JP4713228B2 - 電池抵抗測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池抵抗、特に燃料電池の内部抵抗の測定に適した電池抵抗測定装置に関するものである。

この種の電池抵抗測定装置として、特開２０００−２９９１３７号公報に開示されている二次電池の状態判定装置が知られている。この二次電池の状態判定装置では、二次電池を一定値の電流で放電させている状態において、その放電を遮断する。この際に、二次電池の両極間電圧は、放電の遮断直後に急激に上昇し、その後、経過時間と共に緩やかに上昇する。この状態判定装置は、この放電の遮断直後の急激な上昇に対応する電圧成分と、その後に緩やかに上昇する電圧成分とを検出し、検出した各電圧成分の電圧値および放電時の一定値に基づいて、二次電池の電解質抵抗および反応抵抗（これらをまとめて内部抵抗ともいう）を算出（測定）すると共に、算出したこれらの抵抗値に基づいて、二次電池の状態を判定している。

また、この種の電池抵抗測定装置では、一般的に、両端間電圧の変化が急激に変化する部分、つまり上記した放電の遮断直後における急激な上昇が終了した部分（変曲点）を検出することにより、放電の遮断直後の急激な上昇に対応する電圧成分と、その後に緩やかに上昇する電圧成分とを検出している。
特開２０００−２９９１３７号公報（第１２頁、第７図）

しかしながら、上記した従来の電池抵抗測定装置には、次のような解決すべき課題が存在している。すなわち、両端間電圧の実際の波形には多くのリンギングが発生している。このため、この電池抵抗測定装置では、リンギングに起因して両端間電圧についての変曲点を正確に検出することができないことがあり、この場合には両端間電圧についての変曲点を正確に検出することができない。したがって、この電池抵抗測定装置には、電池の両極間電圧に多くのリンギングが発生している場合に、電池の内部抵抗を正確に測定できないことがあ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、電池の内部抵抗を正確に測定し得る電池抵抗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記載の電池抵抗測定装置は、電池から一定値の放電電流を放電させる放電部と、前記電池からの前記放電電流を遮断する電流遮断部と、前記放電電流を検出電流として検出する電流検出部と、前記電池の両極間電圧を検出電圧として検出する電圧検出部と、測定部とを備え、前記測定部は、前記電流遮断部による遮断後において前記放電電流の電流値がゼロになった時点を前記検出電流に基づいて検出すると共に、前記放電電流による放電後において前記検出電圧の上昇率が予め設定されている範囲内となった状態の前記電池の起電力と、前記一定値と、前記一定値の放電電流を放電しているときの前記検出電圧と、前記放電電流の電流値がゼロになった時点の前記検出電圧とに基づいて、前記電池の電解質抵抗および反応抵抗を算出する。

また、請求項２記載の電池抵抗測定装置は、請求項１記載の電池抵抗測定装置において、前記電流検出部は、前記放電電流の電流値に比例して振幅が変化する第１の検出信号を前記検出電流として生成し、前記電圧検出部は、前記両極間電圧の電圧値に比例して振幅が変化する第２の検出信号を前記検出電圧として生成し、前記第１の検出信号を第１のディジタルデータに変換する第１のＡ／Ｄ変換部と、前記第２の検出信号を第２のディジタルデータに変換する第２のＡ／Ｄ変換部とを備え、前記測定部は、前記第１および第２のディジタルデータに基づいて、前記放電電流の電流値がゼロになった時点の検出、当該放電電流が前記一定の電流値のときおよびゼロになった時点での前記各両極間電圧の算出、並びに前記電解質抵抗および前記反応抵抗の算出を実行する。

また、請求項３記載の電池抵抗測定装置は、請求項２記載の電池抵抗測定装置において、表示部と、制御部とを備え、前記測定部は、前記電流遮断部による遮断後から所定時間毎に前記第２のディジタルデータに基づいて算出した電圧変化量を当該所定時間毎に前記第１のディジタルデータに基づいて算出した電流変化量で順次除算して前記電池の抵抗値特性を求め、前記制御部は、前記抵抗値特性を前記表示部に表示させる。

請求項１記載の電池抵抗測定装置では、測定部が、放電電流の電流値がゼロになった時点を検出すると共にこの時点での両極間電圧を検出電圧に基づいて検出する。したがって、この電池抵抗測定装置によれば、両極間電圧の実際の波形に多くのリンギングが発生していたとしても、両極間電圧の変曲点での電圧値を正確に検出することができる結果、この電圧値などに基づいて、電池の内部抵抗（電解質抵抗および反応抵抗）を正確に測定することができる。

請求項２記載の電池抵抗測定装置では、測定部が、第１および第２のＡ／Ｄ変換部から出力された第１および第２のディジタルデータに基づいて放電電流の電流値および両極間電圧の電圧値を算出すると共に、この算出した放電電流の電流値に基づいて放電電流の電流値がゼロになった時点を検出する。したがって、この電池抵抗測定装置によれば、ディジタルデータ化された放電電流の電流値に基づいて、放電の停止から極めて短時間のうちにゼロになる放電電流の変化を正確に測定することができる。このため、放電電流がゼロになった時点を正確に検出することができる結果、両極間電圧の変曲点での電圧値をより正確に検出することができる。したがって、この電池抵抗測定装置によれば、この電圧値などに基づいて、電池の内部抵抗（電解質抵抗および反応抵抗）を一層正確に測定することができる。

請求項３記載の電池抵抗測定装置では、測定部が、電流遮断部による遮断後から所定時間毎に第２のディジタルデータに基づいて算出した電圧変化量を、同じ所定時間毎に第１のディジタルデータに基づいて算出した電流変化量で順次除算して電池の抵抗値特性を求め、制御部が、その抵抗値特性を表示部に表示させることにより、電解質抵抗および反応抵抗を視覚的に認識させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電池抵抗測定装置の最良の形態について説明する。

最初に、電池抵抗測定装置１の測定対象体である電池５１（具体的には燃料電池）の等価回路について、図１を参照して説明する。電池５１は、一対の電極５２，５３を備えると共に、その内部が、等価的には、起電力Ｖｄｃ、電解質抵抗Ｒｓｏｌ、反応抵抗Ｒｃｔおよび電気二重層容量Ｃｄｌで構成されている。また、電池５１では、等価的に、反応抵抗Ｒｃｔおよび電気二重層容量Ｃｄｌが並列に接続され、この並列回路、電解質抵抗Ｒｓｏｌおよび起電力Ｖｄｃが一対の電極５２，５３間に直列に接続されている。

次いで、電池抵抗測定装置１の構成について説明する。電池抵抗測定装置１は、図１に示すように、放電部２、電流遮断部３、電流検出部４、電圧検出部５、２つのＡ／Ｄ変換部６，７、演算制御部８および表示部９を備えて構成されている。この場合、放電部２は、電流遮断部３を介して電池５１の各電極５２，５３間に接続されている。また、放電部は、電子負荷（図示せず）を備え、電池５１から一定値の電流値Ｉ１の放電電流Ｉを放電させ得るように構成されている。電流遮断部３は、例えばトランジスタやＦＥＴ等の半導体スイッチ、またはリレーなどのメカニカルスイッチで構成されて、演算制御部８の制御下でオン状態およびオフ状態のいずれか一方の状態に移行することにより、電池５１に対して放電部２を接断する。

電流検出部４は、電池５１からの放電電流Ｉを検出電流として検出すると共に、検出した放電電流Ｉの電流値に比例して振幅が変化する検出信号（第１の検出信号）Ｓ１を生成して出力する。電圧検出部５は、電池５１の両電極５２，５３間に発生する電圧（両極間電圧）Ｖを検出電圧として検出すると共に、検出した両極間電圧Ｖの電圧値に比例して振幅が変化する検出信号（第２の検出信号）Ｓ２を生成して出力する。Ａ／Ｄ変換部６は、本発明における第１のＡ／Ｄ変換部に相当し、検出信号Ｓ１をサンプリングすることによってディジタルデータ（第１のディジタルデータ）Ｄ１に変換して、演算制御部８に出力する。Ａ／Ｄ変換部７は、本発明における第２のＡ／Ｄ変換部に相当し、検出信号Ｓ２をサンプリングすることによってディジタルデータ（第２のディジタルデータ）Ｄ２に変換して、演算制御部８に出力する。この場合、各Ａ／Ｄ変換部６，７は、共通のサンプリングクロックに同期して、所定のサンプリング周期でサンプリング動作をそれぞれ実行する。

演算制御部８は、本発明における測定部および制御部に相当し、ＣＰＵおよび内部メモリ（いずれも図示せず）を備えて構成されている。この場合、内部メモリには、放電部２による電池５１の放電時における電流値Ｉ１が予め記憶されている。また、演算制御部８は、制御信号Ｓ３を出力することにより、電流遮断部３のオン・オフ状態を制御する。さらに、演算制御部８は、ディジタルデータＤ１（放電電流Ｉの電流値）およびディジタルデータＤ２（両極間電圧Ｖの電圧値）に基づいて内部抵抗測定処理を実行する。また、演算制御部８は、内部抵抗測定処理によって算出された電池５１の内部抵抗（電解質抵抗Ｒｓｏｌおよび反応抵抗Ｒｃｔ）を表示部９に表示させる。表示部９は、例えば液晶やＣＲＴを用いたディスプレイで構成されている。

次に、電池抵抗測定装置１による電池５１の内部抵抗の測定動作について説明する。

まず、演算制御部８は、制御信号Ｓ３を電流遮断部３に出力することにより、電流遮断部３をオフ状態からオン状態に移行させる。これにより、電池５１に放電部２が接続されるため、放電部２が、電流値Ｉ１の放電電流Ｉを電池５１に対して放電させ始める。この状態において、電流検出部４がこの放電電流Ｉを検出して検出信号Ｓ１を出力し、Ａ／Ｄ変換部６がこの検出信号Ｓ１ディジタルデータＤ１に変換して演算制御部８に出力する。また、電圧検出部５が電池５１の両極間電圧Ｖを検出して検出信号Ｓ２を出力し、Ａ／Ｄ変換部７がこの検出信号Ｓ２をディジタルデータＤ２に変換して演算制御部８に出力する。演算制御部８は、Ａ／Ｄ変換部６，７を介して放電電流Ｉおよび両極間電圧Ｖを検出する。具体的には、制御部８は、Ａ／Ｄ変換部６，７から新たな各ディジタルデータＤ１，Ｄ２を入力する都度、ディジタルデータＤ１に基づいて放電電流Ｉの電流値を算出すると共に、ディジタルデータＤ２に基づいて両極間電圧Ｖの電圧値を算出して、内部メモリに順次記憶する。また、演算制御部８は、両極間電圧Ｖの電圧値を算出する都度、例えば一つ前に算出した両極間電圧Ｖの電圧値との差分を求めることにより、両極間電圧Ｖの変化率（上昇率）を算出する。

次いで、演算制御部８は、放電部２による放電の開始から所定時間経過後（時刻ｔ１）に、制御信号Ｓ３を電流遮断部３に出力することにより、電流遮断部３をオン状態からオフ状態に移行させる。これにより、電池５１と放電部２とが切り離されるため、電池５１からの放電電流Ｉの放電が停止する。この際に、放電電流Ｉは、図２に示すように、時刻ｔ１における電流値Ｉ１を始点として、ほぼ直線的に（ほぼ一定の変化率で）、しかも急激に減少して、時刻ｔ２にゼロ（０Ａ）に達する。したがって、演算制御部８は、ディジタルデータＤ１に基づいて放電電流Ｉの電流値がゼロに達した時点（時刻ｔ２）を検出する。この場合、電流遮断時における回路インピーダンスが非常に高く、電流波形にリンギングが生じにくいため、放電電流Ｉの電流値がゼロに達した時刻ｔ２を確実かつ正確に検出することができる。したがって、時刻ｔ２における両極間電圧Ｖの電圧値Ｖ２（後述する変曲点での電圧値）を正確に算出することができる。他方、電池５１の両極間電圧Ｖは、図３に示すように、放電部２によって放電されている期間（時刻ｔ１までの期間）では、ほぼ一定の電圧値Ｖ１に維持されている。また、両極間電圧Ｖは、放電の停止（時刻ｔ１）から時刻ｔ２までの間は、その電圧値がほぼ直線的に（ほぼ一定の上昇率で）、しかも急激に上昇する。また、両極間電圧Ｖは、時刻ｔ２以後は、上昇率が徐々に低下しつつ緩やかに上昇し続けて、時刻ｔ３に上昇率がほぼゼロになり、電池５１の起電力Ｖｄｃの電圧値に達する。このように、両極間電圧Ｖの上昇率が時刻ｔ２において急激に変化するため、時刻ｔ２に対応する部位が両極間電圧Ｖの変曲点となる。演算制御部８は、両極間電圧Ｖが電池５１の起電力Ｖｄｃに達したか否かを、両極間電圧Ｖの上昇率が予め設定されている範囲内に入ったか否か（上昇率がほぼゼロになったか否か）に基づいて判別し、この範囲内に両極間電圧Ｖの上昇率が入ったときに、各ディジタルデータＤ１，Ｄ２の入力、放電電流Ｉの電流値の算出、両極間電圧Ｖの電圧値の算出、およびこの算出した電流値および電圧値の内部メモリへの記憶処理を終了する。

続いて、演算制御部８は、内部メモリに記憶されている放電電流Ｉの電流値と両極間電圧Ｖの電圧値とに基づいて、内部抵抗測定処理を実行して電池５１の内部抵抗（電解質抵抗Ｒｓｏｌおよび反応抵抗Ｒｃｔ）を測定する。この内部抵抗測定処理では、まず、演算制御部８は、時刻ｔ２における両極間電圧Ｖの電圧値Ｖ２（変曲点での電圧値）と、時刻ｔ１までの両極間電圧Ｖの電圧値Ｖ１との差分電圧Ｖｓｏｌを算出すると共に、この差分電圧Ｖｓｏｌを時刻ｔ１までの放電電流Ｉの電流値Ｉ１で除算することにより、電池５１の電解質抵抗Ｒｓｏｌを算出して内部メモリに記憶する。次いで、演算制御部８は、時刻ｔ３における両極間電圧Ｖの電圧値（起電力Ｖｄｃ）と、時刻ｔ２における両極間電圧Ｖの電圧値Ｖ２との差分電圧Ｖｃｔを算出すると共に、この差分電圧Ｖｃｔを電流値Ｉ１で除算することにより、電池５１の反応抵抗Ｒｃｔを算出して内部メモリに記憶する。続いて、演算制御部８は、内部メモリに記憶されている放電電流Ｉの電流値と両極間電圧Ｖの電圧値のうちの放電の停止（本発明における電流遮断部による遮断後：時刻ｔ１）から所定時間毎に取得したｍ（ｍは１以上の整数）番目の電流値および電圧値をそれぞれＩｍ，Ｖｍとしたときに、その所定時間毎にｍ番目の電圧値から電圧値Ｖ１を差し引いて算出した電圧変化量（Ｖｍ−Ｖ１）を、同じく所定時間毎にｍ番目の電流値から電流値Ｉ１を差し引いて算出した電流変化量（Ｉ１−Ｉｍ）で除算することで、下記式（１）で示される抵抗Ｒｍを時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間分について順次算出して内部メモリに記憶し、内部抵抗測定処理を終了する。なお、演算制御部８は、各Ａ／Ｄ変換部６，７のサンプリング周期に基づいて、ｍ番目の電流値および電圧値がサンプリングされたときの時刻ｔｍを算出し、この時刻ｔｍを抵抗Ｒｍに対応させて内部メモリに記憶する。
抵抗Ｒｍ＝電圧変化量（Ｖｍ−Ｖ１）／電流変化量（Ｉ１−Ｉｍ）・・・・ （１）

最後に、演算制御部８は、電解質抵抗Ｒｓｏｌ、反応抵抗Ｒｃｔ、抵抗Ｒｍおよび時刻ｔｍを内部メモリから読み出して、電解質抵抗Ｒｓｏｌおよび反応抵抗Ｒｃｔについては、数値で表示部９に表示させる。また、制御部８は、抵抗Ｒｍについては、図４に示すように、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの所定時間毎に測定した各抵抗Ｒｍを電池の抵抗値特性として表示部９に表示させる。この場合、時刻ｔ２のときの抵抗Ｒｍの抵抗値が電池５１の電解質抵抗Ｒｓｏｌに相当し、時刻ｔ３のときの抵抗Ｒｍから電解質抵抗Ｒｓｏｌの抵抗値を減算した抵抗値が反応抵抗Ｒｃｔに相当する。これにより、抵抗Ｒｍの時系列データが波形状に表示されて、電解質抵抗Ｒｓｏｌおよび反応抵抗Ｒｃｔを視覚的に認識させることができる。さらに、制御部８は、内部メモリに記憶されている放電電流Ｉの電流値に基づく電流応答波形を図２に示すように表示部９に表示させる。これにより、電流遮断部３による電流遮断性能の情報を取得することができる。また、制御部８は、両極間電圧Ｖの電圧値に基づく電圧応答波形を図３に示すように表示部９に表示させる。これにより、電圧応答波形からリンギングやノイズ成分の重畳などの測定誤差の要因の情報を取得することができる。以上により、電池抵抗測定装置１による電池５１の内部抵抗の測定が完了する。

このように、この電池抵抗測定装置１では、演算制御部８が、ディジタルデータＤ１に基づいて、放電電流Ｉの電流値がゼロになった時点を検出すると共にこの時点での両極間電圧Ｖの電圧値Ｖ２を検出する。したがって、この電池抵抗測定装置１によれば、両極間電圧Ｖの実際の波形に多くのリンギングが発生していたとしても、両極間電圧Ｖの変曲点での電圧値Ｖ２を正確に検出することができる結果、この電圧値Ｖ２などに基づいて、電池５１の内部抵抗（電解質抵抗Ｒｓｏｌおよび反応抵抗Ｒｃｔ）を正確に測定することができる。

また、この電池抵抗測定装置１では、演算制御部８が、各Ａ／Ｄ変換部６，７から出力された各ディジタルデータＤ１，Ｄ２に基づいて放電電流Ｉの電流値および両極間電圧Ｖの電圧値を算出すると共に、この算出した放電電流Ｉの電流値に基づいて放電電流Ｉの電流値がゼロになった時点を検出する。したがって、この電池抵抗測定装置１によれば、ディジタルデータ化された放電電流Ｉの電流値に基づいて、放電の停止（時刻ｔ１）から極めて短時間のうちにゼロになる放電電流Ｉの変化を正確に測定することができる。このため、放電電流Ｉがゼロになった時点を正確に検出することができる結果、両極間電圧Ｖの変曲点での電圧値Ｖ２をより正確に検出することができる。したがって、この電池抵抗測定装置１によれば、この電圧値Ｖ２などに基づいて、電池５１の内部抵抗（電解質抵抗Ｒｓｏｌおよび反応抵抗Ｒｃｔ）を一層正確に測定することができる。

また、この電池抵抗測定装置１によれば、演算制御部８が、電流遮断部３による遮断後から所定時間毎にディジタルデータＤ２に基づいて算出した電圧変化量を同じ所定時間毎にディジタルデータＤ１に基づいて算出した電流変化量で除算して順次求めた電池５１の抵抗値特性を表示部９に表示させることにより、電解質抵抗Ｒｓｏｌおよび反応抵抗Ｒｃｔを視覚的に認識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、放電電流Ｉおよび両極間電圧Ｖを変換するために２つのＡ／Ｄ変換部６，７を用いているが、放電電流Ｉおよび両極間電圧Ｖをスキャナで切り替えて１つのＡ／Ｄ変換部に出力することで放電電流Ｉおよび両極間電圧ＶをディジタルデータＤ１，Ｄ２に変換する構成を採用することもできる。また、表示部９としてプリンタやプロッタを用いることもできる。

電池抵抗測定装置１の構成を示すブロック図である。 放電電流Ｉの波形図である。 両極間電圧Ｖの波形図である。 電池５１の抵抗値特性の波形図である。

符号の説明

１ 電池抵抗測定装置
２ 放電部
３ 電流遮断部
４ 電流検出部
５ 電圧検出部
８ 演算制御部
Ｉ 放電電流
Ｒｃｔ 反応抵抗
Ｒｓｏｌ 電解質抵抗
Ｖ 両極間電圧
Ｖｄｃ 電池の起電力
５１ 電池

Claims (3)

1. 電池から一定値の放電電流を放電させる放電部と、前記電池からの前記放電電流を遮断する電流遮断部と、前記放電電流を検出電流として検出する電流検出部と、前記電池の両極間電圧を検出電圧として検出する電圧検出部と、測定部とを備え、
   前記測定部は、前記電流遮断部による遮断後において前記放電電流の電流値がゼロになった時点を前記検出電流に基づいて検出すると共に、前記放電電流による放電後において前記検出電圧の上昇率が予め設定されている範囲内となった状態の前記電池の起電力と、前記一定値と、前記一定値の放電電流を放電しているときの前記検出電圧と、前記放電電流の電流値がゼロになった時点の前記検出電圧とに基づいて、前記電池の電解質抵抗および反応抵抗を算出する電池抵抗測定装置。
2. 前記電流検出部は、前記放電電流の電流値に比例して振幅が変化する第１の検出信号を前記検出電流として生成し、
   前記電圧検出部は、前記両極間電圧の電圧値に比例して振幅が変化する第２の検出信号を前記検出電圧として生成し、
   前記第１の検出信号を第１のディジタルデータに変換する第１のＡ／Ｄ変換部と、
   前記第２の検出信号を第２のディジタルデータに変換する第２のＡ／Ｄ変換部とを備え、
   前記測定部は、前記第１および第２のディジタルデータに基づいて、前記放電電流の電流値がゼロになった時点の検出、当該放電電流が前記一定の電流値のときおよびゼロになった時点での前記各両極間電圧の算出、並びに前記電解質抵抗および前記反応抵抗の算出を実行する請求項１記載の電池抵抗測定装置。
3. 表示部と、制御部とを備え、
   前記測定部は、前記電流遮断部による遮断後から所定時間毎に前記第２のディジタルデータに基づいて算出した電圧変化量を当該所定時間毎に前記第１のディジタルデータに基づいて算出した電流変化量で順次除算して前記電池の抵抗値特性を求め、
   前記制御部は、前記抵抗値特性を前記表示部に表示させる請求項２記載の電池抵抗測定装置。

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