JP6587466B2

JP6587466B2 - バッテリの試験装置

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Publication number: JP6587466B2
Application number: JP2015176094A
Authority: JP
Inventors: 善久北条
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2019-10-09
Anticipated expiration: 2035-09-07
Also published as: JP2017053657A

Description

本発明は、バッテリの充電及び放電を繰返してバッテリの耐久性を試験する装置に関する。

従来、例えば二次電池など充放電が可能なバッテリの充放電を繰返して、バッテリの耐久性（劣化度）を試験する装置が知られている。例えば、特許文献１には、バッテリの充放電試験システムの電力使用効率を向上させるために、１台の双方向ＡＣ−ＤＣコンバータのＤＣ側に複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを並列に接続し、各双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側にバッテリを配置する手法が開示されている。

図２を参照して、従来の試験システムについて説明する。図２は、従来技術に係る試験システムのブロック図である。図２に示す試験システムは、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ７と、２つの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１，２２と、２つの試験対象であるバッテリ１３，１４と、充放電制御部３１と、電源系統６と、を備える。

双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ７は、電源系統６の交流電力を直流電力に変換して双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１，２２に直流電力を供給する機能を有する。また、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ７は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１，２２から回生される直流電力を交流電力に変換して電源系統６に交流電力を回生する機能を有する。

双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力側に、バッテリ１３が接続される。また、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の出力側に、バッテリ１４が接続される。

充放電制御部３１には、バッテリ１３の端子電圧Ｖ３及び電流Ｉ３、ならびにバッテリ１４の端子電圧Ｖ４及び電流Ｉ４の情報が入力される。充放電制御部３１は、入力される情報に基づいて、バッテリ１３の充放電を制御する充放電指令を生成し、当該充放電指令を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１に与える。また、充放電制御部３１は、入力される情報に基づいて、バッテリ１４の充放電を制御する充放電指令を生成し、当該充放電指令を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２に与える。

充放電指令により、バッテリ１３，１４の充放電パターンは、双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ７から供給される電力又は双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ７に回生される電力が極力少なくなるようにスケジューリングされる。

このようにして、電源系統６から双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ７に供給される電力及びＡＣ−ＤＣコンバータ７から電源系統６に回生される電力が低減され、電力使用効率が向上する。

特開２０１２−１５４７９３号公報

しかしながら、従来技術において、バッテリの評価試験の充放電パターンに応じて瞬間的に大きな供給電力又は回生電力が発生する場合があった。このため、電源系統６及び双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ７には、発生し得る大きな供給電力又は回生電力に適合するために大きな容量が必要であった。電源系統６及び双方向ＡＣ−ＤＣコンバータ７の大容量化は、試験装置の大型化又はコストの増加などの不都合をもたらす。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、電源系統からの供給電力又は電源系統への回生電力を低減可能なバッテリの試験装置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に係るバッテリの試験装置は、一方の入出力端子に充放電可能な第１のバッテリが接続され、他方の入出力端子に充放電可能な第２のバッテリが接続され、電圧の昇降圧機能を有する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１のバッテリ及び前記第２のバッテリのうち少なくとも一方に電力を供給する充電器と、前記第１のバッテリの電流及び電圧ならびに前記第２のバッテリの電流及び電圧に基づいて、前記第１のバッテリと前記第２のバッテリとの間で充放電を行う第１の指令と、前記第１のバッテリ、前記第２のバッテリ、及び前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで発生する損失分以上の電力を供給する第２の指令とを生成し、前記第１の指令を前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに与え、前記第２の指令を前記充電器に与える充放電制御部と、前記第１のバッテリの電流及び電圧に基づいて前記第１のバッテリの劣化度を評価する評価部と、を備え、前記充放電制御部は、前記第１のバッテリを充電するための前記第２のバッテリの放電電力が不足している場合、前記損失分及び前記放電電力の不足分を補償する前記第２の指令を生成することを特徴とする。

また、本発明に係る試験装置において、前記第２のバッテリは、前記第１のバッテリの容量以上の容量を有し、試験開始時において、前記第１のバッテリの残量と前記第２のバッテリの残量との和が前記第１のバッテリの容量以上かつ前記第２のバッテリの容量以下であることが好ましい。

また、本発明に係る試験装置において、前記第１のバッテリの容量と前記第２のバッテリの容量とが実質的に等しく、前記評価部は、前記第１のバッテリの劣化度の評価とともに、前記第２のバッテリの電流及び電圧に基づいて前記第２のバッテリの劣化度を評価することが好ましい。

本発明に係るバッテリの試験装置によれば、電源系統からの供給電力又は電源系統への回生電力を低減可能である。

本発明の一実施形態に係るバッテリの試験システムの概略構成を示すブロック図である。従来技術に係るバッテリの試験システムの概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るバッテリの試験システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係るバッテリの試験システムは、評価試験対象であるバッテリを所定の充放電パターンに従って充放電させることによって、バッテリの耐久性（例えば、劣化度）を評価する。劣化度は、例えばＳＯＨ（State Of Health）であるが、任意の指標を採用可能である。

図１に示すバッテリの試験システムは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０、充放電制御部３０、評価部４、充電器５、及び電源系統６を有する試験装置８と、第１のバッテリ１１と、第２のバッテリ１２と、を備える。バッテリの試験システムにおいて、第１のバッテリ１１及び第２のバッテリ１２のうち少なくとも一方が評価試験対象に定められる。以下、第１のバッテリ１１を評価試験対象として説明する。

第１のバッテリ１１及び第２のバッテリ１２は、例えばリチウムイオン電池又は鉛蓄電池など、充放電可能な二次電池である。第１のバッテリ１１は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の一方の入出力端子に接続される。第２のバッテリ１２は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の他方の入出力端子、及び充電器５の出力端子に接続される。

第１のバッテリ１１と第２のバッテリ１２との接続位置関係を入替えてもよい。かかる場合、第１のバッテリ１１は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の一方の入出力端子、及び充電器５の出力端子に接続される。第２のバッテリ１２は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の他方の入出力端子に接続される。

双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、２つの入出力端子を有しており、電圧の昇降圧機能を有する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作は、充放電制御部３０が生成した後述する第１の指令によって制御される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、第１の指令に従って、第１のバッテリ１１と第２のバッテリ１２との間で充放電を行う。具体的には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、第１のバッテリ１１を放電させる場合、第１のバッテリ１１の放電電力を第２のバッテリ１２に供給する。一方、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、第２のバッテリ１２を放電させる場合、第２のバッテリ１２の放電電力を第１のバッテリ１１に供給する。

電源系統６は、充電器５の入力端子に接続される。電源系統６は、交流電力を充電器５に入力する。電源系統６は、三相交流電源であるが、単相交流電源又は直流電源など、任意の電源を採用可能である。

充電器５は、例えばＡＣ−ＤＣコンバータであって、電源系統６から入力される交流電力を直流電力に変換して出力する機能を有する。或いは、充電器５は、例えば双方向ＡＣ−ＤＣコンバータであって、第２のバッテリ１２を介する回生電力を電源系統６に供給する機能を更に有してもよい。充電器５の動作は、充放電制御部３０が生成した後述する第２の指令によって制御される。具体的には、充電器５は、第２の指令に基づいて、第１のバッテリ１１、第２のバッテリ１２、及び双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０で発生する損失分以上の直流電力を第２のバッテリ１２に供給する。換言すると、第２の指令に基づいて供給される直流電力により、発生する損失が補償される。充電器５は、損失分を補償するための電力に加えて、第２のバッテリ１２及び双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を介して第１のバッテリ１１を充電するための電力を更に供給してもよい。

充放電制御部３０には、第１のバッテリ１１の充放電電流Ｉ１及び端子電圧Ｖ１ならびに第２のバッテリ１２の充放電電流Ｉ２及び端子電圧Ｖ２を示す情報が入力される。

充放電制御部３０は、評価試験の開始以後、入力された情報に基づいて第１の指令を生成する。具体的には、充放電制御部３０は、入力された情報を監視して、第１のバッテリ１１の評価試験を実行するための所定の充放電パターンに従って第１のバッテリ１１と第２のバッテリ１２との間で充放電を行うように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作を制御する第１の指令を生成する。例えば、第１の指令は、第１のバッテリ１１の電流制御を行うための電流指令、及び第２のバッテリ１２の電圧Ｖ２の大きさに応じた電圧制御を行うための電圧指令を含む。

また、充放電制御部３０は、評価試験の開始以後、入力された情報に基づいて第２の指令を生成する。具体的には、充放電制御部３０は、入力された情報を用いる演算により、第１のバッテリ１１、第２のバッテリ１２、及び双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０で発生する損失を算出する。充放電制御部３０は、算出した損失分を少なくとも補償するように、充電器５の出力電力を制御する第２の指令を生成する。充放電制御部３０は、第１のバッテリ１１を充電するための第２のバッテリ１２の放電電力が不足している場合、算出した損失分に加えて当該不足分を更に補償するように、第２の指令を生成してもよい。

そして、充放電制御部３０は、第１の指令を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０に与え、第２の指令を充電器５に与える。換言すると、充放電制御部３０は、第１の指令及び第２の指令を介して、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作及び充電器５の動作をそれぞれ制御する。

好適には、充放電制御部３０は、入力された情報に基づいて、第１のバッテリ１１の充電状態及び第２のバッテリ１２の充電状態を算出する。充電状態は、例えば充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）又は残量（ＲＣ：Remaining Capacity）であるが、任意の指標を採用可能である。

評価部４は、第１のバッテリ１１の充放電電流Ｉ１及び端子電圧Ｖ１ならびに第２のバッテリ１２の充放電電流Ｉ２及び端子電圧Ｖ２を示す情報が入力される。評価部４は、入力された情報に基づいて、評価試験対象である第１のバッテリ１１の劣化度を評価する。

上述したように、第１の実施形態に係るバッテリの試験装置８によれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が、第２のバッテリ１２の放電電力を用いて第１のバッテリ１１を充電するので、第１のバッテリ１１を充電するために電源系統６から供給される電力が低減される。また、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が、第１のバッテリ１１の放電電力を用いて第２のバッテリ１２を充電するので、第１のバッテリ１１から電源系統６へ回生される電力が低減される。同様に、充電器５の入出力電力が低減される。このように、評価試験において電源系統６の供給電力及び回生電力が低減されるので、電源系統６の容量及び充電器５の容量を低減可能である。

（第２の実施形態）
次に、本願発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係るバッテリの試験システムの構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１のバッテリ１１の容量と第２のバッテリ１２の容量との関係が定められる点、及び評価試験開始時における第１のバッテリ１１の残量と第２のバッテリ１２の残量との初期条件が定められる点が異なる。

本実施形態において、評価試験対象である第１のバッテリ１１の容量Ｃ１以上の容量Ｃ２を有するバッテリが、第２のバッテリ１２として採用される。換言すると、式（１）に示すように、第２のバッテリ１２の容量Ｃ２は、第１のバッテリ１１の容量Ｃ１以上とする。
Ｃ１≦Ｃ２（１）

また、本実施形態において、式（２）に示すように、評価試験開始時における第１のバッテリ１１の残量ＲＣ１と第２のバッテリ１２の残量ＲＣ２との和が、第１のバッテリ１１の容量Ｃ１以上かつ第２のバッテリ１２の容量Ｃ２以下とする。
Ｃ１≦ＲＣ１＋ＲＣ２≦Ｃ２（２）

上述したように、第２の実施形態に係るバッテリの試験装置８によれば、上述の式（１）及び式（２）を満たす。このため、以下に説明するように、評価試験において電源系統の供給電力及び回生電力が更に低減されるので、電源系統６の容量及び充電器５の容量を更に低減可能である。

いくつかの評価試験において、評価試験対象である第１のバッテリ１１の充電率ＳＯＣ１が０％〜１００％の範囲で変化するように第１のバッテリ１１を充放電させることが考えられる。例えば、第１のバッテリ１１の充電率ＳＯＣ１が１００％から０％になるまで第１のバッテリ１１を放電させる場合、式（１）及び式（２）を満たすので、第２のバッテリ１２は、第１のバッテリ１１の全放電電力を蓄電可能である。このため、第１のバッテリ１１から電源系統６への回生電力の発生を抑制可能である。また、第２のバッテリ１２が蓄えた電力を第１のバッテリ１１に供給することにより、電源系統６から第１のバッテリ１１を充電するための電力を供給されることなく、第１のバッテリ１１の充電率ＳＯＣ１が０％から１００％になるまで第１のバッテリ１１を充電可能である。したがって、電源系統６は、第１のバッテリ１１、第２のバッテリ１２、及び双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０で発生する損失分に相当する電力のみを供給すればよいので、電源系統６による供給電力が更に低減される。同様に、充電器５の入出力電力が更に低減される。

また、上述のように第１のバッテリ１１から電源系統６への回生電力の発生が抑制されるので、回生機能を有さない一方向ＡＣ−ＤＣコンバータを充電器５として採用可能となる。一方向ＡＣ−ＤＣコンバータの採用により、充電器５の小型化又はコスト低減が可能である。

（第３の実施形態）
次に、本願発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係るバッテリの試験システムの構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１のバッテリ１１及び第２のバッテリ１２の両方を評価試験対象に定めて、第１のバッテリ１１の劣化度及び第２のバッテリ１２の劣化度を同時に評価する点が異なる。

本実施形態において、容量が実質的に等しい２つのバッテリが、第１のバッテリ１１及び第２のバッテリ１２としてそれぞれ採用される。したがって、式（３）に示すように、第１のバッテリ１１の容量Ｃ１と第２のバッテリ１２の容量Ｃ２とが実質的に等しい。
Ｃ１＝Ｃ２（３）

評価部４は、第１の実施形態と同様に、第１のバッテリ１１の充放電電流Ｉ１及び端子電圧Ｖ１ならびに第２のバッテリ１２の充放電電流Ｉ２及び端子電圧Ｖ２を示す情報が入力される。評価部４は、入力された情報に基づいて、評価試験対象である第１のバッテリ１１及び第２のバッテリ１２の各劣化度を評価する。

上述したように、第３の実施形態に係るバッテリの試験装置８によれば、第１の実施形態と同様に、電源系統６の容量及び充電器５の容量を低減可能である。更に、第３の実施形態に係るバッテリの試験装置８によれば、式（３）を満たすので、以下に説明するように、第１のバッテリ１１及び第２のバッテリ１２を同時に評価可能である。

本実施形態において、第１のバッテリ１１の充電状態及び第２のバッテリ１２の充電状態は、増減について略対称に推移する。例えば、所定の放電パターンにより放電される第１のバッテリ１１の充電率ＳＯＣ１が１００％から０％に推移する間に、第２のバッテリ１２が当該放電パターンと充放電について対称の充電パターンにより充電され、第２のバッテリ１２の充電率ＳＯＣ２が０％から１００％に推移する。したがって、充電パターンと放電パターンとが充放電について対称である充放電パターンにより、第１のバッテリ１１及び第２のバッテリ１２の劣化度を同時に評価可能である。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

例えば、上述した第２の実施形態において、試験装置８に接続された第１のバッテリ１１の残量ＲＣ１と第２のバッテリ１２の残量ＲＣ２とが式（２）を満たしていない場合、充放電制御部３０は、式（２）を満たすように、評価試験開始前に第１のバッテリ１１のバッテリ及び第２のバッテリ１２の少なくとも一方を充電又は放電させてもよい。例えば、充放電制御部３０は、第１のバッテリ１１及び第２のバッテリ１２の少なくとも一方を放電させる第３の指令を生成して双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０に与えてもよい。或いは、充放電制御部３０は、第２のバッテリ１２を充電させる第４の指令を生成して充電器５に与えてもよい。かかる場合、充放電制御部３０は、複数種類のバッテリの容量（設計容量）を予め記憶しておき、接続されたバッテリの種類に対応する容量を抽出して、式（２）のＣ１及びＣ２として用いる。バッテリの種類は、例えば試験装置８を操作するユーザの入力に基づいて決定される。

１１，１２バッテリ
２０双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０充放電制御部
４評価部
５充電器
６電源系統
８試験装置

Claims

一方の入出力端子に充放電可能な第１のバッテリが接続され、他方の入出力端子に充放電可能な第２のバッテリが接続され、電圧の昇降圧機能を有する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記第１のバッテリ及び前記第２のバッテリのうち少なくとも一方に電力を供給する充電器と、
前記第１のバッテリの電流及び電圧ならびに前記第２のバッテリの電流及び電圧に基づいて、前記第１のバッテリと前記第２のバッテリとの間で充放電を行う第１の指令と、前記第１のバッテリ、前記第２のバッテリ、及び前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで発生する損失分以上の電力を供給する第２の指令とを生成し、前記第１の指令を前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに与え、前記第２の指令を前記充電器に与える充放電制御部と、
前記第１のバッテリの電流及び電圧に基づいて前記第１のバッテリの劣化度を評価する評価部と、
を備え、
前記充放電制御部は、前記第１のバッテリを充電するための前記第２のバッテリの放電電力が不足している場合、前記損失分及び前記放電電力の不足分を補償する前記第２の指令を生成する、バッテリの試験装置。
請求項１に記載の試験装置であって、
前記第２のバッテリは、前記第１のバッテリの容量以上の容量を有し、
試験開始時において、前記第１のバッテリの残量と前記第２のバッテリの残量との和が前記第１のバッテリの容量以上かつ前記第２のバッテリの容量以下である、試験装置。
請求項１に記載の試験装置であって、
前記第１のバッテリの容量と前記第２のバッテリの容量とが実質的に等しく、
前記評価部は、前記第１のバッテリの劣化度の評価とともに、前記第２のバッテリの電流及び電圧に基づいて前記第２のバッテリの劣化度を評価する、試験装置。