JP2001307780A - 二次蓄電池の等価回路、この等価回路を利用した二次蓄電池の蓄電量検出方法および二次蓄電池とキャパシタとからなるハイブリッド電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二次蓄電池の充放電過渡動作特性の把握が可
能となる二次蓄電池の等価回路を提案し、また、この等
価回路を利用して二次蓄電池蓄電量の検出を可能とし、
更にこの二次蓄電池の充放電過渡特性を明らかにするこ
とで効率的で信頼性の高い二次蓄電池とキャパシタとか
らなるハイブリッド電源装置を提供するものである。 【解決手段】 両端子Ｐ、Ｎ間にそれぞれ互いに直列に
接続された、二次蓄電池の容量（Ａｈ）と上記二次蓄電
池の充放電期間中の平均電圧Ｖｏ（Ｖ）とから算出する
等価静電容量（Ｆ）を有するキャパシタ要素Ｃｂ、上記
二次蓄電池の充放電期間中の平均放電深度を考慮して上
記二次蓄電池の内部抵抗（Ω・Ａｈ／Ｖ）から得られる
定数（Ω・Ｆ）と上記等価静電容量（Ｆ）とから算出さ
れる等価抵抗（Ω）を有する抵抗要素Ｒｂ、および上記
キャパシタ要素Ｃｂの電圧との和が上記二次蓄電池の平
均電圧Ｖｏ（Ｖ）一定となる可変電圧を発生する内部抵
抗零の可変電圧源要素Ｖｂとから二次蓄電池の等価回路
を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、二次蓄電池の充
放電過渡動作特性を把握するための等価回路、この等価
回路を利用した二次蓄電池の蓄電量検出方法およびこの
蓄電エネルギー密度は高いが出力パワー密度に制約があ
る二次蓄電池と過渡応答特性に優れたキャパシタとを組
み合わせたハイブリッド電源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従来
から、二次蓄電池を使用した電動機の速度制御が、電気
自動車、バッテリフォークリフト、ゴーカートや特殊な
入れ替え用電気機関車等で行われている。この場合、使
用される二次蓄電池の必要容量は、要求される加減速特
性と航続距離または運行時間に基づき設定される。例え
ば、エンジンのスタータ制御のように、短時間での出力
の立ち上げが要求される場合には、二次蓄電池の定格容
量を大きくする必要がある。

【０００３】即ち、二次蓄電池は蓄電エネルギー密度は
高いが出力パワー密度は比較的低いために、負荷の過渡
的制御に適した充放電を短時間に行うと、電圧降下、内
部発熱を生じる。このため、過渡的な充放電電力が要求
される場合には、二次蓄電池の定格容量を大きく設定す
ることで対処している。これの解決策として、内部抵抗
の低い電解キャパシタを二次蓄電池と並列に接続して使
用すると負荷応答特性が改善されることは経験的に知ら
れている。しかし、電圧一定の二次蓄電池と充電量に基
づき電圧が決まるキャパシタとの並列接続は電力蓄電に
は適さない組み合わせであるとされている。これは、二
次蓄電池が定電圧源としての電圧−電流特性は明確であ
るが、他の電気回路、特に同じく電力を蓄電できるキャ
パシタに比較して、蓄電電力量、過渡応答特性、起電力
や内部抵抗の経年変化や履歴変化があるため解析に必要
な等価回路で表現されていないことも一因と思われる。

【０００４】この発明は、以上のような事情に鑑みてな
されたもので、二次蓄電池の充放電過渡動作特性の把握
が可能となる二次蓄電池の等価回路を提案し、また、こ
の等価回路を利用して二次蓄電池蓄電量の検出を可能と
し、更にこの二次蓄電池の充放電過渡特性を明らかにす
ることで効率的で信頼性の高い二次蓄電池とキャパシタ
とからなるハイブリッド電源装置を提供するものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る二次蓄電池の等価回路は、電力放出回路および電力消
費回路と接続され充放電動作を行う二次蓄電池の充放電
過渡動作特性を把握するための等価回路であって、上記
等価回路の両端子間にそれぞれ互いに直列に接続され
た、上記二次蓄電池の容量（Ａｈ）と上記二次蓄電池の
充放電期間中の平均電圧（Ｖ）とから算出する等価静電
容量（Ｆ）を有するキャパシタ要素、上記二次蓄電池の
充放電期間中の平均放電深度を考慮して上記二次蓄電池
の内部抵抗（Ω・Ａｈ／Ｖ）から得られる定数（Ω・
Ｆ）と上記等価静電容量（Ｆ）とから算出される等価抵
抗（Ω）を有する抵抗要素、および上記キャパシタ要素
の電圧との和が上記二次蓄電池の平均電圧（Ｖ）一定と
なる可変電圧を発生する内部抵抗零の可変電圧源要素と
からなるものである。

【０００６】また、この発明の請求項２に係る二次蓄電
池蓄電量検出方法は、電力放出回路および電力消費回路
と接続され充放電動作を行う二次蓄電池の蓄電量を逐次
検出する方法であって、上記電力放出回路および電力消
費回路を模擬した模擬回路と請求項１に記載の上記二次
蓄電池の等価回路とでシミュレーション回路を構成し、
上記二次蓄電池の初期蓄電量に相当するキャパシタ電荷
量を有するように上記等価回路のキャパシタ要素の初期
電圧を設定し、実回路での動作を模擬する上記シミュレ
ーション回路での動作における上記キャパシタ要素の電
圧検出値から上記二次蓄電池の蓄電量を推定検出するよ
うにしたものである。

【０００７】また、この発明の請求項３に係るハイブリ
ッド電源装置は、二次蓄電池とキャパシタとの並列接続
体からなり、電力放出回路および電力消費回路と接続さ
れ充放電動作を行うハイブリッド電源装置において、請
求項２記載の二次蓄電池蓄電量検出方法を適用して上記
二次蓄電池の蓄電量を検出し、当該蓄電量検出値が所定
の下限値未満とならないよう、充放電量を制御する制御
手段を備えたものである。

【０００８】また、この発明の請求項４に係るハイブリ
ッド電源装置は、二次蓄電池とキャパシタとの並列接続
体からなり、電力放出回路および電力消費回路と接続さ
れ充放電動作を行うハイブリッド電源装置において、並
列接続する上記二次蓄電池とキャパシタとの間にリアク
トルを挿入するとともに、上記電力放出回路および電力
消費回路は上記キャパシタ側に接続するようにしたもの
である。

【０００９】また、この発明の請求項５に係るハイブリ
ッド電源装置は、請求項２記載の二次蓄電池蓄電量検出
方法を適用して上記二次蓄電池の蓄電量を検出し、当該
蓄電量検出値が所定の下限値未満とならないよう、充放
電量を制御する制御手段を備えたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、二次蓄電
池Ｂｔを電源として誘導電動機Ｍの駆動回生運転を行
う、従って、二次蓄電池を短時間特性で使用するシステ
ム構成例を示している。二次蓄電池Ｂｔは初め直流電源
Ｅｄより定電流で規定電力が充電された後、ＤＣ／ＡＣ
インバータＩＮＶで電動機Ｍの加速並びに減速制御に使
用される。加速および減速は、ほぼ１分間程度を想定し
ており、加速時には二次蓄電池Ｂｔより電力が出力さ
れ、減速時には回生電力が入力される。即ち、二次蓄電
池Ｂｔ側から見た場合、インバータＩＮＶは電力放出回
路および電力消費回路として機能する。

【００１１】本願発明になる二次蓄電池の等価回路は、
例えば図１に示すシステムで二次蓄電池Ｂｔの短時間充
放電動作を行う場合、その二次蓄電池Ｂｔの過渡動作特
性を把握するためのもので、以下にその詳細を説明する
が、その前提として、先ず、従来から一般に知られてい
る等価回路について図２により説明する。

【００１２】図２（ａ）は、比較のために示すキャパシ
タの等価回路で、図においてＥｃはキャパシタの端子間
電圧、Ｃは静電容量、Ｒｓは内部抵抗、Ｒｐは漏洩抵抗
である。この等価回路により、負荷に供給される電圧と
電流の関係並びに充電された電力や放出した後の残存電
力は静電容量Ｃの両端の電圧で表すことができる。これ
に対し、従来から知られた二次蓄電池の等価回路は、図
２（ｂ）に示すように、電池としての特性をそのまま有
する電圧源Ｅｏを使用したもので、負荷に供給される電
圧と電流の関係はこの回路で表すことができるが、二次
蓄電池に蓄えられた電力や一定時間負荷に電力を供給し
た後の残存電力（蓄電量）は表すことができない。

【００１３】また、二次蓄電池とキャパシタとで大きな
差がある放電特性について図３により説明する。図３は
横軸に放電深度（蓄電された量の内、放電させた量の割
合）を、縦軸に出力電圧と内部抵抗値をとり、図３
（ａ）にキャパシタ、図３（ｂ）に二次蓄電池の放電特
性を示している。図３（ｂ）の、二次蓄電池の特性の
内、点線で示したものは、二次蓄電池の種類により異な
る場合を、そして実線は簡略化した場合をそれぞれ示し
ている。このように、キャパシタと二次蓄電池とでは、
その放電特性が大きく相異するが、これらの特性差を考
慮して発案した二次蓄電池の等価回路を図４により説明
する。

【００１４】先ず、図４に示す等価回路の構成について
説明し、次にその各構成要素の定数を二次蓄電池の特性
からどのようにして求めるかについて説明する。図４に
おいて、Ｃｂはキャパシタ要素で、後段で詳述するが、
二次蓄電池の容量（Ａｈ）と二次蓄電池の充放電期間中
の平均電圧（Ｖ）とから算出する等価静電容量（Ｆ）を
有している。Ｒｂは抵抗要素で、二次蓄電池の充放電期
間中の平均放電深度を考慮して二次蓄電池の内部抵抗
（Ω・Ａｈ／Ｖ）から得られる定数（Ω・Ｆ）と上記等
価静電容量（Ｆ）とから算出される等価抵抗（Ω）を有
している。更に、Ｖｂは可変電圧源要素で、図３（ｂ）
で説明したように、二次蓄電池としての出力電圧を蓄電
量が変化しても外部からの見かけ上の出力電圧を一定に
保つための内部抵抗零の可変電圧発生源であり、キャパ
シタ要素Ｃｂの電圧Ｖｃにより制御される。

【００１５】図４は図３（ｂ）の点線で示す特性を模擬
したもので、可変電圧源要素の電圧Ｖｂは、二次蓄電池
の充放電期間中の平均電圧Ｖｏから電圧Ｖｃの値で決ま
る関数Ｆにより定まる係数Ｋ（Ｋ≦１．０）を乗算した
値からＶｃを減算した値に設定される。即ち、Ｖｂ＝Ｋ
・Ｖｏ−Ｖｃで与えられる。また、図３（ｂ）の実線で
示した簡略特性を採用する場合は、二次蓄電池の充放電
期間中の平均電圧をＶｏとし、下式からＶｂが求められ
る。 Ｖｂ＝Ｖｏ−Ｖｃ なお、Ｒｃは内部の漏れ抵抗値であり、短時間の充放電
特性では無視することができ、以下では説明を省略す
る。

【００１６】図４に示す二次蓄電池の等価回路により、
以下のような諸特性を得ることができる。 （１）負荷に対しての電圧・電流特性（これは、従来か
らの等価回路（図２（ｂ））でも得られる） （２）蓄電器としての容量（最大充電容量） （３）蓄電された残存電力量（蓄電エネルギー） （４）充放電過渡特性（充放電の時定数）

【００１７】次に、等価回路を構成する各要素の値と二
次蓄電池の特性値との関係について説明する。先ず、キ
ャパシタ要素の容量Ｃｂ（Ｆ）は、式（１）の蓄電エネ
ルギーの関係式から求める。 Ｅｇ＝二次蓄電池容量(Ａｈ)・Ｖ・３６００＝(１／２)・Ｃｂ・Ｖ² ・・・(1) ここで、二次蓄電池容量（Ａｈ）は、通常、例えば２０
時間、１０時間、５時間率等の定格時間率による容量
（Ａｈ）で表示され、短時間になるほどこの容量値は低
下する。本願で扱う比較的短時間の現象の場合は、例え
ば、５分間率での容量（Ａｈ）を適用することになる。
Ｖは二次蓄電池の充放電期間中の平均端子電圧値で既述
した通り、二次蓄電池の端子電圧はほとんど変化しない
ので、このＶは二次蓄電池の定格電圧値にほぼ等しい値
である。 式（１）から、キャパシタ要素の容量Ｃｂは式（２）で求められる。 Ｃｂ＝二次蓄電池容量（Ａｈ）・７２００／Ｖ ・・・（２）

【００１８】次に、キャパシタ要素Ｃｂとともに過渡特
性に関係する抵抗要素の抵抗Ｒｂであるが、キャパシタ
では、過渡電気特性を表す単位として静電容量当りの内
部抵抗特性であるΩＦ（オーム・ファラッド）の単位が
使われている。これはキャパシタの充放電特性を表す過
渡応答特性（時定数）である。他方、二次蓄電池では、
蓄電量当たりの内部抵抗を表す特性としてΩ・Ａｈ／Ｖ
が使用されている。ここで、Ωは二次蓄電池の充放電期
間中の平均内部抵抗値を表す。

【００１９】また、キャパシタとしての充放電期間中の
等価電圧値Ｖｃを式（３）で定義する。 Ｖｃ＝α・Ｖ ・・・（３） ここで、αはキャパシタとしての充放電期間中に使用さ
れる、当該キャパシタの充電電圧で決まる係数である
（但し、１≧α≧０）。具体的な数値例として、例え
ば、二次蓄電池の定格電圧を１２Ｖとしたとき、当該キ
ャパシタの充電電圧が１２Ｖ付近で動作する、従って、
放電深度＝｛１−（１２／１２）²｝×１００＝０％付
近で動作する充放電過渡特性を扱うときはα＝１．０、
キャパシタの充電電圧が１０Ｖ付近で動作する、従っ
て、放電深度＝｛１−（１０／１２）²｝×１００＝３
１％付近で動作する充放電過渡特性を扱うときはα＝
０．８３とする。

【００２０】更に、電流値をＩ、蓄電された電気量を
Ｑ、時間秒をＳ、静電容量をＦとすると、以下の式
（４）（５）が成立する。 Ｆ＝Ｑ／Ｖｃ ・・・（４） Ｑ＝Ｉ・Ｓ ・・・（５） 上記式（３）（４）を使って式（６）が求められる。 Ω・Ｆ＝Ω・Ｑ／Ｖｃ＝Ω・Ｑ／（α・Ｖ） ・・・（６） また、式（５）を使って式（７）が求められる。 ３６００・Ω・Ａｈ／Ｖ＝Ω・Ｉ・Ｓ／Ｖ＝Ω・Ｑ／Ｖ ・・・（７） そして、式（６）（７）から式（８）が求められる。 Ω・Ｆ＝［Ω・Ａｈ／Ｖ］・３６００／α ・・・（８） 従って、抵抗要素の抵抗Ｒｂは式（２）で得られたＣｂ
と式（８）で得られた［Ω・Ｆ］とから式（９）により
求めることができる。 Ｒｂ＝［Ω・Ｆ］／Ｃｂ ・・・（９）

【００２１】実施の形態２．次に、二次蓄電池として具
体的なモデルを設定し、上記関係式を用いて二次蓄電池
の等価回路の各要素の定数を決定し、この等価回路を利
用したシミュレーション解析を行った結果を実施の形態
２として説明する。モデルとした二次蓄電池は、定格電
圧１２Ｖの小型シール鉛蓄電池で、２０時間率における
容量は２８Ａｈであるが、ここでは１分間隔程度の充放
電制御を想定して利用可能な蓄電エネルギーとして５分
間率における容量１１Ａｈを採用し、キャパシタ要素の
静電容量Ｃｂは式（２）から次のようになる。 Ｃｂ＝１１×７２００／１２＝６６００（Ｆ）

【００２２】キャパシタ要素Ｃｂの初期電圧を１０Ｖに
設定し、このＣｂの電圧は１０Ｖ（放電深度３１％に相
当）付近で充放電動作を行うものとしてα＝０．８３と
する。また、同モデル蓄電池の内部抵抗は０．０４（Ω
・Ａｈ／Ｖ）であるので、式（８）から［Ω・Ｆ］は次
のようになる。 ［Ω・Ｆ］＝０．０４×３６００／０．８３＝１７３
（Ω・Ｆ） 従って、抵抗要素の抵抗Ｒｂは式（９）から次のように
求まる。 Ｒｂ＝１７３／６６００＝０．０２６（Ω）＝２６（ｍ
Ω） その他、図４の等価回路におけるＶｏ＝１２（Ｖ）、ま
た、乗算Ｋ＝１．０として、図３（ｂ）で説明した簡略
放電特性を採用する。

【００２３】次にシミュレーションの計算条件について
説明する。ここでは、各システム構成、即ち、図１で示
したように、蓄電手段を二次蓄電池Ｂｔのみで構成する
もの、図５に示す二次蓄電池Ｂｔと電気二重層キャパシ
タＥＤＬＣとから構成するもの、更に、図６に示すよう
に、二次蓄電池Ｂｔと電気二重層キャパシタＥＤＬＣと
の間にリアクトルＬを挿入したものの３種類の回路を対
象としている。そして、同一の充電条件（充電時間：５
０秒間、充電電流：５０Ａ一定）で充電し、同一の放電
電力（１２Ｖ・５０Ａ＝６００Ｗ一定電力負荷）で放電
した場合の放電可能時間（等価回路におけるキャパシタ
要素Ｃｂの電圧値Ｖｃが、充電動作直前の初期値を下ま
わらない範囲で継続し得る放電時間）をシミュレーショ
ン計算し、この放電可能時間の長短から３種のシステム
の比較を行うものである。即ち、二次蓄電池の蓄電量を
消耗させないという充放電動作条件のもとにおいて、回
生電力を急速充電した時の「充電受け入れ特性」と負荷
に対しての「急速放電特性」とに、電気二重層キャパシ
タの特性が如何に寄与するかを定量的に示すものであ
る。

【００２４】先ず、図７は、図１に示す二次蓄電池Ｂｔ
のみを蓄電手段とした場合の充放電動作のシミュレーシ
ョン結果を示す。縦軸は電圧（ｖ）、横軸は時間（ｓｅ
ｃ）で、同図（ａ）には、インバータによる充電動作Ｖ
０、二次蓄電池Ｂｔの蓄電池電圧Ｖ２、インバータによ
る負荷電圧Ｖ３を示し、同図（ｂ）には、電圧目盛を拡
大してキャパシタ要素Ｃｂの蓄電電圧Ｖｃを示す。

【００２５】時間軸０秒の初期状態では、蓄電電圧Ｖｃ
を１０Ｖ（放電深度３１％に相当）に設定しておき、時
間軸１０秒時点から６０秒時点までの５０秒間、定電流
５０Ａでインバータからの回生電力により二次蓄電池Ｂ
ｔを充電する。この充電動作期間では、充電電圧Ｖ０、
蓄電池電圧Ｖ２は、その定格電圧である起電力１２Ｖ
に、５０Ａの充電電流による抵抗要素Ｒｂの電圧降下分
２６ｍΩ×５０Ａ＝１．３Ｖを加算した値１３．３Ｖに
なっている。蓄電電圧Ｖｃは充電動作により直線的に上
昇し、充電動作終了時点で１０．３８Ｖに至る。時間軸
７０秒時点で定電力放電を開始すると、蓄電池電圧Ｖ２
はＩＲｂ分電圧降下して１０．７Ｖになるが、負荷には
インバータによる定電圧Ｖ３＝１２Ｖが印加される。蓄
電電圧Ｖｃは放電動作により直線的に下降し、初期値で
ある１０Ｖになった時点（時間軸１１３．２秒時点）で
これを検出して放電動作を終了する。放電終了後は、Ｉ
Ｒｂ分電圧降下がないので蓄電池電圧Ｖ２は起電力１２
Ｖに戻る。

【００２６】図８は、図５に示すように、蓄電手段を二
次蓄電池Ｂｔと電気二重層キャパシタＥＤＬＣとの並列
接続体で構成した場合の充放電動作のシミュレーション
結果を示す。ここで、補助的に付加する電気二重層キャ
パシタＥＤＬＣの容量は、二次蓄電池Ｂｔの容量の１／
１０に相当する６６０Ｆとし、過渡電気特性は電気二重
層キャパシタとして実現可能な範囲内にある２．０ΩＦ
としている。なお、電気二重層キャパシタＥＤＬＣが加
わるが、その電圧は蓄電池電圧Ｖ２と同一であるので図
上の符号は図７と変えていない。

【００２７】充電は図７と同じく時間軸１０秒時点で定
電流５０Ａで開始して５０秒間充電している。この間、
充電電圧Ｖ０と蓄電池電圧Ｖ２とは一致して充電時間と
共に上昇し、充電終了時には１３．２Ｖに至る。図示は
省略するが蓄電電圧Ｖｃも上昇する。充電終了後、放電
を開始する時間軸７０秒時点までの間に蓄電池電圧Ｖ２
が降下しているが、これは電気二重層キャパシタＥＤＬ
Ｃから二次蓄電池Ｂｔに再充電が行われているからであ
る。

【００２８】時間軸７０秒時点で定電力放電を開始する
と、蓄電池電圧Ｖ２はＩＲｂ分電圧降下により放電時間
と共に下降し、蓄電電圧Ｖｃも下降し、これが初期値で
ある１０Ｖになった時点（時間軸１３２．８秒時点）で
これを検出して放電動作を終了する。この放電終了時点
で蓄電池電圧Ｖ２は１０．６Ｖであるが、放電終了後は
ＩＲｂ分電圧降下は無くなり蓄電池電圧Ｖ２は回復する
が、電気二重層キャパシタＥＤＬＣへの充電動作を伴う
ので徐々に上昇して１２Ｖに戻る。

【００２９】この様に二次蓄電池の等価回路を設定する
ことにより、二次蓄電池よりも過渡特性の優れたキャパ
シタを二次蓄電池に並列に接続して使用すると急峻な充
放電制御時にキャパシタが作用して電力を充放電し、特
に二次蓄電池の充放電電流を緩和することにより電流の
２乗で作用するＩＲ電圧降下損失が低減されて充電さ
れ、また負荷に電力を有効に供給することができる特性
を定量的に決めることができる。今まで、この効果とし
て定性的な傾向は知られていたが、蓄電量により電圧が
変動する特性を持つキャパシタと電圧を一定に保つ特性
を有する蓄電池を並列に接続しても電力を補完すること
は原理的に有効ではないとされていた。

【００３０】図９は図６に示すように、二次蓄電池Ｂｔ
と電気二重層キャパシタＥＤＬＣとの間にリアクトルＬ
を挿入した場合の充放電動作のシミュレーション結果を
示す。ここでは、電気二重層キャパシタＥＤＬＣのキャ
パシタ電圧Ｖ１の表示を付加している。既述のケースと
同様、時間軸１０秒時点から５０秒間、定電流５０Ａで
回生電力が充電される間、キャパシタ電圧Ｖ１は蓄電池
電圧Ｖ２よりも高くなり、また、逆に負荷に電力を供給
する時間軸７０秒時点から開始する放電中は、キャパシ
タ電圧Ｖ１は蓄電池電圧Ｖ２より低くなっている。既述
のケースと同様、蓄電電圧Ｖｃが初期値である１０Ｖに
なった時点（時間軸１５０．０秒時点）で放電を終了し
ている。二次蓄電池Ｂｔおよび電気二重層キャパシタＥ
ＤＬＣの容量は図５の場合と同一であるが、リアクトル
Ｌの電圧調整作用による充電と放電の効率が改善され、
充電条件が同一であるにもかかわらず、定電力供給時間
が約１７秒、約２７％増大していることが判る。放電終
了後は、二次蓄電池Ｂｔと電気二重層キャパシタＥＤＬ
Ｃとの間の充放電相互作用を伴い平衡状態に至る。

【００３１】この回路横成によれば、負荷への短時間で
の電力出力時はリアクトルにより両者の間で電圧差が生
じ、主として電気二重層キャパシタが出力を分担し順次
二次蓄電池からも供給される。また逆に、急峻な回生電
力は先ず電気二重層キャパシタに多く充電され順次二次
蓄電池に充電される。このリアクトルの機能は、図１０
の回路で示す、可逆変換できるＤＣ／ＤＣコンバータに
より二次蓄電池とキャパシタの蓄電量を調整する機能に
相当し、これと同じ効果を簡易な構成で経済的にしかも
高信頼度で構成することが出来る。このハイブリッド電
源では負荷の充放電電力量を電気二重層キャパシタと二
次蓄電池とに分担させる場合、過渡電力を扱う電気二重
層キャパシタの容量を大きくすれば、リアクトルの容量
を更に大きくすることが出来て二次蓄電池の充放電電流
を安定化することが出来る。これによりハイブリッド電
源の充放電効率を高めて、負荷への放電電力を多くする
ことができるだけではなく、二次蓄電池の負担を軽減し
て寿命を長くして利用することができる。

【００３２】なお、以上で説明したシミュレーション
は、等価回路の設定も含めてすべて計算機上で実施する
ようにしてもよいが、等価回路の構成要素をすべて実機
としてハードウェアで構成し、充放電回路と組み合わせ
て実施するようにしてもよい。また、本願発明に係る等
価回路を利用することにより、二次蓄電池内部の実蓄電
量の変化は勿論、関係する回路と組み合わせたシステム
における二次蓄電池の過渡動作特性の定量的な把握が可
能となるので、上述したシミュレーション計算に限ら
ず、二次蓄電池を含めた充放電動作に関係する種々の解
析が可能になり、高効率でしかも二次蓄電池の無用な消
耗のない高寿命のハイブリッド電源装置、またその運転
方法の開発が可能となる。更に、以上の説明では、二次
蓄電池やキャパシタを充電するための電力放出回路と、
二次蓄電池やキャパシタから電力を取り出す電力消費回
路とを、共通のインバータで構成しているが、それぞれ
別個の回路で構成してもよいことは当然である。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１に係
る等価回路は、電力放出回路および電力消費回路と接続
され充放電動作を行う二次蓄電池の充放電過渡動作特性
を把握するための等価回路であって、上記等価回路の両
端子間にそれぞれ互いに直列に接続された、上記二次蓄
電池の容量（Ａｈ）と上記二次蓄電池の充放電期間中の
平均電圧（Ｖ）とから算出する等価静電容量（Ｆ）を有
するキャパシタ要素、上記二次蓄電池の充放電期間中の
平均放電深度を考慮して上記二次蓄電池の内部抵抗（Ω
・Ａｈ／Ｖ）から得られる定数（Ω・Ｆ）と上記等価静
電容量（Ｆ）とから算出される等価抵抗（Ω）を有する
抵抗要素、および上記キャパシタ要素の電圧との和が上
記二次蓄電池の平均電圧（Ｖ）一定となる可変電圧を発
生する内部抵抗零の可変電圧源要素とからなるので、二
次蓄電池の蓄電量の変化は勿論、二次蓄電池の充放電過
渡動作特性の定量的な把握が可能となり、二次蓄電池を
含む充放電現象の解析が通常の電気回路技術で行うこと
ができる。

【００３４】また、請求項２に係る二次蓄電池蓄電量検
出方法は、電力放出回路および電力消費回路と接続され
充放電動作を行う二次蓄電池の蓄電量を逐次検出する方
法であって、上記電力放出回路および電力消費回路を模
擬した模擬回路と請求項１に記載の上記二次蓄電池の等
価回路とでシミュレーション回路を構成し、上記二次蓄
電池の初期蓄電量に相当するキャパシタ電荷量を有する
ように上記等価回路のキャパシタ要素の初期電圧を設定
し、実回路での動作を模擬する上記シミュレーション回
路での動作における上記キャパシタ要素の電圧検出値か
ら上記二次蓄電池の蓄電量を推定検出するようにしたの
で、充放電動作に供される二次蓄電池の蓄電量を確実に
検出することができる。

【００３５】また、請求項３に係るハイブリッド電源装
置は、二次蓄電池とキャパシタとの並列接続体からな
り、電力放出回路および電力消費回路と接続され充放電
動作を行うハイブリッド電源装置において、請求項２記
載の二次蓄電池蓄電量検出方法を適用して上記二次蓄電
池の蓄電量を検出し、当該蓄電量検出値が所定の下限値
未満とならないよう、充放電量を制御する制御手段を備
えたので、二次蓄電池の無用な消耗を伴うことなく、キ
ャパシタの優れた過渡応答特性を有効に活かしたハイブ
リッド電源装置を実現することができる。

【００３６】また、請求項４に係るハイブリッド電源装
置は、二次蓄電池とキャパシタとの並列接続体からな
り、電力放出回路および電力消費回路と接続され充放電
動作を行うハイブリッド電源装置において、並列接続す
る上記二次蓄電池とキャパシタとの間にリアクトルを挿
入するとともに、上記電力放出回路および電力消費回路
は上記キャパシタ側に接続するようにしたので、充放電
特性の異なる二次蓄電池とキャパシタとの機能分担をリ
アクトルが効果的に担い、二次蓄電池の負担が軽減され
両機器の長所を有効に活かした信頼性の高いハイブリッ
ド電源装置を実現することができる。

【００３７】また、請求項５に係るハイブリッド電源装
置は、請求項２記載の二次蓄電池蓄電量検出方法を適用
して上記二次蓄電池の蓄電量を検出し、当該蓄電量検出
値が所定の下限値未満とならないよう、充放電量を制御
する制御手段を備えたので、二次蓄電池の無用な消耗を
伴うことなく、キャパシタの優れた過渡応答特性を有効
に活かした、一層効率的で信頼性の高いハイブリッド電
源装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１における二次蓄電池
電源装置のシステム構成を示す図である。

【図２】 キャパシタおよび二次蓄電池の従来から使用
されている等価回路を示す図である。

【図３】 キャパシタおよび二次蓄電池の放電特性を示
す図である。

【図４】 本願発明になる二次蓄電池の等価回路を示す
図である。

【図５】 この発明の実施の形態２におけるハイブリッ
ド電源装置のシステム構成を示す図である。

【図６】 この発明の更に他のハイブリッド電源装置の
システム構成を示す図である。

【図７】 図１に示す二次蓄電池電源装置の充放電動作
シミュレーション結果を示す図である。

【図８】 図５に示すハイブリッド電源装置の充放電動
作シミュレーション結果を示す図である。

【図９】 図６に示すハイブリッド電源装置の充放電動
作シミュレーション結果を示す図である。

【図１０】 従来のハイブリッド電源装置の一例を示す
図である。

【符号の説明】

Ｂｔ 二次蓄電池、ＥＤＬＣ 電気二重層キャパシタ、
Ｌ リアクトル、ＩＮＶ ＤＣ／ＡＣインバータ、Ｃｂ
キャパシタ要素（またはその静電容量）、Ｒｂ 抵抗
要素（またはその抵抗値）、Ｖｂ 可変電圧源要素（ま
たはその出力電圧）、Ｖｃ キャパシタ要素の電圧、Ｖ
ｏ 二次蓄電池の電圧。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G016 CA03 CB02 CB03 CB06 CB12 CC01 CC02 CC07 CD10 5G003 AA07 BA01 DA07 EA05 FA06 FA08 5H030 AS20 BB00 DD00 FF41 FF43

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力放出回路および電力消費回路と接続
   され充放電動作を行う二次蓄電池の充放電過渡動作特性
   を把握するための等価回路であって、 上記等価回路の両端子間にそれぞれ互いに直列に接続さ
   れた、上記二次蓄電池の容量（Ａｈ）と上記二次蓄電池
   の充放電期間中の平均電圧（Ｖ）とから算出する等価静
   電容量（Ｆ）を有するキャパシタ要素、上記二次蓄電池
   の充放電期間中の平均放電深度を考慮して上記二次蓄電
   池の内部抵抗（Ω・Ａｈ／Ｖ）から得られる定数（Ω・
   Ｆ）と上記等価静電容量（Ｆ）とから算出される等価抵
   抗（Ω）を有する抵抗要素、および上記キャパシタ要素
   の電圧との和が上記二次蓄電池の平均電圧（Ｖ）一定と
   なる可変電圧を発生する内部抵抗零の可変電圧源要素と
   からなる二次蓄電池の等価回路。
2. 【請求項２】 電力放出回路および電力消費回路と接続
   され充放電動作を行う二次蓄電池の蓄電量を逐次検出す
   る方法であって、 上記電力放出回路および電力消費回路を模擬した模擬回
   路と請求項１に記載の上記二次蓄電池の等価回路とでシ
   ミュレーション回路を構成し、上記二次蓄電池の初期蓄
   電量に相当するキャパシタ電荷量を有するように上記等
   価回路のキャパシタ要素の初期電圧を設定し、実回路で
   の動作を模擬する上記シミュレーション回路での動作に
   おける上記キャパシタ要素の電圧検出値から上記二次蓄
   電池の蓄電量を推定検出するようにした二次蓄電池蓄電
   量検出方法。
3. 【請求項３】 二次蓄電池とキャパシタとの並列接続体
   からなり、電力放出回路および電力消費回路と接続され
   充放電動作を行うハイブリッド電源装置において、 請求項２記載の二次蓄電池蓄電量検出方法を適用して上
   記二次蓄電池の蓄電量を検出し、当該蓄電量検出値が所
   定の下限値未満とならないよう、充放電量を制御する制
   御手段を備えたことを特徴とするハイブリッド電源装
   置。
4. 【請求項４】 二次蓄電池とキャパシタとの並列接続体
   からなり、電力放出回路および電力消費回路と接続され
   充放電動作を行うハイブリッド電源装置において、 並列接続する上記二次蓄電池とキャパシタとの間にリア
   クトルを挿入するとともに、上記電力放出回路および電
   力消費回路は上記キャパシタ側に接続するようにしたこ
   とを特徴とするハイブリッド電源装置。
5. 【請求項５】 請求項２記載の二次蓄電池蓄電量検出方
   法を適用して上記二次蓄電池の蓄電量を検出し、当該蓄
   電量検出値が所定の下限値未満とならないよう、充放電
   量を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項
   ４記載のハイブリッド電源装置。