JP2013054003A - 蓄電池の交流インピーダンス測定方法と装置および寿命診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来は直流インピーダンスを測定して電池の寿命を診断していたが、一部の電池は診断できなかった。また、測定に時間がかかるので、オンラインで診断することが難しかった。本発明は、簡単な装置で使用中に電池の交流インピーダンスを測定でき、寿命診断ができる装置を提供することを目的にする。
【解決手段】短時間電池の出力でコンデンサを充電し、この充電中におけるコンデンサ両端の電圧変化を測定し、ラプラス変換を用いて交流インピーダンスを演算するようにした。また、この交流インピーダンスから電池の寿命を診断するようにした。簡単な装置で、従来診断できなかった電池をも診断できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池の交流インピーダンスを測定する装置および測定した交流インピーダンスから蓄電池の寿命を診断する装置に関し、蓄電池の使用中に測定および診断を行うことができる蓄電池の交流インピーダンス測定方法と装置、および寿命診断装置に関するものである。

温度伝送器や温度マルチプレクサ、圧力伝送器等プロセス現場に設置されるフィールド機器には、配線を引き回すことが困難な場所に設置しなければならないものがある。このため、１次電池等の蓄電池を内蔵し、無線で測定値を送信するタイプのフィールド機器が用いられる。

蓄電池に蓄積される電力は有限なので、寿命が尽きる前に交換しなければならない。このため、定期的に寿命を診断することが行われている。図６に、蓄電池の寿命を診断する電池寿命診断装置の構成を示す。

図６において、１０は寿命を診断する蓄電池であり、電池１１および内部抵抗１１ａで表される。１２、１３はそれぞれ電流計、電圧計であり、蓄電池１０の出力電流、出力電圧を測定する。電池１１は、蓄電池１０の起電力を表している。

１４は蓄電池１０によって電力が供給される負荷、１５および１７は抵抗、１６および１８はスイッチである。抵抗１５とスイッチ１６、抵抗１７とスイッチ１８はそれぞれ直列接続され、この直列回路は負荷１４に並列に接続される。なお、１９は負荷１４の入力側から見た容量成分を表している。

スイッチ１６をオン、スイッチ１８をオフにしたときの電流計１２と電圧計１３の測定値をそれぞれＩ１、Ｖ１、スイッチ１６をオフ、スイッチ１８をオンにしたときの電流計１２、電圧計１３の測定値をそれぞれＩ２、Ｖ２とし、電池１１の出力電圧をＶＯ、内部抵抗１１ａの抵抗値をＲＯとすると、下記（１）、（２）式が成立する。
ＶＯ＝Ｖ１＋ＲＯ×Ｉ１ ・・・・・・ （１）
ＶＯ＝Ｖ２＋ＲＯ×Ｉ２ ・・・・・・ （２）

この（１）、（２）式から、電池１１の出力電圧ＶＯ、内部抵抗ＲＯは下記（３）、（４）式で計算することができる。
ＶＯ＝Ｖ１＋Ｉ１×（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｉ２−Ｉ１） ・・・・ （３）
ＲＯ＝（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｉ２−Ｉ１） ・・・・・・・・・・ （４）
なお、負荷１４に流れる電流は、スイッチ１６、１８のオンオフに拘わらず、一定であるとする。

電池の寿命が近くなると、内部抵抗ＲＯは増加し、出力電圧ＶＯは低下する。定期的にスイッチ１６、１８をオンにして出力電圧ＶＯ、内部抵抗ＲＯを測定することにより、残り寿命を推定することができる。

特許文献１には、蓄電池の寿命診断方法の発明が記載されている。この発明では、寿命を測定する蓄電池を１０分間程度定電流放電させ、そのときの放電電圧の極小値を測定する。蓄電池の容量と放電電圧極小値との間には高い相関性があるので、この放電電圧極小値から蓄電池の寿命を診断することができる。

特許文献２には、ある程度劣化が進んだ蓄電池の寿命判定を行うことができる蓄電池寿命診断装置の発明が記載されている。特許文献２では、寿命を診断する蓄電池を定電流放電させ、放電後１〜１．５時間の電圧変化率を測定する。蓄電池の残存容量と電圧変化率との間には高い相関性があるので、この電圧変化率から蓄電池の寿命を診断することができる。

特許文献３には、Ｎｉ−Ｃｄ電池において、電池の劣化状態と交流インピーダンスとの間に相関があることが記載されている。また、虚数部の絶対値が実数部の絶対値の１／３０以下となる周波数で交流インピーダンスを測定し、この交流インピーダンスの実数部の値を劣化状態検知に用いることも記載されている。

特開平８−３１３６０４号公報 特開平８−１３６６２９号公報 特開平８−４３５０６号公報

しかしながら、このような蓄電池の寿命診断装置には、次のような課題があった。
図６の寿命診断装置は、蓄電池１０の直流インピーダンスを測定することにより、寿命を診断しているが、塩化チオニール・リチウム電池等は寿命が尽きる寸前まで直流インピーダンスが一定なので、この装置では寿命を診断することができないという課題があった。

このような蓄電池はその交流インピーダンスを測定することにより寿命を診断することができるが、図６の装置ではコンデンサ１９の容量のために、蓄電池１０の交流インピーダンスを正確に測定することが困難であるという課題があった。

また、コンデンサ１９の容量を小さくできたとしても、交流インピーダンスを測定するためには、蓄電池１０の電源ラインに交流を重畳し、この交流の周波数を掃引しなければならないので、装置の規模が大きくなるという課題もあった。

特許文献１、特許文献２記載の寿命診断装置は、蓄電池を長時間（１０分〜２時間程度）定電流放電させなければならないので、電池の使用中に寿命を診断することが困難であるという課題があった。

特許文献３には交流インピーダンスを測定して電池の劣化検知を行うことが記載されているが、周波数を変えて電池の交流インピーダンスを測定しなければならないので、装置が複雑になり、かつ電池の使用中に劣化検知を行うことが困難であるという課題があった。

本発明の目的は、極簡単な回路構成で、使用中に交流インピーダンスを測定することができる蓄電池の交流インピーダンス測定方法と装置およびこの交流インピーダンス測定装置を用いた蓄電池の寿命診断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、
負荷に電力を供給する蓄電池の交流インピーダンスを測定する、蓄電池の交流インピーダンス測定方法において、
前記蓄電池からコンデンサに電流を流す工程と、
前記コンデンサに電流を流しているときに、前記コンデンサの出力電圧の電圧変化を測定する工程と、
前記電圧変化から、前記蓄電池の交流インピーダンスを演算する工程と、
を具備したものである。負荷を動作させながら、交流インピーダンスを測定することができる。

請求項２記載の発明は、
負荷に電力を供給する蓄電池の交流インピーダンスを測定する、蓄電池の交流インピーダンス測定装置において、
コンデンサと、
前記負荷と前記コンデンサに電流を切り替えて流す切替スイッチと、
前記切替スイッチが前記コンデンサに電流を流しているときに、前記コンデンサの出力電圧の電圧変化を測定する電圧測定部と、
前記電圧測定部が測定した電圧変化に基づいて、前記蓄電池の交流インピーダンスを演算する演算部と、
を備えたものである。負荷を動作させながら、交流インピーダンスを測定することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記切替スイッチは、複数回に分けて前記コンデンサに電流を流すようにしたものである。コンデンサの出力電圧を高くできるので、高精度で測定することができる。

請求項４記載の発明は、請求項２若しくは請求項３に記載の発明において、
前記電圧測定部は、前記コンデンサの電圧変化を測定する前あるいは測定した後に、前記蓄電池の開放電圧を測定するようにしたものである。使用中に開放電圧が変化する蓄電池であっても、正確に交流インピーダンスを測定できる。

請求項５記載の発明は、請求項２乃至請求項４いずれかに記載の発明において、
前記演算部は、ラプラス変換を用いて前記蓄電池の交流インピーダンスを演算するようにしたものである。簡単な演算で交流インピーダンスを求めることができる。

請求項６記載の発明は、
請求項２乃至請求項５いずれかに記載の蓄電池の交流インピーダンス測定装置と、
前記蓄電池の交流インピーダンス測定装置が測定した交流インピーダンスに基づいて、前記蓄電池の寿命を診断する寿命診断部と、
を具備したものである。直流インピーダンス測定では診断が困難な蓄電池でも、寿命を診断することができる。

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、短時間蓄電池の出力でコンデンサを充電し、このコンデンサの出力電圧変化を測定して、この測定値から電池の交流インピーダンスを演算するようにした。

簡単な構成で電池の交流インピーダンスを測定することができるという効果がある。また、コンデンサを充電する時間は短時間なので、負荷へ電力を供給中に、オンラインで測定することができるという効果もある。なお、電池の交流インピーダンスを測定することにより、寿命測定だけでなく、電池内部の電気化学的状態を推定する手がかりを得ることができる。

また、この交流インピーダンスから、電池の寿命を診断するようにした。簡単な構成で、かつオンラインで測定することができるので、電池駆動のフィールド機器等、動作を停止することが許されない機器に用いると、特に効果が大きい。

本発明の一実施例を示した構成図である。 図１の装置の動作を示したフローチャートである。 測定例を示す特性図である。 交流インピーダンス演算を説明するための等価回路である。 本発明の他の実施例を示す特性図である。 従来の寿命診断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は本発明に係る蓄電池の寿命診断装置の一実施例を示した構成図である。なお、図６と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。なお、蓄電池には、充電できない１次電池、充電が可能な２次電池、および電荷を蓄積するコンデンサを含むものとする。

図１において、２０は切替スイッチであり、その共通端子Ｃは蓄電池１０の出力端子に接続される。２１は抵抗であり、その一端は切替スイッチ２０の端子Ｂに接続される。２２はオンオフスイッチであり、その一端は抵抗２１の他端に接続される。２３はコンデンサであり、その一端はオンオフスイッチ２２の他端に接続され、他端は共通電位点に接続される。

２４は電圧測定部であり、抵抗２１とオンオフスイッチ２２の接続点の電圧が入力される。電圧測定部２４は、一定周期で入力された電圧を測定し、その結果を保存し、要求に応じて測定結果を外部に出力する。２５は演算部であり、電圧測定部２４が測定した電圧が入力され、この電圧から蓄電池１０の交流インピーダンスを演算して出力する。２６は寿命診断部であり、演算部２５が演算した交流インピーダンスが入力される。寿命診断部２６は、入力された交流インピーダンスから、蓄電池１０の寿命を診断する。

２７は負荷部であり、負荷１４およびこの負荷１４に並列接続されたコンデンサ２８で構成される。負荷１４とコンデンサ２８の並列回路の一端は切替スイッチ２０の端子Ａに接続され、他端は共通電位点に接続される。

なお、蓄電池１０の交流インピーダンスのみを測定して、寿命診断を行わないときは、寿命診断部２６は省略できる。

次に、図２に基づいてこの実施例の動作を説明する。図２は図１実施例の動作を説明するフローチャートである。なお、通常動作時は切替スイッチ２０の共通端子Ｃは端子Ａに接続される。蓄電池１０から負荷１４に電力が供給され、またコンデンサ２８は蓄電池１０によって充電される。

図２において、工程（Ｐ２−１）でオンオフスイッチ２２をオフにし、工程（Ｐ２−２）で切替スイッチ２０の共通端子Ｃを端子Ｂに接続する。負荷１４は蓄電池１０から切り離されるが、コンデンサ２８から電力が供給される。

次に、工程（Ｐ２−３）で、電圧測定部２４を用いて電圧を測定する。蓄電池１０の出力電圧は切替スイッチ２０を経由して電圧測定部２４に入力される。コンデンサ２３はオンオフスイッチ２２によって切り離され、また負荷部２７とも切り離されているので、電圧測定部２４は、蓄電池１０の開放電圧を測定する。

開放電圧を測定すると、工程（Ｐ２−４）でオンオフスイッチ２２をオンにする。コンデンサ２３は抵抗２１を介して蓄電池１０に接続され、充電される。

そして、工程（Ｐ２−５）で、電圧測定部２４を用いて、一定周期（例えば１μ秒）でコンデンサ２３の両端電圧、すなわち出力電圧を測定する。コンデンサ２３は蓄電池１０によって充電されるので、電圧測定部２４はその過渡応答を測定する。

所定時間（例えば０．１ｍ秒）過渡応答を測定すると、工程（Ｐ２−６）で切替スイッチ２０の共通端子Ｃを端子Ａに接続する。負荷１４は蓄電池１０から電力が供給され、コンデンサ２８は再び充電される。

次に、工程（Ｐ２−７）で、工程（Ｐ２−３）で測定した開放電圧、および工程（Ｐ２−５）で測定した過渡応答データから、演算部２５を用いて蓄電池１０の交流インピーダンスを演算し、工程（Ｐ２−８）で演算した交流インピーダンスから、蓄電池１０の寿命を診断する。

開放電圧および過渡応答電圧を測定する間は、蓄電池１０を負荷１４から切り離さなければならないが、この時間は０．１ｍ秒程度と短いので、負荷１４にはコンデンサ２８から電力を供給することができる。このため、負荷１４に電力を供給して動作させながら、蓄電池１０の交流インピーダンスを測定し、かつその寿命を診断することができる。

なお、図２ではコンデンサ２３の出力電圧を測定する前に蓄電池１０の開放電圧を測定するようにしたが、コンデンサ２３の出力電圧を測定した後で、開放電圧を測定するようにしてもよい。

図３（Ａ）に、切替スイッチ２０の共通端子Ｃを端子Ｂに接続し、かつオンオフスイッチ２２をオンにしたときの、コンデンサ２３の出力電圧（両端電圧）の変化の一例を示す。なお、横軸は時間、縦軸は電圧である。コンデンサ２３の出力電圧は徐々に増加し、やがて飽和する。

コンデンサ２３に幅Ｔの矩形状パルス波を印加すると、その出力電圧Ｖｃ（Ｔ）は下記（５）式で表される。なお、コンデンサ２３の容量値をＣ、流入する電流をｉ（ｔ）とする。

すなわち、コンデンサ２３は流入した電流を積分し、その出力電圧は流入する電流の積分値に比例する。矩形波状のパルス波には多くの周波数成分が含まれているので、コンデンサ２３に流入する電流は、各周波数成分に応じた蓄電池１０の出力インピーダンスによって決定される。このため、一度の測定で、多数の周波数の交流インピーダンスを測定することができる。図３（Ｂ）に、このようにして測定した蓄電池１０の交流インピーダンスの測定例を示す。横軸は周波数、縦軸は任意の値である。

コンデンサ２３の出力電圧が飽和するまでの時間は、蓄電池１０の出力インピーダンスと抵抗２１の合成抵抗と、コンデンサ２３の積で決まる時定数程度になる。合成抵抗の抵抗値を１ｋΩ、コンデンサ２３の容量を０．１μＦとすると、時定数は０．１ｍ秒となるので、この程度の時間、コンデンサ２３の出力電圧を測定すればよい。なお、抵抗２１は波形整形のために用いられるものであり、なくてもよい。

次に、図４に基づいて交流インピーダンスを演算する手順について説明する。図４は、図１において、オンオフスイッチ２２をオンにしたときの等価回路である。

図４において、３０は電池であり、図１の電池１１に対応する。３１は蓄電池１０の交流インピーダンスであり、Ｚｏ（ｓ）の値を有している。３２はスイッチであり、切替スイッチ２０に対応する。３３はコンデンサであり、コンデンサ２３に対応する。電池３０、交流インピーダンス３１、スイッチ３２、コンデンサ３３は、直列に接続される。また、コンデンサ３３の交流インピーダンスをＺｃ（ｓ）とする。

なお、蓄電池１０の交流インピーダンスＺｏ（ｓ）、コンデンサ３３の交流インピーダンスＺｃ（ｓ）はいずれもラプラス変換されたものを扱うので、変数ｓの関数として表現している。

電池３０の開放電圧（無負荷の時の、電池３０の電圧）をＶｏ（ｓ）、スイッチ３２をオンにしたときに回路に流れる電流をｉ（ｓ）、コンデンサ３３の出力電圧をＶｃ（ｓ）とすると、下記（６）、（７）式が成立する。電流ｉ（ｓ）は電池３０の交流インピーダンスＺｏ（ｓ）を反映した値で変化するので、コンデンサ３３の出力電圧Ｖｃ（ｓ）は、Ｚｏ（ｓ）を反映した速度で上昇する。

前記（６）、（７）式からｉ（ｓ）を消去して整理すると、電池３０の交流インピーダンスＺｏ（ｓ）は、下記（８）式で表される。

図４では、スイッチ３２をオンにして電池３０をコンデンサ３３に接続するので、開放電圧Ｖｏ（ｓ）はステップ関数と考えることができる。従って、Ｖｏ（ｓ）＝Ｖｏ／ｓになる。なお、Ｖｏは電池３０の直流における開放電圧である。また、Ｚｃ（ｓ）はコンデンサ３３の交流インピーダンスなので、コンデンサ３３の容量をＣとすると、そのラプラス変換関数は１／（Ｃｓ）になる。

これらを前記（８）式に代入すると、交流インピーダンスＺｏ（ｓ）は下記（９）式になる。

すなわち、図１において、コンデンサ２３を蓄電池１０に接続したときの、コンデンサ２３の両端電圧の時系列データを表す関数Ｖｃ（ｔ）のラプラス変換関数Ｖｃ（ｓ）を求め、このＶｃ（ｓ）を前記（９）式に代入することにより、蓄電池１０の交流インピーダンスを演算することができる。Ｖｏ（ｓ）には多くの周波数成分が含まれているので、ｓをｊω（ｊは純虚数、ωは角周波数）に置き換えることにより、各周波数におけるインピーダンスを演算することができる。

なお、開放電圧Ｖｏ（ｓ）をステップ関数とすると、開放電圧はその直流電圧のみを測定すればよい。また、寿命によって直流電圧が変化しないときは、予め開放電圧を保存しておくことにより、その測定を省略することができる。この場合、図１のオンオフスイッチ２２、および図２フローチャートの工程（Ｐ２−１）、（Ｐ２−３）（Ｐ２−４）は不要になる。

図３（Ｂ）に示すように、周波数が高くなると交流インピーダンスが増加するような特性を有する電池では、コンデンサ３３両端の電圧が小さいために、正確な測定ができない場合がある。

また、交流インピーダンスＺｏ（ｓ）をより高周波成分まで測定するためには、スイッチ３２のオン時間を短くしなければならないが、そうするとコンデンサ３３の両端電圧が小さくなり、正確な測定が困難になる場合もある。

このような場合のスイッチ３２の駆動手法を図５に示す。図５において、（Ａ）はスイッチ３２の状態、（Ｂ）はコンデンサ３３の出力電圧の変化を表した図である。この実施例では、（Ａ）に示すようにスイッチ３２を短時間オンにする動作を繰り返す。このようにすると、（Ｂ）に示すように、コンデンサ３３の両端電圧は、スイッチ３２がオンする毎に増加するので、必要な電圧を得ることができる。

スイッチ３２を長時間オンにすると、負荷１４に供給する電力をコンデンサ２８で賄うことができなくなり、負荷１４の動作が停止する。また、Ｖｏ（ｓ）の高周波成分が小さくなる。このため、短時間スイッチ３２をオンにする動作を繰り返すことにより、交流インピーダンスを演算するために必要な電圧および周波数成分を得るようにする。

次に、蓄電池の寿命診断について説明する。特許文献３に記載されているように、Ｎｉ−Ｃｄ電池では特定周波数範囲の交流インピーダンスの実数成分の値と電池の劣化の程度との間には相関関係があることが知られている。また、電池は電気化学的作用によって起電力を発生するものなので、Ｎｉ−Ｃｄ電池以外の電池であっても、寿命と交流インピーダンスとの間には相関関係があることが推定できる。

従って、電池の交流インピーダンスを測定することにより、電池の寿命を診断することができる。例えば、劣化して残り寿命が少なくなった電池の交流インピーダンスを予め測定しておき、測定した交流インピーダンスと予め測定しておいた交流インピーダンスとを比較することにより、電池の寿命を診断することができる。

なお、この交流インピーダンス測定装置および寿命診断装置は、充電ができない１次電池、充電できる２次電池の双方に用いることができる。

また、電池だけでなく、コンデンサの寿命診断に用いることができる。コンデンサは、劣化すると等価直列抵抗（ＥＳＲ）が低下することが知られている。本発明により等価直列抵抗の交流成分（交流インピーダンス）の変化を測定することにより、コンデンサの寿命を診断することができる。

１０ 蓄電池
１１、３０ 電池
１４ 負荷
２０ 切替スイッチ
２１ 抵抗
２２ オンオフスイッチ
２３、２８、３３ コンデンサ
２４ 電圧測定部
２５ 演算部
２６ 寿命診断部
２７ 負荷部
３１ 交流インピーダンス
３２ スイッチ

Claims (6)

1. 負荷に電力を供給する蓄電池の交流インピーダンスを測定する、蓄電池の交流インピーダンス測定方法において、
   前記蓄電池からコンデンサに電流を流す工程と、
   前記コンデンサに電流を流しているときに、前記コンデンサの出力電圧の電圧変化を測定する工程と、
   前記電圧変化から、前記蓄電池の交流インピーダンスを演算する工程と、
   を具備したことを特徴とする蓄電池の交流インピーダンス測定方法。
2. 負荷に電力を供給する蓄電池の交流インピーダンスを測定する、蓄電池の交流インピーダンス測定装置において、
   コンデンサと、
   前記負荷と前記コンデンサに電流を切り替えて流す切替スイッチと、
   前記切替スイッチが前記コンデンサに電流を流しているときに、前記コンデンサの出力電圧の電圧変化を測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部が測定した電圧変化に基づいて、前記蓄電池の交流インピーダンスを演算する演算部と、
   を備えたことを特徴とする蓄電池の交流インピーダンス測定装置。
3. 前記切替スイッチは、複数回に分けて前記コンデンサに電流を流すようにしたことを特徴とする請求項２記載の蓄電池の交流インピーダンス測定装置。
4. 前記電圧測定部は、前記コンデンサの電圧変化を測定する前あるいは測定した後に、前記蓄電池の開放電圧を測定するようにしたことを特徴とする請求項２若しくは請求項３記載の蓄電池の交流インピーダンス測定装置。
5. 前記演算部は、ラプラス変換を用いて前記蓄電池の交流インピーダンスを演算するようにしたことを特徴とする請求項２乃至請求項４いずれかに記載の蓄電池の交流インピーダンス測定装置。
6. 請求項２乃至請求項５いずれかに記載の蓄電池の交流インピーダンス測定装置と、
   前記蓄電池の交流インピーダンス測定装置が測定した交流インピーダンスに基づいて、前記蓄電池の寿命を診断する寿命診断部と、
   を具備したことを特徴とする蓄電池の寿命診断装置。

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