JP5316139B2 - バッテリ電圧値の予測方法及び車両用電源制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載された負荷へバッテリから略一定の電流が供給される場合に、検出したバッテリの電圧値及び出力電流値に基づき、バッテリの時系列的な電圧値を予測するバッテリ電圧値の予測方法、及びその方法を実行する車両用電源制御装置に関するものである。

車両用電源では、オルタネータ（車載発電機）が、エンジンに連動して発電する。その発電電圧は、オルタネータに付設されたレギュレータが、オルタネータの界磁電流を調節することにより定電圧制御され、また昇降圧制御される。
オルタネータが発電した電力は、オルタネータ内で整流された後、バッテリに充電されると共に、車両に搭載された負荷に供給される。
近時、車両の走行状態に応じて、オルタネータの発電電圧を昇降させて、バッテリへの充電量を制御する充電制御が行われるようになっている。また、推定したバッテリの残容量等に応じて、車載負荷への電力供給を制御する負荷制御も行われている。

特許文献１には、バッテリの電圧−電流特性について、エンジンのクランキング時及び走行時に測定を行い、バッテリの内部抵抗の変化を逐次計測する車両用バッテリ状態推定装置が開示されている。測定して得られた電流−電圧特性の傾きから、放電時の内部抵抗と開放電圧とを推定して負荷制御を行う。

特開２００７−５５５３２号公報

車両用電源では、エンジンが駆動している間、車両に搭載された負荷に供給される電力は、オルタネータから賄われるので、バッテリから電力が供給されることはあまりない。しかし、充電制御が行われ、発電電圧を低下させているときに、電動パワーステアリング装置等の大負荷が作動すると、オルタネータから賄い切れなくて、バッテリからも電力が供給されることがある。
そのような場合、大電流がバッテリから放出されるが、そのまま放置しても、エンジンの駆動に関して不具合が発生する虞がないか、バッテリの電圧値を予測する必要がある。しかし、バッテリが放電する場合、濃度分極に起因して電圧が指数関数的に変化する過渡領域が存在する為、バッテリの電圧値を小さな誤差で予測するのは難しいという問題があった。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１〜４発明では、バッテリが放電している場合に、バッテリの電圧値を小さな誤差で予測することができるバッテリ電圧値の予測方法を提供することを目的とする。
第５，６発明では、バッテリが放電している場合に、バッテリの電圧値を小さな誤差で予測することができる車両用電源制御装置を提供することを目的とする。

第１発明に係るバッテリ電圧値の予測方法は、バッテリの電圧値及び出力電流値を検出し、車両に搭載された負荷へバッテリから略一定の電流が供給される場合に、検出した前記電圧値及び出力電流値に基づき、前記バッテリの時系列的な電圧値を予測するバッテリ電圧値の予測方法において、前記バッテリから前記電流の供給が開始されたときに、該電流の値を検出し、検出した電流の値に基づき、前記バッテリの濃度分極により電圧値が最低になるまでの所要時間を算出し、算出した所要時間が経過するまでの前記バッテリの濃度分極に伴う電圧値の変化を、前記検出した電流の値に基づく指数関数に近似させ、前記所要時間が経過した後の前記バッテリの電圧値の変化を、前記検出した電流の値及び前記バッテリの定格容量に基づく一次関数に近似させ、前記バッテリの時系列的な電圧値を、前記指数関数及び一次関数を算出して予測することを特徴とする。

このバッテリ電圧値の予測方法では、車両に搭載された負荷へバッテリから略一定の電流が供給される場合に、検出したバッテリの電圧値及び出力電流値に基づき、バッテリの時系列的な電圧値を予測する。バッテリから略一定の電流の供給が開始されたときに、その電流の値を検出し、検出した電流の値に基づき、バッテリの濃度分極により電圧値が最低になるまでの所要時間を算出する。算出した所要時間が経過するまでのバッテリの濃度分極に伴う電圧値の変化を、検出した電流の値に基づく指数関数に近似させ、所要時間が経過した後のバッテリの電圧値の変化を、検出した電流の値及びバッテリの定格容量に基づく一次関数に近似させ、バッテリの時系列的な電圧値を、指数関数及び一次関数を算出して予測する。

第２発明に係るバッテリ電圧値の予測方法は、前記所要時間が開始されるときの前記指数関数が算出する初期電圧値は、前記所要時間が開始される前に検出した前記バッテリの電圧値から、Ａ×（バッテリの内部抵抗値）×（前記電流の値）により算出した電圧降下分を減算した電圧値であることを特徴とする（Ａ＝１．４〜２．０）。

このバッテリ電圧値の予測方法では、所要時間が開始されるときの指数関数が算出する初期電圧値は、所要時間が開始される前に検出したバッテリの電圧値から、Ａ×（バッテリの内部抵抗値）×（検出した電流の値）により算出した電圧降下分を減算した電圧値である。

第３発明に係るバッテリ電圧値の予測方法は、前記所要時間が経過したときの前記バッテリの電圧値は、前記初期電圧値から内部抵抗値×（前記電流の値）^B ／Ｄを減算して算出することを特徴とする（Ｂ＝０．５〜０．７，Ｄ＝５０〜７０）。

第４発明に係るバッテリ電圧値の予測方法は、前記所要時間は、Ｅ／（前記電流の値）により算出することを特徴とする（Ｅ＝３００〜７００）。

第５発明に係る車両用電源制御装置は、バッテリの電圧値及び出力電流値を検出し、検出した電圧値及び出力電流値に基づき、前記バッテリから車両に搭載された複数の負荷への電力供給を制御する車両用電源制御装置において、第１発明乃至第４発明のバッテリ電圧値の予測方法の何れか１つを実行して、前記バッテリの電圧値を予測するように構成してあることを特徴とする。

この車両用電源制御装置では、バッテリの電圧値及び出力電流値を検出し、検出した電圧値及び出力電流値に基づき、バッテリから車両に搭載された複数の負荷への電力供給を制御する。第１発明乃至第４発明のバッテリ電圧値の予測方法の何れか１つを実行して、バッテリの電圧値を予測する。

第６発明に係る車両用電源制御装置は、前記バッテリ電圧値の予測方法の実行開始から所定時間後の予測したバッテリ電圧値が、所定電圧値以下であるか否か判定する手段を備え、該手段が所定電圧値以下であると判定したときに、任意の負荷への電力供給を抑制するように構成してあることを特徴とする。

この車両用電源制御装置では、バッテリ電圧値の予測方法の実行開始から所定時間後の予測したバッテリ電圧値が、所定電圧値以下であるか否か判定し、所定電圧値以下であると判定したときに、任意の負荷への電力供給を抑制する。

本発明に係るバッテリ電圧値の予測方法によれば、バッテリが放電している場合に、バッテリの電圧値を小さな誤差で予測することができるバッテリ電圧値の予測方法を実現することができる。また、バッテリ電圧値が下限ライン以下に低下する以前に、負荷制御が必要であるか否かを判定できるので、大電流負荷の作動による急激な電圧降下に対しても、正確な負荷制御（負荷削減）を可能とすることができる。

本発明に係る車両用電源制御装置によれば、バッテリが放電している場合に、バッテリの電圧値を小さな誤差で予測することができる車両用電源制御装置を実現することができる。また、バッテリ電圧値が下限ライン以下に低下する以前に、負荷制御が必要であるか否かを判定できるので、大電流負荷の作動による急激な電圧降下に対しても、正確な負荷制御（負荷削減）を可能とすることができる。

本発明に係るバッテリ電圧値の予測方法及び車両用電源制御装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す車両用電源制御装置の動作の例を示すフローチャートである。 図１に示す車両用電源制御装置の動作の例を示す説明図である。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係るバッテリ電圧値の予測方法及び車両用電源制御装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。
この車両用電源制御装置は、図示しないエンジンに連動して、オルタネータ（交流発電機）１が発電し、その発電電圧は、オルタネータ１に付設されたレギュレータ２が、オルタネータ１の界磁電流を調節することにより定電圧制御され、また昇降圧制御される。

オルタネータ１が発電した電力は、オルタネータ１内で整流され、ヒューズＦ０を通じて、バッテリ４（開放型液式鉛電池）に充電される。電流検出器３が、バッテリ４の入出力電流値を検出して、充電制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１２に与える。充電制御ＥＣＵ１２内の電圧検出手段５が、バッテリ４の電圧値を検出する。

充電制御ＥＣＵ１２は、車速検出器１８が検出した車両の速度値を与えられる。充電制御ＥＣＵ１２は、与えられた速度値に基づき、アイドリング、加速走行、定常走行及び減速走行の各車両状態を判定し、判定した車両状態に応じた発電モードで発電するように、レギュレータ２及びオルタネータ１を制御する充電制御を行う。
発電モードは、加速走行のようにエンジンの負荷が大きいときは、発電電圧を降下させ、減速走行のようにエンジンの負荷が小さいときは、発電電圧を上昇させるように定められており、これによりエンジンの負荷を軽減し、車両の燃費向上を図っている。

バッテリ４の出力電圧は、例えば、ヒューズＦ１及びＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１５を通じてデフォッガ（負荷）８に、ヒューズＦ２及びＦＥＴ１６を通じてヘッドランプ（負荷）９に、ヒューズＦ３、ＦＥＴ１７及びワイパースイッチＳＷ４を通じてワイパーモータ（負荷）１０にそれぞれ印加される。バッテリ４の出力電圧は、その他の負荷へもそれぞれのヒューズを通じて印加される。

動作速度切換えの為にワイパースイッチＳＷ４により切換えられるワイパーモータ１０の各コイルには、各環流ダイオードＤ１，Ｄ２が逆並列に接続されている。
デフォッガスイッチＳＷ１、ランプスイッチＳＷ２及びワイパースイッチＳＷ４の各オン／オフ信号は、制御部１３に与えられる。

制御部１３は、マイクロコンピュータを備えており、デフォッガスイッチＳＷ１のオン信号を与えられている期間、ＦＥＴ１５をオンにし、ランプスイッチＳＷ２のオン信号を与えられている期間、ＦＥＴ１６をオンにし、ワイパースイッチＳＷ４のオン信号を与えられている期間、ＦＥＴ１７をオンにする。また、制御部１３内の電圧検出手段１４が、バッテリ４の電圧値を検出し、電流検出器３が検出したバッテリ４の入出力電流値が与えられる。

以下に、このような構成の車両用電源制御装置の動作例を、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。
制御部１３は、エンジン始動の際は、例えば、クラッキング時に電流検出器３が検出した電流値と、電圧検出手段１４が検出したバッテリ４の電圧値に基づく降下電圧値とにより、バッテリ４の内部抵抗値ｒを算出しておく。
制御部１３は、エンジンが始動した後は、電圧検出手段１４でバッテリ４の電圧値Ｖｂを検出し（Ｓ１）、検出した電圧値Ｖｂを例えば１秒間記憶しておく（Ｓ３）。

制御部１３は、次に、電流検出器３でバッテリ４の入出力電流値Ｉを検出し（Ｓ５）、検出した電流値Ｉが、大負荷が作動していることを示す所定の出力電流値Ｉｓ以上であるか否かを判定する（Ｓ７）。所定の出力電流値Ｉｓ以上でなければ、電圧検出手段１４でバッテリ４の電圧値Ｖｂを検出する（Ｓ１）。
制御部１３は、検出した電流値Ｉが所定の出力電流値Ｉｓ以上であれば（Ｓ７）、バッテリ４の濃度分極により電圧値Ｖｂが最低になるまでの図３に示す所要時間ｔｐを、次式により算出する（Ｓ９）。
ｔｐ＝Ｅ／Ｉ （Ｅ＝３００〜７００）
ここで、Ｅは、実験により求めた定数（秒／アンペア）であり、バッテリの種類及びサイズに依存する。

制御部１３は、次に、エンジン始動時に算出したバッテリ４の内部抵抗値ｒと、１秒前に記憶した電圧値Ｖｂ（Ｓ３）と、検出した電流値Ｉ（Ｓ５）とを使用して、所要時間ｔｐが開始されるとき（ｔ＝０）の図３に示すバッテリ４の初期電圧値Ｖｏを、次式により算出する（Ｓ１１）。
Ｖｏ＝Ｖｂ−Ａ×ｒ×Ｉ （Ａ＝１．４〜２．０）
ここで、Ａは、実験により求めた定数（無次元）であり、鉛バッテリであれば一定である。Ａ×ｒ×Ｉは、内部抵抗ｒによる電圧降下分である。

制御部１３は、次に、算出したバッテリ４の初期電圧値Ｖｏ（Ｓ１１）と、バッテリ４の内部抵抗値ｒと、検出した電流値Ｉ（Ｓ５）とを使用して、所要時間ｔｐが経過したとき（ｔ＝ｔｐ）の図３に示すバッテリ４の電圧値Ｖｐを、次式により算出する（Ｓ１３）。
Ｖｐ＝Ｖｏ−ｒ×Ｉ^B ／Ｄ （Ｂ＝０．５〜０．７，Ｄ＝５０〜７０）
ここで、Ｂ，Ｄは、実験により求めた定数（無次元）であり、鉛バッテリであれば一定である。

制御部１３は、次に、図３に示すｔ＝０〜ｔｐの、濃度分極により指数関数的に変化する過渡領域におけるバッテリ４の電圧値Ｖ（ｔ）を、次式により算出する（Ｓ１５）。
Ｖ（ｔ）＝Ｖｐ＋（Ｖｏ−Ｖｐ）ｅｘｐ（−Ｉ×ｔ／Ｆ） （Ｆ＝９０〜１１０）
ここで、Ｆは、実験により求めた定数（アンペア・秒）であり、バッテリの種類及びサイズに依存する。

制御部１３は、次に、図３に示すｔ＝ｔｐ〜の、一次関数的に変化する領域におけるバッテリ４の電圧値Ｖ（ｔ）を、次式により算出する（Ｓ１７）。
Ｖ（ｔ）＝Ｖｐ−（Ｉ×β／Ｃ）×（ｔ−ｔｐ） （Ｃ＝５０〜６０、β＝０．８８（新品）、β＝０．９８（劣化品））
ここで、Ｃは、バッテリ４の定格容量（アンペア・秒）であり、βは鉛バッテリの新品／劣化品により異なる定数（ボルト）である。

制御部１３は、次に、電流Ｉの供給が開始されてから所定時間後（ｔ＝ｔｄ）の、バッテリ４の電圧値Ｖ（ｔｄ）を算出する（Ｓ１９）。次いで、算出した電圧値Ｖ（ｔｄ）が、所定電圧値Ｖｄ以下であるか否かを判定し（Ｓ２１）、所定電圧値Ｖｄ以下であれば、負荷制御を行なう（Ｓ２３）。尚、所定電圧値Ｖｄは、エンジンの駆動に関して不具合が発生するバッテリ電圧値に基づき定める。負荷制御は、例えば、重要でない負荷から、電力供給の停止、又は供給電圧のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御による削減等を行う。

制御部１３は、負荷制御を行なった（Ｓ２３）後、電流検出器３でバッテリ４の入出力電流値Ｉを検出し（Ｓ２５）、検出した電流値Ｉが０以下であるか否かを判定する（Ｓ２７）。検出した電流値Ｉが０以下でなければ、負荷制御を行なう（Ｓ２３）。
制御部１３は、電圧値Ｖ（ｔｄ）が所定電圧値Ｖｄ以下でなければ（Ｓ２１）、電流検出器３でバッテリ４の入出力電流値Ｉを検出する（Ｓ２５）。
制御部１３は、検出した電流値Ｉが０以下であれば（Ｓ２７）、負荷制御を停止した（Ｓ２９）後、電圧検出手段１４でバッテリ４の電圧値Ｖｂを検出する（Ｓ１）。

尚、本実施の形態では、電流の供給が開始されてから所定時間後の、バッテリの電圧値を予測し、予測した電圧値が、所定電圧値以下であるときに、負荷制御を行なっているが、予測した電圧値が、所定電圧値以下になるまでの所要時間を算出し、算出した所要時間に基づき、負荷制御の実行を決めても良い。

１ オルタネータ（交流発電機）
２ レギュレータ
３ 電流検出器
４ バッテリ
５ 電圧検出手段
８ デフォッガ（負荷）
９ ヘッドランプ（負荷）
１０ ワイパーモータ（負荷）
１２充電制御ＥＣＵ
１３ 制御部
１４ 電圧検出手段
１５，１６，１７ ＦＥＴ
１８ 車速検出器

Claims (6)

1. バッテリの電圧値及び出力電流値を検出し、車両に搭載された負荷へバッテリから略一定の電流が供給される場合に、検出した前記電圧値及び出力電流値に基づき、前記バッテリの時系列的な電圧値を予測するバッテリ電圧値の予測方法において、
   前記バッテリから前記電流の供給が開始されたときに、該電流の値を検出し、検出した電流の値に基づき、前記バッテリの濃度分極により電圧値が最低になるまでの所要時間を算出し、算出した所要時間が経過するまでの前記バッテリの濃度分極に伴う電圧値の変化を、前記検出した電流の値に基づく指数関数に近似させ、前記所要時間が経過した後の前記バッテリの電圧値の変化を、前記検出した電流の値及び前記バッテリの定格容量に基づく一次関数に近似させ、前記バッテリの時系列的な電圧値を、前記指数関数及び一次関数を算出して予測することを特徴とするバッテリ電圧値の予測方法。
2. 前記所要時間が開始されるときの前記指数関数が算出する初期電圧値は、前記所要時間が開始される前に検出した前記バッテリの電圧値から、Ａ×（バッテリの内部抵抗値）×（前記電流の値）により算出した電圧降下分を減算した電圧値である請求項１記載のバッテリ電圧値の予測方法（Ａは実数）。
3. 前記所要時間が経過したときの前記バッテリの電圧値は、前記初期電圧値から内部抵抗値×（前記電流の値）^B ／Ｄを減算して算出する請求項２記載のバッテリ電圧値の予測方法（Ｂ，Ｄは実数）。
4. 前記所要時間は、Ｅ／（前記電流の値）により算出する請求項１乃至３の何れか１項に記載のバッテリ電圧値の予測方法（Ｅは実数）。
5. バッテリの電圧値及び出力電流値を検出し、検出した電圧値及び出力電流値に基づき、前記バッテリから車両に搭載された複数の負荷への電力供給を制御する車両用電源制御装置において、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載されたバッテリ電圧値の予測方法を実行して、前記バッテリの電圧値を予測するように構成してあることを特徴とする車両用電源制御装置。
6. 前記バッテリ電圧値の予測方法の実行開始から所定時間後の予測したバッテリ電圧値が、所定電圧値以下であるか否か判定する手段を備え、該手段が所定電圧値以下であると判定したときに、任意の負荷への電力供給を抑制するように構成してある請求項５記載の車両用電源制御装置。

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