JP2007267491A - 電気二重層キャパシタによる電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気二重層キャパシタに蓄えられている電力を電力変換回路を介して負荷に供給する電源装置において、小型かつ低コストの電力変換回路にて負荷で消費される電力の変動幅が大きいハイパワーの電力経路に対応できるようにする。
【解決手段】電気二重層のキャパシタ１０から電力変換回路２０を介して負荷４０に至る第１給電経路４１に加えて、キャパシタ１０からダイレクトに負荷４０に至り、その経路内に開閉素子４２ａを有する第２給電経路４２と、キャパシタ１０の出力電圧に基づいて開閉素子４２ａをオンオフ制御する制御手段３０とを備え、電力変換回路２０の定格出力電圧を負荷が必ず動作する負荷最低保証電圧以上の電圧に設定したうえで、キャパシタ１０の出力電圧が負荷最低保証電圧よりも高いときには、開閉素子４２ａをオンにして第２給電経路４２より負荷４０に給電し、キャパシタ１０の出力電圧が負荷最低保証電圧を下回る場合には開閉素子４２ａをオフにして第１給電経路４１より負荷４０に給電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタによる電源装置に関し、さらに詳しく言えば、負荷で消費される電力の変動幅が大きい電力用途に好適な電気二重層キャパシタによる電源装置に関するものである。

電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）は、二次電池などのように化学反応を利用せず、電気をそのまま蓄電する素子であるため、大電力を急速に充放電することができる反面、その充放電にともなってキャパシタの出力電圧が変動するという特性を有している。

すなわち、キャパシタに蓄電されるエネルギーＥと電圧Ｖは、Ｅ＝ＣＶ^２／２（Ｃは静電容量）の関係にある。これを電圧Ｖで書き表すと、Ｖ＝√（２Ｅ／Ｃ）となり、キャパシタの電圧Ｖは蓄電エネルギーの平方根に比例して変動する。

そこで、電気二重層キャパシタが持つ特徴を活かしながら定電圧で充放電させるようにするため、電力変換回路を介して電気二重層キャパシタから負荷に電力を供給し、負荷側で回生電力が発生される場合には、その回生電力を電気二重層キャパシタに蓄電することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−８７６８７号公報

上記電力変換回路には、例えばスイッチングレギュレータなどからなる定電流充放電回路（いわゆる電流ポンプ）が用いられるが、電気二重層キャパシタから負荷に大きな瞬時ピーク電力を供給したり、逆に負荷で発生する瞬時ピーク回生電力を電気二重層キャパシタに吸収するハイパワーの電力経路に対応するには、許容電力値が大で、しかも寸法的にも大型で高コストの電力変換回路を必要とするという問題がある。

したがって、本発明の課題は、電気二重層キャパシタに蓄えられている電力を電力変換回路を介して負荷に供給する電気二重層キャパシタによる電源装置において、小型かつ低コストの電力変換回路にて負荷で消費される電力の変動幅が大きいハイパワーの電力経路に対応できるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載されているように、主電源としての電気二重層キャパシタと、定電流充放電特性を有する電力変換回路とを含み、上記電気二重層キャパシタに蓄えられている電力を上記電力変換回路を介して所定の負荷に供給する電気二重層キャパシタによる電源装置において、上記電気二重層キャパシタから上記電力変換回路を介して上記負荷に至る経路を第１給電経路として、上記第１給電経路に加えて、上記電気二重層キャパシタから上記電力変換回路をバイパスして上記負荷に至り、その経路内に開閉素子を有する第２給電経路と、上記電気二重層キャパシタの出力電圧に基づいて上記開閉素子をオンオフ制御する制御手段とを備え、上記電力変換回路の定格出力電圧が上記負荷が必ず動作する負荷最低保証電圧以上の電圧に設定されており、上記制御手段は、上記電気二重層キャパシタの出力電圧が上記負荷最低保証電圧よりも高いときには上記開閉素子をオンにして上記第２給電経路より上記負荷に給電し、上記電気二重層キャパシタの出力電圧が上記負荷最低保証電圧を下回る場合には上記開閉素子をオフにして上記第１給電経路より上記負荷に給電することを特徴としている。

上記請求項１では、上記電気二重層キャパシタの出力電圧と上記負荷最低保証電圧とを比較しているが、上記電力変換回路の定格出力電圧が上記負荷が必ず動作する負荷最低保証電圧以上の電圧に設定されていることを条件として、請求項２に記載のように、上記制御手段は、上記電気二重層キャパシタの出力電圧が上記電力変換回路の定格出力電圧よりも高いときには上記開閉素子をオンにして上記第２給電経路より上記負荷に給電し、上記電気二重層キャパシタの出力電圧が上記電力変換回路の定格出力電圧を下回る場合には上記開閉素子をオフにして上記第１給電経路より上記負荷に給電するようにしてもよい。

上記請求項１または上記請求項２のいずれの場合においても、本発明では、請求項３に記載のように、上記負荷から回生電力が発生される場合、上記制御手段は、上記開閉素子をオンにして、上記回生電力を上記第２給電経路を介して上記電気二重層キャパシタに充電する。

本発明によれば、電気二重層キャパシタから電力変換回路を介して負荷に至る第１給電経路に加えて、電気二重層キャパシタから電力変換回路をバイパスして負荷に至り、その経路内に開閉素子を有する第２給電経路と、電気二重層キャパシタの出力電圧に基づいて開閉素子をオンオフ制御する制御手段とを備え、電力変換回路の定格出力電圧を負荷が必ず動作する負荷最低保証電圧以上の電圧に設定したうえで、電気二重層キャパシタの出力電圧が負荷最低保証電圧（もしくは電力変換回路の定格出力電圧）よりも高いときには、開閉素子をオンにして第２給電経路より負荷に給電し、電気二重層キャパシタの出力電圧が負荷最低保証電圧（もしくは電力変換回路の定格出力電圧）を下回る場合には開閉素子をオフにして第１給電経路より負荷に給電し、また、負荷から回生電力が発生される場合には、その回生電力を第２給電経路を介して電気二重層キャパシタに充電するようにしたことにより、電力変換回路は瞬時のピーク電力に対応できるものでなくてよく、したがって、小型かつ低コストの電力変換回路にて負荷で消費される電力の変動幅が大きいハイパワーの電力経路に対応でき、しかも負荷を正常な状態で確実に駆動することができる。

次に、図１ないし図３により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明に係る電気二重層キャパシタによる電源装置の構成例を示す模式図，図２は上記電源装置の出力波形の一例を示すグラフ，図３は本発明の動作説明用のフローチャートである。

図１に示すように、この電源装置には、基本的な構成として、主電源である電気二重層キャパシタ１０と、電流ポンプとも呼ばれる電力変換回路２０と、制御手段３０とが含まれ、制御手段３０により選択された後述する給電経路を介して電気二重層キャパシタ１０に蓄電されている電力を負荷４０に供給する。

電気二重層キャパシタ１０は、実際には複数のキャパシタセルを好ましくは直列に接続したキャパシタバンクであり、図示しない充電電源により適宜充電されるが、充電方式は充電効率の観点から定電流充電であることが好ましい。なお、電気二重層キャパシタ１０の出力電圧をＶａとする。

電力変換回路２０は定電流充放電特性を有し、例えば昇圧型，降圧型などのスイッチングレギュレータから構成されてよい。ここで、負荷３０を動作させるに必要な最低電圧である負荷最低保証電圧をＶｂ，電力変換回路２０の定格出力電圧をＶｃとすると、本発明では、電力変換回路２０の定格出力電圧Ｖｃは負荷最低保証電圧Ｖｂ以上、すなわちＶｃ≧Ｖｂに設定される。なお、等号を外してＶｃ＞Ｖｂとしてもよい。

本発明では、電気二重層キャパシタ１０から電力変換回路２０を介して負荷４０に至る経路を第１給電経路４１として、これとは別に、電気二重層キャパシタ１０から電力変換回路２０をバイパスしてダイレクトに負荷４０に至り、その途中に開閉素子４２ａが接続されている第２給電経路４２を備える。開閉素子４２ａは機械式，電子式のいずれであってもよい。

制御手段３０は、電気二重層キャパシタの出力電圧Ｖａに基づいて、第２給電経路４２に含まれている開閉素子４２ａのオンオフを制御する。電気二重層キャパシタ１０が電力変換回路２０の定格出力電圧Ｖｃよりも高い電圧にまで充電されているものとして、開閉素子４２ａをオンにすると、電気二重層キャパシタ１０から第２給電経路４２を介して負荷４０に図２にダイレクト動作モードとして示すような大電流が供給される。

これに対して、開閉素子４２ａがオフの場合には、電力変換回路２０側から第１給電経路４１を介して負荷４０に図２にポンプ動作モードとして示すような定電流が供給されることになる。

また、負荷４０が例えばインバータにより駆動される交流電動機である場合、その回生モード時にも開閉素子４２ａがオンとされ、回生電流が第２給電経路４２を介して電気二重層キャパシタ１０にダイレクトに充電される。

次に、図３（ａ）（ｂ）のフロチャートにより、本発明の第１動作例と第２動作例について説明する。まず、図３（ａ）の第１動作例では、制御手段３０は、ステップＳＴ１で電気二重層キャパシタ１０が電力出力状態であるかどうかを判定し、電力出力状態であれば、次のステップＳＴ２で電気二重層キャパシタ１０の出力電圧Ｖａが負荷最低保証電圧Ｖｂ以上（Ｖａ≧Ｖｂ）であるかどうかを判定する。なお、判定基準をＶａ＞Ｖｂとしてもよい。

その結果、Ｖａ≧Ｖｂの場合には、ステップＳＴ３ａで第２給電経路４２による給電を行う。すなわち、開閉素子４２ａをオンとして電気二重層キャパシタ１０から第２給電経路４２を介して負荷４０に直接的に電力を供給する（図２のダイレクト動作モード）。

これに対して、Ｖａ≧Ｖｂでなく、電気二重層キャパシタ１０の出力電圧Ｖａが負荷最低保証電圧Ｖｂを下回るような場合には、ステップＳＴ３ｂで第１給電経路４１による給電を行う。すなわち、開閉素子４２ａをオフとして、電力変換回路２０から負荷４０に電力を供給する（図２のポンプ動作モード）。

この場合、上記したように電力変換回路２０の定格出力電圧Ｖｃは負荷最低保証電圧Ｖｂ以上に設定されているため、負荷４０は正常に動作する。このようにして、制御手段３０により、第２給電経路４２による給電と、第１給電経路４１による給電のいずれかが選択され、これがステップＳＴ４で出力停止指令が出されるまで実行される。

次に、図３（ｂ）により、本発明の第２動作例について説明する。この第２動作例と上記第１動作例との異なる点は、上記第１動作例では、ステップＳＴ２でＶａ≧Ｖｂであるかどうかを判定するようにしているのに対して、この第２動作例では、図３（ｂ）に示すように、Ｖａ≧Ｖｃ，すなわち電気二重層キャパシタ１０の出力電圧Ｖａが電力変換回路２０の定格出力電圧Ｖｃ以上かどうかを判定するようにしている。

この第２動作例においても、上記第１動作例と同じく、電力変換回路２０の定格出力電圧Ｖｃは負荷最低保証電圧Ｖｂ以上に設定されていることを条件としているため、Ｖａ≧Ｖｃの場合には、ステップＳＴ３ａで第２給電経路４２による給電を行い、Ｖａ≧Ｖｃでない場合には、ステップＳＴ３ｂで第１給電経路４１による給電を行っても、負荷４０は正常に動作する。

以上説明したように、本発明によれば、負荷に対して第２給電経路４２により例えば瞬時のピーク電力を供給することができ、また、電気二重層キャパシタ１０の出力電圧Ｖａが低下したとしても、電力変換回路２０から第１給電経路４１を介して定常電力が供給される。したがって、本発明は、定常状態になるまでは抵抗値がほぼ０に近いくらいに低いが、定常状態では高抵抗値となる機器、例えば複写機のニクロム線によるドラム加熱部や電動機などの電源として特に有効である。

本発明に係る電気二重層キャパシタによる電源装置の構成例を示す模式図。 上記電源装置の出力波形の一例を示すグラフ。 本発明の動作説明用のフローチャート。

符号の説明

１０ 電気二重層キャパシタ
２０ 電力変換回路
３０ 制御手段
４０ 負荷
４１ 第１給電経路
４２ 第２給電経路
４２ａ 開閉素子

Claims (3)

1. 主電源としての電気二重層キャパシタと、定電流充放電特性を有する電力変換回路とを含み、上記電気二重層キャパシタに蓄えられている電力を上記電力変換回路を介して所定の負荷に供給する電気二重層キャパシタによる電源装置において、
   上記電気二重層キャパシタから上記電力変換回路を介して上記負荷に至る経路を第１給電経路として、上記第１給電経路に加えて、上記電気二重層キャパシタから上記電力変換回路をバイパスして上記負荷に至り、その経路内に開閉素子を有する第２給電経路と、上記電気二重層キャパシタの出力電圧に基づいて上記開閉素子をオンオフ制御する制御手段とを備え、
   上記電力変換回路の定格出力電圧が上記負荷が必ず動作する負荷最低保証電圧以上の電圧に設定されており、
   上記制御手段は、上記電気二重層キャパシタの出力電圧が上記負荷最低保証電圧よりも高いときには上記開閉素子をオンにして上記第２給電経路より上記負荷に給電し、上記電気二重層キャパシタの出力電圧が上記負荷最低保証電圧を下回る場合には上記開閉素子をオフにして上記第１給電経路より上記負荷に給電することを特徴とする電気二重層キャパシタによる電源装置。
2. 主電源としての電気二重層キャパシタと、定電流充放電特性を有する電力変換回路とを含み、上記電気二重層キャパシタに蓄えられている電力を上記電力変換回路を介して所定の負荷に供給する電気二重層キャパシタによる電源装置において、
   上記電気二重層キャパシタから上記電力変換回路を介して上記負荷に至の経路を第１給電経路として、上記第１給電経路に加えて、上記電気二重層キャパシタから上記電力変換回路をバイパスして上記負荷に至り、その経路内に開閉素子を有する第２給電経路と、上記電気二重層キャパシタの出力電圧に基づいて上記開閉素子をオンオフ制御する制御手段とを備え、
   上記電力変換回路の定格出力電圧が上記負荷が必ず動作する負荷最低保証電圧以上の電圧に設定されており、
   上記制御手段は、上記電気二重層キャパシタの出力電圧が上記電力変換回路の定格出力電圧よりも高いときには上記開閉素子をオンにして上記第２給電経路より上記負荷に給電し、上記電気二重層キャパシタの出力電圧が上記電力変換回路の定格出力電圧を下回る場合には上記開閉素子をオフにして上記第１給電経路より上記負荷に給電することを特徴とする電気二重層キャパシタによる電源装置。
3. 上記負荷から回生電力が発生される場合、上記制御手段は、上記開閉素子をオンにして、上記回生電力を上記第２給電経路を介して上記電気二重層キャパシタに充電することを特徴とする請求項１または２に記載の電気二重層キャパシタによる電源装置。
   

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