JP4654932B2 - 車両用電源装置及びバッテリ状態検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリとオルタネータとを備える車両用電源装置、及び、該電源装置において用いられるバッテリ状態検知装置に関する。

従来から、交流インピーダンス法を用いた鉛蓄電池の内部インピーダンスの測定方法ないし鉛蓄電池の劣化判定方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−０３７３８０号公報

しかしながら、交流インピーダンス法を用いて車両使用状態で車両のバッテリの状態を検知するには、交流発生源を新たに車両に搭載しなければならず、レイアウトやコストの観点から問題点がある。

そこで、本発明は、交流発生源を新たに車両に搭載することなく、交流インピーダンス法により車両のバッテリの状態を検知することができる車両用電源装置及びバッテリ状態検知装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、車載負荷に接続されるバッテリと、車両の駆動源に接続されるオルタネータとを備える車両用電源装置において、
オルタネータが発生する交流電流を、整流回路を介して整流して、バッテリに導く第1電流経路と、
オルタネータが発生する交流電流を、整流回路を介することなく、バッテリに導く第２経路とを備え、
第２経路に、オルタネータとバッテリとの間の導通／非導通状態を切り替えるスイッチング手段を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る車両用電源装置において、
第２経路を介して交流電流が導かれるときのバッテリのインピーダンス特性に基づいて、バッテリの状態を検知するバッテリ状態検知手段を備えることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明に係る車両用電源装置において、
バッテリ状態検知手段は、交流インピーダンス法により、バッテリの内部抵抗を算出することを特徴とする。

本発明によれば、交流発生源を新たに車両に搭載することなく、交流インピーダンス法により車両のバッテリの状態を検知することができる車両用電源装置及びバッテリ状態検知装置が得られる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明に係る車両用電源装置１０の実施例１を示すシステム構成図である。本実施例の車両用電源装置１０は、バッテリ１２を備えている。バッテリ１２は、１２Ｖ程度の電圧を有する鉛バッテリ（メインバッテリ）である。但し、バッテリ１２として、例えばリチウムイオン電池、燃料電池や電気２重層キャパシタ等の容量性負荷のような、その他のバッテリが用いられても良い。

バッテリ１２には、エンジンの回転により発電する交流発電機３４（以下、「オルタネータ３４」という。）が接続される。オルタネータ３４の発電量は、例えばエンジンを制御するＥＦＩ・ＥＣＵにより、車両の走行状態に応じて制御される。例えば、車両の定常走行時やエンジンのアイドル運転時には、オルタネータ３４の発電電圧は、バッテリ１２の放電が生じないような値（例えば１４Ｖ）に調整される。また、車両減速時（回生ブレーキ作動時）には、オルタネータ３４の発電電圧は、定常走行時やアイドル運転時に比して大きな値に調整される。また、車両加速時には、バッテリ１２の入出力電流の積算値を目標値に近づけるようにオルタネータ３４の発電電圧が調整される。尚、本発明は、オルタネータ３４の発電制御を特定するものでなく、如何なる態様の発電制御に対しても適用可能である。

オルタネータ３４は、図１に示すように、例えば３相交流を発生するように構成されている。具体的には、オルタネータ３４は、図１に示すように、１２０度間隔で配置された３つのコイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃを有し、エンジンの回転に同期した３相の交流電流を発生する。３相の交流電流は、６つのダイオードからなる整流回路（レクティファイア）３６による３相全波整流作用によって、直流波形として直流波形出力端子３４ｂに出力される。尚、図１に示す例では、直流波形出力端子３４ｂの前段には、直流電流のノイズ成分等を除去するためのフィルタを内蔵した整流回路３６が設けられる。かくして得られた直流波形は、直流電流供給線５０を介して、バッテリ１２及び各種負荷６０に供給される。

直流電流供給線５０は、オルタネータ３４の直流波形出力端子（プラス端子）３４ｂと、バッテリ１２及び各種負荷６０の各端子（プラス端子）との間を接続し、バッテリ１２への分岐線５０ａには、制御リレー７０Ｂが設けられる。各種負荷６０は、スタータ、トランスミッション、オーディオ装置、空調装置、ヘッドランプ、フォグランプ、コーナリングシグナルランプ、コーナーランプ等のランプ類、カーナビゲーション、メータ類、デフォガ、ワイパやパワーウィンドを駆動するアクチュエータ等を含む、各種補機（車載機器）である。配線５３は、後述のバッテリ状態検知ＥＣＵ１４とオルタネータ３４の入力端子３４ｃ間を接続し、オルタフィールドコイル３５ｄと接続している。バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、オルタフィールド駆動信号を配線５３を介し、オルタフィールドコイル３５ｄへ供給することでオルタ出力電流を可変する。

本実施例のオルタネータ３４は、図１に示すように、直流波形出力端子３４ｂに加えて、交流電流を出力する交流波形出力端子３４ａを備える。交流波形出力端子３４ａは、例えば図１に示すように、２つのコイル３５ａ，３５ｂの接続部から、３つのコイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃで生成される３相交流を取り出す端子である。この交流波形出力端子３４ａから出力されるオルタネータ３４の交流波形は、交流電流供給線５２を介して、バッテリ１２に供給される。具体的には、交流電流供給線５２は、図１に示すように、直流成分を除去するためのコンデンサ５２ａ及び制御リレー７０Ａを介して、交流波形出力端子３４ａと、バッテリ１２の端子（プラス端子）との間を接続する。交流電流供給線５２は、直流電流供給線５０（分岐線５０ａ）におけるバッテリ１２と制御リレー７０Ａとの間に接続されている。従って、本実施例では、バッテリ１２には、２つの制御リレー７０Ａ及び制御リレー７０Ｂに対する制御により、選択的に直流波形又は交流波形が印加できるように構成されている。

通常時は、制御リレー７０Ａがオフ状態にあり、制御リレー７０Ｂがオン状態にあり、バッテリ１２には直流波形が印加される。この状態では、オルタネータ３４で発生する電力によりバッテリ１２の充電が行われたり、バッテリ１２から持ち出される電力により各種負荷６０が動作したりすることができる。

車両用電源装置１０は、バッテリ１２の状態を検知する機能を実現する電子制御ユニット１４（以下「バッテリ状態検知ＥＣＵ１４」という）を備える。電子制御ユニット１４は、ＣＰＵを中心として構成されており、以下詳説するバッテリ検知機能を実現するプログラムやデータが記憶されたＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えている。尚、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４の機能は、他のＥＣＵ（典型的には、ＥＦＩ・ＥＣＵ）により実現されてもよい。

バッテリ状態検知ＥＣＵ１４には、バッテリ電流及びバッテリ電圧と、バッテリ温度が入力される。バッテリ電流は、電流センサ１６により検出される。電流センサ１６は、例えばバッテリ１２のプラス端子に取り付けられ、バッテリ１２の充放電電流量を所定のサンプリング周期で検出して、その信号をバッテリ状態検知ＥＣＵ１４に供給する。電流センサ１６は、例えばホールＩＣを用いて、充放電電流量によりコア部に生ずる磁束密度の変化量を、電圧に変換してバッテリ状態検知ＥＣＵ１４に出力するものであってよい。バッテリ電圧は、電圧センサにより検出される。電圧センサは、バッテリ１２のプラス端子に取り付けられ、バッテリ１２の端子電圧を所定のサンプリング周期で検出し、その信号をバッテリ状態検知ＥＣＵ１４に供給する。

バッテリ温度は、バッテリ温度センサ１８により検出される。バッテリ温度センサ１８は、サーミスタからなるセンサ部を有し、例えばバッテリ１２のインシュレーター側面に取り付けられ、バッテリ１２の液温（バッテリ温度）を所定のサンプリング周期で検出し、その信号をバッテリ状態検知ＥＣＵ１４に供給する。

バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、このようにして所定周期毎に入力されるバッテリ電流、バッテリ電圧及びバッテリ温度に基づいて、バッテリ１２の状態を検知する。バッテリ状態検知ＥＣＵ１４により検知されるバッテリ１２の状態は、バッテリ１２の交換を促す警告表示の出力タイミングの決定や、上述のオルタネータ３４の制御等に利用することができる。バッテリ１２の状態は、バッテリ１２の残存容量や劣化レベルを含み、このバッテリ１２の状態を高精度に判定するためには、バッテリ１２の内部抵抗が高精度に検出される必要がある。

バッテリの内部抵抗を算出方法としては、例えば特開２００５−０３７３８０号公報に開示されるように、交流インピーダンス法による算出方法が知られている。この算出方法は、バッテリに微少な正弦波電圧振幅を与えて応答電流（入力信号と出力信号の位相差）を解析するものである。具体的には、測定されたインピーダンスを複素平面上にプロットし、これによって得られるＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロット（インピーダンス特性）に現れる半円部の直径に基づいて、バッテリの内部抵抗を求める方法である。

この交流インピーダンス法は、バッテリ一般の内部抵抗を高い精度で検知できる点で好適であるにも拘らず、車両用のバッテリ１２の算出方法としては用いられていない。これは、車両では直流電流を用いて各種負荷６０を作動させることが一般的であるが故に、車両には交流電源が存在しないことに起因する。従って、従来的には、車両用バッテリの内部抵抗を算出方法としては、例えば特開２００４−３１１７０号公報に開示されるように、バッテリ１２に流れる直流電流（充放電電流）に基づく算出方法が一般的である。

これに対して、本実施例では、以下で図２を参照して説明するように、オルタネータ３４の交流波形を利用することで、交流インピーダンス法によりバッテリ１２の内部抵抗を算出することを可能とする。

図２は、本実施例のバッテリ状態検知ＥＣＵ１４により実行される内部抵抗検知処理の流れを示すフローチャートである。

ステップ１００では、内部抵抗検知処理を開始するための条件が成立したか否かが判断される。この開始条件としては、例えば、バッテリ温度が−１０度以上であり、且つ、イグニションスイッチがオンになってから所定時間経過した場合に成立するものであってよい。或いは、内部抵抗検知処理は、車両走行中に所定条件が成立したとき（例えば満充電判定時）や、イグニションスイッチがオフになったときに実行されてもよい。尚、イグニションスイッチがオフになったときに実行される場合には、エンジンを所定時間だけ連続運転させることとする。

ステップ１１０では、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、バッテリ１２の内部抵抗を交流インピーダンス法により算出すべく、バッテリ１２にオルタネータ３４からの交流波形が印加される状態を形成する。具体的には、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、制御リレー７０Ｂをオフに切り替えてバッテリ１２に対する直流電流の供給状態を切断すると共に、制御リレー７０Ａをオンに切り替えてバッテリ１２に対する交流電流の供給状態を形成する。尚、制御リレー７０Ｂが分岐線５０ａに設定されていることから、制御リレー７０Ｂをオフに切り替えた場合であっても、各種負荷６０への電力供給が途絶えることは無い。尚、バッテリ１２にオルタネータ３４からの交流波形が印加された状態は、必要なデータが得られるまで所定時間維持される。

ステップ１２０では、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、上記ステップ１１０で取得したデータに基づいて、交流インピーダンス法によりバッテリ１２の内部抵抗を検知する。この例では、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、上記ステップ１１０で取得したデータに基づいて導出されるバッテリ１２のインピーダンス特性と、バッテリ１２が新品状態にあるとき（例えば車両出荷時）に計測された同インピーダンス特性とを比較し、バッテリ１２の劣化レベルを推定する。尚、バッテリ１２の劣化レベルが所定レベル以上となった場合には、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、バッテリ１２の交換をユーザに促す警告をメータ内に表示したり、各種負荷６０のうち優先順位の低い負荷（例えばシートヒーター等のような、車両の走行性能に関連せず、専ら車両の快適性に関連する負荷）に対して動作制限を行ったりといったような、必要な処置を講ずる。

ステップ１３０では、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、バッテリ１２の内部抵抗の測定を終了すべく、バッテリ１２に交流波形が印加された状態を解除して、バッテリ１２に直流波形が印加される通常状態に復帰させる。具体的には、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、制御リレー７０Ａをオフに切り替えて交流電流を遮断すると共に、制御リレー７０Ｂをオンに切り替える。

以上のように、本実施例によれば、車両に搭載される既存のオルタネータ３４を利用することで、新たな交流電源を設定することなく、バッテリ１２に交流波形が印加された状態を形成することができ、この結果、バッテリ１２に交流波形を印加するときのバッテリ１２のインピーダンス特性に基づいて、交流インピーダンス法により、バッテリ１２の内部抵抗を高精度に算出することができる。

図３は、実施例２に係る車両用電源装置を示すシステム構成図である。以下、上述の実施例１と同様の構成については、同一の参照符号を付して説明を省略する。本実施例の車両用電源装置１０は、上述の実施例１に対して、制御リレー７０Ｂを無くした点が主に異なる。

具体的には、図３に示すように、直流電流供給線５０は、オルタネータ３４の直流波形出力端子（プラス端子）３４ｂと、バッテリ１２及び各種負荷６０の各端子（プラス端子）との間を接続する。直流電流供給線５０には、交流電流供給線５２は、図３に示すように、直流成分を除去するためのコンデンサ５２ａ及び制御リレー７０Ａを介して、交流波形出力端子３４ａと、バッテリ１２の端子（プラス端子）との間を接続する。具体的には、交流電流供給線５２は、交流波形出力端子３４ａを直流電流供給線５０にコンデンサ５２ａ及び制御リレー７０Ａを介して接続する。従って、本実施例では、バッテリ１２には、制御リレー７０Ａに対する制御により、選択的に直流波形、又は、交流波形（直流波形に重畳された交流波形）が印加できるように構成されている。

従って、本実施例においても、上述の実施例１と同様、オルタネータ３４の交流波形を利用することで、交流インピーダンス法によりバッテリ１２の内部抵抗を算出することが可能である。

図４は、本実施例のバッテリ状態検知ＥＣＵ１４により実行される内部抵抗検知処理の流れを示すフローチャートである。

ステップ２００では、内部抵抗検知処理を開始するための条件が成立したか否かが判断される。

ステップ２１０では、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、バッテリ１２の内部抵抗を交流インピーダンス法により算出すべく、バッテリ１２にオルタネータ３４からの交流波形が印加される状態を形成する。具体的には、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、制御リレー７０Ａをオフからオンに切り替える。これにより、バッテリ１２には、直流波形に重畳された交流波形が印加される。尚、制御リレー７０Ａがオンに切り替えると、各種負荷６０に対しても、直流波形に重畳された交流波形が印加されることになるが、各種負荷６０には、フィルタ（即ち交流波形を除去して、直流波形のみを取り出すフィルタ）を介して電流が印加されるので、各種負荷６０の動作に弊害が生ずることは無い。或いは、交流重畳波形をオルタフィールドコイル３５ｄの駆動電流を調整することで各種負荷６０の動作に弊害が生じないようにすることも可能である。尚、バッテリ１２にオルタネータ３４からの交流波形が印加された状態は、必要なデータが得られるまで所定時間維持される。

ステップ２２０では、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、上記ステップ２１０で取得したデータに基づいて、交流インピーダンス法によりバッテリ１２の内部抵抗を検知する。この例では、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、上記ステップ２１０で取得したデータに基づいて導出されるバッテリ１２のインピーダンス特性と、バッテリ１２が新品状態にあるとき（例えば車両出荷時）に同様に取得された同インピーダンス特性とを比較し、バッテリ１２の劣化レベルを推定する。

ステップ２３０では、バッテリ状態検知ＥＣＵ１４は、バッテリ１２の内部抵抗の測定を終了すべく、制御リレー７０Ａをオフに切り替える。これにより、バッテリ１２に交流波形が印加された状態が解除され、バッテリ１２に直流波形が印加される通常状態に復帰される。

以上のように、本実施例によれば、上述の実施例１と同様、車両に搭載される既存のオルタネータ３４を利用することで、新たな交流電源を設定することなく、バッテリ１２に交流波形が印加された状態を形成することができ、この結果、バッテリ１２に交流波形を印加するときのバッテリ１２のインピーダンス特性に基づいて、交流インピーダンス法により、バッテリ１２の内部抵抗を高精度に算出することができる。また、制御リレー７０Ｂを省略することで低コスト化を図ることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例は、各種負荷６０に対して１つのバッテリ（鉛バッテリ１２）により電力を供給する電源システムに関するものであるが、本発明の適用範囲は、この種の１電源システムに限定されるものではなく、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して定格電圧の異なる２つのバッテリ（例えば鉛バッテリとリチウムイオン電池）が設定される２電源システムにおいても適用可能である。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してオルタネータ３４が存在する側のバッテリに対して上述と同様の回路により、オルタネータ３４からの交流波形を印加することができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してオルタネータ３４とは逆側に存在するバッテリに対しても、ＤＣ／ＤＣコンバータを介さない別個独立の交流電流供給線を設定することで、オルタネータ３４からの交流波形を印加することができる。

また、上述の実施例では、制御リレーがスイッチング手段として用いられているが、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体のスイッチング素子が用いられてもよい。

本発明に係る車両用電源装置１０の一実施例を示すシステム構成図である。 実施例１のバッテリ状態検知ＥＣＵ１４により実行される内部抵抗検知処理の流れを示すフローチャートである。 実施例２に係る車両用電源装置を示すシステム構成図である。 実施例２のバッテリ状態検知ＥＣＵ１４により実行される内部抵抗検知処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 車両用電源装置
１２ 鉛バッテリ
１４ バッテリ状態検知ＥＣＵ
１６ 電流センサ
１８ バッテリ温度センサ
３４ オルタネータ
３６ 整流回路
５０ 直流電流経路
５２ 交流電流供給線
６０ 各種負荷
７０Ａ 制御リレー
７０Ｂ 制御リレー

Claims (3)

1. 車載負荷に接続されるバッテリと、車両の駆動源に接続されるオルタネータとを備える車両用電源装置において、
   オルタネータが発生する交流電流を、整流回路を介して整流して、バッテリに導く第1電流経路と、
   オルタネータが発生する交流電流を、整流回路を介することなく、バッテリに導く第２経路とを備え、
   第２経路に、オルタネータとバッテリとの間の導通／非導通状態を切り替えるスイッチング手段を備える、車両用電源装置。
2. 第２経路を介して交流電流が導かれるときのバッテリのインピーダンス特性に基づいて、バッテリの状態を検知するバッテリ状態検知手段を備える、請求項１に記載の車両用電源装置。
3. バッテリ状態検知手段は、交流インピーダンス法により、バッテリの内部抵抗を算出する、請求項２に記載の車両用電源装置。

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