(57)【要約】【課題】  ゴルフカー等の電動車両の電源として用いられ、放電時の電流量が常時変化するバッテリにおいて、劣化判別専用のセンサ等の部品を要することなく、既存の部品を利用してバッテリの劣化を判断できる劣化判定システムを提供する。【解決手段】  バッテリを電源として、ＣＰＵにより制御される分巻きモータを駆動源とし、分巻きモータの電機子コイルおよび界磁コイルのそれぞれに電流センサを備えた電動車両において、電流センサの検出値に基づいてバッテリの内部抵抗に応じたバッテリの劣化を判定する。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリを電源として、ＣＰＵにより制御される分巻きモータを駆動源とし、該分巻きモータの電機子コイルおよび界磁コイルのそれぞれに電流センサを備えた電動車両において、前記電流センサの検出値に基づいて前記バッテリの内部抵抗に応じたバッテリの劣化を判定することを特徴とする電動車両用バッテリの劣化判定システム。
【請求項２】
バッテリの電流−電圧特性に基づく内部抵抗に応じた劣化判定マップを予め作成し、前記電流センサの検出値に基づいて前記マップによりバッテリの劣化を判定することを特徴とする請求項１に記載の電動車両用バッテリの劣化判定システム。
【請求項３】
前記電流センサの検出値から、バッテリ電流Ｉｂを
Ｉｂ＝Ｉａ＊Ｄａ＊η＋Ｉｆ＊Ｄｆ＊η
ただし、Ｉａ：モータ電流（電機子側）
Ｄａ：デューティ比（電機子側）
η：効率
Ｉｆ：モータ電流（界磁側）
Ｄｆ：デューティ比（界磁側）
により算出し、このバッテリ電流Ｉｂに基づいて、前記マップによりバッテリの劣化を判定することを特徴とする請求項２に記載の電動車両用バッテリの劣化判定システム。
【請求項４】
前記マップによる劣化状態が所定時間以上継続したときに、バッテリが劣化したと判定することを特徴とする請求項２に記載の電動車両用バッテリの劣化判定システム。
【請求項５】
バッテリが劣化したことをユーザに警告するための警告手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動車両用バッテリの劣化判定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリを電源として分巻きモータにより駆動するゴルフカー等の電動車両において、バッテリの劣化状態を判定する劣化判定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、特許文献１に示すように、ゴルフカー等の電動車両において、バッテリを電源とし、その電源に、電機子コイルと界磁コイルとを有する直流分巻き式のモータが駆動装置として接続されたものが知られている。
【０００３】
このような電動車両を繰り返し使用し、バッテリの放電および充電を繰り返すと、バッテリは徐々に劣化する。バッテリが劣化すると、内部抵抗値が徐々に高くなり、バッテリ電圧が低下する。バッテリ電圧が低下すると、所定の出力を保つことができず、アクセルを踏み込んでも十分な加速が得られない等、電動車両の性能を十分に発揮することができない。
【０００４】
従って、バッテリが劣化して所定の出力を保持できなくなる前に、バッテリを交換する必要がある。
【０００５】
ところが、従来は、バッテリの劣化状態を判定するシステムが存在しないため、一定期間バッテリを使用した後、無条件に交換していた。
【０００６】
しかしながら、電動車両においては、アクセル開度に応じてバッテリの放電電流値が変動し、これに伴ってバッテリ電圧値が常時変化しているため、バッテリの使用条件が均一ではない。そして、使用条件が異なると、バッテリの劣化速度が異なる。従って、一定期間毎に無条件にバッテリを交換すると、一定期間を過ぎてもそれほど劣化していないバッテリの場合には、無駄な交換となってしまう。また、過酷な条件で使用されたバッテリの場合には、所定の期間が経過する前に劣化することがあり、十分な出力を保持できない状態で使用しなければならない。
【特許文献１】特開平１０−３０９００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来技術を考慮してなされたものであり、ゴルフカー等の電動車両の電源として用いられ、放電時の電流量が常時変化するバッテリにおいて、劣化判別専用のセンサ等の部品を要することなく、既存の部品を利用してバッテリの劣化を判断できる劣化判定システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、バッテリを電源として、ＣＰＵにより制御される分巻きモータを駆動源とし、分巻きモータの電機子コイルおよび界磁コイルのそれぞれに電流センサを備えた電動車両において、電流センサの検出値に基づいてバッテリの内部抵抗に応じたバッテリの劣化を判定することを特徴とする電動車両用バッテリの劣化判定システムを提供する。
【０００９】
請求項２の発明は、バッテリの電流−電圧特性に基づく内部抵抗に応じた劣化判定マップを予め作成し、電流センサの検出値に基づいてマップによりバッテリの劣化を判定することを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、電流センサの検出値から、バッテリ電流Ｉｂを
Ｉｂ＝Ｉａ＊Ｄａ＊η＋Ｉｆ＊Ｄｆ＊η
ただし、Ｉａ：モータ電流（電機子側）
Ｄａ：デューティ比（電機子側）
η：効率
Ｉｆ：モータ電流（界磁側）
Ｄｆ：デューティ比（界磁側）
により算出し、このバッテリ電流Ｉｂに基づいて、マップによりバッテリの劣化を判定することを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、マップによる劣化状態が所定時間以上継続したときに、バッテリが劣化したと判定することを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、バッテリが劣化したことをユーザに警告するための警告手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によると、分巻きモータの駆動制御のために用いられる電機子コイルまたは界磁コイルの電流センサを利用し、コイルの電流値により、予めわかっているバッテリ電流との関係に基づいて、バッテリの劣化を判別することができる。これにより、バッテリ電流を検出するための専用の電流センサを設けることなく、モータのコイル電流の検出値から、バッテリの劣化を判定できる。この場合、バッテリの使用時間に関係なく、バッテリ毎の消耗に応じて、実際の劣化状態が正確に判定されるので、適正な時期にバッテリを交換することができる。従って、まだ十分に使用可能なバッテリを一律に交換してしまうことがなく、経済的である。また、過酷な使用条件によって早期に劣化したバッテリを使い続けることがなくなり、電動車両の運転性能を一定に保持することができる。
【００１４】
また、モータに接続されたコイルの電流センサとモータを制御するＣＰＵ等の既存部品を利用し、劣化判定基準となるマップ等をＣＰＵ内に追加するだけで、劣化判定用に新たな専用の装置等を設けることなく実施できるため、経済的負担を抑え装置の大型化や複雑化を来さない。
【００１５】
請求項２の発明によると、予め実験などでわかっているバッテリの電流−電圧特性に基づいて内部抵抗に応じた劣化判定マップが作成され、この劣化判定マップにより、バッテリの劣化を正確に判定できる。
【００１６】
請求項３の発明によると、分巻きモータの電機子コイルおよび界磁コイルの電流値からバッテリ電流が正確に演算できるので、このバッテリ電流演算値に基づいて、劣化判定マップから的確に劣化を判定することができる。この場合、電機子コイル電流に対する界磁コイル電流は予め一義的に設定されているため、電機子コイルの電流値を検出するだけで、バッテリ電流を算出できる。
【００１７】
請求項４の発明によると、バッテリ電圧とバッテリ電流との検出または算出時間のずれ等によって瞬間的に内部抵抗値が大きくなって劣化と見なされる状態が検出されても、この状態が所定時間継続しないと劣化と判定しないため、誤って劣化判定をすることがなく、正確な判定を行うことができる。
【００１８】
請求項５の発明によると、ユーザがバッテリの劣化を見逃すことがなく、劣化に対して迅速且つ適切に対処できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明に係る電動車両の一例として、電動ゴルフカーの構成を示す。
【００２０】
このゴルフカー１は、左右一対の前輪３及び後輪４を有し、運転者が座席（不図示）への着座姿勢で操作可能な位置に、アクセルペダル７、ブレーキペダル８、ステアリング９、メインスイッチ１１、方向切替スイッチ１３が取り付けられている。ブレーキペダル８の操作により前輪３が制動され、ステアリング９の操作により前輪３の方向が変わる。メインスイッチ１１および方向切替スイッチ１３は、コントローラ２に接続されている。アクセルペダル７の踏み込み操作は、コントローラ２に接続されたペダルスイッチ１２およびアクセル開度センサ１４へ伝えられ、アクセルのオンオフおよび踏み込み量の検出信号がコントローラ２へ送られ、これに応じてモータ出力が制御される。
【００２１】
電源として、複数個のバッテリ１０が搭載される。バッテリ１０は例えば合計４８Ｖであり、リレー１５を介してコントローラ２に接続される。後輪４のシャフト４ａには、モータ５の出力側に連結されたギヤボックス６が装着される。モータ５は、コントローラ２によって駆動制御される。
【００２２】
図２は、図１のゴルフカー１のブロック回路図である。
【００２３】
ゴルフカー１を駆動する分巻き式のモータ５およびコントローラ２の電源電圧は、バッテリ１０から供給される。バッテリ１０から送られた電源電圧は、リレー１５を介して、メモリや制御回路を有するＣＰＵ２１に供給される。
【００２４】
バッテリ１０の電源電圧は、ヒューズ１６、トーランスイッチ１７を介してコントローラ２に供給される。トーランスイッチ１７は、例えば牽引走行時等に自動ブレーキ回路の動作を停止するように、必要に応じてコントローラ２への電源供給を停止するためのものである。コントローラ２内で、バッテリ１０の例えば４８Ｖの電源電圧は、降圧レギュレータ１８および電源回路１９によって５Ｖに変換され、コントローラ２内の各演算回路や駆動回路に供給される。
【００２５】
バッテリ１０の実際の電圧のアナログ値は、コントローラ２内で演算処理可能な０〜５Ｖのデジタル値にデータ変換され、バッテリ電圧ＡＤ入力ライン６０を通って、インターフェイス（不図示）を介し、ＣＰＵ２１に入力される。即ち、バッテリ電圧は最初４８Ｖであったものが、バッテリの使用状態や劣化状態によって、徐々に或いは使用時の状態に応じて低下する。そこで、バッテリ電圧に基づく制御のための演算処理を可能とするために、例えば０〜５０Ｖのアナログ値を０〜５Ｖのデジタル値に変換してＣＰＵ２１に入力する。
【００２６】
メインスイッチ１１、ペダルスイッチ１２、方向切替スイッチ１３、およびアクセル開度センサ１４等からの信号は、ＣＰＵ２１に入力される。ＣＰＵ２１は、これらの信号に基づいて、モータ５を駆動制御する。
【００２７】
分巻き式のモータ５は、電機子コイル５２および界磁コイル５３を有し、それぞれ電機子駆動回路２２および界磁駆動回路２３と接続される。電機子駆動回路２２および界磁駆動回路２３は、いずれも複数のＦＥＴから形成される。電機子コイル５２および界磁コイル５３には、それぞれ電機子駆動回路２２および界磁駆動回路２３を介して、ＣＰＵ２１内の電機子ＰＷＭ演算回路および界磁ＰＷＭ演算回路（不図示）で演算された指令電流が印加される。電機子電流（Ｉａ）および界磁電流（Ｉｆ）は、駆動パルス幅の割合を指示するＰＷＭ信号による指令に従って通電される。界磁電流は、モータ特性に従って予めプログラムされたＩａ−Ｉｆマップに基づいて算出される。このＩａ−Ｉｆマップは、電機子電流に対して最大効率でモータ５が駆動される界磁電流の値を示すものであり、ＣＰＵ内のメモリ（不図示）に記憶させておく。
【００２８】
電機子駆動回路２２および界磁駆動回路２３とモータ５の電機子コイル５２および界磁コイル５３との間には、それぞれ電流センサ２４，２５が設けられる。そして、実際に電機子コイル５２および界磁コイル５３に流れる電流を検出し、この検出電流によって、ＣＰＵ２１からのモータ５の駆動用指令信号がフィードバック制御される。これにより、モータ５の電機子コイル５２および界磁コイル５３に流れる電流が的確に制御され、アクセルペダルの踏み込み量に応じたトルクをモータ５に発生させる。
【００２９】
図３は、バッテリの劣化度合と内部抵抗の増加率（％）との関係を示すバッテリ特性のグラフである。バッテリは、劣化が進むと内部抵抗値が徐々に増加し、その増加率はバッテリによって異なる。図３の例においては、バッテリの劣化度合が６０％のときに、内部抵抗が初期値の約２００％となり、その後は急激に内部抵抗が上昇する。このようなバッテリの場合には、図３で網掛けをした領域（内部抵抗が初期の２００％以上）では、バッテリの劣化が大きくなり、電動車両の適正な走行性能が得られなくなる。従って、内部抵抗が初期値の２倍になるまでにバッテリを交換することが好ましい。
【００３０】
図４は、放電時のバッテリ電圧とバッテリ電流との関係を示すグラフであり、バッテリ劣化に伴う内部抵抗の増加によって、バッテリの電流−電圧特性が変化することを示す。尚、通常、ゴルフカーの走行において、バッテリ電流は３０Ａ以下である。バッテリが劣化すると内部抵抗が大きくなるため、電流に対する電圧の値が低くなる。即ち、同じ電流値に対し、電圧が低下し、グラフ全体が下方に移動する。内部抵抗に応じたこのようなバッテリの電流−電圧特性は予めわかっているため、これを劣化判定用のマップとして作成し、ＣＰＵのメモリに格納しておく。このようなマップは、複数の例えば６０％劣化のマップ、７０％劣化のマップ、８０％劣化のマップ等として作成してもよい。ＣＰＵは、バッテリ電流およびバッテリ電圧を検出し、これらの値から、マップを用いてバッテリの劣化度合を判定できる。この場合、バッテリ電圧は、ＣＰＵに入力されるバッテリ電圧であり、常時データとして取得可能である。また、バッテリ電流は、分巻きモータを用いている場合、その電機子コイルの電流センサの検出値から、後述のように算出可能である。従って、電機子コイルの電流値を検出し、この検出データとそのときの電圧データとに基づいて、マップからバッテリの劣化が判定できる。
【００３１】
図５は、コントローラ２内における制御方法を示すブロック図である。
【００３２】
前述（図２）のように、例えば０〜５０Ｖの間で印加されるバッテリ電圧は、ＣＰＵに入力される際に、コントローラ２内で、０〜５Ｖのデジタル値にデータ変換される。従って、内部抵抗によるバッテリ１０の劣化を判定するときには、電圧の値をデジタル値からアナログ値に再度変換して、バッテリ電圧の値を求める（演算回路６１）。即ち、例えば４Ｖのデジタルデータが入力されていれば、バッテリ電圧は４０Ｖである。
【００３３】
また、前述のゴルフカー１において、コントローラ２にアクセル開度が入力されると、そのアクセル開度に応じたモータ電流の指令計算が行われる（演算回路６２）。そして、その指令電流を実現するためのデューティ比が計算され（演算回路６３）、モータ駆動回路２２，２３を介して、モータ５の電機子コイル５２および界磁コイル５３に、所定の電流が流れる。また、モータ駆動回路２２，２３とモータ５との間に電流センサ２４，２５が設けられ、各コイル５２，５３に実際に流れている電流量が検出される。バッテリの劣化判定のためには、バッテリ電流のデータが必要である。このバッテリ電流は、後述のように、電流センサ２４，２５によるモータ電流の検出値とデューティ比を用いて算出することができる（演算回路６４）。
【００３４】
バッテリ電圧とバッテリ電流とが算出されると、図４のグラフに対応したマップにそれぞれの値が交差する点をプロットして照合する（演算回路６５）。これにより、バッテリが劣化しているかどうかを判定する（演算回路６６）。劣化している場合には、ブザー等の警告手段６７によって警告する。
【００３５】
図６は、ＣＰＵ２１による本発明の実施手順を示すフローチャートである。以下、図６に従って説明する。
【００３６】
先ず、バッテリ電圧を、デジタル値から元のアナログ値に変換する（Ｓ１）。これは、前述の図５の演算回路６１による実際のバッテリ電圧を求めるための演算処理である。
【００３７】
次に、演算回路６４（図５）で、電流センサ２４，２５で検出されたモータ電流の値とデューティ比より、以下の式によってバッテリ電流Ｉｂを計算する（Ｓ２）。
Ｉｂ＝Ｉａ＊Ｄａ＊η＋Ｉｆ＊Ｄｆ＊η
ただし、Ｉａ：モータ電流（電機子側）（Ａ）
Ｄａ：デューティ比（電機子側）
η：効率
Ｉｆ：モータ電流（界磁側）（Ａ）
Ｄｆ：デューティ比（界磁側）
である。
【００３８】
ここで、モータ電流Ｉａは、電流センサ２４（図２）によって検出される電機子コイル５２に流れる電流検出データである。また、モータ電流Ｉｆは、電流センサ２５による界磁コイル５３に流れる電流検出データである。
【００３９】
電機子コイルの駆動電流に対して最大効率でモータが駆動されるように界磁コイルの駆動電流が予め定められ、その駆動電流となるように、界磁コイルへの電流が制御される。即ち、Ｉａが求められると、ＩｆはＩａに応じて一義的に定まる。従って、上記バッテリ電流Ｉｂは、Ｉａの検出データのみから算出可能である。
【００４０】
以上により、放電時のバッテリ電圧とバッテリ電流が算出されると、図４のグラフ（劣化判定マップ）上に、バッテリ電流およびバッテリ電圧の値が交差する点をプロットして照合する（Ｓ３）。そして、その点が、破線で示した判定基準線となるマップのラインに対して下側の劣化領域に位置しているか、即ち劣化が進んで内部抵抗が基準値を超えているかどうかを判定する（Ｓ４）。判定基準線よりも上側に位置している場合には、まだ劣化していないと判定され、そのままバッテリの使用を継続する。
【００４１】
バッテリが劣化していると判定された場合には、更に、電流−電圧データが判定基準値を超えてから規定時間以上経過したかどうかを判定する（Ｓ５）。これは、例えば電圧と電流の検出または計算に僅かな時間差が生じて、瞬間的に劣化領域にプロットされた場合や、外乱等の影響があった場合等に、誤って劣化判定をしないためである。これにより、判定の信頼性が高まる。
【００４２】
そして、電流−電圧データがマップラインよりも低下した状態即ち劣化とみなされる状態が規定時間以上継続すると、バッテリが劣化したと判定され、例えばブザーによって警告される（Ｓ６）。尚、警告手段は、ブザーの他、ランプ点灯や表示装置への表示等でも構わない。
【００４３】
上記実施例では、バッテリの電流−電圧特性をグラフ化したマップを用いて劣化を判定したが、バッテリの電流（Ｉ）および電圧（Ｖ）から内部抵抗（Ｒ）を算出し（基本式：Ｒ＝Ｖ／Ｉ）、この内部抵抗が所定の閾値を超えたかどうかにより劣化を判定してもよい。また、マップは、劣化度合に応じて複数個準備し、劣化度合を判定して、正常の何％劣化等と表示してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、前述のようなゴルフカーの他、バッテリを電源としモータを駆動源とする各種電動車両に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係るゴルフカーの構成を示す平面図。
【図２】本発明を実現する回路ブロック図。
【図３】バッテリの劣化に関する特性を示す図。
【図４】バッテリの劣化判定マップの基準となる電流−電圧特性を示す図。
【図５】本発明の制御方法を示すブロック図。
【図６】本発明の実施手順を示す流れ図。
【符号の説明】
【００４６】
１：ゴルフカー、２：コントローラ、３：前輪、４：後輪、４ａ：シャフト、５：モータ、６：ギヤボックス、７：アクセルペダル、８：ブレーキペダル、９：ステアリング、１０：バッテリ、１１：メインスイッチ、１２：ペダルスイッチ、１３：方向切替スイッチ、１４：アクセル開度センサ、１５：リレー、１６：ヒューズ、１７：トーランスイッチ、１８：降圧レギュレータ、１９：電源回路、２１：ＣＰＵ、２２：電機子駆動回路、２３：界磁駆動回路、２４，２５：電流センサ、５２：電機子コイル、５３：界磁コイル、６０：バッテリ電圧ＡＤ入力ライン、６１〜６６：演算回路、６７：警告手段。
【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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