JP2014192038A

JP2014192038A - ２次電池の充放電検査装置

Info

Publication number: JP2014192038A
Application number: JP2013067355A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sato; 崇佐藤; Kosuke Gondo; 光祐権藤
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】省エネルギー化を実現可能な充放電検査装置を提供する。
【解決手段】充放電検査装置２は、（i）力行運転時に、商用交流電源ＰＳからの交流電圧を直流電圧に変換し、直流電圧を降圧することにより、２次電池１を充電し、（ii）回生運転時に、２次電池１の電圧を昇圧し、昇圧された電圧を交流電圧に変換して商用交流電源ＰＳ側に回収可能に構成される。商用交流電源ＰＳから２次電池１に至る経路のなかで、実効的な電圧レベルが最も大きな経路に使用される配線の長さが、その他の経路に使用される配線の長さより長く構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、２次電池を試験する充放電検査装置に関する。

リチウムイオン電池、ニッケル水素電池をはじめとする繰り返し充電可能な２次電池が広く利用されている。２次電池はその出荷前に、充放電検査装置を用いて正常に機能するかが検査される。

図１は、本発明者らが検討した比較技術に係る充放電検査装置の構成を示す図である。充放電検査装置２ｒは、検査対象の２次電池１を充電し、あるいは放電することにより、２次電池１の電気的特性が仕様を満たしているかを検査する。２次電池１は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などが例示されるが、特に限定されない。

充放電検査装置２は、フィルタ３、回生コンバータ４、双方向コンバータ６、昇降圧コンバータ８、２本の第１直流ラインＬＰ１、ＬＮ１、２本の第２直流ラインＬＰ２、ＬＮ２、を備える。

フィルタ３は、ＥＭＣ対策のために商用交流電源ＰＳと回生コンバータ４の間に設けられ、ノイズを除去する。

２次電池１に蓄えられたエネルギーを商用交流電源ＰＳに放電する場合を想定し、回生コンバータ４は、入力側と出力側で双方向にエネルギーを授受できるように構成される。力行運転時には、コントローラ１０ａは、商用交流電源ＰＳからの商用三相交流電圧Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗが整流されるように、各相のトランジスタＭＨＵ、ＭＨＵ、ＭＨＶ、ＭＬＵ、ＭＬＶ、ＭＬＷを制御する。その結果、２本の第１直流ラインＬＰ１、ＬＮ１の間には、平滑用キャパシタＣ１によって平滑化された第１直流リンク電圧Ｖ１が発生する。２００Ｖの商用交流電圧が供給される場合、第１直流リンク電圧Ｖ１は３００Ｖ程度（≒２８２Ｖ）となる。

また回生運転時には、コントローラ１０ａは、２本の第１直流ラインＬＰ１、ＬＮ１の間に生ずる第１直流リンク電圧Ｖ１が三相交流電圧Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗに変換されるように、各相のトランジスタＭＨＵ、ＭＨＵ、ＭＨＶ、ＭＬＵ、ＭＬＶ、ＭＬＷを制御する。その結果、２次電池１からの電力が商用交流電源ＰＳ側に回収される。

双方向コンバータ６もまた、１次側（Ｐ）と２次側（Ｓ）との間で双方向にエネルギーを授受できるように構成される。

第１ブリッジ回路Ｂ１および第２ブリッジ回路Ｂ２を構成するスイッチは、コントローラ１０ｂによって制御される。コントローラ１０ａと１０ｂは、通信可能となっており、コントローラ１０ｂは、上流のコントローラ１０ａからの指令にもとづいて動作し、また、コントローラ１０ａに対して、実際の電池電圧Ｖｂａｔ、充放電電流の測定値を送信する。

絶縁トランスＴ１の１次巻線Ｗ１の巻数は、２次巻線Ｗ２の巻数より大きく、第２直流リンク電圧Ｖ２は、第１直流リンク電圧Ｖ１の数分の１倍〜１／１０倍程度となる。たとえば、Ｖ２＝２５Ｖ〜５０Ｖ（以下、５０Ｖとする）程度に設定される。

昇降圧コンバータ８は、第２直流リンク電圧Ｖ２を受け、それを降圧して２次電池１を充電する充電モード（力行運転）と、２次電池１の電池電圧Ｖｂａｔを受け、それを昇圧して第２直流ラインＬＰ２、ＬＮ２の間に供給する放電モード（回生運転）が切りかえ可能となっている。

第１スイッチングトランジスタＭ１および第２スイッチングトランジスタＭ２は、コントローラ１０ｂにより制御される。充電モードにおける昇降圧コンバータ８は、２本の第２直流ラインＬＰ２、ＬＮ２側を入力、２次電池１を出力、第１スイッチングトランジスタＭ１をスイッチングトランジスタ、第２スイッチングトランジスタＭ２を同期整流トランジスタとする同期整流型の降圧コンバータとして動作する。放電モードにおける昇降圧コンバータ８は、２次電池１を入力、２本の第２直流ラインＬＰ２、ＬＮ２を出力、第２スイッチングトランジスタＭ２をスイッチングトランジスタ、第１スイッチングトランジスタＭ１を同期整流トランジスタとする同期整流型の昇圧コンバータとして動作する。

特開２０１１−３６１１７号公報特開２００８−５４３８３号公報特開２００８−２４５４７０号公報

当初、本発明者らは、充放電検査装置２ｒにおいて、フィルタ３、回生コンバータ４、双方向コンバータ６をひとつの電源ラック２０に収納し、昇降圧コンバータ８を、被試験デバイスである電池１の近傍に設置された別のラック（本体ラックという）２２に収容することを検討した。

２次電池１の試験に際しては、２次電池１および昇降圧コンバータ８の温度は一定に保たれることが望ましい。図１の構成によれば、発熱が大きい電源ラック２０を、温度に敏感な２次電池１および昇降圧コンバータ８を含む本体ラック２２から遠ざけることができ、温度的に安定した運用が可能である。図１の充放電検査装置２ｒでは、実際の運用下において、商用交流電源ＰＳとフィルタ３の距離ｄ１は３〜２０ｍ程度、回生コンバータ４〜双方向コンバータ６の距離ｄ２は２ｍ程度、双方向コンバータ６と昇降圧コンバータ８の距離ｄ３は１０〜３０ｍ程度、昇降圧コンバータ８と２次電池１の距離ｄ４は１ｍ程度となる。

ここで充放電検査装置２ｒは、２次電池１を充電した後、２次電池１を放電するサイクルを繰り返す。省エネルギーの観点から、放電の際に２次電池１から放出される電力を、なるべく高効率で商用交流電源ＰＳ側に回収することが好ましい。

本発明者らは、省エネ化の要請から図１の充放電検査装置２ｒについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。

いま、電力を伝送するケーブルが、単位長さ当り、抵抗成分Ｒを有するものと仮定すると、抵抗成分Ｒに電流Ｉが流れるときの、単位長さ当りの電力損失Ｐｄは、Ｐｄ＝Ｒ・Ｉ^２で与えられる。いま、ある一定電力Ｐｃ＝Ｉ×Ｖを、抵抗成分Ｒの伝送ケーブルで伝送する場合、Ｐｄ＝Ｒ・Ｐｃ^２／Ｖ^２であるから、電圧Ｖが小さいほど、単位長さ当りの電力損失Ｐｄが大きくなる。

図１の充放電検査装置２ｒについて検討すると、直流５０Ｖの伝送距離ｄ３が、直流３００Ｖの伝送距離ｄ２よりも長くなっている。つまり、単位長さ当りの電力損失が大きな経路の方が距離が長い構成となっているため、システム全体としての損失が大きいという問題がある。なお、以上の検討およびそこから導かれる知見を、当業者の一般的な認識ととらえてはならない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、省エネルギー化を実現可能な充放電検査装置の提供にある。

本発明のある態様は２次電池の充放電検査装置に関する。充放電検査装置は、（i）力行運転時に、商用交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、直流電圧を降圧することにより、２次電池を充電し、（ii）回生運転時に、２次電池の電圧を昇圧し、昇圧された電圧を交流電圧に変換して商用交流電源側に回収可能に構成される。充放電検査装置は、商用交流電源から２次電池に至る経路のなかで、実効的な電圧レベルが最も大きな経路に使用される配線の長さが、その他の経路に使用される配線の長さより長く構成される。

本発明の別の態様もまた、充放電検査装置である。充放電検査装置は、その１次側が三相商用交流電源と接続され、１次側の巻数が２次側の巻数より大きい三相交流トランスと、２本の直流ラインと、２本の直流ラインの間にブリッジ接続された複数のスイッチ、複数のスイッチそれぞれと並列に設けられた複数の整流素子、および２本の直流ライン間に設けられた平滑用キャパシタと、を有し、（１）複数のスイッチをスイッチングすることにより、もしくはすべてオフすることにより、三相交流トランスの２次側に生ずる三相交流電圧を整流・平滑化し、２本の直流ライン間に供給し、または（２）複数のスイッチをスイッチングさせることにより、２本の直流ライン間に生ずる直流電圧を三相交流電圧に変換し、三相交流トランスの２次側に供給する回生コンバータと、２本の直流ラインの間に設けられた第１、第２スイッチングトランジスタと、第１、第２スイッチングトランジスタの接続点と２次電池の間に設けられたインダクタと、を有し、充電状態において、２本の直流ラインを入力、２次電池を出力とする降圧コンバータとして動作し、放電状態において、２次電池を入力、２本の直流ラインを出力とする昇圧コンバータとして動作するよう構成された昇降圧コンバータと、三相商用交流電源と三相交流トランスの１次側の間を接続する第１配線と、三相交流トランスの２次側と回生コンバータの１次側の間を接続する第２配線と、回生コンバータの２次側と昇降圧コンバータの１次側の間を接続する第３配線と、昇降圧コンバータの２次側と２次電池の間を接続する第４配線と、を備える。第１配線の長さは、第２、第３、第４配線の長さより長い。

三相交流トランス、回生コンバータおよび昇降圧コンバータは、単一のラックに収容されてもよい。

本発明のさらに別の態様は、充放電検査装置である。この充放電検査装置は、その１次側が三相商用交流電源と接続され、２本の第１直流ライン間にブリッジ接続された複数のスイッチ、複数のスイッチそれぞれと並列に設けられた複数の整流素子、および２本の第１直流ライン間に設けられた平滑用キャパシタと、を有し、（１）複数のスイッチをスイッチングすることにより、もしくはすべてオフすることにより、商用三相交流電圧を整流・平滑化し、２本の直流ライン間に供給し、（２）複数のスイッチをスイッチングさせることにより、２本の直流ライン間に生ずる直流電圧を三相交流電圧に変換し、商用交流電源に供給する回生コンバータと、絶縁トランスと、２本の第１直流ラインの間に設けられ、その出力が絶縁トランスの１次巻線に接続された第１ブリッジ回路と、２本の第２直流ラインの間に設けられ、その出力が絶縁トランスの２次巻線に接続された第２ブリッジ回路と、を含む双方向コンバータと、２本の第２直流ラインの間に設けられた第１、第２スイッチングトランジスタと、第１、第２スイッチングトランジスタの接続点と２次電池の間に設けられたインダクタと、を有し、充電状態において、２本の第２直流ラインを入力、２次電池を出力とする降圧コンバータとして動作し、放電状態において、２次電池を入力、２本の第２直流ラインを出力とする昇圧コンバータとして動作するよう構成された昇降圧コンバータと、三相商用交流電源と回生コンバータの１次側の間を接続する第１配線と、回生コンバータの２次側と双方向コンバータの１次側の間を接続する第２配線と、双方向コンバータの２次側と昇降圧コンバータの１次側の間を接続する第３配線と、昇降圧コンバータの２次側と２次電池の間を接続する第４配線と、を備える。第２配線の長さは、第３、第４配線の長さより長い。

第２、第３、第４配線には、直流電圧が伝送され、その実効的な電圧レベルは、第２、第３、第４配線の順で大きい。したがって第２配線を長くすることにより、トータルの電力損失を低減できる。

また、第１配線の長さは、第３、第４配線の長さより長くてもよい。
第１配線を伝送する交流電圧の振幅は、第２配線を伝送する直流電圧のレベルと実効的に等しい。したがって、第１配線を第３、第４配線より長くすることにより、トータルの電力損失を低減できる。

回生コンバータが、第１のラックに収容され、双方向コンバータおよび昇降圧コンバータが、第２のラックに収容されてもよい。

これらの態様によると、実効的な電圧レベルが最も大きな経路、すなわち単位長さ当りの電力損失が最も小さくなる経路の長さを長く割り当てることにより、トータルの電力損失を低減することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、充放電検査装置を省エネルギー化できる。

本発明者らが検討した比較技術に係る充放電検査装置の構成を示す図である。第１の実施の形態に係る充放電検査装置を示すブロック図である。第２の実施の形態に係る充放電検査装置を示すブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係る充放電検査装置２を示すブロック図である。充放電検査装置２は、検査対象の２次電池１を充電し、あるいは放電することにより、２次電池１の電気的特性が仕様を満たしているかを検査する。２次電池１は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などが例示されるが、特に限定されない。

充放電検査装置２は、（i）力行運転時に、商用交流電源ＰＳからの三相交流電圧を直流電圧に変換し、直流電圧を降圧することにより、２次電池１を充電する。また充放電検査装置２は、（ii）回生運転時に、２次電池１の電圧Ｖｂａｔを昇圧し、昇圧された電圧を交流電圧に変換して商用交流電源ＰＳ側に回収する。

この充放電検査装置２は、商用交流電源ＰＳから２次電池１に至る経路のなかで、実効的な電圧レベルが最も大きな経路に使用される配線の長さが、その他の経路に使用される配線の長さより長く構成される。以下、その構成について具体的に説明する。

充放電検査装置２は、フィルタ３、回生コンバータ４、双方向コンバータ６、昇降圧コンバータ８、を備える。

回生コンバータ４は、入力側と出力側で双方向にエネルギーを授受できるように構成される。
回生コンバータ４は、２本の第１直流ラインＬＰ１、ＬＮ１の間にブリッジ接続された複数のスイッチ（アーム）ＭＨＵ、ＭＨＶ、ＭＨＷ、ＭＬＵ、ＭＬＶ、ＭＬＷと、複数のスイッチＭＨＵ、ＭＨＶ、ＭＨＷ、ＭＬＵ、ＭＬＶ、ＭＬＷそれぞれと並列に設けられた複数の整流素子（ダイオード）Ｄ１〜Ｄ６と、２本の第１直流ラインＬＰ１、ＬＮ１の間に設けられた平滑用キャパシタＣ１と、を有する。複数のスイッチＭＨＵ、ＭＨＶ、ＭＨＷ、ＭＬＵ、ＭＬＶ、ＭＬＷは、コントローラ１０ａによって制御される。

力行運転時には、複数のスイッチＭＨＵ、ＭＨＶ、ＭＨＷ、ＭＬＵ、ＭＬＶ、ＭＬＷを三相交流電圧と同期してスイッチングすることにより商用交流電源ＰＳからの商用三相交流電圧Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗが同期整流され、平滑用キャパシタＣ１によって平滑化される。その結果、２本の第１直流ラインＬＰ１、ＬＮ１の間に第１直流リンク電圧Ｖ１が発生する。２００Ｖの商用交流電圧が供給される場合、第１直流リンク電圧Ｖ１は３００Ｖ程度となる。

また回生運転時には、複数のスイッチＭＨＵ、ＭＨＶ、ＭＨＷ、ＭＬＵ、ＭＬＶ、ＭＬＷを適切な周波数および位相でスイッチングさせることにより、２本の第１直流ラインＬＰ１、ＬＮ１の間に生ずる第１直流リンク電圧Ｖ１が三相交流電圧Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗに変換され、電力が商用交流電源ＰＳ側に回収される。

双方向コンバータ６もまた、１次側（Ｐ）と２次側（Ｓ）との間で双方向にエネルギーを授受できるように構成される。双方向コンバータ６は、絶縁トランスＴ１、第１ブリッジ回路Ｂ１、第２ブリッジ回路Ｂ２、平滑用キャパシタＣ２を有する。第１ブリッジ回路Ｂ１は、２本の第１直流ラインＬＰ１、ＬＮ１の間に設けられ、その出力は、絶縁トランスＴ１の１次巻線Ｗ１に接続される。第２ブリッジ回路Ｂ２は、２本の第２直流ラインＬＰ２、ＬＮ２の間に設けられ、その出力は、絶縁トランスＴ１の２次巻線Ｗ２と接続される。

第１ブリッジ回路Ｂ１および第２ブリッジ回路Ｂ２を構成するスイッチは、コントローラ１０ｂによって制御される。絶縁トランスＴ１の１次巻線Ｗ１の巻数は、２次巻線Ｗ２の巻数より大きく、第２直流リンク電圧Ｖ２は、第１直流リンク電圧Ｖ１の数分の１倍〜１／１０倍程度となる。たとえば、Ｖ２＝２５Ｖ〜５０Ｖ程度に設定される。以下、Ｖ２＝５０Ｖとする。

昇降圧コンバータ８は、第２直流リンク電圧Ｖ２を受け、それを降圧して２次電池１を充電する充電モードと、２次電池１の電池電圧Ｖｂａｔを受け、それを昇圧して第２直流ラインＬＰ２、ＬＮ２の間に供給する放電モードが切りかえ可能となっている。

昇降圧コンバータ８は、第１スイッチングトランジスタＭ１、第２スイッチングトランジスタＭ２、インダクタＬ１を備える。
第１スイッチングトランジスタＭ１および第２スイッチングトランジスタＭ２は、２本の第２直流ラインＬＰ２、ＬＮ２の間に直列に設けられる。インダクタＬ１は、第１スイッチングトランジスタＭ１と第２スイッチングトランジスタＭ２の接続点Ｎ１と２次電池１の間に設けられる。

コントローラ１０ａとコントローラ１０ｂの間は、双方向で通信可能となっており、コントローラ１０ａと１０ｂは、通信可能となっており、コントローラ１０ｂは、上流のコントローラ１０ａからの指令にもとづいて動作し、また、コントローラ１０ａに対して、実際の電池電圧Ｖｂａｔ、充放電電流の測定値を送信する。

たとえば、１チャンネルの回生コンバータ４に対して、複数チャンネルの双方向コンバータ６が接続されてもよい。また１チャンネルの双方向コンバータ６に対して、複数チャンネルの昇降圧コンバータ８が接続されてもよい。
この場合、双方向コンバータ６は、その下流に接続される複数の昇降圧コンバータ８の総消費電力が正のとき力行運転し、負のとき回生運転するように、コントローラ１０ｂによって制御される。
また、回生コンバータ４は、その下流に接続される複数の双方向コンバータ６の総消費電力が正のとき力行運転し、負のとき回生運転するように、コントローラ１０ａによって制御される。

本実施の形態において、回生コンバータ４およびコントローラ１０ａは、第１ラック３０に収容される。また、双方向コンバータ６、昇降圧コンバータ８およびコントローラ１０ｂは、第１ラック３０と独立した第２ラック３２に収容される。

商用交流電源ＰＳと回生コンバータ４の１次側の間は、第１配線４０によって接続される。回生コンバータ４の２次側と双方向コンバータ６の１次側の間は、第２配線４２によって接続される。また双方向コンバータ６の２次側と昇降圧コンバータ８の１次側の間は第３配線４４によって接続される。昇降圧コンバータ８の２次側と２次電池１の間は、第４配線４６によって接続される。

各配線は、ツイストケーブル、同軸ケーブル、ブスバー、あるいはそれらの組み合わせで構成することができる。

第２配線４２、第３配線４４、第４配線４６にはいずれも直流電圧が伝送され、それぞれの電圧レベル（直流値）は、３００Ｖ、５０Ｖ、５Ｖと、第２配線４２、第３配線４４、第４配線４６の順で大きい。そこで第２配線４２の長さｄ２は、第３配線４４、第４配線４６の長さｄ３、ｄ４より長い。

また、第１配線４０を伝送する交流電圧の振幅（実効値２００Ｖ）は、第２配線４２を伝送する直流電圧の振幅（３００Ｖ）と実効的に等しいといえる。したがって、第１配線４０の長さは、第３配線４４、第４配線４６より長く設計される。

以上が充放電検査装置２の構成である。
続いてその利点を説明する。たとえば図２の充放電検査装置２において、ｄ１＝３〜２０ｍ、ｄ２＝５ｍ、ｄ３＝１ｍ、ｄ４＝１ｍであるとする。比較のために、商用交流電源ＰＳから２次電池１までの距離が等しいとし、図１の充放電検査装置２ｒにおいて、ｄ１＝３〜２０ｍ、ｄ２＝２ｍ、ｄ３＝４ｍ、ｄ４＝１ｍとする。

ここで、第２配線４２および第３配線４４に着目する。単位長さ当りの抵抗成分Ｒを有するケーブル中を、電力Ｐｃが電圧レベルＶにて長さＸ伝送するときの電力損失Ｐｄは、
Ｐｄ＝Ｘ×Ｒ×Ｐｃ^２／Ｖ^２
となる。
図１の充放電検査装置２ｒでは、第２配線４２での損失Ｐｄ２、第３配線４４での損失Ｐｄ３はそれぞれ、
Ｐｄ２＝２×Ｒ・Ｐｃ^２／３００^２
Ｐｄ３＝４×Ｒ・Ｐｃ^２／５０^２
となる。一例としてＰｃ＝１００Ｗとすると、電力損失の合計Ｐ_{ＴＯＴＡＬ}は、
Ｐ_{ＴＯＴＡＬ}＝Ｒ×（２／９＋１６）≒Ｒ×１６．２ [Ｗ]
となる。

一方、図２の充放電検査装置２では、第２配線４２での損失Ｐｄ２、第３配線４４での損失Ｐｄ３はそれぞれ、
Ｐｄ２＝５×Ｒ・Ｐｃ^２／３００^２
Ｐｄ３＝１×Ｒ・Ｐｃ^２／５０^２
となる。Ｐｃ＝１００Ｗを代入すると、電力損失の合計Ｐ_{ＴＯＴＡＬ}は、
Ｐ_{ＴＯＴＡＬ}＝Ｒ×（５／９＋４）≒Ｒ×４．６ [Ｗ]
となる。

したがって、実施の形態に係る充放電検査装置２によれば、比較技術に係る充放電検査装置２ｒに比べて、電力損失を低減することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る充放電検査装置２ａを示すブロック図である。充放電検査装置２ａは、フィルタ３、三相交流トランス９、回生コンバータ４、昇降圧コンバータ８、コントローラ１０、２本の直流ラインＬＰ、ＬＮを備える。なお、図１と共通の回路ブロックについては説明を省略し、もしくは簡略化する。

三相交流トランス９の１次側は、フィルタ３を介して三相商用交流電源ＰＳと接続される。三相交流トランス９の１次側の巻数ｎ１は、２次側の巻数ｎ２より大きく構成される。三相交流トランス９の構成は特に限定されず、スター・スター結線、スター・デルタ結線、デルタ・スター結線、デルタ・デルタ結線のいずれのタイプを用いてもよい。

三相交流トランス９の２次側に生ずる交流電圧Ｖ_Ｕ’、Ｖ_Ｖ’、Ｖ_Ｗ’と、商用交流電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗの振幅の比は、三相交流トランス９の巻線比に応じて定まる。たとえば三相交流トランス９の巻線比をｎ１：ｎ２＝１０：１程度とした場合、Ｖ_Ｕ’、Ｖ_Ｖ’、Ｖ_Ｗ’は２０Ｖとなる。

三相交流トランス９の２次側は、回生コンバータ４と接続される。回生コンバータ４は、直流ラインＬＰ、ＬＮの間に設けられており、その構成は図１の回生コンバータ４と同様である。

昇降圧コンバータ８は、直流ラインＬＰ、ＬＮの間に設けられており、その構成は図１の昇降圧コンバータ８と同様である。

商用交流電源ＰＳと三相交流トランス９の１次側の間は、第１配線５０により接続される。三相交流トランス９の２次側と回生コンバータ４の１次側の間は、第２配線５２により接続される。回生コンバータ４の２次側と昇降圧コンバータ８の１次側の間は、第３配線５４により接続される。昇降圧コンバータ８の２次側と２次電池１の間は、第４配線５６により接続される。

フィルタ３、三相交流トランス９、回生コンバータ４、昇降圧コンバータ８は、単一のラック３４に収容される。

第１配線５０、第２配線５２、第３配線５４、第４配線５６のうち、それぞれを伝送する電圧のうち、実効的なレベル／振幅が最も大きいのは、第１配線５０を伝送する交流電圧（２００Ｖ）である。そこで、本実施の形態では、第１配線５０の長さｄ１が、第２配線５２、第３配線５４、第４配線５６の長さより長く設計される。

一例として、ｄ１＝３〜２０ｍ、ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝１ｍ程度としてもよい。

以上が図２の充放電検査装置２ａの構成である。続いてその動作を、充電検査、放電検査に分けて説明する。

１．充電検査
充電検査時に、回生コンバータ４のスイッチＭＨＵ〜ＭＬＷは、オフ状態とされる。このとき回生コンバータ４の入力側には、三相交流トランス９によって降圧された交流電圧Ｖ_Ｕ’〜Ｖ_Ｗ’が供給される。回生コンバータ４はダイオード整流回路として動作し、その結果、直流ラインＬＰ、ＬＮ間には、２５Ｖ程度の直流リンク電圧Ｖ３が発生する。昇降圧コンバータ８は、回生コンバータ４からの直流リンク電圧Ｖ３を受け、２次電池１を充電する。

２．放電検査
放電検査時に、昇降圧コンバータ８は、放電モードに設定される。そして、電池電圧Ｖｂａｔを受け、それを昇圧して直流ラインＬＰ、ＬＮの間に、直流リンク電圧Ｖ３を発生させる。

コントローラ１０は、２次電池１の放電にともない回収される電力が、回生コンバータ４を動作させるための消費電力を上回る場合には、回生コンバータ４を動作させ、２次電池１の放電にともない昇降圧コンバータ８から供給される電力を、三相交流トランス９を介して商用交流電源ＰＳへと回収する。

このように、実施の形態に係る充放電検査装置２ａによれば、回生コンバータ４および昇降圧コンバータ８の動作を切りかえることにより、商用交流電源ＰＳからの電力によって２次電池１を充電するとともに、２次電池１の放電時には、２次電池１に蓄えられたエネルギーを商用交流電源ＰＳ側に回収できる。

第２の実施の形態では、三相交流トランス９によって商用交流電圧Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗを降圧するため、図１の回生コンバータ４の後段の双方向コンバータ６が不要となるため、回路の部品点数を大幅に削減することができ、システムの簡素化、低コスト化を図ることができる。またそれにより、フィルタ３、三相交流トランス９、回生コンバータ４、昇降圧コンバータ８を単一のラック３４に収容することが可能となる。

また、双方向コンバータ６が存在しないため、双方向コンバータ６により消費されていた電力も削減できるため、全体としての消費電力の点でも優れている。

さらに図２の充放電検査装置２ａでは、三相交流トランス９によって１次側と２次側が電気的に絶縁される。図１の充放電検査装置２では、絶縁トランスＴ１が、充放電検査装置２の中段に設けられているため、絶縁トランスＴ１より前段の回路ブロック、具体的には第１ブリッジ回路Ｂ１や回生コンバータ４の信頼性が低下した場合に、その影響が商用交流電源に及ぶことになる。これに対して図２の充放電検査装置２ａでは、三相交流トランス９の前段には、フィルタ３のみが設けられ、その他には能動素子、受動素子が設けられない。この構成によれば、回生コンバータ４および昇降圧コンバータ８の信頼性が低下した場合に、その影響が商用交流電源ＰＳに影響が及ぶのを防止できる。

さらに図２では、フィルタ３が三相交流トランス９よりも前段に設けられている。三相交流トランス９は、１次側の巻数ｎ１の方が２次側の巻数ｎ２より大きいため、三相交流トランス９を介してある電力量を伝送する際に、１次側は、小電流、高電圧、２次側は大電流、低電圧となる。一般的にチョークコイルを有するフィルタ３のコストは、電流容量が大きいほど高くなるため、フィルタ３を三相交流トランス９の前段に配置することにより、安価なフィルタを用いることができる。

この充放電検査装置２ａによっても、第１の実施の形態と同様に、単位長さ当りの電力損失が最も小さな配線の長さを長くすることにより、トータルの電力損失を低減することができる。

以上、本発明について、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み合わ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。以下、こうした変形例について説明する。

第２の実施の形態において、フィルタ３を三相交流トランス９の後段に、すなわち三相交流トランス９と回生コンバータ４の間に設けてもよい。回生コンバータ４の直前にフィルタ３を配置する場合には、その回生コンバータ４に最適化されて製造、販売されるフィルタ３を利用することができ、システム設計が容易となる。またこの変形例では、充放電検査装置２ａのすべての構成要素が三相交流トランス９の２次側に配置されることとなり、フィルタ３の信頼性が低下した場合に、その影響が商用交流電源ＰＳに及ぶのを防止できる。

実施の形態では、２次電池１を充放電する充放電検査装置２を例に説明したが、本発明の適用範囲はそれに限定されない。近年、一般家庭用の蓄電池が普及を見せており、あるいは車載用の蓄電池からの電力を、家電製品に供給する試みがなされている。実施の形態に係る充放電検査装置は、そのような用途にも利用できる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、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。

ＰＳ…商用交流電源、１…２次電池、２…充放電検査装置、３…フィルタ、４…回生コンバータ、６…双方向コンバータ、Ｔ１…絶縁トランス、Ｂ１…第１ブリッジ回路、Ｂ２…第２ブリッジ回路、８…昇降圧コンバータ、９…三相交流トランス、１０ａ，１０ｂ…コントローラ、Ｃ１，Ｃ２…平滑用キャパシタ、Ｖ１…第１直流リンク電圧、Ｖ２…第２直流リンク電圧、Ｍ１…第１スイッチングトランジスタ、Ｍ２…第２スイッチングトランジスタ、Ｌ１…インダクタ、２０…電源ラック、２２…本体ラック、３０…第１ラック、３２…第２ラック。

Claims

（i）力行運転時に、商用交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、前記直流電圧を降圧することにより、２次電池を充電し、（ii）回生運転時に、前記２次電池の電圧を昇圧し、昇圧された電圧を交流電圧に変換して商用交流電源側に回収可能に構成された２次電池の充放電検査装置であって、
前記商用交流電源から前記２次電池に至る経路のなかで、実効的な電圧レベルが最も大きな経路に使用される配線の長さが、その他の経路に使用される配線の長さより長く構成されたことを特徴とする充放電検査装置。
２次電池の充放電検査装置であって、
その１次側が三相商用交流電源と接続され、１次側の巻数が２次側の巻数より大きい三相交流トランスと、
２本の直流ラインと、前記２本の直流ラインの間にブリッジ接続された複数のスイッチ、前記複数のスイッチそれぞれと並列に設けられた複数の整流素子、および前記２本の直流ライン間に設けられた平滑用キャパシタと、を有し、（１）前記複数のスイッチをスイッチングすることにより、もしくはすべてオフすることにより、前記三相交流トランスの２次側に生ずる三相交流電圧を整流・平滑化し、前記２本の直流ライン間に供給し、または（２）前記複数のスイッチをスイッチングさせることにより、前記２本の直流ライン間に生ずる直流電圧を三相交流電圧に変換し、前記三相交流トランスの２次側に供給する回生コンバータと、
前記２本の直流ラインの間に設けられた第１、第２スイッチングトランジスタと、前記第１、第２スイッチングトランジスタの接続点と前記２次電池の間に設けられたインダクタと、を有し、充電状態において、前記２本の直流ラインを入力、前記２次電池を出力とする降圧コンバータとして動作し、放電状態において、前記２次電池を入力、前記２本の直流ラインを出力とする昇圧コンバータとして動作するよう構成された昇降圧コンバータと、
前記三相商用交流電源と前記三相交流トランスの１次側の間を接続する第１配線と、
前記三相交流トランスの２次側と前記回生コンバータの１次側の間を接続する第２配線と、
前記回生コンバータの２次側と前記昇降圧コンバータの１次側の間を接続する第３配線と、
前記昇降圧コンバータの２次側と前記２次電池の間を接続する第４配線と、
を備え、
前記第１配線の長さが、前記第２、第３、第４配線の長さより長いことを特徴とする充放電検査装置。
前記三相交流トランス、前記回生コンバータおよび前記昇降圧コンバータは、単一のラックに収容されることを特徴とする請求項２に記載の充放電検査装置。
２次電池の充放電検査装置であって、
その１次側が三相商用交流電源と接続され、２本の第１直流ライン間にブリッジ接続された複数のスイッチ、前記複数のスイッチそれぞれと並列に設けられた複数の整流素子、および前記２本の第１直流ライン間に設けられた平滑用キャパシタと、を有し、（１）前記複数のスイッチをスイッチングすることにより、もしくはすべてオフすることにより、商用三相交流電圧を整流・平滑化し、前記２本の直流ライン間に供給し、（２）前記複数のスイッチをスイッチングさせることにより、前記２本の直流ライン間に生ずる直流電圧を三相交流電圧に変換し、商用交流電源に供給する回生コンバータと、
絶縁トランスと、前記２本の第１直流ラインの間に設けられ、その出力が前記絶縁トランスの１次巻線に接続された第１ブリッジ回路と、２本の第２直流ラインの間に設けられ、その出力が前記絶縁トランスの２次巻線に接続された第２ブリッジ回路と、を含む双方向コンバータと、
前記２本の第２直流ラインの間に設けられた第１、第２スイッチングトランジスタと、前記第１、第２スイッチングトランジスタの接続点と前記２次電池の間に設けられたインダクタと、を有し、充電状態において、前記２本の第２直流ラインを入力、前記２次電池を出力とする降圧コンバータとして動作し、放電状態において、前記２次電池を入力、前記２本の第２直流ラインを出力とする昇圧コンバータとして動作するよう構成された昇降圧コンバータと、
前記三相商用交流電源と前記回生コンバータの１次側の間を接続する第１配線と、
前記回生コンバータの２次側と前記双方向コンバータの１次側の間を接続する第２配線と、
前記双方向コンバータの２次側と前記昇降圧コンバータの１次側の間を接続する第３配線と、
前記昇降圧コンバータの２次側と前記２次電池の間を接続する第４配線と、
を備え、
前記第２配線の長さは、前記第３、第４配線の長さより長いことを特徴とする充放電検査装置。
前記第１配線の長さは、前記第３、第４配線の長さより長いことを特徴とする請求項４に記載の充放電検査装置。
前記回生コンバータが、第１のラックに収容され、
前記双方向コンバータおよび前記昇降圧コンバータが、第２のラックに収容されることを特徴とする請求項４または５に記載の充放電検査装置。