JP2002034179A

JP2002034179A - 電力制御装置

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Publication number: JP2002034179A
Application number: JP2000214823A
Authority: JP
Inventors: Tokihiro Umemura; 時博梅村; Noriko Kawakami; 紀子川上; Tomotsugu Ishizuka; 智嗣石塚; Kazuhiro Nakajima; 和弘中島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2002-01-31
Also published as: EP1172916A2; EP1172916A3; US20020017822A1; US6812591B2

Abstract

(57)【要約】【課題】サイクル寿命が長く、環境にやさしく、低コ
ストな電力制御装置を提供する。【解決手段】電源２から供給される交流入力をコン
バータ３により直流に変換し、インバータ５を介して交
流出力として負荷６に給電する。ＥＤＬＣバンク４は、
多数のＥＤＬＣ単セルを直並列に接続してなるもので、
その充放電により負荷６や電源２の変動に対応して電力
制御を行う。ＥＤＬＣバンク４は、鉛蓄電池と比較する
と、内部抵抗が低く高速に充放電をすることができ、サ
イクル寿命を長くすることができるため環境負荷も軽減
される。また、高効率に電力を出し入れすることができ
るので、電力制御の効率と動作性能との向上を図ること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負荷への給電経路
に設けられ負荷への電力供給を蓄電装置の充放電による
電力も利用して制御するようにした電力制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の電力制御装置としては、交流も
しくは直流の電源から負荷に給電する際に、負荷の変動
や電源の変動に対応して所定の電力を供給できるよう
に、蓄電装置を備えた構成として給電制御を行うように
構成されている。

【０００３】例えば無停電電源装置などの電力制御装置
は、交流電源を直流に変換するコンバータ装置と、この
コンバータの直流出力を交流出力に変換して負荷に供給
するインバータ装置と、コンバータ装置とインバータ装
置との間に接続される蓄電装置などから構成されてい
る。

【０００４】上記構成において、通常状態では、交流入
力をコンバータ装置により直流出力に変換し、インバー
タ装置により所望の電流、電圧、周波数の交流出力に変
換して負荷に供給すると共に、蓄電装置にも直流出力の
一部を充電に宛てて電力を蓄えた状態としている。停電
が発生したときには、蓄電装置の電力を負荷側に出力す
ることで負荷が無給電状態となるのを防止できるように
している。

【０００５】このような構成において、蓄電装置として
は、例えば鉛蓄電池やリチウムイオン電池あるいはナト
リウム・イオウ電池（ＮａＳ電池）などに代表される放
電時間を比較的長くとることができる二次電池や、エネ
ルギー密度の大きいアルミ電解コンデンサを多数接続し
てなる蓄電装置が使用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の電力制御装置においては、蓄電装置として二次
電池、もしくはアルミ電解コンデンサなどを使用してい
るので次の点で実用上の制約を受ける。すなわち、第１
に、蓄電装置のサイクル寿命には限界があり、蓄電装置
を消耗品として使用していた。例えば、鉛蓄電池は、長
期間に渡って充放電を繰り返し使い続けられると、２０
０〜１０００回程度の充放電回数で電極の劣化等により
その能力が低下し、従って電力制御装置の効率は悪化す
る。このため、使用者は、２年から３年程度の周期で蓄
電装置を交換する必要があった。

【０００７】また第２に、蓄電装置として用いる二次電
池では、鉛，酸，硫黄，リチウムなどの環境に有害な物
質を含んでいるため、使用者が誤って過負荷の条件等で
使用した場合に、蓄電装置を破損する可能性もある。こ
の様な破損から環境破壊などを引き起こさぬ様、十分な
保守，管理が必要となり、そのコストが高くなるという
不具合がある。また、前記したように、２年から３年程
度の周期で蓄電装置を交換する必要があることから、そ
の廃棄処分についても環境に対する負荷や、コストの上
昇が避けられない事情があった。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、蓄電装置のサイクル寿命を長くして信
頼性の向上を図るとともに、環境にやさしい材料を用い
て環境対策のコスト低減も図ることができる電力制御装
置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに請求項１記載の電力制御装置は、負荷への給電経路
に設けられ負荷への電力供給を蓄電装置の充放電による
電力も利用して制御するようにしたものを対象とし、前
記蓄電装置を、複数個のＥＤＬＣ（Electric Double La
yer Capacitor ;電気二重層キャパシタ）単セルを直並
列に複数個接続してなるＥＤＬＣバンクとして構成した
ところに特徴を有する。

【００１０】このような構成によれば、ＥＤＬＣ単セル
を直並列に複数個接続することで、電力制御に適した電
圧及び容量を得ることができ、電源に余裕がある状態で
はＥＤＬＣバンクに電力を蓄え、停電、電源変動や負荷
変動で電源の給電能力が低いときには、ＥＤＬＣバンク
を使用することにより、負荷に対して安定した電力供給
を行うことができる。そして、ＥＤＬＣバンクは、高速
充放電が可能で充電効率が高く、しかもサイクル寿命が
長いので、電力制御の効率及び動作性能を向上させるこ
とができる。さらに、ＥＤＬＣバンクは環境汚染物質を
用いない構成で、且つサイクル寿命が長いことから、環
境にやさしいものとすることができる。

【００１１】この場合、蓄電装置を、少なくとも１つの
ＥＤＬＣバンクに加えて、二次電池を組み合わせるよう
に構成することが望ましい（請求項２）。このような構
成によれば、停電時等の電源停止のような急激な変化が
起こった場合の初期の比較的短時間領域では、ＥＤＬＣ
バンクに蓄えられた電力を使用し、負荷に所望の電力を
供給する。また、これ以後の時間領域では、二次電池に
蓄えられた電力を使用し、負荷に所望の電力を供給す
る。これにより、長時間の電力バックアップをすること
が可能になる。すなわち、電源停止のような電源の急激
な変化に対して長い時間領域にわたって負荷への給電を
維持できる。

【００１２】そして、請求項１記載の発明において、蓄
電装置を、少なくとも１つのＥＤＬＣバンクに加えて、
アルミ電解コンデンサを組み合わせるように構成するこ
ともできる（請求項３）。

【００１３】このような構成によれば、次の様な作用を
得ることができる。アルミ電解コンデンサはスイッチン
グリップル電流を吸収することができる。したがって、
交流入力を直流に変換して蓄電装置により充電する構成
で、例えばコンバータに接続される電力系統の不平衡補
償をする構成の場合や、あるいは、蓄電装置の直流出力
を交流に変換して出力する構成に適用している場合で、
例えばインバータに不平衡負荷を接続した構成の場合な
どにおいては、直流側に基本波の２倍の周波数の電源変
動が発生するが、これをアルミ電解コンデンサで吸収す
ることができる。そして、停電時等の急激な電源変動の
初期のきわめて短時間の領域（数十ミリ秒以下）では、
アルミ電解コンデンサに蓄えられた電力を使用し、負荷
に所望の電力を供給する。また、それ以後の時間領域で
はＥＤＬＣバンクに蓄えられた電力を使用し、負荷に所
望の電力を供給する。これにより、比較的長時間の時間
領域で高速の電力制御が可能になる。すなわち、電源停
止のような急激な変動に対して高速で電源制御を行うこ
とができる。

【００１４】また、請求項１記載の発明において、蓄電
装置を、少なくとも１つのＥＤＬＣバンクに加えて、ア
ルミ電解コンデンサと二次電池とを組み合わせるように
構成することが望ましい（請求項４）。このような構成
によれば、上記した請求項２及び３の両者の構成及び作
用を併せ持つことになり、停電等の急激な電源変動に対
応して、幅広い時間領域で負荷への電力制御を行うこと
ができる。

【００１５】上記の各構成において、ＥＤＬＣバンクの
ＥＤＬＣ単セルを、ＥＤＬＣ単セルあたりの内部抵抗値
が２［ｍΩ］以下のもので、且つＥＤＬＣ単セルの静電
容量値と内部抵抗値との積の値が４［ΩＦ］以下のもの
とすることが望ましい（請求項５）。

【００１６】上記構成によれば、特に、周期が数時間以
下程度の範囲で電力制御を行うような負荷変動あるいは
電源変動などに対応する場合に適した構成とすることが
できる。すなわち、例えば、数時間よりも短い時間で変
動する負荷に給電するように接続することで、負荷の平
準化を行い、これによって電力系統に及ぼす影響を小さ
くすることができるようになる。これは、電力の出し入
れを行う場合において、ＥＤＬＣ単セルの内部抵抗が大
きくなると、電力を出し入れする時の電流による内部抵
抗での電力損失が大きくなるため、これを考慮したもの
である。

【００１７】つまり、負荷の変動が数時間よりも短い時
間の変動である場合でも対応可能なものとするために
は、ＥＤＬＣ単セルあたりの内部抵抗値を抑える必要が
あり、しかも、この内部抵抗値そのものはＥＤＬＣ単セ
ルの静電容量値にも依存しているので、静電容量との関
係で内部抵抗を評価した値として静電容量値と内部抵抗
値との積の値でも規定しているのである。この両者の条
件を満たすことにより、数時間よりも短い時間で変動す
る負荷に対して十分な電力制御を行うことができるよう
になる。

【００１８】そして、請求項１ないし４記載の発明にお
いて、電力貯蔵を主体とした用途の場合に、ＥＤＬＣバ
ンクのＥＤＬＣ単セルを、内部抵抗値が１０［ｍΩ］以
下のもので、且つＥＤＬＣ単セルの静電容量値と内部抵
抗値との積の値が１００［ΩＦ］以下のものとすること
が望ましい（請求項６）。

【００１９】上記構成によれば、電力制御として、電力
を比較的長い時間蓄えながら、電力の制御をすることを
主目的とした無停電電力制御装置などに適したものとな
る。すなわち、具体的には、周期が数日以下の範囲で電
力制御を行うことに適しており、負荷の変動が数日より
も短い時間で変動するものに適用することで、負荷の平
準化を行い、電力系統の効率的運用を行うことができる
ものである。

【００２０】この電力制御では、上述のように、比較的
低速度で電力の制御を行うものを対象としているため、
電力の出し入れの際の内部抵抗による電力損失をほとん
ど無視することができ、換言すれば、請求項５のものに
比べて内部抵抗値及び静電容量値と内部抵抗値との積の
値を緩和することができ、その結果として、大容量の電
力を貯蔵することができるのである。

【００２１】そして、請求項１ないし４記載の発明にお
いて、ＥＤＬＣバンクを、ＥＤＬＣ単セルのエネルギー
密度の値Ｙ［Ｗｈ／Ｋｇ］と、出力密度の値Ｘ［Ｗ／Ｋ
ｇ］とが、Ｙ＞１００×Ｘ^-0.8 なる条件を満たすＥＤＬＣ単セルにより構成することが
好ましい（請求項７）。上記構成によれば、上記条件を
満たすＥＤＬＣ単セルを用いることで、このＥＤＬＣ単
セルを用いたＥＤＬＣバンクによる電力制御の効率と性
能を最も良い状態とすることができる。逆に、この条件
を満たすことができない場合には、抵抗損失の増大や、
動作速度の低下あるいは制御エネルギー量の低下などの
性能劣化につながり、電力制御用に用いることは不適切
なものとなるものである。

【００２２】なお、発明者らは、上記条件を見出だすの
に、このＥＤＬＣ単セル以外にアルミ電解コンデンサ及
び鉛蓄電池について、そのエネルギー密度［Ｗｈ／Ｋ
ｇ］と出力密度［Ｗ／Ｋｇ］との関係を対数プロットす
るいわゆるＲａｇｏｎｅプロットで検証し、これらの結
果から、上記条件が必要であることを見出だしたもので
ある。

【００２３】そして、請求項２又は４記載の発明におい
て、蓄電装置を構成する二次電池として、そのエネルギ
ー密度が１０［Ｗｈ／Ｋｇ］以上のものを少なくとも１
つ含めて構成することが好ましい（請求項８）。

【００２４】このような構成によれば、特に蓄電エネル
ギー量を大きくすることができるので、長時間の電力を
供給することができる。

【００２５】そして、請求項３又は４記載の発明におい
て、蓄電装置を構成するアルミ電解コンデンサとして、
その出力密度が１００００［Ｗ／Ｋｇ］以上のものを少
なくとも１つ含めて構成することが好ましい（請求項
９）。

【００２６】このような構成によれば、特に出力密度を
大きくすることができるので、電力制御装置の制御速度
を上昇させることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、本発
明の第１の実施形態について図１ないし図５を参照して
説明する。図１は電力制御装置１のブロック構成を示し
ている。この図１において、商用交流電源などの電源２
は、電力制御装置１の入力端子１ａを介してコンバータ
３の交流入力端子に接続されている。コンバータ３は、
サイリスタ等からなっており、交流入力端子に交流電力
が入力されると、直流電力に変換し、直流出力端子に出
力するように構成されている。コンバータ３の直流出力
端子は、ＥＤＬＣバンク４の充放電端子４ａ（図２参
照）及びインバータ５の直流入力端子に接続されてい
る。インバータ５は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipol
ar Transistor）等のスイッチング素子をブリッジ接続
してなるもので、直流入力端子に直流電力が入力される
と、設定された所望の電圧，電流，周波数，位相，及び
高調波含有率の信号を交流出力するように構成されてい
る。また、インバータ５の交流出力端子は、電力制御装
置１の出力端子１ｂを介して負荷６に接続されている。

【００２８】制御装置７は、コンバータ制御装置８，イ
ンバータ制御装置９及びＥＤＬＣバンク制御装置１０を
主体として構成されている。コンバータ制御装置８は、
コンバータ３を駆動制御し、インバータ制御装置９はイ
ンバータ５を駆動制御し、ＥＤＬＣバンク制御装置１０
はＥＤＬＣバンク４の充放電動作を制御する。制御装置
７は、各制御装置８〜１０の制御動作を統括的に監視し
て電力制御動作を行い、負荷６に対して所定の電力が供
給できるように構成されている。

【００２９】図２は、ＥＤＬＣバンク４の電気的構成を
示している。ＥＤＬＣバンク４は、単位ＥＤＬＣユニッ
ト１１を複数個直列に接続したものを並列に（直並列
に）接続した回路として構成されている。単位ＥＤＬＣ
ユニット１１を複数個直並列に接続した回路の一端は、
充放電端子４ａに接続されており、他端は、アースに接
続されている。

【００３０】図３は、単位ＥＤＬＣユニット１１の電気
的構成を示している。単位ＥＤＬＣユニット１１は、Ｅ
ＤＬＣ単セル１２と電圧バランス装置１３とが並列に接
続された構成である。電圧バランス装置１３は、ツエナ
ーダイオード、ダイオード、抵抗素子、コンデンサ素
子、コンパレータ等から構成されており、ＥＤＬＣ単セ
ル１２の端子間電圧を所定の電圧範囲、例えば２．０
［Ｖ］〜３．０［Ｖ］の範囲で設定された電圧（現状の
ＥＤＬＣ単セル１２の実力では例えば２．７Ｖ）となる
ように制御する。また、電圧バランス装置１３は、逆極
性の充電を防ぎ、さらに、急峻に流れる電流による破壊
からＥＤＬＣ単セル１２を保護するように構成されてい
る。さらに、劣化によるＥＤＬＣ単セル１２の故障時に
は、電圧バランス装置１３は、ＥＤＬＣ単セル１２を短
絡するように構成されている。これらにより、電圧バラ
ンス装置１３は、ＥＤＬＣ単セル１２を適切に、効率的
に、且つ長期間にわたって、充放電動作させるように構
成されている。

【００３１】次に、本実施形態の作用について、図４も
参照して説明する。ここで、制御装置７には、あらかじ
め電圧，電流，周波数，位相，及び高調波含有率の値が
設定されているものとする。まず、制御装置７は、コン
バータ制御装置８にコンバータ３を駆動させるための制
御信号を与える。これにより、コンバータ制御装置８
は、コンバータ３を駆動する。コンバータ３は、電源２
から入力端子１ａを介して入力された交流電力を直流電
力に変換出力し、ＥＤＬＣバンク４及びインバータ５に
供給する。

【００３２】ＥＤＬＣバンク４は、初期状態においては
蓄電エネルギー量が零であるから、供給された直流電力
を充電する。一方、制御装置７は、インバータ制御装置
９に電圧，電流，周波数，位相，及び高調波含有率の設
定値を与える。インバータ５は、供給された直流電力
を、インバータ制御装置９から与えられた設定値に基づ
いて所望の交流電力に変換して負荷６に出力する。

【００３３】ＥＤＬＣバンク４は、電力制御のために放
電を行っていない状態では、制御装置７の制御によっ
て、コンバータ３を介して入力される直流出力により充
電動作され、蓄電エネルギーがその容量を満たすまで充
電される。この場合、後述するように、ＥＤＬＣバンク
４を構成する各ＥＤＬＣ単セル１２が充放電を高速で行
える。制御装置７は、電源２の電圧低下等の変動が生じ
て負荷６に供給すべき電力の制御が必要と判断したとき
には、ＥＤＬＣバンク４の直流電力をインバータ５，出
力端子１ｂを介して負荷６に供給する。

【００３４】ここで、ＥＤＬＣバンク４を使用した本実
施形態における電力制御装置１の性能について説明す
る。図４は、鉛蓄電池と、アルミ電解コンデンサと、本
実施形態の電力制御装置１に使用されるＥＤＬＣ単セル
１２との夫々により構成された蓄電装置の性能を比較し
て示したものである。

【００３５】ＥＤＬＣバンク４を使用した蓄電装置は、
鉛蓄電池を使用した蓄電装置と比較すると、内部抵抗が
低く、サイクル寿命が長いので、高速で且つ高効率に電
力を出し入れすることができる。また、環境汚染物質を
含まないＥＤＬＣバンク４を蓄電装置として採用してい
るため、サイクル寿命が長いことと相俟って、環境負荷
を軽減したすぐれたものとすることができる。

【００３６】次に、上記構成において、電力制御の対象
となる負荷６あるいは電源２の変動の程度に対応してＥ
ＤＬＣバンク４の特性をどの様に設定するかという点に
ついて説明する。この場合のＥＤＬＣバンク４に要求さ
れる条件のパラメータとしては、例えば、ＥＤＬＣ単セ
ル１２の内部抵抗値Ｒ及び静電容量値Ｃがあげられる。
これは、電源２や負荷６の変動の速度がＥＤＬＣバンク
４の充放電動作の頻度に相当するからであり、この充放
電動作に伴い内部抵抗による電力損失が発熱として発生
することになるからである。そこで、ここでは、以下に
説明する基準によってＥＤＬＣ単セル１２の条件を設定
している。

【００３７】すなわち、第１に、負荷６の変動周期が数
時間以下で変動することがあらかじめ判明している場合
には、ＥＤＬＣバンク４のＥＤＬＣ単セル１２の内部抵
抗値Ｒ［Ω］を２［ｍΩ］以下とし、且つＥＤＬＣ単セ
ル１２の静電容量値Ｃ［Ｆ］と内部抵抗値Ｒ［Ω］との
積の値を４［ΩＦ］以下である条件を満たすものをＥＤ
ＬＣバンク４に組み込む。このとき、ＥＤＬＣ単セル１
２の内部抵抗値Ｒ［Ω］が大きくなると、ＥＤＬＣバン
ク４は、充放電時の電流により生じる電力損失が大きく
なる。つまり、このＥＤＬＣ単セル１２の内部抵抗値Ｒ
［Ω］や静電容量値Ｃ［Ｆ］と内部抵抗値Ｒ［Ω］との
積の値を極力小さくすることが好ましい。そして、上記
条件を満たす多数のＥＤＬＣ単セル１２を直並列に組み
上げるため、ＥＤＬＣバンク４全体の内部抵抗を低下さ
せることができ、電力損失を低下させることができる。

【００３８】例えば、ＥＤＬＣ単セル１２の定格を２．
５Ｖ−３０Ａ−２０００Ｆとし、内部抵抗値Ｒを１．５
［ｍΩ］とすると、蓄電エネルギー量Ｅ［Ｗｈ］は、Ｅ＝ＣＶ²／２＝２０００×（２．５）²／（２×３６００）＝約１．７４［Ｗｈ］となる。

【００３９】すなわち、ＥＤＬＣ単セル１２は、約１．
７４［Ｗｈ］の電力量を蓄電することができる。また、
ＥＤＬＣ単セル１２の出力Ｐ［Ｗ］は、Ｐ＝ＶＩ＝２．５×３０＝７５［Ｗ］となり、そのときのＥＤＬＣ単セル１２あたりの電力損
失Ｐｒ［Ｗ］は、Ｐｒ＝Ｉ²Ｒ＝３０²×０．００１５＝１．３５［Ｗ］である。

【００４０】したがって、この場合には、出力Ｐに対す
る損失Ｐｒの割合Ｌ［％］は、Ｌ＝１．３５／７５＝１．８［％］となる。したがって、実用上十分に望ましいものとして
使用することができる。また、上述の内部抵抗値Ｒ
［Ω］は、ＥＤＬＣ単セル１２の静電容量にも依存して
いるので、その関係から内部抵抗との積を求め、その値
を４［ΩＦ］以下となるものを選ぶ必要がある。ここ
で、条件として、静電容量値Ｃと内部抵抗値Ｒとの積の
値を用いて規定するのは次の理由による。すなわち、Ｅ
ＤＬＣ単セル１２の静電容量値Ｃ［Ｆ］が大きくなる
と、その形状寸法も大きくなり、ＥＤＬＣ単セル１２の
内部抵抗もこの形状に依存して、様々な値となるため、
評価の尺度が定まらないからである。つまり、静電容量
との関係付けをした条件を設定しないと、ＥＤＬＣバン
ク４の全体の抵抗損失を効率よく下げることが困難にな
るからである。この結果、ＥＤＬＣ単セル１２の静電容
量値Ｃ［Ｆ］と内部抵抗値Ｒ［Ω］との積の値を求め
て、この値を小さくするように設定することが実用上最
も有効な条件として規定できるのである。

【００４１】上記の条件を満たしたＥＤＬＣ単セル１２
を採用することにより、数時間よりも短い程度の周期で
変動する負荷６に併設することで、電力損失の少ない状
態で負荷６の平準化を行い、電力系統に及ぼす影響を小
さくすることができる。

【００４２】また、第２に、負荷６の変動周期が数日以
下の比較的長い範囲で変動することがあらかじめ判明し
ている場合には、ＥＤＬＣ単セル１２あたりの内部抵抗
値Ｒ［Ω］が１０［ｍΩ］以下で、且つその静電容量値
Ｃ［Ｆ］と内部抵抗値Ｒ［Ｆ］との積の値が１００［Ω
Ｆ］以下である条件を満たすものをＥＤＬＣバンク４に
組み込むことができる。

【００４３】この場合、電力制御装置１は、比較的低速
度で電力を充放電することになるため、実用的には抵抗
損失をほとんど無視することが可能となり、この結果、
前述の場合よりも条件が緩和され、静電容量値Ｃ［Ｆ］
が大きいものを選ぶことができるため、大容量の電力を
貯蔵することができる。

【００４４】例えば、ＥＤＬＣ単セルの定格を２．５Ｖ
−１０Ａ−２００００Ｆとすると、蓄電エネルギー量Ｅ
［Ｗ］は、Ｅ＝ＣＶ²／２＝２００００×（２．５）²／（２×３６００）＝約１７．４［Ｗｈ］となる。すなわち、ＥＤＬＣ単セル１２は、約１７．４
［Ｗｈ］の電力量を蓄電することができる。

【００４５】結果として、出力端子１ｂに接続する負荷
６の値が変動周期を、あらかじめ見積っておくことによ
り、最適な条件で大容量化を図りながら負荷６の平準化
を行い、電力系統に及ぼす影響を小さくすることができ
る。

【００４６】図５は、電気二重層キャパシタの技術分野
においてよく知られているＲａｇｏｎｅプロットを示し
ている。これは、ＥＤＬＣ単セル１２の重量あたりの出
力密度［Ｗ／Ｋｇ］とエネルギー密度［Ｗｈ／Ｋｇ］と
の関係を示したものである。図５中に黒丸及び塗りつぶ
し三角の記号で示したものは、鉛蓄電池等の二次電池の
特性の一例を示しており、塗りつぶしダイヤの記号で示
したものは、アルミ電解コンデンサの特性の一例を示
し、その他の白丸と、白三角と、白四角と、白ダイヤと
の記号は、様々な種類のＥＤＬＣ単セル１２の特性の一
例を示している。

【００４７】図５の中に示した直線は、エネルギー密度
の値Ｙと、出力密度の値Ｘとの関係が、Ｙ＝１００×Ｘ^-0.8 なるものを表している。そして、電力制御装置１として
使用するのに適したＥＤＬＣ単セル１２のエネルギー密
度の値Ｙ［Ｗｈ／Ｋｇ］と、出力密度の値Ｘ［Ｗ／Ｋ
ｇ］とが満たすべき条件は、この直線で区切られた上の
部分の領域に当てはまるものである。したがって、Ｙ＞１００×Ｘ^-0.8 ・・・（１）の条件を満たすものを選べばよい。

【００４８】逆にこの条件を満たさない場合には、電力
制御装置１としては、前記した抵抗損失の増大、動作速
度、制御エネルギー量などの各種性能が効率よく働かな
いため、実用上では採用することが難しい。

【００４９】このような第１の実施形態によれば、電気
二重層キャパシタを採用したＥＤＬＣ単セル１２を使用
し、そのＥＤＬＣ単セル１２を使用したＥＤＬＣバンク
４を蓄電装置として使用することにより、蓄電装置の交
換頻度を低下させ、長寿命化がはかれる。また、電力制
御装置として、電力の制御を数時間以下の周期で行う場
合や、電力の制御を数日以下の周期で行う場合などの負
荷の変動状況に対応して、ＥＤＬＣ単セル１２の選択条
件を速度重視か容量重視かに応じて適切に変えること
で、負荷６を平準化し、安定化させる動作を効率よく行
うことができる。さらに、ＥＤＬＣバンク４を用いるこ
とで内部抵抗が従来の二次電池に比較して小さく、充放
電周期が短いので、電力損失，動作速度，エネルギー量
などの各種性能を効率よく働かせることができ、充放電
回数を少なくとも１ケタ以上に向上させることができ
る。また、ＥＤＬＣ単セル１２は、サイクル寿命が長
く、しかも環境に有害な物質が含まれないので、環境に
やさしい電力制御装置を提供することができる。

【００５０】（第２の実施形態）図６は、本発明の第２
の実施形態を示すものである。この実施形態では、停電
時における電力制御機能を補えるようにした電力制御装
置を示している。尚、第１の実施の形態と同一部分には
同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分につい
てのみ説明する。

【００５１】すなわち、この構成においては、蓄電装置
１４としてＥＤＬＣバンク４に並列に、二次電池１５を
接続している。二次電池１５は、図４に示した性能の鉛
蓄電池により構成されている。また、制御装置１６に
は、二次電池１５を制御する二次電池制御装置１７が設
けられ、二次電池１５の蓄電状態を常に監視し、その状
態を制御装置１６に伝えるとともに、二次電池１５の充
放電を制御できるように構成されている。以上のよう
に、電力制御装置１８は構成され、入力端子１８ａに電
源２が接続され、また、出力端子１８ｂに負荷６が接続
されている。

【００５２】次に本実施形態の作用を説明する。第１の
実施形態と同様に蓄電装置１４のＥＤＬＣバンク４及び
二次電池１５は、電源２から入力端子１８ａ，コンバー
タ３を介して受ける電力により蓄電エネルギー量が満杯
となるように制御される。

【００５３】制御装置１６は、電源２から入力端子１８
ａを介してコンバータ３に入力する電力が低下したこと
を検出する（停電状態）と、停電の初期の比較的短時間
の期間（０．１〜１００分間）、例えば５０分間程度の
期間は、制御装置１６は、ＥＤＬＣバンク制御装置１０
を介してＥＤＬＣバンク４から負荷６へ電力を供給する
ことで所定の電力バックアップを行う。その後、制御装
置１６は、二次電池制御装置１７を介して二次電池１５
から負荷６へ電力を供給することにより、長時間の電力
バックアップをすることが可能になる。すなわち、蓄電
エネルギー量が第１の実施形態に比較して大きいため、
停電時における機能が補われることになる。

【００５４】この場合、二次電池１５は、エネルギー密
度が１０［Ｗｈ／Ｋｇ］以上で且つ前述の式（１）の条
件を満たすものを使用することが望ましい。これによ
り、ＥＤＬＣバンク４では不足する分の蓄電エネルギー
量を増大させることができ、電力制御の性能を増大させ
ることができる。

【００５５】尚、第１の実施形態と同様に、出力端子１
８ｂに接続する負荷６の値がどの程度の周期で変動する
かを、あらかじめ判別してＥＤＬＣバンク４を適切な条
件で使用することにより、負荷６の平準化を行い、電力
系統に及ぼす影響を小さくすることができる。

【００５６】このような第２の実施形態によれば、ＥＤ
ＬＣバンク４に併設して二次電池１５を接続しているた
め、より長時間の電力バックアップをすることが可能に
なり、停電時における機能を補なうことができる。

【００５７】（第３の実施形態）図７は、本発明の第３
の実施形態を示すものである。この実施形態では、電力
を比較的長い時間蓄えながら、電力の制御をすることを
主目的とした無停電電力制御装置を示す。尚、第１の実
施の形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略
し、以下異なる部分についてのみ説明する。

【００５８】すなわち、この構成においては、蓄電装置
１９としてＥＤＬＣバンク４に並列に多数のアルミ電解
コンデンサ２０を組み合わせて構成された回路を接続し
ている。この時、多数のアルミ電解コンデンサ２０を組
み合わせて構成された回路は、図４に示したように、Ｅ
ＤＬＣバンク４よりも一層の高速の電力制御が可能なも
のを使用している。

【００５９】また、制御装置２１には、大容量化したア
ルミ電解コンデンサ２０を組み合わせて構成された回路
を制御するアルミ電解コンデンサ制御装置２２が設けら
れ、アルミ電解コンデンサ２０の蓄電状態を常に監視
し、その状態を制御装置２１に伝えるとともに、アルミ
電解コンデンサ２０の充放電を制御できるように構成さ
れている。以上のように構成される電力制御装置２３
は、入力端子２３ａに電源２が接続され、出力端子２３
ｂに負荷６が接続されている。

【００６０】次に、本実施形態の作用を説明する。第１
の実施形態と同様に、蓄電装置１９のＥＤＬＣバンク４
及びアルミ電解コンデンサ２０は、電源２から入力端子
２３ａ，コンバータ３を介して供給される電力により、
その蓄電エネルギー量が満杯となるように制御される。

【００６１】制御装置２１は、電源２から入力端子２３
ａを介してコンバータ３に入力する電力が低下したこと
を検出する（停電状態）と、停電の初期のきわめて短時
間の数十ミリ秒の間は、制御装置２１は、アルミ電解コ
ンデンサ制御装置２２を介してアルミ電解コンデンサ２
０から負荷６へ電力を供給する。その後、ＥＤＬＣバン
ク４から負荷６へ電力を供給することにより、停電時に
おける初期の電力制御を行うことが可能となり、瞬時の
電力バックアップを行うことが可能になる。すなわち、
電力制御装置は、停電時における電力制御機能が補われ
ることになる。また、このような構成においては、アル
ミ電解コンデンサ２０は、コンバータ３やインバータ５
のスイッチング素子により発生するスイッチングリップ
ル電流を吸収する機能がある。これは、例えば三相電源
から単層負荷などの不平衡負荷を取る場合に直流側に生
ずる基本波の２倍の周波数の電源変動などに対処するこ
とができるものである。

【００６２】この場合、アルミ電解コンデンサ２０は、
出力密度が１００００［Ｗ／Ｋｇ］以上で且つ前述の式
（１）の条件を満たすものを使用することが望ましい。
これは、特に電力の制御速度を上げて制御を行う場合に
適するように蓄電装置１９を設定することを示してい
る。これにより、数十ミリ秒以下での高速な電力制御を
行うことができ、電力制御装置の性能を増大させること
ができる。

【００６３】また、第１の実施形態と同様に、出力端子
２３ｂに接続する負荷６の値がどの程度の周期で変動す
るかを、あらかじめ判別してＥＤＬＣバンク４を適切な
条件で使用することにより、負荷６の平準化を行い、電
力系統に及ぼす影響を小さくすることができる。

【００６４】このような第３の実施形態によれば、ＥＤ
ＬＣバンク４に併設してアルミ電解コンデンサ２０を接
続しているため、停電時の負荷６への電力供給を瞬時に
開始することができる。

【００６５】（他の実施形態）本発明は、上記実施形態
にのみ限定されるものではなく、次のように変形または
拡張できる。二次電池１５とアルミ電解コンデンサ２０
とを、共にＥＤＬＣバンク４に併用する蓄電装置を構成
することもできる。これにより、停電時において、きわ
めて短時間のマイクロ秒の領域から比較的長時間の無停
電電力制御を可能にすることができる。

【００６６】また、第２の実施形態においては、二次電
池１５として、鉛蓄電池を使用したが、リチウムイオン
電池、ナトリウム・イオウ電池（ＮａＳ電池）等を使用
してもよい。

【００６７】これらに示した電力制御装置は、車（電気
自動車）、ＵＰＳ、アクチュエータに適用可能である。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電力制御
装置によれば、次のような効果を得ることができる。す
なわち、請求項１記載の発明によれば、ＥＤＬＣ単セル
を直並列に複数個接続することで、電力制御に適した電
圧及び容量を得ることができ、電源変動や負荷変動で電
源の給電能力が低いときには、ＥＤＬＣバンクを使用す
ることにより、負荷に対して安定した電力供給を行うこ
とができる。そして、ＥＤＬＣバンクは、高速充放電が
可能で充電効率が高く、しかもサイクル寿命が長いの
で、電力制御の効率及び動作性能を向上させることがで
きる。さらに、ＥＤＬＣバンクは環境汚染物質を用いな
い構成で、且つサイクル寿命が長いことから、環境にや
さしいものとすることができる。

【００６９】請求項２記載の発明によれば、停電時等の
電源停止のような急激な変化が起こった場合の初期の比
較的短時間領域では、ＥＤＬＣバンクに蓄えられた電力
を使用し、負荷に所望の電力を供給する。また、これ以
後の時間領域では、二次電池に蓄えられた電力を使用
し、負荷に所望の電力を供給する。これにより、長時間
の電力バックアップをすることが可能になる。すなわ
ち、電源停止のような電源の急激な変化に対して長い時
間領域にわたって負荷への給電を維持できる。

【００７０】請求項３記載の発明によれば、停電時等の
急激な電源変動の初期のきわめて短時間の領域（数十ミ
リ秒以下）では、アルミ電解コンデンサに蓄えられた電
力を使用し、負荷に所望の電力を供給する。また、それ
以後の時間領域ではＥＤＬＣバンクに蓄えられた電力を
使用し、負荷に所望の電力を供給する。これにより、比
較的長時間の時間領域で高速の電力制御が可能になる。
すなわち、電源停止のような急激な変動に対して高速で
電源制御を行うことができる。

【００７１】請求項４記載の発明によれば、上記した請
求項２及び３の両者の構成及び作用を併せ持つことにな
り、停電等の急激な電源変動に対応して、幅広い時間領
域で負荷への電力制御を行うことができる。

【００７２】請求項５記載の発明によれば、特に、周期
が数時間以下程度の範囲で電力制御を行うような負荷変
動あるいは電源変動などに対応する場合に適している。
すなわち、例えば、数時間よりも短い時間で変動する負
荷に給電するように接続することで、負荷の平準化を行
い、これによって電力系統に及ぼす影響を小さくするこ
とができるようになる。

【００７３】請求項６記載の発明によれば、電力制御と
して、電力を比較的長い時間蓄えながら、電力の制御を
することを主目的とした無停電電力制御装置などに適し
たものとなる。すなわち、具体的には、周期が数日以下
の範囲で電力制御を行うことに適しており、負荷の変動
が数日よりも短い時間で変動するものに適用すること
で、負荷の平準化を行い、電力系統の効率的運用を行う
ことができる。この電力制御では、上述のように、比較
的低速度で電力の制御を行うものを対象としているた
め、電力の出し入れの際の内部抵抗による電力損失をほ
とんど無視することができ、換言すれば、請求項５のも
のに比べて内部抵抗値及び静電容量値と内部抵抗値との
積の値を緩和することができ、その結果として、大容量
の電力を貯蔵することができる。

【００７４】請求項７記載の発明によれば、ＥＤＬＣバ
ンクとして、ＥＤＬＣ単セルのエネルギー密度の値Ｙ
［Ｗｈ／Ｋｇ］と、出力密度の値Ｘ［Ｗ／Ｋｇ］とが、Ｙ＞１００×Ｘ^-0.8 の条件を満たすＥＤＬＣ単セルにより構成されるため、
条件を満たすＥＤＬＣ単セルを用いることで、このＥＤ
ＬＣ単セルを用いたＥＤＬＣバンクによる電力制御の効
率と性能を最も良い状態とすることができる。

【００７５】請求項８記載の発明によれば、蓄電装置を
構成する二次電池として、そのエネルギー密度が１０
［Ｗｈ／Ｋｇ］以上のものを少なくとも１つ含めて構成
しており、特に蓄電エネルギー量を大きくすることがで
きるので、長時間の電力を供給することができる。

【００７６】請求項９記載の発明によれば、蓄電装置を
構成するアルミ電解コンデンサとして、その出力密度が
１００００［Ｗ／Ｋｇ］以上のものを少なくとも１つ含
めて構成しており、特に出力密度を大きくすることがで
きるので、電力制御装置の制御速度を上昇させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す電気的構成図

【図２】ＥＤＬＣバンクの電気的構成図

【図３】単位ＥＤＬＣユニットの電気的構成図

【図４】蓄電装置の性能比較図

【図５】ＥＤＬＣ単セルのＲａｇｏｎｅプロット図

【図６】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図

【図７】本発明の第３の実施形態を示す図１相当図

【符号の説明】

２は電源、４はＥＤＬＣバンク（蓄電装置）、６は負
荷、７，１６，２１は制御装置、１１は単位ＥＤＬＣユ
ニット、１２はＥＤＬＣ単セル、１３は電圧バランス装
置、１４，１９は蓄電装置、１５は二次電池、２０はア
ルミ電解コンデンサである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石塚智嗣東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中事業所内 (72)発明者中島和弘東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内Ｆターム(参考） 5G015 GA04 HA16 JA22 JA34 JA52 JA60 5H420 BB03 BB14 CC03 CC04 CC06 DD03 EB39 EB40 LL03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】負荷への給電経路に設けられ負荷への電
力供給を蓄電装置の充放電による電力も利用して制御す
るようにした電力制御装置において、前記蓄電装置は、複数個のＥＤＬＣ（Electric Double
Layer Capacitor ;電気二重層キャパシタ）単セルを直
並列に複数個接続してなるＥＤＬＣバンクとして構成さ
れていることを特徴とする電力制御装置。
【請求項２】前記蓄電装置は、少なくとも１つの前記
ＥＤＬＣバンクに加えて、二次電池を組み合わせる構成
とされていることを特徴とする請求項１記載の電力制御
装置。
【請求項３】前記蓄電装置は、少なくとも１つの前記
ＥＤＬＣバンクに加えて、アルミ電解コンデンサを組み
合わせる構成とされていることを特徴とする請求項１記
載の電力制御装置。
【請求項４】前記蓄電装置は、少なくとも１つの前記
ＥＤＬＣバンクに加えて、アルミ電解コンデンサと二次
電池とを組み合わせる構成とされていることを特徴とす
る請求項１記載の電力制御装置。
【請求項５】前記ＥＤＬＣバンクは、前記ＥＤＬＣ単
セルあたりの内部抵抗値が２［ｍΩ］以下のもので、且
つ前記ＥＤＬＣ単セルの静電容量値と内部抵抗値との積
の値が４［ΩＦ］以下のものであることを特徴とする請
求項１ないし４記載の電力制御装置。
【請求項６】前記ＥＤＬＣバンクは、電力貯蔵を主体
とした用途の場合に、前記ＥＤＬＣ単セルあたりの内部
抵抗値が１０［ｍΩ］以下のもので、且つ前記ＥＤＬＣ
単セルの静電容量値と内部抵抗値との積の値が１００
［ΩＦ］以下のものであることを特徴とする請求項１な
いし４記載の電力制御装置。
【請求項７】前記ＥＤＬＣバンクは、前記ＥＤＬＣ単
セルあたりのエネルギー密度の値Ｙ［Ｗｈ／Ｋｇ］と、
出力密度の値Ｘ［Ｗ／Ｋｇ］とが、Ｙ＞１００×Ｘ^-0.8 なる条件を満たすものにより構成されていることを特徴
とする請求項１ないし４記載の電力制御装置。
【請求項８】前記蓄電装置を構成する二次電池は、そ
のエネルギー密度が１０［Ｗｈ／Ｋｇ］以上のものを少
なくとも１つ含んだものとして構成されていることを特
徴とする請求項２又は４記載の電力制御装置。
【請求項９】前記蓄電装置を構成するアルミ電解コン
デンサは、その出力密度が１００００［Ｗ／Ｋｇ］以上
のものを少なくとも１つ含んだものとして構成されてい
ることを特徴とする請求項３又は４記載の電力制御装
置。