(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測時にバッテリの端子間に接続される計測用抵抗と、
前記バッテリの端子間に対する前記計測用抵抗の接続状態を制御する接続制御手段と、
前記バッテリにより電源供給される実負荷が非動作時と判断された場合であって、前記接続制御手段により前記バッテリに計測用抵抗が接続されたときに、バッテリ端子間の電圧を計測する計測用抵抗電圧計測手段と、
前記バッテリのフル充電時における放電電圧、前記計測用抵抗の抵抗値及び前記実負荷の抵抗値を記憶する記憶手段と、
前記計測用抵抗電圧計測手段による計測結果と、前記記憶手段のデータとに基づいて前記バッテリの残存容量を前記実負荷との関係における相対値として演算する残存容量演算手段と、
前記残存容量演算手段の演算結果を表示する表示手段と、
を備えたことを特徴とするバッテリ残存容量計。
【請求項２】
残存容量演算手段は、前記計測用抵抗電圧計測手段による計測結果と、記憶手段に記憶されたバッテリのフル充電時における放電電圧及び計測用抵抗の抵抗値とから、バッテリの内部抵抗の抵抗値を演算する内部抵抗演算手段と、
前記内部抵抗演算手段により算出された内部抵抗の抵抗値と、記憶手段に記憶された実負荷の抵抗値とから、実負荷の抵抗値に対する実負荷の抵抗値と内部抵抗の抵抗値との差の割合を残存容量として算出する相対容量演算手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のバッテリ残存容量計。
【請求項３】
計測用抵抗と直列に配設される校正用抵抗と、
前記校正用抵抗の前記計測用抵抗に対する接続を制御する校正抵抗接続制御手段と、
前記校正用抵抗の抵抗値と、前記校正用抵抗における電圧と、計測用抵抗電圧計測手段の計測結果とに基づいて、計測用抵抗の抵抗値を校正する校正手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のバッテリ残存容量計。
【請求項４】
実負荷である抵抗過熱型触媒ヒータが計測用抵抗を兼ねることを特徴とする請求項１記載のバッテリ残存容量計。
【請求項５】
バッテリ液温度を検出する液温センサと、
前記液温センサにより検出されたバッテリ液温に基づいてバッテリの残存容量を補正する残存容量補正手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のバッテリ残存容量計。
【請求項６】
バッテリの放電電流を検出する電流センサと、
所定時間毎に放電電流を積算する放電電流積算手段と、
放電電流積算手段にて積算された積算電流値が所定の値になる期間、バッテリの内部抵抗を記憶する最小内部抵抗値記憶手段と、
前記最小内部抵抗値記憶手段に記憶されたデータから最小内部抵抗を算出する最小内部抵抗算出手段と、
前記最小内部抵抗算出手段により算出された最小内部抵抗値からバッテリの寿命を予測値を演算する寿命演算手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のバッテリ残存容量計。
【請求項７】
実負荷であるセラミックヒータが計測用抵抗を兼ねると共に、
前記セラミックヒータの基板表面に回路部品を配設して一体化してなること、
を特徴とする請求項１記載のバッテリ残存容量計。
【請求項８】
計測用抵抗が電気自動車の減速時の減速エネルギ回生用抵抗であることを特徴とする請求項１記載のバッテリ残存容量計。
【請求項９】
バッテリが複数個直列に接続されているときには個々に残存容量を計測するとともに、
各バッテリ端子電圧を請求項１記載の一台のバッテリ残存容量計へ入力するようにしたことを特徴とする複数バッテリの残存容量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車等の車両等に搭載されるバッテリの残存容量を計測するバッテリ残存容量計に係り、特に、計測値の変動原因となるパラメータを用いることなく高精度の計測を可能としたバッテリ残存容量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両等に搭載されるバッテリにとって、適切な時期に充電やバッテリ液を交換すことは、早期の劣化を抑圧し、バッテリを良好な状態で使用する上で重要である。
そこで、充電やバッテリ液の補充さらにバッテリ自体の交換を行うに際し適切な時期を判断するために、バッテリの残存容量を計測する装置が種々提案されている。
例えば、バッテリの端子間電圧、放電電流及び液温を測定し、この測定値からバッテリの内部抵抗を算出し、この内部抵抗と放電電流との関係から残存容量を推定し、さらにこの推定値を計測時の液温により補正して、絶対値としての残存容量値を計測結果として得られるようにしたものが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記容量計においては、内部抵抗を算出するため負荷に電流を流す前の電圧と電流を流した後の電圧との電圧差を計測するようにしているが、計測直前のバッテリ端子間電圧ＶＨは充放電の影響を強く受けるので、連続に負荷を使用しているような場合には、誤差の大きな計測結果となる虞が大きく、このため信頼性が十分ではない。
【０００４】
ところで、計測直前のバッテリ端子間電圧ＶＨは、電解液濃度が平均化したときの活性電圧を示す起電圧であり、安定するまでには通常１０００秒以上を要する。また、内部抵抗から比重を算出し残存容量と対応させる場合には、内部抵抗のバラツキが有ると、真の比重値の算出が出来ないことになる。
さらに、バッテリの液温は主に槽内の対流により平均化されるまでの長い拡散時定数を持つため、液温の測温箇所、時間を十分に考慮しなければ、正確な液温を得ることができず、液温により比重を校正しようとする場合、信頼性のある校正値が得られない虞がある。
【０００５】
特に、充放電が繰り返され、温度が刻々変化しているような状態、急速大電流放電のように部分的に温度上昇が発生する場合等では誤差がさらに拡大する虞がある。上記従来例においては、液温の測定においてこのような点が考慮されておらず、十分に信頼性の高い液温が測定されるとは言い難い。
【０００６】
ここで、計測された内部抵抗をＲ、残存容量０％時の内部抵抗をＲ０、１００％充電時の内部抵抗をＲ１００とすると、残存容量は（Ｒ１００−Ｒ）／（Ｒ１００−Ｒ０）×１００（％）と表示されるが、新品バッテリ等の内部抵抗はバラツキが大きく、Ｒ１００、Ｒ０に差が発生するばかりか、放電末期のＲ０はさらにバラツキが大きいため残存容量の絶対値を計測しようとするとバッテリ液温の計測の仕方、拡散時定数などの補正係数の選択のしかた等により計測精度が変動するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、その目的は、計測精度が高く信頼性、安定性のある計測が可能なバッテリ残存容量計、並びに簡易な構成で複数のバッテリの残存容量を計測することのできる方法を提供することにある。
【０００８】
【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に係るバッテリ残存容量計は、
計測時にバッテリの端子間に接続される計測用抵抗と、前記バッテリの端子間に対する前記計測用抵抗の接続状態を制御する接続制御手段と、前記バッテリにより電源供給される実負荷が非動作時と判断された場合であって、前記接続制御手段により前記バッテリに計測用抵抗が接続されたときに、バッテリ端子間の電圧を計測する計測用抵抗電圧計測手段と、前記バッテリのフル充電時における放電電圧、前記計測用抵抗の抵抗値及び前記実負荷の抵抗値を記憶する記憶手段と、
前記計測用抵抗電圧計測手段による計測結果と、前記記憶手段のデータとに基づいて前記バッテリの残存容量を前記実負荷との関係における相対値として演算する残存容量演算手段と、前記残存容量演算手段の演算結果を表示する表示手段と、を具備している。
【０００９】
請求項２に係るバッテリ残存容量計は、
特に、残存容量演算手段が、前記計測用抵抗電圧計測手段による計測結果と、記憶手段に記憶されたバッテリのフル充電時における放電電圧及び計測用抵抗の抵抗値とから、バッテリの内部抵抗の抵抗値を演算する内部抵抗演算手段と、前記内部抵抗演算手段により算出された内部抵抗の抵抗値と、記憶手段に記憶された実負荷の抵抗値とから、実負荷の抵抗値に対する実負荷の抵抗値と内部抵抗の抵抗値との差の割合を残存容量として算出する相対容量演算手段と、を具備している。
【００１０】
請求項３に係るバッテリ残存容量計は、
計測用抵抗と直列に配設される校正用抵抗と、前記校正用抵抗の前記計測用抵抗に対する接続を制御する校正抵抗接続制御手段と、前記校正用抵抗の抵抗値と、前記校正用抵抗における電圧と、計測用抵抗電圧計測手段の計測結果とに基づいて、計測用抵抗の抵抗値を校正する校正手段とを具備している。
【００１１】
請求項４に係るバッテリ残存容量計は、
実負荷である抵抗加熱型触媒ヒータが計測用抵抗を兼ねるようにしたものである。
【００１２】
請求項５に係るバッテリ残存容量計は、
バッテリ液温度を検出する液温センサと、前記液温センサにより検出されたバッテリ液温に基づいてバッテリの残存容量を補正する残存容量補正手段と、を具備している。
【００１３】
請求項６に係るバッテリ残存容量計は、
バッテリの放電電流を検出する電流センサと、所定時間毎に放電電流を積算する放電電流積算手段と、放電電流積算手段にて積算された積算電流値が所定の値になる期間、バッテリの内部抵抗を記憶する最小内部抵抗値記憶手段と、前記最小内部抵抗値記憶手段に記憶されたデータから最小内部抵抗を算出する最小内部抵抗算出手段と、前記最小内部抵抗算出手段により算出された最小内部抵抗値からバッテリ寿命の予測値を演算する寿命演算手段と、を具備している。
【００１４】
請求項７に係るバッテリ残存容量計は、
実負荷であるセラミックヒータが計測用抵抗を兼ねると共に、前記セラミックヒータの基板表面に回路部品を配設して一体化して構成している。
【００１５】
請求項８に係るバッテリ残存容量計は、
計測用抵抗を電気自動車の減速時の減速エネルギ回生用抵抗としている。
【００１６】
請求項９に係る複数バッテリの残存容量計測方法は、
バッテリが複数個直列に接続されているときには個々に残存容量を計測するとともに、各バッテリ端子電圧を請求項１記載の一台のバッテリ残存容量計へ入力するようにしたものである。
【００１７】
【作用】
請求項１に係るバッテリ残存容量計によれば、実負荷にバッテリからの電源供給が行われていない間に接続制御手段により計測用抵抗がバッテリへ接続され、このときのバッテリ端子の電圧が計測用抵抗電圧計測手段により計測され、残存容量演算手段へ入力される。残存容量演算手段においては、計測用抵抗電圧計測手段による計測電圧と、予め記憶手段に記憶され、この記憶手段から読み出されたバッテリのフル充電時における放電電圧と、計測用抵抗の抵抗値及び実負荷の抵抗値とに基づいて、実負荷の抵抗値に対するバッテリの内部抵抗の大きさの割合がバッテリの残存容量として算出され、この算出結果が、バッテリの残存容量を表す相対値として表示手段により表示されることとなる。
【００１８】
請求項２に係るバッテリ残存容量計によれば、計測用抵抗電圧計測手段による計測結果と、記憶手段に予め記憶され、この記憶手段から読み出されたバッテリのフル充電時における放電電圧及び計測用抵抗の抵抗値とから、計測時におけるバッテリの内部抵抗の大きさが内部抵抗演算手段により算出される。
そして、この算出結果と記憶手段から読み出された実負荷の抵抗値とから、実負荷の抵抗値と内部抵抗の抵抗値との差が実負荷の抵抗値に対して如何なる割合かが相対値としてのバッテリの残存容量として算出されるようになっている。
【００１９】
請求項３に係るバッテリ残存容量計によれば、校正抵抗接続制御手段により校正用抵抗が計測用抵抗と直列に接続され、計測用抵抗の両端の電圧の計測時に校正用抵抗の電圧も計測され、校正手段において計測用抵抗の電圧と校正用抵抗の電圧とを比較することで、測定用抵抗の校正抵抗値からのずれが算出され、その大きさに応じて測定用抵抗の抵抗値の校正がなされることとなる。
【００２０】
請求項４に係るバッテリ残存容量計によれば、実負荷としての抵抗加熱型触媒ヒータが、計測用抵抗を兼ねるため、別個に計測用抵抗を設ける必要がなくなり、構成を簡易にすることができることとなる。
【００２１】
請求項５に係るバッテリ残存容量計によれば、液温センサによりバッテリの液温が検出され、残存容量補正手段において、バッテリ液温を用いて、残存容量演算手段において求められた残存容量の補正が行われることとなる。
【００２２】
請求項６に係るバッテリ残存容量計によれば、電流センサによりバッテリの放電電流が検出され、この放電電流は放電電流積算手段に入力され所定時間毎にこの放電電流の積算値が算出される。同時に最小内部抵抗値記憶手段には放電電流積算手段により算出された積算値が所定の値になるまでの間、バッテリの内部抵抗値が所定のサンプリング間隔で記憶されてゆき、最小内部抵抗算出手段において最小内部抵抗値記憶手段に記憶されたデータに基づいて最小内部抵抗の抵抗値が算出され、さらに、この最小内部抵抗の抵抗値に基づいて寿命演算手段によりバッテリ寿命が演算されることとなる。
【００２３】
請求項７に係るバッテリ残存容量計によれば、実負荷であるセラミックヒータが計測抵抗を兼ねており、更にこのセラミックヒータの基板表面に回路が形成されて実負荷と残存容量計とが一体化されるので、軽量小型になるものである。
【００２４】
請求項８に係るバッテリ残存容量計によれば、電気自動車の減速エネルギ回生用抵抗を計測用抵抗としているので、電気自動車が減速状態にある場合、減速エネルギ回生用抵抗によりエネルギの回生が行われる一方、この減速エネルギ回生用抵抗の両端の電圧を計測することで、別個に計測用抵抗を設けたと同様となり、構成の簡素化が図れることとなる。
【００２５】
請求項９に係るバッテリ残存容量計によれば、一台のバッテリ残存容量計により複数のバッテリの残存容量を計測するに必要なデータを順に入力するようにし、複数のバッテリの残存容量を順に計測するようにしたので、一台の残存容量計で複数のバッテリの残存容量の計測が可能となる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明に係るバッテリ残存容量計の実施例について、図１乃至図２９を参照しつつ説明する。
【００２７】
先ず、本実施例におけるバッテリ残存容量計を説明するに先立ち、バッテリの内部抵抗等と残存容量との関係について説明する。
図１には、バッテリ１に外部抵抗Ｒを接続した状態における等価回路が示されている。バッテリ１は、起電圧Ｅ00と抵抗値ｒを有する内部抵抗３とが直列接続された状態として表すことができる。ここで、内部抵抗３は、過電圧換算抵抗、極板抵抗、セパレータ抵抗、電解液抵抗に大別される。
【００２８】
一方、一般にバッテリの残存容量は比重と相関性を有し、寿命は構成要素の劣化と相関性があることが明らかにされている。例えば、１００％の残存容量を示す比重が有っても、内部抵抗等の他の影響のために１００％の残存容量を出力できるとは限らない。
したがって、実用的な残存容量表示を行うためには、バッテリ液の比重に内部抵抗等の他の多くの要因を含めた換算値として定量化されなければならない。例えば、バッテリに接続された負荷に後どれだけのエネルギーを供給できるかを表示するようにした残存容量計が実用的である。
【００２９】
図２には、バッテリの定電流放電による放電電圧特性とバッテリ液比重特性とが示されているが、この図２からは、放電が深くなるに伴いバッテリの端子電圧降下率が大きくなる傾向にあるということが言える。
なお、図２において、放電電圧特性は実線により、バッテリ液比重特性は点線により示されている。また、同図において、特性線の近傍に０．２Ｃ、０．２８Ｃ等と記載された数値の意味するところは、例えば、０．２Ｃであれば、２０Ａｈの容量を有するバッテリが、その有する容量の２０％で放電がなされるということを示すものである。
【００３０】
上述のように放電が深くなると端子電圧降下率が大きくなるのは、例えば、放電の進行に伴って極板内の硫酸鉛等が増加したり、電解液の比重低下により起電圧が低下し、さらには内部抵抗が増加するためである。
例えば、定電流ｉに対する放電電圧特性から、単位時間△ｔでのバッテリ端子電圧変化を△ｅ、内部抵抗変化を△γとすると、△ｅは△ｅ＝−△γ・ｉ・△ｔと表すことができる。
【００３１】
そして、バッテリを１００％充電すなわちフル充電した状態からある時間に渡って放電した場合の電圧は、単位時間△ｔにおける端子電圧変化△ｅの加算和として表すことができるる。すなわち、Σ△ｅ・△ｔ＝Σ−△γ・ｉ・△ｔとして算出することができる。
ところで、バッテリの実用範囲において、内部抵抗変化△γは、ほぼ一定と近似できる。
【００３２】
したがって、残存容量１００％での内部抵抗値をＲ１００とすれば、バッテリ端子電圧ＶはＶ＝Ｅ０−（Ｒ１００＋△γ・ｔ）・ｉとして求めることができる。ここで、Ｅ０はフル充電時のバッテリ端子電圧である。さらに、Ｒ≧Ｒ１００＋△γ・ｔの線形近似できる範囲内であれば外部負荷機能を満足させ、バッテリから１００％の電流の供給が可能となる。
【００３３】
上述したバッテリ端子電圧Ｖを算出する式において、線形近似部（Ｒ１００＋△γ・ｔ）のトータル時間をＴとすると、バッテリ端子電圧はＶ＝Ｅ０−（Ｒ１００＋△γ・Ｔ）・ｉとなり、上述した外部抵抗値Ｒと線形近似部（Ｒ１００＋△γ・ｔ）との関係から、放電特性は近似的にＶ＝Ｅ０−Ｒ・Ｔ・ｉと表すことができる。
一方、バッテリの起電圧はバッテリ液の比重により変わり得るものであるが、図３にはバッテリの起電圧と比重との関係が示されいる。この特性線は、液温が２５℃における比重の変化に対する起電圧の変化を表したものである。
【００３４】
図１に示すように抵抗値Ｒが予め明らかな外部抵抗４を接続する場合には、起電圧に相当する内部抵抗が算出可能となる。すなわち、図１において、計測されたバッテリ端子電圧をＶとすれば、バッテリ１の内部抵抗ｒは、Ｖ＝Ｅ００−ｒ・ｉ及びｉ＝Ｖ／Ｒの関係からｒ＝（Ｅ００−Ｖ）・Ｒ／Ｖと求められる。
バッテリ１の起電力Ｅ００は、イオン濃度が槽内で均等であることの保証が必要になるが、実際の動作状態では計測直前の放電電流の大きさに左右されており、過大な電流を流す程、起電力は小さくなり測定が難しくなる。
【００３５】
そこで、図４に示すようにバッテリ１の外部にスイッチ１０を設け、固定抵抗１１と可変抵抗負荷１２とをスイッチ１０の切替によって、バッテリ１へ選択的に接続可能な回路構成として次述するような充放電を行った場合のバッテリ端子電圧について考えてみる。
すなわち、放電電流ｉが時間と共に図５に示されたような変化を示すように可変抵抗負荷１２の抵抗値を変化させてバッテリ１の放電を行い、任意の時刻に短時間の間スイッチ１０を切り替えることによって可変抵抗負荷１２に代わって固定抵抗１１をバッテリ１に接続し、再び可変抵抗負荷１２をバッテリ１に接続するようにした場合において、固定抵抗１１に印加されたバッテリ端子電圧特性は図６に示された如く、時間の経過と共に徐々に低下することとなるが、顕著な変動を示すことはないということができる。
【００３６】
ここで、固定抵抗１１に放電電流ｉを流した場合にバッテリ端子からみた固定抵抗１１の両端に生ずる電圧ＶはＶ＝Ｅ００−ｒ・ｉとなり、内部抵抗はｒ＝（Ｅ００−Ｖ）／ｉ＝（Ｅ００−Ｖ）・Ｒ／Ｖとなることは、既に述べた通りである。
一方、図６の電圧特性はＶ＝Ｅ０−Ｒ・Ｔ・ｉと近似できることから、Ｒ・Ｔ＝（Ｅ０−Ｖ）／ｉ＝（Ｅ０−Ｖ）・Ｒ／Ｖとなり、Ｒ・Ｔは内部抵抗に等価と考えられるので、Ｒ・Ｔ＝ｒとなる。
【００３７】
残存容量が１００％のとき、所定の電流値ｉを生ずる固定抵抗１１の値Ｒを選定し、Ｅ００を初期放電電圧Ｅ０に置き換えると、任意の放電時間では内部抵抗ｒはｒ＝（Ｅ０−Ｖ）・Ｒ／Ｖと書き換えて表すことができる。例えば、モータ制御用電源を初めとして、電源から効率良く負荷に電力を供給する場合には、電源と負荷とのいわゆるインピーダンスマッチングを行うことが基本となる。
すなわち、負荷に最大電力を供給しようとすれば、電源インピーダンスを負荷と同等以下にすることで、電源の損失を最小限にして負荷に最大電力を供給できる。
【００３８】
したがって、負荷の機能を最大限満足させるためには、電源の出力電圧特性と、負荷の入力電圧性能の最適化が必須条件となる。例えば、外部負荷の入力電圧特性をＶ＝ＥＥ０−ＲＲ・ｉとし、バッテリの出力電圧特性をＶ＝Ｅ０−Ｒ・Ｔ・ｉとすると、ＲＲ≧Ｒ・Ｔが負荷の機能を最大限満足させるため絶対条件となる。
なお、ここで、ＲＲは実負荷抵抗である。
一方、ＲＲ＜ＲＴでは負荷の機能を満足しないことになるため、ＲＲ＞ＲＴの時のバッテリの残存容量を０％以上とし、ＲＲ＝ＲＴのときのバッテリの残存容量を０％とすることができる。
【００３９】
したがって、固定された負荷のインピーダンスに対し、変化するバッテリ内部抵抗の比をバッテリの残存容量とすることにより、負荷の機能性を後どれだけ補償できるかを示すバッテリ残存容量Ｑとして、Ｑ＝（ＲＲ−ｒ）／（ＲＲ  ｏｒＲＴ）・１００（％）とする表示が可能となる。
負荷の内部抵抗が解らないときは実用領域での最大負荷より所定の電流値を決定し、負荷の内部抵抗を決定すればよい。そして、近似的に図６に示すバッテリ放電特性より、１００％充電時の端子電圧をＥ０、直線近似した最終電圧をＶとし、ＲＲ＝Ｒ・Ｔと近似できる電圧をＶ１とすれば、バッテリの残存容量はＱ＝（Ｅ０−Ｖ）／（Ｅ０−Ｖ１）×１００（％）と表示することもできる。
【００４０】
以上説明したことは、外部負荷が純抵抗である場合に言えることであるが、外部負荷がインダクタンスやキャパシタンスを有する場合にはバッテリ端子電圧と負荷電流との間に位相差が生じ、このため内部抵抗の見かけ上の値が異なることとなり、上述したバッテリ残存容量の算出式による値も当然ならが不正確なものとなってしまう。また、同様なことは、負荷が変動したり、バッテリと負荷との接続部分に接触不良が生じた場合にも生ずる。
【００４１】
そこで、このような不都合を解消することができるようにしたバッテリ残存容量計の構成例が図７に示されており、以下、同図を参照しつつその構成、動作等について説明する。
本実施例におけるバッテリ残存容量計は、コントローラ２８と、バッテリ２１に接続された計測用負荷抵抗２６と、実負荷２５に流れる電流を検出するための電流センサ２７と、液温センサ２３と、残存容量を表示する表示器３８と、を主たる構成要素としてなるものである。
【００４２】
測定対象であるバッテリ２１は、負荷制御スイッチ２４を介して実負荷２５に接続されると共に、発電機２０にも接続されており、この発電機２０により充電されつつ、実負荷２５に対して負荷電流を供給するようになっている。尚、バッテリ２１へ充電を行うものとしては、発電機２０に限らず、他の充電機器であってもよい。
計測用負荷抵抗２６は、後述するコントローラ２８に設けられたスイッチ回路部３０の計測負荷制御用トランジスタ２９を介してバッテリ２１の正極及び負極端子間に接続されるようになっている。
【００４３】
特に、この計測用負荷抵抗２６は、配線抵抗を減らすためバッテリ２１の正極及び負極端子間に極力短い距離で配線されている。そして、この計測用負荷抵抗２６は、実負荷２５が動作してないときに計測負荷制御用トランジスタ２９の導通によりバッテリ２１に接続され、バッテリ２１の端子間電圧を測定するために使用されるようになっている（詳細は後述）。
【００４４】
一方、本実施例の実負荷２５は、負荷制御スイッチ２４を介してバッテリ２１から電源供給されるようになっており、負荷制御スイッチ２４はいわゆる電子スイッチでその動作制御はコントローラ２８のＣＰＵ３３により行われるようになっている。
なお、本実施例においては、実負荷２５が動作していない間（負荷制御スイッチ２４を介してバッテリ２１からの電源供給がなされていない間）に、計測用負荷抵抗２６をバッテリ２１に接続してその端子電圧を計測して残存容量を算出するものである（詳細は後述）。したがって、残存容量の計測においては、実負荷２５にバッテリ２１から電源供給がなされているか否かが解ればよく、コントローラ２８により負荷制御スイッチ２４が如何なるタイミングで動作制御されるのかは、本質的に無関係であるのでその制御内容についての説明は省略することとする。
【００４５】
コントローラ２８は、バッテリ２１への実負荷２５及び計測用負荷抵抗２６の接続を制御しつつバッテリ端子間電圧の計測を行い、表示器３８への残存容量等の表示を制御するためのものである。
本実施例におけるコントローラ２８は、マイクロコンピュータの中央演算装置であるＣＰＵ３３を主体に構成されており、ＣＰＵ３３に信号入力する入力回路部３２と、ＣＰＵ３３のドライバであるＰＷＭ（Pulse Width Modulator）３１を介し駆動されるスイッチング回路部３０と、ＣＰＵ３３及びＰＷＭ３１との間でデータの授受を行うＲＯＭ（Read Only Memory）３６、ＲＡＭ（Random Accss Memory）３４及びＥＥＲＡＭ（Electrically Erasable Random Accss Memory）３５とを有してなるものである。
【００４６】
計測用抵抗電圧計測手段としての入力回路部３２にはバッテリ端子電圧値Ｖ、アクセサリスイッチ電圧ＶA，実負荷２５のバイアス電圧ＶL、液温センサ２３からの液温θ、電流検出センサ２７からの電流値Ｉがアナログ信号入力として入力されるようになっている。
入力回路部３２は、これらアナログ入力信号をデジタル信号に変換した後に、ＣＰＵ３３に出力するようになっているものである。
【００４７】
接続制御手段としてのスイッチング回路部３０は、計測用負荷抵抗２６のバッテリ２１への接続を断続するためのもので、本実施例においては、計測負荷制御用トランジスタ２９を有して構成されている。
この計測用負荷制御用トランジスタ２９はエミッタ側がバッテリ２１の負極端子へ、コレクタ側が計測用負荷抵抗２６の一端にそれぞれ接続されている。この計測用負荷制御用トランジスタ２９は、ＣＰＵ３３により実負荷２５にバイアス電圧ＶLが無いと判断されたとき、ＣＰＵ３３から出力された制御信号に応じてＰＷＭ３１が出力する駆動信号により微小時間だけ導通状態とされ、この微小時間経過後は非導通状態となるように駆動制御されるものである。
【００４８】
本実施例のＣＰＵ３３は、図８に示すように等価的に内部抵抗演算手段としての内部抵抗値演算部４２、想定容量演算手段としての残存容量計算部４３が構成されているものである。また、記憶手段としてのＲＯＭ３６には、残存容量の算出基準となる実負荷抵抗値データが記憶されたメモリ領域３６ａ、計測用抵抗値データが記憶されたメモリ領域３６ｂ、残存容量１００％での放電電圧値データが記憶されたメモリ領域３６ｃが、それぞれ形成されている。
【００４９】
スイッチング回路部３０は、ＰＷＭ３１を介してＣＰＵ３３により、１００乃至２００μsecの間計測負荷制御用トランジスタ２９を導通状態とするように動作制御されるようになっており、この結果、計測用負荷抵抗２６は計測負荷制御用トランジスタ２９の導通期間に渡ってバッテリ２１に接続されることとなる。図９には、計測負荷制御用トランジスタ２９を介して計測用負荷抵抗２６がバッテリ２１に接続された場合のバッテリ端子間電圧の変化が示されている。
【００５０】
バッテリ端子間電圧は、計測負荷制御用トランジスタ２９を介して計測用負荷抵抗２６が接続されると、浮遊インピーダンスの影響により徐々に低下してゆき、暫くした後に安定することとなる。そして、計測負荷制御用トランジスタ２９が非導通状態となって計測用負荷抵抗２６がバッテリ２１から切り放されると、バッテリ端子電圧は再び徐々に上昇してゆき、計測用負荷抵抗２６が接続される前と略同一の値に達することとなる。尚、計測用負荷抵抗２６がバッテリ２１から切り放されてバッテリ端子電圧が徐々に上昇している間は、バッテリ２１の電解液の濃度が拡散されている時間でもある。
【００５１】
内部抵抗値演算部４２は、上述のようにしてスイッチング回路部３０が動作して計測用負荷抵抗２６がバッテリ２１に接続された場合において、バッテリ端子間電圧Ｖを入力回路部３２を介して入力し、このバッテリ端子間電圧ＶとＲＯＭ３６に格納されたデータを用いて次述するようにしてバッテリ２１の内部抵抗ｒを演算する。
すなわち、内部抵抗値演算部４２は、上述のバッテリ端子間電圧Ｖを入力すると共に、ＲＯＭ３６のメモリ領域３６ｂに記憶されている計測用抵抗値Ｒのデータと、ＲＯＭ３６のメモリ領域３６ｃに記憶されている残存容量１００％での放電電圧値Ｅ０のデータを入力し、ｒ＝（Ｅ０−Ｖ）・Ｒ／Ｖの式により内部抵抗ｒを算出する。
【００５２】
そして、上述のようにして内部抵抗値演算部４２により算出された内部抵抗ｒは、残存容量計算部４３に入力される。
残存容量計算部４３においては、この内部抵抗ｒと、ＲＯＭ３６のメモリ領域３６ａから読み出された実負荷抵抗値ＲＲのデータとから、Ｑ＝（ＲＲ−ｒ）／ＲＲх１００の式により残存容量Ｑを演算し、これを表示器３８へ出力するようになっている。
【００５３】
次に、上記構成におけるバッテリ残存容量計の動作について、図１０に示されたフローチャートを参照しつつ説明する。
先ず、ＣＰＵ３３の指令により実負荷２５のバイアス電圧ＶLが入力回路部３２を介して入力され、その電圧ＶLが所定の値以下であれば、実負荷２５が動作していない（電源供給がなされていない）と判断されて、ＰＷＭ３１を介してスイッチング回路部３０が例えば０．１ｍ秒程度の微小時間だけ動作状態とされる。そして、先に図９を参照しつつ説明したように安定状態にあるバッテリ端子間電圧Ｖが入力回路部３２を介して内部抵抗演算部４２へ入力されることとなる（図１０のステップ１）。
【００５４】
ここで、実負荷２５のバイアス電圧ＶLの測定は、実負荷２５にバッテリ２１からの電源供給がなされているか否かを判断するためのもので、本実施例におけるバイアス電圧ＶLは、負荷制御スイッチ２４を介して実負荷２５に印加される電源電圧である。
【００５５】
次に、ＲＯＭ３６内のメモリ領域３６ｂ，３６ｃからＥ０、Ｒが参照され、内部抵抗ｒがｒ＝（Ｅ０−Ｖ）・Ｒ／Ｖの式により算出される（図１０のステップ２）。続いて、ＲＯＭ３６のメモリ領域３６ａに格納された実負荷２５の抵抗値ＲＲが参照されて、残存容量Ｑ＝（ＲＲ−ｒ）／ＲＲの式により残存容量Ｑが算出される（図１０のステップ３）。そして、算出された残存容量Ｑは、ＣＰＵ３３から表示器３８へ出力され、例えば数値表示されることとなる（図１０のステップ４）。
【００５６】
結局、本実施例によれば、従来の残存容量算出における計測前の変動要因を多く含むバッテリ端子電圧を用いることなく、また、残存容量の基準をバッテリの内部抵抗が外部抵抗と等しくなった時を残存容量ゼロ％と定義することにより、残存容量計算の誤差が低減され、残存容量の精度が向上することとなるものである。
【００５７】
なお、上述の実施例において、実負荷２５がバッテリ２１の内部抵抗に近い純抵抗値を有する例えば、抵抗加熱用触媒ヒータである場合は、計測用負荷抵抗２６を用いずに、実負荷２５を計測用を兼ねるようにして、実負荷動作前にバッテリ残存容量を計測するようにしてもよい。
【００５８】
上述の実施例においては、計測用負荷抵抗２６を用いてバッテリ２１の内部抵抗ｒを算出するようにしたが、この計測用負荷抵抗２６は純抵抗であるが、計測用負荷抵抗２６が温度特性を有しているために、その抵抗値が安定性を欠くような場合、上述の計測において精度の高い結果を得ることが難しくなる。
そこで、計測用負荷抵抗２６の抵抗値の精度が十分保たれない場合であっても、上述したような計測手順での計測を可能とした構成が図１１に示されている。
【００５９】
なお、図７における構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付することとし、その詳細は説明は省略することとし、以下、異なる点を中心に説明することとする。
すなわち、図１１に示された構成においては、抵抗値が明らかで且つ温度に対する抵抗変化が極力小さい校正用抵抗６２と、この校正用抵抗６２の接続を制御するためのスイッチングトランジスタ６１が設けられている。
【００６０】
校正用抵抗６２の一端は計測負荷制御用トランジスタ２９と計測用負荷抵抗２６との接続点ａに接続される一方、他端はスイッチングトランジスタ６１のコレクタに接続されている。そして、スイッチングトランジスタ６１のエミッタは、バッテリ２１の負極端子へ接続されるようになっている。スイッチングトランジスタ６１は、スイッチング回路部３０に設けられるもので、先の計測負荷制御用トランジスタ２９同様にＰＷＭ３１を介してＣＰＵ３３により、その動作が制御されるようになっているものである。
【００６１】
したがって、スイッチングトランジスタ６１が導通状態となると、計測用負荷抵抗２６と校正用抵抗６２とがスイッチングトランジスタ６１を介してバッテリ２１の正極及び負極端子間で直列接続状態となるようになっている。入力回路部３２には、校正用抵抗６２に生ずる電圧である校正電圧Ｖkと、計測用負荷抵抗２６に印加された電圧である計測抵抗電圧ＶKKと、バイアス電圧ＶLとを入力するようになっている。ここで、計測抵抗電圧ＶKKは、バッテリ２１の正極端子からの電圧を入力するようにしてある。
【００６２】
本実施例のＣＰＵ３３には、図８に示された内部抵抗演算部４２と残存容量計算部４３に加えて図１２に示されるように校正抵抗を演算する校正演算部７０と、計測用抵抗を演算する校正手段としての計測抵抗補正部７１とが形成されている。尚、図１２においては、図示を簡単にするため内部抵抗演算部４２及び残存容量計算部４３を省略してある。
また、ＲＯＭ３６には、計測用負荷抵抗２６の抵抗値Ｒが記憶されたメモリ領域３６ｂと、校正用抵抗６２の抵抗値Ｒ０が記憶されたメモリ領域３６ｄとが形成されている。
【００６３】
そして、校正演算部７０は、ＲＯＭ３６のメモリ領域３６ｄに格納された校正用抵抗値Ｒ０と、入力回路部３２からの電圧Ｖｋ，Ｖｋｋを基にして、校正抵抗ＲKをＲｋ＝Ｖｋｋ・Ｒ０／（Ｖｋ−Ｖｋｋ）の式により算出する。
さらに、ＲＯＭ３６のメモリ領域３６ｂに格納された計測用抵抗値Ｒを読み出して校正割合をＲｋ／Ｒ×１００（％）として算出する。
【００６４】
計測抵抗補正部７１においては、上述のようにして校正演算部７０で算出された校正割合が、±数％以下である場合には、ＲＯＭ３６のメモリ領域３６ｂに格納された計測用抵抗値Ｒを内部抵抗演算部４２における内部抵抗ｒの演算に用いられる計測用抵抗値Ｒの値とする一方、±数％より大きい場合には校正演算部７０で算出された校正抵抗ＲKを内部抵抗演算部４２における内部抵抗ｒの演算に用いられる計測用抵抗値Ｒの値とする。
【００６５】
図１３には、上記構成における動作手順を示すフローチャートが示されており、以下、同図を参照しつつ本実施例におけるバッテリ残存容量計の動作について説明する。先ず、入力回路部３２を介して実負荷２５のバイアス電圧ＶLがＣＰＵ３３に入力され、バイアス電圧ＶLが所定の電圧以下であるか否かが判断される。そして、バイアス電圧ＶLが所定電圧以下と判断されると、ＣＰＵ３３からの制御信号に応じてＰＷＭ３１を介してスイッチング回路部３０のスイッチングトランジスタ６１の動作が制御されて、校正用抵抗６２を通して計測用負荷抵抗２６に所定の低電流が流される。
【００６６】
そして、この状態において入力回路部３２を介して、校正電圧Ｖk及び計測抵抗電圧ＶkkがＣＰＵ３３に読み込まれることとなる（図１３のステップ１０）。そして、校正演算部７０において、先に説明したように校正抵抗ＲｋがＲｋ＝Ｖｋｋ・Ｒ０／（Ｖｋ−Ｖｋｋ）の式により算出される（図１３のステップ２０）。また、この際、校正割合がＲｋ／Ｒ×１００（％）として算出される。
続いて、ステップ３０で計測抵抗補正部７１において、校正割合（Ｒｋ／Ｒ×１００（％））の値が±数％以下であるか否かが判断され、±数％以下と判断された場合には図１０で説明したステップ１へ進み、以下図１０に示された処理手順に従って残存容量が算出、表示されることとなる。すなわち、この場合には計測用負荷抵抗２６の値が校正用抵抗６２の値と殆ど違いがなく、計測用負荷抵抗２６が十分信頼できる状態にあるとして、その抵抗値が図１０で説明したようにして内部抵抗ｒの演算に用いられることとなる。
【００６７】
一方、校正割合が±数％より大であると判断された場合には、計測用負荷抵抗２６の値が本来の値から変動しており、そのままでは内部抵抗ｒの演算に用いることができない状態であるので、校正演算部７０で算出された校正抵抗Ｒkが計測用負荷抵抗２６の抵抗値ＲとしてＲＡＭ３４に記憶される（図１３のステップ４０）。
そして、この後は図１０に示されたステップ２へ進み内部抵抗ｒの演算を始めとして以下、図１０で説明したようにして残存容量が算出、表示されることとなる。すなわち、この場合には内部抵抗ｒの演算において、ＲＡＭ３４から計測用抵抗値Ｒが読み出されて内部抵抗ｒの演算に用いられることとなる。
【００６８】
ところで、一般にバッテリ液温が低い場合には、バッテリから取り出せる電力は液温が高い場合に比して小さくなる。また、バッテリの内部抵抗はバッテリ液温の影響を受け、温度が低い場合には大きくなり、実際より残存容量が小さく検出されてしまう。
このような不都合を解決するには、負荷を使用することによるバッテリ液温の上昇、環境温度の上昇による液温の上昇を予測することにより、計測された内部抵抗を予測温度で補正することにより、見かけ上の残存容量を補正し、真に取り出せる残存容量を算出し、計測の信頼性を向上させることが出来る。
【００６９】
図１４には、上述のようなバッテリ液温の変化による補正を行うようにした場合の構成例が示されている。すなわち、この実施例は、全体構成は図１１及び図１２に示された構成を前提とし、液温センサ２３が設けられ、さらにＣＰＵ３３に上昇温度予測演算部８０と残存容量補正手段としての内部抵抗補正演算部８１とが設けられているものである。上昇温度予測演算部８０は、所定時間間隔におけるバッテリ液温θの温度差を演算するものである。また、内部抵抗補正演算部８１は上昇温度予測演算部８０の演算結果を用いて残存容量Ｑを補正するものである。
【００７０】
図１５には、上記構成における動作を説明するフローチャートが示されており、以下、同図を参照しつつこのバッテリ液温による補正動作について説明する。先ず、前提として図１０及び図１３で説明した処理手順にしたがって、残存容量Ｑが算出されている状態であるとする。
次に、入力回路部３２を介して液温センサ２３からの液温θがＣＰＵ３３に入力され、さらにＲＡＭ３４に記憶される。すなわち、本実施例では、液温は所定の時間間隔Ｔで２度計測されθ1、θ2としてＲＡＭ３４に記憶される（図１５のステップ１００）。
【００７１】
次に、上昇温度予測演算部８０において、ＲＡＭ３４に記憶された上述のθ1、θ2が読み込まれ、Δθ＝θ1−θ2が算出されることとなる（図１５のステップ１１０）。続いて、内部抵抗補正演算部８１においては、液温を考慮せずに既に算出された残存容量Ｑ、上昇温度予測演算部８０により算出されたΔθと、予めＲＯＭ３４に記憶されている温度星絵係数Ｋｓとから、温度補正残存容量ＱcがＱc＝ Ｋs・Δθ・Ｑとして算出され、表示器３８に表示されることとなる（図１５のステップ１２０）。
【００７２】
この温度補正残存容量Ｑcは、将来予測される液温に対する残存容量を示すもので、より効率的なバッテリの活用を可能とする。また、同時に液温を予測することにより、バッテリの限界温度を事前に表示器を使い、警告することも可能になるものである。
【００７３】
ところで、先に示した図２及び図６の特性線図から導出されるバッテリの放電特性Ｖ＝Ｅ０−Ｒ・Ｔ・ｉにおいて、バッテリが１００％充電状態からの放電による放電電圧Ｅ０は分極の影響が強く、非線形であり、その傾向はグリーンバッテリであるほど顕著である。したがって、このような状態におけるＥ０を用いると、見かけの残存容量は大きくなる虞れがある。
そこで、このような虞を回避するための方策として、Ｅ０の設定は数サイクルの充放電を繰り返した後に、図６に破線で示す近似直線と電圧軸の交点の電圧をＥ０とすることにより、残存容量の精度が向上できる。また、残存容量Ｑ＝（ＲＲ−ｒ／ＲＲｘ１００（％）の値が１００％を越えるときは、１００％と表示するようにしてもよい。
【００７４】
また、バッテリに接続される実負荷が電動機のようにインピーダンスマッチングを前提としない、高抵抗負荷の場合には、負荷毎にＲＯＭ３４内のパラメータＥ０、ＲＲ等の再設定を必要とせず、より低い抵抗値で代表させるようにしてもよい。
【００７５】
次に、計測時に実負荷が作動していて計測が出来ない場合の例について説明する。先ず、前提として、全体構成は図７に示された構成であり、さらにＣＰＵ３３には図１６に示された電流積算部９０及び残存容量補間演算部９１が付加された構成となっている。かかる構成において、入力回路部３２を介して電流センサ２７による電流Ｉｓ（ｔ）が入力され、電流積算部９０において単位時間あたりの電流が積算算出され、積算電流ＡＴ（ｔ）＝ΣＩｓ（ｔ）・△ｔが求められる。
【００７６】
残存容量補間演算部９１においては、上述したＡＴ（ｔ）とＲＯＭ３６に予め記憶されている電流容量ＡＨとから、△Ｑ＝（ＡＴ（ｔ）／ＡＨ）ｘ１００（％）を算出する。ここで、電流容量ＡＨは、１００％充電状態にあるバッテリ２１の内部抵抗ｒが所定値になるまでに放電可能な電流容量を示すものである。そして、図１０のステップ１乃至ステップ３の処理手順にしたがって既に算出された前回の測定結果としての残存容量Ｑから△Ｑを減算し、Ｑ＝Ｑ−△Ｑをそのときの残存容量として表示器３８に表示するようになっている。
【００７７】
次に、バッテリに接続される負荷が解放されている時間が長いと、解放電圧はバッテリの比重に依存した起電圧Ｅ００を示す。一方、このバッテリの起電圧Ｅ００はバッテリ液の比重、液温と比例関係にあることから残存容量の絶対値を示すことが解っている。
起電圧が予め明らかであれば、ｒ＝（Ｅ００−Ｖ）・Ｒ／Ｖより内部抵抗は正確に測定可能になる。例えば、自動車用バッテリのような場合には少なくともエンジン始動前であれば、活性濃度が安定した時間が確保できるため正確な起電圧が測定可能となる。
そこで、このような場合の計測に適する構成について以下に説明する。全体構成は、図７に示された構成が前提である。そして、ＣＰＵ３３には図１７に示されたように初期残存容量計測部１００が付加されたものである。
【００７８】
この実施例では、キースイッチ（図示せず）にスイッチが差し込まれ、自動車のアクセサリスイッチ３７が入った時点で起電圧Ｅ００を計測し、その後バッテリ端子電圧Ｖを測定するようにして、正確な内部抵抗計測を可能としたものである。このため、より精度よい残存容量計が得られるだけでなく、始動時のスタータ動作に伴う大電流放電による起電圧低下状態での残存容量計測の誤動作をも防止できる。また、電気自動車のように外部電源で充電し、初期残存容量の値が不明の時にはより有効になるものである。
【００７９】
具体的動作は、次述する通りである。
先ず、入力回路部３２を介してアクセサリ電圧ＶAを初期残存容量計算部１００へ入力する。そして、今回入力されたＶAと、既に所定時間前の計測時に入力されてＲＡＭ３４に記憶されていた前回測定時におけるアクセサリ電圧ＶAとを比較し、所定の値以上の差がある場合には図示されないキースイッチが挿入され、アクセサリスイッチ３７が入った（閉成状態となった）と判断して入力回路部３２よりバッテリ端子電圧Ｖを入力して、Ｅ００＝Ｖ（初期値）とする。
【００８０】
そして、図１０で説明した処理手順にしたがって計測処理を行い、バッテリ端子電圧Ｖを求め、ｒ＝（Ｅ００−Ｖ）・（Ｒ／Ｖ）の演算により、内部抵抗ｒを求め、残存容量（ＲＲ−ｒ）／ＲＲｘ１００（％）の演算を行い、残存容量を表示する。但し、処理は一回だけとする。但し、今回入力されたアクセサリ電圧ＶA と前回測定時のアクセサリ電圧ＶA との差が所定値以下であれば、実行しない。
【００８１】
図１８には、バッテリ寿命の表示を行うようにした実施例が示されている。この実施例は、図１７で説明した実施例を基にしてさらに図１８に示された要素を付加した構成からなるものである。すなわち、ＣＰＵ３３には１００％充電判定演算部１１０が設けらる一方、ＲＯＭ３６には図１９に示されたようなバッテリ液温θと起電圧Ｅ００との関係を表した起電圧マップが記憶されている。
【００８２】
かかる構成において、入力回路部３２を介してバッテリ液温θと、図１７で説明したようにして得られた起電圧Ｅ００とが１００％充電判定演算部１１０へ入力されると、１００％充電判定演算部１１０においては、ＲＯＭ３６に記憶された起電圧マップを参照して入力されたバッテリ液温θに対する起電圧ＥＲＯＭ００が求められ、この起電圧マップから求められた起電圧ＥＲＯＭ００と入力された起電圧Ｅ００との比較が行われる。
【００８３】
そして、少なくともＥ００≧ＥＲＯＭ００であれば、バッテリ２１に１００％の残存容量があると判断し、このときの残存容量Ｑを寿命係数ＫＪとし、ＫＪが所定の値以上であれば、バッテリ２１が寿命と判断し、表示器３８にその旨するようになっている。
【００８４】
一般に、バッテリの寿命は深い充放電の繰り返しサイクルによって決定されているが、実用的にはこのような充放電を繰り返すことはなく、そのため正確な寿命評価が難しい。通常のバッテリの寿命は蓄積された電力がどれだけの割合、実際にどれほどの放電電力が取り出せるかにより寿命が決定される。例えば１００％充電状態のバッテリが２０％しか取り出せなければ、寿命は（２０／１００）ｘ１００（％）と表される。
【００８５】
また、グリーンバッテリ状態での残存容量に対するバッテリの内部抵抗の変化は、図２０に示すように、バッテリの劣化が進む程同じ残存容量であっても内部抵抗は大きくなる傾向がある。
【００８６】
図２２には、このような内部抵抗の変化を考慮した実施例における構成が示されている。すなわち、ＣＰＵ３３には放電電流積算手段としての内部抵抗変化率演算部１２０と最小内部抵抗算出手段及び寿命演算手段としての寿命演算部１２とが設けられている。尚、図示されない他の部分は、図７及び図８に示された構成を有することが前提である。
【００８７】
かかる構成において、電流センサ２７により検出されたバッテリ２１の放電電流ｉ（ｔ）が入力回路部３２を介して内部抵抗変化率演算部１２０へ入力されると、所定のサンプリング時間△ｔ毎に電流値Ｉが積算され、残存容量が所定の値以上を示す範囲において、集計積算電流Ｉ・Ｔ＝Σｉ（ｔ）・△ｔが求められる。
【００８８】
一方、最小内部抵抗値記憶手段としてのＥＥＲＡＭ３５には、この集計積算電流値が所定の値になるまでの間、最小内部抵抗値が各計測時ごとに記憶されるようになっている。その結果、ＥＥＲＡＭ３５に記憶されるデータは、図２１において実線で示されたようなものとなる。そして、このＥＥＲＡＭ３５に記憶されるデータを基に、データが減少から増大を示す切り替わり点のデータ、すなわち図２１の変動のミニマム値（図２１において点線で表示された部分）を寿命演算部１２１において最小自乗法で演算し、得られた結果すなわちｒを用いて、Ｒｊ＝（１−（ＲＲ−ｒ））／ＲＲｘ１００（％）を演算し、この演算結果を寿命として表示器３８に表示するようになっている。尚、ＥＥＲＡＭ３５のデータ数が少ない場合には、回数が所定の値以下では寿命１００％と表示するようにする。
【００８９】
ところで、バッテリの内部抵抗は数ｍオームから数十オームと比較的小さく、残存容量の変化は更に小さくなる。したがって、精度良く測定を行おうとすると計測用の抵抗Ｒの値を小さくしなければならない。一方、大電流を制御するスイッチング回路部３０のトランジスタには、電流容量の大きなものが必要となるが、このように大電流を扱う部品においては熱的な故障等が考えられるため、通常のものよりより信頼性の高いものが必要となる。また、熱による安全性等の対策のためのコストアップ要因となる。
【００９０】
このような問題解決の方策の一つとして、計測用の抵抗Ｒを大きくする一方、変化の小さいバッテリ端子電圧をアナログ・ディジタル変換する変換器として、１２ビット以上の高分解能Ａ／Ｄ変換器を用いるようにするとことが考えられる。
ところで、Ａ／Ｄ変換器には積分型と逐次比較型が一般的である。積分型は、変換速度が０．１ｍ秒以下と短い場合には活用できず、逐次比較型はさらに短い変換時間でも対応が可能であるが、１２ビット以上の変換器では高コストになるため、単電源で動作し、低価格なＭＡＳＨ方式によるＡ／Ｄ変換器を使用するのがよい。
【００９１】
一方、１２ビット以下の変換器を用いる場合には、図２３に示されたような増幅回路を入力回路部３２の前段に設置するようにするとよい。すなわち、図２３に示された増幅回路は、演算増幅器１３０による差動増幅回路と、演算増幅器１３１による差動増幅回路とを有してなるものである。
この増幅回路においては、初段の演算増幅器１３０の反転入力端子にカットする基本電圧分を予めバイアス電圧として印加しておき、非反転入力端子にはバイアスされたバッテリ端子電圧を印加することにより基本電圧分が減算され、出力には変化分だけが得られるようになっている。この初段の出力電圧を次段の演算増幅器１３１を中心に構成された差動増幅回路によりＮ倍に増幅し、得られた電圧をバッテリ端子電圧Ｖとして入力回路部３２へ入力するようにすればよい。
【００９２】
かかる構成において、予め計測用の抵抗Ｒを決定すれば図９に示されたように直流電圧が明らかとなるから、変化分だけが増幅され、その増幅電圧が入力回路部３２に入力することで、例えば、入力回路部３２におけるＡ／Ｄ変換の分解能が１０ビットで、図２３に示された回路の増幅率をＮ倍とすれば１０＋ＮビットのＡ／Ｄ変換器に相当する分解能が得られることとなる。
【００９３】
次に、複数のバッテリを使用する場合について説明する。例えば、電気自動車のように１２Ｖのバッテリを直列接続により高い電圧を得る高電圧電源システムにおいては、負荷に対するバッテリの供給性能は、個々のバッテリ性能の累積値として定まる。一方、システムのバッテリ電源としての信頼性は、個数分だけ低下するため、個々のバッテリ信頼性を向上させる必要があるが、本来バッテリは特性バラツキが大きく、その信頼性を管理することが難しい。
【００９４】
そこで、上述したような残存容量計１４１を、図２４に示すように個々のバッテリ１４０毎に設置し、個々のバッテリ１４０から得られたデータをホストコンピュータ１４４で管理することにより、性能の低下したバッテリの特定を行い、保全管理を確実にするとよい。
【００９５】
図２４に示された計測システムではバッテリ台数分の残存容量計が必要となるため、図２５に示すように一台の残存容量計１４１を設け、計測用抵抗も一箇所に設けて計測制御を一箇所で行い、各バッテリ端子電圧を入力回路部３２へ入力することにより、各バッテリ毎の残存容量計測を一台の残存容量計１４１で行うようにしてもよい。
【００９６】
図２５に示された計測システムにおいては、高い電圧を入力回路部３２に入力すると、一番下位の電圧検出レベルを基準として入力回路部３２のＡ／Ｄ変換の分解能を設定すると、Ｍ段目の電圧はＭ倍になり、分解能をＭ倍にする必要があるが、これは現実には不可能である。そこで、図２６に示すように各バッテリの正極端子からの電圧を、マイクロリレースイッチ１６０により隣合うバッテリ毎に選択できるようにし、各端子電圧の差動電圧を得、入力回路部３２に入力するような構成とする。
【００９７】
マイクロリレースイッチ１６０は、コントローラ２８のスイッチング回路部３０を介してＣＰＵ３３の指令により直接動作させるようにする。そして、マイクロリレースイッチ１６０の動作と同時に残存容量検出を行う。この構成では、同時にＭ個のバッテリの残存容量計測を行うことはできないが、計測を繰り返すようにすればよい。
【００９８】
また、内部抵抗計測用の抵抗Ｒの消費電力は、この抵抗に通電する時間がミリ秒以下と短いため、瞬時電力が大きくても、平均電力は比較的小さい。このため、電流値さえ確保できれば消費電力の小さい抵抗体を用いることが可能である。
【００９９】
このような用途に適する抵抗の例が図２７に示されている。すなわち、セラミックヒータの原理に従い、セラミックの表面にタングステン等の抵抗体で電路を形成し、計測用抵抗Ｒとしたものである。本実施例においては、タングステンからなる環状の抵抗体２００を形成し、この抵抗体２００の表面にセラミックを蒸着してセラミック放熱板２０１を形成してある。なお、一個当たりの電流に制限があるときには、並列に接続し、トータルの電流値を達成させることができる。また、セメント抵抗を用いるようにしてもよい。
【０１００】
計測用の抵抗は平均消費電力が小さいことにより発熱を数度に抑えることができる。また、上述のようにタングステン抵抗の表面にセラミック材により放熱板を形成した構成とした場合、このセラミック材はハイブリットＩＣに用いられるものと基本的に同一であるので、このセラミック放熱板を基板として用いるようにしてもよい。図２８には計測用の抵抗のセラミック放熱板を基板として流用した一例が示されている。
【０１０１】
すなわち、内部にタングステン抵抗体が形成されたセラミック基板３００上には、ＣＰＵ３０１、スイッチング回路部等のインターフェース回路が設置されている。このような構成とすることにより、コントローラの小型軽量化、計測のための配線等によるノイズの心配がなく信頼性の高い計測ができ、コストの削減が可能になる。なお、図２８においては、基板寸法の一例がｍｍ単位で示されている。
【０１０２】
電気自動車ではブレーキング時に電動機による電力回生を行い、回生電流を電源のバッテリに流し、減速エネルギーを回収するようにしてある。バッテリが１００％充電状態にあるときや、受け入れ電流が大き過ぎ、余剰電力が発生するときには、電源と並列に接続した回生抵抗に吸収させる。残存容量計測のための計測抵抗Ｒを回生抵抗と共用させることにより、計測回路のコストの削減が可能になる。回生用抵抗が無いシステムにおいては暖房用の電熱ヒータと共用させるようにしてもよい。なお、本発明は上記実施例の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で部材、配置等種々の変形が可能である。
【０１０３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係るバッテリ残存容量計によれば、バッテリの内部抵抗値と実負荷の抵抗値により表わした相対値としてのバッテリ残存容量を算出し、これを表示するような構成とすることにより、変動要因の多いパラメータを用いることなく、精度の高い安定したバッテリ残存容量の計測を行うことができる。また、本発明に係るバッテリ残存容量の計測法によれば、複数のバッテリ残存容量計を用いることなく簡易な構成で複数のバッテリの残存容量を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バッテリに外部抵抗を接続した状態における等価回路図である。
【図２】バッテリの放電時間と端子電圧との関係及びバッテリの放電時間と電解液の比重との関係を示す特性線図である。
【図３】バッテリ液の比重と起電力との関係と示す特性線図である。
【図４】本発明に係るバッテリ残存容量計の基本概念を説明するための等価回路図である。
【図５】図４における外部抵抗と可変抵抗負荷との切替タイミングを示すタイミング図である。
【図６】図４に示された回路構成におけるバッテリの端子電圧の変化を表す特性線図である。
【図７】本発明に係るバッテリ残存容量計の一実施例を示す構成図である。
【図８】図７におけるバッテリ残存容量計に用いられるＣＰＵの一構成例を示す構成図である。
【図９】図７に示された構成において、計測用負荷抵抗が接続された状態におけるバッテリ端子電圧の変化を示す特性線図である。
【図１０】図７に示された構成における動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】本発明に係るバッテリ残存容量計の他の実施例を示す構成図である。
【図１２】図１１に示された構成におけるＣＰＵの構成例を示す構成図である。
【図１３】図１１に示された構成における動作を説明するためのフローチャートである。
【図１４】ＣＰＵの他の構成例を示す構成図である。
【図１５】図１４に示された構成のＣＰＵによる動作を説明するためのフローチャートである。
【図１６】ＣＰＵの他の構成例を示す構成図である。
【図１７】図１６に示された構成のＣＰＵによる動作を説明するためのフローチャートである。
【図１８】ＣＰＵの他の構成例を示す構成図である。
【図１９】バッテリ液温と起電圧との関係を示す特性線図である。
【図２０】残存容量と内部抵抗との関係をバッテリの劣化程度をパラメータとし表した特性線図である。
【図２１】図１８に示された構成においてＲＡＭに記憶されるデータの一例を示す特性線図である。
【図２２】ＣＰＵの他の構成例を示す構成図である。
【図２３】入力回路部の前段に設ける増幅回路の一例を示す回路図である。
【図２４】複数のバッテリの管理を効率よく行うために好適な構成例を示す構成図である。
【図２５】複数のバッテリを一台のバッテリ残存容量計で計測するための構成例を示す構成図である。
【図２６】入力回路部のアナログ・ディジタル変換の分解能を高くすることなく複数のバッテリの計測を可能とするための構成例を示す構成図である。
【図２７】計測用抵抗の一例を示す説明図である。
【図２８】本発明に係るバッテリ残存容量計の基板配置の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
２１…バッテリ
２３…液温センサ
２４…負荷制御スイッチ
２５…実負荷
２６…計測用負荷抵抗
２７…電流センサ
２８…コントローラ
３０…スイッチング回路部
３１…ＰＷＭ
３３…ＣＰＵ
３４…ＲＡＭ
３５…ＥＥＲＡＭ
３６…ＲＯＭ
３７…アクセサリスイッチ
３８…表示器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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