JP3878212B2 - 両方向性の負荷及び電源の繰り返し作動装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、一般に、電気的テスト装置に係り、より詳細には、バッテリ及びモータのような電源及び負荷をテストする方法及び装置に係る。
先行技術の説明
輸送手段が発展し続けるにつれて、特に人間運搬の分野では化石燃料に置き換わる一般的な候補が電気である。化石燃料を電気に置き換える試みは、例えば、ローカルパワーグリッドへ接続するか、又は電気に変換される太陽エネルギーを用いて再充電されるバッテリで付勢される乗物を含む。これら努力における共通の課題は、電気乗物のための広範囲な所要電力を供給できる蓄電装置即ちバッテリの必要性である。
主電源として意図されるバッテリは、当然、精巧なバッテリテスト装置を必要とする。例えば、電気乗物を付勢するのに使用されるべきバッテリは、それらの乗物の加速及び回生ブレーキ動作によって生じる多数の異なるパターンの急速な放電及び再充電を経験する。従って、このようなバッテリ、他の形式の負荷、並びに例えばモータのように負荷又は電源として動作し得る電気装置もテストするように広範囲に変化する電力需要を模擬することのできる方法が要望される。
図１は、公知のバッテリテストシステムを示す。３相絶縁変圧器１０及び電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタ１２が幹線電源（図示せず）に接続される。絶縁変圧器１０は、例えば、感電に対する保護を与え、一方、ＥＭＩフィルタ１２は、幹線電源へ及びそこから流れる電流のノイズ及び干渉を抑制する。ＥＭＩフィルタ１２の出力は、３相ＡＣアダプタ／インバータ１４へ入力として送られ、該インバータは、フィルタされたＡＣ入力電圧を良く知られたように所定のＤＣバス電圧に変換する。ＤＣバス１６の端子間に印加される電圧は、コントローラ２０により、種々のシュミレーションに基づいてバッテリ１８を充電及び放電するように変化される。
図１のシステムは、実際上多数の欠点がある。第１に、一度に１つのバッテリしかテストできない。第２に、テストされるバッテリは、ＡＣインバータ１４により発生されるピークライン電圧より電圧定格が高いものでなければならない。従って、図１に示すシステムは、例えば、３２０ボルト程度の高電圧の電気乗物のバッテリをテストするのに使用できるが、低電圧のバッテリ及びバッテリの副要素、例えば、セルをテストすることはできない。
発明の要旨
本発明は、一般的に、バッテリ及びモータのような電源及び負荷を柔軟に且つ効率的にテストするための改良された方法及びシステムを提供する。本発明のシステムは、例えば、１つ以上の供試装置に広範囲な種々のテスト電圧及び電流を供給する複数のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを備えている。本発明の１つの実施形態によれば、各ＤＣ−ＤＣコンバータは、最大数の装置を同時にテストするように独立して動作することができる。本発明の別の実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの対を並列に動作し、独立モードで動作するときに得られる以上に広い範囲のＤＣ電流を使用して装置をテストすることができる。本発明の更に別の実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの対を差動モードで動作し、独立モードで動作するときに得られる以上に広い範囲のＤＣ電圧にわたって装置をテストすることができる。
本発明の別の特徴は、複数のＤＣ−ＤＣコンバータの整合制御に関する。上記のモード制御に加えて、ＡＣインバータからみたときの全電流高調波を減少するように各コンバータのデューティサイクルが制御される。デューティサイクルの制御は、例えば、各コンバータが動作するモードと、各コンバータに流れる電流の極性とに基づいて変化する。本発明により電流高調波を抑制するようにデューティサイクルを制御することにより、エネルギー効率が向上される。
【図面の簡単な説明】
同様の要素が同じ参照番号で示された添付図面を参照して本発明を以下に詳細に説明する。
図１は、既知のバッテリテスト装置の機能的ブロック図である。
図２は、本発明により負荷及び電源を繰り返し動作するシステムの機能的ブロック図である。
図３は、図２の実施形態の詳細な電気等価回路図である。
図４（ａ）ないし４（ｃ）は、対にされたＤＣ−ＤＣコンバータが、本発明の実施形態により、各々、独立モード、並列モード及び差動モードで動作されるときの構成を示す図である。
図５（ａ）及び５（ｂ）は、本発明の実施形態による対構成のコンバータ間のデューティサイクルの位相を示す波形図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
図２は、負荷及び電源を繰り返し動作するシステムを示す機能的ブロック図である。図２のシステムにおいて、幹線電源が絶縁変圧器３０を経てＡＣインバータ３２に接続される。回路のこの部分は、図１と同様であるが、図示簡単化のためにこの一般的なブロック図にはＥＭＩフィルタが示されていない。コントロールユニット３３は、ＡＣインバータ内の切り換えを制御すると共に、コントロールバス３５を経て各ＤＣ−ＤＣコンバータ内の切り換えを制御する。図２に参照番号３４で一般的に指示された２本のバスラインを含む中間ＤＣバスには、ＡＣインバータ３２により所定のＤＣバス電圧が印加される。ＤＣバス電圧は、装置に接続されると考えられるデバイス、例えば、負荷Ａ及びＢをテストするに必要な最小電圧となるように選択される。
図２のシステムは、いかなる数のＤＣ−ＤＣコンバータをＡＣインバータ３２に接続することもできる。これは、図２の実施形態では、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ対３６及び任意の数の付加的なコンバータ対により示されている。更に、幾つかの動作モードがＤＣ−ＤＣコンバータ対の制御を与えるが、コンバータは単一で設けられてもよいし、対で設けられてもよく、単一コンバータは、以下に述べる独立モードで動作される。
独立して動作するときには、各ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣバス電圧レベルを、その各負荷をテストするための所望のＤＣ電圧レベルに変換するように、コントロールユニット３３により制御される。コントロールユニット３３は、各ＤＣ−ＤＣコンバータの出力負荷ラインを、ユーザが定義したプログラムに基づいて調整し、所望の状態、例えば、バッテリの充電及び放電パターンをシュミレーションすることができる。この動作は、図３の詳細な回路を参照して説明する。絶縁変圧器３０及びＡＣインバータ３２は、上記のように、ＤＣバス電圧を中間ＤＣバス３４に与えるよう動作する。キャパシタ３８は、インバータ３２とコンバータ３６との間のリプル電流の交換を分離する。キャパシタ４０及び４２は、各負荷からコンバータ３６内に与えられるリプル電流を分離する。図３には１つのＤＣ−ＤＣコンバータ対しか示されていないが、上記のように、付加的なＤＣ−ＤＣコンバータを対又は単独で接続して同様に動作することもできる。図３に示す対のようなＤＣ−ＤＣコンバータの対は、以下に述べる独立モード、並列モード又は差動モードのいずれか１つで動作することができる。
最初に、コンバータの動作を一般的に理解するために、独立モードでの各ＤＣ−ＤＣコンバータ対の動作を説明する。第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチ４４及び４６と、インダクタ４８とを備え、これらは、制御されたＤＣ電圧をＤＣポートＡに与える。同様に、スイッチ５０及び５２と、インダクタ５４は、制御されたＤＣ電圧をＤＣポートＢに与えるのに使用できる第２のＤＣ−ＤＣコンバータ対を形成する。スイッチ４４、４６、５０及び５２は、図３には概略的に示されているが、これらスイッチの各々は、半導体スイッチ（例えば、バイポーラトランジスタ又はＩＧＢＴ）及びダイオードの組合せとして形成することができる。例えば、コントロールユニット３３は、インダクタ４８のエネルギーを蓄積及び解除し、ひいては、ＤＣバス電圧の所望の部分をＤＣポートＡに印加するためにスイッチ４４及び４６が開閉するところのデューティサイクルを制御することができる。単一方向性のＤＣ−ＤＣコンバータにおいていかに切り換えを行い得るかの詳細な例についてはは、参考としてここに取り上げるカーキプロ氏の米国特許第４，８９４，７６５号を参照されたい。
米国特許第４，８９４，７６５号に開示された単一方向性のＤＣ−ＤＣコンバータとは異なり、少なくとも一対のＤＣ−ＤＣコンバータ３６を本発明のシステムに設けて、異なる動作モード、即ち独立、並列及び差動モードを与えることができる。動作モードは、システムオペレータにより選択することができ、そしてその選択されたモードに基づいて接点５６、５８及び６０の対を閉じるコントロールユニット３３により実施される。独立モードは、上記したように、１つの対の各ＤＣ−ＤＣコンバータが、例えば、ゼロボルト付近から中間バス３４のＤＣバス電圧付近までの独立して制御可能な電圧を、例えば、負荷Ａ及びＢの各々に与えることができる。図４（ａ）は、負荷Ａ及びＢを独立してテストするように１つの対のマスター及びスレーブＤＣ−ＤＣコンバータを動作するためのＤＣバス接続を示す図である。独立モードは、図３に例示するシステムでは、コントロールユニット３３が接点５８を開いたままで接点５６及び６０を閉じることにより実施できる。
図２のシステムにおいては、ＤＣ−ＤＣコンバータの対は、並列に動作することもできる。この並列モードでは、独立モードで与えられるものと同様の範囲内の制御可能なＤＣ電圧を、ＤＣポートＡに接続された単一の負荷に印加することができる。しかしながら、２つのＤＣ−ＤＣコンバータを並列に動作するように構成することにより、テストのために得られる電流及び電力は、システムを独立モードで動作したときに得られるものの実質的に２倍となる。例示的な並列構成が図４（ｂ）に示されている。図３の例示的なＤＣ−ＤＣコンバータ対を並列に動作するために、制御ユニット３３は、接点６０を開いたまま接点５６及び５８を閉じる。
図２のシステムで得られるもう１つの動作モードは、差動モードである。差動モードにおいては、ＤＣポートＡの正の端子とＤＣポートＢの正の端子との間に接続された供試負荷に印加される電圧が、各コンバータにより発生される電圧間の制御された差となる。図４（ｃ）は、例示的な差動モード構成を示す。この構成は、図３の制御ユニット３３が接点５８を開いたまま接点５６及び６０を閉じることにより実施でき、制御ユニット３３は、中間ＤＣバス３４のほぼ±の電圧値間の範囲のテスト電圧を発生することができる。従って、差動モードは、負の電圧を含ませることにより更に広い範囲のテスト電圧を与える。この機能は、４象限(quadrant)までの電圧−電流励起を必要とするモータ及びアクチュエータをテストするのに有用である。
以上のことから明らかなように、オペレータは、コントロールユニット３３のインターフェイス（図示せず）を用いて各ＤＣ−ＤＣコンバータ対３６に対する３つの動作モードの１つ（又は単一コンバータに対する独立モード）を選択することができる。コントロールユニット３３内のコントロールアルゴリズムは、コンバータ及び負荷の各電圧がほぼ等しくなるまでコンタクタ５６、５８及び６０が付勢されないというものである。この機能を与えるために、電圧センサ（図示せず）をＤＣ−ＤＣコンバータの出力にまたがって取り付け、コントロールバス３５を経てコントロールユニット３３に電圧レベル情報を与えるようにすることができる。このように、両キャパシタ４０及び４２は、これらキャパシタを通る電気経路が閉じたときに生じる電流サージから保護される。同様に、このような電流サージから負荷が保護される。
対にされたＤＣ−ＤＣコンバータを上記の異なるモードで動作する機能を与えるのに加えて、図２のシステムは、電流高調波を最小にするように、対にされたＤＣ−ＤＣコンバータの動作を整合することもできる。より詳細には、コントロールユニット３３は、２つのコンバータのデューティサイクルが同相となるか又は１８０°位相ずれするように、スイッチ４４、４６、５０及び５２の開閉をタイミング取りする。コントロールユニット３３により行われる相の選択は、動作モードと、コンバータの電流の極性とに基づく。例えば、並列動作モードが選択される場合、又は独立動作モードが選択されそして各コンバータの電流の極性が同じである場合には、コントロールユニット３３は、対にされたＤＣ−ＤＣコンバータのデューティサイクルが１８０°位相ずれするように、スイッチ４４、４６、５０及び５２を動作する。この位相合わせは、図５（ａ）の波形で示されている。
一方、差動モードが使用される場合、又は独立動作モードが選択されそして各コンバータの電流の極性が異なる場合には、２つのコンバータのデューティサイクルは、図５（ｂ）に示すように、同相となるように構成される。
以上、本発明の原理、好ましい実施形態及び動作モードについて説明した。しかしながら、本発明は、上記の特定の実施形態に限定されるものではない。むしろ、上記実施形態は、本発明を単に例示するものであり、請求の範囲で定められた本発明の範囲から逸脱せずにこれら実施形態において種々の変更がなされ得ることが当業者に明らかであろう。例えば、上記の実施形態は、負荷のテスト方法及びそのシステムについて述べたが、本発明は負荷のテストに限定されるものではなく、例えば、モータのようなソースもテストできる。というのは、幹線電源への接続が電流を供給又は呼吸する能力を与えるからである。

Claims (24)

1. 電力を供給しかつ吸収するシステムにおいて、
   このシステムを幹線電源に接続するための多相幹線電源ポートと、
   上記多相幹線電源ポートに接続され、その多相幹線電源ポートをＤＣバスにインターフェイスして第１のＤＣ電圧レベルを形成するための装置と、
   上記第１のＤＣ電圧レベルを少なくとも１つの第２のＤＣ電圧レベルに変換するための少なくとも１つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータと、
   上記少なくとも１つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの動作を整合するためのコントローラとを備えたことを特徴とするシステム。
2. 上記コントローラは、電流高調波を減少するように少なくとも１つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの動作を整合する請求項１に記載のシステム。
3. 上記コントローラは、少なくとも１つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータのデューティサイクル間の位相関係を制御することにより電流高調波を減少する請求項２に記載のシステム。
4. 上記コントローラは、少なくとも２つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの少なくとも１つの対が並列に動作するように少なくとも２つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの動作を整合する請求項１に記載のシステム。
5. 上記コントローラは、少なくとも２つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第１コンバータに関連したスイッチを第１のデューティサイクルに基づいて動作し、そして少なくとも２つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第２コンバータに関連したスイッチを第２のデューティサイクルに基づいて動作し、そして第１及び第２のデューティサイクルは、互いに位相ずれしている請求項４に記載のシステム。
6. 上記第１及び第２のデューティサイクルは、１８０°位相ずれしている請求項５に記載のシステム。
7. 上記コントローラは、少なくとも１つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第１コンバータに関連したスイッチを第１のデューティサイクルに基づいて動作し、そして少なくとも１つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第２コンバータに関連したスイッチを第２のデューティサイクルに基づいて動作し、そして第１及び第２のデューティサイクルは、第１及び第２のＤＣ−ＤＣコンバータに流れる電流の極性に基づいて互いに位相合わせされる請求項１に記載のシステム。
8. 上記コントローラは、少なくとも２つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの少なくとも１つの対が差動的に動作するように少なくとも２つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの動作を整合する請求項１に記載のシステム。
9. 上記コントローラは、少なくとも２つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第１コンバータに関連したスイッチを第１のデューティサイクルに基づいて動作し、そして少なくとも２つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第２コンバータに関連したスイッチを第２のデューティサイクルに基づいて動作し、そして第１及び第２のデューティサイクルは、互いに同相である請求項８に記載のシステム。
10. 上記少なくとも１つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータは、
    第１及び第２のスイッチと、
    上記第１及び第２のスイッチ間に並列に接続されたインダクタと、
    上記少なくとも１つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータによって生成されるリプル電流を分離するためのキャパシタとを更に備えた請求項１に記載のシステム。
11. 少なくとも１つの電気装置をテストするシステムにおいて、
    ＤＣ電圧で駆動されるＤＣバスと、
    ＤＣ電圧を制御可能に変換しそして少なくとも１つの出力ＤＣ電圧を形成するための一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータと、
    上記一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータを並列モード及び差動モードの一方で動作するように接続するためのコントローラとを備えたことを特徴とするシステム。
12. 上記コントローラは、信号の高調波を減少するように一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの動作を整合する請求項１１に記載のシステム。
13. 上記コントローラは、一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータのデューティサイクル間の位相関係を制御することにより信号の高調波を減少する請求項１１に記載のシステム。
14. 上記コントローラは、一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの一方の正の電圧出力を一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの他方の正の電圧出力に電気的に接続することにより一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータを並列に動作する請求項１１に記載のシステム。
15. 上記コントローラは、一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータ各々の正の電圧出力端子間に負荷を電気的に接続することにより一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータを差動的に動作する請求項１１に記載のシステム。
16. 上記コントローラは、一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第１コンバータに関連したスイッチを第１のデューティサイクルに基づいて動作し、そして一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第２コンバータに関連したスイッチを第２のデューティサイクルに基づいて動作し、そして第１及び第２のデューティサイクルは、互いに同相である請求項１５に記載のシステム。
17. 上記コントローラは、一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第１コンバータに関連したスイッチを第１のデューティサイクルに基づいて動作し、そして一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第２コンバータに関連したスイッチを第２のデューティサイクルに基づいて動作し、そして第１及び第２のデューティサイクルは、互いに位相ずれしている請求項１４に記載のシステム。
18. 上記第１及び第２のデューティサイクルは、１８０°位相ずれしている請求項１７に記載のシステム。
19. 上記コントローラは、一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータをその各々が互いに独立して動作するように動作させる請求項１１に記載のシステム。
20. 上記コントローラは、一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第１コンバータに関連したスイッチを第１のデューティサイクルに基づいて動作し、そして一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータの第２コンバータに関連したスイッチを第２のデューティサイクルに基づいて動作し、そして第１及び第２のデューティサイクルは、第１及び第２の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータに流れる電流の極性に基づいて互いに位相合わせされる請求項１９に記載のシステム。
21. 上記一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータは、各々、
    第１及び第２のスイッチと、
    上記第１及び第２のスイッチ間に並列に接続されたインダクタと、
    上記一対の両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータのうちの関連する１つによって生成されるリプル電流を分離するためのキャパシタとを更に備えた請求項１１に記載のシステム。
22. 電力を供給しかつ吸収するシステムにおいて、
    このシステムを幹線電源に接続するための多相幹線電源ポートと、
    上記多相幹線電源ポートに接続され、その多相幹線電源ポートをＤＣバスにインターフェイスして第１のＤＣ電圧レベルを形成するための装置と、
    上記第１のＤＣ電圧レベルを少なくとも１つの第２のＤＣ電圧レベルに変換するための少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータと、
    上記少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータの動作を整合するためのコントローラとを備え、
    上記コントローラは、少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータのデューティサイクル間の位相関係を制御することにより電流高調波を減少することを特徴とするシステム。
23. 上記少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータは、両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータである請求項２２に記載のシステム。
24. 上記少なくとも１つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータは、
    第１及び第２のスイッチと、
    上記第１及び第２のスイッチ間に並列に接続されたインダクタと、
    上記少なくとも１つの両方向性のＤＣ−ＤＣコンバータによって生成されるリプル電流を分離するためのキャパシタとを更に備えた請求項２３に記載のシステム。

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