JP2005292035A - 電池状態検知方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】電流センサを使用せず電池状態を高精度に検知可能な電池状態検知方法を提供する。
【解決手段】電池状態検知装置は、車両に搭載されてから電池性能が劣化する前の満充電近傍でのエンジン始動時の鉛電池1の放電電圧を初期値Vst0として演算し(S114)、最近のエンジン始動時の鉛電池1の放電電圧を現在値Vstとして演算し(S106)、初期値Vst0と現在値Vstとの電圧差を基準値C(1.5V)と比較して鉛電池1の劣化を警告するようにしたので(S116、120)、電流センサを使用せず電圧センサのみで鉛電池1の劣化状態を検出することができ、電池状態検知装置の低コスト化及び小型化を図ることが可能となる。
【選択図】図3

Description

本発明は電池状態検知方法に係り、特に、電池の電圧から電池の状態を検知する電池状態検知方法に関する。
近年、内部抵抗、放電電圧、開回路電圧、残容量、充電状態などが電池状態を表すパラメータ又は電池状態を演算するための測定パラメータとして用いられてきている。自動車、携帯機器などの高性能化に伴ってそれらに使用される電池の負荷が大きくなるに従い、近時、このような電池状態の監視と電池状態制御はその重要性がますます大きくなってきている。車両用電池では、排ガスの削減のために行われているアイドルストップ・スタート(ISS)、回生充電などに対応するため、これらの用途に適した電池状態に電池を保つ技術が望まれている。鉛電池はこれらの用途に応用できる代表的な電池のひとつである。
このような要請に応えるため、車両用ではエンジン始動時の電圧や直流内部抵抗を予め測定したデータマップと比較して電池状態を算出するハイブリッド車用電池残存容量検出装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、車両を用いた電池試験方法として、スタータモータを回した状態での電圧を評価する方法が知られている。この方法は、エンジン始動不能になった車両に対してスタータと電池のどちらが原因か調べるためのバッテリチェックの方法として古くから用いられてきた。この方法では、オシロスコープを使わず、時間応答性の遅い簡単な電圧計による測定が一般的であり、例えば、突入電流後比較的電圧が安定した時の電圧が9V程度以上であれば正常と判断する。エンジンに燃料の供給をしないような措置をするなどして、スタータモータが回っても実際にエンジンが始動しないような条件にすると、正常な車両でも時間的に安定した電圧が得られ、バッテリチェックができる。
特開平7−63830号公報
エンジン始動時の電圧から電池状態を算出する場合、放電電圧が電流に依存することから電圧と電流のマップを参照する方法が一般に用いられる。この方法は最大電流200A〜1500Aの大電流に対応した高価な電流センサが必要なため、通常の低コストの電池に搭載するのは困難であり、電流の測定を行わずに放電電圧を必要に応じて温度補正して電池状態を評価することが望ましい。しかしながら、エンジン始動時に流れる電流は車両の種類ごとに異なり、このため放電電圧も車両の種類に依存し、電流センサを備えない装置では高精度の電池状態の検知は困難であった。
本発明は上記事案に鑑み、電流センサを使用せず電池状態を高精度に検知可能な電池状態検知方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明は、電池の状態を検知する電池状態検知方法であって、搭載装置に搭載されてから電池性能が劣化する前での所定タイミング直後の前記電池の放電電圧の代表値を算出し、最近の前記所定タイミング直後の前記電池の放電電圧を測定し、前記算出された放電電圧の代表値と前記測定された放電電圧との電圧差と、予め定められた基準値とを比較する、ステップを含む。
本発明では、まず、搭載装置に搭載されてから電池性能が劣化する前での所定タイミング直後の電池の放電電圧の代表値が算出される。搭載装置が車両の場合には、この所定タイミングは、エンジン始動タイミングとするようにしてもよい。このとき、エンジン始動タイミングは、50ms以内に250mV/セル以上の電圧低下を検出した後、最初に電圧が極小値となったときとして定義されることが好ましい。また、電池状態を高精度に検知するために、代表値は、少なくとも開回路電圧2V/セル以上の状態で測定された異なる時刻における複数の放電電圧の平均値であることが好ましい。次に、最近の所定タイミング直後の電池の放電電圧が測定される。そして、算出された放電電圧の代表値と測定された放電電圧との電圧差と、予め定められた基準値とが比較され、電池の状態が検知される。このとき、基準値は、1V以上3V未満の値であることが望ましい。
本発明によれば、算出された放電電圧の代表値と測定された放電電圧との電圧差と、予め定められた基準値とを比較して電池の状態を検知するので、電流センサを使用せず電池の状態を検出することができる、という効果を得ることができる。
以下、図面を参照して、本発明を車両用鉛電池の状態を検知する電池状態検知装置に適用した実施の形態について説明する。
(構成)
図1に示すように、本実施形態の電池状態検知装置11は、鉛電池1のベント栓から離れた側の鉛電池1の側面に固着されており、所定タイミングで鉛電池1の放電電圧を測定し後述するΔVsoh等を演算するマイクロコンピュータ(以下、マイコンと略称する。)8を有している。鉛電池1には、1セルが例えば正極6枚、負極7枚で構成され、6セル直列で公称12Vの車両用鉛電池を用いることができる。鉛電池1の電槽中央部の隔壁にはセンサ挿入孔が形成されており、センサ挿入孔にはサーミスタ等の温度センサ7が挿入され接着剤で固定されている。
マイコン8は、中央演算処理装置として機能するCPU、電池状態検知装置11の基本制御プログラムや後述する数式、プログラムデータ等を記憶したROM、CPUのワークエリアとして働くRAM、A/Dコンバータ、及び、上位の車両側マイコン10と通信するためのインターフェース等を含んで構成されている。
鉛電池1の正極端子は、イグニッションスイッチ(以下、IGNスイッチという。)9の中央端子に接続されている。IGNスイッチ9は、中央端子とは別に、OFF端子、ON/ACC端子及びSTART端子を有しており、ロータリー式に切り替え接続が可能である。
鉛電池1の両極端子はマイコン8に内蔵されたA/Dコンバータに接続されており、マイコン8は鉛電池1の両端電圧をデジタル値で取り込むことができる。更に、温度センサ7の出力端子は別のA/Dコンバータに接続されており、マイコン8は鉛電池1の温度をデジタル値で取り込むことができる。なお、電池状態検知装置11は、このような配線を含んで構成されている。
一方、車両側には、図示しないクラッチ機構を介してエンジン4の回転軸に回転駆動力を伝達させエンジン4を始動させるスタータ3が配されている。また、エンジン4の回転軸は、不図示のクラッチ機構を介して発電機2に動力の伝達が可能であり、エンジン4が回転状態にあるときは、このクラッチ機構を介して発電機2が作動し発電機2からの電力がエアコン、ラジオ等の補機5乃至鉛電池1に供給(充電)される。このようなエンジン制御等は車両側マイコン10により実行される。
IGNスイッチ9のON/ACC端子は、補機5及び一方向への電流の流れを許容する整流素子を介して発電機2の一端に接続されている。また、START端子はスタータ3の一端に接続されている。更に、発電機2、スタータ3及び補機5の他端、鉛電池1の負極端子及びマイコン8は、それぞれグランドに接続されている。
(基本原理)
次に、本実施形態の電池状態検知装置11の基本原理について説明する。
一般に、鉛電池の充放電を行うと電圧が変動し、安定するには長時間が掛かる。これは反応物質である硫酸濃度が安定していないことが原因と考えられている。鉛電池を充放電後、電圧が充分安定する前に再び放電しても再現性の良い放電電圧データが得られないため、エンジンが停止してから最低5分以上、可能であれば6時間以上経過後、最初のエンジン始動時の放電電圧を計測する。計測する放電電圧の測定タイミングは、エンジン始動時以外でもよい。大電流の方が分極が大きくなり、S/N比が高く測定精度が上がるため、例えば、モータアシストによる車両発進時などの大電流が流れるタイミングが鉛電池の放電電圧の測定タイミングとして好ましい。
エンジン始動時の放電電圧から鉛電池にエンジン始動能力が充分あるかの判断をするには、車両側の視点から決まる電圧閾値と、電池側からの視点で決まる電圧閾値の2つが考えられ、両方の電圧閾値以上の放電電圧があればエンジン始動可能と判断できる。前者は、これ以上電圧が下がるとエンジン始動できない電圧であり、4〜5V程度の数字となることが多い。一方、鉛電池には充電状態(SOC)が高いと放電電圧も高く、逆に、SOCが低いと放電電圧も低いという性質があり、あるSOC閾値よりSOCを低くすると電池性能が急激に悪くなり放電電圧が0Vに近づく。後者は、このSOC閾値での放電電圧であり、新品電池、劣化電池の別を問わず6V以上の値をとることが殆どである。従って、車輌側の視点から決まる電圧閾値は電池側の視点から決まる電圧閾値より低いので、電池側の視点から決まる電圧閾値だけ算出して実測の放電電圧の方が大きければ電池良好、小さければ充電または電池交換と判断すればよい。
各種の車両と鉛電池との組合せでエンジン始動電圧を測定すると、エンジン始動電圧は車両、開回路電圧OCV、温度T、そして鉛電池の劣化に依存し、それらは多くの場合ほぼ独立にエンジン始動電圧を低下させるということが判明した。エンジン始動電圧には、例えば、50ms以内に250mV/セル以上の電圧低下を検出した後、最初に電圧が極小値となったときの電圧を用いることができる。車載状態で鉛電池のエンジン始動電圧Vstは、車両の関数、OCVの関数、温度Tの関数、劣化の関数4つの和で表される。これを式で表すと、下記式(1)の通りとなる。
ここで、Vcar(車両形式)はOCV、T、劣化状態が標準条件のときに、所定の車両で観察されるエンジン始動電圧Vstである。標準条件は、例えば、OCV12.7V、温度T25°C、劣化状態が新品で未劣化とすることができる。標準条件の定義とVcar(車両形式)との定義は、Vstの算出結果が変わらないように任意に設定可能である。
Vcar以外の関数は全て予め定義でき、また、上述したA/Dコンバータを含む電圧センサと温度センサ7とで、Vst、OCVと温度Tは測定できるので、新品で未劣化の内にこれら3つのデータを取得すれば搭載車両でのVcarが分かる。以後、算出されたVcarと、Vst、OCV、T実測値から、ΔVsohを算出することが可能である。
本実施形態では、これをさらに簡略化して取り扱う。すなわち、OCVが低い領域を除けば、ΔVocvは実用OCV領域で大きく変化しないので、ΔVocv一定として取り扱うと、ΔVsohは下式(2)の通りとなる。なお、式(2)において、Vst0は、新品で未劣化の鉛電池でのエンジン始動電圧を表している。
鉛電池1の状態を報知するには、ΔVsohが1V以上3V未満の基準値Cに至った時点で車両側マイコン10にエンジン始動不能の警告を出すようにすることが好適であり、本実施形態では、ΔVsohが1.5Vに至った時点で警告を出すようにした。また、Vst0は、鉛電池1が新品状態かつ12.5V以上と満充電近くの状態での最初5回のエンジン始動電圧平均値(代表値)で定義するようにした。
更に、基準値Cだけを警告の判断材料にすると、性能に余裕のない容量の小さい鉛電池を搭載した車両では、エンジン始動可能電圧を保証できない場合がある。エンジン始動可能/不能の境界値は4〜5Vであり、これにマージンを加えた6Vを基準値Aとし、本実施形態では、後述するように、鉛電池1のエンジン始動後の放電電圧が基準値A未満に至った場合にも、車両側マイコン10にエンジン始動不能の警告を出すようにした。
(動作)
次に、フローチャートを参照して、本実施形態の電池状態検知装置11の動作について、マイコン8のCPU(以下、単にCPUという。)を主体として説明する。CPUは、マイコン8に電源が投入されると、鉛電池1の状態を検知する電池状態検知ルーチンを実行する。
図3に示すように、電池状態検知ルーチンでは、まず、ステップ102において、鉛電池1の電圧が安定するまで待機する。上述したように、このような判断は、例えば、IGNスイッチ9がオフ状態となってから6時間が経過したか否かを判断し、6時間が経過したときに鉛電池1の電圧が安定したと判断すればよい。なお、IGNスイッチ9がオフ状態となったか否かは車両側マイコン10から報知を受けても、マイコン8自体が検出するようにしてもよい。
次のステップ104では、鉛電池1の両端電圧(OCV)を測定して、RAMに格納する。なお、鉛電池1が満充電又はその近傍、かつ、未劣化状態では、鉛電池1のOCVは少なくとも2V/セル(鉛電池1では12.5V)以上の電圧となる。
次に、ステップ106において、電圧安定後最初のエンジン始動か否かを判断する。図2は、エンジン始動時の鉛電池1に流れる電流を模式的に示したものである。エンジン始動時の鉛電池1の電流波形は、IGNスイッチ9がSTART位置に位置したエンジン始動電流通電開始時(時刻ts)の後、スタータ3への急激な1段目のパルス放電が行われ、電流波形は急激な立下りとなり約50ms経過後にピークが現れる(時刻tp)。その後、減衰する数回の増減を経てエンジン始動が完了する。電流波形は、エンジン4の構造、エンジン4とスタータ3とを繋ぐクラッチの摩擦等に影響されるが、概ね図2に示すような波形となる。しかしながら、本実施形態の電池状態検知装置11は電流センサを備えていないため、このような電流測定によるエンジン始動タイミングの把握に代えて、鉛電池1の電圧降下を把握してエンジン始動タイミングを把握する。すなわち、所定時間(例えば、10ms)毎に鉛電池1の電圧を測定し、50ms以内に250mV/セル(鉛電池1では1.5V)以上の電圧低下があるときにエンジン始動と判断する。なお、電圧安定後最初のエンジン始動か否かは、例えば、フラグ等を用いて判別することができる。
次のステップ108では、エンジン始動電圧を測定し、鉛電池1の現在の電圧値(以下、現在値という。)VstとしてRAMに格納する。エンジン始動電圧は、ステップ106で50ms以内に250mV/セル以上の電圧低下を検出した後の最初に極小値となったときの鉛電池1の放電電圧であり、図2に示した時刻tpでの鉛電池1の放電電圧に相当する。次にステップ110では、エンジン始動回数nを1インクリメントすることにより、(最初の)エンジン始動回数をカウントする。
次いで、ステップ112で、エンジン始動回数nが5以下、かつ、安定電圧が12.5V以上か否かを判断し、肯定判断のとき、すなわち、鉛電池1が満充電又はその近傍、かつ、未劣化状態のときは、ステップ114においてステップ108でRAMに格納した異なる時刻における複数のエンジン始動電圧を読み出してエンジン始動電圧の平均値を演算し(ステップ108でRAMに最初に格納したときを除く)、RAMに該平均値(代表値)を初期値Vst0として格納しステップ116へ進む。なお、本実施形態では、ステップ112で(最初の)エンジン始動回数nが5以下に制限されているため、ステップ114での初期値Vst0のRAMへの格納(初期値Vst0の設定)は5回のみ行われ、6回目以降は行われない。一方、ステップ112で否定判断のときは、ステップ116へ進む。
ステップ116では、(初期値Vst0−現在値Vst)の値が基準値C(上述したように1.5V)より大きいか否かを判断し、肯定判断のときは、次のステップ118において現在値Vstが基準値A(上述したように6V)より大きいか否かを判断し、肯定判断のときは、電池状態検知ルーチンを終了してステップ102へ戻る。一方、ステップ116又はステップ118で否定判断のときは、ステップ120において、車両側マイコン10にエンジン始動不能となる旨の警告を出力して電池状態検知ルーチンを終了しステップ102へ戻る。車両側マイコン10は、マイコン8からの報知を受けて、車両のインストールメントパネルを制御する図示しないパネル制御部に伝え、インストールメントパネルには文字又はグラフ等でエンジン始動不能となる旨の警告が表示される。従って、ドライバはインストールメントパネルを見ることで鉛電池1の状態を把握することができる。
(作用等)
次に、本実施形態の電池状態検知装置11の作用等について説明する。
本実施形態の電池状態検知装置11では、車両に搭載されてから電池性能が劣化する前の満充電近傍での(最初の)エンジン始動時の鉛電池1の放電電圧を初期値Vst0(代表値)として演算し(ステップ114)、最近の(最初の)エンジン始動時の鉛電池1の放電電圧を現在値Vstとして演算し(ステップ106)、初期値Vst0と現在値Vstとの電圧差を基準値C(1.5V)と比較して鉛電池1の劣化を警告するようにしたので(ステップ116、120)、電流センサを使用せず電圧センサのみで鉛電池1の劣化状態を検出することができる。従って、電池状態検知装置11の低コスト化及び小型化を図ることが可能となる。
また、本実施形態の電池状態検知装置11では、基準値Cに加え、鉛電池1のエンジン始動後の放電電圧が基準値A(6V)に至った場合にも警告を出力するようにしたので(ステップ118、120)、車両との関係で余裕のない(容量の小さい)鉛電池を搭載した場合でも、エンジン始動可能電圧を保証することができる。
なお、本実施形態では、電池状態検知ルーチンで、説明を簡単にするために、式(2)に示したΔVT(Vst0測定時温度)及びΔVT(Vst測定時温度)による温度補正の説明を省略したが、ステップ108のエンジン始動電圧の測定時に温度センサ7から鉛電池1の温度を測定し、ステップ116で、例えば、エンジン始動電圧−温度テーブルを参照することで、ΔVT(Vst0測定時温度)及びΔVT(Vst測定時温度)の値を演算してΔVsohを演算するようにすれば、ΔVsohが温度補正されるので、高精度に鉛電池1の状態を検知することができる。
また、本実施形態では、電池状態検知装置11がエンジン始動が不能となる旨の警告を出力する例を示したが、式(2)に示したように、マイコン8はΔVsohを演算しているので、鉛電池1のΔVsoh又は(ΔVsoh−基準値C)の値を車両側マイコン10に出力するようにしてもよい。このようにすれば、インストールメントパネルに鉛電池1の状態を常時表示することができる。
更に、本実施形態では、ステップ114で初期値Vst0をRAMに格納する例を示したが、RAMに格納することに代えて、例えば、マイコン8の外部バスに接続された不揮発性RAM等に初期値Vst0を格納するようにしてもよい。このようにすれば、鉛電池1が劣化した後、電池状態検知装置11への電源供給が停止した場合でも、初期値Vst0の値を保存することができる。
次に、本実施形態に従って、各種車両・電池の組み合わせた電池状態検知装置11の実施例について説明する。なお、比較のために作製した電池状態検出装置についても併記する。
<実施例1>
下表1に示すように、実施例1では、エンジン始動電流がそれぞれ900A、750A、600A、500A、400A、300Aの車両A〜Fに、鉛電池1のサイズをそれぞれD26、D23、B24、B24、B24、B19とした電池状態検知装置11を搭載した。各鉛電池1の始動不能電圧は、それぞれ、4.8V、4.6V、4.6V、4.5V、4.7V、4.5Vである。表1に示すように、実施例1の電池状態検知装置11は、エンジン始動不能になる20日〜53日前に警告が出た。
<比較例1>
比較例1では、電池状態検知装置に車両で決まるエンジン始動可能電圧の基準値Aのみを用いた。車両(乗車用)のエンジン始動電流は車種や温度によって大きく異なるが、300〜900A程度のため、典型的な600Aのエンジン始動電流の車両を使って各種劣化電池でエンジン始動電圧を測定してエンジン始動性と放電電圧の関係を調べ、エンジンがかからなくなる閾値を調べると、4.6Vであった。この値にマージン1Vを加えて6Vで鉛電池の交換時期の警告を出すようにした。
この装置(方法)で各種の車両、電池形式、劣化状態を組み合わせエンジン始動性能を評価した。この結果を表1に示す。すると、全ての試験した車両、電池形式で劣化による始動不良を事前に警告することができないことが判明した。これは、通常使用するSOC範囲ではエンジン始動電圧は6〜10Vの電圧範囲の中の幅1〜1.5Vの電圧範囲でしか変化せずほぼ一定値となるが、ある閾値を超えてSOCが低下すると突然にエンジン始動不能な低いエンジン始動電圧しか出なくなる鉛電池の特性に原因があると思われる。警告を出す電圧は通常使用するSOCでの放電電圧範囲の中の値で設定しないと、警告を出す電圧以下の電圧を最初に検知すると、その電圧がエンジン始動不能な電圧となるため、エンジン始動不能前にエンジン始動不能を検知できない。
<比較例2>
比較例2では、電池状態検知装置に車両と鉛電池とで決まるエンジン始動可能電圧の基準値Bを用いた。典型的な600Aのエンジン始動電流の車両にSOCの異なる44B19電池を載せて−20°Cで5回連続してエンジン始動トライし、5回全てエンジン始動できるかどうかでエンジン始動性能OK/NGを判別した。すると、SOC10%の鉛電池では問題がなく、SOC0%の鉛電池では5回目のトライでエンジン始動不能となりNGであった。このとき、SOC10%でのエンジン始動電圧は7.0Vであったことから7.0Vで電池の交換の警告を出すようにした。
この装置(方法)で各種の車両、電池形式を組み合わせ、エンジン始動性能を評価した。この結果を表1に示す。すると、車両が異なると正確な評価ができないことが分った。これは車両によってエンジン始動電流が異なりエンジン始動電圧の劣化による変動量よりも車両の違いによるエンジン始動電圧の変動量の方が大きいからである。
以上の結果より、実施例1が比較例1、比較例2より電池状態検知で優れていることが判明した。
本発明は、電流センサを使用せず電池の状態を検知できる電池状態検知方法であり、この電池状態検知方法を具現した電池状態検知装置等は電流センサが不要で低コスト化、小型化が図れるため、販売、製造に寄与し、産業上の利用可能性を有する。
本発明が適用可能な実施形態の電池状態検知装置のブロック図である。 エンジン始動時に鉛電池に流れる電流を模式的に示すグラフである。 実施形態の電池状態検知装置のCPUが実行する電池状態検知ルーチンのフローチャートである。
符号の説明
1 鉛電池(電池)
7 温度センサ
8 マイコン
11 電池状態検知装置

Claims (5)

  1. 電池の状態を検知する電池状態検知方法であって、
    搭載装置に搭載されてから電池性能が劣化する前での所定タイミング直後の前記電池の放電電圧の代表値を算出し、
    最近の前記所定タイミング直後の前記電池の放電電圧を測定し、
    前記算出された放電電圧の代表値と前記測定された放電電圧との電圧差と、予め定められた基準値とを比較する、
    ステップを含むことを特徴とする電池状態検知方法。
  2. 前記基準値が、1V以上3V未満の電圧値であることを特徴とする請求項1に記載の電池状態検知方法。
  3. 前記所定タイミングが、エンジン始動タイミングであることを特徴とする請求項1に記載の電池状態検知方法。
  4. 前記代表値が、少なくとも開回路電圧2V/セル以上の状態で測定された異なる時刻における複数の放電電圧の平均値であることを特徴とする請求項1に記載の電池状態検知方法。
  5. 前記エンジン始動タイミングが、50ms以内に250mV/セル以上の電圧低下を検出した後、最初に電圧が極小値となったときとして定義されることを特徴とする請求項3に記載の電池状態検知方法。
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