JP2004109007A - バッテリの開回路電圧推定方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電流測定手段2が測定した電流に基づいてバッテリ1に流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出して無負荷状態にあると無負荷推定手段5−1が推定する。この推定した時点を起点とし、開回路電圧推定手段5−2が、起点から時間t1、t2及びt3経過した3時点で電圧測定手段3にバッテリの端子電圧v1、v2及びv3をそれぞれ測定させ、時間t1、t2及びt3と電圧v1、v2及びv3を、経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、起点と一定値以下になった時点との時間差に相当する時間cの軸線及び電圧bの軸線を漸近線として予め定めた推定計算式V=[a/(t−c)]+bについて立てた3連立方程式のbの解に代入してバッテリの開回路電圧を推定する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷に電力を供給するバッテリの開回路電圧を推定するバッテリの開回路電圧推定方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
バッテリの開回路電圧は、平衡状態にあるバッテリの開放状態における端子電圧(開放電圧)を測定することによって求められ、バッテリの充電状態を反映したものであるので、例えば車両などに搭載されて使用中のバッテリにとって、バッテリにあとどのくらい電気量があるか(充電状態)を知る上で重要なものである。
【0003】
一般に、バッテリから放電され放電電流が流れるとバッテリの端子電圧には電流の大きさに応じた降下が生じ、逆に充電され充電電流が流れると端子電圧が上昇する。例えば、放電時の電圧降下は、バッテリの内部インピーダンス(合成抵抗)によるものであるが、バッテリの構造などに基因する純抵抗(オーミック抵抗)による電圧降下(IR損)と、化学的な反応に基因する分極抵抗成分のうちの活性化分極による電圧降下と、化学的な反応に基因する分極抵抗成分のうちの濃度分極による電圧降下とに分けることができる。
【0004】
IR損は放電電流が0になると同時に0になり、活性化分極による電圧降下も比較的短時間のうちに0になるが、濃度分極による電圧降下については、放電電流の減少に伴って低下するが、濃度分極が電解液の拡散によって解消するために比較的長い時間を要するため、放電電流が0になっても比較的長時間残存し続ける。このように、放電後も放電による電圧降下が解消せずに残っている状態を非平衡状態と呼び、この状態にあるとき開放状態で測定したバッテリの端子電圧(開放電圧)は、放電による電圧降下が全て解消した平衡状態での開放電圧(開回路電圧)とは異なり、しかも、放電停止以後、時間の経過に伴って開回路電圧に向かって変化するものである。
【0005】
なお、充電電流が流れることによって上昇したバッテリの開放電圧も、放電時と同様に濃度分極による電圧上昇が比較的長時間残存し続けるため、開回路電圧とは異なるものである。
【0006】
一般に、バッテリの端子電圧は充電終了後には下降し、放電終了後には上昇しながら開回路電圧に向かってそれぞれ変化する。そこで、充放電終了後、ほぼ平衡状態となるであろう或る時間、例えば24時間が経過したときの開放電圧を測定して開回路電圧とみなすことが行われていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述した方法では、開放電圧を開回路電圧とみなして測定できるには、充放電終了から平衡状態とみなせる状態になるまで待たなければならず、このような時間が経過する前に、充放電が再開されたときには、次の充放電終了から再度一定の時間が経過するまで測定する機会がなく、開回路電圧を知ることのできる機会が極めて少ないという問題があった。
【0008】
よって、本発明は上述した状況に鑑み、使用中のバッテリの開回路電圧を、充放電終了から平衡状態とみなせる状態になるまで待つことなく、充放電の終了から比較的短時間の内に、しかも比較的正確に推定できるバッテリの開回路電圧推定方法及び装置を提供することを課題としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する請求項1乃至請求項6記載の本発明は、バッテリの開回路電圧推定方法に、請求項7乃至請求項8記載の本発明は、バッテリの開回路電圧推定装置にそれぞれ関し、いずれの発明も、充放電終了後のバッテリの端子電圧が開回路電圧と推定できる所定電圧に漸近するように変化することに着目してなされたものである。
【0010】
上記課題を解決するためなされた請求項1記載の発明は、負荷に電力を供給するバッテリの開回路電圧を推定するバッテリの開回路電圧推定方法であって、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出した時点を起点とし、該起点から時間t1、t2及びt3経過した3時点でバッテリの端子電圧v1、v2及びv3をそれぞれ測定し、前記経過時間t1、t2及びt3と前記測定端子電圧v1、v2及びv3に対し、前記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、前記起点と前記一定値以下になった時点との時間差に相当する時間cの軸線及び電圧bの軸線をそれぞれ漸近線として予め定めた推定計算式V=[a/(t−c)]+bについて3連立方程式を立て、該3連立方程式のbの解に前記時間t1、t2及びt3と前記端子電圧v1、v2及びv3をそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定することを特徴とするバッテリの開回路電圧推定方法に存する。
【0011】
上述した請求項1記載の手順によれば、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出することで実質的な充放電が行われていないことを判断し、この検出時点を起点とし、この起点から時間t1、t2及びt3経過した3時点でバッテリの端子電圧v1、v2及びv3をそれぞれ測定する。次に、経過時間t1、t2及びt3と測定端子電圧v1、v2及びv3に対し、上記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、前記起点と前記一定値以下になった時点との時間差に相当する時間cの軸線及び電圧bの軸線をそれぞれ漸近線として予め定めた推定計算式V=[a/(t−c)]+bについて3連立方程式を立て、この3連立方程式のbの解に時間t1、t2及びt3と端子電圧v1、v2及びv3をそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定しているので、バッテリの充放電が終了していることを判断した後、比較的短い時間内の3時点と、各時点においてそれぞれ測定したバッテリの端子電圧とにより、推定計算式の漸近線の軸線の値を求めることで、開回路電圧を推定することができる。
【0012】
請求項2記載の発明は、請求項1記載のバッテリの開回路電圧推定方法において、前記経過時間と前記測定端子電圧をそれぞれ代入してbの値を求めるための式として予め2つ用意し、前記測定端子電圧が下降しているときと上昇しているときで、その一方を選択し使用することを特徴とするバッテリの開回路電圧推定方法に存する。
【0013】
上述した請求項2記載の手順によれば、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出する以前に、バッテリが放電状態にあったか或いは充電状態にあったかによって、上記検出以降の端子電圧の変化が上昇であったり或いは下降であったりし、推定計算式が漸近する漸近線を構成する電圧軸線が異なることに対応してbの値を求める式を予め2つ用意しておき、測定端子電圧が下降しているときと上昇しているときで、その一方を選択し使用するようにしているので、充放電後の開回路電圧の推定の何れにも対応することができる。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載のバッテリの開回路電圧推定方法において、前記測定端子電圧が上昇している場合、予め用意した補正式に前記推定した開回路電圧を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定することを特徴とするバッテリの開回路電圧推定方法に存する。
【0015】
上述した請求項3記載の手順によれば、測定端子電圧が上昇している場合、推定した開回路電圧の実測した開回路電圧に対するズレに所定の関係が成立することに着目し、予め補正式を用意し、補正式に推定した開回路電圧を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定しているので、測定端子電圧が上昇している場合に、実測したときの開回路電圧により近い開回路電圧を推定することができる。
【0016】
請求項4記載の発明は、請求項1ないし3の何れかに記載のバッテリの開回路電圧推定方法において、前記測定端子電圧が下降している場合、前記3時点の起点からの相対的な時間関係によって傾きの変化する予め用意した補正式に、所定値を越えている前記推定開回路電圧の部分を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定することを特徴とするバッテリの開回路電圧推定方法に存する。
【0017】
上述した請求項4記載の発明によれば、測定端子電圧が下降している場合、推定した開回路電圧が所定値を越えているとき、その越えている部分が実測した開回路電圧に対してズレており、そのズレ量が3時点の起点からの相対的な時間関係によって変化する所定の関係が成立することに着目し、3時点の起点からの相対的な時間関係によって傾きの変化する補正式を予め用意し、補正式に推定開回路電圧の所定値を越えている電圧部分を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定しているので、測定端子電圧が下降している場合に、実測したときの開回路電圧により近い開回路電圧を推定することができる。
【0018】
請求項5記載の発明は、請求項1ないし3の何れかに記載のバッテリの開回路電圧推定方法において、前記測定端子電圧が下降している場合、前記3時点の起点からの相対的な時間関係によって傾きの変化する予め用意した補正式に、所定値を越えている前記推定開回路電圧の部分を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定し、前記起点が不明であるとき、当該起点を、前記予め定めた式について立てた3連立方程式のcの解に前記経過時間と前記測定端子電圧をそれぞれ代入して得たcの値に基づいて推定することを特徴とするバッテリの開回路電圧推定方法に存する。
【0019】
上述した請求項5記載の発明によれば、測定端子電圧が下降している場合、推定した開回路電圧が所定値を越えているとき、その越えている部分が実測した開回路電圧に対してズレており、そのズレ量が3時点の起点からの相対的な時間関係によって変化する所定の関係が成立することに着目し、3時点の起点からの相対的な時間関係によって傾きの変化する補正式を予め用意し、補正式に推定開回路電圧の所定値を越えている電圧部分を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定し、起点が不明であるとき、当該起点を、前記予め定めた式について立てた3連立方程式のcの解に前記経過時間と前記測定端子電圧をそれぞれ代入して得たcの値に基づいて推定しているので、測定端子電圧が下降している場合に、充電終了時点が不明でも、実測したときの開回路電圧により近い開回路電圧を推定することができる。
【0020】
請求項6記載の発明は、負荷に電力を供給するバッテリの開回路電圧を推定するバッテリの開回路電圧推定方法であって、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になったことを検出した時点を起点とし、該起点から時間t1及びt2経過した2時点でバッテリの端子電圧v1及びv2をそれぞれ測定し、前記経過時間t1及びt2と前記測定端子電圧v1及びv2に対し、前記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、起点の軸線及び電圧bの軸線をそれぞれ漸近線として予め定めた推定計算式V=(a/t)+bについて2連立方程式を立て、該2連立方程式のbの解に前記時間t1及びt2と前記端子電圧v1及びv2をそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定することを特徴とするバッテリの開回路電圧推定方法に存する。
【0021】
上述した請求項6記載の手順によれば、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になったことを検出することで実質的な充放電が終了したことを判断し、この検出時点を起点とし、この起点から時間t1及びt2経過した2時点でバッテリの端子電圧v1及びv2をそれぞれ測定する。次に、経過時間t1及びt2と測定端子電圧v1及びv2に対し、上記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、起点の軸線及び電圧bの軸線をそれぞれ漸近線として予め定めた推定計算式V=(a/t)+bについて2連立方程式を立て、該2連立方程式のbの解に前記時間t1及びt2と前記端子電圧v1及びv2をそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定しているので、バッテリの充放電が終了したことを判断した後、比較的短い時間内の2時点と、各時点においてそれぞれ測定したバッテリの端子電圧とにより、推定計算式の漸近線を構成する電圧軸線の値bを求めることで、開回路電圧を推定することができる。
【0022】
請求項7記載の発明は、図1に示す基本構成図に示すように、負荷10に電力を供給するバッテリ1の開回路電圧を推定するバッテリの開回路電圧推定装置であって、バッテリに流れる電流を測定する電流測定手段2と、バッテリの端子電圧を測定する電圧測定手段3と、前記電流測定手段が測定した電流に基づいてバッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出して無負荷状態にあると推定する無負荷推定手段5−1と、該無負荷推定手段が無負荷状態を推定した時点を起点とし、該起点から時間t1、t2及びt3経過した3時点で前記電圧測定手段にバッテリの端子電圧v1、v2及びv3をそれぞれ測定させ、前記経過時間t1、t2及びt3と前記測定端子電圧v1、v2及びv3を、前記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、前記起点と前記一定値以下になった時点との時間差に相当する時間cの軸線及び電圧bの軸線を漸近線として予め定めた推定計算式V=[a/(t−c)]+bについて立てた3連立方程式のbの解にそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定する開回路電圧推定手段5−2とを備えることを特徴とするバッテリの開回路電圧推定装置に存する。
【0023】
上述した請求項7記載の発明によれば、電流測定手段2により測定しているバッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを無負荷推定手段5−1が検出して実質的な充放電が行われていない無負荷状態にあると推定し、この検出時点を起点とし、この起点から時間t1、t2及びt3経過した3時点でバッテリの端子電圧v1、v2及びv3を電圧測定手段3がそれぞれ測定する。次に、開回路電圧推定手段5−2が、経過時間t1、t2及びt3と測定端子電圧v1、v2及びv3を、上記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、上記起点と一定値以下になった時点との時間差に相当する時間cの軸線及び電圧bの軸線をそれぞれ漸近線として予め定めた推定計算式V=[a/(t−c)]+bについて立てた3連立方程式のbの解にそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定しているので、バッテリの充放電が終了していることを判断した後、比較的短い時間内の3時点と、各時点においてそれぞれ測定したバッテリの端子電圧とにより、推定計算式の漸近線の軸線の値を求めることで、開回路電圧を推定することができる。
【0024】
請求項8記載の発明は、図1に示す基本構成図に示すように、負荷10に電力を供給するバッテリ1の開回路電圧を推定するバッテリの開回路電圧推定装置であって、バッテリに流れる電流を測定する電流測定手段2と、バッテリの端子電圧を測定する電圧測定手段3と、前記電流測定手段が測定した電流に基づいてバッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になったことを検出して無負荷状態になったと推定する無負荷推定手段5−1と、該無負荷推定手段が無負荷状態を推定した時点を起点とし、該起点から時間t1及びt2経過した2時点で前記電圧測定手段にバッテリの端子電圧v1及びv2をそれぞれ測定させ、前記経過時間t1及びt2と前記測定端子電圧v1及びv2を、前記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、起点である軸線及び端子電圧Vがbである軸線を漸近線として予め定めた推定計算式V=(a/t)+bについて立てた連立方程式のbの解にそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定する開回路電圧推定手段5−2とを備えることを特徴とするバッテリの開回路電圧推定装置バッテリの開回路電圧推定装置に存する。
【0025】
上述した請求項8記載の発明によれば、電流測定手段2により測定しているバッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になったことを無負荷推定手段5−1が検出して実質的な充放電が終了し無負荷状態になったと推定し、この検出時点を起点とし、この起点から時間t1及びt2経過した2時点でバッテリの端子電圧v1及びv2を電圧測定手段3がそれぞれ測定する。次に、開回路電圧推定手段5−2が、経過時間t1及びt2と測定端子電圧v1及びv2を、上記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、起点の軸線及び電圧bの軸線をそれぞれ漸近線として予め定めた推定計算式V=(a/t)+bについて立てた2連立方程式のbの解にそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定しているので、バッテリの充放電が終了したことを判断した後、比較的短い時間内の2時点と、各時点においてそれぞれ測定したバッテリの端子電圧とにより、推定計算式の漸近線を構成する電圧軸線の値bを求めることで、開回路電圧を推定することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるバッテリの開回路電圧推定方法を、図2を参照して本発明によるバッテリの開回路電圧推定装置の一実施形態と共に説明する前に、本発明の基本的な考え方を説明する。
【0027】
本発明によるバッテリの開回路電圧推定方法は、バッテリへの充電およびバッテリからの放電が実質的に停止したとき、バッテリの端子電圧が時間の経過に伴ってバッテリの充電状態に対応する開回路電圧に相当する一定値に漸近するように変化することに着目してなされたものであり、バッテリの充放電の停止をバッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることで検出し、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になった時点の軸線と漸近する電圧値の軸線をそれぞれ漸近線とする分数式を利用して、漸近する電圧値を求めて開回路電圧を推定する。
【0028】
具体的には、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出した時点を起点とし、図3に示すように(図には、一定値以下になった時点を起点とする場合を示している)、該起点から時間t1、t2及びt3経過した3時点でバッテリの端子電圧をそれぞれ測定し、前記時間t1、t2及びt3と、前記3時点での前記測定端子電圧v1、v2及びv3を、前記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、前記起点と前記一定値以下になった時点との時間差に相当する時間cの軸線(図の例では、cは時間0の軸線)及び電圧bの軸線を漸近線として予め定めた推定計算式
V=[a/(t−c)]+b
にそれぞれ代入すると、以下の3連立方程式が立てられる。
v1=[a/(t1−c)]+b
v2=[a/(t2−c)]+b
v3=[a/(t3−c)]+b
この3連立方程式をa、b及びcについて解くと、以下のようになる。
【0029】
今、
V0=(v1−v2)/(v2−v3)
T0=(t1−t2)/(t2−t3)
E=V0−T0
F=(t2+t3)・T0−(t1+t2)・V0
G=t1・t2・V0−t2・t3・T0
J=T0−V0
K=(v2+v3)・V0−(v1+v2)・T0
L=v1・v2・T0−v2・v3・V0
とすると、a,b及びcは次式によって求められる。
【0030】
【数1】
【0031】
なお、bは2つの値をもつようになるが、+側の式は電圧が上昇して漸近する場合の漸近線の値、−側の式は電圧が下降して漸近する場合の漸近線の値となる。したがって、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出した後の端子電圧の変化が上昇しているか下降しているかによって適用するbの式を選択することになる。
【0032】
上述したようにbについて予め求めておいた何れかの解に、時間t1、t2及びt3と、測定端子電圧v1、v2及びv3を代入することによってbの値を求め、これを開回路電圧と推定する。
【0033】
なお、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になった時点が既知で時間軸の0と一致するときにはc=0となるので、起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、前記起点と前記一定値以下になった時点0の軸線及び電圧bの軸線を漸近線として予め定めた推定計算式
V=(a/t)+b
を用い、これに起点から時間t1及びt2と、前記2時点での前記測定端子電圧v1及びv2をそれぞれ代入して、以下の2連立方程式が立てられる。
v1=(a/t1)+b
v2=(a/t2)+b
この2連立方程式をa及びbについて解くことで、漸近線を決定できる。従って、予め求めたbの式に時間t1及びt2と2時点での測定端子電圧v1及びv2をそれぞれ代入することで、開回路電圧と推定する電圧値を計算によって求めることができる。
【0034】
上述した基本的な考え方に基づいて推定される開回路電圧が実測した開回路電圧に対応したものとなっていることを、バッテリから放電した場合とバッテリに充電した場合とに分けて以下説明する。
【0035】
今、新品のバッテリを20、40、60、80及び100%放電した後の端子電圧Vの推移をセル単位のもので示すと、図4のグラフのようになる。図中、曲線に付した数字は曲線が各%に対応するものであることを示す。バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出した時点を起点として、10、20、30及び120分経過する時点とその前後5分の3時点でサンプリングした端子電圧に基づいて推定した開回路電圧を、24時間後に実測した開回路電圧と対比できるようにプロットすると図5のグラフに示すようになる。
【0036】
図中、実線が推定開回路電圧であり、図示は省略しているが、10、20、30及び120分経過する時点で測定した電圧に基づいて推定した開回路電圧は、この実線上に分布するようになる。なお、点線は実測値と一致している場合を示す。図5のグラフからは、実測開回路電圧に比較して小さく、端子電圧が小さい程その差が大きくなることが分かる。この差は、推定開回路電圧bを未知数とする直線式
b′=z1b+z2
を予め用意し、これに求めたbを代入することで、補正した推定開回路電圧b′を求め、処理を終了する。なお、z1及びz2は既知の値である。
【0037】
以上のことから、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になり、端子電圧が上昇していることで放電が終了した後であると判断できる場合には、任意の時点で測定した3点の端子電圧に基づいて開回路電圧を推定することができる。なお、より精度のよい推定を行うには、その推定した開回路電圧に対してその大きさに応じた補正を加えることができる。
【0038】
次に、完全放電したバッテリに、0、20、40、60、80及び100%充電状態に充電した後の端子電圧の推移をセル単位のもので示すと、図6のグラフのようになる。図中、曲線に付した数字は各%に対応するものであることを示す。バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出した時点を起点として、10、20、120及び240分経過する時点とその前後5分の3時点でサンプリングした端子電圧に基づいて推定した開回路電圧を、24時間後に実測した開回路電圧と対比できるようにプロットすると図7のグラフに示すようになる。
【0039】
図中、直線に付した数字は直線が各測定時点の分に対応するものであることを示す。このとき、推定開回路電圧は、所定値z0以上になると、図8に示すように、測定時点が早いほど実測開回路電圧に比較して大きくなり、その差ΔVは、推定開回路電圧と所定値の差Δvを未知数とする直線式
ΔV=z3Δv+z4
を予め用意することで補正することができる。
【0040】
この直線式の傾きを決定するz3が端子電圧の測定時点によって変わるので、測定時点Tにて傾きz3を決定する式も直線式
z3=z5T+z6
や対数式
z3=z7Ln(T)+z8
にて予め用意し、これに測定時点のTを代入することによって、上の式から求めた補正後の差Δvを所定値z0に加算する下式
の計算を行うことによって、
b′=z3(b−z0)+z0
補正した推定開回路電圧b′を求め、処理を終了する。
【0041】
なお、上述の説明では、端子電圧がバッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出した時点を起点としているが、この検出時点が一定値以下になった時点と一致していない場合には、上述した連立方程式によって、漸近線を構成する時間軸の値cを求めることで、起点からの測定時点を明らかにすることができる。すなわち、端子電圧がバッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になった時点が不明な場合には、推定計算式V=[a/(t−c)]−bに基づく3連立方程式を利用することが必要であるが、一定値以下になった時点が明らかな場合には、漸近線を構成する時間軸の値を求める必要がないので、推定計算式V=(a/t)−bに基づく2連立方程式を利用して開回路電圧を推定することができる。
【0042】
以上のことから、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になり、端子電圧が下降していることで充電が終了した後であると判断できる場合には、任意の時点で測定した3点又は2点の端子電圧に基づいて開回路電圧を推定することができる。
【0043】
なお、より精度のよい推定を行うには、その推定した開回路電圧に対してその起点からの測定時点の経過時間とその大きさとに応じた補正を加えることができる。しかしながら、起点が不明な場合には、補正を行うために、時間要素を加味した推定計算式を使用して起点を計算によって決定するようにする。
【0044】
元の図面に戻って説明すると、図2は本発明のバッテリの開回路電圧推定方法を適用した本発明の一実施形態に係るバッテリの開回路電圧推定装置の構成を示すブロック図である。
【0045】
本実施形態のバッテリの開回路電圧推定装置は、バッテリ1から負荷10に電源供給した際に流れる放電電流や、バッテリ1を図示しない充電器により充電した際に流れる充電電流を検出する電流センサ2と、バッテリ1の端子電圧Vを検出する電圧センサ3と、電流センサ2及び電圧センサ3の出力をA/D変換するA/D変換器を有するインタフェース回路(以下、「I/F」と略記する。)4と、I/F4にてA/D変換するタイミングを制御すると共にA/D変換した後の電流値及び電圧値を取り込み、バッテリの開回路電圧を推定する処理を行うマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と略記する。)5とを備えている。
【0046】
そして、前記マイコン5は、CPU、RAM、及び、ROMを有しており、このうち、CPUには、RAM及びROMの他、前記I/F4が接続されている。
【0047】
前記RAMは、各種データ記憶用のデータエリア及び各種処理作業に用いるワークエリアを有しており、前記ROMには、CPUに各種処理動作を行わせるための制御プログラムが格納されている。
【0048】
次に、前記ROMに格納された制御プログラムに従いCPUが行うバッテリの開回路電圧推定処理を、図9のフローチャートを参照して説明する。
【0049】
マイコン5は、バッテリ1を電源とする図示しない安定化電源回路からの給電を受けて起動し、図9のフローチャートに示す測定処理を開始しており、電流センサ2の出力をサンプリングして得た電流値に基づいて、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっているかどうかによって、充電又は放電が終了し無負荷状態になったかどうかを判定する(ステップS1)。無負荷状態になっていると判定したとき(ステップS1の判定がYESのとき)には、無負荷状態になっていると判定したときを起点として起点から時間t1経過しているかどうかを判定し、時間t1経過していれば(ステップS2の判定がYESとなっていれば)、電圧センサ3の出力をサンプリングしてバッテリの端子電圧v1を測定する(ステップS3)。
【0050】
その後、継続して無負荷状態にあることを確認し(ステップS4)、前回の測定時点から一定時間経過したことを確認した(ステップS5の判定がYESとなった)後の起点から時間t2経過した時点で電圧センサ3の出力をサンプリングしてバッテリの端子電圧v2を測定する(ステップS6)。更にその後、継続して無負荷状態にあることを確認し(ステップS7)、前回の測定時点から一定時間経過したことを確認した(ステップS8の判定がYESとなった)後の起点から時間t3経過した時点で電圧センサ3の出力をサンプリングしてバッテリの端子電圧v3を測定する(ステップS9)。
【0051】
上述したように、起点から時間t1、t2及びt3経過した時点で端子電圧v1、v2及びv3をそれぞれ測定し終わったところで、これらのデータに基づいて、開回路電圧として推定する電圧を算出するための処理を行う(ステップS10)。
【0052】
開回路電圧を推定するための電圧算出処理は、図10のフローチャートに示す如く行われる。まず、時間t2及びt3において測定した端子電圧v2及びv3を比較し、両者が等しいかどうかを判定する(ステップS101)。両者が等しければ(ステップS101がYESのとき)、端子電圧が一定値、すなわち、漸近線に漸近したとして、その値を開回路電圧と推定し(ステップS102)、開回路電圧推定処理を終了する。
【0053】
両者が等しくなければ(ステップS101がNOのとき)、
V0=(v1−v2)/(v2−v3)
T0=(t1−t2)/(t2−t3)
E=V0−T0
J=T0−V0
K=(v2+v3)・V0−(v1+v2)・T0
L=v1・v2・T0−v2・v3・V0
を計算する(ステップS103)。
【0054】
続いて、時間t1及びt2において測定した端子電圧v1及びv2を比較し、v1がv2よりも大きいかどうかによって電圧が下降しているかどうかを判定する(ステップS104)。電圧が下降していなく上昇しているとき(ステップS104がNOのとき)には、続いて時間t2及びt3において測定した端子電圧v2及びv3を比較し、v2がv3よりも小さいかどうかによって電圧が上昇しているかどうかを判定する(ステップS105)。端子電圧が上昇でなく下降しているとき(ステップS105がNOのとき)には、計測に誤りがあるとして、ここで処理を終了する。
【0055】
測定した端子電圧がv1<v2<v3なる関係にあって上昇しているとき(ステップS105がYESのとき)には、上記ステップS103において計算しておいたEが0であるかどうか、すなわち、Y0とX0が等しいかどうか判定する(ステップS106)。換言すると、端子電圧の上昇の比率と経過時間差の比率とが等しいかどうかを判定する。
【0056】
Eが0であるとき(ステップS106がYESのとき)には、端子電圧が電圧値v3に漸近したとして、その値を開回路電圧と推定し(ステップS107)、開回路電圧推定処理を終了する。Eが0でないとき(ステップS106がNOのとき)には、次に電圧上昇時のbの算出式を用いて推定開回路電圧を求めるとともに、該求めたbの値に基づいて補正式を用いて補正した推定開回路電圧を求める(ステップS107)。すなわち、ステップS107においては、次式によってbを計算する。
【0057】
【数2】
【0058】
上式の計算によって求まったbを開回路電圧と推定し、これを一次補正式
b′=z1b+z2
に代入して補正した推定開回路電圧b′を求めて、処理を終了する。
【0059】
上記ステップS104の判定がYESで、電圧が下降しているときには、続いて時間t2及びt3において測定した端子電圧v2及びv3を比較し、v2がv3よりも大きいかどうかによって電圧が下降しているかどうかを判定する(ステップS109)。端子電圧が下降でなく上昇しているとき(ステップS109がNOのとき)には、計測に誤りがあるとして、ここで処理を終了する。
【0060】
測定した端子電圧がv1>v2>v3なる関係にあって下降しているとき(ステップS109がYESのとき)には、上記ステップS103において計算しておいたEが0であるかどうか、すなわち、Y0とX0が等しいかどうか判定する(ステップS110)。換言すると、端子電圧の下降の比率と経過時間差の比率とが等しいかどうかを判定する。
【0061】
Eが0であるとき(ステップS110がYESのとき)には端子電圧が電圧値v3に漸近したとして、その値を開回路電圧と推定し(ステップS111)、開回路電圧推定処理を終了する。
【0062】
Eが0でないとき(ステップS110がNOのとき)には、バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になったことを検出して無負荷状態になった時点と起点とのズレを確認するため、
F=(t2+t3)・T0−(t1+t2)・V0
G=t1・t2・V0−t2・t3・T0
を算出するとともに、この算出したFとGを利用して次式によってcを計算する(ステップS112)。
【0063】
【数3】
【0064】
続いて、電圧下降時の推定開回路電圧を求めるため次式によってbを計算する。
【0065】
【数4】
【0066】
上式の計算によって求まったbを開回路電圧と推定し、これを補正式
b′=z3(b−z0)+z0
に代入して補正した推定開回路電圧b′を求めて(ステップS113)、処理を終了する。
【0067】
図9及び図10のフローチャートを参照して行った説明から明らかなように、マイコン5のCPUはその処理動作によって、無負荷推定手段5−1と開回路電圧推定手段5−2として機能している。
【0068】
なお、フローチャートには具体的な記載はないが、マイコン5が所定のタイミングで端子電圧をサンプリングして読み込むとき以外の期間、スリープ状態にし、必要以上の電力消費を抑えるようにすることもできる。
【0069】
上述したように推定した開回路電圧は、分数式の漸近線となっているので、温度によって測定端子電圧が変わっても、また測定までの経過時間が異なっても、移動するものでないので、温度補正を全く必要としない他、バッテリの特性が多少異なっていてもそのまま適用することができる。しかも、充放電電流が流れなければ、その都度、開回路電圧を推定することが可能になり、開回路電圧を推定できる頻度を多くすることができる。
【0070】
上述の説明では、温度によって漸近線は変わらないとしているが、これは、厳密には開回路電圧は温度によって微少であるが変化するものの、無視できる程度のものであるからである。
【0071】
上述の説明では、バッテリの用途について特に言及しなかったが、車両において、バッテリの充電状態を適切に知り、効率的にバッテリを利用して燃費向上を図るために有効に適用できる。
【0072】
なお、本願明細書中においては、分極などの影響を受けた端子電圧を開放電圧とし、平衡状態のときの端子電圧を開回路電圧としている。
【0073】
また、適用する車両としては、一般的な14V車両や14Vと42V等の多電源車、電気自動車、通常のガソリン自動車等、種々の車両に搭載されたバッテリの開回路電圧の推定に適用可能であることは、言うまでもない。
【0074】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1又は7記載の発明によれば、バッテリの充放電が終了していることを判断した後、比較的短い時間内の3時点と、各時点においてそれぞれ測定したバッテリの端子電圧とにより、推定計算式の漸近線の軸線の値を求めることで、開回路電圧を推定することができるバッテリの開回路電圧推定方法及び装置を提供することができる。
【0075】
請求項2記載の発明によれば、端子電圧の変化により、予め2つ用意したbの値を求める式をの一方を選択し使用するようにしているので、充放電後の開回路電圧の推定の何れにも対応することができるバッテリの開回路電圧推定方法を提供することができる。
【0076】
請求項3記載の発明によれば、測定端子電圧が上昇している場合、推定した開回路電圧の実測した開回路電圧に対するズレに所定の関係が成立することに着目し、予め用意した補正式に推定した開回路電圧を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定しているので、測定端子電圧が上昇している場合に、実測したときの開回路電圧により近い開回路電圧を推定することができるバッテリの開回路電圧推定方法を提供することができる。
【0077】
請求項4記載の発明によれば、測定端子電圧が下降している場合、推定した開回路電圧が所定値を越えているとき、その越えている部分が実測した開回路電圧に対してズレており、そのズレ量が3時点の起点からの相対的な時間関係によって変化する所定の関係が成立することに着目し、予め用意した補正式に推定開回路電圧の所定値を越えている電圧部分を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定しているので、測定端子電圧が下降している場合に、実測したときの開回路電圧により近い開回路電圧を推定することができるバッテリの開回路電圧推定方法を提供することができる。
【0078】
請求項5記載の発明によれば、測定端子電圧が下降している場合、推定した開回路電圧が所定値を越えているとき、その越えている部分が実測した開回路電圧に対してズレており、そのズレ量が3時点の起点からの相対的な時間関係によって変化する所定の関係が成立することに着目し、予め用意した補正式に推定開回路電圧の所定値を越えている電圧部分を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定し、起点が不明であるとき、当該起点を、前記予め定めた式について立てた3連立方程式のcの解に基づいて推定しているので、測定端子電圧が下降している場合に、充電終了時点が不明でも、実測したときの開回路電圧により近い開回路電圧を推定することができるバッテリの開回路電圧推定方法を提供することができる。
【0079】
請求項6又は8記載の発明によれば、バッテリの充放電が終了したことを判断した後、比較的短い時間内の2時点と、各時点においてそれぞれ測定したバッテリの端子電圧とにより、推定計算式の漸近線の軸線の値を求めることで、開回路電圧を推定することができるバッテリの開回路電圧推定方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のバッテリの開回路電圧推定装置の基本構成を示すブロック図である。
【図2】本発明のバッテリの開回路電圧推定方法を実施する本発明の開回路電圧推定装置の一実施形態を示す構成図である。
【図3】本発明の開回路電圧推定方法の原理を説明するために使用するグラフである。
【図4】各種放電状態まで放電した後のバッテリの端子電圧の変化を示すグラフである。
【図5】図4のように変化する端子電圧に基づいて本発明の開回路電圧推定方法によって推定した開回路電圧の実測した開回路電圧に対する相違を示すとともに、その補正の仕方を説明するために使用するグラフである。
【図6】各種充電状態まで充電した後のバッテリの端子電圧の変化を示すグラフである。
【図7】図6のように変化する端子電圧に基づいて本発明の開回路電圧推定方法によって推定した開回路電圧の実測した開回路電圧に対する相違を示すグラフである。
【図8】本発明の開回路電圧推定方法によって推定した開回路電圧の実測した開回路電圧に対する相違を補正する方法を説明するために使用するグラフである。
【図9】図2中のマイコンがバッテリの開回路電圧推定のため予め定めたプログラムに従って行うメイン処理を示すフローチャートである。
【図10】図2中のマイコンがバッテリの開回路電圧推定のため予め定めたプログラムに従って行う開回路電圧を推定する処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 バッテリ
2 電流測定手段(電流センサ)
3 電圧測定手段(電圧センサ)
5−1 無負荷推定手段(CPU)
5−2 開回路電圧推定手段(CPU)
10 負荷
Claims (8)
- 負荷に電力を供給するバッテリの開回路電圧を推定するバッテリの開回路電圧推定方法であって、
バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出した時点を起点とし、該起点から時間t1、t2及びt3経過した3時点でバッテリの端子電圧v1、v2及びv3をそれぞれ測定し、
前記経過時間t1、t2及びt3と前記測定端子電圧v1、v2及びv3に対し、前記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、前記起点と前記一定値以下になった時点との時間差に相当する時間cの軸線及び電圧bの軸線をそれぞれ漸近線として予め定めた推定計算式
V=[a/(t−c)]+b
について3連立方程式を立て、該3連立方程式のbの解に前記時間t1、t2及びt3と前記端子電圧v1、v2及びv3をそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定する
ことを特徴とするバッテリの開回路電圧推定方法。 - 前記経過時間と前記測定端子電圧をそれぞれ代入してbの値を求めるための式として予め2つ用意し、前記測定端子電圧が下降しているときと上昇しているときで、その一方を選択し使用する
ことを特徴とする請求項1記載のバッテリの開回路電圧推定方法。 - 前記測定端子電圧が上昇している場合、予め用意した補正式に前記推定した開回路電圧を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定する
ことを特徴とする請求項1又は2記載のバッテリの開回路電圧推定方法。 - 前記測定端子電圧が下降している場合、前記3時点の起点からの相対的な時間関係によって傾きの変化する予め用意した補正式に、所定値を越えている前記推定開回路電圧の部分を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定する
ことを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載のバッテリの開回路電圧推定方法。 - 前記測定端子電圧が下降している場合、前記3時点の起点からの相対的な時間関係によって傾きの変化する予め用意した補正式に、所定値を越えている前記推定開回路電圧の部分を代入して求めた電圧値に基づいて開回路電圧を推定し、
前記起点が不明であるとき、当該起点を、前記予め定めた式について立てた3連立方程式のc解に前記経過時間と前記測定端子電圧をそれぞれ代入して得たcの値に基づいて推定する
ことを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載のバッテリの開回路電圧推定方法。 - 負荷に電力を供給するバッテリの開回路電圧を推定するバッテリの開回路電圧推定方法であって、
バッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になったことを検出した時点を起点とし、該起点から時間t1及びt2経過した2時点でバッテリの端子電圧v1及びv2をそれぞれ測定し、
前記経過時間t1及びt2と前記測定端子電圧v1及びv2に対し、前記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、起点の軸線及び電圧bの軸線をそれぞれ漸近線として予め定めた推定計算式
V=(a/t)+b
について2連立方程式を立て、該2連立方程式のbの解に前記時間t1及びt2と前記端子電圧v1及びv2をそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定する
ことを特徴とするバッテリの開回路電圧推定方法。 - 負荷に電力を供給するバッテリの開回路電圧を推定するバッテリの開回路電圧推定装置であって、
バッテリに流れる電流を測定する電流測定手段と、
バッテリの端子電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電流測定手段が測定した電流に基づいてバッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になっていることを検出して無負荷状態にあると推定する無負荷推定手段と、
該無負荷推定手段が無負荷状態を推定した時点を起点とし、該起点から時間t1、t2及びt3経過した3時点で前記電圧測定手段にバッテリの端子電圧v1、v2及びv3をそれぞれ測定させ、前記経過時間t1、t2及びt3と前記測定端子電圧v1、v2及びv3を、前記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、前記起点と前記一定値以下になった時点との時間差に相当する時間cの軸線及び電圧bの軸線をそれぞれ漸近線として予め定めた推定計算式
V=[a/(t−c)]+b
について立てた3連立方程式のbの解にそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定する開回路電圧推定手段と
を備えることを特徴とするバッテリの開回路電圧推定装置。 - 負荷に電力を供給するバッテリの開回路電圧を推定するバッテリの開回路電圧推定装置であって、
バッテリに流れる電流を測定する電流測定手段と、
バッテリの端子電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電流測定手段が測定した電流に基づいてバッテリに流れる電流が予め定めた一定値以下になったことを検出して無負荷状態になったと推定する無負荷推定手段と、
該無負荷推定手段が無負荷状態を推定した時点を起点とし、該起点から時間t1及びt2経過した2時点で前記電圧測定手段にバッテリの端子電圧v1及びv2をそれぞれ測定させ、前記経過時間t1及びt2と前記測定端子電圧v1及びv2を、前記起点からの経過時間をt、端子電圧をV、aを係数とし、起点の軸線及び電圧bの軸線をそれぞれ漸近線として予め定めた推定計算式
V=(a/t)+b
について立てた連立方程式のbの解にそれぞれ代入して得たbの値に基づいてバッテリの開回路電圧を推定する開回路電圧推定手段と
を備えることを特徴とするバッテリの開回路電圧推定装置。
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