JP4387093B2

JP4387093B2 - 電池評価装置

Info

Publication number: JP4387093B2
Application number: JP2002331626A
Authority: JP
Inventors: 昌弘数見
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: JP2004163344A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の内部インピーダンス等を測定する電池評価装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電池の性能を知るために、電池の内部インピーダンスを測定することは一般的に行われている。
一般的なインピーダンス測定では、所定の周波数領域において、電池に対し、入力として電流を供給し、その出力として電圧値を得る。そして、電流値と電圧値からインピーダンスを算出するようになっているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図２は電池の内部インピーダンスの一般的な等価回路図である。
電池は、例えば燃料電池である。電池の等価回路は、反応抵抗Ｒと反応容量Ｃが並列接続され、この並列接続部分に溶液抵抗Ｒｓｏｌｎを直列接続した回路になっている。
【０００４】
図３は従来における電池評価装置の構成例を示した図である。
図３で、周波数応答アナライザ３０は、正弦波スイープ発信器３１とディジタルフーリエ演算器３２を有する電池評価装置の一例である。正弦波スイープ発信器３１は、任意の低周波数から高周波数までの正弦波信号を発生する。
負荷装置５には、正弦波スイープ発信器３１が発生した正弦波信号が与えられる。被測定対象となる電池２は、負荷装置５と接続されている。
【０００５】
負荷装置５は、正弦波スイープ発信器３１から与えられた正弦波信号と振幅が比例した電流量を電池２から放電させる。ディジタルフーリエ演算器３２は、このときの放電電流ｉと電池両端電圧ｖをディジタルフーリエ演算することにより、正弦波信号の各周波数における利得と、位相特性から電池の内部インピーダンスを求める。ここでいう利得は、（電池両端電圧振幅）／（放電電流振幅）である。利得測定手段３３は利得を求め、位相測定手段３４は位相を求める。利得と位相特性からインピーダンスを求めることができる。
【０００６】
図４は測定結果の一例を示した図である。
図４では、横軸に周波数をとり、縦軸に位相θと利得|Ｚ|をとっている。図４で、Ａ１及びＡ２はそれぞれ利得及び位相を示したグラフである。
【０００７】
電池のような電気化学の分野では、インピーダンスをＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅ図で示すことが一般的に行われている。
図５は図４の測定結果を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅ図である。Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ図では、インピーダンスの実数部Ｚ’を横軸に、虚数部Ｚ”を縦軸にそれぞれとる。Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ図の円弧状グラフ（インピーダンスがとる軌跡）で、虚数部が０となる左端の実数部が図２の等価回路におけるＲｓｏｌｎ、円弧状グラフの左端と右端の間の実数部の大きさの１／２が図２の等価回路におけるＲ、円弧状グラフの虚数部が最大値となる周波数をｆとすると等価回路におけるＣとの関係はｆ＝（２πＲＣ)^-1と表される。ここから逆算するとＣを求めることが出来る。従って、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ図から電池内部の等価回路図の全パラメータを知ることができる（例えば、特願２００１−２０７５５２）。
【０００８】
上述の従来例では周波数応答アナライザ、一定電流を放電させる負荷装置を用いる電池評価装置を示したが、その他にインピーダンスアナライザ、ガルバノスタット、ポテンショスタットを用いた構成も、電池から電流を放電させるか、電圧を印加するかの違いはあるものの、基本原理は同じである。
【０００９】
交流電流を電池から出力させて、電池のインピーダンスを測定する場合、電池から負極性の電流を引き出すと充電になってしまう。このため正弦波信号にはオフセットを重畳させ、負極性にならないようにしなければならない。
また、電池は出力電流に限界があるため、直流電流レベルを変化させるとインピーダンスが変化する。このような電池特性の評価のために、直流電流レベルを変化させてインピーダンスを測定するのが一般的である。この場合は、正弦波信号にオフセット電圧を重畳させることで対応している。
【００１０】
実際の電池評価では、電池から出力させる直流電流に対して、インピーダンス測定等のための交流電流レベルは数%以下ということがある。このような場合、負荷装置の入力フルスケールをオフセットとなる直流信号で決定すると、正弦波信号の分解能が不足し、正確な正弦波波形が再現出来ないという問題がある。
【００１１】
これに対する解決手段として、交流用負荷装置と直流用負荷装置を用いる場合がある。これを図を用いて説明する。
図６は、従来における電池評価装置の他の構成例を示した図である。図６で前出の図と同様のものは同様の符号をつけて説明は省略する。
図６の交流用負荷装置である第１の負荷装置３と直流用負荷装置である第２の負荷装置４は並列に接続されている。
第１の負荷装置３（交流負荷装置）は正弦波スイープ発信器３１から出力された正弦波信号の振幅に比例した交流電流を電池から出力させる。
直流信号発生器６は、第２の負荷装置４（直流用負荷装置）に直流信号を出力し、第１の負荷装置４（直流用負荷装置）を、定電流モードで動作させて電池から直流信号の電圧レベルに比例した直流電流を出力させる。
この構成であれば、交流用負荷装置の入力信号の分解能が不足することはないが、電池電流を一括でコントロールすることが出来ない。
この構成の他に、インピーダンス測定は周波数応答アナライザなどの専用機によって行われ、直流電池電圧、電流の測定は別のデジタルマルチメータなどで行われる場合があるが、ここでも別々の測定器を用いることによる煩雑さ、測定の同時性等の問題があった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平８−８８０２８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、電池の評価における電池の交流電流値や直流電流値の制御を容易にすると共に評価に用いる各パラメータの測定効率を向上させた電池評価装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のとおりの構成になった電池評価装置である。
【００１５】
（１）電池と並列接続され、入力される信号に対応する電流を前記電池から出力させる複数台の負荷装置と、
前記複数台の負荷装置の少なくとも１台に複数の高調波成分をもった信号を十分な分解能で与える波形発生手段と、
前記複数台の負荷装置の少なくとも他の１台に可変の直流信号を与える直流信号発生手段と、
これらの負荷装置によって前記電池から流れる直流成分と複数の高調波成分を持った波形の電流と前記電池の両端の電圧をそれぞれフーリエ変換することにより、各周波数における前記電池のインピーダンスを各直流成分値について測定する解析手段と、
を有することを特徴とする電池評価装置。
【００１７】
（２）前記解析手段は高速フーリエ変換により解析を行うことを特徴とする（１）に記載の電池評価装置。
【００１８】
（３）前記波形発生手段は、任意の高調波成分をもった波形を発生する任意波形発生器であることを特徴とする（１）または（２）に記載の電池評価装置。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。図１で前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
【００２０】
図１で、周波数応答アナライザ１は任意波形発生器１１と直流信号発生器１２とディジタルフーリエ演算器１３を有しており、本発明の電池評価装置の一例を示すものである。
任意波形発生器１１は、単一周波数の正弦波だけでなく、複数の高調波成分をもった波形を発生する。任意波形発生器１１の出力波形を第１の負荷装置３に与えることにより、電池２の放電電流を複数の高調波成分をもった波形とする。直流信号発生器１２は、直流信号を発生し、第２の負荷装置４に与えることにより電池２の放電電流を直流成分をもった波形とする。これにより、電池２の放電電流に直流のオフセットを重畳させることができ高調波成分をもった信号の分解能を十分に確保できる。また、各発生器１１、１２の出力間および接地電位間とは絶縁させて各負荷装置３、４の信号入力部を絶縁する。これにより、任意波形発生器１１の出力信号と直流信号発生器１２の出力信号との干渉を防止することができる。
【００２１】
尚、負荷装置は例えば電子負荷であり、所定の電圧を入力されることにより電圧に対応（比例）する電流を電池から出力させる。
また、実施例では、負荷装置を２台設けて、１台には任意波形発生器１１の出力を与え、他の１台には直流信号発生器１２の出力を与えているが、これに限るものではなく、電子負荷の容量の制限などの条件により２台以上の負荷装置で構成してもよい。
【００２２】
ディジタルフーリエ演算器１３では、電池の放電電流を各成分毎にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行って解析する。ディジタルフーリエ演算器１３は、このときの放電電流ｉと電池両端電圧ｖをディジタルフーリエ演算することにより、正弦波信号の各周波数における利得と、位相特性から電池の内部インピーダンスを求める。ここでいう利得は、（電池両端電圧振幅）／（放電電流振幅）である。利得測定手段１４は利得を求め、位相測定手段１５は位相を求める。利得と位相特性からインピーダンスを求めることができる。
任意波形発生器１１の出力波形に重ね合わせる高調波成分を多くするほど、一度に得ることができる周波数ポイントのデータを多くすることができる。
請求範囲でいう解析手段はディジタルフーリエ演算器１２に相当する。
【００２３】
以下に電池評価のパラメータの演算式を示す。
【数１】

ここで、Ｔ：基本波の周期、ω：角速度、u_rn：n次成分の電圧実数部、u_jn：n次成分の電圧虚数部、i_rn：n次成分の電流実数部、i_jn：n次成分の電流虚数部、Z_n′：n次成分のインピーダンス実数部、Z_n″：n次成分のインピーダンス虚数部、Pn：n次成分の有効電力、In：n次成分の電流実効値である。
また、直流分にも同じ演算式を適応できる。
【数２】

ここで、u_ｄｃ：直流成分の電圧値、i_ｄｃ：直流成分の電流値、Pdc：直流成分の電力、Idc：直流成分の電流値である。
【００２４】
以上により、電池の交流電流、交流インピーダンスおよび電池の直流電圧、電流、電力が測定結果として得られる。これら測定値は任意波形発生器および直流発生器の出力レベルを補正することにも活用できる。
【００２５】
周波数応答アナライザ１に、直流信号発生器を内蔵させたことにより、電池の直流電流を直接制御できるため、電池の直流電流値を変化させながらインピーダンスを測定することも容易に実現できる。
また、電池や評価条件によって電流条件がかわると、必要となる負荷装置の電子負荷容量が変化するが、出力値スケーリング機能を設けておけばいかなる負荷装置に変更しても対応が可能である。また既存システムに合わせて当該装置を調整することができ対応しやすい。
さらに、電池の耐久試験時、電池の総出力値として積算電力および電流は重要な測定項目である。電流、電力値が測定できることにより積算値も測定可能である。
【００２６】
尚、実施例では任意波形発生器を用いた場合について説明したが、これに限ることなく複数の高調波成分をもった波形を発生する波形発生手段であればよい。
また、実施例では直流信号発生器を用いた場合について説明したが、これに限ることなく直流信号を発生する直流信号発生手段であればよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば次の効果が得られる。
【００２８】
請求項１および請求項２に記載の発明では、高調波成分をもった信号と直流信号とを分けて、異なる負荷装置に与えることにより、高調波成分をもった信号の分解能を十分に確保できると共に、装置内部に波形発生手段と直流信号発生手段を有することにより、電池の評価におけるパラメータである、電池インピーダンス測定等のための交流電流値や直流電流値の制御を容易にすることができる。
また、解析手段により、電池の電圧、電流、電力、インピーダンスなどのパラメータを測定することができ、これら各パラメータの測定効率を向上させた電池評価装置を実現することができる。
【００２９】
請求項３記載の発明では、解析手段は高速フーリエ変換により解析を行うため、解析時間を短縮できる。
【００３０】
請求項４記載の発明では、波形発生手段は任意波形発生器であるため、任意の周波数ポイントにおけるインピーダンスを測定できる。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】電池の内部インピーダンスの等価回路図である。
【図３】従来におけるインピーダンスの測定装置の構成例を示した図である。
【図４】測定結果の一例を示した図である。
【図５】図４の測定結果を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅ図である
【図６】従来におけるインピーダンスの測定装置の他の構成例を示した図である。
【符号の説明】
２電池
３第１の負荷装置
４第２の負荷装置
１１任意波形発生器
１２直流信号発生器
１３ディジタルフーリエ演算器

Claims

電池と並列接続され、入力される信号に対応する電流を前記電池から出力させる複数台の負荷装置と、
前記複数台の負荷装置の少なくとも１台に複数の高調波成分をもった信号を十分な分解能で与える波形発生手段と、
前記複数台の負荷装置の少なくとも他の１台に可変の直流信号を与える直流信号発生手段と、
これらの負荷装置によって前記電池から流れる直流成分と複数の高調波成分を持った波形の電流と前記電池の両端の電圧をそれぞれフーリエ変換することにより、各周波数における前記電池のインピーダンスを各直流成分値について測定する解析手段と、
を有することを特徴とする電池評価装置。
前記解析手段は高速フーリエ変換により解析を行うことを特徴とする請求項１に記載の電池評価装置。
前記波形発生手段は、任意の高調波成分をもった波形を発生する任意波形発生器であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池評価装置。