JP2016508019A - バッテリ駆動溶接装置の制御方法およびバッテリ駆動溶接装置 - Google Patents

バッテリ駆動溶接装置の制御方法およびバッテリ駆動溶接装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、バッテリ駆動溶接装置(1)およびその制御方法に関する。装置(1)は、バッテリ電圧(Uin)およびバッテリ電流(Iin)を有するバッテリ(2)を備え、少なくとも1つのスイッチ(5)を有するブーストコンバータ(4)および少なくとも1つのスイッチ(7)を有するバックコンバータ(6)を含み、溶接トーチ(11)に供給される溶接電流(Iout)および溶接電圧(Uout)を制御するための溶接コントローラ(3)を備える。高レベルの効率、動特性および最適な溶接特性を達成するために、ブーストコンバータ(4)をバイパスするためのスイッチ(8)が設けられ、該スイッチ(8)はスイッチコントローラ(9)と接続され、該スイッチコントローラ(9)は、ブーストコンバータ(4)とバックコンバータ(6)との間の中間回路電圧(Uzw)がバッテリ電圧(Uin)より低いか、これと等しい場合、スイッチ(8)を閉止し、そして、ブーストコンバータ(4)がアクティブである場合、スイッチ(8)を開放するように設計される。

Description

本発明は、バッテリ駆動溶接装置を制御する方法に関するものであり、バッテリによって供給されるバッテリ電圧およびバッテリ電流が、少なくとも1つのスイッチを有するブーストコンバータおよび少なくとも1つのスイッチを有するバック(buck)コンバータを含む溶接コントローラを用いて、溶接トーチに供給される溶接電流および溶接電圧に制御される。
さらに本発明は、バッテリ電圧およびバッテリ電流を有するバッテリと、溶接トーチに供給される溶接電流および溶接電圧を制御するために、少なくとも1つのスイッチを有するブーストコンバータおよび少なくとも1つのスイッチを有するバックコンバータを含む溶接コントローラとを備えるバッテリ駆動溶接装置に関する。
溶接を行う必要があり、到達するのが特に困難である場所、例えば、足場の上、あるいは電力の直接供給が可能でない溶接、例えば、ボイラー内などでは、可搬式のバッテリ駆動溶接装置の使用が特に好都合または不可欠である。先行技術のバッテリ駆動溶接装置の多くは、達成すべき溶接性能および達成すべき動特性(dynamics)が、電力網駆動溶接装置より低いため、達成すべき溶接の品質に関して限界を示す。
欧州特許EP1535691B1は、より大きな溶接電流およびより大きな溶接電圧を達成できるように、ブーストコンバータおよびバックコンバータの組合せを含む交換可能なバッテリを有する可搬式溶接装置を記載する。主としてバックコンバータは、通常の溶接動作の際にアクティブになるため、設置されたブーストコンバータは、バッテリ駆動溶接装置の全体損失の増加をもたらし、効率の減少をもたらす。
バッテリ駆動溶接装置は、例えば、欧州特許EP1981676B1、米国公開US2011/0114607A1、米国公開US2005/0263514A1からも知られている。
本発明の目的は、可能な限り高い効率および動特性を達成し、最適な溶接特性が得られる、上記タイプの方法および上記タイプのバッテリ駆動溶接装置を提供することである。知られているバッテリ駆動溶接装置の不具合が排除され、または少なくとも低減している。
方法に関して、本発明に係る目的は、ブーストコンバータとバックコンバータとの間の中間回路電圧がバッテリ電圧より低いか、これと等しい場合、スイッチコントローラによって制御されるスイッチを用いてブーストコンバータをバイパスすることによって、そして、ブーストコンバータがアクティブになった場合、ブーストコンバータをバイパスするためのスイッチを開放することによって達成される。特定の前提条件下で本発明に従ってブーストコンバータをバイパスすることに起因して、ブーストコンバータが必要でない場合、ブーストコンバータ回路の損失は最小化できる。この場合、システム全体の有効性ついて、ブーストコンバータをバイパスするためのスイッチの導通損失だけを考慮する必要がある。
バイパススイッチの特定のターンオンおよびターンオフ条件によれば、ブーストコンバータとバックコンバータとの間の中間回路電圧がバッテリ電圧より低いか、これと等しい場合、ブーストコンバータはバイパスされる。この閾値から、電圧を増加(ブースト)させることは必要とされず、ブーストコンバータは非アクティブとなって、バイパスしてもよい。ブーストコンバータがアクティブ、即ち、バッテリ電圧を増加(ブースト)させるために必要である場合、ブーストコンバータをバイパスするためのスイッチのターンオフ条件が満たされる。本制御方法は、特別に簡素であることによって特徴付けられ、バッテリ駆動溶接装置の効率の増加をもたらす。
本発明の他の特徴によれば、ブーストコンバータをバイパスするためのスイッチの開放は、溶接電流がブーストコンバータを通る最大電流より低く、バックコンバータが非アクティブである場合に起こる。電流が、ブーストコンバータが供給できる最大電流より低下し、バックコンバータが非アクティブである場合、即ち、バックコンバータの少なくとも1つのスイッチが切り替わる場合、バイパススイッチのこのターンオフ条件が満たされる。
バッテリ駆動溶接装置を制御する方法の動特性を増加させるためには、溶接電圧が、[バッテリ電圧−特定の電圧(特に、2V)]より低い場合、ブーストコンバータが非アクティブになることが提供される。ブーストコンバータのこの制御条件により、中間回路電圧がバッテリ電圧より高く、バイパススイッチがいまだターンオンである場合、ブーストコンバータを非アクティブにする。さらに、ターンオンのための一定の時間が経過する前に、上記制御条件を経由してブーストコンバータが非アクティブにならないことが好都合である。ターンオンのためのこの最小時間は、例えば、使用するクロック周波数の10周期分でもよく、発振を回避し、キャパシタを負荷とすることを可能にする。
好都合には、ブーストコンバータは、制御部を経由して、中間回路電圧を所望の溶接電圧と比較し、コンパレータを用いて、この比較値およびブーストコンバータを通る電流を比較し、それを制御部に供給することによって、制御される。アナログコンパレータを用いて、制御出力(中間回路電圧と設定した所望の溶接電圧との比較から)をブーストコンバータ電流と比較することによって、所望の動特性に必要な速度が得られる。これは、アナログデジタルコンバータおよび対応するソフトウエア処理を経由するデジタル処理では可能でないであろう。
好ましくは、ブーストコンバータの少なくとも1つのスイッチおよびバックコンバータの少なくとも1つのスイッチは、通常は適切な電界効果トランジスタによって形成され、同じクロック周波数、好ましくは40〜50kHzで動作する。
該方法及び/又は該回路の動特性について、中間回路電圧が、クロック周波数の各周期期間の一部だけで測定され、各周期期間の残りで評価されることが好都合である。例えば、中間回路電圧は、測定段階で複数回測定され、そして、計算した平均値は、評価段階で評価され、こうして制御が実行される。
ブーストコンバータは、好ましくは電圧レギュレータとして動作し、一方、バックコンバータは、好ましくは電流レギュレータとして動作する。
通常の溶接動作の際、バックコンバータだけがアクティブであり、バックコンバータはスイッチによってバイパスされる。この場合、溶接電圧及び/又はアーク電圧は、バッテリ電圧より低く、バッテリ電圧を増加させることは必要でない。典型的には、約30Vの溶接電圧が通常の溶接動作では充分である。そこで、もし50V〜60Vの範囲のバッテリ電圧である場合は、バッテリ電圧を前記30Vに減少させることを行ってもよい。70V〜90Vの出力電圧が、溶接プロセスの最適な点火に必要とされ、即ち、50V〜60Vの前記バッテリ電圧より高いものであるため、バッテリ電圧は、個々により高い値に増加させる必要がある。60V未満のバッテリ電圧の利点が、多くの安全予防措置が必要とされないことである。
点火プロセスの際、例えば、ブーストコンバータおよびバックコンバータの両方がアクティブであり、これは、所望の溶接電流がブーストコンバータを通る最大電流より低いという条件によって制御される。これは、ブーストコンバータおよびバックコンバータの両方は、所望の溶接電圧が、ブーストコンバータが供給できる最大電流より低いこれらの負荷範囲内で作動することを意味する。
ブーストコンバータおよびバックコンバータの組合せを反対方向に動作させることによって、バッテリを負荷とすることが、出力経路を経由して簡単な方法で実施できる。
本発明に係る目的はまた、上述したバッテリ駆動溶接装置によって達成される。装置において、ブーストコンバータをバイパスするためのスイッチが設けられ、該スイッチはスイッチコントローラと接続され、該スイッチコントローラは、ブーストコンバータとバックコンバータとの間の中間回路電圧がバッテリ電圧より低いか、これと等しい場合、スイッチを閉止し、そして、ブーストコンバータがアクティブになった場合、スイッチを開放するように設計される。
これによって達成される利点は、制御方法についての上記説明が参照される。バッテリ駆動溶接装置の個々の追加のコンポーネントは、比較的簡単で経済的な方法で生産できる。ブーストコンバータをバイパスするためのスイッチは、例えば、好ましくは電界効果トランジスタによって形成される。
好ましくは、スイッチコントローラは、溶接電流がブーストコンバータを通る最大電流より低く、バックコンバータが非アクティブである場合、ブーストコンバータをバイパスするためのスイッチを開放するように設計される。
好ましくは、ブーストコンバータのための制御部が設けられ、これは、溶接電圧が、[バッテリ電圧−予め定めた電圧(特に、2V)]より低い場合、ブーストコンバータを非アクティブにするように設計される。この制御条件は、ブーストコンバータを非アクティブにすることができ、ターンオンのためのこの最小時間は、発振を回避するために、非アクティブ化のために設けてもよい。
中間回路電圧の比較値を所望の溶接電圧およびブーストコンバータを通る電流と比較するためのコンパレータを設けた場合、このコンパレータは、ブーストコンバータを制御するための制御部と接続され、動特性に関する最適化が達成できる。
60Vより低いか、これと等しいバッテリ電圧を有するバッテリを設置するのが好都合である。この安全超低電圧より低くなると、多くの安全予防措置及び/又は対策が省略できる。
キャパシタをブーストコンバータとバックコンバータとの間に配置した場合、電圧の増加を制限できる。キャパシタは、高すぎないリップル電流及び/又は高すぎない期間当りの電圧増加を回避するために最小容量が与えられるサイズ設定である。これは、ブーストコンバータをターンオフする場合に特に関連している。さらに、大きすぎる容量は、高速な反応/動特性を達成するのには好ましくない。
ブーストコンバータをバイパスするためのスイッチは、好ましくは電界効果トランジスタによって形成される。これにより、スイッチの切り替え時の導通エンド損失を特に低く維持できる。
バッテリは、好ましくはリン酸鉄リチウムバッテリによって形成され、これは特に高いパワー密度および高い安全性の両方を同時に示すものであり、よって可搬式の溶接装置での使用に特に適している。
上述したように、バックコンバータは、バッテリを負荷とするためのブーストコンバータとして反対方向に使用可能であることが好都合である。
本発明について添付図面を用いてより詳細に説明する。
本発明に係るバッテリ駆動溶接装置のブロック図を示す。 本タイプのバッテリ駆動溶接装置のための溶接コントローラの拡大ブロック図を示す。 ブーストコンバータの制御部の一実施形態のブロック図を示す。 バックコンバータの制御部の一実施形態のブロック図を示す。 ブーストコンバータをバイパスするためのスイッチを制御するための入力パラメータとして、中間回路電圧を決定するための手法を説明するタイミング図を示す。 ブーストコンバータおよびバックコンバータの組合せを有するバッテリ駆動溶接装置の種々の動作状態を可視化するための図を示す。
図1は、例えば、特に高いパワー密度を有するリン酸鉄リチウムバッテリで形成できるバッテリ2を有するバッテリ駆動溶接装置1のブロック図を示す。必要に応じて、バッテリ2は交換可能に設計してもよい。バッテリ2は、バッテリ電圧Uinおよびバッテリ電流Iinを供給する。溶接コントローラ3において、バッテリ2によって提供されるバッテリ電圧Uinおよびバッテリ電流Iinは、溶接トーチ11に供給される溶接電流Ioutおよび溶接トーチ11に供給される溶接電圧Uoutにそれぞれ制御される。溶接コントローラ3の出力は、溶接トーチ11および溶接対象であるワークピース17に接続される。所望の溶接電流Isetおよび所望の溶接電圧Usetは、例えば、入力装置16を介して設定され、制御装置15に伝送される。制御装置15は、溶接コントローラ3に含まれるコンポーネント、少なくとも1つのスイッチ5を有するブーストコンバータ4、および少なくとも1つのスイッチ7を有するバックコンバータ6のために個々の制御信号を供給する。さらに、制御装置15は、最も重要な動作パラメータなどを表示するためのディスプレイ13と接続してもよい。必要に応じて、バッテリ2によって供給されるバッテリ電圧Uinは、ブーストコンバータ4によってより高い値Uoutに変更される。通常の溶接動作時は、バックコンバータ6だけが通常アクティブであり、バッテリ電圧Uinを、個々により低い値の溶接電圧Uoutに変更する。
通常の溶接動作時に損失を低減するために、溶接コントローラ3のバックコンバータ6だけがアクティブである場合、ブーストコンバータ4をバイパスするためのスイッチ8が設けられる。ブーストコンバータ4とバックコンバータ6との間の中間回路電圧Uzwがバッテリ電圧Uinより低いか、これと等しい場合、スイッチ8のターンオン条件が満たされる。ブーストコンバータ4が制御装置15によってアクティブとなった場合、スイッチ8のターンオフ条件が満たされる。これは、バッテリ電圧Uinが溶接動作にとって充分であり、ブーストコンバータ4が必要でない場合、それは、スイッチ8を介してスイッチコントローラ9によってバイパスされることを意味する。その結果、通常の溶接動作時に、スイッチ8の伝導損失だけを考慮する必要がある。
しかしながら、適切なスイッチ8、特にMOSFETを選択した場合、これらの損失は特に低い。スイッチ8を制御するための基本条件では、中間回路電圧Uzwおよびバッテリ電圧Uinを測定することが必要になる。さらに、出力電圧Uoutは、スイッチコントローラ9においても考慮してもよい。典型的には、必要されるパラメータは、アナログデジタルコンバータを用いてデジタル化され、スイッチコントローラ9に含まれるマイクロプロセッサを用いて処理される。キャパシタ12が、通常、ブーストコンバータ4とバックコンバータ6との間に設けられる。
ブーストコンバータ4をバイパスするためのスイッチ8の追加のターンオフ条件によれば、溶接電流Ioutは、ブーストコンバータ4を通る最大電流Ib,maxと比較され、溶接電流Ioutがブーストコンバータ4を通る最大電流Ib,maxより低い場合、スイッチ8は開放になり、バックコンバータ6は非アクティブになる。
溶接電圧Uoutが、[バッテリ電圧Uin−予め定めた電圧(例えば、2V)]より低い場合、ブーストコンバータ4は非アクティブになる。この場合、溶接電圧Uout及び/又はアーク電圧は、[バッテリ電圧Uin−予め定めた電圧値]より低く、バックコンバータだけが動作する。
ブーストコンバータ4およびバックコンバータ6のスイッチ5,7は、好ましくはMOSFETによってそれぞれ形成され、好ましくは40〜50kHzの同じスイッチング周波数で動作する。ブーストコンバータ4は、電圧レギュレータ方式で動作し、一方、バックコンバータ6は、電流レギュレータ方式として動作する。
バックコンバータ6をブーストコンバータ4として反対方向で使用した場合、バッテリ2は、溶接トーチ11およびワークピース17のための接続部を経由して負荷としてもよい。
図2は、バッテリ駆動溶接装置1の溶接コントローラ3の詳細なブロック図を示す。制御装置15は、個々の入力パラメータを有する。
in バッテリ電圧
ブーストコンバータ4を通る電流
zw 中間回路電圧
out 溶接電圧
out 溶接電流
set 設定及び/又は所望の溶接電圧
set 設定及び/又は所望の溶接電流
対応するデータは、ブーストコンバータ4を調整するためのハードウエアによって取得され、高い動特性制御に必要とされる速度に到達できる。
図3は、ブーストコンバータ4の制御部の一実施形態のブロック図を示す。中間回路電圧Uzwおよび設定された所望の溶接電圧Usetは、制御回路18において比較され、デジタルアナログコンバータにおいてアナログ比較値に変換される。コンパレータ10において、この制御出力およびブーストコンバータ4を流れる電流Iは、比較され、ブーストコンバータ4の制御部14に供給される。中間回路電圧Uzwおよびブーストコンバータ4を通る電流Iは、適切なフィルタ回路20,21によってフィルタリングを行ってもよい。
図4は、バックコンバータ6の制御部の一実施形態のブロック図を示す。溶接電流Ioutおよび設定された所望の溶接電流Isetの入力パラメータは、コントローラ22に供給される。コントローラは、好ましくはPIDコントローラで形成される。
最大許容溶接電流Ioutに応答するさらに発生する信号が、デジタルアナログコンバータ23に供給され、そしてコンパレータ24において溶接電流Ioutと同様に比較され、制御部14に供給される。ここでもフィルタ25,26を使用できる。
図5は、経時的な中間回路電圧Uzwのタイミング図を示す。中間回路電圧Uzwは、クロック周波数fの周期の一部においてのみ測定される。図示した例において、中間回路電圧Uzwは、周期T当り4回測定され、平均値が決定される。中間回路電圧Uzwのこの平均値は、バッテリ電圧Uinと比較した後、ブーストコンバータ4をバイパスするためのスイッチ8が接続されるか否かを決定するために用いられる。中間回路電圧Uzwが測定されない、周期期間Tの残りは、評価のためのままである。こうして高速な制御およびセンシングが実施でき、最適な溶接品質を有する溶接プロセスにとって重要であることが判る。
最後に、図6は、溶接電流Ioutに対する溶接電圧Uoutの図を示す。ブーストコンバータ4およびバックコンバータ6の両方がハッチング領域で動作する。領域IIでは、バックコンバータ6だけが動作する。これは、通常の溶接状態を表す。図6に係る包絡線は、最大値及び/又は最大パワーを静的及び/又は動的に示す。

Claims (20)

  1. バッテリ駆動溶接装置(1)を制御する方法であって、
    バッテリ(2)によって提供されるバッテリ電圧(Uin)およびバッテリ電流(Iin)が、少なくとも1つのスイッチ(5)を有するブーストコンバータ(4)および少なくとも1つのスイッチ(7)を有するバックコンバータ(6)を含む溶接コントローラ(3)を用いて、溶接トーチ(11)に供給される溶接電流(Iout)および溶接電圧(Uout)にそれぞれ制御され、
    ブーストコンバータ(4)とバックコンバータ(6)との間の中間回路電圧(Uzw)がバッテリ電圧(Uin)より低いか、これと等しい場合、ブーストコンバータ(4)は、スイッチコントローラ(9)によって制御されたスイッチ(8)を用いてバイパスされ、
    ブーストコンバータ(4)がアクティブである場合、ブーストコンバータ(4)をバイパスするためのスイッチ(8)は開放になることを特徴とする方法。
  2. ブーストコンバータ(4)をバイパスするためのスイッチ(8)は、溶接電流(Iout)がブーストコンバータ(4)を通る最大電流(Ib,max)より低く、バックコンバータ(6)が非アクティブである場合、開放になることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 溶接電圧(Uout)が、[バッテリ電圧(Uin)−予め定めた電圧(特に、2V)]より低い場合、ブーストコンバータ(4)が非アクティブになることを特徴とする請求項1または2記載の方法。
  4. ブーストコンバータ(4)は、中間回路電圧(Uzw)を所望の溶接電圧(Uset)と比較し、コンパレータ(10)を用いて、この比較値およびブーストコンバータ(4)を通る電流(I)を比較し、それを制御部(14)に供給することによって、制御部(14)を経由して制御されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
  5. ブーストコンバータ(4)の少なくとも1つのスイッチ(5)およびバックコンバータ(6)の少なくとも1つのスイッチ(7)は、同じクロック周波数(f)、好ましくは40〜50kHzで動作することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
  6. 中間回路電圧(Uzw)は、クロック周波数(f)の各周期期間(T)の一部だけで測定され、各周期期間(T)の残りで評価されることを特徴とする請求項5記載の方法。
  7. ブーストコンバータ(4)は、電圧レギュレータとして動作することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
  8. バックコンバータ(6)は、電流レギュレータとして動作することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
  9. 通常の溶接動作の際、バックコンバータ(6)だけがアクティブであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
  10. ブーストコンバータ(4)およびバックコンバータ(6)の両方は、所望の溶接電流(Iout)がブーストコンバータ(4)を通る最大電流(Ib,max)より低い場合、アクティブであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の方法。
  11. バッテリ(2)は、ブーストコンバータとして反対方向で使用されるバックコンバータ(6)を介して負荷となることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の方法。
  12. バッテリ駆動溶接装置(1)であって、
    バッテリ電圧(Uin)およびバッテリ電流(Iin)を有するバッテリ(2)を備え、
    少なくとも1つのスイッチ(5)を有するブーストコンバータ(4)および少なくとも1つのスイッチ(7)を有するバックコンバータ(6)を含み、溶接トーチ(11)に供給される溶接電流(Iout)および溶接電圧(Uout)を制御するための溶接コントローラ(3)を備え、
    ブーストコンバータ(4)をバイパスするためのスイッチ(8)が設けられ、該スイッチ(8)はスイッチコントローラ(9)と接続され、該スイッチコントローラ(9)は、ブーストコンバータ(4)とバックコンバータ(6)との間の中間回路電圧(Uzw)がバッテリ電圧(Uin)より低いか、これと等しい場合、スイッチ(8)を閉止し、そして、ブーストコンバータ(4)がアクティブである場合、スイッチ(8)を開放するように設計されていることを特徴とするバッテリ駆動溶接装置(1)。
  13. スイッチコントローラ(9)は、溶接電流(Iout)がブーストコンバータ(4)を通る最大電流(Ib,max)より低く、バックコンバータ(6)が非アクティブである場合、ブーストコンバータ(4)をバイパスするためのスイッチ(8)を開放するように設計されていることを特徴とする請求項12記載のバッテリ駆動溶接装置(1)。
  14. ブーストコンバータ(4)のための制御部(14)が設けられ、これは、溶接電圧(Uout)が、[バッテリ電圧(Uin)−予め定めた電圧(特に、2V)]より低い場合、ブーストコンバータを非アクティブにするように設計されていることを特徴とする請求項12または13記載のバッテリ駆動溶接装置(1)。
  15. 中間回路電圧(Uzw)の比較値を所望の溶接電圧(Uout)およびブーストコンバータを通る電流(I)と比較するためのコンパレータ(10)が設けられ、このコンパレータ(10)は、ブーストコンバータ(4)を制御するための制御部(14)と接続されていることを特徴とする請求項14記載のバッテリ駆動溶接装置(1)。
  16. 60Vより低いか、これと等しいバッテリ電圧(Uin)を有するバッテリ(2)が設けられることを特徴とする請求項12〜15のいずれかに記載のバッテリ駆動溶接装置(1)。
  17. キャパシタ(12)が、ブーストコンバータ(4)とバックコンバータ(6)との間に配置されることを特徴とする請求項12〜16のいずれかに記載のバッテリ駆動溶接装置(1)。
  18. ブーストコンバータ(4)をバイパスするためのスイッチ(8)は、電界効果トランジスタによって形成されることを特徴とする請求項12〜17のいずれかに記載のバッテリ駆動溶接装置(1)。
  19. バッテリ(2)は、リン酸鉄リチウムバッテリによって形成されることを特徴とする請求項12〜18のいずれかに記載のバッテリ駆動溶接装置(1)。
  20. バックコンバータ(6)は、反対方向に動作した場合、バッテリ(2)を負荷とするための負荷回路として使用可能であることを特徴とする請求項12〜19のいずれかに記載のバッテリ駆動溶接装置(1)。
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