JP5682931B2 - マルチモードの充放電試験装置とその充放電試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、多チャンネル充放電試験と単チャンネル高電圧充放電試験とが共に遂行可能なマルチモードの充放電試験装置とその充放電試験方法とに関する。

従来、セル電池等の複数の蓄電池を同時に充放電試験する装置として、多チャンネル充放電装置が知られている。このような充放電試験装置は、例えば下記特許文献３に開示されている。また、それらの蓄電池をスタックしたモジュール電池やパック電池等の高電圧電池の試験を遂行する場合には、高電圧への耐圧特性を備えた高電圧用の充放電装置を用いて充放電試験を遂行していた。図８は、多チャンネル充放電装置と高電圧充放電装置とを各々別個に設置した場合について説明する図である。

図８から理解できるように、電圧の比較的小さな複数のセル電池等を個別同時に充放電試験する場合には図８（ａ）に示す多チャンネル充放電装置を用いる。また、電圧の比較的大きな単一のパック電池等を充放電試験する場合には図８（ｂ）に示す高電圧充放電装置を用いる。高電圧充放電装置は比較的高電圧の蓄電池に対して充放電試験が可能なように、調整出力電圧が比較的高く、かつその耐圧も比較的高く設計されている。

ここで、各蓄電池への充放電動作概要について簡単に説明する。図９は、蓄電池１１４３に対して充電と放電とを切替えて遂行する従来の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１４１（定電流コンバータに対応）の構成概要を説明する図である。図９において、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１４１は、ＦＥＴ等のトランジスタからなるスイッチング素子ＳＷ１１１１，ＳＷ１１１２と、充電制御部（ＣＯＮＴ１）１１４４，放電制御部（ＣＯＮＴ２）１１４５と、ダイオードＤ１１１１，Ｄ１１１２とチョークコイルＬ１１１１，Ｌ１１１２と、コンデンサＣ１１１１，Ｃ１１１２とを含む。

また、図９に示すように直流電源部１１４２は、商用電源からの交流電圧を所望の直流電圧として整流するＡＣ−ＤＣコンバータとしている。直流電源部１１４２から蓄電池１１４３に対して充電する場合、充電制御信号により充電制御部（ＣＯＮＴ１）１１４４からスイッチング素子ＳＷ１１１１をオン・オフ制御して、スイッチング素子ＳＷ１１１１とダイオードＤ１１１１とチョークコイルＬ１１１１とコンデンサＣ１１１１とによる降圧コンバータとして動作させて、蓄電池１１４３を充電する。

蓄電池１１４３への充電中は、スイッチング素子ＳＷ１１１２をオフ状態に維持する。また、蓄電池１１４３の放電は、放電制御信号により放電制御部（ＣＯＮＴ２）１１４５からスイッチング素子ＳＷ１１１２をオン・オフ制御して、チョークコイルＬ１１１２と、スイッチング素子ＳＷ１１１２と、コンデンサＣ１１１２とによる昇圧コンバータとして動作させ、蓄電池１１４３の電圧を昇圧して直流電源部１１４２へ放電（電力回生）する。

また、蓄電池１１４３の放電中は、スイッチング素子ＳＷ１１１１をオフ状態に維持する。上述のように、図９に示す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１４１は、蓄電池１１４３の充電用のダウンコンバータと、放電用のアップコンバータとの構成を別途に並列に備える構成を備える。

また、図１０は、従来の他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５１の構成概要を説明する図である。図１０において、１２５２は交流商用電圧を直流電圧に変換する直流電源部（ＡＣ−ＤＣ）であり、１２５３は充放電試験される蓄電池であり、ＳＷ１２２１，ＳＷ１２２２はスイッチング素子であり、Ｄ１２２１，Ｄ１２２２はダイオードであり、Ｌ１２２１はチョークコイルであり、Ｃ１２２１，Ｃ１２２２はコンデンサであり、１２５４は充放電制御部（ＣＯＮＴ）であり、１２５５は充電制御を行う充電制御部であり、１２５６は放電制御を行う放電制御部である。

また、直流電源部１２５２から蓄電池１２５３を充電する場合、充電制御信号と切替信号とを充放電制御部（ＣＯＮＴ）１２５４へ入力し、充電制御部１２５５がスイッチング素子ＳＷ１２２１のオン・オフ制御を遂行する。また、スイッチング素子ＳＷ１２２１と異なるタイミングで、放電制御部１２５６がスイッチング素子ＳＷ１２２２のオン・オフ制御を遂行し、チョークコイルＬ１２２１とコンデンサＣ１２２２とを含むダウンコンバータ機能により蓄電池１２５３の充電電圧に降圧して充電を行う。

また、蓄電池１２５３から直流電源部１２５２へ放電する場合、放電制御信号と切替信号とを充放電制御部（ＣＯＮＴ）１２５４へ入力し、放電制御部１２５６がスイッチング素子ＳＷ１２２２のオン・オフ制御を遂行する。また、スイッチング素子ＳＷ１２２２と異なるタイミングで、充電制御部１２５５がスイッチング素子ＳＷ１２２１のオン・オフ制御を遂行して、チョークコイルＬ１２２１とコンデンサＣ１２２１とをアップコンバータ機能により動作させて、蓄電池１２５３の電圧を昇圧し、直流電源部１２５２に電力回生を行う。

また、ハイブリッド電気自動車等に適用する為に、駆動モータを回生用発電機として利用する回生動作の発電機能に相当する構成を高圧用蓄電池とし、電装部品等に動作電力を供給するバッテリを低圧用蓄電池とし、スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴにより構成して、その寄生ダイオードを整流用のダイオードとし、高圧用蓄電池から低圧用蓄電池への充電の場合はダウンコンバータとして動作させ、低圧用蓄電池から高圧用蓄電池への充電の場合はアップコンバータとして動作させ、ダウンコンバータとアップコンバータとの機能を同一のスイッチング構成により実現した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータも知られている。上述した従来の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば下記特許文献１に開示されている。また、従来の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータは、例えば下記特許文献２に開示されている。

特開２０１０−２０６８８３号公報 特開２００８−０５４４７３号公報 特開２０１２−００２７９６号公報

従来のように試験に必要な電圧の大小に対応して、耐圧特性等の異なる複数の充放電試験装置を別途に準備し設置することは、装置複数台分の費用が必要であることや装置複数台分の設置面積の確保が必要となるとの観点から、好ましいこととはいえず改善の余地があった。このため、多チャンネルの充放電試験が可能であるとともに、必要に応じて高電圧単チャンネルでも充放電試験が可能なマルチモードの充放電試験装置の実現が望まれていた。

本発明は、上述した問題点に鑑み為された発明であって、多チャンネルの充放電試験が可能であるとともに、必要に応じて高電圧単チャンネルでも充放電試験が可能なマルチモードの充放電試験装置を実現することを目的とする。

本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置は、複数の蓄電池の充放電試験を同時に遂行する多チャンネル充放電装置であって、多チャンネル充放電モード時に、蓄電池と各々個別に対応付けされて蓄電池の充放電試験を各々遂行する複数の充放電ユニットと、高電圧充放電モード時に、複数の充放電ユニットを直列に接続するスイッチ部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置は、好ましくは高電圧充放電モード時において、直列に接続された複数の充放電ユニットで、蓄電池より電圧が高い他の蓄電池の充放電試験を遂行することを特徴とする。

また、本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置は、さらに好ましくは高電圧充放電モード時において、他の蓄電池への供給電圧を直列接続された充放電ユニット数で均等割した電圧を、直列接続された充放電ユニット各々が生成して出力することを特徴とする。

また、本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置は、さらに好ましくは充放電ユニットが各々定電流コンバータを備えることを特徴とする。

また、本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置は、さらに好ましくは高電圧充放電モード時において、直列に接続された複数の充放電ユニットのうち、一つの充放電ユニットが制御コンピュータから他の蓄電池に充放電する電流値の指示を受けて定電流制御する充放電制御コンバータであり、他の充放電ユニットが制御コンピュータから指示を受けずに定電圧制御する電圧バランス制御コンバータであることを特徴とする。

また、本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置は、さらに好ましくは電圧バランス制御コンバータが、高電圧充放電モードの定電圧制御において使用する高電圧用ＣＶ制御アンプと、多チャンネル充放電モードの定電流制御において電圧制限回路で使用する多チャンネル用ＣＶ制御アンプとを備えることを特徴とする。

また、本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置は、さらに好ましくは各モードにおいて使用するＣＶ制御アンプを切り替える切替器を備えることを特徴とする。

また、本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置は、さらに好ましくは高電圧充放電モード時において、充放電制御コンバータが制御コンピュータからの指示に対応して他の蓄電池への供給電圧を上昇させる場合に、電圧バランス制御コンバータは他の蓄電池の両端電圧をフィードバックして、他の蓄電池の両端電圧上昇分を直列接続された充放電ユニット数で均等割した電圧をそれぞれ上昇させて出力し、充放電制御コンバータが制御コンピュータからの指示に対応して他の蓄電池への供給電圧を下降させる場合に、電圧バランス制御コンバータは他の蓄電池の両端電圧をフィードバックして、他の蓄電池の両端電圧下降分を直列接続された充放電ユニット数で均等割した電圧をそれぞれ下降させて出力することを特徴とする。

また、本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置の充放電試験方法は、多チャンネル充放電モード時に、制御コンピュータからの電流値指示に基づいて、各充放電ユニットが、蓄電池と各々個別に対応付けされて蓄電池の充放電試験を各々個別に遂行する工程と、高電圧充放電モード時に、複数の充放電ユニットを直列に接続して蓄電池より電圧が高い他の蓄電池の充放電試験を遂行する工程とを有することを特徴とする。

また、本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置の充放電試験方法は、好ましくは高電圧充放電モード時において、直列に接続された複数の充放電ユニットのうち、一つの充放電ユニットが制御コンピュータから他の蓄電池に充放電する電流値の指示を受けて電流制御する充放電制御コンバータであり、他の充放電ユニットが制御コンピュータから指示を受けない電圧バランス制御コンバータであって、高電圧充放電モード時に複数の充放電ユニットを直列に接続して蓄電池より電圧が高い他の蓄電池の充放電試験を遂行する工程において、充放電制御コンバータが制御コンピュータからの指示に対応して他の蓄電池への供給電圧を上昇させる場合に、電圧バランス制御コンバータは他の蓄電池の両端電圧をフィードバックして、他の蓄電池の両端電圧上昇分を直列接続された充放電ユニット数で均等割した電圧をそれぞれ上昇させて出力する工程と、充放電制御コンバータが制御コンピュータからの指示に対応して他の蓄電池への供給電圧を下降させる場合に、電圧バランス制御コンバータは他の蓄電池の両端電圧をフィードバックして、他の蓄電池の両端電圧下降分を直列接続された充放電ユニット数で均等割した電圧をそれぞれ下降させて出力する工程とを有することを特徴とする。

多チャンネルの充放電試験が可能であるとともに、必要に応じて高電圧単チャンネルでも充放電試験が可能なマルチモードの充放電試験装置を実現できる。

また、多チャンネルの充放電試験が可能であるとともに、必要に応じて高電圧単チャンネルでも充放電試験が可能なマルチモードの充放電試験装置の充放電試験方法を実現できる。

本実施形態のマルチモード多チャンネル充放電装置の各モードにおける概要を説明する図であり、（ａ）が多チャンネル充放電モードを説明する図であり（ｂ）が高電圧充放電モードを説明する図である。 スレーブ側の充放電ユニットである電圧バランス制御コンバータの構成概要を説明する図である。 電圧バランス制御コンバータの高電圧充放電モードにおける構成概要を説明する図である。 充電動作時の電圧バランス制御コンバータの動作について詳しく説明する図である。 高電圧充放電モードにおける放電動作時の電圧バランス制御コンバータの動作について詳しく説明する図である。 本実施形態のマルチモード多チャンネル充放電装置の動作概要を説明するフロー図である。 高電圧充放電モードと多チャンネル充放電モードとを切り替えるスイッチについて、その構成例を説明する図である。 多チャンネル充放電装置と高電圧充放電装置とを各々別個に設置した場合について説明する図である。 蓄電池に対して充電と放電とを切替えて遂行する従来の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの構成概要を説明する図である。 従来の他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの構成概要を説明する図である。 本発明の定電流コンバータの構成概要の一例を説明するブロック図である。

本実施形態で説明するマルチモード多チャンネル充放電試験装置は、複数の蓄電池を同時に各々充放電試験する多チャンネル充放電試験モードと、複数の蓄電池が電池パック等として直列接続された状態等の高電圧の蓄電池を充放電試験する高電圧充放電試験モードと、の二つのモードを有する。

実施形態のマルチモード多チャンネル充放電試験装置は、多チャンネル充放電試験モードで使用する各充放電ユニットの一部または全部を、高電圧充放電試験モードにおいては直列に接続する。また、高電圧充放電試験モードにおいては、蓄電池に対応して必要とされる高電圧について、直列接続された充放電ユニット数で均等分割された電圧を、各充放電ユニットが各々調整・生成して出力する。

これにより、各充放電ユニットは、比較的小さな均等分割された電圧の調整及び出力で済む。このため、従来の多チャンネル充放電試験装置における耐電圧特性等のキャパシティを高耐圧用に変更することなく、そのままマルチモードで利用できる。すなわち、従来のように多チャンネル用と高電圧用との二種類の充放電試験装置を個別に準備する必要がなく、例えば複数のセル電池の各々の充放電試験と該セル電池が直列接続された高電圧の電池パック全体の充放電試験とを同一の充放電試験装置で遂行可能となる。

図１は、本実施形態のマルチモード多チャンネル充放電装置２０００の各モードにおける概要を説明する図であって、図１（ａ）が多チャンネル充放電モードを説明する図であり、図１（ｂ）が高電圧充放電モードを説明する図である。

図１（ａ）に示すように、マルチモード多チャンネル充放電装置２０００は、１ｃｈ乃至ｎｃｈのｎ個（ｎは２以上の自然数：以下同様）の充放電ユニットを含む充放電ユニット群２０１０と、各充放電ユニットをチャンネルごとに充放電制御する制御コンピュータ２０２０とを備える。

各充放電ユニットに対応して各々蓄電池＃１乃至蓄電池＃ｎが接続されて、蓄電池群２０３０を構成する。蓄電池＃１乃至蓄電池＃ｎは、例えば個別のセル電池であってもよい。また、必ずしも各充放電ユニットと各蓄電池とが１対１の対応付けでなくてもよく、１対多または多対１であってもよい。また、図１（ａ）において、充放電ユニット（１ｃｈ）は蓄電池＃１の充放電試験を制御コンピュータ２０２０からの指示に基づいて遂行し、取得した蓄電池＃１の電圧等の試験データを制御コンピュータ２０２０が収集し記憶する。

同様に２ｃｈ乃至ｎｃｈについて、各充放電ユニット（２ｃｈ乃至ｎｃｈ）が対応する蓄電池＃２乃至蓄電池＃ｎの充放電試験を各々遂行し、制御コンピュータ２０２０が試験データを収集し記憶する。すなわち、マルチモード多チャンネル充放電装置２０００は、複数の蓄電池＃１乃至蓄電池＃ｎを同時並列的に、かつ個別に充放電試験を遂行することができる。

また、図１（ｂ）において、高電圧充放電モード時には全ての充放電ユニット（１ｃｈ）乃至充放電ユニット（ｎｃｈ）は直列に接続される。また、充放電ユニット（１ｃｈ）のプラス側端子が蓄電池２０４０のプラス側端子に接続され、充放電ユニット（ｎｃｈ）のマイナス側端子が蓄電池２０４０のマイナス側端子に接続される。このため、充放電ユニット群２０１０は、各充放電ユニットを直列接続と個別チャンネル接続との間で適宜切り替える不図示のスイッチを備える。

すなわち、パック電池やモジュール電池等の複数のセル電池が直列接続されて比較的電圧が高い蓄電池に対して、高電圧充放電モードにおいては、各充放電ユニット（１ｃｈ乃至ｎｃｈ）が分担して充放電電圧を生成して出力するので、充放電ユニット（１ｃｈ乃至ｎｃｈ）個々の電圧負担は、比較的小さくて済むこととなる。

例えば、図１（ａ）の蓄電池群２０３０の個々の電池を直列接続してモジュール化し、図１（ｂ）の蓄電池２０４０を構成した場合には、各充放電ユニット（１ｃｈ乃至ｎｃｈ）で各々生成し出力する電圧値は、多チャンネル充放電モードと高電圧充放電モードとで同一とすることができる。

また、図１（ｂ）に示すように高電圧充放電モード時において、制御コンピュータ２０２０は、蓄電池２０４０への充電動作または放電動作及びその電流値を充放電ユニット（１ｃｈ）へのみを指示し制御するだけでよい。他の充放電ユニット（２ｃｈ乃至ｎｃｈ）は、蓄電池２０４０の両端電圧を常にモニターし、その両端電圧値の（１／ｎ）に相当する電圧を試験期間中常に生成し出力する動作とする。

換言すれば高電圧充放電モード時において、充放電ユニット（１ｃｈ）がいわゆるマスターとしての充放電制御コンバータであり、他の充放電ユニット（２ｃｈ乃至ｎｃｈ）がいわゆるスレーブとしての電圧バランス制御コンバータとなる。図１においては、充放電ユニット（１ｃｈ乃至ｎｃｈ）のすべてを直列接続する典型例を説明したが、充放電ユニット（１ｃｈ乃至ｎｃｈ）の一部のみを直列接続する構成としてもよい。

図２は、スレーブ側の充放電ユニット（２ｃｈ乃至ｎｃｈ）である電圧バランス制御コンバータ２２００の構成概要を説明する図である。図２から理解できるように、電圧バランス制御コンバータ２２００は、多チャンネル充放電モード時に使用する多チャンネル充放電モード回路２２１０と、高電圧充放電モード時に使用する高電圧充放電モード回路２２３０と、多チャンネル充放電モード回路２２１０と高電圧充放電モード回路２２３０とを切り替える切替器２２４０とを備える。また、多チャンネル充放電モード回路２２１０は電圧制限回路２２２０を備える。

また、電圧バランス制御コンバータ２２００は、商用電源から直流変換された電力を入力されて所望の直流電力を生成して出力する定電流コンバータ２２５０を備える。定電流コンバータ２２５０は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータや双方向コンバータで構成することができる。

多チャンネル充放電モードにおいて、電圧バランス制御コンバータ２２００は通常の充放電ユニット（２ｃｈ乃至ｎｃｈ）として動作するので、制御コンピュータ２０２０からの充放電指示に基づいて、その電流指示値を反映したＣＣｒｅｆ（定電流制御用基準電圧）に対応して、定電流コンバータ２２５０が、対応する蓄電池＃１乃至蓄電池＃ｎ（例えば比較的低電圧の個別セル電池等）の充放電試験を各々遂行する。このため、多チャンネル充放電モードにおいて、切替器２２４０は、多チャンネル充放電モード回路２２１０側に回路接続をする。

なお、図２においては説明の便宜上、ＣＣｒｅｆ（定電流制御用基準電圧）は紙面上側にプラスの電圧を生成する状態のみで説明しているが、これに限定されるものではなく、下側にプラスの逆極性の電圧を生成して出力できるものとする。また、図２において蓄電池２０４０は、高電圧充放電モード時のモジュール電池として示している。

また、電圧制限回路２２２０は多チャンネル用ＣＶ制御アンプを備え、対応する蓄電池の電圧Ｖｂをフィードバックし、この電圧ＶｂがＣＶｒｅｆ（定電圧制御用基準電圧）より電圧が高い場合には、対応する蓄電池の電圧Ｖｂがそれ以上に上昇しないように定電圧制御へと移行させる。蓄電池を保護する観点から電圧制限回路２２２０を設けることが好ましいが、必須の構成ではなく電圧制限回路２２２０を省略してもよい。

また、高電圧充放電モードにおいて、電圧バランス制御コンバータ２２００は、高電圧用ＣＶ制御アンプを動作させて、自身の出力電圧Ｖａが蓄電池２０４０の電圧Ｖｎの（１／ｎ）となるように定電流コンバータ２２５０で電圧調整し、該電圧を出力する。すなわち、電圧バランス制御コンバータ２２００は、比較的電圧値が高い蓄電池２０４０の電圧に対し、直列接続された充放電ユニット数（図１においてはｎ個）で除算された電圧を生成し出力するだけでよい。これにより、蓄電池２０４０の電圧が大きな場合でも、個々の充放電ユニットで調整する電圧は小さいものとなる。

また、高電圧充放電モードにおいてマスター側の充放電制御コンバータとなる充放電ユニット（１ｃｈ）についても、図２に示す電圧バランス制御コンバータ２２００と同様の構成としてもよい。すなわち、充放電ユニット群２０１０内の各充放電ユニット（１ｃｈ乃至ｎｃｈ）を全て同一の構成としておけば、全部またはいずれか任意の一部の充放電ユニットを直列接続として、それを高電圧充放電モードで動作させることが可能となるので装置活用の利便性が高まることとなり好ましい。

但し、高電圧充放電モード時にマスター側の充放電制御コンバータにおいては、電圧バランスを（Ｖｎ／ｎ）に調整するのみのスレーブ側の動作は遂行しないので、マスター側の充放電制御コンバータには高電圧充放電モード回路２２３０を設けなくてもよい。

また、高電圧充放電モード時にマスター側の充放電制御コンバータは、電圧制限回路２２２０の多チャンネル用ＣＶ制御アンプへのフィードバック電圧は、蓄電池２０４０の両端電圧Ｖｎの（１／ｎ）または定電流コンバータ２２５０の出力電圧Ｖａとできる。

このため、高電圧充放電モードにおいてマスター側の充放電制御コンバータとなる充放電ユニット（１ｃｈ）は、多チャンネル充放電モード回路２２１０のＣＣｒｅｆ（定電流制御用基準電圧）及びＣＶｒｅｆ（定電圧制御用基準電圧）の各設定値を、制御コンピュータ２０２０の指示またはオペレータの操作等により、比較的電圧の高い蓄電池２０４０に対応する値へと適宜変更し設定してもよい。

図３は、電圧バランス制御コンバータ２２００の高電圧充放電モードにおける構成概要を説明する図である。図３において電圧制限回路２２６０は、図２に示す電圧制限回路２２２０とは別途に設ける電圧制限回路である。すなわち、電圧バランス制御コンバータ２２００がいわゆるスレーブ側として電圧バランス動作をする場合に、過剰に出力電圧値Ｖａが高くなりすぎることを防止する機能を有する。しかし、電圧制限回路２２６０は必須の構成ではなく、省略することができる。図３に示すように、高電圧充放電モード回路２２３０の出力、すなわち高電圧用ＣＶ制御アンプの出力を定電流コンバータのＣＣリファレンスに入力してもよい。

図４は、高電圧充放電モードにおける充電動作時の電圧バランス制御コンバータ２２００の動作について詳しく説明する図である。また、図５は、高電圧充放電モードにおける放電動作時の電圧バランス制御コンバータ２２００の動作について詳しく説明する図である。

図４に示すように、直列接続とされる充放電ユニットが三個の場合には、そのうちの一個の充放電ユニットが充放電制御コンバータとして不図示の制御コンピュータから充放電指令を受けて蓄電池の充放電制御をする。

また、他の二個の充放電ユニットが電圧バランス制御コンバータとして、蓄電池の電圧Ｖｎを三等分した電圧値（Ｖｎ／３）を各々生成し出力する。各充放電ユニットは直列接続とされているので、三個の充放電ユニットの合計出力電圧はＶｎとなり、各充放電ユニットの電圧負荷を低減しつつ、電圧の比較的大きな蓄電池の充放電試験を遂行することが可能となる。

また、図４（ｃ）に示すように、１ｃｈの充放電ユニットは充放電制御コンバータとして機能するので、ＣＣｒｅｆ（定電流制御用基準電圧）による定電流充電動作を不図示のコンピュータの指示により遂行する一方、自身の出力電圧Ｖａ₁が所定の電圧値以上に上昇した場合には、電圧制限回路２２２０の動作により定電圧動作へと移行して蓄電池を保護する。

図４から理解できるように、理想的な電圧安定状態においては、Ｖａ₁＝Ｖａ_２＝Ｖａ_３＝（Ｖｎ／３）となる。また、図４と図５とから理解できるように、定電流コンバータ２２５０における電圧値が蓄電池の電圧値Ｖｎより高い場合（＋電圧時：ダウンコンバータ時）には充電動作となり低い場合（−電圧時：アップコンバータ時）には放電動作となる。このため、図５に示す放電時の動作状態については、説明の省略を避けるために省略する。

図６は、本実施形態のマルチモード多チャンネル充放電装置２０００の動作概要を説明するフロー図である。そこで、マルチモード多チャンネル充放電装置２０００の動作概要について図６に示す各ステップごとに以下に説明する。

（ステップＳ６１０）
試験を遂行する対象となる蓄電池がパック電池やモジュール電池等の比較的高電圧の蓄電池であるか否かをオペレータが判断する。高電圧の蓄電池の充放電試験を遂行する場合には、ステップＳ６２０へと進み、高電圧の蓄電池の充放電試験を遂行する場合でなければステップＳ６６０へと進む。高電圧の蓄電池の充放電試験を遂行する場合でない典型例として、例えばセル電池を個別に充放電試験する場合等がある。

（ステップＳ６２０）
オペレータの操作または制御コンピュータ２０２０からの指示により、高電圧充放電モードにスイッチを切り替える。すなわち、所望の数の各充放電ユニットを直列に接続させて、その両端の充放電ユニットからの配線を蓄電池のプラス側とマイナス側とに各々配線するように接続を切り替える。このような配線切り替えは、例えば公知の各種リレー素子や各種コンタクタ素子を用いることができる。また、スレーブ側となる充放電ユニットについては、高電圧充放電モード回路２２３０に切り替えて電圧バランス制御コンバートとする。

（ステップＳ６３０）
充放電制御コンバータとして機能する１ｃｈ充放電ユニットに制御コンピュータ２０２０から、予め定められた試験遂行プログラムに従った充電動作または放電動作の指示と定電流制御動作の電流値を指示する。

（ステップＳ６４０）
各電圧バランス制御コンバータが各々（Ｖｎ／ｎ）の電圧を生成して定電圧制御により出力するとともに、充放電制御コンバータが制御コンピュータ２０２０の指示値に基づいた定電流制御により結果的に（Ｖｎ／ｎ）の電圧を生成して出力する。

（ステップＳ６５０）
高電圧充放電モードによる蓄電池の充放電試験を終了するか否かを判断する。例えば、予め予定された蓄電池の充放電試験プログラムが終了した場合にはこのフローを終了し、充放電試験プログラムが終了していない場合にはステップＳ６３０へと戻る。

（ステップＳ６６０）
オペレータの操作または制御コンピュータ２０２０からの指示により、多チャンネル充放電モードにスイッチを切り替える。すなわち、各充放電ユニット（１ｃｈ乃至ｎｃｈ）を対応する各蓄電池（＃１乃至＃ｎ）に各々配線するように接続を切り替える。このような配線切り替えは、例えば公知の各種リレー素子や各種コンタクタ素子を用いることができる。また、多チャンネル充放電モード回路２２１０へと回路を切り替える。

（ステップＳ６７０）
各充放電ユニット（１ｃｈ乃至ｎｃｈ）に、制御コンピュータ２０２０から個別に充電または放電の指示と、定電流制御の電流値指示が与えられる。この指示に基づいて、多チャンネル充放電モードにおいては、各蓄電池ごとに各充放電ユニットが対応付けされて、各蓄電池は、自身に対応する充放電ユニットに制御されて、個別に独立した充放電試験プログラムを遂行されることが可能となる。

（ステップＳ６８０）
各充放電ユニット（１ｃｈ乃至ｎｃｈ）は、各々対応する蓄電池（＃１乃至＃ｎ）に対して、定電流制御により個別に充放電試験を遂行する。

（ステップＳ６９０）
多チャンネル充放電モードによる蓄電池の充放電試験を終了するか否かを判断する。例えば、予め予定された各蓄電池の全ての充放電試験プログラムが終了した場合にはこのフローを終了し、各蓄電池の全ての充放電試験プログラムが終了していない場合にはステップＳ６７０へと戻る。

なお、ステップＳ６９０において、充放電試験プログラムがその時点で既に終了した複数の充放電ユニットのみを用いてこれらを直列接続とし、上述した高電圧充放電モードの試験を遂行する構成としてもよい。

図７は、高電圧充放電モードと多チャンネル充放電モードとを切り替えるスイッチについて、その構成例を説明する図である。図７に示すように、多チャンネル充放電動作モード時には、各充放電ユニットの定電流コンバータの出力に各々蓄電池が接続されて、各々個別独立に充放電試験が遂行される。一方、高電圧充放電モード時には、ＣＨ１乃至ＣＨ１５の各定電流コンバータの出力が直列に接続されて、紙面右端に示す＋端子と−端子とに比較的高電圧の単一の蓄電池が接続されて、充放電試験が遂行される。この場合でも、各充放電ユニットの電圧負荷は（１／１５）ずつで済むので、耐圧特性を特別に高める等信頼性や耐久性の向上施策をしなくてもよく、多チャンネル充放電用の装置仕様で何ら問題は生じない。

ここで、各充放電ユニット（１ｃｈ乃至ｎｃｈ）が備える定電流コンバータの構成例及び動作例について概要を説明する。図１１は、本発明の定電流コンバータ１０００の構成概要の一例を説明するブロック図である。図１１において定電流コンバータ１０００は、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを例示して説明している。また、定電流コンバータ１０００は、例えば図３で説明した定電流コンバータ２２５０として用いてもよい。

図１１に示すように、定電流コンバータ１０００は、所定の巻数比で設計されたトランス１０８０の一次側にスイッチング素子（ＳＷ１）１０６０を備え、二次側にスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０を備える。トランス１０８０は高周波トランスを用いることができる。一次側のスイッチング素子（ＳＷ１）１０６０と二次側のスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０とは、制御部（ＣＯＮＴ）１０３０によりＰＷＭ駆動される。

また、図１１に示すように定電流コンバータ１０００のトランス１０８０の二次側には、蓄電池２０と、リアクトル１１００およびコンデンサ１０９０を接続する。また、トランス１０８０の一次側には、コンデンサ１０７０、リアクトル１０５０、電解コンデンサ１０４０を介してＡＣ−ＤＣコンバータ１０に接続する。ＡＣ−ＤＣコンバータ１０は、商用電源に接続され交流電力を直流電力に変換して供給する。

定電流コンバータ１０００の放電運転時には、一次側のスイッチング素子（ＳＷ１）１０６０と二次側のスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０とを、オン・オフ制御する。これらのスイッチング素子１０６０，１１１０は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を利用する。スイッチング素子１０６０，１１１０としてＭＯＳＦＥＴを使用した場合には、それらの寄生ダイオードにて代替可能である。

また、スイッチング素子（ＳＷ２）１１１０のオフ時には、蓄電池２０からリアクトル１１００、コンデンサ１０９０、トランス１０８０の二次側を介して蓄電池２０に戻る経路で電流が流れて、コンデンサ１０９０が充電される。

また、同時にトランス１０８０の一次側では、コンデンサ１０７０からトランス１０８０の一次側、スイッチング素子（ＳＷ１）１０６０を介してコンデンサ１０７０に戻る経路で電流が流れてコンデンサ１０７０が充電される。

一方、スイッチング素子（ＳＷ２）１１１０のオン時には、トランス１０８０の二次側では、蓄電池２０からリアクトル１１００、スイッチング素子（ＳＷ２）１１１０を介して蓄電池２０に戻る経路で電流が流れて、リアクトル１１００にエネルギーが蓄積される。

また、同時にコンデンサ１０９０からスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０、トランス１０８０の二次側を介してコンデンサ１０９０に戻る経路でコンデンサ１０９０の放電電流が流れる。さらに、これと同時に、トランス１０８０の一次側では、コンデンサ１０４０からトランス１０８０の一次側、コンデンサ１０７０、リアクトル１０５０を介してコンデンサ１０４０に戻る経路でコンデンサ１０４０の放電電流が流れる。

このようにトランス二次側から一次側にエネルギーが伝達されて、蓄電池２０の電力がＡＣ−ＤＣコンバータ１０側に放電される。

また、定電流コンバータ１０００の充電運転時には、回路が左右対称であるため放電時と同様であり、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０側から与えられた直流電圧が、蓄電池２０に対応する電圧に降圧されて、蓄電池２０に供給される。

上述のように、定電流コンバータ１０００は、電力流通方向に応じて常時オフとするスイッチング素子を一次側と二次側とで順次切り替える必要がなく、リニアな双方向動作を実現する。

このため、定電流コンバータ１０００は、スイッチング素子数を増加させる必要がなく、部品点数の増大を抑制できるので比較的低コストの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとできるだけでなく、連続したリニアな充放電切り替え動作が可能となる。

また、定電流コンバータ１０００は、入出力間が一次側、二次側として絶縁されているため、地絡事故発生時等の予期せぬ障害が生じた場合においても、交流電源側から電力が流れ続けることがなく、比較的安全性の高い充放電システムを提供することができる。また、充電と放電とを切り替える場合には、定電流コンバータ１０００は、切り替え時間が生じることはなく、リニアに連続的に切り替えることができる。

また、上述したように、定電流コンバータ１０００は、充電時及び放電時で共用コンバータとするので部品点数はある程度低減され、充電時と放電時とではいずれの場合も、単一の制御部（ＣＯＮＴ）１０３０により連続的に充放電制御される。このため、図１１に示すように、充電制御と放電制御とに対応して充電用の制御部と放電用の制御部とを別個独立に備える必要がない。すなわち、定電流コンバータ１０００は、単一コンバータ一制御方式のため制御が複雑とならず、瞬時の充放電切り替えが可能である。

また、マルチモード多チャンネル充放電装置２０００は、実施形態での説明に限定されるものではなく、本実施形態で説明する技術思想の範囲内かつ自明な範囲内で、適宜その構成や動作及び駆動方法等を変更することができる。

本発明のマルチモード多チャンネル充放電装置は、各種電池や試料を試験する充放電試験装置等に広く適用できる。

２０００・・マルチモード多チャンネル充放電装置、２０１０・・充放電ユニット群、２０２０・・制御コンピュータ、２０３０・・蓄電池群、２０４０・・蓄電池。

Claims (9)

1. 複数の蓄電池の充放電試験を同時に遂行する多チャンネル充放電装置であって、
   多チャンネル充放電モード時に、前記蓄電池と各々個別に対応付けされて前記蓄電池の充放電試験を各々遂行する複数の充放電ユニットと、
   高電圧充放電モード時に、前記複数の充放電ユニットを直列に接続するスイッチ部と、を備え、
   前記高電圧充放電モード時において、前記直列に接続された前記複数の充放電ユニットのうち、一つの充放電ユニットが制御コンピュータから、前記蓄電池より電圧が高い他の蓄電池、に充放電する電流値の指示を受けて定電流制御する充放電制御コンバータであり、他の充放電ユニットが前記制御コンピュータから指示を受けずに定電圧制御する電圧バランス制御コンバータである
   ことを特徴とするマルチモード多チャンネル充放電装置。
2. 請求項１に記載のマルチモード多チャンネル充放電装置において、
   前記高電圧充放電モード時において、前記直列に接続された前記複数の充放電ユニットで、前記他の蓄電池の充放電試験を遂行する
   ことを特徴とするマルチモード多チャンネル充放電装置。
3. 請求項２に記載のマルチモード多チャンネル充放電装置において、
   前記高電圧充放電モード時において、前記他の蓄電池への供給電圧を前記直列接続された充放電ユニット数で均等割した電圧を、前記直列接続された充放電ユニット各々が生成して出力する
   ことを特徴とするマルチモード多チャンネル充放電装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマルチモード多チャンネル充放電装置において、
   前記充放電ユニットは各々定電流コンバータを備える
   ことを特徴とするマルチモード多チャンネル充放電装置。
5. 請求項１に記載のマルチモード多チャンネル充放電装置において、
   前記電圧バランス制御コンバータは、高電圧充放電モードの定電圧制御において使用する高電圧用ＣＶ制御アンプと、多チャンネル充放電モードの定電流制御において電圧制限回路で使用する多チャンネル用ＣＶ制御アンプとを備える
   ことを特徴とするマルチモード多チャンネル充放電装置。
6. 請求項５に記載のマルチモード多チャンネル充放電装置において、
   各モードにおいて使用するＣＶ制御アンプを切り替える切替器を備える
   ことを特徴とするマルチモード多チャンネル充放電装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のマルチモード多チャンネル充放電装置において、
   前記高電圧充放電モード時において、
   前記充放電制御コンバータが前記制御コンピュータからの指示に対応して前記他の蓄電池への供給電圧を上昇させる場合に、前記電圧バランス制御コンバータは前記他の蓄電池の両端電圧をフィードバックして、前記他の蓄電池の両端電圧上昇分を前記直列接続された充放電ユニット数で均等割した電圧をそれぞれ上昇させて出力し、
   前記充放電制御コンバータが前記制御コンピュータからの指示に対応して前記他の蓄電池への供給電圧を下降させる場合に、前記電圧バランス制御コンバータは前記他の蓄電池の両端電圧をフィードバックして、前記他の蓄電池の両端電圧下降分を前記直列接続された充放電ユニット数で均等割した電圧をそれぞれ下降させて出力する
   ことを特徴とするマルチモード多チャンネル充放電装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のマルチモード多チャンネル充放電装置の充放電試験方法において、
   多チャンネル充放電モード時に、制御コンピュータからの電流値指示に基づいて、各充放電ユニットが、前記蓄電池と各々個別に対応付けされて前記蓄電池の充放電試験を各々個別に遂行する工程と、
   高電圧充放電モード時に、前記複数の充放電ユニットを直列に接続して前記蓄電池より電圧が高い他の蓄電池の充放電試験を遂行する工程と、を有する
   ことを特徴とするマルチモード多チャンネル充放電装置の充放電試験方法。
9. 請求項８に記載のマルチモード多チャンネル充放電装置の充放電試験方法において、
   前記高電圧充放電モード時において、前記直列に接続された前記複数の充放電ユニットのうち、一つの充放電ユニットが制御コンピュータから前記他の蓄電池に充放電する電流値の指示を受けて電流制御する充放電制御コンバータであり、他の充放電ユニットが前記制御コンピュータから指示を受けない電圧バランス制御コンバータであって、
   前記高電圧充放電モード時に前記複数の充放電ユニットを直列に接続して前記蓄電池より電圧が高い他の蓄電池の充放電試験を遂行する工程において、
   前記充放電制御コンバータが前記制御コンピュータからの指示に対応して前記他の蓄電池への供給電圧を上昇させる場合に、前記電圧バランス制御コンバータは前記他の蓄電池の両端電圧をフィードバックして、前記他の蓄電池の両端電圧上昇分を前記直列接続された充放電ユニット数で均等割した電圧をそれぞれ上昇させて出力する工程と、
   前記充放電制御コンバータが前記制御コンピュータからの指示に対応して前記他の蓄電池への供給電圧を下降させる場合に、前記電圧バランス制御コンバータは前記他の蓄電池の両端電圧をフィードバックして、前記他の蓄電池の両端電圧下降分を前記直列接続された充放電ユニット数で均等割した電圧をそれぞれ下降させて出力する工程とを有する
   ことを特徴とするマルチモード多チャンネル充放電装置の充放電試験方法。

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