JP2015192533A - 電力供給装置および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】電力供給装置において、キャパシタ側にコンバータを接続する必要がなく、かつ、キャパシタの実効的な容量をより大きくできるようにする。【解決手段】電力供給装置が、負荷と接続され、かつ、電力源から電力を受給可能な直流バスと、前記直流バスとの間で充放電を行う蓄電池と、前記蓄電池と前記直流バスとの間に設けられた充放電制御装置と、前記直流バスと直接接続されたリチウムイオンキャパシタと、を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力供給装置および移動体に関する。

環境対策や燃費の向上によるライフサイクルコスト（Life Cycle Cost）向上のため、バッテリ等を利用し回生電力の再利用を可能とした機器の製品化が進んでいる。
ここで、バッテリは高容量化が比較的容易だが出力特性はそれほど高くなく、バッテリを用いた機器の設計に関して出力性能の満足がボトルネックとなる場合がある。そこで、高容量化が比較的容易なバッテリと、高出力化が比較的容易なキャパシタとを組み合わせたハイブリッド給電が提案されている。

ハイブリッド給電に関連して幾つかの技術が提案されている。
例えば、特許文献１に記載の電源装置では、キャパシタ電圧が第１の基準電圧よりも大きいときには、燃料電池システムの燃料ガス供給装置、酸素含有ガス供給装置など燃料電池の補機を停止する。キャパシタ電圧が第２の基準電圧より小さくなると、燃料電池システムを運転して燃料電池から電力を得る。
特許文献１では、これにより、燃料電池を備える電源装置において、電源装置全体のエネルギ効率が低下するのを防止する、とされている。

特開２００７−２３６１９７号公報

ハイブリッド給電において、キャパシタ側にコンバータを接続させる構成が用いられる場合がある。その理由は、キャパシタの電荷が減少して電圧が低下すると一般的な主機インバータの電圧範囲より低くなってしまうことから、キャパシタと主機インバータとを直接接続した構成では、キャパシタを電荷の多い状態にしておく必要があり、キャパシタの実効的な容量が小さくなってしまうためである。

しかしながら、キャパシタ側にコンバータを接続させる構成では、コンバータの制御が遅れた場合に、バッテリに大電流が流れる可能性がある。かかる大電流に対応するため、バッテリの設計マージンを大きくとるか、フィードバック制御のような応答性の遅い制御を回避するか、あるいは、高速応答可能な高価な電圧・電流センサを用いる必要がある。

あるいは、バッテリとキャパシタとの両方にコンバータを取り付けることで上記の大電流に対応することも考えられるが、複数のコンバータを用いるため製造コストやランニングコストが増加してしまう。
また、特許文献１には、キャパシタと主機インバータとを直接接続する構成が示されているが、キャパシタの実効的な容量が小さくなってしまうことに対する対策は示されていない。

本発明は、キャパシタ側にコンバータを接続する必要がなく、かつ、キャパシタの実効的な容量をより大きくすることのできる、電力供給装置および移動体を提供する。

本発明の第１の態様によれば、電力供給装置は、負荷と接続され、かつ、電力源から電力を受給可能な直流バスと、前記直流バスとの間で充放電を行う蓄電池と、前記蓄電池と前記直流バスとの間に設けられた充放電制御装置と、前記直流バスと直接接続されたリチウムイオンキャパシタと、を具備する。

前記リチウムイオンキャパシタの充放電電流測定値を時間積分して前記リチウムイオンキャパシタの電荷量を求める電荷量取得部を具備するようにしてもよい。

前記リチウムイオンキャパシタの温度および前記蓄電池の温度の少なくともいずれかを求める温度取得部を具備し、前記充放電制御装置は、前記温度取得部が取得した温度が所定の温度より低いと判定すると、前記リチウムイオンキャパシタと前記蓄電池との間で充放電を行わせるようにしてもよい。

負荷の変動によって変動する前記直流バスの電圧変動の上限値及び下限値に対して前記リチウムイオンキャパシタの電圧の上限値は、前記直流バスの上限値よりも高く設定されており、かつ、前記リチウムイオンキャパシタの電圧の下限値は、前記直流バスの下限値よりも低く設定されているようにしてもよい。

本発明の第２の態様によれば、移動体は、上記のいずれかの電力供給装置を具備する。

上記した電力供給装置および移動体によれば、キャパシタ側にコンバータを接続する必要がなく、かつ、キャパシタの実効的な容量をより大きくすることができる。

本発明の第１の実施形態における移動体の機能構成を示す概略ブロック図である。 本発明の第２の実施形態における移動体の機能構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態におけるコントローラが行う負荷配分における処理手順の例を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態における移動体の機能構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態におけるリチウムイオンキャパシタの温度と抵抗値との関係の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における移動体の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、移動体１は、電力供給装置１００と、電力源２１０と、負荷２２０とを具備する。電力供給装置１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０と、蓄電池１２０と、リチウムイオンキャパシタ１３０と、直流バス１４０とを具備する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０と、リチウムイオンキャパシタ１３０と、電力源２１０と、負荷２２０とは、それぞれ直流バス１４０に接続している。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は蓄電池１２０にも接続している。

移動体１は、電力を用いて移動（例えば走行）する装置である。例えば、ＲＴＧ（Rubber Tired Gantry Crane、タイヤ式トランスファークレーン）、または、鉄道車両など様々な移動体を移動体１とすることができる。
負荷２２０は、電力を消費する装置である。負荷２２０は、例えば、モータなど移動体１の動力源、または、照明装置や通信機器などの補機、あるいはこれらの組み合わせなど、電療を消費する様々な装置を負荷２２０とすることができる。
電力源２１０は、直流バス１４０を介して負荷２２０に電力を供給する。電力源２１０は、例えば発電機または燃料電池など電力を生成する装置であってもよいし、例えば鉄道車両のパンタグラフなど移動体１の外部から電力の供給を受ける装置であってもよい。電力源２１０は、直流バス１４０へ電力を常時出力するものであってもよいし、断続的に出力するものであってもよい。

電力供給装置１００は、電力源２１０からの電力を蓄え、電力源２１０からの電力の不足時に負荷２２０に電力を供給する。
蓄電池１２０は、直流バス１４０との間で充放電を行う。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、蓄電池１２０と直流バス１４０との間に設けられ、バス電圧と電池電圧との電圧変換を行う。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、蓄電池１２０の充放電を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、充放電制御装置の例に該当する。

リチウムイオンキャパシタ１３０は、直流バス１４０と直接（すなわち、他の機器を介さずに）接続され、直流バス１４０との間で充放電を行う。
ここで、リチウムイオンキャパシタは、例えばリチウムイオンバッテリなどの蓄電池よりも出力特性に優れており、より大きい電力を出力可能である。一方、リチウムイオンキャパシタは、容量特性では蓄電池よりも劣っている。
また、電気二重層コンデンサ（Electric Double-Layer Capacitor；ＥＤＬＣ）が放電して電圧０に近付くのに対し、リチウムイオンキャパシタは、例えばセル電圧範囲が２．２ボルト（Ｖ）から３．８ボルトであるなど、放電を行ってもある程度の大きさの電圧値を維持している。このため、図１のようにリチウムイオンキャパシタ１３０を直流バス１４０に直接接続して直流バス１４０の電圧可変範囲内（例えば、負荷２２０の例としての主機インバータの制御可能電圧範囲内）でリチウムイオンキャパシタ１３０に充放電を行わせても、リチウムイオンキャパシタ１３０の実効容量の低下が少なくて済む。

以上のように、直流バス１４０は、負荷２２０と接続され、かつ、電力源２１０から電力を受給可能であり、蓄電池１２０とリチウムイオンキャパシタ１３０とが直流バス１４０との間で充放電を行う。特にリチウムイオンキャパシタ１３０は、直流バス１４０と直接接続されている。
このように、キャパシタとしてリチウムイオンキャパシタ１３０を用いることで、直流バス１４０の電圧可変範囲内でリチウムイオンキャパシタ１３０に充放電を行わせても、リチウムイオンキャパシタ１３０の実効容量の低下が少なくて済む。
電力供給装置１００では、リチウムイオンキャパシタ１３０を具備することで、蓄電池のみを有する構成との比較において、蓄電池１２０の出力を小さくすることができる。蓄電池１２０の出力が小さくて済むことで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力も小さなものとすることができる。これにより、電力供給装置１００では、製造コストや運用コストを低減させ得る。

また、電気二重層コンデンサを用いる構成との比較において、電力供給装置１００では、リチウムイオンキャパシタ１３０を直流バス１４０に直接接続しても、リチウムイオンキャパシタ１３０の実効容量の低下が少なくて済む。
また、キャパシタ側にコンバータを設ける構成との比較において、高容量のコンバータが不要となる。これにより、電力供給装置１００では、製造コストや運用コストを低減させ得る。また、応答の遅れによる問題が生じないため、高速応答可能な高価な電圧・電流センサを用いる必要無しに電力フィードバック制御を行うことができ、もって、負荷配分をより適切に決定し得る。

リチウムイオンキャパシタ１３０の電圧の上限値は、例えば、負荷の変動によって変動する直流バス１４０の電圧変動の上限値よりも高く設定される。また、リチウムイオンキャパシタ１３０の電圧の下限値は、例えば、直流バス１４０の電圧変動の下限値よりも低く設定される。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態では、第１の実施形態で説明した電力供給装置のさらに具体的な例について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態における移動体の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、移動体１は、電力供給装置１００と、電力源２１０と、負荷２２０とを具備する。電力供給装置１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０と、蓄電池１２０と、リチウムイオンキャパシタ１３０と、直流バス１４０と、を具備する。

同図において、図１の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、２１０）を付して説明を省略する。
図２では、コントローラ１９０が明示されている点、および、負荷２２０の例としてインバータ２２１が示されている点で、図１と異なる。
インバータ２２１は、例えば移動体１の走行用モータに接続されるインバータなど、主機インバータ（主機に接続されるインバータ）である。

コントローラ１９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を制御することで、蓄電池１２０とリチウムイオンキャパシタ１３０との負荷配分を行う。
ここで、リチウムイオンキャパシタ１３０を用いることで、蓄電池１２０の負担するピーク電力を抑え、ピーク電力に合わせて大容量となっていた蓄電池１２０を、より小さな容量としている。かかる蓄電池１２０の小容量化に対応して、コントローラ１９０は、負荷の大きさに応じた負荷配分を行う。

図３は、コントローラ１９０が行う負荷配分における処理手順の例を示す説明図である。
同図の処理において、コントローラ１９０は、電力供給装置１００に対する要求される負荷（出力電力）Ｐが、所定の力行閾値Ｐ１より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０１）。力行閾値Ｐ１は、蓄電池１２０が放電可能な電力の範囲内で設置されている。

要求される負荷Ｐが力行閾値Ｐ１より大きいと判定した場合（ステップＳ１０１、ＹＥＳ）、コントローラ１９０は、リチウムイオンキャパシタ１３０に対してＰ−Ｐ１の負荷を配分し、蓄電池１２０に対してＰ１の負荷を配分する（ステップＳ１０２）。このように、コントローラ１９０は、比較的出力の小さい蓄電池１２０には一定の負荷を配分し、比較的出力の大きいリチウムイオンキャパシタ１３０に対して不足分の電力を配分する。

一方、要求される負荷Ｐが力行閾値Ｐ１以下であると判定した場合（ステップＳ１０１、ＮＯ）、コントローラ１９０は、電力供給装置１００に対する要求される負荷Ｐが、所定の回生閾値Ｐ２より小さいか否かを判定する（ステップＳ１１１）。回生閾値Ｐ２は、蓄電池１２０が充電可能な電力の範囲内で設置されている負値（充電要求を示す）である。

要求される負荷Ｐが回生閾値Ｐ２より小さいと判定した場合（ステップＳ１１１、ＹＥＳ）、コントローラ１９０は、リチウムイオンキャパシタ１３０に対してＰ−Ｐ２の充電電力を配分し、蓄電池１２０に対してＰ２の充電電力を配分する（ステップＳ１１２）。このように、コントローラ１９０は、充電可能電力の比較的小さい蓄電池１２０には一定の充電電力を配分し、充電可能電力の比較的大きいリチウムイオンキャパシタ１３０に対して余剰分の充電電力を配分する。

要求される負荷Ｐが回生閾値Ｐ２以上であると判定した場合（ステップＳ１２１、ＹＥＳ）、容量の比較的小さいリチウムイオンキャパシタ１３０の電荷を目標値として優先的に充電させ、次に、蓄電池１２０のＳＯＣ（State Of Charge、充電率）を目標値として負荷配分を行う。
負荷配分を行うために、コントローラ１９０は、以下を測定する。

１． 直流バス電圧（電圧Ｖ１１）。
２． インバータ２２１を流れる電流と、電力源２１０からの電流との差（電流Ｃ１１）。
３． ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を介して蓄電池１２０の方へ流れる電流（電流Ｃ１２）。
４． リチウムイオンキャパシタ１３０の電流（電流Ｃ１３）。

電圧Ｖ１１ × 電流Ｃ１１ にて、蓄電池１２０およびリチウムイオンキャパシタ１３０への入力電力が求まる。
電圧Ｖ１１ × 電流Ｃ１２ にて、蓄電池１２０に入る電力が求まる。
また、電圧Ｖ１１ × 電流Ｃ１３ にて、リチウムイオンキャパシタ１３０の電力が求まる。
このように、電力配分元の電力と、配分先の電力とが求まる。

また、コントローラ１９０は、リチウムイオンキャパシタ１３０の充電率（電荷量）と、蓄電池１２０の充電率とを算出する。
ここで、コントローラ１９０は、リチウムイオンキャパシタ１３０の電流ｉを時間積分し、式（１）に基づいてリチウムイオンキャパシタ１３０の電荷量Ｑを算出する。

コントローラ１９０は、電荷量取得部の例に該当する。
電流に誤差が含まれる場合、電荷量算出値の真値に対する誤差が増大する可能性がある。そこで、コントローラ１９０は、電流一定以下のタイミングで式（２）に基づいてリチウムイオンキャパシタ１３０の電荷量Ｑの算出値をリセットする。

ここで、Ｃは静電容量である。
リチウムイオンキャパシタ１３０の充電量を電圧から判断した場合、リチウムイオンキャパシタ１３０の電荷による電圧に加えて、リチウムイオンキャパシタ１３０の内部抵抗による電圧を測定することになる。その結果、回生時において、リチウムイオンキャパシタ１３０の電荷による電圧よりも高い電圧を測定し、充電量が実際よりも多く算出される。その結果、充電量が目標充電量に達していなくても充電を打ち切ってしまう可能性がある。
また、力行時において、リチウムイオンキャパシタ１３０の電荷による電圧よりも低い電圧を測定し、充電量が実際よりも少なく算出される。その結果、リチウムイオンキャパシタ１３０の充電量が目標充電量より多い場合でも、リチウムイオンキャパシタ１３０からの放電を打ち切ってしまう可能性がある。
これに対して、コントローラ１９０は、リチウムイオンキャパシタ１３０の電流を積分して電荷量を求めることで、リチウムイオンキャパシタ１３０の電荷量をより正確に求めることができ、負荷配分をより適切に行うことができる。

以上のように、コントローラ１９０は、リチウムイオンキャパシタ１３０の充放電電流測定値を時間積分してリチウムイオンキャパシタの電荷量を求める。これにより、コントローラ１９０は、リチウムイオンキャパシタ１３０の電荷量をより正確に求めることができ、負荷配分をより適切に行うことができる。

＜第３の実施形態＞
図４は、本発明の第３の実施形態における移動体の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、移動体３は、電力供給装置３００と、電力源２１０と、負荷２２０とを具備する。電力供給装置３００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０と、蓄電池１２０と、リチウムイオンキャパシタ１３０と、直流バス１４０と、コントローラ３９０と、温度取得部３９１とを具備する。

同図において、図１の各部に対応して同様の機能を有する部分には同一の符号（１１０、１２０、１３０、１４０、２１０、２２０）を付して説明を省略する。
温度取得部３９１は、リチウムイオンキャパシタ１３０の温度および蓄電池１２０の温度の少なくともいずれかを求める。
コントローラ３９０は、前記温度取得部が取得した温度が所定の温度より低いと判定すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を制御して、リチウムイオンキャパシタ１３０と蓄電池１２０との間で充放電を行わせる。コントローラ３９０とＤＣ／ＤＣコンバータ１１０との組み合わせにて、充放電制御装置の例に該当する。

図５は、リチウムイオンキャパシタ１３０の温度と抵抗値との関係の例を示すグラフである。同図のグラフの横軸は温度を示し、縦軸は抵抗値を示す。
同図に示すように、リチウムイオンキャパシタ１３０の温度が低くなるほど抵抗値（内部抵抗）が大きくなる。蓄電池１２０も同様である。

内部抵抗が大きくなることで、通電時の電圧変化が大きくなる。その結果、直流バス１４０の電圧変化可能範囲内（例えば、負荷２２０としての主機インバータの動作電圧範囲内）で行える充放電量が低減する。すなわち、リチウムイオンキャパシタ１３０の実効容量が低下してしまう。
ここで、空調設備等を設けて低温を防止することや、低温動作を考慮してリチウムイオンキャパシタ１３０の容量や蓄電池１２０の容量を大きくすることも考えられるが、設備コストが増大してしまう。

そこで、コントローラ３９０がタイマ機能を有し、移動体１の始動前に温度取得部３９１の取得した温度が低温か否か（例えば、図５に示す温度閾値Ｔ１１以下か否か）を判定する。低温であると判定した場合、コントローラ３９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を制御して、リチウムイオンキャパシタ１３０と蓄電池１２０との間で充放電を行わせる。コントローラ３９０は、例えば、温度取得部３９１の取得する温度が温度閾値より大きくなるまで、リチウムイオンキャパシタ１３０と蓄電池１２０との間で充放電を行わせる。

以上のように、温度取得部３９１は、リチウムイオンキャパシタ１３０の温度および蓄電池１２０の温度の少なくともいずれかを求める。そして、コントローラ３９０は、温度取得部３９１が取得した温度が所定の温度より低いと判定すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を制御して、リチウムイオンキャパシタ１３０と蓄電池１２０との間で充放電を行わせる。
これにより、移動体３では、リチウムイオンキャパシタ１３０や蓄電池１２０の内部抵抗を低減させ、実効容量の低減を回避することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１、３ 移動体
１００、３００ 電力供給装置
１１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２０ 蓄電池
１３０ リチウムイオンキャパシタ
１４０ 直流バス
１９０、３９０ コントローラ
２１０ 電力源
２２０ 負荷
２２１ インバータ
３９１ 温度取得部

Claims (5)

1. 負荷と接続され、かつ、電力源から電力を受給可能な直流バスと、
   前記直流バスとの間で充放電を行う蓄電池と、
   前記蓄電池と前記直流バスとの間に設けられた充放電制御装置と、
   前記直流バスと直接接続されたリチウムイオンキャパシタと、
   を具備する電力供給装置。
2. 前記リチウムイオンキャパシタの充放電電流測定値を時間積分して前記リチウムイオンキャパシタの電荷量を求める電荷量取得部を具備する請求項１に記載の電力供給装置。
3. 前記リチウムイオンキャパシタの温度および前記蓄電池の温度の少なくともいずれかを求める温度取得部を具備し、
   前記充放電制御装置は、前記温度取得部が取得した温度が所定の温度より低いと判定すると、前記リチウムイオンキャパシタと前記蓄電池との間で充放電を行わせる、
   請求項１または請求項２に記載の電力供給装置。
4. 負荷の変動によって変動する前記直流バスの電圧変動の上限値及び下限値に対して
   前記リチウムイオンキャパシタの電圧の上限値は、前記直流バスの上限値よりも高く設定されており、かつ、前記リチウムイオンキャパシタの電圧の下限値は、前記直流バスの下限値よりも低く設定されている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の電力供給装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電力供給装置を具備する移動体。

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