WO2023026839A1

WO2023026839A1 - インピーダンス測定装置

Info

Publication number: WO2023026839A1
Application number: PCT/JP2022/030277
Authority: WO
Inventors: 直也北村; 亮平吉原; 一暁羽田
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2022-08-08
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: CN117897624A; US20250334640A1; JP7569763B2; EP4394401A1; EP4394401A4; JP2023032275A

Abstract

短時間でカップリングコンデンサを充電し、断線検出できるようにするインピーダンス測定装置を提供する。　上記課題は、被測定物（２３０）に供給された交流電流によって被測定物（２３０）の両端子のそれぞれに接触する接触端子間に生ずる電圧を測定し、被測定物（２３０）の内部インピーダンスを求める測定部（２２０）と、測定部（２２０）と被測定物（２３０）との電流路（２０１）に、カップリングコンデンサ（Ｃ３）を介して、断線検出用の交流電流を供給する断線検出用電流源（２４１）と、カップリングコンデンサ（Ｃ３）と断線検出用電流源（２４１）との間に接続され、断線検出用電流源（２４１）の両端子間電圧が所定の電圧範囲を超えたときに、カップリングコンデンサ（Ｃ３）を充電する充電加速部（２４２）とを備えるインピーダンス測定装置（２００）により解決することができる。

Description

インピーダンス測定装置

　本発明は、インピーダンス測定装置に関し、断線検出機能を備えた４端子インピーダンス測定装置に関する。

　被測定物の内部インピーダンスを測定する装置として、４端子インピーダンス測定装置がある。図４に、特許文献１に記載されている代表的なインピーダンス測定装置１００の従来例を示す。インピーダンス測定装置１００は、被測定物１３０に測定用電流源１１０から交流電流を供給し、交流電流によって被測定物１３０の両端子間に生ずる電圧を、測定部１２０で測定し、被測定物１３０に供給された電流と測定された両端子間電圧とから、被測定物１３０の内部インピーダンスを求める。

　内部インピーダンスを正確に測定するためには、被測定物１３０と接触端子Ｈｃ、Ｌｃ、Ｈｐ、Ｌｐとが確実に接触している必要があるが、プロービング時に接触端子が接触していなかったり、測定中に接触端子が被測定物１３０から外れてしまって断線が生ずることがある。そこで、インピーダンス測定装置１００では、測定部１２０と被測定物１３０との電流路１０１に、断線検出用電流源１４１から断線検出用電流を供給し、測定部１２０で断線検出用電流によって接触端子Ｈｐ、Ｌｐの間に生じた電圧を測定することにより、電流路１０１の断線を検出する。断線検出はインピーダンス測定の前後や測定中に行われるため、短時間で検出を行う必要がある。

特許第４６９５９２０号公報

　バッテリテスタのように直流電圧源を含む被測定物を測定するインピーダンス測定装置では、被測定物で生ずる直流電圧をキャンセルするために、被測定物と測定用電流源との間、被測定物と測定部との間、および、被測定物と断線検出用電流源との間のそれぞれに、カップリングコンデンサが挿入される。カップリングコンデンサの容量インピーダンスを小さくするためには、容量を大きくする必要がある。一方で、断線検出用電流源は両端子間電圧がコンプライアンス電圧の範囲内にならないと正常に機能しないため、カップリングコンデンサの充電が完了しないと、正常な断線検出用電流を供給して断線検出を行うことはできないが、カップリングコンデンサの容量が増加すると充電時間も増加してしまう。正常な断線検出用電流の供給が可能になるまでの時間（すなわち、断線検出部の応答時間）は、断線検出の度に生ずるため、断線検出を含めたインピーダンス測定のトータル時間が長くなってしまうという課題があった。

　本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、短時間でカップリングコンデンサを充電し、断線検出を可能にすることを目的とする。

　上記課題は、被測定物に供給された交流電流によって被測定物の両端子のそれぞれに接触する接触端子間に生ずる電圧を測定し、被測定物の内部インピーダンスを求める測定部と、測定部と被測定物との電流路に、カップリングコンデンサを介して、断線検出用の交流電流を供給する断線検出用電流源と、カップリングコンデンサと断線検出用電流源との間に接続され、断線検出用電流源の両端子間電圧が所定の電圧範囲を超えたときに、カップリングコンデンサを充電する充電加速部とを備えるインピーダンス測定装置により、解決することができる。

　すなわち、カップリングコンデンサと断線検出用電流源との間に、カップリングコンデンサの充電電流を供給する充電加速部を設け、断線検出用電流源の両端子のそれぞれに接触する接触端子間の電圧が所定の電圧範囲を超えたときに動作させることにより、短時間でカップリングコンデンサを充電し、断線検出が可能となる。

　ここで、所定の電圧範囲は、断線検出用電流源のコンプライアンス電圧より狭いことが望ましい。断線検出用電流源は、両端子間電圧がコンプライアンス電圧の範囲内にあるときに、正常な断線検出用電流の供給が可能となる。断線検出用電流源の両端子間電圧の電圧範囲をコンプライアンス電圧の電圧範囲内になるようにカップリングコンデンサを充電することにより、短時間で断線検出が可能となる。

　また、充電加速部は、ヒステリシス特性を有することが望ましい。断線検出用の交流電流による電圧変動によって充電加速部が再稼働することを防止し、短時間で断線検出が可能となる。

　さらに、充電加速部は、正電源および負電源のヒステリシスコンパレータを備えることが望ましい。かかる構成により、両電源に対応することが可能となり、被測定物の直流電圧の極性にかかわらず、短時間でカップリングコンデンサを充電し、断線検出が可能となる。

　本発明に係るインピーダンス測定装置によれば、短時間でカップリングコンデンサを充電し、断線検出が可能となる。

本発明の実施形態に係るインピーダンス測定装置を被測定物に接続した状態の構成図である。充電加速部の例示的な構成図である。ヒステリシス特性の説明図である。インピーダンス測定装置の従来例を示す図である。

　以下、本発明の実施形態の具体例について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るインピーダンス測定装置の一例であるバッテリテスタ２００を、被測定物であるバッテリ２３０に接続した状態の構成図である。

　バッテリテスタ２００は、バッテリ２３０に測定用電流源２１０から測定用交流電流Ｉｍを供給し、交流電流Ｉｍによってバッテリ２３０の両端子のそれぞれに接触する接触端子Ｈｐ、Ｌｐ間に生ずる電圧Ｖｍを、測定部２２０で測定し、バッテリ２３０に供給された電流Ｉｍと測定された電圧Ｖｍとから、バッテリ２３０の内部インピーダンスＺを計測する装置である。バッテリテスタ２００は、測定部２２０とバッテリ２３０との電流路２０１の断線を検出するために、測定部２２０とバッテリ２３０との電流路２０１に、断線検出用電流供給部２４０からカップリングコンデンサＣ３を介して断線検出用交流電流Ｉｄを供給し、断線検出用交流電流Ｉｄによってバッテリ２３０の両端子のそれぞれに接触する接触端子Ｈｐ、Ｌｐの間に生ずる電圧Ｖｄを、測定部２２０で測定することにより、電流路２０１の断線を検出する。

　図１に示すように、バッテリテスタ２００は、４つの接触端子（高圧側ソース端子Ｈｃ、低圧側ソース端子Ｌｃ、高圧側センス端子Ｈｐ、低圧側センス端子Ｌｐ）を備える。高圧側ソース端子Ｈｃおよび高圧側センス端子Ｈｐは、バッテリ２３０の高圧側に接続される。また、低圧側ソース端子Ｌｃおよび低圧側センス端子Ｌｐは、バッテリ２３０の低圧側に接続される。高圧側ソース端子Ｈｃ、低圧側ソース端子Ｌｃ、高圧側センス端子Ｈｐおよび低圧側センス端子Ｌｐと、バッテリ２３０との接触抵抗を、それぞれＲ_Ｈｃ、Ｒ_Ｌｃ、Ｒ_ＨｐおよびＲ_Ｌｐで示す。

　高圧側ソース端子ＨｃはカップリングコンデンサＣ１を介して測定用電流源２１０の一端に接続されている。測定用電流源２１０の他端と低圧側ソース端子Ｌｃとは、ソース側の基準電位であるグランドＧＮＤ１に接続されている。他方、高圧側センス端子Ｈｐは、カップリングコンデンサＣ２を介して測定部２２０に、またカップリングコンデンサＣ３を介して断線検出用電流供給部２４０に接続されている。低圧側センス端子Ｌｐは、センス側の基準電位であるグランドＧＮＤ２に接続されている。測定部２２０や断線検出用電流供給部２４０などの、センス側に配置された構成要素の基準電位も、グランドＧＮＤ２である。ソース側の基準電位であるグランドＧＮＤ１と、センス側の基準電位であるグランドＧＮＤ２とは、電気的に分離されている。

　カップリングコンデンサＣ２を介して測定部２２０の入力された信号は、オペアンプＯＰ１の非反転増幅回路で増幅されて、演算部２２１に入力される。オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には測定部２２０の入力が、反転端子には抵抗Ｒ１の一端と抵抗Ｒ２の一端が、出力端子には抵抗Ｒ１の他端と演算部２２１が、それぞれ接続されている。抵抗Ｒ２の他端は、グランドＧＮＤ２に接続されている。

　演算部２２１は、２つのロックインアンプを備え、それぞれ測定用電流源２１０および断線検出用電流供給部２４０から供給される交流電流の周波数で同期検波をかけることにより、測定用交流電流Ｉｍによってバッテリ２３０の両端子のそれぞれに接触する接触端子Ｈｐ、Ｌｐの間に生ずる電圧Ｖｍと、断線検出用交流電流Ｉｄによってバッテリ２３０の両端子のそれぞれに接触する接触端子Ｈｐ、Ｌｐ間に生ずる電圧Ｖｄとを取得する。そして、測定用交流電流Ｉｍと電圧Ｖｍとから、バッテリ２３０の内部インピーダンスＺを求める。また、電圧Ｖｄを基準値と比較することにより、測定部２２０とバッテリ２３０との電流路２０１の断線を検出する。

　断線検出用電流供給部２４０は、入力に対して互いに並列に接続された断線検出用電流源２４１、充電加速部２４２および抵抗Ｒ３を備える。断線検出用電流源２４１は、測定用交流電流Ｉｍの周波数とは異なる周波数の断線検出用交流電流Ｉｄを供給する電流源である。断線検出用交流電流Ｉｄは、カップリングコンデンサＣ３を介して、測定部２２０とバッテリ２３０との電流路２０１に供給される。断線検出用電流源２４１が正常に機能するためには、断線検出用電流源２４１の両端子間電圧がコンプライアンス電圧の範囲内であることが必要である。ところが、一般にバッテリ２３０の両端子間電圧の絶対値は、コンプライアンス電圧の絶対値よりも大きい。このため、断線検出用電流Ｉｄの供給に先立って、断線検出用電流源２４１の両端子間電圧がコンプライアンス電圧の範囲内となるように、カップリングコンデンサＣ３を充電する必要がある。

　抵抗Ｒ３は、一端がカップリングコンデンサＣ３に、他端がグランドＧＮＤ２に接続されている。このため、測定用電流Ｉｍは、バッテリ２３０と抵抗Ｒ３に分流する。抵抗Ｒ３が小さい場合、抵抗Ｒ３への流入量が増加するために、測定誤差となる。このため、抵抗Ｒ３は大きいことが望ましい。また、カップリングコンデンサＣ３のインピーダンスは小さいことが望ましいため、容量は大きいことが望ましい。一方で、カップリングコンデンサＣ３の充電時間は、充電加速部２４２がない場合には、抵抗Ｒ３とカップリングコンデンサＣ３の時定数に比例する。例えば、抵抗Ｒ３が1ＭΩ、カップリングコンデンサＣ３の容量が１００ｎＦの場合には、時定数は１００ｍｓ（＝1ＭΩ×１００ｎＦ）となり、充電完了して正常な断線検出用電流の供給が可能となるまでに、時定数に応じた時間がかかる。このため、充電加速部２４２により断線検出用電流源２４１の両端子間電圧、すなわち点ａの電圧Ｖａを監視し、電圧Ｖａが所定の電圧範囲を超えたときには、充電加速部２４２から直流電流を供給してカップリングコンデンサＣ３の充電を加速することにより、断線検出が可能となるまで時間を短縮する。

　図２に、充電加速部２４２の例示的な構成を示す。充電加速部２４２は、正電源のヒステリシスコンパレータ２４５と、負電源のヒステリシスコンパレータ２４６を有する。正電源のヒステリシスコンパレータ２４５は、正電圧のバッテリ２３０（図１のように接続されたバッテリ）が接続されたときに動作し、カップリングコンデンサＣ３を充電する。これに対して、負電源のヒステリシスコンパレータ２４６は、負電圧のバッテリ２３０（図１とは逆接続のバッテリ）が接続されたときに動作し、カップリングコンデンサＣ３を充電する。

　正電源のヒステリシスコンパレータ２４５は、オペアンプＯＰ２、ダイオードＤ１および３つの抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３を備える。オペアンプＯＰ２の反転端子は、充電加速部２４２の出力およびダイオードＤ１のアノードに接続されている。オペアンプＯＰ２の非反転端子は、３つの抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３の一端に接続されている。オペアンプＯＰ２の出力端子は、ダイオードＤ１のカソードおよび抵抗Ｒ１３の他端に接続されている。抵抗Ｒ１１の他端はグランドＧＮＤ２に、抵抗Ｒ１２の他端は正電源＋Ｖにそれぞれ接続されている。ヒステリシスコンパレータ２４５のヒステリシス特性（低圧側閾電圧および高圧側閾電圧）は、３つの抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３および正電源＋Ｖの大きさにより設定される。

　負電源のヒステリシスコンパレータ２４６は、正電源のヒステリシスコンパレータ２４５と対称的な構成を有する。すなわち、負電源のヒステリシスコンパレータ２４６は、オペアンプＯＰ３、ダイオードＤ２および３つの抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３を備える。オペアンプＯＰ３の反転端子は、充電加速部２４２の出力およびダイオードＤ２のカソードに接続されている。オペアンプＯＰ３の非反転端子は、３つの抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３の一端に接続されている。オペアンプＯＰ３の出力端子は、ダイオードＤ２のアノードおよび抵抗Ｒ２３の他端に接続されている。抵抗Ｒ２１の他端はグランドＧＮＤ２に、抵抗Ｒ２２の他端は負電源－Ｖにそれぞれ接続されている。ヒステリシスコンパレータ２４６のヒステリシス特性（低圧側閾電圧および高圧側閾電圧）は、３つの抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３および負電源－Ｖの大きさにより設定される。

　次に、充電加速部２４２の動作について説明する。正電源のヒステリシスコンパレータ２４５と負電源のヒステリシスコンパレータ２４６とは、極性や充電電流の向きを除き、同様な動作によりカップリングコンデンサＣ３の充電を行うため、以下では正電源のヒステリシスコンパレータ２４５の動作を例にとって、充電加速部２４２の動作の説明を行う。

　バッテリテスタ２００に、図１に示した極性でバッテリ２３０が接続されると、カップリングコンデンサＣ３が未充電の状態であるため、点ａの電圧Ｖａはバッテリ２３０の電圧とほぼ同一の電圧となる。よって、断線検出用電流源２４１の両端子間電圧は、断線検出用電流源２４１のコンプライアンス電圧を大幅に超えた状態となり、断線検出用電流源２４１を正常動作させることはできない。電圧Ｖａは、正電源のヒステリシスコンパレータ２４５のオペアンプＯＰ２の非反転端子にも印加され、反転端子の電圧と比較されて、オペアンプＯＰ２の出力端子（点ｂ）の電圧Ｖｂは低電圧（オペアンプＯＰ２に供給される負側電源電圧-Ｖと同等の電位）となる。すると、点ａからダイオードＤ１を介して点ｂに充電電流Ｉｃが流入し、カップリングコンデンサＣ３が充電される。カップリングコンデンサＣ３の両端子間電圧の上昇にともなって、断線検出用電流源２４１の両端子間電圧Ｖａが低下する。

　カップリングコンデンサＣ３が充電がすすみ、電圧Ｖａが断線検出用電流源２４１のコンプライアンス電圧より小さな所定の電圧（ヒステリシスコンパレータ２４５の低圧側閾電圧）になると、オペアンプＯＰ２の出力端子（点ｂ）の電圧Ｖｂが高電圧（正電源＋Ｖと同等の電圧）に変化する。ダイオードＤ１のカソード側が高電圧となるため充電電流Ｉｃが停止して、充電加速部２４２の動作が停止する。断線検出用電流源２４１の両端子間電圧はコンプライアンス電圧以下であるので、断線検出用電流源２４１を正常動作し、正常な断線検出用電流Ｉｄを供給して、断線検出を行うことができる。

　このように、充電加速部２４２を設けることにより、カップリングコンデンサＣ３と抵抗Ｒ３の時定数に拘わりなく迅速にカップリングコンデンサを充電し、断線検出を行うことが可能となる。

　ところで、断線検出用電流Ｉｄの供給が開始されると、電圧Ｖａは、バッテリ２３０の電圧から、カップリングコンデンサＣ３の充電完了時の電圧と、電流路２０１の経路インピーダンスと断線検出用電流Ｉｄとの積の電圧降下分が重畳された電圧となる。断線検出用電流Ｉｄは交流電流であるため、電圧ＶａはカップリングコンデンサＣ３の充電完了時の電圧を瞬間的に超える。このとき、充電加速部２４２が再稼働して充電電流Ｉｃが流れると、断線検出用電流Ｉｄの一部が充電加速部２４２に分流してしまい、正確な断線検出ができなくなってしまう。しかしながら、ヒステリシスコンパレータ２４５はヒステリシス特性を有するため、電圧Ｖａが低圧側閾電圧を超えても、高電圧閾電圧を超えるまで再稼働せずに、高抵抗状態となる。ヒステリシスコンパレータ２４５の高電圧閾電圧を、断線検出用電流Ｉｄの供給時の最大電圧（瞬時値）以上に設定することにより、断線検出用電流Ｉｄ供給時の再稼働を防止することができる。

　以上の例では、バッテリ２３０を図１のように接続して、正電源のヒステリシスコンパレータ２４５の動作によりカップリングコンデンサＣ３の充電を行う動作例を説明したが、バッテリ２３０を図１と逆向きに接続した場合は、負電源のヒステリシスコンパレータ２４６が同様に動作することにより、カップリングコンデンサＣ３を充電する（ただし、電圧の極性や充電電流Ｉｃの向きは逆となる）。正電源のヒステリシスコンパレータ２４５と負電源のヒステリシスコンパレータ２４６との動作により、充電加速部２４２は、断線検出用電流源の両端子間電圧が、断線検出用電流源のコンプライアンス電圧より狭い所定の電圧範囲を超えたときに、カップリングコンデンサを充電し、充電時以外は電流の流出入がない高抵抗状態となる。

　充電加速部２４２のヒステリシス特性による効果について図３に用いて、さらに説明する。図３は、横軸に時間、縦軸に電圧をとって、断線検出用電流Ｉｄ供給時の点ａの電圧波形を示した図であり、図３（ａ）は、充電加速部２４２にヒステリシス特性がない場合の電圧波形、図３（ｂ）はヒステリシス特性を有する場合の電圧波形である。Ｖ_１は、充電加速部２４２が充電電流Ｉｃの供給を停止する電圧であり、ヒステリシス特性を有する充電加速部２４２では低圧側閾電圧である。Ｖ_２はヒステリシス特性を有する充電加速部２４２の高圧側閾電圧である。

　充電加速部２４２にヒステリシス特性がない場合には、断線検出用電流Ｉｄの供給にともなってＶａがＶ_１を超えたときに、充電加速部２４２が再稼働する。このため、断続的に充電電流Ｉｃが流れて、カップリングコンデンサＣ３が充電され、図３（ａ）に示すように、Ｖａの直流成分が低下する。時間ｔ_１になるとＶａの最大値（瞬時値）がＶ_１を超えなくなり、充電加速部２４２の動作は完全に停止する。時間ｔ_１までは、断線検出用電流源２４１の両端子間電圧がコンプライアンス電圧を超えるため、断線検出用電流源２４１の正常動作が保証されず、断線検出を行うことができない。

　これに対して、充電加速部２４２がヒステリシス特性を有する場合には、図３（ｂ）に示すように、断線検出用電流Ｉｄの供給によって電圧ＶａがＶ_１を超えても、Ｖ_２を超えない限り、充電加速部２４２は再稼働せずに高抵抗状態を保つ。このため、断線検出用電流ＩｄによってカップリングコンデンサＣ３が充電されることはなく、直ちに断線検出を行うことができる。よって、ヒステリシス特性を有することにより、時間ｔ_１の分だけより短時間で断線検出が可能となることになる。

　以上、本願発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記実施の形態では、充電加速部２４２として、正電源および負電源のヒステリシスコンパレータを採用しているが、断線検出用電流源の両端子間電圧の監視機能やヒステリシス特性の機能を備えたプログラマブル電流源などを用いてもよい。

１００　インピーダンス測定装置
１０１、２０１　電流路
１１０、２１０　測定用電流源
１２０、２２０　測定部
１３０　被測定物
１４１、２４１　断線検出用電流源
２００　インピーダンス測定装置（バッテリテスタ）
２３０　被測定物（バッテリ）
２４０　断線検出用電流供給部
２４２　充電加速部
２４５　ヒステリシスコンパレータ（正電源）
２４６　ヒステリシスコンパレータ（負電源）
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３　カップリングコンデンサ
Ｄ１、Ｄ２　ダイオード
ＧＮＤ１、ＧＮＤ２　グランド
Ｈｃ、Ｌｃ、Ｈｐ、Ｌｐ　接触端子
ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３　オペアンプ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３　抵抗
Ｒ_Ｈｃ、Ｒ_Ｈｐ、Ｒ_Ｌｃ、Ｒ_Ｌｐ　接触抵抗
Ｚ　内部インピーダンス

Claims

　被測定物に供給された交流電流によって前記被測定物の両端子のそれぞれに接触する接触端子間に生ずる電圧を測定し、前記被測定物の内部インピーダンスを求める測定部と、
　前記測定部と前記被測定物との電流路に、カップリングコンデンサを介して、断線検出用の交流電流を供給する断線検出用電流源と、
　前記カップリングコンデンサと前記断線検出用電流源との間に接続され、前記断線検出用電流源の両端子間電圧が所定の電圧範囲を超えたときに、前記カップリングコンデンサを充電する充電加速部と、
を備える、インピーダンス測定装置。
　前記所定の電圧範囲は、前記断線検出用電流源のコンプライアンス電圧より狭い、請求項１に記載のインピーダンス測定装置。
　前記充電加速部は、ヒステリシス特性を有する、請求項１または２に記載のインピーダンス測定装置。
　前記充電加速部は、正電源および負電源のヒステリシスコンパレータを備える、請求項３に記載のインピーダンス測定装置。