JP2008256435A

JP2008256435A - 開回路電圧検出装置及びその方法

Info

Publication number: JP2008256435A
Application number: JP2007097174A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Arai; 洋一荒井; Takayuki Ueda; 貴之上田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2008-10-23

Abstract

【課題】暗電流が存在する車両でも正確に開回路電圧を検出することができる開回路電圧検出装置及びその方法を提供する。
【解決手段】電圧検出手段が、車両に搭載されたバッテリの端子電圧を検出する。差検出手段が、バッテリの充電が開始してから終了するまでのバッテリの端子電圧の平均である平均充電電圧Ｖ_ＣＨＧ、及び、バッテリの充電が終了してから４５分経過した時点Ｐ_４５でのバッテリの端子電圧Ｖ_４５、の差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）を求める。格納手段には、予め上記差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）、及び、バッテリの開回路電圧、の関係が格納されている。開回路電圧検出手段が、格納手段に格納された関係から差検出手段により求めた差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）に対応するバッテリの開回路電圧を検出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、開回路電圧検出装置及びその方法に係り、特に、車載バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段によって検出された端子電圧に基づいて前記車載バッテリの平衡状態の開回路電圧を求める開回路電圧検出手段とを備えた開回路電圧検出装置及びその方法に関するものである。

車両に搭載されて使用中のバッテリにとってバッテリの充電状態（ＳＯＣ:State Of Charge）を知ることは重要である。ＳＯＣを求める方法として、バッテリの開回路電圧から求める方法がさまざま提案されている（特許文献１、２）。バッテリの開回路電圧は、平衡状態にあるバッテリの開放状態での端子電圧（開放電圧）を測定することによって求められる。バッテリの開回路電圧は、バッテリの充電状態を反映したものであり、正確にＳＯＣを求めることができる。

上述したバッテリの開回路電圧を求める方法としては、例えば特許文献３、非特許文献４に記載されたものが提案されている。特許文献３に記載された発明は、バッテリの端子電圧Ｖと経過時間ｔとの関係が下記の式（１）に示すべき数−０．５の累乗近似式で近似することができることに着目した発明である。
Ｖ＝α・ｔ^Ｄ（αは定数） …（１）

特許文献３に記載された発明は、イグニッションオフ後にバッテリの開放電圧を所定の周期で測定し、収集した開放電圧に対して予め定めた複数の期間の各期間内の開放電圧に基づいて式（１）に示す近似されたべき数が−０．５となる累乗近似式が漸近する電圧値を各期間の想定開回路電圧として求め、そして、隣接する期間の想定開回路電圧との差が最も小さくなる期間の想定開回路電圧をバッテリの開回路電圧と推定するものである。

イグニッションオフによってバッテリに暗電流がないとき、図７の実線に示すようにバッテリの端子電圧Ｖは経過時間ｔに伴って開回路電圧ＯＣＶに収束し、バッテリの端子電圧Ｖと経過時間ｔとの関係がべき数−０．５の累乗近似式で近似する。しかしながら、イグニッションがオフしても暗電流があるとき、暗電流により発生する分極の影響で図７の一点鎖線で示すようにバッテリの端子電圧Ｖは開回路電圧ＯＣＶに収束せずに、開回路電圧ＯＣＶよりも小さくなってしまう。暗電流による分極は特に０°以下の低温では無視できない。また、常温から高温においても暗電流がない場合と比べて、分極解消過程でのバッテリの端子電圧の降下速度が遅い。このため、バッテリの端子電圧Ｖと経過時間ｔとの関係がべき数−０．５の累乗近似式で近似することができずに、高精度に開回路電圧ＯＣＶを推定することができないという問題があった。

また、非特許文献４に記載された発明は、バッテリの電圧降下特性を５項以上の指数関数で近似して開回路電圧ＯＣＶを求めるものが記載されている。しかしながら、この非特許文献４の発明も図７の実線に示すようにバッテリの端子電圧Ｖが経過時間ｔに伴って開回路電圧ＯＣＶに収束することが前提になっており、暗電流があるときは高精度に開回路電圧ＯＣＶを推定することができないという問題があった。
特開平２００１−３５１６９８号公報特開平２００６−８７１６０号公報特開平２００３−３０７５５６号公報第４６回電池討論会発表資料「５項以上の指数項を含む関数による電池安定開回路電圧の予測計算」（３９０頁、３９１頁）古河電工

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、暗電流が存在する車両でも短時間にかつ正確に開回路電圧を検出することができる開回路電圧検出装置及びその方法を提供することを課題とする。

本発明者は、暗電流が存在する車両でも正確に開回路電圧を検出すべく検討を重ねた結果、暗電流が流れている場合であってもバッテリの充電が開始してから終了するまでのバッテリの端子電圧の平均、及び、バッテリの充電が終了してから所定時間経過した時点でのバッテリの端子電圧、の差と、バッテリの開回路電圧と、は高い相関があることを見い出し、本発明を完成するに至った。

即ち、請求項１記載の発明は、バッテリの開回路電圧を求める開回路電圧検出装置であって、車両に搭載されたバッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、前記バッテリの充電が開始されてから充電が終了するまでの前記バッテリの端子電圧の平均、及び、前記バッテリの充電が終了してから所定時間経過した時点での前記バッテリの端子電圧、の差を求める差検出手段と、該差、及び、前記バッテリの開回路電圧、の関係を予め格納する格納手段と、該格納手段に格納された前記関係から前記差検出手段により求めた前記差に対応する前記バッテリの開回路電圧を検出する開回路電圧検出手段とを有することを特徴とする開回路電圧検出装置に存する。

請求項１記載の発明によれば、暗電流が流れている場合であってもバッテリの充電が開始してから終了するまでのバッテリの端子電圧の平均、及び、バッテリの充電が終了してから所定時間経過した時点でのバッテリの端子電圧、の差と、バッテリの開回路電圧と、は高い相関があることに着目し、開回路電圧検出手段が上記差に基づいてバッテリの開回路電圧を求めることができる。

請求項２記載の発明は、前記充電が終了してから前記所定時間経過する前に前記充電が開始されると前記バッテリに流れる電流を積算した電流積算値から前記バッテリの充電状態を検出し、前記充電が終了してから前記所定時間経過したとき前記開回路電圧検出手段が求めた前記開回路電圧から前記バッテリの充電状態を検出する充電状態検出手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の開回路電圧検出装置に存する。

請求項２記載の発明によれば、充電状態検出手段が、充電が終了してから所定時間経過する前に充電が開始されるとバッテリに流れる電流を積算した電流積算値からバッテリの充電状態を検出し、充電が終了してから所定時間経過したとき開回路電圧検出手段が求めた開回路電圧からバッテリの充電状態を検出するので、所定時間経過後の端子電圧から開回路電圧が求められない場合であっても、電流積算値から充電状態を求めることができる。ただし、電流積算による充電状態は、電流センサやその他の検出に関わる総合誤差が積算され、長時間の積算がされると誤差が大きくなる。また、充電時の充電効率も常に１００％ではないため、誤差要因となる。電流積算方式はユーザの使われ方によって希に発生する本技術の利用できない上限を補うものである。

請求項３記載の発明は、バッテリの開回路電圧を求める開回路電圧検出方法であって、前記バッテリの充電が開始されてから充電が終了するまでの前記バッテリの端子電圧の平均、及び、前記バッテリの充電が終了してから所定時間経過した時点での前記バッテリの端子電圧、の差を求める工程と、予め格納手段に格納された前記差、及び、前記開回路電圧の関係に基づいて前記工程で求めた差から前記バッテリの開回路電圧を求める工程とを順次行うことを特徴とする開回路電圧検出方法に存する。

請求項３記載の発明によれば、暗電流が流れている場合であってもバッテリの充電が開始されてから充電が終了するまでのバッテリの端子電圧の平均、及び、バッテリの充電が終了してから所定時間経過した時点でのバッテリの端子電圧、の差と、バッテリの開回路電圧と、は高い相関があることに着目し、上記差に基づいてバッテリの開回路電圧を求めることができる。

以上説明したように請求項１及び３記載の発明によれば、暗電流が流れている場合であってもバッテリの充電が開始してから終了するまでのバッテリの端子電圧の平均、及び、バッテリの充電が終了してから所定時間経過した時点でのバッテリの端子電圧、の差と、バッテリの開回路電圧と、は高い相関があることに着目し、上記差に基づいてバッテリの開回路電圧を求めることができるので、暗電流が存在する車両でも短時間にかつ正確に開回路電圧を検出することができる。

請求項２記載の発明によれば、所定時間経過後の端子電圧から開回路電圧が求められない場合であっても、電流積算値から充電状態を求めることができるので、常に充電状態を検出することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、本発明者は、予め開回路電圧ＯＣＶが分かっている様々な大きさの開回路電圧ＯＣＶのバッテリを車両に搭載してイグニッション（以下「ＩＧＮ」と略記する。）をオンして充電開始して、その後ＩＧＮをオフして充電を終了した後の５０ｍＡ程度の暗電流が流れている状態でのバッテリの端子電圧を測定して、バッテリの充電開始から充電終了までの平均Ｖ_ＣＨＧ（以下「平均充電電圧Ｖ_ＣＨＧ」と略記する。）、ＩＧＮオフしてから４５分（＝所定時間）経過した時点Ｐ_４５（図３、図４）でのバッテリの端子電圧Ｖ_４５（図４）、の差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）と開回路電圧ＯＣＶとの関係を調べた。また、このとき温度を−２０°Ｃ、−１０°Ｃ、０°Ｃ、２５°Ｃと変化させている。その結果を図２に示す。

図２に示すように、上述した差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）が小さいほど開回路電圧ＯＣＶが大きくなり、差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）と開回路電圧ＯＣＶとには強い相関関係があることが発明者により見い出された。以上のことに着目し、本発明は、上述したＩＧＮオフしてから４５分（＝所定時間）経過した時点Ｐ_４５でのバッテリの端子電圧Ｖ_４５を実測し、予め得られる図２に示す関係から実測した端子電圧Ｖ_４５から求めた差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）に対する開回路電圧ＯＣＶを求め、これを開回路電圧ＯＣＶとして検出する。

次に、本発明の開回路電圧検出装置を組み込んだ充電状態検出装置の構成について説明する。図１は、本発明の充電状態検出装置１の一実施の形態を示すブロック図である。本実施形態の充電状態検出装置１は、エンジン３に加えてモータジェネレータ５を有するハイブリッド車両に搭載されている。

そして、このハイブリッド車両は、通常時はエンジン３の出力のみをドライブシャフト７からディファレンシャルケース９を介して車輪１１に伝動して走行させ、高負荷時には、バッテリ１３からの電力によりモータジェネレータ５をモータとして機能させて、エンジン３の出力に加えてモータジェネレータ５の出力をドライブシャフト７から車輪１１に伝達し、アシスト操作を行わせるように構成されている。

また、このハイブリッド車両は、減速時や制動時にモータジェネレータ５をジェネレータ（発電機）として機能させ、運動エネルギを電気エネルギに変換してバッテリ１３を充電させるように構成されている。

同図に示すように、充電状態検出装置１は、電流センサ１５と、電圧センサ１７（＝電圧検出手段）と、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略記する。）２３を備えている。電流センサ１５は、アシスト走行用のモータやセルモータとして機能するモータジェネレータ５等、電装品に対するバッテリ１３の放電電流や、ジェネレータとして機能するモータジェネレータ５からのバッテリ１３に対する充電電流を検出する。電圧センサ１７は、バッテリ１３に並列接続した１Ｍオーム程度の抵抗を有し、バッテリ１３の端子電圧Ｖを検出する。

マイコン２３には、上述した電流センサ１５及び電圧センサ１７がインタフェース回路（以下、「Ｉ／Ｆ」と略記する。）２１を介して接続されている。Ｉ／Ｆ２１は、電流センサ１５及び電圧センサ１７の出力をＡ／Ｄ変換してマイコン２３に供給する。

上記マイコン２３は、ＣＰＵ２３ａ、ＲＡＭ２３ｂ、及び、ＲＯＭ２３ｃを有している。ＣＰＵ２３ａには、ＲＡＭ２３ｂ及びＲＯＭ２３ｃの他、前記Ｉ／Ｆ２１が接続されている。ＣＰＵ２３ａには、上述した図示しないスタータスイッチ、ＩＧＮスイッチやアクセサリスイッチ、モータジェネレータ５以外の電装品（負荷）のスイッチ等がさらに接続されている。

前記ＲＡＭ２３ｂは、各種データ記憶用のデータエリア及び各種処理作業に用いるワークエリアを有しており、前記ＲＯＭ２３ｃには、ＣＰＵ２３ａに各種処理動作を行わせるための制御プログラムが格納されている。格納手段としてのＲＯＭ２３ｃには、図２に示す差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）と開回路電圧ＯＣＶとの関係を近似した下記の式（２）に示す一次式が予め格納されている。
ＯＣＶ＝ｃ・（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）＋ｄ …（２）
ｃ、ｄは定数

次に、式（２）に示す一次式の求め方について説明する。まず、予め開回路電圧ＯＣＶが分かっているバッテリを車両に搭載してモータジェネレータ５により充電させた後、ＩＧＮオフしてモータジェネレータ５による充電を終了させる。ＩＧＮオン中のバッテリ１３の端子電圧を定期的に計測する。ＩＧＮオフ後は５０ｍＡ程度の暗電流を流した状態にしておく。そして、ＩＧＮオフ後のバッテリ１３の端子電圧を定期的に計測する。このＩＧＮオン中に計測した端子電圧から充電開始から充電終了までのバッテリ１３の端子電圧の平均である平均充電電圧Ｖ_ＣＨＧと、ＩＧＮオフから４５分経過した時点Ｐ_４５での端子電圧Ｖ_４５との差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）を求める。各温度毎（例えば−２０°Ｃ、−１０°Ｃ、０°Ｃ、２５°Ｃ）に様々な大きさの開回路電圧ＯＣＶについて同様の手順で差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）を求めて、図２の白丸に示すようにプロットする。そして、このプロットした複数のデータから式（２）に示す一次式を求める。式（２）の一次式は充電電圧の大きさや暗電流の大きさによって変わるものである。

上述した構成の充電状態検出装置１の動作について図５を参照して以下説明する。ＣＰＵ２３ａは、常時、電流センサ１５を用いてバッテリ１３の充放電電流を積算する電流積算処理を行っている。この電流積算処理と並列にＣＰＵ２３ａは、充電状態検出処理を行う。充電状態検出処理においてＣＰＵ２３ａは、ＩＧＮオンのとき（ステップＳ１でＹ）、電流積算処理で算出される充放電電流の積算値をＳＯＣとして更新する（ステップＳ２）。

次に、ＣＰＵ２３ａは、電圧センサ１７を用いてバッテリ１３の端子電圧Ｖを複数回検出して、その平均値をバッテリ１３の端子電圧としてサンプリングする（ステップＳ３）。その後、ＣＰＵ２３ａは、ＩＧＮがオフされるまでステップＳ２及びステップＳ３を繰り返す。

そして、ＣＰＵ２３ａは、ＩＧＮがオフされると（ステップＳ４でＹ）、ＩＧＮオフ後の経過時間のカウントを開始し、直前のステップＳ３でサンプリングされた端子電圧Ｖの平均値を充電開始から充電終了までのバッテリ１３の端子電圧の平均である平均充電電圧Ｖ_ＣＨＧ（＝充電電圧）としてＲＡＭ２３ｂ内に格納する（ステップＳ５）。

その後、ＣＰＵ２３ａは、ＩＧＮオフ後に４５分経過すると（ステップＳ６でＹ）、電圧センサ１７を用いてバッテリ１３の端子電圧Ｖを複数回検出して、その平均値をＩＧＮオフから４５分経過した時点Ｐ_４５での端子電圧Ｖ_４５としてＲＡＭ２３ｂ内に格納する（ステップＳ７）。

次に、ＣＰＵ２３ａは、差検出手段として働き、ステップＳ５で求めた平均充電電圧Ｖ_ＣＨＧとステップＳ７で求めた端子電圧Ｖ_４５との差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）を求める（ステップＳ８）。そして、ＣＰＵ２３ａは、開回路電圧検出手段として働き、ＲＯＭ２３ｃ内に格納された式ＯＣＶ＝ｃ・（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）＋ｄにステップＳ１０で求めた差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）を代入して開回路電圧ＯＣＶを求める（ステップＳ９）。

その後、ＣＰＵ２３ａは、ステップＳ１１で開回路電圧ＯＣＶから求めたＳＯＣに更新した後（ステップＳ１０）、ステップＳ２に戻る。

これに対して、ＩＧＮオフからの時間経過が４５分経過しないうちにＩＧＮオンとなった場合（ステップＳ１１でＹ）、ＣＰＵ２３ａは、充電状態検出手段として働き、電流積算処理で算出される充放電電流の積算値をＳＯＣとして更新した後（ステップＳ１２）、ステップＳ２に戻る。

上述した充電状態調整装置によれば、暗電流が流れている場合であっても平均充電電圧Ｖ_ＣＨＧ、及び、ＩＧＮオフから４５分経過した時点Ｐ_４５での端子電圧Ｖ_４５、の差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）と、バッテリ１３の開回路電圧ＯＣＶと、は高い相関があることに着目し、差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）に基づいてバッテリの開回路電圧ＯＣＶを求めることができるので、暗電流が存在する車両でも短時間にかつ正確に開回路電圧ＯＣＶを検出することができる。そして、この開回路電圧ＯＣＶによって正確にＳＯＣを求めることができ、このＳＯＣによってバッテリ１３の充電制御を行うことにより、車両の燃費向上を図ることができる。

また、上述した充電状態調整装置によれば、ＣＰＵ２３ａが、充電が終了してから４５分経過する前に充電が開始されるとバッテリ１３に流れる電流を積算した電流積算値からバッテリ１３の充電状態を検出し、充電が終了してから４５分経過したとき差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）から求めた開回路電圧ＯＣＶからバッテリ１３の充電状態を検出するので、４５分経過後の端子電圧Ｖから開回路電圧ＯＣＶが求められない場合であっても、電流積算値から充電状態を求めることができ、常に充電状態を検出することができる。

また、本発明者は温度毎に様々な大きさの開回路電圧ＯＣＶについて上記差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）を求めて、差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）と開回路電圧ＯＣＶとの関係を調べた。結果を図６に示す。同図に示すように、温度毎に一次式が異なることが分かった。そこで、温度毎に差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）と開回路電圧ＯＣＶとの関係を示す近似式やテーブルをＲＯＭ２３ｃ内に格納してもよい。

また、上述した実施形態では、所定時間を４５分としていたが、本発明はこれに限ったものではない。所定時間は、バッテリ１３の端子電圧Ｖが開回路電圧ＯＣＶに到達する時間ｔＯＣＶより短く、差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）と開回路電圧ＯＣＶとの相関関係が高い時間に設定すればよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の開回路電圧検出装置を組み込んだ充電状態検出装置の一実施の形態を示すブロック図である。開回路電圧ＯＣＶと差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）との関係を示すグラフである。暗電流がある場合のバッテリの端子電圧、及び、イグニッションオフ後の経過時間の関係を示すグラフである。図３に示すグラフの０から２時間の範囲を拡大したグラフである。図１に示す充電状態検出装置を構成するＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。各温度毎の開回路電圧ＯＣＶと差（Ｖ_ＣＨＧ−Ｖ_４５）との関係を示すグラフである。従来の問題点を説明するためのバッテリの端子電圧、及び、イグニッションオフからの経過時間、の関係を示すグラフである。

符号の説明

１３バッテリ
１７電圧センサ（電圧検出手段）
２３ａＣＰＵ（サンプリング手段、開回路電圧検出手段、変極点検出手段、一次式算出手段、差検出手段、充電状態検出手段）
２３ｃＲＯＭ（格納手段）
ＯＣＶ開回路電圧

Claims

バッテリの開回路電圧を求める開回路電圧検出装置であって、
車両に搭載されたバッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、
前記バッテリの充電が開始されてから充電が終了するまでの前記バッテリの端子電圧の平均、及び、前記バッテリの充電が終了してから所定時間経過した時点での前記バッテリの端子電圧、の差を求める差検出手段と、
該差、及び、前記バッテリの開回路電圧、の関係を予め格納する格納手段と、
該格納手段に格納された前記関係から前記差検出手段により求めた前記差に対応する前記バッテリの開回路電圧を検出する開回路電圧検出手段とを有する
ことを特徴とする開回路電圧検出装置。
前記充電が終了してから前記所定時間経過する前に前記充電が開始されると前記バッテリに流れる電流を積算した電流積算値から前記バッテリの充電状態を検出し、前記充電が終了してから前記所定時間経過したとき前記開回路電圧検出手段が求めた前記開回路電圧から前記バッテリの充電状態を検出する充電状態検出手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載の開回路電圧検出装置。
バッテリの開回路電圧を求める開回路電圧検出方法であって、
前記バッテリの充電が開始されてから充電が終了するまでの前記バッテリの端子電圧の平均、及び、前記バッテリの充電が終了してから所定時間経過した時点での前記バッテリの端子電圧、の差を求める工程と、
予め格納手段に格納された前記差、及び、前記開回路電圧の関係に基づいて前記工程で求めた差から前記バッテリの開回路電圧を求める工程と
を順次行うことを特徴とする開回路電圧検出方法。