JP4681212B2 - バッテリの充電状態を求めるための方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
技術の分野
本発明は、バッテリの充電状態、とりわけ自動車のスタータバッテリの充電状態を求めるための方法および装置に関する。
【０００２】
技術の状況
自動車のスタータバッテリの充電状態を求める様々な方法が公知である。例えば、再較正を伴った、電流積分により充電状態を求める方法が挙げられる。この電流積分によって、比較的長い時間、典型的には４〜５時間後の無電流状態のバッテリにおいて測定可能な充電状態に比例する開回路電圧が求められる。このような方法はＤＥ ３５ ２０ ９８５ Ｃ２に記載されている。さらに、モデルに基づいた方法も挙げられる。この方法では、開回路電圧の算定、ひいてはこの開回路電圧から導出可能な充電状態の算定が、バッテリの負荷状態のときでも、バッテリ電圧、バッテリ電流および／またはバッテリ温度のようなセンサ量を用いてモデルを実際のバッテリに適合させることで可能となる。
【０００３】
前者の方法は比較的簡単に実現可能であるが、車両作動モードが長く、静止時間が比較的短いかまたはほんの僅かしかない場合（例えばタクシー運転）、エラーにつながる。というのも、充電状態は、非常にまれにしか開回路電圧によって再較正または補正することができないからである。
【０００４】
これとは対照的に、モデルに基づいた方法では、再較正は静止期間に依存しておらず、このような方法の実現は、基礎となるバッテリモデルの複雑さに応じて比較的コストのかかるものとなる。
【０００５】
本発明のねらいは、自動車スタータバッテリ用のできるだけ簡単でコストのかからない充電状態識別を提供することである。なお、この自動車スタータバッテリは、とりわけ静止時間のない車両作動、例えばタクシー運転の際に使用されるバッテリである。
【０００６】
この目標は、特許請求項１に記載された特徴を有する方法および特許請求項７に記載された特徴を有する装置によって達成される。
【０００７】
本発明によれば、電流積分の再較正のための簡単なバッテリモデルが使用される。少ないパラメータによる簡単なモデルの定式化に基づいて、例えばＤＥ−Ｐ １９９ ５０９ １９．２に記載されているように、専用のパラメータ推定装置を必要とせずに、使用中の充電状態推定方法を同時に未知のパラメータの推定にも使用することができる。
【０００８】
大きなダイナミックレンジと、温度、電流および充電状態に関する広い作動域とをカバーするコストのかかるバッテリモデルによって機能する、公知の、モデルに基づいた充電状態算定法とは異なり、本発明によれば、分から時までのオーダーの時定数だけを考慮するモデルが使用される。これにより、モデルの取り扱いが容易になり、求めるべきパラメータを非常に少なくすることができる。
【０００９】
上述の方法は、有利には、モデルの有効作動域においてのみ活動化される。
【００１０】
実用的には、本発明による方法が適用される第１の作動域は、最小バッテリ電流Ｉ_Batt,minを上回ることによって定義される。本発明により使用されるモデルをバッテリのこの作動域ないし放電域に制限することは、最小充電状態の監視に使用するという観点から容認され、実際の使用において満足な結果をもたらす。
【００１１】
有利には、モデル計算に基づいてバッテリの開回路電圧が計算され、この開回路電圧からバッテリ充電状態が導出可能である。開回路電圧とバッテリの充電状態との間のこのような関係はそれ自体公知であり、さらなる説明は不要である。
【００１２】
実用的には、バッテリ状態ｓｏｃは数式
【００１３】
【数１】

【００１４】
の形の関数に従って求められる。ここで、Ｕ_R,minないしＵ_R,maxは最小開回路電圧ないし最大開回路電圧を表しており、これらの電圧は、バッテリが空ないし完全充電されているときの電圧であり、そのときの電解液比重はバッテリ製造者によって指定されている。
【００１５】
本発明の特に有利な実施形態によれば、バッテリが第２の作動域にあるときには、バッテリ電流の測定と最後に計算ないし推定された開回路電圧Ｕ_Ｒ０とに基づいて充電状態の算定が行われる。数式Ｑ＝−∫Ｉ_Battｄｔに従って電流積分が形成されると、このようにして実際の開回路電圧Ｕ_RがＵ_R＝Ｕ_R0＋Ｑ／Ｃの形の方程式に従って計算される。この場合でも、実際の充電状態は上記した方程式（１）に基づいて計算されるようになっている。
【００１６】
実用的には、第２の作動域は、バッテリ電流が最小バッテリ電流Ｉ_Batt,minよりも小さいときに採用される。
【００１７】
上記２つの作動域を区別することによって、バッテリ作動域全体に亘って、バッテリの充電状態の適切な推定が実行される。なお、上記２つの作動域の一方ではＩ_Batt＞Ｉ_Batt,minであり、他方ではＩ_Batt＜＝Ｉ_Batt,minである。
【００１８】
本発明のさらなる利点は、以下の有利な実施例の説明から明らかとなる。
【００１９】
図面
本発明の有利な実施形態を添付した面を参照してより詳細に説明する。
【００２０】
これら図面のうち、
図１は、バッテリの電気的な等価回路であり、
図２は、本発明により提供される充電状態識別を図解するための概略的なブロック回路図である。
【００２１】
図１には、例えば本発明による方法が適用可能なバッテリの電気的な等価回路が示されている。ここでは、容量Ｃが、バッテリの電荷Ｑとバッテリの開回路電圧Ｕ_Rとの間のほぼ線形の関係を表している。濃度過電圧Ｕ_Kは、容量Ｃ_Kと抵抗Ｒ_Kを介して、極板孔と自由な電解液との間の電解液比重補整の動特性に倣って形成される。バッテリの内部抵抗Ｒ_iは、電極および電解液のオーム性抵抗、ならびに電極と電解液との間の２重層の接触抵抗を含む。最後に、Ｉ_BattないしＵ_Battは、バッテリ電流ないし放電電流およびバッテリ電圧を表している。
【００２２】
つぎに、本発明による方法を図２を参照して説明する。図２では、バッテリ全体が２で表されている。バッテリ２は、バッテリ電流Ｉ_Battとバッテリ電圧Ｕ_Battを有しており、これらはそれぞれ測定されるものである。バッテリ電流Ｉ_Battは、モデル計算において示されているように入力される。バッテリ電圧Ｕ_Battは、計算ないし推定されたバッテリ電圧Ｕ_Batt'によって補整され、同様に入力量としてモデルに入力される。
【００２３】
このようにして計算された開回路電圧値Ｕ_Rから、以下に詳細に説明するように、バッテリの充電状態が求められる。
【００２４】
まず、バッテリ電流Ｉ_Battが最小バッテリ電流Ｉ_Batt,minよりも大きいと仮定する。すなわち、バッテリが放電作動域にあると仮定する。この作動域に対しては、開回路電圧Ｕ_R、濃度過電圧Ｕ_Kおよび内部抵抗Ｒ_Kの推定のために、例えば（破線で囲まれた）カルマンフィルタ１の形態のモニタが使用される。そのために、使用中のモデルは、測定されたバッテリ電圧と計算されたバッテリ電圧との間の誤差Ｕ_Batt−Ｕ_Batt'のフィードバックによって補整される。例えばバッテリ交換後に、パラメータＣ、Ｒ_KおよびＣ_Kが未知である場合には、これらのパラメータも共に推定されるようにしてもよい。
【００２５】
モデル補整は、既に述べたように、モデルの有効性に適した作動点においてのみ、すなわちＩ_Batt＞Ｉ_Batt,min（放電電流＞０）の間だけ行われる。つまり、この場合、値ｋ＝ｋ₀＝Ｕ_Batt−Ｕ_Batt'がモデル計算に供給される。
【００２６】
Ｉ_Batt≦Ｉ_Batt,minが成立するその他の作動点では、モデル計算への誤差のフィードバックが中断される。すなわち、ｋがｋ＝０にセットされる。この第２の作動域では、開回路電圧Ｕ_Ｒは、電流積分Ｑ＝−∫Ｉ_Battｄｔと、とりわけ第１の作動域の間に最後に推定された開回路電圧Ｕ_R0とから、方程式Ｕ_R＝Ｕ_R0＋Ｑ／Ｃに従って計算される。
【００２７】
両作動域に関して、計算の結果である開回路電圧値Ｕ_Ｒには、バッテリ状態ｓｏｃ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を得るためにさらなる関数適用が施される。バッテリ状態は実用的には数式
【００２８】
【数２】

【００２９】
の形の方程式に従って求められる。Ｕ_R,minないしＵ_R,maxは、既に述べたように、最小開回路電圧ないし最大開回路電圧を表しており、これらの電圧は、バッテリが空ないし完全充電されているときの電圧であり、そのときの電解液比重はバッテリ製造者によって指定されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バッテリの電気的な等価回路である。
【図２】 本発明により提供される充電状態識別を図解するための概略的なブロック回路図である。

Claims (5)

1. 自動車のスタータバッテリの充電状態ｓｏｃを求めるための方法において、
   放電電流の大きさに基づいてバッテリの作動域を判別し、
   バッテリが第１の作動域にあるときには、モデル計算に基づいてバッテリの静止電圧Ｕ _R を計算し、前記静止電圧Ｕ _R から充電状態ｓｏｃを計算し、
   前記モデル計算では、実測されたバッテリ電圧Ｕ_Batt をモデルに入力して静止電圧Ｕ _Batt 'を推定し、推定された静止電圧Ｕ _Batt 'によって実測されたバッテリ電圧Ｕ _Batt を補正して前記モデルにフィードバックすることにより前記静止電圧Ｕ _R を計算する、ただし、前記第１の作動域は、放電電流が最小バッテリ電流Ｉ_Batt,minまたは最小限のバッテリ電流よりも大きいときに採用される、ことを特徴とするバッテリの充電状態ｓｏｃを求めるための方法。
2. バッテリ充電状態ｓｏｃをｓｏｃ＝ｆ（Ｕ_R）＝（Ｕ_R−Ｕ_R,min）／（Ｕ_R,max−Ｕ_R,min）の形の関数に従って計算する、ここで、Ｕ_R,minは最小静止電圧、すなわち、バッテリが空のとき電圧であり、Ｕ_R,maxは最大静止電圧、すなわち、バッテリが完全充電されているときの電圧である、請求項１記載の方法。
3. バッテリが第２の作動域にあるときには、バッテリ電流の測定と第１の作動域の間に最後に計算もしくは推定された静止電圧とに基づいて、充電状態を求める、ただし、前記第２の作動域は、バッテリ電流が最小バッテリ電流Ｉ_Batt,min以下のときに採用される、請求項１または２記載の方法。
4. 自動車のスタータバッテリの充電状態を求めるための装置において、
   放電電流の大きさに基づいてバッテリの作動域を判別する装置と
   電圧推定装置とを有し、
   前記電圧推定装置は、バッテリが第１の作動域にあるときには、モデル計算に基づいてバッテリの静止電圧Ｕ_Rを計算し、前記静止電圧Ｕ_Rから充電状態ｓｏｃを計算し、
   前記モデル計算では、実測されたバッテリ電圧Ｕ_Battをモデルに入力して静止電圧Ｕ_Batt'を推定し、推定された静止電圧Ｕ_Batt'によって実測されたバッテリ電圧Ｕ_Battを補正して前記モデルにフィードバックすることにより前記静止電圧Ｕ_Rを計算する、ただし、前記第１の作動域は、放電電流が最小バッテリ電流Ｉ_Batt,minまたは最小限のバッテリ電流よりも大きいときに採用される、ことを特徴とするバッテリの充電状態ｓｏｃを求めるための装置。
5. 前記電圧推定装置は、バッテリが第２の作動域にあるときには、バッテリ電流の測定と第１の作動域の間に最後に計算もしくは推定された開回路電圧とに基づいて、充電状態を求める、ただし、前記第２の作動域は、バッテリ電流が最小バッテリ電流Ｉ_Batt,min以下のときに採用される、請求項４記載の装置。

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