(57)【要約】【課題】キャパシタ蓄電電源の利用可能な実エネルギー密度を高めると共に、負荷の運転開始時に所望の電圧まで効率よく充電し、キャパシタを無駄なく効率的に利用できるようにする。【解決手段】電源として使用されるキャパシタ蓄電電源１と、キャパシタ蓄電電源１に充電を行う充電手段３と、キャパシタ蓄電電源１から負荷５に放電を行う放電手段４と、負荷５に給電を指令する信号に応じて充電手段３及び放電手段４を制御する制御手段６とを備え、尖頭電圧と尖頭電圧より低い待機電圧とを設定し、負荷５に給電していない待機時にキャパシタ蓄電電源１を待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、負荷５に給電を指令する信号として給電を開始する信号を入力した時、キャパシタ蓄電電源１を尖頭電圧まで充電した後、負荷５に放電を行うように充電手段３及び放電手段４を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源として使用されるキャパシタ蓄電電源と、前記キャパシタ蓄電電源に充電を行う充電手段と、前記キャパシタ蓄電電源から負荷に放電を行う放電手段と、負荷に給電を指令する信号に応じて前記充電手段及び放電手段を制御する制御手段とを備えると共に、前記制御手段は、尖頭電圧と前記尖頭電圧より低い待機電圧とを設定し、前記負荷に給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源を前記待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、前記負荷に給電を指令する信号として前記負荷に給電を開始する信号を入力した時、前記キャパシタ蓄電電源を前記尖頭電圧まで充電した後、前記負荷に放電を行うように前記充電手段及び前記放電手段を制御することを特徴とするキャパシタ蓄電電源装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記負荷に給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源の充電状態に応じて前記充電手段及び前記放電手段を制御することを特徴とする請求項１記載のキャパシタ蓄電電源装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記キャパシタ蓄電電源を前記尖頭電圧まで充電した後、所定時間経過しても前記負荷に放電が行われないとき、前記キャパシタ蓄電電源から前記待機電圧まで放電するように前記放電手段を制御することを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ蓄電電源装置。
【請求項４】
電源として使用されるキャパシタ蓄電電源を充電し負荷に放電するキャパシタ蓄電電源の使用方法であって、尖頭電圧と前記尖頭電圧より低い待機電圧とを設定し、前記負荷に給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源を前記待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、前記負荷に給電を開始する時、前記キャパシタ蓄電電源を前記尖頭電圧まで充電した後、前記負荷に放電を行うことを特徴とするキャパシタ蓄電電源の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源として使用されるキャパシタ蓄電電源を充電し負荷に放電するキャパシタ蓄電電源装置及びキャパシタ蓄電電源の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、キャパシタの大容量化が実現し、動力用、電力用として用途が拡大している。例えばハイブリッド車両や電気車両の補助電源として、その他負荷起動時等に短時間に大電力を供給するために用いる補助電源としてキャパシタ蓄電電源が用いられる。その１つとして、例えばキャパシタを駅間の力行走行に必要な蓄電容量のキャパシタと二次電池を併用しき電線を介さないで所定の走行特性に従って走行できるようにした電気車両のハイブリッド蓄電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３９６０５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記電気車両のハイブリッド蓄電装置は、例えば駅間走行に要する電力を電圧ＤＣ６１５Ｖで、その５０％まで低下する状態で蓄電可能な容量とするキャパシタ蓄電電源を用いるものとされている。このようにキャパシタ蓄電電源の利用において、動力用、電力用として大容量化を進めようとすると、負荷の運転開始までの充電効率を高め、小型、軽量化をしながらエネルギー蓄積密度、利用効率を高めることがさらに求められる。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するものであって、キャパシタ蓄電電源の利用可能な実エネルギー密度を高めると共に、負荷の運転開始時に所望の電圧まで効率よく充電し、キャパシタを無駄なく効率的に利用できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そのために本発明は、電源として使用されるキャパシタ蓄電電源と、前記キャパシタ蓄電電源に充電を行う充電手段と、前記キャパシタ蓄電電源から負荷に放電を行う放電手段と、負荷に給電を指令する信号に応じて前記充電手段及び放電手段を制御する制御手段とを備えると共に、前記制御手段は、尖頭電圧と前記尖頭電圧より低い待機電圧とを設定し、前記負荷に給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源を前記待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、前記負荷に給電を指令する信号として前記負荷に給電を開始する信号を入力した時、前記キャパシタ蓄電電源を前記尖頭電圧まで充電した後、前記負荷に放電を行うように前記充電手段及び前記放電手段を制御することを特徴とする。
【０００６】
前記制御手段は、前記負荷に給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源の充電状態に応じて前記充電手段及び前記放電手段を制御することを特徴とし、前記キャパシタ蓄電電源を前記尖頭電圧まで充電した後、所定時間経過しても前記負荷に放電が行われないとき、前記キャパシタ蓄電電源から前記待機電圧まで放電するように前記放電手段を制御することを特徴とする。
【０００７】
また、電源として使用されるキャパシタ蓄電電源を充電し負荷に放電するキャパシタ蓄電電源の使用方法であって、尖頭電圧と前記尖頭電圧より低い待機電圧とを設定し、前記負荷に給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源を前記待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、前記負荷に給電を開始する時、前記キャパシタ蓄電電源を前記尖頭電圧まで充電した後、前記負荷に放電を行うことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係るキャパシタ蓄電電源装置の実施の形態を説明する図、図２は本発明に係るキャパシタ蓄電電源の使用方法の実施の形態を説明する図である。図中、１はキャパシタ蓄電電源、２は充電源、３は充電回路、４は放電回路、５は負荷、６は制御回路、Ｃはキャパシタを示す。
【０００９】
図１において、キャパシタ蓄電電源１は、複数個のキャパシタを直並列に接続することによって、負荷５の要求に応じた定格容量の構成とし、充電して蓄電し負荷５に給電するものである。また、キャパシタ蓄電電源１は、例えば電気二重層キャパシタ、ナノゲートキャパシタなどを用いて構成するものであり、短時間の大電流放電、大電力の供給を可能にするものである。充電回路３は、充電源２或いは負荷５の回生電力を電源として、これらの電源からキャパシタ蓄電電源１を充電する回路であり、放電回路４は、負荷５に対する給電要求に応じてキャパシタ蓄電電源１から蓄電された電力を放電するものである。
【００１０】
制御回路６は、負荷５の運転開始や給電要求の指令信号を入力して充電回路３、放電回路４を制御することにより、キャパシタ蓄電電源１の充放電を制御するものである。そのためにまた制御回路６は、キャパシタ蓄電電源１、負荷５の構成、要求される制御の内容によって、適宜キャパシタ蓄電電源１の充放電電流、充電電圧、温度などの検出信号、負荷５の端子電圧、負荷電流（放電電流、回生電流）などの検出信号、その他充電回路３、放電回路４の制御に必要な検出信号を入力する。そして、制御回路６においては、尖頭電圧Ｖcpとそれより低い待機電圧Ｖchとを設定して、負荷５に給電を開始する前後でキャパシタ蓄電電源１の充放電を制御している。
【００１１】
すなわち、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖc は、負荷５が運転停止、運転待機、運転休止等により給電を要求していない時、図２に示すように待機電圧Ｖch以下の電圧の充電状態に維持される。この状態は、待機電圧Ｖch或いはそれ以下の電圧を設定電圧として、負荷５が給電を要求していない時、充電回路３を通して充電源２からキャパシタ蓄電電源１を充電されることにより維持される。その後は、自己放電により充電電圧の低下があっても充電を停止したまま放置してもよいし、充電回路３を通して充電源２からフロートモードでキャパシタ蓄電電源１を充電して設定電圧に維持するように制御回路６が充電回路３を制御してもよい。
【００１２】
制御回路６は、図２に示すように時点ｔhrで指令信号として負荷５に給電を開始する指令信号を入力すると、まず、充電回路３を通して充電源２からキャパシタ蓄電電源１を尖頭電圧Ｖcpまで充電する。そして、キャパシタ蓄電電源１が尖頭電圧Ｖcpまで充電された時点ｔosから所望の運転要求、給電要求に基づきキャパシタ蓄電電源１から放電回路４を通して負荷５に放電を開始する。このように本実施形態では、キャパシタ蓄電電源１に対し、所謂負荷５が運転を開始するまでは、準備状態として、充電電圧Ｖc を一定の水準の待機電圧Ｖch以下に保持して待機し、尖頭電圧Ｖcpをスイングバック定格として負荷５の運転開始時に充電電圧Ｖc を尖頭電圧Ｖcpまで急速充電してから負荷５に放電を開始し給電を行う。
【００１３】
このことにより、キャパシタ蓄電電源１が最大出力時の尖頭電圧Ｖcpに充電されたまま長時間保持されることがなくなる。つまり、負荷５が起動するまでの長時間放置される準備状態では、尖頭電圧Ｖcpより低い待機電圧Ｖch以下でキャパシタ蓄電電源１の充電電圧を保持する。したがって、キャパシタ蓄電電源１が準備状態で高い充電電圧に放置されることにより性能劣化が進むのを防ぐことができる。しかも、負荷５に給電を開始する時には、完全な放電状態ではなく、待機電圧Ｖchの近傍から急速充電するので、起動時間を短縮することができる。また、尖頭電圧Ｖcpまで充電電圧を高めることにより、待機電圧Ｖchに比べ蓄電量を大幅に増大させることができ、構成するキャパシタの使用数量を減らすことができる。そのことは、より蓄電密度を高め電源の小型、軽量、コンパクト化を図ることができ、キャパシタ蓄電電源１の利用効率の大幅な向上を図ることができる。
【００１４】
図３は負荷の給電開始の監視を行う制御回路の処理の例を説明する図、図４は負荷の給電停止の監視を行う制御回路の処理の例を説明する図である。本実施形態における制御回路６で行う給電開始の監視処理は、図３に示すように例えば負荷５に給電を行う指令信号により負荷の給電開始を監視する（ステップＳ１１）。負荷に給電を行う指令信号がオンになると、充電回路３を制御して充電源２からキャパシタ蓄電電源１に充電を開始する（ステップＳ１２）。そして、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖc を読み込み（ステップＳ１３）、充電電圧Ｖc が尖頭電圧Ｖcpに達したか否かを判定する（ステップＳ１４）。充電電圧Ｖc が尖頭電圧Ｖcpに達すると充電回路３を制御して充電を停止し（ステップＳ１５）、放電回路４を制御して負荷５への放電を開始する（ステップＳ１６）。
【００１５】
負荷５に給電を行う指令信号は、自動車やバス、電車、物品搬送車、複写機、工作・加工機械、昇降機、クレーンその他の重機など、負荷５が何か、その制御システムがどのようなものかにより様々である。したがって、負荷５に給電を行う指令信号によっては、起動準備の指令があって、その後、実際に給電を開始する起動の指令があるものもある。このような場合、尖頭電圧Ｖcpに達するまで充電をすると、時間をカウントして実際に給電を開始するまでが長時間に及ぶときは放電をして待機電圧Ｖchまで戻しておく。すなわち、実際に給電を開始する時間をカウントし、所定時間経過しても給電が開始されないとき、制御回路６は、放電回路４を制御してキャパシタ蓄電電源１を待機電圧Ｖchまで放電する。このことにより、キャパシタ蓄電電源が尖頭電圧Ｖcpに長時間放置されることによる無用な劣化を防止する。
【００１６】
また、実際に給電を開始した後、制御回路６で行う給電停止の監視処理は、図４に示すように例えば負荷に給電を行う指令信号により負荷の給電停止を監視する（ステップＳ２１）。負荷に給電を行う指令信号がオフになると、充電電圧Ｖc を読み込み（ステップＳ２２）、充電電圧Ｖc と待機電圧Ｖchと比較し大小を判定する（ステップＳ２３）。充電電圧Ｖc が待機電圧Ｖchより小さい場合には、充電回路３を制御して充電源２からキャパシタ蓄電電源１に充電を開始する（ステップＳ２４）。次に、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖc を読み込み（ステップＳ２５）、充電電圧Ｖc が待機電圧Ｖchと一致したか否かを判定する（ステップＳ２６）。充電電圧Ｖc が待機電圧Ｖchに一致すると充電回路３を制御して充電を停止する（ステップＳ２７）。
【００１７】
ステップＳ２３の判定処理で、充電電圧Ｖc が待機電圧Ｖchより大きい場合には、放電回路４を制御してキャパシタ蓄電電源１から放電を開始する（ステップＳ２８）。次に、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖc を読み込み（ステップＳ２９）、充電電圧Ｖc が待機電圧Ｖchと一致したか否かを判定する（ステップＳ３０）。充電電圧Ｖc が待機電圧Ｖchに一致すると放電回路４を制御して放電を停止する（ステップＳ３１）。
【００１８】
さらに、本実施形態について具体的な事例に基づき説明する。まず、キャパシタ蓄電電源の一般的な設計仕様、特性について説明する。図５はキャパシタ設計仕様データの構成例を示す図、図６は電圧と劣化特性との関係を説明する図である。
【００１９】
キャパシタ設計仕様データは、例えば図５に示すモジュール電圧ｖM 、セル直列数ＮS 、モジュール静電容量ＣM 、モジュール内部抵抗ｒM 、モジュール直列数ＮMS、並列数ＮMP、バンク電圧ｖB （満充電時の電圧ｖBf）、バンク静電容量ＣB 、バンク内部抵抗ｒB 、モジュール数ＮM 等の定格仕様を含む、所謂キャパシタ蓄電電源の設計仕様データである。モジュールは、所定数のセルを直列接続したキャパシタ蓄電電源の基本構成単位であり、バンクは、複数個のモジュールを直列接続し、さらにそれらを並列接続してキャパシタ蓄電電源を構成するものである。
【００２０】
例えば２．５（Ｖ）のセルを２０個直列接続してモジュール電圧ｖM が５０（Ｖ）のモジュールが構成される。このモジュールを基本構成単位とすると、負荷の使用（開始）電圧ｖL が６５０（Ｖ）である場合には、１３個のモジュールを直列接続するものとして並列数１のバンクが選択、設定される。つまり、モジュール直列数ＮMSが１３、満充電時のバンク電圧（ｖBf）が６５０（Ｖ）のバンク構成にすることで、バンク静電容量ＣB はＣM ／１３、バンク内部抵抗ｒB は１３×ｒM により求められる。並列数ＮMPが１から２にになれば、それに応じて新たなバンク静電容量ＣB が２倍、バンク内部抵抗ｒB が２分の１、モジュール数ＮM が２倍になる。このようにバンクに関する定格仕様の値は、バンク電圧が決まると共に他の値も決まる。
【００２１】
キャパシタの容量Ｃを少しでも大きく、利用できる蓄電量ｗ（＝ＣＶ2 ／２）を多く、自己放電を最小にすることが求められている。しかし、これらはキャパシタに本質的なものとして、その性能向上を待つほかにないとのいうのが通常の認識である。キャパシタは、静電容量Ｃが使用により当初の１００％から経時的に何％の劣化があるか、その劣化度Ｄを指標にすると、劣化度Ｄは、図６に示すように時間ｔの平方根√ｔに比例する。しかも、その劣化の程度は、電圧Ｖch、Ｖcp（＞Ｖch）によって変化し、同じ劣化度Ｄの劣化に要する時間ｔは電圧差ΔＶに比例して電圧が低くなるほど長くなる（例えば、特許第３９６９７３６号公報参照）。
【００２２】
キャパシタの電圧Ｖchにおける劣化度ＤVhは時間ｔVhの平方根に比例することから、劣化係数αVhは、
〔数１〕
αVh＝ＤVh／√ｔVh
により求められる。ここで、劣化係数αVhは、電圧Ｖchにおいて劣化度ＤVhの劣化に時間ｔVhを要するという係数になる。いま、劣化度Ｄr を固定値に設定すると、それぞれの電圧Ｖs 、Ｖr においてその劣化度Ｄr の劣化に要する時間ｔVsr 、ｔVrr より電圧Ｖx に関する値が求められる。すなわち、同じ劣化度の劣化に要する時間は電圧差の関数になることから、電圧Ｖx における劣化度Ｄr の劣化に要する時間ｔVxr は、
〔数２〕
ｔVxr ＝λVr(Vr-Vx)/Vint×ｔVrr 
ここで、λVr＝ｔVsr ／ｔVrr ：劣化時間の倍率
Ｖint ＝Ｖr −Ｖs ：電圧差
となる。その結果、電圧Ｖx における劣化係数αVxは、
〔数３〕
αVx＝Ｄr ／√ｔVxr 
により求められる。
【００２３】
従来のキャパシタ蓄電電源は、負荷の使用（開始）電圧ｖL に対応する満充電時のバンク電圧（ｖBf）のバンク構成が選定される。この満充電時のバンク電圧（ｖBf）は、その充電状態で所定の劣化度、例えば８０％の劣化に要する時間以上の寿命を有する、つまりフロート定格電圧である。尖頭電圧Ｖcpは、負荷の使用（開始）電圧ｖL に相当するので、従来のキャパシタ蓄電電源では、満充電時のバンク電圧（ｖBf）が尖頭電圧Ｖcpとなるキャパシタ蓄電電源が選定される。しかし、本実施形態では、待機電圧Ｖchを設定して放電開始直前に尖頭電圧Ｖcpまでスイングバック充電することにより、満充電時のバンク電圧（ｖBf）が待機電圧Ｖchとなるキャパシタ蓄電電源を選定することができる。それは、尖頭電圧Ｖcpの充電状態が短時間となるため、その間の充電状態によるキャパシタ蓄電電源の性能劣化、影響を低く抑えることができるからである。
【００２４】
本実施形態において、設計仕様である満充電時のバンク電圧（ｖBf）を待機電圧Ｖchとして、尖頭電圧Ｖcpまでスイングバック充電する場合、尖頭電圧Ｖcpの劣化特性は、図６により説明した電圧と劣化特性との関係には当てはまらない。それは、図６に示す特性は、その電圧の充電状態が維持されたフロートモードにおける劣化であり、すぐ放電される一時的な電圧の充電状態に対する特性ではないからである。本実施形態のスイングバック充電される、所謂スイングバック定格電圧としての尖頭電圧Ｖcpは、例えば次のようにして選定される。
【００２５】
尖頭電圧Ｖcpを選定するための試験では、サイクルモード寿命試験により、例えば負荷５の運転インターバルに相当する所定の繰り返し周期でキャパシタ蓄電電源の充電電圧をパルス状に急速充放電したとき、性能劣化が所定の範囲内となる電圧を求める。このパルス状の急速充放電試験を待機電圧Ｖchから徐々に電圧を上げながら繰り返し行うと、性能劣化の進行が大きくなる電圧を見出すことができる。この変化点となる電圧以下の電圧を尖頭電圧Ｖcpとして選定することができる。これは、キャパシタ内の不純物が電気分解により蓄積して劣化を始める電圧に相当し、キャパシタに依存する値である。例えば２．７Ｖのフロート定格電圧の電気二重層キャパシタでは、２．７Ｖの待機電圧Ｖchに対して３Ｖ程度を尖頭電圧Ｖcpとすることができる。これに対し、２．９Ｖのフロート定格電圧のナノゲートキャパシタでは、２．９Ｖの待機電圧Ｖchに対して３．７Ｖ程度を尖頭電圧Ｖcpとすることができる。勿論これ以下の電圧で待機電圧Ｖchより高い電圧であれば本実施形態の発明の効果は得られる。
【００２６】
図７はキャパシタの充放電特性と電圧との関係を説明する図である。キャパシタは、充電電圧を高電圧まで上げることにより静電容量に増す傾向が観られる。それは、例えば図７に示すように待機電圧Ｖchから電圧０Ｖまでの放電時間ΔｔとΔｔ′（＞Δｔ）に差によって観察できる。図７に示す充放電特性は、キャパシタを待機電圧Ｖchまで定電流充電し、緩和充電（フロートモード）の後、定電流放電をした特性と同様に尖頭電圧Ｖcpまで定電流充電したときのものである。
【００２７】
また、エネルギー密度を試算すると、２．９Ｖの待機電圧Ｖch、つまり満充電時のバンク電圧（ｖBf）を３．７Ｖまでスイングバック充電して蓄電すると、約１．３倍に電圧を上げることによりエネルギー密度を１．６倍まで上げることができる。充電時間では、０Ｖから３．７Ｖまでの定電流による標準充電時間を６０秒とすると、２．９Ｖから３．７Ｖまでの充電時間は約１３秒になり、大幅な充電時間の短縮となる。
【００２８】
このように本実施形態では、使用の直前に充電し直ちに放電するので、比較的高電圧まで上げてもキャパシタの寿命への影響を少なくして実効蓄電出力を増大させることができる。また、高電圧まで充電すれば、キャパシタの漏れ電流による自己放電が増大するのは当然であるが、待機時は尖頭電圧Ｖcpより低い待機電圧Ｖchにとどめるので、自己放電をむしろ減少させることができる。しかも、自己放電により減少した電荷は使用の直前にスイングバック充電により埋め戻されるで、実質的に自己放電の影響は無視できる。したがって、小型、コンパクトにして大容量化したキャパシタ蓄電電源が実現でき、必要以上の設計仕様の容量に選定することによる無駄をなくすことができる。
【００２９】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、電気二重層キャパシタ、ナノゲートキャパシタを具体的な数値で示したが、設計仕様の異なる各種のキャパシタにも同様に適用できることは勿論である。また、待機電圧Ｖchは、満充電時のバンク電圧（ｖBf）に相当する電圧として説明したが、公称定格電圧や最高充電電圧、使用電圧などに相当する電圧或いはそれ以下の電圧とし、尖頭電圧Ｖcpは、それより高い電圧として性能劣化が著しくならない電圧を適宜選定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るキャパシタ蓄電電源装置の実施の形態を説明する図。
【図２】本発明に係るキャパシタ蓄電電源の使用方法の実施の形態を説明する図。
【図３】負荷の給電開始の監視を行う制御回路の処理の例を説明する図。
【図４】負荷の給電停止の監視を行う制御回路の処理の例を説明する図。
【図５】キャパシタ設計仕様データの構成例を示す図。
【図６】電圧と劣化特性との関係を説明する図。
【図７】キャパシタの充放電特性と電圧との関係を説明する図。
【符号の説明】
【００３１】
１…キャパシタ蓄電電源、２…充電源、３…充電回路、４…放電回路、５…負荷、６…制御回路、Ｃ…キャパシタ
【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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