JP2008193795A - 電気二重層キャパシタの充電制御機構 - Google Patents

Abstract

【課題】電気二重層キャパシタモジュールの能力を最大限に使用して、充電容量を増加させる。
【解決手段】モータ１０３は、車輪から回転力が伝達されると発電機として機能して回生電力を発生する。この回生電力は、インバータ１０７，切替スイッチ１０６，コンバータ１０５を介して、電気二重層キャパシタモジュール１０１に送られて充電される。電圧計１０８は、モジュール１０１の端子間電圧を示す検出電圧Ｖを出力し、電流計１０９は、モジュール１０１に流入する電流を示す検出電流Ｉを出力する。制御部１２０には、モジュール１０１の上限充電電圧Ｖｍ及び内部抵抗Ｒが設定されている。制御部１２０は、コンバータ１０５を制御して、Ｖ＜Ｖｍ＋Ｉ・Ｒであるときには定電力でモジュール１０１に対して充電をし、ＶがＶｍ＋Ｉ・Ｒに達したら、モジュール１０１に対して定電圧を印加して充電を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタの充電制御機構に関し、充電電力を増やすことができるように工夫したものである。

電気二重層キャパシタは、活性炭と電解液との界面に形成される電気二重層に蓄積される電気エネルギーを利用するもので、ファラッドオーダの電気容量を瞬時に充放電できる大容量コンデンサである。

この電気二重層キャパシタの用途としては、メモリバックアップ用の小容量品から、電気自動車のパワーアシスト用としての中容量品、そして電力貯蔵用蓄電池代替としての大容量品まで、幅広く検討されている。

単位キャパシタの耐電圧は、その構成要素である電解液（電解質、溶媒）の電気分解電圧で決まり、水溶液系電解液の場合、約１．２Ｖ、有機系電解液の場合２．８〜３Ｖである。
溶媒分解電圧以上の電圧を印加するとキャパシタは破壊されるため、高電圧を要求される用途には、単位キャパシタを複数個、直列接続を行う。

一般に単位セルで使用する場合は、有機系電解液の場合、２．３〜２．７Ｖ、直列接続した場合は、セル当たり平均２．０〜２．３Ｖで使用される。

構造的には、電極とセパレータを渦巻き状に巻き円筒形ケースに収納する巻回型と、電極セパレータが平板状の平板型がある。
平板型は、電極、セパレータ、電極、セパレータ・・・と交互に積層するバイポーラ構造をとるこができ、高電圧用途に適する。

電気二重層キャパシタは充放電サイクル特性が優れていることから、エネルギー回生貯蔵デバイスとして、電気自動車や電気鉄道等に適用され、回生ブレーキ時の電力貯蔵、発進加速時の電力供給が考えられている。

図４は、電気二重層キャパシタをエネルギー回生貯蔵デバイス（充放電モジュール）として、電気自動車に適用した従来の例である。

図４において、電気二重層キャパシタモジュール１は、例えば図５に示すように、単位キャパシタ（セル）を４６個バイポーラ接続したキャパシタユニット１ａを８個並列接続して、３組の組キャパシタＡ，Ｂ，Ｃを形成し、更に、この組キャパシタＡ，Ｂ，Ｃを直列接続して構成したものである。
この電気二重層キャパシタモジュール１は、回生時には電力貯蔵（充電）をし、発進加速時等には電力供給（放電）をする、エネルギー回生貯蔵デバイスとして機能する。

図４に戻り説明すると、供給主電源２は、バッテリ（直流電源）である。
また、モータ３は交流モータであり、交流電力が供給されると回転駆動して車輪（図示省略）を駆動する。このモータ３は、車輪から駆動力を受けると発電機として機能し、交流電力（回生電力）を発生する。

更に、コンバータ４，５、切替スイッチ６及びインバータ７が備えられている。
また、電気二重層キャパシタモジュール１の端子間の電圧を検出して検出電圧Ｖを出力する電圧計８と、全体を制御する制御部９が備えられている。
また発進加速時にのみ投入されるスイッチ１０が、電気二重層キャパシタモジュール１とコンバータ４との間に介装されている。

制御部９は、モータ３の状態を監視しており、モータ３が回生状態（発電状態）になっているか、駆動状態（力行状態）になっているかを判断している。

制御部９は、モータ３の状態が駆動状態（力行状態）になっていると判断した場合には、切替スイッチ６の可動端子６ｃを、固定端子６ａ側に投入する。

このため、供給主電源２から出力された直流電力は、コンバータ４により電圧調整され、切替スイッチ６を通してインバータ７に供給される。インバータ７は、直流電力を交流電力に変換すると共にその周波数を制御し、周波数制御された交流電力がモータ３に供給されて、モータ３が回転駆動する。
これによりタイヤが回転駆動されて電気自動車が走行する。

なお、発進加速時には、電気二重層キャパシタモジュール１とコンバータ４との間に介装したスイッチ１０が投入状態となり、モータ３に対して電気二重層キャパシタモジュール１からも電力供給が行われる。なお、スイッチ１０は、発進加速時以外では開放状態となっている。

制御部９は、モータ３の状態が回生状態（発電状態）になっていると判断した場合には、切替スイッチ６の可動端子６ｃを、固定端子６ｂ側に投入する。

このためモータ３にて発生した回生電力（交流電力）は、インバータ７により直流電力に変換され、切替スイッチ６及びコンバータ５を介して電気二重層キャパシタモジュール１に供給される。この結果、回生電力が電気二重層キャパシタモジュール１に充電される。なお、電気二重層キャパシタモジュール１への充電電圧の値は、コンバータ５により制御することができる。

電気二重層キャパシタモジュール１に充電がされていくと、電気二重層キャパシタモジュール１の端子間電圧が上昇し、電圧計８で検出した検出電圧Ｖが上昇してくる。

制御部９には、電気二重層キャパシタモジュール１の上限充電電圧Ｖｍが予め設定されている。この上限充電電圧Ｖｍは、電気二重層キャパシタモジュール１の特性により予め決まっており、例えば２８０［Ｖ］である。
なお上限充電電圧Ｖｍとは、安全性を考慮して、電気二重層キャパシタモジュール１に充電できる最大限界電圧（電解液の分解電圧等できまる電圧）Ｖｍａｘよりも、低く設定している。

制御部９は、検出電圧Ｖが上限充電電圧Ｖｍ未満である場合には、回生電力を電気二重層キャパシタモジュール１に充電させるように、成り行きで回生電力を電気二重層キャパシタモジュール１に吸い込ませて（充電させて）いた。
そして、検出電圧Ｖが上限充電電圧Ｖｍに達すると、コンバータ５を制御して、コンバータ５から電気二重層キャパシタモジュール１へ供給する電圧値を一定（上限充電電圧Ｖｍの値）とする定電圧制御に切り替えて、回生電力を制限して充電を停止していた。

図６は、従来技術における電気二重層キャパシタモジュール１の充放電パターンを示す。
図６において、点線は電流Ｉを、二点鎖線は電圧Ｖを示し、実線は電力Ｐを示す。また、横軸は時間（秒）であり、左側の縦軸に示した数値は電圧値を、右側の縦軸に示した数値は電力値を表す。そして、横軸より上側の特性は放電状態を示し、横軸よりも下側の特性は充電状態を示す。

図６に示すように、従来では、４０ｋＷ定電力で１０秒間の放電ができ、４０ｋＷ定電力で１０秒間の充電ができた。

特開平９−２５２５４６号公報

上述したように、従来技術では、充電状態における検出電圧Ｖが上限充電電圧Ｖｍ未満である場合には、回生電力を電気二重層キャパシタモジュール１に充電させるように、成り行きで回生電力を電気二重層キャパシタモジュール１に吸い込ませて（充電させて）いたが、充電状態における検出電圧Ｖが上限充電電圧Ｖｍに達すると、コンバータ５を制御して、コンバータ５から電気二重層キャパシタモジュール１へ供給する電圧を一定とする定電圧制御に切り替えて、充電を停止していた。

このように、充電時の検出電圧Ｖが上限充電電圧Ｖｍに達すると、定電圧制御とし、回生電力を制限して充電を停止していたため、電力回生が十分に行われず、エネルギーのロスとなっていた。

更に説明すると、充電時の検出電圧Ｖは、電気二重層キャパシタユニット１の内部抵抗降下分の電圧（充電電流Ｉ×内部抵抗Ｒ）も含むため、充電停止後の電気二重層キャパシタユニット１の電圧は、上限充電電圧Ｖｍから内部抵抗降下分Ｉ・Ｒを引いた値、つまり、上限充電電圧Ｖｍよりも低くなっている。

結局、電気二重層キャパシタモジュール１に充電余裕があるにもかかわらず、充電状態での検出電圧Ｖが上限充電電圧Ｖｍに達すると、電気二重層キャパシタモジュール１への充電を停止してしまうため、電気二重層キャパシタモジュール１の充電容量を完全に使用して充電をしているわけではなく、電力回生が不十分となりエネルギーロスが発生していたのである。

本発明は、上記従来技術に鑑み、モータから発生した回生電力を、電気二重層キャパシタに対して、より多く充電することができる電気二重層キャパシタの充電制御機構を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
電気二重層キャパシタによりなる充放電モジュールと、
回生電力を発生するモータと、
前記モータにより発生した回生電力の電圧値を制御して前記充放電モジュールに送るコンバータと、
前記充放電モジュールの端子間電圧を検出して検出電圧を出力する電圧検出手段と、
前記充放電モジュールに流入していく電流を検出して検出電流を出力する電流検出手段と、
前記充放電モジュールの内部抵抗と、前記充放電モジュールに対して予め設定されている上限充電電圧とが記憶されていると共に、前記検出電圧及び前記検出電流が取り込まれる制御部とを有し、
前記制御部は、前記内部抵抗と前記検出電流とを掛けた値に、前記上限充電電圧を加えた値を判定値とし、前記検出電圧が前記判定値未満であるときには、前記コンバータを制御して前記コンバータにより前記充放電モジュールに対して定電力で充電を行い、前記検出電圧が前記判定値に達したら、前記コンバータを制御して前記コンバータから前記充放電モジュールへの出力電圧値を前記上限充電電圧の値として充電を停止することを特徴とする。

本発明によれば、充電時における充放電モジュールの端子間電圧（検出電圧）が、上限充電電圧よりも高くなってから充電を停止するため、充電停止後の充放電モジュールの電圧を高く維持でき、例えば上限充電電圧とすることができる。この結果、充放電モジュールの能力を最大限に利用して充電をすることができ、充電容量を増加させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は、電気二重層キャパシタをエネルギー回生貯蔵デバイスとして、電気自動車に適用した、本発明の実施例である。

図１において、電気二重層キャパシタモジュール１０１は、例えば図５に示すように、複数の単位キャパシタ（セル）を並列・直列接続して構成したものである
この電気二重層キャパシタ１０１は、回生時には電力貯蔵（充電）をし、発進加速時等には電力供給（放電）をする、エネルギー回生貯蔵デバイス（充放電モジュール）として機能する。

図１に戻り説明すると、供給主電源１０２は、バッテリ（直流電源）である。
また、モータ１０３は交流モータであり、交流電力が供給されると回転駆動して車輪（図示省略）を駆動する。このモータ１０３は、車輪から駆動力を受けると発電機として機能し、交流電力（回生電力）を発生する。

更に、コンバータ１０４，１０５、切替スイッチ１０６及びインバータ１０７が備えられている。
また、電気二重層キャパシタモジュール１０１の端子間の電圧を検出して検出電圧Ｖを出力する電圧計１０８と、電気二重層キャパシタモジュール１０１に流入する電流を検出して検出電流Ｉを検出する電流計１０９と、全体を制御する制御部１２０が備えられている。
また発進加速時にのみ投入されるスイッチ１１０が、電気二重層キャパシタモジュール１０１とコンバータ１０４との間に介装されている。

制御部１２０は、運転状態監視部１２１と、スイッチング制御部１２２と、電圧比較判定部１２３と、メモリ１２４を備えている。

メモリ１２４には、電気二重層キャパシタモジュール１０１の内部抵抗Ｒが記憶されている。内部抵抗Ｒは、予め測定されたものであり、例えば９０ｍΩである。

またメモリ１２４には、電気二重層キャパシタモジュール１０１の上限充電電圧Ｖｍが記憶されている。この上限充電電圧Ｖｍは、電気二重層キャパシタモジュール１０１の特性により予め決まっており、例えば２８０［Ｖ］である。
なお上限充電電圧Ｖｍとは、安全性を考慮して、電気二重層キャパシタモジュール１０１に充電できる最大限界電圧（電解液の分解電圧等できまる電圧）Ｖｍａｘよりも、低く設定している

制御部１２０の運転状態監視部１２１は、モータ１０３の状態を監視しており、モータ１０３が回生状態（発電状態）になっているか、駆動状態（力行状態）になっているかを判断している。

制御部１２０のスイッチング制御部１２２は、運転状態監視部１２１により、モータ１０３の状態が駆動状態（力行状態）になっていると判断した場合には、切替スイッチ１０６の可動端子１０６ｃを、固定端子１０６ａ側に投入する。

このため、供給主電源１０２から出力された直流電力は、コンバータ１０４により電圧調整され、切替スイッチ１０６を通してインバータ１０７に供給される。インバータ１０７は、直流電力を交流電力に変換すると共にその周波数を制御し、周波数制御された交流電力がモータ１０３に供給されて、モータ１０３が回転駆動する。
これによりタイヤが回転駆動されて電気自動車が走行する。

なお、発進加速時には、スイッチング制御部１２２の制御により、電気二重層キャパシタモジュール１０１とコンバータ１０４との間に介装したスイッチ１１０が投入状態となり、モータ１０３に対して電気二重層キャパシタモジュール１０１からも電力供給が行われる。なお、スイッチ１１０は、発進加速時以外では開放状態となっている。

制御部１２０のスイッチング制御部１２２は、運転状態監視部１２１により、モータ１０３の状態が回生状態（発電状態）になっていると判断した場合には、切替スイッチ１０６の可動端子１０６ｃを、固定端子１０６ｂ側に投入する。

このためモータ１０３にて発生した回生電力（交流電力）は、インバータ１０７により直流電力に変換され、切替スイッチ１０６及びコンバータ１０５を介して電気二重層キャパシタモジュール１０１に供給される。この結果、回生電力が電気二重層キャパシタモジュール１０１に充電される。なお、電気二重層キャパシタモジュール１０１への充電電圧の値は、コンバータ１０５により制御することができる。

電気二重層キャパシタモジュール１０１に充電がされていくと、電気二重層キャパシタモジュール１０１の端子間電圧が上昇していく。

電圧計１０８は、電気二重層キャパシタモジュール１０１の端子間電圧を示す検出電圧Ｖを出力する。
また電流計１０９は、電気二重層キャパシタモジュール１０１に流入していく電流の値を示す検出電流Ｉを出力する。

制御部１２０の電圧比較判定部１２３は、検出電圧Ｖ及び検出電流Ｉを取り込み（図２のステップＳ１，Ｓ２）、更に、電気二重層キャパシタモジュール１０１での内部抵抗降下に相当する降下電圧Ｉ・Ｒを演算する（図２のステップＳ３）。

更に、制御部１２０の電圧比較判定部１２３は、上限充電電圧Ｖｍと降下電圧Ｉ・Ｒとを加算した値を判定値（Ｖｍ＋Ｉ・Ｒ）とし、検出電圧Ｖと、判定値（Ｖｍ＋Ｉ・Ｒ）とを比較する（図２のステップＳ４）。

そして、制御部１２０の電圧比較判定部１２３は、Ｖ＞（Ｖｍ＋Ｉ・Ｒ）であるときには、コンバータ１２３を制御して、定電力で電気二重層キャパシタモジュール１０１に充電を行う。

更に制御部１２０の電圧比較判定部１２３は、検出電圧Ｖの値が判定値（Ｖｍ＋Ｉ・Ｒ）に達したら、以降は、コンバータ１２３を制御して、コンバータ１２３から電気二重層キャパシタモジュール１０１側への出力電圧を定電圧（上限充電電圧Ｖｍの電圧）とし、これにより、電気二重層キャパシタモジュール１０１への充電を停止する。

例えば上限充電電圧Ｖｍが２８０Ｖで、降下電圧Ｉ・Ｒが２０Ｖであるときには、検出電圧Ｖが３００Ｖに達したら、それ以降は、コンバータ１２３は２８０Ｖの定電圧を電気二重層キャパシタモジュール１０１に印加して、充電を停止する。

図３は、本実施例における電気二重層キャパシタモジュール１０１の充放電パターンを示す。
図３において、点線は電流Ｉを、二点鎖線は電圧Ｖを示し、実線は電力Ｐを示す。また、横軸は時間（秒）であり、左側の縦軸に示した数値は電圧値を、右側の縦軸に示した数値は電力を表す。そして、横軸より上側の特性は放電状態を示し、横軸よりも下側の特性は充電状態を示す。

図３に示すように、本実施例では、４０ｋＷ定電力で１０秒間の放電ができ、４０ｋＷ定電力で１２秒間の充電ができた。つまり、充電時間が従来に比べて２秒伸び、その結果、電気二重層キャパシタモジュール１０１に充電できる（吸収できる）電力量は約１割増えた。

結局、従来では、電気二重層キャパシタモジュール１に電流を流しつつ定電力で充電しているときに、検出電圧Ｖが上限充電電圧Ｖｍ（例えば２８０Ｖ）に達したら充電を停止していたが、本実施例では、電気二重層キャパシタモジュール１０１に電流を流しつつ定電力で充電しているときに、検出電圧Ｖが、上限充電電圧Ｖｍに内部電圧降下分の電圧Ｉ・Ｒを加えた値（例えば３００Ｖ）に達してから充電を停止している。

このようにしているため、本実施例では、充電停止後における（電気二重層キャパシタモジュール１０１に電流が流れていない状態での）電気二重層キャパシタモジュール１０１の電圧（ちょうど開路電圧に相当する電圧）は、Ｖｍ＋Ｉ・ＲからＩ・Ｒを引いた値、即ち上限充電電圧Ｖｍとなる。
このように、充電完了後における電気二重層キャパシタモジュール１０１の電圧を上限充電電圧Ｖｍとすることができるため、充電電力を増やすことができるのである。

本発明は、電気自動車のみならず、電気鉄道等にも適用することができる。つまり、回生電力を発生するモータを採用する各産業分野に適用することができる。

本発明の実施例に係る電気二重層キャパシタの充電制御機構を示すブロック図である。 実施例の動作状態を示すフロー図である。 実施例における充放電特性を示す特性図である。 従来技術に係る電気二重層キャパシタの充電制御機構を示すブロック図である。 電気二重層キャパシタモジュールの構成例を示す構成図である。 従来技術における充放電特性を示す特性図である。

符号の説明

１０１ 電気二重層キャパシタモジュール
１０２ 供給主電源
１０３ モータ
１０４，１０５ コンバータ
１０６ 切替スイッチ
１０７ インバータ
１０８ 電圧計
１０９ 電流計
１１０ スイッチ
１２０ 制御部
１２１ 運転状態監視部
１２２ スイッチング制御部
１２３ 電圧比較判定部
１２４ メモリ

Claims (1)

1. 電気二重層キャパシタによりなる充放電モジュールと、
   回生電力を発生するモータと、
   前記モータにより発生した回生電力の電圧値を制御して前記充放電モジュールに送るコンバータと、
   前記充放電モジュールの端子間電圧を検出して検出電圧を出力する電圧検出手段と、
   前記充放電モジュールに流入していく電流を検出して検出電流を出力する電流検出手段と、
   前記充放電モジュールの内部抵抗と、前記充放電モジュールに対して予め設定されている上限充電電圧とが記憶されていると共に、前記検出電圧及び前記検出電流が取り込まれる制御部とを有し、
   前記制御部は、前記内部抵抗と前記検出電流とを掛けた値に、前記上限充電電圧を加えた値を判定値とし、前記検出電圧が前記判定値未満であるときには、前記コンバータを制御して前記コンバータにより前記充放電モジュールに対して定電力で充電を行い、前記検出電圧が前記判定値に達したら、前記コンバータを制御して前記コンバータから前記充放電モジュールへの出力電圧値を前記上限充電電圧の値として充電を停止することを特徴とする電気二重層キャパシタの充電制御機構。

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