JP2008099503A - 電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置および電気二重層コンデンサの充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気二重層コンデンサの電圧が０Ｖあるいは０Ｖに近い低電圧の状態からでも、リアクトルの通電電流が発散することなく充電を可能とする電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置およびその充電方法を提供する。
【解決手段】抵抗３とスイッチ２からなる並列体と、スイッチ２をドライブするスイッチドライブ信号発生器９と、スイッチング素子１０をドライブするスイッチング素子ドライブ信号発生器８と、電気二重層コンデンサ１の電圧、主回路電圧、初期充電目標電圧設定値、充電目標電圧設定値に基づいてスイッチング素子１０のオン時間、オフ時間の演算、及びスイッチ２のオンオフの判断を行い結果をスイッチング素子ドライブ信号発生器８及びスイッチドライブ信号発生器９に出力する演算装置７と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置および電気二重層コンデンサの充電方法に関し、特に、蓄電装置としての電気二重層コンデンサと充放電装置としての昇降圧チョッパ装置を備えた電力変換装置およびこの電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置における電気二重層コンデンサの充電方法に関する。

図８は、従来技術を示す電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置の構成図であり、電力変換装置は蓄電装置としての電気二重層コンデンサと充放電装置としての昇降圧チョッパ装置を備えている。
図８において、１は電気二重層コンデンサ、４はコンデンサ、５はリアクトル、６は昇降圧チョッパ装置、１０、１１はトランジスタなどのスイッチング素子、１２、１３はダイオードである。また、Ｐ、Ｎ、ＢＰ、ＢＮは端子、Ｖｏは電気二重層コンデンサの電圧、Ｖｉは高圧側の電圧すなわち主回路電圧である。
以下、図８を用いて従来技術における電気二重層コンデンサ１を適用した電力変換装置の構成を説明する。
昇降圧チョッパ装置６の高圧側すなわち主回路であるＰ、Ｎ端子には発電装置（図示せず）、あるいは交直変換装置（図示せず）の直流側が接続される。また、昇降圧チョッパ装置６はスイッチング素子１０、１１、ダイオード１２、１３、リアクトル５、及びリップル電流吸収用コンデンサであるコンデンサ４を内蔵し、低圧側のＢＰ、ＢＮ端子には蓄電装置としての電気二重層コンデンサ１が接続されている。
この電力変換装置は、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏを０Ｖまで放電することが可能であり、電気二重層コンデンサ１の充電エネルギーを１００％利用することが可能とされている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２１８６５３号公報（第１図）

しかしながら、図８に示した構成の電力変換装置において、電気二重層コンデンサ１の電圧が０Ｖ、あるいは０Ｖに近い状態から充電する場合、リアクトル５の通電電流が発散するという問題がある。この問題を以下に説明する。

まず、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏが０Ｖ、あるいは０Ｖに近い状態からではなく、ある程度の電圧を保持している状態から電気二重層コンデンサ１を充電する場合を考える。
図９は、従来の電力変換装置における昇降圧チョッパ装置６のリアクトル５の通電電流波形図である。図９において、ＩＬはリアクトル５の通電電流、ｔ０、ｔ１、ｔ２は時間である。
以下、図９を用いて、ある程度の電圧を保持している状態から電気二重層コンデンサ１を充電する場合の昇降圧チョッパ装置６の動作、及びリアクトル５の通電電流波形について説明する。
スイッチング素子１０をオンさせ、一定時間ｔ０経過後、スイッチング素子１０をオフさせると、リアクトル５の通電電流ＩＬはダイオード１３を通って還流し、一定時間ｔ１経過後、通電電流ＩＬは零となる。さらに一定時間ｔ２経過後、再度スイッチング素子１０をオンさせる。
以上のように、スイッチング素子１０のオン、オフを繰り返すことにより、電気二重層コンデンサ１が充電される。
ここで、リアクトル５のインダクタンスをＬ、Ｐ端子、Ｎ端子間の主回路電圧をＶｉとすると、スイッチング素子１０のオン時、オフ時にリアクトル５に流れる電流ＩＬの傾きΔＩＬ／Δｔはそれぞれ式１、式２で表される。
スイッチング素子１０がオン時：ΔＩＬ／Δｔ＝（Ｖｉ−Ｖｏ）／Ｌ・・・（式１）
スイッチング素子１０がオフ時：ΔＩＬ／Δｔ＝−Ｖｏ／Ｌ・・・（式２）

次に、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏが０Ｖの状態から電気二重層コンデンサ１を充電する場合を考える。
この場合スイッチング素子１０のオン時、オフ時のリアクトル５に流れる電流ＩＬの傾きΔＩＬ／Δｔは、式１、式２において、Ｖｏ＝０Ｖとすることによりそれぞれ式３、式４で表される。
スイッチング素子１０がオン時：ΔＩＬ／Δｔ＝Ｖｉ／Ｌ・・・（式３）
スイッチング素子１０がオフ時：ΔＩＬ／Δｔ＝０・・・（式４）
なお、スイッチング素子１０がオフ時は、電気二重層コンデンサ１の内部抵抗による逆起電力、及びダイオード１３の順方向電圧降下が発生するため、厳密にはΔＩＬ／Δｔ＝０とは言えないが、これらの電圧はせいぜい数Ｖであるので無視する。また、電気二重層コンデンサ１がわずかに数Ｖ程度充電されている場合も同様に無視することとし、以下の説明においてはΔＩＬ／Δｔ＝０と考えることとする。
図１０は、従来の電力変換装置における昇降圧チョッパ装置６のリアクトル５の通電電流波形図である。
図１０において、ＩＬ、ＩＬ０はリアクトル５の通電電流、ＩＬＯＣは過電流保護レベル、ｔ０、ｔ１、ｔ２は時間である。
以下、図１０を用いて、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏが０Ｖの状態から電気二重層コンデンサ１を充電する場合の昇降圧チョッパ装置６の動作、及びリアクトル５の通電電流波形について説明する。
まず、スイッチング素子１０をオンさせ、一定時間ｔ０経過後、オフさせる。図９の場合とＰ端子、Ｎ端子間の主回路電圧Ｖｉが同じであるとすると、この場合のスイッチング素子１０がオン時のリアクトル５に流れる電流ＩＬの傾きは図９の場合より大きくなる。
リアクトル５に流れる電流ＩＬはダイオード１３を通って還流するが、一定時間ｔ１が経過しても、ΔＩＬ／Δｔ＝０のためリアクトル５に流れる電流ＩＬは減少せず、スイッチング素子１０がオフした時点の電流値ＩＬ０を保持する。
さらに一定時間ｔ２経過後もリアクトル５に流れる電流ＩＬはＩＬ０のままであり、再度スイッチング素子１０をオンさせると、この電流値ＩＬ０を初期値としてリアクトル５の通電電流が増加し、昇降圧チョッパ装置６のスイッチング素子保護のための過電流保護レベルＩＬＯＣに到達し、昇降圧チョッパ装置６が停止する。

以上のように、従来技術による電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置は、電気二重層コンデンサの電圧が０Ｖあるいは０Ｖに近い状態から充電する場合、リアクトルの通電電流が発散し、昇降圧チョッパ装置のスイッチング素子を保護するための過電流保護レベルまでリアクトル通電電流が到達し、昇降圧チョッパ装置が停止してしまうという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電気二重層コンデンサの電圧が０Ｖあるいは０Ｖに近い低電圧の状態からでも、リアクトルの通電電流が発散することなく充電を可能とする、電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置および電気二重層コンデンサの充電方法を提供することを目的とする。加えて、充電時間の短縮を図ることができる電気二重層コンデンサの充電方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、蓄電装置としての電気二重層コンデンサと、リアクトル、スイッチング素子を有し低圧側に接続された前記電気二重層コンデンサの充放電装置としての昇降圧チョッパ装置と、を備えた電力変換装置において、前記昇降圧チョッパ装置と前記電気二重層コンデンサとの間に接続された抵抗とスイッチからなる並列体と、前記スイッチをドライブするスイッチドライブ信号発生器と、前記スイッチング素子をドライブするスイッチング素子ドライブ信号発生器と、前記電気二重層コンデンサの充電時に、前記電気二重層コンデンサの電圧、前記昇降圧チョッパ装置の高圧側主回路電圧、予め設定した初期充電完了の目標電圧である初期充電目標電圧設定値、予め設定した充電完了の目標値である充電目標電圧設定値に基づいて前記スイッチング素子のスイッチングのオン時間、オフ時間を演算して前記スイッチング素子ドライブ信号発生器に出力し、前記スイッチのオンオフの判断を行って前記スイッチドライブ信号発生器に出力する演算装置と、を備えたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置において、前記演算装置は、前記電気二重層コンデンサの電圧が０Ｖ、あるいは数Ｖ以下であると判断した場合は前記抵抗を介して電気二重層コンデンサを充電し、前記電圧が前記初期充電目標電圧設定値まで上昇したと判断した場合は前記抵抗の両端を短絡するように前記スイッチを制御することを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置において、前記演算装置は、前記電気二重層コンデンサの電圧が前記初期充電目標電圧設定値以上かつ前記充電目標電圧設定値以下の場合は、前記電気二重層コンデンサの電圧に基づいてオン時間とオフ時間をそれぞれ連続して変化させるよう前記スイッチング素子を制御することを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置において、前記演算装置は、前記初期充電目標電圧設定値と前記充電目標電圧設定値の間に予め設定した中間電圧設定値を有し、前記電気二重層コンデンサの電圧が前記中間電圧設定値より低いと判断した場合は、前記スイッチング素子のオン時間を短く、且つオフ時間を長くすることにより前記リアクトルの通電電流が発散しないよう前記スイッチング素子を制御することを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置において、前記演算装置は、前記電気二重層コンデンサの電圧が前記中間電圧設定値より高いと判断した場合は、前記スイッチング素子のオン時間を長く、且つオフ時間を短くすることにより前記電気二重層コンデンサの充電電力を大きくして前記電気二重層コンデンサの充電時間を短縮するよう前記スイッチング素子を制御することを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明は、蓄電装置としての電気二重層コンデンサと、リアクトル、スイッチング素子を有し低圧側に接続された前記電気二重層コンデンサの充放電装置としての昇降圧チョッパ装置と、を備えた電力変換装置における前記電気二重層コンデンサの充電方法において、前記昇降圧チョッパ装置と前記電気二重層コンデンサとの間に抵抗とスイッチからなる並列体を備えた構成とし、前記スイッチング素子を連続してオンさせ前記抵抗を介して前記電気二重層コンデンサを初期充電するステップと、前記電気二重層コンデンサの電圧が予め設定した初期充電目標電圧設定値に達すると前記スイッチング素子を一旦オフし、その後前記スイッチをオンにして前記抵抗の両端を短絡するステップと、前記スイッチング素子のオン時間を前記リアクトルの通電電流が予め設定された過電流保護レベルに達しないよう十分短くし、尚且つ、前記スイッチング素子のオフ時間を前記通電電流が０Ａまで下がり発散しないよう十分長くして前記スイッチング素子をスイッチングさせるステップと、前記電圧が前記初期充電目標電圧設定値と前記充電目標電圧設定値の間に予め設定した中間電圧設定値に達すると前記スイッチング素子のオン時間を前記通電電流が前記過電流保護レベルに達しない程度に長くし、尚且つ、前記スイッチング素子のオフ時間を前記通電電流が０Ａまで下がり発散しない程度に短くするステップと、前記電圧が予め設定された充電目標電圧設定値に達すると前記スイッチング素子のスイッチングを停止するステップと、を備えたことを特徴としている。

また、請求項７に記載の発明は、蓄電装置としての電気二重層コンデンサと、リアクトル、スイッチング素子を有し低圧側に接続された前記電気二重層コンデンサの充放電装置としての昇降圧チョッパ装置と、を備えた電力変換装置における前記電気二重層コンデンサの充電方法において、前記昇降圧チョッパ装置と前記電気二重層コンデンサとの間に抵抗とスイッチからなる並列体を備えた構成とし、前記スイッチング素子を連続してオンさせ前記抵抗を介して前記電気二重層コンデンサを初期充電するステップと、前記電気二重層コンデンサの電圧が予め設定した初期充電目標電圧設定値に達すると前記スイッチング素子を一旦オフし、その後前記スイッチをオンにして前記抵抗の両端を短絡するステップと、前記リアクトルの通電電流が過電流保護レベルに達しないように、また前記リアクトルの通電電流が０Ａまで下がり発散しないように、前記スイッチング素子のオン時間とオフ時間を前記電気二重層コンデンサの電圧と前記昇降圧チョッパ装置の高圧側主回路電圧の値に基づいてそれぞれ連続して変化させ制御するステップと、前記電圧が予め設定された充電目標電圧設定値に達すると前記スイッチング素子のスイッチングを停止するステップと、を備えたことを特徴としている。

請求項１乃至５に記載の発明によると、電気二重層コンデンサの電圧が０Ｖあるいは０Ｖに近い低電圧の状態からでも、リアクトルの通電電流が発散することなく電気二重層コンデンサへの充電を可能とする電力変換装置が得られる。

また、請求項６に記載の発明によると、電気二重層コンデンサの電圧が０Ｖあるいは０Ｖに近い低電圧の状態からでも、リアクトルの通電電流が発散することなく電気二重層コンデンサへの充電を可能とする充電方法が得られる。

また、請求項７に記載の発明によると、電気二重層コンデンサの電圧が０Ｖあるいは０Ｖに近い低電圧の状態からでも、リアクトルの通電電流が発散することなく電気二重層コンデンサへの充電を可能とし、電気二重層コンデンサ電圧に応じて、オン時間、オフ時間を連続して変化させることにより、充電時間の短縮を図ることができる充電方法が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置の構成図である。
図１において、２はスイッチ、３は抵抗である。尚、従来技術を示す図８と同じ説明符号のものは図８と同じ構成要素を示すものとし、その説明は省略する。
本発明が図８に示す従来技術と異なる点は、昇降圧チョッパ装置６のＢＰ端子と電気二重層コンデンサ１との間に、電気二重層コンデンサ１の初期充電のための抵抗３及び初期充電完了後に抵抗３を短絡するためのスイッチ２を設けるようにしている点、及び以下のステップＳＴ１〜５に示す電気二重層コンデンサ１の充電方法を備えるようにしている点である。

図２は、本発明の第１実施例における電気二重層コンデンサの電圧波形図である。
図２において、Ｖｏ１は電気二重層コンデンサ１の初期充電の目標電圧の設定値である初期充電目標電圧設定値、Ｖｏ２は電気二重層コンデンサの初期充電目標電圧設定値と充電目標電圧設定値の間に設けられた中間電圧設定値、Ｖｏ３は電気二重層コンデンサの充電目標電圧の設定値である充電目標電圧設定値である。
また、図３は、本発明の第１実施例において電気二重層コンデンサ電圧が低い場合の昇降圧チョッパ装置のリアクトルの通電電流波形図、図４は、本発明の第１実施例において電気二重層コンデンサ電圧が高い場合の昇降圧チョッパ装置のリアクトルの通電電流波形図である。
以下、図１〜４を用いて本実施例を示す電気二重層コンデンサ１の充電方法を以下のステップＳＴ１〜５に示す。
先ず、ステップＳＴ１で、スイッチ２をオフした状態でスイッチング素子１０を連続してオンさせ、電気二重層コンデンサ１を初期充電する。この場合、電気二重層コンデンサ１には抵抗３を介して電流が流れる。
なお、抵抗３の抵抗値が小さいほど初期充電時間が短くなるが、逆に抵抗の容量を大きくしなくてはならなくなり、コストアップにつながる。この抵抗３は初期充電にしか使用しないものであるため、初期充電に時間はかかるが、抵抗３としては抵抗値が大きく容量の小さいものを選定する方が得策である。
次に、ステップＳＴ２で、図２に示すように電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏが予め設定された初期充電目標電圧設定値Ｖｏ１まで上昇すると、スイッチング素子１０を一旦オフする。その後スイッチ２をオンし、抵抗３の両端を短絡する。
次に、ステップＳＴ３で、スイッチング素子１０がオン時に、リアクトル５の通電電流ＩＬが予め設定された過電流保護レベルＩＬＯＣに達しないよう、オン時間ｔｏｎを十分短く、なおかつ、スイッチング素子１０がオフ時にリアクトル５の通電電流ＩＬが０Ａまで下がり、通電電流ＩＬが発散しないようオフ時間ｔｏｆｆを十分長くしてスイッチング素子１０をスイッチングさせる。この場合のリアクトル５に流れる電流ＩＬの波形が図３である。
ここで、電気二重層コンデンサ１を充電するのはスイッチング素子１０がオン時のリアクトル５に流れる電流ＩＬであり、スイッチング素子１０のオン時間ｔｏｎが長いほど、またスイッチング周期が短いほど充電電力が大きくなる。前述の式１、式２より、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏの上昇に伴い、オン時のリアクトル５の通電電流ＩＬの傾きが小さくなっていき、同時にオフ時のリアクトル５の通電電流ＩＬの傾きが大きくなっていくと言える。よって、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏが大きい程、オン時間ｔｏｎを長く、オフ時間ｔｏｆｆを短くすることができる。
したがって、ステップＳＴ４では、図２に示すように電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏが予め設定された中間電圧設定値Ｖｏ２まで上昇すると、スイッチング素子１０がオン時にリアクトル５の通電電流ＩＬが過電流保護レベルＩＬＯＣに達しない程度にオン時間ｔｏｎを長くし、なおかつ、オフ時にリアクトル５の通電電流ＩＬが０Ａまで下がり、通電電流ＩＬが発散しない程度にオフ時間ｔｏｆｆを短くする。
こうすることは、スイッチング素子１０のオン時間を長く、かつスイッチング周期を短くすることであり、電気二重層コンデンサ１の充電電力を大きくし、充電時間を短縮することができる。この場合のリアクトル５に流れる電流ＩＬの波形が図４である。
次に、ステップＳＴ５では、図２に示すように予め設定された電気二重層コンデンサ１の充電目標電圧設定値Ｖｏ３に達すると、スイッチング素子１０のスイッチングを停止する。電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏは充電目標電圧設定値Ｖｏ３に保持される。

以下に示す第２実施例は、第１実施例を示す図１と同じ構成であるが、電気二重層コンデンサ１の電圧に応じて、スイッチング素子１０のオン時間、オフ時間を連続して変化させることにより、第１実施例よりも充電時間の短縮を図るものである。
図５は、本発明の電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置における制御ブロック図である。
図５において、７は演算装置、８はスイッチング素子ドライブ信号発生器、９はスイッチドライブ信号発生器である。尚、本実施例において、第１実施例における用語や説明符号と同じものは第１実施例と同じ構成要素および意味を示すものであるとし、その説明は省略する。
以下、図５を用いて、本発明における制御ブロックの構成を説明する。
演算装置７には、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏ、主回路電圧Ｖｉが入力される。
演算装置７は、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏの値に応じてスイッチング素子１０のスイッチングのオン時間ｔｏｎ、オフ時間ｔｏｆｆを演算して演算結果をスイッチング素子ドライブ信号発生器８に出力し、また、スイッチ２のオンオフの判断を行いスイッチドライブ信号発生器９に出力する。スイッチング素子ドライブ信号発生器８は演算装置７から入力した演算結果に基づいてスイッチング素子１０のドライブ信号を出力する。
また、スイッチドライブ信号発生器９は演算装置７から入力した判断結果に基づいて、スイッチ２のドライブ信号を出力する。

以下、図５を用いて、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏの上昇に伴う本実施例の制御ブロックの具体的な動作を以下に説明する。
先ず、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏ＜初期充電目標電圧設定値Ｖｏ１の場合は、電気二重層コンデンサ１を初期充電する。このため、スイッチ２はオフのままでスイッチング素子１０は連続してオンさせる。すなわち下記信号を出力する。
ｔｏｎ、ｔｏｆｆの演算結果：ｔｏｎ＝∞、ｔｏｆｆ＝０
スイッチ２のオンオフ判断結果：オフ
次に、初期充電目標電圧設定値Ｖｏ１≦電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏ＜充電目標電圧設定値Ｖｏ３ の場合は、電気二重層コンデンサ１の初期充電が完了したため、スイッチング素子１０を一旦オフし、スイッチ２をオンさせ抵抗３を短絡する。すなわち下記信号を出力する。
ｔｏｎ、ｔｏｆｆの演算結果：ｔｏｎ＝０、ｔｏｆｆ＝∞
スイッチ２オンオフ判断結果：オン
スイッチ２がオンした後は、後で詳細に述べる式５、式７より決定されるｔｏｎ、ｔｏｆｆで、スイッチング素子１０をスイッチングさせ、電気二重層コンデンサ１を充電する。すなわち下記信号を出力する。
ｔｏｎ、ｔｏｆｆの演算結果：
ｔｏｎ＝（Ｌ×Ｉｍａｘ）／（Ｖｉ−Ｖｏ）・・・（式５）
ｔｏｆｆ＝（Ｌ×Ｉｍａｘ）／Ｖｏ＋α・・・（式７）
スイッチ２オンオフ判断結果：オン
次に、充電目標電圧設定値Ｖｏ３≦電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏの場合は、電気二重層コンデンサ１の電圧が充電目標電圧に達したため、スイッチング素子１０をオフする。すなわち下記信号を出力する。
ｔｏｎ、ｔｏｆｆの演算結果：ｔｏｎ＝０、ｔｏｆｆ＝∞
スイッチ２オンオフ判断結果：オン

図６は、本発明の第２実施例における電気二重層コンデンサの電圧波形図、図７は、本発明の第２実施例のステップＳＴ３１におけるリアクトル電流波形図である。
以下、図６、７を参照しながら本実施例を示す電気二重層コンデンサの充電方法を説明する。
本実施例の電気二重層コンデンサ１の充電方法はステップＳＴ１〜２までは第１実施例と同じであるので省略する。
ステップＳＴ３のかわりに本実施例ではステップＳＴ３１で、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏの値に応じて、オン時間ｔｏｎ、オフ時間ｔｏｆｆの値を以下に示す式５、式６のように制御する。
先ず、リアクトル電流ＩＬに通電する最大電流をＩｍａｘとする。このＩｍａｘは過電流保護レベルＩＬＯＣより小さい値に予め設定する。すなわち、Ｉｍａｘ＜ＩＬＯＣとする。
式１において、ΔＩＬ＝Ｉｍａｘ、Δｔ＝ｔｏｎとすると、ｔｏｎは式５で表される。
ｔｏｎ＝（Ｌ×Ｉｍａｘ）／（Ｖｉ−Ｖｏ）・・・（式５）
また、式２において、ΔＩＬ＝−Ｉｍａｘ、Δｔ＝ｔｏｆｆとすると、ｔｏｆｆは式６で表される。
ｔｏｆｆ＝（Ｌ×Ｉｍａｘ）／Ｖｏ・・・（式６）
電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏの値に応じて、オン時間ｔｏｎ、オフ時間ｔｏｆｆの値を式５、式６のように制御することにより、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏの値に対する最適なスイッチング時間、すなわち最大オン時間、最小スイッチング周期に設定することができる。よって、電気二重層コンデンサ１の充電を効率よく行うことができ、電気二重層コンデンサ１の充電時間を実施例１の場合よりも短縮できる。
なお、オフ時間ｔｏｆｆに関しては、式６のぎりぎりの値だと、リアクトル５の通電電流ＩＬが零にならず発散する可能性があるので、式７のように、若干余裕を持たせることが望ましい。
ｔｏｆｆ＝（Ｌ×Ｉｍａｘ）／Ｖｏ＋α・・・（式７）
ここで、αはマージンである。
次にステップＳＴ３２で、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏが電気二重層コンデンサ１の充電目標電圧設定値Ｖｏ３に達すると、スイッチング素子１０のスイッチングを停止する。電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏは充電目標電圧設定値Ｖｏ３に保持される。

以上述べたように、本実施例に係わる電気二重層コンデンサ１を適用した電力変換装置および電気二重層コンデンサ１の充電方法は、充電回路として抵抗３とスイッチ２からなる並列回路を追加し、最初は抵抗３を通じて電気二重層コンデンサ１を充電し、ある程度電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏが上昇すると抵抗３の両端をスイッチ２で短絡し、次に、リアクトル５の通電電流ＩＬが発散しないようオン時間ｔｏｎを十分短く、オフ時間ｔｏｆｆを十分長くして昇降圧チョッパ６のスイッチング素子１０を動作させて電気二重層コンデンサ１を充電し、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏの上昇に伴いオン時間ｔｏｎを長く、オフ時間ｔｏｆｆを短くしていくようにしているので、電気二重層コンデンサ１の電圧Ｖｏが０Ｖからの充電においてもリアクトル５の通電電流ＩＬが発散してしまうのを防ぐことができ、電気二重層コンデンサ１の充電電力を大きくして充電時間を短縮することができる。

本発明は、電気二重層コンデンサを電源バックアップ用途、電力平準化用途等に使用するあらゆる用途の装置に適用でき、電気二重層コンデンサの充放電装置として昇降圧チョッパ装置を備えた無停電源電源装置、太陽光発電システム、風力発電システム等の電力変換装置、あるいは、大きなイナーシャを有するスピンドル設備や射出成形設備等、あるいは停電や復帰時の安全を要求されるロボット設備や搬送設備等に使用されるインバータ装置およびサーボドライブ装置の主回路装置に利用できる。

本発明の第１実施例を示す電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置の構成図 本発明の第１実施例における電気二重層コンデンサの電圧波形図 本発明の第１実施例において電気二重層コンデンサ電圧が低い場合の昇降圧チョッパ装置のリアクトルの通電電流波形図 本発明の第１実施例において電気二重層コンデンサ電圧が高い場合の昇降圧チョッパ装置のリアクトルの通電電流波形図 本発明の電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置における制御ブロック図 本発明の第２実施例における電気二重層コンデンサの電圧波形図 本発明の第２実施例のステップＳＴ３１におけるリアクトル電流波形図 従来技術を示す電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置の構成図 従来の電力変換装置における昇降圧チョッパ装置のリアクトルの通電電流波形図 従来の電力変換装置における昇降圧チョッパ装置のリアクトル５の通電電流波形図

符号の説明

１ 電気二重層コンデンサ
２ スイッチ
３ 抵抗
４ コンデンサ
５ リアクトル
６ 昇降圧チョッパ装置
７ 演算装置
８ スイッチング素子ドライブ信号発生器
９ スイッチドライブ信号発生器
１０、１１ スイッチング素子
１２、１３ ダイオード

Claims (7)

1. 蓄電装置としての電気二重層コンデンサ（１）と、
   リアクトル（５）、スイッチング素子（１０）を有し低圧側に接続された前記電気二重層コンデンサ（１）の充放電装置としての昇降圧チョッパ装置（６）と、
   を備えた電力変換装置において、
   前記昇降圧チョッパ装置（６）と前記電気二重層コンデンサ（１）との間に接続された抵抗（３）とスイッチ（２）からなる並列体と、
   前記スイッチ（２）をドライブするスイッチドライブ信号発生器（９）と、
   前記スイッチング素子（１０）をドライブするスイッチング素子ドライブ信号発生器（８）と、
   前記電気二重層コンデンサ（１）の充電時に、前記電気二重層コンデンサ（１）の電圧（Ｖｏ）、前記昇降圧チョッパ装置（６）の高圧側主回路電圧（Ｖｉ）、予め設定した初期充電完了の目標電圧である初期充電目標電圧設定値（Ｖｏ１）、予め設定した充電完了の目標値である充電目標電圧設定値（Ｖｏ３）に基づいて前記スイッチング素子（１０）のスイッチングのオン時間（ｔｏｎ）、オフ時間（ｔｏｆｆ）を演算して前記スイッチング素子ドライブ信号発生器（８）に出力し、前記スイッチ（２）のオンオフの判断を行って前記スイッチドライブ信号発生器（９）に出力する演算装置（７）と、を備えたことを特徴とする電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置。
2. 前記演算装置（７）は、
   前記電気二重層コンデンサ（１）の電圧（Ｖｏ）が０Ｖ、あるいは数Ｖ以下であると判断した場合は前記抵抗（３）を介して電気二重層コンデンサ（１）を充電し、前記電圧（Ｖｏ）が前記初期充電目標電圧設定値（Ｖｏ１）まで上昇したと判断した場合は前記抵抗（３）の両端を短絡するように前記スイッチ（２）を制御することを特徴とする請求項１に記載の電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置。
3. 前記演算装置（７）は、
   前記電気二重層コンデンサ（１）の電圧（Ｖｏ）が前記初期充電目標電圧設定値（Ｖｏ１）以上かつ前記充電目標電圧設定値（Ｖｏ３）以下の場合は、前記電気二重層コンデンサ（１）の電圧（Ｖｏ）に基づいてオン時間（ｔｏｎ）とオフ時間（ｔｏｆｆ）をそれぞれ連続して変化させるよう前記スイッチング素子（１０）を制御することを特徴とする請求項１に記載の電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置。
4. 前記演算装置（７）は、
   前記初期充電目標電圧設定値（Ｖｏ１）と前記充電目標電圧設定値（Ｖｏ３）の間に予め設定した中間電圧設定値（Ｖｏ２）を有し、
   前記電気二重層コンデンサ（１）の電圧（Ｖｏ）が前記中間電圧設定値（Ｖｏ２）より低いと判断した場合は、前記スイッチング素子（１０）のオン時間（ｔｏｎ）を短く、且つオフ時間（ｔｏｆｆ）を長くすることにより前記リアクトル（５）の通電電流（ＩＬ）が発散しないよう前記スイッチング素子（１０）を制御することを特徴とする請求項１に記載の電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置。
5. 前記演算装置（７）は、
   前記電気二重層コンデンサ（１）の電圧（Ｖｏ）が前記中間電圧設定値（Ｖｏ２）より高いと判断した場合は、前記スイッチング素子（１０）のオン時間（ｔｏｎ）を長く、且つオフ時間（ｔｏｆｆ）を短くすることにより前記電気二重層コンデンサ（１）の充電電力を大きくして前記電気二重層コンデンサ（１）の充電時間を短縮するよう前記スイッチング素子（１０）を制御することを特徴とする請求項４に記載の電気二重層コンデンサを適用した電力変換装置。
6. 蓄電装置としての電気二重層コンデンサ（１）と、
   リアクトル（５）、スイッチング素子（１０）を有し低圧側に接続された前記電気二重層コンデンサ（１）の充放電装置としての昇降圧チョッパ装置（６）と、
   を備えた電力変換装置における前記電気二重層コンデンサ（１）の充電方法において、
   前記昇降圧チョッパ装置（６）と前記電気二重層コンデンサ（１）との間に抵抗（３）とスイッチ（２）からなる並列体を備えた構成とし、
   前記スイッチング素子（１０）を連続してオンさせ前記抵抗（３）を介して前記電気二重層コンデンサ（１）を初期充電するステップ（ＳＴ１）と、
   前記電気二重層コンデンサ（１）の電圧（Ｖｏ）が予め設定した初期充電目標電圧設定値（Ｖｏ１）に達すると前記スイッチング素子（１０）を一旦オフし、その後前記スイッチ（２）をオンにして前記抵抗（３）の両端を短絡するステップ（ＳＴ２）と、
   前記スイッチング素子（１０）のオン時間（ｔｏｎ）を前記リアクトル（５）の通電電流（ＩＬ）が予め設定された過電流保護レベル（ＩＬＯＣ）に達しないよう十分短くし、尚且つ、前記スイッチング素子（１０）のオフ時間（ｔｏｆｆ）を前記通電電流（ＩＬ）が０Ａまで下がり発散しないよう十分長くして前記スイッチング素子（１０）をスイッチングさせるステップ（ＳＴ３）と、
   前記電圧（Ｖｏ）が前記初期充電目標電圧設定値（Ｖｏ１）と前記充電目標電圧設定値（Ｖｏ３）の間に予め設定した中間電圧設定値（Ｖｏ２）に達すると前記スイッチング素子（１０）のオン時間（ｔｏｎ）を前記通電電流（ＩＬ）が前記過電流保護レベル（ＩＬＯＣ）に達しない程度に長くし、尚且つ、前記スイッチング素子（１０）のオフ時間（ｔｏｆｆ）を前記通電電流（ＩＬ）が０Ａまで下がり発散しない程度に短くするステップ（ＳＴ４）と、
   前記電圧（Ｖｏ）が予め設定された充電目標電圧設定値（Ｖｏ３）に達すると前記スイッチング素子（１０）のスイッチングを停止するステップ（ＳＴ５）と、を備えたことを特徴とする電気二重層コンデンサの充電方法。
7. 蓄電装置としての電気二重層コンデンサ（１）と、
   リアクトル（５）、スイッチング素子（１０）を有し低圧側に接続された前記電気二重層コンデンサ（１）の充放電装置としての昇降圧チョッパ装置（６）と、
   を備えた電力変換装置における前記電気二重層コンデンサ（１）の充電方法において、
   前記昇降圧チョッパ装置（６）と前記電気二重層コンデンサ（１）との間に抵抗（３）とスイッチ（２）からなる並列体を備えた構成とし、
   前記スイッチング素子（１０）を連続してオンさせ前記抵抗（３）を介して前記電気二重層コンデンサ（１）を初期充電するステップ（ＳＴ１）と、
   前記電気二重層コンデンサ（１）の電圧（Ｖｏ）が予め設定した初期充電目標電圧設定値（Ｖｏ１）に達すると前記スイッチング素子（１０）を一旦オフし、その後前記スイッチ（２）をオンにして前記抵抗（３）の両端を短絡するステップ（ＳＴ２）と、
   前記リアクトル（５）の通電電流（ＩＬ）が過電流保護レベル（ＩＬＯＣ）に達しないように、また前記リアクトル（５）の通電電流（ＩＬ）が０Ａまで下がり発散しないように、前記スイッチング素子（１０）のオン時間（ｔｏｎ）とオフ時間（ｔｏｆｆ）を前記電気二重層コンデンサ（１）の電圧（Ｖｏ）と前記昇降圧チョッパ装置（６）の高圧側主回路電圧（Ｖｉ）の値に基づいてそれぞれ連続して変化させ制御するステップ（ＳＴ３１）と、
   前記電圧（Ｖｏ）が予め設定された充電目標電圧設定値（Ｖｏ３）に達すると前記スイッチング素子（１０）のスイッチングを停止するステップ（ＳＴ３２）と、を備えたことを特徴とする電気二重層コンデンサの充電方法。

Images