JP2007069841A - バッテリ状態監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの劣化の度合いを正確に監視し得るバッテリ状態監視装置を得る。
【解決手段】処理部４は、開放電圧値ＶＯと点Ｐ３の電圧値との差の電圧を、バッテリ１の電圧降下量ＶＡとして算出する。電圧ＶＡは、電圧Ｖａ１（直線Ｌ４と直線Ｌ１との差の電圧）と、電圧Ｖａ２（直線Ｌ１と点Ｐ３との差の電圧）との合計である。ここで、電圧Ｖａ１はバッテリ１の内部抵抗に起因する電圧降下分に相当し、電圧Ｖａ２はバッテリ１の拡散分極に起因する電圧降下分に相当する。バッテリ１の内部抵抗に起因する電圧降下分（電圧Ｖａ１，Ｖｂ１）のみならず、バッテリ１の拡散分極に起因する電圧降下分（電圧Ｖａ２，Ｖｂ２）をも含めてバッテリ１の電圧降下量ＶＡ，ＶＢを求めることにより、バッテリ１の劣化の度合いを正確に監視することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車に搭載されるバッテリの状態を監視するバッテリ状態監視装置に関する。

近年、電動パワーステアリング（以下「ＥＰＳ」と称す）等の、大電流によって駆動される様々な負荷が、自動車に搭載されるようになってきている。例えばＥＰＳを駆動する際には、瞬間的に数百アンペアの電流が流れるため、バッテリの電圧降下量も大きい。従って、バッテリが劣化していると、バッテリからＥＰＳに十分な駆動電流を供給することができず、ＥＰＳの動作が不安定になる。そのため、バッテリの劣化の度合いを正確に監視し、負荷の駆動に支障がある程にバッテリが劣化している場合には、バッテリの交換等を速やかにユーザに促す必要がある。

本発明はかかる事情に鑑みて成されたものであり、バッテリの劣化の度合いを正確に監視し得るバッテリ状態監視装置を得ることを目的とする。

第１の発明に係るバッテリ状態監視装置は、自動車に搭載されるバッテリの状態を監視するバッテリ状態監視装置であって、前記バッテリの出力電圧を検出する電圧センサと、エンジン始動時のクランキング期間において前記電圧センサによって検出された電圧値と、前記バッテリの開放電圧値とに基づいて、前記バッテリの拡散分極に起因する降下分を含めた、前記バッテリの電圧降下量を求める処理部とを備えることを特徴とする。

第２の発明に係るバッテリ状態監視装置は、第１の発明に係るバッテリ状態監視装置において特に、前記バッテリの出力電流を検出する電流センサをさらに備え、前記処理部は、前記クランキング期間において前記電流センサによって検出された電流値と、前記バッテリの前記電圧降下量と、前記バッテリによって所定の負荷を駆動する際に前記負荷に流れる電流値とに基づいて、前記負荷を駆動する際の前記バッテリの予測電圧降下量を求めることを特徴とする。

第３の発明に係るバッテリ状態監視装置は、第２の発明に係るバッテリ状態監視装置において特に、前記バッテリの前記予測電圧降下量が所定のしきい値以上である場合に、前記バッテリが劣化している旨の情報を出力する出力部をさらに備えることを特徴とする。

第４の発明に係るバッテリ状態監視装置は、第２又は第３の発明に係るバッテリ状態監視装置において特に、前記処理部は、前記クランキング期間における複数の時刻に関して求めた前記バッテリの複数の前記電圧降下量に基づいて、任意の駆動時間で前記負荷を駆動する際の前記バッテリの予測電圧降下量を求めることを特徴とする。

第１の発明に係るバッテリ状態監視装置によれば、バッテリの内部抵抗に起因する降下分のみならず、バッテリの拡散分極に起因する降下分をも含めて、バッテリの電圧降下量を求めることができる。従って、バッテリの劣化の度合いを正確に監視することが可能となる。

第２の発明に係るバッテリ状態監視装置によれば、バッテリの出力電流を電流センサで検出することにより、バッテリによって負荷を駆動する際のバッテリの予測電圧降下量を求めることができる。しかも、バッテリの予測電圧降下量を、エンジン始動時に求めることができる。そのため、負荷の駆動に支障がある程にバッテリが劣化しているか否かを、エンジン始動時に判定することが可能となる。

第３の発明に係るバッテリ状態監視装置によれば、負荷の駆動に支障がある程にバッテリが劣化している場合に、バッテリの交換等を速やかにユーザに促すことが可能となる。

第４の発明に係るバッテリ状態監視装置によれば、任意の駆動時間で負荷を駆動する際のバッテリの予測電圧降下量を求めることができるため、予測電圧降下量を求めることができる負荷の対象を広げることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るバッテリ状態監視装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態１に係るバッテリ状態監視装置は、電圧センサ２、電流センサ３、処理部４、記憶部５、及び出力部６を備えて構成されており、自動車に搭載されたバッテリ１の状態（劣化の度合い）を監視する。

電圧センサ２は、バッテリ１の出力電圧を検出する。電流センサ３は、バッテリ１の出力電流を検出する。電圧センサ２によって検出されたバッテリ１の出力電圧値、及び電流センサ３によって検出されたバッテリ１の出力電流値は、いずれも処理部４に入力される。記憶部５は、不揮発性メモリ等によって構成されている。記憶部５には、処理部４が行うデータ処理に必要なデータ等が記憶されている。処理部４は、ＣＰＵ等を備えて構成されており、バッテリ１の状態監視のために、各種のデータ処理を行う。出力部６は、例えば液晶表示装置によって構成されており、バッテリ１の状態の判定結果等を出力する。

バッテリ１には、イグニッションスイッチ７を介してスタータ８が接続されている。また、バッテリ１には、大電流の負荷（本実施の形態１では代表的にＥＰＳとする）９が接続されている。スタータ８及びＥＰＳ９は、いずれもバッテリ１によって駆動される。

イグニッションスイッチ７をオンすることにより、バッテリ１とスタータ８とが導通され、エンジンの始動動作が開始される。

図２は、エンジン始動時におけるバッテリ１の出力電圧及び出力電流の変化を示す図である。図２には比較のため、新品のバッテリ１に関する特性Ｋ１と、劣化したバッテリ１に関する特性Ｋ２とを示している。特性Ｋ１，Ｋ２は、電圧センサ２及び電流センサ３の各検出値に基づいて、処理部４によって作成される。具体的には、微小時間間隔でバッテリ１の出力電圧値及び出力電流値を電圧センサ２及び電流センサ３によって測定し、各時点での測定結果を曲線的に繋げることによって作成される。

図２を参照して、イグニッションスイッチ７がオンされた直後は、バッテリ１からスタータ８に突入電流が流れるため、バッテリ１の出力電流値が瞬間的に上昇するとともに、出力電圧値が瞬間的に低下する（点Ｐ１，Ｐ２）。その後、スタータ８の逆起電力が発生することにより、バッテリ１の出力電圧値は徐々に上昇し、出力電流値は徐々に低下する。そして、出力電圧値及び出力電流値の上昇及び低下が複数回繰り返されるクランキング期間を経た後、バッテリ１の出力電圧値は開放電圧値ＶＯに復帰する（点Ｐ５）。

なお、図２において、直線Ｌ１は点Ｐ１と点Ｐ５とを結ぶ直線であり、直線Ｌ２は点Ｐ２と点Ｐ５とを結ぶ直線であり、直線Ｌ４は開放電圧値ＶＯを表す直線である。また、直線Ｌ３は、スタータ８の内部抵抗と、スタータ８−バッテリ１間の配線抵抗とに起因する電圧降下線である。また、点Ｐ３，Ｐ４は、クランキング期間内における特性Ｋ１，Ｋ２上の任意の測定点である。図２に示した例では、クランキング期間内の特性Ｋ１，Ｋ２上に見受けられる各４個の折り返し点のうち、時間的に最後の折り返し点（つまり、各点Ｐ１，Ｐ２から見て時間的に４番目の折り返し点）が、それぞれ点Ｐ３，Ｐ４として規定されている。

図３は、図２から点Ｐ１〜Ｐ５及び直線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ４を抜き出して示した図である。新品のバッテリ１である場合、図１に示した処理部４は、開放電圧値ＶＯと点Ｐ３の電圧値との差の電圧を、バッテリ１の電圧降下量ＶＡとして算出する。図３に示すように、電圧ＶＡは、電圧Ｖａ１（直線Ｌ４と直線Ｌ１との差の電圧）と、電圧Ｖａ２（直線Ｌ１と点Ｐ３との差の電圧）との合計である。ここで、電圧Ｖａ１はバッテリ１の内部抵抗に起因する電圧降下分に相当し、電圧Ｖａ２はバッテリ１の拡散分極に起因する電圧降下分に相当する。

劣化したバッテリ１に関しても同様に、処理部４は、開放電圧値ＶＯと点Ｐ４の電圧値との差の電圧を、バッテリ１の電圧降下量ＶＢとして算出する。図３に示すように、電圧ＶＢは、電圧Ｖｂ１（直線Ｌ４と直線Ｌ２との差の電圧）と、電圧Ｖｂ２（直線Ｌ２と点Ｐ４との差の電圧）との合計である。ここで、電圧Ｖｂ１はバッテリ１の内部抵抗に起因する電圧降下分に相当し、電圧Ｖｂ２はバッテリ１の拡散分極に起因する電圧降下分に相当する。

このように、バッテリ１の内部抵抗に起因する電圧降下分（電圧Ｖａ１，Ｖｂ１）のみならず、バッテリ１の拡散分極に起因する電圧降下分（電圧Ｖａ２，Ｖｂ２）をも含めてバッテリ１の電圧降下量ＶＡ，ＶＢを求めることにより、バッテリ１の劣化の度合いを正確に監視することができる。

図４は、図３から点Ｐ３及び直線Ｌ４を抜き出して示した図である。直線ＬＡは、点Ｐ３と点Ｐ５とを結ぶ直線である。電流値Ｉｘは、バッテリ１によってＥＰＳ９を駆動する際にＥＰＳ９に流れる電流値である。直線ＬＡに関して、電流値がＩｘの時の電圧値はＶｘ１である。開放電圧値ＶＯと電圧値Ｖｘ１との差の電圧は、ＥＰＳ９を駆動する際のバッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ１に相当する。このように、処理部４は、クランキング期間において電流センサ３によって検出された電流値Ｉ１と、電流値Ｉ１に対応する電圧降下量ＶＡと、バッテリ１によってＥＰＳ９を駆動する際にＥＰＳ９に流れる電流値Ｉｘとに基づいて、ＥＰＳ９を駆動する際のバッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ１を求めることができる。式で表すと、Ｖｙ１＝ＶＡ×Ｉｘ／Ｉ１である。例えば、電流値Ｉ１が２００Ａで、電流値Ｉｘが１００Ａである場合は、予測電圧降下量Ｖｙ１は電圧降下量ＶＡの１／２となる。

また、記憶部５には、ＥＰＳ９に対応する電圧降下量のしきい値電圧Ｖｔｈが記憶されている。処理部４は、求めた予測電圧降下量Ｖｙ１と、しきい値電圧Ｖｔｈとを比較する。そして、予測電圧降下量Ｖｙ１がしきい値電圧Ｖｔｈ以上である場合には、バッテリ１が劣化している旨の情報を出力部６から出力する。例えば、バッテリ１の交換をユーザに促すメッセージを、表示装置である出力部６の画面上に表示する。但し、図４は新品のバッテリ１に対応しており、予測電圧降下量Ｖｙ１はしきい値電圧Ｖｔｈよりも小さいため、かかる表示は行われない。

図５は、図３から点Ｐ４及び直線Ｌ４を抜き出して示した図である。直線ＬＢは、点Ｐ４と点Ｐ５とを結ぶ直線である。直線ＬＢに関して、電流値がＩｘの時の電圧値はＶｘ２である。開放電圧値ＶＯと電圧値Ｖｘ２との差の電圧は、ＥＰＳ９を駆動する際のバッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ２に相当する。図４と同様に、処理部４は、電流値Ｉ２と、電圧降下量ＶＢと、電流値Ｉｘとに基づいて、予測電圧降下量Ｖｙ２を求める。式で表すと、Ｖｙ２＝ＶＢ×Ｉｘ／Ｉ２である。

処理部４は、予測電圧降下量Ｖｙ２としきい値電圧Ｖｔｈとを比較し、予測電圧降下量Ｖｙ２がしきい値電圧Ｖｔｈ以上である場合には、バッテリ１が劣化している旨の情報を出力部６から出力する。図５は劣化したバッテリ１に対応しており、予測電圧降下量Ｖｙ２はしきい値電圧Ｖｔｈよりも大きいため、かかる情報が出力部６から出力される。

このように本実施の形態１に係るバッテリ状態監視装置によれば、図３に示したように、バッテリ１の内部抵抗に起因する電圧降下分（Ｖａ１，Ｖｂ１）のみならず、バッテリ１の拡散分極に起因する電圧降下分（Ｖａ２，Ｖｂ２）をも含めて、エンジン始動時におけるバッテリ１の電圧降下量ＶＡ，ＶＢを求めることができる。従って、バッテリ１の劣化の度合いを正確に監視することが可能となる。

また、バッテリ１の出力電流を電流センサ３で検出することにより、図４，５に示したように、バッテリ１によってＥＰＳ９を駆動する際のバッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ１，Ｖｙ２を求めることができる。しかも、バッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ１，Ｖｙ２を、エンジン始動時に求めることができる。そのため、ＥＰＳ９の駆動に支障がある程にバッテリ１が劣化しているか否かを、ＥＰＳ９を駆動する前のエンジン始動時に予め判定することが可能となる。

さらに、ＥＰＳ９の駆動に支障がある程にバッテリ１が劣化していると判定された場合に、その旨を出力部６から出力することにより、バッテリ１の交換等を速やかにユーザに促すことが可能となる。

なお、以上の説明では、クランキング期間内における特性Ｋ１，Ｋ２上の点Ｐ３，Ｐ４の電圧値を用いて、バッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ１，Ｖｙ２を算出したが、点Ｐ３，Ｐ４の電圧値の代わりに、クランキング期間内におけるバッテリ１の出力電圧値の平均値等を用いてもよい。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、バッテリ１によるスタータ８の駆動時間とＥＰＳ９の駆動時間とがほぼ等しいことを前提として、ＥＰＳ９を駆動する際のバッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ１，Ｖｙ２を求めた。これに対し、本実施の形態２では、バッテリ１によるスタータ８の駆動時間とは異なる駆動時間で駆動される任意の負荷９を対象として、負荷９を駆動する際のバッテリ１の予測電圧降下量を求めることができるバッテリ状態監視装置について説明する。

図６は、エンジン始動時におけるバッテリ１の出力電圧及び出力電流の変化を示す図である。横軸は時間であり、縦軸は電圧値及び電流値である。図６には、新品（ほぼ新品を含む）のバッテリ１に関する電圧波形Ｇ１及び電流波形Ｇ２を示している。電圧波形Ｇ１及び電流波形Ｇ２は、電圧センサ２及び電流センサ３の各検出値に基づいて、処理部４によって作成される。具体的には、微小時間間隔でバッテリ１の出力電圧値及び出力電流値を電圧センサ２及び電流センサ３によって測定し、各時点での測定結果を曲線的に繋げることによって作成される。

点Ｐ₁〜Ｐ₄は、クランキング期間内における電圧波形Ｇ１及び電流波形Ｇ２上の任意の測定点である。クランキング期間内における電圧波形Ｇ１には複数個（図６に示した例では４個）の谷部が現れており、これに対応して電流波形Ｇ２には複数個（４個）の山部が現れている。電圧波形Ｇ１における谷部の底の点（電流波形Ｇ２における山部の頂点）が、点Ｐ₁〜Ｐ₄として規定されている。例えば点Ｐ₁は、時刻がＴ₁、電圧値がＶ₁、電流値がＩ₁である。同様に点Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄はそれぞれ、時刻がＴ₂，Ｔ₃，Ｔ₄、電圧値がＶ₂，Ｖ₃，Ｖ₄、電流値がＩ₂，Ｉ₃，Ｉ₄である。

図６に示したグラフの横軸は時間で縦軸は電圧値及び電流値であるが、これを、図２と同様に横軸が電流値で縦軸が電圧値のグラフに書き改めたものが、図７のグラフである。クランキング期間内の特性Ｋ上に見受けられる８個の折り返し点のうち、下限電圧に対応する点Ｐ₀から見て、時間的に２，４，６，８番目の各折り返し点が、それぞれ点Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄に対応する。

図８は、図４と同様に、図７から点Ｐ₁〜Ｐ₄，Ｐ５及び直線Ｌ４を抜き出して示した図である。開放電圧値ＶＯと各点Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄の電圧値Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃，Ｖ₄との差の電圧は、バッテリ１の電圧降下量ＶＡ₁，ＶＡ₂，ＶＡ₃，ＶＡ₄に相当する。直線ＬＡ₁，ＬＡ₂，ＬＡ₃，ＬＡ₄はそれぞれ、点Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄と点Ｐ５とを結ぶ直線である。電流値Ｉｘは、バッテリ１によって負荷９を駆動する際に負荷９に流れる電流値である。直線ＬＡ₁，ＬＡ₂，ＬＡ₃，ＬＡ₄に関して、電流値がＩｘの時の電圧値は、それぞれＶｘ１₁，Ｖｘ１₂，Ｖｘ１₃，Ｖｘ１₄である。開放電圧値ＶＯと各電圧値Ｖｘ１₁，Ｖｘ１₂，Ｖｘ１₃，Ｖｘ１₄との差の電圧は、それぞれ駆動時間Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄で負荷９を駆動する際のバッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ１₁，Ｖｙ１₂，Ｖｙ１₃，Ｖｙ１₄に相当する。上記実施の形態１と同様に、予測電圧降下量Ｖｙ１₁〜Ｖｙ１₄は、クランキング期間において電流センサ３によって検出された電流値Ｉ₁〜Ｉ₄と、各電流値Ｉ₁〜Ｉ₄に対応する電圧降下量ＶＡ₁〜ＶＡ₄と、バッテリ１によって負荷９を駆動する際に負荷９に流れる電流値Ｉｘとに基づいて、処理部４によって求めることができる。

図９は、図８に示したグラフに関して、予測電圧降下量の時間依存性を示すグラフである。横軸は時間であり、縦軸は電圧値である。処理部４は、各時刻Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄に対応する電圧値Ｖｘ１₁，Ｖｘ１₂，Ｖｘ１₃，Ｖｘ１₄をプロットし、その遷移を直線ＬＣによって近似する。直線ＬＣに関して、時刻がＴｓの時の電圧値はＶｘ１ｓである。処理部４は、任意の駆動時間Ｔｓで負荷９を駆動する際のバッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ１ｓを、開放電圧値ＶＯと電圧値Ｖｘ１ｓとの差の電圧として求める。

上記実施の形態１と同様に、処理部４は、求めた予測電圧降下量Ｖｙ１ｓと、負荷９に応じて予め設定・保存された所定のしきい値電圧とを比較し、予測電圧降下量Ｖｙ１ｓが上記しきい値電圧以上である場合には、バッテリ１が劣化している旨の情報を出力部６から出力する。

このように本実施の形態２に係るバッテリ状態監視装置によれば、処理部４は、クランキング期間における複数の時刻Ｔ₁〜Ｔ₄に関して、バッテリ１の電圧降下量ＶＡ₁〜ＶＡ₄をそれぞれ求めることにより、任意の駆動時間Ｔｓで負荷９を駆動する際のバッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ１ｓを求める。従って、駆動時間がスタータ８の駆動時間とほぼ等しいＥＰＳ９のみならず、任意の駆動時間Ｔｓで負荷９を駆動する際のバッテリ１の予測電圧降下量Ｖｙ１ｓを求めることができるため、予測電圧降下量を求めることができる負荷の対象を広げることができる。

本発明の実施の形態１に係るバッテリ状態監視装置の構成を示すブロック図である。 エンジン始動時におけるバッテリ１の出力電圧及び出力電流の変化を示す図である。 図２から点Ｐ１〜Ｐ５及び直線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ４を抜き出して示した図である。 図３から点Ｐ３及び直線Ｌ４を抜き出して示した図である。 図３から点Ｐ４及び直線Ｌ４を抜き出して示した図である。 エンジン始動時におけるバッテリ１の出力電圧及び出力電流の変化を示す図である。 図６に示したグラフを、横軸が電流値で縦軸が電圧値のグラフに書き改めた図である。 図７から点Ｐ₁〜Ｐ₄，Ｐ５及び直線Ｌ４を抜き出して示した図である。 図８に示したグラフに関して、予測電圧降下量の時間依存性を示すグラフである。

符号の説明

１ バッテリ
２ 電圧センサ
３ 電流センサ
４ 処理部
５ 記憶部
６ 出力部
７ イグニッションスイッチ
８ スタータ
９ ＥＰＳ（負荷）

Claims (4)

1. 自動車に搭載されるバッテリの状態を監視するバッテリ状態監視装置であって、
   前記バッテリの出力電圧を検出する電圧センサと、
   エンジン始動時のクランキング期間において前記電圧センサによって検出された電圧値と、前記バッテリの開放電圧値とに基づいて、前記バッテリの拡散分極に起因する降下分を含めた、前記バッテリの電圧降下量を求める処理部と
   を備える、バッテリ状態監視装置。
2. 前記バッテリの出力電流を検出する電流センサをさらに備え、
   前記処理部は、前記クランキング期間において前記電流センサによって検出された電流値と、前記バッテリの前記電圧降下量と、前記バッテリによって所定の負荷を駆動する際に前記負荷に流れる電流値とに基づいて、前記負荷を駆動する際の前記バッテリの予測電圧降下量を求める、請求項１に記載のバッテリ状態監視装置。
3. 前記バッテリの前記予測電圧降下量が所定のしきい値以上である場合に、前記バッテリが劣化している旨の情報を出力する出力部をさらに備える、請求項２に記載のバッテリ状態監視装置。
4. 前記処理部は、前記クランキング期間における複数の時刻に関して求めた前記バッテリの複数の前記電圧降下量に基づいて、任意の駆動時間で前記負荷を駆動する際の前記バッテリの予測電圧降下量を求める、請求項２又は３に記載のバッテリ状態監視装置。

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