JP2011169666A - 交流インピーダンス測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】電圧データに含まれる勾配成分によるインピーダンス演算への影響を大幅に軽減でき、出力変化が直線近似できない場合でも高精度のインピーダンス測定が行え、ステップ的な入力に対しては出力が安定するまで待つことなく短時間でのインピーダンス測定が可能な交流インピーダンス測定システムを提供すること。
【解決手段】周期信号が重畳された信号を被測定物に印加することにより得られる電流と電圧の少なくとも一方に勾配を含むデータをフーリエ変換したデータに基づき、被測定物のインピーダンスを演算するように構成された交流インピーダンス測定システムにおいて、
前記電流と電圧のフーリエ変換を固定の時間区間で開始時間をずらして複数回行うフーリエ変換部と、これら電流と電圧の各フーリエ変換データ列におけるデータの差分を値が１つになるまで複数回求める差分演算部と、この差分演算部で求めた電流と電圧の差データの比から前記被測定物のインピーダンスを求めるインピーダンス演算部、を設けたことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流インピーダンス測定システムに関し、詳しくは、電池の充放電中における交流インピーダンス特性の測定の改善に関するものである。

近年、環境やコスト上のメリットから、充電使用できる二次電池が注目されている。そして、このような二次電池の研究開発分野において、所望の周波数におけるインピーダンス特性を、高精度で測定したいという要求がある。

図５は、従来から用いられている交流インピーダンス測定システムの一例を示す概略構成図である。ユーザー端末１０は、インピーダンス測定装置２０に対して、所望の印加電流オフセット、振幅、周波数などの測定条件を設定するとともに、測定開始、停止など、インピーダンス測定装置２０の制御を行う。

インピーダンス測定装置２０には、フォース部、センス部、データ処理部などが設けられている。フォース部は、フォース線ＦＬを介して測定対象である電池３０に対して定電流を印加する。センス部は、センス線ＳＬを介して電池３０の電圧・電流を測定し、測定結果を電圧・電流それぞれの記憶部に格納する。

データ処理部は、センス部により測定格納した一連の電圧・電流データに基づいてたとえばＤＦＴ（Discrete Fourier Transform；離散フーリエ変換）演算を行うことによりインピーダンスを算出し、その演算結果をユーザー端末１０に送信する。

特開２００７−２６５８９５号公報 特開２００７−２５８６６１号公報 特開２００７−１７４０５号公報

特許文献１には、周波数ｆ≒０Ｈｚ付近（低周波数領域）において、交流信号に対する応答性を測定せず、直流成分のみでインピーダンス特性を測定することにより、燃料電池の特性測定を高速化する技術が記載されている。

特許文献２では、積層セラミックコンデンサの製造において、その評価手段として交流インピーダンス測定を用いている。

特許文献３では、鉄筋腐食度の評価において、交流インピーダンス測定を用いている。

しかし、このような二次電池において、電池の充電中（または放電中）にインピーダンス測定を行う場合、徐々に電池電圧が変化するため、測定開始時から終了時にかけて、電圧に緩やかな勾配成分が含まれることになる。

この勾配成分を含んだ電圧データに基づいてＤＦＴ演算を行い、インピーダンスを計算すると、精度が劣化してしまう。

すなわち、勾配成分を含んだ電圧データに基づくインピーダンス演算結果には、以下のような傾向がある。
・電圧の勾配成分が大きくなるほど、誤差が大きくなる。
・測定時間が長いほど、誤差が大きくなる。
・解析する周波数が基本周波数に近いほど、誤差が大きくなる。

これらから、一周期当たりのデータ取得に時間がかかる低周波の演算結果には、必然的に大きな誤差を含むことになる。

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、電圧データに含まれる勾配成分によるインピーダンス演算への影響を大幅に軽減でき、出力変化が直線近似できない場合でも高精度のインピーダンス測定が行える交流インピーダンス測定システムを提供することにある。

また、ステップ的な入力に対し、出力が安定するまで待つことなく、短時間でのインピーダンス測定が可能な交流インピーダンス測定システムを提供することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
周期信号が重畳された信号を被測定物に印加することにより得られる電流と電圧の少なくとも一方に勾配を含むデータをフーリエ変換したデータに基づき、被測定物のインピーダンスを演算するように構成された交流インピーダンス測定システムにおいて、
前記電流と電圧のフーリエ変換を固定の時間区間で開始時間をずらして複数回行うフーリエ変換部と、
これら電流と電圧の各フーリエ変換データ列におけるデータの差分を値が１つになるまで複数回求める差分演算部と、
この差分演算部で求めた電流と電圧の差データの比から前記被測定物のインピーダンスを求めるインピーダンス演算部、
を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の交流インピーダンス測定システムにおいて、
前記フーリエ変換部は、開始時間を任意の間隔でずらすことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の交流インピーダンス測定システムにおいて、
前記差分演算部は、隣接を含む任意間隔データの差分を求めることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の交流インピーダンス測定システムにおいて、
前記周期信号は複数の周波数成分を含み、この周期信号に含まれる各周波数成分について前記インピーダンスの演算を行うことを特徴とする。

これらにより、電圧データに含まれる勾配成分によるインピーダンス演算への影響を大幅に軽減でき、出力変化が直線近似できない場合でも高精度のインピーダンス測定を行うことができ、ステップ的な入力に対しては出力が安定するまで待つことなく短時間でインピーダンス測定が行える。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 図１における電流・電圧波形例図である。 図１の演算処理部における動作の流れを示すフローチャートである。 図１の動作説明図である。 従来の交流インピーダンス測定システムの一例を示す概略構成図である。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は、本発明で用いるインピーダンス測定装置２０の主要部の一実施例を示すブロック図である。図１において、制御部２０ａは、加算器２０ｂに直流信号と周期信号を出力するとともに、サンプルクロックをサンプリング部２０ｃ，２０ｄに出力する。

加算器２０ｂは、直流信号に周期信号を重畳させた電流または電圧信号を出力信号発生部２０ｅに出力する。出力信号発生部２０ｅは、周期信号が重畳された直流信号を、ＤＵＴ３０および電流測定部２０ｆに印加する。

電流測定部２０ｆは、ＤＵＴ３０の出力電流を測定して測定信号をサンプリング部２０ｃに出力する。電圧測定部２０ｇは、ＤＵＴ３０の出力電圧を測定して測定信号をサンプリング部２０ｄに出力する。

サンプリング部２０ｃは、電流測定部２０ｆの測定信号をサンプリングしてその測定電流データを電流データ格納部２０ｈに格納する。サンプリング部２０ｄは、電圧測定部２０ｇの測定信号をサンプリングしてその測定電圧データを電圧データ格納部２０Ｉに格納する。

演算処理部２０ｊは、これら電流データ格納部２０ｈに格納された電流データおよび電圧データ格納部２０iに格納された電圧データを読み出し、直流変動分の影響を除去してＤＵＴ３０のインピーダンスについて所定の演算を行う。

表示部２０ｋは、演算処理部２０ｊで実行されたＤＵＴ３０のインピーダンスの演算結果を、適切な形式で表示する。

具体的なインピーダンス演算処理動作を、電流制御の場合について説明する。
図２は図１の装置で測定される電流および電圧の波形例図であって、（Ａ）は電流波形を示し、（Ｂ）は電圧波形を示している。

（Ａ）に示すように、電流信号の直流分がたとえば０Ａから−１Ａへステップ状に変化すると同時に（または若干遅れて）周期信号が重畳された場合には、電圧信号は（Ｂ）に示すように、ある過渡特性を示す信号に周期信号が重畳された信号になる。

なお、電流信号に重畳される周期信号を、
i（ｔ）＝０．１・ｓiｎ（２πｆ・ｔ）−１
ｆ＝０．１［Ｈｚ］
とすると、測定される電圧信号は、
ｖ（ｔ）＝i（ｔ）・Ｚ＋０．１・ｅ^{−ｔ／１０}
で表すことができる。Ｚ＝０．０４とする。

これらの電流波形および電圧波形は、それぞれサンプリング部２０ｃ，２０ｄによりｔ＝０ｓから一定間隔でサンプリングされて電圧データおよび電流データに変換され、電流データ格納部２０ｈおよび電圧データ格納部２０Ｉに記憶される。なお、電圧信号の直流分は、電流ステップ時から充分時間が経過しても、電池の充放電時などは時々刻々変動する。

図３は、演算処理部２０ｊにおけるインピーダンス演算処理の動作の流れを示すフローチャートである。まず演算開始時間を設定する（Ｓ１）。その後、その時点から信号周期の整数倍の区間の電流、電圧データを取得して（Ｓ２，Ｓ３）、各々フーリエ変換を行い（Ｓ４，Ｓ５）、それらの結果を格納する（Ｓ６，Ｓ７）。これらフーリエ変換の結果をＩ_０ ^＊、Ｖ_０ ^＊とする。

次に、ステップＳ１で設定した演算開始時間からわずかにずらした演算開始時間を新たに設定し、以降ステップＳ７まで同様の操作を行う。繰り返して同じ間隔で演算開始時間をｎ回ずらしたときの電流、電圧信号のフーリエ変換値をＩ_１ ^＊，Ｉ_２ ^＊，Ｉ_３ ^＊,・・・Ｉ_ｎ ^＊、Ｖ^＊ _１，Ｖ２^＊，Ｖ_３ ^＊，・・・Ｖ_ｎ ^＊とする。

このようにして繰り返し同じ間隔で演算開始時間をｎ回ずらしたときの電流、電圧信号のフーリエ変換値を格納した後、差分演算を行う（Ｓ８，Ｓ９）。

差分演算にあたっては、まず電流、電圧フーリエ変換データ列各々の隣り合う同士の差をとる。
（Ｉ_１ ^＊’＝Ｉ_１ ^＊−Ｉ_０ ^＊、Ｉ_２ ^＊'＝Ｉ_２ ^＊−Ｉ_１ ^＊・・Ｉ_ｎ ^＊'＝Ｉ_ｎ ^＊−Ｉ_ｎ−１ ^＊），
（Ｖ_１ ^＊’＝Ｖ_１ ^＊−Ｖ_０ ^＊、Ｖ_２ ^＊'＝Ｖ_２ ^＊−Ｖ_１ ^＊・・Ｖ_ｎ ^＊'＝Ｖ_ｎ ^＊−Ｖ_ｎ−１ ^＊）

さらに、電流、電圧データ列各々の隣り合う同士の差をとる。
（Ｉ_１ ^＊’’＝Ｉ_１ ^＊’−Ｉ_０ ^＊’、Ｉ_２ ^＊’'＝Ｉ_２ ^＊’−Ｉ_１ ^＊’・・Ｉ_ｎ ^＊’'＝Ｉ_ｎ ^＊’−Ｉ_ｎ−１ ^＊’），
（Ｖ_１ ^＊’’＝Ｖ_１ ^＊’−Ｖ_０ ^＊’、Ｖ_２ ^＊'’＝Ｖ_２ ^＊’−Ｖ_１ ^＊’・・Ｖ_ｎ ^＊'’＝Ｖ_ｎ ^＊’−Ｖ_ｎ−１ ^＊’）

以下、同様な差分演算を、電流、電圧ともに値が１つになるまで繰り返して行う。
そして、このようにして値が１つになるまで求めた電流、電圧の差データの比に基づいて、ＤＵＴ３０のインピーダンスを算出する。

このような演算処理によれば、直流分が変動している場合でも誤差の小さなインピーダンス測定結果を得ることができ、ステップ的な入力に対して出力が安定しない場合でも出力が安定するまで待つことなく、短時間でインピーダンス測定が行える。

そして、インピーダンスの演算結果に着目すると、図４のシミュレーション結果に示すように、フーリエ変換開始時間をずらす回数を増やすことによって、誤差を小さくすることができる。

なお、差分演算を行うデータは、隣り合うデータに限るものではでなく、１個飛ばしや２個飛ばしなどのデータであってもよい。

また、フーリエ変換開始時間をずらす間隔は同一でなくてもよく、ずらすべき間隔との差分がわかるので、不均一な間隔をその差分で補正してもよい。

また、求めたいインピーダンスをＺとすると、次式に電流、電圧フーリエ変換データを代入してもよい。

さらに、入力する周期信号は単一周波数だけでなく、他の既知の周波数を含んだものでも可能である。この場合のインピーダンス演算にあたっては、各周波数成分について、図３に示す一連の演算処理を実行すればよい。

上記実施例では、電池のインピーダンスを測定する例について説明したが、積層セラミックコンデンサの評価や鉄筋腐食度の評価にも有効である。

以上説明したように、本発明によれば、電圧データに含まれる勾配成分および直流分の変動によるインピーダンス演算への影響を大幅に軽減でき、高精度のインピーダンス測定が行える交流インピーダンス測定システムを実現できる。

１０ ユーザー端末
２０ インピーダンス測定装置
２０ａ 制御部
２０ｂ 加算器
２０ｃ、２０ｄ サンプリング部
２０ｅ 出力信号発生部
２０ｆ 電流測定部
２０ｇ 電圧測定部
２０ｈ 電流データ格納部
２０i 電圧データ格納部
２０ｊ 演算処理部
２０ｋ 表示部
３０ 電池

Claims (4)

1. 周期信号が重畳された信号を被測定物に印加することにより得られる電流と電圧の少なくとも一方に勾配を含むデータをフーリエ変換したデータに基づき、被測定物のインピーダンスを演算するように構成された交流インピーダンス測定システムにおいて、
   前記電流と電圧のフーリエ変換を固定の時間区間で開始時間をずらして複数回行うフーリエ変換部と、
   これら電流と電圧の各フーリエ変換データ列におけるデータの差分を値が１つになるまで複数回求める差分演算部と、
   この差分演算部で求めた電流と電圧の差データの比から前記被測定物のインピーダンスを求めるインピーダンス演算部、
   を設けたことを特徴とする交流インピーダンス測定システム。
2. 前記フーリエ変換部は、開始時間を任意の間隔でずらすことを特徴とする請求項１記載の交流インピーダンス測定システム。
3. 前記差分演算部は、隣接を含む任意間隔データの差分を求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の交流インピーダンス測定システム。
4. 前記周期信号は複数の周波数成分を含み、この周期信号に含まれる各周波数成分について前記インピーダンスの演算を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の交流インピーダンス測定システム。