(57)【要約】【課題】比較的簡単な回路構成で且つ確実に且つ安全に均等充電を行うことが可能な電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置を提供する。【解決手段】単位電気２重層コンデンサをｍ個並列接続したものをｎ段直列接続したコンデンサバンク１と、交流電源に接続され、コンデンサバンク１の急速充放電を制御することができるエネルギー変換装置２と、コンデンサバンク１の各々の直列段に均等電圧を印加する均等充電補助装置３と、コンデンサバンク１の各々の直列段の電圧を検出する電圧検出手段５とを具備し、電圧検出手段５の検出値全てが所定値以下のときはエネルギー変換装置２によってコンデンサバンク１を充電し、前記電圧検出手段５の検出値のうちの少なくとも１つが所定電圧値を超えたとき、均等充電補助装置３によってコンデンサバンク１を充電する。【選択図】図１
2008061469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位電気２重層コンデンサをｍ（ｍは１以上の整数）個並列接続したものをｎ（ｎは２以上の整数）段直列接続したコンデンサバンクと、
交流電源に接続され、前記コンデンサバンクの急速充放電を制御することができるエネルギー変換装置と、
前記コンデンサバンクの各々の直列段に均等電圧を印加する均等充電補助装置と、
前記コンデンサバンクの各々の直列段の電圧を検出する電圧検出手段と
を具備し、
前記電圧検出手段の検出値全てが所定値以下のときは前記エネルギー変換装置によって前記コンデンサバンクを充電し、
前記電圧検出手段の検出値のうちの少なくとも１つが所定電圧値を超えたとき、前記均等充電補助装置によって前記コンデンサバンクを充電するようにしたことを特徴とする電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
前記コンデンサバンクが自然放電して前記電圧検出手段の検出値全てが所定値以下となったとき、前記均等充電補助装置によって前記コンデンサバンクを充電するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
前記均等充電補助装置は、
交流または直流入力を高周波交流出力に変換する高周波スイッチング電源と、
この高周波スイッチング電源の出力を１次巻線の入力とし、
少なくともｎ個の２次巻線を有する高周波トランスと、
前記各々の２次巻線の交流出力を整流する整流手段と
から成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置。
【請求項４】
前記電圧検出手段は、
前記各々のコンデンサの直列段に対応してシャントレギュレータを設け、
前記各々のシャントレギュレータのアノードとカソード間に電圧印加手段により前記所定電圧値を超える電圧を印加し、
前記各々の直列段のコンデンサ電圧を、前記各々の対応するシャントレギュレータのアノード端子とＲＥＦ端子間に加え、
このシャントレギュレータのカソード電流の変化を直接または間接的に検出して行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置。
【請求項５】
前記電圧印加手段は、
前記直列段のうち最も電圧の高い段においては、別に設けられた制御電源によって電圧を印加し、
その他の段においては、当該電圧を検出する段のコンデンサの負電極と当該電圧を検出する段よりひとつ電圧が高い段のコンデンサの正電極間の電圧を印加するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置。
【請求項６】
前記電圧検出手段は、
各々の前記シャントレギュレータのカソード電流をフォトカプラで受け、
各々の前記フォトカプラの２次出力を並列に接続して、ワイヤードＯＲ回路を形成して行うようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個の電気２重層コンデンサを直列接続したコンデンサバンクを備えた電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気２重層コンデンサ単体では、その容量が数μＦ、また定格電圧が２.５Ｖ程度と小容量・低電圧である。このためエネルギー貯蔵装置用等に数ｋＶＡ以上の容量を適用する場合、定格容量・定格電圧が同等な電気２重層コンデンサを多数並列・直列接続してコンデンサバンクを構築するようにしている。
【０００３】
一方、この電気２重層コンデンサは、その容量や内部インピーダンスの許容値が大きいため、コンデンサバンクを一括して充電を行うとき、あるいは急速大電流充電／放電を繰り返すと、コンデンサ個々間で充電電圧不均等が発生するという問題があった。
【０００４】
コンデンサ個々間で充電電圧が不均等になると、コンデンサバンク全体で満充電が出来ず、エネルギー貯蔵効率が低下する。コンデンサの貯蔵エネルギーは充電電圧の二乗に比例するため、極力コンデンサの充電電圧を均等に満充電させることが望ましい。また一部のコンデンサが定格電圧以上に充電されると、コンデンサの液漏れ・破損等、故障の原因にもなり、エネルギー貯蔵装置としての信頼性を低下させるという問題があった。
【０００５】
上記問題を解決するために、コンデンサバンクの直列段ごとに均等充電用の制御ユニットを設け、個々の直列段が所定の電圧となるように制御する提案が為されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２３５１７３号公報（第３−４頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示された手法は、コンデンサバンク全体が所定の電圧値になるまでは主充電回路で一括充電を行い、それ以降は、各直列段に設けられた補助充電制御回路によって各直列段の電圧が所望の値となるように直列段ごとに充電制御するようにしている。
【０００７】
しかしながら、この手法によれば、主充電回路から補助充電制御回路へ切替るタイミングを決める切替電圧をコンデンサバンク全体の電圧によって検出していたため、場合によっては、特定の直列段のコンデンサ電圧が過大になる恐れがあった。また補助充電制御回路が個別に充電制御を行うため、回路構成が複雑になるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、比較的簡単な回路構成で且つ安全に均等充電を行うことが可能な電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置は、単位電気２重層コンデンサをｍ（ｍは１以上の整数）個並列接続したものをｎ（ｎは２以上の整数）段直列接続したコンデンサバンクと、交流電源に接続され前記コンデンサバンクの急速充放電を制御することができるエネルギー変換装置と、前記コンデンサバンクの各々の直列段に均等電圧を印加する均等充電補助装置と、前記コンデンサバンクの各々の直列段の電圧を検出する電圧検出手段とを具備し、前記電圧検出手段の検出値全てが所定値以下のときは前記エネルギー変換装置によって前記コンデンサバンクを充電し、前記電圧検出手段の検出値のうちの少なくとも１つが所定電圧値を超えたとき、前記均等充電補助装置によって前記コンデンサバンクを充電するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、比較的簡単な回路構成で且つ安全に均等充電を行うことが可能な電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１２】
以下、本発明の実施例１に係る電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置を図１乃至図４を参照して説明する。図１は本発明の電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置のブロック構成図である。
【００１３】
コンデンサバンク１はｍ（ｍは１以上の整数）個並列で且つｎ（ｎは２以上の整数）段直列の電気２重層コンデンサ１１１、１１２、・・・１１ｍ、・・・１ｎｍから構成されている。そしてこのコンデンサバンク１の両端はエネルギー変換装置２の直流端子に接続され、エネルギー変換装置２の交流端子は交流系統に接続されている。コンデンサバンク１の充電時には交流系統の交流電力をエネルギー変換装置２によって直流に変換して定電流で充電し、コンデンサバンク１の放電時にはコンデンサバンク１に蓄えられた直流電力をエネルギー変換装置２によって交流に変換して交流系統に回生する。
【００１４】
コンデンサバンク１の各直列段には、直列段ごとに均等充電補償装置３の直流出力が夫々接続されている。均等充電補償装置３の入力は交流系統に接続されており、交流入力からの交流電力を上記各々の直流出力に変換している。
【００１５】
上記のエネルギー変換装置２の運転と均等充電補償装置３の運転は、充電切替制御装置４の出力によって自動的に切替られるようになっている。この切替動作を行うため、充電過電圧検出回路５がコンデンサバンク１の各直列段の各々の電圧を検出し、いずれかの直列段の電圧が所定電圧を超えたとき、充電過電圧検出回路５は充電切替制御装置４に切替指令を出力する。この切替指令に基づいて充電切替制御装置４はエネルギー変換装置２による一括充電運転から均等充電補償装置３による個別均等充電運転に切替える。
【００１６】
以上における充電動作を図２に示す充電時の動作フローチャートによって説明する。
【００１７】
まず、全体システムからの指令等によってコンデンサバンク６の充電を開始する（ＳＴ１）。そして、充電切替制御装置４はエネルギー変換装置２を選択し、エネルギー変換装置２による定電流充電運転が行われる（ＳＴ２）。この状態で、充電過電圧検出回路５はコンデンサバンク１の各直列段の各々の電圧を監視し、いずれかの直列段の電圧か所定電圧を超えたとき、充電過電圧検出回路５は充電切替制御装置４に切替指令を出力する（ＳＴ３）。
【００１８】
この切替指令に基づいて充電切替制御装置４はエネルギー変換装置２による一括充電運転から均等充電補償装置３による個別均等充電運転に切替えて個別均等充電が行われる（ＳＴ５）。そして、上記充電過電圧検出回路５の検出電圧の加算値が所定の定格電圧に到達したとき、満充電が完了する（ＳＴ６）。
【００１９】
上記において、コンデンサの充電電圧不均等発生バラツキが±５％の場合、上記充電過電圧検出回路５の所定電圧を電気２重層コンデンサの定格電圧の９０％と設定する。このようにすれば、充電過電圧を防止し、且つ全体の充電時間を最短にすることが可能となる。また、均等充電補償装置３の設備容量を最小化することも可能となる。
【００２０】
図３は均等充電補償装置の１例を示す回路構成図である。交流系統からの交流入力を高速スイッチング電源３１によって高周波の交流に変換して高周波トランス３２の１次巻線に供給する。高周波トランス３２はコンデンサバンク１の直列段数であるｎ個以上の絶縁された２次巻線を有しており、各々の２次巻線出力をダイオード３３によって整流してコンデンサバンク１の各々の直列段の電気２重層コンデンサに供給する。
【００２１】
この構成において、高周波トランス３２の２次巻線の出力電圧はダイオード３３の順電圧降下特性と、電気２重層コンデンサの定格充電電圧を考慮した出力電圧とする。均等充電補償装置３による均等充電開始時に充電電流が大きい場合は、ダイオード３３の順電圧降下が大きく、高周波トランス３２の２次巻線の出力電圧からダイオード３３の順電圧降下分を差し引いた電圧各電気２重層コンデンサに印加される。しかし満充電に達すると充電電流がほぼゼロアンペアとなり、従ってダイオード３３の順電圧降下がほぼゼロボルトとなり、コンデンサには定格充電電圧が印加される。このような作用によりエネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵効率を高めることができる。
【００２２】
図４は充電過電圧検出回路５の１例を示す回路構成図である。コンデンサバンク１の各々の直列段の電圧は、各々基準電圧設定器５１ａ、５１ｂ、・・・５１ｎで設定された所定の基準電圧と比較器５２ａ、５２ｂ、・・・、５２ｎによって比較され、各々の直列段の電圧がこの基準電圧より高いときに比較器５２ａ、５２ｂ、・・・、５２ｎは各々１を出力する。比較器５２ａ、５２ｂ、・・・、５２ｎの各々の出力はＯＲ回路５３に与えられているので、ＯＲ回路５３は何れかの直列段の電圧が所定値を超えると１を出力する。
【００２３】
以上の説明においてはエネルギー貯蔵装置においてコンデンサバンクを充電する場合について説明したが、充電後、前述した放電運転に移行する前に各電気２重層コンデンサの自然放電によってコンデンサバンクの電圧が低下することが考えられる。
【００２４】
上記の場合には、充電過電圧検出回路５による全ての直列段の検出電圧が所定電圧以下となったとき、充電切替制御装置４が均等充電補償装置３を作動させて、再び均等充電を行うようにすれば良い。
【実施例２】
【００２５】
以下本発明の実施例２に係る電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置を図５及び図６を参照して説明する。
【００２６】
図５は充電過電圧検出回路５に適用可能な実施例１とは異なる電圧検出方法を示す回路構成図である。電気２重層コンデンサ１ｎｍの正極は抵抗５４を介してシャントレギュレータ５５のＲＥＦ端子に接続され、電気２重層コンデンサ１ｎｍの負極はシャントレギュレータ５５のアノード端子に接続されている。そして、シャントレギュレータ５５のアノード端子とカソード端子間には、カソード側に直列接続された抵抗５６及びフォトカプラ５７を介して制御電圧Ｐ５が印加されている。
【００２７】
上記回路構成において、前述の基準電圧がシャントレギュレータ５５のＲＥＦ基準電圧となるようにシャントレギュレータ５５を選定し、制御電圧Ｐ５をこのＲＥＦ基準電圧を超える電圧に選定する。このようにすれば、電気２重層コンデンサ１ｎｍの電圧がシャントレギュレータ５５のＲＥＦ基準電圧を超えたとき、フォトカプラ５７を作動させることができる。シャントレギュレータの電圧検出特性は温度変動の影響を受けにくく、またカソード電流の影響を本質的に受けないので、図５に示した回路構成によれば、高精度の電圧検出を行うことが可能となる。
【００２８】
尚、上記において、抵抗５６はフォトカプラ５７の１次側電流及び２次側検出感度が適切となるようにその抵抗値を選定する。また、抵抗５４はシャントレギュレータ５５のＲＥＦ端子に流れ込む電流が適切となるようにその抵抗値を選定する。
【００２９】
図６は、図５に示した電圧検出方法を応用した充電過電圧検出回路５Ａの回路構成図である。電気２重層コンデンサ１ｎｍは直列段における最も電位の高い最上段に位置し、電気２重層コンデンサ１（ｎ−１）ｍはそのひとつ下の段に位置している。電気２重層コンデンサ１（ｎ−１）ｍより更に低い電圧となる段の電気２重層コンデンサの図示は省略している。
【００３０】
電気２重層コンデンサ１ｎｍの正極は抵抗５４ａを介してシャントレギュレータ５５ａのＲＥＦ端子に接続され、電気２重層コンデンサ１ｎｍの負極はシャントレギュレータ５５ａのアノード端子に接続されている。そして、シャントレギュレータ５５ａのアノード端子とカソード端子間には、カソード側に直列接続された抵抗５６ａ及びフォトカプラ５７aを介して制御電圧Ｐ５が印加されている。この最上段の構成は図５に示した回路構成と基本的に同一である。以下最上段より下段の回路構成について説明する。
【００３１】
電気２重層コンデンサ１（ｎ−１）ｍの正極は抵抗５４ｂを介してシャントレギュレータ５５ｂのＲＥＦ端子に接続され、電気２重層コンデンサ１ｎｍの負極はシャントレギュレータ５５ｂのアノード端子に接続されている。そして、シャントレギュレータ５５ｂのカソード端子は、直列接続された抵抗５６ｂ及びフォトカプラ５７ｂを介して電気２重層コンデンサ１ｎｍの正極に接続されている。
【００３２】
同様にして、電気２重層コンデンサ１（ｎ−１）ｍより１段下段の電気２重層コンデンサの正極は抵抗５４ｃを介してシャントレギュレータ５５ｃのＲＥＦ端子に接続され、図示しない負極はシャントレギュレータ５５ｃのアノード端子に接続されている。そして、シャントレギュレータ５５ｃのカソード端子は、直列接続された抵抗５６ｃ及びフォトカプラ５７ｃを介して電気２重層コンデンサ１（ｎ−１）ｍの正極に接続されている。
【００３３】
そしてフォトカプラ５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、・・・の出力は互いに並列に接続されて出力点を形成し、この出力点には抵抗５８を介して制御電圧Ｐ５ａが印加されている。
【００３４】
以上のように構成すれば、最上段の電気２重層コンデンサ１ｎｍ用の電圧検出のために別の制御電源Ｐ５が必要となるが、これ以外の電気２重層コンデンサの電圧検出用の電源は１段上位の電気２重層コンデンサの電圧を用いているため制御電源は不要となり、従って回路構成が簡略化される。
【００３５】
電気２重層コンデンサの内１個でも基準電圧を超えると、対応するシャントレギュレータのカソード極からアノード極へカソード電流が流れ、フォトカプラの２次側が導通となり、出力点である所謂ワイヤードＯＲ回路の電位がＨからＬへ変化する。このようにフォトカプラの２次出力を並列接続してワイヤードＯＲ回路を形成しているので、出力回路も簡略化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の電気２重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置のブロック構成図。
【図２】充電時の動作フローチャート。
【図３】均等充電補償装置の１例を示す回路構成図。
【図４】充電過電圧検出回路の１例を示す回路構成図。
【図５】充電過電圧検出回路に適用可能な電圧検出方法の１例を示す回路構成図。
【図６】本発明の実施例２における充電過電圧検出回路の回路構成図。
【符号の説明】
【００３７】
１  コンデンサバンク
１１１、１１ｍ、１ｎ１、１（ｎ−１）ｍ、１ｎｍ  電気２重層コンデンサ
２  エネルギー変換装置
３  均等充電補償装置
３１  高周波スイッチング電源
３２  高周波トランス
３３  ダイオード
４  充電切替制御装置
５  充電過電圧検出回路
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ  基準電圧設定器
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ  比較器
５３  ＯＲ回路
５４、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ  抵抗
５５、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ  シャントレギュレータ
５６、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ  抵抗
５７、５７ａ、５７ｂ、５７ｃ  フォトカプラ
【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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