JP3995578B2 - 蓄電池の内部インピーダンス測定装置および蓄電池の内部インピーダンス測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電池の内部インピーダンスを測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを測定する方法として、いわゆる交流４端子法が知られている。
【０００３】
交流４端子法とは、内部インピーダンス測定対象の蓄電池に交流電流を流し、その際の発生起電力を計測することにより蓄電池の内部インピーダンスを求める手法である。
【０００４】
交流４端子法による蓄電池の内部インピーダンス測定の原理図を図６に示す。図６において、１は蓄電池、２は蓄電池群、３は交流電流発生手段、４は交流電圧計測手段であり、蓄電池１と並列に交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４が接続されている。
【０００５】
ここで、蓄電池群２とは、目的の電圧値を得るために複数の蓄電池１が直列接続されたものである。例えば、鉛蓄電池の場合は蓄電池１個あたりの起電力が約２Ｖであり、これを６個直列接続して約１２Ｖの起電力を得るようにしたものなどを本明細書では蓄電池群２と定義している。
【０００６】
交流電流発生手段３は、蓄電池１の内部インピーダンスを測定するための交流電流（本明細書では計測電流と表記する）を発生させるものである。交流電流発生手段３は、例えば交流定電流源として機能するものであって、原理的に内部インピーダンスは無限大である。
【０００７】
交流電圧計測手段４は、交流電流発生手段３が発生した電流により蓄電池１に生じた起電力を計測するものである。交流電圧計測手段４は、例えば交流電圧計として機能するものであって、原理的に内部インピーダンスは無限大である。
【０００８】
ところで、蓄電池１の内部インピーダンスの値は、一般に５ｍΩ以下であることが多く、内部インピーダンスの測定精度を高めるためには大きな計測電流を流す必要があるとされている。
【０００９】
そこで、内部インピーダンスを測定しようとする蓄電池に、スイッチング等の手法により一時的に負荷を接続してこの負荷に矩形波状の計測電流を流し、この計測電流により負荷に発生する電圧変化を用いて蓄電池の内部インピーダンスを測定する技術が、特許文献１および特許文献２などに示されている。この負荷が図６の交流電流供給手段３に相当する。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２３２００５号公報（４ページ５欄１６行〜６ページ９欄２７行、図１〜図４参照）
【特許文献２】
特開平１０−５６７４４号公報（３ページ４欄２３行〜５ページ８欄２２行、図１〜図５参照）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１および特許文献２に記載された技術は、いずれも負荷に流れる計測電流が矩形波であるため、下記の問題点を有する。
【００１２】
この問題点とは、矩形波が繰り返して発生する場合のスペクトルには、基本波成分の他に高調波成分が含まれることが明らかであり、さらに負荷に発生する電圧変化の波形は上記高調波成分以外の成分を含むため、電圧変化の波形から基本波成分を抽出するためには計測電流の値を大きくする必要があることである。
【００１３】
例えば、特許文献１および特許文献２では０．２３ｃ（１ｃは、電池容量ｘｘｘＡｈの電池についての充電電流または放電電流がｘｘｘＡである状態を意味する）となっている。具体的には、電池容量が２００Ａｈの電池では、０．２３ｃは４６Ａとなる。このため、計測中の蓄電池の電圧が低下してそれ以外の蓄電池の電圧が上昇する現象が発生し、各蓄電池における計測条件が変化するという問題点がある。
【００１４】
そこで、本発明では、蓄電池に流す計測電流の値を大きくすることなく、さらにノイズ等の外乱の影響が少なく測定精度を高めることができる蓄電池の内部インピーダンス測定技術を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスの測定を行うための、交流電流発生手段および交流電圧計側手段を有する蓄電池の内部インピーダンス測定装置において、前記交流電流発生手段を制御し交流電圧計測手段からの入力を処理する制御演算手段をさらに有し、制御演算手段は、演算部、記憶部をさらに有し、前記交流電流発生手段を制御し交流電圧計測手段からの入力を処理する制御演算手段をさらに有し、制御演算手段は、演算部、記憶部をさらに有し、前記交流電流発生手段は波形が実質的に正弦波である交流電流を発生する機能を有し、前記制御演算手段は、交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定する機能を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生手段および交流電圧計側手段を用いて測定する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形は実質的に正弦波であり、かつ前記交流電流発生手段を制御し交流電圧計測手段からの入力を処理する制御演算手段により、交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定することを特徴とする。
【００１７】
すなわち、本発明は、蓄電池の内部インピーダンス測定にあたり、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、制御演算手段が交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定するため、交流電圧計測手段において計測される交流電圧成分のうち、交流電流発生手段が発生する正弦波の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることができ、蓄電池の内部インピーダンスの測定精度を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置の概略を示すブロック図である。図１において、１は蓄電池、２は蓄電池群、３は交流電流発生手段、４は交流電圧計測手段であり、蓄電池１と並列に交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４が接続されている点は、図５と同様である。さらに図１では、交流電流発生手段３を制御し交流電圧計測手段４からの入力を処理する制御演算手段５が接続されている。
【００２０】
蓄電池群２を構成する各蓄電池１としては、鉛蓄電池などが用いられるが、液面の変化などで劣化の判断をすることが困難な密閉型鉛蓄電池を用いることが効果的である。
【００２１】
蓄電池群２とは、前述のとおり、目的の電圧値を得るために複数の蓄電池１が直列接続されたものである。蓄電池１が起電力約２Ｖの鉛蓄電池の場合、６個、１２個、２４個直列接続してそれぞれ約１２Ｖ、約２４Ｖ、約４８Ｖの起電力を得ることができる。
【００２２】
交流電流発生手段３は、前述のとおり、蓄電池１の内部インピーダンスを測定するための計測電流を発生させるもので、交流定電流源として機能する。この交流電流発生手段３は、蓄電池１に対して交流電流を供給するようにしても、蓄電池１から交流電流を放電させるようにしてもよい。
【００２３】
また、交流電流発生手段３は、Ｄ／Ａ変換部３１、電流出力部３２、電流検出部３３、Ａ／Ｄ変換部３４を有する。Ｄ／Ａ変換部３１は、制御演算手段５から送られる制御信号をアナログ信号に変換して電流出力部３２に送る。電流出力部３２は、蓄電池１の内部インピーダンスを測定するのに必要な電流値の計測電流を出力するものである。電流検出部３３は、電流出力部３２が発生する交流電流を検出して交流電圧に変換するものであって、例えば０．１Ω程度の抵抗器（シャント抵抗）などを用いることができる。Ａ／Ｄ変換部３４は、電流検出部３３が検出した交流電圧をディジタル信号に変換して制御演算手段５に送るものである。
【００２４】
Ｄ／Ａ変換部３１の出力は、制御演算手段５から送られる制御信号を例えば８ビット、１２ビットなどにすることにより、出力の種類を最大２５６種類、２０４８種類などにすることができる。出力の種類の数は適宜設定してよいことはいうまでもない。
【００２５】
交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形は、実質的に正弦波とすることにより、高調波成分の影響を受けることなく蓄電池１の内部インピーダンスを測定することが可能となる。
【００２６】
本発明では、交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形を極力正弦波に近づけ、かつ振幅を大きくすることにより、交流電圧計測手段４において計測される交流電圧成分のうち、交流電流発生手段３が発生する正弦波の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることができ、蓄電池の内部インピーダンスの測定精度を高めることができる。
【００２７】
交流電圧計測手段４は、前述のとおり、交流電流発生手段３が発生した電流により蓄電池１に生じた起電力を計測するものである。
【００２８】
また、図１において、交流電圧測定手段４は、アナログ信号処理部４１、Ａ／Ｄ変換部４２を有する。
【００２９】
アナログ信号処理部４１は、交流電流発生手段３が発生する正弦波の周波数と同一の周波数を通過させるバンドパスフィルタなどのアナログフィルタを有し、必要に応じて当該周波数に利得帯域を有する交流増幅器を有する。アナログ信号処理部４１で処理された信号は、Ａ／Ｄ変換部４２に送られる。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換部４２は、アナログ信号処理部４１からの信号をアナログ信号からディジタル信号に変換するものである。Ａ／Ｄ変換部４２で処理された信号は、制御演算手段５に送られる。
【００３１】
また、図１において、制御演算手段５は、演算部５１、記憶部５２を有する。
【００３２】
演算部５１は、交流電流発生手段３のＡ／Ｄ変換部３４から送られたディジタル信号および交流電圧測定手段４のＡ／Ｄ変換部４２から送られたディジタル信号を受け、これらのディジタル信号から交流電流発生手段３が発生する正弦波の周波数と同一の周波数を抽出するためにディジタルフィルタ処理を行う。
【００３３】
交流電流発生手段３のＡ／Ｄ変換部３４から送られたディジタル信号は、蓄電池１の内部インピーダンス測定時の計測電流の検出結果に相当する信号であり、さらに演算部５１により交流電流発生手段３が発生する交流電流の電流値を制御するための信号でもある。
【００３４】
すなわち、交流電流発生手段３のＡ／Ｄ変換部３４から送られたディジタル信号と演算部５１から交流電流発生手段３のＤ／Ａ変換部３１に送られる信号とを演算部５１により比較して、交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断することができる。
【００３５】
また、演算部５１は、ディジタルフィルタ処理された信号を計測結果として記憶部５２に記憶させる機能と、記憶部５２に記憶された計測手順に基づいて交流電流発生手段３を制御する信号を交流電流発生手段３に送る機能とを有する。
【００３６】
また、演算部５１は、計測電流のデータおよび被計測起電力のデータに基づいて内部インピーダンスを算出する機能を有する。内部インピーダンスの算出結果は、記憶部５２で記憶される。必要に応じて、制御演算手段５の内部または外部に、内部インピーダンスの算出結果を表示する手段を設けてもよい。
【００３７】
記憶部５２は、演算部５１における処理結果を記憶し、さらに交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形と電流値を制御する信号を記憶する。
【００３８】
このように、図１に例示した蓄電池の内部インピーダンス測定装置によれば、交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、前記交流電流の最適値を自動的に設定することができる。したがって、交流電圧計測手段４において計測される交流電圧成分のうち、交流電流発生手段３が発生する正弦波の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることができ、蓄電池の内部インピーダンスの測定精度を高めることができる。
【００３９】
ところで、図１に例示した蓄電池の内部インピーダンス測定装置において蓄電池１の内部インピーダンスを測定する場合、交流電圧計測手段４において計測される交流電圧をそのまま利用すると、交流電流発生手段３が発生する正弦波周波数において交流電圧測定手段４のアナログ信号処理部４１でレベル変動があった場合にその変動分を補正することが必要となる。
【００４０】
そこで、交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４により得られた計測データをそのまま利用できるようにすることが望ましい。
【００４１】
図２は、本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置の他の一例の概略を示すブロック図である。
【００４２】
図２において、１は蓄電池、２は蓄電池群、３は交流電流発生手段、４は交流電圧計測手段、５は制御演算手段であり、蓄電池１と並列に交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４が接続され、交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４に制御演算手段５が接続されている点は、図１と同様である。
【００４３】
図２が図１と異なる点は、交流電流発生手段３の電流検出手段３３の両端が、交流電圧計測手段４のアナログ信号処理部４１と接続されるようにした点である。
【００４４】
このため、図１における交流電流発生手段３のＡ／Ｄ変換部３４は省略され、交流電圧計測手段４には、アナログ信号処理部４１の入力を蓄電池１側または電流検出手段３３側のいずれかに切り替える入力切替部４３が設けられる。入力切替部４３は、演算部５１からの制御信号により制御される。この制御信号は、記憶部５２にあらかじめ記憶されている。その他の構成は図１と同様である。
【００４５】
入力切替部４３としては、例えば継電器（リレー）が用いられるが、その他の切替手段も状況に応じて適用可能である。入力切替部４３が蓄電池１に接続されている場合には、交流電圧測定手段４は蓄電池１の起電力を計測し、入力切替部４３が電流検出部３３に接続されている場合には、交流電圧測定手段４は交流電流発生手段３が発生する交流電流が電流検出部３３に流れることにより生じる起電力を計測する。
【００４６】
次に、本発明の蓄電池の内部インピーダンス測定方法について説明する。
【００４７】
図３は、本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定方法の概略を示す流れ図である。図３のように、本実施形態は、「計測電流Ｉの設定」、「被計測起電力Ｖの計測」、「内部インピーダンスＺ（＝Ｖ／Ｉ）の算出」の３つのステップからなっている。
【００４８】
次に、上述の計測電流Ｉの設定のステップについての詳細を図面に基づいて説明する。以下では、図１および図２の符号を利用して説明する。
【００４９】
図４は、図３における計測電流Ｉの設定のステップの詳細の一例を示す流れ図である。その内容を以下に説明する。
【００５０】
（ステップ１）
計測電流Ｉを設定するため、記憶部５２に記憶された制御信号データに基づき演算部からＤ／Ａ変換部３１に制御信号を送り、Ｄ／Ａ変換部３１の出力を初期値に設定する。この初期値は、Ｄ／Ａ変換部の出力範囲の中間値付近に設定することが望ましい。そして、Ｄ／Ａ変換部３１の出力波形と、電流検出部３３の両端の電圧波形とを比較して、電流出力部３２の出力電流波形の飽和の有無を演算部５１で確認する。飽和している場合はステップ４へ、飽和していない場合はステップ２へそれぞれ進む。
【００５１】
（ステップ２）
Ｄ／Ａ変換部３１の出力を上昇させ、Ｄ／Ａ変換部３１の出力波形と、電流検出部３３の両端の電圧波形とを比較して、電流出力部３２の出力電流波形の飽和の有無を演算部５１で確認する。飽和している場合はステップ４へ、飽和していない場合はステップ３へそれぞれ進む。
【００５２】
（ステップ３）
Ｄ／Ａ変換部３１の出力が最大値か否かを演算部５１で確認する。最大値の場合はその値を維持して設定完了する。最大値でない場合はステップ２へ戻る。
【００５３】
（ステップ４）
Ｄ／Ａ変換部３１の出力を下降させ、Ｄ／Ａ変換部３１の出力波形と、電流検出部３３の両端の電圧波形とを比較して、電流出力部３２の出力電流波形の飽和の有無を演算部５１で確認する。飽和している場合はステップ５へ進み、飽和していない場合はその値を維持して設定完了する。
【００５４】
（ステップ５）
Ｄ／Ａ変換部３１の出力が最小値か否かを演算部５１で確認する。最小値の場合は設定を中止して計測も中止する。最小値でない場合はステップ４へ戻る。
【００５５】
また、参考のため、Ｄ／Ａ変換部３１の出力波形と、電流出力部３２の出力電流により電流検出部３３の両端で検出される電圧波形とを比較した結果の一例を図５に示す。
【００５６】
図５のように、Ｄ／Ａ変換部３１の出力が大きい場合には、電流出力部３２の出力電流波形が飽和することがあり、Ｄ／Ａ変換部３１の出力が適切な場合には、電流出力部３２の出力電流波形が実質的に正弦波であってかつ最大値に近い状態になり、Ｄ／Ａ変換部３１の出力が小さい場合には、電流出力部３２の出力電流波形が実質的に正弦波であるが最大値に対して余裕を持つ状態となることがわかる。本実施形態においては、電流出力部３２の出力電流を極力大きくしたいため、電流出力部３２などの能力の限度に近くなるようにＤ／Ａ変換部３１の出力を設定する必要がある。
【００５７】
このように、本実施形態によれば、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、制御演算手段が交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定するため、交流電圧計測手段において計測される交流電圧成分のうち、交流電流発生手段が発生する正弦波の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることができ、蓄電池の内部インピーダンスの測定精度を高めることができるが、その実施形態は上述したものに限られることはなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で、適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【００５８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、蓄電池の内部インピーダンス測定にあたり、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、制御演算手段が交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定するため、交流電圧計測手段において計測される交流電圧成分のうち、交流電流発生手段が発生する交流電流の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることができ、蓄電池の内部インピーダンスの測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置の一例の概略を示すブロック図である。
【図２】 本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置の他の一例の概略を示すブロック図である。
【図３】 本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定方法の概略を示す流れ図である。
【図４】 図３の流れ図の一部の詳細の一例を示す流れ図である。
【図５】 Ｄ／Ａ変換部の出力波形と電流検出部の両端で検出される電圧波形とを比較した結果の一例を示す説明図である。
【図６】 交流４端子法による蓄電池の内部インピーダンス測定の原理を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１ 蓄電池
２ 蓄電池群
３ 交流電流発生手段
４ 交流電圧計測手段
５ 制御演算手段
３１ Ｄ／Ａ変換部
３２ 電流出力部
３３ 電流検出部
３４ Ａ／Ｄ変換部
４１ アナログ信号処理部
４２ Ａ／Ｄ変換部
４３ 入力信号切替部
５１ 演算部
５２ 記憶部
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電池の内部インピーダンスを測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを測定する方法として、いわゆる交流４端子法が知られている。
【０００３】
交流４端子法とは、内部インピーダンス測定対象の蓄電池に交流電流を流し、その際の発生起電力を計測することにより蓄電池の内部インピーダンスを求める手法である。
【０００４】
交流４端子法による蓄電池の内部インピーダンス測定の原理図を図６に示す。図６において、１は蓄電池、２は蓄電池群、３は交流電流発生手段、４は交流電圧計測手段であり、蓄電池１と並列に交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４が接続されている。
【０００５】
ここで、蓄電池群２とは、目的の電圧値を得るために複数の蓄電池１が直列接続されたものである。例えば、鉛蓄電池の場合は蓄電池１個あたりの起電力が約２Ｖであり、これを６個直列接続して約１２Ｖの起電力を得るようにしたものなどを本明細書では蓄電池群２と定義している。
【０００６】
交流電流発生手段３は、蓄電池１の内部インピーダンスを測定するための交流電流（本明細書では計測電流と表記する）を発生させるものである。交流電流発生手段３は、例えば交流定電流源として機能するものであって、原理的に内部インピーダンスは無限大である。
【０００７】
交流電圧計測手段４は、交流電流発生手段３が発生した電流により蓄電池１に生じた起電力を計測するものである。交流電圧計測手段４は、例えば交流電圧計として機能するものであって、原理的に内部インピーダンスは無限大である。
【０００８】
ところで、蓄電池１の内部インピーダンスの値は、一般に５ｍΩ以下であることが多く、内部インピーダンスの測定精度を高めるためには大きな計測電流を流す必要があるとされている。
【０００９】
そこで、内部インピーダンスを測定しようとする蓄電池に、スイッチング等の手法により一時的に負荷を接続してこの負荷に矩形波状の計測電流を流し、この計測電流により負荷に発生する電圧変化を用いて蓄電池の内部インピーダンスを測定する技術が、特許文献１および特許文献２などに示されている。この負荷が図６の交流電流供給手段３に相当する。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２３２００５号公報（４ページ５欄１６行〜６ページ９欄２７行、図１〜図４参照）
【特許文献２】
特開平１０−５６７４４号公報（３ページ４欄２３行〜５ページ８欄２２行、図１〜図５参照）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１および特許文献２に記載された技術は、いずれも負荷に流れる計測電流が矩形波であるため、下記の問題点を有する。
【００１２】
この問題点とは、矩形波が繰り返して発生する場合のスペクトルには、基本波成分の他に高調波成分が含まれることが明らかであり、さらに負荷に発生する電圧変化の波形は上記高調波成分以外の成分を含むため、電圧変化の波形から基本波成分を抽出するためには計測電流の値を大きくする必要があることである。
【００１３】
例えば、特許文献１および特許文献２では０．２３ｃ（１ｃは、電池容量ｘｘｘＡｈの電池についての充電電流または放電電流がｘｘｘＡである状態を意味する）となっている。具体的には、電池容量が２００Ａｈの電池では、０．２３ｃは４６Ａとなる。このため、計測中の蓄電池の電圧が低下してそれ以外の蓄電池の電圧が上昇する現象が発生し、各蓄電池における計測条件が変化するという問題点がある。
【００１４】
そこで、本発明では、蓄電池に流す計測電流の値を大きくすることなく、さらにノイズ等の外乱の影響が少なく測定精度を高めることができる蓄電池の内部インピーダンス測定技術を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスの測定を行うための、交流電流発生手段および交流電圧計側手段を有する蓄電池の内部インピーダンス測定装置において、前記交流電流発生手段を制御し交流電圧計測手段からの入力を処理する制御演算手段をさらに有し、制御演算手段は、演算部、記憶部をさらに有し、前記交流電流発生手段を制御し交流電圧計測手段からの入力を処理する制御演算手段をさらに有し、制御演算手段は、演算部、記憶部をさらに有し、前記交流電流発生手段は波形が実質的に正弦波である交流電流を発生する機能を有し、前記制御演算手段は、交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定する機能を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生手段および交流電圧計側手段を用いて測定する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形は実質的に正弦波であり、かつ前記交流電流発生手段を制御し交流電圧計測手段からの入力を処理する制御演算手段により、交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定することを特徴とする。
【００１７】
すなわち、本発明は、蓄電池の内部インピーダンス測定にあたり、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、制御演算手段が交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定するため、交流電圧計測手段において計測される交流電圧成分のうち、交流電流発生手段が発生する正弦波の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることができ、蓄電池の内部インピーダンスの測定精度を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置の概略を示すブロック図である。図１において、１は蓄電池、２は蓄電池群、３は交流電流発生手段、４は交流電圧計測手段であり、蓄電池１と並列に交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４が接続されている点は、図５と同様である。さらに図１では、交流電流発生手段３を制御し交流電圧計測手段４からの入力を処理する制御演算手段５が接続されている。
【００２０】
蓄電池群２を構成する各蓄電池１としては、鉛蓄電池などが用いられるが、液面の変化などで劣化の判断をすることが困難な密閉型鉛蓄電池を用いることが効果的である。
【００２１】
蓄電池群２とは、前述のとおり、目的の電圧値を得るために複数の蓄電池１が直列接続されたものである。蓄電池１が起電力約２Ｖの鉛蓄電池の場合、６個、１２個、２４個直列接続してそれぞれ約１２Ｖ、約２４Ｖ、約４８Ｖの起電力を得ることができる。
【００２２】
交流電流発生手段３は、前述のとおり、蓄電池１の内部インピーダンスを測定するための計測電流を発生させるもので、交流定電流源として機能する。この交流電流発生手段３は、蓄電池１に対して交流電流を供給するようにしても、蓄電池１から交流電流を放電させるようにしてもよい。
【００２３】
また、交流電流発生手段３は、Ｄ／Ａ変換部３１、電流出力部３２、電流検出部３３、Ａ／Ｄ変換部３４を有する。Ｄ／Ａ変換部３１は、制御演算手段５から送られる制御信号をアナログ信号に変換して電流出力部３２に送る。電流出力部３２は、蓄電池１の内部インピーダンスを測定するのに必要な電流値の計測電流を出力するものである。電流検出部３３は、電流出力部３２が発生する交流電流を検出して交流電圧に変換するものであって、例えば０．１Ω程度の抵抗器（シャント抵抗）などを用いることができる。Ａ／Ｄ変換部３４は、電流検出部３３が検出した交流電圧をディジタル信号に変換して制御演算手段５に送るものである。
【００２４】
Ｄ／Ａ変換部３１の出力は、制御演算手段５から送られる制御信号を例えば８ビット、１２ビットなどにすることにより、出力の種類を最大２５６種類、２０４８種類などにすることができる。出力の種類の数は適宜設定してよいことはいうまでもない。
【００２５】
交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形は、実質的に正弦波とすることにより、高調波成分の影響を受けることなく蓄電池１の内部インピーダンスを測定することが可能となる。
【００２６】
本発明では、交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形を極力正弦波に近づけ、かつ振幅を大きくすることにより、交流電圧計測手段４において計測される交流電圧成分のうち、交流電流発生手段３が発生する正弦波の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることができ、蓄電池の内部インピーダンスの測定精度を高めることができる。
【００２７】
交流電圧計測手段４は、前述のとおり、交流電流発生手段３が発生した電流により蓄電池１に生じた起電力を計測するものである。
【００２８】
また、図１において、交流電圧測定手段４は、アナログ信号処理部４１、Ａ／Ｄ変換部４２を有する。
【００２９】
アナログ信号処理部４１は、交流電流発生手段３が発生する正弦波の周波数と同一の周波数を通過させるバンドパスフィルタなどのアナログフィルタを有し、必要に応じて当該周波数に利得帯域を有する交流増幅器を有する。アナログ信号処理部４１で処理された信号は、Ａ／Ｄ変換部４２に送られる。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換部４２は、アナログ信号処理部４１からの信号をアナログ信号からディジタル信号に変換するものである。Ａ／Ｄ変換部４２で処理された信号は、制御演算手段５に送られる。
【００３１】
また、図１において、制御演算手段５は、演算部５１、記憶部５２を有する。
【００３２】
演算部５１は、交流電流発生手段３のＡ／Ｄ変換部３４から送られたディジタル信号および交流電圧測定手段４のＡ／Ｄ変換部４２から送られたディジタル信号を受け、これらのディジタル信号から交流電流発生手段３が発生する正弦波の周波数と同一の周波数を抽出するためにディジタルフィルタ処理を行う。
【００３３】
交流電流発生手段３のＡ／Ｄ変換部３４から送られたディジタル信号は、蓄電池１の内部インピーダンス測定時の計測電流の検出結果に相当する信号であり、さらに演算部５１により交流電流発生手段３が発生する交流電流の電流値を制御するための信号でもある。
【００３４】
すなわち、交流電流発生手段３のＡ／Ｄ変換部３４から送られたディジタル信号と演算部５１から交流電流発生手段３のＤ／Ａ変換部３１に送られる信号とを演算部５１により比較して、交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断することができる。
【００３５】
また、演算部５１は、ディジタルフィルタ処理された信号を計測結果として記憶部５２に記憶させる機能と、記憶部５２に記憶された計測手順に基づいて交流電流発生手段３を制御する信号を交流電流発生手段３に送る機能とを有する。
【００３６】
また、演算部５１は、計測電流のデータおよび被計測起電力のデータに基づいて内部インピーダンスを算出する機能を有する。内部インピーダンスの算出結果は、記憶部５２で記憶される。必要に応じて、制御演算手段５の内部または外部に、内部インピーダンスの算出結果を表示する手段を設けてもよい。
【００３７】
記憶部５２は、演算部５１における処理結果を記憶し、さらに交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形と電流値を制御する信号を記憶する。
【００３８】
このように、図１に例示した蓄電池の内部インピーダンス測定装置によれば、交流電流発生手段３が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、前記交流電流の最適値を自動的に設定することができる。したがって、交流電圧計測手段４において計測される交流電圧成分のうち、交流電流発生手段３が発生する正弦波の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることができ、蓄電池の内部インピーダンスの測定精度を高めることができる。
【００３９】
ところで、図１に例示した蓄電池の内部インピーダンス測定装置において蓄電池１の内部インピーダンスを測定する場合、交流電圧計測手段４において計測される交流電圧をそのまま利用すると、交流電流発生手段３が発生する正弦波周波数において交流電圧測定手段４のアナログ信号処理部４１でレベル変動があった場合にその変動分を補正することが必要となる。
【００４０】
そこで、交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４により得られた計測データをそのまま利用できるようにすることが望ましい。
【００４１】
図２は、本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置の他の一例の概略を示すブロック図である。
【００４２】
図２において、１は蓄電池、２は蓄電池群、３は交流電流発生手段、４は交流電圧計測手段、５は制御演算手段であり、蓄電池１と並列に交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４が接続され、交流電流発生手段３および交流電圧計測手段４に制御演算手段５が接続されている点は、図１と同様である。
【００４３】
図２が図１と異なる点は、交流電流発生手段３の電流検出手段３３の両端が、交流電圧計測手段４のアナログ信号処理部４１と接続されるようにした点である。
【００４４】
このため、図１における交流電流発生手段３のＡ／Ｄ変換部３４は省略され、交流電圧計測手段４には、アナログ信号処理部４１の入力を蓄電池１側または電流検出手段３３側のいずれかに切り替える入力切替部４３が設けられる。入力切替部４３は、演算部５１からの制御信号により制御される。この制御信号は、記憶部５２にあらかじめ記憶されている。その他の構成は図１と同様である。
【００４５】
入力切替部４３としては、例えば継電器（リレー）が用いられるが、その他の切替手段も状況に応じて適用可能である。入力切替部４３が蓄電池１に接続されている場合には、交流電圧測定手段４は蓄電池１の起電力を計測し、入力切替部４３が電流検出部３３に接続されている場合には、交流電圧測定手段４は交流電流発生手段３が発生する交流電流が電流検出部３３に流れることにより生じる起電力を計測する。
【００４６】
次に、本発明の蓄電池の内部インピーダンス測定方法について説明する。
【００４７】
図３は、本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定方法の概略を示す流れ図である。図３のように、本実施形態は、「計測電流Ｉの設定」、「被計測起電力Ｖの計測」、「内部インピーダンスＺ（＝Ｖ／Ｉ）の算出」の３つのステップからなっている。
【００４８】
次に、上述の計測電流Ｉの設定のステップについての詳細を図面に基づいて説明する。以下では、図１および図２の符号を利用して説明する。
【００４９】
図４は、図３における計測電流Ｉの設定のステップの詳細の一例を示す流れ図である。その内容を以下に説明する。
【００５０】
（ステップ１）
計測電流Ｉを設定するため、記憶部５２に記憶された制御信号データに基づき演算部からＤ／Ａ変換部３１に制御信号を送り、Ｄ／Ａ変換部３１の出力を初期値に設定する。この初期値は、Ｄ／Ａ変換部の出力範囲の中間値付近に設定することが望ましい。そして、Ｄ／Ａ変換部３１の出力波形と、電流検出部３３の両端の電圧波形とを比較して、電流出力部３２の出力電流波形の飽和の有無を演算部５１で確認する。飽和している場合はステップ４へ、飽和していない場合はステップ２へそれぞれ進む。
【００５１】
（ステップ２）
Ｄ／Ａ変換部３１の出力を上昇させ、Ｄ／Ａ変換部３１の出力波形と、電流検出部３３の両端の電圧波形とを比較して、電流出力部３２の出力電流波形の飽和の有無を演算部５１で確認する。飽和している場合はステップ４へ、飽和していない場合はステップ３へそれぞれ進む。
【００５２】
（ステップ３）
Ｄ／Ａ変換部３１の出力が最大値か否かを演算部５１で確認する。最大値の場合はその値を維持して設定完了する。最大値でない場合はステップ２へ戻る。
【００５３】
（ステップ４）
Ｄ／Ａ変換部３１の出力を下降させ、Ｄ／Ａ変換部３１の出力波形と、電流検出部３３の両端の電圧波形とを比較して、電流出力部３２の出力電流波形の飽和の有無を演算部５１で確認する。飽和している場合はステップ５へ進み、飽和していない場合はその値を維持して設定完了する。
【００５４】
（ステップ５）
Ｄ／Ａ変換部３１の出力が最小値か否かを演算部５１で確認する。最小値の場合は設定を中止して計測も中止する。最小値でない場合はステップ４へ戻る。
【００５５】
また、参考のため、Ｄ／Ａ変換部３１の出力波形と、電流出力部３２の出力電流により電流検出部３３の両端で検出される電圧波形とを比較した結果の一例を図５に示す。
【００５６】
図５のように、Ｄ／Ａ変換部３１の出力が大きい場合には、電流出力部３２の出力電流波形が飽和することがあり、Ｄ／Ａ変換部３１の出力が適切な場合には、電流出力部３２の出力電流波形が実質的に正弦波であってかつ最大値に近い状態になり、Ｄ／Ａ変換部３１の出力が小さい場合には、電流出力部３２の出力電流波形が実質的に正弦波であるが最大値に対して余裕を持つ状態となることがわかる。本実施形態においては、電流出力部３２の出力電流を極力大きくしたいため、電流出力部３２などの能力の限度に近くなるようにＤ／Ａ変換部３１の出力を設定する必要がある。
【００５７】
このように、本実施形態によれば、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、制御演算手段が交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定するため、交流電圧計測手段において計測される交流電圧成分のうち、交流電流発生手段が発生する正弦波の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることができ、蓄電池の内部インピーダンスの測定精度を高めることができるが、その実施形態は上述したものに限られることはなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で、適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【００５８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、蓄電池の内部インピーダンス測定にあたり、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形を実質的に正弦波とし、制御演算手段が交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定するため、交流電圧計測手段において計測される交流電圧成分のうち、交流電流発生手段が発生する交流電流の周波数成分以外のノイズ成分の影響を最小限にすることができ、蓄電池の内部インピーダンスの測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置の一例の概略を示すブロック図である。
【図２】 本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定装置の他の一例の概略を示すブロック図である。
【図３】 本発明の実施形態である蓄電池の内部インピーダンス測定方法の概略を示す流れ図である。
【図４】 図３の流れ図の一部の詳細の一例を示す流れ図である。
【図５】 Ｄ／Ａ変換部の出力波形と電流検出部の両端で検出される電圧波形とを比較した結果の一例を示す説明図である。
【図６】 交流４端子法による蓄電池の内部インピーダンス測定の原理を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１ 蓄電池
２ 蓄電池群
３ 交流電流発生手段
４ 交流電圧計測手段
５ 制御演算手段
３１ Ｄ／Ａ変換部
３２ 電流出力部
３３ 電流検出部
３４ Ａ／Ｄ変換部
４１ アナログ信号処理部
４２ Ａ／Ｄ変換部
４３ 入力信号切替部
５１ 演算部
５２ 記憶部
Claims (2)
- 複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスの測定を行うための、交流電流発生手段および交流電圧計側手段を有する蓄電池の内部インピーダンス測定装置において、
前記交流電流発生手段を制御し交流電圧計測手段からの入力を処理する制御演算手段をさらに有し、制御演算手段は、演算部、記憶部をさらに有し、前記交流電流発生手段は波形が実質的に正弦波である交流電流を発生する機能を有し、前記制御演算手段は、交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定する機能を有することを特徴とする蓄電池の内部インピーダンス測定装置。 - 複数の蓄電池が直列接続された蓄電池群の各蓄電池の内部インピーダンスを、交流電流発生手段および交流電圧計側手段を用いて測定する蓄電池の内部インピーダンス測定方法において、
前記交流電流発生手段が発生する交流電流の波形は実質的に正弦波であり、かつ前記交流電流発生手段を制御し交流電圧計測手段からの入力を処理する制御演算手段により、交流電流発生手段のＡ／Ｄ変換部から送られたディジタル信号と演算部から交流電流発生手段のＤ／Ａ変換部に送られる信号とを演算部により比較して、交流電流発生手段が発生する交流電流の波形が飽和状態にあるか否かを判断し、前記交流電流の最適値を自動的に設定することを特徴とする蓄電池の内部インピーダンス測定方法。
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