JP2015111104A

JP2015111104A - 電池劣化監視システム

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Publication number: JP2015111104A
Application number: JP2014198744A
Authority: JP
Inventors: 俊哉田邉; Toshiya Tanabe
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2034-09-29
Also published as: EP2869076A1; US10274546B2; EP2869076B1; US20150120226A1; JP6555459B2

Abstract

【課題】長期間の車両放置時において、電力消費を抑えつつ電池の劣化率の監視を可能とする。【解決手段】車両に搭載されたバッテリ２の周囲温度を検出する温度センサ１１ｂと時計機能部１１ａを有し、セルモニタリングユニット１０からバッテリ２の複数の電池モジュール３の電圧及び温度を入力して車両のイグニッションスイッチ１３のオン時におけるバッテリ２全体の充電率及び劣化率を演算するバッテリモニタリングユニット１１を備えた電池劣化監視システム１において、バッテリモニタリングユニット１１は、更に、車両のイグニッションスイッチ１３のオフ時に時計機能部１１ａによって所定時間経過毎に起動され、温度センサ１１ｂにより検出した周囲温度で劣化関数式を積算してイグニッションスイッチ１３オフ時におけるバッテリ２の劣化率を演算する。【選択図】図１

Description

本発明は、電池の劣化を監視するためのシステムに関し、電池の放置時の劣化率を演算する技術に関する。

近年開発されているハイブリッド車やプラグインハイブリッド車には、走行駆動用電源として大容量のバッテリ(二次電池)が搭載されている。バッテリは、使用に伴い劣化し容量が低下するので、バッテリの劣化率を把握することが必要とされている。
バッテリの劣化率は、例えばバッテリの放電量及び電池温度の積算値に基づいて演算される(特許文献１)。

特開２０１３−１８１８７５号公報

しかしながら、バッテリは使用時だけでなく、車両放置時のように電流の入出力がない場合でも経過時間と温度に依存し劣化していく。したがって、例えば長期間車両を使用せずに放置した場合、温度変化に応じて劣化率が大きく変化してしまう虞がある。
上記特許文献１では、バッテリの劣化率を算出するために、所定時間毎にバッテリの放電量及び電池温度を検出して積算するので、電流や温度の検出手段並びに演算装置の電源を入れておかなければならず、電力を消費するため、長期間の監視、特に車両放置時の監視には適していない。

本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、長期間の車両放置時においても、電力消費を抑えつつ電池の劣化率の監視が可能な電池劣化監視システムを提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１の電池劣化監視システムは、車両に搭載された電池の劣化状態を監視する電池劣化監視システムにおいて、前記電池の周囲温度を検出する温度検出部と、時間を計時する時計機能部と、前記電池の劣化率を演算するモニタリング部と、を備え、前記モニタリング部は、前記車両のイグニッションスイッチオフ後に前記時計機能部によって所定時間経過毎に起動され、前記時計機能部によって起動されたときに前記温度検出部により検出した前記周囲温度と前回起動時において検出した前記周囲温度の前記所定時間での温度変化に基づいて前記電池の劣化率を演算することを特徴とする。

また、請求項２の電池劣化監視システムは、請求項１において、前記モニタリング部は、劣化率を求める関数式である劣化関数式を少なくとも前記周囲温度の前記所定時間での温度変化に基づき積算し、当該積算値に基づいて前記所定時間内での前記劣化率の増加量を演算することを特徴とする。
また、請求項３の電池劣化監視システムは、請求項２において、前記モニタリング部は、前記電池の電圧及び温度から前記車両のイグニッションスイッチオン時における前記電池の充電率及び劣化率を演算するとともに、前記車両のイグニッションスイッチオフ時には、直前の前記イグニッションスイッチオン時に演算した前記劣化率に、前記イグニッションスイッチオフ時において演算した前記劣化率の増加量を加算して、現在の前記電池の劣化率を演算することを特徴とする。

また、請求項４の電池劣化監視システムは、請求項３において、前記モニタリング部が演算する現在の前記電池の劣化率は、前記車両の出荷時における前記電池の劣化率に、現在までの前記電池の劣化率の増加量を加算した値であることを特徴とする。
また、請求項５の電池劣化監視システムは、請求項２から４のいずれか１項において、前記劣化関数式は、単位時間、前記周囲温度の単位温度及び前記電池の単位充電率当たりの前記劣化率の増加量を演算する関数式であり、前記モニタリング部は、前記車両のイグニッションスイッチオン時では前記劣化関数式を経過時間、前記周囲温度及び前記電池の充電率で積算して前記劣化率の増加量を演算し、前記車両のイグニッションスイッチオフ時では前記充電率の変化量を０とし前記劣化関数式を前記経過時間、前記周囲温度で積算して前記劣化率の増加量を演算することを特徴とする。

また、請求項６の電池劣化監視システムは、請求項１から５のいずれか１項において、前記所定時間は６時間であることを特徴とする。

請求項１の電池劣化監視システムによれば、イグニッションスイッチオフ時には、時計機能部によって所定時間毎にモニタリング部が起動され、温度検出部によって電池の周囲温度が検出される。
イグニッションスイッチオフ時には、電池の電力消費が抑制されるので、充電率は略変化しない。したがって、イグニッションスイッチオフ時では、温度検出部によって所定時間経過毎に検出された電池の周囲温度の変化に基づいて電池の劣化率を演算することができる。

また、イグニッションスイッチオフ時での劣化率の演算の際には、所定時間経過毎にモニタリング部を起動すればよいので、電力消費を抑えることができる。これにより、車両の長期間放置時においても電力消費を抑えた上で、電池の劣化を監視することができる。
請求項２の電池劣化監視システムによれば、劣化率を求める関数式である劣化関数式を周囲温度の所定時間での温度変化に基づき積算し、当該積算値に基づいて所定時間内での劣化率の増加量が演算されるので、所定時間内での温度変化を反映した劣化率の増加量を演算することができる。また、所定時間毎に周囲温度を検出すればよいので、モニタリング部の起動回数を抑制して電力消費を抑制することができる。

請求項３の電池劣化監視システムによれば、イグニッションスイッチオフ時の電池の劣化率は、その前のイグニッションスイッチオン時に演算された精度のよい劣化率に、周囲温度に基づいてイグニッションスイッチオフ時に演算された劣化率の増加量を加算して求められるので、現在の電池の劣化率を精度よく演算することができる。
請求項４の電池劣化監視システムによれば、演算される現在の電池の劣化率は、車両の出荷時における電池の劣化率に、現在までの電池の劣化率の増加量を加算した値であるので、電池初期時から現在までの電池の劣化率の増加量を求めることができる。

請求項５の電池劣化監視システムによれば、イグニッションスイッチオン時では温度変化及び充電率の変化を反映した劣化率が演算され、イグニッションオフ時では温度変化を反映した劣化率が演算される。イグニッションスイッチオフ時において電池の充電率の変化量を０とすることで、イグニッションスイッチオン時とイグニッションスイッチオフ時の両方で同一の劣化関数式により劣化率の増加量を演算することができ、モニタリング部における制御を簡易化することができる。

請求項６の電池劣化監視システムによれば、イグニッションスイッチオフ時にモニタリング部を起動し電池の劣化率を演算する間隔である所定時間が６時間であるので、１日のうちの温度変化を反映して劣化率の演算がされるとともに起動間隔を極力少なくすることができ、劣化率の演算精度を確保しつつ電力消費を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る電池劣化監視システムの構成を示すブロック図である。本実施形態に係るバッテリモニタリングユニットによるバッテリの劣化率の演算方法を示すフローチャートである。バッテリの劣化率の演算方法を説明するためのタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電池劣化監視システムの構成を示すブロック図である。
本実施形態の電池劣化監視システム１は、プラグインハイブリッド車やハイブリッド車、電気自動車のような比較的大容量の走行駆動用のバッテリ２(電池)を搭載した車両に採用されている。

図１に示すように、車両に搭載された走行駆動用のバッテリ２は、リチウムイオン電池等の二次電池で構成され、複数の電池セルをまとめて構成された電池モジュール３を複数有している。電池モジュール３は直列に接続され、車両走行駆動用のモータ４に電力を供給可能となっている。
各電池モジュール３には、電池モジュール３の温度、電圧を検出するセンサを有し、電池モジュール３毎の電圧等を監視する機能を有するセルモニタリングユニット（ＣＭＵ）１０が備えられている。

各セルモニタリングユニット１０は、バッテリモニタリングユニット（ＢＭＵ、モニタリング部）１１に、電圧情報、温度情報を出力する。
バッテリモニタリングユニット１１は、時間を計時する時計機能部１１ａと温度センサ１１ｂ（温度検出部）とを内蔵している。温度センサ１１ｂは周囲温度を検出可能であり、バッテリ２の周囲温度として出力する。また、バッテリモニタリングユニット１１は、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を備えている。

バッテリモニタリングユニット１１は、各セルモニタリングユニット１０からの電圧情報及び温度情報を入力し、バッテリ２全体の充電率ＳＯＣ及びバッテリ２全体の劣化率Ｙを演算する機能を有している。
充電率ＳＯＣは、例えば各電池モジュール３の電圧に対応する充電率ＳＯＣを記憶したマップを用いて演算される。充電率ＳＯＣは、電池モジュール３への入出力電流の積算値に基づいて求めてもよい。

バッテリモニタリングユニット１１及びセルモニタリングユニット１０は、車両全体の制御を行う電気コントロールユニット１２から入力した車両のイグニッションスイッチ（ＩＧ）１３のオン（ＯＮ）信号によって作動する。
また、バッテリモニタリングユニット１１は、イグニッションスイッチ１３がオフ（ＯＦＦ）であっても、内蔵した時計機能部１１ａによって、あらかじめ設定された時間ｔb毎に起動されて作動可能となっている。

図２は、本実施形態に係るバッテリモニタリングユニット１１によるバッテリ２の劣化率の演算方法を示すフローチャートである。図３は、バッテリ２の劣化率の演算方法を説明するためのタイムチャートである。図３では、イグニッションスイッチ１３をオンからオフに切り換えた場合での、バッテリモニタリングユニット１１のオン、オフと、実際の温度の推移及びバッテリモニタリングユニット１１オフ時における推定温度を示している。

本制御は、イグニッションスイッチ１３のオン信号入力により作動を開始する。
図２に示すように、始めにステップＳ１０では、バッテリモニタリングユニット１１をオンにする。そして、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、各セルモニタリングユニット１０から温度情報（温度Ｔ）及び電圧情報（電圧Ｖ）を入力する。そして、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、内蔵された時計機能部１１ａにより計測した時間情報(経過時間ｔ）と、ステップＳ２０で入力した温度情報（温度Ｔ）及び電圧情報（電圧Ｖ）とに基づいて、バッテリ２全体の充電率ＳＯＣ及び劣化率Ｙの演算を行う。
バッテリ２全体の充電率ＳＯＣは、電圧Ｖに対応する充電率ＳＯＣを記憶したマップを用いて演算される。または、セルモニタリングユニット１０から各電池モジュール３の電圧を入力し平均してから充電率ＳＯＣを求めてもよい。また、充電率ＳＯＣは、バッテリ２への入出力電流の積算値に基づいて求めてもよい。

劣化率Ｙは、劣化により出荷時から低下した容量を、出荷時における容量に対する比率で表したものであり、例えば出荷時における劣化率Ｙは０である。
劣化率Ｙは、次式１により求められる。

上記式１に示すように、劣化率Ｙは、ｆ(t，Ｔ，SOC)の演算式（本発明における劣化関数式に相当）で求められる単位時間、単位温度、単位充電率当たりの劣化率増加量を、時間t、温度Ｔ及び充電率ＳＯＣで積算して求められた時間ｔa当たりの劣化率増加量を加算した値である。ここでの時間ｔaは、数msecあるいは数sec等の短い時間である。ここで、演算された充電率ＳＯＣ及び劣化率Ｙはバッテリモニタリングユニット１１内のメモリに、前回の演算値を書き換えるようにして記憶しておく。そしてステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、イグニッションスイッチ１３がオフであるか否かを判別する。イグニッションスイッチ１３がオフである場合には、ステップＳ５０に進む。イグニッションスイッチ１３がオンである場合には、ステップＳ２０に戻る。
ステップＳ５０では、バッテリモニタリングユニット１１をオフにする。なお、このときバッテリモニタリングユニット１１内の時計機能部１１ａは作動を継続する。そして、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、バッテリモニタリングユニット１１をオフしてからの経過時間ｔoffを計測する。オフしてからの経過時間ｔoffは、バッテリモニタリングユニット１１内の時計機能部１１ａで計測する。そして、ステップＳ６５に進む。
ステップＳ６５では、イグニッションスイッチ１３がオフであるか否かを判別する。イグニッションスイッチ１３がオフである場合には、ステップＳ７０に進む。イグニッションスイッチ１３がオンである場合には、ステップＳ２０に戻る。

ステップＳ７０では、ステップＳ６０で計測された経過時間ｔoffが所定時間ｔbより大きいか否かを判別する。所定時間ｔbは、１日を数回に分けた時間、例えば６時間に設定すればよい。経過時間ｔoffが所定時間ｔbより大きい場合には、ステップＳ８０に進む。経過時間ｔoffが所定時間ｔb以下である場合には、ステップＳ６０に戻る。
ステップＳ８０では、バッテリモニタリングユニット１１を起動する（オンにする）。そしてステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０では、バッテリモニタリングユニット１１に内蔵された温度センサ１１ｂから温度情報Ｔを入力する。また、メモリに記憶されている前回の演算値である劣化率Ｙ_n-1と前回演算時の温度Ｔ_n-1を読み出す。そして、ステップＳ１００に進む。
ステップＳ１００では、ステップＳ９０で入力した前回の温度Ｔ_n-1及び劣化率Ｙ_n-1に基づいて、劣化率Ｙの演算を行う。

ここでの劣化率Ｙは、次式２により求められる。

上記式２に示すように、劣化率Ｙは、ｆ(t，Ｔ)の演算式（本発明における劣化関数式に相当）で求められる単位時間、単位温度当たりの劣化率増加量を時間ｔ及び温度Ｔで積算して各起動毎（所定時間ｔb毎）の劣化率増加量を求め、この劣化率増加量を加算した値である。ここでは、イグニッションスイッチ１３がオフであるため、充電率ＳＯＣは変化せずに略一定の値であるので、上記式（１）に対して充電率ＳＯＣの積算を行わない点が異なる。なお、所定時間ｔb内での温度変化は、図３に示すように、前回起動時の温度Ｔ_n-1と今回検出した温度Ｔ_nとの間を直線的に推移するように推定する。また、ここで演算された劣化率Ｙと温度Ｔはバッテリモニタリングユニット１１内のメモリに前回の値から書き換えて記憶しておく。そしてステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、イグニッションスイッチ１３がオフであるか否かを判別する。イグニッションスイッチ１３がオフである場合には、ステップＳ５０に戻る。イグニッションスイッチ１３がオンである場合には、ステップＳ２０に戻る。
以上のように制御することで、本実施形態では、イグニッションスイッチ１３オン時には、バッテリモニタリングユニット１１及びセルモニタリングユニット１０がオンであるため、セルモニタリングユニット１０から例えば数msec毎に（ｔ1，ｔ2、ｔ3…）、電圧Ｖ、温度Ｔを入力して、劣化率Ｙを演算する（Ｙ1、Ｙ2，Ｙ3…）。劣化率Ｙは所定時間毎に積算されて行き、この積算値がその時点での劣化率となる。イグニッションスイッチ１３オン時では、モータ４等の使用によりバッテリ２から電流が出力する可能性があるが、セルモニタリングユニット１０によって各電池モジュール３の電圧を検出しているので、時間ｔa毎に充電率ＳＯＣ及び劣化率Ｙを正確に演算することができる。

そして、本実施形態では、イグニッションスイッチ１３オフ時においても、バッテリ２の劣化率Ｙが演算される。イグニッションスイッチ１３オフ時には、所定時間ｔb（例えば６時間）毎にバッテリモニタリングユニット１１を起動させ、バッテリモニタリングユニット１１に内蔵されている温度センサ１１ｂを用いて温度Ｔを検出し、この温度Ｔに基づいて劣化率が演算される。

詳しくは、バッテリ２の充電率ＳＯＣの変動が少ないイグニッションスイッチ１３オフ時には、所定時間ｔbの間での時間ｔと温度Ｔでｆ(t，Ｔ)を積分した値が、当該所定時間ｔb内で劣化した劣化率増加量に相当する。所定時間ｔb内では、温度Ｔは前回検出した温度Ｔ_n-1と今回検出した温度Ｔ_nとの間で直線的に変化すると推定しているので、所定時間ｔb内で逐次温度を検出する必要がなく、所定時間ｔb毎にバッテリモニタリングユニット１１のみを起動して温度を検出し劣化率増加量を演算できる。そして、メモリに記憶されている前回の劣化率Ｙ_n-1に劣化率増加量を加算して、現時点での劣化率Ｙが演算できる。

本実施形態では、式１によりイグニッションオン時での劣化率増加量を積算した劣化率Ｙが求められ、式２によりイグニッションオフ時での劣化率増加量を積算した劣化率Ｙが求められる。車両は出荷時からイグニッションオン、イグニッションオフが夫々任意の時間で交互に繰り返されるので、出荷時からの総合的なバッテリ２の劣化率は、式１により求められたイグニッションオン時での劣化率増加量を積算した劣化率Ｙと、式２により求められたイグニッションオフ時での劣化率増加量を積算した劣化率Ｙを交互に加算した値となる。つまり、バッテリ２の初期時から現在までの劣化率の増加量を求めることができる。

例えば、イグニッションオフ時での劣化率Ｙは、直前のイグニッションスイッチオン時に演算してメモリに記憶された劣化率Ｙに、当該イグニッションスイッチオフ時において演算した劣化率Ｙの増加量を加算して、現在のバッテリ２の劣化率Ｙが演算される。
なお、上記メモリを第１のメモリと第２のメモリの２つに分け、イグニッションオン時での劣化率増加量の積算値を第１のメモリに記憶し、イグニッションオフ時での劣化率増加量の積算値を第２のメモリに記憶して、第１のメモリに記憶されているイグニッションオン時での劣化率増加量の積算値と、第２のメモリに記憶しているイグニッションオフ時での劣化率増加量の積算値を加算して、出荷時からの総合的なバッテリ２の劣化率を求めるようにしてもよい。

このように、本実施形態では所定時間ｔb毎にバッテリモニタリングユニット１１を起動させて、イグニッションスイッチ１３オフ時での温度変化に伴って変化するバッテリ２の劣化率を演算することができる。時計機能部１１ａや温度センサ１１ｂがバッテリモニタリングユニット１１に内蔵されているので、イグニッションスイッチ１３オフ時には所定時間ｔb毎にバッテリモニタリングユニット１１のみ起動させてバッテリ２の劣化率Ｙを演算可能であり、消費電力を抑制することができる。

また、本実施形態では、イグニッションスイッチ１３オフ時の劣化率Ｙは、直前のイグニッションスイッチ１３オン時に演算された精度のよい劣化率Ｙに、周囲温度Ｔに基づいてイグニッションスイッチ１３オフ時に演算された劣化率Ｙの増加量を加算して求められるので、すべての期間でバッテリモニタリングユニット１１によって周囲温度Ｔに基づいて劣化率Ｙを演算するよりも、バッテリ２の劣化率を精度よく演算することができる。

また、本実施形態では、所定時間ｔbを６時間に、即ちイグニッションスイッチ１３オフ時には１日４回温度を検出するように設定しているので、検出回数を抑えて消費電力を抑えつつ、１日での最高温度及び最低温度に近い値を温度検出値に反映させることができる。
以上により、本実施形態では、長期間車両を放置した場合でも、電力の消費を抑えつつバッテリ２の劣化を正確に監視することができる。

なお、本願発明は、上記実施形態に限定するものでない。例えば、バッテリモニタリングユニット１１を起動させる間隔である所定時間ｔbを他の値に適宜設定してもよい。また、バッテリモニタリングユニット１１が１日のうちの最高温度及び最低温度となるような時刻に起動するように設定してもよい。
また、上記実施形態では、時計機能部１１ａや温度センサ１１ｂがバッテリモニタリングユニット１１に内蔵されているが、バッテリモニタリングユニット１１と別体に配置してもよい。

また、上記実施形態では、上記式１によりイグニッションオン時での劣化率Ｙを求め、式２によりイグニッションオフ時での劣化率Ｙを求めているが、イグニッションオン時及びイグニッションオフ時のいずれも式１で劣化率Ｙを求めてもよい。この場合、イグニッションオフ時には、充電率ＳＯＣに変化がなく一定の値として式１を演算すればよい。このようにすることで、イグニッションスイッチオン時とイグニッションスイッチオフ時の両方で同一の劣化関数式(式１）により劣化率Ｙを演算することができ、バッテリモニタリングユニット１１における制御を簡易化することができる。

また、上記実施形態では、出荷時における劣化率Ｙを０としているが、出荷時における劣化率Ｙが０でない場合であっても、出荷時における劣化率Ｙに、式１もしくは式２により求められた劣化率増加量を積算した劣化率Ｙを加算することで、現在のバッテリ２の劣化率Ｙが演算される。つまり、上記実施形態と同様、バッテリ２の初期時から現在までの劣化率の増加量を求めることができる。

また、本実施形態では、車両の走行駆動源に利用されるバッテリ２に対して本発明を適用しているが、車両に搭載される電池に対して広く適用することができる。

２バッテリ（電池）
３電池モジュール
１１バッテリモニタリングユニット（モニタリング部）
１１ａ時計機能部
１１ｂ温度センサ（温度検出部）
１３イグニッションスイッチ

Claims

車両に搭載された電池の劣化状態を監視する電池劣化監視システムにおいて、
前記電池の周囲温度を検出する温度検出部と、
時間を計時する時計機能部と、
前記電池の劣化率を演算するモニタリング部と、を備え、
前記モニタリング部は、前記車両のイグニッションスイッチオフ後に前記時計機能部によって所定時間経過毎に起動され、前記時計機能部によって起動されたときに前記温度検出部により検出した前記周囲温度と前回起動時において検出した前記周囲温度の前記所定時間での温度変化に基づいて前記電池の劣化率を演算することを特徴とする電池劣化監視システム。
前記モニタリング部は、劣化率を求める関数式である劣化関数式を少なくとも前記周囲温度の前記所定時間での温度変化に基づき積算し、当該積算値に基づいて前記所定時間内での前記劣化率の増加量を演算することを特徴とする請求項１に記載の電池劣化監視システム。
前記モニタリング部は、前記電池の電圧及び温度から前記車両のイグニッションスイッチオン時における前記電池の充電率及び劣化率を演算するとともに、前記車両のイグニッションスイッチオフ時には、直前の前記イグニッションスイッチオン時に演算した前記劣化率に、前記イグニッションスイッチオフ時において演算した前記劣化率の増加量を加算して、現在の前記電池の劣化率を演算することを特徴とする請求項２に記載の電池劣化監視システム。
前記モニタリング部が演算する現在の前記電池の劣化率は、前記車両の出荷時における前記電池の劣化率に、現在までの前記電池の劣化率の増加量を加算した値であることを特徴とする請求項３に記載の電池劣化監視システム。
前記劣化関数式は、単位時間、前記周囲温度の単位温度及び前記電池の単位充電率当たりの前記劣化率の増加量を演算する関数式であり、
前記モニタリング部は、前記車両のイグニッションスイッチオン時では前記劣化関数式を経過時間、前記周囲温度及び前記電池の充電率で積算して前記劣化率の増加量を演算し、前記車両のイグニッションスイッチオフ時では前記充電率の変化量を０とし前記劣化関数式を前記経過時間及び前記周囲温度で積算して前記劣化率の増加量を演算することを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の電池劣化監視システム。
前記所定時間は６時間であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電池劣化監視システム。