JP2009109375A - 電子負荷装置および電池の内部抵抗測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定電圧動作時における電池の内部抵抗（インピーダンス）を測定可能とする。
【解決手段】電池１の内部抵抗を交流抵抗計２にて測定する際、電池１の両電極間に接続される電子負荷装置１０において、電池１から流される負荷電流を定電流とする定電流回路１１と、電池１の端子間電圧が所定の定電圧となるように定電流回路１１に流れる負荷電流の電流値を制御する制御部１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池（特には、燃料電池）の内部抵抗を測定する際に、その電池に接続される電子負荷装置および電子負荷装置を含む電池の内部抵抗測定装置に関するものである。

燃料電池の内部抵抗（インピーダンス）には、実効抵抗成分と反応抵抗成分とが含まれるが、その内部抵抗を測定するにあたっては、例えば特許文献１に記載され、図３に示すように、燃料電池１に対して、四端子法による交流抵抗計２と電子負荷装置３とがそれぞれ並列的に接続される。

電子負荷装置３は、燃料電池１から負荷電流を取り出すために用いられ、これにより燃料電池１の実際の使用状態が疑似的に作り出され、その状態での内部インピーダンスを測定することができる。

通常、電子負荷装置３には、定電流動作（ＣＣ動作）モードと、定電圧動作（ＣＶ動作）モードの２つの動作モードが用意されており、必要に応じて、その動作モードが選択されるが、一般的に、定電流動作モードでは、電子負荷装置３の内部インピーダンスは大きく、定電圧動作モードでは、電子負荷装置３の内部インピーダンスは小さい。

したがって、図３のような接続で、電子負荷装置３を定電流動作させて、燃料電池１の内部抵抗を交流抵抗計２で測定する場合、電子負荷装置３の内部インピーダンスが大きいため、燃料電池１の内部抵抗を正確に測定することができる。

これに対して、電子負荷装置３を定電圧動作させて、燃料電池１の内部抵抗を交流抵抗計２で測定する場合には、電子負荷装置３の内部インピーダンスが測定値に大きく影響し、測定誤差が大きくなる。

そのため、従来では、電子負荷装置３を定電流動作モードとして、燃料電池１の内部抵抗を測定するようにしている。しかしながら、ユーザーによっては、定電圧動作時における燃料電池の内部抵抗を測定したい場合があるが、原理上、それができないという問題がある。この問題は、燃料電池特有の問題ではなく、２次電池などについても言えることである。

特開２００３−２２３９１８号公報

したがって、本発明の課題は、定電圧動作時における電池の内部抵抗（インピーダンス）を測定可能とすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載されているように、電池の内部抵抗を交流抵抗計にて測定する際、上記電池の両電極間に接続される電子負荷装置において、上記電池から流される負荷電流を定電流とする定電流回路と、上記電池の端子間電圧が所定の定電圧となるように上記定電流回路に流れる上記負荷電流の電流値を制御する制御部とを備えていることを特徴としている。

本発明には、請求項２に記載されているように、上記電池の端子間電圧を測定する電圧測定手段をさらに備え、上記制御部は、定電流動作状態のもとで上記電圧測定手段にて測定される上記電池の端子間電圧が所定の定電圧となるように上記定電流回路に流れる上記負荷電流の電流値を制御する態様も含まれる。

本発明において、請求項３に記載されているように、上記電池の端子間電圧が所定の定電圧となるように上記定電流回路に流れる上記負荷電流の電流値を制御する擬似的な定電圧動作モードのほかに、定電流動作モードを備えていることが好ましい。

また、請求項４に記載されているように、被測定電池の両電極間にそれぞれ並列的に接続される交流抵抗計と電子負荷装置とを含み、上記被測定電池から上記電子負荷装置に負荷電流を流した状態で、上記交流抵抗計にて上記被測定電池の内部抵抗を測定する電池の内部抵抗測定装置において、上記電子負荷装置として、請求項１ないし３のいずれか１項に記載されている電子負荷装置を用いることを特徴とする電池の内部抵抗測定装置も本発明に含まれる。

本発明によれば、定電流動作状態のもとで、被測定物である電池の端子間電圧が所定の定電圧となるように、定電流回路に流れる負荷電流の電流値を制御するようにしたことにより、見掛け上、定電圧動作が可能となる。この場合において、回路構成は定電流動作時と同じで電子負荷装置の内部インピーダンスが高く保たれることになるため、定電圧動作状態で電池の内部抵抗をより正確に測定することができる。

次に、図１および図２により、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る電子負荷装置を示す模式図、図２は上記電子負荷装置の具体的な構成例を示す回路図である。

なお、この実施形態の説明においても、被測定物は先の図３の従来例で説明した燃料電池１であるが、２次電池などであってもよい。また、燃料電池１の内部抵抗測定手段には、上記従来例と同じく、四端子法による交流測定計２が用いられてよい。

図１に示すように、本発明による電子負荷装置１０は、燃料電池１の内部抵抗を測定するにあたって、交流測定計２とともに燃料電池１に対して並列的に接続される。

この実施形態において、電子負荷装置１０は、燃料電池１の両電極間に接続される定電流回路１１と、燃料電池１の端子間電圧を測定する電圧計（電圧測定手段）１２と、定電流回路１１を制御する制御部１３とを含み、動作モードとして、擬似的な定電圧（ＣＶ）動作モードと定電流（ＣＣ）動作モードの２つの動作モードを備えている。

定電流回路１１には、燃料電池１から負荷電流が流されるが、擬似的な定電圧動作モード時には、電圧計１２にて燃料電池１の端子間電圧が測定される。測定された端子間電圧（測定電圧値）は、制御部１３に入力される。制御部１３には、あらかじめユーザーが所望とする燃料電池１の定電圧値（設定電圧値）が設定されている。

制御部１３は、測定電圧値と設定電圧値とを比較し、測定電圧値が設定電圧値になるように、定電流回路１１に流れる負荷電流を制御する。このように、測定電圧値と設定電圧値とを比較して、負荷電流の制御にフィードバックをかけることにより、擬似的に（見掛け上）、電子負荷装置１０は定電圧動作状態となる。

これによれば、回路構成は定電流動作時と同じで電子負荷装置１０の内部インピーダンスが高く保たれることになるため、定電圧動作状態で燃料電池１の内部抵抗をより正確に測定することができる。

図２を参照して、図１の定電流回路１１は、基本的な構成として、オペアンプ１１ａと、オペアンプ１１ａの出力側に接続される半導体素子（この例では、ＮＰＮトランジスタ）１１ｂとにより構成される。

ＮＰＮトランジスタ１１ｂのコレクタは、燃料電池１の正極側に接続され、ＮＰＮトランジスタ１１ｂのエミッタは、電流検出抵抗Ｒを介して燃料電池１の負極側に接続され、かつ、接地される。なお、ｒは燃料電池１の内部抵抗である。

オペアンプ１１ａの−入力端子には、ＮＰＮトランジスタ１１ｂのエミッタと電流検出抵抗Ｒとの接続点が接続される。オペアンプ１１ａの＋入力端子には、電圧可変の直流電圧Ｖｒｅｆが印加される。これにより、定電流回路１１は、燃料電池１の負荷電流が（Ｖｒｅｆ／Ｒ）となるように動作する。

オペアンプ１２ａが図１の電圧計１２に相当し、オペアンプ１２ａの＋入力端子は、燃料電池１の正極側に接続される。オペアンプ１２ａの出力端子と−入力端子とが接続されるので、オペアンプ１２ａは、ボルテージフォロワとして動作し、燃料電池１の正極の電圧、すなわち燃料電池１の端子間電圧を測定する。

オペアンプ１２ａにて測定された燃料電池１の端子間電圧（測定電圧）は、図１の制御部１３に入力される。制御部１３は、測定電圧値と設定電圧値とを比較し、測定電圧値＝設定電圧値となるように、オペアンプ１１ａの＋入力端子に印加される直流電圧Ｖｒｅｆの電圧値を制御する。これにより、定電流回路１１は、燃料電池１の端子間電圧が設定電圧値となるように、負荷電流（Ｖｒｅｆ／Ｒ）を制御する。

なお、この電子負荷装置１０では、上記直流電圧Ｖｒｅｆは例えば次のように設定されるように動作する。燃料電池１の無負荷時の電圧をＶｏ，負荷電流をＩとすると、燃料電池１の端子間電圧（測定電圧）は次式（１）で表される。
Ｖｏ−Ｉ×ｒ＝Ｖｏ−（Ｖｒｅｆ／Ｒ）×ｒ…（１）

制御部１３は、この測定電圧が設定電圧値になるように上記直流電圧Ｖｒｅｆを制御する。まず、動作開始時に微少な負荷電流Ｉを流し、上記式（１）から内部抵抗ｒを予測する。その内部抵抗ｒの値に基づいて、上記直流電圧Ｖｒｅｆを設定電圧値になるように設定する。以後は、上記式（１）で内部抵抗ｒの値を計算し直しながら、上記直流電圧Ｖｒｅｆを制御する。

このようにして、本発明によれば、擬似的な定電圧動作モードが作り出されるため、定電圧動作状態で燃料電池１の内部抵抗をより正確に測定することができる。なお、定電流動作モードで燃料電池１の内部抵抗を測定する場合には、オペアンプ１２ａの出力をオフとして、オペアンプ１１ａの＋入力端子に印加される直流電圧Ｖｒｅｆを任意に決めればよい。

本発明の実施形態に係る電子負荷装置を示す模式図。 上記電子負荷装置の具体的な構成例を示す回路図。 燃料電池の内部抵抗を測定する従来の測定系を示す模式図。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 交流抵抗計
１０ 電子負荷装置
１１ 定電流回路
１１ａ オペアンプ
１１ｂ トランジスタ
１２ 電圧計
１２ａ オペアンプ
１３ 制御部

Claims (4)

1. 電池の内部抵抗を交流抵抗計にて測定する際、上記電池の両電極間に接続される電子負荷装置において、
   上記電池から流される負荷電流を定電流とする定電流回路と、上記電池の端子間電圧が所定の定電圧となるように上記定電流回路に流れる上記負荷電流の電流値を制御する制御部とを備えていることを特徴とする電子負荷装置。
2. 上記電池の端子間電圧を測定する電圧測定手段をさらに備え、上記制御部は、定電流動作状態のもとで上記電圧測定手段にて測定される上記電池の端子間電圧が所定の定電圧となるように上記定電流回路に流れる上記負荷電流の電流値を制御することを特徴とする請求項１に記載の電子負荷装置。
3. 上記電池の端子間電圧が所定の定電圧となるように上記定電流回路に流れる上記負荷電流の電流値を制御する擬似的な定電圧動作モードのほかに、定電流動作モードを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子負荷装置。
4. 被測定電池の両電極間にそれぞれ並列的に接続される交流抵抗計と電子負荷装置とを含み、上記被測定電池から上記電子負荷装置に負荷電流を流した状態で、上記交流抵抗計にて上記被測定電池の内部抵抗を測定する電池の内部抵抗測定装置において、
   上記電子負荷装置として、請求項１ないし３のいずれか１項に記載されている電子負荷装置を用いることを特徴とする電池の内部抵抗測定装置。

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