JP2015050796A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池とキャパシタとを組み合わせた場合の実装体積をより小さくする。【解決手段】電池Ｅの出力をＤＣ−ＤＣコンバータＨで電圧変換して出力する電源装置であって、電池Ｅの正極端子とＤＣ−ＤＣコンバータＨの一方の入力端との間に設けられたインダクタＬと、ＤＣ−ＤＣコンバータＨの一方の入力端と他方の入力端との間に接続された電気二重層キャパシタＣとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関する。

下記特許文献１には、二次電池と電気二重層コンデンサを組み合わせた車両用電源装置が開示されている。この車両用電源装置では、二次電池と電気二重層キャパシタとの間に双方向ＤＣ/ＤＣコンバータを設け、双方向ＤＣ/ＤＣコンバータを介して二次電池と電気二重層キャパシタとの間で充放電を行う構成を採用している。

特開２０１１−１３０５３４号公報

ところで、二次電池と電気二重層キャパシタを組み合わせた電源装置の利点は、両者の欠点を互いに補うことが可能な点にある。周知のように二次電池は、電流容量が比較的大きいが電流密度が比較的低いという性質を有し、一方、電気二重層キャパシタは、電流容量が比較的小さいが電流密度が比較的高いという性質を有する。すなわち、両者は相反する性能を有しているので、両者を組み合わせることにより電流容量及び電力の高速供給の点で優れた電源装置を実現できる。

このような二次電池と電気二重層キャパシタを組み合わせ、二次電池の出力電圧とを異なる電圧で負荷に電力を供する電源装置を構成しようとする場合、二次電池の出力を第１のＤＣ−ＤＣコンバータで変圧して負荷に供給すると共に、電気二重層キャパシタの出力を第２のＤＣ−ＤＣコンバータで変圧して負荷に供給する構成が容易に考えられる。

しかしながら、このような構成の電源装置では、電池と電気二重層キャパシタとを組み合わせるために２つのＤＣ−ＤＣコンバータを必要とするのでコスト高であると共に、直流電源の小型化が困難であるという問題がある。すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータは、定格電圧や定格電流にも依るが、比較的大きな電流や電圧を扱う電源回路なので回路素子が比較的大きく、よって実装体積が比較的大きい。この実装体積が大きいということは、電池とキャパシタとを組み合わせた電源回路の実用上の大きな問題点である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電池とキャパシタとを組み合わせた場合の実装体積をより小さくすることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、電池の出力を電力変換回路で電圧変換して出力する電源装置であって、前記電池の正極端子と前記電力変換回路の一方の入力端との間に設けられたインダクタと、前記電力変換回路の一方の入力端と他方の入力端との間に接続された電気二重層キャパシタとを備える、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電力変換回路から前記電池に向けて電流が流れることを防止する整流素子が前記インダクタに直列接続される、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記電気二重層キャパシタが前記電力変換回路の一方の入力端と他方の入力端との間に複数接続される、という手段を採用する。

本発明では、第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記電力変換回路はＤＣ−ＤＣコンバータである、という手段を採用する。

本発明によれば、電池の正極端子と電力変換回路の一方の入力端との間に設けられたインダクタと、電力変換回路の一方の入力端と他方の入力端との間に接続された電気二重層キャパシタとを備えるので、電池とキャパシタとを組み合わせた場合の実装体積を電池及び電気二重層キャパシタの各々に電力変換回路を設ける場合よりも小さくすることができる。

本発明の第１実施形態に係る直流電源装置の回路図である。 本発明の第１実施形態に係る直流電源装置の特徴的動作を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係る直流電源装置の回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
第１実施形態は、直流電力を負荷に供給する直流電源装置に関するものであり、図１に示すように、畜電池Ｅ、チョークコイルＬ（インダクタ）、電気二重層キャパシタＣ及びＤＣ−ＤＣコンバータＨによって構成されている。

畜電池Ｅは、例えばリチウムイオンバッテリである。この畜電池Ｅは、図示するように複数のセル電池が直接接続されたものであり、正極端子と負極端子とを備えている。このような畜電池Ｅは、直流電力を出力する電池、例えばリチウムイオン電池である。なお、上述したが、畜電池は一般に電流容量が比較的大きいが電流密度が比較的低いという性質を有する。本実施形態における畜電池Ｅも同様の性質を有する。

チョークコイルＬは、一端が上記正極端子に接続され、また他端が電気二重層キャパシタＣの一端及びＤＣ−ＤＣコンバータＨの一方の入力端に接続されている。このチョークコイルＬは、畜電池Ｅの正極端子とＤＣ−ＤＣコンバータＨの一方の入力端との間に流れる電流の急峻な変化を抑制する作用を奏する。このようなチョークコイルＬの作用（機能）は、一般的なチョークコイルと同様である。

電気二重層キャパシタＣは、電流容量が比較的小さいが電流密度が比較的高いという性質を有し、各種のキャパシタ（コンデンサ）の中で最も大きな静電容量を有するものである。すなわち、電気二重層キャパシタＣは、各種のキャパシタ（コンデンサ）の中でも最も大きな容量の電荷を蓄えることが可能なものである。このような電気二重層キャパシタＣは、一端が上記チョークコイルＬの他端及びＤＣ−ＤＣコンバータＨの一方の入力端に接続され、また他端が上記畜電池Ｅの負極端子及び上記ＤＣ−ＤＣコンバータＨの他方の入力端に接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータＨは、一方の入力端が上記チョークコイルＬの他端及び上記電気二重層キャパシタＣの一端に接続され、また他方の入力端が上記畜電池Ｅの負極端子及び電気二重層キャパシタＣの他端に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータＨは、一方の出力端と他方の出力端との間に負荷が接続されている。このようなＤＣ−ＤＣコンバータＨは、一対の入力端に入力された所定電圧の直流電力を異なる電圧の直流電力に電力変換して一対の出力端から出力する電力変換回路である。

このような直流電源装置において、畜電池Ｅの出力電圧は例えば２００Ｖ、チョークコイルＬのインダクタンスは例えば１００μＨ、電気二重層キャパシタＣの静電容量は例えば０．１μＦまたＤＣ−ＤＣコンバータＨの出力電流は例えば１００Ａである。

次に、このように構成された直流電源装置の動作について、図２をも参照して詳しく説明する。

直流電源装置に電源が投入されてＤＣ−ＤＣコンバータＨが電圧変換動作を開始すると、過渡的に電気二重層キャパシタＣからＤＣ−ＤＣコンバータＨに専ら電力が供給される。すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータＨと畜電池Ｅの正極端子との間には、電流の急峻な変化を抑制するチョークコイルＬが挿入されており、一方、電気二重層キャパシタＣの一端はチョークコイルＬを介することなく、ＤＣ−ＤＣコンバータＨの一方の入力端に直接接続されているので、ＤＣ−ＤＣコンバータＨの一方の入力端への電力供給は、専ら電気二重層キャパシタＣによって行われる。

したがって、電源投入後の初期期間（過渡期間）において、畜電池ＥはＤＣ−ＤＣコンバータＨに対する急峻な電力供給を強いられることがなく、よって急峻な電力供給に起因する劣化が抑制される。

しかしながら、チョークコイルＬの作用に基づいて、電源投入後における時間の経過とともに畜電池ＥからＤＣ−ＤＣコンバータＨへの電力供給が徐々に行われ、一方、電流容量が畜電池Ｅよりも小さい電気二重層キャパシタＣからＤＣ−ＤＣコンバータＨに供給される電力は徐々に減少する。

すなわち、電気二重層キャパシタＣからＤＣ−ＤＣコンバータＨへの給電電力の時間変化は、図２に示す給電特性Ａのようになり、一方、畜電池ＥからＤＣ−ＤＣコンバータＨへの給電電力の時間変化は、図２に示す給電特性Ｂのようになる。

ここで、図２において、ＤＣ−ＤＣコンバータＨへの電極供給の大小関係が逆転する時刻Ｔａは、チョークコイルＬのインダクタンスと電気二重層キャパシタＣの静電容量によって決定される。直流電源装置の設計に際しては、急峻な電力供給に起因する畜電池Ｅの劣化を抑制しつつ、負荷が必要とする電力を十分に供給できるように、チョークコイルＬのインダクタンス及び電気二重層キャパシタＣの静電容量を適宜設定する必要がある。

このような本実施形態によれば、畜電池ＥとＤＣ−ＤＣコンバータＨのとの間に設けられたチョークコイルＬと、ＤＣ−ＤＣコンバータＨの入力に電気二重層キャパシタＣとを備えるので、畜電池Ｅと電気二重層キャパシタＣとを組み合わせた場合の実装体積を畜電池Ｅと電気二重層キャパシタＣとの各々にＤＣ−ＤＣコンバータＨを設ける場合よりも小さくすることが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明する。
第２実施形態に係る直流電源装置は、図３と図１とを比較するとわかるように、第１実施形態に係る直流電源装置において、畜電池Ｅの正極端子とチョークコイルＬの一端との間にダイオードＤを追加したものである。すなわち、畜電池Ｅの正極端子とダイオードＤのアノード端子とが接続され、またダイオードＤのカソード端子とＤＣ−ＤＣコンバータＨの一方の入力端及び電気二重層キャパシタＣの一端とが接続される。

このような直流電源装置においては、上述した第１実施形態と同様の効果を得ることができると共に、ダイオードＤが設けられることによってＤＣ−ＤＣコンバータＨからチョークコイルＬを介して畜電池Ｅに電力が供給されて当該畜電池Ｅが不必要に充電されることを防止することができる。

このように本第２実施形態におけるダイオードＤは、電流が畜電池ＥからＤＣ−ＤＣコンバータＨに向けて流れることを許容するものの、電流がＤＣ−ＤＣコンバータＨから畜電池Ｅに流れることを防止するもの、つまり電流を一定方向にのみ流す整流作用を奏する電子素子（整流素子）である。このような整流素子としては、ダイオードの他にダイオード接続された各種トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ等のＦＥＴやＩＧＢＴ）あるいはサイリスタ等が知られている。したがって、上記ダイオードＤに代えて、ダイオード接続された各種トランジスタあるいはサイリスタ等を用いてもよい。

なお、本発明は上記第１、第２実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記第１、第２実施形態では、単独の電気二重層キャパシタＣをＤＣ−ＤＣコンバータＨの入力に設けたが、本発明はこれに限定されない。静電容量を増大させるために並列接続された複数の電気二重層キャパシタＣをＤＣ−ＤＣコンバータＨの入力に設けてもよい。また、耐圧を向上させるために直列接続された複数の電気二重層キャパシタＣをＤＣ−ＤＣコンバータＨの入力に設けてもよい。さらに、チョークコイルＬについても、必要に応じて複数を直列あるいは並列接続してもよい。

（２）上記第２実施形態では、畜電池ＥとチョークコイルＬとの間に追加したが、本発明はこれに限定されない。ダイオードＤをチョークコイルＬとＤＣ−ＤＣコンバータＨの一方の入力端との間に設けてもよく、または畜電池ＥとチョークコイルＬとの間及びチョークコイルＬとＤＣ−ＤＣコンバータＨとの間の両方にダイオードをそれぞれ設けてもよい。

（３）上記第１、第２実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータＨを電力変換回路として採用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。ＤＣ−ＤＣコンバータＨに代えてインバータを採用してもよい。すなわち、本願発明は直流電力を負荷に供給する直流電源装置に限定されるものではなく、交流電力を負荷に供給する交流電源装置にも適用可能である。

Ｅ 畜電池
Ｌ チョークコイル（インダクタ）
Ｃ 電気二重層キャパシタ
Ｈ ＤＣ−ＤＣコンバータ
Ｄ ダイオード

Claims (4)

1. 電池の出力を電力変換回路で電圧変換して出力する電源装置であって、
   前記電池の正極端子と前記電力変換回路の一方の入力端との間に設けられたインダクタと、
   前記電力変換回路の一方の入力端と他方の入力端との間に接続された電気二重層キャパシタと
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記電力変換回路から前記電池に向けて電流が流れることを防止する整流素子が前記インダクタに直列接続されることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記電気二重層キャパシタが前記電力変換回路の一方の入力端と他方の入力端との間に複数接続されることを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
4. 前記電力変換回路はＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電源装置。
   

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