(57)【要約】【課題】バッテリの寿命を長期化する。【解決手段】バッテリの状態を検出し、得られた検出結果に基づいて、そのバッテリの状態が満充電状態よりも制御誤差δだけ低い状態Ｉｄに安定化するようにオルタネータを制御する。特に２〜３年間維持する場合に、満充電を実現するように制御していた従来に比べて、バッテリの劣化の進行を抑えることができる。しかも、バッテリの状態を過放電することをも同時に防止できる。したがって、バッテリの寿命を長期化することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オルタネータの出力電圧を調整して自動車におけるバッテリの状態を管理するバッテリ状態管理装置であって、
エンジンの回転力に応じて発電を行うとともに前記バッテリへの回生電圧を調整して出力する前記オルタネータと、
前記バッテリの状態を検出し、その検出結果に基づいて、前記バッテリの状態が満充電状態よりも制御誤差だけ低い状態に安定化するように前記オルタネータを制御する電子制御ユニットと
を備えるバッテリ状態管理装置。
【請求項２】
オルタネータの出力電圧を調整して自動車におけるバッテリの状態を管理するバッテリ状態管理方法であって、
バッテリの状態を検出する第１の工程と、
前記第１の工程で得られた検出結果に基づいて、前記バッテリの状態が満充電状態よりも制御誤差だけ低い状態に安定化するようにオルタネータを制御する第２の工程と
を備えるバッテリ状態管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オルタネータの出力電圧を調整して自動車におけるバッテリの状態を管理するバッテリ状態管理装置及びバッテリ状態管理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両には、エンジンの回転力をバッテリに対する回生エネルギーに変換するためのオルタネータが備えられている。エンジンの回転中には、オルタネータにて発電が行われ、ここで発生した電力が各種電気負荷に供給されるとともに、余剰の電力によりバッテリの充電が図られる。
【０００３】
ところで、バッテリは、一般に放電を繰り返すたびに充電容量が低下していく。例えば図５に示した鉛バッテリ１において過放電が起きると、電解液３中の硫酸鉛が析出されて、負極５の表面に非晶質の硫酸鉛膜が厚く形成され、この硫酸鉛膜が結晶化してしまい、その結果、鉛バッテリ１が劣化してしまう。
【０００４】
逆に、図５に示した鉛バッテリ１において、満充電時に過度な充電（過充電）を行うと、正極９に含まれる集電極の腐食、及び活物質との界面での抵抗膜形成等が発生し、これにより鉛バッテリ１が劣化してしまう。
【０００５】
そこで、例えば特許文献１のように、所定の方法でバッテリの容量を推定し、その推定されたバッテリ容量が満充電よりも大きいか否かを比較して、この比較結果に基づいてバッテリの過充電と過放電を防止しながらバッテリ状態をほぼ満充電に維持制御する技術が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−０４２４８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来においては、バッテリの容量を推定し、その推定結果に基づいてバッテリの過充電と過放電を防止制御していたが、バッテリの容量を正確に推定して瞬時に回生電圧を変化させることは困難であり、実際には、図６のようにバッテリ状態（ＳＯＣ）にバラツキを生じながら徐々に収束させるような制御を行うことになる。したがって、あるバッテリ状態Ｉｄを実現しようとする場合には、そのバッテリ状態の値を中心としてバラツキが生じることから、現実にはバッテリの過放電と過充電を確実に防止することが困難であった。
【０００８】
ここで、あるバッテリ状態を維持する場合に、１年間維持する場合と、２年間維持する場合と、３年間維持する場合とで、バッテリの劣化の優劣が異なる。例えば図７は、バッテリ状態とバッテリの劣化度の関係について、そのバッテリ状態が１年間維持された場合、２年間、３年間のそれぞれに維持された場合との違いを示す図である。図７中の符号１３はバッテリ状態が１年間維持される場合のバッテリ状態とバッテリの劣化度との関係を示す相関曲線、符号１５はバッテリ状態が２年間維持される場合のバッテリ状態とバッテリの劣化度との関係を示す相関曲線、符号１７はバッテリ状態が３年間維持される場合のバッテリ状態とバッテリの劣化度との関係を示す相関曲線を示している。また、図７の横軸は従来においてバッテリ状態（ＳＯＣ）を制御しようとした場合の中心値（％）、同じく縦軸はバッテリの劣化度を示しており、縦軸の劣化度が低いほど、バッテリの劣化が進んでいることを意味する。
【０００９】
上述のように、図７の横軸上でバッテリ状態（ＳＯＣ）を一定のレベルに維持しようとする場合は、図６のように、その目標となるレベルＩｄを中心として、ある誤差範囲でバッテリ状態（ＳＯＣ）が変化する。したがって、従来のように、バッテリ状態（ＳＯＣ）を満充電（即ち、図７の横軸上の１００％）に維持しようとしても、実際には、図７の横軸上の１００％を中心にバラツキが生じて、頻繁に過充電の状態の状態が生じる。
【００１０】
ここで、満充電（図７の横軸上の１００％）の維持を１年間継続した場合（第１の相関曲線１３）には、図７の縦軸において高い値（約０．８０）を示し、よってバッテリの劣化はあまり進行しないことが分かる。
【００１１】
しかしながら、上述のように過充電の状態が頻発することにより、満充電（図７の横軸上の１００％）の維持を２年間または３年間継続した場合（第２の相関曲線１５及び第３の相関曲線１７）は、図７の縦軸において低い値を示し、よってバッテリの劣化がかなり進むことが分かる。
【００１２】
このことは、満充電の状態を維持するようにオルタネータの制御を行う場合、バッテリ状態に誤差が生じることにより、必ずしもバッテリの長寿命化を果たし得ないことを意味する。したがって、バッテリの寿命を可及的に長期化するようなオルタネータの制御が望まれていた。
【００１３】
そこで、本発明の課題は、バッテリの寿命を可及的に長期化し得るバッテリ状態管理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、オルタネータの出力電圧を調整して自動車におけるバッテリの状態を管理するバッテリ状態管理装置であって、エンジンの回転力に応じて発電を行うとともに前記バッテリへの回生電圧を調整して出力する前記オルタネータと、前記バッテリの状態を検出し、その検出結果に基づいて、前記バッテリの状態が満充電状態よりも制御誤差だけ低い状態に安定化するように前記オルタネータを制御する電子制御ユニットとを備えるものである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、オルタネータの出力電圧を調整して自動車におけるバッテリの状態を管理するバッテリ状態管理方法であって、バッテリの状態を検出する第１の工程と、前記第１の工程で得られた検出結果に基づいて、前記バッテリの状態が満充電状態よりも制御誤差だけ低い状態に安定化するようにオルタネータを制御する第２の工程とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１及び請求項２に記載の発明によると、バッテリの状態を安定化させる目標値としての中心値を、満充電よりも制御誤差だけ低い値に設定することで、制御誤差が生じてもバッテリの状態を満充電以下の所定の範囲に収めることができる。したがって、バッテリの寿命を長期化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜原理＞
図１は本発明の一の実施形態におけるバッテリ状態の変化を示す図である。この発明は、図１の如く、バッテリ状態について、満充電より低く、且つ過放電よりも大きい所定の状態値が中心となるようにオルタネータを制御することで、過充電及び過放電を共に防止し、バッテリの寿命を可及的に長期化するものである。尚、バッテリ状態（ＳＯＣ）の検出はバッテリの開放電圧や満充電のタイミングを基準とし、例えば充放電電流の積算値からＳＯＣを得ることができる。
【００１８】
具体的には、バッテリの残容量検知及びこの検知結果に基づくオルタネータのフィードバック制御を行うことで、バッテリの満充電の状態を１００％とした場合に、そのバッテリ状態の最大値が１００％以下に収まるようにする。例えば、オルタネータの制御において±５．５％の制御誤差δが生じる場合は、バッテリ状態を安定化させる目標値としての中心値Ｉｄとして、９４．５％（＝１００％−５．５％）に安定化するように、オルタネータの制御を行う。そうすれば、バッテリ状態が最小値＝８９％（９４．５％−５．５％）と最大値＝１００％（９４．５％＋５．５％）の範囲内に収まり、バッテリ状態として過充電と過放電の両方を防止できる。
【００１９】
このように、バッテリ状態の中心値Ｉｄを満充電の状態（１００％）よりも小さく設定することで、バッテリ状態を８９〜１００％の範囲内に収めることができ、図２の如く、バッテリ２１の正極２３の表面に、充放電が可能な非晶質の硫酸鉛（ＰｂＳＯ4）膜２５が形成される。これにより、正極２３での硫酸による腐食を防止できる。
【００２０】
また、バッテリ２１の負極２７においては、バッテリ状態を８９〜１００％の範囲内に収めることで、平均的に若干の放電状態に維持することができ、これにより、負極２７の表面に形成される非晶質の硫酸鉛（ＰｂＳＯ4）膜２９の厚みは、過放電のときに比べて薄く維持される。過放電の場合には、負極２７の表面に形成される非晶質の硫酸鉛膜が厚くなり、これが硫酸鉛の結晶化の原因となっていたのに対して、この実施形態によると、負極２７の表面に形成される硫酸鉛膜２９の厚みが薄く維持されるため、これが粗大結晶粒に成長するのを防止できる。
【００２１】
＜構成＞
図３は本発明の一の実施形態に係るバッテリ状態管理装置を示すブロック図である。このバッテリ状態管理装置は、図３の如く、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１でバッテリ状態を検出しながらオルタネータ３３の制御を行うものである。
【００２２】
ここで、オルタネータ３３は、図３の如く、エンジン３４の回転力を電気エネルギーに変換する発電機３３ａと、この発電機３３ａからの出力電圧を制御するレギュレータ３３ｂとを備える。レギュレータ３３ｂは、電子制御ユニット３１の制御により回生電圧が調整される。尚、レギュレータ３３ｂの内部には上記の温度センサー３３ｃが設置されており、この温度センサー３３ｃでの温度検出結果に基づいて、バッテリ３５に供給する回生電圧を自律的に調整するようになっている。
【００２３】
電子制御ユニット３１は、バッテリ３５の出力電圧、バッテリ３５に対する回生電流及びバッテリ３５の温度が入力されるアナログ処理部４１と、このアナログ処理部４１から与えられた信号に応じて所定の演算処理を行う演算処理部４３と、この演算処理部４３での演算処理結果をアナログ信号に変換してオルタネータ３３のレギュレータ３３ｂを制御する変換部４５とを備える。
【００２４】
アナログ処理部４１は、複数の接続端子を有しており、各接続端子は、バッテリ３５とオルタネータ３３との接続経路と、バッテリ３５とオルタネータ３３との接続経路に流れる電流を計測するための電流センサ５１と、バッテリ３５の温度を検出する温度センサ５３とに個別に接続され、バッテリ３５とオルタネータ３３との接続経路からはバッテリ３５の出力電圧の値が、電流センサ５１からはバッテリ３５に対する回生電流の値が、温度センサ５３からはバッテリ３５の温度の値が各接続端子にそれぞれ入力される。そして、アナログ処理部４１は、これらの各接続端子で得られた情報を量子化してディジタル信号に変換し、このディジタル信号を演算処理部４３に出力する。
【００２５】
演算処理部４３は、フラッシュＲＯＭ等の不揮発性記憶装置及びＲＡＭ等が接続された一般的なコンピュータのＣＰＵ（マイクプロセッサ）内において所定のソフトウェアプログラムによって動作する機能部品である。演算処理部４３の不揮発性記憶装置内には、バッテリ３５の出力電圧の値、バッテリ３５に対する回生電流の値、及びバッテリ３５の温度といった複数のパラメータと、バッテリ状態として適正な中心値（図１に示した中心値Ｉｄ）との相関関係を示すデータが、データテーブルまたは関数式の形式で予め格納されている。かかる相関関係は、事前の実験またはシミュレーション等によって予め決定付けられているが、バッテリ状態として適正な中心値Ｉｄは、満充電の状態（１００％）から制御誤差δを差し引いた値が設定される。尚、この制御誤差δも、事前の実験またはシミュレーション等によって予め決定付けられている。そして、演算処理部４３のＣＰＵは、アナログ処理部４１から与えられたディジタル信号に基づいて、バッテリ状態として中心値Ｉｄを中心としたフィードバック制御を実現するように、レギュレータ３３ｂを制御するためのデータを演算し、その演算結果を変換部４５に出力する。
【００２６】
変換部４５は、演算処理部４３での演算結果を電圧変換してオルタネータ３３内のレギュレータ３３ｂに出力し、レギュレータ３３ｂにＰＷＭ信号を与えるなどして、当該レギュレータ３３ｂからの出力電圧として最適な充電電圧を実現するよう制御するものである。
【００２７】
＜全体の所定動作＞
このバッテリ状態管理装置の全体的な処理動作について、図４を参照して説明する。電子制御ユニット３１は、ステップＳ１でイグニッションスイッチ（以下、「ＩＧスイッチ」という）がオンされるのに伴って、ステップＳ２で初期充電残量の検出動作を行う。この検出動作では、バッテリ３５の開放電圧（実質的に放電が行われていない出力電圧）が測定され、その開放電圧の測定値に基づいてバッテリ３５のエンジン始動前の充電残量（初期充電残量）が検出される。
【００２８】
電子制御ユニット３１は、続くステップＳ３でスタータが駆動されてエンジン３４が始動されるのに伴って、ステップＳ４でエンジン始動時劣化判定動作を行う。この始動時劣化判定動作はエンジン始動時にバッテリ３５の劣化度を判定するものである。
【００２９】
また、電子制御ユニット３１は、続くステップＳ５でエンジン始動後劣化判定動作を行う。この始動後劣化判定動作では、エンジン始動後の充電により満充電（又はそれに近い状態）になったバッテリ３５への電流流入状況を電流センサ５１を介して検出し、その電流流入状況に基づいてバッテリ３５の劣化度が判定される。
【００３０】
また、電子制御ユニット３１は、続くステップＳ６でバッテリ３５に対する充電制御（バッテリ３５の充電残量管理）を行う。
【００３１】
このステップＳ５，Ｓ６のエンジン始動後劣化判定動作及び充電制御は、エンジンが停止されるまで繰り返し継続される。
【００３２】
＜充電制御動作＞
ここでは、ステップＳ６の充電制御動作を詳述する。この充電制御において、まず電子制御ユニット３１のアナログ処理部４１には、バッテリ３５とオルタネータ３３との接続経路からバッテリ３５の出力電圧の値が入力され、電流センサ５１からバッテリ３５に対する回生電流の値が入力され、温度センサ５３からバッテリ３５の温度の値が入力される。そして、アナログ処理部４１は、これらの各接続端子で得られた情報を量子化してディジタル信号に変換し、このディジタル信号を演算処理部４３に出力する。
【００３３】
演算処理部４３のＣＰＵは、アナログ処理部４１から与えられたディジタル信号に基づいて、バッテリ状態として中心値Ｉｄを中心としたフィードバック制御を実現するように、レギュレータ３３ｂを制御するためのデータを演算し、その演算結果を変換部４５に出力する。かかる中心値Ｉｄは、満充電の状態（１００％）から制御誤差δを差し引いた値が予め設定されている。
【００３４】
変換部４５は、演算処理部４３での演算結果を電圧変換してオルタネータ３３内のレギュレータ３３ｂに出力し、レギュレータ３３ｂにＰＷＭ信号を与えるなどして、当該レギュレータ３３ｂからの出力電圧として最適な充電電圧を実現するよう制御する。
【００３５】
この際、バッテリ状態として中心値Ｉｄを中心としたフィードバック制御を実現するようにしているので、この中心値Ｉｄを中心として制御誤差δが生じても、バッテリ３５の満充電の状態を１００％とした場合に、そのバッテリ状態の最大値が１００％以下に収まるようになる。
【００３６】
例えば、オルタネータの制御において±５．５％の制御誤差δが生じる場合は、バッテリ状態の中心値Ｉｄとして９４．５％（＝１００％−５．５％）に安定化するようにオルタネータの制御を行う。これにより、バッテリ状態が最小値＝８９％（９４．５％−５．５％）と最大値＝１００％（９４．５％＋５．５％）の範囲内に収まり、バッテリ状態として過充電と過放電の両方を防止できる。
【００３７】
したがって、図２の如く、正極２３の表面に非晶質の硫酸鉛膜２５が形成されることで、この正極２３での硫酸による集電極等の腐食を防止できるとともに、負極２７の表面に形成される非晶質の硫酸鉛膜２９の厚みが薄く維持されるため、これが粗大結晶粒に成長するのを防止できる。
【００３８】
このように、図７において、バッテリ状態の中心値Ｉｄを満充電よりも低いＩｄ１に設定することで、制御誤差δが生じてもバッテリ状態を満充電以下の所定の範囲Ａｒに収めることができ、その結果、かかる状態を１年間維持することでバッテリ３５の劣化度を約０．７に、２年間維持した場合にバッテリ３５の劣化度を約０．５７に、３年間維持した場合にバッテリ３５の劣化度を約０．４２に抑えることができ、特に２〜３年間維持する場合に、満充電を実現するように制御していた従来に比べて、バッテリ３５の劣化の進行を抑えることができる。しかも、バッテリ３５の状態を過放電することをも同時に防止できる。したがって、バッテリの寿命を長期化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一の実施形態に係るバッテリ状態管理動作を示す図である。
【図２】バッテリを示す模式図である。
【図３】本発明の一の実施形態に係るバッテリ状態管理装置を示すブロック図である。
【図４】バッテリ状態管理装置の全体的な処理動作を示すフローチャートである。
【図５】バッテリを示す模式図である。
【図６】フィードバック制御におけるバッテリ状態の変化を示す図である。
【図７】バッテリ状態と劣化度との相関を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
２１  バッテリ
２３  正極
２５，２９  硫酸鉛膜
２７  負極
３１  電子制御ユニット
３３  オルタネータ
３３ａ  発電機
３３ｂ  レギュレータ
３３ｃ  温度センサー
３４  エンジン
３５  バッテリ
４１  アナログ処理部
４３  演算処理部
４５  変換部
５１  電流センサ
５３  温度センサ
Ｉｄ  中心値
δ  制御誤差
【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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