JP2008035573A

JP2008035573A - 電気二重層コンデンサを用いた蓄電装置

Info

Publication number: JP2008035573A
Application number: JP2004334601A
Authority: JP
Inventors: Harumi Takeda; 晴見竹田; Tomohito Tamazawa; 智史玉澤
Original assignee: TM KK
Current assignee: TM KK
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2008-02-14
Also published as: WO2006054412A1; TW200627779A

Abstract

【課題】比較的に簡単な構成によって、負荷に安定した電圧を効率よく供給することができる、電気二重層コンデンサを用いた蓄電装置を提供する。
【解決手段】電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）ユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧許容範囲外であるとき、動作停止制御回路２１は、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ１９に供給するように切換器２０を制御して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９の直流出力電圧をＤＣ−ＡＣインバータ１８に与える一方、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧許容範内であるときは、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧をＤＣ−ＡＣインバータ１８に供給するように切換器２０を制御するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９を非動作状態にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層コンデンサを用いた蓄電装置に関する。

近年、電気二重層コンデンサは、サイクル寿命が長いことや使用温度範囲が広いなどの特徴から、二次電池に替わる新しい蓄電デバイスとして注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。しかし、コンデンサは蓄えられた電荷量に比例して出力電圧が変化することや、単体では出力電圧が低いことから、一般的には直列や直並列に接続して用いられることが多い。

コンデンサを直列あるいは直並列接続した際に、負荷に安定した電圧を供給するには、複数の電気二重層コンデンサを複雑なスイッチを用いて直列や並列接続に切り替える方法が多く用いられてきた。
特開平０７−１３５０２５号公報（第４−５頁、図４）

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、比較的に簡単な構成によって、負荷に安定した電圧を効率よく供給することができる、電気二重層コンデンサを用いた蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。すなわち、請求項1に記載の発明に係る電気二重層コンデンサを用いた蓄電装置は、電気二重層コンデンサからなる蓄電手段と、直流入力電圧を交流出力電圧に変換して負荷に与える直流−交流変換手段と、直流入力電圧を直流−交流変換手段の入力電圧許容範囲内の直流出力電圧に変換する直流−直流変換手段と、蓄電手段の出力電圧を直流−交流変換手段および直流−直流変換手段のいずれか一方に供給するように出力経路を切り換える切換手段と、蓄電手段の出力電圧を検出し、その電圧値に応じて切換手段を制御する制御手段であって、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範囲外であるときは、蓄電手段の出力電圧を直流−直流変換手段に供給するように切換手段を制御して、直流−直流変換手段の直流出力電圧を直流−交流変換手段に与える一方、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範内であるときは、蓄電手段の出力電圧を直流−交流変換手段に直接に供給するように切換手段を制御するとともに、直流−直流変換手段を非動作状態にする制御手段と、を備えたものである。

［作用・効果］請求項1記載の発明の作用・効果は次のとおりである。制御手段は、蓄電手段の出力電圧を監視し、その電圧値に応じて切換手段を次のように制御する。すなわち、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範囲外であるときは、蓄電手段の出力電圧を直流−直流変換手段に供給するように切換手段を制御して、直流−直流変換手段の直流出力電圧を直流−交流変換手段に与える。その結果、蓄電手段の出力電圧が変動しても、直流−直流変換手段によって一定の直流出力電圧が直流−交流変換手段に与えられるので、直流−交流変換手段から負荷に対して安定した電圧を供給することができる。

一方、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範内であるとき、制御手段は、蓄電手段の出力電圧を直流−交流変換手段に直接に供給するように切換手段を制御するとともに、直流−直流変換手段を非動作状態にするので、直流−直流変換手段の動作に伴う電力損失が低減され、負荷に対して効率よく給電することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の装置において、蓄電手段は複数個の電気二重層コンデンサから構成されており、かつ、各電気二重層コンデンサにそれぞれ並列接続された複数個の過充電防止手段を備え、各過充電防止手段は、それぞれに対応した電気二重層コンデンサの端子電圧が所定電圧になると、当該コンデンサを強制放電させるものである。

［作用・効果］請求項２記載の発明によれば、複数個の電気二重層コンデンサのそれぞれが過充電防止手段によって監視されるので、コンデンサ間に容量のバラツキがあっても、全てのコンデンサを満充電の状態にまで充電することができる。

なお、本明細書は、次のような課題解決手段も開示している。
電気二重層コンデンサからなる蓄電手段と、
直流入力電圧を交流出力電圧に変換して負荷に与える直流−交流変換手段と、
直流入力電圧を直流−交流変換手段の入力電圧許容範囲内の直流出力電圧に変換する直流−直流変換手段と、
蓄電手段の出力電圧を検出し、その電圧値に応じて直流−直流変換手段の動作を制御する制御手段とを備え、
前記直流−直流変換手段は、次の（ａ）〜（ｄ）の構成要素からなる昇圧チョッパ型の直流−直流変換回路であり、
（ａ）一端が蓄電手段側に接続されたインダクタンスと、
（ｂ）このインダクタンスの他端にアノードが接続され、カソードが直流−交流変換手段側に接続されたダイオードと、
（ｃ）このダイオードのカソードと接地ラインとの間に介在するコンデンサと、
（ｄ）ダイオードのアノードと接地ラインとの間に介在するスイッチングトランジスタとを備え、
かつ、前記制御手段は、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範囲よりも低いときは、直流−直流変換手段のスイッチングトランジスタのゲートに所定周波数のパルス信号を与えて直流−直流変換手段を作動させる一方、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範内であるときは、スイッチングトランジスタのゲートに与えるバルス信号を止めてスイッチングトランジスタをオフ状態に維持する
ことを特徴とする電気二重層コンデンサを用いた蓄電装置。

上記の課題解決手段によれば、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範囲よりも低いときは、制御手段が直流−直流変換手段を作動させることにより、蓄電手段の出力電圧が昇圧されて直流−交流変換手段に与えられる。その結果、直流−交流変換手段から負荷に対して安定した電圧を供給することができる。一方、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範内であるときは、制御手段がスイッチングトランジスタのゲートに与えるバルス信号を止めてスイッチングトランジスタをオフ状態に維持するので、蓄電手段の出力電圧が、インダクタンスおよびダイオードを介して、そのまま直流−交流変換手段に与えられる。この間の損失は実質的にダイオードの通過分のみとなり、動作停止制御を行わない場合に比べて効率をあげることができる。

本発明によれば、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範囲外であるときは、蓄電手段の出力電圧を直流−直流変換手段を介して直流−交流変換手段に与えるので、蓄電手段の出力電圧が変動しても、負荷に対して安定した電圧を供給することができる。一方、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範内であるときは、直流−直流変換手段を介することなく、蓄電手段の出力電圧を直接に直流−交流変換手段に与えるので、直流−直流変換手段の動作に伴う電力損失が低減され、負荷に対して効率よく給電することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明に係る電気二重層コンデンサを用いた蓄電装置の一実施形態を示すブロック図である。

蓄電装置本体１０は、直流電源１１から供給された直流電力を蓄電し、これを交流電力に変換して負荷１２に供給する。

外部装置としての直流電源１１は、例えば太陽電池、風力発電機、エンジン発電機などで構成される。

蓄電装置本体１０は、大きく分けて、蓄電部１０Aと、この蓄電部１０Aに蓄えられた直流電力を交流電力に変換する電力変換部１０Bとを備える。

まず、蓄電部１０Aについて説明する。蓄電部１０Aは、電気二重層コンデンサ（Electric Double layer Capacitor: EDLC）からなるEDLCユニット１３と、これに接続された並列モニタ回路群１４とを含む。

EDLCユニット１３は、複数個の電気二重層コンデンサから構成されている。例えば、静電容量３５００F、耐電圧２．３Vの電気二重層コンデンサを、６直列２並列接続して構成されている。EDLCユニット１３は、本発明における蓄電手段に相当する。

並列モニタ回路群１４は、図２に示すように、EDLCユニット１３を構成する各電気二重層コンデンサCAP１、CAP２、・・・にそれぞれ並列接続される複数個の並列モニタ回路１４A、１４B、・・・から構成されている。各並列モニタ回路１４A、１４B、・・・は同じ構成であるので、以下では並列モニタ回路１４Aを例に採って説明する。

並列モニタ回路１４Aは、抵抗１５および電解効果トランジスタ（FET）１６を直列接続してなり、コンデンサCAP１の両端子をバイパスする放電経路と、この放電経路を開閉制御する放電制御回路１７とから構成されている。放電制御回路１７は、コンデンサCAP１の端子電圧を監視しており、この端子電圧が所定電圧（電気二重層コンデンサの耐電圧）を越えると、FET１６に制御信号を与えて導通状態にすることにより、放電経路を閉状態にしてコンデンサCAP１を強制放電させる。各並列モニタ回路１４A、１４B、・・・は、それぞれに対応した電気二重層コンデンサCAP１、CAP２、・・・が過充電に陥るのを阻止する。各並列モニタ回路１４A、１４B、・・・は、本発明における過充電防止手段に相当する。

更に、図３を参照して、充電動作時における並列モニタ回路１４A、１４B、・・・の機能を説明する。図３は、EDLCユニット１３を構成している１２個の電気二重層コンデンサ（CAP１〜CAP１２）の充電動作時の端子電圧の変化を示している。規格上は同容量の電気二重層コンデンサであっても、実際には、その容量にバラツキがあるので、充電時間はコンデンサごとに異なることがわかる。したがって、１つのコンデンサが満充電になったとしても、他のコンデンサは満充電に至っていない場合もある。そこで、上述したように、全てのコンデンサに並列モニタ回路を設けることにより、１つのコンデンサが満充電に達した時点で全コンデンサの充電を終了することなく、全てのコンデンサを満充電にすることができる。

次に電力変換部１０Bの構成を説明する。図１に示すように、電力変換部１０Bは、直流−交流（DC−AC）インバータ１８と、直流−直流（DC−DC）コンバータ１９と、切換器２０と、動作停止制御回路２１とを含む。DC−ACインバータ１８は、直流入力電圧を交流出力電圧に変換して負荷１２に与える。DC−DCコンバータ１９は、直流入力電圧をDC−ACインバータ１８の入力電圧許容範囲（例えば、１０〜１５V）内の直流出力電圧に変換する。切換器２０は、EDLCユニット１３の出力電圧をDC−ACインバータ１８およびDC−DCコンバータ１９のいずれか一方に供給するように出力経路を切り換える。動作停止制御回路２１は、EDLCユニット１３の出力電圧を検出し、その電圧値に応じて切換器２０を制御する。すなわち、制御手段は、EDLCユニット１３の出力電圧がDC−ACインバータ１８の入力電圧許容範囲外であるときは、EDLCユニット１３の出力電圧をDC−DCコンバータ１９に供給するように切換器２０を制御して、DC−DCコンバータ１９の直流出力電圧をDC−ACインバータ１８に与える一方、EDLCユニット１３の出力電圧がDC−ACインバータ１８の入力電圧許容範囲内であるときは、EDLCユニット１３の出力電圧をDC−ACインバータ１８に直接に供給するように切換器２０を制御するとともにDC−DCコンバータ１９を非動作状態にする。

DC−ACインバータ１８は本発明における直流−交流変換手段に、DC−DCコンバータ１９は本発明における直流−直流変換手段に、切換器２０は本発明における切換手段に、動作停止制御回路２１は本発明における制御手段に、それぞれ相当する。

次に図１に示した装置の動作（特に電力変換に係る動作）を説明する。動作停止制御回路２１は、EDLCユニット１３の出力電圧を監視し、その出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧許容範囲（例えば、１０〜１５V）よりも低いときは、EDLCユニット１３の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ１９に供給するように切換器２０を制御する。これによりEDLCユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１９により、ＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧許容範囲内の所定電圧（例えば、１２．５Ｖ）まで昇圧される。ＤＣ−ＡＣインバータ１８に与えられたＤＣ−ＤＣコンバータ１９の出力電圧は、ＤＣ−ＡＣインバータ１８で交流電圧の変換されて負荷１２に供給される。このようにEDLCユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧許容範囲よりも低くても、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９で所定電圧にまで昇圧してＤＣ−ＡＣインバータ１８に与えられるので、ＤＣ−ＡＣインバータ１８から負荷１２に対して安定した電圧を供給することができる。

一方、EDLCユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧許容範囲内であるときは、動作停止制御回路２１は、EDLCユニット１３の出力電圧をＤＣ−ＡＣインバータ１８に供給するように切換器２０を制御するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９を非動作状態にする。これによりEDLCユニット１３の出力電圧が直接にＤＣ−ＡＣインバータ１８に与えられて交流電圧に変換され、負荷１２に供給される。このようにEDLCユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧許容範囲内であるときは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９が非動作状態になるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９の動作に伴う電力損失が低減され、負荷に対して効率よく給電することができる。

以下、図４を参照して本発明の実施例を説明する。この実施例は、図１に示した装置におけるＤＣ−ＤＣコンバータ１９及び切換器２０の具体例を示している。その他の構成は図１に示した装置と同様であるので、ここでの説明は省略する。

この実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ１９は、昇圧チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、後述する説明から明らかになるように、切換器２０としての機能も備えている。

具体的には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９は、一端がＥＤＬＣユニット１３側に接続されたインダクタンス２２と、このインダクタンス２２の他端にアノードが接続され、カソードがＤＣ−ＡＣインバータ１８側に接続されたダイオード２３と、このダイオード２３のカソードと接地ラインとの間に介在するコンデンサ２４と、ダイオード２３のアノードと接地ラインとの間に介在するスイッチングトランジスタ（ＦＥＴ）２５とを備えている。そして、スイッチングトランジスタ２５のゲートに動作停止制御回路２１から制御信号が与えられている。

次に実施例装置の動作を説明する。図１に示した装置と同様に、動作停止制御回路２１は、EDLCユニット１３の出力電圧を監視し、その出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧許容範囲よりも低いときは、スイッチングトランジスタ２５のゲートに所定周波数のパルス信号（動作制御信号）を与える。これによりＤＣ−ＤＣコンバータ１９が作動し、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧が昇圧されてＤＣ−ＡＣインバータ１８に与えられる。このように動作停止制御回路２１からの制御信号により、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９を作動させて、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧を昇圧させることは、図１の装置において、動作停止制御回路２１からの制御信号により、切換器２０を制御してEDLCユニット１３の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ１９に供給することと等価である。

一方、図４の実施例装置において、EDLCユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧許容範囲内であるときは、動作停止制御回路２１は、スイッチングトランジスタ２５のゲートに与えるバルス信号を止めてスイッチングトランジスタ２５をオフ状態に維持する。そうするとＤＣ−ＤＣコンバータ１９は動作停止状態になり、EDLCユニット１３の出力電圧が、インダクタンス２２およびダイオード２３を介して、そのままＤＣ−ＡＣインバータ１８に与えられる。この間の損失は実質的にダイオード２３の通過分のみとなり、動作停止制御を行わない場合に比べて効率が上がる。このように動作停止制御回路２１からの制御信号により、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９を非動作状態にして、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧をそのままＤＣ−ＡＣインバータ１８に与えることは、図１の装置において、動作停止制御回路２１からの制御信号により、切換器２０を制御してEDLCユニット１３の出力電圧をＤＣ−ＡＣインバータ１８に与えるとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９を非動作状態にすることと等価である。

図４の実施例装置の有用性を確認するために次のような測定を行った。まず、無負荷の状態でＥＤＬＣユニット１３を充電した。すべての電気二重層コンデンサが満充電に達した時点で充電を停止し、１０Ｗの白熱灯負荷を接続して放電を開始した。また蓄電電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１９の動作電圧範囲（４Ｖ）を下回った時点で測定を終了した。この実験を、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧範囲に入った時点で、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９の動作停止制御を行う場合と、行わない場合について測定を行った。動作停止制御を行った場合の測定結果（ＤＣ−ＤＣコンバータ１９の出力電圧）を図５に示す。ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧範囲よりも低いときは、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１９により昇圧されて、ほぼ一定の直流電圧が出力され、一方、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＡＣインバータ１８の入力電圧範囲内であるときは、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧が、ほぼそのままＤＣ−ＤＣコンバータ１９(非動作状態)から出力されているのがわかる。

上述した実験において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９の動作停止制御を行う場合と、行わない場合の効率をそれぞれ測定した。その結果を図６に示す。ここでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９の入力電圧と入力電流、および出力電圧、出力電流を測定し、入出力の電力より効率を算出した。図６の結果から明らかなように、動作停止制御が最も有効に働いた時には、最大約５％の効率の改善が得られた。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９の動作停止制御を行う場合と、行わない場合の放電深度を比較した。放電深度とは、電気二重層コンデンサに蓄えられた電力をどこまで使えるかを示したもので、本実験の場合、ＥＤＬＣユニット１３の出力電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１９の動作電圧下限（４Ｖ）を下回り、システムの動作が停止した時点での各電気二重層コンデンサの端子間電圧を測定することにより得られる。
各電気二重層コンデンサの放電深度は、次の算出式
放電深度（％）＝[１−（Ｖ₁ ²／Ｖ₂ ²）]×１００
Ｖ₁：ＤＣ−ＤＣコンバータ１９の動作電圧下限（４Ｖ）を下回り、装置の動作が停止した時点での各電気二重層コンデンサの端子間電圧
Ｖ₂：電気二重層コンデンサの耐電圧（満充電電圧）
により求めることができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１９の動作停止制御を行った場合の放電深度は８９％と高く、電気二重層コンデンサに蓄えられた電力を有効に使えることが確認できた。この値は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９を用いないでＥＤＬＣユニット１３の出力電圧を直接にＤＣ−ＡＣインバータ１８に与えた場合の放電深度が４０％程度であることを考えると、かなり高い値であることがわかる。

以上のように、本発明は、電気二重層コンデンサをより効率的に利用することができ、また、比較的に構成が簡単で複雑な制御を必要としないので、メンテナンスや製造コスト面においても有利である。なお、扱う電力の規模が大きくなると、ＤＣ−ＤＣコンバータが大型化するので、本発明は比較的小規模な電力を扱う場合に特に適している。

本発明に係る蓄電装置の実施態様を示したブロック図である。並列モニタ回路群の回路図である。並列モニタ回路の動作説明に供する図である。実施例装置の構成を示すブロック図である。ＤＣ−ＤＣコンバータの動作停止制御の説明に供する図である。ＤＣ−ＤＣコンバータの動作停止制御の有無による効率の違いを示した図である。

符号の説明

１０蓄電装置本体
１０Ａ蓄電部
１０Ｂ電力変換部
１１直流電源
１２負荷
１３ＥＤＬＣユニット
１４並列モニタ回路群
１４Ａ並列モニタ回路
１５抵抗
１６電界効果トランジスタ
１７放電制御回路
１８ＤＣ−ＡＣインバータ
１９ＤＣ−ＤＣコンバータ
２０切換器
２１動作停止制御回路
２２インダクタンス
２３ダイオード
２４コンデンサ
２５スイッチングトランジスタ

Claims

電気二重層コンデンサからなる蓄電手段と、
直流入力電圧を交流出力電圧に変換して負荷に与える直流−交流変換手段と、
直流入力電圧を直流−交流変換手段の入力電圧許容範囲内の直流出力電圧に変換する直流−直流変換手段と、
蓄電手段の出力電圧を直流−交流変換手段および直流−直流変換手段のいずれか一方に供給するように出力経路を切り換える切換手段と、
蓄電手段の出力電圧を検出し、その電圧値に応じて切換手段を制御する制御手段であって、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範囲外であるときは、蓄電手段の出力電圧を直流−直流変換手段に供給するように切換手段を制御して、直流−直流変換手段の直流出力電圧を直流−交流変換手段に与える一方、蓄電手段の出力電圧が直流−交流変換手段の入力電圧許容範内であるときは、蓄電手段の出力電圧を直流−交流変換手段に直接に供給するように切換手段を制御するとともに、直流−直流変換手段を非動作状態にする制御手段と、
を備えたことを特徴とする電気二重層コンデンサを用いた蓄電装置。
請求項１記載の装置において、蓄電手段は複数個の電気二重層コンデンサから構成されており、かつ、各電気二重層コンデンサにそれぞれ並列接続された複数個の過充電防止手段を備え、各過充電防止手段は、それぞれに対応した電気二重層コンデンサの端子電圧が所定電圧になると、当該コンデンサを強制放電させることを特徴とする電気二重層コンデンサを用いた蓄電装置。