JP4564999B2 - 車載二次電池の内部状態検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、車載二次電池の蓄電状態などの内部状態の推定における充電効率の影響を低減可能な車載二次電池の内部状態検出技術に関する。

車載二次電池の大容量化と車載電気負荷の大型化が進行しており、それに伴い過充電や過放電の防止のため車載二次電池の容量などの内部状態の検出精度の向上がますます重要となっている。

特許文献１は、定電圧充電時における直前の充電電流の変化波形から類推した充電電流変化特性（以下、充電電流近似関数とも呼ぶ）に基づいて、充電電流が所定の最終値となる時点（以下、推定時点とも呼ぶ）を推定し、この最終値に達するまでの充電容量（Ah）や充電必要時間を算出する技術を開示している。
特許第３２４９７８８号

しかしながら、上記した特許文献１に記載される定電圧充電時の電流データに基づいて充電電流特性を推定する技術では、電池の充電効率の影響を加味しておらず、充電電流近似関数の精度が特に充電末期において低下するという問題点があることがわかった。このため、上記推定時点すなわち定電圧充電終了時点から上記最終値に達するまでの充電容量（Ah）や充電必要時間の推定精度が低下するという不具合が大きかった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、定電圧充電時の充電電流が所定の最終値に到達する時点を高精度に推定可能な車載二次電池の内部状態検出装置を提供することをその目的としている。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を達成するためになされたこの発明は、車載交流発電機により所定の調整電圧に収束制御される車載二次電池の端子電圧及び電流を検出する検出回路部と、算出した電流に基づいて前記車載二次電池の内部状態を推定する内部状態検出回路部とを備える。

前記内部状態検出回路部は、車両始動直後又は車両走行中に前記車載二次電池の所定電圧値での定電圧充電を所定時間継続し、前記定電圧充電開始後に得た前記充電電流の複数のデータに基づいて前記充電電流の時間変化を表す関数である充電電流関数を求め、前記車載二次電池の劣化に相関を有する数値又は関数である所定の補正値又は補正関数を、定期的に求めることにより記憶し、前記充電電流関数よりも前記定電圧充電時の充電電流の実際の変化に近似する関数である補正充電電流関数を前記記憶された補正値又は補正関数と前記充電電流関数とに基づいて求め、求めた前記補正充電電流関数に基づいて前記充電電流値が充電末期に達するまでの充電電流積算値を求め、求めた前記充電電流積算値に基づいて前記車載二次電池の内部状態を決定することをその特徴としている。

すなわち、本発明は、所定時間の定電圧充電を実施して複数の充電電流値をサンプリングし、得た各データから定電圧充電における充電電流の今後の変化特性を示す充電電流関数を求め、この充電電流関数を予め記憶する補正値又は補正巻数に基づいて補正して得た補正充電電流関数を求め、この補正充電電流関数により車載二次電池の内部状態を算出する。なお、この補正値又は補正関数は、上記定電圧充電終了後の充電末期の充電電流実測値に充電電流関数をより近づける値又は関数とする。なお、これら補正値又は補正関数の具体的な導出方法については下記の実施形態にて説明するものとする。ただし、この補正値又は補正関数は、車載二次電池の経年劣化によるその変動を反映することが好ましい。

これにより、この充電電流関数の補正を行わない場合に比べて、充電電流積算値算出精度を向上することができることがわかった。また、単に長期の定電圧充電を充電末期までいちいち継続する必要もないため、車載二次電池の使い勝手が良く、かつ、この長期の定電圧充電を頻繁に行うことによる車載二次電池の劣化も抑止することができる。

結局、この発明では、充電末期における充電電流の増大に見合った補正値又は補正関数にて充電電流関数を補正して補正充電電流関数を取得し、この補正充電電流関数を用いて種々の電池状態を推定する。これにより、このような補正値又は補正関数を用いずに求めた従来の充電電流関数に比べて誤差が少ない充電電流推定を行うことができる。従来、このような充電電流関数の補正乃至決定については、その必要性が未だまったく認識されていなかった。

本発明の車載二次電池の内部状態検出装置の好適な実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるべきものでなく、その他の公知技術やそれと同等機能を有する技術を組み合わせて本発明の技術思想を実施しても良いことは言うまでもない。

（装置構成）
実施形態１の車載二次電池のＳＯＣ演算装置を図１に示すブロック図を参照して説明する。

１０１は車載蓄電装置（以下、バッテリとも呼ぶ）、１０２は車載エンジン（図示せず）にて駆動されてバッテリ１０１を充電する車載発電機（本発明で言う車載交流発電機）、１０３はバッテリ１０１から給電される車載電気負荷をなす電気装置、１０４はバッテリ１０１の充放電電流を検出し、ディジタル信号形式で出力する電流センサ（本発明で言う検出回路部）、１０５はバッテリ１０１のＳＯＣなどを演算するための電子回路装置である蓄電池状態検知装置（本発明で言う車載二次電池の内部状態検出装置）である。蓄電池状態検知装置１０５は、本発明で言う分極算出回路部に相当する演算処理を含んでいる。１０６は蓄電池状態検知装置１０５の入力用のバッファ部、１０７は蓄電池状態検知装置１０５の演算処理部、１０８は演算処理部１０７からＳＯＣ並びに外部から入力されたエンジン状態、車速、発電機回転数などの車両情報１１０に基づいて車載発電機１０２の発電量を演算するECUである。１０９は界磁コイル型の車載発電機の出力を制御する発電機制御装置であり、発電機制御装置１０９は、通常は従来同様、バッテリ１０１の電圧と所定の調整電圧との差を０とするために界磁電流をフィードバック制御を行い、バッテリ１０１の電圧をこの調整電圧にたもつ。また、発電機制御装置１０９は、必要に応じてECU１０８が決定した発電量に対応する発電を車載発電機１０２に行わせる。

蓄電池状態検知装置１０５のバッファ部１０６及び演算処理部１０７はマイコン装置によるソフトウエア演算により実現されるが、専用のハードウエア回路により構成されてよいことはもちろんである。バッファ部１０６は、バッテリ１０１の電圧Vと電流センサ１０４からの電流Iとのペア（データペア）を所定タイミングにてサンプリングして保持する。演算処理部１０７は、バッファ部１０６から入力される入力パラメータに基づいて後述の方法によりＳＯＣを演算する。バッテリ１０１は、鉛蓄電池、ニッケル−水素電池、リチウム電池などの二次電池が採用されるが、種類は限定されない。この実施例では通常の車両用鉛蓄電池を採用した。

（定電圧充電動作）
次に、実施形態１の定電圧充電制御を図２、図３に示すフローチャートを参照して以下に具体的に説明する。なお、図２、図３において蓄電池状態検知装置１０５は、所定の短いインタバルで順次実行される多数の処理動作の一つをなす定電圧充電制御を示すサブルーチンである。この定電圧充電制御ルーチンは、エンジン始動時又は車両走行中に所定タイミングにて開始される。

まず、現在、定電圧充電制御動作の実行中かどうかを調べ（Ｓ１）、実行中であればステップS２に進み、そうでなければバッテリ１０１に定電圧を印加する定電圧充電制御を開始する（Ｓ３）。なお、この定電圧充電制御は、車載発電機１０２の発電を制御することによりバッテリ１０１の電圧を一定値に保つことによりなされる。

ただし、ステップＳ１では、突然の負荷断続、又は、エンジン回転数の急変による発電機１０２の発電電圧の急変によるバッテリ１０１の端子電圧の急変があったかどうかを調べ、あった場合には、たとえ今まで定電圧充電制御を実行中であっても定電圧充電制御動作を実行中とは見なさないものとし、ステップＳ３に進むものとする。これは発電機１０２の界磁電流制御の時定数遅れを考慮したものである。なお、上記したような発電状況や負荷状況の急変が生じた場合には、図２に示す定電圧充電制御を中止し、一定時間経過した後、再度それを開始することが好適である。

ステップＳ２では、バッテリ１０１の充電電流Icvを読み込み、読み込んだ充電電流Ｉｃｖから分極関連量Pとその微分値ΔＰとを算出する（Ｓ３）。この実施例では、分極関連量Ｐは、次の式から求める。

Pn ＝ Pn-1 + Iｎ*dt - 1/τ*Pn-1*dt （τ：時定数） なお、上式において、ｎは今回値を示し、ｎ−１は前回値を示す。したがって、Pnは分極関連量Ｐの今回値、 Pn-1は分極関連量Ｐの前回値、Inは充電電流Ｉｃｖの今回値である。今回値と前回値との間の時間差は所定の一定値ｄtに設定されている。

ただし、この式の初回の演算においては、分極関連量Ｐの前回値Pn-1は０とすることが好適である。また、この実施例では、簡単のために、ｄtはルーチン周期及び電流サンプリング周期（S2）に等しく設定している。τはバッテリ電解液の電荷拡散時定数であり、予め実験で求めた所定値とした。 分極状態量の今回値Ｐｎは、前回のサンプリング時点から今回のサンプリング時点までに生じた分極状態量の増加量In・ｄtと、前回のサンプリング時点から今回のサンプリング時点までに減衰した分極状態量の減衰量Pn-1 ・ｄt/τとを、前回のサンプリング時点での分極状態量の前回値Ｐｎー１から加減算して算出される。分極関連量Ｐの微分値ΔＰは、次式により表される。

ΔＰ＝（Pn− Pn-1） ／dt＝ Iｎ - 1/τ*Pn-1
次に、分極関連量Ｐの微分値ΔＰが所定の閾値未満にまで減少したかどうかを調べ（Ｓ４）、減少していなければメインルーチンに戻り、減少していれば、十分に分極は解消されたと判断してステップＳ５に進んで、ΔPが上記閾値以下になった時点から所定時間T（たとえば３０秒）の間にサンプリングして記憶している各充電電流値Icv１〜Icv３１を読み込み、各充電電流値Ｉｃｖ１〜Ｉｃｖ３１から公知の方式（たとえば最小二乗法など）を用いて近似式（I =K＋a*exp(b*t)）を求め、充電電流の時間変化特性すなわち本発明で言う充電電流関数として採用する（Ｓ６）。

なお、この近似式において、Iは充電電流、K、a、bは、定数、tは定電圧充電開始からの経過時間である。これらの定数は実験により決定される。Kは０としてもよい。ただし、本発明で言う充電電流関数は、上記近似式に限定されるものではなく定電圧充電期間中に得た各電流データに近似する種々公知の近似式作成手法を採用することは当然可能であることは言うまでもない。

次に、ステップＳ６で求めた近似式（充電電流関数）を、予め記憶するその補正係数に基づいて補正して補正充電電流関数とする処理を行う（Ｓ７）。なお、この補正充電関数は数式ではなくマップ形式で記載されてもよいことはもちろんである。ただし、この補正係数については後で説明するものとする。

次に、求めた補正充電関数に予め定めた最終充電電流値Icv（final）を代入して、その時の定電圧充電制御終了時点Tｆを求め、現時点からもし定電圧充電を継続した場合にそれを終了するべき時点Ｔｆに達するまでの期間の充電電流Ｉｃｖの総和を積算して、充電電流積算値（α=∫I・dt）とする（Ｓ８）。なお、この実施形態では、最終充電電流値Icv（final）は、上記条件で定電圧充電制御を行った場合におけるこのバッテリのＳOC９０％に相当する充電電流値とし、予め実験などにより求めた電流値とした。

これにより、ＳOC９０％から上記充電電流積算値（α=∫I・dt）を減算することにより現在のSOCを精度良く算出することができる他、現時点以降においてどれくらいの容量Aｈを充電したらＳOC９０％に達するかを推定することができる（Ｓ９）。その後、定電圧充電を終了する（Ｓ１０）。なお、上記定電圧充電は、電流データサンプリングのためのステップＳ５の後で終了してかまわない。

（補正係数の算出について）
次に、上記説明した充電電流関数（近似式）を補正するための補正係数について説明する。この補正係数は、既述したように、たとえば車載二次電池の劣化などによる定電圧末期における充電電流垂下の緩慢化を補正するためのものであり、下記に説明するように多数の手法を採用することができる。

（第１案）
定電圧充電での各時点における充電電流関数から求めた充電電流値を基準とする充電電流の増大比率は、既述した理由により車載二次電池の充放電累計時間に正相関をもち、充放電サイクル寿命が長くなるほど大きくなる。

充電電流関数（I =K＋a*exp(b*t)）に対して、補正充電電流関数Iγを、（Iγ＝K’＋a’*exp(b’*t)）とする。なお、係数K’、a’、b’は、それぞれ、K’は元の係数Kを変数とする係数又は関数、a’は元の係数aの係数又は関数、b’は元の係数bの係数又は関数とする。演算の簡単化のために関数は一次式とすることが好ましく、あるいはマップを採用しても良い。

定数値ではなく、関数又はマップを採用する場合、次の方法によりこの関数又はマップを作成することができる。

たとえば、これらの係数K’、a’、b’を車載二次電池の充放電累計時間Tを変数とする一次関数又はマップを予め記憶しておき、これに充放電累計時間Tを代入して係数K’、a’、b’を求めればよい。

なお、充放電累計時間Tは、種々の方法にて推定することができる。たとえば、イグニッションキーのオン時間、車載二次電池（バッテリ）の所定の充放電電流値以上の累計時間などをカウンタにてカウントすれば、このカウント値をほぼ充放電累計時間と見なすことができる。

その他、係数K’、a’、b’のどれか一つ又は２つを補正するだけでもよい。たとえば、補正係数ｋは、a’＝γ・aとすることができる。

上記した補正係数は、工場出荷時に書き込んでも良く、あるいは車載二次電池の運転中に車載二次電池から検出した状態信号（たとえば電圧や電流や温度や運転時間など）から予め記憶する算出式により算出してもよい。更には、車載二次電池の充電末期（たとえばＳＯＣ９０％まで）の長時間の定電圧充電制御を時々行い、それにより得た充電電流値を用いて上記係数を予め記憶する式又はマップにより導出してもよい。

（第２案）
定電圧充電での充電電流関数から求めた充電電流値を基準とする充電電流の増大量及び増大比率は、既述した理由により定電圧充電の経過時間の増大に正相関をもち、定電圧充電経過時間が長くなるほど大きくなる。

そこで、充電電流関数（I =K＋a*exp(b*t)）に対して、補正充電電流関数Iγを、（Iγ＝K’＋a’*exp(b’*t)）とする。なお、係数K’、a’、b’は、それぞれ、K’は元の係数Kを変数とする係数又は関数、a’は元の係数aの係数又は関数、b’は元の係数bの係数又は関数とする。演算の簡単化のために関数は一次式とすることが好ましく、あるいはマップを採用しても良い。

定数値ではなく、関数又はマップを採用する場合、次の方法によりこの関数又はマップを作成することができる。

たとえば、これらの係数K’、a’、b’を車載二次電池の充放電累計時間Tを変数とする一次関数又はマップを予め記憶しておき、これに充放電累計時間Tを代入して係数K’、a’、b’を求めればよい。

なお、充放電累計時間Tは、種々の方法にて推定することができる。たとえば、イグニッションキーのオン時間、車載二次電池（バッテリ）の所定の充放電電流値以上の累計時間などをカウンタにてカウントすれば、このカウント値をほぼ充放電累計時間と見なすことができる。

その他、係数K’、a’、b’のどれか一つ又は２つを補正するだけでもよい。たとえば、補正係数ｋは、a’＝γ・aとすることができる。

上記した補正係数は、工場出荷時に書き込んでも良く、あるいは車載二次電池の運転中に車載二次電池から検出した状態信号（たとえば電圧や電流や温度や運転時間など）から予め記憶する算出式により算出してもよい。更には、車載二次電池の充電末期（たとえばＳＯＣ９０％まで）の長時間の定電圧充電制御を時々行い、それにより得た充電電流値を用いて上記係数を予め記憶する式又はマップにより導出してもよい。

（試験結果）
次に、通常の車両用鉛蓄電池を用いてその定電圧充電時の充電容量を調べた結果、並びに、推定した結果を図４に示す。

図４では、４８０秒の定電圧充電を行い、一定インタバルで多数の充電電流値と定電圧充電開始からの経過時間をサンプリングし、充電電流値及び経過時間の各ペアから充電電流関数（I（t）=A*exp(B*t)）を求めた。次に、補正係数γに応じた補正を加えて補正充電電流関数（Iγ（t）=γ*A*exp(B*t)）を求めた。したがって、補正充電電流関数（Iγ（t）=γ*A*exp(B*t)）の微分係数（ｄIγ（t））は次式で示される。なお、Iγ（t）は補正充電電流の今回値、 Iγ(t-1)は補正充電電流関数の前回値であり、補正充電電流関数のサンプリング期間はｄｔとなる。

ｄIγ（t）＝γ*A*B*exp(B*t)）は、
＝Iγ（t）− Iγ(t-1)
この補正充電電流関数を用いて、充電電流が予め設定したＳＯＣ９０％相当の充電電流値である最終充電電流値Icv（final）になるまでの充電電流累計値（積算容量）を求めたところ、5.8Ahであった。これに対して、定電圧充電を実際に継続して測定した最終充電電流値Icv（final）の実測値6.2Ahであり、その誤差は0.4Ahに過ぎず、高精度に推定できることがわかった。

次に、上記補正を行わず、上記充電電流関数を用いて積算した積算容量は4.9Ahであり、実測値との間の誤差は1.3Ahと大きかった。

補正係数γと定電圧充電における充電電流実測値との関係を図５に示す。補正係数γは、予め、車両搭載される電池で定電圧充電を実施し、同一経過時間の各測定時点ごとに得た充電電流実測値と補正充電電流関数から求めた算出値との間の自乗誤差が最小となるように図５では決定した。

なお、車両用蓄電池は、既述したようにその使用方法や運用時間などにより特性（充電効率や内部抵抗など）が劣化して定電圧充電時の充電電流垂下特性（たとえば図４）が変化する。このため、上記補正係数γは、たとえば運用時間など依存する電池の現在状態に応じて更に補正することが好適である。この補正の一例について図６を参照して説明する。

図６では、複数の充電電流 vs 補正係数γのマップを予め準備しておき、定電圧充電実施直後に、得られた各電流実測値と、上記各電流実測値から求めた充電電流関数を、図６に示す各補正係数マップｍ１〜ｍ４を用いて補正して得た各補正充電電流関数を算出して上記各電流実測値と同一時点にて得た各電流計算値との間の自乗誤差が最小となるマップを今回の補正係数γとして選択して採用すればよい。これにより、電池状態が変化した場合にも、充電容量を精度良く推定できる。

上記した実施例では、バッテリの容量が低下しており所定容量（Ah）の充電によるバッテリ充電が必要なエンジン始動直後、又は、車両走行中特に好適には大電気負荷を投入し、バッテリのSOCが低下しそれを補うべく発電機１０２の発電が増強されてバッテリの充電が強化されているタイミングなどにおいて、バッテリの充電状態を精度良く推定するのに好適である。

（変形態様）
上記実施形態では、この定電圧充電において生じる分極（充電分極）の影響の排除について言及しなかったが、定電圧充電開始から所定時間ΔT後で電流サンプリングを行ったり、この所定時間ΔTを充電電流が定電圧充電開始時点から所定割合低下した時点で電流サンプリングを行ったりして上記分極の影響を軽減してもよい。

実施形態の車載二次電池の制御装置を示すブロック図である。 実施形態における定電圧充電制御を示すフローチャートである。 実施形態における定電圧充電制御を示すフローチャートである。 定電圧充電時の充電電流の実測特性線A、補正充電電流関数で算出した特性線B、充電電流関数で算出した特性線Cを示す特性図である。 充電電流と補正係数との関係を示す図である。 充電電流関数と補正係数との互いに異なる関係示す４つのマップを示す図である。

符号の説明

１０１ バッテリ
１０２ 車載発電機（発電機）
１０４ 電流センサ
１０５ 蓄電池状態検知装置
１０６ バッファ部
１０７ 演算処理部
１０９ 発電機制御装置
１１０ 車両情報

Claims (1)

1. 車載交流発電機により所定の調整電圧に収束制御される車載二次電池の端子電圧及び電流を検出する検出回路部と、算出した電流に基づいて前記車載二次電池の内部状態を推定する内部状態検出回路部とを備える車載二次電池の内部状態検出装置において、
   前記内部状態検出回路部は、
   車両始動直後又は車両走行中に前記車載二次電池の所定電圧値での定電圧充電を所定時間継続し、
   前記定電圧充電開始後に得た前記充電電流の複数のデータに基づいて前記充電電流の時間変化を表す関数である充電電流関数を求め、
   前記車載二次電池の劣化に相関を有する数値又は関数である所定の補正値又は補正関数を、定期的に求めることにより記憶し、
   前記充電電流関数よりも前記定電圧充電時の充電電流の実際の変化に近似する関数である補正充電電流関数を前記記憶された補正値又は補正関数と前記充電電流関数とに基づいて求め、
   求めた前記補正充電電流関数に基づいて前記充電電流値が充電末期に達するまでの充電電流積算値を求め、
   求めた前記充電電流積算値に基づいて前記車載二次電池の内部状態を決定することを特徴とする車載二次電池の内部状態検出装置。