JP2011160567A - バッテリシミュレータ保護装置及びバッテリシミュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷の逆起電圧がインバータを介して印加されたときにバッテリシミュレータの破壊を防止することができるバッテリシミュレータ保護装置及びバッテリシミュレータを提供する。
【解決手段】
バッテリシミュレータ２の一対の端子１２、１３間に印加される電圧を制御してバッテリシミュレータ２を保護する保護装置６を備える。永久磁石式モータ４の高速回転中にインバータ３がダウンした場合には、そのときの永久磁石式モータ４の回転数に応じた逆起電圧が永久磁石式モータ４の端子電圧に発生する。しかし、電圧検出部３１により端子１２、１３間の電圧Ｖを検出し、電圧Ｖがバッテリシミュレータ２の耐電圧Ｖ０より大きいときにスイッチ切替制御回路３２によりスイッチ素子３５をオンとし、保護回路３０の抵抗３４でエネルギーを消費することができる。この結果、バッテリシミュレータ２の破壊を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バッテリシミュレータ及び該バッテリシミュレータを保護するバッテリシミュレータ保護装置に関する。

従来、動力源としてバッテリを使用する装置として、例えば電気自動車の駆動機構用の電動機を駆動するためのインバータがある。このようなインバータ等を実機搭載時以外に工場や整備工場等で試験運転したり評価試験を行ったりするために、インバータの動力源として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は、例えば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、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制御装置等を備える。これにより、バッテリシミュレータはインバータに直流電力を供給し、インバータはこの直流電力を交流電力に変換し、電動機に供給する。

この電動機（例えば永久磁石モータ）を高速回転させる場合、電動機の回転速度の増加に伴い電動機の逆起電圧が高くなるため、インバータの出力電圧が不足する。このため、弱め界磁制御が一般的に行われている。弱め界磁制御とは、例えば、電動機を所定回転数以上で高速回転させる場合に、電動機の永久磁石により発生している界磁と逆方向に界磁を発生させるような一次電流の界磁電流成分を流し、全体の界磁を弱めることにより、電動機のトルク特性を高速回転域に延ばす制御である（例えば特許文献１）。

特開平０６−２２５４０２号公報（段落０００８）

しかしながら、インバータがダウンした場合には、弱め界磁制御を行うことができなくなり、そのときの回転数に応じた逆起電圧が電動機の端子電圧に発生する。このため、バッテリシミュレータの許容電圧（耐電圧）を超える電動機の逆起電圧がインバータを介してバッテリシミュレータに印加されると、バッテリシミュレータの部品が耐圧破壊する可能性がある、という問題がある。

本発明は上記課題に鑑み、負荷の逆起電圧がインバータを介して印加されたときにバッテリシミュレータの破壊を防止することができるバッテリシミュレータ保護装置及びバッテリシミュレータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るバッテリシミュレータ保護装置は、商用交流電源から直流電源を生成してバッテリの動作を模擬するバッテリシミュレータに用いられる保護装置であって、抵抗と、切替手段と、電圧検出部と、制御手段とを有する。
上記抵抗は、前記バッテリシミュレータの出力端と上記バッテリシミュレータより供給される直流電源から負荷に供給する交流電力を生成するインバータの入力端との接続ラインに並列に接続可能である。上記切替手段は、上記接続ラインに対する上記抵抗の接続のオンオフを切り替える。上記電圧検出部は、上記バッテリシミュレータの出力端の電圧を検出する。上記制御手段は、上記電圧検出部で検出された上記出力端の電圧を基に上記切替手段を制御する。

本発明では、電圧検出部によりバッテリシミュレータの出力端の電圧を検出し、検出された出力端の電圧を基に制御手段により切替手段を制御し、接続ラインに対する抵抗の接続をオンにし、抵抗に電流を流すことができる。従って、負荷の逆起電圧が大きくなっても、バッテリシミュレータに印加される電圧をバッテリシミュレータの耐電圧より小さくして、バッテリシミュレータの破壊を防止することができる。

上記制御手段は、上記電圧検出部で検出された電圧が所定の値以上であるときに上記抵抗を接続するように上記切替手段を制御するようにしてもよい。
これにより、バッテリシミュレータに印加される電圧を所定の値以下とすることができる。例えば所定の値をバッテリシミュレータの耐電圧（許容電圧）とすることで、バッテリシミュレータの破壊を確実に防止することができる。
なお、制御手段は、例えば、マイクロコントローラ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等である。

本発明の一形態に係るバッテリシミュレータは、前記のバッテリシミュレータ保護装置を備えるものである。

このように本発明によれば、負荷の逆起電圧がインバータを介して印加されたときにバッテリシミュレータの破壊を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るバッテリシミュレータ及びバッテリシミュレータから直流電力が供給されるインバータを示すブロック図である。 図１に示すバッテリシミュレータの構成を示すブロック図である。 図１に示す保護装置の構成を示す図である。 図１に示すインバータの構成を示す回路図である。 本発明の他の実施形態に係るバッテリシミュレータ及びバッテリシミュレータに接続されたインバータの構成を示すブロック図である。 図５に示すバッテリシミュレータの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るバッテリシミュレータ及びバッテリシミュレータから直流電力が供給されるインバータを示すブロック図である。

バッテリシミュレータ２は、インバータ３に接続され、インバータ３は、永久磁石式モータ４及び制御部５に接続されている。バッテリシミュレータ２とインバータ３との間には、保護装置６が設けられている。

バッテリシミュレータ２は、例えば電気自動車に搭載されるバッテリを模擬した装置である。バッテリシミュレータ２は、電気自動車に搭載されるバッテリに代えて試験を行うときの電源として使用される。バッテリシミュレータ２は、一対の端子１２、１３を備える。バッテリシミュレータ２は、一対の端子１２、１３に接続された一対のライン７、８を介して、インバータ３に接続されている。一対のライン７、８、バッテリシミュレータ２及びインバータ３により直流回路が形成されている。バッテリシミュレータ２は、一対のライン７、８を介して、インバータ３に直流電力を供給する。

インバータ３は、ライン９、１０及び１１を介して、永久磁石式モータ４に接続されている。インバータ３は、バッテリシミュレータ２から入力された直流電力を交流電力に変換し、ライン９、１０及び１１を介して永久磁石式モータ４に出力する。制御部５は、インバータ３の駆動を制御するための駆動信号をインバータ３に出力し、インバータ３の駆動を制御する。

永久磁石式モータ４は、インバータ３から供給された交流電力により回転駆動する。永久磁石式モータ４は、例えばＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータ、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータ等が用いられる。

保護装置６は、一対のライン７、８に並列に接続されており、バッテリシミュレータ２の一対の端子１２、１３間の電圧を監視する。つまり、永久磁石式モータ４が高速で回転駆動しているときにインバータ３がダウンした場合に、そのときの永久磁石式モータ４の回転数に応じて永久磁石式モータ４の端子電圧に発生する逆起電圧がバッテリシミュレータ２に印加されることを防止する。

このような構成により、例えば電気自動車に搭載されるインバータ３の試験が行われる。なお、バッテリシミュレータ２は、電気自動車のほか、例えば、電気エネルギー及び内燃機関によるエネルギーの両方を利用するハイブリッド自動車用に搭載されるインバータの試験等にも適用され得る。

図２は図１に示すバッテリシミュレータ２の構成を示すブロック図である。
バッテリシミュレータ２は、端子１２、１３、コンバータ２１、コンデンサ２２及びチョッパ２３を備える。

コンバータ２１は、商用交流電源２５に接続され、商用交流電源２５から入力された交流電圧を直流電圧に変換する。なお、図２中、斜めの３本線は、例えば３相の交流電流が流れることを示している。コンバータ２１には、例えばダイオードが用いられている。コンバータ２１は、コンデンサ２２に接続されている。

コンデンサ２２は、コンバータ２１で変換された直流電圧を平滑化する。チョッパ２３は、コンバータ２１に接続されており、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。つまり、チョッパ２３は、入力電圧を試験用の電圧に変換する。チョッパ２３は、端子１２、１３に接続されている。

図３は図１に示す保護装置６の構成を示す図である。
保護装置６は、永久磁石式モータ４の逆起電圧によりバッテリシミュレータ２に印加される電圧を低減し、バッテリシミュレータ２にかかる負荷を低減して保護する。保護装置６は、保護回路３０、電圧検出部３１及び切替制御回路３２を備える。

保護回路３０は、一対のライン７、８にＡ、Ｂ点で並列に接続されている。保護回路３０は、保護回路３０内で互いに直列に接続された抵抗３４と、切替素子３５とを備える。抵抗３４は永久磁石式モータ４の逆起電圧エネルギーを十分に吸収できる抵抗値、容量とする。切替素子３５は、ライン７、８に対する抵抗３４の接続のオンオフを切り替える。

電圧検出部３１は、一対のライン７、８に並列に接続されており、バッテリシミュレータ２の一対の端子１２、１３間の電圧を検出する。電圧検出部３１は、検出した端子１２、１３間の電圧Ｖを切替制御回路３２に出力する。

切替制御回路３２は、電圧検出部３１で検出された端子１２、１３間の電圧Ｖを基に、切替素子３５を制御する。つまり、切替制御回路３２は、予め設定された設定電圧Ｖ０と、電圧検出部３１で検出された電圧Ｖとを比較し、比較結果に応じて、切替素子３５のオンオフを切り替える切替制御を行う。設定電圧Ｖ０は、バッテリシミュレータ２の耐電圧（許容電圧値）以下に定められている。

切替制御回路３２は、例えば、設定電圧Ｖ０より端子１２、１３間の電圧Ｖが大きいときには切替素子３５をオンにし、設定電圧Ｖ０より端子１２、１３間の電圧Ｖが小さいときには切替素子３５をオフにする。

図４は図１に示すインバータ３の構成を示す回路図である。
インバータ３は、制御部５から入力される制御信号に基づき、バッテリシミュレータ２から入力される直流電圧を交流電圧に変換し、永久磁石式モータ４に交流電圧を供給する。

インバータ３は、端子４１、端子４２、６個のスイッチ素子４３〜４８、コンデンサ５０及び出力端子５１〜５３を備える。

端子４１は、バッテリシミュレータ２の端子１２にライン７を介して接続される。端子４２は、バッテリシミュレータ２の端子１３にライン８を介して接続される。

スイッチ素子４３〜４８は、例えば半導体スイッチ素子（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチ素子４３とスイッチ素子４４とは直列に接続され、スイッチ素子４５とスイッチ素子４６とは直列に接続され、スイッチ素子４７とスイッチ素子４８とは直列に接続されている。

つまり、スイッチ素子４３のエミッタとスイッチ素子４４のコレクタとが接続され、スイッチ素子４５のエミッタとスイッチ素子４６のコレクタとが接続され、スイッチ素子４７のエミッタとスイッチ素子４８のコレクタとが接続されている。スイッチ素子４３、４５及び４７のコレクタは、端子４１に電気的に接続されている。スイッチ素子４４、４６及び４８のエミッタは、端子４２に電気的に接続されている。スイッチ素子４３及び４４等に並列にコンデンサ５０が接続されている。

スイッチ素子４３のエミッタは出力ライン５６に接続され、出力ライン５６の端部には、出力端子５１が接続されている。スイッチ素子４５のエミッタは出力ライン５７に接続され、出力ライン５７の端部には出力端子５２が接続されている。スイッチ素子４７のエミッタは出力ライン５８に接続され、出力ライン５８の端部には出力端子５３が接続されている。

スイッチ素子４３のゲートには入力配線６１が接続されている。入力配線６１は、制御部５に接続されている。スイッチ素子４３は、制御部５から入力配線６１を介して入力されるゲート信号によりオンオフのタイミングが制御される。同様に、スイッチ素子４４のゲートには入力配線６２が接続されている。入力配線６２は、制御部５に接続されている。スイッチ素子４４は、制御部５から入力配線６２を介して入力されるゲート信号によりオンオフのタイミングが制御される。他のスイッチ素子４５〜４８のそれぞれのゲートには、入力配線６３、６４、６５及び６６が接続され、制御部５からの各ゲート信号によりスイッチ素子４５〜４８のオンオフのタイミング等が制御される。

＜作用等＞
このように本実施形態によれば、バッテリシミュレータ２の一対の端子１２、１３間に印加される電圧を制御してバッテリシミュレータ２を保護する保護装置６を備える。例えば永久磁石式モータ４の高速回転中にインバータ３がダウンした場合には、そのときの永久磁石式モータ４の回転数に応じた逆起電圧が永久磁石式モータ４の端子に発生する。しかし、電圧検出部３１により端子１２、１３間の電圧Ｖを検出し、電圧Ｖがバッテリシミュレータ２の耐電圧Ｖ０より大きいときに切替制御回路３２により切替素子３５をオンとし、保護回路３０に電圧を印加し抵抗３４でエネルギーを消費することができる。この結果、バッテリシミュレータ２に印加される電圧をバッテリシミュレータ２の耐電圧より小さくして、バッテリシミュレータ２の破壊を防止することができる。

抵抗３４は永久磁石式モータ４の逆起電圧エネルギーを十分に吸収できる抵抗値、容量とされている。この結果、保護回路３０内の抵抗３４でより多くのエネルギーを消費することができ、確実にバッテリシミュレータ２の破壊を防止することができる。

抵抗３４は永久磁石式モータ４の逆起電圧エネルギーを十分に吸収できる抵抗値、容量とされている。この結果、保護回路３０内に流れる電流により切替素子３５が破壊することを防止することができる。

次に、本発明に係る他の実施形態のバッテリシミュレータについて図面を用いて説明する。

図５は本発明の他の実施形態に係るバッテリシミュレータ及びバッテリシミュレータに接続されたインバータ３の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態以降では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付しその説明を省略し異なる箇所を中心に説明する。

バッテリシミュレータ２Ａは、一対の端子１２、１３を備え、これらの端子１２、１３に接続されたライン７、８を介して、インバータ３に接続されている。しかし、ライン７、８には、保護装置６が接続されていない点が上記実施形態と異なる。つまり、一対のライン７、８にバッテリシミュレータ２Ａの一対の端子１２、１３が接続された簡単な構造を有する。

図６は図５に示すバッテリシミュレータ２Ａの構成を示す図である。
バッテリシミュレータ２Ａは、図２に示す一対の端子１２、１３、商用交流電源から直流電源を生成する、コンバータ２１、コンデンサ２２及びチョッパ２３に加えて、図６に示す保護装置６を備える点が上記実施形態と異なる。つまり、バッテリシミュレータ２Ａは保護装置６を内蔵している。

保護回路３０は、一端が点Ｃでライン７０に接続され、他端が点Ｄでライン７１に接続されている。ライン７０は、一端がチョッパ２３に接続され他端が端子１２に接続されている。ライン７１は、一端がチョッパ２３に接続され他端が端子１３に接続されている。電圧検出部３１は、一対の端子１２、１３間の電圧を検出する。

このような構成によれば、バッテリシミュレータ２Ａが保護装置６を内蔵する。このため、インバータ３に対するバッテリシミュレータ２Ａの取り付け取り外しとは別に、保護装置６の取り付け取り外し等の作業が不要となり作業性が向上すると共に、保護装置６の取り付けを忘れることによるバッテリシミュレータの破壊を確実に防止することができる。

本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。

上記実施形態に係る保護装置６及びバッテリシミュレータ２Ａは、インバータ３を供試体とする例を示した。しかし、これに限定されず、例えばバッテリやその他の要素を供試体としてもよい。

上記実施形態では、一対のライン７、８に並列に保護装置６を接続する例を示した。しかし、これに限定されず、例えば一対のライン７、８に並列に接続された保護装置６に加えて、ライン９、１０及び１１に保護装置６を並列に接続するようにしてもよい。これにより、インバータ３及びバッテリシミュレータ２の耐圧破壊を防止することができる。

２、２Ａ…バッテリシミュレータ
３…インバータ
４…永久磁石式モータ
５…制御部
６…保護装置（バッテリシミュレータ保護装置に相当）
２１…コンバータ
２３…チョッパ
３０…保護回路
３１…電圧検出部
３２…切替制御回路（制御手段に相当）
３４…抵抗
３５…切替素子（切替手段に相当）
７０、７１…ライン（接続ラインに相当）

Claims (3)

1. 商用交流電源から直流電源を生成してバッテリの動作を模擬するバッテリシミュレータに用いられる保護装置であって、
   前記バッテリシミュレータの出力端と、前記バッテリシミュレータより供給される直流電源から負荷に供給する交流電力を生成するインバータの入力端との接続ラインに並列に接続可能な抵抗と、
   前記接続ラインに対する前記抵抗の接続のオンオフを切り替える切替手段と、
   前記バッテリシミュレータの出力端の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部で検出された前記出力端の電圧を基に前記切替手段を制御する制御手段と
   を具備するバッテリシミュレータ保護装置。
2. 請求項１に記載のバッテリシミュレータ保護装置であって、
   前記制御手段は、前記電圧検出部で検出された電圧が所定の値以上であるときに前記抵抗を接続するように前記切替手段を制御する
   バッテリシミュレータ保護装置。
3. 請求項１または２に記載のバッテリシミュレータ保護装置を備えたバッテリシミュレータ。

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