(57)【要約】【課題】二次電池の特性評価を行う際に、二次電池を効率的に充放電することが可能な電力負荷装置を提供すること。【解決手段】電力負荷装置１は、交流発電電動機１１、フライホイール１３、コンバータ／インバータ部１７、充電回路１９、切替スイッチ２１，２３等を含む。二次電池３からの直流電力がコンバータ／インバータ部１７にて交流電力に変換されて交流発電電動機１１に供給され、当該交流発電電動機１１が電動機として動作して、二次電池３の電気エネルギーがフライホイール１３の回転運動エネルギーに変換されることにより二次電池３が放電される。また、交流発電電動機１１からの交流電力がコンバータ／インバータ部１７にて直流電力に変換されて充電回路１９を介して二次電池３に供給され、交流発電電動機１１が発電機として動作して、フライホイール１３の回転運動エネルギーが電気エネルギーに変換されることにより二次電池３が充電される。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池が接続可能であり、接続された前記二次電池を充放電する電力負荷装置であって、
交流発電電動機と、
前記交流発電電動機の回転軸に連結されるフライホイールと、
前記交流発電電動機を電動機として動作させる際には前記二次電池からの直流電力を交流電力に変換して前記交流発電電動機に供給し、前記交流発電電動機を発電機として動作させる際には前記交流発電電動機からの交流電力を直流電力に変換して前記二次電池に供給する電力供給制御手段と、を有し、
前記交流発電電動機を電動機として動作させて、前記二次電池の電気エネルギーを前記フライホイールの回転運動エネルギーに変換することにより前記二次電池を放電し、前記交流発電電動機を発電機として動作させて、前記フライホイールの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより前記二次電池を充電することを特徴とする電力負荷装置。
【請求項２】
前記電力供給制御手段は、外部交流電源に接続可能であり、前記外部交流電源からの交流電力を直流電力に変換して前記二次電池に供給し、前記二次電池を充電することを特徴とする請求項１に記載の電力負荷装置。
【請求項３】
前記電力供給制御手段は、前記フライホイールの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより前記二次電池を充電する際に、前記二次電池が満充電状態に達しない場合、前記外部交流電源からの交流電力を直流電力に変換して前記二次電池に供給し、前記二次電池を満充電状態とすることを特徴とする請求項２に記載の電力負荷装置。
【請求項４】
前記電力供給制御手段は、外部交流電源に接続可能であり、前記フライホイールが所定の回転速度に達するまでは、前記外部交流電源からの交流電力を前記交流発電電動機に供給し、前記フライホイールが前記所定の回転速度に達すると、前記二次電池からの直流電力を交流電力に変換して前記交流発電電動機に供給することを特徴とする請求項１に記載の電力負荷装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接続された二次電池を充放電するための電力負荷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、二次電池容量は、評価対象の二次電池にモータ（電動機）を接続し、二次電池からの電力によりモータを回転させ、このモータの回転軸に対して機械的摩擦負荷を加えることにより、二次電池内に蓄積された電気エネルギーを熱エネルギーに変換することで消費させることで測定（試験・評価）している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の二次電池容量の測定では、二次電池内に蓄積された電気エネルギーを熱エネルギーに変換することで消費させているので、変換された熱エネルギーは無駄に捨てられることとなる。また、二次電池の寿命特性を測定する場合には、二次電池の充放電を何百回と繰り返して行う必要があり、充電に必要とされる電力も必然的に大きくなってしまう。
【０００４】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、二次電池の特性評価を行う際に、二次電池を効率的に充放電することが可能な電力負荷装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力負荷装置は、二次電池が接続可能であり、接続された二次電池を充放電する電力負荷装置であって、交流発電電動機と、交流発電電動機の回転軸に連結されるフライホイールと、交流発電電動機を電動機として動作させる際には二次電池からの直流電力を交流電力に変換して交流発電電動機に供給し、交流発電電動機を発電機として動作させる際には交流発電電動機からの交流電力を直流電力に変換して二次電池に供給する電力供給制御手段と、を有し、交流発電電動機を電動機として動作させて、二次電池の電気エネルギーをフライホイールの回転運動エネルギーに変換することにより二次電池を放電し、交流発電電動機を発電機として動作させて、フライホイールの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより二次電池を充電することを特徴としている。
【０００６】
本発明に係る電力負荷装置では、電力供給制御手段により、二次電池からの直流電力が交流電力に変換されて交流発電電動機に供給され、当該交流発電電動機が電動機として動作して、二次電池の電気エネルギーがフライホイールの回転運動エネルギーに変換されることにより二次電池が放電されることとなる。また、電力供給制御手段により、交流発電電動機が発電機として動作して、フライホイールの回転運動エネルギーが電気エネルギーに変換され、この交流発電電動機からの交流電力が直流電力に変換されて二次電池に供給されて、二次電池が充電されることとなる。このように、本発明においては、二次電池の放電時に捨てられていたエネルギーを回生して、二次電池を充電することが可能となり、二次電池の特性評価を行う際に、二次電池を効率的に充放電することができると共に、装置の大幅な省電力化が可能となる。
【０００７】
また、電力供給制御手段は、外部交流電源に接続可能であり、外部交流電源からの交流電力を直流電力に変換して二次電池に供給し、二次電池を充電することが好ましい。このように構成した場合、二次電池の初期充電を行うことができる。
【０００８】
また、電力供給制御手段は、フライホイールの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより二次電池を充電する際に、二次電池が満充電状態に達しない場合、外部交流電源からの交流電力を直流電力に変換して二次電池に供給し、二次電池を満充電状態とすることが好ましい。このように構成した場合、二次電池を確実に満充電状態とすることができる。
【０００９】
また、電力供給制御手段は、外部交流電源に接続可能であり、フライホイールが所定の回転速度に達するまでは、外部交流電源からの交流電力を交流発電電動機に供給し、フライホイールが所定の回転速度に達すると、二次電池からの直流電力を交流電力に変換して交流発電電動機に供給することが好ましい。フライホイールが低回転速度の状態では、高回転速度の状態と比較して、交流発電電動機に所定電力を供給した場合の所定時間当たりの回転速度変化は極めて大きくなり、交流発電電動機の回転軸やフライホイール等の回転系への負担が大きくなってしまい、放電時の電力制御が困難となる。このため、フライホイールが所定の回転速度に達するまでは、外部交流電源からの交流電力を交流発電電動機に供給し、フライホイールが所定の回転速度に達すると、二次電池からの直流電力を交流電力に変換して交流発電電動機に供給することにより、放電時の電力制御を適切に行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る電力負荷装置について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る電力負荷装置の構成を説明するためのブロック図である。電力負荷装置１は、二次電池３が接続可能であり、接続された二次電池３を充放電するものであり、図１に示されるように、交流発電電動機１１、フライホイール１３、コンバータ部１５、コンバータ／インバータ部１７、充電回路１９、切替スイッチ２１，２３、制御部２５等を有している。
【００１２】
交流発電電動機１１は、モータ（電動機）及びジェネレータ（発電機）として機能するものであり、例えば三相交流発電電動機を用いることができる。
【００１３】
フライホイール１３は、交流発電電動機１１の回転軸に連結されており、交流発電電動機１１が電動機として機能する場合には、交流発電電動機１１から駆動力が与えられることにより回転する。一方、交流発電電動機１１が発電機として機能する場合には、フライホイール１３は、交流発電電動機１１の回転軸に駆動力を与える。
【００１４】
コンバータ部１５は、交流電源接続部２７に接続された外部交流電源（商用電源）５からの交流電力を直流電力に変換する。
【００１５】
コンバータ／インバータ部１７は、交流発電電動機１１を電動機として動作させる際には、二次電池接続部２９に接続された二次電池３及びコンバータ部１５からの直流電力を交流電力に変換する。一方、コンバータ／インバータ部１７は、交流発電電動機１１を発電機として動作させる際には、交流発電電動機１１からの交流電力を直流電力に変換する。
【００１６】
充電回路１９は、二次電池接続部２９に接続された二次電池３を充電するためのものである。二次電池３を充電するための直流電力は、コンバータ部１５あるいはコンバータ／インバータ部１７から充電回路１９に供給されることとなる。
【００１７】
切替スイッチ２１，２３は、二次電池接続部２９とコンバータ部１５とを充電回路１９を介して接続する状態と、二次電池接続部２９とコンバータ／インバータ部１７とを電源ライン３１を介して接続する状態と、二次電池接続部２９とコンバータ／インバータ部１７とを充電回路１９を介して接続する状態との３つの状態を切り替えるものである。これらの状態は、制御部２５からの出力信号に基づいて切り替えられる。また、切替スイッチ２１は、コンバータ部１５とコンバータ／インバータ部１７とを接続する状態にも切り替えられる。
【００１８】
二次電池接続部２９と切替スイッチ２３との間には、二次電池３の放電電力を検出するための電力センサ３３が接続されている。この電力センサ３３の出力は、制御部２５に接続されている。
【００１９】
制御部２５は、予め設定された制御プログラムに従って各種演算処理を実行するＣＰＵ３５、制御プログラムや制御データ等を予め格納するＲＯＭ３７、各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ３９等を有している。制御プログラムには、コンバータ／インバータ部１７の制御プログラム、切替スイッチ２１，２３の制御プログラム、二次電池容量の算出プログラム等が含まれている。また、制御部２５は、二次電池容量を算出するために用いる時計４１を有している。そして、制御部２５には、算出した二次電池容量等を表示するための表示部４３や使用者が電力負荷装置１の操作を行うための操作部４５等が接続されている。なお、本実施形態においては、コンバータ部１５、コンバータ／インバータ部１７、充電回路１９、制御部２５及び切替スイッチ２１，２３が、各請求項における電力供給制御手段を構成する。
【００２０】
二次電池容量の算出は、下記（１）式に基づいて行われる。
二次電池容量＝放電電力×放電時間　　　　　　　　…　　（１）
ここで、放電電力は、電力センサ３３の出力から得られ、放電時間は、時計４１での計測結果から得られることとなる。
【００２１】
続いて、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して、電力負荷装置１の動作について説明する。図２（ａ）は、二次電池に蓄積される電気エネルギーの時間変化を示す線図であり、図２（ｂ）は、フライホイールに蓄積される回転運動エネルギーの時間変化を示す線図であり、図２（ｃ）は、交流電源接続部における電気エネルギー、すなわち外部交流電源から供給される電気エネルギーの時間変化を示す線図である。
【００２２】
まず、二次電池３を初期充電する。制御部２５は、コンバータ部１５と充電回路１９とを接続するように切替スイッチ２１を切り替え、充電回路１９と二次電池接続部２９とを接続するように切替スイッチ２３を切り替える。これにより、切替スイッチ２１，２３は、二次電池接続部２９とコンバータ部１５とを充電回路１９を介して接続する状態となり、外部交流電源５からの交流電力がコンバータ部１５により直流電力に変換され、変換された直流電力が切替スイッチ２１，２３を介して充電回路１９に供給され、二次電池３が充電されることとなる（図２（ａ）〜（ｃ）における、期間Ｔ１）。二次電池３が満充電状態となると、制御部２５は、本装置１と二次電池３とを切り離すように切替スイッチ２１，２３を切り替える。
【００２３】
次に、制御部２５は、コンバータ部１５とコンバータ／インバータ部１７とを接続するように切替スイッチ２１を切り替える。これにより、外部交流電源５からの交流電力がコンバータ部１５により直流電力に変換され、変換された直流電力が切替スイッチ２１を介してコンバータ／インバータ部１７に供給される。そして、コンバータ／インバータ部１７は、供給された直流電力を交流電力に変換するとともに、交流発電電動機１１を電動機として動作させ、フライホイール１３が所定の回転速度（試験開始可能回転速度）に達するように当該交流発電電動機１１の回転を制御する（図２（ａ）〜（ｃ）における、期間Ｔ２）。
【００２４】
フライホイール１３が上記試験開始可能回転速度に達すると、制御部２５は、コンバータ／インバータ部１７と電源ライン３１とを接続するように切替スイッチ２１を切り替え、電源ライン３１と二次電池接続部２９とを接続するように切替スイッチ２３を切り替える。これにより、切替スイッチ２１，２３は、二次電池接続部２９とコンバータ／インバータ部１７とを電源ライン３１を介して接続する状態となり、二次電池３からの直流電力が切替スイッチ２１，２３及び電源ライン３１を介してコンバータ／インバータ部１７に供給される。そして、制御部２５は、電力センサ３３の出力に基づいて、二次電池３からの放電電力が所定の電力値となるようにコンバータ／インバータ部１７を制御して、交流発電電動機１１の回転速度を制御する。このとき、交流発電電動機１１は、電動機として動作し続け、フライホイール１３に回転運動エネルギーが蓄積されていく（図２（ａ）〜（ｃ）における、期間Ｔ３）。なお、上記所定の電力値は、一定の電力値だけでなく、パルス、不規則（非周期的、不定負荷量）等の制御パターンによるものとしてもよい。
【００２５】
ここで、フライホイール１３に蓄積される回転運動エネルギー及び回転運動エネルギーの蓄積に伴う放電電力量について、具体的に説明する。
【００２６】
フライホイール１３に蓄積される回転運動エネルギー（Ｅ）は、
Ｅ＝（１／２）＊Ｉ＊ω２　　　　　　　　　　　　…　　（２）
＝（１／２）＊Ｉ＊（２＊π＊Ｎ／６０）２　　　…　　（３）
Ｉ：慣性モーメント［ｋｇ・ｍ２］
ω：角速度［ｒａｄ／ｓ］
Ｎ：回転速度［ｒｐｍ］
で表され、図３に示されるような特性を示す。
【００２７】
例えば、慣性モーメントＩ＝１００ｋｇ・ｍ２の回転体（フライホイール１３）を５０００ｒｐｍから１００００ｒｐｍの範囲で回転運動エネルギーを貯蔵する場合を考えると、上記（３）式より、回転速度を５０００ｒｐｍから１００００ｒｐｍに高く回転運動エネルギーの貯蔵量は、１５．２ｋＷｈ（５４．８ＭＪ）−３．８ｋＷｈ（１３．７ＭＪ）＝１１．４ｋＷｈ（４１．１ＭＪ）となる。
【００２８】
一方、電力（Ｐ）は、下記（４）式で示されるように、単位時間（ｔ）あたりのエネルギー量の変化量であることから、フライホイール１３の回転速度の変化により放電電力量を調整する。
Ｐ＝ｄＥ／ｄｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　…　　（４）
【００２９】
例えば、上記５０００ｒｐｍから１秒後に５００１ｒｐｍに変化させると、放電電力量は５．４８ｋＷとなる。また、上記５０００ｒｐｍから１秒後に５００２ｒｐｍに変化させると、放電電力量は１０．９６ｋＷとなる。また、９９９９ｒｐｍから１秒後に上記１００００ｒｐｍに変化させると、放電電力量は１０．９６ｋＷとなる。
【００３０】
なお、上述したように、一定の電力値を加算して供給し続けた場合、フライホイール１３の回転速度の変化は、図４に示される特性を示すこととなる。
【００３１】
二次電池３の使用最低電圧に到達すると、制御部２５は、本装置１と二次電池３とを切り離すように切替スイッチ２１，２３を切り替える（図２（ａ）〜（ｃ）における、期間Ｔ４）。また、制御部２５は、切替スイッチ２１，２３を切り替えて二次電池３が放電を開始してから使用最低電圧に到達するまでの時間（放電時間）を時計４１にて計測し、上記（１）式に基づいて、二次電池容量を算出し、算出結果を表示部４１に表示する。
【００３２】
次に、制御部２５は、コンバータ／インバータ部１７と充電回路１９とを接続するように切替スイッチ２１を切り替え、充電回路１９と二次電池接続部２９とを接続するように切替スイッチ２３を切り替える。これにより、切替スイッチ２１，２３は、二次電池接続部２９とコンバータ／インバータ部１７とを充電回路１９を介して接続する状態となり、コンバータ／インバータ部１７からの直流電力が切替スイッチ２１，２３を介して充電回路１９に供給され、二次電池３が充電されることとなる（図２（ａ）〜（ｃ）における、期間Ｔ５）。このとき、交流発電電動機１１は、発電機として動作して、フライホイール１３に蓄積された回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、変換した電気エネルギーを交流電力としてコンバータ／インバータ部１７に供給する。また、制御部２５は、電力センサ３３の出力に基づいて、二次電池３の充電に必要な電力値が得られるようにコンバータ／インバータ部１７を制御する。
【００３３】
なお、二次電池３からの充放電の回路及び二次電池３の特性により、二次電池３とフライホイール１３との間で効率１００％でのエネルギー交換は不可能である。そのため、本実施形態においては、フライホイール１３の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより二次電池３を充電する際に、二次電池３が満充電状態に達しない場合、外部交流電源５からの交流電力を直流電力に変換して二次電池３に供給し、二次電池３を満充電状態としている（図２（ａ）〜（ｃ）における、期間Ｔ６）。このとき、制御部２５は、期間Ｔ１と同様に、コンバータ部１５と充電回路１９とを接続するように切替スイッチ２１を切り替え、充電回路１９と二次電池接続部２９とを接続するように切替スイッチ２３を切り替えて、切替スイッチ２１，２３を、二次電池接続部２９とコンバータ部１５とを充電回路１９を介して接続する状態とする。二次電池３が満充電状態となると、制御部２５は、本装置１と二次電池３とを切り離すように切替スイッチ２１，２３を切り替える（図２（ａ）〜（ｃ）における、期間Ｔ７）。
【００３４】
そして、制御部２５は、二次電池３を放電させるために、期間Ｔ３と同様に、コンバータ／インバータ部１７と電源ライン３１とを接続するように切替スイッチ２１を切り替えると共に、電源ライン３１と二次電池接続部２９とを接続するように切替スイッチ２３を切り替え、二次電池３からの直流電力を切替スイッチ２１，２３及び電源ライン３１を介してコンバータ／インバータ部１７に供給する。また、制御部２５は、同様に、電力センサ３３の出力に基づいて、二次電池３からの放電電力が所定の電力値となるようにコンバータ／インバータ部１７を制御して、交流発電電動機１１の回転速度を制御し、フライホイール１３に回転運動エネルギーを蓄積していく（図２（ａ）〜（ｃ）における、期間Ｔ８）。以下、上述したように、充電、放電を繰り返して行い、二次電池３の特性測定試験を終える。
【００３５】
以上のように、本実施形態の電力負荷装置１では、二次電池３からの直流電力が交流電力に変換されて交流発電電動機１１に供給され、当該交流発電電動機１１が電動機として動作して、二次電池３の電気エネルギーがフライホイール１３の回転運動エネルギーに変換されることにより二次電池３が放電されることとなる。また、交流発電電動機１１が発電機として動作して、フライホイール１３の回転運動エネルギーが電気エネルギーに変換され、交流発電電動機１１からの交流電力がコンバータ／インバータ部１７にて直流電力に変換されて二次電池３に供給されることにより、二次電池３が充電されることとなる。このように、本実施形態においては、二次電池３の放電時に捨てられていたエネルギーを回生して、二次電池３を充電することが可能となり、二次電池３の特性評価を行う際に、二次電池３を効率的に充放電することができると共に、装置の大幅な省電力化が可能となる。
【００３６】
また、本実施形態の電力負荷装置１においては、外部交流電源５に接続可能であり、外部交流電源５からの交流電力を直流電力に変換して二次電池３に供給し、二次電池３を充電している。これにより、二次電池３の初期充電を行うことができる。
【００３７】
また、本実施形態の電力負荷装置１においては、フライホイール１３の回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより二次電池３を充電する際に、二次電池３が満充電状態に達しない場合、外部交流電源５からの交流電力を直流電力に変換して二次電池３に供給し、二次電池３を満充電状態としている。これにより、二次電池３を確実に満充電状態とすることができる。
【００３８】
また、本実施形態の電力負荷装置１においては、外部交流電源５に接続可能であり、フライホイール１３が所定の回転速度（試験開始可能回転速度）に達するまでは、外部交流電源５からの交流電力を交流発電電動機１１に供給し、フライホイール１３が試験開始可能回転速度に達すると、二次電池３からの直流電力を交流電力に変換して交流発電電動機１１に供給している。フライホイール１３が低回転速度の状態では、高回転速度の状態と比較して、交流発電電動機１１に所定電力を供給した場合の所定時間当たりの回転速度変化は極めて大きくなり、交流発電電動機１１の回転軸やフライホイール１３等の回転系への負担が大きくなってしまい、放電時の電力制御が困難となる。このため、フライホイール１３が試験開始可能回転速度に達するまでは、外部交流電源５からの交流電力を交流発電電動機１１に供給し、フライホイール１３が試験開始可能回転速度に達すると、二次電池３からの直流電力を交流電力に変換して交流発電電動機１１に供給することにより、放電時の電力制御を適切に行うことができる。
【００３９】
なお、本実施形態の電力負荷装置１は、大容量の二次電池３の性能評価を行うための電力負荷装置１に適している。フライホイール１３で回転運動エネルギーとしてエネルギーを蓄積する代わりに、二次電池を用いて電気エネルギーとして蓄積することも考えられる。しかしながら、二次電池を用いて電気エネルギーとして蓄積する場合、充電には様々な制約があり、負荷装置におけるエネルギー蓄積の用途には向いていない。また、二次電池では化学変化を利用しているため、空調設備による温度管理等が必要となり、充放電特性にも経時変化が生じてしまうといった問題点を含んでしまう。
【００４０】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。本実施形態においては、コンバータ部１５及び交流電源接続部２７を設け、外部交流電源５を用いて二次電池３を充電及び交流発電電動機１１を駆動するようにしているが、これらを設けなくてもよい。また、コンバータ／インバータ部１７は、上述した電力値制御するものに限られることなく、電流値制御あるいは抵抗値制御するものであってもよい。また、コンバータ／インバータ部１７は、充電回路１９の機能を含むように構成してもよい。この場合には、充電回路１９を省略することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、二次電池の特性評価を行う際に、二次電池を効率的に充放電することが可能な電力負荷装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る電力負荷装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図２】（ａ）は、二次電池に蓄積される電気エネルギーの時間変化を示す線図であり、（ｂ）は、フライホイールに蓄積される回転運動エネルギーの時間変化を示す線図であり、（ｃ）は、交流電源接続部における電気エネルギーの時間変化を示す線図である。
【図３】フライホイールの回転速度に対する当該フライホイールに蓄積される回転運動エネルギーの関係を示す線図である。
【図４】フライホイールの回転速度の時間変化を示す線図である。
【符号の説明】
１…電力負荷装置、３…二次電池、５…外部交流電源、１１…交流発電電動機、１３…フライホイール、１５…コンバータ部、１７…コンバータ／インバータ部、１９…充電回路、２１，２３…切替スイッチ、２５…制御部、２７…交流電源接続部、２９…二次電池接続部、３１…電源ライン、３３…電力センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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