JP2015045553A - スイッチング電源を備える二次電池の充放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで電池電圧を高精度に測定可能な二次電池の充放電装置を提供する。【解決手段】充放電装置は、ＰＷＭ信号で制御される複数のスイッチング素子を含むスイッチング部と、二次電池に出力される出力電流Ｉｒを検出する出力電流検出部と、二次電池の両端電圧を検出する出力電圧検出部と、三角波等の基準信号のピークタイミングに基づいてその前後一定時間内の計測タイミング信号を生成する計測タイミング信号生成部と、前記計測タイミングに、前記スイッチング部の動作を停止し、前記出力電流Ｉｒが低下する直前の出力電流Ｉｒ１及び前記二次電池の両端電圧Ｖ１と、該出力電流Ｉｒがゼロに低下したときの前記二次電池の両端電圧Ｖ０とを求め、これらの値から二次電池の内部抵抗ｒを求める内部抵抗計算手段とを備える。【選択図】図３

Description

この発明は、電気二重層コンデンサや蓄電池（バッテリ）等の二次電池に対し充放電を行うことによって電池特性の検査を行う充放電装置に関し、特に、スイッチング電源により二次電池に対して充放電を行う充放電装置に関する。

スイッチング電源を備える二次電池の充放電装置は、出力端子に接続した電気二重層コンデンサやバッテリ等の蓄電デバイスに対して、充電モードと放電モードを繰り返し実施し、各種の電池特性の検査を行う。以下、蓄電デバイスの一例として二次電池（以下、電池）を用いて説明する。スイッチング電源としては、例えば、スイッチング素子をフルブリッジ接続した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを用いたものがある。この装置では、電池に対する充電モードと放電モードを設定して、それらのモードに対応したＰＷＭ信号を各スイッチング素子の制御端子に導く。そして、各モードを繰り返し行うことで電池特性の検査を行う（特許文献１）。

上記の検査項目の一つに電池の内部抵抗ｒの測定項目があるが、一般に上記内部抵抗ｒを求めるには、別途外付けの測定器を電池に接続し、充電モードにおいて、電池電圧が所定電圧に達したときに充電電流Ｉｒをゼロにし、その直前直後の電池電圧（電池両端電圧）の差をΔＶとして計測し、ｒ＝ΔＶ／Ｉｒで求める。

図１は、上記のスイッチング電源を備える二次電池の充放電装置を用いて電池の内部抵抗ｒを求める装置の構成図である。同図において、充放電装置１の出力端子に内部抵抗ｒを有する電池Ｂが接続され、電池Ｂの両端の電圧である電池電圧は測定器２により測定されるようになっている。

今、充放電装置１から充電電流Ｉｒが電池Ｂに流れている充電モードの状態を考える。この状態で、図２に示すように、電池電圧Ｖが所定電圧に達したタイミングｔ１でスイッチング電源の動作を停止する。このときの充電電流Ｉｒが低下する直前と充電電流Ｉｒがゼロに低下したときの電池電圧（電池両端電圧）を測定器２により計測する。充電電流Ｉｒが低下する直前の電池電圧Ｖ１は抵抗ｒの降下電圧を含む電圧であり、充電電流Ｉｒがゼロに低下したときの電池電圧Ｖ０は抵抗ｒの降下電圧のない電圧である。したがって、Ｖ１−Ｖ０＝ΔＶは、充電電流Ｉｒが流れているときの抵抗ｒの降下電圧であるから、ΔＶを充電電流Ｉｒで除することで内部抵抗ｒが求まる。

よって、タイミングｔ１で充電電流Ｉｒが低下する直前の電流をＩｒ１とすると、ｒ＝（Ｖ１−Ｖ０）／Ｉｒ１となる。

このように、充放電装置１で充電モードに設定して、電池電圧が所定電圧に達したタイミングｔ１でスイッチング部の動作を停止し、このときの充電電流Ｉｒが低下する直前と充電電流Ｉｒがゼロに低下したときの電池電圧を測定器２で測定することで電池Ｂの内部抵抗ｒを求めるようにしている。

特開２００８−３５６２０号公報

しかし、図１に示す装置では、充放電装置１とは別に外付けの測定器２を用意しなければならないため、コスト高となる問題があった。

また、充放電装置１と測定器２は非同期で作動するため以下に示す問題があった。

すなわち、充放電装置１は、ＤＣ電圧をスイッチング素子で高周波スイッチングして出力するため、その出力電流・電圧には高周波リップルが乗っている。そのため、電池電圧Ｖ１を正しく測定するためには、精度の高い高価な測定器が必要であった。また、計測タイミングとスイッチングタイミングが一致した場合にスイッチングノイズにより測定値に悪影響を及ぼす可能性があった。計測タイミングは計測器によって異なるが、例えば図４では、従来の計測タイミングが、ｔ１０、ｔ１３で信号ＰＷＭ３の立ち上がり、立ち下がりタイミングと一致しているため、これらのタイミングでスイッチングノイズが測定値に影響を及ぼし測定精度が悪くなる可能性がある。

そこで、この発明の目的は、低コストで電池電圧を高精度に測定可能な二次電池の充放電装置を提供することにある。

この発明の充放電装置は、スイッチング電源を備え、スイッチング素子は、三角波鋸歯状波の基準信号としきい値とを比較することで生成されるＰＷＭ信号により駆動される。

制御部は、前記二次電池に出力される出力電流Ｉｒを検出する出力電流検出部と、前記二次電池の両端電圧を検出する出力電圧検出部と、を備え、さらに、前記基準信号のピークタイミングに基づいてその前後一定時間内の計測タイミング信号を生成する計測タイミング信号生成部と、二次電池の内部抵抗ｒを求める内部抵抗計算手段とを備えている（。

内部抵抗計算手段は、前記計測タイミングに、前記スイッチング部のオンオフ切替動作を停止し、前記出力電流Ｉｒが低下する直前の出力電流Ｉｒ１及び前記二次電池の両端電圧Ｖ１と、該出力電流Ｉｒがゼロに低下したときの前記二次電池の両端電圧Ｖ０とを求め、二次電池の内部抵抗ｒを下記式で求める。

ｒ＝（Ｖ１−Ｖ０）／Ｉｒ１
前記計測タイミングを、基準信号のピーク時のタイミングに基づいてその前後一定時間内に設定するのは次の理由による。

ＰＷＭ信号は、三角波の基準信号としきい値とを比較することで生成されるため、基準信号のピークタイミングではＰＷＭ信号の切り替わりがない。したがって、ピークタイミングを計測タイミングとすれば、或いは、その前後一定時間内に計測タイミングを設定すれば、計測タイミングでＰＷＭ信号の切り替わりがないこととなり、その結果、計測タイミングでの測定値にスイッチングノイズの影響がなくなる。

また、出力電流・電圧に高周波のリップルが乗っていたとしても、リップルは計測タイミングと同様に基準信号に基づいて生成されるものであるため、リップル波形と計測タイミングの位相関係は一定である。すなわち、基準信号のピークタイミングはリップル波形の中央の位置に常に一致している。このため、例えば、基準信号のピークタイミングを計測タイミングとしておくと、二次電池の両端電圧（電池電圧）がリップルで揺れても、常にリップル波形の中央の位置で電池電圧が計測出来、安定した高精度の電圧計測が可能である。

この発明によれば、外付けの測定器を別途接続する必要がなく、電池の充放電装置自体によって電池の内部抵抗ｒが計測できるため、低コスト化に寄与することが出来る。また、耐ノイズ特性が良く、且つ、二次電池の内部抵抗ｒの計測が安定で高精度化する利点がある。

従来の充放電装置を用いて電池の内部抵抗ｒを求める装置の構成図である。 内部抵抗ｒを求める原理を示す図である。 この発明の実施形態である、二次電池の充放電装置の構成図である。 基準信号とＰＷＭ信号との各波形を示している。 ｒ計算部の動作を示すフローチャートである。 充電モードで電池電圧が上昇していく状態を示す図である。

図３は、この発明の実施形態である、二次電池の充放電装置の構成図である。

充放電装置の入力端子１０、１１には図示しないＤＣ電源が接続され、ＤＣ電圧は、入力コンデンサ１２を介して、４個のフルブリッジ接続されたスイッチング素子１３〜１６からなるスイッチング部によりスイッチングされる。各スイッチング素子の制御端子ＰＷＭ１〜ＰＷＭ４には、制御部１７からＰＷＭ信号が入力する。スイッチング素子１３〜１６は例えば、ＦＥＴ素子で構成される。

スイッチング部からの電流は、充電モードにおいて、インダクタ１８、１９、出力コンデンサ２０を介して、インダクタ１８、１９へのエネルギー蓄積サイクルとその放出サイクルを経て充放電装置の出力端子２１、２２に出力され、エネルギー放出サイクルにおいて出力端子２１、２２に接続される電池（二次電池）２３に対して充電電流として流入する。また、放電モードになると、電流方向が逆となって、電池２３から、スイッチング部に対して放電電流が流れる。

出力端子２１、２２と電池２３間には、出力電流Ｉｒを検出する出力電流検出部２４と、電池２３の両端電圧を検出する出力電圧検出部２５が接続され、それぞれの検出部の検出信号は制御部１７に入力される。制御部１７には、装置を充電モードか放電モードに設定するための信号が入力する。

充放電装置が充電モードに設定されると、スイッチング部からの出力電流がインダクタ１８、１９を介して電池２３に充電電流として流入し、放電モードに設定されると、電池２３からインダクタ１８、１９を介してスイッチング部に放電電流として流出する。

制御部１７は、三角波の基準信号を発生する基準信号発生部１７０と、基準信号としきい値とを比較することでＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部１７１とを備えている。しきい値は、ＰＷＭ信号生成部１７１において、充電電流又は放電電流の大きさに対応して予め設定される電流設定値と出力電流検出部２４で検出した出力電流Ｉｒの大きさの誤差に基づいて設定される。ＰＷＭ信号生成部１７１は、出力電流検出部２４からフィードバックされた出力電流Ｉｒと上記電流設定値とを比較し、その誤差を求める比較器を備え、その誤差がゼロになるようにしきい値を上下方向に調整する。

図４は、基準信号とＰＷＭ信号との各波形を示している。

基準信号は高周波の三角波であり、しきい値Ｌ１、Ｌ２がＰＷＭ信号生成部１７１により設定される。ＰＷＭ信号生成部１７１は、三角波としきい値Ｌ１、Ｌ２とを比較することでＰＷＭ信号ＰＷＭ１〜ＰＷＭ４を生成する。

図示のように、信号ＰＷＭ１は、三角波としきい値Ｌ１とを比較し、三角波がＬ１以上となる期間で「Ｌ」となり、それ以外の期間で「Ｈ」となる信号である。信号ＰＷＭ２は、信号ＰＷＭ１の「Ｌ」期間から休止期間ΔＴを除いた期間で「Ｈ」となり、それ以外の期間で「Ｌ」となる信号である。信号ＰＷＭ３は、三角波としきい値Ｌ２とを比較し、三角波がＬ２以上となる期間で「Ｌ」となり、それ以外の期間で「Ｈ」となる信号である。信号ＰＷＭ４は、信号ＰＷＭ３の「Ｌ」期間から休止期間ΔＴを除いた期間で「Ｈ」となり、それ以外の期間で「Ｌ」となる信号である。各ＰＷＭ信号が「Ｈ」の期間でスイッチング素子がＯＮとなる 上述のように、出力電流検出部２４の検出信号は、ＰＷＭ信号生成部１７１にフィードバックされ、予め設定される電流設定値と比較されて誤差が求められるようにし、この誤差がゼロとなるようにしきい値が上下に、すなわちＰＷＭ信号のパルス幅が制御される。これにより、出力電流が電流設定値に一致するよう定電流化される。

制御部１７には、三角波（基準信号）のピークタイミングに一致する計測タイミング信号を生成する計測タイミング信号生成部１７２が設けられている。この計測タイミング信号生成部１７２は、基準信号発生部１７０からのタイミング信号を受けて、三角波のピークに一致するように計測タイミング信号を生成する（図４参照）。

スイッチングにより出力電流に乗るリップル波形、したがって出力電圧（電池電圧）に乗るリップル波形は、図４の信号ＰＷＭ１に重ねて点線で表示しているように、ＰＷＭ信号に同期する。したがって、三角波のピークはリップル波形の中央の位置ａ、ｂに一致する。中央の位置ａ、ｂはリップル波形の中央の電圧レベルでもある。そこで、計測タイミングを三角波（基準信号）のピークタイミングに一致させることで、リップルがあっても、電池電圧を正しく計測することが出来る。。

また、制御部１７には、計測タイミング信号を受けて、ＰＷＭ信号生成部１７１の動作を停止させ、且つ、電池の内部抵抗ｒを計算するｒ計算部１７３が設けられている。ｒ計算部１７３は、計測タイミング信号を受けたとき、ＰＷＭ信号生成部１７１の動作を停止させるとともに、それによって出力電流Ｉｒが低下する直前の出力電流Ｉｒ１及び出力電圧検出部２５で検出した電圧Ｖ１と、該出力電流Ｉｒがゼロに低下したときの出力電圧検出部で検出した電圧Ｖ０とから、下記の式を演算して電池２３の内部抵抗ｒを求める。

ｒ＝（Ｖ１−Ｖ０）／Ｉｒ１
なお、出力電流Ｉｒ１は定電流化されているため、出力電流Ｉｒ１の値は任意のタイミングで計測した値でも良い。また、出力電流Ｉｒ１にもリップルが乗っているが、その変化分は（Ｖ１−Ｖ０）に比して無視できる程度に小さい。このため、リップル分を考慮した高精度な値である必要はなく、複数回の計測値の平均値であっても良い。ただし、計測タイミングにおけるリップル分を考慮した高精度な値であってももちろん構わない。

なお、ｒ計算部１７３は、出力電圧検出部２５で検出した電圧が一定電圧まで上昇したときに上記動作を行うが、電池の内部抵抗ｒの計算は出力電圧の大きさに無関係に行うことが可能である。

図５は、ｒ計算部１７３の上記の動作を示すフローチャートである。

ＳＴ１で充電モードが設定中であれば、出力電圧が一定電圧に上昇するまで待ち（ＳＴ２）、一定電圧に達した時に、直後の計測タイミングになるのを待つ（ＳＴ３）。計測タイミングになると、ＰＷＭ動作を停止させ（ＳＴ４）、出力電流Ｉｒが低下する直前の出力電流Ｉｒ１及び出力電圧検出部２５で検出した電圧Ｖ１と、出力電流Ｉｒがゼロに低下したときの出力電圧検出部で検出した電圧Ｖ０を取得する（ＳＴ５）。次に、これらの情報から上記式により電池２３の内部抵抗ｒを求める（ＳＴ６）。

図６は、充電モードで電池電圧が上昇していく状態を示している。電池電圧ＶがＶ１に達した段階でその直後の計測タイミングｔ１で電圧Ｖ１、Ｖ０を求め、内部抵抗ｒを求める。図６では、出力電流Ｉｒに若干のリップルが乗っているが、その大きさは大きくなく、（Ｖ１−Ｖ０）に比較して無視できる程度である。

なお、図５のＳＴ４〜ＳＴ６、または、ＳＴ３〜ＳＴ６を複数回繰り返し実施し、得られたｒの値を平均しても良い。

１７−制御部
２３−二次電池
２４−電流検出部
２５−電圧検出部
１７０−基準信号発生部
１７１−ＰＷＭ信号生成部
１７２−計測タイミング生成部
１７３−ｒ計算部

Claims (3)

1. ＤＣ電圧を複数のスイッチング素子でスイッチングするスイッチング部と、このスイッチング部のオンオフ切替動作を制御する制御部と、前記スイッチング部の出力側に検査用の二次電池を接続する出力端子とを備え、前記出力端子に接続された二次電池に対して充電制御又は二次電池からの放電制御を行う、スイッチング電源を備える二次電池の充放電装置において、
   前記制御部は、
   三角波の基準信号としきい値とを比較することでＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号を各スイッチング素子の制御端子に入力するＰＷＭ信号生成部と、
   前記二次電池に出力される出力電流Ｉｒを検出する出力電流検出部と、
   前記二次電池の両端電圧を検出する出力電圧検出部と、
   前記基準信号のピークタイミングに基づいて計測タイミング信号を生成する計測タイミング信号生成部と、
   前記計測タイミングに、前記スイッチング部のオンオフ切替動作を停止し、前記出力電流Ｉｒが低下する直前の出力電流Ｉｒ１及び前記二次電池の両端電圧Ｖ１と、該出力電流Ｉｒがゼロに低下したときの前記二次電池の両端電圧Ｖ０とを求め、二次電池の内部抵抗ｒを下記式で求める内部抵抗計算手段と、
   を備えることを特徴とするスイッチング電源を備える二次電池の充放電装置。
   ｒ＝（Ｖ１−Ｖ０）／Ｉｒ１
2. 前記内部抵抗計算手段は、前記出力電圧検出部で検出した前記二次電池の両端電圧が一定電圧になった直後の前記計測タイミングで前記内部抵抗ｒを求める、請求項１記載のスイッチング電源を備える二次電池の充放電装置。
3. 前記出力電流Ｉｒ１は、前記出力電流Ｉｒの平均値である、請求項１又は２記載のスイッチング電源を備える二次電池の充放電装置。

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