(57)【要約】【課題】被試験体の電圧がゼロ近傍においても高精度定電流で放電でき，必要に応じて逆極充電できる。【解決手段】直流電源の正，負端子間に小電流用と，大電流用のスイッチングアームを並列に設け，該アームを構成するスイッチング素子の直列接続点にリアクトルを介して被試験体の一端を接続し，他端を電圧蓄積回路の一端に接続する。該電圧蓄積回路の他端を直流電源の負の端子に接続する。バイアス安定化スイッチング素子のオン，オフによって該電圧蓄積回路の端子間電圧を一定に保持してゼロ電圧被試験体を通電する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各ダイオードが逆並列接続された第１と第２の半導体スイッチング素子の直列接続体である第１スイッチングアームと，各ダイオードが逆並列接続された第３と第４の半導体スイッチング素子の直列接続体である第２スイッチングアームと，出力端に平滑コンデンサが接続された直流電源とが並列接続されており，第１と第２の半導体スイッチング素子の接続点である第１中点と，第３と第４の半導体スイッチング素子の接続点である第２中点との間に各リアクトルを介して接続される被試験体を有する充放電試験装置において，第１および第２の半導体スイッチング素子を休止期間を挟んで交互導通させる制御信号を生成し，該素子によって被試験体の充電及び放電電流を制御する第１制御回路を，第１スイッチングアームの各素子に接続して充放電手段を形成し，第１制御回路は，定電流検出器または定電圧検出器からの検出値を設定値と比較し誤差増幅した信号を加えて充電電圧制御または充電電流制御または放電電流制御をさせる制御信号を生成し第１，第２の半導体スイッチング素子の制御電極に接続されていて，コンデンサと抵抗器の直列接続体で構成されたバイアス電圧蓄積回路と，第３，４の半導体スイッチング素子の制御電極に休止期間を挟んで交互に導通させる制御信号を生成し供給する第２制御回路と，第３，４の半導体スイッチング素子とでバイアス電圧安定化手段を形成し，被試験体の電圧が０ボルト以下でも被試験体の放電を可能にしたことを特徴とした充放電試験装置。
【請求項２】
各ダイオードが逆並列接続された第１と第２の半導体スイッチング素子の直列接続体である第１スイッチングアームと，各ダイオードが逆並列接続された第３と第４の半導体スイッチング素子の直列接続体である第２スイッチングアームと，出力端に平滑コンデンサが接続された直流電源とが並列接続され、第１と第２の半導体スイッチング素子の接続点である第１中点と，第３と第４の半導体スイッチング素子の接続点である第２中点との間に各リアクトルを介して接続される被試験体を有する充放電試験装置において，第１と第４の半導体スイッチング素子をオフ，第３の半導体スイッチング素子をオン，第２の半導体スイッチング素子をパルス幅制御または導電度制御させる制御信号を生成し，該素子によって逆極性充電電流を制御する第４制御回路を、第１制御回路と第２制御回路を介して各スイッチングアームの各素子の制御電極に接続して逆充電手段を形成し，劣化被試験体の容量回復充電を可能にしたことを特徴とした充放電試験装置。
【請求項３】
各ダイオードが逆並列接続された第５，第６の半導体スイッチング素子の直列接続点を第３中点として接続された第３スイッチングアームを第１スイッチングアームに並列に接続し，第３中点と，第２中点との間に各リアクトルを介して被試験体を接続し，第３制御回路が接続された第３スイッチングアームと第１制御回路が接続された第１スイッチングアームに対し通電する電流範囲を分担させるように，第１，第３スイッチングアームの分担切替えを第１制御回路と第３制御回路に対して指令する切替指令回路を具備した請求項１および２記載の充放電試験装置。
【請求項４】
請求項３に記載した充放電試験装置において，第１，第５と第４の半導体スイッチング素子をオフ，第３の半導体スイッチング素子をオン，第２又は第６の半導体スイッチング素子をパルス幅制御または導電度制御させる制御信号を生成し，該素子によって逆極性充電電流を制御する第４制御回路を，各スイッチングアームの各素子の制御回路に接続して逆充電手段を形成し，劣化被試験体の容量回復充電を可能にしたことを特徴とした充放電試験装置。
【請求項５】
被試験体の端子間に，コンデンサと抵抗器の直列接続体であるフィルター回路を接続して，スイッチング直後の振動電流波形が被試験体の通電電流に発生しないようにした請求項１乃至４記載の充放電試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，一次電池，二次電池，電気二重層コンデンサ等の被試験体に電流を流して，充電特性や放電特性を試験するための充放電試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来このような装置としては，例えば特許文献１に示すようなものがあった。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１３４３２６号（段落番号０００１乃至００１４）
【０００４】
この特許文献１に示されている技術では，図５に示すように電子負荷装置３２は，被試験装置３４の両端に接続された端子３２ａ，３２ｂを有している。この端子間にバイアス電源３６，トランジスタ３８，抵抗器３１０が直列に接続されている。この抵抗器３１０の両端間の電圧が抵抗器３１２を介して演算増幅器３１４に供給されている。演算増幅器３１４には，被試験装置３４から流そうとする電流を表す設定値が制御回路３１６から供給されている。演算増幅器３１４は抵抗器３１０の両端間電圧が，設定値に対応した値になるようにトランジスタ３８の導通度を制御している。バイアス電源３６は被試験装置３４の電圧が低下したときにも，トランジスタ３８を導通可能として被試験装置３４の試験を可能とするためのものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記の電子負荷装置３２を，例えば大容量の電池である被試験装置３４に対して使用とする場合，主回路に挿入されている抵抗器３１０における消費電力が大きくなり，電子負荷装置３２が大型になる上に，熱による損失が大きくなっていた。そのため上記の電子負荷装置は，大容量の電池などの試験には不適切であった。また高周波成分が電源側に戻らない装置とする必要があった。
【０００６】
また，二次電池は使用状態が，浅い放電から継続し充電を繰り返して用いるようなサイクル使用の時，及び浮動充電状態の時も，電池の心臓部である活物質の一部が可逆反応し難い不活性状態となって蓄電可能な容量が萎んでくる。このような劣化したように見える電池の容量回復手法として０ボルト迄，完全放電した直後に電池の極性を逆に接続した状態で強制的に通電する逆充電と，通常充電を交互に実施する方法が効果を発揮することが既に知られている。この逆充電を指令して自動的に繰り返し充放電する機能を付加した装置を，大容量の電池などの試験体に使用する場合にも，小型で熱損失が少ない充放電試験装置として，大電流から小電流まで精度の高い電流値で制御出来るようにし，高周波成分が電源側に戻らない特性で提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の充放電試験装置は，各ダイオードが逆並列接続された第１と第２の半導体スイッチング素子の直列接続体である第１スイッチングアームと，各ダイオードが逆並列接続された第３と第４の半導体スイッチング素子の直列接続体である第２スイッチングアームと，出力端に平滑コンデンサが接続された直流電源とが並列接続され、第１と第２の半導体スイッチング素子の接続点である第１中点と，第３と第４の半導体スイッチング素子の接続点である第２中点との間に各リアクトルを介して接続される被試験体を有する充放電試験装置において，第１，第２の半導体スイッチング素子を，休止期間を挟んで交互導通させる制御信号を生成し，該素子の制御電極に供給することによって被試験体の充電及び放電電流を制御する第１制御回路を、第１スイッチングアームの各素子に接続して充放電制御手段を形成し，加えて，コンデンサと抵抗器が直列接続されたバイアス電圧蓄積回路と、第２スイッチングアームと，第２制御回路とによってバイアス電圧安定化手段を形成し，第１制御回路は，定電流検出器または定電圧検出器からの検出値を設定値と比較し誤差増幅した信号を加えて充電制御または放電制御をさせる制御信号を生成し第１，２の半導体スイッチング素子の制御電極に接続され，第２制御回路は前記バイアス電圧蓄積回路に接続された第２，３の半導体スイッチング素子の制御電極に休止期間を挟んで交互に導通させる制御信号を生成し供給することによって被試験体に加算する安定したバイアス電圧を生成するバイアス電圧安定化手段を具備することによって，０ボルト以下の被試験体の放電も可能にした充放電試験装置とした。
【０００８】
請求項２に関しては，各ダイオードが逆並列接続された第１と第２の半導体スイッチング素子の直列接続体である第１スイッチングアームと，各ダイオードが逆並列接続された第３と第４の半導体スイッチング素子の直列接続体である第２スイッチングアームと，出力端に平滑コンデンサが接続された直流電源とが並列接続され、第１と第２の半導体スイッチング素子の接続点である第１中点と，第３と第４の半導体スイッチング素子の接続点である第２中点との間に各リアクトルを介して接続される被試験体を有する充放電試験装置において，第１と第４の半導体スイッチング素子をオフ，第３の半導体スイッチング素子をオン，第２の半導体スイッチング素子をパルス幅制御または導電度制御させ，該素子によって逆極性充電電流を制御する第４制御回路を、各スイッチングアームの各素子に接続された第１制御回路と第２制御回路とに接続して逆充電手段を形成し，劣化被試験体の容量回復充電を可能にした。
【０００９】
請求項３に関しては，第５，６の半導体スイッチング素子の直列接続体で形成された  第３スイッチングアームを第１スイッチングアームに並列に接続し，第３の制御手段によって第１スイッチングアームに定格電流１００％から１０％を分担，第３スイッチングアームに対し１０％から０％を分担通電制御するように分担切替えを指令する切替指令回路を具備し，早い速度で第１，第３スイッチングアームの分担切替えを可能とし，各スイッチングアームに狭い電流範囲で分担させて精度の高い電流制御が可能な，充放電試験装置とした。
【００１０】
第１スイッチングアームと，第２スイッチングアームと，第３スイッチングアームと，出力端に平滑コンデンサが接続された直流電源とが並列接続され、第１と第２の半導体スイッチング素子の接続点である第１中点からリアクトルを介し，第５と第６の半導体スイッチング素子の接続点である第３中点から別のリアクトルを介し共に被試験体の一方の端子に接続し，被試験体の他方の端子には第３と第４の半導体スイッチング素子の接続点である第２中点からもう１つのリアクトルを介して接続された充放電試験装置において，第１，第５と第４の半導体スイッチング素子をオフ，第３の半導体スイッチング素子をオン，第２か第６の半導体スイッチング素子をパルス幅制御または導電度制御させる制御信号を生成し，これらの素子によって逆極性充電電流を制御する第４制御回路を、各スイッチングアームの各素子の制御回路に接続して逆充電手段を形成し，劣化被試験体の容量回復充電を精度の高い電流制御で可能にした。
【００１１】
請求項５に関しては，被試験体の端子間に，コンデンサと抵抗器の直列接続体であるフィルター回路を接続して，被試験体に好ましくないスイッチング直後の振動電流波形が，被試験体の通電電流に発生しないようにし，高周波電力成分が電源側に戻らない充放電試験装置とした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明による実施の形態を図１のブロック図および，図２の電流波形図に示して説明する。直流電源の一対の出力端１，２に接続された平滑コンデンサＣ３に並列に第１スイッチングアームＡ１，第２スイッチングアームＡ２が接続されている。第１と第２の半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２が直列に中点Ｐ１で接続されて第１スイッチングアームＡ１を形成している。第３と第４の半導体スイッチング素子Ｑ３とＱ４が直列に中点Ｐ２で接続されて第２スイッチングアームＡ２を形成している。上記各半導体スイッチング素子にはダイオードＤ１乃至Ｄ４が逆並列接続されている。中点Ｐ１と中点Ｐ２との間に電池などの被試験体２０がリアクトルＬ１，Ｌ２とを介して接続される。被試験体としては一次電池，二次電池の他に，電気二重層コンデンサ，燃料電池などエネルギー蓄積手段やエネルギー発生手段が接続される。被試験体の中には充電を禁止されているものもあるが，全て放電して性能を試験する為のものである。
【００１３】
半導体スイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ４には，その制御電極に供給される信号の有無によって導通路（エミッタ・コレクタ間など）がオン，オフとなるものの他に導伝度が変化するものも含まれる。半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の制御電極に対して第１制御回路１１が接続され，半導体スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の制御電極に対して第２制御回路１２が接続されていて，半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２が同時にオンとならないように制御信号が交互に供給される。半導体スイッチング素子Ｑ３とＱ４についても同様，休止期間を挟んで交互にオンとなる信号が供給される。
【００１４】
第１制御回路１１と半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびリアクトルＬ１とによって充放電制御手段が形成される。  被試験体２０に直列接続されているコンデンサＣ２と抵抗器Ｒ２の接続体で形成された電圧蓄積回路２２と，第２制御回路１２，半導体スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４およびリアクトルＬ２とバイアス電圧検出手段１４によってバイアス電圧安定化手段が形成される。
【００１５】
バイアス電圧安定化手段の動作原理は，コンデンサＣ２に対して抵抗器Ｒ２を介して充電電流パルスと放電電流パルスが交互に繰返し通電されたときコンデンサＣ２の端子間に微視的に見て鋸歯波の電圧が現れる。コンデンサ容量が大きくなれば鋸歯波が高さの低い，言い換えればリップル電圧の小さい直流となる。抵抗器Ｒ２はリップル電流を抑える働きをする。半導体スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のオン，オフのパルス幅は，バイアス電圧検出手段１４によって得た検出電圧と基準電圧との誤差電圧をゼロにするように第２制御回路１２が制御信号を半導体スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４に供給する。このように第２スイッチングアームが直流電源の出力端１，２に接続された平滑コンデンサＣ３の直流電圧をパルスに変換して所望の安定した電圧としてコンデンサＣ２の端子間蓄積するので図５の，従来のようなバイアス用の別の電源を必要としない利点がある。リアクトルＬ２の作用は，半導体スイッチング素子Ｑ４がオンからオフになった瞬間，この蓄積エネルギーがダイオードＤ３を経て平滑コンデンサＣ３を充電する。このようにして平滑コンデンサＣ２の放電エネルギーが電源側に回生され無駄な消費がない。
【００１６】
第１制御回路１１と電流検出手段１３及び第１スイッチングアームＡ１で構成される充放電制御手段について述べる。図１で，Ｖｏ１＞Ｖｏ２の時に被試験体２０を充電する。Ｖｏ１＜Ｖｏ２の時に被試験体２０が放電する。
図２に示すような充電電流波形Ｉｃと放電電流波形Ｉｄが被試験体に通電されるように充放電手段が形成されたが，半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング電流波形は，図４に示すようにスイッチング直後に高周波成分ｈｆが含まれていて，充電電流Ｉｃ，放電電流Ｉｄ共に，立ち上がりのｈｆの部分に振動波形が現れている。Ｔｃ１，Ｔｃ２は充電電流の通電時間，Ｔｄ１，Ｔｄ２は放電電流の通電時間を示す，それぞれの通電開始時に振動波形が現れているので，試験条件均一化の観点から被試験体の多くは振動波形の無い電流が要求されるので後述のフィルターによって吸収した。充電時間Ｔｃ１，Ｔｃ２は１０秒間，１時間など設定されたように指令装置（図示していない）からの信号によって操作される。次に充電制御について述べる。図１の第１スイッチングアームＡ１はスイッチング素子Ｑ１がオン，Ｑ２がオフの時リアクトルＬ１を介して被試験体２０を充電する。同時にＣ２も充電しようとしてＣ２端子電圧が上がるとスイッチング素子Ｑ４がオンして電圧を下げる方向に作用するのでバイアス電圧Ｖｂは一定に保たれる。スイッチング素子Ｑ１の制御は，電流検出手段１３で検出した電流値と基準値との誤差をゼロにする方向に第１制御回路がスイッチング素子Ｑ１に信号を与えて一定電流で充電するように制御する。ここでは電流制御の検出手段で図示されているが電圧検出手段を２０の端子間に接続して同様の回路で定電圧充電制御に指令によって切り替えられることも出来る。次に放電制御について述べる。Ｑ１がオフ，Ｑ２がオンで被試験体２０から放電電流がＬ１を経てＱ２，Ｃ２，Ｒ２，の回路に流れるが，Ｃ２の端子間電圧が低下するのでＱ３からＣ２を充電する。制御信号が第１制御回路からスイッチング素子Ｑ２に与えられて一定電流で放電するように制御する。Ｃ２から放電しようとしてＣ２端子電圧が低下するのでＱ３からＣ２を充電する電流が流れてバイアス電圧Ｖｂを一定にする。リアクトルＬ１に蓄えられたエネルギーはＱ２がオンからオフになる瞬間に放出されてダイオードＤ１を通じてコンデンサＣ３を充電し回生されるので無駄な消費がない。抵抗器Ｒ１とコンデンサＣ１の直列接続体は高周波成分を通過させるフィルターであってスイッチング開始時に発生する高周波成分が試験体２０に流れるのを防ぐ役割を担っている。
【００１７】
図３に，他の実施の形態についてブロック図を示し，この図によって説明する。ダイオードＤ５，Ｄ６が逆並列接続された第５，第６の半導体スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の直列接続点を第３中点として接続された第３スイッチングアームＡ３を第１スイッチングアームＡ１に並列に接続し，第３中点と，第２中点との間に各リアクトルＬ３，Ｌ１を介して被試験体２０を接続し，第３制御回路１５が接続された第３スイッチングアームＡ３と，第１制御回路１１が接続された第１スイッチングアームＡ１に対し通電する電流範囲を分担させるように，第１，第３スイッチングアームＡ１，Ａ３の分担切替えを第１制御回路１１と第３制御回路１５に対して指令するように切替指令回路１７を接続した。総合指令手段（図示していない）などの自動化手段によって，種々の作用を自動化できる。例えば，充電を禁止したい燃料電池等の被試験体に対応して，第１乃至第４制御回路に対して，総合指令手段からの指令信号を接続するだけの容易さで，Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５をオフ状態にするだけで充電による試験体破壊が未然に防ぐことが可能になるなど利益が大きい。
【００１８】
第１，第５と第４の半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ５，Ｑ４をオフ状態とし，第３の半導体スイッチング素子Ｑ３をオン，第２又は第６の半導体スイッチング素子Ｑ２又はＱ４をパルス幅制御または導電度制御させる制御信号を生成し，該素子によって逆極性充電電流を制御する第４制御回路１６を、各スイッチングアームＡ１，Ａ２，Ａ３の各素子の制御回路１１，１２，１５に接続して逆充電手段を形成した。例えば第１の制御回路１１によって第１スイッチングアームＡ１に定格電流１００％から１０％を分担させ，第３スイッチングアームＡ３に対し１０％から０％を分担通電制御するように，分担切替えを指令する切替指令回路１７を具備し，例えば０．１ミリ秒以下のような高速度で小電流充電から大電流放電への切替など，第１，第３スイッチングアームＡ１，Ａ３の分担切替えで可能とし，各スイッチングアームに夫々狭い電流範囲で分担させて精度の高い電流制御が可能な充放電試験装置とした。このように小電流から大電流まで高精度に定電流制御した充電を劣化している被試験体２０に施すことによって，容量回復充電を可能し，抵抗など無駄な消費が無いので小型で熱損失が少ない充放電試験装置の提供を可能にした。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば，安定した電圧を被試験体に直列に印加した状態で０ボルト近傍の放電が高精度の定電流で実施でき，逆極性で充電できて試験体の回復充電も可能となって，しかも放電電力の回生などで無駄な消費を無くした安価な装置の提供を可能にし，省エネルギー，省資源に寄与し工業的価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明による一実施の形態を示す電流波形図である。
【図３】本発明による他の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】従来の装置の電流波形図である。
【図５】従来の装置のブロック図である。
【符号の説明】
１，２  直流電源の出力端
１１    第１制御回路
１２    第２制御回路
１３    電流検出手段
１４    バイアス電圧検出手段
１５    第３制御回路
１６    第４制御回路
１７    切換指令回路
２０    被試験体
２２    電圧蓄積回路
Ａ１    第１スイッチングアーム
ｈｆ    高周波成分
Ｉｃ  充電電流
Ｉｄ  放電電流
Ｐ１    第１中点
Ｔｃ１  充電時間
Ｔｄ１  放電時間
【図１】
2005020858.tif 000003
【図２】
2005020858.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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