JP2006266960A - 蓄電池内部インピーダンス測定装置および蓄電池内部インピーダンス測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 計測電流の周波数とノイズ成分の周波数とがきわめて近い場合に、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。
【解決手段】 交流電流発生手段１１および交流電圧計測手段１２を制御する共通の制御部１３を有する蓄電池内部インピーダンス測定装置１０を用いる。交流電圧計測手段１２は、所望の周波数を通過させるＢＰＦ１４と、ＢＰＦ１４を通過したアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１５と、Ａ／Ｄ変換部１５の出力信号に対してディジタルフィルタ処理を行うディジタルフィルタ１６と、ディジタルフィルタ１６の出力値から起電力成分の値を求める演算部１７を含んで構成され、ディジタルフィルタ１６は、ＢＰＦ１４の通過帯域周波数の範囲内で処理周波数が可変となるように構成されている。
【選択図】 図１

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および方法に関する。

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。

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方法である。

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図を図４に示す。図４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。そして、交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４を含んで蓄電池内部インピーダンス測定装置５が構成される。

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ものなどを本明細書では蓄電池群２と定義している。

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。

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。

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。

このような問題点を解決する手法として、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１参照）。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。また、被計測起電力成分のうち計測電流の周波数とほぼ等しい周波数成分のみを測定するため、アナログフィルタとディジタルフィルタとを用いた装置が知られている（特許文献２参照）。

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） 特開２００４−１３２７９７号公報

しかし、特許文献１のように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。また、特許文献２のように計測電流の周波数とほぼ等しい周波数成分のみを測定することで、特許文献１のような問題点は解消されるが、計測電流の周波数とノイズ成分の周波数とがきわめて近い場合には、完全にノイズの影響から逃れることは難しくなる。

そこで、本発明では、計測電流の周波数とノイズ成分の周波数とがきわめて近い場合に、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。

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し、前記交流電流発生手段は、実質的に正弦波となる交流電流を発生する手段であり、前記交流電圧計測手段は、アナログ信号処理手段とディジタル信号処理手段とを有する蓄電池内部インピーダンス測定装置において、前記蓄電池内部インピーダンス測定装置は、前記交流電流発生手段および前記交流電圧計測手段を制御する共通の制御手段を含んで構成され、前記アナログ信号処理手段は、前記交流電流発生手段が発生する周波数の交流信号を通過させるアナログフィルタを有し、前記ディジタル信号処理手段は、前記アナログフィルタの通過帯域内の交流信号を処理するディジタルフィルタを有し、前記ディジタルフィルタは、前記アナログフィルタの通過帯域周波数の範囲内で処理周波数が可変となるように構成されていることを特徴とする。

請求項２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、実質的に正弦波となる交流電流を発生する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からの交流電流を停止させるステップと、前記交流電流が停止した状態で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起電力成分をアナログフィルタで処理するステップと、前記アナログフィルタにより処理された前記起電力成分を前記アナログフィルタの通過帯域内で処理周波数可変に構成されたディジタルフィルタで前記処理周波数を変化させながら処理するステップと、前記処理周波数を変化させながら処理された前記起電力成分に基づいて前記被計測起電力成分が最も小さくなる周波数を計測周波数として設定するステップと、前記交流電流発生手段から前記計測周波数の交流電流を発生させて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前記計測周波数における被計測起電力成分をアナログフィルタで処理するステップと、を有することを特徴とする。

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、あらかじめノイズ成分が最小となる周波数を計測周波数として設定することができるため、交流電流発生手段が発生する交流電流の周波数成分とノイズ周波数成分とが比較的近い場合であっても、精度よ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。

本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

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、１０は蓄電池内部インピーダンス測定装置である。蓄電池内部インピーダンス測定装置１０は、交流電流発生手段１１、交流電圧計測手段１２を含む。これらの点は、図４とほぼ同様である。

また、図１において、蓄電池内部インピーダンス測定装置１０は、交流電流発生手段１１および交流電圧計測手段１２を制御する共通の制御部１３を有する。また、交流電圧計測手段１２は、その入力側から順に、所望の周波数を通過させるアナログバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４と、ＢＰＦ１４を通過したアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１５と、Ａ／Ｄ変換部１５の出力信号に対してディジタルフィルタ処理を行うディジタルフィルタ１６と、ディジタルフィルタ１６の出力値から起電力成分の値を求める演算部１７を含んで構成されており、ディジタルフィルタ１６は、ＢＰＦ１４の通過帯域周波数の範囲内で処理周波数が可変となるように構成されている。

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。なお、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。

交流電流発生手段１１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１１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。

交流電流発生手段１１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。

ここで、交流電流発生手段１１が発生する交流電流の周波数は、ディジタルフィルタ１５の処理周波数が変化する範囲内で可変となるようにされており、交流電流発生手段１１が交流電流を発生する際には、ディジタルフィルタ１５の処理周波数と同一の周波数の交流電流を発生するように、共通の制御部１３により制御される。

次に、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について、実際の使用形態に適合させた一例のブロック図を図２に示す。図２において、１は蓄電池、２は蓄電池群で例えば整流器に負荷とは並列に接続されている。２０は蓄電池内部インピーダンス測定装置である。蓄電池内部インピーダンス測定装置２０は、交流電流発生手段および交流電圧計測手段を含み、これらの構成は以下に詳述する。なお、図２に示された構成は、図１とほぼ同様である。

図２において、蓄電池内部インピーダンス測定装置２０のうち、交流電流発生手段に相当する構成については、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）２１と、ＭＰＵ２１が発生する信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部２２と、Ｄ／Ａ変換部２２の出力信号を増幅する電流増幅部（ＡＭＰ）２３とを含む。また、交流電圧計測手段に相当する構成については、所望の周波数を通過させるＢＰＦ２４と、ＢＰＦ２４を通過したアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部２５と、Ａ／Ｄ変換部２５の出力信号に対してディジタルフィルタ処理を行った後に起電力成分の値を求める前述のＭＰＵ２１とを含む。すなわち、ＭＰＵ２１は、図１における制御部１３、ディジタルフィルタ１６、演算部１７の各機能と、交流電流発生手段１１の機能の一部とを備えている。

なお、図１、図２において、ＢＰＦ１４、２４は、比較的急峻な特性を有することが望ましい。例えば、フィルタの品質を示すＱ（Quality Factor）の値としては、２以上であることが望ましい。

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３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的な流れを示す流れ図である。図２のように、本実施形態は、交流電流発生手段の出力（計測電流）を停止状態とするステップ（ステップ−１）、ディジタルフィルタの処理周波数を変えて、各周波数における蓄電池の両端の電圧（ノイズレベル）を測定するステップ（ステップ−２）、ノイズレベルが最小となる周波数を計測周波数ｆとして決定するステップ（ステップ−３）、交流電流発生手段から計測周波数ｆの計測電流Ｉを流すステップ（ステップ−４）、ステップ−４におけるディジタルフィルタの処理周波数を計測周波数ｆとして、計測電流Ｉを流した際の蓄電池の両端の電圧Ｖを測定するステップ（ステップ−５）、内部インピーダンスＺ＝Ｖ／Ｉを算出するステップ（ステップ−６）の６つのステップからなっている。

次に、上記各ステップ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。

（ステップ−１）
制御部１３から制御信号を発生するか、または制御信号を停止することにより、交流電流発生手段１１の出力を停止させて次のステップに進む。既に交流電流発生手段１１の出力が停止している場合は、そのまま次のステップに進む。

（ステップ−２）
ディジタルフィルタ１６の処理周波数をＢＰＦ１４の通過帯域の範囲内で変えて、各周波数における蓄電池１の両端の電圧を演算部１７で測定する。この測定は、ノイズレベルの測定に相当する。測定終了後は、次のステップに進む。

（ステップ−２における具体的処理例）
このステップ２において、蓄電池１の内部インピーダンスの測定を、周波数１０Ｈｚ程度の正弦波を用いて実施する例について説明する。ここで、ＢＰＦ１４の通過帯域を８〜１２Ｈｚ、ディジタルフィルタ１６の処理周波数の範囲も８〜１２Ｈｚとし、例えばディジタルフィルタ１６において周波数１０Ｈｚの信号を３２回サンプリングして測定周期を３．２秒とすることを標準的な状態とすると、制御部１３によりディジタルフィルタ１６の測定周期を変化させることで、ディジタルフィルタ１６の処理周波数を簡単に変えることができる。具体的には、サンプリング回数を３２回に固定した場合、測定周期３．１秒の場合は処理周波数は約１０．３２Ｈｚ、測定周期３．３秒の場合は処理周波数は約９．６７Ｈｚとなる。もちろん、測定周期を０．１秒ごとに変える必要はなく、例えば処理周波数が一定の周波数間隔となるようにしてもよい。

この場合、交流電流発生手段１１が出力する交流電流の周波数を、ディジタルフィルタ１６の処理周波数と常に同じ周波数となるようにしておくと、ステップ−３以降の処理が精度よく行われるため望ましい。

（ステップ−３）
演算部１７は、制御部１３からの制御に基づき、ステップ−２において測定されたノイズレベルが最小となる周波数を計測周波数ｆとして決定する。また、計測周波数ｆの値は、制御部１３に伝達される。終了後は次のステップに進む。

（ステップ−４）
制御部１３は、交流電流発生手段１１から上記ステップ−３で得られた計測周波数ｆの計測電流Ｉを流すように交流電流発生手段１１を制御する。その後は次のステップに進む。

（ステップ−５）
制御部１３は、ディジタルフィルタ１６の処理周波数を、上記ステップ−３で得られた計測周波数ｆとし、さらに演算部１７において、交流電流発生手段１１から計測周波数ｆの計測電流Ｉを流した際の蓄電池１の両端の電圧値（交流起電力成分）Ｖを測定するように制御する。処理後は次のステップに進む。

（ステップ−６）
演算部１７は、計測周波数ｆの計測電流Ｉを流した際の蓄電池１の内部インピーダンスＺを、ステップ−５で求められた電圧値Ｖを用いて、Ｚ＝Ｖ／Ｉの関係から演算する。この結果は、図示しない記憶部に記憶される。終了後は計測を終了する。

なお、図３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３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。

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。

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。 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について、実際の使用形態に適合させた一例のブロック図である。 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方法の概略的な流れを示す流れ図である。 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。

符号の説明

１ 蓄電池
２ 蓄電池群
３ 交流電流発生手段
４ 計測電流検出手段
５、１０、２０ 蓄電池内部インピーダンス測定装置
１１ 交流電流発生手段
１２ 交流電圧計測手段
１３ 制御部
１４、２４ アナログバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１５、２５ Ａ／Ｄ変換部
１６ ディジタルフィルタ
１７ 演算部
２１ マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）
２２ Ｄ／Ａ変換部
２３ 電流増幅部

Claims (2)

1. 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し、
   前記交流電流発生手段は、実質的に正弦波となる交流電流を発生する手段であり、
   前記交流電圧計測手段は、アナログ信号処理手段とディジタル信号処理手段とを有する蓄電池内部インピーダンス測定装置において、
   前記蓄電池内部インピーダンス測定装置は、前記交流電流発生手段および前記交流電圧計測手段を制御する共通の制御手段を含んで構成され、
   前記アナログ信号処理手段は、前記交流電流発生手段が発生する周波数の交流信号を通過させるアナログフィルタを有し、
   前記ディジタル信号処理手段は、前記アナログフィルタの通過帯域内の交流信号を処理するディジタルフィルタを有し、
   前記ディジタルフィルタは、前記アナログフィルタの通過帯域周波数の範囲内で処理周波数が可変となるように構成されていることを特徴とする蓄電池内部インピーダンス測定装置。
2. 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、実質的に正弦波となる交流電流を発生する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からの交流電流を停止させるステップと、
   前記交流電流が停止した状態で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起電力成分をアナログフィルタで処理するステップと、
   前記アナログフィルタにより処理された前記起電力成分を前記アナログフィルタの通過帯域内で処理周波数可変に構成されたディジタルフィルタで前記処理周波数を変化させながら処理するステップと、
   前記処理周波数を変化させながら処理された前記起電力成分に基づいて前記被計測起電力成分が最も小さくなる周波数を計測周波数として設定するステップと、
   前記交流電流発生手段から前記計測周波数の交流電流を発生させて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前記計測周波数における被計測起電力成分をアナログフィルタで処理するステップと、
   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方法。