JP2007288931A - キャパシタ蓄電電源用放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタモジュールの満充電電圧の４分の１程度まで利用し、蓄電された電力を高い効率で利用することができる放電回路モジュールを提供する。
【解決手段】電気二重層キャパシタ（１１）に蓄電するキャパシタ蓄電電源（１）から負荷に放電するキャパシタ蓄電電源用放電装置であり、放電を制御する制御回路（２、３）と、主電源回路（６）及び補助電源回路（５）とから構成され、制御回路（２、３）に電源を供給する制御用電源回路と、主電源回路（６）のみで制御用電源回路（２、３）を動作させるか、主電源回路（６）と補助電源回路（５）とで制御用電源回路（２、３）を動作させるかを切り換える昇圧動作制御回路（７）と、を備えており、キャパシタ蓄電電源（１）の電圧に応じて昇圧動作制御回路（７）の切り換えを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタに蓄電するキャパシタ蓄電電源から負荷に放電するキャパシタ蓄電電源用放電装置に関する。

複数の電気二重層キャパシタを直列接続して構成する高電圧大容量の蓄電電源装置において、蓄電電源の端子電圧は、キャパシタの蓄電量の平方根に比例して変動する。そこで、このような蓄電電源の放電装置では、変動の大きい端子電圧から制御用に安定した電源を確保するためにＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）制御を用い、パルス幅を変化させて所望の充放電制御（例えば、定電流制御ＣＣ、停電力制御ＣＰ、定電圧制御ＣＶの切り換え）を実現している。

また、メインスイッチ回路をオン／オフしてチョークコイルにエネルギーを蓄積して整流ダイオードを通して蓄積したエネルギーを放出するスイッチング電源装置において、低電圧の直流出力を得る場合に整流ダイオードによる損失の割合が大きくなる。そのため、メインスイッチ回路のオン／オフと逆位相でオン／オフさせる同期整流回路（スイッチ回路）を整流ダイオードに代えて用いることにより、損失の低減を図っている。ＰＷＭ制御を行うキャパシタ蓄電電源の放電装置においても、このような同期整流回路を用いることで充放電効率の向上を図ることができる。
（例えば、非特許文献１，特許文献１参照）
岡村廸夫著「電気二重層キャパシタと蓄電システム」日刊工業新聞社発行、２００５年９月３０日第３版第１刷、第１３５頁〜第１３７頁 特開平７−８７６６８号公報

ところで、本件の出願人らは、電気二重層キャパシタ等からなる複数のキャパシタを、初期化機能及びバンク切換機能を実現する電子回路と組み合わせて構成したキャパシタ蓄電装置を、ＥＣＳ(Energy Capacitor System）またはＥＣａＳＳ（Energy Capacitor Systems）(登録商標)として提案している。このようなキャパシタ蓄電装置においては、複数の電気二重層キャパシタからなる、例えば１６Ｖ、３０Ｖ、６０Ｖ等の電圧のキャパシタモジュール、充電回路モジュール、放電回路モジュール等各構成要素を予めモジュール化しておき、顧客の要望等に応じて、これらのモジュールを組み合わせることによってシステムの設計期間の短縮や設計自由度の向上を図ることが考えられている。このようにキャパシタモジュール以外に充電回路モジュール、放電回路モジュールを別々にモジュール化して組み合わせの自由度を上げる場合には、電圧変動の大きいキャパシタモジュールから供給される電力から、放電回路モジュールの駆動に必要なサブ電源をつくり出さなければならない。すなわち、放電回路モジュールは、１６Ｖ、３０Ｖ、６０Ｖ等の種々の電圧のキャパシタモジュールに対応してサブ電源をつくり出せる能力に加え、キャパシタモジュール電圧の電圧変動に対応してサブ電源をつくり出せる能力も要求されるわけであり、放電回路モジュールには、非常に柔軟な制御・動作が要求されることとなる。

ところが、実際にキャパシタから供給される電力を用いて放電制御回路を動作させるためのサブ電源をつくってみると、３０Ｗクラスの放電回路でキャパシタの満充電電圧が１６Ｖの場合には８７．６％の放電効率だったものが、同じく６０Ｖの場合には７０．８％まで低下する結果となった。このように、放電効率は電圧依存性が大きく、キャパシタモジュールの電圧が高いときに効率が悪いことが問題であった。

先の非特許文献１には、キャパシタを満充電の１／４電圧になるまで使えば電力量にして９４％を利用できることが記載されている。この効率には充放電回路での損失が含まれていないが、キャパシタ電圧は満充電の１／４まで利用することにより、キャパシタに蓄電された電力を９４％という高い効率で使用することができることを示している。したがって、前記のような放電モジュールにおいては、可能な限りキャパシタ電圧が満充電の１／４となるまで蓄電電力を利用することが理想的である。

本発明は、上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、電気二重層キャパシタに蓄電するキャパシタ蓄電電源から負荷に放電するキャパシタ蓄電電源用放電装置において、前記放電を制御する制御回路と、主電源回路及び補助電源回路とから構成され、前記制御回路に電源を供給する制御用電源回路と、前記主電源回路のみで前記制御用電源回路を動作させるか、前記主電源回路と前記補助電源回路とで前記制御用電源回路を動作させるかを切り換える昇圧動作制御回路と、を具備し、前記キャパシタ蓄電電源の電圧に応じて前記昇圧動作制御回路の切り換えを行うことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のキャパシタ蓄電電源用放電装置において、前記制御用電源回路と、前記制御用電源回路と、前記昇圧動作制御回路は一つの放電回路モジュールとして構成されて成り、当該放電回路モジュールは、前記キャパシタ蓄電電源における複数種類の電圧のキャパシタモジュールに対応することを特徴とする。

本発明によれば、放電回路のサブ電源における補助電源回路を接続したり、切り離したりすることによって、キャパシタモジュールの満充電電圧の４分の１程度まで利用することができるようになり、キャパシタモジュールに蓄電された電力を高い効率で使用することができる。また、放電回路モジュール一種類のみで、種々の電圧のキャパシタモジュールに対応することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係るキャパシタ蓄電電源用放電装置の実施の形態を示す図である。図中、１はキャパシタ蓄電電源、２はスイッチングコンバータ、３はＰＷＭ制御部、５は補助電源回路、６は主電源回路、７は昇圧動作制御回路、１０は放電回路モジュール、１１は電気二重層キャパシタ、５０は補助電源制御部、６０は主電源制御部、Ｃ５１はコンデンサ、Ｄ５１はダイオード、Ｌ５１はチョークコイル、ＳＷ５１、ＳＷ６１はスイッチ回路、Ｖｃはキャパシタ電圧を示す。

図１に示す本実施形態に係るキャパシタ蓄電電源用放電装置は、キャパシタ蓄電電源１から負荷への放電をオン／オフするスイッチングコンバータ２と、制御指令、キャパシタ電圧Ｖｃ、電流Ｉｃに基づきＰＷＭ（パルス幅変調）信号によりスイッチングコンバータ２をオン／オフ制御するＰＷＭ制御部３とその制御用電源回路としての補助電源回路５、主電源回路６とを備えている。このスイッチングコンバータ２及びＰＷＭ制御部３からなる構成は、負荷に対する電源となるので、メイン電源と位置づけることができる。一方、主電源回路６及び補助電源回路５からなる構成は、メイン電源のＰＷＭ制御部３に供給する電源であるのでサブ電源として位置づけることができる。以下の説明において、このようにそれぞれの構成を区別して「メイン電源」、「サブ電源」と称することがある。また、「メイン電源」、「サブ電源」の全てを含めた図１中の２点鎖線で囲まれた構成は放電回路モジュール１０として、モジュール化されているものである。また、本稿においては、キャパシタ蓄電電源１を、「キャパシタモジュール」と称することもある。このキャパシタモジュールは、１６Ｖ、３０Ｖ、６０Ｖ等の種々の電圧のものを用意しておき、顧客が要求する仕様等に応じて、これらの種々のモジュールから適宜選択して用いるものである。

補助電源回路５は、キャパシタ蓄電電源１から給電されるキャパシタ電圧Ｖｃが大きく変動してもその変動幅を小さくするために補助的に用いられる調整用の電源である。主電源回路６は、補助電源回路５により変動幅が所定範囲に調整された後に、例えば＋１２Ｖ、−１２Ｖに電圧を安定化してＰＷＭ制御部３に制御用電源を供給するものである。昇圧動作制御回路７は、キャパシタ蓄電電源１から主電源回路６に供給される電圧が低下した場合に、補助電源回路５を動作させる回路であり、例えば、キャパシタ電圧Ｖｃの満充電電圧が６０Ｖであるとすると、昇圧動作制御回路７は、キャパシタ蓄電電源１から給電されるキャパシタ電圧Ｖｃが満充電電圧からその２分の１の電圧である３０Ｖ未満に低下したことを判定して、補助電源回路５を昇圧モードとして動作させるものである。このような補助電源回路５の作用によりキャパシタ蓄電電源１の電圧が低下したときにおいても、該電圧を昇圧することにより、効率的に主電源回路６が動作するようにサポートがなされる。

補助電源回路５は、給電回路にチョークコイルＬ５１とスイッチ回路ＳＷ５１とを直列接続し、その直列接続点からダイオードＤ５１を通してスイッチ回路ＳＷ５１のオン／オフに応じて昇圧した電圧を取り出す昇圧式のスイッチングコンバータを構成している。この補助電源回路５において、補助電源制御部５０が動作してＰＷＭ信号によりスイッチ回路ＳＷ５１をオン／オフ制御するときは昇圧モードの動作であり、補助電源回路５では、スイッチ回路ＳＷ５１のオンによりチョークコイルＬ５１にエネルギーを蓄え、その蓄えたエネルギーをスイッチ回路ＳＷ５１がオフのときに入力側の電圧に重畳して昇圧する。補助電源制御部５０が動作を停止してスイッチ回路ＳＷ５１がオフの状態のときは非昇圧モードとして、補助電源回路５の出力端子にはチョークコイルＬ５１とダイオードＤ５１を通して昇圧させることなく入力電圧、つまりキャパシタ電圧Ｖｃが主電源回路６へと出力される。

昇圧動作制御回路７は、この昇圧モード／非昇圧モードの切り換え制御を行うものであり、入力電圧、つまりキャパシタ電圧Ｖｃを判定して入力電圧が低電圧時に補助電源制御部５０を給電回路に接続するものである。

例えば、キャパシタ電圧Ｖｃの満充電電圧が６０Ｖであるとすると、キャパシタ電圧Ｖｃが満充電電圧の２分の１である３０Ｖ以上であるときには、昇圧動作制御回路７によりキャパシタ蓄電電源１から補助電源制御部５０を切り離す。そのため、補助電源回路５は、補助電源制御部５０のＰＷＭ制御が停止して非昇圧モード状態となる。そして、キャパシタ電圧Ｖｃが満充電電圧の２分の１の３０Ｖ未満となると、昇圧動作制御回路７によりキャパシタ蓄電電源１に補助電源制御部５０を接続する。その結果、補助電源回路５は、補助電源制御部５０のＰＷＭ制御が動作して昇圧モード状態となる。補助電源回路５が昇圧モード状態となることにより、キャパシタ蓄電電源１の電圧が低下した分を昇圧を行うことにより、効率的に主電源回路６が動作するようにサポートがなされる。

一方、キャパシタ電圧Ｖｃの満充電電圧が最初から１６Ｖであるものが用いられているような場合には、本実施形態によれば、昇圧動作制御回路７は常にキャパシタ蓄電電源１と補助電源制御部５０とを接続することによって、補助電源回路５において補助電源制御部５０のＰＷＭ制御が常に動作して昇圧モード状態となるようにする。

キャパシタ蓄電電源１は、モジュール化されており、例えば１６Ｖ、６０Ｖ等の満充電電圧のキャパシタモジュールが用いられるようになっている。これに対応して、上述のように昇圧動作制御回路７が補助電源回路５のオン／オフを切り換えるものである。

このように、本実施形態においては、放電回路モジュール一種類のみで、種々の電圧のキャパシタモジュールに対応することができ、適宜サブ電源における補助電源回路を接続したり、切り離したりすることによって、キャパシタモジュールの満充電電圧の４分の１程度まで利用することができるようになり、キャパシタモジュールに蓄電された電力を高い効率で使用することができる。

主電源回路６は、補助電源回路５の出力にトランスＴＲ６１の１次巻線とスイッチ回路ＳＷ６１との直列回路を接続し、主電源制御部６０によりトランスＴＲ６１の２次巻線側から整流平滑された定電圧の、例えば＋１２Ｖ、−１２Ｖが出力されるようにスイッチ回路ＳＷ６１をオン／オフ制御する、定電圧電源回路である。そのため主電源制御部６０は、入力電圧を検出してＰＷＭ信号によりスイッチ回路ＳＷ６１をオン／オフ制御する。このように主電源回路６の前に補助電源回路５をおき、入力電圧が低下しても補助電源回路５により倍電圧に昇圧して主電源回路６により定電圧にするので、制御用電源として、主電源回路６の調整範囲の２倍の電圧範囲で安定化することができる。

次に、本発明において、キャパシタモジュール、充電回路モジュール、放電回路モジュール等各構成要素を予めモジュール化するときの考え方について説明する。図２は、本発明に係るキャパシタ蓄電電源用放電装置のブロック図である。図において、先に説明した参照番号と同一の番号が付された構成は、図１と同様の構成を示している。キャパシタ蓄電電源１は、実製品では、例えば、１６Ｖ、３０Ｖ、６０Ｖ等の種々の電圧のキャパシタモジュールで構成され、顧客の要望により、これらの種々のモジュールから適宜選択して用いることができる。図１において、スイッチングコンバータ２及びＰＷＭ制御部３は、負荷に対する電源であるので、図２においてはこれらの構成をまとめてメイン電源として示している。また、主電源回路６及び補助電源回路５は、メイン電源に対する電源であるので、ここではこれらをまとめてサブ電源として示している。昇圧動作制御回路７については、図１と同様である。実製品においては、メイン電源、サブ電源、昇圧動作制御回路７は、一つの放電回路モジュールとしてまとめられており、この放電回路モジュールと、種々の電圧のキャパシタモジュール、不図示の充電回路モジュールを自由に組み合わせて、キャパシタ蓄電システムを構築することができるようになっている。このように個々がモジュール化されているために、放電回路モジュールにおいては、１６Ｖ、３０Ｖ、６０Ｖ等の種々の電圧のキャパシタモジュールに対応するべく構成されており、その一つが、補助電源制御回路５を昇圧動作制御回路７によって制御する本実施形態における構成である。

図３は、キャパシタ蓄電電源１として６０Ｖキャパシタモジュールを用いる場合について説明する図である。図３（ａ）に示されるように、放電時において、キャパシタモジュールの電圧が３０Ｖ以上であるときには、昇圧動作制御回路７により捕縄電源回路５は切り離されており、主電源回路６のみの作用によりサブ電源が機能している。キャパシタモジュールの放電に伴って、キャパシタモジュールの電圧が低下し、３０Ｖ未満となったときには図３（ｂ）に示すように、昇圧動作制御回路７により捕縄電源回路５が接続されて、補助電源回路５が昇圧モードとなり、主電源回路６の動作をサポートする。

一方、図４は、キャパシタ蓄電電源１として１６Ｖキャパシタモジュールを用いる場合について説明する図である。１６Ｖキャパシタモジュールを用いる場合は、元々キャパシタモジュール自体の電圧が低いので、図示するように昇圧動作制御回路７は常に補助電源回路５を接続し昇圧モード状態として、主電源回路６のサポートをさせるよう制御するものである。

以上のように、本実施形態においては、放電回路モジュール一種類のみで、種々の電圧のキャパシタモジュールに対応することができる。すなわち、キャパシタモジュールの定格電圧が高い場合には、適宜サブ電源における補助電源回路を接続したり、切り離したり、することによって、キャパシタモジュールの満充電電圧の４分の１程度まで利用することができるようになるし、また、キャパシタモジュールの定格電圧が低い場合には、常に補助電源回路を接続することによって、キャパシタモジュールの満充電電圧の４分の１程度まで利用することができるようになる。このように、種々の定格電圧のキャパシタモジュールに対しても、一つの放電回路モジュールによって、蓄電された電力を高い効率で使用することができる。

本発明に係るキャパシタ蓄電電源用放電装置の実施の形態を示す図である。 本発明に係るキャパシタ蓄電電源用放電装置のブロック図である。 キャパシタ蓄電電源１として６０Ｖキャパシタモジュールを用いる場合について説明する図である。 キャパシタ蓄電電源１として１６Ｖキャパシタモジュールを用いる場合について説明する図である。

符号の説明

１・・・キャパシタ蓄電電源（キャパシタモジュール）、２・・・スイッチングコンバータ、３・・・ＰＷＭ制御部、５・・・補助電源回路、６・・・主電源回路、７・・・昇圧動作制御回路、８・・・放電装置、９・・・負荷、１０・・・放電回路モジュール、１１・・・電気二重層キャパシタ、５０・・・補助電源制御部、６０・・・主電源制御部

Claims (2)

1. 電気二重層キャパシタに蓄電するキャパシタ蓄電電源から負荷に放電するキャパシタ蓄電電源用放電装置において、
   前記放電を制御する制御回路と、主電源回路及び補助電源回路とから構成され、前記制御回路に電源を供給する制御用電源回路と、前記主電源回路のみで前記制御用電源回路を動作させるか、前記主電源回路と前記補助電源回路とで前記制御用電源回路を動作させるかを切り換える昇圧動作制御回路と、を具備し、前記キャパシタ蓄電電源の電圧に応じて前記昇圧動作制御回路の切り換えを行うことを特徴とするキャパシタ蓄電電源用放電装置。
2. 前記制御用電源回路と、前記制御用電源回路と、前記昇圧動作制御回路は一つの放電回路モジュールとして構成されて成り、当該放電回路モジュールは、前記キャパシタ蓄電電源における複数種類の電圧のキャパシタモジュールに対応することを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ蓄電電源用放電装置。
   

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