JP4670778B2

JP4670778B2 - 電池状態報知方法

Info

Publication number: JP4670778B2
Application number: JP2006242280A
Authority: JP
Inventors: 美昭町山; 惠造山田; 佳史山田
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2026-09-07
Also published as: JP2008064584A

Description

本発明は電池状態報知方法に係り、特に、鉛蓄電池の充電状態と健康状態を検知して電池の状態を報知する電池状態報知方法に関する。

内燃機関の始動用鉛蓄電池（以下、鉛蓄電池という。）は、内燃機関システムを搭載するガソリンエンジン車、ディーゼルエンジン車等において、エンジンの確実な始動を確保するという点から、極めて重要な部品である。また近年、カーナビゲーション等の車載情報機器の普及、また電動パワーステアリング等の補機の電気化により、車載電装品は増加しており、鉛蓄電池は増大する電力供給に対応することも求められている。

一方、鉛蓄電池の充放電可能な電気エネルギーは、使用を重ねること（経年）で減少することが不可避であり、劣化した状態でもエンジン始動を確保することが求められている。このため、鉛蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）、健康状態（ＳＯＨ）を検知することは、エンジン始動性能を予測するという意味で有益である。

ところで、ＳＯＣ（State Of Charge）は電池の充電状態を示すものであるが、その定義として、新品またはある劣化状態の電池においてその満充電の状態をＳＯＣ＝１００％とし、この状態から完全放電して容量が０となった状態をＳＯＣ＝０％として、中間の放電状態を各％で表現する方法が一般的である。また、ＳＯＨ（State Of Health）は電池の健康状態を示すものであるが、その定義として、新品（劣化無し）の満充電状態の電池の放電容量に対して、劣化して健康状態が低下した電池の満充電にした後の放電容量をパーセント表示する方法が一般的である。このため、以下の説明では、ＳＯＣ、ＳＯＨにこれらの定義を採用することとする。

これまで、鉛蓄電池の開回路電圧測定、交流を用いた内部抵抗測定、充電電流、放電電流測定、等々で鉛蓄電池のＳＯＣ、ＳＯＨを検知（算出）する試みがなされてきた。この具体例を挙げると、例えば、特許文献１のように、スタータモータを始動する際の鉛蓄電池の電圧を測定して、電池状態を検知しようとする技術が開示されている。

鉛蓄電池の電池状態報知技術では、鉛蓄電池の電池状態を検知した後、どのような判断をして使用者に電池状態を報知するかは極めて重要なことである。また、鉛蓄電池がどのような状態のときにどういう報知（警報）を出すかも極めて重要なことである。報知が適切に行われなかった場合、検知した内容が役に立たなくなるばかりか、最悪の場合、鉛蓄電池の使用者が損害を受けるおそれがある。このため、電池のＳＯＣやＳＯＨが低下したときには、あるしきい値で報知する（警報を発する）報知システムが考えられてきた。

特許第３６７３８９５号

ところが、上記報知システムでは、ＳＯＨとＳＯＣを独立に取り扱うことが通例であった。ＳＯＨは例えば電池の内部抵抗の変化により決定することが可能であり、またＳＯＣは例えば電池の開回路電圧（ＯＣＶ、無負荷電圧ともいう。）により決定することが可能である。しかし、このように両者を独立に扱った場合には次のような問題が発生する。

新品の鉛蓄電池において、充電状態が良好または充電不足であると判定するＳＯＣのしきい値を固定的に決め、それにより充電不足か否かの判定を行う方法はごく一般に行われている。図１は、このことを概念的に示したものである。図１において、ＯＣＶ_１は固定されたＳＯＣのしきい値を表している。しかし、このような判定方法では、電池が劣化して電池の絶対容量が低下した場合、同じＳＯＣのしきい値でも電池の残存容量は新品電池のときと比較して大幅に少ないものとなる。これを回避するために、ＳＯＣのしきい値を高く設定することも可能ではあるが、この場合、新品電池に近い状態の電池では、まだ十分残存容量があるにもかかわらず、報知が行われてしまう、という問題がある。

また、劣化した電池は、新品電池のような高ＳＯＨの電池の場合とは異なり、同じ電池でも残存容量のバラツキが大きくなり、一回の充放電で特性が大きく低下することがある。従って、劣化の進んだ電池では、ＯＣＶのしきい値を固定的に決めて充電状態判定を行うと、適切な報知ができない、という問題がある。

本発明は上記事案に鑑み、鉛蓄電池の健康状態にかかわらず電池状態を精度よく報知可能な電池状態報知方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、鉛蓄電池の充電状態と健康状態を検知して前記電池の状態を報知する電池状態報知方法において、前記電池の開回路電圧ＯＣＶを測定するＯＣＶ測定ステップと、前記電池の両端電圧および前記電池に流れる電流を測定して前記電池の内部抵抗を算出し、該算出した内部抵抗から前記電池の健康状態（ＳＯＨ）を算出するＳＯＨ算出ステップと、前記ＯＣＶ測定ステップで測定されたＯＣＶおよびＳＯＨ算出ステップで算出されたＳＯＨを、予め設定されたＯＣＶ−ＳＯＨ関係マップに当てはめて前記電池が充電不足か否かを判定する判定ステップと、を含み、前記マップは、ＯＣＶを縦軸にとり、ＳＯＨを横軸にとったときに、所定範囲のＳＯＨ毎に、ＳＯＨが低い場合には高い場合に比べ前記電池の充電不足の判定基準となるＯＣＶのしきい値を階段状に変化させたことを特徴とする。

本発明では、基本的には、鉛蓄電池の充電不足状態を報知するためのしきい値を大きくすることにより、ＳＯＨが低下したとき、すなわち電池が劣化したときに、ＳＯＣに関する報知を、ＳＯＨが高い状態とき、すなわち電池の劣化が少ないときよりも、早期に出すようにする。このようにすることで、劣化した状態で残存容量のバラツキが増加した場合においても報知遅れの確率が減少する。

本発明には種々の態様が考えられる。図２に示すように、ＳＯＣの指標として例えば開回路電圧を使用する場合、例えば、ＳＯＣ１００％の開回路電圧をＯＣＶ_１、ＳＯＣ５０％の開回路電圧をＯＣＶ_２、ＳＯＣ３０％の開回路電圧をＯＣＶ_３であったとする（ＯＣＶ_１＞ＯＣＶ_２＞ＯＣＶ_３）。例えば新品の電池およびやや劣化した電池（例えばＳＯＨ１００％〜７０％の範囲の電池）では、ＯＣＶ_１＞ＯＣＶ_３では、例えば“充電状態良好”と報知する。そして、この電池が放電してＳＯＣが低下し、開回路電圧がＯＣＶ_３以下となったとき、“充電不足”と報知する。一方、劣化の進んだ電池（例えばＳＯＨ７０％以下の範囲の電池）では、これらの判定にＯＣＶ_３の代わりに、判定電圧を上げたＯＣＶ_２を使用する。以下、“充電状態良好”と“充電不足”報知領域を分割する境界線を、判定境界線と呼ぶことにする。

図２では一つのＳＯＨ境界（ＳＯＨ７０％）で、２種のＳＯＣの判定電圧を使用した例であるが、本発明は、図３に示すように、より細かいＳＯＨの差を反映するようにした判定境界線（しきい値）を設けたものである。

本発明によれば、鉛蓄電池の健康状態に応じて電池の充電不足の判定基準となる開回路電圧（ＯＣＶ）のしきい値が変化するので、現在の電池の（劣化）状態に合わせて電池状態を精度よく報知することができる、という効果を得ることができる。

本発明はガソリンエンジン車、ディーゼルエンジン車等の内燃機関システムの始動用電池に最適であると考えられる。本発明は、主に制御方法に係わるものであるが、その実施には適切な装置が必要となる。

本発明を実施する装置としては、鉛蓄電池のＳＯＣ、ＳＯＨを検知（算出）する手段を備えていなければならない。このため、本発明を実施する装置は、電圧計測手段、電流計測手段、温度検出手段、時間計測手段、電池電解液濃度検出手段、その他物理量計測手段を備えていることが好ましい。電圧検出手段は開回路電圧ＯＣＶの検出を含め鉛蓄電池に関する多くの情報を得ることができ、極めて有用である場合が多い。

ＳＯＣを決定（算出）するのには開回路電圧ＯＣＶを測定するのが簡単である。このためには、各ＳＯＣの電池について開回路電圧ＯＣＶのデータを予め求めておき、計測した開回路電圧ＯＣＶからＳＯＣを逆算するようにすればよい。一般には、ＯＣＶとＳＯＣとの関係を表したテーブルや関係式を準備しておき（例えば、ＲＯＭに書き込んでおき）、ＯＣＶを測定してテーブルないし関係式からＳＯＣを算出している。

また、ＳＯＨは電池の内部抵抗と強い相関がある。電池の内部抵抗測定には交流法と直流法があり、同一の電池を測定しても、その値は若干異なったものになる。両者には次のような特徴がある。

交流法は電池に１ｋＨｚ程度の交流電圧を印加して内部抵抗を測定するもので、装置が簡単で済むメリットがあるが、実際の放電とは条件が異なるので測定された内部抵抗とＳＯＨとの相関が問題になる場合がある。一方、直流法は、鉛蓄電池の開回路電圧および放電しているときの電圧をそれぞれ測定し、これらの差から内部抵抗を求める方法である。装置を工夫することで精度良く直流内部抵抗を計算することができ、測定された内部抵抗の物理的意味も明確で、交流法より低コストで実現可能である。いずれの方法においても、ＳＯＣを決定する場合と同様に、各ＳＯＨの電池について内部抵抗のデータを予め求めておき、測定された電池の内部抵抗からＳＯＨを逆算するようにすればよい。

このようにして得られたＳＯＣ、ＳＯＨおよび前述の判定境界線を用い、充電状態良好、あるいは充電不足であるかどうかを判定する。判定の演算を行うためには、シーケンス方式など各種の方法が考えられるが、現在ではマイクロコンピュータを使用したソフトウエアによる演算方式が優れていると言える。

このようにして得られた判定結果を報知するための方法としては、ディスプレイに表示する方法、ブザー等の発音機器で報知する方法、ＬＥＤ等の発光素子で表示する方法など多くの方法が考えられ、コスト、大きさ等の使用条件、目的によって最適な方法を選択すればよい。例えば汎用の小型の電子測定器組み合わせて使用するのが簡単ではあるが、データを演算する電子回路、表示する電子回路も簡単な回路構成で実現可能である。従って、これらの回路を一つの電子基板上に組み込んだものにするのがよく、この場合は鉛畜電池の蓋その他に組み込んで電池と一体構成とすることができ、使用上の使い勝手が大幅に向上する。またコストはかかるものの、量産用としては、これらの回路をＬＳＩ化するのが最も好ましく、信頼性も向上する。

なお、上記実施形態ではガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の自動車に搭載された鉛蓄電池に本発明の電池状態報知方法を適用した例を説明したが、本発明はこれに限らず、産業機械等の他の内燃機関システムにも適用可能である。

（実施例１）
本発明を適用するにあたっては、鉛蓄電池としてＪＩＳ規格５５Ｂ２４サイズのもの、また適用する内燃機関として、排気量１５００〜２５００ｃｃ電子制御燃料噴射装置付きのガソリンエンジン自動車を選んだ。

これらの車に汎用のマイクロコンピュータとＡＤコンバータ等を用い、電圧測定と演算が可能な電子回路を構成したものを搭載した。この回路で、開回路電圧からＳＯＣを、電池の内部抵抗からＳＯＨを算出し、充電不足報知には図２の判定境界線に基づき報知を行うアルゴリズムをソフトウエア的に実現させた。ここで、ＯＣＶ_２とＯＣＶ_３の値として、ＯＣＶ_２＝１２．２Ｖを、ＯＣＶ_３＝１１．８Ｖを用いた。

本車両を３年間、日本国内において、任意地域、任意の使用形態で使用して実車試験を行い、電池の充電不足報知が正確に行われるかどうか確認した。その後、電池の状態を調査しＳＯＣ、ＳＯＨを調べ、充電不足報知の妥当性を評価した。

（比較例１）
充電不足報知に図１の判定境界線を利用することとし、その他は実施例１と同様にして実車試験を行い、電池の充電不足報知が正確に行われるかどうか確認した。ＯＣＶ_１の値として、ＯＣＶ_２＝１２．２Ｖを用いた。

（比較例２）
充電不足報知に図１の判定境界線を利用することとし、その他は実施例１と同様にして実車試験を行い、電池の充電不足報知が正確に行われるかどうか確認した。ＯＣＶ_１の値として、ＯＣＶ_３＝１１．８Ｖを用いた。

実施例１、比較例１および比較例２により、充電不足報知が行われた電池における実際の報知必要性の有無の内訳および充電不足報知が行われなかった電池における実際の報知必要性の有無の内訳を調べ、判定の妥当性を評価した。図４、５に妥当性の評価結果を示す。

実施例１においては、充電不足報知が行われた時には、事実充電不足であったものが殆どであり、しきい値を１２．２Ｖに固定にした比較例１のように、必要のないものに対して報知することが激減したことが分かる。また、充電不足報知が行われなかった電池のでは、事実報知必要のないものがほとんどであり、判定しきい値を１１．８Ｖに固定にした比較例２のように、必要のあったものに対して報知しなかったことが激減したことが分かる。これより、実施例１の方法で正しく充電不足報知が可能となることが分かる。

本発明は鉛蓄電池の健康状態にかかわらず電池状態を精度よく報知可能な電池状態報知方法を提供するものであるため、本発明を適用した電池状態報知装置の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

充電状態が良好または充電不足であると判定するＳＯＣのしきい値を固定的に決め、それにより鉛蓄電池の電池状態を検知する方法の概念を示す説明図である。本発明における鉛蓄電池の充電不足状態を報知するためのしきい値をＳＯＨに応じて変化させる一態様の概念を示す説明図である。本発明における鉛蓄電池の充電不足状態を報知するためのしきい値をＳＯＨに応じて変化させる他の態様の概念を示す説明図である。実施例１、比較例１および比較例２において、充電不足報知が行われた鉛蓄電池における実際の報知必要性の有無の内訳を示す説明図である。実施例１、比較例１および比較例２において、充電不足報知が行われなかった鉛蓄電池における実際の報知必要性の有無の内訳を示す説明図である。

Claims

鉛蓄電池の充電状態と健康状態を検知して前記電池の状態を報知する電池状態報知方法において、
前記電池の開回路電圧ＯＣＶを測定するＯＣＶ測定ステップと、
前記電池の両端電圧および前記電池に流れる電流を測定して前記電池の内部抵抗を算出し、該算出した内部抵抗から前記電池の健康状態（ＳＯＨ）を算出するＳＯＨ算出ステップと、
前記ＯＣＶ測定ステップで測定されたＯＣＶおよびＳＯＨ算出ステップで算出されたＳＯＨを、予め設定されたＯＣＶ−ＳＯＨ関係マップに当てはめて前記電池が充電不足か否かを判定する判定ステップと、
を含み、
前記マップは、ＯＣＶを縦軸にとり、ＳＯＨを横軸にとったときに、所定範囲のＳＯＨ毎に、ＳＯＨが低い場合には高い場合に比べ前記電池の充電不足の判定基準となるＯＣＶのしきい値を階段状に変化させたことを特徴とする電池状態検知方法。