(57)【要約】  検査におけるバッテリのコールドクランキングアンペア（ＣＣＡ）値を測定するＣＣＡ決定方法及び装置において、バッテリ内部抵抗（ＩＲ）の関数としてバッテリＣＣＡのアルゴリズムを生成し、検査におけるバッテリのＩＲを決定し、決定されたＩＲからアルゴリズムにより前記検査におけるバッテリのＣＣＡ値を求める。ＣＣＡ決定方法及び装置はバッテリが設置された車両内で使用され、またはスタンドアローン型としても使用される。
2007525354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリ内部抵抗（ＩＲ）の関数としてバッテリＣＣＡのアルゴリズムを計算して記憶するステップと、
検査においてバッテリのＩＲを測定するステップと、
前記測定されたＩＲを使用して前記記憶されたアルゴリズムから前記検査におけるバッテリのＣＣＡ値を決定するステップと、
を含む検査においてバッテリのコールドクランキングアンペア（ＣＣＡ）値を決定するＣＣＡ決定方法。
【請求項２】
前記アルゴリズムを計算するステップは、
異なるＣＣＡ定格値をもつ複数のバッテリの異なる型のＩＲ値をそれぞれ測定するステップと、
各測定されたバッテリのＩＲ値をそのＣＣＡ定格値と関係してプロットするステップと、
前記ＩＲ値を既知のＣＣＡ定格値と関係して解析し、前記アルゴリズムを生成するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＣＣＡ定格は各バッテリの製造者のよる定格値である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記決定されたアルゴリズムはＣＣＡ＝ｋ１−ｋ２ＩＲであり、ｋ１とｋ２は定数である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記検査におけるバッテリは鉛蓄電池であり、前記決定されたアルゴリズムはＣＣＡ＝８３２．９４４−１５１２７．８ＩＲである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記検査におけるバッテリのＩＲを決定するステップは、
２つの異なる時点におけるバッテリ端子電圧の変化（ｄＶ）と２つの異なる時点における電流の変化（ｄＩ）を測定するステップと、
前記検査におけるバッテリのＩＲをＩＲ＝ｄＶ／ｄＩにより計算するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
さらに、
ＩＲを基準温度に関係して調整するアルゴリズムを用意するステップと、
前記検査におけるバッテリの温度を測定するステップと、
ＩＲ対ＣＣＡの前記アルゴリズムに基づいてＣＣＡを決定する際に使用するため、前記測定されたＩＲを前記測定された温度に基づいて調整するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
さらに、
前記検査におけるバッテリのＩＲをバッテリの充電状態に関係して調整するデータを用意するステップと、
前記検査におけるバッテリの充電状態を測定するステップと、
ＩＲ対ＣＣＡの前記アルゴリズムからＣＣＡ値を決定する際に使用するため、前記測定されたＩＲを前記測定された充電状態に基づいて補正するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
バッテリの内部抵抗（ＩＲ）に関係するアルゴリズムがメモリに記憶されたコンピュータと、
ＩＲの計算を可能にするため前記検査におけるバッテリから電圧と電流のデータを収集する回路手段を備え、前記コンピュータは前記検査におけるバッテリのＩＲを計算し、計算されたＩＲと前記記憶されたアルゴリズムに基づいて前記検査におけるバッテリのＣＣＡ値を決定する、
検査におけるバッテリのコールドクランキングアンペア（ＣＣＡ）値を決定するＣＣＡ決定装置。
【請求項１０】
前記検査におけるバッテリは運転車両に設けられ、前記回路手段は２つの異なる時点におけるバッテリ端子電圧の変化（ｄＶ）と２つの異なる時点における電流の変化（ｄＩ）を測定し、
前記検査におけるバッテリのＩＲはＩＲ＝ｄＶ／ｄＩにより計算する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記回路手段は、
前記検査におけるバッテリに接続されて電流パルスを供給する手段と、
バッテリ端子に接続され、前記電流パルスの印加前と印加中の各時点で電圧データ及び電流データを収集し、データから前記２つの異なる時点におけるバッテリ端子電圧の変化（ｄＶ）と前記２つの異なる時点における電流の変化（ｄＩ）を測定する手段とを備え、
前記検査におけるバッテリのＩＲはＩＲ＝ｄＶ／ｄＩにより計算される、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記電流パルスは、前記バッテリの充電状態が所定値以上の場合は放電パルスであり、前記バッテリの充電状態が所定値以下の場合は充電パルスである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
さらに、前記検査におけるバッテリの温度を検出するセンサ手段を備え、測定された温度に基づいて前記計算されたＩＲが調整される、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
さらに、前記検査におけるバッテリの充電状態を測定する手段を備え、測定された充電状態に基づいて前記計算されたＩＲが調整される、請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバッテリ内部抵抗（ＩＲ）を測定してバッテリのコールドクランキングアンペア（ＣＣＡ）値を決定する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般の自動車用バッテリなど、車両用バッテリの性能を評価するパラメータの１つにコールドクランキング電流（ＣＣＡ）がある。公称電圧出力が１２．６Ｖである一般の自動車用鉛蓄電池の場合、ＣＣＡは温度０°Ｃの下でバッテリを３０秒間出力させたときにバッテリ電圧が７．２Ｖ以上になるような電流（アンペア単位）の定格である。ＣＣＡ値は車両を始動するのに必要なバッテリ能力に関係している。バッテリを搭載した車両に関わる最重要部品は始動用車両モータである。ＣＣＡが一定の値より小さいと、スタータは始動用車両モータを回転駆動することができない。
【０００３】
したがって、車両に既に設置されているバッテリに関し、そのＣＣＡ値が分かればバッテリの充電や交換をいつ行えばよいか判断できて望ましい。イリノイ州、バーリッジ（Burr Ridge）のミドトロニクス（Midtronics）社製の市販の装置は交流電流（ＡＣ）信号を用いてバッテリのＣＣＡを決定するものである。この装置は高価で複雑である上、ＣＣＡ値を決定する際にバッテリを車両から切り離す必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、低価格で使い勝手がよく、バッテリを車両から切り離すことなく設置したままでＣＣＡを決定可能なバッテリＣＣＡ値決定方法及び装置のニーズがある。また、車両に設置していないバッテリ、例えばこれから搭載しようとする交換用のバッテリや再調整したバッテリなどのＣＣＡ値を簡単に検査できる安価な装置を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本件発明者はバッテリの内部直流抵抗（ＩＲ）とバッテリＣＣＡ値の間に関係があることを見出した。本発明の第１のパートで、ＩＲとＣＣＡの関係を表すＩＲ／ＣＣＡアルゴリズムが生成される。第２のパートでは、バッテリを車両に設置したままの動作環境で、あるいは車両から取外した単独（スタンドアローン）方式でバッテリＩＲの決定が行われる。測定したバッテリＩＲはその後ＩＲ／ＣＣＡアルゴリズムに適用されバッテリのＣＣＡ値が求められる。
【０００６】
本発明の第２のパートを実現する一形態において、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラとこれに関連あるいは搭載したアルゴリズム記憶メモリを備えた電子回路が使用される。マイクロプロセッサには、バッテリにおかれる２つの負荷条件間の変化または、バッテリ充電電流パルスまたは放電電流パルスの印加前と印加中の各時点のような、２つの異なるバッテリ動作点で測定した電圧（Ｖ）と電流（Ｉ）のデータが供給される。このデータはマイクロプロセッサのメモリに記憶され、これに基づいてマイクロプロセッサは公式ＩＲ＝ｄＶ／ｄＩによりＩＲを算出する。ここに、ｄＶは２つの測定点間の電圧変化、ｄＩはその電流変化であり、記憶したＶとＩのデータの各値からマイクロプロセッサにより算出される。算出されたＩＲの値はその後アルゴリズムに適用され、バッテリのＣＣＡ定格が求められる。この値は表示することができる。
【０００７】
一実施形態において、本発明の回路は計装設備の一部として車両に直接組み込められ、バッテリＣＣＡ値の監視が連続的に、あるいは設定された周期の間隔でまたは要求に応じて行われる。別の実施形態では、回路は単独（スタンドアローン）で使用され、バッテリを車内または車外に置いた状態でＣＣＡを測定する。
【０００８】
本発明の目的はバッテリのＣＣＡ値を決定する装置及び方法を提供することである。
別の目的は、車両に設置されたバッテリを車両の動作システムから切り離すことなくＣＣＡ値を決定する装置及び方法を提供することである。
【０００９】
さらに別の目的は、バッテリの測定が負荷の掛かった通常動作中に行う車両搭載のバッテリのＣＣＡ決定方法及び装置を提供することである。
さらに別の目的は、バッテリが車両に搭載または搭載されていない場合に、簡単にバッテリＣＣＡ値の決定が行える方法及び装置を提供することである。
【００１０】
さらに本発明の目的は、バッテリのＩＲを測定することによりバッテリのＣＣＡ値を決定することである。
本発明の他の目的、効果は以下の詳細な説明と添付図面から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は回路の好適な実施形態を示したもので、この回路は車両に備えられたバッテリ１０のＣＣＡ値を監視、決定する。本発明は車両で一般に使用されている鉛蓄電池を例として説明される。負荷１２は図示のようにバッテリ１０の一端に接続され、これと直列に抵抗値が既知のシャント（抵抗）２２が接続される。車両の負荷１２には、車両の一般的な始動、照明、アクセサリ（ＳＬＡ）部品、例えば、スタータ、モータ、照明、空調機などがある。負荷は車両の各種動作条件に応じて変わる。
【００１２】
図１には一般的なマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ２０が示されている。マイクロプロセッサ２０はメモリを備え、このなかに、後述する各種測定、計算、比較機能を制御するのに必要な命令を与えるアプリケーションプログラムが記憶される。アプリケーションプログラムはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）またはＰＲＯＭなどの再プログラム可能な記憶装置に内蔵される。さらにマイクロプロセッサ２０には一般のＲＡＭメモリ、データ処理ユニット、演算機能部などが備えられるとともに、アプリケーションプログラムとインタフェースをとる内部クロックが内蔵される。ディスプレイ２１はＬＥＤ、ＬＣＤ、またはオーディオタイプなどであり、マイクロプロセッサの出力として駆動される。この種のマイクロプロセッサは各種車両の各種用途で従来から使用されているもので、このなかに本発明のプログラムを組み込むことにより別のマイクロプロセッサは不要になる。また必要に応じてデータ入力装置、例えばキーボード（図示せず）を設けマイクロプロセッサのプログラムを変更するようにしてもよい。
【００１３】
データ収集（ＤＡＱ）回路２６の出力は電圧計１４の入力に接続される。ＤＡＱ２６の１入力は車両用バッテリ１０の端子に接続されバッテリ出力電圧（Ｖ）を測定する。ＤＡＱの別入力はシャント２２の両端に接続される。シャント２２は値が既知の高精度抵抗であって、バッテリ正端子または負端子と直列接続され、車両の負荷電流およびバッテリの充電電流はこのシャントを通って流れる。マイクロプロセッサ２０はこのシャント２２の測定電圧から電流（Ｉ）を計算する。なお、電流の測定は他の適当な技術、例えば、ホール効果素子を用いて行ってもよい。
【００１４】
図示しないが、ＤＡＱ回路２６または電圧計１４には信号調整回路が設けられてよい。また、ＤＡＱ回路２６を、センサ１７からの温度データを獲得するために、バッテリに置かれた熱電対に接続してバッテリ温度を測定することが望ましい。
【００１５】
データ収集回路（ＤＡＱ）２６はマイクロプロセッサ２０により制御される。図１の回路動作中に、スイッチＳはＤＡＱ２６により制御され、バッテリ端子との接続を開閉して負荷充電回路を開閉する。図１の回路が作動すると、ＤＡＱは電圧計１４内部に接続されるようになって、バッテリ端子電圧の測定またはシャント抵抗２２の電圧測定を行う。車両に負荷電流が流れているときＤＡＱはマイクロプロセッサの制御の下で電圧データの収集を行い、所定時間ベース、例えば１時間毎、２４時間毎、要求時、あるいは車両の始動毎（始動の前後で測定される）に行うことができる。センサ１７からの温度データの収集も同時に行われる。また、イベント駆動の動作により例えば所定値以下の温度が検出されたときなどに実行可能である。
【００１６】
また、アナログ測定電圧量をデジタル値に変換するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２８がマイクロプロセッサ上に１または２以上のいずれか搭載され、あるいは図１に示すように別装置として設けられる。代替として、バッテリ、シャントその他の温度センサ１７のような装置のリード線を直接ＡＤＣに接続してもよい。この場合、ＤＡＱ回路は不要になる。
【００１７】
測定したバッテリ電圧（Ｖ）及びシャント２２電圧はいずれもアナログ量で、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２８を介してデジタル形式に変換され、同様にセンサ１７の温度データも変換され、これらのパラメータはデジタルデータとしてマイクロプロセッサ２０に供給され、記憶される。マイクロプロセッサは測定したシャント抵抗２２の電圧と既知であるシャント抵抗値から電流（Ｉ）を計算する。このＶ値とＩ値がマイクロプロセッサのメモリに記憶される。
【００１８】
バッテリのＩＲを決定するため、マイクロプロセッサ２０からの指示でＤＡＱ２６は電流Ｉが算出されるシャント２２に跨る電圧とバッテリ端子電圧Ｖの測定を２つの異なる時点、例えば１〜１０秒離れて行う。車両の負荷電流は総じて一定ではないので、このような２時点で測定されるバッテリ端子電圧Ｖおよびシャント電圧は異なる。負荷が実質的に同じ場合には、負荷に変化が生じるまでさらに測定を行う。このような２時点で測定したバッテリ端子電圧Ｖと計算された電流Ｉがマイクロプロセッサのメモリに記憶される。マイクロプロセッサはこの２時点におけるＶとＩの記憶データから公式ＩＲ＝ｄＶ／ｄＩによりバッテリＩＲを計算する。このＩＲ値はマイクロプロセッサに記憶されるとともに、所望ならばディスプレイ２１に表示される。収集した温度データはＩＲを所定の基準レベルの温度、例えば２５℃に合わせて適宜補正するのに使用される。
【００１９】
図２はバッテリＣＣＡ（縦軸のアンペア）とＩＲ（横軸のオーム）の関係を示したものである。このデータを生成するため、異なるメーカーから異なるサイズ、容量の複数の新しい鉛蓄電池を入手した。各バッテリは自己のメーカーの設計ＣＣＡ値をもち、バッテリは個々に検査して室温（２５℃）のバッテリＩＲを決定した。これを行うため、使用した図１の回路において、例えば負荷回路１２に抵抗を加えまたは取替えて負荷を変化させた。これ以外にもバッテリＩＲを測定する既知の技術または回路が使用可能であり、例えば適当な電流源からバッテリに既知の値（ｄＩ）の電流パルスを供給して端子電圧の変化（ｄＶ）を測定する。
【００２０】
ところで、多様なバッテリが製造されており、アンペアアワー（Ａｈ）定格の異なる容量がある。自動車バッテリのバッテリ容量とＣＣＡの間には一般的な関係がある。すなわち、Ａｈ定格が大きいほどＣＣＡ定格は大きい。また知られているようにバッテリ年齢関して、ＩＲが増加し且つ容量（Ａｈ）が減少するので、ＣＣＡ値はまた減少することを意味する。
【００２１】
コンピュータプログラムで使用するため、試験される各種バッテリについて、既知である定格ＣＣＡデータと測室温下で定したＩＲ収集データをプロットした。次に、このデータの回帰分析を例えばマイクロソフトのエクセルのコンピュータプログラムで行った。回帰分析の式から、ＣＣＡは室温のバッテリＩＲと逆に関係するという一般的な結果が得られた。これは実験関係で、その一般式は次式で与えられる。
【００２２】
ＣＣＡ＝ｋ１−ｋ２ＩＲ                                        （１）
ここにｋ１とｋ２は定数である。
鉛蓄電池の測定データから得られたアルゴリズムの式は
ＣＣＡ＝８３２．９４４−１５１２７．８ＩＲ                  （２）
になった。好適な実施形態では、式（２）のデータがマイクロプロセッサ２０のメモリにプログラムされる。
【００２３】
検査におけるバッテリのＩＲは図１の回路を使用して上述した方法で決定される。前記のように、図２にグラフ化したアルゴリズムの式は温度２５℃のバッテリから得られたものである。検査におけるバッテリの測定が２５℃以外の温度で行われる場合は、ＣＣＡ決定精度を確保するため補正を行う。これを行うには、センサ１７から収集した温度測定値をマイクロプロセッサで使用しバッテリＩＲを２５℃の基準に合わせて計算すればよく、その計算には例えば本件譲渡人に譲渡された米国特許第４,９３７,５２８号に記載された方法が使用できる。この特許の全開示内容は本件に参考のために組み入れられる。この補正を行うアルゴリズムはこの特許に記載されるようにマイクロプロセッサ２０に記憶される。ＩＲの測定値は２５℃に調整して記憶される。当然ながら、２５℃で検査におけるバッテリのＩＲ決定を行った場合には、調整は不要である。
【００２４】
マイクロプロセッサ２０はＣＣＡ値を求める計算を行うため、バッテリの実温度で計算したＩＲを２５℃のときのＩＲに調整する。調整したＩＲ値は図２に示すような記憶アルゴリズム表現に適用されてＣＣＡ値が求められ、ディスプレイ２１に表示される。代替として、各種バッテリ毎に対応するＩＲとＣＣＡのデータポイントをマイクロプロセッサのメモリにルックアップテーブル形式でプログラムしておくようにしてもよい。この場合、記憶された検査におけるバッテリＩＲ値はルックアップテーブルのデータと照合されてＣＣＡが求められる。このＩＲ値は必要に応じて温度調整されたものであり、図２から求められたＣＣＡはディスプレイ２１に表示される。
【００２５】
図３に示す実施形態の回路はスタンドアローンユニットとして使用可能である。すなわち、例えばハンドヘルドユニット、または作業テストシステムの実装部品として使用される。ユニットは内部バッテリまたは壁コンセント（図示せず）のＡＣライン電源で作動する。図３の回路は車内または車外に設置された検査におけるバッテリに使用可能である。この回路において図１の回路で使用されるものと同一の要素には同様な参照番号が付されている。さて、ユニットに一部として備え付けられたリード１５ａ、１５ｂはバネクリップなどでバッテリ１０端子に取り付けられる。また、ユニットには高精度シャント抵抗６２が備えられ、これに電圧計リードの一方、例えば図示のようにリード１５ａが好適に直列接続される。車両に設置したバッテリのＣＣＡをこの回路で検査しようとする場合には、片方のバッテリケーブルにシャント抵抗６２を直列接続する。バッテリケーブルの抵抗が分かっているのであれば、それをシャントとして用いて電圧データを収集し、電流（Ｉ）を計算することができる。
【００２６】
ユニットを動作させるため、リード１５はバッテリ端子に接続する。次にユニットをオンにする。マイクロプロセッサ２０によって作動されるＤＡＱ２６はバッテリ端子電圧Ｖを測定し、測定値はＡＤＣ２８を介してデジタル形式に変換された後、コンピュータのメモリに記憶される。次にシャント６２の電圧が測定され、それに基づいて前記のように電流Ｉが計算され記憶される。
【００２７】
バッテリの正と負の端子には直列接続されたコンデンサ４０、抵抗４１及びスイッチ５１からなる第１の分岐回路が接続される。さらに第１の分岐回路と並列に、直列接続された抵抗４２及びスイッチ５２からなる第２の分岐回路が接続される。スイッチ５１、５２は例えばダイオードで構成され、マイクロプロセッサ２０の制御下でＤＡＱにより作動される。２つのスイッチが共に開放のときは、分岐回路は作用しない。コンデンサ４０はその電源、バッテリあるいはＡＣライン（図示されていない）を変換したＤＣ電圧で充電される。
【００２８】
ユニットが起動すると、ＤＡＱはスイッチ５１とスイッチ５２を開放し、これによりコンデンサ４０はその電源により充電される。バッテリ検査の開始時に、ユニットはバッテリの条件に応じて充電パルス試験あるいは放電パルス試験を行うことができる。充電パルス試験を行う場合、ユニットはコンデンサ４０をその電源から切り離し、短時間、スイッチ５１を閉成する一方でスイッチ５２は開放にしたままにする。これでユニットはバッテリに制御充電パルスを印加することができる。回路はそれぞれ充電開始前と充電中に電圧と電流を測定する。式ＩＲ＝ｄＶ／ｄＩ、ここにｄＶはパルス開始前の電圧とパルス時の電圧の差、ｄＩはパルス開始前の電流とパルス時の電流の差を使用してＩＲが算出される。また前記のように、測定したＩＲは適宜、センサ１７から収集した温度データに基づいて２５℃のＩＲに温度調整される。
【００２９】
バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が２０％以下である場合を除き、放電パルスが通常使用される。バッテリＳＯＣは任意の適当な方法、例えば前記米国特許第４，９３７，５２８号に記載される方法で測定される。ＳＯＣ値はＳＯＣに基づいて手動操作されるユニットまたはマイクロプロセッサ内に記憶される。充電状態が２０％以上の場合、マイクロプロセッサからの指示で放電パルスが通常使用される。放電パルスをバッテリに通す場合、マイクロプロセッサはＤＡＱを作動し、短時間、スイッチ５２を閉成し、スイッチ５１を開放にする。これによりバッテリは負荷抵抗４２を介して放電する。前記のようにしてＩＲが決定される。充電状態が所定値より低い場合、測定したＩＲは１００％ＳＯＣ時のＩＲに調整される。これは前記特許に記載の方法で行える。調整したＩＲ値から図２のアルゴリズムによりバッテリのＣＣＡが求められる。代替として、バッテリを１００％ＳＯＣにまで充電してから再度ＩＲを決定するようにしてもよい。いずれの場合も、前記のような温度調整が可能である。
【００３０】
ユニットに内部バッテリ（図示せず）が備えられている場合、バッテリはコンデンサ４０を規定の全充電カーバッテリの電圧を超える１４ボルトより高い電圧まで充電可能になる。コンデンサの容量は少なくとも約１秒間バッテリに充電パルスを印加可能な程度の電荷が蓄積される値である。前と同様にマイクロプロセッサはパルス前とパルス中の両方に電流と電圧を測定してＩＲを計算し、ＣＣＡを求める。
【００３１】
特に重要ではないが、定電流充電パルスを供給する回路をユニットに付加してもよい。また抵抗４１、４２は所望電流レベルのパルスを供給するため可変抵抗であってよい。
１以上の図面には本発明の詳細な各種特徴が示されているが単なる便宜上であり、個々の特徴は本発明に基づいて他の特徴と組合せ可能である。当業者には代替として各種形態が可能であり、特許請求の範囲内に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係る回路図である。
【図２】ＩＲ／ＣＣＡアルゴリズムのグラフである。
【図３】本発明の別の実施形態に係る回路図である。
【図１】
2007525354.tif 000003
【図２】
2007525354.tif 000004
【図３】
2007525354.tif 000005
【国際調査報告】
2007525354.tif 000006
2007525354.tif 000007