JP6450557B2 - 測定装置および測定方法ならびにプログラム - Google Patents

Description

本発明は、測定装置および測定方法ならびにプログラムに関する。

電池の内部インピーダンスを測定する場合、被測定電池に対して所定周波数の測定用交流信号が供給され、その状態における被測定電池の端子間電圧値または電流値が測定される。

このインピーダンス測定は、多くの場合、被測定電池が起電力（電池電圧）を持った状態で行われる。そのため、被測定電池の直流成分が測定に影響を与えないようにする技術がある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１００２８号公報

上述した特許文献１の測定装置では、直流電圧発生部を設け、被測定電池の直流成分を直流電圧発生部から発生する逆極性の直流成分によって打ち消すなどして測定に影響を与えないようにしている。この直流電圧発生部には、直流電源が備えられているが、この直流電源には、一般的に、電圧リファレンスＩＣ(Integrated Circuit)と呼ばれる固定電圧を発生する電子デバイスが用いられる。

このような電圧リファレンスＩＣには、一般的に、１／ｆノイズが発生する。従来、このような１／ｆノイズの測定への影響は無視できるものとされていた。しかしながら、近年普及が進んだリチウムイオン電池などの内部インピーダンスを測定するのに際しては、電圧リファレンスＩＣが発生する１／ｆノイズの測定への影響が無視できないものとなっている。

本発明は、このような背景の下に行われたものであって、１／ｆノイズの影響を受けることなく、高い精度で被測定電池の内部インピーダンスを測定することができる測定装置および測定方法ならびにプログラムを提供することを目的とする。

本発明は、測定用交流信号を発生する交流信号発生手段と、交流信号発生手段により発生された測定用交流信号が印加された被測定電池の電圧を検出する電圧検出手段と、測定用交流信号が印加される被測定電池の電圧を電圧検出手段が検出するのに先立って、被測定電池の直流成分を差し引くための直流電圧を調整して電圧検出手段に出力する電池電圧キャンセル手段と、電圧検出手段により検出された被測定電池の電圧を基に被測定電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を有する測定装置において、電池電圧キャンセル手段は、電圧検出手段に出力するための直流電圧を発生する直流電源用電池と、直流電源用電池の電圧を検出してインピーダンス測定手段に検出結果を出力する検出手段と、出力する直流電圧を調整する出力電圧調整手段と、を有し、インピーダンス測定手段は、検出手段の検出結果に基づいて、被測定電池の直流電圧をキャンセルするように出力電圧調整手段を制御するものである。

本発明の他の観点は、測定用交流信号を発生する交流信号発生手段と、交流信号発生手段により発生された測定用交流信号が印加された被測定電池の電圧を検出する電圧検出手段と、測定用交流信号が印加される被測定電池の電圧を電圧検出手段が検出するのに先立って、被測定電池の直流成分を差し引くための直流電圧を調整して電圧検出手段に出力する電池電圧キャンセル手段と、電圧検出手段により検出された被測定電池の電圧を基に被測定電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を有する測定装置が実行するインピーダンス測定方法において、電圧検出手段が被測定電池の電圧を検出するのに先立って電池電圧キャンセル手段が有する直流電源用電池により発生する直流電圧を検出してインピーダンス測定手段に出力するステップと、直流電源用電池の電圧を検出するステップの検出結果に基づき、インピーダンス測定手段が前記被測定電池の直流電圧をキャンセルするように電池電圧キャンセル手段が出力する直流電圧を一定に制御するステップと、を有するものである。

本発明のさらに他の観点は、情報処理装置に、測定用交流信号を発生する交流信号発生手段と、交流信号発生手段により発生された測定用交流信号が印加された被測定電池の電圧を検出する電圧検出手段と、測定用交流信号が印加される被測定電池の電圧を電圧検出手段が検出するのに先立って、被測定電池の直流成分を差し引くための直流電圧を調整して電圧検出手段に出力する電池電圧キャンセル手段と、電圧検出手段により検出された被測定電池の電圧を基に被測定電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を有する測定装置の制御機能を実現するプログラムにおいて、電圧検出手段が前記被測定電池の電圧を検出するのに先立って電池電圧キャンセル手段が有する直流電源用電池により発生する直流電圧を検出する機能と、直流電源用電池の電圧を検出する機能の検出結果に基づき、被測定電池の直流電圧をキャンセルするように、電池電圧キャンセル手段が出力する直流電圧を一定に制御する機能と、を実現させるものである。

本発明によれば、１／ｆノイズの影響を受けることなく、高い精度で被測定電池の内部インピーダンスを測定することができる。

本発明の実施の形態に係る測定装置のブロック構成図である。 図１の測定制御部の動作を示すフローチャートである。 図２のフローチャートにおけるステップＳ４の動作を示すフローチャートである。 比較例として電圧リファレンスＩＣを測定装置に用いた場合の測定のバラツキを示す図である。 本発明の実施の形態に係る測定装置における測定のバラツキを示す図である。

本発明の実施の形態に係る測定装置１の構成を図１を参照しながら説明する。測定装置１は、測定用交流信号を発生する交流信号発生回路１０と、交流信号発生回路１０により発生された測定用交流信号が印加された被測定電池Ｂの電圧を検出する電圧検出回路２０と、測定用交流信号が印加される被測定電池Ｂの電圧を電圧検出回路２０が検出するのに先立って、被測定電池Ｂの直流成分を差し引くための直流電圧を発生する電池電圧キャンセル回路４０と、電圧検出回路２０により検出された被測定電池Ｂの電圧と被測定電池Ｂに流れる電流を基に被測定電池Ｂのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部３０と、を有する。

交流信号発生回路１０は、測定用交流信号を発生する信号発生源１１と、信号発生源１１から発生する測定用交流信号を増幅する増幅器１２と、被測定電池Ｂに測定用交流信号を供給する端子Ｈｃ，Ｌｃとを有する。端子Ｈｃの一端は、被測定電池Ｂの正極に接続され、端子Ｈｃの他端は、増幅器１２の出力に接続される。端子Ｌｃの一端は、被測定電池Ｂの負極に接続され、端子Ｌｃの他端は、接地される。信号発生源１１から発生する測定用交流信号は、被測定電池Ｂに対して交流の定電流が流れるように制御されている。

電圧検出回路２０は、被測定電池Ｂの正極に接続される端子Ｈｐと、被測定電池Ｂの負極に接続される端子Ｌｐと、オペアンプ２１，２２と、増幅器２３と、Ａ／Ｄ変換器２４と、抵抗器Ｒ１，Ｒ２とを有する。

インピーダンス測定部３０には、中央演算ユニット（ＣＰＵ）やマイクロコンピュータ等が用いられる。インピーダンス測定部３０は、Ａ／Ｄ変換器２４によりデジタル変換された増幅器２３の出力電圧を入力し、被測定電池Ｂに流れる電流に基づき被測定電池Ｂのインピーダンスを算出する。被測定電池Ｂに流れる電流は、定電流とされているので、その電流値をあらかじめインピーダンス測定部３０が記憶していてもよいし、図示しない電流検出回路で測定してもよい。インピーダンス測定部３０が算出した被測定電池Ｂのインピーダンスは、不図示の表示部に表示される。

電池電圧キャンセル回路４０は、直流電源用電池４１と、リレー４２と、オペアンプ４３，４４と、Ａ／Ｄ変換器４５と、Ｄ／Ａ変換器４６と、抵抗器Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５と、コンデンサ４７とを有する。コンデンサ４７は、オペアンプ４４から出力されるノイズ成分を接地に流して除去する。

直流電源用電池４１の電圧は、リレー４２、オペアンプ４３を介してＡ／Ｄ変換器４５に入力されてデジタル信号に変換され、インピーダンス測定部３０に出力される。他方で、直流電源用電池４１の電圧は、リレー４２、オペアンプ４３を介してＤ／Ａ変換器４６に入力される。このとき、直流電源用電池４１の電圧は、Ｄ／Ａ変換器４６にとって基準電圧（Ｖｒｅｆ）になる。また、直流電源用電池４１の電圧は、リレー４２、オペアンプ４３、抵抗器Ｒ３を介してオペアンプ４４の−入力端子に入力される。なお、リレー４２は、測定装置１の不図示の電源スイッチがＯＦＦ状態のときに開放することで、直流電源用電池４１の消耗を防いでいる。

Ｄ／Ａ変換器４６は、インピーダンス測定部３０からの指示に基づいてオペアンプ４４の出力電圧を制御するための電圧（以下では、制御電圧と称する。）をオペアンプ４４の＋入力端子に入力する。すなわち、Ｄ／Ａ変換器４６は、直流電源用電池４１の電圧を基準電圧（Ｖｒｅｆ）とし、インピーダンス測定部３０の指示にしたがって、基準電圧（Ｖｒｅｆ）以下の電圧を出力する。オペアンプ４４は、−入力端子に印加される直流電源用電池４１が発生する電圧と、＋入力端子に印加されるＤ／Ａ変換器４６から出力される制御電圧とに基づいて発生する出力電圧を抵抗器Ｒ５を介して電圧検出回路２０のオペアンプ２２の＋入力端子に出力する。

ここで、測定装置１では、信号発生源１１が信号を発生していないときには、増幅器２３の入力側のＡ点の電圧がゼロボルトであるように調整が行われる。すなわち、信号発生源１１が信号を発生していないときには、オペアンプ２２の＋入力端子に印加される電池電圧キャンセル回路４０の出力電圧を調整することで、オペアンプ２２の出力電圧がゼロボルトとなるように調整が行われる。これにより、被測定電池Ｂの持つ直流電圧がインピーダンス測定に与える影響を除去することができる。

具体的には、インピーダンス測定部３０がＡ点の電圧であるオペアンプ２２の出力電圧を増幅器２３およびＡ／Ｄ変換器２４を介して検出し、その検出結果がゼロボルトになるように、電池電圧キャンセル回路４０の出力電圧を調整する。このときに、電池電圧キャンセル回路４０の出力電圧は、オペアンプ４４の出力電圧であり、インピーダンス測定部３０は、Ｄ／Ａ変換器４６の出力電圧を制御することによって、オペアンプ４４の出力電圧を調整する。

たとえば、直流電源用電池４１が新品であり、直流電源用電池４１の電圧が最高値であるときに、インピーダンス測定部３０からＤ／Ａ変換器４６に対し、基準電圧（Ｖｒｅｆ）の（１／Ｌ）の電圧を出力するように指示し、Ｄ／Ａ変換器４６がオペアンプ４４の＋入力端子に出力する制御電圧がＭボルトであり、このときオペアンプ４４の出力には、Ｎボルトの電圧が発生したとする。このＮボルトの電圧が電池電圧キャンセル回路４０の出力電圧であり、このとき、Ａ点の電圧がゼロボルトであるとする。一方、直流電源用電池４１が古くなり、直流電源用電池４１の電圧が最高値未満であるときに、インピーダンス測定部３０からＤ／Ａ変換器４６に対し、相変わらず基準電圧の（１／Ｌ）の電圧を出力するように指示していたとすれば、基準電圧（Ｖｒｅｆ）が下がっているため、Ｄ／Ａ変換器４６がオペアンプ４４の＋入力端子に出力する制御電圧は、Ｍボルトよりも低い電圧しか出力しない。このようなＭボルトよりも低い電圧では、オペアンプ４４の出力電圧もＮボルトよりも低くなり、Ａ点の電圧をゼロボルトに調整することができない場合がある。

そこで、インピーダンス測定部３０は、Ａ／Ｄ変換器４５から直流電源用電池４１の電圧情報を取得し、その電圧情報に基づいて、Ｄ／Ａ変換器４６がオペアンプ４４の＋入力端子に出力する制御電圧を増減するために、Ｄ／Ａ変換器４６に対する指示を変更する。すなわち、直流電源用電池４１が新品であるときに、インピーダンス測定部３０からＤ／Ａ変換器４６への指示が基準電圧（Ｖｒｅｆ）の（１／Ｌ）の電圧を出力せよという指示であれば、直流電源用電池４１が古くなったときに、インピーダンス測定部３０からＤ／Ａ変換器４６への指示は、基準電圧（Ｖｒｅｆ）の（１／（Ｌ１（＜Ｌ））の電圧を出力せよとなる。これにより、Ｄ／Ａ変換器４６の制御電圧は、Ｍボルトを維持することができるので、オペアンプ４４の出力電圧もＮボルトを維持することができる。

このようにして、インピーダンス測定部３０は、直流電源用電池４１の経時による電圧の変化に係らず、Ｄ／Ａ変換器４６への指示を変更することで、オペアンプ４４の出力電圧を一定に保ち、オペアンプ２２の出力電圧（すなわち、Ａ点の電圧）をゼロボルトに調整することができる。

次に、本実施の形態に係る測定装置１を用いた被測定電池Ｂのインピーダンスの測定方法について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。図２のフローチャートにおけるＳＴＡＲＴの条件は、測定装置１がＯＮ状態であり、被測定用電池Ｂが端子Ｈｃ，Ｌｃ，Ｈｐ，Ｌｐに接続されているという条件である。ＳＴＡＲＴの条件が満たされると、処理は、ステップＳ１に移行する。

ステップＳ１において、インピーダンス測定部３０は、図２に示すＡ点（すなわち、オペアンプ２２の出力電圧）は、ゼロボルトか否かを判定する。ステップＳ１において、Ａ点はゼロボルトであると判定されると、処理は、ステップＳ２に進む。一方、Ａ点はゼロボルトでないと判定されると、処理は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ２において、インピーダンス測定部３０は、信号発生源１１に測定用交流信号を発生させる。ステップＳ２において、測定用交流信号が発生されると、処理は、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、インピーダンス測定部３０は、被測定電池Ｂのインピーダンスを測定し、測定結果を不図示の出力部に出力して処理を終了する（ＥＮＤ）。

ステップＳ４において、インピーダンス測定部３０は、電池電圧キャンセル回路４０の出力電圧を調整する。ステップＳ４において、電池電圧キャンセル回路４０の出力電圧が調整されると、処理は、ステップＳ１に戻る。

次に、図２のフローチャートにおけるステップＳ４の処理である電池電圧キャンセル回路４０の出力電圧の調整方法について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。図３のフローチャートのＳＴＡＲＴの条件は、図２のフローチャートのステップＳ１の処理がＮｏとなるという条件である。図２のフローチャートの処理でＮｏとなると、処理は、ステップＳ４１に進む。

ステップＳ４１において、インピーダンス測定部３０は、直流電源用電池４１の電圧情報をＡ／Ｄ変換器４５から取得する。ステップＳ４１において、直流電源用電池４１の電圧情報を取得すると、処理は、ステップＳ４２に進む。

ステップＳ４２において、インピーダンス測定部３０は、Ａ／Ｄ変換器４５から取得した直流電源用電池４１の電圧情報に基づいて、直流電源用電池４１の電圧は、測定に使用可能な電圧であるか否かを判定する。ステップＳ４２において、直流電源用電池４１の電圧は、測定に使用可能であると判定されると、処理は、ステップＳ４３に進む。一方、直流電源用電池４１の電圧は、測定に使用可能でないと判定されると、処理は、ステップＳ４４に進む。

ステップＳ４３において、インピーダンス測定部３０は、直流電源用電池４１の電圧に応じてＤ／Ａ変換器４６への指示値を変更する。すなわち、インピーダンス測定部３０は、直流電源用電池４１の電圧に応じてＤ／Ａ変換器４６が直流電源用電池４１の基準電圧（Ｖｒｅｆ）以下の範囲の如何なる電圧を出力するかを指示する。ステップＳ４３において、直流電源用電池４１の電圧に応じてＤ／Ａ変換器４６への指示値が変更されると、処理は、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ４４において、インピーダンス測定部３０は、直流電源用電池４１が使用不可であることを不図示の表示部に表示させて処理を終了する（ＥＮＤ）。なお、このときには、図２のフローチャートの処理もステップＳ４で中断する。

これにより、直流電源用電池４１の電圧が経時変化により変わってもオペアンプ４４の出力電圧を一定に保つことができる。これによれば、直流電源用電池４１の電圧が経時変化により変わってもオペアンプ２２の＋入力端子に印加される電圧を一定に保つことができるので、直流電源用電池４１の電圧が経時変化により変わっても信号発生源１１が測定用交流信号を発生していないときに、オペアンプ２２の出力電圧（すなわち、Ａ点の電圧）をゼロボルトに保つことができる。

ここで、比較例として、直流電源用電池４１を用いる場合と、直流電源用電池４１に代えて電圧リファレンスＩＣを用いる場合とで、被測定電池Ｂのインピーダンスを測定したときの精度を比較する。図４は、電圧リファレンスＩＣを用いたときの被測定電池Ｂのインピーダンス測定におけるバラツキの程度を示す図である。図５は、直流電源用電池４１を用いたときの被測定電池Ｂのインピーダンス測定におけるバラツキの程度を示す図である。図４および図５は共に横軸に測定回数をとり、縦軸にインピーダンスをとる。

図４では、測定回数毎のバラツキが平均１００μΩ程度あることがわかる。一方で、図５では、測定回数毎のバラツキが平均３０μΩ程度に収まっていることがわかる。図４に示すバラツキは、電圧リファレンスＩＣが１／ｆノイズを有することに起因する。これに対し、１／ｆノイズを有さない直流電源用電池４１によれば、図５に示すように、バラツキを大幅に抑えることができる。

以上のように、電圧リファレンスＩＣに代えて直流電源用電池４１を用いることで、バラツキを抑えた精度の高い被測定用電池Ｂのインピーダンス測定を実現することができる。このときに、直流電源用電池４１の経時による電圧の変化があっても電池電圧キャンセル回路４０の出力電圧を一定に保つことができる。

(その他の実施の形態)
インピーダンス測定部３０は、情報処理装置が予めインストールされている所定のプログラムを実行することによって実現することができる。このような情報処理装置は、たとえば、不図示のメモリ、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、入出力ポートなどを有する。情報処理装置のＣＰＵは、メモリなどから所定のプログラムとして制御プログラムを読み込んで実行する。これにより、情報処理装置には、インピーダンス測定部３０の機能が実現される。なお、ＣＰＵの代わりにＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、マイクロプロセッサ（マイクロコンピュータ）、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)などを用いてもよい。

また、上述の所定のプログラムは、インピーダンス測定部３０の出荷前に、情報処理装置のメモリなどに記憶されたものであっても、インピーダンス測定部３０の出荷後に、情報処理装置のメモリなどに記憶されたものであってもよい。また、プログラムの一部が、インピーダンス測定部３０の出荷後に、情報処理装置のメモリなどに記憶されたものであってもよい。インピーダンス測定部３０の出荷後に、情報処理装置のメモリなどに記憶されるプログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ読取可能な記録媒体に記憶されているものをインストールしたものであっても、インターネットなどの伝送媒体を介してダウンロードしたものをインストールしたものであってもよい。

また、上述の所定のプログラムは、情報処理装置によって直接実行可能なものだけでなく、ハードディスクなどにインストールすることによって実行可能となるものも含む。また、圧縮されたり、暗号化されたりしたものも含む。

このように、情報処理装置とプログラムによってインピーダンス測定部３０を実現することにより、大量生産や仕様変更（または設計変更）に対して柔軟に対応可能となる。

なお、情報処理装置が実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであってもよいし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであってもよい。

１…測定装置、１０…交流信号発生回路（交流信号発生手段）、２０…電圧検出回路（電圧検出手段）、３０…インピーダンス測定部（インピーダンス測定手段、直流電圧を一定に制御する手段）、４０…電池電圧キャンセル回路（電池電圧キャンセル手段）、４１…直流電源用電池、４５…Ａ／Ｄ変換器（直流電源用電池の電圧を検出する手段）、４６…Ｄ／Ａ変換器（直流電圧を一定に制御する手段の一部）、Ｂ…被測定電池

Claims (3)

1. 測定用交流信号を発生する交流信号発生手段と、
   前記交流信号発生手段により発生された前記測定用交流信号が印加された被測定電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記測定用交流信号が印加される前記被測定電池の電圧を前記電圧検出手段が検出するのに先立って、前記被測定電池の直流成分を差し引くための直流電圧を調整して前記電圧検出手段に出力する電池電圧キャンセル手段と、
   前記電圧検出手段により検出された前記被測定電池の電圧を基に前記被測定電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
   を有する測定装置において、
   前記電池電圧キャンセル手段は、
   前記電圧検出手段に出力するための直流電圧を発生する直流電源用電池と、
   前記直流電源用電池の電圧を検出して前記インピーダンス測定手段に検出結果を出力する検出手段と、
   前記出力する直流電圧を調整する出力電圧調整手段と、
   を有し、
   前記インピーダンス測定手段は、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記被測定電池の直流電圧をキャンセルするように前記出力電圧調整手段を制御する
   ことを特徴とする測定装置。
2. 測定用交流信号を発生する交流信号発生手段と、
   前記交流信号発生手段により発生された前記測定用交流信号が印加された被測定電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記測定用交流信号が印加される前記被測定電池の電圧を前記電圧検出手段が検出するのに先立って、前記被測定電池の直流成分を差し引くための直流電圧を調整して前記電圧検出手段に出力する電池電圧キャンセル手段と、
   前記電圧検出手段により検出された前記被測定電池の電圧を基に前記被測定電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
   を有する測定装置が実行するインピーダンス測定方法において、
   前記電圧検出手段が前記被測定電池の電圧を検出するのに先立って前記電池電圧キャンセル手段が有する直流電源用電池により発生する直流電圧を検出して前記インピーダンス測定手段に出力するステップと、
   前記直流電源用電池の電圧を検出するステップの検出結果に基づき、前記インピーダンス測定手段が前記被測定電池の直流電圧をキャンセルするように前記電池電圧キャンセル手段が出力する直流電圧を一定に制御するステップと、
   を有する、
   ことを特徴とする測定方法。
3. 情報処理装置に、
   測定用交流信号を発生する交流信号発生手段と、
   前記交流信号発生手段により発生された前記測定用交流信号が印加された被測定電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記測定用交流信号が印加される前記被測定電池の電圧を前記電圧検出手段が検出するのに先立って、前記被測定電池の直流成分を差し引くための直流電圧を調整して前記電圧検出手段に出力する電池電圧キャンセル手段と、
   前記電圧検出手段により検出された前記被測定電池の電圧を基に前記被測定電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
   を有する測定装置の制御機能を実現するプログラムにおいて、
   前記電圧検出手段が前記被測定電池の電圧を検出するのに先立って前記電池電圧キャンセル手段が有する直流電源用電池により発生する直流電圧を検出する機能と、
   前記直流電源用電池の電圧を検出する機能の検出結果に基づき、前記被測定電池の直流電圧をキャンセルするように、前記電池電圧キャンセル手段が出力する直流電圧を一定に制御する機能と、
   を実現させる、
   ことを特徴とするプログラム。

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