JP2015012751A - Power storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、充放電が可能な蓄電装置に関する。 The present invention relates to a power storage device that can be charged and discharged.
電動アシスト自転車等の電動自転車、電動車いす、電動ゴルフカートなどの乗物や、電動工具などの電源として二次電池が用いられており、特にリチウムイオン電池が多く使用されている(例えば特許文献1〜3参照)。また、リチウムイオン電池等の二次電池は、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の機器・装置や、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)等の車両などの電源にも使用されている。
Secondary batteries are used as power sources for electric bicycles such as electric assist bicycles, electric wheelchairs, electric golf carts, and electric tools, and lithium ion batteries are particularly used (for example,
ところで、リチウムイオン電池を安全に充電するには、通常で定格容量の0.2倍程度、最大でも定格容量の1倍程度の充電電流で充電を行う必要がある。このため、250Wh程度のリチウムイオン電池では満充電になるまでに例えば2〜4時間程度の時間が必要であり、充電時間が長いという欠点がある。なお、リチウムイオン電池の充電に急速充電器を使用すれば、充電時間をある程度は短縮することは可能であるが、急速充電を行うと、充電時の発熱により電池の劣化が早くなる。 By the way, in order to charge a lithium ion battery safely, it is usually necessary to charge with a charging current of about 0.2 times the rated capacity and at most about 1 time of the rated capacity. For this reason, a lithium ion battery of about 250 Wh requires, for example, about 2 to 4 hours to be fully charged, and has a drawback that the charging time is long. Note that if a quick charger is used for charging the lithium ion battery, the charging time can be shortened to some extent. However, if the quick charging is performed, the battery is rapidly deteriorated due to heat generation during charging.
また、リチウムイオン電池の課題として、放電深度が深いほど充放電時の劣化(サイクル劣化)が大きくなってサイクル寿命が短くなる点、及び、満充電の状態を維持したまま保存すると劣化が早く進行するという点がある。 In addition, as a lithium ion battery, as the depth of discharge increases, deterioration during charging / discharging (cycle deterioration) increases and the cycle life becomes shorter, and deterioration proceeds faster when stored while maintaining a fully charged state. There is a point to do.
一方、機器・装置等に用いられる電源としてキャパシタがある。キャパシタは、二次電池と比較して、出力密度が高くて内部抵抗が低いので、大電流による急速充電が可能であり、サイクル寿命についてもはるかに長いという利点がある。例えば、二次電池の充電回数(許容回数)が千回程度であるのに対し、キャパシタの充電回数は十万回以上である。しかしながら、キャパシタはエネルギ密度(Wh/kg)がリチウムイオン電池と比較して低い(例えば、キャパシタのエネルギ密度はリチウムイオン電池に対して数十分の1程度である)。このため、キャパシタのみで蓄電装置を構築する場合、リチウムイオン電池と同等のエネルギを確保するには、キャパシタの容量(装置容積)を大幅に大きくする必要がある。 On the other hand, there is a capacitor as a power source used for equipment and devices. Compared with the secondary battery, the capacitor has an advantage that the output density is high and the internal resistance is low, so that quick charging with a large current is possible and the cycle life is much longer. For example, the number of times of charging (allowable number of times) of the secondary battery is about 1000 times, while the number of times of charging the capacitor is 100,000 times or more. However, the capacitor has a lower energy density (Wh / kg) than that of the lithium ion battery (for example, the energy density of the capacitor is about several tenths that of the lithium ion battery). For this reason, when a power storage device is constructed using only a capacitor, it is necessary to significantly increase the capacity of the capacitor (device volume) in order to ensure the same energy as that of the lithium ion battery.
本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、実用可能な大きさで、エネルギ密度を確保しつつ、急速充電を可能とした蓄電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a power storage device that can be rapidly charged while ensuring energy density with a practical size.
本発明は、充放電可能な蓄電装置であって、二次電池と、キャパシタと、前記二次電池及び前記キャパシタの充放電を制御する制御部とを備えている。そして、前記制御部は、当該蓄電装置に電力を充電する際に、前記キャパシタの充電、前記二次電池の充電の順で充電を制御し、当該蓄電装置から電力を放電する際には、前記キャパシタの放電、前記二次電池の放電の順で放電を制御するように構成されていることを技術的特徴としている。 The present invention is a power storage device that can be charged and discharged, and includes a secondary battery, a capacitor, and a controller that controls charging and discharging of the secondary battery and the capacitor. The control unit controls charging in the order of charging of the capacitor and charging of the secondary battery when charging the power to the power storage device, and when discharging power from the power storage device, A technical feature is that the discharge is controlled in the order of discharge of the capacitor and discharge of the secondary battery.
本発明の蓄電装置によれば、二次電池(例えばリチウムイオン電池)とキャパシタ(例えばリチウムイオンキャパシタ)とを組み合わせた構成とし、充電を行う際には、[キャパシタ]→[二次電池]の順で充電を行うので、蓄電装置の全体容量の一部(キャパシタ)に対して急速充電を行うことが可能になる。これによって蓄電装置が容量切れ(電池切れ)となった場合でも、急速充電により短時間で負荷(例えば電動自転車の電動モータ)の使用が可能になる。また、通常の充電の行う場合(蓄電装置全体を時間をかけて充電する場合)には、先にキャパシタへの急速充電を行い、その後に、二次電池にゆっくりと充電するという充電制御が可能になるので、二次電池の急速充電による劣化を防ぐことができる。 According to the power storage device of the present invention, a secondary battery (for example, a lithium ion battery) and a capacitor (for example, a lithium ion capacitor) are combined, and when charging, [capacitor] → [secondary battery] Since charging is performed in order, rapid charging can be performed on a part (capacitor) of the entire capacity of the power storage device. Accordingly, even when the capacity of the power storage device is exhausted (battery is exhausted), the use of a load (for example, an electric motor of an electric bicycle) can be performed in a short time by rapid charging. In addition, when performing normal charging (charging the entire power storage device over time), it is possible to perform charging control by charging the capacitor first and then slowly charging the secondary battery. Therefore, deterioration due to rapid charging of the secondary battery can be prevented.
さらに、蓄電装置の放電(負荷への出力)を行う際にも、[キャパシタ]→[二次電池]の順で放電を制御するので、例えば、キャパシタの残存容量が尽きるまでに、当該キャパシタの急速充電(無負荷時の充電)を行うという充電制御が可能になる。これにより、二次電池の放電回数を少なくすることが可能となり、二次電池の負担を軽減することができる。 Furthermore, when discharging the power storage device (output to the load), the discharge is controlled in the order of [capacitor] → [secondary battery]. For example, until the remaining capacity of the capacitor is exhausted, Charge control of performing quick charge (charging at no load) is possible. Thereby, it becomes possible to reduce the frequency | count of discharge of a secondary battery, and can reduce the burden of a secondary battery.
以上のように、本発明の蓄電装置によれば、二次電池とキャパシタとを組み合わせた構成とし、それら二次電池及びキャパシタの充放電を[キャパシタ]→[二次電池]の順で制御するので、実用可能な大きさ(装置容積)で、エネルギ密度を確保しつつ、急速充電を行うことが可能になる。しかも、キャパシタを優先的に使用することが可能であるので、二次電池の充放電の回数を少なくすることができる。これによって、蓄電装置全体としての見かけ上のサイクル寿命を、二次電池単体使用の場合と比較して長くすることができる。 As described above, according to the power storage device of the present invention, the secondary battery and the capacitor are combined, and charging / discharging of the secondary battery and the capacitor is controlled in the order of [capacitor] → [secondary battery]. Therefore, it is possible to perform rapid charging while ensuring energy density with a practical size (device volume). In addition, since the capacitor can be used preferentially, the number of times the secondary battery is charged and discharged can be reduced. As a result, the apparent cycle life of the entire power storage device can be extended as compared with the case of using a secondary battery alone.
本発明の蓄電装置において、当該蓄電装置に電力を充電する際に、先に充電を行うキャパシタが満充電になったときに、そのキャパシタ満充電の旨を報知する報知部(例えば、ランプ点灯や音によって報知する報知部)を設けておいてもよい。このような構成を採用すれば、蓄電装置の全体容量の一部に対して急速充電が終了したこと(キャパシタの満充電が終了したこと)をランプ点灯や音などによってユーザに知らせることが可能になるので、ユーザは、負荷の使用が可能となったことを視覚・聴覚的に確認することができる。 In the power storage device of the present invention, when the power storage device is charged with power, when a capacitor to be charged first becomes fully charged, a notification unit (for example, lamp lighting or You may provide the alerting | reporting part which alert | reports by a sound. By adopting such a configuration, it is possible to notify the user that the rapid charging has been completed for part of the entire capacity of the power storage device (the full charging of the capacitor has been completed) by lighting the lamp or sound. Therefore, the user can visually and audibly confirm that the load can be used.
本発明の蓄電装置において、キャパシタの容量がなくなった際に、二次電池から電力を放電(電力を出力)する。そして、その二次電池の放電中に、キャパシタが充電されて満充電になった際に、電力放電(電力出力)を二次電池からキャパシタに切り替える制御を行うようにしてもよい。このような構成を採用すれば、キャパシタの容量を使いきった後に、二次電池の電力が放電(電力が出力)されるようになるが、キャパシタへの充電速度は速いため、二次電池の放電時間は僅かで済むので二次電池の負担を軽減することができる。 In the power storage device of the present invention, when the capacity of the capacitor is exhausted, power is discharged (outputs power) from the secondary battery. Then, when the capacitor is fully charged during discharging of the secondary battery, control may be performed to switch the power discharge (power output) from the secondary battery to the capacitor. If such a configuration is adopted, the power of the secondary battery will be discharged (power is output) after the capacity of the capacitor is used up, but the charging speed of the capacitor is fast, so Since the discharge time is very short, the burden on the secondary battery can be reduced.
本発明の蓄電装置において、二次電池の充電容量を、当該二次電池の満充電状態よりも低い所定の設定上限値(充電制御上限ライン)以下に維持するように制御してもよい。このように二次電池を低い充電状態(SOC(State Of Charge)≦設定上限値)に維持することで二次電池の劣化を遅らせることができる。 In the power storage device of the present invention, the charge capacity of the secondary battery may be controlled to be kept below a predetermined set upper limit value (charge control upper limit line) lower than the fully charged state of the secondary battery. In this way, maintaining the secondary battery in a low charge state (SOC (State Of Charge) ≦ set upper limit value) can delay the deterioration of the secondary battery.
本発明の蓄電装置の具体的な構成として、当該蓄電装置は、再生可能エネルギ発電装置及び微小エネルギ回収装置の少なくとも一方が接続可能であり、それら再生可能エネルギ発電装置及び微小エネルギ回収装置の少なくとも一方からの電力を利用してキャパシタの充電を行うという構成を挙げることができる。 As a specific configuration of the power storage device of the present invention, the power storage device can be connected to at least one of a renewable energy power generation device and a minute energy recovery device, and at least one of the renewable energy power generation device and the minute energy recovery device. The capacitor can be charged using the power from
再生可能エネルギ発電装置としては、例えば、太陽光発電装置、水力発電装置、風力発電装置などを挙げることができる。また、微小エネルギ回収装置とは、電波、室内光、振動、熱(温度差)などの身の回りに存在する微小なエネルギを活用して発電(エネルギハーべスティング)を行う装置である。 Examples of the renewable energy power generation device include a solar power generation device, a hydroelectric power generation device, and a wind power generation device. The minute energy recovery device is a device that generates electric power (energy harvesting) by utilizing minute energy existing around us such as radio waves, room light, vibration, heat (temperature difference).
そして、このように再生可能エネルギ発電装置、微小エネルギ回収装置からの電力を利用することにより、身近に給電電源(例えば交流電源等)がない場合であっても、キャパシタへの充電が可能になる。なお、キャパシタは内部抵抗が低いため、曇天時での太陽光による微弱な発電量や、微小エネルギ回収装置で回収された微小な電力量でも充電が可能である。 In addition, by using the power from the renewable energy power generation device and the minute energy recovery device in this way, the capacitor can be charged even when there is no power supply power source (for example, an AC power source) nearby. . Since the capacitor has a low internal resistance, it can be charged even with a weak amount of power generated by sunlight in cloudy weather or a small amount of power recovered by a micro energy recovery device.
ここで、本発明の蓄電装置にあっては、上記したように急速充電が可能であるので、例えば、電動自転車、電動車いす、電動ゴルフカートなど、電池切れとなった場合に急速充電を行いたい乗物、及び、電動工具などのように充電済みの電池を複数用意しておく必要がある電気機器・装置などに有効に利用することができる。また、本発明の蓄電装置は、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の電子機器や、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)等の車両などの電源にも利用可能である。 Here, in the power storage device of the present invention, as described above, rapid charging is possible. For example, when a battery runs out, such as an electric bicycle, an electric wheelchair, and an electric golf cart, it is desired to perform quick charging. The present invention can be effectively used for electric devices and apparatuses that need to prepare a plurality of charged batteries such as vehicles and electric tools. The power storage device of the present invention can also be used as a power source for electronic devices such as mobile phones and personal computers, and vehicles such as electric vehicles (EV) and hybrid vehicles (HV).
本発明の蓄電装置によれば、二次電池とキャパシタとを組み合わせた構成とし、それら二次電池及びキャパシタの充放電を[キャパシタ]→[二次電池]の順で行うので、実用可能な大きさでエネルギ密度を確保しつつ、急速充電を行うことが可能になる。しかも、キャパシタを優先的に使用することが可能であるので、二次電池の充放電の回数を少なくすることができる。これによって、蓄電装置全体としての見かけ上のサイクル寿命を、二次電池単体使用の場合と比較して長くすることができる。 According to the power storage device of the present invention, the secondary battery and the capacitor are combined, and charging and discharging of the secondary battery and the capacitor are performed in the order of [capacitor] → [secondary battery]. Thus, rapid charging can be performed while ensuring energy density. In addition, since the capacitor can be used preferentially, the number of times the secondary battery is charged and discharged can be reduced. As a result, the apparent cycle life of the entire power storage device can be extended as compared with the case of using a secondary battery alone.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の蓄電装置の一例について図1を参照して説明する。 An example of the power storage device of the present invention will be described with reference to FIG.
この例の蓄電装置1は、二次電池10、キャパシタ20、制御部30、表示部40などを備えている。この例において、二次電池10にはリチウムイオン電池が用いられており、キャパシタ20にはリチウムイオンキャパシタが用いられている。また、この例において、二次電池10(リチウムイオン電池)とキャパシタ20(リチウムイオンキャパシタ)との容積比の割合は7:3としている。なお、二次電池10としては、ニッケル水素電池など他の二次電池を適用してもよい。また、キャパシタ20についても、電気二重層キャパシタ(コンデンサ)などの他のキャパシタを適用してもよい。
The
二次電池10及びキャパシタ20には、それぞれ、SOC(%)を検出するSOC検出部34,35が接続されている。SOC検出部34は、例えば、二次電池10の充放電電流を電流センサ等によって検出し、その充放電電流の積算値からSOCを検出(算出)する。また、SOC検出部35も、同様に、キャパシタ20の充放電電流の積算値に基づいてSOCを検出(算出)する。これらSOC検出部34,35の各検出値は、それぞれ、後述する入力制御部31、出力制御部32、及び、[キャパシタ→二次電池]充電制御部33に入力される。なお、本発明において、SOCのことを、「容量」もしくは「充電容量」という場合もある。
−制御部−
制御部30は、入力制御部31、出力制御部32、キャパシタ20から二次電池10への充電を制御する[キャパシタ→二次電池]充電制御部33(以下、二次電池充電制御部33という)、及び、上記したSOC検出部34,35などによって構成されている。
-Control unit-
The control unit 30 controls the charging from the
−入力制御部−
入力制御部31は、AC/DCコンバータ311、DC/DCコンバータ312、及び、二次電池10の過充電を防止する保護回路(図示せず)などを備えている。また、入力制御部31にはAC入力コネクタ(例えばソケット)313及びDC入力コネクタ(例えばソケット)314が設けられている。AC入力コネクタ313は、交流電源(商用電源:AC100V)201にプラグ及びケーブル(図示せず)等を介して接続可能となっている。DC入力コネクタ314は、再生可能エネルギ発電装置202及び微小エネルギ回収装置203のいずれか一方もしくは両方にプラグ及びケーブル(図示せず)等を介して接続可能となっている。
−Input control unit−
The
ここで、入力制御部31は、AC入力コネクタ313に交流電源201が接続または切断された場合、また、DC入力コネクタ314に再生可能エネルギ発電装置202や微小エネルギ回収装置203が接続または切断された場合には、その電源の接続/切断を認識できるように構成されている。
Here, when the
上記再生可能エネルギ発電装置202としては、例えば、太陽光発電装置、水力発電装置、風力発電装置などを挙げることができる。また、微小エネルギ回収装置203としては、例えば、光を電気に変換する素子(小型の色素増感太陽電池等)、電波を電気に変換する素子(マイクロ波を直流電流に変換するレクテナ等)、振動等の機械的な動作を電気に変換する素子(圧電素子、電磁誘導素子、エレクトレット素子等)、及び、温度差のある熱を電気に変換する素子(ゼーベック素子、ペルチェ素子)などを用いたエネルギ回収装置を挙げることができる。
Examples of the renewable energy
そして、入力制御部31は、AC入力コネクタ313に交流電源201が接続された充電状態では、交流電源201からの交流電力をAC/DCコンバータ311にて直流電力に変換し、その直流電力をキャパシタ20に出力してキャパシタ20の充電を行う。この入力制御部31によるキャパシタ20への充電は、SOC検出部34の検出値(キャパシタ20の容量)に基づいて制御される。その充電制御の詳細については後述する。
The
なお、入力制御部31は、SOC検出部34の検出値に基づいて、交流電源201からの電力(AC/DCコンバータ311にて変換した直流電力)を直接二次電池10に出力して、当該二次電池10の充電を行う場合もある。
The
また、入力制御部31は、DC入力コネクタ314に再生可能エネルギ発電装置202及び微小エネルギ回収装置203のいずれか一方もしくは両方が接続されている場合、その発電・回収した直流電力をDC/DCコンバータ312にて変圧(充電電圧に変圧)してキャパシタ20に出力して当該キャパシタ20を充電する。
In addition, when either or both of the renewable energy
−二次電池充電制御部−
二次電池充電制御部33は、無負荷状態のときに、二次電池10の容量が後述する設定上限値CL未満である場合に、キャパシタ20の電力を二次電池10に出力して二次電池10の充電を行う。この二次電池充電制御部33による二次電池10の充電は、SOC検出部34の検出値に基づいて、当該二次電池10の容量が設定上限値CLに達した時点(SOC=設定上限値CL)で終了する。
-Secondary battery charge controller-
The secondary battery charge control unit 33 outputs the power of the
ここで、リチウムイオン電池等の二次電池は、上述したように、満充電の状態を維持したまま保存すると劣化が早く進行する(カレンダ寿命が短くなる)という欠点がある。このような点を考慮して、本実施形態では、満充電(SOC=100%)よりも低い容量値を設定上限値CL(充電制御上限ライン)(%)として設定し、二次電池10の容量(%)がその設定上限値CLを超えない状態で維持する(二次電池10を浅い放電深度で充放電を行う)ことにより、二次電池10の劣化を遅らせるようにしている。ここで、上記設定上限値CLの一例として50%を挙げることができる。なお、この設定上限値CLについては、「50%」に限られることなく、他の値(容量[%])を適宜に設定するようにしてもよい。
Here, as described above, a secondary battery such as a lithium ion battery has a drawback that deterioration proceeds quickly (calendar life is shortened) when stored while maintaining a fully charged state. In consideration of such points, in this embodiment, a capacity value lower than full charge (SOC = 100%) is set as a set upper limit value CL (charge control upper limit line) (%), and the
そして、本実施形態において、蓄電装置1に電力を充電する際には、[キャパシタ20]→[二次電池10]の順で充電を行う。その充電制御の詳細については後述する。
In the present embodiment, when the
−出力制御部−
出力制御部32は、DC/DCコンバータ321、及び、定電圧出力回路(図示せず)などを備えている。出力制御部32にはDC出力コネクタ322が設けられており、このDC出力コネクタ322に負荷101が接続される。負荷101としては、例えば電動自転車の電動モータなどを挙げることができる。
−Output control unit−
The
出力制御部32は、キャパシタ20または二次電池10に充電されている電力をDC/DCコンバータ321にて変圧(負荷101の動作電圧に変圧)して負荷101に出力(放電)する。この出力制御部32による電力の出力(放電)は、SOC検出部34,35の検出値(二次電池10の容量(%)及びキャパシタ20の容量(%))に基づいて制御される。そして、本実施形態において負荷101に電力を出力する際には、[キャパシタ20]→[二次電池10]の順で電力出力(放電)を行う。その負荷101への電力の出力制御の詳細については後述する。
The
以上の制御部30には、当該蓄電装置1の充電状態を表示する表示部(報知部)40が接続されている。表示部40は、図2及び図3に示すように、蓄電装置1が充電中である旨を示す充電中ランプ41、急速充電が終了した旨を示す急速充電終了ランプ42、及び、蓄電装置1の全体の充電(キャパシタ20及び二次電池10の両方の充電)が終了した旨を示す全体充電終了ランプ43などを備えている。この表示部40の各ランプ41,42,43の点灯(図3参照)は制御部30の入力制御部31にて制御される。その点灯制御については後述する。なお、各ランプ41,42,43にはLEDランプ、ELランプなどが用いられている。
A display unit (notification unit) 40 that displays the state of charge of the
−充電制御−
次に、無負荷時の充電制御の一例について図4のフローチャートを参照して説明する。この図4の処理ルーチンは制御部30によって実行される。
-Charge control-
Next, an example of charge control during no load will be described with reference to the flowchart of FIG. The processing routine of FIG. 4 is executed by the control unit 30.
図4の処理ルーチンは、当該蓄電装置1のAC入力コネクタ313に交流電源201が接続されたときに開始される。また、蓄電装置1に充電スイッチが設けられている場合、その充電スイッチがON操作されたときに図4の処理ルーチンが開始される。
The processing routine of FIG. 4 is started when the
図4の処理ルーチンが開始されると、まずは、表示部40の充電中ランプ41を点灯し(図3(a)参照)、ステップST101において、SOC検出部35の検出値に基づいてキャパシタ20が満充電(SOC=100%)であるか否かを判定する。
When the processing routine of FIG. 4 is started, first, the charging
このステップST101の判定結果が否定判定(NO)である場合はステップST102に進んでキャパシタ20への充電を行う。このステップST102でのキャパシタ充電処理は、キャパシタ20が満充電となるまで繰り返して行われる。そして、キャパシタ20が満充電となったときにステップST101の判定結果が肯定判定(YES)となり、ステップST103に進む。
If the determination result in step ST101 is negative (NO), the process proceeds to step ST102 and the
ステップST103では充電を継続するか否かを判定する。この処理について説明すると、まずは、充電開始後、最初にステップST101が肯定判定(YES)となったときには、表示部40の急速充電終了ランプ42を点灯して(図3(b)参照)、負荷101の使用が可能(例えば電動自転車の走行が可能)である旨をユーザに知らせるとともに、キャパシタ20が満充電となった時点から一定の時間(例えば数分程度)だけ待機状態とし、その待機時間中に、ユーザにより充電終了操作(例えば蓄電装置1と交流電源201との接続解除や充電スイッチOFF等)が行われた場合は充電を終了する(ステップST103の判定結果が否定判定(NO))。この充電終了時にはキャパシタ20は満充電状態であり、負荷101の使用が可能(例えば電動自転車の走行が可能)である。なお、上記急速充電終了ランプ42は上記待機時間が経過した時点で消灯する。
In step ST103, it is determined whether or not to continue charging. This process will be described. First, after the start of charging, when step ST101 is first determined affirmative (YES), the quick
一方、上記待機時間中に充電終了操作が行われない場合、及び、ステップST101の2回目以降の判定が肯定判定(YES)である場合は、充電継続と判定してステップST104に進む。 On the other hand, when the charging end operation is not performed during the standby time and when the second and subsequent determinations in step ST101 are affirmative (YES), it is determined that charging is continued and the process proceeds to step ST104.
ステップST104では、SOC検出部34の検出値に基づいて二次電池10の容量(%)が上記した設定上限値CL(例えばCL=50%)未満であるか否かを判定する。
In step ST104, it is determined whether the capacity (%) of the
ステップST104の判定結果が肯定判定(YES)である場合([二次電池10の容量<設定上限値CL]である場合)はステップST105に進む。ステップST105では、キャパシタ20の充電電力を二次電池10に出力して二次電池10の充電(キャパシタ20から二次電池10への充電)を行う。
When the determination result in step ST104 is affirmative (YES) (when the capacity of the
次に、ステップST106において、SOC検出部35の検出値に基づいてキャパシタ20に容量があるか否かを判定する。このステップST106の判定結果が肯定判定(YES)である場合(キャパシタ20に容量がある場合(SOC>0))はキャパシタ20から二次電池10への充電を継続する(ステップST105)。
Next, in step ST106, it is determined whether or not the
上記ステップST106の判定結果が否定判定(NO)である場合(キャパシタ20に容量がない場合(SOC=0))はステップST102に戻る。この時点では、キャパシタ20は満充電状態ではないので、キャパシタ20への充電を行う。このステップST102でのキャパシタ充電処理は、キャパシタ20が満充電となるまで繰り返して行われる。
When the determination result in step ST106 is negative (NO) (when the
そして、キャパシタ20が満充電となったときにステップST101の判定結果が肯定判定(YES)となる。このときのキャパシタ20の満充電は2回目であるのでステップST103の判定結果は肯定判定(充電継続判定)となりステップST104に進む。ステップST104では、二次電池10の容量(%)が上記した設定上限値CL(例えばCL=50%)未満であるか否かを判定し、その判定結果が肯定判定(YES)である場合はステップST105に進む。以後、ステップST105〜ST106、及び、ステップST101〜ST102の処理(キャパシタ20から二次電池10への充電、及び、キャパシタ20の充電)が、二次電池10の容量が設定上限値CLに達するまで順次繰り返して実行され、二次電池10の容量が設定上限値CLに到達した時点(ステップST104の判定結果が否定判定(NO)となった時点)で、表示部40の全体充電終了ランプ43を点灯(図3(c)参照)して充電を終了する。
When the
なお、以上の充電制御では、二次電池10を充電する際に、キャパシタ20の電力を二次電池10に出力して充電を行っているが、これに限られることなく、交流電源201からの電力(AC/DCコンバータ311にて変換した直流電力)を直接二次電池10に出力して当該二次電池10の充電を行うようにしてもよい。
In the above charging control, when charging the
−負荷への出力制御−
次に、負荷への電力の出力制御(放電制御)について図5のフローチャートを参照して説明する。この図5の処理ルーチンは制御部30によって実行される。
-Output control to load-
Next, output control (discharge control) of power to the load will be described with reference to the flowchart of FIG. The processing routine of FIG. 5 is executed by the control unit 30.
図5の処理ルーチンは、例えば負荷側の電源スイッチがON操作されたときに開始される。この処理ルーチンが開始されると、まずは、ステップST201において、SOC検出部35の検出値に基づいてキャパシタ20に容量があるか否かを判定する。その判定結果が肯定判定(YES)である場合([SOC>0]である場合)は、キャパシタ20から負荷101側に電力を出力(放電)する(ステップST202)。このキャパシタ20からの電力出力は、当該キャパシタ20の容量がなくなる(SOC=0)まで継続して行われる。そして、キャパシタ20の容量がなくなったときにステップST201の判定結果が否定判定(NO)となり、ステップST203に進む。
The processing routine of FIG. 5 is started, for example, when a load-side power switch is turned on. When this processing routine is started, first, in step ST201, it is determined whether or not the
ステップST203では、二次電池10に容量があるか否かを判定する。その判定結果が肯定判定(YES)である場合([SOC>0]である場合)は、二次電池10から負荷101側に電力を出力(放電)する(ステップST204)。
In step ST203, it is determined whether the
次に、ステップST205において、外部電源(交流電源201、再生可能エネルギ発電装置202、または、微小エネルギ回収装置203)からの充電可能であるか否かを判定する。その判定結果が肯定判定(YES)である場合はステップST206に進んでキャパシタ20への充電を行う(二次電池10の放電中にキャパシタ20の充電を行う)。このステップST206でのキャパシタ充電処理は、キャパシタ20が満充電となるまで繰り返して行われる。そして、キャパシタ20が満充電となったときにステップST207の判定結果が肯定判定(YES)となり、この時点で二次電池10からの電力出力(放電)を停止する(ステップST208)。その後にステップST201に戻り、上記したステップST201〜ST208の処理(キャパシタ20の充放電及び二次電池10の一部放電)を順次繰り返していく。
Next, in step ST205, it is determined whether or not charging from an external power source (
一方、上記ステップST205の判定結果が否定判定(NO)である場合、つまり、外部電源からの充電が不可能である場合はステップST203に戻って、二次電池10に容量があるか否かを判定する。その判定結果が肯定判定(YES)である場合([SOC>0]である場合)は、二次電池10から負荷101側に電力を出力する(ステップST204)。この二次電池10からの電力出力は、当該二次電池10の容量がなくなるまで(ステップST203判定結果が否定判定(NO)となるまで)継続して行われる。そして、二次電池10の容量がなくなった時点で負荷101への電力出力を終了する。
On the other hand, if the determination result in step ST205 is negative (NO), that is, if charging from an external power source is impossible, the process returns to step ST203 to determine whether the
次に、負荷101への電力出力制御(放電制御)について図6のタイミングチャートを参照して具体的に説明する。
Next, power output control (discharge control) to the
まず、二次電池10の容量は設定上限値CLまで充電された状態となっており、キャパシタ20は満充電状態となっている。この状態から、先にキャパシタ20から電力を出力する(図5のステップST202の処理)。キャパシタ20からの電力出力を開始した時点T1から、キャパシタ20の容量が低下していき、そのキャパシタ20の容量が0(SOC=0)になった時点T2で、電力の出力が二次電池10に切り替わる(図5のステップST203〜ST204の処理)。その二次電池10からの電力出力中において、外部電源からの充電が可能である場合、T3のタイミングでキャパシタ20への充電が開始される(図5のステップST206の処理)。次に、キャパシタ20が満充電となった時点T4で、二次電池10からの電力出力を停止し、キャパシタ20から電力を出力する(図5のステップST208、ステップST201〜ST202の処理)。そして、キャパシタ20の容量が0になった時点T5(図5のステップST201が否定判定となった時点)で、電力の出力が二次電池10に切り替わる(図5のステップST204)。この後、二次電池10の容量が0(SOC=0)になった時点(図5のステップST203の判定結果が否定判定(NO)となった時点)で電力出力を終了する。
First, the capacity of the
ここで、図6のタイミングチャートでは、説明を簡略化するために、キャパシタ20の充電を1回のみ行う例を示しているが、実際には、キャパシタ20については多数回の充電と放電とが繰り返して行われる。また、図6のタイミングチャートでは、説明を判り易くするために、電力の出力が二次電池10に切り替わった時点からキャパシタ20の充電を開始するまでの期間(T2〜T3の期間)を長くしているが、実際には、二次電池10に切り替わった後に直ぐにキャパシタ20の充電が開始される。このため、二次電池10の容量低下は僅かな量で済む。そして、このようにして、キャパシタ20を優先的に使用することで、二次電池10の充放電の回数を少なくすることができる。
Here, in order to simplify the explanation, the timing chart of FIG. 6 shows an example in which the
<効果>
以上のように、本実施形態によれば、二次電池10とキャパシタ20とを組み合わせた構成とし、充電を行う際には、[キャパシタ20]→[二次電池10]の順で充電を行うので、蓄電装置1の全体容量の一部(キャパシタ20)に対して急速充電を行うことが可能になる。これにより蓄電装置1が容量切れ(電池切れ)となった場合でも、急速充電により短時間(例えば数十秒:後述する実施例を参照)で負荷101の使用(例えば電動自転車の走行)が可能になる。しかも、急速充電が終了(キャパシタ20の満充電が終了)した時点で、その旨を急速充電ランプ42の点灯によってユーザに知らせることができるので、ユーザは負荷101の使用が可能となったことを視覚的に確認することができる。
<Effect>
As described above, according to the present embodiment, the
さらに、本実施形態では、負荷101への電力の出力(蓄電装置1の放電)を行う際にも、[キャパシタ]→[二次電池]の順で電力出力(放電)を行うので、キャパシタ20を優先的に使用することができる。これによって、二次電池10の充放電の回数を少なくすることが可能となり、蓄電装置全体としての見かけ上のサイクル寿命を二次電池単体使用の場合と比較して長くすることができる。
Furthermore, in the present embodiment, when power is output to the load 101 (discharge of the power storage device 1), power output (discharge) is performed in the order of [capacitor] → [secondary battery]. Can be used preferentially. This makes it possible to reduce the number of times that the
また、二次電池10の容量を、当該二次電池10の満充電状態よりも低い所定の設定上限値(充電制御上限ライン)CLに維持するようにしているので、二次電池の劣化を遅らせることができる。
Further, since the capacity of the
また、本実施形態では、再生可能エネルギ発電装置202及び微小エネルギ回収装置203の少なくとも一方を蓄電装置1に接続可能とし、それら再生可能エネルギ発電装置202及び微小エネルギ回収装置203の少なくとも一方からの電力を利用してキャパシタ20の充電を行うようにしているので、身近に給電電源(例えば交流電源201等)がない場合であっても、キャパシタ20への充電が可能になる。なお、キャパシタ20は内部抵抗が低いため、曇天時での太陽光による微弱な発電量や、微小エネルギ回収装置203で回収された微小な電力量でも充電が可能である。
Further, in the present embodiment, at least one of the renewable energy
−実施例−
次に、本実施形態の蓄電装置1を電動自転車の電源に適用した場合の例について説明する。
-Example-
Next, an example in which the
まず、電動自転車の電源部にはリチウムイオン電池が用いられている。その電源部の諸元は、例えば、充電電圧は25V、充電量は10Ah、蓄電部の全体容量(体積)は2Lであり、この電源部の容積エネルギ密度は125Wh/L(250Wh)である。 First, a lithium ion battery is used for a power source of an electric bicycle. The specifications of the power supply unit are, for example, a charging voltage of 25 V, a charge amount of 10 Ah, an overall capacity (volume) of the power storage unit of 2 L, and a volume energy density of the power supply unit of 125 Wh / L (250 Wh).
この実施例では、上記した蓄電装置1の二次電池10としてリチウムイオン電池を用い、キャパシタ20としてリチウムイオンキャパシタを用いる。そのリチウムイオン電池とリチウムイオンキャパシタとの容積割合を7:3とする。
In this embodiment, a lithium ion battery is used as the
ここで、リチウムイオンキャパシタの容積エネルギ密度を20Wh/Lとし、蓄電装置1の全体容積を2L(上記電源部の容積と同じ)として、そのうちの1.4Lをリチウムイオン電池に、0.6Lをリチウムイオンキャパシタに振り分けると、この蓄電装置1の容積エネルギ密度は49.75Wh/L(99.5Wh)となり、上記電源部と比較して約60%減少することになる。ただし、このエネルギ密度はあくまで50%充電を満充電状態にした実施例であり、通常使用では、この容積比率なら、蓄電装置1の容積エネルギ密度は93.5Wh/L(187Wh)となり、上記電源部と比較して25%減少することになる。なお、187Whのリチウムイオン電池を充電するのに要する充電時間はおよそ1.5〜3時間である。
Here, the volume energy density of the lithium ion capacitor is set to 20 Wh / L, the total capacity of the
しかしながら、上記した蓄電装置1つまりリチウムイオン電池とリチウムイオンキャパシタとを組み合わせた蓄電装置1にあっては、187Whのうちの56Whはリチウムイオンキャパシタによるものであり、このリチウムイオンキャパシタの容量分だけ急速充電が可能となる。具体的には、容積エネルギ密度が56Whのリチウムイオンキャパシタを充電する場合、数十秒で充電(満充電)が十分に完了する。なお、同じ容量(56Wh)のリチウムイオン電池を充電するには1.5〜3時間の充電時間が必要である。
However, in the
以上のように、この実施例の蓄電装置1では数十秒での急速充電が可能であり、蓄電装置1が容量切れ(電池切れ)となった場合でも、急速充電により短時間で電動自転車の走行が可能になる。そして、このような短時間での急速充電(リチウムイオンキャパシタの満充電)により、例えば、時速10km/hの走行であれば、約10kmの距離の走行が可能になる。
As described above, the
このように本実施形態の蓄電装置1では、実用可能な大きさ(装置容積)で、容積エネルギ密度(Wh/L)を確保しつつ、急速充電を行うことが可能になる。
Thus, in the
−他の実施形態−
以上の例では、蓄電装置1の急速充電が終了(キャパシタ20の満充電が終了)した旨を、ランプ点灯にてユーザに知らせるようにしているが、本発明はこれに限られることなく、音の発生または文字の表示によって急速充電が終了した旨をユーザに知らせるようにしてもよい。また、それらランプ点灯、音の発生、文字表示のうちの2つもしくは全てを組み合わせて急速充電が終了した旨をユーザに知らせるようにしてもよい。
-Other embodiments-
In the above example, the user is informed that the rapid charging of the
以上の例では、二次電池(リチウムイオン電池)とキャパシタ(リチウムイオンキャパシタ)との容積割合を7:3としているが、本発明はこれに限定されない。そのキャパシタの全体容積に対する割合は、例えば、急速充電により対象とする負荷の使用が可能となる充電量や、キャパシタを優先的に使用して二次電池の充放電回数を抑制する点などを考慮して適宜に設定すればよい。 In the above example, the volume ratio between the secondary battery (lithium ion battery) and the capacitor (lithium ion capacitor) is 7: 3, but the present invention is not limited to this. The ratio of the total capacity of the capacitor takes into account, for example, the amount of charge that enables the target load to be used due to rapid charging, and the fact that the capacitor is preferentially used to suppress the number of times the secondary battery is charged and discharged. And may be set appropriately.
以上の例では、蓄電装置から負荷に直流電力を出力しているが、本発明はこれに限られることなく、負荷が交流電力にて駆動されるものである場合、出力制御部32にDC/ACコンバータを設けて、交流電力を負荷に出力するようにしてもよい。
In the above example, DC power is output from the power storage device to the load. However, the present invention is not limited to this, and when the load is driven by AC power, the
本発明の蓄電装置は、電動自転車、電動車いす、電動ゴルフカート等の乗物の電源や、電動工具等の電源などに有効に利用可能であり、また、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の電子機器や、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)等の車両などの電源にも利用することができる。 The power storage device of the present invention can be effectively used as a power source for vehicles such as an electric bicycle, an electric wheelchair, and an electric golf cart, a power source for an electric tool, etc., and an electronic device such as a mobile phone and a personal computer, It can also be used as a power source for vehicles such as electric vehicles (EV) and hybrid vehicles (HV).
1 蓄電装置
10 二次電池
20 キャパシタ
30 制御部
31 入力制御部
32 出力制御部
33 [キャパシタ→二次電池]充電制御部
34 SOC検出部
35 SOC検出部
40 表示部(報知部)
42 急速充電終了ランプ
101 負荷
201 交流電源
202 再生可能エネルギ発電装置
203 微小エネルギ回収装置
DESCRIPTION OF
42 Quick
Claims (6)
二次電池と、キャパシタと、前記二次電池及び前記キャパシタの充放電を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、当該蓄電装置に電力を充電する際に、前記キャパシタの充電、前記二次電池の充電の順で充電を制御し、当該蓄電装置から電力を放電する際には、前記キャパシタの放電、前記二次電池の放電の順で放電を制御するように構成されていることを特徴とする蓄電装置。 A power storage device capable of charging and discharging,
A secondary battery, a capacitor, and a controller that controls charging and discharging of the secondary battery and the capacitor;
The control unit controls charging in the order of charging of the capacitor and charging of the secondary battery when charging the power to the power storage device, and discharging the power from the power storage device when controlling the charging of the capacitor. A power storage device configured to control discharge in the order of discharge and discharge of the secondary battery.
当該蓄電装置に電力を充電する際に、先に充電を行う前記キャパシタが満充電になったときに、そのキャパシタ満充電の旨を報知する報知部を備えていることを特徴とする蓄電装置。 The power storage device according to claim 1,
A power storage device comprising: a notifying unit for notifying that a capacitor is fully charged when the capacitor to be charged first is fully charged when charging the power to the power storage device.
前記制御部は、前記キャパシタの容量がなくなった際に、前記二次電池から電力を放電し、その二次電池の放電中に、前記キャパシタが充電されて満充電になった際に、電力の放電を前記二次電池から前記キャパシタに切り替える制御を行うことを特徴とする蓄電装置。 The power storage device according to claim 1 or 2,
The control unit discharges power from the secondary battery when the capacity of the capacitor is exhausted, and when the capacitor is charged and fully charged during discharge of the secondary battery, A power storage device that performs control to switch discharge from the secondary battery to the capacitor.
前記制御部は、無負荷時に前記キャパシタから前記二次電池への充電を行うように構成されていることを特徴する蓄電装置。 In the electrical storage apparatus as described in any one of Claims 1-3,
The power storage device, wherein the control unit is configured to charge the secondary battery from the capacitor when there is no load.
前記制御部は、前記二次電池の充電容量を、当該二次電池の満充電状態よりも低い所定の設定上限値以下に維持する制御を行うことを特徴する蓄電装置。 In the electrical storage apparatus as described in any one of Claims 1-4,
The power storage device, wherein the control unit performs control to maintain a charge capacity of the secondary battery below a predetermined set upper limit value lower than a fully charged state of the secondary battery.
当該蓄電装置は、再生可能エネルギ発電装置及び微小エネルギ回収装置の少なくとも一方が接続可能であり、前記再生可能エネルギ発電装置及び微小エネルギ回収装置の少なくとも一方からの電力を利用して前記キャパシタの充電を行うように構成されていることを特徴とする蓄電装置。 In the electrical storage apparatus as described in any one of Claims 1-5,
The power storage device is connectable to at least one of a renewable energy power generation device and a minute energy recovery device, and charges the capacitor using electric power from at least one of the renewable energy power generation device and the minute energy recovery device. A power storage device configured to perform.
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