1. BSSに必要な基本仕様
1-1. バッテリー端子電圧
仮想される充電バッテリーの端子電圧を設定します。
1-2. 充電の仮想のために必要な項目
1-2-1. 充電の仮想のために必要な項目
通常充電用の電流は、太陽電池パネルで光から変換された電力を電力制御及び分配装置と呼ばれる装置(Power Conditioning and Distribution Unit)より供給されます。このときPCDUから供給される最大電流値をまず確認します。またこれは実際に使用するバッテリーが必要とする充電電流値と同じになります。
＜備考＞
PCDUはSASからの入力を制御する役割とバッテリーからの供給電力を制御する役割の２つで成り立っています。回路のデザインはネット等でS3R(Sequential Switching Shunt Regulator)、S4R (Sequential Switching Shunt Series Regulator)、MPPT (Maximum Peak Power Tracker)などの単語で検索していただければいろいろな情報がでてきますのでそちらをご参照いただければと思います。
1-2-2. 充電の仮想のために必要な項目
充電バッテリーから負荷へ供給できる最大電流を決定します。これは宇宙機(負荷)がどのような状況下であれ必要とする電流として定義されます。
1-3. 充電用バッテリーパックの数の設定
(複数の小さな充電用バッテリーが直列にパッケージされたものがバッテリーパック)
バッテリーパックは１つのものと２つのものがあります。これは宇宙機の大きさで決定されます。宇宙ステーションのような大型のものになると、２台以上のシュミレーターを用いたりします。
以上の項目が決定され、それに基づきBSSの仕様が策定されます。
1-4. 仮想バッテリー以外の仕様
BSSは先に説明した通り、宇宙空間で使用される充電バッテリーを仮想します。これは地上環境での充電条件があるように宇宙の環境条件を反映するため、そしてその環境条件を仮想する各種の項目を加えていきます。
<充電放電環境を仮想するための仕掛け>
宇宙空間で充電放電が各種条件で動作していることを仮想するため以下の機能が付け加えられます。
１） バッテリーの電圧リードバック信号
２） バッテリーの温度をはかるためのサーミスターの信号
上記以外に温度によるバッテリーの性能の変化を仮想する役割、また性能変化を制御するためのヒーターの制御(仮想します)にも使用します。
３） 歪みゲージ(バッテリーの形状の変化を仮想します。
1-5. 充電用バッテリーパックの数の設定
充電用バッテリーの動作を仮想する場合、２つの動作モードがあります。
１） マニュアルモード
これは単体の電源供給装置としての運転動作となります。
２） 仮想モード
仮想モードは複数の充電放電条件を状態項目と組み合わせ、それを時間軸で実行していきます。
ステップ１ チャージテーブルの作成
チャージテーブルは仮想するバッテリーの特性を表すデータベースのことです。このテーブルは通常コンピューターのメモリー(HDD等)に保存され、必要なときにコンピューターに読み込ませます。
表はExcelRの形式、あるいはデータベースファイルの形式を使用できます。
ステップ２ 仮想の条件(変化の定義)
テーブルでは端子電圧、電流そして充電の状態(充電レベル)の条件が入力され、そしてその時のバッテリーの温度も加えられています。
次にBSSはこの温度条件を時間とともに変化させるため、ある温度における一つのバッテリーチャージデータベース、次の温度におけるバッテリーチャージデータベースと温度によるバッテリーの状態変化を作成していきます。
ステップ３ 仮想モデルの実行
複数の充電テーブルを一つの仮想モデルとして実行すると、正確な時計がステップの管理をするために起動します。またこの時計はステップの管理以外に蓄電量の計測と消費電流量の計測に使用します。
ステップ４ 仮想モデルの移行
電荷の蓄電と放出の後、BSS制御ユニットは次の仮想モデルへと移行します。例えばオープンサーキット電圧とそのときの出力インピーダンスモデルを仮想することができます。
1-6. 充電用バッテリーパックの数の設定
BSSはバッテリーパックを仮想するのですが、当然バッテリーの接続あるいは動作条件に伴って発生する過渡応答も再現する必要があります。通常約200Hzのバンドワイスを持っています。この動作は出力端子に設置されている数千μFの容量を制御することで実現しています。また端子のインピーダンスを調節するために直列抵抗をテーラーメードで加えることもできます。これらの機能は多様な仮想試験を実施する上でほぼ十分な機能となるよう検討され設定しています。
インターフェースについて
BSSは、その操作にコンピューターを用います。コンピューターはWindowsXPRを用いており、専用の制御ソフトが導入され各種リードバックの表示も含まれています。またソフトウエアにはリモート制御の機能も含まれており、SCPIコマンドを用いてローカルの制御をリモートでも同様に行えるようになっています。
1-7. BSSのの構造
BSSは先に説明した通り宇宙機に搭載される充電用バッテリーを仮想するために作られています。システムは下記のような構造を持っています。
1-7-1. BSS制御コンピューター
BSSの制御は本体に搭載されているWindowsXPR英語版パソコンに制御ソフトを導入したものを使用して制御します。BSS制御コンピューターはRS232通信プロトコルを持つ光ファイバーインターフェースを通じDSPチャージコントローラーを制御しています。光ファイバーを使用するのは電源部と通信部を絶縁するためです。BSS制御コンピューターはこのDSPチャージコントローラーを通じて負荷装置、電源、リレーシャーシを制御します。またVBで作成されたシステムチェックスクリプトにより、すべての機能が正常であることを判定します。このプロセスは電圧電流出力を含め確認を行います。
1-7-2. ACコントロール
AC制御シャーシはシステムパワースイッチとして、また3相5線入力(スター結線)あるいは3相4線入力(デルタ結線)の分配を行っています。
配線は3線3相交流、単相のシステムコンポーネンツとなっており、電力は1つもしくは複数の電力ラインの入力によりAC制御シャーシに供給されます。入力数はシステムの必要とする電力により変わります。
入力は3極の安全ブレーカーにより保護され、安全ブレーカーの間の配線は個々にパワーリレーに接続されています。パワーリレーはキャビネットの前面のシステムON/OFFパネルによって制御されます。またその動作は入力監視及びキャビネットのインターロックシステムへとつながっています。
入力監視はそれぞれの相における電圧低下を監視しています。また入力の位相の方向が正確であるかを確認しています。いずれかの相の電圧が閾値より下がる、あるいは相の進行方向が異常な場合、パワーリレーは接続を解除し、問題を解決しない限り復帰しないようになっています。またキャビネットの背面扉が開いているとパワーリレーは動作しません。以上の条件で正常判定が出てキャビネットが閉じられているとき、システムパワーON/OFFパネルの緑色のシステムパワーONボタンを押すとパワーリレーが閉じ、BSS全体に電力の供給を開始します。システムパワーOFFボタンを押すとパワーリレーが開き、BSS全体への電力供給を遮断します。ただしBSS制御コンピューターとセンサーシュミレーターの電源は切れません。
1-7-3. 電力部
電力部はDSPチャージコントローラーシャーシ、電源、負荷装置そしてリレーシャーシで構成されています。
DSPチャージコントローラーシャーシ
本シャーシは電力端子の制御機能を提供し、高電力、低インピーダンスの電源と負荷装置と接続されています。シャーシ内にはマイクロプロセッサーが組み込まれており、データベースに従って駆動されるバッテリーシュミレーションを実行します。データはBSS制御コンピュータからファイバーケーブルを通じて受信するあるいは送信するようになっています。
１）マイクロプロセッサーの役割
マイクロプロセッサーは４つのデジタル／アナログコンバーターを制御しています。
制御内容は下記の通りです。
① 端子の電圧を設定します。
② 端子の充電電流の制限値を設定します(これは外部ソースからの電流をシンクする電流です)
③ 放電電流の制限値を設定します(これは外部の負荷へ流す電流の上限になります)
④ 過電圧保護の設定をします
次にマクロプロセッサーは４つのアナログ／デジタルコンバーターよりデータを受け取ります。
① 全出力電流を測定します。
② 出力電圧を測定します。
③ 電源から供給される電流を測定します。
④ 負荷装置により消費される電流(充電)を測定します。
これに５つ目のアナログ／デジタルコンバーターが加わります。これは上記の４つと異なりデジタルボードが付け加えられています。それは充電あるいは放電により変化するバッテリーの状態を演算表示するために用いられます。これは１秒あたり62,500のサンプリングを実行し、これによりバッテリーチャージデータベースに基づく処理を正確に行えるようにしています。またこのサンプリング速度により急な電流の双方向の変化をとらえることでより精度の高い充放電によるバッテリーの残存容量の変化を求めることができます。
2) バッテリーデータベース
シュミレーションに用いるデータベースは、充電状態(SOC)と全電流出力の２つで構成される関数により求められたバッテリー端子電圧で構成されています。
データベースは5%ステップでSOCを定量化、そして出力値はデータベースの入力項目の間を外挿法により求めます。このデータベーススキーム(関数型プログラム)により、BSSは異なる種類のバッテリーの試験、それぞれのバッテリーの状態による仮想動作を容易にそして効率よく実行できるようにしています。
3) シュミレーションの制御
シュミレーションを途中で止め、チャージ状態の値を変更することでシュミレーション開始時のチャージ状態を任意に設定することができます。シュミレーションを開始するとき、SOCは新しいバッテリー容量、現在のSOC、そしてバッテリーの充放電の量から計算を実行します。SOCは５msごとに更新され全電流出力を伴った新しいSOCの値である端子電圧を外挿法で求めます。
4) 端子電圧の制御と電流制限
端子電圧は端子電圧用デジタル／アナログコンバーターにより設定されるアナログサーボループによって制御されます。このサーボは負荷をオンし充電動作を仮想する、あるいは負荷を切り電源をオンし放電を実施します。電源部の制御電圧にたいし精度の高いクランプを行うことで電力システムは電流制限内で動作することになります。
またそれ以外に電流制限状態を検知していますが、電流制限フォールドバックモードでは、これらの電流制限信号はマイクロプロセッサーでは無視されます。また電流制限シャットダウンモードではこれらの電流制限信号を用い、システムをシャットダウンします。
5) その他の機能
サーボループエラー、検知線の切断、過電圧状態の検知をマイクロプロセッサーにより行います。過電圧状態の検知において、クローバーサイリスターにより電源はすぐに出力を停止します。絶縁用ダイオードは高い電圧の変化に対し負荷を保護するようになっています。
電源装置
電源は定義された端子電圧と適切な放電電流量が設定可能なモデルが選択されています。
負荷装置
負荷は適切な充電電流量が設定可能なモデルが選択されます。
スケーリングシャーシ
スケーリングシャーシとは、パワーオンセルフテストにおいて測定される充放電の試験動作時に得られる測定データのスケーリングを行うためのシャーシです。なお10A以下のバッテリーシュミレーターでは上記のすべての回路はチャージコントローラーシャーシ内に設置されます。
パワーオンセルフテスト(POST)の動作
パワーオンセルフテスト回路(POST)はBSSの出力電圧電流の測定を統合した状態で動作します。２つのリレー、シャント抵抗、負荷抵抗、24V電源そしてPCBがこの回路に含まれています。
＜充電セルフテストの動き＞
充電リレーは出力を24V電源に接続します。BSS負荷は負荷電流を設定するよう制御されています。負荷電流はシャント抵抗とPOST回路ボードによってスケーリングされます。
＜放電セルフテストの動き＞
放電リレーは出力と内部負荷抵抗を接続します。BSS電源装置は定められた電圧と電流(シャント抵抗により検知されます)を出力するよう制御されます。
＜測定値＞
測定値はPOSTボードによりスケーリングされ、POST回路ボードはこれらの信号を変換するための作動アンプをもっています。これらの信号はBSSシャーシ内のデータ取得カード(DAQ)へ提供されます。このPOSTのプロセスは、VBスクリプトに基づくプログラムで実行されるようになっています。
電力部におけるその他の機能
出力シャーシでは、電源と負荷の出力がシャーシ背面のバスバーに接続されています。このシャーシは出力シャント、SCRクローバー、電源用ブロッキングダイオード、出力遮断リレー、パワーオンセルフテスト回路を持っています。これらに加えて遠隔電圧検知あるいはローカルでの電圧検知を切り替えるリレーも持っています。
1) 出力シャントはBSSから出力されるあるいはBSS内で流れる電流を計測します。信号はチャージコントローラーシャーシに送られます。
2) SCRクローバーはシステム内の電源の最大電流に対応したスケールを設定されています。過電圧状態ではチャージコントローラーシャーシによりクローバーは駆動されます。
3) ブロッキングダイオードはクローバーが起動したとき、外部負荷からの引き込みから保護するために使用されます。
4) 出力遮断リレーはBSSの最大電力に応じた仕様のものとなっています。
2. ソフトウェア
BSSは完全にソフトウエアで設定を行い充電放電の仮想を実行するようになっています。ここでは以下のような画面があります。
2-1. バッテリーの仕様の入力
BSSにバッテリーの仕様を入力する画面です。
2-2. データベース(Database)設定
使用するバッテリーチャージデータベースを選択します。
データベースの形式はODBCを使用しています。このデータベースは他の特定のデータベースフォーマットとは関連を持ちません。そのためODBCを導入している一般のデータベースソフトであれば使用することができます。MicrosoftRのExcelR、AccessR、dBase、Paradox、FoxProが使用できます。
キャパシティ(Capacity)設定：バッテリーの容量をAmp-Hoursで定義します。
チャージ状態(State of Charge)設定：バッテリーの充電状態を設定します。
温度(Temperature)設定：バッテリーの温度を℃で設定します。
セル数(Cells)設定：バッテリー内のセル数を設定します。
| 
