JP2017229205A - キャパシタユニット、受電システムおよび無人搬送車 - Google Patents

Abstract

【課題】電気化学キャパシタの状態を目視により適宜確認する。【解決手段】電気化学キャパシタである電気二重層キャパシタ６１と、電気二重層キャパシタ６１の状態を検知する電圧センサ６６Ａ、電流センサ６６Ｂ、電流センサ６６Ｃおよび温度センサ６６Ｄと、各センサにより検知された電気二重層キャパシタ６１の状態のうち、少なくとも異常がないときの電気二重層キャパシタ６１の状態を表示する表示部６５と、電気二重層キャパシタ６１の残りのエネルギー量を算出する演算部６３と、を備え、演算部６３は、電圧センサ６６Ａにより測定された電圧値を用いて、電気二重層キャパシタ６１の残りのエネルギー量を算出し、表示部６５は、電気二重層キャパシタ６１の状態として、演算部６３により算出された電気二重層キャパシタ６１の残りのエネルギー量を表示する。【選択図】図２

Description

本発明は、キャパシタユニット、受電システムおよび無人搬送車に関する。

機器の動力源として、鉛蓄電池に代表される二次電池や電気二重層キャパシタに代表される電気化学キャパシタなどの蓄電デバイスが利用されている。鉛蓄電池は、寿命が短く、保守管理や交換が不可欠であるとともに、充電に時間を要するという特徴を有するのに対し、電気二重層キャパシタは、寿命が長く、保守管理や交換を不要にできるとともに、急速充電が可能であるという特徴を有する。このような特徴に鑑み、動力源を鉛蓄電池から電気二重層キャパシタに置き換える動きが進められている。

下記特許文献１、２には、電源として利用される二次電池や電気二重層キャパシタに関する技術が開示されている。具体的に、特許文献１には、二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイスの動作状態を解析するために、各種センサの測定結果をメモリに記憶する技術が開示されている。この特許文献１では、測定結果をメモリに記憶する際に、測定結果を演算処理して蓄電デバイスの動作状態を判定し、その判定した動作状態に応じて測定結果をメモリに記憶している。特許文献２には、電源として用いられる電気二重層コンデンサから負荷に供給される電力を安定させるために、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して負荷に電力を供給する技術が開示されている。

特開２０１４−１４３１９０号公報 特開平９−９３８０９号公報

特許文献１では、蓄電デバイスにおける破裂や発火、劣化などの異常な状況を解析するためにセンサの測定結果をメモリに記憶しているが、その記憶した測定結果をユーザが目視で確認することはできない。さらに、特許文献２では、センサを備えておらず、電気二重層コンデンサの状態を測定することもできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電気化学キャパシタの状態を目視により適宜確認することができるキャパシタユニット、受電システムおよび無人搬送車を提供することを目的とする。

本発明の一態様によるキャパシタユニットは、電気化学キャパシタと、前記電気化学キャパシタの状態を検知する一つ以上のセンサと、前記センサにより検知された前記電気化学キャパシタの状態のうち、少なくとも異常がないときの前記電気化学キャパシタの状態を表示する表示部と、を備える。

前記電気化学キャパシタの残りのエネルギー量を算出する演算部を、さらに備え、前記センサの一つは、前記電気化学キャパシタの電圧値を測定する電圧センサであり、前記演算部は、前記電圧センサにより測定された電圧値を用いて、前記電気化学キャパシタの残りのエネルギー量を算出し、前記表示部は、前記電気化学キャパシタの状態として、前記演算部により算出された前記電気化学キャパシタの残りのエネルギー量を表示することとしてもよい。

前記電気化学キャパシタの電力供給先となる機器の消費電力を記憶する記憶部を、さらに備え、前記演算部は、前記記憶部に記憶される前記消費電力に基づいて、前記機器の稼働可能時間をさらに算出し、前記表示部は、前記演算部により算出された前記機器の稼働可能時間をさらに表示することとしてもよい。

前記外部にあるセンサで検知された測定情報を入力するための入力端子をさらに備え、前記表示部は、前記入力端子を介して入力される前記測定情報をさらに表示することとしてもよい。

直流電圧を異なる直流電圧に変換する電圧変換部をさらに備え、前記電圧変換部は、前記電気化学キャパシタの出力電圧を変換することとしてもよい。

また、本発明の一態様による受電システムは、前記キャパシタユニットと、前記電気化学キャパシタに電力を供給する非接触電力伝送システムの受電装置と、を備える。

また、本発明の一態様による無人搬送車は、前記受電システムを搭載する。

本発明によれば、電気化学キャパシタの状態を目視により適宜確認することができる。

本発明に係るキャパシタユニットを含む非接触電力供給システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。 本発明に係るキャパシタユニットの構成の一例を概略的に示すブロック図である。

本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。さらに、当業者であれば、以下に述べる各要素を均等なものに置換した実施の形態を採用することが可能であり、かかる実施の形態も本発明の範囲に含まれる。さらにまた、図面における各種の寸法比率は、その図示の比率に限定されるものではない。

以下において、本発明に係るキャパシタユニットを、無人搬送車（Automatic Guided Vehicle、以下「ＡＧＶ」ともいう。）の動力源に用いる場合について例示的に説明する。ＡＧＶは、例えば工場の生産ラインなどにおいて、床面に敷設された磁気テープや磁気棒などによる電磁誘導を利用して自動走行する無人の搬送用車両である。図１は、本発明に係るキャパシタユニットを含む非接触（ワイヤレス）電力供給システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。

非接触電力供給システム１は、磁界共鳴方式により送電装置（送電ユニット２および送電コイルユニット３）から受電装置（受電コイルユニット４および受電ユニット５）に数ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波電力を非接触で伝送し、高周波電力を受信した受電装置からキャパシタユニット６に直流電力を供給し、直流電力を受け取ったキャパシタユニット６の電気二重層キャパシタ６１でＡＧＶ７に供給するための電力を蓄電するシステムである。

例示的に、送電装置は、生産ラインに沿った荷物の積み下ろしスペース等に設置され、受電装置およびキャパシタユニット６は、ＡＧＶ７に搭載される。

図１の構成のうち、ＡＧＶ７を除いた部分が非接触電力供給システム１を構成する。また、図１の構成のうち、送電ユニット２、送電コイルユニット３、受電コイルユニット４および受電ユニット５が、非接触電力伝送システムを構成する。さらに、図１の構成のうち、非接触電力伝送システムの受電装置（受電コイルユニット４および受電ユニット５）およびキャパシタユニット６が受電システムを構成する。

送電ユニット２は、高周波電源２１および制御部２２を備える。高周波電源２１は、所定の周波数（数ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波）の高周波電力を発生する。高周波電源２１は、高周波信号（電圧信号）を発生する高周波信号発生回路と、高周波信号発生回路で発生した高周波信号を増幅するパワーアンプと、このパワーアンプに直流の電源電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、パワーアンプから出力される高周波信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、パワーアンプから出力される高周波電力の電力量を制御する電力制御部と、を含む。

パワーアンプは、例えば、Ｄ級アンプやＥ級アンプで構成することができ、高周波信号発生回路から入力される高周波信号によってスイッチング素子をオン・オフ駆動することにより、高周波信号と同一の周期を有し、ＤＣ−ＤＣコンバータから入力される直流電圧に依存した振幅の高周波信号を生成する。この高周波信号はローパスフィルタで高周波成分が除去されることにより正弦波の高周波信号に整形されて出力される。

電力制御部は、制御部２２から入力される出力制御信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の振幅を制御し、これによりパワーアンプから出力される高周波信号の増幅量（すなわち、高周波電力の電力量）を制御する。

制御部２２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵなどを備えるマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などで構成される。制御部２２は、高周波電源２１に対してＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する出力制御信号を出力し、高周波電源２１から出力される高周波電力を制御する。

送電コイルユニット３は、送電部３１を備える。送電部３１は、送電ユニット２の高周波電源２１から出力される高周波電力を受電コイルユニット４の受電部４１に無線で伝送する。送電部３１は、例えば、複数ターンのソレノイドコイルからなるインダクタ（以下、「送電用コイル」ともいう。）とそのインダクタに直列に接続されたキャパシタとの直列共振回路で構成される。送電部３１における直列共振回路の直列共振周波数（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタの自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタのキャパシタンス）は、高周波電源２１から出力される高周波電力の周波数（以下、「電源周波数」ともいう。）［ＭＨｚ］に調整されている。

受電コイルユニット４は、受電部４１を備える。受電部４１は、送電コイルユニット３の送電部３１との間で磁界結合をして送電部３１から高周波電力を受電する。受電部４１は、送電部３１と同一の構成を有し、複数ターンのソレノイドコイルからなるインダクタ（以下、「受電用コイル」ともいう。）とそのインダクタに直列に接続されたキャパシタとの直列共振回路で構成される。受電部４１における直列共振回路の直列共振周波数（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタの自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタのキャパシタンス）は、電源周波数［ＭＨｚ］に調整されている。

受電ユニット５は、整流回路５１を備える。整流回路５１は、受電コイルユニット４の受電部４１から出力される高周波信号を整流し、キャパシタユニット６に直流電力を供給する。整流回路５１は、例えば、４個の整流素子をブリッジ接続したブリッジ回路で構成される。４個の整流素子として、ショットキーバリアーダイオードを用いることができる。

キャパシタユニット６は、電気二重層キャパシタ６１およびＤＣ−ＤＣコンバータ６２を含む。電気二重層キャパシタ６１は、複数の電気二重層キャパシタを直列および並列に組み合わせて構成されていてもよいし、単一の電気二重層キャパシタであってもよく、ＡＧＶ７に供給する電力に応じて適宜構成することができる。

電気二重層キャパシタ６１は、受電ユニット５から印加される直流電圧により充電され、電荷を蓄える。電気二重層キャパシタ６１は、蓄えた電荷に基づいて直流電力を放電し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２を介してＡＧＶ７に電力を供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ６２は、電気二重層キャパシタ６１から入力された直流電圧を調整（昇降圧）し、ＡＧＶ７に調整後の直流電圧を供給する。

図２を参照して、本実施形態におけるキャパシタユニット６の構成を詳細に説明する。キャパシタユニット６は、その外形が略直方体形状の収納ケース６Ｃにより形成されており、収納ケース６Ｃの内部に、電気二重層キャパシタ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２とを備える。なお、図２における各部の寸法比率は、図面を見やすくする比率に便宜上変更しており、図示の比率に限定するものではない。

収納ケース６Ｃには、プラス／マイナスの一対の端子からなる入力側端子６Ａおよび出力側端子６Ｂが設けられている。入力側端子６Ａは、受電ユニット５の出力端子と接続し、出力側端子６Ｂは、ＡＧＶ５の入力端子と接続する。なお、図２における入力側端子６Ａおよび出力側端子６Ｂの位置は、図面を見やすくする位置に便宜上配置しており、図示の位置に限定するものではない。

キャパシタユニット６は、上述した電気二重層キャパシタ６１およびＤＣ−ＤＣコンバータ６２に加え、演算部６３、記憶部６４、表示部６５および電気二重層キャパシタ６１の状態を検知する各種センサ６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ，６６Ｄをさらに備える。

電気二重層キャパシタ６１には、プラス／マイナスの一対の端子からなる入力端子６１Ａおよび出力端子６１Ｂが設けられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２には、プラス／マイナスの一対の端子からなる入力端子６２Ａおよび出力端子６２Ｂが設けられている。

電気二重層キャパシタ６１の入力端子６１Ａは、収納ケース６Ｃの入力側端子６Ａと接続し、電気二重層キャパシタ６１の出力端子６１Ｂは、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２の入力端子６２Ａと接続する。ＤＣ−ＤＣコンバータ６２の出力端子６２Ｂは、収納ケース６Ｃの出力側端子６Ｂと接続する。

電圧センサ６６Ａは、電気二重層キャパシタ６１の電圧を測定する。図２では、例示的に、電気二重層キャパシタ６１の出力端子６１Ｂのプラス／マイナス端子間に電圧センサ６６Ａを配置している。

電流センサ６６Ｂおよび電流センサ６６Ｃは、電気二重層キャパシタ６１の充電時の電流および放電時の電流をそれぞれ測定する。図２では、例示的に、電気二重層キャパシタ６１の入力端子６１Ａと収納ケース６Ｃの入力側端子６Ａとを接続するケーブルに電流センサ６６Ｂを配置し、電気二重層キャパシタ６１の出力端子６１Ｂと収納ケース６Ｃの出力側端子６Ｂとを接続するケーブルに電流センサ６６Ｃを配置している。

温度センサ６６Ｄは、キャパシタユニット６内の温度を測定する。図２では、例示的に、電気二重層キャパシタ６１の上部側に温度センサ６６Ｄを配置している。

なお、図２における電気二重層キャパシタ６１の入力端子６１Ａおよび出力端子６１Ｂ、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２の入力端子６２Ａおよび出力端子６２Ｂ、ならびに各種センサ６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ，６６Ｄの位置は、図面を見やすくする位置に便宜上配置しており、図示の位置に限定するものではない。

演算部６３は、各種センサ６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ，６６Ｄによる測定値を受信し、その受信した測定値を演算する等し、測定値や演算結果を電気二重層キャパシタ６１の状態として表示部６５に表示させる。以下、具体的に説明する。

演算部６３は、電圧センサ６６Ａから測定値を受信した場合には、その受信した測定値（電圧値）を用いて、電気二重層キャパシタ６１の残りのエネルギー量を算出する。演算部６３は、算出した残りのエネルギー量を、電気二重層キャパシタ６１の状態として表示部６５に表示させる。

残りのエネルギー量は、例えば、電圧センサ６６Ａから受信した電圧値による電気二重層キャパシタ６１のエネルギー量が、電気二重層キャパシタ６１の最大エネルギー量に対してどの程度の割合[％]であるのかを算出して求めることができる。

エネルギー量は、以下の式（１）により定めることができる。式（１）のＣは電気二重層キャパシタ６１の静電容量[Ｆ]であり、Ｖは電気二重層キャパシタ６１の充電電圧値[Ｖ]である。

エネルギー量＝（Ｃ×Ｖ²）／２ … 式（１）

最大エネルギー量は、式（１）のＶに、電気二重層キャパシタ６１の最大充電電圧値Ｖ_MAXを代入することで算出することができる。受信した電圧値による電気二重層キャパシタ６１のエネルギー量は、式（１）のＶに、受信した電圧値Ｖ_Cを代入することで算出することができる。

演算部６３は、電圧センサ６６Ａから測定値を受信した場合には、その測定値を電気二重層キャパシタ６１の現在の電圧値として表示部６５に表示させる。

演算部６３は、電流センサ６６Ｂから測定値を受信した場合には、その測定値を電気二重層キャパシタ６１の充電時の電流値として表示部６５に表示させる。

演算部６３は、電流センサ６６Ｃから測定値を受信した場合には、その測定値を電気二重層キャパシタ６１の放電時の電流値として表示部６５に表示させる。

演算部６３は、温度センサ６６Ｄから測定値を受信した場合には、その測定値をキャパシタユニット６内の現在の温度として表示部６５に表示させる。

記憶部６４は、各種センサ６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ，６６Ｄによる測定値や、演算部６３が演算する際に用いる各種データ、演算部６３が演算した結果等を記憶する。

表示部６５は、演算部６３による制御に従って、演算部６３から出力される電気二重層キャパシタ６１の状態に関する各種情報を表示する。表示部６５として、例えば、７セグメントディスプレイ、ＬＥＤ、液晶パネル等を用いることができる。

表示部６５は、表示対象となる各種情報を予め定められた順序で繰り返し表示させることとしてもよいし、各種情報ごとに表示部を設け、各種情報をそれぞれの表示部に表示させることとしてもよい。また、表示部に表示させる内容を指示するための表示指示部を、キャパシタユニット６にさらに設け、表示指示部から指示された内容を表示部に表示させることとしてもよい。

上述したように、実施形態におけるキャパシタユニット６によれば、電気化学キャパシタである電気二重層キャパシタ６１と、電気二重層キャパシタ６１の状態を検知する電圧センサ６６Ａ、電流センサ６６Ｂ、電流センサ６６Ｃおよび温度センサ６６Ｄと、各センサにより検知された電気二重層キャパシタ６１の状態を表示する表示部６５と、を備えることで、異常があるときの電気二重層キャパシタ６１の状態に限らず、異常がないときの電気二重層キャパシタ６１の状態についても表示部６５に表示させることができる。

それゆえ、実施形態におけるキャパシタユニット６によれば、電気二重層キャパシタ６１の状態を目視により適宜確認することが可能となる。

また、実施形態におけるキャパシタユニット６によれば、電気二重層キャパシタ６１の残りのエネルギー量を算出する演算部６３をさらに備え、演算部６３は、電圧センサ６６Ａにより測定された電圧値を用いて、電気二重層キャパシタ６１の残りのエネルギー量を算出し、表示部６５は、電気二重層キャパシタ６１の状態として、演算部６３により算出された電気二重層キャパシタ６１の残りのエネルギー量を表示させることができる。

これにより、実施形態におけるキャパシタユニット６によれば、異常の有無にかかわらず、残りのエネルギー量を表示部６５に表示させることができるため、残りのエネルギー量を算出することが困難な鉛蓄電池を用いる他の蓄電デバイスユニットに比べ、予期しないときにエネルギー量が不足して電力供給先が駆動できなくなる事態を未然に防止することができるため、動力源としての運用効率を向上させることが可能となる。

なお、上述したとおり、上記の実施形態は、本発明を説明するための一例であり、本発明をその実施形態に限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、キャパシタユニット６に収納する蓄電デバイスが電気二重層キャパシタ６１である場合について説明したが、キャパシタユニット６に収納する蓄電デバイスは電気二重層キャパシタ６１であることに限定されない。例えば、上述した電気二重層キャパシタに加え、リチウムイオンキャパシタに代表されるハイブリッドキャパシタや、レドックスキャパシタ等であってもよく、それらを包含する電気化学キャパシタであることが好ましい。

また、上記実施形態では、電気二重層キャパシタ６１の状態を表示部６５に表示させているが、表示部６５に表示させる情報は、これに限定されない。例えば、電気二重層キャパシタ６１の電力供給先となる機器（例えば、ＡＧＶ７の駆動部）の稼働可能時間を表示部６５にさらに表示させることとしてもよい。この場合、例えば、電気二重層キャパシタ６１の電力供給先となる機器の消費電力を記憶部６４に予め記憶させておく。演算部６３は、記憶部６４に記憶されている消費電力に基づいて、電気二重層キャパシタ６１の電力供給先となる機器の稼働可能時間を算出し、表示部６５に表示させることとすればよい。

また、キャパシタユニット６の外部にある各種センサで検知された測定情報を表示部６５にさらに表示させることとしてもよい。この場合、例えば、キャパシタユニット６の収納ケース６Ｃに外部入力端子をさらに設け、この外部入力端子を介して入力される各種センサの測定情報を、表示部６５に表示させることとすればよい。

１ 非接触電力供給システム
２ 送電ユニット
３ 送電コイルユニット
４ 受電コイルユニット
５ 受電ユニット
６ キャパシタユニット
６Ａ 入力側端子
６Ｂ 出力側端子
６Ｃ 収納ケース
７ 無人搬送車（ＡＧＶ）
２１ 高周波電源
２２ 制御部
３１ 送電部
４１ 受電部
５１ 整流回路
６１ 電気二重層キャパシタ
６１Ａ 入力端子
６１Ｂ 出力端子
６２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
６２Ａ 入力端子
６２Ｂ 出力端子
６３ 演算部
６４ 記憶部
６５ 表示部
６６Ａ 電圧センサ
６６Ｂ 電流センサ
６６Ｃ 電流センサ
６６Ｄ 温度センサ

Claims (7)

1. 電気化学キャパシタと、
   前記電気化学キャパシタの状態を検知する一つ以上のセンサと、
   前記センサにより検知された前記電気化学キャパシタの状態のうち、少なくとも異常がないときの前記電気化学キャパシタの状態を表示する表示部と、
   を備えることを特徴とするキャパシタユニット。
2. 前記電気化学キャパシタの残りのエネルギー量を算出する演算部を、さらに備え、
   前記センサの一つは、前記電気化学キャパシタの電圧値を測定する電圧センサであり、
   前記演算部は、前記電圧センサにより測定された電圧値を用いて、前記電気化学キャパシタの残りのエネルギー量を算出し、
   前記表示部は、前記電気化学キャパシタの状態として、前記演算部により算出された前記電気化学キャパシタの残りのエネルギー量を表示する、
   ことを特徴とする請求項１記載のキャパシタユニット。
3. 前記電気化学キャパシタの電力供給先となる機器の消費電力を記憶する記憶部を、さらに備え、
   前記演算部は、前記記憶部に記憶される前記消費電力に基づいて、前記機器の稼働可能時間をさらに算出し、
   前記表示部は、前記演算部により算出された前記機器の稼働可能時間をさらに表示する、
   ことを特徴とする請求項２記載のキャパシタユニット。
4. 外部にあるセンサで検知された測定情報を入力するための入力端子をさらに備え、
   前記表示部は、前記入力端子を介して入力される前記測定情報をさらに表示する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のキャパシタユニット。
5. 直流電圧を異なる直流電圧に変換する電圧変換部をさらに備え、
   前記電圧変換部は、前記電気化学キャパシタの出力電圧を変換する、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のキャパシタユニット。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のキャパシタユニットと、
   前記電気化学キャパシタに電力を供給する非接触電力伝送システムの受電装置と、
   を備えることを特徴とする受電システム。
7. 請求項６に記載の受電システムを搭載する無人搬送車。