JP2009213242A

JP2009213242A - キャパシタ電源システム

Info

Publication number: JP2009213242A
Application number: JP2008053087A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Uno; 将年鵜野; Hiroyuki Toyoda; 裕之豊田
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: JP4696212B2

Abstract

【課題】キャパシタモジュールを構成するキャパシタバンクの充放電状態のばらつきを防止しつつ、出力電圧の変動を任意の範囲内に抑える。
【解決手段】キャパシタモジュールの各キャパシタバンクに並列に接続され、各キャパシタバンクの充放電状態のばらつきを補正するバランス回路と、前記キャパシタモジュールの各キャパシタバンクの電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出結果に基づいてスイッチを切り替えて中間タップ出力端子を選択するスイッチ制御部とを備え、出力電圧をある任意の範囲内に抑えつつ、各キャパシタモジュールの電圧のばらつきを防止する。
【選択図】図４

Description

本発明は、キャパシタバンクから構成されるキャパシタモジュールを用いたキャパシタ電源システムに関する。

キャパシタ（電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、レドックスキャパシタ等を含む）は、従来の二次電池と比較して、充放電の状態に応じて出力電圧が大きく変動するという特性を持っている。一般に、電子機器類は、それぞれの動作電圧にある程度の幅を持っているが、その動作電圧範囲外においては動作が不安定もしくは非動作となってしまう。このため、電圧変動の大きいキャパシタを電子機器類の電源として用いる場合は、キャパシタの電圧変動をある一定範囲内に抑える必要がある。

キャパシタの出力電圧を一定に保つ手段として、図１に示すようなＤＣ−ＤＣコンバータを用いて電圧変換を行う方法が考えられる。しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータを幅広い電圧範囲で動作させる場合は、損失が著しく大きくなってしまう、回路が大型化してしまう等の問題が発生する。また、キャパシタのエネルギー密度が従来の二次電池と比較して著しく低いことを踏まえると、従来のＤＣ−ＤＣコンバータよりも高効率の電圧変換方式が望まれていた。

そこで、図２に示すような、複数個のキャパシタバンクＣ_x1、Ｃ_x2、・・・、Ｃ_xn、Ｃ_y1、・・・、Ｃ_ymを直列に接続して構成されるキャパシタモジュールにおいて、複数の中間タップ出力端子とスイッチＳ₀、Ｓ₁、Ｓ₂、・・・、Ｓ_mを設け、負荷に接続されるキャパシタバンクの数（中間タップ出力端子）をスイッチで切り替えることにより出力電圧の変動幅を小さくするようにしたキャパシタ電源装置が提案されている（特開２０００−２０９７７５）。

この回路は、電圧検出回路１０によって一部又は全てのキャパシタバンクの電圧を検出し、これらを、負荷１６に印加される電圧の変動が許容範囲に収まるよう基準電圧が設定された比較判定回路で判定し、その判定結果に基づいてスイッチ制御回路１４がスイッチＳ₀、Ｓ₁、Ｓ₂、・・・、Ｓ_mを順次切り替えるよう動作する。

特開２０００−２０９７７５号公報Ｋ．Ｚ．Ｇｕｏ，ｅｔ．ａｌ．，："Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｃｈａｒｇｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｓｅｒｉｅｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｂａｔｔｅｒｉｅｓ"ｉｎＰｒｏｃ．ＩＥＥＥＰＥＳＣ’０６，ｐｐ．１−６（２００６）

図３は、図２に示すキャパシタ電源装置を用いてキャパシタモジュールの放電を行った場合の出力電圧（上）、及びキャパシタバンクの電圧（下）の変化を示したグラフである。図３に示すように、キャパシタバンクの直列接続数の切り替えに伴い、それぞれのキャパシタバンクの負荷に接続される時間が異なるため、それぞれのバンクの間で充放電状態のばらつきが発生してしまい、一部のキャパシタバンク（図２ではＣ_y1〜Ｃ_ym）のエネルギーを最大限に活用することが出来ないという問題点があった。また、放電終了時の各キャパシタバンクの電圧が等しくなるように各キャパシタバンクに異なる容量値を採用することにより上記のような課題を解決することは可能かもしれないが、その場合は容量値の異なる複数種類のキャパシタバンクを準備することが必要となる。

本発明は、このような状況のもとになされたものであり、キャパシタモジュールを構成するキャパシタバンクの充放電状態のばらつきを防止しつつ、出力電圧の変動を任意の範囲内に抑えることができるキャパシタ電源システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係るキャパシタ電源システムは、複数のキャパシタバンクが直列に接続されて構成されるキャパシタモジュールと、前記各キャパシタバンクの接続点よりスイッチを介して取り出される複数の中間タップ出力端子と、前記複数の中間タップ出力端子のうちの一つが負荷と接続されるよう前記スイッチを切り替えるスイッチ制御部とを含むキャパシタ電源システムであって、前記キャパシタモジュールの各キャパシタバンクに並列に接続され、各キャパシタバンクの充放電状態のばらつきを補正するバランス回路と、前記キャパシタモジュールの一部又は全てのキャパシタバンクの電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出結果に基づいて前記スイッチを切り替えて中間タップ出力端子を選択するスイッチ制御部とを備え、出力電圧をある任意の範囲内に抑えつつ、各キャパシタモジュールの電圧のばらつきを防止するようにしたことを特徴とする。

前記バランス回路は、コンデンサとスイッチ手段からなるものであり、コンデンサを用いて前記キャパシタモジュールのキャパシタバンク間でエネルギー伝送を行うものとすることができる。また、前記バランス回路を、コイルとスイッチ手段からなるものであり、コイルを用いて前記キャパシタモジュールのキャパシタバンク間でエネルギー伝送を行うものとすることもできる。さらに、前記バランス回路を、トランスとスイッチ手段からなるものであり、トランスを用いて前記キャパシタモジュールのキャパシタバンク間でエネルギー伝送を行うものとすることもできる。

上記の課題を解決するために、本発明に係るキャパシタ電源システムは、複数のキャパシタバンクが直列に接続されて構成されるキャパシタモジュールと、前記各キャパシタバンクの接続点よりスイッチを介して取り出される複数の中間タップ出力端子と、前記複数の中間タップ出力端子のうちの一つが負荷と接続されるよう前記スイッチを切り替えるスイッチ制御部とを含むキャパシタ電源システムであって、前記キャパシタモジュールの一部又は全てのキャパシタバンクの電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出結果に基づいて前記スイッチを切り替えて中間タップ出力端子を選択するスイッチ制御部とを備え、前記電圧検出部からの信号を受け、前記選択された中間タップ出力端子を基準として、直列接続キャパシタバンク群の高電位側と低電位側との間でエネルギー交換を行うＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、出力電圧をある任意の範囲内に抑えつつ、各キャパシタモジュールの電圧のばらつきを防止するようにしたことを特徴とする。

上記キャパシタ電源システムにおいて、選択されている中間タップ出力端子を基準に直列接続キャパシタバンク群の高電位側と低電位側の定格充電電圧の比に応じたスイッチング時比率に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることができる。また、別の手段として、選択されている中間タップ出力端子を基準に直列接続キャパシタバンク群の高電位側と低電位側の電圧を検出し、高電位側と低電位側の直列接続キャパシタバンク群の電圧比がそれぞれの直列接続キャパシタバンク群の定格充電電圧の比と等しくなるようフィードバック制御によりＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることができる。

本発明に係るキャパシタ電源システムは、キャパシタモジュールを構成する各キャパシタバンクの個体差に起因する充放電状態のばらつきを防止するために設けられるバランス回路を利用して各キャパシタバンク間にてエネルギーを交換することにより、中間タップ端子を用いた充放電による各キャパシタバンクの充放電状態の不均一化を防止しつつ、各キャパシタバンクの電圧に応じて負荷に接続される中間タップ端子を切り替えることにより出力電圧をある任意の一定範囲内に抑えることができる。

また本発明に係るキャパシタ電源システムは、選択されている中間タップ端子を境に高電位側と低電位側の直列接続キャパシタバンク群の間でＤＣ−ＤＣコンバータを用いてエネルギーを交換することにより、中間タップ端子を用いた充放電による各キャパシタバンクの充放電状態のばらつきを防止しつつ、キャパシタバンクの電圧に応じて負荷に接続される中間タップ端子を切り替えることにより出力電圧をある任意の一定範囲内に抑えることができる。

キャパシタバンクの電圧に応じて負荷に接続される中間タップ端子を切り替えることにより出力電圧をある任意の範囲内に抑えつつ、且つ、キャパシタモジュールを構成する全キャパシタバンクを均一に使用できるため全てのキャパシタバンクのエネルギーを最大限に活用することが出来る。また選択されている中間タップ端子よりも低電位側の直列キャパシタバンク群は負荷と直結されるため無損失で電力供給を行うことができる。損失が発生するのは選択されている中間タップ端子よりも高電位側の直列キャパシタバンク群からの電力分のみであるため、従来のＤＣ−ＤＣコンバータを用いたキャパシタ電源システムよりも高効率である。また、キャパシタモジュールを構成する全キャパシタバンクを均一に使用できることから全キャパシタバンクの容量を統一する事が可能であり、キャパシタモジュールのアッセンブリならびに設計が容易となる。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施の一形態について説明する。なお、以下の説明において、「キャパシタバンク」とは、単数のキャパシタセル、および複数のキャパシタセルの直列もしくは並列接続により構成される蓄電モジュールを指している。

［実施例１］
図４は、本発明の実施例１に係るキャパシタ電源システムの回路図であり、図２に示したものと同一のものには同一の符号が付してある。図４において、Ｓ₀、・・・、Ｓ_mは、中間タップに接続されたスイッチ、Ｃ_x1、・・・、Ｃ_xn、Ｃ_y1、・・・、Ｃ_ymはキャパシタバンクである。スイッチＳ₀・・・Ｓ_mは常時いずれか一つのスイッチがオンしており、いずれか一つの中間タップを負荷に直結させる。電圧検出回路１０によりキャパシタモジュールを構成する各キャパシタバンクの電圧を検出し、その検出結果を元に比較回路１２において基準電圧と比較し、その比較結果を元にスイッチ制御回路１４によってスイッチを操作し、出力電圧がある任意の範囲内に収まるよう制御する。なお、キャパシタバンクの電圧の検出は、全てのキャパシタバンクを対象に行ってもよいが、一部のキャパシタバンクのみについて行うこともできる。

図５は、図４に示した本実施形態のキャパシタ電源システムにおいて、キャパシタモジュールから負荷へ放電を行った場合のキャパシタモジュールの出力電圧（上）、およびキャパシタバンクの電圧（下）の変化を示したグラフである。Ｓ₀がオンになっている状態からスタートし、負荷への電力供給はＳ₀と接続されている中間タップ端子の低電位側の直列接続キャパシタバンク群Ｃ_x1、・・・、Ｃ_xnより行われるため、これらのセルの電圧は積極的に低下し、充放電状態のばらつきが発生することになる。

このとき、キャパシタモジュールと並列に接続されているバランス回路２０は、上記選択されている中間タップ端子よりも高電位側のキャパシタバンクＣ_y1、・・・、Ｃ_ymから、低電位側のキャパシタバンクＣ_x1、・・・、Ｃ_xnへ、エネルギーを受け渡すように動作する。つまり、キャパシタバンクＣ_y1、・・・、Ｃ_ymは、Ｃ_x1、・・・、Ｃ_xnへと放電し、キャパシタバンクＣ_y1、・・・、Ｃ_ymの電圧も低下する。このため、図４の構成においては、Ｃ_y1、・・・、Ｃ_ymも放電に寄与するため、図２のようにバランス回路を用いない場合と比較して、各キャパシタバンクの電圧低下の勾配は緩くなる。

バランス回路２０のエネルギー伝送スピード（バランス動作のスピード）が中間タップ出力端子からの放電による充放電状態のばらつきの発生よりも十分に速ければ、全てのキャパシタバンクの電圧が等しい状態が維持されたまま低下してゆく。そして放電が進行し出力電圧が、比較回路１２に設定された任意の基準値に達すると、スイッチ制御回路１４がスイッチＳ₀をオフにすると同時にスイッチＳ₁をオンとし、これにより出力電圧はキャパシタバンクＣ_y1の両端電圧分だけ上昇する。なお、ここで、Ｓ₁のオンによる電圧上昇によって出力電圧が任意の範囲を超えないようにキャパシタモジュールを設計する必要がある（Ｃ_x1、・・・、Ｃ_xnの直列数やＳ₁を接続する中間タップの位置）。以下、同様にして、スイッチＳ１、・・・、Ｓ_mを出力電圧に応じて順次切り替えていくことにより、出力電圧をある任意の範囲内に抑えつつ、バランス回路により全てのキャパシタバンクを均一に使用することができる。

キャパシタモジュールの充電を行う場合には、前記の放電の場合とは逆のシーケンスにおいて充電を行うことにより、充電電圧をある任意の範囲に抑えつつ、バランス回路により全てのセルを均一に充電することができる。

図６及び図７は、バランス回路２０の具体例を示した図であり、図６はコンデンサを用いたスイッチトキャパシタ方式によるバランス回路の例であり、図７はコイルを用いた極性反転型双方向コンバータによるバランス回路の例である。これら二つの例は、いずれも充電及び放電の両方の期間に、キャパシタバンク間でのエネルギー伝送、つまりバランス動作を行うことができる。なお、充電及び放電の両方の期間においてバランス動作を行うことができる方式であれば、上記以外のトランスを用いた方式などについても、適用することは当然に可能である。バランス回路に関しては、大別してキャパシタを用いる方法、コイルを用いる方法、トランスを用いる方法に大別されるが、それぞれについての具体的な回路については種々のものが知られている（例えば非特許文献１参照）。

［実施例２］
図８は、実施例２に係るキャパシタ電源システムの回路図である。実施例１で説明したバランス回路は、各キャパシタバンク間で双方向にエネルギーの伝送を行うものであり、このバランス回路は、ばらつきの発生していないセル間においても動作するため、中間タップ出力端子からの放電による充放電状態のばらつきに対して効率よく動作することができない場合がある。また、図６や図７に示した方式においては隣接するセル間でバケツリレーのようにエネルギー伝送を行うため、直列接続数の多いキャパシタモジュールにおいてはばらつきを解消するために多数のキャパシタバンクを経由してエネルギー伝送する必要があるため、非効率的になってしまう。

図８のシステムは、選択されている中間タップ端子を基準として高電位側と低電位側の直列接続キャパシタバンク群の間で、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いてダイレクトにエネルギー伝送を行うよう構成されている。前述の図４の構成の場合と同様に、セル電圧検出回路２２により各キャパシタバンクの電圧を検出し、それを比較回路で所定の基準電圧を比較し、その結果に基づいてスイッチ制御回路１４がスイッチＳ₀、Ｓ₁、Ｓ₂、・・・、Ｓ_mを切り替えて、出力電圧がある任意の範囲内に収まるよう制御する。

図８の回路において、選択されている中間タップ端子を基準に高電位側から低電位側へとエネルギー伝送を行う場合、ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力は端子１−２間、出力は２−３間であり、低電位側から高電位側へとエネルギー伝送を行う場合の入力は端子２−３間、出力は１−２間である。ＤＣ−ＤＣコンバータにはエネルギーの伝送方向に応じて単方向型および双方向型を使い分けることができる。

時比率設定回路２４は、スイッチ制御回路より信号を受け、オンになっているスイッチに応じて時比率を変化させ、ＤＣ−ＤＣコンバータの入出力電圧比を変化させる。ＤＣ−ＤＣコンバータの入出力電圧比はスイッチングの時比率をＤとすると、Ｄ／（１−Ｄ）となる。ここで、入出力の電圧比と高電位側と低電位側の直列接続キャパシタバンク群の定格充電電圧の比が等しくなるように時比率Ｄを設定することにより、各キャパシタバンク群を等しい充放電状態とすることができる。

例えば、スイッチＳ₀がオンでＣ_y1、・・・、Ｃ_ymの直列接続キャパシタバンク群からＣ_x1、・・・、Ｃ_xnの直列接続キャパシタバンク群へとエネルギー伝送を行う場合、Ｃ_y1、・・・、Ｃ_ymの直列接続キャパシタバンク群とＣ_x1、・・・、Ｃ_xnの直列接続キャパシタバンク群の定格充電電圧の比がＤ／（１−Ｄ）となるよう時比率を設定する。同様に、Ｓ₁がオンの場合はＣ_y2、・・・、Ｃ_ymの直列接続キャパシタバンク群とＣ_x1、・・・、Ｃ_y1の直列接続キャパシタバンク群の直列接続キャパシタバンク群の定格充電電圧の比がＤ／（１−Ｄ）となるよう時比率を設定する。

上述のように、ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることによりキャパシタバンクの充放電状態のばらつき発生は抑えられる。しかし、実用上ＤＣ−ＤＣコンバータの特性は理想からのずれがあり、入出力電圧比は完全にはＤ／（１−Ｄ）とならないため、時間の経過と共に徐々にキャパシタバンクの充放電状態のばらつきが発生することになる。

図９は、ＤＣ−ＤＣコンバータにフィードバック制御をかけることにより、キャパシタバンクの充放電状態のばらつきを防止するようにしたキャパシタ電源システムの回路図である。図９において、電圧比比較回路３０は、スイッチ制御回路１４から高電位側と低電位側の直列接続キャパシタバンク群の定格充電電圧の比についての情報を受け取り、また、セル電圧検出回路２２から高電位側の合計キャパシタバンク電圧と低電位側の合計キャパシタバンク電圧の情報を受け取る。これらの情報に基づいて電圧比比較回路３０は、直列接続キャパシタバンク群の定格充電電圧の比と合計キャパシタバンク電圧の比が等しくなるよう時比率を制御することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるものである。このように、キャパシタバンクの電圧や定格充電電圧の比の情報をＤＣ−ＤＣコンバータへフィードバックすることにより、図８に示したシステムよりも良好に、充放電状態のばらつきを防止することができる。

上記の実施形態の説明では、Ｃ_y1、・・・、Ｃ_ymの各キャパシタバンクから中間タップ出力端子を取り出す場合を説明したが、必ずしもキャパシタバンク毎に設ける必要はなく、出力電圧の許容変動幅に応じて任意の位置より中間タップ出力端子を取り出してもよい。

本発明のキャパシタ電源システムは、バックアップ電源，移動体用電源，家庭用電源，非常用電源、蓄電設備、僻地用電源などに利用することができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて各キャパシタの電圧変換を行うことにより、キャパシタ電源の出力電圧を一定に保つ、従来の回路の回路図である。複数個のキャパシタバンクを直列に接続して構成されるキャパシタモジュールにおいて、負荷に接続されるキャパシタバンクの数をスイッチで切り替えることにより出力電圧の変動幅を小さくするようにした、従来のキャパシタ電源装置の回路図である。図２に示すキャパシタ電源装置を用いてキャパシタモジュールの放電を行った場合の出力電圧（上）、及びキャパシタバンクの電圧（下）の変化を示したグラフである。本発明の実施例１に係るキャパシタ電源システムの回路図である。図４に示した本実施形態のキャパシタ電源システムにおいて、キャパシタモジュールから負荷へ放電を行った場合のキャパシタモジュールの出力電圧（上）、およびキャパシタバンクの電圧（下）の変化を示したグラフである。バランス回路２０の具体例を示した回路図である。バランス回路２０の具体例を示した回路図である。実施例２に係るキャパシタ電源システムの回路図である。ＤＣ−ＤＣコンバータにフィードバック制御をかけることにより、キャパシタバンクの充放電状態のばらつきを防止するようにしたシステムの回路図である。

符号の説明

１０電圧検出回路
１２比較判定回路（比較回路）
１４スイッチ制御回路
１６負荷
２０バランス回路
２２セル電圧検出回路
２４時比率設定回路
２６ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０電圧比比較回路

Claims

複数のキャパシタバンクが直列に接続されて構成されるキャパシタモジュールと、前記各キャパシタバンクの接続点よりスイッチを介して取り出される複数の中間タップ出力端子と、前記複数の中間タップ出力端子のうちの一つが負荷と接続されるよう前記スイッチを切り替えるスイッチ制御部とを含むキャパシタ電源システムであって、
前記キャパシタモジュールの各キャパシタバンクに並列に接続され、各キャパシタバンクの充放電状態のばらつきを補正するバランス回路と、
前記キャパシタモジュールの一部又は全てのキャパシタバンクの電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部の検出結果に基づいて前記スイッチを切り替えて中間タップ出力端子を選択するスイッチ制御部とを備え、
出力電圧をある任意の範囲内に抑えつつ、各キャパシタモジュールの電圧のばらつきを防止するようにしたことを特徴とするキャパシタ電源システム。
前記バランス回路は、コンデンサとスイッチ手段からなるものであり、コンデンサを用いて前記キャパシタモジュールのキャパシタバンク間でエネルギー伝送を行うものである、請求項１に記載のキャパシタ電源システム。
前記バランス回路は、コイルとスイッチ手段からなるものであり、コイルを用いて前記キャパシタモジュールのキャパシタバンク間でエネルギー伝送を行うものである、請求項１に記載のキャパシタ電源システム。
前記バランス回路は、トランスとスイッチ手段からなるものであり、トランスを用いて前記キャパシタモジュールのキャパシタバンク間でエネルギー伝送を行うものである、請求項１に記載のキャパシタ電源システム。
複数のキャパシタバンクが直列に接続されて構成されるキャパシタモジュールと、前記各キャパシタバンクの接続点よりスイッチを介して取り出される複数の中間タップ出力端子と、前記複数の中間タップ出力端子のうちの一つが負荷と接続されるよう前記スイッチを切り替えるスイッチ制御部とを含むキャパシタ電源システムであって、
前記キャパシタモジュールの一部又は全てのキャパシタバンクの電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部の検出結果に基づいて前記スイッチを切り替えて中間タップ出力端子を選択するスイッチ制御部とを備え、
前記電圧検出部からの信号を受け、前記選択された中間タップ出力端子を基準として、直列接続キャパシタバンク群の高電位側と低電位側との間でエネルギー交換を行うＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、
出力電圧をある任意の範囲内に抑えつつ、各キャパシタモジュールの電圧のばらつきを防止するようにしたことを特徴とするキャパシタ電源システム。
前記請求項５のキャパシタ電源システムにおいて、選択されている中間タップ出力端子を基準に直列接続キャパシタバンク群の高電位側と低電位側の定格充電電圧の比に応じたスイッチング時比率に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることを特徴としたキャパシタ電源システム。
前記請求項５のキャパシタ電源システムにおいて、選択されている中間タップ出力端子を基準に直列接続キャパシタバンク群の高電位側と低電位側の電圧を検出し、高電位側と低電位側の直列接続キャパシタバンク群の電圧比がそれぞれの直列接続キャパシタバンク群の定格充電電圧の比と等しくなるようフィードバック制御によりＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることを特徴としたキャパシタ電源システム。