JP4363949B2 - 鉛蓄電池の状態管理装置及び鉛蓄電池の残存容量検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉛蓄電池の残存容量を検出する鉛蓄電池の状態管理装置及びその関連技術に関し、特に車載用の鉛蓄電池の状態管理に用いる技術に関する。

従来の車載用の鉛蓄電池の残存容量の検出には、鉛蓄電池の溶液の比重を測定し、その測定値に基づいて残存容量を把握する方法や、鉛蓄電池の出力電圧が残存容量の減少に伴って低下する点に着目し、鉛蓄電池の出力電圧を測定し、その測定値に基づいて残存容量を把握する方法等が採用されている。

しかしながら、上記の溶液の比重を測定する方法では、この方法を車両に搭載された鉛蓄電池の日常的な状態管理（例えば、エンジン始動時ごとの状態管理）に採用しようとすると、溶液の比重を計測するための複雑な装置構成を車載用の鉛蓄電池の組み込む必要があり、鉛蓄電池等の構成が複雑化するという問題がある。

また、上記の出力電圧の測定値に基づいて残存容量を把握する方法では、鉛蓄電池の出力電圧が残存容量による影響だけでなく、鉛蓄電池の温度等の他の要素にも影響されるため、残存容量の検出精度に限界があり、検出精度の向上が困難であるという問題がある。

そこで、本発明の解決すべき課題は、簡易な構成により、鉛蓄電池の残存容量を高精度に検出することができる鉛蓄電池の状態管理装置及びその関連技術を提供することである。

前記課題を解決するための手段は、鉛蓄電池の残存容量を検出する鉛蓄電池の状態管理装置であって、前記鉛蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、前記鉛蓄電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記鉛蓄電池の硫酸の平均活量の対数をとった値と、前記鉛蓄電池の出力電圧から前記鉛蓄電池の標準起電力を差し引いた値を前記鉛蓄電池の溶液温度で除算した値とがほぼ比例関係を有することを利用して、前記温度検出手段及び前記電圧検出手段によって検出された前記鉛蓄電池の温度値及び出力電圧値に基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸の平均活量値を導出する第１の導出処理手段と、前記鉛蓄電池における硫酸の平均活量の対数をとった値と硫酸濃度とがほぼ比例関係を有することを利用して、前記第１の導出処理手段によって導出された前記平均活量値に基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出する第２の導出処理手段と、前記鉛蓄電池の硫酸濃度と、前記鉛蓄電池の残存容量との間に、一次関数の関係式が成り立つことを利用して、前記第２の導出処理手段によって導出された前記推定濃度値に基づいて、前記鉛蓄電池の残存容量を推定した推定残存容量値を導出する第３の導出処理手段と、を備える。

好ましくは、前記第２の導出処理手段は、前記硫酸の平均活量の対数をとった値と硫酸濃度との前記比例関係に基づいて予め設定された前記硫酸の平均活量と前記硫酸濃度との関係式を、前記鉛蓄電池の各温度に対応して複数記憶しており、その複数の関係式のうちの前記温度検出手段によって検出された前記温度値に対応する関係式に、前記第１の導出処理手段によって導出された前記平均活量値を代入して前記推定濃度値を導出するのがよい。

さらに、好ましくは、前記複数の関係式は、前記平均活量値をａ_av、前記推定濃度値をｍとした場合、前記鉛蓄電池の各温度ごとに予め設定された複数の係数Ａ，Ｂを用いて、
ｍ＝(ln(ａ_av/Ａ))/Ｂ
により規定されているのがよい。

また、前記第３の導出処理手段は、前記第２の導出処理手段によって導出された前記推定濃度値をｍとし、前記鉛蓄電池の満充電時及び完全に放電した定格容量放電時の硫酸濃度に対応して予め設定された第１及び第２の濃度値をｍ_f，ｍ_eとし、前記推定残存容量値をＳＯＣとした場合、式
ＳＯＣ＝(ｍ−ｍ_e)/(ｍ_f−ｍ_e)
を用いて前記推定残存容量値を導出するのがよい。

さらに、前記課題を解決するための手段は、鉛蓄電池の残存容量を検出する鉛蓄電池の残存容量検出方法であって、前記鉛蓄電池の硫酸の平均活量の対数をとった値と、前記鉛蓄電池の出力電圧から前記鉛蓄電池の標準起電力を差し引いた値を前記鉛蓄電池の溶液温度で除算した値とがほぼ比例関係を有することを利用して、所定の温度検出手段によって検出された前記鉛蓄電池の温度値と、所定の電圧検出手段によって検出された前記鉛蓄電池の出力電圧値とに基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸の平均活量値を導出し、前記鉛蓄電池における硫酸の平均活量の対数をとった値と硫酸濃度とがほぼ比例関係を有することを利用して、前記平均活量値に基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出し、前記鉛蓄電池の硫酸濃度と、前記鉛蓄電池の残存容量との間に、一次関数の関係式が成り立つことを利用して、前記推定濃度値に基づいて、前記鉛蓄電池の残存容量を推定した推定残存容量値を導出する。

請求項１ないし５に記載の発明によれば、温度検出手段及び電圧検出手段によって検出された鉛蓄電池の温度値及び出力電圧値とに基づいて、鉛蓄電池の硫酸の平均活量値を導出し、その平均活量値に基づいて、硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出し、その推定濃度値に基づいて、鉛蓄電池の残存容量を推定した推定残存容量値を導出する構成であるため、高精度で鉛蓄電池の残存容量を検出することができる。

また、鉛蓄電池又はその周辺ユニットに設ける残存容量検出のための測定手段としては、実質的に温度検出手段及び電圧検出手段のみでよいため、簡易な装置構成である。

また、鉛蓄電池の硫酸の平均活量の対数をとった値と硫酸濃度とが比例関係を有することを利用して、平均活量値に基づいて、鉛蓄電池の硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出するため、平均活量値に基づいて推定濃度値を導出するための関係式等を簡単な構成とすることができ、推定濃度値の導出のための演算を容易に行うことができるとともに、推定濃度値の導出に必要な関係式等を記憶しておくために必要な記憶容量を抑制できる等の効果が得られる。

請求項２に記載の発明によれば、硫酸の平均活量値に基づいて硫酸の推定濃度値を導出するための関係式が、鉛蓄電池の温度に応じて複数設定され、鉛蓄電池の温度に応じた関係式が選択されて用いられるため、鉛蓄電池の異なる各温度状態において正確な残存容量の検出を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、係数Ａ，Ｂの値を変更するだけで、鉛蓄電池の各温度に対応した硫酸濃度値導出用の関係式を規定することができ、その結果、推定濃度値の導出のための演算を容易に行うことができるとともに、推定濃度値の導出に必要な関係式等を記憶しておくために必要な記憶容量を抑制できる等の効果が得られる。

請求項４に記載の発明によれば、推定濃度値を用いた簡単な演算処理により、鉛蓄電池の推定残存容量値を正確に導出することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池の状態管理装置（以下、単に「状態管理装置」という）のブロック図である。この状態管理装置は、図１に示すように、鉛蓄電池１の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）３と、鉛蓄電池１の出力電圧を検出する電圧センサ（電圧検出手段）５と、この状態管理装置の制御（状態管理に必要な情報処理を含む）を統括する処理部（第１ないし第３の導出処理手段）７と、検出した鉛蓄電池１の状態に関する情報を画像、警告灯又は音声等により出力する出力部９とを備えて構成されている。本実施形態では、この状態管理装置は車両に搭載され、車載用の鉛蓄電池１の残存容量を検出するために用いられる。

なお、処理部７は、図示しないマイコン及びメモリ等を備えて構成されている。出力部９は省略可能である。図１における温度センサ３及び電圧センサ５の設置形態（設置位置等）は例示であり、これに限定されるものではない。また、電圧センサ５が検出する鉛蓄電池１の出力電圧とは、鉛蓄電池１の無負荷時の開放電圧のことを意味する。

まず、この状態管理装置が鉛蓄電池１の残存容量を検出する原理について説明する。

検出手順を大略的に説明すると、温度センサ３及び電圧センサ５によって検出された鉛蓄電池１の温度値及び出力電圧値とに基づいて、ネルンストの関係式により、鉛蓄電池１の硫酸の平均活量値を導出し、硫酸の平均活量の対数をとった値（対数値）と硫酸濃度とが比例関係を有することを利用して、その平均活量値に基づいて、硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出し、その推定濃度値に基づいて、鉛蓄電池１の残存容量を推定した推定残存容量値を導出するようになっている。

鉛蓄電池１の起電力（出力電圧）Ｅは、ネルンストの関係式により次のように表される。

Ｅ＝Ｅ₀+(ＲＴ/ｎＦ)×ln(ａ_av1 ²/ａ_av2 ²) （１）
上式（１）におけるＥ以外の変数は、
ａ_av1：硫酸の平均活量、
ａ_av2：水の平均活量、
ｎ：反応に関与する電子数（ここではｎ＝２）、
Ｆ：ファラデー定数（9.648×10⁴Cmol^-1）、
Ｒ：気体定数（8.314Jmol^-1Ｋ^-1）、
Ｅ₀：鉛蓄電池の標準起電力（単セル2.0485Vで６セルで12.291V）、
Ｔ：鉛蓄電池の溶液温度、
である。

水の平均活量ａ_av2を１で近似すると、上式（１）より近似的に、
Ｅ＝Ｅ₀+(ＲＴ/Ｆ)×ln(ａ_av1) （２）
の関係が得られる。これをａ_av1（以下、単に「ａ_av」と記載する）について解くと、
ａ_av＝exp((Ｆ/ＲＴ)×(Ｅ-Ｅ₀)) （３）
が得られる。

そこで、本実施形態では、上式（３）の関係式に、温度センサ３及び電圧センサ５による測定値Ｔ，Ｅ、及びメモリ等に予め登録された既知の値Ｆ，Ｒ，Ｅ₀を代入することより、鉛蓄電池１の硫酸の平均活量を推定した平均活量値ａ_avを導出するようになっている。

図２ないし図４は、６５℃、２５℃及び−３０℃時における鉛蓄電池１の硫酸の活量と質量モル濃度との関係を示すグラフである。本実施形態では、まず、図２ないし図４に例示するグラフのように、鉛蓄電池１の異なる複数の温度について、鉛蓄電池１の硫酸の活量を硫酸の質量モル濃度を変化させて実測し、各温度における鉛蓄電池１の硫酸の活量と硫酸の質量モル濃度との関係を調べた。図２ないし図４のグラフにおける各黒点は実測値を示している。

この測定の結果、本願発明者は、鉛蓄電池１の温度にかかわらず、鉛蓄電池１の硫酸の活量の対数値と質量モル濃度との間に比例関係があることに気づいた。例えば、硫酸の質量モル濃度を横軸、硫酸の活量の対数値を縦軸にとった図２ないし図４のグラフにおいて、各実測値は近似的に直線グラフＧ１〜Ｇ３上に沿って分布している。

そこで、本実施形態では、上式（３）により導出した硫酸の平均活量値ａ_avに基づき、次の関係式により硫酸の質量モル濃度を推定した推定濃度値ｍを導出することとしている。

ｍ＝(ln(ａ_av/Ａ))/Ｂ （４）
上式（４）において、変数Ａ，Ｂは、平均活量値ａ_avと推定濃度値ｍとの関係式を規定するための係数であり、上式（４）における平均活量値ａ_avと推定濃度値ｍの関係が実測値に近接するような値に予め設定されている。また、この係数Ａ，Ｂは、鉛蓄電池１の異なる温度ごとに設定される。図５には、−３０℃、２５℃、６５℃における係数Ａ，Ｂの値が例示的に示されている。また、図６及び図７は、鉛蓄電池１の温度と係数Ａ，Ｂの値の関係を示している。なお、係数Ａ，Ｂは、必要な温度範囲内において設定された複数温度について上述の図２ないし図４のグラフに示すような実測を行って、その実測結果に基づいてその複数温度における係数Ａ，Ｂを決定し、必要な温度範囲内における他の温度における係数Ａ，Ｂの値は、その実測により決定した係数Ａ，Ｂの値から推定して決定するのが効率的で好ましい。

そして、関係式（４）により導出された推定濃度値ｍを、次式に代入することにより、鉛蓄電池１の残存容量を推定した推定残存容量値ＳＯＣ（％）を導出する。

ＳＯＣ＝(ｍ−ｍ_e)/(ｍ_f−ｍ_e) （５）
上式（５）におけるｍ以外の変数は、
ｍ_f：鉛蓄電池の満充電時における硫酸の質量モル濃度値
ｍ_e：鉛蓄電池の完全に放電した定格容量放電時における硫酸の質量モル濃度値
である。上式（５）に含まれる変数のうち、ｍは関係式（４）による導出値であり、ＳＯＣは導出すべき目的値であり、ｍ_f，ｍ_eは実測により設定された既知の値である。

処理部７のメモリ等には、上記の関係式（３）（予め設定された値Ｆ，Ｒ，Ｅ₀を含む）、関係式（４）（各温度ごとに予め設定された各係数Ａ，Ｂの値を含む）、関係式（５）（予め設定された値ｍ_f，ｍ_eを含む）が予め登録されており、これらの関係式（３）〜（５）を用いた、処理部７のマイコンによる演算処理により推定残存濃度値ＳＯＣが導出されるようになっている。

次に、処理部７による鉛蓄電池１の残存容量検出のための処理動作について説明する。

図８に示すように、ステップＳ１では、温度センサ３及び電圧センサ５を介して鉛蓄電池１の溶液の温度値Ｔ及び出力電圧値Ｖが検出される。

ステップＳ２では、その検出した温度値Ｔ及び出力電圧値Ｖが上記関係式（３）に代入されて演算されて、硫酸の平均活量値ａ_avが導出される。

ステップＳ３では、上記関係式（４）に、ステップＳ２で導出された平均活量値ａ_av、及び各温度に対応して予め登録された複数の係数Ａ，ＢのうちのステップＳ１で検出された温度Ｔに対応する係数Ａ，Ｂが代入されて演算され、硫酸の推定濃度値ｍが導出される。

ステップＳ４では、その導出された推定濃度値ｍが上記関係式（５）に代入されて演算されて、推定残存容量値ＳＯＣが導出される。

ステップＳ５では、導出した推定残存容量値ＳＯＣ又はその関連情報が画像表示等により出力部９を介して出力される。

このステップＳ１〜Ｓ５の残存容量の検出処理は、車両のエンジン始動時（例えば、イグニッションスイッチがオンされてからエンジンが始動されるまでの期間内）等に行われるようになっている。

図９は、鉛蓄電池１の温度が２５℃時における本実施形態に係る手法により導出した各残存レベルの推定残存容量値と実測値との対応関係を示す図である。図９に示す実測値との対応関係より、各残存レベルにおける推定残存容量値の誤差率は５％未満であり、高精度で残存容量の検出が行われていることが分かる。

以上のように、本実施形態によれば、温度センサ３及び電圧センサ５によって検出された鉛蓄電池１の温度値及び出力電圧値とに基づいて、ネルンストの関係式により、鉛蓄電池１の硫酸の平均活量値を導出し、硫酸の平均活量の対数をとった値と硫酸濃度とが比例関係を有することを利用して、その平均活量値に基づいて、硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出し、その推定濃度値に基づいて、鉛蓄電池１の残存容量を推定した推定残存容量値を導出する構成であるため、高精度で鉛蓄電池１の残存容量を検出することができる。

また、鉛蓄電池１又はその周辺ユニットに設ける残存容量検出のための測定手段としては、実質的に温度センサ３及び電圧センサ５のみでよいため、簡易な装置構成である。

さらに、鉛蓄電池１の硫酸の平均活量の対数をとった値と硫酸濃度とが比例関係を有することを利用して、平均活量値に基づいて、鉛蓄電池１の硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出するため、平均活量値に基づいて推定濃度値を導出するための関係式（４）を簡単な構成とすることができ、推定濃度値の導出のための演算を容易に行うことができるとともに、推定濃度値の導出に必要な関係式（５）等を記憶しておくために必要な記憶容量を抑制できる等の効果もある。

また、硫酸の平均活量値に基づいて硫酸の推定濃度値を導出するための関係式（４）が、鉛蓄電池１の温度に応じて複数設定され、鉛蓄電池の温度に応じた関係式が選択されて用いられるため、鉛蓄電池１の異なる各温度状態において正確な残存容量の検出を行うことができる。

さらに、係数Ａ，Ｂの値を変更するだけで、鉛蓄電池１の各温度に対応した硫酸濃度値導出用の関係式（４）を規定することができ、その結果、推定濃度値の導出のための演算を容易に行うことができるとともに、推定濃度値の導出に必要な関係式（４）等を記憶しておくために必要な記憶容量を抑制できる等の効果が得られる。

また、関係式（５）を用いることによって、推定濃度値を用いた簡単な演算処理により鉛蓄電池１の残存容量を正確に導出することができる。

本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池の状態管理装置のブロック図である。 ６５℃時の活量と質量モル濃度との関係を示すグラフである。 ２５℃時の活量と質量モル濃度との関係を示すグラフである。 −３０℃時の活量と質量モル濃度との関係を示すグラフである。 各温度における係数Ａ，Ｂの値を示す図である。 温度と係数Ａとの関係を示すグラフである。 温度と係数Ｂとの関係を示すグラフである。 鉛蓄電池の状態管理装置の処理のフローチャートである。 ２５℃時における各推定残存容量値と実測値との対応関係を示す図である。

符号の説明

１ 鉛蓄電池
３ 温度センサ
５ 電圧センサ
７ 処理部
１ 出力部

Claims (5)

1. 鉛蓄電池の残存容量を検出する鉛蓄電池の状態管理装置であって、
   前記鉛蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記鉛蓄電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記鉛蓄電池の硫酸の平均活量の対数をとった値と、前記鉛蓄電池の出力電圧から前記鉛蓄電池の標準起電力を差し引いた値を前記鉛蓄電池の溶液温度で除算した値とがほぼ比例関係を有することを利用して、前記温度検出手段及び前記電圧検出手段によって検出された前記鉛蓄電池の温度値及び出力電圧値に基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸の平均活量値を導出する第１の導出処理手段と、
   前記鉛蓄電池における硫酸の平均活量の対数をとった値と硫酸濃度とがほぼ比例関係を有することを利用して、前記第１の導出処理手段によって導出された前記平均活量値に基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出する第２の導出処理手段と、
   前記鉛蓄電池の硫酸濃度と、前記鉛蓄電池の残存容量との間に、一次関数の関係式が成り立つことを利用して、前記第２の導出処理手段によって導出された前記推定濃度値に基づいて、前記鉛蓄電池の残存容量を推定した推定残存容量値を導出する第３の導出処理手段と、
   を備える、鉛蓄電池の状態管理装置。
2. 請求項１に記載の鉛蓄電池の状態管理装置において、
   前記第２の導出処理手段は、
   前記硫酸の平均活量の対数をとった値と硫酸濃度との前記比例関係に基づいて予め設定された前記硫酸の平均活量と前記硫酸濃度との関係式を、前記鉛蓄電池の各温度に対応して複数記憶しており、その複数の関係式のうちの前記温度検出手段によって検出された前記温度値に対応する関係式に、前記第１の導出処理手段によって導出された前記平均活量値を代入して前記推定濃度値を導出する、鉛蓄電池の状態管理装置。
3. 請求項２に記載の鉛蓄電池の状態管理装置において、
   前記複数の関係式は、
   前記平均活量値をａ _av 、前記推定濃度値をｍとした場合、前記鉛蓄電池の各温度ごとに予め設定された複数の係数Ａ，Ｂを用いて、
   ｍ＝(ln(ａ _av /Ａ))/Ｂ
   により規定されている、鉛蓄電池の状態管理装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の鉛蓄電池の状態管理装置において、
   前記第３の導出処理手段は、
   前記第２の導出処理手段によって導出された前記推定濃度値をｍとし、前記鉛蓄電池の満充電時及び完全に放電した定格容量放電時の硫酸濃度に対応して予め設定された第１及び第２の濃度値をｍ _f ，ｍ _e とし、前記推定残存容量値をＳＯＣとした場合、式
   ＳＯＣ＝(ｍ−ｍ _e )/(ｍ _f −ｍ _e )
   を用いて前記推定残存容量値を導出する、鉛蓄電池の状態管理装置。
5. 鉛蓄電池の残存容量を検出する鉛蓄電池の残存容量検出方法であって、
   前記鉛蓄電池の硫酸の平均活量の対数をとった値と、前記鉛蓄電池の出力電圧から前記鉛蓄電池の標準起電力を差し引いた値を前記鉛蓄電池の溶液温度で除算した値とがほぼ比例関係を有することを利用して、所定の温度検出手段によって検出された前記鉛蓄電池の温度値と、所定の電圧検出手段によって検出された前記鉛蓄電池の出力電圧値とに基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸の平均活量値を導出し、
   前記鉛蓄電池における硫酸の平均活量の対数をとった値と硫酸濃度とがほぼ比例関係を有することを利用して、前記平均活量値に基づいて、前記鉛蓄電池の硫酸濃度を推定した推定濃度値を導出し、
   前記鉛蓄電池の硫酸濃度と、前記鉛蓄電池の残存容量との間に、一次関数の関係式が成り立つことを利用して、前記推定濃度値に基づいて、前記鉛蓄電池の残存容量を推定した推定残存容量値を導出する、鉛蓄電池の残存容量検出方法。

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