JP2005300418A

JP2005300418A - 鉛蓄電池の残存容量予測方法及び装置

Info

Publication number: JP2005300418A
Application number: JP2004119235A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Arai; 孝之新井; Tetsuo Ogoshi; 哲郎大越; Yoshiaki Machiyama; 美昭町山
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】鉛蓄電池の残存容量を予測し、鉛蓄電池の寿命を判定する指標とする。
【解決手段】自動車始動時の鉛蓄電池の最大降下電圧値Vと、それに対応する電流値Iから鉛蓄電池の残存容量Qを予測する方法において、あらかじめ少なくとも３水準のデータ電流値I_ｄに対応する残存容量Qとデータ降下電圧値V_ｄとを測定したデータテーブルを作成し、前記最大降下電圧値Vと最大降下電流値Iを囲む前記３水準のデータ電流値I_ｄとデータ降下電圧値V_ｄの関係から鉛蓄電池の残存容量Qを予測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用鉛蓄電池の残存容量予測に関するものである。

鉛蓄電池は幅広い温度で使用でき、安価であることから広汎に用いられている。自動車用途においても始動用、電装品の電力供給用として重要な部品となっている。

一般に自動車用の鉛蓄電池は、スタータやエアコン、ライトなどの電装品に電力を供給することで放電し、車両の充電器オルタネータによって充電されている。この充放電を繰り返すことで鉛蓄電池は徐々に劣化し、電装品への電力供給に支障をきたしてくる。劣化が過度に進行すると車両が始動不能となるトラブルが発生する。これを事前に察知するには様々な方法があるが、電池の容量Qから劣化度合いを判定する手法が有効である。すなわち、ある程度鉛蓄電池を使用した時点でそのときの残存容量がわかれば、鉛蓄電池の寿命を判定する指標とすることができる。

鉛蓄電池の残存容量を知るためには、電池型式に適合した電流で放電しその持続時間と放電電流の積で表される容量Q(Ah)を求めるのが正確な手法である。しかしながら、放電試験をするためには車両から降ろし、大型の試験装置に接続する必要があり、再度使用するために数時間の回復充電をしてから車両に積みなおす等の工数、時間がかかる難点がある。そのため、車両に積んだままの状態で短時間に残存容量を知るための様々な手法が提案されてきた。このような手法として特許文献１に記載される手法が提案されている。

特開２００２−１０７４２７号公報

上記公報によれば、二次電池の開回路電圧又は放電電圧、内部抵抗、温度及び放電電流の４変数と前記二次電池の残存容量との相関関係をあらかじめ把握して、２変数と残存容量との等高線図を作成する。そして使用状態の二次電池について前記４変数のうちの少なくとも２変数を検出して前記相関関係と照合することにより残存容量を検知する方法が開示されている。

しかし、この手法ではあらかじめ鉛蓄電池の劣化モードごとに相関関係を参照しなければならない。実際の車両は様々な条件で使用されるので、上記公報での過充電、軽負荷劣化等と限定した環境では予測方法に誤差が生じやすい。また、内部抵抗は車両に接続された状態で測定すると、電装品の負荷変動の影響を受けるので指標として好ましくない。

本発明は残存容量を判定するために、鉛蓄電池の置かれた環境及び車両の使用条件による影響を受けにくい予測方法及び装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では以下の手法を用いることにする。鉛蓄電池の最大降下電圧値Vと前記最大降下電圧値Vと対応する電流値Iから鉛蓄電池の残存容量Qを予測する方法において、あらかじめ少なくとも３水準のデータ電流値I_ｄに対応する残存容量Qとデータ降下電圧値V_ｄとを測定したデータテーブルを作成し、前記最大降下電圧値Vと最大降下電流値Iを囲む前記3水準のデータ電流値I_ｄとデータ降下電圧値V_ｄの関係から鉛蓄電池の残存容量Qを予測する。

鉛蓄電池の残存容量を予測する手段として、自動車の始動時の電池電圧と電流を用いることとする。自動車のエンジン始動時にはスタータを動かすために鉛蓄電池は大電流で放電して出力する。このときに電池電圧が急激に低下し、始動後はオルタネータの充電によって電圧が回復し充電が始まる。このときの電池の最大降下電圧値をVとして検出し、前記Vと対応する電流値Iを計測する。

本発明では各種の劣化電池を基にしたデータテーブルを作成する。そのためにベンチ試験及び実車回収した各種の劣化電池を集め残存容量Qを測定する。それらを回復充電後に連続して高率放電試験にかける。これはエンジン始動時の放電を模擬したもので、このときの電池電圧及び電流値を計測する（放電Ｉ−Ｖ試験という）。続いて電池を０．２ＣＡ（容量を０．２で除した電流値）で残存容量の２０％放電後に再び放電Ｉ−Ｖ試験を実施する。これを繰り返して充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）を落としてゆくことで、ある時点における容量と放電電流、電池電圧とのデータテーブルが作成できる。データテーブルには少なくとも３水準のデータ電流値I_ｄとデータ降下電圧値V_ｄがあり、前記最大降下電圧値Vと最大降下電流値Iを囲む領域が出来る。このとき前記最大降下電圧値Vから残存容量Qを推定する。前記データテーブルは様々な劣化電池の特性を含んでいるので、残存容量Qの判定誤差が小さくできる。

鉛蓄電池の最大降下電圧値Vと前記最大降下電圧値Vと対応する電流値Iから鉛蓄電池の残存容量Qを予測する方法において、あらかじめ少なくとも3水準のデータ電流値I_ｄに対応する残容量Qとデータ最大降下電圧値V_ｄとを測定したテーブルを作成し、前記最大降下電圧値Vと最大降下電流値Iを囲む前記３水準のデータ電流値I_ｄとデータ降下電圧値V_ｄの関係から鉛蓄電池の残存容量Qを予測する手法及び装置を提供する。前記データテーブルは電池型式ごとに作られており、装置は温度補正機能を有している。

以下本発明の実施例を説明する。供試電池として７５Ｄ２６または８０Ｄ２６形（公称容量５２、５５Ah）の自動車用鉛蓄電池を用いた。この型式の鉛蓄電池を複数個用意しベンチ試験を実施した。試験モードはＪＩＳ−Ｄ５３０１規定の重負荷寿命試験、軽負荷寿命試験とした。また、通電電流４．５Ａ、時間１１０ｈ／週、温度４０℃の過充電寿命試験も加えた。これらの鉛蓄電池を（ａ）寿命まで試験したグループと（ｂ）ＳＯＣ７０〜８０％まで劣化させて試験を中止したグループに分けて試験を実施した。これらの鉛蓄電池を０．２ＣＡ、終止電圧１０．５Ｖ、温度２５℃で放電し残存容量Qを確認する。また、（ｃ）実車回収電池として宅配車やタクシーから回収した鉛蓄電池についても同様な手法で残存容量Qを確認する。これらの鉛蓄電池は残存容量Qの１４０％の充電をして容量を一旦回復させる。

前記鉛蓄電池を温度２５℃環境下で表１に示すような放電Ｉ−Ｖ試験を実施し、このときの電池電圧の変化を記録する。

上記の放電Ｉ−Ｖでの電流値は小型から大型の車両の始動電流を概ねカバーする範囲である。続いて、各々の残存容量Qに対して２０％の容量（容量０．２Q）を０．２ＣＡで放電し上記と同じように放電Ｉ−Ｖ試験で電池電圧のデータを記録する。この操作を５回繰り返し、最後に０．２ＣＡ放電で試験後の残存容量Q_ｒを確認する。鉛蓄電池の容量は充放電の繰返しで変化するので、試験後の容量は前記残存容量Qとは等しくならない。そのために最後にQ_ｒの確認が必要である。以上の結果から（１）１．０Q＋Q_ｒ（２）０．８Q＋Q_ｒ（３）０．６Q＋Q_ｒ（４）０．４Q＋Q_ｒ（５）０．２Q＋Q_ｒの５種類の残存容量に対応する放電Ｉ−Ｖ試験のデータを得ることができる。

前記（ａ）〜（ｃ）の鉛蓄電池で上述の試験をすると、電池１サンプルにつき容量水準５個、放電電流水準３の計１５種類の電池電圧データが得られる。今回電池電圧データとして放電開始０．１秒目の電圧を採用することにする。自動車の始動時にはこの時間内で最大降下電圧値Vが発現するためである。このようにして各電池につき１５個の残存容量とそれに対応する０．１秒目電池電圧のデータが得られる。各電池のSOCはそれぞれ異なるので、残存容量のデータはばらついている。そこで、残存容量Qをある区間で区切り、データを区間ごとに集計する。まず、全データから残存容量５５〜４９．５Ａｈに該当する０．１秒目の電池電圧を抽出する。次に残存容量Qの平均値を求め、同じく０．１秒目電池電圧も平均値を計算する。放電電流値は１００、２５０、５００Ａの３水準あるので１区間につき３種類のデータが得られる。これをまとめた結果を表２に示す。

ここで放電電流値のデータを各データ電流値I_ｄ、それらに対応する０．１秒目電池電圧をデータ降下電圧値V_ｄとする。残存容量の区間平均値は各種鉛蓄電池の容量を平準化した値であるので、これを改めて残存容量Qとおき、各データ電流値I_ｄ、データ降下電圧値V_ｄとの関係をプロットすると図１のようになる。これより残存容量Qとデータ降下電圧値V_ｄには、データ電流値I_ｄによって結ばれた曲線の関係ができる。データ電流値I_ｄで曲線の傾きが異なるのは、放電電流が大きくなるほど電池電圧が降下し、最大降下電圧値Vが大きくなるためである。

次に図１を用いた残存容量Qの導き方について述べる。図２にエンジン始動時における鉛蓄電池の電圧及び電流波形の１例を示す。図２の始動と図示した点はキーを回しスタータモータを回したことを示す。このとき電池は始動と点火を同時に行うため大きな出力を出す必要がある。大きな出力を出すために大電流で放電するので、図２の破線で示す電流は、始動後に急激に放電側に変化する。このとき電池電圧も低下し、最大降下電圧値Vを示す。始動後にはオルタネータが起動し、充電が始まるので電池電圧は回復し充電側にシフトする。一般に最大降下電圧値Vは放電電流に依存する。すなわち大出力を要する大型車や寒冷地仕様車両では大きな電流で放電し、小型車では小さな電流で済むことになる。このように自動車用の鉛蓄電池は、搭載される車両や環境によって始動時の放電電流は変わってくる。このため、残存容量Qを求めるのには最大降下電圧Vだけではなく、電池がどのような始動電流で前記最大降下電圧Vを示したかというデータが必要になる。図１のデータテーブルはデータ電流値I_ｄを３水準とっているので曲線が３本できる。この３本の曲線で囲まれた領域内に始動時の最大降下電流値Iがあれば、そのときの最大降下電圧Vはデータ降下電圧値V_ｄと同等と見なすことができる。すなわち、図１の３本の曲線で囲まれた領域内に最大降下電圧Vをプロットし、その点からX軸に垂線を引きX軸と交わった点が予測する残存容量Qとなる。

図３に上記残存容量予測をするための装置概略図を示す。自動車用の鉛蓄電池は充電側にオルタネータ、負荷側にスタータ、電装品をそれぞれ並列に接続した構造をとっている。本装置は前記鉛蓄電池に電圧検出部及び電流検出部を備える。始動時に始動電流を電流検出部で、最大降下電圧Vを電圧検出部で検出する。このデータは演算装置に送られ、前期データテーブルを記憶した装置からデータを読み込み、参照演算して残存容量Qを表示部に表示する。ただし、前記データテーブルは鉛蓄電池の型式、及び置かれた温度によって変化する。そこで、電池の型式別に複数のデータテーブルを記憶させ、最大降下電圧Ｖ、最大降下電流Ｉは２５℃の推定値へと補正する。図４に検出、演算、表示のフローチャートを示す。演算装置には最初に電池型式の入力の操作があり、電圧検出部には温度補正部が付随して補正後のデータを演算処理部に入力する。

なお、本実施例ではデータ電流値I_ｄを３水準としたが、より高い精度を得るためにはデータ電流値I_ｄを多数点取れば良い。また、大型トラック、バスなどのような始動時の最大電流値Iが５００Aを超えるような車両の場合には、例えば１０００Aまでのデータ電流値I_ｄのデータテーブルを用いて予測することで対応可能である。

残存容量Qとデータ降下電圧値V_ｄ、データ電流値I_ｄの関係を示す図である。エンジン始動時における鉛蓄電池の電圧及び電流波形を示す図である。残存容量予測をするための装置概略図を示す図である。残存容量予測のフローチャートを示す図である。

Claims

自動車始動時の鉛蓄電池の最大降下電圧値Vと前記最大降下電圧値Vと対応する電流値Iから鉛蓄電池の残存容量Qを予測する方法において、あらかじめ少なくとも３水準のデータ電流値I_ｄに対応する残存容量Qとデータ降下電圧値V_ｄとを測定したデータテーブルを作成し、前記最大降下電圧値Vと最大降下電流値Iを囲む前記３水準のデータ電流値I_ｄとデータ降下電圧値V_ｄの関係から鉛蓄電池の残存容量Qを予測することを特徴とする鉛蓄電池の残存容量予測方法。
自動車始動時の鉛蓄電池の最大降下電圧値Vを検出する電圧検出部と前記最大降下電圧値Vと対応する電流値Iを検出する電流検出部からなり鉛蓄電池の残存容量Qを予測する方法において、あらかじめ少なくとも3水準のデータ電流値I_ｄに対応する残存容量Qとデータ降下電圧値V_ｄとを測定したテーブルを記憶した装置を備え、前記最大降下電圧値Vと最大降下電流値Iを囲む前記3水準のデータ電流値I_ｄとデータ降下電圧値V_ｄの関係から鉛蓄電池の残存容量Qを予測する演算装置及びその結果を表示する表示部を備えたことを特徴とする鉛蓄電池の残存容量予測装置。