JP5162971B2 - 電池状態検知システムおよび自動車 - Google Patents

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Description

本発明は電池状態検知システムおよび自動車に係り、特に、車両に搭載された鉛電池の状態を判定する電池状態検知システムおよび該電池状態検知システムを備えた自動車に関する。
近年、エンジン自動車による排ガスの削減に対応するため、アイドルストップ・スタート(以下、ISSという。)が行われており、アイドルストップ可能な状態にバッテリを保つ技術が望まれている。すなわち、アイドルストップ機能を有する自動車では、エンジン停止中のエアコン、カーステレオなどの負荷は、すべてバッテリからの電力で賄われる。このため、従来に比べバッテリの深い放電が増加し、バッテリの残存容量が小さくなるケースが増加する。バッテリの出力はバッテリの残存容量に依存するため、エンジン停止中にバッテリの残存容量が小さくなると、エンジンを始動する充分な出力が得られなくなり、エンジン停止後再始動(ISS)することができなくなるおそれがある。
従って、ISS可能な状態を保つためには、バッテリの残存容量や充電状態(SOC)を演算(推定)してエンジン始動に必要な出力の有無を監視し、エンジン始動に必要な出力がある場合には、アイドルストップ可能、エンジン始動に必要な出力がない場合には、アイドルストップを止め、バッテリを充電するなどの信号を車両側のコンピュータに送信する必要がある。
鉛電池は、この種の用途に対応できる代表的なバッテリである。鉛電池の残存容量の推定技術として、鉛電池の開回路電圧(OCV)を計測することにより求める方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。すなわち、残存容量とOCVとの関係が一次式で表されることを利用し、測定したOCVをこの式に代入することにより残存容量を算出する。また、鉛電池の健康状態ないし劣化度(SOH)を推定する技術も知られている(例えば、特許文献2、3参照)。
特開平4−264371号公報 特開2006−010601号公報 特許第3188100号
しかしながら、上記特許文献1の技術は、残存容量とOCVとの関係が一次式で表されることを利用しているため、図1に示すように、鉛電池が新品の状態(SOH100%)では残存容量とOCVとがほぼ一直線上にあるが、劣化するにつれこの直線からはずれてしまう。つまり、1つの一次式から残存容量を精度よく算出することはできず、誤判定してしまう可能性がある。
本発明は上記事案に鑑み、鉛電池の残存容量を精度よく算出可能な電池状態検知システムおよび該電池状態検知システムを備えた自動車を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様は、車両に搭載された鉛電池の状態を判定する電池状態検知システムにおいて、前記鉛電池の電圧を測定する電圧測定手段と、前記鉛電池に流れる電流を測定する電流測定手段と、前記鉛電池の温度を測定する温度測定手段と、前記電圧測定手段で測定された前記鉛電池の開回路電圧(OCV)を予めOCVと残存容量との関係を定めた一次式に代入することにより前記鉛電池の残存容量を算出する残存容量推定手段であって、少なくとも前記電流測定手段で測定された電流および前記電圧測定手段で測定された電圧のいずれかから前記鉛電池の劣化度(SOH)を算出し、前記電圧測定手段で測定されたOCVを前記算出したSOHにより補正する残存容量推定手段と、前記温度測定手段で測定された温度、前記残存容量推定手段で算出された前記鉛電池の残存容量の推定値Q、前記残存容量推定手段で補正されたOCVの補正値OCVsocおよび前記鉛電池の内部抵抗に基づいて前記鉛電池のエンジン再始動時の最低電圧の推定値Vexpを算出し、該算出した最低電圧の推定値Vexpが予め定められエンジン再始動のために必要な最低電圧値を越えるか否かを判断することにより前記車両のエンジン再始動の可否を判定する判定手段と、を備え、前記判定手段は、前記補正値OCVsocを(Q×e)+f(ただし、e、fは定数)、前記車両の抵抗値OutRを(前記車両のエンジン始動時の前記鉛電池の最低電圧値VPeak)/(前記車両のエンジン始動時の前記鉛電池に流れる最大電流値Ipeak)、前記残存容量推定手段で算出された前記鉛電池の残存容量の推定値Qおよび前記温度測定手段で測定された温度を予め作成されたマップに当てはめることにより得られる前記鉛電池の内部抵抗をInRsocとしたときに、前記鉛電池のエンジン再始動時の最低電圧の推定値Vexpを、Vexp=(OCVsoc×OutR)/(InRsoc+OutR)の式から算出することを特徴とする。
本態様では、電圧測定手段により鉛電池の電圧が測定され、電流測定手段により鉛電池に流れる電流が測定される。存容量推定手段により電圧測定手段で測定された鉛電池のOCVを予めOCVと残存容量との関係を定めた一次式に代入することにより鉛電池の残存容量が算出されるが、残存容量推定手段は、少なくとも電流測定手段で測定された電流および電圧測定手段で測定された電圧のいずれかから鉛電池のSOHを算出し、電圧測定手段で測定されたOCVを算出したSOHにより補正する。そして、判定手段により、温度測定手段で測定された温度、残存容量推定手段で算出された鉛電池の残存容量の推定値Q、残存容量推定手段で補正されたOCVの補正値OCVsocおよび鉛電池の内部抵抗に基づいて鉛電池のエンジン再始動時の最低電圧の推定値Vexpが算出され、該算出された最低電圧の推定値Vexpが予め定められエンジン再始動のために必要な最低電圧値を越えるか否かを判断することにより車両のエンジン再始動の可否を判定されるが、その際、判定手段は、補正値OCVsocを(Q×e)+f(ただし、e、fは定数)、車両の抵抗値OutRを(車両のエンジン始動時の鉛電池の最低電圧値VPeak)/(車両のエンジン始動時の鉛電池に流れる最大電流値Ipeak)、残存容量推定手段で算出された鉛電池の残存容量の推定値Qおよび温度測定手段で測定された温度を予め作成されたマップに当てはめることにより得られる鉛電池の内部抵抗をInRsocとしたときに、鉛電池のエンジン再始動時の最低電圧の推定値Vexpを、Vexp=(OCVsoc×OutR)/(InRsoc+OutR)の式から算出する。
記課題を解決するために、本発明の第の態様は、第1の態様の電池状態検知システムを備えた自動車である。
本発明によれば、残存容量推定手段が、電圧測定手段で測定されたOCVを鉛電池のSOHで補正するため、鉛電池のSOHに拘わらず残存容量とOCVとの関係がほぼ一次式で表され、SOHによる一次式からのズレを防止することができるので、鉛電池の残存容量を精度よく算出することができ、判定手段によるエンジン再始動の可否の誤判定を防止することができる、という効果を得ることができる。
以下、図面を参照して、本発明に係る自動車の実施の形態について説明する。なお、本実施形態の自動車はガソリンエンジン車であり、自動車に搭載された鉛電池の電池状態を判定する電池状態検知システムを備えている。
(構成)
図2に示すように、電池状態検知システム12は、鉛電池1の温度を測定するサーミスタ等の温度センサ2、差動増幅回路等を有し鉛電池1の外部端子に接続された電圧測定部3、ホール素子等の電流センサ4および鉛電池1の電池状態を判定するマイクロコンピュータ(以下、マイコンという。)10を備えている。
鉛電池1は、電池容器となる略角型の電槽を有しており、電槽内には合計6組の極板群が収容されている。電槽の材質には、例えば、ポリエチレン(PE)等の高分子樹脂を用いることができる。各極板群は複数枚の負極板および正極板がセパレータを介して積層されており、セル電圧は2.0Vである。このため、鉛電池1の公称電圧は12Vとされている。電槽の上部は、電槽の上部開口を密閉するPE等の高分子樹脂製の上蓋に接着ないし溶着されている。上蓋には、鉛電池1を電源として外部へ電力を供給するためのロッド状正極端子および負極端子が立設されている。なお、上述した温度センサは電槽の略中央部に埋設されている。
鉛電池1の正極端子は、電流センサ4を介してイグニッションスイッチ(以下、IGNという。)5の中央端子に接続されている。IGN5は、中央端子とは別に、OFF端子、ON/ACC端子およびSTART端子を有しており、中央端子とこれらOFF、ON/ACCおよびSTART端子のいずれかとは、ロータリー式に切り替え接続が可能である。
START端子はエンジン始動用セルモータ(スタータ)9に接続されている。セルモータ9は、図示しないクラッチ機構を介してエンジン8の回転軸に回転駆動力の伝達が可能である。
また、ON/ACC端子は、エアコン、ラジオ、ランプ等の補機6および一方向への電流の流れを許容する整流素子を含むレギュレータを介してエンジン8の回転により発電する発電機7の一端に接続されている。すなわち、レギュレータのアノード側は発電機7の一端に、カソード側はON/ACC端子に接続されている。エンジン8の回転軸は、不図示のクラッチ機構を介して発電機7に動力の伝達が可能である。このため、エンジン8が回転状態にあるときは、不図示のクラッチ機構を介して発電機7が作動し発電機7からの電力が補機6や鉛電池1に供給(充電)される。なお、OFF端子はいずれにも接続されていない。
電圧測定部3の出力側はマイコン10に内蔵されたA/Dコンバータに接続されている。また、温度センサ2および電流センサ4の出力側は、マイコン10に内蔵されたA/Dコンバータにそれぞれ接続されている。このため、マイコン10は、鉛電池1の電圧、温度および鉛電池1に流れる電流を所定時間毎にデジタル値で取り込むことができる。なお、マイコン10は、I/Oを介して上位の車両制御システム11と通信可能である。
マイコン10は、中央演算処理装置として機能するCPU、電池状態検知システム12の基本制御プログラムや後述する数式等のプログラムデータが格納されたROM、CPUのワークエリアとして働くとともにデータを一時的に記憶するRAM、不揮発性のEEPROM等を含んで構成されている。発電機7、セルモータ9および補機6の他端、鉛電池1の負極端子およびマイコン10は、それぞれグランド(自動車のシャーシと同電位)に接続されている。なお、本実施形態のマイコン10は、電圧、電流および温度を所定時間毎に(本実施形態では電圧、電流をそれぞれ2m秒間隔、温度を1秒間隔で)それぞれサンプリングし、サンプリング結果をRAMに格納する。また、電流については、放電電流と充電電流とに分け、それぞれの積算値を算出している。
(動作)
次に、電池状態検知システム12の動作について、エンジン状態の検知、鉛電池1の残存容量の算出、エンジン再始動の可否判定の順に説明する。
<エンジン状態の検知>
マイコン10のCPU(以下、単にCPUと略称する。)は、電圧測定部3を介して測定した鉛電池1の電圧に基づいてエンジン状態を検知する機能を有している。すなわち、CPUは、鉛電池1の電圧を常時監視(測定)し、測定した電圧の変化より、エンジン始動、エンジン起動中、エンジン停止のエンジン状態を検知する。
一般に、ガソリンエンジン車やディーゼルエンジン車等の内燃機関を有する自動車では、鉛電池から電力を供給しセルモータを回して、エンジンを始動する。この際、大電流が流れるが、それに伴い、鉛電池1の端子間電圧は大きく降下する。このときの電圧降下および電流の時間変化を測定すると、セルモータに電流が流れ始めた直後に、鋭いピーク状の大電流が流れ、同時に鉛電池1の端子間電圧は鋭い谷状の電圧降下を示す。後述するように、エンジン始動時における鉛電池の最低電圧値Vpeak、鉛電池に流れる最大電流値Ipeak、および、自動車(車両)の抵抗値との間には、オームの法則が成り立つ。付言すれば、このオームの法則が成り立つのは、最低電圧値Vpeakおよび最大電流値Ipeakをとるときの一瞬であり、それ以外のときにはオームの法則は成立しない。
CPUは、鉛電池1の放電開始後X(1〜100)ms以内にY(0.50〜3.0)V以上の電圧降下(例えば、15ms以内に1.5V以上の電圧降下)があり、かつ、その後にある所定値a(a:鉛電池1のOCVの109〜121%の電圧値)以上になったか否かを判断し、肯定判断のときにはエンジン始動があったものと判定する。一方、否定判断のときにはカーエアコンやカーナビゲーション等の車載電装品を起動させたものとみなす(エンジンは始動していないとみなす)。
CPUは、上述したエンジン始動の肯定判断の後、常時鉛電池1の電圧が上述した所定値a以上(エンジンが起動中の場合は発電機(オルタネータ、レギュレータ)が作動しているため、鉛電池1は充電状態となっており、電圧がOCVより高くなる。)か否かを判断し、肯定判断のときにエンジン起動中と判定する。
(1)エンジン起動中と判断した後に、鉛電池1の電圧がある一定値b以下になった場合:エンジン起動状態からエンジン停止状態になったと判定する。bの電圧値には、例えば、鉛電池1のOCVの103〜108%の電圧値を用いることができる。また、(2)エンジン起動中と判断した後に、鉛電池1の電圧がある一定値c以上の速度で低下し、かつ、電圧の降下幅がある一定値d以上の場合:エンジン起動状態からエンジン停止状態になったと判定する。cの電圧低下速度として1.0〜4.0V/s、また、dの電圧降下幅として0.05〜0.20Vを用いることができる。さらに、(3)エンジン起動中と判断した後に、鉛電池1の電圧がある一定値e以下に低下し、かつ、そのときの電圧の変化幅が、ある一定値fの時間幅で、ある一定値g以下になった場合:エンジン起動状態からエンジン停止状態になったと判定する。eの電圧値として鉛電池1のOCVの102〜109%の電圧値、fの値として0.01〜1.0s、gの電圧の変化幅として0.1〜0.3Vを用いることができる。CPUは、(1)〜(3)のいずれかに該当したときに、エンジンが停止したもと判定する。
CPUは、エンジン停止後、鉛電池1の分極反応が解消した所定時刻(例えば、6時間経過後)に、電圧測定部3を介して測定した鉛電池1の電圧をOCVとして取り込む。なお、CPUは内部時計すなわち計時手段によりエンジン停止後の時刻を把握している。
<鉛電池1の残存容量の算出>
一般に、鉛電池の残存容量Q(Ah)は次式(1)で求めることができる。なお、式(1)において、Qfは走行前容量、Qoutは放電電流積算値、c1は電流係数、Qinは充電電流積算値、c2は充電効率を表している。
Figure 0005162971
本実施形態において、CPUは、走行前容量Qfを次のように算出する。図3に示すように、劣化品のOCVは新品(SOH100%)の直線より上方に平行移動する。SOHc%で新品に対し上方にdV平行移動したとすると、SOHx%のときのOCV補正値ΔOCVは次式(2)で表される。
Figure 0005162971
新品の走行前容量Qfを式(3)で表すとすると(a、bは定数)、劣化品の走行前容量Qfは式(4)で表される。
Figure 0005162971
図4に、補正後の残存容量QとOCVの関係を示す。補正後、新品の直線(残存容量とOCVとの関係を定めた一次式)にほぼ一致している。このため、CPUは、OCVを鉛電池1のSOHにより補正し、式(1)により鉛電池1の残存容量Qを算出する。なお、SOHは、例えば、上述した特許文献2、3等の技術を用いて求めることができる。付言すれば、特許文献2の技術は電流からSOHを求めるものであり、特許文献3は電流および電圧からSOHを求めるものである。
<エンジン再始動の可否判定>
図5はエンジン始動時の等価回路を示している。図5より、次式(5)、(6)が成り立つ。なお、式(5)、(6)において、Vpeakはエンジン始動時の鉛電池1の最低電圧値、Ipeakはエンジン始動時の鉛電池1に流れる最大電流値、OutRは自動車の抵抗値、InRは鉛電池1の内部抵抗を表している。
Figure 0005162971
式(5)、(6)より次式(7)が成り立つ。
Figure 0005162971
CPUは、式(8)に現在の残存容量推定値Q、温度から求められたOCV(OCVsoc)、内部抵抗(InRsoc)を代入することによりエンジン再始動時の最低電圧の推定値Vexpを算出する。
Figure 0005162971
なお、自動車の抵抗値OutRは使用期間中ほとんど一定とみなせるため、本実施形態では、電池搭載後の数回のエンジン始動時の鉛電池1の最低電圧値Vpeakを最大電流値Ipeakで除した値(の平均値)を求め、その値をEEPROMに格納しておき、格納した値を読み出して自動車の抵抗値OutRとして用いた。なお、電流センサ4の測定範囲が狭く、エンジン始動時の最大電流値Ipeakが測定できない場合には、次式(11)により自動車の抵抗値OutRを算出してもよい。
Figure 0005162971
式(11)の内部抵抗InRはエンジン始動時のIVデータを最小2乗近似することにより算出される内部抵抗である。また、自動車の抵抗値OutRは温度により若干異なる場合があるので温度補正してもよい。
CPUは、エンジン始動時の最低電圧の推定値Vexpがエンジン始動のための最低電圧値Vminに対し、Vexp≦Vminか否かを判断し、肯定判断ときにはエンジンを停止すると再始動が不能になると判断してその旨を車両制御システム11に報知し、否定判断のときにはエンジンを停止しても再始動(ISS)が可能と判断してその旨を車両制御システム11に報知する。なお、エンジン始動のための最低電圧値Vminは車両により異なるが6.8〜7.8V程度である。本実施形態では7.2Vとした。
図6にエンジン始動時の最低電圧の推定値Vexpと真値の関係を示す。新品、劣化品ともにエンジン始動時の最低電圧の推定値Vexpが真値に対し概ね一致している。図6は25°Cの結果あるが、他の温度についても確認済である。
(効果等)
次に、電池状態検知システム12の効果等について説明する。
本実施形態の自動車では、電池状態検知システム12のCPUが測定したOCVを鉛電池1のSOHにより補正して鉛電池1の残存容量を算出する。このため、鉛電池1のSOHに拘わらず残存容量とOCVとの関係がほぼ一次式で表され、SOHによる一次式からのズレを防止することができるので(図4参照)、鉛電池1の残存容量を精度よく算出することができる。従って、電池状態検知システム12はエンジン再始動の可否の誤判定を防止することができ、電池状態検知システム12を搭載した自動車は一時停止してもエンジン再始動を確実に行うことができる。
なお、本実施形態では、測定した電流、または、測定した電流および電圧から鉛電池1のSOHを求める例を示したが、本発明はこれに制限されず、測定した電圧から鉛電池1のSOHを求めるようにしてもよい。図7は、無劣化状態の鉛電池と劣化後の同じ鉛電池について、エンジン始動時の鉛電池の端子間電圧の推移を表したものである。鉛電池の劣化が進むにつれて、無劣化状態でのエンジン始動時の最低電圧値Vst0からエンジン始動時の最低電圧値Vstは徐々に低下して行く。従って、予め同種の鉛電池について種々のSOHで最低電圧値Vstを測定しておき、ROMに最低電圧値VstとSOHとの関係を表すマップ(テーブル)ないし関係式を格納しておき、無劣化状態でのエンジン始動時の最低電圧値Vst0の電圧値を100%として格納しておいたマップないし関係式を補正することで、エンジン始動時毎に測定した最低電圧値VstからSOHを算出することが可能である。この場合には、測定した電圧からSOHを算出することができるので、上記実施形態と同様に鉛電池1の残存容量を算出することができる。このとき、精度を高めるために、温度センサ2で測定した温度によりSOHを補正するようにしてもよい。
本発明は鉛電池の残存容量を精度よく算出可能な電池状態検知システムおよび該電池状態検知システムを備えた自動車を提供するものであるため、電池状態検知システムおよび自動車の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
鉛電池の残存容量とOCVとの関係を示すグラフである。 本発明が適用可能な実施形態の自動車のブロック回路図である。 ΔOCVの算出方法を説明するための説明図である。 補正後の鉛電池の残存容量とOCVとの関係を示すグラフである。 エンジン始動時の自動車側および鉛電池側の等価回路を示す回路図である。 エンジン再始動時の最低電圧の推定値Vexpと真値との関係を示すグラフである。 無劣化状態の鉛電池と劣化後の同じ鉛電池について、エンジン始動時の鉛電池の端子間電圧の推移を表した説明図である。
符号の説明
2 温度センサ(温度測定手段の一部)
3 電圧測定部(電圧測定手段の一部)
4 電流センサ(電流測定手段の一部)
10 マイコン(残存容量推定手段)
12 電池状態検知システム

Claims (2)

  1. 車両に搭載された鉛電池の状態を判定する電池状態検知システムにおいて、
    前記鉛電池の電圧を測定する電圧測定手段と、
    前記鉛電池に流れる電流を測定する電流測定手段と、
    前記鉛電池の温度を測定する温度測定手段と、
    前記電圧測定手段で測定された前記鉛電池の開回路電圧(OCV)を予めOCVと残存容量との関係を定めた一次式に代入することにより前記鉛電池の残存容量を算出する残存容量推定手段であって、少なくとも前記電流測定手段で測定された電流および前記電圧測定手段で測定された電圧のいずれかから前記鉛電池の劣化度(SOH)を算出し、前記電圧測定手段で測定されたOCVを前記算出したSOHにより補正する残存容量推定手段と、
    前記温度測定手段で測定された温度、前記残存容量推定手段で算出された前記鉛電池の残存容量の推定値Q、前記残存容量推定手段で補正されたOCVの補正値OCVsocおよび前記鉛電池の内部抵抗に基づいて前記鉛電池のエンジン再始動時の最低電圧の推定値Vexpを算出し、該算出した最低電圧の推定値Vexpが予め定められエンジン再始動のために必要な最低電圧値を越えるか否かを判断することにより前記車両のエンジン再始動の可否を判定する判定手段と、
    を備え
    前記判定手段は、前記補正値OCVsocを(Q×e)+f(ただし、e、fは定数)、前記車両の抵抗値OutRを(前記車両のエンジン始動時の前記鉛電池の最低電圧値VPeak)/(前記車両のエンジン始動時の前記鉛電池に流れる最大電流値Ipeak)、前記残存容量推定手段で算出された前記鉛電池の残存容量の推定値Qおよび前記温度測定手段で測定された温度を予め作成されたマップに当てはめることにより得られる前記鉛電池の内部抵抗をInRsocとしたときに、前記鉛電池のエンジン再始動時の最低電圧の推定値Vexpを、Vexp=(OCVsoc×OutR)/(InRsoc+OutR)の式から算出することを特徴とする電池状態検知システム。
  2. 請求項1に記載の電池状態検知システムを備えた自動車。
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