WO2004088340A1

WO2004088340A1 - バッテリ状態監視装置及びその方法、並びに、放電可能容量検出方法

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Publication number: WO2004088340A1
Application number: PCT/JP2004/003913
Authority: WO
Inventors: Youichi Arai; Hiroshi Mikami
Original assignee: Yazaki Corporation
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2004-10-14
Also published as: EP1610139A4; EP1610139A1; JP2004301780A; US20060197503A1

Abstract

マイクロコンピュータ23が、電流センサ15及び電圧センサ17の出力に基づいて、バッテリ13の充電容量から、バッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた値に応じた放電可能容量を監視する。

Description

.

明細^≤ バッテリ状態監視装置及びその方法、並びに、放電可能容量検出方法技術分野

この発明は、バッテリ状態監視装置及びその方法、並びに、放電可能容量検出方法に係わり、特に、パッテリの状態を監視するバッテリ状態監視装置及ぴその方法、並びに、そのパッテリの放電可能容量を検出する放電可能容量検出方法に関する。背景技術

例えば、車両に搭載されるバッテリを例に取ると、特にモータを唯一の推進駆動源とする電気自動車においては、一般のエンジンを推進駆動源とする車両におけるガソリンに相当するものであることから、バッテリがどの程度充電されているのかを認識しておくことは、車両の正常な走行を確保する上で非常に重要である。

このため従来では、パッテリがどの程度充電されているかを認識するために、バッテリの開回路電圧を検出したり、この開回路電圧から下記の S OC (State Of Charge) を検出していた。

SOC (%) = { (OCVn-OCV e) / (OCV f -OCV e) } X 1 0

0

但し、 OCVnは現在のパッテリの開回路電圧、 OC V f は満充電状態の開回路電圧を示す。また、 OCV eは放電終止状態の開回路電圧であり、この開回路電圧以下ではバッテリを使用することができない。

しかしながら、上述した SOCは、パッテリに蓄えられた電気量（クーロン量 ) に相当するものであり、実際に利用する際、その電気量を全て利用することはできない。その理由は、放電電流を流すとバッテリの内部抵抗による電圧降下が発生するからである。内部抵抗としては、パッテリの純抵抗、濃度分極、活性化分極などがある。そして、その降下量は、 S O C (%) 、放電電流の大きさ、放電時間、温度によって変化し、降下量が大きくなればなるほど放電できる電気量は小さくなる。

従来考えられている S O C (%) は、この電圧降下量が考慮されていないため、 O C V nが O C V eと等しくなつて、 S O C = 0になる前に、放電時にバッテリの端子電圧が O C V e以下となり、放電することができなくなつていた。そこで、 S O Cの余裕を考慮せねばならず、しかも、その S O Cの余裕度も理論的なものではないため、 S O Cの監視だけでは、バッテリの状態を正確に把握することができないという問題があった。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、バッテリの状態を正確に把握することができるパッテリ状態監視装置及びその方法、並びに、この装置及び方法を実施する際を含めて、バッテリの状態を正確に把握する上で役立つ放電可能容量検出方法を提供することを課題とする。発明の開示 .

請求項 1記載の発明は、パッテリの状態を監視するパッテリ状態監視装置であつて、前記バッテリの内部抵抗により放電できない容量を監視することを特徴とする。

また、請求項 2記載の発明は、パッテリの状態を監視するバッテリ状態監視装置であって、前記パッテリの充電容量から、前記パッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた値に応じた放電可能容量を検出する放電可能容量検出手段を備え、前記検出した放電可能容量に基づき、前記バッテリの状態を監視することを特徴とする。

また、請求項 3記載の発明は、バッテリ状態を監視するパッテリ状態監視装置であって、前記パッテリの充電容量を検出する充電容量検出手段と、前記バッテリの充電容量から、前記バッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた値に応じた放電可能容量を検出する放電可能容量検出手段とを備え、前記検出した充電容量及び放電可能容量に基づき、前記バッテリの状態を監視することを特徴とする。

また、請求項 4の発明は、請求項 2又は 3記載のパッテリ状態監視装置であつて、前記放電可能容量検出手段は、前記パッテリの放電に応じて、前記放電開始時の開回路電圧から、放電中に発生する前記内部抵抗による電圧降下分を減じた値に基づき、前記放電可能容量を求めることを特徴とする。

また、請求項 5記載の発明は、請求項 4記載のバッテリ状態監視装置であって、前記放電可能容量検出手段は、劣化により生じる前記バッテリの充電状態一前記開回路電圧特性の変動分を考慮して、前記放電可能容量を求めるようにしたことを特徴とする。

また、請求項 6記載の発明は、請求項 5記載のバッテリ状態監視装置であって、前記放電可能容量検出手段は、前記パッテリが放電を行う毎に、当該放電によるパッテリの充電状態の減少に対する新品バッテリの開回路電圧の第 1変化量、及び、当該放電による充電状態の減少に対する前記パッテリの開回路電圧の第 2 変化量の両変化量の比と、前記減じた値に基づいて、前記放電可能容量を求めるようにしたことを特徴とする。

また、請求項 7記載の発明は、請求項 4〜 6何れか 1項記載のパッテリ状態監視装置において、前記放電可能容量検出手段は、前記放電におけるピーク電流が流れたときの前記内部抵抗による電圧降下分を減じた値に基づき、前記放電可能容量を求めることを特徴とする。

また、請求項 8記載の発明は、パッテリの状態を監視するパッテリ状態監視方法であって、前記バッテリの内部抵抗により放電できない容量を、前記パッテリから取り出せない容量として監視することを特徴とする。また、請求項 9記載の発明は、バッテリの状態を監視するバッテリ状態監視方法であって、前記バッテリの充電容量から、前記パッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた値に応じた放電可能容量に基づき、前記バッテリの状態を監視することを特徴とする。

また、請求項 1 0記載の発明は、パッテリの状態を監視するパッテリ状態監視方法であって、前記パッテリの充電容量、及び、当該パッテリの充電容量から、前記パッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた値に応じた放電可能容量の両容量に基づき、前記バッテリの状態を監視することを特徴とする。

また、請求項 1 1記載の発明は、パッテリの放電可能容量を検出する方法であつて、前記パッテリの充電容量に相当する開回路電圧から、放電中に発生する前記内部抵抗による電圧降下分を減じた値に基づき、前記放電可能容量を求めることを特徴とする。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の放電可能容量検出方法及ぴバッテリ状態監視方法を実施したバッテリ状態監視装置の一実施形態を示すブロック図である。第 2図は、スタータモータ駆動開始時の突入電流を伴う放電電流の一例を示すグラフである。第 3図は、二次近似式で表した I 一 V特性の一例を示すグラフである。第 4図は、増加方向の近似式から濃度分極成分の除き方の一例を説明するためのグラフである。第 5図は、減少方向の近似式から濃度分極成分の除き方の一例を説明するためのグラフである。第 6図は、増加方向を一次近似式で表した I 一 V特性の一例を示すグラフである。第 7図は、減少方向の近似式から濃度分極成分の除き方の他の例を説明するためのグラフである。第 8図は、減少方向の近似式から濃度分極成分の除き方の別の例を説明するためのグラフである。第 9図は、平衡状態又は放電分極が発生している状態での放電中に飽和分極を求める方法を説明するためのグラフである。第 1 0図は、充電分極が発生している状態での放電中に飽和 _

5 分極を求める方法を説明するためのグラフである。第 1 1図は、放電分極又は充電分極が発生した状態での放電中に飽和分極を求める方法を説明するためのダラフである。第 1 2図は、放電中におけるバッテリの内部で発生する電圧降下の内容を説明するためのグラフである。第 1 3図は、パッテリの満充電電圧と放電終止電圧を説明するためのグラフである。第 1 4図は、放電により、新品時パッテリに対する任意時点のバッテリの任意の充電状態の変化に伴う開回路電圧の変化の割合を求めて劣化を考慮した放電可能容量を算出する方法を説明するためのグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明によるパッテリ状態監視装置、放電可能容量検出方法及びバッテリ状態監視方法を図 1を参照して説明する前に、図 2〜図 1 4を参照して、バッテリの内部抵抗による電圧降下の算出方法について、説明する。

ところで、バッテリが搭載され、バッテリから電力供給されて動作する車両負荷として、 1 2 V車、 4 2 V車、 E V車、 H E V車には、スタータモータ、モータジェネレータ、走行用モータなどの大電流を必要とする定負荷が搭載されている。例えば、スタータモータ又はこれに類する大電流定負荷をオンしたとき、定負荷には、その駆動開始の初期の段階で突入電流が流れた後、負荷の大きさに応じた定常値の電流が流れるようになる。因みに、負荷がランプである場合には、突入電流に相当するものをラッシュ電流と呼ぶこともある。

スタータモータとして直流モータを使用している場合、界磁コイルに流れる突入電流は、図 2に示すように、定負荷駆動開始直後の例えば 3ミリ秒という短時間内に、ほぼ 0から定常電流に比べて何倍も大きなピーク値、例えば 5 0 0 (A ) まで単調增加した後、このピーク値から例えば 1 5 0ミリ秒という短時間内に定負荷の大きさに応じた定常値まで単調減少するような流れ方をし、バッテリから放電電流として供給される。したがって、定負荷に突入電流が流れる状況で、バッテリの放電電流とこれに対応する端子電圧を測定することによって、 0からピーク値に至る広い範囲の電流変化に対する端子電圧の変化を示すパッテリの放電電流（I ) 一端子電圧（V) 特性を測定することができる。

そこで、スタータモータをオンしたときに流れる突入電流に相当する模擬的な放電として、 0からほぼ 2 0 0 Aまで 0. 2 5秒かけて増加し、同じ時間をかけてピーク値から 0まで減少する放電を電子負荷を使用してバッテリに行わせ、そのときのパッテリの放電電流と端子電圧とを対にして短い一定周期で測定し、これによって得た測定データ対を横軸に放電電流、縦軸に端子電圧をそれぞれ対応させてプロットして図 3に示すグラフを得た。図 3のグラフに示す放電電流の増加時と減少時の電流一電圧特性は、最小二乗法を用いて以下のような二次式に近似できる。

V=al I ² +bl I +cl …… ( 1 )

V=a2 I ² +b2 I +c2 …… ( 2)

なお、図中には、二次の近似式の曲線も重ねて描かれている。

図 3中において、電流増加方向の近似曲線の切片と電流減少方向の近似曲線の切片の電圧差（cl- c2) は、電流が流れていない 0 (A) の時の電圧差であるため、純抵抗と活性化分極による電圧降下を含まない、放電によって新たに発生した濃度分極成分のみによる電圧降下と考えられる。従って、この電圧差（cl- c2 ) は、濃度分極のみによるものであり、この電流 0 (A) 点の濃度分極を V polcO とする。また、任意の濃度分極は、電流の大きさに電流の流れた時間を乗じて積算したもの、すなわち Ah (短時間なので、以下 Asec で表す）に比例すると考えられる。

次に、この電流 0 (A) 点の濃度分極 VpolcO を利用して電流ピーク値の濃度分極を算出する方法を説明する。今、電流ピーク値の濃度分極を Vpolcp とすると、 Vpolcpは次式のように表される。

Vpolcp= [ (電流増加時の Asec) / (放電全体の Asec) ] X VpolcO …… （3)

なお、放電全体の Asecは次式で表される。

放電全体の Asec= (電流増加時の Asec +電流減少時の Asec)

上述のようにして求めたピーク値における濃度分極 Vpolcp を式（1 ) の電流増加方向のピーク値における電圧に加算して、図 4に示すように、ピーク値における濃度分極成分を削除する。なお、ピーク値における濃度分極成分を削除した後の電圧を V Iとすると、 V Iは次式で表される。

V 1 =al I p²+bl I p+cl + Vpolcp

I pはピーク値における電流値である。

次に、増加方向時の図 4で示すような純抵抗と活性化分極だけの電流一電圧特性の近似式を仮に次式で表す。

V=a3 I ²+b3 I +c3 …… （4)

放電開始前である電流が 0 (A) の点は、活性化分極も濃度分極も cl を基準にして分極を考えているため、式（1 ) より、 c3 = cl である。また、電流増加の初期状態から電流は急激に増加するが、濃度分極の反応は遅く、反応がほとんど進行していないとすると、式（1 ) および（4) の電流が 0 (A) の点の微分値は等しくなるので、 b3 = bl である。従って、 c3 = cl、 b3 = bl を代入することで、式（4) は

V=a3 I ²+bl I +cl …… ( 5 )

と書き直され、未知数は a3のみとなる。

次に、式（5) に電流増加のピーク値の座標（ I p、 V I ) を代入して a3について整理すると、次式が求められる。

a3= (V 1 -bl I p-cl) / I p²

従って、純抵抗と活性化分極成分だけの電流一電圧特性の近似式（4) が式（ 5) によって決定される。

一般に、純抵抗は化学反応にて生じるものでないので、バッテリの充電状態（ S O C ) 、温度などが変わらなければ一定であるので、 1回のスタータモータ作動の間は一定であるといえる。これに対し、活性化分極抵抗は、イオン、電子の受渡しの際の化学反応に伴って生じる抵抗であるので、濃度分極と相互に影響し合うこともあって、活性化分極の電流増加曲線と電流減少曲線は完全に一致しないことから、式（5 ) は濃度分極成分を除いた純抵抗と活性化分極の電流増加方向の曲線であるということができる。

続いて、電流減少曲線からの濃度分極成分の削除の仕方を、以下説明する。純抵抗と活性化分極の電流減少方向の関係式は、電流ピーク値における濃度分極の削除と同様の方法で可能である。ピーク値以外の 2点を A点および B点とし、各点における濃度分極 VpolcA 、 VpolcB を次式のようにして求める。

VpolcA = [ (電流増加時開始から A点までの Asec ) / (放電全体の A sec ) ] X VpolcO …… ( 6 )

VpolcB = [ (電流増加時開始から B点までの A sec ) / (放電全体の Asec ) ] X VpolcO "-… ( 7 )

上式（6 ) および（7 ) によって、ピーク値以外に濃度分極成分を削除した 2 点が求まったら、この 2点とピーク値との 3点の座標を利用して次式で表される、図 5に示すような、純抵抗と活性化分極の電流減少方向曲線が求められる。

V = a4 I 2 +b4 I + c4 …… ( 8 )

なお、式（8 ) の係数 a4、 b4、 c4 は、 2点 A及び Bとピーク点の電流値と電圧値とを、式（8 ) にそれぞれ代入して立てた 3点の連立方程式を解くことによつて決定できる。

次に、パッテリの純抵抗の算出の仕方を説明する。上式（5 ) で表される濃度分極成分を削除した純抵抗と活性化分極の電流増加方向の曲線と、式（8 ) で表される同じく濃度分極成分を削除した純抵抗と活性化分極の電流減少方向の曲線との相違は、活性化分極成分の相違によるものであるので、活性化分極成分を除けば純抵抗が求められる。 —

g ところで、活性化分極が互いに等しい値となる両曲線のピーク値に着目し、ピーク値での電流増加の微分値 R 1と電流減少の微分値 R 2とを次式によって求める。

R 1 = 2 X a3x I p +b3 (10)

R 2 = 2 X a4x I p +b4 …… （11)

上式によって求められる微分値 R 1および R 2の差は、一方が活性化分極の增加方向でのピーク値であるのに対し、他方が減少方向でのピーク値であることに起因する。そして、突入電流に相当する模擬的な放電として、 0から 2 0 O Aまで 0 . 2 5秒かけて増加し、同じ時間をかけてピーク値から 0まで減少する放電を電子負荷を使用してバッテリに行わせた場合には、ピーク値近傍での両者の変化率が等しく、両者の中間に純抵抗による電流一電圧特性が存在すると理解できるので、両微分値を加算して 2で割ることによって、純抵抗 Rを次式によって求めることができる（この例では、両微分値を時間比率で案分した値と 2で割った値は等しい）。

R = ( R 1 + R 2 ) / 2

以上は、突入電流に相当する模擬的な放電を電子負荷を使用してバッテリに行わせた場合について説明したが、実車両の場合には、上述したようにスタータモータとして直流モータを使用しているとき、界磁コイルに突入電流が流れている間に電流はピークに達し、クランキングはピークに達した後ピーク電流の半分以下に低下した電流で作動している。

従って、電流増加方向は 3ミリ秒（m s e c ) という短時間で終了してしまい、電流增加ピーク値ではほとんど濃度分極が発生しない早い電流の変化であるが、電流減少方向は電流増加方向に比べて 1 5 0 m s e cという長い時間電流が流れるので、減少方向とはいえ、大きな濃度分極が発生する。ただし、クランキング期間については、突入電流の流れている期間とは異質の現象が生じているので、この期間のバッテリの放電電流と端子電圧については、電流減少方向の電流一電圧特性を決定するためのデータとしては使用しないようにする。

このような状況で、実車両では、図 6に示すように、電流增加方向は電流增加開始点とピーク値の 2点間を結ぶ直線にて近似することができ、しかもこのピーク値 5 0 0 (A) での濃度分極の発生は 0 (A) と近似することも可能である。この場合には、電流増加方向については、ピーク値の微分値としては、電流增加方向の近似直線の傾きを使用することになる。

ただし、このような場合には、電流増加方向の近似直線の傾きと、電流減少方向の二次の近似式のピーク点における接線の傾きとを単純に加算平均することはできない。何故ならば、このような状況では、ピーク点までとそれ以降で、活性化分極の発生度合いが全く異なり、ピーク値近傍での両者の変化率が等しくなるという前提が成立しなくなるからである。

このような場合には、純抵抗を求めるに当たって、濃度分極による電圧降下を除いた第 1及び第 2の近似式のピーク値に対応する点における単位電流変化当たりの 2つの端子電圧変化の値、すなわち、傾きに、突入電流が流れている総時間に占める単調増加期間及び単調減少期間の時間の割合をそれぞれ乗じた上で加算すればよい。すなわち、総時間を単調増加及ぴ単調減少にそれぞれ要した時間で比例按分した按分率を各傾きに乗じた上で加算することになる。このようにすることによって、活性化分極と濃度分極とが相互に影響し合うことを考慮して純抵抗を求めることができる。

すなわち、活性化分極は原則電流値に応じた大きさのものが生じるが、その時々の濃度分極量に左右され、原則通りには生じることにならず、濃度分極が小さければ活性化分極も小さくなり、大きければ大きくなる。何れにしても、濃度分極成分による電圧降下を除いた 2つの近似式のピーク値に対応する点における単位電流変化当たりの 2つの端子電圧変化の値の中間の値をパッテリの純抵抗の値として測定することができる。

また、最近の車両では、モータとしては、マグネットモータなどの D Cブラッ —

1 1 シレスなどの三相入力を必要とする交流モータが使用されることが増えてきている。このようなモータの場合、突入電流はそれ程早く短時間にピーク値に達することがなく、 1 0 0 m s e cほどの時間を要し、電流増加方向においても濃度分極の発生が起こるので、上述した模擬的な放電の場合と同様に、電流増加方向の電流変化曲線は曲線近似することが必要になる。

また、純抵抗と活性化分極の電流減少方向の近似をする場合、ピーク値とこれ以外の 2点を定める際、図 7に示すように、 B点として電流 0 ( A) の点を使用すると、近似式を求める際の計算を簡略化することができる。

さらに、例えば、ピーク電流の 1 Z 2程度の電流値に対応する点に濃度分極の削除した点を定めた場合、図 8に示すように、この点とピーク値の 2点を結ぶ直線に一次近似してもよい。この場合、電流減少方向については、ピーク値の微分値としては、電流減少方向の近似直線の傾きを使用することになるが、二次曲線を使用したものと変わらない、精度のよい純抵抗が求められる。

以上要するに、濃度分極成分による電圧降下を除いた 2つの近似式のピーク値に対応する点における単位電流変化当たりの 2つの端子電圧変化の値の中間の値をパッテリの純抵抗の値として測定することができる。

そこで、車载バッテリ純抵抗測定方法を、定負荷として、增加する放電電流及ぴ減少する放電電流のいずれにおいても濃度分極の発生を伴う突入電流が流れる例えばスタータモータが使用されている場合について具体的に説明する。

定負荷が動作されると、バッテリからは定常値を越えて単調増加しピーク値から定常値に単調減少する放電電流が流れる。このときのバッテリの放電電流と端子電圧とを、例えば 1 0 0マイクロ秒 s e c ) の周期にてサンプリングすることで周期的に測定し、バッテリの放電電流と端子電圧との組が多数得られる。このようにして得られたパッテリの放電電流と端子電圧との組の最新のものを、所定時間分、例えば R AMなどの書換可能な記憶手段としてのメモリに格納、記憶して収集する。メモリに格納、記憶して収集した放電電流と端子電圧との組一

1 2 を用いて、最小二乗法により、端子電圧と放電電流との相関を示す增加する放電電流及び減少する放電電流に対する電流一電圧特性について式（1 ) 及び（2 ) に示すような 2つの曲線近似式を求める。次に、この 2つの近似式から濃度分極成分による電圧降下を削除し、濃度分極成分を含まない修正した曲線近似式を求める。

このために、まず、式（1 ) 及び（2 ) の近似式の電流が流れていない 0 (A ) の時の電圧差を、純抵抗と活性化分極による電圧降下はなく、濃度分極によるものであるとして求める。また、この電圧差を利用して、増加する放電電流についての電流一電圧特性の近似式（1 ) 上の電流ピーク値での濃度分極成分による電圧降下を求める。このために、濃度分極は、電流の大きさに電流の流れた時間を乗じた電流時間積によって変化していることを利用する。

增加する放電電流についての電流一電圧特性の近似式上の電流ピーク値での濃度分極成分による電圧降下が求まったら次に、濃度分極成分の含まない近似式と含む近似式のいずれも定数及ぴ一次係数が等しいとして、含まない近似式の二次係数を定め、増加する放電電流についての電流一電圧特性の近似式について修正した曲線近似式（5 ) を求める。

次に、減少する放電電流に対する電流一電圧特性について近似式（2 ) から濃度分極成分の含まない近似式を求める。このために、ピーク値以外に濃度分極成分を削除した 2点を求める。この際に、濃度分極は、電流の大きさに電流の流れた時間を乗じた電流時間積によって変化していることを利用する。そして、ピーク値以外に濃度分極成分を削除した 2点が求まったら、この 2点とピーク値との 3点の座標を利用して、減少する放電電流についての電流一電圧特性の近似式（ 2 ) について修正した曲線近似式（8 ) を求める。

上式（5 ) で表される濃度分極成分を削除した純抵抗と活性化分極の電流増加方向の修正曲線近似式と、式（8 ) で表される濃度分極成分を削除した純抵抗と活性化分極の電流減少方向の修正曲線近似式は、活性化分極成分の相違によるものであるので、活性化分極成分を除けば純抵抗が求められる。このために、両近似式のピーク値に着目し、ピーク値での電流増加の微分値と電流減少の微分値との差は、一方が活性化分極の増加方向であるのに対し、他方が減少方向であることに基因するものであるが、ピーク値近傍での両者の変化率の中間に純抵抗による電流一電圧特性が存在するとし、両微分値に突入電流が流れている総時間に占める単調増加期間及び前記単調減少期間の時間の割合をそれぞれ乗じた上で加算することによって、純抵抗を求める。

例えば、電流増加時間が 3 m s e c、電流減少時間が 1 0 0 m s e cとし、ピーク値での電流増加の微分値を Rpolkl 、と電流減少の微分値を Rpolk2 とすると、以下のようなようにして純抵抗 R nを算出することができる。

R n = Rpolkl X 1 0 0 / 1 0 3 + Rpolk2 x 3 / 1 0 3

この純抵抗 R nは、スタータモータの駆動時等、突入電流が発生する高効率放電が行われる毎に、算出され、更新される。

また、バッテリの平衡状態における車両用パッテリの開回路電圧は、それ以前の充放電によってパッテリ内に発生している分極の影響が完全に解消し、分極によるバッテリ端子電圧の低下或いは上昇が無くなつている平衡状態にあるときのパッテリ端子電圧を実測するか、又は、充放電停止直後のバッテリ端子電圧の変化を短時間観測した結果によって推定されるものが利用される。

次に、バッテリの飽和分極検出方法と、本発明の放電可能容量検出方法とについて説明する。

まず、パッテリが実際に負荷に放出できるエネルギは、バッテリの開回路電圧の値に相当する充電容量（電流時間積）から、放電中にパッテリの内部で発生する電圧降下分に相当する容量、すなわち、バッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた容量ということになる。

そして、放電中におけるバッテリの内部で発生する電圧降下は、図 9に示すように、バッテリの純抵抗の成分による電圧降下分（図中 I R降下と表記）と、純抵抗の成分以外の内部抵抗成分による電圧降下分、即ち、分極による電圧降下分 (図中飽和分極と表記）とに分けて考えることができる。

上述した I R降下は、バッテリの状態が同じであれば変化しない。一方、分極による電圧降下は、放電電流や、放電時間に比例して、大きくなるが、飽和分極を超えて大きくなることはない。従って、この飽和分極を迎える点を監視すれば、最も内部抵抗による電圧降下が大きくなる点を監視することができる。

まず、平衡状態、又は、放電開始時の端子電圧が放電開始時の開回路電圧 O C V 0より低い放電分極が残っている状態のパッテリが放電したときは、図 9中の太線の曲線で示す部分のように、放電開始からの所定期間（分極の挙動が現れる程度であり、かつ、 1秒以内程度）の放電の際に周期的に測定されたバッテリの放電電流と端子電圧から、式（12) に示す放電電流 Iに対する端子電圧 Vの近似式を求める。

一方、放電開始時の端子電圧が放電開始時の開回路電圧 O C V 0より高い充電分極が残っている状態のバッテリが放電したときは、図 1 0中の太線の曲線で示すように、放電開始から所定時間経過して充電分極がほぼ解消されている所定期間の放電の際に周期的に測定されたバッテリの放電電流と端子電圧から、式（12 ) に示す放電電流 Iに対する端子電圧 Vの近似式を求める。これは、充電分極が残っている期間に検出したバッテリの放電電流及び端子電流から求めた近似式は、平衡状態から放電した結果、実際に得られる放電電流（ I ) 一端子電圧（V) 特性との相関性があまりないからである。

V = a I ² + b I + c ··· (12)

上記パッテリの端子電圧 Vは、パッテリの純抵抗 R nの成分による電圧降下分と純抵抗の成分以外の内部抵抗成分による電圧降下分 V _R ( =分極による電圧降下）との合計によって、下記に示すようにも表される。

V = c - ( R n X I + V _R ) …（）

式（12)及ぴ（13)から下記の式を求めることができる。 a I ² + b I =- (R n X I +V_R ) … (14)

上記式（14)を微分して、バッテリの純抵抗成分以外の内部抵抗成分による電圧降下の変化率 d V_R / ά Iを求める。

d V_R / ά I = - 2 a I - b -Rn …（15)

上記変化率 d V_R / d Iがゼロとなったときの放電電流が、パッテリの純抵抗の成分以外の内部抵抗成分による電圧降下分が最大値（飽和値）を迎えたときの、端子電圧降下飽和電流値 I pol (=- (R n + b) /2 a) に相当する。そして、平衡状態からの放電であるとき、求めた端子電圧降下飽和電流値 I pol を、パッテリの純抵抗 Rnの値と共に、上述した式（14) の放電電流 I として代入して、求められる分極による電圧降下分 V_R (=- a I pol ² 一 b I pol -R n X I pol) を、飽和分極 V_R pol とする。

一方、充電分極又は放電分極が残っている状態からの放電であるときは、求めた端子電圧降下飽和電流値 I pol を、バッテリの純抵抗 R nの値と共に、上述した式（14) の放電電流 I として代入して、求められる分極による電圧降下分 V_R に、式（12)により求めた放電電流ゼロのときの端子電圧 c、及び、推測により求めた放電開始時の開回路電圧 O CV 0との差分を加算した値（=— a I pol ² - b I pol -R n X I pol+ (OCV O— c ) ) を飽和分極 V_R pol とする。上述した（OCV O— c ) を加算する理由について以下説明する。充電分極又は放電分極が残っている状態から上述した所定期間における実測した放電電流及ぴ端子電圧に基づき、求めた式（12) の近似式から放電電流ゼロのときの端子電圧 cを求めると、図 1 1に示すようになる。同図に示すように、求めた近似式の電圧降下量の飽和値と、平衡状態から放電した結果、実際に得られる電流（ I ) 一電圧（V) 特性における電圧降下量の飽和値は等しい。

なお、充電分極が残っているときの放電であっても、放電から所定時間経過後を所定期間とすれば、求めた近似式が示す放電電流ゼ口のときの端子電圧 cは、放電開始時の開回路電圧 OCV 0より低い値となる。このとき、式（14) に Ipol を代入して求めた分極による電圧降下 V_R (=— a I pol ² 一 b I pol — R n X I pol) は、図 1 1に示すように、端子電圧 cを基準にした電圧降下から、純抵抗による降下分 Rn X Ipol を減じた値である。従って、開回路電圧 OCV0からパッテリの電圧降下から、純抵抗による降下分 R n X I pol を減じた値である飽和分極 V_R pol を求めるためには、上記電圧降下 V_R ( =— a I pol ² 一" b Ipol —Rn X I pol) に（OCVO— c) を加算する必要がある。なお、この飽和分極 V_R pol は、バッテリが放電を行う毎に、算出され、更新される。

このようにして、飽和分極 V_R pol を求めたならば、その飽和分極 V_R pol を用いて、例えば、バッテリが放電可能容量を検出し直す必要のある程度の放電が行われる毎に、以下に説明するような放電可能容量の検出が行われることになる。

まず、放電が行われると、その放電の際に、上記のようにして飽和分極 V_R pol を求め、次式を解く。

V_ADC =OCV0-Rn X I p ~V_R pol …（16)

但し、上式において V_ADC は現在の放電可能容量の指標となる電圧値、 I p はこの放電のピーク電流値である。

即ち、上式を解くということは、図 1 2に示すように、放電の開始時におけるパッテリの開回路電圧 OCV0から、バッテリの純抵抗 Rnの値に対応する電圧降下分と、飽和分極 V_R pol を減じて、パッテリの現在の放電可能容量 AD C に対応する電圧値 V_ADC を求めていることになる。

そして、上記のようにして求めた現在の放電可能容量の指標となる電圧値 V_A

_DC から、以下に示す電圧方式の換算式によって放電可能容量 ADCを求める。

ADC = SOCX { (V_ADC -V e ) / (V f -V e) } X 100 (%) 但し、 SOC= { (OC Vn-V e) / (V f —V e) } X I 00 (%) また、上式において V f は満充電電圧、 V eは放電終止電圧である。ここで、図 1 3に示すように、パッテリに満充電電圧 V f は、新品時のバッテリの満充電時（S OC : State Of Charge = 1 00%) における開回路電圧 OC V f から、新品時のバッテリの満充電時（S OC= 1 00%) における純抵抗 R n f 0の値に相当する電圧降下分を減じた、

V f =OCV f -Rn f 0 X I p

なる式から求めることができる。

また、パッテリの放電最終電圧 V eは、新品時のバッテリの放電最終時（SO C-0%) における開回路電圧 OCV eから、新品時のバッテリの放電終止時（ SOC = 0%) における純抵抗 Rn e O (>Rn f 0) の値に対応する電圧降下分を減じた、

V e =OCV e _Rn e 0 X I

なる式から求めることができる。

また、上記のようにして求めた現在の放電可能容量の指標となる電圧値 V_ADC から、以下に示す電圧方式の換算式によって放電可能容量 ADCを求めてもよい

AD C= S OC X { (V_ADC-OC V e ) / (OCV 0 -R n e 0 X I p -O C V e ) } X 1 00 %

放電開始時におけるパッテリの開回路電圧 OCV nから減じた、バッテリの純抵抗 Rnに対応する電圧降下分には、パッテリの固体間の特性差が反映され、また、パッテリの現在の飽和分極 V_R pol には、放電電流を流し続けたことによる放電可能容量 AD Cの減少度の相違や温度変化による内部抵抗変化に起因する放電可能容量 AD Cの減少度の相違が反映される。

よって、上記のようにして求めた、放電を行った際に求められる放電可能容量 ADCは、パッテリの固体間の特性差による影響と、放電電流を流し続けたことによる放電可能容量 AD Cの減少度の相違や温度変化による内部抵抗変化に起因する放電可能容量 AD Cの減少度の相違による影響が、誤差として存在しない、正確な放電可能容量 ADCということになる。

上述したように、その放電中のピーク電流における内部抵抗による電圧降下分、つまり、その放電において、分極以外の内部抵抗成分である純抵抗による電圧降下が最も大きくなる時点の内部抵抗による電圧降下を把握することができる。

ところで、図 1 4に示すように、放電前に任意の開回路電圧 OCV 0にあるバッテリから放電が行われたとき、新品時バッテリでは、開回路電圧は放電が進むにつれて直線 Nに沿って低下し、放電が停止して任意の電気量が放電された時点で、開回路電圧 OCVnまで低下する。これに対して、劣化パッテリでは、直線 Mに沿って、低下し、同じ任意の電気量が放電された時点で、開回路電圧 OCV mまで低下する。

一般に、放電が繰り '返されても、電流時間積によって充電状態 SOCが推定出来る。これは、次式によって放電時の電流時間積を積算することによって計算することができる。

放電直前の SOC 0—∑ (放電電流 X時間）

上式により、バッテリが放電中であっても、常にバッテリの S OCが推定できる。

上述したように、充放電中に常時その推定 S OCnを求め、放電が停止したときには、停止時の最終の SOCnを推定し、この値を推定 OCVnに変換しておく。この SOC n及ぴ OCVnの換算は、新品時パッテリについて予め定められた満充電時開回路電圧と放電終止電圧との間で蓄積可能な総電気量である初期電気量に基づいて行われる。

そして、放電前の開回路電圧 OC V 0と上述した推定 OCVnとの差である変化量 AOCVn (=0 C V 0—推定 OC Vn) は、パッテリが放電を行った際に、その放電によるパッテリの充電状態の減少に対する新品バッテリの開回路電圧の計算上の変化量となる。

一方、放電前の開回路電圧 OCV 0と放電後に実測又は推定して求めた OCV mとの差である変化量 AOCVm (= O C V 0 - O C Vm) は、その放電によるパッテリの充電状態の減少に対する現バッテリの開回路電圧の変化量となる。よって、平衡状態にあってもなくても、上記した現在の放電可能容量の指標となる電圧値 V_ADC から放電可能容量 ADCを求める電圧方式の換算式の右辺に、この変化量 AOCVnと変化量 AOC Vmとの比 AOCVnZAOCVmを乗じて、現在の放電可能容量の指標となる電圧値 V_ADC から放電可能容量 ADC を求める換算式を、 '

ADC= { (V_ADC -V e) / (V f -Ve) } X

(AOCVn/AOCVm) X I 00 (%)

又は

AD C= S OC X { (V_ADC-0 C V e ) / ( O C V n— R n e 0 X I p— O C V e ) } X (AOCVn/AOCVm) X 100 %

とすれば、バッテリの活物質に不活性化が生じていても、それによる充電状態の変化に対する開回路電圧 O C V nの変化の度合いの変化分が考慮された、より正確な放電可能容量が求まることになる。

尚、上記した、バッテリの活物質の量と H₂0との比の変化に対応するための、現在の放電可能容量の指標となる電圧値 V_ADC から放電可能容量 ADCを求める換算式の変更は、省略してもよい。

また、上述した説明では、充電分極又は放電分極が残っている状態からの放電の際に、飽和分極を求めとき、式（14) に Ipol を代入して求めた分極による電圧降下 V_R (=- a I pol ² 一 b I pol — R n X I pol) に、（O C V 0— c ) を加算した値^飽和分極としていた。しかしながら、例えば、分極が残っていても、平衡状態であってもなくても全て、式（14) に Ipol を代入して求めた分極による電圧降下 V_R (=- a I pol ² 一 b I pol —R n X I pol) を飽和分極として求め、電圧 V_ADCを算出する時点で開回路電圧 OC V 0から OCV 0— cを減算するようにしてもよい。以上に説明した本発明の車両用パッテリの放電可能容量算出方法や、バッテリ状態監視方法は、図 1に示す構成によって実施することができる。

図 1は本発明の放電可能容量算出方法及ぴバッテリ状態監視方法を実施したパッテリ状態監視装置の一実施形態を示すプロック図である。図 1中引用符号 1で示す本実施形態のバッテリ状態監視装置は、エンジン 3に加えてモータジエネレータ 5を有するハイプリッド車両に搭載されている。

そして、このハイブリッド車両は、通常時はエンジン 3の出力のみをドライブシャフト 7からディファレンシャルケース 9を介して車輪 1 1に伝達して走行させ、高負荷時には、バッテリ 1 3からの電力によりモータジェネレータ 5をモータとして機能させて、エンジン' 3の出力に加えてモータジェネレータ 5の出力をドライブシャフト 7から車輪 1 1に伝達し、アシスト走行を行わせるように構成されている。

また、このハイブリッド車両は、減速時や制動時にモータジェネレータ 5をジエネレータ（発電機）として機能させ、運動エネルギを電気工ネルギに変換して、各種の負荷に対して電力を供給するためにハイプリッド車両に搭載されたバッテリ 1 3を充電させるように構成されている。

尚、モータジェネレータ 5はさらに、不図示のスタータスィツチのオンに伴うエンジン 3の始動時に、エンジン 3のフライホイールを強制的に回転させるセルモータとして用いられる。

また、パッテリ状態監視装置 1は、アシスト走行用のモータやセルモータとして機能するモータジェネレータ 5等に対するパッテリ 1 3.の放電電流 Iや、ジェネレータとして機能するモータジェネレータ 5からのパッテリ 1 3に対する充電電流を検出する電流センサ 1 5と、バッテリ 1 3に並列接続した無限大抵抗を有し、バッテリ 1 3の端子電圧 Vを検出する電圧センサ 1 7とを備えている。

尚、上述した電流センサ 1 5及び電圧センサ 1 7は、イダニッシヨンスィッチのオン状態によって閉回路状態となる回路上に配置されている。また、本実施形態のバッテリ状態監視装置 1は、上述した電流センサ 1 5ゃ電圧センサ 1 7の出力がインタフェース回路（以下、「 I/F」と略記する。） 2 1における AZD変換後に取り込まれるマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略記する。） 23をさらに備えている。

そして、前記マイコン 23は、 CPU 23 a、 RAM 23 b , 及ぴ、 ROM 2 3 cを有しており、このうち、 CPU23 aには、 R AM 23 b及ぴ R OM 23 cの他、前記 I ZF 2 1が接続されており、また、上述した不図示のイダ-ッションスィツチのオンオフ状態を示す信号が入力される。

前記 RAM 23 bは、各種データ記憶用のデータエリア及び各種処理作業に用いるワークエリァを有しており、前記 ROM 23 cには、 C PU 23 aに各種処理動作を行わせるための制御プログラムが格納されている。

従って、上記した放電時の各種の検出を、電流センサ 1 5や電圧センサ 1 7の出力に基づいてマイク口コンピュータ 23が行うことで、バッテリ 1 3の S O C や ADCが検出されることになる。このことから、マイクロコンピュータ 23が充電容量検出手段及び放電可能容量検出手段として働くことがわかる。

また、以上述べたように、充電容量により、バッテリに蓄えられた電気量を把握することができ、放電可能容量により、パッテリに蓄えられた充電容量のうち、実際に利用することができる容量を把握することができるので、バッテリの状態を正確に把握することができる。

このように、 SOCと ADCとを区別して監視することにより、パッテリ 1 3 が利用される機器の様々な利用方法に対して、対応可能な装置となる。

例えば、車両では、暗電流を必要とする機器（ECUなど）のパッテリバックアップには、 SOCを指標とし、スタータモータを始動し、ンジン始動に利用するには、 ADCを利用するなどが考えられる。

その他、 SOCは、充電可能な容量の検知、劣化度の推定などにも利用方法がある。 ADCは、エンジンの再始動（アイドリングストップ）、 By- Wire (ステァリング、スロットル、ブレーキなど）、走行アシストなどへの利用が考えられる。

なお、上述した実施形態では、放電時に生じる分極による端子電圧の降下分が飽和したときの内部抵抗による電圧降下分を減じて放竃可能容量を求めていたが、本発明はその場合に限らず、分極による端子電圧の降下分が飽和する前の内部抵抗による電圧降下分を減じて放電可能容量を求めるようにしてもよい。

産業上の利用可能性

以上のように、請求項 1記載の発明によれば、内部抵抗により放電時にバッテリから取り出せない容量を把握することができるので、パッテリの状態を正確に把握することができるバッテリ状態監視装置を得ることができる。

また、請求項 2記載の発明によれば、バッテリに蓄えられた充電容量のうち、実際に利用することができる容量である放電可能容量に基づいて、パッテリの状態を監視することができるので、バッテリの状態を正確に把握することができるパッテリ状態監視装置を得ることができる。

また、請求項 3記載の発明によれば、充電容量により、バッテリに蓄えられた電気量を把握することができ、放電可能容量により、パッテリに蓄えられた充電容量のうち、実際に利用することができる容量を把握することができるので、バッテリの状態を正確に把握することができるパッテリ状態監視装置を得ることができる。

また、請求項 4記載の発明によれば、パッテリに蓄えられた充電容量のうち、実際に利用することができる容量である放電可能容量を簡単に検出することができるバッテリ状態監視装置を得ることができる。

また、請求項 5記載の発明によれば、パッテリの開回路電圧及び内部抵抗による電圧降下分といったバッテリの端子電圧に基づいて放電可能容量を求める際に、劣化が生じてパッテリの充電状態一開回路電圧特性の変化分を考慮することができるので、パッテリの活物質に不活性化が生じていても、それを考慮した、より正確な放電可能容量に基づいて、バッテリの状態を監視することができるバッテリ状態監視装置を得ることができる。

また、請求項 6記載の発明によれば、第 1変化量が、放電によって減少した充電状態に相当する、新品パッテリの開回路電圧の計算上の変化量となる。一方、第 2変化量は、放電によって減少した充電状態に相当する、パッテリの開回路電圧の推定又は実測した変化量となる。そして、パッテリの電解液内で電荷の移動を司る活物質の量と水（H ₂ 0 ) の比が新品時に比べて変化し、充電状態の変化に対する開回路電圧の変化の度合いが大きくなつていると、第 1変化量と第 2変化量との比に変化が生じる。よって、第 1変化量と第 2変化量との比と、上記減じた値とに基づいて、放電可能容量を求めることにより、バッテリの活物質に不活性化を考慮した、放電可能容量が求まることになるので、バッテリの活物質に不活性化が生じていても、それを考慮した、より正確な放電可能容量に基づいて、バッテリの状態を監視することができるパッテリ状態監視装置を得ることができる。

また、請求項 7記載の発明によれば、ピーク電流における内部抵抗による電圧降下分、つまり、放電中に発生する電圧降下のうち、最も高いものを減じて放電可能容量を求めることにより、放電中に最も低くなる放電可能容量に基づいて、バッテリの状態を監視することができるので、より一層、バッテリの状態を正確に把握することができるバッテリ状態監視装置を得ることができる。

また、請求項 8記載の発明によれば、内部抵抗により放電時にパッテリから取り出せない容量を把握することができるので、パッテリの状態を正確に把握することができるパッテリ状態監視方法を得ることができる。

また、請求項 9記載の発明によれば、バッテリに蓄えられた充電容量のうち、実際に利用することができる容量である放電可能容量に基づいて、パッテリの状態を監視することができるので、パッテリの状態を正確に把握することができるバッテリ状態監視方法を得ることができる。また、請求項 1 0記載の発明によれば、充電容量により、バッテリに蓄えられた電気量を把握することができ、放電可能容量により、バッテリに蓄えられた充電容量のうち、実際に利用することができる容量を把握することができるので、バッテリの状態を正確に把握することができるバッテリ状態監視方法を得ることができる。

また、請求項 1 1記載の発明によれば、バッテリに蓄えられた充電容量のうち

、実際に利用することができる容量である放電可能容量を簡単に検出することができる放電可能容量検出方法を得ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . パッテリの状態を監視するバッテリ状態監視装置であって、前記パッテリの内部抵抗により放電できない容量を監視することを特徴とするバッテリ状態監視

2 . バッテリの状態を監視するバッテリ状態監視装置であって、前記パッテリの充電容量から、前記バッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた値に応じた放電可能容量を検出する放電可能容量検出手段を備え、前記検出した放電可能容量に基づき、前記バッテリの状態を監視することを特徴とするバッテリ状態

3 . バッテリ状態を監視するパッテリ状態監視装置であって、前記バッテリの充電容量を検出する充電容量検出手段と、前記パッテリの充電容量から、前記バッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた値に応じた放電可能容量を検出する放電可能容量検出手段とを備え、前記検出した充電容量及び放電可能容量に基づき、前記パッテリの状態を監視することを特徴とするバッテリ状態監視装置

4 . 請求項 2又は 3記載のパッテリ状態監視装置であって、前記放電可能容量検出手段は、前記パッテリの放電に応じて、前記放電開始時の開回路電圧から、放電中に.発生する前記内部抵抗による電圧降下分を減じた値に基づき、前記放電可能容量を求めることを特徴とするパッテリ状態監視装置。

5 . 請求項 4記載のパッテリ状態監視装置であって、前記放電可能容量検出手段は、劣化により生じる前記バッテリの充電状態一前記開回路電圧特性の変動分を考慮して、前記放電可能容量を求めるようにしたことを特徴とするパッテリ状態

6 . 請求項 5記載のパッテリ状態監視装置であって、前記放電可能容量検出手段は、前記パッテリが放電を行う毎に、当該放電によるパッテリの充電状態の減少に対する新品バッテリの開回路電圧の第 1変化量、及び、当該放電による充電状態の減少に対する前記バッテリの開回路電圧の第 2変化量の両変化量の比と、前曾己減じた値に基づいて、前記放電可能容量を求めるようにしたことを特徴とするバッテリ状態監視装置。

7 . 請求項 4〜6何れか 1項記載のバッテリ状態監視装置において、前記放電可能容量検出手段は、前記放電におけるピーク電流が流れたときの前記内部抵抗による電圧降下分を減じた値に基づき、前記放電可能容量を求めることを特徴とするバッテリ状態監視装置。

8 . パッテリの状態を監視するパッテリ状態監視方法であって、前記パッテリの内部抵抗により放電できない容量を、前記バッテリから取り出せない容量として監視することを特徴とするバッテリ状態監視方法。

9 . バッテリの状態を監視するバッテリ状態監視方法であって、前記バッテリの充電容量から、前記パッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた値に応じた放電可能容量に基づき、前記バッテリの状態を監視することを特徴とするバッテリ状態監視方法。 .

1 0 . バッテリの状態を監視するバッテリ状態監視方法であって、前記パッテリの充電容量、及ぴ、当該パッテリの充電容量から、前記バッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた値に応じた放電可能容量の両容量に基づき、前記バッテリの状態を監視することを特徴とするパッテリ状態監視方法。

1 1 . パッテリの放電可能容量を検出する方法であって、前記バッテリの充電容量に相当する開回路電圧から、放電中に発生する前記内部抵抗による電圧降下分を減じた値に基づき、前記放電可能容量を求めることを特徴とする放電可能容量検出方法。