JP3912642B2 - バッテリの残量検知方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリの端子電圧に基づいて残量を検知するバッテリの残量検知方法に係り、特に、端子電圧の計測タイミングにかかわらず、バッテリの残量を正確に検知できるバッテリの残量検知方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境への配慮や資源の有効利用の観点から、電動車両やハイブリッド車両等のバッテリを動力源とする車両（以下、電動車両で代表する）が注目されている。このような電動車両用は、走行可能距離がバッテリの残量に依存するため、残量の正確な計測が必要となる。
【０００３】
バッテリの残量を監視するシステムについては、例えば特開平１０−１３８９８号公報に記載されているように、バッテリの端子電圧で残量を代表する方法、特開平１０−１５３６４７号公報に記載されているように、負荷時と無負荷時との電圧差に基づいて残量を検知する方法等が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
バッテリの残量をバッテリ電圧に基づいて予測する方法は、バッテリが無負荷状態で十分に放置された後であり、その端子電圧が開放電圧に収束していれば、残量を正確に予測することができる。しかしながら、バッテリ使用後は電圧が徐々に復帰しながら開放電圧に収束するため、使用直後のバッテリ電圧は開放電圧を下回る。したがって、使用直後のバッテリ電圧に基づいて残量を予測すると、予測される残量は実際よりも低くなってしまう。
【０００５】
これとは逆に、充電終了後は電圧が徐々に低下しながら開放電圧に収束するため、充電直後のバッテリ電圧は開放電圧を上回る。したがって、充電直後のバッテリ電圧に基づいて残量を予測すると、予測結果は実際の残量よりも高くなってしまう。
【０００６】
このように、バッテリ電圧で残量を予測しようとすると、バッテリ電圧のサンプリングタイミングによって予測結果が変化し、残量の正確な検知が難しいよいう問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、バッテリ電圧のサンプリングタイミングにかかわらず、その残量を端子電圧に基づいて正確に予測できるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、車両に搭載されたバッテリの残量を周期的に計測するバッテリの残量監視装置において、所定タイミングにおけるバッテリ電圧と当該バッテリを十分に放置した後のバッテリ開放電圧との対応関係を予め定め、前記所定タイミングでサンプリングしたバッテリ電圧に対応した開放電圧に基づいてバッテリの残量を予測するようにした。
【０００９】
上記した構成によれば、バッテリ電圧のサンプリングタイミングにかかわらず、常に開放電圧に基づいて残量を予測することができるので、残量の予測精度が向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明を適用したバッテリ残量表示装置１００の主要部の構成を示したブロック図である。
【００１１】
バッテリ１０は、その残量に応じて２２〜２８Ｖの電圧を発生する。電源回路１１は、バッテリ１０の端子電圧ＶBATTを５Ｖ程度のロジック電圧Ｖに変換し、ＭＰＵ１５の電源端子に供給する。ＤＣ／ＤＣ変換回路１２は、バッテリ電圧ＶBATTの２２〜２８Ｖの範囲を０〜５Ｖに変換する。Ａ／Ｄ変換器１３は、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２の出力電圧０〜５Ｖを０〜２５５のデジタルデータＤBATTに変換し、ＭＰＵ１５のデータ入力端子へ供給する。
【００１２】
主電源スイッチ２０は、駆動モータなどの大電流電気負荷１７とバッテリ１０との接続を開閉する。ＳＷ入力回路１４は、バッテリ電圧ＶBATTをロジック電圧に変換してＭＰＵ１５へ供給する。ＭＰＵ１５は、このロジック電圧に基づいて前記主電源スイッチ２０の開閉状態を判別する。
【００１３】
充電器１８は残量表示装置１００の充電端子１００ａに接続され、バッテリ電圧ＶBATTが所定電圧に達するまでは定電流充電を行い、その後、定電圧充電に切り換える。残量表示計１６は、例えば５つのＬＥＤ表示素子によって構成され、それぞれはＭＰＵ１５から出力されるＬＥＤ駆動信号Ｄ0 、Ｐ1 〜Ｐ4 が“Ｌ”レベルの時に点灯する。
【００１４】
図２〜６は、上記したバッテリ残量表示装置１００の動作、主にＭＰＵ１５の動作を示したフローチャートであり、バッテリ１０が新規に接続されてＭＰＵ１５がリセットされると、図２のメインフローがスタートする。
【００１５】
図２において、ステップＳ１ではイニシャル処理が実行され、後述する各種のカウンタに初期値がセットされる。ステップＳ２では、バッテリ電圧ＶBATTがＤＣ／ＤＣ変換器１２およびＡ／Ｄ変換器１３によってサンプリングされ、電圧データＤBATTに変換されてＭＰＵ１５に読み込まれる。ステップＳ３では、電圧データＤBATTに基づいて、バッテリの“初期残量”が予測される。
【００１６】
本実施形態における“初期残量”とは、無負荷状態で十分に放置されていたバッテリの残量であり、その端子電圧ＶBATTすなわち開放電圧と、無負荷状態で十分に放置されていたバッテリに固有のデータテーブルとに基づいて予測される。
【００１７】
本実施形態では他にも、後に詳述するように、無負荷状態で十分に放置したときの開放電圧よりも高めを示す充電終了後における端子電圧ＶBATTに基づいて予測される“充電後残量”と、開放電圧よりも低めを示す使用後における端子電圧ＶBATTに基づいて予測される“使用後残量”とが定義されており、それぞれに、端子電圧ＶBATTに基づいて残量を予測するための固有のデータテーブルが用意されている。
【００１８】
図７は、前記電圧データＤBATTに基づいて初期残量を予測するデータテーブルの一例を示した図であり、例えば、バッテリ電圧ＶBATTが２４．２〜２４．６Ｖの範囲にあると、電圧データＤBATTは１３１〜１４６の範囲を示し、残量レベルＧは“２”と予測される。残量レベルＧとは、前記残量表示計１６のＬＥＤを、エンプティＥＭＰ側から点灯する数を示す。
【００１９】
ステップＳ４では監視タイマが参照され、監視周期が訪れるとステップＳ５以降へ進む。なお、本実施形態では監視周期を５０ｍｓに設定している。
【００２０】
ステップＳ５では、主電源スイッチ２０の状態が読み込まれる。ステップＳ６では、バッテリ電圧ＶBATTを周期的にサンプリングするための２００ｍｓタイマがタイムアウトしたか否かが判定される。２００ｍｓタイマがタイムアウトしていると、ステップＳ７において、バッテリ電圧ＶBATTのサンプリング処理および残量の予測処理が実行される。予測された残量は、ステップＳ８のＬＥＤ表示処理によって前記残量表示計１６に表示される。
【００２１】
次いで、前記ステップＳ７のサンプリング処理・残量予測処理について、図３〜５のフローチャートを参照して詳細に説明する。
【００２２】
ステップＳ７０１では、前記ステップＳ５で取り込まれた主電源スイッチ２０の開閉状態が参照される。主電源スイッチ２０が開いている、すなわち主電源がオフ状態であると、ステップＳ７０２では、バッテリ１０が前記充電器１８による充電中であるか否かを示す充電中フラグＦchargeが参照され、充電中フラグＦchargeが“０”、すなわち充電中でなければ、ステップＳ７０３において、サンプリング中フラグＦsampleが参照される。サンプリング中フラグＦsampleが“０”、すなわちサンプリング中でなければ、ステップＳ７０４へ進む。
【００２３】
ステップＳ７０４では、５分タイマがタイムアウトしたか否かが判定される。５分タイマがタイムアウトしていると、ステップＳ７０５以降へ進んでバッテリ電圧ＶBATTのサンプリングが実行される。なお、前記ステップＳ７０１において主電源スイッチ２０が閉じていると判定されるか、あるいはステップＳ７０２において充電中と判定されると、当該処理は前記５分タイマとは無関係に常にステップＳ７０５以降へ進む。
【００２４】
このように、本実施形態では、主電源スイッチ２０が閉じている、換言すれば、バッテリ１０に大電流電気負荷１７が接続されており、残量を頻繁に検知すべき場合、あるいは充電器１８による充電中であってバッテリ電圧のサンプリングに伴なう電力消費量の増大を意識する必要がない場合には、残量検知を２００ｍｓ周期で頻繁に行う一方、主電源スイッチ２０が開いている、換言すれば、バッテリ１０に大電流電気負荷１７が接続されておらず、残量の変化が僅かである場合には、残量検知を５分周期で行うようにしている。この結果、残量の正確な検知と消費電力の低減との両立が可能になる。
【００２５】
以上のようにして、２００ｍｓ周期あるいは５分周期でサンプリング処理に移行すると、ステップＳ７０５では、サンプリング中フラグＦsampleに“１”がセットされる。ステップＳ７０６では、サンプリング回数ｎ（初期値“０”）が“１”だけインクリメントされる。ステップＳ７０７では、前記Ａ／Ｄ変換器１３によってバッテリ電圧ＶBATTがサンプリングされ、電圧データＤBATTが今回の電圧データＤ（ｎ）としてＭＰＵ１５に記憶される。ステップＳ７０８では、サンプリング回数ｎが“６”であるか否かが判定され、２００ｍｓ周期で６回分の電圧データＤ（１）〜Ｄ（６）が記憶されると、ステップＳ７０９では、前記サンプリング回数ｎおよびサンプリング中フラグＦsampleがリセットされる。
【００２６】
ステップＳ７１０では、前記６回分の電圧データＤ（１）〜Ｄ（６）から最大値および最小値を除いた４つの電圧データの平均値Ｄave が算出される。ステップＳ７１１では、前回の仮残量ＤS-1 が現在の仮残量ＤS に更新され、今回の平均値Ｄave が現在の仮残量ＤS として新規登録される。
【００２７】
図４のステップＳ７２０では、前記ステップＳ７０７でサンプリングされた電圧データＤBATTと充電判定基準値Ｄref1とが比較される。充電判定基準値Ｄref1は、バッテリ１０が充電中であるか否かを判定するための閾値であり、本実施形態では、２７．８Ｖ相当に設定されている。
【００２８】
図１３に示したように、時刻ｔ0 において定電流充電が開始され、時刻ｔ1 において電圧データＤBATTが前記充電判定基準値Ｄref1を超えると、バッテリ１０が充電器１８による充電中と判断されてステップＳ７２２へ進み、充電中フラグＦchargeに“１”がセットされる。その後、充電器１８による定電流充電が進み、時刻ｔ2 において、電圧データＤBATTが基準値Ｄref2に達すると、充電器１８による充電方式が定電流充電から定電圧充電に切り換わる。
【００２９】
その後、時刻ｔ3 で充電器１８が充電を停止し、時刻ｔ4 で電圧データＤBATTが充電判定基準値Ｄref1を下回り、これがステップＳ７２０において検知されると、ステップＳ７２１では、充電中フラグＦchargeが参照される。充電停止直後は充電中フラグＦchargeが“１”のままなのでステップＳ７２３へ進む。ステップＳ７２３では、現在の仮残量ＤS と前回の仮残量ＤS-1 とが比較され、時刻ｔ5 において、両者の差分が基準範囲内となって充電後の電圧低下がほぼ収まると、ステップＳ７２４では、現在の仮残量ＤS に基づいて、バッテリの“充電後残量”が予測される。
【００３０】
図８は、現在の仮残量ＤS に基づいて充電後残量を予測するデータテーブルの一例を示した図であり、例えば、バッテリ電圧ＶBATTが２４．２〜２４．６Ｖの範囲にあると、現在の仮残量ＤS は１３１〜１４６の範囲を示し、残量レベルＧは“１”と予測される。
【００３１】
ステップＳ７２５では、前記充電中フラグＦcharge、後述する１０回カウンタおよび仮残量カウンタが全てリセットされる。また、前記ステップＳ７２１において、充電中フラグＦchargeがセットされていないと、図５のステップＳ７３０へ進む。
【００３２】
ステップＳ７３０では、現在の仮残量ＤS と前回の仮残量ＤS-1 とが比較され、両者の差分が基準範囲Ｄref 内となってバッテリ使用後の電圧復帰が落ち着くと、ステップＳ７３２では、１０回カウンタ（初期値“０”）が“１”だけインクリメントされる。ステップＳ７３３では、１０回カウンタのカウント値が“１０”であるか否かが判定され、カウント値が“１０”に達すると、ステップＳ７３４において１０回カウンタがリセットされる。ステップＳ７３５では、現在の仮残量ＤS に基づいて、バッテリの“使用後残量”が予測される。
【００３３】
図９は、現在の仮残量ＤS に基づいて使用後残量を予測するデータテーブルの一例を示した図であり、例えばバッテリ電圧ＶBATTが２４．２〜２４．６Ｖの範囲にあると、現在の仮残量ＤS は１３１〜１４６の範囲を示し、仮残量レベルＧは“３”と予測される。
【００３４】
ステップＳ７３６では、仮残量カウンタのカウント値で定義される記憶領域に前記仮残量レベルＧが記憶される。ステップＳ７３７では、仮残量カウンタのカウント値が“６”であるか否かが判定され、カウント値が“６”となって６個の仮残量レベルＧが記憶されると、ステップＳ７３８で仮残量カウンタがリセットされる。ステップＳ７３９では、６個の仮残量レベルＧの最大値および最小値を除いた４つの平均値Ｇave が算出される。
【００３５】
ステップＳ７４０では、現在表示されている残量レベルＧと前記仮残量の平均値Ｇave とが比較され、仮残量平均値Ｇave が現在表示中の残量レベルＧよりも小さければ、ステップＳ７４１において現在の残量レベルＧが仮残量平均値Ｇave に更新される。
【００３６】
上記したように、本実施形態では、バッテリの端子電圧ＶBATTに基づいて残量を予測する際に、端子電圧ＶBATTのサンプリングタイミングに応じて、同じ端子電圧が検知された場合でも予測結果を異ならせている。
【００３７】
すなわち、バッテリを無負荷状態で十分に放置した後、たとえばバッテリを新規に接続した後であれば、その端子電圧は開放電圧に収束しているので、端子電圧は残量を正確に代表する。しかしながら、図１０に示したように、バッテリ使用後は電圧が徐々に復帰しながら開放電圧Ｖopenに収束するため、使用直後の端子電圧ＶBATTは開放電圧Ｖopenを下回る。したがって、使用直後の端子電圧ＶBATTに基づいて残量を予測すると、予測される残量は実際よりも低くなってしまう。
【００３８】
これとは逆に、図１１に示したように、充電終了後は電圧が徐々に低下しながら開放電圧Ｖopenに収束するため、充電直後の端子電圧ＶBATTは開放電圧Ｖopenを上回る。したがって、充電直後の端子電圧ＶBATTに基づいて残量を予測すると、予測結果は実際の残量よりも高くなってしまう。
【００３９】
そこで、本実施形態では、前記図７〜９にそれぞれ示すと共に、図１２に比較して示したように、同一の端子電圧ＶBATTに対して、充電後は使用後よりも残量が低く予測されるように、端子電圧ＶBATTと残量との関係を端子電圧ＶBATTの各サンプリングタイミングごとに設定した。この結果、端子電圧ＶBATTのサンプリングタイミングにかかわらず、バッテリの残量を正確に予測することができる。
【００４０】
さらに具体的に言えば、前記図８、９のデータテーブルは、以下のようにして決定される。すなわち、本実施形態では各サンプリングタイミングごとに、バッテリ電圧の変化率が所定値以下となった時点でのバッテリ電圧ＶBATTと開放電圧Ｖopenとの関係を予め実験的に求める。さらに、この開放電圧Ｖopenと残量との関係を実験的に求めることで、各タイミングごとのバッテリ電圧ＶBATTと残量との関係をデータテーブル化している。
【００４１】
例えば、図７と図８とを比較すると、図７の端子電圧ＶBATTは開放電圧Ｖopenと一致しているので、開放電圧Ｖopenの２４．２〜２４．６Ｖが残量レベルＧの“２”に相当することになる。これに対して、バッテリ充電後に前記ステップＳ７２３の条件が成立してバッテリ電圧の変化率が所定値以下となると、その時のバッテリ電圧が２４．７〜２５．１Ｖであっても、最終的には２４．２〜２４．６Ｖに収束すると予測し、残量レベルＧは同様に“２”となる。
【００４２】
同様に、図７と図９とを比較すると、バッテリ使用後に前記ステップＳ７３０の条件が１０回成立してバッテリ電圧の変化率が収まると、その時のバッテリ電圧が２３．７〜２４．１Ｖであっても、最終的には２４．２〜２４．６Ｖに収束すると予測し、残量レベルＧは同様に“２”となる。
【００４３】
なお、バッテリ電圧ＶBATTは温度と共に上昇するので、バッテリの温度をパラメータとして追加し、温度が高いほど同一のバッテリ電圧に対する残量レベルＧを下げるようにすることが望ましい。例えば、図７の例が２５℃での関係とすれば、２５℃では端子電圧が２４．２〜２４．６Ｖのときに残量レベルＧが“２”であったものを、３０℃では、端子電圧が２４．７〜２５．１Ｖのときに残量レベルＧが“２”となるようにする。
【００４４】
図６は、前記ステップＳ８のＬＥＤ表示処理のフローチャートである。ステップＳ８０１では、前記ステップＳ５で取り込まれた主電源スイッチ２０の開閉状態が参照される。主電源スイッチ２０が開いていると、ステップＳ８０２において、全てのＬＥＤが非点灯にされる。主電源スイッチ２０が閉じていると、ステップＳ８０３では充電中であるか否かが判定され、充電中であると、ステップＳＳ８０４において、全てのＬＥＤが点滅される。
【００４５】
充電中以外であると、ステップＳ８０７において残量レベルＧが参照され、残量レベルＧが“０”であれば、ステップＳ８０８において、ＬＥＤ５のみが点滅される。残量レベルＧが“０”以外であると、ステップＳ８０９、Ｓ８１１、Ｓ８１３、Ｓ８１５では、それぞれ残量レベルＧが１〜５のいずれであるかが参照され、ステップＳ８１０、Ｓ８１２、Ｓ８１４、Ｓ８１６、Ｓ８１７において、残量レベルＧに応じた数のＬＥＤが点灯される。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、バッテリ充電後およびバッテリ使用後のいずれにおいても、バッテリを新規に接続した後と同様に、バッテリ残量を正確に予測できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したバッテリ残量表示装置の主要部のブロック図である。
【図２】本実施形態の動作を示したフローチャートである
【図３】本実施形態の動作を示したフローチャートである
【図４】本実施形態の動作を示したフローチャートである
【図５】本実施形態の動作を示したフローチャートである
【図６】本実施形態の動作を示したフローチャートである
【図７】初期残量を予測するためのデータテーブルの一例である。
【図８】充電後残量を予測するためのデータテーブルの一例である。
【図９】使用後残量を予測するためのデータテーブルの一例である。
【図１０】バッテリ使用後の端子電圧と時間経過との関係を示した図である。
【図１１】バッテリ充電後の端子電圧と時間経過との関係を示した図である。
【図１２】図７、８、９に示した各データテーブルの相対関係を示した図である。
【図１３】バッテリ充電時の端子電圧の変化を示した図である。
【符号の説明】
１０…バッテリ、１１…電源回路、１２…ＤＣ／ＤＣ変換回路、１３…Ａ／Ｄ変換器、１４…ＳＷ入力回路、１５…ＭＰＵ、１６…残量表示計、１７…大電流電気負荷、２０…主電源スイッチ、１００…バッテリ残量表示装置

Claims (2)

1. 車両に搭載されたバッテリの端子電圧をサンプリングし、このサンプリング結果に基づいてバッテリ残量を周期的に検知するバッテリの残量検知方法において、
   新規接続後にサンプリングされたバッテリ電圧とバッテリ残量との対応関係を記憶した初期残量データテーブルと、
   充電後にサンプリングされたバッテリ電圧とバッテリ残量との対応関係を記憶した充電後残量データテーブルと、
   使用後にサンプリングされたバッテリ電圧とバッテリ残量との対応関係を記憶した使用後残量データテーブルと、
   バッテリ電圧のサンプリングタイミングに対応したデータテーブルとサンプリング結果とに基づいてバッテリ残量を予測する手段とを含み、
   前記充電後残量データテーブルおよび使用後残量データテーブルでは、各タイミングでサンプリングされたバッテリ電圧の変化率が所定値以下となった時点でのバッテリ電圧に対応するバッテリ残量が、当該バッテリを放置して最終的に収束する開放電圧と前記初期残量データテーブルで対応するバッテリ残量に等しくされたことを特徴とするバッテリの残量検知方法。
2. 前記バッテリ使用後にサンプリングされたバッテリ電圧で予測された今回の残量が前回の予測結果よりも大きいと、前回の予測結果を現在の残量として出力することを特徴とする請求項１に記載のバッテリの残量検知方法。

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