JP5664310B2 - DC power supply - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電手段からの放電により、負荷に直流電力を供給する直流電源装置に関するものである。   The present invention relates to a DC power supply device that supplies DC power to a load by discharging from an electric storage means.

従来、電気自動車のモータなどの負荷に直流電力を供給するための直流電源装置には、比較的容量の大きいキャパシタ（コンデンサ）を用いているものがある（例えば、実開平３−１０４００２号公報）。また、キャパシタは電荷がなくなると電力を供給できなくなるため、二次電池（バッテリ）と併用することで、直流電源の使用時間を延ばす工夫をしている直流電源装置もある（例えば、特開平６−２７０６９５号公報〔特許文献２〕、特開２００９−１１２１２２号公報〔特許文献３〕、特開２００４−２６６８８８号公報〔特許文献４）及び特開２０１０−４５８７号公報〔特許文献５〕）。特に、特許文献３及び５では、大容量のキャパシタとしてリチウムイオンキャパシタを使用して必要最大電力をまかない、二次電池の必要最大電力を小さくすることが開示されている。   Conventionally, some DC power supply devices for supplying DC power to a load such as a motor of an electric vehicle use a capacitor having a relatively large capacity (for example, Japanese Utility Model Publication No. 3-104002). . In addition, since a capacitor cannot supply electric power when it has run out of electric charge, there is also a DC power supply device that is devised to extend the usage time of a DC power supply by using it together with a secondary battery (battery) (for example, Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6). No. -270695 [Patent Document 2], JP 2009-112122 A [Patent Document 3], JP 2004-266888 [Patent Document 4], and JP 2010-4587 [Patent Document 5]). In particular, Patent Documents 3 and 5 disclose that the required maximum power of a secondary battery is reduced by using a lithium ion capacitor as a large-capacity capacitor and does not cover the required maximum power.

実開平３−１０４００２号公報Japanese Utility Model Publication No. 3-104002 特開平６−２７０６９５号公報JP-A-6-270695 特開２００９−１１２１２２号公報JP 2009-112122 A 特開２００４−２６６８８８号公報JP 2004-266888 A 特開２０１０−４５８７号公報JP 2010-4487 A

しかしながら、リチウムイオンキャパシタに比べて、二次電池は、急激な充放電や過放電・過充電によって劣化しやすく、従来の制御方法によっては、二次電池が劣化してしまうという問題がある。例えば、特許文献４に記載の構成では、二次電池が主電源とリレーを介して並列に接続されており、充放電時には二次電池にも制限無く大きな負荷が接続されることになる。また特許文献５に記載の構成では、二次電池の使用頻度が高く、また、ＤＣ／ＤＣコンバータを常時使用しているために常に電力を消費してしまうという問題がある。   However, compared with a lithium ion capacitor, the secondary battery is likely to be deteriorated by rapid charge / discharge, overdischarge / overcharge, and there is a problem that the secondary battery is deteriorated depending on the conventional control method. For example, in the configuration described in Patent Document 4, the secondary battery is connected in parallel via a main power supply and a relay, and a large load is connected to the secondary battery without limitation during charging and discharging. Further, the configuration described in Patent Document 5 has a problem that the usage frequency of the secondary battery is high, and the DC / DC converter is always used, so that power is always consumed.

本発明の目的は、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを主電源として用い、二次電池を予備電源として用いる直流電源装置において、二次電池の負担を減らして二次電池の劣化を抑え、寿命を延ばし、また、安定して電力の供給が可能な直流電源装置を提供することにある。   An object of the present invention is to use a lithium ion capacitor unit as a main power source, and in a DC power supply device using a secondary battery as a standby power source, to reduce the burden on the secondary battery, suppress the deterioration of the secondary battery, extend the life, It is another object of the present invention to provide a DC power supply device that can stably supply power.

本発明の他の目的は、外部電源によりリチウムイオンキャパシタ・ユニットを充電する際に、二次電池も併せて充電が可能な直流電源装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a direct current power supply device capable of charging a secondary battery together when charging a lithium ion capacitor unit with an external power source.

本発明の更に他の目的は、直流電源装置が使用される環境温度に適した条件で二次電池を充電可能な直流電源装置を提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide a DC power supply device capable of charging a secondary battery under conditions suitable for the environmental temperature in which the DC power supply device is used.

本発明の直流電源装置は、負荷に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ・ユニットと、負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続可能な二次電池と、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続するための切換回路とを備えている。   The DC power supply device of the present invention includes a lithium ion capacitor unit connected in parallel to a load, a secondary battery connectable in parallel to the load and the lithium ion capacitor unit, and voltage detection for detecting the voltage of the lithium ion capacitor unit. And a switching circuit for connecting the secondary battery to the load and the lithium ion capacitor unit in parallel.

一般的なリチウムイオンキャパシタは、単体では３．８Ｖ程度であるため、用途に合わせて複数のリチウムイオンキャパシタを直列接続してリチウムイオンキャパシタ・ユニットを構成し、必要な出力電圧を得る。また、二次電池は、例えば、鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの充放電可能なものであればよく、その種類は限定されるものではない。   Since a general lithium ion capacitor is about 3.8 V as a single unit, a plurality of lithium ion capacitors are connected in series according to the application to form a lithium ion capacitor unit, and a necessary output voltage is obtained. Moreover, the secondary battery should just be what can be charged / discharged, such as a lead storage battery and a lithium ion battery, for example, The kind is not limited.

リチウムイオンキャパシタには、特性上必然的に定まる下限電圧を下回って過放電状態となると、再充電したとしても、元の特性を得られなくなるという性質がある。そこで、本発明においては、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを構成する各リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧を割り込んでしまうことを避けるために、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧を電圧検出手段で検出し、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧に達すると、切換回路がリチウムイオンキャパシタ・ユニットに二次電池を並列接続して、リチウムイオンキャパシタ・ユニット内の複数のリチウムイオンキャパシタが下限電圧以下に低下するのを防止する。   Lithium ion capacitors have the property that if they are overdischarged below a lower limit voltage that is inevitably determined in terms of characteristics, the original characteristics cannot be obtained even if recharged. Therefore, in the present invention, in order to prevent the voltage of each lithium ion capacitor constituting the lithium ion capacitor unit from interrupting the lower limit voltage, the voltage of the lithium ion capacitor unit is detected by the voltage detection means, When the voltage of the ion capacitor unit reaches the unit lower limit voltage, the switching circuit connects the secondary battery to the lithium ion capacitor unit in parallel, and the multiple lithium ion capacitors in the lithium ion capacitor unit drop below the lower limit voltage. To prevent it.

なお、本願明細書において「ユニット下限電圧」とは、直列接続されている複数のリチウムイオンキャパシタの下限電圧の合計値よりも高く、二次電池の定格電圧よりも低い電圧値であり、リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧以下に下がることを防止できる値である。   In the present specification, “unit lower limit voltage” is a voltage value that is higher than the total value of the lower limit voltages of a plurality of lithium ion capacitors connected in series and lower than the rated voltage of the secondary battery. This is a value that can prevent the voltage of the capacitor from dropping below the lower limit voltage.

本発明において、切換回路は、２つの回路構成を切り換えるように構成されている。まず、切換回路は、二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続したときには、最初に二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに電流制限手段を含む第１の放電回路を介して並列接続する第１の回路構成となる。その後リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出するかまたはリチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出すると、切換回路は、二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに電流制限手段を含まない第２の放電回路を介して並列接続する第２の回路構成となる。   In the present invention, the switching circuit is configured to switch between two circuit configurations. First, when the secondary battery is connected in parallel to the load and the lithium ion capacitor unit, the switching circuit first passes the secondary battery through the first discharge circuit including current limiting means in the load and the lithium ion capacitor unit. The first circuit configuration is connected in parallel. Thereafter, it is detected that the voltage of the lithium ion capacitor unit has risen to a first set voltage higher than the unit lower limit voltage, or the voltage of the lithium ion capacitor unit is lowered to a second set voltage lower than the unit lower limit voltage. When this is detected, the switching circuit has a second circuit configuration in which the secondary battery is connected in parallel to the load and the lithium ion capacitor unit via a second discharge circuit that does not include current limiting means.

“リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出する場合”は、切換回路が第１の回路構成になった後、二次電池を使用して負荷に対して過電流を流すことなく必要な電力を供給できており、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニットも二次電池によって充電できている場合である。そのために、ユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで電圧が上昇している。第１の設定電圧は、二次電池から負荷への放電電流が過電流になることを阻止できる電圧である。したがってこの状態では、電流制限素子の存在は、電力損失の発生原因となり、過電流の発生防止機能は果たしていない。そこで第２の回路構成に切り換わることで、電流制限手段を切り離して、電流制限手段における損失の発生を阻止し、二次電池の負荷を減少させることになる。その結果、二次電池の容量低下速度を遅いものとすることができる。   “When detecting that the voltage of the lithium ion capacitor unit has risen to the first set voltage higher than the unit lower limit voltage”, use the secondary battery after the switching circuit is in the first circuit configuration. This is a case where necessary electric power can be supplied without flowing an overcurrent to the load, and the lithium ion capacitor unit can be charged by the secondary battery. For this reason, the voltage rises to a first set voltage that is higher than the unit lower limit voltage. The first set voltage is a voltage that can prevent the discharge current from the secondary battery to the load from becoming an overcurrent. Therefore, in this state, the presence of the current limiting element causes the generation of power loss and does not fulfill the function of preventing the occurrence of overcurrent. Therefore, by switching to the second circuit configuration, the current limiting means is disconnected, the occurrence of loss in the current limiting means is prevented, and the load on the secondary battery is reduced. As a result, the capacity reduction rate of the secondary battery can be slow.

これに対して“リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出する場合”は、切換回路が第１の回路構成になった時点における負荷が大き過ぎるために、電流制限素子を介して負荷に電流を供給していたのでは、十分な電力を供給できず、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニットの放電が継続される場合である。したがってこの場合において、電流制限素子を放電回路に存在させることは、リチウムイオンキャパシタ・ユニットからの放電を継続させて、各リチウムイオンキャパシタの電圧を下限電圧まで低下させてしまう危険性がある。そこで第２の回路構成に切り換わることで、電流制限手段を切り離すことにより、負荷に対して必要な電力を供給し、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧低下を防止する。このような観点から第２の設定電圧は、リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧以下になることを阻止できる電圧である。   On the other hand, in the case of “detecting that the voltage of the lithium ion capacitor unit has dropped to the second set voltage lower than the unit lower limit voltage”, the load at the time when the switching circuit becomes the first circuit configuration If the current is supplied to the load via the current limiting element because it is too large, sufficient power cannot be supplied, and the discharge of the lithium ion capacitor unit is continued. Therefore, in this case, if the current limiting element is present in the discharge circuit, there is a risk that the discharge from the lithium ion capacitor unit is continued and the voltage of each lithium ion capacitor is lowered to the lower limit voltage. Therefore, by switching to the second circuit configuration, the current limiting means is disconnected, thereby supplying necessary power to the load and preventing a voltage drop of the lithium ion capacitor unit. From such a viewpoint, the second set voltage is a voltage that can prevent the voltage of the lithium ion capacitor from becoming lower than the lower limit voltage.

以上のように、本発明によれば、特定の条件の場合に第１の回路構成から第２の回路構成に切り換えることで、二次電池からの過電流の放電を阻止して二次電池の劣化を抑制し且つ電力損失を抑制することができ、しかも負荷に必要な電力を供給することができる。   As described above, according to the present invention, by switching from the first circuit configuration to the second circuit configuration in the case of a specific condition, it is possible to prevent overcurrent discharge from the secondary battery and Deterioration can be suppressed and power loss can be suppressed, and power necessary for the load can be supplied.

第２の放電回路は、具体的には、第１の放電回路の電流制限手段を短絡する短絡回路で構成することができる。このように構成することで、切換回路の構成を簡単なものとすることができる。   Specifically, the second discharge circuit can be constituted by a short circuit that short-circuits the current limiting means of the first discharge circuit. With this configuration, the configuration of the switching circuit can be simplified.

本発明の直流電源装置は、モータにより駆動する自動搬送車（ＡＧＶ）等に適している。一般的には、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が低下した場合には、自動搬送車であれば、待機ステーションに自動搬送車が戻った時点で充電装置（外部充電器）により充電が行われる。この際、リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに動作状態になって二次電池を充電する充電回路をさらに具備するようにすれば、二次電池も併せて充電することができる。ただし、リチウムイオンキャパシタ・ユニットと二次電池の充電特性及び充電時間は大きく異なるため、同時に充電を行うと、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの充電時間が充電に時間のかかる二次電池の充電時間に拘束されて、必要以上に延びてしまい、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを有効に活用できない問題が生じる。また、充電回路を常に接続した状態にしておくと、リチウムイオンキャパシタ・ユニットから常に二次電池を充電する動作が可能となり、電力損失が発生する。そこで、充電回路にスイッチング回路を含めておき、スイッチング回路が導通状態になっている場合に、二次電池の充電が行われるようにしておくことが望ましい。充電回路にスイッチング回路を含めておくことで、充電時間の短いリチウムイオンキャパシタ・ユニットを充電した後で、待機時間などを利用して、充電時間の長い二次電池を充電することが可能になる。また、このようなスイッチング回路を設けると、リチウムイオンキャパシタ・ユニットから二次電池に充電する動作を任意に止めることができる。なお、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの充電電圧は二次電池の充電電圧よりも高い。そのため、充電回路には充電電圧を二次電池の充電に適した電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含めることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは任意に電圧制御することができるため、適切な充電電圧で二次電池を充電して二次電池の寿命低下を抑制することができる。   The DC power supply device of the present invention is suitable for an automatic guided vehicle (AGV) driven by a motor. Generally, when the voltage of the lithium ion capacitor unit decreases, if it is an automatic transport vehicle, charging is performed by a charging device (external charger) when the automatic transport vehicle returns to the standby station. At this time, if the lithium ion capacitor unit is further equipped with a charging circuit that enters an operating state when a charging voltage is applied from an external charger and charges the secondary battery, the secondary battery is also charged. can do. However, the charging characteristics and charging time of the lithium ion capacitor unit and the secondary battery are greatly different. As a result, the problem arises that the lithium ion capacitor unit cannot be effectively used because it extends more than necessary. If the charging circuit is always connected, the secondary battery can always be charged from the lithium ion capacitor unit, resulting in power loss. Therefore, it is desirable to include a switching circuit in the charging circuit so that the secondary battery is charged when the switching circuit is in a conductive state. By including a switching circuit in the charging circuit, it is possible to charge a secondary battery with a long charging time using a standby time after charging a lithium ion capacitor unit with a short charging time. . Further, when such a switching circuit is provided, the operation of charging the secondary battery from the lithium ion capacitor unit can be arbitrarily stopped. The charging voltage of the lithium ion capacitor unit is higher than the charging voltage of the secondary battery. Therefore, the charging circuit can include a DC / DC converter that steps down the charging voltage to a voltage suitable for charging the secondary battery. Since the voltage of the DC / DC converter can be arbitrarily controlled, the secondary battery can be charged with an appropriate charging voltage to suppress the life reduction of the secondary battery.

二次電池の充電に適している電圧は、二次電池がおかれる環境温度によって変わることが知られている。そこで、過充電及び充電不足を防止するように二次電池の充電を行うためには、環境温度を検出する温度検出手段をさらに備え、環境温度によって充電回路に含めるＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を変化させることが好ましい。具体的には、温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準上限温度より高くなると、二次電池の充電に適した電圧を低下させ、温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準下限温度より低くなると二次電池の充電に適した電圧を上昇させるようにすればよい。   It is known that the voltage suitable for charging the secondary battery varies depending on the environmental temperature at which the secondary battery is placed. Therefore, in order to charge the secondary battery so as to prevent overcharging and insufficient charging, the battery further includes temperature detecting means for detecting the environmental temperature, and the output voltage of the DC / DC converter included in the charging circuit is determined according to the environmental temperature. It is preferable to change. Specifically, when the detected temperature detected by the temperature detecting means is higher than a predetermined reference upper limit temperature, the voltage suitable for charging the secondary battery is lowered, and the detected temperature detected by the temperature detecting means is a predetermined reference. What is necessary is just to make it raise the voltage suitable for charge of a secondary battery when it becomes lower than minimum temperature.

なお、充電回路を、１以上のダイオードを含んで構成し、リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに充電電圧を二次電池の充電に適した電圧に降圧して二次電池に印加するように構成してもよい。具体的には、１以上のダイオードを直列に接続し、アノード側をリチウムイオンキャパシタ・ユニットの陽極端子に接続し、カソードを二次電池の陽極端子に接続する。このように構成すれば、使用する二次電池の定格電圧に応じてダイオードの数を決めるだけで、容易に二次電池の充電電圧を調整することが可能である。そのためスイッチング回路やＤＣ／ＤＣコンバータなどの複雑な回路を必要としない。この場合にも、充電回路にスイッチング回路を含めておき、スイッチング回路が導通状態になっている場合だけ、二次電池の充電が行われるようにしておくことが望ましい。   The charging circuit is configured to include one or more diodes, and when the charging voltage is applied to the lithium ion capacitor unit from an external charger, the charging voltage is reduced to a voltage suitable for charging the secondary battery. You may comprise so that it may apply to a secondary battery. Specifically, one or more diodes are connected in series, the anode side is connected to the anode terminal of the lithium ion capacitor unit, and the cathode is connected to the anode terminal of the secondary battery. If comprised in this way, it is possible to adjust the charging voltage of a secondary battery easily only by determining the number of diodes according to the rated voltage of the secondary battery to be used. Therefore, a complicated circuit such as a switching circuit or a DC / DC converter is not required. In this case as well, it is desirable to include a switching circuit in the charging circuit so that the secondary battery is charged only when the switching circuit is in a conductive state.

上述の通り、第１の設定電圧は、二次電池から負荷への放電電流が過電流になることを阻止できる電圧である。このように第１の設定電圧を定めるのは、切換回路によって第１の回路構成から第２の回路構成に切り替わった時点で、二次電池の電圧がリチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧よりも大きく且つ両電圧の電圧差が所定値以上になると、二次電池の最大放電電流を超える電流が流れてしまう可能性があるためである。「二次電池の最大放電電流」とは、二次電池の寿命を縮めることなく、放電可能な最大の電流のことであり、二次電池の仕様によって規定されるものである。二次電池の性能及び二次電池の使用環境によっては、第１の設定電圧として、固定値を用いることも可能である。しかし第１の設定電圧を固定値にした場合には、二次電池の劣化、個体差、環境温度などの条件によって、放電時の二次電池の電圧変化率が大きくなると、第１の放電回路の電流制限手段を短絡したときに、放電電流が最大放電電流より大きくなる事態が発生する可能性がある。そこで、第１の設定電圧は、二次電池の電圧値（端子間電圧）から放電電流が過電流になることを阻止することを許容する許容差電圧を減算した電圧とすることができる。このように第１の設定電圧を設定することで、第１の回路構成から第２の回路構成に切り替わる際に、二次電圧とリチウムイオンキャパシタ・ユニットとの電圧差が十分に小さくなり、二次電池の最大放電電流を超える放電電流が流れることがなくなる。   As described above, the first set voltage is a voltage that can prevent the discharge current from the secondary battery to the load from becoming an overcurrent. The first set voltage is thus determined when the voltage of the secondary battery is higher than the voltage of the lithium ion capacitor unit when the switching circuit switches from the first circuit configuration to the second circuit configuration. This is because if the voltage difference between the two voltages exceeds a predetermined value, a current exceeding the maximum discharge current of the secondary battery may flow. The “maximum discharge current of the secondary battery” is the maximum current that can be discharged without shortening the life of the secondary battery, and is defined by the specifications of the secondary battery. Depending on the performance of the secondary battery and the usage environment of the secondary battery, a fixed value may be used as the first set voltage. However, when the first set voltage is set to a fixed value, if the voltage change rate of the secondary battery at the time of discharge increases due to deterioration of the secondary battery, individual differences, environmental temperature, and the like, the first discharge circuit When the current limiting means is short-circuited, there is a possibility that the discharge current becomes larger than the maximum discharge current. Therefore, the first set voltage can be a voltage obtained by subtracting a tolerance voltage that allows the discharge current to be prevented from becoming an overcurrent from the voltage value (terminal voltage) of the secondary battery. By setting the first set voltage in this way, the voltage difference between the secondary voltage and the lithium ion capacitor unit becomes sufficiently small when switching from the first circuit configuration to the second circuit configuration. A discharge current exceeding the maximum discharge current of the secondary battery will not flow.

第２の回路構成になった場合、リチウムイオンキャパシタ・ユニットと二次電池は、直接接続された状態となり、リチウムイオンキャパシタ・ユニットと二次電池を含む放電回路中の抵抗成分はリチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗（ＲC）と二次電池の内部抵抗（ＲB）のみになる。この放電回路において、放電電流が二次電池の最大放電電流を超えないようにするためには、二次電池とリチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧差（Ｖdif）を内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）で割って得られる電流値（Ｉ）が、二次電池の最大放電電流（Ｉref）以下になるように設定すればよい。したがって、許容差電圧として、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗及び二次電池の内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）と二次電池の最大放電電流（Ｉref）の積で求まる電圧値を用いれば、二次電池からの放電電流が最大放電電流を超えることを防止することができて、二次電池の劣化を防ぎながら、電流制限手段による電力損失を最も小さくすることができる。 In the case of the second circuit configuration, the lithium ion capacitor unit and the secondary battery are directly connected, and the resistance component in the discharge circuit including the lithium ion capacitor unit and the secondary battery is the lithium ion capacitor unit. Only the internal resistance (R C ) of the unit and the internal resistance (R B ) of the secondary battery. In this discharge circuit, in order to prevent the discharge current from exceeding the maximum discharge current of the secondary battery, the voltage difference (V dif ) between the secondary battery and the lithium ion capacitor unit is set to the total value of the internal resistance (R C The current value (I) obtained by dividing by + R B ) may be set to be equal to or less than the maximum discharge current (I ref ) of the secondary battery. Therefore, as the tolerance voltage, the voltage value obtained by the product of the total value of the internal resistance of the lithium ion capacitor unit and the internal resistance of the secondary battery (R C + R B ) and the maximum discharge current (I ref ) of the secondary battery is If used, the discharge current from the secondary battery can be prevented from exceeding the maximum discharge current, and the power loss due to the current limiting means can be minimized while preventing the secondary battery from deteriorating.

本発明の直流電源装置の第１の実施の形態の一例の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of an example of 1st Embodiment of the DC power supply device of this invention. （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の直流電源装置の切換回路で切換のタイミングを示すタイムチャートである。(A) And (B) is a time chart which shows the timing of switching in the switching circuit of the DC power supply device of this invention. 本発明の直流電源装置の切換回路を制御する制御回路のフローを示すフロー図である。It is a flowchart which shows the flow of the control circuit which controls the switching circuit of the DC power supply device of this invention. 本発明の直流電源装置の第２の実施の形態の一例の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of an example of 2nd Embodiment of the DC power supply device of this invention.

以下、図面を参照して、本発明の直流電源装置の実施の形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of a DC power supply device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

〔構成〕
図１は、本発明の直流電源装置を自動搬送車の直流電源装置に適用した第１の実施の形態の構成を示す回路図である。本実施の形態の直流電源装置は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１、鉛蓄電池等の二次電池３、電圧検出手段５、制御回路７及び切換回路８を備えている。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１及び二次電池３は、負荷であるモータＭに対して並列に接続されている。本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ・ユニット１は、１６個のリチウムイオンキャパシタが直列接続されたキャパシタアレイが４本並列接続されたモジュールからなる（ただし、図においては、キャパシタの図示を一部省略してある）。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の容量は４５０Ｆ（リチウムイオンキャパシタ単セルで１８００Ｆ）である。リチウムイオンキャパシタＣ１〜Ｃ１６の上限電圧が３．８［Ｖ］であるとすると、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧は、６０．８［Ｖ］になる。リチウムイオンキャパシタＣ１〜Ｃ１６の下限電圧は２．２［Ｖ］であるので、３５．２［Ｖ］を下回らないことと、負荷側のシステムがダウンしない電圧設定により、本実施の形態のユニット下限電圧は４０．０［Ｖ］に設定してある。リチウムイオンキャパシタのそれぞれには、各リチウムイオンキャパシタの電圧を均等化させるための電圧均等化回路を構成する抵抗素子が並列に接続されている（ただし、図においては省略してある）。電圧均等化の抵抗素子には例えば１ｋΩの抵抗が使用される。二次電池３としては、定格４８．０［Ｖ］（定格２Ｖのセルが２４個直列接続されている）、４４Ａｈの制御弁式鉛蓄電池を使用している。 〔Constitution〕
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a first embodiment in which a DC power supply device of the present invention is applied to a DC power supply device of an automated guided vehicle. The DC power supply device of the present embodiment includes a lithium ion capacitor unit 1, a secondary battery 3 such as a lead storage battery, a voltage detection means 5, a control circuit 7, and a switching circuit 8. The lithium ion capacitor unit 1 and the secondary battery 3 are connected in parallel to the motor M that is a load. The lithium ion capacitor unit 1 of the present embodiment is composed of a module in which four capacitor arrays in which 16 lithium ion capacitors are connected in series are connected in parallel (however, the illustration of the capacitors is partially omitted in the figure). ) The capacity of the lithium ion capacitor unit 1 is 450 F (1800 F for a lithium ion capacitor single cell). When the upper limit voltage of the lithium ion capacitors C1 to C16 is 3.8 [V], the voltage of the lithium ion capacitor unit 1 is 60.8 [V]. Since the lower limit voltage of the lithium ion capacitors C1 to C16 is 2.2 [V], the unit lower limit of the present embodiment is set by not setting the voltage to be lower than 35.2 [V] and setting the voltage at which the load side system does not go down. The voltage is set to 40.0 [V]. Each of the lithium ion capacitors is connected in parallel with a resistance element constituting a voltage equalization circuit for equalizing the voltage of each lithium ion capacitor (not shown in the figure). For example, a 1 kΩ resistor is used as the voltage equalizing resistor. As the secondary battery 3, a control valve type lead storage battery with a rating of 48.0 [V] (24 cells with a rating of 2 V are connected in series) and 44 Ah is used.

電圧検出手段５は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１及び二次電池３の端子間電圧をそれぞれ検出できるように、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の一対の端子Ｔ３及びＴ４と、二次電池３の一対の端子Ｔ５及びＴ６に並列に接続されている。電圧検出手段５は、例えば抵抗分圧回路を用いて構成することができる。制御回路７は、電圧検出手段５が検知した電圧値に基づいて、スイッチＳＷ１，ＳＷ３及びＳＷ５の導通及び遮断を制御している。具体的な制御動作については、後述する。   The voltage detection means 5 is connected to the pair of terminals T3 and T4 of the lithium ion capacitor unit 1 and the pair of secondary batteries 3 so that the voltage between the terminals of the lithium ion capacitor unit 1 and the secondary battery 3 can be detected. The terminals T5 and T6 are connected in parallel. The voltage detection means 5 can be configured using, for example, a resistance voltage dividing circuit. The control circuit 7 controls conduction and interruption of the switches SW1, SW3 and SW5 based on the voltage value detected by the voltage detection means 5. Specific control operations will be described later.

切換回路８は、第１の放電回路８１と、第２の放電回路８３から構成されている。第１の放電回路８１は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ１に直列接続された電流制限抵抗４とから構成されている。第２の放電回路８３は、スイッチＳＷ３を含んで構成されている。後述のように電流制限抵抗４は、スイッチＳＷ１が導通したときに、二次電池３から過電流が放電されることを防ぐ目的で備えられている。なお図示していないが、負荷としてのモータを含むモータ回路Ｍには、制御指令に応じて動作するインバータ回路を含むモータ駆動回路が接続されている。   The switching circuit 8 includes a first discharge circuit 81 and a second discharge circuit 83. The first discharge circuit 81 includes a switch SW1 and a current limiting resistor 4 connected in series to the switch SW1. The second discharge circuit 83 is configured to include a switch SW3. As will be described later, the current limiting resistor 4 is provided for the purpose of preventing an overcurrent from being discharged from the secondary battery 3 when the switch SW1 is turned on. Although not shown, a motor drive circuit including an inverter circuit that operates in response to a control command is connected to a motor circuit M including a motor as a load.

本実施の形態では、モータ回路Ｍの一対の端子Ｔ１及びＴ２にリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の一対の端子Ｔ３及びＴ４がそれぞれ電気的に接続されている。なおモータ回路Ｍの端子Ｔ１、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の端子Ｔ３及び二次電池３の端子Ｔ５は、陽極端子であり、モータ回路Ｍの端子Ｔ２、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の端子Ｔ４及び二次電池３の端子Ｔ６は、それぞれ充電器９のアース端子に共通接続された負極端子である。第１の放電回路８１はリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の陽極端子Ｔ３と、二次電池３の陽極端子Ｔ６との間に配置されている。第２の放電回路８３は、第１の放電回路８１に対して並列に接続されている。よって、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１と二次電池３は、第１の放電回路８１及び第２の放電回路８３からなる切換回路８を介して並列接続されている。   In the present embodiment, the pair of terminals T3 and T4 of the lithium ion capacitor unit 1 are electrically connected to the pair of terminals T1 and T2 of the motor circuit M, respectively. The terminal T1 of the motor circuit M, the terminal T3 of the lithium ion capacitor unit 1, and the terminal T5 of the secondary battery 3 are anode terminals, and the terminal T2 of the motor circuit M, the terminals T4 of the lithium ion capacitor unit 1, and the second terminal T5. A terminal T6 of the secondary battery 3 is a negative terminal commonly connected to the ground terminal of the charger 9. The first discharge circuit 81 is disposed between the anode terminal T3 of the lithium ion capacitor unit 1 and the anode terminal T6 of the secondary battery 3. The second discharge circuit 83 is connected in parallel to the first discharge circuit 81. Therefore, the lithium ion capacitor unit 1 and the secondary battery 3 are connected in parallel via the switching circuit 8 including the first discharge circuit 81 and the second discharge circuit 83.

充電器（充電用直流電源）９は自動搬送車の待機ステーションに設けられた充電器である。自動搬送車が待機ステーションに戻るたびに、端子Ｔ１及びＴ２が充電器９の出力端子Ｔ７及びＴ８に接続され、充電動作が行われる。充電器９と自動搬送車の直流電源装置が接続されると、充電器９は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の上限電圧よりも少し低い充電電圧でリチウムイオンキャパシタ・ユニット１を充電する。本実施の形態では、端子Ｔ１と二次電池３の端子Ｔ５との間に二次電池３の充電回路１３が接続されている。充電回路１３は、スイッチＳＷ５とＤＣ／ＤＣコンバータ１５とが直列に接続されて構成されている。充電器９が直流電源装置に接続されているときに、スイッチＳＷ５が制御回路７からの導通信号に応じて導通状態になることで、二次電池３の充電が開始される。制御回路７は電圧検出手段５が検出する二次電池３の電圧が、予め定めた充電開始電圧以下に下がっていることを検出すると、充電器９が直流電源装置に接続されたときに、スイッチＳＷ５を導通状態にする導通信号を出力する。スイッチＳＷ５は、このオン指令が出力されている間、導通状態を維持する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の充電電圧を二次電池３の充電に適した電圧まで降圧して得た充電電圧を二次電池３に印加する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５からの充電電流が大きくなりすぎると、二次電池３の劣化につながるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は１〜７Ａ程度の電流で二次電池３を充電するように構成してある。電圧検出手段５が、二次電池３の端子Ｔ５及びＴ６間電圧が予め定めた設定電圧（充電完了電圧）まで充電されたことを検出すると、制御回路７はオン指令の出力を停止してスイッチＳＷ５を遮断し、充電が終了する。本実施の形態では、二次電池３を充電しているとき以外では、スイッチＳＷ５を遮断しているので、待機電力を消費しない。そのため、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１を二次電池３の充電に影響を受けることなく、迅速に充電することができる。   A charger (DC power supply for charging) 9 is a charger provided at a standby station of an automatic guided vehicle. Each time the automated guided vehicle returns to the standby station, the terminals T1 and T2 are connected to the output terminals T7 and T8 of the charger 9, and a charging operation is performed. When the charger 9 and the DC power supply device of the automated guided vehicle are connected, the charger 9 charges the lithium ion capacitor unit 1 with a charging voltage slightly lower than the upper limit voltage of the lithium ion capacitor unit 1. In the present embodiment, the charging circuit 13 of the secondary battery 3 is connected between the terminal T1 and the terminal T5 of the secondary battery 3. The charging circuit 13 is configured by connecting a switch SW5 and a DC / DC converter 15 in series. When the charger 9 is connected to the DC power supply device, the switch SW5 is turned on in response to a conduction signal from the control circuit 7, whereby charging of the secondary battery 3 is started. When the control circuit 7 detects that the voltage of the secondary battery 3 detected by the voltage detection means 5 has dropped below a predetermined charging start voltage, the control circuit 7 switches when the charger 9 is connected to the DC power supply device. A conduction signal for making SW5 conductive is output. The switch SW5 maintains a conductive state while the ON command is output. The DC / DC converter 15 applies a charging voltage obtained by reducing the charging voltage of the lithium ion capacitor unit 1 to a voltage suitable for charging the secondary battery 3 to the secondary battery 3. If the charging current from the DC / DC converter 15 becomes too large, the secondary battery 3 is deteriorated. Therefore, the DC / DC converter 15 is configured to charge the secondary battery 3 with a current of about 1 to 7A. is there. When the voltage detection means 5 detects that the voltage between the terminals T5 and T6 of the secondary battery 3 has been charged to a predetermined set voltage (charging completion voltage), the control circuit 7 stops the output of the ON command and switches SW5 is shut off and charging ends. In the present embodiment, the standby power is not consumed because the switch SW5 is shut off except when the secondary battery 3 is charged. Therefore, the lithium ion capacitor unit 1 can be quickly charged without being affected by the charging of the secondary battery 3.

また、本実施の形態では、二次電池３の環境温度を検出する温度検出手段６も備えられている。温度検出手段６の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の図示しない制御部に入力される。図示しない制御部は、温度検出手段６により検出された二次電池３が置かれている環境温度に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧を調整する。具体的には、図示しない制御部は、環境温度が高くなれば、二次電池への充電電圧を下げ、環境温度が低くなれば二次電池への充電電圧を上げるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧を調整する。このようにすることにより、環境温度の変化に適した充電電圧で二次電池を充電することにより、過充電または充電不足により、二次電池が受けるストレスを軽減して、二次電池３の寿命を延ばすことができる。   Moreover, in this Embodiment, the temperature detection means 6 which detects the environmental temperature of the secondary battery 3 is also provided. The output of the temperature detector 6 is input to a control unit (not shown) of the DC / DC converter 15. A control unit (not shown) adjusts the output voltage of the DC / DC converter 15 according to the environmental temperature in which the secondary battery 3 is detected, which is detected by the temperature detection means 6. Specifically, the control unit (not shown) reduces the charging voltage to the secondary battery when the environmental temperature increases, and increases the charging voltage to the secondary battery when the environmental temperature decreases. 15 output voltage is adjusted. In this way, by charging the secondary battery at a charging voltage suitable for changes in the environmental temperature, the stress that the secondary battery receives due to overcharging or insufficient charging is reduced, and the life of the secondary battery 3 is reduced. Can be extended.

〔切換回路の制御〕
次に図２及び図３を参照して、制御回路７によって制御される切換回路８の切換動作を説明する。 [Control of switching circuit]
Next, the switching operation of the switching circuit 8 controlled by the control circuit 7 will be described with reference to FIGS.

本実施の形態の直流電源装置では、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の充電電圧がユニット下限電圧Ｖ1（４０．０［Ｖ］）よりも高いときには、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１のみからモータ回路Ｍに給電を行う。このときには、切換回路８中のスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ３は双方共に遮断された状態である。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の端子間電圧ＶLICがユニット下限電圧Ｖ1（４０．０［Ｖ］）まで低下したことを電圧検出手段５が検出すると（ステップＳＴ１）、制御回路７はスイッチＳＷ１を導通状態にする導通信号を出力する（ステップＳＴ２）。この状態で、切換回路８は、第１の回路構成となっている。スイッチＳＷ１が導通状態になると、電圧が下がったリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧よりも高い電圧に充電されている二次電池３からモータ回路Ｍに駆動電流が供給されるのと同時にリチウムイオンキャパシタ・ユニット１に充電電流が供給される。 In the DC power supply device of the present embodiment, when the charging voltage of the lithium ion capacitor unit 1 is higher than the unit lower limit voltage V 1 (40.0 [V]), only the lithium ion capacitor unit 1 is transferred to the motor circuit M. Supply power. At this time, both the switch SW1 and the switch SW3 in the switching circuit 8 are in a disconnected state. When the voltage detection means 5 detects that the inter-terminal voltage V LIC of the lithium ion capacitor unit 1 has dropped to the unit lower limit voltage V 1 (40.0 [V]) (step ST1), the control circuit 7 switches the switch SW1. A conduction signal for setting the conduction state is output (step ST2). In this state, the switching circuit 8 has the first circuit configuration. When the switch SW1 is turned on, the drive current is supplied to the motor circuit M from the secondary battery 3 charged to a voltage higher than the voltage of the lowered lithium ion capacitor unit 1, and at the same time the lithium ion capacitor A charging current is supplied to the unit 1

このときの二次電池３の電圧が４８．０［Ｖ］であると、二次電池３の電圧とユニット下限電圧Ｖ1（４０．０［Ｖ］）まで低下したリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧との電圧差は、８．０［Ｖ］である。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の内部抵抗は１０［ｍΩ］であり、二次電池の内部抵抗も１０［ｍΩ］とすると、電流制限抵抗４がない場合には、二次電池３は計算上の瞬間最大電流は４００［Ａ］の大電流を放電することになる。そこで、二次電池３からの放電電流を制限するために、電流制限抵抗４が含まれている第１の放電回路８１を介して二次電池３からリチウムイオンキャパシタ・ユニット１を充電する。電流制限抵抗４の抵抗値は、例えば、二次電池３とリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電位差が８．０［Ｖ］のときに、最大３［Ａ］程度に放電を制限する場合、３．０Ω５０Ｗ程度の抵抗を選択するのが好ましい。ただし、実際には負荷への供給電力に不足がない電力値を考慮して電流制限抵抗４の値を決定する必要がある。 When the voltage of the secondary battery 3 at this time is 48.0 [V], the voltage of the lithium ion capacitor unit 1 lowered to the voltage of the secondary battery 3 and the unit lower limit voltage V 1 (40.0 [V]). The voltage difference from the voltage is 8.0 [V]. When the internal resistance of the lithium ion capacitor unit 1 is 10 [mΩ] and the internal resistance of the secondary battery is also 10 [mΩ], the secondary battery 3 is calculated momentarily when there is no current limiting resistor 4. The maximum current discharges a large current of 400 [A]. Therefore, in order to limit the discharge current from the secondary battery 3, the lithium ion capacitor unit 1 is charged from the secondary battery 3 through the first discharge circuit 81 including the current limiting resistor 4. For example, when the potential difference between the secondary battery 3 and the lithium ion capacitor unit 1 is 8.0 [V], the resistance value of the current limiting resistor 4 is limited to about 3 [A] at maximum. It is preferable to select a resistance of about 0Ω50W. However, in actuality, it is necessary to determine the value of the current limiting resistor 4 in consideration of a power value at which there is no shortage in the power supplied to the load.

スイッチＳＷ１が導通状態になった後、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧が、ユニット下限電圧Ｖ1よりも高い第１の設定電圧Ｖ2（４２．５［Ｖ］）またはユニット下限電圧Ｖ1よりも低い第２の設定電圧Ｖ3（３７．５［Ｖ］）になったことを電圧検出手段５が検出すると（ステップＳＴ３）、制御回路７は、スイッチＳＷ３を導通状態にする導通信号を出力する（ステップＳＴ４）。スイッチＳＷ３が導通状態になったときに、切換回路８は第２の回路構成となる。なお、スイッチＳＷ３を投入した後は、スイッチＳＷ１を遮断してもよい。 After the switch SW1 is in a conductive state, the voltage of the lithium ion capacitor unit 1 is set high first than the unit lower-limit voltages V 1 voltage V 2 (42.5 [V]) or more units lower limit voltages V 1 When the voltage detection means 5 detects that the second set voltage V 3 (37.5 [V]) is lower (step ST3), the control circuit 7 outputs a conduction signal for turning on the switch SW3. (Step ST4). When the switch SW3 is turned on, the switching circuit 8 has the second circuit configuration. Note that the switch SW1 may be shut off after the switch SW3 is turned on.

スイッチＳＷ３が導通状態になると、第１の放電回路８１は第２の放電回路８３により短絡された状態になり、以後二次電池３からの放電電流は第２の放電回路８３からモータ回路Ｍ及びリチウムイオンキャパシタ・ユニット１に供給される。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧が第１の設定電圧Ｖ2まで上昇する場合は、切換回路８が第１の回路構成になった後、二次電池３を使用してモータ回路（負荷）Ｍに対して過電流を流すことなく必要な電力を供給できており、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニット１も二次電池３によって充電できている場合である（図２（Ａ））。第１の設定電圧Ｖ2は、二次電池３から負荷Ｍへの放電電流が過電流になることを阻止できる電圧である。したがってこの状態では、電流制限抵抗４は、電力損失の発生原因となるだけで、過電流の発生防止機能は果たしていない。そこで第２の回路構成に切り換わることで、電流制限抵抗４を切り離して、電流制限抵抗４における電力損失の発生を阻止し、二次電池３の負荷を減少させる。その結果、二次電池３の容量低下速度を遅いものとすることができる。 When the switch SW3 becomes conductive, the first discharge circuit 81 is short-circuited by the second discharge circuit 83. Thereafter, the discharge current from the secondary battery 3 is transferred from the second discharge circuit 83 to the motor circuit M and The lithium ion capacitor unit 1 is supplied. When the voltage of the lithium ion capacitor unit 1 rises to the first set voltage V 2 , the motor circuit (load) M is used by using the secondary battery 3 after the switching circuit 8 has the first circuit configuration. In this case, necessary electric power can be supplied to the battery without overcurrent, and the lithium ion capacitor unit 1 can also be charged by the secondary battery 3 (FIG. 2A). The first set voltage V 2 is a voltage that can prevent the discharge current from the secondary battery 3 to the load M from becoming an overcurrent. Therefore, in this state, the current limiting resistor 4 only causes the generation of power loss, and does not fulfill the function of preventing overcurrent. Therefore, by switching to the second circuit configuration, the current limiting resistor 4 is disconnected, the occurrence of power loss in the current limiting resistor 4 is prevented, and the load of the secondary battery 3 is reduced. As a result, the capacity reduction rate of the secondary battery 3 can be made slow.

なお、第１の設定電圧Ｖ2は第１の回路構成から第２の回路構成に切り替わった際に、二次電池３から負荷への放電電流が最大放電電流を超えないように設定する必要がある。第１の設定電圧Ｖ2として、上記のように固定値を用いることも可能である。しかし第１の設定電圧Ｖ2を固定値にした場合には、二次電池の劣化、個体差、環境温度などの条件によって二次電池の放電時の電圧変化率が大きくなると、第１の放電回路の電流制限手段を短絡したときに、放電電流が最大放電電流より大きくなる事態が発生する可能性がある。そこで、このような場合には、(1)式のように、二次電池の電圧値（端子間電圧）ＶBからの放電電流が過電流になることを阻止することを許容する許容差電圧Ｖdifを減算した電圧値を第１の設定電圧Ｖ2とするのが好ましい。 The first set voltage V 2 needs to be set so that the discharge current from the secondary battery 3 to the load does not exceed the maximum discharge current when the first circuit configuration is switched to the second circuit configuration. is there. As the first set voltage V 2 , a fixed value can be used as described above. However, when the first set voltage V 2 is set to a fixed value, if the voltage change rate at the time of discharge of the secondary battery increases due to deterioration of the secondary battery, individual differences, environmental temperature, etc., the first discharge When the current limiting means of the circuit is short-circuited, there is a possibility that the discharge current becomes larger than the maximum discharge current. Therefore, in such a case, as shown in the equation (1), a tolerance voltage that allows the discharge current from the voltage value (terminal voltage) V B of the secondary battery to be prevented from becoming an overcurrent. The voltage value obtained by subtracting V dif is preferably the first set voltage V 2 .

Ｖ2＝ＶB−Ｖdif ・・・(1)
許容差電圧Ｖdifは、(2)式から算出できる。 V 2 = V B −V dif (1)
The tolerance voltage V dif can be calculated from the equation (2).

Ｖdif＝Ｉref・（ＲC＋ＲB） ・・・(2)
ただし、Ｉrefは二次電池３の最大放電電流、ＲCはリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の内部抵抗、ＲBは二次電池３の内部抵抗である。例えば、Ｉref＝１０［Ａ］、ＲC＝１０［ｍΩ］、ＲB＝１０［ｍΩ］の場合には、Ｖdif＝２００［ｍＶ］となる。(2)式により予め算出した許容差電圧Ｖdifを制御回路７が記憶しておき、(1)式に基いて第１の設定電圧Ｖ2を制御回路７が決定する。そして電圧検出手段５が、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が第１の設定電圧Ｖ2まで上昇したことを検出すると、制御回路７は切換回路８に切換指令を出力する。 V dif = I ref · (R C + R B ) (2)
However, I ref is the maximum discharging current of the secondary battery 3, R C is the internal resistance of the lithium ion capacitor unit 1, R B is the internal resistance of the secondary battery 3. For example, when I ref = 10 [A], R C = 10 [mΩ], and R B = 10 [mΩ], V dif = 200 [mV]. The control circuit 7 stores the tolerance voltage V dif calculated in advance by the equation (2), and the control circuit 7 determines the first set voltage V 2 based on the equation (1). When the voltage detecting means 5 detects that the voltage of the lithium ion capacitor unit has increased to the first set voltage V 2 , the control circuit 7 outputs a switching command to the switching circuit 8.

なお、(2)式は、次のような理由から定めている。すなわち、第２の回路構成になった場合、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１と二次電池３は直接接続された状態となる。そしてこのときのリチウムイオンキャパシタ・ユニット１と二次電池３を含む放電回路中の抵抗は、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗（ＲC）と二次電池の内部抵抗（ＲB）のみになる。この回路構成において、放電電流が二次電池３の最大放電電流を超えないようにするためには、二次電池３とリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧差を内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）で割って得られる電流値（Ｉ）が、二次電池の最大放電電流（Ｉref）以下になるように設定すればよい。すなわち、許容差電圧Ｖdifと最大放電電流（Ｉref）との間には、次の(3)式が成立すればよい。 Equation (2) is determined for the following reason. That is, when it becomes a 2nd circuit structure, the lithium ion capacitor unit 1 and the secondary battery 3 will be in the state connected directly. At this time, the resistance in the discharge circuit including the lithium ion capacitor unit 1 and the secondary battery 3 is only the internal resistance (R C ) of the lithium ion capacitor unit and the internal resistance (R B ) of the secondary battery. . In this circuit configuration, in order to prevent the discharge current from exceeding the maximum discharge current of the secondary battery 3, the voltage difference between the secondary battery 3 and the lithium ion capacitor unit 1 is set to the total value of the internal resistance (R C + R The current value (I) obtained by dividing by B ) may be set to be equal to or less than the maximum discharge current (I ref ) of the secondary battery. That is, the following equation (3) may be established between the tolerance voltage V dif and the maximum discharge current (I ref ).

Ｖdif／（ＲC＋ＲB）＝Ｉ＜＝Ｉref ・・・(3)
そこで、許容差電圧Ｖdifとして、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の内部抵抗及び二次電池３の内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）と二次電池の最大放電電流（Ｉref）の積［上記(2)式］で求まる電圧値を用いれば、二次電池の劣化を防ぎながら、電流制限抵抗４による電力損失を最も小さくすることができる。 V dif / (R C + R B ) = I <= I ref (3)
Therefore, as the tolerance voltage V dif , the product of the total value (R C + R B ) of the internal resistance of the lithium ion capacitor unit 1 and the internal resistance of the secondary battery 3 and the maximum discharge current (I ref ) of the secondary battery [ If the voltage value obtained by the above equation (2)] is used, the power loss due to the current limiting resistor 4 can be minimized while preventing the secondary battery from deteriorating.

リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧が第２の設定電圧Ｖ3まで低下する場合は、切換回路８が第１の回路構成（スイッチＳＷ１が導通状態）になった時点における負荷が大き過ぎるために、電流制限抵抗４を介して負荷に電流を供給していたのでは、十分な電力を供給できず、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の放電が継続される場合である（図２（Ｂ））。したがってこの場合において、電流制限抵抗４を放電回路に存在させることは、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１からの放電を継続させて、各リチウムイオンキャパシタの電圧を下限電圧まで低下させてしまう危険性がある。そこで第２の回路構成（スイッチＳＷ３が導通状態）に切り換わることで、電流制限抵抗４を放電回路から切り離すことにより、モータ回路（負荷）Ｍに対して必要な電力を供給し、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧低下を防止する。このような観点から第２の設定電圧Ｖ3は、リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧以下になることを阻止できる電圧である。 When the voltage of the lithium ion capacitor unit 1 drops to the second set voltage V 3 , the load at the time when the switching circuit 8 is in the first circuit configuration (the switch SW1 is in a conductive state) is too large. If the current is supplied to the load via the current limiting resistor 4, sufficient power cannot be supplied, and the discharge of the lithium ion capacitor unit 1 is continued (FIG. 2 (B)). Accordingly, in this case, if the current limiting resistor 4 is present in the discharge circuit, there is a risk that the discharge from the lithium ion capacitor unit 1 is continued and the voltage of each lithium ion capacitor is lowered to the lower limit voltage. . Therefore, by switching to the second circuit configuration (the switch SW3 is in a conductive state), the current limiting resistor 4 is disconnected from the discharge circuit, thereby supplying necessary power to the motor circuit (load) M, and a lithium ion capacitor.・ Prevent voltage drop of unit 1. From this point of view, the second set voltage V 3 is a voltage that can prevent the voltage of the lithium ion capacitor from becoming lower than the lower limit voltage.

図４に示すように、二次電池３の充電回路１１３において、充電電圧を降圧する手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータの代わりに、直列に接続した複数のダイオードを使用することも可能である。図４は、充電回路１１３にダイオードを利用した第２の実施の形態の構成を示している。図４において、図１に示した実施の形態と同じ部材には、図１に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。本実施の形態では、複数のダイオードを直列に接続してダイオードアレイ１１７を構成し、ダイオードアレイ１１７のアノード側をリチウムイオンキャパシタ・ユニット１０１の端子Ｔ３に接続し、カソードを二次電池１０３の陽極端子Ｔ５に接続する。このように構成することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく、使用する二次電池１０３の定格電圧に応じてダイオードの数を決めるだけで、容易に二次電池１０３の充電電圧を調整することが可能である。   As shown in FIG. 4, in the charging circuit 113 of the secondary battery 3, it is possible to use a plurality of diodes connected in series instead of the DC / DC converter as means for reducing the charging voltage. FIG. 4 shows a configuration of the second embodiment in which a diode is used for the charging circuit 113. 4, the same members as those in the embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. In the present embodiment, a plurality of diodes are connected in series to form a diode array 117, the anode side of the diode array 117 is connected to the terminal T 3 of the lithium ion capacitor unit 101, and the cathode is the anode of the secondary battery 103. Connect to terminal T5. With this configuration, the charging voltage of the secondary battery 103 can be easily adjusted by simply determining the number of diodes according to the rated voltage of the secondary battery 103 to be used without using a DC / DC converter. Is possible.

本発明によれば、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを主電源として用い、二次電池を予備電源として用いる直流電源装置において、二次電池の負担を減らして二次電池の劣化を抑え、寿命を延ばし、また、安定して電力の供給が可能な直流電源装置を提供することができる。   According to the present invention, in a DC power supply device using a lithium ion capacitor unit as a main power source and a secondary battery as a backup power source, the burden on the secondary battery is reduced, the deterioration of the secondary battery is suppressed, and the life is extended. Further, it is possible to provide a DC power supply device that can supply power stably.

１ リチウムイオンキャパシタ・ユニット
３ 二次電池
４ 電流制限抵抗
５ 電圧検出手段
６ 温度検出手段
７ 制御回路
８ 切換回路
９ 充電用直流電源
１３ 充電回路
Ｃ１〜Ｃ１６ リチウムイオンキャパシタ
Ｍ モータ
ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５ スイッチング回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium ion capacitor unit 3 Secondary battery 4 Current limiting resistance 5 Voltage detection means 6 Temperature detection means 7 Control circuit 8 Switching circuit 9 DC power supply 13 for charging 13 Charging circuits C1-C16 Lithium ion capacitor M Motor SW1, SW3, SW5 Switching circuit

Claims (9)

負荷に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ・ユニットと、
前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続可能な二次電池と、
前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段が前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットのユニット下限電圧を検出するまでは、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットから電気的に切り離し、前記電圧検出手段が前記ユニット下限電圧を検出すると、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続する切換回路とを具備し、
前記切換回路は、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続したときには、最初に前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに電流制限手段を含む第１の放電回路を介して並列接続する第１の回路構成となり、その後前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が前記ユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出するかまたは前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が前記ユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出すると、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに前記電流制限手段を含まない第２の放電回路を介して並列接続する第２の回路構成となり、
前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに動作状態になって前記二次電池を充電する充電回路をさらに具備していることを特徴とする直流電源装置。 A lithium ion capacitor unit connected in parallel to the load;
A secondary battery connectable in parallel to the load and the lithium ion capacitor unit;
Voltage detection means for detecting the voltage of the lithium ion capacitor unit;
Until the voltage detection means detects the unit lower limit voltage of the lithium ion capacitor unit, the secondary battery is electrically disconnected from the load and the lithium ion capacitor unit, and the voltage detection means detects the unit lower limit voltage. And a switching circuit for connecting the secondary battery in parallel to the load and the lithium ion capacitor unit,
When the secondary battery is connected in parallel to the load and the lithium ion capacitor unit, the switching circuit includes a current limiting unit that first includes the secondary battery in the load and the lithium ion capacitor unit. A first circuit configuration connected in parallel via a discharge circuit, and then detecting that the voltage of the lithium ion capacitor unit has risen to a first set voltage higher than the unit lower limit voltage or the lithium ion capacitor -When it is detected that the voltage of the unit has dropped to a second set voltage lower than the unit lower limit voltage, the secondary battery is not included in the load and the lithium ion capacitor unit. second circuitry connected in parallel across a discharge circuit and Do Ri,
DC power supply device according to claim that you have provided further charging circuit for charging the secondary battery is in the operating state when the charging voltage from the external charger is applied to the lithium-ion capacitor unit. 前記第２の放電回路は、前記第１の放電回路の前記電流制限手段を短絡する短絡回路によって構成されている請求項１に記載の直流電源装置。   2. The DC power supply device according to claim 1, wherein the second discharge circuit is configured by a short circuit that short-circuits the current limiting unit of the first discharge circuit. 前記充電回路には、スイッチング回路が含まれており、前記スイッチング回路が導通状態になった場合に、前記二次電池の充電が行われる請求項１に記載の直流電源装置。 The DC power supply device according to claim 1 , wherein the charging circuit includes a switching circuit, and the secondary battery is charged when the switching circuit becomes conductive. 前記充電回路は、前記充電電圧を前記二次電池の充電に適した電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含んでいる請求項１または３に記載の直流電源装置。 The charging circuit includes a DC power supply device according to the charging voltage to claim 1 or 3 contains a DC / DC converter that steps down the voltage suitable for charging the secondary battery. 環境温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準上限温度より高くなると、前記二次電池の充電に適した電圧を低下させ、前記温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準下限温度より低くなると前記二次電池の充電に適した電圧を上昇させる請求項４に記載の直流電源装置。 A temperature detecting means for detecting the environmental temperature;
The DC / DC converter reduces the voltage suitable for charging the secondary battery when the detected temperature detected by the temperature detecting means is higher than a predetermined reference upper limit temperature, and the detected temperature detected by the temperature detecting means. The DC power supply device according to claim 4 , wherein when the voltage becomes lower than a predetermined reference lower limit temperature, a voltage suitable for charging the secondary battery is increased. 負荷に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ・ユニットと、
前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続可能な二次電池と、
前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段が前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットのユニット下限電圧を検出するまでは、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットから電気的に切り離し、前記電圧検出手段が前記ユニット下限電圧を検出すると、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続する切換回路とを具備し、
前記切換回路は、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続したときには、最初に前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに電流制限手段を含む第１の放電回路を介して並列接続する第１の回路構成となり、その後前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が前記ユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出するかまたは前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が前記ユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出すると、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに前記電流制限手段を含まない第２の放電回路を介して並列接続する第２の回路構成となり、
１以上のダイオードを含んで構成され、前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに前記充電電圧を前記二次電池の充電に適した電圧に降圧して前記二次電池に印加する充電回路をさらに具備していることを特徴とする直流電源装置。 A lithium ion capacitor unit connected in parallel to the load;
A secondary battery connectable in parallel to the load and the lithium ion capacitor unit;
Voltage detection means for detecting the voltage of the lithium ion capacitor unit;
Until the voltage detection means detects the unit lower limit voltage of the lithium ion capacitor unit, the secondary battery is electrically disconnected from the load and the lithium ion capacitor unit, and the voltage detection means detects the unit lower limit voltage. And a switching circuit for connecting the secondary battery in parallel to the load and the lithium ion capacitor unit,
When the secondary battery is connected in parallel to the load and the lithium ion capacitor unit, the switching circuit includes a current limiting unit that first includes the secondary battery in the load and the lithium ion capacitor unit. A first circuit configuration connected in parallel via a discharge circuit, and then detecting that the voltage of the lithium ion capacitor unit has risen to a first set voltage higher than the unit lower limit voltage or the lithium ion capacitor -When it is detected that the voltage of the unit has dropped to a second set voltage lower than the unit lower limit voltage, the secondary battery is not included in the load and the lithium ion capacitor unit. The second circuit configuration is connected in parallel through the discharge circuit,
The secondary battery is configured to include one or more diodes, and when the charging voltage is applied to the lithium ion capacitor unit from an external charger, the charging voltage is reduced to a voltage suitable for charging the secondary battery. A DC power supply device further comprising a charging circuit applied to the battery. 前記充電回路には、スイッチング回路が含まれており、前記スイッチング回路が導通状態になった場合に、前記二次電池の充電が行われる請求項６に記載の直流電源装置。 The DC power supply device according to claim 6 , wherein the charging circuit includes a switching circuit, and the secondary battery is charged when the switching circuit becomes conductive. 前記第１の設定電圧は、前記二次電池からの放電電流が過電流になることを阻止することを許容する許容差電圧を前記二次電池の端子間電圧から減算した電圧であることを特徴とする請求項１または６に記載の直流電源装置。 The first set voltage is a voltage obtained by subtracting, from a voltage between terminals of the secondary battery, a tolerance voltage that allows the discharge current from the secondary battery to be prevented from becoming an overcurrent. The DC power supply device according to claim 1 or 6 . 前記許容差電圧は、前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗及び前記二次電池の内部抵抗の合計値と前記二次電池の最大放電電流の積で定まることを特徴とする請求項８に記載の直流電源装置。 The tolerance voltage, according to claim 8, characterized in that determined by the product of the maximum discharge current of the total value and the secondary battery of the internal resistance of the internal resistance and the secondary battery of the lithium-ion capacitor unit DC power supply.
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