JP4835355B2

JP4835355B2 - バッテリ劣化判定装置

Info

Publication number: JP4835355B2
Application number: JP2006263233A
Authority: JP
Inventors: 明庄司
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: JP2008080963A

Description

本発明は、バッテリ劣化判定装置に関し、特に自動車に搭載可能なバッテリ劣化判定装置に関する。

近年、自動車においては、排気ガスの削減と燃費の改善のために、信号待ちや渋滞時などの停車時に自動的にエンジン作動を停止するアイドリングストップ機能を備えるものが増えている。アイドリングストップ車のバッテリは、エンジン再始動のみならず、アイドリングストップ時に負荷に給電することが必要になる。このように、アイドリングストップ車のバッテリは非アイドリングストップ車のバッテリに比べて消耗度の激しい使い方となる。ここでバッテリの劣化に関する情報を得ることができれば、それに応じた電力管理を行うことでバッテリの寿命を引き延ばすことができる。また、バッテリの劣化に関する情報を得ることができれば、ユーザはそのバッテリの交換時期を前もって知ることができ、突然の機能停止を回避することができる。したがって、高精度かつ低コストなバッテリ劣化判定機構を実現することは重要な要請である。

二次バッテリの劣化は、充放電を繰り返すことによって、あるいは放置によって、経時的にバッテリの内部抵抗値が高くなりバッテリの端子電圧が低下していく現象として現れることが知られている。したがって、バッテリの劣化度合は、内部抵抗を計測することで推定することが可能である（内部抵抗法）。

特開２００３−１７７１６４号公報

しかしながら、発明者の実験によれば、アイドリングストップの繰り返しによる劣化モードにおける内部抵抗の増加量は、アイドリングストップ以外の通常の劣化モード（たとえば、放置劣化）における内部抵抗の増加量に比べて、きわめて小さいことが分かっている。したがって、アイドリングストップの繰り返しによるバッテリの劣化状態を内部抵抗に基づいて判定することは困難である。

また、アイドリングストップ車では、バッテリは、アイドリングストップを行う前に満充電またはそれに近い状態におかれるように運用されるのが一般的である。ところが、バッテリの満充電付近の状態では、アイドリングストップの繰り返しによって劣化したバッテリの内部抵抗と、新品バッテリの内部抵抗とでは、ほとんど違いがみられない。つまり、通常バッテリが満充電状態になるように制御される点を考慮すれば、アイドリングストップの繰り返しによるバッテリの劣化状態を内部抵抗に基づいて判定することは、さらに困難であるといえる。

なお、実験によれば、アイドリングストップの繰り返しによって劣化したバッテリと新品バッテリとでは、両者ともに充電量を低下させていくと、アイドリングストップの繰り返しによって劣化したバッテリの内部抵抗は新品バッテリの内部抵抗に比べ大幅に増加することが分かっている。したがって、バッテリの充電量を所定値（たとえば、８０％）以下にした状態にすれば、内部抵抗に基づいてバッテリの劣化状態を判定することは可能ではある。しかし、このように内部抵抗に基づいてバッテリの劣化状態を判定できるようになるまでバッテリの充電量を低下させてしまうと、アイドリングストップ状態からのエンジン再始動不能に陥る可能性がある。つまり、このようなバッテリの劣化判定ではエンジン始動性を確保することができず、自動車の走行中に行う判定手法としては採用できない。

したがって、内部抵抗法に比べて高精度な判定を行うことができ、かつ、アイドリングストップ車の走行中にも実行可能なように、満充電付近の状態で行えるバッテリ劣化判定手法が必要である。

本発明の一側面によれば、充放電可能なバッテリの劣化を判定するバッテリ劣化判定装置であって、前記バッテリの満充電状態から放電状態に切り替わった後の所定時間における前記バッテリの端子電圧変化と放電電流変化とに基づいて、寄生容量を算出する算出手段と、算出された前記寄生容量が所定の寿命レベルを下回ったときに、前記バッテリの寿命と判定する判定手段とを有することを特徴とするバッテリ劣化判定装置が提供される。

この構成によれば、内部抵抗法に比べて高精度にバッテリの劣化を判定することができる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記所定時間は、前記バッテリの満充電状態から放電を行ったときの前記バッテリの端子電圧の時間変化を示す放電曲線において略直線変化をなす時間とすることが好ましい。

この構成によれば、バッテリの寄生容量に依存するバッテリの端子電圧の時間変化を容易に検出することができるので、バッテリ劣化判定処理の簡便化が図れる。

本発明の別の側面によれば、上記の特徴を備えるバッテリ劣化判定装置を有する自動車が提供される。この構成の自動車によれば、運転中に高精度なバッテリの劣化処理を行うことができる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記自動車は、前記バッテリを満充電状態または満充電付近の状態に制御した上で、所定条件を満たす場合にエンジンのアイドリングを自動的に停止するアイドリングストップ手段を更に有し、前記バッテリ劣化判定装置は、前記アイドリングストップ手段が動作したときに動作することが好ましい。

この構成によれば、バッテリ劣化判定装置の動作の際に、バッテリが満充電もしくは満充電付近の状態におかれていることが保証され、高精度な劣化判定を確保することができる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記判定手段により前記バッテリが寿命と判定された場合に警告を行う警告手段を更に有することが好ましい。

この構成によれば、自動車のドライバはバッテリの交換時期を容易かつ適時に知ることができる。

本発明によれば、車載可能な安価な構成で精度よくバッテリの劣化を判定可能なバッテリ劣化判定装置が実現される。

（実施形態１）
図１に、本実施形態におけるバッテリの基本回路モデルの例を示す。同図において、Ｅは起電力、Ｒ_Ａは格子抵抗、Ｒ_Ｂ１は充電抵抗、Ｒ_Ｂ２は放電抵抗、Ｃは寄生キャパシタを表す。

バッテリの極板を構成する格子は、活物質を保持して外部と活物質の間の電気伝導の役割を果たす。図２に示すように、活物質は、経時的に、充放電によるストレスを受けて粒子間の結合力が弱まり、徐々に極板から脱落していく。活物質が脱落すると残存容量も減少し、最終的にはバッテリの寿命へとつながる。寄生容量Ｃは、活物質の表面積に比例する。このことから、活物質の脱落は、残存容量の減少であるとともに、寄生容量Ｃの減少であるとみることもできる。よって、寄生容量Ｃの値を推定することによりバッテリの劣化判定を行うことが可能であると考えられる。

ここで、図３に満充電状態から放電を行ったときの放電曲線（バッテリ電圧ＶＢＡＴの時間変化）の一例を示す。（Ａ）の区間では、寄生キャパシタＣの電圧Ｖ_ｃが起電力Ｅより大きく、寄生キャパシタＣによる定電流放電となり、ＶＢＡＴは概ね直線的な特性を示す。一方、（Ｂ）の区間では、寄生キャパシタＣの電圧Ｖ_ｃが起電力Ｅ以下となり、起電力Ｅのアシストが加わることによってＶＢＡＴの落ち方が鈍くなることが分かる。

さて、（Ａ）の区間、すなわち、寄生キャパシタＣの電圧Ｖ_ｃが起電力Ｅより大きい場合においては、バッテリの電圧変化ΔＶＢＡＴは次式で表される。
ΔＶＢＡＴ＝ΔＱ／Ｃ＝（Ｉ／Ｃ）ｔ
ただし、ΔＱは電荷量変化、Ｉはバッテリ電流、ｔは時間である。
そうすると、
ΔＶＢＡＴ／ΔＩ＝（１／Ｃ）ｔ
となる。発明者は、このことから、図３の（Ａ）の略直線区間の傾きは１／Ｃに対応し、（Ａ）の略直線区間の傾きを求めることにより寄生容量Ｃの値を推定可能であると考えた。しかもこの略直線区間は数秒間に亘って持続する。現在のところ、コストの観点から実際に自動車に搭載できる電流センサ、電圧センサのサンプリングタイムは、一般には最速のもので5msecオーダのものである。したがって、この略直線区間においてバッテリ電流の変化分ΔＩを求めるべく２時点の電流値を検出することは十分に可能であると考えられる。

発明者は、この仮説の検証を行った。図４は、発明者の実験により得られた、新品バッテリとアイドリングストップの繰り返しによって劣化したバッテリ（以下「ＩＳ劣化バッテリ」）という。）の、満充電状態から放電を行ったときの放電曲線であり、図５は、図４の放電曲線における（Ａ）の略直線区間の傾きから寄生容量Ｃの値を求めることを複数回に亘って繰り返した結果を示している。図５の結果から、ＩＳ劣化バッテリの寄生容量は新品バッテリの寄生容量よりも大きく低下していることがわかる。したがって、放電曲線における略直線区間の傾きから求められる寄生容量値に基づいて、バッテリの劣化判定を行うことが可能であるといえる。

以下、上述の知見に基づくバッテリの劣化判定装置の実施例を説明する。

図６は、本発明のバッテリ劣化判定装置が搭載される自動車の要部を示すブロック図である。

図６において、１はエンジン、２は始動用モータを兼ねるジェネレータ（発電機）である。エンジン１は駆動機構（図示省略）を介して左右の駆動輪３，３間に設けられたデファレンシャルギア４に連結されているジェネレータ２での発電電力は、電源ライン５を介してバッテリ６に給電される。バッテリ６は充放電可能な二次バッテリであり、たとえば鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などで構成される。バッテリ６の放電電力は負荷８に供給される。負荷８はたとえば空調装置、オーディオ機器、ヘッドライト、室内灯などの電装品である。

７はバッテリ６の劣化判定処理を行うバッテリＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。このバッテリＥＣＵ７は典型的には、図示の如く、制御を司るＣＰＵ７１、制御プログラムや固定的なデータを記憶しているＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１のワークエリアを提供するＲＡＭ７３を有するマイクロコンピュータで実現される。

９はバッテリ６に直列接続されバッテリ６に流れる放電電流および充電電流を検出する電流センサ、１０はバッテリ６に並列接続されバッテリ６の端子電圧を検出する電圧センサである。これら電流センサ９および電圧センサ１０はそれぞれ、バッテリＥＣＵ７のインタフェース（Ｉ／Ｆ）７４および７５に接続される。Ｉ／Ｆ７４，７５はそれぞれ、電流センサ９，電圧センサ１０の出力値をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器（図示省略）を含む。

図８は、本実施形態におけるバッテリ６の劣化判定処理を示すフローチャートである。このフローチャートに対応するプログラムはＲＯＭ７２に記憶されている制御プログラムに含まれ、ＣＰＵ７１によって実行されるものである。この処理は、イグニッションがＯＮされてからＯＦＦされるまでの間、繰り返し行われうる。

この劣化判定処理では、図７に示すように、放電曲線の略直線区間（図３の（Ａ）区間に相当）における２時点（Ｔ１，Ｔ２）でのバッテリ６の端子電圧ＶＢＡＴを検出する処理を含んでいる。

まずステップＳ１では、バッテリ６が満充電状態になるのを待機する。たとえば、電流センサ９により検出されるバッテリ６の充電電流値が所定値（たとえば１Ａ）、かつ電圧センサ１０により検出されるバッテリ６の端子電圧が所定値（たとえば１４．８Ｖ）となったときに、バッテリ６は満充電状態になったと判断する。

バッテリ６の満充電が検出されると、次にバッテリ６が放電状態となったかどうかを判定する（ステップＳ２）。ここでバッテリ６の放電が検出されるとステップＳ３以降の処理が実行される。なお、このようにステップＳ１，Ｓ２がそれぞれＹＥＳとなるタイミングとしては、典型的には、アイドリングストップの実行時がある。一方、バッテリ６の放電が終了した場合には、ステップＳ１６に進み、タイムカウンタＴ、バッテリ電圧値Ｖ１，Ｖ２、放電電流値Ｉ１，Ｉ２の変数がそれぞれ０にリセットされる。

ステップＳ３ではタイムカウンタＴをインクリメントし、ステップＳ４で、タイムカウンタＴが時刻Ｔ１に相当する値になったかどうかを判断する。タイムカウンタＴが時刻Ｔ１に相当する値になったときはステップＳ５に進み、時刻Ｔ１において電圧センサ１０により検出されたバッテリ６の端子電圧ＶＢＡＴをＶ１とする。その後ステップＳ６で、電流センサ９により検出されたバッテリ６の放電電流の積分値∫Ｉｄｔを０にリセットする。続いて、ステップＳ７で、時刻Ｔ１において電流センサ９により検出されたバッテリ６の放電電流値ＩをＩ１とする。

その後、処理はステップＳ３に戻りタイムカウンタＴをインクリメントし、ステップＳ４でタイムカウンタＴが時刻Ｔ１に相当する値かどうかを判断する。上記の処理においていったんＴ１が検出されてステップＳ５〜Ｓ７の処理が完了したならば、処理はステップＳ４からステップＳ８に進むことになる。

ステップＳ８では、タイムカウンタＴが時刻Ｔ２に相当する値になったかどうかを判断する。タイムカウンタＴが時刻Ｔ２に相当する値になっていなければ、ステップＳ９に進み、電流センサ９により検出されたバッテリ６の放電電流値を積算することで、積分値∫Ｉｄｔを更新する。

一方、ステップＳ８でタイムカウンタＴが時刻Ｔ２に相当する値になったときは、ステップＳ１０に進み、時刻Ｔ２において電圧センサ１０により検出されたバッテリ６の端子電圧ＶＢＡＴをＶ２とする。次にステップＳ１１に進み、ステップＳ９で得られた時刻Ｔ１からＴ２までの放電電流積分値を、∫Ｉｄｔとする。続いて、ステップＳ１２で、時刻Ｔ２において電流センサ９により検出されたバッテリ６の放電電流値ＩをＩ２とする。

そして、ステップＳ１３で寄生容量Ｃを算出する。寄生容量Ｃは、公知の回路理論に基づき、次式により求められる。ただし、ここでは図３の（Ａ）区間に対応する寄生容量Ｃによる放電は定電流放電ではない場合（すなわち、Ｉ１≠Ｉ２）を想定している。

次に、ステップＳ１４に進み、ステップＳ１３で求めた寄生容量Ｃが所定の寿命ラインを下回ったかどうかを判断する。ここで寄生容量Ｃがこの寿命ライン以上であればそのまま本処理を抜ける。一方、寄生容量Ｃが寿命ラインを下回った場合には、バッテリ６の寿命と判断し、たとえば自動車のインストルメントパネルに設けられたインジケータによって警告表示を行った後（ステップＳ１５）、本処理を抜ける。

このように、本実施形態によれば、バッテリの放電曲線における略直線区間の傾きから求められる寄生容量値に基づいて、バッテリの劣化判定を行うことができる。この手法によれば、従来の内部抵抗法に比べて高精度にバッテリの劣化状態を判定することが可能になる。また、上述したように、放電曲線における略直線区間は数秒間に亘って持続するため、低速な電流センサを用いてもその傾きを求めることができるので、この手法は低コストで実現が可能である。

（実施形態２）
上述の実施形態１では、図１に示したバッテリ基本回路モデルを用いて、図３の（Ａ）における略直線区間の傾きから求められる寄生容量値に基づいてバッテリの寿命を判定する例を示した。ただし、図３にも示されているように、（Ａ）区間より手前には、より急勾配の略直線区間があることが分かる。この急勾配の略直線区間の傾きを求めることができれば、それによってバッテリの寿命を判定することも可能である。

そこで本実施形態では、図１のバッテリ基本回路モデルに代えて、図９に示すようなバッテリ基本回路モデルを使用する。

図９のバッテリ基本回路モデルは、起電力Ｅに対して直列に接続された３つの抵抗Ｒ_０、Ｒ_１、Ｒ_２、および、Ｒ_０とＲ_１との間の寄生キャパシタＣ_１、Ｒ_１とＲ_２との間の寄生キャパシタＣ_２で構成される。図９の例では、Ｒ_０が図１の格子抵抗Ｒ_Ａに相当し、Ｒ_１とＲ_２が充放電抵抗Ｒ_Ｂに相当するものとする。また、Ｃ_１≪Ｃ_２（例えば、Ｃ_１≒５Ｆ、Ｃ_２≒２００Ｆ）とする。

この回路モデルによれば、寄生キャパシタＣ_１＋Ｃ_２の電圧が起電力Ｅより大きいときには、図１１の放電曲線の例に示すように、寄生キャパシタＣ_１からの放電による略直線区間Ａ１が得られる。この略直線の傾きは、１／Ｃ_１に対応する。その後で、Ｃ_２（≒Ｃ_１＋Ｃ_２）からの放電による略直線区間Ａ２が得られる。この略直線の傾きは、１／Ｃ_２に対応する。

そこで、１／Ｃ_１に対応する傾きの略直線区間Ａ１において上述のバッテリの劣化判定処理を適用する。すなわち、上述の電流および電圧検出時点Ｔ１およびＴ２を、Ａ１区間内に設定して、Ｃ_１の値を推定し、これにより寿命判定を行う。この場合、Ｃ_２の値を推定して寿命判定を行う場合より早いタイミングで判定結果が得られることは明らかである。すなわち、より高速な劣化判定処理を実現できる。

ただし、寄生キャパシタＣ_１からの定電流放電による１／Ｃ_１に対応する傾きは寄生キャパシタＣ_２からの定電流放電による１／Ｃ_２に対応する傾きよりも急勾配であるため、略直線区間Ａ１はＡ２に比べてきわめて短期間（例えば、１秒以内）であることが想定される。電流センサおよび電圧センサにはこのＡ１の期間内に２点の検出を行うことのできるサンプリングタイムのものを使用する必要がある。しかし、コストの観点から、そのような精度のセンサを自動車に搭載することができない場合もあることが考えられる。

このような場合には、図９の基本回路モデルをそのまま用いて、電流および電圧検出時点Ｔ１およびＴ２をＡ２区間内に設定して、Ｃ_２の値を推定し、これにより寿命判定を行うようにすればよい。この場合は、図１０に示すように、Ｒ_０＋Ｒ_１を格子抵抗Ｒ_Ａ、Ｒ_２を充放電抵抗Ｒ_Ｂとみなすことになる。Ａ２区間は厳密にはＣ_１とＣ_２からの放電であるが、上記のとおりＣ_１≪Ｃ_２であるから、Ｃ_２≒Ｃ_１＋Ｃ_２である。よって、電流および電圧検出時点Ｔ１およびＴ２をＡ２区間内に設定することにより、Ｃ_２の値を十分な精度で推定することができる。

このように、本実施形態によれば、どのようなサンプリングタイムの電流センサおよび電圧センサを使用するかにかかわらず、共通の基本回路モデルに基づくバッテリの劣化判定アルゴリズムを用いることができる。すなわちこの場合には、使用する電流センサおよび電圧センサのサンプリングタイムに応じてＴ１，Ｔ２を変更するだけでよいため、本発明に係るバッテリ劣化判定装置はさまざまな車種に広く搭載可能である。

バッテリの基本回路の一例を示す図である。バッテリの活物質の脱落を説明する図である。バッテリの満充電状態から放電を行ったときの放電曲線の一例を示す図である。新品バッテリとアイドリングストップの繰り返しによって劣化したバッテリの、満充電状態から放電を行ったときの放電曲線を示す図である。図４の放電曲線における（Ａ）の略直線区間の傾きから寄生容量の値を求めることを複数回に亘って繰り返した結果を示す図である。実施形態におけるバッテリ劣化判定装置を有する自動車の要部を示すブロック図である。実施形態のバッテリ劣化判定処理におけるバッテリ端子電圧の検出タイミングを説明する図である。実施形態におけるバッテリ劣化判定処理を示すフローチャートである。、別のバッテリの基本回路の例を示す図である。図９、図１０の基本回路に基づくバッテリの放電曲線の例を示す図である。

符号の説明

１：エンジン
２：ジェネレータ
３：駆動輪
４：デファレンシャルギア
５：電源ライン
６：バッテリ
７：バッテリＥＣＵ
８：負荷（電装品）
９：電流センサ
１０：電圧センサ
１１：温度センサ

Claims

充放電可能なバッテリの劣化を判定するバッテリ劣化判定装置であって、
前記バッテリの満充電状態から放電状態に切り替わった後の所定時間における前記バッテリの端子電圧変化と放電電流変化とに基づいて、寄生容量を算出する算出手段と、
算出された前記寄生容量が所定の寿命レベルを下回ったときに、前記バッテリの寿命と判定する判定手段と、
を有することを特徴とするバッテリ劣化判定装置。
前記所定時間は、前記バッテリの満充電状態から放電を行ったときの前記バッテリの端子電圧の時間変化を示す放電曲線において略直線変化をなす時間とすることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ劣化判定装置。
請求項１または２に記載のバッテリ劣化判定装置を備える自動車。
前記バッテリを満充電状態または満充電付近の状態に制御した上で、所定条件を満たす場合にエンジンのアイドリングを自動的に停止するアイドリングストップ手段を更に有し、
前記バッテリ劣化判定装置は、前記アイドリングストップ手段が動作したときに動作することを特徴とする請求項３に記載の自動車。
前記判定手段により前記バッテリが寿命と判定された場合に警告を行う警告手段を更に有することを特徴とする請求項３または４に記載の自動車。