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,
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
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.
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
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
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
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
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
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
〔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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (9)
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.
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.
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JP2012182857A (en) | 2012-09-20 |
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