JP2014163725A - 充放電試験システム - Google Patents

Abstract

【課題】試験対象の蓄電装置を高効率に充放電したい。
【解決手段】フロントエンドコンバータ１１は、外部電圧を＋６０Ｖ以下、−６０Ｖ以上の直流電圧に変換する。直流バス６０は、フロントエンドコンバータ１１に接続される＋６０Ｖ以下、−６０Ｖ以上のバスである。複数のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ〜２ｎｂは、直流バス６０に接続され、試験対象の少なくとも一つの蓄電装置３１〜３ｎを並列に＋６０Ｖ以下、−６０Ｖ以上で充電または放電する。オンボードＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ〜２ｎｂは、カードエッジ接続のためのカードエッジコネクタを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電装置（リチウムイオン電池など）の充放電試験を行う充放電試験システムに関する。

近年、ハイブリット車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）が普及してきている。これらの車にはキーデバイスとして二次電池が搭載される。車載用二次電池としては主に、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池が普及している。車載用二次電池は、携帯電池などのコンシューマ用と比較して容量が非常に大きい。このため、開発時や量産試験時の充放電の電力が非常に大きくなる。また車載用二次電池では多数の電池セルが組み合わせて使用されるため、多数の電池セルを同時並行で試験可能な装置が求められる。

特開２０００−２５３５８０号公報

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、リチウムイオン電池などの蓄電装置を高効率に充放電できる充放電試験システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の充放電試験システムは、外部電圧を＋６０Ｖ以下、−６０Ｖ以上の直流電圧に変換するフロントエンドコンバータと、フロントエンドコンバータに接続される＋６０Ｖ以下、−６０Ｖ以上の直流バスと、直流バスに接続され、試験対象の少なくとも一つの蓄電装置を並列に＋６０Ｖ以下、−６０Ｖ以上で充電または放電するための複数のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータと、を備える。オンボードＤＣ−ＤＣコンバータは、カードエッジコネクタを有する。

本発明によれば、充放電試験システムの電力使用効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態と比較すべき比較例に係る充放電試験システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る充放電試験システムの構成を示す図である。 図２の充放電試験システムのシステム構成例を示す図である。 複数のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータの実装例を示す図である。 カードエッジ接続を説明するための図である。 変形例に係る充放電試験システムの構成を示す図である。

図１は、本発明の実施の形態と比較すべき比較例に係る充放電試験システム１００の構成を示す図である。充放電試験システム１００は、複数の試料の試験を並行して行うことができる。試験対象の試料は蓄電装置であり、蓄電装置にはリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池、ニッケルカドミウム電池などの二次電池、電気二重層キャパシタ等のキャパシタが該当する。本明細書ではリチウムイオン電池を想定する。

充放電試験システム１００は回生インバータ１０、直流バス６０、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１〜２ｎ、制御装置５０を備える。回生インバータ１０の交流側端子はＡＣ電源（商用電源）４０に接続され、直流側端子は直流バス６０に接続される。複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１〜２ｎの高圧側直流端子は直流バス６０に接続され、低圧側直流端子は複数の蓄電装置３１〜３ｎにそれぞれ接続される。

制御装置５０は、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１〜２ｎ及び複数の蓄電装置３１〜３ｎと通信線で接続される。例えば、８チャンネル構成の場合は８個の双方向インバータが搭載され、最大８個の蓄電装置の充放電試験を同時並行で行うことができる。なお冗長の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが直流バス６０にさらに接続されてもよい。

回生インバータ１０は回生機能付きの双方向ＡＣ−ＤＣコンバータである。本比較例では回生インバータ１０は、力行時、２００Ｖの交流電圧を３２０Ｖの直流電圧に変換し、回生時、直流バス６０の３２０Ｖの直流電圧を２００Ｖの交流電圧に変換する。各双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１〜２ｎは、制御装置５０からの制御信号に応じて各蓄電装置３１〜３ｎを充放電制御する。

本比較例では各双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１〜２ｎは、力行時、直流バス６０の３４０Ｖの直流電圧を５Ｖの直流電圧に変換し、回生時、各蓄電装置３０〜３ｎの５Ｖの直流電圧を、３２０Ｖの直流電圧に変換する。また最大３５Ａの直流電流で充放電する。本比較例で使用される双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであり、ユニット型電源である。

制御装置５０は、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１〜２ｎを制御して、複数の蓄電装置３１〜３ｎに対する充放電を制御する。また各蓄電装置３１〜３ｎから計測データ（例えば、電圧値、電流値、温度値）を取得し、管理保存する。制御装置５０は、設定された充放電パターンに応じて、チャンネルごとに独立の充放電試験を実施可能である。

図２は、本発明の実施の形態に係る充放電試験システム１００の構成を示す図である。実施の形態に係る充放電試験システム１００では、比較例に係る回生インバータ１０の代わりにフロントエンドコンバータ１１を使用する。フロントエンドコンバータ１１は、外部電圧であるＡＣ電源電圧を６０Ｖ以下の直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣコンバータである。本実施の形態では４８Ｖの直流電圧に変換する。フロントエンドコンバータ１１は回生インバータ１０と異なり、回生機能を搭載しない。本実施の形態では、ある蓄電装置から放電された電力は、直流バス６０を介して別の蓄電装置に回生される。直流バス６０は＋６０Ｖ以下、−６０Ｖ以上の直流ラインであり、本実施の形態では４８Ｖラインである。

また本実施の形態ではユニット型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの代わりに、オンボード型のＤＣ−ＤＣコンバータ（以下、オンボードＤＣ−ＤＣコンバータという）を用いる。また１チャンネルに対して複数のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータが設置可能な構成である。図２に示す例では一つの蓄電装置に対して２つのオンボードＤＣ−ＤＣコンバータを並列に接続している。

本実施の形態では各オンボードＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ〜２ｎｂは、力行時、直流バス６０の４８Ｖの直流電圧を５Ｖの直流電圧に変換し、回生時、各蓄電装置３０〜３ｎの５Ｖの直流電圧を、４８Ｖの直流電圧に変換する。また最大２５Ａの直流電流で充放電する。なおオンボードＤＣ−ＤＣコンバータには、このような充放電可能な充放電用双方向ＤＣ−ＤＣコンバータだけでなく、充電専用の充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ、放電専用の放電用ＤＣ−ＤＣコンバータ等の種類の異なるＤＣ−ＤＣコンバータを適用できる。

また本実施の形態では、直流バス６０が実装される電源ユニット内のマザーボード（以下、システム基板という）と、オンボードＤＣ−ＤＣコンバータとの接続に、カードエッジ接続を採用する。システム基板には複数のカードエッジソケットを実装し、各オンボードＤＣ−ＤＣコンバータにはカードエッジコネクタを実装する。また、オンボードＤＣ−ＤＣコンバータはユニット型のＤＣ−ＤＣコンバータと異なり、薄型のケースに収納可能である。

従って本実施の形態では、システム基板に設けられたカードエッジソケットに、オンボードＤＣ−ＤＣコンバータに設けられたカードエッジコネクタを挿入することにより、システム基板にオンボードＤＣ−ＤＣコンバータを着脱自在に装着することが可能な構成である。従ってシステム基板の各カードエッジソケットには、充放電用双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ、放電用ＤＣ−ＤＣコンバータを選択的に挿入可能である。

図３は、図２の充放電試験システム１００のシステム構成例を示す図である。第１チャンネルは図２の基本構成と同様に、２つの充放電用双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを並列接続している。第２チャンネルは、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータと放電用ＤＣ−ＤＣコンバータを並列接続している。従って最大充電電流値と最大放電電流値を異なる値に設定することができる。例えば、放電レートを充電レートより高く設定することができる。

第ｎチャンネルは、１つの充放電用双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのみが接続されている。この場合、２つの充放電用双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが並列接続されている場合と比較し、最大充放電電流値が半分になる。このように１つのチャンネルに接続するオンボードＤＣ−ＤＣコンバータの数を変えることにより、最大充電電流値または最大放電電流値を調整可能である。

図４は、複数のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ〜２ｎｂの実装例を示す図である。複数のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ〜２ｎｂ及び、それらが挿入されるシステム基板を搭載した電源ユニットは、複数の蓄電装置３１〜３ｎの近傍に設置される。図４では、複数の蓄電装置３１〜３ｎ、複数のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ〜２ｎｂ及び電源ユニット７３が、一つの設置機器に搭載される。当該設置機器は下から順に、基台９１、載置台８１、支持台７１を備え、載置台８１及び支持台７１は、基台９１から上方に延びる４本の支柱に固定されている。

載置台８１には、複数の蓄電装置３１〜３ｎを並列に収容した収納部材８２が載置される。収納部材８２は上部が開口し、複数の蓄電装置３１〜３ｎの上部が露出している。各蓄電装置３１〜３ｎからは電極が上方に突き出ている。

支持台７１の下面からは導電性の複数のプローブが下方に突き出ている。基台９１と載置台８１との間には、載置台８１を上下に移動させるための駆動手段が設置されている。駆動手段が載置台８１を上方に移動させることにより、複数のプローブと複数の蓄電装置３１〜３ｎの電極が接触する。

複数のプローブは、支持台７１の上方にも突き出ており、上方に突き出た各プローブは電力線７２の一端に接続される。電力線７２の他端は電源ユニット７３に接続される。電源ユニット７３は、支持台７１の長手方向の辺に斜めに取付けられる。図４では２つの電源ユニット７３が、支持台７１の両辺に取付けられる。

電源ユニット７３は、上述のシステム基板、当該システム基板を冷却するための冷却水が流れる図示しない冷却水路、複数の水冷プレート７５、マルチコネクタ７４を備える。冷却水路はシステム基板に沿って配管される。水冷プレート７５は冷却水路に接続する。システム基板には複数のカードエッジソケットが、長手方向に所定の間隔を空けて実装される。それらのカードエッジソケットには、オンボードＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ〜２ｎｂが挿入される。図４では１つの電源ユニット７３に８枚のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータが挿入可能であり、２つの電源ユニット７３で合計１６枚のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータが挿入可能である。

システム基板のカードエッジソケット間から、上部に延び出すように水冷プレート７５が設置される。隣接する２枚の水冷プレート７５で１枚のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータを挟み込み、オンボードＤＣ−ＤＣコンバータを冷却する。

マルチコネクタ７４は電源ユニット７３の側面に設置される。マルチコネクタ７４は、図示しないフロントエンドコンバータ１１と接続するための電力線、制御装置５０と接続するための図示しない通信線、図示しない水冷ポンプと接続するための図示しない水冷パイプの共通のコネクタである。

図５は、カードエッジ接続を説明するための図である。オンボードＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａの一端からカードエッジコネクタ２１ａｃが延び出している。システム基板に実装されるべきカードエッジソケット７３ｓは、カードエッジコネクタ２１ａｃを収容する。即ち、カードエッジコネクタ２１ａｃがオス型端子で、カードエッジソケット７３ｓがメス型端子となる。

以下、図１に示した比較例に係る充放電試験システム１００と、図２〜４に示した実施の形態に係る充放電試験システム１００を比較する。まず後者は前者と比較して、ユニット型のＤＣ−ＤＣコンバータではなく、オンボードＤＣ−ＤＣコンバータを用いているためＤＣ−ＤＣコンバータを小型化でき、システム全体を省スペース化できる。オンボードＤＣ−ＤＣコンバータを用いることが可能になったのは、４８Ｖの直流バス６０に充放電用のＤＣ−ＤＣコンバータを接続しているためである。

ＵＬ（Underwriters Laboratories）規格、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）規格などの安全規格は、直流６０Ｖを超える電圧を危険電圧と規定し、厳格な絶縁処理を要求する。逆にいえば６０Ｖ以下の電圧であれば絶縁処理を簡素化できる。また規格では高電圧なほど、長い絶縁距離を要求している。従って６０Ｖを超える電圧を扱う回路は、高密度化が難しくなる。比較例では３４０Ｖの直流バス６０に接続されるため、ＤＣ−ＤＣコンバータを小型化することが難しく、オンボードタイプでの実装は困難である。

これに対して、実施の形態では４８Ｖの直流バス６０に接続されるため、ＤＣ−ＤＣコンバータの高密度実装が可能である。非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いることができるためトランスも不要となる。また絶縁距離を短くできるためプリント配線基板上に高密度に実装できる。

ＤＣ−ＤＣコンバータを小型化できると図４に示したように試験対象の蓄電装置の近傍にＤＣ−ＤＣコンバータを配置できる。従ってＤＣ−ＤＣコンバータと蓄電装置間のケーブル長を短くできる。これにより配線抵抗が小さくなるため電力効率が向上する。比較例では大型のユニット型のＤＣ−ＤＣコンバータを使用していたため、設置スペースの関係から蓄電装置から離れた位置に設置していた。従ってＤＣ−ＤＣコンバータと蓄電装置間で大きなケーブルロスが発生していた。

また近年、低電圧ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率が向上しており、８５〜９０％以上の変換効率のものも実用化されている。本実施の形態では直流４８Ｖ入力／５Ｖ２５Ａ出力のオンボード型で、変換効率が８５〜９０％以上ものを使用している。比較例では直流３４０Ｖ入力／５Ｖ３５Ａ出力のユニット型で、変換効率が７５〜８０％ものを使用していた。比較例に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、本実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータより変換効率が低く、発熱量も大きかった。

また比較例に係る充放電試験システム１００では、蓄電装置からの放電エネルギーは、回生インバータ１０から一次側のＡＣ電源４０へ返していた。回生インバータ１０の変換効率およびＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率は、実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率ほど高くないため回生効率が低くなっていた。本実施の形態では蓄電装置からの放電エネルギーを、４８Ｖの直流バス６０を介して他の蓄電装置に内部回生させるため回生効率を大幅に向上させることができる。

近年の自動車用途への拡大に伴い、リチウムイオン電池およびニッケル水素電池の出荷数が増えており、多数の二次電池の充放電試験が必要になってきている。従って効率向上に伴う試験設備の省電力化の効果は非常に大きいといえる。

また本実施の形態ではカードエッジ接続するオンボードＤＣ−ＤＣコンバータを使用するため、充放電用ＤＣ−ＤＣコンバータ、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ、放電用ＤＣ−ＤＣコンバータの組み合わせが自由で、冗長構成もフレキシブルな構成が可能となる。設置後の組み合わせ変更も容易である。またメンテナンスも容易である。

また本実施の形態ではオンボード型を使用しているため、水冷プレートを接触させて冷却することが容易な構成であり、空冷方式と比較して冷却効率が高い液冷方式を採用しやすくなっている。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

図６は、変形例に係る充放電試験システム１００の構成を示す図である。図６に示す変形例では第１チャンネルに、１つの充電用ＤＣ−ＤＣコンバータと、２つの放電用ＤＣ−ＤＣコンバータを並列接続している。これによれば同じ最大電流値の充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ、放電用ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた場合でも、最大充電電流値と最大放電電流値を異なる値に設定できる。電流値の異なるＤＣ−ＤＣコンバータを用意する種類数を減らすことができ、調達コストを低減できる。

また上述の実施の形態ではフロントエンドコンバータ１１が回生機能を搭載しない例を説明したが、フロントエンドコンバータ１１が回生機能を搭載し、オンボードＤＣ−ＤＣコンバータから放電される少なくとも一部のエネルギーを一次側に回生する構成を採用してもよい。

また実施の形態ではフロントエンドコンバータ１１の一次側をＡＣ電源４０とする例を説明した。この点、一次側が高圧（例えば、３４０Ｖ）の直流バスであってもよい。この直流バスには、太陽光発電システムなどの再生可能エネルギーを用いた発電装置が接続されてもよい。

１００ 充放電試験システム、 １０ 回生インバータ、 １１ フロントエンドコンバータ、 ２１〜２ｎ 双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ２１ａ〜２ｎｂ オンボードＤＣ−ＤＣコンバータ、 ３１〜３ｎ 蓄電装置、 ４０ ＡＣ電源、 ５０ 制御装置、 ６０ 直流バス、 ７１ 支持台、 ７２ 電力線、 ７３ 電源ユニット、 ７４ マルチコネクタ、 ７５ 水冷プレート、 ８１ 載置台、 ８２ 収納部材、 ９１ 基台。

Claims (9)

1. 外部電圧を＋６０Ｖ以下、−６０Ｖ以上の直流電圧に変換するフロントエンドコンバータと、
   前記フロントエンドコンバータに接続される＋６０Ｖ以下、−６０Ｖ以上の直流バスと、
   前記直流バスに接続され、試験対象の少なくとも一つの蓄電装置を並列に＋６０Ｖ以下、−６０Ｖ以上で充電または放電するための複数のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータと、を備え、
   前記オンボードＤＣ−ＤＣコンバータは、カードエッジコネクタを有することを特徴とする充放電試験システム。
2. 前記オンボードＤＣ−ＤＣコンバータは、前記フロントエンドコンバータと電力線を介して接続されるシステム基板に設けられた複数のカードエッジソケットに、着脱自在に挿入されることを特徴とする請求項１に記載の充放電試験システム。
3. 一つの蓄電装置に対して、複数の前記オンボードＤＣ−ＤＣコンバータを並列に接続可能であることを特徴とする請求項２に記載の充放電試験システム。
4. 一つの蓄電装置に対して、並列に接続する前記オンボードＤＣ−ＤＣコンバータの数を変えることにより前記蓄電装置の最大充電電流値または最大放電電流値を調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の充放電試験システム。
5. 前記オンボードＤＣ−ＤＣコンバータの種類として、充放電用双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ、放電用ＤＣ−ＤＣコンバータがあり、
   前記システム基板の各カードエッジソケットには、前記充放電用双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、前記充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ、前記放電用ＤＣ−ＤＣコンバータを選択的に挿入可能であることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の充放電試験システム。
6. 一つの蓄電装置に対して、前記充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ及び前記放電用ＤＣ−ＤＣコンバータを並列に接続し、最大充電電流値と最大放電電流値を異なる値に設定することを特徴とする請求項５に記載の充放電試験システム。
7. ある蓄電装置から放電された電力を、前記直流バスを介して別の蓄電装置に回生させることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の充放電試験システム。
8. 前記システム基板および前記複数のオンボードＤＣ−ＤＣコンバータは、液冷方式で冷却されることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の充放電試験システム。
9. 前記蓄電装置は、二次電池またはキャパシタであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の充放電試験システム。

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