JP5058448B2 - バッテリ状態検知装置及びバッテリ状態管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリの状態を管理するバッテリ状態検知装置及びバッテリ状態管理方法に関する。

従来のバッテリ状態検知装置におけるバッテリの状態判定では、エンジン始動時のバッテリの出力電圧の降下量とそのときに流れる電流値とからバッテリの内部抵抗を測定し、その測定した内部抵抗値に基づいてバッテリの劣化度が判定されるようになっている。

しかしながら、バッテリの劣化状況には格子腐食とサルフェーションが重なった場合など種々のタイプがあり、劣化状況によっては実際の内部抵抗とバッテリの開放電圧との相関関係が悪くなり、これによって、実際の内部抵抗と、エンジン始動時のバッテリ出力電圧の降下量との相関関係も悪くなる場合がある。この場合、出力電圧の降下量を直接的に用いて状態判定を行う上記の従来技術では正確な状態判定が困難となる。

そこで、本発明の解決すべき課題は、劣化状況によらずに正確な状態判定が可能なバッテリ状態検知装置及びバッテリ状態管理方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、自動車に搭載されたバッテリの状態を管理するバッテリ状態検知装置であって、自動車に搭載されたバッテリの出力電圧を検出する電圧センサと、前記電圧センサの検出結果に基づいて、前記バッテリが正常であるか否かを判断する処理部と、前記処理部が行う処理動作に必要な情報を記憶する記憶部とを備え、前記記憶部に、前記エンジンが始動するまでの前記バッテリの前記出力電圧のトレンド線の傾きと比較される所定の基準値が格納され、前記処理部が、前記電圧センサで検出された前記出力電圧のトレンド線の傾きが前記基準値以上であるか否かを判断することで、自動車のスタータに前記バッテリが給電を行った際の前記エンジンのクランキング回転数がエンジン始動まで維持されているか否かを判断する第１の判断部を備え、当該第１の判断部での判断結果を利用して前記バッテリが正常であるか否かを判断するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のバッテリ状態検知装置であって、前記第１の判断部が、前記電圧センサで検出された前記出力電圧において時系列に現れる複数の振動の極大値同士及び／または極小値同士の変化、あるいは指数平滑または移動平均に基づいて、前記トレンド線を求めるものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載のバッテリ状態検知装置であって、前記記憶部に、自動車のスタータのプランジャ駆動最低電圧またはスタータモータ始動最低電圧が格納され、前記処理部が、前記バッテリの放電開始時に突入電流が流れる時点において前記電圧センサで検出された下限電圧値が、前記記憶部に格納された前記プランジャ駆動最低電圧以上または前記スタータモータ始動最低電圧以上であるか否かを判断する第２の判断部をさらに備え、当該第２の判断部での判断結果をも利用して前記バッテリが正常であるか否かを判断するものである。

請求項４に記載の発明は、自動車に搭載されたバッテリの状態を管理するバッテリ状態管理方法であって、ａ）自動車に搭載されたバッテリの出力電圧を電圧センサで検出する工程と、ｂ）前記電圧センサの検出結果に基づいて、前記バッテリが正常であるか否かを判断する工程とを備え、前記ｂ）の工程が、ｂ−１）前記電圧センサで検出された前記出力電圧のトレンド線の傾きが記憶部に予め格納された所定の基準値以上であるか否かを判断することで、前記エンジンのクランキング回転数がエンジン始動まで維持されているか否かを判断する工程と、ｂ−２）前記電圧センサで検出された前記出力電圧の振動を検出することで、前記クランキング回転数を検出し、当該クランキング回転数が前記記憶部に予め格納されたエンジンの所定の着火可能回転数以上であるか否かを判断する工程と、ｂ−３）前記バッテリの放電開始時に突入電流が流れる時点において前記電圧センサで検出された下限電圧値が、所定の記憶部に予め格納された所定のプランジャ駆動最低電圧以上またはスタータモータ始動最低電圧以上であるか否かを判断する工程とを備え、前記ｂ）の工程では、前記ｂ−１），ｂ−２），ｂ−３）の工程での判断結果を利用して、前記バッテリが正常であるか否かが判断されるものである。

請求項１〜請求項４に記載の発明では、温度等のバッテリの搭載環境や自動車の車種等の様々な諸条件を考慮せずに、現実の状況に即応してバッテリが正常であるか否かを正確に判断できる。

請求項１、請求項２及び請求項４に記載の発明では、電圧センサで検出された出力電圧のトレンド線が記憶部に予め格納された基準値以上であるか否かを判断するだけで、クランキング回転数がエンジン始動まで維持されているか否かを容易に判断することができる。

請求項２に記載の発明では、電圧センサで検出された出力電圧において時系列に現れる複数の振動の極大値同士及び／または極小値同士の変化、あるいは指数平滑または移動平均に基づいて、トレンド線を容易に且つ正確に検出することができる。

請求項４に記載の発明では、電圧センサで検出された出力電圧の振動を検出することで、クランキング回転数を検出するための専用の機構等を設けることなく、クランキング回転数を容易に且つ正確に検出することができる。

＜１．原理＞
本出願人は、自動車に搭載されるバッテリとして、新品のバッテリと、様々に劣化した状況のバッテリとのそれぞれに対して、その充電残量を種々に変化させ、その充電残量の異なる各状態において、バッテリに対してエンジン始動時放電（所定放電）を行わせて、バッテリの放電前及び放電中の出力電圧を計測した。そして、劣化状況の異なる各バッテリの異なる各充電残量状態における各エンジン始動時放電を行う前の開放電圧値と、エンジン始動時放電が行われた際の下限電圧値（放電時電圧値）との関係を調べた。

ここで、エンジン始動時放電とは、自動車のスタータが駆動されてエンジンが始動される際に行われる放電（あるいはそれと同等な放電）である。また、下限電圧値とは、エンジン始動時放電に伴ってバッテリの出力電圧が低下した際のその最低値のことである。

図１はその試験結果をグラフ化したものであり、その横軸は各放電試験におけるエンジン始動時放電開始前のバッテリの開放電圧値に対応し、縦軸は各放電試験におけるエンジン始動時放電中のバッテリの下限電圧値に対応している。また、図１中の曲線Ｇ１は新品のバッテリについての測定結果に基づいて描いたものであり、曲線Ｇ２〜Ｇ５は使用されてある程度劣化したバッテリについての測定結果に基づいて描いたものである。曲線Ｇ１〜Ｇ５は互いに劣化状況が異なったバッテリに対する試験の結果得られたものである。このうち、曲線Ｇ２〜Ｇ４は通常の使用状態に近い態様で充放電が繰り替えされたバッテリに対応し、各曲線Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の順にバッテリの使用期間が長くなり劣化が進んでいる。また、曲線Ｇ５は頻繁に過充電状態とされたバッテリに対応している。曲線Ｇ４，Ｇ５は劣化状況（劣化の要因）が異なるが、劣化の程度（劣化度）はほぼ同等である。

具体的には、新品のバッテリが対応する曲線Ｇ１に着目した場合、開放電圧体値が約１２．９Ｖ（ほぼ満充電状態）のときにエンジン始動時放電を行った際の下限電圧値は約９．７Ｖであり、開放電圧値が約１２．１Ｖのときにエンジン始動時放電を行った際の下限電圧値は約８．１Ｖであることを示している。また、劣化が進んだバッテリが対応する曲線Ｇ４に着目した場合、開放電圧値が約１２．５Ｖのときにエンジン始動時放電を行った際の下限電圧値は約８．１Ｖであることを示している。

図１のグラフより、バッテリの劣化が進むにつれて対応する曲線Ｇ１〜Ｇ５がグラフの概ね右方向（又は右下方向）にシフトしていることが分かっている。特に、下限電圧値が所定の基準レベル（例えば、９Ｖ）以下の領域では、曲線Ｇ１を基準とした曲線Ｇ２〜Ｇ５の右方向へのシフト量が対応するバッテリの劣化の進み応じて増加する傾向にあることが分かっている。

このことを考慮すると、エンジン始動時放電を行った際のバッテリの開放電圧及び下限電圧により定まる図１のグラフ上の例えば点Ｐ１（ＶＯ，ＶＬ）等が、新品のバッテリが対応する曲線Ｇ１上の対応する点Ｐ２（ＶＮ，ＶＬ）を基準として、横軸右方向にシフトしているシフト量Ｄを用いてバッテリの劣化度を判定することが可能である。このようにバッテリの劣化度が判定すれば、そのバッテリの開放電圧値と下限電圧値との関係（例えば、曲線Ｇ１〜Ｇ５）を劣化度に応じて規定することができるので、例えば開放電圧を検出するだけで、自動車のスタータを駆動してエンジンを始動する際の下限電圧値を予測することができる。そして、他方においてスタータを駆動するのに必要な電圧のレベルが判明すれば、このスタータを駆動するのに必要な電圧のレベルを始動限界レベル（例えば、図１中の始動限界線Ｌ０１）とし、この始動限界レベルに対して、予測した下限電圧値を比較することで、下限電圧値が始動限界レベル（始動限界線Ｌ０１）以上であるか否か、即ち、下限電圧値によってスタータを支障無く駆動できるか否かを判定することが可能となる。

しかしながら、本出願人は、上記の始動限界線Ｌ０１が、自動車の車種や個体差など、具体的には自動車内の電源回路における抵抗値等の諸要因によってバラツキが大きいという見知を得た。一方、バッテリは、複数の車種に共通に搭載されることが多いため、自動車とその自動車に搭載されるバッテリの組合せにおいて、一律に始動限界線Ｌ０１を決定することは望ましくない。

ここで、バッテリからの給電によりスタータを駆動させるのに必要な条件としては、まず第１の条件として、スタータのモータのギヤをエンジンに噛み合わせるためのプランジャの動作電圧を確保することが必要である。また、第２の条件として、エンジン始動の際のクランキングの回転数（以下「クランキング回転数」と称す）がエンジンの着火可能回転数以上であることが必要である。さらに第３の条件として、エンジン始動の際のクランキング中その回転数を維持することが必要である。

そこで、この実施の形態では、上記した第１〜第３の条件を満たしているか否かを実際に検出し、その検出結果に基づいて、バッテリが正常であるか否かを判断するようにしている。このことを説明する。

（１−１．第１の条件）
上述のように、まず第１の条件として、スタータのモータのギヤをエンジンに噛み合わせるためのプランジャの動作電圧を確保することが必要である。図２に一般的なスタータＳＴの一例を示す模式図を示す。図２中の符号１はバッテリ、符号２はプランジャ、符号３はプランジャ２の可動接点、符号４は固定接点、符号５はスタータモータ、符号６はバッテリ１からの電圧をプランジャ２に供給するためのイグニションスイッチ、符号７はエンジンのギヤをそれぞれ示している。イグニションスイッチ６がオンになると、スタータＳＴのプランジャ２が駆動して可動接点３を固定接点４に当接させ、これによってスタータモータ５が始動するとともに、レバー６ａを介してピニオンギヤ６ｂが矢印Ｑの方向に移動し、エンジンのギア７に噛み合って、スタータモータ５の回転がエンジンに伝達できる状態となる。エンジンが回り始めると、ピニオンギヤ６ｂはエンジンのギヤから外れるようになっている。したがって、このプランジャの動作電圧を確保することが最低限必要となる。

この場合、この実施の形態においては、プランジャ２の駆動に必要な最低電圧（以下「プランジャ駆動最低電圧Ｖｃ」と称す）の規定値を参照し、あるいは、そのプランジャ駆動最低電圧Ｖｃを予め測定しておき、図３において、プランジャ２に対する給電用のイグニションスイッチ６がオンになって突入電流が流れた時点Ｔ０１で現れる下限電圧ＶＬがプランジャ駆動最低電圧Ｖｃ（図１４中のステップＳ０６参照）以上であるか否かを判断することで、第１の条件を満たすか否かの判断を行う。

このように、第１の条件を満たしている場合、図２に示したスタータＳＴのプランジャ２の駆動により、スタータモータ５はエンジンのギヤ７に噛み合う状態となる。この状態では、この状態では、このスタータモータ５の回転数が所定のギヤ比（たとえば１０：１）で減速されてクランキング回転数となる。

（１−２．第２の条件）
ただし、プランジャ２が支障無く駆動した場合であっても、クランキング回転数がエンジンの着火可能回転数未満であれば、エンジンへの着火が行われない。即ち、バッテリ１からの電圧レベルが低いと、クランキング回転数が低下してしまって、エンジンの着火が不能となる事態が生じ得る。したがって、上述のように、第２の条件として、エンジン始動の際のクランキング回転数がエンジンの着火可能回転数以上になることが必要である。したがって、この実施の形態においては、エンジンを始動する際に、クランキング回転数を検出し、この検出した回転数を、規格値または予め試験により検出しておいたエンジンの着火可能回転数に対して比較することで、エンジンが着火可能か否かを判断する。

図４は、クランキング回転数とエンジントルクとの関係を示す図であって、図４中の横軸はクランキング回転数、縦軸はエンジントルクを示している。また、図４中の符号Ｌ０２ａ，Ｌ０２ｂはスタータモータ５におけるトルク−回転特性線（スタータＴＮ特性線）、符号Ｌ０３はエンジンのトルク−回転特性線（エンジンＴＮ特性線）、符号Ｌ０４はエンジンの着火可能回転数線であり、図４においてはエンジンの着火可能回転数がｎ０１に特定されている。

一般に、スタータモータ５のトルクは、その回転数に対して負の相関となるが、このスタータモータ５に印加される電圧によっても変化し、印加電圧が低いほどトルクが低下する。例えば図４に実線で示した第１のスタータＴＮ特性線Ｌ０２ａは、適正な電圧がスタータモータ５に印加されている状態を示しており、また点線で示した第２のスタータＴＮ特性線Ｌ０２ｂは、スタータモータ５に対する印加電圧が低下した状態を示している。

スタータモータ５が第１のスタータＴＮ特性線Ｌ０２ａを示す状態では、この第１のスタータＴＮ特性線Ｌ０２ａとエンジンＴＮ特性線Ｌ０３との交点Ｐ０１でクランキング回転数ｎ０２が決定され、このクランキング回転数ｎ０２がエンジンの着火可能回転数ｎ０１以上の範囲内であることから、エンジンが始動できる。

一方、スタータモータ５への印加電圧が低下して第２のスタータＴＮ特性線Ｌ０２ｂが現れる状態では、この第２のスタータＴＮ特性線Ｌ０２ｂとエンジンＴＮ特性線Ｌ０３との交点Ｐ０２でクランキング回転数ｎ０３が決定されるが、このクランキング回転数ｎ０３がエンジンの着火可能回転数ｎ０１未満であることから、エンジンが始動できなくなってしまう。

このように、図４に示したスタータＴＮ特性線Ｌ０２ａ，Ｌ０２ｂとエンジンＴＮ特性線Ｌ０３とエンジンの着火可能回転数線Ｌ０４とが予め判明していれば、クランキングの開始が実現するか否かを判断することが可能である。

しかしながら、一般にスタータモータ５やエンジンに使用されている潤滑油の粘度は温度によって著しく影響を受けるし、その他の条件、例えば自動車の車種や個体差などもあるため、スタータＴＮ特性線Ｌ０２ａ，Ｌ０２ｂやエンジンＴＮ特性線Ｌ０３は、種々の環境条件によって大幅に変化する。したがって、スタータＴＮ特性線Ｌ０２ａ，Ｌ０２ｂやエンジンＴＮ特性線Ｌ０３を一律に規定することは望ましくなく、あらゆる環境条件等を考慮してパラメータ化し、このパラメータに基づいてスタータＴＮ特性線Ｌ０２ａ，Ｌ０２ｂやエンジンＴＮ特性線Ｌ０３を規定することは、複雑になりすぎて作業が煩雑となる。

そこで、この実施の形態においては、比較的数値のバラツキが少ないエンジンの着火可能回転数線Ｌ０４のみを固有値として保有する一方、クランキング回転数ｎｒについては、パラメータ等を用意して図４中の交点Ｐ０１，Ｐ０２を求めて算出するのではなく、エンジンの始動の際に実現される実際のクランキング回転数ｎｒを検出し、このクランキング回転数ｎｒをエンジンの着火可能回転数ｎ０１と比較して、エンジンが着火可能か否かを判断する。

そして、この実施の形態では、クランキング回転数ｎｒを、スタータモータ５への印加電圧の波形に基づいて検出する。

図５は、クランキング動作によってスタータモータ５への印加電圧の波形が変化する様子を示す図である。図５の例では、４気筒エンジンが適用されており、図５中の（ａ）〜（ｄ）に示した符号１０は、４気筒のうちのひとつのエンジン気筒部を示している。具体的に、図５中の（ａ）はエンジン気筒部１０の吸気状態、同図中の（ｂ）は圧縮状態、（ｃ）は膨張状態、（ｄ）は排気状態をそれぞれ示している。そして、そのエンジン気筒部１０のシリンダ内圧力は、符号＃１に対応しており、図示しない他の３つのエンジン気筒部のシリンダ内圧力は、符号＃２〜＃４にそれぞれ対応している。具体的に、エンジン気筒部１０のシリンダ内圧力＃１は、圧縮状態（ｂ）で増大し、膨張状態（ｃ）で低減する。吸気状態（ａ）及び排気状態（ｄ）ではシリンダ内圧力＃１に変化は殆どない。

また、各エンジン気筒部がクランキングを行うと、各エンジン気筒部のシリンダ内圧力の変化に伴って図５中の符号１１のようなトルク変動が起こり、これによりクランキング回転数が変動し、これがスタータモータ５内のコイル（図示省略）に逆起電力の変動となって現れる。これはバッテリ１の出力電圧に振動が発生することを意味する。尚、図５中の符号１１−１〜１１−４は、各エンジン気筒部の動作により発生したトルク変動とシリンダ内圧力＃１〜＃４の変動との対応関係を示したものである。

このように、クランキング時の各エンジン気筒部のシリンダ内圧力の変化に応じて、図５中の符号１１に応じたバッテリ１の出力電圧（図３参照）が変動することを考慮すると、バッテリ１の出力電圧に現れる振動波形を観測し、その振動の周期を検知することで、実際のクランキング回転数ｎｒを検出することができることが判明した。そこで、この実施の形態では、バッテリ１の出力電圧の振幅の周期または周波数を検出し、その検出結果に基づいてクランキング回転数ｎｒを検出する。

図６は、バッテリ１の出力電圧に基づいてクランキングの周期を検出する方法の一例（以下「第１の検出方法」と称す）を示す図である。この図６の第１の検出方法では、バッテリ１の出力電圧１３の上下のピーク値でクランキングの周期を検出している。具体的には、まずバッテリ１の出力電圧１３に対してローパスフィルタにより高周波数帯域のカットオフを行ってノイズ除去を行い、図６（Ａ）に示した出力電圧１３の波形を得る。そして、出力電圧１３のサンプリング（量子化）を行い、その結果データＶ_n+1をひとつ前の結果データＶ_nと大小比較し、例えば図６（Ｂ）のように、増大している場合に論理値「１」を、減少している場合に論理値「０」となるような２値化を行う。そうすると、出力電圧１３に現れる各振動の極大値に対しては、図６（Ｂ）において２値データの立ち下がり（ローエッジ）が現れ、各振動の極小値に対しては、図６（Ｂ）において２値データの立ち上がり（ハイエッジ）が現れる。そして、その２値データの例えば立ち下がり（ローエッジ）を基準とするなどしてクランキングの周期ｔ０１を検出し、その周期ｔ０１に基づいてクランキング回転数ｎｒを演算する。尚、ここでは２値データの立ち下がり（ローエッジ）を基準としているが、２値データの立ち上がり（ハイエッジ）を基準としても差し支えない。

図７は、バッテリ１の出力電圧１３に基づいてクランキングの周期を検出する方法の他の例（以下「第２の検出方法」と称す）を示す図である。この図７の第２の検出方法では、バッテリ１の出力電圧１３の山／谷を検出して、クランキングの周期を検出している。具体的には、まずバッテリ１の出力電圧１３に対してローパスフィルタにより高周波数帯域のカットオフを行ってノイズ除去を行い、図７（Ａ）に示した出力電圧１３の波形を得る。そして、バッテリ１の出力電圧１３に対して、指数平滑を含むＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタ（非巡回型フィルタ）を用いたり、あるいは移動平均を含むＦＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタ（巡回型フィルタ）を用いるなどして、バッテリ１の出力電圧１３の平均的なトレンド線（趨勢変化）Ｌ０５を推定する。そして、出力電圧１３とトレンド線Ｌ０５とを大小比較し、例えば図７（Ｂ）のように、出力電圧１３がトレンド線Ｌ０５より大きい場合に「１」、小さい場合に「０」となるような２値化を行う。そして、その２値データの例えば立ち上がり（ハイエッジ）を基準とするなどしてクランキングの周期ｔ０１を検出し、その周期ｔ０１に基づいてクランキング回転数ｎｒを演算する。尚、ここでは２値データの立ち上がり（ハイエッジ）を基準としているが、２値データの立ち下がり（ローエッジ）を基準としても差し支えない。

図８は、バッテリ１の出力電圧１３に基づいてクランキングの周期を検出する方法のさらに他の例（以下「第３の検出方法」と称す）を示す図である。この図８の第３の検出方法では、バッテリ１の出力電圧１３について離散的フーリエ変換（Discrete Fourier Transform：DFT）または高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：FFT）を行ってクランキングの周波数を検出している。具体的には、まずバッテリ１の出力電圧１３のローパスフィルタにより高周波数帯域のカットオフを行ってノイズ除去を行い、図８（Ａ）に示した出力電圧１３の波形を得る。そして、その出力電圧１３に対してサンプリング間隔Δｔでサンプリング（量子化）を行ってデジタルデータＶｉ（ただしｉは０〜Ｎ）を得る。しかる後、例えば図８（Ｂ）に示した数式を用いるなどして、図８（Ｃ）に示したような周波数分布を得る。そして、図８（Ｃ）の縦軸方向に現れた振幅が所定の基準値以上で、振幅最大の周波数をクランキング回転数ｎｒとする。

このように第１〜第３の検出方法のうちのいずれかまたは複数の組合せにより検出されたクランキング回転数ｎｒを、固有値であるエンジンの着火可能回転数ｎ０１と比較して、エンジンが着火可能か否かを判断する。

（１−３．第３の条件）
ただし、エンジン始動の際の実際のクランキングにおいては、一般に、１回転だけではエンジンが始動しない。例えば４気筒のエンジンでは、合計で４回程度のクランキング（図５中の４つのトルク変動１１−２，１１−１，１１−３，１１−４を参照）が行われないとエンジンが始動しないことが分かっている。エンジン始動の際に、バッテリ１からの電圧レベルが低いと、エンジン始動の際のクランキングを行っている一定の間に、クランキング回転数が徐々に低下していき、最終的にエンジンの着火が不能となる事態が生じ得る。したがって、上述のように、第３の条件として、エンジン始動の際のクランキングを行っている間、その回転数を維持することが必要となる。

ここで、図３に示したバッテリ１の出力電圧の変化例では、プランジャ２への電圧印加によりクランキングが開始された時点Ｔ０１からエンジンが始動する時点Ｔ０２までのクランキング期間１５において、クランキングに起因するバッテリ１の出力電圧に振幅が見られるものの、趨勢変化（トレンド線）としては矢印１７に示すように増大傾向を示している。このように、バッテリ１の出力電圧の趨勢変化として増大傾向を示している状態（即ち、トレンド線の傾きがゼロより大きい状態：図９参照）では、通常は回転数が増大するため、その回転数を維持することに問題はない。

図１０は、クランキング開始時点Ｔ０１からエンジン始動時点Ｔ０２までのクランキング期間１５で、バッテリ１の出力電圧の趨勢が殆ど変化しない状態（即ち、トレンド線の傾きがゼロである状態：図１１参照）を示す図である。図１０及び図１１に示したトレンド線の傾向がマイナスとなる場合は、回転数を維持できないおそれがある。

そこで、この実施の形態では、上記した第２の条件の判断を行うために検出したバッテリ１の出力電圧を用いて、その傾向が許容できる所定の以上の傾きを持っているか否かを判断する。

例えば、上記の第１の検出方法で図６（Ａ）に示した出力電圧１３の波形を得た場合、その上下のピーク値だけを時系列的に比較して線Ｌ０６，Ｌ０７を求め、この線Ｌ０６，Ｌ０７に基づいて、バッテリー１の出力電圧１３の趨勢が増大気味であるか低下気味であるかを容易に判断できる。

また、上記の第２の検出方法で図７（Ａ）に示したトレンド線Ｌ０５を得た場合、このトレンド線Ｌ０５と出力電圧１３との交差する点から、最小二乗法などにより、直線を求め、その傾きから、バッテリー１の出力電圧１３の趨勢が増大気味であるか低下気味であるかを容易に判断できる。

そして、これらの傾きが、所定の基準値Ｔｃ（図１４中のステップＳ０２参照）未満である場合には、エンジンが始動するのに要するクランキング回転数の維持が困難であると判断する。

尚、第３の条件において、クランキング回転数が維持されているか否かを判断する期間としては、クランキング開始からエンジンが始動するまでに要する平均的な時間を定めておき、その期間を一定期間としてのクランキング期間１５として判断を行ってもよいし、あるいは、バッテリ１の出力電圧が、エンジン始動後に安定したか否かを検知し、安定した旨を検知するまでの範囲でクランキング期間１５を確定して、そのクランキング期間１５においてクランキング回転数が維持されているか否かを判断してもよい。

このように、この実施の形態においては、第１〜第３の条件を満たすか否かを判断するだけで、バッテリ１の出力電圧に対してエンジンが始動するか否かを容易に判断することが可能となる。特に、一般にスタータモータ５やエンジンに使用されている潤滑油の粘度が温度によって著しく影響を受けたり、その他の条件、例えば自動車の車種や個体差などに起因して各種のパラメータを用意するのに繁雑な作業を必要とする場合に、クランキング実施の形態に実現されるバッテリ１の状態（出力電圧等）を検出するだけで、容易にエンジンが始動するか否かを判断できる利点がある。

＜２．構成＞
図１２は、本発明の一の実施の形態に係るバッテリ状態検知装置のブロック図である。このバッテリ状態検知装置は、図１２に示すように、電流センサ２１、電圧センサ２３、処理部２５、記憶部２７及び出力部２９を備えて構成されており、車両に搭載されたバッテリ１の状態を管理する。

電流センサ２１は、バッテリ１から出力される電流及びバッテリ１へ入力される電流を検出する。電圧センサ２３は、上記の＜１．原理＞で説明したバッテリ１の出力電圧１３を検出する。処理部２５は、ＣＰＵ（制御部）等を備えて構成され、バッテリ１の管理のために各種の情報処理動作（制御動作も含む）を行う。記憶部２７は、フラッシュＲＯＭ等の書き換え可能な不揮発性メモリ等により構成されている。出力部２９は、バッテリ１の状態の判定結果等を出力するためのものであって、例えば、液晶表示パネル等の表示装置や音声出力装置等が適用される。また、バッテリ１の状態に応じて自動車に搭載されている各種の負荷（例えばオーディオ機器等）の遮断制御等を行う場合は、出力部２９として負荷電源制御ユニット等も適用される。

そして、電圧センサ２３で検出されたバッテリ１の出力電圧は、処理部２５内に搭載されたＡ／Ｄ変換器（図示省略）によってデジタルデータ化された後、この処理部２５内で、上記の＜１．原理＞で説明した第１〜第３の条件の判断がなされ、バッテリ１が正常であるか否かを出力部２９に出力する。また、処理部２５のＣＰＵが動作する動作手順を規定したプログラム、上記したプランジャ駆動最低電圧Ｖｃ、エンジンの着火可能回転数ｎ０１及びトレンド線の傾きの基準値Ｔｃ等の各種のデータ、図８（Ｂ）に示した所定の数式等、処理部２５が行う各種の情報処理動作に必要な情報等は、記憶部２７内に予め記憶されている。

そして、処理部２５は、図１３に示すように、第１の条件の判断を行う第１条件判断部２５ａと、第２の条件の判断を行う第２条件判断部２５ｂと、第３の条件の判断を行う第３条件判断部２５ｃと、これらの各条件判断部２５ａ〜２５ｃでの判断結果に基づいてバッテリ１の状態が正常であるか否かを総合判断し、その総合判断結果を出力部２９に出力する総合判断部２５ｄとを備える。

＜３．動作＞
上記構成のバッテリ状態検知装置の動作例を、図１４に示したフローチャートに沿って説明する。

まず、イグニションスイッチ６がオンになると、バッテリ１の出力電圧を電圧センサ２３で検出し、その検出結果が処理部２５に出力される。

この際、正常にプランジャ２が動作して正常にクランキングが行われる場合は、図５に示したように、クランキング時の各エンジン気筒部のシリンダ内圧力の変化（図５中の符号＃１〜＃４）に応じてバッテリ１の出力電圧（図３）が変動する。

そして、図１４中のステップＳ０１において、処理部２５の第３条件判断部２５ｃは、記憶部２７内に予め記憶されているプログラムに従ってＣＰＵが動作するなどして、バッテリ１の出力電圧に現れる振動波形を観測し、出力電圧トレンド線の傾向（傾き）を検出する。このトレンド線の傾向の検出は、上記の＜１．原理＞中の（１−３．第３の条件）で説明した通りであるため、ここではその詳細な説明を省略する。

次に、ステップＳ０２において、第３の条件を満たしているか否か、即ち、検出された傾きが所定の基準値Ｔｃ未満であるか否かを判断する。

このとき、検出された傾きが所定の基準値Ｔｃ以上である場合は、ステップＳ０３に進み、処理部２５の第２条件判断部２５ｂにおいて、記憶部２７内に予め記憶されているプログラムに従ってＣＰＵが動作するなどして、バッテリ１の出力電圧に現れる振動波形の周期または周波数の検出を試み、その検出結果に基づいてクランキング回転数ｎｒの検出を試みる。このクランキング回転数ｎｒの検出は、上記の＜１．原理＞中の（１−２．第２の条件）で説明した通りであるため、ここではその詳細な説明を省略する。

そしてステップＳ０４において、ステップＳ０３でクランキング回転数ｎｒを検出できたと判断した場合は、続いてステップＳ０５に進み、第２の条件を満たしているか否か、即ち、検出されたクランキング回転数ｎｒをエンジンの着火可能回転数ｎ０１と比較して、エンジンが着火可能か否かを判断する。そして、ステップＳ０５で、クランキング回転数ｎｒがエンジンの着火可能回転数ｎ０１以上であったと判断した場合はステップＳ０６に進む。

一方、ステップＳ０４において、ステップＳ０３でクランキング回転数ｎｒを検出できなかったと判断した場合は、ステップＳ０６に進む。

ステップＳ０６では、処理部２５の第１条件判断部２５ａにおいて、記憶部２７内に予め記憶されているプログラムに従ってＣＰＵが動作するなどして、第１の条件を満たしているか否か、即ち、図３中の時点Ｔ０１（プランジャ２に対する給電用のイグニションスイッチ６がオンになった時点）で現れる下限電圧ＶＬがプランジャ駆動最低電圧Ｖｃ未満であるか否かを判断する。そして、ステップＳ０６で下限電圧ＶＬがプランジャ駆動最低電圧Ｖｃ以上であると判断した場合には、ステップＳ０７に進み、総合判断部２５ｄを通じて、バッテリ１が正常状態である旨の情報を出力部２９に出力する。

しかる後、ステップＳ０８に進み、電流センサ２１によって検出されたバッテリ１の充電量の収支を処理部２５で積算し、ステップＳ０９の満充電判定等の所定の処理を行う。尚、この場合において、満充電であると判断された場合は、バッテリ１に対する回生を停止するなどして、過充電を防止する制御を行う。

ところで、上記のステップＳ０２において、トレンド線の傾きが基準値Ｔｃ未満であると判断した場合は、バッテリーからの出力電圧との関係で拡散抵抗が大であると判断し、ステップＳ１０に進む。

また、上記のステップＳ０５で、クランキング回転数ｎｒがエンジンの着火可能回転数ｎ０１未満であったと判断した場合は、バッテリーからの出力電圧との関係でクランキング回転数に余裕がないと判断し、ステップＳ１０に進む。

さらに、ステップＳ０６で下限電圧ＶＬがプランジャ駆動最低電圧Ｖｃ未満であると判断した場合は、バッテリーからの出力電圧との関係でプランジャ２の駆動動作に余裕がないと判断し、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０では、バッテリ１に注意が必要である旨の情報を出力部２９に出力する。出力部２９においては、バッテリ１に注意が必要である旨の注意表示や注意を促す音声出力等を行う。また、出力部２９として負荷電源制御ユニットを含む場合等においては、この負荷電源制御ユニットによって、バッテリ１の状態に応じて自動車に搭載されている各種の負荷（例えばオーディオ機器等）の遮断制御等を行う。

そして、ステップＳ１１に進み、電流センサ２１によって検出されたバッテリ１の充電量の収支を処理部２５で積算し、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、充電収支が、自動車の所定の放置日数（例えば１週間）分の暗電流等を考慮した所定の値Ｐｃを超えているか否かを判断し、超えていれば、所定の放置日数分の暗電流を考慮してもバッテリ１に対して充電が充分に行われていると判断し、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、総合判断部２５ｄを通じて、バッテリ１が正常状態である旨の情報を出力部２９に出力する。しかる後、ステップＳ１１以降の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１２で、充電収支が上記の所定の値Ｐｃ以下であると判断した場合は、ステップＳ１４に進み、まずはステップＳ１５で満充電状態か否かを判断する。

ステップＳ１５で、満充電でないと判断した場合は、ステップＳ１１に戻って、それ以降の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１５で、満充電であると判断した場合は、ステップＳ１６に進み、再度、充電収支が上記の所定の値Ｐｃを超えているか否かを判断する。そして、充電収支が上記の所定の値Ｐｃを超えていると判断した場合は、所定の放置日数分の暗電流を考慮してもバッテリ１に対して充電が充分に行われていると判断し、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、総合判断部２５ｄを通じて、バッテリ１が正常状態である旨の情報を出力部２９に出力する。しかる後、ステップＳ１１以降の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１６において、充電収支が上記の所定の値Ｐｃ以下であると判断した場合は、バッテリ１の満充電までの充電量が少ないと判断して、このバッテリ１が寿命であると判断し、ステップＳ１８において、その旨の情報を出力部２９に出力する。この場合、バッテリ１の寿命がつきている旨の警告表示や警告に係る音声出力等を行う。また、出力部２９として負荷電源制御ユニットを含む場合等においては、この負荷電源制御ユニットによって、バッテリ１の状態に応じて自動車に搭載されている各種の負荷（例えばオーディオ機器等）の遮断制御等を行う。

以上のように、劣化状況によっては実際の内部抵抗とバッテリの開放電圧との相関関係が悪くなり、これによって、実際の内部抵抗と、エンジン始動時のバッテリ出力電圧の降下量との相関関係が悪くなっても、出力電圧の降下量を直接的に用いて状態判定を行う従来技術では正確な状態判定が困難となる。

しかし、この実施の形態では、バッテリ１の出力電圧を監視し、その監視結果に基づいて、上記した第１〜第３の条件を満たしているか否かを実際に検出し、その検出結果に基づいて、バッテリ１が正常であるか否かを判断するようにしているので、図１に示した方法のようにバッテリ１の特性曲線Ｇ１〜Ｇ５や始動限界線Ｌ０１を予め一律に決定しておく必要がなくなる。したがって、温度等のバッテリの搭載環境や自動車の車種等の様々な諸条件を考慮せずに、現実の状況に即応してバッテリが正常であるか否かを正確に判断できる。

さらに、電圧センサ２３で検出された出力電圧１３の振動を検出することで、クランキング回転数を検出するための専用の機構等を設けることなく、そのクランキング回転数を容易に且つ正確に検出することができる。

さらにまた、電圧センサ２３で検出された出力電圧１３の趨勢変化を検出し、当該趨勢変化が記憶部２７に予め格納された許容範囲内であるか否かを判断するだけで、クランキング回転数がエンジン始動まで維持されているか否かを容易に判断することができる。

例えば、図１５〜図１７は満充電状態のバッテリ１について、図１８〜図２０はスタータＳＴの始動に必要な最低限の充電状態となっているバッテリ１について、図２１〜図２３はスタータＳＴの始動が不可能であったバッテリ１について、それぞれ電源投入して出力電圧１３を実測した結果を示す図である。ただし、これらの実験においては、エンジンの着火は行なわれていない。

また、図１５，図１８，図２１は温度環境が−３０℃の場合、図１６，図１９，図２２は温度環境が温度環境が２５℃である場合、図１７，図２０，図２３は温度環境が６５℃である場合の実測結果をそれぞれ示している。

バッテリ１の電圧は、図１５〜図２３を見ると、バッテリ１の充電状態によってその出力電圧１３の波形が大きく異なることが分かる。

また、同じ充電状態のバッテリ１でも、スタータモータ５やエンジンに使用されている潤滑油の粘度は温度によって著しく影響を受けることから、その温度環境によって出力電圧１３の波形が大きく異なることが分かる。

しかしながら、この実施の形態では、実際の出力電圧１３に現れる振動に基づいて趨勢変化を検出し、これに基づいてクランキング回転数がエンジン始動まで維持されているか否かを判断しているので、その判断が正確になるという利点がある。

また、電圧センサ２３で検出された出力電圧１３において時系列に現れる複数の振動の極大値同士及び／または極小値同士の変化、あるいは指数平滑または移動平均に基づいて、趨勢変化を容易に且つ正確に検出することができる。

尚、上記実施の形態では、第１の条件において、下限電圧ＶＬがプランジャ駆動最低電圧Ｖｃ以上であるか否かを判断していたが、下限電圧ＶＬがスタータモータ始動最低電圧以上であるか否かを判断しても差し支えない。ここでスタータモータ始動最低電圧は、プランジャ２の可動接点３が固定接点４に接続するために必要なプランジャ２の駆動電圧だけでなく、プランジャ２の可動接点３が固定接点４に接続した後にスタータモータ５が回転するために必要な駆動電圧をも加味したものである。スタータモータ５の駆動に際しては、その潤滑油の粘度が温度によって著しく影響を受けることから、その温度環境によって異なるスタータモータ始動最低電圧を予め記憶部２７内に格納しておけばよい。

また、上記実施の形態では、第１〜第３の条件のうちの全てを判断するようにしていたが、そのうちのいずれかひとつまたは２つを組み合わせて判断するようにしてもよい。

劣化状況及び充電残量の異なるバッテリについて開放電圧とエンジン始動時の下限電圧とを試験により測定した測定結果を示すグラフである。 一般的なスタータの一例を示す模式図である。 エンジンの始動の際におけるバッテリの出力電圧の変化を示す図である。 クランキング回転数とエンジントルクとの関係を示す図である。 クランキング動作によってスタータモータへの印加電圧の波形が変化する様子を示す図である。 第１の検出方法で出力電圧の振動の周期及び趨勢変化を検出する原理を示す図である。 第２の検出方法で出力電圧の振動の周期及び趨勢変化を検出する原理を示す図である。 第３の検出方法で出力電圧の振動の周波数を検出する原理を示す図である。 バッテリの出力電圧の趨勢変化が正常な場合を示す概念図である。 バッテリの出力電圧の趨勢が変化しない様子を示す図である。 バッテリの出力電圧の趨勢が変化しない場合を示す概念図である。 本発明の一の実施の形態に係るバッテリ状態検知装置を示すブロック図である。 本発明の一の実施の形態に係るバッテリ状態検知装置の処理部を示すブロック図である。 本発明の一の実施の形態に係るバッテリ状態検知装置の動作を示すフローチャートである。 バッテリの出力電圧の一例を示す図である。 バッテリの出力電圧の一例を示す図である。 バッテリの出力電圧の一例を示す図である。 バッテリの出力電圧の一例を示す図である。 バッテリの出力電圧の一例を示す図である。 バッテリの出力電圧の一例を示す図である。 バッテリの出力電圧の一例を示す図である。 バッテリの出力電圧の一例を示す図である。 バッテリの出力電圧の一例を示す図である。

符号の説明

１ バッテリ
２ プランジャ
５ スタータモータ
６ イグニションスイッチ
７ ギヤ
１０ エンジン気筒部
１３ 出力電圧
１５ クランキング期間
２１ 電流センサ
２３ 電圧センサ
２５ 処理部
２５ａ 第１の条件判断部
２５ｂ 第２の条件判断部
２５ｃ 第３の条件判断部
２５ｄ 総合判断部
２７ 記憶部
２９ 出力部

Claims (4)

1. 自動車に搭載されたバッテリの状態を管理するバッテリ状態検知装置であって、
   自動車に搭載されたバッテリの出力電圧を検出する電圧センサと、
   前記電圧センサの検出結果に基づいて、前記バッテリが正常であるか否かを判断する処理部と、
   前記処理部が行う処理動作に必要な情報を記憶する記憶部と
   を備え、
   前記記憶部に、前記エンジンが始動するまでの前記バッテリの前記出力電圧のトレンド線の傾きと比較される所定の基準値が格納され、
   前記処理部が、前記電圧センサで検出された前記出力電圧のトレンド線の傾きが前記基準値以上であるか否かを判断することで、自動車のスタータに前記バッテリが給電を行った際の前記エンジンのクランキング回転数がエンジン始動まで維持されているか否かを判断する第１の判断部を備え、当該第１の判断部での判断結果を利用して前記バッテリが正常であるか否かを判断するバッテリ状態検知装置。
2. 請求項１に記載のバッテリ状態検知装置であって、
   前記第１の判断部が、前記電圧センサで検出された前記出力電圧において時系列に現れる複数の振動の極大値同士及び／または極小値同士の変化、あるいは指数平滑または移動平均に基づいて、前記トレンド線を求めるバッテリ状態検知装置。
3. 請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載のバッテリ状態検知装置であって、
   前記記憶部に、自動車のスタータのプランジャ駆動最低電圧またはスタータモータ始動最低電圧が格納され、
   前記処理部が、前記バッテリの放電開始時に突入電流が流れる時点において前記電圧センサで検出された下限電圧値が、前記記憶部に格納された前記プランジャ駆動最低電圧以上または前記スタータモータ始動最低電圧以上であるか否かを判断する第２の判断部をさらに備え、当該第２の判断部での判断結果をも利用して前記バッテリが正常であるか否かを判断するバッテリ状態検知装置。
4. 自動車に搭載されたバッテリの状態を管理するバッテリ状態管理方法であって、
   ａ）自動車に搭載されたバッテリの出力電圧を電圧センサで検出する工程と、
   ｂ）前記電圧センサの検出結果に基づいて、前記バッテリが正常であるか否かを判断する工程と
   を備え、
   前記ｂ）の工程が、
   ｂ−１）前記電圧センサで検出された前記出力電圧のトレンド線の傾きが記憶部に予め格納された所定の基準値以上であるか否かを判断することで、前記エンジンのクランキング回転数がエンジン始動まで維持されているか否かを判断する工程と、
   ｂ−２）前記電圧センサで検出された前記出力電圧の振動を検出することで、前記クランキング回転数を検出し、当該クランキング回転数が前記記憶部に予め格納されたエンジンの所定の着火可能回転数以上であるか否かを判断する工程と、
   ｂ−３）前記バッテリの放電開始時に突入電流が流れる時点において前記電圧センサで検出された下限電圧値が、所定の記憶部に予め格納された所定のプランジャ駆動最低電圧以上またはスタータモータ始動最低電圧以上であるか否かを判断する工程と
   を備え、
   前記ｂ）の工程では、前記ｂ−１），ｂ−２），ｂ−３）の工程での判断結果を利用して、前記バッテリが正常であるか否かが判断されるバッテリ状態管理方法。

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