(57)【要約】【課題】  配電線遠制システムにおける子局のような比較的低エネルギー機器のバックアップ電源に電気二重層キャパシタを適用する。【解決手段】  この電源装置は、ＳＣの特化した性能である優れた放電の広範囲性を最大限引き出し利用するものである。今回実現した電源装置のＳＣユニット１００では、大容量のＳＣ３本、電圧４．７Ｖを基本とし、ＳＣ２本直列で主系電源を構成し、ＳＣ１本で従系電源を構成した。また、子局の基本動作電圧は直流（５Ｖ，１００Ｖ）であるためアップコンバータ２００を開発した。アップコンバータ２００は、４．７Ｖ〜１．２Ｖまでの広範囲にわたって高効率が得られる回路性能とし、ＳＣユニット１００からのエネルギーのみで停電時の動作補償を実現する回路構成とした。【選択図】  図１
2006280166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気二重層キャパシタを用いたバックアップ電源装置であって、
電気二重層キャパシタで構成されたキャパシタユニットと、
前記電気二重層キャパシタを充電する充電制御部とを備え、
前記充電制御部は、
ＣＣ（定電流）モード、ＣＶ（定電圧モード）、補間モードの３モードによる充電を行う、
ことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記電気二重層キャパシタの周囲温度を測る温度測定部をさらに備え、
前記充電制御部は、
前記温度測定部により測定された周囲温度に基づいて、前記電気二重層キャパシタの充電電圧の温度管理を実施する、
ことを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１において、
商用電源電位と前記キャパシタユニットの出力電位とを同電位に保つように両電源の出力電圧を管理する電源整合部をさらに備える、
ことを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記キャパシタユニットは、主系と従系の２系統により構成されており、主系の電気二重層キャパシタ充電専従時の補償用として従系の電気二重層キャパシタを使用する、
ことを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記電気二重層キャパシタのＣＣ充電中における端子電圧の測定および経過時間の監視により前記電気二重層キャパシタの寿命を判定する寿命判定部をさらに備える、
ことを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記寿命判定部による判定結果に基づいて前記電気二重層キャパシタの充電状態を判定する充電状況判定部をさらに備える、
ことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタを用いたバックアップ電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
配電線遠方監視制御システム（配電線遠制システム）では、配電線経路上に設けられた子局（電柱上に設けられることが多い）と電力会社の営業所等に設けられた親局との間で種々の監視制御情報のやりとりが行われている。これにより配電線経路上の開閉器の監視・制御や電圧・電流の監視等が行われている。配電線遠制システムにおいて各子局は、通常時は配電線から電源供給を受けて種々の動作を行っているが、停電等の事故により配電線からの電源供給が途絶えた場合にはバックアップ電源からの電力により事故対応処理を行っている。配電線遠制システムにおける子局のバックアップ電源としては従来から鉛系二次電池が用いられている。しかしながら鉛系二次電池には、寿命が短い、寿命判定が屋外機器では難しい、廃棄時に有害ごみとして費用が発生する等の問題点がある。
【０００３】
近年、電気二重層キャパシタを用いた蓄電装置が注目されている。電気二重層キャパシタは、固体と液体との界面に正負の電荷が蓄えられることにより形成される電気二重層を利用したエネルギー蓄積・供給デバイスである。電気二重層キャパシタを用いた蓄電装置は、急速充電が可能であるとともに瞬時に大電流を取り出すことができるため、ハイブリッド電気自動車などの大型設備への適用が進められている。なお、電気二重層キャパシタを用いた蓄電装置は、ハイブリッド電気自動車等の大型設備への原動機エネルギーとしての適用以外の用途としては、低エネルギー機器におけるバッテリーの置き換えとして試行的に採用されているだけである。
【特許文献１】特開２００２−１４２３７４号公報
【特許文献２】特開２００２−１７０５１号公報
【特許文献３】特開２００２−１７００１号公報
【特許文献４】特開２００１−１９７６８６号公報
【特許文献５】特開２００１−３７０９０号公報
【特許文献６】特開平７−３３６９１５号公報
【特許文献７】特開平７−５７９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気二重層キャパシタは鉛系二次電池に比べ寿命が長く過放電特性が優秀であるという利点がある一方、寿命が過電圧に左右される、高い電圧が得にくい、コストが高い等の欠点も持ち合わせている。配電線遠制システムにおける子局のように比較的低エネルギー機器のバックアップ電源として電気二重層キャパシタを適応させるためには、できうる限り長時間にわたり安定した電気エネルギーを引き出すことを確立し、かつ、長期の運用に耐え得るものにする必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者らは以下のような電源装置を発明した。
【０００６】
本発明による電源装置は、電気二重層キャパシタを用いたバックアップ電源装置である。この電源装置は、電気二重層キャパシタで構成されたキャパシタユニットと、前記電気二重層キャパシタを充電する充電制御部とを備えている。前記充電制御部は、ＣＣ（定電流）モード、ＣＶ（定電圧モード）、補間モードの３モードによる充電を行う。
【０００７】
好ましくは上記電源装置はさらに、前記電気二重層キャパシタの周囲温度を測る温度測定部を備える。前記充電制御部は、前記温度測定部により測定された周囲温度に基づいて、前記電気二重層キャパシタの充電電圧の温度管理を実施する。
【０００８】
好ましくは上記電源装置はさらに電源整合部を備える。電源整合部は、商用電源電位と前記キャパシタユニットの出力電位とを同電位に保つように両電源の出力電圧を管理する。
【０００９】
好ましくは上記キャパシタユニットは、主系と従系の２系統により構成されており、主系の電気二重層キャパシタ充電専従時の補償用として従系の電気二重層キャパシタを使用する。
【００１０】
好ましくは上記電源装置はさらに寿命判定部を備える。寿命判定部は、前記電気二重層キャパシタのＣＣ充電中における端子電圧の測定および経過時間の監視により前記電気二重層キャパシタの寿命を判定する。
【００１１】
好ましくは上記電源装置はさらに充電状況判定部を備える。充電状況判定部は、前記寿命判定部による判定結果に基づいて前記電気二重層キャパシタの充電状態を判定する。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明者らは今回の発明により、電気二重層キャパシタの長寿命対策を施した停電補償機能付き電源装置を実現できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
配電線遠制システムでは子局の停電時動作補償エネルギー（バックアップ電源）として従来から鉛系二次電池が採用されている。しかしながら鉛系二次電池には、寿命が短い、寿命判定が屋外機器では難しい、産業廃棄物である等の問題点がある。これらの改善策として本願発明者らは、鉛系二次電池に代えて電気二重層キャパシタ（スーパーキャパシタともいう。以下「ＳＣ」と記す。）を子局のバックアップ電源として使用することを検討した。ＳＣは鉛系二次電池に比べ寿命が長く過放電特性が優秀であるという利点が有る一方、寿命が過電圧に左右される、高い電圧が得にくい、コストが高いという欠点も持ち合わせている。そこで本願発明者らは実用化に向けこれらの欠点の克服を実施した。当初は鉛系二次電池の置き換えのみ考えたが、回路の設計・試作・評価を繰り返す中で鉛系二次電池ではコストが高く困難であった、完全バックアップの実現、正確な寿命判定シーケンスの確立、寿命を延ばすための充電の最適化、主電源と充電電源による電源２重化の実現等、多くの副産物を見出すことができた。
【００１４】
今回、本願発明者らは、ＳＣを遠制機器（配電線遠制システムの子局）のバックアップ電源として使用するために、ＳＣ素子の特長および従来のバッテリー管理技術を利用して以下の技術を考案した。
＜子局充電回路（３モード：ＣＣ→ＣＶ→補間）の開発＞
ＳＣの急速充電性能の良さに着目したものである。ＳＣの低インピーダンス性を活用し、急速充電で３０分満充電を実現し、さらに、定電圧→補間と充電モードを管理した。充電には温度管理を導入した。充電時、周囲温度に応じてＣＶ電圧を制御し劣化を抑制した。これにより３０％延命化を実現した。
＜子局内部駆動電源の高効率アップコンバータ化＞
ＳＣの耐過放電性能の良さに着目したものである。ＳＣの過放電特性の良さを最大限引き出すため動作範囲（４．８Ｖ〜１．１Ｖ）が広く高効率な専用電源（ＤＣ／ＤＣ）を開発した。
＜充電モード移行時間の管理による寿命判定＞
充電開始から補間充電に至る経過時間の管理でＳＣの容量減衰を判定できるようにした。
【００１５】
このように本願発明者らは、バッテリー（鉛系二次電池）とＳＣの性格を比較し、利点転用の技術を確立した。また、バッテリー運用で開発した延命化技術と寿命判定技術を導入し運用利便性を確保した。今回、配電線遠制システムの子局への具体的適用で以下の効果が確認された。
・子局の停電補償時間の長期安定化を実現できた。従来のバッテリーでは２〜４年だったが、今回のＳＣでは７年（目標）になった。
・子局停電運転後の満充電時間を短縮できた。従来のバッテリーでは１０時間だったが、今回のＳＣでは０．５時間になった。
・ＳＣの寿命を３０％延命化することができた。従来は公称７年だったが今回の延命化技術により実行１０年にできた。
・ＳＣの寿命末期をＣＶ→終止移行時間（経過時間値）で判定したがこれは業界初であった。
【００１６】
本願発明者らが今回実現したバックアップ電源装置の概略ブロック構成を図１に示す。この電源装置は、ＳＣの特化した性能である優れた放電の広範囲性を最大限引き出し利用するものである。比較法で説明すると、現行使用中のバッテリー（鉛系二次電池）の場合、利用可能電圧が１２．６〜９．６Ｖ（２５％相当）であるのに対し、今回実現した電源装置の場合、利用可能電圧は４．７〜１．２Ｖ（７５％相当）である。ＳＣの場合、広範囲にエネルギーを利用でき、かつ、バッテリー（鉛系二次電池）の場合は放電電圧が９．６Ｖから更に低下すると子局内蔵の充電回路では再充電不可能となるが、ＳＣの場合は０．０Ｖつまり１００％まで使い切っても子局内蔵の充電回路で再充電が可能である。このようなＳＣの高い性能とコストの適合を考慮した結果、今回実現した電源装置のＳＣユニット１００では、大容量のＳＣ３本、電圧４．７Ｖを基本とし、ＳＣ２本直列で主系電源を構成し、ＳＣ１本で従系電源を構成した。また、子局の基本動作電圧は直流（５Ｖ，１００Ｖ）であるためアップコンバータ２００を開発した。アップコンバータ２００は、４．７Ｖ〜１．２Ｖまでの広範囲にわたって高効率が得られる回路性能とし、ＳＣユニット１００からのエネルギーのみで停電時の動作補償を実現する回路構成とした。
【００１７】
本願発明者らは、ＳＣの長寿命対策を施した停電補償機能付き電源装置を実現する際、ＳＣを適用するために次の２つの点に留意した。
・充電時の過電圧印加を防止すること。
・充電シーケンスとしてＣＣ→ＣＶの移行方式を採用すること。
【００１８】
そして対策として次の３つを考慮した。
（１）充電電圧の周囲温度による管理を実現する。
（２）充電時ＣＣ→ＣＶ移行時に停電発生したときの安定供給対策を実現する。
（３）定常時における商用側電源電圧とＳＣ出力電圧の電圧整合を確保する。
【００１９】
これらの対策を以下のようにして実現した。
（１）温度管理の実施
充電制御回路にてＳＣの周囲温度を測り充電電圧の温度管理を実施した。
（２）安定対策の実現
充電制御回路にてＣＣ→ＣＶ移行前にＳＣ出力回路を平衡モードに設定した。
（３）商用側電源電位とＳＣ側出力電位の整合確保
電源整合回路にて商用側電源電位とＳＣ出力電位を同電位に保つため両電源（商用：充電）の出力電圧を管理した。
【００２０】
以上の点をふまえて本願発明者らが今回実現した電源装置の回路構成を図２に示す。
【００２１】
次に、ＳＣの高効率運用および停電補償部の二重化を実現するために本願発明者らが行った回路上の工夫について図３を参照しつつ説明する。
【００２２】
まず、高寿命化を念頭にＳＣ１００のエネルギー使用範囲を設定した。ＳＣ１００の最大電圧は、過電圧防止と製品ばらつきを考慮してＶｍａｘ＝４．７Ｖとした。ＳＣ１００の最小電圧は、再充電必要時間と充電器のコストを考慮してＶｍｉｎ＝１．２Ｖとした。本電源装置では、ＳＣ１００の電圧（４．７Ｖ〜１．２Ｖ）をアップコンバータ２００によりアップコンバート（ＤＣ／ＤＣ）し、最大１時間子局の回路に各動作電力（５Ｖ・１００Ｖ）を供給することとした。
【００２３】
また、コストを抑えることを念頭に以下のようにして停電補償部の二重化を実現した。ＳＣは一度終止放電すると新たに停電補償用のエネルギーを蓄積するまで約２０分程度充電に専従する時間が必要となる。バッテリーシステムではもっと長時間であり改善はなされているがこれを限りなく０にすることを主眼にした結果、本電源装置では、ＳＣユニット１００を主系と従系の２系統で構成し、従系のＳＣを主系のＳＣ充電専従時に発生した停電時の補償用として使用することとした。
【００２４】
電源構成については、主電源および充電電源の出力電圧を等しくした。両電源ともに出力電圧をＳＣ１００の出力と同電位とする場合、子局電源の最小電圧５Ｖに満たない、かつ、ＳＣの放電電圧は最小で１．２Ｖまで低下するため、ダウンコンバータ方式３００を採用した。さらに、両電源ともに出力はＳＣの長寿命化を考慮し、温度センサ４００を用いて周囲温度による電圧管理を行った。
【００２５】
停電補償部については、ＳＣを主系／従系の２系統持つことで、停電補償の簡易二重化を実現した。通常は主系を４．７Ｖ〜１．２Ｖの範囲まで使用して１時間補償を実施し、復電により主系に充電を開始すると同時に従系のＳＣをスタンバイに設定する。従系ＳＣは２．３５〜１．２Ｖの範囲まで使用可能なため、主系ＳＣの充電専従時間（約２０分）に停電が発生しても補償できるようになっている。
【００２６】
次に、本願発明者らが今回実現した子局電源の具体的な動作について説明する。子局電源の概略構成を図４に示す。また、子局のＳＣバックアップ電源１００の主系／従系の動作状態を図５に示す。
（１）運用状態（基本）
子局運用時における定常時の状況（平衡状態）を図６に示す。このときは主電源回路により子局へ電力が供給されており、かつ、ＳＣ主系に対しても補充電が行われている。なお、ＳＣ従系には充電回路を経て充電が行われている。
（２）運用状態（子局運用開始時）
子局運用開始時の状況（ＳＣ主／従双方同時充電）を図７に示す。このときは主電源回路により子局へ電力が供給されており、かつ、ＳＣ主／従系に対しても充電が行われている。なお、本状態はＳＣ主／従系ともに電圧が既定値に達していないとき実施される。
（３）停電（発生子局のＳＣバックアップ動作）
子局運用中における停電発生時の状況を図８に示す。このときはＳＣ主系にて子局の電源にバックアップ電力が供給される。
（４）停電（機能停止）
子局運用時の停電時の状況（電力供給停止）を図９に示す。ＳＣ主系の出力が放電終止電圧１．２Ｖに至り子局への電力供給が停止された状況である。
（５）復電１（ＳＣ主系充電専従期間）
停電から復帰し子局がＳＣの再充電を行う状態を図１０に示す。このときは主電源回路により子局へ電力が供給されており、かつ、ＳＣ主系に対して充電モード１（図５参照）が行われ、かつ、この間の停電対応のためＳＣ従系は放電回路を活かしスタンバイする。
（６）復電２（ＳＣ主系充電専従期間の停電発生）
ＳＣ主系の充電専従期間に停電が発生したときの状況を図１１に示す。このときはＳＣ従系にて子局の電源にバックアップ電力が供給される。
【００２７】
本願発明者らは、配電線遠制システムの構成要素として要求されるシステム仕様に適合するためにさらに次のような工夫を施した。
（ａ）ＳＣの寿命判定通知
（ｂ）ＳＣの充電状況通知
以下、これらについて説明する。
（ａ）ＳＣの寿命判定通知
子局の監視管理機能としてＳＣの寿命を判定し通知するようにした。ここではＳＣの充電監視機能におけるＣＣ充電経過時間監視処理により実施した。具体的にはＳＣのＣＣ充電中における端子電圧の測定および経過時間の監視により実施した。
【００２８】
端子電圧の監視は以下の規定により実施した。
単位電圧監視（寿命最終確定）
ΔＴ／Ｖ１−Ｖ２
ＣＣ充電中の端子電圧の判定基準は下記の通りである。
【００２９】
基準はＳＣの寿命を基に定めた。寿命を半減期とした寿命時のＳＣ停電補償能力を子局停電時動作補償時間６０分の１／２と想定し、ＳＣの特性から端子電圧で設定した。
端子電圧：（4.7V-1.2V）/2＝1.75V
（例）充電完了電圧(Vbo)=4.70V
充電開始電圧(Vbc)=1.20V
寿命判定評価電圧(VLv)=3.0V
本例は、子局運用定義よりＳＣ放電終止電圧からの再充電を想定して示している。
【００３０】
ここでは次のようにしてＳＣの寿命を判定した。
【００３１】
＜判定＞  ＳＣが寿命末期時には、充電のシーケンスが短時間で充電完了電圧に至る（ＳＣ劣化に伴う内部容量低下・内部インピーダンス上昇）。従って、ＣＣ充電中の単位時間あたりの電圧上昇値が大きくなればＳＣ寿命注意として扱い、注意状況下における単位電圧監視にて規定電圧までの充電経過時間が短くなるとＳＣが寿命と確定される。
【００３２】
＜判定式の例＞
単位時間監視＝単位時間（ΔＴ）：電圧上昇値（ΔＶ）
（例）単位時間＝３分  電圧上昇＞０．４Ｖ
単位電圧監視＝初動電圧（Ｖｓ）→設定電圧（Ｖｃ）
ＶｓからＶｃまでの経過時間（Ｔｃｃ）
（例）経過時間（Ｔｃｃ）＜１５ｍｉｎ
（ｂ）ＳＣの充電状況通知
子局の監視管理機能としてＳＣの充電状態を判定し通知するようにした。ここではＳＣの充電監視機能におけるＳＣのバッテリー寿命判定情報で作成した。
【００３３】
ＳＣ寿命判定結果にてＳＣ正常と判定されていることを条件に以下の基準により充電状態を判定した。
＜充電状態決定基準＞
端子電圧＞Ｖｃ５０（例3.25V）→充電状態＝５０％以上（３０分）
端子電圧＞Ｖｃ８５（例4.05V）→充電状態＝８５％以上（４５分）
端子電圧＞Ｖｃ９９（例4.65V）→充電状態＝９９％以上（６０分）
以上のようにしてＳＣの充電監視回路の情報からＳＣの端子電圧を読み取り子局のバックアップ能力を情報通知することを実現した。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本願発明者らは今回の発明により環境適応性の高いＳＣの実用化に成功しただけでなくバッテリー方式の弱点を克服することができた。上述の説明では配電線遠制システムにおける子局のバックアップ電源にＳＣを適用した例を示したが、本発明は、停電補償機能付きのバックアップ電源を有するシステム・機器すべての範囲に適用可能である。また、ＳＣは、今後、自動車業界のみならずその急速充電性能の高さからコジェネシステムの電源切り替え時のバッファとしての応用が注目されており、この方面への技術転用も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本願発明者らが今回実現したバックアップ電源装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】温度管理の実施、安定対策の実現、出力電位の整合確保を実現した電源装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】ＳＣの高効率運用および停電補償部の二重化を実現するための回路上の工夫が施された電源装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】本願発明者らが今回実現した子局電源の概略構成を示すブロック図である。
【図５】子局のＳＣバックアップ電源の主系／従系の動作状態を示す図である。
【図６】子局運用時における定常時の状況（平衡状態）を示す図である。
【図７】子局運用開始時の状況（ＳＣ主／従双方同時充電）を示す図である。
【図８】子局運用中における停電発生時の状況を示す図である。
【図９】子局運用時の停電時の状況（電力供給停止）を示す図である。
【図１０】停電から復帰し子局がＳＣの再充電を行う状態を示す図である。
【図１１】ＳＣ主系の充電専従期間に停電が発生したときの状況を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００  ＳＣユニット
２００  アップコンバータ
３００  ダウンコンバータ
４００  温度センサ
【図１】
2006280166.tif 000003
【図２】
2006280166.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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