JP2010208539A

JP2010208539A - 電池診断装置

Info

Publication number: JP2010208539A
Application number: JP2009057904A
Authority: JP
Inventors: Keizo Yamada; 惠造山田
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: JP5391749B2

Abstract

【課題】少ないメモリ容量で開回路電圧測定のための電圧変動監視およびエンジン始動時の最低電圧測定のための電圧変動監視が可能な電池診断装置を提供する。
【解決手段】電池診断装置は、一時的に複数の電圧データを格納するためのＲＡＭ、電池の電圧を測定する電圧測定部および電圧測定部で測定された電圧をＲＡＭに記録させるＣＰＵを備えており、ＣＰＵは、車両側機器の負荷およびエンジン始動に応じた複数の記録周期で、電圧測定部で測定された電圧をＲＡＭに記録させる。すなわち、電圧測定部で測定された直近の電圧とＲＡＭに記録された電圧データとの差が設定値ΔＶ１以上か（電圧変動１）を検出し、電圧変動１を検出する前は記録周期Ｔ１で、電圧変動１を検出した後は、所定時間ｔ１の間、記録周期Ｔ１より周期の短い記録周期Ｔ２で記録させる。
【選択図】図２

Description

本発明は電池診断装置に係り、特に、車両に搭載された電池の電池状態を診断する電池診断装置に関する。

自動車（車両）、携帯機器などの高性能化に伴ってそれらに使用される電池の負荷が大きくなるに従い、電池状態の監視と電池状態の制御は近年その重要性がますます大きくなってきている。自動車用電池では、排ガスの削減のために行われているアイドルストップ・スタート（ＩＳＳ）や回生充電などを踏まえ、これらの用途に適した電池状態に電池を保つため、電池状態を正確に検知する技術が望まれている。鉛電池はこれらの用途に応用できる代表的な電池である。

一般に、車両に搭載された電池の正極端子は、イグニッションスイッチの中央端子に接続されている。イグニッションスイッチは、中央端子とは別に、ＯＦＦ端子、ＯＮ／ＡＣＣ端子及びＳＴＡＲＴ端子を有しており、中央端子とこれらの端子のいずれかとは、ロータリー式に切り替え接続が可能である。ＳＴＡＲＴ端子はエンジン始動用セルモータ（スタータ）に接続されており、スタータはクラッチ機構を介してエンジンの回転軸に回転駆動力の伝達が可能である。また、ＯＮ／ＡＣＣ端子は、エアコン、ラジオ、ランプ等の車両側機器及びレギュレータを介してエンジンの回転により発電する発電機（オルタネータ）に接続されている。一方、電池の負極外部出力端子は、グランド電位として車両側機器、スタータおよびレギュレータの他端に接続されている。

このような車載電池の電池状態は電池診断装置により診断される。電池診断装置には、（１）車両のＥＣＵに電池の電池状態を判定する判定部を備えた第一の電池診断装置、（２）車両のＥＣＵからは独立しているがＥＣＵとの通信機能を有する第二の電池診断装置、（３）車両のＥＣＵから独立しＥＣＵとの通信機能を持たない第三の電池診断装置の形態がある。第一、第二の電池診断装置では、ＩＳＳ車両でのアイドルストップ可否判断など、車両のＥＣＵが車両制御で電池状態の診断（判定）結果を利用することを想定しており、末端ユーザ（ドライバ）に電池状態を知らせるシステムを組むことも可能である。一方、第三の電池診断装置は、末端ユーザに電池状態を報知することを想定した構成であり、車両のＥＣＵとの通信手段がないためＥＣＵでの制御は難しく、また、レトロフィット（後付）による使用が想定されるため、コストの点の配慮が特に必要である。

ところで、電池診断装置には大きく分けて２つの機能がある。ひとつは電池の充電状態（ＳＯＣ）診断であり、もうひとつは電池の劣化状態（ＳＯＨ）診断である。充電状態は開回路電圧（ＯＣＶ）から判定するのが一般的であり、ＯＣＶは暗電流が流れた状態または無負荷で長時間放置され安定（分極が解消）した際の電圧として測定される。電圧が安定しているかの判断は、上述した第一、第二の電池診断装置では、車両側機器の通電状態の情報を入手し推定した通電電流と電流しきい値の比較による判断や、電流センサを有する電池診断装置では測定された電流値と電流しきい値との比較判断によって行われる。

一方、第三の電池診断装置では電池端子間の電圧変動からＯＣＶ測定の可否を検知することが考えられ、例えば、オシロスコープでのウィンドウアウトのトリガ設定と同様な手法が適用可能である。具体的には、トリガレベル＝観測された安定電圧±ΔＶとし、この２つのトリガレベルに挟まれた電圧範囲から測定電圧が外れたときに電圧が変動したと判断する。すなわち、予め設定された時間幅の前後の電圧を比較し、その差が所定値以上または以下になったときに電圧変動を検出したと判断する手法である。

また、劣化状態は電池の内部抵抗や高率放電電圧から判定するのが一般的である。車載電池では、エンジン始動時の最低電圧値を測定し劣化状態を判定する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。なお、本発明の周辺技術としては、電池診断装置付き電池を車両に搭載した後に確実に起動させる技術（例えば、特許文献２参照）、電池状態を複数のＬＥＤで表示したりブザーで報知したりする技術（例えば、特許文献３参照）、電池の新品状態でのエンジン始動時の最低電圧値を予め不揮発性メモリに記憶しておき電池の劣化判定に利用する技術（例えば、特許文献４参照）が知られている。

特許第３６７３８９５号ＷＯ／２００６／０５９５１１号公報特開２００８−０８０９７７号公報特開２００８−０９４２１１号公報

図１は、エンジン始動に伴う１４Ｖ系車載電池の外部端子間での典型的な電圧変動を示すグラフである。図中、Ａ領域は、エンジン停止かつイグニッションスイッチがＯＦＦ端子に位置している状態（この状態を以下「イグニッションオフ」という。）、Ｂ領域は、イグニッションスイッチがＯＮ／ＡＣＣ端子に位置した後の状態（この状態を以下「イグニッションオン」という。）、Ｃ領域は、イグニッションスイッチがＳＴＡＲＴ端子に位置しエンジン始動時の状態（厳密には、セルモータに電池から電力が供給されエンジンが始動する直前の状態）、Ｄ領域は、イグニッションスイッチがＳＴＡＲＴ端子に位置しエンジンが始動した後の状態、Ｅ領域は、イグニッションスイッチがＳＴＡＲＴ端子からＯＮ／ＡＣＣ端子に戻されエンジンが作動中の状態を示している。なお、Ｅ領域では、上述したオルタネータが作動し電池を充電する。

図１に示すように、イグニッションオンにより（Ｂ領域）、電池は、例えば、１００ｍｓで１００ｍＶ程度の電圧降下が生じる。このため、イグニッションオンによる電圧変動を検出するには、電池診断装置の電圧測定精度は１００ｍＶ未満、電圧測定周期は１００ｍｓ未満である必要がある。イグニッションオンの状態では上述した車両側機器に数Ａ程度の電流が流れ、長時間そのまま放置すればイグニッションオフで電池の電圧が安定したときにＯＣＶとして測定される電圧よりも０．３Ｖ程度と無視できない電圧降下が生じるので、このような電圧変動を検出した後は再び電圧が安定する（電池の分極状態が解消される）までＯＣＶを測定しないことが望ましい。

車両との通信機能がなく電流センサを持たない（電流監視を行わない）第三の電池診断装置は、低コストでありレトロフィットに好適であるという利点があるが、ＯＣＶの測定のために、電圧を監視し、連続して電圧変動を検出していない時間が十分長いことを確認して、電圧が安定した状態の電池のＯＣＶを測定することが必要である。しかしながら、一般に電圧波形観測により負荷のオン・オフ（電池から車両側機器への電力供給・その停止）による電圧変動をノイズや誤測定の影響を受けずに検出するのは難しく、車両側機器の負荷による電圧変動の特徴の抽出するアルゴリズムは確立されていない。一方、電圧波形から特徴を抽出するにはフーリエ解析やウェーブレット解析が知られているが、ともに処理が複雑なため大量のメモリと高速処理が必要であり、例えば、低コストのワンチップマイコンに実装することは困難である。

また、電池状態を診断するためには、イグニッションオンの他、エンジン始動による電圧変動（Ｃ領域）を検出する必要がある。エンジン始動時には、図１に示すように、１０ｍｓ程度の幅の非常に鋭いパルス状の電圧降下が最初に生じるため（Ｃ領域）、最低電圧値から電池の劣化状態を診断する電池診断装置では、この鋭いパルスのパルス幅より十分短い周期（例えば、１〜２ｍｓ）で電圧を測定する必要がある。マイコンを使用する場合には、ＲＡＭの一部を複数の電圧測定値（電圧データ）を格納するバッファとして確保し、例えば、バッファ中の最古の電圧データと最新の電圧測定値との電圧差が予め設定された所定値以上かを判断することによりエンジン始動時の電圧変動を検知する方法が考えられる。

従って、車両との通信機能がなく電流センサを持たない第三の電池診断装置では、充電状態および劣化状態を診断するために、ＯＣＶ測定における電圧変動の監視（前者）とエンジン始動時の最低電圧測定のための電圧変動監視（後者）との２つの電圧変動監視を行う必要がある。上述したように、前者の電圧測定周期は１００ｍｓ未満であればよいが、後者の電圧測定周期は、精度を確保するために、エンジン始動時の鋭いパルスのパルス幅より十分短い周期で測定する必要がある。また、後者ではスタータへの通電開始タイミングも知る必要がある。前者のタイムスケールは、電圧が安定していること（または、電流が小さい値で安定していること）がＯＣＶ測定タイミングの条件として必要であり、電池の電圧が安定であると判断する際に０．５〜１２時間程度であるのに対し、後者のタイムスケールは１０ｍｓ程度と極めて短い。

前者はタイムスケールが長く電圧変動も微小なため、後者はタイムスケールが極めて短くスタータへの通電タイミングを知るためバッファが必要で、マイコンを使用する場合は、いずれでも例えばＲＡＭに測定した電圧データを格納しておく必要がある。後者の電圧測定周期に前者の電圧測定周期を一致させれば技術的な問題は解決できるが、ＲＡＭの容量を大きくせざるを得ない。また、それぞれ別々にＲＡＭを持つことも考えられるが、同様にＲＡＭの容量を大きくせざるを得ず、コスト上の問題を招く。

本発明は上記事案に鑑み、少ないメモリ容量で開回路電圧測定のための電圧変動監視およびエンジン始動時の最低電圧測定のための電圧変動監視が可能な電池診断装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、車両に搭載された電池の電池状態を診断する電池診断装置において、一時的に複数の電圧データを格納するためのデータバッファと、前記電池の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段で測定された電圧を前記データバッファに電圧データとして記録する記録手段と、を備え、前記記録手段は、前記電池に対する車両側機器の負荷およびエンジン始動に応じた複数の記録周期で、前記電圧測定手段で測定された電圧を前記データバッファに記録することを特徴とする。

本発明において、電圧測定手段で測定された直近の電圧とデータバッファに記録された電圧データとの電圧差が予め定められた設定値ΔＶ１以上かを検出する電圧変動検出手段と、時間を計測する計時手段と、を備え、記録手段は、電圧変動検出手段が設定値ΔＶ１以上の電圧差を検出する前は、電圧測定手段で測定された電圧を記録周期Ｔ１でデータバッファに記録し、電圧変動検出手段が設定値ΔＶ１以上の電圧差を検出した後は、計時手段で計測された所定時間ｔ１の間、電圧測定手段で測定された電圧を記録周期Ｔ１より周期の短い記録周期Ｔ２でデータバッファに記録することが好ましい。

このような態様では、電圧測定手段で測定された電圧が予め定められた電圧値未満まで降下したかを判断することでエンジン停止を判定するエンジン停止判定手段をさらに備え、記録手段は、エンジン停止判定手段がエンジン停止を判定し、かつ、電圧変動検出手段が、所定時間内の電圧変動が所定値未満であることを検出した後、電圧測定手段で測定された電圧を記録周期Ｔ１でデータバッファに記録するようにしてもよい。このとき、エンジン停止判定手段がエンジン停止を判定し、かつ、電圧変動手段が設定値ΔＶ１以上の電圧差を最後に検出した後、計時手段で計測された所定時間ｔ２（ただし、ｔ２＞＞ｔ１）が経過したかを判断し、否定判断のときに、電圧測定手段で測定された電圧が電池の不安定状態における開回路電圧であると判定し、肯定判断のときに、電圧測定手段で測定された電圧が電池の安定状態における開回路電圧であると判定する開回路電圧採否判定手段をさらに備えるようにしてもよい。

また、上記態様において、データバッファに記録された電圧データうちの最低電圧値Ｖｓｔを検索する最低電圧値検索手段をさらに備え、電圧変動検出手段は、設定値ΔＶ１以上の電圧差を検出した後、さらに、電圧測定手段で測定された直近の電圧とデータバッファに記録された電圧データとの電圧差が予め定められた設定値ΔＶ２（ただし、（ΔＶ２の絶対値）＞（ΔＶ１の絶対値））以上かを検出し、最低電圧値検索手段は、電圧変動手段が設定値ΔＶ２以上の電圧差を検出した後、計時手段で計測された所定時間ｔ１の間にデータバッファに記録された電圧データうちの最低電圧値Ｖｓｔを検索するようにしてもよい。このとき、電池の新品状態での最低電圧値（Ｖｓｔ０）を予め記憶しておく不揮発性の記憶手段と、記憶手段に記憶された最低電圧値Ｖｓｔ０と最低電圧値検索手段で検索された最低電圧値Ｖｓｔとの電圧差が所定値以上かを判断することにより電池の劣化判定を行う劣化判定手段と、をさらに備えるようにしてもよい。

上記態様では、記録周期Ｔ１が電圧測定手段による電圧測定周期の２倍以上の整数倍であり、記録周期Ｔ２が電圧測定手段による電圧測定周期の自然数倍であるようにしてもよく、また、電圧変動検出手段は、電圧測定手段で測定された直近の電圧とデータバッファに記録された最古の電圧データとの電圧差が予め定められた設定値以上かを検出するようにしてもよい。

本発明によれば、記録手段が、電池に対する車両側機器の負荷およびエンジン始動に応じた複数の記録周期で、電圧測定手段で測定された電圧をデータバッファに記録するので、少ないメモリ容量で開回路電圧測定のための電圧変動監視およびエンジン始動時の最低電圧測定のための電圧変動監視をすることができる、という効果を得ることができる。

エンジン始動に伴う１４Ｖ系車載電池の外部端子間での典型的な電圧変動を示すグラフである。本発明が適用可能な実施形態の電池診断装置における、バッファへの記録周期、エンジン状態、車載電池に対する車両機器側の負荷、電池の電圧状態および動作モードの関係を模式的に示すタイミングチャートである。電池の開回路電圧の測定処理を示すフローチャートである。電池の電圧変動の検出処理の原理を示すフローチャートである。実施形態の電池診断装置における電圧変動検出処理のフローチャートである。実施例の電池診断装置を模式的に示す外観斜視図である。実施例の電池診断装置の表面に貼着される保護カバーの平面図である。実施例の電池診断装置の回路構成を示すブロック図である。比較例の電池診断装置における、バッファへの記録周期、エンジン状態、車載電池に対する車両機器側の負荷、電池の電圧状態および動作モードの関係を模式的に示すタイミングチャートである。比較例の電池診断装置における電圧変動検出処理のフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明を、１４Ｖ系（公称電圧：１２Ｖ）車載電池を診断する電池診断装置に適用した実施の形態について説明する。

一般に、車載電池の上面には正極外部端子と負極外部端子とが立設されている。本実施形態の電池診断装置は、車載電池の外部端子に接続されており、車載電池を電源として作動する。電池診断装置は、電池の電圧を測定する電圧測定部およびマイコンを備えている。マイコンは、中央演算処理装置として機能するＣＰＵ、プログラムおよびプログラムデータが記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアおよび電圧データを一時的に格納するバッファ１として機能するＲＡＭを有して構成されている。なお、マイコンにはＡ／Ｄコンバータを内蔵しており、Ａ／Ｄコンバータは電圧測定部の出力側に接続されている。

図２は、本実施形態の電池診断装置における、バッファへの記録周期、エンジン状態、車載電池に対する車両機器側の負荷、電池の電圧状態および動作モードの関係を模式的に示すタイミングチャートである。以下、このタイミングチャートを中心に、他の図を参照しつつ、本実施形態の電池診断装置の動作について説明する。

図２に示すように、車両側機器の負荷がオフからオンになる変化を電圧変動１で検出し、バッファ１の記録周期が４０ｍｓから１ｍｓに切り替わる。１ｍｓに切り替わると、エンジン始動を表す電圧変動２を次に検出し、電圧変動２検出から時間ｔ１（例えば、ｔ１＝１２ｍｓ）の間での最低電圧値を劣化判定で使われるＶｓｔとして取得する。電圧変動が小さい（例えば、所定時間（例えば１ｍｉｎ）内の電圧変動が所定値（例えば、０．１Ｖ／ｍｉｎ）未満）ときに負荷オフと判断し、電圧変動１検出またはＯＣＶ測定可の状態検出を待つ。図２では負荷オフ後ＯＣＶ測定可の状態が検出されている。

図３は、電池の（安定状態における）開回路電圧の測定処理を示すフローチャートである。このフローチャートのルーチンでは、電圧変動１を検出したかを判断し（ステップ１０２）、肯定判断のときはカウンタＣ３をクリアして（ステップ１０４）、否定判断のときはカウンタＣ３を１だけインクリメントして（ステップ１０６）、ステップ１０８に進む。ステップ１０８では、カウンタＣ３がｔ２（例えば、６時間で、上述したｔ１より極めて大きい。）以上に相当する値か否かを判断し、否定判断のときは電池が不安定状態にあるとみなして（電池の安定状態におけるＯＣＶとして採用せず）ステップ１０２に戻り、肯定判断のときは電池が安定状態にあるとみなして電圧測定部で測定した電圧をＯＣＶとして採用し（ステップ１１０）、カウンタＣ３をクリアして（ステップ１１２）、ルーチンを終了する。なお、図３以降のフローチャートでは、本来、最初の処理に戻るべき流れを「終了」としているが、カウンタをみても明らかなように、最初の処理に戻る内容を省略して記載したものである。

すなわち、ＯＣＶの測定は十分電圧が安定した状態で行う必要があるため、負荷オフを検出してから、電圧変動１をｔ２時間検知しなければＯＣＶ測定可と判断する。エンジン作動中の負荷オフ誤検出を避けるために、負荷オフの検出は電圧測定部で測定された電圧が予め定められた電圧値（例えば、１３．５Ｖ）未満まで降下したかを判断することでエンジン停止を判定し、かつ、電圧測定部で測定された電圧とバッファ１に記録された電圧とに設定値ΔＶ１以上の電圧差を検出した後とすることが好ましい。ＯＣＶが充電状態判定しきい値以上／未満で、充電状態＝良好／要充電を判断可能であるが、上述のように電圧変動１と負荷オフを検出する処理がなければＯＣＶの測定もできないので、要充電判定する上で電圧変動１と負荷オフを検出する処理は欠かせない。車両ＥＣＵとの通信機能を持つ電池診断装置であれば車両ＥＣＵから負荷オン／オフの情報を受信することも可能であるが、電池から直接配線してＥＣＵで管理不能な条件で電装品を追加するユーザもいるので、本実施形態のように電圧変動を監視して負荷オン／オフを判断する方が信頼性の高い電池診断装置を得ることができる。なお、電池の安定状態で測定したＯＣＶにより、例えば、上述した特許文献３に記載のように、電池の充電状態（ＳＯＣ）をＬＥＤやブザーでユーザに報知するようにしてもよい。

図４は、電池の電圧変動の検出処理の原理を示すフローチャートである。このフローチャートのルーチンでは、電圧測定部で電池の電圧を測定し（ステップ２０２）、カウンタＴ０を１だけインクリメントする（ステップ２０４）。次いで、カウンタＴ０の値がＴｂｕｆ、すなわち、バッファへの記録タイミングか否かを判断し（ステップ２０６）、否定判断のときはステップ２１２に進み、肯定判断のときは電圧測定値をバッファに電圧データとして記録して（ステップ２０８）カウンタＴ０をクリアし（ステップ２１０）、ステップ２１２に進む。ステップ２１２では、バッファ最古のデータと電圧測定部で測定した電圧測定値との電圧差が予め定められた設定値ΔＶ以上か否かを判断する。肯定判断のときは電圧変動を検知（検知）したと判断して（ステップ２１４）ルーチンを終了し、否定判断のときはステップ２０２に戻る。

すなわち、ある時間Δｔ以内でΔＶ以上の電圧変動が起こる場合に、時間遅れなく電圧変動を検出しようとすればΔｔより十分短い時間周期で電圧を測定する必要があるが、その場合、連続して測定される２つの電圧差は小さくなるため、電圧変動と判断できる有意の電圧差が得られるΔｔの時間幅だけ電圧をバッファに記憶し、最古の電圧記録値と直近（最新）の電圧を比較し電圧変動を検出する。図４に示したＴｂｕｆはバッファへの記録周期を表し、おおよそｉｎｔ（Δｔ／Ｔｂｕｆ）で算出される個数だけ測定電圧が記録できるようにバッファの大きさは設定される。バッファへの記録周期Ｔｂｕｆは電圧測定周期１ｍｓの、１以上の整数倍とすることが望ましい。この例では、１ｍｓごとに電圧を測定し電圧変動検知する処理を示すが、Δｔより十分短い時間であれば１ｍｓでなくてもよい。電圧変動１と電圧変動２の検出においても基本的に同様な方法で電圧変動検出が可能であるが、本実施形態ではバッファのメモリ領域を節約する工夫を行う。

図５は、本実施形態の電池診断装置のＣＰＵが実行する電圧変動検出処理のフローチャートである。ＣＰＵは、負荷オフか否かを判断し（ステップ３０２）、肯定判断のときは電圧変動検出モード１（電圧変動１を検出するためのモード）を動作モードとして（ステップ３０４）ステップ３０６に進み、否定判断のときはそのままステップ３０６に進む。ステップ３０６では電圧測定部で電池の電圧を測定し（電圧測定部に接続されたＡ／Ｄコンバータからのデジタル電圧を取り込み）、カウンタＣを１だけインクリメントし（ステップ３０８）、電圧変動検出モード１か否かを判断する（ステップ３１０）。

ステップ３１０での判断が肯定のときには、カウンタＣが記録周期Ｔ１の時間に相当する値に至ったか否かを判断し（ステップ３１２）、肯定判断のときには電圧測定値をバッファ１に記録して（ステップ３１４）カウンタＣをクリアし（ステップ３１６）ステップ３１８に進み、否定判断のときにはステップ３１８に進む。ステップ３１８では、バッファ１に記録された最古の電圧データと直近の電圧測定値との電圧差が設定値ΔＶ１以上か否かを判断する。否定判断のときはステップ３０２に戻り、肯定判断のときは電圧変動１を検知したと判断し（ステップ３２０）、動作モードを電圧変動検出モード２（スタータへの通電開始タイミング（エンジン始動）、すなわち、電圧変動２を検出するモード）に遷移させる（ステップ３２２）。続いて、バッファ１をクリアし（ステップ３２４）、電圧測定値をバッファ１に記録して（ステップ３２６）カウンタＣをクリアした後（ステップ３２８）ステップ３０２に戻る。

一方、ステップ３１０での判断が否定のときは、カウンタＣが記録周期Ｔ２の時間に相当する値に至ったか否かを判断し（ステップ３３０）、肯定判断のときには電圧測定値をバッファ１に記録して（ステップ３３２）カウンタＣをクリアして（ステップ３３４）ステップ３３６に進み、否定判断のときにはステップ３３６に進む。次のステップ３３６では、バッファ１の最古の電圧データと直近の電圧測定値との電圧差が後述する設定値ΔＶ２以上か否かを判断する。否定判断のときはステップ３０２に戻り、肯定判断のときは電圧変動２を検知したと判断し（ステップ３３８）、ステップ３０２に戻る。

従って、本実施形態の電池診断装置は、電圧変動検出モード１と電圧変動検出モード２の動作モードを持ち、電圧変動１検知で電圧変動検出モード２へ遷移し、負荷オフで電圧変動検出モード１へ遷移し、２つの動作モードの間を交互に遷移する。電圧変動検出モード１ではＴ１＝４０ｍｓ周期でバッファ１へデータを記録しΔＶ１＝０．１Ｖ以上の電圧差を検出することで負荷オンに相当する電圧変動１を検出する。電圧変動検出モード２ではＴ２＝１ｍｓ周期でバッファへ１データを記録し、ΔＶ２＝１．５Ｖ以上の電圧差を検出することでエンジン始動に相当する電圧変動２を検出する。電圧測定値の内部変数は、例えば、フルスケール１６Ｖの符号無し２バイト整数とし、この内部変数を２５個記録可能とするためバッファ１の大きさを５０バイト程度とすることができる。

図５に示すように、イグニッションオンによる電圧変動を検知する動作モードとエンジン始動による電圧変動を検知する動作モードとに動作モードを分けることで、データバッファを共有することができ、少ないＲＡＭ容量で低コストのマイコンでも電池診断装置に利用可能となる。バッファの容量は例えば５０バイトであり、２バイト変数２５個を記録する。データの移動による演算負荷を低減するため、バッファ１はリングバッファとすることが好ましい。マイコンの電圧測定周期は例えば１ｍｓであるが、バッファ１への記録周期は必ずしも１ｍｓではなく、１以上の整数としてもよい。線形補間により任意の時間の電圧を算出すれば、バッファ１への記録周期は整数に限定されずにすむが、特に理由がない限り、１以上の整数として線形補間による処理を不要とすることが好ましい。

電圧変動１を検出するための動作モード、換言すれば、イグニッションオンによる電圧変動を検知する動作モードである電圧変動検出モード１では、４０ｍｓごとにバッファ１に測定電圧を記録する。１ｍｓごとに測定電圧とバッファの最古のデータとを比較し、その差ΔＶ１が１００ｍＶ以上であればイグニッションオンと判断する。

イグニッションオンを検知すると、エンジン始動による電圧変動を検知する電圧変動検出モード２に移る。エンジン始動による電圧変動を検知する動作モードでは、１ｍｓごとにバッファに測定電圧を記録する。エンジン始動時に電圧低下開始から電圧最低値Ｖｓｔに至るまでの時間は５ｍｓ程度のため（図１参照）、エンジン始動時の電圧変動を検知する動作モードでのバッファへの記録周期は２ｍｓを上回らないように設定することが望ましい。測定電圧またはバッファの最新の電圧と、バッファの最古の値を比較し、その差ΔＶ２が１．５Ｖ以上であればエンジン始動した（電圧変動２を検出した）と判断する。

エンジン始動検知後、例えば２４ｍｓ間で測定される２５個の電圧値のうちの最低電圧値Ｖｓｔを劣化判定のパラメータとして用いることができる。すなわち、最低電圧値Ｖｓｔは、バッファ１に格納された電圧データ（上記の例に則して云えば２５個の電圧値）のうち、最小の値を有するものを検索することによって検出することができる。上述した特許文献４にはこのような劣化判定の詳細が記載されており、例えば、電池の新品状態での最低電圧値Ｖｓｔ０を予めＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリに記憶しておき、不揮発性メモリに記憶された最低電圧値Ｖｓｔ０と、バッファ１に格納された最低電圧値Ｖｓｔとの電圧差が所定値以上かを判断することにより行うことができる。

なお、最低電圧値Ｖｓｔの測定にバッファは必ずしも必要でないが、バッファを利用することにより処理の負荷が緩和されるようであればバッファに一旦２５個の電圧を記録した後に最低電圧値Ｖｓｔを検索することが好ましい。エンジン始動による電圧変動を検知する動作モードがなければ最低電圧値Ｖｓｔも検知できないので、劣化判定を行う上でエンジン始動による電圧変動を検知する動作モードは欠かせない。

電池診断装置では、上述のイグニッションオンまたはエンジン始動の電圧変動を検出する処理において、バッファ１の利用が必須である。従って、図２において、時間ｔ１経過後に必ずしも電圧変動検出モード２とする必要はなく（例えば、図２では、バッファ１への記録を行わない時間を例示している。）、他にも種々の処理で利用可能である。例えば、１３．５Ｖ以上で、２秒毎に算出する２秒間移動平均の変動範囲が２００ｍＶ以下の状態が５０秒経過したとき、この５０秒間の電圧の平均値を発電機電圧とし、発電機電圧が１５Ｖ以上のときに充電電圧過大の判定を行う機能を付加する場合、２秒毎に算出する２秒間移動平均を２５個のバッファ１に順次記録していけば、上記発電電圧はバッファ１中の電圧値を平均することで算出できる。これらの処理でのバッファ１を共有することによりメモリの少ないマイコンでも多機能が実現可能となる。

上述した記録周期Ｔ１は電圧測定部による電圧測定周期の２倍以上の整数倍であり、記録周期Ｔ２が電圧測定部による電圧測定周期の自然数倍であることが好ましい。メモリの問題は、消費電流とも関係する。本実施形態の電池診断装置は原則的に常時電池を監視しているため、エンジン停止し車両放置中に消費電流が大きいと電池の放電を加速しエンジン始動不能トラブルの原因となるため、消費電流が小さくなるよう設計することが望ましく、そのためには主に以下に述べる３つの方法がある。

一つ目はマイコンのクロックを遅くする方法である。一般にクロックが遅いほどマイコンの消費電流は小さい。クロックあたりの処理量が多いほどクロックを遅く設定できるので、コンパイルオプションで速度優先とすることが望ましい。ソフトウエア動作中にクロック速度を変更できるマイコンの場合は、各動作モードの処理量の大／小に応じてマイコンのクロックを各動作モードで早く／遅く変更することが望ましい。

二つ目はマイコンのスリープモードを利用する方法である。多くのマイコンにはクロック以外のマイコン動作を止めて電流を下げるスリープモードと呼ばれる省電力モードが用意されており、一定時間ごとに一定量の処理を行い、余った時間はスリープモードとすることで消費電流を下げることができる。処理時間が短いほど消費電流が下がるので、一つ目の方法同様、コンパイルオプションで速度優先とすることが望ましい。また、電池の放電に寄与してしまう車両放置中の消費電流を下げる効果があるため、エンジン停止し車両放置中であることを認識するとエンジン動作中に限定される処理をしないなどのプログラムとし、車両放置中の処理量を少なくすることが望ましい。

三つ目の方法は、エンジン停止し車両放置中であることを認識すると、Ａ／Ｄ入力動作の周期を長くする方法である。一般にＡ／Ｄコンバータの入力動作中は消費電流が大きくなるため、Ａ／Ｄコンバータの入力動作の周期が長いと消費電流が下がる。Ａ／Ｄコンバータの入力動作の周期を長くしすぎると、エンジン始動時の最低電圧を適切なタイミングで検出できず大きな誤差が発生するので、エンジン停止中もＡ／Ｄコンバータの入力動作の周期は１０ｍｓ以下あることが望ましい。

以下、上記実施形態に従って作製した実施例の電池診断装置について説明する。なお、比較のために作製した比較例の電池診断装置についても併記する。

（実施例１）
図６に示すように、実施例１の電池診断装置１０は、電池の上蓋に形成された窪みに組み込まれるタイプの小型電池診断装置である。電池診断装置１０は、４個のＬＥＤ１、スイッチ２、ブザー報音孔３および２本のブスバ４を除き、樹脂モールドされてケーシング６内に収容されている。ブスバ４は０．２ｍｍバネ用リン青銅板を打ち抜くことによって作製されている。ブスバ４の両先端部にはリング状で内側に同心円状に１０本のスリットが形成されており、電池の外部端子に勘合する構造が採られている。なお、ブスバ４のケーシング６から導出された近傍には、伸縮吸収用曲げ部５が形成されている。

図７に示すように、ＬＥＤ１およびスイッチ２の上面には、ユーザに電池状態を知らせるための保護カバー９が貼着されている。保護カバー９のＬＥＤ１が位置する箇所には半透明の樹脂製カバー７が配置されており、保護カバー９のスイッチ２が位置する箇所には上方に丸みを持って突出したスイッチカバー８が配置されている。なお、本発明ではこれらの構成は必須の内容ではなく、上述した特許文献３にこれらのＬＥＤ１、スイッチ２について記載されているため、これらの詳細な説明は例示した文献に譲ることとする。

図８は、実施例１の電池診断装置１０の回路構成を示すブロック図である。電池診断装置１０は、測定部１１、演算部１２、電源部１３、記憶部１４、放音部１５および表示部１、入力部２を備えている。測定部１１は、電池電圧をＡ／Ｄコンバータで測定可能な電圧まで降下させる差動増幅回路を有する電圧測定部と、サーミスタ等のセンサで電池の温度を検出する温度測定部とを有している。演算部１２は、１０ビットＡ／Ｄコンバータ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ウォッチドッグタイマ（ＷＤＴ）内蔵の８ビットワンチップマイコンで構成されている。なお、８ビットワンチップマイコンには、時間測定を行うため図示を省略した５ＭＨｚ発振回路が接続されている。電源部１３は、シャントレギュレータＩＣ、基準電源ＩＣ、電池診断装置を車両に搭載した後に確実に起動させる自動起動回路（詳細は上述した特許文献２参照）を備えている。

演算部１２には、不揮発性のＥＥＰＲＯＭからなる記憶部（詳細は上述した特許文献４参照）、表示部１および報音部１５（詳細は上述した特許文献３参照）、入力部２（詳細は上述した特許文献２参照）が接続されている。なお、図７に示すように、４個のＬＥＤ１は、電池のＳＯＨに対して良好、要注意、要交換のいずれにあるか、ＳＯＣに対して要充電、過充電状態かをユーザに報知するために用いられ、スイッチ２は、例えば、上述した自動起動回路を作動させるために用いられる。

実施例１の電池診断装置１０では、ＯＣＶによる充電状態判定と、エンジン始動時の最低電圧（Ｖｓｔ）による劣化判定を行うプログラムをＣ＋＋言語で作成し、コンパイルしたものを搭載した。ＯＣＶ判定とＶｓｔ劣化判定で必要なバッファは図５に示したように共有するようプログラムを作成した。

下表１に、実施例１の電池診断装置１０の演算部１２のＲＡＭ容量を示す。なお、表１において、通常変数とは、プログラムで定義されている変数の内バッファ以外の変数をいい、下表２で示される変数の大きさの合計である。スタックの値は、スタック見積りツールで見積られた値である。ここでのスタックとは、関数間の変数の受け渡しや数式演算などのプログラム実行の過程でプログラムが一時的に使用するＲＡＭ領域をいい、同じプログラムでもマイコンやコンパイラの種類、コンパイルオプションなどによって大きさが変わりうる性格のものである。スタック領域が足りないと不具合が生じるが、コンパイル時にはスタック領域のチェックをコンパイラが行わず、実行中にスタック領域が足りなくなる可能性のあるソフトウエアであってもコンパイル時にはエラーが出ないため、スタック領域をプログラム開発者がチェックできるよう、コンパイラメーカがスタック見積もりツールをコンパイラと別に提供している。実施例１でのバッファ容量は２バイト変数２５個の５０バイトであり、通常変数とスタックを加えても全体１１５バイトであり、ＲＡＭ容量１２８バイトのマイコンが使用可能である。

なお、実施例１の電池診断装置１０では、消費電流を下げるために速度優先のコンパイルオプションを用いた。本例の電池診断装置は常時電池を監視しているため、消費電流が大きいと電池の放電を加速しエンジン始動不能トラブルの原因となるため消費電流が小さくなるよう設計した。すなわち、マイコンのクロックを低くしているため、本実施例では１ｍｓごとに割り込みを行い、一連の作業が終わったら次の割り込みが入るまでマイコンを消費電流の少ないスリープモードとすることで消費電流を少なくし、速度を優先させた。なお、コンパイルオプションとはコンパイル時に設定する優先条件設定のことをいい、例えば、コンパイル後の実行ファイルの大きさが小さくなることを優先したり、ＲＡＭ領域の節約を優先したり、速度を優先したり、というオプション（優先条件）をコンパイルオプションで指定できる。

（比較例１）
比較例１の電池診断装置では、図９に示すように、バッファを共有せず、１ｍｓごとの電圧を２５ｍｓ記憶するバッファ２と４０ｍｓごとの電圧を１秒間記憶するバッファ１をそれぞれ確保した。使用ＲＡＭ容量の内訳を下表３に示す。実施例１よりも使用ＲＡＭ
容量が５０バイト多い。なお、図１０に、比較例１の電池診断装置のＣＰＵが実行する電圧変動検出処理ルーチンを示すが、ステップ４１８、４２４でバッファ２に対する処理を行っている点で図５に示した実施例１の電圧変動検出処理ルーチンと大きく異なっている。また、ステップ４１６では、電圧測定値が１３．５Ｖ未満かを判断することにより、エンジンが作動しているか、停止しているかを判断している。

（比較例２）
比較例２の電池診断装置では、比較例１と同様にバッファを共有せず、さらにバッファへの記録周期を１ｍｓに統一し、１秒間記録することとしてバッファ１、２を確保した。そのようにすることで、エンジン始動検知でのバッファ容量は５０バイト、イグニッションオン検知でのバッファ容量は２０００バイトとなる。使用ＲＡＭ容量の内訳を下表４に示す。実施例１よりも使用ＲＡＭ容量が２０００バイト多い。

（比較例３）
比較例３の電池診断装置では、比較例１と同様にバッファを共有せず、さらにバッファを使用する動作モードに平均電圧演算モードを追加した上でバッファへの記録周期を１ｍｓに統一し、１秒間記録することとしてバッファ１、２を確保した。そのようにすることで、エンジン始動検知でのバッファ容量は５０バイト、イグニッションオン検知でのバッファ容量は２０００バイトとなる。使用ＲＡＭ容量の内訳は表４に示したものと同じである。実施例１よりも使用ＲＡＭ容量が２０００バイト多い。

以上の結果より、ＲＡＭの使用量が少ないので実施例１の電池診断装置１０が優れていることがわかる。ＲＡＭの大きさによってマイコンの単価が異なるので、ＲＡＭの使用量が少ない実施例１の電池診断装置１０を比較例のそれらより低コストで提供することが可能となる。

（作用効果）
次に、本実施形態の電池診断装置の作用効果について説明する。

本実施形態の電池診断装置は、一時的に複数の電圧データを格納するためのＲＡＭ、電池の電圧を測定する電圧測定部および電圧測定部で測定された電圧をＲＡＭに記録させるＣＰＵを備えており、ＣＰＵは、電池に対する車両側機器の負荷およびエンジン始動に応じた複数の記録周期で、電圧測定部で測定された電圧をＲＡＭに記録させる。具体的には、演算部１２にＷＤＴを内蔵し、ＣＰＵは、電圧測定部で測定された直近の電圧とＲＡＭに記録された電圧データとの電圧差が予め定められた設定値ΔＶ１以上か（電圧変動１）を検出し、電圧変動１を検出する前は、電圧測定部で測定された電圧を記録周期Ｔ１でＲＡＭに記録させ、電圧変動１を検出した後は、ＷＤＴで計測された所定時間ｔ１の間、電圧測定部で測定された電圧を記録周期Ｔ１より周期の短い記録周期Ｔ２でＲＡＭに記録させる。このため、イグニッションオンによる電圧変動を検知する電圧変動検出モード１と、エンジン始動による電圧変動を検知する電圧変動検出モード２とでＲＡＭを共有することができ、少ないメモリ容量でＯＣＶ測定のための電圧変動監視およびエンジン始動時の最低電圧測定のための電圧変動監視をすることができる。

また、本実施形態の電池診断装置では、電圧測定部で測定された電圧が予め定められた電圧値（例えば、１３．５Ｖ）未満まで降下したかを判断することでエンジン停止を判定し、かつ、所定時間内の電圧変動が所定値未満であることを検出した後、電圧変動１をｔ２時間検知しなければＯＣＶ測定可と判断する（ステップ１１０）。このため、電池の不安定状態におけるＯＣＶを排除し、安定状態におけるＯＣＶを採用できるので、精度よく電池のＳＯＣを算出することができる。

さらに、本実施形態の電池診断装置では、ＣＰＵは、電圧変動１を検出した後、さらに、電圧測定部で測定された直近の電圧とＲＡＭに記録された電圧データとの電圧差が予め定められた設定値ΔＶ２以上かを検出し、所定時間ｔ１の間にＲＡＭに記録された電圧データうちの最低電圧値Ｖｓｔを検索する。そして、電池の新品状態での最低電圧値Ｖｓｔ０を予め不揮発性メモリに記憶しておき、不揮発性メモリに記憶された最低電圧値Ｖｓｔ０と検索した最低電圧値Ｖｓｔとの電圧差が所定値以上かを判断することにより電池の劣化判定を行う。従って、本実施形態の電池診断装置では、電圧測定部で測定された電圧のみで劣化判定が可能となる。

なお、本実施形態では、背景技術欄で説明した第三の電池診断装置を例示したが、本発明はこれに限らず、上述した第一、第二の電池診断装置にも適用可能である。また、本実施形態では種々の数値や例を挙げて説明したが、本発明はこれらに制限されるものではなく、後述する特許請求の範囲を逸脱しない範囲で公知の技術を組み込んで実施可能であることは論を待たない。

本発明は少ないメモリ容量で開回路電圧測定のための電圧変動監視およびエンジン始動時の最低電圧測定のための電圧変動監視が可能な電池診断装置を提供するものであるため、電池診断装置の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

１０電池診断装置
１１測定部（電圧測定手段の一部）
１２演算部（電圧測定手段の一部、データバッファ、記録手段、電圧変動検出手段、計時手段、エンジン停止判定手段、開回路電圧採否判定手段、最低電圧値検索手段、劣化判定手段）
１４記憶部（記憶手段）

Claims

車両に搭載された電池の電池状態を診断する電池診断装置において、
一時的に複数の電圧データを格納するためのデータバッファと、
前記電池の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段で測定された電圧を前記データバッファに電圧データとして記録する記録手段と、
を備え、
前記記録手段は、前記電池に対する車両側機器の負荷およびエンジン始動に応じた複数の記録周期で、前記電圧測定手段で測定された電圧を前記データバッファに記録することを特徴とする電池診断装置。
前記電圧測定手段で測定された直近の電圧と前記データバッファに記録された電圧データとの電圧差が予め定められた設定値ΔＶ１以上かを検出する電圧変動検出手段と、
時間を計測する計時手段と、
を備え、
前記記録手段は、前記電圧変動検出手段が前記設定値ΔＶ１以上の電圧差を検出する前は、前記電圧測定手段で測定された電圧を記録周期Ｔ１で前記データバッファに記録し、前記電圧変動検出手段が前記設定値ΔＶ１以上の電圧差を検出した後は、前記計時手段で計測された所定時間ｔ１の間、前記電圧測定手段で測定された電圧を前記記録周期Ｔ１より周期の短い記録周期Ｔ２で前記データバッファに記録することを特徴とする請求項１に記載の電池診断装置。
前記電圧測定手段で測定された電圧が予め定められた電圧値未満まで降下したかを判断することでエンジン停止を判定するエンジン停止判定手段をさらに備え、前記記録手段は、前記エンジン停止判定手段がエンジン停止を判定し、かつ、前記電圧変動検出手段が、所定時間内の電圧変動が所定値未満であることを検出した後、前記電圧測定手段で測定された電圧を前記記録周期Ｔ１で前記データバッファに記録することを特徴とする請求項２に記載の電池診断装置。
前記エンジン停止判定手段がエンジン停止を判定し、かつ、前記電圧変動手段が前記設定値ΔＶ１以上の電圧差を最後に検出した後、前記計時手段で計測された所定時間ｔ２（ただし、ｔ２＞＞ｔ１）が経過したかを判断し、否定判断のときに、前記電圧測定手段で測定された電圧が前記電池の不安定状態における開回路電圧であると判定し、肯定判断のときに、前記電圧測定手段で測定された電圧が前記電池の安定状態における開回路電圧であると判定する開回路電圧採否判定手段をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の電池診断装置。
前記データバッファに記録された電圧データうちの最低電圧値Ｖｓｔを検索する最低電圧値検索手段をさらに備え、前記電圧変動検出手段は、前記設定値ΔＶ１以上の電圧差を検出した後、さらに、前記電圧測定手段で測定された直近の電圧と前記データバッファに記録された電圧データとの電圧差が予め定められた設定値ΔＶ２（ただし、（ΔＶ２の絶対値）＞（ΔＶ１の絶対値））以上かを検出し、前記最低電圧値検索手段は、前記電圧変動手段が前記設定値ΔＶ２以上の電圧差を検出した後、前記計時手段で計測された所定時間ｔ１の間に前記データバッファに記録された電圧データうちの最低電圧値Ｖｓｔを検索することを特徴とする請求項２に記載の電池診断装置。
前記電池の新品状態での前記最低電圧値（Ｖｓｔ０）を予め記憶しておく不揮発性の記憶手段と、前記記憶手段に記憶された最低電圧値Ｖｓｔ０と前記最低電圧値検索手段で検索された最低電圧値Ｖｓｔとの電圧差が所定値以上かを判断することにより前記電池の劣化判定を行う劣化判定手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の電池診断装置。
前記記録周期Ｔ１が前記電圧測定手段による電圧測定周期の２倍以上の整数倍であり、前記記録周期Ｔ２が前記電圧測定手段による電圧測定周期の自然数倍であることを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載の電池診断装置。
前記電圧変動検出手段は、前記電圧測定手段で測定された直近の電圧と前記データバッファに記録された最古の電圧データとの電圧差が予め定められた設定値以上かを検出することを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の電池診断装置。