(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から直流電力を得る順方向電力変換機能と、直流電力を交流電源に回生する逆方向電力変換機能をもつ半導体電力変換器と、
前記半導体電力変換器の出力を直流電源として、半導体スイッチとこれに逆並列にダイオードを接続した４組のアームをブリッジ接続し、上下アームの半導体スイッチの直列接続点の両端から直流リアクトルを介して試験対象電池または電気二重層キャパシタに接続した四象限チョッパ回路とを備え、
前記四象限チョッパ回路は、前記電池または電気二重層キャパシタの放電試験時には、前記２組の相補アームをオンさせて前記直流電源電圧を該電池または電気二重層キャパシタのバイアス電圧として該直流電源側に放電電流を流し、その後に一方のアームをオフさせて前記オン状態のアームと他のアームのダイオードを循環電流路として該電池または電気二重層キャパシタに放電電流を流し、その後に両アームをオフさせて該循環電流を前記ダイオードを通して該直流電源への充電電流として流すことを特徴とする電池または電気二重層キャパシタの充放電装置。
【請求項２】
前記四象限チョッパ回路は、前記電池または電気二重層キャパシタの充電試験時には、前記放電時の２組の相補アームとは別の２組の相補アームをオンさせて前記直流電源から該電池または電気二重層キャパシタに充電電流を流し、その後に一方のアームをオフさせて前記オン状態のアームと他のアームのダイオードを循環電流路として該電池または電気二重層キャパシタに充電電流を流し、その後に両アームをオフさせて該直流電源電圧を該電池または電気二重層キャパシタのバイアス電圧として該循環電流を前記ダイオードを通して該直流電源への充電電流として流すことを特徴とする請求項１に記載の電池または電気二重層キャパシタの充放電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池（または電気二重層キャパシタ）の充放電特性や寿命評価などの試験に使用される充放電装置に係り、特にチョッパ動作によって電池等の充放電電流を制御し、電池等の放電エネルギーを回生する回生式充放電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、回生式充放電装置の主回路構成例を示す。昇圧形ＰＷＭコンバータ１は、半導体スイッチとダイオードの逆並列回路になる３相ブリッジアームを有し、半導体スイッチをＰＷＭ制御し、その制御角切換えにより交流電源から直流電力を得る整流器機能及び直流入力を交流電源に回生するインバータ機能をもつ。
【０００３】
平滑コンデンサ２は、コンバータ１の整流器動作にはその出力を平滑し、インバータ動作には直流電源になる。電流可逆チョッパ３は、上下アームに半導体スイッチＳ1，Ｓ2とダイオードＤ1，Ｄ2の逆並列回路を有し、試験対象となる電池４との間に直流リアクトルＤＣＬを有し、コンバータ１と平滑コンデンサ２を直流電源として電池４の充電電流と放電電流を制御する。以上の主回路構成における充放電電流制御を以下に説明する。
【０００４】
（１）電池の充電動作
コンバータ１は、整流器動作によって交流電圧ｅ（線間実効値）を直流電圧Ｅd（平均値）に変換する。チョッパ３は、電池４の充電には、スイッチＳ1をオン・オフ制御することにより、直流電圧Ｅdを直流出力電圧Ｖb（平均値）に変換する。すなわち、電圧Ｖbは、上下アームの接続点の出力電圧Ｖ10の平均値で、電池４の充電電圧になる。
【０００５】
いま、スイッチＳ1をオンすると、チョッパの直流側からスイッチＳ1→リアクトルＤＣＬ→電池４の経路で電流ｉLが流れ、電池４を充電する。このときの電流変化分ΔｉLは、以下の（１）式で表される。また、電流ｉLを連続とすると、充電時の各部波形は図５のようになる。
【０００６】
【数１】
0004000719.tif 000002
【０００７】
Ｌb：直流リアクトルＤＣＬのリアクタンス値
ｔ1：スイッチＳ1のオン時間
次に、スイッチＳ1をオフすると、リアクトルＤＣＬの蓄積エネルギーとして流れていた電流ｉLは、電池４→ダイオードＤ2→リアクトルＤＣＬの経路で循環電流として流れ、リアクトルＤＣＬの残留エネルギーを電池４に放出する。このときの電流変化分ΔｉLは、以下の（２）式のように減少していく。
【０００８】
【数２】
0004000719.tif 000003
【０００９】
ｔ2：スイッチＳ1のオフ時間
また、電圧ＶbとＥdの関係は、電流ｉLが連続とすると、以下の（３）式で表される。
【００１０】
【数３】
0004000719.tif 000004
【００１１】
Ｔ：チョッパ動作の一周期（Ｔ＝ｔ1＋ｔ2）
（２）電池の放電動作
チョッパ３の直流側電圧Ｅd、電池４の電圧Ｖbの状態において、いま、スイッチＳ2をオンすると、電池４の両端はリアクトルＤＣＬで短絡され、以下の（４）式のように放電電流（放電方向を正とする）が増加し、リアクトルＤＣＬにエネルギーが蓄積される。このときの電流変化分ΔｉLは、以下の（４）式で表される。また、電流ｉLを連続とすると、放電時の各部波形は図６のようになる。
【００１２】
【数４】
0004000719.tif 000005
【００１３】
ｔ2’：スイッチＳ2のオン時間
次に、スイッチＳ2をオフすると、リアクトルＤＣＬの蓄積エネルギーとして流れていた電流ｉLは、ダイオードＤ1→コンデンサ２→電池４の経路でコンデンサ２の充電電流として放出され、コンデンサ２を充電する。このときの電流変化分ΔｉLは、以下の（５）式のように減少していく。
【００１４】
【数５】
0004000719.tif 000006
【００１５】
ｔ1’：スイッチＳ2のオフ時間
また、電圧ＶbとＥdの関係は、電流ｉLが連続とすると、以下の（６）式で表される。
【００１６】
【数６】
0004000719.tif 000007
【００１７】
Ｔ：チョッパ動作の一周期（Ｔ＝ｔ1'＋ｔ2’）
この放電動作によるコンデンサ２の電圧上昇には、ＰＷＭコンバータ１のインバータ動作により交流電源側に回生され、直流電圧Ｅdが一定値に保たれる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
最近、新型電池の開発が活発になり、電池の詳細な特性試験が要求されてきている。その１つとして、電池電圧が零に近い条件のもとに、電池に定格電流を流しながら放電特性試験をすることがある。
【００１９】
この放電特性試験の場合、従来の回生式充放電装置では、直流リアクトルＤＣＬで電池４を短絡し、ある電流値に上昇したときにスイッチＳ2をオフさせ、リアクトルＤＣＬの蓄積エネルギーをダイオードＤ1を通して直流回路側に放出させるというチョッパ動作を繰り返す。
【００２０】
しかし、従来装置では、電池４の電圧を零近くにした放電試験では、電池４をリアクトルＤＣＬで短絡するも、放電電流に必要な値が得られず、試験不能になる。
【００２１】
この不都合を解消するため、図７に示すように、従来装置の放電電流路にバイアス電源を挿入できるようにした充放電装置がある。同図は図４の回路に、バイアス電源５と、電池４にバイアス電源５を直列に挿入できる切換開閉器６とを設けている。
【００２２】
バイアス電源５は、整流器５Ａと絶縁トランス５Ｂで構成され、絶縁トランス５Ｂを通して取り込む交流電圧を整流器５Ａで整流し、この整流出力電圧（バイアス電圧）だけ電池４の基準電圧を高める。これにより、電池４の放電試験時には電池４の電圧がバイアス電源電圧でかさ上げされ、電池４に強制的に放電電流を流すことができる。
【００２３】
しかし、この方式の充放電装置では、バイアス電圧は交流電源から整流器５Ａの整流で得ること、及びバイアス電源の挿入／切り離しを切換開閉器６で行うため、以下の問題がある。
【００２４】
（１）バイアス電圧に比較的低い周波数のリップル電圧が現れ、これが電池４の放電電流精度を低下させてしまう。例えば、整流器５Ａが単相ブリッジ構成の場合は、電源周波数ｆ（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の２倍（２ｆ）のリップル電圧が現れる。また、整流器５Ａが３相ブリッジ構成の場合は、６倍（６ｆ）のリップル電圧が現れる。
【００２５】
このようなリップル電圧を抑制するには、整流器の直流出力側にリアクトルや低周波フィルタを設けることになるため、これら機器は大型で高価なものになるし、電池の放電電流の応答性を阻害する。
【００２６】
（２）整流器５Ａの交流側には、比較的低次の高調波電流（単相ブリッジでは４ｆ±１次、３相ブリッジでは６ｆ±１次）が流れ、これら高調波電流を抑制するためのフィルタ等の対策が必要になり、装置が一層大型化する。
【００２７】
（３）整流器５Ａによるバイアス電源は、電池４の充電時にその充電回路から切り離すための切換開閉器６が必要となり、装置が一層大型化する。
【００２８】
このような問題は、電池と同様の充放電機能をもつ電気二重層キャパシタ（電気二重層コンデンサ）の充放電試験にも起こり得る。
【００２９】
本発明の目的は、従来のバイアス電源の増設を不要にし、しかも電池または電気二重層キャパシタの充放電時に直流バイアス電圧を印加した試験ができる電池または電気二重層キャパシタの充放電装置を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、コンバータ等の電力変換器と電池（または電気二重層キャパシタ）との間に設けるチョッパを四象限チョッパ回路とし、このチョッパ回路の出力端から直流リアクトルを介して電池等に充放電電流を流すことで、電池等の放電時さらには充電時にも直流バイアス電圧を印加できるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００３１】
交流電源から直流電力を得る順方向電力変換機能と、直流電力を交流電源に回生する逆方向電力変換機能をもつ半導体電力変換器と、
前記半導体電力変換器の出力を直流電源として、半導体スイッチとこれに逆並列にダイオードを接続した４組のアームをブリッジ接続し、上下アームの半導体スイッチの直列接続点の両端から直流リアクトルを介して試験対象電池または電気二重層キャパシタに接続した四象限チョッパ回路とを備え、
前記四象限チョッパ回路は、前記電池または電気二重層キャパシタの放電試験時には、前記２組の相補アームをオンさせて前記直流電源電圧を該電池または電気二重層キャパシタのバイアス電圧として該直流電源側に放電電流を流し、その後に一方のアームをオフさせて前記オン状態のアームと他のアームのダイオードを循環電流路として該電池または電気二重層キャパシタに放電電流を流し、その後に両アームをオフさせて該循環電流を前記ダイオードを通して該直流電源への充電電流として流すことを特徴とする。
【００３２】
また、前記四象限チョッパ回路は、前記電池または電気二重層キャパシタの充電試験時には、前記放電時の２組の相補アームとは別の２組の相補アームをオンさせて前記直流電源から該電池または電気二重層キャパシタに充電電流を流し、その後に一方のアームをオフさせて前記オン状態のアームと他のアームのダイオードを循環電流路として該電池または電気二重層キャパシタに充電電流を流し、その後に両アームをオフさせて該直流電源電圧を該電池または電気二重層キャパシタのバイアス電圧として該循環電流を前記ダイオードを通して該直流電源への充電電流として流すことを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示す主回路構成図である。本実施形態は、充放電試験対象を電池とする場合で説明するが、電気二重層キャパシタの充放電試験に適用することもできる。
【００３４】
昇圧形ＰＷＭコンバータ１１は、従来のコンバータ１と同様の構成にされ、交流電源から直流電力を得る整流器機能及び直流電力を交流電源に回生するインバータ機能を有する。また、平滑用コンデンサ１２は、コンバータ１１の整流器動作にはその出力を平滑し、インバータ動作には直流電源になる。なお、この順方向電力変換機能と逆方向電力変換機能をもつコンバータ１１は、他の半導体電力変換回路で置換したものでもよい。例えば、順方向電力変換用の回路と逆方向電力変換用の回路とを並列接続した回路構成で実現できる。
【００３５】
四象限チョッパ回路（ブリッジ形可逆チョッパ回路）１３は、基本アーム１３Ａと制御アーム１３Ｂで４組のアームをブリッジ接続した構成にされ、各アームのうち、互いに対角位置のアーム同士が相補アームになる。基本アーム１３Ａは、半導体スイッチＳ1，Ｓ2とこれらにそれぞれ逆並列にダイオードＤ1，Ｄ2を接続した上下アームで構成される。同様に、制御アーム１３Ｂは、半導体スイッチＳ3，Ｓ4とこれらにそれぞれ逆並列にダイオードＤ３，Ｄ４を接続した上下アームで構成される。
【００３６】
四象限チョッパ回路１３は、その基本アーム１３Ａの半導体スイッチＳ1とＳ２の接続点（上下アームの接続点）と、制御アーム１３Ｂの半導体スイッチＳ3とＳ4の接続点の両端から、直流リアクトルＤＣＬを介して電池１４に接続する。
【００３７】
本実施形態は、上記の構成により電池１４の充放電試験を可能にする。この四象限チョッパ回路１３による電池１４の放電試験時には、まず、２組の相補アームのスイッチＳ2，Ｓ3をオンさせることにより、電池１４には直流電源電圧Ｅdをバイアス電圧として直流電源側に放電電流を流す。その後、一方のスイッチＳ3をオフさせ、オン状態のスイッチＳ2とダイオードＤ4を循環電流路として電池１４に放電電流を流す。その後、スイッチＳ2をオフさせ、電池１４に流れていた循環電流をダイオードＤ1，Ｄ4を通して直流電源への充電電流として流す。
【００３８】
また、四象限チョッパ回路１３による電池の充電試験時には、まず、２組の相補アームのスイッチＳ1，Ｓ4をオンさせることにより、電池１４には直流電源から充電電流を流す。その後、一方のスイッチＳ1をオフさせ、オン状態のスイッチＳ4とダイオードＤ2を循環電流路として電池１４に充電電流を流す。その後、スイッチＳ4をオフさせ、循環電流をダイオードＤ2，Ｄ3を通して直流電源への放電電流として流す。このとき、電池１４には直流電源電圧Ｅdがバイアス電圧として印加される。
【００３９】
以上の基本的充放電動作になる本実施形態は、特に電池１４の電圧を零近くにした放電試験を可能にするものであり、図２及び図３の動作波形を参照して充放電動作を以下に詳細に説明する。
【００４０】
（１）電池の放電動作（動作波形は図２）
四象限チョッパ回路１３の直流側電圧Ｅd、電池１４の電圧Ｖbの状態において、いま、スイッチＳ2，Ｓ3が共にオンすると、電池１４にはその放電方向に直流電圧Ｅdが印加され、スイッチＳ3→電池１４→リアクトルＤＣＬ→スイッチＳ2の経路で放電電流が流れる。この期間ｔb’に現れる電圧がバイアス電圧であり、そのときに流れる電流がバイアス電流である。
【００４１】
この場合の電流変化分ΔｉLは、以下の（７）式で表される（ただし、放電方向を正とする）。また、電流ｉLを連続とすると、充電時の各部波形は図２のようになる。
【００４２】
【数７】
0004000719.tif 000008
【００４３】
ｔb’：スイッチＳ2，Ｓ３のオン時間（バイアス時間）
次に、時間ｔb’後にスイッチＳ3をオフすると、リアクトルＤＣＬの蓄積エネルギーとして流れていた電流ｉLは、スイッチＳ2→ダイオードＤ4→電池１４の経路で循環電流として流れ、電池１４を放電させる。このときの電流変化分ΔｉLは、以下の（８）式のようになる。
【００４４】
【数８】
0004000719.tif 000009
【００４５】
ｔ2’：スイッチＳ2のみのオン時間
したがって、時間ｔb’，ｔ2’の間は、電池１４では放電方向の電流が増加するが、時間ｔ2’を制御、つまりスイッチＳ2のみのオン時間を制御することにより、放電電流の大きさ（平均値）を制御できる。
【００４６】
次に、時間ｔ2’後にスイッチＳ2をオフさせると、すべてのスイッチＳ1〜Ｓ4がオフ状態になるため、リアクトルＤＣＬの蓄積エネルギーはダイオードＤ1，Ｄ4を通して直流側の充電電流として放出される。このときの、電流変化分ΔｉLは、以下の（９）式のように減少する。
【００４７】
【数９】
0004000719.tif 000010
【００４８】
以上の放電動作は、図２の電流波形から明らかなように、電流波形を一周期にわたって平均したものが放電電流の平均値に相当するため、電池１４の電圧が零に近い場合にも一定のバイアス時間ｔb’を設定しておくことにより、必要なバイアス電流が得られる。また、バイアス時間を含む全体としての放電電流は時間ｔ2’を変化させて制御することができる。
【００４９】
しかも、この場合のバイアス電圧のリップル周波数は、主回路チョッパの動作周波数と同じく高くすることができ、従来の整流器５Ａによるバイアス電圧確保に比べて、リップル抑制用の大型のリアクトルや低周波フィルタが不要になるし、これらが放電電流路に介在しないため、応答性の高い放電電流を得ることができる。また、整流器５Ａが発生する低次の高調波電流が電源側に現れることはない。
【００５０】
なお、この放電動作における電圧ＶbとＥdの関係は、電流ｉLが連続とすると、以下の（１０）式で表される。
【００５１】
【数１０】
0004000719.tif 000011
【００５２】
Ｔ：放電動作の一周期（Ｔ＝ｔ1’＋ｔ2’＋ｔb’）
（２）電池の充電動作（動作波形は図３）
スイッチＳ1，Ｓ4をオンさせると、チョッパ回路１３の直流側からスイッチＳ1→リアクトルＤＣＬ→電池１４→スイッチＳ4の経路で電池１４に充電電流が流れる。このときの動作は、図４での充電電流ｉLとほぼ同じになり、電流変化分ΔｉLは、前記の（１）式で表される。
【００５３】
この時間ｔ1後にスイッチＳ1をオフさせると、リアクトルＤＣＬの蓄積エネルギーとして流れていた電流ｉLは、電池１４→スイッチＳ4→ダイオードＤ2→リアクトルＤＣＬの経路で循環電流として流れ、リアクトルＤＣＬの残留エネルギーを電池１４に放出する。このときの動作は、図４の充電電流ｉLとほぼ同じになり、電流電流変化分ΔｉLは、前記の（２）式のように減少していく。
【００５４】
この時間ｔ2後にスイッチＳ4をオフさせると、すべてのスイッチＳ１〜Ｓ４がオフ状態になるため、それまで流れていた電流ｉLは、ダイオードＤ2→リアクトルＤＣＬ→電池１４→ダイオードＤ3の経路で直流側に放出され、電流ｉLは下記の（１１）式で急速に減流される。
【００５５】
【数１１】
0004000719.tif 000012
【００５６】
また、電圧ＶbとＥdの関係は、電流ｉLが連続とすると、以下の（１２）式で表される。
【００５７】
【数１２】
0004000719.tif 000013
【００５８】
Ｔ：充電動作の一周期（Ｔ＝ｔ1＋ｔ2＋ｔb）
以上の充電動作は、図３の電流波形から明らかなように、すべてのスイッチＳ１〜Ｓ４がオフしている時間ｔbは、チョッパ回路１３の出力端子に電圧Ｖ12が充電方向とは逆に現れている時間であり、これが充電動作でのバイアス電圧に相当する。
【００５９】
そこで、電池１４の電圧が零近くにある場合の充電動作において、従来装置では、前記の（３）式から明らかなように、時間ｔ1を零近くまで小さくする必要あるが、その限界はスイッチの特性に依存する。
【００６０】
この点、本実施形態では、前記の（１２）式から明らかなように、同一の電池電圧Ｖbに対して、従来装置に比べてバイアス時間だけ時間ｔ1を大きく設定できるため、スイッチのオン動作が安定し、かつスイッチとして特別のものを不要にして低価格化を図ることができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、四象限チョッパ回路の出力端から直流リアクトルを介して電池（または電気二重層キャパシタ）に充放電電流を流すことで、電池等の放電時さらには充電時にも直流バイアス電圧を印加できるようにしたため、以下の効果がある。
【００６２】
（１）バイアス電圧を直流電源電圧として印加でき、電圧を零近くにした電池等の放電試験ができる。
【００６３】
（２）バイアス電圧を直流電源電圧として印加でき、チョッパの動作周波数を上げることでリップル電圧を抑制することができ、従来のリアクトルや低周波フィルタを不要にして装置の小型化、低価格化、放電電流の応答性の向上を図ることができる。
【００６４】
（３）従来のバイアス電源及び切換開閉器が不要になるため、交流電源側への高調波電流対策が不要となるし、装置の一層の小型化を図ることができる。
【００６５】
（４）バイアス電圧の印加により、スイッチのオン動作が安定し、かつスイッチとして特別のものを不要にして低価格化を図ることができる。
【００６６】
（５）すべての半導体スイッチＳ1〜Ｓ4をオフさせた状態での減流効果が大きくなり、装置及び電池等の保護性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す充放電装置の主回路構成図。
【図２】実施形態における電池の放電時のチョッパ動作波形図。
【図３】実施形態における電池の充電時のチョッパ動作波形図。
【図４】従来の回生式充放電装置の主回路構成図。
【図５】従来の電池の充電時のチョッパ動作波形図。
【図６】従来の電池の放電時のチョッパ動作波形図。
【図７】従来のバイアス電源方式の構成図。
【符号の説明】
１、１１…昇圧形ＰＷＭコンバータ
２、１２…平滑用コンデンサ
４、１４…試験対象の電池
Ｓ１〜Ｓ４…半導体スイッチ
Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード
ＤＣＬ…直流リアクトル
【図１】
0004000719.tif 000014
【図２】
0004000719.tif 000015
【図３】
0004000719.tif 000016
【図４】
0004000719.tif 000017
【図５】
0004000719.tif 000018
【図６】
0004000719.tif 000019
【図７】
0004000719.tif 000020