JP4144009B2 - Variable voltage power storage device and hybrid power supply device - Google Patents
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Description
本発明は、複数の蓄電回路群が直列接続されて構成され、前記複数の蓄電回路群の少なくとも2つが静電容量または擬似容量を有する充放電可能な回路から構成された蓄電ユニットを含んでなる可変電圧型蓄電装置およびハイブリッド型電源装置に関し、前記充放電可能な回路の充電および放電を最適化することで、前記蓄電ユニットの両端子電圧の調整を行うことができる前記可変電圧型蓄電装置および当該装置と電池電源とからなるハイブリッド型電源装置に関する。 The present invention includes a power storage unit configured by connecting a plurality of power storage circuit groups in series, and at least two of the plurality of power storage circuit groups including a chargeable / dischargeable circuit having a capacitance or a pseudocapacitance. Regarding the variable voltage power storage device and the hybrid power supply device, the variable voltage power storage device capable of adjusting both terminal voltages of the power storage unit by optimizing charging and discharging of the chargeable / dischargeable circuit, and The present invention relates to a hybrid power source device including the device and a battery power source.
従来、電動車両、電動工具、無停電電源装置(ビル等の緊急時バックアップ電源を含む)、家電製品、電動玩具等の中には、大容量キャパシタにより蓄電装置を構成し、この蓄電装置を直流電源とするもの、あるいはこの蓄電装置と電池電源とを接続してハイブリッド型電源装置として構成したものがある。 Conventionally, in electric vehicles, electric tools, uninterruptible power supplies (including emergency backup power supplies for buildings, etc.), home appliances, electric toys, etc., a power storage device is configured by a large-capacitance capacitor, and this power storage device is connected to a direct current. There is a power source, or a power source device configured as a hybrid power source device by connecting the power storage device and a battery power source.
上記電動車両、電動工具等は、電圧依存性が高く、所定電圧以上の電圧供給が必要である。このため、複数のキャパシタにより蓄電装置を構成し、各キャパシタが十分充電されており端子電圧が高いときは当該キャパシタを並列接続し、キャパシタの充電が十分でなく、端子電圧が低いときは当該キャパシタを直列接続して、蓄電装置の端子電圧の低下を防ぐことができる。 The electric vehicle, the electric tool, and the like have high voltage dependency and need to be supplied with a voltage higher than a predetermined voltage. For this reason, a power storage device is configured by a plurality of capacitors. When each capacitor is sufficiently charged and the terminal voltage is high, the capacitors are connected in parallel. When the capacitor is not sufficiently charged and the terminal voltage is low, the capacitor is connected. Can be connected in series to prevent the terminal voltage of the power storage device from decreasing.
図1は、蓄電装置8を2つのキャパシタ811,812により構成し、これらキャパシタ811,812を、スイッチ821,822,823により直列接続または並列接続に切り換えることで端子電圧変更する回路を示している。すなわち、図1の電源装置8では、2つのキャパシタ811,812はスイッチ822を介して直列接続されている。また、キャパシタ811のスイッチ822が接続されていない側の端子と、キャパシタ812のスイッチ822が接続された側の端子とがスイッチ821を介して接続されている。さらに、キャパシタ812のスイッチ822が接続されていない側の端子と、キャパシタ811のスイッチ822が接続された側の端子とがスイッチ823を介して接続されている。図1の電源装置8では、スイッチ821,823をオン、スイッチ822をオフとすることで、キャパシタ811,812を並列接続することができ、スイッチ821,823をオフ、スイッチ822をオンとすることで、キャパシタ811,812を直列接続することができる。
FIG. 1 shows a circuit in which the
また、図2に示すように蓄電装置9を、キャパシタ91とハーフブリッジコンバータ92とにより構成することもできる。ハーフブリッジコンバータ92は、直列接続された2つのスイッチ921,922と、これらスイッチに並列接続された2つのダイオード923,924と、スイッチ921,922の接続点に一端が接続されたインダクタ925とからなり、インダクタ925の他端にはキャパシタ91の一方の端子が接続され、キャパシタ91の他方の端子は一方のスイッチ(図2ではFETスイッチ922)のインダクタ925が接続されていない側の端子に接続されている。なお、図2では、スイッチ921に並列接続されたダイオード923はインダクタ925が接続された側がアノードAとなり、スイッチ922に並列接続されたダイオード924はインダクタ925が接続された側がカソードKとなる向きとされている。ここで、ダイオード923,924はFETスイッチ921,922の寄生ダイオードまたは意図的に設けられた還流ダイオードである。図2の蓄電装置9では、キャパシタ91を充電するときは、スイッチ922をオフとしたまま、スイッチ921をオン・オフする。これにより、スイッチ921をオンしたときは、蓄電装置9の端子a1,a2に表われている電圧によりキャパシタ91が充電され、スイッチ921をオフしたときは、インダクタ925に蓄積されたエネルギーによりダイオード924、インダクタ925、キャパシタ91の経路で電流が流れる。キャパシタ91を放電するときは、スイッチ921をオフとした状態で、スイッチ922をオンする。これにより、インダクタ925にエネルギーが蓄積される。つぎに、スイッチ922をオフすると、インダクタ925に蓄積されたエネルギーにより、キャパシタ91、インダクタ925、ダイオード923の経路で電流が流れる。
In addition, as shown in FIG. 2, the power storage device 9 can be configured by a
ところが、図1のキャパシタ811,812を直列接続・並列接続となるようにスイッチ821,822,823を切り換える蓄電装置8では、電圧を段階的にしか(図1では2段階にしか)切り換えることができない。
However, in the
また、図2のハーフブリッジコンバータ92を用いた蓄電装置9では、エネルギーが端子a1,a2からキャパシタ91に蓄積されるときに変換ロスが生じ、蓄積されたエネルギーがキャパシタ91から端子a1,a2から外部に出力される際に変換ロスが生じる。すなわち、2回分の変換ロスが生じる。また、端子a1,a2からキャパシタ91に供給されるエネルギーは、すべてハーフブリッジコンバータ92を通過するので、当該コンバータとして大型のものが必要となる。
Further, in the power storage device 9 using the half-
本発明の目的は、複数の蓄電回路群が直列接続されて構成され、前記複数の蓄電回路群の少なくとも2つが静電容量または擬似容量を有する充放電可能な回路から構成されてなる蓄電ユニットの両端子電圧を、前記充放電可能な回路の充電および放電により調整する可変電圧型蓄電装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、前記蓄電ユニットから負荷に供給する電流と、電源電池から負荷に供給される電流の比を意図的に変更することができるハイブリッド型電源装置を提供することにある。
It is an object of the present invention to provide a power storage unit configured by connecting a plurality of power storage circuit groups in series, and at least two of the plurality of power storage circuit groups including a chargeable / dischargeable circuit having a capacitance or a pseudo capacity. An object of the present invention is to provide a variable voltage power storage device that adjusts both terminal voltages by charging and discharging the chargeable / dischargeable circuit.
Another object of the present invention is to provide a hybrid power supply apparatus that can intentionally change the ratio of the current supplied from the power storage unit to the load and the current supplied from the power battery to the load.
本発明の可変電圧型蓄電装置は、複数の蓄電回路群が直列接続されて構成され、前記複数の蓄電回路群を構成する蓄電回路の少なくとも2つが静電容量または擬似容量を有する充放電可能な回路から構成されてなる蓄電ユニットと、前記充放電可能な回路から選ばれた2つの回路との間で、各回路に蓄積されたエネルギーの交換を行う少なくとも1つの直流電力変換回路と、前記直流電力変換回路を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。
本発明の可変電圧型蓄電装置は、電動車両、電動工具、無停電電源装置(UPS)、家電製品、電動玩具等のみならず、燃料電池システム、太陽電池システムに応用することができる。
ここで、「静電容量または擬似容量を有する充放電可能な回路」は、典型的には誘電体の静電容量を利用して蓄積するキャパシタ、酸化還元反応を伴う擬似容量を利用して蓄電する電気化学キャパシタ、またはキャパシタとして機能する電極を正負電極の何れかに採用した電池(リチウム電池等)を含む回路(以下、「蓄電回路」と言う)である。この回路には、キャパシタとしての機能を持たない二次電池を含むことができる。本明細書において、適宜、上記の素子を「蓄電要素」と言う。
The variable voltage power storage device of the present invention is configured by connecting a plurality of power storage circuit groups in series, and at least two of the power storage circuits constituting the plurality of power storage circuit groups have electrostatic capacity or pseudo capacity and can be charged / discharged. At least one DC power conversion circuit for exchanging energy stored in each circuit between a storage unit composed of a circuit and two circuits selected from the chargeable / dischargeable circuits; and the DC And a control device for controlling the power conversion circuit.
The variable voltage power storage device of the present invention can be applied not only to electric vehicles, electric tools, uninterruptible power supplies (UPS), home appliances, electric toys, but also to fuel cell systems and solar cell systems.
Here, “a chargeable / dischargeable circuit having a capacitance or pseudocapacitance” typically means a capacitor that accumulates using the capacitance of a dielectric, or a capacitor that accumulates using a pseudocapacitance accompanied by an oxidation-reduction reaction. Or a circuit (hereinafter referred to as “electric storage circuit”) including a battery (lithium battery or the like) that employs an electrochemical capacitor or an electrode functioning as a capacitor as a positive or negative electrode. This circuit can include a secondary battery that does not function as a capacitor. In the present specification, the above element is referred to as a “storage element” as appropriate.
蓄電回路は、1つの蓄電要素により構成されていてもよいし、複数の蓄電要素が直列または並列接続されて構成されていてもよい。本発明の可変電圧型蓄電装置では、蓄電ユニットは、複数の蓄電回路の直列接続により構成することができる。 The power storage circuit may be configured by one power storage element, or may be configured by connecting a plurality of power storage elements in series or in parallel. In the variable voltage power storage device of the present invention, the power storage unit can be configured by connecting a plurality of power storage circuits in series.
本発明の可変電圧型蓄電装置は、前記直流電力変換回路によりエネルギーの交換が行われる充放電可能な回路を、静電容量または擬似容量が相互に異なるように構成できる。 In the variable voltage power storage device of the present invention, a chargeable / dischargeable circuit in which energy is exchanged by the DC power conversion circuit can be configured such that electrostatic capacity or pseudo capacity is different from each other.
本発明の可変電圧型蓄電装置では、前記制御装置は、前記蓄電ユニットの総蓄電量を変えずに、前記蓄電ユニットの端子間電圧を変えるように2つの蓄電回路に蓄積されたエネルギーの交換を行うように構成できる。また、前記制御装置は、前記蓄電ユニットの端子間電圧を変えずに、前記蓄電ユニットの総蓄電量を変えるように、前記2つの蓄電回路に蓄積されたエネルギーの交換を行うように構成することもできる。 In the variable voltage power storage device of the present invention, the control device exchanges the energy stored in the two power storage circuits so as to change the voltage between the terminals of the power storage unit without changing the total power storage amount of the power storage unit. Can be configured to do. Further, the control device is configured to exchange energy accumulated in the two power storage circuits so as to change a total power storage amount of the power storage unit without changing a voltage between terminals of the power storage unit. You can also.
本発明の可変電圧型蓄電装置では、前記直流電力変換回路を、前記2つの蓄電回路との間で、一方の回路を放電して他方の回路を充電する機能、および前記他方の回路を放電して前記一方の回路を充電する機能を備えた双方向の前記直流電力変換回路とすることができる。 In the variable voltage power storage device of the present invention, the DC power conversion circuit is configured to discharge one circuit and charge the other circuit between the two power storage circuits, and to discharge the other circuit. Thus, the bidirectional DC power conversion circuit having a function of charging the one circuit can be obtained.
本発明の可変電圧型蓄電装置では、前記直流電力変換回路を、DC/DCコンバータとすることができる。 In the variable voltage power storage device of the present invention, the DC power conversion circuit may be a DC / DC converter.
また、本発明の可変電圧型蓄電装置では、前記直流電力変換回路をチョッパ回路とすることができる。この場合、前記チョッパ回路は、前記2つの蓄電回路の接続点に接続されたインダクタと、前記2つの蓄電回路のうち、一方の蓄電回路の前記インダクタが接続されていない側の端子と、前記インダクタの他方の端子との間に接続されたスイッチ、および、前記2つの蓄電回路のうち、他方の蓄電回路の前記インダクタが接続されていない側の端子と前記インダクタの他方の端子との間に接続したダイオードとを備えて構成できる。 In the variable voltage power storage device of the present invention, the DC power conversion circuit can be a chopper circuit. In this case, the chopper circuit includes an inductor connected to a connection point of the two power storage circuits, a terminal of the two power storage circuits on which the inductor is not connected, and the inductor A switch connected between the other terminal of the first and second terminals, and a connection between the terminal of the other power storage circuit where the inductor is not connected and the other terminal of the inductor. And a diode.
本発明の可変電圧型蓄電装置では、前記蓄電回路を、電気二重層キャパシタまたは電気化学キャパシタを含むように構成することができる。
本発明のハイブリッド型電源装置は、上記した可変電圧型蓄電装置と、当該装置に備えられた前記蓄電ユニットの両端子間に接続された電池電源を備えることができる。
In the variable voltage power storage device of the present invention, the power storage circuit can be configured to include an electric double layer capacitor or an electrochemical capacitor.
The hybrid power supply device of the present invention can include the above-described variable voltage power storage device and a battery power source connected between both terminals of the power storage unit provided in the device.
蓄電ユニットの接続を切り換えることなく、かつ蓄電ユニットに蓄積されたエネルギー量によらず、所定電圧、所定電流を連続可変出力として端子に提供することができる。
また、全電力の一部だけが直流電力変換回路を通過するので、直流電力変換回路は小型でよく電力変換に伴うロスも小さくできる。
さらに、蓄電ユニットから負荷に供給する電流と、電源電池から負荷に供給される電流の比を意図的に変更することができる。
A predetermined voltage and a predetermined current can be provided to the terminal as a continuously variable output without switching the connection of the power storage units and regardless of the amount of energy stored in the power storage units.
In addition, since only a part of the total power passes through the DC power conversion circuit, the DC power conversion circuit can be small in size, and loss associated with power conversion can be reduced.
Furthermore, the ratio of the current supplied from the power storage unit to the load and the current supplied from the power battery to the load can be changed intentionally.
本発明の可変電圧型蓄電装置の基本構成を図3に示す。図3では、充電装置CDから蓄電ユニットUを構成する蓄電回路K1,K2の直列回路にエネルギーが供給されるように構成されている。蓄電回路K1,K2は、図3ではキャパシタC1,C2とから構成されるが、K1,K2を複数のキャパシタの直列接続あるいは並列接続により構成することができる。図3ではキャパシタC1を小さいシンボルで示し、キャパシタC2を大きいシンボルで示すことで、C1の容量がC2の容量よりも小さいことを示してある。蓄電ユニットUには負荷R0が接続されている。可変電圧型蓄電装置は、蓄電回路K1の両端子が入力端子に接続され蓄電回路K2の両端子が出力端子に接続された直流電力変換回路(図3ではDC/DC(1))と、蓄電回路K2の両端子が入力端子に接続され蓄電回路K1の両端子が出力端子に接続された直流電力変換回路(図3ではDC/DC(2))とを備えている。制御装置CNTは、キャパシタC1とC2との間でエネルギーの相互交換が行われ、蓄電ユニットUの両端子電圧が一定となるようにDC/DC(1),DC/DC(2)を制御する。これにより負荷R0には、一定電圧の電力を供給することができる。 A basic configuration of the variable voltage power storage device of the present invention is shown in FIG. In FIG. 3, energy is supplied from the charging device CD to the series circuit of the power storage circuits K1 and K2 constituting the power storage unit U. The storage circuits K1 and K2 are composed of the capacitors C1 and C2 in FIG. 3, but the K1 and K2 can be configured by connecting a plurality of capacitors in series or in parallel. In FIG. 3, the capacitor C1 is indicated by a small symbol and the capacitor C2 is indicated by a large symbol, which indicates that the capacitance of C1 is smaller than the capacitance of C2. A load R0 is connected to the power storage unit U. The variable voltage power storage device includes a DC power conversion circuit (DC / DC (1) in FIG. 3) in which both terminals of the storage circuit K1 are connected to the input terminal and both terminals of the storage circuit K2 are connected to the output terminal, A DC power conversion circuit (DC / DC (2) in FIG. 3) in which both terminals of the circuit K2 are connected to the input terminal and both terminals of the storage circuit K1 are connected to the output terminal is provided. The control device CNT controls DC / DC (1) and DC / DC (2) so that the mutual exchange of energy is performed between the capacitors C1 and C2, and both terminal voltages of the power storage unit U are constant. . As a result, a constant voltage of power can be supplied to the load R0.
図4(A),(B)は図3の基本構成の変更例を示している。図4(A)では、蓄電ユニットUは2つの蓄電回路K1,K2から構成され、K1は並列接続されたキャパシタC11,C12から成り、K2は直列接続されたキャパシタC21,C22とからなる。図4(A)ではキャパシタC21には負荷R21が、キャパシタC22には負荷R22が接続されている。可変電圧型蓄電装置は、蓄電回路K1の両端子が入力端子に接続され蓄電回路K2の両端子が出力端子に接続された直流電力変換回路(図4(A)ではDC/DC(1))と、蓄電回路K2の両端子が入力端子に接続され蓄電回路K1の両端子が出力端子に接続された直流電力変換回路(図4(A)ではDC/DC(2))とを備えている。図4(A)では制御装置は、図示省略してあるが、蓄電回路K1とK2との間でエネルギーの相互交換が行われ、蓄電回路K2の両端子電圧が一定となるようにDC/DC(1),DC/DC(2)を制御している。これにより、負荷R21,22には一定電圧の電力を供給することができる。なお、図4(A)では、蓄電ユニットUの両端子には負荷は接続されていないが、図3に示したような負荷(R0)を接続することもできるし、蓄電回路K2の両端子に負荷を接続することもできる。 4A and 4B show a modification example of the basic configuration of FIG. In FIG. 4A, the power storage unit U includes two power storage circuits K1 and K2, K1 includes capacitors C11 and C12 connected in parallel, and K2 includes capacitors C21 and C22 connected in series. In FIG. 4A, a load R21 is connected to the capacitor C21, and a load R22 is connected to the capacitor C22. The variable voltage power storage device includes a DC power conversion circuit in which both terminals of the storage circuit K1 are connected to the input terminal and both terminals of the storage circuit K2 are connected to the output terminal (DC / DC (1) in FIG. 4A). And a DC power conversion circuit (DC / DC (2) in FIG. 4A) in which both terminals of the storage circuit K2 are connected to the input terminal and both terminals of the storage circuit K1 are connected to the output terminal. . In FIG. 4A, although the control device is not shown, DC / DC is performed so that energy is exchanged between the power storage circuits K1 and K2 so that both terminal voltages of the power storage circuit K2 are constant. (1), DC / DC (2) is controlled. As a result, it is possible to supply constant voltage power to the loads R21 and R22. In FIG. 4A, no load is connected to both terminals of the power storage unit U. However, a load (R0) as shown in FIG. 3 can be connected, or both terminals of the power storage circuit K2. It is also possible to connect a load.
図4(B)では、蓄電ユニットUは3つの蓄電回路K1,K2,K3から構成され、蓄電回路K1,K2,K3はキャパシタC1,C2,C3からなる。図4(B)では、蓄電ユニットUの両端に負荷R0が接続されている。可変電圧型蓄電装置は、蓄電回路K1の両端子が入力端子に接続され、蓄電回路K2の両端子が出力端子に接続された直流電力変換回路(図4(B)ではDC/DC(1))と、蓄電回路K2の両端子が入力端子に接続され蓄電回路K3の両端子が出力端子に接続された直流電力変換回路(図4(B)ではDC/DC(2))と、蓄電回路K3の両端子が入力端子に接続され蓄電回路K1の両端子が出力端子に接続された直流電力変換回路(図4(B)ではDC/DC(3))とを備えている。図4(B)では制御装置は、図示省略してあるが、蓄電回路K1とK2との間、K2とK3との間、K3とK1との間でエネルギーの相互交換が行われ、蓄電ユニットUの両端子電圧が一定となるようにDC/DC(1),DC/DC(2),DC/DC(3)を制御している。これにより、負荷R0には一定電圧の電力を供給することができる。なお、図4(B)では、蓄電回路K1,K2,K3の各両端子には負荷は接続されていないが、適宜負荷を接続することができる。この場合、蓄電ユニットUには負荷R0を接続しないようにもできる。 In FIG. 4B, the power storage unit U includes three power storage circuits K1, K2, and K3, and the power storage circuits K1, K2, and K3 include capacitors C1, C2, and C3. In FIG. 4B, loads R0 are connected to both ends of the power storage unit U. The variable voltage power storage device has a DC power conversion circuit (DC / DC (1) in FIG. 4B) in which both terminals of the power storage circuit K1 are connected to the input terminal and both terminals of the power storage circuit K2 are connected to the output terminal. ), A DC power conversion circuit (DC / DC (2) in FIG. 4B) in which both terminals of the storage circuit K2 are connected to the input terminal and both terminals of the storage circuit K3 are connected to the output terminal, and the storage circuit A DC power conversion circuit (DC / DC (3) in FIG. 4B) in which both terminals of K3 are connected to the input terminal and both terminals of the storage circuit K1 are connected to the output terminal is provided. In FIG. 4B, the control device is not shown, but energy is exchanged between the storage circuits K1 and K2, between K2 and K3, and between K3 and K1, and the storage unit. DC / DC (1), DC / DC (2), and DC / DC (3) are controlled so that the voltage across both terminals of U is constant. As a result, a constant voltage of power can be supplied to the load R0. In FIG. 4B, a load is not connected to each terminal of the power storage circuits K1, K2, and K3, but a load can be appropriately connected. In this case, the load R0 may not be connected to the power storage unit U.
図5は、直流電力変換回路としてDC/DCコンバータを用いた本発明の可変電圧型蓄電装置の第1実施形態を示す説明図である。図5において、可変電圧型蓄電装置1は、2つのキャパシタ(蓄電要素)111,112の直列接続回路と、2つのDC/DCコンバータ121,122と、3つの電圧検出回路131,132,133と、制御装置14を備えている。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a first embodiment of a variable voltage power storage device of the present invention using a DC / DC converter as a DC power conversion circuit. 5, the variable voltage
キャパシタ111とキャパシタ112の静電容量C1,C2(蓄電容量)は、異なっており、図5では、C1>C2としてある。DC/DCコンバータ121は、入力端子がキャパシタ111の端子間に接続され、出力端子がキャパシタ112の端子間に接続され、DC/DCコンバータ122は、入力端子がキャパシタ112の端子間に接続され、出力端子がキャパシタ111の端子間に接続されている。電圧検出回路131,132は、キャパシタ111,112の端子間電圧V1,V2をそれぞれ検出し、電圧検出回路133は入出力端子a1,a2間の電圧V3を検出する。ここで、V1+V2=V3なので、電圧検出回路131,132,133の何れか1つを省略して計算するようにしてもよい。制御装置14は、DC/DCコンバータ121,122を、所定の制御方式(PWM,PFM等)により制御することができる。
Capacitances C1 and C2 (storage capacities) of the capacitor 111 and the
図5では、可変電圧型蓄電装置1の入出力端子a1,a2に、ほぼ一定の電圧(V3=V0)が表われるように、制御装置14は、DC/DCコンバータ121,122を制御して、キャパシタ111,112の端子間電圧V1,V2を調整するものとする。
In FIG. 5, the control device 14 controls the DC /
入出力端子a1,a2に外部から電流が流れ込み続け、V1+V2>V0となったとする。キャパシタの電荷は、静電容量と端子間電圧の積であるので、制御装置14は、DC/DCコンバータ122を制御して、キャパシタ112の電荷(換言すると、キャパシタ112の静電エネルギー)をキャパシタ111に移動させさる。これにより、キャパシタ112の端子電圧V2は低下し、キャパシタ111の端子電圧V1は上昇するが、C1>C2であるので、端子電圧V2の低下の度合いは、端子電圧V1の上昇の度合いよりも大きく、V1+V2=V0とすることができる。
It is assumed that current continues to flow from the outside to the input / output terminals a1 and a2 and V1 + V2> V0. Since the charge of the capacitor is the product of the capacitance and the voltage between the terminals, the control device 14 controls the DC /
逆に、入出力端子a1,a2から外部から電流が流れ出し続け、V1+V2<V0となったとする。この場合には、制御装置14は、キャパシタ111の電荷をキャパシタ112に移動させさるようにDC/DCコンバータ121を制御し、V1+V2=V0とすることができる。
Conversely, it is assumed that current continues to flow from the input / output terminals a1 and a2 and V1 + V2 <V0. In this case, the control device 14 can control the DC / DC converter 121 so as to move the electric charge of the capacitor 111 to the
なお、図5では、キャパシタ111に蓄えられる電荷と、キャパシタ112に蓄えられる電荷との相互のやり取りを電圧検出回路131,132の検出結果(各キャパシタ111,112の端子間電圧の変化)に基づき行なったが、各キャパシタ111,112を流れる電流を検出しこの電流の積分値により前記電荷の相互のやり取りを行なうようにしてもよい。
In FIG. 5, the mutual exchange between the charge stored in the capacitor 111 and the charge stored in the
図5の可変電圧型蓄電装置1では、入出力端子a1,a2に表われる電圧が一定値(V0)となる場合を説明したが、当該電圧を適宜変動させる場合においても、キャパシタ111,112に蓄えられる電荷を調整することにより、入出力端子a1,a2を所望の値に設定することができる。
In the variable voltage
図6は、直流電力変換回路としてチョッパ回路を用いた本発明の可変電圧型蓄電装置の第2実施形態を示す説明図である。図6において、可変電圧型蓄電装置2は、2つのキャパシタ211,212の直列接続回路と、2つのスイッチ221,222と、2つのダイオード231,232と、インダクタ24と、3つの電圧検出回路251,252,253と、制御装置26を備えている。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a second embodiment of the variable voltage power storage device of the present invention using a chopper circuit as a DC power conversion circuit. In FIG. 6, the variable voltage
スイッチ221,222と、ダイオード231,232と、インダクタ24とが直流電力変換回路を構成している。インダクタ24は、一方の端子がキャパシタ211,212の接続点に接続されている。
The
スイッチ221は、FETであり、キャパシタ211のインダクタ24が接続されていない側の端子と、インダクタ24の他方の端子との間に接続され、スイッチ221はキャパシタ212のインダクタ24が接続されていない側の端子と、インダクタ24の他方の端子との間に接続されている。
The
ダイオード231,232は、スイッチ221,222に並列接続されている。ダイオード231,232は、FETの寄生ダイオードまたは意図的に設けられた還流ダイオードであり、ダイオード231はアノードがインダクタ24側を向き、ダイオード232はカソードがインダクタ24側を向いている。
キャパシタ211とキャパシタ212の静電容量C1,C2は、異なっており、図6では、C1>C2としてある。
The
The capacitances C1 and C2 of the
電圧検出回路251,252は、キャパシタ211,212の端子間電圧V1,V2をそれぞれ検出し、電圧検出回路253は入出力端子a1,a2間の電圧を検出する。制御装置26は、スイッチ221,222の制御端子(G)に、所定の制御方式(PWM,PFM等)による信号を出力することができる。
The
図6では、可変電圧型蓄電装置2の入出力端子a1,a2に、ほぼ一定の電圧V3=V0が表われるように、制御装置26は、スイッチ221,222を制御してキャパシタ211,212の端子間電圧V1,V2を調整するものとする。
In FIG. 6, the
入出力端子a1,a2に外部から電流が流れ込み続け、V1+V2>V0となったとする。制御装置26は、スイッチ221,222を制御して、キャパシタ212の電荷(換言すると、キャパシタ212の静電エネルギー)をキャパシタ211に移動(転流)させさる。すなわち、図7(A)に示すようにスイッチ221をオフ、スイッチ222をオンとして、キャパシタ212のエネルギーをインダクタ24に蓄え、次に図7(B)に示すようにスイッチ222をオフし、ダイオード231を介して、インダクタ24に蓄えたエネルギーをキャパシタ211に移動させる。
It is assumed that current continues to flow from the outside to the input / output terminals a1 and a2 and V1 + V2> V0. The
これにより、キャパシタ212の端子電圧V2は低下し、キャパシタ211の端子電圧V1は上昇するが、C1>C2であるので、端子電圧V2の低下の度合いは、端子電圧V1の上昇の度合いよりも大きく、V1+V2=V0とすることができる。
As a result, the terminal voltage V2 of the
逆に、入出力端子a1,a2から外部から電流が流れ出し続け、V1+V2<V0となったとする。制御装置26は、スイッチ221,222を制御して、キャパシタ211の電荷をキャパシタ212に転流させさる。すなわち、図8(A)に示すようにスイッチ221をオン、スイッチ222をオフとして、キャパシタ211のエネルギーをインダクタ24に蓄え、次に図8(B)に示すようにスイッチ221をオフし、インダクタ24に蓄えたエネルギーをキャパシタ212に移動させる。
Conversely, it is assumed that current continues to flow from the input / output terminals a1 and a2 and V1 + V2 <V0. The
これにより、制御装置26は、キャパシタ211の電荷をキャパシタ212に移動させさるようにスイッチ221を制御し、V1+V2=V0とすることができる。
図6の直流電力変換回路2では、入出力端子a1,a2に表われる電圧が一定の値となる場合を説明したが、当該電圧を適宜変動させる場合においても、キャパシタ211,212に蓄えられる電荷を調整することにより、入出力端子a1,a2を所望の値に設定することができる。
As a result, the
In the DC
以上、2つのキャパシタ211,212により、端子a1,a2に接続された負荷に電力を供給する例を述べたが、図9に示すように3つのキャパシタ211,212,213により、端子a1,a2に接続される図示しない負荷に電力を供給することもできる。図9では、キャパシタ211と212との間の電力の授受は図8に示した回路と同じものを用いて制御するとともに、キャパシタ212,213についても図8に示した回路と同じものを用いて制御している。図9の回路では、急速に端子a1,a2の電圧を変化させる場合に、きめ細かい制御を行うことができる。
The example in which power is supplied to the load connected to the terminals a1 and a2 by the two
図10は本発明のハイブリッド型電源装置の実施形態を示す説明図である。図10において、ハイブリッド型電源装置3は、図5または図6に示した可変電圧型蓄電装置(ただし、制御装置は除く。図10では符号31で示す)と、当該装置31の入出力端子a1,a2端子に接続された電池電源32と、制御装置33とからなる。入出力端子a1,a2端子には負荷4が接続されている。図10では負荷4は回生機能を持っているものとする。なお、図10では、電池電源32は、内部抵抗321と起電圧322とで示してあり、自身を流れる電流により電圧変動する。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an embodiment of the hybrid power supply device of the present invention. 10, the hybrid
可変電圧型蓄電装置31は、直列接続したキャパシタ3111,3112と、DC/DCコンバータ3121,3122と、電圧検出回路3131,3132,3133とからなる。
DC/DCコンバータ3121は、キャパシタ3111の端子電圧を入力としてキャパシタ3112の端子に変換電圧を出力し、DC/DCコンバータ3122は、キャパシタ3112の端子電圧を入力としてキャパシタ3111の端子に変換電圧を出力する。電圧検出回路3131,3132は、キャパシタ3111,3112の端子間電圧V1,V2を検出し、電圧検出回路3133は入出力端子(a1,a2)間の電圧V3を検出することができる。なお、図10には示していないが、ハイブリッド型電源装置3には、各所を流れる電流(キャパシタ3111,3112を流れる電流、電池電源32を流れる電流等)を検出するための電流検出回路を適宜設けることができる。
The variable voltage power storage device 31 includes
The DC / DC converter 3121 receives the terminal voltage of the
制御装置33は、負荷4に供給する電力、または負荷から回生される電力に応じて端子a1,a2間電圧V3が所望値となるように、キャパシタ3111とキャパシタ3112に蓄積されたエネルギーを交換する制御を行うことができる。負荷4に電力を供給しているときには、V3を下げるほど、電池電源32の放電電力を大きくでき、負荷4から電力が回生されているときには、V3を上げるほど電池電源32の充電電力を大きくできる。
The
1,2,31 可変電圧型蓄電装置
3 ハイブリッド型電源装置
4 負荷
14,26,33 制御装置
24 インダクタ
32 電池電源
111,112,211,212,213,3111,3112 キャパシタ
121,122,3121,3122 DC/DCコンバータ
131,132,133,251,252,253,3131,3132,3133 電圧検出回路
221,222,223,224 スイッチ
231,232 ダイオード
321 内部抵抗
322 起電圧
C1,C2,C3,C11,C12,C21,C22 キャパシタ
CD 充電装置
CNT 制御装置
DC/DC(1),DC/DC(2),DC/DC(3) 直流電力変換回路
K1,K2,K3 蓄電回路
R0,R21,22 負荷
U 蓄電ユニット
1, 2, 31 Variable voltage type
Claims (10)
前記充放電可能な回路から選ばれた2つの回路との間で、各回路に蓄積されたエネルギーの交換を行う少なくとも1つの直流電力変換回路と、
前記直流電力変換回路を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする可変電圧型蓄電装置。 A plurality of power storage circuit groups are connected in series, and at least two of the power storage circuits forming the plurality of power storage circuit groups are configured from chargeable / dischargeable circuits having electrostatic capacity or pseudo capacity; and
At least one DC power conversion circuit for exchanging energy stored in each circuit between two circuits selected from the chargeable / dischargeable circuits;
A control device for controlling the DC power conversion circuit;
A variable voltage power storage device comprising:
前記充放電可能な回路から選ばれた2つの回路の接続点に接続されたインダクタと、
前記2つの回路のうち、一方の回路の前記インダクタが接続されていない側の端子と、前記インダクタの他方の端子との間に接続されたスイッチ、および、
前記2つの回路のうち、他方の回路の前記インダクタが接続されていない側の端子と前記インダクタの他方の端子との間に接続したダイオード、
を備えたことを特徴とする請求項7に記載の可変電圧型蓄電装置。 The chopper circuit is
An inductor connected to a connection point of two circuits selected from the chargeable and dischargeable circuits;
A switch connected between a terminal of one of the two circuits to which the inductor is not connected and the other terminal of the inductor; and
A diode connected between a terminal of the other circuit to which the inductor is not connected and the other terminal of the inductor, of the two circuits;
The variable voltage power storage device according to claim 7, comprising:
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