JP4477582B2 - バッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法、劣化度乃至は放電能力推定装置、及び電源システム - Google Patents

Description

本発明は、負荷に電力を供給するバッテリの劣化度乃至は放電能力を推定するバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法等の技術分野に関し、特に、バッテリのインピーダンスを推定することで劣化度乃至は放電能力を推定するバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法等の技術分野に関するものである。

自動車等に搭載されるバッテリの劣化度乃至は放電能力を推定する技術は従来から知られており、例えば、特許文献１に記載されている例がある。

一般に、バッテリのインピーダンスは、バッテリの劣化度乃至は放電能力と強い相関があることから、バッテリのインピーダンスを知ることができれば、それからバッテリの劣化度乃至は放電能力を推定することが可能となる。これにより、ユーザに対して劣化が進んだ乃至は放電能力が低下したバッテリの交換を促すことができる。

バッテリを有する電源システムにおいて、該バッテリの劣化度乃至は放電能力を推定可能とするために、該バッテリに対し所定の充電電流又は放電電流を流し、そのときの電流及び電圧を測定し、測定された電流及び電圧から所定の演算によりインピーダンスを算出する方法が従来から知られている。

バッテリのインピーダンスは、測定条件が同じであれば正確にバッテリの劣化度や放電能力を表す指標となるが、実際のシステムへの適用、代表的な例として自動車への適用を考えた場合、自動車用バッテリには常にオルタネータからの充電電流や、各電装機器に供給する放電電流等の通常動作による充放電電流が流れている。

そのため、インピーダンス測定は前記の所定の充電電流又は放電電流に加えて、これらの通常動作による充放電電流が重畳された状態で行われており、この重畳された充放電電流による測定条件の違いを無視してインピーダンス測定を行っている。
特開２００１−２２８２２６号

しかしながら、上記従来のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法では、次のような問題があった。すなわち、一般にバッテリのインピーダンスは、上記の通常動作による充放電電流の大きさに依存することが知られており、このような環境下では正確な劣化度や放電能力を推定することは困難であった。

そこで、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、通常動作による充放電電流がインピーダンスに与える影響を除外し、基準の直流電流値におけるインピーダンスを推定するバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法等を提供することを目的としている。

この発明の第１の態様は、バッテリのインピーダンスを所定の許容値と比較することにより該バッテリの劣化度乃至は放電能力を判定するバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法であって、前記バッテリの電流及び電圧を測定し、前記電流測定値及び電圧測定値から前記バッテリのインピーダンスを算出するとともに、前記電流測定値から直流電流成分を算出し、前記インピーダンス算出値と前記直流電流成分算出値とから所定の直流電流対インピーダンスの関係式に基づいて基準の直流電流値におけるインピーダンスを推定して前記バッテリの劣化度乃至は放電能力を判定することを特徴とするバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法である。

第２の態様は、前記直流電流対インピーダンスの関係式が、前記バッテリのインピーダンスを少なくとも１項の直流電流の指数項を持つ関数で表されることを特徴とするバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法である。

第３の態様は、前記直流電流対インピーダンスの関係式が、前記バッテリのインピーダンスをＺ、直流電流をＩDCとしたとき、

Ｚ＝ａ１×ｅｘｐ（−ＩDC／ｂ１）＋ａ２×ｅｘｐ（−ＩDC／ｂ２）＋・・・・＋ｃ

で表されることを特徴とするバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法である。

第４の態様は、前記直流電流対インピーダンスの関係式の係数ａ１，ａ２・・・，ｂ１，ｂ２・・・が、それぞれ１つの調整パラメータｃの関数ｆ１(ｃ)，ｆ２(ｃ)・・・，ｇ１(ｃ)，ｇ２(ｃ)・・・で与えられることを特徴とするバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法である。

第５の態様は、前記調整パラメータｃの値が、前記直流電流対インピーダンスの関係式が前記インピーダンス算出値と前記直流電流成分算出値を満たすよう決定されることを特徴とするバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法である。

第６の態様は、前記調整パラメータｃの関数ｆ１(ｃ)，ｆ２(ｃ)・・・，ｇ１(ｃ)，ｇ２(ｃ)・・・が、それぞれがｃの一次関数であることを特徴とするバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法である。

第７の態様は、前記直流電流成分算出値が、前記電流測定値に対して移動平均演算、フーリエ演算、カルマン・フィルタ演算の何れかにより算出されることを特徴とするバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法である。

第８の態様は、バッテリのインピーダンスに基づいて該バッテリの劣化度乃至は放電能力を判定するバッテリの劣化度乃至は放電能力推定装置であって、前記バッテリの電流を測定する電流センサと、前記バッテリの電圧を測定する電圧センサと、前記電流センサ及び電圧センサからそれぞれ電流測定値及び電圧測定値を入力し、前記電流測定値及び電圧測定値から前記バッテリのインピーダンスを算出するとともに、前記電流測定値から直流電流成分を算出し、前記インピーダンス算出値と前記直流電流成分算出値とから所定の直流電流対インピーダンスの関係式に基づいて基準の直流電流値におけるインピーダンスを推定して前記バッテリの劣化度乃至は放電能力を判定する制御手段とを備えることを特徴とするバッテリの劣化度乃至は放電能力推定装置である。

第９の態様は、第８の態様に記載のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定装置を備えた電源システムである。

本発明によれば、通常動作による充放電電流がインピーダンスに与える影響を除外し、基準の直流電流値におけるインピーダンスを推定するバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法、劣化度乃至は放電能力推定装置、及び電源システムを提供することが可能となる。

すなわち、測定時のインピーダンス及び直流電流から基準の直流電流値におけるインピーダンスを求め、該インピーダンスを所定のインピーダンス許容値と比較するようにしたことにより、直流電流値を一定にした同じ条件でバッテリの劣化度乃至は放電能力を判定できるようにしている。その結果、前記バッテリの劣化度乃至は放電能力を精度よく判定することが可能となっている。

また、測定時のインピーダンス及び直流電流から基準の直流電流値におけるインピーダンスを求めるための直流電流対インピーダンスの関係式を、直流電流の指数項を少なくとも１項持つようにしたことにより、より高精度にバッテリの劣化度乃至は放電能力を判定することが可能となっている。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態におけるバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法、劣化度乃至は放電能力推定装置、及び電源システムの構成について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。以下では、自動車等の車両に搭載されるバッテリに対して本発明を適用する場合を説明する。

本発明のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法は、バッテリの電流測定値及び電圧測定値から該バッテリのインピーダンスを算出するとともに、前記電流測定値から直流電流成分を算出し、上記のインピーダンス算出値と直流電流成分とから所定の直流電流対インピーダンスの関係式に基づいて基準の直流電流値におけるインピーダンスを推定し、これから前記バッテリの劣化度乃至は放電能力を判定するものである。

上記の直流電流対インピーダンスの関係式は、直流電流の指数項を少なくとも１項持つ関数で前記バッテリのインピーダンスを表すのが好ましく、とくに下記の形式の関係式とするのがよい。

Ｚ＝ａ１×ｅｘｐ（−ＩDC／ｂ１）＋ａ２×ｅｘｐ（−ＩDC／ｂ２）＋・・・＋ｃ （式１）

ここで、Ｚは前記バッテリのインピーダンスを、またＩDCは直流電流成分を表している。

図２は、本発明の１実施形態に係る電源システムの概略の構成を示すブロック図である。図２において、電源システム１１は、電源としてバッテリ１２とオルタネータ１３を備えており、バッテリ劣化度乃至は放電能力推定装置１６にはバッテリ１２の電流及び電圧を測定するための電流センサ１４及び電圧センサ１５が設けられている。

バッテリ劣化度乃至は放電能力推定装置１６に備えられた制御手段２０は、前記の電流センサ１４及び電圧センサ１５からそれぞれ電流測定値及び電圧測定値を入力し、本発明のバッテリ劣化度乃至は放電能力推定方法を適用してバッテリ１２の劣化度乃至は放電能力を推定する。

図２に示す本実施形態の電源システム１１は、バッテリ１２の劣化度乃至は放電能力の推定のために、バッテリ１２がパルス電流を放電または充電できる構成としている。すなわち、バッテリ１２からパルス電流を放電させるための放電回路１７が設けられており、バッテリ１２にパルス電流を充電させる場合には、オルタネータ１３から線路１８を経由して充電できるように構成されている。

制御手段２０により実行されるバッテリ１２の劣化度乃至は放電能力の推定方法について、図１を用いて以下に詳細に説明する。図１は、本発明のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法の１実施形態を説明するためのフローチャートである。

図１に示す実施形態では、まずステップ１０１でバッテリ１２の電流及び電圧をそれぞれ電流センサ１４及び電圧センサ１５で測定し、それぞれのセンサから電流測定値及び電圧測定値を入力する。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で入力した前記電流測定値及び電圧測定値をもとに、バッテリ１２のインピーダンス（以下ではＺaとする）を算出する。インピーダンスＺaは、例えば前記電流測定値及び電圧測定値をフーリエ展開し、所定の周波数における各係数の比から算出することができる。

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０１で入力した前記電流測定値から直流電流成分（以下ではＩDCaとする）を算出する。直流電流成分ＩDCaは、例えばステップＳ１０１の測定時から過去一定期間における電流測定値を移動平均して算出することができる。あるいは、前記電流測定値をカルマン・フィルタ演算またはフーリエ演算して算出することも可能である。

前記電流測定値をフーリエ演算する場合には、フーリエ展開したときの定数項が直流電流成分ＩDCaとして得られる。すなわち、前記電流測定値を次式の通りフーリエ展開したとき、

上式のＩ0から直流電流成分ＩDCaは、
ＩDCa＝Ｉ0
として算出することができる。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２で算出したインピーダンスＺaとステップＳ１０３で算出した直流電流成分ＩDCaとから、基準の直流電流値におけるインピーダンス（以下では、それぞれをＩDCb、Ｚbとする）を算出する。一般にバッテリのインピーダンスは、該バッテリの直流電流の大きさに依存することから、本実施形態では測定時のインピーダンス及び直流電流から、基準の直流電流値におけるインピーダンスを求めるようにしている。

バッテリ１２のインピーダンスが直流電流成分に依存して変化する一実施例を図３，４に示す。図３，４は、前記電流測定値及び電圧測定値をフーリエ展開し、それぞれの周波数２Ｈｚに相当する係数の比から求めたインピーダンスを示している。図３は、前記のようにして求めたインピーダンスの実数成分を示しており、図４は虚数成分を示している。

図３，４より、バッテリ１２のインピーダンスが直流電流成分によって大きく変化することがわかる。とくに、直流電流成分が低い領域ではインピーダンスの実数成分、虚数成分とも大きく変化することがわかる。前記の直流電流対インピーダンスの関係式は、図３，４に示す直流電流成分に対するインピーダンスの変化に一致するよう決定することができる。

上記の通り、測定時のインピーダンス及び直流電流から基準の直流電流値におけるインピーダンスを求めるためには、直流電流対インピーダンスの関係式が必要となる。この関係式は、直流電流の指数項を少なくとも１項持つように形成するのが好ましく、例えば（式１）のような関係式とするのがよい。

本実施形態では、ステップＳ１０４で用いる直流電流対インピーダンスの関係式として（式１）の関係式を用いている。（式１）において、直流電流ＩDCにステップＳ１０３で算出した直流電流成分ＩDCaを代入したとき、左辺のインピーダンスＺがステップＳ１０２で算出したインピーダンスＺaに一致するよう、係数ａ１，ａ２・・・，ｂ１，ｂ２・・・の値を決定する。

上記のようにして前記係数が決定されると、次にこの係数を用いた（式１）に前記の基準の直流電流値ＩDCbを代入することで、前記基準の直流電流値に対応するインピーダンスＺbを算出することができる。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で算出された基準の直流電流値ＩDCbに対応するインピーダンスＺbを、所定のインピーダンス許容値（以下ではＺthとする）と比較してバッテリ１２の劣化度乃至は放電能力を判定する。すなわち、インピーダンスＺbが前記インピーダンス許容値Ｚth以下と判定した場合には、バッテリ１２の劣化度は低い乃至は放電能力は十分高いと判定する（ステップＳ１０６）。

これに対し、ステップＳ１０５において、インピーダンスＺbが前記インピーダンス許容値Ｚthより大きいと判定した場合には、バッテリ１２の劣化度が高い乃至は放電能力が不足していると判定する（ステップＳ１０７）。この場合には、アラームとしてバッテリ１２の交換等を提示するようにすることができる。

上記の通り本実施形態によれば、測定時のインピーダンス及び直流電流から基準の直流電流値におけるインピーダンスを求め、該インピーダンスを前記所定のインピーダンス許容値と比較するようにしたことにより、直流電流値を一定にした同じ条件でバッテリ１２の劣化度乃至は放電能力を判定できるようになっている。その結果、バッテリ１２の劣化度乃至は放電能力を精度よく判定することが可能となっている。

また、測定時のインピーダンス及び直流電流から基準の直流電流値におけるインピーダンスを求めるために必要となる直流電流対インピーダンスの関係式を、例えば（式１）のように、直流電流の指数項を少なくとも１項持つようにしたことにより、高精度にバッテリ１２の劣化度乃至は放電能力を判定することが可能となった。

上記実施例では、直流電流対インピーダンスの関係式として（式１）を用いており、測定時点の直流電流成分ＩDCaとインピーダンスＺaが（式１）を満たすよう、係数ａ１，ａ２・・・，ｂ１，ｂ２・・・の値を決定していた。前記係数の値を直流電流成分ＩDCaとインピーダンスＺa１から一意的に決定できるよう、各係数の値を調整パラメータｃの関数ｆ１(ｃ)，ｆ２(ｃ)・・・，ｇ１(ｃ)，ｇ２(ｃ)・・・で与えるようにすることができる。

（式１）の直流電流対インピーダンスの関係式の係数ａ１，ａ２・・・，ｂ１，ｂ２・・・の値を、上記の通り前記調整パラメータｃの関数ｆ１(ｃ)，ｆ２(ｃ)・・・，ｇ１(ｃ)，ｇ２(ｃ)・・・で与えるようにした場合、前記調整パラメータｃの値は、（式１）が直流電流成分ＩDCaとインピーダンスＺa１とを満たすよう決定される。

さらに、前記調整パラメータｃの関数ｆ１(ｃ)，ｆ２(ｃ)・・・，ｇ１(ｃ)，ｇ２(ｃ)・・・をそれぞれ、ｃの一次関数とすることができ、この場合には、前記調整パラメータｃの値を直流電流成分ＩDCaとインピーダンスＺa１とから解析的に算出するようにすることができる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法等の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法等の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法の１実施形態を説明するためのフローチャートである。 本発明の１実施形態に係る電源システムの概略の構成を示すブロック図である。 インピーダンスの実数成分が直流電流成分に依存して変化する一実施例を示す図である。 インピーダンスの虚数成分が直流電流成分に依存して変化する一実施例を示す図である。

符号の説明

１１・・・電源システム
１２・・・バッテリ
１３・・・オルタネータ
１４・・・電流センサ
１５・・・電圧センサ
１６・・・劣化度乃至は放電能力推定装置
１７・・・放電回路
１８・・・線路
１９・・・負荷
２０・・・制御手段

Claims (9)

1. バッテリのインピーダンスを所定の許容値と比較することにより該バッテリの劣化度乃至は放電能力を判定するバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法であって、
   前記バッテリの電流及び電圧を測定し、
   前記電流測定値及び電圧測定値から前記バッテリのインピーダンスを算出するとともに、前記電流測定値から直流電流成分を算出し、
   前記インピーダンス算出値と前記直流電流成分算出値とから所定の直流電流対インピーダンスの関係式に基づいて基準の直流電流値におけるインピーダンスを推定して前記バッテリの劣化度乃至は放電能力を判定する
   ことを特徴とするバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法。
2. 前記直流電流対インピーダンスの関係式は、前記バッテリのインピーダンスを少なくとも１項の直流電流の指数項を持つ関数で表される
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法。
3. 前記直流電流対インピーダンスの関係式は、前記バッテリのインピーダンスをＺ、直流電流をＩDCとしたとき、
   Ｚ＝ａ１×ｅｘｐ（−ＩDC／ｂ１）＋ａ２×ｅｘｐ（−ＩDC／ｂ２）＋・・・・＋ｃ
   で表される
   ことを特徴とする請求項２に記載のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法。
4. 前記直流電流対インピーダンスの関係式の係数ａ１，ａ２・・・，ｂ１，ｂ２・・・が、それぞれ１つの調整パラメータｃの関数ｆ１(ｃ)，ｆ２(ｃ)・・・，ｇ１(ｃ)，ｇ２(ｃ)・・・で与えられる
   ことを特徴とする請求項３に記載のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法。
5. 前記調整パラメータｃの値は、前記直流電流対インピーダンスの関係式が前記インピーダンス算出値と前記直流電流成分算出値を満たすよう決定される
   ことを特徴とする請求項４に記載のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法。
6. 前記調整パラメータｃの関数ｆ１(ｃ)，ｆ２(ｃ)・・・，ｇ１(ｃ)，ｇ２(ｃ)・・・は、それぞれがｃの一次関数である
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法。
7. 前記直流電流成分算出値は、前記電流測定値に対して移動平均演算、フーリエ演算、カルマン・フィルタ演算の何れかにより算出される
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定方法。
8. バッテリのインピーダンスに基づいて該バッテリの劣化度乃至は放電能力を判定するバッテリの劣化度乃至は放電能力推定装置であって、
   前記バッテリの電流を測定する電流センサと、
   前記バッテリの電圧を測定する電圧センサと、
   前記電流センサ及び電圧センサからそれぞれ電流測定値及び電圧測定値を入力し、前記電流測定値及び電圧測定値から前記バッテリのインピーダンスを算出するとともに、前記電流測定値から直流電流成分を算出し、前記インピーダンス算出値と前記直流電流成分算出値とから所定の直流電流対インピーダンスの関係式に基づいて基準の直流電流値におけるインピーダンスを推定して前記バッテリの劣化度乃至は放電能力を判定する制御手段と
   を備えることを特徴とするバッテリの劣化度乃至は放電能力推定装置。
9. 請求項８に記載のバッテリの劣化度乃至は放電能力推定装置を備えた電源システム。

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