JP2006153627A

JP2006153627A - 近似線算出装置及びバッテリ状態検出装置

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Publication number: JP2006153627A
Application number: JP2004343887A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Takemoto; 寿竹本; Kenichi Amano; 兼一天野
Original assignee: GS Yuasa Corp; Yazaki Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp; Yazaki Corp
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】正確に近似線を求めることができる近似線算出装置及び当該近似線算出装置を用いたバッテリ状態検出装置を提供する。
【解決手段】ＣＰＵ２３ａは、高率放電回路２５のバッテリ１３に対する接続を制御して、バッテリ１３を事前放電させる。ＣＰＵ２３ａは、事前放電終了後、高率放電回路２５のバッテリ１３に対する接続を制御して、本放電を行わせる。また、ＣＰＵ２３ａは、電流センサ１５及び電圧センサ１７を用いて、この本放電中のバッテリ１３の端子電圧及び放電電流をサンプリングし、サンプリングした端子電圧及び放電電流に基づいて、放電電流増加方向における当該放電電流及び端子電圧の関係を示す放電電流増加時近似線及び放電電流減少方向における当該放電電流及び端子電圧の関係を示す放電電流減少時近似線を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、近似線算出装置及びバッテリ状態検出装置に係り、特に、放電中に計測した端子電圧及び放電電流に基づき、その放電電流及び端子電圧の関係を示す近似線を算出する近似線算出装置及び当該近似線算出装置を用いたバッテリ状態検出装置に関するものである。

例えば、車両に搭載されるバッテリを例に取ると、特にモータを唯一の推進駆動源とする電気自動車においては、一般のエンジンを推進駆動源とする車両におけるガソリンに相当するものである。このため、バッテリの状態を検出しておくことは、車両の正常な走行を確保する上で非常に重要である。

ところで、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、スタータモータの定常電流値と比べて非常に大きな最大電流値まで短時間に増大し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。一般に、このような放電を高率放電と呼んでいる。

従って、高率放電中にバッテリの放電電流とこれに対応するバッテリの端子電圧を計測すれば、０から最大電流値に至る広い範囲の放電電流変化に対する端子電圧の変化を測定することができる。そしてこの高率放電中に計測した放電電流Ｉ及び端子電圧Ｖのデータ対（Ｉ、Ｖ）から、バッテリのＩ−Ｖ特性を求め、求めたＩ−Ｖ特性に基づいてバッテリの状態を検出することができる（特許文献１）。

具体的には、例えばバッテリの内部抵抗や放電可能容量などを検出することができる。上述した内部抵抗はバッテリの劣化の進行に従って増加するものであり、これによりバッテリの劣化を把握することができる。一方、放電可能容量は、バッテリの充電容量から、バッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じたものであり、これにより、負荷を確実に駆動できるか否かを判断することができる。つまり、内部抵抗及び放電可能容量を求めることによって、バッテリの状態を検出することができる。

ところで、図６は、長期放置されたり、分極が完全に解消されているバッテリのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。図中、黒丸は放電電流増加時にサンプリングしたデータ対（Ｉ、Ｖ）を示し、白丸は放電電流減少時にサンプリングしたデータ対（Ｉ、Ｖ）を示す。また、Ｌｉは黒丸で示す放電電流増加時にサンプリングしたデータ対（Ｉ、Ｖ）について最小二乗法を用いた近似処理を施して求めた放電電流増加時のＩ−Ｖ近似線であり、Ｌｄは白丸で示す放電電流減少時にサンプリングしたデータ対（Ｉ、Ｖ）について最小二乗法を用いた近似処理を施して求めた放電電流減少時のＩ−Ｖ近似線である。

同図に示すように、長時間放置されたり、分極が完全に解消されているバッテリを放電すると、急激に分極が成長するため、放電電流Ｉの増加に伴う端子電圧Ｖの減少量が大きくなる。つまり、黒丸で示す放電電流増加時にサンプリングしたデータ対（Ｉ、Ｖ）は曲がりが大きく、相関係数が低い（直線性がない）。従って、このようなデータ対（Ｉ、Ｖ）から求めた放電電流増加時のＩ−Ｖ近似線Ｌｉは、点線で示す実際の放電電流増加時のＩ−Ｖ線と異なり、サンプリングしたデータ対（Ｉ、Ｖ）から実際の放電電流増加時のＩ−Ｖ線を求めることが困難であった。

特に、放電電流増加時のＩ−Ｖ近似線Ｌｉが示す放電開始前（Ｉ＝０）の端子電圧Ｖ₀は、実際の放電開始前の端子電圧Ｖ_0Tに比べて高く見積もられてしまう傾向がある。また、放電電流増加時のＩ−Ｖ近似線Ｌｉと放電電流減少時のＩ−Ｖ近似線Ｌｄとの交点から求めたピーク電流Ｉ_Pも実際のピーク電流Ｉ_PTに対して、誤差が生じてしまっている。このように実際のＩ−Ｖ線とは異なる、Ｉ−Ｖ近似線Ｌｉ及びＬｄからでは、正確なバッテリの状態検出を行えないという問題があった。
特開２００４−４５３７５号公報

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、正確に近似線を求めることができる近似線算出装置及び当該近似線算出装置を用いたバッテリ状態検出装置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なされた請求項１記載の発明は、放電中のバッテリの端子電圧及び放電電流をサンプリングするサンプリング手段と、該サンプリングした端子電圧及び放電電流に基づいて、放電電流増加方向における当該放電電流及び端子電圧の関係を示す放電電流増加時近似線及び放電電流減少方向における当該放電電流及び端子電圧の関係を示す放電電流減少時近似線を算出する近似線算出手段とを備えた近似線算出装置であって、前記近似線を算出するための放電が行われる前に、前記バッテリを放電させる事前放電手段をさらに備えたことを特徴とする近似線算出装置に存する。

請求項１記載の発明によれば、サンプリング手段が、放電中のバッテリの端子電圧及び放電電流をサンプリングする。近似線算出手段が、サンプリングした端子電圧及び放電電流に基づいて、放電電流増加方向における当該放電電流及び端子電圧の関係を示す放電電流増加時近似線及び放電電流減少方向における当該放電電流及び端子電圧の関係を示す放電電流減少時近似線を算出する。事前放電手段が、近似線を算出するための放電が行われる前に、バッテリを放電させる。従って、事前放電を行うことにより、分極がある程度成長した後の放電でサンプリングした、相関係数の高い端子電圧及び放電電流に基づいて、近似線を算出することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の近似線算出装置であって、前記近似線を算出させるために、前記バッテリを放電させる本放電手段と、前記バッテリに接続すると、前記バッテリが放電する疑似負荷とをさらに備え、前記本放電手段及び前記事前放電手段は、同一の疑似負荷の接続を制御して、各々放電を行わせることを特徴とする近似線算出装置に存する。

請求項２記載の発明によれば、本放電手段と事前放電手段とは、同一の疑似負荷の接続を制御して各々放電を行わせる。従って、本放電手段と事前放電手段とに対して、それぞれ別々に疑似負荷を設ける必要がない。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の近似線算出装置と、該近似線算出装置が算出した放電電流増加時近似線及び放電電流減少時近似線に基づいて、前記バッテリの状態を検出する状態検出手段とを備えたことを特徴とするバッテリ状態検出装置に存する。

請求項３記載の発明によれば、状態検出手段が請求項１または２記載の近似線算出装置が算出した近似線に基づき、バッテリの状態を検出する。従って、相関係数の高い端子電圧及び放電電流から求めた正確な近似線に基づいて、バッテリ状態を検出することができる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載のバッテリ状態検出装置であって、前記状態検出手段は、前記放電電流増加時近似線と前記放電電流減少時近似線との交点における電流をピーク電流として求め、該求めたピーク電流に基づいて前記バッテリの状態を検出することを特徴とするバッテリ状態検出装置に存する。

請求項４記載の発明によれば、状態検出手段は、放電電流増加時近似線と放電電流減少時近似線との交点を放電のピーク電流として求め、該求めたピーク電流に基づきバッテリの状態を検出する。従って、相関係数の高い端子電圧及び放電電流から求めた放電電流増加近似線及び放電電流減少近似線の交点をピーク電流とすることにより、正確にその放電のピーク電流を求めることができる。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、事前放電を行うことにより、分極がある程度成長した後の放電でサンプリングした、相関係数の高い端子電圧及び放電電流に基づいて、近似線を算出することができるので、正確に近似線を求めることができる近似線算出装置を得ることができる。

請求項２記載の発明によれば、本放電手段と事前放電手段とに対して、それぞれ別々に疑似負荷を設ける必要がないので、コストダウンを図った近似線算出装置を得ることができる。

請求項３記載の発明によれば、相関係数の高い端子電圧及び放電電流から求めた正確な近似線に基づいて、バッテリ状態を検出することができるので、バッテリの状態を正確に検出することができるバッテリ状態検出装置を得ることができる。

請求項４記載の発明によれば、相関係数の高い端子電圧及び放電電流から求めた放電電流増加近似線及び放電電流減少近似線の交点をピーク電流とすることにより、正確にその放電のピーク電流を求めることができるので、バッテリの状態を、より一層、正確に検出することができるバッテリ状態検出装置を得ることができる。

以下、本発明の近似線算出装置及びバッテリ状態検出装置を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の近似線算出装置を組み込んだバッテリ状態検出装置の一実施形態を示すブロック図である。図中符号１で示す本実施形態の装置は、エンジン３に加えてモータジェネレータ５を有する車両に搭載されている。

そして、この車両は、エンジン３の出力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る。また、この車両は、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。ここで言うバッテリ１３とは、鉛酸電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの二次電池を示す。

本実施形態の装置１は、また、バッテリ１３に直列接続され、バッテリ１３に流れる放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。

さらに、このバッテリ状態検出装置には、上記モータジェネレータ５に並列接続された高率放電回路２５が備えられている。この高率放電回路２５は、例えばバッテリ１３に接続するとバッテリ１３が高率放電する疑似負荷と、この疑似負荷をバッテリ１３に接続するためのスイッチなどから構成されている。上述した高率放電回路２５において、スイッチがオンして疑似負荷がバッテリ１３に接続されると、バッテリ１３の放電電流は疑似負荷に応じた値まで短時間で単調増加し、その後単調減少して０となる。従って、０に減少するまでの放電電流を大きな突入電流とみなすことができ、高率放電回路２５による放電を高率放電とみなすことができる。

話を構成の説明に戻すと、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。）２１に内蔵されたＡ／Ｄ変換器（図示せず）による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。）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／Ｆ回路２１が接続されている。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、各種データ記憶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ＲＯＭ２３ｃには、ＣＰＵ２３ａに各種処理動作を行わせる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。このことから明らかなように、電流センサ１５、電圧センサ１７及びＣＰＵ２３ａは請求項中のサンプリング手段を構成している。

上述した構成のバッテリ状態検出装置の動作について、図２及び図３を参照して以下説明する。図２は、複数回の放電に対する分極の変化を示すグラフである。図３は複数回の放電に対するＩ−Ｖ特性を示すグラフである。例えば、長期放置されたりして、分極が完全に解消されている状態（分極０の状態）のバッテリを放電すると、図２に示すように、最初（１回目）の放電では分極が急激に増加する。この放電時の放電電流増加方向におけるＩ−Ｖ線Ｌｉ１は、図３に示すように、傾き、曲がりが大きく、相関係数が低い（∵直線性がない）。このため、上述した従来で説明したように、このような放電でサンプリングした放電電流Ｉ及び端子電圧Ｖに近似処理を施しても、正確なＩ−Ｖ線を得ることは難しい。

その後、放電が完了すると、図２に示すように、分極はあるレベルで残留する。次に、分極が残留している状態のバッテリを再び放電すると、その放電に対する分極の増加量は、１回目の放電に比べて小さくなる。従って、２回目以降の放電時の放電電流増加方向におけるＩ−Ｖ線Ｌｉ２、Ｌｉ３…は、図３に示すように、傾きも、曲がりも小さく、相関係数が高い（直線性がある）。このため、２回目以降の放電でサンプリングした放電電流Ｉ及び端子電圧Ｖに近似処理を施して求めたＩ−Ｖ近似線は、実際のＩ−Ｖ線とほぼ一致する。

以上のことに着目して、本発明のバッテリ状態検出装置は、Ｉ−Ｖ近似線を求める放電を行う前に、事前放電を行う。そして、事前放電によって分極が残留している状態で放電し、そのときにサンプリングした放電電流Ｉ及び端子電圧ＶからＩ−Ｖ近似線を求め、求めたＩ−Ｖ近似線からバッテリの状態検出を行う。

上記概略で説明したバッテリ状態検出装置の動作の詳細をＣＰＵ２３ａの処理手順を示す図４のフローチャートを参照して以下説明する。ＣＰＵ２３ａは、高率放電許可信号が出力されると状態検出処理を開始する。まず、ＣＰＵ２３ａは、事前放電手段として働き、高率放電回路２５中の疑似負荷をバッテリ１３に接続して、バッテリ１３に事前放電を開始させる（ステップＳ１）。この事前放電は１回行うだけでもよいし、複数回行ってもよい。

この事前放電が終わると（ステップＳ２でＹ）、ＣＰＵ２３ａは、本放電手段として働き、再び高率放電回路２５中の疑似負荷をバッテリ１３に接続して、バッテリの高率放電を開始させると共に、電流センサ１５及び電圧センサ１７の出力を高速サンプリングして、高率放電時の端子電圧Ｖ及び放電電流Ｉをサンプリングする（ステップＳ３）。

次に、ＣＰＵ２３ａは、近似線算出手段として働き、放電電流増加時にサンプリングした端子電圧Ｖ及び放電電流Ｉについて最小二乗法を用いた近似処理を施して、下記の式（１）で表される放電電流増加方向におけるＩ−Ｖ二次近似曲線（＝放電電流増加時近似線）を求める。さらに、電流減少時にサンプリングした端子電圧Ｖ及び放電電流Ｉについて最小二乗法を用いた近似処理を施して、下記の式（２）で表される放電電流減少方向におけるＩ−Ｖ二次近似曲線（＝放電電流減少時近似線）を求める（ステップＳ４）。
ａ₁Ｉ²＋ｂ₁Ｉ＋ｃ₂＝Ｖ …（１）
ａ₂Ｉ²＋ｂ₂Ｉ＋ｃ₁＝Ｖ …（２）
ただし、ａ₁、ｂ₁、ｃ₁、ａ₂、ｂ₂、ｃ₂は係数、Ｉは放電電流、Ｖは端子電圧を示す。

次に、ＣＰＵ２３ａは、式（１）及び（２）で表される放電電流増加方向におけるＩ−Ｖ二次近似曲線と電流減少方向におけるＩ−Ｖ二次近似曲線との交点における放電電流Ｉをピーク電流Ｉ_Pとして求める（ステップＳ５）。次に、ＣＰＵ２３ａは、状態検出手段として働き、この求めた放電電流増加方向におけるＩ−Ｖ二次近似曲線、電流減少方向におけるＩ−Ｖ二次近似曲線及びピーク電流Ｉ_Pに基づきバッテリの状態を求めて（ステップＳ６）、処理を終了する。

上述したＩ−Ｖ二次近似曲線及びピーク電流Ｉ_Pからバッテリの状態を検出する方法として、例えば、前記特許文献１に記載されたものが一例として上げられる。ここでは、Ｉ−Ｖ二次近似曲線及びピーク電流Ｉ_Pを利用して、二次バッテリの純抵抗を検出する方法や、検出した純抵抗を利用して飽和分極を求める方法、バッテリの充電容量に相当する平衡状態時開回路電圧から、純抵抗にピーク電流Ｉ_Pが流れたときに生じる電圧降下量及び飽和分極を減じた値である放電可能容量を求める方法などが記載されているが、ここでは詳細な説明は省略する。

上述したバッテリ状態検出装置によれば、事前放電を行うことにより、分極がある程度成長した後の放電でサンプリングした、相関係数の高い端子電圧Ｖ及び放電電流Ｉに基づいて、放電電流増加方向又は減少方向におけるＩ−Ｖ二次近似曲線を算出することができるため、正確に放電電流増加方向又は減少方向におけるＩ−Ｖ二次近似曲線を求めることができる。また、この正確な放電電流増加方向におけるＩ−Ｖ二次近似曲線と減少方向におけるＩ−Ｖ二次近似曲線との交点での放電電流をピーク電流Ｉ_Pとすることにより、正確に高率放電のピーク電流Ｉ_Pを求めることができる。

また、上述したバッテリ状態検出装置によれば、高率放電回路を用いて事前放電を行うことにより、高率放電回路とは別途に事前放電用の放電回路を設ける必要がなく、コストダウンを図ることができる。

なお、上述した実施形態では、高率放電回路を用いて事前放電を行っていたが、事前放電としては高率放電でなくてもよく、上述した高率放電とは別の事前放電用の放電回路を設けて、その放電回路をバッテリに接続することにより事前放電を行わせることも考えられる。また、上述した高率放電回路や事前放電用の放電回路としては、バッテリ状態監視装置内に内蔵したものであっても、バッテリ状態監視装置の外部に設けたものであってもよい。

上述した事前放電用の放電回路による放電波形としては、例えば、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、鋸状でも、矩形状でも、三角状であってもよい。また、キャパシタから構成される疑似負荷を用いた、図５（ｅ）に示すような波形であってもよいし、コイルから構成される疑似負荷を用いた、図５（ｆ）に示すような波形であってもよい。この事前放電用の放電回路としては、疑似負荷を設けても良いし、予め車両に搭載されている負荷を流用しても良い。

また、上述した実施形態では、式（１）及び（２）に示すように、二次近似式を用いてＩ−Ｖ線を近似していたが、近似は下記の式（３）及び（４）に示すように、一次近似であってもよい。
ｂ₁Ｉ＋ｃ₁＝Ｖ …（３）
ｂ₂Ｉ＋ｃ₂＝Ｖ …（４）

また、上述した実施形態では、疑似負荷を設け、この疑似負荷をバッテリ１３に接続して、高率放電を発生させていた。しかしながら、高率放電、つまり、バッテリの状態検出が行えるような放電が可能な負荷であれば、予め車両に搭載されている負荷を流用してもよい。

本発明の近似線算出装置を組み込んだバッテリ状態検出装置の一実施形態を示すブロック図である。複数回の放電に対する分極の変化を示すグラフである。複数の放電に対するＩ−Ｖ特性を示すグラフである。図１に示すバッテリ状態検出装置を構成するＣＰＵ２３ａの状態検出処理における処理手順を示すフローチャートである。図１に示すバッテリ状態検出装置を構成する高率放電回路２５によって行われる放電の波形の一例を示すグラフである。従来の問題点を説明するためのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。

符号の説明

１５電流センサ（サンプリング手段）
１７電圧センサ（サンプリング手段）
２３ａＣＰＵ（サンプリング手段、近似線算出手段、事前放電手段、本放電手段、状態検出手段）
２５高率放電回路（疑似負荷）

Claims

放電中のバッテリの端子電圧及び放電電流をサンプリングするサンプリング手段と、該サンプリングした端子電圧及び放電電流に基づいて、放電電流増加方向における当該放電電流及び端子電圧の関係を示す放電電流増加時近似線及び放電電流減少方向における当該放電電流及び端子電圧の関係を示す放電電流減少時近似線を算出する近似線算出手段とを備えた近似線算出装置であって、
前記近似線を算出するための放電が行われる前に、前記バッテリを放電させる事前放電手段をさらに備えたことを特徴とする近似線算出装置。
請求項１記載の近似線算出装置であって、
前記近似線を算出させるために、前記バッテリを放電させる本放電手段と、
前記バッテリに接続すると、前記バッテリが放電する疑似負荷とをさらに備え、
前記本放電手段及び前記事前放電手段は、同一の疑似負荷の接続を制御して、各々放電を行わせることを特徴とする近似線算出装置。
請求項１または２記載の近似線算出装置と、
該近似線算出装置が算出した放電電流増加時近似線及び放電電流減少時近似線に基づいて、前記バッテリの状態を検出する状態検出手段とを備えたことを特徴とするバッテリ状態検出装置。
請求項３記載のバッテリ状態検出装置であって、
前記状態検出手段は、前記放電電流増加時近似線と前記放電電流減少時近似線との交点における電流をピーク電流として求め、該求めたピーク電流に基づいて前記バッテリの状態を検出することを特徴とするバッテリ状態検出装置。