(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの端子電圧と拡散分極及び成層化分極の影響とに基づいて残容量を検出する第１残容量検出工程と、
バッテリに出入りする充放電電流を積算することにより残容量を検出する第２残容量検出工程と、
前記第１残容量検出工程で検出した残容量の誤差と前記第２残容量検出工程で検出した残容量の誤差を演算する誤差演算工程と、
該演算工程で演算した誤差を比較し、誤差が小さい方の残容量検出工程で検出した残容量を前記バッテリの残容量と判定する残容量判定工程と、
を有することを特徴とするバッテリの残容量検出方法。
【請求項２】
前記誤差演算工程では、前記第１残容量検出工程で検出した残容量の誤差は、拡散分極と成層化分極の大きさに基づいて演算し、前記第２残容量検出工程で検出した残容量の誤差は、充放電電流の積算時間に基づいて演算することを特徴とする請求項１に記載のバッテリの残容量検出方法。
【請求項３】
前記誤差演算工程で、前記第１残容量検出工程で検出した残容量の誤差を拡散分極と成層化分極の大きさに基づいて演算するときは、それらの大きさが大きいほど誤差が大きくなるように演算し、前記第２残容量検出工程で検出した残容量の誤差を充放電電流の積算時間に基づいて演算するときは、積算時間が長いほど誤差が大きくなるように演算することを特徴とする請求項２に記載のバッテリの残容量検出方法。
【請求項４】
前記第１残容量検出工程では、バッテリの端子電圧と拡散分極及び成層化分極の影響とに基づいて残容量を検出するときに、拡散分極及び成層化分極の影響は、充放電電流と充放電時間とに基づいて検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のバッテリの残容量検出方法。
【請求項５】
バッテリの端子電圧と拡散分極及び成層化分極の影響とに基づいて残容量を検出する第１残容量検出手段と、
バッテリに出入りする充放電電流を積算することにより残容量を検出する第２残容量検出手段と、
前記第１残容量検出手段で検出した残容量の誤差と前記第２残容量検出手段で検出した残容量の誤差を演算する誤差演算手段と、
該演算手段で演算した誤差を比較し、誤差が小さい方の残容量検出手段で検出した残容量を前記バッテリの残容量と判定する残容量判定手段と、
を有することを特徴とするバッテリの残容量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバッテリの残容量検出方法及び検出装置に関し、例えばバッテリが搭載される車両の電気系統制御技術等の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
一般に車両には、エンジンの始動用或いは各種電装品の作動用として電力を供給するバッテリが搭載されるが、必用な箇所へ必用な電力を確実に供給するためには、バッテリの残容量を常に把握しておく必要がある。
【０００３】
特に、近年実用化されているアイドルストップ制御を行う車両の場合は、信号等で停車し、エンジンを停止させた後、次に発進するときに、該エンジンを確実かつ速やかに始動させることが重要であり、そのためにはバッテリの残容量を常に正しく把握し、残容量不足による発進不良等を未然に回避するようにしなければならない。そこで、バッテリの残容量を推定する種々の技術が提案されており、例えば特許文献１、２には、次のような技術が開示されている。
【０００４】
即ち、特許文献１には、バッテリの残容量はその起電力に対応することを利用し、この起電力を端子電圧と電解液の分極による影響とに基づいて算出することにより残容量を検出する方法（以下「ＯＣＶ法」という）が開示されている。また、特許文献２には、前回検出時の残容量に、その後の充放電電流を時間で積分した値を加減算することにより、現在の残容量を検出する方法（以下「積算法」という）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６４９６２号公報
【特許文献２】特開平０６−３４２０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記のいずれの検出方法においても、実際の残容量に対する検出値の誤差が発生することを回避することはできず、この誤差による精度の低下を如何に抑制するか、という課題がある。
【０００７】
具体的には、ＯＣＶ法の場合は、充放電による電解液の拡散分極と成層化分極の影響を所定の関係式に基づいて算出し、これらの分極による電圧と測定された端子電圧とから起電力を求めることになるが、前記分極電圧の算出値は必ずしも実際の値に一致しているとは限らず、そのため、分極電圧が大きくなる充放電直後は、得られた起電力、即ちバッテリの残容量の検出値に誤差が発生するのである。
【０００８】
また、積算法の場合は、残容量の値をリセットした時点からの充放電電流を時間の経過に従って積算していくので、積算時間が長くなるに従って実際の値に対する検出値の誤差が増大する。
【０００９】
そこで、本発明は、例えばアイドルストップ制御を行なう車両に搭載されてエンジンに始動用の電力を供給するバッテリ等において、その残容量の検出を、誤差の影響を極力抑制することにより、精度よく行うことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明に係るバッテリの残容量検出方法及び検出装置は、次のように構成したことを特徴とする。
【００１１】
まず、本願の請求項１に記載の発明は、バッテリの残容量検出方法に関するもので、バッテリの端子電圧と拡散分極及び成層化分極の影響とに基づいて残容量を検出する第１残容量検出工程と、バッテリに出入りする充放電電流を積算することにより残容量を検出する第２残容量検出工程と、前記第１残容量検出工程で検出した残容量の誤差と前記第２残容量検出工程で検出した残容量の誤差を演算する誤差演算工程と、該演算工程で演算した誤差を比較し、誤差が小さい方の残容量検出工程で検出した残容量を前記バッテリの残容量と判定する残容量判定工程と有することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のバッテリの残容量検出方法において、前記誤差演算工程では、前記第１残容量検出工程で検出した残容量の誤差は、拡散分極と成層化分極の大きさに基づいて演算し、前記第２残容量検出工程で検出した残容量の誤差は、充放電電流の積算時間に基づいて演算することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、前記請求項２に記載のバッテリの残容量検出方法において、前記誤差演算工程で、前記第１残容量検出工程で検出した残容量の誤差を拡散分極と成層化分極の大きさに基づいて演算するときは、それらの大きさが大きいほど誤差が大きくなるように演算し、前記第２残容量検出工程で検出した残容量の誤差を充放電電流の積算時間に基づいて演算するときは、積算時間が長いほど誤差が大きくなるように演算することを特徴とする。
【００１５】
さらに、請求項４に記載の発明は、前記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のバッテリの残容量検出方法において、前記第１残容量検出工程では、バッテリの端子電圧と拡散分極及び成層化分極の影響とに基づいて残容量を検出するときに、拡散分極及び成層化分極の影響は、充放電電流と充放電時間とに基づいて検出することを特徴とする。
【００１６】
一方、請求項５に記載の発明は、バッテリの残容量検出装置に関するもので、バッテリの端子電圧と拡散分極及び成層化分極の影響とに基づいて残容量を検出する第１残容量検出手段と、バッテリに出入りする充放電電流を積算することにより残容量を検出する第２残容量検出手段と、前記第１残容量検出手段で検出した残容量の誤差と前記第２残容量検出手段で検出した残容量の誤差を演算する誤差演算手段と、該演算手段で演算した誤差を比較し、誤差が小さい方の残容量検出手段で検出した残容量を前記バッテリの残容量と判定する残容量判定手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
以上の構成により、本願各請求項の発明によれば、次の効果が得られる。
【００１９】
まず、請求項１に記載の発明によれば、バッテリの残容量を検出するに際し、第１残容量検出工程による方法、即ち、端子電圧と拡散分極及び成層化分極の影響とに基づいて残容量を検出するＯＣＶ法と、第２残容量検出工程による方法、即ち、バッテリに出入りする充放電電流を積算することにより残容量を検出する積算法との両検出方法で検出すると共に、両検出方法で検出した際に生じる誤差を所定の方法で演算し、その誤差が小さい方の検出方法で検出した残容量を当該バッテリの残容量として判定するので、いずれか一方の検出方法だけで検出する場合に比較して、バッテリの残容量がより正しく検出されることになる。
【００２０】
その場合に、請求項２に記載の発明によれば、ＯＣＶ法による残容量検出時の誤差は、バッテリの拡散分極と成層化分極の大きさに基づいて演算し、積算法による残容量検出時の誤差は、充放電電流の積算時間に基づいて演算し、さらに、請求項３に記載の発明によれば、ＯＣＶ法による残容量検出時の誤差の演算は、拡散分極及び成層化分極の大きさが大きいほど誤差が大きくなるように行い、積算法による残容量検出時の誤差の演算は、積算時間が長いほど誤差が大きくなるように行うので、両検出方法によるの誤差の大きさが具体的に求められて、いずれの方法で検出した値をバッテリの残容量とするかを判定するときに、適正に判定されることになる。
【００２４】
そして、請求項４に記載の発明によれば、上記各請求項の発明において、ＯＣＶ法により、バッテリの端子電圧と拡散分極及び成層化分極の影響とに基づいて残容量を検出するときに、拡散分極及び成層化分極の影響は、充放電電流と充放電時間とに基づいて検出するので、該拡散分極及び成層化分極の影響、ひいてはＯＣＶ法による残容量の検出が精度よく行われることになる。
【００２５】
さらに、請求項５に記載の発明によれば、バッテリの残容量検出装置において、前記請求項１に記載の発明に係る検出方法が実施されて、その検出方法についての前記効果と同様の効果が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るバッテリの充放電系統の概略図である。
【図２】バッテリの残容量検出装置の制御システム図である。
【図３】バッテリの分極現象の説明図である。
【図４】分極電圧の変化を示す特性図である。
【図５】ＯＣＶ法による誤差の特性図である。
【図６】積算法による誤差の特性図である。
【図７】残容量検出制御の第１制御例を示すフローチャートである。
【図８】同、第２制御例を示すフローチャートである。
【図９】同、第３制御例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明に係るバッテリの残容量検出装置の実施形態を構成すると同時に、その動作は、本発明に係るバッテリの残容量検出方法の実施形態を構成する。
【００２８】
図１は、本実施形態におけるバッテリの充放電回路を示すもので、バッテリ１のプラス側の出力端子１ａには、発電機としてのオルタネータ２と、各種の電気負荷３…３と、エンジン始動用のスタータ４とが接続されており、マイナス側の出力端子１ｂには、一端がグラウンドされたアース回路５が接続されている。また、前記プラス側端子１ａとグラウンドとの間には、端子電圧を測定する電圧センサ６が接続され、前記アース回路５には、充放電電流を測定する電流センサ７が設置されている。
【００２９】
図２は、前記バッテリ１を搭載した車両のアイドルストップ制御を含むエンジンの制御システムを示すもので、このシステムは、エンジン制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）１０を有し、このＥＣＵ１０に、イグニッションスイッチ１１からの信号、アクセル開度センサ１２からの信号、ブレーキスイッチ１３からの信号、車速センサ１４からの信号、エンジン回転数センサ１５からの信号等が入力されるようになっている。
【００３０】
また、このシステムには、バッテリ１の残容量（以下「ＳＯＣ」という）を検出するＳＯＣ検出ユニット２０が備えられており、該ユニット２０に、前記電圧センサ６からのバッテリ１の端子電圧を示す信号と、電流センサ７からの充放電電流を示す信号とが入力され、さらに、前記ＥＣＵ１０を経由して、イグニッションスイッチ１１のＯＮ、ＯＦＦ信号が入力され、これらの信号に基づき、バッテリ１の残容量を検出するようになっている。
【００３１】
そして、該ＳＯＣ検出ユニット２０で検出した結果を示す信号が前記ＥＣＵ１０に送信され、該ＥＣＵ１０は、このＳＯＣを示す信号と上記各センサ及びスイッチ１１〜１５からの信号とに基づき、エンジンのアイドルストップ制御を行うようになっている。
【００３２】
ここで、このアイドルストップ制御の概略を説明すると、ＥＣＵ１０は、前記各信号に基づき、イグニッションスイッチがＯＮの状態で、アクセルペダルが離され、ブレーキペダルが踏み込まれ、車速が所定車速より低下し、エンジン回転数が所定回転数より低下し、かつ、バッテリ１のＳＯＣが所定量以上であることを検出したときに、エンジンを自動停止させるようになっている。
【００３３】
次に、前記ＳＯＣ検出ユニット２０によるバッテリ１のＳＯＣ検出制御について説明する。
【００３４】
まず、この制御で用いられるＯＣＶ法について説明すると、このＯＣＶ法では、測定可能なバッテリの端子電圧と、所定の演算式で求めれられるバッテリの状況に応じた分極の影響とを考慮して、所定の演算を行うことにより起電力を算出する。
【００３５】
つまり、図３に示すように、放電、充電が比較的長時間行われず、バッテリにおける正負の電極間の電解液が均一な状態にあるとき、即ち平衡状態にあるときは、起電力と端子電圧とは一致するが、充電直後や放電直後は、電解液の濃度が電極の対向方向に沿って不均一になる拡散分極と、上下方向に不均一になる成層化分極とが発生し、その影響で、端子電圧が起電力に一致しなくなる。
【００３６】
具体的には、充電直後の場合は、拡散分極は電解液が両側の電極の近くで濃く、両電極の中間部で薄くなるように発生し、成層化分極は下方が濃く、上方が薄くなるように発生し、この場合、端子電圧と起電力との差（端子電圧−起電力）のうち、拡散分極の影響による差（拡散分極電圧：ＥＰ１）、及び成層化分極の影響による差（成層化分極電圧：ＥＰ２）は、いずれも、起電力に対して端子電圧が高くなる方向に発生する。
【００３７】
また、放電直後の場合は、拡散分極は電解液が両側の電極の近くで薄く、両電極の中間部で濃くなるように発生し、これにより拡散分極電圧ＥＰ１は、起電力に対して端子電圧が低くなる方向に発生する。なお、放電直後の場合は、成層化分極は明確に発生せず、その影響を無視される。
【００３８】
上記拡散分極電圧ＥＰ１及び成層化分極電圧ＥＰ２は、充放電電流の大きさと充放電開始時からの経過時間との関数として、次式（i）、（ii）で与えられる。即ち、充放電電流をＩ、充放電時間をＴとすれば、
ＥＰ１＝Ｆ１（Ｉ，Ｔ）−Ｆ１’（Ｔ）  …（i）
ＥＰ２＝Ｆ２（Ｉ，Ｔ）−Ｆ２’（Ｔ）  …（ii）
で示される。
【００３９】
ここで、これらの式（i）、（ii）の第１項は充放電による分極の大きさを示し、第２項は時間経過に伴う分極の減衰量を示すもので、これらの式は、充放電電流Ｉ、充放電時間Ｔが大きいほど分極電圧が高くなること、充放電が終了すれば第１項の値がゼロとなり、その後、第２項によって分極電圧が次第にゼロに近づくことを示すものである。
【００４０】
つまり、図４に示すように、拡散分極電圧ＥＰ１及び成層化分極電圧ＥＰ２は、充放電によって濃度の分布が不均一になった電解液が充放電終了後の時間の経過により均一になるに従って次第に減少し、最終的にバッテリが平衡状態となった時点で消滅し、この時点で端子電圧と起電力とが一致する。
【００４１】
そして、この拡散分極電圧ＥＰ１及び成層化分極電圧ＥＰ２とを用いれば、測定した端子電圧から、次式により、起電力を算出することができ、この起電力に対応するＳＯＣが求められることになる。
起電力＝端子電圧−ＥＰ１−ＥＰ２  …（iii）
【００４２】
ＯＶＣ法は、以上のような理論に基づいて、ＳＯＣを求めるものであるが、上記式（i）、（ii）は理論的には分極電圧ＥＰ１、ＥＰ２を正しく示しても、実際には、これらの式で算出した通りの値とはならず、式（iii）で求められた起電力の値、換言すれば検出されたＳＯＣの値が実際の値に対して誤差を含むことになる。その場合に、その誤差は、図５に示すように、拡散分極電圧ＥＰ１の絶対値と成層化分極電圧ＥＰ２の絶対値の和に応じて大きくなることが確認されている。
【００４３】
一方、積算法は、前回検出したＳＯＣの値に、その後の充放電電流を時間で積分した値を加減算することにより、現時点のＳＯＣを求める方法であるから、図６に示すように、時間の経過と共に次第に誤差が増大するという特性がある。
【００４４】
したがって、その誤差が正しく算出できれば、いずれの検出方法によっても、得られたＳＯＣに誤差を加減算することにより、ＳＯＣを正しく求めることができることになるが、実際には、図５、図６に示す特性に基づいて誤差を正確に計算することができないのが実情である。
【００４５】
そこで、前記ＳＯＣ検出ユニット２０は、ＯＣＶ法と積算法の上記のような特性を考慮し、両方法を適切に使い分けることにより、ＳＯＣの高い検出精度を実現するのであり、以下、このＳＯＣ検出ユニット２０によるＳＯＣ検出制御について説明する。
【００４６】
図７に示すフローチャートは検出制御の第１制御例を示すもので、この制御例では、まず、ステップＳ１で、バッテリ１がリセットされた直後か否かを判定する。ここで、リセットとは、バッテリが始めて使用されたときなどで、ＳＯＣが既知である状態をいう。そして、この場合は、ステップＳ２で、既知のＳＯＣをその初期値にセットする。
【００４７】
リセット直後でなければ、ステップＳ３で、イグニッションスイッチ１１からの信号に基づき、該スイッチ１１がＯＮかＯＦＦかを判定する。そして、ＯＮと判定されたときには、ステップＳ４で積算法を実施してＳＯＣを検出し、ステップＳ５で、検出した値をバッテリ１のＳＯＣとして採用する。
【００４８】
つまり、イグニッションスイッチがＯＮの状態では、充放電が比較的頻繁に行なわれ、その都度、大きな拡散分極電圧ＥＰ１及び成層化分極電圧ＥＰ２が発生し、これらの大きさに応じた誤差が発生するので、ＯＣＶ法によって検出したＳＯＣは相対的に大きな誤差を含むと考えられる。そこで、この場合は、相対的に誤差が小さいと考えられる積算法で検出した値をバッテリ１のＳＯＣとして採用するのである。
【００４９】
一方、上記ステップＳ３で、イグニッションスイッチ１１がＯＦＦと判定されたときは、次にステップＳ６、Ｓ７で、ＯＣＶ法及び積算法の両検出方法を実施し、それぞれの方法でＳＯＣを検出する。そして、ステップＳ８で、両検出方法によって得られたＳＯＣの誤差を演算する。
【００５０】
即ち、ＯＣＶ法において、前記式（i）、（ii）で求めた拡散分極電圧ＥＰ１と成層化分極電圧ＥＰ２とに基づき、図５に示す特性に従って誤差を演算し、また、積算法において、リセット時からの積算時間に基づき、図６に示す特性に従って誤差を演算する。そして、ステップＳ９で、両方法による誤差の大きさを比較し、ＯＣＶ法による誤差が積算法による誤差よりも大きいときは、前記ステップＳ５で、積算法で得られた値をバッテリ１のＳＯＣとして採用する。
【００５１】
これに対し、ＯＣＶ法による誤差が積算法による誤差よりも小さいときは、ステップＳ１０で、ＯＣＶ法で得られた値をバッテリ１のＳＯＣとして採用する。つまり、イグニッションスイッチ１１がＯＦＦで、充放電が行なわれておらず、拡散分極電圧ＥＰ１及び成層化分極電圧ＥＰ２が次第に小さくなり、これに伴い、誤差が積算法による誤差よりも小さくなっているときは、ＯＣＶ法によって検出した値をバッテリ１のＳＯＣとして採用するのである。
【００５２】
このように、イグニッションスイッチ１１のＯＮ、ＯＦＦに応じて、ＯＣＶ法で得られるＳＯＣと積算法で得られるＳＯＣとが選択され、精度が高くなる方の値が採用されることになり、その結果、いずれか一方の検出方法のみでバッテリ１のＳＯＣを検出する場合より、該ＳＯＣを精度よく検出することが可能となる。
【００５３】
なお、以上の制御例では、ＯＣＶ法で得られるＳＯＣと積算法で得られるＳＯＣとの使い分けを、イグニッションスイッチ１１のＯＮ、ＯＦＦと、両法による誤差の大きさの二つの基準に基づいて行なうようにしたが、いずれか一方の基準のみで使い分けるようにしてもよい。
【００５４】
即ち、図８にフローチャートを示す第２制御例では、ステップＳ１１、Ｓ１２で、バッテリ１がリセットされた直後にＳＯＣの値を初期値にセットした後、ステップＳ１３で、イグニッションスイッチ１１がＯＮかＯＦＦかを判定する。そして、ＯＮと判定されたときは、ステップＳ１４で、積算法によってＳＯＣを検出し、ステップＳ１５で、検出した値をバッテリ１のＳＯＣとして採用する。
【００５５】
一方、上記ステップＳ１３で、イグニッションスイッチ１１がＯＦＦと判定されたときは、ステップＳ１６で、ＯＶＣ法によってＳＯＣを検出し、ステップＳ１７で、検出した値をバッテリ１のＳＯＣとして採用する。
【００５６】
つまり、この制御例は、イグニッションスイッチがＯＮかＯＦＦかによってＯＣＶ法と積算法とを使い分けるもので、これによれば、それぞれの場合に、相対的に精度が高いと考えられる値が採用されることになり、いずれか一方の検出方法のみで検出する場合に比較して、バッテリ１のＳＯＣを精度よく検出することが可能となる。
【００５７】
また、図９にフローチャートを示す第３制御例では、ステップＳ２１、Ｓ２２で、バッテリ１がリセットされた直後にＳＯＣの値を初期値にセットした後、ステップＳ２３、２４で、ＯＣＶ法及び積算法の両方を実施し、それぞれの方法でＳＯＣを検出する。そして、ステップＳ２５で、図７の第１制御例と同様にして、両検出方法によって得られたＳＯＣの誤差を演算し、ステップＳ２６で、両方法による誤差の大きさを比較する。
【００５８】
その結果、ＯＣＶ法による誤差が積算法による誤差よりも大きいときは、ステップＳ２７で、積算法で得られた値をバッテリ１のＳＯＣとして採用し、ＯＣＶ法による誤差が積算法による誤差よりも小さいときは、ステップＳ２８で、ＯＣＶ法で得られた値をバッテリ１のＳＯＣとして採用する。
【００５９】
つまり、この制御例は、ＯＣＶ法と積算法でそれぞれ得られたＳＯＣの誤差の大きさに応じて両検出方法を使い分けるもので、これによれば、誤差が小さい方の検出方法で得られた値を採用することにより、バッテリ１のＳＯＣを精度よく検出することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明によれば、バッテリの残容量が精度よく検出されることになるので、例えばアイドルストップ制御を行なう車両に搭載されるエンジンに始動用の電力を供給するバッテリ等として好適に利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００６１】
１    バッテリ
６    電圧センサ
７    電流センサ
１１  イグニッションスイッチ
２０  ＳＯＣ検出ユニット（第１、第２残容量検出手段、誤差演算手段、残容量判定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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