JP2011010428A - 電子負荷装置およびこれを用いた二次電池の動特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧、大電流出力の二次電池の動特性を測定するためには、高電圧、大電流で高速な交流信号が重畳された信号を二次電池に供給しなければならないが、このようなアンプは実現が困難であるという課題があった。本発明はこのような課題を解決することを目的にする。
【解決手段】高電圧、大電流で直流あるいは低速の交流を出力する低速電圧発生部と、比較的高速の交流信号を発生する交流電圧発生部を用い、これら発生部の出力を重畳して二次電池に出力するようにした。また、交流電圧発生部の共通電位点電圧を発生する基準電圧発生部を設けた。高電圧、大電流で交流信号が重畳された出力を容易に発生させることができるので、簡単に二次電池の動特性を測定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電圧に高速な交流電圧が重畳された出力を出力する電子負荷装置において、特に二次電池の動特性測定装置に用いて好適な電子負荷装置およびこれを用いた二次電池の動特性測定装置に関するものである。

二次電池の動特性を評価するシステムでは、高速な交流が重畳された直流電圧を評価する二次電池に印加し、この二次電池を充電あるいは放電してその時の出力電圧を測定して評価を行う。

図３に、このような評価システムで用いられる、二次電池を充放電する電子負荷装置の構成を示す。図３において、アンプ１０の非反転入力端子には抵抗１３を介して直流電源１１から直流が印加され、抵抗１３およびコンデンサ１４を介して交流信号発生器１２から微小な交流が印加される。

アンプ１０の出力は、抵抗１５を介して評価する二次電池１６に印加される。二次電池１６の出力電圧は、バッファアンプ１７の反転入力端子に入力される。バッファアンプ１７の出力電圧は、抵抗１８を介してアンプ１０の非反転入力端子に帰還される。

このような構成において、直流電源１１の出力電圧を調整することにより、任意の電圧で二次電池１６を充放電することができる。また、図示しない測定装置で二次電池１６の出力電圧を測定することにより、この二次電池１６の動特性を評価することができる。

特許文献１には、ニッカド電池等の二次電池の劣化を判定することができる、二次電池の劣化測定方法および装置の発明が記載されている。以下、図４を用いてこの発明の概要を説明する。

図４において、２０は電流パルス発生部、２１は電圧測定部、２２は劣化を判定する二次電池である。この発明では、電流パルス発生部２０によって一定幅の電流パルスを二次電池２２に印加し、この電流パルスの立ち上がり時および立ち下がり時の電圧を電圧測定部２１によって測定する。

電流パルスの立ち上がり時の電圧は二次電池２２の内部抵抗に関連し、立ち上がり時と立ち下がり時の電圧の比は、充電時のイオン易動度に関係する。電流パルスの幅を変化させて立ち上がり時と立ち下がり時の電圧を測定することにより、二次電池２２の劣化を判定することができる。

特許文献２には、負荷電流の周波数応答性を改善することができる電子負荷装置の発明が記載されている。以下、図５を用いてこの発明の概要を説明する。

図５において、３０は電子負荷装置、４０は被試験装置、４１は接続ケーブルを模擬した回路である。

負荷電流制御用電圧Ｖ３およびオフセット調整用電圧Ｖ４は、演算増幅手段３１に入力される。トランジスタ３２は演算増幅手段３１の出力によって制御される。トランジスタ３２に流れる電流はシャント抵抗３３で検出され、演算増幅手段３１に帰還される。

この発明では、トランジスタ３２に流れる電流の経路にインダクタ３４、３５を配置した。このため、負荷制御ループの周波数応答特性、および起動時の電子負荷応答特性を改善することができ、広範な負荷電流範囲において良好な負荷電流制御特性が得られる。

特開２０００−３９４７０号公報 特開２００４−３１０６０９号公報

しかしながら、このような電子負荷装置、および劣化測定方法には、次のような課題があった。

図３の電子負荷装置は、動特性を測定するために高速な交流を重畳しなければならないので、アンプ１０として許容出力電流が大きく、かつ高周波数特性の良いアンプを使用しなければならない。

しかし、高電圧を出力することができるアンプで、許容出力電流が大きく、かつ高周波特性が良好なアンプを実現することは困難である。このため高電圧、大出力電流の二次電池の動特性を測定することが困難であるという課題があった。

特許文献１に記載されている二次電池の劣化判定装置は簡単に二次電池の劣化を判定する装置であり、高電圧、大電流を出力する二次電池の特性を評価することはできない。また、特許文献２に記載された発明は被試験装置に電流パルスを印加するものであり、微小な交流電圧が印加された直流電圧を印加することはできない。

本発明の目的は、微小な交流電圧が重畳された高電圧、大電流を被試験装置に出力することができる電子負荷装置、およびこの電子負荷装置を用いた二次電池の動特性試験装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
直流あるいは低速で変化する電圧を出力する低速電圧発生部と、
高速な交流電圧を出力する交流電圧発生部と、
を具備したものである。簡単に交流信号が重畳した高電圧、大電流出力の電子負荷装置を実現できる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載に発明において、
前記低速電圧発生部の出力電圧が入力され、前記交流電圧発生部の共通電位点の電圧を供給する基準電圧発生部を具備したものである。交流電圧発生部の共通電位点電圧をグランド以外に設定できる。

請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２に記載の発明において、
前記低速電圧発生部は、その出力側にローパスフィルタを具備したものである。低速電圧発生部の構成を簡単にできる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記ローパスフィルタは、インダクタと抵抗が直列接続された構成を具備したものである。ローパスフィルタの構成を簡単にできる。

請求項５記載の発明は、
二次電池を充放電して、この二次電池の動特性を測定する二次電池の動特性測定装置において、
前記二次電池を充電し、また放電する、請求項１乃至請求項４いずれかに記載の電子負荷装置を具備したものである。容易に高電圧、大電流出力の二次電池の動特性を測定できる。

本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２、３、４、および５の発明によれば、直流あるいは比較的低速の出力を出力する低速電圧発生部と、高速の交流信号を発生する交流信号発生部とを具備し、これら発生部の出力を重畳するようにした。

高電圧、大電流の出力は低速電圧発生部で発生させるようにし、高速の交流信号は交流電圧発生部で発生させるようにしたので、高電圧、大電流を出力する高速アンプを用いなくてもよい。そのため、交流信号が重畳された高電圧、大電流出力を容易に得ることができるという効果がある。

また、交流電圧発生部の共通電位点電圧を発生する基準電圧発生部を設けることにより、交流電圧発生部の共通電位点電圧をグランド以外の電圧に設定することができるという効果もある。

さらに、この電子負荷装置を二次電池の動特性を測定する装置に用いることにより、二次電池の高速応答特性が容易に測定できるという効果もある。

本発明の一実施例を示した構成図である。 ローパスフィルタの周波数特性の一例を示した特性図である。 従来の電子負荷装置の構成図である。 従来の二次電池の劣化測定装置の構成図である。 従来の電子負荷装置の構成図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示した構成図である。なお、図３と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図１において、電子負荷装置は低速電圧発生部５０、交流電圧発生部６０、および基準電圧発生部７０で構成される。

低速電圧発生部５０は高電圧、大電流の出力の直流を発生する。低速電圧発生部５０は、アンプ５１、バッファアンプ５２、直流電源１１、アンプ５１の出力端子に接続されるローパスフィルタ５３で構成される。

直流電源１１の出力電圧は抵抗５４を介してアンプ５１の非反転入力端子に印加される。このアンプ５１の出力端子と反転入力端子との間には抵抗５５が接続され、反転入力端子と共通電位点との間には抵抗５６が接続される。

アンプ５１の出力はローパスフィルタ５３を介して二次電池１６に出力される。ローパスフィルタ５３は抵抗５３ａとインダクタ５３ｂが直列に接続された構成を有し、入力された信号の高周波成分をカットする。

ローパスフィルタ５３の出力側の電圧は、バッファアンプ５２に入力される。このバッファアンプ５２の非反転入力端子と出力端子は接続される。バッファアンプ５２の出力電圧は抵抗５７を介してアンプ５１の非反転入力端子に帰還される。

交流電圧発生部６０は比較的高速の交流電圧信号を発生させる回路であり、交流信号発生器１２、アンプ６１、バッファアンプ６２で構成される。

交流信号発生器１２の出力信号は、抵抗６３を介してアンプ６１の非反転入力端子に印加される。このアンプ６１の出力端子と反転入力端子との間には抵抗６４が接続され、反転入力端子と共通電位点との間には抵抗６５が接続される。

アンプ６１の出力は、抵抗６６を介して二次電池１６に出力される。また、この出力はバッファアンプ６２の反転入力端子に入力される。このバッファアンプの非反転入力端子と出力端子は接続される。バッファアンプ６２の出力は、抵抗６７を介してアンプ６１の非反転入力端子に帰還される。

基準電圧発生部７０は、交流電圧発生部６０の共通電位点電圧を生成する。基準電圧発生部７０は、アンプ７１、抵抗７２、コンデンサ７３で構成される。

アンプ７１の非反転入力端子には、低速電圧発生部５０の出力電圧が入力される。このアンプ７１の反転入力端子と出力端子は共通接続される。アンプ７１の出力端子は、抵抗７２を介して、太線７４で示される交流電圧発生部６０の共通電位点に接続される。この点とグランドとの間には、コンデンサ７３が接続される。

基準電圧発生部７０は単なるバッファ回路なので、低速電圧発生部５０の出力電圧と交流電圧発生部６０の共通電位点電圧は同じ電圧になる。このため、交流電圧発生部６０の出力は低速電圧発生部５０の出力電圧を中心にして変化するので、低速電圧発生部５０の出力端子と交流電圧発生部６０の出力端子を接続するだけで、これらの出力を加算、重畳することができる。

交流電圧発生部６０の共通電位点電圧を直接低速電圧発生部５０の出力から取ると、低速電圧発生部５０の出力インピーダンスが高周波領域でも低くなるようにしないと、交流電圧発生部６０が安定に動作しない。このため、間に基準電圧発生部７０を配置し、低速電圧発生部５０の出力インピーダンスが高周波領域で高くなっても、交流電圧発生部６０が安定に動作するようにする。

このような構成により、比較的高速な交流電圧が重畳した高電圧、大電流の出力を得ることができる。高電圧、大電流は低速電圧発生部５０から供給し、それに重畳する交流電圧は交流電圧発生部６０から供給する。

低速電圧発生部５０は高周波領域でその出力インピーダンスが高くてもよいので、アンプ５１として低速のアンプを用いることができる。交流電圧発生部６０内のアンプ６１は高周波領域での特性が要求されるが、交流電圧発生部６０の出力電圧は微小なので、高電圧、大電流出力を要求されない。従って、いずれも市販のアンプを用いることができる。

二次電池の動特性測定装置の構成は、図３と同じである。低速電圧発生部５０の出力電圧を調整して所望の条件で二次電池１６を充放電し、そのときの二次電池１６の出力電圧と交流成分の電流を図示しない測定部で測定することにより、二次電池１６の高速応答特性を測定することができる。

なお、二次電池１６に印加される交流成分の電流Ｉ_ａｃと直流成分の電流Ｉ_ＤＣは、下記（１）、（２）式で求めることができる。
Ｉ_ａｃ＝（交流電圧発生部６０の出力電圧）／（抵抗６６の抵抗値） ・・・ （１）
Ｉ_ＤＣ＝（低速電圧発生部６０の出力電圧）／（低速電圧発生部５０の出力インピーダ
ンス） ・・・・・・ （２）

図２に、ローパスフィルタ５３の周波数特性の一例を示す。図２において、横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。このローパスフィルタ５３のインピーダンスは周波数がｆ０以下では平坦であり、周波数ｆ０以上でインピーダンスが増加する特性を有する。

なお、ローパスフィルタ５３は、図１に示した抵抗とインダクタの直列回路に限定されることはなく、任意の特性のものを使用できる。要は、周波数が高くなるとインピーダンスが高くなるローパスの特性を有していればよい。

また、必ずしもアンプ５１の出力側にローパスフィルタを配置する構成でなくてもよい。例えば、アンプ５１として高周波領域で出力インピーダンスが増加する特性のアンプを用いてもよい。

また、図１実施例では交流電圧発生部６０の共通電位点電圧を生成する基準電圧発生部７０を用いたが、交流電圧発生部６０の共通電位点電圧としてグランド電位を用いるようにすると、基準電圧発生部７０を省略することができる。

また、図１実施例では低速電圧発生部５０の出力を直流としたが、周波数が低い交流であってもよい。

また、低速電圧発生部５０、交流電圧発生部６０、基準電圧発生部７０は図１の構成に限られることはなく、任意の構成のものを使用することができる。

さらに、図１の実施例では電子負荷装置を二次電池の動特性測定装置に使用したが、他の装置、たとえば高電圧、大電流の低速出力に微小な交流信号を印加して特性を評価する装置に適用することもできる。

１１ 直流電源
１２ 交流信号発生器
１６ 二次電池
５０ 低速電圧発生部
５１、６１、７１ アンプ
５２、６２ バッファアンプ
５３ ローパスフィルタ
５３ａ、５４〜５７、６３〜６６、７２ 抵抗
５３ｂ インダクタ
６０ 交流電圧発生部
７０基準電圧発生部
７３ コンデンサ

Claims (5)

1. 直流あるいは低速で変化する電圧を出力する低速電圧発生部と、
   高速な交流電圧を出力する交流電圧発生部と、
   を具備したことを特徴とする電子負荷装置。
2. 前記低速電圧発生部の出力電圧が入力され、前記交流電圧発生部の共通電位点の電圧を供給する基準電圧発生部を具備したことを特徴とする請求項１に記載の電子負荷装置。
3. 前記低速電圧発生部は、その出力側にローパスフィルタを具備したことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の電子負荷装置。
4. 前記ローパスフィルタは、インダクタと抵抗が直列接続された構成を具備したことを特徴とする請求項３に記載の電子負荷装置。
5. 二次電池を充放電して、この二次電池の動特性を測定する二次電池の動特性測定装置において、
   前記二次電池を充電し、また放電する、請求項１乃至請求項４いずれかに記載の電子負荷装置を具備したことを特徴とする二次電池の動特性測定装置。

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