JPWO2018083873A1 - 制御装置 - Google Patents

Abstract

新たなセンサを追加することなく、かつ電圧値を抽出する間隔を既存の間隔より短くすることなく、二次電池の劣化を高精度に判定可能な制御装置を提供する。二次電池（５）の電圧を第１の間隔で測定し、測定した電圧値を第１の間隔よりも長い第２の間隔で抽出する制御装置（１０）において、第２の間隔ごとに、第１の間隔で測定した複数の電圧値を抽出する抽出処理を内燃機関の始動時に繰り返し、抽出した電圧値に基づいて二次電池（５）の最下点を特定し、最下点がしきい値を下回るか否かに基づいて二次電池（５）の劣化を判定する制御部（１１，１８）を設けるようにした。

Description

本発明は制御装置に関し、例えば二次電池の劣化を判定可能な制御装置に適用して好適なものである。

従来、自動車では、エンジンの回転を動力源としてオルタネータが常時発電しているため、バッテリが満充電となった後も、エンジンに負荷がかかり、燃料を消費している。

近年、燃費向上のためにエンジンとオルタネータとを直接駆動させず（常時発電せず）、極力バッテリに蓄えられた電力を先に使い（放電させ）、バッテリが過放電レベルになる前に、オルタネータを回転させてバッテリの充電を行うシステムが一般化しつつある。これは、バッテリにとっては以前より過酷な使用環境であり、バッテリ劣化の発生のおそれが以前に比べて増し、バッテリ劣化の把握が以前に比べてより重要になっている。しかしながら、エンドユーザーは、始動性が悪い、ヘッドライトが暗いなど、バッテリに不調を感じた際、自ら補充電や新品への交換時期を感覚で判断している。このようなことから、自動車に搭載されているバッテリについて、その劣化をシステム的に判断したいという要望が高まっている。

一般にバッテリが劣化した際は、バッテリの内部抵抗値が増加し、電気の流れが悪くなる。例えば車両用の鉛バッテリでは、ＣＣＡ（Cold Cranking Amps）値（液温−１８℃で３０秒後に７．２Ｖとなる放電電流）、希硫酸の比重、または充放電電流を専用のセンサで計測することでバッテリ劣化をより正確に判断できる。このように専用のセンサを新たに設ける構成は、問題解決の手段として簡潔であるが、部品の設置スペースについて数々の制約がある車両にあっては、新たな部品の追加は現実的ではなく、また検査工程の追加による製品単価の上昇を招くという問題がある。この点、バッテリ電圧については、既にＥＣＵ（Engine Control Unit）等で測定されており、専用のセンサを新たに設ける必要がないため、現状は、バッテリ劣化については、定常時におけるバッテリ電圧で判断することが大半である。

ここで、バッテリが劣化した場合、内部抵抗が増加する場合が多く（例えば鉛バッテリでは明確に現れる）、またエンジンの始動時は、スタータモータで瞬間的に大電流を要求されるので、エンジンの始動時には、この増加した内部抵抗による電圧降下が顕著に現れる。このような特徴を踏まえ、エンジンの始動時におけるバッテリ電圧の最下点を測定し、バッテリ劣化を判定することが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１０−２０８５３９号公報

バッテリ電圧の最下点を精度良くモニタするには、サンプリング間隔を短くする必要性が出てくる。一般に、システムで使用するバッテリ電圧のサンプリング間隔は、例えば１０〜２０ｍｓで十分に満足できるが、エンジンの始動時の最下点を十分な精度でモニタするには、より短い例えば数ｍｓのサンプリング間隔を必要とする。しかしながら、常時この速度でサンプリングし続けることはＣＰＵ（Central Processing Unit）に無用な計算負荷を掛けてしまう問題がある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、新たなセンサを追加することなく、かつ電圧値を抽出する間隔を既存の間隔より短くすることなく、二次電池の劣化を高精度に判定可能な制御装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、二次電池の電圧を第１の間隔で測定し、測定した電圧値を第１の間隔よりも長い第２の間隔で抽出する制御装置において、第２の間隔ごとに、第１の間隔で測定した複数の電圧値を抽出する抽出処理を内燃機関の始動時に繰り返し、抽出した電圧値に基づいて二次電池の最下点を特定し、最下点がしきい値を下回るか否かに基づいて二次電池の劣化を判定するようにした。

本発明の制御装置によれば、第２の間隔ごとに抽出処理する際に、第１の間隔で測定された複数の電圧値を取得して評価することで、エンジンの始動時におけるバッテリ電圧の最下点を精度良く測定するので、二次電池の劣化を高精度に判定することができる。

本発明によれば、新たなセンサを追加することなく、かつ電圧値を抽出する間隔を既存の間隔より短くすることなく、二次電池の劣化を高精度に判定可能な制御装置を実現することができる。

車両システムの概略構成を示すブロック図である。 ＥＣＵにおけるサンプリングの概略構成を示す図である。 ＥＣＵが実行する処理のフローチャートを示す図である。 ＥＣＵが実行する処理のフローチャートを示す図である。 最下点の検出結果を示す図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）実施の形態
図１は、本実施の形態による車両システム１の概略構成を示す。この車両システム１は、イグニッションスイッチ２、スタータモータ３、オルタネータ４、バッテリ５、表示灯・警告灯パネル６、およびＥＣＵ１０を備えて構成される。この車両システム１では、イグニッションスイッチ２がオンでさらに内燃機関始動信号（スターター信号２ａ）がオンになると、二次電池（例えば鉛電池）であるバッテリ５の電力が用いられてスタータモータ３が回転し、内燃機関であるエンジン（図示せず。）が始動される。エンジンの始動の際、ＥＣＵ１０では、バッテリ５が劣化しているか否かの判定（バッテリ劣化判定処理）が行われ、バッテリ５が劣化している場合、表示灯・警告灯パネル６にてバッテリ５が劣化していることを示す警告灯表示で運転者にバッテリ５の異常を知らせる機能を持たすこともできる。

ここで、ＥＣＵ１０は、自動車等に搭載される制御装置であり、ＣＰＵ１１、エンジンオフタイマ１９、エンジンオンタイマ２０を備え、電装部品の制御、バッテリ劣化判定処理などを行う。またＣＰＵ１１は、Ｉ／Ｏポート１２、ＡＤＣ（10bit−Analog to Digital Converter）１３、ＡＤＣレジスタ１４、ＲＡＭ（Random Access Memory）１５、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）１６、ローサイドドライバ１７などを備える。なお上述のハードウェア構成は一例である。またＥＣＵ１０が行う制御（処理）の一部または全部は、ハードウェア（回路等）により実行されてもよいし、ソフトウェア１８（例えばＣＰＵ１１がＲＯＭ（図示せず。）に記憶されたプログラムを読み出すこと）により実行されてもよい。

図２に示すように、ＡＤＣ１３は、バッテリ５内の電圧（バッテリ電圧）を測定するセンサのシグナル（センサ信号）を１ｍｓ毎に読み込んでデジタルデータ（電圧値）としてＡＤＣレジスタ１４に蓄える。例えば、エンジンの始動時にバッテリ電圧の最下点を特定するために、ＣＰＵ１１のサンプリング間隔（ＣＰＵ１１がＡＤＣレジスタ１４から電圧値を抽出する間隔）を１０ｍｓとする場合、従来は、ＡＤＣレジスタ１４に保存された直近の１個が使用され、１０個のうち９個が使用されなくなってしまう。この点、ＣＰＵ１１のサンプリング間隔を２ｍｓに早めることによって、より正確なデータ（バッテリ電圧の最下点）を抽出することが可能である。しかしながら、２ｍｓ等の短いサンプリング間隔は、ＣＰＵ１１に計算負荷を与えることになるので、ＣＰＵ１１のサンプリング間隔は、通常の１０〜２０ｍｓが適切なサンプリング間隔となる。そこで本実施の形態のＥＣＵ１０では、ＡＤＣ１３の処理レート（測定間隔）「１ｍｓ」およびＣＰＵ１１の処理レート（サンプリング間隔）「１０ｍｓ」は変更せずに、ＣＰＵ１１のサンプリング間隔毎に、ＣＰＵ１１がＡＤＣ１３から出力されたＡＤＣレジスタ１４内の１０個のデータに基づく最下点（最小値）を決定し、ＲＡＭ１５に保存する構成を採用する。最下点については、ＣＰＵ１１は、ＡＤＣレジスタ１４内の１０個のデータのうち、最も小さい電圧値を最下点としてもよいが、連続する２個のデータを平均化し、平均化した５個のデータ（平均値）のうちの最小の平均値を最下点として選択する。このように平均値から最下点を選択することで、センサ信号におけるノイズを除去できるようになる。

次にＥＣＵ１０によって１０ｍｓ毎に実行されるバッテリ劣化判定処理を図３Ａおよび図３Ｂに示すフローチャートに基づいて説明する。バッテリ劣化判定処理の繰り返しは、アクセサリポジションＯＮ、キーＯＮなど、エンジンの始動前の適宜のユーザ操作に応じて開始され、アイドリングが安定する、スタータモータ３の回転が停止するなどの予め設定した終了条件が満たされると、終了される。

まずステップＳ１１では、ＥＣＵ１０は、車両が長期間放置されているか否か、より具体的にはエンジンオフタイマ１９が所定時間以上となっているか否かを判定する（Ｓ１１）。ＥＣＵ１０は、車両が長期間放置されていると判定した場合、バッテリ５が過放電となっている可能性があるので、今回のドライビングサイクルでは最下点の特定（検出）を実施することなく、通常発電を行い（Ｓ１２）、バッテリ劣化判定処理を終了する。他方、車両が長期間放置されていないと判定した場合、ステップＳ１３に処理を移す。

ここで、現在の車両システムでは、キーＯＦＦ時であっても、微弱な電流が流れ続けていて（暗電流）、車両が放置される（エンジンを掛けない）時間が長い程、放電ぎみな状態になるが、これはバッテリ劣化ではなく単なるバッテリ上がり（空に近い）である。しかしながら、たとえ専用のセンサを新たに取り付けたとしても暗電流によって放電したバッテリ上がりを検出することは困難である。そのため、長期間放置による過放電のバッテリ５についてバッテリ電圧の最下点を同様に判定すると誤検知につながるため、長時間放置後の最初のドライビングでは診断をスキップする。なお過放電となっているか否かは車両システムで使用される電流量から推測可能である。

次いでステップＳ１３では、ＥＣＵ１０は、アイドリングが安定しているか否か、より具体的にはアイドリングディレイタイマが所定時間を経過したか否かを判定する（Ｓ１３）。ＥＣＵ１０は、アイドリングが安定していると判定した場合、バッテリ劣化判定処理を終了するように判定許可フラグをクリアし（Ｓ１４）、ステップＳ１５に処理を移す。つまり、バッテリ電圧の最下点は、エンジンの始動時に顕著になるが、エンジンの回転数が安定してオルタネータ４の電力が使用できるようになると、バッテリ電圧の最下点が検出できなくなるので、バッテリ劣化判定処理は、エンジンの回転数が安定したら止められる。他方、ＥＣＵ１０は、アイドリングが安定していないと判定した場合、ステップＳ１５に処理を移し、Ｓ１３の所定時間経過までバッテリ劣化判定処理は継続されることになる。

次いでステップＳ１５では、ＥＣＵ１０は、判定許可フラグが「TURE」であるか否か、すなわちバッテリ電圧の最下点の検出を行うか否かを判定する（Ｓ１５）。ＥＣＵ１０は、バッテリ電圧の最下点の検出を行うと判定した場合、ステップＳ１６に処理を移し、バッテリ電圧の最下点の検出を行わないと判定した場合、バッテリ劣化判定処理を終了する。なお判定許可フラグについてはバッテリ劣化判定処理の初期化処理（図示せず。）で初期値「TURE」がセットされている。

次いでステップＳ１６では、ＥＣＵ１０は、スタータモータ３が始動したか否かを判定する（Ｓ１６）。スタータモータ３の初回起動時はバッテリ電圧の最下点を示すＲＡＭ１５の値（ＲＡＭ値）が「０」であるので、ＥＣＵ１０は、始動したと判定した場合、バッテリ電圧の最下点の初期値（例えば１２Ｖ）をＲＡＭ１５に保存し（Ｓ１７）、ステップＳ１８に処理を移し、始動していないと判定した場合、ステップＳ１８に処理を移す。

次いでステップＳ１８では、ＥＣＵ１０は、スタータモータ３が回転しているか否かを判定する（Ｓ１８）。ＥＣＵ１０は、スタータモータ３が回転していると判定した場合、ステップＳ１９に処理を移し、スタータモータ３が回転していないと判定した場合、バッテリ劣化判定処理を終了する。

次いでステップＳ１９では、ＥＣＵ１０は、ＡＤＣレジスタ１４の電圧値について平均化処理を行う（Ｓ１９）。より具体的には、ＥＣＵ１０は、ＡＤＣレジスタ１４に保存された１０個の電圧値について、連続する２個の電圧値の平均を算出して平均化データ（平均値（０−１）、平均値（２−３）、平均値（４−５）、平均値（６−７）、平均値（８−９））を生成する。

次いでステップＳ２０では、ＥＣＵ１０は、平均化データについてミニマム処理を行う（Ｓ２０）。より具体的には、ＥＣＵ１０は、平均化データにおいて最小の平均値を特定する。

次いでステップＳ２１では、ＥＣＵ１０は、バッテリ電圧の最下点を更新する（Ｓ２１）。より具体的には、ＥＣＵ１０は、ステップＳ２０で特定した最小の平均値（今回の最下点）とＲＡＭ１５に保存している値（以前までの最下点）とを比較し、今回の最下点の方が以前までの最下点より小さい場合、ＲＡＭ１５の値を今回の最下点に更新する。

次いでステップＳ２２では、ＥＣＵ１０は、バッテリ電圧の最下点が所定のしきい値を下回っているか否か（例えば７．２Ｖ以下であるか否か）を判定する（Ｓ２２）。ＥＣＵ１０は、バッテリ電圧の最下点が所定のしきい値を下回っていると判定した場合、ステップＳ２５に処理を移し、バッテリ電圧の最下点が所定のしきい値を下回っていないと判定した場合、ステップＳ２３に処理を移す。

次いでステップＳ２３では、ＥＣＵ１０は、バッテリ５の劣化（異常）があることを示すバッテリ劣化フラグをクリアし（Ｓ２３）、次いでステップＳ２４では、今回のドライビングサイクルにおいてバッテリ５の劣化（異常）があることを示す履歴（劣化履歴）をＥＥＰＲＯＭ１６からクリアし（Ｓ２４）、バッテリ劣化判定処理を終了する。

次いでステップＳ２５では、ＥＣＵ１０は、バッテリ劣化フラグを「TURE」にセットし（Ｓ２５）、ステップＳ２６に処理を移す。

次いでステップＳ２６では、ＥＣＵ１０は、単位期間あたりのエンジンのＯＮおよびＯＦＦの回数が所定回数を下回っているか否か、より具体的にはエンジンオンタイマ２０が規定時間を超えているか否かを判定する（Ｓ２６）。ＥＣＵ１０は、所定回数を下回っていると判定（規定時間を超えていると判定）した場合、ステップＳ２７に処理を移し、所定回数を下回っていないと判定（規定時間を超えていないと判定）した場合、バッテリ劣化判定処理を終了する。ここで、エンジンオンタイマ２０の値は、前回のドライビングサイクルでＥＥＰＲＯＭ１６に保存されていて、エンジンオンタイマ２０の値が小さいと、通常使用ではないので、バッテリ５が多く放電していることを示し、バッテリ劣化としてカウントされない。より具体的には、宅配便等の用に供される車両において、短期間に移動および停止を繰り返した場合、エンジンオンタイマ２０の値が小さく、バッテリ劣化を正しく判定できないおそれがあるので、バッテリ劣化の判定をスキップする。また宅配便等の用に供される車両ではなく、バッテリ５の電力（エネルギー）を多く使っているときは、後述するようにエンジンオンタイマ２０の値は十分に上がっておらず、バッテリ劣化を正しく判定できないおそれがあるので、バッテリ劣化の判定をスキップする。また宅配便等の用に供される車両ではなく、バッテリ５の電力を多く使っていないときは、エンジンオンタイマ２０の値は十分に上がっているので、バッテリ劣化の判定を実施する。

次いでステップＳ２７では、ＥＣＵ１０は、ＥＥＰＲＯＭ１６に保存されている前回の劣化履歴を参照し、前回のドライビングサイクルでバッテリ５が劣化していると判定したか否かを判定する（Ｓ２７）。ＥＣＵ１０は、バッテリ５が劣化していると判定した場合（例えば２回連続でバッテリ５が劣化していると判定した場合）、ステップＳ２９に処理を移し、バッテリ５が劣化してないと判定した場合、ステップＳ２８に処理を移す。

ここで、本実施の形態の車両システム１では、電力を多く消費するもの（例えば、ヘッドライト、グロープラグ、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータ等）のＯＮ信号がＥＣＵ１０等で測定され、エンジンオンタイマ２０の値（エンジンＯＮ時間）も計測されている。ただしバッテリ５が多くのエネルギーを使用しているときは、バッテリ５が十分に充電されていない可能性があるので、エンジンＯＮ時間は加算されない。このことから、ＥＣＵ１０は、エンジンＯＮ時間が十分でないとき、例え連続したバッテリ劣化の検出がある場合でも、バッテリ５は劣化していると判定されない。

次いでステップＳ２８では、ＥＣＵ１０は、劣化履歴をＥＥＰＲＯＭ１６にセットし（Ｓ２８）、バッテリ劣化判定処理を終了する。

次いでステップＳ２９ではバッテリ劣化が確定したため、ＥＣＵ１０は、バッテリ劣化を示す警告ランプを表示灯・警告灯パネル６で点灯させるための警告ランプフラグをＥＥＰＲＯＭ１６にセットし（Ｓ２９）、バッテリ劣化判定処理を終了する。

図４は、最下点の計測結果を示す図である。図４において、計測結果３１は、１０ｍｓごとに電圧値を１つ抽出してプロットしたときの結果を示し、計測結果３２は、１０ｍｓごとに平均化処理およびミニマム処理を行ってプロットしたときの結果を示す。図４に示すように、平均化処理およびミニマム処理を行ったときの方が最下点をより正確に捉えられることがわかる。

以上のように、本実施の形態によれば、新たなセンサを追加することによって必要スペースの増加等を招くことなく、ＣＰＵ１１の負荷（電圧値のサンプリング間隔）を短くすることなく、エンジンの始動時におけるバッテリ電圧の最下点を精度良く測定できるＥＣＵ１０を実現することができる。またＥＣＵ１０によれば、バッテリ５の劣化および過放電をいち早く検出し、バッテリ上がりによるトラブルを未然に防ぐことができるようになる。

（２）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、本発明を自動車等に搭載されるＥＣＵ１０に適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、この他種々の制御装置に広く適用することができる。特に、減速エネルギー回生システム備える自動車、Ｃ端子（調整電圧切替機能）付きオルタネータを備える自動車、ハイブリッド車などバッテリを酷使する車両に搭載される制御装置に適用して好適なものである。例えば、Ｃ端子付きのオルタネータでは、バッテリ５の充電量が十分と判断される場合、発電を最小限にするまたは発電しないようにし、バッテリ５の電力を先に使うため、バッテリ劣化が増すおそれがあるので、Ｃ端子付きのオルタネータを備える自動車に適用することは好適である。

また上述の実施の形態においては、一のドライビングサイクルでバッテリ電圧の最下点の検出を１回だけ行う場合について述べたが、本発明はこれに限らず、エンジンの始動時にエンストなどが発生することもあるので、一のドライビングサイクルでバッテリ電圧の最下点の検出を複数回行うようにしてもよい。例えば、オプション機能を選択（再判定許可フラグを設定）できる構成を採用し、バッテリ電圧の最下点の再検出を可能とする。

また上述の実施の形態においては、バッテリ劣化判定処理の繰り返しの終了条件として、スタータモータ３の回転が停止することを例示して述べたが、本発明はこれに限らず、スタータモータ３が停止時もバッテリ劣化判定処理の繰り返しが行われるように終了条件を設定するようにしてもよい。スタータモータ３のギアがエンジンのギアから離されるときにバッテリ５の電力が多く使用される場合があるが、この終了条件によれば、その際の内部抵抗による電圧降下を捉えることができるようになる。

また上述の実施の形態においては、ステップＳ２２の判定でＹｅｓの場合はステップＳ２５の処理を行う場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ステップＳ２５の処理の前にバッテリ電圧の最下点が０Ｖであるか否かの判定を行い、０Ｖの場合はバッテリ劣化判定処理を継続するようにしてもよい。

また上述の実施の形態においては、１０ｍｓ毎にバッテリ劣化判定処理を繰り返す場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ＥＣＵ１０のサンプリング間隔は、１０ｍｓとし、その他の処理（平均化処理、ミニマム処理、バッテリ電圧の最下点が所定のしきい値を下回ったかの判定等）は、適宜のタイミングで行うようにしてもよい。

１……車両システム、２……イグニッションスイッチ、３……スタータモータ、４……オルタネータ、５……バッテリ、６……表示灯・警告灯パネル、１０……ＥＣＵ、１１……ＣＰＵ、１２……Ｉ／Ｏポート、１３……ＡＤＣ、１４……ＡＤＣレジスタ、１５……ＲＡＭ、１６……ＥＥＰＲＯＭ、１７……ローサイドドライバ、１８……ソフトウェア、１９……エンジンオフタイマ、２０……エンジンオンタイマ。

Claims (5)

1. 二次電池（５）の電圧を第１の間隔で測定し、測定した電圧値を前記第１の間隔よりも長い第２の間隔で抽出する制御装置（１０）において、
   前記第２の間隔ごとに、前記第１の間隔で測定した複数の電圧値を抽出する抽出処理を内燃機関の始動時に繰り返し、抽出した電圧値に基づいて前記二次電池（５）の最下点を特定し、前記最下点がしきい値を下回るか否かに基づいて前記二次電池（５）の劣化を判定する制御部（１１，１８）
   を備えることを特徴とする制御装置。
2. 前記制御部（１１，１８）は、前記第２の間隔ごとに、前記第１の間隔で測定した複数の電圧値において連続する複数個の電圧値の平均を算出して最小の平均値を特定し、特定した最小の平均値の中から最小の平均値を前記最下点として特定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制御部（１１，１８）は、前記内燃機関の始動時に、エンジンオフタイマ（１７）の時間が所定時間以上であると判定した場合、前記抽出処理を行わない
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
4. 前記制御部（１１，１８）は、アイドリングが安定すると、前記抽出処理を行わない
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
5. 前記制御部（１１，１８）は、エンジンオンタイマ（２０）が規定時間を超えると判定した場合、前記二次電池（５）の劣化を判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。

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