JP3765079B2 - 二次電池併用キャパシタ蓄電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の二次電池と複数個キャパシタとを併用して蓄電する二次電池併用キャパシタ蓄電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
二次電池とキャパシタを併用した装置として、例えば鉛蓄電池を用いたＩＳＡ（Ｉntegrated Ｓtarter and Ａlternator)がある。ＩＳＡでは、複数個の二次電池（鉛電池）を直列接続したブロックに対し、これを強化するために複数個の電気二重層キャパシタを直列接続したブロックを並列に設置する方法が採用されている。
【０００３】
単にキャパシタを必要個数直列に接続して、それを電池に並列に接続すると、各セルの漏れ電流が異なるため、次第に電圧配分が不均等にずれていく。また、個々のキャパシタの静電容量にバラツキがあると、初めの充電の場合にもバラツキが生じる。その現象を要約すると、次のようになる。静電容量Ｃ１〜Ｃｎ、漏れ抵抗Ｒ１〜Ｒｎのキャパシタを直列接続して電圧Ｖに充電した場合の或るキャパシタＸの任意の時間の負担電圧Ｖｘは、定数ｋ（０≦ｋ≦１）とおくと、

となる。これは、電圧配分が静電容量の逆数と、漏れ抵抗のバラツキの和になることを示す。キャパシタのバラツキとして静電容量±５％、温度と経時変化±５％、漏れ抵抗±１０％とすると、使用電圧は約７０％にしなければならなくなり、蓄電容量は４９％、つまり約半分に低下する。
【０００４】
この現象によって起こるキャパシタの劣化を防ぐには、余裕をもって充分な個数のキャパシタを直列にするか、何らかの等価回路、最も簡単にはキャパシタに並列に最大漏れ電流の１０倍程度の電流を流す抵抗を並列に接続する方法が用いられる。
【０００５】
通常、キャパシタの電圧は、二次電池に接続される以前にはゼロに近く、多少の不均一な残留電圧を持っているセルが含まれているとしても、キャパシタを二次電池に接続したときキャパシタには極めて大きな充電電流が流れる。最悪の場合、キャパシタの残留電圧がほとんどゼロであれば、二次電池をショートした時と同等の電流が流れる。例えば普通の乗用車クラスでは、ショート電流が４００〜１０００Ａ程度にもなる。
【０００６】
図７は二次電池とキャパシタにおける放電量と電圧変化の関係を説明するための図である。電気自動車の全蓄電量を賄う程度、あるいはそれ以上の規模の用途では、別の問題が存在する。二次電池の尖頭入出力を考えると、急な加速時の大電流出力では電池が消耗し、反対に回生制動時の大電流で電池を急速に充電することは、電流の吸い込みが悪いだけでなく、電池の寿命を縮める傾向がある。このことから、電池への短時間の大電流の出入りを緩和するために、キャパシタを並列に用いることが考えられる。しかし、二次電池の出力密度が不足するからといって、キャパシタを並列に接続すると、定電圧性の良好な電池と、電圧を下げないと出力電気量の得られないの特性が干渉して、図７のようになる。つまり、電池では全放電に近いＡ点でキャパシタの同じ電圧での放電状態はＢに止まり、キャパシタの蓄電量は有効に利用されない。
【０００７】
その１改善策として、可変インピーダンス素子により電池側に過渡的な大電流負荷時に電圧降下を意図的に発生させてキャパシタからの放電量を図７のＱ１からＱ２に増加させる提案を行った（特開平７−７５２５１号公報参照）。この提案は、並列に設けたキレパシタの電流負担率を大負荷時にだけ増大させるものであるが、このような装置は、小型装置には適用できるものの、大型の電気自動車などの規模では二次電池側に挿入するインピーダンスによる損失が無視できなくなる。また、出力電圧は、電池よりもキャパシタ型になってしまうので、キャパシタの放電に伴う電圧降下が起こるのも欠点となる。
【０００８】
上記欠点を解消するものとして、大型装置では、二次電池とキャパシタそれぞれに独立した専用のスイッチングコンバータを用いる例もあるが、この方式では、短時間の大電流でキャパシタが一杯になると、その電力を二次電池に充電し直し、キャパシタの電圧が低下すると、二次電池から充電することになり、そのたびに２つのスイッチングコンバータを経由するため損失が無視できなくなるという問題が生じる。
【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、二次電池とキャパシタを併用した場合のキャパシタ充電時の課題を簡便な構成で解決しキャパシタの利用効率及び合成効率を高めるものである。
【００１０】
そのために本発明は、複数個の二次電池と複数個のキャパシタとを併用して蓄電する二次電池併用キャパシタ蓄電装置であって、複数個の二次電池を直列接続した二次電池ブロックと、それぞれに満充電電圧で充電電流をバイパスする並列モニタを備えた複数個のキャパシタを直列接続したキャパシタブロックと、前記二次電池ブロックの一端と前記キャパシタブロックの一端との間に接続され前記キャパシタブロックの全キャパシタが満充電電圧となる端子間電圧を両端に印加したときに前記並列モニタの許容電流以下になる抵抗値を有する抵抗と、前記抵抗のバイパスを制御するバイパス制御手段とを備え、前記二次電池ブロックの他端と前記キャパシタブロックの他端を接続して共通端子とし、前記二次電池ブロックの一端と前記抵抗との接続点を充電装置に接続する充電端子とし、前記キャパシタブロックの一端と前記抵抗との接続点を負荷に接続する負荷端子として取り出したことを特徴とするものである。
【００１１】
前記バイパス制御手段は、前記負荷端子に負荷を接続したときに前記負荷端子と前記充電端子との間を接続する接続導線や、前記負荷端子と前記充電端子との間を短絡するスイッチ手段、前記負荷端子から前記充電端子へ順方向とするダイオードであることを特徴とするものである。
【００１２】
また、前記キャパシタブロックは、充放電状態に応じて所定の電圧変動範囲となるようにキャパシタの接続切り替えを行う切り替え付キャパシタバンクと、接続を固定した固定キャパシタバンクからなり、前記二次電池ブロックは、充放電電流を調節する調節回路を直列に接続し、前記調節回路は、少なくとも二次電池の充電電流を流す方向にＤＣ／ＤＣコンバータを使用したことを特徴とするものである。
【００１３】
【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は本発明に係る二次電池併用キャパシタ蓄電装置の実施の形態を示す図、図２は並列モニタ及びバイパス制御回路の実施の態様を示す図である。図中、Ｂは二次電池ブロック、Ｃ１〜Ｃｎはキャパシタ、Ｐ１〜Ｐｎは並列モニタ、Ｒは抵抗、ＳＨはバイパス制御回路、Ｔ１〜Ｔ３は接続端子、ＳＷはスイッチ素子、Ｄはダイオード、ＺＤは定電圧素子、ＴＲはバイパス素子を示す。
【００１４】
図１において、二次電池ブロックＢは、所望の出力電圧が得られる複数のセルを直列接続したものであり、キャパシタＣ１〜Ｃｎは、耐電圧から必要な個数を計算して直列接続したものである。並列モニタＰ１〜Ｐｎは、それぞれのキャパシタＣ１〜Ｃｎに並列接続し、少なくともそれぞれのキャパシタＣ１〜Ｃｎごとに満充電電圧で充電電流をバイパスする機能を有するものである。抵抗Ｒは、キャパシタＣ１〜Ｃｎの最初の充電時に充電回路に直列に接続するものであり、キャパシタＣ１〜Ｃｎの充電電流が並列モニタＰ１〜Ｐｎの最大許容電流を越えないような抵抗値に設定される。バイパス制御回路ＳＨは、キャパシタＣ１〜Ｃｎの充電が完了すると抵抗Ｒを短絡するバイパス制御手段である。
【００１５】
接続端子Ｔ１は、二次電池ブロックＢの一端及び抵抗Ｒの一端が接続されて、充電時には外部の充電装置に接続され、接続端子Ｔ２は、直列接続されたキャパシタＣ１〜Ｃｎの一端及び抵抗Ｒの他端が接続されて、給電する負荷に接続される。つまり、装置内部で、接続端子Ｔ１は二次電池を接続する電池端子であり、接続端子Ｔ２はキャパシタを接続するキャパシタ端子である。そして、電池端子である接続端子Ｔ１は充電端子となり、キャパシタ端子である接続端子Ｔ２は負荷端子となる。接続端子Ｔ３は、二次電池ブロックＢの他端及び直列接続されたキャパシタＣ１〜Ｃｎの他端が共通接続されて接地される共通端子になる。したがって、二次電池ブロックＢは、接続端子Ｔ１と接続端子Ｔ３との間で接続又は切り離しが行われ、キャパシタＣ１〜Ｃｎは、接続端子Ｔ２と接続端子Ｔ３との間で接続又は切り離しが行われる。
【００１６】
そして、接続端子Ｔ１に外部の充電装置が接続されるとき、バイパス制御回路ＳＨは、接続端子Ｔ１と接続端子Ｔ２との間を短絡することなく抵抗Ｒを挿入したオープン状態とし、接続端子Ｔ１に負荷が接続されるとき、バイパス制御回路ＳＨは、接続端子Ｔ１と接続端子Ｔ２との間を短絡することにより抵抗Ｒを短絡する。抵抗Ｒは、全てのキャパシタＣ１〜Ｃｎが満充電電圧となる端子間電圧を抵抗Ｒの両端に印加したとき、つまり全放電状態で並列モニタＰ１〜Ｐｎの最大許容電流以下になる抵抗値に設定される。これは、最悪の状態として、１個のキャパシタだけが満充電状態に電荷が残っているときに充電が開始され、その並列モニタが動作しても、最大許容電流以下に電流を抑える値である。この抵抗Ｒにより、例えば電池交換時にキャパシタＣ１〜Ｃｎ側に流れる充電電流を制限するので、電池や並列モニタの損傷を防ぐことができ、また、充電装置を接続した時も並列モニタの損傷を防ぐことができる。
【００１７】
電源装置の使用期間において充電装置が接続される期間の割合は、僅かであり短期間であるので、バイパス制御回路ＳＨは、接続端子Ｔ１と接続端子Ｔ２との間を単に短絡する短絡片導体などの接続導線であってもよい。また、キャパシタＣ１〜Ｃｎを接続端子Ｔ１と接続端子Ｔ２との間に接続したときや充電装置からキャパシタＣ１〜Ｃｎを充電するときの充電電流を抵抗Ｒを挿入することにより制限することが主要な目的であることからすれば、図２（Ａ）に示すようにスイッチ素子や図２（Ｂ）に示すダイオードのような逆流素子で構成してもよい。なお、図２（Ｂ）に示すダイオードで構成した場合には、二次電池ブロックＢから負荷に供給する電流が流れ、抵抗損失が生じるので、負荷の種類や使用目的により使い分けることが要求される。
【００１８】
並列モニタＰ１〜Ｐｎは、電気二重層キャパシタと電子回路を組み合わせて構成される蓄電装置ＥＣＳ（Ｅnergy Ｃapacitor Ｓystem)の主要な構成要素の１つであり（例えば岡村廸夫著「電気二重層キャパシタと蓄電システム」日刊工業新聞社 １９９９年３月３１日 初版第１刷発行 第１４５〜１５９頁参照）、既に種々提案されているが、少なくとも並列接続されたキャパシタが満充電電圧になったとき充電電流をバイパスするものでよい。すなわち、図２（Ｃ）にその基本回路を示すようにキャパシタＣ１にバイパス素子ＴＲを並列接続して、キャパシタＣ１の端子間電圧が満充電電圧に達したことを定電圧素子ＺＤで検出しバイパス素子ＴＲをオンにするものである。
【００１９】
例えば二次電池ブロックＢは、公称電圧４２Ｖ、最大電圧４５Ｖの鉛電池、キャパシタＣ１〜Ｃｎは、静電容量１２００Ｆ、耐電圧２．５Ｖの電気二重層キャパシタ、並列モニタＰ１〜Ｐｎは、制御電圧２．５Ｖ、最大許容電流１０Ａで直列接続数ｎは４５Ｖ／２．５Ｖ＝１８とすると、抵抗Ｒの値は、
Ｒ＝１８×２．５（Ｖ）／１０（Ａ）＝４．５（Ω）
となり、これより大きければよいが、あまり大きいと充電時間が長くかかる。充電時間Ｔは、時定数の５倍として、
Ｔ＝｛４．５（Ω）×１２００（Ｆ）／１８｝×５＝１５００（ｓｅｃ）
とすると、約２５分間で満充電となる。この時に流れる最大電流は最初に発生するが、それでも最大許容電流の１０Ａを越えることはなく、並列モニタＰ１〜Ｐｎは正常に動作するから、各キャパシタＣ１〜Ｃｎの電圧は規格内に自動的に納まる。
【００２０】
なお、抵抗Ｒにおける損失の尖頭値は、
１０（Ａ）² ×４．５（Ω）＝４５０（Ｗ）
にも達するが、初めの数秒だけで指数関数的に減少するので、電流容量さえ充分であれば５０〜１００Ｗ程度の放熱を考慮したセメント抵抗やホーロー抵抗など普通の抵抗素子が利用できる。充電時間を２倍まで許容し、抵抗値を２倍にすれば抵抗Ｒのワッテージは半分となりさらに小型低価格化が可能になる。
【００２１】
図３は本発明に係る二次電池併用キャパシタ蓄電装置の他の実施の形態を示す図、図４は二次電池出力制御回路の構成例を示す図、図５は電圧変動と放電量の関係を示す図、図６はバンクスイッチング部の構成例と動作原理を説明するための図である。図中、ＣＡは切り替え付キャパシタバンク、ＣＢは固定キャパシタバンク、ＣＮは電流調節回路、Ｄはダイオードを示す。
【００２２】
大型の蓄電システムで二次電池とキャパシタを並列に用いる場合、先に図７で述べたように二次電池の電圧変動範囲に制約されることによってキャパシタの利用範囲が狭くなる。これを改善してさらにキャパシタの利用範囲の拡大を図るようにした構成を含む例を示したのが図３である。図３において、切り替え付キャパシタバンクＣＡは、キャパシタの充放電の変動に伴い、端子電圧が一定の範囲内になるようなバンク切り替え機能を有するバンクであり、固定キャパシタバンクＣＢは、バンク切り替え機能のないバンクである。電流調節回路ＣＮは、二次電池とキャパシタの電流配分を調節する機能を有するものである。
【００２３】
図１に示した実施の形態では、二次電池とキャパシタの電流配分が両者の内部抵抗と電圧だけで一義的に定まり、その配分が放電による電圧変化に伴って自動的に変化しつつ推移する。電流調節回路ＣＮは、二次電池とキャパシタの電流配分を意図的に調整するものであり、僅かなインダクタンスや抵抗、例えば微小な調節には電力配線の電線の長さを調節する程度の小さなＬやＲの挿入で行うことができる。さらに大幅に調節するには、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータを使用してもよい。このことにより、主要な大電流の入出力は全て一旦キャパシタに入るようになる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータは、例えば電池の出力密度がキャパシタの１／４であれば、入出力容量は１／４で済み、効率への影響もそれだけ少ない。また、図４に示すように充電側にＤＣ／ＤＣコンバータを使用し、放電側はダイオードやスイッチを使用してもよい。この場合には、例えば回生電力を充電する場合、キャパシタは、電池の電圧より高く充電することも可能となり変動幅を大きくとることができる。
【００２４】
二次電池の出力電圧は軽負荷であれば先の図７に示す通りになるが、重負荷による大電流が流れると電池の内部抵抗により出力電圧が一時的に低下する。その分まで見込むと、電池電圧の変動範囲は図７より大きくなり、図５に示す範囲が描ける。高出力用電気二重層キャパシタの内部抵抗は電池電圧に比べて小さく、負荷による電圧の低下は少ないが、キャパシタの性質から、残存エネルギーＵ、静電容量Ｃから、その端子電圧は、周知のように
Ｖ＝（２Ｕ／Ｃ）^1/2
の形で放電に伴って低下する。そのままではキャパシタの蓄電電気量の利用がＱ１までで止まり利用率が低いが、切り替え付キャパシタバンクＣＡを用いると、Ｑ３まで利用できるようになる。
【００２５】
切り替え付キャパシタバンクＣＡには、例えば図６に示すように直並列の接続切り替えを行う構成や直列に追加接続するキャパシタ数の切り替えを行う構成など本発明者が既に提案しているバンク切り替え方式（例えば特開２０００−２０９７７５号公報、特開２０００−２５３５７２号公報などを参照）を採用することができる。これらの特徴は、大出力を出し入れするキャパシタを直接インバータを介さずに負荷、例えばハイブリッド自動車であればモータドライバに接続することができるため効率が高く、大きなスイッチングコンバータや大電流を扱うチョークコイルなどを必要としないことである。
【００２６】
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、キャパシタの直列接続ブロックに抵抗を直列に接続して充電し、その後抵抗をスイッチで短絡したが、充電時にのみ抵抗を接続するので、単純に抵抗を切り離すように接続を変更してもよい。
【００２７】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数個の二次電池と複数個キャパシタとを併用して蓄電する二次電池併用キャパシタ蓄電装置であって、複数個の二次電池を直列接続した二次電池ブロックと、それぞれに満充電電圧で充電電流をバイパスする並列モニタを備えた複数個のキャパシタを直列接続したキャパシタブロックと、二次電池ブロックの一端とキャパシタブロックの一端との間に接続された抵抗と、抵抗のバイパスを制御するバイパス制御手段とを備え、二次電池ブロックの他端とキャパシタブロックの他端を接続して共通端子とし、二次電池ブロックの一端と抵抗との接続点を充電装置に接続する充電端子とし、キャパシタブロックの一端と抵抗との接続点を負荷に接続する負荷端子として取り出したので、各キャパシタの負担電圧の最大値を設定値（満充電電圧）以下に抑えることができ、電池やキャパシタを交換したときに、キャパシタの充電状態によって短絡状態になり電池に大きな短絡電流が流れることによる障害を防ぎ、また、充電装置が接続されたときに並列モニタに大電流が流れることによる障害を防ぐことができる。
【００２８】
抵抗は、キャパシタブロックの全キャパシタが満充電電圧となる端子間電圧を抵抗の両端に印加したときに並列モニタの許容電流以下になる抵抗値に設定され、バイパス制御手段は、負荷端子に負荷を接続したときに負荷端子と充電端子との間を接続する接続導線や、負荷端子と充電端子との間を短絡するスイッチ手段、負荷端子から充電端子へ順方向とするダイオードであることにより、電池からキャパシタ側に流れる電流、並列モニタに流れる電流を並列モニタの許容電流以下に抑えることができる。
【００２９】
また、キャパシタブロックは、充放電状態に応じて所定の電圧変動範囲となるようにキャパシタの接続切り替えを行う切り替え付キャパシタバンクと、接続を固定した固定キャパシタバンクからなり、二次電池ブロックは、充放電電流を調節する調節回路を直列に接続し、調節回路は、少なくとも二次電池の充電電流を流す方向にＤＣ／ＤＣコンバータを使用することにより、電池の電圧変動範囲内でキャパシタの利用効率をさらに高めることができる。
【００３０】
以上のように、本発明によれば、二次電池とキャパシタを併用した場合のキャパシタ充電時の課題を簡便な構成で解決しキャパシタの利用効率及び合成効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る二次電池併用キャパシタ蓄電装置の実施の形態を示す図である。
【図２】 並列モニタ及びバイパス制御回路の実施の態様を示す図である。
【図３】 本発明に係る二次電池併用キャパシタ蓄電装置の他の実施の形態を示す図である。
【図４】 二次電池出力制御回路の構成例を示す図である。
【図５】 電圧変動と放電量の関係を示す図である。
【図６】 バンクスイッチング部の構成例と動作原理を説明するための図である。
【図７】 二次電池とキャパシタにおける放電量と電圧変化の関係を説明するための図である。
【符号の説明】
Ｂ…二次電池ブロック、Ｃ１〜Ｃｎ…キャパシタ、Ｐ１〜Ｐｎ…並列モニタ、Ｒ…抵抗、ＳＨ…バイパス制御回路、Ｔ１〜Ｔ３…接続端子、ＳＷ…スイッチ素子、Ｄ…ダイオード、ＺＤ…定電圧素子、ＴＲ…バイパス素子

Claims (7)

1. 複数個の二次電池と複数個のキャパシタとを併用して蓄電する二次電池併用キャパシタ蓄電装置であって、
   複数個の二次電池を直列接続した二次電池ブロックと、
   それぞれに満充電電圧で充電電流をバイパスする並列モニタを備えた複数個のキャパシタを直列接続したキャパシタブロックと、
   前記二次電池ブロックの一端と前記キャパシタブロックの一端との間に接続され前記キャパシタブロックの全キャパシタが満充電電圧となる端子間電圧を両端に印加したときに前記並列モニタの許容電流以下になる抵抗値を有する抵抗と、
   前記抵抗のバイパスを制御するバイパス制御手段と
   を備え、前記二次電池ブロックの他端と前記キャパシタブロックの他端を接続して共通端子とし、前記二次電池ブロックの一端と前記抵抗との接続点を充電装置に接続する充電端子とし、前記キャパシタブロックの一端と前記抵抗との接続点を負荷に接続する負荷端子として取り出したことを特徴とする二次電池併用キャパシタ蓄電装置。
2. 前記バイパス制御手段は、前記負荷端子に負荷を接続したときに前記負荷端子と前記充電端子との間を接続する接続導線であることを特徴とする請求項１記載の二次電池併用キャパシタ蓄電装置。
3. 前記バイパス制御手段は、前記負荷端子に負荷を接続したときに前記負荷端子と前記充電端子との間を短絡するスイッチ手段であることを特徴とする請求項１記載の二次電池併用キャパシタ蓄電装置。
4. 前記バイパス制御手段は、前記負荷端子から前記充電端子へ順方向とするダイオードであることを特徴とする請求項１記載の二次電池併用キャパシタ蓄電装置。
5. 前記キャパシタブロックは、充放電状態に応じて所定の電圧変動範囲となるようにキャパシタの接続切り替えを行う切り替え付キャパシタバンクと、接続を固定した固定キャパシタバンクからなることを特徴とする請求項１記載の二次電池併用キャパシタ蓄電装置。
6. 前記二次電池ブロックは、充放電電流を調節する調節回路を直列に接続したことを特徴とする請求項１記載の二次電池併用キャパシタ蓄電装置。
7. 前記調節回路は、少なくとも二次電池の充電電流を流す方向にＤＣ／ＤＣコンバータを使用したことを特徴とする請求項６記載の二次電池併用キャパシタ蓄電装置。

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