JP2007053005A - 電池状態検知システム及びこれを備えた自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの充電状態を精度よく推定することができる電池状態検知システムを提供する。
【解決手段】各温度（−２０，０，２５，６０°Ｃ）、各ＳＯＣ（０，２０，４０，６０，８０，１００％）に対応する各電流値（５，３０，１００，２５０，５００Ａ）の０．１秒目電圧値Ｖから求めた同種鉛電池の内部抵抗値（Ｒ＝（ＯＣＶ−Ｖ）／Ｉ）のマップをＲＯＭに記憶しておき、鉛電池からセルモータに至る回路に流れる電流Ｉが∫Ｉｄｔ＝０．１（秒）・Ｉとなったときの電流Ｉａ、電圧Ｖａ、及び、エンジンが始動し始めたときの電流Ｉ０、電圧Ｖ０から鉛電池の内部抵抗値Ｒ＝（Ｖ０−Ｖａ）／（Ｉ０−Ｉａ）を演算し、内部抵抗値Ｒ、鉛電池の温度、並びに、電流Ｉａをマップに代入、補完することにより鉛電池１の充電状態を検知する。
【選択図】図３

Description

本発明は電池状態検知システム及び自動車に係り、特に、イグニッションスイッチを介してエンジン始動用スタータに電力を供給するバッテリの電池状態を検知する電池状態検知システム及び該システムを備えた自動車に関する。

近年、エンジン自動車による排ガスの削減に対応するため、アイドルストップ・スタート（以下、ＩＳＳという。）が行われており、アイドルストップ可能な状態にバッテリを保つ技術が望まれている。すなわち、アイドルストップ機能を有する自動車では、エンジン停止中のエアコン、カーステレオなどの負荷は、すべてバッテリからの電力で賄われる。このため、従来に比べバッテリの深い放電が増加し、バッテリの残容量が小さくなるケースが増加する。バッテリの出力はバッテリの残容量に依存するため、エンジン停止中にバッテリの残容量が小さくなると、エンジンを始動する充分な出力が得られなくなり、エンジン停止後再始動（ＩＳＳ）することができなくなるおそれがある。

従って、ＩＳＳ可能な状態を保つためには、バッテリの残容量や充電状態（ＳＯＣ）を演算（推定）してエンジン始動に必要な出力の有無を監視し、エンジン始動に必要な出力がある場合には、アイドルストップ可能、エンジン始動に必要な出力がない場合には、アイドルストップを止め、バッテリを充電するなどの信号を車両側のコンピュータに送信する必要がある。

鉛電池は、この種の用途に対応できる代表的なバッテリである。鉛電池のＳＯＣ（充電状態）の推定技術として、電圧電流直線の傾き（微分内部抵抗）から求める方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、鉛電池のＶ−Ｉ特性が比例関係にあることを利用して、その傾きから内部抵抗を算出し、各温度、各ＳＯＣに対応する鉛電池の内部抵抗値のマップに代入することにより鉛電池のＳＯＣを推定している。

特許第３１８８１００号

しかしながら、電圧電流直線の傾きから鉛電池のＳＯＣを推定する方法では電圧、電流をサンプリングする前の充放電履歴の影響を受けるため、充電状態を精度よく推定することは難しい。上記特許文献１では、これを解消するため、放電量が放電前の回生充電量より大きい時にサンプリングするが、実際には、放電している間、放電分極が蓄積されているため、分極が解消された状態にはならない。また、同じ電気量になった時においても、分極の大きさは電流値、温度により影響されるため電流値、温度が同じでない限り分極が解消された状態にはならない。このため、従来の技術では、鉛電池のＳＯＣを精度よく推定することが難しく、誤判定を招く可能性が存在する。ＩＳＳ機能を有する自動車（車輌）にとって、バッテリに対するＳＯＣの誤判定は、路上でエンジン始動が不能となること（エンスト）を意味し、システム上の重大な欠点となる。

本発明は上記事案に鑑み、バッテリの充電状態を精度よく推定することができる電池状態検知システム及び該システムを備えた自動車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、本発明の第１の態様は、イグニッションスイッチを介してエンジン始動用スタータに電力を供給するバッテリの電池状態を検知する電池状態検知システムであって、各温度、各充電状態（ＳＯＣ）に対応する各電流値でのＴ秒目電圧値から求めたバッテリの内部抵抗値のマップを用い、前記バッテリから前記スタータに至る回路に流れる電流Ｉが∫Ｉｄｔ＝Ｔ・Ｉとなったときの電流をＩａ、そのときの電圧をＶａ、エンジンが始動し始めたときの電流をＩ０、そのときの電圧をＶ０としたときの前記バッテリの内部抵抗値Ｒ＝（Ｖ０−Ｖａ）／（Ｉ０−Ｉａ）、前記バッテリの温度、並びに、前記電流Ｉａを前記マップに代入することにより前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）を検知することを特徴とする。

本態様では、各温度、各充電状態（ＳＯＣ）に対応する各電流値でのＴ秒目電圧値から求めたバッテリの内部抵抗値のマップが予めメモリに記憶されている。バッテリに流れる電流、バッテリの電圧及びバッテリの温度が測定され、バッテリに流れる電流は積算される。バッテリからスタータに至る回路に流れる電流Ｉが∫Ｉｄｔ＝Ｔ・Ｉとなったときの電流Ｉａ、そのときの電圧Ｖａ、エンジンが始動し始めたときの電流Ｉ０、そのときの電圧Ｖ０から、バッテリの内部抵抗値Ｒ＝（Ｖ０−Ｖａ）／（Ｉ０−Ｉａ）が算出され、内部抵抗値Ｒ、バッテリの温度、並びに、電流Ｉａをマップに代入することによりバッテリの充電状態（ＳＯＣ）が検知される。本発明によれば、マップ作成時と同等の電気量、電流、温度条件下での電圧をサンプリングしバッテリの内部抵抗値を求めるため、バッテリの充電状態を精度よく推定することができ、エンジン停止後再始動（ＩＳＳ）の誤判定を防止することができる。

本態様において、ノイズによる誤判定を避け測定データの信頼性を高めるために、Ｔ秒目電圧値は、バッテリからスタータに電力の供給開始後、０．０５秒目から０．２秒目の電圧値であることが好ましい。また、内部抵抗値を求める場合に、電流Ｉ０、Ｉａ及び電圧Ｖ０、Ｖａを、それぞれ、所定時刻毎にサンプリングした複数の電流値及び電圧値の平均値とすることで測定誤差を小さくすることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、第１の態様の電池状態検知システムを備えた自動車である。本態様の自動車では、第１の態様の電池状態検知システムによりエンジン停止後再始動の誤判定がないため、交差点や踏切等でのエンストを防止することができる。

以上のように、本発明によれば、マップ作成時と同等の電気量、電流、温度条件下での電圧をサンプリングしバッテリの内部抵抗値を求めるため、バッテリの充電状態を精度よく推定することができ、エンジン停止後再始動の誤判定を防止することができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明を車両に搭載された鉛電池の充電状態を検知する電池状態検知システム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システム１２は、鉛電池１の温度を測定するサーミスタ等の温度センサ２、差動増幅回路等を有し鉛電池１の両端電圧を測定する電圧センサ３、鉛電池１に流れる電流を測定するホール素子等の電流センサ４及び鉛電池１の充電状態（ＳＯＣ）を演算するマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）１０を備えている。

鉛電池１は、電池容器となる角型の電槽を有している。電槽の材質には、成形性、電気的絶縁性、耐腐食性及び耐久性等の点で優れる、例えば、アクリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等の高分子樹脂を選択することができる。電槽の中央部の隔壁にはセンサ挿入孔が形成されている。センサ挿入孔には温度センサ２が挿入されており、接着剤でセンサ挿入孔内に固定されている。電槽には合計６組の極板群が収容されている。各極板群は、複数枚の負極板及び正極板がガラス繊維からなるリテーナ（セパレータ）を介して積層されており、セル電圧は２．０Ｖとされている。従って、鉛電池１の公称電圧は１２Ｖである。電槽の上部は、電槽の上部開口部を密閉するＡＢＳ、ＰＰ、ＰＥ等の高分子樹脂製の上蓋に接着ないし溶着されている。上蓋には、鉛電池を電源として外部へ電力を供給するためのロッド状正極外部出力端子及び負極外部出力端子が立設されている。

上述した鉛電池１の正極外部出力端子は、電流センサ４を介してイグニッションスイッチ（以下、ＩＧＮスイッチという。）５の中央端子に接続されている。ＩＧＮスイッチ５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、中央端子とこれらＯＦＦ、ＯＮ／ＡＣＣ及びＳＴＡＲＴ端子のいずれかとは、ロータリー式に切り替え接続が可能である。

電流センサ４は、ホール素子に流れる電流に応じて変化するホール電圧により電流を検出することが可能である。ＳＴＡＲＴ端子はエンジン始動用セルモータ（エンジン始動用スタータ）９に接続されている。セルモータ９は、図示しないクラッチ機構を介してエンジン８の回転軸に回転駆動力の伝達が可能である。

また、ＯＮ／ＡＣＣ端子は、エアコン、ラジオ、ランプ等の補機６及び一方向への電流の流れを許容するダイオードを介してエンジン８の回転により発電する発電機７の一端に接続されている。すなわち、ダイオードのアノードは発電機７の一端に、カソードはＯＮ／ＡＣＣ端子に接続されている。エンジン８の回転軸は、不図示のクラッチ機構を介して発電機７に動力の伝達が可能である。このため、エンジン８が回転状態にあるときは、不図示のクラッチ機構を介して発電機７が作動し発電機７からの電力が補機６又は鉛電池１に供給（充電）される。なお、ＯＦＦ端子はいずれにも接続されていない。

電流センサ４の出力側は、マイコン１０に内蔵されたＡ／Ｄコンバータに接続されている。このため、電流センサ４から出力されたホール電圧はＡ／Ｄコンバータでデジタル値に変換され、マイコン１０は鉛電池１に流れる電流Ｉを取り込むことができる。また、鉛電池１の外部出力端子は、電圧センサ３に接続されており、電圧センサ３の出力側はマイコン１０に内蔵されたＡ／Ｄコンバータに接続されている。このため、マイコン１０は、鉛電池１の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２の出力端子は、マイコン１０に内蔵されたＡ／Ｄコンバータに接続されている。このため、マイコン１０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。マイコン１０は電圧、電流及び温度を１ｍ秒間隔でサンプリングし、サンプリング結果をＲＡＭに格納すると共に、サンプリングした電流を積算する。なお、マイコン１０は、Ｉ／Ｏを介して上位の車両制御システム１１と通信可能である。

マイコン１０は、中央演算処理装置として機能するＣＰＵ、電池状態検知システム１２の基本制御プログラムやプログラムデータが格納されたＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くとともにデータを一時的に記憶するＲＡＭ等を含んで構成されている。また、発電機７、セルモータ９及び補機６の他端、鉛電池１の負極外部出力端子及びマイコンは、それぞれグランドに接続されている。

図２に示すように、マイコン１０のＲＯＭには、複数のマップが格納されている。これらのマップは、予め、各温度（−２０，０，２５，６０°Ｃ）、各ＳＯＣ（０，２０，４０，６０，８０，１００％）に対応する各電流値（５，３０，１００，２５０，５００Ａ）の０．１秒目電圧値Ｖから求めた鉛電池１と同種（同型式）の鉛電池の内部抵抗値（Ｒ＝（ＯＣＶ−Ｖ）／Ｉ）を表したもので、ＯＣＶは鉛電池の放電開始前の開路電圧である。なお、図２では、簡単のため、２５０Ａ、５００Ａのマップを示しているが、実際には、他の電流値（５，３０，１００Ａ）でのマップもＲＯＭに格納されている。

（動作）
次に、タイミングチャートを参照して、本実施形態の電池状態検知システム１２の動作について、マイコン１０のＣＰＵ（以下、単にＣＰＵと略称する。）を主体として説明する。なお、ＲＯＭに格納されたマップや数式は、電池状態検知システム１２への電源投入後の初期設定処理により、ＲＡＭに展開されている。

図３に示すように、ＣＰＵは、エンジンが始動し始めてから電流Ｉが６０Ａになるまで待機し（実際には、上述したように、電圧値、電流値及び温度値を１ｍ秒間隔でＲＡＭに格納すると共に、電流Ｉを積算した積算量を演算している。）、電流Ｉが６０Ａになると、エンジン始動し始めてから電流Ｉが６０Ａになった時刻ｔ０より６〜１０ｍ秒前のＲＡＭに格納された５つの電流データ、電圧データの平均値を、エンジン始動し始めたときの電流Ｉ０、電圧Ｖ０として演算する。これはエンジンルーム内においては他の機器のノイズをセンサが拾うためデータの信頼性を向上させるためである。なお、ＣＰＵは、エンジン８の始動開始（時）について、ＩＧＮスイッチ５又は車両制御システム１１から信号（報知）を受けるように構成してもよいし、電流Ｉの増減傾向を監視して独自に判断するようにしてもよい。

次に、ＣＰＵは、電流Ｉが∫Ｉｄｔ＝０．１(秒)・Ｉとなったか否かを判断する。この「０．１（秒）」は、上述したマップ作成時に使用した電圧値の時間である。図４（Ａ）に示すように、エンジン始動時の鉛電池１の電流波形は、ＩＧＮスイッチ５がＳＴＡＲＴ位置に位置したエンジン始動電流通電開始時の後、１段目のセルモータ９への急激な放電が行われて、最初の深いピークが現われ、その後、減衰する数回のピークを経てエンジン始動が完了する。電流波形は、エンジン８の構造、エンジン８とセルモータ９とを繋ぐベルトの摩擦などに影響されるが、概ね図４（Ａ）に示すような波形となる。上述したように、ＣＰＵは、電圧値、電流値及び温度値を１ｍ秒間隔でＲＡＭに格納すると共に、電流Ｉを積算した積算量∫Ｉｄｔを演算しているため、図４（Ｂ）に示すように、積算量∫Ｉｄｔと｛０．１（秒）・Ｉ｝とを比較していくことで、∫Ｉｄｔ＝０．１(秒)・Ｉとなったか否かを判断することができる。

否定判断のときは、電圧値、電流値及び温度値をＲＡＭに格納すると共に、電流Ｉを積算した積算量∫Ｉｄｔを演算して、∫Ｉｄｔ＝０．１(秒)・Ｉとなったか否かの判断を続行し、肯定判断のときは、その時刻（∫Ｉｄｔ＝０．１(秒)・Ｉとなった時刻）ｔ１の前後２ｍ秒のＲＡＭに格納された５つの電流データ、電圧データの平均値を、電流Ｉａ、電圧Ｖａとして演算し、既に演算済みの電流Ｉ０、電圧Ｖ０を、鉛電池１の内部抵抗値を求める式Ｒ＝（Ｖ０−Ｖａ）／（Ｉ０−Ｉａ）に代入して内部抵抗値Ｒを演算する。演算した内部抵抗値Ｒ、時刻ｔ１での鉛電池１の温度（又は、時刻ｔ１の前後２ｍ秒のＲＡＭに格納された５つの温度の平均値）、並びに、電流Ｉａを、図２に示したマップに代入、補完することにより、鉛電池１の充電状態Ｃ０（％）を演算し、Ｉ／Ｏを介して車両制御システム１１に報知する。

また、ＣＰＵは、走行中の充電状態Ｃ（％）を下式（１）で演算する。なお、式（１）において、Ｑｆは満充電時容量、Ｑｏｕｔは放電電流積算値、ｃ１は電流係数、ｃ２は充電効率を表している。ＣＰＵは、走行中の鉛電池１の充電状態Ｃ（％）を車両制御システム１１に報知する。

（作用等）
次に、本実施形態の電池状態検知システム１２の作用・効果等について説明する。

本実施形態の電池状態検知システム１２では、各温度（−２０，０，２５，６０°Ｃ）、各ＳＯＣ（０，２０，４０，６０，８０，１００％）に対応する各電流値（５，３０，１００，２５０，５００Ａ）の０．１秒目電圧値Ｖから求めた鉛電池１と同種の鉛電池の内部抵抗値（Ｒ＝（ＯＣＶ−Ｖ）／Ｉ）のマップをＲＯＭに記憶しておき、鉛電池１からセルモータ９に至る回路に流れる電流Ｉが∫Ｉｄｔ＝０．１（秒）・Ｉとなったときの電流Ｉａ、電圧Ｖａ、及び、エンジンが始動し始めたときの電流Ｉ０、電圧Ｖ０から鉛電池１の内部抵抗値Ｒ＝（Ｖ０−Ｖａ）／（Ｉ０−Ｉａ）を演算し、内部抵抗値Ｒ、鉛電池１の温度、並びに、上記電流Ｉａをマップに代入、補完することにより鉛電池１の充電状態Ｃ０を検知する。従って、マップ作成時と同等の電気量、電流、温度条件下での電圧をサンプリングし鉛電池１の内部抵抗値Ｒを求めるため、エンジン始動時の鉛電池１の充電状態Ｃ０を精度よく検出することができ、エンジン始動時から電流を積算して走行中の鉛電池１の充電状態Ｃ（％）を精度よく検出することができるので、エンジン停止後再始動（ＩＳＳ）の誤判定を防止することができる。

また、本実施形態の電池状態検知システム１２では、０．１秒目電圧値を用いたので、電池状態検知システム１２が、例えば、エンジンルーム等の他の機器のノイズを電圧センサ３、電流センサ４等が拾うことを防止できるため、鉛電池１の充電状態を演算する基礎となる電圧データ、電流データの信頼性を高めることができる。更に、電流Ｉ０、Ｉａ及び電圧Ｖ０、Ｖａを、それぞれ、１ｍ秒毎にサンプリングした５つの電流データ及び電圧データの平均値としたので、測定誤差を更に小さくすることができ、鉛電池１の充電状態の演算精度を高めることができる。従って、このような電池状態検知システム１２を搭載した自動車は、電池状態検知システム１２によるエンジン停止後再始動の誤判定がないため、交差点や踏切等でのエンストを防止することができる。

次に、本実施形態の電池状態検知システム１２の車載試験について説明する。この車載試験では、満充電状態より所定量放電した鉛電池１を自動車に搭載し、上述したように、エンジン始動時の電圧、電流、温度データよりＳＯＣを算出した（以下、実施例という。）。比較例として、背景技術欄で説明した電圧電流直線の傾き（微分内部抵抗）から求める方法を用いて演算（推定）した場合についても試験した。

下表１に実施例、比較例の計算結果及び実際に鉛電池１を放電して求めたＳＯＣの真値を示す。比較例の電池状態検知システムの推定誤差が−２７％だったのに対し、実施例の電池状態検知システム１２の推定誤差は−５％だった。

なお、上記実施形態では、０．１秒目電圧値からマップを作成した例を示したが、本発明者らは、０．０５〜０．２秒目の電圧値を用いた場合においても同様に精度よく推定できることを確認している。また、上記実施形態では、鉛電池を用いた例を示したが、本発明はこれに制限されず、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池など他の電池系においても同様の効果を得ることができる。更に、上記実施形態では、温度測定を電圧、電流測定と同様に１ｍ秒間隔でサンプリングした例を示したが、鉛電池１の温度変化は電圧、電流の変化に対し急峻ではないため、例えば、１秒毎に測定し、直近の測定結果を温度値として使用するようにしてもよい。

本発明はバッテリの充電状態を精度よく推定することができる電池状態検知システム及び該システムを備えた自動車を提供することを目的とするため、電池状態検知システム及び自動車の製造、販売に寄与するので、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出システムのブロック図である。 電池状態検出システムのマイクロコンピュータのＲＯＭに格納されたマップの概念を示す説明図であり、（Ａ）は鉛電池から流れる電流が２５０Ａのときの温度、ＳＯＣ、内部抵抗の対応関係を表すマップ、（Ｂ）は鉛電池から流れる電流が５００Ａのときの温度、ＳＯＣ、内部抵抗の対応関係を表すマップである。 電池状態検出システムのマイクロコンピュータのＣＰＵの演算手順を模式的に示すタイミングチャートである。 （Ａ）はエンジン始動時の鉛電池の電流波形を模式的に示すグラフであり、（Ｂ）は電流の積算値と｛０．１（秒）・電流｝との関係を模式的に示すグラフである。

符号の説明

１ 鉛電池（バッテリ）
５ イグニッションスイッチ
９ エンジン始動用セルモータ（エンジン始動用スタータ）
１２ 電池状態検知システム

Claims (4)

1. イグニッションスイッチを介してエンジン始動用スタータに電力を供給するバッテリの電池状態を検知する電池状態検知システムであって、各温度、各充電状態（ＳＯＣ）に対応する各電流値でのＴ秒目電圧値から求めたバッテリの内部抵抗値のマップを用い、前記バッテリから前記スタータに至る回路に流れる電流Ｉが∫Ｉｄｔ＝Ｔ・Ｉとなったときの電流をＩａ、そのときの電圧をＶａ、エンジンが始動し始めたときの電流をＩ０、そのときの電圧をＶ０としたときの前記バッテリの内部抵抗値Ｒ＝（Ｖ０−Ｖａ）／（Ｉ０−Ｉａ）、前記バッテリの温度、並びに、前記電流Ｉａを前記マップに代入することにより前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）を検知することを特徴とする電池状態検知システム。
2. 前記Ｔ秒目電圧値は、前記バッテリから前記スタータに電力の供給開始後、０．０５秒目から０．２秒目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システム。
3. 前記電流Ｉ０、Ｉａ及び前記電圧Ｖ０、Ｖａは、それぞれ、所定時刻毎にサンプリングした複数の電流値及び電圧値の平均値であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池状態検知システム。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電池状態検知システムを備えた自動車。

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