JP2007278851A - 電池状態検知システム - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの温度を的確に捉え温度補正を行うことによりバッテリの充電状態を正確に推定可能な電池状態検知システムを提供する。
【解決手段】電流センサにより鉛電池の充放電電気量が計測されると共に、温度センサにより鉛電池の温度が測定され、マイコンのＲＡＭに測定された温度データが記憶される。マイコンのＣＰＵにより、ＲＡＭに記憶された現在から３時間前までの温度データの履歴から求めた鉛電池の温度Ｔｂにより放電電気量が補正され、補正後の放電電気量に基づいて鉛電池の充電状態が算出される。温度Ｔｂはａ１・Ｔ１＋ａ２・Ｔ２＋ａ３・Ｔ３（ａ１≧ａ２≧ａ３、かつ、ａ１＋ａ２＋ａ３＝１）により算出され、室温、５時間率電流で鉛電池を放電させたときの放電容量を１とし、放電電気量と鉛電池の温度Ｔｂとの関係を表したマップから電流係数ｃ１を算出することにより、放電電気量を温度補正する。
【選択図】図４

Description

本発明は電池状態検知システムに係り、特に、温度補正を行うことでバッテリの充電状態ないし残容量を推定する電池状態検知システムに関する。

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、ＩＳＳ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状態が増え、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が小さくなるケースが増加している。バッテリの出力はバッテリの残容量（又は充電状態）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（又は充電状態）を算出（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、バッテリを充電させるための信号を車両側制御システムに報知したり、車両側制御システムでその判断をする必要がある。

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。バッテリの残容量を算出する技術として、バッテリの充放電電力量を計測する電力量計測手段と、バッテリの温度により該充放電電力量を補正する補正手段と、この補正手段で補正された充放電電力量に基づいてバッテリの残容量を算出する演算手段とを備えた残容量検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、バッテリは温度により残容量ないし充電状態が異なるため、一般にバッテリの外壁にサーミスタや熱電対を固着させその測定値をバッテリ温度とし、温度補正をしてバッテリの残容量が推定される。

特開平９−９８５０４号公報

ところが、実際にはバッテリの外壁部と内部とでは温度が異なっているため、上述した温度測定では正確なバッテリ温度を捉えることができず、従って正確な温度補正ができないため、バッテリの残容量ないし充電状態を正確に推定できない。図１はＤ２３サイズの自動車用バッテリを３０°Ｃの状態から６０°Ｃの恒温槽に入れたときのバッテリの外壁部と内部との温度を示したものである。外壁部では５時間で６０°Ｃに達したが、内部では６０°Ｃになるまで９時間かかっている。これはバッテリ外壁が熱伝導性の悪いポリプロピレンなどの樹脂であるためと考えられる。

本発明は上記事案に鑑み、バッテリの温度を的確に捉え温度補正を行うことによりバッテリの充電状態ないし残容量を正確に推定可能な電池状態検知システム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、温度補正を行うことでバッテリの充電状態ないし残容量を推定する電池状態検知システムであって、前記バッテリの充放電電気量を計測する電気量計測手段と、前記バッテリの温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段により測定された温度データを記憶する温度データ記憶手段と、前記温度データ記憶手段に記憶された現在から所定期間過去までの温度データの履歴により前記電気量計測手段で計測された充放電電気量を補正する温度補正手段と、前記温度補正手段で補正された充放電電気量に基づいて前記バッテリの充電状態ないし残容量を算出する算出手段と、を備える。

本発明では、電気量計測手段によりバッテリの充放電電気量が計測されると共に、温度測定手段によりバッテリの温度が測定され、温度データ記憶手段により温度測定手段で測定された温度データが記憶される。温度補正手段により温度データ記憶手段に記憶された現在から所定期間過去までの温度データの履歴により電気量計測手段で計測された充放電電気量が補正され、算出手段により温度補正手段で補正された充放電電気量に基づいてバッテリの充電状態ないし残容量が算出される。本発明によれば、温度補正手段により現在から所定期間過去までの温度データの履歴により充放電電気量が温度補正されるので、バッテリの温度が的確に捉えられ（温度測定手段のバッテリに対する測定位置による温度差の影響が緩和され）充放電電気量の温度補正が行われるため、算出手段によりバッテリの充電状態ないし残容量を正確に算出することができる。

本態様において、温度補正手段は、現在から所定期間過去までの時間を複数に分割してより現在に近い温度データに大きな重み付けを行うことで充放電電気量の温度補正に用いる温度Ｔｂを算出し、該算出した温度Ｔｂと充放電電気量の補正量との予め定められた対応関係を用いて充放電電気量を補正するようにしてもよい。この場合に、温度補正手段は、現在から所定期間過去までの時間をｎ個に等分割し、該等分割された時間におけるバッテリの平均温度をそれぞれＴ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎ、該平均温度Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎに対する重み係数をそれぞれａ１、ａ２、・・・、ａｎ（ただし、ａ１≧ａ２≧・・・≧ａｎ、かつ、ａ１＋ａ２＋・・・＋ａｎ＝１）としたときに、温度補正に用いる温度ＴｂをＴｂ＝ａ１・Ｔ１＋ａ２・Ｔ２＋・・・＋ａｎ・Ｔｎとして算出することが望ましい。

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り、第１の態様の電池状態検知システムを備えることで、バッテリが深い放電状態となっても、エンジン停止後再始動を確保することができる。

本発明によれば、温度補正手段により現在から所定期間過去までの温度データの履歴により充放電電気量が温度補正されるので、バッテリの温度が的確に捉えられ充放電電気量の温度補正が行われるため、算出手段によりバッテリの充電状態ないし残容量を正確に算出することができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る電池状態検知システムの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、自動車に搭載された鉛電池１のベント栓から離れた側の電槽（バッテリ外壁）側面に固着されており、鉛電池１の充放電電気量を測定し鉛電池１の残容量を算出（推定）するマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称する。）１０を有している。鉛電池１には、例えば、１セルが例えば正極６枚、負極７枚で構成され、６セル直列で公称１２Ｖの自動車用鉛電池を用いることができる。

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後述するマップ等のプログラムデータを記憶したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、及び、上位の車両側制御システム１１と通信するためのインターフェース等を含んで構成されている。

鉛電池１の正極端子は、ホール素子等で構成される電流センサ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、ロータリー式に切り替え接続が可能である。

鉛電池１の電槽の上部中央の位置にはサーミスタ等の温度センサ２が固着しており、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。また、電流センサ４の出力端子はマイコン１０に内蔵された別のＡ／Ｄコンバータに接続されており、マイコン１０は鉛電池１に流れる充放電電流をデジタル値で取り込むことができる。なお、電池状態検知システム１２は、このような配線を含んで構成されている。

一方、車両側には、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を伝達させエンジン８を始動させるスタータ（セルモータ）９が配されている。また、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り、エンジン８が回転状態にあるときは、このクラッチ機構を介して発電機７が作動し発電機７からの電力がレギュレータ（図１では整流素子のシンボルで表している。）を介してエアコン、ラジオ等の補機６や鉛電池１に供給（充電）される。このようなエンジン制御等は車両（自動車）側の車両制御システム１１により実行される。

ＩＧＮスイッチ５のＯＮ／ＡＣＣ端子は、補機６及びレギュレータを介して発電機７（の一端に接続されている。また、ＳＴＡＲＴ端子はスタータ９の一端に接続されている。更に、発電機７、スタータ９及び補機６の他端、鉛電池１の負極端子及びマイコン１０は、それぞれグランドに接続されている。従って、鉛電池１は発電機７により繰り返し充電される。なお、マイコン１０は鉛電池１から作動電源が供給される。

＜動作＞
次に、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、ＣＰＵという。）を主体として説明する。

ＣＰＵは、鉛電池１に流れる電流値ｉを所定時間毎に電流センサ４からＡ／Ｄコンバータを介して取り込み、放電電流積算値Ｑｏｕｔと充電電流積算値Ｑｉｎとをそれぞれ別に算出することにより、鉛電池１の充放電電気量を計測している。すなわち、Ａ／Ｄコンバータのサンプリング時間をΔｔとした場合に、電流値ｉが正（鉛電池１の放電）のときに現在の放電電流積算値にΔｔ・ｉを加算し、電流値ｉが負（鉛電池１の充電）のときに現在の充電電流積算値にΔｔ・ｉを加算することで、それぞれ、放電電流積算値Ｑｏｕｔ、充電電流積算値Ｑｉｎを算出している。

また、ＣＰＵは、鉛電池１の温度データを所定時間毎に温度センサ２からＡ／Ｄコンバータを介して取り込み、温度データの履歴としてＲＡＭに格納している。なお、本実施形態では、鉛電池１の温度変化が微小時間で急激に変化することはないことから、Ａ／Ｄコンバータによる温度値のサンプリング時間の間隔が上述した電流値ｉのサンプリング時間の間隔より十分長い時間に設定されている。

次に、ＣＰＵは、（Ａ）充放電電気量とＲＡＭに格納した鉛電池１の温度データの履歴とから、鉛電池１の温度データの履歴から求めた温度により充放電電気量（放電電流積算値Ｑｏｕｔ）を補正し、（Ｂ）補正された充放電電気量に基づいて鉛電池１の充電状態を算出する。

（Ａ）鉛電池１の温度データの履歴から求めた温度による充放電電気量の補正
（Ａ−１）まず、現在から所定期間前（例えば、３時間前）までのＲＡＭに格納された温度データの履歴を読み出し、図４に示すように、３時間前までの温度履歴を三等分し、下式（１）により、鉛電池１の温度Ｔｂを求める。式（１）において、Ｔ１は１時間前〜現在までの鉛電池１の平均温度、Ｔ２は２時間前〜１時間前までの鉛電池１の平均温度、Ｔ３は３時間前〜２時間前までの鉛電池１の平均温度を表している。なお、重み係数ａ１〜ａ３は、例えば、図１に示したような実際の温度データから設定することができ、現在に近い程大きな数値になるように設定することが望ましい。

Ｔｂ＝ａ１・Ｔ１＋ａ２・Ｔ２＋ａ３・Ｔ３・・・（１）
ただし、ａ１≧ａ２≧ａ３、かつ、ａ１＋ａ２＋ａ３＝１

（Ａ−２）次いで、鉛電池１の温度Ｔｂにより放電電流積算値Ｑｏｕｔの温度補正を行うが、本実施形態では、２５°Ｃ（室温）において５時間率電流で鉛電池１を放電させたときの放電容量を１とし、放電電流値と鉛電池１の温度Ｔｂとの関係を表したマップ（図３参照）から電流係数ｃ１を算出することにより、放電電流積算値Ｑｏｕｔを温度補正する（補正後の放電電流積算値＝Ｑｏｕｔ×ｃ１）。なお、このマップはマイコン１０のＲＯＭに格納されており、ＲＡＭに展開されている。

（Ｂ）鉛電池１の充電状態の算出
次に、鉛電池１の充電状態Ｃ（％）を下記式（２）により算出する。なお、式（２）において、ｃ２は充電効率を表している。

Ｃ＝｛（Ｑｆ−Ｑｏｕｔ×ｃ１＋Ｑｉｎ×ｃ２）／Ｑｆ｝×１００・・・（２）

そして、ＣＰＵは所定時間毎に鉛電池１の充電状態Ｃを車両制御システム１１に報知する。車両制御システム１１は、自動車が停止したときに、鉛電池１の充電状態Ｃに応じてアイドルストップ可能か否かを判断する。

＜作用・効果等＞
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。

車載試験にて本実施形態における鉛電池１の温度Ｔｂの精度を確認した。図５に、従来例の鉛電池の温度（外壁部の温度）、本実施形態（実施例）における鉛電池１の温度Ｔｂ、及び、実測した鉛電池１の温度（真値）を示す。従来例では真値に対する温度誤差が最大４０％だったのに対し、実施例では最大１５％だった。なお、厳密には充電及び放電時には、電池内部においてジュール熱や化学反応熱が発生するが車載試験においてはこの影響はほとんど見られなかった。これは、充電側が定電圧制御されているため微小電流であるためと考えられ、放電側はエンジン始動時、大電流が流れるが短時間であるため発熱量は無視できるくらい小さいためと考えられる。

以上のように、本実施形態の電池状態検知システム１２では、現在から３時間前までの温度データの履歴により放電電流積算値Ｑｏｕｔが温度補正されるので、鉛電池１の温度が的確に捉えられ放電電流積算値Ｑｏｕｔの温度補正が行われるため、鉛電池１の充電状態を正確に算出することができる。そして、このような電池状態検知システム１２を備えた自動車は、鉛電池１が深い放電状態となっても（残容量が少なくなっても）、エンジン停止後再始動を確保することができる。

なお、上記実施形態では、説明を簡単にするために、放電電流積算値Ｑｏｕｔの温度補正についてのみ説明したが、充電電流積算値の温度補正も併せて行うことにより電池状態検知システム１２の充電状態の算出精度をより高めることができる。この場合には、放電電流積算値Ｑｏｕｔの温度補正と同様に、例えば、室温において所定時間率電流で鉛電池１を充電したときの充電容量を１とし、充電電流値と鉛電池１の温度Ｔｂとの関係を表したマップから電流係数ｃ１’を算出することにより、充電電流積算値Ｑｉｎを温度補正すればよい（補正後の充電電流積算値＝Ｑｉｎ×ｃ１’）。また、上記実施形態では、鉛電池１の温度Ｔｂによる充電電流積算値Ｑｏｕｔの補正を電流係数ｃ１により補正する例を示したが、電流係数ｃ１を用いず、鉛電池１の温度Ｔｂと充電電流積算値Ｑｏｕｔの補正量との対応関係を定めたマップを用いるようにしてもよい。更に、上記実施形態では、電流係数ｃ１のマップを用いて放電電流積算値の温度補正を行う例を示したが、本発明はこれに限らず、数式を用いるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、鉛電池１の充電状態を算出する例について説明したが、特許文献１と同様に、鉛電池１の残容量を算出するようにしてもよい。すなわち、電池状態検知システム１２はエンジン停止後再始動するための出力が鉛電池１にあるか否かを判断することが主機能のため、充電状態（ＳＯＣ）で把握しても残容量で把握しても機能達成のための指標として代わりはない。

更に、上記実施形態では、現在から３時間前までの時間を３等分した例を示したが、本発明はこれに制限されず、例えば、４時間前までの時間を４等分するようにしてもよい。すなわち、一般論で表現すれば、現在から所定期間過去までの時間をｎ個に等分割し、該等分割された時間における鉛電池１の平均温度をそれぞれＴ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎ、該平均温度Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎに対する重み係数をそれぞれａ１、ａ２、・・・、ａｎ（ただし、ａ１≧ａ２≧・・・≧ａｎ、かつ、ａ１＋ａ２＋・・・＋ａｎ＝１）としたときに、温度補正に用いる温度ＴｂをＴｂ＝ａ１・Ｔ１＋ａ２・Ｔ２＋・・・＋ａｎ・Ｔｎとして算出すればよい。

本発明はバッテリの温度を的確に捉え温度補正を行うことによりバッテリの充電状態ないし残容量を正確に推定可能な電池状態検知システムを提供するものであるため、電池状態検知システムないし自動車の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

Ｄ２３サイズの自動車用バッテリを３０°Ｃの状態から６０°Ｃの恒温槽に入れたときのバッテリの外壁部と内部の温度を示すグラフである。 本発明が適用可能な実施形態の電池状態検知システム及び自動車のブロック配線図である。 実施形態の電池状態検知システムのマイコンのＲＯＭに格納された電流係数を示すマップである。 鉛電池の外壁部の温度履歴を模式的に示すグラフである。 従来例の鉛電池の温度、実施例の鉛電池の温度、鉛電池の内部温度（真値）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 鉛電池（バッテリ）
２ 温度センサ（温度測定手段の一部）
４ 電流センサ（電気量計測手段の一部）
１０ マイコン（温度測定手段の一部、電気量計測手段の一部、温度データ記憶手段、温度補正手段、算出手段）
１２ 電池状態検知システム

Claims (4)

1. 温度補正を行うことでバッテリの充電状態ないし残容量を推定する電池状態検知システムであって、
   前記バッテリの充放電電気量を計測する電気量計測手段と、
   前記バッテリの温度を測定する温度測定手段と、
   前記温度測定手段により測定された温度データを記憶する温度データ記憶手段と、
   前記温度データ記憶手段に記憶された現在から所定期間過去までの温度データの履歴により前記電気量計測手段で計測された充放電電気量を補正する温度補正手段と、
   前記温度補正手段で補正された充放電電気量に基づいて前記バッテリの充電状態ないし残容量を算出する算出手段と、
   を備えた電池状態検知システム。
2. 前記温度補正手段は、前記現在から所定期間過去までの時間を複数に分割してより現在に近い温度データに大きな重み付けを行うことで前記充放電電気量の温度補正に用いる温度Ｔｂを算出し、該算出した温度Ｔｂと充放電電気量の補正量との予め定められた対応関係を用いて前記充放電電気量を補正す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. 前記温度補正手段は、前記現在から所定期間過去までの時間をｎ個に等分割し、該等分割された時間における前記バッテリの平均温度をそれぞれＴ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎ、該平均温度Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎに対する重み係数をそれぞれａ１、ａ２、・・・、ａｎ（ただし、ａ１≧ａ２≧・・・≧ａｎ、かつ、ａ１＋ａ２＋・・・＋ａｎ＝１）としたときに、前記温度補正に用いる温度ＴｂをＴｂ＝ａ１・Ｔ１＋ａ２・Ｔ２＋・・・＋ａｎ・Ｔｎとして算出することを特徴とする請求項２に記載の電池状態検知システム。
4. 請求項１ないし請求項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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