JP3306326B2 - コンデンサ電力貯蔵装置 - Google Patents
コンデンサ電力貯蔵装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、コンデンサに電力
を貯蔵し放電に伴い低下する電圧を一定の定格電圧に変
換して供給するコンデンサ電力貯蔵装置に関する。
を貯蔵し放電に伴い低下する電圧を一定の定格電圧に変
換して供給するコンデンサ電力貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】図７は
ＥＣＳの標準的な構成例を示す図、図８はＥＣＳ電流ポ
ンプの昇圧、降圧動作領域を示す図である。これまで電
力貯蔵に用いられてきた化学電池は定電圧デバイスであ
り、正常な動作範囲では充電の多寡にかかわらずほぼ一
定の電圧を供給することができる。それに対してコンデ
ンサは、放電に伴い端子電圧が満充電時の値からゼロま
で大幅に変化するので、その変化の範囲を抑えて利用し
ようとすれば貯蔵可能な電力量は減少することになる。
ＥＣＳの標準的な構成例を示す図、図８はＥＣＳ電流ポ
ンプの昇圧、降圧動作領域を示す図である。これまで電
力貯蔵に用いられてきた化学電池は定電圧デバイスであ
り、正常な動作範囲では充電の多寡にかかわらずほぼ一
定の電圧を供給することができる。それに対してコンデ
ンサは、放電に伴い端子電圧が満充電時の値からゼロま
で大幅に変化するので、その変化の範囲を抑えて利用し
ようとすれば貯蔵可能な電力量は減少することになる。
【０００３】電気自動車の電源装置や大規模な電力貯蔵
装置として、電気二重層コンデンサを使用したＥＣＳ(E
nergy Capacitor System) による電力貯蔵装置が注目さ
れている。電気二重層コンデンサは、充電に時間がかか
る化学電池と比較して、他のコンデンサと同様に物理的
な充電により急速充電が可能であるだけでなく、大量の
エネルギーが貯蔵できるという大きなメリットがある。
しかし、上記のように電力の貯蔵量を多くしてそれを有
効に利用しようとすると、Ｑ＝ＣＶ2 ／２の関係に基づ
いて端子電圧が大きく変動するため、負荷に安定した定
格電圧を供給するにはＥＣＳで大幅な出力電圧の調整が
必要になる。
装置として、電気二重層コンデンサを使用したＥＣＳ(E
nergy Capacitor System) による電力貯蔵装置が注目さ
れている。電気二重層コンデンサは、充電に時間がかか
る化学電池と比較して、他のコンデンサと同様に物理的
な充電により急速充電が可能であるだけでなく、大量の
エネルギーが貯蔵できるという大きなメリットがある。
しかし、上記のように電力の貯蔵量を多くしてそれを有
効に利用しようとすると、Ｑ＝ＣＶ2 ／２の関係に基づ
いて端子電圧が大きく変動するため、負荷に安定した定
格電圧を供給するにはＥＣＳで大幅な出力電圧の調整が
必要になる。
【０００４】ＥＣＳによる電力貯蔵装置では、図７に示
すように電力を蓄えた電気二重層コンデンサから、電流
ポンプと呼ばれるスイッチング方式のＤＣ／ＤＣコンバ
ータで電力を取り出し、一定電圧にして負荷に供給して
いる。このときに使用する電流ポンプは、降圧チョッ
パ、昇圧チョッパ、その他のＤＣ／ＤＣコンバータでよ
いが、効率が高いことが必須条件であるため、トランス
を使ったタイプは有利ではない。
すように電力を蓄えた電気二重層コンデンサから、電流
ポンプと呼ばれるスイッチング方式のＤＣ／ＤＣコンバ
ータで電力を取り出し、一定電圧にして負荷に供給して
いる。このときに使用する電流ポンプは、降圧チョッ
パ、昇圧チョッパ、その他のＤＣ／ＤＣコンバータでよ
いが、効率が高いことが必須条件であるため、トランス
を使ったタイプは有利ではない。
【０００５】いま、ＥＣＳによる電力貯蔵装置におい
て、コンデンサの電圧を満充電時の１／４の電圧まで利
用しようとすれば、電力では１５／１６＝９３，７５％
を使用することになる。それを実現する場合、昇圧コン
バータでは、出力電圧Ｖｏを満充電時の電圧Ｖｏ* ４と
等しく選び、図８のｕｐに示すようにコンバータで昇圧
して出力が常にＶｏ* ４になるよう制御すればよい。こ
のとき、昇圧コンバータの動作範囲は１から４倍までの
昇圧となる。また、降圧コンバータでは、出力電圧Ｖｏ
を満充電時の１／４の電圧Ｖｏ* １と等しく選び、図８
のｄｏｗｎに示すようにコンバータで放電開始時は１／
４に降圧し、放電に伴って降圧比を減らして出力が常に
Ｖｏ* １になるよう制御すれば、コンデンサの電圧がは
じめの１／４になるまで定格電圧を供給できる。したが
って、このときの降圧コンバータの動作範囲は１／４か
ら１までの降圧となる。
て、コンデンサの電圧を満充電時の１／４の電圧まで利
用しようとすれば、電力では１５／１６＝９３，７５％
を使用することになる。それを実現する場合、昇圧コン
バータでは、出力電圧Ｖｏを満充電時の電圧Ｖｏ* ４と
等しく選び、図８のｕｐに示すようにコンバータで昇圧
して出力が常にＶｏ* ４になるよう制御すればよい。こ
のとき、昇圧コンバータの動作範囲は１から４倍までの
昇圧となる。また、降圧コンバータでは、出力電圧Ｖｏ
を満充電時の１／４の電圧Ｖｏ* １と等しく選び、図８
のｄｏｗｎに示すようにコンバータで放電開始時は１／
４に降圧し、放電に伴って降圧比を減らして出力が常に
Ｖｏ* １になるよう制御すれば、コンデンサの電圧がは
じめの１／４になるまで定格電圧を供給できる。したが
って、このときの降圧コンバータの動作範囲は１／４か
ら１までの降圧となる。
【０００６】上記のようにＥＣＳでは、利用するコンデ
ンサの電圧範囲を広くとって、貯蔵できる電力量を増や
したのであるから、コンデンサの端子電圧が大幅に変化
するのは本質的な現象である。しかし、用途によって従
来の二次電池との対比で、ＥＣＳにとって大幅に電圧が
変化するのは不都合な場合が生じる。
ンサの電圧範囲を広くとって、貯蔵できる電力量を増や
したのであるから、コンデンサの端子電圧が大幅に変化
するのは本質的な現象である。しかし、用途によって従
来の二次電池との対比で、ＥＣＳにとって大幅に電圧が
変化するのは不都合な場合が生じる。
【０００７】一例として電気自動車では、感電事故を避
けるため、なるべく低電圧で使おうという要求がある
が、電力が一定だけ必要なところに電圧を低くすれば、
電流が増し電線や機器が禁止的に巨大になってしまう。
たとえば二次電池で３００Ｖを定格電圧とする電気自動
車を上記の電圧範囲で利用するコンデンサ電源に変えよ
うとすると、その４倍の１２００Ｖを満充電にするコン
デンサと１／４の降圧チョッパを積むことになり、安全
上のコストがかさむ恐れがある。他方３００Ｖを満充電
にする場合には、４倍の昇圧チョッパを使用するか、逆
に降圧チョッパを使用して出力電圧を７５Ｖに下げるこ
とが必要になる。
けるため、なるべく低電圧で使おうという要求がある
が、電力が一定だけ必要なところに電圧を低くすれば、
電流が増し電線や機器が禁止的に巨大になってしまう。
たとえば二次電池で３００Ｖを定格電圧とする電気自動
車を上記の電圧範囲で利用するコンデンサ電源に変えよ
うとすると、その４倍の１２００Ｖを満充電にするコン
デンサと１／４の降圧チョッパを積むことになり、安全
上のコストがかさむ恐れがある。他方３００Ｖを満充電
にする場合には、４倍の昇圧チョッパを使用するか、逆
に降圧チョッパを使用して出力電圧を７５Ｖに下げるこ
とが必要になる。
【０００８】別の例として電力貯蔵について考えると、
４０００Ｖで電力貯蔵を行う場合、、降圧型ではコンデ
ンサの最大電圧が４倍の１６０００Ｖになり、部品や絶
縁もともかくだが、スイッチング半導体素子に対応でき
るものを用意できるかどうか困難が生じる。昇圧型にし
ても、４倍も昇圧するには効率が低下するだけでなく、
昇圧用チョークコイルの製造も難しくなる。
４０００Ｖで電力貯蔵を行う場合、、降圧型ではコンデ
ンサの最大電圧が４倍の１６０００Ｖになり、部品や絶
縁もともかくだが、スイッチング半導体素子に対応でき
るものを用意できるかどうか困難が生じる。昇圧型にし
ても、４倍も昇圧するには効率が低下するだけでなく、
昇圧用チョークコイルの製造も難しくなる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、コンデンサバンクの電力貯蔵及び
その利用を高効率で実現するものである。
決するものであって、コンデンサバンクの電力貯蔵及び
その利用を高効率で実現するものである。
【００１０】そのために本発明は、コンデンサに電力を
貯蔵し放電に伴い低下する電圧を一定の定格電圧に変換
して供給するコンデンサ電力貯蔵装置において、電力を
貯蔵するための複数のコンデンサバンクからなる電力貯
蔵部と、前記電力貯蔵部の満充電時の電圧と該電圧の１
／２との中間の電圧を定格電圧に設定し、前記電力貯蔵
部の出力電圧が定格電圧より高いとき定格電圧まで降圧
する降圧回路と前記電力貯蔵部の出力電圧が定格電圧よ
り低いとき定格電圧まで昇圧する昇圧回路からなり前記
電力貯蔵部の出力電圧を調整する電圧調整部とを備え、
前記電力貯蔵部からの放電に伴う出力電圧の変動に応じ
て、前記電圧調整部により降圧／昇圧の切り換えを行い
定格電圧に調整するように構成したことを特徴とするも
のである。
貯蔵し放電に伴い低下する電圧を一定の定格電圧に変換
して供給するコンデンサ電力貯蔵装置において、電力を
貯蔵するための複数のコンデンサバンクからなる電力貯
蔵部と、前記電力貯蔵部の満充電時の電圧と該電圧の１
／２との中間の電圧を定格電圧に設定し、前記電力貯蔵
部の出力電圧が定格電圧より高いとき定格電圧まで降圧
する降圧回路と前記電力貯蔵部の出力電圧が定格電圧よ
り低いとき定格電圧まで昇圧する昇圧回路からなり前記
電力貯蔵部の出力電圧を調整する電圧調整部とを備え、
前記電力貯蔵部からの放電に伴う出力電圧の変動に応じ
て、前記電圧調整部により降圧／昇圧の切り換えを行い
定格電圧に調整するように構成したことを特徴とするも
のである。
【００１１】また、前記電圧調整部は、第１のチョッパ
用スイッチング素子とチョークコイルと第１の単方向整
流素子とを給電ラインに直列に挿入接続すると共に、前
記第１のチョッパ用スイッチング素子とチョークコイル
との直列接続点に第２の単方向整流素子を接続して降圧
チョッパ回路を構成し、前記チョークコイルと第１の単
方向整流素子との直列接続点に第２のチョッパ用スイッ
チング素子を接続して昇圧チョッパ回路を構成し、ある
いは降圧回路及び昇圧回路を交直変換回路で構成したこ
とを特徴とし、前記電力貯蔵部は、複数個のコンデンサ
を直並列に接続した２つのコンデンサバンクと、該２つ
のコンデンサバンクをその電圧が満充電時の１／２を越
えていることを条件に並列接続し、満充電時の１／２以
下に低下したことを条件に直列接続に切り替え接続する
切り替え手段とを有することを特徴とするものである。
用スイッチング素子とチョークコイルと第１の単方向整
流素子とを給電ラインに直列に挿入接続すると共に、前
記第１のチョッパ用スイッチング素子とチョークコイル
との直列接続点に第２の単方向整流素子を接続して降圧
チョッパ回路を構成し、前記チョークコイルと第１の単
方向整流素子との直列接続点に第２のチョッパ用スイッ
チング素子を接続して昇圧チョッパ回路を構成し、ある
いは降圧回路及び昇圧回路を交直変換回路で構成したこ
とを特徴とし、前記電力貯蔵部は、複数個のコンデンサ
を直並列に接続した２つのコンデンサバンクと、該２つ
のコンデンサバンクをその電圧が満充電時の１／２を越
えていることを条件に並列接続し、満充電時の１／２以
下に低下したことを条件に直列接続に切り替え接続する
切り替え手段とを有することを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】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は本発明に係る直並列接続
切替型コンデンサ電力貯蔵装置の実施の形態を示す図、
図２は動作範囲を説明するための図である。図中、１は
降圧チョッパ回路、２は昇圧チョッパ回路、３は直並列
切替回路、４は比較器、５は降圧チョッパ制御回路、６
は昇圧チョッパ制御回路、７はインバータ、８は誤差増
幅器、Ｃ1 、Ｃ2 はコンデンサバンク、Ｄ1 、Ｄ2 、Ｄ
D 、ＤU は単方向整流素子、ＣＨD 、ＣＨU はチョッパ
用スイッチング素子、Ｌはチョークコイル、Ｓ1 は切り
替えスイッチ、ＶrI、ＶrOは基準電圧を示す。
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る直並列接続
切替型コンデンサ電力貯蔵装置の実施の形態を示す図、
図２は動作範囲を説明するための図である。図中、１は
降圧チョッパ回路、２は昇圧チョッパ回路、３は直並列
切替回路、４は比較器、５は降圧チョッパ制御回路、６
は昇圧チョッパ制御回路、７はインバータ、８は誤差増
幅器、Ｃ1 、Ｃ2 はコンデンサバンク、Ｄ1 、Ｄ2 、Ｄ
D 、ＤU は単方向整流素子、ＣＨD 、ＣＨU はチョッパ
用スイッチング素子、Ｌはチョークコイル、Ｓ1 は切り
替えスイッチ、ＶrI、ＶrOは基準電圧を示す。
【００１３】図１（Ａ）において、コンデンサバンクＣ
1 、Ｃ2 は、それぞれ電力貯蔵用として複数個の例えば
並列モニタを有する電気二重層コンデンサを直並列に接
続してなり、直列接続した単方向整流素子Ｄ1 、Ｄ
2 と、これらの直並列の接続切り替えを行う切り替えス
イッチＳ1 により電力貯蔵部を構成するものである。直
並列切替回路３は、この電力貯蔵部の端子電圧を基準電
圧ＶrIと比較して切り替えスイッチＳ1 をオン／オフ制
御することにより、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 の並列
接続と直列接続との切り替えを行うものであり、基準電
圧ＶrIは、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 の満充電時の電
圧の１／２に設定される。切り替えスイッチＳ1 は、コ
ンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 が満充電から１／２の電圧に
放電するまでオフになり、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2
の電圧が満充電時の１／２以下になるとオンになって、
コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 を直列に接続するように、
直並列切替回路３により制御される。したがって、直並
列切替回路３は、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 のいずれ
かの端子電圧と基準電圧ＶrIとを比較するように構成し
てもよい。コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 の電圧が満充電
時の１／２以下になった時、この切り替えスイッチＳ1
がオンになって直列接続にすることにより、電力貯蔵部
としては、電圧が倍になるので、また満充電時から放電
する電圧として１／２の電圧になるまで取り出すことに
より、９４％の放電電力量を利用することができる。切
り替えスイッチＳ1 やチョッパ用スイッチング素子、Ｃ
ＨD 、ＣＨU は、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジス
タなどの半導体素子その他のスイッチング素子からな
る。
1 、Ｃ2 は、それぞれ電力貯蔵用として複数個の例えば
並列モニタを有する電気二重層コンデンサを直並列に接
続してなり、直列接続した単方向整流素子Ｄ1 、Ｄ
2 と、これらの直並列の接続切り替えを行う切り替えス
イッチＳ1 により電力貯蔵部を構成するものである。直
並列切替回路３は、この電力貯蔵部の端子電圧を基準電
圧ＶrIと比較して切り替えスイッチＳ1 をオン／オフ制
御することにより、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 の並列
接続と直列接続との切り替えを行うものであり、基準電
圧ＶrIは、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 の満充電時の電
圧の１／２に設定される。切り替えスイッチＳ1 は、コ
ンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 が満充電から１／２の電圧に
放電するまでオフになり、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2
の電圧が満充電時の１／２以下になるとオンになって、
コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 を直列に接続するように、
直並列切替回路３により制御される。したがって、直並
列切替回路３は、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 のいずれ
かの端子電圧と基準電圧ＶrIとを比較するように構成し
てもよい。コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 の電圧が満充電
時の１／２以下になった時、この切り替えスイッチＳ1
がオンになって直列接続にすることにより、電力貯蔵部
としては、電圧が倍になるので、また満充電時から放電
する電圧として１／２の電圧になるまで取り出すことに
より、９４％の放電電力量を利用することができる。切
り替えスイッチＳ1 やチョッパ用スイッチング素子、Ｃ
ＨD 、ＣＨU は、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジス
タなどの半導体素子その他のスイッチング素子からな
る。
【００１４】チョークコイルＬは、降圧チョッパ回路１
及び昇圧チョッパ回路２で共用するものであり、降圧チ
ョッパ回路１及び昇圧チョッパ回路２は、満充電時の電
圧とその１／２の電圧との中間でチョッパの動作を降圧
チョッパ回路１から昇圧チョッパ回路２へ切り替えるよ
うにしている。降圧チョッパ回路１の動作時は、昇圧チ
ョッパ回路２のチョッパ用スイッチング素子ＣＨU がオ
フになったままの状態で、チョッパ用スイッチング素子
ＣＨD がオン／オフして降圧し、出力電圧を負荷の定格
電圧に調整する。また、昇圧チョッパ回路２の動作時
は、チョッパ用スイッチング素子ＣＨD がオンになった
ままの状態で、チョッパ用スイッチング素子ＣＨU がオ
ン／オフして昇圧し、出力電圧を負荷の定格電圧に調整
する。その切り替え制御回路の具体的な構成例を示した
のが図１（Ｂ）である。
及び昇圧チョッパ回路２で共用するものであり、降圧チ
ョッパ回路１及び昇圧チョッパ回路２は、満充電時の電
圧とその１／２の電圧との中間でチョッパの動作を降圧
チョッパ回路１から昇圧チョッパ回路２へ切り替えるよ
うにしている。降圧チョッパ回路１の動作時は、昇圧チ
ョッパ回路２のチョッパ用スイッチング素子ＣＨU がオ
フになったままの状態で、チョッパ用スイッチング素子
ＣＨD がオン／オフして降圧し、出力電圧を負荷の定格
電圧に調整する。また、昇圧チョッパ回路２の動作時
は、チョッパ用スイッチング素子ＣＨD がオンになった
ままの状態で、チョッパ用スイッチング素子ＣＨU がオ
ン／オフして昇圧し、出力電圧を負荷の定格電圧に調整
する。その切り替え制御回路の具体的な構成例を示した
のが図１（Ｂ）である。
【００１５】図１（Ｂ）において、基準電圧ＶrOは、電
力貯蔵装置の負荷に対して供給する定格電圧に対応し、
チョッパ制御の誤差検出のための基準電圧に使用すると
同時に降圧チョッパ制御と昇圧チョッパ制御の切り替え
のための基準電圧に使用するものであり、コンデンサバ
ンクＣ1 、Ｃ2 の満充電時の電圧とその１／２の電圧と
の中間の値が設定される。例えば負荷の定格電圧が７５
Ｖの場合、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 の満充電時の電
圧を１００Ｖとすると、１００Ｖから７５Ｖまでの領域
を降圧チョッパ回路で制御し、７５Ｖから満充電時の電
圧の１／２の５０Ｖまでの領域を昇圧チョッパ回路で制
御して定格電圧の７５Ｖを供給するものである。
力貯蔵装置の負荷に対して供給する定格電圧に対応し、
チョッパ制御の誤差検出のための基準電圧に使用すると
同時に降圧チョッパ制御と昇圧チョッパ制御の切り替え
のための基準電圧に使用するものであり、コンデンサバ
ンクＣ1 、Ｃ2 の満充電時の電圧とその１／２の電圧と
の中間の値が設定される。例えば負荷の定格電圧が７５
Ｖの場合、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 の満充電時の電
圧を１００Ｖとすると、１００Ｖから７５Ｖまでの領域
を降圧チョッパ回路で制御し、７５Ｖから満充電時の電
圧の１／２の５０Ｖまでの領域を昇圧チョッパ回路で制
御して定格電圧の７５Ｖを供給するものである。
【００１６】比較器４は、電力貯蔵部の端子電圧と基準
電圧ＶrOとを比較して、電力貯蔵部の端子電圧が基準電
圧ＶrOより大きい場合に出力信号をアクティブにし、基
準電圧ＶrOより小さくなると出力信号をノンアクティブ
にするものであり、インバータ７は、この比較器４の出
力信号を反転するものである。誤差増幅器８は、負荷に
供給する出力電圧と基準電圧ＶrOとの誤差を検出して増
幅するものであり、この誤差増幅信号が降圧チョッパ制
御回路５及び昇圧チョッパ制御回路６の制御信号として
使用される。
電圧ＶrOとを比較して、電力貯蔵部の端子電圧が基準電
圧ＶrOより大きい場合に出力信号をアクティブにし、基
準電圧ＶrOより小さくなると出力信号をノンアクティブ
にするものであり、インバータ７は、この比較器４の出
力信号を反転するものである。誤差増幅器８は、負荷に
供給する出力電圧と基準電圧ＶrOとの誤差を検出して増
幅するものであり、この誤差増幅信号が降圧チョッパ制
御回路５及び昇圧チョッパ制御回路６の制御信号として
使用される。
【００１７】降圧チョッパ制御回路５は、比較器４の出
力信号がアクティブであることを条件に動作して、誤差
増幅器８の誤差増幅信号に基づきチョッパ用スイッチン
グ素子ＣＨD をオン／オフ制御し、比較器４の出力信号
がノンアクティブになると動作を停止して、チョッパ用
スイッチング素子ＣＨD をオン、単方向整流素子ＤDを
オフの状態にするものである。
力信号がアクティブであることを条件に動作して、誤差
増幅器８の誤差増幅信号に基づきチョッパ用スイッチン
グ素子ＣＨD をオン／オフ制御し、比較器４の出力信号
がノンアクティブになると動作を停止して、チョッパ用
スイッチング素子ＣＨD をオン、単方向整流素子ＤDを
オフの状態にするものである。
【００１８】昇圧チョッパ制御回路６は、インバータ７
を通して比較器４の出力信号を入力することによって、
比較器４の出力信号がアクティブであることを条件に動
作を停止して、チョッパ用スイッチング素子ＣＨU をオ
フの状態にし、比較器４の出力信号がノンアクティブに
なると動作して、誤差増幅器８の誤差増幅信号に基づき
チョッパ用スイッチング素子ＣＨU をオン／オフ制御す
るものである。
を通して比較器４の出力信号を入力することによって、
比較器４の出力信号がアクティブであることを条件に動
作を停止して、チョッパ用スイッチング素子ＣＨU をオ
フの状態にし、比較器４の出力信号がノンアクティブに
なると動作して、誤差増幅器８の誤差増幅信号に基づき
チョッパ用スイッチング素子ＣＨU をオン／オフ制御す
るものである。
【００１９】次に、全体の動作を説明する。いま、コン
デンサバンクＣ1 、Ｃ2 が満充電状態、つまり図２に示
す放電電力量が０％であると、切り替えスイッチＳ1 は
オフに制御され、比較器４の出力信号はアクティブにな
っているので、降圧チョッパ制御回路５が動作し、昇圧
チョッパ制御回路６は動作を停止している。したがっ
て、降圧チョッパ回路１により電力貯蔵部の電圧を２５
％降圧して負荷に給電される。放電電力量が増えるにし
たがって図２に示すように電力貯蔵部の電圧が低下し、
負荷の定格電圧と同じになると、比較器４の出力信号が
ノンアクティブになるので、降圧チョッパ制御回路５が
動作を停止し、昇圧チョッパ制御回路６が動作を開始す
る。さらに放電電力量が７５％になり電力貯蔵部の電圧
が低下して満充電時の１／２になると、直並列切替回路
３が動作して切り替えスイッチＳ1をオンにするので、
コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 が直列接続になって電力貯
蔵部の電圧が倍の満充電時と同じ電圧まで上がる。した
がって、比較器４の出力信号が再びアクティブになるの
で、昇圧チョッパ制御回路６が動作を停止し、降圧チョ
ッパ制御回路５が動作を開始する。このようにして最終
的に電力貯蔵部の放電電力量が９４％で電圧が満充電時
の１／２になるまで、負荷に定格電圧による給電を行う
ことができる。
デンサバンクＣ1 、Ｃ2 が満充電状態、つまり図２に示
す放電電力量が０％であると、切り替えスイッチＳ1 は
オフに制御され、比較器４の出力信号はアクティブにな
っているので、降圧チョッパ制御回路５が動作し、昇圧
チョッパ制御回路６は動作を停止している。したがっ
て、降圧チョッパ回路１により電力貯蔵部の電圧を２５
％降圧して負荷に給電される。放電電力量が増えるにし
たがって図２に示すように電力貯蔵部の電圧が低下し、
負荷の定格電圧と同じになると、比較器４の出力信号が
ノンアクティブになるので、降圧チョッパ制御回路５が
動作を停止し、昇圧チョッパ制御回路６が動作を開始す
る。さらに放電電力量が７５％になり電力貯蔵部の電圧
が低下して満充電時の１／２になると、直並列切替回路
３が動作して切り替えスイッチＳ1をオンにするので、
コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 が直列接続になって電力貯
蔵部の電圧が倍の満充電時と同じ電圧まで上がる。した
がって、比較器４の出力信号が再びアクティブになるの
で、昇圧チョッパ制御回路６が動作を停止し、降圧チョ
ッパ制御回路５が動作を開始する。このようにして最終
的に電力貯蔵部の放電電力量が９４％で電圧が満充電時
の１／２になるまで、負荷に定格電圧による給電を行う
ことができる。
【００２０】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、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 の満充
電時の電圧を１００とすると、負荷の定格電圧を７５と
なるように設定したが、満充電時の電圧からその１／２
の電圧までの間で任意に負荷の定格電圧を設定できるこ
とはいうまでもない。この場合、満充電時の電圧と負荷
の定格電圧とを同じにした場合には、昇圧チョッパ回路
のみで構成し、満充電時の電圧の１／２の電圧と負荷の
定格電圧とを同じにした場合には、降圧チョッパ回路の
みで構成してもよい。図３は昇圧チョッパ回路又は降圧
チョッパ回路で構成した場合のそれぞれの制御領域を示
す図である。また、チョークコイルを共用することによ
り降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路を直列に接続し
たが、降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路とを並列に
接続するように構成してもよい。さらに、単相ブリッジ
インバータや単相プッシュプル、単相ハーフブリッジ、
さらには３相、６相等の多相ブリッジインバータ等の交
直変換回路と組み合わせてもよいし、その組み合わせを
利用して可逆型電力貯蔵装置を実現してもよい。
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、コンデンサバンクＣ1 、Ｃ2 の満充
電時の電圧を１００とすると、負荷の定格電圧を７５と
なるように設定したが、満充電時の電圧からその１／２
の電圧までの間で任意に負荷の定格電圧を設定できるこ
とはいうまでもない。この場合、満充電時の電圧と負荷
の定格電圧とを同じにした場合には、昇圧チョッパ回路
のみで構成し、満充電時の電圧の１／２の電圧と負荷の
定格電圧とを同じにした場合には、降圧チョッパ回路の
みで構成してもよい。図３は昇圧チョッパ回路又は降圧
チョッパ回路で構成した場合のそれぞれの制御領域を示
す図である。また、チョークコイルを共用することによ
り降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路を直列に接続し
たが、降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路とを並列に
接続するように構成してもよい。さらに、単相ブリッジ
インバータや単相プッシュプル、単相ハーフブリッジ、
さらには３相、６相等の多相ブリッジインバータ等の交
直変換回路と組み合わせてもよいし、その組み合わせを
利用して可逆型電力貯蔵装置を実現してもよい。
【００２１】図４は単相ブリッジインバータの構成例を
示す図、図５は可逆型電力貯蔵装置の構成例を示す図、
図６はパルス幅変調の場合における変換波形の変形例を
示す図である。図４（Ａ）に示す単相ブリッジインバー
タを使用し、図４（Ｂ）に示すようなＰＷＭ（パルス幅
変調）により直流から正弦波の交流に変換する場合、高
調波の少ない正弦波を得るには、その過程でかなり深い
パルス幅変調が必要となる。電力用の大型のインバータ
では、±２０％以内の入力変動仕様のものがほとんどで
あり、直流入力電圧が大幅に、例えば４倍にも変動する
と、パルス幅変調の深さや制御性（フィードバック制御
を行っている状態で発振やハンティングを起こさず安定
な自動制御がかかる条件）に問題が生じやすく、設計が
困難となる。しかし、電力貯蔵装置を上記のようにコン
デンサバンクを直並列に切り替える構成にすると、直流
入力を４倍から２倍に抑えることができる。さらに、上
記チョッパを組み合わせることにより入力変動幅を小さ
く抑えることもできる。そのため、図５に示すように単
方向整流素子を双方向のスイッチング素子に置き換え
て、ＰＷＭインバータを接続することにより、可逆型電
力貯蔵装置を実現することもできる。しかも、ＰＷＭ部
分を遙に容易に、安定で効率的な設計とすることができ
る。この場合には、インバータを逆方向に制御すること
により、コンデンサに対して定電流型充電器となるよう
に扱い、同じ装置を充電器に兼用することができる。ま
た、パルス幅変調では、実用上で矩形波から疑似正弦波
まで種々の波形が用いられるが、元来の目的は正弦波を
得ることであるので、図６のに示す矩形波に対しに
示すような改造した矩形波を採用することもできる。
示す図、図５は可逆型電力貯蔵装置の構成例を示す図、
図６はパルス幅変調の場合における変換波形の変形例を
示す図である。図４（Ａ）に示す単相ブリッジインバー
タを使用し、図４（Ｂ）に示すようなＰＷＭ（パルス幅
変調）により直流から正弦波の交流に変換する場合、高
調波の少ない正弦波を得るには、その過程でかなり深い
パルス幅変調が必要となる。電力用の大型のインバータ
では、±２０％以内の入力変動仕様のものがほとんどで
あり、直流入力電圧が大幅に、例えば４倍にも変動する
と、パルス幅変調の深さや制御性（フィードバック制御
を行っている状態で発振やハンティングを起こさず安定
な自動制御がかかる条件）に問題が生じやすく、設計が
困難となる。しかし、電力貯蔵装置を上記のようにコン
デンサバンクを直並列に切り替える構成にすると、直流
入力を４倍から２倍に抑えることができる。さらに、上
記チョッパを組み合わせることにより入力変動幅を小さ
く抑えることもできる。そのため、図５に示すように単
方向整流素子を双方向のスイッチング素子に置き換え
て、ＰＷＭインバータを接続することにより、可逆型電
力貯蔵装置を実現することもできる。しかも、ＰＷＭ部
分を遙に容易に、安定で効率的な設計とすることができ
る。この場合には、インバータを逆方向に制御すること
により、コンデンサに対して定電流型充電器となるよう
に扱い、同じ装置を充電器に兼用することができる。ま
た、パルス幅変調では、実用上で矩形波から疑似正弦波
まで種々の波形が用いられるが、元来の目的は正弦波を
得ることであるので、図６のに示す矩形波に対しに
示すような改造した矩形波を採用することもできる。
【００２２】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、電力を貯蔵するための複数のコンデンサバン
クからなる電力貯蔵部と、電力貯蔵部の満充電時の電圧
と該電圧の１／２との中間の電圧を定格電圧に設定し、
電力貯蔵部の出力電圧が定格電圧より高いとき定格電圧
まで降圧する降圧回路と電力貯蔵部の出力電圧が定格電
圧より低いとき定格電圧まで昇圧する昇圧回路からなり
電力貯蔵部の出力電圧を調整する電圧調整部とを備え、
電力貯蔵部からの放電に伴う出力電圧の変動に応じて、
電圧調整部により降圧／昇圧の切り換えを行い定格電圧
に調整するので、効率の良い領域でスイッチングレギュ
レータを利用し、コンデンサバンクの電力貯蔵及びその
利用を高効率で実現することができる。しかも、ほぼ負
荷の定格電圧と同じ電圧で電力貯蔵部を構成することが
できるので、制御素子等の電圧定格を低く抑えることが
でき、経済的で内部抵抗の低い制御素子を使用すること
ができるだけでなく、チョークコイルのインダクタンス
も最小限で済み小型軽量化が可能である。また、チョッ
パの動作する大部分の時間は変圧比の小さな、高効率が
得やすい動作条件にあるので、電力損失を最小限に抑え
ることができる。
によれば、電力を貯蔵するための複数のコンデンサバン
クからなる電力貯蔵部と、電力貯蔵部の満充電時の電圧
と該電圧の１／２との中間の電圧を定格電圧に設定し、
電力貯蔵部の出力電圧が定格電圧より高いとき定格電圧
まで降圧する降圧回路と電力貯蔵部の出力電圧が定格電
圧より低いとき定格電圧まで昇圧する昇圧回路からなり
電力貯蔵部の出力電圧を調整する電圧調整部とを備え、
電力貯蔵部からの放電に伴う出力電圧の変動に応じて、
電圧調整部により降圧／昇圧の切り換えを行い定格電圧
に調整するので、効率の良い領域でスイッチングレギュ
レータを利用し、コンデンサバンクの電力貯蔵及びその
利用を高効率で実現することができる。しかも、ほぼ負
荷の定格電圧と同じ電圧で電力貯蔵部を構成することが
できるので、制御素子等の電圧定格を低く抑えることが
でき、経済的で内部抵抗の低い制御素子を使用すること
ができるだけでなく、チョークコイルのインダクタンス
も最小限で済み小型軽量化が可能である。また、チョッ
パの動作する大部分の時間は変圧比の小さな、高効率が
得やすい動作条件にあるので、電力損失を最小限に抑え
ることができる。
【図１】 本発明に係る直並列接続切替型コンデンサ電
力貯蔵装置の実施の形態を示す図である。
力貯蔵装置の実施の形態を示す図である。
【図２】 動作範囲を説明するための図である。
【図３】 昇圧チョッパ回路又は降圧チョッパ回路で構
成した場合のそれぞれの制御領域を示す図である。
成した場合のそれぞれの制御領域を示す図である。
【図４】 単相ブリッジインバータの構成例を示す図で
ある。
ある。
【図５】 可逆型電力貯蔵装置の構成例を示す図であ
る。
る。
【図６】 パルス幅変調の場合における変換波形の変形
例を示す図である。
例を示す図である。
【図７】 ＥＣＳの標準的な構成例を示す図である。
【図８】 ＥＣＳ電流ポンプの昇圧、降圧動作領域を示
す図である。
す図である。
１…降圧チョッパ回路、２…昇圧チョッパ回路、３…直
並列切替回路、４…比較器、５…降圧チョッパ制御回
路、６…昇圧チョッパ制御回路、７…インバータ、８…
誤差増幅器、Ｃ1 、Ｃ2 …コンデンサバンク、Ｄ1 、Ｄ
2 、ＤD 、ＤU …単方向整流素子、ＣＨD 、ＣＨU …チ
ョッパ用スイッチング素子、Ｌ…チョークコイル、Ｓ1
…切り替えスイッチ、ＶrI、ＶrO…基準電圧
並列切替回路、４…比較器、５…降圧チョッパ制御回
路、６…昇圧チョッパ制御回路、７…インバータ、８…
誤差増幅器、Ｃ1 、Ｃ2 …コンデンサバンク、Ｄ1 、Ｄ
2 、ＤD 、ＤU …単方向整流素子、ＣＨD 、ＣＨU …チ
ョッパ用スイッチング素子、Ｌ…チョークコイル、Ｓ1
…切り替えスイッチ、ＶrI、ＶrO…基準電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02J 1/00 - 1/16 H02J 7/00 - 7/36
Claims (4)
- 【請求項１】 コンデンサに電力を貯蔵し放電に伴い低
下する電圧を一定の定格電圧に変換して供給するコンデ
ンサ電力貯蔵装置において、 電力を貯蔵するための複数のコンデンサバンクからなる
電力貯蔵部と、 前記電力貯蔵部の満充電時の電圧と該電圧の１／２との
中間の電圧を定格電圧に設定し、前記電力貯蔵部の出力
電圧が定格電圧より高いとき定格電圧まで降圧する降圧
回路と前記電力貯蔵部の出力電圧が定格電圧より低いと
き定格電圧まで昇圧する昇圧回路からなり前記電力貯蔵
部の出力電圧を調整する電圧調整部とを備え、前記電力
貯蔵部からの放電に伴う出力電圧の変動に応じて、前記
電圧調整部により降圧／昇圧の切り換えを行い定格電圧
に調整するように構成したことを特徴とするコンデンサ
電力貯蔵装置。 - 【請求項２】 前記電圧調整部は、第１のチョッパ用ス
イッチング素子とチョークコイルと第１の単方向整流素
子とを給電ラインに直列に挿入接続すると共に、前記第
１のチョッパ用スイッチング素子とチョークコイルとの
直列接続点に第２の単方向整流素子を接続して降圧チョ
ッパ回路を構成し、前記チョークコイルと第１の単方向
整流素子との直列接続点に第２のチョッパ用スイッチン
グ素子を接続して昇圧チョッパ回路を構成したことを特
徴とする請求項１記載のコンデンサ電力貯蔵装置。 - 【請求項３】 前記電圧調整部は、降圧回路及び昇圧回
路を交直変換回路で構成したことを特徴とする請求項１
記載のコンデンサ電力貯蔵装置。 - 【請求項４】 前記電力貯蔵部は、複数個のコンデンサ
を直並列に接続した２つのコンデンサバンクと、該２つ
のコンデンサバンクをその電圧が満充電時の１／２を越
えていることを条件に並列接続し、満充電時の１／２以
下に低下したことを条件に直列接続に切り替え接続する
切り替え手段とを有することを特徴とする請求項１記載
のコンデンサ電力貯蔵装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32504496A JP3306326B2 (ja) | 1996-12-05 | 1996-12-05 | コンデンサ電力貯蔵装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32504496A JP3306326B2 (ja) | 1996-12-05 | 1996-12-05 | コンデンサ電力貯蔵装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10174284A JPH10174284A (ja) | 1998-06-26 |
| JP3306326B2 true JP3306326B2 (ja) | 2002-07-24 |
Family
ID=18172533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32504496A Expired - Fee Related JP3306326B2 (ja) | 1996-12-05 | 1996-12-05 | コンデンサ電力貯蔵装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3306326B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000175363A (ja) * | 1998-12-08 | 2000-06-23 | Ngk Insulators Ltd | 電源装置 |
| JP2008178263A (ja) * | 2007-01-22 | 2008-07-31 | Ricoh Co Ltd | 昇降圧型スイッチングレギュレータ及び昇降圧型スイッチングレギュレータの逆電流防止方法 |
| WO2012088447A1 (en) | 2010-12-24 | 2012-06-28 | Marc Henness | Electrical circuit for controlling electrical power to drive an inductive load |
| GB2506154B (en) * | 2012-09-21 | 2015-03-18 | Control Tech Ltd | DC Link Capacitor Bank |
-
1996
- 1996-12-05 JP JP32504496A patent/JP3306326B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10174284A (ja) | 1998-06-26 |
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