(57)【要約】【課題】車載バッテリの開放相当の内部状態を作り込むことで擬似ＯＣＶとＳＯＣの相関関係を利用してＳＯＣを算出すること。【解決手段】エンジンで駆動される車載発電機７と、前記発電機の発電量を調整する電圧制御装置８と、前記発電機で発電した電力を蓄積する車載バッテリ５とを備える車両にて、エンジン稼動中に前記電圧制御装置は前記車載発電機を一旦発電停止させ、徐々に発電量を増加していく際にバッテリの充放電電流が微小な所定範囲内に収まった際のバッテリ電圧を検出する。【選択図】        図１
2005014637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンで駆動される車載発電機と、
前記発電機の発電量を調整する制御装置と、
前記発電機で発電した電力を蓄積する車載バッテリとを備える車両にて、
エンジン稼動中に前記制御装置は前記車載発電機を一旦発電停止させ、徐々に発電量を増加していく際にバッテリの充放電電流が微小な所定範囲内に収まった際のバッテリ電圧を検出することを特徴とする車載バッテリ監視装置。
【請求項２】
前記バッテリ監視装置は、前記車載発電機の発電量を調整して前記バッテリ内部の分極状態が所定範囲内にある状態を作りこみ、その状態から前記発電機の発電量を徐々に増加してゆき前記バッテリの充放電電流が所定範囲内に収まった際のバッテリ電圧を検出することを特徴とする請求項１記載の車載バッテリ監視装置。
【請求項３】
前記微小な所定範囲内とは±１Ａ以内であることを特徴とする請求項１または２に記載の車載バッテリ監視装置。
【請求項４】
前記バッテリの内部の分極状態を所定範囲内に作りこむ制御はエンジン始動後所定時間経過した後に実行することを特徴とする請求項２または３に記載の車載バッテリ監視装置。
【請求項５】
前記バッテリの分極状態は、前回の充放電電流サンプル時に求めた分極指数をＰｎ−１とし、充放電電流のサンプル間隔時間をΔｔとし、バッテリの電解液の拡散時定数をτとすると、今回の充放電電流サンプル時の分極指数Ｐｎは、
Ｐｎ  ＝  Ｐｎ−１  ＋  Ｉ・Δｔ  −  Ｐｎ−１・Δｔ／τ
で定義されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載の車載バッテリ監視装置。
【請求項６】
前記バッテリの充放電電流値が所定範囲内に収まった際の電圧に対するバッテリの充電率を算出して初期充電率とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の車載バッテリ監視装置。
【請求項７】
前記バッテリの充放電電流値を前記サンプル間隔Δｔで検出し、該電流のサンプル値Ｉｎと前記サンプル間隔Δｔとの算術積を電池容量値で除した値を、前記充電率初期値に加算してゆくことで逐次のバッテリ充電率を算出することを特徴とする請求項６に記載の車載バッテリ監視装置。
【請求項８】
前記バッテリ監視装置は、一旦車載発電機を発電停止させた後に徐々に発電量を増大して前記バッテリの充放電電流値を微小な所定範囲内に収める制御をエンジン稼動中に定期的に実施することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の車載バッテリ監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用バッテリの内部状態監視装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
一般に鉛蓄電池の充電状態量を示す充電率（以下、ＳＯＣ；ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ［％］という）は電池端子を開放した状態の起電圧、いわゆる開放端子電圧（以下、ＯＣＶ；Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅという）、と極めて強い相関がある（図５）ことが知られている。従って最も簡易的に電池のＳＯＣ測定手段として前記ＯＣＶを測定することが一般的である（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２２２６６８号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開２００２−２５０７５７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自動車に搭載される鉛蓄電池（以下車載バッテリと称す）は車両が稼動中、停止中に限らず、常に何らかの電気装置が接続されており、いつ何時ともその端子を物理的に開放することは困難である。即ち、自動車の車載バッテリでＯＣＶ測定からのＳＯＣ算出という手段は実施困難である。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされ、車載バッテリの端子を開放しなくても開放相当の内部状態を作りこむことで擬似開放端子電圧とＳＯＣの相関関係を利用してＳＯＣを算定するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、エンジンで駆動される車載発電機と、前記発電機の発電量を調整する制御装置と、前記発電機で発電した電力を蓄積する車載バッテリとを備える車両にて、エンジン稼動中に前記制御装置は前記車載発電機を一旦発電停止させ、徐々に発電量を増加していく際にバッテリの充放電電流が微小な所定範囲内に収まった際のバッテリ電圧を検出する。好適には電流値の微小な範囲は±１Ａ以内が望ましい。
【０００８】
車載発電機をこのように制御することで車載バッテリの充放電電流を微小範囲内に収めることは、ほぼ前記バッテリの端子を物理的に開放した状態に極めて近似した状態であることが発明者等の実験により明らかになった。即ち、実質的に端子を開放することが困難な自動車用バッテリでも擬似的に端子を開放した状態を作り出すことができるのである。このようにして検出した擬似ＯＣＶと実ＳＯＣの相関関係を利用して車載バッテリのＳＯＣを求めることができる。
【０００９】
請求項２によれば、前記バッテリ監視装置は、前記車載発電機の発電量を調整して前記バッテリ内部の分極状態が所定範囲内にある状態を作りこみ、その状態から前記発電機の発電量を徐々に増加してゆき前記バッテリの充放電電流が所定範囲内に収まった際のバッテリ電圧を検出する。
【００１０】
実際のＳＯＣはバッテリの分極状態に大きく依存して変動するので分極状態をしっかり管理しておかないと正確なＳＯＣが求められないということが一般に知られている。図６を用いて説明する。平衡状態に比較して充電気味にある場合には破線のように擬似ＯＣＶに対する実ＳＯＣは高めに現われ、逆に放電気味にある場合には一点鎖線のように擬似ＯＣＶに対する実ＳＯＣは低めに現われる。更に、充電⇒放電という過程を連続的に繰り返す場合には図７のようにヒステリシスを呈しながら曲線的に推移してゆくのである。
【００１１】
従って正確にＳＯＣを推定するには分極状態を管理する必要がある。
【００１２】
このように車載バッテリの分極状態を所定状態に維持した状態で擬似ＯＣＶを検出することにより、前記擬似ＯＣＶと実ＳＯＣの相関係数が大きくなりＳＯＣ推定精度を格段に向上させることが可能となる。
【００１３】
請求項４によれば、前記バッテリの内部の分極状態を所定範囲内に作りこむ制御は、エンジン始動後所定時間経過した後に実行する。つまりエンジン始動時には始動用スタータモータで極めて大きな電流を消費、即ちバッテリは極めて大きな電流を放電する。即ち、始動直後は分極状態が著しくなっており、電気化学反応はこの分極状態を直ちに解消しようとする反応を促進するので、極めて不安定な内部状態となっている。この状態は本来の理想的な端子開放状態とは大きくかけはなれている。従って始動放電による分極を解消する必要があるため始動後所定時間の間は分極状態を作りこむ制御を禁止し、所定時間経過後に実施する。
【００１４】
このように制御すれば、一層ＳＯＣの推定精度が向上する。
【００１５】
請求項５によれば、前記バッテリの分極状態は、前回の充放電電流サンプル時に求めた分極指数をＰｎ−１とし、充放電電流のサンプル間隔時間をΔｔとし、バッテリの電解液の拡散時定数をτとすると、今回の充放電電流サンプル時の分極指数Ｐｎは、次式で定義される。
【００１６】
Ｐｎ  ＝  Ｐｎ−１  ＋  Ｉ・Δｔ  −  Ｐｎ−１・Δｔ／τ
このように定量的に定義しておけば、分極状態の管理を精度良く実施できる。
【００１７】
請求項６によれば、前記バッテリの充放電電流値が所定範囲内に収まった際の電圧に対するバッテリの充電率を算出して初期充電率とする。
【００１８】
更に請求項７によれば、前記バッテリの充放電電流値を前記サンプル間隔△ｔで検出し、該電流のサンプル値Ｉｎと前記サンプル間隔Δｔとの算術積を電池容量値で除した値を、前記充電率初期値に加算してゆくことで逐次のバッテリ充電率を算出する。
【００１９】
このようにすればＯＣＶ検出時に算出したＳＯＣを基準に充放電電流の変化量（積算量）を加算することで走行中の実ＳＯＣを求めることが可能となり、端子を開放する機会を少なくすることができ、充電状態を悪化させることがなくなる。
【００２０】
請求項８によれば、前記バッテリ監視装置は、一旦車載発電機を発電停止させた後に徐々に発電量を増大して前記バッテリの充放電電流値を微小な所定範囲内に収める制御をエンジン稼動中に定期的に実施する。
【００２１】
このように定期的に擬似ＯＣＶを求めておけば、充放電電流積算方式のデメリットである電流センサの誤差積算を定期的にリセットして解消することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は本実施形態の全体構成を示す図である。図１に示す車載バッテリの状態監視システムは、スタータ１、スタータスイッチ２、電気負荷３、電流センサ４、車載バッテリ５、車載バッテリ監視装置６、車載発電機７、電圧制御装置８、ＥＣＵ（エンジン制御装置）９、電力ケーブル１０から構成されている。車載発電機７はエンジン（図示せず）によって回転駆動されて、車載バッテリ５の充電電力や電気負荷３の動作電力を発生する。
【００２３】
電圧制御装置８は、車載発電機７に備わった界磁コイルに対する励磁電流の導通状態を制御することにより車載発電機７の出力電圧を所定値に調整する。この電圧制御装置８は、構成回路の動作電圧を生成する電源回路や、励磁電流の導通を制御するパワートランジスタ等のパワー素子や、この導通制御を行うロジック回路等がＣＭＯＳ−ＩＣによって実現されている。
【００２４】
電気負荷３は、照明やエアコン等の電気機器であり、最近ではこれらの電気機器は制御用の電子部品を含む高度電子化装置である場合も多い。
【００２５】
車載発電機７と車載バッテリ５との間および車載バッテリ５と電気負荷３との間は、電力ケーブル１０によって接続されている。また、電圧制御装置８は、車載発電機７に内蔵されており、必要な電気的結線が車載発電機７の内部で行われている。
【００２６】
ＥＣＵ９は、エンジンの状態、車速、車載発電機７の回転数や発電状態等に基づいてエンジンの回転制御や車載発電機７の発電制御を行う外部制御装置である。例えば、電圧制御装置８からＥＣＵ９に対して車載発電機７の発電状態情報が送られ、反対に、ＥＣＵ９から電圧制御装置８に対して車載発電機７の出力電圧を設定する発電電圧指令情報が送られる。この発電指令情報は、発電抑制信号としての機能も有しており、ＥＣＵ９から電圧制御装置８に向けて車載発電機７の出力電圧を低く設定する発電指令情報を送ることにより、車載発電機７の発電を抑制することが可能になる。
【００２７】
また、車載バッテリ５の一方の端子（例えば正極端子側）の近傍には、車載バッテリ５の充放電電流を検出する電流検出手段としての電流センサ４が設けられている。この電流センサ４の検出信号および車載バッテリ５の端子電圧が車載バッテリ監視装置６に入力されている。車載バッテリ監視装置６にはある所定の分極状態におけるＯＣＶ対ＳＯＣのマップデータ（図５）を格納してある。
【００２８】
本実施形態の車載バッテリの状態監視システムはこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。
【００２９】
図２はエンジン稼動中の自動車用バッテリのＳＯＣ検出の動作手順を示すフローチャートであり、この図に基づき説明する。
【００３０】
図３は経過時間に対する車載発電機の発電電圧Ｖａ、バッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリの分極指数Ｐａ、スタータ信号ＳＴの特性を示す特性図である。
【００３１】
まず、ステップ３０にてＩＧがＯＮの際に、ステップ４０にてスタータ信号がＨｉ→Ｌｏへ切り替わったことを判定する。これによりエンジンが始動するが、エンジン始動直後は始動用スタータモータで大電流を消費、即ちバッテリは大電流を放電した直後であるから、分極状態が著しく極めて不安定な内部状態となっている。よって、エンジン始動後、所定時間の間はバッテリ内部の分極状態を所定範囲内に作りこむ制御は禁止し、所定時間経過後に実施する。所定時間経過を計測するタイマをステップ５０、６０、７０にてセットする。例えばＴ１は６０秒に設定する。ステップ８０にてバッテリの充放電電流Ｉｎを電流センサ４にてサンプリングし、ステップ９０にて分極指数Ｐｎを算出する。ここで分極指数Ｐｎは、前回の充放電電流サンプル時に求めた分極指数をＰｎ−１とし、充放電電流のサンプル間隔時間をΔｔとし、バッテリの電解液の拡散時定数をτとすると、今回の充放電電流サンプル時の分極指数Ｐｎは、次式で定義される。
【００３２】
Ｐｎ  ＝  Ｐｎ−１  ＋  Ｉ・Δｔ  −  Ｐｎ−１・Δｔ／τ
ステップ１００にて時間Ｔが所定時間Ｔ１経過後の際は、ステップ１１０にて電圧制御装置８から発電停止信号を送信し、車載発電機７の発電を一旦停止させる所定電圧（例えば１１．８（Ｖ））に調整する（図３の▲１▼）。これによりバッテリは放電状態となるが、ステップ１２０にて分極指数Ｐｎを所定の範囲内に収めるように制御する。分極指数Ｐｎが所定の範囲内に収まれば、車載バッテリ監視装置６に格納したマップを利用できる状態になる。次にＳＯＣを求めるためバッテリの内部状態が安定した状態で、ステップ１３０にて車載発電機７の発電電圧を所定電圧（例えば１１．８（Ｖ））から徐々に増大させるよう電圧制御装置８にて制御する（図３の▲２▼）。
【００３３】
この際、車載発電機７の発電電圧を徐々に増大させるのは、バッテリの充放電電流Ｉｎを急激に変化させないためである。ステップ１４０にてバッテリの充放電電流Ｉｎが微小範囲（例えば±１Ａ）に収まった際にバッテリの端子電圧を測定する（図３の▲３▼）。車載バッテリの充放電電流Ｉｎを微小範囲内に収めることは、ほぼ前記バッテリの端子を物理的に開放した状態に極めて近似した状態に作り込むためである。
【００３４】
これに基づきステップ１５０にて測定したバッテリの端子電圧はＯＣＶと見なすことができる。
【００３５】
図５はバッテリのＯＣＶに対するバッテリのＳＯＣの特性を示す特性図である。
【００３６】
この特性図よりステップ１６０にてバッテリのＯＣＶからバッテリのＳＯＣを算出することが可能となる。
【００３７】
この発明により、端子を実際に開放しなくても、ＯＣＶ検出時に算出したＳＯＣの基準を求めることができ、以降は充放電電流Ｉｎの変化量（積算量）を加算していくことで走行中の実ＳＯＣを求めることが可能となる。
【００３８】
（他の実施形態）
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、エンジン始動後、所定時間Ｔ１経過後の場合を説明したが、図４に示すように一旦車載発電機を発電停止させた後に徐々に発電量を増大してバッテリの充放電電流Ｉｎを微小な所定範囲内に収める制御をエンジン稼動中に定期的に（例えばＴ１＜＜Ｔ２なるＴ２とし、数時間とする）実施するようにしてもよい。このように定期的に擬似ＯＣＶを求めておけば、充放電電流積算方式のデメリットである電流センサ４の誤差積算を定期的にリセットして解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車載バッテリの状態監視システムの全体構成を示す図である。
【図２】実施例におけるエンジン稼動中の自動車用バッテリのＳＯＣ検出の動作手順を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態における経過時間に対する車載発電機の発電電圧、バッテリ電圧、バッテリ電流、バッテリの分極指数、スタータ信号の特性を示す特性図である。
【図４】ＳＯＣ検出をエンジン稼動中に定期的に実施する変形例の、経過時間に対する車載発電機の発電電圧、バッテリ電圧、バッテリ電流、バッテリの分極指数、スタータ信号の特性を示す特性図である。
【図５】擬似ＯＣＶと実ＳＯＣとの相関関係を示す特性図である。
【図６】分極状態に対する擬似ＯＣＶと実ＳＯＣとの相関関係を示す特性図である。
【図７】充放電過程に対する擬似ＯＣＶと実ＳＯＣとの相関関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１…スタータ、２…スタータスイッチ、３…電気負荷、４…電流センサ、
５…車載バッテリ、６…車載バッテリ監視装置、７…車載発電機、
８…電圧制御装置、９…ＥＣＵ（エンジン制御装置）、１０…電力ケーブル。
【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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