JP3928490B2 - 車両用バッテリ充電状態推定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用バッテリの充電状態を推定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバッテリ充電状態（充電量）の推定は、バッテリの充放電電流を積分し、この積分値に基づくものが主流であった（特開平１１−１０３５０５号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記推定を行うためには、バッテリの充放電電流を計測する電流センサが必要になり、コストアップとなる。
その一方、近年においては、発電電圧を任意に制御可能な可変電圧オルタネータが提供されており、可変電圧オルタネータでは、オルタネータ負荷トルクの推定のために、オルタネータの発電電流を計測する電流センサを装備する。
【０００４】
本発明は、このような実状に鑑み、可変電圧オルタネータと、オルタネータの電流センサとを用いることで、バッテリの電流センサを追加することなく廉価に、バッテリ充電状態を精度良く推定することができる車両用バッテリ状態推定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、可変電圧オルタネータを用い、オルタネータ発電電圧を変化させつつ、オルタネータ発電電流を計測して、オルタネータ発電電流が正の値から０となるポイントを検出し、そのポイントのバッテリ電圧に基づいて、バッテリの充電状態を推定する。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、可変電圧オルタネータの既存システムを用いることで、バッテリの電流センサを追加するというコストアップ無しに、バッテリ充電状態の推定が可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す車両用給電システムの図である。
バッテリ１が設けられ、電気負荷への給電に用いられる。また、エンジンにより駆動されるオルタネータ２が設けられ、オルタネータ２によりバッテリ１に充電可能であると共に、電気負荷に直接給電可能である。
【０００８】
ここで、オルタネータ２は、エンジンコントロールモジュール（以下ＥＣＭという）３からのデューティ信号ＤＵＴＹにより、発電電圧Ｖalt を任意に制御可能な可変電圧オルタネータである。
そして、可変電圧オルタネータ２には、その発電電流Ｉalt を計測する電流センサ４が装着され、その信号はＥＣＭ３に入力されている。可変電圧オルタネータ２において、発電電流Ｉalt を計測するのは、発電電流Ｉalt とエンジン回転数Ｎｅとからオルタネータ負荷トルクを算出するためである。
【０００９】
ＥＣＭ３には、エンジンの制御のため各種センサの信号が入力されるが、ここでは、エンジン回転数Ｎｅを検出可能なクランク角センサ５、エンジン冷却水温度Ｔｗを計測する水温センサ６、電気負荷のＯＮ／ＯＦＦを指令するスイッチの代表例としてエアコンスイッチ７を示している。
ＥＣＵ３では、エンジンの制御のために各種演算処理を行うが、ここでは特に、ＥＣＵ３によるバッテリ１の充電状態（充電量ＳＯＣ；State of Charge ）の推定について説明する。
【００１０】
先ず本発明でのバッテリ充電状態推定の原理について説明する。
バッテリの放電時のＩ−Ｖ特性は、次式で表される。
Ｖbat ＝Ｅ０−Ｉ×Ｒ
Ｖbat はバッテリ電圧（端子電圧）、Ｅ０はバッテリ起電力（開放端電圧）、Ｉはバッテリ放電電流、Ｒはバッテリ内部抵抗である。
【００１１】
ここで、起電力（開放端電圧）Ｅ０はバッテリの充電状態ＳＯＣと相関があり、Ｅ０よりＳＯＣを知ることができる。
一方、オルタネータの発電は、バッテリ電圧Ｖbat とオルタネータ発電電圧Ｖalt との電位差によって決まる。
即ち、Ｖbat ＜Ｖalt であれば、オルタネータは発電し、オルタネータ発電電流の一部は電気負荷に供給され、残りがバッテリ充電分となる。
【００１２】
逆に、Ｖbat ＞Ｖalt であれば、バッテリから持ち出し状態となる。
よって、オルタネータ発電電流Ｉalt が正の値から０に変化するポイントは、そのときのオルタネータ発電電圧Ｖalt の電位にて、バッテリが充電→放電に遷移した点であり、このときＶbat ＝Ｅ０であると考えられる。
従って、オルタネータ発電電流Ｉalt が正の値から０に変化するポイントでのバッテリ電圧Ｖ bat に基づいて、相対的なバッテリ充電状態の推定（起電力Ｅ０→ＳＯＣ）を行うことができる。但し、分極の影響（内部抵抗Ｒの変動）により絶対的な値の推定はできないので、推定条件を絞って推定精度の向上を図る。
【００１３】
次に上記原理に基づくバッテリ充電状態の推定について、図２のフローチャートにより具体的に説明する。
Ｓ１では、所定の推定条件が成立しているか否かを判定する。
ここで所定の推定条件とは、バッテリの分極量、すなわち内部抵抗Ｒが略一定となる条件であり、具体的には、次の（１）〜（３）の全てを満たしていることとする。
【００１４】
（１）バッテリ温度が所定温度より高いこと。具体的には、水温センサにより計測されるエンジン冷却水温度Ｔｗで代用し、これがエンジン暖機後に相当する所定温度以上であることを確認する。従って、バッテリ温度が所定温度より低いとき、推定は禁止される。
（２）電気負荷の消費電流が所定範囲内であること。具体的には、エアコンスイッチＯＦＦを条件とするなど、各種電気負荷のＯＮ／ＯＦＦ状況から、電気負荷の消費電流が例えば５ｍＡ未満であることを確認する。従って、電気負荷の消費電流が所定範囲外のとき、推定は禁止される。
【００１５】
（３）上記（１）、（２）の状態で、所定時間以上経過したこと。
すなわち、バッテリ内部抵抗Ｒは、純粋なオーミック抵抗分（部品としての抵抗）に、活性化分極、濃度分極と言われる分極抵抗分が加えられた値となる。
オーミック抵抗分の変動要因としては、主に温度、劣化などが挙げられる。
分極抵抗分の変動要因は、電流値、温度、劣化、充電状態、過去充放電履歴等が挙げられるが、電流値、温度の感度が大きいことが知られている。
【００１６】
そこで、同一温度の下でバッテリ充放電電流を所定範囲に管理することによって、分極の統一化を図ることにより、分極による推定ズレを極力低減させる。
このため、バッテリ温度が所定温度より高くかつ電気負荷の消費電流が所定範囲内の状態で所定時間以上経過したときに、推定を行うようにしている。
従って、Ｓ１での判定でＹＥＳの場合は、Ｓ２へ進むが、ＮＯの場合は条件が成立するまで待つ。
【００１７】
Ｓ２では、オルタネータ（ＡＬＴ）の発電電圧Ｖalt を減少側に変化させる。言い換えれば、オルタネータに対するデューティ指令による制御電圧Ｖalt を減少側に変化させる。
具体的には、次式のように、前回のオルタネータ発電電圧（制御電圧）Ｖaltzから所定値ΔＶ# （例えば 0.1Ｖ）を減算して、オルタネータ発電電圧（制御電圧）Ｖalt を更新し、オルタネータに対しデューティ信号で指令する。
【００１８】
Ｖalt ＝Ｖaltz−ΔＶ#
次のＳ３では、電流センサからの信号を読込んで、変更されたオルタネータ発電電圧Ｖalt での、オルタネータ発電電流Ｉalt を計測する。
Ｓ４では、オルタネータ発電電流Ｉalt が正の値から０となったか否かを判定する。より詳しくは、前回計測されたオルタネータ発電電流Ｉaltzが正の値で、かつ今回計測されたオルタネータ発電電流Ｉalt が０であるか否かを判定する。
【００１９】
この結果、オルタネータ発電電流Ｉalt が正→０になっていない場合は、Ｓ２〜Ｓ４の処理を繰り返し実行する。
一方、図３に示すようなオルタネータ発電電圧Ｖalt の減少に伴うオルタネータ発電電流Ｉalt の減少により、オルタネータ発電電流Ｉalt が正→０になった場合は、Ｓ４からＳ５へ進む。
【００２１】
オルタネータ発電電流Ｉalt が正→０になったポイントでは、Ｖbat ＝Ｅ０となるので、バッテリ電圧Ｖ bat により起電力Ｅ０が検出されたことになる。
従って、Ｓ５では、起電力Ｅ０に相当するバッテリ電圧Ｖbat に基づき、所定の変換テーブルを参照するなどして、バッテリ充電状態（ＳＯＣ）を推定する。
【００２２】
本実施形態によれば、可変電圧オルタネータ２を用い、オルタネータ発電電圧Ｖalt を変化させて、オルタネータ発電電流Ｉalt が正の値から０となるポイントを検出し、そのポイントのバッテリ電圧Ｖ bat に基づいて、バッテリ１の充電状態を推定するようにして、可変電圧オルタネータ２の電流センサ４を用いることで、バッテリの電流センサを追加するというコストアップ無しに、バッテリ充電状態の推定が可能となる。
【００２４】
また、本実施形態によれば、バッテリ温度が所定温度より低いときに推定を禁止し、また電気負荷の消費電流が所定範囲外のときに推定を禁止することで、更には、バッテリ温度が所定温度より高くかつ電気負荷の消費電流が所定範囲内の状態で所定時間以上経過したときに推定を行うようにすることで、バッテリの内部抵抗の変動要因を除去して、推定精度を向上させることができる。
【００２５】
また、本実施形態によれば、バッテリ温度はエンジン冷却水温度で代用することで、バッテリ温度センサの増設によるコストアップを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示す車両用給電システムの図
【図２】 バッテリ充電状態推定のフローチャート
【図３】 バッテリ充電状態推定のタイムチャート
【符号の説明】
１ バッテリ
２ 可変電圧オルタネータ
３ ＥＣＭ
４ 電流センサ
５ クランク角センサ
６ 水温センサ
７ エアコンスイッチ

Claims (5)

1. バッテリと、発電電圧を任意に制御可能な可変電圧オルタネータとを備える車両において、
   オルタネータ発電電流を計測する電流センサを有し、
   オルタネータ発電電圧を変化させて、オルタネータ発電電流が正の値から０となるポイントを検出し、そのポイントのバッテリ電圧に基づいて、バッテリの充電状態を推定することを特徴とするバッテリ充電状態推定装置。
2. バッテリ温度が所定温度より低いときに上記推定を禁止する手段を有することを特徴とする請求項１記載の車両用バッテリ充電状態推定装置。
3. 電気負荷の消費電流が所定範囲外のときに上記推定を禁止する手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用バッテリ充電状態推定装置。
4. バッテリ温度が所定温度より高くかつ電気負荷の消費電流が所定範囲内の状態で所定時間以上経過したときに、上記推定を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の車両用バッテリ充電状態推定装置。
5. バッテリ温度はエンジン冷却水温度で代用することを特徴とする請求項２又は請求項４記載の車両用バッテリ充電状態推定装置。

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