JP2014010028A - 電池のインピーダンス測定装置およびその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定回路内に直流阻止用のコンデンサを設けることなく、被測定電池に交流信号を加え、その交流信号による被測定電池の端子間電圧と被測定電池に流れる電流とから被測定電池の内部インピーダンスの測定を可能とする。
【解決手段】被測定電池Ｂの電池電圧（起電力）をＶｂとして、交流測定信号発生部１０の信号源側に、＋Ｖｂなる直流電圧を発生する第１直流電圧発生部１１を設け、電圧測定部２０側に、−Ｖｂなる直流電圧を発生する第２直流電圧発生部２２を設け、第１直流電圧発生部１１と第２直流電圧発生部２２とを、直流阻止用のコンデンサの代替として用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池のインピーダンス測定装置およびその測定方法に関し、さらに詳しく言えば、測定回路内に直流阻止用のコンデンサを設けることなく、被測定電池に交流信号を加え、その交流信号による被測定電池の端子間電圧と被測定電池に流れる電流とから被測定電池の内部インピーダンスの測定を可能とする技術に関するものである。

電池の内部インピーダンスを測定するには、図２に示すように、交流測定信号発生部１から被測定電池Ｂに測定用信号として所定周波数の交流信号を供給した状態で、電圧測定部２により被測定電池Ｂの端子間電圧Ｖ１を測定するとともに、電流検出部３にて被測定電池Ｂに流れる電流ＩＳを検出し、端子間電圧Ｖ１と電流ＩＳとにより、被測定電池Ｂの内部インピーダンスＺを求めるようにしている。

なお、電流検出部３には、通常、帰還抵抗Ｒを有するオペアンプよりなる電流−電圧変換器が用いられ、被測定電池Ｂに流れる電流ＩＳは、電圧Ｖ２（＝ＩＳ×Ｒ）として検出され、被測定電池Ｂの内部インピーダンスＺは、Ｖ１／Ｖ２として算出される。

このインピーダンス測定は、多くの場合、被測定電池Ｂが起電力（電池電圧）Ｖｂを持った状態で行われる。そのため、被測定電池Ｂの直流成分が測定回路内に流れ込まないように、交流測定信号発生部１と被測定電池Ｂとの間に直流阻止用のコンデンサＣ１を接続するとともに、電圧測定部２の入力段にも直流阻止用のコンデンサＣ２を接続している（類例として、特許文献１参照）。

特開平１１−１７８１９７号公報

上記従来技術によれば、コンデンサＣ１，Ｃ２により被測定電池Ｂの直流成分がカットされるため、被測定電池Ｂの内部インピーダンスを簡単に測定することができるが、測定用交流信号の周波数が、例えば１ｍＨｚ等の超低周波数の場合には、コンデンサＣ１，Ｃ２に大容量のコンデンサが必要となり現実的ではないし、また、次のような問題が生ずる。

すなわち、交流測定信号発生部１と被測定電池Ｂとを交流結合するには、先にコンデンサを充電しておく必要があるが、大容量のコンデンサを充電するには長時間を要するばかりでなく、その充電に伴って被測定電池Ｂが放電することになる。

そうすると、被測定電池Ｂの状態（例えば、電池内部の温度）が変化し、これによって電池内部の反応抵抗等が変化してしまうことがあるため、測定精度上好ましくない。

したがって、本発明の課題は、測定回路内に直流阻止用のコンデンサを設けることなく、被測定電池に交流信号を加え、その交流信号による被測定電池の端子間電圧と被測定電池に流れる電流とから被測定電池の内部インピーダンスの測定を可能とすることにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、被測定電池に測定用の交流信号を供給する交流測定信号発生部と、上記被測定電池の端子間電圧を測定する電圧測定部と、上記被測定電池に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、上記電圧測定部にて測定された電圧と上記電流検出部にて検出された電流とに基づいて上記被測定電池の内部インピーダンスを算出する電池のインピーダンス測定装置において、上記交流測定信号発生部と上記被測定電池の一方の端子との間に、上記被測定電池の電池電圧＋Ｖｂと同一の＋Ｖｂなる直流電圧を発生する第１直流電圧発生部が接続されているとともに、上記電圧測定部には、上記被測定電池の電池電圧＋Ｖｂとは逆極性の−Ｖｂなる直流電圧を発生し、測定された上記被測定電池の端子間電圧に含まれている上記被測定電池の電池電圧＋Ｖｂを打ち消す第２直流電圧発生部が設けられていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、上記第１直流電圧発生部と上記被測定電池の一方の端子との間に第１開閉スイッチが接続されているとともに、上記被測定電池の他方の端子と上記電流検出部との間に第２開閉スイッチが接続されていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、上記第１および第２直流電圧発生部は、ともに可変直流電源を備えていることを特徴としている。

また、本発明には、電池のインピーダンス測定方法も含まれ、請求項４に記載の発明は、交流測定信号発生部から被測定電池に測定用の交流信号を供給した状態で、電圧測定部にて上記被測定電池の端子間電圧を測定するとともに、電流検出部にて上記被測定電池に流れる電流を検出し、上記電圧測定部にて測定された電圧と上記電流検出部にて検出された電流とに基づいて上記被測定電池の内部インピーダンスを算出する電池のインピーダンス測定方法において、上記交流測定信号発生部と上記被測定電池の一方の端子との間に、第１直流電圧発生部と第１開閉スイッチとを直列に接続し、上記被測定電池の他方の端子と上記電流検出部との間に第２開閉スイッチを接続するとともに、上記電圧測定部に第２直流電圧発生部を設け、まず、測定前の準備ステップとして、上記第１および第２開閉スイッチをともに「開」とし、上記電圧測定部にて上記被測定電池の無負荷状態における電池電圧＋Ｖｂを測定したのち、上記第１直流電圧発生部から上記電池電圧＋Ｖｂと同一の＋Ｖｂなる直流電圧を発生させるとともに、上記第２直流電圧発生部から上記電池電圧Ｖｂとは逆極性の−Ｖｂなる直流電圧を発生させ、次に、測定ステップとして、上記第１および第２開閉スイッチをともに「閉」とし、上記交流測定信号発生部より上記被測定電池に供給される上記交流信号に上記第１直流電圧発生部から発生される＋Ｖｂなる直流電圧を加算して上記電流検出部には上記被測定電池による直流電流が流れないようにし、上記電圧測定部においては、測定された上記被測定電池の端子間電圧に上記第２直流電圧発生部から発生される−Ｖｂなる直流電圧を加算して、上記電圧測定部で測定される測定電圧を上記交流信号による電圧降下分のみとすることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項４において、上記第１および第２直流電圧発生部は、ともに可変直流電源を備えていることを特徴としている。

本発明によれば、被測定電池の内部インピーダンスを測定するにあたって、交流測定信号発生部から被測定電池に供給される交流信号に第１直流電圧発生部にて発生される被測定電池の電池電圧＋Ｖｂと同一の＋Ｖｂなる直流電圧が加算（重畳）されることにより、被測定電池の放電が防止され、電流検出部には交流信号のみが流れるとともに、電圧測定部においては、測定された被測定電池の端子間電圧に含まれている被測定電池の電池電圧＋Ｖｂが第２直流電圧発生部にて発生される−Ｖｂなる直流電圧により打ち消されることにより、直流阻止用のコンデンサを用いることなく、交流信号による被測定電池の端子間電圧値と被測定電池に流れる電流値とにより、被測定電池の内部インピーダンスを正確に求めることができる。

本発明による電池のインピーダンス測定装置の一実施形態を示す回路構成図。 従来技術による電池のインピーダンス測定装置を示す回路構成図。

次に、図１により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この実施形態に係る電池のインピーダンス測定装置は、基本的な構成として、被測定電池Ｂに測定用の交流信号を供給する交流測定信号発生部１０と、被測定電池Ｂの端子間電圧を測定する電圧測定部２０と、被測定電池Ｂに流れる電流を検出する電流検出部３０と、インピーダンス等を算出する測定制御部４０とを備えている。

なお、この実施形態において、被測定電池Ｂは、所定の電池電圧（起電力）＋Ｖｂを持った状態で、その内部インピーダンスが測定される。

本発明によると、被測定電池Ｂによる直流成分の測定回路内への流れ込みを防止するため、先の図２で説明した直流阻止用のコンデンサＣ１，Ｃ２に代えて、第１直流電圧発生部１１と第２直流電圧発生部２２とが用いられる。

第１直流電圧発生部１１は、好ましくは第１開閉スイッチ１２を直列に備えた状態で、交流測定信号発生部１０と、被測定電池Ｂの一方の端子である＋側の端子Ｔ１との間に接続される。

この実施形態において、第１直流電圧発生部１１は、オペアンプ（演算増幅器）１１ａからなり、その＋入力端子（非反転入力端子）には、可変直流電源１１ｂが接続されている。この場合、可変直流電源１１ｂは正電源として、その正極側が＋入力端子に接続され、負極側は接地に接続されている。

また、オペアンプ１１ａの−入力端子（反転入力端子）側には入力抵抗Ｒ１が接続されているとともに、−入力端子と出力端子との間には帰還抵抗Ｒ２が接続されている。この構成により、第１直流電圧発生部１１は、可変直流電源１１ｂにて設定された電圧に応じた正極（＋）の直流電圧を発生する。

電圧測定部２０は、被測定電池Ｂの端子Ｔ１，Ｔ２間の電圧を検出する差動増幅器２１を備え、第２直流電圧発生部２２は差動増幅器２１の出力側に接続されている。

第２直流電圧発生部２２も、オペアンプ（演算増幅器）２２ａからなり、その＋入力端子（非反転入力端子）には、可変直流電源２２ｂが接続されるが、この場合、可変直流電源２２ｂは負電源として、その負極側が＋入力端子に接続され、正極側は接地に接続されている。

また、オペアンプ２２ａの−入力端子（反転入力端子）側には入力抵抗Ｒ３が接続されているとともに、−入力端子と出力端子との間には帰還抵抗Ｒ４が接続されている。この構成により、第２直流電圧発生部２２は、可変直流電源２２ｂにて設定された電圧に応じた負極（−）の直流電圧を発生する。第２直流電圧発生部２２の出力側には、増幅器２３を介してＡ／Ｄ変換器２４が接続されている。

電流検出部３０には、帰還抵抗Ｒ５を有するオペアンプ３１よりなる電流−電圧変換器が用いられるが、電流検出部３０と被測定電池Ｂの他方の−端子Ｔ２との間には、第２開閉スイッチ３２が接続される。電流検出部（電流−電圧変換器）３０の出力側には、増幅器３３を介してＡ／Ｄ変換器３４が接続されている。

測定制御部４０には、好ましくは中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）やマイクロコンピュータ等が用いられる。測定制御部４０は、Ａ／Ｄ変換器２４にてデジタル変換された被測定電池Ｂの端子間電圧値Ｖ１と、Ａ／Ｄ変換器３４にてデジタル変換された被測定電池Ｂに流れる電流の電圧換算値Ｖ２とから、被測定電池Ｂの内部インピーダンスＺを算出し、例えば表示部４１に表示する。

次に、この実施形態に係るインピーダンス測定装置の動作の一例について説明する。まず、測定前の準備ステップとして、第１および第２開閉スイッチ１２，３２をともに「開（オフ）」として、被測定電池Ｂを交流測定信号発生部１０と電流検出部３０とから切り離し、第２直流電圧発生部２２の可変直流電源２２ｂの発生電圧を「０」として、電圧測定部２０にて被測定電池Ｂの電池電圧（起電力）＋Ｖｂを測定する。

そして、第１直流電圧発生部１１の可変直流電源１１ｂを操作して、第１直流電圧発生部１１より被測定電池Ｂの電池電圧＋Ｖｂに実質的に等しい＋Ｖｂなる直流電圧を発生させる。この＋Ｖｂなる直流電圧を発生させるにあたって、例えば、入力抵抗Ｒ１と帰還抵抗Ｒ２との比が１：１であるときには、可変直流電源１１ｂよりＶｂ／２の電圧を発生させればよい。

同様に、第２直流電圧発生部２２の可変直流電源２２ｂを操作して、第２直流電圧発生部２２より、被測定電池Ｂの電池電圧＋Ｖｂとは逆極性の−Ｖｂなる直流電圧を発生させる。この−Ｖｂなる直流電圧を発生させるにあたって、例えば、入力抵抗Ｒ３と帰還抵抗Ｒ４との比が１：１であるときには、負電源としての可変直流電源２２ｂより−Ｖｂ／２の電圧を発生させればよい。

要するに、電圧測定部２０により測定された被測定電池Ｂの電池電圧が例えば３Ｖであるとすると、第１直流電圧発生部１１より＋３Ｖ，第２直流電圧発生部２２より−３Ｖを発生させる。

次に、測定ステップとして、第１および第２開閉スイッチ１２，３２をともに「閉（オン）」にする。これにより、交流測定信号発生部１０からの交流信号に、第１直流電圧発生部１１より発生された＋Ｖｂなる直流電圧が加算（重畳）されて被測定電池Ｂに供給される。

このとき、交流測定信号発生部１０の信号源側と被測定電池Ｂは、直流的に同電位であるため、電流検出系の電流検出部３０には、交流測定信号発生部１０から供給される測定用の交流信号ＩＳのみが流れることになる。

また、電圧検出系では、被測定電池Ｂの端子間（Ｔ１，Ｔ２）電圧が差動増幅器２１にて検出され、その端子間（Ｔ１，Ｔ２）電圧には電池電圧＋Ｖｂが含まれているが、電池電圧＋Ｖｂは、第２直流電圧発生部２２により発生される−Ｖｂなる直流電圧により打ち消されるため、測定用の交流信号ＩＳによる電圧降下分のみが電圧測定部２０にて測定されることになる。

このように、電流検出系の電流検出部３０には、被測定電池Ｂの直流電流が流れず、また、電圧検出系の電圧測定部２０においても、被測定電池Ｂの電池電圧Ｖｂが打ち消されるため、各検出系は直流により飽和することなく、各増幅器２３，３３で、それら検出系の交流信号を所定のゲインで増幅することができる。

電圧測定部２にて測定された端子間（Ｔ１，Ｔ２）電圧Ｖ１は、増幅器２３にて所定に増幅されたのち、Ａ／Ｄ変換器２４にてデジタル値に変換され、測定制御部４０に与えられる。

また、被測定電池Ｂに流れる電流ＩＳは、電流検出部３０にて電圧として検出され、その電圧換算値Ｖ２は、増幅器３３にて所定に増幅されたのち、Ａ／Ｄ変換器３４にてデジタル値に変換され、測定制御部４０に与えられる。

測定制御部４０は、電圧検出系のＡ／Ｄ変換器２４から入力される端子間（Ｔ１，Ｔ２）電圧Ｖ１と、電流検出系のＡ／Ｄ変換器２４から入力される電流ＩＳの電圧換算値Ｖ２とから、Ｖ１／Ｖ２なる演算を行って被測定電池Ｂの内部インピーダンスＺを算出し、例えば表示部４１に表示する。

このように、本発明では、被測定電池Ｂによる直流成分の測定回路内への流れ込みを防止するため、先の図２で説明した直流阻止用のコンデンサＣ１，Ｃ２に代えて、第１直流電圧発生部１１と第２直流電圧発生部２２とを用いていることにより、測定用の交流信号が例えば１ｍＨｚ程度の超低周波数であっても、高速に被測定電池Ｂの内部インピーダンスＺを測定することができる。

また、被測定電池Ｂから直流阻止用のコンデンサへの充電が行われないため、被測定電池Ｂの負荷が軽くなり、被測定電池Ｂの状態を変えずに、その内部インピーダンスＺを測定することができる。

なお、可変直流電源１１ｂ，２２ｂの調整および開閉スイッチ１２，３２の切替は、手動で行われてもよいが、測定制御部４０に操作プログラムをインストールし、自動的に制御することもできる。

１０ 交流測定信号発生部
１１ 第１直流電圧発生部
１１ｂ 可変直流電源（正電源）
１２ 第１開閉スイッチ
２０ 電圧測定部
２１ 差動増幅器
２２ 第２直流電圧発生部
２２ｂ 可変直流電源（負電源）
２４ Ａ／Ｄ変換器
３０ 電流検出部
３１ 電流−電圧変換器
３２ 第２開閉スイッチ
３４ Ａ／Ｄ変換器
４０ 測定制御部
Ｂ 被測定電池
ＩＳ 測定用交流信号

Claims (5)

1. 被測定電池に測定用の交流信号を供給する交流測定信号発生部と、上記被測定電池の端子間電圧を測定する電圧測定部と、上記被測定電池に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、上記電圧測定部にて測定された電圧と上記電流検出部にて検出された電流とに基づいて上記被測定電池の内部インピーダンスを算出する電池のインピーダンス測定装置において、
   上記交流測定信号発生部と上記被測定電池の一方の端子との間に、上記被測定電池の電池電圧＋Ｖｂと同一の＋Ｖｂなる直流電圧を発生する第１直流電圧発生部が接続されているとともに、上記電圧測定部には、上記被測定電池の電池電圧＋Ｖｂとは逆極性の−Ｖｂなる直流電圧を発生し、測定された上記被測定電池の端子間電圧に含まれている上記被測定電池の電池電圧＋Ｖｂを打ち消す第２直流電圧発生部が設けられていることを特徴とする電池のインピーダンス測定装置。
2. 上記第１直流電圧発生部と上記被測定電池の一方の端子との間に第１開閉スイッチが接続されているとともに、上記被測定電池の他方の端子と上記電流検出部との間に第２開閉スイッチが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電池のインピーダンス測定装置。
3. 上記第１および第２直流電圧発生部は、ともに可変直流電源を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池のインピーダンス測定装置。
4. 交流測定信号発生部から被測定電池に測定用の交流信号を供給した状態で、電圧測定部にて上記被測定電池の端子間電圧を測定するとともに、電流検出部にて上記被測定電池に流れる電流を検出し、上記電圧測定部にて測定された電圧と上記電流検出部にて検出された電流とに基づいて上記被測定電池の内部インピーダンスを算出する電池のインピーダンス測定方法において、
   上記交流測定信号発生部と上記被測定電池の一方の端子との間に、第１直流電圧発生部と第１開閉スイッチとを直列に接続し、上記被測定電池の他方の端子と上記電流検出部との間に第２開閉スイッチを接続するとともに、上記電圧測定部に第２直流電圧発生部を設け、
   まず、測定前の準備ステップとして、上記第１および第２開閉スイッチをともに「開」とし、上記電圧測定部にて上記被測定電池の無負荷状態における電池電圧＋Ｖｂを測定したのち、上記第１直流電圧発生部から上記電池電圧＋Ｖｂと同一の＋Ｖｂなる直流電圧を発生させるとともに、上記第２直流電圧発生部から上記電池電圧Ｖｂとは逆極性の−Ｖｂなる直流電圧を発生させ、
   次に、測定ステップとして、上記第１および第２開閉スイッチをともに「閉」とし、上記交流測定信号発生部より上記被測定電池に供給される上記交流信号に上記第１直流電圧発生部から発生される＋Ｖｂなる直流電圧を加算して上記電流検出部には上記被測定電池による直流電流が流れないようにし、
   上記電圧測定部においては、測定された上記被測定電池の端子間電圧に上記第２直流電圧発生部から発生される−Ｖｂなる直流電圧を加算して、上記電圧測定部で測定される測定電圧を上記交流信号による電圧降下分のみとすることを特徴とする電池のインピーダンス測定方法。
5. 上記第１および第２直流電圧発生部は、ともに可変直流電源を備えていることを特徴とする請求項４に記載の電池のインピーダンス測定方法。

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