説明

充電回路および充電方法

【課題】電圧が変動する電源からキャパシタを充電する充電回路および充電方法を提供する。
【解決手段】第1のスイッチ、ダイオード、インダクタL、キャパシタC、キャパシタCの端子電圧に応じて第1のスイッチのON/OFFを制御する制御手段を含むDC−DCコンバータを備え、電圧が変動する電源からキャパシタCの端子に印加する充電電圧を生成する充電回路において、制御手段は、電源の電圧およびキャパシタCの端子電圧に応じて、第1のスイッチのON/OFF比を制御し、電源の電圧を昇圧または降圧させて時間とともに階段状に上昇するキャパシタCの充電電圧を生成する構成である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電圧が変動する電源からキャパシタを充電する充電回路および充電方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、通常のキャパシタに定電圧で充電する方法では、効率が50%となることが知られている。すなわち、静電容量Cのキャパシタを定電圧Vで充電すると、電源のする仕事はQV=CV2 であり、一方キャパシタのエネルギーはCV2 /2であることから効率50%である。残りの50%は抵抗においてジュール熱となっている。
【0003】
定電圧充電の代わりに定電流充電を用いると、前述のジュール熱が大きく低減できることが知られている。すなわち、定電流Iでt時間充電を行ったときの電荷をQ、キャパシタに蓄えられる電力量Uとすると、
Q=It …(1)
U=Q2/(2C) …(2)
となる。抵抗Rで失われる電力量Lは
L=RI2t=RQ2/t …(3)
となる。すると充電時の効率Pc は、
Pc =U/(U+L)=t/(t+2RC) …(4)
となる。tを十分大きくすると、Pc が 100%となることがわかる(非特許文献1)。
【0004】
電気2重層キャパシタは、簡単なキャパシタではなく内部抵抗の大きなキャパシタであるが、近年、電力蓄積用途に大変注目されている。この電気2重層キャパシタを充電する方法として、前述のように通常の定電圧では効率が悪いことを考慮して、定電流電源を用いた回路により充電する方法が取られている(非特許文献2)。
【0005】
図5は、定電流電源回路の構成および動作例を示す。
図において、スイッチSWがONの時にインダクタLを流れる電流が上昇し、OFFの時には減少する。電流比較器21は、インダクタLを流れる電流を検知し、電流がImin になったときにスイッチSWをONし、電流がImax になったときにスイッチSWをOFFし、この操作により電流をImin からImax の間に制御する。ここで、インダクタLを流れる電流Imax とImin を近づけることにより、ほぼ定電流とみなすことができる。この定電流を用いてキャパシタを充電することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2009−261070号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】岡村廸夫、電気2重層キャパシタに充電する、トランジスタ技術2001年2月号 p.316
【非特許文献2】岡村廸夫、ECSの動作原理と実験セットの運転、トランジスタ技術2001年3月号 p.333
【非特許文献3】今井孝二 監修、パワーエレクトロニクスハンドブック、R&Dプラニング、2002年、p.1123
【非特許文献4】応用数学便覧、丸善株式会社、1967年、p.287
【非特許文献5】今井孝二 監修、パワーエレクトロニクスハンドブック、R&Dプラニング、2002年、p.272
【非特許文献6】電気工学ハンドブック第6版、電気学会、オーム社、2001年、p.425
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ところで、従来の定電流電源回路は、インダクタLを流れる電流を検知するための電流比較器21が必要となる。この電流比較器21はシャント抵抗を用い、シャント抵抗の両端の電圧をモニターすることにより流れる電流値を検出する。すなわち、従来の定電流電源回路では、シャント抵抗を必ず用いる必要があった。
【0009】
これを解決するために電流比較器を用いず、階段電圧により断熱充電を行う充電回路が特許文献1で開示されている。
【0010】
図6は、特許文献1に記載の従来の充電回路の構成およびその充電電圧波形を示す。
図において、電気2重層キャパシタCL を充電する充電回路は、2個のスイッチ(スイッチングトランジスタ)SW1,SW2、インダクタL、キャパシタCによるDC−DCコンバータを備え、電圧比較器11は電気2重層キャパシタCL の端子電圧を検出し、制御部12は電圧比較器11の出力に応じてスイッチSW1,SW2のON/OFFを制御し、定電圧Eの電源から電気2重層キャパシタCL の充電電圧を生成する構成である。なお、電気2重層キャパシタCL に直列に接続される抵抗R1 は、電気2重層キャパシタCL への配線の抵抗を表し、シャント抵抗とは異なる抵抗である。
【0011】
本充電回路では、図6(b) に示すように、DC−DCコンバータの出力電圧を階段的に変化させ、この電圧を用いて電気2重層キャパシタCL を充電することを特徴とする。
【0012】
ところで、本充電回路は降圧回路であり、電源電圧よりも低い電圧のみ生成できる。したがって、キャパシタを例えば 100Vまで充電しようとすると、本充電回路の電源電圧を 100V一定として、出力電圧を階段的に上昇させる方法が有効である。そのため、本構成では電源電圧を一定とする必要がある。
【0013】
しかし、風力発電のような場合、発電電力の電圧値は回転子の角速度に依存し、発電電圧は大きく変化する。この問題を解決して定電圧を発生させるために、現状では昇圧回路が用いられている(非特許文献3)。この昇圧回路は、スイッチングトランジスタのduty比を変化させて出力電圧が一定となるように制御する構成である。
【0014】
図6に示す充電回路において、電源電圧が変動する場合には、図7に示すように昇圧回路71を用いて定電圧Eを生成し、その定電圧Eから階段電圧を生成する構成が必要になる。すなわち、昇圧回路が増える分だけ充電回路の回路構成が複雑になる。
【0015】
本発明は、定電圧を生成するための昇圧回路を省き、電圧が変動する電源から効率的にキャパシタを充電することができる充電回路および充電方法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】
【0016】
第1の発明は、キャパシタCL の端子電圧に応じてスイッチのON/OFFを制御する制御手段を含むDC−DCコンバータを備え、電圧が変動する電源からキャパシタCL の端子に印加する充電電圧を生成する充電回路において、制御手段は、電源の電圧およびキャパシタCL の端子電圧に応じて、スイッチのON/OFF比を制御し、電源の電圧を昇圧または降圧させて時間とともに階段状に上昇するキャパシタCL の充電電圧を生成する構成である。
【0017】
第2の発明は、第1のスイッチ、ダイオード、インダクタL、キャパシタC、キャパシタCL の端子電圧に応じて第1のスイッチのON/OFFを制御する制御手段を含むDC−DCコンバータを備え、電圧が変動する電源からキャパシタCL の端子に印加する充電電圧を生成する充電回路において、制御手段は、電源の電圧およびキャパシタCL の端子電圧に応じて、第1のスイッチのON/OFF比を制御し、電源の電圧を昇圧または降圧させて時間とともに階段状に上昇するキャパシタCL の充電電圧を生成する構成である。
【0018】
第2の発明の充電回路において、ダイオードを第2のスイッチに置き換え、制御手段は、第1のスイッチと第2のスイッチのON/OFFを相補的に制御する構成としてもよい。
【0019】
第3の発明は、キャパシタCL の端子電圧に応じてスイッチのON/OFFを制御する制御手段を含むDC−DCコンバータを備え、電圧が変動する電源からキャパシタCL の端子に印加する充電電圧を生成する充電方法において、制御手段は、電源の電圧およびキャパシタCL の端子電圧に応じて、スイッチのON/OFF比を制御し、電源の電圧を昇圧または降圧させて時間とともに階段状に上昇するキャパシタCL の充電電圧を生成する。
【0020】
第4の発明は、第1のスイッチ、ダイオード、インダクタL、キャパシタC、キャパシタCL の端子電圧に応じて第1のスイッチのON/OFFを制御する制御手段を含むDC−DCコンバータを備え、電圧が変動する電源からキャパシタCL の端子に印加する充電電圧を生成する充電方法において、制御手段は、電源の電圧およびキャパシタCL の端子電圧に応じて、第1のスイッチのON/OFF比を制御し、電源の電圧を昇圧または降圧させて時間とともに階段状に上昇するキャパシタCL の充電電圧を生成する。
【0021】
第4の発明の充電方法において、ダイオードを第2のスイッチに置き換え、第1のスイッチと第2のスイッチのON/OFFを相補的に制御するようにしてもよい。
【発明の効果】
【0022】
本発明により、電源電圧が変動する場合に、定電圧を生成することなく階段状に上昇する充電電圧を生成することにより、効率的にキャパシタCL への充電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本発明の充電回路の第1の実施形態を示す図である。
【図2】昇降圧回路の動作例を示す図である。
【図3】スイッチSW1の制御波形例を示す図である。
【図4】本発明の充電回路の第2の実施形態の回路構成例を示す図である。
【図5】定電流電源回路の構成および動作例を示す図である。
【図6】従来の充電回路の構成およびその充電電圧波形を示す図である。
【図7】電圧が変動する電源に対応する構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の充電回路の第1の実施形態を示す。図1(a) は回路構成例、図1(b) は充電電圧(昇降圧回路の出力電圧)Eout の波形、図1(c) は変動する電源電圧(昇降圧回路の入力電圧)E(t) の波形を示す。
【0025】
本実施形態は、昇降圧回路であるDC−DCコンバータを用いて、変動する電源電圧E(t) から階段状の充電電圧Eout を生成し、この充電電圧Eout を用いて効率的に電気2重層キャパシタCL を充電することを特徴とする。すなわち、図7に示すように変動する電源電圧E(t) を昇圧回路71で定電圧Eに変換し、その定電圧Eから降圧回路であるDC−DCコンバータを用いて階段状の充電電圧Eout を生成する構成ではなく、変動する電源電圧E(t) から階段状の充電電圧Eout を昇降圧回路でダイレクトに生成する。この昇降圧回路は、設定する充電電圧Eout に対して電源電圧E(t) が低い場合には昇圧回路となり、逆に高い場合に降圧回路となる構成である。
【0026】
本実施形態の昇降圧回路となるDC−DCコンバータは、スイッチ(スイッチングトランジスタ)SW1、インダクタL、ダイオードDおよびキャパシタCを備え、電圧比較器11は電気2重層キャパシタCL の端子電圧を検出し、電圧比較器13は電源電圧E(t) を検出する構成であり、制御部14は電圧比較器11,13の出力に応じてスイッチSW1のON/OFFを制御する構成である。
【0027】
なお、電気2重層キャパシタCL に直列に接続される抵抗R1 は、電気2重層キャパシタCL への配線の抵抗を表し、シャント抵抗とは異なる抵抗である。DC−DCコンバータと電気2重層キャパシタCL との間に挿入されるスイッチSW3,SW4は、それをOFFにして電気2重層キャパシタCL を切り離して他に接続することにより、電気2重層キャパシタCL に蓄電されたエネルギーを利用可能とするための構成である。ただし、キャパシタCの両端のノードX,Yの電位は、Xの方が大きくなる(非特許文献5)。充電電圧Eout の矢印はこれを意味している。図6に示す降圧回路であるDC−DCコンバータの場合と逆方向であり、蓄電されたエネルギーを取り出すときは、この極性の違いに注意する必要がある。
【0028】
ここで、電気2重層キャパシタCL において、階段的に充電することにより充電効率が高まることを以下に示す。
【0029】
いま、階段電圧の電位をVi 、Vi の電位により充電するときに電源からキャパシタに移動する電荷量をΔQi とする。また、初期および最終の電位をV0,VN とする。すなわち、電位はV0 →V1 →V2 →V3 → … →VN と昇圧するものとする。このとき、電源のする仕事Wは
W=ΣVi ΔQi
=V1C(V1−V0)+V2C(V2−V1)+…
…+VN-1C(VN-1−VN-2)+VNC(VN−VN-1)
=C(V12+V22+…+VN2−(V01+V12+…+VN-1N))
=C/2(−V02+(V0−V1)2+(V1−V2)2+…+(VN-1−VN)2+VN2 )
…(5)
ここで、
1 =V0−V1 ,x2 =V1−V2 ,…,xN =VN-1−VN …(6)
とおくと、 x1 +x2 +…+xN =V0−VN =const. …(7)
である。この条件の下に、Wの最小値と、そのときのx1 ,x2 ,…,xN の値について考察する。
【0030】
式(5) は、式(6) を用いて
W=C/2(−V02+x12+x22+…+xN2+VN2 ) …(8)
となる。Lagrangeの未定係数法(非特許文献4)により、
∂/∂xk(W−λ(x1+x2+…+xN−V0+VN ))=0 …(9)
が成立するときにWは最小値をとる。ここで、λはパラメータである。したがって、x1 ,x2 ,…,xN で偏微分することにより、
1 =x2 =…=xN =λ/C …(10)
が得られる。
【0031】
すなわち、これは階段電圧の電位差が等しく、V/Nであるときに最小値をとることを意味している。したがって、式(8) より
W=C/2 [((VN−V0)/N)2N+VN2−V02] …(11)
が得られる。
【0032】
ここで、C/2・VN2−C/2・V02は、終状態と始状態のエネルギーの差を表している。また第1項は、抵抗で消費されるジュール熱を意味している。ここで、抵抗で消費されるジュール熱とは、電源と電気2重層キャパシタを接続するスイッチングトランジスタの抵抗や配線抵抗R1 で消費されるジュール熱を意味している。
【0033】
式(11)より、ステップ数Nを大きくすれば、このジュール熱をゼロにすることが可能なことがわかる。また、ゼロ電位からの充電でなく、ある電位V0 からの充電においても階段的に充電することが有効なことも明らかである。また、数学的解析によると、ステップ数Nを固定した場合に等間隔で充電する場合に、最も効率的に充電できることがわかった。
【0034】
このように階段的に充電することにより、定電流充電と同様に効率的に充電できることが明らかとなった。
【0035】
第1の実施形態では、上記の階段的に充電することを実現するために、図1(a) に示したDC−DCコンバータ(昇降圧回路)のスイッチSW1のON/OFF比を変えることにより、入力電圧に応じて出力電圧を変化させることが特徴である。
【0036】
図2は、昇降圧回路の動作例を示す(非特許文献5)。スイッチSW1がONのときにダイオードDがOFFとなり、図2(b) の状態になってインダクタLに電流の形でエネルギーを貯める。また、スイッチSW1がOFFのときにダイオードDがONとなり、図2(c) の状態になり、電流の形で貯められていたエネルギーをキャパシタCに電荷の形で蓄電する。この昇降圧回路は、図2(b), (c)の状態を繰り返して出力電圧Eout を自由に制御する回路である。
【0037】
スイッチSW1のONの時間をdT、OFFの時間を(1−d)Tとすると、入力電圧Eに対する出力電圧E0ut は、d/(1−d)・Eとなる。ここで、dはスイッチSW1がONとなる割合でデューティ(duty)比とよばれ、0<d<1である。
【0038】
第1の実施形態では、こうして実現した直流電源を階段状に変化させた階段電位による充電を用いており、図1(b) はV0 =VDD/4、N=4の場合を示している。充電電圧E0ut は、VDD/4→2VDD/4→3VDD/4→4VDD/4であるので、これがd/(1−d)・Eに対応する。また、電源電圧E(t) は、図1(c) のようにVDD/8→VDD/8→VDD→VDDと時間変化しているものとする。この場合に、図1(b) の領域 (1)〜(4) における各出力電圧E0ut を生成するためのデューティ比dは次のようになる。
【0039】
領域(1) :d/(1−d)・VDD/8=VDD/4より、d=2/3。
領域(2) :d/(1−d)・VDD/8=2VDD/4より、d=4/5。
領域(3) :d/(1−d)・VDD =3VDD/4より、d=3/7。
領域(4) :d/(1−d)・VDD =4VDD/4より、d=1/2。
【0040】
すなわち、図1(b),(c) に示す電源電圧E(t) と充電電圧Eout の場合には、デューティ比dは2/3→4/5→3/7→1/2となり、このデューティ比でスイッチSW1をON/OFFすることにより、VDD/8とVDDとの間で変動する電源電圧E(t) に対して、充電電圧E0ut を階段状に変化させることができる。
【0041】
図3(a) は、昇降圧回路のスイッチSW1の具体的な制御波形を示す。図3(b) は、昇降圧回路の出力電圧d/(1−d)・Eを示す。ここでは、d<1/2として、昇降圧回路の出力電圧E0ut が入力電圧Eより小さくなる例(図1の領域(3) )を示した。図3(a) のデューティ比dを、上記のように2/3→4/5→3/7→1/2と変化させると図1(b),(c) の電源電圧E(t) に応じた充電電圧E0ut が得られる。
【0042】
(第2の実施形態)
図4は、本発明の充電回路の第2の実施形態の回路構成例を示す。
本実施形態は、図1に示す第1の実施形態のダイオードDをスイッチSW2に置き換えた構成である。制御部15は、電圧比較器11,13の出力に応じて、スイッチSW1とスイッチSW2のON/OFFを相補的に制御する。すなわち、スイッチSW1がON(OFF) の時に、スイッチSW2をOFF(ON) とする。これにより、スイッチSW2を駆動する電力が必要となるが、ダイオードの電圧ドロップがなくなり、低い電圧によるキャパシタの充電に有利である。
【0043】
なお、以上説明した昇降圧形のDC−DCコンバータは入力電圧と出力電圧を絶縁しない非絶縁型に属するものであるが、これに限定されることはなく、入力電圧と出力電圧を絶縁する絶縁型の昇降圧形DC−DCコンバータを用いてもよい(非特許文献6参照)。
【符号の説明】
【0044】
E(t) 変動する電源電圧(昇降圧回路の入力電圧)
out 充電電圧(昇降圧回路の出力電圧)
SW1,SW2,SW3,SW4 スイッチ(スイッチングトランジスタ)
D ダイオード
C キャパシタ
L 電気2重層キャパシタ
11,13 電圧比較器
12,14,15 制御部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
キャパシタCL の端子電圧に応じてスイッチのON/OFFを制御する制御手段を含むDC−DCコンバータを備え、電圧が変動する電源から前記キャパシタCL の端子に印加する充電電圧を生成する充電回路において、
前記制御手段は、前記電源の電圧および前記キャパシタCL の端子電圧に応じて、前記スイッチのON/OFF比を制御し、前記電源の電圧を昇圧または降圧させて時間とともに階段状に上昇する前記キャパシタCL の充電電圧を生成する構成である
ことを特徴とする充電回路。
【請求項2】
第1のスイッチ、ダイオード、インダクタL、キャパシタC、キャパシタCL の端子電圧に応じて第1のスイッチのON/OFFを制御する制御手段を含むDC−DCコンバータを備え、電圧が変動する電源から前記キャパシタCL の端子に印加する充電電圧を生成する充電回路において、
前記制御手段は、前記電源の電圧および前記キャパシタCL の端子電圧に応じて、前記第1のスイッチのON/OFF比を制御し、前記電源の電圧を昇圧または降圧させて時間とともに階段状に上昇する前記キャパシタCL の充電電圧を生成する構成である
ことを特徴とする充電回路。
【請求項3】
請求項2に記載の充電回路において、
前記ダイオードを第2のスイッチに置き換え、
前記制御手段は、前記第1のスイッチと第2のスイッチのON/OFFを相補的に制御する構成である
ことを特徴とする充電回路。
【請求項4】
キャパシタCL の端子電圧に応じてスイッチのON/OFFを制御する制御手段を含むDC−DCコンバータを備え、電圧が変動する電源から前記キャパシタCL の端子に印加する充電電圧を生成する充電方法において、
前記制御手段は、前記電源の電圧および前記キャパシタCL の端子電圧に応じて、前記スイッチのON/OFF比を制御し、前記電源の電圧を昇圧または降圧させて時間とともに階段状に上昇する前記キャパシタCL の充電電圧を生成する
ことを特徴とする充電方法。
【請求項5】
第1のスイッチ、ダイオード、インダクタL、キャパシタC、キャパシタCL の端子電圧に応じて第1のスイッチのON/OFFを制御する制御手段を含むDC−DCコンバータを備え、電圧が変動する電源から前記キャパシタCL の端子に印加する充電電圧を生成する充電方法において、
前記制御手段は、前記電源の電圧および前記キャパシタCL の端子電圧に応じて、前記第1のスイッチのON/OFF比を制御し、前記電源の電圧を昇圧または降圧させて時間とともに階段状に上昇する前記キャパシタCL の充電電圧を生成する
ことを特徴とする充電方法。
【請求項6】
請求項5に記載の充電方法において、
前記ダイオードを第2のスイッチに置き換え、前記第1のスイッチと第2のスイッチのON/OFFを相補的に制御する
ことを特徴とする充電方法。

【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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【公開番号】特開2011−188640(P2011−188640A)
【公開日】平成23年9月22日(2011.9.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−51827(P2010−51827)
【出願日】平成22年3月9日(2010.3.9)
【出願人】(000004226)日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】(504160781)国立大学法人金沢大学 (282)
【Fターム(参考)】