JPH08505950A - 電池例えば車両のスタータ電池の充電状態をチェックする方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 充電電流と放電電流を評価することにより充電をバランスさせる形式の、電池たとえば車両スタータ電池の充電状態をチェックする方法が提供される。この充電バランスは測定された電池開路電圧を用いて検査されて補正される。別の変数たとえば電池温度に依存して次のような時間間隔が求められる、即ち所定の条件の下でどのくらい長く電池がまだ許容可能な放電電流を供給できるかを示す時間間隔が求められる。この時間間隔は適切な補正関数を用いて最適化される。この最適化された時間間隔は電池の現在の充電状態を示す尺度として用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】 電池例えば車両のスタータ電池 の充電状態をチェックする方法 従来技術 電気系の給電のために、および特にスタータの給電のために用いられる、自動 車における電池は、エンジンにより駆動される三相交流発電機−その出力電圧は 適切な方法で調整される−を用いて充電される。電池は多数の負荷に給電する必 要があるため、不利な作動条件の下で、例えば低い温度および不利な走行状態の 場合に、信頼性のある（確実な）電圧供給がもはや保証されなくなるまで、電池 は放電される。この場合、エンジンのスタートは問題となる、何故ならばスター タが多量のエネルギを必要とするからである。 そのため電池のまだ使用できるエネルギ量を求めることが知られている。この 目的で複数個の相異なる方法が実施されている。これらの方法のうちの１つは、 電池の酸濃度の電気化学的な状態変化量技術的測定およびこれから導出される開 路電圧にある。しかしこの方法は信頼できない、何故ならば動作中の電池におい ては拡散平衡時間と温度変化を考慮しなければならないからである。 もう１つの方法−これは定常状態においてしか使用 できない−は、充電状態の尺度として使用できる電池の内部抵抗を測定すること にある。この内部抵抗は負荷パルスの印加中に電池の端子電圧の監視により求め ることができる。 別の方法は、次のように行なわれる。即ち電池たとえば自動車のスタータ電池 の充電状態を、連続的に電池電流を測定し、測定結果を時間積分して電池から取 り出される充電を測定することにより、行なわれる。この方法はドイツ連邦特許 出願公開公報第３５２０９８５号に示されている。ここに記載されている方法に よれば、車両エンジンの遮断後に付加的に電池電圧を測定し、フル充電された電 池における電圧に対比しての低下と、非付勢状態の場合に算出された、取り出さ れた電荷から仮想の電池容量を算出することにある。次にこの仮想の電池容量か ら充電状態を求める。 しかしこれらの方法はまだ十分には信頼できない。何故ならば全部の電池系は 次のような不利な特性を有しているからである。即ち容量変化が、したがって所 定の最終電圧と称される残存可用容量が多数の変数に著しく依存するからである 。これらの変数とは例えば取り出された、即ち供給される電流の量、温度ならび に電池の老化度（経年数）及び既述の電池充電状態である。 発明の効果 請求項１の特徴部分に示された構成を有する本発明 の方法は、電池の現在の充電状態に関する著しく確実な情報提供を可能とする利 点を有する。 この利点は次のようにして得られる。即ち、取り出された電流と供給された電 流との正確なバランス形成を可能にし、電流の強さ，温度ならびに電池経年を考 慮する補正を実施することにより、得られる。特に有利に、補正は計算装置にお いて適切な関数を用いて実施される。この場合、電池充電状態に関する正確な情 報を示す時間間隔が求められる。この時間間隔はどのくらい長く電池がまだ所定 の電流を供給できるかを規定する。 別の利点は請求の範囲２以下の構成に示されている。 有利な構成によれば、電池の充電状態を特徴づける時間間隔は発電機の調整の ための基礎情報として用いられる。さらに有利に、求められた時間が適切に設定 された閾値を下回わると、例えばまだ存在する電池電荷が所定の最小の回数のス タート試行のためにもはや十分ではなくなると、表示が行なわれる。 図面 本発明の実施例が図面に示されており、以下の記載において説明される。唯１ つの図面は本発明に重要な記号の記入されている車両電源を示す。 実施例の説明 図１に示されている車両電源装置は発電機１０，電 池１２，実際の車両装置の負荷１３を含む。発電機１０の出力電池は電圧調整器 １１により調整される。電池１２は発電機により充電される。実際の車両装置負 荷１３はスイッチング手段１４を介して給電電圧へ接続できる。 １５でスタータが示されており、これは点火スイッチ１６を介して電池へ接続 される。１７で計算装置たとえば集積回路または制御装置が示されている。計算 装置へ各種の情報が導びかれ、ここで、電池１２の充電状態を求めるための本発 明による方法プロセスが進行する。計算装置１７へ変数として次の量が導びかれ る：電池電圧Ｕ_B，開路電圧Ｕ_R，充電電流Ｉ_L，放電電流Ｉ_Eならびに電池の温度 Ｔ_B。 前述の変数は適切な回路ないし適切なセンサを用いて測定される。測定の時点 と接続時間は計算装置１７そのものにより設定される。計算装置１７はデータを 記憶するための適切な手段と時間を測定するための適切な手段を有する。 計算装置１７において電池充電状態実際の算出が進行する。この場合、充電状 態は電流のバランス形成から、即ち電池へ流入する充電電流と電池から流出する 放電電流の考慮の下に求められる。この場合、付加的にモデル化と補正関数が考 慮される。得られた結果は、長い中断の後に求められた電池開路電圧を用いてさ らに補正される。 後述の電池充電状態算出は例えば自動における、例えば近似的に同一のプレー ト寸法と標準化された硫酸密度を有する保守不用の鉛硫酸スタータ電池のモデル に適用される。その結果、期待される平均寿命の間中の水の消費は無視できるく らいわずかとなり、かつ充電状態測定の際に不正確さが生じない。 考慮されるべき老化過程は、電池の経年と温度に実質的に依存する。何故なら ばエンジン車両中に組み込まれる電池に対してあてはまる通常な条件の下では、 電池は運転者の操作またはスタート試行の頻度にほとんど関係なく消もうするか らである。無視できない平均の動作温度の影響は経験的に測定される。充電状態 の算出法を実施可能にするために、種々の測定が必要とされる。そのため動作中 に充電電流Ｉ_Lと放電電流Ｉ_Eが例えば電流検出器を用いて測定される。これらの 測定は例えばわずか１秒の数分の１の持続時間以内に行なわれる。 それより長い残りの期間中に電池１２の開路電圧Ｕ_Rが測定される。電池電圧 Ｕ_Bの測定の目的で市販の回路が用いられる。電池温度Ｔ_Bの測定は連続的に行な われる。この測定は一方では開路電圧を補正するために必要とされ、他方では実 際にまだ使用できる容量を測定するために、および電池の経年を示すために必要 とされる。 測定結果は適切な接続線を介して計算装置１７へ導 びかれる。この測定結果はここで一時記憶され、次に計算装置１７へ評価のため に用いられる。 測定された変数と補正手段との間の論理演算は次のように表わされる： １． 放電 時間間隔△ｔ_Eiにおいて放電電流Ｉ_Eが測定される。乗用車の場合の平均放電 電流は実質的に３時間の電流Ｉ_3Eに等しい（この放電電流は、室温の下で３時間 の放電後に電圧Ｕ＝１０.５Ｖに達した際の電流である）。そのため基準変数と して容量Ｋ₃も用いられる。添付の数字３は３時間を表わす。そのため電池の特 性入力変数としてＩ_3EOも用いる必要がある。添付数字０は“新しい電池”を表 わす。電流Ｉ_3EOは新しい電池の場合に測定される。そのため理想的な電池に対 してｉ番目の測定間隔において次の式が適用される： △ｔ_3i ^*Ｉ_3E＝△ｔ_Ei ^*Ｉ_E あるいはまだ使用できる、３時間の残り時間ｔ_3iだけ“減算された”時間に対 しては次の式が適用される： 前述の様にこの時間間隔は、全部の実際の電池のための補正する必要がある。 鉛硫酸電池の場合、PeukertまたはLiebenowによる経 験式が適用できることがわかった。以下の式はこれらの補正の影響を示す。 ａ） Peukertによる式： ただしスタータ電池の場合はｎ_E≒０.２である。 ｂ） Liebenowによる式： ただしＩ_E＞Ｉ_3Eである。 Peukert補正は測定値と平均放電電流との著しく良好な一致を示す。他方、Lie benow式は、上述の制限の下での、放電電流範囲全体にわたる申し分のない近似 を保証する。 ２． 充電 間隔△ｔ_Liにおけるスタータ電池の充電利得に、充電状態に依存する充電効率 η_Lを乗算する必要がある。充電電流は気化によってのみ非可逆的に失なわれる 。そのため、電圧Ｕ_Rが測定されることにより開路電圧の周期的な監視が行なわ れる時は、最新の保守不用（メンテナンスフリー）の電池の場合はη_L＝１と置 くことができる。そのため次の測定間隔における３時間の 放電時間における利得に対する結果は次の式で表わされる： ３． 充電と放電のバランス： 通常の条件（室温）の下で最終電圧１０.５Ｖまで電流Ｉ_3Eによる放電中に使 用できる（ｉ番目の間隔における）電流の時間ｔ_3iは、次の値を有する： ｔ_3i＝ｔ₃＋Σ△ｔ_3i（充電＋、放電−） ただしｔ₃＝３ｈかつ０＜ｔ_3i＜ｔ₃ ４． 電池の経年と平均の温度負荷の考慮： 計算プログラムのために新しい電池を特徴づける入力変数は３時間の放電電流 Ｉ_3EOである。研究室での実験と実施された作動試験により示されたことは、こ の値は、電池経年と平均の温度負荷に依存して連続的に減少し、瞬時（経年）ｔ において値Ｉ_3Eを有することである。良好な近似で次の式が適用される。 Ｉ_3E＝Ｉ_3EO［β＋（１−β）_e ^-t/τ］ ただし良好な冷間始動のための最下限値はβ＝０．５である。 老化過程における時定数は主として温度に依存し、さらに正の格子の腐食に起 因する。この過程は次の式により良好に表わされる τ＝τ₀・２^-(T-20°^C)／¹⁰°^C この与えられた仮定（想定）の下で時間間隔△ｔ_iにおけるＩ_3Eの変化を測定 する必要がある。 時点ｔ＝Σ△ｔ_iにおいて無次元の時間が次の式で与えられる。 そのためＩ_3Eに次の式が適用される。 ただしτ_iは次の式で与えられる。 そのため電流Ｉ_3Eのための算出式として次の式が得られる。 このようにして得られた３時間の電流は、フル充電 された電池から取り出し可能な経年に依存する３時間容量を表わし、Peukertま たはLiebenowの式における基本的な変数である。 ５． 所定の電解質温度における利用可能な容量： 前述の様に、“標準時間”ｔ_3iは電解質温度２５℃での電池の放電に関連づけ られる。しかし温度が低下するにつれて、３時間の電流に対して実際に利用でき る時間ｔ_3iVはますます小さくなる。 対象とされる温度間隔−２０°〜＋４０°における温度への依存性は、直線的 であると前提して、良好に近似できることが示された。このことはここで考察さ れた大きさの電流においては次の式で示される。 ｔ_3iv＝ｔ_3i［１＋０．００６（Ｔ−３００）］ ただしＴの単位はＫである。 実際にこの時間は例えば乗用車の電源系における相応の電圧調整器を用いて、 発電機出力を制御または調整するために適するであろう。この場合の調整尺度は 励磁電流および／または電圧とすることができる。 種々の警報基準に関連づけて、例えば情報：“注意、所定の条件の下で３回の スタートが可能である”の場合、計算装置において、必要とされる電流とスター ト時間に関するエンジン特性とスタータ特性との常時の比較を、スタート時間と 充電情報からの相応の値で実施する必要がある。 前述の４．または５．による補正はＩ_3Eのための算 出指示により与えられる。所属の式は、Ｉ_3Eのための算出則として式１.ａ）と １.ｂ）の式へ代入される。前もって代入されたＩ_3Eの式を有するｔ_3iのバラン ス式は、充電状態を示す所望の尺度である。これは、まだ使用可能な残り時間を 特徴づける時間間隔である。 充電状態測定は必ずしも３時間の放電時間から出発して行なう必要はなく、例 えば２〜６時間の放電時間からも可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電池たとえば車両のスタータ電池の充電状態をチェックする方法であって、 この方法においては所定の動作状態の検出と関連付けて電池電流と開路電圧を測 定し、測定された値から計算装置を用いて充電状態についての判定結果を導出し 、少なくとも電池温度に依存して形成された補正関数を用いての求められた測定 変数の結合を行なわせる形式の前記の方法において、第１の期間中に測定された 放電電流と、第２の期間中に測定された充電電流との相互関係性を生成して、残 りの可用時間を表わす第３の期間を求めることを特徴とする、電池の充電状態を チェックする方法。 ２．第３の時間間隔を求める場合に、測定された開路電圧を開路電圧補正のため に考慮する、請求の範囲１記載の方法。 ３．第３の時間間隔から放電電流を求め、この場合、放電電流が第３の時間間隔 に指数関係的に依存することを考慮する、請求の範囲１又は３記載の方法。 ４．求められた残り時間が所定の閾値よりも短かい時に警報手段をトリガする、 請求の範囲１から３までのいずれか１項記載の方法。 ５．閾値を、最小スタート試行数がまだ実施可能であるように、設定する、請求 の範囲４記載の方法。 ６．求められた第３の時間間隔から、所定の温度における、電池のまだ使用可能 な容量を算出する、請求の範囲１から５までのいずれか１項記載の方法。 ７．残り時間を、発電機の調整のための基本情報として用いる、請求の範囲１か ら６までのいずれか１項記載の方法。