JP4657017B2 - 交流増幅装置およびインピーダンス測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力した信号に含まれている交流成分を主として増幅する交流増幅装置、および直流起電力を有する電池の内部インピーダンスを測定するのに適したインピーダンス測定装置に関するものである。

この種の交流増幅装置を含むインピーダンス測定装置として、発明者は、特開平１１−１７８１９７号公報に開示されている交流測定器（電池の内部抵抗を測定する装置）を既に提案している。ところで、この種のインピーダンス測定装置では、被測定対象物（電池）の直流起電力の測定回路への入力を阻止して内部抵抗を測定する必要がある。このため、上記公報に開示の交流測定器では、一対の入力部（一例として入力端子）に２つの直流阻止用コンデンサをそれぞれ直列に接続することにより、その直流起電力の測定回路への入力を阻止している。したがって、この交流測定器によれば、電池の内部抵抗に交流電流が流れることに起因して発生する交流成分のみをその測定回路に入力できるため、測定回路がこの交流成分に基づいて電池の内部抵抗を正確に測定することができる。

他方、発明者は、直流阻止用のコンデンサを１つだけ用いる構成のインピーダンス測定装置として、図５に示す構成のインピーダンス測定装置７１も開発している。このインピーダンス測定装置７１は、交流電流供給部２、一対の入力端子３，４、増幅装置７７、演算部６および表示部７を備えて構成されている。この場合、増幅装置７７は、交流結合部（具体的にはハイパスフィルタ）を構成するコンデンサ７７ａおよび抵抗７７ｂと、抵抗７７ｄ，７７ｅの各抵抗値で増幅率（ゲイン）が規定された演算増幅器７７ｃとで構成されている。このインピーダンス測定装置７１では、交流結合部を構成するコンデンサ７７ａが、一対の入力端子３，４間に加わる信号Ｓ１（交流電流Ｉが流れた際に電池６１の両極間に発生する電圧信号）に含まれている直流起電力Ｖ１（電池６１の起電力）の演算増幅器７７ｃへの入力を阻止するため、電池６１の内部抵抗６１ａに交流電流Ｉが流れることに起因して発生する交流成分Ｖ２（信号Ｓ１に含まれている交流成分）のみを演算増幅器７７ｃに入力させることができる。したがって、増幅装置７７が交流成分Ｖ２を適切な増幅率で増幅して、信号Ｓ２として演算部６に出力することができる。この結果、演算部６が、この信号Ｓ２と交流電流Ｉ（通常は、交流電流供給部２から出力される交流電流Ｉに比例した信号Ｓｉ）とを入力して、これらの各振幅、およびこれら相互間の位相差をそれぞれ測定し、測定した信号Ｓ２および交流電流Ｉの各振幅と位相差とに基づいて、電池６１の内部インピーダンスＲを算出して表示部７に表示させることができる。
特開平１１−１７８１９７号公報（第２頁、第１図）

しかしながら、発明者は、上記したインピーダンス測定装置７１についてさらに検討した結果、このインピーダンス測定装置７１には、次のような解決すべき課題が存在していることを見出した。すなわち、このインピーダンス測定装置７１では、一対の入力端子３，４と電池６１との接触抵抗の影響を排除するため、抵抗７７ｂの抵抗値を大きく設定する必要がある。また、抵抗７７ｂの値を大きく設定することによって抵抗７７ｂの熱雑音が演算増幅器７７ｃに入力される信号Ｓｓに重畳されることから、この熱雑音の重畳を回避するために、コンデンサ７７ａの静電容量も大きく設定する必要がある。したがって、コンデンサ７７ａ（静電容量値Ｃ１）と抵抗７７ｂ（抵抗値Ｒ１）とで構成される交流結合部の時定数（Ｃ１×Ｒ１）も大きくなるため、図６に示すように、信号Ｓ１（直流起電力Ｖ１に交流成分Ｖ２が重畳している信号：図５も参照）が増幅装置７７にステップ的に印加されたときに、コンデンサ７７ａを介して出力される信号Ｓｓに含まれている直流成分Ｓｓｄｃが図６において破線で示すような過渡特性で減少する。この結果、信号Ｓｓが増幅装置７７を構成する演算増幅器７７ｃの同相入力電圧範囲Ｗ（下限電圧が−Ｗ／２で上限電圧が＋Ｗ／２で規定される電圧範囲）内に収まるまでの時間Ｔ１、すなわち図７に示すように、増幅装置７７から出力される信号Ｓ２が飽和しないで正常に出力されるようになるまでの時間Ｔ１が長くなる。したがって、このインピーダンス測定装置７１には、演算部６において電池６１の内部インピーダンスを正確に測定できるまでの時間が長くなるという解決すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、入力した信号に含まれている直流成分に起因して発生する出力信号の過渡応答を短時間で収束させ得る交流増幅装置を提供することを主目的とする。また、直流起電力を有する電池の内部インピーダンスを一層短い時間内に測定し得るインピーダンス測定装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の交流増幅装置は、伝達関数がｓＴ_１ｉ／（１＋ｓＴ_１ｉ）に規定された（ここで、ｓはラプラス演算子を示し、ｉは１からｎ（ｎは１以上の整数）までの数）ｎ個の第１の電子回路と、伝達関数が（１＋ｓＴ_２ｉ）／（１＋ｓＴ_Ｓ）に規定されたｎ個の第２の電子回路とを備え、前記各第１の電子回路および前記各第２の電子回路が互いに直列に接続されると共に、前記各時定数がＴ_１ｉ＝Ｔ_２ｉ（１≦ｉ≦ｎ）、かつＴ_１ｉ＞Ｔ_Ｓに規定されて、入力した第１の信号を増幅して第２の信号として出力する。

また、請求項２記載のインピーダンス測定装置は、電池に交流電流を供給する交流電流供給部と、前記交流電流の供給時において前記電池の両極間に発生する信号を前記第１の信号として増幅して前記第２の信号として出力する請求項１記載の交流増幅装置と、前記出力された第２の信号と前記交流電流とに基づいて前記電池の内部インピーダンスを算出する演算部とを備えている。

請求項１記載の交流増幅装置によれば、伝達関数をｓＴ_１ｉ／（１＋ｓＴ_１ｉ）に規定したｎ個の第１の電子回路と、伝達関数を（１＋ｓＴ_２ｉ）／（１＋ｓＴ_Ｓ）に規定したｎ個の第２の電子回路とを備え、各第１の電子回路および各第２の電子回路を互いに直列に接続すると共に、各時定数をＴ_１ｉ＝Ｔ_２ｉ、かつＴ_１ｉ＞Ｔ_Ｓに規定したことにより、交流増幅装置全体の時定数を常にＴ_Ｓに規定することができる。したがって、この交流増幅装置によれば、第１の電子回路の時定数Ｔ_１ｉを非常に大きく設定したときであっても、第１の電子回路に入力した信号に含まれている直流成分に起因して発生する出力信号（第２の電子回路の出力信号）の過渡応答を時定数Ｔ_１ｉのときよりも十分に早めて、出力信号を常に短い時間で収束させることができる。

請求項２記載のインピーダンス測定装置によれば、請求項１記載の交流増幅装置を備えたことにより、例えば、電池の両極に一対の入力端子をそれぞれ接触させ、交流電流の供給時において電池の両極間に発生する信号を第１の信号として入力端子を介して交流増幅装置に入力させる場合において、各入力端子と電池との接触抵抗の影響を排除するために交流増幅装置を構成する第１の電子回路の時定数Ｔ_１ｉを非常に大きく設定したときであっても、交流増幅装置全体の時定数を常にＴ_Ｓに規定できるため、第１の電子回路に入力した信号に含まれている直流成分に起因して第２の電子回路の出力信号に発生する過渡応答を十分に早めることができる。この結果、演算部が、電池の内部インピーダンスをより短時間で算出することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る交流増幅装置およびインピーダンス測定装置の最良の形態について説明する。

最初に、インピーダンス測定装置１の構成について説明する。

インピーダンス測定装置１は、図１に示すように、交流電流供給部２、一対の入力端子３，４、交流増幅部５、演算部６および表示部７を備えて構成されている。交流電流供給部２は、交流電流源２ａおよび一対の出力端子２ｂ，２ｃを備えて構成されて、交流電流源２ａによって生成された交流電流Ｉを一対の出力端子２ｂ，２ｃを介して電池６１に供給する。また、交流電流供給部２は、交流電流Ｉの電流値に比例して電圧値が変化する信号Ｓｉを生成して演算部６に出力する。入力端子４は、基準電位（一例として内部グランド）に接続されている。

交流増幅部５は、本発明に係る交流増幅装置の一例であって、直流阻止用のコンデンサ８ａ（静電容量値Ｃ１）および抵抗８ｂ（抵抗値Ｒ１）を備えて構成された交流結合部（一例として、ハイパスフィルタ。本発明における第１の電子回路に相当する）８と、演算増幅器（オペアンプ）９ａ、抵抗９ｂ，９ｃ（各抵抗値Ｒ３，Ｒ２）およびコンデンサ９ｄ（静電容量値Ｃ２）を備えて構成されると共に交流結合部８に直列接続された増幅回路（本発明における第２の電子回路に相当する）９とを備え、入力端子３を介して入力した信号Ｓ１（本発明における第１の信号）を増幅して信号Ｓ２（本発明における第２の信号）として出力する。この場合、交流結合部８は、コンデンサ８ａの一端が入力端子３に接続され、抵抗８ｂがコンデンサ８ａの他端と内部グランドとの間に接続されて構成されている。交流結合部８は、下記式（１）に示す伝達特性を有して、静的には、電池６１の直流起電力Ｖ１の通過を阻止し、電池６１の内部抵抗６１ａに交流電流Ｉが流れることに起因して発生する交流成分Ｖ２のみの通過を許容して増幅回路９に出力する。
ｓＴ_１／（１＋ｓＴ_１） ・・・・・・・・・・ （１）
ここで、ｓはラプラス演算子を示し、Ｔ_１＝Ｃ１×Ｒ１である。
また、接触抵抗および熱雑音の問題を回避するために、コンデンサ８ａの静電容量値Ｃ１および抵抗８ｂの抵抗値Ｒ１は、従来例で説明したインピーダンス測定装置７１と同一に設定されている。

増幅回路９は、演算増幅器９ａの非反転入力端子が交流結合部８の出力端子（コンデンサ８ａの他端）に接続され、かつ演算増幅器９ａの出力端子と反転入力端子との間に抵抗９ｂが接続されると共に演算増幅器９ａの反転入力端子と内部グランドとの間に抵抗９ｃとコンデンサ９ｄとが直列に接続されて構成されている。この構成により、増幅回路９は、下記式（２）に示す伝達特性を有している。
（１＋ｓＴ_２）／（１＋ｓＴ_Ｓ） ・・・・・・ （２）
ただし、Ｔ_２＝（Ｒ２＋Ｒ３）×Ｃ２、Ｔ_Ｓ＝Ｒ２×Ｃ２である。
また、交流増幅部５では、Ｔ_１＝Ｔ_２となり、かつＴ_１＞Ｔ_Ｓとなるように、コンデンサ８ａ，９ｄの各静電容量値Ｃ１，Ｃ２、および抵抗８ｂ，９ｃ，９ｂの各抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３がそれぞれ規定されている。一例として本例では、抵抗９ｂの抵抗値Ｒ３を抵抗９ｃの抵抗値Ｒ２の１００倍に設定することにより、Ｔ_１≒１００×Ｔ_Ｓに規定されている。

演算部６は、Ａ／Ｄ変換器、ＣＰＵおよびメモリなど（いずれも図示せず）を備えて構成されている。また、演算部６は、交流電流供給部２から出力される信号Ｓｉと交流増幅部５から出力される信号Ｓ２とに基づいて、電池６１の内部インピーダンスＲを算出するインピーダンス（内部抵抗）算出処理を実行する。表示部７は、例えば、液晶ディスプレイなどで構成されて、演算部６によって算出された内部インピーダンスＲを表示する。

次に、インピーダンス測定装置１による電池６１の内部インピーダンスＲの測定動作について説明する。

まず、図１に示すように、電池６１の正極に出力端子２ｂを接続すると共に、電池６１の負極に出力端子２ｃを接続し、その状態において交流電流供給部２に対して交流電流Ｉの供給を開始させる。次いで、入力端子３を電池６１の正極に、入力端子４を電池６１の負極にそれぞれ接続する。この際に、入力端子３、およびこの入力端子３に接続されている交流増幅部５のコンデンサ８ａには、図２において実線で示すように、直流起電力Ｖ１に交流成分Ｖ２が重畳している信号Ｓ１が入力される。

この場合、交流増幅部５全体の伝達関数は、交流結合部８および増幅回路９の各伝達関数の積となり、上記の条件（Ｔ_１＝Ｔ_２）下において下記の式（３）で表される。
（ｓＴ_１／（１＋ｓＴ_１））×（（１＋ｓＴ_２）／（１＋ｓＴ_Ｓ））
＝（ｓＴ_１／（１＋ｓＴ_Ｓ）） ・・・・・・・・ （３）
したがって、交流増幅部５の伝達関数の時定数はＴ_Ｓになり、その値は従来のインピーダンス測定装置７１における交流結合部の時定数Ｔ_１（＝Ｃ１×Ｒ１）の１／１００に規定される。このため、図２に示すように、交流増幅部５は、信号Ｓ２の直流成分Ｓ２ｄｃを急速にゼロボルトに収束させる。具体的には、従来のインピーダンス測定装置７１の増幅装置７７と比較して約１００倍早く収束させる。したがって、信号Ｓ２が演算増幅器９ａの同相入力電圧範囲Ｗ（下限電圧が−Ｗ／２で上限電圧が＋Ｗ／２で規定される電圧範囲）内に収まるまでの時間Ｔ１が十分に短くなる。つまり、信号Ｓ１に含まれている直流成分Ｓ２ｄｃに起因して発生する信号Ｓ２の過渡応答が短時間で収束する。この結果、交流増幅部５は、正常な（飽和しない状態の）信号Ｓ２の演算部６への出力を短時間に（同図では時間Ｔ１経過後に）開始する。

続いて、演算部６は、インピーダンス算出処理を実行して電池６１の内部インピーダンスＲを算出し、算出した内部インピーダンスＲを表示部７に表示させる。具体的には、演算部６は、交流電流供給部２から出力される信号Ｓｉの振幅に基づいて交流電流Ｉの電流値を算出すると共に、交流増幅部５から出力される信号Ｓ２の振幅に基づいて交流成分Ｖ２の電圧値を算出する。また、演算部６は、信号Ｓｉおよび信号Ｓ２の位相差、すなわち交流電流Ｉおよび交流成分Ｖ２の位相差を算出する。演算部６は、このようにして算出した交流電流Ｉの電圧値、交流成分Ｖ２の電圧値、および位相差に基づいて、電池６１の内部インピーダンスＲを算出して表示部７に表示させる。

このように、このインピーダンス測定装置１では、ｓＴ_１／（１＋ｓＴ_１）の伝達関数を有する交流結合部８と、（１＋ｓＴ_２）／（１＋ｓＴ_Ｓ）の伝達関数を有すると共に交流結合部８に直列に接続された増幅回路９とを備えて交流増幅部５を構成し、各時定数についてＴ_１＝Ｔ_２およびＴ_１ｉ＞Ｔ_Ｓの各関係を満足するように規定したことにより、交流増幅部５全体の時定数は常にＴ_Ｓに規定される。したがって、このインピーダンス測定装置１によれば、一対の入力端子３，４と電池６１との接触抵抗の影響を排除するために抵抗８ｂの抵抗値Ｒ１を大きく設定し、かつ抵抗８ｂの値を大きくしたことに起因して抵抗８ｂで発生する熱雑音の演算増幅器９ａへの入力を回避するためにコンデンサ８ａの静電容量値Ｃ１を大きく設定したとき（つまり交流結合部８の時定数Ｔ_１を非常に大きく設定したとき）であっても、交流増幅部５が、Ｔ_１の時定数のときよりも常に短い時間で直流成分Ｓ２ｄｃを低減させて（収束させて）信号Ｓ２を演算部６に出力することができる。つまり、交流増幅部５の過渡応答を十分に早めることができる。この結果、演算部６が、電池６１の内部インピーダンスＲをより短時間で算出して表示部７に表示させることができる。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、上記の交流増幅部５に代えて、これと等価の交流増幅部を採用することができる。例えば、図３に示す構成の交流結合部１８および増幅回路１９を備えて交流増幅部１５（本発明に係る交流増幅装置の一例）を構成することができ、この交流増幅部１５を備えてインピーダンス測定装置１１を構成することもできる。この場合、交流結合部１８は、抵抗１８ａ，１８ｅ、コンデンサ１８ｂ，１８ｄ、ゲインが−１のバッファ１８ｃ、および演算増幅器１８ｆを備えて構成されている。増幅回路１９は、演算増幅器１９ａ、抵抗１９ｂ，１９ｃ、およびコンデンサ１９ｄ，１９ｅを備えて構成されている。なお、以下、インピーダンス測定装置１と同一の構成要素については同一の符号を付して重複する説明を省略する。この交流結合部１８および増幅回路１９も、各伝達関数が上記した交流結合部８および増幅回路９とそれぞれ同型となり、抵抗１９ｃの抵抗値とコンデンサ１９ｅの静電容量値との積で規定される交流増幅部１５全体の時定数を、抵抗１８ａの抵抗値とコンデンサ１８ｂの静電容量値との積で規定される時定数よりも十分に小さくすることができる。したがって、交流増幅部１５の過渡応答を十分に早めることができる結果、このインピーダンス測定装置１１も、インピーダンス測定装置１と同様にして、電池６１の内部インピーダンスＲをより短時間で算出することができる。

また、上記の各インピーダンス測定装置１（１１）では、交流結合部８（１８）および増幅回路９（１９）をそれぞれ１つずつ備えて交流増幅部５（１５）を構成しているが、図４に示すインピーダンス測定装置２１のように、複数（ｎ個：ｎは２以上の整数）の交流結合部２８_１，・・・，２８_ｎと、それと同数（ｎ個：ｎは２以上の整数）の増幅回路２９_１，・・・，２９_ｎをそれぞれ直列に接続して交流増幅部２５を構成することもできる。この場合、交流結合部２８_１，・・・，２８_ｎの各伝達関数を、ｓＴ_１１／（１＋ｓＴ_１１），・・・，ｓＴ_１ｎ／（１＋ｓＴ_１ｎ）にそれぞれ規定し、かつ増幅回路２９_１，・・・，２９_ｎの各伝達関数を、（１＋ｓＴ_２１）／（１＋ｓＴ_Ｓ），・・・，（１＋ｓＴ_２ｎ）／（１＋ｓＴ_Ｓ）にそれぞれ規定すると共に、各時定数をＴ_１ｉ＝Ｔ_２ｉ（１≦ｉ≦ｎ）に規定する。また、増幅回路２９_１，・・・，２９_ｎの各ゲインが１を超えるように、つまりＴ_２ｉ＞Ｔ_Ｓとなるようにそれぞれ規定する。これにより、交流結合部２８_１，・・・，２８_ｎの各伝達関数における分母と増幅回路２９_１，・・・，２９_ｎの各伝達関数における分子とが相殺される結果、交流増幅部２５全体の伝達関数は、ｓＴ_１１／（１＋ｓＴ_Ｓ）×・・・×ｓＴ_１ｎ／（１＋ｓＴ_Ｓ）となって、全体の時定数がＴ_Ｓとなる。このため、このインピーダンス測定装置２１によれば、上記の各インピーダンス測定装置１，１１と同様にして、交流増幅部２５の過渡応答を十分に早めることができる結果、交流増幅部２５がＴ_１の時定数のときよりも常に短い時間で直流成分Ｓ２ｄｃを低減させて信号Ｓ２を演算部６に出力することができ、これにより演算部６が電池６１の内部インピーダンスＲをより短時間で算出することができる。

また、上記の各インピーダンス測定装置１，１１，２１では、演算部６が電池６１の内部インピーダンスＲを測定しているが、電池６１の実効抵抗成分、インダクタンス成分および静電容量成分を測定することもできる。また、信号Ｓｉで信号Ｓ２を同期検波して、この同期検波によって得られた電圧と交流電流Ｉの電流値とに基づいて、電池６１の内部インピーダンスＲを算出可能に演算部６を構成することもできる。

インピーダンス測定装置１の構成を示すブロック図である。 インピーダンス測定装置１の動作を説明するための波形図である。 インピーダンス測定装置１１の構成を示すブロック図である。 インピーダンス測定装置２１の構成を示すブロック図である。 インピーダンス測定装置７１の構成を示すブロック図である。 インピーダンス測定装置７１の動作を説明するための波形図である。 インピーダンス測定装置７１の動作を説明するための信号Ｓ２の波形図である。

符号の説明

１，１１，２１ インピーダンス測定装置
２ 交流電流供給部
３，４ 入力端子
５，１５，２５ 交流増幅部
６１ 電池
Ｉ 交流電流
Ｒ 内部インピーダンス
Ｓ１，Ｓ２ 信号

Claims (2)

1. 伝達関数がｓＴ_１ｉ／（１＋ｓＴ_１ｉ）に規定された（ここで、ｓはラプラス演算子を示し、ｉは１からｎ（ｎは１以上の整数）までの数）ｎ個の第１の電子回路と、伝達関数が（１＋ｓＴ_２ｉ）／（１＋ｓＴ_Ｓ）に規定されたｎ個の第２の電子回路とを備え、前記各第１の電子回路および前記各第２の電子回路が互いに直列に接続されると共に、前記各時定数がＴ_１ｉ＝Ｔ_２ｉ（１≦ｉ≦ｎ）、かつＴ_１ｉ＞Ｔ_Ｓに規定されて、入力した第１の信号を増幅して第２の信号として出力する交流増幅装置。
2. 電池に交流電流を供給する交流電流供給部と、
   前記交流電流の供給時において前記電池の両極間に発生する信号を前記第１の信号として増幅して前記第２の信号として出力する請求項１記載の交流増幅装置と、
   前記出力された第２の信号と前記交流電流とに基づいて前記電池の内部インピーダンスを算出する演算部とを備えているインピーダンス測定装置。

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