JP2008082887A - 開放電圧検出方法及び開放電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電による分極が解消し、電流が流れないときのバッテリの開放電圧値を、小さい演算処理量で検出することができる開放電圧検出方法の提供。
【解決手段】バッテリに流れる電流値及び電圧値を検出して、バッテリの充放電による分極が解消し、電流が流れないときの開放電圧値を検出する開放電圧検出方法。検出した電流値（Ｓ３）が所定電流値よりも小さいか否かを判定し（Ｓ５）、所定電流値よりも小さいと判定している期間に、検出した電圧値を時系列的にサンプリングし（Ｓ７）、サンプリングした電圧値間の変化を算出し（Ｓ１５）、算出した時系列的な各変化の各対数を算出し（Ｓ１７）、算出した時系列的な対数群を時系列的な一次関数に近似させ（Ｓ１９）、近似させた一次関数に基づき、バッテリの電圧値の分極解消に伴う変化を指数関数に近似させ、近似させた指数関数に基づき、分極解消後の開放電圧値を予測して検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に使用されるバッテリの、充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときの開放電圧値を検出する開放電圧検出方法及び開放電圧検出装置に関するものである。

放電した後のバッテリの開放電圧（電流が流れていないときの端子電圧）は、図４（ａ）に示すように、放電によるバッテリ液の分極が解消（拡散）するのに伴い上昇して行き、分極が解消した平衡状態で一定電圧に収束する。一方、充電された後のバッテリの開放電圧は、図４（ｂ）に示すように、充電によるバッテリ液の分極が解消（拡散）するのに伴い低下して行き、分極が解消した平衡状態で一定電圧に収束する。

バッテリの平衡状態における開放電圧は、バッテリの充電状態を示すものであり、バッテリの残蓄電量を知る為に必要なものである。しかし、車両等に使用されるバッテリでは、充放電が終了してから平衡状態に落ち着く迄には、通常約２４時間掛かるので、車両等の使用形態では、それ迄に充放電が再開される可能性
が高く、平衡状態の開放電圧を直接検出するのは不可能である。その為、予測により間接的に平衡状態の開放電圧を検出する方法が提案されている。

特許文献１には、充放電終了後の所定時間内に、時間軸上で二次電池の複数の電圧測定値を取得して逐次計算を行い、二次電池の開回路電圧の時間特性を近似する４次以上の指数減衰関数の係数を決定し、決定した係数に基づき二次電池の開回路電圧の収束値を求め、求めた収束値に基づき充電率を推定する充電率推定方法が開示されている。
特許文献２には、充放電が終了した後、所定時間が経過してから一定の時間の間に、バッテリの開放電圧を複数回測定し、測定した開放電圧と想定した想定開回路電圧との差値により、べき数が負である予め定めた累乗近似式を決定し、決定した累乗近似式のべき数が−０．５又は略−０．５となる迄、累乗近似式の決定を、想定開回路電圧を更新しながら繰り返し実行し、べき数が−０．５又は略−０．５となったときの想定開回路電圧を開回路電圧（平衡状態時の開放電圧）と推定する車両用バッテリの開回路電圧推定方法が開示されている。

特許文献３には、充放電が終了した後、最初のうちは、推定した開回路電圧を開回路電圧として検出し、その後、時間が経過して充放電分極が解消し、開回路電圧を実測できるようになると、実測した開放電圧を開回路電圧として検出する開回路電圧検出装置が開示されている。
特開２００５−４３３３９号公報 特開２００２−２３４４０８号公報 特開２００６−１３３０２４号公報

特許文献１に開示された充電率推定方法では、制御部が多くの指数減衰関数の係数を決定するので、演算処理量が大きくなるという問題がある。また、決定した係数で指数減衰関数が開放電圧値に収束する保証はなく、発散する可能性も有り、このような場合、多くの係数を特定することができない。
また、特許文献２に開示された車両用バッテリの開回路電圧推定方法では、想定開回路電圧を種々更新しながら、累乗近似式のべき数が−０．５又は略−０．５となる迄、累乗近似式の演算を繰り返し実行する為、演算処理量が大きくなるという問題がある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１，２発明では、充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときのバッテリの開放電圧値を、小さい演算処理量で検出することができる開放電圧検出方法を提供することを目的とする。
第３，４発明では、充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときのバッテリの開放電圧値を、小さい演算処理量で検出することができる開放電圧検出装置を提供することを目的とする。

第１発明に係る開放電圧検出方法は、バッテリに流れる電流値及び電圧値を検出して、前記バッテリの充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときの開放電圧値を検出する開放電圧検出方法において、検出した前記電流値が所定電流値よりも小さいか否かを判定し、所定電流値よりも小さいと判定している期間に、検出した前記電圧値を時系列的にサンプリングし、サンプリングした電圧値間の変化を算出し、算出した時系列的な各変化の各対数を算出し、算出した時系列的な対数群を時系列的な一次関数に近似させ、近似させた一次関数に基づき、前記電圧値の分極解消に伴う変化を指数関数に近似させ、近似させた指数関数に基づき、前記開放電圧値を予測して検出することを特徴とする。

第２発明に係る開放電圧検出方法は、前記開放電圧値を予測して検出した後、前記電流値が所定電流値よりも小さいと判定している期間、検出した前記電圧値及び前記開放電圧値の高低を判定し、開放電圧値の方が高いと判定したときは、前記電圧値を開放電圧値として検出することを特徴とする。

第３発明に係る開放電圧検出装置は、バッテリに流れる電流値を検出する電流検出手段と、前記バッテリの電圧値を検出する電圧検出手段とを備え、前記バッテリの充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときの開放電圧値を検出する開放電圧検出装置において、前記電流検出手段が検出した電流値が所定電流値よりも小さいか否かを判定する判定手段と、該判定手段が小さいと判定している期間に、前記電圧検出手段が検出した電圧値を時系列的にサンプリングする手段と、該手段がサンプリングした電圧値間の変化を算出する手段と、該手段が算出した時系列的な各変化の各対数を算出する手段と、該手段が算出した時系列的な対数群を時系列的な一次関数に近似させる手段と、該手段が近似させた一次関数に基づき、前記電圧値の分極解消に伴う変化を指数関数に近似させる手段とを備え、該手段が近似させた指数関数に基づき、前記開放電圧値を予測して検出するように構成してあることを特徴とする。

第１発明に係る開放電圧検出方法及び第３発明に係る開放電圧検出装置では、電流検出手段がバッテリに流れる電流値を検出し、電圧検出手段がバッテリの電圧値を検出して、バッテリの充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときの開放電圧値を検出する。判定手段が、電流検出手段が検出した電流値が所定電流値よりも小さいか否かを判定し、判定手段が小さいと判定している期間に、サンプリングする手段が、電圧検出手段が検出した電圧値を時系列的にサンプリングする。変化を算出する手段が、そのサンプリングした電圧値間の変化を算出し、対数を算出する手段が、その算出した時系列的な各変化の各対数を算出する。一次関数に近似させる手段が、その算出した時系列的な対数群を時系列的な一次関数に近似させ、その近似させた一次関数に基づき、指数関数に近似させる手段が、電圧値の分極解消に伴う変化を指数関数に近似させ、その近似させた指数関数に基づき、開放電圧値を予測して検出する。

第４発明に係る開放電圧検出装置は、前記開放電圧値を予測して検出した後、前記判定手段が小さいと判定している期間、前記電圧検出手段が検出した電圧値及び前記開放電圧値の高低を判定する手段を更に備え、該手段が開放電圧値の方が高いと判定したときは、前記電圧値を開放電圧値として検出するように構成してあることを特徴とする。

第２発明に係る開放電圧検出方法及び第４発明に係る開放電圧検出装置では、開放電圧値を予測して検出した後、判定手段が小さいと判定している期間、電圧検出手段が検出した電圧値、及び予測して検出した開放電圧値の高低を判定し、開放電圧値の方が高いと判定したときは、電圧検出手段が検出した電圧値を開放電圧値として検出する。

第１発明に係る開放電圧検出方法によれば、充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときのバッテリの開放電圧値を、小さい演算処理量で検出することができる。

第２発明に係る開放電圧検出方法によれば、充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときのバッテリの開放電圧値を、小さい演算処理量で検出することができると共に、実測により検出が可能になったときは、開放電圧値を実測により検出することができる。

第３発明に係る開放電圧検出装置によれば、充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときのバッテリの開放電圧値を、小さい演算処理量で検出することが可能な開放電圧検出装置を実現することができる。

第４発明に係る開放電圧検出装置によれば、充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときのバッテリの開放電圧値を、小さい演算処理量で検出することが可能であると共に、実測により検出が可能になったときは、開放電圧値を実測により検出することが可能な開放電圧検出装置を実現することができる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る開放電圧検出方法及び開放電圧検出装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。
この開放電圧検出装置が開放電圧を検出する対象は車両用のバッテリ２である。バッテリ２及びオルタネータ（車載発電機、交流発電機）３は、電気負荷であるエアコン（エアコンディショナ）／ヒータ１０、ヘッドライト１１、フォグランプ１２及びデフォガ１３等に、図示しないイグニッショスイッチに付設されたアクセサリスイッチ７を通じて電力を供給する。

バッテリ２は、２つの作用極を有する蓄電池であって、一方の端子はアクセサリスイッチ７に接続され、他方の端子は接地されている。オルタネータ３は、車両のエンジン４に連動して、バッテリ２を適宜充電する。
開放電圧検出部１は、マイクロコンピュータで構成されており、電圧検出部６が検出したバッテリ２の両極間の電圧Ｖ、及び電流検出部５が検出したバッテリ２を流れる電流Ｉが与えられる。
開放電圧検出部１が検出した、分極が解消した平衡状態での開放電圧値は、バッテリ２の残蓄電量の指標として、表示部９に表示される。

尚、開放電圧は、バッテリ２に電流が流れていないときの電圧であるが、車両では、アクセサリスイッチ７を経由せず、また、通常はオフにできない電気負荷（時計、マイクロコンピュータ等）が有るので、実際には、バッテリ２の電流を０にするのは困難である。その為、本発明では、電流検出部５が検出した電流値Ｉが、前記電気負荷を考慮した所定電流値Ｉ１より小さい期間に、電圧検出部６が検出した電圧値Ｖを開放電圧値の近似値として使用する。

以下に、このような構成の開放電圧検出装置の動作を、それを示す図２、３のフローチャートを参照しながら説明する。
開放電圧検出部１では、スタート時にパラメータｋが初期化されるものとする。
開放電圧検出部１は、先ず、所定時間Ｔ１（例えば数秒間）待機した（Ｓ１）後、電流検出部５が検出した電流値Ｉを読込み（Ｓ３）、所定電流値Ｉ１より小さいか否かを判定する（Ｓ５）。電流値Ｉが所定電流値Ｉ１より小さければ（Ｓ５）、電圧検出部６が検出した電圧値Ｖ_k を時間ｔ_k と共に読込み、図示しないメモリに記憶する（Ｓ７）。次いで、パラメータｋが所定値ｎ＋１以上であるか否かを判定する（Ｓ９）。

開放電圧検出部１は、パラメータｋが所定値ｎ＋１以上でなければ（Ｓ９）、パラメータｋに１を加算した（Ｓ３５）後、所定時間Ｔ１待機した（Ｓ１）後、電流検出部５が検出した電流値Ｉを読込む（Ｓ３）。
開放電圧検出部１は、電流値Ｉが所定電流値Ｉ１より小さくなければ（Ｓ５）、パラメータｋを初期化した（ｋ＝０）（Ｓ３１）後、既にメモリに記憶してあった時間ｔ_k 及び電圧値Ｖ_k を消去する（Ｓ３３）。次いで、所定時間Ｔ１待機した（Ｓ１）後、電流検出部５が検出した電流値Ｉを読込む（Ｓ３）。

開放電圧検出部１は、パラメータｋが所定値ｎ＋１以上であれば（Ｓ９）、つまり、データ（ｔ_k ，Ｖ_k ）の所定個数ｎ＋２以上の時系列的なサンプリングが終了したのであれば、パラメータｋを初期化する（Ｓ１１）。次いで、メモリに記憶してあるｎ＋２個のデータ（ｔ_k，Ｖ_k ）の、３個ずつの移動平均値（ｔ_ka，Ｖ_ka）を算出する（Ｓ１３）。
開放電圧検出部１は、次に、算出したｎ個の（３個ずつの）移動平均値（ｔ_ka，Ｖ_ka）（Ｓ１３）を、サンプリングした電圧値として、電圧値間の変化、
ｄＶ／ｄｔ＝Ｙ_ka＝（Ｖ_ka+1−Ｖ_ka ）／（ｔ_ka+1−ｔ_ka ）
を算出し、次いで、各変化の絶対値、
｜ｄＶ／ｄｔ｜＝｜Ｙ_ka｜＝｜（Ｖ_ka+1−Ｖ_ka ）／（ｔ_ka+1−ｔ_ka ）｜
を算出する（Ｓ１５）。絶対値を算出することについては後述する。

開放電圧検出部１は、次に、算出した電圧値間の変化｜Ｙ_ka｜（Ｓ１５）に基づき、ｎ−１個のデータ（ｔ_ka，ｌｏｇ｜Ｙ_ka｜）を算出し（Ｓ１７）、算出したデータ（ｔ_ka，ｌｏｇ｜Ｙ_ka｜）を、図５に示すような関数
ｌｏｇＹ＝ｇ（ｔ）
に近似させ、例えば最小二乗法により、一次関数
ｌｏｇＹ＝ｐｔ＋ｑ （１）
を算出する（Ｓ１９）。

一方、放電した後のバッテリの開放電圧は、図４（ａ）に示すように、分極が解消（拡散）するのに伴い上昇して行き、分極が解消した平衡状態で一定電圧に収束する。また、充電された後のバッテリの開放電圧は、図４（ｂ）に示すように、分極が解消（拡散）するのに伴い低下して行き、平衡状態で一定電圧に収束する。
これらのバッテリの開放電圧の変化（図４（ａ），（ｂ））は、指数関数
Ｖ（ｔ）＝ｃ＋ａ・ｅｘｐ（ｆ（ｔ）） （２）
に近似させることができる。但し、ｃは正の定数であり、ａは、放電後図４（ａ）は負の定数，充電後図４（ｂ）は正の定数となる。

尚、本発明では、演算途中に対数演算が含まれるので、便宜的に、電圧値間の変化の絶対値により、放電後の電圧値を示す関数（ａ＜０）として算出する。算出した関数は、ａが負である場合は、放電後図４（ａ）であることを示し、ａが正である場合は、充電後図４（ｂ）であることを示すが、最終的に平衡状態での開放電圧値の予測収束値を求める際には、ａは消去されるので、放電後／充電後の差異は無くなる。

ここで、
Ｖ′（ｔ）＝ａ・ｆ′（ｔ）ｅｘｐ（ｆ（ｔ））
両辺の対数を取って、
ｌｏｇ（Ｖ′（ｔ））＝ｌｏｇ（ａ・ｆ′（ｔ））＋ｆ（ｔ）

例えば、
ｆ（ｔ）＝−ｂｔ （ｂ＞０） （３）
とすると、
ｌｏｇ（Ｖ′（ｔ））
＝ｌｏｇ（−ａｂ）−ｂｔ （∵ａ＜０） （４）
また、
ｌｏｇＹ＝ｐｔ＋ｑ （１）

開放電圧検出部１は、次に、式（１），（４）を等価として、
ｂ＝−ｐ
ｌｏｇ（−ａｂ）＝ｑ
∴ａ＝−（ｅｘｐ（ｑ））／ｂ＝（ｅｘｐ（ｑ））／ｐ
を算出する（Ｓ２１）。

ここで、式（２），（３）から
Ｖ（ｔ）＝ｃ＋ａ・ｅｘｐ（−ｂｔ） （５）
∴ｃ＝Ｖ（ｔ）−ａ・ｅｘｐ（−ｂｔ） （６）
開放電圧検出部１は、次に、算出したｎ個の移動平均値（ｔ_ka，Ｖ_ka）（Ｓ１３）を、式（６）に各代入した場合のｃの平均値を算出して（Ｓ２３）、式（５）の定数ｃとする（Ｓ２５）。

ｃの平均値を算出するには（Ｓ２３）、
ｃ＝Σ（Ｖ_ka−ａ・ｅｘｐ（−ｂｔ_ka））／ｎ
＝（ΣＶ_ka）／ｎ−（Σａ・ｅｘｐ（−ｂｔ_ka））／ｎ
ｔ_kaは所定時間Ｔ１間隔であるから、Σａ・ｅｘｐ（−ｂｔ_ka）は、公比ｅｘｐ（−ｂＴ１）の等比級数であり、最初の移動平均電圧値Ｖ_1aのｔ_1aを０とすると、等比級数の初項はａとなる。

よって、
Σａ・ｅｘｐ（−ｂｔ_ka）
＝ａ（ｅｘｐｎ（−ｂＴ１）−１）／（ｅｘｐ（−ｂＴ１）−１）
＝ａ（ｅｘｐ（−ｂｔ_(n+1)a）−１）／（ｅｘｐ（−ｂＴ１）−１）
従って、
ｃ＝（ΣＶ_ka）／ｎ
−ａ（ｅｘｐ（−ｂｔ_(n+1)a）−１）／ｎ（ｅｘｐ（−ｂＴ１）−１）
によりｃの平均値を算出して（Ｓ２３）、式（５）の定数ｃとすることができる（Ｓ２５）。

開放電圧検出部１は、次に、算出した式（５）
Ｖ（ｔ）＝ｃ＋ａ・ｅｘｐ（−ｂｔ） （５）
において、ｔ→∞として、平衡状態での開放電圧値の予測収束値＝ｃを算出して（Ｓ２９）終了する。
開放電圧検出部１は、算出した平衡状態での開放電圧値の予測収束値ｃを、表示部９に表示する。

開放電圧検出部１は、平衡状態での開放電圧値の予測収束値ｃを算出し検出した後、定期的に、電流検出部５が検出した電流値Ｉを読込み、所定電流値Ｉ１より小さいか否かを判定する。電流値Ｉが所定電流値Ｉ１より小さいと判定している期間は、電圧検出部６が検出した電圧値Ｖを読込み、電圧値Ｖと開放電圧値の予測収束値ｃとの高低を判定し、予測収束値ｃの方が高いと判定したときは、電圧検出部６が検出した電圧値Ｖを平衡状態での開放電圧値として検出する。

また、開放電圧検出部１は、平衡状態での開放電圧値の予測収束値ｃを検出した後、経過期間に基づき、平衡状態での開放電圧値を、予測収束値ｃから、電圧検出部６が検出した電圧値Ｖ（実測値）へ切替えても良い。
この場合、開放電圧検出部１は、定期的に、電流検出部５の電流値Ｉを読込み、電流値Ｉが所定電流値Ｉ１より小さいと判定している期間の内、図６に示す期間Ｂ（例えば〜２・３日）は、予測収束値ｃを平衡状態での開放電圧値とする。図６に示す期間Ｃ（３・４日〜）は、電圧検出部６が検出した電圧値Ｖ（実測値）を平衡状態での開放電圧値として検出する。図６に示す期間Ａ（例えば１時間）は、予測収束値ｃを算出する所要時間である。

本発明に係る開放電圧検出方法及び開放電圧検出装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。 本発明に係る開放電圧検出装置の動作の例を示すフローチャートである。 本発明に係る開放電圧検出装置の動作の例を示すフローチャートである。 バッテリの充放電後の各開放電圧値の推移例を示す特性図である。 算出した電圧値間の変化の例を模式的に示す説明図である。 バッテリの充放電後の開放電圧値の予測値、実測値及び予測収束値の例を示す特性図である。

符号の説明

１ 開放電圧検出部
２ バッテリ
３ オルタネータ
５ 電流検出部
６ 電圧検出部
７ アクセサリスイッチ
９ 表示部

Claims (4)

1. バッテリに流れる電流値及び電圧値を検出して、前記バッテリの充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときの開放電圧値を検出する開放電圧検出方法において、
   検出した前記電流値が所定電流値よりも小さいか否かを判定し、所定電流値よりも小さいと判定している期間に、検出した前記電圧値を時系列的にサンプリングし、サンプリングした電圧値間の変化を算出し、算出した時系列的な各変化の各対数を算出し、算出した時系列的な対数群を時系列的な一次関数に近似させ、近似させた一次関数に基づき、前記電圧値の分極解消に伴う変化を指数関数に近似させ、近似させた指数関数に基づき、前記開放電圧値を予測して検出することを特徴とする開放電圧検出方法。
2. 前記開放電圧値を予測して検出した後、前記電流値が所定電流値よりも小さいと判定している期間、検出した前記電圧値及び前記開放電圧値の高低を判定し、開放電圧値の方が高いと判定したときは、前記電圧値を開放電圧値として検出する請求項１記載の開放電圧検出方法。
3. バッテリに流れる電流値を検出する電流検出手段と、前記バッテリの電圧値を検出する電圧検出手段とを備え、前記バッテリの充放電による分極が解消し、かつ、電流が流れないときの開放電圧値を検出する開放電圧検出装置において、
   前記電流検出手段が検出した電流値が所定電流値よりも小さいか否かを判定する判定手段と、該判定手段が小さいと判定している期間に、前記電圧検出手段が検出した電圧値を時系列的にサンプリングする手段と、該手段がサンプリングした電圧値間の変化を算出する手段と、該手段が算出した時系列的な各変化の各対数を算出する手段と、該手段が算出した時系列的な対数群を時系列的な一次関数に近似させる手段と、該手段が近似させた一次関数に基づき、前記電圧値の分極解消に伴う変化を指数関数に近似させる手段とを備え、該手段が近似させた指数関数に基づき、前記開放電圧値を予測して検出するように構成してあることを特徴とする開放電圧検出装置。
4. 前記開放電圧値を予測して検出した後、前記判定手段が小さいと判定している期間、前記電圧検出手段が検出した電圧値及び前記開放電圧値の高低を判定する手段を更に備え、該手段が開放電圧値の方が高いと判定したときは、前記電圧値を開放電圧値として検出するように構成してある請求項３記載の開放電圧検出装置。

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