JP2005172784A - バッテリの放電可能容量推定方法および劣化度算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの状態を正確に把握して、負荷を確実に駆動できる容量を放電可能容量として推定するバッテリの放電可能容量推定方法および劣化度算出方法を提供する。
【解決手段】バッテリの放電時における内部抵抗による総電圧降下Ｖｍａｘを算出し、放電開始時における開回路電圧ＯＣＶｎから総電圧降下Ｖｍａｘを減じた値を放電可能容量の指標電圧値Ｖａｄｃとして算出し、放電後にバッテリを満充電状態まで充電した際の開回路電圧ＯＣＶｄを検出し、非劣化時のバッテリにおける満充電開回路電圧ＯＣＶｆと放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧に対する、開回路電圧ＯＣＶｄと放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧の割合を劣化度として求め、指標電圧値Ｖａｄｃと劣化度に基づき、放電時の最大電流Ｉｐを持続的に放電することができる放電可能容量を推定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリの高率放電時における放電可能な容量を推定する放電可能容量推定方法および劣化度算出方法に関するものである。

バッテリは、放電或いは充放電によって取り出せる電気量である放電可能容量が時々刻々変化するが、バッテリからの電力供給によって負荷を適切に動作させる上で、この放電可能容量を把握することが求められる。例えば、車載のバッテリでは、車両の種類によってその求められる機能が若干相違するものの、以下のような理由で、その放電可能容量が適切に把握される必要がある。

例えば、駆動動力源が燃料の燃焼によって回転力を発生する内燃機関（以下エンジンという。）であるエンジン搭載車では、エンジンの始動を行うためのスタータモータへの電力供給がバッテリから行われるが、バッテリがスタータモータを回転動作させる電力を供給することができなければ、エンジンを始動することができなくなる。

エンジンを始動させた後は、エンジンによって駆動されるジェネレータが電力を発生するので、この電力によってバッテリへの充電が行われるとともに、他の負荷が動作されるようになり、バッテリは補助的な位置づけとなる。勿論、ジェネレータが故障したときには、バッテリは電気的負荷を駆動するための唯一無二の電力供給源となり、重要な役割を果たさなければならなくなる。

また、駆動動力源がバッテリから電力の供給を受けて回転力を発生する電動モータとなっている電気自動車では、バッテリが唯一無二の電力供給源であり、バッテリが電動モータを回転動作する電力を供給することができなければ、自動車の走行が停止してしまう。

その他、駆動動力源としてエンジンとバッテリからの電力の供給を受けて回転する電動モータの両方を有するハイブリット車では、バッテリの補助的機能が、走行途中でエンジンを停止し、エンジンに代わって走行の駆動力を発生する電動モータに電力供給する機能分高められているが、基本的には、エンジン搭載車と同様に、エンジンを始動するためのスタータモータを回転動作するだけの電力をバッテリが供給できなければ、エンジンを始動することができなくなる。

以上のような背景で、少なくとも、エンジン搭載車においてはスタータモータによってエンジンを始動することができること、或いは、電気自動車においては電動モータによって走行可能な内にバッテリへの充電が行われることを目安に、バッテリの放電可能容量を把握することが必要とされている。さらに、電気自動車におけるバッテリの放電可能容量は、エンジン搭載車における燃料残量に相当するものであるので、容量の量的な把握を行うことも求められる。

ところで、バッテリから取り出すことができる電気量である充電状態は、一般にＳＯＣ（State of Charge ）で表され、これに対し、実際に負荷を動作できるような電気量を取り出すことができる放電可能な容量は、ＡＤＣ（Available Discharge Capacity）で表される。ＡＤＣについては、電流時間積Ａｈで表される満充電時の充電状態ＳＯＣと、放電終止電圧時の充電状態ＳＯＣとの差に相当する電気量として把握され、場合によっては、満充電時を１００％、放電終止電圧時を０％とする容量に対する百分率（％）で表すこともある。

なお、バッテリのＳＯＣは、充放電によってバッテリ内に発生する各種の分極が解消している平衡状態にあるときのバッテリの開放端子電圧である開回路電圧ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）に対し、一定の関係があることが知られており、この関係を利用して推定或いは実測したバッテリの開回路電圧から求めることが一般に行われる（例えば特許文献１）。勿論、ＳＯＣは、電流時間積で表されるものであるので、充放電によりバッテリ端子を通じて流れる電流を測定して時間積を取ることによって、時々刻々変化するＳＯＣを把握することもできる。
特開２００２−２３６１５７号公報

以上のように求めたＳＯＣは、バッテリから取り出せる電気量ではあるが、バッテリには内部抵抗が存在し、この内部抵抗によって放電電流に応じた大きさの電圧降下が内部的に発生して、バッテリ端子電圧が低下するようになる。このため、バッテリの端子電圧が負荷を駆動できる電圧（放電終止電圧）以下に低下するようなＳＯＣとなるような状況の容量は、負荷を駆動するために放電可能な容量とみることができない。

また、バッテリが劣化すると、内部抵抗が増大するという現象が発生する。そして、放電時のバッテリ内での電圧降下が増加する分、バッテリの端子電圧が低下してしまい、所定値の放電を行ったときに、必要なバッテリ端子電圧が得られなくなることが起きる。そして、未だ十分に容量があるとして使用していたバッテリでも、エンジン停止した後に再始動しようとした際に、エンジンを始動できなくなるような事態を招きかねない。

また、バッテリの劣化として、上述した内部抵抗の増大だけでなく、活物質の減少等による劣化が発生することが知られている。このような劣化の場合、ＳＯＣ対ＯＣＶの関係が、劣化の生じていない非劣化のものと異なるようになり、満充電開回路電圧に対応する電気量が小さくなる。

したがって、上述した従来のＡＤＣの捉え方では、現在のＳＯＣと放電終止電圧に対応するＳＯＣとの差を単にバッテリの放電可能な容量としているため、バッテリに放電可能な容量があるにも拘わらず、負荷を実際に駆動しようとしたとき、駆動することができなくなる状況が発生しかねない。このため、従来のＡＤＣの捉え方ではバッテリの状態を正確に把握しているとは言えないという問題があった。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、バッテリの状態を正確に把握して、負荷を確実に駆動できる容量を放電可能容量として推定するバッテリの放電可能容量推定方法および劣化度算出方法を提供することを課題とする。

請求項１記載の発明は、バッテリの放電可能な容量を推定する方法であって、前記バッテリの放電時における内部抵抗による総電圧降下Ｖｍａｘを算出し、前記放電開始時における開回路電圧ＯＣＶｎから前記総電圧降下Ｖｍａｘを減じた値を放電可能容量の指標電圧値Ｖａｄｃとして算出し、前記放電後に前記バッテリを満充電状態まで充電した際の開回路電圧ＯＣＶｄを検出し、非劣化時の前記バッテリにおける満充電開回路電圧ＯＣＶｆと放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧に対する、前記開回路電圧ＯＣＶｄと前記放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧の割合を劣化度として求め、前記指標電圧値Ｖａｄｃと前記劣化度に基づき、前記放電時の最大電流Ｉｐを持続的に放電することができる放電可能な容量を推定することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、バッテリの放電可能な容量を推定する方法であって、放電時における飽和分極電圧降下を含む前記バッテリの内部抵抗による総電圧降下Ｖｍａｘを算出し、前記放電開始時における開回路電圧ＯＣＶｎから前記総電圧降下Ｖｍａｘを減じた値を放電可能容量の指標電圧値Ｖａｄｃとして算出し、前記バッテリの満充電電圧Ｖｆと放電終止電圧Ｖｅの差電圧に対する該指標電圧値Ｖａｄｃの割合を第１の割合として求め、前記放電後に前記バッテリを満充電状態まで充電した際の開回路電圧ＯＣＶｄを検出し、非劣化時の前記バッテリにおける満充電開回路電圧ＯＣＶｆと放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧に対する、前記開回路電圧ＯＣＶｄと前記放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧の第２の割合を劣化度として求め、前記第１の割合に前記劣化度を乗じた値に基づいて、前記放電時の最大電流Ｉｐを持続的に放電することができる放電可能な容量を推定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載のバッテリの放電可能容量推定方法において、前記飽和分極電圧降下は、放電時における放電電流及び端子電圧を実測し、該実測した放電電流及び端子電圧に基づいて、前記放電電流に対応する分極電圧降下を表す近似式を求め、該求めた近似式において最大値となる前記分極電圧降下Ｖｐｏｌｓと該最大値の分極電圧降下Ｖｐｏｌｓに対応する放電電流Ｉｍａｘとを求め、該求めた最大値の分極電圧降下Ｖｐｏｌｓを該求めた放電電流Ｉｍａｘで除した値に前記最大電流Ｉｐを乗じて分極電圧降下の増加推定値を求め、前記近似式における前記放電時の最大電流Ｉｐに対応する分極電圧降下Ｖｐｏｌｐに、前記増加推定値を加算して算出されることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の放電可能容量推定方法において、前記実測した放電電流及び端子電圧に基づいて、前記放電時における電流増加方向の放電電流に対応する前記端子電圧を表す近似式を求め、該求めた前記端子電圧を表す近似式から前記バッテリの純抵抗による電圧降下を除去して、前記放電時における電流増加方向の放電電流に対応する前記分極電圧降下を表す近似式を求めることを特徴とする。

請求項５記載の発明の劣化度算出方法は、非劣化時のバッテリにおける満充電開回路電圧ＯＣＶｆと放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧に対する、任意時点で検出された満充電開回路電圧ＯＣＶｄと前記放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧の割合を劣化度として算出することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、放電時における内部抵抗による総電圧降下Ｖｍａｘと、活物質の減少等によるバッテリの劣化を考慮して、最大電流を流す必要のある負荷を確実に駆動できる容量を放電可能容量として推定する放電可能容量推定方法を提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、放電時における飽和分極電圧降下を含む内部抵抗による総電圧降下Ｖｍａｘと、活物質の減少等によるバッテリの劣化を考慮して、最大電流を流す必要のある負荷を確実に駆動できる容量を放電可能容量として推定する放電可能容量推定方法を提供することができる。

請求項３記載の発明によれば、実測した放電電流及び端子電流に基づいて、最大電流Ｉｐを流し続けたときに発生する、分極によって放電することができない容量の最大を把握する上で役立つ飽和分極電圧降下を求めることができる。

請求項４記載の発明によれば、実測した放電電流及び端子電流に基づいて、正確な、放電時における電流増加方向の放電電流に対応する分極電圧降下を表す近似式を求めることにより、放電可能容量を推定する際の飽和分極電圧降下をより正確に求めることができる。

請求項５記載の発明によれば、活物質の減少によるバッテリの劣化度を算出する劣化度算出方法を提供することができ、算出された劣化度を考慮して放電可能容量をより正確に推定することができる。

以下、本発明によるバッテリの放電可能容量推定方法および劣化度算出方法を図面に基づいて説明する。まず、図１〜図３を参照して、本発明の基本的な考え方について説明する。

一般に、バッテリの端子電圧は、バッテリの充電状態を反映した電圧値を示し、その内部の状態、すなわち、平衡状態にあるときと不平衡状態にあるときで異なるだけでなく、バッテリから放電電流が流れることによって、バッテリ内部に発生する電圧降下を反映した値を取ることも知られている。そこで、本発明は、このようなことに着目し、高率放電時にバッテリ内部において発生する電圧降下の内訳を特定の条件下で明確にすることによって、バッテリの放電可能容量を特定の負荷を確実に駆動する放電可能な容量として推定するようにしたものである。また、この放電可能容量の推定は、バッテリの活物質の減少に起因する劣化として算出される劣化度を用いて正確に推定される。

例えば、車載バッテリでは、エンジンの始動の際にスタータモータを通じて放電が行われるが、このとき、突入電流と一般に呼ばれる、定常電流値と比べて非常に大きな値の最大電流まで短時間に増大し、次いで最大電流から定常電流値まで短時間に減少する放電電流が流れる。上記短時間とは、放電電流に対して、分極の成長が高い相関で近似できる程度の時間であり、最大電流とは、電圧検出精度および電流検出精度を考慮に入れ、分極の成長度が確実に測定できるほどの電流である。具体的には、鉛バッテリの場合には、短時間とはたとえば４００ｍｓｅｃ以下を指し、最大電流とはたとえば３Ｃ以上を目安にすることができる。一般に、このような放電を高率放電と呼び、この高率放電時の放電電流とバッテリ端子電圧とを測定すれば、０から最大電流Ｉｐに至る広い範囲の放電電流の変化に対する端子電圧の変化を測定することができる。そこで、この高率放電時の放電電流とバッテリ端子電圧とを高速サンプリングによって得たデータ対を、横軸に放電電流、縦軸に端子電圧をそれぞれ対応させてプロットして図１に示すグラフを得た。なお、曲線Ａは、放電電流の増加時、曲線Ｂは、放電電流の減少時を示す。

上述した高率放電時の最大電流Ｉｐを持続的に放電できる状態にあるか、否かを判断することは、バッテリの状態を監視する上で非常に重要である。そこで、図２を参照して、最大電流Ｉｐにおけるバッテリの電圧降下の内訳を検討してみる。

先ず、最大電流Ｉｐでの電圧降下は、バッテリのそのときの充電状態における内部純抵抗（オーミック抵抗）Ｒｊに最大電流Ｉｐが流れることによって生じる電圧降下（Ｒｊ×Ｉｐ）が含まれている。なお、この内部純抵抗Ｒｊは、例えば上述した高率放電時にサンプリングして得たデータ対を解析することによって推定することができるが、ここではその具体的な方法については省略する。上記推定した内部純抵抗Ｒｊには、バッテリの充電状態、すなわち、そのときのＳＯＣの減少に伴う増加分、温度や劣化による変化分も含まれている。

従って、純抵抗の最大の増加分としては、バッテリの設計仕様によってきまる既知の値である、非劣化（新品）時のバッテリの満充電状態における内部純抵抗である満充電純抵抗Ｒｆと、非劣化（新品）時のバッテリの放電終止状態における内部純抵抗である放電終止純抵抗Ｒｅとの差ΔＲ＝Ｒｅ−Ｒｆとなる。このことから、最大電流Ｉｐでの放電を持続すると、内部純抵抗による電圧降下は最大ΔＲ×Ｉｐ分、増加する可能性があると考えられる。

また、純抵抗Ｒｊによる電圧降下（Ｒｊ×Ｉｐ）以外の電圧降下は、バッテリ内に発生する分極による電圧降下Ｖｐｏｌｐである。なお、ダヴィット・リンデン著の「最新電池ハンドブック」Ｐ１０図２．１「作動電流の関数としてのセル」によれば、分極はある程度大きな放電電流を流したとき、その大きさに応じた一定値に飽和する飽和分極電圧降下が存在するといえる。

上記高率放電は短時間での放電なので、純抵抗Ｒｊによる電圧降下（Ｒｊ×Ｉｐ）以外の電圧降下Ｖｐｏｌｐは飽和していないと考えられる。このため、放電電流を最大電流Ｉｐから減少させることなく、最大電流Ｉｐを持続して流した場合には、分極による電圧降下は、ＶｐｏｌｐよりさらにΔＶｐｏｌｐだけ増加した後、飽和して、飽和分極電圧降下（＝Ｖｐｏｌｐ＋ΔＶｐｏｌｐ）で一定となる。ここで、ΔＶｐｏｌｐは、分極電圧降下の増加分の推定値である。

そこで、最大電流Ｉｐでの放電を持続したときにバッテリ内部に発生する最大の電圧降下として、内部純抵抗Ｒｊによる電圧降下（Ｒｊ×Ｉｐ）に、最大の純抵抗電圧降下の増加分（ΔＲ×Ｉｐ）と上述した飽和分極電圧降下（Ｖｐｏｌｐ＋ΔＶｐｏｌｐ）とを加算したものを総電圧降下（Ｖｍａｘ）として推定する。このような電圧降下がバッテリ内に発生することによって、この電圧降下分、放電可能な容量が減少することになる。

従って、放電開始前の平衡状態の開回路電圧ＯＣＶｎから上述した総電圧降下Ｖｍａｘと、放電終止電圧（Ｖｅ＝ＯＣＶｅ−Ｒｅ×Ｉｐ：ＯＣＶｅは放電終止時の開回路電圧）を減じて求めた電圧Ｖａｄｃが、現在の放電可能容量の指標となる指標電圧値となる。
Ｖａｄｃ＝ＯＣＶｎ−Ｖｍａｘ−Ｖｅ …（１）

一方、満充電電圧（Ｖｆ＝ＯＣＶｆ−Ｒｆ×Ｉｐ：ＯＣＶｆは満充電時の開回路電圧）と、放電終止電圧Ｖｅとの差電圧（Ｖｆ−Ｖｅ）は、非劣化時で、かつ、満充電状態で放電可能な容量の指標となる電圧値と言える。そこで、この差電圧（Ｖｆ−Ｖｅ）に対する電圧Ｖａｄｃの割合を第１の割合として求めると、この第１の割合が放電可能容量ＡＤＣ（％）となる。
ＡＤＣ（％）＝｛Ｖａｄｃ／（Ｖｆ−Ｖｅ）｝×１００（％）…（２）

また、このＡＤＣ（％）に、満充電電圧Ｖｆに相当する電流時間積から、放電終止電圧Ｖｅに相当する電流時間積を減じた値Ｋを乗じれば、ＡＤＣ（Ａｈ）を求めることができる。
ＡＤＣ（Ａｈ）＝ＡＤＣ（％）×Ｋ …（３）

次に、高率放電時の放電電流とバッテリ端子電圧とを高速サンプリングによって測定して得たデータ対から、上述した飽和分極電圧降下分を推定する方法について説明する。まず、上述した高速サンプリングによって得たデータ対について例えば最小二乗法を用いた近似処理を施し、電流増加方向の放電電流Ｉに対応するバッテリ端子電圧Ｖを表す二次近似式を求める。
Ｖ＝ａ₁ Ｉ²＋ｂ₁ Ｉ＋ｃ₁ …（４）

そして、上記求めた二次近似式から純抵抗Ｒｊによる電圧降下（Ｒｊ×Ｉ）分を除去すれば、分極による電圧降下の二次近似式を求めることができる。
今、この分極による電圧降下の二次近似式を
Ｖｐｏｌ＝ａＩ²＋ｂＩ＋ｃ …（５）
とする。従って、最大電流Ｉｐで発生している分極による電圧降下Ｖｐｏｌｐ（図２参照）は、以下に示す式で表される。
Ｖｐｏｌｐ＝ａＩｐ²＋ｂＩｐ＋ｃ …（６）

ところで、上述のような短時間の効率放電においては、分極電圧降下Ｖｐｏｌｐは飽和していないと考えられる。このため、最大電流Ｉｐを持続して流すと、分極電圧降下はＶｐｏｌｐよりさらに増加した後、飽和する。言い換えると、最大電流Ｉｐを持続して流すと、分極による抵抗成分がＶｐｏｌｐ／Ｉｐ＝Ｒｐよりさらに増加した後、飽和する。従って、飽和分極電圧降下（Ｖｐｏｌｐ＋ΔＶｐｏｌｐ）を求めるには、上述した分極による抵抗成分の増加分を求めればよい。

次に、上記分極による抵抗成分の増加分を求める方法について説明する。まず、横軸を放電電流Ｉ−縦軸を端子電圧Ｖとして、上記式（５）に示す二次近似式のグラフを描くと図３に示すようになる。同図において、最大電流Ｉｐまでの実測部分は実線で描き、最大電流Ｉｐ以上の推測部分は点線で描いてある。同図に示すように、この二次近似式において、分極電圧降下は、放電電流Ｉｍａｘで最大Ｖｐｏｌｓを示し、放電電流Ｉｍａｘを超えた電流が流れても、これ以上増加しない。

この時の分極抵抗Ｒｓ（＝Ｖｐｏｌｓ／Ｉｍａｘ）が、上述した分極による抵抗成分の増加分に相当することが実験的にわかった。従って、次式（７）にて、最大電流Ｉｐを流した時の飽和分極電圧降下（Ｖｐｏｌｐ＋ΔＶｐｏｌｐ）を求めることができる。
Ｖｐｏｌｐ＋ΔＶｐｏｌｐ＝Ｖｐｏｌｐ＋Ｒｓ×Ｉｐ
＝Ｖｐｏｌｐ＋（Ｖｐｏｌｓ／Ｉｍａｘ）×Ｉｐ …（７）

次に、上述した放電電流Ｉｍａｘ及び電圧降下Ｖｐｏｌｓの求め方について説明する。まず、上記式（５）を微分して、単位電流当たりの分極による電圧降下ΔＶ／ΔＩを求める。
ΔＶ／ΔＩ＝２ａＩ＋ｂ …（８）
この式のΔＶ／ΔＩが零になった点が飽和点であり、式（５）の二次近似式の最大値である。
０＝２ａＩｍａｘ＋ｂ …（９）
式（８）を整理すると、
Ｉｍａｘ＝−ｂ／２ａ …（１０）

従って、この放電電流Ｉｍａｘを式（５）に代入することによって、このときの電圧降下Ｖｐｏｌｓを求めることができる。
Ｖｐｏｌｓ＝ａＩｍａｘ²＋ｂＩｍａｘ＋ｃ
＝−（ｂ² ／４ａ）＋ｃ…（１１）

よって、最大電流Ｉｐを流した時の飽和分極電圧降下Ｖｐｏｌｐ＋ΔＶｐｏｌｐは、式（７）に式（１０）及び（１１）を代入することにより、次式（１２）で求めることができる。
Ｖｐｏｌｐ＋ΔＶｐｏｌｐ＝Ｖｐｏｌｐ＋｛（ｂ² −４ａｃ）／２ｂ｝Ｉｐ …（１２）

ところで、内部抵抗の増加に起因する劣化を考慮したＡＤＣを求めることができたが、上述のように、バッテリの劣化として活物質の減少等による劣化も存在するので、以下活物質の減少等による劣化も考慮したＡＤＣの求め方について説明する。

図４は、サルフェーション現象により電極表面上にＰｂＳＯ4 が析出した場合（正極活物質ＰｂＯ₂ と負極活物質Ｐｂと電解液中のＨ₂ ＳＯ₄ が減少した場合）のＳＯＣに対するＯＣＶ特性を示す。すなわち、バッテリの長期間放置による自己放電により正極活物質ＰｂＯ₂ と負極活物質Ｐｂが硫酸鉛（ＰｂＳＯ₄ ）化するサルフェーション現象が発生した場合、正極活物質ＰｂＯ₂ と負極活物質Ｐｂと電解液中のＨ₂ ＳＯ₄ が減少し、満充電ＯＣＶが、新品時の値よりも低くなるというバッテリの劣化が起こる。この劣化時のＯＣＶ特性（点線）は、設計値のＯＣＶ特性（実線）の傾きと同じであるが、その劣化時の満充電ＯＣＶが非劣化時の満充電ＯＣＶより低くなっている。

そこで、上述のような活物質の劣化が起こった場合には、劣化の進み具合によって変化する満充電ＯＣＶ（以下、ＯＣＶｄという）を検出し、満充電ＯＣＶの変化を考慮に入れてＡＤＣを算出する必要がある。

一般的に、設計時の劣化のないバッテリ（すなわち、新品時のバッテリ）については、Ｖ（ボルト）で表される満充電開回路電圧ＯＣＶｆ及び放電終止電圧ＯＣＶｅと、満充電開回路電圧から放電終止電圧までバッテリに蓄えることができるＡｈ（アンペア・時間）で表される初期電気量が予め定めることができる。上記満充電開回路電圧ＯＣＶｆが非劣化時（新品時）のバッテリの満充電容量に相当する。

したがって、新品時より時間が経過した任意時点のバッテリの満充電容量に相当する、任意時点のバッテリの満充電開回路電圧ＯＣＶｄが分かれば、このＯＣＶｄと予め定められたＯＣＶｆとから、新品バッテリの満充電容量に対する、劣化が生じた任意時点におけるバッテリの満充電容量の減少量が分かることになる。

以下、ＯＣＶｄを検出する方法について説明する。車両、たとえばハイブリッド車両は、一般にバッテリが満充電状態にまで至らない中間的な充電状態で使用されており、このような中間的な充電状態で充放電を繰り返している間に発生する劣化を改善させる目的で、バッテリを定期的に満充電状態まで充電してリフレッシュすることが行われる。そして、ＯＣＶｄは、このようなリフレッシュ充電時の充電効率の低下を観測することにより検出することができる。

すなわち、リフレッシュ充電時にバッテリの充電状態が満充電に近づくと、充電効率は、ガッシングによるガス化抵抗成分の増加に起因して低下する（たとえば、ほぼゼロに近い値まで低下する）ので、リフレッシュ充電中定期的に充電効率を算出し、算出した充電効率における上述の低下現象を観測することにより、バッテリが満充電状態を至った時点を判断することができ、その時点の開回路電圧をＯＣＶｄとして検出することができる。

そこで、上述の活物質の劣化が起こった場合の劣化度は、満充電開回路電圧ＯＣＶｆと放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧に対する、リフレッシュ充電後の満充電開回路電圧ＯＣＶｄと放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧の割合（第２の割合）として、以下の式（１３）により算出することができる。
劣化度＝（ＯＣＶｄ−ＯＣＶｅ）／（ＯＣＶｆ−ＯＣＶｅ） …（１３）

したがって、この劣化度を考慮したＡＤＣは、上述の式（２）及び式（１３）に基づき以下の式（１４）により算出することができる。
ＡＤＣ（％）＝｛Ｖａｄｃ／（Ｖｆ−Ｖｅ）｝×｛（ＯＣＶｄ−ＯＣＶｅ）／（ＯＣＶｆ−ＯＣＶｅ）｝×１００（％）…（１４）

また、式（１４）で算出されたＡＤＣ（％）に、満充電電圧Ｖｆに相当する電流時間積から放電終止電圧Ｖｅに相当する電流時間積を減じた値Ｋを乗じれば、ＡＤＣ（Ａｈ）を求めることができる。

次に、本発明のバッテリの放電可能容量推定方法および劣化度算出方法を実施したバッテリ状態監視装置について説明する。

図５は、本発明のバッテリの放電可能容量推定方法および劣化度算出方法を実施したバッテリ状態監視装置の一実施の形態を示すブロック図である。バッテリ状態監視装置１は、エンジン３に加えてモータジェネレータ５を有するハイブリッド車両に搭載されている。

そして、このハイブリッド車両は、通常時はエンジン３の出力のみをドライブシャフト７からディファレンシャルケース９を介して車輪１１に伝達して走行させ、高負荷時には、たとえば鉛バッテリからなるバッテリ１３からの電力によりモータジェネレータ５をモータとして機能させて、エンジン３の出力に加えてモータジェネレータ５の出力をドライブシャフト７から車輪１１に伝達し、アシスト走行を行わせるように構成されている。

また、このハイブリッド車両は、減速時や制動時にモータジェネレータ５をジェネレータ（発電機）として機能させ、運動エネルギを電気エネルギに変換してバッテリ１３を充電させるように構成されている。

なお、車両の場合、イグニッションスイッチ又はアクセサリ（ＡＣＣ）スイッチがオンされることによって、そのときオン状態にある負荷への電源供給に伴い、バッテリの放電電流が流れる。モータジェネレータ５はさらに、図示しないスタータスイッチのオンに伴うエンジン３の始動時に、エンジン３のフライホールを強制的に回転させるスタータモータとして用いられるが、その場合にモータジェネレータ５には、短時間に大きな突入電流が流される。

スタータスイッチのオンによりモータジェネレータ５によってエンジン３が始動されると、イグニッションキー（図示せず）の操作解除に伴って、スタータスイッチがオフになってイグニッションスイッチのオン状態に移行し、これに伴ってバッテリ１３から流れる放電電流は、負荷に応じた定常電流に移行する。

話を構成の説明に戻すと、本実施形態の装置１は、アシスト走行用のモータやスタータモータとして機能するモータジェネレータ５等、電装品に対するバッテリ１３の放電電流Ｉや、ジェネレータとして機能するモータジェネレータ５からのバッテリ１３に対する充電電流を検出する電流センサ１５と、バッテリ１３に並列接続した１Ｍオーム程度の抵抗値を有し、バッテリ１３の端子電圧Ｖを検出する電圧センサ１７とを備えている。

また、本実施形態の装置１は、上述した電流センサ１５及び電圧センサ１７の出力がインタフェース回路（以下、「Ｉ／Ｆ」と略記する）２１におけるＡ／Ｄ変換後に取り込まれるマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略記する）２３をさらに備えている。

そして、前記マイコン２３は、ＣＰＵ２３ａ、ＲＡＭ２３ｂ及びＲＯＭ２３ｃを有しており、このうち、ＣＰＵ２３ａには、ＲＡＭ２３ｂ及びＲＯＭ２３ｃの他、前記Ｉ／Ｆ２１が接続されており、また、上述した図示しないスタータスイッチ、イグニッションスイッチやアクセサリスイッチ、モータジェネレータ５以外の電装品（負荷）のスイッチ等が、さらに接続されている。

前記ＲＡＭ２３ｂは、各種データ記録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ＲＡＭ２３ｂには、ＣＰＵ２３ａ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。

なお、上述した電流センサ１５及び電圧センサ１７の出力である電流値及び電圧値は、短い周期で高速にサンプリングされてＩ／Ｆ２１を介して、マイコン２３のＣＰＵ２３ａに取り込まれ、取り込まれた電流値及び電圧値は、各種の処理のために使用される。

次に、前記ＲＯＭ２３ｃに格納された制御プログラムに従いＣＰＵ２３ａが行う処理を、図６のフローチャートを参照して説明する。

イグニッション（ＩＧ）スイッチがオンされ、バッテリ１３からの給電を受けてマイコン２３が起動し、プログラムがスタートすると、ＣＰＵ２３ａは、電流センサ１５及び電圧センサ１７に、比較的長いサンプリング周期での放電電流及び端子電圧のサンプリングを開始させる（ステップＳ１）。そして、ＣＰＵ２３ａは、このサンプリングによって得た放電電流Ｉが予め定めた所定値を越えるのを監視する。放電電流が所定値を越えたときには、突入電流が流れ始めたと判断し、実測手段として働き、サンプリング周期を例えば１００μｓｅｃの短い周期に切り替えて放電電流Ｉに対応する端子電圧Ｖの二次近似式を求めるための処理に入る（ステップＳ２）。

なお、二次近似式曲線を求める処理は、最小二乗法が用いられ、サンプリングした放電電流Ｉと端子電圧Ｖとに基づいて、電流増加時の二次近似特性曲線を求めるために各Σ項の演算を行い、サンプリング値が連続してｎ回減少しているとき、放電電流Ｉがピーク値から減少に転じていると判断し、以後、サンプリングした放電電流Ｉと端子電圧Ｖとに基づいて、電流減少時の二次近似式を求めるための各Σ項の演算を行う。その後に、放電電流が予め定めた所定値を越えて減少するかどうかを監視し、放電電流が所定値を越えて減少したとき、突入電流が終了したと判断して二次近似式を求めるための処理を終了し（ステップＳ３）、演算した電流増加時の各Σ項を用いて、電流増加時の近似式を、演算した電流減少時の各Σ項を用いて電源減少時の近似式をそれぞれ求める（ステップＳ４）。

上述のようにして求まった二次近似式からバッテリの純抵抗を求めるための演算処理を実行する（ステップＳ５）。この演算処理においては、求めた二次近似式に濃度分極成分による電圧降下が含まれている場合、この濃度分極電圧降下を除いた修正二次近似式を求める修正二次近似式算出処理を行う。そして、増加する放電電流及び減少する放電電流に対する２つの修正二次近似式の最大電流Ｉｐでの微分値を算出した上で、２つの微分値の中間の値をバッテリの純抵抗として求める演算を行う。そして、この求めたバッテリの純抵抗は種々の目的で使用するため、ＲＡＭ２３ｂのデータエリアに格納されて記憶される。

この微分値の中間の値を求める方法としては、突入電流の流れ方によって２つの方法がある。突入電流の増加方向の時間と減少方向の時間とがほぼ等しいときには、２つの微分値の加算平均値を純抵抗Ｒｊとして求める演算を行う。これに対して、突入電流の増加方向の時間と減少方向の時間とが大きく異なるときには、増加する放電電流に対する修正二次近似式のピーク値での微分値に、放電電流の総時間に占める増加する放電電流の流れた時間の比率を乗じたものと、減少する放電電流に対する修正二次近似式のピーク値での微分値に、放電電流の総時間に占める減少する放電電流の流れた時間の比率を乗じたものとを加算した加算値を純抵抗として求める演算を行う。

次に、ステップＳ４において算出した電流増加時の近似式から、ステップＳ５において算出した純抵抗Ｒｊによる電圧降下分を削除し、電流増加時の純抵抗以外の要因による電圧降下の近似式、すなわち、高率放電における電流増加方向の放電電流に対応する分極電圧降下を表す二次近似式（以下、分極近似式と略記）を求める（ステップＳ６）。以上のことから、ＣＰＵ２３ａは、近似式検出手段として働くことがわかる。ステップＳ５において算出した純抵抗ＲｊとステップＳ６で求めた分極近似式は、次のステップＳ７の飽和分極推定処理において、飽和分極電圧降下を求めるために利用される。

ステップＳ７の飽和分極推定処理においては、ＣＰＵ２３ａは、推定手段として働き、ステップＳ６で求めた分極近似式を微分して、分極近似式における最大の分極電圧降下Ｖｐｏｌｓ及びその最大の分極電圧降下に対する放電電流Ｉｍａｘを求める。次に、分極近似式に最大電流Ｉｐを代入して最大電流Ｉｐに対する分極電圧降下Ｖｐｏｌｐを求め、上述した式（６）を実行して、飽和分極電圧降下（Ｖｐｏｌｐ＋ΔＶｐｏｌｐ）を演算した後、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８の総電圧降下推定処理においては、ステップＳ５において算出したバッテリ１３の純抵抗Ｒｊによる純抵抗電圧降下（Ｒｊ×Ｉｐ）と、バッテリ１３の充電状態に応じて変化する最大の純抵抗変化分による純抵抗増加電圧降下（ΔＲ×Ｉｐ）と、最大電流Ｉｐによって発生する分極による最大の電圧降下である飽和分極電圧降下（Ｖｐｏｌｐ＋ΔＶｐｏｌｐ）とを加算して、総電圧降下Ｖｍａｘを推定する。

次に、バッテリ１３を満充電状態までリフレッシュ充電し（ステップＳ９）、次いでリフレッシュ充電時の充電効率の低下を観測することによりＯＣＶｄを検出する（ステップＳ１０）。

ステップＳ８の総電圧降下推定処理によって最大の電圧降下が求まり、ステップＳ９及びＳ１０の処理によりＯＣＶｄが求まったら、次のステップＳ１１において、上述した式（１４）を用いてＡＤＣ（％）算出処理を行う。ステップＳ１１におけるＡＤＣ（％）の算出が終わったら、求めたＡＤＣ（％）に、満充電電圧Ｖｆに相当する電流時間積から放電終止電圧Ｖｅに相当する電流時間積を減じた値Ｋを乗じてＡＤＣ（Ａｈ）を求める（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２の処理によって推定したＡＤＣ（Ａｈ）、すなわち、高率放電時の最大電流Ｉｐで放電し続けることのできる放電可能容量は、続くその他の処理において利用される（ステップＳ１３）。その他の処理としては、例えば、アイドリングストップした後に再度エンジンを始動できるかどうかの判定を行う目安として利用することができる。なお、図６のフローチャートに示す処理は、イグニッションスイッチがオンしている限り継続して実行される（ステップＳ１４）。

以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

高率放電時における実測したバッテリの放電電流Ｉ−端子電圧Ｖの関係を示すグラフである。 放電によりバッテリに発生する電圧降下の内訳を説明するためのグラフである。 飽和分極電圧降下の推定の仕方を説明するために使用するグラフである。 サルフェーション発生時のＳＯＣに対するＯＣＶ特性を示す。 本発明のバッテリの放電可能容量推定方法および劣化度算出方法を実施したバッテリ状態監視装置の一実施の形態を示すブロック図である。 図５中のマイコンが行う処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ バッテリ状態監視装置
５ モータジェネレータ
１３ バッテリ
１５ 電流センサ
１７ 電圧センサ
２３ マイクロコンピュータ

Claims (5)

1. バッテリの放電可能な容量を推定する方法であって、
   前記バッテリの放電時における内部抵抗による総電圧降下Ｖｍａｘを算出し、
   前記放電開始時における開回路電圧ＯＣＶｎから前記総電圧降下Ｖｍａｘを減じた値を放電可能容量の指標電圧値Ｖａｄｃとして算出し、
   前記放電後に前記バッテリを満充電状態まで充電した際の開回路電圧ＯＣＶｄを検出し、
   非劣化時の前記バッテリにおける満充電開回路電圧ＯＣＶｆと放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧に対する、前記開回路電圧ＯＣＶｄと前記放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧の割合を劣化度として求め、
   前記指標電圧値Ｖａｄｃと前記劣化度に基づき、前記放電時の最大電流Ｉｐを持続的に放電することができる放電可能な容量を推定することを特徴とする放電可能容量推定方法。
2. バッテリの放電可能な容量を推定する方法であって、
   放電時における飽和分極電圧降下を含む前記バッテリの内部抵抗による総電圧降下Ｖｍａｘを算出し、
   前記放電開始時における開回路電圧ＯＣＶｎから前記総電圧降下Ｖｍａｘを減じた値を放電可能容量の指標電圧値Ｖａｄｃとして算出し、
   前記バッテリの満充電電圧Ｖｆと放電終止電圧Ｖｅの差電圧に対する該指標電圧値Ｖａｄｃの割合を第１の割合として求め、
   前記放電後に前記バッテリを満充電状態まで充電した際の開回路電圧ＯＣＶｄを検出し、
   非劣化時の前記バッテリにおける満充電開回路電圧ＯＣＶｆと放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧に対する、前記開回路電圧ＯＣＶｄと前記放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧の第２の割合を劣化度として求め、
   前記第１の割合に前記劣化度を乗じた値に基づいて、前記放電時の最大電流Ｉｐを持続的に放電することができる放電可能な容量を推定することを特徴とする放電可能容量推定方法。
3. 請求項２記載のバッテリの放電可能容量推定方法において、
   前記飽和分極電圧降下は、放電時における放電電流及び端子電圧を実測し、該実測した放電電流及び端子電圧に基づいて、前記放電電流に対応する分極電圧降下を表す近似式を求め、該求めた近似式において最大値となる前記分極電圧降下Ｖｐｏｌｓと該最大値の分極電圧降下Ｖｐｏｌｓに対応する放電電流Ｉｍａｘとを求め、該求めた最大値の分極電圧降下Ｖｐｏｌｓを該求めた放電電流Ｉｍａｘで除した値に前記最大電流Ｉｐを乗じて分極電圧降下の増加推定値を求め、前記近似式における前記放電時の最大電流Ｉｐに対応する分極電圧降下Ｖｐｏｌｐに、前記増加推定値を加算して算出される
   ことを特徴とする放電可能容量推定方法。
4. 請求項３記載の放電可能容量推定方法において、
   前記実測した放電電流及び端子電圧に基づいて、前記放電時における電流増加方向の放電電流に対応する前記端子電圧を表す近似式を求め、
   該求めた前記端子電圧を表す近似式から前記バッテリの純抵抗による電圧降下を除去して、前記放電時における電流増加方向の放電電流に対応する前記分極電圧降下を表す近似式を求めることを特徴とする放電可能容量推定方法。
5. 非劣化時のバッテリにおける満充電開回路電圧ＯＣＶｆと放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧に対する、任意時点で検出された満充電開回路電圧ＯＣＶｄと前記放電終止開回路電圧ＯＣＶｅとの差電圧の割合を劣化度として算出する
   ことを特徴とする劣化度算出方法。

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