自動車業界向けSPICE(MATLAB)を活用したEV・HEVシミュレーションセミナー(12JUN2015)

1. 1.二次電池のスパイスモデル
1.1リチウムイオン電池 (SPICEモデル及びMATLABモデル)
1.2ニッケル水素電池 (SPICEモデル及びMATLABモデル)
2.インバータ回路の表現方法
3.IGBTのスパイスモデル
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション
5.回生回路(発電機)全体シミュレーション
6.質疑応答
自動車業界向けSPICE(MATLAB)を活用した
EV・HEVシミュレーションセミナー
2015年6月12日
1Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

2. 2Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

3. 2014年9月25日(木曜日)
3Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

4. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 4

5. 半導体メーカー及び電子部品メーカー(サプライヤ企業)
電子機器メーカー
自動車メーカー
社会インフラメーカー
(1)お客様への自社製品のSPICEモデルの提供
(2)自社製品のアプリケーション回路開発
(1)研究開発及び設計
(2)故障解析
キーワード：電源回路、インバータ回路、モーター駆動回路、LED照明回路及び電池回路
(1)研究開発及び設計
キーワード：ACモーター駆動回路、インバータ回路、LED照明回路HEV、EV、
二次電池、燃料電池及び回生回路
(1)全体システム回路設計
(2)故障解析
キーワード：太陽電池システム、スマートグリッドシステム、二次電池
対象の市場
5Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

6. 【環境発電(エナジーハーベスト)分野】
発電デバイス+ハーベストIC+アプリケーション回路
【生体信号分野】
⇒人体のSPICEモデル＋電子回路シミュレーション
(1)心臓
(2)脳＋神経
(3)血液
【教育分野】
(1)実務向けオンサイトセミナー
⇒企業向け教育プログラムの提供及び実施
(2)教育用プログラム
⇒LTspiceで回路学習+キットで実機学習
光起電力(太陽電池)
振動発電(ピエゾ素子)
温度差発電(ペルチェ素子)
＋ ハーベストIC ＋ アプリケーション回路
対象の市場
6Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

7. 回路解析シミュレータの用途は、多様化しています。
(1)研究開発
①次世代半導体のデバイスモデリング及びアプリケーション開発
②システム開発及び回路開発の回路動作現象
(2)回路設計
①アプリケーション開発
②トポロジーの開発及び選定
③回路設計及び回路動作検証
④損失計算
⑤ノイズ検証
⑥熱解析
(3)クレーム解析
①故障解析
②オープン・ショート
③想定外使用
④サージ解析
回路解析シミュレータの用途の多様化
7Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

8. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 8
モデル⇒SPICEモデル
テンプレート⇒回路(回路方式)のテンプレート
ツール⇒Pspice,LTspice
設計支援を行っている領域

9. 回路シミュレーションのポイント
【ポイント1】
回路解析シミュレーションの解析精度=スパイスモデルの解析精度である。
■有償SPICEでも無償SPICEでも採用するSPICEモデルで解析精度が決定される。
■1個でも変な動作をするスパイスモデルがあるとNG
【ポイント2】
シミュレーションの用途に応じたSPICEモデルを採用する。
■波形動作確認であれば、簡易SPICEモデルでも問題ない。
■損失計算を行う場合、過渡現象において再現性のあるSPICEモデルを採用する。
■温度シミュレーションをしたい場合には、温度対応SPICEモデルを採用する。
■ノイズシミュレーションをしたい場合には、ノイズ対応SPICEモデルを採用する。
【ポイント3】
回路シミュレーションをする回路は正確に入力する。
■回路シミュレーションをする場合、回路知識が必要です。
■回路解析結果の正誤を判断する必要があります。
9Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

10. 回路設計のワークフロー
仕様
回路方式選択
(トポロジーの選定)
詳細回路設計
回路図作成
材料表作成
基板設計
回路設計
ビー・テクノロジー製品及びサービス
コンセプトキット製品
デザインキット製品
シンプルモデル
デバイスモデリング教材
スパイス・パーク
デバイスモデリング
サービス
カスタムデザインキット
サービス
ビー・テクノロジー製品及びサービス
10Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

11. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 11
回路方式
降圧チョッパ
昇圧チョッパ
昇降圧チョッパ
フォワード
フライバック
フルブリッジ
ハーフブリッジ
プッシュプル
CUK
SEPIC
ZETA
絶縁CUK
電圧共振
電流共振
共振
E級共振
複共振
アクティブクランプ
位相シフト
同期整流
電流モード
力率改善
マルチフェーズ
電流型
三相フルブリッジインバータ
電源回路分野でカスタムデザインキットを対応した
シミュレーションのテンプレート

12. シミュレーション上の課題について
第一
の壁
第二
の壁
第三
の壁
第一の壁：SPICEの習得
第二の壁：SPICEモデルの入手
第三の壁：シミュレーション技術
12Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

13. シミュレーション解析時間
10％90％
実際のシミュレーション
解析時間
実際の解析時間は10％程度です。90％の時間をSPICEモデルの入手
に費やしています。
SPICEモデルの入手に費やしています。
●サプライヤ企業から入手する
●スパイス・パークからダウンロードする
●デバイスモデリングサービスを活用する
●自分でSPICEモデルを作成する
シミュレーション上の課題について
13Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

14. ダイオードのSPCIEモデルを作成する場合の事例
(ダイオードのSPICEモデルは3種類ある)
デバイスモデリング
の難易度
高い
低い
電流減少率モデル
⇒等価回路で-didtを再現している
IFIR法モデル
⇒等価回路でTrr(trj +trb)を再現している
パラメータモデル
⇒パラメータだけで作成できる簡易型モデル
シミュレーション上の課題について
14Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

15. ①再現性問題
実機波形とシミュレーション波形が合わない
【解決方法】
○目的に合ったSPICEモデルを採用する
○目に見えない寄生素子も考慮し、回路図に反映させる
【ご提供するサービス】
○SPICEモデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」
○シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」
②解析時間問題
早くシミュレーション結果を知りたいのにシミュレーションに多くの時間を有する
【解決方法】
○目的に合ったSPICEモデルを採用する
○タイムスケール機能を採用する
【ご提供するサービス】
○SPICEモデルをご提供する「デバイスモデリングサービス」
○シミュレーションデータをご提供する「デザインキットサービス」
③収束エラー問題
最後までシミュレーションが実行出来ず、途中で計算が止まってしまう。
【解決方法】
○SPICEの.OPTIONSのパラメータを最適化する。
○スナバ回路等を挿入して急変する過渡応答性、過渡現象を緩和する。
○回路動作に影響しないように微小抵抗を適宜挿入する。
【ご提供するサービス】
○収束エラー解決サービス
シミュレーション上の課題について
15Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015

16. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 16
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
PSpice Version
LTspice Version
MATLAB Version

17. Parameter Settings
C is the amp-hour battery capacity [Ah]
– e.g. C = 0.3, 1.4, or 2.8 [Ah]
NS is the number of cells in series
– e.g. NS=1 for 1 cell battery, NS=2 for 2 cells
battery (battery voltage is double from 1 cell)
SOC is the initial state of charge in percent
– e.g. SOC=0 for a empty battery (0%), SOC=1 for
a full charged battery (100%)
TSCALE turns TSCALE seconds into a second
– e.g. TSCALE=60 turns 60s or 1min into a second,
TSCALE=3600 turns 3600s or 1h into a second,
• From the Li-Ion Battery specification, the model is characterized by setting parameters
C, NS, SOC and TSCALE.
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 17
Model Parameters:
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 1
TSCALE = 1
C = 1.4
(Default values)
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

18. • The battery information refer to a battery part number LIR18500 of EEMB BATTERY.
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 18
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 1
TSCALE = 60
C = 1.4
Battery capacity is
input as a model
parameter
Nominal Voltage 3.7V
Nominal
Capacity
Typical 1400mAh (0.2C discharge)
Charging Voltage 4.20V±0.05V
Charging Std. Current 700mA
Max Current
Charge 1400mA
Discharge 2800mA
Discharge cut-off voltage 2.75V
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

19. Time
0s 50s 100s 150s 200s
1 V(HI) 2 I(IBATT)
3.0V
3.2V
3.4V
3.6V
3.8V
4.0V
4.2V
4.4V
1
0A
0.4A
0.6A
0.8A
1.0A
1.2A
1.4A
2
SEL>>SEL>>
V(X_U1.SOC)
0V
0.2V
0.4V
0.6V
0.8V
1.0V
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 0
NS = 1
TSCALE = 60
C = 1.4
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 19
• Charging Voltage: 4.20V±0.05V
• Charging Current: 700mA (0.5 Charge)
Current=700mA
Voltage=4.20V
Capacity=100%
(minute)
Measurement Simulation
SOC=0 means battery
start from 0% of
capacity (empty)
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

20. PARAMETERS:
rate = 0.5
CAh = 1.4
N = 1
0
Vin
5V
IBATT
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 0
NS = {N}
TSCALE = 60
C = 1.4
0
C1
10n
HI
IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
Limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
0
Voch
{(4.20*N)-8.2m}
DMOD
D1
0
*Analysis directives:
.TRAN 0 200 0 0.5
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 20
1 minute in seconds
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage*1) - VF of D1
Input Voltage
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

21. Time
0s 100s 200s 300s 400s
V(HI)
2.6V
2.8V
3.0V
3.2V
3.4V
3.6V
3.8V
4.0V
4.2V
4.4V
0
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 1
TSCALE = 60
C = 1.4
HI
0
0
IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
PARAMETERS:
rate = 1
CAh = 1.4
C1
10n
sense
*Analysis directives:
.TRAN 0 300 0 0.5
.STEP PARAM rate LIST 0.2,0.5,1
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 21
0.2C
0.5C
1C
(minute)
TSCALE turns 1 minute in seconds,
battery starts from 100% of capacity (fully charged)
• Battery voltage vs. time are simulated at 0.2C, 0.5C, and 1C discharge rates.
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

22. 0
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 1
TSCALE = 60
C = 1.4
HI
0
0IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
PARAMETERS:
rate = 0.2
CAh = 1.4
C1
10n
sense
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 22
*Analysis directives:
.TRAN 0 296.82 0 0.5
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
1 minute in seconds
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

23. + -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 4
TSCALE = 60
C = 4.4
• The battery information refer to a battery part number PBT-BAT-0001 of BAYSUN Co., Ltd.
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 23
The number of cells in
series is input as a
model parameter
Output Voltage DC 12.8~16.4V
Capacity of Approximately 4400mAh
Input Voltage DC 20.5V
Charging Time About 5 hours
Basic Specification
Li-ion needs 4 cells
to reach this
voltage level
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

24. Time
0s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8s 9s 10s
1 V(HI) 2 I(IBATT)
12V
13V
14V
15V
16V
17V
18V
1
0A
0.8A
1.2A
1.6A
2.0A
2.4A
2
>>
V(X_U1.SOC)
0V
0.2V
0.4V
0.6V
0.8V
1.0V
SEL>>
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 24
• Input Voltage: 20.5V
• Charging Voltage: 16.8V
• Charging Current: 880mA (0.2 Charge)
Current=880mA
Voltage=16.8V
Capacity=100%
(hour)
The battery needs 5 hours to be fully charged
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

25. PARAMETERS:
rate = 0.2
CAh = 4.4
N = 4
0
Vin
20.5V
IBATT
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 0
NS = {N}
TSCALE = 3600
C = 4.4
0
C1
10n
HI
IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
Limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
0
Voch
{(4.2*N)-8.2m}
DMOD
D1
0
*Analysis directives:
.TRAN 0 10 0 0.05
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 25
1 Hour in seconds
Input Voltage
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage*4) - VF of D1
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

26. Time
0s 0.4s 0.8s 1.2s 1.6s 2.0s
V(HI)
10V
11V
12V
13V
14V
15V
16V
17V
18V
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 26
• Charging Voltage: 16.8V
• Charging Current: 880mA (0.2 Charge)
(hour)
0.5C
1C
16.4V
12.8V
Output
voltage
range
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

27. 0
+ -
U1
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 4
TSCALE = 3600
C = 4.4
HI
0
0IN-
OUT+
OUT-
IN+
G1
limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
PARAMETERS:
rate = 1
CAh = 4.4
C1
10n
sense
*Analysis directives:
.TRAN 0 3 0 0.05
.STEP PARAM rate LIST 0.5,1
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 27
1 Hour in seconds
Parametric sweep “rate”
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
SPICE

28. 1. Benefit of the Model
2. Model Feature
3. Simulink Model of Lithium-Ion Battery
4. Concept of the Model
5. Pin Configurations
6. Li-Ion Battery Specification (Example)
6.1 Charge Time Characteristic
6.1.1 Charge Time Characteristic (Simulation Circuit)
6.1.2 Charge Time Characteristic (Simulation Settings)
6.2 Discharge Time Characteristic (Simulation Circuit)
6.2.1 Discharge Time Waveform - 1400mAh (0.2C discharge)
6.2.2 Discharge Time Waveform - 1400mAh (0.5C discharge)
6.2.3 Discharge Time Waveform - 1400mAh (1.0C discharge)
6.2.4 Discharge Time Characteristic (Simulation Settings)
6.3 Vbat vs. SOC Characteristic
6.3.1 Vbat vs. SOC Characteristic (Simulation Circuit)
6.3.2 Vbat vs. SOC Characteristic (Simulation Settings)
7. Extend the number of Cell (Example)
7.1.1 Charge Time Circuit - NS=4, TSCALE=3600
7.1.2 Charge Time Waveform - NS=4, TSCALE=3600
7.2.1 Discharge Time Circuit - NS=4, TSCALE=3600
7.2.2 Discharge Time Waveform - NS=4, TSCALE=3600
7.3 Charge & Discharge Time (Simulation Settings)
8. Port Specifications
Simulation Index
Appendix Diode
28Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

29. 1. Benefit of the Model
• The model enables circuit designer to predict
and optimize battery runtime and circuit
performance.
• The model can be easily adjusted to your
own battery specifications by editing a few
parameters that are provided in the datasheet.
• The model is optimized to
reduce the convergence error and the
simulation time
29Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

30. • This Li-Ion Battery Simplified Simulink Model is for users who require the
model of a Li-Ion Battery as a part of their system.
• Battery Voltage(Vbat) vs. Battery Capacity Level (SOC) Characteristic, that can
perform battery charge and discharge time at various current rate conditions,
are accounted by the model.
• As a simplified model, the effects of cycle number and temperature are
neglected.
VSOC
2
MINUS
1
PLUS
VOC
+-
Rtransient_S
+-
Rtransient_L
+-
Rseries
Ibatt
+-
Ctransient_S
+-
Ctransient_L
+-
Capacity
2. Model Feature
30
Battery Circuit Model
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

31. 3. Simulink Model of Lithium-Ion Battery
31
Equivalent Circuit of Lithium-Ion Battery Model using Matlab
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1
VSOC
2
MINUS
1
PLUS
f(x)=0
Solver
Configuration
PSS
V
+
-
PS S
+-
0.03
RTS
0.034
RTL
IBAT
RTS
CTS
CAH
N
TSCALE
RTCT_S
RTCT_S_EQV
IBAT
RTL
CTL
CAH
N
TSCALE
RTCT_L
RTCT_L_EQV
IBAT
RS
N
CAH
RSO
RS_EQV
0.045
RS
PS S
PSS
+
-
U
+
-
U
-K-
-K-
f(u)
SOC VOUT
EOCV
I
+
-
1800
CTS
15000
CTL
TSCALE
CAH
IBAT
SOC_SETTING
SOC0
CAPACITY
+-
4
%SOC
3
Tscale
2
C
1
NS
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

32. 4. Concept of the Model
32
Li-Ion battery
Simplified Simulink Model
[Spec: C, NS]
Adjustable SOC : 0-100(%)
+
-
• The model is characterized by parameters: C, which represent the battery
capacity and SOC, which represent the battery initial capacity level.
• Open-circuit voltage (VOC) vs. SOC is included in the model as a behavioral
model.
• NS (Number of Cells in series) is used when the Li-ion cells are in series to
increase battery voltage level.
Output
Characteristics
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

33. VB
VIN
5V
1
Tscale
100
Soc
V
+
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.5C (700mA)1.4
Capacity
5. Pin Configurations
C is the amp-hour battery capacity [Ah]
– e.g. C = 0.2, 1.4, or 2.0 [Ah]
NS is the number of cells in series
– e.g. NS=1 for 1 cell battery, NS=2 for 2 cells
battery (battery voltage is double from 1 cell)
SOC is the initial state of charge in percent
– e.g. SOC=0 for a empty battery (0%), SOC=100
for a full charged battery (100%)
TSCALE turns TSCALE seconds into a second
– e.g. TSCALE=60 turns 60s or 1min into a second
TSCALE=3600 turns 3600s or 1h into a second
• From the Li-Ion Battery specification, the model is characterized by setting parameters
C, NS, SOC and TSCALE.
33
Model Parameters:
Probe
“SOC”
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

34. VBATT
Vo
(4.2
VIN
5V
1
Tscale
100
Soc
+-
V
+
-
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.5C (700mA)1.4
Capacity
6. Li-Ion Battery Specification (Example)
• The battery information refer to a battery part number LIR18500 of EEMB BATTERY.
34
Battery capacity is input as
a model parameter
Nominal Voltage 3.7V
Nominal
Capacity
Typical 1400mAh (0.2C discharge)
Charging Voltage 4.20V±0.05V
Charging Std. Current 700mA
Max Current
Charge 1400mA
Discharge 2800mA
Discharge cut-off voltage 2.75V
Table 1
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

35. 6.1 Charge Time Characteristic
35
• Charging Voltage: 4.20V±0.05V
• Charging Current: 700mA (0.5C
Charge)
Current=700mA
Voltage=4.20V
Datasheet Simulation
SOC=0 means battery start from
0% of capacity (empty)
%SOC
(Second)
VBATT
VIN
5V
1
Tscale
0
Soc
+-
V
+
-
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.5C (700mA)1.4
Capacity
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

36. VBATT
Voch
(4.24*Ns)-0.07
VIN
5V
1
Tscale
0
Soc
+-
V
+
-
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.5C (700mA)1.4
Capacity
6.1.1 Charge Time Characteristic
 Simulation Circuit
36
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage*1) - VF of Diode
Input Voltage
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

37. 6.1.2 Charge Time Characteristic
 Simulation Settings
37
Table 2: Simulation settings
Property Value
StartTime 0
StopTime 12000
AbsTol auto
InitialStep auto
ZcThreshold auto
MaxConsecutiveZCs 1000
NumberNewtonIterations 1
MaxStep 1
MinStep auto
MaxConsecutiveMinStep 1
RelTol 1e-3
SolverMode Auto
Solver ode23t
SolverName ode23t
SolverType Variable-step
SolverJacobianMethodControl auto
ShapePreserveControl DisableAll
ZeroCrossControl UseLocalSettings
ZeroCrossAlgorithm Adaptive
SolverResetMethod Fast
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

38. 6.2 Discharge Time Characteristic
 Simulation Circuit
38
• Battery voltage vs. time are simulated at 0.2C, 0.5C, and 1C discharge rates.
battery starts from 100% of capacity
(fully charged)
VBAT
1
Tscale
100
Soc
V
+
-
PSS
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
IDIS
0.2C (280mA)
1.4
Capacity
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

39. 39
0.2C discharge (280mA)
6.2.1 Discharge Time Waveform
 1400mAh (0.2C discharge)
• Nominal Voltage: 3.7V
• Discharge cut-off voltage: 2.75V
(Second)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

40. 40
0.5C discharge (700mA)
6.2.2 Discharge Time Waveform
 1400mAh (0.5C discharge)
• Nominal Voltage: 3.7V
• Discharge cut-off voltage: 2.75V
(Second)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

41. 41
1.0C discharge (1400mA)
6.2.3 Discharge Time Waveform
 1400mAh (1.0C discharge)
• Nominal Voltage: 3.7V
• Discharge cut-off voltage: 2.75V
(Second)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

42. 42
6.2.4 Discharge Time Characteristic
 Simulation Settings
Table 3: Simulation settings
Property Value
StartTime 0
StopTime 24000, 9600, 4800
AbsTol auto
InitialStep auto
ZcThreshold auto
MaxConsecutiveZCs 1000
NumberNewtonIterations 1
MaxStep 10
MinStep auto
MaxConsecutiveMinStep 1
RelTol 1e-3
SolverMode Auto
Solver ode23t
SolverName ode23t
SolverType Variable-step
SolverJacobianMethodControl auto
ShapePreserveControl DisableAll
ZeroCrossControl UseLocalSettings
ZeroCrossAlgorithm Adaptive
SolverResetMethod Fast
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

43. 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
DischargeCapacity
(%vs.0.2C)
Battery Discharge Current (vs. C Rate)
Mesurement
Simulation
6.3 Vbat vs. SOC Characteristic
43
• Nominal Voltage: 3.7V
• Capacity: 1400mAh (0.2C discharge)
• Discharge cut-off voltage: 2.75V
2.60
2.80
3.00
3.20
3.40
3.60
3.80
4.00
4.20
4.40
-0.200.20.40.60.81
Voltage(V)
Capacity (%)
0.5C
0.2C
1C
Datasheet Simulation
SimulationVbat vs. SOC
1
Tscale
100
Soc
V
+
-
PSS
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
IDIS
1400mAh*(discharge rate)
1.4
Capacity
100
Cal
VBAT
SOC
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

44. 6.3.1 Vbat vs. SOC Characteristic
 Simulation Circuit
44
Vbat vs. SOC
1
Tscale
100
Soc
V
+
-
PSS
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
IDIS
1400mAh*(discharge rate)
1.4
Capacity
100
Cal
VBAT
SOC
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

45. 6.3.2 Vbat vs. SOC Characteristic
 Simulation Settings
45
Table 4: Simulation settings
Property Value
StartTime 0
StopTime 19200
AbsTol auto
InitialStep auto
ZcThreshold auto
MaxConsecutiveZCs 1000
NumberNewtonIterations 1
MaxStep 10
MinStep auto
MaxConsecutiveMinStep 1
RelTol 1e-3
SolverMode Auto
Solver ode23t
SolverName ode23t
SolverType Variable-step
SolverJacobianMethodControl auto
ShapePreserveControl DisableAll
ZeroCrossControl UseLocalSettings
ZeroCrossAlgorithm Adaptive
SolverResetMethod Fast
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

46. VBATT
Voch
(4.2*Ns)-70m
VIN
20.5V
3600
Tscale
0
Soc
+-
V
+
-
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
4
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.2C (880mA)4.4
Capacity
• The battery information refer to a battery part number PBT-BAT-0001 of BAYSUN Co., Ltd.
46
The number of cells in
series is input as a model
parameter
Output Voltage DC 12.8~16.4V
Capacity of Approximately 4400mAh
Input Voltage DC 20.5V
Charging Time About 5 hours
Basic Specification
Li-ion needs 4 cells to
reach this voltage level
7. Extend the number of Cell (Example)
 NS=4, TSCALE=3600
1 hour into a second (in
simulation)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

47. VBATT
Voch
(4.218*Ns)-12m
VIN
20.5V
3600
Tscale
0
Soc
+-
V
+
-
I
+
-
SENSE_IBAT
PSS
PS S
OUTPUT
4
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.2C (880mA)4.4
Capacity
7.1.1 Charge Time Circuit
 NS=4, TSCALE=3600
47
Input Voltage
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage  4) - VF of Diode
Number of Cells
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

48. 48
• Input Voltage: 20.5V
• Charging Voltage: 16.8V
• Charging Current: 880mA (0.2 Charge)
Current=880mA
Voltage=16.8V
Capacity=100%
(hour)
The battery needs 5 hours to be fully charged
7.1.2 Charge Time Waveform
 NS=4, TSCALE=3600
BATTERY PACK LI-ION 12.8~16.4V
Number of Cells: 4
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

49. VBAT
3600
Tscale
100
Soc
V
+
-
PSS
4
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
IDIS
0.5C (2200mA)
4.4
Capacity
7.2.1 Discharge Time Circuit
 NS=4, TSCALE=3600
49
Number of Cells
• Output Voltage: 12.8~16.4V
• Capacity: 4400mAh
• Discharge Current: 2200mA (0.5C)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

50. 50
2200mA (0.5C)
16.4V
12.8V
Output
voltage
range
7.2.2 Discharge Time Waveform
 NS=4, TSCALE=3600
• Output Voltage: 12.8~16.4V
• Capacity: 4400mAh
• Discharge Current: 2200mA (0.5C)
BATTERY PACK LI-ION 12.8~16.4V
Number of Cells: 4
(hour)
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

51. 7.3 Charge & Discharge Time
 Simulation Settings
51
Table 5: Simulation settings
Property Value
StartTime 0
StopTime 8, 3
AbsTol auto
InitialStep auto
ZcThreshold auto
MaxConsecutiveZCs 1000
NumberNewtonIterations 1
MaxStep 0.01
MinStep auto
MaxConsecutiveMinStep 1
RelTol 1e-3
SolverMode Auto
Solver ode23t
SolverName ode23t
SolverType Variable-step
SolverJacobianMethodControl auto
ShapePreserveControl DisableAll
ZeroCrossControl UseLocalSettings
ZeroCrossAlgorithm Adaptive
SolverResetMethod Fast
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

52. 8. Port Specifications
52
Table 6
Parameter Simulink Simscape
NS O
C O
TSCALE O
%SOC O
VSOC O
PLUS O
MINUS O
VSOC
VIN
5V
60
Tscale
0
Soc
SENSE_
I
+
-
SENSE_IBAT
PS S
PS S
1
Ns
NS
C
Tscale
%SOC
VSOC
PLUS
MINUS
LI-ION_BATTERY
ICHG
0.5C
IBAT
1.4
Capacity
Battery Model
Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

53. Appendix
53Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
If Diode is error, Please choice Diode of SPICE-Compatiable
Semiconductors/Diode
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

54. Appendix
54Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
Setting of Diode
Emission coefficient ,ND Default Value change 0.01
1.1 リチウムイオン電池のシンプルモデル
MATLAB

55. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 55
1.2 ニッケル水素電池のシンプルモデル
PSpice Version
LTspice Version
MATLAB Version
http://ow.ly/NQNU2
http://ow.ly/NQO3I

56. Copyright (C) Bee Technologies2013 56
出展：東芝セミコンダクター&ストレージ社
2.インバータ回路の表現方法

57. Copyright (C) Bee Technologies2013 57
2.インバータ回路の表現方法

58. Copyright (C) Bee Technologies2013 58
初代プリウス(1997-2003)
バッテリー
40セル
3相インバータ
バッテリー
28セル
昇圧回路
バッテリー
28セル
昇圧回路
第二世代プリウス(2003-2011)
第三世代プリウス(2011-)
M
33kW
3相インバータ
M
50kW
3相インバータ
M
65kW
288V
202V
202V
500V
650V
電気系パワートレインの構成図
2.インバータ回路の表現方法

59. Copyright (C) Bee Technologies2013 59
出展：東芝セミコンダクター&ストレージ社
Li-Ion, Ni-MH,Lead-Acid.etc IGBT,SiC Device,etc
IGBT FWD,Diode
2.インバータ回路の表現方法

60. Copyright (C) Bee Technologies2013 60
3.IGBTのスパイスモデル
1.IGBTのスパイスモデル
1.1 ヘフナモデル(パラメータモデル)
1.2 MOSFET+BJTモデル

61. Copyright (C) Bee Technologies2013 61
PSpice
IGBT
Model
PSpice
IGBT
Model
+
等価回路
MOSFET
+
BJT
SPICEの世界
3.IGBTのスパイスモデル

62. Copyright (C) Bee Technologies2013 62
IGBT PSpice Model (ヘフナモデル) 等価回路図
dt/dQgs
dt/dQdg
dt/dQmult
dt/dQds
dt/dQcer
dt/dQeb
mosI
cssI bssI
multI
TI
E(S)
b(d)
G
C
e
5個のDC電流コンポーネントと
6個の容量性電荷コンポーネント
の構成です。
3.IGBTのスパイスモデル

63. Copyright (C) Bee Technologies2013 63
パラメータ 説明 単位 デフォルト値
AGD ゲート・ドレイン重なり面 m^2 5E-6
AREA デバイス面積 m^2 1E-5
BVF 電子アバランシュ均一係数 N/A 1
BVN 電子アバランシュ増倍の指数部 N/A 4
CGS 単位面積当たりのゲート・ソース間容量 F/cm^2 1.24E-8
COXD 単位面積当たりのゲート・ドレイン間酸化膜容量 F/cm^2 3.5E-8
JSNE エミッタ飽和電流密度 A/cm^2 6.5E-13
KF 3極管領域係数 N/A 1
KP MOSトランスコンダクタンス A/V^2 0.38
MUN 電子移動度 cm^2/(V・S) 1.5E3
MUP 正孔移動度 cm^2/(V・S) 4.5E2
NB ベース ドーピング 1/cm^3 2E14
TAU アンビポーラ再結合寿命 s 7.1E-6
THETA 遷移電解係数 1/V 0.02
VT しきい値 V 4.7
VTD ゲート・ドレイン重なり空乏しきい値 V 1E-3
WB 金属ベース幅 m 9E-5
IGBT PSpice Model (ヘフナモデル) パラメータ
3.IGBTのスパイスモデル

64. Copyright (C) Bee Technologies2013 64
Saturation Characteristics(飽和特性)
上記はPSpice Model Editorの画面測定データ
シミュレーション結果
3.IGBTのスパイスモデル

65. Copyright (C) Bee Technologies2013 65
飽和特性を補正する事で、精度良くPSpice Modelを活用する事が出来ます
3.IGBTのスパイスモデル

66. Copyright (C) Bee Technologies2013 66
MOSFET+BJT型モデル
3.IGBTのスパイスモデル

67. 長所
温度モデルを考慮したときの対策が可能(RC成分が抽出できる。ただし、
実測データからの合わせこみが必要である)である。
SPICEによるデバイス方程式がMOSとBJTなので、電気特性において
影響するパラメータが想定できるし、補正は必要な特性はABMモデルの
組み込みにより対応が容易である。
短所
BJTとMOSFETの双方の特性による因果関係から、パラメータの合わせ
こみが必要であり、高度なモデリング技術を必要とする。
→PSpice AAO(最適化ツール)を活用する。
BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
67Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

68. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
DBE
DE
DDS
DO
85
C
RC
29.7415m
81
RE
17.5m
83
82
CGE
2.05n
Collector
RG
5
Gate
Emitter
M3
MFIN03
Q3
QOUT03
Gate G
D3 DGD
R11
10Meg
+
-
+
-
S1
S
VON = 0mV
VOFF = -20mV
ROFF = 10e9
RON = 1m
G02
+
-
+
-
S2
S
VON = 0mV
VOFF = -20mV
ROFF = 10e9
RON = 1m
CGD_MAX
4.30E-9
R12 10Meg
G01
LE
7.50n
1 273 E
PARAMETERS:
IS = 2.51e-16
NF = 1.2194
BF = 4.8832
CJE = 6.10n
TF = 17n
XTB = 1.3
L = 1e-6
W = 1e-6
KP = 630.2292m
VTO = 5.0035
THETA = 4.8432m
VMAX = 1.8469Meg
IGBTモデルの等価回路図 (Bee Technologies Model)
68Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

69. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
1. Ic-Vge characteristicにおけるパラメータの最適化
IGBTのgfeに関する特性は飽和領域において次のように表される。
μns: Surface mobility of electrons
Z: Channel width
LCH: Channel length
VTH: Threshold voltage
VGE: Applied gate voltage
COX: Gate-oxide cap. Per unit area
αPNP: Current gain of the pnp transistor
 
 THGE
CH
OXns
PNP
fe VV
L
ZC
g 



1
1
69Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

70. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
MOSFETとBJTで前ページの方程式に関係するパラメータをPSpice AAO
にて最適化する。(この例では、活性領域におけるコレクタ電流を決定する
RCとその他のパラメータも一緒に最適化しているが、特性に関係しない
パラメータは最適化を行っても変化が無い。
PSpice AAO
70Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

71. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
最適化されたパラメータ
.MODEL MFIN03 NMOS (L=1e-6 W=1e-6 LEVEL = 3 VMAX=1.8469Meg
+ THETA=4.832m VTO=5.0035 KP=630.2992m)
.MODEL QOUT03 PNP (IS=2.51e-016 NF=1.2194 BF=4.8832 CJE=6.10n
+TF=17.0n XTB=1.3)
MOSFETのETAはゲートチャージのシミュレーションにおいて誤差を与える
ため、削除した。
但し、コレクタ電流が小さい領域では誤差が大きくなる。これはMOSFETのモデル
自体が小信号領域に対応していない為であり、別途補正回路が必要になる。
(大信号領域で合わせ込みを行った場合、問題となる)
71Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

72. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
2. パラメータ補正後での、その他特性を実測と比較
Ic-Vce(あるゲート電圧での)と出力特性(Vge-Vce、Ic-Vce)のシミュレーション
を行い、実測あるいはデータシート記載値と比較し、誤差が大きいようであれば、
再度必要なパラメータを最適化する。
3. ゲートチャージ特性(ゲート-ドレイン間容量特性)の補正
Cgdの特性はVdgが正、負の値によってそれぞれ変化する。このため、
実測とシミュレーションで誤差を生じる。よってG-D間に補正回路を付け加える。
72Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

73. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
ゲートチャージ特性でOFF期間～スイッチング期間を終了する期間までが
Vdg>0の期間のときで、Cgd-Vdg特性のカーブになっている領域である。
スイッチング期間終了時～オン期間に入るとVdg<0となり、そのとき
Cgdは一定値となる。ここで、Cgd-Vdg特性を表現するため、Vdg>0のとき、
曲線部分、Vdg<0のとき、同図の一定容量成分Cgdmaxの値にし、
Vdg=0V時のCgdmaxとCJOの値を一致させた特性に置き換える。
0
Qg
Vgs
Off Period Switching
Period
On Period
12V
Vds
200V Simulation
Measurement
VDG>0 VDG<0
0
Vdg
Cgd Use Cgdmax(const.)
Use DGD Parameter
CJO=Cgdmax, M,VJ
Fig2-6 Relation of Gate on Charge Characteristic and CGD
73Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

74. スイッチングタイムにはBJTのTF、BF、ゲート抵抗RGで調整可能であるが、
BFは最適化済なので、残り2つのパラメータで調整した。但し、この2つの
パラメータだけではtrの合わせ込みが不可能だったので、ベース抵抗RBを
挿入して合わせ込みを行った。RBを挿入することで、スイッチング時の
シミュレーション収束エラーも抑えることができる。
V_IC
0Vdc
M3
MFIN03
Q3
QOUT03
VD
600Vdc
D3 DGD
R11
10Meg
+
-
+
-
S1
S
VON = 0mV
VOFF = -20mV
ROFF = 10e9
RON = 1u
G02
+
-
+
-
S2
S
VON = 0mV
VOFF = -20mV
ROFF = 10e9
RON = 1u
CGD_MAX
4.30E-9
R12 10Meg
G01
PARAMETERS:
IS = 2.51e-16
NF = 1.2194
BF = 4.8832
CJE = 6.10n
TF = 21.3n
XTB = 1.3
L = 1e-6
W = 1e-6
KP = 630.2292m
VTO = 5.0035
THETA = 4.8432m
VMAX = 1.8469Meg
RL
42.8
VG
TD = 0
TF = 10n
PW = 5u
PER = 20u
V1 = -15
TR = 10n
V2 = 15
RGate
100
LE
7.50n
1 273 E
DBE
DE
DDS
DO
85
C
RC
29.7415m
81
RE
17.5m
82
83
CGE
2.05n
IC = 0
G
Collector
RG
5 Emitter R3
0.1u
0
RB
0.7
スイッチングタイムに関するパラメータの最適化
74Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

75. FWD(SPICEの世界)
http://beetech-icyk.blogspot.com/2010/11/blog-post_22.html
75Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3. IGBTのスパイスモデル

76. i
VL
Lの両端の電圧
ダイオードに流れる電流
リカバリー現象の領域
FWD
76Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

77. i
VL
Lの両端の電圧
ダイオードに流れる電流
dt
di
LVL 
FWD
77Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

78. FWD
逆回復時間の定義(IFIR法)
78Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

79. FWD IFIR法の世界
パラメータ・モデル
=スタンダードモデル
ビヘイビア・モデル=等価回路モデル
=プロフェッショナルモデル
Measurement Measurement
79Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

80. FWD 電流減少率didt法の世界
ハード・リカバリー、ソフトリカバリーも表現出来る
黄色線⇒ハード・リカバリー
赤線⇒ソフト・リカバリー
電流減少率didtモデル(=スペシャルモデルを採用)
80Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
3.IGBTのスパイスモデル

81. Motenergy, Inc (ME0913)
Motor Electrical Parameters
• Operating Voltage Range..........................0 – 72 VMAX
• Rated Continuous Current........................140 Arms
• Peak Stalled Current.................................400 Arms
• Voltage Constant.......................................50 RPM/V
• Phase Resistance (L-L).............................0.0125 Ω
• Phase Inductance......................................105uH at 120Hz, 110uH at 1kHz
• Maximum Continuous Power Rating……..17KW at 102VDC Battery Voltage
14.3KW at 84VDC Battery Voltage
12KW at 72VDC Battery Voltage
Motor Mechanical Parameters
• Rated Speed.............................................3000 RPM
• Maximum Speed.......................................5000 RPM
• Rated Torque............................................288 Lb-in
• Torque Constant.......................................1.6 Lb-in/A
Copyright (C) Bee Technologies2013 81
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

82. • The Torque are defined by :
At 140Arms (Rated Continuous Current)
KT = 1.6 Lb-in/A
Tphe = 1.6  140 = 224Lb-in
Te = 224*3= 672Lb-in
• The Back-EMF are defined by :
At 5000 RPM (Maximum Speed)
Ephe ≈ VBAT (In an ideal motor, R and L are zero)
Ephe = 102V
KE = Ephe /ωm = 102 / 5000
KE ≈ 0.02V/RPM
Copyright (C) Bee Technologies2013 82
wTw
vTv
uTu
IKT
IKT
IKT



mEw
mEv
mEu
KE
KE
KE






phe: u, v, w
Vphe : Phase voltage applied from inverter to
motor
VAC : Operating voltage range (Maximum
voltage)
VBAT : DC Voltage applied from battery
Iphe : Phase current
Tphe : Electric torque produced by u, v, w phase
Te : Electric torque produced by motor
Ephe : Phase Back-EMF
KE : Back-EMF constant
KT : Torque constant
ωm : Angular speed of rotor
 1 Pound Inch equals 0.11 Nm
TwTvTueT 
(1)
(2)
(3)
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

83. Copyright (C) Bee Technologies2013 83
L1
1 2
BEMF1
R1
L2
1 2
BEMF2
R2
L3
1 2
BEMF3
R3
N0
U
V
W
Phase Resistance (L-L) : 0.0125Ω
Phase Inductance : 105uH
: 110uH
Frequency Response
105uH
110uH
Fig.2 Phase-to-GroundFig. 1 Scheme of the 3-Phase Model
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

84. PARAMETERS:
KT = 1.6
KE = 0.02
LL = 105U
RLL = 0.0125
PARAMETERS:
LOAD = 140
U3
LM = {LL}
IL = {LOAD}
KT0 = {KT}
RM = {RLL*0.5}
1
2SPTQ
emf _u
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
EMF_V
eu
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
EMF_W
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
ELIM_V
0
lim_v
IN+
IN-
OUT+
OUT-
ESP
0
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
ELIM_W
lim_w
0
emf _vev
emf _u
-
+
+
-
E2
0
emf _v
emf _wew
-
+
+
-
E3
emf _w
0
n1
tu
0
tv
0
tw
N0
n2
U
n3
W
V
Vu
speedU4
AND3AMB
IN+
IN-
OUT+
OUT-
ETQ
0
mul
Vv
torque
Vw
-
+
+
-
E1
0
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
EMF_U
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
ELIM_U
0
lim_u
sp_v
sp_u
sp_u
sp_w
sp_w
sp_v
U1
LM = {LL}
IL = {LOAD}
KT0 = {KT}
RM = {RLL*0.5}
1
2SPTQ
U2
LM = {LL}
IL = {LOAD}
KT0 = {KT}
RM = {RLL*0.5}
1
2SPTQ
The 3-Phase AC Motor Equivalent Circuit
This figure shows the equivalent circuit of AC motor model that includes
the |Z|-frequency part ,Back-EMF voltage part ,and Mechanical part.
The Back-EMF voltage is the voltage generated across the motor's
terminals as the windings move through the motor's magnetic field.
Copyright (C) Bee Technologies2013 84
|Z| - Frequency Back-EMF Voltage
Mechanical part
Fig. 3 Three-Phase AC Motor Equivalent Circuit
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

85. Parameters Settings
Copyright (C) Bee Technologies2013 85
LOAD : Load current each phase of motor [Arms]
– e.g. LL = 125Arms, 140Arms, or 400Arms
LL : Phase inductance [H]
– e.g. LL = 10mH, 100mH, or 1H
RLL : Phase resistance (Phase-to-phase) [Ω]
– e.g. RLL = 10mΩ, 100mΩ, or 1Ω
KE : Back-EMF constant [V/RPM]
– e.g. KE= 0.01, 0.05, or 0.1
KT : Torque constant [Lb-in/A]
– e.g. KT= 0.1, 0.5, or 1
 1 Pound Inch equals 0.11 Nm
Model Parameters:
Fig. 4 Symbol of 3-Phase Induction Motor
From the 3-Phase Induction Motor specification, the model is characterized by
setting parameters LL, RLL, KE, KT and LOAD.
M N0
U1
ME0913
LL = 105U
LOAD = 140
KT = 1.6
KE = 0.02
RLL = 0.0125
1
2
3
4
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

86. Simulation Circuit of 3-Phase AC Motor Model
Copyright (C) Bee Technologies2013 86
Fig.5 Analysis of motor operation powered by
alternating voltage variation involves using the model
of three-phase induction motor.
N0
N0
RU
RV
RW
U2
GDRV
UD
UP
VD
VP
WD
WP
RU, RV, RW: 173.75m
UP UD VDVP WP WD
V1
102V +
-
+
-
S1 D1
DMOD_01
+
-
+
-
S2 D2
DMOD_01
UP
UD
0
0
+
-
+
-
S3
M N0
U1
ME0913
LL = 105U
LOAD = 140
KT = 1.6
KE = 0.02
RLL = 0.0125
1
2
3
4
D3
DMOD_01
+
-
+
-
S4 D4
DMOD_01
VP
VD
0
0
+
-
+
-
S5 D5
DMOD_01
+
-
+
-
S6 D6
DMOD_01
WP
WD
0
0
U
0
V
W
V2
102V
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

87. Phase Current Characteristics Under Load Variation
- Simulation Results
Copyright (C) Bee Technologies2013 87
Fig. 6 Current Characteristics under load Condition
Time
0s 500ms
I(RU)/SQRT(2)
-500A
0A
500A
Time
0s 500ms
I(RU)/SQRT(2)
-500A
0A
500A
Time
0s 500ms
I(RU)/SQRT(2)
-500A
0A
500A
Load 50Arms
Load 140Arms
Load 200Arms
 Reference of Phase U
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

88. Time
0s 500ms
V(X_U1.EU)
-200V
-100V
0V
100V
200V
Time
0s 500ms
V(X_U1.EU)
-200V
-100V
0V
100V
200V
Time
0s 500ms
V(X_U1.EU)
-200V
-100V
0V
100V
200V
Back-EMF Characteristics Under Load Condition
- Simulation Results
Copyright (C) Bee Technologies2013 88
Fig. 7 Back-EMF Characteristics under load Condition
Load 50Arms
Load 140Arms
Load 200Arms
 Reference of Phase U
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

89. Time
0s 500ms
V(X_U1.tu)
0V
0.5KV
1.0KV
(446.486m,223.728)
V(X_U1.speed)
0V
1.0KV
2.0KV
3.0KV
4.0KV
SEL>>
(464.146m,3.2311K)
Speed and Torque Characteristics At 140Arms
- Simulation Results
Copyright (C) Bee Technologies2013 89
Fig. 8 Speed and Torque Characteristics at Load=140Arms
The Load 140(Arms) is Rated Continuous Current
Tphe: Electric torque produced by each phase
RPM
Lb-in
 Reference of Phase U
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

90. Time
0.5s 1.0s
100*( (RMS(V(U,N0))*RMS(I(RU))) / (RMS(V(RU:1,N0))*RMS(I(RU))) )
0
50
100
(962.500m,81.941)
RMS(V(RU:1,N0))*RMS(I(RU))
0W
10KW
20KW
SEL>>
(960.616m,13.662K)
Power Output and Efficiency Characteristics At 140Arms
- Simulation Results
Copyright (C) Bee Technologies2013 90
Fig. 9 Power Output and Efficiency Characteristics at Load=140Arms
At Load=140Arms, Power Output ≈ 13.7 [KW]
At Load=140Arms, Efficiency ≈ 82 [%]
Watt
[%]
 Reference of Phase U
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

91. V+
V
V-
V+
V-
V+
V-V+
V-
VP
U1
2MBI1400VXB-120P-50
D1
D2MBI1400VXB-120P-50
U2
2MBI1400VXB-120P-50
D2
D2MBI1400VXB-120P-50
WP
U3
2MBI1400VXB-120P-50
D3
D2MBI1400VXB-120P-50
U4
2MBI1400VXB-120P-50
D4
D2MBI1400VXB-120P-50
U5
2MBI1400VXB-120P-50
D5
D2MBI1400VXB-120P-50
UD
U6
2MBI1400VXB-120P-50
D6
D2MBI1400VXB-120P-50VD
+ -
U7
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 25
TSCALE = 3600
C = 50
WD
+ -
U8
LI-ION_BATTERY
SOC = 1
NS = 25
TSCALE = 3600
C = 50
HI
RV 173.75m
0
M N0
U9
LL = 105U
LOAD = 100
KT = 1.6
KE = 0.02
RLL = 0.0125
AC_MOTOR
1
2
3
4
NO
RW 173.75m
U
NO
V
RU 173.75m
W
U10
GDRV
UD
UP
VD
VP
WD
WP
UDUP VP VD WP WD
0
0
0
0
0
0
UP
-
+
+
-
E1
E
2
-
+
+
-
E2
E
2
-
+
+
-
E3
E
2
-
+
+
-
E4
E
2
-
+
+
-
E5
E
2
-
+
+
-
E6
E
2
Simulation Circuit and Setting
- Lithium Ion Battery
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
91
SOC : 100%
ILOAD=100Arms
NS =25
VBATT
VUN
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション
Lithium Ion Battery

92. Simulation Result
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
92
SPEED
SOC
VBATT
VUN
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション
Lithium Ion Battery

93. VP
U1
2MBI1400VXB-120P-50
D1
D2MBI1400VXB-120P-50
U2
2MBI1400VXB-120P-50
D2
D2MBI1400VXB-120P-50
WP
U3
2MBI1400VXB-120P-50
D3
D2MBI1400VXB-120P-50
U4
2MBI1400VXB-120P-50
D4
D2MBI1400VXB-120P-50
U5
2MBI1400VXB-120P-50
D5
D2MBI1400VXB-120P-50
UD
-+
U7
NI-MH_BATTERY
C = 50
TSCALE = 3600
NS = 85
SOC = 1
U6
2MBI1400VXB-120P-50
D6
D2MBI1400VXB-120P-50
-+
U8
NI-MH_BATTERY
C = 50
TSCALE = 3600
NS = 85
SOC = 1
VD WD
RV 173.75m
0
M N0
U9
LL = 105u
LOAD = 100
KT = 1.6
KE = 0.02
RLL = 0.0125
AC_MOTOR
1
2
3
4
NO
RW 173.75m
U
NO
V
RU 173.75m
W
C1
315u
U10
GDRV
UD
UP
VD
VP
WD
WP
UDUP VP VD WP WD
HI
V+
V
I
V-
0
0
0
0
0
0
UP
-
+
+
-
E1
E
2
-
+
+
-
E2
E
2
-
+
+
-
E3
E
2
-
+
+
-
E4
E
2
-
+
+
-
E5
E
2
-
+
+
-
E6
E
2
Simulation Circuit and Setting
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
93
ILOAD=100Arms
NS =85
SOC : 100%
Adding a capacitor (C1)
of noise reduced
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション
Ni-MH Battery

94. Simulation Result
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
94
SPEED
SOC
VBATT
VUN
Ni-MH Battery
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション

95. Simulation Circuit and Setting
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
95
VP
U1
2MBI1400VXB-120P-50
D1
D2MBI1400VXB-120P-50
U2
2MBI1400VXB-120P-50
WP
D2
D2MBI1400VXB-120P-50
U3
2MBI1400VXB-120P-50
D3
D2MBI1400VXB-120P-50
U4
2MBI1400VXB-120P-50
D4
D2MBI1400VXB-120P-50
U5
2MBI1400VXB-120P-50
D5
D2MBI1400VXB-120P-50
UD
U6
2MBI1400VXB-120P-50
D6
D2MBI1400VXB-120P-50WDVD
RV 173.75m
0
M N0
U9
LL = 105u
LOAD = 100.
KT = 1.6
KE = 0.02
RLL = 0.0125
AC_MOTOR
1
2
3
4
NO
RW 173.75m
U
NO
V
RU 173.75m
W
U10
GDRV
UD
UP
VD
VP
WD
WP
UDUP VP VD WP WD
0 0
0 0
0
0
UP
-
+
+
-
E1
E
2
-
+
+
-
E2
E
2
-
+
+
-
E3
E
2
-
+
+
-
E4
E
2
-
+
+
-
E5
E
2
-
+
+
-
E6
E
2
C1
345u
-+
U7 LEAD-ACID_BATTERY
SOC = 1
NS = 50
TSCALE = 3600
C = 50
-+
U8
LEAD-ACID_BATTERY
SOC = 1
NS = 50
TSCALE = 3600
C = 50
V1
0Vdc
HI
I
V-
V+
V I
II
Adding a capacitor (C1)
of noise reduced
ILOAD=100Arms
NS =50
SOC : 100%
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション
Lead-Acid Battery

96. Simulation Result
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
96
SPEED
SOC
VBATT
VUN
4. ACモーターのスパイスモデルとインバータ回路全体シミュレーション
Lead-Acid Battery

97. Block Diagram
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2015
97
MG 3-phase rectifier Buck Li-Ion Battery
ChargeIGBT:300A/600V Step-down voltage
Maximum Voltage=4.2[V]
Capacity(CAh)=50[Ah]
Amount of Batteries(N)=85Cells
Vin=480[Vrms]
Vout=630[V]5
Vin=630[V] 5
Vout=200-360[V]
Frequency=50[Hz]
VMAX=400[V]
5.回生回路(発電機)全体シミュレーション

98. GND
GND
GND
Charge Current Limit
GND
GND_SW
Riso
100MEG
0
DMOD
D7
GND
Vrectif ier
VD
Cout
880uF
WD
U
SPWM
CTL1
CTL2
CTL3
Vref 1
Vref 2
Vref 3
VP
WP
A
-
+
+
-
E7
E
-1
0
DMOD
D1
DMOD
D3
D8
DCT300DJH060
DMOD
D5
-
+
+
-
E8
E
-1
0
DMOD
D2
UP
DMOD
D4
UD
R2
15k
VP WP
U1
CT300DJH060
-
+
+
-
E1
E
3
-
+
+
-
E3
E
3
-
+
+
-
E5
E
3
DMOD
D6
00 0
UP
U2
CT300DJH060
U3
CT300DJH060
R3
15k
R4
15k
VDUD WD
-
+
+
-
E2
E
3
-
+
+
-
E4
E
3
-
+
+
-
E6
E
3
00 0
U4
CT300DJH060
-
+
+
-
E9
E
-1
0
U5
CT300DJH060
U6
CT300DJH060
R5
15k
R6
15k
R7
15k
0
C
V1
FREQ = 50
VAMPL = {Vrms*sqrt(2)}
VOFF = 0
PHASE = 0
V2
FREQ = 50
VAMPL = {Vrms*sqrt(2)}
VOFF = 0
PHASE = -120
V3
FREQ = 50
VAMPL = {Vrms*sqrt(2)}
VOFF = 0
PHASE = -240
B
PARAMETERS:
Vrms = 280
GND_SW
VG2
TD = 0
TF = 100n
PW = {Duty _buck*(1/Freq_buck)}
PER = {1/Freq_buck}
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 0
D_disch
D9
R9
15k
V101
{(4.2*N)-(8.2m)}U8
CT300DJH060
-
+
+
-
E11
E
1
IBATT
0Vdc
PARAMETERS:
N = 85
CAh = 50
rate = 1
HI
G2
R10
1u
PARAMETERS:
Voch = {(4.2*N)-(8.2m)}
Capacity = 1
VG1
TD = 0
TF = 100n
PW = {Duty _buck*(1/Freq_buck)}
PER = {1/Freq_buck}
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 15
+ -
U9
LI-ION_BATTERY
SOC = 0
NS = {N}
TSCALE = {3600*4}
C = {CAh}
C2
10n
L1
225uH
1 2
C1
315uF
VBATT
PARAMETERS:
Freq_buck = 10k
Duty _buck = 0.44
rl1
10m
n1
rc1
0.05m
G1
R8
15k
U7
CT300DJH060
-
+
+
-
E10
E
1
Simulation Circuit and Setting
- Generator, 3 phase rectifier, Buck converter and Li-Ion Battery
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2015
98
3-phase rectifier
Motor
Generator
Buck converter
Li-Ion Battery
Vrms=280V Freq_buck=10k
Duty_buck=0.44
N=85
CAh=50
SOC : 0%
http://www.ae.pwr.wroc.pl/filez/20110606092430_HEV_Toyota.pdf
5.回生回路(発電機)全体シミュレーション

99. About Motor Generator Model
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2015
99
Phase angle between V1 and V2, V2 and V3, V3 and V1 are equaled 120 degree ()
0
V1
FREQ = 50
VAMPL = {Vrms*sqrt(2)}
VOFF = 0
PHASE = 0
V2
FREQ = 50
VAMPL = {Vrms*sqrt(2)}
VOFF = 0
PHASE = -120
V3
FREQ = 50
VAMPL = {Vrms*sqrt(2)}
VOFF = 0
PHASE = -240
PARAMETERS:
Vrms = 280
5.回生回路(発電機)全体シミュレーション

100. About Control Signal (1/3)
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2015
100
VD
WD
U
SPWM
CTL1
CTL2
CTL3
Vref 1
Vref 2
Vref 3
VP
WP
-
+
+
-
E7
E
-1
0
-
+
+
-
E8
E
-1
0
UP
UD
-
+
+
-
E9
E
-1
0
Double click
Output voltage (3-phase motor generator) feed to Vref1, Vref2 and Vref3
Control Signal of
Switching IGBT
To Connected to Motor
Generator
5.回生回路(発電機)全体シミュレーション

101. About Control Signal (2/3)
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2015
101
V4TD = 0
TF = {(0.5/Freq)}
PW = 1n
PER = {1/Freq}
V1 = {Vsawh}
TR = {(0.5/Freq)}
V2 = {Vsawl}
0
PARAMETERS:
Freq = 500
m1 = {Vsawh-Vsawl}
m2 = {Vsawl-Vsawh}
PARAMETERS:
Vsawh = 3
Vsawl = -3
IN+
IN-
OUT+
OUT-
E1
IF(V(%IN+)>V(%IN-),1,-1)
EVALUE
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
E2
IF(V(%IN+)>V(%IN-),1,-1)
EVALUE
0
IN+
IN-
OUT+
OUT-
E3
IF(V(%IN+)>V(%IN-),1,-1)
EVALUE
0
saw
CTL3
CTL2
CTL1
-
+
+
-
E4
E
0.01
00
Vref 1
-
+
+
-
E5
E
0.01
0 0
Vref 2
-
+
+
-
E6
E
0.01
0 0
Vref 3
SPWM
Reference voltage compared with sawtooth signal
Sawtooth Signal
5.回生回路(発電機)全体シミュレーション

102. About Control Signal (3/3)
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2015
102
Vref1
Vref2
Vref3
CTL1
CTL2
CTL3
5.回生回路(発電機)全体シミュレーション

103. About Buck Converter (1/2)
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103
GND
GND_SW
Riso
100MEG
0
D8
DCT300DJH060
DMOD
D7
Vrectif ier
Cout
880uF
GND_SW
VG2
TD = 0
TF = 100n
PW = {Duty _buck*(1/Freq_buck)}
PER = {1/Freq_buck}
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 0
R9
15k
U8
CT300DJH060
-
+
+
-
E11
E
1
G2
VG1
TD = 0
TF = 100n
PW = {Duty _buck*(1/Freq_buck)}
PER = {1/Freq_buck}
V1 = 0
TR = 100n
V2 = 15
L1
225uH
1 2
C1
315uF
VBATT
PARAMETERS:
Freq_buck = 10k
Duty _buck = 0.44
rl1
10m
n1
rc1
0.05m
G1
R8
15k
U7
CT300DJH060
-
+
+
-
E10
E
1
No Use
Voltage and Current are controlled
by adjust “Duty_buck” parameter of
Upper IGBT (U7)
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104. About Buck Converter (2/2)
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104
UPPER IGBT:VDS
UPPER IGBT:VGS
LOWER IGBT:VGS
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105. About Li-Ion Battery
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105
GND
GNDGND
D_disch
D9
V101
{(4.2*N)-8.2m}
IBATT
0Vdc
PARAMETERS:
N = 85
CAh = 50
rate = 1
PARAMETERS:
Voch = {(4.2*N)-8.2m}
Capacity = 1
HI
+ -
U9
LI-ION_BATTERY
SOC = 0
NS = {N}
TSCALE = {3600*4}
C = {CAh}
C2
10n
“N” is Amount
of Battery Cell
“TSCALE={3600*4}” is meant
1second (simulation setting-runtime)
equal 4 hours
“CAh” is Capacity of Battery
(ampere-hour capacity)
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106. Simulation Result (parametric sweep)
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106
Duty_buck=0.44 Duty_buck=0.34 Duty_buck=0.24
Battery Voltage
Battery Charging Current
Buck: Output Voltage
Buck: Gate Drive Voltage
3-phase rectifier: Output Voltage
3-phase Generator: Output Voltage
6 Hours
Simulation time for 1 condition is about 15 minute
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107. 107Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015
ビー・テクノロジーのサイト
http://www.beetech.info/
デバイスモデリング研究所のサイト
http://beetech-icyk.blogspot.jp/

108. Copyright(C) MARUTSU ELEC 2015 108
質疑応答