JP5398629B2 - 充放電検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、２次電池を検査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（特許文献１）。一般的に２次電池は、はじめに一定電流で充電する方式（定電流充電）によって充電され、その後２次電池が満充電状態に近づくと、端子電圧が一定となるように充電する方式（定電圧充電）によって充電される。

充放電検査装置の最終段には、ＤＣ／ＤＣコンバータが設けられる。定電流充電では、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流が一定となるようにフィードバック制御され、定電圧充電では、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が一定となるようにフィードバック制御される。

特開２００４−３１９３３４号公報

２次電池の端子電圧が目標電圧（満充電状態）に近づくと、ＤＣ／ＤＣコンバータは、定電流充電から定電圧充電に切りかえられ、２次電池の端子電圧を目標電圧に保ち続ける。検査対象の２次電池を高精度で検査、測定するためには、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流、すなわち出力電圧のリップルが小さいことが要求される。

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、リップルを低減した充電検査装置の提供にある。

本発明のある態様は、検査対象の２次電池を充放電するための充放電検査装置に関する。充放電検査装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータを備える。ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流入力電圧が入力される入力端子と、２次電池の一端と接続されるべき出力端子と、その第１端子が出力端子と接続され、その第２端子が固定電圧端子と接続された出力キャパシタと、それぞれの第１端子が出力端子と接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）のインダクタと、Ｎ個のインダクタごとに設けられ、それぞれが、入力端子と対応するインダクタの第２端子との間に設けられたハイサイドトランジスタと、対応するインダクタの第２端子と固定電圧端子の間に設けられたローサイドトランジスタと、を含むＮ個のスイッチング回路と、Ｎ個のスイッチング回路を２π／Ｎの位相差で順にサイクリックに制御する制御装置と、を備える。制御装置は、インダクタに流れる電流に応じた検出値が目標値と一致するようにスイッチング回路を制御する第１モードと、出力端子に生ずる出力電圧に応じた検出値が目標値と一致するようにスイッチング回路を制御する第２モードとが切りかえ可能に構成される。整数Ｎは、２次電池の端子電圧が目標電圧付近に達した状態において、各インダクタに流れるコイル電流がゼロクロスするように定められている。

各相のインダクタに流れるコイル電流は、２次電池に供給すべき充電電流の１／Ｎ倍となる。したがって相数Ｎを適切に決めることにより、各相のコイル電流の直流成分（時間平均値）がコイル電流のリップル量より小さくなりゼロクロスが発生する。コイル電流がゼロクロスすると、ＤＣ／ＤＣコンバータは不連続モードで動作するため、各コイル電流のリップル量が低減され、それらが位相シフトして足し合わされる結果、出力キャパシタに流れ込む総電流のリップル量を低減することができる。

整数Ｎは、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧に対する出力電圧の降圧比と略等しくてもよい。降圧比と略等しい個数のインダクタ等を設けることにより、最大のリップル低減効果を得ることができる。

制御装置は、降圧比に応じて駆動するスイッチング回路の個数を変化させてもよい。降圧比が変化する場合には、それに応じて動作するスイッチング回路の個数を変化させることにより、リップル量を好適に低減できる。

制御装置は、２次電池を第１の電流値にて定電流充電し、続いて、２次電池を第２の電流値にて定電流充電し、２次電池の端子電圧が目標電圧付近に達すると、定電圧充電を行うよう構成されてもよい。第２の電流値は、各インダクタに流れるコイル電流がゼロクロスするように定められてもよい。
満充電状態に近づくにしたがい、定電流充電の目標電流を積極的に絞り込むことにより、リップル量をさらに低減できる。

本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータのリップル量を低減できる。

実施の形態に係る充放電検査装置の全体構成を示すブロック図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータの回路図およびその動作波形図である。 実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。 図４（ａ）は、実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの動作波形図であり、図４（ｂ）は比較技術に係るＤＣ／ＤＣコンバータの動作波形図である。 充放電検査装置の検査シーケンスの一例を示す図である。

図１は、実施の形態に係る充放電検査装置２の全体構成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、電源回生コンバータ４、および多段コンバータ６、８を備える。電源回生コンバータ４は２００Ｖ商用交流電源を受け、それを全波整流、平滑化して２８４Ｖの直流電圧Ｖｄｃに変換する。充放電検査装置２は２次電池１を充電してその後放電するため、電源回生コンバータ４によって２次電池１に蓄えたエネルギーを回収する。

第１のＤＣ／ＤＣコンバータ６は、電源回生コンバータ４からの直流電圧Ｖｄｃを降圧し、直流電圧Ｖｉｎを生成する。たとえば直流電圧ｉｎは、数十Ｖ程度、具体的には４０Ｖ程度に安定化される。

第２のＤＣ／ＤＣコンバータ８は、直流電圧Ｖｉｎを受け、２次電池１に充電電流Ｉ_ＣＨＧを供給して２次電池１を充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、以下の２つの方式で２次電池１を充電する。

１． 定電流（ＣＣ：Constant Current）充電
２次電池１に対して、一定の充電電流Ｉ_ＣＨＧが供給され、２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔが時間とともに急速に上昇する。この方式は、主として２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔが低い状態で利用される。

２． 定電圧（ＣＶ：Constant Voltage）充電
２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔが目標電圧Ｖ_ＦＵＬＬに近づくと、言い換えれば満充電状態に近づくとこの方式が利用される。この方式では、２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔが目標電圧Ｖ_ＦＵＬＬに保たれるように、充電電流Ｉ_ＣＨＧが調節される。

充放電検査装置２は、定電流充電と定電圧充電および放電のサイクルを、所定のシーケンスで行うことにより、２次電池１の電気的な特性を検査する。本発明者は、このような充放電検査装置２に一般的なＤＣ／ＤＣコンバータを用いると、以下の問題が生ずることを認識した。

図２（ａ）、（ｂ）は、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータの回路図およびその動作波形図である。図２（ａ）の構成は一般的であるため、詳細な説明は省略する。いま、２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔが目標電圧（満充電電圧ともいう）Ｖ_ＦＵＬＬに達した後に、充放電検査装置２が定電圧充電によって２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔを満充電電圧Ｖ_ＦＵＬＬに保つ状況を考える。この状況において、２次電池１に負荷が接続されていないとすれば、２次電池１からのエネルギーの放出は自然放電によるものとなるため、非常に小さい。したがって、端子電圧Ｖｂａｔを一定に保つためにＤＣ／ＤＣコンバータ８ａが２次電池１に供給すべき充電電流Ｉ_ＣＨＧは小さくなる。

図２（ｂ）に示すようにインダクタＬ１に流れるコイル電流Ｉ_Ｌ１の時間平均値は、２次電池１に供給される充電電流Ｉ_ＣＨＧに相当しており、またコイル電流Ｉ_Ｌ１は、ハイサイドトランジスタＭＨまたはローサイドトランジスタＭＬの相補的なオン、オフ動作と同期して脈流する。Ｔ_ＨはハイサイドトランジスタＭＨのオン時間を、Ｔ_ＬはローサイドトランジスタＭＬのオン時間を、Ｔ_ＳＷは、スイッチング周期を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ８が連続モードで動作するときのコイル電流Ｉ_Ｌ１のリップル量は、
（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）・Ｄｕｔｙ／（ｆ_ＳＷ・Ｌ） …（１）
で与えられる。ＶｉｎはＤＣ／ＤＣコンバータ８の入力電圧、ＶｏｕｔはＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力電圧、ｆ_ＳＷはスイッチング周波数、ＬはインダクタＬ１のインダクタンス値を表す。Ｄｕｔｙは、スイッチング周期Ｔ_ＳＷに対するハイサイドトランジスタＭＨのオン時間Ｔ_Ｈの比（デューティ比）Ｔ_Ｈ／Ｔ_ＳＷであり、およそＶｏｕｔ／Ｖｉｎで与えられる。

充放電検査装置２には、２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔを高い精度で一定に保つことが要求されるところ、図２（ａ）に示すような一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ８ａを用いると、式（１）のリップル量が要求に比べて大きくなりすぎるという問題がある。

図３は、実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ８の構成を示す回路図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、入力端子Ｐ１、出力端子Ｐ２、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のインダクタＬ１_１〜Ｌ１_Ｎ、Ｎ個のスイッチング回路１０_１〜１０_Ｎおよび制御装置２０を備える。図３のＤＣ／ＤＣコンバータ８を、並列位相コンバータとも称する。

入力端子Ｐ１には、前段のＤＣ／ＤＣコンバータ６からの直流入力電圧Ｖｉｎが入力される。出力端子Ｐ２は、２次電池１の一端と接続される。一般的なＤＣ／ＤＣコンバータでは、出力端子Ｐ２と接地端子の間に、平滑用の出力キャパシタが設けられるが、充放電検査装置２では、負荷である２次電池１が容量性であるため、出力キャパシタは省略される。なお、必要な場合には出力キャパシタを設けてもよい。

Ｎ個のインダクタＬ１_１〜Ｌ１_Ｎそれぞれの第１端子は、出力端子Ｐ２と共通に接続される。スイッチング回路１０_１〜１０_Ｎは、インダクタＬ１_１〜Ｌ１_Ｎごとに設けられる。各スイッチング回路１０_ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）は、ハイサイドトランジスタ（スイッチングトランジスタともいう）ＭＨ_ｉとローサイドトランジスタ（同期整流トランジスタともいう）ＭＬ_ｉを備える。ハイサイドトランジスタＭＨ_ｉとローサイドトランジスタＭＬ_ｉは、入力端子Ｐ１と接地端子Ｐ３の間に順に直列に設けられる。ハイサイドトランジスタＭＨ_ｉとローサイドトランジスタＭＬ_ｉの接続点は、対応するインダクタＬ１_ｉの第２端子と接続される。ハイサイドトランジスタＭＨ_ｉ、ＭＬ_ｉと並列な経路には整流用のダイオードＤＨ_ｉ、ＤＬ_ｉが設けられる。図３には、ハイサイドトランジスタＭＨ_ｉとローサイドトランジスタＭＬ_ｉとしてＩＧＢＴを利用する場合を示すが、これらはＭＯＳＦＥＴであってもよいし、バイポーラトランジスタであってもよい。

電圧検出回路２２は、入力端子Ｐ１に入力される入力電圧Ｖｉｎを検出し、その値を示す信号Ｓ１を制御装置２０に出力する。電流検出回路２４は、複数のインダクタＬ１のうちのひとつＬ１_１に流れる電流Ｉ_Ｌ１を検出し、その値に応じたフィードバック信号Ｓ２を制御装置２０に出力する。電圧検出回路２６は、２次電池１に供給されるＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力電圧Ｖｏｕｔ（つまり２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔ）を検出し、その値に応じたフィードバック信号Ｓ３を制御装置２０に出力する。

制御装置２０は、制御信号Ｓ１〜Ｓ３に応じて、Ｎ個のスイッチング回路１０_１〜１０_Ｎを順にサイクリックに、位相を２π／Ｎずつシフトしながら駆動制御する。定電流充電を行うとき制御装置２０は第１モードとなり、インダクタＬ１_１に流れる電流に応じた検出値Ｓ２が目標値と一致するように、各スイッチング回路１０におけるハイサイドトランジスタＭＨとローサイドトランジスタＭＬのオン時間の比（デューティ比）を調節する。定電圧充電を行うとき制御装置２０は第２モードとなり、出力端子Ｐ２に生ずる出力電圧Ｖｏｕｔに応じた検出値Ｓ３がＶ_ＦＵＬＬに応じた目標値と一致するようにスイッチング回路１０を制御する。制御装置２０については公知の技術を利用すればよいため、その詳細な構成の説明は省略する。

実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ８では、２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔが目標電圧付近に近づいたときに、不連続モードで動作するように相数Ｎが決められる。
いまＤＣ／ＤＣコンバータ８全体の出力電流がＩ_ＣＨＧであるとき、各相のインダクタＬ１には、時間平均値Ｉ_ＤＣがＩ_ＣＨＧ／Ｎで与えられるコイル電流Ｉ_Ｌが流れる。ＤＣ／ＤＣコンバータ８が不連続モードで動作するためには、コイル電流Ｉ_Ｌがゼロクロスすることが条件となる。つまり式（１）で与えられるリップル量がコイル電流Ｉ_Ｌの時間平均値Ｉ_ＤＣより大きければよい。不連続モードで動作する条件は、式（２）、（３）で与えられる。
Ｉ_ＣＨＧ／Ｎ＜（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）・Ｄｕｔｙ／（ｆ_ＳＷ・Ｌ） …（２）
Ｎ＞（ｆ_ＳＷ・Ｌ）×Ｉ_ＣＨＧ／｛（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）・Ｄｕｔｙ｝ …（３）

Ｉ_ＣＨＧは、２次電池１の自然放電（リーク電流）などによる損失に相当し、あらかじめ見積もることができる。そこで必要な相数Ｎは、式（３）から求めることができる。

不連続モードにおいて、制御装置２０は、わずかなオン期間の間、ハイサイドトランジスタＭＨをオンし、インダクタＬ１にエネルギーを蓄えて充電電流Ｉ_ＣＨＧを供給し、２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔを増大させる。インダクタＬ１に蓄えられたエネルギーがすべて２次電池１に転送されると、自然放電によって端子電圧Ｖｂａｔが低下しはじめる。端子電圧Ｖｂａｔがあるしきい値Ｖｔｈまで低下すると、再びハイサイドトランジスタＭＨがオンし、充電電流Ｉ_ＣＨＧが供給される。つまり不連続モードでは、コイル電流Ｉ_Ｌつまり充電電流Ｉ_ＣＨＧが不連続に流れる。

本実施の形態において、スイッチング回路１０の個数Ｎは、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏｕｔの降圧比と略等しい。略等しいとは、降圧比が非整数の場合に、それと近い整数、具体的には±１の範囲を含むことを示している。たとえば入力電圧Ｖｉｎが５０Ｖ、出力電圧Ｖｏｕｔが５Ｖのとき、降圧比は５／５０＝１／１０となるため、１０個のスイッチング回路１０を設けることが好ましい。

以上が充放電検査装置２の構成である。続いてその動作を説明する。
図４（ａ）は、図３のＤＣ／ＤＣコンバータ８の動作波形図を、図４（ｂ）は比較技術の動作波形図を示す。

はじめに実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ８の効果を明確とするために、図４（ｂ）を参照して比較技術について説明する。比較技術に係るＤＣ／ＤＣコンバータ８は、軽負荷状態においても連続モードで動作するような相数Ｎを有している。

いまＤＣ／ＤＣコンバータ８全体の出力電流がＩ_ＣＨＧであるとき、各相のインダクタＬ１には、時間平均値Ｉ_ＤＣがＩ_ＣＨＧ／Ｎで与えられるコイル電流Ｉ_Ｌが流れる。ＤＣ／ＤＣコンバータ８が連続モードで動作するためには、コイル電流Ｉ_Ｌがゼロクロスしないことが条件となる。連続モードで動作する条件として式（４）を得る。
Ｉ_ＣＨＧ／Ｎ＞（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）・Ｄｕｔｙ／（ｆ_ＳＷ・Ｌ） …（４）

図４（ｂ）は、式（４）を満たすようなＮを用いて構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ８の動作を示し、具体的にはＮ＝２の場合が示される。いま充電電流Ｉ_ＣＨＧの時間平均値が１Ａであるとすると、各相のコイルにはそれぞれ、時間平均値が０．５Ａのコイル電流Ｉ_Ｌ１、Ｉ_Ｌ２が流れ、それらの位相は互いに２π／Ｎ＝πシフトしている。また各相のコイル電流Ｉ_Ｌ１、Ｉ_Ｌ２のリップル量は、それぞれ１Ａである。この場合、２次電池１に流れ込む総電流（Ｉ_Ｌ１＋Ｉ_Ｌ２）のリップル量は０．８９Ａとなり、図２（ａ）の１相のＤＣ／ＤＣコンバータ８ａに比べて優位性はない。

続いて実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ８の動作を説明する。図４（ａ）は、不等式（３）を満たすようなＮを用いて構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ８の動作を示し、具体的にはＮ＝１０の場合が示される。図４（ｂ）と同様に充電電流Ｉ_ＣＨＧの時間平均値が１Ａであるとすると、各相のコイルにはそれぞれ、時間平均値が０．１Ａのコイル電流Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ１０が流れ、それらの位相は互いに２π／Ｎ（＝π／５）シフトしている。

不連続モードで動作するとき、各相のコイル電流Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ１０それぞれのリップル量は、連続モード時のそれよりも小さくなる。そして、それらを足し合わせて得られる２次電池１に流れ込む総電流（Ｉ_Ｌ１＋Ｉ_Ｌ２＋・・・＋Ｉ_Ｌ１０）のリップル量は０．２２Ａとなり、図４（ｂ）に示す比較技術に比べて格段に改善される。

このように、実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ８によれば、２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔが目標電圧付近に到達したときに、各相が不連続モードで動作するような相数Ｎにて２次電池１を充電することにより、リップル量を大幅に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。

入力電圧Ｖｉｎが変化する場合や、満充電電圧Ｖ_ＦＵＬＬが異なる電池を試験する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の降圧比が変化することが想定される。この場合、制御装置２０は、降圧比に応じて駆動するスイッチング回路１０の個数を変化させてもよい。
これにより、さまざまな状況において、適切な相数Ｎで２次電池１を充電できるため、リップル量を低減することができる。

実施の形態では、定電圧充電を行う際に、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を不連続モードで動作させる場合を説明したが、定電流状態においてもＤＣ／ＤＣコンバータ８を不連続モードで動作させてもよい。図５は、充放電検査装置２の検査シーケンスの一例を示す図である。制御装置２０は、まず２次電池１を第１の電流値Ｉ_ＣＨＧ１にて定電流充電する（期間Ｔ１）。続いて、２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔが目標電圧Ｖ_ＦＵＬＬに近づくと、第２の電流値Ｉ_ＣＨＧ２にて定電流充電する（期間Ｔ２）。２次電池１の端子電圧Ｖｂａｔが目標電圧Ｖ_ＦＵＬＬ付近に達すると、定電圧充電を行う（期間Ｔ３）。

期間Ｔ２における第２の電流値Ｉ_ＣＨＧ２は、各相のコイル電流Ｉ_Ｌがゼロクロスするように、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ８が不連続モードで動作するように定められてもよい。この場合、期間Ｔ２において充電電流Ｉ_ＣＨＧを積極的に絞り込むことにより、リップル量を低減することが可能となる。

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。

１…２次電池、２…充放電検査装置、４…電源回生コンバータ、６…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８…ＤＣ／ＤＣコンバータ、Ｐ１…入力端子、Ｐ２…出力端子、Ｐ３…接地端子、１０…スイッチング回路、Ｌ１…インダクタ、２０…制御装置、ＭＨ…ハイサイドトランジスタ、ＭＬ…ローサイドトランジスタ、２２…電圧検出回路、２４…電流検出回路、２６…電圧検出回路。

Claims (4)

1. 検査対象の２次電池を充放電するための充放電検査装置であって、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、当該ＤＣ／ＤＣコンバータは、
   直流入力電圧が入力される入力端子と、
   前記２次電池の一端と接続されるべき出力端子と、
   その第１端子が前記出力端子と接続され、その第２端子が固定電圧端子と接続された出力キャパシタと、
   それぞれの第１端子が前記出力端子と接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）のインダクタと、
   Ｎ個のインダクタごとに設けられ、それぞれが、前記入力端子と対応する前記インダクタの第２端子との間に設けられたハイサイドトランジスタと、対応する前記インダクタの第２端子と前記固定電圧端子の間に設けられたローサイドトランジスタと、を含む、Ｎ個のスイッチング回路と、
   前記Ｎ個のスイッチング回路を２π／Ｎの位相差で順にサイクリックに制御する制御装置であって、前記インダクタに流れる電流に応じた検出値が目標値と一致するように前記スイッチング回路を制御する第１モードと、前記出力端子に生ずる出力電圧に応じた検出値が目標値と一致するように前記スイッチング回路を制御する第２モードとが切りかえ可能に構成される制御装置と、
   を備え、
   整数Ｎは、前記２次電池の端子電圧が目標電圧付近に達した状態において、各インダクタに流れるコイル電流がゼロクロスするように定められていることを特徴とする充放電検査装置。
2. 整数Ｎは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧に対する前記出力電圧の降圧比と略等しいことを特徴とする請求項１に記載の充放電検査装置。
3. 前記制御装置は、前記降圧比に応じて駆動するスイッチング回路の個数を変化させることを特徴とする請求項２に記載の充放電検査装置。
4. 前記制御装置は、前記２次電池を第１の電流値にて定電流充電し、続いて、前記２次電池を第２の電流値にて定電流充電し、前記２次電池の端子電圧が目標電圧付近に達すると、定電圧充電を行うよう構成され、
   かつ前記第２の電流値は、各インダクタに流れるコイル電流がゼロクロスするように定められていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の充放電検査装置。

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