(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置において、
負荷が電動機を負荷とするインバータである場合に、
インバータの出力電圧及びインバータ出力電流から有効負荷電力を算出し、
該負荷電力に対応する対象バッテリの内部抵抗に基づく電圧降下相当値を算出し、
該算出値を減圧して出力するようにしたことを特徴とするバッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置の出力電圧制御方法。
【請求項２】
バッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置において、
負荷が電動機を負荷とするインバータである場合に、
上記電動機の出力トルク及び回転速度から該直流電源装置の負荷電力を算出し、
該負荷電力に対応する対象バッテリの内部抵抗に基づく電圧降下相当値を算出し、
該算出値を減圧して出力するようにしたことを特徴とするバッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置の出力電圧制御方法。
【請求項３】
バッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置において、
直流電源装置の負荷が電動機を負荷とするインバータである場合に、
インバータの出力電圧を計測する手段と、
インバータの出力電流を計測する手段と、
該計測出力電圧と計測出力電流の各値及び位相差からインバータの有効負荷電力を算出する演算機能と、
対象バッテリの内部抵抗信号を設定記録する記憶機能と、
前記算出された負荷電力値と記録されたバッテリの内部抵抗信号から当該バッテリの電圧降下値を算出する演算機能と、
予め設定した出力電圧値から該バッテリの電圧降下値を減算する演算機能を備え、
該演算結果に従って出力するようにしたことを特徴とするバッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置の出力電圧制御装置。
【請求項４】
バッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置において、
直流電源装置の負荷が電動機を負荷とするインバータである場合に、
上記電動機の出力トルクを検出する機能と、
回転速度検出機能と、
該検出出力トルク値と回転速度値からインバータの負荷電力を算出する演算機能と、
対象バッテリの内部抵抗信号を設定記録する記憶機能と、
前記算出された負荷電力値と記録されたバッテリの内部抵抗信号から当該バッテリの電圧降下値を算出する演算機能と、
予め設定した出力電圧値から該バッテリの電圧降下値を減算する演算機能を備え、
該演算結果に従って出力するようにしたことを特徴とするバッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置の出力電圧制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は  動力源としてバッテリを使用する電気装置のための電源装置に係り、特に、バッテリを使用しないで行うこの電気装置の性能評価試験等の電源に最適な、バッテリ相当の特性を備えた直流電源装置（以下バッテリ・シミュレータと称す）の出力電圧制御方法とその方法を用いた出力電圧制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
動力源としてバッテリを使用する装置として、例えば、電気自動車とその駆動機構用電動機及びその駆動用インバータがある。
このような電気自動車駆動機構と電動機及びその駆動用インバータ等の装置を実機搭載時以外に、工場や整備工場等で試運転を行ったり評価試験を行う場合の電源として、試験結果の再現性を向上させると共に試験電源用バッテリの保守整備の手間を省くために、バッテリ・シミュレータが使用される場合がある。
バッテリ・シミュレータの構成例としては、受電する商用電源を整流して所定電圧を出力するコンバータと、使用バッテリの特性に対応して作成される指令信号に応じて任意の直流電圧を出力するチョッパ及びその制御装置などがある。
【０００３】
バッテリは周知のように内部抵抗が存在するので、負荷電流と内部抵抗による電圧降下分だけ減衰した電圧が出力される（一般に、このような負荷電流によって出力の端子電圧が変動する特性を垂下特性と呼ぶ）。
バッテリ・シミュレータは、バッテリに替えて試験を行う時の電源として使用されるから、正確な試験対象装置のデータを得るには、上記したバッテリの垂下特性に忠実に模擬した特性を備えることが必要である。
従って、バッテリ・シミュレータにはバッテリの充電状態等に対応して変動する内部抵抗値の設定機能と端子電圧演算機能とを備えている。
【０００４】
図３に負荷に接続したバッテリ・シミュレータ１００の機能構成例を示している。
図３において、１はコンバータで、入力する交流電源ＡＣを直流に整流変換し、その出力をチョッパ２に供給するように接続されている。
チョッパ２は後述する機能によって、入力電圧を、指令されると共に前述した垂下特性に対応した電圧に変換して、例えば供試機である、電力負荷３００に出力する。
従って、この出力電圧はシミュレートするバッテリの出力電圧に対応している。
図３は、電力負荷３００として、インバータ２０によって所定の周波数と電圧に変換して電動機３１に供給しており、電動機３１の負荷は、例えば、電気自動車の駆動機構３２がクラッチ等の回転結合機構３４によって結合して構成されている例を示している。
インバータ２０においては、スイッチング素子（図示せず）によって形成されるスイッチング機能２１がインバータ制御機能２２によって、上位操作機能（図示せず）から指令される周波数と電圧を出力するように自動操作される。
【０００５】
バッテリ・シミュレータ１００の主機能は、上記のようにコンバータ１とチョッパ２によって構成され、チョッパ２は、シミュレート対象バッテリの各種データを記録した設定記録機能１０６から出力される対応バッテリの無負荷端子電圧値を示す指令電圧信号Ｓ２１から、負荷電流とバッテリの内部抵抗によって降下する電圧相当値を示す降下電圧信号Ｓ３２を減算機能１０４で減算し、補正したバッテリの端子電圧を示す出力指令信号Ｓ２２を入力する出力電圧制御機能１０３によって制御される。
出力電圧制御機能１０３は、前記した出力指令信号Ｓ２２とバッテリ・シミュレータ出力電圧値を示す出力電圧信号Ｓ２３を比較・追従させるサーボ機能を備えていて、出力指令信号Ｓ２２に対して誤差のない電圧を出力するようにチョッパ２を制御する。
【０００６】
バッテリ・シミュレータ１００から電力負荷３００に供給する電流は変流器１０５によって検出され、電流値を示す電流出力信号Ｓ３０が、バッテリ内部特性シミュレート機能１０７に入力している。バッテリ内部特性シミュレート機能１０７には、また、前述した設定記録機能１０６に設定記録されたバッテリ内部抵抗特性信号Ｓ３１が入力している。バッテリ内部特性シミュレート機能１０７は、入力する二つの信号Ｓ３０とＳ３１の値の積を演算して、バッテリ内部降下電圧値を示す、降下電圧信号Ｓ３２を、減算機能１０４に入力している。
減算機能１０４においては、前述したように指令電圧信号Ｓ２１から降下電圧信号Ｓ３２を減算して出力指令信号Ｓ２２を作成して出力電圧制御機能１０３に入力している。
図３に示す１７と２３は夫々電流／電圧変動吸収用の電圧平滑用コンデンサである。
【０００７】
上述の機能構成によって、バッテリ・シミュレータ１００は入力する指令電圧信号Ｓ２１から、電力負荷３００に供給する負荷電流Ｉによるシミュレート対象バッテリの内部特性に伴う降下電圧を減算した直流電圧を出力して電力負荷３００に上記の電流を供給している。
従って、例えば、電力負荷３００の前述した電気自動車の駆動機構３２を操作して電動機３１に供給される電流値が変化すると、対応してバッテリ・シミュレータ１００の出力電圧値も変化する。
よって、バッテリを使用しなくても、バッテリを接続したのと同等の電力負荷３００の試験等が実行できる。
上述したバッテリ内部抵抗特性信号Ｓ３１を作成する設定記録機能１０６は、バッテリの種類、充電率、電解液温度、電動機の負荷状態に電流方向とその値等からバッテリの垂下特性をシミュレートするのに必要な、動作条件に対応した内部抵抗特性信号を作成出力する機能を備えている。
上記の設定記録機能１０６は、試験装置等の上位の管理制御装置に設ける場合もある。
【０００８】
バッテリのシミュレート方法及び装置の先行技術としては、例えば、特開昭５７−１２４２６６号公報に開示のものがある。
特開昭５７−１２４２６６号公報に開示のシミュレート方法は、バッテリの端子電圧−放電電流曲線よりバッテリの無負荷状態の起電力Ｅ0と内部抵抗Ｒ0とを求め、起電力Ｅ0を直流電源装置に発生させて被試験機に与え、このときの負荷電流Ｉを上記Ｒ0に乗算し、これを起電力Ｅ0から減算したＥ0−ＩＲ0に応じた電圧を直流電源に発生させ、このときの負荷電流Ｉの平均値Ｉ0と上記のバッテリの放電曲線とより単位時間の電圧降下ΔＶを求め、このΔＶを
ΔＥ0＝Ｋ1ΔＶ
ΔＲ0＝Ｋ2ΔＶ／Ｉ0
に代入して、ΔＥ0、ΔＲ0を求め、Ｅ0−ΔＥ0−（Ｒ0＋ΔＲ0）Ｉなる時間と共に変化する電圧を上記直流電源装置に発生させて被試験器に供給するようにしたものであり、装置は上記の各機能を装置に形成させたものである。なお、ΔＥ0は単位時間のバッテリの起電力の降下分を、また、ΔＲ0は単位時間のバッテリの内部抵抗の増加分を、さらにＫ1、Ｋ2はＫ1＋Ｋ2＝１の関係を有する定数である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したバッテリ・シミュレータの機能であると、出力電流を検出してバッテリ内部抵抗による電圧降下相当電圧を求めている。
一般に、インバータ回路には図３の符号２３に示したように、平滑用のコンデンサが接続されている場合が多い。
従ってバッテリ（バッテリ・シミュレータ）出力電流は、コンデンサの充放電電流とインバータの効率分を含む負荷電流との和になる。
しかしながら、上記両者の電流を分離して検出できないために、例えば、無負荷状態で設定電圧値を上昇させると下記のような問題点がある。
(1)出力電圧を上昇させるために、コンデンサへの充電電流が流れる。
(2)充電電流が検出されて、この充電電流に対応するバッテリ内部抵抗値による内部電圧降下機能が作動して出力電圧が降下する。
(3)出力電圧が下がるので、コンデンサから放電電流が流れる。
(4)放電電流が検出されて、この放電電流に対応するバッテリ内部抵抗値による内部電圧降下機能が作動して出力電圧が逆に上昇する。
(5)出力電圧が上がるので、コンデンサに充電電流が流れる。
(6)上記の繰り返しにより制御状態が振動する。
(7)バッテリ内部抵抗値の設定が大きいほど上記の状態は顕著になる。
【００１０】
上記の問題点に対して回路に遅れ要素（例えば、ローパス・フィルタ）を挿入することによって緩和することも可能であるが、応答性が犠牲になる。
インバータ電流からのコンデンサ電流成分と負荷電流成分を分離し、バッテリの内部抵抗による降下電圧を負荷電流成分のみから算出するようにすれば、上記のような制御が振動的になるのを回避できるが、インバータ内のコンデンサ電流成分を分離してインバータに流入する負荷電流成分のみを検出することはインバータの構造上から困難である。
特開昭５７−１２４２６６号公報に記載の先行技術のものもインバータの電源として使用した場合には、類似同様の問題点が発生する。
本発明は従来のものの上記課題（問題点）を解決し、制御に振動的になる恐れのないバッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置の出力電圧制御方法とその方法を用いた出力電圧制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、バッテリの垂下特性をシミュレートして出力するバッテリ・シミュレータの出力電圧制御方法は、バッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置において、請求項１に記載のものでは、負荷が電動機を負荷とするインバータである場合には、インバータの出力電圧及びインバータ出力電流から有効負荷電力を算出し、この負荷電力に対応する対象バッテリの内部抵抗に基づく電圧降下相当値を算出し、この算出値を減圧して出力するようにしたバッテリの垂下特性をシミュレートして出力するようにした。
【００１２】
この場合、請求項２に記載のように、負荷が電動機を負荷とするインバータである場合には、上記電動機の出力トルク及び回転速度から該直流電源装置の負荷電力を算出し、
該負荷電力に対応する対象バッテリの内部抵抗に基づく電圧降下相当値を算出し、
該算出値を減圧して出力するようにしてもよい。
【００１３】
また、上記の方法を適用した出力電圧制御装置においては、バッテリの垂下特性をシミュレートして出力する直流電源装置において、請求項３に記載のように、負荷が電動機を負荷とするインバータである場合には、インバータの出力電圧を計測する手段と、インバータの出力電流を計測する手段と、この計測出力電圧と計測出力電流の各値及び位相差からインバータの有効負荷電力を算出する演算機能と、対象バッテリの内部抵抗信号を設定記録する記憶機能と、前記算出された負荷電力値と記録されたバッテリの内部抵抗信号から対象バッテリの電圧降下値を算出する演算機能と、予め設定した出力電圧値からこのバッテリの電圧降下値を減算する演算機能を備え、この演算結果に従って出力するように構成した。
【００１４】
或いは、請求項４に記載のように、直流電源装置の負荷が電動機を負荷とするインバータである場合に、上記電動機の出力トルクを検出する機能と、回転速度検出機能と、この検出出力トルク値と回転速度値からインバータの負荷電力を算出する演算機能と、対象バッテリの内部抵抗信号を設定記録する記憶機能と、前記算出された負荷電力値と記録されたバッテリの内部抵抗信号からこのバッテリの電圧降下値を算出する演算機能と、予め設定した出力電圧値からこのバッテリの電圧降下値を減算する演算機能を備え、この演算結果に従って出力するようにするに構成してもよい。
【００１５】
本発明におけるバッテリ・シミュレータの出力電圧制御方法及び出力電圧制御装置は、上記のように純粋な負荷成分のみを安定に検出できるようにして演算に利用するようにしたので、電圧制御が振動する恐れはない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態：
次に、本発明に基づくバッテリ・シミュレータの出力電圧制御方法と電圧制御機能の第１の実施の形態を、バッテリ・シミュレータの負荷が電動機を負荷とするインバータである場合について図１を参照して詳細に説明する。
図１においては、従来の技術で説明した図３に示した符号の示す要素機能と同等の要素機能の符号は同一の符号を使用して詳細説明は省略する。
【００１７】
本実施の形態においては、電動機３１は、第１の回転結合機構となる回転結合機構３４の後ろにトルクセンサと回転速度センサを装着したセンサ軸３３を結合し、センサ軸３３の後に第２の回転結合機構３５を介して回転負荷である駆動機構３２を結合している。即ち、本実施の形態においては、従来技術で前述した電気自動車の駆動機構３２の入力回転軸の伝達トルクと回転速度を計測するようにしたものであって、このインバータ負荷を符号３０で示している。
【００１８】
図１において、本発明に基づくバッテリ・シミュレータ１０の出力電圧は、出力電圧制御機能３によって制御されるチョッパ２によって決定される。
この出力電圧制御機能３は、入力する出力指令信号Ｓ２とバッテリ・シミュレータ出力電圧値を示す出力電圧信号Ｓ３を比較・追従させる機能を備えていて、出力指令信号Ｓ２に対して誤差のない電圧を出力するようにバッテリ・シミュレータ１０を制御する。
【００１９】
シミュレート対象バッテリの各種データと負荷３０の特性は予め設定記録機能７に記録され、設定記録機能７から出力する対応バッテリの無負荷端子電圧値を示す指令電圧信号Ｓ１と、詳細を後述する負荷電流とバッテリの内部抵抗によって降下する電圧値を示す降下電圧信号Ｓ４との偏差電圧値を示す前述した出力指令信号Ｓ２を減算機能４で得ている。
【００２０】
前述した負荷３０の吸収動力を示すトルク計測値を示すトルク信号Ｓ５と回転速度を示す回転速度信号Ｓ６は、バッテリ内部特性シミュレート機能６に入力している。また、前述した設定記録機能７に設定記録されたバッテリ内部特性と、負荷３０とインバータの効率を総合した負荷３０の効率等、吸収電力と出力動力との関係を示す特性をバッテリ補正信号Ｓ７としてバッテリ内部特性シミュレート機能６に入力している。
上記の設定記録機能７に設定記録されたバッテリ内部特性には、そのバッテリ・シミュレータ１０の必要特性等に対応して、バッテリの劣化状況やバッテリの充電状況及び電解液温度、又は／及び電解液の比重等、バッテリの内部抵抗に影響する要素とその特性を記録し、このバッテリ・シミュレータ１０の使用時に必要条件を設定できるようにする。
また、バッテリ内部特性シミュレート機能６には、バッテリ・シミュレータ出力電圧値を示す出力電圧信号Ｓ３が入力している。
【００２１】
即ち、計測されたインバータの負荷である電動機の出力トルクをＴ、回転速度をＮ、負荷３０の吸収電力即ち、バッテリ・シミュレータ１０の出力をＰ、負荷の効率をρ、バッテリ・シミュレータ１０の設定電圧をＶ0、バッテリの内部抵抗によって生じる電圧降下をＶd、バッテリ・シミュレータ１０の出力電圧をＶ、バッテリ・シミュレータ１０の出力電流をＩとすると、下記の式が成立する。
Ｐ＝ＴＮ／ρ・・・・・・・（１）
Ｐ＝ＶＩ・・・・・・・・・（２）
Ｖ＝Ｖ0−Ｖd・・・・・・・（３）
上記（１）式と（２）式から
Ｉ＝ＴＮ／Ｖρ・・・・・（４）
従って、バッテリ内部特性シミュレート機能６においては、先ず上記（４）式に基づいてバッテリ・シミュレータ１０の出力電流値Ｉを算出した後、従来の技術で説明したのと同様、この算出電流値と設定記録機能７に設定記録されたバッテリ内部特性によってバッテリの内部抵抗に基づく降下電圧値Ｖdを算出する。
【００２２】
従って、この降下電圧値Ｖdを示すバッテリ降下電圧信号Ｓ４と、バッテリの設定電圧値となる無負荷端子電圧値Ｖ0を示す指令電圧信号Ｓ１とから減算機能４で（３）式に示した演算を行い、出力指令信号Ｓ２を得て、出力電圧制御機能３に入力している。
従って、バッテリ・シミュレータ１０からは、対応バッテリが電流Ｉを出力するときの内部抵抗に基づく電圧降下分だけ減少した電圧が負荷に出力される。
【００２３】
上述の計算において、正確な内部抵抗に基づく電圧降下値が算出される前の計算に用いられるバッテリ・シミュレータの出力電圧は、計算後の出力電圧に対して若干の偏差を有するが、バッテリ・シミュレータの応答特性等に対応して速やかに修正される。
この修正特性に対応して、当初計算に用いる出力電圧値Ｖの代わりに、設定電圧値Ｖ0を使用するようにしても良い。
また、収斂を早くするために、予め対応バッテリの記録した特性から、概算出力電圧値を求めて演算に使用するようにしても良い。
【００２４】
第２の実施の形態：
次に、第２の実施の形態を図２を参照して説明する。
第２の実施の形態は第１の実施の形態が、回転負荷のトルクと回転速度からバッテリ・シミュレータ１０の出力電流値を算出したのに対して、図２から明らかなようにインバータの出力電圧を電圧信号Ｓ１５として、変流器２４によって検出した電流を電流信号Ｓ１６として検出してインバータの入力電流を算出するものである。
従って、第１の実施の形態における負荷３０には、負荷トルクと回転速度を検出するセンサ軸３３を設けたのに対して、インバータ２０の出力の電圧検出器と電流検出用の変流器２４を接続した負荷３０Ｅに置換されている。
従って、また、第１の実施の形態においては設定記録機能７に対象バッテリの各種データと負荷３０の特性を記録したのに対して、第２の実施の形態では設定記録機能８に対象バッテリの各種データとインバータ２０の特性を記録するようにしたものである。
【００２５】
従って、第１の実施の形態における設定記録機能７に設定記録された対象バッテリの各種データと負荷３０の特性をバッテリ補正信号Ｓ７として入力し、負荷のトルクと回転速度等から負荷電流とバッテリの内部抵抗によって降下する電圧値を示すバッテリ降下電圧信号Ｓ４を得るバッテリ内部特性シミュレート機能６に代えて、第２の実施の形態においては、設定記録機能８からバッテリ内部特性シミュレート機能１６に対象バッテリの各種データとインバータ２０の特性をバッテリ補正信号Ｓ８として入力し、インバータ出力電圧を示す電圧信号Ｓ１５とインバータ出力電流を示す電流信号Ｓ１６を入力して負荷電流とバッテリの内部抵抗によって降下する電圧値を示すバッテリ降下電圧信号Ｓ４を得るようなバッテリシュミレータ１０Ｅを構成している。
即ち、第２の実施の形態においては、前述した（１）式に代えて、
Ｐ＝３ＶaＩaＣＯＳθ・・・・・（５）
と  前記（２）式のＰ＝ＶＩからインバータ入力電流Ｉを得ている。
なお、Ｖaはインバータ出力相電圧の実効値、Ｉaはインバータ出力電流の実効値、θはインバータ出力電圧と電流の位相差を示している。
その他の働きは第１の実施の形態と同一なので説明は省略する。
【００２６】
上述の説明はバッテリ・シミュレータの負荷として、電気自動車のようなインバータに電動機と駆動機能を接続した場合について説明したが、その他の負荷条件に対しても類似同様の手段を適用させれば良い。
即ち、バッテリ・シミュレータの負荷装置の計測容易な出力値を検出し、この負荷装置の特性条件と前記出力値からこのバッテリ・シミュレータの出力電流相当値を算出し、この算出値によってバッテリの出力電流に伴う内部電圧降下値を算出するようにすれば良い。
また、バッテリ・シミュレータの機能とその制御装置に対応させて、上記の機能を具体的に形成させれば良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に基づくバッテリ・シミュレータの出力電圧制御方法及び電圧制御機能は、上記のような方法にし、また構成したので、次に示すような優れた効果を有する。
（１）本発明に基づく電圧制御方法を適用した直流電源装置（バッテリ・シミュレータ）の純粋な負荷電力が安定に検出でき、正しい出力電流が算出できるので、電圧制御が振動する恐れはない安定な出力電圧が得られる。
（２）本発明に基づく電圧制御機能を適用した出力電圧制御装置（バッテリ・シミュレータ）は、上記のように構成したので、負荷電流が安定に検出でき、電圧制御が振動する恐れはない。
（３）本発明に基づく電圧制御機能を適用した直流電源装置（バッテリ・シミュレータ）の負荷が電動機を負荷とするインバータの場合は、その特質を利用して負荷状態を検出するようにしたので、上記効果が確実に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく電圧制御方法を適用した直流電源装置（バッテリ・シミュレータ）に負荷装置を結合した第１の実施の形態を説明する概要ブロック図である。
【図２】本発明に基づく電圧制御方法を適用した直流電源装置（バッテリ・シミュレータ）に負荷装置を結合した第２の実施の形態を説明する概要ブロック図である。
【図３】直流電源装置（バッテリ・シミュレータ）に負荷装置を結合した従来のシステムを説明する概要ブロック図である。
【符号の説明】
１：コンバータ
２：チョッパ
３：出力電圧制御機能
４：減算機能
６：バッテリ内部特性シミュレート機能
７：設定記録機能
１０、１０Ｅ：直流電源装置（バッテリ・シミュレータ）
２０：インバータ
３０：インバータ負荷
３１：電動機
３２：駆動機構（回転負荷）
３３：センサ軸
Ｓ１：指令電圧信号
Ｓ２：出力指令信号
Ｓ３：出力電圧信号（直流電源装置出力）
Ｓ４：バッテリ降下電圧信号
Ｓ５：トルク信号
Ｓ６：回転速度信号
Ｓ７、Ｓ８：バッテリ補正信号
【図１】
0003582318.tif 000002
【図２】
0003582318.tif 000003
【図３】
0003582318.tif 000004