JP2007050833A - 車両用バッテリ状態推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車載バッテリの放電特性の推定精度を向上させた車両用バッテリ状態推定装置を提供すること。
【解決手段】 車両において車載バッテリの状態を推定する車両用バッテリ状態推定装置に、クランキング前に車載バッテリのＳＯＣが所定レベル以下となるまで車載バッテリを放電させる放電制御手段と、クランキング時に測定された放電電流と放電電圧との関係から車載バッテリの放電特性を推定する推定手段とを設け、ＳＯＣの変化によるバッテリ放電特性の変化を考慮して、車載バッテリのＳＯＣ値が車両走行中と同程度に比較的低い状態下でバッテリの放電特性を推定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、概して、車両において車載バッテリの状態を推定する車両用バッテリ状態推定装置に係り、特に、車載バッテリの放電特性の推定精度を向上させた車両用バッテリ状態推定装置に関する。

従来、車両において車載バッテリの状態を推定する車両用バッテリ状態推定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、バッテリ放電中の電圧と容量には相関性があることを利用して、スタータ以外の車載電気負荷が動いていないクランキング時に測定された放電電圧及び放電電流を回帰演算して全電流値領域におけるバッテリの放電特性（電圧Ｖ−電流Ｉ特性）を推定する装置が開示されている。

このようにして推定されたバッテリの放電特性は、例えば、電源負荷制御などに利用される。ここで、電源負荷制御とは、当業者には知られているように、例えば、バッテリの推定残容量（電圧値）が所定レベルを下回ったときに、その残容量に応じて、優先度が比較的高い負荷（例えば、ブレーキモータ）を作動させるために、優先度が比較的低い負荷（例えば、エアコン）の作動を停止させる制御である。このような制御を実施するためには、優先度が比較的高い負荷を作動させたときにバッテリ電圧がどの程度降下するか、及び、優先度が比較的低い負荷の作動を停止させたときにバッテリ電圧がどの程度回復するかをバッテリ放電特性から把握可能であることが必要である。
特公昭５９−８７８９号公報

しかしながら、実際の車両において、バッテリの放電特性は、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｇｅ：充電量）やバッテリの温度に応じて変化する。ＳＯＣやバッテリ温度は、バッテリの放電特性に影響することが知られている。

したがって、上記のような従来の放電特性推定手法によれば、クランキング後のＳＯＣの変化によって、クランキング時に推定された放電特性が実際の放電特性から乖離したものとなり、放電特性推定精度が低下していく可能性がある。より具体的には、クランキング時に比較的高いＳＯＣ下で演算・推定されたバッテリ放電特性に基づいて車両運転中にバッテリ残容量を推定しても、その時点でのＳＯＣが比較的低い場合には推定精度が良好でない可能性がある。バッテリ放電特性の推定精度の低下は、上述の電源負荷制御等にも悪影響を与え得る。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、車載バッテリの放電特性の推定精度を向上させた車両用バッテリ状態推定装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、車両において車載バッテリの状態を推定する車両用バッテリ状態推定装置であって、クランキング前に上記車載バッテリのＳＯＣが所定レベル以下となるまで該車載バッテリを放電させる放電制御手段と、クランキング時に測定された放電電流と放電電圧との関係から上記車載バッテリの放電特性を推定する推定手段とを有する車両用バッテリ状態推定装置である。

この一態様において、上記所定レベルとは、例えば、車両走行中にバッテリが通常採り得るＳＯＣ値に基づいて設定され、上記放電制御手段は、上記車載バッテリのＳＯＣを車両走行中のＳＯＣ値と同程度にまで低下させる。

この一態様によれば、ＳＯＣの変化によるバッテリ放電特性の変化を考慮して、車載バッテリのＳＯＣ値が比較的低い状態下でバッテリの放電特性が推定されるため、クランキング後、車両走行中に充放電が繰り返されることによって車載バッテリのＳＯＣが低下したときに精度が良くなるように予めバッテリ放電特性を推定しておくことができる。

なお、この一態様において、上記車両用バッテリ状態推定装置が上記放電制御手段により上記車載バッテリから放電された電力を蓄電する蓄電手段（例えば、第二のバッテリ／補助バッテリ）を更に有することが好ましい。なぜなら、上記推定手段によるバッテリ放電特性の推定が完了した後、上記蓄電手段に蓄電された電力を放電させて上記車載バッテリを充電することにより、車両走行中は上記車載バッテリを再び比較的高いＳＯＣとすることができるからである。

また、この一態様において、クランキングまでにバッテリのＳＯＣを上記所定レベル以下に下げることができなかった場合に備えて、上記車両用バッテリ状態推定装置が、事前に測定された上記車載バッテリのＳＯＣの変化に応じたバッテリ放電特性の変化を示すＳＯＣ特性データを記憶する記憶部と、上記放電制御手段によって上記車載バッテリのＳＯＣが上記所定レベル以下とならなかったときに、上記記憶部に記憶されたＳＯＣ特性データに基づいて上記推定手段によって推定されたバッテリ放電特性を補正する補正手段とを更に有することも好ましい。

この場合、更に、温度変化によるバッテリ放電特性の変化を考慮して、上記記憶部が事前に測定された上記車載バッテリの温度の変化に応じたバッテリ放電特性の変化に関する温度特性データも記憶し、上記補正手段が上記放電制御手段によって上記車載バッテリのＳＯＣが上記所定レベル以下とならなかったときに、上記記憶部に記憶された温度特性データも用いて上記推定手段によって推定されたバッテリ放電特性を補正することがより好ましい。

本発明によれば、車載バッテリの放電特性の推定精度を向上させた車両用バッテリ状態推定装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。なお、電源負荷制御装置の基本概念、主要なハードウェア構成、作動原理、及び基本的な制御手法等については当業者には既知であるため、詳しい説明を省略する。

図１〜５を用いて、本発明の一実施例について説明する。本実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置は、バッテリの放電特性がＳＯＣによって変化することに鑑み、クランキング時にはＳＯＣが比較的高い場合であっても車両運転中に充放電が繰り返されることによってＳＯＣが徐々に低下していくことを考慮して、バッテリ放電特性の推定精度を向上させるために、運転中の比較的低いＳＯＣ状態をクランキング時に作り出し、クランキング時のバッテリ放電特性の演算・推定を車両運転中と同じ比較的低いＳＯＣ状態下で行うようにするものである。

そこで、本実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置は、通常のバッテリとは別の第二のバッテリを備えるものとし、ワントリップ前に第一のバッテリから第二のバッテリへ給電（放電）し、次回のクランキング時に第一のバッテリが比較的低いＳＯＣ状態に維持されているようにする。

このように、本実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置は、当該装置が搭載される車両が主たるバッテリ（以下、「メインバッテリ」と称す）に加えて第二の補助的なバッテリ（以下、「サブバッテリ」と称す）を備えていることを前提とする。メインバッテリ及びサブバッテリそれぞれの外形サイズや搭載場所などは任意でよい。サブバッテリは、専用のものであってもよいが、メインバッテリに対する予備のバッテリを搭載している車両の場合、その予備バッテリを本実施例におけるサブバッテリとして利用することも可能である。

まず、図１を用いて、本実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置の構成から説明する。図１は、本実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置１００の概略構成図である。

車両用バッテリ状態推定装置１００は、バッテリ状態推定装置１００を搭載した車両（図示せず）に備えられたメインバッテリの放電電圧及び放電電流をそれぞれ測定する放電電圧測定部１０１及び放電電流測定部１０２を有する。バッテリの放電電圧及び放電電流を測定するための具体的構成・構造は当業者には既知であり、詳しい説明は省略する。

車両用バッテリ状態推定装置１００は、更に、スタータ（図示せず）の作動状態を監視するスタータ作動監視部１０３を有する。

車両用バッテリ状態推定装置１００は、更に、メインバッテリのＳＯＣを測定するＳＯＣ測定部１０４を有する。バッテリのＳＯＣを測定（又は推定）するための具体的構成・構造は当業者には既知であり、詳しい説明は省略する。

車両用バッテリ状態推定装置１００は、更に、メインバッテリの温度を測定する温度測定部１０５を有する。バッテリの温度を測定（又は推定）するための具体的構成・構造は当業者には既知であり、詳しい説明は省略する。

車両用バッテリ状態推定装置１００は、更に、メインバッテリとサブバッテリの充電・放電を制御する充放電制御部１０６を有する。充放電制御部１０６は、車載負荷を作動させる際に、メイン／サブいずれのバッテリから給電するか、及び／又は、両バッテリがどのような割合で給電するか、を制御できる機能を備えるものとする。また、充放電制御部１０６は、メインバッテリを放電させ、その放電電流をサブバッテリに給電して、サブバッテリを充電すること、及び、サブバッテリを放電させ、その放電電流をメインバッテリに給電してメインバッテリを充電することができる機能も備えるものとする。

車両用バッテリ状態推定装置１００は、更に、車両用バッテリ状態推定装置１００の各構成要素を制御すると共に、車載バッテリの放電電圧−放電電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を演算・推定する演算制御部１０７を有する。

車両用バッテリ状態推定装置１００は、更に、演算制御部１０７が演算・推定したバッテリ放電特性を記憶保持する記憶部１０８を有する。記憶部１０８は、任意の記憶媒体でよい。記憶部１０８に記憶保持された最新の推定バッテリ放電特性は、上述の電源負荷制御を実施するシステムなどの他の車載システム／装置が自由にアクセスし利用できるものとする。記憶部１０８は、更に、図４及び５にそれぞれ示すようなメインバッテリのＳＯＣ変化に応じた放電特性の変化及び温度変化に応じた放電特性の変化を示すマップを予め記憶保持しているものとする。このようなマップは、例えば、使用されるメインバッテリを事前にベンチテストしておくことによって得られる。

次いで、このような構成の本実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置１００の動作の流れについて、図２を用いて説明する。

まず、演算制御部１０７は、例えば車速などを監視して、自車両の停止を待機する（Ｓ２０１）。自車両が停止したと判断されると（Ｓ２０１の「ＹＥＳ」）、演算制御部１０７は、充放電制御部１０６へ指示して、メインバッテリを放電させると共に、メインバッテリからの放電電流をサブバッテリへ給電させて、サブバッテリを充電させる。すなわち、メインバッテリからサブバッテリへ電源が供給されるように充放電制御部１０６を制御する。これにより、メインバッテリのＳＯＣを所定の比較的低い値まで下げる。その後、車両停車中はメインバッテリのＳＯＣが所定の比較的低い値に維持されるように、必要に応じて、サブバッテリからメインバッテリへ電源が供給されてもよい（図１の太矢印Ａ）。

このようにメインバッテリ内の電力をサブバッテリへ移し替えることによってメインバッテリのＳＯＣが下げられると、次いで、演算制御部１０７は、自車両が停車状態から発進したか（走行を開始したか）否かを判断する（Ｓ２０３）。依然として停車中の場合（Ｓ２０３の「ＮＯ」）、次いで、演算制御部１０７は、ＩＧオフされたか、そして再びＩＧオンされたか否かを判断する（Ｓ２０４）。ＩＧオフされない場合（Ｓ２０４の「ＮＯ」）、Ｓ２０３へ戻る。

ＩＧオフ後、再びＩＧオンされると（Ｓ２０４の「ＹＥＳ」）、演算制御部１０７は、ＳＯＣ測定部１０４の出力に基づいて、メインバッテリのＳＯＣが車両走行中のＳＯＣと同程度と言える程度に比較的低い値であるか否かを判断する（Ｓ２０５）。

ここで、Ｓ２０５における判定は、例えば、バッテリのＳＯＣ値が予め設定された所定のＳＯＣ値と一致した場合に肯定になるものとしてもよく、或いは、所定のＳＯＣ値範囲内に入る場合に肯定になるものとしてもよい。

メインバッテリのＳＯＣが車両走行中のＳＯＣと同程度と言える程度に比較的低い値であると判断された場合（Ｓ２０５の「ＹＥＳ」）、この低ＳＯＣ状態下でクランキングを実行させ、従来通り、クランキング時にバッテリ放電特性を演算・推定する（Ｓ２０７）。

演算・推定されたバッテリ放電特性は、記憶部１０８に最新のバッテリ放電特性として記憶保持され、古いデータは消去される（Ｓ２０８）。演算・推定されたバッテリ放電特性と共に、そのバッテリ放電特性が演算・推定されたときのメインバッテリのＳＯＣの値が記憶されてもよい。

ここで、図３を用いて、クランキング時にバッテリ放電特性を演算・推定する手法について説明する。図３上のグラフは、スタータ電流の時間変化を示しており、図３下のグラフは演算及び推定されたバッテリ放電特性を示している。

演算制御部１０７は、スタータ作動監視部１０３よりスタータが始動したことが伝達されると、バッテリの放電電圧と放電電流が線形関係にあることを前提として、放電電圧測定部１０１及び放電電流測定部１０２の出力値を回帰演算して、図３下のグラフのような回帰直線を引く。

図３では、一例として、図３上のグラフに示したようにスタータ電流はスタータ作動中に−５００Ａ〜０Ａの間の値をとるものとする。よって、このスタータ作動中にバッテリ放電電圧及び放電電流を測定することによって、−５００Ａから０Ａまでの電流区間についてはバッテリ放電電圧と放電電流の実測値が得られることになる。この電流区間における放電電圧と放電電流の関係から、回帰演算により、１本の直線を引くことができる。これにより、−５００Ａ〜０Ａ以外の電流区間についても、バッテリ放電電圧と放電電流との関係を推定することができる。図３下のグラフでは、一例として、０Ａ〜＋１００Ａの電流区間について放電特性を推定している。

演算制御部１０７は、このようにしてクランキング時に求めたバッテリ放電特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す回帰直線（図３下のグラフ）を最新のバッテリ放電特性として記憶部１０８に書き込み、保存させる。これにより、この最新のバッテリ放電特性（回帰直線）は、以降、電源負荷制御などに利用可能となる。

図２の説明に戻る。クランキング時のバッテリ放電特性の演算・推定処理（Ｓ２０７〜Ｓ２０８）が完了すると、演算制御部１０７は、充放電制御部１０６に指示して、サブバッテリを放電させると共に、サブバッテリからの放電電流をメインバッテリへ給電させて、メインバッテリを充電させる（図１の太矢印Ｂ）。すなわち、サブバッテリからメインバッテリへ電源が供給されるように充放電制御部１０６を制御する。これにより、メインバッテリのＳＯＣを元の比較的高い値まで回復させる。その後、車両走行中は、次回の車両停車時にサブバッテリがメインバッテリのＳＯＣを十分下げることができる程度の電力をメインバッテリから受け取ることができるように、必要に応じて、車載電気負荷へサブバッテリから電源が供給される（図１の太矢印Ｃ）。換言すれば、次回の車両停車時にメインバッテリを低ＳＯＣ化できるように、サブバッテリは走行中にできる限り空に近い状態にしておく。

他方、例えばＩＧオン→オフ→オンが短時間の間に連続して行われたときなどには、車両停車時にサブバッテリが十分に放電されておらず、よってメインバッテリを十分に低ＳＯＣ化できない可能性もある。既述のように、このような比較的高いＳＯＣ状態下で演算・推定されたバッテリ放電特性は、後に車両走行中にＳＯＣが低下した状態でのバッテリ放電特性とは異なる可能性（すなわち、後の状況によって精度が比較的悪いものとなる可能性）が高い。

そこで、本実施例では、クランキング時にメインバッテリのＳＯＣが車両走行中のＳＯＣと同程度と言える程度に比較的低い値でないと判断された場合（Ｓ２０５の「ＮＯ」）、クランキング時に演算・測定されたバッテリ放電特性を記憶部１０８に予め保持されたマップを用いて補正してから用いるものとする（Ｓ２０６）。

補正に用いるマップの一例を図４及び５に示す。図４は、メインバッテリのＳＯＣ変化に応じた放電特性の変化を示すマップの一例であり、図５は、メインバッテリの温度変化に応じた放電特性の変化を示すマップの一例である。これらのマップは、例えば、使用されるメインバッテリを事前にベンチテストしておくことによって得られる。なお、図４及び５のグラフには、それぞれ３本の（３段階の）回帰直線が描かれているが、これは一例に過ぎず、当業者には明らかなように、それぞれのマップに含まれる特性は図示されたものに限られない。

演算制御部１０７は、ＳＯＣ測定部１０４から取得したメインバッテリのＳＯＣを図４に示すようなマップに照らしてそのＳＯＣ値のときのバッテリ放電特性を利用して、Ｓ２０８において記憶部１０８に記憶保持された最新のバッテリ放電特性を補正するようにする。また、ベンチテスト時とはバッテリ温度も大きく異なる可能性があるため、演算制御部１０７は、温度測定部１０５から取得したメインバッテリの温度を図５に示すようなマップに照らしてその温度のときのバッテリ放電特性を利用して、Ｓ２０８において記憶部１０８に記憶保持された最新のバッテリ放電特性を補正するようにする。

ここで、ＳＯＣ及びバッテリ温度による補正は、より具体的には、例えば、特定のＳＯＣ値及び温度におけるバッテリ放電特性を基準特性として定めておき、実測されたＳＯＣ値及びバッテリ温度のときの特性との同じ電流値における電圧の差分ΔＶを記憶部１０８に記憶保持された最新のバッテリ放電特性に加えることによって行われる。

このような補正は、クランキング時に低ＳＯＣ化が実現される（すなわち、Ｓ２０５の判定が肯定となる）まで継続される。

このように、本実施例によれば、ＳＯＣの違いによるバッテリ放電特性の変化に着目し、クランキング時にメインバッテリを車両走行中と同程度の比較的低いＳＯＣ状態とした上でバッテリ放電特性を演算・推定するため、車両走行中に利用されるバッテリ放電特性の精度を向上させることができる。

これにより、例えば電源負荷制御などのバッテリ放電特性を利用した制御の精度が向上する。具体的には、電源負荷制御の場合、優先度の比較的低い負荷の作動のオン／オフ切り替え精度が向上する。すなわち、優先度の比較的低い負荷の作動が不必要に停止されることが防止されると共に、優先度の比較的低い負荷の作動をやむを得ず一時的に停止させる場合であってもその停止期間を短くすることができる。

本発明は、車両において車載バッテリの状態を推定する車両用バッテリ状態推定装置に利用できる。搭載される車両の外観、重量、サイズ、走行性能等は問わない。

本発明の一実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置の概略構成図である。 本発明の一実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置によるバッテリ状態推定処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の一実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置によるクランキング時のバッテリ放電特性演算・推定の様子を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置が予め保持するメインバッテリのＳＯＣ特性マップの一例を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る車両用バッテリ状態推定装置が予め保持するメインバッテリの温度特性マップの一例を示すグラフである。

符号の説明

１００ 車両用バッテリ状態推定装置
１０１ 放電電圧測定部
１０２ 放電電流測定部
１０３ スタータ作動監視部
１０４ ＳＯＣ測定部
１０５ 温度測定部
１０６ 充放電制御部
１０７ 演算制御部
１０８ 記憶部

Claims (5)

1. 車両において車載バッテリの状態を推定する車両用バッテリ状態推定装置であって、
   クランキング前に前記車載バッテリのＳＯＣが所定レベル以下となるまで該車載バッテリを放電させる放電制御手段と、
   クランキング時に測定された放電電流と放電電圧との関係から前記車載バッテリの放電特性を推定する推定手段と、を有することを特徴とする車両用バッテリ状態推定装置。
2. 請求項１記載の車両用バッテリ状態推定装置であって、
   前記放電制御手段により前記車載バッテリから放電された電力を蓄電する蓄電手段を更に有する、ことを特徴とする車両用バッテリ状態推定装置。
3. 請求項２記載の車両用バッテリ状態推定装置であって、
   前記推定手段によるバッテリ放電特性の推定が完了した後、前記蓄電手段に蓄電された電力を放電させて前記車載バッテリを充電する充電制御手段を更に有する、ことを特徴とする車両用バッテリ状態推定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項記載の車両用バッテリ状態推定装置であって、
   事前に測定された前記車載バッテリのＳＯＣの変化に応じたバッテリ放電特性の変化を示すＳＯＣ特性データを記憶する記憶部と、
   前記放電制御手段によって前記車載バッテリのＳＯＣが前記所定レベル以下とならなかったときに、前記記憶部に記憶されたＳＯＣ特性データに基づいて前記推定手段によって推定されたバッテリ放電特性を補正する補正手段と、を更に有することを特徴とする車両用バッテリ状態推定装置。
5. 請求項４記載の車両用バッテリ状態推定装置であって、
   前記記憶部は、更に、事前に測定された前記車載バッテリの温度の変化に応じたバッテリ放電特性の変化に関する温度特性データを記憶し、
   前記補正手段は、前記放電制御手段によって前記車載バッテリのＳＯＣが前記所定レベル以下とならなかったときに、前記記憶部に記憶された温度特性データに基づいて前記推定手段によって推定されたバッテリ放電特性を補正する、ことを特徴とする車両用バッテリ状態推定装置。

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