(57)【要約】【課題】  交流電源からの交流電力を整流器にて直流電力に変換し、インバータにて再度交流電力に変換して交流負荷に給電する電力変換装置において、交流負荷の出力性能を低下させることなく、電気二重層キャパシタに蓄電された電力を定電圧で使用するために用いられていたチョッパを不要とすることにある。【解決手段】  整流器１１０とインバータ１２０との間の直流回路部に、電気二重層キャパシタ１３０をチョッパを介することなく直接的に接続し、電気二重層キャパシタ１３０に交流負荷Ｍを適正に駆動するうえでインバータ１２０が必要とする電圧よりも高い所定の許容最低電圧を設定し、制御部１５０により、電気二重層キャパシタ１３０に蓄電された電力を許容最低電圧を上回る電圧範囲内でインバータ１２０に放電させる制御を実行する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流，直流の順・逆変換機能を有し、交流電源から受電された交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ型の整流器と、上記整流器から供給される上記直流電力を交流電力に変換して所定の交流負荷に与えるインバータとを含む電力変換装置において、
上記整流器と上記インバータとの間の直流回路部に直接的に接続され、上記整流器もしくは上記インバータを介して蓄電される電気二重層キャパシタと、
上記電気二重層キャパシタに対して、上記交流負荷を適正に駆動するうえで上記インバータが必要とする電圧よりも高い所定の許容最低電圧値を設定し、上記電気二重層キャパシタに蓄電された電力を上記許容最低電圧値を上回る電圧範囲内で上記インバータに放電する制御を実行する制御部とを備えていることを特徴とする電気二重層キャパシタを用いた電力変換装置。
【請求項２】
上記制御部は、上記インバータへの放電によって上記電気二重層キャパシタの電圧が上記許容最低電圧値にまで低下した場合には、上記電気二重層キャパシタからの放電を停止するとともに、上記交流電源からの交流電力を上記整流器にて直流電力に変換して直接上記インバータに給電する制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタを用いた電力変換装置。
【請求項３】
上記制御部は、上記電気二重層キャパシタに対して、上記電気二重層キャパシタが許容し得る最大電圧を超えない所定の許容最大電圧値を設定し、上記インバータからの充電により上記電気二重層キャパシタの電圧が上記許容最大電圧値に達した場合には、上記電気二重層キャパシタの充電を停止するとともに、上記インバータからの回生電力を上記整流器を介して上記交流電源に回生する制御を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の電気二重層キャパシタを用いた電力変換装置。
【請求項４】
上記電気二重層キャパシタに蓄電されている電圧を初期化する初期化手段をさらに備え、上記制御部は、上記初期化手段から上記電気二重層キャパシタの満充電を示す満充電信号を受信した場合には、上記電気二重層キャパシタに対する充電を停止するとともに、上記インバータからの回生電力を上記整流器を介して上記交流電源に回生する制御を実行することを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の電気二重層キャパシタを用いた電力変換装置。
【請求項５】
上記制御部は、上記初期化手段から上記満充電信号を受信した際の上記電気二重層キャパシタの電圧値を上記電気二重層キャパシタの総電圧として設定された総電圧値と比較し、あらかじめ設定された差異を検出した場合には、上記初期化手段により上記電気二重層キャパシタを初期化することを特徴とする請求項４に記載の電気二重層キャパシタを用いた電力変換装置。
【請求項６】
上記制御部は、上記初期化手段により初期化された上記電気二重層キャパシタの満充電電圧値を記憶部に記憶し、上記初期化手段から上記満充電信号を受信した際の上記電気二重層キャパシタの電圧値を上記満充電電圧値と比較し、あらかじめ設定された差異を検出した場合には、上記初期化手段により上記電気二重層キャパシタを初期化することを特徴とする請求項４に記載の電気二重層キャパシタを用いた電力変換装置。
【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電力変換装置に関し、さらに詳しく言えば、商用電源などの交流電源から受電した交流電力を整流器にて直流電力に変換し、その直流電力をインバータ（逆変換器）で交流負荷を駆動するために必要な交流電力に変換する電気二重層キャパシタを用いた電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｌａｙｅｒ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）は、大電流による高速充放電が可能で、その充放電の効率が高く、しかもサイクル寿命が長いことから、電気自動車や無停電電源装置（ＵＰＳ）などの蓄電装置として活用されている。
【０００３】
その一例として、特許文献１には、蓄電装置と交直変換装置とを備えて構成され、蓄電装置の充放電を行い、その蓄電エネルギーを出し入れする電力変換装置において、蓄電装置として電気二重層キャパシタを利用する電力変換装置が記載されている。
【０００４】
この種の蓄電装置に用いられる電気二重層キャパシタは、耐電圧を高めるため、直列に接続された複数のキャパシタセルを備えるが、その場合、定格が同じキャパシタセルを用いても静電容量，内部抵抗，漏れ電流のばらつきにより、充放電を繰り返すうちに直列に接続した各キャパシタセルの分担電圧に不均衡が生じ、一部のキャパシタセルが過充電により破損することがある。
【０００５】
この点を解決するため、特許文献２は、定電流源を有し、蓄電装置内の回路素子で規定された一定の電圧（定格電圧もしくはそれ以下の所定電圧のいずれか一方）でキャパシタセルを均等化（初期化）する機能を備えた蓄電電源装置を開示している。
【０００６】
また、特許文献３は、直列接続された複数のキャパシタセルの分担電圧を検出し、各キャパシタセルの分担電圧の分布範囲が規定値以下になるように、各キャパシタセルの分担電圧を均等化する電圧コントローラを備えたキャパシタ蓄電装置を開示している。
【０００７】
ところで、電気二重層キャパシタの充電エネルギーＥと電圧Ｖは、Ｅ＝ＣＶ２／２（Ｃは静電容量）の関係にある。これを電圧Ｖで書き表すと、Ｖ＝√（２Ｅ／Ｃ）となり、電圧Ｖは充電エネルギーＥの平方根に比例して変動する。
【０００８】
そのため、インバータを含む電力変換装置において、電気二重層キャパシタからインバータに電力を供給する場合、その電圧変動により、交流負荷を適正に駆動することができない。そこで、上記特許文献１に記載の電力変換装置では、チョッパと呼ばれる電圧を昇圧もしくは降圧できる装置を用いて電気二重層キャパシタの電圧の落ち込みを補うようにしている。その従来例を図９に示し、これについて説明する。
【０００９】
この電力変換装置１００は、商用電源などの交流電源Ｐから交流電力を受電し、受電した交流電力を整流器１１０にて一旦直流電力に変換したうえで、インバータ（逆変換器）１２０にて再度交流電力に変換して交流負荷Ｍに給電する。この例において、交流電源Ｐおよび交流負荷Ｍが３相で、交流負荷Ｍを電動機としている。
【００１０】
整流器１１０は、好ましくは高調波除去フィルタ１１１を介して交流電源Ｐに接続される。整流器１１０とインバータ１２０との間の直流回路部には、チョッパ１４０を介して電気二重層キャパシタ１３０が接続される。図示しないが、電気二重層キャパシタ１３０には直列に接続された複数のキャパシタセルが含まれる。
【００１１】
また、電圧検出器として、電気二重層キャパシタ１３０の電圧を検出する第１電圧検出器１３１と、インバータ１２０の入力電圧を検出する第２電圧検出器１２１とを備え、これらの電圧検出信号は制御部１５０に入力される。
【００１２】
制御部１５０は、運転指令装置１６０から出力される交流負荷Ｍとしての電動機の運転指令、例えば停止，力行（りきこう），回生，トルクなどの運転指令に基づいて、電圧や周波数周波数を変えるように整流器１１０，インバータ１２０およびチョッパ１４０を制御する。
【００１３】
ここでは特に図示しないが、インバータ１２０は、電流が流れる方向にしたがって上流側および下流側となる一対のスイッチング素子の直列回路を３相分有するスイッチング回路を含み、電動機を動かす電力を制御するために、電動機の回転数やトルクに応じて、その電圧や電流を可変する。この例でのインバータ１２０はＶＶＶＦインバータである（ＶＶＶＦ：Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（可変電圧・可変周波数））。
【００１４】
また、整流器１１０は、交流，直流の順・逆変換機能、すなわち交流から直流への変換，直流から交流への変換のいずれも行うことができるＰＷＭ型の整流器であり、その回路構成はインバータ１２０と同じである。
【００１５】
チョッパ１４０には、図１０の回路図に示すように、ダイオード１４２が逆並列に接続された充電制御用スイッチング素子１４１，ダイオード１４４が逆並列に接続された放電制御用スイッチング素子１４３，電流平滑用インダクタ１４５，出力電圧平滑用キャパシタ１４６および入力電圧平滑用キャパシタ１４７が含まれている。なお、スイッチング素子１４１，１４３には、ＩＧＢＴなどの自己消弧型スイッチング素子が用いられる。
【００１６】
充電制御用スイッチング素子１４１と電流平滑用インダクタ１４５は、上記直流回路部の一方のラインに対して直列に接続され、放電制御用スイッチング素子１４３は、充電制御用スイッチング素子１４１と電流平滑用インダクタ１４５の接続点と上記直流回路部の他方のラインとの間に接続される。
【００１７】
チョッパ１４０は電流双方型で、電気二重層キャパシタ１３０の放電時には、その放電電圧に電流平滑用インダクタ１４５に誘起された電圧が重畳されるため昇圧型チョッパとして動作し、電気二重層キャパシタ１３０の充電時には、上記直流回路部からの充電電圧から電流平滑用インダクタ１４５に誘起された電圧がダイオード１４４を経由して電気二重層キャパシタ１３０に印加されるため降圧型チョッパとして動作する。
【００１８】
この従来例によれば、整流器１１０とインバータ１２０との間の直流回路部にチョッパ１４０を介して電気二重層キャパシタ１３０を接続し、交流負荷Ｍが必要とする交流電力の全部または一部を電気二重層キャパシタ１３０に吸収・放出することにより、交流電源Ｐからの電力を平均化して交流電源Ｐ側の機器を小型化することができる。
【００１９】
力行運転時、制御部１５０は、第２電圧検出器１２１でインバータ入力電圧を検出し、電気二重層キャパシタ１３０の放電電力が指令された放電電力となるように、整流器１１０の直流電力を制御する。すなわち、電気二重層キャパシタ１３０の放電電力を減らすには、チョッパ１４０の出力電力を下げ、整流器１１０の出力電力を高める。電気二重層キャパシタ１３０の放電電力を増やすには、整流器１１０の出力電力を下げ、チョッパ１４０の出力電力を高める。
【００２０】
制動運転時に、電気二重層キャパシタ１３０の充電電力を減らすには、チョッパ１４０の入力電力を下げ、整流器１１０の交流電源Ｐへの回生電力を高める。また、電気二重層キャパシタ１３０の充電電力を増やすには、チョッパ１４０の入力電力を高め、整流器１１０の交流電源Ｐへの回生電力を下げる。
【００２１】
次に、図１１（ａ）（ｂ）により、この従来例に係る電力変換装置１００の電力の流れについて説明する。図１１（ａ）に示すように、力行運転時に交流負荷（電動機）Ｍに必要とされる電力Ｐｍは、交流電源Ｐおよび電気二重層キャパシタ１３０から供給される。すなわち、交流電源Ｐから供給される電力をＰｓ，電気二重層キャパシタ１３０から供給される電力をＰｃとすると、Ｐｍ＝Ｐｓ＋Ｐｃで表され、負荷電力Ｐｍが変動しても、変動する電力が電気二重層キャパシタ１３０から供給されるため、交流電源Ｐから給電される電力Ｐｓは平均電力となる。
【００２２】
これに対して、制動運転時には、図１１（ｂ）に示すように、交流負荷（電動機）Ｍからの回生電力は、電気二重層キャパシタ１３０を充電する。この場合、回生電力が変動したとしても、変動する回生電力は電気二重層キャパシタ１３０で吸収されるため、整流器１１０から交流電源Ｐへの回生電力は平均電力となる。
【００２３】
【特許文献１】特開２００２−２１８６５３号公報
【特許文献２】特開平６−３４３２２５号公報
【特許文献３】特開２００２−２８１６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
上記従来例によれば、電気二重層キャパシタの電圧低下分をチョッパの昇圧動作により補うようにしているため、電気二重層キャパシタの電圧がある程度低下したとしても、交流負荷を適正に駆動するうえで必要とされる電力をインバータに給電することができる。
【００２５】
しかしながら、チョッパの回路構成は基本的にインバータとほぼ同じで、それに加えて電流平滑用のインダクタが必須であるため、チョッパの製作にはインバータ相当額もしくはそれ以上のコストがかかる。
【００２６】
すなわち、電気二重層キャパシタは、リチウムイオン電池や鉛バッテリなどの化学二次電池に比べて、大電流による高速充放電が可能で、その充放電の効率が高く、しかもサイクル寿命が長く、また、環境的にも優しいデバイスであるが、他方において、電圧が余り変化しない化学二次電池の場合には不要であるチョッパを必要とすることから、電気二重層キャパシタを用いた電力変換装置は高価にならざるを得ないという問題があった。
【００２７】
また、電動機のように力行運転，制動運転を繰り返す交流負荷の場合、力行運転で負荷に給電された電力がすべて回生されるわけではないので、その差分の電力が消費される。この消費電力の平均値に相当する電力（平均電力）を整流器から給電する必要がある。
【００２８】
したがって、本発明の課題は、商用電源などの交流電源から交流電力を受電し、受電した交流電力を整流器にて一旦直流電力に変換したうえで、インバータにて再度交流電力に変換して交流負荷に給電する電力変換装置において、交流負荷の出力性能を低下させることなく、電気二重層キャパシタに蓄電された電力を定電圧で使用するために用いられていたチョッパを不要とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、交流，直流の順・逆変換機能を有し、交流電源から受電された交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ型の整流器と、上記整流器から供給される上記直流電力を交流電力に変換して所定の交流負荷に与えるインバータとを含む電力変換装置において、上記整流器と上記インバータとの間の直流回路部に直接的に接続され、上記整流器もしくは上記インバータを介して蓄電される電気二重層キャパシタと、上記電気二重層キャパシタに対して、上記交流負荷を適正に駆動するうえで上記インバータが必要とする電圧よりも高い所定の許容最低電圧値を設定し、上記電気二重層キャパシタに蓄電された電力を上記許容最低電圧値を上回る電圧範囲内で上記インバータに放電する制御を実行する制御部とを備えていることを特徴としている。
【００３０】
請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、上記制御部は、上記インバータへの放電によって上記電気二重層キャパシタの電圧が上記許容最低電圧値にまで低下した場合には、上記電気二重層キャパシタからの放電を停止するとともに、上記交流電源からの交流電力を上記整流器にて直流電力に変換して直接上記インバータに給電する制御を実行することを特徴としている。
【００３１】
請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２において、上記制御部は、上記電気二重層キャパシタに対して、上記電気二重層キャパシタが許容し得る最大電圧を超えない所定の許容最大電圧値を設定し、上記インバータからの充電により上記電気二重層キャパシタの電圧が上記許容最大電圧値に達した場合には、上記電気二重層キャパシタの充電を停止するとともに、上記インバータからの回生電力を上記整流器を介して上記交流電源に回生する制御を実行することを特徴としている。
【００３２】
請求項４に記載の発明は、上記請求項１ないし３の何れか１項において、上記電気二重層キャパシタに蓄電されている電圧を初期化する初期化手段をさらに備え、上記制御部は、上記初期化手段から上記電気二重層キャパシタの満充電を示す満充電信号を受信した場合には、上記電気二重層キャパシタに対する充電を停止するとともに、上記インバータからの回生電力を上記整流器を介して上記交流電源に回生する制御を実行することを特徴としている。
【００３３】
請求項５に記載の発明は、上記請求項４において、上記制御部は、上記初期化手段から上記満充電信号を受信した際の上記電気二重層キャパシタの電圧値を上記電気二重層キャパシタの総電圧として設定された総電圧値と比較し、あらかじめ設定された差異を検出した場合には、上記初期化手段により上記電気二重層キャパシタを初期化することを特徴としている。
【００３４】
請求項６に記載の発明は、上記請求項４において、上記制御部は、上記初期化手段により初期化された上記電気二重層キャパシタの満充電電圧値を記憶部に記憶し、上記初期化手段から上記満充電信号を受信した際の上記電気二重層キャパシタの電圧値を上記満充電電圧値と比較し、あらかじめ設定された差異を検出した場合には、上記初期化手段により上記電気二重層キャパシタを初期化することを特徴としている。
【発明の効果】
【００３５】
請求項１に記載の発明によれば、整流器とインバータとの間の直流回路部に電気二重層キャパシタを直接的に接続し、その電気二重層キャパシタに対して、交流負荷を適正に駆動するうえでインバータが必要とする電圧よりも高い所定の許容最低電圧値を設定し、電気二重層キャパシタに蓄電された電力を許容最低電圧値を上回る電圧範囲内でインバータに放電させるようにしたことにより、交流負荷の出力性能を低下させることなく、電気二重層キャパシタに蓄電された電力を定電圧で使用するために用いられていたチョッパを不要とすることができる。したがって、電気二重層キャパシタを用いた電力変換装置を安価に提供することができる。
【００３６】
インバータへの放電により電気二重層キャパシタの電圧が許容最低電圧値にまで低下した場合には、電気二重層キャパシタからの放電を停止するとともに、交流電源からの交流電力を整流器にて直流電力に変換して直接インバータに給電するようにした請求項２に記載の発明によれば、電気二重層キャパシタの電圧が許容最低電圧値にまで低下したとしても、交流負荷の出力性能を低下させることなく、交流負荷を適正に駆動することができる。
【００３７】
電気二重層キャパシタに対して、同電気二重層キャパシタが許容し得る最大電圧を超えない所定の許容最大電圧値を設定し、インバータからの充電により電気二重層キャパシタの電圧が許容最大電圧値に達した場合には、電気二重層キャパシタの充電を停止するとともに、インバータからの回生電力を整流器を介して交流電源に回生するようにした請求項３に記載の発明によれば、過充電による電気二重層キャパシタの劣化を確実に防止することができる。
【００３８】
電気二重層キャパシタに蓄電されている電圧を初期化する初期化手段をさらに備え、その初期化手段から電気二重層キャパシタの満充電を示す満充電信号を受信した場合には、電気二重層キャパシタに対する充電を停止するとともに、インバータからの回生電力を整流器を介して交流電源に回生するようにした請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明と同じく、過充電による電気二重層キャパシタの劣化を確実に防止することができる。
【００３９】
初期化手段から満充電信号を受信した際の電気二重層キャパシタの電圧値を、電気二重層キャパシタの総電圧として設定された総電圧値と比較し、あらかじめ設定された差異を検出した場合には、初期化手段により電気二重層キャパシタを初期化するようにした請求項５に記載の発明によれば、電気二重層キャパシタに含まれている直列接続された複数のキャパシタセルの分担電圧に不均衡が生じていることを早期に検出して、その不均衡を是正することができ、一部のキャパシタセルの過充電による破損を未然に防止することができる。
【００４０】
初期化手段により初期化された電気二重層キャパシタの満充電電圧値を記憶部に記憶しておき、初期化手段から満充電信号を受信した際の電気二重層キャパシタの電圧値を記憶された満充電電圧値と比較し、あらかじめ設定された差異を検出した場合には、初期化手段により電気二重層キャパシタを初期化するするようにした請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明と同じく、電気二重層キャパシタに含まれている直列接続された複数のキャパシタセルの分担電圧に不均衡が生じていることを早期に検出して、その不均衡を是正することができ、一部のキャパシタセルの過充電による破損を未然に防止することができる。なお、初期化処理は、電気二重層キャパシタの充放電に影響を与えない充放電サイクルの間の余剰時間内に行うことが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
次に、図１ないし図８により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明による電力変換装置の基本的な回路構成を示す模式図，図２は上記電力変換装置に含まれる整流器およびインバータの回路図である。なお、この実施形態の説明において、先の図９で説明した従来例と同一もしくは同一と見なされてよい構成要素には、それと同じ参照符号を用いる。
【００４２】
この電力変換装置１００Ａにおいても、商用電源などの交流電源Ｐから交流電力を受電し、受電した交流電力を整流器１１０にて一旦直流電力に変換したうえで、インバータ１２０にて再度交流電力に変換して交流負荷Ｍに給電する。この例においても、交流電源Ｐおよび交流負荷Ｍが３相で、交流負荷Ｍを電動機としている。
【００４３】
インバータ１２０は、図２に示すように、電流が流れる方向にしたがって上流側および下流側となる一対のスイッチング素子の直列回路を３相分有するスイッチング回路を含み、電動機を動かす電力を制御するために、電動機の回転数やトルクに応じて、その電圧や電流を可変する。この例でのインバータ１２０はＶＶＶＦインバータである。
【００４４】
整流器１１０は、好ましくは高調波除去フィルタ１１１を介して交流電源Ｐに接続される。整流器１１０は、交流，直流の順・逆変換機能、すなわち交流から直流への変換，直流から交流への変換のいずれも行うことができるＰＷＭ型の整流器であり、図２に示すように、その回路構成はインバータ１２０と同じく、電流が流れる方向にしたがって上流側および下流側となる一対のスイッチング素子の直列回路を３相分有するスイッチング回路を含む。
【００４５】
図２に示すように、整流器１１０の出力側とインバータ１２０の入力側に電圧平滑用キャパシタ１１２，１２２を接続することにより、交流電源Ｐに発生する尖頭電力がキャパシタへの充電によって平滑化されるため、変換された直流電圧Ｖｄｃは、
Ｖｄｃ＝√２Ｖａｃ
となる（Ｖａｃは交流電圧の実効値）。
【００４６】
本発明においては、整流器１１０とインバータ１２０との間の直流回路部には、電気二重層キャパシタ１３０がチョッパを介することなく直接的に接続される。図示しないが、電気二重層キャパシタ１３０には直列に接続された複数のキャパシタセルが含まれる。なお、個々のキャパシタセルについては、最小構成単位としてのＥＤＬＣ素子の複数個が直列，並列もしくは直並列に含まれてよい。
【００４７】
電気二重層キャパシタ１３０の電圧はインバータ１２０の入力段に設けられるインバータ電圧検出器１２１によって検出される。このインバータ電圧検出器１２１の電圧検出信号は制御部１５０に入力される。
【００４８】
制御部１５０は、運転指令装置１６０から出力される交流負荷Ｍとしての電動機の運転指令、例えば停止，力行，回生，トルクなどの運転指令およびインバータ電圧検出器１２１からの電圧検出信号に基づいて、整流器１１０およびインバータ１２０を制御する。
【００４９】
制御部１５０は、電気二重層キャパシタ１３０の充放電を制御するうえで、電気二重層キャパシタ１３０に対して許容最低電圧値ＶＣｍｉｎと許容最大電圧値ＶＣｍａｘとを設定する。許容最低電圧値ＶＣｍｉｎとは、交流負荷の出力性能を低下させることなく交流負荷を適正に駆動するうえでインバータ１２０が必要とする電圧よりも高い電圧値である。また、許容最大電圧値ＶＣｍａｘとは、電気二重層キャパシタが許容し得る最大電圧を超えない範囲で任意に設定される電圧値である。許容最低電圧値ＶＣｍｉｎと許容最大電圧値ＶＣｍａｘは、例えば運転指令装置１６０から入力されてよい。
【００５０】
力行運転時、制御部１５０は、インバータ電圧検出器１２１にて検出される電気二重層キャパシタ１３０の電圧が許容最低電圧値以上である場合、電気二重層キャパシタ１３０からインバータ１２０に電力が放電されるように整流器１１０とインバータ１２０とを制御する。
【００５１】
すなわち、力行運転時、電気二重層キャパシタ１３０の電圧は放電とともに低下するが、そのキャパシタ電圧が許容最低電圧値ＶＣｍｉｎ以上である場合、整流器１１０の出力を制御することにより、電気二重層キャパシタ１３０からインバータ１２０に同インバータ１２０が必要としている電力を給電することができる。
【００５２】
これに対して、回生運転時には、インバータ電圧検出器１２１にて検出される電気二重層キャパシタ１３０の電圧が許容最大電圧値ＶＣｍａｘ以下の場合、インバータ１２０からの回生電力を電気二重層キャパシタ１３０に充電するように整流器１１０を制御する。
【００５３】
本発明による電力変換装置と上記従来例の電力変換装置とにおいて、整流器１１０およびインバータ１２０の回路構成は基本的に変わらないが、電力系回路に含まれる半導体の耐圧は大きく異なる。
【００５４】
すなわち、上記従来例の電力変換装置では、例えばＡＣ２００Ｖ系商用電源を用いた場合、Ｖｄｃ＝√２Ｖａｃの関係から、直流電圧Ｖｄｃはおおよそ３００Ｖになり、直流電圧の２倍程度の耐圧素子を用いるべしという経験則により、使用する半導体は６００Ｖ耐圧素子となる。同様に、ＡＣ４００Ｖ系商用電源の場合には、１２００Ｖ耐圧素子を使用することになる。
【００５５】
これに対して、本発明の電力変換装置では、例えばＡＣ２００Ｖ系商用電源を用いた場合、チョッパを不要にするため、インバータ１２０が本来必要とする直流電圧Ｖｄｃであるおおよそ３００Ｖ以上に電気二重層キャパシタ１３０の電圧を維持する必要があり、そのキャパシタ電圧はおおよそ３００〜６００Ｖの範囲で変動することになる。
【００５６】
そうすると、例えばＡＣ２００Ｖ系商用電源を用いた場合でも、その２倍程度の耐圧素子を用いるべしという経験則により、整流器１１０およびインバータ１２０に使用する半導体は１２００Ｖ耐圧素子となる。
【００５７】
つまり、上記従来例の電力変換装置では、定電圧Ｖｄｃ（＝√２Ｖａｃ）で電気二重層キャパシタ１３０からインバータ１２０に電力を給電していたが、本発明では、可変電圧Ｖｄｃ〜２Ｖｄｃ（＝√２Ｖａｃ〜２√２Ｖａｃ）の範囲で電気二重層キャパシタ１３０からインバータ１２０に電力を給電する。よって、整流器１１０およびインバータ１２０に使用する半導体に必要とされる耐圧は、経験則により４Ｖｄｃ（＝４√２Ｖａｃ）耐圧となる。
【００５８】
なお、一つの例として、ＡＣ２００Ｖ電源の電圧範囲は公称電圧ＡＣ２００〜２３０Ｖで、これに変動許容値−１５〜＋１０％を適用すると、ＡＣ１７０〜２５３Ｖとなる。この電圧範囲であれば、整流器１１０とインバータ１２０の間の直流回路部の電圧をＤＣ３００〜６００Ｖとして、キャパシタの充放電，整流器１１０の順・逆変換運転，電動機（２００Ｖ用）の力行・回生運転を行うことができる。
【００５９】
次に、図３，図４に示す負荷電力パターンを参照して本発明の電力変換装置１００Ａの動作について説明する。この負荷電力パターンには、インバータ電力，整流器電力，キャパシタ電力およびキャパシタ電圧の推移が示されている。
【００６０】
まず、図３の負荷電力パターンを参照して、時刻Ｔ１で電動機の力行運転が始まり、時刻Ｔ１〜Ｔ２まで電動機はトルク一定で加速して、時刻Ｔ２〜Ｔ３まで電動機は定速で力行運転する。力行電力は時刻Ｔ１〜Ｔ２まで時間とともに増加し、時刻Ｔ２でインバータ電力は最大力行電力値Ｐｐｍａｘとなる。
【００６１】
以上が基本的な力行運転パターンであるが、未使用状態の電気二重層キャパシタ１３０の電圧は「０」であるため、まず、時刻Ｔ０で整流器１１０の出力をオンとして初期充電を開始する。これにより、電気二重層キャパシタ１３０の電圧値が上昇し、時刻Ｔ０１でキャパシタ電圧ＶＣ０１が許容最大電圧値ＶＣｍａｘに達するので、整流器１１０の出力をオフとして初期充電を停止する。
【００６２】
負荷電力（インバータ電力）の平均電力値をＰａｖｅとして、時刻Ｔ１で力行運転が始まると、整流器１１０から負荷電力の平均電力値Ｐａｖｅが給電されるが、加速により負荷電力値Ｐｐが負荷電力の平均電力値Ｐａｖｅを上回る時刻Ｔ１２で電気二重層キャパシタ１３０は放電を開始し、負荷電力値Ｐｐと平均電力値Ｐａｖｅとの差電力（Ｐｐ−Ｐａｖｅ）をインバータ１２０に給電する。時刻Ｔ２〜Ｔ３までの定速力行運転時には、電気二重層キャパシタ１３０からＰｐｍａｘ−Ｐａｖｅの差電力が給電される。
【００６３】
電気二重層キャパシタ１３０の電圧は放電とともに低下するが、図３の例では、電気二重層キャパシタ１３０の蓄電容量が十分大きいため、力行運転が終了する時刻Ｔ３のキャパシタ電圧Ｖ０３は許容最低電圧値ＶＣｍｉｎを上回っている。
【００６４】
時刻Ｔ３〜Ｔ４までは惰行運転であり、この期間、電気二重層キャパシタ１３０には、整流器１１０から出力される電力（負荷電力の平均電力値Ｐａｖｅ）が充電される。惰行運転後の時刻Ｔ４〜Ｔ５まで回生（制動）運転が行われ、電気二重層キャパシタ１３０には、インバータ１２０からの回生電力が充電される。このときの最大回生電力をＰＢｍａｘとすると、電気二重層キャパシタ１３０には、最大時、（ＰＢｍａｘ＋Ｐａｖｅ）なる電力が充電される。
【００６５】
時刻Ｔ５〜Ｔ６までは運転停止期間であり、この期間は上記時刻Ｔ３〜Ｔ４までの惰行運転と同じく、電気二重層キャパシタ１３０には整流器１１０から出力される電力（負荷電力の平均電力値Ｐａｖｅ）が充電される。時刻Ｔ６から再び加速されるが、図３の例では、時刻Ｔ６の時点でのキャパシタ電圧ＶＣ６は最大許容電圧値ＶＣｍａｘを超えないため、時刻Ｔ５〜Ｔ６までの運転停止期間中、電気二重層キャパシタ１３０は整流器１１０から出力される電力によって充電され続ける。時刻Ｔ６〜Ｔ１０までは、上記時刻Ｔ１〜Ｔ６の繰り返しパターンとなっている。
【００６６】
次に、図４の負荷電力パターンについて説明する。図４の例は、図３の例よりも電気二重層キャパシタ１３０の蓄電容量が小さいか、もしくは負荷電力が大きい場合についてのものである。時刻Ｔ０〜Ｔ０１までの初期充電は図３の例と同じであるため、その説明は省略する。
【００６７】
時刻Ｔ１で力行運転が始まると、整流器１１０から負荷電力の平均電力値Ｐａｖｅが給電されるが、加速により負荷電力値Ｐｐが負荷電力の平均電力値Ｐａｖｅを上回る時刻Ｔ１２で電気二重層キャパシタ１３０は放電を開始し、負荷電力値Ｐｐと平均電力値Ｐａｖｅとの差電力（Ｐｐ−Ｐａｖｅ）をインバータ１２０に給電する。
【００６８】
時刻Ｔ２〜Ｔ３までの定速力行運転時には、電気二重層キャパシタ１３０から（Ｐｐｍａｘ−Ｐａｖｅ）の差電力が給電されるが、図４の例では、時刻Ｔ３に至る前の時刻Ｔ２３時点で、キャパシタ電圧ＶＣ２３が許容最低電圧値ＶＣｍｉｎにまで低下するため、電気二重層キャパシタ１３０の放電を停止し、時刻Ｔ２３〜Ｔ３までの間、整流器１１０の出力電力を高めてインバータ電力に足らない力行電力を補い、好ましくは電気二重層キャパシタ１３０をも充電する。
【００６９】
力行運転後は、図３の例と同じく、時刻Ｔ３〜Ｔ４までの惰行運転を経て時刻Ｔ４〜Ｔ５の期間、回生（制動）運転が行われ、電気二重層キャパシタ１３０はインバータ１２０からの回生電力にて充電されるが、図４の例では、その充電量が大きく、時刻Ｔ５に至る前の時刻Ｔ４５時点でキャパシタ電圧ＶＣ４５が許容最大電圧値ＶＣｍａｘに達するため、時刻Ｔ４５時点で電気二重層キャパシタ１３０への充電を停止し、インバータ１２０からの回生電力を整流器１１０を介して交流電源Ｐに回生する。
【００７０】
時刻Ｔ５〜Ｔ６までの運転停止期間を置いて、時刻Ｔ６から再び加速を含む力行運転が開始されるが、この場合、加速中の時刻Ｔ６７２時点で、キャパシタ電圧ＶＣ６７２が許容最低電圧値ＶＣｍｉｎにまで低下するため、加速運転が終了する時刻Ｔ７までの間、電気二重層キャパシタ１３０の放電を停止するとともに、整流器１１０の出力電力を高めてインバータ電力に足らない力行電力を補うようにしている。
【００７１】
次に、図５ないし図８により、本発明の電力変換装置１００Ａが備える電気二重層キャパシタの電圧初期化手段について説明する。
【００７２】
図８に示すように、電気二重層キャパシタ１３０には、例えば１０個のキャパシタセルＣ（Ｃ１〜Ｃ１０）が直列に接続されているとして、電圧初期化手段２００は、そのキャパシタセルＣの各々に割り当てられる並列モニタと呼ばれる電圧配分調整回路２２０と、各電圧配分調整回路２２０を制御する制御部２１０とを備え、各キャパシタセルＣの電圧を満充電電圧Ｖｆｕｌ側に揃える。なお、図８中に記載のＣＭＳとは、Ｃａｐａｃｉｔｏｒ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍの略語である。
【００７３】
図６に電圧配分調整回路（並列モニタ）２２０の原理的な回路構成を示す。この回路は、キャパシタセルＣの端子間電圧と基準電圧Ｖｒとを比較するコンパレータ２３０と、キャパシタセルＣに並列的に接続され、コンパレータ２３０にてオンオフ制御される充電電流バイパス用のスイッチングトランジスタ２４０とから構成される。
【００７４】
基準電圧ＶｒをキャパシタセルＣの満充電電圧（例えば定格電圧）Ｖｆｕｌに設定しておくことにより、キャパシタセルＣの電圧が満充電電圧Ｖｆｕｌとなった時点でスイッチングトランジスタ２４０がオンとなり、充電電流がバイパスされるため、キャパシタセルＣの電圧が満充電電圧Ｖｆｕｌとなるように初期化することができる。
【００７５】
図７に電圧配分調整回路２２０の実用的な回路構成を示す。この場合には、満充電電圧Ｖｆｕｌとは別に初期化電圧Ｖｉｎｉが設定され、コンパレータとして第１ないし第３の３のコンパレータ２３１〜２３３が用いられる。初期化電圧Ｖｉｎｉは任意に設定されてよいが、例えば満充電電圧Ｖｆｕｌの８０％程度の電圧に設定される。
【００７６】
第１コンパレータ２３１には、初期化電圧Ｖｉｎｉが基準電圧として設定され、その出力段にはスイッチＳＷを介して充電電流バイパス用のスイッチングトランジスタ２４０が接続される。スイッチＳＷの切り換えは制御部２１０により制御される。
【００７７】
第２コンパレータ２３２には、満充電電圧Ｖｆｕｌが基準電圧として設定される。第３コンパレータ２３３は、逆方向充電Ｖｎｅｇを検出するコンパレータで、例えばキャパシタセルＣの端子間電圧が０〜−０．７Ｖの場合に動作する。
【００７８】
第１コンパレータ２３１は、制御部２１０から出力される初期化信号ＩｎｉｔによりスイッチＳＷがオンである場合に限って、キャパシタセルＣの端子間電圧を関し、その端子間電圧が初期化電圧Ｖｉｎｉに達した時点で、スイッチングトランジスタ２４０をオンして充電電流をバイパスさせる。
【００７９】
第２コンパレータ２３２は次の場合に動作する。例えば、満充電付近で突然に大きな回生電流が流れ込んだとする。このような場合、初期化電圧Ｖｉｎｉを超える時点でスイッチングトランジスタ２４０がオンになり過剰な電流をバイパスしても、その電流容量との関係でバイパスしきれないため、電圧が上昇して満充電電圧Ｖｆｕｌにまで達する。第２コンパレータ２３２は、この事態を検出して制御部２１０に満充電信号を出力し、充電を停止させる。
【００８０】
第３コンパレータ２３３は次の場合に動作する。仮にキャパシタセルＣの中に不良ではないが、他のセルよりも漏れ電流の大きなセルがあるとする。初期化しないで何回も充放電を繰り返すと、次第にそのセルの電圧が他のセルよりも低下し、ついには深い放電深度の際にゼロを割り込むことがある。
【００８１】
本発明において、すべてのキャパシタセルＣの電圧は常に等しい必要はないが、逆極性に深く充電されると、セルの寿命に悪影響をおよぼすおそれがあり、また、セルの電圧のばらつきが極端になるつつある目安ともなるため、第３コンパレータ２３３にて逆方向充電Ｖｎｅｇを検出して、その検出信号を制御部２１０に与えて、なるべく早く初期化することを促す。このように、満充電電圧Ｖｆｕｌ，逆方向充電Ｖｎｅｇの２つの監視レベルで挟むことにより、すべてのキャパシタセルＣの健全な動作を保証することができる。
【００８２】
図８のグラフに示すように、初期化は充放電サイクルを繰り返す間に微少時間ずつ行うことが好ましく、これによれば、すべてのキャパシタセルＣの分担電圧をきれいに揃えることができる。
【００８３】
初期化をいつ開始するかについては、図７に示す電圧配分調整回路２２０から満充電信号を受信した際の電気二重層キャパシタの電圧値を電気二重層キャパシタの総電圧として設定された総電圧値と比較し、あらかじめ設定された差異を検出した場合に初期化を行うことが好ましい。
【００８４】
また、別の方法として、初期化された電気二重層キャパシタの満充電電圧値を記憶部に記憶しておき、図７に示す電圧配分調整回路２２０から満充電信号を受信した際の電気二重層キャパシタの電圧値を上記記憶された満充電電圧値と比較し、あらかじめ設定された差異を検出した場合には、各キャパシタセルＣの電圧がばらついてきたことを意味するため、初期化を行うことが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の電力変換装置は、電気自動車などの電動機駆動用に限られるものではなく、例えば無停電電源装置（ＵＰＳ）などの交流負荷を有する電源装置に広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明による電力変換装置の基本的な回路構成を示す模式図。
【図２】上記電力変換装置に含まれる整流器およびインバータの回路図。
【図３】本発明の動作説明用の負荷電力パターンを示すタイミングチャート。
【図４】本発明の動作説明用の負荷電力パターンを示すタイミングチャート。
【図５】本発明が備える初期化手段の回路構成を示すブロック図。
【図６】上記初期化手段に含まれる電圧分担調整回路の原理的な回路構成図。
【図７】上記電圧分担調整回路の実用的な回路構成図。
【図８】初期化を行う好ましいタイミングを示すタイミングチャート。
【図９】従来の電力変換装置の回路構成を示す模式図。
【図１０】上記従来の電力変換装置で用いられているチョッパの回路構成図。
【図１１】（ａ）上記従来の電力変換装置の力行運転時の電力の流れを示す説明図，（ｂ）回生運転時の電力の流れを示す説明図。
【符号の説明】
【００８７】
１１０  整流器
１２０  インバータ
１３０  電気二重層キャパシタ
１５０  制御部
１６０  運転指令装置
Ｐ  交流電源
Ｍ  交流負荷（電動機）
【図１】
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【図２】
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【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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