JP2008175687A - 蓄電池の内部インピーダンス測定装置および蓄電池の内部インピーダンス測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充電装置や接続負荷のノイズ成分に影響されることなく蓄電池の内部インピーダンスを正確に測定する手法と装置を提供する。
【解決手段】蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生部および交流電圧計測部と交流電流計測部とにより計測する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、前記蓄電池から複数の異なった周波数におけるノイズ電圧を測定し、測定したノイズ電圧の内、ノイズ電圧レベルが低い周波数により前記蓄電池の内部インピーダンスを計測する蓄電池の内部インピーダンス測定装置並びに測定方法である。
【選択図】 図５

Description

本発明は、蓄電池の内部インピーダンスを測定する装置とその方法に関するもので、特に、蓄電池に接続機器が接続されている状態で前記蓄電池の内部インピーダンスを安定して計測できる蓄電池の内部インピーダンス測定装置並びに測定方法に関するものである。

多数の蓄電池が直列接続された蓄電池群における各蓄電池の内部インピーダンスを測定する方法として、いわゆる交流４端子法が知られている。

交流４端子法とは、図１に示すように、内部インピーダンス測定対象の蓄電池１に交流電流発生部３より交流電流Ｉを流し、その際の蓄電池の交流電圧Ｖを交流電圧計測部４で計測することにより蓄電池１の内部インピーダンスＺを次式、
Ｚ＝Ｖ÷Ｉ
で求めるものである。
なお、図１において２は蓄電池群である。

ここで、蓄電池群２とは、目的の電圧値を得るために複数の蓄電池１が直列接続されたものである。例えば、鉛蓄電池の場合は蓄電池１個あたりの起電力が約２Ｖであり、これを６個直列接続して約１２Ｖの起電力を得るようにした電源装置である。

交流電流発生部３は、蓄電池１の内部インピーダンスを測定するための交流電流（本明細書では計測電流と表記することがある）を発生させるものである。この交流電流発生部３は、例えば交流定電流源として機能するものであって、原理的に内部インピーダンスは無限大である。

交流電圧計測部４は、交流電流発生部３が発生した計測電流により蓄電池１に生じた交流電圧を計測するものである。この交流電圧計測部４は、例えば交流電圧計として機能するものであって、原理的に内部インピーダンスは無限大である。

ところで、蓄電池１の内部インピーダンスの値は、一般に５ｍΩ以下であることが多く、内部インピーダンスの測定精度を高めるためには大きな計測電流を流す必要がある。

また、蓄電池群２は、電源装置のバックアップ用として使用されることが多く、この場合には充電用電源として商用電源が使用される。このため、商用電源の周波数である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、および商用電源の周波数の高調波成分のリップル電流が蓄電池１に流れるため、場合によっては、計測電流による蓄電池からの交流起電力成分がリップル電流等のノイズ成分に埋もれてしまい、内部インピーダンスの測定精度が大きく低下することがある。

また、蓄電池には前記充電器の他に負荷等が接続されている（本明細書においては蓄電池に接続されている充電器や負荷を総称して接続機器と表記することがある）。このように蓄電池に接続機器が接続されているため、そくていするための交流電流以外の交流電流成分（ノイズ電流）が蓄電池に流れる。

前記図１に示す交流４端子法による蓄電池の内部インピーダンス計測方法では、このノイズ電流成分と計測電流成分とが重畳し計測誤差が発生する恐れがある。

このため、交流電圧計測部４では通常計測電流のみを通過させるアナログフィルタとデジタルフィルタで構成する周波数フィルタを設け、蓄電池の内部インピーダンスを測定する手法を先に提案した（特許文献１）。
特開２００４−１３２７９７号公報

しかし、前記特許文献１に開示される手法では、バンドパスフィルタ（ＢＰＦフィルタ）としての作用、すなわち、通過可能周波数帯域は１つであるため、その通過可能周波数帯においてはノイズ成分の排除はできず、バンドパスフィルタの選択によっては測定誤差を取り除くことができないという課題が内在している。

本発明は、上記課題を解決し、接続機器からのノイズ成分に影響されることなく蓄電池の内部インピーダンスを正確に測定する手法と装置を提供することを目的とする。

本発明の蓄電池のインピーダンス測定装置は、蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生部および交流電圧計測部と交流電流計測部とにより計測する測定方法であって、前記蓄電池から複数の異なった周波数におけるノイズ電圧を測定し、測定したノイズ電圧の内、ノイズ電圧レベルが低い周波数により前記蓄電池の内部インピーダンスを計測するものである。

前記蓄電池における複数の異なった周波数のノイズ電圧の測定は、通過周波数帯が異なる複数のバンドパスフィルタで測定することが好ましい。

前記複数のバンドパスフィルタはそれぞれの通過可能周波数帯が近接しているものを選択して採用することが望ましい。

本発明の蓄電池のインピーダンス測定方法は、蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生部と交流電圧計測部とにより計測する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、測定する蓄電池のノイズ電圧を通過周波数帯が異なるバンドパスフィルタを通して計測し、計測したノイズ電圧のうち、ノイズ電圧レベルが低い方の周波数を選択して蓄電池の内部インピーダンスを計測する蓄電池の内部インピーダンス測定方法である。

前記複数のバンドパスフィルタはそれぞれの通過可能周波数帯が近接しているものを採用することが望ましい。

本発明は、蓄電池より発生するノイズを、例えば複数のバンドパスフィルタを経由して計測し、計測したノイズレベルの最も小さいバントパスフィルターの中心周波数を計測周波数に選択し、該選択した周波数で蓄電池の内部インピーダンスを計測するもので、ノイズに影響され難い計測が可能となり、蓄電池の性能を正確に判定することができる優れた効果を有するものである。

蓄電池を充電しながら負荷に電力を供給する電源装置の場合、蓄電池に印加される電流ノイズの周波数成分を測定すると、例えば図２にその典型例を示すような分布をしている。この分布を分析すると、充電器からの電流ノイズ成分は電源周波数およびその整数倍のピーク幅が狭い周波数帯の範囲に分布している。

このような分析結果から、ノイズのピーク周波数から１０Ｈｚ程度離れるとノイズレベルは大幅に低下することが確認できる。

そこで、図３に示すように通過周波数の近接したバンドパスフィルタを複数使用する。例えば第一バンドパスフィルタの通過周波数帯域と１０〜１５Ｈｚ程度はなれた通過周波数帯域を有する第二バンドパスフィルタを採用する。このように複数のバンドパスフィルタを用いると、例えば第一バンドパスフィルタの通過周波数がノイズ周波数と近接していた場合、第一バンドパスフィルタではノイズ成分を通過させるためノイズレベルを低減することができないが、第二バンドパスフィルタではノイズの周波数が通過できないためにノイズレベルが大幅に低下する。

図４は第一バンドパスフィルタと第二バンドパスフィルタとを通過するノイズレベルを、ノイズ周波数が７０Ｈｚにピークを持つノイズ成分として計測した場合を示す。７０Ｈｚに通過周波数帯域を持つ第一バンドパスフィルタではノイズレベルが高く測定されるが、８５Ｈｚに通過周波数帯域を持つ第二バンドパスフィルタではノイズレベルが低く測定されている。このように、第一バンドパスフィルタの通過周波数帯域とノイズの周波数とが合い、ノイズによってバントパスフィルターの出力が飽和してしまうような場合、蓄電池の内部インピーダンスを計測するために流した電流により発生する起電力を計測することが不可能になる恐れもある。しかし、前記第二バンドパスフィルタではノイズ周波数は通過させないため、ノイズ成分を大幅に抑制でき出力が飽和することがなくなる。したがって、第二バンドパスフィルタの通過中心周波数を計測電流として蓄電池の内部インピーダンスを計測することで計測周波数とノイズ成分との干渉が少なくなり、ノイズ成分による測定誤差が小さくなる。

上記は２つのバンドパスフィルタを使用した場合で説明したが、バンドパスフィルタを増やすことで測定制度は更に向上する。複数のバンドパスフィルタでノイズレベルを測定した場合、ノイズレベルの最も少ない周波数により内部インピーダンスを測定することで測定誤差をさらに小さくすることができる。

図５は本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置を示す概略ブロック図である。

先ず蓄電池１に発生するノイズの周波数分布を測定する。

蓄電池１からの交流電圧をアンプ６１で増幅し、その出力を並列に接続の複数のバンドパスフィルタ６２、６３を通過させる。図５では説明を簡単にするために２つのバンドパスフィルタ６２、６３を示す。バンドパスフィルタ６２、６３を通過した出力はそれぞれのＡ／Ｄコンバータ６４、６５に入力され、Ａ／Ｄコンバータでデジタル値に変換され、マイクロコンピュータ６６に入力される。

マイクロコンピュータ６６では、入力された結果を離散フーリエ変換などによりデジタル演算を行い、それぞれのバンドパスフィルタ中心周波数での信号レベルを求め、求めた信号レベルを比較してノイズ出力レベルが小さいバンドパスフィルタを選択する。

次に、コンピュータ６６で選択したノイズ出力が小さいバンドパスフィルタの中心周波数となるようにＤ／Ａコンバータ６７で交流信号（計測電流）を生成し、出力アンプ６８で増幅する。この増幅した電流（計測電流）を蓄電池１の電極端子に接続して蓄電池１に電流を供給する。

増幅した計測電流を蓄電池１の電極端子に接続し、蓄電池１に電流を流し、発生した起電力をアンプ６１で増幅して前記選択したバンドパスフィルタ６３に入力する。バンドパスフィルタ６３を通って出力される測定電圧はＡ／Ｄコンバータ６５に入力され、Ａ／Ｄコンバータでデジタル値に変換され、マイクロコンピュータ６６に入力される。

マイクロコンピュータ６６では、入力された結果に基づいて交流成分を求め、蓄電池に流した電流値で割ることにより内部インピーダンスを計算し、蓄電池の内部インピーダンスを算出する。

図６、図７は図５に示す測定手段で実測した蓄電池の内部インピーダンスの一測定例を示すものである。

内部インピーダンスの計測にあたり、先ず、蓄電池１に発生するノイズの周波数分布を測定するため、蓄電池１の交流電圧を増幅するアンプ６１に、７０Ｈｚの周波数を通過させるバンドパスフィルタ６２と８５Ｈｚの周波数を通過させるバンドパスフィルタ６３を並列に接続し、アンプ６１を通過した信号を２つのバンドパスフィルタ６２、６３に出力する。バンドパスフィルタ６２、６３を通過した出力はそれぞれのＡ／Ｄコンバータ６４、６５に入力され、Ａ／Ｄコンバータでデジタル値に変換され、マイクロコンピュータ６６に入力される。

マイクロコンピュータ６６では、入力された結果を離散フーリエ変換などによりデジタル演算を行い、それぞれのバンドパスフィルタ中心周波数での信号レベルを求める。その結果が図６、図７である。図６に示すように８５Ｈｚでは計測値変動はほとんど見られず、一方、７０Ｈｚを通過した信号では図７に示すように大きな計測値変動が現れている。この結果からコンピュータ６６は８５Ｈｚを通過するバンドパスフィルタ６３を選択し、実際の計測に入る。

即ち、コンピュータ６６はノイズ出力が小さい８５Ｈｚの中心周波数となるようにＤ／Ａコンバータ６７で交流信号（計測電流）を生成し、出力アンプ６８で増幅し、増幅した計測電流を蓄電池１両端の電極端子に供給して蓄電池１に電流を流し、発生した起電力をアンプ６１で増幅し、選択したバンドパスフィルタ６３に入力する。アナログバンドパスフィルタを通って出力される電圧はＡ／Ｄコンバータ６５に入力され、Ａ／Ｄコンバータでデジタル値に変換され、マイクロコンピュータ６６に入力され、内部インピーダンスが算出される。

表１は上記実施例で８５Ｈｚを通過するバンドパスフィルタを選択し、８５Ｈｚの中心周波数で計測した内部インピーダンスの測定誤差と、７０Ｈｚを通過するバンドパスフィルタを選択し、７０Ｈｚの中心周波数で計測した内部インピーダンスの測定誤差とを示す。
表１から明らかなように、複数のバンドパスフィルタを使用し、それぞれのバンドパスフィルタ中心周波数での信号レベルを求め、求めた信号レベルを比較してノイズ出力レベルが小さいバンドパスフィルタを選択することで、最大誤差３％で内部インピーダンスを計測することができる。

本発明は上述したように予め蓄電池から発信されるノイズの周波数帯を複数のバンドパスフィルタで計測し、計測したノイズ周波数帯におけるノイズレベルの最も小さい周波数を選択し、該周波数で蓄電池の内部インピーダンスを計測する。したがって、測定誤差が小さい計測が可能となり、蓄電池の性能を正確に判定することができる優れた効果を有するものである。

交流４端子法による蓄電池の内部インピーダンス測定の原理を示す概略説明図である。 蓄電池を充電する充電器からのノイズレベルの一例を示すグラフである。 蓄電池のノイズ周波数帯範囲が近接していることを示すグラフである。 複数のバンドパスフィルタによるノイズの通過状態をしますグラフである。 本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定工程の概略を示すブロック図である。 本発明で計測する選択したバンドパスフィルタのノイズ通過状態を示すグラフである。 従来の測定法によるバンドパスフィルタのノイズ通過状態を示すグラフである。

符号の説明

１ 蓄電池
３ 交流電流発生部
４ 交流電圧計測部
６１ アンプ
６２、６３ バンドパスフィルタ
６４、６５ Ａ／Ｄコンバータ
６６ コンピュータ
６７ Ｄ／Ａコンバータ
６８ 出力アンプ

Claims (5)

1. 蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生部と交流電圧計測部とにより計測する蓄電池の内部インピーダンス測定装置において、前記蓄電池から複数の異なった周波数におけるノイズ電圧を測定し、測定したノイズ電圧の内、ノイズ電圧レベルが低い周波数により前記蓄電池の内部インピーダンスを計測する蓄電池の内部インピーダンス測定装置。
2. 前記蓄電池における複数の異なった周波数のノイズ電圧を、通過周波数帯が異なる複数のバンドパスフィルタで測定する請求項１に記載の蓄電池の内部インピーダンス測定装置。
3. 前記複数のバンドパスフィルタはそれぞれの通過可能周波数帯が近接している請求項２に記載の蓄電池の内部インピーダンス測定装置。
4. 蓄電池のインピーダンスを、交流電流発生部および交流電圧計測部と交流電流計測部とにより計測する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、測定する蓄電池のノイズ電圧を通過周波数帯が異なるバンドパスフィルタを通して計測し、計測したノイズ電圧のうち、ノイズ電圧レベルが低い方の周波数を選択して蓄電池の内部インピーダンスを計測する蓄電池の内部インピーダンス測定方法。
5. 前記複数のバンドパスフィルタはそれぞれの通過可能周波数帯が近接している請求項４に記載の蓄電池の内部インピーダンス測定方法。
   

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