JP2006155916A - 凍結検出装置及びその方法、並びに、凍結報知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨大なデータテーブルを用いることなく、正確に電解液の凍結を検出することができる凍結検出装置及びその方法、並びに、上記凍結検出装置を用いた凍結報知装置を提供する。
【解決手段】ＣＰＵ２３ａは、温度センサ１９を用いてバッテリ１３の温度を検出する。ＣＰＵ２３ａは、電圧センサ１７を用いて、バッテリ１３の開回路電圧を検出する。さらに、ＣＰＵ２３ａはバッテリ温度の低下しているにも拘わらず開回路電圧が上昇したとき、凍結を検出して、凍結検出信号を車両ＥＣＵ２７に出力する。車両ＥＣＵ２７は凍結検出信号の出力に応じて、運転者にその旨を報知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、凍結検出装置及びその方法、並びに、凍結検知装置に係り、特に、バッテリ電解液の凍結を検出する凍結検出装置及びその方法、並びに、凍結検知装置に関するものである。

車両の駆動系を動かしていない状態で外気温が低下すると、車両に搭載されているバッテリの電解液が凍結して、バッテリが損傷してしまうことがある。バッテリは、例えば、電気自動車において車両を走行させるための唯一無二のエネルギ源である。また、通常のガソリン車や、ハイブリッド車両において、バッテリは、エンジンの電動始動装置を駆動するために必要なエネルギ源である。このため、寒冷地などで長期間駐車すると、エネルギ源であるバッテリが凍結し、損傷している状態で、車両を始動したり、走行させたりする恐れがあった。

ところで、バッテリは、充電状態（以降、ＳＯＣ：State Of Charge）が高い状態であれば、その電解液は比較的低温になるまで凍結せず、逆に、ＳＯＣが低い状態であれば周囲の温度が比較的高くても凍結する可能性がある。このことに着目し、バッテリのＳＯＣに対応して求めた凍結温度と周囲温度とから電解液が凍結する可能性があると判断した場合、エンジン駆動発電機からバッテリに充電電力を供給して、予め充電を行いＳＯＣを高めることにより電解液凍結を防止する制御装置が提案されている（特許文献１）。
特開平６−２３３４６６号公報

上述したように従来では、凍結を防止する技術については提案されている。しかしながら、凍結を防止しきれず、凍結してしまった後については対策がなされていない。また、凍結後の対策を行うに当たって、バッテリ電解液が凍結していることを検出する必要がある。特許文献１では、予め定めてあるＳＯＣとバッテリの凍結温度との関係を示すデータテーブルからバッテリの凍結温度を求めている。そこで、このことを利用して、周囲温度が凍結温度になったときにバッテリが凍結したことを検出することが考えられる。しかしながら、凍結温度はＳＯＣだけでなく、バッテリの個体差や電解液の量などによって変動することがあるため、正確に凍結を検出するためには膨大なデータテーブルを持つ必要がある。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、膨大なデータテーブルを用いることなく、正確に電解液の凍結を検出することができる凍結検出装置及びその方法、並びに、上記凍結検出装置を用いた凍結報知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、バッテリ電解液の凍結を検出する凍結検出装置であって、前記バッテリの温度を検出する温度検出手段と、前記バッテリの開回路電圧を検出する開回路電圧検出手段と、前記バッテリ温度の低下中に前記開回路電圧が上昇したとき、前記凍結を検出する凍結検出手段とを備えたことを特徴とする凍結検出装置に存する。

請求項１記載の発明によれば、通常、バッテリ温度の低下に伴い、開回路電圧は低下する。これに対して、バッテリ電解液が部分的に凍結し始めると、不凍結部分の電解液濃度の上昇に伴い、開回路電圧が上昇する。以上のことに着目し、温度検出手段がバッテリの温度を検出する。開回路電圧検出手段がバッテリの開回路電圧を検出する。凍結検出手段がバッテリ温度の低下しているにも拘わらず開回路電圧が上昇したとき、凍結を検出する。従って、バッテリ温度の低下中に開回路電圧が上昇したとき凍結を検出することにより、データテーブルを用いることなく、正確に凍結を検出することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の凍結検出装置であって、前記開回路電圧検出手段は、前記検出されたバッテリ温度に基づいて、当該バッテリ温度の変化に応じた前記開回路電圧の変動を補正する温度補正手段を有し、前記凍結検出手段は、前記バッテリ温度の低下中に前記温度補正された開回路電圧が上昇したとき、前記凍結を検出することを特徴とする凍結検出装置に存する。

請求項２記載の発明によれば、バッテリ温度の低下に応じて開回路電圧も低下する。このため、凍結に起因した開回路電圧の上昇がバッテリ温度の低下に起因する開回路電圧の低下に相殺され、凍結の検出が遅れてしまうことがある。そこで、開回路電圧検出手段において、温度補正手段が検出されたバッテリ温度に基づいて、そのバッテリ温度の変化に応じた開回路電圧の変動を補正し、凍結検出手段がバッテリ温度の低下中に温度補正された開回路電圧が上昇したとき、凍結を検出する。従って、温度補正された開回路電圧から凍結を検出することにより、凍結に起因した開回路電圧の上昇がバッテリ温度の低下に起因する開回路電圧の低下に相殺されることなく、迅速に凍結を検出することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の凍結検出装置であって、前記検出手段は、前記バッテリが充放電を行っているとき、または、前記バッテリが不平衡状態であるとき、前記凍結検出を行わないことを特徴とする凍結検出装置に存する。

請求項３記載の発明によれば、検出手段は、バッテリが充放電を行っているとき、または、バッテリが不平衡状態であるとき、凍結検出を行わない。従って、バッテリの端子電圧を実測して、開回路電圧として検出する場合であっても、充放電や分極解消に起因した端子電圧（＝開回路電圧）の上昇を凍結として誤検出することがなくなる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３何れか１項記載の凍結検出装置であって、前記検出手段は、前記検出されたバッテリ温度が所定温度より高いとき、前記凍結検出を行わないことを特徴とする凍結検出装置に存する。

請求項４記載の発明によれば、検出手段は、検出されたバッテリ温度が所定温度より高いとき、凍結検出を行わない。従って、所定温度より高く、明らかに凍結が生じることがないようなバッテリ温度であるときは凍結検出が行われないため、誤検出を防止することができる。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の凍結検出装置であって、前記所定温度は、前記開回路電圧が高いほど、低く設定され、前記検出手段は、前記検出されたバッテリの開回路電圧に対応する所定温度より前記検出されたバッテリ温度が高いとき、前記凍結検出を行わないことを特徴とする凍結検出装置に存する。

請求項５記載の発明によれば、所定温度は、開回路電圧が高いほど、低く設定される。検出手段は、検出されたバッテリの開回路電圧に対応する所定温度より検出されたバッテリ温度が高いとき、凍結検出を行わない。従って、現開回路電圧に対応した所定温度を設定することにより、より確実に誤検出を防止することができる。

請求項６記載の発明は、バッテリ電解液の凍結を検出する凍結検出方法であって、前記バッテリ温度の低下中に前記バッテリの開回路電圧が上昇したとき、前記凍結を検出することを特徴とする凍結検出方法に存する。

請求項６記載の発明によれば、通常、バッテリ温度の低下に伴い、開回路電圧は低下する。これに対して、バッテリ電解液が部分的に凍結し始めると、不凍結部分の電解液濃度の上昇に伴い、開回路電圧が上昇する。以上のことに着目し、バッテリ温度の低下中に開回路電圧が上昇したとき、凍結を検出する。従って、バッテリ温度の低下中に開回路電圧が上昇したとき凍結を検出することにより、データテーブルを用いることなく、正確に凍結を検出することができる。

請求項７記載の発明は、請求項１〜５何れか１項記載の凍結検出装置と、前記凍結検出手段が前記凍結を検出したとき、その旨を報知する報知手段とを備えたことを特徴とする凍結報知装置に存する。

請求項７記載の発明によれば、報知手段は請求項１〜５何れか１項記載の凍結検出装置と、凍結検出手段が凍結を検出したとき、その旨を報知する。従って、凍結を報知することにより、凍結してバッテリが損傷を受けている状態で、車両を始動させたり、走行させたりすることを防止することができる。

以上説明したように請求項１及び６記載の発明によれば、バッテリ温度の低下中に開回路電圧が上昇したとき凍結を検出することにより、データテーブルを用いることなく、正確に凍結を検出することができる凍結検出装置及びその方法を得ることができる。

請求項２記載の発明によれば、温度補正された開回路電圧から凍結を検出することにより、凍結に起因した開回路電圧の上昇がバッテリ温度の低下に起因する開回路電圧の低下に相殺されることなく、迅速に凍結を検出することができる凍結検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、バッテリの端子電圧を実測して、開回路電圧として検出する場合であっても、充放電や分極解消に起因した端子電圧（＝開回路電圧）の上昇を凍結として誤検出することがなくなるので、より正確に凍結を検出することができる凍結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、所定温度より高く、明らかに凍結が生じることがないようなバッテリ温度であるときは凍結検出が行われないため、誤検出を防止することができるので、より正確に凍結を検出することができる凍結検出装置を得ることができる。

請求項５記載の発明によれば、現開回路電圧に対応した所定温度を設定することにより、より確実に誤検出を防止することができるので、より正確に凍結を検出することができる凍結検出装置を得ることができる。

請求項７記載の発明によれば、凍結を報知することにより、凍結してバッテリが損傷を受けている状態で、車両を始動させたり、走行させたりすることを防止することができる凍結報知装置を得ることができる。

以下、本発明の凍結検出装置及びその方法、並びに、凍結報知装置を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の凍結検出装置を組み込んだ凍結報知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に流れる放電電流や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、バッテリ１３のバッテリ温度を検出する温度センサ１９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のアナログ出力がインタフェース回路（以下、「Ｉ／Ｆ」と略記。）２１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）２３をさらに備えている。

そして、上述したマイコン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。また、ＣＰＵ２３ａは、Ｉ／Ｆ２１を介して、インパネに設けられた警報表示器などを制御する車両ＥＣＵ２７と接続されている。

次に、上述した凍結警報装置の凍結検出方法について、図２を参照して以下説明する。図２はバッテリ温度の変化に対応する平衡状態の開回路電圧（以下ＯＣＶ）と温度補正後の平衡状態開回路電圧（以下温度補正ＯＣＶ）との関係を示すグラフである。同図に示すように、バッテリ１３のＯＣＶは、バッテリ温度の低下に伴い低下している。さらに、バッテリ温度が低下して、バッテリ電解液が部分的に凍結し始めると、不凍結部分の電解液濃度の上昇に伴い、バッテリ温度の低下中にも拘わらず、ＯＣＶが上昇する。

一方、バッテリの温度補正ＯＣＶは、バッテリ温度による変動が補正されているため、バッテリ温度が低下しても一定値を保ったままである。さらに、バッテリ温度が低下して、バッテリ電解液が部分的に凍結し始めると、不凍結部分の電解液濃度の上昇に伴い、温度補正ＯＣＶは上昇する。

同図から明らかなように、温度補正を行っていないＯＣＶは、凍結に起因したＯＣＶの上昇がバッテリ温度の低下に起因するＯＣＶの低下に相殺され、温度補正を行ったＯＣＶに比べて上昇するタイミングが遅い。そこで、バッテリ温度が低下中に、バッテリ１３の温度補正ＯＣＶが上昇したとき、凍結を検出する。

以上の凍結検出方法のように、バッテリ温度の低下中に温度補正ＯＣＶが上昇したとき凍結を検出することにより、データテーブルを用いることなく、正確に凍結を検出することができる。また、温度補正ＯＣＶから凍結を検出することにより、凍結に起因したＯＣＶの上昇がバッテリ温度の低下に起因するＯＣＶの低下に相殺されることなく、迅速に凍結を検出することができる。

なお、本実施形態では、バッテリ温度の低下中に温度補正ＯＣＶが上昇したとき凍結を検出する場合について以下説明するが、高い凍結検出精度が求められないものであれば、バッテリ温度の低下中に温度補正していないＯＣＶが上昇したとき凍結を検出するようにしてもよい。

また、上述した凍結検出は、凍結の可能性のある所定温度より高いときは行われない。これにより、所定温度より高く、明らかに凍結が生じることがないようなバッテリ温度であるときは凍結検出が行われないため、誤検出を防止することができる。

ところで、バッテリ１３の電解液凝固点（°Ｃ）は、図３に示すように、ＯＣＶの上昇に伴って低下する。そこで、所定温度は検出したＯＣＶが高い程、低く設定するようにする。具体的には、凍結警報装置は、図３に示すＯＣＶ−電解液凝固点（°Ｃ）のテーブルをＲＯＭ２３ｃ内に格納し、温度補正ＯＣＶに対応した電解液凝固点（°Ｃ）よりΔＴ高い温度を所定温度として設定する。そして、上述した凍結検出は、温度補正ＯＣＶに対応して設定された所定温度よりバッテリ温度が高いときは行わないようにする。このように温度補正ＯＣＶに対応した所定温度を設定することにより、より確実に誤検出を防止することができる。

上記概略で説明した凍結検出装置の動作の詳細について、図４のＣＰＵ２３ａのフローチャートを参照して以下説明する。バッテリ１３からの給電を受けてマイコン２３は、電流センサ１５によりバッテリ１３の充放電電流Ｉ＝０のとき、図４に示すフローチャートの処理を開始し、充放電電流≠０のとき、図４に示すフローチャートの処理を強制的に終了する。

まず、ＣＰＵ２３ａは、バッテリ１３が平衡状態であるか否かを判断する（ステップＳ１）。この判断において、ＣＰＵ２３ａは、電流センサ１７を用いて、バッテリ１３の開放状態での端子電圧Ｖを検出すると共に、温度センサ１９を用いてバッテリ温度を検出し、検出したバッテリ温度に応じて端子電圧Ｖの温度補正を行い、バッテリ温度の変化に起因する端子電圧Ｖの変動を補正する。そして、温度補正したバッテリ１３の端子電圧Ｖが一定時間連続して変化のない場合、分極が解消され平衡状態であると判断し、変化がある場合、分極解消中であり不平衡状態と判断する。

ただし、凍結に起因して端子電圧Ｖが変動することもあるので、上述した温度補正した端子電圧Ｖによる平衡状態の判断は、バッテリ温度が電解液の凍結が生じない温度（例えば０°Ｃ以上）であるときのみ行われる。分極が解消する前に、バッテリ温度が電解液の凍結が生じる可能性のある温度（例えば、０°Ｃ以下）となってしまったときは、例えば、充放電終了から分極が解消したとみなせる２４時間以上経過したとき、平衡状態であると判断する。

次に、ＣＰＵ２３ａは、電圧センサ１７を用いて、バッテリ１３の開放状態での端子電圧をＯＣＶとして検出する。この時点では、充放電分極はすでに完全に解消され、バッテリ１３の端子電圧をＯＣＶとして実測できる。また、ＣＰＵ２３ａは、温度センサ１９を用いて、バッテリ温度を検出する（ステップＳ２）。次に、検出したバッテリ温度に応じてＯＣＶの温度補正を行い、バッテリ温度の変化に起因するＯＣＶの変動を補正する（ステップＳ３）。

さらに、ＣＰＵ２３ａは、予め格納された図３に示すＯＣＶ−電解液凝固点（°Ｃ）のテーブルを参照して、温度補正ＯＣＶに対応した電解液凝固点（°Ｃ）よりΔＴ高い温度を所定温度Ｔｆとして設定する（ステップＳ４）。その後、ＣＰＵ２３ａは、バッテリ１３の開放状態での端子電圧をＯＣＶとして検出すると共に、バッテリ温度を検出する（ステップＳ５）。以上のことから明らかなように、電圧センサ１７及びＣＰＵ２３ａが請求項中の開回路電圧検出手段として働き、温度センサ１９及びＣＰＵ２３ａが請求項中の温度検出手段として働く。

次に、ステップＳ５で検出したバッテリ温度がステップＳ４で設定した所定温度Ｔｆより高い場合（ステップＳ６でＹ）、ステップＳ７に進まず、再びステップＳ２に戻る。これに対して、所定温度Ｔｆより低い場合（ステップＳ６でＮ）、ＣＰＵ２３ａは、温度補正手段として機能し、ステップＳ５で検出したバッテリ温度に応じてＯＣＶの温度補正を行い、バッテリ温度の変化に起因するＯＣＶの変動を補正する（ステップＳ７）。この温度補正については、従来から様々な技術が開示されているため、ここでは詳細な説明は省略する。

さらに、ＣＰＵ２３ａは、凍結検出手段として働き、後述するΔｔ時間前に求めた温度補正ＯＣＶと直前に行ったステップＳ８で求めた温度補正ＯＣＶとの差ΔＯＣＶｔと、Δｔ時間前に検出したバッテリ温度Ｔと直前に行ったステップＳ７で検出したバッテリ温度Ｔとの差ΔＴを求める。その後、ＣＰＵ２３ａは、ΔＴ／Δｔ＜０かつΔＯＣＶｔ／Δｔ＞０であり、バッテリ温度低下中に温度補正ＯＣＶの上昇があった場合（ステップＳ８でＹ）、車両ＥＣＵ２７に対して凍結検出信号を出力する（ステップＳ９）。

車両ＥＣＵ２７は、報知手段として働き、凍結検出信号を受けると、例えば、インパネに設けられた警報表示器を使って、運転者に対して凍結により車両の走行不可、エンジン始動不可などの旨を示すワーニングを出す。以上のように、凍結を報知することにより、凍結してバッテリが損傷を受けている状態で、車両を始動させたり、走行させたりすることを防止することができる。

これに対して、バッテリ温度低下中の補正温度ＯＣＶの上昇がない場合（ステップＳ８でＮ）、次に、Δｔ時間経過するのを待って（ステップＳ１０でＹ）、再びステップＳ５に戻る。

本発明の凍結検出装置を組み込んだ凍結報知装置の一実施形態を示すブロック図である。 バッテリ温度の変化に対応する平衡状態の開回路電圧（ＯＣＶ）と温度補正後の平衡状態開回路電圧（温度補正ＯＣＶ）との関係を示すグラフである。 ＯＣＶと電解液凝固点（°Ｃ）との関係を示すグラフである。 図１の凍結報知装置を構成するＣＰＵ２３ａの処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１９ 温度センサ（温度検出手段）
１７ 電圧センサ（開回路電圧検出手段）
２３ａ ＣＰＵ（温度検出手段、開回路電圧検出手段、凍結検出手段、温度補正手段）
２７ 車両ＥＣＵ（報知手段）

Claims (7)

1. バッテリ電解液の凍結を検出する凍結検出装置であって、
   前記バッテリの温度を検出する温度検出手段と、
   前記バッテリの開回路電圧を検出する開回路電圧検出手段と、
   前記バッテリ温度の低下中に前記開回路電圧が上昇したとき、前記凍結を検出する凍結検出手段とを備えたことを特徴とする凍結検出装置。
2. 請求項１記載の凍結検出装置であって、
   前記開回路電圧検出手段は、前記検出されたバッテリ温度に基づいて、当該バッテリ温度の変化に応じた前記開回路電圧の変動を補正する温度補正手段を有し、
   前記凍結検出手段は、前記バッテリ温度の低下中に前記温度補正された開回路電圧が上昇したとき、前記凍結を検出することを特徴とする凍結検出装置。
3. 請求項１又は２記載の凍結検出装置であって、
   前記検出手段は、前記バッテリが充放電を行っているとき、または、前記バッテリが不平衡状態であるとき、前記凍結検出を行わないことを特徴とする凍結検出装置。
4. 請求項１〜３何れか１項記載の凍結検出装置であって、
   前記検出手段は、前記検出されたバッテリ温度が所定温度より高いとき、前記凍結検出を行わないことを特徴とする凍結検出装置。
5. 請求項４記載の凍結検出装置であって、
   前記所定温度は、前記開回路電圧が高いほど、低く設定され、
   前記検出手段は、前記検出されたバッテリの開回路電圧に対応する所定温度より前記検出されたバッテリ温度が高いとき、前記凍結検出を行わないことを特徴とする凍結検出装置。
6. バッテリ電解液の凍結を検出する凍結検出方法であって、
   前記バッテリ温度の低下中に前記バッテリの開回路電圧が上昇したとき、前記凍結を検出することを特徴とする凍結検出方法。
7. 請求項１〜５何れか１項記載の凍結検出装置と、
   前記凍結検出手段が前記凍結を検出したとき、その旨を報知する報知手段とを備えたことを特徴とする凍結報知装置。

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