JP4861007B2 - バッテリ状態管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されるバッテリ（本明細書では、鉛バッテリのことを指す）の状態を管理するバッテリ状態管理装置に関する。

従来より、バッテリの状態（例えば、劣化度合い又は充電残量等）の検出を、エンジン始動時等の放電時におけるバッテリの電圧降下特性に基づいて行う技術がある（例えば下記特許文献１）。

特開２００４−１９０６０４号公報

車両に搭載されるバッテリは、バッテリ液として希硫酸を用いている。そして、バッテリ液の硫酸濃度は、バッテリが搭載される車種や、バッテリが使用される地域（輸出先等）に応じて、意図的に異なる値に設定されることがある。また、バッテリ液の減少やサルフェーションの影響によっても、バッテリ液の硫酸濃度が変動する。

硫酸濃度が異なるとバッテリ液の比重も変化するが、上記特許文献１に開示された技術では、バッテリの状態管理においてバッテリ液の比重の変化が考慮されていないという問題がある。

本発明は、かかる問題を解決するために成されたものであり、硫酸濃度の変化に起因してバッテリ液の比重が変化した場合であっても、その比重の変化に対応したバッテリ状態管理を実現し得るバッテリ状態管理装置を得ることを目的とする。

本発明に係るバッテリ状態管理装置は、車両に搭載され、バッテリの状態を管理するバッテリ状態管理装置であって、充電残量に応じた前記バッテリの開放電圧の変化に対する前記バッテリの内部抵抗の変化特性に関する情報を記憶する記憶手段と、前記情報と、満充電状態の前記バッテリに関して計測された、放電を行っていない前記バッテリの出力電圧である開放電圧及び前記車両のエンジンの始動時における前記バッテリの最低電圧である下限電圧の各々の計測値とに基づいて、前記バッテリにおける前記開放電圧と前記下限電圧との関係を示す基準放電特性を導出する処理手段とを備え、前記処理手段は、満充電状態の前記バッテリにおける開放電圧の計測値が変化した場合、前記情報と変化後の前記バッテリの前記開放電圧及び前記下限電圧の計測値とに基づいて、新たな基準放電特性を導出することを特徴とする。

本発明に係るバッテリ状態管理装置によれば、処理手段は、満充電状態の開放電圧（放電を行っていないバッテリの出力電圧）が変化した場合、記憶手段に記憶されている情報と、変化後の開放電圧及び下限電圧の計測値とに基づいて、開放電圧と下限電圧との関係を示す新たな基準放電特性を導出する。従って、基準放電特性の導出時に用いたバッテリとは比重が異なるバッテリや、基準放電特性の導出時から比重が変化したバッテリに関しては、新たな基準放電特性を用いてバッテリの状態管理を行うことにより、比重の変化に適切に対応したバッテリ状態管理を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。

＜原理説明＞
まず、本実施形態に係るバッテリ状態管理装置における、バッテリ状態の評価原理について説明する。

図１は、劣化状況及び充電残量の異なるバッテリについて開放電圧（バッテリが実質的に放電を行っていないときの出力電圧）とエンジン始動時の下限電圧（エンジン始動時の放電によりバッテリの出力電圧が低下したときのその最低電圧であり、本発明に係る放電時電圧に相当する）とを試験により計測した計測結果を示すグラフである。その横軸は各放電試験におけるエンジン始動時放電開始前のバッテリの開放電圧値に対応し、縦軸は各放電試験におけるエンジン始動時放電中のバッテリの下限電圧値に対応している。また、図１中の曲線Ｇ１は新品（実質的に新品であればよい（以下同様））のバッテリについての計測結果に基づいて描いたものであり、曲線Ｇ２〜Ｇ４は使用されてある程度劣化したバッテリについての計測結果に基づいて描いたものであり、曲線Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の順にバッテリの使用期間が長くなり劣化が進んでいる。なお、充電終了時（エンジン停止時）から一定時間経過時の開放電圧値を用いることにより、バッテリ１の放電特性取得や状態評価等の精度がより向上する。

図１のグラフより、バッテリの劣化が進むにつれて対応する曲線Ｇ１〜Ｇ４がグラフの概ね右方向（又は右下方向）にシフトしていることが分かる。特に、下限電圧値が所定の基準レベル（例えば、９Ｖ）以下の領域では、曲線Ｇ１を基準とした曲線Ｇ２〜Ｇ４の右方向へのシフト量が対応するバッテリの劣化の進みに応じて増加する傾向にあることが分かる。これより、曲線Ｇ１に対応した新品のバッテリのエンジン始動時放電特性（各充電残量に応じた各放電電圧値に対するエンジン始動時放電中の下限電圧値）を導出しておけば、これを基準としてバッテリの状態評価を行うことができる。

しかし、エンジン始動時にバッテリに接続される負荷の状況は、車種ごとに大きく相違する。このため、従来の手法を適用して、曲線Ｇ１に対応するバッテリのエンジン始動時放電特性を取得しようとすると、例えば、ある一定の基準条件の下で曲線Ｇ１に対応するバッテリのエンジン始動時放電特性を試験により検出し、その放電特性に対し、車種ごとに設定した調節パラメータを用いて微調整を行うこととなる。

そこで、本願発明者は、その従来手法の課題に着目し、車体固有の調節パラメータ等を使用することなく、車体固有のエンジン始動時の負荷状況を反映したバッテリのエンジン始動時放電特性等を自動的に取得できるようにすべく、対策を行った。その原理は以下の通りである。

図２は、バッテリのエンジン始動時の放電特性について説明するためのグラフであり、図２のグラフ中の曲線Ｇ１は図１の曲線Ｇ１に対応している。図３に示すように、エンジン始動時にバッテリ１に接続されるエンジン始動時負荷Ｌ_S（バッテリの内部抵抗以外の負荷であって、スタータ、その他の抵抗要素等を含む）の抵抗値をＲ_Sとし、バッテリ１の内部抵抗値をＲ_Bとし、バッテリ１の開放電圧値をＶ_Oとし、バッテリ１にエンジン始動時負荷Ｌ_Sを接続して放電を行わせた際の出力電圧の最低値である下限電圧値をＶ_Lとすると、これらのパラメータＲ_S，Ｒ_B，Ｖ_O，Ｖ_Lの間には、次の関係が成り立つ。

この式（１）をＶ_Lについて解くと次のようになる。

この式（２）において、内部抵抗値Ｒ_Bが開放電圧値Ｖ_O（すなわち、バッテリ１の充電残量）により変化しないと仮定すると、エンジン始動時負荷Ｌ_Sの抵抗値Ｒ_Sは開放電圧値Ｖ_Oの値に依らず一定であるため、図２のグラフの座標系の原点を通る直線Ｇ５に対応した式（値Ｖ_O，Ｖ_Lの比例関係を表す式）が得られる。

実際には、式（２）における内部抵抗値Ｒ_Bは開放電圧値Ｖ_O（バッテリ１の充電残量）の減少に伴って増加するため、下限電圧値Ｖ_Lの低下割合は、曲線Ｇ１のように開放電圧値Ｖ_Oの減少に伴って増大するようになっている。すなわち、図２のグラフの曲線Ｇ１の直線Ｇ５からの縦軸マイナス方向への乖離量が開放電圧値Ｖ_Oの減少に伴って徐々に大きくなるのは、開放電圧値Ｖ_Oの減少に伴う内部抵抗値Ｒ_Bの増加によるものであるということができる。

そこで、本願発明者は、開放電圧値Ｖ_O（バッテリ１の充電残量）の減少に伴うバッテリ１の内部抵抗値Ｒ_Bの増加割合は、新品のバッテリ１であればどのバッテリ１についてもほぼ共通した特性であることに着目し、その特性を有効に利用することにより、新品のバッテリ１のエンジン始動時負荷Ｌ_Sに対する車両固有の放電特性を容易に検出することが可能であることに思い至った。

すなわち、新品のバッテリ１における開放電圧値Ｖ_Oの減少に伴う内部抵抗値Ｒ_Bの増加割合に関する情報を予め取得してシステムに記憶させておき、工場での車両組立完成時、出荷時、車両がエンドユーザに引き渡されたとき、又はエンドユーザ引き渡し後一定期間内などのバッテリ１が新品の状態にあるときに、バッテリ１に対するエンジン始動時負荷Ｌ_Sを用いた放電特性（基準となる充電残量における新品のバッテリ１の開放電圧値Ｖ_Oとエンジン始動時負荷Ｌ_Sを接続した際の下限電圧値Ｖ_L）の計測により、図２のグラフ上における車両固有の１つの計測点を取得し、その計測点と予め記憶された内部抵抗値Ｒ_Bの増加割合に関する情報とに基づいて、新品のバッテリ１のエンジン始動時負荷Ｌ_Sに対する車両固有の放電特性を取得できることが分かった。なお、前記車両固有の計測点については、複数回の計測を行って得られた計測結果について平均化（加重平均を含む）等の数値処理を施したものを利用してもよく、その場合、計測時のバッテリ１の開放電圧（充電残量）の値に応じて開放電圧が最大の計測点について優先的に利用したり、加重平均の寄与度を大きくする等の方法が考えられる。

より具体的には、まず、新品のバッテリ１の充電残量が満充電状態（実質的に満充電状態であればよい（以下同様））であるときの開放電圧値Ｖ_OIF及び内部抵抗値Ｒ_BIFと、充電残量が低下したときの各開放電圧値Ｖ_OIにおける内部抵抗値Ｒ_BIのＲ_BIFに対する変化率（Ｒ_BI／Ｒ_BIF）とを試験により計測する。そして、新品のバッテリ１の開放電圧値Ｖ_OIの変化に対する内部抵抗値Ｒ_BIの変化率（Ｒ_BI／Ｒ_BIF）を、開放電圧値Ｖ_OIを変数とした関数（例えば、式（３）のような関数）として近似的に求め、その関数に関する情報を予めシステムに記憶させておく。あるいは、その変形例として、各開放電圧値Ｖ_OIの値とそれに対応する内部抵抗値Ｒ_BIの変化率（Ｒ_BI／Ｒ_BIF）の各値とをデータテーブルにして予めシステムに記憶させるようにしてもよい。なお、各開放電圧値Ｖ_OIにおける内部抵抗値Ｒ_BIの変化率（Ｒ_BI／Ｒ_BIF）の具体的な計測方法については後述する。

次に、工場での車両組立完成時等のバッテリ１が新品状態にあり、かつ、バッテリ１が満充電状態であるときに、開放電圧値（初期基準放電電圧値）Ｖ_OIFと、そのバッテリ１のエンジン始動時負荷Ｌ_Sを接続した際のバッテリ１の下限電圧値（初期基準下限電圧値）Ｖ_LIFとを計測する。バッテリ１が満充電状態であるか否かの判定は、例えばバッテリ１の開放電圧値を計測し、その値が満充電状態に対応した所定の基準レベル以上になっているか否かを判定することにより行われる。なお、上述の如く、初期基準放電電圧値Ｖ_OIF及び初期基準下限電圧値Ｖ_LIFの計測を複数回行ってそれらを平均等したものを利用してもよい。

この初期基準放電電圧値Ｖ_OIF及び初期基準下限電圧値Ｖ_LIFについての計測結果と、上式（３）の関数（又はそれと同等なデータテーブル）を用いることにより、車両に搭載された新品のバッテリ１のエンジン始動時負荷Ｌ_Sに対する開放電圧値Ｖ_OIの変化に伴う下限電圧値Ｖ_LIの変化を示す関係式は、次式で与えられる。

ここで、上式（４）中のパラメータＶ_LKは、図２のグラフの直線Ｇ５上における開放電圧値がＶ_OIであるときの下限電圧値であり、下記の式（５）により与えられる。

式（４）の関係式の導出は、例えば次のようにして行われる。すなわち、上式（１）の関係を図２のグラフにおける座標点Ｐ_Fについて当てはめることを考えた場合、開放電圧値がＶ_OIFのとき（満充電時）の内部抵抗値Ｒ_BをＲ_BIFとすると、次の関係式（６）が得られる。

また、上式（１）の関係を図２のグラフにおける座標点Ｐ_Iについて当てはめることを考えた場合、開放電圧値がＶ_OIのときの内部抵抗値Ｒ_Bが上式（３）よりＲ_B＝ｆ（Ｖ_OI）・Ｒ_BIFとして得られるため、次の関係式（７）が得られる。

よって、関係式（６）の右辺を関係式（７）の左辺のパラメータ（Ｒ_S／Ｒ_BIF）に代入したものをパラメータＶ_LIについて解くと、上記関係式（４）が得られる。

上式（６）の関係式は、別の観点から見ると、図２のグラフの直線Ｇ５を基準として、直線Ｇ５上の点を、上式（３）の関係により与えられるその点における開放電圧値Ｖ_OIに応じたバッテリ１の内部抵抗値の変化率の変化態様に応じたシフト量で縦軸マイナス方向にシフトさせることにより、各充電残量（各開放電圧値Ｖ_OI）における下限電圧値Ｖ_LIを導出している。

このように導出した開放電圧値Ｖ_OIと下限電圧値Ｖ_LIとの関係に関する情報は、車両固有のエンジン始動時負荷Ｌ_Sの抵抗値Ｒ_Sが反映されているため、この情報を用いることにより、車両固有の負荷環境等を反映したバッテリ１の状態評価を行うことができる。

ここで、図２のグラフ中の値Ｖ_OIE，Ｖ_LIEは、新品のバッテリ１が充電残量ゼロ（実質的に充電残量がゼロであればよい（以下同様））のときの開放電圧値及び下限電圧値にそれぞれ対応している。また、値Ｖ_OIF，Ｖ_OIEの具体例は、例えば１２．８６Ｖ，１１．９Ｖである。

次に、新品のバッテリ１における開放電圧値Ｖ_Oの減少に伴う内部抵抗値Ｒ_Bの増加割合に関する情報の取得方法について説明する。まず、本実施形態では、バッテリ容量試験に関するＪＩＳ規格に従い、新品のバッテリ１に対する容量試験を行う。ここで、ＪＩＳ規格の容量試験とは、満充電状態のバッテリ１に一定電流値（例えば、０．２Ａ）の放電を行わせ、その放電開始時からバッテリ１の出力電圧が充電残量ゼロに対応した電圧値（例えば、１１．９Ｖ）に到達するまでの所要時間を計測し、その所要時間と放電電流値（例えば、０．２Ａ）との乗算値をバッテリ容量とする試験である。なお、変形例として、ＪＩＳ準拠放電試験の条件（電流値、温度等）以外での放電特性を代わりに用いてもよい。

すなわち、本実施形態では、満充電状態の新品のバッテリ１に、ＪＩＳ規格に準拠した一定電流値（例えば、０．２Ａ）を放電させつつ、そのときのバッテリ１の出力電圧の推移を計測する。図４のグラフ中の曲線Ｇ７は、そのときのバッテリ１の出力電圧の推移を計測した結果を示すものであり、グラフ中の値Ｖ_AFは放電開始前の満充電状態のバッテリ１の出力電圧値（開放電圧値）であり、前述の値Ｖ_OIFに対応している。値Ｖ_AEはバッテリ１の充電残量ゼロに対応する放電終了時の開放電圧値であり、前述の前述の値Ｖ_OIEに対応している。また、値Ｖ_BFは放電開始直後のバッテリ１の出力電圧値であり、値Ｖ_BEはバッテリ１の充電残量ゼロに対応する放電終了時の出力電圧値であり、値Ｔ_Eは充電残量ゼロに対応する放電終了時の時間を示している。また、直線Ｇ８は、放電による充電残量の減少に伴って変化するバッテリ１の開放電圧の計測値の推移を直線で近似したものである。また、このグラフ中のハッチングを付した領域が、充電残量の減少に伴うバッテリ１の内部抵抗値Ｒ_Bの増加の影響を反映している部分であり、図２及び後述する図５のグラフのハッチングを付した領域に対応している。

続いて、図４のグラフにおける曲線Ｇ７上における点と直線Ｇ８上における点とのグラフの縦軸方向に沿った差の大きさは、その時点におけるバッテリ１の内部抵抗値Ｒ_Bに比例するため、放電開始時（満充電時）における値Ｖ_AFと値Ｖ_BFとの差Ｄ２と、放電の過程の直線Ｇ８上の各点と曲線Ｇ７上の各点との差Ｄ３との比率（Ｄ３／Ｄ２）により、各開放電圧値Ｖ_Oにおける内部抵抗値Ｒ_Bの変化率（Ｒ_B／Ｒ_BF）を導出することができる。図５のグラフ中の曲線Ｇ９は、そのように導出した開放電圧値Ｖ_Oの変化に対する内部抵抗値Ｒ_Bの変化率（Ｒ_B／Ｒ_BF）を示しており、この曲線Ｇ９に基づいて前述の式（３）が決定される。

次に、図６を参照して、上式（４），（５）の関係式（又はその関係式と等価な開放電圧値Ｖ_OIと下限電圧値Ｖ_LIとを対応付けたデータテーブル）を用いたバッテリ１の状態（劣化度合い及び充電残量）の評価原理について説明する。

まず劣化度合いの評価原理について説明する。図６のグラフ中の曲線Ｇ１は、上述のように、予めシステムに記憶させた上式（４），（５）の関係式（又はその関係式と等価な開放電圧値Ｖ_OIと下限電圧値Ｖ_LIとを対応付けたデータテーブル）と、上述の初期基準開放電圧値Ｖ_OIF及び初期基準下限電圧値Ｖ_LIFとを用いて導出したものである。この図６の曲線Ｇ１及び値Ｖ_OIF，Ｖ_LIFに関する情報は、システムに記憶されてバッテリ１の状態評価に用いられる。

そして、バッテリ１の使用が開始されている状態において、バッテリ１の劣化度合いを評価する際には、エンジン始動時におけるエンジン始動時負荷Ｌ_Sがバッテリ１に接続される前の開放電圧である使用後開放電圧値Ｖ_ORと、エンジン始動時負荷Ｌ_Sがバッテリ１に接続されたときの下限電圧である使用後下限電圧値Ｖ_LRとが計測される。このとき、バッテリ１の充電残量は満充電状態である必要はない。

続いて、図６のグラフの曲線Ｇ１上における下限電圧値が使用後下限電圧値Ｖ_LRと等しい値であるときの開放電圧値を対応基準開放電圧値Ｖ_OSとして導出し、予め記憶された初期基準開放電圧値Ｖ_OIFとその対応基準開放電圧値Ｖ_OSとの差である第１の差分値Ｄ１１と、初期基準開放電圧値Ｖ_OIFと使用後開放電圧値Ｖ_ORとの差である第２の差分値Ｄ１２とを比較することにより、その時点におけるバッテリ１の劣化度合いが検出される。

この検出原理は、前述の図１を用いて説明したバッテリ１の劣化度合いが小さいほどグラフ上の計測点（Ｖ_O，Ｖ_L）は曲線Ｇ１に近づくように略左方向にシフトするという特性を利用したものである。すなわち、バッテリ１の劣化度合いが小さいほど図６のグラフ上の計測点Ｐ１１（Ｖ_OR，Ｖ_LR）は、対応する曲線Ｇ１上の座標点Ｐ１２に近づいてゆくようになっており、その計測点Ｐ１１の座標点Ｐ１２に対する近づき度合いに基づいてバッテリ１の劣化度合いを評価するようになっている。

次に、充電残量の評価原理について説明する。充電残量の評価も、劣化度合いの評価と同様に、図６のグラフの曲線Ｇ１で表されるバッテリ１が新品のときの放電電圧と下限電圧との関係を用いて行われ、充電残量の評価の際に、使用後開放電圧値Ｖ_ORと使用後下限電圧値Ｖ_LRとが計測される。なお、記憶部１７には、上式（３）の内部抵抗変化率の取得に伴って取得された新品のバッテリ１の充電残量ゼロのときの開放電圧である最低基準開放電圧値Ｖ_OIEが初期設定として予め記憶されている。

そして、劣化度合いの評価のときと同様にして図６のグラフの曲線Ｇ１上における下限電圧値が使用後下限電圧値Ｖ_LRと等しい値であるときの開放電圧値を対応基準開放電圧値Ｖ_OSとして導出する。そして、使用が開始されているその時点におけるバッテリ１の充電残量がゼロのときを想定したときの開放電圧である最低使用後開放電圧値Ｖ_OREを、次のようにして導出する。すなわち、予め取得された初期基準開放電圧値Ｖ_OIFから最低基準開放電圧値Ｖ_OIEを引いた値Ｄ１３に対する初期基準開放電圧値Ｖ_OIFから最低使用後開放電圧値Ｖ_OREを引いた値Ｄ１４の比が、初期基準開放電圧値Ｖ_OIFから対応基準開放電圧値Ｖ_OSを引いた値Ｄ１１に対する初期基準開放電圧値Ｖ_OIFから使用後開放電圧値Ｖ_ORを引いた値Ｄ１２の比と等しくなるようにして導出して、最低使用後開放電圧値Ｖ_OREを導出する。

そして、初期基準開放電圧値Ｖ_OIFと最低使用後開放電圧値Ｖ_OREとの差である第３の差分値Ｄ２１と、使用後開放電圧値Ｖ_ORと最低使用後開放電圧値Ｖ_OSとの差である第４の差分値Ｄ２２とを比較することにより、その時点におけるバッテリ１の充電残量を検出するようになっている。

この検出原理は、バッテリ１の充電残量が満充電状態から減少するのに従って、図６のグラフの横軸に平行な仮想線Ｌ１上における計測点Ｐ１１に対応した座標点Ｐ２１が、満充電残量に対応する座標点Ｐ２２側から充電残量ゼロ状態に対応する座標点Ｐ２３側に近づく特性を利用したものである。

＜装置構成＞
図７は、本発明の一実施形態に係るバッテリ状態管理装置のブロック図である。このバッテリ状態管理装置は、図７に示すように、電流センサ１１、電圧センサ（電圧検出手段）１３、処理部１５、記憶部１７及び出力部１９を備えて構成されており、車両に搭載されたバッテリ１の状態を管理する。

電流センサ１１は、バッテリ１に対する電流の入出力量を検出する。電圧センサ１３は、バッテリ１の出力電圧を検出する。処理部１５は、ＣＰＵ等を備えて構成され、バッテリ１の管理のために各種の情報処理動作（制御動作も含む）を行う。記憶部１７は、メモリ等により構成され、処理部１５が行う各種の情報処理動作に必要な情報等が記憶されている。出力部１９は、バッテリ１の状態の判定結果等を出力するためのものである。

＜全体の所定動作＞
まず、このバッテリ状態管理装置の全体的な処理動作について、図８を参照して説明する。処理部１５は、ステップＳ１でイグニッションスイッチ（以下、「ＩＧスイッチ」という）２１がオンされるのに伴って、ステップＳ２で初期充電残量の検出動作を行う。この検出動作では、バッテリ１の開放電圧が電圧センサ１３を介して計測され、その開放電圧の計測値に基づいてバッテリ１のエンジン始動前の充電残量（初期充電残量）が検出される。このとき、バッテリ１が満充電状態であるか否かの判定も行われる。なお、ここで計測されたバッテリ１の開放電圧は後述のステップＳ５のエンジン始動時状態判定又はステップＳ６の基準放電特性導出処理に用いられる。

処理部１５は、続くステップＳ３でスタータ２３が駆動されて図示しないエンジンが始動されるのに伴って、ステップＳ４でバッテリ１の基準放電特性の導出処理の要否が判断される。すなわち、車両の組立完成後、基準放電特性の導出処理がまだ行われていない場合には、ステップＳ６に進み基準放電特性導出処理が行われ、導出処理が既に行われている場合には、ステップＳ５に進みエンジン始動時状態判定処理が行われる。この基準放電特性の導出が既に行われているか否かの判断は、例えば上式（４），（５）に関する関係式（又はそれと等価なデータテーブル）が記憶部１７に記憶されているか否かを判断することにより行われる。また、この基準放電特性の導出は、車両組立完成時等に実質的に１回行えば、バッテリ１を交換するまでは行う必要がない。ステップＳ６での基準放電特性導出処理又はステップＳ５での始動時状態判定処理が行われると、ステップＳ７に進み始動後劣化判定処理が行われる。なお、基準放電特性導出処理及び始動時状態判定処理の具体的内容については後述する。

そして、処理部１５は、続くステップＳ７でエンジン始動後劣化判定動作を行う。この始動後劣化判定動作では、エンジン始動後の充電により満充電（又はそれに近い状態）になったバッテリ１への電流流入状況を電流センサ１１を介して検出し、その電流流入状況に基づいてバッテリ１の劣化度が判定される。

また、処理部１５は、続くステップＳ８でバッテリ１に対する充電制御（バッテリ１の充電残量管理）を行う。この充電制御では、電流センサ１１の計測電流値を積算することにより、エンジン始動時等の所定の基準時からバッテリ１から放電された全電流量が逐次検出され、その検出結果に基づいてバッテリ１に対して行うべき充電量を決定するようになっている。これによって、走行中におけるバッテリ１の充電残量が所定範囲内に維持されるようになっている。充電量の制御は、例えば、図示しないオルタネータの発電量（出力電圧等）を制御することにより行われる。

このステップＳ７，Ｓ８のエンジン始動後劣化判定動作及び充電制御は、エンジンが停止されるまで繰り返し継続される。

＜基準放電特性導出処理＞
ここでは、上述の図８のステップＳ６で行われる基準放電特性導出処理について説明する。この基準放電特性導出処理の前提として、記憶部１７には、新品のバッテリ１の開放電圧値Ｖ_OIの変化に対する内部抵抗値Ｒ_BIの変化率（Ｒ_BI／Ｒ_BIF）を近似的に表す開放電圧値Ｖ_OIを変数とした上式（３）のような関数に関する情報（又はそれと等価な開放電圧値Ｖ_OIと各開放電圧値Ｖ_OIにおける内部抵抗値Ｒ_BIの変化率（Ｒ_BI／Ｒ_BIF）とを対応付けたデータテーブルに関する情報）を記憶させておく必要がある。

処理部１５は、ステップＳ２での検出によりバッテリ１が満充電状態にある場合にのみ、この基準放電特性導出処理を行うようになっており、仮にバッテリ１が満充電状態でない場合には、その導出処理を行うことなく、例えばステップＳ７の処理に進むようになっている。そして、次回のエンジン始動時にバッテリ１が満充電状態となっていれば、そのときにステップＳ６にて基準放電特性導出処理が行われるようになっている。

この導出処理では、上述の如く、エンジン始動時負荷Ｌ_Sがバッテリ１に接続された際の下限電圧値が初期基準下限電圧値Ｖ_LIFとして電圧センサ１３を介して計測され、この初期基準下限電圧値Ｖ_LIFと直前のステップＳ２で計測された開放電圧である初期基準開放電圧値Ｖ_OIFと、上式（３）（又は上式（３）と等価なデータテーブル）とを用いて、車両固有のエンジン始動時負荷Ｌ_Sに対する新品のバッテリ１の基準放電特性が導出される。すなわち、新品のバッテリ１の基準放電特性は、開放電圧値Ｖ_OIの変化に伴う下限電圧値Ｖ_LIの変化を示す上式（４）の関係式として導出される。但し、式（４）中のパラメータＲ_LKは上式（５）で与えられる。

本実施形態では、このようにして導出した新品のバッテリ１における開放電圧値Ｖ_OIの変化と下限電圧値Ｖ_LIの変化との関係を関係式（４），（５）の形で記憶部１７に保存するようになっているが、関係式（４），（５）と実質的に等価なデータテーブル（縦軸及び横軸に開放電圧及び下限電圧をとった２次元座標上の曲線Ｇ１を表す座標情報）の形で記憶部１７に保存するようにしてもよい。

この基準放電特性導出処理では、その導出処理に用いた初期基準開放電圧値Ｖ_OIF及び初期基準下限電圧値Ｖ_LIFが記憶部１７に保存されるようになっている。

＜始動時状態判定処理＞
次に、上述の図８のステップＳ５で行われる始動時状態判定処理について説明する。なお、この始動時状態判定処理は、バッテリ１の充電残量によらずに実行されるが、ステップＳ６の基準放電特性導出処理が完了していることが前提条件となっている。

この始動時状態判定処理では、上述の如く、エンジン始動時負荷Ｌ_Sがバッテリ１に接続された際の下限電圧値が使用後下限電圧値Ｖ_LRとして電圧センサ１３を介して計測され、この使用後下限電圧値Ｖ_LRと、直前のステップＳ２で計測された開放電圧である使用後開放電圧値Ｖ_ORと、ステップＳ６の基準放電特性導出処理により取得されて記憶部１７に記憶されている情報とに基づいて、その時点におけるバッテリ１の劣化度合い及び充電残量が判定される。

まず劣化度合いの判例処理について説明する。まず、記憶部１７に記憶されている関係式（４），（５）によって表される図６のグラフの曲線Ｇ１上における下限電圧値が使用後下限電圧値Ｖ_LRと等しい値であるときの開放電圧値が対応基準開放電圧値Ｖ_OSとして導出される。あるいは、式（４），（５）における変数Ｖ_LIに使用後下限電圧値Ｖ_LRを代入したときの変数Ｖ_OIの値を対応基準開放電圧値Ｖ_OSとして導出する。

続いて、記憶部１７に記憶された初期基準開放電圧値Ｖ_OIFとその対応基準開放電圧値Ｖ_OSとの差である第１の差分値Ｄ１１と、初期基準開放電圧値Ｖ_OIFと使用後開放電圧値Ｖ_ORとの差である第２の差分値Ｄ１２とを比較することにより、その時点におけるバッテリ１の劣化度合いが検出される。例えば、第１の差分値Ｄ１１に対する第２の差分値Ｄ１２の比率（図６のハッチングを付した部分Ｃ１が対応）に基づいてバッテリ１の劣化度合いが検出される。

次に充電残量の判定処理について説明する。この判定処理では、劣化度合いの判定処理により取得された使用後下限電圧値Ｖ_LR及び対応基準開放電圧値Ｖ_OSを利用して処理が行われる。

続いて、その時点におけるバッテリ１の充電残量ゼロを想定したときの開放電圧である最低使用後開放電圧値Ｖ_OREが、次のようにして導出される。すなわち、予め取得された初期基準開放電圧値Ｖ_OIFから初期設定により記憶部１７に記憶された最低基準開放電圧値Ｖ_OIEを引いた値Ｄ１３に対する、初期基準開放電圧値Ｖ_OIFから最低使用後開放電圧値Ｖ_OREを引いた値Ｄ１４の比が、初期基準開放電圧値Ｖ_OIFから対応基準開放電圧値Ｖ_OSを引いた値Ｄ１１に対する初期基準開放電圧値Ｖ_OIFから使用後開放電圧値Ｖ_ORを引いた値Ｄ１２の比と等しくなるようにして、最低使用後開放電圧値Ｖ_OREが導出される。

そして、初期基準開放電圧値Ｖ_OIFと最低使用後開放電圧値Ｖ_OREとの差である第３の差分値Ｄ２１と、使用後開放電圧値Ｖ_ORと最低使用後開放電圧値Ｖ_OSとの差である第４の差分値Ｄ２２とが比較されることにより、その時点におけるバッテリ１の充電残量が検出するようになっている。例えば、第３の差分値Ｄ２１に対する第２の差分値Ｄ２２の比率（図６のハッチングを付した部分Ｃ２が対応）に基づいてバッテリ１の充電残量が検出される。

＜基準放電特性の補正処理＞
基準放電特性の導出処理については上述したが、以下では、導出された基準放電特性を補正する処理について説明する。

バッテリ１は、バッテリ液として希硫酸を用いている。そして、バッテリ液の硫酸濃度は、バッテリ１が搭載される車種や、バッテリ１が使用される地域（輸出先等）に応じて、意図的に異なる値に設定されることがある。また、バッテリ液の減少やサルフェーションの影響によっても、バッテリ液の硫酸濃度が変動する。

図９は、硫酸濃度、比重、及び開放電圧の相互の関係を示すグラフである。バッテリ液の比重は、硫酸濃度に比例して高くなる。また、開放電圧は、バッテリ液の比重に比例して高くなる。つまり、バッテリ液の硫酸濃度が高くなると、バッテリ１の開放電圧も高くなることが分かる。なお、図６に示した基準放電特性（曲線Ｇ１）は、バッテリ液の比重が１．２８のバッテリ１を対象として求められたものである。この場合、新品のバッテリ１の満充電時の開放電圧（初期基準開放電圧値Ｖ_OIF）は、図９のグラフより１２．８６Ｖとなる。

ここで、車両に搭載されているバッテリ１が、比重が異なる他のバッテリ（以下「バッテリ１’」と称す）に交換された状況を考える。バッテリ１がバッテリ１’に交換されると、交換後のバッテリ１’に関する基準放電特性の導出処理が行われる。この処理は、基本的には上記のバッテリ１に関する基準放電特性の導出処理と同様である。

図１０は、バッテリ１’に関する基準放電特性の導出処理を示すグラフである。新品かつ満充電状態のバッテリ１’を対象として開放電圧値及び下限電圧値を測定することにより、バッテリ１’に関する初期基準開放電圧値Ｖ_OIF’及び初期基準下限電圧値Ｖ_LIF’を得る。これにより、バッテリ１’に関する座標点Ｐ_F’が規定される。図１０には、初期基準開放電圧値Ｖ_OIF’が１３．０６Ｖである場合の例を示している。

次に、上記の式（２）において内部抵抗値Ｒ_Bが開放電圧値Ｖ_Oにより変化しないとの仮定の下、座標点Ｐ_Fを起点として、座標軸の原点を通る直線（以下「直線Ｇ５’」と称す）を得る。次に、直線Ｇ５’を基準として、直線Ｇ５’上の点を、上記の式（３）の関係により与えられるその点における開放電圧値Ｖ_OIに応じたバッテリ１の内部抵抗値の変化率の変化態様に応じたシフト量で、縦軸マイナス方向にシフトさせる。これにより、各充電残量（各開放電圧値Ｖ_OI）における下限電圧値Ｖ_LIが導出される。その結果、座標点Ｐ_F’を起点とした曲線Ｇ１’が得られる。

得られた曲線Ｇ１’は、バッテリ１’に関する基準放電特性として、バッテリ１’の状態管理に利用される。状態管理の方法（劣化度合いや充電残量の評価手法）としては、上述したバッテリ１と同様の手法を用いることができる。

なお、図１０に示した例では、バッテリ１に関する最低基準開放電圧値Ｖ_OIEは１１．９Ｖ（その時の下限電圧値はＶ_LIE）であり、バッテリ１’に関する最低基準開放電圧値Ｖ_OIE’は１２．１Ｖ（その時の下限電圧値はＶ_LIE’）である。

＜まとめ＞
以上のように、本実施形態によれば、バッテリ容量試験についてのＪＩＳ規格に準拠した所定レベルの電流値の放電を行わせつつ、時間経過に伴うそのバッテリ１の出力電圧の推移を計測し、その計測結果を平均化して取得したバッテリ１の放電特性データに基づいてバッテリ１の状態管理を行うため、容量、グレード等の種類の異なるバッテリ１や、種類は同じであっても個体差のあるバッテリ１について、その出力電圧の変化に対する内部抵抗値の変化態様を統一的に扱うことができ、その結果、バッテリ１の種類ごとに内部抵抗の特性評価や条件設定等を行う必要がない。

また、処理部１５は、バッテリ液の比重の変化に起因して満充電状態の開放電圧値（初期基準開放電圧値Ｖ_OIF）が変化した場合、新たな基準放電特性を導出する。従って、基準放電特性の導出時に用いたバッテリ１とは比重が異なるバッテリ１’や、基準放電特性の導出時から比重が変化したバッテリ１に関しては、新たな基準放電特性（曲線Ｇ１’）を用いてバッテリの状態管理を行うことにより、比重の変化に適切に対応したバッテリ状態管理を実現することができる。

また、新品のバッテリ１の充電残量の変化に応じた開放電圧の変化に対するバッテリ１の内部抵抗の変化率は、バッテリ１のグレード等が異なってもほぼ共通しているため、その内部抵抗変化率と、車両組立完成時等における車両固有のエンジン始動時負荷Ｌ_Sに対するバッテリ１の満充電時の電圧降下特性とにより、バッテリ１の状態評価の基準となる新品状態のバッテリ１の車両固有の放電特性を、各車種固有のパラメータ設定を行うことなく、自動的に取得することができ、バラメータ設定のための人的及び装置的コストを軽減できるとともに、同一車種内の車両個体差によるバラツキにも容易に対応できる。

また、上述の如く、バッテリ１の基準放電特性と、各評価時点におけるエンジン始動時の放電によるバッテリ１の放電特性とに基づいて劣化度合い及び充電残量を評価することにより、車種の違いや車両個体差に対するパラメータ設定等の特別な対策を行うことなく、簡単な演算処理により的確にバッテリ１の劣化度合い及び充電残量を検出することができる。

また、バッテリ１の充電残量に依存することなく、各時点におけるバッテリ１の劣化度合いを検出することができるとともに、バッテリ１の劣化度合いに依存することなく、各時点におけるバッテリ１の充電残量を検出することができる。

また、本実施形態では、バッテリ１の放電時電圧値としてエンジン始動時の放電が行われた際におけるバッテリ１の出力電圧の最低値が用いられるため、バッテリ１の特性を有効に表す放電時電圧値を容易かつ確実に取得することができるとともに、バッテリ１の状態評価のための特別な放電をバッテリ１に行わせる必要がなく、またバッテリ１のエンジン始動能力を的確に評価することができる。なお、この点についての変形例として、バッテリ１のエンジン始動時の放電ではなく他の負荷による放電を用いてバッテリ１の放電特性を検出するようにしてもよい。また、放電時電圧値として放電時のバッテリ１の出力電圧の最低値を用いたが、例えば放電開始時から所定の微小時間経過後の出力電圧値を放電時電圧値として用いるようにしてもよい。

また、新品状態のバッテリ１の放電特性を取得する際のバッテリ１の充電残量の基準として、満充電状態が用いられるため、バッテリ１の充電残量を容易かつ正確に基準状態に設定することができ、その結果、バッテリ１の放電特性を容易かつ正確に検出することができる。この点について、他の充電残量レベルを基準として新品のバッテリ１の放電特性を取得するようにしてもよい。

＜変形例＞
なお、上述の実施形態によるバッテリ１の状態評価の手法は、各評価時におけるバッテリ１の下限電圧値Ｖ_LRが高くなるほど信頼性が低下する傾向にあるため、評価結果の信頼性確保のため、下限電圧値Ｖ_LRが所定の基準レベル以下である場合にのみバッテリ１の劣化度合い及び充電残量の判定を行うようにしてもよい。

また、上述の実施形態に係る図７の装置構成にバッテリ１の温度を計測する温度センサを追加し、バッテリ１の温度を考慮した状態評価を行うようにしてもよい。より具体的には、例えば、各温度における新品のバッテリ１の開放電圧と下限電圧との関係を表す２次元座標情報（この場合、温度を含めて考慮すると３次元座標情報ということもできる）を導出し、それに基づいてその時点の温度における状態評価を行う方法や、温度に依存するパラメータ（開放電圧、下限電圧等）の値を温度補正（例えば、標準温度の値に補正）して状態評価を行うようにしてもよい。

劣化状況及び充電残量の異なるバッテリについて開放電圧とエンジン始動時の下限電圧とを試験により計測した計測結果を示すグラフである。 バッテリのエンジン始動時の放電特性について説明するためのグラフである。 エンジン始動時にバッテリに接続される負荷とバッテリの内部抵抗との関係を模式的に示す回路図である。 ＪＩＳ容量試験を利用して新品のバッテリの放電時の出力電圧の推移を計測し、そのデータについて所定の平均化処理等を施して得られるデータのグラフである。 放電に伴う開放電圧の変化に対する内部抵抗変化率の推移を示すグラフである。 導出したバッテリのエンジン始動時の放電特性に基づいてバッテリの状態評価を行う原理を説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態に係るバッテリ状態管理装置のブロック図である。 図７のバッテリ状態管理装置の全体的な処理動作を示すフローチャートである。 硫酸濃度、比重、及び開放電圧の相互の関係を示すグラフである。 基準放電特性の補正処理を示すグラフである。

符号の説明

１ バッテリ
１１ 電流センサ
１３ 電圧センサ
１５ 処理部
１７ 記憶部
１９ 出力部
２１ ＩＧスイッチ
２３ スタータ

Claims (1)

1. 車両に搭載され、バッテリの状態を管理するバッテリ状態管理装置であって、
   充電残量に応じた前記バッテリの開放電圧の変化に対する前記バッテリの内部抵抗の変化特性に関する情報を記憶する記憶手段と、
   前記情報と、満充電状態の前記バッテリに関して計測された、放電を行っていない前記バッテリの出力電圧である開放電圧及び前記車両のエンジンの始動時における前記バッテリの最低電圧である下限電圧の各々の計測値とに基づいて、前記バッテリにおける前記開放電圧と前記下限電圧との関係を示す基準放電特性を導出する処理手段と
   を備え、
   前記処理手段は、満充電状態の前記バッテリにおける前記開放電圧の計測値が変化した場合に、前記情報と変化後の前記バッテリの前記開放電圧及び前記下限電圧の計測値とに基づいて、新たな前記基準放電特性を導出する、バッテリ状態管理装置。

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