JP3764633B2

JP3764633B2 - 電気エネルギ貯蔵装置、セルエネルギ量調節装置およびセルエネルギ量調節方法

Info

Publication number: JP3764633B2
Application number: JP2000191301A
Authority: JP
Inventors: 和也森; 章雄長谷部
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2020-06-26
Also published as: JP2002010510A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のキャパシタセルまたは二次電池セル等の、複数の電気エネルギ貯蔵セルを、直列に接続して構成されるエネルギ貯蔵装置に関し、特に、貯蔵されたエネルギ量に対して、それぞれの単体のセルおよび複数のセルを一つの貯蔵単位としたエネルギ貯蔵量を目標の値に設定するエネルギ配分回路を備えた電気エネルギ貯蔵装置、セルエネルギ量調節装置およびその調節方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キャパシタなどの電気エネルギ貯蔵セルを直列に接続して、単体のセルより端子電圧が高くエネルギ貯蔵量が大きい電気エネルギ貯蔵システムを構成する際に、それぞれのセルに抵抗体を並列に接続したり、例えばツェナーダイオードのような定電圧素子を並列に接続したりすることにより、各セルの電圧を均一にして、エネルギ貯蔵量を高める装置が従来から用いられている。
【０００３】
しかし、これらの従来の方法では、エネルギ効率が低いために、複数個のコイルを持つトランスの各コイルをスイッチング回路を介してキャパシタに接続し、均一な電圧で充電を行う方式が提案されている（特開平8-214454）。しかしながら、この方法では、充電の際には電圧が均一に揃えられるが、その後、放電するまでの放置の状態もしくは放電の状態で電圧を均一にすることが出来ず、常にエネルギを有効に利用しているとは言えない。
【０００４】
そこで、新規なエネルギ貯蔵装置として各セルのエネルギ量を管理し、エネルギの再配分を行う機構を備えたセルエネルギ量調節装置が非常に有望である。該セルエネルギ量調節装置においては、実用的にはセルを複数個直列に接続した単位エネルギ貯蔵装置をさらに複数個直列に接続してエネルギ貯蔵装置を構成し、全体のエネルギ量を高めてセルエネルギ量調節装置が運用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記セルエネルギ量調節装置において、実際にはエネルギを移送する際に用いるダイドードなどの整流素子の順電圧がおよそ０.７Ｖであり、１Ｖ乃至３Ｖほどであるキャパシタセルや二次電池セルの電圧に比べて無視できないので、電圧を高くして複数個直列にセルを接続したエネルギ貯蔵装置全体にエネルギを移送する方法がとられる。
【０００６】
しかしながら、複数個直列にキャパシタあるいは二次電池セルを接続した構成の単位エネルギ貯蔵装置を複数個直列に接続してエネルギ貯蔵装置を構成した場合に、前記のようにエネルギ貯蔵装置全体にエネルギを移送するためには、電圧を大幅に高くする必要があり、問題が多かった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、充電、放電、待機中にかかわらず、単位エネルギ貯蔵装置を構成するそれぞれのセルのエネルギ貯蔵装置を、原理的な損失を伴わずに最適な目標値に保つことができるセルエネルギ量調節装置、およびセルエネルギ量調節方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、キャパシタセルもしくは二次電池セルを複数個直列に接続して任意のセルから該セルに充電されているエネルギを移送する機構を備えた一つの単位を単位エネルギ貯蔵装置として、単位エネルギ貯蔵装置を複数個直列接続して構成したエネルギ量調節装置において、任意のセルもしくは任意の単位エネルギ貯蔵装置から該セルもしくは該貯蔵装置が貯蔵しているエネルギを任意の別のセルもしくは任意の別の単位エネルギ貯蔵装置の入出力端子に移送することによって、充電、放電、待機中に関わらず、それぞれのセルもしくは単位エネルギ貯蔵装置のエネルギ貯蔵量を、原理的な損失を伴わずに最適な目標値に保つ手段を提供する。
【０００９】
本発明によれば、キャパシタセルもしくは二次電池で構成したエネルギ貯蔵装置を複数個直列に接続した電気エネルギ貯蔵システムにおいて、複数のコイルを持つトランスと、任意のエネルギ貯蔵装置に接続された該トランスのコイルの回路を開閉もしくは整流器を備えた回路に切替するスイッチング回路と、任意のエネルギ貯蔵装置をスイッチング回路によって選択できる機構を備えかつ、該スイッチング回路を動作させることによって任意のエネルギ貯蔵装置が貯蔵しているエネルギ量を該エネルギ貯蔵装置が貯蔵するエネルギ量に対して特定の比率に調節する制御回路を備えたことを特徴とするセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１０】
また本発明によれば、複数個のそれぞれのエネルギ貯蔵装置が単位エネルギ貯蔵装置を複数個直列に接続された構成になっている場合に、前記のエネルギ貯蔵装置が備える装置及び回路を単位エネルギ貯蔵装置にも備え、任意の単位エネルギ貯蔵装置から該単位エネルギ貯蔵装置に充電されているエネルギを任意の別の単位エネルギ貯蔵装置もしくは任意のエネルギ貯蔵装置に移送することにより全体の電気エネルギ貯蔵システムのエネルギ量を調節することを特徴とするセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１１】
また、本発明によれば、前記の電気エネルギ貯蔵システム、エネルギ貯蔵装置、単位エネルギ貯蔵装置の関係の階数を拡大して大きな電気エネルギ貯蔵システムを構成した場合に、同様な構成を階数を拡大して適用することにより、全体の電気エネルギ貯蔵システムのエネルギ量を調節することを特徴とするセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１２】
さらに、本発明によれば、それぞれの単位エネルギ貯蔵装置がキャパシタセルもしくは二次電池セルを複数個直列の接続された構成になっている場合に、前記のエネルギ貯蔵装置と単位エネルギ貯蔵装置の関係と単位エネルギ貯蔵装置と該セルの関係と相似にして、任意のセルから該セルに充電されているエネルギを任意の別のセルもしくは単位エネルギ貯蔵装置もしくはエネルギ貯蔵装置に移送する装置および回路を備え、これらの関係がさらに大きなエネルギ貯蔵装置を階数を拡大して構成した場合でも適用されることを特徴としたセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１３】
即ち、本発明は、単体あるいは複数の電気エネルギ貯蔵セルで構成されたエネルギ貯蔵装置が複数個直列接続され、それぞれの前記エネルギ貯蔵装置に対応してエネルギを移送するためのコイルとスイッチング回路と整流回路が設置され、前記コイルは相互間で電磁結合するトランスを構成し、前記スイッチング回路は前記トランスの前記コイルの回路を開閉もしくは前記整流回路に切替を行い、前記トランスに、前記コイルと前記スイッチング回路とに連携してエネルギ量を測定するための他のコイルが設けられ、それぞれの前記エネルギ貯蔵装置について、エネルギ量を測定し、前記エネルギ量の測定量をメモリし、処理する装置が配置され、該装置によって前記スイッチング回路を動作させることによって、任意のエネルギ貯蔵装置から該エネルギ貯蔵装置に充電されているエネルギを他のエネルギ貯蔵装置に前記トランスを介して直接移送されることを特徴とするセルエネルギ量調節装置である。
【００１４】
また、本発明は、前記電気エネルギ貯蔵セルは、キャパシタセルまたは二次電池セルとするセルエネルギ量調節装置である。
【００１５】
また、本発明は、前記エネルギ貯蔵装置が複数個の単位エネルギ貯蔵装置を直列接続した構成であって、それぞれの単位エネルギ貯蔵装置にエネルギ貯蔵装置と同じ機構を備え、任意の単位エネルギ貯蔵装置から同じエネルギ貯蔵装置内の任意の別の単位エネルギ貯蔵装置もしくは任意のエネルギ貯蔵装置にエネルギが直接移送されるセルエネルギ量調節装置である。
【００１７】
また、本発明は、前記エネルギ貯蔵装置と単位エネルギ貯蔵装置との関係を、単位エネルギ貯蔵装置とキャパシタセルもしくは二次電池セルとの関係に相似であるとして、任意のキャパシタセルおよび二次電池セルのエネルギが、任意の別のセルもしくは任意のエネルギ貯蔵装置に移送されるセルエネルギ量調節装置である。
【００１８】
また、単体あるいは複数の電気エネルギ貯蔵セルで構成されたエネルギ貯蔵装置を複数個直列接続し、それぞれの前記エネルギ貯蔵装置に対応してエネルギを移送するためのコイルとスイッチング回路と整流回路を設置し、前記コイルは相互間で電磁結合するトランスを構成し、前記スイッチング回路は前記トランスの前記コイルの回路を開閉もしくは前記整流回路に切替を行い、前記トランスに、前記コイルと前記スイッチング回路とに連携してエネルギ量を測定するための他のコイルを設け、それぞれの前記エネルギ貯蔵装置について、エネルギ量を測定し、前記エネルギ量の測定量をメモリし、処理する装置を配置し、該装置によって前記スイッチング回路を動作させることによって、任意のエネルギ貯蔵装置から該エネルギ貯蔵装置に充電されているエネルギを他のエネルギ貯蔵装置に前記トランスを介して直接移送することを特徴とするセルエネルギ量調節方法である。
【００１９】
また、本発明は、前記電気エネルギ貯蔵セルが複数のキャパシタセルまたは二次電池セルであるセルエネルギ量調節方法である。
【００２０】
また、本発明は、前記エネルギ貯蔵装置は、複数個の単位エネルギ貯蔵装置を直列接続した構成であって、それぞれの単位エネルギ貯蔵装置にエネルギ貯蔵装置と同じ機構を備え、任意の単位エネルギ貯蔵装置から同じエネルギ貯蔵装置内の任意の別の単位エネルギ貯蔵装置もしくは任意のエネルギ貯蔵装置にエネルギが直接移送するセルエネルギ量調節方法である。
【００２２】
また、本発明は、前記エネルギ貯蔵装置と単位エネルギ貯蔵装置との関係を、単位エネルギ貯蔵装置とキャパシタセルもしくは二次電池セルとの関係に相似であるとして、任意のキャパシタセルおよび二次電池セルのエネルギが、任意の別のセルもしくは任意のエネルギ貯蔵装置に移送されるセルエネルギ量調節方法である。また、本発明は、上記セルエネルギ量調節装置を備えた電気エネルギ貯蔵装置である。
【００２３】
【実施例】
本発明の実施例による電気エネルギ貯蔵装置、セルエネルギ量調節装置およびセルエネルギ量調節方法について、以下に説明する。
【００２４】
図１は、本発明によるセルエネルギ量調節装置を備えて４個のエネルギ貯蔵装置で構成された電気エネルギ貯蔵装置を示している。以下、本文では、電気エネルギ貯蔵装置は、複数個のエネルギ貯蔵装置で構成され、エネルギ貯蔵装置は複数個の単位エネルギ貯蔵装置で構成され、単位エネルギ貯蔵装置は、単体あるいは複数個のキャパシタで構成されている関係にある。
【００２５】
エネルギ貯蔵装置１は、蓄積できるエネルギ量を大きくするために、かつ電気エネルギ貯蔵システム全体の電圧を高くするために直列に接続され、それぞれのエネルギ貯蔵装置にスイッチング回路６を介してエネルギを別のエネルギ貯蔵装置に移送するため、および別の貯蔵装置から移送するためのコイルが接続されている。ここでのコイルは、すべて一つのトランスの構成要素となっているが、エネルギ貯蔵装置の数が多い場合は、いくつかのトランスを用いて構成要素を分割して取り扱っても構わない。
【００２６】
すべてのスイッチング回路をＯＦＦにして、電圧を測定したいエネルギ貯蔵装置１に接続されているスイッチング回路をＯＮにすることにより、トランスの二次側のコイルに電圧が誘起され電圧すなわち蓄積されているエネルギ量を測定できる。スイッチング回路６を順番に動作させて電圧入力回路４ですべてのエネルギ貯蔵装置のエネルギ量を測定し、制御装置のメモリに記録してそのデータから最適なエネルギの再配分を行う。ここでは、電圧が高い、すなわちエネルギ量が多いエネルギ貯蔵装置からエネルギを抜き取り、電圧が低い、すなわちエネルギ量が少ないエネルギ貯蔵装置にエネルギを分配する。
【００２７】
実際には、エネルギを抜き取るエネルギ貯蔵装置のスイッチング回路をＯＮにし、エネルギを分配するエネルギ貯蔵装置のスイッチング回路を整流器７に接続し、その他のスイッチング回路はＯＦＦにする。例えば、１つ目のエネルギ貯蔵装置の電圧が高く、３つ目のエネルギ貯蔵装置の電圧が低いとすると、図５のように、スイッチング回路を接続する。通常、一回のスイッチングで移送できるエネルギ量が必要とするエネルギ量に比べて少ないので、図５の場合は、１つ目のエネルギ貯蔵装置のスイッチング回路のＯＮ−ＯＦＦ動作を複数回繰り返して所望のエネルギ量を移送する。
【００２８】
このような動作を行うことによって、複数個のエネルギ貯蔵装置の電圧を均一にすることができ、その結果、電気エネルギ貯蔵システム全体のエネルギ量を大きくすることが可能である。しかしながら、エネルギ貯蔵装置が１Ｖ乃至３Ｖの耐電圧を持つキャパシタ１個で構成されていたとすると、図１のような構成では、通常ダイオードで構成されている整流器の順電圧Ｖｆが０.７Ｖで、整流器での電圧降下が無視できなくなる。
【００２９】
したがって、その場合には、図４のように抜き取ったエネルギの電圧をトランス５で高くして、エネルギの分配先を電気エネルギ貯蔵システム全体とすることにより、整流器のＶｆを無視できるようにするのが有効である。しかし、全体にエネルギを分配すると、エネルギ量が多いエネルギ貯蔵装置にも、その一部が返還され、抜き取ったエネルギのすべてが均一化に生かされない。本発明では、エネルギの移送を行う単位を拡大した際に、エネルギの分配先を電気エネルギ貯蔵システム全体にではなく、個々のエネルギ貯蔵装置に設定することにより、速やかにかつ効率よくエネルギを移送することを可能にした。
【００３０】
また、ここでは、エネルギの移送はフォワード方式を用いているが、スイッチング回路６と整流器７をブリッジ型等に構成することによってバックワード方式でエネルギ移送を行っても構わない。
【００３１】
図８に、本発明によるセルエネルギ量調節装置を備えた電気エネルギ量調節装置のブロック図の代表例を示す。先の図１に示した電気エネルギ量調節装置を、図８のブロック図にあてはめることができる。
【００３２】
図２は、本発明によるセルエネルギ量調節装置を備えて単位エネルギ貯蔵装置２が３個直列に接続されたエネルギ貯蔵装置１を３個直列に接続して構成された電気エネルギ量調節装置を示している。本発明によって、単位エネルギ貯蔵装置から別の単位エネルギ貯蔵装置にエネルギを移送することができ、単位エネルギ貯蔵装置からその単位エネルギ貯蔵装置を含まない他のエネルギ貯蔵装置にエネルギを移送することもできる。
【００３３】
例えば、１つ目のエネルギ貯蔵装置内の１つ目の単位エネルギ貯蔵装置から３つ目のエネルギ貯蔵装置全体にエネルギを移送する場合のスイッチング回路の接続を図６に示す。さらに、例えば、１つ目のエネルギ貯蔵装置内の１つ目の単位エネルギ貯蔵装置から１つ目のエネルギ貯蔵装置全体にエネルギを移送する場合のスイッチング回路の接続を図７に示す。その際の電流の流れを、それぞれ図６、図７にて太い線の矢印で表す。それぞれのエネルギ貯蔵装置１に内蔵の電圧入力回路４で取得した単位エネルギ貯蔵装置２のエネルギ量のデータを総括して処理し、全体のスイッチング回路６を制御しても良いし、それぞれのエネルギ貯蔵装置内で一つの制御装置を備え、３個のエネルギ貯蔵装置間のエネルギの移送を専用の制御装置にさせても良い。
【００３４】
図９に、本発明によるセルエネルギ量調節装置の動作時のフローチャートを示す。先に説明したセルエネルギ量調節装置の動作は、図９のフローチャートに従って行われる。
【００３５】
なお、電気エネルギ貯蔵装置をセルエネルギ量調節装置を備えた複数個のエネルギ貯蔵装置で構成し、エネルギ貯蔵装置をセルエネルギ量調節装置を備えた複数個のエネルギ貯蔵装置で構成する関係を、階数を拡大することによって、更に大きな貯蔵システムを構成することが可能である。その際には、本発明を同様に拡張すれば、同じ効率でエネルギの移送が可能になる。
【００３６】
図３は、本発明による４個のキャパシタセル３で構成した単位エネルギ貯蔵装置を示している。図１の電気エネルギ貯蔵システムと同様の動作が可能である。ただし、キャパシタセルは、一般的に１Ｖ乃至３Ｖの端子電圧を持ち、整流器の順電圧Ｖｆに比べて充分ではないために、その損失を無視できず、実際には、キャパシタセル間のエネルギ移送は有効ではなく、単位エネルギ貯蔵装置の端子にエネルギを移送するのがよい。図３の回路は、どちらでも選択できるような構成になっている。また、先に説明した図２のセルエネルギ量調節装置では、エネルギ移送の際にフォワード方式を用いていたが、図３の単位エネルギ貯蔵装置では、バックワード方式で回路を構成した。この場合も、当然どちらの方式を用いても構わない。
【００３７】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明によれば、複数個のエネルギ貯蔵装置を直列に接続して構成したセルエネルギ量調節装置において、エネルギ貯蔵装置間のエネルギの移送を可能にし、さらにエネルギ貯蔵装置を構成する単位エネルギ貯蔵装置から単位エネルギ貯蔵装置もしくはエネルギ貯蔵装置にエネルギが移送することが可能になり、効率よく、かつ原理的な損失を伴わずにシステムのエネルギ量を最適な目標値に保つ手段を有する電気エネルギ貯蔵装置、セルエネルギ量調節装置およびセルエネルギ量調節方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセルエネルギ量調節装置を備えて４個のエネルギ貯蔵装置で構成された電気エネルギ貯蔵装置を示す図。
【図２】本発明によるセルエネルギ量調節装置を備えて単位エネルギ貯蔵装置が３個直列に接続されたエネルギ貯蔵装置を３個直列に接続して構成された電気エネルギ貯蔵装置を示す図。
【図３】本発明による４個のキャパシタセルで構成した単位エネルギ貯蔵装置を示す図。
【図４】従来のキャパシタセル間でエネルギを移送しない場合の４個のキャパシタセルで構成した単位エネルギ貯蔵装置を示す図。
【図５】本発明によるセルエネルギ量調節装置を備えて４個のエネルギ貯蔵装置で構成された電気エネルギ貯蔵装置において、１つ目のエネルギ貯蔵装置から３つ目のエネルギ貯蔵装置にエネルギを移送する場合の構成の説明図。
【図６】本発明によるセルエネルギ量調節装置を備えて単位エネルギ貯蔵装置が３個直列に接続されたエネルギ貯蔵装置を３個直列に接続して構成された電気エネルギ貯蔵装置のエネルギ移送例１を示す図。
【図７】本発明によるセルエネルギ量調節装置を備えて単位エネルギ貯蔵装置が３個直列に接続されたエネルギ貯蔵装置を３個直列に接続して構成された電気エネルギ貯蔵装置のエネルギ移送例２を示す図。
【図８】本発明によるセルエネルギ量調節装置を備えた電気エネルギ量調節装置のブロック図の代表例を示す図。
【図９】本発明によるセルエネルギ量調節装置の動作時のフローチャートを示す図。
【符号の説明】
１エネルギ貯蔵装置
２単位エネルギ貯蔵装置
３キャパシタ
４電圧入力回路及び調節部
５トランス
６スイッチング回路
７整流器
８，９電気エネルギ貯蔵システムの出力端子

Claims

単体あるいは複数の電気エネルギ貯蔵セルで構成されたエネルギ貯蔵装置が複数個直列接続され、それぞれの前記エネルギ貯蔵装置に対応してエネルギを移送するためのコイルとスイッチング回路と整流回路が設置され、前記コイルは相互間で電磁結合するトランスを構成し、前記スイッチング回路は前記トランスの前記コイルの回路を開閉もしくは前記整流回路に切替を行い、前記トランスに、前記コイルと前記スイッチング回路とに連携してエネルギ量を測定するための他のコイルが設けられ、それぞれの前記エネルギ貯蔵装置について、エネルギ量を測定し、前記エネルギ量の測定量をメモリし、処理する装置が配置され、該装置によって前記スイッチング回路を動作させることによって、任意のエネルギ貯蔵装置から該エネルギ貯蔵装置に充電されているエネルギを他のエネルギ貯蔵装置に前記トランスを介して直接移送されることを特徴とするセルエネルギ量調節装置。
前記電気エネルギ貯蔵セルは、キャパシタセルまたは二次電池セルであることを特徴とする請求項１記載のセルエネルギ量調節装置。
前記エネルギ貯蔵装置は、複数個の単位エネルギ貯蔵装置を直列接続した構成であって、それぞれの単位エネルギ貯蔵装置にエネルギ貯蔵装置と同じ機構を備え、任意の単位エネルギ貯蔵装置から同じエネルギ貯蔵装置内の任意の別の単位エネルギ貯蔵装置もしくは任意のエネルギ貯蔵装置にエネルギが直接移送されることを特徴とする請求項１または２に記載のセルエネルギ量調節装置。
前記エネルギ貯蔵装置と単位エネルギ貯蔵装置との関係を、単位エネルギ貯蔵装置とキャパシタセルもしくは二次電池セルとの関係に相似であるとして、任意のキャパシタセルおよび二次電池セルのエネルギが、任意の別のセルもしくは任意のエネルギ貯蔵装置に移送されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のセルエネルギ量調節装置。
単体あるいは複数の電気エネルギ貯蔵セルで構成されたエネルギ貯蔵装置を複数個直列接続し、それぞれの前記エネルギ貯蔵装置に対応してエネルギを移送するためのコイルとスイッチング回路と整流回路を設置し、前記コイルは相互間で電磁結合するトランスを構成し、前記スイッチング回路は前記トランスの前記コイルの回路を開閉もしくは前記整流回路に切替を行い、前記トランスに、前記コイルと前記スイッチング回路とに連携してエネルギ量を測定するための他のコイルを設け、それぞれの前記エネルギ貯蔵装置について、エネルギ量を測定し、前記エネルギ量の測定量をメモリし、処理する装置を配置し、該装置によって前記スイッチング回路を動作させることによって、任意のエネルギ貯蔵装置から該エネルギ貯蔵装置に充電されているエネルギを他のエネルギ貯蔵装置に前記トランスを介して直接移送することを特徴とするセルエネルギ量調節方法。
前記電気エネルギ貯蔵セルは、複数のキャパシタセルまたは二次電池セルとすることを特徴とする請求項５記載のセルエネルギ量調節方法。
前記エネルギ貯蔵装置は、複数個の単位エネルギ貯蔵装置を直列接続した構成であって、それぞれの単位エネルギ貯蔵装置にエネルギ貯蔵装置と同じ機構を備え、任意の単位エネルギ貯蔵装置から同じエネルギ貯蔵装置内の任意の別の単位エネルギ貯蔵装置もしくは任意のエネルギ貯蔵装置にエネルギが直接移送することを特徴とする請求項５または６に記載のセルエネルギ量調節方法。
前記エネルギ貯蔵装置と単位エネルギ貯蔵装置との関係を、単位エネルギ貯蔵装置とキャパシタセルもしくは二次電池セルとの関係に相似であるとして、任意のキャパシタセルおよび二次電池セルのエネルギが、任意の別のセルもしくは任意のエネルギ貯蔵装置に移送されることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載のセルエネルギ量調節方法。
請求項１ないし４のいずれかに記載のセルエネルギ量調節装置を備えたことを特徴とする電気エネルギ貯蔵装置。