JP2009219290A

JP2009219290A - バッテリの制御装置

Info

Publication number: JP2009219290A
Application number: JP2008061908A
Authority: JP
Inventors: Joji Matsubara; 譲二松原; Kazuteru Kurose; 一輝黒瀬; Yasuyuki Hatsuda; 康之初田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP4811611B2

Abstract

【課題】部品点数を増加させることなく低コストでバッテリの安定した開路電圧を検出して残存容量を再設定し、バッテリの状態を的確に管理する。
【解決手段】内部抵抗設定手段１１によりクランキング時の内部抵抗を求め、求められた内部抵抗に基づきソーク時間設定手段１２によりバッテリ３のソーク時間を求め、ソーク時間が所定時間を越えている際に、バッテリの開路電圧が安定する時間を越えているとして、容量制御手段１３によりエンジン２のクランキング時の開路電圧に相関した容量にバッテリの容量を再設定し、タイマ等の部品を用いることなくソーク時間を求めて開路電圧が安定しているか否かの判断を行い、バッテリ３の安定した開路電圧により容量を求めて再設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリの容量を設定するバッテリの制御装置に関する。

自動車等の車両には種々の電気機器（電気負荷）が搭載され、電気負荷の電源としてバッテリが搭載されている。エンジンの駆動により走行動力を得る車両に搭載されたバッテリは、エンジンの駆動による充電と、電気負荷への電力供給による放電が繰り返されている。バッテリの状態を管理するためには、一般的に、満充電の状態からバッテリを流れる電流の収支を計測して残存容量を推定している。

バッテリの容量を推定する場合、電流の収支を計測する電流センサの個体差や検出誤差、バッテリの充電効率の差等により、容量の推定値に多少の誤差が生じてしまう。このため、イグニッションスイッチをオンにした時（キーオン時）における機器への未接続状態での電圧（開路電圧）の状態からバッテリの容量を再設定することが考えられている。

これは、バッテリの開路電圧の電圧値は、ある程度の電圧値まではバッテリの容量に相関していることに基づいている。バッテリの開路電圧により容量を再設定することにより、キーオン時に電流センサの誤差等の影響を最小限に抑制してバッテリの容量が設定され、バッテリの状態を的確に管理することができる。

一般に車両に搭載されるバッテリの開路電圧は、イグニッションスイッチをオフにした時（キーオフ時）からの時間（ソーク時間）が所定時間（数時間）経過した後でなければ安定しないものである。即ち、キーオフの直後にはバッテリの電圧が充電電圧（例えば、１４Ｖ程度）から待機時の開路電圧（例えば、１２Ｖ程度）に低下するが、待機時の開路電圧が安定するまでには所定時間を必要とする。

このため、バッテリの開路電圧から容量を設定するためには、キーオフ時からのソーク時間を把握することが重要となる。キーオフ時における放電量を算出するために、ソーク時間をタイマによりカウントする技術が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術を用いることでソーク時間を容易に把握することができ、安定した状態の開路電圧を検出することが可能になる。

しかし、ソーク時間を把握するために、タイマ（カウンタ）が必要になり、タイマを作動させるための電力も確保する必要がある。このため、バッテリの状態を的確に管理するために部品点数が増加して制御が複雑になり、コスト及び消費電力が多くかかってしまうのが現状であった。

特開２００６−１４９０７０号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、部品点数を増加させることなく低コストでバッテリの安定した開路電圧を検出し、バッテリの状態を的確に管理することができるバッテリの制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明のバッテリの制御装置は、車両に搭載されエンジンの駆動により充電されると共に前記車両の電源となるバッテリの容量を制御するバッテリの制御装置において、前記エンジンのクランキング時の前記バッテリの電流及び電圧により前記バッテリの内部抵抗を求める内部抵抗設定手段と、前記内部抵抗設定手段で求められた前記バッテリの内部抵抗に応じてキーオフ状態から前記クランキング時までのソーク時間を求めるソーク時間設定手段と、前記ソーク時間設定手段で求められたソーク時間が所定時間を越えた際に、前記バッテリの容量を、前記エンジンのクランキング時の開路電圧に相関した容量に再設定する容量制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、クランキング時の内部抵抗を求め、求められた内部抵抗に基づきバッテリのソーク時間を求め、ソーク時間が所定時間、即ち、バッテリの開路電圧が安定する時間を越えている際に、エンジンのクランキング時の開路電圧に相関した容量にバッテリの容量を再設定するので、タイマ等の部品を用いることなくソーク時間を求めて開路電圧が安定しているか否かの判断を行うことができ、バッテリの安定した開路電圧により容量を求めて再設定することができる。このため、部品点数を増加させることなく低コストでバッテリの安定した開路電圧を検出し、バッテリの状態を的確に管理することが可能になる。

そして、請求項２に係る本発明のバッテリの制御装置は、請求項１に記載のバッテリの制御装置において、前記内部抵抗設定手段は、前記バッテリの劣化度合いに相関する指標に基づいて前記内部抵抗を補正することを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、バッテリの内部抵抗を劣化度合いに応じて求めることができ、劣化度合いに拘わらずソーク時間を的確に求めることができる。

また、請求項３に係る本発明のバッテリの制御装置は、請求項２に記載のバッテリの制御装置において、前記バッテリの劣化度合いに相関する指標は、前記バッテリの放電電流の積算値であることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、放電電流の積算値により劣化度合いを求めるので、バッテリの使用に応じた劣化度合いを類推することができる。

また、請求項４に係る本発明のバッテリの制御装置は、請求項２に記載のバッテリの制御装置において、前記バッテリの劣化度合いに相関する指標は、前記車両の走行距離であることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、車両の走行距離に応じた劣化度合いを類推することができる。

また、請求項５に係る本発明のバッテリの制御装置は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のバッテリの制御装置において、前記内部抵抗設定手段は、前記バッテリの温度に基づいて前記内部抵抗を補正することを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、内部抵抗が高くなる低温時であっても的確に劣化度合いを類推することができる。

本発明のバッテリの制御装置は、部品点数を増加させることなく低コストでバッテリの安定した開路電圧を検出して残存容量を再設定し、バッテリの状態を的確に管理することができる。

図１には本発明の一実施形態例に係るバッテリの制御装置の概略構成を表すブロック、図２にはバッテリの容量の計測誤差の経時変化、図３には開路電圧の安定状況の経時変化、図４には直流内部抵抗を求めるための電圧と電流の関係、図５にはクランキング時のタイムチャート、図６には直流内部抵抗と走行距離との関係、図７には直流内部抵抗と温度との関係、図８には直流内部抵抗とソーク時間との関係、図９にはバッテリの容量の再設定制御のタイムチャート、図１０にはバッテリの容量と安定時の開路電圧との関係を示してある。

図１に基づいてバッテリの制御装置の概略構成を説明する。

図に示すように、車両１のエンジン２にはオルタネータを介してバッテリ３が接続され、バッテリ３はエンジン２の駆動により充電されると共に車両１（電気負荷）の電源として放電される。バッテリ３には電圧センサ４及び電流センサ５が設けられ、更に、外気温等からバッテリ３の温度を推定する温度センサ８が設けられている。バッテリ３は、エンジン２の駆動による充電と、電気負荷への電力供給による放電が繰り返され、電圧センサ４及び電流センサ５の検出情報がバッテリ３の制御装置である容量演算ユニット６に入力される。容量演算ユニット６では、バッテリ３の満充電状態から、バッテリ３に流れる電流の収支を計測し、バッテリ３の残存容量（容量）が演算されている。

また、車両１には走行距離計９が設けられ、走行距離計９の走行距離情報が車両制御ユニット７に送られる。走行距離計９は、例えば、車輪の回転を検出することで車両１の総走行距離を示す計器である。

図２に示すように、バッテリ３の容量は時間の経過に伴って充放電を繰り返すことにより時間の経過に伴って変化する。バッテリ３の容量は電流センサ５で計測される電流の収支により演算されているが、実際の値での演算値（図中点線で示してある）に対して、電流センサ５の誤差や充電効率等により、計測値での演算値に誤差が生じる（図中実線で示してある）。このため、電圧センサ４で検出される開路電圧に基づいてバッテリ３の容量を再設定し、電流センサ５の誤差や充電効率等による誤差を適宜キャンセルした状態でバッテリ３の容量が管理される。

バッテリ３の開路電圧は、キーオフ時に待機電圧に低下するが、図３に示すように、キーオフから所定時間ｔ（数時間）が経過した後に安定した値となる。このため、電圧センサ４で検出される開路電圧に基づいてバッテリ３の容量を再設定する際には、キーオフ後の開路電圧が安定する所定時間ｔを経過している場合に再設定の処理が実行されるようになっている。

バッテリ３の容量を再設定する制御装置を説明する。

車両１には、エンジン２の統合制御を行なう車両制御ユニット７が備えられ、車両制御ユニット７には走行距離計９が接続されている。また、車両制御ユニット７にはエンジン２のクランキング情報が入力される。車両制御ユニット７はコントローラーエリアネットワーク（ＣＡＮ）により容量演算ユニット６と接続され、ＣＡＮ通信により必要な情報（クランキング情報、走行距離情報等）が授受される。

そして、容量演算ユニット６には、エンジン２のクランキング時におけるバッテリ３の内部抵抗（直流内部抵抗）を演算する（求める）内部抵抗設定手段１１が備えられている。内部抵抗設定手段１１では、クランキング時（キーオン時）に電流センサ５で検出される電流及び電圧センサ４で検出される電圧により、バッテリ３の直流内部抵抗が演算される。

また、容量演算ユニット６には、イグニッションスイッチをオフにした時（キーオフ時）からの時間であるソーク時間（充電・放電を繰り返さない時間）を求めるソーク時間設定手段１２が備えられている。ソーク時間設定手段１２では、直流内部抵抗（直流内部抵抗の増加分）に対応してソーク時間が設定されたマップによりソーク時間が読み出される。

直流内部抵抗はソーク時間が長くなると上昇する傾向が知られている。これは、バッテリ３の極板上に硫酸鉛等の不導体が形成されると考えられるためである。このため、直流内部抵抗の増加分とソーク時間との関係のマップは、例えば、直流内部抵抗の増加に応じてソーク時間が長く設定されたマップとなっており、ソーク時間がある時間を越えて長時間になると直流内部抵抗の増加は頭打ちとなっている。

更に、容量演算ユニット６には、バッテリ３の状態を管理するためにバッテリ３の容量を適宜に再設定する容量制御手段１３が備えられている。容量制御手段１３では、ソーク時間設定手段１２で求められたソーク時間が所定時間を越えた際に、バッテリ３の開路電圧に対応してバッテリ容量（容量）が設定されたマップにより、エンジン２のクランキング時に記憶された開路電圧に対応した（相関した）容量にバッテリの容量が再設定される。

このため、バッテリ３のソーク時間が所定時間、即ち、バッテリ３の開路電圧が安定する時間を越えている際に、エンジン２のクランキング時の開路電圧に対応した容量にバッテリの容量を再設定するので、タイマ等の部品を用いることなくソーク時間を求めて開路電圧が安定しているか否かの判断を行うことができ、バッテリ３の安定した開路電圧により容量を求めて再設定することができる。従って、部品を増加させることなく低コストでバッテリの安定した開路電圧を検出し、バッテリの状態を的確に管理することが可能になる。

一方、内部抵抗設定手段１１では、バッテリ３の劣化度合いに相関する指標に基づいて直流内部抵抗が補正されるようになっている。具体的には、車両制御ユニット７から送られる走行距離の情報に基づいて直流内部抵抗が補正される。即ち、走行距離と直流内部抵抗との関係を表すマップ（走行距離が長いほど直流内部抵抗が高くなる）が内部抵抗設定手段１１に記憶され、走行距離に応じてマップから読み出された走行距離に起因する直流内部抵抗の上昇分が、電流及び電圧から演算される直流内部抵抗の値から減じられ、劣化による影響が排除された状態でソーク時間に基づいた直流内部抵抗が求められる。

このため、バッテリ３の劣化度合いに拘わらずソーク時間に対応した直流内部抵抗を求めることができ、ソーク時間を的確に求めることができる。

バッテリ３の劣化度合いに相関する指標としては、走行距離に代えて、もしくは、走行距離に加えて、バッテリ３の放電電流の積算値（ソーク時間における暗電流を含む値）を用いることも可能である。放電電流の積算値を用いることで、主に渋滞路を走行する場合や停車（走行待機）時間が多い車両、駐車時間が多い車両等、走行距離に対してバッテリ３の劣化が比例しない車両であっても、バッテリ３の使用に応じた劣化を反映させて直流内部抵抗を求めることができる。

また、内部抵抗設定手段１１では、バッテリ３の温度に基づいて直流内部抵抗が補正されるようになっている。具体的には、温度センサ８の検出情報に基づいて直流内部抵抗が補正される。即ち、バッテリ温度と直流内部抵抗との関係を表すマップ（バッテリ温度が低いほど直流内部抵抗が高くなる）が内部抵抗設定手段１１に記憶され、バッテリ温度に応じてマップから読み出されたバッテリ温度に起因する直流内部抵抗の上昇分が、電流及び電圧から演算される直流内部抵抗の値から減じられ、バッテリ温度による影響を排除された状態でソーク時間に基づいた直流内部抵抗が求められる。

このため、バッテリ３の温度に拘わらず、即ち、バッテリ３の劣化度合いが高くなる低温時であっても、車両環境に応じた劣化度合いを類推することができ、ソーク時間に対応した直流内部抵抗を求めてソーク時間を的確に求めることができる。

図４〜図１０に基づいて、容量演算ユニット６における内部抵抗設定手段１１、ソーク時間設定手段１２及び容量制御手段１３を詳細に説明し、バッテリ３の容量の再設定の作用を説明する。

図４、図５に基づいて直流内部抵抗の演算方法を説明する。

エンジン２のクランキング時の電流及び電圧を検出し、一回のクランキングにおける電流及び電圧の変化をプロットしてその傾きを最小二乗法により求める（図４）。即ち、クランキング時は、図５（ａ）に示すように、スタータがオンになると、図５（ｂ）に示すように、電圧が一時的に低下してその後徐々に待機電圧（例えば、１２Ｖ）に収束し、図５（ｃ）に示すように、一時的にマイナス側の電流（例えば、−３００Ａ）が流れてその後徐々に０Ａに収束する。図５（ｄ）に示すように、スタータがオフになるまでエンジン２の回転速度Ｎｅが上昇し、クランキングが終了した後はアイドル回転に収束する。

この時の電圧と電流の変化状態から傾きを最小二乗法で求めることで、傾きが直流内部抵抗（ｍΩ）となる。
即ち、直流内部抵抗（ｍΩ）＝電圧（Ｖ）÷電流（Ａ）×１０００
となる。

図６に基づいて走行距離による直流内部抵抗の補正を説明する。

クランキング時の電流と電圧により直流内部抵抗（ｍΩ）が演算されると、走行距離に応じた直流内部抵抗（ｍΩ）が加味されて電流と電圧により演算された直流内部抵抗（ｍΩ）が補正される。

即ち、図６に示すように、走行距離と直流内部抵抗との関係がマップ化されて内部抵抗設定手段１１に記憶されている。例えば、走行距離Ｋの時点でクランキング時の電流と電圧により直流内部抵抗（ｍΩ）が演算されてＲ（ｍΩ）となった場合、その時の走行距離に応じた直流内部抵抗（ｍΩ）はｒｋ（ｍΩ）となる。Ｒ（ｍΩ）からｒｋ（ｍΩ）を減じることでｒ（ｍΩ）が走行距離Ｋの時点での走行距離の影響を排除した（バッテリ３の劣化の影響を排除した）直流内部抵抗となる。今回求められた、走行距離Ｋの時点での走行距離の影響を排除した直流内部抵抗の値から、前回に求められた、走行距離の影響を排除した直流内部抵抗の値を減じることで、クランキングまでの時間により変化した直流内部抵抗となる。

図７に基づいてバッテリ温度による直流内部抵抗の補正を説明する。

クランキング時の電流と電圧により直流内部抵抗（ｍΩ）が演算されると、バッテリ温度に応じた直流内部抵抗（ｍΩ）が加味されて電流と電圧により演算された直流内部抵抗（ｍΩ）が補正される。

即ち、図７に示すように、バッテリ温度と直流内部抵抗との関係がマップ化されて内部抵抗設定手段１１に記憶されている。例えば、常温（２０℃前後）の時のバッテリ３の温度に対して、低温状態になるに従って直流内部抵抗が高くなっている。走行距離における補正と同様に、バッテリ温度に基づいて直流内部抵抗が補正され、温度状態に拘わらず、クランキングまでの時間により変化した直流内部抵抗が求められる。

図８に基づいて直流内部抵抗とソーク時間の関係を説明する。

図に示すように、直流内部抵抗（増加分）とソーク時間との関係がマップ化されてソーク時間設定手段１２に記憶されている。ソーク時間が長くなると直流内部抵抗（増加分）の値が高くなり、ソーク時間が所定の時間を過ぎると直流内部抵抗（増加分）の値は略一定の値に収束する。即ち、直流内部抵抗の増加が頭打ちになる。ソーク時間設定手段１２では、内部抵抗設定手段１１で求められた直流内部抵抗（増加分）の値に対応したソーク時間をマップに基づいて読み出す。

このため、タイマ等を使用することなく、バッテリの劣化状態及びバッテリ温度の影響を排除した状態の直流内部抵抗によりソーク時間を求めることができる。このように求められたソーク時間に基づきバッテリ３の容量の再設定が実行される。

図９、図１０に基づいてバッテリ３の容量の再設定の状況を説明する。

図９に示すように、時刻ｔ１でキーオンされ、キーオン直後の数ｍｓｅｃは電気負荷のスイッチに拘わらずコンピュータ以外に電流を流さずにその時の開路電圧を測定して記憶しておく（図９（ｃ）の時刻ｔ１での斜線部分）。時刻ｔ２におけるクランキング時に電圧が低下し、クランキング時の電圧及び電流により直流内部抵抗（走行距離及び温度をより補正された直流内部抵抗）が演算される。時刻ｔ２では直流内部抵抗の変化が僅かである（図８参照）のでソーク時間も短い時間になり、ソーク時間は所定時間を越えていないと判断されて時刻ｔ３でキーオフになるまでエンジンが運転される。

時刻ｔ４で再びキーオンされ、同様にキーオン直後の数ｍｓｅｃは電気負荷のスイッチに拘わらずコンピュータ以外に電流を流さずにその時の開路電圧を測定して記憶しておく（図９（ｃ）の時刻ｔ４での斜線部分）。時刻ｔ５におけるクランキング時に電圧が低下し、クランキング時の電圧及び電流により直流内部抵抗（走行距離及び温度をより補正された直流内部抵抗）が演算される。即ち、図９（ｂ）に示すように、直流内部抵抗の差（増加分）ΔΩが演算される。

直流内部抵抗の差ΔΩが所定値よりも大きくなっている場合、時刻ｔ５では直流内部抵抗の変化が大きくなってソーク時間が長い時間（図８参照）であると判断され、所定時間（数時間）を越えたことが判断される。ソーク時間が所定時間を越えたことが判断された場合、バッテリ３の開路電圧が安定した状態になるので、時刻ｔ４で測定・記憶された開路電圧によりバッテリ容量が求められる。この場合、直流内部抵抗の増加が頭打ちになる領域であっても、図８に示したマップによりソーク時間が所定時間を越えたことが判断される。

安定した状態の開路電圧とバッテリ容量との関係が、図１０に示したようにマップ化され、その時の時刻ｔ４での開路電圧に応じたバッテリ容量が読み出される。図９（ａ）に示すように、バッテリ３の容量が開路電圧に応じて読み出されたバッテリ容量に再設定される。即ち、バッテリ３の安定した状態の開路電圧に応じたバッテリ容量（時刻ｔ４での開路電圧に応じたバッテリ容量）に残存容量がリセットされる。

このため、バッテリ３の残存容量を的確に管理することができ、バッテリ３の状態を正確に管理することができる。即ち、図２に示したように、バッテリ容量は、電流センサ５の誤差や充電効率等により、計測値での演算値に誤差が生じるため、電圧センサ４で検出される開路電圧に基づいてバッテリ３の容量を再設定し、電流センサ５の誤差や充電効率等による誤差を適宜キャンセルした状態でバッテリ３の容量が管理される。バッテリ３の容量を再設定するに際し、安定した状態の開路電圧に応じた容量に残存容量をリセットすることで、正確なバッテリ状態の管理が可能になる。

また、安定した開路電圧を判断するためのソーク時間を求める際に、クランキング時の電圧、電流から求められる直流内部抵抗の変化を用いているので、タイマ（カウンタ）が不要であり、タイマを作動させるための電力も確保する必要がない。このため、バッテリ３の状態を的確に管理するための部品点数が増加せずに制御も複雑になることが無いので、コスト及び消費電力を削減することができる。

上述したバッテリの制御装置では、部品点数を増加させることなく低コストでバッテリ３の安定した開路電圧を検出して残存容量を再設定し、バッテリ３の状態を的確に管理することができる。

本発明は、バッテリの容量を設定するバッテリの制御装置の産業分野で利用することができる。

本発明の一実施形態例に係るバッテリの制御装置の概略構成を表すブロック図である。バッテリの容量の計測誤差の経時変化を表すグラフである。開路電圧の安定状況の経時変化を表すグラフである。直流内部抵抗を求めるための電圧と電流の関係を表すグラフである。クランキング時のタイムチャートである。直流内部抵抗と走行距離との関係を表すグラフである。直流内部抵抗と温度との関係を表すグラフである。直流内部抵抗とソーク時間との関係を表すグラフである。バッテリの容量の再設定制御のタイムチャートである。バッテリの容量と安定時の開路電圧との関係を表すグラフである。

符号の説明

１車両
２エンジン
３バッテリ
４電圧センサ
５電流センサ
６容量演算ユニット
７車両制御ユニット
８温度センサ
９走行距離計
１１内部抵抗設定手段
１２ソーク時間設定手段
１３容量制御手段

Claims

車両に搭載されエンジンの駆動により充電されると共に前記車両の電源となるバッテリの容量を制御するバッテリの制御装置において、
前記エンジンのクランキング時の前記バッテリの電流及び電圧により前記バッテリの内部抵抗を求める内部抵抗設定手段と、
前記内部抵抗設定手段で求められた前記バッテリの内部抵抗に応じてキーオフ状態から前記クランキング時までのソーク時間を求めるソーク時間設定手段と、
前記ソーク時間設定手段で求められたソーク時間が所定時間を越えた際に、前記バッテリの容量を、前記エンジンのクランキング時の開路電圧に相関した容量に再設定する容量制御手段とを備えた
ことを特徴とするバッテリの制御装置。
請求項１に記載のバッテリの制御装置において、
前記内部抵抗設定手段は、
前記バッテリの劣化度合いに相関する指標に基づいて前記内部抵抗を補正する
ことを特徴とするバッテリの制御装置。
請求項２に記載のバッテリの制御装置において、
前記バッテリの劣化度合いに相関する指標は、前記バッテリの放電電流の積算値である
ことを特徴とするバッテリの制御装置。
請求項２に記載のバッテリの制御装置において、
前記バッテリの劣化度合いに相関する指標は、前記車両の走行距離である
ことを特徴とするバッテリの制御装置。
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のバッテリの制御装置において、
前記内部抵抗設定手段は、
前記バッテリの温度に基づいて前記内部抵抗を補正する
ことを特徴とするバッテリの制御装置。