JP5094480B2 - バッテリ状態推定装置及びバッテリ状態推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン始動の際に取得した車載バッテリの電圧値及び電流値に基づき、バッテリの状態を推定するバッテリ状態推定装置、並びにバッテリ状態推定方法に関する。

従来、劣化度合（以下、ＳＯＨ：State Of Health という）、及び充電率（以下、ＳＯＣ：State Of Charge という）等のバッテリの状態の検出を、エンジン始動時等の放電時におけるバッテリの電圧降下特性に基づいて行う、特許文献１等の技術がある。ＳＯＨは、バッテリの満充電容量の基準満充電容量に対する割合で表され、ＳＯＣは、バッテリの充電残容量の満充電容量に対する割合で表される。前記電圧降下特性はバッテリの放電時の車両固有の負荷と密接に関係するため、この種の従来技術では、バッテリの状態評価のための各種のパラメータを車種ごとに個別に設定するようになっていた。
しかし、上述の従来技術では、バッテリの状態評価のための各種のパラメータを車種ごとに個別に設定するため、パラメータの設定のための人的及び装置的コストが増大するとともに、同一車種内の車両個体差によるばらつきには対応できないという問題があった。

そこで、特許文献２には、基準となる基準バッテリ（新品のバッテリ）の基準開放電圧値と、エンジン始動時放電を行なわせた際の下限電圧値（放電時電圧値）との関係を示す基準放電特性情報を記憶部に予め記憶しておき、車両に搭載されたバッテリのエンジン始動時放電が行われた際の開放電圧値及び下限電圧値を測定し、その下限電圧値に対応する基準バッテリの基準開放電圧値（対応開放電圧値）を基準放電特性情報に基づいて導出し、開放電圧値と導出した対応開放電圧値との差に基づいて、ＳＯＨを算出する技術が開示されている。
特開２００４−１９０６０４号公報 特開２００６−２８０１９４号公報

上述したように、特許文献２においては、測定した下限電圧値に基づきＳＯＨを算出していたが、バッテリに接続される負荷としてのスタータにおいては、スタータの停止位置、ブラシ抵抗、及び可動接点抵抗等にバラツキが生じ、これにより、バッテリが同一の状態であっても、下限電圧値が変化するという問題があった。

図４は、同一のバッテリにつき６回、下限電圧値を測定した場合の結果を示すグラフである。図４において、横軸は経過時間、縦軸は電圧値である。
図４より回ごとに、電圧値が大きく変化していることが分かる。
以上のように、下限電圧値の測定誤差が大きいため、特許文献２の方法においては、ＳＯＨ、及びＳＯＣの誤差が大きくなるという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、バッテリに接続される負荷の基準の抵抗値を用いて放電時電圧値を補正することにより、ＳＯＨ及びＳＯＣの算出値の誤差が低減され、良好にバッテリの状態を推定することができるバッテリ状態推定装置、及びバッテリ状態推定方法を提供することを目的とする。

第１発明に係るバッテリ状態推定装置は、エンジンに連動して発電する車載発電機によって充電されるバッテリの所定基準時の基準開放電圧値と、該バッテリに所定の負荷を接続して放電した場合の出力電圧値である基準放電時電圧値との関係を示す放電特性を記憶しておき、前記放電特性、前記バッテリのエンジン始動に際しての開放電圧値、及び放電時電圧値に基づき、満充電容量の前記バッテリの所定基準時の満充電容量に対する割合で表される劣化度合、及び充電率を算出して、前記バッテリの状態を推定するバッテリ状態推定装置において、前記バッテリの電圧値及び電流値を検出する手段と、検出した電圧値及び電流値に基づき、前記バッテリの内部抵抗値、及び前記負荷の抵抗値を算出する抵抗値算出手段と、所定基準時の前記負荷の抵抗値を基準抵抗値として記憶する手段と、前記開放電圧値、及び前記内部抵抗値を取得する手段と、前記バッテリの放電時電圧値を次の式（１）により算出する放電時電圧値算出手段と
Ｖ_LR＝Ｖ_OR×Ｒ_SI／（Ｒ_B ＋Ｒ_SI） ・・・（１）
但し、
Ｖ_LR：放電時電圧値
Ｖ_OR：開放電圧値
Ｒ_SI：負荷の基準抵抗値
Ｒ_B ：内部抵抗値
を備え、前記劣化度合、及び前記充電率は、算出した放電時電圧値を用いて算出するように構成されていることを特徴とする。

第２発明に係るバッテリ状態推定装置は、第１発明において、前記抵抗値算出手段は、検出した開放電圧値、及び放電時電圧値、並びに前記バッテリに前記負荷を接続して放電した場合の電流値に基づき、前記内部抵抗値及び負荷の抵抗値を算出する手段であり、前記放電時電圧値算出手段は、検出した放電時電圧値を前記式（１）により補正する手段であることを特徴とする。

第３発明に係るバッテリ状態推定装置は、第１又は第２発明において、前記基準抵抗値は、複数回の算出値の平均値であることを特徴とする。

第４発明に係るバッテリ状態推定方法は、エンジンに連動して発電する車載発電機によって充電されるバッテリの所定基準時の基準開放電圧値と、該バッテリに所定の負荷を接続して放電した場合の出力電圧値である基準放電時電圧値との関係を示す放電特性を記憶しておき、前記放電特性、前記バッテリのエンジン始動に際しての開放電圧値、及び放電時電圧値に基づき、満充電容量の前記バッテリの基準時の満充電容量に対する割合で表される劣化度合、及び充電率を算出して、前記バッテリの状態を推定するバッテリ状態推定方法において、前記バッテリの電圧値を検出するステップと、前記バッテリの電流値を検出するステップと、検出した電圧値及び電流値に基づき、前記バッテリの内部抵抗値、及び負荷の抵抗値を算出するステップと、所定基準時の前記負荷の抵抗値を基準抵抗値として記憶するステップと、前記開放電圧値、及び前記内部抵抗値を取得するステップと、前記バッテリの放電時電圧値を次の式（２）により求めるステップと
Ｖ_LR＝Ｖ_OR×Ｒ_SI／（Ｒ_B ＋Ｒ_SI） ・・・（２）
但し、
Ｖ_LR：放電時電圧値
Ｖ_OR：開放電圧値
Ｒ_SI：負荷の基準抵抗値
Ｒ_B ：内部抵抗値
を有し、前記劣化度合、及び前記充電率は、算出した前記放電時電圧値を用いて算出するように構成されていることを特徴とする。

本発明においては、バッテリに接続される負荷の基準の抵抗値を用いて、スタータの停止位置、ブラシ抵抗、及び可動接点抵抗等に起因する放電時電圧値のバラツキを補正するので、該放電時電圧値に基づき算出されるＳＯＨ及びＳＯＣの誤差が低減され、良好にバッテリの状態を推定することができる。
また、本発明においては、基準抵抗値として、複数回の算出値の平均値を用いることで、基準抵抗値の誤差が低減し、さらに放電時電圧値の誤差が低減する。

本発明によれば、バッテリに接続される負荷の基準抵抗値を予め求めておき、該基準抵抗値を用いて放電時電圧値を補正するので、放電時電圧値の誤差が低減され、ＳＯＨ及びＳＯＣの算出値の誤差が低減され、良好にバッテリの状態が推定される。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るバッテリ状態推定装置２を備える電源制御装置１の概略構成を示すブロック図である。
電源制御装置１は、バッテリ（車載バッテリ）５と、バッテリ５の状態を管理するバッテリ状態推定装置２と、バッテリ５の出力電圧値（端子電圧値）を検出してバッテリ状態推定装置２に与える電圧センサ６と、バッテリ５の電流値を検出してバッテリ状態推定装置２に与える電流センサ１２とを備えている。バッテリ状態推定装置２は、マイクロコンピュータを用いてなり、記憶部３１を有する処理部３と、出力部４とを備えている。出力部４は、例えば液晶表示装置によって構成されており、バッテリ状態推定装置２の処理部３が推定したＳＯＣ、及びＳＯＨを表示することで、ユーザに警告を行う。
電流センサ１２は、予め抵抗値の分かった抵抗体を配線に接続し、この抵抗体（シャント抵抗）の電圧降下に基づいて電流値を測定するシャント式のセンサ、磁電変換素子（ホール素子）を利用して被測定電流を非接触で測定するホール式のセンサ等、いずれの方式のセンサを用いてもよい。

イグニッションスイッチ（以下、ＩＧ−ＳＷという）７をオンにすることにより、バッテリ５と点火装置８とが導通され、エンジン９の始動動作が開始される。
エンジン９が回転している場合、オルタネータ（交流発電機）１０によってエンジン９の回転力が電力エネルギーに変換され、発生した電力が負荷１１に供給されるとともに、余剰の電力を用いてバッテリ５の充電が行われる。

以下に、上述の構成のバッテリ状態推定装置２の処理部３の動作を、それを示す図２のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、処理部３は、ＩＧ−ＳＷ７がオンされたか否かを判定する（Ｓ１）。処理部３は、ＩＧ−ＳＷ７がオンされていないと判定した場合、処理をステップＳ１へ戻す。
処理部３は、ＩＧ−ＳＷ７がオンされたと判定した場合、開放電圧値Ｖ_OR、及び負荷Ｌ_s （バッテリ５の内部抵抗以外の負荷であって、負荷１１、スタータ、その他の抵抗要素等を含む）がバッテリ５に接続された場合の放電時電圧値である下限電圧値Ｖ_LRを電圧センサ６を介して取得し、電流センサ１２より電流値Ｉを取得し、記憶部３１に記憶させる（Ｓ２）。本実施の形態においては、開放電圧値Ｖ_ORとして、ＩＧ−ＳＷ７のオン直前に取得された電圧値を用いるが、これに限定されるものではない。

次に、処理部３は、バッテリ５の内部抵抗値Ｒ_B を次の式（３）により算出する（Ｓ３）。
Ｒ_B ＝（Ｖ_OR−Ｖ_LR）／Ｉ ・・・（３）

次に、処理部３は、下限電圧値Ｖ_LRを補正する（Ｓ４）。
予め、処理部３の記憶部３１には前記負荷Ｌ_s の基準抵抗値Ｒ_SIが記憶されている。
基準抵抗値Ｒ_SIは、工場における車両組立完成時、出荷時、車両がエンドユーザに引き渡されたとき、又はエンドユーザに引き渡し後の一定期間内等のバッテリ５が新品、かつ満充電の状態にある場合に、負荷Ｌ_s を接続し、放電したときの放電時電圧値である基準下限電圧値Ｖ_LIF 、及び電流値Ｉを用いて次の式（４）により求められる。
Ｒ_SI＝Ｖ_LIF ／Ｉ ・・・（４）
基準抵抗値Ｒ_SIは、バッテリ５の新品時の複数回の算出値の平均値であるのが好ましい。また、基準抵抗値Ｒ_SIは、バッテリ５が新品、かつ満充電の状態にある場合の基準下限電圧値Ｖ_LIF を用いる場合に限定されず、バッテリ５が新品であり、略満充電の状態にある場合の下限電圧値Ｖ_LIを用いることにしてもよい。
処理部３は、記憶部３１から前記基準抵抗値Ｒ_SIを読み出し、該基準抵抗値Ｒ_SI、前記内部抵抗値Ｒ_B 、及び開放電圧値Ｖ_ORを前記式（１）に代入して、補正した下限電圧値Ｖ_LRを算出する。

次に、処理部３は、ＳＯＣ、及びＳＯＨを算出する（Ｓ５）。
処理部３の記憶部３１には、以下の基準放電特性が記憶されている。
記憶部３１には、工場における車両組立完成時、出荷時、車両がエンドユーザに引き渡されたとき、又はエンドユーザに引き渡し後の一定期間内等のバッテリ５が新品、かつ満充電の状態にある場合の開放電圧値である基準開放電圧値Ｖ_OIF 、基準内部抵抗値Ｒ_BIF 、及び前記基準下限電圧値Ｖ_LIF 、及びバッテリ５の充電残容量が略０である場合の開放電圧値である最低基準開放電圧値Ｖ_OIE の測定値が記憶されている。

そして、記憶部３１には、新品のバッテリの充電残容量が低下した場合の開放電圧値Ｖ_OIにおける内部抵抗値Ｒ_BIの前記基準内部抵抗値Ｒ_BIF に対する変化率（Ｒ_BI／Ｒ_BIF ）の測定値が記憶され、次の式（５）に示す前記開放電圧値Ｖ_OIの関数Ｆ（Ｖ_OI）として記憶されている。
Ｆ（Ｖ_OI）＝Ｒ_BI／Ｒ_BIF ・・・（５）
前記関数Ｆ（Ｖ_OI）と、前記基準開放電圧値Ｖ_OIF 及び前記基準下限電圧値Ｖ_LIF と、次の式（６）とを用いて、前記開放電圧値Ｖ_OIに対する下限電圧値Ｖ_LIの関係を示すグラフＧ1 が記憶されている。
Ｖ_LI＝Ｖ_LK・Ｖ_OI／｛（Ｖ_OI−Ｖ_LK）・Ｆ（Ｖ_OI）＋Ｖ_LK｝・・・（６）
但し、Ｖ_LK＝Ｖ_LIF ・Ｖ_OI／Ｖ_OIF
図３に、前記開放電圧値Ｖ_OIに対する下限電圧値Ｖ_LIの関係を表すグラフＧ1 を示す。

上述の式（６）は、以下のようにして導出される。
前記基準抵抗値Ｒ_SI、内部抵抗値Ｒ_BI、開放電圧値Ｖ_OI、下限電圧値Ｖ_LIの間には、次の式（７）が成立する。
Ｒ_SI／Ｒ_BI＝Ｖ_LI／（Ｖ_OI−Ｖ_LI） ・・・（７）
ここで、式（５）よりＲ_BI＝Ｆ（Ｖ_OI）・Ｒ_BIF であるので、次の式（８）が得られる。
Ｒ_SI／（Ｆ（Ｖ_OI）・Ｒ_BIF ）＝Ｖ_LI／（Ｖ_OI−Ｖ_LI） ・・・（８）
また、パラメータＲ_S 、前記基準開放電圧値がＶ_OIF である場合の内部抵抗値Ｒ_BIF 、Ｖ_OIF 、Ｖ_LIF の間には、次の式（８）が成立する。
Ｒ_SI／Ｒ_BIF ＝Ｖ_LIF ／（Ｖ_OIF −Ｖ_LIF ） ・・・（９）
式（９）の右辺を式（８）のパラメータＲ_SI／Ｒ_BIF に代入したものをパラメータＶ_LIについて解くことで、前記式（６）が得られる。

処理部３は、記憶部３１に記憶された前記開放電圧値Ｖ_OR、下限電圧値Ｖ_LR、及び前記グラフＧ1 を用いて、ＳＯＣ、及びＳＯＨを求める。なお、図３には、使用後のバッテリ５の放電特性を表すグラフＧ2 も示してある。
まず、ＳＯＨの算出処理について説明する。処理部３は、記憶部３１に記憶されている前記グラフＧ1 上における下限電圧値Ｖ_LIが下限電圧値Ｖ_LRと等しい値である場合の開放電圧値を対応開放電圧値Ｖ_OSとして導出する。又は、前記式（６）における変数Ｖ_LIに、上述のようにして補正した下限電圧値Ｖ_LRを代入した場合の変数Ｖ_OIの値を対応開放電圧値Ｖ_OSとして導出する。

次に、基準開放電圧値Ｖ_OIF と開放電圧値Ｖ_ORとの差である第１差分値Ｄ11の、基準開放電圧値Ｖ_OIF と対応開放電圧値Ｖ_OSとの差である第２差分値Ｄ12に対する割合を求めることにより、その時点におけるバッテリ５のＳＯＨが求められる。

次に、ＳＯＣの算出処理について説明する。この算出処理は、ＳＯＨの算出処理において取得された下限電圧値Ｖ_LR及び対応開放電圧値Ｖ_OSを用いて行われる。
その時点におけるバッテリ５の充電残容量が０である場合の開放電圧値である最低開放電圧値Ｖ_ORE が、次のようにして導出される。すなわち、予め取得された基準開放電圧値Ｖ_OIF と最低開放電圧値Ｖ_ORE との差である第３差分値Ｄ13の、基準開放電圧値Ｖ_OIF と最低基準開放電圧値Ｖ_OIE との差である第４差分値Ｄ14に対する比が、前記第２差分値Ｄ12に対する前記第１差分値Ｄ11の比と等しくなるようにして、最低開放電圧値Ｖ_ORE が導出される。

そして、開放電圧値Ｖ_ORと最低開放電圧値Ｖ_ORE との差である第５差分値Ｄ15の、基準開放電圧値Ｖ_OIF と最低開放電圧値Ｖ_ORE との差である第６差分値Ｄ16に対する割合を求めることにより、その時点におけるバッテリ５のＳＯＣが求められる。

本実施の形態においては、バッテリ５に接続される負荷Ｌ_S の基準抵抗値Ｒ_SIを予め記憶しておき、該基準抵抗値Ｒ_SIを用いて下限電圧値Ｖ_LRを補正し、補正した下限電圧値Ｖ_LRに基づきＳＯＨ及びＳＯＣを算出するので、下限電圧値Ｖ_LRの誤差が低減され、ＳＯＨ及びＳＯＣの算出値の誤差が低減され、良好にバッテリの状態が推定される。

以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。
［実施例１］
前記実施の形態に係るバッテリ状態推定装置２を用い、前記式（１）に従い、バッテリ５の下限電圧値Ｖ_LRの補正値を求めた。下記の表１に、７回、下限電圧値Ｖ_LRを算出した場合の算出値、標準偏差、最大値、最小値、及び最大値と最小値との差（ΔＶ）を示す。

［比較例１］
実施例１において、下限電圧値Ｖ_LRを補正する前に取得していた下限電圧値Ｖ_LRの実測値（検出値）を実施例１の補正値に対応させて、前記表１に示す。

表１より、下限電圧値Ｖ_LRを補正することにより、下限電圧値Ｖ_LRの前記ΔＶが補正前の７３ｍＶから４０ｍＶまで３３ｍＶ減じていることが分かる。

［実施例２］
前記実施の形態に係るバッテリ状態推定装置２の電流センサ１２としてホール式の電流センサ（精度：０．３３％）を用い、車両Ａ、及びＢにつき、前記式（１）に従い、バッテリ５の下限電圧値Ｖ_LRの補正値を求めた。下記の表２に、１０回、前記補正値を算出した場合の最大値と最小値との差を２で除した値を誤差として示す。

［実施例３］
前記実施の形態に係るバッテリ状態推定装置２の電流センサ１２としてシャント式の電流センサ（精度：０．１％）を用い、車両Ａ、及びＢにつき、前記式（１）に従い、バッテリ５の下限電圧値Ｖ_LRの補正値を求めた。前記表２に、１０回、前記補正値を算出した場合の前記誤差を示す。

［比較例２］
シャント式の電流センサとして、精度が１．０％である場合の誤差を算出した値を前記表２に示す。

表２より精度が良好である電流センサを用いることにより、下限電圧値Ｖ_LRの誤差が減じることが分かる。
車両Ａにつき、電圧センサ６により検出し、補正をしなかった場合の下限電圧値Ｖ_LRの前記誤差は５８ｍＶであり、これをＳＯＣに換算した場合の誤差は略６％である。車両Ａにつき、実施例２の場合、ＳＯＣに換算した場合の誤差が略３．５％になり、実施例３の場合、ＳＯＣに換算した場合の誤差が略１．１％になり、誤差が改善されていることが分かる。

なお、前記実施の形態においては、検出した開放電圧値Ｖ_OR、下限電圧値Ｖ_LR、及び電流値Ｉに基づき、内部抵抗値をＲ_B 求める場合につき説明しているが、これに限定されるものではない。

本発明の実施の形態に係るバッテリ状態推定装置を備える電源制御装置の概略構成を示すブロック図である。 バッテリ状態推定装置の処理部の動作を示すフローチャートである。 開放電圧値に対する下限電圧値の関係を示すグラフである。 同一のバッテリにつき６回、下限電圧値を測定した場合の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 電源制御装置
２ バッテリ状態推定装置
３ 処理部
３１ 記憶部
４ 出力部
５ バッテリ
６ 電圧センサ
７ イグニッションスイッチ
８ 点火装置
９ エンジン
１０ オルタネータ
１１ 負荷
１２ 電流センサ

Claims (4)

1. エンジンに連動して発電する車載発電機によって充電されるバッテリの所定基準時の基準開放電圧値と、該バッテリに所定の負荷を接続して放電した場合の出力電圧値である基準放電時電圧値との関係を示す放電特性を記憶しておき、
   前記放電特性、前記バッテリのエンジン始動に際しての開放電圧値、及び放電時電圧値に基づき、満充電容量の前記バッテリの所定基準時の満充電容量に対する割合で表される劣化度合、及び充電率を算出して、前記バッテリの状態を推定するバッテリ状態推定装置において、
   前記バッテリの電圧値及び電流値を検出する手段と、
   検出した電圧値及び電流値に基づき、前記バッテリの内部抵抗値、及び前記負荷の抵抗値を算出する抵抗値算出手段と、
   所定基準時の前記負荷の抵抗値を基準抵抗値として記憶する手段と、
   前記開放電圧値、及び前記内部抵抗値を取得する手段と、
   前記バッテリの放電時電圧値を次の式（１）により算出する放電時電圧値算出手段と
   Ｖ_LR＝Ｖ_OR×Ｒ_SI／（Ｒ_B ＋Ｒ_SI） ・・・（１）
   但し、
   Ｖ_LR：放電時電圧値
   Ｖ_OR：開放電圧値
   Ｒ_SI：負荷の基準抵抗値
   Ｒ_B ：内部抵抗値
   を備え、
   前記劣化度合、及び前記充電率は、算出した放電時電圧値を用いて算出するように構成されていることを特徴とするバッテリ状態推定装置。
2. 前記抵抗値算出手段は、検出した開放電圧値、及び放電時電圧値、並びに前記バッテリに前記負荷を接続して放電した場合の電流値に基づき、前記内部抵抗値及び負荷の抵抗値を算出する手段であり、
   前記放電時電圧値算出手段は、検出した放電時電圧値を前記式（１）により補正する手段である請求項１に記載のバッテリ状態推定装置。
3. 前記基準抵抗値は、複数回の算出値の平均値である請求項１又は２に記載のバッテリ状態推定装置。
4. エンジンに連動して発電する車載発電機によって充電されるバッテリの所定基準時の基準開放電圧値と、該バッテリに所定の負荷を接続して放電した場合の出力電圧値である基準放電時電圧値との関係を示す放電特性を記憶しておき、
   前記放電特性、前記バッテリのエンジン始動に際しての開放電圧値、及び放電時電圧値に基づき、満充電容量の前記バッテリの基準時の満充電容量に対する割合で表される劣化度合、及び充電率を算出して、前記バッテリの状態を推定するバッテリ状態推定方法において、
   前記バッテリの電圧値を検出するステップと、
   前記バッテリの電流値を検出するステップと、
   検出した電圧値及び電流値に基づき、前記バッテリの内部抵抗値、及び負荷の抵抗値を算出するステップと、
   所定基準時の前記負荷の抵抗値を基準抵抗値として記憶するステップと、
   前記開放電圧値、及び前記内部抵抗値を取得するステップと、
   前記バッテリの放電時電圧値を次の式（２）により求めるステップと
   Ｖ_LR＝Ｖ_OR×Ｒ_SI／（Ｒ_B ＋Ｒ_SI） ・・・（２）
   但し、
   Ｖ_LR：放電時電圧値
   Ｖ_OR：開放電圧値
   Ｒ_SI：負荷の基準抵抗値
   Ｒ_B ：内部抵抗値
   を有し、
   前記劣化度合、及び前記充電率は、算出した前記放電時電圧値を用いて算出するように構成されていることを特徴とするバッテリ状態推定方法。

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