JP6429631B2 - 二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法 - Google Patents

二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法に関するものである。
特許文献1には、鉛蓄電池のSOC(State of Charge)を検出する技術が開示されている。この技術では、SOCが既知の鉛蓄電池について事前に端子電圧と放電電流との関係式を求め、SOCが異なる場合における状態から関係式の係数を求める。そして、求めた関係式に端子電圧と放電電流とを適用することで任意の時点における鉛蓄電池のSOCを求めることができる。
特開2005−188965号公報
ところで、車両の組み立て工程では、二次電池状態検出装置による状態検出結果に基づいて、二次電池が正常であるか否かを判定し、正常でない場合には不良と判定して、二次電池を新たな二次電池に交換する場合がある。
二次電池に対して状態検出装置を取り付ける場合、二次電池の端子と状態検出装置との接触が良好でない状態が発生したり、二次電池から負荷に電力が供給される状態が発生したりし、その際に二次電池の状態が検出される場合があった。そのような場合には、正常な検出ができないため、二次電池が異常と誤って判定され、必要がないにも関わらず、二次電池の交換が実行されるという問題がある。
本発明は、二次電池を車両に搭載する際に、二次電池の状態を正確に検出することが可能な二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明は、車両に搭載される二次電池の状態を検出する二次電池状態検出装置において、前記二次電池に新たに接続された場合の初期動作モードである第1動作モードと、第1動作モード後の通常動作モードである第2動作モードとを有し、前記二次電池に新たに接続された場合には、前記動作モードを前記第1動作モードに遷移させ、前記二次電池の端子電圧を複数回測定、複数回の測定結果に基づいて、前記二次電池の初期の状態を検出する初期状態検出手段と、前記初期状態検出手段によって前記二次電池の状態が検出された後の所定のタイミングにおいて、前記動作モードを前記第2動作モードに遷移させ、前記二次電池の端子電圧および充放電電流に基づいて、前記二次電池の通常時の状態を検出する通常状態検出手段と、を有し、前記通常状態検出手段は、前記二次電池が前記車両のイグニッションスイッチが接続後に初めてオンの状態にされた場合に、前記第2動作モードに遷移する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、二次電池を車両に搭載する際に、二次電池の状態を正確に検出することができる。
また、本発明の一側面は、前記初期状態検出手段は、前記二次電池の初期の状態が正常でないと判定した場合には上位の装置を介してその旨を示す情報を提示することを特徴とする。
このような構成によれば、二次電池が正常でないことを作業者に伝えることができる。
また、本発明の一側面は、前記初期状態検出手段は、前記二次電池の状態を複数回検出し、その平均値に基づいて前記二次電池の状態を検出することを特徴とする。
このような構成によれば、複数回の平均値に基づいて二次電池の状態を正確に検出することができる。
また、本発明の一側面は、前記初期状態検出手段は、前記二次電池の状態を複数回検出し、その最大値に基づいて前記二次電池の状態を検出することを特徴とする。
このような構成によれば、複数回の最大値に基づいて二次電池の状態を正確に検出することができる。
また、本発明は、車両に搭載される二次電池の状態を検出する二次電池状態検出方法において、前記二次電池に新たに接続された場合の初期動作モードである第1動作モードと、第1動作モード後の通常動作モードである第2動作モードとを有し、前記二次電池に新たに接続された場合には、前記動作モードを前記第1動作モードに遷移させ、前記二次電池の端子電圧を複数回測定、複数回の測定結果に基づいて、前記二次電池の初期の状態を検出する初期状態検出ステップと、前記初期状態検出ステップにおいて前記二次電池の状態が検出された後の所定のタイミングにおいて、前記動作モードを前記第2動作モードに遷移させ、前記二次電池の端子電圧および充放電電流に基づいて、前記二次電池の通常時の状態を検出する通常状態検出ステップと、を有し、前記通常状態検出ステップは、前記二次電池が前記車両のイグニッションスイッチが接続後に初めてオンの状態にされた場合に、前記第2動作モードに遷移する、ことを特徴とする。
このような方法によれば、二次電池を車両に搭載する際に、二次電池の状態を正確に検出することができる。
本発明によれば、二次電池を車両に搭載する際に、二次電池の状態を正確に検出することが可能な二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法を提供することが可能となる。
本発明の実施形態に係る二次電池状態検出装置の構成例を示す図である。 図1の制御部の詳細な構成例を示すブロック図である。 車両組み立て時における電圧および電流の変化を示す図である。 本発明の実施形態の動作モードの遷移例を示す図である。 本実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。 車両走行後の二次電池の電圧の変化を示す図である。 車両組み立て時の二次電池の電圧の変化を示す図である。
次に、本発明の実施形態について説明する。
(A)実施形態の構成の説明
図1は、本発明の実施形態に係る二次電池状態検出装置を有する車両の電源系統を示す図である。この図において、二次電池状態検出装置1は、制御部10、電圧センサ11、電流センサ12、温度センサ13、および、放電回路15を主要な構成要素としており、二次電池14の状態を検出する。ここで、制御部10は、電圧センサ11、電流センサ12、および、温度センサ13からの出力を参照し、二次電池14の状態を検出する。電圧センサ11は、二次電池14の端子電圧を検出し、制御部10に通知する。電流センサ12は、二次電池14に流れる電流を検出し、制御部10に通知する。温度センサ13は、二次電池14自体または周囲の環境温度を検出し、制御部10に通知する。放電回路15は、例えば、直列接続された半導体スイッチと抵抗素子等によって構成され、制御部10によって半導体スイッチがオン/オフ制御されることにより二次電池14を間欠的に放電させる。
二次電池14は、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、または、リチウムイオン電池等によって構成され、オルタネータ16によって充電され、スタータモータ18を駆動してエンジンを始動するとともに、負荷19に電力を供給する。オルタネータ16は、エンジン17によって駆動され、交流電力を発生して整流回路によって直流電力に変換し、二次電池14を充電する。
エンジン17は、例えば、ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジン等のレシプロエンジンまたはロータリーエンジン等によって構成され、スタータモータ18によって始動され、トランスミッションを介して駆動輪を駆動し車両に推進力を与えるとともに、オルタネータ16を駆動して電力を発生させる。スタータモータ18は、例えば、直流電動機によって構成され、二次電池14から供給される電力によって回転力を発生し、エンジン17を始動する。負荷19は、例えば、電動ステアリングモータ、デフォッガ、イグニッションコイル、カーオーディオ、および、カーナビゲーション等によって構成され、二次電池14からの電力によって動作する。なお、エンジン17の代わりに電動モータを使用するようにしてもよい。
図2は、図1に示す制御部10の詳細な構成例を示す図である。この図に示すように、制御部10は、CPU(Central Processing Unit)10a、ROM(Read Only Memory)10b、RAM(Random Access Memory)10c、通信部10d、I/F(Interface)10eを有している。ここで、CPU10aは、ROM10bに格納されているプログラム10baに基づいて各部を制御する。ROM10bは、半導体メモリ等によって構成され、プログラム10ba等を格納している。RAM10cは、半導体メモリ等によって構成され、プログラムbaを実行する際に生成されるデータや、後述するテーブルまたは数式等のパラメータ10caを格納する。通信部10dは、上位の装置であるECU(Electronic Control Unit)等との間で通信を行い、検出した情報を上位装置に通知する。I/F10eは、電圧センサ11、電流センサ12、および、温度センサ13から供給される信号をデジタル信号に変換して取り込むとともに、放電回路15に駆動電流を供給してこれを制御する。
(B)実施形態の動作原理の説明
つぎに、図を参照して、実施形態の動作原理について説明する。図3は車両の組み立て工程において、二次電池14に二次電池状態検出装置1が取り付けられた場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。なお、車両の組み立て工程では、まず、負荷19が取り付けられるとともに、二次電池状態検出装置1が取り付けられる。そして、二次電池14が搭載された後に、二次電池状態検出装置1と負荷19が二次電池14に接続される。図3に示すように、タイミングt0において二次電池14に二次電池状態検出装置1の接続が開始されたとすると、図3(B)に示すように、二次電池状態検出装置1に二次電池14から電源電力が供給され、二次電池状態検出装置1は初期化動作中となるとともに、二次電池14の状態検出に関して初期動作モードM1に遷移する。なお、初期化動作とは、例えば、ROM10bに格納されているプログラム10baを読み出してRAM10cに展開して動作可能な状態にするための動作をいう。また、初期動作モードM1とは、図4に示すように、二次電池状態検出装置1が二次電池14に新たに接続された場合に遷移する動作モードであり、後述するように二次電池14の端子電圧からSOCを推定してRAM10に格納するとともに、例えば、その最大値を初期SOCとして提示する動作モードである。
初期化動作中において、電圧センサ11によって電圧が測定されるが、二次電池状態検出装置1の取り付け中は、例えば、二次電池14の端子に二次電池状態検出装置1の接続部をねじ込むにようにして取り付けることから、電気的な接続状態が変化するため、接触抵抗の変化によって、図3(E)に示すように測定電圧が安定しない。このとき、CPU10aは、電圧センサ11によって検出される電圧からSOCを求める。すなわち、二次電池14の電圧と、SOCとの間には相関関係が存在するので、これらの相関関係に基づいて、電圧センサ11によって検出された電圧からSOCを求め、RAM10cに格納する。図3(F)において、各黒丸は、SOCが推定されるタイミングを示している。前述のように、電圧センサ11によって検出される電圧は乱高下することから、電圧センサ11によって検出された電圧に基づいて検出されたSOCは、図3(F)に示すように乱高下して一定とならない。
初期動作が完了すると、タイミングt1において、二次電池14から負荷19への電源電力の供給が開始され、負荷の初期動作中の状態になる。この状態では、二次電池状態検出装置1は二次電池14に対して電気的に確実に接続された状態になるので、接触抵抗の変化によって電圧センサ11の検出値が変動することはない。しかし、負荷初期動作中には、負荷19に電流が通じることから、二次電池14の内部インピーダンスによる電圧降下に起因して、図3(E)に示すように、電圧センサ11によって検出される電圧が若干変動する。このため、図3(F)に示すように、電圧センサ11によって検出された電圧から推定されるSOCの値も若干変動する。CPU10aは、その時点までに推定されたSOCの最大値を特定し、これを初期SOCとする。
タイミングt2において、負荷19の動作が完了すると、安定動作状態になる。この状態では、二次電池14から負荷への電力の供給が減少することから、二次電池14の電圧は徐々に通常の状態に復元する。このとき、推定されるSOCの値も、図3(F)に示すように、電圧の上昇に伴って上昇し、真値に近い状態となる。CPU10aは、その時点までに推定されたSOCの最大値を特定し、これを初期SOCとする。
タイミングt3において、車両のIG(Ignition)スイッチが操作され、スタータモータ18が回転されると、CPU10aは、IGスイッチの操作を検出し、初期動作モードM1におけるSOCとしての初期SOCを求める。すなわち、CPU10aは、タイミングt1〜t3において推定されたSOCの最大値を初期SOCとする。つぎに、CPU10aは、初期SOCと所定の閾値(例えば、80%)を比較し、初期SOCが所定の閾値未満である場合(初期SOC<80%)である場合には、二次電池14が正常でないと判定し、例えば、通信部10dを介して、上位の装置(不図示)にその旨を通知する。上位の装置では、通信部10dからの通知を受けて、二次電池14が正常でないことを示すメッセージを提示部に提示する。この結果、組み立て作業を行う作業員は、提示されたメッセージを参照することで、二次電池14が正常でないことを知ることができる。なお、二次電池状態検出装置1が判定するのではなく、二次電池状態検出装置1は、初期SOCを上位の装置に伝え、上位の装置が判定して判定結果を提示部に提示するようにしてもよい。
初期動作モードM1における初期SOCが求まると、CPU10aは、図4に示すように、初期動作モードM1から、通常動作モードM2に遷移する。通常動作モードM2では、CPU10aは、例えば、初期動作モードM1で求めた初期SOCを初期値とし、この初期SOCに対して、電流センサ12の出力に基づいて算出した充電/放電電流積算値を加算することで、二次電池14のSOCを求めることができる。なお、二次電池14は温度によって特性が変化することから、温度センサ13の出力を参照して、温度による補正処理を実行するようにしてもよい。
なお、通常動作モードM2で動作中において、二次電池状態検出装置1が二次電池14から取り外された場合(例えば、電池交換のために外された場合)には、通常動作モードM2を終了するとともに、再度、二次電池14に取り付けられた場合には初期動作モードM1からスタートする。
以上に説明したように、本発明の実施形態によれば、二次電池状態検出装置1が二次電池14に接続された当初を初期動作モードM1とし、初期動作モードM1の終了後(上述の例ではIGスイッチ操作後)を通常動作モードM2とし、それぞれの動作モードにおけるSOCの推定方法を変えることにより、それぞれの動作モードにおいてSOCを正確に求めることができる。この結果、初期動作モードM1では、二次電池14の電圧に基づいてSOCを複数回推定し、推定された複数回のSOCの中から最大値を求め、これを初期動作モードにおけるSOCとして組み立て作業者に提示することで、二次電池14が正常か否かを正確に判定することができる。また、最大値を求めて提示することで、例えば、タイミングt0〜t1のような不安定な状態において推定されたSOCを除外するとともに、タイミングt1〜t2のように負荷19に電流が供給されて電圧が降下しているときに推定されたSOCを除外することができる。これにより、より真値に近いSOCに基づいて判定することができるので、正常な二次電池14を異常と判定して二次電池14自体を無駄にしてしまったり、交換による無駄な手間が生じたりすることを防止できる。
つぎに、図5を参照して、図2に示す制御部10において実行される処理の流れを説明する。図5に示すフローチャートが開始されると、以下のステップが実行される。
ステップS10では、CPU10aは、例えば、電圧センサ11の出力を参照し、二次電池状態検出装置1が二次電池14に接続されたか否かを判定し、接続されたと判定した場合(ステップS10:Yes)にはステップS11に進み、それ以外の場合(ステップS10:No)には同様の処理を繰り返す。
ステップS11では、CPU10aは、初期動作モードM1に遷移する。なお、その時点における動作モードを認識できるように、例えば、RAM10cに動作モードフラグを設け、動作モードに応じてこのフラグの状態を変化させるようにしてもよい。
ステップS12では、CPU10aは、電圧センサ11の出力を参照し、二次電池14の電圧を検出する。
ステップS13では、CPU10aは、ステップS12で検出した二次電池14の電圧に基づいて、SOCを推定する。なお、推定の方法としては、例えば、二次電池14の電圧とSOCの関係を示すテーブルまたは関係式をRAM10cに格納しておき、テーブルまたは関係式に基づいてSOCを求めることができる。なお、電圧だけでなく、電流センサ12の出力を参照してSOCを求めるようにしてもよい。もちろん、温度センサ13の出力を参照して、温度による補正処理を実行するようにしてもよい。
ステップS14では、CPU10aは、ステップS13で推定したそれまでのSOCの中から最大値SOCmを特定する。なお、最大値を特定する方法としては、例えば、ステップS13で新たに推定したSOCが、その時点においてSOCmとして格納されている値よりも大きい場合にはSOCをSOCmとして格納し、それ以外の場合にはそのままとすることで実現できる。
ステップS15では、CPU10aは、ステップS14で特定したSOCmをRAM10cに格納する。なお、SOCの推定および格納処理は、例えば、所定の時間間隔(例えば、1分毎)に行うことができる。もちろん、1分以外に設定してもよい。
ステップS16では、CPU10aは、IGスイッチがオンの状態にされたか否かを判定し、オンの状態にされたと判定した場合(ステップS16:Yes)にはステップS17に進み、それ以外の場合(ステップS16:No)にはステップS12に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返す。例えば、組み立て作業者によって、IGスイッチがオンの状態にされた場合にはステップS17に進む。
ステップS17では、CPU10aは、ステップS15においてRAM10cに格納されているSOCmを読み出す。
ステップS18では、CPU10aは、ステップS17で読み出した最大値SOCmが所定の閾値Th未満であるか否かを判定し、所定の閾値Th未満であると判定した場合(ステップS18:Yes)にはステップS19に進み、それ以外の場合(ステップS18:No)にはステップS20に進む。なお、閾値Thとしては、例えば、80%を用いることができる。もちろん、これ以外の値を用いてもよい。
ステップS19では、CPU10aは、例えば、通信部10dを介して、上位の装置に対して警告を通知する。これにより、例えば、上位の装置にSOCが閾値よりも低い旨を示す表示がなされるので、組み立て作業者は、二次電池14が正常でないことを知ることができる。そして、ステップS20に進む。
ステップS20では、CPU10aは、通常動作モードM2に移行する。なお、通常動作モードM2では、例えば、所定のタイミング(例えば、停車時)に、放電回路15によってパルス状の放電が実行され、そのときの端子電圧および放電電流から二次電池14の状態が検出される。
ステップS21では、CPU10aは、二次電池状態検出装置1が二次電池14から脱離されたか否かを判定し、脱離されたと判定した場合(ステップS21:Yes)には処理を終了し、それ以外の場合(ステップS21:No)にはステップS20に戻って同様の処理を実行する。
以上の処理によれば、二次電池14に取り付けられた場合には初期動作モードM1に遷移し、二次電池14の端子電圧に基づいてSOCが推定され、SOCの最大値であるSOCmが特定されて初期SOCとされるとともに、RAM10cに格納される。そして、IGスイッチが操作された場合には、RAM10cに格納されたSOCmを読み出し、SOCmが所定の閾値Th未満である場合には警告を発して作業者に注意を促した後に通常動作モードM2に遷移する。また、SOCmが所定の閾値以上である場合には通常動作モードM2に遷移することができる。なお、以上のフローチャートでは、ステップS13において新たにSOCを推定し、ステップS14において、新たに推定したSOCの方がSOCmの値よりも大きい場合にはSOCをSOCmに代入することでSOCの最大値SOCmを求めるようにしたが、ステップS13で推定した複数のSOCをメモリにそのまま記憶しておき、メモリに記憶された複数のSOCの中から、最大値を有するものをSOCmとして特定するようにしてもよい。図5に示すフローチャートのように、SOCmをその都度求めるようにすることで、SOCを記憶するメモリの容量を減らすことができるので、装置の製造コストを抑制することができる。
(D)変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、初期動作モードにおいては、複数回推定されたSOCの最大値に基づいて判定するようにしたが、例えば、SOCの平均値に基づいて判定するようにしてもよい。なお、平均値を求める際に、経過時間に応じた重み付けをして平均値を求めるようにしてもよい。具体的には、タイミングt0からの経過時間に応じて大きい重みをつけるようにしてもよい。
また、二次電池14を搭載した車両が走行した後は、図6に示すように、二次電池14に分極が生じ、この分極が収まるまでには数十時間近い時間を要する。そこで、従来は、図6に示す所定の期間において電圧を測定し、電圧の変化から真値を推定し、この推定値に基づいてSOCを求めていた。一方、車両の組み立て時においては、二次電池14に対する大きな充電電流および放電電流は通じないことから、図7に示すように、負荷初期動作において負荷19に流れる電流が収まると、二次電池14の電圧は真値に短時間(例えば、数分)で収束する。このため、負荷19に対する電流が収まった後、所定の時間(数分間)電圧を測定し、電圧の変化が所定の閾値未満になった場合の電圧を用いてSOCを推定するようにしてもよい。なお、電圧の変化が所定の閾値未満になってSOCが推定されるまで、作業者によるIGスイッチの操作を禁止するようにしてもよい。
また、以上の実施形態では、負荷初期動作中の電圧もSOCの推定に用いるようにしたが、例えば、電流センサ12の検出値を参照し、放電電流が流れている場合にはSOCの推定を保留するようにしてもよい。これにより、負荷初期動作中はSOCの推定を保留することができる。
また、以上の実施形態では、SOCが所定の閾値未満の場合には警告を発するようにしたが、測定されたSOCを提示して、組み立て作業者に判断を任せるようにしてもよい。
また、以上の実施形態では、SOCが所定の閾値未満の場合には直ちに警告を発するようにしたが、異常と判定された場合には、SOCの測定動作を1または複数回再実行し、再実行によっても異常と判定された場合には異常を通知するようにしてもよい。そのような構成によれば、誤判定を極力減らすことができる。
また、初期動作モードにおいて測定された初期SOCをRAM10cに格納しておき、他の装置から要求がなされた場合には、この初期SOCを読み出して提示するとともに、初期SOCの検査に合格していることを通知するようにしてもよい。そのような構成によれば、初期検査が実行済みであること、また、そのときのSOCを知ることができるので、例えば、納車後に不具合が生じた場合であっても、原因の特定が容易になる。
1 二次電池状態検出装置
10 制御部
10a CPU(初期状態検出手段、通常状態検出手段)
10b ROM
10c RAM
10d 表示部
10e I/F
11 電圧センサ
12 電流センサ
13 温度センサ
14 二次電池
15 放電回路
16 オルタネータ
17 エンジン
18 スタータモータ
19 負荷

Claims (5)

  1. 車両に搭載される二次電池の状態を検出する二次電池状態検出装置において、
    前記二次電池に新たに接続された場合の初期動作モードである第1動作モードと、第1動作モード後の通常動作モードである第2動作モードとを有し、
    前記二次電池に新たに接続された場合には、前記動作モードを前記第1動作モードに遷移させ、前記二次電池の端子電圧を複数回測定、複数回の測定結果に基づいて、前記二次電池の初期の状態を検出する初期状態検出手段と、
    前記初期状態検出手段によって前記二次電池の状態が検出された後の所定のタイミングにおいて、前記動作モードを前記第2動作モードに遷移させ、前記二次電池の端子電圧および充放電電流に基づいて、前記二次電池の通常時の状態を検出する通常状態検出手段と、を有し、
    前記通常状態検出手段は、前記二次電池が前記車両のイグニッションスイッチが接続後に初めてオンの状態にされた場合に、前記第2動作モードに遷移する、
    ことを特徴とする二次電池状態検出装置。
  2. 前記初期状態検出手段は、前記二次電池の初期の状態が正常でないと判定した場合には上位の装置を介してその旨を示す情報を提示することを特徴とする請求項1に記載の二次電池状態検出装置。
  3. 前記初期状態検出手段は、前記二次電池の状態を複数回検出し、その平均値に基づいて前記二次電池の状態を検出することを特徴とする請求項1または2に記載の二次電池状態検出装置。
  4. 前記初期状態検出手段は、前記二次電池の状態を複数回検出し、その最大値に基づいて前記二次電池の状態を検出することを特徴とする請求項1または2に記載の二次電池状態検出装置。
  5. 車両に搭載される二次電池の状態を検出する二次電池状態検出方法において、
    前記二次電池に新たに接続された場合の初期動作モードである第1動作モードと、第1動作モード後の通常動作モードである第2動作モードとを有し、
    前記二次電池に新たに接続された場合には、前記動作モードを前記第1動作モードに遷移させ、前記二次電池の端子電圧を複数回測定し、複数回の測定結果に基づいて、前記二次電池の初期の状態を検出する初期状態検出ステップと、
    前記初期状態検出ステップにおいて前記二次電池の状態が検出された後の所定のタイミングにおいて、前記動作モードを前記第2動作モードに遷移させ、前記二次電池の端子電圧および充放電電流に基づいて、前記二次電池の通常時の状態を検出する通常状態検出ステップと、を有し、
    前記通常状態検出ステップは、前記二次電池が前記車両のイグニッションスイッチが接続後に初めてオンの状態にされた場合に、前記第2動作モードに遷移する、
    ことを特徴とする二次電池状態検出方法。
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