JP2003111286A - 並列モニタつきバンク切り換えキャパシタ蓄電装置 - Google Patents
並列モニタつきバンク切り換えキャパシタ蓄電装置Info
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Abstract
る電力損失の低減を図り、バンク切り換え機能を有する
蓄電装置のエネルギー効率の向上を図る。 【解決手段】 複数のキャパシタCと複数の各キャパシ
タに並列に接続されそれぞれを初期化の設定電圧に制限
する初期化機能を有する並列モニタと複数のキャパシタ
の接続を直並列に切り換えるスイッチ手段と複数のキャ
パシタの電圧に応じて並列モニタによる初期化及びスイ
ッチ手段によるバンク切り換えを制御する制御手段3と
を備えた並列モニタつきバンク切り換えキャパシタ蓄電
装置において、制御手段3は、スイッチ手段によるバン
ク切り換えを行う電圧の近傍で並列モニタによる初期化
を行うようにすることにより、初期化が低い電圧で行わ
れ、電力損失を少なくし、バンク切り換えによる効率の
低下を改善する。
Description
と前記複数の各キャパシタに並列に接続されそれぞれを
初期化の設定電圧に制限する初期化機能を有する並列モ
ニタと前記複数のキャパシタの接続を直並列に切り換え
るスイッチ手段と前記複数のキャパシタの電圧に応じて
前記並列モニタによる初期化及び前記スイッチ手段によ
るバンク切り換えを制御する制御手段とを備えた並列モ
ニタつきバンク切り換えキャパシタ蓄電装置に関する。
電装置、いわゆるECSにおいて、初期化機能を有する
並列モニタを備え、さらにキャパシタのバンク切り換え
機能を備えた蓄電装置は、国家プロジェクトで実証調査
(新エネルギー・産業技術総合開発機構:負荷平準化新
手法実証調査最終報告書、2000年3月)が行われ、
その高性能が高く評価され既に実用に供されている。
電装置については、例えば特開2000−152508
号公報、特開2000−217250号公報、特開20
01−186681号公報等に、また、キャパシタのバ
ンク切り換え機能を備えた蓄電装置についても、例えば
特開2000−152495号公報、特開2000−2
09775号公報、特開2000−253572号公報
等にそれぞれ本出願人等が提案をしている。
えた蓄電装置の構成例を示す。図5は並列モニタとして
初期化用と満充電検出用に別々のコンパレータを有する
キャパシタ蓄電部の1構成例を示す図であり、11は充
電器、12、13はコンパレータ、14、15はオアゲ
ート、Cはキャパシタ、Dはダイオード、Rsは抵抗、
Trはトランジスタ、S1は初期化スイッチ、Vful 、
Vini は設定電圧を示す。
ルギー貯蔵用としての、例えば電気二重層コンデンサで
ある。初期化用のコンパレータ12は、第1の設定電圧
Vini で充電電流をバイパスするようにキャパシタCに
並列接続したトランジスタTrを動作させ、満充電検出
用のコンパレータ13は、第1の設定電圧Vini より高
い満充電到達を判定する第2の設定電圧Vful を検出す
る電圧検出手段として用いる。トランジスタTrと抵抗
Rsは、キャパシタCの初期化を行う際に、キャパシタ
Cの端子電圧が設定電圧Vini 以上になると充電電流の
バイパス回路を構成し、そのバイパス電流を制限する、
つまり充電電流の一部をバイパスし、その電流を抵抗R
sにより設定する。初期化スイッチS1は、キャパシタ
Cの初期化動作のオン/オフを行い、初期化モードが選
択されたとき初期化実行信号Sによりオンにする。
パシタCに対する充電を行うものであり、いずれかのキ
ャパシタCから満充電電圧が検出されたことを条件に充
電を停止する。例えば満充電検出用のコンパレータ13
の出力Fをオア論理処理して取り出すことにより、複数
のキャパシタのうちのいずれかが満充電に達したことを
判定して充電を終了する。また、充電器11は、初期化
充電を行う場合、初期化実行信号Sにより初期化スイッ
チS1をオンにして充電を開始し、各キャパシタの初期
化用のコンパレータ12の出力Iをオア論理処理して取
り出すことにより、複数のキャパシタのうちのいずれか
で充電電流のバイパス動作が開始したことを判定する。
オアゲート14は、コンパレータ12のバイパス動作信
号Iをオア論理処理するものであり、オアゲート15
は、コンパレータ13の満充電検出信号Fのオア論理処
理を行って充電器11に定電流充電の停止信号とするも
のである。
の満充電電圧に、設定電圧Vini が設定電圧Vful より
低い初期化電圧にそれぞれ設定される。そして、初期化
スイッチS1がオンのときの充電では、早く設定電圧V
ini まで充電されたキャパシタより順次トランジスタT
rと抵抗Rsからなるバイパス回路により充電電流の一
部がバイパスされて充電速度を落とし、いずれかのキャ
パシタが満充電になると、充電器11により定電流によ
る充電を停止し、必要に応じて緩和充電を行う。
備えた蓄電装置の構成例を示す。図6はバンク切り換え
制御キャパシタ蓄電装置の1構成例を示す図であり、C
A1〜CA3、CB1〜CB3はキャパシタ、SS、S
A1〜SA3、SB1〜SB3はスイッチを示す。
とCB1〜CB3は、それぞれ同数ずつ直列接続した2
組のキャパシタ群A、Bを構成する。なお、それぞれの
キャパシタCA1〜CA3、CB1〜CB3は、複数個
を直列あるいはそれをさらに並列に接続したバンクであ
ってもよいし、並列モニタが必要に応じて適宜接続され
る。スイッチSSは、2組のキャパシタ群A、Bを直列
接続する直列接続スイッチ手段であり、スイッチSA1
〜SA3は、一方のキャパシタ群AとスイッチSSとの
直列接続点を他方のキャパシタ群Bの直列接続他端
及びそれぞれのキャパシタCB1〜CB3の直列接続点
に接続する一方のスイッチ手段群、スイッチSB1〜S
B3は、他方のキャパシタ群BとスイッチSSとの直列
接続点を一方のキャパシタ群Aの直列接続他端及び
それぞれのキャパシタの直列接続点に接続する他方のス
イッチ手段群である。
SSのみをオンにすることにより、図6(D)に示すよ
うにキャパシタCA1〜CA3、CB1〜CB3を直列
接続とし、図6(B)に示すようにスイッチSSをオフ
にして一方のスイッチ手段群のスイッチSA3及びこれ
に対応する他方のスイッチ手段群のスイッチSB3をオ
ンにすることにより、図6(E)に示すように一方のキ
ャパシタ群Aの中央側接続キャパシタCA3と他方のキ
ャパシタ群Bの中央側接続キャパシタCB3とを並列接
続とする。
イッチ手段群のスイッチSA2及びこれに対応する他方
のスイッチ手段群のスイッチSB2をオンにし、他のス
イッチは全てオフにすることにより、図6(F)に示す
ように一方のキャパシタ群Aの中央側接続キャパシタC
A3、CA2の直列回路と他方のキャパシタ群Bの中央
側接続キャパシタCB3、CB2の直列回路とを並列接
続とする。
SA1及びこれに対応する他方のスイッチ手段群のスイ
ッチSB1をオンにし、他のスイッチは全てオフにする
ことにより、図6(G)に示すように一方のキャパシタ
群AのキャパシタCA1〜CA3の直列回路と他方のキ
ャパシタ群BのキャパシタCB1〜CB3の直列回路と
を並列接続とする。
れか1つのスイッチSA1〜SA3及びこれと反対側の
他方のスイッチ手段群のスイッチSB1〜SB3又はス
イッチSSのいずれかを選択的に接続して、図6(D)
〜(G)のように複数のキャパシタCA1〜CA3、C
B1〜CB3の接続を切り換え制御するので、電圧を調
整し充放電に伴う電圧の変動を押さえることができる。
例えば図6(D)に示すようにキャパシタCA1〜CA
3、CB1〜CB3を全て直列に接続して充電を開始す
るが、充電側の端子電圧が所定値まで上昇すると、図6
(E)に示す接続に切り換えることにより、キャパシタ
CA3、CB3の電圧分低下させる。さらに充電により
再び充電側の端子電圧が所定値まで上昇すると、図6
(F)、(G)に示す接続に順次切り換えることによ
り、充電側の端子電圧を所定値より上昇しないように押
さえることができる。
始し負荷に給電を行う場合には、出力電圧が所定値まで
低下すると、図6(F)に示す接続に切り換えることに
より出力電圧の低下を補い、さらに出力電圧が所定値ま
で低下すると、図6(E)、(D)に示す接続に切り換
えることにより、出力電圧を所定値より低下しないよう
に押さえることができる。しかも、充放電の際の全電流
を負担するのは、キャパシタCA1〜CA3、CB1〜
CB3を全て直列に接続するスイッチSSのみであり、
その他のスイッチSA1〜SA3、SB1〜SB3は、
全電流の1/2の電流容量ですむ。さらに、いずれの段
階でもキャパシタに直列に接続されるスイッチは1個だ
けとなるので、スイッチに半導体を用いたときに問題と
なるスイッチのオン電圧による損失も最小限にできる。
いられている方式では、上記のようなキャパシタの初期
化機能を有する並列モニタと、キャパシタの直並列を切
り換える機能とを、単純に組み合わせただけのものであ
る。そのため、双方の機能が矛盾した動作を行う場合が
生じ、キャパシタ蓄電装置のエネルギー効率が低下する
場合が起こりうる事実が確認された。
僅かな値であるが、バンク切り換えを用いたキャパシタ
装置のシステム全体としての充放電効率は、実績値で9
4%と高いため、1〜2%でもさらに高効率を目指すこ
とは、キャパシタ蓄電装置の用途の拡大に大きく貢献す
る。
決するものであって、並列モニタを有するキャパシタの
初期化による電力損失の低減を図り、バンク切り換え機
能を有する蓄電装置のエネルギー効率の向上を図るもの
である。
前記複数の各キャパシタに並列に接続されそれぞれを初
期化の設定電圧に制限する初期化機能を有する並列モニ
タと前記複数のキャパシタの接続を直並列に切り換える
スイッチ手段と前記複数のキャパシタの電圧に応じて前
記並列モニタによる初期化及び前記スイッチ手段による
バンク切り換えを制御する制御手段とを備えた並列モニ
タつきバンク切り換えキャパシタ蓄電装置において、前
記制御手段は、前記スイッチ手段によるバンク切り換え
を行う電圧の近傍で前記並列モニタによる初期化を行う
ようにしたことを特徴とするものである。
バンク切り換えを行う直前の電圧で前記並列モニタによ
る初期化を行い、前記スイッチ手段によるバンク切り換
えを行うキャパシタに対してのみ、あるいは前記複数の
キャパシタがすべて直列接続された状態で前記並列モニ
タによる初期化を行うようにしたことを特徴とし、前記
制御手段は、前記スイッチ手段によるバンク切り換えを
行った直後の電圧で前記並列モニタによる初期化を行
い、前記スイッチ手段によるバンク切り換えを行ってい
ないキャパシタに対してのみ前記並列モニタによる初期
化を行うようにしたことを特徴とするものである。
を参照しつつ説明する。図1は本発明に係る並列モニタ
つきバンク切り換えキャパシタ蓄電装置の実施の形態を
示す図であり、1は蓄電部、2は充電回路、3は充放電
制御部、4は初期化の設定電圧、5は切換・満充電の設
定電圧、Cはキャパシタを示す。
に示すような並列モニタつきの複数のキャパシタC、そ
れらの接続の直並列切り換えを行うスイッチを含み、初
期化機能を有する並列モニタ及びキャパシタCのバンク
切り換え機能を備えたものである。充電回路2は、充電
電流を制御して定電流充電、緩和充電などの充電モード
で蓄電部1のキャパシタCを充電する回路である。充放
電制御部3は、蓄電部1の電圧監視、初期化制御、バン
ク切り換え制御を行い、充電回路3の制御を行うもので
ある。
では、各キャパシタCの電圧あるいは代表キャパシタC
の電圧の検出、充電状態の監視を行う。例えば図5に示
す回路では、初期化のバイパス動作信号I、満充電のバ
イパス動作信号Fの監視を行う。充放電制御部3による
蓄電部1の初期化制御では、初期化を行う場合に初期化
回路を動作状態にする。例えば図5に示す回路では、初
期化実行信号SによりスイッチS1をオンにする。充放
電制御部3による蓄電部1のバンク切り換え制御では、
蓄電部1の電圧監視を行って切り換え電圧を判定して、
切り換えスイッチを制御しキャパシタのバンク切り換え
を行う。例えば図6に示す回路では、スイッチSS、S
A1〜SA3、SB1〜SB3のオン/オフを制御す
る。そして、充放電制御部3による充電回路3の制御で
は、蓄電部1の充電状態の監視を行って満充電を判定し
て、充電の停止あるいは緩和充電へ移行させる。例えば
図5に示す回路では、満充電のバイパス動作信号Fを検
出して満充電を判定する。
パシタの初期化の設定電圧Vini を保持する例えばメモ
リである。初期化の設定電圧Vini は、後述する初期化
の実行モードに応じて、例えば各キャパシタがすべて直
列接続状態で初期化を実行する場合、一部並列接続にバ
ンク切り換えを行った後の状態で初期化を実行する場合
に応じて、各キャパシタ毎に初期化の設定電圧Vini が
設定される。切換・満充電の設定電圧5は、蓄電部1の
キャパシタのバンク切り換えを行う電圧及び充電を停止
したり緩和充電に移行させる満充電の設定電圧Vful を
保持する例えばメモリである。バンク切り換えを行う電
圧は、蓄電部1の全電圧であり、あるときには基準とな
るあるキャパシタの端子電圧である。例えば図6に示す
回路では、蓄電部1の全電圧が所定の電圧に達する毎に
(D)から(E)の接続へ、(E)から(F)の接続
へ、(F)から(G)の接続へバンク切り換えを行い、
そして、満充電で充電を停止する。このときの判定をキ
ャパシタCA1の端子電圧により代表判定して行っても
よい。
理の概要を説明するための図、図3はシフト型2段バン
ク切り換えの例を示す図、図4はキャパシタのバンク切
り換えに伴う蓄電部1の全電圧、バンク電圧の変化及び
初期化の設定電圧Vini の設定例を示す図である。
図2に示すようにまず、電圧が初期化実行範囲の電圧に
達したか否かを判定し(ステップS11)、初期化実行
範囲の電圧に達すると、初期化対象のキャパシタに対す
る初期化実行信号Sを一定時間オンにする(ステップS
12)。さらに、電圧がバンク切り換えの電圧に達した
か否かを判定し(ステップS13)、バンク切り換えの
電圧に達すると(ステップS14)、バンク切り換えの
対象となるキャパシタに対応する切り換えスイッチを選
択切り換えする(ステップS15)。
て幾つもの種類があるが、4つのキャパシタからなるシ
フト型2段切り換えの例を示したのが図3、そのバンク
切り換えに伴う蓄電部1の全電圧、バンク電圧の変化及
び初期化の設定電圧Vini の設定例を示したのが図4で
あり、図4のA点で図3(d)から(c)にバンク切り
換えが行われ、図4のB点で図3(c)から(b)にバ
ンク切り換えが行われる。図4のA点では、キャパシタ
C2とC3がそれまでの直列から並列になるので、その
時点で、この2つのキャパシタC2とC3の充電電圧に
差があれば、高い方は放電し低い方が充電され、比較的
大電流が流れて短時間に強制的に同じ電圧になる。
構成されているのであれば、これは並列モニタの初期化
と方法は違うが本質的に同じことをしている。この回路
において、並列モニタの初期化の設定電圧Vini をバン
ク切り換えに影響されない満充電の設定電圧Vful に近
い図4のC点を選んだとすると、キャパシタは、条件の
異なる初期化、均等化を1充電サイクルの間に2回経験
することになる。実際の動作では、初期化は比較的緩慢
に時間をかけて行われ、バンク切り換えは瞬時に近い時
間で完了するので、後者の電圧配分が優先されるが、並
列モニタによる初期化が完璧に行われればそれだけ、電
力の消費が増え、蓄電装置としての充放電効率が低下す
る結果を招く。
前に並列モニタによる初期化を完了するように並列モニ
タの電圧Vini を設定するものであり、この場合、例え
ば図3(d)から(c)にバンク切り換えが行われる直
前で、全てのキャパシタC1〜C4について初期化を行
ってもよいし、バンク切り換えの対象となるキャパシタ
C2、C3についてのみ初期化を行い(図4のA点)、
図3(c)から(b)にバンク切り換えが行われる直前
で、その対象となるキャパシタC1、C4についてのみ
初期化を行うようにしてもよい(図4のB点)。
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、バンク切り換えが行われる直前で初
期化を行うようにしたが、バンク切り換えが行われた直
後に初期化を行うようにしてもよい。初期化とバンク切
り換えの2回の初期化、均等化によるエネルギーの損失
は、図6のC点のようにバンク切り換えが切り換えられ
るA、B点から遠く離れるほど大きい、したがって、初
期化を図6のC点近傍で行わず、バンク切り換えが行わ
れるA、B点の近傍に持ってくるだけで、その損失は大
幅に改善することができる。また、初期化の設定電圧V
ini 、満充電の設定電圧Vful は、初期化の設定電圧
4、切換・満充電の設定電圧5で保持して充放電制御部
3より蓄電部1の各キャパシタの並列モニタの設定を行
うようにしてもよいし、並列モニタのそれぞれで固定し
たものを用いるようにしてもよい。
によれば、複数のキャパシタと複数の各キャパシタに並
列に接続されそれぞれを初期化の設定電圧に制限する初
期化機能を有する並列モニタと複数のキャパシタの接続
を直並列に切り換えるスイッチ手段と複数のキャパシタ
の電圧に応じて並列モニタによる初期化及びスイッチ手
段によるバンク切り換えを制御する制御手段とを備えた
並列モニタつきバンク切り換えキャパシタ蓄電装置にお
いて、制御手段は、スイッチ手段によるバンク切り換え
を行う電圧の近傍で並列モニタによる初期化を行うよう
にしたので、初期化が低い電圧で行われ、電力損失を少
なくし、バンク切り換えによる効率の低下を改善するこ
とができる。
り換えを行う直前の電圧で並列モニタによる初期化を行
い、スイッチ手段によるバンク切り換えを行うキャパシ
タに対してのみ、あるいは複数のキャパシタがすべて直
列接続された状態で並列モニタによる初期化を行うよう
にし、また、制御手段は、スイッチ手段によるバンク切
り換えを行った直後の電圧で並列モニタによる初期化を
行い、スイッチ手段によるバンク切り換えを行っていな
いキャパシタに対してのみ並列モニタによる初期化を行
うようにしたので、初期化による電力損失を最小限に抑
え、並列モニタを有するキャパシタの初期化による電力
損失の低減を図り、バンク切り換え機能を有する蓄電装
置のエネルギー効率の向上を図ることができる。
キャパシタ蓄電装置の実施の形態を示す図である。
を説明するための図である。
ある。
の全電圧、バンク電圧の変化及び初期化の設定電圧Vin
i の設定例を示す図である。
別々のコンパレータを有するキャパシタ蓄電部の1構成
例を示す図である。
構成例を示す図である。
期化の設定電圧、5…切換・満充電の設定電圧、C…キ
ャパシタ
Claims (6)
- 【請求項1】 複数のキャパシタと前記複数の各キャパ
シタに並列に接続されそれぞれを初期化の設定電圧に制
限する初期化機能を有する並列モニタと前記複数のキャ
パシタの接続を直並列に切り換えるスイッチ手段と前記
複数のキャパシタの電圧に応じて前記並列モニタによる
初期化及び前記スイッチ手段によるバンク切り換えを制
御する制御手段とを備えた並列モニタつきバンク切り換
えキャパシタ蓄電装置において、前記制御手段は、前記
スイッチ手段によるバンク切り換えを行う電圧の近傍で
前記並列モニタによる初期化を行うようにしたことを特
徴とする並列モニタつきバンク切り換えキャパシタ蓄電
装置。 - 【請求項2】 前記制御手段は、前記スイッチ手段によ
るバンク切り換えを行う直前の電圧で前記並列モニタに
よる初期化を行うようにしたことを特徴とする請求項1
記載の並列モニタつきバンク切り換えキャパシタ蓄電装
置。 - 【請求項3】 前記制御手段は、前記スイッチ手段によ
るバンク切り換えを行うキャパシタに対してのみ前記並
列モニタによる初期化を行うようにしたことを特徴とす
る請求項2記載の並列モニタつきバンク切り換えキャパ
シタ蓄電装置。 - 【請求項4】 前記制御手段は、前記複数のキャパシタ
がすべて直列接続された状態で前記並列モニタによる初
期化を行うようにしたことを特徴とする請求項2記載の
並列モニタつきバンク切り換えキャパシタ蓄電装置。 - 【請求項5】 前記制御手段は、前記スイッチ手段によ
るバンク切り換えを行った直後の電圧で前記並列モニタ
による初期化を行うようにしたことを特徴とする請求項
1記載の並列モニタつきバンク切り換えキャパシタ蓄電
装置。 - 【請求項6】 前記制御手段は、前記スイッチ手段によ
るバンク切り換えを行っていないキャパシタに対しての
み前記並列モニタによる初期化を行うようにしたことを
特徴とする請求項5記載の並列モニタつきバンク切り換
えキャパシタ蓄電装置。
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