JP2004279153A

JP2004279153A - 電力計

Info

Publication number: JP2004279153A
Application number: JP2003069412A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Koike; 克博小池
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】電力計にインピーダンス測定機能を設け、電池の性能評価における電力の測定とインピーダンスの測定において、正確に同期させた測定値を得ることができる電力計を提供する。
【解決手段】電池または電池を利用した電源の電圧、電流および電力の少なくとも１つを測定する電圧・電流・電力測定部と、
前記電圧・電流・電力測定部の測定に同期させて測定した前記電池の電圧および電流から前記電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス測定部と、
を設けたことを特徴とする電力計。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の消費電力やインバータの効率を評価する電力計に関し、特に電池の内部インピーダンスを測定する機能をもった電力計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電池の性能を知るために、電池の内部インピーダンスを測定することは一般的に行われている。
一般的なインピーダンス測定では、所定の周波数領域において、電池に対し、入力として電流を供給し、その出力として電圧値を得る。そして、電流値と電圧値からインピーダンスを算出するようになっているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、電池およびインバータを用いた電源を評価する際、電池の性能評価には、電力計およびインピーダンス測定器などを使用する。
図２は、従来における電力，インピーダンス測定の一例を示すブロック図である。
図２において、電力計２５は、電池の直流電圧、直流電流から消費される電力を測定したり、直流電流を増減させたときの電流に対する電池の両端電圧を測定し、測定結果は、性能評価の指標として用いられる。
【０００４】
インピーダンス測定器２４は電池の交流内部インピーダンスを測定する際使用される。電池に交流の負荷電流を流し、電池両端の電圧降下分と電圧、電流の位相差から内部インピーダンスを求める。インバータの評価には主に電力計を使用する。電池の出力電力すなわちインバータの一次側電力と二次側電力を測定しエネルギー効率測定を行うこともある。
【０００５】
電池とインバータを組み合わせた電源として評価する場合もあるが、当然のことながらそれぞれを単独で評価する場合もある。電池単体を評価する場合、インバータの代わりに電子負荷装置などを使用して負荷電流の調整を行う。
また、それぞれ単独で評価する場合にも電力計やインピーダンス測定器を使用する。
【０００６】
電池の性能評価では、インバータ２２の二次側負荷を意図的に変動させたときの電池２１の内部インピーダンスの変化を測定することがある。また電池単体評価の場合には負荷電流を変化させ、内部インピーダンスを測定することもある。例えば図３のように電池の負荷電流を変化させたときの電池両端電圧特性を測定する際、これと同時にそれぞれの測定ポイントについて電池の内部インピーダンスを測定する必要となることもある。
図３は、電池の電流―電圧特性を示した図である。
横軸に電池の負荷電流値，縦軸に電池の両端電圧値をとり負荷電流と両端電圧の特性を示すものである。
【０００７】
従来のように電力計とインピーダンス測定器が別々にある場合、測定システムや電池の特性が原因で測定の安定度が得られない時は、電流−電圧特性とインピーダンス測定が時間的にずれて測定されることになる。
このような場合、測定値を正確に同期させて電流−電圧特性とインピーダンス測定との間で相関関係を得ることは困難であるという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−８８０２８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、電力計にインピーダンス測定機能を設け、電池の性能評価における電力の測定とインピーダンスの測定において、正確に同期させた測定値を得ることができる電力計を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のとおりの構成になった電力計である。
【００１１】
（１）電池または電池を利用した電源の電圧、電流および電力の少なくとも１つを測定する電圧・電流・電力測定部と、
前記電圧・電流・電力測定部の測定に同期させて測定した前記電池の電圧および電流から前記電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス測定部と、
を設けたことを特徴とする電力計。
【００１２】
（２）電池または電池を利用した電源の電圧、電流および電力の少なくとも１つを測定する電圧・電流・電力測定部と、
前記電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス測定部と、
を設け、
前記電圧・電流・電力測定部と前記インピーダンス測定部は、共通の電圧および電流の測定データを用いて前記電力および前記内部インピーダンスを算出することを特徴とする電力計。
【００１３】
（３）前記電池または電池を含む電源に接続される負荷装置に対して所定の信号を出力し、この負荷装置の負荷の値を変化させる負荷制御信号発生部を有することを特徴とする（１）または（２）に記載の電力計。
【００１４】
（４）前記電圧・電流・電力測定部と、前記インピーダンス測定部は、ＦＦＴ処理機能を有し、
前記電池の電圧および電流の測定データをＦＦＴ処理して前記電力および電池の内部インピーダンスを測定することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の電力計。
【００１５】
（５）前記電圧・電流・電力測定部および前記インピーダンス測定部を複数設けたことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の電力計。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。
【００１７】
図１において、電圧・電流・電力測定部１は、電圧・電流入力部１１とＡ／Ｄ変換部１２と電圧・電流・電力演算部１３から成る。電圧・電流入力部１１は、電池（図示せず）の両端電圧と出力電流を検出し、Ａ／Ｄ変換部１２の入力に合わせるための減衰器とアンプ機能とを兼ね備える。Ａ／Ｄ変換部１２は、検出した信号を演算可能なディジタル信号（以下Ａ／Ｄデータという。）に変換する。電圧・電流・電力演算部１３は、ディジタル変換された信号から電圧、電流、電力あるいは電圧と電流の位相などを演算する。
【００１８】
インピーダンス測定部２は、電圧・電流入力部１４とＡ／Ｄ変換部１５とインピーダンス演算部１６とから成る。電圧・電流入力部１４は、電圧、電流を検出し、Ａ／Ｄ変換部１５の入力に合わせるための減衰器とアンプ機能を兼ね備える。Ａ／Ｄ変換部１５は、検出した信号を演算可能なＡ／Ｄデータに変換する。インピーダンス演算部１６は、ディジタル変換された信号から電圧、電流、あるいは電圧と電流の位相などを求めて複素インピーダンスを演算する。
【００１９】
尚、電圧・電流・電力演算部１３と、インピーダンス演算部１６に、ＦＦＴ処理部１７，１８を設けてもよい。この場合、電圧・電流・電力演算部１３では、後述する負荷制御信号発生部６から出力される単一周波数成分の正弦波信号や高調波信号で制御された電子負荷（図示せず）により電池から出力された電流と電池の両端電圧の、Ａ／Ｄデータをディジタルフーリエ演算して、正弦波信号の各周波数における電圧値および電流値から電池の両端電圧、放電電流、消費電力などを算出する。また、インピーダンス演算部１６では、Ａ／Ｄデータをディジタルフーリエ演算して、正弦波信号の各周波数における利得と、位相特性から電池の内部インピーダンスを求める。ここでいう利得は、（電池両端電圧振幅）／（放電電流振幅）である。
【００２０】
電圧、電流、電力、インピーダンスの算出は次式により行う。
【数１】

ここで、Ｔ：基本波の周期、ω：角速度、ｕ_ｒｎ：ｎ次成分の電圧実数部、ｕ_ｊｎ：ｎ次成分の電圧虚数部、ｉ_ｒｎ：ｎ次成分の電流実数部、ｉ_ｊｎ：ｎ次成分の電流虚数部、Ｚｎ’：ｎ次成分のインピーダンス実数部、Ｚｎ”：ｎ次成分のインピーダンス虚数部、Ｐｎ：ｎ次成分の有効電力、Ｉｎ：ｎ次成分の電流実効値、Ｕｎ：ｎ次成分の電圧実効値である。
【００２１】
図１に戻り、制御部３は、電圧・電流・電力測定部１、インピーダンス測定部２を制御し、２つのＡ／Ｄ変換部１２，１５に対して同じタイミングでＡ／Ｄ開始信号を送り、測定値の同期をとる。また、得た測定データを表示用のデータに変換する。操作部５は、使用者によりキー操作などが成されると、制御部３に指示を送る。表示部４は、得られた演算結果や操作内容を表示するＣＲＴや液晶表示器である。
尚、電圧・電流・電力演算部１３とインピーダンス演算部１６は、１つの演算部として設けてもよいし、制御部３までを含むように構成してもよい。これら演算部、制御部は、プロセッサなどにより実現することができる。
【００２２】
負荷制御信号発生部６は、電池から電流を出力させる電子負荷に負荷制御信号を出力し、この出力信号により電子負荷のインピーダンスが設定され、電池の負荷電流を制御する。詳細には、負荷制御信号発生部６からは、高調波信号や任意の周波数および振幅の交流信号や直流信号などが出力され、この信号の変化に伴い電子負荷の値が変化していく。
これにより、インピーダンス測定に必要な様々な周波数および振幅での交流電流値や直流電流値の制御を容易にすることができる。
【００２３】
また、電圧・電流・電力測定部１やインピーダンス測定部２は、電力計にそれぞれ複数部装備されることもある。これにより、電力の測定を複数同時に行うことができ、電池の次段にあるインバータやコンバータの効率を電池のインピーダンスと同期させて測定することができる。
さらに、例えば、電池を直列接続や並列接続した場合に、同期をとって電池全体の合成インピーダンスや電池個々のインピーダンスを測定することができる。
加えて、電池単体の特性評価などで、電圧・電流・電力測定部とインピーダンス測定部で同じ箇所の電圧、電流を検出する場合は、共通の電圧・電流入力部を使用するようにしてもよい。さらに、電圧・電流入力部だけでなくＡ／Ｄ変換部まで共用し、共通のＡ／Ｄデータを使用して電力やインピーダンスを演算することも可能である。
これによれば、回路を共用することができコスト削減に有効である。
【００２４】
以上により、電力計にインピーダンス測定機能を付加し、電圧、電流、電力を演算するためのＡ／Ｄデータとインピーダンス演算用のＡ／Ｄデータとの取得タイミングを同期させたことで、電池の負荷状態の観測すなわち負荷電流の変化の観測に同期してその内部インピーダンスを容易に測定することが可能となる。さらに負荷電流の変化に対する電池端子電圧も同時に測定することができる。
【００２５】
これにより、前出の図のように電池の負荷電流を変化させたときの電池両端電圧特性を測定する際、これと同時にそれぞれの測定ポイントについて電池の内部インピーダンスを測定する場合に、電流−電圧特性とインピーダンス測定との間で相関関係を得ることは困難であるという問題に対して、電流−電圧特性曲線の測定と同期してそれぞれのポイントで内部インピーダンスを測定することができるので測定データの信頼性が向上する。
【００２６】
さらに、前出の図２の従来例で示した電源の評価例においてもインバータの一次側電圧、電流および電力、二次側電圧、電流および電力と同期して電池内部インピーダンスを測定することが可能となるため、電源システムの動作に合わせて電池内部インピーダンスの変化をリアルタイムで得ることができる。
【００２７】
加えて、従来のインピーダンス測定器は、数Ｖから大きくても数１０Ｖ程度の電圧信号を扱うのが一般的である。この場合、電池を重ねて使用する場合に発生する大電圧に対応できないため、このようなスタック状態の電池のインピーダンスを測定できない。これに対して、電力計では従来より数百Ｖの入力信号を測定することが可能であり、これにインピーダンス測定機能を追加したことにより、スタック状態で大電圧を発生している電池全体のインピーダンスを測定することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば次の効果が得られる。
【００２９】
請求項１に記載の発明では、電圧や電流や電力とインピーダンスを同期させて測定することにより、測定結果において正確な相関関係を得ることができる。
【００３０】
請求項２に記載の発明では、電圧・電流入力部やＡ／Ｄ変換部を共用し、共通のＡ／Ｄデータを使用して電力やインピーダンスを演算することにより、回路を共通化することができコスト削減に有効である。
【００３１】
請求項３記載の発明では、負荷制御信号発生部を設けたことにより予め設置されている負荷装置を電力計から制御することが可能となり、インピーダンス測定が効率よくできる。また、負荷装置の制御と測定タイミングの同期をとることもでき、電池の評価に有効である。
【００３２】
請求項４記載の発明では、ＦＦＴ処理機能を設けたことにより、電子負荷の値を高調波信号で変化させて測定した電圧および電流の値を、ディジタルフーリエ演算することにより、一度に複数の周波数における電力やインピーダンスを測定することができる。
【００３３】
請求項５記載の発明では、電圧・電流・電力測定部やインピーダンス測定部が、それぞれ複数部装備されることにより、例えば、電池を直列接続や並列接続した場合に、同期をとって電池全体の合成インピーダンスや電池個々のインピーダンスを測定することができる。また、電圧や電流や電力の測定を複数同時に行うことができるので、電池の次段にインバータやコンバータを設けた場合には、その効率を電池のインピーダンスと同期させて測定することができる。
以上により、正確で作業効率のよい電池の評価を実現できる。
【００３４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】従来における電力，インピーダンス測定の一例を示す構成図である。
【図３】電池の電流―電圧特性を示した図である。
【符号の説明】
１電圧・電流・電力測定部
２インピーダンス測定部
３制御部
４表示部
５操作部
６負荷制御信号発生部
１１電圧・電流入力部
１２Ａ／Ｄ変換部
１３電圧・電流・電力演算部
１４電圧・電流入力部
１５Ａ／Ｄ変換部
１６インピーダンス演算部
１７、１８ＦＦＴ処理部

Claims

電池または電池を利用した電源の電圧、電流および電力の少なくとも１つを測定する電圧・電流・電力測定部と、
前記電圧・電流・電力測定部の測定に同期させて測定した前記電池の電圧および電流から前記電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス測定部と、
を設けたことを特徴とする電力計。
電池または電池を利用した電源の電圧、電流および電力の少なくとも１つを測定する電圧・電流・電力測定部と、
前記電池の内部インピーダンスを算出するインピーダンス測定部と、
を設け、
前記電圧・電流・電力測定部と前記インピーダンス測定部は、共通の電圧および電流の測定データを用いて前記電力および前記内部インピーダンスを算出することを特徴とする電力計。
前記電池または電池を利用した電源に接続される負荷装置に対して所定の信号を出力し、この負荷装置の負荷の値を変化させる負荷制御信号発生部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力計。
前記電圧・電流・電力測定部と、前記インピーダンス測定部は、ＦＦＴ処理機能を有し、
前記電池の電圧および電流の測定データをＦＦＴ処理して前記電力および電池の内部インピーダンスを測定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力計。
前記電圧・電流・電力測定部および前記インピーダンス測定部を複数設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電力計。