JP2008061364A - Power storage device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電気自動車、鉄道等において蓄電池と電気二重層キャパシタとを組み合わせて用いる電力貯蔵装置に関するものである。 The present invention relates to a power storage device that uses a combination of a storage battery and an electric double layer capacitor in an electric vehicle, a railway, and the like.
従来の電力貯蔵装置としては、特許文献1があり、これは放電時はコンデンサと蓄電池を直列に接続し、充電時は蓄電池を切り離し、コンデンサにのみ充電を行い、コンデンサがフル充電(端子電圧が設定した最高電圧になった状態をいう。)になったら蓄電池への充電に切り換えるものであった。即ち、従来においては、蓄電池とコンデンサを並列接続した状態で充電を行うと、蓄電池端子電圧よりもコンデンサの端子電圧が低い場合、蓄電池からコンデンサに充電電流が流れ、蓄電池端子電圧まで充電が行われる。このため、コンデンサへの充電が高い電圧範囲となり、電力回生時に回生電力によるコンデンサの充電量が制限されてしまい、回生運転も制限されることとなった。また、蓄電池とコンデンサを並列接続した状態で放電を行うと、コンデンサの端子電圧は電圧変動の少ない蓄電池の端子電圧と等しいため、コンデンサの放電が高い電圧範囲となり、放電量が制限されるので、コンデンサの蓄積エネルギが有効利用されなかった。そこで、特許文献1では、充電時(回生時)には蓄電池を切り離し、コンデンサのみを回生電力により充電するようにするとともに、コンデンサがフル充電になった場合にはコンデンサを切り放し、蓄電池のみを接続して回生電力により充電するようにしていた。
また、放電時には蓄電池とコンデンサを直列接続し、コンデンサの使用電圧範囲を広くすることで、蓄積エネルギを有効利用するようにしていた。
Further, at the time of discharging, a storage battery and a capacitor are connected in series, and the use voltage range of the capacitor is widened to effectively use the stored energy.
しかしながら、上記した特許文献1の技術では、回生時の初期にはコンデンサに充電し、コンデンサがフル充電になった後に蓄電池に充電しており、コンデンサの充電量の管理が必要になるとともに、急速充電及び大容量充電を同時に行うことができなかった。又、このような充電時の切換を行うためには、電力変換器を2台必要とし、制御が複雑になるとともに、装置のコストアップに繋がった。
However, in the technique of
この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、充電時の充電容量を増大することができ、コンデンサがフル充電状態になり難く、回生運転を制限され難くするとともに、コンデンサの充電量の管理が必要でなく、制御が容易であるとともに、制御装置が小形安価である電力貯蔵装置を得ることを目的とする。 This invention has been made to solve the above problems, can increase the charging capacity during charging, the capacitor is less likely to be in a fully charged state, making it difficult to limit the regenerative operation, It is an object of the present invention to obtain a power storage device that does not require management of the amount of charge of a capacitor, is easy to control, and has a small and inexpensive control device.
この発明の請求項1に係る電力貯蔵装置は、電源に対して電気二重層キャパシタと蓄電池とを二つの切換スイッチを用いて接続し、放電時には電気二重層キャパシタと蓄電池とを直列に接続するとともに、充電時には蓄電池にダイオードを充電電流方向に順方向となるように直列に接続した直列回路と電気二重層キャパシタとを並列に接続したものである。
An electric power storage device according to
請求降2に係る電力貯蔵装置は、電源に対して電気二重層キャパシタと蓄電池とを三つの半導体スイッチを用いて接続し、充電時には電気二重層キャパシタと蓄電池とを並列に接続するとともに、放電時には電気二重層キャパシタと蓄電池とを直列に接続し、かつ放電時の電気二重層キャパシタまたは蓄電池の端子電圧低下時には半導体スイッチの制御により電気二重層キャパシタまたは蓄電池の出力電圧を昇圧させ、電気二重層キャパシタまたは蓄電池の放電を行わせるものである。
The power storage device according to
以上のようにこの発明の請求項1によれば、充電時に電気二重層キャパシタと蓄電池とを電源に対して並列に接続しており、電気二重層キャパシタと蓄電池の充電を同時に行うことができ、大容量充電ができるとともに、急速充電も可能となり、電気二重層キャパシタの充電が進むことで端子電圧が上昇して蓄電池の端子電圧以上になると、電気二重層キャパシタから蓄電池の充電が行われ、電気二重層キャパシタの端子電圧より蓄電池の端子電圧が高い時はダイオードを設けたことにより蓄電池による電気二重層キャパシタの充電は行われず、電気二重層キャパシタはフル充電状態になり難く、回生運転の制限がされ難くなる。また、放電時は電気二重層キャパシタと蓄電池とを直列接続することで、電気二重層キャパシタの使用電圧範囲を広げることができ、蓄積エネルギを有効利用できる。さらに、二つの切換スイッチとダイオードを設けるだけで制御可能であり、電気二重層キャパシタの充電量の管理も必要でなく、制御が容易で制御装置を小形安価にすることができる。 As described above, according to the first aspect of the present invention, the electric double layer capacitor and the storage battery are connected in parallel to the power source during charging, and the electric double layer capacitor and the storage battery can be charged simultaneously. In addition to being able to charge a large capacity, rapid charging is also possible.When the charging of the electric double layer capacitor proceeds and the terminal voltage rises and exceeds the terminal voltage of the storage battery, the electric battery is charged from the electric double layer capacitor. When the terminal voltage of the storage battery is higher than the terminal voltage of the double layer capacitor, the electric double layer capacitor is not charged by the storage battery due to the provision of the diode, and the electric double layer capacitor is unlikely to be fully charged, and regenerative operation is limited. It becomes difficult to be done. Further, by connecting the electric double layer capacitor and the storage battery in series at the time of discharging, the operating voltage range of the electric double layer capacitor can be expanded, and the stored energy can be used effectively. Furthermore, the control can be performed only by providing two changeover switches and diodes, and it is not necessary to manage the charge amount of the electric double layer capacitor, so that the control is easy and the control device can be made small and inexpensive.
請求項2によれば、充電時に電気二重層キャパシタと蓄電池とを電源に対して並列に接続しており、電気二重層キャパシタと蓄電池の充電を同時に行うことができ、電気二重層キャパシタから蓄電池へ充電は行われるが、蓄電池から電気二重層キャパシタへ充電が行われず、急速充電及び大容量充電が可能となり、電気二重層キャパシタはフル充電状態になり難く、電気二重層キャパシタの充電量が制御されないことにより、回生運転の制限がされ難くなる。又、放電時は電気二重層キャパシタと蓄電池を直列に接続しており、使用電圧範囲を広げることができ、しかも電気二重層キャパシタ又は蓄電池の端子電圧低下時にはこれらの昇圧放電を行っており、蓄積エネルギの最大限の放電が可能となる。さらに、三つの半導体スイッチを設けるだけで制御可能であり、電気二重層キャパシタの充電量の管理も必要でなく、制御が容易で制御装置を小形安価にすることができる。 According to the second aspect, the electric double layer capacitor and the storage battery are connected in parallel to the power source during charging, and the electric double layer capacitor and the storage battery can be charged at the same time, from the electric double layer capacitor to the storage battery. Although charging is performed, charging from the storage battery to the electric double layer capacitor is not performed, and rapid charging and large-capacity charging are possible. The electric double layer capacitor is unlikely to be fully charged, and the amount of charge of the electric double layer capacitor is not controlled. This makes it difficult to limit the regenerative operation. In addition, the electric double layer capacitor and the storage battery are connected in series at the time of discharge, so that the operating voltage range can be expanded, and when the terminal voltage of the electric double layer capacitor or the storage battery drops, these boosting discharges are performed. A maximum discharge of energy is possible. Further, the control can be performed only by providing three semiconductor switches, the charge amount of the electric double layer capacitor is not required to be controlled, the control is easy, and the control device can be reduced in size and cost.
実施最良形態1
以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。図1(a)〜(c)はこの発明の実施最良形態1による電力貯蔵装置の回路構成図、充電時の電圧特性図及び充電時の電流特性図を示し、電源としては、電気自動車または電車の直流モータ、もしくはき電変電所等が考えられ、昇降圧チョッパ1の正負の端子(以下、g端子、h端子)には直流モータの正側(+)端子(以下、モータ正側端子)と負側(−)端子(以下、モータ負側端子)またはき電変電所の出力側外線(以下、外線)と帰線が接続される。なお、外線とは、き電変電所の出力側であって、き電線、架線、トロリ線の総称をいい、外線電圧とはその電圧をいう。モータ正側と負側端子間または外線と帰線間には変換器である昇降圧チョッパ1のg端子とh端子を並列に接続し、昇降圧チョッパ1の上下アーム間に一端を接続するリクトルLの他端(以下、i端子)と帰線またはモータの負側端子との間には、電気二重層キャパシタ(以下、EDLCと略する。)2の一端を前記昇降圧チョッパ1のi端子に接続するとともに、EDLC2の他端とトランスファ接点を有する第1の切換スイッチ3の共有接点cを接続し、前記第1の切換スイッチ3を端子bに選択してEDLC2の他端側を蓄電池6の正側(+)端子に接続する直列回路と、端子aに選択して帰線またはモータの負側端子と接続する回路、及びダイオード4のアノードを前記昇降圧チョッパ1のi端子に接続するとともに、ダイオード4のカソードとトランスファ接点を有する第2の切換スイッチ5の共有接点fを接続し、前記第2の切換スイッチ5を端子eに選択してダイオード4のカソード側を蓄電池6の正側(+)端子に接続して、充電電流方向に順方向となるダイオード4と蓄電池6との直列回路と、端子dに選択して前記ダイオード4のカソード側を開放する回路を備える。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 (a) to 1 (c) show a circuit configuration diagram, a voltage characteristic diagram during charging, and a current characteristic diagram during charging, according to
上記構成において、EDLC2及び蓄電池6の放電時(モータまたは外線への力行電力供給時)には、切換スイッチ3の端子b,c間を接続するとともに、切換スイッチ5の端子d、f間を接続し、昇降圧チョッパ1のi端子と帰線またはモータの負側端子との間にEDLC2と蓄電池6を直列に接続する。この状態において、EDLC2及び蓄電池6から昇降圧チョッパ1を介してモータまたは外線に対して放電が行われ、力行電力が供給される。この時、図1(a)に示す昇降圧チョッパ1の例では、半導体スイッチSW2をスイッチング制御して昇圧放電を行う。また、図2(a)に示す昇降圧チョッパ1の変形例では、EDLC2と蓄電池6との直列回路の電圧が外線電圧またはモータ正側端子電圧より高い場合は半導体スイッチSW3をスイッチング制御して降圧放電を行い、降圧放電の継続により前記直列回路電圧が低下して直列回路の電圧が外線電圧またはモータ正側端子電圧より低くなった場合は、半導体スイッチSW3をオン制御とし(昇圧放電時、オンのまま)、半導体スイッチSW2をスイッチング制御して昇圧放電を行う。なお、図2(a)の場合、半導体スイッチSW3とダイオードD3とを昇降圧チョッパ1に設けた以外の部分は図1(a)と同じである。
In the above configuration, when the
次に、充電時(モータまたは外線からの回生時)には、図1(a)または図2(a)において、切換スイッチ3,5を切り換え、切換スイッチ3の端子a,c間を接続するとともに、切換スイッチ5の端子e,f間を接続し、昇降圧チョッパ1のi端子と帰線またはモータ負側端子との間に蓄電池6にダイオード4を充電電流方向に順方向となるように直列に接続した直列回路をEDLC2と並列に接続し、モータまたは外線の回生電力をEDLC2と蓄電池6の両方に充電する。蓄電池6に直列に接続されたダイオード4は蓄電池6の充電電流方向に順方向となるように接続されており、蓄電池6からEDLC2への充電は行われない。又、EDLC2や蓄電池6の充電電流は、EDLC2の端子電圧、蓄電池6の端子電圧及びそれぞれの内部抵抗により決定される分流比で流れ、双方の充電電流を合わせた合計充電電流は、半導体スイッチSW1より制御される。なお、図2(b)は図1(a)において、切換スイッチ3とEDLC2との接続、及び蓄電池6、切換スイッチ5及びダイオード4の接続を変更した変形例を示し、放電時にEDLC2と蓄電池6を直列接続し、充電時に蓄電池6と充電電流方向に順方向となるダイオード4との直列回路とEDLC2を並列接続すれば、図1(a)と同様な効果を奏する。
Next, when charging (when regenerating from a motor or an external line), the selector switches 3 and 5 are switched in FIG. 1A or FIG. 2A to connect the terminals a and c of the
EDLC2の端子電圧は、図1(b)に示すように、放電により充電初期は蓄電池6より低い状態にあり、大量の充電が行われるが、充電が進むに従い、端子電圧が上昇し、フル充電に近づくと、EDLC2の充電電流は図1(c)に示すように減少する。そして、EDLC2の端子電圧が蓄電池6の端子電圧以上になった時点から、蓄電池6にはEDLC2とモータあるいはEDLC2と外線から充電が行われ、これ以降はEDLC2の端子電圧と蓄電池6の端子電圧が等しい状態で充電が行われる。
As shown in FIG. 1B, the terminal voltage of the
上記した実施最良形態1においては、充電時(モータまたは外線からの回生電力吸収時)にEDLC2と蓄電池6とを並列に接続し、EDLC2と蓄電池6の両方の充電を同時に行うことができ、各々の単体充電に比べて充電容量を大きくとることができるとともに、EDLC2がフル充電状態になり難いので、急速充電も可能となる。又、EDLC2及び蓄電池6の充電量はEDLC2の端子電圧(充電状態)により決定され、EDLC2の充電が進むと、EDLC2から蓄電池6の充電も行われ、また蓄電池6に対してダイオード4を充電方向に接続しているので、蓄電池6がEDLC2を充電することはなく、大容量充電が可能となったことと相俟って、EDLC2は蓄電池6と並列に充電されるため、蓄電池6の充電電圧がEDLC2の定格上限電圧より低くなるようにしておけば、EDLC2はフル充電状態になり難く、回生運転が制限され難くなった。又、二つの切換スイッチ3,5とダイオード4を設けるだけで制御可能であるとともに、EDLC2の充電量の管理も必要でなく、複雑な制御回路も必要でなく、制御が容易で制御装置を安価で小形にすることができる。
In the first embodiment described above, the
実施最良形態2
図3(a)はこの発明の実施最良形態2による電力貯蔵装置の回路構成図であり、電源としては実施最良形態1と同様に、電気自動車または電車の直流モータ、もしくはき電変電所が考えられ、外線またはモータ正側端子には第1の半導体スイッチSW11と第1のリアクトルLb1との第1の直列回路の一端が接続されるとともに、EDLC7の一端が接続され、第1の直列回路の他端とEDLC7の他端間には第2の半導体スイッチSW12と第2のリアクトルLb2との第2の直列回路が接続され、前記第1の直列回路の他端と第2の直列回路の一端との接続点と帰線またはモータ負側端子との間には蓄電池8が接続され、また第2の直列回路の他端ととの接続点と帰線またはモータ負側端子との間には第3のリアクトルLb3と第3の半導体スイッチSW13との第3の直列回路が接続される。又、第1の半導体スイッチSW11と第1のリアクトルLb1との接続点には第1の環流ダイオードFD1のカソード側が接続され、環流ダイオードFD1のアノード側は帰線またはモータ負側端子に接続される。又、外線またはモータ正側端子に第2の環流ダイオードFD2のカソード側が接続され、環流ダイオードFD2のアノード側は第3のリアクトルLb3と第3の半導体スイッチSW13との接続点に接続され、第2の半導体スイッチSW12と第2のリアクトルLb2との接続点には第3の環流ダイオードFD3のカソード側が接続され、環流ダイオードFD3のアノード側は帰線またはモータ負側端子に接続される。なお、蓄電池8及びEDLC7の各々の端子電圧は電源電圧(モータ電圧または外線電圧)変動の下限値以下とする。
FIG. 3A is a circuit configuration diagram of the power storage device according to the second embodiment of the present invention. As the power source, as in the first embodiment, a DC motor of an electric vehicle or a train or a feeder substation is considered. One end of the first series circuit of the first semiconductor switch SW11 and the first reactor Lb1 is connected to the outside line or the motor positive side terminal, and one end of the
次に、動作について説明すると、まず、充電時には、図3(b)に示すように、半導体スイッチSW11,SW13をスイッチング制御するとともに、半導体スイッチSW12をオフ制御(充電時、オフのまま)とする。これにより、外線またはモータ正側端子から充電電流i1が矢印に示すように半導体スイッチSW11を通ってリアクトルLb1及び蓄電池8に流れ、外線電圧またはモータ正側端子電圧を半導体スイッチSW11のスイッチング制御により降圧して蓄電池8を充電する。前記スイッチング制御により半導体スイッチSW11がオフ動作時は、リアクトルLb1に蓄えられたエネルギによりリアクトルLb1、蓄電池8及び環流ダイオードFD1を介して電流i2が流れ、蓄電池8が充電される。又、充電電流i3が半導体スイッチSW13を通ってEDLC7及びリアクトルLb3に流れ、外線電圧またはモータの正側端子電圧を半導体スイッチSW13のスイッチング制御により降圧してEDLC7に充電する。スイッチング制御により半導体スイッチSW13がオフ動作時は、リアクトルLb3に蓄えられたエネルギにより環流ダイオードFD2、EDLC7及びリアクトルLb3に電流i4が流れ、EDLC7が充電される。なお、この時も半導体スイッチSW11により、蓄電池8からEDLC7に充電されることはない。
Next, the operation will be described. First, at the time of charging, as shown in FIG. 3B, the semiconductor switches SW11 and SW13 are subjected to switching control, and the semiconductor switch SW12 is controlled to be off (it remains off at the time of charging). . As a result, the charging current i1 flows from the external line or the motor positive terminal through the semiconductor switch SW11 to the reactor Lb1 and the
次に、放電時においては、EDLC7及び蓄電池8の出力電圧により制御が変化する。まず、直列に接続された蓄電池8とEDLC7との加算された電圧が外線電圧またはモータ正側端子電圧以上の場合、図4(a)に示すように、半導体スイッチSW11,SW13をオフ制御(降圧放電時、オフのまま)とし、半導体スイッチSW12のスイッチング制御により目標電圧となるように制御を行う。前記スイッチング制御により半導体スイッチSW12がオン動作時は、放電電流i5が矢印に示すようにEDLC7及び蓄電池8に蓄えられたエネルギにより帰線またはモータ負側端子から蓄電池8、半導体スイッチSW12、リアクトルLb2、EDLC7及び外線またはモータ正側端子に流れ、半導体スイッチSW12がオフ動作時は、EDLC7とリアクトルLb2に蓄えられたエネルギにより放電電流i6が環流ダイオードFD3を介して図示のように流れることで、降圧放電が行われる。そして、このような放電を継続すると、EDLC7と蓄電池8との容量比にもよるが、EDLC7の電圧変化が大きいので、EDLC7の電圧が低下し、加算電圧が外線電圧またはモータ正側端子電圧以下となり、降圧放電が継続できなくなる。この場合に放電を継続させるために、図4(b)に示すように半導体スイッチSW12をオン制御(EDLC7の昇圧放電時、オンのまま)するとともに、半導体スイッチSW11をスイッチング制御し、半導体スイッチSW11がオン動作時はEDLC7を短絡させて、半導体スイッチSW11,リアクトルLb1、半導体スイッチSW12及びリアクトルLb2を通ってEDLC7に環流i7を生じさせる。半導体スイッチSW11がオフ動作時は、リアクトルLb2に蓄えられたエネルギによりEDLC7の出力電圧を昇圧させて、リアクトルLb1に蓄えられたエネルギで放電電流i8が流れ、蓄電池8に蓄えられたエネルギで放電電流i5が流れる。EDLC7を昇圧させて放電を継続することで、EDLC7の使用電圧範囲を広げ、放電量を増加させる。このようなEDLC7の昇圧放電を継続すると、EDLC7の端子電圧がさらに低下し、最終的には昇圧できない(または効率的でない)状態となる。このように、所要の放電量が確保できない場合には、図4(c)に示すように、半導体スイッチSW11をオフ制御(蓄電池8の昇圧放電時、オフのまま)するとともに、半導体スイッチSW12をオン制御(蓄電池8の昇圧放電時、オンのまま)する。また、半導体スイッチSW13をスイッチング制御し、半導体スイッチSW13がオン動作時は蓄電池8を短絡させて、半導体スイッチSW12,リアクトルLb2,Lb3,半導体スイッチSW13を通って蓄電池8に環流i9を生じさせる。半導体スイッチSW13がオフ動作時は、リアクトルLb2,Lb3に蓄えられたエネルギにより蓄電池8の出力電圧を昇圧させて流れる放電電流i10と、リアクトルLb2に蓄えられたエネルギのみにより蓄電池8の出力電圧を昇圧して流れる放電電流i11があり、蓄電池8を昇圧させて放電を継続する。
Next, at the time of discharging, the control changes depending on the output voltages of the
ここで、き電変電所に適用した具体例について説明する。外線を1500V系統で電圧変動範囲を1200〜1800Vとし、1650V以上でEDLC7及び蓄電池8を充電し、1200V以下でEDLC7及び蓄電池8が放電するとする。又、EDLC7及び蓄電池8の最大端子電圧を750Vとし、EDLC7の最低端子電圧を300Vと仮定する。まず、外線電圧が1200V以下となり、EDLC7及び蓄電池8が放電する場合には、EDLC7及び蓄電池8はフル充電されていたとすると、直列接続電圧は1500Vとなるので、放電当初は図4(a)に示す降圧放電を行う。この降圧放電を継続すると、EDLC7及び蓄電池8の端子電圧が低下し、直列接続電圧が1200V以下となる。この時、端子電圧は電圧変動が大きいEDLC7の方が先に低下する。しかし、EDLC7及び蓄電池8の端子電圧を監視し、EDLC7の電圧低下により直列接続電圧が1200V以下になった時に、図4(b)に示すように、半導体スイッチSW11をスイッチング制御してリアクトルLb2に蓄えられたエネルギでEDLC7の出力電圧を昇圧して外線電圧が1200Vとなるように放電を行う。さらに、放電を継続すると、EDLC7の端子電圧が低下を続け、昇圧ができない、または効率的でない状態となる。この場合、所要の電圧が確保できなくなるので、図4(c)に示すように半導体スイッチSW11をオフ制御するとともに、SW13をスイッチング制御する。このSW13のスイッチング制御により、リアクトルLb2、Lb3に蓄えられたエネルギで蓄電池8の出力電圧を昇圧して外線電圧が1200Vとなるように放電を行う。又、外線電圧が1650V以上でEDLC7及び蓄電池8に充電する場合には、図3(b)に示すように、半導体スイッチSW12をオフ制御するとともに、半導体スイッチSW11のスイッチング制御により蓄電池8を降圧充電し、半導体スイッチSW13のスイッチング制御によりEDLC7の降圧充電を行う。各々の端子電圧が750Vになるまで充電を行う。
Here, a specific example applied to the feeder substation will be described. Assume that the external line is a 1500 V system, the voltage fluctuation range is 1200 to 1800 V, the
実施最良形態2においては、充電時にはEDLC7と蓄電池8を並列に接続し、外線電圧またはモータの正側端子電圧によりこの両者を充電しており、急速充放電が可能なEDLC7と大容量充放電が可能な蓄電池8の組み合わせ充電が可能となり、EDLC7の端子電圧を蓄電池8より高め設定しておけば、EDLC7はフル充電状態になり難く、回生運転の制限がされ難くなる。又、放電時にはEDLC7と蓄電池8を直列に接続しており、使用電圧範囲を広げることができる。しかも、EDLC7又は蓄電池8の端子電圧低下時にはこれらの昇圧放電を行っており、使用電圧範囲をさらに広げた放電が可能となり、EDLC7又は蓄電池8の放電終止電圧まで利用可能となる。さらに、三つの半導体スイッチSW11〜SW13を設けるだけで制御可能であり、EDLC7の充電量の管理も必要でなく、制御が容易で制御装置が小形安価となる。
In
2,7…電気二重層キャパシタ(EDLC)
3,5…切換スイッチ
4…ダイオード
6,8…蓄電池
SW11〜SW13…半導体スイッチ
2,7 ... Electric double layer capacitor (EDLC)
3, 5 ... changeover switch 4 ...
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