JP4341556B2

JP4341556B2 - 電池状態検出装置

Info

Publication number: JP4341556B2
Application number: JP2005000698A
Authority: JP
Inventors: 惠造山田
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2005-01-05
Filing date: 2005-01-05
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2025-01-05
Also published as: JP2006188130A

Description

本発明は電池状態検出装置に係り、特に、車両のエンジン始動用電池の状態を検知する電池状態検知装置に関する。

従来、電池状態を表すパラメータ又は電池状態を演算するための測定パラメータとして、内部抵抗、放電電圧、開回路電圧、残容量、充電状態等が用いられている。自動車、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、近時、このような電池状態の監視と電池状態制御はその重要性がますます大きくなってきている。車両用電池では、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）、回生充電などに対応するため、これらの用途に適した電池状態に電池を保つ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のひとつである。

このような要請に応えるため、車両用ではエンジン始動時の電圧や直流内部抵抗を予め測定したデータマップと比較して電池状態を算出するハイブリッド車用電池残存容量検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。一般に、エンジン始動時の電圧から電池状態を算出する場合、エンジン始動電圧が新品状態からどれだけ下がったかで電池の劣化判定が行われる。

また、車両を用いた電池試験方法として、スタータモータを回した状態での電圧を評価する方法が知られている。この方法は、エンジン始動不能になった車両に対してスタータと電池のどちらが原因か調べるためのバッテリチェックの方法として古くから用いられてきた。この方法では、オシロスコープを使わず、時間応答性の遅い簡単な電圧計による測定が一般的であり、例えば、突入電流後比較的電圧が安定した時の電圧が９Ｖ程度以上であれば正常と判断する。エンジンに燃料の供給をしないような措置をするなどして、スタータモータが回っても実際にエンジンが始動しないような条件にすると、正常な車両でも時間的に安定した電圧が得られ、バッテリチェックができる。

特開平７−６３８３０号公報

しかしながら、エンジン始動電圧が新品状態からどれだけ下がったかで劣化の判定を行うと、例えば、車両のスタータモータに使われるブラシつきＤＣモータはブラシの経時劣化などで車両側の電気抵抗が増加しエンジン始動電圧による電池状態検知上の誤差要因となるため、電池の劣化を正確に検出することができない、という問題がある。

上記事案に鑑み、本発明の課題は、車両側の電気抵抗に拘らず電池の劣化を正確に検知可能な電池状態検知装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、車両のエンジン始動用電池の状態を検知する電池状態検知装置において、前記電池のエンジン始動前の開回路電圧及びエンジン始動時の放電電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で検出された放電電圧に予め設定された設定値以上の電圧低下があるときに、一定時刻毎に一定時間にわたって前記電圧検出手段で検出された複数の放電電圧値を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された複数の放電電圧値の中から最低電圧値を特定する特定手段と、前記記憶手段に記憶された複数の放電電圧値のうち放電電圧値が最初に測定された時刻と前記最低電圧値が測定された時刻との間における２つの時刻での放電電圧値と前記電圧検出手段により検出された開回路電圧値とから時定数を算出し、該算出した時定数に基づいて予め算出されていたしきい値を車両側の電気抵抗の増加に対応するように補正するしきい値補正手段と、前記特定手段により特定された最低電圧値が前記しきい値補正手段により補正されたしきい値を越えたときに前記電池が寿命と判定する判定手段と、を備える。

本発明では、電圧検出手段により電池のエンジン始動前の開回路電圧及びエンジン始動時の放電電圧が検出され、記憶手段により電圧検出手段で検出された放電電圧に予め設定された設定値以上の電圧低下があるときに、一定時刻毎に一定時間にわたって電圧検出手段で検出された複数の放電電圧値が記憶され、特定手段により記憶手段に記憶された複数の放電電圧値の中から最低電圧値が特定され、しきい値補正手段により記憶手段に記憶された複数の放電電圧値のうち放電電圧値が最初に測定された時刻と最低電圧値とが測定された時刻との間における２つの時刻での放電電圧値と電圧検出手段で検出された開回路電圧値とから時定数が算出され、該算出された時定数に基づいて予め算出されていたしきい値が車両側の電気抵抗の増加に対応するように補正され、判定手段により特定手段で特定された最低電圧値がしきい値補正手段で補正されたしきい値を越えたときに電池が寿命と判定される。

本発明において、２つの時刻での放電電圧値の一方は、特定手段により特定された最低電圧値を用いるようにしてもよい。また、時定数の算出精度を向上させるために、しきい値補正手段は、２つの時刻での放電電圧値の少なくとも一方が電圧検出手段で検出されたエンジン始動前の電池の開回路電圧値より低く該開回路電圧値との差が１Ｖ以下のときに、予め算出されていたしきい値を補正することが好ましい。更に、電池状態検知装置への電源供給に拘らず適正な寿命判定を行うために、しきい値補正手段により補正されたしきい値を記憶する不揮発性メモリを備えることが好ましい。また、判定手段により電池が寿命と判定されたときに、電池が寿命であることを報知するための報知信号を出力する出力手段を更に備えることがより好ましい。

本発明によれば、しきい値補正手段により時定数に基づいて予め算出されていたしきい値が車両側の電気抵抗の増加に対応するように補正され、判定手段によりしきい値補正手段で補正されたしきい値を基準に電池の寿命が判定されるので、車両側の電気抵抗に拘らず電池の劣化を正確に検出することができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明を、車両用鉛電池の状態検知を行うバッテリコントローラに適用した実施の形態について説明する。

（構成）
図１に示すように、本実施形態のバッテリコントローラ１０（電池状態検知装置）は、エンジン等の車両側の制御を行う車両コントローラ２０の下位装置として機能し、中央演算処理装置として機能するＣＰＵと、バッテリコントローラ１０の基本制御プログラムや後述する数式等のプログラムデータが記憶されたＲＯＭと、ＣＰＵのワークエリアとして働くと共にデータを一時的に記憶するＲＡＭとを有し、電圧検出手段の一部、記憶手段、特定手段、しきい値補正手段及び判定手段としてのマイコン２、マイコン２の外部バスに接続され不揮発性メモリとして機能するＥＰＲＯＭ３、鉛電池１の外部端子からのアナログ電圧をデジタル電圧に変換する電圧検出手段の一部としてのＡ／Ｄコンバータ（不図示）、及び、車両コントローラ２０との通信を行うためのインターフェイスを含んで構成されており、通信線により車両コントローラ２０と接続されている。

鉛電池１の正極外部出力端子は、イグニッションスイッチ（以下、ＩＧＮと略称する。）１１の中央端子に接続されている。ＩＧＮ１１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ＯＦＦ、ＯＮ／ＡＣＣ及びＳＴＡＲＴ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。ＩＧＮ１１のＯＮ／ＡＣＣ端子、ＳＴＡＲＴ端子側には、鉛電池１の負荷となり、モータジェネレータ、スタータ、発電機等を表すＭＧ１２が接続されている。一方、鉛電池１の負極外部出力端子はグランドに接続されている。なお、車両コントローラ２０は、常時ＩＧＮの接続状態を監視している。

ここで、エンジン始動時の鉛電池１の電圧変化について説明する。図３は、エンジン始動時の鉛電池１の電圧波形を模式的に示したものである。エンジン始動時の鉛電池１の電圧波形は、ＩＧＮ１１がＳＴＡＲＴ端子に位置した通電開始時の後、スタータモータへの急激な１段目のパルス放電が行われ、電圧波形は急激な立下りとなりエンジン始動時の最低電圧値Ｖｓｔが現れる。その後、減衰する数回の増減を経てエンジン始動が完了する。電圧波形は、エンジンの構造やエンジンとスタータモータとを繋ぐクラッチの摩擦等にも影響されるが、主としてスタータモータのブラシに影響され、概ね図３に示すような波形となる。

図４は、スタータモータへの急激な１段目のパルス放電部分を更に模式化して示したものである。本実施形態では、後述するように、バッテリコントローラ１０のマイコン２が、開回路電圧ＯＣＶを所定時間毎に取り込み、鉛電池１の電圧が予め設定された設定値Ｖｃ以下となると、Ｄ／Ａコンバータのサンプリング周期を変更し、設定値Ｖｃ以下となった最初の放電電圧値：Ｖ（ｔ１）における時刻ｔ１から一定時刻毎に一定時間にわたり複数の放電電圧値を測定する。なお、図４では、本発明を分かり易く表すために、時刻ｔ１と最低電圧値Ｖｓｔを測定した時刻との間に放電電圧値を測定した時刻ｔ２（そのときの放電電圧値：Ｖ（ｔ２））を表している。

（動作）
次に、フローチャートを参照して、本実施形態のバッテリコントローラ１０の動作についてマイコン２のＣＰＵを主体として説明する。なお、マイコン２のＣＰＵは、バッテリコントローラ１０に電源が投入されると、図２に示す電池状態検知ルーチンを実行する。

電池状態検知ルーチンでは、まず、ステップ１０２において、車両コントローラ２０からＩＧＮ１１がＯＮ端子に位置した旨の報知があったか否かを判断し、否定判断のときは、ステップ１０４で鉛電池１の開回路電圧値ＯＣＶをＡ／Ｄコンバータを介して取り込み（測定し）、ステップ１０２へ戻る。なお、ステップ１０４での鉛電池１の開回路電圧の測定は、鉛電池１の硫酸濃度が安定したときに行うことが好ましく、例えば、６時間程度の長いサンプリング周期（インターバル）で行われる。

一方、ステップ１０２で肯定判断のときは、ステップ１０５で鉛電池１の放電電圧値を取り込む（測定する）。なお、ステップ１０５での鉛電池１の放電電圧値の測定は、図３に示したように、電圧波形が急激な立下りとなることが予測されるため、１０ｍｓ以下のサンプリング周期で測定することが好ましい。

次にステップ１０６では、ステップ１０４で測定したＯＣＶに対する放電電圧値の電圧降下が設定値Ｖｃ（例えば、０．３Ｖ）以上か否かを判断し、肯定判断のときは、ステップ１０５に戻り電圧降下が設定値Ｖｃ以下となるまで待機し、否定判断のときは、次のステップ１０８において、一定時刻毎に（例えば、０．４ｍｓ以下のサンプリング周期で）一定時間（例えば、６４ｍｓ）にわたって鉛電池１の放電電圧値を測定し（図４も参照）、測定した時経に従ってＲＡＭに格納（記憶）する。

ステップ１０８で一定時間における放電電圧の測定及びＲＡＭへの格納が終了すると、次のステップ１１０において、ＲＡＭに格納した複数の放電電圧値の中から最低電圧値Ｖｓｔを特定する。次にステップ１１２において、ステップ１０８で最初に放電電圧が測定された時刻ｔ１における放電電圧値Ｖ（ｔ１）が、ステップ１０４で測定されたＯＣＶ−１Ｖ以上かつＯＣＶ未満（ＯＣＶ−Ｖ（ｔ１）≦１Ｖ）か否かを判断する。肯定判断のときは、次のステップ１１４において、下式（１）により車両の電気的時定数τ^{（ｎ＋ｍ）}を算出する。

ここで、ＯＣＶ：開回路電圧値、Ｖｓｔ：エンジン始動時の最低電圧値、ｔ１、ｔ２：エンジン始動時の電圧低下開始からＶｓｔ測定までの間で放電電圧を測定した時刻、ｔ：エンジン始動時の電圧低下開始からＶｓｔ測定までの間で放電電圧を測定した時刻であってｔ１またはｔ２と同じ時刻としてもよい時刻、Ｖ（ｔ）：エンジン始動時の電圧低下開始からＶｓｔ測定までの間の時刻ｔでの放電電圧値である。

次のステップ１１６では、新品電池でのエンジン始動時の放電電圧値等から式（１）で予め算出された車両の電気的時定数τ^（ｎ）、新品電池でのしきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ} ^（ｎ）をＥＰＲＯＭ３から読み出して、下式（２）によりしきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ} ^（ｎ）を補正（更新）する。なお、式（２）において、ＯＣＶ_ｆｕｌは２５°Ｃ満充電での鉛電池１の開回路電圧値である。

次にステップ１１８では、マイコンがリセットされたときのために、ステップ１１６で算出したしきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ} ^{（ｎ＋ｍ）}をＥＰＲＯＭ３に格納して、ステップ１２２へ進む。一方、ステップ１１２で否定判断のときは、車両の電気的時定数τの算出精度、ひいては、しきい値Ｖの更新精度が図れないため、ステップ１２０で前回算出したしきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ} ^{（ｎ＋ｍ−１）}をＥＰＲＯＭ３から読み出してステップ１２２へ進む。

ステップ１２２では、ステップ１１０で特定した最低電圧値Ｖｓｔが、ステップ１１６で補正したしきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ} ^{（ｎ＋ｍ）}（又はステップ１２０で読み出したしきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ} ^{（ｎ＋ｍ−１）}）より大きいか否かを判断し、否定判断のときはステップ１０２へ戻り、肯定判断のときは次のステップ１２４で鉛電池１が寿命である旨の報知信号を車両コントローラ２０へ出力してステップ１０２へ戻る。車両コントローラ２０は、例えば、インストールメントパネルにその旨を表示させる。これにより、ドライバは鉛電池１が寿命となったことを知ることができる。

（作用等）
次に、本実施形態のバッテリコントローラ１０の作用等について説明する。

本実施形態のバッテリコントローラ１０では、時定数τ^{（ｎ＋ｍ）}を算出し（ステップ１１４）、算出された時定数τ^{（ｎ＋ｍ）}に基づいて予め算出されていたしきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ} ^（ｎ）を車両側の電気抵抗の増加に対応するように補正し（ステップ１１６）、補正されたしきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ} ^{（ｎ＋ｍ）}を基準に鉛電池１の寿命を判定する（ステップ１２２）ので、経時変化により増加する車両側の電気抵抗に拘らず鉛電池１の劣化を正確に検出することができる。また、放電電圧値Ｖ（ｔ１）がＯＣＶ−１Ｖ以上かつＯＣＶ未満のときに時定数τ^{（ｎ＋ｍ）}を算出するようにしたので（ステップ１１２、１１４）、時定数τ^{（ｎ＋ｍ）}の算出精度の向上を図ることができる。更に、ＥＰＲＯＭ３にしきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ} ^{（ｎ＋ｍ）}を格納するようにしたので、バッテリコントローラ１０の作動電源が鉛電池１から供給される場合に、ＭＧ１２への放電等により鉛電池１からの電源供給が途絶えても、鉛電池１の充電後に前回演算したＶ_{ｓｔ＿ｔｈ} ^{（ｎ＋ｍ−１）}を用いることができる。

なお、本実施形態では、ステップ１０８において０．４ｍｓ以下のサンプリング周期で鉛電池１の放電電圧値を測定する例を示したが、１ｍｓ程度のサンプリング周期で放電電圧値を測定するようにしてもよい。１ｍｓ程度のサンプリング周期では粗いため、ステップ１１２において肯定判断とならない（ＯＣＶに近い電圧データを取れない）こともあるが、その場合はしきい値の補正（更新）は行わず、次回以降ＯＣＶに近い電圧データが測定できたエンジン始動時に更新するようにしてもよい。このような態様では、マイコン２やＡ／Ｄコンバータに比較的低コストのものを使用することができる。一方、本実施形態のように、０．４ｍｓ以下のサンプリング周期とすれば、毎回エンジン始動時にＯＣＶに近い電圧データがサンプルできる。

また、本実施形態では、時刻ｔ１と最低電圧値Ｖｓｔを測定した時刻との間に放電電圧値を測定した時刻ｔ２における放電電圧値Ｖ（ｔ２）を用いて説明したが、時刻ｔ２は最低電圧値Ｖｓｔを測定した時刻と同じで、電圧Ｖ（ｔ２）は最低電圧値Ｖｓｔと同じであってもよい。また、放電電圧値Ｖ（ｔ１）を設定値Ｖｃ以下となった最初の時刻ｔ１における鉛電池１の放電電圧値とした例を説明したが、放電電圧値Ｖ（ｔ１）は鉛電池１の電圧が設定値Ｖｃ以下となった後、時刻ｔ２前の任意の時刻における鉛電池１の放電電圧値を用いるようにしてもよい。なお、車両の電気的時定数τの精度を高めるためには、時刻ｔ１と時刻ｔ２との時間を一定時間とすることが望ましい。

更に、本実施形態では、ＩＧＮ１１がＯＮ／ＡＣＣ端子に接続された旨を車両コントローラから報知を受け、鉛電池１の放電電圧値を測定する例を示したが、車両コントローラ２０から報知を受けなくても、図１に点線で示したように、ホール素子等の電流センサ４を挿入してエンジン始動時を把握するようにしてもよい。この例では、バッテリコントローラ１０が電流センサ４に接続された電流測定用のＡ／Ｄコンバータを有する必要がある。マイコン２は、電流測定用のＡ／Ｄコンバータから電流値（厳密には電流を電圧値に変換した値）を取り込み、所定値（例えば、０．１Ａ）未満のときは、ＩＧＮ１１がＯＦＦ端子に接続されているものとみなし、取り込んだ電流値が所定値以上のときに、鉛電池１の放電電圧を所定のサンプリング時間毎に測定すればよい。

また、本実施形態では、車両コントローラ２０に報知信号を出力する例を示したが、バッテリコントローラ１０又は鉛電池１がＬＥＤや電池状態検知装置等を有しており、マイコン２のＣＰＵがＬＥＤを点灯・ラッチさせたり、液晶表示パネルに鉛電池１の寿命を表示するようにしてもよい。更に、本実施形態では、車両の時定数τを算出した後、しきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ}を算出する例を示したが、式（２）に式（１）を代入することで、一度の演算でしきい値の算出が可能なことは云うまでもない。

次に、実施例および比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。

（実施例１）
４年間使用し劣化した８０Ｄ２６型自動車用鉛電池を、常温（２５°Ｃ）でＳＯＣ７０％に調整したものを使用した。車両には２５００ｃｃのガソリンエンジンの乗用車を使用した。この車両では、５年使用した８０Ｄ２６型鉛電池でのエンジン始動電圧Ｖｓｔが常温で８．１Ｖだったので、しきい値を８．１Ｖとした。まず、エンジン始動波形を１ｍｓサンプリング周期で測定した。次に、スタータモータを分解しブラシを５年５万ｋｍ使用した古い車両の劣化したものと交換し、同様にエンジン始動波形を測定した。式（２）に代入したパラメータと時定数τの計算結果を下表１に示す。

この時定数τを式（１）に代入してしきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ}を求めると、８．３９Ｖとなった。劣化ブラシ使用時のＶｓｔは、このしきい値８．３９Ｖで判定した。スタータモータのブラシ（スタータブラシ）の劣化によらず同じ判定結果になった。

（比較例１）
比較例１では、従来技術と同様に、しきい値Ｖ_{ｓｔ＿ｔｈ}を補正することなく、スタータブラシが劣化しても、しきい値８．１Ｖを使用して判定した。この結果を表２に示す。

実施例１、比較例１では、同じ鉛電池を使用しているが、比較例ではスタータブラシの劣化状態によって鉛電池の劣化判定結果が違ってしまった。以上の結果より、しきい値を補正する実施例１のバッテリコントローラが優れていることが分かる。

本発明は車両側の電気抵抗に拘らず電池の劣化を正確に検知可能な電池状態検知装置を提供するものであるため、電池状態検知装置の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態のバッテリコントローラのブロック回路図である。実施形態のバッテリコントローラのマイコンのＣＰＵが実行する電池状態検知ルーチンのフローチャートである。エンジン始動時の鉛電池の電圧波形を模式的に示したグラフである。図３に示した電圧波形のうちエンジン始動時の急激な立下りの部分を更に模式化して示したグラフである。

符号の説明

１鉛電池（エンジン始動用電池）
２マイコン（電圧検出手段の一部、記憶手段、特定手段、しきい値補正手段及び判定手段）
３ＥＰＲＯＭ（不揮発性メモリ）
１０バッテリコントローラ（電池状態検知装置）

Claims

車両のエンジン始動用電池の状態を検知する電池状態検知装置において、
前記電池のエンジン始動前の開回路電圧及びエンジン始動時の放電電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段で検出された放電電圧に予め設定された設定値以上の電圧低下があるときに、一定時刻毎に一定時間にわたって前記電圧検出手段で検出された複数の放電電圧値を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された複数の放電電圧値の中から最低電圧値を特定する特定手段と、
前記記憶手段に記憶された複数の放電電圧値のうち放電電圧値が最初に測定された時刻と前記最低電圧値が測定された時刻との間における２つの時刻での放電電圧値と前記電圧検出手段により検出された開回路電圧値とから時定数を算出し、該算出した時定数に基づいて予め算出されていたしきい値を車両側の電気抵抗の増加に対応するように補正するしきい値補正手段と、
前記特定手段により特定された最低電圧値が前記しきい値補正手段により補正されたしきい値を越えたときに前記電池が寿命と判定する判定手段と、
を備えた電池状態検知装置。
前記２つの時刻での放電電圧値の一方が前記特定手段により特定された最低電圧値であることを特徴とする請求項１に記載の電池状態検知装置。
前記しきい値補正手段は、前記２つの時刻での放電電圧値の少なくとも一方が前記電圧検出手段で検出されたエンジン始動前の電池の開回路電圧値より低く該開回路電圧値との差が１Ｖ以下のときに、前記予め算出されていたしきい値を補正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池状態検知装置。
前記しきい値補正手段により補正されたしきい値を記憶する不揮発性メモリを更に備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電池状態検知装置。
前記判定手段により前記電池が寿命と判定されたときに、前記電池が寿命であることを報知するための報知信号を出力する出力手段を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電池状態検知装置。