(57)【要約】自動車（１０）のバッテリ（１８）を監視する装置および方法を提供する。バッテリ（１８）の最小および最大パラメータの関数としての相対出力である出力を提供する。
2005503952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンを有する自動車のバッテリを監視する方法であって、
記憶されたバッテリパラメータ値を初期値に設定すること、
前記バッテリの第１のパラメータを測定すること、
前記測定された第１のパラメータの関数として、前記記憶されたバッテリパラメータ値を変えること、
前記バッテリの充電時の期間中またはその後に前記バッテリの第２のパラメータを測定すること、
前記測定された第２のパラメータの関数として、前記記憶されたバッテリパラメータ値を変えること、および
前記記憶されたバッテリパラメータ値の関数として、前記バッテリの状態に関連する出力を提供することからなる方法。
【請求項２】
自動車のバッテリを監視するためのバッテリ監視装置であって、
前記バッテリの両端の電圧を測定するように構成された電圧センサ、
前記バッテリを通過する電流を測定するように構成された電流センサ、
記憶されたバッテリパラメータの初期値を記憶するように構成されたメモリ、および
測定された電圧と測定された電流の関数として第１の期間中の前記バッテリの第１のパラメータを測定し、前記記憶されたバッテリパラメータを変え、測定された電圧と測定された電流の関数として第２の期間中に第２のパラメータを測定し、応答的に前記記憶されたバッテリパラメータを変え、前記記憶されたバッテリパラメータの関数として前記バッテリの状態を決定するように構成されたプロセッサからなるバッテリ監視装置。
【請求項３】
前記パラメータの少なくとも１つが、ＡＣまたは過渡成分を有する信号の関数である動的パラメータである請求項１または２に記載の発明。
【請求項４】
前記パラメータの少なくとも１つが、ケルビン接続を通して測定される請求項１または２に記載の発明。
【請求項５】
前記出力が自動車のスタータモータをクランクするためのバッテリの能力に関係がある請求項１または２に記載の発明。
【請求項６】
前記出力が前記スタータモータをクランクするためのバッテリの能力の相対表示である請求項１または２に記載の発明。
【請求項７】
動的パラメータの関数として前記出力を計算することを含む請求項１または２に記載の発明。
【請求項８】
前記第１および第２のパラメータが動的パラメータからなる請求項１または２に記載の発明。
【請求項９】
前記バッテリ状態がバッテリを評価する冷クランキングアンペア（ＣＣＡ）の関数である請求項１または２に記載の発明。
【請求項１０】
前記第１のパラメータが、その最小測定値である請求項１または２に記載の発明。
【請求項１１】
前記第２のパラメータが、その最大測定値である請求項１または２に記載の発明。
【請求項１２】
前記バッテリの現在の状態に関連する第３のパラメータを測定することを含み、その場合の出力は該第３のパラメータの関数である請求項１または２に記載の発明。
【請求項１３】
前記第３のパラメータが温度の関数として補償される請求項１２に記載の発明。
【請求項１４】
前記第３のパラメータが前記バッテリの充電状態の関数として補償される請求項１２に記載の発明。
【請求項１５】
記憶された受入れ可能な最小パラメータ値をメモリから検索することを含み、その場合の出力は該最小値より小さい請求項１または２に記載の発明。
【請求項１６】
前記記憶された受入れ可能な最小パラメータ値が車両動作の関数として更新される請求項１５に記載の発明。
【請求項１７】
前記記憶された受入れ可能な最小パラメータ値が、前記スタータモータを作動し、前記エンジンを始動するのに必要な最小パラメータ値に関連する請求項１５に記載の発明。
【請求項１８】
前記受入れ可能な最小パラメータ値が温度の関数である請求項１６に記載の発明。
【請求項１９】
前記受入れ可能な最小パラメータ値が、前記エンジンの始動中に取得された測定値の関数として更新される請求項１６に記載の発明。
【請求項２０】
前記第１のパラメータが前記バッテリの受入れ可能な最小観察パラメータに関連し、
前記第２のパラメータが前記バッテリの受入れ可能な最大観察パラメータに関連する請求項１または２に記載の発明。
【請求項２１】
前記プロセッサが現在のバッテリパラメータ値を測定し、その場合の出力は該現在のバッテリパラメータの関数である請求項１または２に記載の発明。
【請求項２２】
前記第１のパラメータと前記第２のパラメータの少なくとも１つがバッテリの充電状態の関数として補償される請求項１または２に記載の発明。
【請求項２３】
前記バッテリの状態が車両負荷を作動するための前記バッテリの能力の相対表示である請求項１または２に記載の発明。
【請求項２４】
前記記憶された受入れ可能な最小パラメータ値が車両負荷を作動するために必要な最小パラメータ値に関連する請求項１５に記載の発明。
【請求項２５】
前記第１および第２のパラメータが前記バッテリの冷クランキングアンペア（ＣＣＡ）に関連する請求項１または２に記載の発明。
【請求項２６】
前記第１および第２のパラメータが前記バッテリのアンペア時間容量に関連する請求項１または２に記載の発明。
【請求項２７】
前記バッテリがほぼ満充電された時を識別することを含む請求項１または２に記載の発明。
【請求項２８】
前記プロセッサが、前記バッテリに供給されるエネルギと前記バッテリから引き出されるエネルギの変化の関数としてアンペア時間容量を計算する請求項１または２に記載の発明。
【請求項２９】
前記バッテリが前記自動車の電気系統から切断されると、前記プロセッサが前記記憶されたバッテリパラメータをリセットする請求項１または２に記載の発明。
【請求項３０】
前記バッテリ状態がバッテリを直ちに修理するための表示として出力される請求項１または２に記載の発明。
【請求項３１】
前記バッテリ状態が空／満計器の図形表示として出力される請求項１または２に記載の発明。
【請求項３２】
自動車のバッテリを監視する方法であって、
バッテリパラメータの最小閾値をメモリから検索すること、
測定されたバッテリパラメータ値を取得すること、
バッテリパラメータの最大閾値を前記メモリから検索すること、および
２つの数量間の比として、かつ前記バッテリパラメータの最小閾値、前記測定されたバッテリパラメータ値、および前記バッテリパラメータの最大閾値の関数として相対的バッテリ状態を判定することからなる方法。
【請求項３３】
自動車のバッテリを監視するように構成された電子バッテリ監視装置であって、
バッテリパラメータの最小閾値、バッテリパラメータの最大閾値および測定されたバッテリパラメータ値を含むように構成されたメモリ、
前記バッテリに結合されるように構成されたバッテリパラメータ測定回路、および
２つの数量間の比として、かつ前記バッテリパラメータの最小閾値、前記バッテリパラメータの最大閾値、および前記測定されたバッテリパラメータ値の関数として相対的バッテリ状態を判定するように構成されたプロセッサからなる装置。
【請求項３４】
前記バッテリパラメータの最大閾値が前記測定されたバッテリパラメータ値の最大測定値からなる請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項３５】
前記バッテリパラメータの最小閾値が前記測定されたバッテリパラメータの最小測定値からなる請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項３６】
前記パラメータの少なくとも１つが、ＡＣまたは過渡成分を有する信号の関数である動的パラメータである請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項３７】
前記パラメータがケルビン接続を通して測定される請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項３８】
前記比が自動車のスタータモータをクランクするための前記バッテリの能力に関連する請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項３９】
前記比が前記スタータモータをクランクするための前記バッテリの能力の相対表示である請求項３８に記載の発明。
【請求項４０】
前記比が動的パラメータの関数である請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項４１】
前記比が前記バッテリを評価する冷クランキングアンペア（ＣＣＡ）の関数である請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項４２】
前記測定されたバッテリパラメータ値が温度の関数として補償される請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項４３】
前記測定されたバッテリパラメータ値が前記バッテリの充電状態の関数として補償される請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項４４】
前記バッテリパラメータの最小閾値が車両動作の関数として更新される請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項４５】
前記バッテリパラメータの最小閾値が、前記自動車の前記スタータモータを作動し、前記エンジンを始動するのに必要な最小パラメータ値に関連する請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項４６】
前記バッテリパラメータの最小閾値が温度の関数である請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項４７】
前記最小閾値が、前記自動車の前記エンジンの始動中に取得された測定値の関数として更新される請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項４８】
前記最小閾値および前記最大閾値の少なくとも１つが、バッテリの充電状態の関数として補償される請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項４９】
前記比が車両負荷を作動するための前記バッテリの能力の相対表示である請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項５０】
前記バッテリパラメータの最小閾値が車両負荷を作動するために必要な最小パラメータ値に関連する請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項５１】
前記閾値が前記バッテリの冷クランキングアンペア（ＣＣＡ）に関連する請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項５２】
前記閾値が前記バッテリのアンペア時間容量に関連する請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項５３】
前記バッテリがほぼ満充電された時を識別することを含む請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項５４】
前記バッテリの相対表示が、前記バッテリに供給されるエネルギと前記バッテリから引き出されるエネルギの変化として測定されるバッテリアンペア時間容量の関数である請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項５５】
前記バッテリが前記自動車の電気系統から切断されると、前記記憶された閾値の少なくとも１つをリセットすることを含む請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項５６】
バッテリを直ちに修理するための出力表示を提供することを含む請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項５７】
空／満計器の図形表示である出力を提供することを含む請求項３２または３３に記載の発明。
【請求項５８】
エンジンを有する自動車に使用するための電子バッテリ監視装置であって、
記憶されたバッテリパラメータ値を初期値に設定する手段、
前記バッテリの第１のパラメータを測定する手段、
前記測定された第１のパラメータの関数として、前記記憶されたバッテリパラメータ値を変える手段、
前記バッテリの充電時の期間中またはその後に前記バッテリの第２のパラメータを測定する手段、
前記測定された第２のパラメータの関数として、前記記憶されたバッテリパラメータ値を変える手段、および
前記記憶されたバッテリパラメータ値の関数として、前記バッテリの状態に関連する出力を提供する手段からなる装置。
【請求項５９】
自動車に使用するための電子バッテリ監視装置であって、
バッテリパラメータの最小閾値をメモリから検索する手段、
測定されたバッテリパラメータ値を取得する手段、
バッテリパラメータの最大閾値を前記メモリから検索する手段、および
２つの数量間の比として、かつ前記バッテリパラメータの最小閾値、前記測定されたバッテリパラメータ値、および前記バッテリパラメータの最大閾値の関数として相対的バッテリ状態を判定する手段からなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両に関する。さらに詳しくは、本発明は、車両で使用されるバッテリを監視するために使用されるバッテリ監視装置に関する。車両は自動車および電気自動車のどちらも、一般的に蓄電池を含む。例えば、燃焼機関によって動力を供給される自動車は一般的にバッテリを含む。バッテリは、エンジンが動作していないときに、電気系統に電力を供給するために使用される。加えて、エンジンはバッテリを充電するために使用される。エンジンはまた、エンジンが動作しているときに、車両の電気部品に電力を供給するためにも使用される。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、そのような車両で使用される蓄電池の状態を監視することは困難であった。この困難さは、バッテリの使用中にそれに対して行われる電気接続のみならず、バッテリ状態を判定する因子である全ての変数に関係する。バッテリの動作を特性化し、「特性化曲線」を使用してバッテリ状態を判定する試みが行われてきた。しかし、この技法は、バッテリがどの特定の特性化曲線に従っているか、また所与の瞬間にバッテリが正確に特定の特性化曲線上のどこに位置するかを決定することが困難なので、実現することは往々にして困難である。
【０００３】
これは、車両の操作者が正確に、かつすぐに車両のバッテリの状態を判断することを困難にしてきた。例えば、特定の瞬間には、バッテリは、車両のエンジンを始動するのにちょうど充分なだけの出力があるかもしれないが、車両が二度目の始動をできないという外部表示を操作者に提供しない。さらに、ある温度で充分な動力を提供することができるバッテリでも、翌朝、温度が夜のうちに低下した場合、機能しないかもしれない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バッテリによって受け入れられたまたはバッテリから取り出された電荷の量を監視する「クーロン計数」を使用して、バッテリの状態を監視する幾つかの試みがなされてきた。しかし、そのような技法は、バッテリ状態を監視する試みを開始するために、出発点（すなわち初期値）を必要とした。さらに、そのような技法は、バッテリが満充電され、バッテリに入っていく追加電流が単に熱として失われる状況、またはバッテリ電荷が不使用の期間中に低下する状況を説明することができない。したがって、車両のバッテリの状態を監視できるバッテリ監視装置を備えることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様では、本発明は自動車のバッテリを監視するための装置および方法を提供する。自動車のエンジンが動作していない期間中に第１のパラメータを測定するために、記憶されたバッテリのパラメータ値が初期値に設定される。記憶されたバッテリパラメータ値は、測定された第１のパラメータの関数として変えられる。第２のバッテリパラメータは、エンジンの作動時の期間中に測定される。さらに、記憶されたバッテリパラメータ値は、測定された第２のパラメータの関数として変えられる。記憶されたバッテリパラメータ値の関数として、バッテリ状態に関連する出力が提供される。
【０００６】
他の態様例では、バッテリパラメータ最小閾値がメモリから検索され、測定されたバッテリパラメータ値が取得される。最大閾値バッテリパラメータ値も検索される。バッテリ状態が２つの数量の比として、およびバッテリパラメータ最小閾値、測定されたバッテリパラメータ値、および最大閾値バッテリパラメータ値の関数として決定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、バッテリの状態を監視し、かつ場合によりバッテリの充電を制御するための装置および方法を提供する。このような方法および装置は一般的な自動車用エネルギ処理システムの一部であり得る。
【０００８】
図１は、本発明の一実施形態に係るバッテリ監視装置１２を含む自動車１０を示す簡易ブロック図である。車両１０は、概略的に電気抵抗として示す車両負荷１４を含む。バッテリ１８は、車両負荷１４およびオルタネータ２０に結合される。オルタネータ２０は車両１０のエンジンに結合され、バッテリ１８を充電し、かつ運転中に負荷１４に電力を提供するために使用される。
【０００９】
一般的に、自動車は、車両のエンジンが発電機またはオルタネータによって動作しているときに電力を供給することのできる電気系統を含む。しかし、エンジンが動作していないときには、一般的に系統に電力を供給するために車両のバッテリが使用される。したがって、車両の標準発電機系統は２つの目的を果たす。発電機は、照明、コンピュータ、ラジオ、霜取装置、およびその他の電装品などの車両負荷に電力を供給するために使用される。さらに、発電機は、車両を始動させるためにバッテリを使用することができるように、かつエンジンが動作していないときにバッテリが電装品に電力を供給することができるように、バッテリを再充電するために使用される。
【００１０】
本発明の一態様は、バッテリのパラメータに関して初期推定を行ない、かつ充電、放電および／またはアイドリング期間中にバッテリから得た特定の測定値に基づき、該推定したバッテリパラメータを変更することによって、バッテリの状態を判定することができるという認識を含む。１つの特定の態様は、車両の操作者にとって重要な２つのバッテリ状態を認識することを含む。第１の状態は、スタータモータおよびエンジンを作動させる（すなわち「クランクする」）バッテリの能力である。第２の状態は、電気負荷にエネルギを供給するバッテリの能力である。この態様において、これらの状態の指示は、それぞれクランキング健康状態（ＣＳＯＨ）および予備健康状態（ＲＳＯＨ）と呼ばれる相対値として計算される。以下の説明では、これらの決定のためのデータを得るために使用することのできる例示的な回路機構および測定技法について記載する。一態様では、データを得るために使用する特定の技法は本発明に限定されず、他の技法も使用することができる。
【００１１】
図１に示した実施形態では、バッテリ監視装置１２は、電圧センサ２４、電流センサ２６、および時間関数（forcing function）２８に結合されたマイクロプロセッサ２２を含む。マイクロプロセッサ２２はまた、車両１０に関連付けられた外部データバスおよび／または内部データバスに結合するように構成されたＩ／Ｏ（３０）として示す、１つまたはそれ以上の入力および出力を含むことができる。さらに、車両の操作者との対話を達成するために、ユーザ入力／出力（Ｉ／Ｏ）３２が設けられる。一実施形態では、マイクロプロセッサ２２はオルタネータ２０に結合され、電流センサ２６、電圧センサ２４、および時間関数２８からの入力に単独でまたは様々な機能と組み合わせて応答して、制御出力２３をオルタネータ２０に提供する。一実施形態では、制御出力２３は、オルタネータ２０からの公称電圧出力がバッテリ１８の公称開路電圧に一般的な１２．６Ｖとなるように、オルタネータ２０を制御するように構成される。さらに、マイクロプロセッサ２２は、バッテリ１８の充電状態に対する逆相関係に従ってオルタネータ２０からの出力電圧を上昇させることができる。これは、必要なときにオルタネータ２０がバッテリ１８を充電し、かつ、ちょうど必要なだけバッテリ１８を充電するように構成することができる。この充電技法により、バッテリの寿命を延長し、負荷１４の構成要素の温度を低下し、負荷１４の寿命を延長し、燃料を節約することができる。この構成は、バッテリ１８の充電の状態を使用してバッテリ１８の充電を制御するフィードバック機構を提供する。バッテリ監視装置１２は車両の電気系統に容易に設置することができる。一次バッテリケーブルおよびオルタネータ２０の制御を可能にするために設けられた制御線の１つに、単一の分流センサ２６を挿入することができる。単に、オルタネータ２０の電圧調整器に供給される電圧を調整することによって制御が可能となり、それによりバッテリ１８の充電を制御することができる。バッテリ監視装置１２は、車両の他の構成部品、一部の実施形態を除いてオルタネータ２０との相互作用を必要とすることなく作動する、別個の自足かつ自蔵型モニタとすることができる。
【００１２】
図１はまた、バッテリ１８への接続３６Ａおよび３６Ｂによって形成されるケルビン接続をも示す。そのようなケルビン接続により、バッテリ１８のプラス端子およびマイナス端子に２つの結合がもたらされる。これにより、バッテリの各側の電気接続の一方に大量の電流を流すことが可能になる一方、接続の他方の対は正確な電圧の読みを得るために使用することができる。電圧センサ２４には電流が実質的に流れないので、センサ２４とバッテリ１８との間の電気接続による電圧降下がほとんど無く、それによりいっそう正確な電圧測定が達成される。様々な実施形態において、時間関数２８は、物理的にバッテリ１８に近接して配置するか、またはバッテリ１８に直接接続することができる。他の実施形態では、時間関数２８は車両１０の電気系統内のどこにでも配置することができる。一態様において、本発明は、ケルビン接続を介してバッテリ１８に結合される車載バッテリ監視装置１２を含み、かつ、さらに、場合により電流センサ２６を含むことができ、車両１２のエンジンが動作し、負荷１４がターンオンされ、および／またはオルタネータ２０がバッテリ１８を充電するために充電信号出力を出している間、バッテリの状態を監視することができる。１つの特定の実施形態では、接続３６Ａおよび３６Ｂによって形成されるケルビン接続と、車両１０の電気系統と直列に接続された別個の電流センサ２６との組合せが設けられ、車両１０の動作中にバッテリ１８の状態を監視することが可能になる。電流センサ２６の使用により、バッテリ１８を流れる全電流ＩＴの監視が達成される。
【００１３】
動作中、マイクロプロセッサ２２はバッテリ１８の動的パラメータを測定することができる。ここで使用する動的パラメータとは、ＡＣまたは過渡成分を有する信号の関数として測定されるバッテリ１８の任意のパラメータを含む。動的パラメータの例として、動的抵抗、コンダクタンス、アドミタンス、インピーダンス、またはそれらの組合せが挙げられる。本発明の様々な態様において、この測定値を、単独で、またはマイクロプロセッサ２２が受けとる他の測定値または入力と組み合わせて、バッテリ１８の様相または状態と相関させることができる。この相関関係は、様々なバッテリの試験を介することができ、かつ、ルックアップテーブルまたは特性化曲線などの関数関係の使用を介することができる。この関係はまた、バッテリ１８のバッテリ構成、型、サイズ、または他のパラメータに基づいて調整することもできる。
【００１４】
様々な試験技術の例が次の米国特許公報に記載されている。
米国特許第３，８７３，９１１号公報、米国特許第３，９０９，７０８号公報、米国特許第４，８１６，７６８号公報、米国特許第４，８２５，１７０号公報、米国特許第４，８８１，０３８号公報、米国特許第４，９１２，４１６号公報、米国特許第５，１４０，２６９号公報、米国特許第５，３４３，３８０号公報、米国特許第５，５７２，１３６号公報、米国特許第５，５７４，３５５号公報、米国特許第５，５８５，７２８号公報、米国特許第５，５９２，０９３号公報、米国特許第５，５９８，０９８号公報、米国特許第５，７５７，１９２号公報、米国特許第５，８２１，７５６号公報、米国特許第５，８３１，４３５号公報、米国特許第５，９１４，６０５号公報、米国特許第５，９４５，８２９号公報、米国特許第６，００２，２３８号公報、米国特許第６，０３７，７７７号公報、米国特許第６，０５１，９７６号公報、米国特許第６，０８１，０９８号公報、米国特許第６，０９１，２４５号公報、米国特許第６，１０４，１６７号公報、米国特許第６，１３７，２６９号公報、米国特許第６，１６３，１５６号公報、米国特許第６，１７２，４８３号公報、米国特許第６，１７２，５０５号公報、米国特許第６，２２２，３６９号公報、米国特許第６，２２５，８０８号公報、米国特許第６，２４９，１２４号公報、米国特許第６，２５９，２５４号公報、米国特許第６，２６２，５６３号公報、米国特許第６，２９４，８９６号公報、米国特許第６，２９４，８９７号公報、米国特許第６，３０４，０８７号公報、米国特許第６，３１０，４８１号公報、米国特許第６，３１３，６０７号公報、米国特許第６，３１３，６０８号公報、米国特許第６，３１６，９１４号公報、米国特許第６，３２３，６５０号公報、米国特許第６，３２９，７９３号公報、米国特許第６，３３１，７６２号公報、米国特許第６，３３２，１１３号公報、米国特許第６，３５１，１０２号公報、米国特許第６，３５９，４４１号公報、米国特許第６，３６３，３０３号公報。
【００１５】
図１に示す特定の実施形態では、時間関数は、ＡＣを有する（または時変成分または過渡成分を有する）信号をバッテリ１８に与える関数である。時間関数は、電流をバッテリ１８から引き出す所望の時間関数を達成する負荷を適用することにより、あるいは電流をバッテリ１８に注入する能動回路により実施することができる。この結果、図１にＩＦと表示された電流が生じる。バッテリ１８の全電流ＩＴは、時間関数電流ＩＦおよび負荷１４を流れる電流ＩＬの両方による。電流センサ２６は、全電流ＩＴを感知するように配置される。一例としてバッテリの動的パラメータである動的コンダクタンス（または相反的にバッテリ抵抗）は、次の通り計算することができる。
ΔＧ＝Ｖ＝ΔＩＴ／ΔＶ  （式１）
ここで、ΔＶは電圧センサ２４によって測定されるバッテリ１８の電圧の変化であり、ΔＩＴは、電流センサ２６を用いて測定されるバッテリ１８を通過する全電流の変化である。式１は電流差および電圧差を使用していることに注意されたい。一実施形態では、電圧の変化および電流の変化を１２．５秒の期間にわたって５０ミリ秒間隔で測定し、それによりΔＶおよびΔＩＴについて毎秒合計２０回の読みを提供する。時間関数２８は、バッテリ１８の電流が時間と共に変化することを確実にするために設けられる。しかし、一実施形態では、ΔＩＴ＝ΔＩＬとなるように、負荷１４またはオルタネータ２０からの出力によるＩＬの変化だけを使用することができ、時間関数２８は不要となる。一態様では、時間関数２８は負荷１４の通常制御動作または特殊制御動作によって提供される。
【００１６】
一実施形態では、電圧センサおよび電流センサは１マイクロ秒内に同期動作を達成し、ネットワーク伝播遅延または信号線インダクタンスによる測定誤差が実質的に生じにくい。さらに、マイクロプロセッサ２２は、電圧出力が予め定められたしきいレベルを超えるかあるいはそれより下に低下した場合、電圧調整器およびオルタネータ２０の故障を検出することができる。この情報は、ユーザインタフェース３２、例えば「調整器をすぐに修理してください」の表示を介して、操作者に提供することができる。
【００１７】
バッテリ温度を測定するために、バッテリ１８の端子の１つに直接結合することのできる温度センサ３７が設けられる。温度センサ３７はバッテリの状態を決定するのに使用することができる。このバッテリの状態は温度の関数であり、車両のエンジンを始動させるために必要な電力の量を推定するのに使用することができる。任意の種類の温度センサを、例えばサーミスタ、熱電対、ＲＴＤ、半導体、または他の温度センサを、使用することができる。温度を測定するための別の技法が、２０００年１０月２４日に発行された米国特許第６，１３７，２６９号に記載されており、参照によってここに組み込む。
【００１８】
一実施形態では、電流センサ２６は２５０マイクロオームの抵抗分路を備え、分路を流れる電流は、分路における電圧降下を測定することによって決定される。しかし、ホール効果センサ、またはインダクタンスプローブを介するなど、他の種類の電流測定技法を使用することもできる。バッテリにおける電圧の変化および結果的に生じるバッテリを流れる電流の変化は、たとえば１つまたはそれ以上のアナログデジタル変換器を使用してサンプリングすることができる。この情報を相関して、バッテリの全冷クランキングアンペア（ＣＣＡ）容量などの全容量を決定することができる。
【００１９】
なお、測定サイクル中に車両負荷１４が予想外に適用され、測定にノイズが存在する原因になることがある。ノイズを低減すると考えられる１つの技法は、所定のまたは調整可能なウィンドウの外側にあるサンプル、またはアナログデジタル変換器のダイナミックレンジの外側にあるサンプルを廃棄することである。しかし、全く予想外に、アナログデジタル変換器から得られるサンプルの精度を犠牲にして、変換器のダイナミックレンジを増加することによって、測定の精度を高めることができることが発見された。サンプルが他のサンプルと比較して統計的に大きく、または小さい場合でも、全てのサンプルを平均化することによって、本発明はノイズの多い環境でも正確な電圧および電流の測定を提供することができる。サンプルを平均化し、かつ、アナログデジタル変換器の充分なダイナミックレンジを提供することによって、サンプルは廃棄されず、測定の誤差は他の誤差と相殺される傾向がある。
【００２０】
一般的に、本発明はバッテリの動的コンダクタンスとバッテリの状態との間の直接関係を利用する。例えば、バッテリがその定格容量より１５％を超えて低下すると、マイクロプロセッサ２２は、バッテリ１８を交換すべきであることを示す出力を提供することができる。さらに、コンダクタンスを使用して、バッテリの充電レベルを決定することができる。バッテリ１８に流入するかまたはバッテリ１８から流出する全電流を電流センサ２６を用いて監視することによって、そのような測定を増強して、精度を向上することができる。バッテリ１８における電圧を使用して、充電レベルの決定に使用される電荷を決定することもできる。一般的に、充電の状態は、バッテリの健康状態、温度、電荷バランス（バッテリに流入する電荷およびバッテリから流出する電荷）、充電効率、および例えばバッテリの構造、製造、極板形状、またはバッテリの他の状態などの初期状態の単独または合同の様々な組合せの関数として決定することができる。この関数関係は、複数のバッテリの特性化、後述する反復技法、および／またはニューラルネットワークなどの人工知能技術の使用によって決定することができる。
【００２１】
図２はバッテリ監視装置１２のより詳細な配線図である。図２はメモリ４０を含むマイクロプロセッサ２２を示す。図２は、特定の例として、Ｊ１８５０、Ｊ１７０８、Ｊ１９３９など様々な規格に係る通信リンクであるＩ／Ｏ（３２）を示す。メモリ４０は内部メモリとして図示されている。しかし、外部メモリまたはオプショナル外部メモリ４２を設けることもできる。一般的に、メモリはプログラミング関数、定格、変数等を格納するために設けられる。マイクロプロセッサ２２はマイクロコントローラまたは任意の種類のデジタル回路とすることができ、特にマイクロプロセッサに限定されない。図２は時間関数２８をより詳細に示しており、抵抗Ｒ１４４と、マイクロプロセッサ２２によって制御されるスイッチＳ１４６とを含む。スイッチ４６は例えば電界効果トランジスタとすることができる。電圧センサ２４は、ＤＣ阻止コンデンサＣ１４８を介してバッテリ１８に結合された差動増幅器４７を含むとして示されている。分路２６は抵抗Ｒ２５０および差動増幅器５２として示されている。スイッチＳ２５４およびＳ３５６はそれぞれ増幅器５２および４７をマイクロプロセッサ２２に選択的に結合するように配置され、サンプル制御線によって作動して、データサンプルをマイクロプロセッサ２２に提供する。アナログデジタル変換器はマイクロプロセッサ２２の一体部分とすることができ、あるいはそれは増幅器４７および５２からの出力をデジタル化するための別個の構成部品とすることができる。コンデンサＣ２およびＣ３は、サンプルホールド回路を提供する。
【００２２】
時間関数２８は、図２に示すように抵抗によって、または電流シンクによって、もしくは車両の既存の負荷によって形成することができる。スイッチＳ１４６はＦＥＴまたはバイポーラトランジスタとすることができ、あるいは自動車の機械的または既存のスイッチとすることができる。分路２６は分路抵抗で示されているが、ホール効果センサまたはケーブル抵抗に基づくセンサなど、他の種類の電流センサを使用することができる。コンデンサＣ１４８の代わりに、ＤＣ結合増幅器など、他の種類のＤＣ阻止技術を使用することができる。
【００２３】
図３は、本発明に従ってマイクロプロセッサ２８によって実行される診断ステップを示す簡易ブロック図１００を示す。ブロック１０２で、バッテリ１８の動的パラメータを得、ブロック１０４でデータを収集する。ブロック１０４で収集されるデータのタイプは、バッテリの状態を決定するのに使用される任意のタイプのデータとすることができる。例えば、データはΔＶおよびΔＩＴに使用される値、バッテリのタイプに関連する情報等とすることができる。この情報は、マイクロプロセッサ２２によるその後の検索のために、メモリ４０に格納することができる。データは任意の時間にわたって、かつ任意の種類のエンジンまたはバッテリの動作中に収集することができる。ブロック１０６で、マイクロプロセッサ２２が、メモリ４０に格納されたデータに基づいて診断または他の計算を実行する。バッテリの故障または差し迫った故障が検出された場合、ブロック１０８で、車両１０のダッシュボードに「すぐにバッテリを修理してください」の表示をもたらすなどの出力を提供することができる。
【００２４】
１つの一般的な態様では、本発明は、初期値に設定され、車両のエンジンが動作していない（またはバッテリが充電中でない）ときに取られた測定に基づいて修正され、車両のエンジンが作動している（またはバッテリが充電中である）ときに取られた測定によって修正される、蓄積されたバッテリパラメータの関数として、バッテリの状態を判定する。これは、車両が使用される間、蓄積されたバッテリパラメータの修正が続く反復プロセスとすることができる。特定の一例では、「クランクを回す」または車両のスタータモータを作動させるバッテリの能力の相対指標である「クランク健康状態」（“Cranking State Of Health”：ＣＳＯＨ）を決定することができる。別の例の決定は、バッテリに残っている予備容量の相対指標である「予備健康状態」（“Reserve State Of Health”：ＲＳＯＨ）である。別の例の実施形態では、相対バッテリ状態は、２つの数量間の比に基づき、かつバッテリパラメータ値の最小しきい値、測定したバッテリパラメータ値、およびバッテリパラメータ値の最大観察値の関数として判定される。
【００２５】
ところで、本発明の特定の例の実施形態に目を向けると、クランキング健康状態（ＣＳＯＨ）は式２を用いて次の通り計算することができる。
【００２６】
【数１】
2005503952.tif 000003
【００２７】
ここで、ＣＣＡｃｏｍｐはバッテリの補正済みの測定冷クランキングアンペア（measured cold cranking amps）であり、ＣＣＡＭＩＮはエンジンおよびスタータモータがクランクを回すために必要とする最小冷クランキングアンペア値であり、ＣＣＡ１００ＳＯＣは、バッテリが１００％充電状態かつ１００％健康状態（すなわち満充電）のときの冷クランキングアンペアである。ＣＳＯＨは２つの数値間の比であり、０から１００パーセントの間である。現在（すなわち現行）の補正済みのＣＣＡ（ＣＣＡｃｏｍｐ）は、ある時間にわたる平均観察ＣＣＡ、温度、および現行の充電の状態の関数とすることができる。これは最初に単純な関係、例えば直線または単純な曲線と想定することができる。関係の実値は学習することができる。例えば、充電の状態に対する関係は、ＣＣＡ１００ＳＯＣと、充電の状態が１００％充電より著しく低い場合に得られたＣＣＡ値との比とすることができる。これは、バッテリおよびエンジンの動作の長期監視によって行われることができ、収集データは日付および時刻を刻印される。同様に、温度との関係は最初に推定することができるが、時間が経つと比ＣＣＡｔ１、ＣＣＡｔ２として学習することができる。ここでｔ１およびｔ２は実質的に異なる温度である。再び、両数量とも車両のバッテリの動作中にほぼ同等の時間に取得される。例えば、１つの値は、低温値を得るためにエンジンが作動しない夜間に取得することができ、他の値はエンジンが作動している日中に取得することができる。一般的に、ＣＣＡｃｏｍｐの式は次のように表わすことができる。
ＣＣＡｃｏｍｐ＝ＣＣＡａｖｅｒａｇｅ・ｆ（ＳＯＣ）・ｆ（Ｔ）  （式３）
【００２８】
同様に、バッテリの予備容量の相対指標である予備健康状態（ＲＳＯＣ）は次のように表わすことができる。
【００２９】
【数２】
2005503952.tif 000004
【００３０】
ここで、ＡＨＣａｐａｃｉｔｙはバッテリの現在または現行のアンペア時間容量であり、ＡＨＭＩＮはバッテリの受入れ可能な最小アンペア時間容量であり、ＡＨ１００ＳＯＣは１００％の充電（すなわちバッテリが満充電されている）時のバッテリのアンペア時間容量である。ＲＳＯＨは０から１００％の間の範囲である。アンペア時間容量は次式により得られる。
【００３１】
【数３】
2005503952.tif 000005
【００３２】
式２および４は、バッテリの当初必ずしも分かっていないパラメータの関数である。本発明の一態様は、そのようなパラメータに到達するために使用され、これらまたは同様の式で使用することのできる、反復近似化技法を含む。図４、５および６は、そのような推定のための一技法例を示す簡易ブロック図である。一例として式２を使用し、ＣＣＡ１００ＳＯＣを最初にＣＣＡＭＩＮであると推定する。ＣＣＡＭＩＮは製造中に車両のメモリ（図２に示すメモリ４０など）にプログラムするか、または他の仕方で格納することができ、バッテリの受入れ可能な最小ＣＣＡである。車両が動作し、バッテリが充電され放電されるときに、充電の状態を監視し、最大値を観察することができる。充電の状態が１００％のときのＣＣＡ測定値はメモリに格納され、ＣＣＡ１００ＳＯＣに割り当てられる。
【００３３】
図４に目を向けると、「ブート」手順１００を示すフローチャート１００が示されている。このブート手順１００は一般的に、いつでもメモリ４０が消去されたときに、あるいはバッテリ１８が切り離されたことをマイクロプロセッサ２２が検知したときに、開始される。手順１００は開始ブロック１０２から開始される。ブロック１０４で、ＣＣＡＭＩＮおよびＡＨＭＩＮの値が車両内のメモリ（メモリ４０など）から検索される。例えば、この情報は、車両の製造中にメモリに永久的に格納するか、または他の仕方でプログラムすることができる。通常メモリ４０などのメモリに格納され、マイクロプロセッサ２２によって実行されるこれらのステップを実現するために、様々な命令が使用されることに注意されたい。
【００３４】
ブロック１０６で、１００％の充電時のＣＣＡおよびアンペア時間容量の値（ＣＣＡ１００ＳＯＣおよびＡＨ１００ＳＯＣ）はそれぞれ前記のようにＣＣＡＭＩＮおよびＡＨＭＩＮに等しい。しかしこれは推定であり、それは観察プロセスの出発点を提供するものであることに注意されたい。ブロック１０８で、充電の状態は電圧の関数であると推定する。１つの簡単な関数は、次のように充電の状態を開路電圧に関連付けるものである。
ＳＯＣ＝1250・Ｖｏｃ−1475  （式６）
【００３５】
ブロック１１０で、値が「学習」されたことを示すためにフラッグがクリアされる。ブロック１１４で、図５および６に示すような別の適切なブロックに制御が渡される。
【００３６】
図５は、キーオフ手順１２０の簡易ブロック図である。キーオフ手順１２０とは、名前が暗示する通り、車両のエンジンが作動していないか、またはバッテリが充電されていない期間中に生じる。手順はブロック１２２から開始される。ブロック１２４で、電圧、電流、および温度など、様々なデータがバッテリから取得される。ブロック１２６は、バッテリが平衡に達するまで待つ手順である。例えば、温度および電圧が実質的に一定の場合、バッテリは平衡状態にあると推定することができる。ひとたびバッテリが平衡に達すると、ブロック１２８で、バッテリの充電の状態は温度および開路電圧の関数として決定される。例えば、１つのそのような充電状態式は次の通りである。
ＳＯＣ＝1250ＶOC−1475＋ＶTC  （式７）
【００３７】
ブロック１３０で、充電状態が１００％と決定された場合、制御はブロック１３２に渡される。充電状態が１００％であるかどうかを判断するための１つの技法は、バッテリが受け取っている充電電流の量の低減を観察することである。
【００３８】
ブロック１３２で、新しい開路電圧フラッグがセットされる。フラッグは安定な状態が満たされたことをプログラムに知らせるために使用される。加えて、ブロック１３０で、充電状態が１００％に等しくない場合、制御はブロック１３４に渡される。ブロック１３４で、充電状態がｘ以下である場合、制御はブロック１２４に渡される。ｘは設定可能な百分率であり、一般的に５％から１０％の間に選択される。そうでない場合、制御はブロック１３６に渡される。ブロック１３６で、バッテリに供給されるエネルギまたはバッテリから引き出されるエネルギの変化、温度、および電流の関数として、バッテリのアンペア時間容量が計算される。一例としての式は次の通りである。
【００３９】
【数４】
2005503952.tif 000006
【００４０】
図６は、エンジンが作動しているとき、またはバッテリ１８が充電されているときの動作を示すブロック図１６０である。フローチャート１６０は、ブロック１６２から開始され（ここで、エネルギ＝ＡＨ＊ｆ（Ｔ）＊ｆ（ＳＯＣ））、制御はブロック１６４に渡される。ブロック１６４で、変数ＬＡＳＴＳＯＣが現在の充電状態に設定される。ブロック１６６で、電圧、電流、温度、およびコンダクタンスなどのデータが収集される。ブロック１６８で、現在の充電の状態が、最後の充電の状態に、エネルギの変化、温度、およびバッテリに入る電流またはバッテリから出る電流の関数である量を足したものとして決定される。次のような式９を使用することができる。
【００４１】
【数５】
2005503952.tif 000007
【００４２】
ブロック１７０で、充電状態が０未満である場合、充電状態は強制的に０に等しくなる。他方、ブロック１７２で、充電状態が１００を超える場合、充電の状態は強制的に１００の値になる。ブロック１７４で、補正済みのＣＣＡの読みがＣＣＡ１００ＳＯＣを超える場合、ＣＣＡ１００ＳＯＣはＣＣＡｃｏｍｐに等しく設定される。ブロック１７６で、新しいＣＣＡ値が得られたことを示すために使用される新しいＣＣＡフラッグがセットされ、制御はブロック１６４に戻る。エンジンが停止し、バッテリが切り離され、または充電サイクルが中断されるまで、この手順が繰り返される。
【００４３】
データが収集されると、上記の式を使用して、ＲＳＯＨおよびＣＳＯＨが計算される。この情報はいずれかの適切な形式で操作者に提供することができる。例えば、通常の表示で提供することができ、あるいは図形形式で提供することができる。空／満計器を使用して、ほとんどのドライバが慣れ親しんでいる出力を提供することができる。「すぐバッテリを修理してください」の表示は別の出力例である。値は、オルタネータ１０の動作を制御するために使用したり、あるいは診断装置による将来の検索のため、または保証請求の正当性を確認するために、蓄積することができる。
【００４４】
本発明を好適な実施形態に関連して説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および細部に対し変化を加えることができることを当業者は理解するであろう。例えば、回路、回路構成、およびバッテリの状態パラメータは単なる実施形態として提供したものであって、他の構成および実現を使用できることを、当業者は理解するであろう。バッテリへの特定の接続は、参照によってここに組み込まれる、１９９９年１１月１日に出願された「電子バッテリテスタ用の電気的接続」と題する米国特許出願第０９／４３１，６９７号、現在は米国特許第６，１６３，１５６９号であるその米国特許公報にそのすべてが記載、図示されているように、時間関数接続がバッテリから離して配置される「分割」ケルビン接続を含めて、ケルビン接続を介することができる。本発明のさらなる実施例では、オルタネータ２０は、車両が静止状態のときに自動車を充電するために、またはセルラサイトなどのリモートシステムで使用されるような予備バッテリを充電するために使用されるような電子バッテリ充電器を備えることができる。そのような実施形態では、制御線２３を使用して、ここに記載した技法を使用してバッテリ１８の充電器を調整することができる。そのような実施形態では、図１に示した要素１０は機器用の予備電源を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態に係る車両内のバッテリ監視装置を示す簡易ブロック図である。
【図２】図１のバッテリ監視装置を示すより詳細な配線図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る診断を実行するためのステップを示す簡易ブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るブートシーケンスを示すフローチャートである。
【図５】本発明のキーオフシーケンスを示すフローチャートである。
【図６】本発明に係る動作モードを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１０……車両
１２……バッテリ監視装置
１４……車両負荷
１８……バッテリ
２０……オルタネータ
２２……マイクロプロセッサ
２３……制御出力
２４……電圧センサ
２６……電流センサ
２８……時間関数
３０……Ｉ／Ｏ
３２……ユーザ入力／出力（Ｉ／Ｏ）
３６Ａ、３６Ｂ……接続
３７……温度センサ
４０……メモリ
４２……オプショナル外部メモリ
４４、５０……抵抗
４６、５４、５６……スイッチ
４７、５２……増幅器
４８……コンデンサ
【図１】
2005503952.tif 000008
【図２】
2005503952.tif 000009
【図３】
2005503952.tif 000010
【図４】
2005503952.tif 000011
【図５】
2005503952.tif 000012
【図６】
2005503952.tif 000013
【国際公開パンフレット】
2005503952.tif 000014
2005503952.tif 000015
2005503952.tif 000016
2005503952.tif 000017
2005503952.tif 000018
2005503952.tif 000019
2005503952.tif 000020
2005503952.tif 000021
2005503952.tif 000022
2005503952.tif 000023
2005503952.tif 000024
2005503952.tif 000025
2005503952.tif 000026
2005503952.tif 000027
2005503952.tif 000028
2005503952.tif 000029
2005503952.tif 000030
2005503952.tif 000031
2005503952.tif 000032
2005503952.tif 000033
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2005503952.tif 000035
2005503952.tif 000036
2005503952.tif 000037
2005503952.tif 000038
2005503952.tif 000039
2005503952.tif 000040
2005503952.tif 000041
2005503952.tif 000042
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2005503952.tif 000044
2005503952.tif 000045
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2005503952.tif 000047
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2005503952.tif 000049
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2005503952.tif 000053
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【国際調査報告】
2005503952.tif 000055
2005503952.tif 000056
2005503952.tif 000057
2005503952.tif 000058
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