JP4054652B2 - 蓄電池の内部インピーダンス測定方法および蓄電池の内部インピーダンス測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電池の内部インピーダンスを測定する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
多数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の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。
【0003】
交流4端子法とは、内部インピーダンス測定対象の蓄電池に交流電流を流し、その際の発生起電力を計測することにより蓄電池の内部インピーダンスを求めるものである。
【0004】
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図を図5に示す。図5において、1は蓄電池、2は蓄電池群、3は交流電流発生手段、4は交流電圧計測手段であり、蓄電池1と並列に交流電流発生手段3および交流電圧計測手段4が接続されている。
【0005】
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ものなどを本明細書では蓄電池群2と定義している。
【0006】
交流電流発生手段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)を発生させるものである。この交流電流発生手段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。
【0007】
交流電圧計測手段4は、交流電流発生手段3が発生した計測電流により蓄電池1に生じた起電力を計測するものである。この交流電圧計測手段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。
【0008】
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。
【0009】
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、計測電流による交流起電力成分がリップル電流等のノイズ成分による交流起電力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。
【0010】
ところで、蓄電池の内部インピーダンスを測定するにあたり、蓄電池において発生した被計測起電力を同期検波手段により計測する手法が知られている(特許文献1)。この手法は、被計測起電力成分の周期性を利用して、被計測起電力成分の周期と一致しないノイズ成分を除去するものである。
【0011】
【特許文献1】
特表2000−502177号公報(請求項13、請求項26、明細書12ページ2行〜19ページ27行参照)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、同期検波をするための回路および装置は一般に複雑なものであり、蓄電池の内部インピーダンスを測定する際のコストアップの原因となる。
【0013】
そこで、本発明では、ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを測定する手法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生手段および交流電圧計測手段を用いて測定する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる被計測起電力成分および前記交流電流発生手段に直列接続された計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、交流電流の周波数と同一の周波数を通過させ、ゲインが同一である実質的に同一の特性を有するアナログフィルタで処理した後、交流電流の周波数と同一の周波数を通過させ、分解能が同一である実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタで処理する工程を含むことを特徴とする。
【0015】
請求項2の発明は、実質的に同一の特性を有するアナログフィルタとして共通のアナログフィルタを用い、また、実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタとして共通のディジタルフィルタを用い、被計測起電力成分と交流起電力成分のそれぞれを、これらフィルタを切り替えて処理する工程を含むことを特徴とする。
【0016】
請求項3の発明は、複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスの測定を行うための、交流電流発生手段および交流電圧計測手段を有する蓄電池の内部インピーダンス測定装置において、
前記交流電流発生手段には計測電流検出手段が直列接続されており、前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形は実質的に正弦波であり、前記計測電流検出手段と前記交流電圧計測手段は、交流電流の周波数と同一の周波数を通過させる共通のアナログフィルタを含むアナログ信号処理手段と、交流電流の周波数と同一の周波数を通過させ共通のディジタルフィルタを含むディジタル信号処理手段と、前記アナログ信号処理手段への入力を切り替える入力切替手段とを有することを特徴とする。
【0017】
すなわち、本発明は、蓄電池の内部インピーダンス測定にあたり、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる被計測起電力成分および前記交流電流発生手段に直列接続された計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、実質的に同一の特性を有するアナログフィルタで処理した後、実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタで処理する工程を含むため、同期検波手段を用いた場合やディジタルフィルタのみで処理した場合と比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることがきわめて安価に実現可能となり、ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを測定することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【0019】
図1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の概略を示すブロック図である。図1において、1は蓄電池、2は蓄電池群、3は交流電流発生手段、4は交流電圧計測手段であり、蓄電池1と並列に交流電流発生手段3および交流電圧計測手段4が接続されている点は、図5と同様である。さらに図1では、交流電流発生手段3と直列に計測電流検出手段5が設けられ、計測電流検出手段5の両端には交流電圧計測手段4が接続されている。
【0020】
蓄電池群2を構成する各蓄電池1としては、鉛蓄電池などが用いられるが、液面の変化などで劣化の判断をすることが困難な密閉型鉛蓄電池を用いることが効果的である。
【0021】
蓄電池群2とは、前述のとおり、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。蓄電池1が起電力約2Vの鉛蓄電池の場合、6個、12個、24個直列接続してそれぞれ約12V、約24V、約48Vの起電力を得ることができる。
【0022】
交流電流発生手段3は、前述のとおり、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(計測電流)を発生させるものであって、交流定電流源として機能する。この交流電流発生手段3は、蓄電池1に対して交流電流を供給するようにしてもよく、蓄電池1から交流電流を放電させるようにしてもよい。
【0023】
交流電流発生手段3が発生する交流電流の波形は、実質的に正弦波とすることにより、高調波成分の影響を少なくして蓄電池1の内部インピーダンスを測定することが可能となる。
【0024】
交流電圧計測手段4は、前述のとおり、交流電流発生手段3が発生した電流により蓄電池1に生じた被計測起電力を計測するものである。
【0025】
計測電流検出手段5は、交流電流発生手段3が発生する交流電流を検出するものであって、例えば0.1Ω程度の抵抗器(シャント抵抗)などを用いることができる。また、計測電流検出手段5の両端に交流電圧計測手段4が接続されていることにより、交流電圧計測手段4を計測電流の管理に用いることが可能となる。
【0026】
また、図1において、交流電圧測定手段4は、アナログ信号処理手段41、A/D変換手段42、ディジタル信号処理手段43、記憶手段44、入力切替手段45を有する。
【0027】
アナログ信号処理手段41は、交流電流発生手段3が発生する交流電流の周波数と同一の周波数を通過させるバンドパスフィルタなどのアナログフィルタ機能を有し、必要に応じて当該周波数に利得帯域を有する交流増幅器を有する。アナログフィルタ機能は、演算増幅器に抵抗器およびコンデンサを接続したアクティブフィルタ回路などのような回路を用いて容易に得ることができる。アナログ信号処理手段41で処理された信号は、A/D変換手段42に送られる。
【0028】
A/D変換手段42は、アナログ信号処理手段41からの信号をアナログ信号からディジタル信号に変換するものである。A/D変換手段42で処理された信号は、ディジタル信号処理手段43に送られる。
【0029】
ディジタル信号処理手段43は、A/D変換手段42から送られた信号から、交流電流発生手段3が発生する交流電流の周波数と同一の周波数を抽出するためにディジタルフィルタ処理を行う。また、ディジタル信号処理手段43は、ディジタルフィルタ処理された信号を計測結果として記憶手段44に記憶させる機能と、記憶手段44に記憶された計測手順に基づいて入力切替手段45を制御する機能とを有する。さらに、記憶手段44に記憶された計測手順に基づいて交流電流発生手段3を制御する信号を交流電流発生手段3に送る機能を有していることが望ましい。
【0030】
また、ディジタル信号処理手段43は、計測された電流値および起電力のデータに基づいて内部インピーダンスを算出する機能を有する。内部インピーダンスの算出結果は、記憶手段44で記憶される。必要に応じて、交流電圧測定手段4の内部または外部に、内部インピーダンスの算出結果を表示する手段を設けてもよい。
【0031】
記憶手段44は、ディジタル信号処理手段43における処理結果を記憶し、さらに入力切替手段45を制御する信号を含む計測手順に関する信号を記憶する。この計測手順に関する信号には、交流電流発生手段3を制御する信号が含まれていることが望ましい。
【0032】
入力切替手段45は、アナログ信号処理手段41に入力される信号を、蓄電池1側または計測電流検出手段5に切り替えるものである。入力切替手段45としては、例えば継電器(リレー)が用いられるが、その他の切替手段も状況に応じて適用可能である。入力切替手段45が蓄電池1に接続されている場合には、交流電圧測定手段4は蓄電池1の起電力を計測し、入力切替手段45が計測電流検出手段5に接続されている場合には、交流電圧測定手段4は交流電流発生手段3が発生する交流電流が計測電流検出手段5に流れることにより生じる起電力を計測する。
【0033】
本実施形態では、交流電圧測定手段4にアナログ信号処理手段41とディジタル信号処理手段43とを設け、アナログ信号処理手段41はアナログフィルタ機能を有するため、例えば交流電流発生手段3が発生する正弦波状の交流電流の周波数を16Hzとした場合、蓄電池群2が接続された図示しない電源装置からのノイズの主要成分の周波数である50Hzまたは60Hzの成分を、電圧比で20dB以上抑制することが可能となり、ディジタル信号処理手段43に入力されるノイズ成分を効率よく抑制することができる。
【0034】
もし、アナログ信号処理手段41を用いることなくディジタル信号処理手段43のディジタルフィルタ機能のみで本実施形態と同レベルの機能を実現しようとした場合、本実施形態の10倍以上の分解能を有するA/D変換手段42が必要となる。例えば、本実施形態で12bitのA/D変換手段42を用いている場合、その10倍以上の分解能を有する16bit以上のA/D変換手段42が必要となり、A/D変換手段42が高価になるという問題点がある。
【0035】
すなわち、本実施形態によれば、ディジタル信号処理手段43におけるディジタルフィルタ処理の分解能を上げることなくノイズ成分の影響を最小限にして交流電流発生手段3が発生する正弦波周波数の成分を抽出することがきわめて安価に実現可能となる。すなわち、ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを測定することができる。
【0036】
ところで、アナログ信号処理手段41のアナログフィルタ機能は、前述のとおり、抵抗器およびコンデンサを含んでおり、これらの温度特性等によりアナログフィルタ機能のフィルタ特性が変化することがある。例えば、計測電流の周波数において温度25℃で28.8dBのゲインを有するように設計されたアナログ信号処理手段41の特性値が、温度変化によりコンデンサ容量が+5%変動することにより、27.9dBのゲインとなり、約−0.9dB変化する。この値は、電圧値として約5%計測値が変動することと等価であり、高精度の計測状態を維持するためには、蓄電池の内部インピーダンス測定装置の使用温度範囲において5%よりきわめて変動の少ない特性の良い部品を選択する必要がある。抵抗器では蓄電池の内部インピーダンス測定装置の使用温度範囲において±0.2%以内の特性のものを得ることが十分可能であるが、コンデンサでこのレベルの温度特性を実現することはきわめて難しく、またきわめて高価となってしまう。
【0037】
そこで、アナログ信号処理手段41への蓄電池1の起電力および計測電流検出手段5の起電力の入力を、入力切替手段45により切り替えることにより、共通のアナログフィルタを含むアナログ信号処理手段41で処理した後、共通のディジタルフィルタを含むディジタル信号処理手段43で処理し、これらの起電力の計測誤差の直接の原因となるアナログフィルタのゲイン変動を、計測電流検出手段5の温度特性等による起電力の変動分程度にとどめることができ、蓄電池1の内部インピーダンスの測定誤差を小さくすることができる。
【0038】
なお、本実施形態は、図1のように、蓄電池1の両端に生じる被計測起電力成分および前記計測電流検出手段5の両端に生じる交流起電力成分を、共通のアナログフィルタを含むアナログ信号処理手段41で処理した後、共通のディジタルフィルタを含むディジタル信号処理手段43で処理するような装置を用いることが望ましいが、本発明の実施形態はこれに限らず、蓄電池1の両端に生じる被計測起電力成分および前記計測電流検出手段5の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、実質的に同一の(すなわち計測精度に大きな影響を与えない程度に近い)特性を有する個別のアナログフィルタで処理した後、実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタで処理するようなものであればよいことはいうまでもない。
【0039】
次に、本発明の蓄電池の内部インピーダンス測定方法について説明する。図2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方法の概略を示す流れ図である。図2のように、本実施形態は、計測電流Iの測定(ステップ−1)、被計測起電力Vの測定(ステップ−2)、内部インピーダンスZ(=V/I)の測定(ステップ−3)の3つのステップからなっている。
【0040】
次に、上記ステップ−1、ステップ−2の詳細を図面に基づいて説明する。以下では、図1の符号を利用して説明する。
【0041】
図3は、図2のステップ−1の詳細の一例を示す流れ図である。その内容を以下に説明する。
【0042】
(ステップ−1A)
交流電流発生手段3を作動させる。この場合、図1に示されるように、ディジタル信号処理手段43から交流電流発生手段3を制御する制御信号が送られる。
(ステップ−1B)
ディジタル信号処理手段43から入力切替手段45に制御信号を送り、入力切替手段45を計測電流検出手段5側に切り替える。
(ステップ−1C)
交流電流発生手段3が発生する交流電流が計測電流検出手段5に流れることにより生じる起電力の信号をアナログ信号処理手段41により処理し、交流電流発生手段3が発生する交流電流の周波数以外の周波数成分を低下させる。
(ステップ−1D)
上記ステップ−1Cで得られた信号を、A/D変換手段42でディジタル信号に変換する。
(ステップ−1E)
ディジタル信号処理手段43により、上記ステップ−1Dで得られたディジタル信号にディジタルフィルタ処理を施す。
(ステップ−1F)
上記ステップ−1Eで得られたディジタル信号のうち、交流電流発生手段3が発生する交流電流の周波数と同一の周波数を有する成分をディジタル信号処理手段43によりピックアップし、計測電流Iとして記憶手段44に保存する。なお、交流電流発生手段3が発生する交流電流の周波数と同一の周波数を有する成分そのものは電圧であるため、計測電流検出手段5の係数を考慮したうえ(例えば抵抗値0.1Ωのシャント抵抗であればその値で割る)で電流として取り扱う。
【0043】
ここで、上記ステップ−1Fの処理が終了した時点でステップ−1の処理は終了するが、図2に示したように、引き続きステップ−2の処理が行われる。
【0044】
図4は、図2のステップ−2の詳細の一例を示す流れ図である。その内容を以下に説明する。
【0045】
(ステップ−2A)
ディジタル信号処理手段43から入力切替手段45に制御信号を送り、入力切替手段45を蓄電池1側に切り替える。
(ステップ−2B)
交流電流発生手段3が発生する交流電流が蓄電池1に流れることにより生じる被計測起電力の信号をアナログ信号処理手段41により処理し、交流電流発生手段3が発生する交流電流の周波数以外の周波数成分を低下させる。
(ステップ−2C)
上記ステップ−2Bで得られた信号を、A/D変換手段42でディジタル信号に変換する。
(ステップ−2D)
ディジタル信号処理手段43により、上記ステップ−2Cで得られたディジタル信号にディジタルフィルタ処理を施す。
(ステップ−2E)
上記ステップ−2Dで得られたディジタル信号のうち、交流電流発生手段3が発生する交流電流の周波数と同一の周波数を有する成分をディジタル信号処理手段43によりピックアップし、被計測起電力Vとして記憶手段44に保存する。
(ステップ−2F)
交流電流発生手段3を停止させる。この場合、図1に示されるように、ディジタル信号処理手段43から交流電流発生手段3を制御する制御信号が送られる。なお、交流電流発生手段3の停止は、ステップ−2Fでなく、ステップ−3の終了後に実行してもよいことはいうまでもない。
【0046】
ここで、上記ステップ−2Fの処理が終了した時点でステップ−1の処理は終了するが、図2に示したように、引き続きステップ−3の処理が行われる。
【0047】
図2に示されたステップ−3の処理は、ステップ1において測定された計測電流Iのデータと、ステップ2において測定された被計測起電力Vのデータとを用いて、蓄電池1の内部インピーダンスZ(=V/I)を求めるものである。この演算はディジタル信号処理手段43の内部で行われる。
【0048】
なお、図2の流れ図は、蓄電池群2を構成する蓄電池1の1個分の内部インピーダンスを測定する場合について示したものであり、複数個の蓄電池1の内部インピーダンスを測定したい場合には、図2の流れ図における計測終了の後に、計測開始に戻って繰り返し測定を行えばよいことはいうまでもない。
【0049】
このように、本実施形態によれば、交流電流発生手段が発生する交流電流の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることが可能となり、ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを測定することができるが、その実施形態は上述したものに限られることはなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で、適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【0050】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、蓄電池の内部インピーダンス測定にあたり、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる被計測起電力成分および前記交流電流発生手段に直列接続された計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、実質的に同一の特性を有するアナログフィルタで処理した後、実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタで処理する工程を含むため、同期検波手段を用いた場合と比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることがきわめて安価に実現可能となり、ノイズ成分に埋もれた被計測起電力成分を計測する際のコストアップを招くことなく蓄電池の内部インピーダンスを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 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の概略を示すブロック図である。
【図2】 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方法の概略を示す流れ図である。
【図3】 図2のステップ−1の詳細の一例を示す流れ図である。
【図4】 図2のステップ−2の詳細の一例を示す流れ図である。
【図5】 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。
【符号の説明】
1 蓄電池
2 蓄電池群
3 交流電流発生手段
4 交流電圧計測手段
5 計測電流検出手段
41 アナログ信号処理手段
42 A/D変換手段
43 ディジタル信号処理手段
44 記憶手段
45 入力切替手段
Claims (3)
- 複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生手段および交流電圧計測手段を用いて測定する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、
前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、内部インピーダンス測定対象の前記蓄電池の両端に生じる被計測起電力成分および前記交流電流発生手段に直列接続された計測電流検出手段の両端に生じる交流起電力成分のそれぞれを、交流電流の周波数と同一の周波数を通過させ、ゲインが同一である実質的に同一の特性を有するアナログフィルタで処理した後、交流電流の周波数と同一の周波数を通過させ、分解能が同一である実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタで処理する工程を含むことを特徴とする蓄電池の内部インピーダンス測定方法。 - 実質的に同一の特性を有するアナログフィルタとして共通のアナログフィルタを用い、また、実質的に同一の特性を有するディジタルフィルタとして共通のディジタルフィルタを用い、被計測起電力成分と交流起電力成分のそれぞれを、これらフィルタを切り替えて処理する工程を含むことを特徴とする、請求項1記載の蓄電池の内部インピーダンス測定方法。
- 複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスの測定を行うための、交流電流発生手段および交流電圧計測手段を有する蓄電池の内部インピーダンス測定装置において、
前記交流電流発生手段には計測電流検出手段が直列接続されており、前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形は実質的に正弦波であり、前記計測電流検出手段と前記交流電圧計測手段は、交流電流の周波数と同一の周波数を通過させる共通のアナログフィルタを含むアナログ信号処理手段と、交流電流の周波数と同一の周波数を通過させ共通のディジタルフィルタを含むディジタル信号処理手段と、前記アナログ信号処理手段への入力を切り替える入力切替手段とを有することを特徴とする蓄電池の内部インピーダンス測定装置。
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