JP2017229204A - キャパシタユニット、受電システムおよび無人搬送車 - Google Patents

Abstract

【課題】動力源となる鉛蓄電池と電気二重層キャパシタとを交換する際の手間を軽減させる。
【解決手段】直流電圧を異なる直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ６２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２および蓄電デバイスを収納し、外部に電力を出力するための出力側端子６Ｂを有する収納ケース６Ｃと、を備え、蓄電デバイスは、鉛蓄電池および電気二重層キャパシタ６１のいずれかであり、蓄電デバイスが鉛蓄電池である場合には、鉛蓄電池の出力端子を収納ケース６Ｃの出力側端子６Ｂに接続し、蓄電デバイスが電気二重層キャパシタ６１である場合には、電気二重層キャパシタ６１の出力端子６１ＢをＤＣ−ＤＣコンバータ６２の入力端子６２Ａに接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２の出力端子６２Ｂを収納ケース６Ｃの出力側端子６Ｂに接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、キャパシタユニット、受電システムおよび無人搬送車に関する。

機器の動力源として、鉛蓄電池に代表される二次電池や電気二重層キャパシタに代表される電気化学キャパシタなどの蓄電デバイスが利用されている。鉛蓄電池は、寿命が短く、保守管理や交換が不可欠であるとともに、充電に時間を要するのに対し、電気二重層キャパシタは、寿命が長く、保守管理や交換を不要にできるとともに、急速充電が可能であるという特徴を有する。このような特徴を鑑み、動力源を鉛蓄電池から電気二重層キャパシタに置き換える動きが進められている。

下記特許文献１−３には、電源として利用される電気二重層キャパシタに関する技術が開示されている。具体的に、特許文献１、２には、電源として用いられる電気二重層コンデンサのエネルギー密度を高めるために、複数の電気二重層キャパシタを直列および並列に組み合わせて配置する技術が開示されている。特許文献３には、電源として用いられる電気二重層コンデンサから負荷に供給される電力を安定させるために、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して負荷に電力を供給する技術が開示されている。

特開２００１−１１９８６６号公報 特開２０００−１２３８３号公報 特開平９−９３８０９号公報

ところで、電気二重層キャパシタを電源として用いる場合には、エネルギー密度が低く、供給電圧が不安定になりやすいという問題を解決するために、特許文献１−３のように、複数の電気二重層キャパシタを組み合わせて使用することや、電気二重層キャパシタとＤＣ−ＤＣコンバータとを組み合わせて使用することになる。したがって、エネルギー密度が高く、安定した電圧を供給可能な鉛蓄電池を電源として用いる場合に比べ、電気二重層キャパシタを電源として用いる場合には、電源の外形形状や寸法がばらばらになりやすい。それゆえ、例えば鉛蓄電池を電源とする機器において、電源を電気二重層キャパシタに交換しようとする場合、収納ケースの形状や寸法、配線の引き回し等を変更しなければならず、手間がかかってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、動力源となる二次電池と電気化学キャパシタとを交換する際の手間を軽減させることができるキャパシタユニット、受電システムおよび無人搬送車を提供することを目的とする。

本発明の一態様によるキャパシタユニットは、直流電圧を異なる直流電圧に変換する電圧変換部と、前記電圧変換部および蓄電デバイスを収納し、外部に電力を出力するための端子を有する収納部と、を備え、前記蓄電デバイスは、二次電池および電気化学キャパシタのいずれかであり、前記蓄電デバイスが二次電池である場合には、二次電池の出力端子を前記端子に接続し、前記蓄電デバイスが電気化学キャパシタである場合には、電気化学キャパシタの出力端子を前記電圧変換部の入力端子に接続し、前記電圧変換部の出力端子を前記端子に接続する。

前記電気化学キャパシタは、電源スイッチを備えることとしてもよい。

前記電気化学キャパシタの電圧値を測定する電圧計と、表示ランプと、前記電圧計の測定値が規定の電圧値以下に低下した場合に前記表示ランプを点灯させる制御部と、をさらに備えることとしてもよい。

また、本発明の一態様による受電システムは、前記キャパシタユニットと、前記蓄電デバイスに電力を供給する非接触電力伝送システムの受電装置と、を備える。

また、本発明の一態様による無人搬送車は、前記受電システムを搭載する。

本発明によれば、動力源となる二次電池と電気化学キャパシタとを交換する際の手間を軽減させることができる。

本発明に係るキャパシタユニットを含む非接触電力供給システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。 本発明に係るキャパシタユニットの構成の一例を概略的に示すブロック図である。 本発明に係るキャパシタユニットの構成の一例を概略的に示すブロック図である。

本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。さらに、当業者であれば、以下に述べる各要素を均等なものに置換した実施の形態を採用することが可能であり、かかる実施の形態も本発明の範囲に含まれる。さらにまた、図面における各種の寸法比率は、その図示の比率に限定されるものではない。

以下において、本発明に係るキャパシタユニットを、無人搬送車（Automatic Guided Vehicle、以下「ＡＧＶ」ともいう。）の動力源に用いる場合について例示的に説明する。ＡＧＶは、例えば工場の生産ラインなどにおいて、床面に敷設された磁気テープや磁気棒などによる電磁誘導を利用して自動走行する無人の搬送用車両である。図１は、本発明に係るキャパシタユニットを含む非接触（ワイヤレス）電力供給システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。

非接触電力供給システム１は、磁界共鳴方式により送電装置（送電ユニット２および送電コイルユニット３）から受電装置（受電コイルユニット４および受電ユニット５）に数ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波電力を非接触で伝送し、高周波電力を受信した受電装置からキャパシタユニット６に直流電力を供給し、直流電力を受け取ったキャパシタユニット６の電気二重層キャパシタ６１でＡＧＶ７に供給するための電力を蓄電するシステムである。

例示的に、送電装置は、生産ラインに沿った荷物の積み下ろしスペース等に設置され、受電装置およびキャパシタユニット６は、ＡＧＶ７に搭載される。

図１の構成のうち、ＡＧＶ７を除いた部分が非接触電力供給システム１を構成する。また、図１の構成のうち、送電ユニット２、送電コイルユニット３、受電コイルユニット４および受電ユニット５が、非接触電力伝送システムを構成する。さらに、図１の構成のうち、非接触電力伝送システムの受電装置（受電コイルユニット４および受電ユニット５）およびキャパシタユニット６が受電システムを構成する。

送電ユニット２は、高周波電源２１および制御部２２を備える。高周波電源２１は、所定の周波数（数ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波）の高周波電力を発生する。高周波電源２１は、高周波信号（電圧信号）を発生する高周波信号発生回路と、高周波信号発生回路で発生した高周波信号を増幅するパワーアンプと、このパワーアンプに直流の電源電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、パワーアンプから出力される高周波信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、パワーアンプから出力される高周波電力の電力量を制御する電力制御部と、を含む。

パワーアンプは、例えば、Ｄ級アンプやＥ級アンプで構成することができ、高周波信号発生回路から入力される高周波信号によってスイッチング素子をオン・オフ駆動することにより、高周波信号と同一の周期を有し、ＤＣ−ＤＣコンバータから入力される直流電圧に依存した振幅の高周波信号を生成する。この高周波信号はローパスフィルタで高周波成分が除去されることにより正弦波の高周波信号に整形されて出力される。

電力制御部は、制御部２２から入力される出力制御信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の振幅を制御し、これによりパワーアンプから出力される高周波信号の増幅量（すなわち、高周波電力の電力量）を制御する。

制御部２２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵなどを備えるマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などで構成される。制御部２２は、高周波電源２１に対してＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する出力制御信号を出力し、高周波電源２１から出力される高周波電力を制御する。

送電コイルユニット３は、送電部３１を備える。送電部３１は、送電ユニット２の高周波電源２１から出力される高周波電力を受電コイルユニット４の受電部４１に無線で伝送する。送電部３１は、例えば、複数ターンのソレノイドコイルからなるインダクタ（以下、「送電用コイル」ともいう。）とそのインダクタに直列に接続されたキャパシタとの直列共振回路で構成される。送電部３１における直列共振回路の直列共振周波数（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタの自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタのキャパシタンス）は、高周波電源２１から出力される高周波電力の周波数（以下、「電源周波数」ともいう。）［ＭＨｚ］に調整されている。

受電コイルユニット４は、受電部４１を備える。受電部４１は、送電コイルユニット３の送電部３１との間で磁界結合をして送電部３１から高周波電力を受電する。受電部４１は、送電部３１と同一の構成を有し、複数ターンのソレノイドコイルからなるインダクタ（以下、「受電用コイル」ともいう。）とそのインダクタに直列に接続されたキャパシタとの直列共振回路で構成される。受電部４１における直列共振回路の直列共振周波数（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタの自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタのキャパシタンス）は、電源周波数［ＭＨｚ］に調整されている。

受電ユニット５は、整流回路５１を備える。整流回路５１は、受電コイルユニット４の受電部４１から出力される高周波信号を整流し、キャパシタユニット６に直流電力を供給する。整流回路５１は、例えば、４個の整流素子をブリッジ接続したブリッジ回路で構成される。４個の整流素子として、ショットキーバリアーダイオードを用いる。

キャパシタユニット６は、電気二重層キャパシタ６１およびＤＣ−ＤＣコンバータ６２を備える。電気二重層キャパシタ６１は、複数の電気二重層キャパシタを直列および並列に組み合わせて構成されていてもよいし、単一の電気二重層キャパシタであってもよく、ＡＧＶ７に供給する電力に応じて適宜構成することができる。

電気二重層キャパシタ６１は、受電ユニット５から印加される直流電圧により充電され、電荷を蓄える。電気二重層キャパシタ６１は、蓄えた電荷に基づいて直流電力を放電し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２を介してＡＧＶ７に電力を供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ６２は、電気二重層キャパシタ６１から入力された直流電圧を調整（昇降圧）し、ＡＧＶ７に調整後の直流電圧を供給する。

図１では、キャパシタユニット６に電気二重層キャパシタ６１を収納しているが、この電気二重層キャパシタ６１に換えて鉛蓄電池を収納することもできる。図２および図３を参照し、本実施形態におけるキャパシタユニット６について詳細に説明する。

図２は、キャパシタユニット６に収納する蓄電デバイスとして、電気二重層キャパシタ６１を収納した場合のキャパシタユニット６の構成を模式的に例示したブロック図である。図３は、キャパシタユニット６に収納する蓄電デバイスとして、鉛蓄電池６３を収納した場合のキャパシタユニット６の構成を模式的に例示したブロック図である。

キャパシタユニット６は、その外形が略直方体形状の収納ケース６Ｃにより形成されており、収納ケース６Ｃの内部に、蓄電デバイスである電気二重層キャパシタ６１および鉛蓄電池６３のいずれかと、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２とを備える。収納ケース６Ｃの形状および大きさは、内部に収納する電気二重層キャパシタ６１および鉛蓄電池６３のいずれにも適用できるように共通化されている。なお、図２および図３における各部の寸法比率は、図面を見やすくする比率に便宜上変更しており、図示の比率に限定するものではない。

収納ケース６Ｃには、プラス／マイナスの一対の端子からなる入力側端子６Ａおよび出力側端子６Ｂが設けられている。入力側端子６Ａは、受電ユニット５の出力端子と接続し、出力側端子６Ｂは、ＡＧＶ５の入力端子と接続する。なお、図２および図３における入力側端子６Ａおよび出力側端子６Ｂの位置は、図面を見やすくする位置に便宜上配置しており、図示の位置に限定するものではない。

図２に示すキャパシタユニット６は、図１と同様に、電気二重層キャパシタ６１およびＤＣ−ＤＣコンバータ６２を備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ６２は、電気二重層キャパシタ６１から出力された電圧を、鉛蓄電池６３からＡＧＶ７に供給する電圧（例えば、１２[Ｖ]または２４[Ｖ]）と同等になるように調整する。

電気二重層キャパシタ６１には、プラス／マイナスの一対の端子からなる入力端子６１Ａおよび出力端子６１Ｂが設けられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２には、プラス／マイナスの一対の端子からなる入力端子６２Ａおよび出力端子６２Ｂが設けられている。

電気二重層キャパシタ６１の入力端子６１Ａは、収納ケース６Ｃの入力側端子６Ａと接続し、電気二重層キャパシタ６１の出力端子６１Ｂは、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２の入力端子６２Ａと接続する。ＤＣ−ＤＣコンバータ６２の出力端子６２Ｂは、収納ケース６Ｃの出力側端子６Ｂと接続する。

なお、図２における電気二重層キャパシタ６１の入力端子６１Ａおよび出力端子６１Ｂ、ならびにＤＣ−ＤＣコンバータ６２の入力端子６２Ａおよび出力端子６２Ｂの位置は、図面を見やすくする位置に便宜上配置しており、図示の位置に限定するものではない。

図３に示すキャパシタユニット６は、鉛蓄電池６３およびＤＣ−ＤＣコンバータ６２を備える。鉛蓄電池６３には、プラス／マイナスの一対の端子からなる入力端子６３Ａおよび出力端子６３Ｂが設けられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２には、プラス／マイナスの一対の端子からなる入力端子６２Ａおよび出力端子６２Ｂが設けられている。

鉛蓄電池６３の入力端子６３Ａは、収納ケース６Ｃの入力側端子６Ａと接続し、鉛蓄電池６３の出力端子６３Ｂは、収納ケース６Ｃの出力側端子６Ｂと接続する。

なお、図３における鉛蓄電池６３の入力端子６３Ａおよび出力端子６３Ｂ、ならびにＤＣ−ＤＣコンバータ６２の入力端子６２Ａおよび出力端子６２Ｂの位置は、図面を見やすくする位置に便宜上配置しており、図示の位置に限定するものではない。

ここで、鉛蓄電池６３は、充放電による劣化が大きく寿命が短いうえ、出力密度（充電効率）が低く充電に時間を要するのに対し、電気二重層キャパシタ６１は、充放電による劣化が少なく寿命が長いうえ、出力密度が高く急速充電が可能であるという特性がある。

したがって、鉛蓄電池６３をＡＧＶ７の動力源とする場合には、鉛蓄電池６３が劣化するたびに、鉛蓄電池６３を交換する必要があるうえ、充電に時間がかかり、作業効率が低下する傾向にあるのに対し、電気二重層キャパシタ６１をＡＧＶ７の動力源とする場合には、劣化による交換がほぼ不要となるうえ、急速充電が可能となり、作業効率が向上することになる。

このような事情に鑑み、鉛蓄電池６３から電気二重層キャパシタ６１への置き換えが促進することが想定される。そこで、本実施形態におけるキャパシタユニット６は、収納ケース６Ｃの形状および大きさを、内部に収納する電気二重層キャパシタ６１および鉛蓄電池６３のいずれにも適用できるように共通化し、鉛蓄電池６３と電気二重層キャパシタ６１との交換を容易にしている。

一方、鉛蓄電池６３は、安定した電圧（定電圧）を供給することができるのに対し、電気二重層キャパシタ６１は、充電量に応じて電圧が変動するという特性がある。したがって、電気二重層キャパシタ６１をＡＧＶ７の動力源とする場合には、電気二重層キャパシタ６１の後段にＤＣ−ＤＣコンバータ６２を配置し、電気二重層キャパシタ６１からＡＧＶ７に供給する電力を、鉛蓄電池６３からＡＧＶ７に供給する電力と同等になるように調整し、ＡＧＶ７に供給する電力を安定させる必要がある。

そこで、本実施形態におけるキャパシタユニット６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２を収納し、動力源となる蓄電デバイスとして電気二重層キャパシタ６１を収納したときには、電気二重層キャパシタ６１の後段にＤＣ−ＤＣコンバータ６２を接続することで、ＡＧＶ７に供給する電力を安定させることとした。一方、蓄電デバイスとして鉛蓄電池６３を収納したときには、鉛蓄電池６３とＤＣ−ＤＣコンバータ６２とを接続せずに、鉛蓄電池６３からＡＧＶ７に電力を供給させることとした。

上述したように、実施形態におけるキャパシタユニット６によれば、直流電圧を異なる直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ６２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２および蓄電デバイスを収納し、外部のＡＧＶ７に電力を出力するための出力側端子６Ｂを有する収納ケース６Ｃと、を備え、蓄電デバイスは、鉛蓄電池６３および電気二重層キャパシタ６１のいずれも対応可能であり、蓄電デバイスが鉛蓄電池６３である場合には、鉛蓄電池６３の出力端子６３Ｂを収納ケース６Ｃの出力側端子６Ｂに接続し、蓄電デバイスが電気二重層キャパシタ６１である場合には、電気二重層キャパシタ６１の出力端子６１ＢをＤＣ−ＤＣコンバータ６２の入力端子６２Ａに接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２の出力端子６２Ｂを収納ケース６Ｃの出力側端子６Ｂに接続することができる。

すなわち、実施形態におけるキャパシタユニット６によれば、ＡＧＶ７の動力源となる鉛蓄電池６３と電気二重層キャパシタ６１とを交換する場合に、収納ケース６Ｃの形状や寸法を変更する必要がなく、配線も鉛蓄電池６３や電気二重層キャパシタ６１の接続先を変更するだけでよいため、交換する際の労力や時間を削減することができる。

それゆえ、実施形態におけるキャパシタユニット６によれば、ＡＧＶ７の動力源となる鉛蓄電池６３と電気二重層キャパシタ６１とを交換する際の手間を軽減させることができる。

また、実施形態におけるキャパシタユニット６によれば、キャパシタユニット６に収納する蓄電デバイスとして、鉛蓄電池６３および電気二重層キャパシタ６１のいずれかを任意に選択して収納することができ、鉛蓄電池６３を収納した場合には、鉛蓄電池６３の安定した電圧をＡＧＶ７に供給することができ、電気二重層キャパシタ６１を収納した場合には、電気二重層キャパシタ６１の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ６２で鉛蓄電池６３の電圧と同等の電圧に調整し、その調整後の安定した電圧をＡＧＶ７に供給することができる。

なお、上述したとおり、上記の実施形態は、本発明を説明するための一例であり、本発明をその実施形態に限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、キャパシタユニット６に収納する蓄電デバイスとして、電気二重層キャパシタ６１と鉛蓄電池６３とを用いて説明したが、これに限定されない。電気二重層キャパシタは、電気化学キャパシタであればよく、具体的には、電気二重層キャパシタの他に、リチウムイオンキャパシタに代表されるハイブリッドキャパシタ、レドックスキャパシタであってもよい。また、鉛蓄電池は、二次電池であればよく、具体的には、鉛蓄電池の他に、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ナトリウム硫黄電池であってもよい。

また、上記実施形態において、電気二重層キャパシタ６１に電源スイッチを設けることとしてもよい。例えば、ＡＧＶ７が待機しているときには、電源スイッチがＯＦＦになるように制御することで、電気二重層キャパシタ６１の待機電力や放電を減少させることが可能となる。

また、上記実施形態において、電気二重層キャパシタ６１の電圧が規定の電圧値以下に低下した場合に、警告灯を表示させることとしてもよい。この場合には、例えば、キャパシタユニット６に、電気二重層キャパシタ６１の電圧値を測定する電圧計と、表示ランプである警告灯と、電圧計の測定値が規定の電圧値以下に低下した場合に警告灯を点灯させる制御部と、をさらに備えることとすればよい。

１ 非接触電力供給システム
２ 送電ユニット
３ 送電コイルユニット
４ 受電コイルユニット
５ 受電ユニット
６ キャパシタユニット
７ 無人搬送車（ＡＧＶ）
６Ａ 入力側端子
６Ｂ 出力側端子
６Ｃ 収納ケース
２１ 高周波電源
２２ 制御部
３１ 送電部
４１ 受電部
５１ 整流回路
６１ 電気二重層キャパシタ
６１Ａ 入力端子
６１Ｂ 出力端子
６２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
６２Ａ 入力端子
６２Ｂ 出力端子
６３ 鉛蓄電池
６３Ａ 入力端子
６３Ｂ 出力端子

Claims (5)

1. 直流電圧を異なる直流電圧に変換する電圧変換部と、
   前記電圧変換部および蓄電デバイスを収納し、外部に電力を出力するための端子を有する収納部と、を備え、
   前記蓄電デバイスは、二次電池および電気化学キャパシタのいずれかであり、
   前記蓄電デバイスが二次電池である場合には、二次電池の出力端子を前記端子に接続し、
   前記蓄電デバイスが電気化学キャパシタである場合には、電気化学キャパシタの出力端子を前記電圧変換部の入力端子に接続し、前記電圧変換部の出力端子を前記端子に接続する、
   ことを特徴とするキャパシタユニット。
2. 前記電気化学キャパシタは、電源スイッチを備えることを特徴とする請求項１記載のキャパシタユニット。
3. 前記電気化学キャパシタの電圧値を測定する電圧計と、
   表示ランプと、
   前記電圧計の測定値が規定の電圧値以下に低下した場合に前記表示ランプを点灯させる制御部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載のキャパシタユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のキャパシタユニットと、
   前記蓄電デバイスに電力を供給する非接触電力伝送システムの受電装置と、
   を備えることを特徴とする受電システム。
5. 請求項４に記載の受電システムを搭載する無人搬送車。