JP2005014637A - Device for monitoring state of on-vehicle battery - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用バッテリの内部状態監視装置及び方法に関する。
【0002】
【従来技術】
一般に鉛蓄電池の充電状態量を示す充電率(以下、SOC;state of charge[%]という)は電池端子を開放した状態の起電圧、いわゆる開放端子電圧(以下、OCV;Open Circuit Voltageという)、と極めて強い相関がある(図5)ことが知られている。従って最も簡易的に電池のSOC測定手段として前記OCVを測定することが一般的である(例えば、特許文献1、2参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−222668号公報
【0004】
【特許文献2】
特開2002−250757号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自動車に搭載される鉛蓄電池(以下車載バッテリと称す)は車両が稼動中、停止中に限らず、常に何らかの電気装置が接続されており、いつ何時ともその端子を物理的に開放することは困難である。即ち、自動車の車載バッテリでOCV測定からのSOC算出という手段は実施困難である。
【0006】
本発明は上記問題に鑑みてなされ、車載バッテリの端子を開放しなくても開放相当の内部状態を作りこむことで擬似開放端子電圧とSOCの相関関係を利用してSOCを算定するものである。
【0007】
【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に記載の発明では、エンジンで駆動される車載発電機と、前記発電機の発電量を調整する制御装置と、前記発電機で発電した電力を蓄積する車載バッテリとを備える車両にて、エンジン稼動中に前記制御装置は前記車載発電機を一旦発電停止させ、徐々に発電量を増加していく際にバッテリの充放電電流が微小な所定範囲内に収まった際のバッテリ電圧を検出する。好適には電流値の微小な範囲は±1A以内が望ましい。
【0008】
車載発電機をこのように制御することで車載バッテリの充放電電流を微小範囲内に収めることは、ほぼ前記バッテリの端子を物理的に開放した状態に極めて近似した状態であることが発明者等の実験により明らかになった。即ち、実質的に端子を開放することが困難な自動車用バッテリでも擬似的に端子を開放した状態を作り出すことができるのである。このようにして検出した擬似OCVと実SOCの相関関係を利用して車載バッテリのSOCを求めることができる。
【0009】
請求項2によれば、前記バッテリ監視装置は、前記車載発電機の発電量を調整して前記バッテリ内部の分極状態が所定範囲内にある状態を作りこみ、その状態から前記発電機の発電量を徐々に増加してゆき前記バッテリの充放電電流が所定範囲内に収まった際のバッテリ電圧を検出する。
【0010】
実際のSOCはバッテリの分極状態に大きく依存して変動するので分極状態をしっかり管理しておかないと正確なSOCが求められないということが一般に知られている。図6を用いて説明する。平衡状態に比較して充電気味にある場合には破線のように擬似OCVに対する実SOCは高めに現われ、逆に放電気味にある場合には一点鎖線のように擬似OCVに対する実SOCは低めに現われる。更に、充電⇒放電という過程を連続的に繰り返す場合には図7のようにヒステリシスを呈しながら曲線的に推移してゆくのである。
【0011】
従って正確にSOCを推定するには分極状態を管理する必要がある。
【0012】
このように車載バッテリの分極状態を所定状態に維持した状態で擬似OCVを検出することにより、前記擬似OCVと実SOCの相関係数が大きくなりSOC推定精度を格段に向上させることが可能となる。
【0013】
請求項4によれば、前記バッテリの内部の分極状態を所定範囲内に作りこむ制御は、エンジン始動後所定時間経過した後に実行する。つまりエンジン始動時には始動用スタータモータで極めて大きな電流を消費、即ちバッテリは極めて大きな電流を放電する。即ち、始動直後は分極状態が著しくなっており、電気化学反応はこの分極状態を直ちに解消しようとする反応を促進するので、極めて不安定な内部状態となっている。この状態は本来の理想的な端子開放状態とは大きくかけはなれている。従って始動放電による分極を解消する必要があるため始動後所定時間の間は分極状態を作りこむ制御を禁止し、所定時間経過後に実施する。
【0014】
このように制御すれば、一層SOCの推定精度が向上する。
【0015】
請求項5によれば、前記バッテリの分極状態は、前回の充放電電流サンプル時に求めた分極指数をPn−1とし、充放電電流のサンプル間隔時間をΔtとし、バッテリの電解液の拡散時定数をτとすると、今回の充放電電流サンプル時の分極指数Pnは、次式で定義される。
【0016】
Pn = Pn−1 + I・Δt − Pn−1・Δt/τ
このように定量的に定義しておけば、分極状態の管理を精度良く実施できる。
【0017】
請求項6によれば、前記バッテリの充放電電流値が所定範囲内に収まった際の電圧に対するバッテリの充電率を算出して初期充電率とする。
【0018】
更に請求項7によれば、前記バッテリの充放電電流値を前記サンプル間隔△tで検出し、該電流のサンプル値Inと前記サンプル間隔Δtとの算術積を電池容量値で除した値を、前記充電率初期値に加算してゆくことで逐次のバッテリ充電率を算出する。
【0019】
このようにすればOCV検出時に算出したSOCを基準に充放電電流の変化量(積算量)を加算することで走行中の実SOCを求めることが可能となり、端子を開放する機会を少なくすることができ、充電状態を悪化させることがなくなる。
【0020】
請求項8によれば、前記バッテリ監視装置は、一旦車載発電機を発電停止させた後に徐々に発電量を増大して前記バッテリの充放電電流値を微小な所定範囲内に収める制御をエンジン稼動中に定期的に実施する。
【0021】
このように定期的に擬似OCVを求めておけば、充放電電流積算方式のデメリットである電流センサの誤差積算を定期的にリセットして解消することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1は本実施形態の全体構成を示す図である。図1に示す車載バッテリの状態監視システムは、スタータ1、スタータスイッチ2、電気負荷3、電流センサ4、車載バッテリ5、車載バッテリ監視装置6、車載発電機7、電圧制御装置8、ECU(エンジン制御装置)9、電力ケーブル10から構成されている。車載発電機7はエンジン(図示せず)によって回転駆動されて、車載バッテリ5の充電電力や電気負荷3の動作電力を発生する。
【0023】
電圧制御装置8は、車載発電機7に備わった界磁コイルに対する励磁電流の導通状態を制御することにより車載発電機7の出力電圧を所定値に調整する。この電圧制御装置8は、構成回路の動作電圧を生成する電源回路や、励磁電流の導通を制御するパワートランジスタ等のパワー素子や、この導通制御を行うロジック回路等がCMOS−ICによって実現されている。
【0024】
電気負荷3は、照明やエアコン等の電気機器であり、最近ではこれらの電気機器は制御用の電子部品を含む高度電子化装置である場合も多い。
【0025】
車載発電機7と車載バッテリ5との間および車載バッテリ5と電気負荷3との間は、電力ケーブル10によって接続されている。また、電圧制御装置8は、車載発電機7に内蔵されており、必要な電気的結線が車載発電機7の内部で行われている。
【0026】
ECU9は、エンジンの状態、車速、車載発電機7の回転数や発電状態等に基づいてエンジンの回転制御や車載発電機7の発電制御を行う外部制御装置である。例えば、電圧制御装置8からECU9に対して車載発電機7の発電状態情報が送られ、反対に、ECU9から電圧制御装置8に対して車載発電機7の出力電圧を設定する発電電圧指令情報が送られる。この発電指令情報は、発電抑制信号としての機能も有しており、ECU9から電圧制御装置8に向けて車載発電機7の出力電圧を低く設定する発電指令情報を送ることにより、車載発電機7の発電を抑制することが可能になる。
【0027】
また、車載バッテリ5の一方の端子(例えば正極端子側)の近傍には、車載バッテリ5の充放電電流を検出する電流検出手段としての電流センサ4が設けられている。この電流センサ4の検出信号および車載バッテリ5の端子電圧が車載バッテリ監視装置6に入力されている。車載バッテリ監視装置6にはある所定の分極状態におけるOCV対SOCのマップデータ(図5)を格納してある。
【0028】
本実施形態の車載バッテリの状態監視システムはこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。
【0029】
図2はエンジン稼動中の自動車用バッテリのSOC検出の動作手順を示すフローチャートであり、この図に基づき説明する。
【0030】
図3は経過時間に対する車載発電機の発電電圧Va、バッテリ電圧Vb、バッテリ電流Ib、バッテリの分極指数Pa、スタータ信号STの特性を示す特性図である。
【0031】
まず、ステップ30にてIGがONの際に、ステップ40にてスタータ信号がHi→Loへ切り替わったことを判定する。これによりエンジンが始動するが、エンジン始動直後は始動用スタータモータで大電流を消費、即ちバッテリは大電流を放電した直後であるから、分極状態が著しく極めて不安定な内部状態となっている。よって、エンジン始動後、所定時間の間はバッテリ内部の分極状態を所定範囲内に作りこむ制御は禁止し、所定時間経過後に実施する。所定時間経過を計測するタイマをステップ50、60、70にてセットする。例えばT1は60秒に設定する。ステップ80にてバッテリの充放電電流Inを電流センサ4にてサンプリングし、ステップ90にて分極指数Pnを算出する。ここで分極指数Pnは、前回の充放電電流サンプル時に求めた分極指数をPn−1とし、充放電電流のサンプル間隔時間をΔtとし、バッテリの電解液の拡散時定数をτとすると、今回の充放電電流サンプル時の分極指数Pnは、次式で定義される。
【0032】
Pn = Pn−1 + I・Δt − Pn−1・Δt/τ
ステップ100にて時間Tが所定時間T1経過後の際は、ステップ110にて電圧制御装置8から発電停止信号を送信し、車載発電機7の発電を一旦停止させる所定電圧(例えば11.8(V))に調整する(図3の▲1▼)。これによりバッテリは放電状態となるが、ステップ120にて分極指数Pnを所定の範囲内に収めるように制御する。分極指数Pnが所定の範囲内に収まれば、車載バッテリ監視装置6に格納したマップを利用できる状態になる。次にSOCを求めるためバッテリの内部状態が安定した状態で、ステップ130にて車載発電機7の発電電圧を所定電圧(例えば11.8(V))から徐々に増大させるよう電圧制御装置8にて制御する(図3の▲2▼)。
【0033】
この際、車載発電機7の発電電圧を徐々に増大させるのは、バッテリの充放電電流Inを急激に変化させないためである。ステップ140にてバッテリの充放電電流Inが微小範囲(例えば±1A)に収まった際にバッテリの端子電圧を測定する(図3の▲3▼)。車載バッテリの充放電電流Inを微小範囲内に収めることは、ほぼ前記バッテリの端子を物理的に開放した状態に極めて近似した状態に作り込むためである。
【0034】
これに基づきステップ150にて測定したバッテリの端子電圧はOCVと見なすことができる。
【0035】
図5はバッテリのOCVに対するバッテリのSOCの特性を示す特性図である。
【0036】
この特性図よりステップ160にてバッテリのOCVからバッテリのSOCを算出することが可能となる。
【0037】
この発明により、端子を実際に開放しなくても、OCV検出時に算出したSOCの基準を求めることができ、以降は充放電電流Inの変化量(積算量)を加算していくことで走行中の実SOCを求めることが可能となる。
【0038】
(他の実施形態)
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、エンジン始動後、所定時間T1経過後の場合を説明したが、図4に示すように一旦車載発電機を発電停止させた後に徐々に発電量を増大してバッテリの充放電電流Inを微小な所定範囲内に収める制御をエンジン稼動中に定期的に(例えばT1<<T2なるT2とし、数時間とする)実施するようにしてもよい。このように定期的に擬似OCVを求めておけば、充放電電流積算方式のデメリットである電流センサ4の誤差積算を定期的にリセットして解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】車載バッテリの状態監視システムの全体構成を示す図である。
【図2】実施例におけるエンジン稼動中の自動車用バッテリのSOC検出の動作手順を示すフローチャートである。
【図3】本実施形態における経過時間に対する車載発電機の発電電圧、バッテリ電圧、バッテリ電流、バッテリの分極指数、スタータ信号の特性を示す特性図である。
【図4】SOC検出をエンジン稼動中に定期的に実施する変形例の、経過時間に対する車載発電機の発電電圧、バッテリ電圧、バッテリ電流、バッテリの分極指数、スタータ信号の特性を示す特性図である。
【図5】擬似OCVと実SOCとの相関関係を示す特性図である。
【図6】分極状態に対する擬似OCVと実SOCとの相関関係を示す特性図である。
【図7】充放電過程に対する擬似OCVと実SOCとの相関関係を示す特性図である。
【符号の説明】
1…スタータ、2…スタータスイッチ、3…電気負荷、4…電流センサ、
5…車載バッテリ、6…車載バッテリ監視装置、7…車載発電機、
8…電圧制御装置、9…ECU(エンジン制御装置)、10…電力ケーブル。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus and a method for monitoring the internal state of an automobile battery.
[0002]
[Prior art]
In general, a charging rate (hereinafter referred to as SOC; state of charge [%]) indicating a state of charge of a lead storage battery is an electromotive voltage in a state where a battery terminal is opened, so-called open terminal voltage (hereinafter referred to as OCV; Open Circuit Voltage). It is known that there is a very strong correlation (FIG. 5). Therefore, it is common to measure the OCV as the battery SOC measuring means in the simplest manner (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-222668
[Patent Document 2]
JP 2002-250757 A
[Problems to be solved by the invention]
However, lead-acid batteries (hereinafter referred to as in-vehicle batteries) mounted on automobiles are not limited to whether the vehicle is operating or stopped, but are always connected to some electrical device, and their terminals are physically opened at any time. It is difficult. In other words, it is difficult to implement a means for calculating the SOC from the OCV measurement with the on-vehicle battery of the automobile.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and calculates the SOC using the correlation between the pseudo open terminal voltage and the SOC by creating an internal state equivalent to the open state without opening the terminal of the in-vehicle battery. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an on-vehicle generator driven by an engine, a control device that adjusts the amount of power generated by the generator, and an on-vehicle vehicle that stores electric power generated by the generator. In a vehicle equipped with a battery, the control device temporarily stops power generation while the engine is running, and when the power generation amount is gradually increased, the charge / discharge current of the battery falls within a minute predetermined range. The battery voltage is detected. Preferably, the minute range of the current value is within ± 1A.
[0008]
By controlling the in-vehicle generator in this manner, the charging / discharging current of the in-vehicle battery within a very small range is almost in a state that is almost similar to a state in which the terminal of the battery is physically opened. It became clear by experiment. That is, it is possible to create a state in which the terminals are opened in a pseudo manner even in an automobile battery in which it is substantially difficult to open the terminals. The SOC of the in-vehicle battery can be obtained using the correlation between the pseudo OCV detected in this way and the actual SOC.
[0009]
According to
[0010]
Since the actual SOC fluctuates greatly depending on the polarization state of the battery, it is generally known that an accurate SOC cannot be obtained unless the polarization state is well managed. This will be described with reference to FIG. The actual SOC for the pseudo OCV appears higher as shown by the broken line when it is in a charging state compared to the equilibrium state, while the actual SOC for the pseudo OCV appears lower as shown by a one-dot chain line when it is in a discharging state. . Further, when the process of charging → discharging is continuously repeated, the curve changes while exhibiting hysteresis as shown in FIG.
[0011]
Therefore, in order to accurately estimate the SOC, it is necessary to manage the polarization state.
[0012]
Thus, by detecting the pseudo OCV while the polarization state of the in-vehicle battery is maintained in a predetermined state, the correlation coefficient between the pseudo OCV and the real SOC is increased, and the SOC estimation accuracy can be remarkably improved. .
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, the control for creating the polarization state inside the battery within a predetermined range is executed after a predetermined time has elapsed after the engine is started. That is, when starting the engine, a very large current is consumed by the starter motor for starting, that is, the battery discharges a very large current. That is, the polarization state is remarkable immediately after the start, and the electrochemical reaction promotes the reaction to immediately eliminate the polarization state, so that the internal state is extremely unstable. This state is far from the ideal ideal terminal open state. Therefore, since it is necessary to eliminate the polarization due to the starting discharge, the control for creating the polarization state is prohibited for a predetermined time after the starting, and the control is performed after the elapse of the predetermined time.
[0014]
By controlling in this way, the SOC estimation accuracy is further improved.
[0015]
According to claim 5, the polarization state of the battery is defined as P n-1 as the polarization index obtained at the previous charge / discharge current sample, Δt as the sample interval time of the charge / discharge current, and at the time of battery electrolyte diffusion. When the constant is τ, the polarization index P n at the current charge / discharge current sample is defined by the following equation.
[0016]
P n = P n−1 + I · Δt−P n−1 · Δt / τ
If defined quantitatively in this way, the polarization state can be managed with high accuracy.
[0017]
According to the sixth aspect of the present invention, the battery charging rate relative to the voltage when the charging / discharging current value of the battery falls within a predetermined range is calculated as the initial charging rate.
[0018]
Furthermore, according to
[0019]
By doing this, it is possible to obtain the actual SOC while traveling by adding the amount of change (integrated amount) of the charge / discharge current based on the SOC calculated at the time of detecting the OCV, thereby reducing the chance of opening the terminal. And the charge state is not deteriorated.
[0020]
According to the eighth aspect of the present invention, the battery monitoring device controls the engine so that the power generation amount is gradually increased and the charge / discharge current value of the battery is kept within a minute predetermined range after the on-vehicle generator is stopped. During the regular implementation.
[0021]
If the pseudo OCV is obtained periodically as described above, the error integration of the current sensor, which is a disadvantage of the charge / discharge current integration method, can be periodically reset and eliminated.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of the present embodiment. The on-vehicle battery state monitoring system shown in FIG. 1 includes a starter 1, a
[0023]
The voltage control device 8 adjusts the output voltage of the in-
[0024]
The
[0025]
A
[0026]
The
[0027]
Further, a current sensor 4 as a current detection unit that detects a charging / discharging current of the in-vehicle battery 5 is provided in the vicinity of one terminal (for example, the positive terminal side) of the in-vehicle battery 5. The detection signal of the current sensor 4 and the terminal voltage of the in-vehicle battery 5 are input to the in-vehicle battery monitoring device 6. The in-vehicle battery monitoring device 6 stores OCV vs. SOC map data (FIG. 5) in a predetermined polarization state.
[0028]
The in-vehicle battery state monitoring system of the present embodiment has such a configuration, and the operation thereof will be described next.
[0029]
FIG. 2 is a flowchart showing an operation procedure for SOC detection of the automobile battery while the engine is operating, and will be described based on this figure.
[0030]
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the characteristics of the power generation voltage Va, battery voltage Vb, battery current Ib, battery polarization index Pa, and starter signal ST with respect to the elapsed time.
[0031]
First, when the IG is ON in
[0032]
P n = P n−1 + I · Δt−P n−1 · Δt / τ
When the time T in
[0033]
At this time, the gradually increasing the generated voltage of the
[0034]
Based on this, the terminal voltage of the battery measured in
[0035]
FIG. 5 is a characteristic diagram showing characteristics of the battery SOC with respect to the battery OCV.
[0036]
From this characteristic diagram, it becomes possible to calculate the SOC of the battery from the OCV of the battery at
[0037]
This invention, running in it without actually opening the terminal, which can be determined criteria SOC calculated during OCV detection, thereafter gradually adding the change amount of the charge and discharge current I n (accumulated amount) It is possible to obtain the actual SOC.
[0038]
(Other embodiments)
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of this invention. For example, in the above-described embodiment, the case where the predetermined time T 1 has elapsed after the engine start has been described. However, as shown in FIG. The charging / discharging current In may be controlled periodically (for example, T 1 << T 2 and T 2 for several hours) while the engine is operating. If the pseudo OCV is obtained periodically as described above, the error integration of the current sensor 4 which is a disadvantage of the charge / discharge current integration method can be periodically reset and eliminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an in-vehicle battery state monitoring system.
FIG. 2 is a flowchart showing an operation procedure for SOC detection of a vehicle battery while the engine is operating in the embodiment.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing characteristics of a power generation voltage of an in-vehicle generator, a battery voltage, a battery current, a battery polarization index, and a starter signal with respect to elapsed time in the present embodiment.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing characteristics of an on-vehicle generator power generation voltage, battery voltage, battery current, battery polarization index, and starter signal with respect to elapsed time, in a modified example in which SOC detection is periodically performed during engine operation; is there.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a correlation between a pseudo OCV and a real SOC.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a correlation between a pseudo OCV and a real SOC with respect to a polarization state.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a correlation between a pseudo OCV and a real SOC with respect to a charge / discharge process.
[Explanation of symbols]
1 ... starter, 2 ... starter switch, 3 ... electrical load, 4 ... current sensor,
5 ... In-vehicle battery, 6 ... In-vehicle battery monitoring device, 7 ... In-vehicle generator,
8 ... Voltage control device, 9 ... ECU (Engine control device), 10 ... Electric power cable.
Claims (8)
前記発電機の発電量を調整する制御装置と、
前記発電機で発電した電力を蓄積する車載バッテリとを備える車両にて、
エンジン稼動中に前記制御装置は前記車載発電機を一旦発電停止させ、徐々に発電量を増加していく際にバッテリの充放電電流が微小な所定範囲内に収まった際のバッテリ電圧を検出することを特徴とする車載バッテリ監視装置。An in-vehicle generator driven by an engine;
A control device for adjusting the power generation amount of the generator;
In a vehicle equipped with an in-vehicle battery that stores electric power generated by the generator,
While the engine is running, the control device temporarily stops generating power and detects the battery voltage when the charge / discharge current of the battery falls within a minute predetermined range when the power generation amount is gradually increased. An in-vehicle battery monitoring device characterized by that.
Pn = Pn−1 + I・Δt − Pn−1・Δt/τ
で定義されることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1つに記載の車載バッテリ監視装置。The polarization state of the battery is as follows, assuming that the polarization index obtained at the previous charge / discharge current sampling is P n−1 , the charge / discharge current sampling interval time is Δt, and the battery electrolyte diffusion time constant is τ. The polarization index P n at the charge / discharge current sample of
P n = P n−1 + I · Δt−P n−1 · Δt / τ
The vehicle-mounted battery monitoring device according to claim 2, wherein the vehicle-mounted battery monitoring device is defined by:
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