JP3551324B2 - Point load type electrical equipment - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はその使用状態において比較的大電力を間欠的に消費する尖頭負荷型の電気機器に関し、さらに詳しく言えば、その電源を電気二重層コンデンサとした尖頭負荷型電気機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、本明細書で言う尖頭負荷型電気機器とは、その使用状態において比較的大電力を間欠的に消費する、例えば電気ドライバ、電気ドリル、電気スポット溶接機および加速時がそれに相当する電気自動車や電気スクータなどのような電気機器であり、電力の消費が使用時の短時間だけ大きな尖頭負荷となるものがこれに属する。
【０００３】
これに対して、懐中電灯、卓上電気スタンドや携帯型コンピュータのような定常的にほぼ一定の電力を消費する定電力消費型電気機器は対象としない。
【０００４】
いずれにしても、この種の電気機器の電源には、電灯線などの商用交流電源、一次および二次電池もしくは太陽電池などが用いられている。稀には専用の発電機を使用する場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
商用交流電源から電力を得る場合には、その電気ケーブルを引き回すことになるため、行動範囲が制約されるという面で不便である。
【０００６】
これに対して、電池を電源とする場合には持ち運びが自由であり、特に二次電池は再生利用が可能であり、また、日照にも影響されないという点では有利である。
【０００７】
しかしながら、二次電池の最大の問題点は、その充電に時間がかかることにある。現在、実用に供されているものでは使用時間よりも充電に要する時間の方が長くかかるのが通例であり、しかも二次電池の性質上、その容量一杯、すなわち１００％の充放電は困難である。
【０００８】
また、その充放電の反復は寿命（いわゆるサイクル寿命）を大きく制約し、その制約は充電時間の短縮やエネルギあたりの重量を軽量化するほど顕著になる傾向を示す。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その構成上の特徴は、比較的大電力を間欠的に消費する尖頭負荷型電気機器において、内部抵抗が高い高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサと、内部抵抗が低い高出力密度型の第２電気二重層コンデンサとを電流出力型のスイッチング・レギュレータを介して接続してなる電源を有し、上記第１電気二重層コンデンサより上記電流出力型のスイッチング・レギュレータを介して上記第２電気二重層コンデンサを充電し、上記第２電気二重層コンデンサから短時間の大出力もしくは長時間の小出力を必要に応じて取り出せるようにしたことにある。
【００１０】
また、本発明はその負荷が回生制動電力を発生し得るものである場合には、上記の（第１）スイッチング・レギュレータに加えて、上記第２電気二重層コンデンサ側から余剰の回生制動電力を上記第１電気二重層コンデンサ側に戻す電流出力型の第２スイッチング・レギュレータを有し、回生制動時にはその余剰の回生制動電力が上記第２スイッチング・レギュレータを介して上記第１電気二重層コンデンサ側に戻されるようにしたことに特徴を有している。
【００１１】
この場合、第１スイッチング・レギュレータおよび第２スイッチング・レギュレータは、実質的に１つの双方向性スイッチング・レギュレータとして作用する。
【００１２】
また、スイッチング・レギュレータを１つとし、運転時と回生制動時とでその入力側と出力側とを切り替えるようにしてもよい。
【００１３】
【作用】
高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサと高出力密度型の第２電気二重層コンデンサとを組み合わせたことにより、短時間の大出力もしくは長時間の小出力を必要に応じて取り出すことができる。
【００１４】
また、電気二重層コンデンサであるため、二次電池に比べてきわめて短時間に充電することができる。さらには、第１電気二重層コンデンサより第２電気二重層コンデンサを充電するにあたって、電流出力型スイッチング・レギュレータを介在させているため、充電効率が高く、例えば同スイッチング・レギュレータを最大電圧の１／４まで動作するように設計した場合、キャパシタ部分だけでは充電電力の９４％まで利用することができる。
【００１５】
他方、負荷から回生制動電力が得られるような場合には、その余剰の電力が第２スイッチング・レギュレータを介して第１電気二重層コンデンサ側に戻されるため、エネルギのより有効利用が図られる。
【００１６】
【実施例】
図１にこの尖頭負荷型電気機器に適用される電源の一例を示す。これによると、同電源は静電容量が大であるが高内部抵抗の高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂと、静電容量は比較的小容量であるが低内部抵抗の高出力密度型の第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａとを有し、それらの間には、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂから第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａを充電する定電流出力型のスイッチング・レギュレータＳＲが接続されている。なお、ＩＮは充電端子、ＯＵＴは図示しない負荷に接続される外部端子である。
【００１７】
スイッチング・レギュレータＳＲは、その定電流出力にて第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂから第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａを充電し、同第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａを設定電圧に保つように動作する。その構成例を図２に示す。なお、電流容量は負荷に比べて尖頭電流を扱わないから小さな定格（例えば、１／３〜１／１０）のもので足りる。
【００１８】
この例は原理的には降圧型のスイッチング・レギュレータと同じであり、ここでダイオードＤ１はフライホイール・ダイオードと呼ばれ、スイッチング素子Ｓ１がオンのときにチョーク・コイルＬ１に蓄積されたエネルギをスイッチング素子Ｓ１がオフのときに流す電流経路を得るダイオードである。
【００１９】
この実施例において、図示左側のＶ１，Ｒ１が第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂであり、図示右側のＣ２，Ｒ２が負荷に接続される第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａに対応している。なお、Ｃ１は内部抵抗が低く、静電容量が０．２〜２μＦ程度のコンデンサであり、スイッチング素子Ｓ１のオンオフごとに第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂ側に尖頭電流が流れ込むのを防止するためのものである。
【００２０】
動作としては、電流センサＶ２にて出力電流（第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａに対する充電電流）が検出され、同出力電流が一定値を越えると、制御回路Ｕ１が動作してスイッチング素子Ｓ１をオフにする。この場合、スイッチング素子Ｓ１がオフになってもチョーク・コイルＬ１に蓄積された電流がダイオードＤ１を介して流れるが、同電流値が一定値を割り込み、それが電流センサＶ２にて検出されると、制御回路Ｕ１が動作してスイッチング素子Ｓ１をオンにする。
【００２１】
これが繰り返されることにより、第２の電気二重層コンデンサＰＳ−Ａが定電流にて充電される。参考までに、図２における各部の波形を図３に示す。同図において、ａは電流センサＶ２を流れる電流、ｂはコンデンサＣ１を流れる電流、ｃはチョーク・コイルＬ１を流れる電流、ｄは出力電圧（ＰＳ−Ａの端子間電圧）、ｅは制御回路Ｕ１内部で使用されるクロックパルスである。
【００２２】
次に、この装置を動作させたときの各部の状態を解析した。その結果を図４および図５に基づいて説明する。
【００２３】
まず、図４においてＶＢが第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂの電圧、ＶＡが第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａから図示しない負荷の要求に応じて供給される電圧である。
【００２４】
図５の下段に示されているのが使用した負荷電流ＩＬで、この例ではスタート後の１１〜４０秒までの間１０Ａ、５０１〜５３０秒までの間１５Ａ、１００１〜１０６０秒までの間８Ａなどとして異なる尖頭負荷を与えた。
【００２５】
図５の上段には、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂの出力電流ＩＣＢと、第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの出力電流ＩＣＡとがそれぞれ表示されている。これを辿ると、尖頭的な負荷電流は殆どＩＣＡとして第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａから供給され、同第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの電圧が低下すると、２Ａの定電流出力を有するスイッチング・レギュレータＳＲによって、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂより充電されるのが見られる。なお、キャパシタの電流方向は、流れ込む方向が正、したがってキャパシタから負荷に流れ出す電流は負の値で表現される。
【００２６】
このように解析したところによれば、尖頭負荷で放電した第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａは、図４に示すように３００〜５００秒後には満充電まで回復する。これに対して、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂは第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの充電に使用した電気量だけ、充電のたびに放電して電圧が徐々に下がっていく。なお、この装置が追加充電しないで使用できる範囲は、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂの負荷時の端子電圧がスイッチング・レギュレータＳＲを動作させ得る下限に達するまでである。
【００２７】
次に、負荷の駆動用電動機を制動時に発電機として兼用するか、もしくは専用の制動用発電機により回生制動電力が得られる場合、本発明では図６のようにしてその回生制動電力を有効に利用するようにしている。
【００２８】
基本的な構成は先に説明した図１とほぼ同じであるが、この例では第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂから第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａに対する充電用のスイッチング・レギュレータＳＲに加えて、回生制動時にその回生電力が第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａに貯えられ、その端子間電圧が上昇し過ぎたときに、いわばその余剰電力を第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂ側に送り返す第２のスイッチング・レギュレータＳＲ２を備えている。同スイッチング・レギュレータＳＲ２も電流出力型であり、回生制動電力は駆動電力よりも１／２〜１／１０などと小さいのが通常であるから、その定格出力電流は充電用のスイッチング・レギュレータＳＲよりもさらに１／２〜１／１０程度の小さなもので済む。
【００２９】
図６の装置を動作させ、主に回生制動電力が吸収される点について解析した。この場合、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂはその定格を５０Ｖ１００Ｆ（内部抵抗０．５Ω）、第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａには定格５０Ｖ２５Ｆ（内部抵抗０．１Ω）のものを用いた。
【００３０】
図７に負荷側から回生制動電力を受けた場合における第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂおよび第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの端子間電圧をそれぞれ示す。この場合、返送用の第２のスイッチング・レギュレータＳＲ２は第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの端子間電圧が４５Ｖを越えると作動し、その出力電流は０．５Ａとした。
【００３１】
図７に関連して、図８に第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａへの電流の出入りを示す。同図において、負が放電、正が充電方向である。０Ａラインから負方向に延びている最初のピークは負荷電流で、加速時の１００秒から１０秒間２０Ａ、その後７０秒間２Ａによるもので、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂからの充電電流１Ａ分だけ相殺されている。以後、８００秒、１５００秒にも加速による負荷が加えられている。
【００３２】
加速による電流のピークの直後に、例えば１８０〜４３０秒に見られるような電流値１Ａの台形は、第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの放電を検知した充電用スイッチング・レギュレータＳＲによる第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂからの充電電流で、それが４３０秒で止まるのは同ＰＳ−Ａが満充電（設定値４５Ｖ）に達したことによる。以後の他の加速ピークでも、必ずその後にこのようなＰＳ−Ｂからの充電電流が流れ、ＰＳ−Ａの電圧が復帰する。
【００３３】
この図８において、ブレーキによる回生電力は５００秒から１０秒間６Ａが回収されるとともに、これに伴う返送用スイッチング・レギュレータＳＲ２の作用により、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂが充電されることが分かる（図７参照）。すなわち、回生制動のピークの後、５２５秒から７００秒過ぎまで０．５Ａの放電が生じている。これは、ＰＳ−Ａの設定電圧が４５Ｖであり、それ以上に溜められた電力が返送用スイッチング・レギュレータＳＲ２の作用により、ＰＳ−Ｂ側に戻されているためである。その後も１０００秒に８Ａ、１８００秒に６Ａの回生電力のピークが観測され、それぞれ返送用スイッチング・レギュレータＳＲ２の作用により、その余剰電力が第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂ側に戻される。
【００３４】
このように、電源を電気二重層コンデンサとし、返送用スイッチング・レギュレータを用いることにより、回生制動の際の充電エネルギを種々の条件下で長時間にわたって効率良く吸収することが可能となる。
【００３５】
なお、図６の例では充電用スイッチング・レギュレータＳＲのブロックと、返送用スイッチング・レギュレータＳＲ２のブロックとが並列的に配置されているが、場合によっては、両スイッチング・レギュレータＳＲおよびＳＲ２を例えば同一の回路基板上で組み立てて１パッケージによる双方向性のスイッチング・レギュレータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）とすることもできる。
【００３６】
また、これとは別に１つのスイッチング・レギュレータで充電用と返送用とを兼用させることも可能であり、図９にその例が示されている。これによると、スイッチング・レギュレータＳＲの入力側ｉｎと出力側ｏｕｔにそれぞれ切替えスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂが設けられる。
【００３７】
この場合、切替えスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂは、ともに２つの切替え接点▲１▼，▲２▼を備え、切替えスイッチＳ１ａの切替え接点▲１▼は第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂ側に接続され、同スイッチＳ１ａの切替え接点▲２▼は第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａ側に接続される。
【００３８】
これに対して、切替えスイッチＳ１ｂの切替え接点▲１▼は第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａ側に接続され、同スイッチＳ１ｂの切替え接点▲２▼は第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂ側に接続される。
【００３９】
これらの切替えスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂは図示しない制御手段により切り替えられ、通常の運転時にはスイッチング・レギュレータＳＲの入力側ｉｎと出力側ｏｕｔはともに切替え接点▲１▼に接続される。これに対して、回生制動時にはスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂがともに切替え接点▲２▼側に切り替えられ、これにより同入力側ｉｎに第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａが接続され、出力側ｏｕｔに第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂが接続されることになる。
【００４０】
このようにして１つのスイッチング・レギュレータＳＲで充電用と返送用とを兼用することができる。なお、説明の便宜上、切替えスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂを機械的スイッチとしたが、電子的なスイッチでもよいことはもちろんである。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサと高出力密度型の第２電気二重層コンデンサとを電流出力型のスイッチング・レギュレータを介して接続してなる電源を用い、第１電気二重層コンデンサより第２電気二重層コンデンサを充電するようにしたことにより、比較的大電力を間欠的に消費する尖頭負荷型電気機器において、短時間の大出力もしくは長時間の小出力を必要に応じて取り出すことができる。
【００４２】
また、上記の第１スイッチング・レギュレータに加えて、第２電気二重層コンデンサ側から余剰の回生制動電力を第１電気二重層コンデンサ側に戻す電流出力型の第２スイッチング・レギュレータを設け、回生制動時にはその余剰の回生制動電力を同第２スイッチング・レギュレータを介して第１電気二重層コンデンサ側に戻されるようにしたことにより、回生制動電力までをもより有効に使用することができる、などの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の尖頭負荷型電気機器に適用される電源の一実施例を示した概略的な回路図。
【図２】図１の回路図に組み込まれているスイッチング・レギュレータの回路構成を例示した回路図。
【図３】図２の各部の波形を示した波形図。
【図４】図１の構成における第１電気二重層コンデンサと第２電気二重層コンデンサの各端子間電圧の変化状態を示した波形図。
【図５】加速時の負荷電流と、それに対応する第１電気二重層コンデンサと第２電気二重層コンデンサの各電流の変動状態を例示した波形図。
【図６】本発明の尖頭負荷型電気機器に適用される電源の他の実施例を示した概略的な回路図。
【図７】図６の他の実施例における第１電気二重層コンデンサと第２電気二重層コンデンサの各端子間電圧の変化状態を示した波形図。
【図８】同他の実施例において、第２電気二重層コンデンサへの電流の出入りを説明するための波形図。
【図９】本発明の尖頭負荷型電気機器に適用される電源のさらに別の実施例を示した概略的な回路図。
【符号の説明】
ＰＳ−Ｂ 第１電気二重層コンデンサ（高エネルギ密度型）
ＰＳ−Ａ 第２電気二重層コンデンサ（高出力密度型）
ＳＲ スイッチング・レギュレータ（充電用）
ＳＲ２ スイッチング・レギュレータ（返送用）
ＩＮ 充電端子
ＯＵＴ 負荷接続用外部端子[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a peak load type electric device which consumes relatively large power intermittently in a state of use, and more particularly, to a peak load type electric device in which a power source is an electric double layer capacitor. .
[0002]
[Prior art]
First, a point-load type electric device referred to in the present specification is a device that consumes relatively large power intermittently in a state of use, for example, an electric driver, an electric drill, an electric spot welder, and an electric device corresponding to acceleration. An electric device such as an automobile or an electric scooter, which consumes a large amount of peak load only for a short time during use, belongs to this category.
[0003]
On the other hand, it does not cover constant power consuming electrical devices that constantly consume almost constant power, such as flashlights, table lamps, and portable computers.
[0004]
In any case, a commercial AC power supply such as a power line, a primary and secondary battery, a solar battery, or the like is used as a power supply for this type of electric equipment. In rare cases, a dedicated generator may be used.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When power is obtained from a commercial AC power supply, the electric cable is routed, which is inconvenient in that the range of action is restricted.
[0006]
On the other hand, when a battery is used as a power source, the battery is free to carry, and in particular, the secondary battery is advantageous in that it can be reused and is not affected by sunlight.
[0007]
However, the biggest problem with secondary batteries is that they take a long time to charge. At present, in a practically used battery, it generally takes longer to charge the battery than to use the battery. Further, due to the nature of the secondary battery, it is difficult to fully charge the battery, that is, 100% charge and discharge. is there.
[0008]
In addition, the repetition of charge / discharge greatly limits the life (so-called cycle life), and the restriction tends to be more conspicuous as the charging time is shortened and the weight per energy is reduced.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in order to solve such problems, a feature of its structure, the peak load type electric apparatus for intermittently consumes a relatively large electric power, the internal resistance is high high energy density A first electric double layer capacitor having a low internal resistance and a high electric power density type second electric double layer capacitor having a low internal resistance connected via a current output type switching regulator; The second electric double layer capacitor is charged from the double layer capacitor through the current output type switching regulator, and a short-time large output or a long-time small output is supplied from the second electric double layer capacitor as required. That it can be taken out.
[0010]
Further, according to the present invention, when the load can generate regenerative braking power, in addition to the (first) switching regulator, surplus regenerative braking power is supplied from the second electric double layer capacitor side. A second switching regulator of a current output type for returning to the first electric double layer capacitor side, and at the time of regenerative braking, surplus regenerative braking power is supplied to the first electric double layer capacitor side via the second switching regulator; The feature is that it is returned to.
[0011]
In this case, the first switching regulator and the second switching regulator substantially act as one bidirectional switching regulator.
[0012]
In addition, a single switching regulator may be used to switch between the input side and the output side during operation and during regenerative braking.
[0013]
[Action]
By combining the high energy density type first electric double layer capacitor and the high power density type second electric double layer capacitor, a short-time large output or a long-time small output can be taken out as required. .
[0014]
In addition, since it is an electric double layer capacitor, it can be charged in a very short time as compared with a secondary battery. Further, when charging the second electric double-layer capacitor from the first electric double-layer capacitor, a current output type switching regulator is interposed, so that the charging efficiency is high. When designed to operate up to 4, only 94% of the charging power can be used with the capacitor alone.
[0015]
On the other hand, when regenerative braking power is obtained from the load, the surplus power is returned to the first electric double layer capacitor via the second switching regulator, so that more effective use of energy is achieved.
[0016]
【Example】
FIG. 1 shows an example of a power supply applied to the peak load type electric device. According to this, the power supply has a large capacitance but a high internal resistance of a high energy density type first electric double layer capacitor PS-B, and a relatively small capacitance but a low internal resistance. A high power density type second electric double layer capacitor PS-A, between which a constant current output for charging the second electric double layer capacitor PS-A from the first electric double layer capacitor PS-B. Type switching regulator SR is connected. Note that IN is a charging terminal, and OUT is an external terminal connected to a load (not shown).
[0017]
The switching regulator SR charges the second electric double layer capacitor PS-A from the first electric double layer capacitor PS-B with the constant current output, and maintains the second electric double layer capacitor PS-A at the set voltage. Works as follows. FIG. 2 shows an example of the configuration. Note that the current capacity does not handle the peak current as compared with the load, so that a small capacity (for example, 1/3 to 1/10) is sufficient.
[0018]
This example is in principle the same as a step-down switching regulator, where the diode D1 is called a flywheel diode, and switches the energy stored in the choke coil L1 when the switching element S1 is on. This is a diode for obtaining a current path to flow when the element S1 is off.
[0019]
In this embodiment, V1 and R1 on the left side of the figure are the first electric double layer capacitors PS-B, and C2 and R2 on the right side of the figure correspond to the second electric double layer capacitors PS-A connected to the load. . C1 has a low internal resistance and a capacitance of about 0.2 to 2 μF, and prevents a peak current from flowing into the first electric double layer capacitor PS-B every time the switching element S1 is turned on and off. It is for doing.
[0020]
In operation, the output current (charging current for the second electric double layer capacitor PS-A) is detected by the current sensor V2, and when the output current exceeds a certain value, the control circuit U1 operates to switch the switching element S1. Turn off. In this case, even if the switching element S1 is turned off, the current accumulated in the choke coil L1 flows through the diode D1, but the current value interrupts a constant value, and when that current value is detected by the current sensor V2. , The control circuit U1 operates to turn on the switching element S1.
[0021]
By repeating this, the second electric double layer capacitor PS-A is charged with a constant current. For reference, FIG. 3 shows the waveform of each part in FIG. In the figure, a is a current flowing through the current sensor V2, b is a current flowing through the capacitor C1, c is a current flowing through the choke coil L1, d is an output voltage (voltage between terminals of PS-A), and e is a control circuit U1. Clock pulse used internally.
[0022]
Next, the state of each part when this apparatus was operated was analyzed. The result will be described with reference to FIGS.
[0023]
First, in FIG. 4, VB is a voltage of the first electric double layer capacitor PS-B, and VA is a voltage supplied from the second electric double layer capacitor PS-A in response to a request of a load (not shown).
[0024]
The used load current IL is shown in the lower part of FIG. 5. In this example, 10 A for 11 to 40 seconds after start, 15 A for 501 to 530 seconds, and 8 A for 1001 to 1060 seconds after start. As a different peak load was given.
[0025]
The upper part of FIG. 5 shows the output current ICB of the first electric double layer capacitor PS-B and the output current ICA of the second electric double layer capacitor PS-A. Following this, most of the peak load current is supplied from the second electric double layer capacitor PS-A as ICA, and when the voltage of the second electric double layer capacitor PS-A decreases, the constant current output of 2A is output. It can be seen that the switching regulator SR is charged from the first electric double layer capacitor PS-B. Note that the direction of current flowing through the capacitor is positive, and therefore, the current flowing out of the capacitor to the load is represented by a negative value.
[0026]
According to the analysis, the second electric double layer capacitor PS-A discharged by the peak load recovers to the full charge after 300 to 500 seconds as shown in FIG. On the other hand, the first electric double-layer capacitor PS-B is discharged every time the electric charge is used to charge the second electric double-layer capacitor PS-A, and the voltage gradually decreases. This device can be used without additional charging until the terminal voltage of the first electric double layer capacitor PS-B when loaded reaches the lower limit at which the switching regulator SR can operate.
[0027]
Next, when the load driving motor is also used as a generator at the time of braking or regenerative braking power is obtained by a dedicated braking generator, the regenerative braking power is effectively used as shown in FIG. 6 in the present invention. I use it.
[0028]
Although the basic configuration is almost the same as that of FIG. 1 described above, in this example, in addition to the switching regulator SR for charging the first electric double layer capacitor PS-B to the second electric double layer capacitor PS-A, The regenerative electric power is stored in the second electric double layer capacitor PS-A during regenerative braking, and when the voltage between the terminals is excessively increased, the surplus electric power is transferred to the first electric double layer capacitor PS-B. It has a second switching regulator SR2 to send back. The switching regulator SR2 is also a current output type, and the regenerative braking power is usually smaller than the driving power, such as 1/2 to 1/10, so the rated output current is higher than that of the charging switching regulator SR. Need only be as small as about 1/2 to 1/10.
[0029]
The device of FIG. 6 was operated to analyze mainly the point at which regenerative braking power is absorbed. In this case, the first electric double layer capacitor PS-B has a rating of 50V100F (internal resistance 0.5Ω), and the second electric double layer capacitor PS-A has a rating of 50V25F (internal resistance 0.1Ω). .
[0030]
FIG. 7 shows the voltage between the terminals of the first electric double layer capacitor PS-B and the second electric double layer capacitor PS-A when the regenerative braking power is received from the load side. In this case, the return second switching regulator SR2 was activated when the voltage between the terminals of the second electric double layer capacitor PS-A exceeded 45V, and the output current was 0.5A.
[0031]
FIG. 8 shows the flow of current into and out of the second electric double layer capacitor PS-A in relation to FIG. In the figure, negative is the discharge direction and positive is the charge direction. The first peak extending from the 0A line in the negative direction is the load current, which is 20A for 100 seconds to 10 seconds during acceleration and then 2A for 70 seconds, and is 1A for the charging current from the first electric double layer capacitor PS-B. Only have been offset. Thereafter, a load due to acceleration is applied for 800 seconds and 1500 seconds.
[0032]
Immediately after the peak of the current due to the acceleration, a trapezoid having a current value of 1 A as seen in, for example, 180 to 430 seconds indicates that the first electric double-layer capacitor PS-A detects the discharge of the first electric double-layer capacitor PS-A by the first switching regulator SR. The charging current from the double-layer capacitor PS-B stops at 430 seconds because the PS-A reaches a full charge (set value: 45 V). Even at other acceleration peaks thereafter, such a charging current from PS-B always flows, and the voltage of PS-A is restored.
[0033]
In FIG. 8, 6A of regenerative power by the brake is recovered for 500 seconds to 10 seconds, and the first electric double layer capacitor PS-B is charged by the action of the return switching regulator SR2 accompanying the recovery. Understand (see FIG. 7). That is, after the peak of the regenerative braking, a discharge of 0.5 A occurs from 525 seconds to just over 700 seconds. This is because the set voltage of PS-A is 45 V, and the power stored above PS-A is returned to PS-B by the action of return switching regulator SR2. Thereafter, peaks of the regenerative power of 8A at 1000 seconds and 6A at 1800 seconds are observed, and the surplus power is returned to the first electric double layer capacitor PS-B by the action of the return switching regulator SR2.
[0034]
As described above, by using a power supply as an electric double layer capacitor and using a return switching regulator, it is possible to efficiently absorb charging energy during regenerative braking over a long period of time under various conditions.
[0035]
In the example of FIG. 6, the block of the charging switching regulator SR and the block of the return switching regulator SR2 are arranged in parallel. However, in some cases, both the switching regulators SR and SR2 are, for example, the same. Can be assembled on the circuit board described above to form a bidirectional switching regulator (DC / DC converter) with one package.
[0036]
Alternatively, a single switching regulator can be used for both charging and returning, and FIG. 9 shows an example thereof. According to this, the changeover switches S1a and S1b are provided on the input side in and the output side out of the switching regulator SR, respectively.
[0037]
In this case, the changeover switches S1a and S1b both have two changeover contacts (1) and (2), and the changeover contact (1) of the changeover switch S1a is connected to the first electric double layer capacitor PS-B. The switching contact (2) of the switch S1a is connected to the second electric double layer capacitor PS-A.
[0038]
On the other hand, the switching contact (1) of the changeover switch S1b is connected to the second electric double layer capacitor PS-A, and the switching contact (2) of the switch S1b is connected to the first electric double layer capacitor PS-B. Connected.
[0039]
These changeover switches S1a and S1b are switched by control means (not shown). During normal operation, both the input side in and the output side out of the switching regulator SR are connected to the switching contact (1). On the other hand, at the time of regenerative braking, both the switches S1a and S1b are switched to the switching contact (2) side, whereby the second electric double layer capacitor PS-A is connected to the input side in and the first electric double layer capacitor PS-A is connected to the output side out. The electric double layer capacitor PS-B is connected.
[0040]
In this way, one switching regulator SR can be used for both charging and returning. Although the changeover switches S1a and S1b are mechanical switches for convenience of description, it is needless to say that the switches may be electronic switches.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a high energy density type first electric double layer capacitor and a high power density type second electric double layer capacitor are connected via a current output type switching regulator. Power supply and the first electric double layer capacitor is used to charge the second electric double layer capacitor, so that a peak load type electric device which consumes relatively large power intermittently can provide a large output for a short time. Alternatively, a long-time small output can be taken out as needed.
[0042]
Further, in addition to the first switching regulator, a current output type second switching regulator that returns surplus regenerative braking power from the second electric double layer capacitor to the first electric double layer capacitor is provided. In some cases, the surplus regenerative braking power is returned to the first electric double layer capacitor through the second switching regulator, so that even the regenerative braking power can be used more effectively. Has an effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing an embodiment of a power supply applied to a peak load type electric device of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a circuit configuration of a switching regulator incorporated in the circuit diagram of FIG. 1;
FIG. 3 is a waveform chart showing waveforms at various parts in FIG. 2;
FIG. 4 is a waveform diagram showing a change state of a voltage between terminals of a first electric double layer capacitor and a second electric double layer capacitor in the configuration of FIG. 1;
FIG. 5 is a waveform diagram exemplifying a load current at the time of acceleration and fluctuation states of respective currents of a first electric double layer capacitor and a second electric double layer capacitor corresponding thereto.
FIG. 6 is a schematic circuit diagram showing another embodiment of the power supply applied to the point load type electric device of the present invention.
FIG. 7 is a waveform diagram showing a change state of a voltage between terminals of a first electric double layer capacitor and a second electric double layer capacitor in another embodiment of FIG. 6;
FIG. 8 is a waveform chart for explaining the flow of current into and out of the second electric double layer capacitor in the other embodiment.
FIG. 9 is a schematic circuit diagram showing still another embodiment of the power supply applied to the point load type electric device of the present invention.
[Explanation of symbols]
PS-B 1st electric double layer capacitor (High energy density type)
PS-A 2nd electric double layer capacitor (High power density type)
SR switching regulator (for charging)
SR2 switching regulator (for return)
IN Charge terminal OUT Load connection external terminal

Claims (4)

比較的大電力を間欠的に消費する尖頭負荷型電気機器において、
内部抵抗が高い高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサと、内部抵抗が低い高出力密度型の第２電気二重層コンデンサとを電流出力型のスイッチング・レギュレータを介して接続してなる電源を有し、上記第１電気二重層コンデンサより上記電流出力型のスイッチング・レギュレータを介して上記第２電気二重層コンデンサを充電し、上記第２電気二重層コンデンサから短時間の大出力もしくは長時間の小出力を必要に応じて取り出せるようにしたことを特徴とする尖頭負荷型電気機器。In the point load electrical equipment that consumes relatively large power intermittently,
A power supply comprising a high energy density type first electric double layer capacitor having a high internal resistance and a high power density type second electric double layer capacitor having a low internal resistance connected via a current output type switching regulator. And the second electric double layer capacitor is charged from the first electric double layer capacitor via the current output type switching regulator, and the second electric double layer capacitor is charged for a short time with a large output or for a long time. A peak load type electrical device characterized in that a small output can be taken out as needed. 運転時には比較的大電力を間欠的に消費するとともに、制動時にはそれに伴って回生制動電力を発生し得る尖頭負荷型電気機器において、その電源として高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサと高出力密度型の第２電気二重層コンデンサとを有し、それらの間には上記第１電気二重層コンデンサから上記第２電気二重層コンデンサを常時充電する電流出力型の第１スイッチング・レギュレータと、上記第２電気二重層コンデンサ側から余剰の回生制動電力を上記第１電気二重層コンデンサ側に戻す電流出力型の第２スイッチング・レギュレータとが接続されており、上記第１電気二重層コンデンサより上記第１スイッチング・レギュレータを介して上記第２電気二重層コンデンサを充電することにより、短時間の大出力もしくは長時間の小出力を必要に応じて取り出せるようにし、かつ、回生制動時にはその余剰の回生制動電力が上記第２スイッチング・レギュレータを介して上記第１電気二重層コンデンサ側に戻されるようにしたことを特徴とする尖頭負荷型電気機器。In a peak load type electric device that can consume relatively large power intermittently during operation and generate regenerative braking power during braking, a high energy density type first electric double layer capacitor and a high energy density type A current output type first switching regulator having a power density type second electric double layer capacitor between which the second electric double layer capacitor is constantly charged from the first electric double layer capacitor; A second switching regulator of a current output type for returning surplus regenerative braking power from the second electric double layer capacitor side to the first electric double layer capacitor side is connected. By charging the second electric double-layer capacitor through the first switching regulator, a short-time large output or long time And the excess regenerative braking power is returned to the first electric double layer capacitor via the second switching regulator during regenerative braking. And the peak load type electrical equipment. 上記第１スイッチング・レギュレータおよび第２スイッチング・レギュレータを実質的に１つの双方向性スイッチング・レギュレータとして用いることを特徴とする請求項２に記載の尖頭負荷型電気機器。3. The peak load type electric device according to claim 2, wherein the first switching regulator and the second switching regulator are used as substantially one bidirectional switching regulator. 上記第１スイッチング・レギュレータおよび第２スイッチング・レギュレータに代えて、１つのスイッチング・レギュレータを用い、運転時にはその入力側を上記第１電気二重層コンデンサに接続するとともに、出力側を上記第２電気二重層コンデンサに接続し、回生制動時にはそれらを切り替えて上記入力側に上記第２電気二重層コンデンサを接続するとともに、出力側に上記第１電気二重層コンデンサを接続するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の尖頭負荷型電気機器。One switching regulator is used in place of the first switching regulator and the second switching regulator. During operation, the input side is connected to the first electric double layer capacitor, and the output side is connected to the second electric double layer capacitor. A second electric double-layer capacitor connected to the input side and a first electric double-layer capacitor connected to the output side. The peak load type electric device according to claim 2.

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