JP2005127894A - 鉛蓄電池の状態管理装置及び鉛蓄電池の劣化状態検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛蓄電池の劣化状態を高精度に検出することができる鉛蓄電池の状態管理装置及びその関連技術を提供する。
【解決手段】温度センサ３が検出した温度値Ｔに基づいて、その温度値における鉛蓄電池１の理想的な状態での内部抵抗値を推定した理想内部抵抗値Ｒ_Ｔを導出し、鉛蓄電池１からパルス放電を行わせるのに同期して、電圧センサ５及び電流センサ６を介して、放電の開始前の鉛蓄電池１の出力電圧（第１の電圧値Ｖ_１）と、放電開始直後における鉛蓄電池１の出力電圧（第２の電圧値Ｖ_２）及び放電電流値Ｉとを取得し、その取得した第１の電圧値Ｖ_１、第２の電圧値Ｖ_２及び放電電流値Ｉに基づいて、鉛蓄電池１の実際の内部抵抗を推定した値である推定内部抵抗値Ｒ_Ｐを導出し、導出した理想内部抵抗値Ｒ_Ｔ及び推定内部抵抗値Ｒ_Ｐの比に基づいて、鉛蓄電池１の劣化度を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛蓄電池の劣化状態を検出する鉛蓄電池の状態管理装置及びその関連技術に関し、特に車載用の鉛蓄電池の状態管理に用いる技術に関する。

鉛蓄電池は充放電の繰り返し等により劣化するため、一定の寿命を有している。このため、鉛蓄電池の劣化状態を管理する技術が求められている。

従来のこの種の技術としては、例えば、鉛蓄電池の内部抵抗値を検出し、その検出値に基づいて鉛蓄電池の劣化度を検出するものがある。これは、劣化の進行に伴って鉛蓄電池の内部抵抗値が増大するという鉛蓄電池の特性を利用したものである。

しかし、上記の従来技術は、鉛蓄電池の出力電圧と出力電流との関係から鉛蓄電池の劣化度を検出するという単純なものであり、鉛蓄電池の温度等の影響が考慮されていないため、劣化状態の検出精度に限界があり、検出精度の向上が困難であるという問題がある。

また、内部抵抗を実際に測定するためには、鉛蓄電池を負荷から切り離す等により、鉛蓄電池の内部状態が安定した状態（無負荷状態）にする必要があった。このため、車載用の鉛蓄電池の内部抵抗を実際に測定してその劣化状態の検出を行うのは困難であった。

そこで、本発明の解決すべき課題は、鉛蓄電池の劣化状態を高精度に検出することができる鉛蓄電池の状態管理装置及びその関連技術を提供することである。

前記課題を解決するための手段は、鉛蓄電池の劣化状態を検出する鉛蓄電池の状態管理装置であって、前記鉛蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段が検出した温度値に基づいて、その温度値における前記鉛蓄電池の理想的な状態での内部抵抗値を推定した理想内部抵抗値を導出する導出処理手段と、前記鉛蓄電池の実際の内部抵抗値を推定した推定内部抵抗値を検出する内部抵抗検出手段と、前記導出処理手段によって導出された前記理想内部抵抗値と、前記内部抵抗検出手段によって検出された前記推定内部抵抗値とに基づいて、前記鉛蓄電池の劣化度を判定する判定処理手段と、を備える。

好ましくは、前記導出処理手段は、予め設定された式
Ｒ_T＝ｃ₁Ｔ²＋ｃ₂Ｔ＋ｃ₃
Ｒ_T：理想内部抵抗値
Ｔ：検出温度値
ｃ₁,ｃ₂,ｃ₃：予め設定された係数
により、前記温度検出手段が検出した温度値Ｔに基づいて、その温度値Ｔにおける前記理想内部抵抗値Ｒ_Tを導出するのがよい。

また、好ましくは、前記鉛蓄電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記鉛蓄電池から放電される電流を検出する電流検出手段と、をさらに備え、前記内部抵抗検出手段は、前記鉛蓄電池から放電が行われるのに同期して、前記電圧検出手段及び前記電流検出手段を介して、放電の開始前又は終了後における前記鉛蓄電池の出力電圧である第１の電圧値と、放電が行われている途中における前記鉛蓄電池の出力電圧である第２の電圧値及び前記鉛蓄電池から放電される電流の放電電流値とを取得し、その取得した前記第１の電圧値、前記第２の電圧値及び前記放電電流値に基づいて、前記鉛蓄電池の実際の内部抵抗値を推定した推定内部抵抗値を導出するのがよい。

さらに、好ましくは、前記判定処理手段は、前記理想内部抵抗値と前記推定内部抵抗値との比に基づいて、前記鉛蓄電池の劣化度を判定するのがよい。

また、好ましくは、前記内部抵抗検出手段は、予め設定された式
Ｒ_P＝ｃ_R((Ｖ₁-Ｖ₂)/Ｉ)
Ｒ_P：推定内部抵抗値
Ｖ₁：第１の電圧値
Ｖ₂：第２の電圧値
Ｉ：放電電流値
ｃ_R：予め設定された係数
により、前記第１の電圧値Ｖ₁、前記第２の電圧値Ｖ₂及び前記放電電流値Ｉに基づいて前記推定内部抵抗値Ｒ_Pを導出するのがよい。

また、好ましくは、前記内部抵抗検出手段は、前記鉛蓄電池からパルス状の放電が行われるのに同期して、前記電圧検出手段及び前記電流検出手段を介して、前記第１の電圧値、前記第２の電圧値及び前記放電電流値を取得するのがよい。

さらに、好ましくは、前記鉛蓄電池の残存容量を検出する残存容量検出手段をさらに備え、前記判定処理手段は、前記残存容量検出手段によって検出された前記残存容量のレベルに応じて、前記鉛電池の劣化度の判定を行うか否かを判断するのがよい。

また、好ましくは、前記残存容量検出手段は、前記温度検出手段によって検出された前記鉛蓄電池の温度値と、前記鉛蓄電池の出力電圧値とに基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸の平均活量値を導出し、前記平均活量値に基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出し、前記推定濃度値に基づいて、前記鉛蓄電池の残存容量を推定した推定残存容量値を導出するのがよい。

また、前記課題を解決するための手段は、鉛蓄電池の劣化状態を検出する鉛蓄電池の劣化状態検出方法であって、所定の温度検出手段が検出した温度値に基づいて、その温度値における前記鉛蓄電池の理想的な状態での内部抵抗値を推定した理想内部抵抗値を導出し、前記鉛蓄電池の実際の内部抵抗値を推定した推定内部抵抗値を検出し、取得した前記理想内部抵抗値と前記推定内部抵抗値とに基づいて、前記鉛蓄電池の劣化度を判定する。

請求項１ないし９に記載の発明によれば、温度検出手段が検出した温度値に基づいて、その温度値における鉛蓄電池の理想的な状態での内部抵抗値を推定した理想内部抵抗値を導出するとともに、鉛蓄電池の実際の内部抵抗値を推定した推定内部抵抗値を検出し、その理想内部抵抗値と推定内部抵抗値とに基づいて、鉛蓄電池の劣化度を判定する構成であるため、鉛蓄電池の温度の影響等を考慮して、鉛蓄電池の劣化状態を高精度に検出することができる。

請求項２に記載の発明によれば、鉛蓄電池の温度値Ｔと理想内部抵抗値Ｒ_Tとの関係が簡単な形で関係づけらた式（近似式）を用いて理想内部抵抗値Ｒ_Tの導出が行われるため、理想内部抵抗値Ｒ_Tの導出のための演算を容易に行うことができるとともに、理想内部抵抗値Ｒ_Tの導出に必要な式等を記憶しておくために必要な記憶容量を抑制できる等の効果が得られる。

請求項３に記載の発明によれば、放電の開始前又は終了後における出力電圧である第１の電圧値と、放電が行われている途中における前記鉛蓄電池の出力電圧である第２の電圧値及び放電される電流の放電電流値とに基づいて、簡易な構成により鉛蓄電池の実際の内部抵抗値を精度よく検出することができる。

請求項４に記載の発明によれば、理想内部抵抗値と推定内部抵抗値との比により鉛蓄電池の劣化度を容易に判定することができる。

請求項５に記載の発明によれば、簡単な式を用いて第１及び第２の電圧値Ｖ₁，Ｖ₂及び前記放電電流値Ｉより推定内部抵抗値Ｒ_Pの導出が行われるため、推定内部抵抗値Ｒ_Pの導出のための演算を容易に行うことができるとともに、推定内部抵抗値Ｒ_Pの導出に必要な式等を記憶しておくために必要な記憶容量を抑制できる等の効果が得られる。

請求項６に記載の発明によれば、鉛蓄電池からパルス状の放電が行われるのに同期して劣化状態の検出に必要な出力電圧及び放電電流の検出が行われるため、劣化状態の検出を短時間で行うことができるとともに、劣化状態の検出に要する鉛蓄電池の放電量を小さく抑えることができる。

請求項７に記載の発明によれば、鉛蓄電池の残存容量のレベルが低く、劣化度の検出を正確に行うことができない場合などには、劣化度判定を禁止し、誤った判定が行われるのを防止することができる。

請求項８に記載の発明によれば、検出された鉛蓄電池の温度値及び出力電圧値とに基づいて、鉛蓄電池の硫酸の平均活量値を導出し、その平均活量値に基づいて、硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出し、その推定濃度値に基づいて、鉛蓄電池の残存容量を推定した推定残存容量値を導出する構成であるため、高精度で鉛蓄電池の残存容量を検出することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池の状態管理装置（以下、単に「状態管理装置」という）のブロック図である。この状態管理装置は、図１に示すように、鉛蓄電池１の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）３と、鉛蓄電池１の出力電圧を検出する電圧センサ（電圧検出手段）５と、鉛蓄電池１の出力電流を検出する電流センサ（電流検出手段）６と、この状態管理装置の制御（状態管理に必要な情報処理を含む）を統括する処理部（導出処理手段、内部抵抗検出手段、判定処理手段及び残存容量検出手段）７と、検出した鉛蓄電池１の状態に関する情報を画像、警告灯又は音声等により出力する出力部９とを備えて構成されている。本実施形態では、この状態管理装置は車両に搭載され、車載用の鉛蓄電池１の劣化状態等の検出に用いられる。

なお、処理部７は、図示しないマイコン及びメモリ等を備えて構成されている。出力部９は省略可能である。図１における温度センサ３、電圧センサ５及び電流センサ６の設置形態（設置位置等）は例示であり、これに限定されるものではない。

まず、この状態管理装置が鉛蓄電池１の劣化状態を検出する原理について説明する。

検出手順を大略的に説明すると、温度センサ３が検出した温度値に基づいて、その温度値における鉛蓄電池１の理想的な状態での内部抵抗値である理想内部抵抗値を導出するとともに、鉛蓄電池１の放電時の特性に基づいて、鉛蓄電池１の実際の内部抵抗値を推定した値である推定内部抵抗値を検出し、その取得した理想内部抵抗値と推定内部抵抗値との比に基づいて、鉛蓄電池の劣化度を判定するようになっている。なお、この劣化度の検出処理に先だって（又は同時並行に）、鉛蓄電池１の残存容量の検出が行われ、検出された残存容量が所定の基準レベル以下である場合には、劣化度の判定が行われないようになっている。

初めに、鉛蓄電池１の内部抵抗に対する残存容量の影響について検討する。図２は、残存容量の異なる鉛蓄電池１について温度を変化させつつ内部抵抗を計測した結果を示すグラフである。内部抵抗の計測は交流法（周波数：１kHz）により行い、残存容量の計測は、ＪＩＳ規格の車載バッテリ用の容量試験法に基づく放電条件にて放電させ、その放電電流値と放電時間の積から残存容量を求めることにより行った。

計測の結果、残存容量が満充電の６０〜１００％の範囲内にあるときには、計測値は図２のグラフの破線Ｌ１，Ｌ２に挟まれた狭い領域内に分布していることが分かった。図２中のグラフＧ１は、残存容量が１００％のときの計測結果に対応している。この図２の計測結果に基づく考察により、残存容量が所定のレベル以上（例えば、６０％以上）であるときには、内部抵抗に対する残存容量の影響は実質的に無視し得ることが分かった。

よって、本実施形態では、残存容量が所定のレベル以上（例えば、６０％以上）である場合についてのみ、鉛蓄電池１の劣化状態の検出を行うこととする。そして、劣化状態の検出を行う場合には、残存容量の影響については無視してその検出を行うこととする。なお、より精度の高い劣化状態の検出を行うためには、残存容量の影響も考慮する必要がある。

次に、鉛蓄電池１の温度と内部抵抗との関係について説明する。この点について、本願発明者は、鉛蓄電池１の導体部分の抵抗値の温度特性、及び電解溶液の抵抗値の温度特性に着目し、劣化のない鉛蓄電池１の内部抵抗値と温度との関係が、近似的に温度を変数とした２次多項式により表され得る点に着目し、その検証を行った。

図３は劣化のない理想的な状態における鉛蓄電池１の温度と内部抵抗との関係（測定結果）を示すグラフである。図３中の曲線Ｇ２は、温度Ｔを変数とした２次多項式に対応しており、この曲線Ｇ２により劣化のない鉛蓄電池１の内部抵抗値と温度との関係がよく表されていることが分かる。なお、この図３の特性グラフは、残存容量が６０％以上の種々レベルにある鉛蓄電池１の計測結果をすべてプロットしたものである。

そこで、本実施形態では、温度Ｔを変数とした２次多項式
Ｒ_T＝ｃ₁Ｔ²＋ｃ₂Ｔ＋ｃ₃ （１）
Ｒ_T：理想内部抵抗値（単位：ｍΩ）
Ｔ：検出温度値（単位：Ｋ）
ｃ₁,ｃ₂,ｃ₃：予め設定された係数（正又は負の数値）
を予め設定しておき、その多項式式（１）により、温度センサ３が検出した温度値Ｔに基づいて、その温度値Ｔにおける鉛蓄電池１の劣化のない理想的な内部抵抗値を推定した理想内部抵抗値Ｒ_Tを導出するようにした。各係数ｃ₁,ｃ₂,ｃ₃の値は、上記式（１）が図３の計測結果により得られた内部抵抗と温度との関係に最も適合するように設定され、例えば、
ｃ₁＝0.008，ｃ₂＝-5.015，ｃ₃＝803.51
が設定される（図３の曲線Ｇ２に対応）。

なお、溶液中の硫酸濃度が高くなる又は低くなると鉛蓄電池１の内部抵抗にその影響が出る場合があるが、通常用いられている鉛蓄電池１の硫酸濃度の範囲では、内部抵抗に大きな影響が出ることはない。

次に、使用されている鉛蓄電池１の実際の内部抵抗の検出手順について説明する。本実施形態では、鉛蓄電池１から放電（例えば、パルス状の放電）が行われるのに伴って、鉛蓄電池１の放電特性を検出し、その検出結果に基づいて実際の内部抵抗値の検出が行われるようになっている。この放電は、処理部（上位概念の用語を用いると放電処理手段）７に積極的に行われるようにしてもよく、あるいは、車両の通常動作に伴って鉛蓄電池１から所定レベルの放電が行われるのを利用するようにしてもよい。処理部７による積極的な放電としては、例えば鉛蓄電池１を微小時間だけ所定の抵抗値の負荷（図示せず）に接続することが考えられる。

より具体的には、鉛蓄電池１に微小時間のパルス状の放電（例えば、１ＣＡで１０ｍsecの放電）を行わせ、これに同期して、電圧センサ５及び電流センサ６を介して、放電の開始前の鉛蓄電池１の出力電圧である第１の電圧値と、放電が行われている途中（本実施形態では放電開始直後（例えば、放電開始から１ｍsec後））における鉛蓄電池１の出力電圧である第２の電圧値及び放電電流値とを検出し、その取得した第１の電圧値、第２の電圧値及び放電電流値に基づいて、鉛蓄電池１の実際の内部抵抗を推定した値である推定内部抵抗値を導出するするようにした（パルス放電法）。図４はこの放電時の電流、電圧の波形図である。あるいは、この変形例として、図４に示すように、放電途中（例えば、放電終了時）における鉛蓄電池１の出力電圧値Ｖ₃（第２の電圧値）及び放電電流値Ｉと、放電終了直後（例えば、放電終了時から１ｍsec後）における鉛蓄電池１の出力電圧値Ｖ₄（第１の電圧値）とを検出し、これらの検出値（Ｖ₃，Ｖ₄，Ｉ）に基づいて、内部抵抗値の導出を行うようにしてもよい。

しかし、上記のパルス放電法により計測した上記各検出値（Ｖ₁，Ｖ₂，Ｉ）を式
Ｒ₁＝(Ｖ₁-Ｖ₂)/Ｉ （２）
に代入して内部抵抗値Ｒ₁を導出すると、導出した内部抵抗値Ｒ₁と鉛蓄電池１の実際の内部抵抗値との間にずれが生じてしまう。

そこで、本願発明者は、上記各検出値（Ｖ₁，Ｖ₂，Ｉ）に基づいて上記式（２）より導出した内部抵抗値Ｒ₁と実際の内部抵抗値との相関関係を実験により調べた。なお、実際の内部抵抗値を直接計測することは困難なため、パルス放電法よりも精度のよい交流法（周波数：１kHz）により計測した値を実際の内部抵抗値の値として考えることとした。

図５は、交流法による内部抵抗の計測値とパルス放電法による内部抵抗の計測値（Ｒ₁）との相関関係を示しており、横軸が交流法による値、縦軸がパルス放電法による値に対応している。図５の相関関係より、上記式（２）により導出した値Ｒ₁と交流法により計測した値（実際の内部抵抗値）との間には、比例関係があることが分かる。

そこで、本実施形態では、この比例関係に着目し、パルス放電法により計測した上記各検出値（Ｖ₁，Ｖ₂，Ｉ）を、予め設定された式
Ｒ_P＝ｃ_R((Ｖ₁-Ｖ₂)/Ｉ) （３）
に代入して、前記推定内部抵抗値Ｒ_Pを導出するようにした。ここで、上記式（２）における係数ｃ_Rは、予め設定された補正のための比例係数であり、０．３〜０．９の範囲内の値（例えば、０．８）に設定される。なお、図５のグラフＧ３はｃ_R＝０．８の直線に対応している。

次に、推定内部抵抗値Ｒ_Pに基づいた鉛蓄電池１の劣化度の判定について説明する。本実施形態では、劣化が進むのに伴って内部抵抗値が増大する鉛蓄電池１の特性に着目し、上記式（１）により導出した劣化のない理想的な状態に対応する理想内部抵抗値Ｒ_Tと、上記式（３）により導出した実際の内部抵抗値に対応する推定内部値抵抗値Ｒ_pとの比に基づいて劣化度の判定を行うようになっている。

より具体的には、比
Ｒ_T/Ｒ_p
の値が所定の基準値ｂ以上である場合には劣化度が許容範囲内と判定され、Ｒ_T/Ｒ_pの値が基準値ｂ未満である場合には劣化度が許容範囲外と判定されるようになっている。基準値ｂは、例えば０．２〜０．５の範囲内に設定され、より具体的には、例えば０．５に設定される。

ここで、上記のように導出した抵抗値Ｒ_T，Ｒ_pに基づいた劣化度の判定は、鉛蓄電池１の残存容量が所定レベル以上であることを仮定した上で成り立っている点に留意する必要がある。

そこで、本実施形態では、上述の抵抗値Ｒ_T，Ｒ_pの導出処理に先立って、又はその導出処理と同時並行して、鉛蓄電池１の残存容量を検出し、その残存容量が所定のレベル以上である場合にのみ、抵抗値Ｒ_T，Ｒ_pに基づく劣化度の判定処理を行うようになっている。そして、これによって、鉛蓄電池１の残存容量のレベルが低く、劣化度の検出を正確に行うことができない場合などには、誤った判定が行われるのを防止するようになっている。

この残量容量の検出手順を大略的に説明すると、温度センサ３及び電圧センサ５によって検出された鉛蓄電池１の温度値及び出力電圧値とに基づいて、ネルンストの関係式により、鉛蓄電池１の硫酸の平均活量値を導出し、硫酸の平均活量の対数をとった値（対数値）と硫酸濃度とが比例関係を有することを利用して、その平均活量値に基づいて、硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出し、その推定濃度値に基づいて、鉛蓄電池１の残存容量を推定した推定残存容量値を導出するようになっている。

鉛蓄電池１の起電力（出力電圧）Ｅは、ネルンストの関係式により次のように表される。

Ｅ＝Ｅ₀+(ＲＴ/ｎＦ)×ln(ａ_av1 ²/ａ_av2 ²) （４）
上式（４）におけるＥ以外の変数は、
ａ_av1：硫酸の平均活量、
ａ_av2：水の平均活量、
ｎ：反応に関与する電子数（ここではｎ＝２）、
Ｆ：ファラデー定数（9.648×10⁴Cmol^-1）、
Ｒ：気体定数（8.314Jmol^-1Ｋ^-1）、
Ｅ₀：鉛蓄電池の標準起電力（単セル2.0485Vで６セルで12.291V）、
Ｔ：鉛蓄電池の溶液温度、
である。

水の平均活量ａ_av2を１で近似すると、上式（４）より近似的に、
Ｅ＝Ｅ₀+(ＲＴ/Ｆ)×ln(ａ_av1) （５）
の関係が得られる。これをａ_av1（以下、単に「ａ_av」と記載する）について解くと、
ａ_av＝exp((Ｆ/ＲＴ)×(Ｅ-Ｅ₀)) （６）
が得られる。

そこで、本実施形態では、上式（６）の関係式に、温度センサ３及び電圧センサ５による測定値Ｔ，Ｅ、及びメモリ等に予め登録された既知の値Ｆ，Ｒ，Ｅ₀を代入することより、鉛蓄電池１の硫酸の平均活量を推定した平均活量値ａ_avを導出するようになっている。

図６ないし図９は、６５℃、２５℃及び−３０℃時における鉛蓄電池１の硫酸の活量と質量モル濃度との関係を示すグラフである。本実施形態では、まず、図６ないし図８に例示するグラフのように、鉛蓄電池１の異なる複数の温度について、鉛蓄電池１の硫酸の活量を硫酸の質量モル濃度を変化させて実測し、各温度における鉛蓄電池１の硫酸の活量と硫酸の質量モル濃度との関係を調べた。図６なしい図８のグラフにおける各黒点は実測値を示している。

この測定の結果、本願発明者は、鉛蓄電池１の温度にかかわらず、鉛蓄電池１の硫酸の活量の対数値と質量モル濃度との間に比例関係があることに気づいた。例えば、硫酸の質量モル濃度を横軸、硫酸の活量の対数値を縦軸にとった図６ないし図８のグラフにおいて、各実測値は近似的に直線グラフＧ１１〜Ｇ１３上に沿って分布している。

そこで、本実施形態では、上式（６）により導出した硫酸の平均活量値ａ_avに基づき、次の関係式により硫酸の質量モル濃度を推定した推定濃度値ｍを導出することとしている。

ｍ＝(ln(ａ_av/Ａ))/Ｂ （７）
上式（７）において、変数Ａ，Ｂは、平均活量値ａ_avと推定濃度値ｍとの関係式を規定するための係数であり、上式（７）における平均活量値ａ_avと推定濃度値ｍの関係が実測値に近接するような値に予め設定されている。また、この係数Ａ，Ｂは、鉛蓄電池１の異なる温度ごとに設定される。図９には、−３０℃、２５℃、６５℃における係数Ａ，Ｂの値が例示的に示されている。また、図１０及び図１１は、鉛蓄電池１の温度と係数Ａ，Ｂの値の関係を示している。なお、係数Ａ，Ｂは、必要な温度範囲内において設定された複数温度について上述の図６ないし図８のグラフに示すような実測を行って、その実測結果に基づいてその複数温度における係数Ａ，Ｂを決定し、必要な温度範囲内における他の温度における係数Ａ，Ｂの値は、その実測により決定した係数Ａ，Ｂの値から推定して決定するのが効率的で好ましい。

そして、関係式（７）により導出された推定濃度値ｍを、次式に代入することにより、鉛蓄電池１の残存容量を推定した推定残存容量値ＳＯＣ（％）を導出する。

ＳＯＣ＝(ｍ−ｍ_e)/(ｍ_f−ｍ_e) （８）
上式（８）におけるｍ以外の変数は、
ｍ_f：鉛蓄電池の満充電時における硫酸の質量モル濃度値
ｍ_e：鉛蓄電池の完全に放電した定格容量放電時における硫酸の質量モル濃度値
である。上式（８）に含まれる変数のうち、ｍは関係式（７）による導出値であり、ＳＯＣは導出すべき目的値であり、ｍ_f，ｍ_eは実測により設定された既知の値である。

処理部７のメモリ等には、上記の関係式（１）（予め設定された係数ｃ₁,ｃ₂,ｃ₃を含む）、関係式（３）（予め設定された係数ｃ_Rを含む）、関係式（６）（予め設定された値Ｆ，Ｒ，Ｅ₀を含む）、関係式（７）（各温度ごとに予め設定された各係数Ａ，Ｂの値を含む）、関係式（８）（予め設定された値ｍ_f，ｍ_eを含む）が予め登録されており、これらの関係式（１），（３），（６）〜（８）を用いた、処理部７のマイコンによる演算処理により鉛蓄電池１の劣化度の判定が行われるようになっている。

次に、処理部７による鉛蓄電池１の劣化状態の検出のための処理動作について一例を挙げて説明する。なお、以下の図１２に示す処理動作は、あくまでも一例で種々のバリエーションが考えられる。

図１２に示すように、ステップＳ１では、温度センサ３及び電圧センサ５を介して鉛蓄電池１の温度値Ｔ、及び出力電圧値Ｖが検出され、その検出値（Ｔ，Ｖ）に基づいて鉛蓄電池１の残存容量が導出される。すなわち、その検出した温度値Ｔ及び出力電圧値Ｖが上記関係式（６）に代入されて演算されて、硫酸の平均活量値ａ_avが導出される。続いて、上記関係式（７）に、その導出された平均活量値ａ_av、及び各温度に対応して予め登録された複数の係数Ａ，ＢのうちのステップＳ１で検出された温度Ｔに対応する係数Ａ，Ｂが代入されて演算され、硫酸の推定濃度値ｍが導出される。続いて、その導出された推定濃度値ｍが上記関係式（８）に代入されて演算されて、推定残存容量値ＳＯＣが導出される。

ステップＳ２では、ステップＳ１で導出された推定残量容量値ＳＯＣが所定レベル以上（ここでは、６０％以上）であるか否かが判例され、６０％以上である場合には、劣化度判定を行うためにステップＳ３に進む一方、６０％未満である場合には、劣化度判定を行うことなくステップＳ６に進む。

ステップＳ３では、ステップＳ１で検出された温度値Ｔ、あるいは温度センサ３を介して新たに検出された鉛蓄電池１の温度値１が、上記関係式（１）に代入されて演算されて、劣化のない理想的な状態の鉛蓄電池１の内部抵抗を推定した理想内部抵抗値Ｒ_Tが導出される。

ステップＳ４では、上述のパルス放電法を用いた推定内部抵抗値Ｒ_Pの導出が行われる。まず、鉛蓄電池１に微小時間のパルス状の放電（例えば、１ＣＡで１０ｍsecの放電）を行わせ、これに同期して、電圧センサ５及び電流センサ６を介して、放電の開始前の鉛蓄電池１の出力電圧である第１の電圧値Ｖ₁と、放電開始直後（例えば、放電開始から１ｍsec後）における鉛蓄電池１の出力電圧である第２の電圧値Ｖ₂及び放電電流値Ｉとを検出し、その各検出値（Ｖ₁，Ｖ₂，Ｉ）を、上記関係式（３）に代入して、鉛蓄電池１の実際の内部抵抗値を推定した推定内部抵抗値Ｒ_Pを導出する。なお、このステップＳ４の処理において、第１の電圧値Ｖ₁としては、ステップＳ１で検出された出力電圧値Ｖの値を利用し、このステップＳ４での第１の電圧値Ｖ₁の検出処理を省略してもよい。

ステップＳ５では、導出した理想内部抵抗値Ｒ_T及び推定内部値抵抗値Ｒ_pに基づき、比Ｒ_T/Ｒ_pが演算され、その比の値が所定の基準値ｂ（例えば、０．５）以上である場合には劣化度が許容範囲内と判定され、比の値が基準値ｂ未満である場合には劣化度が許容範囲外と判定される。

ステップＳ６では、鉛蓄電池１の劣化度判定を行ったか否か、劣化度判定を行った場合にはその判定結果（劣化度が許容範囲内か否か）に関する情報、及び検出された鉛蓄電池１の推定残存容量値ＳＯＣに関する情報が画像表示等により出力部９を介して出力される。なお、このステップＳ６は省略可能である。

このステップＳ１〜Ｓ６の劣化状況の検出処理は、車両のエンジン始動時（例えば、イグニッションスイッチがオンされてからエンジンが始動されるまでの期間内、あるいはエンジンが始動されてから車両が発進されるまでの期間内）等に行われるようになっている。

以上のように、本実施形態によれば、温度センサ３が検出した温度値Ｔに基づいて、その温度値における鉛蓄電池１の理想的な状態での内部抵抗値を推定した理想内部抵抗値Ｒ_Tを導出し、鉛蓄電池１からパルス放電を行わせるのに同期して、電圧センサ５及び電流センサ６を介して、放電の開始前の鉛蓄電池１の出力電圧（第１の電圧値Ｖ₁）と、放電開始直後における鉛蓄電池１の出力電圧（第２の電圧値Ｖ₂）及び放電電流値Ｉとを取得し、その取得した第１の電圧値Ｖ₁、第２の電圧値Ｖ₂及び放電電流値Ｉに基づいて、鉛蓄電池１の実際の内部抵抗を推定した値である推定内部抵抗値Ｒ_Pを導出し、導出した理想内部抵抗値Ｒ_T及び推定内部抵抗値Ｒ_Pの比に基づいて、鉛蓄電池１の劣化度を判定する構成であるため、鉛蓄電池１の温度の影響等を考慮して、鉛蓄電池１の劣化状態を高精度に検出することができる。

また、鉛蓄電池１の温度値Ｔと理想内部抵抗値Ｒ_Tとの関係が簡単な形で関係づけらた上記関係式（１）を用いて理想内部抵抗値Ｒ_Tの導出が行われるため、理想内部抵抗値Ｒ_Tの導出のための演算を容易に行うことができるとともに、理想内部抵抗値Ｒ_Tの導出に必要な式等を記憶しておくために必要な記憶容量を抑制できる等の効果が得られる。

さらに、簡単な上記式（３）を用いて第１及び第２の電圧値Ｖ₁，Ｖ₂及び放電電流値Ｉより推定内部抵抗値Ｒ_Pの導出が行われるため、推定内部抵抗値Ｒ_Pの導出のための演算を容易に行うことができるとともに、推定内部抵抗値Ｒ_Pの導出に必要な式等を記憶しておくために必要な記憶容量を抑制できる等の効果が得られる。

また、鉛蓄電池１からパルス状の放電が行われるのに同期して劣化状態の検出に必要な出力電圧（Ｖ₁，Ｖ₂）及び放電電流（Ｉ）の検出が行われるため、劣化状態の検出を短時間で行うことができるとともに、劣化状態の検出に要する鉛蓄電池１の放電量を小さく抑えることができる。

さらに、鉛蓄電池１の残存容量のレベルが低く、劣化度の検出を正確に行うことができない場合などには、劣化度判定を禁止し、誤った判定が行われるのを防止することができる。

また、温度センサ３及び電圧センサ５によって検出された鉛蓄電池１の温度値及び出力電圧値とに基づいて、ネルンストの関係式により、鉛蓄電池１の硫酸の平均活量値を導出し、硫酸の平均活量の対数をとった値と硫酸濃度とが比例関係を有することを利用して、その平均活量値に基づいて、硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出し、その推定濃度値に基づいて、鉛蓄電池１の残存容量を推定した推定残存容量値を導出する構成であるため、高精度で鉛蓄電池１の残存容量を検出することができる。

本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池の状態管理装置のブロック図である。 残存容量の異なる鉛蓄電池について温度を変化させつつ内部抵抗を計測した結果を示すグラフである。 鉛蓄電池の温度と内部抵抗との関係を示すグラフである。 鉛蓄電池の放電時の電流、電圧の波形図である。 交流法による内部抵抗の計測値とパルス放電法による内部抵抗の計測値との相関関係を示すグラフである。 ６５℃時の活量と質量モル濃度との関係を示すグラフである。 ２５℃時の活量と質量モル濃度との関係を示すグラフである。 −３０℃時の活量と質量モル濃度との関係を示すグラフである。 各温度における係数Ａ，Ｂの値を示す図である。 温度と係数Ａとの関係を示すグラフである。 温度と係数Ｂとの関係を示すグラフである。 鉛蓄電池の状態管理装置の処理のフローチャートである。

符号の説明

１ 鉛蓄電池
３ 温度センサ
５ 電圧センサ
６ 電流センサ
７ 処理部
９ 出力部

Claims (9)

1. 鉛蓄電池の劣化状態を検出する鉛蓄電池の状態管理装置であって、
   前記鉛蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段が検出した温度値に基づいて、その温度値における前記鉛蓄電池の理想的な状態での内部抵抗値を推定した理想内部抵抗値を導出する導出処理手段と、
   前記鉛蓄電池の実際の内部抵抗値を推定した推定内部抵抗値を検出する内部抵抗検出手段と、
   前記導出処理手段によって導出された前記理想内部抵抗値と、前記内部抵抗検出手段によって検出された前記推定内部抵抗値とに基づいて、前記鉛蓄電池の劣化度を判定する判定処理手段と、
   を備える、ことを特徴とする鉛蓄電池の状態管理装置。
2. 請求項１に記載の鉛蓄電池の状態管理装置において、
   前記導出処理手段は、
   予め設定された式
   Ｒ_T＝ｃ₁Ｔ²＋ｃ₂Ｔ＋ｃ₃
   Ｒ_T：理想内部抵抗値
   Ｔ：検出温度値
   ｃ₁,ｃ₂,ｃ₃：予め設定された係数
   により、前記温度検出手段が検出した温度値Ｔに基づいて、その温度値Ｔにおける前記理想内部抵抗値Ｒ_Tを導出する、ことを特徴とする鉛蓄電池の状態管理装置。
3. 請求項１又は２に記載の鉛蓄電池の状態管理装置であって、
   前記鉛蓄電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記鉛蓄電池から放電される電流を検出する電流検出手段と、
   をさらに備え、
   前記内部抵抗検出手段は、
   前記鉛蓄電池から放電が行われるのに同期して、前記電圧検出手段及び前記電流検出手段を介して、放電の開始前又は終了後における前記鉛蓄電池の出力電圧である第１の電圧値と、放電が行われている途中における前記鉛蓄電池の出力電圧である第２の電圧値及び前記鉛蓄電池から放電される電流の放電電流値とを取得し、その取得した前記第１の電圧値、前記第２の電圧値及び前記放電電流値に基づいて、前記鉛蓄電池の実際の内部抵抗値を推定した推定内部抵抗値を導出する、ことを特徴とする鉛蓄電池の状態管理装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の鉛蓄電池の状態管理装置において、
   前記判定処理手段は、
   前記理想内部抵抗値と前記推定内部抵抗値との比に基づいて、前記鉛蓄電池の劣化度を判定する、ことを特徴とする鉛蓄電池の状態管理装置。
5. 請求項３に記載の鉛蓄電池の状態管理装置において、
   前記内部抵抗検出手段は、
   予め設定された式
   Ｒ_P＝ｃ_R((Ｖ₁-Ｖ₂)/Ｉ)
   Ｒ_P：推定内部抵抗値
   Ｖ₁：第１の電圧値
   Ｖ₂：第２の電圧値
   Ｉ：放電電流値
   ｃ_R：予め設定された係数
   により、前記第１の電圧値Ｖ₁、前記第２の電圧値Ｖ₂及び前記放電電流値Ｉに基づいて前記推定内部抵抗値Ｒ_Pを導出する、ことを特徴とする鉛蓄電池の状態管理装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の鉛蓄電池の状態管理装置において、
   前記内部抵抗検出手段は、
   前記鉛蓄電池からパルス状の放電が行われるのに同期して、前記電圧検出手段及び前記電流検出手段を介して、前記第１の電圧値、前記第２の電圧値及び前記放電電流値を取得する、ことを特徴とする鉛蓄電池の状態管理装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の鉛蓄電池の状態管理装置において、
   前記鉛蓄電池の残存容量を検出する残存容量検出手段をさらに備え、
   前記判定処理手段は、
   前記残存容量検出手段によって検出された前記残存容量のレベルに応じて、前記鉛電池の劣化度の判定を行うか否かを判断する、ことを特徴とする鉛蓄電池の状態管理装置。
8. 請求項７に記載の鉛蓄電池の状態管理装置において、
   前記残存容量検出手段は、
   前記温度検出手段によって検出された前記鉛蓄電池の温度値と、前記鉛蓄電池の出力電圧値とに基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸の平均活量値を導出し、
   前記平均活量値に基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出し、
   前記推定濃度値に基づいて、前記鉛蓄電池の残存容量を推定した推定残存容量値を導出する、ことを特徴とする鉛蓄電池の状態管理装置。
9. 鉛蓄電池の劣化状態を検出する鉛蓄電池の劣化状態検出方法であって、
   所定の温度検出手段が検出した温度値に基づいて、その温度値における前記鉛蓄電池の理想的な状態での内部抵抗値を推定した理想内部抵抗値を導出し、
   前記鉛蓄電池の実際の内部抵抗値を推定した推定内部抵抗値を検出し、
   取得した前記理想内部抵抗値と前記推定内部抵抗値とに基づいて、前記鉛蓄電池の劣化度を判定する、ことを特徴とする鉛蓄電池の劣化状態検出方法。
   

Images