JP2006203983A - Charger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、充電用電源によって電気二重層キャパシタを充電するためにそれら充電用電源と電気二重層キャパシタとに接続されて使用される充電装置に関するものであり、特に、充電用電源による電気二重層キャパシタの充電に必要な時間を短縮する技術に関するものである。 The present invention relates to a charging device that is used by being connected to the charging power source and the electric double layer capacitor in order to charge the electric double layer capacitor with the charging power source, and more particularly, to the electric double layer by the charging power source. The present invention relates to a technique for shortening the time required for charging a capacitor.
電気エネルギーを蓄積するために二次電池や電気二重層キャパシタ(以下、単に「キャパシタ」という。)が使用される。二次電池は、化学物質の化学反応を利用し、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積する。そのため、二次電池の使用においては、充放電の反復回数の制限、化学物質の毒性による健康被害、消耗品の廃棄による地球環境の汚染等に関する問題に配慮することが要求される。 Secondary batteries and electric double layer capacitors (hereinafter simply referred to as “capacitors”) are used to store electrical energy. Secondary batteries use chemical reactions of chemical substances to convert electrical energy into chemical energy and store it. For this reason, in the use of secondary batteries, it is required to consider the problems related to the limit on the number of repetitions of charging and discharging, the health damage due to the toxicity of chemical substances, the pollution of the global environment due to the disposal of consumables.
これに対し、キャパシタは、電気エネルギーをそのまま、すなわち、エネルギー変換を行うことなく蓄積する。そのため、このキャパシタには、消耗する要素がなく、充放電を無制限に繰り返すことが可能で製品としての寿命が理論上は半永久的であるうえに、たとえ廃棄しても地球環境を汚染してしまう心配もない。 On the other hand, the capacitor stores electric energy as it is, that is, without performing energy conversion. For this reason, this capacitor has no depleting elements, can be repeatedly charged and discharged indefinitely, its product life is theoretically permanent, and even if discarded, it contaminates the global environment. No worries.
そのため、資源の有効利用が可能で、かつ、人間にも地球環境にも優しい製品の提供が強く叫ばれるようになった近年、電気エネルギーをキャパシタに蓄積する技術に注目が集まっている。 Therefore, in recent years, attention has been focused on a technology for storing electric energy in a capacitor, in which the use of resources and the provision of products that are friendly to humans and the global environment have been screamed.
このキャパシタを充電用電源によって充電するために充電装置が使用される。充電用電源としては、太陽電池、手回し式発電機、風力発電機等を使用することが可能である。太陽電池は直流発電機であり、手回し式発電機および風力発電機は通常、交流発電機である。太陽電池によってキャパシタを充電する一従来例が特許文献1に記載されている。
キャパシタの充電はできる限り短時間で完了することが望ましい。しかし、太陽電池、手回し式発電機、風力発電機等の如き充電用電源により、放電状態にあるキャパシタをそれら充電用電源によって充電し始める場合には、従来、充電用電源の電圧低下および電力減少が原因で、キャパシタの充電に長時間が必要であった。 It is desirable to charge the capacitor in as short a time as possible. However, when charging a capacitor in a discharged state with a charging power source such as a solar cell, a hand-driven generator, a wind power generator, etc., the voltage and power of the charging power source are conventionally reduced. Because of this, it took a long time to charge the capacitor.
このような事情を背景にして、本発明は、充電用電源によって電気二重層キャパシタを充電するためにそれら充電用電源と電気二重層キャパシタとに接続されて使用される充電装置において、充電用電源による電気二重層キャパシタの充電に必要な時間を短縮することを課題としてなされたものである。 In view of such circumstances, the present invention provides a charging power source in a charging device that is used connected to the charging power source and the electric double layer capacitor in order to charge the electric double layer capacitor with the charging power source. It is an object to shorten the time required for charging the electric double layer capacitor by the above.
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈すべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきなのである。 The following aspects are obtained by the present invention. Each aspect is divided into sections, each section is given a number, and is described in a form that cites other section numbers as necessary. This is to facilitate understanding of some of the technical features that the present invention can employ and combinations thereof, and the technical features that can be employed by the present invention and combinations thereof are limited to the following embodiments. Should not be interpreted. That is, it should be construed that it is not impeded to appropriately extract and employ the technical features described in the present specification as technical features of the present invention although they are not described in the following embodiments.
さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈すべきである。 Further, describing each section in the form of quoting the numbers of the other sections does not necessarily prevent the technical features described in each section from being separated from the technical features described in the other sections. It should not be construed as meaning, but it should be construed that the technical features described in each section can be appropriately made independent depending on the nature.
(1) 充電用電源によって電気二重層キャパシタを充電するためにそれら充電用電源と電気二重層キャパシタとに接続されて使用される充電装置であって、
前記充電用電源の発電電圧より低い電圧が前記電気二重層キャパシタに印加される一方、前記充電用電源の発電電流より大きい電流が前記電気二重層キャパシタに供給されるように、前記充電用電源から前記電気二重層キャパシタに供給される電力を変換する機能を有するチョッパ式の降圧コンバータと、
前記発電電圧に応答する応答電圧と基準電圧との関係に基づき、前記充電用電源による前記電気二重層キャパシタの充電によって前記発電電圧がそれの下限値より低下しないように前記降圧コンバータを制御する制御回路と
を含む充電装置。
(1) A charging device that is used by being connected to the charging power source and the electric double layer capacitor to charge the electric double layer capacitor with the charging power source,
A voltage lower than the power generation voltage of the charging power source is applied to the electric double layer capacitor, while a current larger than the power generation current of the charging power source is supplied to the electric double layer capacitor. A chopper type step-down converter having a function of converting electric power supplied to the electric double layer capacitor;
Control that controls the step-down converter based on a relationship between a response voltage that is responsive to the generated voltage and a reference voltage so that the generated voltage does not fall below a lower limit value due to charging of the electric double layer capacitor by the charging power source. A charging device including a circuit.
一般に、放電状態にある電気二重層キャパシタ(以下、単に「キャパシタ」という。)を充電用電源によって充電しようとする場合、その充電開始時には、キャパシタの電圧は0であるため、充電用電源の電圧も0となり、よって、その充電用電源によって発生させられる電力も0となる。とはいえ、放電状態にあるキャパシタに充電用電源を導通させ続ければ、充電用電源からキャパシタへ電流が供給し続けられるため、やがては充電用電源によるキャパシタの充電が完了する。しかしながら、充電用電源による発電電流をそのままキャパシタに供給するだけでは、キャパシタの充電に長い時間がかかってしまう。 In general, when an electric double layer capacitor in a discharged state (hereinafter simply referred to as “capacitor”) is to be charged by a charging power source, the voltage of the capacitor is 0 at the start of charging, so the voltage of the charging power source Therefore, the electric power generated by the charging power source is also zero. However, if the charging power source continues to be conducted to the capacitor in the discharged state, the current continues to be supplied from the charging power source to the capacitor, and eventually the charging of the capacitor by the charging power source is completed. However, it takes a long time to charge the capacitor if the current generated by the charging power source is simply supplied to the capacitor.
これに対し、キャパシタの放電状態において、充電用電源の発電電流より大きな電流をキャパシタに供給すれば、充電用電源の発電電流をそのままキャパシタに供給する場合より、キャパシタの充電時間が短縮される。充電用電源の発電電流より大きな電流をキャパシタに供給すること、すなわち、大電流化のためには、それら充電用電源とキャパシタとの間に降圧コンバータを設ければよい。 On the other hand, when a current larger than the generated current of the charging power supply is supplied to the capacitor in the discharge state of the capacitor, the charging time of the capacitor is shortened compared to the case where the generated current of the charging power supply is supplied to the capacitor as it is. In order to supply a current larger than the generated current of the charging power source to the capacitor, that is, to increase the current, a step-down converter may be provided between the charging power source and the capacitor.
しかしながら、その大電流化のためには、充電用電源の発電電力を確保することが必要である。そのためには、上述の降圧コンバータをチョッパ式とし、その降圧コンバータのスイッチング素子のチョッピングにより、充電用電源から降圧コンバータに流れ込む流入電流を減少させれればよい。 However, in order to increase the current, it is necessary to secure the generated power of the charging power source. For this purpose, the step-down converter described above is a chopper type, and the inflow current flowing from the charging power source to the step-down converter may be reduced by chopping the switching element of the step-down converter.
以上説明した知見に基づき、本項に係る充電装置においては、充電用電源とキャパシタとの間にチョッパ式の降圧コンバータが設けられ、この降圧コンバータにより、充電用電源の発電電流より大きい電流がキャパシタに供給される。したがって、この充電装置によれば、充電用電源の発電電流がそのままキャパシタに供給される場合より、キャパシタの充電に必要な充電時間(キャパシタを放電状態から満充電状態に移行させるために必要な時間)が短縮される。 Based on the knowledge described above, in the charging device according to this section, a chopper type step-down converter is provided between the charging power source and the capacitor, and this step-down converter causes a current larger than the generated current of the charging power source to be charged to the capacitor. To be supplied. Therefore, according to this charging device, the charging time required for charging the capacitor (the time required for shifting the capacitor from the discharged state to the fully charged state) is greater than when the generated current of the charging power source is supplied to the capacitor as it is. ) Is shortened.
さらに、この充電装置においては、制御回路により、充電用電源によるキャパシタの充電によって充電用電源の発電電圧がそれの下限値より低下しないようにチョッパ式の降圧コンバータが制御される。すなわち、その制御回路は、発電電圧低下防止機能を有するのである。 Furthermore, in this charging apparatus, the chopper type step-down converter is controlled by the control circuit so that the power generation voltage of the charging power supply does not fall below the lower limit value due to charging of the capacitor by the charging power supply. That is, the control circuit has a function of preventing a decrease in generated voltage.
したがって、この充電装置によれば、その制御回路が上述の発電電圧低下防止機能を有しない場合に比較し、充電用電源の発電電圧が高く保持される。よって、この充電装置によれば、キャパシタの電圧が0に近い期間においても、充電用電源の発電電力を変換してキャパシタに供給する状態が確保され、このこととも相俟って、キャパシタの高速充電が可能となる。 Therefore, according to this charging apparatus, compared with the case where the control circuit does not have the above-described power generation voltage drop prevention function, the power generation voltage of the charging power supply is kept high. Therefore, according to this charging device, even when the voltage of the capacitor is close to 0, a state in which the generated power of the charging power source is converted and supplied to the capacitor is ensured. Charging becomes possible.
なお付言するに、本項における「充電用電源」は、例えば、太陽電池、風力発電機等、自然エネルギーを利用して発電を行う電源としたり、人力によって発電を行う手回し発電機としたり、自動車および自転車を含む車両の運動エネルギーを利用して発電を行う発電機とすることが可能である。 In addition, the “charging power source” in this section refers to a power source that generates power using natural energy, such as a solar cell or a wind power generator, a manual power generator that generates power by human power, an automobile, etc. It is also possible to provide a generator that generates power using the kinetic energy of a vehicle including a bicycle.
さらに付言するに、本項における「応答電圧」は、一般に、充電用電源の分電圧を意味するように定義されるが、全電圧を意味するように定義される可能性を排除しない。 In addition, the “response voltage” in this section is generally defined to mean the divided voltage of the charging power supply, but does not exclude the possibility of being defined to mean the full voltage.
(2) 前記制御回路は、前記応答電圧が前記基準電圧より低くなろうとすると、前記充電用電源から前記降圧コンバータに流れ込む流入電流が減少するように、前記降圧コンバータを制御する(1)項に記載の充電装置。 (2) The control circuit controls the step-down converter so that an inflow current flowing from the charging power source into the step-down converter decreases when the response voltage is made lower than the reference voltage. The charging device described.
この充電装置においては、応答電圧が基準電圧より低くなろうとすると、充電用電源から降圧コンバータに流れ込む流入電流が減少するように、降圧コンバータが制御される。したがって、この充電装置によれば、応答電圧が基準電圧より低下することが抑制され、ひいては、充電用電源による電気二重層キャパシタの充電によって充電用電源の発電電圧がそれの下限値より低下することが抑制される。 In this charging device, when the response voltage is going to be lower than the reference voltage, the step-down converter is controlled so that the inflow current flowing from the charging power source into the step-down converter is reduced. Therefore, according to this charging device, the response voltage is suppressed from lowering than the reference voltage, and as a result, the power generation voltage of the charging power supply is lowered below the lower limit value due to charging of the electric double layer capacitor by the charging power supply. Is suppressed.
(3) 前記制御回路は、前記応答電圧が前記基準電圧より高くなろうとすると、前記流入電流が増加するように、前記降圧コンバータを制御する(2)項に記載の充電装置。 (3) The charging device according to (2), wherein the control circuit controls the step-down converter so that the inflow current increases when the response voltage is higher than the reference voltage.
一般に、充電用電源がキャパシタを充電する能力の高さは、その充電用電源の電圧の高さに依存する傾向があるため、キャパシタへの充電能力を適正化するためには充電用電源の電圧を特定の値または範囲に保持することが望ましい。 Generally, the high capacity of a charging power supply to charge a capacitor tends to depend on the voltage level of the charging power supply. Therefore, in order to optimize the charging capacity of the capacitor, the voltage of the charging power supply It is desirable to maintain a certain value or range.
このような知見に基づき、本項に係る充電装置においては、応答電圧が基準電圧より低くなろうとすると、充電用電源から降圧コンバータに流れ込む流入電流が減少し、一方、応答電圧が基準電圧より高くなろうとすると、その流入電流が増加するように、降圧コンバータが制御される。その流入電流が減少すれば、前述のように、充電用電源の電力および電圧が低下する傾向が抑制され、逆に、その流入電流が増加すれば、充電用電源の電力および電圧が増加する傾向が抑制される。 Based on this knowledge, in the charging device according to this section, when the response voltage is going to be lower than the reference voltage, the inflow current flowing from the charging power source to the step-down converter is reduced, while the response voltage is higher than the reference voltage. When trying to do so, the step-down converter is controlled so that the inflow current increases. If the inflow current decreases, as described above, the tendency of the power and voltage of the charging power supply to decrease is suppressed. Conversely, if the inflow current increases, the power and voltage of the charging power supply tend to increase. Is suppressed.
したがって、この充電装置によれば、充電用電源によるキャパシタの充電中、その充電用電源の電圧が上記基準電圧に対応する高さに保持される。 Therefore, according to this charging apparatus, the voltage of the charging power source is maintained at a height corresponding to the reference voltage while the capacitor is charged by the charging power source.
(4) さらに、前記充電電圧がそれの上限値を超えようとすると、前記充電用電源による前記電気二重層キャパシタの充電を阻止する充電阻止回路を含む(3)項に記載の充電装置。 (4) The charging device according to (3), further including a charge blocking circuit that blocks charging of the electric double layer capacitor by the charging power supply when the charging voltage exceeds an upper limit value thereof.
前記(3)項に係る充電装置においては、応答電圧が基準電圧より高くなろうとすると、その流入電流が増加するように、降圧コンバータが制御される。その流入電流が増加すれば、充電用電源の電力および電圧が増加する傾向が抑制されるとともに、充電用電源からキャパシタに供給される電力が増加する結果、キャパシタの充電電圧が上昇する傾向が強まる。一方、キャパシタにおいては、それの充電電圧がそれの上限値(例えば、耐電圧)を超えないようにすることが必要である。 In the charging device according to the item (3), when the response voltage is going to be higher than the reference voltage, the step-down converter is controlled so that the inflow current increases. If the inflow current increases, the tendency of the power and voltage of the charging power supply to increase is suppressed, and the power supplied to the capacitor from the charging power supply increases, and as a result, the tendency to increase the charging voltage of the capacitor increases. . On the other hand, in a capacitor, it is necessary that its charging voltage does not exceed its upper limit (for example, withstand voltage).
このような知見に基づき、本項に係る充電装置においては、キャパシタの充電電圧がそれの上限値を超えようとすると、充電用電源による電気二重層キャパシタの充電が阻止される。 Based on such knowledge, in the charging device according to this section, when the charging voltage of the capacitor exceeds the upper limit value thereof, charging of the electric double layer capacitor by the charging power source is prevented.
(5) 前記降圧コンバータは、前記電気二重層キャパシタと共同してLCフィルタを構成するインダクタと、フライホイール・ダイオードと、前記発電電流が前記電気二重層キャパシタに供給されるライン上に設けられたスイッチング素子とを含む非絶縁型の降圧型スイッチング・レギュレータである(2)ないし(4)項のいずれかに記載の充電装置。 (5) The step-down converter is provided on an inductor that forms an LC filter in cooperation with the electric double layer capacitor, a flywheel diode, and a line through which the generated current is supplied to the electric double layer capacitor. The charging device according to any one of (2) to (4), which is a non-insulated step-down switching regulator including a switching element.
(6) 前記制御回路は、前記応答電圧と前記基準電圧との差である電圧差に基づき、前記スイッチング素子のデューティ比を制御する(5)項に記載の充電装置。 (6) The charging device according to (5), wherein the control circuit controls a duty ratio of the switching element based on a voltage difference that is a difference between the response voltage and the reference voltage.
本項における「制御回路」は、例えば、デューティ比を電圧差に応じて段階的に変更する態様で実施したり、連続的に変更する態様で実施することが可能である。後者の態様によれば、充電用電圧をきめ細かく制御することが容易である。 The “control circuit” in this section can be implemented, for example, in such a manner that the duty ratio is changed stepwise according to the voltage difference, or in a manner in which it is continuously changed. According to the latter aspect, it is easy to finely control the charging voltage.
(7) 前記制御回路は、前記スイッチング素子がオンされている導通時間が、前記基準電圧に対する前記応答電圧の不足量に応じて減少するように、その不足量に応じて前記スイッチング素子のデューティ比を制御する(5)または(6)項に記載の充電装置。 (7) The control circuit has a duty ratio of the switching element according to the shortage amount so that a conduction time in which the switching element is turned on is reduced according to the shortage amount of the response voltage with respect to the reference voltage. (5) or the charging device according to (6).
この充電装置においては、スイッチング素子がオンされている導通時間が、基準電圧に対する応答電圧の不足量に応じて減少させられる。一方、スイッチング素子の導通時間が短いほど、充電用電源からキャパシタに流れ込む流入電流が減少し、その結果、その充電用電源の電圧低下が抑制される。したがって、この充電装置によれば、スイッチング素子の導通時間の制御により、発電電圧がそれの下限値より低下することが抑制される。 In this charging apparatus, the conduction time during which the switching element is turned on is reduced according to the insufficient amount of the response voltage with respect to the reference voltage. On the other hand, as the conduction time of the switching element is shorter, the inflow current flowing from the charging power source into the capacitor is reduced, and as a result, the voltage drop of the charging power source is suppressed. Therefore, according to this charging device, the generated voltage is prevented from lowering from its lower limit value by controlling the conduction time of the switching element.
(8) 前記制御回路は、
前記電圧差を検出し、その検出された電圧差を反映する信号を出力する信号出力部と、
前記スイッチング素子のオンオフ制御を行うオンオフ制御部と
を含み、そのオンオフ制御部は、前記信号出力部から出力された信号に基づき、前記スイッチング素子のデューティ比を制御する(6)または(7)項に記載の充電装置。
(8) The control circuit includes:
A signal output unit for detecting the voltage difference and outputting a signal reflecting the detected voltage difference;
An on / off control unit that performs on / off control of the switching element, and the on / off control unit controls a duty ratio of the switching element based on a signal output from the signal output unit (6) or (7) The charging device described in 1.
(9) さらに、前記充電電圧がそれの上限値を超えようとすると、前記スイッチング素子を連続的にオフ状態に切り換える切換回路を含む(5)ないし(8)項のいずれかに記載の充電装置。 (9) The charging device according to any one of (5) to (8), further including a switching circuit that continuously switches the switching element to an off state when the charging voltage exceeds an upper limit value thereof. .
この充電装置においては、キャパシタの充電電圧がそれの上限値を超えようとすると、スイッチング素子が連続的にオフ状態に切り換えられる。その切換後には、キャパシタが充電用電源から電気的に切り離される結果、充電用電源によるキャパシタの追加的な充電が阻止される。よって、この充電装置によれば、キャパシタの充電電圧がそれの上限値を超えようとすることが抑制される。 In this charging apparatus, when the charging voltage of the capacitor exceeds the upper limit value thereof, the switching element is continuously switched off. After the switching, the capacitor is electrically disconnected from the charging power source, thereby preventing additional charging of the capacitor by the charging power source. Therefore, according to this charging apparatus, it is suppressed that the charging voltage of a capacitor tries to exceed the upper limit value.
以下、本発明のさらに具体的な実施の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, one of more specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本発明の一実施形態に従う充電装置が電気回路図で示されている。この充電装置10は、充電用電源としての太陽電池12によって電気二重層キャパシタ(以下、単に「キャパシタ」という。)14を充電するためにそれら太陽電池12と電気二重層キャパシタ14とに接続されて使用される。太陽電池12は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する形式の物理電池である。太陽電池12は、光エネルギーを直流電力に変換する。
FIG. 1 shows an electrical circuit diagram of a charging device according to an embodiment of the present invention. The charging
この充電装置10は、それのプラス入力端子20とマイナス入力端子22とにおいて太陽電池12のプラス側とマイナス側とにそれぞれ接続されている。この充電装置10は、さらに、それのプラス出力端子30とマイナス出力端子32とにおいてキャパシタ14のプラス側とマイナス側とにそれぞれ接続されている。
The charging
図1に示すように、この充電装置10は、プラス入力端子20とプラス出力端子30とを互いに接続するプラス側ライン40によって互いに接続され、一方、マイナス入力端子22とマイナス出力端子32とを互いに接続するマイナス側ライン42によって互いに接続されている。プラス側ライン40の途中には、それを順方向にバイアスするダイオード44が接続されている。マイナス側ライン42は接地されている。
As shown in FIG. 1, the charging
プラス側ライン40は、ダイオード44とプラス出力端子30との間において、電解コンデンサ46の一端部に接続されている。その電解コンデンサ46の他端部は接地されている。その電解コンデンサ46は、太陽電池12によってキャパシタ14が充電される際に太陽電池12の充電電圧Vsが変動することを抑制するために設けられている。
The
この充電装置10は、プラス側ライン40とマイナス側ライン42とに跨って降圧インバータ50を備えている。この降圧インバータ50は、非絶縁型の降圧型スイッチング・レギュレータとして構成されている。
The charging
この降圧インバータ50は、具体的には、図1に示すように、プラス側ライン40の途中に、互いに直列に接続されたチョッパ式のスイッチング回路52とインダクタ54とを備えている。そのインダクタ54は、キャパシタ14に接続されてLCフィルタを形成する。この降圧インバータ50は、さらに、プラス側ライン40のうちスイッチング回路52とインダクタ54との間の部分と、マイナス側ライン42との間に接続されたフライホイール・ダイオード(以下、単に「ダイオード」という。)56を備えている。
Specifically, the step-down
この降圧インバータ50は、太陽電池12の発電電圧Vsより低い電圧がキャパシタ14に印加される一方、太陽電池12の発電電流Isより大きい電流がキャパシタ14に供給されるように、太陽電池12からキャパシタ14に供給される電力を変換する機能を有する。
The step-down
この降圧インバータ50は、よく知られているように、スイッチング回路52のオンオフによって発生した方形波(断続波形)を上述のLCフィルタによって平滑化する方式である。この方式は、入力電圧、すなわち、太陽電池12の発電電圧Vsより出力電圧、すなわち、キャパシタ14の充電電圧Vcが低い場合に採用される。
As is well known, the step-down
この降圧インバータ50においては、スイッチング回路52がオン(導通)状態にある期間に、太陽電池12の電気エネルギーがスイッチング回路52を経てインダクタ54に蓄積される。その後、スイッチング回路52がオフ(遮断)状態に切り換えられると、インダクタ54、キャパシタ14およびダイオード56から成る閉回路により、インダクタ54に蓄積された電気エネルギーがキャパシタ14に供給される。スイッチング回路52のオンオフを繰り返すことにより、太陽電池12の電気エネルギーがキャパシタ14に供給され、それにより、太陽電池12によってキャパシタ14が充電される。
In the step-down
この際、キャパシタ14の充電電圧Vcは、スイッチング回路52のデューティ比、すなわち、スイッチング回路52がオンしている導通時間TONを、その導通時間TONと非導通時間TOFFとの和で割り算した値に基づいて太陽電池12の発電電圧Vsが降圧された高さを有する。発電電圧Vsが降圧された電圧が充電電圧Vcとなれば、それと引き換えに、太陽電池12の発電電流Isが増加させられた電流がキャパシタ14の充電電流Icとなる。
At this time, the charging voltage Vc of the
さらに、この降圧インバータ50においては、太陽電池12から降圧インバータ50に流れ込む流入電流は、発電電圧Vsから充電電圧Vcを差し引いた値と流入時間t(=導通時間TONの積分値)との積に基づいて決まる。この流入電流が多いほど、太陽電池12からキャパシタ14に供給される電力も多く、そのため、発電電圧Vsが低下する原因となる。
Further, in the step-down
図1に示すように、スイッチング回路52は、PWM回路60に接続されている。このPWM回路60は、スイッチング回路52のデューティ比制御の一例であるパルス幅変調(PWM)をスイッチング回路52に対して行うように設計されている。
As shown in FIG. 1, the switching
このPWM回路60は、三角波発生回路62に接続されている。この三角波発生回路62は、図2(a)においてグラフで表すように、一定の周波数(例えば、1[kHz])で三角波を発生させる。その発生させられた三角波にしきい値Vthを適用すれば、そのしきい値Vthに応じて持続時間すなわちパルス幅が変調されるパルス波が発生させられる。このパルス波がスイッチング回路52に供給されれば、その変調されたパルス幅に応じたデューティ比でスイッチング回路52がオンオフされる。
This
図1に示すように、PWM回路60は、さらに、比較回路64にも接続されている。この比較回路64は、上述のしきい値VthをPWM回路60に入力するために設けられている。
As shown in FIG. 1, the
この比較回路64の第1入力端子(−)および第2入力端子(+)はそれぞれ、プラス側ライン40および基準電圧発生回路66に接続されている。第1入力端子(−)には発電電圧Vsの分電圧Vsd(これについては後に詳述する。)が連続値として印加される。この比較回路64は、それら分電圧Vsdと基準電圧Vrefとの差に応じて、より具体的には、基準電圧Vrefに対する分電圧Vsdの電圧差ΔVに応じて連続的に変化するしきい値Vthを表すしきい値信号を出力する。
The first input terminal (−) and the second input terminal (+) of the
具体的には、比較回路64は、しきい値Vthを、分電圧Vsdが基準電圧Vrefより低いレベルからその基準電圧Vrefに近づくにつれて、下降するように設定する一方、分電圧Vsdが基準電圧Vrefより高いレベルからその基準電圧Vrefに近づくにつれて、上昇するように設定する。
Specifically, the
図2(a)には、この比較回路64によって設定されるしきい値Vthが、三角波発生回路62によって発生させられる三角波との関係において、2つの代表的な場合を例にとり、グラフで表されている。この比較回路64は、オペアンプ96の直流ゲインが最大であるため、第1入力端子(−)の電圧と第2入力端子(+)の電圧とが極限まで互いに接近するように、動作する。
In FIG. 2A, the threshold value Vth set by the
キャパシタ14の充電初期にMOSFET80がオンすると、太陽電池12の発電電圧Vsとキャパシタ14の充電電圧Vcとの電圧差が大きいため、太陽電池12からキャパシタ14に大電流が流れる。そのため、MOSFET80が短時間オンしただけで、発電電圧Vsが大きく低下する。その結果、しきい値Vthがしきい値VBのレベルにある状態(図2(c)参照)で、オペアンプ96の第1入力端子(−)の電圧と第2入力端子(+)の電圧とが互いに等しくなる。
When the
これに対し、キャパシタ14の充電後期にMOSFET80がオンすると、太陽電池12の発電電圧Vsとキャパシタ14の充電電圧Vcとの電圧差が小さいため、太陽電池12からキャパシタ14に小電流しか流れない。そのため、MOSFET80が長時間オンしても、発電電圧Vsの低下量が少なくて済む。その結果、しきい値Vthがしきい値VAのレベルにある状態(図2(b)参照)で、オペアンプ96の第1入力端子(−)の電圧と第2入力端子(+)の電圧とが互いに等しくなる。
On the other hand, when the
よって、この比較回路64によれば、太陽電池12の発電電圧Vsが一定に保たれるため、図2(d)および(e)に示すように、太陽電池12からキャパシタ14に流れる電流の値と、MOSFET80のオン時間の長さとの積が、キャパシタ14の充電電力に比例することになる。また、この比較回路64においては、オペアンプ96に積分コンデンサが取り付けられているため、降圧インバータ50のスイッチング動作によって発生するリップルが十分吸収され、それにより、この比較回路64は、安定したしきい値電圧Vthを発生させる。
Therefore, according to this
比較回路64からPWM回路60に出力されるしきい値Vthがしきい値VAである場合には、図2(b)にグラフで表すように、導通時間TONが非導通時間TOFFより長いパルス波が発生させられ、このパルス波に従ってスイッチング回路52がオンオフされる。これに対し、比較回路64からPWM回路60に出力されるしきい値Vthがしきい値VBである場合には、図2(c)にグラフで表すように、導通時間TONが非導通時間TOFFより短いパルス波が発生させられ、このパルス波に従ってスイッチング回路52がオンオフされる。
When the threshold value Vth output from the
比較回路64からPWM回路60に出力されるしきい値Vthが最高レベルを示す場合には、スイッチング回路52が連続的に導通状態となり、太陽電池12からキャパシタ14への連続的な電力供給が可能となる。
When the threshold value Vth output from the
キャパシタ14が放電状態に近い場合には、キャパシタ14の充電電圧Vcが0に近く、そのため、太陽電池12の発電電圧Vsとの電圧差が大きい。それにもかかわらず太陽電池12をキャパシタ14に導通させる導通時間を長くすると、太陽電池12からキャパシタ14に多くの電力が流出し、その結果、太陽電池12の発電電圧Vsが低下し易い。
When the
一方、降圧インバータ50においては、スイッチング回路52の導通時間TONが短いほど、太陽電池12からキャパシタ14に流出する電流の量が制限され、その結果、太陽電池12の発電電圧Vsが低下し難くなる。
On the other hand, in the step-down
これに対し、キャパシタ14が満充電状態に近い場合には、キャパシタ14の充電電圧Vcがそれの上限値に近く、そのため、太陽電池12の発電電圧Vsとの電圧差が小さい。よって、太陽電池12をキャパシタ14に導通させる導通時間を長くしても、太陽電池12からキャパシタ14に多くの電流が流出せずに済み、その結果、太陽電池12の発電電圧Vsが低下せずに済む。
On the other hand, when the
そこで、降圧インバータ50は、キャパシタ14の充電電圧Vcの低電圧期間(充電期間の前半)においては、スイッチング回路52の導通時間TONが短くなるように動作させられる。その結果、太陽電池12から降圧インバータ50に流れ込む電流が減少し、太陽電池12の発電電圧Vsを一定の電圧に保つことができる。
Therefore, the step-down
これに対し、降圧インバータ50は、キャパシタ14の充電電圧Vcの高電圧期間(充電期間の後半)においては、スイッチング回路52の導通時間TONが長くなるように動作させられる。その結果、太陽電池12によってキャパシタ14が効率よく充電される。
In contrast, down
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、分電圧Vsdと基準電圧Vrefとの関係としてそれらの電圧差が検出され、その結果がスイッチング回路52のデューティ比に反映される。それにより、分電圧Vsdが基準電圧Vrefに保持されつつ、キャパシタ14が放電状態に近い場合には低電圧大電流、満充電状態に近い場合には高電圧小電流がそれぞれキャパシタ14に供給される。
As is clear from the above description, in this embodiment, the voltage difference is detected as the relationship between the divided voltage Vsd and the reference voltage Vref, and the result is reflected in the duty ratio of the switching
このように、本実施形態においては、分電圧Vsdと基準電圧Vrefとの大小関係を監視することにより、キャパシタ14の充電電圧Vcの上昇につれて、降圧インバータ50からキャパシタ14に印加される電圧は次第に上昇する一方、降圧インバータ50からキャパシタ14に供給される電流は次第に減少するように、それら印加電圧および供給電流が適応的に制御される。
Thus, in the present embodiment, by monitoring the magnitude relationship between the divided voltage Vsd and the reference voltage Vref, the voltage applied from the step-down
その結果、本実施形態によれば、放電状態にあるキャパシタ14を太陽電池12によって充電し始める場合であっても、太陽電池12の発電電力を確保することにより、太陽電池12によってキャパシタ14を効率よく充電することが可能となる。
As a result, according to the present embodiment, even when the
図1に示すように、この充電装置10は、さらに、過充電防止回路70を備えている。この過充電防止回路70は、キャパシタ14の充電電圧Vcがそれの上限値を超えようとすると、スイッチング回路52を連続的にオフさせることにより、キャパシタ14から太陽電池12を電気的に遮断するように動作させられる。
As shown in FIG. 1, the charging
図3(a)には、この充電装置10を使用する場合に、太陽電池12の発電電圧Vsが示す時間的推移の一例が概念的にグラフで表されている。この例においては、発電電圧Vsが保持される保持電圧が12.0[V]に設定されている。図3(b)には、この充電装置10を使用する場合に、キャパシタ14の充電電圧Vcが示す時間的推移の一例が概念的にグラフで表されている。この例においては、充電電圧Vcの上限値が12.5[V]に設定されている。
FIG. 3A conceptually shows a graph of an example of temporal transition indicated by the power generation voltage Vs of the
図4には、この充電装置10のさらに具体的な構成の一例が電気回路図で示されている。この例においては、キャパシタ14が、5個の個別キャパシタの直列回路が2個、互いに並列に接続されて構成されている。各個別キャパシタの耐電圧は2.5[V]であるため、キャパシタ14全体の耐電圧は12.5[V]である。
FIG. 4 is an electric circuit diagram showing an example of a more specific configuration of the charging
図4に示すように、スイッチング回路52は、MOSFET80を主体として構成されている。PWM回路60は、トランジスタ82とコンパレータ84とを備えている。
As shown in FIG. 4, the switching
トランジスタ82のコレクタはMOSFET80のゲート電極に接続され、エミッタは接地されている。トランジスタ82のベースは、コンパレータ84の出力端子に接続されている。
The collector of the
コンパレータ84は、第1入力端子(−)と第2入力端子(+)とを有している。第1入力端子は、後述のオペアンプ96の出力端子に接続される一方、第2入力端子は、三角波発生回路62に接続されている。
The
このコンパレータ84は、第1入力端子の電圧(しきい値Vthを反映する)が第2入力端子の電圧(三角波を反映する)より高い場合にはローレベルとなり、そうではない場合にはハイレベルとなる信号を出力する。
The
比較回路64は、減算と積分とを行うために、オペアンプ96とキャパシタ98とを含むように構成されている。オペアンプ96の出力端子は、コンパレータ84の第1入力端子に接続されている。そのオペアンプ96は、第1入力端子(−)と第2入力端子(+)とを有している。
The
オペアンプ96の第1入力端子(−)には、太陽電池12の発電電圧Vsがそのまま印加されるのではなく、分圧抵抗器100,102,104によって太陽電池12の全電圧が分圧された前述の分電圧Vsdが印加される。これに対し、オペアンプ96の第2入力端子(+)は、基準電圧発生回路66に接続されており、固定値である基準電圧Vrefが印加される。
The first input terminal (−) of the
その分電圧Vsdは、太陽電池12の全電圧が前述の保持電圧である12.0[V]に等しいときに、固定値である基準電圧Vrefと等しくなるように、可変抵抗器である分圧抵抗器102によって設定されている。すなわち、本実施形態においては、この分電圧Vsdが、前記(1)項における「応答電圧」の一例なのである。
The divided voltage Vsd is divided by a variable resistor so that it becomes equal to the reference voltage Vref which is a fixed value when the total voltage of the
そして、この比較回路64は、応答電圧を表す入力アナログ信号を時間に関して積分した信号を、基準電圧Vrefを表す入力アナログ信号から減算することにより、出力アナログ信号を出力する。その出力アナログ信号は、連続値である。
The
図4に示すように、過充電防止回路70は、キャパシタ14の全電圧が分圧された分電圧Vcdを取り出すための分圧抵抗器110,112,114を備えている。この過充電防止回路70は、さらに、その分電圧Vcdが印加される第1入力端子(−)と、基準電圧発生回路66から基準電圧V0が印加される第2入力端子(+)とを有するコンパレータ120とを備えている。
As shown in FIG. 4, the
コンパレータ120の出力端子は、トランジスタ82のベースに接続されている。コンパレータ120は、分電圧Vcdが基準電圧V0を超えると、トランジスタ82をターンオフしてMOSFET80もターンオフするための信号をトランジスタ82のベースに出力する。その分電圧Vcdは、キャパシタ14の全電圧がそれの耐電圧に等しいときに、固定値である基準電圧V0と等しくなるように、可変抵抗器である分圧抵抗器112によって設定されている。
The output terminal of the
コンパレータ120は、第1入力端子の電圧(分電圧Vcdを反映する)が第2入力端子の電圧(基準電圧V0を反映する)より高い場合にはハイレベルである信号を出力する一方、そうではない場合にはローレベルである信号を出力する。
The
すなわち、本実施形態においては、太陽電池12の分電圧Vsdと基準電圧Vrefとの差がフィードバックされることにより、降圧インバータ50のデューティ比に対して少なくとも比例制御が実行され、それにより、分電圧Vsdが基準電圧Vrefから外れないようにされつつ、太陽電池12の発電電力が、キャパシタ14の充電時間を短縮するのに好適な特性で変換されるのである。
That is, in the present embodiment, by feeding back the difference between the divided voltage Vsd of the
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、降圧インバータ50が前記(1)項における「チョッパ式の降圧コンバータ」の一例を構成し、PWM回路60、三角波発生回路62、比較回路64および基準電圧発生回路66が互いに共同して同項、前記(2)項および前記(3)項における「制御回路」の一例を構成しているのである。
As is apparent from the above description, in the present embodiment, the step-down
さらに、本実施形態においては、過充電防止回路70が前記(4)項における「充電阻止回路」の一例を構成し、降圧インバータ50が前記(5)項における「降圧型スイッチング・レギュレータ」の一例を構成し、スイッチング回路52が同項における「スイッチング素子」の一例を構成し、PWM回路60、三角波発生回路62、比較回路64および基準電圧発生回路66が互いに共同して前記(6)項における「制御回路」の一例を構成しているのである。
Further, in the present embodiment, the
さらに、本実施形態においては、比較回路64と基準電圧発生回路66とが互いに共同して前記(7)項における「信号出力部」の一例を構成し、PWM回路60および三角波発生回路62とが互いに共同して同項における「オンオフ制御部」の一例を構成し、過充電防止回路70が前記(8)項における「切換回路」の一例を構成しているのである。
Furthermore, in the present embodiment, the
なお付言するに、本実施形態においては、充電用電源として太陽電池12が使用されているが、他の形式の発電機を使用することが可能である。例えば、手回し式の発電機や風力発電機を使用することが可能である。
In addition, in the present embodiment, the
充電用電源として手回し式の発電機や風力発電機を使用する場合には、発電機の回転数に比例してその発電機に電圧が発生する。そのため、この種の発電機には、キャパシタ14の放電状態においては、大電流・低電圧すなわち高トルク・低回転数が必要であるが、満充電状態に近づくにつれて、小電流・高電圧すなわち低トルク・高回転数が必要となる。このように、この種の発電機を使用する場合には、キャパシタ14の充放電状態の推移に追従するように発電機を作動させることが、その発電機によってキャパシタ14を安定的に充電するために重要であるが、そのように発電機を作動させることは困難である。
When a hand-driven generator or wind power generator is used as a charging power source, a voltage is generated in the generator in proportion to the number of revolutions of the generator. Therefore, this type of generator requires a large current / low voltage, that is, a high torque / low rotation speed in the discharging state of the
これに対し、この種の発電機によってキャパシタ14を充電するためにこの充電装置10を使用すれば、この充電装置10が自動的に、キャパシタ14の充放電状態の推移に追従した電流および電圧の変換を行うため、この種の発電機を一定のトルク・回転数で作動させるのみで、キャパシタ14を有効に充電するのに必要な電力が発生させられる。よって、この充電装置10によれば、この種の発電機によってキャパシタ14を充電する場合であっても、キャパシタ14を短時間で簡単に充電することが可能となる。
On the other hand, if the charging
以上、本発明の実施の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明したが、これは例示であり、前記[発明の開示]の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, this is an exemplification and is based on the knowledge of those skilled in the art including the aspects described in the section of [Disclosure of the Invention]. The present invention can be implemented in other forms with various modifications and improvements.
10 充電装置
12 太陽電池
14 電気二重層キャパシタ
50 降圧インバータ
52 スイッチング回路
54 インダクタ
56 フライホイール・ダイオード
60 PWM回路
62 三角波発生回路
64 比較回路
66 基準電圧発生回路
70 過充電防止回路
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記充電用電源の発電電圧より低い電圧が前記電気二重層キャパシタに印加される一方、前記充電用電源の発電電流より大きい電流が前記電気二重層キャパシタに供給されるように、前記充電用電源から前記電気二重層キャパシタに供給される電力を変換する機能を有するチョッパ式の降圧コンバータと、
前記発電電圧に応答する応答電圧と基準電圧との関係に基づき、前記充電用電源による前記電気二重層キャパシタの充電によって前記発電電圧がそれの下限値より低下しないように前記降圧コンバータを制御する制御回路と
を含む充電装置。 A charging device that is used by being connected to the charging power source and the electric double layer capacitor to charge the electric double layer capacitor with the charging power source,
A voltage lower than the power generation voltage of the charging power source is applied to the electric double layer capacitor, while a current larger than the power generation current of the charging power source is supplied to the electric double layer capacitor. A chopper type step-down converter having a function of converting electric power supplied to the electric double layer capacitor;
Control that controls the step-down converter based on a relationship between a response voltage that is responsive to the generated voltage and a reference voltage so that the generated voltage does not fall below a lower limit value due to charging of the electric double layer capacitor by the charging power source. A charging device including a circuit.
前記電圧差を検出し、その検出された電圧差を反映する信号を出力する信号出力部と、
前記スイッチング素子のオンオフ制御を行うオンオフ制御部と
を含み、そのオンオフ制御部は、前記信号出力部から出力された信号に基づき、前記スイッチング素子のデューティ比を制御する請求項6または7に記載の充電装置。 The control circuit includes:
A signal output unit for detecting the voltage difference and outputting a signal reflecting the detected voltage difference;
The on-off control part which performs on-off control of the said switching element, The on-off control part controls the duty ratio of the said switching element based on the signal output from the said signal output part. Charging device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013102571A (en) * | 2011-11-07 | 2013-05-23 | Sony Corp | Power supply device, power control system, and starting method of electrical apparatus |
-
2005
- 2005-01-19 JP JP2005011011A patent/JP2006203983A/en active Pending
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