JP3306326B2 - Capacitor power storage device - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、コンデンサに電力
を貯蔵し放電に伴い低下する電圧を一定の定格電圧に変
換して供給するコンデンサ電力貯蔵装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitor power storage device for storing power in a capacitor, converting a voltage that decreases with discharge into a constant rated voltage, and supplying the same.
【0002】[0002]
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】図7は
ECSの標準的な構成例を示す図、図8はECS電流ポ
ンプの昇圧、降圧動作領域を示す図である。これまで電
力貯蔵に用いられてきた化学電池は定電圧デバイスであ
り、正常な動作範囲では充電の多寡にかかわらずほぼ一
定の電圧を供給することができる。それに対してコンデ
ンサは、放電に伴い端子電圧が満充電時の値からゼロま
で大幅に変化するので、その変化の範囲を抑えて利用し
ようとすれば貯蔵可能な電力量は減少することになる。2. Description of the Related Art FIG. 7 is a diagram showing a standard configuration example of an ECS, and FIG. 8 is a diagram showing a step-up / step-down operation region of an ECS current pump. A chemical battery that has been used for power storage is a constant voltage device, and can supply a substantially constant voltage in a normal operating range regardless of the amount of charge. On the other hand, since the terminal voltage of the capacitor greatly changes from the value at the time of full charge to zero with discharge, if the range of the change is suppressed and used, the amount of power that can be stored is reduced.
【0003】電気自動車の電源装置や大規模な電力貯蔵
装置として、電気二重層コンデンサを使用したECS(E
nergy Capacitor System) による電力貯蔵装置が注目さ
れている。電気二重層コンデンサは、充電に時間がかか
る化学電池と比較して、他のコンデンサと同様に物理的
な充電により急速充電が可能であるだけでなく、大量の
エネルギーが貯蔵できるという大きなメリットがある。
しかし、上記のように電力の貯蔵量を多くしてそれを有
効に利用しようとすると、Q=CV2 /2の関係に基づ
いて端子電圧が大きく変動するため、負荷に安定した定
格電圧を供給するにはECSで大幅な出力電圧の調整が
必要になる。[0003] As an electric vehicle power supply device or a large-scale power storage device, ECS (E
Attention has been focused on power storage devices based on the Nergy Capacitor System). Electric double-layer capacitors have the major advantage of being able to store a large amount of energy, as well as being able to rapidly charge by physical charging, like other capacitors, compared to chemical batteries that take a long time to charge. .
However, the supply when by increasing the storage amount of the power as described above attempts to effectively utilize it, since the terminal voltage varies greatly based on the relationship Q = CV 2/2, a stable rated voltage to a load To this end, a large adjustment of the output voltage is required in the ECS.
【0004】ECSによる電力貯蔵装置では、図7に示
すように電力を蓄えた電気二重層コンデンサから、電流
ポンプと呼ばれるスイッチング方式のDC/DCコンバ
ータで電力を取り出し、一定電圧にして負荷に供給して
いる。このときに使用する電流ポンプは、降圧チョッ
パ、昇圧チョッパ、その他のDC/DCコンバータでよ
いが、効率が高いことが必須条件であるため、トランス
を使ったタイプは有利ではない。In an electric power storage device based on ECS, as shown in FIG. 7, electric power is taken out of an electric double layer capacitor storing electric power by a switching type DC / DC converter called a current pump, and supplied to a load at a constant voltage. ing. The current pump used at this time may be a step-down chopper, a step-up chopper, or another DC / DC converter. However, since high efficiency is an essential condition, a type using a transformer is not advantageous.
【0005】いま、ECSによる電力貯蔵装置におい
て、コンデンサの電圧を満充電時の1/4の電圧まで利
用しようとすれば、電力では15/16=93,75%
を使用することになる。それを実現する場合、昇圧コン
バータでは、出力電圧Voを満充電時の電圧Vo* 4と
等しく選び、図8のupに示すようにコンバータで昇圧
して出力が常にVo* 4になるよう制御すればよい。こ
のとき、昇圧コンバータの動作範囲は1から4倍までの
昇圧となる。また、降圧コンバータでは、出力電圧Vo
を満充電時の1/4の電圧Vo* 1と等しく選び、図8
のdownに示すようにコンバータで放電開始時は1/
4に降圧し、放電に伴って降圧比を減らして出力が常に
Vo* 1になるよう制御すれば、コンデンサの電圧がは
じめの1/4になるまで定格電圧を供給できる。したが
って、このときの降圧コンバータの動作範囲は1/4か
ら1までの降圧となる。[0005] Now, in an ECS power storage device, if it is attempted to use the capacitor voltage up to 1/4 of the voltage when fully charged, the power is 15/16 = 93,75%.
Will be used. In order to realize this, in the boost converter, the output voltage Vo is selected to be equal to the voltage Vo * 4 at the time of full charge, and the converter is boosted by the converter as shown in up of FIG. 8 so that the output always becomes Vo * 4. Just fine. At this time, the operation range of the boost converter is boosted from 1 to 4 times. In the step-down converter, the output voltage Vo
8 is selected to be equal to 1/4 of the voltage Vo * 1 when fully charged.
As shown in the down of FIG.
If the voltage is reduced to 4 and the step-down ratio is reduced along with the discharge to control the output to always be Vo * 1, the rated voltage can be supplied until the voltage of the capacitor becomes the first quarter. Therefore, the operation range of the step-down converter at this time is step-down from 1/4 to 1.
【0006】上記のようにECSでは、利用するコンデ
ンサの電圧範囲を広くとって、貯蔵できる電力量を増や
したのであるから、コンデンサの端子電圧が大幅に変化
するのは本質的な現象である。しかし、用途によって従
来の二次電池との対比で、ECSにとって大幅に電圧が
変化するのは不都合な場合が生じる。As described above, in the ECS, the voltage range of a capacitor to be used is widened to increase the amount of electric power that can be stored. Therefore, it is an essential phenomenon that the terminal voltage of the capacitor greatly changes. However, depending on the application, it may be inconvenient for the ECS to significantly change the voltage as compared with the conventional secondary battery.
【0007】一例として電気自動車では、感電事故を避
けるため、なるべく低電圧で使おうという要求がある
が、電力が一定だけ必要なところに電圧を低くすれば、
電流が増し電線や機器が禁止的に巨大になってしまう。
たとえば二次電池で300Vを定格電圧とする電気自動
車を上記の電圧範囲で利用するコンデンサ電源に変えよ
うとすると、その4倍の1200Vを満充電にするコン
デンサと1/4の降圧チョッパを積むことになり、安全
上のコストがかさむ恐れがある。他方300Vを満充電
にする場合には、4倍の昇圧チョッパを使用するか、逆
に降圧チョッパを使用して出力電圧を75Vに下げるこ
とが必要になる。As an example, in an electric vehicle, there is a demand to use as low a voltage as possible in order to avoid an electric shock accident.
The current increases and the wires and equipment become prohibitively large.
For example, if you try to change an electric vehicle with a rated voltage of 300V from a secondary battery to a capacitor power supply used in the above voltage range, load a capacitor that fully charges 1200V, four times that of the above, and a quarter step-down chopper. And may increase safety costs. On the other hand, when fully charging 300 V, it is necessary to use a quadruple step-up chopper or conversely use a step-down chopper to lower the output voltage to 75 V.
【0008】別の例として電力貯蔵について考えると、
4000Vで電力貯蔵を行う場合、、降圧型ではコンデ
ンサの最大電圧が4倍の16000Vになり、部品や絶
縁もともかくだが、スイッチング半導体素子に対応でき
るものを用意できるかどうか困難が生じる。昇圧型にし
ても、4倍も昇圧するには効率が低下するだけでなく、
昇圧用チョークコイルの製造も難しくなる。[0008] As another example, consider power storage.
When power is stored at 4000 V, the maximum voltage of the capacitor in the step-down type is quadrupled to 16000 V, and the components and insulation are not included, but it is difficult to prepare a device that can handle the switching semiconductor element. Even if it is a boost type, not only efficiency will decrease to boost 4 times, but also
It becomes difficult to manufacture a boost choke coil.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、コンデンサバンクの電力貯蔵及び
その利用を高効率で実現するものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems, and realizes the power storage of a capacitor bank and its utilization with high efficiency.
【0010】そのために本発明は、コンデンサに電力を
貯蔵し放電に伴い低下する電圧を一定の定格電圧に変換
して供給するコンデンサ電力貯蔵装置において、電力を
貯蔵するための複数のコンデンサバンクからなる電力貯
蔵部と、前記電力貯蔵部の満充電時の電圧と該電圧の1
/2との中間の電圧を定格電圧に設定し、前記電力貯蔵
部の出力電圧が定格電圧より高いとき定格電圧まで降圧
する降圧回路と前記電力貯蔵部の出力電圧が定格電圧よ
り低いとき定格電圧まで昇圧する昇圧回路からなり前記
電力貯蔵部の出力電圧を調整する電圧調整部とを備え、
前記電力貯蔵部からの放電に伴う出力電圧の変動に応じ
て、前記電圧調整部により降圧/昇圧の切り換えを行い
定格電圧に調整するように構成したことを特徴とするも
のである。For this purpose, the present invention provides a capacitor power storage device for storing power in a capacitor and converting the voltage that decreases with discharge to a constant rated voltage and supplying the same to a constant rated voltage, comprising a plurality of capacitor banks for storing power. A power storage unit; a voltage when the power storage unit is fully charged;
/ 2 is set to a rated voltage, and a step-down circuit that steps down to the rated voltage when the output voltage of the power storage unit is higher than the rated voltage, and a rated voltage when the output voltage of the power storage unit is lower than the rated voltage. And a voltage adjusting unit configured to adjust the output voltage of the power storage unit, the voltage adjusting unit including a booster circuit that boosts the voltage up to
According to another feature of the present invention, the voltage regulator switches between step-down / step-up and adjusts to a rated voltage in response to a change in output voltage accompanying the discharge from the power storage unit.
【0011】また、前記電圧調整部は、第1のチョッパ
用スイッチング素子とチョークコイルと第1の単方向整
流素子とを給電ラインに直列に挿入接続すると共に、前
記第1のチョッパ用スイッチング素子とチョークコイル
との直列接続点に第2の単方向整流素子を接続して降圧
チョッパ回路を構成し、前記チョークコイルと第1の単
方向整流素子との直列接続点に第2のチョッパ用スイッ
チング素子を接続して昇圧チョッパ回路を構成し、ある
いは降圧回路及び昇圧回路を交直変換回路で構成したこ
とを特徴とし、前記電力貯蔵部は、複数個のコンデンサ
を直並列に接続した2つのコンデンサバンクと、該2つ
のコンデンサバンクをその電圧が満充電時の1/2を越
えていることを条件に並列接続し、満充電時の1/2以
下に低下したことを条件に直列接続に切り替え接続する
切り替え手段とを有することを特徴とするものである。[0011] The voltage adjusting section may include a first chopper switching element, a choke coil, and a first unidirectional rectifying element inserted and connected in series to a power supply line. A step-down chopper circuit is formed by connecting a second unidirectional rectifier to a series connection point with a choke coil, and a second chopper switching element is connected to a series connection point between the choke coil and the first unidirectional rectifier. To form a step-up chopper circuit, or a step-down circuit and a step-up circuit are constituted by an AC / DC conversion circuit, wherein the power storage unit includes two capacitor banks in which a plurality of capacitors are connected in series and parallel. And the two capacitor banks are connected in parallel on condition that the voltage is more than half of the full charge, and is reduced to less than half of the full charge. It is characterized in that it has a switching means for switching connection to the serial connection to the condition.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図1は本発明に係る直並列接続
切替型コンデンサ電力貯蔵装置の実施の形態を示す図、
図2は動作範囲を説明するための図である。図中、1は
降圧チョッパ回路、2は昇圧チョッパ回路、3は直並列
切替回路、4は比較器、5は降圧チョッパ制御回路、6
は昇圧チョッパ制御回路、7はインバータ、8は誤差増
幅器、C1 、C2 はコンデンサバンク、D1 、D2 、D
D 、DU は単方向整流素子、CHD 、CHU はチョッパ
用スイッチング素子、Lはチョークコイル、S1 は切り
替えスイッチ、VrI、VrOは基準電圧を示す。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a series-parallel connection switching capacitor power storage device according to the present invention,
FIG. 2 is a diagram for explaining an operation range. In the figure, 1 is a step-down chopper circuit, 2 is a step-up chopper circuit, 3 is a series-parallel switching circuit, 4 is a comparator, 5 is a step-down chopper control circuit, 6
Is a boost chopper control circuit, 7 is an inverter, 8 is an error amplifier, C 1 and C 2 are capacitor banks, D 1 , D 2 and D
D and D U are unidirectional rectifying elements, CH D and CH U are chopper switching elements, L is a choke coil, S 1 is a changeover switch, and V rI and V rO are reference voltages.
【0013】図1(A)において、コンデンサバンクC
1 、C2 は、それぞれ電力貯蔵用として複数個の例えば
並列モニタを有する電気二重層コンデンサを直並列に接
続してなり、直列接続した単方向整流素子D1 、D
2 と、これらの直並列の接続切り替えを行う切り替えス
イッチS1 により電力貯蔵部を構成するものである。直
並列切替回路3は、この電力貯蔵部の端子電圧を基準電
圧VrIと比較して切り替えスイッチS1 をオン/オフ制
御することにより、コンデンサバンクC1 、C2 の並列
接続と直列接続との切り替えを行うものであり、基準電
圧VrIは、コンデンサバンクC1 、C2 の満充電時の電
圧の1/2に設定される。切り替えスイッチS1 は、コ
ンデンサバンクC1 、C2 が満充電から1/2の電圧に
放電するまでオフになり、コンデンサバンクC1 、C2
の電圧が満充電時の1/2以下になるとオンになって、
コンデンサバンクC1 、C2 を直列に接続するように、
直並列切替回路3により制御される。したがって、直並
列切替回路3は、コンデンサバンクC1 、C2 のいずれ
かの端子電圧と基準電圧VrIとを比較するように構成し
てもよい。コンデンサバンクC1 、C2 の電圧が満充電
時の1/2以下になった時、この切り替えスイッチS1
がオンになって直列接続にすることにより、電力貯蔵部
としては、電圧が倍になるので、また満充電時から放電
する電圧として1/2の電圧になるまで取り出すことに
より、94%の放電電力量を利用することができる。切
り替えスイッチS1 やチョッパ用スイッチング素子、C
HD 、CHU は、MOSFETやバイポーラトランジス
タなどの半導体素子その他のスイッチング素子からな
る。In FIG. 1A, a capacitor bank C
1 and C 2 are connected in series in parallel with a plurality of electric double layer capacitors having, for example, a parallel monitor for power storage, and are connected in series to unidirectional rectifiers D 1 and D 1 .
2, constitutes a power storage unit by the changeover switch S 1 to perform connection switching of these series-parallel. The series-parallel switching circuit 3 compares the terminal voltage of the power storage unit with the reference voltage V rI to control the on / off of the switching switch S 1 , so that the parallel connection and the series connection of the capacitor banks C 1 and C 2 can be performed. The reference voltage V rI is set to に of the voltage when the capacitor banks C 1 and C 2 are fully charged. Changeover switch S 1 is turned off from the capacitor bank C 1, C 2 is fully charged until discharging the half voltage, the capacitor bank C 1, C 2
Is turned on when the voltage of the battery becomes 1/2 or less of the full charge,
To connect the capacitor banks C 1 and C 2 in series,
It is controlled by the series / parallel switching circuit 3. Therefore, the series-parallel switching circuit 3 may be configured to compare the terminal voltage of one of the capacitor banks C 1 and C 2 with the reference voltage V rI . When the voltage of the capacitor banks C 1 and C 2 becomes less than half of the full charge, the changeover switch S 1
Is turned on to form a series connection, so that the voltage of the power storage unit is doubled, and by extracting the voltage from the time of full charge to half of the voltage to be discharged, a 94% discharge is obtained. Electricity can be used. Changeover switches S 1 and chopper switching element, C
H D, CH U is composed of semiconductor elements other switching elements such as MOSFET or a bipolar transistor.
【0014】チョークコイルLは、降圧チョッパ回路1
及び昇圧チョッパ回路2で共用するものであり、降圧チ
ョッパ回路1及び昇圧チョッパ回路2は、満充電時の電
圧とその1/2の電圧との中間でチョッパの動作を降圧
チョッパ回路1から昇圧チョッパ回路2へ切り替えるよ
うにしている。降圧チョッパ回路1の動作時は、昇圧チ
ョッパ回路2のチョッパ用スイッチング素子CHU がオ
フになったままの状態で、チョッパ用スイッチング素子
CHD がオン/オフして降圧し、出力電圧を負荷の定格
電圧に調整する。また、昇圧チョッパ回路2の動作時
は、チョッパ用スイッチング素子CHD がオンになった
ままの状態で、チョッパ用スイッチング素子CHU がオ
ン/オフして昇圧し、出力電圧を負荷の定格電圧に調整
する。その切り替え制御回路の具体的な構成例を示した
のが図1(B)である。The choke coil L is a step-down chopper circuit 1
The step-down chopper circuit 1 and the step-up chopper circuit 2 control the operation of the chopper from the step-down chopper circuit 1 to the step-up chopper in the middle of the voltage at the time of full charge and half the voltage. Switching to the circuit 2 is performed. During operation of the step-down chopper circuit 1, chopper switching element CH U of the step-up chopper circuit 2 is in a state in which off, chopper switching element CH D steps down to turn on / off, the output voltage load Adjust to the rated voltage. Further, during the operation of the boost chopper circuit 2 is in a state where chopper switching element CH D is turned on, and the booster chopper switching element CH U on / off to the output voltage to the rated voltage of the load adjust. FIG. 1B shows a specific configuration example of the switching control circuit.
【0015】図1(B)において、基準電圧VrOは、電
力貯蔵装置の負荷に対して供給する定格電圧に対応し、
チョッパ制御の誤差検出のための基準電圧に使用すると
同時に降圧チョッパ制御と昇圧チョッパ制御の切り替え
のための基準電圧に使用するものであり、コンデンサバ
ンクC1 、C2 の満充電時の電圧とその1/2の電圧と
の中間の値が設定される。例えば負荷の定格電圧が75
Vの場合、コンデンサバンクC1 、C2 の満充電時の電
圧を100Vとすると、100Vから75Vまでの領域
を降圧チョッパ回路で制御し、75Vから満充電時の電
圧の1/2の50Vまでの領域を昇圧チョッパ回路で制
御して定格電圧の75Vを供給するものである。In FIG. 1B, the reference voltage V rO corresponds to the rated voltage supplied to the load of the power storage device,
Is intended to be used for reference voltage for the switching of the step-up chopper control at the same time as the step-down chopper control when used in reference voltage for the error detection of the chopper control, full charge when the voltage of the capacitor bank C 1, C 2 and its An intermediate value from the voltage of 1/2 is set. For example, if the rated voltage of the load is 75
In the case of V, assuming that the full charge voltage of the capacitor banks C 1 and C 2 is 100 V, the region from 100 V to 75 V is controlled by the step-down chopper circuit, and from 75 V to 50 V which is 1 / of the full charge voltage. Is controlled by a step-up chopper circuit to supply a rated voltage of 75V.
【0016】比較器4は、電力貯蔵部の端子電圧と基準
電圧VrOとを比較して、電力貯蔵部の端子電圧が基準電
圧VrOより大きい場合に出力信号をアクティブにし、基
準電圧VrOより小さくなると出力信号をノンアクティブ
にするものであり、インバータ7は、この比較器4の出
力信号を反転するものである。誤差増幅器8は、負荷に
供給する出力電圧と基準電圧VrOとの誤差を検出して増
幅するものであり、この誤差増幅信号が降圧チョッパ制
御回路5及び昇圧チョッパ制御回路6の制御信号として
使用される。[0016] The comparator 4 compares the terminal voltage and the reference voltage V and rO power storage unit, the output signal activated when the terminal voltage of the power storage unit is greater than the reference voltage V and rO, the reference voltage V and rO When it becomes smaller, the output signal becomes non-active, and the inverter 7 inverts the output signal of the comparator 4. The error amplifier 8 detects and amplifies an error between the output voltage supplied to the load and the reference voltage VrO, and uses this error amplification signal as a control signal for the step-down chopper control circuit 5 and the step-up chopper control circuit 6. Is done.
【0017】降圧チョッパ制御回路5は、比較器4の出
力信号がアクティブであることを条件に動作して、誤差
増幅器8の誤差増幅信号に基づきチョッパ用スイッチン
グ素子CHD をオン/オフ制御し、比較器4の出力信号
がノンアクティブになると動作を停止して、チョッパ用
スイッチング素子CHD をオン、単方向整流素子DDを
オフの状態にするものである。The step-down chopper control circuit 5 operates on condition that the output signal of the comparator 4 is active, and on / off control of the chopper switching element CH D based on the error amplification signal of the error amplifier 8, When the output signal of the comparator 4 becomes non-active, the operation is stopped, and the chopper switching element CH D is turned on and the unidirectional rectifier element D D is turned off.
【0018】昇圧チョッパ制御回路6は、インバータ7
を通して比較器4の出力信号を入力することによって、
比較器4の出力信号がアクティブであることを条件に動
作を停止して、チョッパ用スイッチング素子CHU をオ
フの状態にし、比較器4の出力信号がノンアクティブに
なると動作して、誤差増幅器8の誤差増幅信号に基づき
チョッパ用スイッチング素子CHU をオン/オフ制御す
るものである。The boost chopper control circuit 6 includes an inverter 7
By inputting the output signal of the comparator 4 through
And stops the operation on condition that the output signal of the comparator 4 is active, the chopper switching element CH U to the OFF state, operates the output signal of the comparator 4 becomes non-active, the error amplifier 8 of the chopper switching element CH U based on the error amplification signal is for on / off control.
【0019】次に、全体の動作を説明する。いま、コン
デンサバンクC1 、C2 が満充電状態、つまり図2に示
す放電電力量が0%であると、切り替えスイッチS1 は
オフに制御され、比較器4の出力信号はアクティブにな
っているので、降圧チョッパ制御回路5が動作し、昇圧
チョッパ制御回路6は動作を停止している。したがっ
て、降圧チョッパ回路1により電力貯蔵部の電圧を25
%降圧して負荷に給電される。放電電力量が増えるにし
たがって図2に示すように電力貯蔵部の電圧が低下し、
負荷の定格電圧と同じになると、比較器4の出力信号が
ノンアクティブになるので、降圧チョッパ制御回路5が
動作を停止し、昇圧チョッパ制御回路6が動作を開始す
る。さらに放電電力量が75%になり電力貯蔵部の電圧
が低下して満充電時の1/2になると、直並列切替回路
3が動作して切り替えスイッチS1をオンにするので、
コンデンサバンクC1 、C2 が直列接続になって電力貯
蔵部の電圧が倍の満充電時と同じ電圧まで上がる。した
がって、比較器4の出力信号が再びアクティブになるの
で、昇圧チョッパ制御回路6が動作を停止し、降圧チョ
ッパ制御回路5が動作を開始する。このようにして最終
的に電力貯蔵部の放電電力量が94%で電圧が満充電時
の1/2になるまで、負荷に定格電圧による給電を行う
ことができる。Next, the overall operation will be described. Now, when the capacitor banks C 1 and C 2 are fully charged, that is, when the discharge power amount shown in FIG. 2 is 0%, the changeover switch S 1 is controlled to be turned off, and the output signal of the comparator 4 becomes active. Therefore, the step-down chopper control circuit 5 operates and the step-up chopper control circuit 6 stops operating. Therefore, the voltage of the power storage unit is reduced by 25 by the step-down chopper circuit 1.
% To be supplied to the load. As the amount of discharged power increases, the voltage of the power storage unit decreases as shown in FIG.
When the voltage becomes equal to the rated voltage of the load, the output signal of the comparator 4 becomes non-active, so that the step-down chopper control circuit 5 stops operating and the step-up chopper control circuit 6 starts operating. Further voltage of the discharge power amount is a power storage unit becomes 75% is 1/2 of the time of full charge decreases, so to turn on the switch S 1 operates the serial-parallel switching circuit 3,
The capacitor banks C 1 and C 2 are connected in series, and the voltage of the power storage unit rises to the same voltage as at the time of double full charge. Therefore, the output signal of comparator 4 becomes active again, so that boost chopper control circuit 6 stops operating and step-down chopper control circuit 5 starts operating. In this way, it is possible to supply power to the load at the rated voltage until the discharge power amount of the power storage unit finally becomes 94% and the voltage becomes half of the voltage at the time of full charge.
【0020】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、コンデンサバンクC1 、C2 の満充
電時の電圧を100とすると、負荷の定格電圧を75と
なるように設定したが、満充電時の電圧からその1/2
の電圧までの間で任意に負荷の定格電圧を設定できるこ
とはいうまでもない。この場合、満充電時の電圧と負荷
の定格電圧とを同じにした場合には、昇圧チョッパ回路
のみで構成し、満充電時の電圧の1/2の電圧と負荷の
定格電圧とを同じにした場合には、降圧チョッパ回路の
みで構成してもよい。図3は昇圧チョッパ回路又は降圧
チョッパ回路で構成した場合のそれぞれの制御領域を示
す図である。また、チョークコイルを共用することによ
り降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路を直列に接続し
たが、降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路とを並列に
接続するように構成してもよい。さらに、単相ブリッジ
インバータや単相プッシュプル、単相ハーフブリッジ、
さらには3相、6相等の多相ブリッジインバータ等の交
直変換回路と組み合わせてもよいし、その組み合わせを
利用して可逆型電力貯蔵装置を実現してもよい。It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, in the above-described embodiment, the rated voltage of the load is set to be 75 when the voltage of the capacitor banks C 1 and C 2 at the time of full charge is set to 100.
Needless to say, the rated voltage of the load can be set arbitrarily up to the voltage of. In this case, when the voltage at the time of full charge is equal to the rated voltage of the load, only the boost chopper circuit is used, and the voltage of half of the voltage at the time of full charge is equal to the rated voltage of the load. In this case, only the step-down chopper circuit may be used. FIG. 3 is a diagram showing the respective control regions when configured with a boost chopper circuit or a step-down chopper circuit. Further, although the step-down chopper circuit and the step-up chopper circuit are connected in series by sharing the choke coil, the step-down chopper circuit and the step-up chopper circuit may be connected in parallel. In addition, single-phase bridge inverters, single-phase push-pull, single-phase half-bridges,
Furthermore, it may be combined with an AC / DC conversion circuit such as a three-phase or six-phase polyphase bridge inverter, or the combination may be used to realize a reversible power storage device.
【0021】図4は単相ブリッジインバータの構成例を
示す図、図5は可逆型電力貯蔵装置の構成例を示す図、
図6はパルス幅変調の場合における変換波形の変形例を
示す図である。図4(A)に示す単相ブリッジインバー
タを使用し、図4(B)に示すようなPWM(パルス幅
変調)により直流から正弦波の交流に変換する場合、高
調波の少ない正弦波を得るには、その過程でかなり深い
パルス幅変調が必要となる。電力用の大型のインバータ
では、±20%以内の入力変動仕様のものがほとんどで
あり、直流入力電圧が大幅に、例えば4倍にも変動する
と、パルス幅変調の深さや制御性(フィードバック制御
を行っている状態で発振やハンティングを起こさず安定
な自動制御がかかる条件)に問題が生じやすく、設計が
困難となる。しかし、電力貯蔵装置を上記のようにコン
デンサバンクを直並列に切り替える構成にすると、直流
入力を4倍から2倍に抑えることができる。さらに、上
記チョッパを組み合わせることにより入力変動幅を小さ
く抑えることもできる。そのため、図5に示すように単
方向整流素子を双方向のスイッチング素子に置き換え
て、PWMインバータを接続することにより、可逆型電
力貯蔵装置を実現することもできる。しかも、PWM部
分を遙に容易に、安定で効率的な設計とすることができ
る。この場合には、インバータを逆方向に制御すること
により、コンデンサに対して定電流型充電器となるよう
に扱い、同じ装置を充電器に兼用することができる。ま
た、パルス幅変調では、実用上で矩形波から疑似正弦波
まで種々の波形が用いられるが、元来の目的は正弦波を
得ることであるので、図6のに示す矩形波に対しに
示すような改造した矩形波を採用することもできる。FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a single-phase bridge inverter, FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a reversible power storage device,
FIG. 6 is a diagram showing a modified example of the converted waveform in the case of pulse width modulation. When a single-phase bridge inverter shown in FIG. 4A is used to convert DC to sine-wave AC by PWM (pulse width modulation) as shown in FIG. 4B, a sine wave with few harmonics is obtained. Requires a rather deep pulse width modulation in the process. Most large inverters for power use have input fluctuation specifications within ± 20%. If the DC input voltage fluctuates greatly, for example, as much as four times, the depth and controllability of pulse width modulation (feedback control A problem is liable to occur in a condition in which stable automatic control is performed without causing oscillation or hunting in a running state), and design becomes difficult. However, if the power storage device is configured to switch the capacitor banks in series / parallel as described above, the DC input can be suppressed to four to two times. Further, by combining the above-mentioned choppers, the input fluctuation width can be reduced. Therefore, a reversible power storage device can also be realized by replacing the unidirectional rectifying element with a bidirectional switching element and connecting a PWM inverter as shown in FIG. Moreover, the PWM part can be designed much more easily, stably and efficiently. In this case, by controlling the inverter in the reverse direction, the capacitor can be treated as a constant current type charger, and the same device can be used also as the charger. In pulse width modulation, various waveforms from a rectangular wave to a pseudo sine wave are used in practical use. However, since the original purpose is to obtain a sine wave, the waveform shown in FIG. Such a modified rectangular wave can also be adopted.
【0022】[0022]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、電力を貯蔵するための複数のコンデンサバン
クからなる電力貯蔵部と、電力貯蔵部の満充電時の電圧
と該電圧の1/2との中間の電圧を定格電圧に設定し、
電力貯蔵部の出力電圧が定格電圧より高いとき定格電圧
まで降圧する降圧回路と電力貯蔵部の出力電圧が定格電
圧より低いとき定格電圧まで昇圧する昇圧回路からなり
電力貯蔵部の出力電圧を調整する電圧調整部とを備え、
電力貯蔵部からの放電に伴う出力電圧の変動に応じて、
電圧調整部により降圧/昇圧の切り換えを行い定格電圧
に調整するので、効率の良い領域でスイッチングレギュ
レータを利用し、コンデンサバンクの電力貯蔵及びその
利用を高効率で実現することができる。しかも、ほぼ負
荷の定格電圧と同じ電圧で電力貯蔵部を構成することが
できるので、制御素子等の電圧定格を低く抑えることが
でき、経済的で内部抵抗の低い制御素子を使用すること
ができるだけでなく、チョークコイルのインダクタンス
も最小限で済み小型軽量化が可能である。また、チョッ
パの動作する大部分の時間は変圧比の小さな、高効率が
得やすい動作条件にあるので、電力損失を最小限に抑え
ることができる。As is apparent from the above description, according to the present invention, a power storage unit composed of a plurality of capacitor banks for storing power, a voltage when the power storage unit is fully charged, and a voltage of the voltage. Set the voltage in the middle of 1/2 to the rated voltage,
It consists of a step-down circuit that steps down to the rated voltage when the output voltage of the power storage unit is higher than the rated voltage and a booster circuit that boosts the output voltage to the rated voltage when the output voltage of the power storage unit is lower than the rated voltage. A voltage adjustment unit,
According to the fluctuation of the output voltage accompanying the discharge from the power storage unit,
Since the voltage regulator switches between step-down / step-up and adjusts to the rated voltage, the switching regulator can be used in an efficient area, and power storage and use of the capacitor bank can be realized with high efficiency. In addition, since the power storage unit can be configured with a voltage substantially equal to the rated voltage of the load, the voltage rating of the control element and the like can be suppressed low, and a control element that is economical and has low internal resistance can be used. In addition, the inductance of the choke coil is minimized, and the size and weight can be reduced. In addition, most of the time during which the chopper operates is under operating conditions in which the transformation ratio is small and high efficiency can be easily obtained, so that power loss can be minimized.
【図1】 本発明に係る直並列接続切替型コンデンサ電
力貯蔵装置の実施の形態を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a series-parallel connection switching capacitor power storage device according to the present invention.
【図2】 動作範囲を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an operation range.
【図3】 昇圧チョッパ回路又は降圧チョッパ回路で構
成した場合のそれぞれの制御領域を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating respective control regions when configured with a step-up chopper circuit or a step-down chopper circuit.
【図4】 単相ブリッジインバータの構成例を示す図で
ある。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a single-phase bridge inverter.
【図5】 可逆型電力貯蔵装置の構成例を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a reversible power storage device.
【図6】 パルス幅変調の場合における変換波形の変形
例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a modified example of a converted waveform in the case of pulse width modulation.
【図7】 ECSの標準的な構成例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a standard configuration example of an ECS.
【図8】 ECS電流ポンプの昇圧、降圧動作領域を示
す図である。FIG. 8 is a diagram showing a step-up / step-down operation region of the ECS current pump.
1…降圧チョッパ回路、2…昇圧チョッパ回路、3…直
並列切替回路、4…比較器、5…降圧チョッパ制御回
路、6…昇圧チョッパ制御回路、7…インバータ、8…
誤差増幅器、C1 、C2 …コンデンサバンク、D1 、D
2 、DD 、DU …単方向整流素子、CHD 、CHU …チ
ョッパ用スイッチング素子、L…チョークコイル、S1
…切り替えスイッチ、VrI、VrO…基準電圧DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Step-down chopper circuit, 2 ... Step-up chopper circuit, 3 ... Series-parallel switching circuit, 4 ... Comparator, 5 ... Step-down chopper control circuit, 6 ... Step-up chopper control circuit, 7 ... Inverter, 8 ...
Error amplifier, C 1 , C 2 ... capacitor bank, D 1 , D
2, D D, D U ... unidirectional rectifying element, CH D, CH U ... chopper switching element, L ... choke coil, S 1
... change-over switch, V rI, V rO ... reference voltage
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02J 1/00 - 1/16 H02J 7/00 - 7/36 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H02J 1/00-1/16 H02J 7 /00-7/36
Claims (4)
下する電圧を一定の定格電圧に変換して供給するコンデ
ンサ電力貯蔵装置において、 電力を貯蔵するための複数のコンデンサバンクからなる
電力貯蔵部と、 前記電力貯蔵部の満充電時の電圧と該電圧の1/2との
中間の電圧を定格電圧に設定し、前記電力貯蔵部の出力
電圧が定格電圧より高いとき定格電圧まで降圧する降圧
回路と前記電力貯蔵部の出力電圧が定格電圧より低いと
き定格電圧まで昇圧する昇圧回路からなり前記電力貯蔵
部の出力電圧を調整する電圧調整部とを備え、前記電力
貯蔵部からの放電に伴う出力電圧の変動に応じて、前記
電圧調整部により降圧/昇圧の切り換えを行い定格電圧
に調整するように構成したことを特徴とするコンデンサ
電力貯蔵装置。1. A capacitor power storage device for storing power in a capacitor and converting the voltage that decreases with discharge to a constant rated voltage and supplying the same to a constant rated voltage, comprising: a power storage unit including a plurality of capacitor banks for storing power; A step-down circuit that sets an intermediate voltage between the voltage of the power storage unit at the time of full charge and half of the voltage to a rated voltage, and reduces the voltage to the rated voltage when the output voltage of the power storage unit is higher than the rated voltage. And a voltage adjustment unit that adjusts the output voltage of the power storage unit, the output unit including a booster circuit that boosts the output voltage of the power storage unit to the rated voltage when the output voltage is lower than the rated voltage. A capacitor power storage device characterized in that the voltage regulator switches between step-down / step-up and adjusts to a rated voltage in accordance with a change in voltage.
イッチング素子とチョークコイルと第1の単方向整流素
子とを給電ラインに直列に挿入接続すると共に、前記第
1のチョッパ用スイッチング素子とチョークコイルとの
直列接続点に第2の単方向整流素子を接続して降圧チョ
ッパ回路を構成し、前記チョークコイルと第1の単方向
整流素子との直列接続点に第2のチョッパ用スイッチン
グ素子を接続して昇圧チョッパ回路を構成したことを特
徴とする請求項1記載のコンデンサ電力貯蔵装置。2. The voltage adjusting section according to claim 1, wherein the first chopper switching element, the choke coil, and the first unidirectional rectifier are inserted and connected in series to a power supply line, and the first chopper switching element is connected to the first chopper switching element. A step-down chopper circuit is formed by connecting a second unidirectional rectifier to a series connection point with a choke coil, and a second chopper switching element is connected to a series connection point between the choke coil and the first unidirectional rectifier. 2. The capacitor power storage device according to claim 1, wherein a step-up chopper circuit is configured by connecting the step-up chopper circuit.
路を交直変換回路で構成したことを特徴とする請求項1
記載のコンデンサ電力貯蔵装置。3. The voltage adjustment unit according to claim 1, wherein the step-down circuit and the step-up circuit are configured by an AC / DC conversion circuit.
A capacitor power storage device as described.
を直並列に接続した2つのコンデンサバンクと、該2つ
のコンデンサバンクをその電圧が満充電時の1/2を越
えていることを条件に並列接続し、満充電時の1/2以
下に低下したことを条件に直列接続に切り替え接続する
切り替え手段とを有することを特徴とする請求項1記載
のコンデンサ電力貯蔵装置。4. The power storage unit includes two capacitor banks in which a plurality of capacitors are connected in series / parallel, and a condition that a voltage of the two capacitor banks is more than half of a full charge. 2. A capacitor power storage device according to claim 1, further comprising: switching means for connecting in parallel with each other and switching to serial connection on condition that the voltage is reduced to 1 / or less of a full charge.
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---|---|---|---|
JP32504496A JP3306326B2 (en) | 1996-12-05 | 1996-12-05 | Capacitor power storage device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JPH10174284A JPH10174284A (en) | 1998-06-26 |
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