JP4076211B2

JP4076211B2 - Secondary battery internal resistance detection device and charge control system using the same

Info

Publication number: JP4076211B2
Application number: JP2002186818A
Authority: JP
Inventors: 昭治堺; 淳橋川; 尚彦鈴木; 雅之森藤; 洋名手; 岳士佐田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: JP2004031170A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の内部抵抗検出装置に係り、より詳細には、分極の影響が小さいデータを用いて内部抵抗を精度良く算出できる二次電池の内部抵抗検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池使用中の電流を一定のサンプリング周期で検出して、検出電流から電池の分極状態を検出する技術として、例えば特開平１０−３１９１００や特開２０００−１２３８８６公報には、充放電による電極近傍の溶液濃度変化とこの解消分とに基づき分極の影響度合いを示す分極指数なる指数を用いる技術が開示されている。この分極指数を利用することにより、車両走行中の検出電流を監視して電池の分極状態を予測することが可能となり、これにより、電池の充電状態（ＳＯＣ）を精度よく検出することが可能となる。
【０００３】
また、例えば特開２０００−２５８５１４公報においては、電池電流の充放電履歴を考慮して算出された分極起電力を利用して、予め測定されている起電力と電池の充電状態との関係を補正する技術が開示されている。この技術によれば、電池の分極起電力の影響が適切に補償されるので、電池の充電状態を精度よく検出することが可能となる。
【０００４】
また、例えば特開平８−２９５０６公報においては、電池の分極の影響を回避するため、車両の停車状態を確認し、その直後の車両加速状態における電池からの放電電流と電池電圧との関係から、電池の内部抵抗を算出する技術が開示されている。この技術は、車両停車直後の加速時における放電電流が分極の影響を受けることなく零から線形的に変化することを利用して、電池の内部抵抗を精度よく算出するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電池の内部抵抗の増加は、エンジン等の始動性の低下を招くものであるため、電池の内部抵抗の増加を的確に検出することにより、当該始動性の低下を未然に防止することは有効である。この電池の内部抵抗を高精度に算出するためには、電池の充電状態の判断時と同様に、電池の分極状態を考慮する必要がある。
【０００６】
しかしながら、電池の内部抵抗を算出するために利用する電流と電圧の関係は、電池の充電状態を検出する際に利用する関係とは全く異なる態様で、電池の分極状態に依存する場合がある。例えば、電流と電圧の関係は、電池が同一の分極状態にある場合であっても、電池が充電中か或いは放電中かによって異なる特性を有する。また、放電が継続する放電分極状態であっても、充電が行われた後再び放電が続いた場合には、当該充電後数秒間は、電流と電圧の関係の線形性が損なわれるという特性を有する。尚、これらの特性は、本発明の発明者による試験により確認されたものであり、後に詳説する。従って、電池の内部抵抗は、これらの特性を的確に認識した上で算出されることが望ましい。
【０００７】
一方、上記特開平１０−３１９１００、特開２０００−１２３８８６及び特開２０００−２５８５１４公報に記載の技術は、分極の影響度合いを考慮して電池の充電状態を判断するものであり、これらの公報においては、分極の影響度合いを考慮して電池の内部抵抗を算出する技術については言及されていない。
【０００８】
また、上記特開平８−２９５０６公報に記載の技術は、分極の影響を受けない車両停車直後の加速時における検出値を利用するものであり、この公報においては、車両走行中の検出値を利用して内部抵抗を算出する技術については言及されていない。
【０００９】
そこで、本発明は、車両走行中においても、分極の影響度合い及び電流と電圧の関係の特性を考慮して二次電池の内部抵抗を高精度に算出することができる、新規且つ有用な二次電池の内部抵抗検出装置及びこれを使用する充電制御システムの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項１に記載する如く、二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、上記二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、上記二次電池の分極状態を検出する分極状態検出手段とを含み、
上記二次電池の上記分極状態が所定の放電分極状態である場合に、上記二次電池の電圧データ及び電流データを記憶データとして記憶し、上記記憶データの数が所定数を超えた場合に、上記記憶データを用いて上記二次電池の内部抵抗を算出することを特徴とする、二次電池の内部抵抗検出装置によって達成される。
【００１１】
上記発明によれば、分極状態検出手段によって二次電池の分極状態が検出され、放電が継続している放電分極状態の電流データ及び電圧データのみが、二次電池の内部抵抗を算出するために選別されるので、二次電池の内部抵抗を高精度に算出することができる。即ち、放電分極状態においては、充電分極状態においてよりも、各検出電流に対する検出電圧のバラツキが小さいことを考慮し、放電分極状態における電流と電圧の関係のみを内部抵抗の算出に利用することにより、誤差の非常に少ない内部抵抗の算出を達成することができる。尚、分極状態検出手段は、分極指数を用いて二次電池の分極状態を判断してよく、或いは、密度計、濃度計、比重計若しくはその類を用いて判断してもよい。
【００１２】
また、請求項２に記載する如く、請求項１記載の二次電池の内部抵抗検出装置において、上記二次電池の上記分極状態が所定の放電分極状態であり、且つ、上記二次電池が数秒間前に充電が行われていない場合に、上記二次電池の電圧データ及び電流データを記憶データとして記憶することとすると、二次電池の内部抵抗を更に高精度に算出することができる。
【００１３】
即ち、放電分極状態であっても、充電が行われた後、数秒間は電流と電圧の関係が非線形となることを考慮し、当該非線形となる電流と電圧の関係を内部抵抗の算出に利用しないことにより、二次電池の内部抵抗を更に高精度に算出することができる。尚、上記「非線形となる電流と電圧の関係を内部抵抗の算出に利用しないこと」は、内部抵抗の算出に利用する電流データ及び電圧データを記憶する際に、直前の数秒間の充放電履歴を監視し、放電分極状態であっても当該直前の数秒間に充電が行われていた場合には、当該直前の数秒間に検出された電流データ及び電圧データを記憶データとして記憶しないことにより実現されてよい。
【００１４】
また、請求項１又は２記載の二次電池の内部抵抗検出装置において、請求項３に記載する如く、上記二次電池の上記分極状態が所定の放電分極状態であり、且つ、上記電流検出手段が検出する電流の値が、充電を正と定義したときに所定の値より小さい場合に、上記二次電池の電圧データ及び電流データを記憶データとして記憶し、或いは、
請求項４に記載する如く、上記二次電池の上記分極状態が所定の放電分極状態であり、且つ、上記電流検出手段が検出する電流が放電電流である場合に、上記二次電池の電圧データ及び電流データを記憶データとして記憶することとすると、二次電池の内部抵抗を一層高精度に算出することができる。
【００１５】
即ち、放電分極状態において、検出電流が充電電流であり所定の値より大きくなると、水素過電圧により電圧が見かけ上高くなり、電流と電圧の関係が非線形となることを考慮し、放電分極状態における線形性の保たれた電流と電圧の関係のみを内部抵抗の算出に利用することにより、誤差の更に少ない内部抵抗の算出を達成することができる。
【００１６】
また、請求項５に記載する如く、請求項１乃至４のうちのいずれか１項の二次電池の内部抵抗検出装置において、上記記憶データは、移動平均データであり、上記二次電池の上記内部抵抗は、該移動平均データに対する最小２乗法により算出されることとすると、内部抵抗の計算が容易となり、計算精度も向上する。
【００１７】
また、上記目的は、請求項６に記載する如く、請求項１乃至５のうちのいずれか１項の二次電池の内部抵抗検出装置と、上記二次電池の温度を検出する温度検出手段とを含み、
上記内部抵抗検出装置により算出された上記二次電池の上記内部抵抗の値は、上記二次電池の温度に応じて補正され、補正された上記内部抵抗が所定の値を超える場合に上記二次電池が劣化したと判断することを特徴とする、充電制御システムによって達成される。
【００１８】
上記発明によれば、高精度に算出された内部抵抗を基づいて、内部抵抗の増加を伴う二次電池の劣化の検出が行われるので、エンジン等の始動性の低下を未然に確実に防止することができ、充電制御システムの安全性を更に高めることができる。
【００１９】
本発明の他の目的、構成及び効果は、図面を参照して行う以下の実施形態の説明から、より明らかになるだろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る内部抵抗検出方法を使用する、車両用バッテリを充電制御するための充電制御システム９０の実施形態を示す。尚、このバッテリは、鉛蓄電池のような二次電池Ｂにより構成されている。
【００２１】
この充電制御システム９０は、図1に示すように、交流発電機１０（以下、発電機１０という）と、整流器２０と、レギュレータ３０とを備えている。発電機１０は、車両のエンジンにより駆動されて交流電圧を発生する。整流器２０は、発電機１０の交流電圧を整流して整流電圧を発生し二次電池Ｂ及びレギュレータ３０に供給する。レギュレータ３０は、後述するマイクロコンピュータ７０による制御のもと、整流器２０の整流電圧を調整して二次電池Ｂ及び電気的負荷Ｌに出力する。
【００２２】
また、この充電制御システム９０は、電流センサ４０と、電圧センサ５０と、マイクロコンピュータ７０とを備えている。電流センサ４０は、二次電池Ｂの充電電流或いは放電電流を所定のサンプリング周期で検出する。同様に、電圧センサ５０は、二次電池Ｂの端子電圧を所定のサンプリング周期で検出する。マイクロコンピュータ７０は、後述するフローチャートに従って制御プログラムを実行する。この制御プログラムの実行中に、マイクロコンピュータ７０は、電流センサ４０が検出する電流(以下、これを「検出電流」という)と電圧センサ５０が検出する端子電圧(以下、これを「検出電圧」という)とに基づき二次電池Ｂの内部抵抗を算出、レギュレータ３０の制御に要する処理やデータの記憶処理などを行う。尚、マイクロコンピュータ７０は、二次電池Ｂから常時給電されて作動状態にあり、車両のイグニッションスイッチＩＧのオンにより、後述する制御プログラムの実行を開始する。尚、この制御プログラムはマイクロコンピュータ７０のＲＯＭに予め記憶されている。
【００２３】
＜分極指数＞
本発明に係る内部抵抗検出方法は、分極状態（分極の影響度合い）を表す指数として、次式で与えられる分極指数Ｐを用いる。
【００２４】
【数１】

この分極指数Ｐ（単位：Ａ・ｓｅｃ）は、電極近傍の溶液濃度を電気量で表現したものであり、充放電による電極近傍の溶液濃度変化及び拡散による解消分を考慮している。尚、本明細書中において、この分極指数ＰがＰ＜０である状態を、放電が継続している放電分極状態と称し、Ｐ≧０である状態を、充電が継続している充電分極状態と称する。
【００２５】
ここで、式１において、Ｉは二次電池Ｂに流れる電流（Ａ）であり、Ｉ＞０を充電、Ｉ＜０を放電とする。γは二次電池Ｂの充電効率の変動に対する補正項（二次電池Ｂの充電時に０〜１の値となるが、充放電が繰り返される場合は、ほぼ１となる）である。ｔは時間（秒）である。また、Ｉｄは二次電池Ｂ内の分極に起因する補正項である。そして、Ｐ’をｔ1の１周期前における指数Ｐの値とし、ａ、ｂをそれぞれ定数とすると、Ｐ’＞０のとき、Ｉｄ＝ａ×Ｐ’であり、Ｐ’＝０のとき、Ｉｄ＝０であり、Ｐ’＜０のとき、Ｉｄ＝ｂ×Ｐ’である。ここで定数ａ、ｂを使い分ける理由は、放電後と充電後で分極の影響時間が異なるためである。尚、式１は、マイクロコンピュータ７０のＲＯＭに予め記憶されている。
【００２６】
＜電流−電圧特性の選別結果＞
本発明の発明者は、上記分極指数Ｐを用いて、同一の分極状態の電流−電圧特性を選別した。図２は、電流センサ４０からの検出電流及び電圧センサ５０からの検出電圧をサンプリング毎にプロットした選別前のプロット分布図であり、検出電流Ｉ＞０を充電、Ｉ＜０を放電とする。尚、使用した２つの二次電池Ｂは、充電状態（ＳＯＣ）がそれぞれ９５％及び７０％であり、当該充電状態は、当該検出中維持されていた。また、図２及び後に参照する図３の各図において、充電状態９５％のデータは、▲印により示され、充電状態７０％のデータは、○印により示される。
【００２７】
図３（Ａ）は、図２の検出電流及び検出電圧のデータから、分極指数ＰがＰ＜−１００である検出電流及び検出電圧のデータを抽出（選別）してプロットしたプロット分布図であり、図３（Ｂ）は、図２の検出電流及び検出電圧のデータから、分極指数ＰがＰ＞４００となる検出電流及び検出電圧のデータを抽出（選別）してプロットしたプロット分布図である。
【００２８】
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す結果から理解できるように、分極指数Ｐに従って選別された検出電流及び検出電圧のデータ分布は、図２における分布とは対照的に、検出電流に対する検出電圧のプロット点の分布範囲が小さく（即ち、バラツキが少なく）、特に図３（Ａ）に示すＰ＜−１００の範囲では、検出電流に対する検出電圧のプロット点のバラツキが極めて少なくなっている。この結果から、分極指数Ｐに従って選別された検出電流と検出電圧の関係から、例えば最小２乗法による直線近似により、二次電池Ｂの内部抵抗を良好な精度で算出できることが確認された。
【００２９】
また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において、電流が正方向に増加すると、水素過電圧の影響により、電圧が見かけ上高くなることがわかる。従って、検出電流が充電方向に増加していくと、放電中に維持されていた検出電流と検出電圧との間の線形的な関係が損なわれることになる。この結果から、放電中の検出電流と検出電圧の関係、或いは、上述したような水素過電圧の影響を大きく受けない範囲の検出電流と検出電圧の関係を利用することにより、精度の良好な内部抵抗の算出が可能であることが確認された。
【００３０】
更に、本発明の発明者は、放電中の検出電流と検出電圧の線形的な関係のロバスト性を検証するため、放電が継続する放電分極状態において充電が実施された場合の電流値と電圧値を測定した。図４は、鉛蓄電池である二次電池Ｂに対して、放電を続けた状態から２秒間充電を行い、続いて放電を行った場合における、電圧、電流、及び上記式１で求めた分極指数Ｐの関係を示している。ここで、電流Ｉ＞０を充電、Ｉ＜０を放電とする。
【００３１】
図４に示す結果から理解できるように、放電が続く放電分極状態であっても充電が行われ、再び放電が続いた場合には、充電後数秒間は、電流と電圧の関係が非線形となることがわかる。この数秒間は、約３秒であり、充電分極状態で放電が行われた場合でもほぼ同じであり、電流値や電池温度、二次電池の充電状態、充放電時間が違う場合でもほぼ同じであった。この結果から、この充電後数秒間の検出電流と検出電圧の関係を用いることなく内部抵抗を算出することで、内部抵抗の算出精度の低下を防止できることが見出された。
【００３２】
＜本発明による内部抵抗検出方法＞
次に、本発明による内部抵抗検出方法を実現するための制御プログラムの作動について図５を用いて説明する。
【００３３】
車両のイグニッションスイッチＩＧのオンにより、制御プログラムの実行が開始されると、ステップ１００において、後述する二次電池の分極状態を表す指数Ｐの値をゼロに、内部抵抗Ｒの算出に使用する一時記憶データ数Ｎをゼロにリセットし、さらに、充放電状態を監視するための指数Ｐ３の値を０（秒）にリセットする。
【００３４】
次いで、ステップ１１０から２２０の処理をサンプリング周期Δｔ毎に実施する。ステップ１１０では、電流センサ４０の検出電流I、電圧センサ５０の検出電圧Ｖが読み込まれる。続くステップ１２０において、二次電池Ｂの分極状態を表す指数Ｐが、上記式１に基づき、ステップ１１０で読み込んだ検出電流Iに応じて算出される。
【００３５】
指数Ｐが算出されると、続くステップ１３０において、指数Ｐが所定値、例えば０（Ａ・ｓｅｃ）よりも小さいか否か（−３００＜Ｐ＜−１００といった範囲を指定するようにしてもよい）、且つ、検出電流Ｉが例えば０（Ａ）よりも小さいか否か、且つ、充放電状態を監視するための指数Ｐ３（後に詳説する）が０以下（Ｐ３≦０）であるか否かが判定される。いずれかの条件が満たされない場合は、ステップ１９０に進み、すべての条件が満たされた場合は、続くステップ１４０で、上記検出電流Iと検出電圧Ｖをマイクロコンピュータ７０のＲＡＭに一時記憶すると共に記憶データ数Ｎを１増加させる。
【００３６】
ステップ１５０では、記憶データ数Ｎが所定の数を超えたか否かや、記憶電流値の範囲が所定値以上あるか否かといった、算出条件が成立しているか否かの判定が行われる。判定が否定された場合は、ステップ１９０に進み、肯定された場合は、ステップ１６０に進む。尚、算出に必要な記憶データ数Ｎは、次のステップ１６０による算出時に必要とされる算出精度や、上記ステップ１３０での選別条件等に依存する。
【００３７】
ステップ１６０では、ＲＡＭに一時記憶された一時記憶データを用いて、例えば最小２乗法により二次電池Ｂの内部抵抗Ｒを算出し、記憶データ数Ｎと一時記憶データの初期化を行う。或いは、この初期化を行わずに一時記憶した移動平均データ（最新のデータが記憶されたときに最も古いデータを破棄する方式により得られる一定数の記憶データ）に対し最小２乗法を用いて内部抵抗Ｒを算出するようにしてもよい。これらの算出に使用される一時記憶データは、上記ステップ１３０により分極指数Ｐ及び検出電流Ｉに基づき選別されたバラツキの少ないデータ（図３参照）であるので、内部抵抗Ｒの算出精度が向上されることになる。
【００３８】
ステップ１７０では、ステップ１６０で算出した内部抵抗Ｒが所定値Ｒ_{Ｌｉｍｉｔ}よりも小さいか否かの判定が行われる。判定が否定された場合は、ステップ１８０に進み、ユーザに注意を喚起するための警告表示がマイクロコンピュータ７０に指示されてよく、或いは、内部抵抗Ｒの増加に対応した制御、例えば充電（調整）電圧を高めに設定したフロート充電制御への移行がマイクロコンピュータ７０に指示されてもよい。尚、このフロート充電制御が実行されると、二次電池Ｂが完全な充電状態に維持されることになる。
【００３９】
ここで、二次電池Ｂの内部抵抗Ｒは温度に応じて変化するため、電池温度Ｔを検出する手段（図示せず）を追加し、検出温度Ｔに応じて上記内部抵抗Ｒを補正して所定値Ｒ_{Ｌｉｍｉｔ}と比較するようにしてもよい。図６は、例えば鉛蓄電池である二次電池Ｂの電池温度Ｔと内部抵抗Ｒの一例（放電深度ＤＯＤ５％時）を示したものである。この場合、上記検出温度Ｔに応じて上記内部抵抗Ｒに図６に示す補正係数Ｋの逆数を掛けた値と所定値Ｒ_{Ｌｉｍｉｔ}の比較を行うようにすればよい。このような比較の結果、ステップ１７０で判定が肯定された場合は、続くステップ１９０へ進む。
【００４０】
ステップ１９０では、検出電流Ｉがゼロよりも大きいか否かの判定が行われる。判定が否定された場合は、ステップ２００に進み、上記指数Ｐ３が、Ｐ３＝Ｐ３’−Δｔなる式に基づき、１周期前の指数Ｐ３’とサンプリング周期Δｔに応じて算出される。判定が肯定された場合は、続くステップ２１０で、例えば３秒前までの充放電状態を監視するために指数Ｐ３を３（秒）にセットする。これにより、充電が行われると充電後少なくとも３秒間、上記ステップ１３０でＰ３≦０の条件を満足しないため、検出電流Iと検出電圧Ｖが内部抵抗Ｒの算出用のデータとしてＲＡＭに一時記憶されることが防止される。この結果、放電分極状態で、さらに３秒前から現在の間に充電が行われていない場合の一時記憶データのみが算出に利用されるので、内部抵抗Ｒの算出精度が一層向上されることになる。尚、この３秒は、図４に示すように放電分極状態（Ｐ＜０）であっても途中で充電が行われ、続いて放電が行われた場合に、電流と電圧の関係が３秒間、非線形となることに着目して設定されている。
【００４１】
ステップ２２０では、イグニッションスイッチＩＧがオフされたか否かを判定し、判定が否定された場合は、ステップ１１０以後の処理が繰り返される。一方、判定が肯定された場合は、処理を終了する。
【００４２】
以上説明したように、本発明によると、放電分極状態であり、且つ、３秒前から現在の間に充電が行われていない場合における放電中の電流と電圧を用いて二次電池Ｂの内部抵抗Ｒが算出されるので、非常に良好な精度で二次電池の内部抵抗を算出できるようになる。
【００４３】
尚、特許請求の範囲に記載した「分極状態検出手段」は、発明の詳細な説明に記載した制御プログラムのステップ１３０をマイクロコンピュータ７０が実行することによって実現されている。
【００４４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。例えば、上述した実施例におけるステップ１３０では、一例として、検出電流Ｉが０（Ａ）よりも小さいか否かが判定されているが、０（Ａ）以外の所定値を使用してもよい。この所定値は、０（Ａ）より小さくてよいことは勿論であるが、図３（Ａ）を参照して説明したように、水素過電圧に影響を受けない範囲内の値であれば、電流と電圧の線形的な関係が損なわれることなく、同等に高精度な内部抵抗の算出を実現することができる。
【００４５】
また、上述した実施例においては、分極状態を判断するために、式１で定義された分極指数を使用していたが、特にこの式１に限定されるものではなく、式１に変更を加えた式、同一の観点から導出された式若しくはその類の式を本発明に適用することもできる。また、上述の式に代わって、密度計、濃度計、比重計若しくはその類を用いることにより、分極状態を物理的に判断してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したようなものであるから、以下に記載されるような効果を奏する。請求項１の発明によると、放電分極状態の検出電流と検出電圧を選別するので、バラツキの少ない電流と電圧の関係に基づいて内部抵抗を算出することができる。
【００４７】
また、請求項２の発明によると、放電分極状態における充電の実施に起因して非線形な関係となるデータが破棄されるので、二次電池の内部抵抗を更に高精度に算出することができる。
【００４８】
また、請求項３又は４の発明によると、請求項１又は２の発明の効果に加えて、水素過電圧の影響を受けることのない高精度な内部抵抗の算出を達成することができる。また、請求項５の発明によると、計算処理の負担が軽減される。また、請求項６の発明によると、安全性が一層向上された充電制御システムを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両用バッテリを充電制御する充電制御システム９０を示す図である。
【図２】検出電流値に対する検出電圧値の選別前の分布状態を示すプロット図である。
【図３】検出電流値に対する検出電圧値の選別後の分布状態を示すプロット図であり、図３（Ａ）は、Ｐ＜−１００による選別結果、図３（Ｂ）は、Ｐ＞４００による選別結果を示す。
【図４】放電分極状態における充電の実施の影響を示す図であり、電圧、電流、及び分極指数Ｐの関係を示す。
【図５】本発明によるマイクロコンピュータ７０の動作を示すフローチャートである。
【図６】二次電池の電池温度と内部抵抗の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０交流発電機
２０整流器
３０レギュレータ
４０電流センサ
５０電圧センサ
７０マイクロコンピュータ
９０充電制御システム
Ｂ二次電池
Ｌ電気的負荷[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal resistance detection device for a secondary battery, and more particularly to an internal resistance detection device for a secondary battery that can accurately calculate the internal resistance using data that is less influenced by polarization.
[0002]
[Prior art]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-319100 and Japanese Patent Laid-Open No. 2000-123886 discloses a technique for detecting a current in use of a battery at a constant sampling period and detecting a polarization state of the battery from the detected current. A technique is disclosed that uses an index called a polarization index indicating the degree of influence of polarization based on the change in solution concentration and the amount of solution. By using this polarization index, it becomes possible to predict the polarization state of the battery by monitoring the detected current while the vehicle is running, and thereby to accurately detect the state of charge (SOC) of the battery. Become.
[0003]
Also, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-258514, the relationship between the electromotive force measured in advance and the state of charge of the battery is corrected using the polarization electromotive force calculated in consideration of the charge / discharge history of the battery current. Techniques to do this are disclosed. According to this technique, since the influence of the polarization electromotive force of the battery is appropriately compensated, the state of charge of the battery can be accurately detected.
[0004]
For example, in JP-A-8-29506, in order to avoid the influence of the polarization of the battery, the stop state of the vehicle is confirmed, and from the relationship between the discharge current from the battery and the battery voltage in the vehicle acceleration state immediately after that, A technique for calculating the internal resistance of a battery is disclosed. This technology accurately calculates the internal resistance of the battery by utilizing the fact that the discharge current during acceleration immediately after the vehicle stops changes linearly from zero without being affected by polarization.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the increase in the internal resistance of the battery causes a decrease in the startability of the engine or the like, it is possible to prevent the decrease in the startability beforehand by accurately detecting the increase in the internal resistance of the battery. It is valid. In order to calculate the internal resistance of the battery with high accuracy, it is necessary to consider the polarization state of the battery as in the determination of the state of charge of the battery.
[0006]
However, the relationship between the current and voltage used to calculate the internal resistance of the battery may depend on the polarization state of the battery in a completely different manner than the relationship used when detecting the state of charge of the battery. For example, the relationship between current and voltage has different characteristics depending on whether the battery is being charged or discharged, even when the battery is in the same polarization state. In addition, even in a discharge polarization state where discharge continues, if the discharge continues again after being charged, the linearity of the relationship between current and voltage is impaired for a few seconds after the charge. Have. These characteristics have been confirmed by tests by the inventors of the present invention, and will be described in detail later. Therefore, it is desirable to calculate the internal resistance of the battery after accurately recognizing these characteristics.
[0007]
On the other hand, the techniques described in JP-A-10-319100, JP-A-2000-123886, and JP-A-2000-258514 determine the state of charge of a battery in consideration of the degree of influence of polarization. Does not mention a technique for calculating the internal resistance of a battery in consideration of the degree of influence of polarization.
[0008]
The technique described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-29506 uses a detection value at the time of acceleration immediately after the vehicle is stopped, which is not affected by polarization. In this publication, the detection value during vehicle travel is used. No mention is made of a technique for calculating the internal resistance.
[0009]
Therefore, the present invention is a novel and useful secondary battery capable of calculating the internal resistance of the secondary battery with high accuracy in consideration of the effect of polarization and the characteristics of the relationship between current and voltage even while the vehicle is running. It is an object of the present invention to provide a battery internal resistance detection device and a charge control system using the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The object is to detect the voltage of the secondary battery, the current detection means for detecting the current flowing through the secondary battery, and the polarization state of the secondary battery. Polarization state detecting means,
When the polarization state of the secondary battery is a predetermined discharge polarization state, voltage data and current data of the secondary battery are stored as storage data, and when the number of the storage data exceeds a predetermined number, This is achieved by a secondary battery internal resistance detection device that calculates the internal resistance of the secondary battery using the stored data.
[0011]
According to the above invention, the polarization state of the secondary battery is detected by the polarization state detection means, and only the current data and voltage data of the discharge polarization state in which the discharge is continued are used to calculate the internal resistance of the secondary battery. Since it is selected, the internal resistance of the secondary battery can be calculated with high accuracy. In other words, in the discharge polarization state, considering that the variation in the detection voltage for each detection current is smaller than in the charge polarization state, only the relationship between the current and voltage in the discharge polarization state is used for calculating the internal resistance. The calculation of the internal resistance with very little error can be achieved. The polarization state detection means may determine the polarization state of the secondary battery using the polarization index, or may determine using a density meter, a densitometer, a hydrometer or the like.
[0012]
Further, as described in claim 2, in the internal resistance detection device for a secondary battery according to claim 1, the polarization state of the secondary battery is a predetermined discharge polarization state, and the number of the secondary batteries is several. If the voltage data and current data of the secondary battery are stored as stored data when the battery has not been charged before a second, the internal resistance of the secondary battery can be calculated with higher accuracy.
[0013]
In other words, even in the discharge polarization state, it takes into account that the relationship between current and voltage becomes non-linear for a few seconds after charging, and the non-linear relationship between current and voltage is used to calculate internal resistance. By not, the internal resistance of the secondary battery can be calculated with higher accuracy. In addition, the above-mentioned “do not use the non-linear relationship between current and voltage for calculation of internal resistance” means that when storing current data and voltage data used for calculation of internal resistance, the charge / discharge history for the last few seconds is stored. This is realized by not storing the current data and voltage data detected in the previous few seconds as stored data even if the battery is charged in the previous few seconds even in the discharge polarization state. May be.
[0014]
Further, in the internal resistance detection device for a secondary battery according to

claim

1 or 2, as described in claim 3, the polarization state of the secondary battery is a predetermined discharge polarization state, and the current detection means When the value of the current detected by the battery is smaller than a predetermined value when charging is defined as positive, the voltage data and current data of the secondary battery are stored as storage data, or
5. The voltage data of the secondary battery when the polarization state of the secondary battery is a predetermined discharge polarization state and the current detected by the current detection means is a discharge current. If the current data is stored as storage data, the internal resistance of the secondary battery can be calculated with higher accuracy.
[0015]
That is, in the discharge polarization state, when the detected current is a charge current and becomes larger than a predetermined value, the voltage is apparently increased due to the hydrogen overvoltage, and the relationship between the current and the voltage becomes nonlinear. By using only the relation between the current and the voltage that are maintained for the calculation of the internal resistance, the calculation of the internal resistance with less error can be achieved.
[0016]
Moreover, as described in claim 5, in the internal resistance detection device for a secondary battery according to any one of claims 1 to 4, the stored data is moving average data, and the secondary battery has the above-described data. If the internal resistance is calculated by the method of least squares with respect to the moving average data, the calculation of the internal resistance becomes easy and the calculation accuracy is improved.
[0017]
Further, as described in claim 6, the object is to provide an internal resistance detecting device for a secondary battery according to any one of claims 1 to 5, and a temperature detecting means for detecting the temperature of the secondary battery. Including
The value of the internal resistance of the secondary battery calculated by the internal resistance detection device is corrected according to the temperature of the secondary battery, and the secondary battery when the corrected internal resistance exceeds a predetermined value. This is achieved by a charge control system characterized by determining that the battery has deteriorated.
[0018]
According to the above invention, since the deterioration of the secondary battery accompanying the increase in the internal resistance is detected based on the internal resistance calculated with high precision, the startability of the engine or the like is reliably prevented from being lowered. The safety of the charge control system can be further increased.
[0019]
Other objects, configurations, and effects of the present invention will become more apparent from the following description of embodiments with reference to the drawings.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an embodiment of a charging control system 90 for controlling charging of a vehicle battery using the internal resistance detection method according to the present invention. In addition, this battery is comprised by the secondary battery B like a lead storage battery.
[0021]
As shown in FIG. 1, the charging control system 90 includes an AC generator 10 (hereinafter referred to as a generator 10), a rectifier 20, and a regulator 30. The generator 10 is driven by a vehicle engine to generate an alternating voltage. The rectifier 20 rectifies the AC voltage of the generator 10 to generate a rectified voltage and supplies it to the secondary battery B and the regulator 30. The regulator 30 adjusts the rectified voltage of the rectifier 20 and outputs it to the secondary battery B and the electrical load L under the control of the microcomputer 70 described later.
[0022]
The charging control system 90 includes a current sensor 40, a voltage sensor 50, and a microcomputer 70. The current sensor 40 detects the charging current or discharging current of the secondary battery B at a predetermined sampling period. Similarly, the voltage sensor 50 detects the terminal voltage of the secondary battery B at a predetermined sampling period. The microcomputer 70 executes a control program according to a flowchart described later. During execution of this control program, the microcomputer 70 detects the current detected by the current sensor 40 (hereinafter referred to as “detected current”) and the terminal voltage detected by the voltage sensor 50 (hereinafter referred to as “detected voltage”). ) To calculate the internal resistance of the secondary battery B, and perform processing necessary for control of the regulator 30, data storage processing, and the like. Note that the microcomputer 70 is always in operation by being supplied with power from the secondary battery B, and starts execution of a control program described later when the ignition switch IG of the vehicle is turned on. This control program is stored in advance in the ROM of the microcomputer 70.
[0023]
<Polarization index>
The internal resistance detection method according to the present invention uses a polarization index P given by the following equation as an index representing a polarization state (degree of influence of polarization).
[0024]
[Expression 1]

This polarization index P (unit: A · sec) expresses the solution concentration in the vicinity of the electrode as an electric quantity, and considers the change in the solution concentration in the vicinity of the electrode due to charge and discharge and the elimination due to diffusion. In this specification, a state where the polarization index P is P <0 is referred to as a discharge polarization state where discharge is continued, and a state where P ≧ 0 is a charge polarization state where charging is continued. Called.
[0025]
Here, in Expression 1, I is a current (A) flowing through the secondary battery B, where I> 0 is charged and I <0 is discharged. γ is a correction term for a change in charging efficiency of the secondary battery B (a value of 0 to 1 is obtained when the secondary battery B is charged, but is approximately 1 when charging and discharging are repeated). t is time (seconds). Id is a correction term due to polarization in the secondary battery B. If P ′ is the value of the index P one period before t1, and a and b are constants, Id = a × P ′ when P ′> 0, and Id when P ′ = 0. = 0, and when P ′ <0, Id = b × P ′. The reason why the constants a and b are properly used is that the influence time of polarization is different after discharge and after charge. Note that Equation 1 is stored in advance in the ROM of the microcomputer 70.
[0026]
<Selection result of current-voltage characteristics>
The inventor of the present invention selected the current-voltage characteristics of the same polarization state using the polarization index P. FIG. 2 is a plot distribution diagram before selection in which the detected current from the current sensor 40 and the detected voltage from the voltage sensor 50 are plotted for each sampling, where the detected current I> 0 is charged and I <0 is discharged. The two secondary batteries B used had a state of charge (SOC) of 95% and 70%, respectively, and the state of charge was maintained during the detection. 2 and FIG. 3 to be referred to later, the data of the state of charge 95% is indicated by ▲, and the data of the state of charge 70% is indicated by ◯.
[0027]
FIG. 3A is a plot distribution diagram in which detection current and detection voltage data having a polarization index P of P <−100 is extracted (selected) from the detection current and detection voltage data of FIG. 2 and plotted. FIG. 3B is a plot distribution diagram in which detection current and detection voltage data with a polarization index P of P> 400 are extracted (selected) and plotted from the detection current and detection voltage data of FIG. .
[0028]
As can be understood from the results shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), the data distribution of the detected current and the detected voltage selected according to the polarization index P is in contrast to the distribution in FIG. The distribution range of the detection voltage plot points is small (that is, there is little variation), and particularly in the range of P <−100 shown in FIG. 3A, the variation of the detection voltage plot points is extremely small. . From this result, it was confirmed that the internal resistance of the secondary battery B can be calculated with good accuracy from the relationship between the detected current and the detected voltage selected according to the polarization index P, for example, by linear approximation using the least square method.
[0029]
Further, in FIGS. 3A and 3B, it can be seen that when the current increases in the positive direction, the voltage apparently increases due to the influence of the hydrogen overvoltage. Therefore, when the detection current increases in the charging direction, the linear relationship between the detection current and the detection voltage maintained during discharge is lost. From this result, by using the relationship between the detection current and the detection voltage during discharge, or the relationship between the detection current and the detection voltage in a range that is not greatly affected by the hydrogen overvoltage as described above, it is possible to obtain a highly accurate internal resistance. It was confirmed that it is possible to calculate
[0030]
Furthermore, in order to verify the robustness of the linear relationship between the detected current and the detected voltage during discharge, the inventor of the present invention verifies the current value and voltage value when charging is performed in the discharge polarization state where discharge continues. Was measured. FIG. 4 shows the voltage, current, and polarization index obtained by the above equation 1 when the secondary battery B, which is a lead storage battery, is charged for 2 seconds from the state of continuous discharge and then discharged. The relationship of P is shown. Here, current I> 0 is charged, and I <0 is discharged.
[0031]
As can be understood from the results shown in FIG. 4, when the discharge is continued even in the discharge polarization state, and the discharge continues again, the relationship between the current and the voltage becomes nonlinear for a few seconds after the charge. I understand that. This few seconds is about 3 seconds, and it is almost the same even when discharge is performed in the charge polarization state, and is almost the same even when the current value, battery temperature, secondary battery charge state, and charge / discharge time are different. there were. From this result, it has been found that by calculating the internal resistance without using the relationship between the detection current and the detection voltage for several seconds after the charging, it is possible to prevent a decrease in the calculation accuracy of the internal resistance.
[0032]
<Internal Resistance Detection Method According to the Present Invention>
Next, the operation of the control program for realizing the internal resistance detection method according to the present invention will be described with reference to FIG.
[0033]
When execution of the control program is started by turning on the ignition switch IG of the vehicle, in step 100, a value of an index P representing a polarization state of a secondary battery, which will be described later, is set to zero, and is temporarily used for calculating the internal resistance R. The number N of stored data is reset to zero, and the value of the index P3 for monitoring the charge / discharge state is reset to 0 (seconds).
[0034]
Next, the processing of steps 110 to 220 is performed every sampling period Δt. In step 110, the detection current I of the current sensor 40 and the detection voltage V of the voltage sensor 50 are read. In the following step 120, the index P representing the polarization state of the secondary battery B is calculated according to the detected current I read in step 110 based on the above equation 1.
[0035]
When the index P is calculated, in the subsequent step 130, it is possible to designate whether or not the index P is smaller than a predetermined value, for example, 0 (A · sec) (−300 <P <−100). ) And whether or not the detected current I is smaller than, for example, 0 (A), and whether or not an index P3 (detailed later) for monitoring the charge / discharge state is 0 or less (P3 ≦ 0) Is determined. If any of the conditions is not satisfied, the process proceeds to step 190. If all the conditions are satisfied, the detected current I and the detected voltage V are temporarily stored in the RAM of the microcomputer 70 and stored in subsequent step 140. The number of data N is increased by 1.
[0036]
In step 150, it is determined whether or not a calculation condition is satisfied, such as whether or not the number N of stored data exceeds a predetermined number and whether or not the range of the stored current value is greater than or equal to a predetermined value. If the determination is negative, the process proceeds to step 190, and if the determination is affirmative, the process proceeds to step 160. Note that the number N of stored data necessary for the calculation depends on the calculation accuracy required at the time of calculation in the next step 160, the selection condition in the above step 130, and the like.
[0037]
In step 160, the internal resistance R of the secondary battery B is calculated by using, for example, the least square method using the temporarily stored data temporarily stored in the RAM, and the number of stored data N and the temporarily stored data are initialized. Or, using the least-squares method for the moving average data temporarily stored without this initialization (a fixed number of stored data obtained by discarding the oldest data when the latest data is stored) The resistance R may be calculated. Since the temporary storage data used for these calculations is data (see FIG. 3) with little variation selected based on the polarization index P and the detected current I in step 130, the calculation accuracy of the internal resistance R is improved. Will be.
[0038]
In Step 170, it is determined whether or not the internal resistance R calculated in Step 160 is smaller than a predetermined value R _Limit . If the determination is negative, the routine proceeds to step 180 where a warning display for alerting the user may be instructed to the microcomputer 70, or control corresponding to the increase in the internal resistance R, for example, charging (adjustment) The microcomputer 70 may be instructed to shift to the float charge control in which the voltage is set high. Note that when the float charging control is executed, the secondary battery B is maintained in a completely charged state.
[0039]
Here, since the internal resistance R of the secondary battery B changes according to the temperature, a means (not shown) for detecting the battery temperature T is added, and the internal resistance R is corrected according to the detected temperature T. You may make it compare with predetermined value _RLimit . FIG. 6 shows an example of the battery temperature T and the internal resistance R of the secondary battery B which is a lead storage battery (when the discharge depth DOD is 5%). In this case, a value obtained by multiplying the internal resistance R by the reciprocal of the correction coefficient K shown in FIG. 6 in accordance with the detected temperature T may be compared with a predetermined value R _Limit . As a result of such comparison, if the determination in step 170 is affirmative, the process proceeds to subsequent step 190.
[0040]
In step 190, it is determined whether or not the detected current I is greater than zero. If the determination is negative, the routine proceeds to step 200, where the index P3 is calculated according to the index P3 ′ one period before and the sampling period Δt based on the expression P3 = P3′−Δt. If the determination is affirmative, in step 210, the index P3 is set to 3 (seconds) in order to monitor the charge / discharge state up to 3 seconds before, for example. As a result, when charging is performed, the detection current I and the detection voltage V are temporarily stored in the RAM as data for calculating the internal resistance R because the condition of P3 ≦ 0 is not satisfied in step 130 for at least 3 seconds after charging. Is prevented. As a result, only the temporarily stored data in the discharge polarization state when charging is not performed for 3 seconds before the present time is used for the calculation, so that the calculation accuracy of the internal resistance R is further improved. Become. Note that, for 3 seconds, as shown in FIG. 4, even in the discharge polarization state (P <0), charging is performed in the middle, and when discharging is subsequently performed, the relationship between current and voltage is 3 seconds. It is set paying attention to being non-linear.
[0041]
In step 220, it is determined whether or not the ignition switch IG is turned off. If the determination is negative, the processing from step 110 is repeated. On the other hand, if the determination is affirmative, the process ends.
[0042]
As described above, according to the present invention, the internal state of the secondary battery B using the current and voltage during discharge when the battery is in a discharge polarization state and has not been charged for 3 seconds before. Since the resistance R is calculated, the internal resistance of the secondary battery can be calculated with very good accuracy.
[0043]
The “polarization state detecting means” described in the claims is realized by the microcomputer 70 executing the step 130 of the control program described in the detailed description of the invention.
[0044]
The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Can be added. For example, in step 130 in the above-described embodiment, as an example, it is determined whether or not the detected current I is smaller than 0 (A), but a predetermined value other than 0 (A) may be used. Of course, the predetermined value may be smaller than 0 (A), but as described with reference to FIG. 3 (A), if the value is within a range not affected by the hydrogen overvoltage, the current is The internal resistance can be calculated with high accuracy without impairing the linear relationship between voltage and voltage.
[0045]
In the above-described embodiment, the polarization index defined by Equation 1 is used to determine the polarization state. However, the polarization index is not particularly limited to Equation 1, and Equation 1 is modified. It is also possible to apply to the present invention, a formula derived from the same viewpoint, or a similar formula. Further, the polarization state may be physically determined by using a density meter, a densitometer, a hydrometer or the like instead of the above formula.
[0046]
【The invention's effect】
Since the present invention is as described above, the following effects can be obtained. According to the first aspect of the invention, since the detection current and the detection voltage in the discharge polarization state are selected, the internal resistance can be calculated based on the relationship between the current and the voltage with little variation.
[0047]
According to the second aspect of the present invention, since the data having a non-linear relationship is discarded due to the charging in the discharge polarization state, the internal resistance of the secondary battery can be calculated with higher accuracy.
[0048]
According to the invention of claim 3 or 4, in addition to the effect of the invention of

claim

1 or 2, it is possible to achieve highly accurate calculation of internal resistance that is not affected by hydrogen overvoltage. Further, according to the invention of claim 5, the burden of calculation processing is reduced. According to the invention of claim 6, it is possible to achieve a charge control system with further improved safety.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a charging control system 90 for controlling charging of a vehicle battery.
FIG. 2 is a plot diagram illustrating a distribution state before selection of a detection voltage value with respect to a detection current value.
FIG. 3 is a plot diagram showing a distribution state after selection of a detected voltage value with respect to a detected current value. FIG. 3 (A) shows a selection result based on P <−100, and FIG. 3 (B) shows a result based on P> 400. The sorting result is shown.
FIG. 4 is a diagram showing the effect of charging in a discharge polarization state, and shows the relationship between voltage, current, and polarization index P;
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the microcomputer 70 according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between battery temperature and internal resistance of a secondary battery.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 AC generator 20 Rectifier 30 Regulator 40 Current sensor 50 Voltage sensor 70 Microcomputer 90 Charging control system B Secondary battery L Electric load

Claims

Voltage detection means for detecting the voltage of the secondary battery, current detection means for detecting the current flowing through the secondary battery, and polarization state detection means for detecting the polarization state of the secondary battery,
When the polarization state of the secondary battery is a predetermined discharge polarization state, voltage data and current data of the secondary battery are stored as storage data, and when the number of the storage data exceeds a predetermined number, An internal resistance detection device for a secondary battery, wherein the internal resistance of the secondary battery is calculated using the stored data.

When the secondary battery is in a predetermined discharge polarization state and the secondary battery is not charged several seconds ago, the secondary battery voltage data and current data are stored as data. The internal resistance detection apparatus of the secondary battery of Claim 1 memorize | stored as.

When the polarization state of the secondary battery is a predetermined discharge polarization state and the current value detected by the current detection means is smaller than a predetermined value when charging is defined as positive, the secondary battery The internal resistance detection device for a secondary battery according to claim 1, wherein the battery voltage data and current data are stored as storage data.

When the polarization state of the secondary battery is a predetermined discharge polarization state and the current detected by the current detection means is a discharge current, the voltage data and current data of the secondary battery are stored as storage data. The internal resistance detection device for a secondary battery according to claim 1 or 2.

5. The secondary battery according to claim 1, wherein the stored data is moving average data, and the internal resistance of the secondary battery is calculated by a least square method for the moving average data. 6. Internal resistance detection device.

An internal resistance detection device for a secondary battery according to any one of claims 1 to 5, and a temperature detection means for detecting the temperature of the secondary battery,
The value of the internal resistance of the secondary battery calculated by the internal resistance detection device is corrected according to the temperature of the secondary battery, and the secondary battery when the corrected internal resistance exceeds a predetermined value. It is judged that the battery has deteriorated, The charge control system characterized by the above-mentioned.