充電時付近で、端子電圧が上昇する現象を利用して、端子電圧の上昇を検出しその上昇電圧を所定の閾値と比較して満充電状態を判定するものがある。
【０００３】
しかし、車両の走行中においては、放電特性や充電特性が変化する履歴現象が発生する。このため、必ずしも、バッテリの満充電状態と、その対応端子電圧とが一致しない。よって、バッテリの満充電状態を正確に検出できなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、バッテリ内では、充電電流の流入直後、若しくは負荷電流の放電直後には、バッテリ内に生じる分極により、電圧変化（以下、電圧変化ΔＶという）が発生する。
具体的には、バッテリ内に分極が生じていない状態では、端子電圧Ｖと充電電流Ｉと間には、数１の式の関係を有するけれど、分極が生じている状態では、数１の式に示す関係が成り立たず、数２の式にて示す電圧変化ΔＶが生じることになる。
【０００５】
【数１】
Ｖ＝Ｅ＋Ｉ・Ｒ
但し、符号Ｅはバッテリの起電力を示し、符号Ｒはバッテリの内部抵抗を示す。
【０００６】
【数２】
ΔＶ＝Ｖ−Ｅ−Ｉ・Ｒ
そこで、本発明者等は、分極による電圧変化ΔＶに着目して、この電圧変化ΔＶに関して調査してみると、電圧変化ΔＶは、バッテリを充電することにより増大する一方、この電圧変化ΔＶは、バッテリを放電することにより減少する現象（以下、電圧変化増減現象という）があることが分かった。
【０００７】
この電圧変化増減現象の原因を調べてみると、電圧変化ΔＶが電極表面での濃度変化に応じて生じ、当該濃度変化が分極の一要因である電解液の拡散層の発生に応じて生じることによることが分かった。
特に、十分に短い時間における電解液の濃度変化は、電極表面での電池反応に基づき生じる。このため、十分に短い時間での濃度変化は、電池反応に寄与した電気量、ひいては、電池反応に寄与した電流を積算することにより見積もることができると考えられる。
【０００８】
また、電圧変化ΔＶに関する調査によれば、電圧変化ΔＶは、バッテリを充放電をせずに放置すると、電圧変化ΔＶは次第に減少し、値としては０になる現象があることが分かった。
このように、時間の経過でもって、電圧変化ΔＶが減少する現象が生じるのは、電極表面での電解液の一時的な濃度変化が、時間の経過でもって、拡散し、電極表面での電解液の濃度が、バッテリの電池漕内の平均濃度に落ちつくからである。
【０００９】
そこで、発明者等は、上述した電圧変化ΔＶの減少過程を詳細に調査するため、実験で、充電状態８０％の鉛蓄電池に、振幅１０Ａ、波長６０sec の矩形波の１波長分の電流を充電し、その時の鉛蓄電池の端子電圧を測定したところ図４に示すタイミングチャートが得られた。
ここで、図４では、図示左側縦軸は端子電圧（Ｖ）を示し、図示右側縦軸は電流（Ｉ）を示し、符号Ａは当該鉛蓄電池に充電した電流を示し、符号Ｂは鉛蓄電池の端子電圧を示す。
【００１０】
そして、本発明者等は、図４のタイミングチャートを参照し、符号Ｂにて示す端子電圧が指数関数的に減少することに着目して、電圧変化ΔＶの減少過程は、数３の式でもってほぼ近似できることを見出した（図４にて符号ＶＢ参照）。
【００１１】
【数３】
ＶＢ＝Ｌ×ｅｘｐ｛−（ｔ−ｔ0 ）／ｔｄ｝＋Ｍ
但し、符号Ｌ及び符号Ｍは定数を示し、符号ｔ0 は電圧変化ΔＶの減少の開始時間を示し、符号ｔｄは電圧変化ΔＶの減少過程の時定数を示す。
上述の如く、電圧変化ΔＶの減少過程は数３にて示す指数関数で見積もられ、上記電圧変化増減現象は電流積算で見積もられる。
【００１２】
これにより、分極の大きさを示す値（以下、分極指標Ｐという）を数４の式でもって定義できることを見出した。
【００１３】
【数４】

【００１４】
但し、符号Ｐ０は時刻ｔ１直前の分極指標を示す。そして、符号ｔは時間を示し、符号ａ［１／sec ］は定数を示す。そこで、実際に車両に搭載されたバッテリにつき、その非満充電時にて、端子電圧及び充電電流を交互に複数回サンプリングして、このサンプリングによる各サンプリングデータでもって、数２及び数４の両式に基づき電圧変化ΔＶ及び分極指標Ｐを算出した。
【００１５】
なお、電圧変化ΔＶは、数２の式の電圧Ｖに端子電圧のサンプリングデータを代入すると共に、数２の式の電圧Ｉに充電電流のサンプリングデータを代入して算出される。そして、分極指標Ｐは、数４の式の充電電流Ｉに充電電流のサンプリングデータを代入し算出される。そして、電圧変化ΔＶ及び分極指標Ｐの関係を調べるため、横軸を電圧変化ΔＶとし、縦軸を分極指標Ｐとする座標とした場合、図５に図示するように、互いに対応する電圧変化ΔＶ及び分極指標Ｐに基づく多数のプロット点が得られた。
【００１６】
一方、上記バッテリの満充電時にて、上述した非満充電時の場合と実質的に同様に、端子電圧及び充放電電流の双方を複数回サンプリングし、これによる各サンプリングデータでもって、電圧変化ΔＶ及び分極指標Ｐを算出した。そして、上述した非満充電時の場合と実質的に同様に、横軸を電圧変化ΔＶとし、縦軸を分極指標Ｐとする座標とした場合、図６に図示するように、互いに対応する電圧変化ΔＶ及び分極指標Ｐに基づく多数のプロット点が得られた。
【００１７】
そこで、図５の各プロット点に基づき、最小二乗法でもって、非満充電時における電圧変化ΔＶ及び分極指標Ｐの双方の関係を一次近似した回帰直線（図５にて図示符号Ｃ１参照）に変換しその勾配（以下、勾配Ｋ１という）を算出した。これと共に、図６の各プロット点に基づき、満充電時における電圧変化ΔＶ及び分極指標Ｐの双方の関係を一次近似した回帰直線（図６にて図示符号Ｃ２参照）に変換しその勾配（以下、勾配Ｋ２という）を算出した。
【００１８】
これにより、バッテリの満充電時の勾配Ｋ２は、その非満充電時の勾配Ｋ１よりも大きく、両勾配Ｋ１、Ｋ２の比較判定でもってバッテリの満充電時を判定できることが分かった。そこで、本発明は、このようなことに鑑みて、二次電池内に生じる分極に着目して、履歴現象による影響とは係わりなく、満充電状態を判定する車両用二次電池の満充電判定装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、車両に搭載された二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段（４０）と、二次電池の端子電圧を検出する電圧検出手段（５０）と、電圧検出手段によって検出された複数の端子電圧と電流検出手段によって検出された複数の電流とに基づき、二次電池内に生じる分極による電圧変化と分極の大きさを示す分極指標との関係を示す一次直線の勾配を算出する勾配算出手段（１５０）と、勾配算出手段の算出勾配が、予め定められた二次電池の満充電状態の電圧変化と分極指標との関係を示す一次直線の勾配より大きいか否かを判定する判定手段（１７０）とを備える。なお、分極の大きさを示す分極指標は、数４の式でもって定義される値を意味する。
【００２０】
このように、判定手段は、勾配算出手段による算出勾配と予め定められた満充電状態の電圧変化と分極指標との関係を示す一次直線の勾配との比較判定に応じて、二次電池の満充電状態を判定するため、履歴現象の影響とは係わりなく、精度良く満充電状態の判定をし得る。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す一実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る車両用バッテリＢを充電制御するための充電制御システムの一例を示す。当該バッテリＢは、二次電池の一種である鉛蓄電池である。
当該充電制御システムは、図１に示すように、オルタネータ１０、整流器２０及びレギュレータ３０を備えている。オルタネータ１０は、レギュレータ３０による制御のもと、当該車両のエンジンの駆動に応じて発電する。
【００２２】
整流器２０は、オルタネータ１０からの発電出力を受けて、整流出力を発生する。これにより、オルタネータ１０はその発電による電気エネルギーを整流器２０を通して負荷Ｌ或いはバッテリＢに供給することになる。
レギュレータ３０は、整流器２０からの整流電圧及び後述するマイクロコンピュータからの信号に応じて、ロータコイルＲ（図１参照）に流す電流量を制御する。
【００２３】
具体的には、レギュレータ３０は、基準電圧（以下、基準電圧Ｄという）と整流器２０からの整流電圧との比較に応じて、ロータコイルＲ（図１参照）に流す電流量を制御する。これにより、オルタネータ１０からの発電電圧が調整されることになる。また、マイクロコンピュータからの信号は、レギュレータ３０の基準電圧Ｄの値を補正する役割を果たす。
【００２４】
充電制御システムは、電流計４０、電圧計５０、マイクロコンピュータ６０及び不揮発性メモリ７０を備えている。電流計４０はバッテリＢの充放電電流を検出し、電圧計５０はバッテリＢの端子電圧を検出する。
マイクロコンピュータ６０は、図２及び図３にて示すフローチャートに従い、コンピュータプログラムを実行し、このマイクロコンピュータ６０は、コンピュータプログラムを実行中にて、電流計４０からの検出電流、電圧計５０からの検出電圧及び不揮発性メモリ８０のデータに応じてバッテリＢの満充電判定処理、その他の処理を行う。
【００２５】
このように構成した実施形態の作動について説明する。マイクロコンピュータ６０は、イグニッションスイッチのオンにて、図２及び図３に示すフローチャートに従い、コンピュータプログラムを開始する。ステップ１００で、先回算出したバッテリＢの充電状態のデータが不揮発性メモリ７０から呼び出され、先回の充電状態（以下、充電状態ＳＯＣ0 という）として、マイクロコンピュータ６０のＲＡＭに記憶される。なお、当該充電状態（残存容量）は満充電状態を１００％としたバッテリＢの充電状態の割合（％）である。
【００２６】
そして、ステップ１１０で、電流計４０からの検出電流に基づきサンプリングがなされ、このサンプリングによるサンプリングデータ（以下、サンプリングデータＳ１という）がマイクロコンピュータ６０のＲＡＭに記憶される、
これと共に、電圧計５０からの検出電圧に基づきサンプリングがなされ、このサンプリングによるサンプリングデータ（以下、サンプリングデータＳ２という）がマイクロコンピュータ６０のＲＡＭに記憶される。。
【００２７】
ついで、ステップ１２０で、各サンプリングデータＳ１に基づき、電流積算でもって、バッテリＢの充電状態（以下、充電状態ＳＯＣという）が算出される。
具体的には、数５の式でもって充電状態ＳＯＣが算出される。
【００２８】
【数５】
ＳＯＣ＝ＳＯＣ0 ＋｛１００／［容量］｝・Ｉ・Δｔ
但し、符号ＳＯＣ0 は充電状態の先回値を意味する。そして、［容量］はバッテリの定格容量（Ａ・sec ）を示し、符号Ｉは電流、すなわちサンプリングデータＳ１を意味し、符号Δｔはサンプリング間隔（sec)を示す。
【００２９】
そして、ステップ１３０で、各サンプリングデータＳ１、Ｓ２に基づき、電圧変化ΔＶが、数２の式でもって、算出される。
具体的には、数２の式にて示す電圧ＶにサンプリングデータＳ２が代入されると共に、数２の式にて示す電流ＩにサンプリングデータＳ１が代入されて電圧変化ΔＶが算出される。なお、数２の式にて示す起電力Ｅ及び内部抵抗Ｒの両データはマイクロコンピュータ６０のＲＯＭに予め記憶されている。
【００３０】
ついで、算出された電圧変化ΔＶのデータがマイクロコンピュータ６０のＲＡＭに記憶される。そして、分極指標Ｐのデータが、数４の式に示す電流ＩにサンプリングデータＳ１が代入されて算出される。なお、数４に示す定数ａのデータはマイクロコンピュータ６０のＲＯＭに予め記憶されている。
【００３１】
ついで、算出された分極指標Ｐのデータがマイクロコンピュータ６０のＲＡＭに記憶される。
しかして、ステップ１４０で、マイクロコンピュータ６０のＲＡＭに記憶された、分極指標Ｐ（或いは電圧変化ΔＶ）のデータ個数（以下、データ個数Ｍという）と閾値（以下、閾値Ｋという）との比較判定がなされる。当該閾値Ｋは、後述するステップ１５０の処理での最小二乗法の信頼性を確保するための最小限度のデータ個数である。
【００３２】
そこで、ステップ１４０で、データ個数Ｍ＞閾値Ｋであるならば、ＹＥＳと判定される。
すると、ステップ１５０で、ステップ１３０での処理で算出された各分極指標Ｐの各データ及び各電圧変化ΔＶの各データに基づき、最小二乗法でもって、分極指標Ｐ及び電圧変化ΔＶの関係を示す回帰直線の勾配（以下、勾配Ｋ３という）が、算出される。そして、この勾配Ｋ３のデータがマイクロコンピュータ６０のＲＡＭに記憶される。
【００３３】
そして、ステップ１６０で、各サンプリングデータＳ１、Ｓ２、各分極指標Ｐ及び電圧変化ΔＶの各データが、マイクロコンピュータ６０のＲＡＭから先に記憶された順に一個づつ消去される。しかして、ステップ１７０で、勾配Ｋ３と、閾値（以下、閾値Ｎという）との比較判定がなされる。当該閾値Ｎは、最小二乗法でもって、満充電状態時における分極指標Ｐ及び電圧変化ΔＶに関係を示す回帰直線の勾配のデータを意味する。なお、閾値Ｎのデータは、マイクロコンピュータ６０のＲＯＭに予め記憶されている。また、閾値Ｎのデータは、図５にて図示回帰直線Ｃ２の勾配Ｋ２のデータに相当する。
【００３４】
そこで、ステップ１７０で、勾配Ｋ３＞閾値Ｎであるならば、バッテリＢが満充電状態であるとＹＥＳとの判定されて、ステップ１８０で、マイクロコンピュータ６０のＲＡＭに記憶された充電状態ＳＯＣが満充電状態、すなわち１００％に修正される。ついで、ステップ１９０で、当該満充電状態に応じたレギュレータ３０の制御処理がなされる。
【００３５】
ここで、マイクロコンピュータ６０は、当該満充電状態を示す信号をレギュレータ３０に出力する。レギュレータ３０の基準値Ｄは、当該信号に応じて補正される。このように補正された基準値Ｄに応じて、レギュレータ３０は、ロータコイルＲに流す電流を少なくする。この結果、オルタネータ１０からの発電電圧は下がる。
【００３６】
また、ステップ１７０で、勾配Ｋ３≦閾値Ｎであるならば、非満充電状態であるとＮＯとの判定されて、ステップ１９０で、ステップ１２０の処理での充電状態ＳＯＣに応じて、レギュレータ３０の制御処理がなされる。
ここで、マイクロコンピュータ６０は上記充電状態ＳＯＣを示す信号をレギュレータ３０に出力する。レギュレータ３０の基準値Ｄは、当該信号に応じて補正される。このように補正された基準値Ｄに応じて、レギュレータ３０は、ロータコイルＲに流す電流を多くする。この結果、オルタネータ１０からの発電電圧は上がる。
【００３７】
その後、ステップ２１０で、充電状態ＳＯＣが不揮発性メモリ７０に記憶され、充電状態ＳＯＣ0 の値が充電状態ＳＯＣの値で置き換えられる。
具体的には、ステップ１４０或いはステップ１７０での判定処理で、ＮＯとの判定された場合には、ステップ１２０での処理で算出された充電状態ＳＯＣのデータが不揮発性メモリ７０に記憶される。
【００３８】
なお、ステップ１７０での判定処理で、満充電状態であるとＹＥＳとの判定された場合には、上述の如く、ステップ１８０の処理で、充電状態ＳＯＣが満充電状態を示すデータに修正されているため、満充電状態を示すデータが不揮発性メモリ７０に記憶される。そして、ステップ２２０で、イグニッションスイッチ（以下、スイッチＳＷという）がオンであるか否かが判定されて、スイッチＳＷがオンであるならばＹＥＳとの判定がなされ、ステップ１１０の処理がなされる。
【００３９】
以上説明した如く、各サンプリングデータＳ１と各サンプリングデータＳ２とに基づき、電圧変化ΔＶと分極指標Ｐとの関係を示す回帰直線の勾配Ｋ３が算出される。そして、当該回帰直線の勾配Ｋ３と、満充電状態における電圧変化ΔＶと分極指標Ｐとの関係を示す回帰直線の勾配（閾値Ｎ）との比較判定でもって、満充電状態が判定される。このため、履歴現象の影響とは係わりなく、正確な満充電状態の判定をし得る。
【００４０】
また、上述の如く、判定された満充電状態を示す信号がマイクロコンピュータ６０でもってレギュレータ３０に出力されると、当該信号に応じてレギュレータ３０が制御されるため、オルタネータ１０の発電出力が少なくなる。この結果、バッテリＢへの充電電流が少なくなるため、バッテリＢの過充電を精度よく防ぐことができる。この結果、バッテリＢの寿命を延ばすことができる。
【００４１】
また、上述の如く、勾配Ｋ３と閾値Ｎとの判定に応じてバッテリＢの満充電状態の判定がなされれば、その後の処理にて、この満充電状態が初期値として、数５の式に基づき電流積算でもって充電容量が算出される。よって、数５の式に基づく充電容量の算出の精度が向上する。なお、本実施形態によれば、上述の如く、充電状態が電流積分でもって算出される。この算出充電状態に応じてレギュレータ３０が制御されており、この制御に応じてオルタネータ１０の発電出力が調整される。この結果、例えば、充電状態の低い場合でも、応答性良く充電されるため、不意のバッテリ上がりを未然に防ぐことができる。
【００４２】
なお、本発明にあたり、バッテリＢのケースの表面に温度センサを装着して、この温度センサの検出温度に応じて、勾配Ｋ３、バッテリＢの起電力Ｅ、内部抵抗Ｒ及び定数ａ（数４の式参照）の各データを、各々、換えて各ステップの処理を行うようにしてもよい。これは、勾配Ｋ３、バッテリＢの起電力Ｅ、内部抵抗Ｒ及び定数ａは、各々、バッテリＢの温度により値が変動するからである。
【００４３】
この場合、勾配Ｋ３、バッテリＢの起電力Ｅ、内部抵抗Ｒ及び定数ａを、各々、各温度毎の複数のデータをマイクロコンピュータ６０のＲＯＭに予め記憶しておき、マイクロコンピュータ６０は、温度センサからの検出温度に応じて各データを選択して各ステップの処理を実行する。
これにより、上記実施形態に比較してより一層、精度良くバッテリＢの満充電状態の判定をするこができる。
【００４４】
なお、本発明にあたり、バッテリＢの起電力Ｅ及び内部抵抗Ｒをステップ１２０での充電状態ＳＯＣに応じて換えて各ステップの処理を行うようにしてもよい。これは、起電力Ｅ及び内部抵抗ＲがバッテリＢの充電状態に応じて値が変動するからである。
この場合、各充電状態ＳＯＣに応じた起電力Ｅ及び内部抵抗Ｒの複数のデータをマイクロコンピュータ６０のＲＯＭに予め記憶しておき、マイクロコンピュータ６０は、ステップ１２０の処理による充電状態ＳＯＣに応じて各データを選択して各ステップの処理を実行する。
【００４５】
なお、本実施形態では、電圧変化ΔＶ及び分極指標Ｐの関係を示す勾配Ｋ３に応じてバッテリＢの満充電状態を判定した例について説明したが、これに限らず、電圧変化ΔＶ及び分極指標Ｐを２つの変数とし、両変数の分布のばらつきを示す相関係数に基づきバッテリＢの満充電状態を判定してもよい。具体的には、非満充電時には、図５に示すように、各プロット点の分布状態は直線的に集中しているが、満充電時には、図６に示すように、各プロット点の分布状態は、非満充電時に比較して拡がっている。このように、各プロット点の分布状態が、満充電時と非満充電時とで、異なる原因を調べて見ると、満充電時には、電池反応が進み難く、副反応である水の電気分解反応が相対的に進み易くなり、電圧変化ΔＶが、相対的に大きくなって、非満充電時の直線的に集中した分布状態が崩れるからである。
【００４６】
なお、本発明の実施にあたり、ステップ１７０の処理の判定でもって満充電状態であると判定された場合、その旨を当該車両の乗員に知らせるブザー或いは表示装置を設けるようにしてもよい。さらに、本発明の実施にあたり、ステップ１２０の処理でもって充電状態ＳＯＣが低い（例えば、３０％以下）の場合には、その旨を当該車両の乗員に知らせるブザー或いは表示装置を設けるようにしてもよい。
【００４７】
また、本発明の実施にあたり、上記実施形態のフローチャートにおける各ステップの処理は、それぞれ、機能実行手段としてハードロジック構成により実行するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のマイクロコンピュータの作用の一部を示すフローチャートである。
【図３】上記マイクロコンピュータの作用の残りを示すフローチャートである。
【図４】車両用バッテリの端子に矩形状電流を流したときのその電流と、端子電圧とを示すタイミングチャートである。
【図５】非満充電時の鉛蓄電池における電圧変化ΔＶと分極指数Ｐとの関係を示す回帰直線を調べるためのプロット分布図である。
【図６】満充電時の鉛蓄電池における電圧変化ΔＶと分極指数Ｐとの関係を示す回帰直線を調べるためのプロット分布図である。
【符号の説明】
４０…電流計、５０…電圧計、６０…マイクロコンピュータ、Ｂ…バッテリ。

Claims

車両に搭載された二次電池（Ｂ）に流れる電流を検出する電流検出手段（４０）と、
前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出手段（５０）と、
当該電圧検出手段によって検出された複数の端子電圧と前記電流検出手段によって検出された複数の電流とに基づき、前記二次電池内に生じる分極による電圧変化と当該分極の大きさを示す分極指標との関係を示す一次直線の勾配を算出する勾配算出手段（１５０）と、
当該勾配算出手段の算出勾配が、予め定められた前記二次電池の満充電状態の電圧変化と分極指標との関係を示す一次直線の勾配より大きいか否かを判定する判定手段（１７０）とを備える車両用二次電池の満充電判定装置。