JP2009226996A - 劣化度合算出装置及び劣化度合算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの種類、グレード等に影響されず、一律に、良好にバッテリの劣化状態を判定することができる劣化度合算出装置及び劣化度合算出方法を提供する。
【解決手段】劣化度合算出装置の処理部は、ＩＧ−ＳＷがオフされたと判定した場合（Ｓ１）、タイマに計時させる（Ｓ２）。そして、所定時間が経過したと判定した場合（Ｓ３）、開放電圧値Ｖ_O を取得する（Ｓ４）。処理部は、Ｖ_O ＞Ｖ_S と判定した場合（Ｓ５）、開放電圧値Ｖ_O を記憶する（Ｓ６）。次に、処理部は、ＩＧ−ＳＷがオンされたと判定した場合（Ｓ７）、放電時電圧値Ｖ_L を取得して（Ｓ８）、αを算出し（Ｓ９）、算出したα、及び予め記憶された基準時のバッテリのα_N に基づきＳＯＨを算出する（Ｓ１０）。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジン始動の際に取得した車載バッテリの開放電圧値及び放電時電圧値に基づき、バッテリの劣化度合を算出する劣化度合算出装置、並びに劣化度合算出方法に関する。

自動車においては、エンジンが回転しているときに、車載発電機によってエンジンの回転力を電力エネルギーに変換し、発生した電力を各種の負荷に供給するとともに、余剰の電力を用いてバッテリの充電を行っている。
自動車のエンジンは、スタータの駆動により始動する。このスタータが駆動する際には、突入電流による大きな電圧降下を伴うため、バッテリから充分な始動電圧が供給される必要がある。したがって、スタータを駆動してエンジンを始動させることが可能となるように、バッテリの充電状態を正確に管理することが重要となる。

従来、バッテリの充電状態を推定するために、劣化度合（以下、ＳＯＨ：State Of Health という）が算出されている。ＳＯＨは、バッテリの満充電容量の、基準時の満充電容量に対する割合で表される。

特許文献１には、内燃機関に固有の抵抗値と、バッテリの内部抵抗値及びＳＯＨの関係とを予め記憶しておき、バッテリの満充電近傍での開放電圧値と内燃機関始動時のバッテリの最大電圧降下における放電時電圧値とを測定してバッテリの内部抵抗値を算出し、前記内部抵抗値及びＳＯＨの関係からＳＯＨを検知するように構成された電池状態検知装置の発明が開示されている。
特開２００５−３０４１７３号公報

バッテリ個体、グレード、製造会社により内部抵抗値は大きく異なり、内部抵抗値の変化の度合も異なるが、特許文献１の電池状態検知装置においては、前記内部抵抗値及びＳＯＨの関係として、一律に、初期内部抵抗値に対応するＳＯＨを１００％とし、内部抵抗値が初期内部抵抗値の数倍になった場合のＳＯＨを０％とするので、ＳＯＨの誤差が大きいという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、開放電圧値及び放電時電圧値から、バッテリの内部抵抗値に対する、基準時の内部抵抗値の割合を算出してＳＯＨを求めることにより、バッテリの種類、グレード等に影響されず、一律に、良好にバッテリの劣化度合を算出することができる劣化度合算出装置、及び劣化度合算出方法を提供することを目的とする。

本発明者は鋭意検討の結果、ＳＯＨがバッテリの電極面積に比例し、内部抵抗値の逆数に比例することに着目し、バッテリの内部抵抗値に対する、基準時の内部抵抗値の割合とＳＯＨとの間に相関関係が成立することを見出して、本発明を完成した。

すなわち、第１発明に係る劣化度合算出装置は、エンジンに連動して発電する車載発電機によって充電されるバッテリのエンジン始動に際しての開放電圧値、及び前記バッテリに所定の負荷を接続して放電した場合の出力電圧値である放電時電圧値を検出し、前記開放電圧値及び放電時電圧値に基づき、前記バッテリの満充電容量の、所定基準時の満充電容量に対する割合で表される劣化度合を算出する劣化度合算出装置において、前記バッテリの前記所定基準時の基準開放電圧値及び基準放電時電圧値を記憶する手段と、記憶した前記基準開放電圧値及び基準放電時電圧値、並びに検出した開放電圧値及び放電時電圧値に基づき、式（１）により前記劣化度合Ｃを算出する手段とを備えることを特徴とする。
Ｃ＝α×（１−α_N ）／｛α_N ×（１−α）｝ ・・・（１）
但し、
α＝Ｖ_L ／Ｖ_O
Ｖ_L ：放電時電圧値
Ｖ_O ：開放電圧値
α_N ＝Ｖ_LN／Ｖ_ON
Ｖ_LN：基準放電時電圧値
Ｖ_ON：基準開放電圧値

第２発明に係る劣化度合算出方法は、エンジンに連動して発電する車載発電機によって充電されるバッテリのエンジン始動に際しての開放電圧値、及び前記バッテリに所定の負荷を接続して放電した場合の出力電圧値である放電時電圧値を検出し、前記開放電圧値及び放電時電圧値に基づき、前記バッテリの満充電容量の、所定基準時の満充電容量に対する割合で表される劣化度合を算出する劣化度合算出方法において、前記バッテリの所定基準時の基準開放電圧値及び基準放電時電圧値を記憶しておき、記憶した前記基準開放電圧値及び基準放電時電圧値、並びに検出した開放電圧値及び放電時電圧値に基づき、式（２）により前記劣化度合Ｃを算出するステップを有することを特徴とする。
Ｃ＝α×（１−α_N ）／｛α_N ×（１−α）｝ ・・・（２）
但し、
α＝Ｖ_L ／Ｖ_O
Ｖ_L ：放電時電圧値
Ｖ_O ：開放電圧値
α_N ＝Ｖ_LN／Ｖ_ON
Ｖ_LN：基準放電時電圧値
Ｖ_ON：基準開放電圧値

上述したように、バッテリの内部抵抗値の、基準時の内部抵抗値に対する割合の逆数とＳＯＨとの間に相関関係が成立する。
本発明においては、各バッテリにつき、開放電圧値及び放電時電圧値から前記割合の逆数を算出してＳＯＨを求めるので、バッテリの種類、グレード等に影響されず、一律にバッテリの劣化度合を算出することができる。

本発明によれば、各バッテリにつき、開放電圧値及び放電時電圧値から、バッテリの内部抵抗値に対する、基準時の内部抵抗値の割合を算出してＳＯＨを求めるので、バッテリの種類、グレード等に影響されず、一律に、良好にバッテリの劣化度合を算出することができる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る劣化度合算出装置２を備える電源制御装置１の概略構成を示すブロック図である。
電源制御装置１は、鉛蓄電池であるバッテリ（車載バッテリ）５と、バッテリ５の劣化度合を算出する劣化度合算出装置２と、バッテリ５の出力電圧値（端子電圧値）を検出して劣化度合算出装置２に与える電圧センサ６とを備えている。劣化度合算出装置２は、マイクロコンピュータを用いてなり、記憶部３１及びタイマ３２を有する処理部３と、出力部４とを備えている。出力部４は、例えば液晶表示装置によって構成されており、劣化度合算出装置２の処理部３が推定したＳＯＨを表示することで、ユーザに警告を行う。

イグニッションスイッチ（以下、ＩＧ−ＳＷという）７をオンにすることにより、バッテリ５からスタータ１３に電力が供給され、バッテリ５と点火装置８とが導通されて、エンジン９の始動動作が開始される。
エンジン９が回転している場合、オルタネータ（交流発電機）１０によってエンジン９の回転力が電力エネルギーに変換され、発生した電力が負荷１１に供給されるとともに、余剰の電力を用いてバッテリ５の充電が行われる。

以下に、上述の構成の劣化度合算出装置２の処理部３の動作を、それを示す図２のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、処理部３は、ＩＧ−ＳＷ７がオフされたか否かを判定する（Ｓ１）。処理部３は、ＩＧ−ＳＷ７がオフされていないと判定した場合（Ｓ１：ＮＯ）、処理をステップＳ１へ戻す。
処理部３は、ＩＧ−ＳＷ７がオフされたと判定した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、タイマ３２に計時を開始させる（Ｓ２）。

次に、処理部３は、所定時間が経過したか否かを判定する（Ｓ３）。処理部３は、所定時間が経過していないと判定した場合（Ｓ３：ＮＯ）、処理をステップＳ３へ戻す。
処理部３は、所定時間が経過したと判定した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、開放電圧値Ｖ_O を取得する（Ｓ４）。前記所定時間は開放電圧値Ｖ_O が安定するために要する時間であり、例えば１２時間が挙げられる。

そして、処理部３は、取得した開放電圧値Ｖ_O がＶ_S より大きいか否かを判定する（Ｓ５）。このＶ_S として、例えば１２．５Ｖが挙げられる。処理部３は、取得した開放電圧値Ｖ_O がＶ_S より小さいと判定した場合（Ｓ５：ＮＯ）、処理をステップＳ４へ戻す。
処理部３は、取得した開放電圧値Ｖ_O がＶ_S より大きいと判定した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、この開放電圧値Ｖ_O を記憶部３１に記憶する（Ｓ６）。この開放電圧値Ｖ_O がエンジン始動に際しての開放電圧値に相当する。

次に、処理部３は、ＩＧ−ＳＷ７がオンされたか否かを判定する（Ｓ７）。処理部３は、ＩＧ−ＳＷ７がオンされていないと判定した場合（Ｓ７：ＮＯ）、処理をステップＳ７へ戻す。
処理部３は、ＩＧ−ＳＷ７がオンされたと判定した場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、放電時電圧値Ｖ_L を取得する（Ｓ８）。

図３は、ＩＧ−ＳＷオン後の経過時間と電流値との関係、及び前記経過時間と電圧値との関係を示すグラフである。図３において、横軸は経過時間、縦軸は電圧値及び電流値である。
図３に示すように、ＩＧ−ＳＷ７がオンされ、スタータ１３が駆動する際の突入電流により大きく電圧降下が生じた場合の放電時電圧値Ｖ_Lを取得する。

次に、処理部３は次式（３）によりαを算出する（Ｓ９）。
α＝Ｖ_L ／Ｖ_O ・・・（３）

そして、処理部３は、ＳＯＨを算出する（Ｓ１０）。
予め、処理部３の記憶部３１には、工場における車両組立完成時、出荷時、車両がエンドユーザに引き渡されたとき、又はエンドユーザに引き渡し後の一定期間内等のバッテリ５が新品、かつ満充電の状態にある場合のバッテリ５の開放電圧値Ｖ_ON、及び負荷Ｌ_s を接続し、放電したときの放電時電圧値Ｖ_LNを用い、次式（４）で算出されるα_N が記憶されている。
α_N ＝Ｖ_LN／Ｖ_ON ・・・（４）

処理部３は、前記α、及びα_N を用いて前記式（１）によりＳＯＨを求める。

式（１）は以下のようにして導出される。
前記負荷Ｌ_s の抵抗値をＲ_S とし、上述の新品時のバッテリ５の内部抵抗値をＲ_BN とすると、これらの抵抗値、開放電圧値Ｖ_ON、及び放電時電圧値Ｖ_LNの間には、次式（５）の関係が成立する。
Ｒ_S ／Ｒ_BN ＝Ｖ_LN／（Ｖ_ON−Ｖ_LN）
＝１／｛（Ｖ_ON／Ｖ_LN）−１｝
＝α_N ／（１−α_N ） ・・・（５）

使用開始後のバッテリ５の内部抵抗値をＲ_B とすると、前記抵抗値Ｒ_S、内部抵抗値Ｒ_B 、開放電圧値Ｖ_O 、放電時電圧値Ｖ_L の間には、次式（６）の関係が成立する。
Ｒ_S ／Ｒ_B ＝Ｖ_L ／（Ｖ_O −Ｖ_L ）
＝１／｛（Ｖ_O ／Ｖ_L ）−１｝
＝α／（１−α） ・・・（６）

Ｒ_S ／Ｒ_BN は初期状態のＳＯＨ、すなわち１００％に対応する。
放電したバッテリ５を放置すると、負極板の表面に硫酸鉛の硬い結晶が発生しやすくなる。この現象はサルフェーション（白色硫酸鉛化）と呼ばれ、負極板の海綿状鉛はサルフェーションによって隙間が埋まり、表面積が低下する。硫酸鉛は電気を通さず抵抗となるので、バッテリ５の内部抵抗値は大きくなる。また、正極板の二酸化鉛は脱落し、表面積が小さくなる。

従って、ＳＯＨは電極板の表面積に比例し、バッテリ５の内部抵抗値の逆数に比例するので、Ｒ_BN ／Ｒ_B を求めることで、初期状態のＳＯＨ（１００％）に対する現在の割合が求められることになり、現在のＳＯＨが求められる。
これを式で表すと、
Ｒ_BN ／Ｒ_B ＝α×（１−α_N ）／｛α_N ×（１−α）｝
となり、式（１）が導出される。

図４は、ＪＩＳ Ｄ５３０１の容量試験によりＳＯＨを算出した場合、及び本実施の形態の方法によりＳＯＨを算出した場合の結果を示すグラフである。横軸は容量試験のＳＯＨ算出値、縦軸は本実施の形態のＳＯＨ算出値であり、（容量試験のＳＯＨ算出値、本実施の形態のＳＯＨ算出値）をプロットした結果を示す。
図４より容量試験のＳＯＨ算出値と、本実施の形態のＳＯＨ算出値との間には、相関関係があることが分かる。

本実施の形態においては、各バッテリ５につき、開放電圧値Ｖ_O 及び放電時電圧値Ｖ_L から、バッテリ５の内部抵抗値Ｒ_B に対する、基準時の内部抵抗値Ｒ_BNの割合を算出してＳＯＨを求めるので、バッテリ５の種類、グレード等に影響されず、一律に、良好にバッテリの劣化状態を判定することができる。

なお、ＳＯＨは、複数回の算出値につき統計処理を行うことで、より精度を向上させることができる。
また、前記実施の形態においては、処理部３が、取得した開放電圧値Ｖ_O がＶ_S より大きいことを判定した上で、後の処理を実行しているがこれに限定されるものではない。
そして、前記実施の形態においては、バッテリ５が鉛蓄電池である場合につき説明しているがこれに限定されるものではない。

本発明の実施の形態に係る劣化度合算出装置を備える電源制御装置の概略構成を示すブロック図である。 劣化度合算出装置の処理部の動作を示すフローチャートである。 ＩＧ−ＳＷオン後の経過時間と電流値との関係、及び前記経過時間と電圧値との関係を示すグラフである。 ＪＩＳ Ｄ５３０１の容量試験によりＳＯＨを算出した場合、及び本実施の形態の方法によりＳＯＨを算出した場合の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 電源制御装置
２ 劣化度合算出装置
３ 処理部
３１ 記憶部
３２ タイマ
４ 出力部
５ バッテリ
６ 電圧センサ
７ イグニッションスイッチ
８ 点火装置
９ エンジン
１０ オルタネータ
１１ 負荷
１３ スタータ

Claims (2)

1. エンジンに連動して発電する車載発電機によって充電されるバッテリのエンジン始動に際しての開放電圧値、及び前記バッテリに所定の負荷を接続して放電した場合の出力電圧値である放電時電圧値を検出し、前記開放電圧値及び放電時電圧値に基づき、前記バッテリの満充電容量の、所定基準時の満充電容量に対する割合で表される劣化度合を算出する劣化度合算出装置において、
   前記バッテリの前記所定基準時の基準開放電圧値及び基準放電時電圧値を記憶する手段と、
   記憶した前記基準開放電圧値及び基準放電時電圧値、並びに検出した開放電圧値及び放電時電圧値に基づき、式（１）により前記劣化度合Ｃを算出する手段と
   Ｃ＝α×（１−α_N ）／｛α_N ×（１−α）｝ ・・・（１）
   但し、
   α＝Ｖ_L ／Ｖ_O
   Ｖ_L ：放電時電圧値
   Ｖ_O ：開放電圧値
   α_N ＝Ｖ_LN／Ｖ_ON
   Ｖ_LN：基準放電時電圧値
   Ｖ_ON：基準開放電圧値
   を備えることを特徴とする劣化度合算出装置。
2. エンジンに連動して発電する車載発電機によって充電されるバッテリのエンジン始動に際しての開放電圧値、及び前記バッテリに所定の負荷を接続して放電した場合の出力電圧値である放電時電圧値を検出し、前記開放電圧値及び放電時電圧値に基づき、前記バッテリの満充電容量の、所定基準時の満充電容量に対する割合で表される劣化度合を算出する劣化度合算出方法において、
   前記バッテリの所定基準時の基準開放電圧値及び基準放電時電圧値を記憶しておき、
   記憶した前記基準開放電圧値及び基準放電時電圧値、並びに検出した開放電圧値及び放電時電圧値に基づき、式（２）により前記劣化度合Ｃを算出するステップ
   Ｃ＝α×（１−α_N ）／｛α_N ×（１−α）｝ ・・・（２）
   但し、
   α＝Ｖ_L ／Ｖ_O
   Ｖ_L ：放電時電圧値
   Ｖ_O ：開放電圧値
   α_N ＝Ｖ_LN／Ｖ_ON
   Ｖ_LN：基準放電時電圧値
   Ｖ_ON：基準開放電圧値
   を有することを特徴とする劣化度合算出方法。

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