JP2009225516A - Capacitor charging/discharging monitoring control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、周期的なサイクル時間で電力を要求する負荷に給電を行う電気二重層キャパシタの充電電圧を監視し、当該監視結果に基づいてキャパシタの充電放電の制御を行うキャパシタ充放電監視制御装置に関するものである。 The present invention monitors a charge voltage of an electric double layer capacitor that supplies power to a load that requires power in a periodic cycle time, and controls charge / discharge of the capacitor based on the monitoring result It is about.
近年、大電流の充放電が可能な電気二重層キャパシタが注目されている。電気二重層キャパシタは、電極と電解液との界面においてイオンの分極によりできる電気二重層を利用したキャパシタであり、従来のキャパシタに比較して大容量の静電容量を充電できるとともに、急速充放電が可能であり、その応用が期待されている。この電気二重層キャパシタの用途としては、メモリバックアップ用や電気自動車のパワーアシスト用や電力貯蔵用蓄電池代替などがあり、小容量品から大容量品まで幅広く検討されている。本件出願人は、例えば複数の電気二重層キャパシタのセルを直列に接続し、各キャパシタセルを並列モニタで監視しつつ充放電を行う電子回路と組み合わせて構成したキャパシタ蓄電装置を、ECS(Energy Capacitor System)またはECaSS(Energy Capacitor Systems)(登録商標)として提案している。ここで、並列モニタは、複数の電気二重層キャパシタが直列に接続されたキャパシタバンクの各電気二重層キャパシタの端子間に接続され、キャパシタ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。 In recent years, electric double layer capacitors capable of charging and discharging a large current have attracted attention. An electric double layer capacitor is a capacitor that uses an electric double layer formed by the polarization of ions at the interface between the electrode and the electrolyte. It can charge a large capacitance compared to conventional capacitors, and can be charged and discharged quickly. Is possible and its application is expected. Applications of the electric double layer capacitor include memory backup, electric vehicle power assist, and power storage battery replacement, and are widely studied from small capacity products to large capacity products. The present applicant, for example, connects a plurality of electric double layer capacitor cells in series, and a capacitor power storage device configured in combination with an electronic circuit that performs charging / discharging while monitoring each capacitor cell with a parallel monitor, as an ECS (Energy Capacitor). System) or ECaSS (Energy Capacitor Systems) (registered trademark). Here, the parallel monitor is connected between the terminals of each electric double layer capacitor of the capacitor bank in which a plurality of electric double layer capacitors are connected in series. When the charge voltage of the capacitor bank exceeds the set value of the parallel monitor, the charge current is It is a device that bypasses.
上記並列モニタを備えたキャパシタバンクは、充電する際にキャパシタ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、キャパシタバンク内のすべての電気二重層キャパシタは、設定された電圧まで均等に充電され、電気二重層キャパシタの蓄積能力をほぼ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、キャパシタ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。このような並列モニタについては、特許文献1(特許2001−186681号公報)等に開示されている。
並列モニタは、所定の基準電圧で充電電流をバイパスすることにより、充電電圧を所定値(耐電圧の範囲内)に制限し、充電電圧のバラツキを低減するものである。特許文献1に記載のものは、その図2に示すように初期化用と満充電検出用に別々のコンパレータ12、13を有する。図2において、初期化用のコンパレータ12は、第1の設定電圧Vref ini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を動作させるものである。満充電検出用のコンパレータ13は、第1の設定電圧Vref iniより高い満充電到達を判定する第2の設定電圧Vref fullを検出する電圧検出手段として用いるものである。 The parallel monitor limits the charging voltage to a predetermined value (within a withstand voltage range) by bypassing the charging current with a predetermined reference voltage, and reduces variations in the charging voltage. The device described in Patent Document 1 has separate comparators 12 and 13 for initialization and full charge detection as shown in FIG. In FIG. 2, the initialization comparator 12 operates the transistor Tr connected in parallel to the capacitor C so as to bypass the charging current with the first set voltage Vref ini. The full-charge detection comparator 13 is used as voltage detection means for detecting a second set voltage Vref full that determines the arrival of full charge higher than the first set voltage Vref ini.
以上のように、並列モニタにおいて初期化用の設定電圧Vref iniと満充電検出用の設定電圧Vref fullの2つの電圧を用いてキャパシタを監視する必要性としては、例えば、キャパシタに充電された電力を瞬時のピークカット用に利用する場合などが考えられる。すなわち、キャパシタを、周期的なサイクル時間で電力を要求するクレーンや搬送機などの建築機械、ハイブリッド自動車などの負荷への瞬時電力を補うために利
用するものである。
As described above, in the parallel monitor, it is necessary to monitor the capacitor by using two voltages of the setting voltage Vref ini for initialization and the setting voltage Vref full for detection of full charge, for example, the power charged in the capacitor May be used for instantaneous peak cut. That is, the capacitor is used to supplement instantaneous power to a load of a construction machine such as a crane or a transporter that requires electric power with a periodic cycle time, or a hybrid vehicle.
以上のような用途のためにキャパシタを利用するシステムにおいては、通常はキャパシタの定格電圧より低い電圧である初期化用設定電圧Vref ini−例えば、2.3V−でキャパシタ電圧を監視しこれを維持する。そして、負荷に対して力行電力を放電したり、負荷からの回生電力を充電したりできる態勢とする。また、一方では、キャパシタの定格電圧である満充電検出用設定電圧Vref full−例えば、2.7V−でキャパシタ電圧を監視し、この満充電検出用設定電圧Vref fullにキャパシタ電圧が達した場合には、主電源の制御部などにキャパシタ電圧が満充電電圧に達したことをフィードバックする。 In a system using a capacitor for the above-described applications, the capacitor voltage is monitored and maintained at an initial setting voltage Vref ini--for example, 2.3 V--that is usually a voltage lower than the rated voltage of the capacitor. To do. And it is set as the state which can discharge power running electric power with respect to load, or can charge regenerative electric power from load. On the other hand, when the capacitor voltage is monitored at the full charge detection setting voltage Vref full--for example, 2.7 V--, which is the rated voltage of the capacitor, and the capacitor voltage reaches the full charge detection setting voltage Vref full. Provides feedback to the controller of the main power supply that the capacitor voltage has reached the full charge voltage.
ところで、以上のように負荷への瞬時電力を補うためにキャパシタを利用する場合の並列モニタでは、初期化用設定電圧Vref iniと満充電検出用設定電圧Vref fullの2つの電圧を監視するために、2つのコンパレータが必要となり、回路が複雑化すると共にコストも上昇する、という問題があった。 By the way, in the parallel monitor in the case of using the capacitor to supplement the instantaneous power to the load as described above, in order to monitor two voltages, the setting voltage for initialization Vref ini and the setting voltage for full charge detection Vref full. Two comparators are required, and there is a problem that the circuit becomes complicated and the cost increases.
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、周期的なサイクル時間で電力を要求する負荷に用いられるキャパシタの充電放電の監視制御を行うキャパシタ充放電監視制御装置において、該キャパシタの充電電流をバイパスするバイパス手段と、該キャパシタに対する第1基準電圧を設定する第1基準電圧設定手段と、該キャパシタに対する第2基準電圧を設定する第2基準電圧設定手段と、該第1基準電圧設定手段又は該第2基準電圧設定手段のいずれかが入力されて、該キャパシタの充電電圧を第1基準電圧又は第2基準電圧と比較し、これらに達したことを判定して該バイパス手段をバイパス動作させると共にバイパス動作信号を出力する比較手段と、該第1基準電圧設定手段が該比較手段に入力されているときのバイパス動作信号をラッチし、第1監視信号として出力する第1ラッチ回路と、該第2基準電圧設定手段が該比較手段に入力されているときのバイパス動作信号をラッチし、第2監視信号として出力する第2ラッチ回路と、からなることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, an invention according to claim 1 is directed to a capacitor charge / discharge monitoring control apparatus for monitoring and controlling charge / discharge of a capacitor used for a load that requires power in a periodic cycle time. Bypass means for bypassing a charging current; first reference voltage setting means for setting a first reference voltage for the capacitor; second reference voltage setting means for setting a second reference voltage for the capacitor; and the first reference voltage Either the setting means or the second reference voltage setting means is input, the charge voltage of the capacitor is compared with the first reference voltage or the second reference voltage, and it is determined that these have been reached, and the bypass means is Comparison means for performing a bypass operation and outputting a bypass operation signal, and a bypass operation when the first reference voltage setting means is input to the comparison means The first latch circuit that latches the signal and outputs it as the first monitoring signal, and the bypass operation signal when the second reference voltage setting means is input to the comparison means are latched and output as the second monitoring signal And a second latch circuit.
また、請求項2に係る発明は、請求項1に記載のキャパシタ充放電監視制御装置において、該比較手段に該第1基準電圧設定手段又は該第2基準電圧設定手段のいずれを入力するかを時分割制御するタイマ回路が設けられることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the capacitor charge / discharge monitoring and control device according to the first aspect, which of the first reference voltage setting means and the second reference voltage setting means is input to the comparison means? A timer circuit for time-sharing control is provided.
また、請求項3に係る発明は、請求項2に記載のキャパシタ充放電監視制御装置において、該タイマ回路は該第1ラッチ回路及び該第2ラッチ回路も時分割制御することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the capacitor charge / discharge monitoring control apparatus according to the second aspect, the timer circuit also performs time-division control on the first latch circuit and the second latch circuit.
本発明の実施の形態に係るキャパシタ充放電監視制御装置によれば、キャパシタの初期化用設定電圧Vref iniと満充電検出用設定電圧Vref fullの2つの電圧を監視するために、1つのコンパレータ(比較手段)を時分割で利用する構成であるので、コンパレータを2つ設ける必要がなくなり、コストを抑制することができると共に、回路を簡素化することができる。 According to the capacitor charge / discharge monitoring and control apparatus according to the embodiment of the present invention, one comparator (in order to monitor two voltages, the capacitor setting voltage Vref ini and the full charge detection setting voltage Vref full, is used. Since the comparison means is used in a time-sharing manner, it is not necessary to provide two comparators, cost can be suppressed, and the circuit can be simplified.
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、本発明の実施形態に係るキャパシタ充放電監視制御装置が用いられる電気システムの概略構成を示す図である。このような電気システムとしては、周期的なサイクル時間で電力を要求するクレーンや搬送機などの建築機械、ハイブリッド自動車などの電気システムである。図1において、
10は主制御部、20は主電源、30は負荷、40はキャパシタ充放電監視制御装置、C1、C2、・・Cmは電気二重層キャパシタをそれぞれ示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an electrical system in which a capacitor charge / discharge monitoring control apparatus according to an embodiment of the present invention is used. Such an electric system is an electric system such as a construction machine such as a crane or a transporter that requires electric power in a periodic cycle time, or a hybrid vehicle. In FIG.
電気システムはモーターなとの負荷30によって動作するものであり、負荷30は周期的なサイクル時間で電力を要求するものである。この負荷30に対する電力は、主電源20の電力と共に、直列接続された電気二重層キャパシタC1、C2、・・Cmからの放電電力が供給される。ここで、電気二重層キャパシタC1、C2、・・Cmは、負荷30の瞬時電力を補うために利用されるようになっている。また、電気二重層キャパシタC1、C2、・・Cmには、主電源20からの電力が充電されると共に、負荷30の回生電力も充電されるよう制御される。
The electric system is operated by a
それぞれの電気二重層キャパシタC1、C2、・・Cmにはそれぞれのキャパシタの充電電圧をモニタすると共に、必要に応じてキャパシタへの充電電流をバイパスしてキャパシタを保護するキャパシタ充放電監視制御装置40が設けられている。このキャパシタ充放電監視制御装置40は、充電電流のバイパス動作を主電源20などに報知する信号も発するようになっている。また、キャパシタ充放電監視制御装置40は、負荷30が要求する特性に応じた動作を行うために主制御部10からの設定信号を受信するようになっている。
Capacitor charge / discharge monitoring and
主制御部10は、電気システムの主制御を司る構成であり、少なくとも負荷30に対する負荷制御信号、主電源20に対する主電源制御信号、及びキャパシタ充放電監視制御装置40に対する監視制御装置設定信号を各構成に発信し、それぞれを制御するようになっている。負荷制御信号はモーターなどの負荷30の出力を制御するための信号であり、主電源制御信号は負荷30の出力などに応じて主電源20を制御するための信号である。また、監視制御装置設定信号は、キャパシタ充放電監視制御装置40における監視のデューティー比を設定するために用いられる信号である。
The
本電気システムでは、電気二重層キャパシタC1、C2、・・Cmに充電された電力を瞬時のピークカット用に利用する。すなわち、キャパシタを、周期的なサイクル時間で電力を要求するクレーンや搬送機などの建築機械、ハイブリッド自動車などの負荷への瞬時電力を補うために利用するものである。 In this electric system, the electric power charged in the electric double layer capacitors C1, C2,... Cm is used for instantaneous peak cut. That is, the capacitor is used to supplement instantaneous power to a load of a construction machine such as a crane or a transporter that requires electric power with a periodic cycle time, or a hybrid vehicle.
このような電気システムのキャパシタ充放電監視制御装置40においては、負荷30が電力を要求していない状態では、それぞれのキャパシタの定格電圧より低い電圧である初期化用設定電圧Vref ini−例えば、2.3V−でキャパシタ電圧を監視しこれを維持する。そして、負荷に対して力行電力を放電したり、負荷からの回生電力を充電したりできる態勢とする。
In the capacitor charge / discharge
一方では、キャパシタ充放電監視制御装置40は、キャパシタの定格電圧である満充電検出用設定電圧Vref full−例えば、2.7V−でキャパシタ電圧を監視し、この満充電検出用設定電圧Vref fullにキャパシタ電圧が達した場合には、主電源20にキャパシタ電圧が満充電電圧に達したことをフィードバックする。
On the other hand, the capacitor charge / discharge
次に、キャパシタ充放電監視制御装置40についてより詳細に説明する。図2は本発明の実施形態に係るキャパシタ充放電監視制御装置を示す図である。図2に示すキャパシタ充放電監視制御装置40は、電気二重層キャパシタC1、C2、・・CmのうちのCnに接続されているものを示しているが、全ての電気二重層キャパシタC1、C2、・・Cmに接続されるキャパシタ充放電監視制御装置40は同様の構成を有するものである。
Next, the capacitor charge / discharge
図2において、51はタイマ設定回路、52はタイマ回路、53は第1ラッチ回路、5
4は第2ラッチ回路、SW1、SW2はスイッチ、Vref fullは第1基準電圧(満充電検出用設定電圧)、Vref iniは第2基準電圧(初期化用設定電圧)、CMPnはコンパレータ、Trnはトランジスタ、Cnは電気二重層キャパシタをそれぞれ示している。
In FIG. 2, 51 is a timer setting circuit, 52 is a timer circuit, 53 is a first latch circuit, 5
4 is a second latch circuit, SW1 and SW2 are switches, Vref full is a first reference voltage (full charge detection setting voltage), Vref ini is a second reference voltage (initialization setting voltage), CMPn is a comparator, and Trn is Transistors Cn represent electric double layer capacitors, respectively.
第1基準電圧(満充電検出用設定電圧)Vref fullは電気二重層キャパシタCnの定格電圧、第2基準電圧(初期化用設定電圧)Vref iniは電気二重層キャパシタCnの初期化電圧に対応しており、それぞれの基準電圧は、スイッチSW1、SW2のオン/オフ動作によって、コンパレータCMPnに入力されるようになっている。また、スイッチSW1、SW2のオン/オフはタイマ回路52からのオン/オフ信号によって動作するようになっている。
The first reference voltage (full charge detection setting voltage) Vref full corresponds to the rated voltage of the electric double layer capacitor Cn, and the second reference voltage (initialization setting voltage) Vref ini corresponds to the initialization voltage of the electric double layer capacitor Cn. Each reference voltage is input to the comparator CMPn by the on / off operation of the switches SW1 and SW2. The switches SW1 and SW2 are turned on / off by an on / off signal from the
スイッチSW1はタイマ回路52からの第1オン/オフ信号がHighであるときにオンし、これがLowとなるとオフするようになっている。また、スイッチSW2はタイマ回路52からの第2オン/オフ信号がHighであるときにオンし、これがLowとなるとオフするようになっている。このように本実施形態のキャパシタ充放電監視制御装置40では、タイマ回路52によって入力する第1基準電圧Vref full、第2基準電圧Vref iniを切り替えて、1つのコンパレータCMPnを時分割で制御するようになっており、これにより、2つの設定電圧を監視するために、コンパレータを2つ設ける必要がなくなり、コストを抑制することができると共に、回路を簡素化することができる。
The switch SW1 is turned on when the first on / off signal from the
図3はタイマ回路52が発生する第1オン/オフ信号及び第2オン/オフ信号のタイミングを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the timing of the first on / off signal and the second on / off signal generated by the
図3に示すようにT1時間第1オン/オフ信号がHighであるときに、第2オン/オフ信号はLowとなっている。そして次のT2時間第2オン/オフ信号がHighであるときに、第2オン/オフ信号はLowとなっている。タイマ回路52はこれを交互に周期的に繰り返すようになっている。
As shown in FIG. 3, when the first on / off signal is high for the time T1, the second on / off signal is low. Then, when the second on / off signal for the next T2 time is High, the second on / off signal is Low. The
タイマ設定回路51は、タイマ回路52における第1オン/オフ信号がHigh状態である時間T1と、第2オン/オフ信号がHigh状態である時間T2とのデューティー比を設定することができるようになっている。このようなタイマ設定回路51におけるデューティー比の設定は、主電源20での電力供給状況及び負荷30の動作状況などに応じて主制御部10が決定する。主制御部10は、決定されたデューティー比の設定を監視制御装置設定信号としてタイマ設定回路51に送信する。これを受けたタイマ設定回路51がタイマ回路52におけるデューティー比を設定する。
The
コンパレータCMPnは、第1基準電圧(満充電検出用設定電圧)Vref fullが入力されているときには、電気二重層キャパシタCnの電圧と第1基準電圧Vref fullとを比較して、電気二重層キャパシタCnの電圧が第1基準電圧Vref fullに達していると、トランジスタTrnを動作させて電気二重層キャパシタCnに流れ込む電流をトランジスタTrnにバイパスさせると共に、バイパス動作信号を第1ラッチ回路53、第2ラッチ回路54に送信するようになっている。
When the first reference voltage (full charge detection setting voltage) Vref full is input, the comparator CMPn compares the voltage of the electric double layer capacitor Cn with the first reference voltage Vref full, and compares the electric double layer capacitor Cn. When the voltage reaches the first reference voltage Vref full, the transistor Trn is operated to bypass the current flowing into the electric double layer capacitor Cn to the transistor Trn, and the bypass operation signal is sent to the
また、コンパレータCMPnは、第2基準電圧(初期化用設定電圧)Vref iniが入力されているときには、電気二重層キャパシタCnの電圧と第2基準電圧Vref iniとを比較して、電気二重層キャパシタCnの電圧が第2基準電圧Vref iniに達していると、トランジスタTrnを動作させて電気二重層キャパシタCnに流れ込む電流をトランジスタTrnにバイパスさせると共に、バイパス動作信号を第1ラッチ回路
53、第2ラッチ回路54に送信するようになっている。
The comparator CMPn compares the voltage of the electric double layer capacitor Cn with the second reference voltage Vref ini when the second reference voltage (initialization setting voltage) Vref ini is input, and the electric double layer capacitor When the voltage of Cn reaches the second reference voltage Vref ini, the transistor Trn is operated to bypass the current flowing into the electric double layer capacitor Cn to the transistor Trn, and the bypass operation signal is sent to the
第1ラッチ回路53は、タイマ回路52からの第1オン/オフ信号がHighであるときに前記バイパス動作信号をラッチして、ラッチしたバイパス動作信号を第1監視信号として出力する。また、第2ラッチ回路54はタイマ回路52からの第2オン/オフ信号がHighであるときに、前記バイパス動作信号をラッチして、ラッチしたバイパス動作信号を第2監視信号として出力する。第1監視信号は電気二重層キャパシタCnが満充電電圧(定格電圧)にあるか、また、第2監視信号は電気二重層キャパシタCnが初期化電圧にあるかを主電源20側に報知する信号となる。以上のような第1監視信号及び第2監視信号は、主電源20に入力されて電気二重層キャパシタC1、C2、・・Cmの充電制御に供されるようになっている。本実施形態では、このような2種類の監視信号によって主電源20が制御されているので、電気二重層キャパシタC1、C2、・・Cmが過充電状態になるなどの負担を免れると共に、電気システムを安全に運用することができる。
The
以上、本発明のキャパシタ充放電監視制御装置によれば、キャパシタの初期化用設定電圧Vref iniと満充電検出用設定電圧Vref fullの2つの電圧を監視するために、1つのコンパレータ(比較手段)を時分割で利用する構成であるので、コンパレータを2つ設ける必要がなくなり、コストを抑制することができると共に、回路を簡素化することができる。 As described above, according to the capacitor charge / discharge monitoring control apparatus of the present invention, one comparator (comparison means) is used to monitor two voltages, the capacitor initialization voltage Vref ini and the full charge detection setting voltage Vref full. Therefore, it is not necessary to provide two comparators, the cost can be suppressed, and the circuit can be simplified.
10・・・主制御部、20・・・主電源、30・・・負荷、40・・・キャパシタ充放電監視制御装置、51・・・タイマ設定回路、52・・・タイマ回路、53・・・第1ラッチ回路、54・・・第2ラッチ回路
DESCRIPTION OF
Claims (3)
該キャパシタの充電電流をバイパスするバイパス手段と、
該キャパシタに対する第1基準電圧を設定する第1基準電圧設定手段と、
該キャパシタに対する第2基準電圧を設定する第2基準電圧設定手段と、
該第1基準電圧設定手段又は該第2基準電圧設定手段のいずれかが入力されて、該キャパシタの充電電圧を第1基準電圧又は第2基準電圧と比較し、これらに達したことを判定して該バイパス手段をバイパス動作させると共にバイパス動作信号を出力する比較手段と、該第1基準電圧設定手段が該比較手段に入力されているときのバイパス動作信号をラッチし、第1監視信号として出力する第1ラッチ回路と、
該第2基準電圧設定手段が該比較手段に入力されているときのバイパス動作信号をラッチし、第2監視信号として出力する第2ラッチ回路と、
からなることを特徴とするキャパシタ充放電監視制御装置。 In a capacitor charge / discharge monitoring and control device for monitoring and controlling charge / discharge of a capacitor used for a load that requires power in a periodic cycle time,
Bypass means for bypassing the charging current of the capacitor;
First reference voltage setting means for setting a first reference voltage for the capacitor;
Second reference voltage setting means for setting a second reference voltage for the capacitor;
Either the first reference voltage setting means or the second reference voltage setting means is input, the charge voltage of the capacitor is compared with the first reference voltage or the second reference voltage, and it is determined that these have been reached. A comparator for bypassing the bypass means and outputting a bypass operation signal; and a bypass operation signal when the first reference voltage setting means is input to the comparator means is latched and output as a first monitoring signal A first latch circuit that
A second latch circuit that latches a bypass operation signal when the second reference voltage setting means is input to the comparison means, and outputs it as a second monitoring signal;
A capacitor charge / discharge monitoring and control device comprising:
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