JP2009036635A - 2次電池の充電状態推定装置及び充電制御システム - Google Patents

2次電池の充電状態推定装置及び充電制御システム Download PDF

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Abstract

【課題】オルタネータの出力電圧を可変とする車載発電装置によって充電可能なバッテリについて、その充電状態(SOC)を適切に推定することが困難なこと。
【解決手段】オルタネータに対する指令電圧が変化した後、固定されると、バッテリの充電電流は、図9(a)に示すように、一旦上昇した後、漸減し、所定値に収束する。この収束値は、図9(b)に示すように、出力電圧とSOCに応じて定まるため、収束値からSOCを推定することができる。電流が収束する前に指令電圧が変更される場合には、変更前の電流の検出値に基づき、収束値を推定する。図9(c)の丸印は、SOCが互いに相違する3つの値であるときのそれぞれについての電流の検出値であり、実線は、6秒経過時までの電流の検出値に基づき電流値と時間との関係を示す関係式である。この関係式を用いることで、収束値を推定することができる。
【選択図】 図9

Description

本発明は、出力電圧を可変とする車載発電装置によって充電可能な2次電池について、その充電状態を推定する2次電池の充電状態推定装置に関する。
この種の推定装置としては、例えば下記特許文献1に見られるように、内燃機関によって駆動されるオルタネータの出力電圧を第1の電圧及びこれよりも低い第2の電圧に交互に変化させる制御を繰り返す処理を行い、最後に第1の電圧とした際にバッテリの充電電流が所定値となることに基づき、バッテリが所定の充電状態となった旨判断するものも提案されている。これによれば、バッテリの充電状態を推定することができる。
一方、近年、内燃機関の燃料消費量の低減の観点から、オルタネータの発電に伴う内燃機関の燃料消費量の増量量が少ないほど出力電圧を大きく設定する制御も提案され、実用されている。こうした制御をする場合には、出力電圧を小さく設定することでバッテリの放電を促進する際に、バッテリの信頼性を維持することのできる範囲でバッテリを適切に放電させることが望まれる。そしてこのためには、バッテリの充電状態を高精度に推定することが望まれている。
なお、従来の推定装置としては、他にも例えば下記特許文献2に記載されたものがある。
特開2004−168126号公報 特開2003−307557号公報
こうした状況下、上記推定装置を用いて充電状態を推定した後、バッテリからの都度の電流の流出入量に基づき充電状態の推定値を更新したのでは、その充電状態の推定精度が低下し、ひいては上記燃料消費量を低減する制御を十分に行うことができなくなるおそれがある。また、充電状態の推定値を上記手法にて比較的短い周期で更新することも考えられるが、この場合、オルタネータの出力電圧を燃料消費量の低減の観点とは独立に制御する必要が生じるため、燃料消費量の低減制御を行うことができなくなる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、出力電圧を可変とする車載発電装置によって充電可能な2次電池について、その充電状態を適切に推定することのできる2次電池の充電状態推定装置及びこれを搭載する充電制御システムを提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
請求項1記載の発明は、出力電圧を可変とする車載発電装置によって充電可能な2次電池について、その充電状態を推定する2次電池の充電状態推定装置において、前記発電装置の出力電圧の変動量が所定以下である場合、該所定以下となってから過渡的な挙動を経て前記2次電池の充電状態及び前記出力電圧に応じた値へと前記2次電池の流出入電流が収束する際の収束値と前記出力電圧及び前記充電状態との関係情報に基づき、前記充電状態を推定する推定手段を備えることを特徴とする。
発電装置の出力電圧を変化させて固定する場合、2次電池に充電される電流又は2次電池から放電される電流(2次電池の流出入電流)は、切り替えに伴って一旦上昇した後、漸減し、2次電池の充電状態(2次電池の放電能力を定量化した物理量)及び出力電圧に応じた所定値へと収束することが発明者らによって見出されている。上記発明では、この点に着目し、上記関係情報を用いることで、充電状態を適切に推定することができる。
なお、「発電装置の出力電圧の変動量が所定以下である場合」とは、2次電池の充電状態と出力電圧とに応じた収束値についての、出力電圧の変動に伴う変動量が無視し得る程度であることをいう。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記推定手段は、前記発電装置の出力電圧の変動量が所定以下である際の前記流出入電流についての複数の検出値を入力として、前記充電状態を推定することを特徴とする。
複数の検出値には、流出入電流の挙動に関する情報が含まれている。特に、この検出値が流出入電流の収束前のものである場合には、収束値へと収束していく際の電流の挙動に関する情報が含まれ、これから収束値を推定することが可能となる。また、検出値が収束時のものを含む場合には、検出値の変動量が所定以下となることで収束値を特定することができる。上記発明では、この点に着目し、2次電池の充電状態を適切に推定することができる。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明において、前記推定手段は、前記複数の検出値によって前記収束値を推定しつつ前記充電状態を推定することを特徴とする。
上述したように、発電装置の出力電圧を変化させて固定する場合、2次電池に充電される電流又は2次電池から放電される電流(2次電池の流出入電流)は、切り替えに伴って一旦上昇した後、漸減し、充電状態及び出力電圧に応じた所定値へと収束する。ただし、収束までに要する所要時間は、通常10秒程度かかる。このため、様々な要求に応じて出力電圧を可変とする構成においては、流出入電流が収束するのに十分な時間にわたって出力電圧が固定される際に限って充電状態を推定したのでは、推定頻度を十分に確保することができなくなるおそれがある。この点、上記発明では、複数の検出値に基づき上記収束値を推定することで、電流値が収束するまで出力電圧の変動量が所定以下の状態が継続しなかったとしても、収束値に関する情報を取得することができる。このため、これに基づき充電状態を推定することができ、ひいては推定頻度を高く維持することができる。
なお、上記推定手段は、前記複数の検出値からなる検出値群についての互いに異なる複数の検出値群間で、同一の収束値を推定可能な態様にて前記推定を行うものとする。これは、上記所定値へと収束するまでの過渡的な挙動が充電状態及び出力電圧によっては一義的に定まらず、出力電圧の変動量が所定以下となるまでの2次電池の充放電の履歴に依存することによる。このため、充電状態が同一であったとしても、検出値群は互いに相違することがあるため、これら互いに相違する検出値群から同一の所定値を推定することができる処理を施すことが要求される。
請求項4記載の発明は、請求項3記載の発明において、前記推定手段は、前記複数の検出値に基づき、前記流出入電流の時間変化を推定する関係式を導出する導出手段と、該導出された関係式に基づき前記収束値を算出する算出手段と、該算出された収束値と前記関係情報とに基づき、前記充電状態を推定する手段とを備えることを特徴とする。
上記発明では、関係式を用いることで、収束値を適切に推定することができる。
なお、前記関係式は、前記複数の検出値からなる検出値群についての互いに異なる複数の検出値群間で、同一の収束値を推定可能な態様にて導出されるようにする。これは、上記所定値へと収束するまでの過渡的な挙動が充電状態及び出力電圧によっては一義的に定まらず、出力電圧の変動量が所定以下となるまでの2次電池の充放電の履歴に依存することによる。このため、充電状態が同一であったとしても、検出値群は互いに相違することがあるため、これら互いに相違する検出値群から同一の所定値を推定することができるように関係式を導出することが要求される。
こうした関係式は、例えば前記複数の検出値に基づき2つ以上のパラメータを調節可能な関係式とすることで実現することが可能となる。
請求項5記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発明において、前記推定手段は、前記推定に際し、前記2次電池の温度を加味することを特徴とする。
出力電圧と充電状態とから定まる収束値は、温度に依存して変動し得る。詳しくは、温度が高いほど収束値は大きくなる。上記発明では、この点に鑑み、充電状態の推定に際して温度を加味することで、温度変化による収束値と充電状態との関係の変動を補償しつつ充電状態を高精度に推定することができる。
請求項6記載の発明は、請求項3〜5のいずれか1項に記載の2次電池の発明において、前記推定手段は、前記出力電圧の変動量が所定以下である期間において、前記2次電池の流出入電流の検出値が前記充電状態及び前記出力電圧に応じた値へと実際に収束すると判断される場合、前記収束する検出値に基づき、前記2次電池の充電状態を推定することを特徴とする。
上記発明では、流出入電流が実際に収束する場合には収束する検出値を用いて充電状態を推定するために、充電状態を極力高精度に推定することができる。
請求項7記載の発明は、請求項6記載の発明において、前記2次電池の充放電の履歴を定量化する履歴定量化手段を更に備え、前記推定手段は、前記充放電の履歴に基づき、前記流出入電流が前記出力電圧及び前記充電状態に応じた収束値へと収束するまでの所要時間を算出する手段を備え、前記所要時間に基づき、前記2次電池の流出入電流の検出値が実際に収束するか否かの判断を行うことを特徴とする。
上記発明では、所要時間を用いることで、出力電圧の変動量が所定以下である期間が所要時間以上となる際の検出値を収束値として用いることができる。このため、例えば検出値の変動量が所定以下となる場合の検出値を収束値として用いる場合と比較して、検出値を用いた充電状態の推定頻度を増大させることができる。
請求項8記載の発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載の発明において、前記推定手段は、前記発電装置による前記2次電池の充電がなされる場合に前記推定を行うことを特徴とする。
車載2次電池にあっては、常時所定以上の電力の供給が可能なようにその充電状態が制御される傾向にある。このため、発電装置の出力電圧が低く設定される際の制限は、高く設定される際の制限よりも厳しくなる傾向にある。一方、上記関係情報に基づき2次電池の充電状態を推定するためには、出力電圧を大きく変化させることが望ましい。この点、上記発明では、2次電池の充電がなされる場合に充電状態を推定することで、関係情報を用いた充電状態の推定頻度を高く維持することができる。
なお、請求項8記載の発明は、前記発電装置は、車載内燃機関の出力軸の回転力によって回転するものであり、前記出力電圧は、前記車両の減速運転時に前記2次電池の充電を促進することができる値である充電促進値に設定されるものであり、前記推定手段は、前記出力電圧が前記充電促進値とされている場合に前記推定を行うことを特徴としてもよい。
この場合、出力電圧が充電促進値に固定される期間は、通常、流出入電流が収束されるまでの時間よりも短いため、請求項3〜5の発明特定事項を備える発明の作用効果を特に好適に奏することができる。
請求項9記載の発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載の発明において、前記2次電池及び前記発電装置には、電気負荷が接続されており、前記推定手段は、前記2次電池の放電がなされる場合に前記推定を行うことを特徴とする。
請求項10記載の発明は、請求項1〜8のいずれか1項に記載の発明において、前記2次電池及び前記発電装置には、電気負荷が接続されており、前記推定手段は、前記発電装置による前記2次電池の充電がなされる状況下、前記発電装置が前記2次電池に供給可能な電流量が所定以上の場合に、前記推定を行うことを特徴とする。
発電装置が2次電池に供給可能な電流量が小さい場合、2次電池に供給される電流量は、出力電圧と充電状態とに応じて定まる収束値よりも小さくなり、上記関係情報に基づく充電状態の推定を適切に行うことができなくなる。この点、上記発明では、供給可能な電流量が収束値以上となる状況を供給可能な電流量が所定以上となる状況として、こうした状況下において推定を行うことで、推定を高精度に行うことができる。
請求項11記載の発明は、請求項1〜10のいずれか1項に記載の発明において、前記発電装置は、車載内燃機関の出力軸の回転力によって回転するものであって且つ、発電に伴う前記内燃機関の燃料消費量の増量量に応じて前記出力電圧が可変とされるものであることを特徴とする。
上記発明では、燃料消費量の増量量に応じて出力電圧が可変とされるために、出力電圧が頻繁に変化する傾向にある。このため、出力電圧の変動量が所定以下である場合に限って上記関係情報を用いることが特に有効となる。また、本発明によれば、出力電圧の変動量が所定以下である期間が比較的短くなる傾向にあるため、流出入する電流が収束する前に出力電圧が変更される現象が頻繁に生じると考えられる。このため、請求項3〜5のいずれかに記載の発明特定事項を備える発明に適用するなら、その作用効果を特に好適に奏することができる。
請求項12記載の発明は、請求項1〜11のいずれか1項に記載の発明において、前記発電装置は、車載内燃機関の出力軸の回転力によって回転するものであり、前記出力電圧は、発電に伴う前記内燃機関の燃料消費量の増量量が閾値以下となる第1の状況下において前記2次電池への充電を促進するための値に設定されて且つ、前記発電に伴う前記内燃機関の燃料消費量の増量量が前記閾値よりも大きくなる第2の状況下において前記2次電池の充電状態に応じて設定されることを特徴とする。
上記発明によれば、燃料消費量の増量量が小さい場合に発電装置の発電量を増量させることで2次電池の充電量を増量させることができ、且つ燃料消費量の増量量が大きい場合に上記小さい場合に充電された電流を放電させることができるため、燃料消費量を好適に低減させることができる。ただし、こうした制御を高精度に行うためには、都度の充電状態を高精度に把握している必要がある。このため、本発明は、請求項1〜11の発明を適用するメリットが特に大きいものとなっている。
請求項13記載の発明は、請求項1〜12のいずれか1項に記載の2次電池の充電状態推定装置と、前記発電装置とを備えることを特徴とする充電制御システムである。
上記充電制御システムは、推定手段によって充電状態を適切に推定することができるため、その利用価値が高いものとなっている。
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかる2次電池の充電状態推定装置及び充電制御システムをガソリン機関を動力発生装置とする車両の2次電池の充電状態推定装置及び充電制御システムに適用した第1の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に、本実施形態にかかるシステムの全体構成を示す。
発電装置10は、発電機としてのオルタネータ12と、オルタネータ12の出力を制御する制御回路としてのレギュレータ14とを備えて構成されている。ここで、オルタネータ12は、そのロータが、ガソリン機関(内燃機関20)のクランク軸22と機械的に連結されており、クランク軸22の回転力によってロータが回転するものである。
発電装置10のバッテリ端子TBには、鉛蓄電池としてのバッテリ30が接続されている。そして、バッテリ30には、これと並列に、スイッチ40を介して電気負荷42が接続されている。更に、バッテリ端子TB及びバッテリ30間の給電ラインと、発電装置10のイグニッション端子TIGとは、イグニッションスイッチ44を介して接続されている。そして、イグニッションスイッチ44及びイグニッション端子TIG間には、チャージランプ46が接続されている。
上記バッテリ30の電気負荷の1つとしての電子制御装置(ECU50)は、内燃機関20や、発電装置10を制御対象とするものである。特に、ECU50では、バッテリ30から放電される電流やバッテリ30へと充電される電流を検出する電流センサ52の検出値や、バッテリ30の温度を検出する温度センサ54の検出値に基づき、発電装置10のバッテリ端子TBに印加される電圧(発電装置10の出力電圧)を制御する。詳しくは、ECU50は、発電装置10の指令端子TRに、出力電圧の指令値(指令電圧)を出力する。これにより、レギュレータ14では、出力電圧を指令電圧に制御する。また、ECU50は、発電装置10のモニタ端子TFを介して、発電装置10の発電能力を示す発電状態信号を取り込む。ここで、発電能力とは、レギュレータ14内のスイッチング素子のオン・オフの時比率(詳しくは、オン・オフ周期に対するオン時間の比:Duty)によって定量化される。
上記出力電圧の制御は、バッテリ30の充電状態(SOC:State Of Charge)を許容範囲内としつつも、発電装置10による発電による内燃機関20の燃料消費量の増量量を極力低減するように行われる。ここで、SOCは、バッテリ30の放電能力を定量化した物理量である。詳しくは、バッテリ30の満充電に対する現在の充電量の割合を定量化したものである。SOCは、通常「5時間率容量」や、「10時間率容量」等によって定量化される。バッテリ30は、その端子が開放されているときの電圧である開放端電圧OCVが、SOCに依存することが知られている。詳しくは、SOCが大きいほど、開放端電圧OCVが高くなる。具体的には例えば、SOCが「100%」のときの開放端電圧は、「12.8V」であり、「0%」のときの開放端電圧は、「11.8V」である。
以下、出力電圧の制御について、図2に基づき説明する。図2に、本実施形態にかかる出力電圧の設定処理の手順を示す。この処理は、ECU50により、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS10において、減速運転時であるか否かを判断する。この処理は、オルタネータ12の発電に伴う内燃機関20の燃料消費量の増量量が、他の運転状態と比較して少ない値となるか否かを判断するものである。すなわち、減速時においては、駆動輪側がクランク軸22を回転させる傾向にあるため、オルタネータ12の発電のためのエネルギが駆動輪側から供給されることとなり、燃料消費量が少量(ゼロを含む)となる。なお、減速運転時であるか否かの判断は、例えばアクセルが解放されているとの条件と車速が低下しているとの条件との論理積条件が成立するか否かによって判断すればよい。
そして、ステップS10において肯定判断される場合には、発電に伴う燃料消費量の増量量が他の運転状態と比較して少ないと考えられるため、ステップS12に移行する。ステップS12においては、発電装置10の出力電圧の指令値(指令電圧)を第1の電圧VHに設定する。ここで、第1の電圧VHは、バッテリ30の充電を促進することができる値に設定されている。詳しくは、第1の電圧VHは、SOCが「100%」となるときの開放端電圧OCV(例えば「12.8V」)よりも高い電圧(例えば「14.7V」)に設定される。
一方、ステップS10において否定判断される場合には、オルタネータ12の発電をすることが燃料消費量の低減の観点から特に有利な状況ではないと判断され、ステップS14に移行する。ステップS14においては、加速運転時であるか否かを判断する。この処理は、内燃機関20に対する要求トルクが大きい状況を判断するものである。なお、加速運転時であるか否かは、例えばアクセルが加速側に所定以上操作されているとの条件と車速が上昇しているとの条件との論理積条件が成立するか否かによって判断すればよい。
そして、ステップS14において肯定判断される場合には、ステップS16において、指令電圧を上記第1の電圧VHよりも低い第2の電圧VLに設定する。ここで、第2の電圧VLは、バッテリ30の放電を促進する電圧に設定されている。
これに対し、ステップS14において否定判断される場合には、ステップS18において、SOCを一定値に保つように、指令電圧を調節する制御を行う。
なお、上記ステップS12、S16,S18の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。
上記指令電圧の設定によれば、内燃機関20の燃料消費量の増量量が少ないところで発電した電気エネルギをそれ以外の状況下において消費することで、燃料消費量を低減することが可能となる。ただし、ステップS18において参照するSOCの精度が低い場合には、上記一連の処理による燃料消費量の低減効果が低下するおそれがある。すなわち、この場合、ステップS18において実際のバッテリ30のSOCが目標とする値よりも大きくなるように制御されるおそれがあり、この場合、ステップS12における充電可能な量が減少する。したがって、発電に伴う燃料消費量の増量量が少ないところで極力バッテリ30の充電を行うことができなくなる。
そこで、本実施形態では、SOCを以下の態様にて推定することで、SOCの推定精度を高く維持する。図3に、発電装置10の出力電圧が増大された後のバッテリ30へ充電される電流の挙動を示す。図示されるように、出力電圧をステップ状に増大させた場合、バッテリ30の充電電流は、一旦上昇した後、漸減し、出力電圧とSOCとに応じて定まる所定値に収束することが発明者らによって見出されている。ただし、充電電流が収束値へと収束するまでの過程における充電電流の挙動は、これら出力電圧とSOCによっては一義的に定まらず、バッテリ30の状態に応じて変動する。ここで、充電電流の挙動に影響を与えるバッテリ30の状態は、出力電圧の変更直前の分極状態であると考えられる。ここで分極とは、バッテリ30の電極近傍の硫酸イオンの濃度分布等に起因した現象であり、分極状態は、バッテリ30の充電及び放電の履歴に応じて定まる。
このため、本実施形態では、分極状態を分極相関量Pとして定量化する。図4に、分極相関量Pの算出手法を示す。この処理は、ECU50によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS20において、バッテリ30の電流I(n)を取得する。ここで、「n」は、サンプリング番号を示すパラメータである。続くステップS22においては、前回の分極相関量P(n−1)が、ゼロ以上であるか否かを判断する。この処理は、バッテリ30に充電の影響の方が強く残っているのか、放電の影響の方が強く残っているのかを判断するためのものである。これは、バッテリ30に充電の影響の方が強く残っている場合と放電の影響の方が強く残っている場合とで分極状態の解消速度が相違することに鑑みて設けられるものである。
ステップS22において前回の分極相関量P(n−1)がゼロ以上である場合には、充電の影響の方が強く残っていると判断し、ステップS24において、拡散時定数τを、充電用時定数τcとする。これに対し、ステップS22において否定判断される場合には、放電の影響の方が強く残っていると判断し、ステップS26において、拡散時定数τを、放電用時定数τdとする。ここで、放電用時定数τdは、充電用時定数τcよりも小さい値に設定されている。これは、充電の履歴の方が解消されやすいことを定量的に表した結果である。
ステップS24、S26の処理が完了する場合には、ステップS28に移行する。ステップS28においては、分極相関量P(n)を算出する。ここでは、前回の分極相関量P(n−1)に、2つの項を加算することで分極相関量P(n)を算出する。ここで、第1の項「γ・I(n)・dt」は、充放電の履歴を定量化するためのものである。詳しくは、この一連の処理の周期dtと、充電効率γとに基づき、バッテリ30の電流I(n)に応じた量「γ・I(n)」の時間積分値を算出するための項である。ここで、電流I(n)は、充電時に正、放電時に負となるため、電流I(n)に応じた量の時間積分値によって、充放電の履歴を定量化することができる。なお、充電効率γは、電流I(n)の符号に応じて値を相違させてもよいが、本実施形態では、簡易的に電流I(n)の符号にかかわらず変化しない固定値としている。
もう一つの項「−P(n−1)・dt/τ」は、分極状態の減衰効果(バッテリ30の電極近傍の硫酸の拡散現象)を定量化するためのものである。ここでは、前回の分極相関量P(n−1)と逆符号の量を用いることで、現在の分極状態の減衰を表現している。
なお、ステップS28の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。
図5に、上記分極相関量Pが正である場合における分極相関量Pと、バッテリ30の充電電流との関係を示す。図示されるように、分極相関量Pによって、出力電圧の変更に伴う充電電流の挙動が相違する。また、図6に、分極相関量Pが負である場合における分極相関量Pと、バッテリ30の充電電流との関係を示す。図示されるように、この場合にも、分極相関量によって、出力電圧の変更に伴う充電電流の挙動が相違する。
そこで、本実施形態では、出力電圧に応じたSOCと収束値との関係に基づきSOCを推定すべく、収束までに要する所要時間を分極相関量Pに応じて算出する。図7に、収束値に応じたSOCの推定処理の手順を示す。この処理は、ECU50により、例えば所定周期で繰り返し実行される。
以下では、先の図2のステップS12の処理が開始された直後を想定して充電電流が収束するまでステップS12の処理が継続する場合についての説明をした後、途中でステップS12の処理が終了した場合の処理を説明する。
<SOCの推定完了までの充電処理が継続する場合>
この一連の処理では、まずステップS40において、先の図2のステップS12の処理がなされる旨の定圧充電フラグFcが「1」となっているか否かを判断する。この処理は、指令電圧が第1の電圧VHに固定されてバッテリ30の充電が促進される状況であるか否かを判断するものである。そしてステップS40において否定判断される場合には、ステップS42において、指令電圧が第1の電圧VHに変更された直後であるか否かを判断する。すなわち、前回のこの一連の処理のタイミングにおいては、指令電圧が第1の電圧VHに変更されておらず、今回のタイミングにおいて変更されたか否かを判断する。そして、ステップS42において変更されたと判断される場合には、ステップS44に移行する。ステップS44においては、定圧充電フラグFcを「1」とするとともに、分極相関量P及び温度BTに基づき、充電電流の収束までの所要時間Tを算出する。この処理は、図8に示すものとなる。
図8において、所要時間ベース値算出部B2は、分極相関量Pに基づき、所要時間Tのベース値を算出する。ここで、分極相関量Pが正の領域にあっては、分極相関量Pが大きいほど所要時間Tが長く設定されている。これは、充電分極の影響が強く残っているほど、これが解消されるまでには時間がかかることに鑑みてなされる設定である。これに対し、分極相関量Pが負の領域にあっては、分極相関量Pの絶対値が大きいほど所要時間Tが長く設定されている。これは、放電分極の影響が強く残っているほど、これが解消されるまでには時間がかかることに鑑みてなされる設定である。特に、放電の影響の方が解消されにくいことに鑑み、放電の影響が強く残っている方が充電の影響が強く残っている場合よりも所要時間Tを長くする。これは、本実施形態では、分極相関量Pの絶対値の増加量に対する所要時間Tの伸長量を、分極相関量Pが負の場合の方が大きくすることで行う。
一方、温度補正部B4は、所要時間Tの温度依存性を定量化する。詳しくは、温度が高いほど所要時間Tが長くなることを表現する。本実施形態では、特に、上記ベース値の補正係数KTによって、温度依存性を定量化する。所要時間算出部B6では、ベース値に補正係数KTを乗算することで、所要時間Tを算出する。
先の図7のステップS46においては、バッテリ30の電流I(n)を取得する。そして、ステップS48においては、所要時間Tが経過したか否かを判断する。ここでは、指令電圧が第1の電圧VHに変更された直後であることから、否定判断される。そして、ステップS48において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。
次回この一連の処理が起動される際には、ステップS40において肯定判断されるため、ステップS50に移行する。ステップS50では、指令電圧が第1の電圧VHから他へ変更されたか否かを判断する。この処理は、出力電圧を第1の電圧VHに固定することによるバッテリ30の充電処理が完了するか否かを判断するものである。そして、ステップS50において否定判断される場合には、ステップS46に移行する。以下、所要時間Tが経過するまで、上述したステップS46、S48の処理が繰り返されることとなる。
そして、所要時間Tが経過すると、ステップS52において、バッテリ30の電流の収束値Ifを、現在の電流I(n)とする。続くステップS54においては、SOCの推定が許可されるか否かを判断する。この処理は、出力電圧に応じた収束値とSOCとの関係情報に基づくSOCの推定を適切に行うことができるか否かを判断するためのものである。ここでは、(ア)電流Iのサンプリング期間において発電装置10がバッテリ30に供給可能な電流量が所定以上であるとの条件と、(イ)電流Iのサンプリング期間におけるバッテリ30の充電電流の変動量が所定以下であるとの条件との論理積条件が成立する場合に、SOCの推定を許可する。ここで、上記(イ)の条件は、電流Iの変動が大きい場合には、電気負荷42の消費電流の変動が大きく、SOCの推定誤差も大きくなると考えられることに鑑みてなされるものである。
上記(ア)の条件は、電流Iが収束値と成りえるか否かを判断するものである。これは、バッテリ30を充電可能な電流量が上記収束値以下の場合には、出力電圧に応じた収束値とSOCとの関係情報に基づく推定を行うことができないことに鑑みてなされるものである。この(ア)の条件は、以下のいずれかの条件とすればよい。
・発電装置10の発電能力が所定以下であること。上述したように、発電能力は、レギュレータ14のDutyのことであり、Dutyが大きく発電能力が高い場合には、電気負荷42への流出電流が大きく、バッテリ30に充電可能な電流量が上記収束値に満たないおそれがある。
・発電装置10の発電電流量が回転速度に応じた閾値以下であること。発電装置10の発電能力は回転速度に依存する。そして、回転速度の割に発電電流が過大である場合、電気負荷42への流出電流が大きく、バッテリ30に充電可能な電流量が上記収束値に満たないおそれがある。
・電気負荷42の消費電流が所定以下であること。電気負荷の消費電流が過度に大きいと、バッテリ30に充電可能な電流量が上記収束値に満たないおそれがあるためである。
ステップS54において肯定判断される場合には、ステップS56において、バッテリ30の温度BT及び収束値Ifに基づき、SOCを推定する。ここで、バッテリ30の温度BTを用いるのは、出力電圧及びSOCに応じた収束値Ifが、温度に応じて変化することに鑑みてなされるものである。詳しくは、温度が高いほど、SOCに対する収束値IFが増大する。このため、バッテリ30の温度BTにかかわらず、SOCを高精度に推定すべく、出力電圧及び収束値IfとSOCとの関係情報の温度依存性を補償しつつSOCを推定する。ここでは、例えば温度BT及び収束値IfとSOCとの関係を定める2次元マップを用いてSOCを推定すればよい。また、これに代えて、収束値IfとSOCとの関係を定めるマップによって算出されるSOCを、温度BTにて補正してもよい。
ステップS56の処理が完了する場合や、ステップS54において否定判断される場合には、ステップS58に移行する。ステップS58においては、電流のサンプリング値を消去する。
<所要時間T内に充電処理が中断する場合>
この場合には、ステップS50において肯定判断されるために、ステップS60に移行する。ステップS60においては、定圧充電フラグFcをゼロとする。続くステップS62においては、バッテリ30の電流のサンプリング数が所定数N以上であるか否かを判断する。この処理は、サンプリング値によって、収束値を精度良く推定することができるか否かを判断するためのものである。そして、ステップS62において肯定判断される場合には、ステップS64において、指令電圧が第1の電圧VHとされている期間におけるバッテリ電流Iのサンプリング値に基づき、第1の電圧VHとされる期間がそのまま継続されていた場合に想定される充電電流の時間発展を表現する関係式fを導出する。
詳しくは、この関係式fは、第1の電圧VHとされる期間が継続してもSOCが変化しないとした場合に想定される充電電流の時間発展を表現するものとする。これによれば、時間が無限に経過する際の関係式fの値を、SOC及び出力電圧に応じた電流値とすることができる。複数のサンプリング値から上記関係式fを導出可能な理由は、第1の電圧VHの変更に伴って充電電流が一旦上昇した後漸減する際の充電電流の変化速度が、収束前と比較して収束後の方が非常に小さいことである。すなわち、収束後においては、SOCの緩やかな変化に伴って充電電流が漸減するため、収束前の過渡的な挙動と比較して充電電流の変化速度の絶対値が非常に小さくなる。このため、収束前のサンプリング値を用いるなら、第1の電圧VHとされる期間が永続される際にSOCが変化しないと仮定した仮想的な条件下において想定される電流値と時間との関係を示す関係式を導出することが可能となる。
この関係式fは、時間の経過に伴って電流の減少速度が漸減し所定値(>0)に収束するものとする。この際、複数のサンプリング値からなるサンプリング値群についての互いに異なるサンプリング値群に基づき導出される関係式fが同一の収束値を推定可能との条件を課す。これは、先の図3に示したように、SOCが同一であっても、収束前の過渡的な充電電流の挙動は分極の影響等に起因して一義的に定まらないためである。このため、互いに相違するサンプリング値群から導出される収束値が同一の収束値を推定可能としなければならない。これは、サンプリング値群によって定まる関係式fのパラメータの数を2以上とすることで可能となる。本実施形態では、こうした条件を満たす関係式fとして、「f=a・exp(−bt)+c」を用い、複数のサンプリング値によって、例えば最小2乗法等を用いて3つのパラメータa,b,cを特定する。
続くステップS66においては、関係式fに基づき収束値Ifを推定する。ここでは、上記関係式fの係数(切片)cを収束値Ifとする。そして、ステップS66の処理が完了する場合には、ステップS54に移行する。
こうした処理によれば、指令電圧が第1の電圧VHとなる期間が都度の分極状態に応じた所要時間T以上となる場合には、図9(a)に示すように、所要時間Tの経過時の検出値としての収束値Ifによって、SOCを推定することができる。ここで、特に所要時間Tの経過時の検出値を用いることで、SOCの推定精度を高く維持することができる。すなわち、所要時間Tの経過時は、第1の電圧VHへの変更前の分極の影響が解消するタイミングであるため、充電電流とSOCとの相関関係が最も顕著となるタイミングである。これに対し、所要時間Tの経過時よりも後とすると、SOCが徐々に変化することに加えて、第1の電圧VHとすることによるバッテリ30の充電状態の継続に起因する分極の影響が顕著となることが懸念される。
また、第1の電圧VHを、SOCが「100%」のときの開放端電圧OCVよりも十分に大きくすることで、図9(b)に示されるように、SOCの値に応じて収束値が大きく相違するようにすることができる。このため、SOCの推定精度を高く維持することができる。
一方、指令電圧が第1の電圧VHとなる期間が所要時間Tよりも短い場合には、図9(c)に実線にて示す関係式fに基づき収束値Ifを推定し、これによりSOCを推定することができる。なお、図9(c)において、白丸印は、SOCが互いに異なる3つの値をとるときのそれぞれの電流のサンプリング値であり、関係式fは、指令電圧の変更から6秒までの電流のサンプリング値を用いて導出されたものである。ただし、図9(c)では、関係式fによる電流の推定精度を評価すべく、実際には関係式fの導出に用いる電流のサンプリングの終了後も指令電圧を維持することで、電流のサンプリングを継続している。図示されるように、関係式fは、その導出に用いた電流のサンプリングの終了後における電流と時間との関係を高精度に近似している。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
(1)発電装置10の出力電圧及びSOCとバッテリ30の充電電流の収束値との関係情報に基づき、SOCを推定した。これにより、充電状態を適切に推定することができる。
(2)指令電圧が第1の電圧VHとされてからの充電電流の複数の検出値によって収束値Ifを推定しつつSOCを推定した。充電電流が収束までに要する所要時間Tは、通常10秒程度かかるため、充電電流が収束するのに十分長い時間にわたって指令電圧が固定される際に限ってSOCを推定したのでは、推定頻度を十分に確保することができなくなるおそれがある。この点、本実施形態では、複数の検出値に基づき上記収束値を推定することで、電流値が収束するまで指令電圧の変動量が所定以下の状態が継続しなかったとしても、収束値に関する情報を取得することができる。このため、これに基づきSOCを推定することができ、ひいては推定頻度を高く維持することができる。
(3)充電電流の複数の検出値に基づき、充電電流の時間変化を推定する関係式fを導出し、導出された関係式fに基づき収束値を算出し、算出された収束値に基づきSOCを推定した。これにより、収束値を適切に推定することができる。
(4)収束値に基づきSOCを推定する際に、バッテリ30の温度を加味した。これにより、温度変化による収束値とSOCとの関係の変動を補償しつつSOCを高精度に推定することができる。
(5)指令電圧が第1の電圧VHに固定される期間が所要時間T以上となる場合、充電電流の検出値に基づき、バッテリ30のSOCを推定した。これにより、SOCを極力高精度に推定することができる。
(6)分極相関量Pに基づき所要時間Tを算出した。これにより、所要時間Tを適切に算出することができる。
(7)発電装置10によるバッテリ30の充電がなされる場合にSOCの推定を行った。ここで、出力電圧に応じた収束値がSOCに応じて変化するようにするためには、出力電圧をバッテリ30の開放端電圧OCVから大きく離間させることが望ましい。一方、指令電圧を低く設定することについては、指令電圧を高く設定する場合より、厳しい制約が課せられる傾向にある。この点、本実施形態では、バッテリ30の充電がなされる場合にSOCを推定することで、出力電圧に応じた収束値とSOCとの関係情報を用いたSOCの推定頻度を高く維持することができる。
(8)発電装置10によるバッテリ30の充電がなされる状況下、発電装置10がバッテリ30に供給可能な電流量が所定以上の場合に、推定を行った。これにより、推定を高精度に行うことができる。
(9)発電に伴う内燃機関20の燃料消費量の増量量に応じて指令電圧を可変とした。これにより、充電電流が収束する前に指令電圧が変更される現象が頻繁に生じると考えられるため、関係式fに基づき収束値Ifを推定することが特に有効である。
(10)減速時において指令電圧をバッテリ30への充電を促進するための第1の電圧VHに設定して且つ、定常運転時においてSOCに応じて指令電圧を設定した。こうした指令電圧の設定によれば、燃料消費量の低減を図るために都度のSOCを高精度に把握していることが要求される。ここで、指令電圧が第1の電圧VHとなる都度SOCを推定することができる本実施形態によれば、SOCの推定精度を高く維持することができるため、燃料消費量を好適に低減することができる。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
本実施形態では、発電装置10の出力電圧が固定されてバッテリ30が放電される際に、SOCを推定する。
図10に、本実施形態にかかるSOCの推定処理の手順を示す。この処理は、ECU50により、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図10において、先の図7に示した処理に対応する処理には、便宜上同一のステップ番号を付している。
この一連の処理においては、ステップS40aにおいて、先の図2のステップS16の処理が実行される旨の定圧放電フラグFdが「1」となっているか否かを判断する。そして、ステップS40aにおいて否定判断される場合には、ステップS42aにおいて、指令電圧が第2の電圧VLに変更された直後か否かを判断する。そして、ステップS42aにおいて肯定判断される場合には、ステップS44aにおいて、先の図7のステップS44における処理のうち定圧充電フラグFcに代えて、定圧放電フラグFdを「1」とする処理を行う。一方、ステップS40aにおいて肯定判断される場合には、ステップS50aにおいて、指令電圧が第2の電圧VLから他へ変更された直後であるか否かを判断する。そして、ステップS50aにおいて肯定判断される場合には、ステップS60aにおいて、定圧放電フラグFdを「0」とする。更に、先の図7のステップS54に代えて、ステップS54aでは、上記(イ)の条件と、(ウ)電気負荷42の消費電流量が所定以上であるとの条件とが成立している場合に、SOCの推定を許可する。これは、電気負荷42の消費電流量が過度に小さいと、バッテリ30の放電電流の収束値が、出力電圧及びSOCに応じた値とならないことに鑑みてなされるものである。その他の処理は、先の図7に示したものと同様である。
以上説明した本実施形態によっても、先の第1の実施形態の上記(1)〜(6)、(9)、(10)の効果を得ることができる。
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記各実施形態では、指令電圧が固定される期間が所要時間Tに満たない場合に限って、関係式に基づき収束値を推定したがこれに限らない。例えば常時関係式に基づき収束値を推定するようにしてもよい。ただし、推定される収束値の信頼性を電流の検出値に基づき評価する手段を更に備えることが望ましい。ここで、信頼性の評価手段としては、例えば指令電圧の変更直前の検出値が推定される収束値よりも所定以上小さい場合には、信頼性が低いと評価する手段としてもよい。これにより、信頼性が低いと評価された収束値に基づくSOCの推定を禁止したり、推定されたSOCを無効としたりすることができる。
・バッテリ30の充電電流又は放電電流(流出入電流)を推定する関係式としては、上記実施形態で例示したものに限らない。例えば「f=a/(t・t)+b/t+c」や「f=a/t+b」、「1/(at+b)+c/t」でもよい。
・バッテリ30の流出入電流の複数の検出値に基づくその後の流出入電流の挙動の推定手法としては、関係式に基づくものに限らない。例えば3つ以上の検出値について、時系列的に互いに隣接する検出値同士の差と、時系列上の最も古い検出値とを入力として、収束値を算出する手段としてもよい。この手段は、例えば上記複数の差及び最も古い検出値と収束値との関係を定めたマップを用いて構成することができる。また例えば、上記差に基づき検出値の減少速度の減速度を算出し、算出した減速度に基づき減少度合いがゼロとなるまでの電流の減少量を算出することで収束値を推定する手段としてもよい。なお、こうした手段にも、複数のサンプリング値からなるサンプリング値群についての互いに異なるサンプリング値群から同一の収束値を推定可能との条件を課す。
・バッテリ30の充放電の履歴に基づく分極相関量Pの算出手法としては、上記各実施形態で例示したものに限らない。例えば先の図4におけるステップS30の式において、硫酸の拡散を定量的に表現する項「−P(n−1)・dt/τ」を除去してもよい。
・上記各実施形態では、所要時間経過時のバッテリ30の電流値や、関係式から推定されたバッテリ30の電流の収束値に基づき、SOCを推定したが、これに限らない。例えば、指令電圧が固定されている期間においてバッテリ30の電流値の検出値の変動量が所定以下となる際の検出値に基づき収束値を特定し、これに基づきSOCを推定してもよい。
・発電に伴う燃料消費量の増量量に応じて出力電圧を可変とする制御としては、上述したものに限らない。例えば、先の図2において、ステップS10にて否定判断される場合には、常時ステップS18の処理をしてもよい。また例えば、特開2002−118905号公報や特開2004−260908号公報に見られるように、発電装置による単位発電量あたりの内燃機関の燃料消費量の増量量である電費に基づき、出力電圧を設定するものであってもよい。この場合であっても、出力電圧の変動量が所定以下となる状態が継続するなら、上記各実施形態で例示した要領で、SOCを推定することができる。なお、指令電圧を様々に変更する場合には、指令電圧に応じて所要時間Tが変化することも想定されるため、分極相関量のみならず指令電圧に応じて所要時間Tを算出することが望ましい。また、収束値Ifも指令電圧に応じて変動すると想定されるため、収束値Ifに基づきSOCを推定する際に、指令電圧を加味することが望ましい。
・バッテリ30の電流の検出手法としては、上記電流センサ52の検出値を用いるものに限らず、例えば、電気負荷42の消費電流と、発電装置10の出力電流とから検出してもよい。
・2次電池としては、鉛蓄電池に限らない。この際、分極の影響があるものにあっては、上記所要時間Tの算出や、関係式fによる収束値Ifの推定が特に有効である。
・内燃機関としては、ガソリン機関等の火花点火式内燃機関に限らず、例えばディーゼル機関等の圧縮着火式内燃機関であってもよい。
・内燃機関を単一の動力発生装置として用いる車両に搭載される2次電池に限らず、例えばハイブリッド車に搭載される2次電池であってもよい。
第1の実施形態のかかるシステムの全体構成を示す図。 同実施形態にかかるオルタネータの発電制御の処理手順を示す流れ図。 バッテリへの充電電流の挙動と分極度合いとの関係を示すタイムチャート。 上記実施形態にかかる分極相関量の算出処理の手順を示す流れ図。 上記分極相関量と充電時のバッテリ電流波形との関係を示すタイムチャート。 上記分極相関量と充電時のバッテリ電流波形との関係を示すタイムチャート。 上記第1の実施形態にかかるSOCの推定処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる所要時間Tの設定手法を示す図。 同実施形態にかかるSOCの推定態様を示すタイムチャート。 第2の実施形態にかかるSOCの推定処理の手順を示す流れ図。
符号の説明
10…発電装置、12…オルタネータ、14…レギュレータ、20…内燃機関、22…クランク軸、30…バッテリ、50…ECU(充電状態推定装置の一実施形態)、52…電流センサ、54…温度センサ。

Claims (13)

  1. 出力電圧を可変とする車載発電装置によって充電可能な2次電池について、その充電状態を推定する2次電池の充電状態推定装置において、
    前記発電装置の出力電圧の変動量が所定以下である場合、該所定以下となってから過渡的な挙動を経て前記2次電池の充電状態及び前記出力電圧に応じた値へと前記2次電池の流出入電流が収束する際の収束値と前記出力電圧及び前記充電状態との関係情報に基づき、前記充電状態を推定する推定手段を備えることを特徴とする2次電池の充電状態推定装置。
  2. 前記推定手段は、前記発電装置の出力電圧の変動量が所定以下である際の前記流出入電流についての複数の検出値を入力として、前記充電状態を推定することを特徴とする請求項1記載の2次電池の充電状態推定装置。
  3. 前記推定手段は、前記複数の検出値によって前記収束値を推定しつつ前記充電状態を推定することを特徴とする請求項2記載の2次電池の充電状態推定装置。
  4. 前記推定手段は、前記複数の検出値に基づき、前記流出入電流の時間変化を推定する関係式を導出する導出手段と、該導出された関係式に基づき前記収束値を算出する算出手段と、該算出された収束値と前記関係情報とに基づき、前記充電状態を推定する手段とを備えることを特徴とする請求項3記載の2次電池の充電状態推定装置。
  5. 前記推定手段は、前記推定に際し、前記2次電池の温度を加味することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の2次電池の充電状態推定装置。
  6. 前記推定手段は、前記出力電圧の変動量が所定以下である期間において、前記2次電池の流出入電流の検出値が前記充電状態及び前記出力電圧に応じた値へと実際に収束すると判断される場合、前記収束する検出値に基づき、前記2次電池の充電状態を推定することを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の2次電池の充電状態推定装置。
  7. 前記2次電池の充放電の履歴を定量化する履歴定量化手段を更に備え、
    前記推定手段は、前記充放電の履歴に基づき、前記流出入電流が前記出力電圧及び前記充電状態に応じた収束値へと収束するまでの所要時間を算出する手段を備え、前記所要時間に基づき、前記2次電池の流出入電流の検出値が実際に収束するか否かの判断を行うことを特徴とする請求項6記載の2次電池の充電状態推定装置。
  8. 前記推定手段は、前記発電装置による前記2次電池の充電がなされる場合に前記推定を行うことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の2次電池の充電状態推定装置。
  9. 前記2次電池及び前記発電装置には、電気負荷が接続されており、
    前記推定手段は、前記2次電池の放電がなされる場合に前記推定を行うことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の2次電池の充電状態推定装置。
  10. 前記2次電池及び前記発電装置には、電気負荷が接続されており、
    前記推定手段は、前記発電装置による前記2次電池の充電がなされる状況下、前記発電装置が前記2次電池に供給可能な電流量が所定以上の場合に、前記推定を行うことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の2次電池の充電状態推定装置。
  11. 前記発電装置は、車載内燃機関の出力軸の回転力によって回転するものであって且つ、発電に伴う前記内燃機関の燃料消費量の増量量に応じて前記出力電圧が可変とされるものであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の2次電池の充電状態推定装置。
  12. 前記発電装置は、車載内燃機関の出力軸の回転力によって回転するものであり、
    前記出力電圧は、発電に伴う前記内燃機関の燃料消費量の増量量が閾値以下となる第1の状況下において前記2次電池への充電を促進するための値に設定されて且つ、前記発電に伴う前記内燃機関の燃料消費量の増量量が前記閾値よりも大きくなる第2の状況下において前記2次電池の充電状態に応じて設定されることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の2次電池の充電状態推定装置。
  13. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の2次電池の充電状態推定装置と、
    前記発電装置とを備えることを特徴とする充電制御システム。
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