JP5309492B2 - バッテリの状態検出装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンを主たる動力に用いる車両のスタータ用バッテリの状態検出装置に関するものである。

近年モータリゼーションが進む中、外部からの救助を要する車両故障の原因としてエンジン始動不具合の占める割合が増加、最大原因となっている（日本自動車工業会２００３年調査結果）。現在市中を走行する多くの車両はエンジンを動力源とし、エンジン始動時にバッテリより電力の供給を受けスタータ用モータを稼動する構成を採っている。こうした構成の場合、バッテリの不具合、充電系機器の不具合、車両の始動系機器の不具合でエンジン始動不能に至る。バッテリの不具合の場合は救済車によるジャンピングスタートなどでエンジン始動後、修理工場に移動しバッテリ補充電や交換を行う。充電系の故障の場合、バッテリの補充電や交換を行う。その後、再び始動不能となって、改めて車両の点検を行いバッテリに原因が無く、充電系機器に問題がある事が判明、更に修理する。

始動系の場合、原因は継電器かセルモータのブラシの接触の問題がほとんどである。この場合は時々始動しにくい事が発生するが繰り返し始動操作を行うと始動出来ることが多い。接触不良箇所が接触したり離れたりする為である。最終的にはこの症状がもっとひどくなりまったく始動出来なくなる。ジャンピングスタートも出来なくて修理工場までレッカー移動し始動系の機器の修理を行う。

この様にエンジンの始動不能は時間と費用と手間を要するので望ましく無い。始動不能になる前に予め劣化原因を発見してバッテリや充電系機器、始動系機器の部品を予防保全することが望まれる。従来、自動車自体にバッテリ警告灯は具備されている。この警告灯は車両の充電系統機器の異常を示す機能として有効であった。

又、バッテリの劣化を検出する為にバッテリ状態検出装置が実用化されているが、バッテリの始動電圧に注目してその低下量からバッテリの劣化を検出したり（例えば、特許文献１参照）、走行中のバッテリ電圧から充電系の異常を検出するものであった。これらはバッテリ劣化や充電系の異常に対し予防保全を行うのに有用で有るが、セルモータなど始動系機器の異常を検出する機能は備わっていなかった。

その為、バッテリの状態検出装置の機能として、バッテリの故障の検出に加えて、オルターネータなど充電系機器の故障、さらにスタータ用モータやマグネットリレーなど始動系機器を検出する機能が望まれていた。
特開２００３−２６４００９号公報

このように従来の構成ではセルモータの不具合が発生した場合、エンジンが完全に始動しなくなるまで劣化に関する情報を得ることが出来なかった。始動不能になった状況においても、未だ十分な始動性能が有るにもかかわらずバッテリを新品に交換して、ようやく始動系の異常が判明する場合もあった。その為、不必要なバッテリ交換を行うことも発生し、更にレッカー車で修理工場に移動するなどの処置が発生していた。

前記した課題を解決するために本発明の請求項１に係る発明はバッテリに状態検出装置より導出する接続端子が、対応するバッテリの正負極端子と直接、または取付金具を介してバッテリの正負極端子の近傍で接続されており、電気的に接続された電池の状態検出装置で始動電圧と始動時間の関係を監視し、始動電圧が高いにもかかわらず始動時間が長くなる現象が現れた場合、始動系の異常を警報する。通常のバッテリの劣化や充電不足による始動性低下の場合、始動時間が延びるとともに電池電圧の始動時の低下量が大きくなる。始動系の不具合の場合、接点の抵抗が大きくなるため始動時間は長くなるがバッテリ電圧の低下量は増加しない。この差異でバッテリ側、充電系の不具合と始動系の不具合とを判別することができる。

これによりバッテリの劣化と始動系の劣化とを分離して検出することが可能となり不必要なバッテリの交換を行わずに済むとともに、完全に始動不能になる前に始動系の異常を検知し予防修理する事も出来る。これは、始動系の異常は主に電気接点の劣化による場合が多く完全に始動不能になる前に徐々に接点の抵抗値が変動し始動時間が長くなる現象によるものである。

さらに本発明の請求項１に関わる発明は、始動中のバッテリ電圧を検出する方法をエンジン始動中の最低電圧としたものである。最低電圧は電池の特性を示す特性値として広く知られている。この電圧を始動時間と比較する事でより高い精度で始動系の異常を検出できる。

又、本発明の請求項２に関わる発明は、請求項１のバッテリの状態検出装置においてさらに高い精度で検出可能な方法である。始動開始後１００ｍｓｅｃの間はセルモータに起動電流が流れるが、その値は電池の開路電圧と回路抵抗で決まる。それに比べ１００ｍｓｅｃ以降に現れる最低電圧は最初の圧縮行程をセルモータが行っている部分で、この部分で十分な電力をセルモータに供給することが高い始動性を発揮する事に繋がっている。

従って、この電圧の方が始動時間へ与える影響が大きい。即ちこの部分のバッテリ電圧が高いのに始動時間が長い場合は何らかの理由、例えば始動系機器の不具合等で十分な電流が流れなかった結果であると考えられその検出力は、請求項２に示した始動中の最低電圧より優れたものとなる。

なお本発明の請求項１に関わる発明は、エンジンの始動時間を高い精度で検出する方法でありセルモータの起動電流による電圧の低下を検出して始動開始とし、オルタネータの発電によるバッテリ電圧上昇を検出して終了と判定する。多くの車両はエンジン始動後オルタネータの発電を制限しないのでこの判定方法はほとんどの車両で有効に動作する。

さらに本発明の請求項１に関する発明は、バッテリ電圧が低下していないにもかかわらずエンジン始動時間が長くなった事を統計的に検出する方法である。エンジン始動中のバッテリ電圧及び始動時間はバッテリの品種や車両の車種によって変化するので始動時のデータを１０〜数百記憶してその変化を統計的に処理しなければ正しい判定は出来ない。

又、本発明の請求項３に関する発明は、ユーザの利便性に関する物であり、エンジンの始動性に影響を及ぼすバッテリの状態、充放電の状態、始動系機器の劣化状況に関して１つの表示面で確認できるようにする事で点検時間を短縮し瞬時に不具合点を把握出来るようにするものである。

前記した本発明のバッテリの状態検出装置によれば始動系の機器に不具合がある場合もエンジン始動不能に至る前に事前に接点等の接触不良を検出し表示する事により車両停止によるレッカー移動を防ぐと伴に不要なバッテリ交換を防止できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるバッテリの状態検出装置のハード構成を示す図である。図１において１はバッテリ負極と接続する端子、２は正極と接続する端子である。３は接続リード線であり４はその絶縁被服を示す。５はバッテリから電力の供給を受けマイコンやＬＥＤに電力を供給する為の安定化電源である。

６はマイコン部であり安定化電源より電源の供給を受けバッテリ正負極端子に接続された電池電圧検出線を通してバッテリの電圧を検出する。内部にはＡ／Ｄコンバータ、クロック、フラッシュメモリを持つ。Ａ／Ｄコンバータは端子１、２間の電圧を１ｍｓｅｃに１度検出する。検出した電池電圧と内部クロックによりエンジン始動時間、始動中の最低電圧を求める。始動の開始検出はバッテリ電圧が１Ｖ以上低下した時点とし始動完了は１Ｖ低下する前の電圧をバッテリ電圧が越えた時点とした。これらの数値は１００組フラッシュメモリに、先入れ先だしで更新される。マイコン部はこれら１００組のデータを始動のたびに統計処理し回帰線から個々の始動時間がどれだけずれたかを算出する。

本実施の形態では２０組中２組＋１σを超えた場合始動系異常と判定しＬＥＤ１０を点灯するように設定した。更にバッテリ使用開始時の始動中の最低電圧の値を記憶しておき、この値に対し始動最低電圧が５％、１０％、２０％低下した場合バッテリ劣化と判定し表示ＬＥＤ７の点灯個数を４個から１つづつ減らした。２０以上では赤色ＬＥＤ１つのみ点灯する。走行中の電池電圧が平均１２Ｖ以下の時、充電不足と判定しＬＥＤ８を点灯、１５Ｖ以上の場合は過充電を判定しＬＥＤ９を点灯するようにした。こうした判定はフラッシュメモリに記憶した。

図２に本発明の実施の形態１におけるバッテリの状態検出装置を車両に搭載されているバッテリに接続した状態を示す。

状態検出装置１５の接続端子１、２はバッテリの端子１９及び２０に取付金具を介して接続される。状態検出装置ハウジングは両面テープによりバッテリ２１の上面に固定される。

図３に本発明の実施の形態１におけるエンジン始動時のバッテリ電圧とその検出内容を示す。状態検出装置は、常に２ｍｓｅｃの周期でバッテリ電圧を測定する。電圧変動が１Ｖ以内の場合は停車状態、１Ｖ以上の低下を検出して始動開始、停車中の電圧を超えて始動完了、電圧変動が±２０ｍＶ以上の状態は走行と判定しそれ以下の電圧変動となったとき停車と判定する。以下これを繰り返す。実施の形態１のバッテリの状態検出装置は、エンジン始動を検出したらタイマーを起動する。更にバッテリの最低電圧検出を開始しバッテリの電圧が停車中のレベルを超えるまでタイマーのカウントアップと最低電圧の測定を続ける。こうして始動が完了した時点でエンジン始動時間とバッテリ最低電圧２２を測定完了する。合わせてタイマーによりエンジン始動時間がカウントされる。

図４のａ、ｂはこうして測定した最低バッテリ電圧と始動時間の関係を示した。ａはスタータモータのリレーに問題ない車両で、ｂは問題ある車両で測定した結果である。ａに比べｂでは電圧低下が無いにもかかわらず始動時間が長い場合がある。ｃは、劣化の進んだバッテリをスタータモータのリレーが正常な車両に搭載している。ｄは劣化の進んだバッテリをスタータモータのリレーに異常のある車両に搭載している。バッテリが劣化すると、最低バッテリ電圧が低下して始動時間も延びることが判る。バッテリの状態に関わらずスタータモータのリレーに異常がある場合は始動時間の長いものが見られる。

図４の結果の回帰分析を行い回帰式から始動時間がずれた量を図６に偏差で示す。図４と同様に、ａはスタータモータのリレーに異常のない車両で、ｂは異常のある車両で測定した結果である。ｃは、劣化の進んだバッテリをスタータモータのリレーに異常のない車両に搭載している。ｄは、劣化の進んだバッテリをスタータモータのリレーに異常がある車両に搭載している。統計的処理を行うと、バッテリ劣化の影響は見られなくなりスタータモータのリレーに問題のあるｂ及びｄに異常値が現れる。

本実施の形態１では偏差＋１以上が２つ以上発生した場合、始動系機器を異常と判定するので、判定に間違いない事が確認できる。こうした統計処理は電池の状態のみでなく車両の設計要件による影響も無くす事が出来る。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態１とまったく同一で、始動時のバッテリ最低電圧を検出する方式を始動開始後１００ｍｓｅｃ経過した時点以降の最低電圧を検出する方式に変更した物を実施の形態２とした。基本構成も実施の形態１と同じ図１に示す構成である。バッテリへの搭載も、実施の形態１と同じ図２の１５に示した通りである。実施の形態１と異なる点はバッテリ電圧の測定時期である。

図２で示した２３が本実施例でバッテリ電圧として測定している、始動開始後１００ｍｓｅｃ経過した時点以降の最低バッテリ電圧である。図５のａ、ｂ、ｃ、ｄは実施の形態２で測定した最低バッテリ電圧と始動時間の関係である。ａはスタータモータのリレーに異常のない車両で、ｂは異常のある車両で測定した結果である。ｃは、劣化の進んだバッテリをスタータモータのリレーが正常な車両に搭載している。ｄは、劣化の進んだバッテリをスタータモータのリレーに異常がある車両に搭載している。実施の形態１と同様に始動１００ｍｓｅｃ以降最低バッテリ電圧が高いにもかかわらず始動時間が長いものが現れている。

図５の結果の回帰分析を行い回帰式から始動時間がずれた量を図７に偏差で示す。統計的処理を行うとバッテリ劣化の影響は見られなくなりスタータモータのリレーに問題のあるｂ及びｄに異常値が現れる。本実施の形態２では１と同様に偏差＋１以上が２つ以上発生した場合、始動系機器の異常と判定するので判定に間違いない事が確認できる。実施の形態１同様、こうした統計処理は電池の状態のみでなく車両の設計要件による影響も無くす事が出来る。なお、実施の形態２は、実施の形態１に比べ検出力が高い。始動系の異常が発生している時点の始動時間の偏差の値が大きくなる結果が確認できた。

本発明のバッテリの状態検出装置を用いた実施の形態１、２と従来例Ａのバッテリの状態検出装置を作成し、実車に搭載してスタータモータのリレーの劣化、バッテリの劣化の検出状況を確認した。

本発明のバッテリの状態検出装置（実施の形態１、２）の基本構成を図１、実車に搭載されたバッテリに装着された状態を図２の１５に示す。図２には１５が１つしか記載していないが近い条件で比較を行う為に実施の形態１と実施の形態２を定期的に交換した。又改めて後述するが比較例として従来例Ａ１６を装着した。

使用した実車は、走行距離が１２万ｋｍ経過し、スタータモータのリレーが劣化した車両である。これを始動系機器の劣化した車両として使用した。又、実験は始動不能になるまで行いその後リレーを修理して始動系機器の劣化していない条件の評価を実施した。又搭載したバッテリは劣化していない物として市販のＤ２６Ｌを、又劣化した物として５年間使用した同型のバッテリを準備した。

図３に劣化していないバッテリの始動時の電圧特性を示す。最初の約１秒間の電圧変動
の少ない部分は停車している期間を表す。その後急激に電圧が低下している部分はＩＧキーが回されて始動モータのリレーがＯＮし、スタータモータに起動電流が流れた瞬間である。この電圧変化で始動開始を検出する。さらにセルモータが回転してピストンの圧縮が繰り返されるに伴って電圧はうねりながら上昇する。エンジンが始動してオルタネータが発電を開始すると電圧が上昇しバッテリは充電される。この点で始動完了を判定する。この間の時間が始動時間になる。実施の形態１ではバッテリ電圧の始動中の最低値２２ 実施の形態２では始動後１００ｍｓｅｃ経過から最低電圧２３を求める。

こうして求めたバッテリ電圧と始動時間の関係を図４及び図５に示す。図にはａリレー、バッテリ伴に良好、ｂリレー劣化、バッテリ良好、ｃバッテリ劣化、リレー良好、ｄバッテリ劣化、リレー劣化を示した。更に回帰分析を行い回帰線から始動時間が個々にずれた偏差を図６、８に示す。リレーが劣化した状態の車両では判定レベルを超えているので図１の１０のＬＥＤが点灯した。

次に従来例Ａについて説明する。図８に従来例Ａの構成のバッテリの状態検出装置の構成を示す。本発明の実施の形態１、２と異なる点は始動系異常を表示する図１のＬＥＤ１０が無い事である。図２に実車に搭載された状態を示す。実車は実施の形態１、２と同じ、バッテリも同じ物に図２の１６に示すように並べて設置した。

次に評価を行った結果と検討結果のまとめを以下に示す。
１）始動系劣化状態で新品バッテリ搭載状態にて１ヶ月間走行。実施の形態 １、２でＬＥＤ１０点灯確認。始動系異常警報点灯確認。あわせてバッテリ良好確認。従来例Ａでバッテリ良好確認。
２）バッテリを劣化品に交換 約５０００ｋｍ走行後始動不能となる。実施の形態１、２でバッテリ劣化警報 点灯、始動系異常点灯を確認但しバッテリ劣化レベルは始動電圧低下１０％レベル表示。従来例Ａではバッテリ劣化レベル１０％表示確認。
３）スタータモータのリレー交換で始動可能に回復。その後約１００００ｋｍ走行後、実施の形態１、２、従来例Ａでバッテリ劣化レベルが１０％から２０％に変化するのを確認。その後始動不能。
４）バッテリ交換後始動を確認。実施の形態１、２、従来例Ａで良好表示確認。

従来例Ａでは１）の状況で始動系劣化がまったく判らないので予備保全を行う事は困難である。又２）の状況ではバッテリの劣化表示により誤ってバッテリ交換を行う可能性がある。本発明に拠れば１）の状況で始動系機器の異常警報に基づき事前の点検修理が実施できる。

以上のように本発明に拠れば始動系の機器の不具合を事前に発見して始動不能に至る前に事前保全が可能になると共に万一始動不能に至った時もその原因を速やかに特定でき不要なバッテリ交換を防止できる。

本発明のバッテリの状態検出装置の実施の形態１、２の構成図 本発明のバッテリの状態検出装置の実施の形態１、２及び従来例Ｂのバッテリの状態検出装置を実車及びバッテリに搭載した形態を示す図 新品バッテリのエンジン始動時の電圧特性を示す図 実施の形態１での最低バッテリ電圧とエンジン始動時間の関係を示す図 実施の形態２での始動後１００ｍｓｅｃ以降最低バッテリ電圧とエンジン始動時間の関係を示す図 実施の形態１での最低バッテリ電圧とエンジン始動時間の関係を回帰分析して始動時間の回帰式からの偏差を求めた図 実施の形態２での始動後１００ｍｓｅｃ以降最低バッテリ電圧とエンジン始動時間の関係を回帰分析して始動時間の回帰式からの偏差を求めた図 従来例Ａのバッテリの状態検出装置の構成図

符号の説明

１ 負極接続端子
２ 正極接続端子
３ リード線
４ フレキシブルテープ
５ 安定化電源
６ マイコン部
７ バッテリ状態表示用ＬＥＤ
８ 充電不足警報用ＬＥＤ
９ 過充電警報用ＬＥＤ
１０ 始動系機器異常警報用ＬＥＤ
１１ 電池電圧検出線
１２ マイコン用電源線
１３ 電源供給線
１４ ＬＥＤ電流制限抵抗
１５ バッテリの状態検出装置本体
１６ 従来例Ａのバッテリの状態検出装置本体
１７ 車両側電流線（−）
１８ 車両側電流線（＋）
１９ バッテリ端子（−）
２０ バッテリ端子（＋）
２１ バッテリ本体
２２ 実施の形態１のバッテリ最低電圧
２３ 実施の形態２の始動後１００ｍｓｅｃ以降最低バッテリ電圧

Claims (3)

1. 状態検出装置より導出する接続端子が、対応するバッテリの正負極端子と直接、または取付金具を介してバッテリの正負極端子の近傍で接続されており、エンジンを主たる動力源とする車両のエンジンスタータ用バッテリの状態検出機能と、バッテリの電圧を経時的に計測する手段と、前記エンジンの始動に要する時間を計測する手段と、始動中のバッテリ電圧と前記エンジンの始動時間との関係から、前記エンジンを主たる動力源とする車両の始動系装置の劣化検出を行う機能を有するバッテリの状態検出装置であって、
   前記始動中のバッテリ電圧は、始動中の最低のバッテリ電圧であり、
   前記エンジンの始動時間の判定方法として、始動開始前のバッテリ電圧に対し約１Ｖ以上電圧が低下した瞬間を始動開始と判断し、始動開始前の電圧に対し、高い電圧値を検出した時を始動終了と判定し、
   前記エンジンの始動時間と始動中のバッテリ電圧との関係からの判定が、判定を行う時点から遡り過去１０回以上の最近の始動に関するデータに関して、それらのデータを用い前記エンジンの始動時間を従属変数、バッテリ電圧を説明変数として回帰分析を行い、その回帰式に始動中のバッテリ電圧を当て嵌め求めた算出始動時間に対し、前記エンジンの始動時間の残差を求め、更にこの残差の偏差を算出し、その偏差が予め定めた値以上である確率が、予め定めた率を超えて出現したことを検出する方法である
   事を特徴とするバッテリの状態検出装置。
2. 前記始動中のバッテリ電圧は、始動開始後１００ｍｓｅｃ経過以降に発生する最低のバッテリ電圧である事を特徴とする請求項１記載のバッテリの状態検出装置。
3. 前記バッテリの状態検出機能で検出した状態、バッテリの過充電、充電不足を表示する表示部を有するとともに、それらと同一な表示面に始動系機器の異常表示部を有する請求項１記載のバッテリの状態検出装置。

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