JP2007223530A - バッテリの状態量演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用バッテリの内部抵抗を高精度に算出する演算装置を提供する。
【解決手段】車両用エンジンの始動期間中のクランキング期間に電圧・電流ペアを複数採取し(201)、この採取した電圧・電流ペア群から回帰直線を求め傾きより内部抵抗値Rdを算出し疑似開放電圧を求める(204)、エンジン始動前後の疑似開放電圧の差である開放電圧差ΔVoを算出し（205）、この開放電圧差ΔVoに基づいて内部抵抗値Rdを補正する（206）。これにより、補正しない場合に比べて内部抵抗を格段に高精度に演算できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリの状態量演算装置に関し、特にバッテリから検出した複数の電圧・電流ペアを少なくとも用いてバッテリの電池状態量を算出するバッテリの状態量演算装置に関する。

車両用に用いられる蓄電装置は、容量管理や安全管理の必要性から、内部状態を高精度に推定する必要がある。従来、この目的のために、蓄電装置の内部状態量（例えば、擬似開放電圧や内部抵抗、充電率・残存容量など）を演算する内部状態量演算装置が種々提案されている。たとえば、内部抵抗の検出に関して、下記の特許文献１、２は蓄電装置の電流・電圧特性から回帰直線を求め、この回帰直線の傾きを蓄電装置の内部抵抗とすることを提案している。また、下記の特許文献３は、スタータ始動に際して０Ａ〜約１０００Ａに近いピーク値まで増加するスタータ電流増大期間に電池の電圧・電流ペア群をサンプリングし、これら電圧・電流ペア群から内部抵抗を演算することを提案している。
特許公開２００２−３４３４４４号公報 特許公開２００５−１４６９号公報 特許公開２００２−１６８９２９号公報

上記したスタータ始動に際してのスタータ電流増大期間は、高精度の内部抵抗演算に必要な大電流変化を短時間に得ることができるため、この期間中における電池分極の変動による影響をほぼ無視することができ、分極変動による誤差が非常に小さく高精度の内部抵抗を検出できることが期待される。

しかしながら、上記したスタータ電流増大期間は既述したように短時間（たとえば２〜５msec程度）であるため、この短期間に多数の電圧・電流ペア群を検出する電流センサや、検出した電圧や電流をデジタル信号に変換して処理する信号処理回路（特にA/Dコンバータ）のサンプリングレートを大幅に向上させる必要があるため、回路費用が大幅に増加するという問題があった。また、このような高速の電流センサやアナログ信号処理回路では、高周波ノイズや熱ノイズの高周波成分の影響が大きくなるためＳＮ比の低下が生じた。更に、このスタータ電流増大期間にはスタータモータに１０００Ａには近い大電流が通電されるため、電流センサは非常に大きなダイナミックレンジをもつ必要があり、更に高価となるという問題も生じた。

つまり、上記スタータ電流増大期間に電圧・電流ペア群をサンプリングには、センサや信号処理回路のＳＮ比、高速サンプリング特性及びダイナミックレンジを確保するため装置負担が大幅に増大するため、上記したスタータ電流増大期間における電圧・電流ペア群による内部抵抗検出は実現が難しかった。

この問題を回避するため、エンジン始動期間において上記スタータ電流増大期間の後のクランキング期間すなわちエンジンがトルク発生を始めてスタータ電流が次第に減少していく期間に電圧・電流ペア群をサンプリングすれば、回路装置のダイナミックレンジを小さくし、かつ、そのサンプリングレートも減少させることができ、回路装置負担を大幅に軽減することができるはずである。

けれども、このクランキング期間は、上記したスタータ電流増大期間に比べれば検出期間が長いため、この検出期間中の電池の分極状態の変動が内部抵抗に誤差として混入するという問題が無視できず、検出精度の低下を招いてしまう。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、高速高精度の回路装置の採用を回避しつつ、電池内部状態の高精度の検出が可能な車両用バッテリの内部状態演算装置を提供することを発明課題としている。

上記課題を解決する第１発明は、車両用バッテリの電圧及び電流のペアを所定タイミングにてサンプリングし、サンプリングした電圧・電流ペア群から前記バッテリの内部抵抗を演算する車両用バッテリの内部状態演算装置において、車両用エンジンの始動期間中のクランキング期間に採取した電圧・電流ペア群から内部抵抗値Rdを検出する内部抵抗算出手段と、前記始動期間前の前記車両用バッテリの疑似開放電圧と、前記クランキング期間後の疑似開放電圧との差である開放電圧差ΔVoを検出する開放電圧差算出手段と、前記開放電圧差ΔVoに正相関を有する補正関数f（ΔVo）に前記開放電圧差ΔVoを代入することにより求めた前記補正関数f（ΔVo）の関数値により前記内部抵抗値Rdを補正することにより、前記内部抵抗値Rdに対する前記車両用バッテリの分極状態変動影響が軽減された補正済み内部抵抗値Rｃを算出する内部抵抗補正手段とを有することを特徴としている。

すなわち、この発明は、車両用バッテリの内部抵抗を算出に際して、クランキング期間に採取した電圧・電流ペア群から内部抵抗値Rdを求め、エンジン始動前の疑似開放電圧とクランキング期間終了後の疑似開放電圧との間の差である開放電圧差ΔVoを求め、この開放電圧差ΔVoの関数値f（ΔVo）により上記内部抵抗値Rdを補正する。なお、ここで言う疑似開放電圧とは、バッテリの充放電電流が０であると見なせる場合のバッテリ電圧を意味する。

このようにすれば、電池分極状態の変動による内部抵抗値Rdの誤差を良好に低減してバッテリの内部抵抗を良好に検出できることを見いだした。

具体的に説明すると、本発明者らは、種々の試験結果に基づいて、エンジン始動前の疑似開放電圧とクランキング期間終了後の疑似開放電圧との間の差である開放電圧差ΔVoが、それによる内部抵抗値Rdの変化量とが良好な正相関をもつことを見出した。

更に説明すると、本発明者らは、開放電圧差ΔVoと内部抵抗値Rdの変化量を示す補正関数f（ΔVo）をあらかじめ記憶しておき、これに求めた開放電圧差ΔVoを代入して算出した内部抵抗値Rdの変化量ΔRdだけ内部抵抗値Rdを補正することにより、比較的簡単な演算により内部抵抗値Rdの誤差を良好に低減できることを見出した。

本発明者らの推測によれば、この開放電圧差ΔVoは、エンジン始動期間におけるバッテリ放電に伴うバッテリの分極量の変化に強い相関を有し、かつ、内部抵抗値Rdはバッテリの分極量の変化に相関を有するため、内部抵抗値Rdに含まれるバッテリの分極量による誤差は、上記開放電圧差ΔVoの関数である補正関数f（ΔVo）による補正により低減するものと思われる。

これにより、エンジン始動期間中のスタータ電流増大期間を避けてその直後のクランキング期間に電圧・電流ペア群をダイナミックレンジが比較的小さく低サンプリングレートの検出装置により高精度に内部抵抗ほ検出することができ、大幅なコスト低減が可能となった。

好適な態様において、前記内部抵抗算出手段は、前記クランキング期間に採取した前記電圧・電流ペア群に基づいて前記バッテリの電圧と電流との間の関係を示す回帰線を求め、求めた前記回帰線の傾きを算出して前記内部抵抗値Rdとして出力する。これにより、内部抵抗値Rdを良好に算出することができる。

好適な態様において、前記内部抵抗補正手段は、前記補正関数f（ΔVo）の値を前記内部抵抗値Rdに加算して前記補正済み内部抵抗値Rｃとする。

すなわち、始動期間における分極量の変動による内部抵抗値Rdの変動量を補正関数f（ΔVo）として、算出した内部抵抗値Rdにこの補正関数f（ΔVo）を単純に加算するだけで、内部抵抗値Rdの誤差を良好に低減できることがわかった。

好適な態様において、Ｋ１、Ｋ２を所定の正値である定数とする時、前記補正関数f（ΔVo）は、Ｋ１・ΔVoーＫ２とされる。これにより簡単な演算により、内部抵抗値Rdを高精度に演算することができた。好適には、Ｋ１は1.5、Ｋ２は0.4とされる。

好適な態様において、前記バッテリの充電率を算出し、前回算出した補正済み内部抵抗値Rｃとその時の充電率とを記憶し、今回の前記充電率と前記前回の充電率に基づいて前記前回算出した補正済み内部抵抗値Rｃを補正することにより、今回の前記補正済み内部抵抗値Rｃを算出する。

このようにすれば、充電率の変動による内部抵抗値の変動を低減できるため、更に高精度に補正済み内部抵抗値Rｃを算出することができる

本発明の好適な態様を下記の実施形態により具体的に説明する。ただし、本発明はこの実施形態に限定解釈されるものでなく、他の技術を組み合わせて本発明の技術思想を実現してもよい。

（実施形態１）
（回路構成）
車両用バッテリの内部状態演算装置を用いた車両用電源系のブロック図を図１に示す。

101は状態検出対象の蓄電装置（バッテリ）である。蓄電装置101としては鉛蓄電池、ニッケル−水素電池、リチウム電池など種々のものを採用することができる。102は車載エンジン（図示せず）にて駆動される車載発電機、103は車載の電気負荷、104は蓄電装置101の充放電電流値を検出する電流センサであって、検出電流値をディジタル信号に変換して出力する。

105は本発明でいう車両用バッテリの内部状態演算装置をなす蓄電池状態検知装置である。蓄電池状態検知装置105は、入力された電流センサ104の出力信号I及び蓄電装置101の端子電圧Vのペアの群を記憶するバッファ部106、バッファ部106に記憶された上記電圧・電流ペア群を処理して内部状態量を演算する演算処理部107を有している。

108はECUであり、蓄電池状態検知装置105からの出力信号や、エンジンの状態、車速、発電機の回転数などの車両情報110に応じて、発電指令及び発電抑制指令を発電制御装置109に出力し、車載発電機102の発電量を最適に制御する。

（内部抵抗検出）
次に、蓄電池状態検知装置105により実行される内部抵抗検出動作を図２に示すフローチャートを参照して説明する。

まず蓄電装置101の電流Ib・電圧Vbの計測を開始(201)し、大電流放電(スタータ始動)があったことを検知する(202)。その際、電流が所定の最大電流値Ｉｍａｘまで低下したらクランキング期間が開始されたと判断して電流Ib・電圧Vbのペアの採取を開始し、この採取を電流が所定の最小電流値Ｉｍｉｎとなるまでの期間（クランキング期間）の間、継続し、採取した電圧・電流ペア群を記憶する。

記憶した電流Ib、電圧Vbのペア群を二次元プロットして回帰直線（Ｖ＝Rd・I＋Ｖｏａｆ）を求め(204)、その後、内部抵抗値の補正に用いるための開放電圧差ΔVoを算出する(205)。なお、開放電圧差ΔVoは、スタータ始動前とクランキング終了後の擬似開放電圧Ｖｏａｆの差を表す。

算出した開放電圧差ΔVoをあらかじめ記憶する補正関数f（ΔVo）に代入して補正関数f（ΔVo）の値を求め、この補正関数f（ΔVo）の値を内部抵抗値Rdに加算して内部抵抗値Rdを補正し、補正済み内部抵抗値Rｃを求める(206)。後述するように内部抵抗値Rdは、開放電圧差ΔVoに強い正相関を有している。

以下、内部抵抗値Rd及び擬似開放電圧Ｖｏａｆの算出ステップ（204）、開放電圧差ΔVoの算出ステップ(205)、及び、内部抵抗値Rdの補正ステップ(206)について、更に詳しく説明する。

（内部抵抗Rd及び擬似開放電圧Voafの算出）
大電流放電時(クランキング時)の電流・電圧特性を図３に示す。所定の電流範囲（Ｉｍａｘ〜Ｉｍｉｎ）の電流・電圧ペアの群から回帰直線を求め、この回帰直線の傾きを内部抵抗Rd、電流0時の切片を擬似開放電圧Voafとして検出する。ここで、電流範囲の上限Ｉｍａｘ及び下限Ｉｍｉｎは、搭載された電流センサのダイナミックレンジで決定される。この実施形態では、−500 A 〜 −100 Aに設定した。

（開放電圧差ΔVoの算出）
スタータ始動前とクランキング後の疑似開放電圧の差である開放電圧差ΔVo（Vobe−Voaf）を算出する方法を、図４を参照して説明する。
す。

前に求めた内部抵抗Rdと、スタータ始動前の電流Ibe・電圧値Vbeとから、スタータ始動前の擬似開放電圧値Vobeを算出する。
Vobe = Vbe ー Rd ・ Ibe

次に、今回同様に算出した疑似開放電圧Voafとこのスタータ始動前の疑似開放電圧Vobeとの差を開放電圧差ΔVoとする。
ΔVo＝VobeーVoaf

（内部抵抗値Rdの補正）
開放電圧差ΔVoにより内部抵抗値Rdを補正する方法を図５を参照して説明する。なお、付言すれば、本来検出したい内部抵抗値は、スタータ始動時の内部抵抗Rinである。しかし、スタータ始動時の電流を検出するために相応の電流範囲のセンサを搭載することが、精度・コスト面から、困難であることを述べた。

よって、実用的な電流範囲（放電側−500〜0A程度）で、Rinを高精度に推定することが、本案の目的である。発明者等は、実験により計測したRinの推定誤差（=Rin−Rd）と開放電圧差ΔVoの関係を調べ、Rin−Rdと開放電圧差ΔVoとの間に強い相関があることを見出した（図５）。

この関係から、開放電圧差ΔVoに応じて内部抵抗値Rdを補正すれば、内部抵抗Rinを高精度に推定できることがわかる。実験で導出した内部抵抗値Rdの補正式の好適例を以下に示す。
Rc = -1.5 (0.26-ΔVo) + Rd

（開放電圧差ΔVoによる内部抵抗値Rdの補正による効果）
内部抵抗Rinの推定誤差の計測データを図６に示す。この実験にて計測したスタータ始動時（試行回数26回）の内部抵抗値Rinと検出した内部抵抗値Rdとの差を確認した結果、補正前には、誤差の最大値は0.38mΩであった。これに対し、開放電圧差ΔVoによりRdを補正した結果、最大誤差を0.17mΩに低減することができた。誤差の平均値では、0.22mΩから0.06mΩに低減できており、スタータ始動時の内部抵抗値Rinを高精度に推定できることが実証された。

（実施形態２）
この実施形態２は、既述した実施形態1で検出した内部抵抗値Rcを用いて、エンジン（スタータ）始動時の下限電圧を推定したものである。エンジン始動時の下限電圧の推定は、頻繁にエンジン再始動を繰り返すアイドルストップ走行（アイドリング中のエンジン停止→再始動）などにおいて、蓄電装置の再始動性能を確保するために極めて重要である。ここでは、検出した内部抵抗値Rcから次回エンジン始動時の下限電圧を推定した例を示す。

最初に、この下限電圧の推定方法を図７を参照して説明する。最も近い時刻に検出した内部抵抗値Rcと、エンジン始動前の電流Ib・電圧Vbに基づいて、下限電圧の推定値Vminは、下記の式で算出できる。
Vmin = Vb + Rc・ΔIb

なお、ΔIbは、エンジン始動前の電流Ibからの変動分で、始動時の放電電流を想定した値とした。

（下限電圧の推定結果）
下限電圧の推定結果を図８に示す。ここでは、実験にて計測したスタータ始動時（試行回数10回）の実測値である下限電圧値と推定値との誤差を示す。内部抵抗値の補正を行わない場合と比較し、推定誤差の最大値は、0.24Vから0.12Vに低減され、平均値では、0.13Vから0.03Vに低減された。これより、実施例1で示した内部抵抗値の補正を行うことにより、高精度に下限電圧を推定できることをわかった。

（実施形態３）
実施形態２により、実施形態１で検出した内部抵抗Rcを用いることで、高精度に下限電圧を推定できることがわかったが、内部抵抗値Rcの検出後、次回エンジン始動までの期間にバッテリ状態が変化（充電率変化）した場合には内部抵抗Rcが変化するために下限電圧（Vmin = Vb + Rc・ΔIb）に誤差が生じる可能性がある。

そこで、この実施形態では、図９に示すように補正済み内部抵抗値Rｃを算出した後、充電率を求め（207）、あらかじめ記憶する充電率と補正済み内部抵抗値Rｃとの関係を示す関数（図１０を参照されたい）に今回求めた充電率を代入して今回の補正済み内部抵抗値Rｃの比Ｒ２を求め、前回の補正済み内部抵抗値Rｃを算出した時の充電率における補正済み内部抵抗値Rｃの比Ｒ１でこのＲ２を割って、Ｒ２／Ｒ１を求め、このＲ２／Ｒ１を前回求めた補正済み内部抵抗値Rｃに掛けて今回の補正済み内部抵抗値Rｃを求める補正を行う（208）。

この充電率による補正済み内部抵抗値Rｃの補正とその効果を以下に説明する。バッテリの内部抵抗値は充電率SOCに対して図１０に示す相関関係をもつ。なお、図１０は、SOC100％の場合の内部抵抗を1とした場合における各充電率での内部抵抗の比を示す。当然、既述した補正済み内部抵抗値Rｃに対してもこの特性は当てはまる。充電率ＳＯＣは、擬似開放電圧から推定する方法や、電流積算量から推定する方法など種々の公知の方法を適宜採用することができる。

補正済み内部抵抗値Rｃに対して上記充電率補正を行った場合の下限電圧推定誤差を図１１に示す。ただし、図１１に示した試験結果では、充電率が5〜20%程度変化した場合において内部抵抗値の補正を行っている。

このように充電率に応じた補正を行うと、充電率に応じた補正を行わない場合に比べ下限電圧の最大誤差を0.29Vから0.22Vに低減でき、誤差の平均値では、0.08Vから0.05Vに低減できることがわかった。これより、開放電圧差ΔVoに応じて補正した内部抵抗値Rcに更に充電率に応じた補正を追加したため、高精度な下限電圧推定が行うことができることがわかった。

実施形態の車両用バッテリの内部状態演算装置を用いた車両用電源系のブロック図である。 実施形態1における内部抵抗検出動作を示すフローチャートである。 大電流放電時(クランキング時)の電流・電圧特性を示す特性図である。 スタータ始動時のバッテリの電圧・電流関係の推移を示す特性図である。 開放電圧差により内部抵抗値を補正するための方法を示す特性図である。 内部抵抗Rinの推定誤差の計測データを示す特性図である。 下限電圧の推定方法を示す図である。 開放電圧差補正を行った場合と行わない場合の下限電圧の推定誤差を示す図である。 実施形態3の充電率による内部抵抗値の補正動作を示すフローチャーである。 充電率と内部抵抗との関係を示す特性図である。 充電率補正を行った場合と行わない場合の下限電圧推定誤差を示す図である。

符号の説明

101 蓄電装置
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
106 バッファ部
107 演算処理部
109 発電制御装置
110 車両情報

Claims (5)

1. 車両用バッテリの電圧及び電流のペアを所定タイミングにてサンプリングし、サンプリングした電圧・電流ペア群から前記バッテリの内部抵抗を演算する車両用バッテリの内部状態演算装置において、
   車両用エンジンの始動期間中のクランキング期間に採取した電圧・電流ペア群から内部抵抗値Rdを検出する内部抵抗算出手段と、
   前記始動期間前の前記車両用バッテリの疑似開放電圧と、前記クランキング期間後の疑似開放電圧との差である開放電圧差ΔVoを検出する開放電圧差算出手段と、
   前記開放電圧差ΔVoに正相関を有する補正関数f（ΔVo）に前記開放電圧差ΔVoを代入することにより求めた前記補正関数f（ΔVo）の関数値により前記内部抵抗値Rdを補正することにより、前記内部抵抗値Rdに対する前記車両用バッテリの分極状態変動影響が軽減された補正済み内部抵抗値Rｃを算出する内部抵抗補正手段と、
   を有することを特徴とする車両用バッテリの内部状態演算装置。
2. 請求項１記載の車両用バッテリの内部状態演算装置において、
   前記内部抵抗算出手段は、
   前記クランキング期間に採取した前記電圧・電流ペア群に基づいて前記バッテリの電圧と電流との間の関係を示す回帰線を求め、求めた前記回帰線の傾きを算出して前記内部抵抗値Rdとして出力する車両用バッテリの内部状態演算装置。
3. 請求項２記載の車両用バッテリの内部状態演算装置において、
   前記内部抵抗補正手段は、
   前記補正関数f（ΔVo）の値を前記内部抵抗値Rdに加算して前記補正済み内部抵抗値Rｃとする車両用バッテリの内部状態演算装置。
4. 請求項３記載の車両用バッテリの内部状態演算装置において、
   Ｋ１、Ｋ２を所定の正値である定数とする時、前記補正関数f（ΔVo）は、Ｋ１・ΔVoーＫ２とされる車両用バッテリの内部状態演算装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか記載の車両用バッテリの内部状態演算装置において、
   前記バッテリの充電率を算出し、
   前回算出した補正済み内部抵抗値Rｃとその時の充電率とを記憶し、
   今回の前記充電率と前記前回の充電率に基づいて前記前回算出した補正済み内部抵抗値Rｃを補正することにより、今回の前記補正済み内部抵抗値Rｃを算出する車両用バッテリの内部状態演算装置。

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