JP2009112122A

JP2009112122A - 電力供給装置

Info

Publication number: JP2009112122A
Application number: JP2007282221A
Authority: JP
Inventors: Makoto Taguchi; 真田口; Chiaki Marumo; 千郷丸茂
Original assignee: JM Energy Corp
Current assignee: JM Energy Corp
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-05-21

Abstract

【課題】駆動用の搭載バッテリー等の電源の容量を少なくし、しかもキャパシタの容量が小さくてもモータ所望の必要最大電力を負荷に供給することができる電力供給装置を提供する。
【解決手段】電力を負荷１４に供給するためのバッテリー１１（電源ユニット）と、このバッテリー１１（電源ユニット）に並列に接続されたキャパシタ１２とを備えて成る電力供給装置であって、キャパシタ１２の単位セル当たりの時定数が３Ω・Ｆ以下であることを特徴とする電力供給装置により解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷に電力を供給するための電源ユニットを有する電力供給装置に関し、特に電気式輸送機器等に搭載される電源ユニットであるバッテリーから当該電気式輸送機器等の電動機に電力を供給する際に用いる電力供給装置に関するものである。

電源装置から負荷に供給される電力量（単位時間当たりに消費される電力）は、負荷の状態に応じて異なる。例えば、負荷としてモーターを例に挙げると、モーターの加速時（例えば、始動時）には、電源装置からモーターに対して大電力が供給され、定常状態においては、電源装置からモーターに供給される電力は少ない（つまり、小電力である）。そのため、電源装置は、モーター等の負荷に対してその最大消費電力を供給できる能力が要求される。

ところで、電気自動車（例えば、フォークリフト）等では、電源ユニットであるバッテリーを電源装置として用いており、前述のように、加速時等におけるモーターの最大消費電力を考慮すると、バッテリーの容量を大きくする必要がある。ところが、バッテリーの容量を大きくすると、不可避的にバッテリー自体が大型化してしまい、フォークリフト等にバッテリーを搭載することが難しくなってしまう。

上述のような不具合を防止するため、車両に搭載可能であり、かつ負荷の必要最大電力を満たすことができる電力供給装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。なお特許文献１に記載の電力供給装置を以下「従来装置」という）。

この従来装置では、バッテリーに対してコンデンサ（キャパシタ）を並列に接続するとともに、例えば、パルス幅調整コントローラーを直流モーターとキャパシタとの間に直列に接続しており、制御入力に応じて電源（バッテリー）のパルス幅を調整するようにしている。

具体的には、従来装置では、バッテリーとキャパシタとを並列に接続して、バッテリー及びキャパシタの内部抵抗値を予め規定された関係に設定し、直流モーターの必要最大電力をキャパシタによって満たして、その分、バッテリーの必要最大電力を小さくしている。このように、従来装置では、バッテリーに並列に接続されたキャパシタによって直流モーターの必要最大電力を満たし、バッテリーでは通常の作動モードでキャパシタを充電している。そして、上述のように、バッテリー及びキャパシタの内部抵抗値を予め規定された関係に設定することによって（バッテリーの内部抵抗値に対するキャパシタの内部抵抗値の比を１より小さくすることによって）、回生電流はキャパシタを充電することになるから、回生電流によってバッテリーが損傷することもないとしている。すなわち、回生電流が発生したときに、バッテリーよりも内部抵抗の小さいキャパシタの方へより多くの電流が流れるので、その分バッテリーへの負荷が軽くなるものである。
特開平６−２７０６９５号公報

前述のように、従来装置では、バッテリーとキャパシタとを並列に接続して、バッテリー及びキャパシタの内部抵抗値を予め規定された関係に設定し（バッテリーの内部抵抗値に対するキャパシタの内部抵抗値の比を１より小さくする）、キャパシタによって直流モーターの必要最大電力を満たしているものの、従来装置では、キャパシタの内部抵抗値がバッテリーの内部抵抗値より大きいから、不可避的にキャパシタの容量を大きくしなければならないという問題点がある。

加えて、キャパシタとして時定数が大きい電気二重層コンデンサを用いた場合、電気二重層コンデンサは内部抵抗値が大きく、この点を考慮すると、従来装置のように、バッテリーの内部抵抗値に対するキャパシタの内部抵抗値の比を１より小さくしようとすると、電気二重層コンデンサの容量が大きくなってしまい、キャパシタとして電気二重層コンデンサを採用できない場合がある。

つまり、一般に、内部抵抗値を小さくすると、その損失は小さくなるが、体積（サイズ）が大きくなる。従って、従来装置のように、バッテリーの内部抵抗値に対するキャパシタの内部抵抗値の比を１より小さくすると、必然的にキャパシタのサイズが大きくなってしまい、結果的に、電源装置自体が大型化してしまう。大型化を回避しようとすれば、キャパシタとして電気二重層コンデンサを採用できず、その結果、良好な充放電特性が得られなくなってしまう。

本発明の第１の目的は、電気自動車、建設機器、搬送機器等のモーター駆動機器用のバッテリー等の電源の容量を少なくし、しかもキャパシタの容量が小さくても所望の必要最大電力を負荷に供給することのできる電源装置を提供することにある。

また本発明の第２の目的は、小型で良好な充放電特性が得られる電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明が提案するものは、電力を負荷に供給するための電源ユニットと、該電源ユニットに並列に接続されたキャパシタとを備えて成る電力供給装置であって、前記キャパシタの単位セル当たりの時定数が３Ω・Ｆ以下であることを特徴とする電源供給装置である。

時定数を３Ω・F以下にすることによって、キャパシタの体積を所定値以下に抑えるものである。すなわちバッテリーの負荷を軽くするために、バッテリーの内部抵抗よりもキャパシタの内部抵抗を小さくする必要があるが、その反面キャパシタの容量を大きくするために体積も大きくなってしまうという問題発生に対し、時定数を３Ω・F以下にすることによって、キャパシタの体積を必要以上に大きくしないようにすることができるものである。

ここで時定数とはキャパシタのセル容量（F）と内部抵抗（Ω）との積である。また複数のセルをモジュール化したものを本発明においてはキャパシタと呼び、その中の一つのセルを単位セルと呼ぶものとする。

このキャパシタの単位セル当たりのエネルギー密度は、１０Ｗｈ／ｋｇ以上であること
が好ましい。

１０Ｗｈ／ｋｇ以上のエネルギー密度の高いキャパシタを使用することで、装置の軽量化を図るものである。現時点でこのような電源供給装置で一般的に使用されているキャパシタのエネルギー密度は、４Ｗｈ／ｋｇ程度であることから、上記エネルギー密度のキャパシタ（例えばリチウムイオンキャパシタ）を使用することで小型・計量化を図ることができるものである。

また電源供給装置は、キャパシタの単位セル当りの上限電圧を３．６Ｖ〜４．０Ｖの範囲で、下限電圧を１．８Ｖ〜２．５Ｖの範囲で制御する電圧制御手段を有する制御機構を更に備えてなることが好ましい。

過放電や過充電によるキャパシタ等の損傷を抑えるために、上記範囲で電圧の下限、上限を制御するものである。

さらに制御機構は、前記負荷に流れる電流を制御する電流制御手段を更に有することが好ましい。

電流制御手段は、例えば、充電時は単位セルあたりの電圧が３．６V〜４．０Vになると充電電流がそのセルに流れないようにし、かつその電圧が３．０V〜３．４Vを下回らない限り再充電できないようにし、放電時は単位セルあたりの電圧が１．８V〜２．５Vになると放電電流がそのセルに流れないようにして、かつその電圧が２．４〜３．１Vを上回らない限り再放電できないようにすることができる。このようにすることでキャパシタの過充電及び過放電を防止し、キャパシタに過負荷がかかるのを防止することができる。

またキャパシタは第１の内部抵抗を有しており、該第１の内部抵抗の値は予め規定された許容損失に応じて設定されていることが好ましい。

また前記キャパシタは、リチウムイオンキャパシタとすることが好ましい。

時定数が低く、エネルギー密度が高く、そして上限電圧が高い、等これら全ての条件を満たしているキャパシタは、リチウムイオンキャパシタである。そしてエネルギー密度が高く、上限電圧の高い、リチウムイオンキャパシタを使うことで小型軽量、かつ低抵抗のキャパシタモジュールを提供することができる。

本発明によれば、電気自動車、建設機器、搬送機器等の搭載モーター駆動用のバッテリー等の電源の容量を少なくし、しかもキャパシタの容量が小さくてもモータ所望の必要最大電力を負荷に供給することができる。

また本発明によれば、小型で良好な充放電特性が得られる電源装置の提供も可能である。

以下本発明に係る電力供給装置の実施の形態に基づいて説明する。なお、この実施の形態では、電源ユニットとしてバッテリーを用い、負荷として直流モーターを用いた電力供給装置について説明するが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

図１は本発明に係る電力供給装置を示したもので、一例としてフォークリフト用電力供給装置であり負荷の直流モーター１４に接続されている。図１に示すように、電源ユニットとしてバッテリー１１が用いられており、バッテリー１１に並列にキャパシタ１２が接続されている。図示の例では、キャパシタ１２としてリチウムイオンキャパシタが用いられている。

また図示のようにバッテリー１１は制御機構であるコントローラー１３に接続されており、コントローラー１３には直流モーター１４が接続されている。なお、図示されていないが、コントローラー１３には、例えば、制御操作部（制御レバー等）が接続されており、この制御操作部を操作することによって、コントローラー１３を介して直流モーター１４が駆動制御される。つまり、制御操作部の操作に応じてコントローラー１３は直流モーター１４に流れる電流を制御する。

図示の例では、キャパシタ１２は内部抵抗（第１の内部抵抗）を有しており、一方、バッテリー１１は内部抵抗（第２の内部抵抗）を有しており、図１においては、キャパシタ１２の内部抵抗と配線の抵抗との合成抵抗が符号１２１で表され、その抵抗値がＲ１で表されている。さらに、キャパシタ１２側配線のインダクタンス（Ｌ１）１２２が存在している。つまり、キャパシタ１２（容量Ｃ）には合成抵抗１２１及びインダクタンス１２２が直列に接続されていることになる。

同様に、バッテリー１１の内部抵抗と配線との合成抵抗が符号１１１で表され、その抵抗値がＲ２で表されている。さらに、バッテリー１１側配線のインダクタンス（Ｌ２）１１２が存在している。つまり、バッテリー１１には合成抵抗１１１及びインダクタンス１１２が直列に接続されていることになる。

いま、直流モーター１４を駆動（始動）する際には、制御操作部（図示せず）からコントローラー１３に駆動指令が与えられる。この駆動指令に応答して、コントローラー１３では、モーター電源ライン１４ａをバッテリー電源ライン１１ａに接続する。直流モーター１４の始動時には、大電流が必要となり（一般には直流モーター１４の必要最大電流が必要となる）、上述のように、モーター電源ライン１４ａがバッテリー電源ライン１１ａに接続されると、キャパシタ１２に蓄積された電荷が放電され、電流（以下この電流をキャパシタ電流と呼ぶ）としてバッテリー電源ライン１１ａに供給される。

一方、バッテリー１１からは電源ライン１１ａを介して電流（以下この電流をバッテリー電流と呼ぶ）が供給されており、前述のキャパシタ電流とバッテリー電流とが合流してモーター電流としてコントローラー１３から直流モーター１４に供給される。

すなわちモーターの始動時のように、より大きい電流を要するときは、キャパシタ電流の割合が多くなり、バッテリー電流で不足する分の補助（補給）を行うようになっているものである。

直流モーター１４の始動後所定の時間が経過すると、つまり、過渡状態から定常状態となると、バッテリー１１のみからモーター電流が供給されることになる。つまり、バッテリー電流に応じてモーター電流が直流モーター１４に供給されることになる。

一例として、フォークリフトを例に挙げると、制御操作部からコントローラー１３に制御指令が与えられており、コントローラー１３では、この制御指令に基づいてモーター電流を調整・制御する。フォークリフトにかかる負荷が少ないときには、つまり、直流モーター１４にかかる負荷が少ないときには、モーター電流は小さく制御され、一方、直流モーター１４にかかる負荷が大きいときには、モーター電流は大きくなる。そして、モーター電流がバッテリー電流を越えると、再び、キャパシタ１２に蓄積された電荷が放電され、キャパシタ電流としてバッテリー電源ライン１１ａに供給されることになる。

ところで、図示の例では、例えば、フォークリフトを制動する際には、つまり、直流モーター１４を制動する際には、所謂回生制動を用いており、制御操作部から制動指令が与えられると、コントローラー１３は直流モーター１４が発電機として動作するように結線を切り換える。その結果、直流モーター１４からの電流、つまり、回生電流はキャパシタ１２に与えられ、回生電流によってキャパシタ１２（及びバッテリー１１）が充電されることになる。

具体的には、バッテリーの電圧をＶ_Ｂ、キャパシタ１２の電圧をＶ_Ｃとすると、Ｖ_Ｂ＞Ｖ_Ｃの際には、回生電流によってキャパシタ１２が充電される。一方、Ｖ_Ｂ≦Ｖ_Ｃの際には、回生電流によってバッテリーが充電される。

ここで、キャパシタ１２に単位セル当りの時定数が３Ω・F以下のキャパシタを用いれば、電流過渡応答の際の分担を振り分ける際、バッテリー１１にかかる負荷を小さくすることができ、バッテリー１１の寿命を延ばすことができる。

すなわち回生電流によって充電が行われる際に、バッテリーの抵抗とキャパシタの抵抗の比によってそれぞれに流れる電流値が決まり、このときキャパシタの時定数が低いということはキャパシタの抵抗値が小さいということであって、より多くの電流がキャパシタに流れ、その結果バッテリーへの負荷を低減させることになるのである。

さらに、単位セル当りの時定数が３Ω・F以下のキャパシタを用いることによって、キャパシタ１２からすばやく放電が行われ、始動時又は加速時のように高負荷の際、過渡電流の大部分がキャパシタ１２に与えられることになる。

そして単位セル当りの時定数が３Ω・F以下のキャパシタを用いることでキャパシタの体積を必要以上に大きくしないようにすることが可能となる。

また、キャパシタ１２の内部抵抗値は大きく設定される。具体的には、出来得る限り（つまり、許容できる損失の範囲で）内部抵抗値を大きくする。つまり、同一の時定数では内部抵抗値を小さくすると損失は減るがその体積（サイズ）が大きくなるので、許容損失の範囲でキャパシタ１２の内部抵抗値を大きくすれば、キャパシタ１２の体積が減り、結果的に電源装置自体を小型化できる。

さらに、前述のように、キャパシタ１２として、リチウムイオンキャパシタを用いれば、エネルギー密度が高くなるので、キャパシタ１２の容量Ｃを小さくすることができ、この結果、キャパシタの内部抵抗値を大きくすることができる。

本発明に係る電力供給装置を負荷に適用してなる概略構成図。

符号の説明

１１バッテリー
１１ａバッテリー電源ライン
１２キャパシタ（リチウムイオンキャパシタ）
１３コントローラ
１４直流モーター
１４ａモーター電源ライン

Claims

電力を負荷に供給するための電源ユニットと、該電源ユニットに並列に接続されたキャパシタとを備えて成る電力供給装置であって、
前記キャパシタの単位セル当たりの時定数が３Ω・Ｆ以下であることを特徴とする電源供給装置。
前記キャパシタの単位セル当たりのエネルギー密度が、１０Ｗｈ／ｋｇ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
前記キャパシタの単位セル当りの上限電圧を３．６Ｖ〜４．０Ｖの範囲で、下限電圧を１．８Ｖ〜２．５Ｖの範囲で制御する電圧制御手段を有する制御機構を更に備えてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
前記制御機構は、前記負荷に流れる電流を制御する電流制御手段を更に有することを特徴とする請求項３に記載の電力供給装置。
前記キャパシタは第１の内部抵抗を有しており、該第１の内部抵抗の値は予め規定された許容損失に応じて設定されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の電力供給装置。
前記キャパシタはリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項に記載の電力供給装置。