(57)【要約】【課題】電池（特には燃料電池）の内部抵抗を電流遮断法により測定するにあたって、より簡単な構成によって電流遮断時に発生するリンギングによる測定誤差を排除する。【解決手段】電池ＦＣから負荷Ｌへの負荷電流を測定する電流測定手段１２と、負荷電流を遮断するスイッチ手段１１と、電池ＦＣの端子間電圧を測定する電圧測定手段１３とを備え、負荷電流を急速に０〔Ａ〕とし、そのときの電圧応答波形に基づいて電池ＦＣの内部抵抗を測定するにあたって、スイッチ手段１１に電流遮断速度可変型スイッチを用い、ＦＦＴ演算により電圧応答波形に含まれている周波数ｆ１を求めるととに、負荷電流の立ち下がり時間Ｔｆを周波数ｆ２に換算し、周波数ｆ２を通過し周波数ｆ１を除去し得るローパスフィルタ１７を電圧測定手段１３の入力側に接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池から負荷に供給される負荷電流を測定する電流測定手段と、上記負荷電流をオンオフ制御するスイッチ手段と、上記電池の端子間電圧を測定する電圧測定手段と、上記各測定手段の測定値から上記電池の内部抵抗を算出するとともに、上記スイッチ手段を制御する制御手段とを備え、上記電池から負荷に一定の負荷電流を供給している状態で上記スイッチ手段により急速に上記負荷電流を０〔Ａ〕とし、そのとき上記電圧測定手段にて測定される電圧応答波形に基づいて上記電池の内部抵抗を測定する電池の内部抵抗測定装置において、
上記スイッチ手段に電流遮断速度可変型スイッチが用いられ、上記電圧測定手段の入力側にフィルタ回路が接続されるとともに、上記電圧応答波形を解析するＦＦＴ（高速フーリエ変換手段）を備え、
上記制御手段は、上記電流遮断速度可変型スイッチの電流遮断速度による上記負荷電流の立ち下がり時間Ｔｆを周波数ｆ２に換算し、上記ＦＦＴにより求められた上記電圧応答波形に含まれる単一周波数成分ｆ１がｆ１＞ｆ２かを判定し、
ｆ１＞ｆ２であるとする判定結果に基づいて、上記フィルタ回路に上記周波数ｆ２を通過し、上記周波数成分ｆ１を除去し得るローパスフィルタを用いることを特徴とする電池の内部抵抗測定装置。
【請求項２】
上記制御手段は、上記負荷電流が０Ａになった時点での上記電圧測定手段による電圧測定値をＶｓｏｌ，上記電池から負荷に供給される一定の電流値をＩとして、Ｖｓｏｌ／Ｉから上記電池の内部抵抗に含まれているオーミック抵抗値を測定することを特徴とする請求項１に記載の電池の内部抵抗測定装置。
【請求項３】
上記電流遮断速度可変型スイッチの電流遮断速度が、上記電池の内部抵抗に含まれる反応抵抗の時定数よりも速く設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の電池の内部抵抗測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の内部抵抗測定装置に関し、さらに詳しく言えば、電流遮断法により燃料電池の内部抵抗を測定する際、電流遮断時に発生するリンギングによる測定誤差を排除する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素などの燃料と空気などの酸化剤とを電気化学的に反応させることにより、燃料が持つ化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置として知られているが、図３の等価回路図に示すように、燃料電池ＦＣの内部にはオーミック抵抗Ｒｓｏｌと反応抵抗Ｒｃｔとが存在する。
【０００３】
オーミック抵抗Ｒｓｏｌは、主として燃料電池ＦＣの膜抵抗や電解質による純抵抗である。反応抵抗Ｒｃｔには、通常キャパシタ成分Ｃｄｌが並列に存在しており、反応抵抗Ｒｃｔにより電極の反応状態を知ることができる。したがって、燃料電池ＦＣの性能を評価するうえで、内部抵抗であるオーミック抵抗Ｒｓｏｌと反応抵抗Ｒｃｔとを同時に測定する必要がある。
【０００４】
その測定方法の一つとして、特許文献１に記載されている電流遮断法がある。電流遮断法による測定では、図３に示すように、燃料電池ＦＣにスイッチＳＷを介して負荷Ｌを接続する。図示していないが、測定器としては燃料電池ＦＣから負荷Ｌに供給される負荷電流Ｉを測定する電流計と、燃料電池ＦＣの端子間電圧を測定する電圧計とが用いられる。
【０００５】
まず、スイッチＳＷをオンとして、燃料電池ＦＣから負荷Ｌに供給される負荷電流Ｉを測定する。この負荷電流Ｉは、図４（ａ）に示すように、定常状態の電流でほぼ一定であり、このとき電圧計では、図４（ｂ）に示すように、負荷Ｌでの電圧降下ＶＬが測定される。
【０００６】
次に、スイッチＳＷを瞬間的にオフとして負荷電流を遮断し、電圧計にて燃料電池ＦＣの端子間電圧を測定する。負荷電流Ｉが０〔Ａ〕になるに伴ってオーミック抵抗Ｒｓｏｌでの電圧降下Ｖｓｏｌが０となるため、燃料電池ＦＣの端子間電圧はＶＬ→ＶＬ＋Ｖｓｏｌに上昇する。この間の時間はきわめて短時間で約１〜２μｓ程度である。なお、この電圧Ｖｓｏｌを測定することにより、オーミック抵抗ＲｓｏｌはＶｓｏｌ／Ｉなる式にて求められる。
【０００７】
これに対して、反応抵抗Ｒｃｔでの電圧降下Ｖｃｔは急激に低下せず、キャパシタ成分ＣｄｌとのＣＲ時定数により徐々に低下する。したがって、燃料電池ＦＣの端子間電圧は最終的にＶＬ＋Ｖｓｏｌ＋Ｖｃｔ（＝Ｅｄｃ）となり、Ｖｃｔ／Ｉにより反応抵抗Ｒｃｔが求められる。なお、反応抵抗Ｒｃｔでの電圧降下Ｖｃｔの電圧上昇率は緩やかであるため、その検出には数ｓ（秒）間を要する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１６６６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した電流遮断法で問題となるのは、測定系の配線にはリアクタンス成分が存在するため、電流遮断時に図４（ｂ）の電圧波形にリンギングが発生し、その大きさによってはオーミック抵抗Ｒｓｏｌでの電圧降下Ｖｓｏｌ分を正確に測定することができないことがある。
【００１０】
そこで、特許文献１に記載の発明では、電流遮断時から数１００μｓ程度の時間範囲であれば、電圧と時間との関係を直線関係とみなすことができる点に着目し、直線回帰分析法により電流遮断時の電圧を算出するようにしているが、これには容量の大きなメモリとデータを高速に演算処理し得る高機能の演算処理手段を必要とするため、コスト的に好ましくない。
【００１１】
したがって、本発明の課題は、電池（特には燃料電池）の内部抵抗を電流遮断法により測定するにあたって、より簡単な構成によって電流遮断時に発生するリンギングによる測定誤差を排除することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載されているように、電池から負荷に供給される負荷電流を測定する電流測定手段と、上記負荷電流をオンオフ制御するスイッチ手段と、上記電池の端子間電圧を測定する電圧測定手段と、上記各測定手段の測定値から上記電池の内部抵抗を算出するとともに、上記スイッチ手段を制御する制御手段とを備え、上記電池から負荷に一定の負荷電流を供給している状態で上記スイッチ手段により急速に上記負荷電流を０〔Ａ〕とし、そのとき上記電圧測定手段にて測定される電圧応答波形に基づいて上記電池の内部抵抗を測定する電池の内部抵抗測定装置において、上記スイッチ手段に電流遮断速度可変型スイッチが用いられ、上記電圧測定手段の入力側にフィルタ回路が接続されるとともに、上記電圧応答波形を解析するＦＦＴ（高速フーリエ変換手段）を備え、上記制御手段は、上記電流遮断速度可変型スイッチの電流遮断速度による上記負荷電流の立ち下がり時間Ｔｆを周波数ｆ２に換算し、上記ＦＦＴにより求められた上記電圧応答波形に含まれる単一周波数成分ｆ１がｆ１＞ｆ２かを判定し、ｆ１＞ｆ２であるとする判定結果に基づいて、上記フィルタ回路に上記周波数ｆ２を通過し、上記周波数成分ｆ１を除去し得るローパスフィルタを用いることを特徴としている。
【００１３】
本発明において、請求項２に記載されているように、上記制御手段は、上記負荷電流が０Ａになった時点での上記電圧測定手段による電圧測定値をＶｓｏｌ，上記電池から負荷に供給される一定の電流値をＩとして、Ｖｓｏｌ／Ｉから上記電池の内部抵抗に含まれているオーミック抵抗値を測定する。
【００１４】
また、本発明においては、請求項３に記載されているように、上記電流遮断速度可変型スイッチの電流遮断速度が、上記電池の内部抵抗に含まれる反応抵抗の時定数よりも速く設定される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電圧測定手段の入力側に、電流遮断速度（電流遮断時間）の周波数換算値である周波数ｆ２を通過し、電圧応答波形のＦＦＴ演算により求められた周波数成分ｆ１を除去し得るローパスフィルタが設けられていることにより、電圧波形にリンギング波形が含まれないため、電池の内部抵抗のうちのオーミック抵抗をより正確に測定することができる。また、容量の大きなメモリやデータを高速に演算処理し得る高機能の演算処理手段を必要としないため、その分、コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、図１および図２により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明による電池の内部抵抗測定装置を示す概略的な回路図，図２（ａ）〜（ｂ）は電流遮断時の電流波形および電圧応答波形を示す波形図である。なお、この実施形態での測定対象は先の図３で説明したのと同じく燃料電池ＦＣであるが、二次電池などであってもよい。
【００１７】
図１に示すように、この内部抵抗測定装置は、基本的な構成として、燃料電池ＦＣから負荷Ｌに供給される負荷電流Ｉをオンオフするスイッチ手段１１，その負荷電流Ｉを測定する電流測定手段１２，燃料電池ＦＣの端子間電圧を測定する電圧測定手段１３，制御手段１４および表示器１５を備える。
【００１８】
本発明において、スイッチ手段１１には、電流遮断速度を任意に調整できる電流遮断速度可変型スイッチが用いられ、その電流遮断速度は制御手段１４にて制御される。電流測定手段１２は通常よく用いられる電流計であってよく、その電流測定値はＡ／Ｄ変換器１２ａを介して制御手段１４に与えられる。
【００１９】
電圧測定手段１３も通常よく用いられる電圧計であってよく、その電圧測定値はＡ／Ｄ変換器１３ａを介して制御手段１４に与えられるが、本発明では、Ａ／Ｄ変換器１３ａにて変換されたデジタルの電圧データを高速フーリエ変換するＦＦＴ１６を備えている。また、電圧測定手段１３の入力側に後述するカットオフ周波数を有するフィルタ回路１７が接続される。
【００２０】
制御手段１４には、中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）やマイクロコンピュータが用いられてよい。表示器１５には、液晶パネルやプラズマディスプレイなどが用いられるが、場合によっては、プリンタが用いられてもよい。
【００２１】
内部抵抗の測定方法は電流遮断法である。すなわち、スイッチ手段１１をオンとして燃料電池ＦＣから負荷Ｌに一定の負荷電流Ｉを流している状態で、スイッチ手段１１を急速にオフとして、図２（ａ）に示すように負荷電流Ｉを０〔Ａ〕とし、そのとき電圧測定手段１３にて測定される燃料電池ＦＣの電圧応答波形（図２（ｂ））を観測して、オーミック抵抗Ｒｓｏｌによる電圧値Ｖｓｏｌを読み取る。
【００２２】
しかしながら、図１に示す測定系の配線にはリアクタンス成分が存在するため、電流遮断時の電圧応答波形には、図２（ｂ）に誇張して示すようにリンギングが発生する。このリンギングの大きさによっては、電圧応答波形から上記電圧値Ｖｓｏｌを読み取る際に誤差が含まれることがある。このリンギングによる誤差を除去するため、本発明では次のような対策を講じている。
【００２３】
まず、ＦＦＴ１６により、電圧測定手段１３で測定された電圧応答波形に含まれる周波数成分ｆ１を求める。一般的に、この周波数成分ｆ１は測定系の共振による周波数であるため単一周波数である。
【００２４】
次に、図２（ａ）の電流遮断波形から、負荷電流Ｉの立ち下がり時間（負荷電流Ｉが０〔Ａ〕になるまでの時間）Ｔｆを求めて周波数ｆ２に換算する。この周波数換算には、ガウシャン・レスポンス特性（ｙ’＝ｅｘｐ（−ａｆ２））をラプラス変換して求められるＥＬＭＯＲＥの関係式が適用され、ｆ２＝０．３５／Ｔｆ〔Ｈｚ〕となる。
【００２５】
そして、ｆ１＞ｆ２であることが制御手段１４により確認されたならば、周波数ｆ２を通過させ周波数ｆ１を除去するローパスフィルタをフィルタ回路１７に適用する。
【００２６】
なお、ローパスフィルタのカットオフ周波数がｆ２に近いと電圧応答波形のｆ２成分が若干減衰してしまい、上記電圧値Ｖｓｏｌの測定に誤差が生ずるおそれがあるため、ローパスフィルタのカットオフ周波数を例えばｆ２×１０〔Ｈｚ〕とすることが好ましい。
【００２７】
次に、電流遮断速度について説明する。正確な測定を行うためには、電流遮断速度を反応抵抗ＲｃｔのＣＲ時定数よりも十分に速くする必要がある。図２（ｃ）に示すように、電流遮断速度（負荷電流Ｉが０〔Ａ〕になるまでの時間Ｔｆ）を反応抵抗ＲｃｔのＣＲ時定数よりも遅くするとリンギングはなくなるが、図２（ｄ）に示すように、電圧応答波形がなまり上記電圧値Ｖｓｏｌの読み取りに誤差が生ずることがあるため好ましくない。
【００２８】
そこで、制御手段１４に電流遮断速度のパターンを何種類か設定し、そのパターンごとに電圧応答信号の測定を行ってリンギングレベルおよび上記電圧値Ｖｓｏｌを測定し、この中からリンギングによる測定誤差が生じない最適な電流遮断速度を決定するとよい。
【００２９】
以上説明したように、本発明によれば、電圧測定手段１３の入力側に、電流遮断速度（電流遮断時間）の周波数換算値である周波数ｆ２を通過し、電圧応答波形のＦＦＴ演算により求められた周波数成分ｆ１を除去し得るローパスフィルタを接続し、電流遮断速度を従来の瞬時遮断よりも遅くしたことにより、電圧応答波形にリンギング波形が含まれないため、オーミック抵抗Ｒｓｏｌによる電圧値Ｖｓｏｌを正確に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による電池の内部抵抗測定装置を示す概略的な回路図。
【図２】本発明の動作説明で用いる電流遮断時の電流波形，電圧応答波形を示す波形図。
【図３】電流遮断法による燃料電池の内部抵抗測定方法を説明するための模式図。
【図４】電流遮断時の電流波形，電圧応答波形を示す基本的な波形図。
【符号の説明】
【００３１】
１１  スイッチ手段
１２  電流測定手段
１３  電圧測定手段
１４  制御手段
１５  表示手段
１６  ＦＦＴ
１７  フィルタ回路
ＦＣ  燃料電池
Ｒｓｏｌ  オーミック抵抗
Ｒｃｔ  反応抵抗
Ｃｄｌ  キャパシタ成分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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