JPH11215695A - Series-parallel switching type power supply unit - Google Patents

Series-parallel switching type power supply unit

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JPH11215695A
JPH11215695A JP10015398A JP1539898A JPH11215695A JP H11215695 A JPH11215695 A JP H11215695A JP 10015398 A JP10015398 A JP 10015398A JP 1539898 A JP1539898 A JP 1539898A JP H11215695 A JPH11215695 A JP H11215695A
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capacitor
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Michio Okamura
廸夫 岡村
Akinori Mogami
明矩 最上
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OKAMURA KENKYUSHO KK
Jeol Ltd
Okamura Laboratory Inc
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OKAMURA KENKYUSHO KK
Jeol Ltd
Okamura Laboratory Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the variation width of the voltage of a power supply unit which uses a battery with a large voltage variation, whose voltage changes gradually in taking out energy as seen in a capacitor. SOLUTION: This power supply unit uses a battery with a large voltage variation whose energy is charged and stored and whose voltage decreases gradually as the stored energy is taken out, whereas battery units 1 to (n) are constituted of a pair of batteries C11 to Cn2 with a large voltage variation as seen in an electric double layer capacitor bank with a plurality of capacitors as power storage connected in series and parallel and switching means S11 to Sn3 which conduct switching between parallel connection and series connection of a pair of the batteries C11 to Cn2. A pair of the batteries C11 to Cn2 are switched from the parallel connection to the series connection by serially- connecting the battery units 1 to (n) to a plurality of stages, and controlling the switching means S11 to Sn3 stepwise for a plurality of stages of the battery units 1 to (n) with an decrease in voltage.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、エネルギーを充電
して貯蔵し該貯蔵したエネルギーを取り出すにしたがい
充放電量に応じて電圧が漸次変化する電圧変動の大きい
電池を用いた電源装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power supply device using a battery having a large voltage fluctuation, in which energy is charged and stored, and the voltage is gradually changed in accordance with the amount of charge and discharge as the stored energy is taken out.

【0002】[0002]

【従来の技術】電気二重層コンデンサを使用したECS
(Energy Capacitor System) による電力貯蔵装置は、電
気自動車の電源装置や大規模な電力貯蔵装置として注目
されている。電気二重層コンデンサは、鉛電池やニッケ
ル・カドミウム電池のような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になる。しかも、化学電池は、定電
圧デバイスであり、正常な動作範囲では負荷に給電して
もその電池に蓄えられたエネルギー量にかかわらず、そ
の端子電圧はほぼ一定の定電圧特性を示すのに対して、
電気二重層コンデンサの電池は、大量にエネルギーが貯
蔵できるという化学電池にない大きなメリットを有して
いる。しかし、電気二重層コンデンサの電池は、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
る特性を持っているため、放電に伴い蓄積されたエネル
ギー量により端子電圧が満充電電圧からゼロまで大きく
変化し、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。
2. Description of the Related Art ECS using an electric double layer capacitor
(Energy Capacitor System) has attracted attention as a power supply device for electric vehicles and a large-scale power storage device. Electric double layer capacitors can be rapidly charged by physical charging, like other capacitors, compared to chemical batteries that take a long time to charge, such as lead batteries and nickel-cadmium batteries. In addition, a chemical battery is a constant voltage device, and its terminal voltage shows almost constant constant voltage characteristics regardless of the amount of energy stored in the battery even when power is supplied to a load in a normal operating range. hand,
Electric double-layer capacitor batteries have a great advantage over chemical batteries that they can store large amounts of energy. However, the electric double-layer capacitor battery requires a large amount of stored power and attempts to use it effectively.
= For CV 2/2 of the terminal voltage based on the relationship has a characteristic that varies greatly, the terminal voltage by the stored amount of energy due to discharge is largely changed from the full-charge voltage to zero, stable rated load ECS to supply voltage
Therefore, a large adjustment of the output voltage is required.

【0003】ECSは、コンデンサと並列モニタと電流
ポンプからなる電力エネルギー貯蔵システムとして既に
各種文献(例えば電子技術、1994−12、p1〜
3、電学論B、115巻5号、平成7年 p504〜6
10など)で紹介されている。ここで、並列モニタは、
複数のコンデンサが直並列に接続されたコンデンサバン
クの各コンデンサの端子間に接続され、コンデンサバン
クの充電電圧が並列モニタの設定値を越えると充電電流
をバイパスする装置である。
[0003] ECS is a power energy storage system comprising a capacitor, a parallel monitor and a current pump.
3, Denki Kagaku B, Vol. 115, No. 5, 1995, p.
10 etc.). Here, the parallel monitor is
In this device, a plurality of capacitors are connected between terminals of each capacitor of a capacitor bank connected in series and parallel, and a charging current is bypassed when a charging voltage of the capacitor bank exceeds a set value of a parallel monitor.

【0004】上記並列モニタを備えたコンデンサバンク
は、充電する際にコンデンサバンクの充電電圧が設定値
以上に上昇しないように充電電流をバイパスして一定に
保つので、コンデンサバンク内のすべてのコンデンサ
は、設定された電圧まで均等に充電され、コンデンサの
蓄積能力をほぼ100パーセント発揮させることができ
る。したがって、並列モニタは、コンデンサの特性のバ
ラツキや残留電荷の大小がある場合にも、最大電圧の均
等化、逆流防止、充電終止電圧の検出と制御などを行
い、耐電圧いっぱいまで使えるようにするものとして、
きわめて大きな役割を持ち、エネルギー密度の有効利用
の手段として不可欠な装置である。
[0004] The capacitor bank having the parallel monitor bypasses the charging current so as to prevent the charging voltage of the capacitor bank from rising above a set value when charging, so that all capacitors in the capacitor bank are kept constant. The capacitor is charged evenly to the set voltage, and the storage capacity of the capacitor can be exerted almost 100%. Therefore, even if there are variations in the characteristics of the capacitors and the magnitude of the residual charge, the parallel monitor performs equalization of the maximum voltage, prevention of backflow, detection and control of the charge termination voltage, etc. As a thing,
It has an extremely important role and is an indispensable device for effective use of energy density.

【0005】図13はECSの標準的な構成例を示す
図、図14はECS電流ポンプの昇圧、降圧動作領域を
示す図である。ECSによる電力貯蔵装置では、図13
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。
FIG. 13 is a diagram showing an example of a standard configuration of an ECS, and FIG. 14 is a diagram showing a step-up / step-down operation region of an ECS current pump. In the power storage device using ECS, FIG.
From the electric double-layer capacitor that stores power as shown in
Electric power is taken out by a switching type DC / DC converter called a current pump, and a constant voltage is supplied to a load. The current pump used at this time may be a step-down chopper, a step-up chopper, or another DC / DC converter, but a type using a transformer is not advantageous because high efficiency is an essential condition.

【0006】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14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V
O を満充電時の1/4の電圧VO * 1と等しく選び、図
14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。
Now, in an ECS-based 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 V O is selected to be equal to the voltage V O * 4 at the time of full charge, and as shown in up of FIG. 14, the voltage is boosted by the converter and the output always becomes V O * 4. Control may be performed as follows.
At this time, the operation range of the boost converter is boosted from 1 to 4 times. In a step-down converter, the output voltage V
O is selected to be equal to 1/4 of the voltage V O * 1 at the time of full charge, and as shown in down of FIG. 14, the voltage is reduced to 1/4 at the start of discharge by the converter, and the step-down ratio is reduced in accordance with the discharge and output. Is controlled to always be V O * 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 1 /
The pressure drops from 4 to 1.

【0007】上記のようにエネルギーを取り出してゆく
と、それに伴って大きく電圧が変動(低下)するコンデ
ンサ電池等の電源では、降圧コンバータで出力電圧を安
定化する回路の場合、定格出力電圧の数倍になるように
コンデンサ電池を直列に接続して使用するため、例えば
94%のエネルギーを利用するには、定格出力電圧が1
2Vの場合でその4倍の48V程度の電池電圧が必要に
なり、このような電池電圧を入力として降圧コンバータ
により定格出力電圧の12Vを安定に取り出さなければ
ならない。そのための動作は、はじめの満充電にした状
態の電池電圧が48Vのときであれば1/4に降圧して
12Vにして取り出すが、電池電圧が次第に低下するの
に合わせて、電池電圧が24Vまで低下すると1/2、
12Vでは1/1と降圧比を変化させ、このような降圧
比の変化により出力電圧を12Vに安定化させている。
In the case of a power supply such as a capacitor battery whose voltage fluctuates greatly (decreases) as energy is extracted as described above, in the case of a circuit for stabilizing the output voltage with a step-down converter, the number of rated output voltages is reduced. In order to use 94% of energy, for example, the rated output voltage is 1
In the case of 2V, a battery voltage of about 48V, which is four times that of the battery voltage, is required, and a rated output voltage of 12V must be stably taken out by a step-down converter using such a battery voltage as input. The operation for this is as follows. When the battery voltage in the first fully charged state is 48 V, the voltage is reduced to 1/4 and taken out to 12 V, but as the battery voltage gradually decreases, the battery voltage becomes 24 V When it decreases to 1/2,
At 12V, the step-down ratio is changed to 1/1, and the output voltage is stabilized at 12V by such a change in the step-down ratio.

【0008】したがって、降圧コンバータで出力電圧を
安定化する回路の場合には、実際に使用する電圧値をは
るかに越える、定格出力電圧の3〜4倍の電池電圧が必
要であるため、安全上の問題がありあまり好ましくなか
った。例えば200Vで動作する電気自動車用には80
0Vの電池が必要になるが、この電圧になると使用半導
体の自由度が狭くなり、感電を防止するための絶縁の沿
面距離を十分とることが必要になるだけでなく、絶縁材
料も特殊なものになる。そのため、単に安全性のみなら
ず経済的な観点からも電池の低電圧化が望まれる。
[0008] Therefore, in the case of a circuit for stabilizing the output voltage by a step-down converter, a battery voltage three to four times the rated output voltage, which far exceeds the voltage value actually used, is required. There was a problem and it was not so good. For example, 80 for an electric vehicle operating at 200V
A 0V battery is required, but at this voltage, the degree of freedom of the semiconductor used is reduced, and it is necessary not only to provide sufficient insulation creepage to prevent electric shock, but also to use special insulating materials. become. Therefore, it is desired to lower the voltage of the battery not only from the viewpoint of safety but also from the viewpoint of economy.

【0009】また、昇圧コンバータで出力電圧を安定化
する回路により94%のエネルギーを利用する場合に
は、出力電圧の12Vから1/4の約3Vまでを利用す
るが、その動作は、同じようにはじめの満充電にした状
態の電池電圧が12Vの時は昇圧比が1でそのまま出力
するが、電池電圧が低下するに従い昇圧比を変化させ
て、電池電圧が6Vになると昇圧比を2に、最終的に電
池電圧が3Vになると昇圧比を4まで上げて12Vを安
定に供給するようにしなければならない。
When 94% energy is used by a circuit for stabilizing an output voltage in a boost converter, the output voltage is used from 12 V to about 1/4 of about 3 V. The operation is the same. In the first fully charged state, when the battery voltage is 12 V, the boost ratio is 1 and the output is performed as it is. However, as the battery voltage decreases, the boost ratio is changed, and when the battery voltage becomes 6 V, the boost ratio becomes 2 When the battery voltage finally becomes 3V, the boosting ratio must be increased to 4 so that 12V is supplied stably.

【0010】したがって、昇圧コンバータで出力電圧を
安定化する回路の場合には、一般に降圧コンバータに比
べて変換効率が劣るだけでなく、電池のエネルギー利用
効率を94%とすると、昇圧比が3〜4倍必要になり効
率はさらに低下する。昇圧コンバータでもこのようにあ
まり大きな昇圧比の電力用の設計は好ましくなく、昇圧
比は2倍程度が一番効率的な利用方法として望まれてい
る。
Therefore, in the case of a circuit for stabilizing the output voltage by a boost converter, not only the conversion efficiency is generally inferior to that of a step-down converter, but also if the energy use efficiency of the battery is 94%, the boost ratio becomes 3 to 3. The efficiency is further reduced by four times. Even for a boost converter, it is not preferable to design a power having such a large boost ratio, and a boost ratio of about twice is desired as the most efficient use method.

【0011】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.

【0012】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の降圧コンバータを積むことになり、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倍の昇圧コンバータを使用する
か、逆に降圧コンバータ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 to avoid an electric shock accident. However, if the voltage is lowered where a certain amount of power is required,
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 that uses the above voltage range, it is necessary to mount a capacitor that fully charges 1200V, which is four times that of the above, and a 1/4 step-down converter. And may increase safety costs. On the other hand, when fully charging 300 V, it is necessary to use a quadruple boost converter or conversely use a step-down converter to lower the output voltage to 75 V.

【0013】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。
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 switching semiconductor elements. Even with the boost type, boosting 4 times not only reduces the efficiency,
Production of the boost choke coil also becomes difficult.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】そこで、満充電状態か
らエネルギーを取り出すに従って電圧が漸次低下する電
圧変動の大きい電池、例えば電気二重層コンデンサを用
いた電源装置として、電源側電圧の定電圧化を図るため
電池の直並列切り換えを行うようにした構成が既に提案
(特開平8−168182号公報参照)されている。こ
れは、複数個の電圧変動の大きい電池と、該電池を並列
接続から直列に切り換える切り換え手段と、該切り換え
手段により並列直列切り換え接続される電池を電源とし
てスイッチング手段により負荷に供給する電圧又は電流
を制御する制御手段とを備え、切り換え手段により、電
池を電圧の低下にしたがって並列接続から直列接続に切
り換えるものである。なお、切り換え手段は、例えば半
導体素子を用いた第1乃至第3の切り換えスイッチを有
し、電池と第2の切り換えスイッチとの直列回路及び第
3の切り換えスイッチと電池との直列回路を並列に接続
し、それぞれの直列回路の直列接続点間に第1の切り換
えスイッチを接続して、第1の切り換えスイッチに対し
第2、第3の切り換えスイッチを相補的に動作させてい
る。
Therefore, as a power supply device using a large voltage fluctuation, for example, an electric double layer capacitor, in which the voltage gradually decreases as energy is extracted from a fully charged state, the power supply side voltage is made constant. To achieve this, a configuration in which the series / parallel switching of the battery is performed has already been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-168182). This is because a plurality of batteries having large voltage fluctuations, switching means for switching the batteries from parallel connection to series, and a voltage or current supplied to the load by the switching means using the batteries connected in parallel and series switching by the switching means as a power source. And a switching means for switching the battery from a parallel connection to a series connection as the voltage drops. The switching means has, for example, first to third changeover switches using a semiconductor element, and connects a series circuit of a battery and a second changeover switch and a series circuit of the third changeover switch and the battery in parallel. The first switch is connected between the series connection points of the respective series circuits, and the second and third switches are operated complementarily to the first switch.

【0015】上記提案の従来の装置によれば、制御手段
として、降圧コンバータを用いても昇圧コンバータを用
いても、降圧比や昇圧比を小さくすることができるの
で、安全性のみならず、電源効率の向上を図ることがで
き、さらには、使用半導体の選択の自由度や設計の自由
度を大きくとることができるので、装置の経済性を高め
ることができる。しかし、上記提案の従来の装置であっ
ても、並列接続から直列接続に切り換えた瞬間に出力電
圧は2倍になってしまうため、満充電電圧に対してその
1/2、つまり50%の電圧変動幅をさらに小さくする
ことはできないという問題がある。
According to the conventional apparatus proposed above, the step-down ratio and the step-up ratio can be reduced by using a step-down converter or a step-up converter as the control means. Efficiency can be improved, and moreover, the degree of freedom in selecting a semiconductor to be used and the degree of freedom in design can be increased, so that the economical efficiency of the device can be improved. However, even in the conventional device proposed above, the output voltage is doubled at the moment of switching from parallel connection to series connection, so that the voltage is 1/2 of the full charge voltage, that is, 50% of the full charge voltage. There is a problem that the fluctuation width cannot be further reduced.

【0016】[0016]

【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、コンデンサのようにエネルギーを
充電して貯蔵し該貯蔵したエネルギーを取り出すにした
がい充放電量に応じて電圧が漸次変化する電圧変動の大
きい電池を用いた電源装置の電圧の変動幅を抑えるもの
である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. The present invention solves the above-mentioned problem by charging and storing energy like a capacitor, and taking out the stored energy. An object of the present invention is to suppress a fluctuation range of a voltage of a power supply device using a battery having a large voltage fluctuation which gradually changes.

【0017】そのために本発明は、エネルギーを充電し
て貯蔵し該貯蔵したエネルギーを取り出すにしたがい充
放電量に応じて電圧が漸次変化する電圧変動の大きい電
池を用いた電源装置において、前記電圧変動の大きい1
対の電池及び該1対の電池を並列接続と直列接続との切
り換えを行う切り換え手段により電池ユニットを構成
し、該電池ユニットを複数段に直列接続するとともに、
電圧の低下にしたがって前記複数段の電池ユニットに対
して段階的に前記切り換え手段を制御して、前記1対の
電池を並列接続から直列接続に切り換えるようにしたこ
とを特徴とするものであり、また、前記電圧変動の大き
い電池は、電力貯蔵用として複数個のコンデンサを直並
列に接続した電気二重層コンデンサバンクであり、前記
切り換え手段は、電流制限回路を有し、電池ユニットの
充電時の切り換えを放電時と可逆的に行うように構成し
たことを特徴とするものである。
For this purpose, the present invention relates to a power supply device using a battery having a large voltage fluctuation in which energy is charged and stored, and the voltage gradually changes in accordance with the charge / discharge amount as the stored energy is taken out. The big one
A battery unit is configured by a pair of batteries and a switching unit that switches the pair of batteries between parallel connection and series connection, and the battery units are connected in series in a plurality of stages,
The switching unit is controlled in a stepwise manner with respect to the plurality of battery units in accordance with a decrease in voltage, so that the pair of batteries is switched from parallel connection to series connection, Further, the battery having a large voltage fluctuation is an electric double layer capacitor bank in which a plurality of capacitors are connected in series and parallel for power storage, and the switching means has a current limiting circuit, and is used when the battery unit is charged. The switching is performed reversibly with the discharging.

【0018】[0018]

【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切換
型電源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〜nは直並列切換型コ
ンデンサユニット、C11〜Cn2はコンデンサバン
ク、S11〜Sn3は切り換えスイッチ、VO は出力電
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 switching type power supply device according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram for explaining an operation range. In the figure, 1 to n indicate series-parallel switching type capacitor units, C11 to Cn2 indicate capacitor banks, S11 to Sn3 indicate changeover switches, and V O indicates an output voltage.

【0019】図1において、直並列切換型コンデンサユ
ニット1〜nは、1対のコンデンサバンクと並列接続ー
直列接続の切り換えを行う切り換えスイッチからなり、
それらを複数段にわたり縦続接続してコンデンサ電力貯
蔵装置を構成している。例えば直並列切換型コンデンサ
ユニット1は、1対のコンデンサバンクC11、C12
にそれぞれ第1の切り換えスイッチS11、第2の切り
換えスイッチS12をお互いに反対の極性側に直列に接
続し、それらの直列接続回路を並列に接続するととも
に、直列接続回路の接続点間に第3の切り換えスイッチ
S13を接続して構成される。そして、第1の切り換え
スイッチS11、第2の切り換えスイッチS12に対し
第3の切り換えスイッチS13を相補的に動作させるこ
とにより、第1の切り換えスイッチS11、第2の切り
換えスイッチS12をオンにしたときには、第3の切り
換えスイッチS13をオフにして1対のコンデンサバン
クC11、C12を並列に接続し、第3の切り換えスイ
ッチS13をオンにしたときには、第1の切り換えスイ
ッチS11、第2の切り換えスイッチS12をオフにし
て1対のコンデンサバンクC11、C12を直列に接続
する。直並列切換型コンデンサユニット2〜nも直並列
切換型コンデンサユニット1と同じ構成であり、直並列
切換型コンデンサユニット1、2、……、nが直列に接
続され、出力電圧VO が得られる。なお、コンデンサバ
ンクC11〜Cn2は、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る。
In FIG. 1, each of the series-parallel switching capacitor units 1 to n includes a pair of capacitor banks and a switch for switching between parallel connection and series connection.
These are cascaded over a plurality of stages to form a capacitor power storage device. For example, the series-parallel switching capacitor unit 1 includes a pair of capacitor banks C11 and C12.
Respectively, a first changeover switch S11 and a second changeover switch S12 are connected in series on opposite polarities, respectively, and the series connection circuits are connected in parallel, and a third switch is connected between the connection points of the series connection circuits. The switch S13 is connected. When the first switch S11 and the second switch S12 are turned on by operating the third switch S13 complementarily to the first switch S11 and the second switch S12. When the third switch S13 is turned off to connect a pair of capacitor banks C11 and C12 in parallel, and the third switch S13 is turned on, the first switch S11 and the second switch S12 are turned on. Is turned off, and a pair of capacitor banks C11 and C12 are connected in series. The series-parallel switching type capacitor units 2 to n also have the same configuration as the series-parallel switching type capacitor unit 1, and the series-parallel switching type capacitor units 1, 2,..., N are connected in series, and an output voltage V O is obtained. . The capacitor banks C11 to Cn2 are formed by connecting a plurality of electric double layer capacitors having, for example, a parallel monitor in series / parallel.

【0020】並列モニタは、先に紹介した文献や出願等
により既に知られているように充電電流をバイパスする
例えば半導体制御素子を有し、その制御により充電電圧
が設定値を越えるとその設定値の電圧に保って充電電流
をバイパスすると共に、並列接続した電気二重層コンデ
ンサが故障して充電異常の状態となった場合には、ター
ンオンして電気二重層コンデンサを短絡する装置であ
り、充電電流に対して逆極性に電気二重層コンデンサに
並列接続される半導体整流素子、充電電流をバイパスす
るように電気二重層コンデンサに並列接続される半導体
制御素子、その半導体制御素子を制御するモニタ制御回
路からなる。
The parallel monitor has, for example, a semiconductor control element for bypassing the charging current as already known from the above-mentioned literatures and applications, and when the charging voltage exceeds the set value by the control thereof, the set value is set. This is a device that turns on and short-circuits the electric double-layer capacitor when the electric double-layer capacitor connected in parallel fails and becomes abnormally charged. A semiconductor rectifier connected in parallel to the electric double layer capacitor in reverse polarity, a semiconductor control element connected in parallel to the electric double layer capacitor to bypass the charging current, and a monitor control circuit controlling the semiconductor control element. Become.

【0021】上記のように構成された本発明に係る直並
列切換型電源装置では、まず、同じ定格電圧、容量の各
コンデンサバンクC11〜Cn2が満充電されている
と、図1(A)に示すように各直並列切換型コンデンサ
ユニット1〜nは、第1の切り換えスイッチS11、S
21、……、Sn1、第2の切り換えスイッチS12、
S22、……、Sn2がオン、第3の切り換えスイッチ
S13、S23、……、Sn3がオフになっている。つ
まり、すべての直並列切換型コンデンサユニット1〜n
が並列に接続された状態となる。
In the series-parallel switching type power supply according to the present invention configured as described above, first, when each of the capacitor banks C11 to Cn2 having the same rated voltage and capacity is fully charged, FIG. As shown, each of the series / parallel switching type capacitor units 1 to n includes first switching switches S11 and S11.
21,..., Sn1, a second changeover switch S12,
, Sn2 are on, and the third changeover switches S13, S23, ..., Sn3 are off. That is, all the series-parallel switching type capacitor units 1 to n
Are connected in parallel.

【0022】次に、放電により各コンデンサバンクC1
1〜Cn2の充電電圧が低下し出力電圧VO の低下が少
なくともコンデンサバンクC11〜Cn2の1個分の電
圧になると、図1(B)に示すように第1の直並列切換
型コンデンサユニット1のみが第1の切り換えスイッチ
S11、第2の切り換えスイッチS12をオフ、第3の
切り換えスイッチS13をオンにする。このことによ
り、第1の直並列切換型コンデンサユニット1のみがコ
ンデンサバンクC11とC12との直列接続回路とな
り、全体としてコンデンサバンクC11の充電電圧分が
上昇する。
Next, each capacitor bank C1 is discharged by discharging.
When the charging voltage of the first to the parallel-connected capacitor unit 1 decreases as the output voltage V O decreases at least to the voltage of one of the capacitor banks C11 to Cn2, as shown in FIG. Only the first switch S11 and the second switch S12 are turned off, and the third switch S13 is turned on. As a result, only the first series-parallel switching capacitor unit 1 becomes a series connection circuit of the capacitor banks C11 and C12, and the charged voltage of the capacitor bank C11 increases as a whole.

【0023】さらに、放電により各コンデンサバンクC
11〜Cn2の充電電圧が低下し、出力電圧VO の低下
が少なくとも並列接続状態のコンデンサバンクC21〜
Cn2の1個分の電圧になると、図1(C)に示すよう
に第2の直並列切換型コンデンサユニット2が第1の切
り換えスイッチS21、第2の切り換えスイッチS22
をオフ、第3の切り換えスイッチS23をオンにする。
このことにより、第1の直並列切換型コンデンサユニッ
ト1に続いて第2の直並列切換型コンデンサユニット2
がコンデンサバンクC21とC22との直列接続回路と
なり、全体としてコンデンサバンクC21の充電電圧分
が上昇する。
Further, each capacitor bank C is discharged by discharging.
11 to Cn2, the output voltage V O decreases at least in parallel with the capacitor banks C21 to C21.
When the voltage of one Cn2 is reached, as shown in FIG. 1C, the second series-parallel switching capacitor unit 2 switches the first switching switch S21 and the second switching switch S22.
Is turned off, and the third switch S23 is turned on.
As a result, the second series-parallel switching capacitor unit 2 is connected to the first series-parallel switching capacitor unit 2.
Is a series connection circuit of the capacitor banks C21 and C22, and the charged voltage of the capacitor bank C21 increases as a whole.

【0024】以下同様に、放電により各コンデンサバン
クC11〜Cn2の充電電圧が低下し、出力電圧VO
少なくとも並列接続状態のコンデンサバンクの1個分の
電圧だけ低下する毎に、コンデンサバンクを並列接続か
ら直列接続に切り換える直並列切換型コンデンサユニッ
トを逐次増やしてゆく。このような多段切り換えによる
電圧変動の様子を示したのが図2である。このことによ
り、出力電圧VO は、図2に示すようにVU 〜VL の範
囲内で変動することになる。
Similarly, each time the discharging lowers the charging voltage of each of the capacitor banks C11 to Cn2 and the output voltage V O decreases by at least one voltage of the capacitor banks connected in parallel, the capacitor banks are connected in parallel. The number of series-parallel switching capacitor units that switch from connection to series connection is gradually increased. FIG. 2 shows a state of voltage fluctuation due to such multi-stage switching. Thus, the output voltage V O will vary within the range of V U ~V L as shown in FIG.

【0025】ここで、変動する電圧の上限値VU は、コ
ンデンサバンクC11〜Cn2の満充電電圧VCFと直並
列切換型コンデンサユニット1〜nの段数nから、その
直列接続電圧としてVU =VCF×nで求めることができ
る。また、変動する電圧の下限値VL は、第1の直並列
切換型コンデンサユニット1のみがコンデンサバンクC
11とC12との直列接続回路となったときの出力電圧
がVL からVU になるので、VL =VU −VU /(n+
1)で求めることができる。つまり、出力電圧VO の変
動幅(VU −VL )は、1/(n+1)に抑えることが
できる。例えば段数nが4であれば、変動幅は20%と
なる。
Here, the upper limit value V U of the fluctuating voltage is determined from the full charge voltage V CF of the capacitor banks C 11 to Cn 2 and the number n of stages of the series-parallel switching type capacitor units 1 to n as V U = It can be obtained by V CF × n. Also, the lower limit value VL of the fluctuating voltage is such that only the first series / parallel switching type capacitor unit 1
The output voltage when it becomes 11 and the series connection circuit of the C12 is V U from V L, V L = V U -V U / (n +
It can be obtained in 1). That is, the fluctuation width (V U -V L ) of the output voltage V O can be suppressed to 1 / (n + 1). For example, if the number of stages n is 4, the fluctuation width is 20%.

【0026】図3は本発明に係る直並列切換型電源装置
の4段切り換えの回路の構成例を示す図、図4は従来の
コンデンサ電源装置と本発明との動作比較例を説明する
ための図である。本発明に係る直並列切換型電源装置と
して、例えば図3に示すように直並列切換型コンデンサ
ユニットの段数nが4で、各コンデンサバンクの満充電
電圧VCFが30Vであるとすると、この場合の変動する
電圧の上限値VU は120Vとなり、変動する電圧の下
限値VL はその1/5に相当する電圧だけ低い96Vと
なる。したがって、従来の装置では、120Vとその1
/2の60Vとの範囲、つまり50%で変動したもの
が、本発明では、120Vと96Vとの変動の範囲、つ
まり20%に抑えることができる。実際には、第1の直
並列切換型コンデンサユニット1の直並列切り換えで
は、24Vの変動があるが、第2の直並列切換型コンデ
ンサユニット2、それ以降は、さらに各コンデンサバン
クが放電されるので、図4に示すように徐々に変動幅が
小さくなってゆく。なお、図4において、0が直並列切
り換えのない装置、1が従来の直並列切り換えを行う装
置、4が本発明に係る直並列切換型コンデンサユニット
の4段切り換えを行う装置の電圧変動の比較例を示して
いる。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a four-stage switching circuit of a series-parallel switching type power supply according to the present invention, and FIG. 4 is a diagram for explaining an operation comparison example between a conventional capacitor power supply and the present invention. FIG. For example, as shown in FIG. 3, assuming that the number n of stages of the series-parallel switching type capacitor unit is 4 and the full charge voltage V CF of each capacitor bank is 30 V as shown in FIG. next the voltage variation of the upper limit V U of 120V, the lower limit value V L of the voltage fluctuation becomes lower 96V by a voltage corresponding to the 1/5. Therefore, in the conventional device, 120 V and its 1
However, in the present invention, the range of fluctuation between 120 V and 96 V, that is, 20%, can be suppressed. Actually, in the series-parallel switching of the first series-parallel switching capacitor unit 1, there is a fluctuation of 24 V, but in the second series-parallel switching capacitor unit 2 and thereafter, each capacitor bank is further discharged. Therefore, the fluctuation width gradually decreases as shown in FIG. In FIG. 4, 0 is a device without serial-parallel switching, 1 is a device that performs conventional serial-parallel switching, and 4 is a comparison of voltage fluctuations of a device that performs four-stage switching of the series-parallel switching capacitor unit according to the present invention. An example is shown.

【0027】また、図3に示すようにそれぞれの直並列
切換型コンデンサユニットにコンパレータA1〜A31
を接続して切り換え電圧を検出する場合、各コンパレー
タA1〜A31の切り換え電圧の設定は、例えば第1段
目が24.2V、第2段目が21.3V、第3段目が1
9.5V、そして第4段目が13.2Vとなる。このよ
うに各コンデンサバンクが満充電に均等充電されていて
も、放電に伴って各段のコンデンサバンクの充電状態が
不均等になるので、充電の際に放電のときとまったく逆
に各段の直並列切り換えを行えばよい。つまり、充電と
放電で各段とも可逆的に動作させればよい。なお、可逆
充電を行う場合には、直列から並列に切り換える際に、
それらのコンデンサバンク間に電圧の差があると、その
差電圧に基づき大きな短絡電流が流れる。そこで、この
ような過渡的に大電流が流れるのを避けるためには、F
ETを使ったスイッチ全部に定電圧電源で使われている
ような電流制限回路が接続される。これは、電流検出部
とトランジスタとを用いた簡単な回路からなるものであ
る。
As shown in FIG. 3, each of the series-parallel switching type capacitor units has comparators A1 to A31.
Is connected to detect the switching voltage, the setting of the switching voltage of each of the comparators A1 to A31 is, for example, 24.2 V for the first stage, 21.3 V for the second stage, and 1 for the third stage.
9.5V, and the fourth stage becomes 13.2V. In this way, even if each capacitor bank is fully charged evenly, the state of charge of each stage of the capacitor bank becomes uneven with the discharge. Serial-parallel switching may be performed. In other words, each stage may be operated reversibly by charging and discharging. When performing reversible charging, when switching from series to parallel,
If there is a voltage difference between the capacitor banks, a large short-circuit current flows based on the voltage difference. In order to avoid such a transient large current flow,
A current limiting circuit used in a constant voltage power supply is connected to all switches using ET. This is a simple circuit using a current detection unit and a transistor.

【0028】次に、本発明に係る直並列切換型電源装置
の切り換えスイッチを制御する直並列切り換え回路の構
成例を説明する。図5は直並列切り換え回路の構成例を
示す図、図6は直並列切り換え回路の他の構成例を示す
図であり、11、22、27は比較器、12−1〜12
−nはアンドゲート、13−1〜13−nは切換制御
器、21、26は減算回路、VREF は基準電圧、VO
出力電圧、VCnはコンデンサバンク電圧を示す。
Next, an example of the configuration of a series-parallel switching circuit for controlling the changeover switch of the series-parallel switching type power supply according to the present invention will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a series-parallel switching circuit, FIG. 6 is a diagram illustrating another configuration example of a series-parallel switching circuit, 11, 22 and 27 are comparators, and 12-1 to 12-12.
-N is an AND gate, 13-1 to 13-n are switching controllers, 21 and 26 are subtraction circuits, V REF is a reference voltage, V O is an output voltage, and V Cn is a capacitor bank voltage.

【0029】上記実施の形態では、放電による電圧の低
下に伴って各コンデンサユニット毎にコンパレータによ
り切り換え電圧を検出してコンデンサバンクを並列から
直列に接続切り換えを行ったが、出力電圧VO を検出し
て切り換え電圧を判断することもできる。その例を示し
たのが図5であり、この場合には、比較器11で出力電
圧VO を基準電圧VREF と比較してコンデンサバンクの
並列から直列への切り換えを順次行うようにする。すな
わち、図5に示す回路では、まず、基準電圧VREF を図
2に示した変動する電圧の下限値VL に設定して、比較
器11では、出力電圧VO が基準電圧VREF 、つまり下
限値VL より小さくなると切換信号(例えば論理「1」
の信号)を出力する。アンドゲート12−1と切換制御
器13−1は、第1段目のコンデンサユニット1の切り
換えを制御する回路を構成し、アンドゲート12−2と
切換制御器13−2は、第2段目のコンデンサユニット
2の切り換えを制御する回路を、アンドゲート12−3
と切換制御器13−3は、第3段目のコンデンサユニッ
ト3の切り換えを制御する回路を、……、アンドゲート
12−nと切換制御器13−nは、第n段目のコンデン
サユニットnの切り換えを制御する回路をそれぞれ構成
している。そして、アンドゲート12−1〜12−n
は、前段のコンデンサユニットの切換制御信号と比較器
11の切換信号を入力信号とし、前段のコンデンサユニ
ットが直列接続に切り換わっていること及び出力電圧が
基準電圧より小さくなったことを条件に、出力信号が論
理「1」となりそのコンデンサユニットの切換制御器を
動作させる。切換制御器13−1〜13−nは、アンド
ゲート12−1〜12−nの論理条件が満足したときの
出力信号により動作し、そのコンデンサユニットのコン
デンサバンクの接続を並列から直列に切り換える。
In the above embodiment, the switching voltage is detected by the comparator for each capacitor unit as the voltage drops due to the discharge, and the connection of the capacitor banks is switched from parallel to series, but the output voltage V O is detected. Then, the switching voltage can be determined. FIG. 5 shows an example of this case. In this case, the comparator 11 compares the output voltage V O with the reference voltage V REF, and sequentially switches the capacitor banks from parallel to series. That is, in the circuit shown in FIG. 5, first, the reference voltage V REF is set to the lower limit value VL of the fluctuating voltage shown in FIG. 2, and in the comparator 11, the output voltage V O becomes the reference voltage V REF , that is, When the voltage becomes lower than the lower limit value V L , a switching signal (for example, logic “1”)
Is output. The AND gate 12-1 and the switching controller 13-1 constitute a circuit for controlling switching of the first stage capacitor unit 1, and the AND gate 12-2 and the switching controller 13-2 constitute a second stage. A circuit for controlling the switching of the capacitor unit 2 of the AND gate 12-3
And the switching controller 13-3 are circuits for controlling switching of the third-stage capacitor unit 3..., And the AND gate 12-n and the switching controller 13-n are , Respectively. And gates 12-1 to 12-n
Is a switching control signal of the previous-stage capacitor unit and a switching signal of the comparator 11 as input signals, provided that the previous-stage capacitor unit is switched to a series connection and that the output voltage is smaller than the reference voltage. The output signal becomes logic "1", and operates the switching controller of the capacitor unit. The switching controllers 13-1 to 13-n operate according to output signals when the logical conditions of the AND gates 12-1 to 12-n are satisfied, and switch the connection of the capacitor banks of the capacitor units from parallel to series.

【0030】切り換え電圧として変動する電圧の下限値
L を用いた上記の例に対し、図6(A)に示す例は、
切り換え電圧を変動する電圧の上限値VU とするもので
ある。この場合、図6(A)において、減算回路21
は、基準電圧VREF から出力電圧VO を減算し、比較器
22は、この減算した値と最終段のコンデンサユニット
のコンデンサバンク電圧VCnとを比較する。ここで、基
準電圧VREF は、上限値VU に設定し、出力電圧VO
最終段のコンデンサユニットのコンデンサバンク電圧V
Cnより低下すると切換信号を比較器22から出力するよ
うに構成している。つまり、最終段のコンデンサユニッ
トのコンデンサバンク電圧VCnは、各コンデンサユニッ
トのうち、並列接続されているコンデンサユニットのコ
ンデンサバンク電圧の代表値として用いている。
[0030] The above example using the lower limit value V L of the voltage that varies as a switching voltage to the example shown in FIG. 6 (A),
It is an upper limit value V U of the voltage varying switching voltages. In this case, in FIG.
Subtracts the output voltage V O from the reference voltage V REF , and the comparator 22 compares the subtracted value with the capacitor bank voltage V Cn of the last-stage capacitor unit. Here, the reference voltage V REF is set to the upper limit value V U , and the output voltage V O is the capacitor bank voltage V of the last stage capacitor unit.
The switching signal is output from the comparator 22 when the voltage falls below Cn . That is, the capacitor bank voltage V Cn of the last stage capacitor unit is used as a representative value of the capacitor bank voltage of the capacitor units connected in parallel among the capacitor units.

【0031】また、図6(B)に示す例は、変動する電
圧の平均値が一定になるように切り換え電圧を制御する
ものである。そのため、図6(B)において、減算回路
26は、基準電圧VREF から出力電圧VO を減算し、比
較器27は、この減算した値と最終段のコンデンサユニ
ットのコンデンサバンク電圧VCnの1/2の値とを比較
する。そして、基準電圧VREF は、上限値VU と下限値
L との中間の値、つまり変動する電圧の平均値VM
(VU +VL )/2とする。このようにすることによ
り、出力電圧VO が平均値VM よりVCn/2以上低下す
ると、コンデンサユニットが並列から直列に接続が切り
換わるので、その直後の出力電圧VO は、逆にVCn/2
大きくなる。
In the example shown in FIG. 6B, the switching voltage is controlled so that the average value of the fluctuating voltage becomes constant. Therefore, in FIG. 6 (B), the subtraction circuit 26 subtracts the output voltage V O from the reference voltage V REF , and the comparator 27 calculates the difference between the subtracted value and the capacitor bank voltage V Cn of the last stage capacitor unit. / 2 value. Then, the reference voltage V REF is a value between the upper limit V U and the lower limit value V L, the average value of the voltage that is variation V M =
(V U + V L ) / 2. By doing so, when the output voltage V O falls below the average value V M by V Cn / 2 or more, the connection of the capacitor unit is switched from parallel to series, so that the output voltage V O immediately after that is conversely V Cn / 2
growing.

【0032】上記のようにコンデンサユニットの段数を
増やすことにより、出力電圧の変動幅は小さくなるの
で、±10%あるいはそれ以内という電池並みの電圧安
定度のある電源装置が実現できる。しかも、高効率で、
大きなチョークコイルや高圧大電流・高速のスイッチな
どを要求することなく実現できる。勿論、従来の装置と
同様に降圧チョッパ回路や昇圧チョッパ回路を用いてさ
らに出力電圧を安定化するように構成してもよい。次
に、1つのコンデンサユニットの構成例により出力電圧
の安定化を具体的に説明する。
By increasing the number of stages of the capacitor unit as described above, the fluctuation range of the output voltage is reduced, so that a power supply device having a voltage stability of ± 10% or less, comparable to a battery, can be realized. And with high efficiency,
It can be realized without requiring a large choke coil or high-voltage, large-current, high-speed switch. Of course, the output voltage may be further stabilized by using a step-down chopper circuit or a step-up chopper circuit as in the conventional device. Next, stabilization of the output voltage will be specifically described with reference to a configuration example of one capacitor unit.

【0033】図7は出力電圧の安定化回路の構成例を示
す図、図8は動作範囲を説明するための図であり、31
は降圧チョッパ回路、32は昇圧チョッパ回路、34は
比較器、35は降圧チョッパ制御回路、36は昇圧チョ
ッパ制御回路、37はインバータ、38は誤差増幅器、
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、VrOは基
準電圧を示す。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of an output voltage stabilizing circuit, and FIG. 8 is a diagram for explaining an operation range.
Is a step-down chopper circuit, 32 is a step-up chopper circuit, 34 is a comparator, 35 is a step-down chopper control circuit, 36 is a step-up chopper control circuit, 37 is an inverter, 38 is an error amplifier,
D D and D U are unidirectional rectifiers, CH D and CH U are chopper switching elements, L is a choke coil, and V rO is a reference voltage.

【0034】図7において、チョークコイルLは、降圧
チョッパ回路31及び昇圧チョッパ回路32で共用する
ものであり、降圧チョッパ回路31及び昇圧チョッパ回
路32は、電源電圧の変動範囲の中間でチョッパの動作
を降圧チョッパ回路31から昇圧チョッパ回路32へ切
り替えるようにしている。降圧チョッパ回路31の動作
時は、昇圧チョッパ回路32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32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。
In FIG. 7, the choke coil L is shared by the step-down chopper circuit 31 and the step-up chopper circuit 32. The step-down chopper circuit 31 and the step-up chopper circuit 32 operate the chopper in the middle of the fluctuation range of the power supply voltage. Are switched from the step-down chopper circuit 31 to the step-up chopper circuit 32. During operation of the step-down chopper circuit 31, chopper switching element CH U of the step-up chopper circuit 32 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. When the boost chopper circuit 32 operates, the chopper switching element CH D
There while still turned on, chopper switching element CH U is boosted by ON / OFF, adjust the output voltage to the rated voltage of the load.

【0035】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、電源電圧の変動範囲の中間の値が設
定される。例えば電源電圧の変動範囲を120V〜96
V、負荷の定格電圧を108Vとすると、上限値の12
0Vから108Vまでの領域を降圧チョッパ回路で制御
し、108Vから下限値の96Vまでの領域を昇圧チョ
ッパ回路で制御して定格電圧の108Vを供給するもの
である。
The reference voltage V rO corresponds to the rated voltage supplied to the load of the power storage device, and is used as a reference voltage for detecting an error in the chopper control, and at the same time, for switching between the step-down chopper control and the step-up chopper control. And an intermediate value in the fluctuation range of the power supply voltage is set. For example, the variation range of the power supply voltage is 120 V to 96
V and the rated voltage of the load is 108 V, the upper limit of 12
The region from 0 V to 108 V is controlled by the step-down chopper circuit, and the region from 108 V to the lower limit of 96 V is controlled by the step-up chopper circuit to supply the rated voltage of 108 V.

【0036】比較器34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より大きい場合には、出力信号をアクティブ
(論理「1」)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(論理「0」)にするもので
あり、インバータ37は、この比較器34の出力信号を
反転させるものである。誤差増幅器38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35及び昇圧チョッパ制御回路36の制御信号として
使用される。
The comparator 34 compares the terminal voltage and the reference voltage V and rO power storage unit, when the terminal voltage of the power storage unit is greater than the reference voltage V and rO is the output signal active (logic "1 )), And becomes smaller than the reference voltage V rO ,
The output signal is made non-active (logic "0"), and the inverter 37 inverts the output signal of the comparator 34. The error amplifier 38 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 35 and the step-up chopper control circuit 36. Is done.

【0037】降圧チョッパ制御回路35は、比較器34
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38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34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 35 includes a comparator 34
Operates on the condition that the output signal of
The chopper switching element CH D based on the error amplification signal of the error amplifier 38 turns on / off control, to stop the operation and the output signal of the comparator 34 becomes non-active, turns on the chopper switching element CH D, unidirectional a rectifying element D D is to the oFF state.

【0038】昇圧チョッパ制御回路36は、インバータ
37を通して比較器34の出力信号を入力することによ
って、比較器34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C
U をオフの状態にし、比較器34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38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 step-up chopper control circuit 36 stops the operation on condition that the output signal of the comparator 34 is active by inputting the output signal of the comparator 34 through the inverter 37, and the chopper switching element C
H U is turned off, and the operation is performed when the output signal of the comparator 34 becomes non-active, and on / off control of the chopper switching element CH U is performed based on the error amplification signal of the error amplifier 38.

【0039】次に、全体の動作を説明する。いま、各コ
ンデンサユニットのコンデンサバンクが満充電状態、つ
まり図8(コンデンサユニットが1段の場合の例で示し
ている)の放電電力量が0%にあると、比較器34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35が動作し、昇圧チョッパ制御回路36は動作
を停止している。したがって、降圧チョッパ回路31に
より電力貯蔵部の電圧をVrOまで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8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34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35が動作を停止し、昇圧
チョッパ制御回路36が動作を開始する。さらに放電電
力量が増え電力貯蔵部の電圧が低下して下限値になる
と、先に説明したようにコンデンサユニットの切り換え
スイッチが動作してコンデンサバンクを並列接続から直
列接続に切り換えるので、電力貯蔵部の電圧がほぼ始め
の電圧まで上がる。したがって、比較器34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3
6が動作を停止し、降圧チョッパ制御回路35が動作を
開始する。このようにして電力貯蔵部の最終段のコンデ
ンサユニットのコンデンサバンクを並列接続から直列接
続に切り換え所定電圧以下に低下す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 bank of each capacitor unit is in a fully charged state, that is, when the amount of discharged power in FIG. 8 (shown in the example of one capacitor unit) is 0%, the output signal of the comparator 34 becomes active. Therefore, the step-down chopper control circuit 35 operates and the step-up chopper control circuit 36 stops operating. Therefore, the voltage of the power storage unit is reduced to VrO by the step-down chopper circuit 31, and is supplied to the load. As shown in FIG. 8, as the amount of discharged power increases, the voltage of the power storage unit decreases, and when the voltage becomes equal to the rated voltage of the load, the output signal of the comparator 34 becomes inactive. The operation is stopped, and the boost chopper control circuit 36 starts operating. Further, when the amount of discharged power increases and the voltage of the power storage unit decreases to the lower limit, the switch of the capacitor unit is operated to switch the capacitor bank from parallel connection to series connection as described above, so that the power storage unit Voltage rises to almost the initial voltage. Therefore, the output signal of comparator 34 becomes active again, so that boost chopper control circuit 3
6 stops operating, and the step-down chopper control circuit 35 starts operating. In this way, it is possible to switch the capacitor bank of the last-stage capacitor unit of the power storage unit from parallel connection to series connection, and to supply power to the load at the rated voltage until the voltage drops below a predetermined voltage.

【0040】なお、電源電圧の変動範囲を120V〜9
6Vの場合、負荷の定格電圧をその中間の108Vにし
たが、負荷の定格電圧を100Vとしても、105Vと
してもよいし、変動範囲内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、変動範囲の下限値と負荷の定
格電圧とを同じにした場合には、降圧チョッパ回路のみ
で構成される。図9は昇圧チョッパ回路又は降圧チョッ
パ回路のいずれか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、放電の終点を下限値VL とする
か、上限値VU の50%の電圧とするか、どのレベルに
するかは適宜設定自由であり、それに応じて昇圧チョッ
パ回路、降圧チョッパ回路の動作範囲が設定される。
It is to be noted that the fluctuation range of the power supply voltage is 120 V to 9
In the case of 6 V, the rated voltage of the load is set to the intermediate value of 108 V. However, the rated voltage of the load may be set to 100 V or 105 V, and it is needless to say that the rated voltage of the load can be arbitrarily set within a fluctuation range. . In this case, if the voltage at full charge and the rated voltage of the load are the same, only the boost chopper circuit is used.If the lower limit of the fluctuation range and the rated voltage of the load are the same, It consists only of a chopper circuit. FIG. 9 is a diagram showing respective control regions when configured with either a step-up chopper circuit or a step-down chopper circuit. Also, whether the end point of the discharge and the lower limit value V L, or 50% of the voltage of the upper limit value V U, is either free appropriately set to any level, the boost chopper circuit accordingly, the step-down chopper circuit The operation range is set.

【0041】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、
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。
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,
It may be combined with an AC / DC conversion circuit such as a three-phase or six-phase polyphase bridge inverter or the like, and a reversible power storage device may be realized using the combination.

【0042】図10は単相ブリッジインバータの構成例
を示す図、図11は可逆型電力貯蔵装置の構成例を示す
図、図12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10(A)に示す単相ブリッジ
インバータを使用し、図10(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、電圧変動幅を抑えることができるので、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11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12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. 10 is a diagram showing a configuration example of a single-phase bridge inverter, FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of a reversible power storage device, and FIG. 12 is a diagram showing a modified example of a converted waveform in the case of pulse width modulation. is there. Using the single-phase bridge inverter shown in FIG. 10A, a PWM as shown in FIG.
When converting from DC to sine wave AC by (pulse width modulation), a considerably deep pulse width modulation is required in the process to obtain a sine wave with few harmonics. Most large inverters for power use have input fluctuation specifications within ± 20%. If the DC input voltage fluctuates significantly, 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 state where the operation is performed, and the design becomes difficult. However, if the power storage device is configured to switch the capacitor bank in series / parallel as described above, the voltage fluctuation width can be suppressed, and further,
By combining the above choppers, the input fluctuation width can be suppressed to a small value. Therefore, a reversible power storage device can be realized by replacing a unidirectional rectifier with a bidirectional switching element and connecting a PWM inverter as shown in FIG. Moreover, PWM
The parts can be made much easier, with a stable and efficient design. In this case, by controlling the inverter in the reverse direction, the capacitor can be treated as a constant current charger, and the same device can be used also as the charger.
Further, 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 square wave shown in FIG. Such a modified rectangular wave can also be adopted.

【0043】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、同じ定格電圧、容量のユニット、電
気二重層コンデンサバンクを用いた構成で説明したが、
定格電圧、容量の異なるものを組み合わせ、例えば直並
列切り換えを行う前段のユニットより後段のユニットに
対して定格電圧の高い、あるいは容量の小さいものを用
いてもよい。さらには、直並列切り換えを行うユニット
を1つずつだけでなく、電圧の低下に伴い複数ユニット
をグルーピングし、その数を段階的に変えるようにして
もよいし、これらを組み合わせてもよい。また、先に述
べたように並列から直列に切り換えを行うユニットの制
御段に応じて電圧変動幅が変化し次第に小さくなるの
で、この変化に合わせて図5、6に示した基準電圧V
REF を変化させるようにしてもよい。直並列切換型コン
デンサユニットとして電気二重層コンデンサバンクを用
いた直並列切換型電源装置について説明したが、エネル
ギーを充電して貯蔵し該貯蔵したエネルギーを取り出す
にしたがい充放電量に応じて電圧が漸次変化する電圧変
動の大きい電池であれば他のコンデンサや二次電池など
の蓄電手段にも同様に適用できる。
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, a configuration using units having the same rated voltage and capacity and an electric double layer capacitor bank has been described.
Units having different rated voltages and capacities may be combined. For example, a unit having a higher rated voltage or a smaller capacity may be used for a unit at a subsequent stage than a unit at a stage before performing serial-parallel switching. Further, not only one unit for performing the serial / parallel switching, but also a plurality of units may be grouped with a decrease in voltage, and the number thereof may be changed stepwise, or these may be combined. Further, as described above, the voltage fluctuation width changes according to the control stage of the unit that switches from parallel to series, and gradually decreases, so that the reference voltage V shown in FIGS.
REF may be changed. The series-parallel switching power supply device using the electric double layer capacitor bank as the series-parallel switching capacitor unit has been described. However, as the energy is charged and stored, and the stored energy is taken out, the voltage is gradually increased according to the charge / discharge amount. The present invention can be similarly applied to power storage means such as another capacitor and a secondary battery as long as the battery has a large voltage change that changes.

【0044】[0044]

【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、1対のコンデンサバンクを並列から直列に切
り換え接続するコンデンサユニットを複数段に直列接続
し、放電に伴う電圧の低下にしたがって、コンデンサユ
ニットを段階的に並列から直列に切り換え接続するの
で、コンデンサユニットの段数に応じて電圧の変動幅を
抑えることができる。したがって、大型の電力エネルギ
ー貯蔵や電気バス、トラックなどにおいて、電圧変動幅
を抑えるのにチョッパ型スイッチングコンバータを用い
る場合にも、コンバータの小型化を図ることができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, a plurality of capacitor units for switching and connecting a pair of capacitor banks in series from parallel to series are connected in series to reduce the voltage accompanying discharge. Therefore, since the capacitor units are switched from parallel to series in a stepwise manner, the fluctuation range of the voltage can be suppressed according to the number of stages of the capacitor units. Therefore, the size of the converter can be reduced even when a chopper-type switching converter is used to suppress the voltage fluctuation width in large-scale electric energy storage, electric buses, trucks, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る直並列切換型電源装置の実施の
形態を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a series-parallel switching type power supply 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】 本発明に係る直並列切換型電源装置の4段切
り換えの回路の構成例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a four-stage switching circuit of the series-parallel switching power supply device according to the present invention.

【図4】 従来のコンデンサ電源装置と本発明との動作
比較例を説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining an operation comparison example between a conventional capacitor power supply device and the present invention.

【図5】 直並列切り換え回路の構成例を示す図であ
る。
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a series-parallel switching circuit.

【図6】 直並列切り換え回路の他の構成例を示す図で
ある。
FIG. 6 is a diagram illustrating another configuration example of the series-parallel switching circuit.

【図7】 出力電圧の安定化回路の構成例を示す図であ
る。
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of an output voltage stabilizing circuit;

【図8】 動作範囲を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an operation range.

【図9】 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. 9 is a diagram showing respective control regions when configured with a step-up chopper circuit or a step-down chopper circuit.

【図10】 単相ブリッジインバータの構成例を示す図
である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a single-phase bridge inverter.

【図11】 可逆型電力貯蔵装置の構成例を示す図であ
る。
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a reversible power storage device.

【図12】 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. 12 is a diagram showing a modified example of a converted waveform in the case of pulse width modulation.

【図13】 ECSの標準的な構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a standard configuration example of an ECS.

【図14】 ECS電流ポンプの昇圧、降圧動作領域を
示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a step-up / step-down operation region of the ECS current pump.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1〜n…直並列切換型コンデンサユニット、C11〜C
n2…コンデンサバンク、S11〜Sn3…切り換えス
イッチ、VO …出力電圧
1 to n: series-parallel switching capacitor unit, C11 to C
n2: capacitor bank, S11 to Sn3: switch, V O : output voltage

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 エネルギーを充電して貯蔵し該貯蔵した
エネルギーを取り出すにしたがい充放電量に応じて電圧
が漸次変化する電圧変動の大きい電池を用いた電源装置
において、前記電圧変動の大きい1対の電池及び該1対
の電池を並列接続と直列接続との切り換えを行う切り換
え手段により電池ユニットを構成し、該電池ユニットを
複数段に直列接続するとともに、電圧の低下にしたがい
前記複数段の電池ユニットに対して段階的に前記切り換
え手段を制御して、前記1対の電池を並列接続から直列
接続に切り換えるようにしたことを特徴とする直並列切
換型電源装置。
1. A power supply device using a battery having a large voltage fluctuation in which a voltage gradually changes in accordance with a charge / discharge amount as energy is charged and stored, and the stored energy is taken out. And a switching means for switching the pair of batteries between a parallel connection and a series connection to form a battery unit, wherein the battery units are connected in series in a plurality of stages, and the plurality of batteries are connected in accordance with a decrease in voltage. A series-parallel switching type power supply device, wherein the switching means is controlled stepwise with respect to a unit to switch the pair of batteries from parallel connection to series connection.
【請求項2】 前記電圧変動の大きい電池は、電力貯蔵
用として複数個のコンデンサを直並列に接続した電気二
重層コンデンサバンクであることを特徴とする請求項1
記載の直並列切換型電源装置。
2. The battery according to claim 1, wherein the battery having a large voltage fluctuation is an electric double layer capacitor bank in which a plurality of capacitors are connected in series and parallel for power storage.
A series-parallel switching type power supply device as described in the above.
【請求項3】 前記切り換え手段は、電流制限回路を有
し、電池ユニットの充電時の切り換えを放電時と可逆的
に行うように構成したことを特徴とする請求項1記載の
直並列切換型電源装置。
3. The series-parallel switching type according to claim 1, wherein said switching means has a current limiting circuit, and is configured so that switching at the time of charging the battery unit is reversibly performed at the time of discharging. Power supply.
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