JP2006149070A

JP2006149070A - 車両用バッテリー残存容量演算装置

Info

Publication number: JP2006149070A
Application number: JP2004335020A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Aoyama; 潔青山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】従来の電流積算方式に比べて更に高精度にバッテリーの残存容量を計測可能な車両用バッテリー残存容量演算装置を提供すること。
【解決手段】車載電池２０の暗電流放電による残存容量ＳＯＣのロスをマイクロコンピュータ４に内蔵したタイマーを用いて算出し、残存容量ＳＯＣを補正することにより、簡素な回路構成で正確な残存容量ＳＯＣを得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用バッテリー残存容量演算装置に関する。

車両用バッテリーの残存容量演算方式としては種々の方法が知られている。特に、たとえば下記の特許文献１に記載されるようなバッテリーの充放電電流を検出して積算する電流積算方式は、バッテリ電圧を用いたものに比べて精度に優れるため、残存容量（ＳＯＣ）演算方式として広く用いられている。
特開２００４−８５５７４号公報

しかしながら、近年、車両にはますます多種類の電子回路装置が搭載されるようになってきた。これらの電子回路装置の多くは、イグニッションスイッチをオフした状態でも早期の動作開始や通信維持などのために作動している回路部分（常時オン回路とも言う）を有しているため、イグニッションスイッチをオフした状態でのバッテリーリの放電（以下、暗電流放電とも言う）が無視できない状態になってきた。このような常時オン回路の一例としては、たとえば車両のセキュリティシステムや駐車中の換気装置などがある。

しかしながら、従来の電流積算のために用いる電流センサの精度には実用上一定の限界があるため、上記した暗電流放電のごとき小電流を精度よく積算することが困難であった。その上、イグニッションスイッチをオフした状態でかつバッテリーの放電電流が暗電流放電のごとき小電流値である場合（以下、スリープ期間又はスリープモードとも言う）には、電流センサやその積算回路やそれらに定電圧電源電力を給電する電源回路などの消費電流がそれ以外の暗電流を上回ってしまうため、スリープ期間にこのような電流積算を継続することはバッテリーの残存容量延長の目的からも逸脱することになり、非現実的である。

このため、従来の車両用バッテリーは、たとえば駐車状態を長期に継続したりすると、上記暗電流放電により残存容量が減少し、場合によってはエンジンを始動できないという事態に陥ることになる。

その他、たとえエンジンが始動できたとしても、上記スリープ期間における暗電流放電による残存容量の減少は、スリープ期間終了後に再度電流積算を開始しても算出が不能であるために、スリープ期間終了後に電流積算方式で求めたバッテリーの残存容量は不正確な値となって、予期しない残存容量の減少による種々の問題を派生する。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、従来の電流積算方式に比べて更に高精度にバッテリーの残存容量を計測可能な車両用バッテリー残存容量演算装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明の車両用バッテリー残存容量演算装置は、車載のバッテリーから電源電力を給電されるとともに前記バッテリーの充放電電流を検出する電流センサと、前記バッテリーから電源電力を給電されるとともに前記充放電電流を積算することにより前記バッテリーの残存容量を算出する残存容量演算回路とを備える車両用バッテリー残存容量演算装置において、前記バッテリーの通常の充放電及び前記残存容量演算回路の前記算出が休止するスリープ期間にこのスリープ期間の長さをカウントするスリープ時間計測タイマーを有し、前記残存容量演算回路は、少なくとも前記スリープ期間の終了直後において、前記バッテリーが前記スリープ期間に放電する所定の暗電流値に前記スリープ期間を掛けて前記スリープ期間における前記バッテリーのスリープ期間放電量を推定し、前記バッテリーの残存容量のスリープ期間直前の値から前記スリープ期間放電量を差し引いて前記バッテリーの残存容量を算出することを特徴としている。

すなわち、この発明は、車載バッテリーの放電電流が測定に適さない小値となり、電流検出回路機能や積算回路機能への電源電力供給も望ましくない状態、すなわちこれら回路機能がスリープモードに陥った場合においても、これら回路にはタイマー機能だけは残存していることが普通であることに着目したものである。

このタイマー機能を利用して本発明ではスリープモードが持続する期間すなわちスリープ期間の長さをカウントし、スリープ期間終了後に一定のスリープ期間放電電流値（暗電流値）をこのスリープ期間に掛けて、スリープ期間の放電電流を積算する。これをスリープ期間積算電流値と呼ぶ。スリープ期間における放電電流は、常時電力を消費する特定の電子回路負荷の消費電流や車両用バッテリーの自己放電量であり、ほぼ一定とみなすことができる。

したがって、たとえスリープ期間が長期にわたったとしても、この期間の放電量を簡単な方法でほぼ正確に積算電流値に加えることができ、積算誤差を低減してバッテリーの残存容量の検出精度を向上することができる。また、この暗電流積算のための回路構成の複雑化やバッテリ放電の増大を生じない。

好適な態様において、前記残存容量演算回路は、前記スリープ期間中に定期的に現時点までの前記スリープ期間放電量を推定し、前記バッテリーの残存容量のスリープ期間直前の値から前記スリープ期間放電量を差し引いて現時点の前記バッテリーの残存容量を算出し、前記バッテリーの残存容量が所定しきい値以下かどうかを判定する。すなわち、この態様では、残存容量演算回路がスリープ期間中に定期的にアウエイクして暗電流放電による現時点のバッテリーの残存容量の減少を調べるため、スリープ期間が長期にわたってもバッテリーの残存容量がエンジン始動電力量もしくは所定の最小必要電力量以下に落ち込まないような対策を指示することが可能となる。

好適な態様において、前記しきい値は、エンジン始動に要する必須電力量よりも高いレベルに設定される。これにより、確実にエンジン始動を行うことができる。

好適な態様において、前記スリープ期間中の前記残存容量が所定しきい値以下となった場合に、イグニッションスイッチをオフした状態でのバッテリの放電電流を更に低減可能な所定の電気負荷の遮断乃至消費電力低減を指令する緊急暗電流低減回路を有する。これにより、この後のバッテリーの残存容量の減少を遅らせることができる。所定の電気負荷としては、エンターティンメント用の電子機器やナビゲーション用の電子機器などエンジン始動に必須の電子機器以外の電子機器が選択される。また、この時点でヘッドランプなどエンジン始動以外の電力機器のオンも禁止されることができる。

好適な態様において、前記スリープ期間中の前記残存容量が所定しきい値以下となった場合に、エンジン始動の安全性を確認した後、エンジンの自動始動を指令する緊急バッテリ充電指令回路を有する。これにより、燃料がある限り、バッテリーの上がりによるエンジン始動不能状態を防止することができる。エンジン始動の安全性としてはたとえばギャがパーキングレベルに入っているなどの状態を検出すればよい。

好適な態様において、前記スリープ期間は、前記バッテリーの放電電流が所定しきい値を下回るバッテリ小放電状態を生起する所定の外部信号により開始され、前記スリープ期間中に前記バッテリーの放電電流が所定しきい値を超えるバッテリ大放電状態を生起する所定の外部入力信号により終了する。これにより、電流が増大した期間には直ちに電流積算を行うので、電流変化に追従してバッテリーの残存容量を正確に算出することができる。

走行動力をエンジン動力のみで賄うエンジン車に本発明の車両用バッテリー残存容量演算装置の実施形態を以下に説明する。ただし、この発明の車両用バッテリー残存容量演算装置は、それ以外にハイブリッド車や燃料電池車に搭載した二次電池の管理にも採用することができる。

（回路構成）
図１は、本発明の車両用バッテリー残存容量演算装置を採用した車両用電池管理装置を示すブロック回路図である。この車両用電池管理装置は、外部センサ１、電圧検出回路２、Ａ／Ｄコンバータ３、マイクロコンピュータ４、マイコン用電源回路５、センサ用電源回路６、センサ側電源遮断スイッチ７、逆流遮断用のダイオード８を有している。Ａ／Ｄコンバータ３とマイクロコンピュータ４とはシリアルバス９により接続されている。外部センサ１以外の各回路は、ＢｉＣＭＯＳ半導体チップ製造技術により１チップマイクロコンピュータ１０として構成されている。２０は鉛バッテリからなる車載電池であり、車両用発電機３０から給電され、諸々の車両用電気負荷４０に給電している。

外部センサ１は、車載電池２０の充放電電流を検出する電流センサ１１と車載電池２０の温度を検出する温度センサ１２と、これらセンサの出力電圧を所定の大きさのアナログ電圧に増幅するアンプ１３とからなる。電圧検出回路２は、車載電池２０の電圧を所定の大きさのアナログ電圧に変換するオペアンプ回路からなる。アンプ１３及び電圧検出回路２の出力電圧はＡ／Ｄコンバータ３により時間順次にデジタル信号に変換されてシリアルバス９を通じてマイクロコンピュータ４に読み込まれる。車載電池２０は、逆流遮断用のダイオード８を通じてマイコン用電源回路５に給電し、逆流遮断用のダイオード８を及びセンサ側電源遮断スイッチ７を通じてセンサ用電源回路６に給電している。マイコン用電源回路５はマイクロコンピュータ４に電源電圧を印加し、センサ用電源回路６は外部センサ１、電圧検出回路２及びＡ／Ｄコンバータ３に電源電圧を印加している。センサ用電源回路６はマイコン用電源回路５よりも高精度に設計されている。

（動作説明）
この車両用マイコン装置の動作を説明する。マイクロコンピュータ４はレギュラーモードとスリープモードとアウエイクモードをもつ。マイクロコンピュータ４はイグニッションスイッチの動作信号などの外部信号により不図示のイグニッションキーがオンされているか否かを判定し、オンされている場合にレギュラーモードを選択し、オフされている場合にスリープモードを選択する。アウエイクモードについても後述するものとする。

（レギュラーモード）
図２に示すレギュラーモードのフローチャートを参照してこのレギュラーモードの動作を説明する。このレギュラーモードはイグニッションスイッチのオンによりスタートする。イグニッションスイッチのオンにより、不図示の組電池の電圧すなわちバッテリ電圧がマイコン用電源回路５に印加され、マイコン用電源回路５はマイクロコンピュータ４に５Ｖの定電圧電源電力を給電する。イグニッションスイッチのオンを示す始動信号がマイクロコンピュータ４は以下のレギュラーモードを開始する。

このレギュラーモードルーチンでは、まずマイコン各部をリセットし、センサ側電源遮断スイッチ７をオンする。これによりセンサ用電源回路６は外部センサ１、電圧検出回路２及びＡ／Ｄコンバータ３に高精度の定電圧電源電力を給電する。その後、これら外部センサ１、電圧検出回路２及びＡ／Ｄコンバータ３の動作状態が安定するまで短時間待機した後、Ａ／Ｄコンバータ３を通じて車載電池２０のバッテリ電圧Ｖ、充放電電流Ｉ、バッテリ温度Ｔを検出する。

マイクロコンピュータ４は、内蔵タイマが指示する一定時間Δｔｒごとに車載電池２０のバッテリ電圧Ｖ、充放電電流Ｉ、バッテリ温度Ｔを読み込み、今回の電流積算値ＩΔｔｒを演算し、この今回の電流積算値ＩΔｔｒを自己の累積レジスタに記憶されている過去の累積放電量に加算するか又は残存容量ＳＯＣから差し引いて今回の累積放電量又は今回の残存容量ＳＯＣとする。その後、所定の他のルーチンを実行する。この他のルーチンとしては、バッテリ温度Ｔが所定範囲にあるかどうかを判定するルーチンや、エンジン始動時にバッテリ電圧Ｖを検出し、このエンジン始動時のバッテリ電圧Ｖからバッテリの大電流時の放電能力を判定するルーチンや、バッテリ電圧Ｖや充放電電流Ｉからバッテリの過充電や過放電を判定するルーチン、電流積算誤差をキャンセルするための満充電状態や完全放電状態を判定するルーチン、算出した車載電池２０の残存容量を外部のＥＣＵに送信するルーチンなどがあるが、それらはこの実施例の要部ではないため説明を省略する。

次に、イグニッションスイッチがオフされたかどうか、更に、車載電池２０が大電流放電状態かどうかを判定し、オフされていなければ又は大電流放電状態であれば上記した車載電池２０の状態をモニタするルーチンを繰り返し、オフされていれば又は大電流放電状態でなければ、センサ側電源遮断スイッチ７をオフしてセンサ用電源回路６への給電を遮断してスリープモードを開始させる。

なお、ここで言う大電流放電状態とは、所定の電気負荷がオンしているため、電流積算を実行する必要がある放電電流を車載電池２０が放電している状態を言う。この大電流放電状態の判定は、電気負荷の作動状態を管理する車両ＥＣＵで行い、車両ＥＣＵが大電流放電状態と判定したら、レギュラーモードの維持を指令する所定の外部信号をマイクロコンピュータ４に送信することが最も簡単である。これにより、エンジン停止状態においてたとえばヘッドランプなどをオンしている期間でも正確に車載電池２０の残存容量ＳＯＣを計測することができる。その他、マイクロコンピュータ４自身が各電気負荷の断続状態をモニタしてもよく、あるいは車載電池２０の放電電流によりこの大電流放電状態の判定を行ってもよい。

これにより、イグニッションスイッチがオンされている期間には、車載電池２０の電流積算により車載電池２０の残存容量が定期的に測定され、かつ、車載電池２０の安全確保判定が定期的に行われる。なお、この実施例では、車載電池２０の電流積算により得た車載電池２０の残存容量の値は、イグニッションスイッチがオフされた後に実行されるスリープモード時でも保持されるものとするが、不揮発メモリなどに記憶してもよいことはもちろんであり、適宜設計変更事項に過ぎない。また、イグニッションスイッチがオフされると、引き続いて動作が必要なマイクロコンピュータ４を除いて外部センサ１、電圧検出回路２、Ａ／Ｄコンバータ３及びセンサ用電源回路６への電源電力給電が遮断されるために、電力消費を削減することができる。特に、センサ用電源回路６はマイコン用電源回路５に比べて高精度の定電圧電源であり、電力消費が大きいために、スリープモードにおいてそれを停止できることは車載電池２０の消耗軽減に有効である。

（スリープモード）
図３に示すスリープモードのフローチャートを参照してこのスリープモードの動作を説明する。このスリープモードにおいて、マイクロコンピュータ４はクロック周波数は極端に低減され、その電力消費が低減される。マイクロコンピュータ４はスリープモードにおいて、マイコン用電源回路５に、マイクロコンピュータ４の動作に支障が出ない範囲でその出力電圧低下を指令して更なる節電を行ってもよい。その他、マイクロコンピュータ４の各部回路のうち、スリープモードの実行に必要がない内部レジスタやメモリなどの回路部分への給電を停止してもよい。

スリープモードでは、まず内蔵タイマーすなわち計時プログラムのカウントを０からスタートさせる。次に、車両ＥＣＵからの外部信号を判定して既述した大電流放電状態かどうかを判定し、大電流放電状態であればレギュラーモードに移行して電流積算を行う。大電流放電状態でなければ、イグニッションスイッチのオンを示す外部信号が入力されたかどうかを判定し、入力された場合にはレギュラーモードに移行し、そうでない場合には、所定のアウエイク条件が生起したかどうかを判定し、生起した場合には後述するアウエイクモードを開始し、生起していない場合には内蔵タイマーが所定設定時間に達したかどうかを判定し、達していなければイグニッションスイッチ状態の判別ステップに戻り、達していればアウエイクモードを開始してルーチンを終了する。

この実施形態では、節電のためにスリープモード及びアウエイクモードにおいて、センサ用電源回路６に給電しないものとするが、スリープモードにおいて車載電池２０の放電電流を検出する場合には、この放電電流が所定しきい値を超えた場合には大電流放電状態と判定してもよい。

上記した所定のアウエイク条件が生起したとは、マイクロコンピュータ４に入力される所定の外部信号や、マイクロコンピュータ４が検出又は演算する所定の判定信号による判定結果が満足された場合を言うが、これらのアウエイク条件の具体例はこの実施例の要部ではないため説明を省略する。

（アウエイクモード）
図４に示すアウエイクモードのフローチャートを参照してこのアウエイクモードの動作を説明する。このアウエイクモードでは、内蔵タイマーがカウントしているスリープモードの継続時間Δｔａに所定の暗電流値ｉｄを積算して、いままでのスリープ期間において車載電池２０が放電した暗電流放電量ｉｄΔｔａを求める。暗電流値ｉｄとしては、車載電池２０の自己放電量と車載電子機器の待機電力やイグニッションスイッチをオフした状態でも給電が必要な電子機器の消費電力の合計とされ、一定値とされる。

次に、保持している車載電池２０の残存容量ＳＯＣから上記暗電流放電量に相当する分だけ残存容量ＳＯＣを差し引いて、新たに残存容量ＳＯＣを算出する。次に、算出した残存容量ＳＯＣが所定の残存容量しきい値ＳＯＣｔｈ１を下回ったかどうかを判定し、下回ったら主として娯楽用の電子機器の待機電流などをカットする。

次に、算出した残存容量ＳＯＣが、残存容量しきい値ＳＯＣｔｈ１より更に小さい所定の残存容量しきい値ＳＯＣｔｈ２を下回ったかどうかを判定し、下回ったら、車両のギヤ状態がパーキング状態かどうかを確認し、エンジンを所定短時間運転して車載電池２０を充電する。残存容量しきい値ＳＯＣｔｈ２は少なくともエンジン始動に必要な最低電力量を超える値に設定されることは当然である。

なお、乗員センサなどにより乗員がドライバー席に着座しているかどうかを確認し、着座している場合には乗員にエンジン始動を要求する警報を出力してもよい。この警報は車両のギヤ状態に関わらず報知できることは当然である。このアウエイクモードにより、長期の駐車などにより車載電池２０が上がってしまい、エンジンを再始動できないという不具合を解消することができる。

また、図４では記載を省略したが、アウエイクモードを実行中に電気負荷のオンによる大電流放電が生じた場合やイグニッションスイッチがオンされて、電流積算が必要となった場合にはただちにレギュラーモードに移行することは言うまでもない。

（充電状態の説明）
図５にスリープモードが比較的短い場合における車載電池２０の残存容量ＳＯＣの変化を示す。時点ｔ１にてエンジンが停止し、その後、時点ｔ２にて主要電気負荷が遮断されてレギュラーモードが終了し、スリープモードが開始される。時点ｔ３にてなんらかの電気負荷がオンされて大電流放電信号の入力によりレギュラーモードが開始され、時点ｔ４にてこの電気負荷がオフされてレギュラーモードが終了し、スリープモードが再び開始される。

図６にスリープモードが比較的長期間継続する場合における車載電池２０の残存容量ＳＯＣの変化を示す。時点ｔ１にてエンジンが停止し、その後、時点ｔ５にて主要電気負荷が遮断されてレギュラーモードが終了し、スリープモードが開始される。一定時間Ｔ１だけスリープモードが継続すると時点ｔ６にてアウエイクモードを実行し、暗電流の積算を行って残存容量ＳＯＣを確認する。このアウエイクモードを一定時間Ｔ１後の時点ｔ７でも行い、その後、なんらかの電気負荷がオンされて大電流放電信号の入力によりレギュラーモードが開始され電流積算を行う。

（変形態様）
上記実施形態では、暗電流値ｉｄを一定としたが、温度や車載電池２０の劣化状態に基づいて変更してもよいことは適宜設計変更事項に過ぎない。

実施形態１の車両用マイコン装置を示すブロック回路図である。図１の車両用マイコン装置のレギュラーモードを示すフローチャートである。図１の車両用マイコン装置のスリープモードを示すフローチャートである。図１の車両用マイコン装置のアウエイクモードを示すフローチャートである。スリープモードにおける残存容量ＳＯＣの変化を示すタイムチャートである。スリープモードにおける残存容量ＳＯＣの変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１外部センサ
２電圧検出回路
３Ａ／Ｄコンバータ
４マイクロコンピュータ
５マイコン用電源回路
６センサ用電源回路
７センサ側電源遮断スイッチ
１０１チップマイクロコンピュータ
１１電流センサ
１２温度センサ
１３アンプ
２０車載電池
３０車両用発電機
４０車両用電気負荷

Claims

車載のバッテリーから電源電力を給電されるとともに前記バッテリーの充放電電流を検出する電流センサと、
前記バッテリーから電源電力を給電されるとともに前記充放電電流を積算することにより前記バッテリーの残存容量を算出する残存容量演算回路と、
を備える車両用バッテリー残存容量演算装置において、
前記バッテリーの通常の充放電及び前記残存容量演算回路の前記算出が休止するスリープ期間にこのスリープ期間の長さをカウントするスリープ時間計測タイマーを有し、
前記残存容量演算回路は、
少なくとも前記スリープ期間の終了直後において、前記バッテリーが前記スリープ期間に放電する所定の暗電流値に前記スリープ期間を掛けて前記スリープ期間における前記バッテリーのスリープ期間放電量を推定し、前記バッテリーの残存容量のスリープ期間直前の値から前記スリープ期間放電量を差し引いて前記バッテリーの残存容量を算出することを特徴とする車両用バッテリー残存容量演算装置。
請求項１記載の車両用バッテリー残存容量演算装置において、
前記残存容量演算回路は、
前記スリープ期間中に定期的に現時点までの前記スリープ期間放電量を推定し、前記バッテリーの残存容量のスリープ期間直前の値から前記スリープ期間放電量を差し引いて現時点の前記バッテリーの残存容量を算出し、前記バッテリーの残存容量が所定しきい値以下かどうかを判定することを特徴とする車両用バッテリー残存容量演算装置。
請求項２記載の車両用バッテリー残存容量演算装置において、
前記しきい値は、エンジン始動に要する必須電力量よりも高いレベルに設定されることを特徴とする車両用バッテリー残存容量演算装置。
請求項３記載の車両用バッテリー残存容量演算装置において、
前記スリープ期間中の前記残存容量が所定しきい値以下となった場合に、イグニッションスイッチをオフした状態でのバッテリの放電電流を更に低減可能な所定の電気負荷の遮断乃至消費電力低減を指令する緊急暗電流低減回路を有することを特徴とする車両用バッテリー残存容量演算装置。
請求項３記載の車両用バッテリー残存容量演算装置において、
前記スリープ期間中の前記残存容量が所定しきい値以下となった場合に、エンジン始動の安全性を確認した後、エンジンの自動始動を指令する緊急バッテリ充電指令回路を有することを特徴とする車両用バッテリー残存容量演算装置。
請求項１記載の車両用バッテリー残存容量演算装置において、
前記スリープ期間は、
前記バッテリーの放電電流が所定しきい値を下回るバッテリ小放電状態を生起する所定の外部信号により開始され、
前記スリープ期間中に前記バッテリーの放電電流が所定しきい値を超えるバッテリ大放電状態を生起する所定の外部入力信号により終了することを特徴とする車両用バッテリー残存容量演算装置。