JP2005164604A - 蓄電池の監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の使用状況の履歴を知ることができる蓄電池の監視装置を提供する。
【解決手段】本発明に係わる蓄電池の監視装置８は、蓄電池の放電電気量、充電電気量等の電池の使用状況を検出する使用状況検出手段と、使用状況検出手段の検出結果を履歴として記憶する使用状況履歴記憶手段１５とを備えている。本発明によれば、蓄電池の使用状況の過去の履歴を知ることができるため、蓄電池を使用するユーザに蓄電池の使用の態様を検討するためのデータを提供することができ、蓄電池の交換時期や電解液の補充の時期等をユーザに知らせて、蓄電池の管理を的確に行なわせることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄電池の使用状況を監視することができる監視装置に関するものである。

自動車等においては、エンジンを始動する際に蓄電池を電源としてスタータモータを駆動している。最近、自動車にはカーナビゲーション・システム等のように消費電力の大きな電子機器が搭載されるようになってきた。そのためエンジンが駆動されて発電機が発電を行っているときでも、蓄電池から放電が行われていることがある。このような場合に、悪条件が重なると、エンジンが停止した後に、再始動しようとしても、蓄電池の残り容量が足りず、スタータモータを駆動することができなくなる事態が発生する。

このような用途に用いられる蓄電池においては、その劣化状態、蓄電池の交換時期、電解液の不足補充状況等を自動車の運転者にある程度高い精度で知らせることができるようにしておくのが好ましい。

また自動車用の蓄電池においては、高温化と深い放電とが主な劣化モードになっている。これに対応するにはタイムリーな冷却（冷却の自動化）と深い放電の制限とが有効であるが、これを実現するためには蓄電池の状態をできるだけ正確に監視できるシステムが必要である。

蓄電池の状態を監視する装置としては、特許文献１及び２に示されているように、蓄電池の残存容量を監視する装置が提案されている。
特開昭６３−２０８７７３号公報 特開平２−２６２０７７号公報

上記のように、自動車用の蓄電池においては、蓄電池の劣化状態、蓄電池の交換時期、電解液の不足補充状況等を自動車の運転者に高い精度で知らせることができるようにしておくことが望ましい。

また高温化と深い放電が自動車用蓄電池の主な劣化モードになっている。これに対応するにはタイムリーな冷却（冷却の自動化）と深い放電の制限（負荷の自動切断）が有効で、これを実現するためには蓄電池の状態をできるだけ正確に監視できるシステムが必要であるが、従来はこのようなシステムは無かった。また自動車電池は自己放電や電解液の比重の変化により容量が低下する。このことは、蓄電池の履歴を把握することがメンテナンスに役立つことを示している。

通常、電池劣化による容量低下防止には電解液の比重測定と補水によるメンテナンスが行われており、メンテナンス支援として補水タイミングを運転席に表示し適切な交換時期の判断をタイムリーにアドバイスする等が求められている。特に、液量不足で劣化した蓄電池を用いてスタータモータを駆動してエンジンを始動すると、蓄電池の内部で内部ショートを起こし、これが電気分解により発生した水素ガスに引火して破裂を引き起こす問題を発生する。このような問題を解消するためにも、蓄電池の使用状況の履歴を把握して補水タイミングをタイムリーに知ることが望ましい。

上記のように、蓄電池の放電電気量、充電電気量等の電池使用状況を、蓄電池の使用状況の履歴として知ることができるようにしておくことが望ましいが、従来の蓄電池の監視装置は、蓄電池の残存容量を監視するだけのものであり、蓄電池の使用状況の履歴を知ることができるものはなかった。

本発明の目的は、蓄電池の使用状況の履歴を知ることができる蓄電池の監視装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、蓄電池の使用状況の履歴だけでなく、交換時期をも知ることができる蓄電池の監視装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、蓄電池の使用状況の履歴だけでなく、電解液の補充時期をも知ることができる蓄電池の監視装置を提供することにある。

本発明に係わる蓄電池の監視装置は、蓄電池の放電電気量、充電電気量等の電池の使用状況を検出する使用状況検出手段と、使用状況検出手段の検出結果を履歴として記憶する使用状況履歴記憶手段とを備えている。

このような監視装置を用いれば、蓄電池の使用状況の過去の履歴を知ることができ、その結果、蓄電池を使用するユーザに蓄電池の使用態様を検討するデータを提供することができ、ユーザはこの履歴に基いて蓄電池の寿命の到来を知らせる警報や、電解液の減少を知らせる警報や、負荷が多すぎることを知らせる警報等を発生させることができ、ユーザが蓄電池の管理を的確に行なうことが可能になる。

本発明の好ましい態様では、上記の構成に加えて、使用状況履歴記憶手段に記憶されている履歴から蓄電池の交換時期を判定し、交換時期に達したことを判定したときに蓄電池交換警報信号を出力する蓄電池交換時期判定手段を更に備えている。

本発明の他の好ましい態様では、蓄電池が電解液の補充を必要とする蓄電池であって、蓄電池の電解液の液面を検出する液面検出手段が設けられている場合に、蓄電池監視装置内に、液面検出手段で検出した液面が予め定めたレベル以下になったときに電解液補充警報信号を出力する液面判定手段が更に設けられる。このように構成すると、電解液の減少を自動的に検出することができる。

なお蓄電池監視装置を、蓄電池の電圧・電流・温度・液面・時刻を測定する手段と、瞬時に使用可能量を演算する手段と、対応する電流遮断機・冷却装置・表示装置・外部メモリー等と組み合わされて、残量と冷却及び表示を自動制御する手段と、蓄電池車載後最初の放電から監視を起動し、蓄電池の使用履歴を記録する手段とから構成してもよい。

また正確な電源管理の為に、電流積算方式と内部抵抗検出方式を併用してデータ処理し、逐次蓄電池使用可能量を補正して蓄電池残存容量の算出を行ってもよい。
更に蓄電池監視装置には、ガソリンエンジン車の頻繁な充放電による累積誤差に対策する為に、内部抵抗を測定して蓄電池使用可能量を推定し、積算値と実測推定値を照合して、適宜、満充電容量のリセット−ゼロ調整を行う機能を持たせてもよい。表示用出力信号を出力するには、ＣＡＮプロトコルに準拠して、既設の車載メータパネルやＮＡＶＩ画面等に表示できるようにシリアル伝送装置を取り付ければよい。

また自動車のスタータ機能保証とメンテナンス補助を目的に自動車用鉛蓄電池の状態監視や保護対策を行う為に、電源制御用ＩＣを組み込んだ回路と電流遮断機と温度計及び電子液面計とを蓄電池に取り付けて、正確な状態監視と、バッテリー冷却の自動化、負荷の自動切断等のバッテリー保護と、残量表示、補水タイミングの指示、バッテリー交換のアドバイス等を行なわせるための信号の出力とを行うようにしてもよい。

また制御基板を計測部と信号演算回路部とにより構成し、計測部をアナログ回路部とデジタル回路部とにより構成して、アナログ回路部に蓄電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段を設ける構成とするのが好ましい。

液面計には、液面を多数回測定して判断することにより振動による水面の変動に対応した正確な液面判断を行なう手段を含めることもできる。また、蓄電池の使用開始時より時刻をカウントすることでバッテリーの使用履歴を把握し、きめ細かなメンテナンスを可能にする機能を含めてもよい。

更に、バッテリー信号を活用して、ホストコンピュータの指示により、自動車のアイドリングストップに対応するエンジンのこまめなスイッチングや、ライトの自動点滅（トンネル・交差点）、冷暖房予約、暖気運転、盗難防止、待ち受けスリープ等の制御を行うことが可能になる。そしてこれをサポートする電源の管理とアクチュエータの駆動とを一括制御することを可能にするために、自動車用ＬＡＮと信号を共通にするバッテリー情報を送受信するための通信機能を備えてもよい。

なお電流積算方式と内部抵抗検出方式とを併用してデータを処理し、逐次蓄電池使用可能量を補正して蓄電池残存容量を算出するに当たり、ガソリンエンジン車の頻繁な充放電による累積誤差に対応するために、充放電回数をカウントし、充電回数が設定回数を超える毎にその積算値と実測推定値（内部抵抗率より放電率を推定）とを照合して自動的に満充電容量の変更（リセット−ゼロ調整）を行うようにしてもよい。

以上のように、本発明によれば、蓄電池の放電電気量、充電電気量等の電池の使用状況を検出する使用状況検出手段と、使用状況検出手段の検出結果を履歴として記憶する使用状況履歴記憶手段とを備えたので、蓄電池の使用状況の過去の履歴を、蓄電池の使用態様を検討するデータとしてユーザに提供することができる。ユーザはこの履歴に基いて蓄電池の寿命の到来を知らせる警報や、電解液の減少を知らせる警報や、負荷が多すぎることを知らせる警報等を発生させることができ、蓄電池の管理を的確に行なうことが可能になる。

特に請求項２に記載された発明によれば、使用状況履歴記憶手段に記憶されている履歴から前記池の交換時期を判定して、交換時期に達したことを判定したときに蓄電池交換警報信号を出力する蓄電池交換時期判定手段を更に備えたので、ユーザに蓄電池を交換する時期を自動的に知らせて、蓄電池の管理を的確に行なわせることができる。

また請求項３に記載された発明によれば、液面検出手段により検出した電解液の液面が予め定めたレベル以下になったときに電解液補充警報信号を出力する液面判定手段を設けたので、電解液が減少したことを自動的に検出することができるという利点が得られる。

以下図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。図１において、１は自動車のエンジン即ち内燃機関を始動させるためのスタータモータ等の電動始動装置の電源として用いられる蓄電池である。この例では、蓄電池１として液式の鉛蓄電池が用いられている。また２は、蓄電池１からスタータモータを含む負荷３への電力の供給を遮断するスイッチ手段である。

スイッチ手段２は、常閉の電磁スイッチであり、後述する蓄電池監視装置８から警報信号が出力されると開状態になり、リセット動作（キースイッチが開かれて再度キースイッチが閉じられる動作）が行われるまで開状態を維持する。この種のスイッチ手段を備えたプロテクタと呼ばれる装置については、特表平５−６０７７号公報等に開示されている。自動車に搭載される負荷と、この蓄電池１と、スイッチ手段２と各負荷との関係は、図２の回路図に示す通りである。

図２において、３１は運転者によって手動操作されるキースイッチであり、３２はキースイッチ３１の１つの接点を通して蓄電池１に接続されてエンジンＥを始動するためのスタータモータである。キースイッチ３１の別の接点には、点火装置３３、エアコン、オーディオ、ＮＡＶＩ等の負荷Ａと、ライト、ラジオ、盗難防止装置等の負荷Ｂが接続されている。３４は、蓄電池１を充電するための交流電力を発生する磁石発電機であり、３５は磁石発電機３４の交流電力を直流電力に変換して整流する整流回路である。蓄電池１は、スイッチ手段２が閉状態にあるときに整流回路３５の直流出力によって浮動充電される。

この例の蓄電池監視装置８は、蓄電池１の状態を監視し、蓄電池１の残り容量がスタータモータを少なくとも１回以上駆動するために必要な容量よりも少なくなったことを検出すると警報信号を出力する機能と、蓄電池１の内部抵抗の変化（劣化状態）に応じて蓄電池１の満充電状態における基準充電量（演算の基準となる充電電気量）を変更する機能と、蓄電池の使用状況の履歴を記憶し、記憶した履歴に基いて蓄電池１の交換時期を判定する機能と、蓄電池１の電解液の液面を検出して液面が予め定めたレベル以下になると電解液補充警報信号を発生する機能等を有している。これらの機能を発揮させるために必要な蓄電池１の使用状況を検出するため、この例では、電圧検出手段４と、電流検出手段５と、温度検出手段６と、液面検出手段７とを備えている。

電圧検出手段４は、例えば蓄電池の出力端子間に接続した電圧測定用抵抗体回路により構成されて、蓄電池１の端子間電圧を測定する。電流検出手段５は、変流器からなり、蓄電池１から出力される放電電流及び蓄電池を充電するための充電電流を測定する。また温度検出手段６は、蓄電池１の電池ケースの外側に接合されて蓄電池１の内部温度を間接的に測定する。温度検出手段５としては、サーミスタ等を用いることができる。液面検出手段７は例えばフロート式の液面計の出力を電気信号に変換するように構成されたものを用いることができる。電圧検出手段４と、電流検出手段５と、温度検出手段６と、液面検出手段７の出力は、それぞれアナログ信号であるため、マイクロコンピュータを用いて信号処理をするためには、Ａ／Ｄ変換器を用いてアナログ信号をデジタル信号に変換する。この例では、マイクロコンピュータを用いて信号処理をするため各検出手段の出力をＡ／Ｄ変換している。

この例の蓄電池監視装置８は、蓄電池１の放電量と充電量とを演算する充放電量演算手段９と、充放電量演算手段９の演算結果から蓄電池１の残り容量を演算する残り容量演算手段１０と、残り容量演算手段１０により求めた残り容量が予め定めた値より小さくなったときに警報信号を出力する残り容量判定手段１１とを備えている。なおこの例では、蓄電池１の充放電回数が予め定めた回数（例えば１０００回）になったときに、満充電状態における蓄電池１の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段１２と、この内部抵抗測定手段１２により測定した内部抵抗に基いて蓄電池１の劣化状態を判定する劣化状態判定手段１３とを更に具備している。

充放電量演算手段９は、電流検出手段５の出力から、蓄電池１から負荷に供給される電気量（放電電気量）と、蓄電池１を充電するための電気量（充電電気量）とを演算により求める。なお充放電量演算手段９が、温度検出手段６の出力に基いて温度補正を行う。

残り容量演算手段１０は、劣化状態判定手段１３の判定結果に基いて満充電状態における蓄電池１の容量を補正して、蓄電池１の残り容量を演算する。図３は、蓄電池の内部抵抗率と放電率との関係の一例を示す図である。この図において内部抵抗率は、放電率が０の電池すなわち新品の電池（劣化が進んでいない電池）の内部抵抗を基準内部抵抗［Ｒｏ］とし、スイッチ手段２を開状態にしているときに測定した内部抵抗［Ｒｔ］を基準内部抵抗で除した値である。そして放電率［α］とは、放電量［Ａｈ］を蓄電池最大使用可能容量［ＡｈＦ］で除した値である。蓄電池最大使用可能容量とは、満充電容量［ＡｈＦ］から最小蓄電池残存容量［Ａｈ］を引いた値である。蓄電池１の劣化が進行すると、内部抵抗が大きくなる上に、蓄電池最大使用可能容量が小さくなって、放電量と蓄電池最大使用可能容量の値が近付く。その結果放電率は大きくなる。すなわち内部抵抗率及び放電率が大きくなることは、蓄電池の劣化状態が進んでいることを意味する。また内部抵抗を知ることにより、劣化が進んだときにおける満充電時における満充電電気量（実際上は、蓄電池最大使用可能容量）を知ることができる。

そこで劣化状態判定手段１３は、内部抵抗測定手段１２により測定した内部抵抗に基いて内部抵抗率を演算し、この内部抵抗率に基いて、図３に示すような内部抵抗率−放電率の関係データからその時点における劣化状態を判定し、その時点における満充電時の蓄電池の容量を補正するデータ（経年劣化量）を残り容量演算手段１０に出力する。内部抵抗測定手段１２が作動するときには、スイッチ手段２は開いた状態になる。これは内部抵抗の測定に負荷のインピーダンスが含まれると測定精度が落ちるためである。なお内部抵抗測定手段１２及び劣化状態判定手段１３の構成及び動作は後の具体的な例の説明で詳しく説明する。

残り容量演算手段１０は劣化状態を考慮して補正された満充電状態における蓄電池１の満充電容量を基準容量として、充放電量演算手段９の演算結果をこの基準容量に加減算することにより蓄電池の残り容量を演算する。残り容量判定手段１１は、残り容量演算手段１０により求めた残り容量が予め定めた値より小さくなったときに警報信号を出力する。ここで残り容量についての『予め定めた値』とは、スタータモータを少なくとも１回以上駆動するために必要な容量以上の値である。安全を見れば、２〜３回はスタータモータを駆動できるだけの容量を残り容量の予め定めた値とするのが好ましい。

残り容量判定手段１１が警報信号をスイッチ手段２に出力すると、スイッチ手段２が開状態になって蓄電池１から負荷への電力の供給は停止されて、過放電が阻止されて、エンジンの再起動のための電力の確保が達成される。スイッチ手段２が開いたときの負荷の容量が大きいと、エンジンによって駆動される発電機の負荷用発電コイルの出力電圧は低下し、エアコン、オーディオ等のように大きな電力を必要とする負荷はその動作を停止する。スイッチ手段２は、エンジンが停止して再度キースイッチ３１をオン動作すると、リセットされて閉状態になる。なおエンジンの始動時にスイッチ手段２が開状態にならないようにするためには、例えばキースイッチ３１がスタータモータを起動している期間は残り容量判定手段１１が判定動作をしないように、スイッチ手段２が閉状態になってから所定の時間が経過するまでは残り容量判定手段１１が動作しないように残り容量判定手段１１を構成しておけばよい。具体的には、スイッチ手段２が閉状態になってからカウント動作を開始するタイマを用いればよい。

この例では、電圧検出手段４、電流検出手段５、温度検出手段６、液面検出手段７、充放電演算手段９、残り容量判定手段１１、劣化状態判定手段１３、後述する液面判定手段１４がそれぞれ使用状況検出手段を構成している。そしてこれらの使用状況検出手段の出力は、使用状況履歴記憶手段１５に記憶される。データ量の多い出力については、サンプリングしてデータを記憶する。またこの例では、使用状況履歴記憶手段１５に記憶されている履歴から蓄電池１の交換時期を判定し、交換時期に達したことを判定すると蓄電池交換警報信号を出力する蓄電池交換時期判定手段１６を更に備えている。交換時期の判定は、例えば内部抵抗率及び放電率、温度上昇率等を基準値と対比し、これらのいずれか１つが基準値を超えたか否かに基いて行う。

液面検出手段７は、蓄電池の電解液の液面を検出して電気信号として出力する。液面検出手段７はすべてのセルに対して装着してもよいが、複数のセルの中から坂道走行中でも各セルの液面を代表できるように配慮して選択した１つのセルに対して１つの液面検出手段７を設けるようにしてもよい。なお自動車は走行中に大きな振動を発生するため、振動が原因となって一時的に液面が低下することがある。そこで液面判定手段１４は、液面検出手段７で検出した液面が繰り返し予め定めたレベル以下になると電解液補充警報信号を出力する。具体的には、５秒間測定し、液面が予め定めたレベル以下になる合計時間が２秒以下になったときに電解液補充警報信号を出力する。なお前述の温度検出手段６の出力が予め定めた温度以上になったとき、及び電解液補充警報信号が出力されたときにスイッチ手段２を開状態にするようにしてもよい。このようにすると蓄電池１が熱逸走状態になるのを防ぐことができる。

図４（Ａ）は、図１のスイッチ手段２を内蔵する蓄電池監視装置８をユニットにした場合の外観斜視図である。なお８１は、通信用コネクタである。そして図４（Ｂ）は、この蓄電池監視装置８を蓄電池に実装した状態を示す斜視図である。
図５は、図１の構成をマイクロコンピュータを用いて実現する場合の主要部のハード構成を示す回路図である。なお図１に付した構成要素を構成する部材には、図１に付した符号と同じ符号を付してある。１２Ａは図１の内部抵抗測定手段１２の一部を構成する強制放電回路である。この強制放電回路１２Ａは、放電抵抗Ｒと、スイッチＳＷと、アンプＯＰ１と、微分回路１２ａとから構成されている。

内部抵抗を測定する際には、スイッチＳＷをオン状態にして強制放電を行い、このときの電圧変化分を微分回路１２ａから出力する。内部抵抗測定手段１２は、この電圧変化分を用いて公知の方法により内部抵抗を測定する。なお測定は、ＣＰＵによる演算により実行する。１７はシリアル伝送装置であり、このシリアル伝送装置１７は、蓄電池の情報信号を確認して車載ホストコンピュータと送受信する。このシリアル伝送装置１７は、ＣＡＮプロトコルに準拠した自動車用ＵＳＢに接続可能な蓄電池情報信号を送受信し、少なくとも電池容量と電池交換時期を更新・表示するに足る表示装置に対応できる信号である。

蓄電池監視装置８は、ＣＰＵ８１と、ＲＯＭ８２及び８３と、ＲＡＭ８４と、Ａ／Ｄ変換器８５と、Ｗ／Ｒ８６と、ＲＴＣ８７と、ＳＩＯ８８とから構成されている。シリアル伝送装置１７は、ＣＰＵ１７１と、ＲＯＭ１７２及び１７３と、ＲＡＭ１７４と、ＳＩＯ１７５〜１７７とから構成されている。各強制放電回路１２Ａ、電圧検出手段４、電流検出手段５、温度検出手段６及び液面検出手段７の出力は絶縁アンプＯＰ１〜ＯＰ５により増幅された後、Ａ／Ｄ変換器８５によりデジタル信号に変換される。蓄電池監視装置８では、Ａ／Ｄ変換器８５の出力に基いてＣＰＵ８１で逐次演算を行い、シリアルデータをシリアル伝送装置１７から１秒毎に出力する。

ＣＰＵ８１では、蓄電池１の放電量と充電量とを演算し、その演算結果から蓄電池１の残り容量を演算し、演算により求めた残り容量が予め定めた値より小さくなったときに、図１のスイッチ手段２を開状態にするための警報信号を発生する。また蓄電池１の劣化状態を反映させるために、ＣＰＵ８１では、蓄電池１の充放電回数が予め定めた回数になったときに、満充電状態における蓄電池の内部抵抗を測定し、この内部抵抗に基いて蓄電池の劣化状態を判定し、その判定結果に基いて満充電状態における蓄電池の容量を補正する。そこで強制放電回路１２Ａの微分回路１２ａから得た電圧変化分に基いて、蓄電池１の内部抵抗を測定するための演算を行い、その結果を電池容量の演算に反映させる。なおこの演算用プログラムはＲＯＭ８２に格納する。演算に使用する各種データ（ｅｘ．蓄電池機種、温度補正）はＲＯＭ８３に格納する。そして各入力データはＲＡＭ８４に格納する。

シリアル伝送装置１７の入力ライン１７Ｂには、キーボード（パソコンで可）を接続することができ、外部から演算に使用する各種設定データを更新することができるようになっている。またライン１７Ａは、自動車のホストＯＳとの接続を行う通信ケーブルが接続される。なお自動車のホストＯＳは既存汎用ＯＳを想定する。

次に基本動作を説明する。なお基本動作を説明する前に、以下の説明で用いる用語を以下のように定義する。
（１）残存容量〔Ａｈ〕：蓄電池の残り容量をいう。
（２）満充電容量〔ＡｈＦ〕：蓄電池を満充電した時の全容量をいう。
（３）最小蓄電池残存容量〔Ａｈ〕：必ず残さなければならない下限容量通常は定格容量の２０％とする。
（４）蓄電池最大使用可能容量〔ＡｈＦ〕：満充電〔ＡｈＦ〕から最小蓄電池残存容量を引いた値をいう。
（５）蓄電池使用可能容量〔Ａｈ〕：残存容量〔Ａｈ〕から最小蓄電池残存容量〔Ａｈ〕を引いた値をいう。
（６）満充電：蓄電池充電時において蓄電池の端子電圧が１４．５Ｖ以上、充電電流が電池メーカーの該当品種に推奨するＡ以下の状態をもって満充電と判定する（ｅｘ．０．０５Ａ）。
（７）稼働中：蓄電池から０．５Ａ以上の電流が流れている状態をいう。
（８）停止中：蓄電池電流が０〜０．５Ａ未満の状態が２秒以上継続した状態をいう。
（９）基準内部抵抗〔Ｒ０〕：満充電完了直後に測定した内部抵抗をいう。
（10）内部抵抗率〔Ｒｒ〕：停止中に測定した内部抵抗〔Ｒｔ〕を基準内部抵抗〔Ｒ０〕で除した値をいう。
（11）放電率〔α〕：放電量〔Ａｈ〕を蓄電池最大使用可能容量〔ＡｈＦ〕で除した値をいう。
（12）自己放電量：イグニッションキーｏｆｆ時に自然放電により放電する放電量をいう。この自己放電量はターミナルから任意に変更可能な設定値とされる。
通常は、電池メーカーの該当品種に指定している自己放電量とする〔ｅｘ．（０．４〜１．０／１００）ｘ定格容量Ａｈ／日〕。
（13）経年劣化量〔ｋｄ〕：蓄電池の充放電繰返しに伴い満充電容量が減少する量をいう。この経年劣化量はターミナルから任意に変更可能な設定値とする。 （14）累積誤差〔δ〕：頻繁な充放電の度に発生する電流測定の微小誤差を累積したもの〔Σ±Ａｈ（ｔ）〕をいう。

基本の動作は次の通りである。
（１）蓄電池１を初回満充電完了した後に、イグニッションキースイッチをｏｎする初めての放電で監視装置８を起動し以後の履歴を記録する。
（２）監視開始を確認後イグニッションキーをｏｆｆにして、蓄電池の停止を確認すると、最初の内部抵抗測定を行い電池容量データを発信する。
（３）以後、電流値を監視し、ＲＯＭデータを参照して温度補正を行いイグニッションキーｏｎ時に、電池残存容量を１秒毎に更新する。電流値の監視は、蓄電池が予め設定した要保護容量まで放電するか、又は充電量が放電量を上回って満充電条件を満足するまでの間は、電流値を細かく積算し電池残存容量を求め続ける。
（４）更に、この間電流の流れが逆転する回数をカウントする。蓄電池の電流の流れが逆転する回数（充放電回数）が設定回数（例えば１０００回）を越えると、速やかに満充電にした後、遮断スイッチ手段２による蓄電池の停止を確認すると、監視装置内の抵抗負荷Ｒに強制的に瞬時電流を流し、内部抵抗を測定して、満充電を確認した後電池容量を基準容量と対比してリセットし満充電容量を更新する。
（５）イグニッションキーｏｆｆ時、蓄電池１に電流が流れておらず、長時間駐車状態の時は、自己放電量を算出し、電池容量を減ずる。
なお、自己放電係数はターミナルから入力した値を使用する。放電量の累計は満充電容量が更新されたら、その時点から充・放電量の累計を新たに始める。
（６）経年劣化が生じた時には次のようにする。まず計測部内の抵抗負荷Ｒに強制的に瞬時電流を流し内部抵抗を測定する。そして内部抵抗をＲＯＭデータと対比することにより推定した満充電容量からリセットの為新しく満充電にして内部抵抗を測定して、ＲＯＭデータより推定した満充電容量の差を経年劣化量〔ｋｄ（ｔ）〕として算出し、新しい測定容量値を新しい満充電量ＡｈＦ（ｔ）とする。放電量の累計は満充電容量が更新されたら、その時点から充・放電量の累計を新たに始める。

上記のような動作をさせるために、具体的には次のようにする。まず鉛蓄電池は、定格容量の８０％以上放電すると著しく寿命が劣化するので、ＤＯＤ８０％放電時点（前述のポイント蓄電池使用可能容量）を精度良く検出し、その時点でメータの残存容量表示を０にする。メータは自動車の運転席に設置してもよいし、監視装置のユニットに装着してもよい。

また、鉛蓄電池は、使用条件（蓄電池温度、放電電流、内部電解液量等）によって取り出し可能な電気エネルギー（蓄電池使用可能容量）が大きく変化するので、常に蓄電池使用可能容量を補正していく必要がある。そこで、蓄電池残存容量の算出に電流積算方式と内部抵抗方式を併用し、蓄電池残存容量の算出精度を高めることとする。すなわち、蓄電池使用可能容量の１００〜３０％の範囲までは蓄電池の放電電流をきめ細かく積算して蓄電池容量から差し引いて（電流積算方式）表示し、３０〜０％の範囲では蓄電池内部抵抗を測定し（内部抵抗検出方式）電流積算方式で求めた残存容量を補正して表示する方法とする。

更に、ガソリンエンジン車の頻繁な充放電に対応する蓄電池はこの間に発生する累積誤差を適宜キャンセルする必要がある。そこで、蓄電池から見て電流の方向が逆転する回数（充放電回数）をカウントし、予め設定した回数毎に、蓄電池を満充電にして内部抵抗を測定しＲＯＭデータと対比して推定する方法でメータ容量と比較し満充電容量を更新することによりリセットを行う。

初回満充電完了後、イグニッションキースイッチをｏｎにすると、蓄電池を初めて放電した時の電圧値と、予め設定した電圧値、例えば１１Ｖと比較して、放電電圧が前記設定電圧を下回った時点を検出する回路手段が蓄電池監視装置８の内部に別に設けられている。したがって、電池を自動車に搭載した時点までは、電池電圧は殆ど１２Ｖ以上であるため、本監視装置が電池容量の監視を開始しない。しかし、エンジンの始動やランプ、ＡＶ装置、ワイパー等の使用により、蓄電池が瞬時ではあっても大電流で放電されると、電池電圧は急激に低下して設定電圧１１Ｖを下回り、この時点を前記回路手段が検出する。そして、この放電時の電圧が設定電圧値を下回った時点から、電池の監視を開始する。この回路手段は、一旦、監視を開始するとスイッチが切断して毎回の電池の始動によって上記の命令がその都度繰り返されることを防止する。また、蓄電池の履歴データは本装置の記憶容量を補助する目的でターミナルを通じ一定量毎に外部のログファイルに通信記録する。

次に蓄電池監視装置で蓄電池の残存容量を算出する場合の具体例を説明する。
（１）取り付け時（主蓄電池の取替え時も含む）
取付け時は自動車の蓄電池を満充電状態にしておくことを条件とする。この時の満充電容量及び残存容量は、蓄電池の劣化度合にかかわらず定格容量と（Ａｈ）し、自己放電量及び経年劣化量は０としておく。
（２）稼働中及び停止中
残存容量の算出は電流積算方式による。算出式を以下の式［１］に示す。
Ａｈ（ｔ）＝Ａｈ（０）−Σ（ｋｄ・ｉｄ・△ｔ）＋Σ（ｋｒ・ｉｒ・△ｔ）
……［１］
ここで、
Ａｈ（ｔ）：時刻ｔにおける残存容量〔Ａｈ〕
Ａｈ（０）：時刻０における残存容量〔Ａｈ〕
Σ（ｋｄ・ｉｄ・△ｔ）：時刻０からｔまでに使用した電気量
Σ（ｋｒ・ｉｒ・△ｔ）：時刻０からｔまでに充電された電気量
ｋｄ：放電電流値
ｉｄ：放電電流係数
ｉｒ：充電電流値
ｋｒ：充電電流係数：任意に変更可能とする
電流値のサンプリング回数は毎秒５０００サンプリングとし、その５０００サンプリングの積分値を１秒毎の電流値とする。
ｉ．ｅ． Ｉ＝Σｉ・△ｔ
Ｉ：一秒毎の電流値〔Ａ〕
ｉ：電流の瞬時値〔Ａ／Ｓ〕
△ｔ：サンプリング間隔（０．２ｍＳ）
（３）満充電容量及び残存容量の補正強制放電により求めた内部抵抗率〔Ｒｒ〕を基に、その時点の残存容量〔Ａｈ〕及び満充電容量〔ＡｈＦ〕を後述の内部抵抗から満充電量及び残存容量を推定する手法により補正する。
（４）充電時も基本的には電流積算方式により計算する。式［２］に充電時の残存容量〔Ａｈ〕の算出式を示す。
Ａｈ（ｔ）＝Ａｈ（ｔ1 ）−Σ（ｋｃ・ｉｃ・△ｔ） ……［２］
ここで、
Ａｈ（ｔ）：時刻ｔにおける残存容量〔Ａｈ〕
Ａｈ（ｔ1 ）：時刻ｔ1 における残存容量〔Ａｈ〕
Σ（ｋｃ・ｉｃ・△ｔ）：時刻ｔ1 からｔまでに充電した電気量
ｉｃ：充電電流値
ｋｃ：充電電流係数：任意に変更可能とする
但し、充電時に残存容量がその時メータ内部に持っている満充電容量を越えた場合は、残存容量は満充電容量と同じとする。また、充電時に満充電条件が成立したが、残存容量がメータ内部に持っている満充電容量に未達の場合は、その時の残存容量を満充電容量とし、満充電されたものとする。また、充電時に満充電条件が不成立で、残存容量がその時メータ内部に持っている満充電容量に未達の場合は、満充電容量は変更せず残存容量もその時点の容量とする。

自己放電については次のように処理する。イグニッションキースイッチをｏｆｆの状態で放置しておいた時間を分単位で計測し、その時間に一分間当たりの自己放電量〔ｅｘ．（０．４〜１．０／１００）ｘ容量／２４ｘ６０Ａ・ｍｉｎ．〕を掛けた値を、次回にイグニッションキーをｏｎにした時点で残存容量から減じる。但し、充電中に自己放電はないものと見なし、イグニッションキースイッチがｏｆｆでも自己放電のカウントは行わない。

経年劣化は次のようにして処理する。リセットの為満充電にして測定し、ＲＯＭデータと対比することにより推定した最新の電池容量と、起動時測定した内部抵抗率から導いた電池容量の差として経年劣化量〔ｋｄ（ｔ）〕を算出し、最新の電池容量推定値を新しい満充電量ＡｈＦ（ｔ）とする。なお、最新の内部抵抗率は、ターミナルから入力修正することが出来る。

放電量の累計は満充電容量が更新されたら、その時点から放電量の累計を新たに始める。更新された満充電容量ＡｈＦ（ｔ）は下記の［３］式により演算することができる。
ＡｈＦ（ｔ）＝ＡｈＦ（ｔ−１）−ｋｄ ……［３］
上記式において、ＡｈＦ（ｔ−１）はその前にメータ内部に持っていた満充電容量であり、ｋｄは経年劣化量である。

蓄電池交換時期警報は次のようにして発生する。蓄電池交換時期警報は、満充電容量が経年劣化等で定格容量の半分以下の状態が連続して１０回以上継続し、あらかじめ設定入力した蓄電池のしきい値以下になったとき発信する。

上記の各種の演算に用いるソフトウエアのアルゴリズムで用いる各係数を表１に示す。このアルゴリズムの基礎となる蓄電池の放電特性は図３に示す通りである。

次に液面の監視について説明する。
液面検出手段７として電子液面計を用いる。この電子液面計は、液面のバランスする対向位置に取り付けたセンサを用いて予め設定した測定回数の測定を行い、総露出回数により液位置を判定する。判定は下記で行う。
Σｅ（ｔ）・Ｓ＞Ｋ 露出
Σｅ（ｔ）・Ｓ≦Ｋ 液中
センサの数 Ｓ
測定時間 ｔ
測定回数 ＮＴ
露出回数 ｅ
総露出回数 Σｅ（ｔ）
判定回数 Ｋ
次に、強制放電による内部抵抗測定から蓄電池の満充電容量及び残存容量を推定する方法について説明する。以下（１）〜（５）に手順を説明する。
（１）満充電完了直後に瞬時強制放電を１０回行い、その平均値の内部抵抗を基準内部抵抗値Ｒ０とする。（瞬時強制放電を１０回の所要時間は２００ｍｓ）
（２）無負荷停止（蓄電池電流０〜０．５Ａ以内が２秒以上継続した場合）を確認した後、１０回を１サンプルとして瞬時強制放電を一回だけ実施し、その平均値から蓄電池内部抵抗率を求める。
（３）この時、内部抵抗率〔Ｒｒ〕が１．２％以上になったら、予め実験で求めておいた内部抵抗率と満充電容量に対するその時点までの放電量の割合α（以下、放電率という）の関係を示す放電率テーブル（図３）を参照し、放電率αｔを求める。なお、内部抵抗率〔Ｒｒ〕が１．２％以下の時は、満充電容量ＡｈＦ（ｔ）、残存容量Ａｈ（ｔ）ともその都度の補正は行わないが、一定期間毎に行う内部抵抗測定に対応して満充電容量リセットとは別に残容量を補正する。
（４）この放電率αｔを基に、以下の（イ）及び（ロ）に示す通り満充電容量と残存容量を補正する。
（イ）満充電容量の推定方法
満充電容量をＡｈＦ（ｔ）として、以下にその算出式を示す。
ＡｈＦ（ｔ）＝Σｉｄ（ｔ）／αｔ
ここで、
Σｉｄ（ｔ）：その時（時刻ｔ）までに放電した放電量
αｔ ：放電率である。
（ロ）残存容量の推定方法残存容量をＡｈ（ｔ）として、以下にその算出式を示す。
Ａｈ（ｔ）＝（満充電容量）−（その時までに放電した放電量）
＝ＡｈＦ（ｔ）−Σｉｄ（ｔ）
＝（１／αｔ）Σｉｄ（ｔ）−Σｉｄ（ｔ）
＝｛（１−αｔ）／αｔ｝Σｉｄ（ｔ）
（ハ）リセット−ゼロ調整
蓄電池が満充電条件を満足すると内部抵抗を測定しメータをリセットする。停車時、メータリセット表示信号は運転者にアイドリング継続要求信号で許可を要請し、満充電になるまでアイドリングを継続して満充電条件を満足させ内部抵抗を測定しメータをリセットする。

上記の実施形態によれば、蓄電池監視装置８に組み込んだＩＣと車載コンピュータを対話させながら正確な電源管理を行い、温度と過放電監視が行え、自動冷却が可能となり、プロテクターで過剰負荷よりバッテリを保護することにより、スタータモータの始動を確実に保証できる。更に、補水タイミングを運転席に表示して、下限ラインをキープすることにより、万一の爆発事故を予防出来る。また蓄電池の履歴を記録することで、確実な蓄電池のメンテナンスが容易に行える様になり、適切な交換時期の判断・アドバイスも可能になる。以上の通り走行中でも残存容量を高精度で表示することができるので、運転者は安心して走行でき、且つ、電池容量いっぱいまで運転でき、利用効率の向上が図れる。この他、既存の自動車用ＬＡＮと共通の信号処理方法を取ることで、車載コンピュータの指示で各種のアクチュエータを駆動して一括制御することが可能になる。例えば、盗難防止、Ａ／Ｔ車のアイドリングストップ（エンジンのこまめスイッチング）、ライトの自動点滅（トンネル・交差点）、冷暖房予約や暖気運転、待ち受け消費電力対策（ｅｘ．スリープ機能）が可能となる。

また、液面検出手段７の出力により、車載メータまたはＮＡＶＩ等の運転席表示装置に液面の状態及び警報を表示することができる。表示用出力信号はＣＡＮプロトコルに準拠、既設の車載メータパネルやＮＡＶＩ画面等に表示できる。
更に温度検出手段６の出力により蓄電池１に取り付けた自動冷却装置（ファンｏｒ水冷）を駆動してもよい。また車の車速信号や、車室設置の光センサに対応して、エンジンのこまめスイッチングやライトの自動点滅を行ってもよい。
この監視装置８は、蓄電池１が車搭載後、初めての放電でタイマの起動監視を開始し以後の履歴を記録する。電源管理は蓄電池の電流、電圧、温度及び電池内部抵抗（強制放電時の電圧変化量及び電流変化量から算出）を計測し、デジタルデータ処理して蓄電池容量を算出する方法で行う。

本発明の一実施形態の構成を示したブロック図である。 蓄電池の負荷回路を示す回路図である。 蓄電池の内部抵抗率と放電率との関係の一例を示す図である。 （Ａ）は、図１のスイッチ手段を内蔵する蓄電池監視装置をユニットにした場合の外観斜視図であり、（Ｂ）は図１（Ａ）の蓄電池監視装置を蓄電池に実装した状態を示す斜視図である。 図１の構成をマイクロコンピュータを用いて実現する場合の主要部のハード構成を示す回路図である。

符号の説明

１ 蓄電池
２ スイッチ手段
３ 負荷
４ 電圧検出手段
５ 電流検出手段
６ 温度検出手段
７ 液面検出手段
８ 蓄電池監視装置
９ 充放電量演算手段
１０ 残り容量判定手段
１１ 残り容量判定手段
１２ 内部抵抗測定手段
１３ 劣化状態判定手段
１４ 液面判定手段
１５ 使用状況履歴記憶手段
１６ 蓄電池交換時期判定手段
１７ シリアル伝送装置

Claims (3)

1. 蓄電池の放電電気量、充電電気量等の電池使用状況を検出する使用状況検出手段と、前記使用状況検出手段の検出結果を履歴として記憶する使用状況履歴記憶手段とを備えていることを特徴とする蓄電池の監視装置。
2. 前記使用状況履歴記憶手段に記憶されている前記履歴から前記蓄電池の交換時期を判定し、交換時期に達したことを判定したときに蓄電池交換警報信号を出力する蓄電池交換時期判定手段を更に備えている請求項１に記載の蓄電池の監視装置。
3. 前記蓄電池は、電解液の補充を必要とする蓄電池であって、前記蓄電池の電解液の液面を検出する液面検出手段が設けられ、
   前記液面検出手段で検出した前記液面が繰り返し予め定めたレベル以下になったときに電解液補充警報信号を出力する液面判定手段が更に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池の監視装置。
   

Images