JP4494454B2 - 車載二次電池の内部状態検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、車載二次電池の蓄電状態などの内部状態の推定における電池分極の影響を低減可能な車載二次電池の内部状態検出技術に関する。

車載二次電池の大容量化と車載電気負荷の大型化が進行しており、それに伴い過充電や過放電の防止のため車載二次電池の容量などの内部状態の検出精度の向上がますます重要となっている。

特許文献１は、定電圧充電時における直前の充電電流の変化波形から類推した充電電流変化特性（以下、充電電流近似関数とも呼ぶ）に基づいて、充電電流が所定の最終値となる時点（以下、推定時点とも呼ぶ）を推定し、この最終値に達するまでの充電容量（Ah）や充電必要時間を算出する技術を開示している。
特許第３２４９７８８号

しかしながら、上記した特許文献１の技術では、推定した充電電流近似関数が電池の分極状態のばらつきにより変動して実際の充電電流波形からはずれるため、実際に充電電流が所定値となる時点（実際時点とも呼ぶ）と推定時点との間のずれが大きいという欠点があった。このため、上記推定時点を基礎として求めた上記最終値に達するまでの充電容量（Ah）や充電必要時間の精度が低下するという不具合が大きかった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、定電圧充電時の充電電流が所定の最終値に到達する時点を高精度に推定可能な車載二次電池の内部状態検出装置を提供することをその目的としている。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記した課題を解決する本発明は、車載交流発電機により所定の調整電圧に収束制御される車載二次電池の端子電圧及び電流を検出する検出回路部と、算出した電流に基づいて前記車載二次電池の内部状態を推定する内部状態検出回路部とを備える車載二次電池の内部状態検出装置において、前記内部状態検出回路部が、車両始動直後又は車両走行中に前記車載二次電池の所定電圧値での定電圧充電を所定時間継続し、前記定電圧充電開始後における前記車載二次電池の分極量に関連するパラメータである分極関連量Ｐを充電電流データの変化に基づいて求め、求めた分極関連量Ｐの変化率が所定しきい値未満となったかどうかを判定し、分極関連量Ｐの変化率が所定しきい値未満となったと判定した後の所定時間に得た複数の前記充電電流データに基づいて前記充電電流値が所定の最終値に達するまでの充電電流積算値を求め、求めた前記充電電流積算値に基づいて前記車載二次電池の内部状態を決定することをその特徴としている。

すなわち、この発明は、車載二次電池の定電圧充電開始後における分極関連量Ｐの変化が緩慢となった段階に至ったのを確認した後、いままでの充電電流の推移から今後の充電電流の変化を推定し、この推定に基づいて車載二次電池の内部状態を検出（判定）する。このようにすれば、定電圧充電下の車載二次電池の内部状態検出に際して、車載二次電池の分極状態のばらつきの影響をほぼ排除することができるため、高精度の内部状態検出を実現することができる。なお、ここで言う内部状態検出とは、ＳＯＣやＳＯＨ又はそれらに関連する量（たとえば、満充電値からＳＯＣやＳＯＨの現在値を差し引いた量）などがある。

好適な態様において、前記内部状態検出回路部は、エンジン始動直後の定電圧充電期間に前記各ステップを実施する。エンジン停止時にはイグニッションスイッチの遮断などによりバッテリの充放電が極めて少なく、その結果として車載二次電池の分極がほぼ０となっていると見なせるため、分極関連量Ｐの算出精度を向上することができ、その結果として上記内部状態決定の精度を向上することができる。

好適な態様において、前記内部状態検出回路部は、所定値以上の充電電流が流れている車両走行中における定電圧充電期間に前記内部状態の決定処理を実行する。これにより、車載二次電池の内部状態を頻繁に検出することができる。

好適な態様において、前記内部状態検出回路部は、車両走行中において充放電電流が所定値以下の期間が所定時間持続した後に実施される前記定電圧充電期間に前記内部状態の決定処理を実行する。これにより、車載二次電池の分極が十分に解消された状態で定電圧充電を開始することができるため、上記内部状態決定の精度を向上することができる。

好適な態様において、前記内部状態検出回路部は、分極関連量Ｐの今回値をPn、その前回値をPnー１、Iｎを充電電流の今回値、dtを定電圧充電時の電流検出インタバル、τを所定の時定数値とする時、前記分極関連量Pを、 Pn = Pn-1 + Iｎ*dt - 1/τ*Pn-1*dtの式から求める。これにより、分極（充電分極）の量を比較的高精度に求めることができる。

好適な態様において、前記内部状態検出回路部は、Iを充電電流 、a、bを定数、tを定電圧充電開始からの経過時間、Kを所定の比例定数とする時、分極関連量Ｐの変化率が所定しきい値未満となったと判定した後の所定時間毎に得た前記充電電流Iの複数のデータに基づいて、充電電流Ｉの近似式（I =K＋ a*exp(b*t)）を導出し、前記近似式を用いて前記充電電流積算値を求める。これにより、車載二次電池の内部状態を高精度に検出することができる。

本発明の車載二次電池の内部状態検出装置の好適な実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるべきものでなく、その他の公知技術やそれと同等機能を有する技術を組み合わせて本発明の技術思想を実施しても良いことは言うまでもない。

（装置構成）
実施形態１の車載二次電池のＳＯＣ演算装置を図１に示すブロック図を参照して説明する。

１０１は車載蓄電装置（以下、バッテリとも呼ぶ）、１０２は車載エンジン（図示せず）にて駆動されてバッテリ１０１を充電する車載発電機（本発明で言う車載交流発電機）、１０３はバッテリ１０１から給電される車載電気負荷をなす電気装置、１０４はバッテリ１０１の充放電電流を検出し、ディジタル信号形式で出力する電流センサ（本発明で言う検出回路部）、１０５はバッテリ１０１のＳＯＣなどを演算するための電子回路装置である蓄電池状態検知装置（本発明で言う車載二次電池の内部状態検出装置）である。蓄電池状態検知装置１０５は、本発明で言う分極算出回路部に相当する演算処理を含んでいる。１０６は蓄電池状態検知装置１０５の入力用のバッファ部、１０７は蓄電池状態検知装置１０５の演算処理部、１０８は演算処理部１０７からＳＯＣ並びに外部から入力されたエンジン状態、車速、発電機回転数などの車両情報１１０に基づいて車載発電機１０２の発電量を演算するECUである。１０９は界磁コイル型の車載発電機の出力を制御する発電機制御装置であり、発電機制御装置１０９は、通常は従来同様、バッテリ１０１の電圧と所定の調整電圧との差を０とするために界磁電流のフィードバック制御を行い、バッテリ１０１の電圧をこの調整電圧にたもつ。また、発電機制御装置１０９は、必要に応じてECU１０８が決定した発電量に対応する発電を車載発電機１０２に行わせる。

蓄電池状態検知装置１０５のバッファ部１０６及び演算処理部１０７はマイコン装置によるソフトウエア演算により実現されるが、専用のハードウエア回路により構成されてよいことはもちろんである。バッファ部１０６は、バッテリ１０１の電圧Vと電流センサ１０４からの電流Iとのペア（データペア）を所定タイミングにてサンプリングして保持する。演算処理部１０７は、バッファ部１０６から入力される入力パラメータに基づいて後述の方法によりＳＯＣを演算する。バッテリ１０１は、鉛蓄電池、ニッケル−水素電池、リチウム電池などの二次電池が採用されるが、種類は限定されない。この実施例では通常の車両用鉛蓄電池を採用した。

（定電圧充電制御）
次に、この実施形態の特徴をなす制御動作を図２を参照して以下に具体的に説明する。なお、図２において蓄電池状態検知装置１０５は、所定の短いインタバルで順次実行される多数の処理動作の一つをなす定電圧充電制御を示すサブルーチンである。この定電圧充電制御ルーチンは、エンジン始動時又は車両走行中に所定タイミングにて開始される。

まず、現在、定電圧充電制御動作を実行中かどうかを調べ（Ｓ１）、実行中であればステップS２に進み、そうでなければバッテリ１０１に定電圧を印加する定電圧充電制御を開始する（Ｓ３）。なお、この定電圧充電制御は、車載発電機１０２の発電を制御することによりバッテリ１０１の電圧を一定値に保つことによりなされる。

ただし、ステップＳ１では、突然の負荷断続、又は、エンジン回転数の急変による発電機１０２の発電電圧の急変によるバッテリ１０１の端子電圧の急変があったかどうかを調べ、あった場合には、たとえ今まで定電圧充電制御を実行中であっても定電圧充電制御動作を実行中とは見なさないものとし、ステップＳ３に進むものとする。これは発電機１０２の界磁電流制御の時定数遅れを考慮したものである。なお、上記したような発電状況や負荷状況の急変が生じた場合には、図２に示す定電圧充電制御を中止し、一定時間経過した後、再度それを開始することが好適である。

ステップＳ２では、バッテリ１０１の充電電流Icvを読み込み、読み込んだ充電電流Ｉｃｖから分極関連量Pとその微分値ΔＰとを算出する（Ｓ３）。この実施例では、分極関連量Ｐは、次の式から求める。

Pn ＝ Pn-1 + Iｎ*dt - 1/τ*Pn-１*dt （τ：時定数） なお、上式において、ｎは今回値を示し、ｎ−１は前回値を示す。したがって、 Pnは分極関連量Ｐの今回値、 Pn-1は分極関連量Ｐの前回値、Inは充電電流Ｉｃｖの今回値である。今回値と前回値との間の時間差は所定の一定値ｄtに設定されている。

ただし、この式の初回の演算においては、分極関連量Ｐの前回値Pn-1は０とすることが好適である。また、この実施例では、簡単のために、ｄtはルーチン周期及び電流サンプリング周期（S2）に等しく設定している。τはバッテリ電解液の電荷拡散時定数であり、予め実験で求めた所定値とした。 分極状態量の今回値Ｐｎは、前回のサンプリング時点から今回のサンプリング時点までに生じた分極状態量の増加量In・ｄtと、前回のサンプリング時点から今回のサンプリング時点までに減衰した分極状態量の減衰量Pn-1 ・ｄt/τとを、前回のサンプリング時点での分極状態量の前回値Ｐｎー１から加減算して算出される。分極関連量Ｐの微分値ΔＰは、次式により表される。

ΔＰ＝（Pn− Pn-1） ／dt＝ Iｎ - 1/τ*Pn-1
次に、分極関連量Ｐの微分値ΔＰが所定の閾値未満にまで減少したかどうかを調べ（Ｓ４）、減少していなければメインルーチンに戻り、減少していれば、一定量の充電分極に安定したと判断してステップＳ５に進んで、ΔＰが上記閾値以下になった時点から所定時間T（たとえば３０秒）の間にサンプリングして記憶している各充電電流値Icv１〜Icv３１を読み込み、各充電電流値Ｉｃｖ１〜Ｉｃｖ３１から公知の方式（たとえば最小二乗法など）を用いて近似式（I =K＋a*exp(b*t)）を求め、充電電流の時間変化特性とする（Ｓ６）。なお、この近似式において、Iは充電電流、K、a、bは、定数、tは定電圧充電開始からの経過時間である。これらの定数は実験により決定される。Kは０としてもよい。

次に、求めた近似式に、予め定めた最終充電電流値Icv（final）を代入して、その時の定電圧充電制御終了時点Tｆを求め、現時点からこの定電圧充電制御終了時点Ｔｆに達するまでの期間の充電電流Ｉｃｖの総和を積算して、充電電流積算値（α=∫I・dt）とする（Ｓ７）。

この実施形態では、最終充電電流値Icv（final）は、上記条件で定電圧充電制御を行った場合におけるこのバッテリのＳOC９０％の値における充電電流値とされ、予め実験などにより求めた値としている。これにより、ＳOC９０％から上記充電電流積算値（α=∫I・dt）を減算することにより現在のSOCを精度良く算出することができる。また、現時点以降においてどれくらいの容量Aｈを充電したらＳOC９０％に達するかを推定することができる（Ｓ８）。その後、定電圧充電を終了する（Ｓ１０）。

（実施例効果）
すなわち、この実施例では、バッテリの容量が低下しており所定容量（Ah）の充電によるバッテリ充電が必要なエンジン始動直後、又は、車両走行中特に好適には大電気負荷を投入し、バッテリのSOCが低下しそれを補うべく発電機１０２の発電が増強されてバッテリの充電が強化されているタイミングなどにおいて、バッテリの充電状態を精度良く推定するのに好適である。更に説明すると、この充電過程において定電圧充電を持続することによりもし放電分極があった場合にはそれが急速に解消され、この充電電圧に対応する一定量の充電分極状態に定電圧充電開始から所定時間後に安定化する。この実施形態では、この安定化が完成する時点を上記分極関連量Pの変化が所定値未満となったかどうかで判定する。

更に、この実施形態では、この一定量の充電分極状態に安定化した時点から所定インタバルで充電電流値を必要個数サンプリングし、得た各データから充電電流特性を求める。更に、求めた充電電流特性により現時点から所定のSOC値（たとえば９０％）に達するまでに必要な充電電流積算値（α=∫I・dt）を算出する。これにより、現在のＳOC値や、現時点から所定のSOC値に達するまでに必要な充電積算値を、分極状態のばらつきの影響を排除して精度良く推定することができる。過充電の防止などの検出にも役立つ。

この実施形態の効果を更に具体的に説明する。

まず、バッテリの特性について図３を参照して説明する。図３は、満充電でないバッテリに定電圧充電を行う場合の充電電流の特性を示す。定電圧充電を開始すると、充電初期には、容量上昇にともなう電流垂下だけでなく、充電分極の生成による電流垂下があり、特に鉛蓄電池などでは、分極生成の影響が顕著に現れる。従来、定電圧充電下において充電電流の近似式を求める際、この分極生成中の分極状態のばらつきの影響についてはまったく考慮が払われていなかった。

この実施形態では、定電圧充電開始から、分極状態のばらつきの影響を良好に排除可能な所定時間後に得た充電電流サンプリングデータにより、充電電流特性（近似式）を決定し、この充電電流特性に基づいてバッテリの内部状態を推定する。これにより、定電圧充電初期の分極生成中の分極状態のばらつきの影響が排除され、精度良く、定電圧充電下の充電電流特性を推定することが実現する。

（実験結果）
車両用鉛蓄電池で、定電圧充電により充電容量を推定した実験結果を図４に示す。図４は、定電圧充電を開始し、充電電流値から求めた分極関連量（分極指数）の微分値が、0以下になった点から、30sec間の電流値を記憶し、前記電流値から、近似式 I(t) = A*exp(B*t)を求めた。近似式で求めた電流値が所定値5Aになるまでの積算容量を求めると6.4Ahであり、実測の充電容量6.5Ahにほぼ等しく、高精度に充電容量が推定できることがわかる。

同一の車両用鉛電池において、この実施形態で求めた充電電流特性（B）と、分極を考慮しない公知の技術で求めた充電電流特性（A）と、実測した充電電流特性（C）とを、図５に示す。なお、この公知の技術では、定電圧充電を所定時間T継続し、この間の充電電流と相対時間から、近似式を求めている。この場合には、実測電流に比べ、精度良く近似できていない。これに対し、この実施形態では、分極指数の変化分ΔＰ<0の点から、所定期間Tpの充電電流と相対時間から、近似式を求めており、実測した充電電流特性（C）に対して近似精度が大幅に向上していることが分かった。

（定電圧充電開始前の分極量の低減について）
車載二次電池の分極量（充電分極量）とみなすとことができる分極関連量Ｐの今回値を算出する上記式（Pn = Pn-1 + Iｎ*dt - 1/τ*Pn-1*dt）では、分極関連量Ｐの前回値Pn-1の決定が必要である。ただし、初回と２回目の電流データを用いた最初の分極関連量Ｐの今回値Pn（= Pn-1 + Iｎ*dt - 1/τ*Pn-1*dt）又はその微分値（Pn ー Pn-1）／dt＝ Iｎ - 1/τ*Pn-1）では、分極関連量の前回値Pn-1が未だ算出されていない。しかし、それまでの充放電電流が略一定の所定値又は非常に小さければ、分極関連量の前回値Ｐｎ−１は一定値又は０と見なすことができる。

そこで、エンジン始動直後においては、エンジン始動時に消費した電池の放電電流積算値はほぼ一定とみなすことができ、かつ、それまでは、長期間の放置により車載二次電池の分極は解消されているとみなすことができる。したがって、エンジン始動直後のための車載二次電池の放電直後には、毎回一定量の放電分極が生じているとみなすことができ、この値は、予め調べた所定値とすることができる。しかも、エンジン始動直後には、必ず車載二次電池はその満充電状態から所定量だけ放電を行っており、そのその後、定電圧充電を行うと、少なくとも所定量の充電電流積算値が得られるはずである。これが、エンジン始動直後の定電圧充電の利点である。

その他、エンジン始動のための放電時にも分極量の今回値（放電分極量）の算出を上記式を利用して行うことができる。このようにして算出した放電分極量の定電圧充電開始時点における分極関連量の今回値とすることができる。したがって、２回目の充電電流データを得た時に行う定電圧充電下での分極関連量の前回値Ｐｎ−１として、上記分極関連量（放電分極量）の今回値を用いてもよい。

次に、車両走行中においては、車載二次電池のＳＯＣは種々の値となる。しかし、負荷の増大や発電量の減少により車載二次電池が一定期間放電状態となった後には車載二次電池にはかならずこの低下したＳＯＣの補充のための充電動作が生じるはずである。そこで、所定期間の放電傾向が持続した後で、上記定電圧充電を開始することが好適である。

また、上記した所定期間の放電傾向が持続すると、車載二次電池には所定量の放電分極量が生じる。そこで、好ましくは所定期間の放電傾向が持続した後、この時に生じた放電分極が解消するために充放電電流が所定期間小さな値を持続した後、上記定電圧充電を開始することが好ましい。

また、上記所定期間の放電傾向が持続する以前に充放電電流が小さく分極が解消されたとみなせる期間が持続していた場合には、上記所定期間の放電傾向が開始した時点の分極を０としてこの所定期間の放電傾向による放電分極量を上記式で求め（符号は逆となる）、それを定電圧充電開始時点の分極関連量、すなわち、定電圧充電開始後の２回目の充電電流採取時における分極関連量Ｐの前回値Ｐｎ−１としてもよい。

更に、上記定電圧充電を通常の発電機の調整電圧Vrefよりも少し高い調整電圧値Vref＋ΔVで行うものとする。この場合には、車両走行中において定電圧充電開始直前の所定期間に充放電電電流が所定値以下であれば分極が解消されていると見なせるため、定電圧充電開始後の２回目の充電電流採取時おける分極関連量Ｐの前回値Ｐｎ−１を０とすることができる。また、上記定電圧充電を通常の発電機の調整電圧Vrefよりも少し高い調整電圧値Vref＋ΔVで行う場合には、かならずこの充電電圧差ΔVに相当する充電電流が定電圧充電時に流れるため好都合である。

（変形態様）
上記実施形態では、近似式を用いて定電圧充電制御における充電電流特性を推定したが、充電電流Icv１〜Icv３１の絶対値と所定時間内（たとえば30sec）における充電電流の減少分dIcvと積算容量との関係を予め記憶したテーブルまたは方程式を用いて導出してもよい。

実施形態１の車載二次電池の制御装置を示すブロック図である。 実施形態１における定電圧充電制御を示すフローチャートである。 定電圧充電時の充電電流特性の典型例を示す特性図である。 この実施形態の定電圧充電により得た充電電流、分極指数及びその微分値の特性を示す特性図である。 実施形態及び従来の充電電流特性と、実測した充電電流特性とを示す特性図である。

符号の説明

１０１ バッテリ
１０２ 車載発電機（発電機）
１０４ 電流センサ
１０５ 蓄電池状態検知装置（内部状態検出回路部）
１０６ バッファ部
１０７ 演算処理部
１０９ 発電機制御装置

Claims (6)

1. 車載交流発電機により所定の調整電圧に収束制御される車載二次電池の端子電圧及び電流を検出する検出回路部と、算出した電流に基づいて前記車載二次電池の内部状態を推定する内部状態検出回路部とを備える車載二次電池の内部状態検出装置において、
   前記内部状態検出回路部は、
   車両始動直後又は車両走行中に前記車載二次電池の所定電圧値での定電圧充電を所定時間継続し、
   前記定電圧充電開始後における前記車載二次電池の分極量に関連するパラメータである分極関連量Ｐを少なくとも充電電流データの変化に基づいて求め、
   求めた分極関連量Ｐの変化率が所定しきい値未満となったかどうかを判定し、
   分極関連量Ｐの変化率が所定しきい値未満となったと判定した後の所定時間に得た複数の前記充電電流データに基づいて前記充電電流値が所定の最終値に達するまでの充電電流積算値を求め、
   求めた前記充電電流積算値に基づいて前記車載二次電池の内部状態を決定することを特徴とする車載二次電池の内部状態検出装置。
2. 請求項１記載の車載二次電池の内部状態検出装置において、
   前記内部状態検出回路部は、
   エンジン始動直後の定電圧充電期間に前記内部状態の決定を実行する車載二次電池の内部状態検出装置。
3. 請求項１記載の車載二次電池の内部状態検出装置において、
   前記内部状態検出回路部は、
   所定値以上の充電電流が流れている車両走行中における定電圧充電期間に前記前記内部状態の決定を実行する車載二次電池の内部状態検出装置。
4. 請求項１記載の車載二次電池の内部状態検出装置において、
   前記内部状態検出回路部は、
   車両走行中において充放電電流が所定値以下の期間が所定時間持続した後に実施される前記定電圧充電期間に前記各ステップを実施する車載二次電池の内部状態検出装置。
5. 請求項１記載の車載二次電池の内部状態検出装置において、
   前記内部状態検出回路部は、分極関連量Ｐの今回値をPn、その前回値をPnー１、Iｎを充電電流の今回値、dtを定電圧充電時の電流検出インタバル、τを所定の時定数値とする時、前記分極関連量Pを、 Pn = Pn-1 + Iｎ*dt - 1/τ*Pn-1*dtの式から求める車載二次電池の内部状態検出装置。
6. 請求項１記載の車載二次電池の内部状態検出装置において、
   前記内部状態検出回路部は、Iを充電電流 、a、bを定数、tを定電圧充電開始からの経過時間、Kを所定の比例定数とする時、分極関連量Ｐの変化率が所定しきい値未満となったと判定した後の所定時間毎に得た前記充電電流Iの複数のデータに基づいて充電電流Ｉの近似式（I =K＋ a*exp(b*t)）を導出し、前記近似式を用いて前記充電電流積算値を求める車載二次電池の内部状態検出装置。