JP2011030398A - 蓄電装置を用いた電動システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置を用いた電動システムにおいて、蓄電装置の電力を最大限活用して効率を向上させる。
【解決手段】発電装置３と、最低電圧以上で駆動されると共に、発電装置３及び蓄電装置５の少なくとも一方の電力により駆動される負荷装置２と、蓄電装置５からの電圧を検知する電圧センサ６（蓄電電圧検出器）とを設ける。そして、電圧センサ６で検出した電圧が最低電圧以下のときに、切換スイッチ９（切換機構）が、昇圧回路８により、この蓄電装置５からの電圧を最低電圧以上に昇圧して負荷装置２に送り込むように切り換える。さらに、電圧センサ６で検出した電圧が最低電圧よりも小さい許容下限電圧以下となると、昇圧動作を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置を用いた電動システムに関し、特に蓄電装置からの電圧を昇圧する技術に関するものである。

従来より、電動特装車、風力発電・太陽光発電等の発電システムの電力ストレージ部分、バッテリフォークリフト、ハイブリットパワーショベル、電動高所作業車、ハイブリットクレーン、鉄道車両、ハイブリッド車両等において、蓄電装置を用いた電動システムが広く使用されている。

例えば、特許文献１では、車両を走行駆動する動力を供給するエンジンと、回転駆動されるドラムとを備えるミキサ車において、エンジンによって駆動される発電装置と、発電装置の出力を蓄積する蓄電装置と、蓄電装置に蓄積された電力によって駆動される電動機からなる電動駆動装置とを備え、電動駆動装置によってドラムを回転させることが知られている。

特開２００３−２２６１９２号公報

しかしながら、従来の蓄電装置を用いた電動システムでは、近年広くリチウムイオンバッテリ、リチウムイオンキャパシタ、鉛バッテリが用いられているが、これらの蓄電装置は、下限電圧を厳密に守らないと、加熱して火傷や発煙事故を起こす可能性がある。

このため、従来の蓄電装置を用いた電動システムでは、蓄電装置の電圧が下限電圧に近付くと電力の供給を止め、発電機等により充電をしなければならず、蓄電装置による駆動時間の制限が大きかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、蓄電装置の電力を最大限活用して効率を向上させることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、蓄電装置の電力を可能な範囲で昇圧させるようにした。

具体的には、第１の発明では、蓄電装置を用いた電動システムを前提とし、
上記電動システムは、
発電装置と、
最低電圧以上で駆動される負荷装置と、
上記蓄電装置からの電圧を検知する蓄電電圧検出器と、
上記蓄電装置からの電圧を上記最低電圧以上に昇圧して上記負荷装置に送り込むと共に、上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記最低電圧よりも小さい許容下限電圧以下となると、昇圧動作を停止する昇圧回路と、
上記発電装置からの電力を上記負荷装置に供給すると共に、上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記最低電圧よりも大きいときには、上記蓄電装置からの電力を上記昇圧回路を介さずに上記負荷装置に供給する第１接点と、上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記最低電圧以下のときに、該蓄電装置からの電圧を上記昇圧回路に供給する第２接点とを切り換える切換機構と、
を備えている。

上記の構成によると、蓄電電圧検出器で検出した蓄電装置からの電圧が、負荷装置に許容される最低電圧以下となったときでも、昇圧回路によって蓄電装置からの電圧を、最低電圧以上に昇圧して負荷装置に送り込んで負荷装置を作動させるので、蓄電装置の能力が最大限に有効利用される。一方、蓄電電圧検出器で検出した電圧がさらに最低電圧よりも小さい許容下限電圧以下となると、昇圧回路の変換率が向上し、その結果効率が低下して昇圧回路が発熱が増加するので、昇圧動作を停止する。このため、効率低下による異常発熱が防止される。

第２の発明では、第１の発明において、
上記蓄電装置は、電気二重層キャパシタ又はニッケル水素バッテリであり、完全放電可能に構成され、
上記許容電圧は、上記昇圧回路の効率により決定される構成とする。

上記の構成によると、電気二重層キャパシタ及びニッケル水素バッテリは、下限電圧は特になく、０Ｖまで使用可能であるため、昇圧回路の効率が著しく低下しない範囲で電力を有効利用することができる。また、電気二重層キャパシタ及びニッケル水素バッテリは、上限電圧を超えても、発熱が起こらず安全であるため、厳密な電圧管理は必要ではなく、蓄電装置からの電力を直接に負荷装置に供給することもできる。このため、電動システムの構成を簡単かつ安定したものにすることができる。

第３の発明では、
蓄電装置を用いた電動システムを前提とし、
上記電動システムは、
発電装置と、
最低電圧以上で駆動される負荷装置と、
上記発電装置からの電力を調整して上記蓄電装置に送り込むマネージメント回路と、
上記蓄電装置からの電圧を検知する蓄電電圧検出器と、
上記蓄電装置からの電圧を上記最低電圧以上に昇圧して上記負荷装置に送り込む昇圧回路とを備え、
上記マネージメント回路は、上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記最低電圧以下のときに、該蓄電装置からの電圧を上記昇圧回路に供給すると共に、上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記最低電圧よりも小さい許容下限電圧以下となると、上記昇圧回路による昇圧動作を停止させるように構成されている。

上記の構成によると、蓄電電圧検出器で検出した蓄電装置からの電圧が、負荷装置に許容される最低電圧以下となったときでも、昇圧回路によって蓄電装置からの電圧を、最低電圧以上に昇圧して負荷装置に送り込んで負荷装置を作動させるので、蓄電装置の能力が最大限に有効利用される。一方、蓄電電圧検出器で検出した電圧がさらに最低電圧よりも小さい許容下限電圧以下となると、マネージメント回路により、昇圧動作を停止する。このため、蓄電装置からの電圧が許容下限電圧よりも小さくなることが防止される。

第４の発明では、第３の発明において、
上記許容下限電圧は、上記蓄電装置に許容される下限電圧とする。

すなわち、電気二重層キャパシタ及びニッケル水素バッテリ以外のリチウムイオンバッテリ、リチウムイオンキャパシタ、鉛バッテリなどは、それらに固有の下限電圧を厳密に守らないと、異常加熱して火傷や発煙事故を起こす可能性がある。しかし、上記の構成によると、下限電圧よりも低い電圧では蓄電装置を使用しないので、下限電圧ぎりぎりまで昇圧回路を利用して安全に蓄電装置を利用することができる。

第５の発明では、第１乃至第４のいずれか１つの発明において、
上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記許容下限電圧以下となると、表示装置にエラー表示するように構成されている。

上記の構成によると、蓄電電圧検出器で検出した電圧が許容下限電圧以下になると、蓄電装置が発熱するので、その前に、蓄電装置からの電力の供給が停止されるが、このとき、表示装置にエラー表示がされるので、オペレータが発電装置による運転に切り換えたり、蓄電装置に充電を行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、切換機構により、蓄電電圧検出器で検出した電圧が負荷装置の最低電圧以下のときに、昇圧回路によって蓄電装置からの電圧を最低電圧以上に昇圧して負荷装置に送り込むように切り換えると共に、蓄電電圧検出器で検出した電圧が最低電圧よりも小さい許容下限電圧以下となると、昇圧動作を停止するようにしたことにより、蓄電装置の電力を最大限活用して電動システムの効率を向上させることができる。

本発明の実施形態１にかかる蓄電装置を用いた電動システムを示すブロック図である。 蓄電装置の電圧の移り変わりを示すグラフである。 電動システムの作動を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２にかかる蓄電装置を用いた電動システムを示す図１相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の蓄電装置を用いた電動システム１を示し、この電動システム１は、例えば、図示しない電動ミキサ車等の電動特装車、バッテリフォークリフト、ハイブリットパワーショベル、電動高所作業車、ハイブリットクレーン、鉄道車両、ハイブリッド車両などの車体又は風力発電・太陽光発電等の発電システムの電力ストレージ部分に設けられている。

電動システム１は、サーボモータなどの電動駆動装置と、インバータなどのドライバとを含む負荷装置２を備える。なお、負荷装置２の構成はこれに限定されない。

電動システム１は、上記車体に搭載されたエンジン等により駆動され、又は風力発電・太陽光発電等により発電する発電装置３を備えている。この発電装置３は、公知の電圧上限制御機能を有している。

電動システム１は、さらに、例えば電気二重層キャパシタよりなる蓄電装置５を有している。蓄電装置５は、ニッケル水素バッテリでもよい。この蓄電装置５は、上記発電装置３からの電力を充電可能で、完全放電可能に構成されている。そして、発電装置３の電圧上限制御機能により、最大電圧Ｖｍａｘを超える電圧が蓄電装置５に供給されることがないようになっている。

電動システム１は、蓄電装置５からの電圧を検知する蓄電電圧検出器としての電圧センサ６を備えている。

そして、本発明の特徴として、電動システム１は、蓄電装置５からの電圧を昇圧して負荷装置２に送り込む昇圧回路８を備えている。この昇圧回路８は、電圧センサ６で検出した電圧が後述する許容下限電圧以下となると、昇圧動作を停止するように構成されている。

さらに、昇圧回路８と発電装置３との間には、切換機構としての切換スイッチ９が設けられている。この切換スイッチ９は、発電装置３及び蓄電装置５と、負荷装置２とを直接に接続させる第１接点９ａと、発電装置３及び蓄電装置５と、昇圧回路８とを接続させる第２接点９ｂとを切り換え可能に構成されている。

つまり、切換スイッチ９は、発電装置３からの電力を負荷装置２に供給するときや、電圧センサ６で検出した電圧が最低電圧Ｖｍｉｎよりも大きいときには、第１接点９ａに切り換えられ、発電装置３又は蓄電装置５からの電力が直接に負荷装置２に供給されるようになっている。また、電圧センサ６で検出した電圧が最低電圧Ｖｍｉｎ以下のときには、第２接点９ｂに切り換えられ、蓄電装置５からの電力を昇圧回路８に供給し、昇圧回路８において最低電圧Ｖｍｉｎ以上に昇圧された電力が負荷装置２に供給されるようになっている。

上記許容下限電圧は、昇圧効率のよい最低電圧レベルであり、昇圧回路８の効率により決定される。つまり、昇圧回路８で昇圧される度合いが高くなりすぎると、効率が下がって発熱が多くなる。このため、許容下限電圧は、蓄電装置５及び昇圧回路８の特性により許容される下限電圧とする。

そして、この許容下限電圧以下となって昇圧動作が停止されたときには、上記車体等に設けた表示装置１０に電圧低下のエラー表示がされ、オペレータに注意換気されるようになっている。

−作動−
次に、本実施形態にかかる蓄電装置５を用いた電動システム１の作動について説明する。

図２に示すように、本実施形態の蓄電装置５は、電気二重層キャパシタよりなり、最大電圧Ｖｍａｘから０Ｖまで使用可能となっている。満充電時には、最大電圧Ｖｍａｘまで電圧が高くなるが、使用時間が経過するごとに電圧は直線的に低下する。なお、ニッケル水素バッテリなど電圧の移り変わりを単純に直線で表せないものもある。

負荷装置２は、最低電圧Ｖｍｉｎよりも大きな電圧で駆動可能であるが、それ以下では駆動できない。このため、従来は、電圧センサ６で検出した電圧が、例えばＴ１時間経過後にＶｍｉｎ以下になると、蓄電装置５からの電力供給を停止し、発電装置３から電力を供給するようにし、また、蓄電装置５を充電する必要があった。

しかし、本実施形態では、以下の手順により、蓄電装置５を充電することなく、Ｔ１よりも長い時間負荷装置２を駆動可能となり、蓄電装置５の電力が最大限に利用される。

すなわち、図３に示すように、電動システム１が駆動され、蓄電装置５の電力で負荷装置２が駆動される場合では、まず、ステップＳ０１において、電圧センサ６で検出された電力が最低電圧Ｖｍｉｎ以下であるかが判定される。そして、最低電圧Ｖｍｉｎよりも大きいときには、ステップＳ０２に進み、切換スイッチ９が第１接点９ａに切り換えられ、ステップＳ０１に戻る。最低電圧Ｖｍｉｎ以下であるときは、切換スイッチ９が第２接点９ｂに切り換えられ、ステップＳ０４に進む。

ステップＳ０４において、昇圧回路８がＯＮとなる。そして、蓄電装置５からの電圧が、最低電圧Ｖｍｉｎ以上に昇圧され、負荷装置２を停止させることなく、駆動が継続される。

次いで、ステップＳ０５において、電圧センサ６の電圧が許容下限電圧Ｖａｃ以下であるかが判定される。許容下限電圧Ｖａｃよりも大きいときには、ステップＳ０１に戻り、許容下限電圧Ｖａｃ以下のときには、それ以上蓄電装置５からの供給を続けると、昇圧回路８等の効率が低下して熱の発生が著しく大きくなるので、ステップＳ０６において、昇圧回路８がＯＦＦにされる。

そして、ステップＳ０７において、表示装置１０に電圧低下のエラー表示がなされる。このエラー表示を見たオペレータが、蓄電装置５が充電不足であることを認識し、発電装置３による負荷装置２の駆動に切り換えたり、発電装置３で蓄電装置５を充電したりする。

このように、時間Ｔ１経過時に蓄電装置５の電圧が最低電圧Ｖｍｉｎになっても、昇圧回路８で昇圧し、負荷装置２に供給する電圧を最低電圧Ｖｍｉｎ以上に保つので、負荷装置２を時間Ｔ２まで継続して駆動することができる。図２に、その昇圧した領域Ａをハッチングで示す。

そして、時間Ｔ２が経過したときに、昇圧回路８を停止して蓄電装置５からの供給を停止させるので、効率を極度に悪化させることなく駆動時間を長くすることができる。

したがって、本実施形態にかかる電動システム１によると、蓄電装置５の電力を最大限活用して効率を向上させることができる。

（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２を示し、蓄電装置１０５の特性が異なると共に、切換スイッチ９を備えず、マネージメント回路１０９を備える点で上記実施形態１と異なる。なお、図１〜図３と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

本実施形態の蓄電装置１０５は、上記実施形態１の電気二重層キャパシタ及びニッケル水素バッテリ以外のリチウムイオンバッテリ、リチウムイオンキャパシタ、鉛バッテリなどよりなり、固有の上限電圧及び下限電圧を厳密に守らないと、加熱して火傷や発煙事故を起こす可能性がある。

しかし、本実施形態では、下限電圧ぎりぎりまで昇圧回路８を利用して安全に蓄電装置１０５を利用することができる。

具体的には、図４に示すように、本実施形態の電動システム１０１は、上記切換スイッチ９の代わりにマネージメント回路１０９を備えている。このマネージメント回路１０９は、蓄電装置１０５の上限電圧及び下限電圧を厳密に管理可能に構成されている。本実施形態では、マネージメント回路１０９が昇圧回路のＯＮ／ＯＦＦ制御も行っている。

このため、本実施形態にかかる蓄電装置１０５を用いた電動システム１０１では、上記実施形態１のステップＳ０１〜ステップＳ０３の切換動作と同様の動作をマネージメント回路１０９が行う。

また、ステップＳ０４及びステップＳ０６の昇圧回路のＯＮ／ＯＦＦ制御もマネージメント回路１０９が行う。

そして、ステップＳ０５における許容下限電圧Ｖａｃは、蓄電装置１０５に許容される下限電圧に設定されている。つまり、本実施形態の蓄電装置１０５は、上記実施形態の蓄電装置５と異なり、厳密な下限電圧の管理を必要とするので、電圧センサ６の検出値が下限電圧になるとすぐ、又はその直前にマネージメント回路１０９が昇圧回路８を停止し、蓄電装置１０５からの電力の供給を停止させる。このため、蓄電装置１０５が下限電圧を下回って加熱して火傷や発煙事故を起こすことはない。このため、下限電圧ぎりぎりまで昇圧回路８を利用して安全に蓄電装置１０５を利用することができる。

したがって、本実施形態にかかる蓄電装置１０５を用いた電動システム１０１でも、蓄電装置１０５の電力を最大限活用して効率を向上させることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記各実施形態では、負荷装置２は回生制動可能に構成されていないが、負荷装置２を回生制動可能に構成してもよい。負荷装置２で発生した電圧は、この負荷装置２内のドライバ又はマネージメント回路１０９で蓄電装置５，１０５の上限電圧以下に調整された後、蓄電装置５，１０５に供給するようにすればよい。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

１ 電動システム
２ 負荷装置
３ 発電装置
５ 蓄電装置
６ 電圧センサ（蓄電電圧検出器）
８ 昇圧回路
９ 切換スイッチ（切換機構）
９ａ 第１接点
９ｂ 第２接点
１０ 表示装置
１０１ 電動システム
１０５ 蓄電装置
１０９ マネージメント回路

Claims (5)

1. 蓄電装置を用いた電動システムにおいて、
   発電装置と、
   最低電圧以上で駆動される負荷装置と、
   上記蓄電装置からの電圧を検知する蓄電電圧検出器と、
   上記蓄電装置からの電圧を上記最低電圧以上に昇圧して上記負荷装置に送り込むと共に、上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記最低電圧よりも小さい許容下限電圧以下となると、昇圧動作を停止する昇圧回路と、
   上記発電装置からの電力を上記負荷装置に供給すると共に、上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記最低電圧よりも大きいときには、上記蓄電装置からの電力を上記昇圧回路を介さずに上記負荷装置に供給する第１接点と、上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記最低電圧以下のときに、該蓄電装置からの電圧を上記昇圧回路に供給する第２接点とを切り換える切換機構と、
   を備えていることを特徴とする蓄電装置を用いた電動システム。
2. 請求項１に記載の蓄電装置を用いた電動システムにおいて、
   上記蓄電装置は、電気二重層キャパシタ又はニッケル水素バッテリであり、完全放電可能に構成され、
   上記許容下限電圧は、上記昇圧回路の効率により決定される
   ことを特徴とする蓄電装置を用いた電動システム。
3. 蓄電装置を用いた電動システムにおいて、
   発電装置と、
   最低電圧以上で駆動される負荷装置と、
   上記発電装置からの電力を調整して上記蓄電装置に送り込むマネージメント回路と、
   上記蓄電装置からの電圧を検知する蓄電電圧検出器と、
   上記蓄電装置からの電圧を上記最低電圧以上に昇圧して上記負荷装置に送り込む昇圧回路とを備え、
   上記マネージメント回路は、上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記最低電圧以下のときに、該蓄電装置からの電圧を上記昇圧回路に供給すると共に、上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記最低電圧よりも小さい許容下限電圧以下となると、上記昇圧回路による昇圧動作を停止させるように構成されている
   ことを特徴とする蓄電装置を用いた電動システム。
4. 請求項３に記載の蓄電装置を用いた電動システムにおいて、
   上記許容下限電圧は、上記蓄電装置に許容される下限電圧である
   ことを特徴とする蓄電装置を用いた電動システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の蓄電装置を用いた電動システムにおいて、
   上記蓄電電圧検出器で検出した電圧が上記許容下限電圧以下となると、表示装置にエラー表示するように構成されている
   ことを特徴とする蓄電装置を用いた電動システム。

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