JP2006333662A - バッテリの劣化状態を判定する装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力消費を抑えながらバッテリの劣化状態を判定できる装置及び方法を提供する。
【解決手段】 双方向コンバータ１３は、高圧バッテリ１１および補機バッテリ１２の間で相互に充電を行うことができる。電流センサ３１および電圧センサ３２は、それぞれ、補機バッテリ１２の出力電流および出力電圧を検出する。制御ユニット３４は、双方向コンバータ１３を高圧バッテリ充電モードで起動する。補機バッテリ１２の出力電流および出力電圧から得られる出力特性が閾値レベルを下回っていたときは、ウォーニング信号が出力される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バッテリの劣化状態を判定する装置および方法に係わり、特に、複数のバッテリを備えるハイブリッド車あるいは電気自動車においてそれら複数のバッテリの中の所定のバッテリの劣化状態を判定する装置および方法に係わる。

バッテリは、従来より、様々な用途に広く使用されている。例えば、従来の一般的な自動車は、１２Ｖバッテリを備えており、また、ガソリンエンジンおよびモータを併用するハイブリッド車あるいは電気自動車（以下、ハイブリッド車等）は、通常、１２Ｖバッテリに加えて動力用の高圧バッテリを搭載している。

従来の一般的な自動車においては、エンジンは、１２Ｖバッテリから電力を取り出してスターターを回すことにより起動される。よって、スターターの回り具合等から１２Ｖバッテリの劣化を認識することができる。ところが、ハイブリッド車等においては、通常、高圧バッテリから電力を取り出してスターターを回すことにより起動される。このため、１２Ｖバッテリが劣化していたとしても、スターターの回り具合やヘッドライトの明るさからそれを認識することは困難である。したがって、場合によっては、１２Ｖバッテリが上がってしまい、ある日突然車両を起動できなくなってしまうことが起こり得る。

このため、従来より、バッテリの劣化を判定してその結果をユーザに知らせる技術が提案されている。例えば、特許文献１に記載のハイブリッド自動車においては、エンジン始動時にバッテリとモータを接続してロック電流を流す。そして、このときの電流および電圧を測定し、所定時間内の電圧低下が閾値よりも大きかったときにバッテリが劣化していると判定し、その旨を表示する。
特開平１０−２２４９０４号公報（図１、明細書の段落０００９〜００１０）

しかし、特許文献１に記載の構成では、バッテリの劣化状態を判定する際にモータに電流を流す必要があるため、必然的にそのバッテリの電力を消費してしまう。
本発明の目的は、電力消費を抑えながらバッテリの劣化状態を判定できる装置および方法を提供することである。

本発明のバッテリ状態判定装置は、第１のバッテリ、第２のバッテリ、およびそれらの間で相互に充電を行うための双方向コンバータを含む電源システムにおいて上記第２のバッテリの劣化状態を判定する。そして、上記電源システムの起動時に、上記双方向コンバータに上記第２のバッテリから電力を取り出して上記第１のバッテリを充電動作させる充電指示手段と、上記充電動作における上記第２のバッテリの特性を検出する検出手段と、上記検出手段により検出される特性に基づいて上記第２のバッテリの劣化状態を判定する判定手段、を有する。

上記発明においては、第２のバッテリの電力を第１のバッテリへ充電する動作の中で、その第２のバッテリの状態が判定される。
上記バッテリ状態判定装置において、上記検出手段が上記充電動作における上記第２のバッテリの出力電流および出力電圧を検出し、上記判定手段が上記検出手段により検出された出力電流および出力電圧により決まる特性が予め設定されている閾値レベルを下回ったときに上記第２のバッテリが劣化していると判定するようにしてもよい。このような構成とすれば、容易にバッテリの劣化を判定できる。

更に、上記バッテリ状態判定装置において、上記第２のバッテリ又は上記第２のバッテリの周囲の温度を検出する温度センサを備えるようにしてもよい。ここで「第２のバッテリの周囲の温度」とはバッテリの設置されている周囲温度や、電源システムの周囲温度、電源システムを搭載した装置の周囲温度をも含む。この場合、上記判定手段は、検出された温度に対応する閾値レベルを利用して上記第２のバッテリが劣化しているか否かを判定する。このような構成とすれば、温度に依存して変化する特性を考慮してバッテリの劣化判定を行うことができ、より正確な劣化判定が可能となる。バッテリの周囲の温度を検出した場合でも、対応するバッテリ温度をあらかじめ用意しても良いし、直接バッテリの周囲の温度に対応する閾値レベルを用意してもよい。

本発明のバッテリ状態判定方法は、第１のバッテリ、第２のバッテリ、およびそれらの間で相互に充電を行うための双方向コンバータを含む電源システムにおいて上記第２のバッテリの劣化状態を判定する方法であって、上記電源システムの起動時に上記双方向コンバータに上記第２のバッテリから電力を取り出して上記第１のバッテリを充電動作させ、上記充電動作における上記第２のバッテリの特性を検出し、検出された特性に基づいて上記第２のバッテリの劣化状態を判定する。

本発明によれば、第２のバッテリの電力を第１のバッテリへ充電する動作の中でその第２のバッテリの劣化状態が判定されるので、実質的に電力を消費することなくバッテリの劣化状態を判定できる。

図１は、本発明に係わる電源システムの構成を示す図である。なお、図１に示す電源システム１は、この実施例では、ハイブリッド車等に搭載されるものとする。
電源システム１は、高圧バッテリ（第１のバッテリ）１１、補機バッテリ（第２のバッテリ）１２、および双方向コンバータ１３を備える。

高圧バッテリ１１は、例えば、１００〜３００Ｖ程度の直流電源であり、その電力は主に車両の動力用モータに供給される。なお、スターターの電力も高圧バッテリ１１から供給される。補機バッテリ１２は、従来の一般的な自動車が備える１２Ｖバッテリであり、各種車載機器あるいはアクセサリに電力を供給する。

双方向コンバータ１３は、高圧バッテリ１１と補機バッテリ１２との間で双方向に充電を行うことができるＤＣ／ＤＣコンバータである。すなわち、双方向コンバータ１３は、通常動作モードにおいては、高圧バッテリ１１の電力を利用して補機バッテリ１２を充電し、高圧バッテリ充電モードにおいては、補機バッテリ１２の電力を利用して高圧バッテリ１１を充電する。なお、高圧バッテリ１１は、外部の商用電源等を利用して充電することも可能である。

図２は、双方向コンバータ１３の一実施例の構成を示す図である。図２に示す双方向コンバータは、高圧バッテリ側回路２１、補機バッテリ側回路２２、それらを互いに絶縁しながら結合するトランスＴ、高圧バッテリ側回路２１および補機バッテリ側回路２２を制御する制御回路２３を備える。高圧バッテリ側回路２１は、リレー接点として動作するトランジスタＱ１、Ｈブリッジ回路を構成するトランジスタＱ２〜Ｑ５、各トランジスタＱ１〜Ｑ５に並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ５、コイルＬなどを備える。また、補機バッテリ側回路２２は、１組のトランジスタＱ１１、Ｑ１２、および各トランジスタＱ１１、Ｑ１２に並列に接続されたダイオードＤ１１、Ｄ１２などを備える。そして、制御回路２３は、高圧バッテリ１１および／または補機バッテリ１２の電圧をモニタしながら、トランジスタＱ１〜Ｑ５、Ｑ１１、Ｑ１２を制御する。

上記構成の双方向コンバータ１３は、通常動作モードにおいては、以下のように動作する。すなわち、トランジスタＱ１は、導通状態に保持される。また、トランジスタＱ２〜Ｑ５は、Ｑ２／Ｑ５がオンであり且つＱ３／Ｑ４がオフとなる状態と、Ｑ２／Ｑ５がオフであり且つＱ３／Ｑ４がオンとなる状態を所定の周期で交互に繰り返す。さらに、トランジスタタＱ１１およびＱ１２は、オフ状態に保持される。これにより、高圧バッテリ側の電力がトランスＴを介して補機バッテリ側に渡され、さらにダイオードＤ１１、Ｄ１２を介して電流が流れて補機バッテリ１２が充電される。

一方、高圧バッテリ充電モードにおいては、トランジスタＱ１〜Ｑ５は、非導通状態に保持される。そして、トランジスタタＱ１１およびＱ１２は、所定の周期で交互にオン／オフ制御される。これにより、補機バッテリ側の電力がトランスＴを介して高圧バッテリ側に渡され、さらにダイオードＤ１〜Ｄ５を介して電流が流れて高圧バッテリ１１が充電される。

なお、本発明において、双方向コンバータの構成は、図２に示すものに限定されるものではなく、例えば、特開２０００−５０４０２号公報に記載された構成であってもよい。
図１に戻る。電流センサ（検出手段）３１は、高圧バッテリ充電モードにおいて補機バッテリ１２の出力電流を検出する。電圧センサ（検出手段）３２は、補機バッテリ１２の出力電圧を検出する。温度センサ３３は、補機バッテリ１２の温度を検出する。そして、制御ユニット（ＥＣＵ）３４は、これらのセンサ３１〜３３の出力に基づいて、補機バッテリ１２の劣化状態を判定する。なお、制御ユニット３４は、図２に示す制御回路２３の一部であってもよいし、制御回路２３との別個に設けるようにしてもよい。

次に、上述した電源システム１において、補機バッテリ１２の劣化状態を判定する方法について説明する。
バッテリは、一般に、劣化が進むと、図３（ａ）に示すように、その出力特性が低下していく。すなわち、バッテリの劣化が進行すると、同じ出力電力（または、電流）に対してそのバッテリの出力電圧が低下していく。ここで、バッテリの劣化の度合いは、実験またはシミュレーション等により、バッテリの特性に基づいて認識することができる。すなわち、図３（ａ）において破線で示すように、バッテリ交換の要否を判断するための閾値レベルを設定しておくことができる。

実施形態のバッテリ劣化状態判定方法では、電流センサ３１および電圧センサ３２を利用して補機バッテリ１２の出力特性を検出し、その検出結果を閾値レベルと比較することによって補機バッテリ１２が劣化しているか否かを判断する。この判断は、制御ユニット３４により行われる。ただし、一般に、バッテリの出力特性は、温度に依存する。一般的に、温度が低下すると放電容量が低下する為、低温時に閾値レベル以下を示していても常温時には閾値レベル以上を示すことが考えられる。この場合、劣化していないのに劣化の判定がされてしまう。そこで、実施形態のバッテリ劣化状態判定方法では、図３（ｂ）に示すように、電源システム１が使用されることが想定される温度範囲に渡って閾値レベルデータを用意しておく。同じ出力電力（または、電流）でも温度が低いほど閾値も低く設定される。逆に同じ出力電力（または、電流）でも温度が高いほど閾値も高く設定される。例えば、検出温度がＴ＝２１℃で出力電力（電流）が１００の場合の閾値は、Ｔ＝２０℃での出力電力（電流）が１００の場合の閾値１１．９０より高い値となる。そして、温度センサ３３を利用して補機バッテリ１２の温度を検出しながらその劣化状態を判定するようにしている。

図４は、実施形態のバッテリ劣化状態判定方法のフローチャートである。なお、このフローチャートの処理は、例えば、ハイブリッド車等の運転開始時（すなわち、電源システム１の起動時）に実行される。また、このフローチャートの機能は、例えば、マイコンにより実現される制御ユニット３４が所定のプログラムを実行することにより提供される。

ステップＳ１（充電指示手段）では、双方向コンバータ１３を高圧バッテリ充電モードで起動する。なお、高圧バッテリ充電モードは、図２を参照しながら説明したように、トランジスタＱ１〜Ｑ５をオフ状態に保持すると共に、トランジスタＱ１１、Ｑ１２を交互のオン／オフ制御することにより実現される。ステップＳ２では、各センサの出力を読み込む。すなわち、電流センサ３１により検出される補機バッテリ１２の出力電流、電圧センサ３２により検出される補機バッテリ１２の出力電圧、温度センサ３３により検出されるバッテリ温度を読み込む。なお、温度センサ３３による温度検出は、ステップＳ１より以前に行なってもよい。

ステップＳ３〜Ｓ４（判定手段）では、検出したデータを閾値レベルと比較する。この場合、たとえば、検出したデータで図３（ｂ）に示すテーブルを検索し、対応する閾値データを抽出する。そして、その抽出した閾値と補機バッテリ１２の出力電圧の検出値とを比較することにより、補機バッテリ１２の劣化状態を判定する。このとき、補機バッテリ１２の出力電圧の検出値が閾値よりも低ければ、補機バッテリ１２が劣化していると判定される。

補機バッテリ１２が劣化していたときは、ステップＳ５において、ウォーニング信号を出力する。ウォーニング信号は、特に限定されるものではないが、例えば、音声ガイダンスあるいはディスプレイへのメッセージの表示等により実現される。

また、検出したデータと閾値レベルとを比較して、単に検出値が閾値より低い場合に劣化と判定するだけでなく、閾値より高い場合でも検出値と閾値との差により劣化の程度を判定してもよく、その劣化の程度を表示するようにしてもよい。この場合、補機バッテリ１２の交換時期の予測が可能となる。

また、温度センサ３３は補機バッテリ１２の温度を検出したが、直接検出する構成に限らず、補機バッテリ１２の周囲温度を検出しても良い。例えば、ハイブリッド車等であれば、エンジンルーム内温度や環境温度でもよい。この場合、検出温度と補機バッテリ１２の温度の関係をあらかじめ用意して図３（ｂ）に示すテーブルを利用しても良いし、直接検出温度と閾値の関係を示すテーブルを用意して利用しても良い。

また、劣化状態の判定（充電動作、センサ検出）は、電源システム１の起動時に毎回行なっても良いし、起動回数を制御ユニット３４が記憶しておき、所定回数おきに劣化状態の判定を行なっても良い。

また、電源システム１の停止時間を制御ユニット３４が記憶しておき、停止時間に応じて劣化状態の判定を行なったり行なわなかったりしてもよい。例えば、停止時間がごく短い場合は、高圧バッテリ１１からの充電やハイブリッド自動車等のエンジンやモータ回生による充電により補機バッテリ１２の電力が一時的に高まっている為、劣化状態の判定を行なわず、停止時間が長い場合は補機バッテリ１２の自然放電等で定常状態にもどっている為、劣化状態の判定を行なっても良い。

また、温度センサ３３の検出値に応じて劣化状態の判定を行なったり行なわなかったりしてもよい。温度が低い場合、補機バッテリ１２の放電容量が低下し、実際の補機を動作させることが出来ないことが起こりやすくなる為、温度が低い場合にのみ劣化状態の判定を行なうようにしても良い。この場合、充電動作の前に温度センサ３３の検出値を読み込む必要がある。

このように、実施形態のバッテリ劣化状態判定方法においては、補機バッテリ１２の電力を高圧バッテリ１１へ充電する動作の中で、その補機バッテリ１２の劣化状態を判定することができる。すなわち、補機バッテリ１２から取り出される電力は、高圧バッテリ１１に蓄積される。したがって、この判定を行うに際して、電力は実質的に消費されることはない。すなわち、特許文献１に記載の方法と比較して、電力消費を抑えながらバッテリの劣化状態を判定できるというメリットがある。

本発明に係わる電源システムの構成を示す図である。 双方向コンバータの一実施例の構成を示す図である。 （ａ）は、バッテリの劣化と出力特性の関係を示す図であり、（ｂ）は、バッテリの劣化判定のための閾値レベルデータの実施例である。 実施形態のバッテリ劣化状態判定方法のフローチャートである。

符号の説明

１ 電源システム
１１ 高圧バッテリ
１２ 補機バッテリ
１３ 双方向コンバータ
２１ 高圧バッテリ側回路
２２ 補機バッテリ側回路
２３ 制御回路
３１ 電流センサ
３２ 電圧センサ
３３ 温度センサ
３４ 制御ユニット

Claims (4)

1. 第１のバッテリ、第２のバッテリ、およびそれらの間で相互に充電を行うための双方向コンバータを含む電源システムにおいて上記第２のバッテリの劣化状態を判定する装置であって、
   上記電源システムの起動時に、上記双方向コンバータに上記第２のバッテリから電力を取り出して上記第１のバッテリを充電動作させる充電指示手段と、
   上記充電動作における上記第２のバッテリの特性を検出する検出手段と、
   上記検出手段により検出される特性に基づいて上記第２のバッテリの劣化状態を判定する判定手段、
   を有するバッテリ劣化状態判定装置。
2. 上記検出手段は、上記充電動作における上記第２のバッテリの出力電流および出力電圧を検出し、
   上記判定手段は、上記検出手段により検出された出力電流および出力電圧により決まる特性が予め設定されている閾値レベルを下回ったときに上記第２のバッテリが劣化していると判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ劣化状態判定装置。
3. 上記第２のバッテリ又は上記第２のバッテリの周囲の温度を検出する温度センサをさらに備え、
   上記判定手段は、検出された温度に対応する閾値レベルを利用して上記第２のバッテリが劣化しているか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項２に記載のバッテリ劣化状態判定装置。
4. 第１のバッテリ、第２のバッテリ、およびそれらの間で相互に充電を行うための双方向コンバータを含む電源システムにおいて上記第２のバッテリの劣化状態を判定する方法であって、
   上記電源システムの起動時に、上記双方向コンバータに上記第２のバッテリから電力を取り出して上記第１のバッテリを充電動作させ、
   上記充電動作における上記第２のバッテリの特性を検出し、
   検出された特性に基づいて上記第２のバッテリの劣化状態を判定する、
   ことを特徴とするバッテリ劣化状態判定方法。
   
   
   

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