KR20110104883A - 직류 전원 장치 - Google Patents

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미쯔요시 가노
마사히꼬 아마노
유끼오 이이다
요시끼 하마
게이조 야마다
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신코베덴키 가부시키가이샤
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Abstract

축전 수단으로서 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 사용하는 직류 전원 장치에 있어서, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 최대한 활용하고, 게다가 부하에의 급전을 유지할 수 있는 직류 전원 장치를 제공하는 것이다. 축전 수단은, 부하에 병렬로 접속되는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)과 납 축전지(3)와, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 전압을 검출하는 전압 검출 수단(5)을 구비한다. 전압 검출 수단(5)이 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 전압이 유닛 하한 전압에 도달한 것을 검출하면, 제어 회로(7)가 스위칭 회로(SW1)를 도통 상태로 하는 도통 신호를 출력한다. 스위칭 회로(SW1)가 도통 상태로 되면, 이차 전지(3)로부터 모터(M)에 전력이 공급된다. 이 때 이차 전지(3)로부터 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 충전이 행해진다.

Description

직류 전원 장치{DC POWER SUPPLY DEVICE}
본 발명은, 축전 수단으로부터의 방전에 의해, 부하에 직류 전력을 공급하는 직류 전원 장치에 관한 것이다.
종래, 전기 자동차의 모터 등의 부하에 직류 전력을 공급하기 위한 직류 전원 장치에는, 비교적 용량이 큰 캐패시터(컨덴서)를 이용하고 있는 것이 있다(예를 들면, 실용신안 공개 평3-104002호 공보). 또한, 캐패시터는 전하가 없어지면 전력을 공급할 수 없게 되므로, 이차 전지(배터리)와 병용함으로써, 직류 전원의 사용 시간을 연장시키는 고안을 하고 있는 직류 전원 장치도 있다(예를 들면, 특허 공개 평6-270695호 공보[특허 문헌 2], 특허 공개 제2009-112122호 공보[특허 문헌 3], 특허 공개 제2004-266888호 공보[특허 문헌 4] 및 특허 공개 제2010-4587호 공보[특허 문헌 5]). 특히, 특허 문헌 3 및 5에서는, 대용량의 캐패시터로서 리튬 이온 캐패시터를 사용하여 필요 최대 전력을 공급하고, 이차 전지의 필요 최대 전력을 작게 하는 것이 개시되어 있다.
[특허 문헌 1] 실용신안 공개 평3-104002호 공보 [특허 문헌 2] 특허 공개 평6-270695호 공보 [특허 문헌 3] 특허 공개 제2009-112122호 공보 [특허 문헌 4] 특허 공개 제2004-266888호 공보 [특허 문헌 5] 특허 공개 제2010-4587호 공보
그러나, 리튬 이온 캐패시터에는, 특성상 필연적으로 정해지는 하한 전압을 하회하여 과방전 상태로 되면, 재충전하였다고 하여도, 원래의 특성을 얻을 수 없다고 하는 성질이 있다. 그 때문에, 종래 리튬 이온 캐패시터를 구비한 직류 전원 장치에서는, 리튬 이온 캐패시터를 최대한 활용하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있다.
또한, 리튬 이온 캐패시터에 비해, 이차 전지는, 급격한 충방전이나 과방전ㆍ과충전에 의해서 열화되기 쉽고, 종래의 제어 방법에 따라서는, 이차 전지가 열화된다고 하는 문제가 있다. 예를 들면, 특허 문헌 4에 기재된 구성에서는, 이차 전지가 주전원과 릴레이를 통하여 병렬로 접속되어 있다. 그 때문에 충방전 시에는 이차 전지에도 제한 없이 큰 부하가 접속되게 된다. 특허 문헌 5에 기재된 구성에서는, 이차 전지의 사용 빈도가 높다. 또한, DC/DC 컨버터를 상시 사용하고 있기 때문에 항상 전력을 소비하게 된다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 복수의 리튬 이온 캐패시터를 직렬로 접속하여 구성된 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 축전 수단으로서 사용하는 경우에, 리튬 이온 캐패시터를 최대한 활용하고, 게다가 부하에의 급전을 유지할 수 있는 직류 전원 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 주전원으로서 이용하고, 이차 전지를 예비 전원으로서 이용하는 직류 전원 장치에서, 이차 전지의 부담을 줄여서 이차 전지의 열화를 억제하고, 수명을 연장시키는 데 있다. 또한, 안정적으로 전력의 공급이 가능한 직류 전원 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 리튬 이온 캐패시터를 이용하는 경우에서, 부하에의 급전 시간을 연장시킬 수 있는 직류 전원 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛 및 이차 전지를 구비한 직류 전원 장치를 효율적으로 충전하는 충전 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 직류 전원 장치가 사용되는 환경 온도에 적합한 조건에서 이차 전지를 충전 가능한 직류 전원 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 직류 전원 장치는, 부하에 병렬로 접속되는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛과, 부하 및 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 병렬로 접속 가능한 이차 전지와, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압을 검출하는 전압 검출 수단과, 이차 전지를 부하 및 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 병렬로 접속하기 위한 전환 회로를 구비하고 있다.
일반적인 리튬 이온 캐패시터는, 단체에서는 3.8V 정도이므로, 용도에 맞춰서 복수의 리튬 이온 캐패시터를 직렬로 접속하여 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 구성하여, 필요한 출력 전압을 얻는다. 또한, 이차 전지는, 예를 들면, 납 축전지나 리튬 이온 전지 등의 충방전 가능한 것이면 되고, 그 종류는 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 구성하는 각 리튬 이온 캐패시터의 전압이 전술한 하한 전압을 인터럽트하게 되는 것을 피하기 위해, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압을 전압 검출 수단에 의해 검출하고, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 유닛 하한 전압에 도달하면, 전환 회로가 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 이차 전지를 병렬로 접속하여, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛 내의 복수의 리튬 이온 캐패시터가 하한 전압 이하로 저하하는 것을 방지한다. 동시에, 전환 회로가 이차 전지를 부하에 접속하고, 부하에의 급전을 계속한다. 그 결과, 본 발명에 따르면, 리튬 이온 캐패시터의 수명을 저하시키지 않고, 리튬 이온 캐패시터를 최대한 활용하여, 부하에의 급전을 유지할 수 있다. 또한, 평소에는 이차 전지를 사용하지 않으므로, 소용량의 이차 전지로 충분하게 되어, 직류 전원 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 이차 전지의 충방전을 반복하는 경우도 적어지므로, 이차 전지의 수명도 연장시킬 수 있다고 하는 효과도 있다.
본원 명세서에서 「유닛 하한 전압」이란, 직렬로 접속되어 있는 복수의 리튬 이온 캐패시터의 하한 전압의 합계값보다도 높고, 이차 전지의 정격 전압보다도 낮은 전압값이다. 리튬 이온 캐패시터의 전압이 하한 전압 이하로 내려가는 것을 방지할 수 있는 값이다.
본 발명의 직류 전원 장치는, 모터에 의해 구동하는 자동 반송차(AGV) 등과 같이, 동작 도중에 정지하는 것이 작업에 지장을 초래하는 용도에 적합하다. 일반적으로는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 저하한 경우에는, 자동 반송차이면, 대기 스테이션에 자동 반송차가 되돌아온 시점에서 충전 장치(외부 충전기)에 의해, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 충전하게 된다. 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 유닛 하한 전압 이하로 되면, 근처에 대기 스테이션이 존재하지 않는 경우라도, 이차 전지가 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 병렬로 접속되어, 모터에의 급전이 계속되므로, 자동 반송차는 대기 스테이션까지 되돌아갈 수 있다. 또한 이차 전지는, 부하의 전원으로 됨과 동시에 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 충전용 전원으로도 된다.
전환 회로는, 전술한 전환 동작을 행할 수 있으면, 그 구성은 임의이다. 예를 들면, 전환 회로를 반도체 스위치나 전자 스위치와 같이 제어 가능한 스위칭 회로를 이용하여 구성하여도 된다. 이와 같은 스위칭 회로를 이용하는 경우에는, 부하의 한 쌍의 입력부에 접속되는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 한 쌍의 입출력부의 한쪽과, 이차 전지의 한 쌍의 입출력부의 한쪽을 전기적으로 접속하여, 스위칭 회로를, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 한 쌍의 입출력부의 다른 쪽과, 이차 전지의 한 쌍의 입출력부의 다른 쪽과의 사이에 배치하면 된다. 스위칭 회로는, 전압 검출 수단이 유닛 하한 전압을 검출하면 도통 상태로 된다. 이와 같이 구성함으로써, 스위칭 회로의 제어에 의해, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 유닛 하한 전압에 도달하고 있지 않은 경우에는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛으로부터 부하에 대하여 급전하고, 유닛 하한 전압에 도달한 시점에서 이차 전지가 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 충전하는 동작을 확실하게 행할 수 있다.
이 경우, 애노드를 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 한 쌍의 입출력부에 접속하고, 캐소드를 이차 전지의 양극 단자가 되는 입출력부에 접속한 다이오드를 설치하여도 된다. 이와 같이 구성하면, 스위칭 회로가 도통하고 있지 않은 경우에, 이차 전지로부터의 방전을 방지하면서, 이차 전지용의 충전기를 별도 준비하지 않고도, 외부 전원을 이용하여 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 충전할 때에, 이차 전지도 동시에 충전할 수 있다.
또한, 전압 검출 수단의 전원으로서는, 이차 전지를 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 용량을 최대한 부하를 위해 이용할 수 있다.
또한 전환 회로를 정전압 다이오드 등의 단(單)방향 도통 소자를 이용하여 구성하여도 된다. 이 경우에는, 부하의 한 쌍의 입력부에 접속되는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 한 쌍의 입출력부의 한쪽과, 이차 전지의 한 쌍의 입출력부의 한쪽을 전기적으로 접속하여, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 한 쌍의 입출력부의 다른 쪽과 이차 전지의 한 쌍의 입출력부의 다른 쪽과의 사이에, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 유닛 하한 전압 이하로 되면 도통 상태로 되는 단방향 도통 소자를 전기적으로 접속하면 된다. 이와 같이 하면 단방향 도통 소자가, 전압 검출 수단과 전환 회로를 겸하게 된다. 단방향 도통 소자로서 정전압 다이오드를 이용하는 경우에는, 유닛 하한 전압 이하의 제너 전압을 갖는 정전압 다이오드를 이용하면 된다. 이와 같이 구성함으로써, 제어하지 않으면 동작하지 않는 스위칭 회로를 필요로 하지 않고, 전환 회로를 구성할 수 있다. 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 유닛 하한 전압에 도달하고 있지 않은 경우에는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛으로부터 부하에 대하여 급전하고, 유닛 하한 전압에 도달한 시점에서 이차 전지가 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 충전할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 전환 회로는, 2개의 회로 구성을 전환하도록 구성할 수도 있다. 우선, 전환 회로는, 이차 전지를 부하 및 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 병렬로 접속하였을 때에는, 최초로 이차 전지를 부하 및 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 전류 제한 수단을 포함하는 제1 방전 회로를 통하여 병렬로 접속하는 제1 회로 구성으로 된다. 그 후 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 유닛 하한 전압보다도 높은 제1 설정 전압까지 상승한 것을 검출하거나 또는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 유닛 하한 전압보다도 낮은 제2 설정 전압까지 저하한 것을 검출하면, 전환 회로는, 이차 전지를 부하 및 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 전류 제한 수단을 포함하지 않는 제2 방전 회로를 통하여 병렬로 접속하는 제2 회로 구성으로 된다.
"리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 유닛 하한 전압보다도 높은 제1 설정 전압까지 상승한 것을 검출하는 경우"는, 전환 회로가 제1 회로 구성으로 된 후, 이차 전지를 사용해서 부하에 대하여 과전류를 흘리지 않고 필요한 전력을 공급할 수 있고, 게다가 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛도 이차 전지에 의해서 충전할 수 있는 경우이다. 그 때문에, 유닛 하한 전압보다도 높은 제1 설정 전압까지 전압이 상승하고 있다. 제1 설정 전압은, 이차 전지로부터 부하에의 방전 전류가 과전류로 되는 것을 저지할 수 있는 전압이다. 따라서 이 상태에서는, 전류 제한 수단의 존재는, 전력 손실의 발생원으로 되어, 과전류의 발생 방지 기능은 달성하지 못하고 있다. 따라서 제2 회로 구성으로 전환함으로써, 전류 제한 수단을 분리하여, 전류 제한 수단에서의 손실의 발생을 저지하고, 이차 전지의 부하를 감소시키게 된다. 그 결과, 이차 전지의 용량 저하 속도를 더디게 할 수 있다.
이에 대하여 "리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 유닛 하한 전압보다도 낮은 제2 설정 전압까지 저하한 것을 검출하는 경우"는, 전환 회로가 제1 회로 구성으로 된 시점에서의 부하가 지나치게 크기 때문에, 전류 제한 수단을 통하여 부하에 전류를 공급하였던 것으로는, 충분한 전력을 공급할 수 없고, 게다가 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 방전이 계속되는 경우이다. 따라서 이 경우에, 전류 제한 수단을 방전 회로에 존재시키는 것은, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛으로부터의 방전을 계속시켜, 각 리튬 이온 캐패시터의 전압을 하한 전압까지 저하시키게 될 위험성이 있다. 따라서 제2 회로 구성으로 전환함으로써, 전류 제한 수단을 분리함으로써, 부하에 대하여 필요한 전력을 공급하고, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압 저하를 방지한다. 이와 같은 관점에서 제2 설정 전압은, 리튬 이온 캐패시터의 전압이 하한 전압 이하로 되는 것을 저지할 수 있는 전압이다.
이상과 같이, 전환 회로를 2개의 회로 구성을 전환하도록 구성하면, 특정한 조건의 경우에 제1 회로 구성으로부터 제2 회로 구성으로 전환함으로써, 이차 전지로부터의 과전류의 방전을 저지하여 이차 전지의 열화를 억제하고 또한 전력 손실을 억제할 수 있다. 게다가 부하에 필요한 전력을 공급할 수 있다.
제2 방전 회로는, 구체적으로는, 제1 방전 회로의 전류 제한 수단을 단락하는 단락 회로로 구성할 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 전환 회로의 구성을 간단한 것으로 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 직류 전원 장치는, 모터에 의해 구동하는 자동 반송차(AGV) 등에 적합하고, 일반적으로는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 저하한 경우에는, 자동 반송차이면, 대기 스테이션에 자동 반송차가 되돌아온 시점에서 충전 장치(외부 충전기)에 의해 충전이 행해진다. 이 때, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 외부 충전기로부터 충전 전압이 인가되었을 때에 동작 상태로 되어 이차 전지를 충전하는 충전 회로를 더 구비하도록 하면, 이차 전지도 아울러 충전할 수 있다. 단, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛과 이차 전지의 충전 특성 및 충전 시간은 크게 다르기 때문에, 동시에 충전을 행하면, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 충전 시간이 충전에 시간이 걸리는 이차 전지의 충전 시간에 구속되어, 필요 이상으로 연장되게 된다. 그 때문에, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 유효하게 활용할 수 없는 문제가 생긴다. 또한, 충전 회로를 항상 접속한 상태로 해 두면, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛으로부터 항상 이차 전지를 충전하는 동작이 가능해지고, 전력 손실이 발생한다. 따라서, 충전 회로에 스위칭 회로를 포함해 두고, 스위칭 회로가 도통 상태로 되어 있는 경우에, 이차 전지의 충전이 행해지도록 해 두는 것이 바람직하다. 또는, 본 발명의 직류 전원 장치의 충전 방법에서는, 이차 전지를 충전용 직류 전원으로부터 전기적으로 분리한 상태에서 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 충전하고, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 충전 완료 후, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 충전용 직류 전원으로부터 전기적으로 분리하여, 이차 전지의 충전을 행하는 것이 바람직하다. 충전 시간이 짧은 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 충전한 후에, 대기 시간 등을 이용하여, 충전 시간이 긴 이차 전지를 충전하는 것이 가능하게 된다. 그 때문에, 필요에 따라서 바로 직류 전원 장치를 이용 가능한 상태로 할 수 있다. 또한, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛으로부터 이차 전지에 충전하는 동작을 임의로 멈출 수 있다. 또한, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 충전 전압은 이차 전지의 충전 전압보다도 높다. 그 때문에, 충전 회로에는 충전 전압을 이차 전지의 충전에 적합한 전압으로 강압하는 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. "DC/DC 컨버터는 임의로 전압 제어할 수 있기 때문에, 적절한 충전 전압으로 이차 전지를 충전하여 이차 전지의 수명 저하를 억제할 수 있다.
이차 전지의 충전에 적합한 전압은, 이차 전지가 놓여지는 환경 온도에 의해서 변하는 것이 알려져 있다. 따라서, 과충전 및 충전 부족을 방지하도록 이차 전지의 충전을 행하기 위해서는, 환경 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 더 구비하고, 환경 온도에 의해서 충전 회로에 포함하는 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 변화시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 온도 검출 수단이 검출하는 검출 온도가 미리 정한 기준 상한 온도보다 높아지면, 이차 전지의 충전에 적합한 전압을 저하시키고, 온도 검출 수단이 검출하는 검출 온도가 미리 정한 기준 하한 온도보다 낮아지면 이차 전지의 충전에 적합한 전압을 상승시키도록 하면 된다.
또한, 충전 회로를, 1 이상의 다이오드를 포함하여 구성하고, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 외부 충전기로부터 충전 전압이 인가되었을 때에 충전 전압을 이차 전지의 충전에 적합한 전압으로 강압하여 이차 전지에 인가하도록 구성하여도 된다. 구체적으로는, 1 이상의 다이오드를 직렬로 접속하고, 애노드측을 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 양극 단자에 접속하고, 캐소드를 이차 전지의 양극 단자에 접속한다. 이와 같이 구성하면, 사용하는 이차 전지의 정격 전압에 따라서 다이오드의 수를 결정하는 것만으로, 용이하게 이차 전지의 충전 전압을 조정하는 것이 가능하다. 그 때문에 스위칭 회로나 DC/DC 컨버터 등의 복잡한 회로를 필요로 하지 않는다. 이 경우에도, 충전 회로에 스위칭 회로를 포함해 두고, 스위칭 회로가 도통 상태로 되어 있는 경우만, 이차 전지의 충전이 행해지도록 해 두는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 제1 설정 전압은, 이차 전지로부터 부하에의 방전 전류가 과전류로 되는 것을 저지할 수 있는 전압이다. 이와 같이 제1 설정 전압을 정하는 것은, 전환 회로에 의해서 제1 회로 구성으로부터 제2 회로 구성으로 전환된 시점에서, 이차 전지의 전압이 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압보다도 크고 또한 양쪽 전압의 전압차가 소정값 이상으로 되면, 이차 전지의 최대 방전 전류를 초과하는 전류가 흐르게 될 가능성이 있기 때문이다. 「이차 전지의 최대 방전 전류」란, 이차 전지의 수명을 단축시키는 일 없이, 방전 가능한 최대의 전류이며, 이차 전지의 사양에 의해서 규정되는 것이다. 이차 전지의 성능 및 이차 전지의 사용 환경에 따라서는, 제1 설정 전압으로서, 고정값을 이용하는 것도 가능하다. 그러나 제1 설정 전압을 고정값으로 한 경우에는, 이차 전지의 열화, 개체차, 환경 온도 등의 조건에 의해서, 방전 시의 이차 전지의 전압 변화율이 커지면, 제1 방전 회로의 전류 제한 수단을 단락하였을 때에, 방전 전류가 최대 방전 전류보다 커지는 사태가 발생할 가능성이 있다. 따라서, 제1 설정 전압은, 이차 전지의 전압값(단자간 전압)으로부터 방전 전류가 과전류로 되는 것을 저지하는 것을 허용하는 허용차 전압을 감산한 전압으로 할 수 있다. 이와 같이 제1 설정 전압을 설정함으로써, 제1 회로 구성으로부터 제2 회로 구성으로 전환될 때에, 이차 전압과 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛과의 전압차가 충분히 작아져, 이차 전지의 최대 방전 전류를 초과하는 방전 전류가 흐르는 일이 없어진다.
제2 회로 구성으로 된 경우, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛과 이차 전지는, 직접 접속된 상태로 되고, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛과 이차 전지를 포함하는 방전 회로 중의 저항 성분은 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 내부 저항(RC)과 이차 전지의 내부 저항(RB)만으로 된다. 이 방전 회로에서, 방전 전류가 이차 전지의 최대 방전 전류를 초과하지 않도록 하기 위해서는, 이차 전지와 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압차(Vdif)를 내부 저항의 합계값(RC+RB)으로 나누어 얻어지는 전류값(I)이, 이차 전지의 최대 방전 전류(Iref) 이하로 되도록 설정하면 된다. 따라서, 허용차 전압으로서, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 내부 저항 및 이차 전지의 내부 저항의 합계값(RC+RB)과 이차 전지의 최대 방전 전류(Iref)의 곱으로 구한 전압값을 이용하면, 이차 전지로부터의 방전 전류가 최대 방전 전류를 초과하는 것을 방지할 수 있어, 이차 전지의 열화를 방지하면서, 전류 제한 수단에 의한 전력 손실을 가장 작게 할 수 있다.
또한, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 구성하는 각 리튬 이온 캐패시터에는, 용량값의 차이나, 초기 전압, 단자 저항을 포함하는 내부 저항 등에 의해, 전압에 변동이 생기는 경우가 있다. 변동이 있는 상태로 충전을 행하면, 예를 들어, 용량값이 작은 리튬 이온 캐패시터의 쪽이 용량값이 큰 리튬 이온 캐패시터보다도 빨리 정격 전압에 도달하게 되게 된다. 그리고 그 상태로 충전을 계속하면, 정격 전압에 도달하였던 리튬 이온 캐패시터는 과충전으로 되어, 리튬 이온 캐패시터의 수명을 짧게 할 가능성이 있다. 방전에서도 마찬가지로, 일부의 리튬 이온 캐패시터가 하한 전압에 도달하였음에도 불구하고, 전체적으로 유닛 하한 전압에 도달하지 않았으므로, 일부의 리튬 이온 캐패시터가 과방전으로 되어, 리튬 이온 캐패시터의 수명을 짧게 할 가능성이 있다. 따라서, 본 발명에서는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을, 직렬로 접속된 복수의 리튬 이온 캐패시터와, 복수의 리튬 이온 캐패시터에 대하여 각각 병렬로 접속된 복수의 전압 균등화 회로로 구성해 두는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, 용량값의 변동 등을 원인으로 한 전압의 변동을 균등화하여, 리튬 이온 캐패시터의 수명이 짧아지게 되는 것을 방지할 수 있다.
부하가, 감속 시에 회생 전력을 발생하는 모터이면, 모터가 회생 상태에 있는 경우에, 모터가 발생하는 회생 전류를 이용하여 축전 수단의 리튬 이온 캐패시터/유닛 및/또는 이차 전지의 충전을 행하는 회생 회로를 구비하고 있어도 되는 것은 물론이다. 회생 회로를 구비하고 있으면, 모터를 감속할 때나, 모터를 구동원으로서 짐을 내릴 때에 발생하는 회생 전류를 이용하여 축전 수단을 충전할 수 있으므로, 에너지의 낭비가 없다. 또한, 이차 전지는 빈번하게 충전을 반복하면 수명이 짧아지는 동시에, 작은 전류로 충전할 수 없기 때문에, 주로 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 회생 전류로 충전하는 것이 바람직하다.
본 발명의 직류 전원 장치는, 반송 장치(자동 반송차)의 전원으로서 이용할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 직류 전원 장치에서는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 주된 전원으로서 이용하여, 이차 전지를 보조적으로 사용할 수 있기 때문에, 이차 전지의 용량을 작게 하여, 직류 전원 장치를 소형 경량화할 수 있어, 반송 장치에 부착하는 데 적합하다.
도 1은 본 발명의 직류 전원 장치의 제1 실시 형태의 일례의 구성을 도시하는 회로도.
도 2는 본 발명의 직류 전원 장치의 제2 실시 형태의 일례의 구성을 도시하는 회로도.
도 3은 본 발명의 직류 전원 장치의 제3 실시 형태의 일례의 구성을 도시하는 회로도.
도 4는 본 발명의 직류 전원 장치의 제4 실시 형태의 일례의 구성을 도시하는 회로도.
도 5의 (a) 및 도 5의 (b)는 본 발명의 직류 전원 장치의 제4 실시예에서의 전환 회로로 전환의 타이밍을 도시하는 타임 차트.
도 6은 본 발명의 직류 전원 장치의 제4 실시예에서의 전환 회로를 제어하는 제어 회로가 행하는 처리의 플로우를 나타내는 플로우도.
도 7은 본 발명의 직류 전원 장치의 제5 실시 형태의 일례의 구성을 도시하는 회로도.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 직류 전원 장치의 실시 형태를 상세하게 설명한다.
[제1 실시 형태]
도 1은, 본 발명의 직류 전원 장치를 자동 반송차에 적용한 제1 실시 형태의 구성을 도시하는 회로도이다. 본 실시 형태의 직류 전원 장치는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1), 납 축전지 등의 이차 전지(3), 전압 검출 수단(5), 제어 회로(7), 스위칭 회로(SW1)를 구비하고 있다. 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1) 및 이차 전지(3)는, 부하인 모터(M)에 대하여 병렬로 접속되어 있다. 또한 모터(M)에는, 동작 시에 온 상태로 되는 전원 스위치(SW2)가 직렬로 접속되어 있다. 구체적으로는, 모터(M)의 한 쌍의 입출력부(T1 및 T2)의 한쪽(입출력부(T1))에 접속되는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 한 쌍의 입출력부(T3 및 T4)의 한쪽(입출력부(T3))과, 이차 전지(3)의 한 쌍의 입출력부(T5 및 T6)의 한쪽(입출력부(T5))이 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 전환 회로를 구성하는 스위칭 회로(SW1)는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 다른 쪽의 입출력부(T4)와, 이차 전지(3)의 다른 쪽의 입출력부(T6)와의 사이에 배치되어 있다. 전류 제한 저항(4)은, 스위칭 회로(SW1)가 도통할 때에, 과전류가 흐르는 것을 방지하는 목적으로 구비되어 있다. 전압 검출 수단(5)은, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 전압을 검출할 수 있도록, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 한 쌍의 입출력부(T3 및 T4)에 병렬로 접속되어 있다. 전압 검출 수단(5)은, 예를 들면 저항 분압 회로를 이용하여 구성할 수 있다. 또한, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)과 이차 전지(3)는, 스위칭 회로(SW1)를 통하여 접속되어 있다. 제어 회로(7)에 의해서 도통이 제어되는 전환 회로를 구성하는 스위칭 회로(SW1)는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 입출력부(T4)와, 이차 전지(3)의 입출력부(T6)와의 사이에 배치되어 있다. 전압 검출 수단(5)이, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 유닛 하한 전압을 검출하면, 제어 회로(7)는 스위칭 회로(SW1)를 도통 상태로 하는 신호를 출력한다. 그리고 제어 회로(7)는, 스위치(SW31 및 SW32)가 닫혀져 충전용 직류 전원(9)이 접속되면, 스위칭 회로(SW1)를 차단(비도통) 상태로 한다. 충전용 직류 전원(9)이 접속된 것은 도시하지 않은 리미트 스위치 등을 이용하여 간단히 검출할 수 있다. 또한 모터(M)는, 본 실시 형태에서는, 자동 반송차(AGV)의 구동용의 모터이다. 자동 반송차는, 정기적으로 대기 스테이션으로 되돌려지기 때문에, 그 때에 대기 스테이션에 설치된 충전용 직류 전원(9)에 의해 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)은 충전된다.
본 실시 형태의 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)은, 직렬 접속된 16개의 리튬 이온 캐패시터(C1∼C16)를 구비하고 있다(단, 도면에서는 일부 생략하고 있음). 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 용량은 50F(리튬 이온 캐패시터 단(單)셀에서 800F)이다. 리튬 이온 캐패시터(C1∼C16)의 상한 전압이 3.8[V]인 것으로 하면, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 전압은, 60.8[V]로 된다. 리튬 이온 캐패시터(C1∼C16)의 각각에는, 각 리튬 이온 캐패시터의 전압을 균등화시키기 위한 전압 균등화 회로를 구성하는 저항 소자(R1∼R16)가 병렬로 접속되어 있다(단, 도면에서는 일부 생략하고 있음). 저항 소자(R1∼R16)에는 예를 들어 1㏀의 저항이 사용된다.
충전용 직류 전원(9)은, 전술한 상한 전압 60.8V보다도 약간 낮은 전압으로 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)을 충전한다. 이차 전지(3)로서는, 정격 48[V](정격 2V 셀 24 직렬) 80Ah의 제어 밸브식 납 축전지를 사용하고 있다. 충전용 직류 전원(9)은, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1) 및 이차 전지(3)의 양방을, 공통의 충전용 직류 전원(9)으로 충전할 수 있도록 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 이차 전지(3)를 충전용 직류 전원(9)으로부터 전기적으로 분리한 상태에서 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)을 충전하고, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 충전 완료 후, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)을 충전용 직류 전원(9)으로부터 전기적으로 분리한 상태에서 이차 전지(3)의 충전을 행한다. 이것은, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 충전 시간은, 수십초 정도인 것에 대하여, 이차 전지(3)의 충전 시간은 수십분부터 수시간이므로, 동시에 충전을 행한 경우에는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 충전 시간이 연장되어, 단시간에 충전이 가능하다고 하는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 이점이 손상되기 때문이다. 구체적으로는, 스위치(SW31 및 SW32)가 닫혀져 충전용 직류 전원(9)이 접속되면, 우선, 스위치(SW33)가 닫혀지고, 스위치(SW34 및 SW35)가 차단된다. 이에 의해, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)만이 충전되고, 단시간에 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)이 충전된다. 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 충전이 완료되면, 다음으로, 스위치(SW33)가 차단되고, 스위치(SW34 및 SW35)가 닫혀지고, 이차 전지(3)가 충전된다. 단, 자동 반송차의 통상 운전 시에는, 이차 전지(3)를 충전하는 데 충분한 시간을 확보할 수 없기 때문에, 스위치(SW34 및 SW35)를 닫지 않도록 설정하고, 자동 반송차의 대기 시나 비운전 시 등에만 스위치(SW34 및 SW35)를 닫도록 해 두어도 되는 것은 물론이다. 또한, 납 축전지는 충전에 시간이 걸리므로, 직류 전원 장치로부터 제거하여 충전하고 충전된 납 축전지와 교환하거나, 또는 모터를 사용하지 않는 시간대에 납 축전지의 급속 충전에 적합한 전압ㆍ전류 제어로 납 축전지를 충전하는 다른 충전 회로를 대기 스테이션에 준비하여 충전하여도 된다.
본 실시 형태에서는, 모터(M)로서, 감속 시에 발전기로 되어 회생 전력을 발생하는 모터를 채용하고 있으므로, 브레이크 회생 시나 짐을 내릴 때에 발생하는 회생 전력을 이용하도록 하고 있다. 구체적으로, 본 실시 형태에서는, 모터(M)가 회생 상태에 있는 경우에 발생하는 교류 전류를 회생 회로(11)를 통하여 직류로 변환하여 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)을 충전한다. 회생 회로(11)는, 당연히 모터(M)의 구동 회로로서의 기능도 갖고 있다. 본 실시 형태에서는, 이차 전지로서 납 전지를 이용하고 있지만, 납 축전지는 방전 특성은 좋지만 충전 특성이 나쁘고, 작은 전류에서만 충전할 수 있다. 그 때문에 회생 전류는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 충전에 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 본 실시 형태의 직류 전원 장치를, 반송 장치(자동 반송차)를 이용하는 AGV 시스템에 이용하면, AGV 시스템의 에너지 효율이 향상된다.
본 실시 양태에서는, 리튬 이온 캐패시터(C1∼C16)의 하한 전압은 2.2[V]이므로, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 전압이 35.2[V]를 하회하지 않도록, 스위칭 회로(SW1)의 도통 타이밍을 제어할 필요가 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 유닛 하한 전압을 35.2V보다 높은 36.0[V]으로 설정하고 있다. 전압 검출 수단(5)이 유닛 하한 전압을 검출하면, 제어 회로(7)는 스위칭 회로(SW1)를 도통 상태로 하는 신호를 출력한다. 스위칭 회로(SW1)가 도통 상태로 되면, 전압이 내려간 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 전압보다도 높은 전압인 이차 전지(3)로부터 모터(M)에는 구동 전류가 흐르게 된다. 본 실시 형태에서는, 동시에, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 충전이 일부 행해지게 된다. 그러나 이차 전지(3)의 전압은, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 상한 전압보다 낮기 때문에, 이차 전지(3)로부터의 전력 공급에 의해 자동 반송차가 대기 스테이션으로 되돌려졌을 때에, 충전용 직류 전원(9)에 의해 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)을 만충전 상태로 할 필요가 있다. 본 실시 형태에서는, 대기 스테이션으로 장기간 되돌려지지 않는 경우나 충전용 직류 전원이 정지된 경우에 캐패시터의 과방전을 방지하기 위해, 제어 회로나 전압 검출 수단의 전원으로서는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)이 아닌 이차 전지(3)를 이용하고 또한 이차 전지(3)로 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)을 급전하도록 구성되어 있다.
또한, 본 실시 양태에서는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)이 주전원이며, 이차 전지(3)는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(1)의 전압이 저하된 경우의 예비 전원이다. 그 때문에, 전압 검출 수단(5)이 유닛 하한 전압을 검출한 경우에는, 빨리 충전용 직류 전원(9)으로 되돌려 충전을 행하는 것이 바람직하다. 그를 위해, 전압 검출 수단(5)이 유닛 하한 전압을 검출하여 스위칭 회로(SW1)가 도통한 경우에는, 경보 신호를 발생하고, 작업을 중단하여 자동적으로 충전용 직류 전원(9)으로 되돌리도록 프로그램을 설정해 두어도 된다.
[제2 실시 형태]
충전 시간이 짧은 이차 전지를 사용하는 경우, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 충전하는 것과 아울러 이차 전지의 충전을 행하기 위한 고안을 행하는 것도 생각할 수 있다. 도 2는, 스위칭 회로(SW1)에 다이오드(D1)를 병렬로 배선한 제2 실시 형태의 구성을 도시하는 회로도이다. 도 2에는, 도 1에 나타낸 실시 형태와 동일한 부재에는, 도 1에 붙인 부호의 수에 100의 수를 더한 수의 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 구체적으로는, 다이오드(D1)의 애노드측을 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(101)의 입출력부(T4)에 접속하고, 캐소드측을 이차 전지(103)의 양극측 입출력부(T6)에 접속하고 있으므로, 스위칭 회로(SW1)가 열려 있을(비도통 상태에 있을) 때에는, 이차 전지(103)로부터의 전류는 흐르지 않는다. 그 때문에, 스위칭 회로(SW1)가 열려 있을 때에는, 모터(M)에 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(101)으로부터의 직류 전력만이 공급된다. 그리고 이 다이오드(D1)가 있으므로, 이차 전지용의 충전기를 별도 준비하지 않아도, 대기 스테이션에서 충전용 직류 전원(109)이 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(101)을 충전할 때에 이차 전지도 동시에 충전할 수 있다.
[제3 실시 형태]
상기의 실시 형태에서는, 전환 회로로서 스위칭 회로(SW1)를 사용하였지만, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 저하한 경우에, 이차 전지를 병렬로 접속하기 위한 전환 회로의 구성은, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3은, 전압 검출 수단 및 전환 회로로서 단방향 도통 소자를 이용한 본 발명의 직류 전원 장치의 제3 실시 형태의 구성을 도시하는 회로도이다. 도 3에는, 도 1에 나타낸 실시 형태와 동일한 부재에는, 도 1에 붙인 부호의 수에 200의 수를 더한 수의 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 본 실시 형태에서는, 단방향 도통 소자인 제너 다이오드(ZD1)가, 전압 검출 수단과 전환 회로의 기능을 하고 있다. 즉, 제너 다이오드(ZD1)는, 애노드가 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(201)의 입출력부(T4)에 접속되고, 캐소드가 이차 전지(203)의 양극측의 입출력부(T6)에 접속되어 있다. 본 실시 형태에서는 모터(M)에 의해서 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(201)의 전하가 소비되고, 이차 전지(203)의 전압과, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(201)의 전압과의 차전압이 항복 전압(제너 전압)에 도달하면, 이차 전지(203)로부터의 전류가 도통하고, 이차 전지(203)로부터 모터(M)에 전력이 공급된다. 또한 동시에 이차 전지로부터 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(201)에 충전 전류가 흐른다. 단, 차전압이 제너 전압보다 작아지면 충전 전류가 정지하므로, 이 경우도, 이차 전지(203)로부터 부하에의 전력 공급이 개시되면, 자동 반송차는 가능한 한 조기에 충전용 직류 전원(209)이 설치된 대기 스테이션으로 되돌려, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(201)을 충전하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 따르면, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압을 검출하는 전압 검출 수단이나 제어 회로를 이용하는 일 없이, 간단한 회로로 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 유닛 하한 전압을 하회하는 것을 방지할 수 있어, 모터에의 전력 공급을 계속할 수 있다.
[제4 실시 형태]
도 4는, 전환 회로를 제1 방전 회로와, 제2 방전 회로로 구성한 제4 실시 형태의 구성을 도시하는 회로도이다. 도 4에는, 도 1에 나타낸 실시 형태와 동일한 부재에는, 도 1에 붙인 부호의 수에 300의 수를 더한 수의 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
본 실시 형태의 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)은, 16개의 리튬 이온 캐패시터가 직렬로 접속된 캐패시터 어레이가 4개 병렬로 접속된 모듈로 이루어진다(단, 도면에서는, 캐패시터의 도시를 일부 생략하고 있음). 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 용량은 450F(리튬 이온 캐패시터 단셀에서 1800F)이다. 리튬 이온 캐패시터(C1∼C16)의 상한 전압이 3.8[V]인 것으로 하면, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 전압은, 60.8[V]로 된다. 리튬 이온 캐패시터(C1∼C16)의 하한 전압은 2.2[V]이므로, 35.2[V]를 하회하지 않는 것과, 부하측의 시스템이 다운되지 않는 전압 설정에 의해, 본 실시 형태의 유닛 하한 전압(V1)은 40.0[V]으로 설정하고 있다. 리튬 이온 캐패시터의 각각에는, 각 리튬 이온 캐패시터의 전압을 균등화시키기 위한 전압 균등화 회로를 구성하는 저항 소자가 병렬로 접속되어 있다(단, 도면에서는 생략하고 있음). 전압 균등화의 저항 소자에는 예를 들어 1㏀의 저항이 사용된다. 이차 전지(303)로서는, 정격 48.0[V](정격 2V의 셀이 24개 직렬로 접속되어 있음), 80Ah의 제어 밸브식 납 축전지를 사용하고 있다.
전환 회로(308)는, 제1 방전 회로(381)와, 제2 방전 회로(383)로 구성되어 있다. 제1 방전 회로(381)는, 스위치(SW1)와 스위치(SW1)에 직렬로 접속된 전류 제한 저항(304)으로 구성되어 있다. 제2 방전 회로(383)는, 스위치(SW3)를 포함하여 구성되어 있다. 후술한 바와 같이 전류 제한 저항(304)은, 스위치(SW1)가 도통하였을 때에, 이차 전지(303)로부터 과전류가 방전되는 것을 방지하는 목적으로 구비되어 있다. 또한 도시하고 있지 않지만, 부하로서의 모터를 포함하는 모터 회로(M)에는, 제어 명령에 따라서 동작하는 인버터 회로를 포함하는 모터 구동 회로가 접속되어 있다.
본 실시 형태에서는, 모터 회로(M)의 한 쌍의 단자(T1 및 T2)에 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 한 쌍의 단자(T3 및 T4)가 각각 전기적으로 접속되어 있다. 또한 모터 회로(M)의 단자(T1), 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 단자(T3) 및 이차 전지(303)의 단자(T5)는, 양극 단자이며, 모터 회로(M)의 단자(T2), 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 단자(T4) 및 이차 전지(303)의 단자(T6)는, 각각 충전기(309)의 어스 단자에 공통 접속된 부극 단자이다. 제1 방전 회로(381)는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 양극 단자(T3)와, 이차 전지(303)의 양극 단자(T6)와의 사이에 배치되어 있다. 제2 방전 회로(383)는, 제1 방전 회로(381)에 대하여 병렬로 접속되어 있다. 따라서, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)과 이차 전지(303)는, 제1 방전 회로(381) 및 제2 방전 회로(383)로 이루어지는 전환 회로(308)를 통하여 병렬로 접속되어 있다.
충전기(충전용 직류 전원)(309)는 자동 반송차의 대기 스테이션에 설치된 충전기이다. 자동 반송차가 대기 스테이션으로 되돌려질 때마다, 단자(T1 및 T2)가 충전기(309)의 출력 단자(T7 및 T8)에 접속되어, 충전 동작이 행해진다. 충전기(309)와 자동 반송차의 직류 전원 장치가 접속되면, 충전기(309)는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 상한 전압보다도 조금 낮은 충전 전압으로 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)을 충전한다. 본 실시 형태에서는, 단자(T1)와 이차 전지(303)의 단자(T5)와의 사이에 이차 전지(303)의 충전 회로(313)가 접속되어 있다. 충전 회로(313)는, 스위치(SW5)와 DC/DC 컨버터(315)가 직렬로 접속되어 구성되어 있다. 충전기(309)가 직류 전원 장치에 접속되어 있을 때에, 스위치(SW5)가 제어 회로(307)로부터의 도통 신호에 따라서 도통 상태로 됨으로써, 이차 전지(303)의 충전이 개시된다. 제어 회로(307)는 전압 검출 수단(305)이 검출하는 이차 전지(303)의 전압이, 미리 정한 충전 개시 전압 이하로 내려가 있는 것을 검출하면, 충전기(309)가 직류 전원 장치에 접속되었을 때에, 스위치(SW5)를 도통 상태로 하는 도통 신호를 출력한다. 스위치(SW5)는, 이 온 명령이 출력되어 있는 동안, 도통 상태를 유지한다. DC/DC 컨버터(315)는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 충전 전압을 이차 전지(303)의 충전에 적합한 전압까지 강압하여 얻은 충전 전압을 이차 전지(303)에 인가한다. DC/DC 컨버터(315)로부터의 충전 전류가 지나치게 커지면, 이차 전지(303)의 열화로 연결되기 때문에, DC/DC 컨버터(315)는 예를 들면 1∼7A 정도의 전류로 이차 전지(303)를 충전하도록 구성하고 있다. 전압 검출 수단(305)이, 이차 전지(303)의 단자(T5 및 T6)간 전압이 미리 정한 설정 전압(충전 완료 전압)까지 충전된 것을 검출하면, 제어 회로(307)는 온 명령의 출력을 정지하여 스위치(SW5)를 차단하고, 충전이 종료된다. 본 실시 형태에서는, 이차 전지(303)를 충전하고 있을 때 이외에는, 스위치(SW5)를 차단하고 있으므로, 대기 전력을 소비하지 않는다. 그 때문에, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)을 이차 전지(303)의 충전에 영향을 받지 않고, 신속하게 충전할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 이차 전지(303)의 환경 온도를 검출하는 온도 검출 수단(306)도 구비되어 있다. 온도 검출 수단(306)의 출력은, DC/DC 컨버터(315)의 도시하지 않은 제어부에 입력된다. 도시하지 않은 제어부는, 온도 검출 수단(306)에 의해 검출된 이차 전지(303)가 놓여져 있는 환경 온도에 따라서 DC/DC 컨버터(315)의 출력 전압을 조정한다. 구체적으로는, 도시하지 않은 제어부는, 환경 온도가 높아지면, 이차 전지에의 충전 전압을 내리고, 환경 온도가 낮아지면 이차 전지에의 충전 전압을 높이도록, DC/DC 컨버터(315)의 출력 전압을 조정한다. 이와 같이 함으로써, 환경 온도의 변화에 적합한 충전 전압으로 이차 전지를 충전함으로써, 과충전 또는 충전 부족에 의해, 이차 전지가 받는 스트레스를 경감하여, 이차 전지(303)의 수명을 연장시킬 수 있다.
[전환 회로의 제어]
다음으로 도 5 및 도 6을 참조하여, 제어 회로(307)에 의해서 제어되는 전환 회로(308)의 전환 동작을 설명한다.
본 실시 형태의 직류 전원 장치에서는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 충전 전압이 유닛 하한 전압 V1(40.0[V])보다도 높을 때에는, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)만으로부터 모터 회로(M)에 급전을 행한다. 이 때에는, 전환 회로(308) 중의 스위치(SW1) 및 스위치(SW3)는 쌍방 모두 차단된 상태이다. 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 단자간 전압 VLIC가 유닛 하한 전압 V1(40.0[V])까지 저하한 것을 전압 검출 수단(305)이 검출하면(스텝 ST301), 제어 회로(307)는 스위치(SW1)를 도통 상태로 하는 도통 신호를 출력한다(스텝 ST302). 이 상태에서, 전환 회로(308)는, 제1 회로 구성으로 되어 있다. 스위치(SW1)가 도통 상태로 되면, 전압이 내려간 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 전압보다도 높은 전압으로 충전되어 있는 이차 전지(303)로부터 모터 회로(M)에 구동 전류가 공급되는 것과 동시에 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)에 충전 전류가 공급된다.
이 때의 이차 전지(303)의 전압이 48.0[V]이면, 이차 전지(303)의 전압과 유닛 하한 전압 V1(40.0[V])까지 저하한 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 전압과의 전압차는, 8.0[V]이다. 예를 들면, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 내부 저항은 10[mΩ]이며, 이차 전지의 내부 저항도 10[mΩ]으로 하면, 전류 제한 저항(304)이 없는 경우에는, 이차 전지(303)는 계산상의 순간 최대 전류는 400[A]의 대전류를 방전하게 된다. 따라서, 이차 전지(303)로부터의 방전 전류를 제한하기 위해, 전류 제한 저항(304)이 포함되어 있는 제1 방전 회로(381)를 통하여 이차 전지(303)로부터 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)을 충전한다. 전류 제한 저항(304)의 저항값은, 예를 들면, 이차 전지(303)와 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 전위차가 8.0[V]일 때에, 최대 3[A] 정도로 방전을 제한하는 경우, 3.0Ω 50W 정도의 저항을 선택하는 것이 바람직하다. 단, 실제로는 부하에의 공급 전력에 부족이 없는 전력값을 고려하여 전류 제한 저항(304)의 값을 결정할 필요가 있다.
스위치(SW1)가 도통 상태로 된 후, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 전압이, 유닛 하한 전압 V1보다도 높은 제1 설정 전압 V2(42.5[V]) 또는 유닛 하한 전압 V1보다도 낮은 제2 설정 전압 V3(37.5[V])으로 된 것을 전압 검출 수단(305)이 검출하면(스텝 ST303), 제어 회로(307)는, 스위치(SW3)를 도통 상태로 하는 도통 신호를 출력한다(스텝 ST304). 스위치(SW3)가 도통 상태로 되었을 때에, 전환 회로(308)는 제2 회로 구성으로 된다. 또한, 스위치(SW3)를 투입한 후에는, 스위치(SW1)를 차단하여도 된다.
스위치(SW3)가 도통 상태로 되면, 제1 방전 회로(381)는 제2 방전 회로(383)에 의해 단락된 상태로 되고, 이후 이차 전지(303)로부터의 방전 전류는 제2 방전 회로(383)로부터 모터 회로(M) 및 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)에 공급된다. 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 전압이 제1 설정 전압 V2까지 상승하는 경우는, 전환 회로(308)가 제1 회로 구성으로 된 후, 이차 전지(303)를 사용하여 모터 회로(부하)(M)에 대하여 과전류를 흘리지 않고 필요한 전력을 공급할 수 있고, 게다가 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)도 이차 전지(303)에 의해서 충전할 수 있는 경우가 있다(도 5의 (a)). 제1 설정 전압 V3은, 이차 전지(3)로부터 부하(M)에의 방전 전류가 과전류로 되는 것을 저지할 수 있는 전압이다. 따라서 이 상태에서는, 전류 제한 저항(304)은, 전력 손실의 발생 원인으로 될뿐, 과전류의 발생 방지 기능은 달성하지 못한다. 따라서 제2 회로 구성으로 전환함으로써, 전류 제한 저항(304)을 분리하여, 전류 제한 저항(304)에서의 전력 손실의 발생을 저지하고, 이차 전지(303)의 부하를 감소시킨다. 그 결과, 이차 전지(303)의 용량 저하 속도를 늦출 수 있다.
또한, 제1 설정 전압 V2는 제1 회로 구성으로부터 제2 회로 구성으로 전환하였을 때에, 이차 전지(303)로부터 부하에의 방전 전류가 최대 방전 전류를 초과하지 않도록 설정할 필요가 있다. 제1 설정 전압 V2로서, 상기한 바와 같이 고정값을 이용하는 것도 가능하다. 그러나 제1 설정 전압 V2를 고정값으로 한 경우에는, 이차 전지의 열화, 개체차, 환경 온도 등의 조건에 의해서 이차 전지의 방전 시의 전압 변화율이 커지면, 제1 방전 회로의 전류 제한 수단을 단락했을 때에, 방전 전류가 최대 방전 전류보다 커지는 사태가 발생할 가능성이 있다. 따라서, 이와 같은 경우에는, 수학식 1과 같이, 이차 전지의 전압값(단자간 전압) VB로부터의 방전 전류가 과전류로 되는 것을 저지하는 것을 허용하는 허용차 전압 Vdif를 감산한 전압값을 제1 설정 전압 V2로 하는 것이 바람직하다.
Figure pat00001
허용차 전압 Vdif는, 수학식 2로부터 산출할 수 있다.
Figure pat00002
단, Iref는 이차 전지(303)의 최대 방전 전류, RC는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 내부 저항, RB는 이차 전지(303)의 내부 저항이다. 예를 들면, Iref=10[A], Rc=10[mΩ], RB=10[mΩ]의 경우에는, Vdif=200[mV]으로 된다. 수학식 2에 의해 미리 산출한 허용차 전압 Vdif를 제어 회로(307)가 기억해 두고, 수학식 1에 기초하여 제1 설정 전압 V2를 제어 회로(307)가 결정한다. 그리고 전압 검출 수단(5)이, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 제1 설정 전압 V2까지 상승한 것을 검출하면, 제어 회로(307)는 전환 회로(308)에 전환 명령을 출력한다.
또한, 수학식 2는, 다음과 같은 이유로부터 정하고 있다. 즉, 제2 회로 구성으로 된 경우, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)과 이차 전지(303)는 직접 접속된 상태로 된다. 그리고 이 때의 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)과 이차 전지(303)를 포함하는 방전 회로 중의 저항은, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 내부 저항(RC)과 이차 전지의 내부 저항(RB)만으로 된다. 이 회로 구성에서, 방전 전류가 이차 전지(303)의 최대 방전 전류를 초과하지 않도록 하기 위해서는, 이차 전지(303)와 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 전압차를 내부 저항의 합계값(RC+RB)으로 나누어 얻어지는 전류값(I)이, 이차 전지의 최대 방전 전류(Iref) 이하로 되도록 설정하면 된다. 즉, 허용차 전압 Vdif와 최대 방전 전류(Iref)와의 사이에는, 다음 수학식 3이 성립하면 된다.
Figure pat00003
따라서, 허용차 전압 Vdif로서, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 내부 저항 및 이차 전지(303)의 내부 저항의 합계값(RC+RB)과 이차 전지의 최대 방전 전류(Iref)의 곱[상기 수학식 2]으로 구해진 전압값을 이용하면, 이차 전지의 열화를 방지하면서, 전류 제한 저항(304)에 의한 전력 손실을 가장 작게 할 수 있다.
리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 전압이 제2 설정 전압 V3까지 저하하는 경우는, 전환 회로(308)가 제1 회로 구성(스위치(SW1)가 도통 상태)으로 된 시점에서의 부하가 지나치게 크기 때문에, 전류 제한 저항(304)을 통하여 부하에 전류를 공급한 것으로는, 충분한 전력을 공급할 수 없고, 게다가 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 방전이 계속되는 경우이다(도 5의 (b)). 따라서 이 경우에서, 전류 제한 저항(304)을 방전 회로에 존재시키는 것은, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)으로부터의 방전을 계속시켜, 각 리튬 이온 캐패시터의 전압을 하한 전압까지 저하시키게 될 위험성이 있다. 따라서 제2 회로 구성(스위치(SW3)이 도통 상태)으로 전환함으로써, 전류 제한 저항(304)을 방전 회로로부터 분리함으로써, 모터 회로(부하)(M)에 대하여 필요한 전력을 공급하고, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(301)의 전압 저하를 방지한다. 이와 같은 관점에서 제2 설정 전압 V3은, 리튬 이온 캐패시터의 전압이 하한 전압 이하로 되는 것을 저지할 수 있는 전압이다.
[제5 실시 형태]
도 7에 도시한 바와 같이,이차 전지의 충전 회로에 있어서, 충전 전압을 강압을 강압하는 수단으로서, DC/DC 컨버터 대신에, 직렬로 접속한 복수의 다이오드를 사용하는 것도 가능하다. 도 7은, 충전 회로(413)에 다이오드를 이용한 제5 실시 형태의 구성을 도시하고 있다. 도 7에서, 도 4에 나타낸 실시 형태와 동일한 부재에는, 도 4에 붙인 부호의 수에 100의 수를 더한 수의 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 본 실시 형태에서는, 복수의 다이오드를 직렬로 접속하여 다이오드 어레이(417)를 구성하고, 다이오드 어레이(417)의 애노드측을 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛(401)의 단자(T3)에 접속하고, 캐소드를 이차 전지(403)의 양극 단자(T5)에 접속한다. 이와 같이 구성함으로써, DC/DC 컨버터를 이용하는 일 없이, 사용하는 이차 전지(403)의 정격 전압에 따라서 다이오드의 수를 정하는 것만으로, 용이하게 이차 전지(403)의 충전 전압을 조정하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 축전 수단으로서 사용하는 경우에, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 최대한 활용할 수 있다. 게다가 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 저하한 경우라도, 부하에의 급전을 계속할 수 있다. 또한, 이차 전지의 부담을 줄여서 이차 전지의 열화를 억제하고, 수명을 연장시키고, 또한, 안정적으로 전력의 공급이 가능한 직류 전원 장치를 제공할 수 있다.
1 : 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛
3 : 이차 전지
4 : 전류 제한 저항
5 : 전압 검출 수단
7 : 제어 회로
9 : 충전용 직류 전원
11 : 회생 회로
C1∼C16 : 리튬 이온 캐패시터
R1∼R16 : 저항 소자
M : 모터
D1 : 다이오드
SW1 : 스위칭 회로

Claims (20)

  1. 충방전 가능한 축전 수단을 구비하고, 상기 축전 수단으로부터의 방전에 의해 부하에 직류 전력을 공급하는 직류 전원 장치로서,
    상기 축전 수단은,
    상기 부하에 병렬로 접속되는 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛과,
    상기 부하에 병렬로 접속되는 이차 전지와,
    상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압을 검출하는 전압 검출 수단과,
    상기 전압 검출 수단이 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 유닛 하한 전압을 검출할 때까지는, 상기 이차 전지를 상기 부하로부터 전기적으로 분리하고,
    상기 전압 검출 수단이 상기 유닛 하한 전압을 검출하면, 상기 이차 전지를 상기 부하 및 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 병렬로 접속하는 전환 회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하의 한 쌍의 입력부에 접속되는 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 한 쌍의 입출력부의 한쪽과, 상기 이차 전지의 한 쌍의 입출력부의 한쪽이 전기적으로 접속되어 있고,
    상기 전환 회로는, 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 상기 한 쌍의 입출력부의 다른 쪽과, 상기 이차 전지의 상기 한 쌍의 입출력부의 다른 쪽과의 사이에 배치되고, 상기 전압 검출 수단이 상기 유닛 하한 전압을 검출하면 도통 상태로 되는 제어 가능한 스위칭 회로로 되는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 축전 수단은, 애노드를 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 한 쌍의 입출력부의 한쪽에 접속하고, 캐소드를 상기 이차 전지의 양극 단자가 되는 상기 입출력부에 접속한 다이오드를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압 검출 수단의 전원이 상기 이차 전지인 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  5. 상기 부하의 한 쌍의 입력부에 접속되는 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 한 쌍의 입출력부의 한쪽과, 상기 이차 전지의 한 쌍의 입출력부의 한쪽이 전기적으로 접속되어 있고,
    상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 상기 한 쌍의 입출력부의 다른 쪽과 상기 이차 전지의 상기 한 쌍의 입출력부의 다른 쪽과의 사이에, 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 상기 유닛 하한 전압 이하로 되면 도통 상태로 되는 단방향 도통 소자가 전기적으로 접속되어 있고,
    상기 단방향 도통 소자가 상기 전압 검출 수단과 상기 전환 회로를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단방향 도통 소자는 1 이상의 정전압 다이오드인 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛은, 직렬로 접속된 복수의 리튬 이온 캐패시터와, 상기 복수의 리튬 이온 캐패시터에 대하여 각각 병렬로 접속된 복수의 전압 균등화 회로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 부하가 회생 상태에 있는 경우에는, 상기 부하가 발생하는 회생 전류를 이용하여 전기 축전 수단의 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛 및/또는 상기 이차 전지의 충전을 행하는 회생 회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전환 회로는, 상기 이차 전지를 상기 부하 및 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 병렬로 접속하였을 때에는, 최초에 상기 이차 전지를 상기 부하 및 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 전류 제한 수단을 포함하는 제1 방전 회로를 통하여 병렬로 접속하는 제1 회로 구성으로 되고, 그 후 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 상기 유닛 하한 전압보다도 높은 제1 설정 전압까지 상승한 것을 검출하거나 또는 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 전압이 상기 유닛 하한 전압보다도 낮은 제2 설정 전압까지 저하한 것을 검출하면, 상기 이차 전지를 상기 부하 및 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 상기 전류 제한 수단을 포함하지 않는 제2 방전 회로를 통하여 병렬로 접속하는 제2 회로 구성으로 되는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 방전 회로는, 상기 제1 방전 회로의 상기 전류 제한 수단을 단락하는 단락 회로에 의해서 구성되어 있는 직류 전원 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 외부 충전기로부터 충전 전압이 인가되었을 때에 동작 상태로 되어 상기 이차 전지를 충전하는 충전 회로를 더 구비하고 있는 직류 전원 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 충전 회로에는, 스위칭 회로가 포함되어 있고, 상기 스위칭 회로가 도통 상태로 된 경우에, 상기 이차 전지의 충전이 행해지는 직류 전원 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 충전 회로는, 상기 충전 전압을 상기 이차 전지의 충전에 적합한 전압으로 강압하는 DC/DC 컨버터를 포함하고 있는 직류 전원 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    환경 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 더 구비하고,
    상기 DC/DC 컨버터는, 상기 온도 검출 수단이 검출하는 검출 온도가 미리 정한 기준 상한 온도보다 높아지면, 상기 이차 전지의 충전에 적합한 전압을 저하시키고, 상기 온도 검출 수단이 검출하는 검출 온도가 미리 정한 기준 하한 온도보다 낮아지면 상기 이차 전지의 충전에 적합한 전압을 상승시키는 직류 전원 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    1 이상의 다이오드를 포함하여 구성되고, 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛에 외부 충전기로부터 충전 전압이 인가되었을 때에 상기 충전 전압을 상기 이차 전지의 충전에 적합한 전압으로 강압하여 상기 이차 전지에 인가하는 충전 회로를 더 구비하고 있는 직류 전원 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 충전 회로에는, 스위칭 회로가 포함되어 있고, 상기 스위칭 회로가 도통 상태로 된 경우에, 상기 이차 전지의 충전이 행해지는 직류 전원 장치.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 제1 설정 전압은, 상기 이차 전지로부터의 방전 전류가 과전류로 되는 것을 저지하는 것을 허용하는 허용차 전압을 상기 이차 전지의 한 쌍의 입출력부 간의 전압으로부터 감산한 전압인 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 허용차 전압은, 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 내부 저항 및 상기 이차 전지의 내부 저항의 합계값과 상기 이차 전지의 최대 방전 전류의 곱으로 정해지는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 직류 전원 장치를 전원으로서 탑재한 것을 특징으로 하는 반송 장치.
  20. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 직류 전원 장치의 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛 및 상기 이차 전지를 공통의 충전용 직류 전원을 이용하여 충전하는 충전 방법으로서, 상기 이차 전지를 상기 충전용 직류 전원으로부터 전기적으로 분리한 상태에서 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 충전하고, 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛의 충전 완료 후, 상기 리튬 이온 캐패시터ㆍ유닛을 상기 충전용 직류 전원으로부터 전기적으로 분리한 상태에서 상기 이차 전지의 충전을 행하는 것을 특징으로 하는 직류 전원 장치의 충전 방법.
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