直流電源装置
【課題】リチウムイオンキャパシタ・ユニットを主電源として用い、二次電池を予備電源として用いる直流電源装置において、二次電池の負担を減らして二次電池の劣化を抑え、安定して電力の供給が可能な直流電源装置を提供する。
【解決手段】切換回路８は、電流制限抵抗４を有する第１の放電回路８１と、電流制限抵抗４を短絡する第２の放電回路８３から構成されている。電圧検出手段５がリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧がユニット下限電圧に達したことを検出すると、第１の放電回路８１を通して二次電池３を放電する。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧がユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出するかまたはリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧がユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出すると、第２の放電回路８３を通して二次電池３を放電する。
【解決手段】切換回路８は、電流制限抵抗４を有する第１の放電回路８１と、電流制限抵抗４を短絡する第２の放電回路８３から構成されている。電圧検出手段５がリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧がユニット下限電圧に達したことを検出すると、第１の放電回路８１を通して二次電池３を放電する。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧がユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出するかまたはリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧がユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出すると、第２の放電回路８３を通して二次電池３を放電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電手段からの放電により、負荷に直流電力を供給する直流電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車のモータなどの負荷に直流電力を供給するための直流電源装置には、比較的容量の大きいキャパシタ（コンデンサ）を用いているものがある（例えば、実開平３−１０４００２号公報）。また、キャパシタは電荷がなくなると電力を供給できなくなるため、二次電池（バッテリ）と併用することで、直流電源の使用時間を延ばす工夫をしている直流電源装置もある（例えば、特開平６−２７０６９５号公報〔特許文献２〕、特開２００９−１１２１２２号公報〔特許文献３〕、特開２００４−２６６８８８号公報〔特許文献４）及び特開２０１０−４５８７号公報〔特許文献５〕）。特に、特許文献３及び５では、大容量のキャパシタとしてリチウムイオンキャパシタを使用して必要最大電力をまかない、二次電池の必要最大電力を小さくすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平３−１０４００２号公報
【特許文献２】特開平６−２７０６９５号公報
【特許文献３】特開２００９−１１２１２２号公報
【特許文献４】特開２００４−２６６８８８号公報
【特許文献５】特開２０１０−４５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、リチウムイオンキャパシタに比べて、二次電池は、急激な充放電や過放電・過充電によって劣化しやすく、従来の制御方法によっては、二次電池が劣化してしまうという問題がある。例えば、特許文献４に記載の構成では、二次電池が主電源とリレーを介して並列に接続されており、充放電時には二次電池にも制限無く大きな負荷が接続されることになる。また特許文献５に記載の構成では、二次電池の使用頻度が高く、また、ＤＣ／ＤＣコンバータを常時使用しているために常に電力を消費してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを主電源として用い、二次電池を予備電源として用いる直流電源装置において、二次電池の負担を減らして二次電池の劣化を抑え、寿命を延ばし、また、安定して電力の供給が可能な直流電源装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、外部電源によりリチウムイオンキャパシタ・ユニットを充電する際に、二次電池も併せて充電が可能な直流電源装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、直流電源装置が使用される環境温度に適した条件で二次電池を充電可能な直流電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の直流電源装置は、負荷に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ・ユニットと、負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続可能な二次電池と、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続するための切換回路とを備えている。
【０００９】
一般的なリチウムイオンキャパシタは、単体では３．８Ｖ程度であるため、用途に合わせて複数のリチウムイオンキャパシタを直列接続してリチウムイオンキャパシタ・ユニットを構成し、必要な出力電圧を得る。また、二次電池は、例えば、鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの充放電可能なものであればよく、その種類は限定されるものではない。
【００１０】
リチウムイオンキャパシタには、特性上必然的に定まる下限電圧を下回って過放電状態となると、再充電したとしても、元の特性を得られなくなるという性質がある。そこで、本発明においては、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを構成する各リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧を割り込んでしまうことを避けるために、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧を電圧検出手段で検出し、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧に達すると、切換回路がリチウムイオンキャパシタ・ユニットに二次電池を並列接続して、リチウムイオンキャパシタ・ユニット内の複数のリチウムイオンキャパシタが下限電圧以下に低下するのを防止する。
【００１１】
なお、本願明細書において「ユニット下限電圧」とは、直列接続されている複数のリチウムイオンキャパシタの下限電圧の合計値よりも高く、二次電池の定格電圧よりも低い電圧値であり、リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧以下に下がることを防止できる値である。
【００１２】
本発明において、切換回路は、２つの回路構成を切り換えるように構成されている。まず、切換回路は、二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続したときには、最初に二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに電流制限手段を含む第１の放電回路を介して並列接続する第１の回路構成となる。その後リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出するかまたはリチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出すると、切換回路は、二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに電流制限手段を含まない第２の放電回路を介して並列接続する第２の回路構成となる。
【００１３】
“リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出する場合”は、切換回路が第１の回路構成になった後、二次電池を使用して負荷に対して過電流を流すことなく必要な電力を供給できており、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニットも二次電池によって充電できている場合である。そのために、ユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで電圧が上昇している。第１の設定電圧は、二次電池から負荷への放電電流が過電流になることを阻止できる電圧である。したがってこの状態では、電流制限素子の存在は、電力損失の発生原因となり、過電流の発生防止機能は果たしていない。そこで第２の回路構成に切り換わることで、電流制限手段を切り離して、電流制限手段における損失の発生を阻止し、二次電池の負荷を減少させることになる。その結果、二次電池の容量低下速度を遅いものとすることができる。
【００１４】
これに対して“リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出する場合”は、切換回路が第１の回路構成になった時点における負荷が大き過ぎるために、電流制限素子を介して負荷に電流を供給していたのでは、十分な電力を供給できず、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニットの放電が継続される場合である。したがってこの場合において、電流制限素子を放電回路に存在させることは、リチウムイオンキャパシタ・ユニットからの放電を継続させて、各リチウムイオンキャパシタの電圧を下限電圧まで低下させてしまう危険性がある。そこで第２の回路構成に切り換わることで、電流制限手段を切り離すことにより、負荷に対して必要な電力を供給し、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧低下を防止する。このような観点から第２の設定電圧は、リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧以下になることを阻止できる電圧である。
【００１５】
以上のように、本発明によれば、特定の条件の場合に第１の回路構成から第２の回路構成に切り換えることで、二次電池からの過電流の放電を阻止して二次電池の劣化を抑制し且つ電力損失を抑制することができ、しかも負荷に必要な電力を供給することができる。
【００１６】
第２の放電回路は、具体的には、第１の放電回路の電流制限手段を短絡する短絡回路で構成することができる。このように構成することで、切換回路の構成を簡単なものとすることができる。
【００１７】
本発明の直流電源装置は、モータにより駆動する自動搬送車（ＡＧＶ）等に適している。一般的には、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が低下した場合には、自動搬送車であれば、待機ステーションに自動搬送車が戻った時点で充電装置（外部充電器）により充電が行われる。この際、リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに動作状態になって二次電池を充電する充電回路をさらに具備するようにすれば、二次電池も併せて充電することができる。ただし、リチウムイオンキャパシタ・ユニットと二次電池の充電特性及び充電時間は大きく異なるため、同時に充電を行うと、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの充電時間が充電に時間のかかる二次電池の充電時間に拘束されて、必要以上に延びてしまい、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを有効に活用できない問題が生じる。また、充電回路を常に接続した状態にしておくと、リチウムイオンキャパシタ・ユニットから常に二次電池を充電する動作が可能となり、電力損失が発生する。そこで、充電回路にスイッチング回路を含めておき、スイッチング回路が導通状態になっている場合に、二次電池の充電が行われるようにしておくことが望ましい。充電回路にスイッチング回路を含めておくことで、充電時間の短いリチウムイオンキャパシタ・ユニットを充電した後で、待機時間などを利用して、充電時間の長い二次電池を充電することが可能になる。また、このようなスイッチング回路を設けると、リチウムイオンキャパシタ・ユニットから二次電池に充電する動作を任意に止めることができる。なお、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの充電電圧は二次電池の充電電圧よりも高い。そのため、充電回路には充電電圧を二次電池の充電に適した電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含めることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは任意に電圧制御することができるため、適切な充電電圧で二次電池を充電して二次電池の寿命低下を抑制することができる。
【００１８】
二次電池の充電に適している電圧は、二次電池がおかれる環境温度によって変わることが知られている。そこで、過充電及び充電不足を防止するように二次電池の充電を行うためには、環境温度を検出する温度検出手段をさらに備え、環境温度によって充電回路に含めるＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を変化させることが好ましい。具体的には、温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準上限温度より高くなると、二次電池の充電に適した電圧を低下させ、温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準下限温度より低くなると二次電池の充電に適した電圧を上昇させるようにすればよい。
【００１９】
なお、充電回路を、１以上のダイオードを含んで構成し、リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに充電電圧を二次電池の充電に適した電圧に降圧して二次電池に印加するように構成してもよい。具体的には、１以上のダイオードを直列に接続し、アノード側をリチウムイオンキャパシタ・ユニットの陽極端子に接続し、カソードを二次電池の陽極端子に接続する。このように構成すれば、使用する二次電池の定格電圧に応じてダイオードの数を決めるだけで、容易に二次電池の充電電圧を調整することが可能である。そのためスイッチング回路やＤＣ／ＤＣコンバータなどの複雑な回路を必要としない。この場合にも、充電回路にスイッチング回路を含めておき、スイッチング回路が導通状態になっている場合だけ、二次電池の充電が行われるようにしておくことが望ましい。
【００２０】
上述の通り、第１の設定電圧は、二次電池から負荷への放電電流が過電流になることを阻止できる電圧である。このように第１の設定電圧を定めるのは、切換回路によって第１の回路構成から第２の回路構成に切り替わった時点で、二次電池の電圧がリチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧よりも大きく且つ両電圧の電圧差が所定値以上になると、二次電池の最大放電電流を超える電流が流れてしまう可能性があるためである。「二次電池の最大放電電流」とは、二次電池の寿命を縮めることなく、放電可能な最大の電流のことであり、二次電池の仕様によって規定されるものである。二次電池の性能及び二次電池の使用環境によっては、第１の設定電圧として、固定値を用いることも可能である。しかし第１の設定電圧を固定値にした場合には、二次電池の劣化、個体差、環境温度などの条件によって、放電時の二次電池の電圧変化率が大きくなると、第１の放電回路の電流制限手段を短絡したときに、放電電流が最大放電電流より大きくなる事態が発生する可能性がある。そこで、第１の設定電圧は、二次電池の電圧値（端子間電圧）から放電電流が過電流になることを阻止することを許容する許容差電圧を減算した電圧とすることができる。このように第１の設定電圧を設定することで、第１の回路構成から第２の回路構成に切り替わる際に、二次電圧とリチウムイオンキャパシタ・ユニットとの電圧差が十分に小さくなり、二次電池の最大放電電流を超える放電電流が流れることがなくなる。
【００２１】
第２の回路構成になった場合、リチウムイオンキャパシタ・ユニットと二次電池は、直接接続された状態となり、リチウムイオンキャパシタ・ユニットと二次電池を含む放電回路中の抵抗成分はリチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗（ＲC）と二次電池の内部抵抗（ＲB）のみになる。この放電回路において、放電電流が二次電池の最大放電電流を超えないようにするためには、二次電池とリチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧差（Ｖdif）を内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）で割って得られる電流値（Ｉ）が、二次電池の最大放電電流（Ｉref）以下になるように設定すればよい。したがって、許容差電圧として、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗及び二次電池の内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）と二次電池の最大放電電流（Ｉref）の積で求まる電圧値を用いれば、二次電池からの放電電流が最大放電電流を超えることを防止することができて、二次電池の劣化を防ぎながら、電流制限手段による電力損失を最も小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の直流電源装置の第１の実施の形態の一例の構成を示す回路図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の直流電源装置の切換回路で切換のタイミングを示すタイムチャートである。
【図３】本発明の直流電源装置の切換回路を制御する制御回路のフローを示すフロー図である。
【図４】本発明の直流電源装置の第２の実施の形態の一例の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の直流電源装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
〔構成〕
図１は、本発明の直流電源装置を自動搬送車の直流電源装置に適用した第１の実施の形態の構成を示す回路図である。本実施の形態の直流電源装置は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１、鉛蓄電池等の二次電池３、電圧検出手段５、制御回路７及び切換回路８を備えている。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１及び二次電池３は、負荷であるモータＭに対して並列に接続されている。本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ・ユニット１は、１６個のリチウムイオンキャパシタが直列接続されたキャパシタアレイが４本並列接続されたモジュールからなる（ただし、図においては、キャパシタの図示を一部省略してある）。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の容量は４５０Ｆ（リチウムイオンキャパシタ単セルで１８００Ｆ）である。リチウムイオンキャパシタＣ１〜Ｃ１６の上限電圧が３．８［Ｖ］であるとすると、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧は、６０．８［Ｖ］になる。リチウムイオンキャパシタＣ１〜Ｃ１６の下限電圧は２．２［Ｖ］であるので、３５．２［Ｖ］を下回らないことと、負荷側のシステムがダウンしない電圧設定により、本実施の形態のユニット下限電圧は４０．０［Ｖ］に設定してある。リチウムイオンキャパシタのそれぞれには、各リチウムイオンキャパシタの電圧を均等化させるための電圧均等化回路を構成する抵抗素子が並列に接続されている（ただし、図においては省略してある）。電圧均等化の抵抗素子には例えば１ｋΩの抵抗が使用される。二次電池３としては、定格４８．０［Ｖ］（定格２Ｖのセルが２４個直列接続されている）、４４Ａｈの制御弁式鉛蓄電池を使用している。
【００２５】
電圧検出手段５は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１及び二次電池３の端子間電圧をそれぞれ検出できるように、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の一対の端子Ｔ３及びＴ４と、二次電池３の一対の端子Ｔ５及びＴ６に並列に接続されている。電圧検出手段５は、例えば抵抗分圧回路を用いて構成することができる。制御回路７は、電圧検出手段５が検知した電圧値に基づいて、スイッチＳＷ１，ＳＷ３及びＳＷ５の導通及び遮断を制御している。具体的な制御動作については、後述する。
【００２６】
切換回路８は、第１の放電回路８１と、第２の放電回路８３から構成されている。第１の放電回路８１は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ１に直列接続された電流制限抵抗４とから構成されている。第２の放電回路８３は、スイッチＳＷ３を含んで構成されている。後述のように電流制限抵抗４は、スイッチＳＷ１が導通したときに、二次電池３から過電流が放電されることを防ぐ目的で備えられている。なお図示していないが、負荷としてのモータを含むモータ回路Ｍには、制御指令に応じて動作するインバータ回路を含むモータ駆動回路が接続されている。
【００２７】
本実施の形態では、モータ回路Ｍの一対の端子Ｔ１及びＴ２にリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の一対の端子Ｔ３及びＴ４がそれぞれ電気的に接続されている。なおモータ回路Ｍの端子Ｔ１、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の端子Ｔ３及び二次電池３の端子Ｔ５は、陽極端子であり、モータ回路Ｍの端子Ｔ２、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の端子Ｔ４及び二次電池３の端子Ｔ６は、それぞれ充電器９のアース端子に共通接続された負極端子である。第１の放電回路８１はリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の陽極端子Ｔ３と、二次電池３の陽極端子Ｔ６との間に配置されている。第２の放電回路８３は、第１の放電回路８１に対して並列に接続されている。よって、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１と二次電池３は、第１の放電回路８１及び第２の放電回路８３からなる切換回路８を介して並列接続されている。
【００２８】
充電器（充電用直流電源）９は自動搬送車の待機ステーションに設けられた充電器である。自動搬送車が待機ステーションに戻るたびに、端子Ｔ１及びＴ２が充電器９の出力端子Ｔ７及びＴ８に接続され、充電動作が行われる。充電器９と自動搬送車の直流電源装置が接続されると、充電器９は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の上限電圧よりも少し低い充電電圧でリチウムイオンキャパシタ・ユニット１を充電する。本実施の形態では、端子Ｔ１と二次電池３の端子Ｔ５との間に二次電池３の充電回路１３が接続されている。充電回路１３は、スイッチＳＷ５とＤＣ／ＤＣコンバータ１５とが直列に接続されて構成されている。充電器９が直流電源装置に接続されているときに、スイッチＳＷ５が制御回路７からの導通信号に応じて導通状態になることで、二次電池３の充電が開始される。制御回路７は電圧検出手段５が検出する二次電池３の電圧が、予め定めた充電開始電圧以下に下がっていることを検出すると、充電器９が直流電源装置に接続されたときに、スイッチＳＷ５を導通状態にする導通信号を出力する。スイッチＳＷ５は、このオン指令が出力されている間、導通状態を維持する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の充電電圧を二次電池３の充電に適した電圧まで降圧して得た充電電圧を二次電池３に印加する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５からの充電電流が大きくなりすぎると、二次電池３の劣化につながるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は１〜７Ａ程度の電流で二次電池３を充電するように構成してある。電圧検出手段５が、二次電池３の端子Ｔ５及びＴ６間電圧が予め定めた設定電圧（充電完了電圧）まで充電されたことを検出すると、制御回路７はオン指令の出力を停止してスイッチＳＷ５を遮断し、充電が終了する。本実施の形態では、二次電池３を充電しているとき以外では、スイッチＳＷ５を遮断しているので、待機電力を消費しない。そのため、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１を二次電池３の充電に影響を受けることなく、迅速に充電することができる。
【００２９】
また、本実施の形態では、二次電池３の環境温度を検出する温度検出手段６も備えられている。温度検出手段６の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の図示しない制御部に入力される。図示しない制御部は、温度検出手段６により検出された二次電池３が置かれている環境温度に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧を調整する。具体的には、図示しない制御部は、環境温度が高くなれば、二次電池への充電電圧を下げ、環境温度が低くなれば二次電池への充電電圧を上げるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧を調整する。このようにすることにより、環境温度の変化に適した充電電圧で二次電池を充電することにより、過充電または充電不足により、二次電池が受けるストレスを軽減して、二次電池３の寿命を延ばすことができる。
【００３０】
〔切換回路の制御〕
次に図２及び図３を参照して、制御回路７によって制御される切換回路８の切換動作を説明する。
【００３１】
本実施の形態の直流電源装置では、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の充電電圧がユニット下限電圧Ｖ1（４０．０［Ｖ］）よりも高いときには、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１のみからモータ回路Ｍに給電を行う。このときには、切換回路８中のスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ３は双方共に遮断された状態である。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の端子間電圧ＶLICがユニット下限電圧Ｖ1（４０．０［Ｖ］）まで低下したことを電圧検出手段５が検出すると（ステップＳＴ１）、制御回路７はスイッチＳＷ１を導通状態にする導通信号を出力する（ステップＳＴ２）。この状態で、切換回路８は、第１の回路構成となっている。スイッチＳＷ１が導通状態になると、電圧が下がったリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧よりも高い電圧に充電されている二次電池３からモータ回路Ｍに駆動電流が供給されるのと同時にリチウムイオンキャパシタ・ユニット１に充電電流が供給される。
【００３２】
このときの二次電池３の電圧が４８．０［Ｖ］であると、二次電池３の電圧とユニット下限電圧Ｖ1（４０．０［Ｖ］）まで低下したリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧との電圧差は、８．０［Ｖ］である。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の内部抵抗は１０［ｍΩ］であり、二次電池の内部抵抗も１０［ｍΩ］とすると、電流制限抵抗４がない場合には、二次電池３は計算上の瞬間最大電流は４００［Ａ］の大電流を放電することになる。そこで、二次電池３からの放電電流を制限するために、電流制限抵抗４が含まれている第１の放電回路８１を介して二次電池３からリチウムイオンキャパシタ・ユニット１を充電する。電流制限抵抗４の抵抗値は、例えば、二次電池３とリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電位差が８．０［Ｖ］のときに、最大３［Ａ］程度に放電を制限する場合、３．０Ω５０Ｗ程度の抵抗を選択するのが好ましい。ただし、実際には負荷への供給電力に不足がない電力値を考慮して電流制限抵抗４の値を決定する必要がある。
【００３３】
スイッチＳＷ１が導通状態になった後、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧が、ユニット下限電圧Ｖ1よりも高い第１の設定電圧Ｖ2（４２．５［Ｖ］）またはユニット下限電圧Ｖ1よりも低い第２の設定電圧Ｖ3（３７．５［Ｖ］）になったことを電圧検出手段５が検出すると（ステップＳＴ３）、制御回路７は、スイッチＳＷ３を導通状態にする導通信号を出力する（ステップＳＴ４）。スイッチＳＷ３が導通状態になったときに、切換回路８は第２の回路構成となる。なお、スイッチＳＷ３を投入した後は、スイッチＳＷ１を遮断してもよい。
【００３４】
スイッチＳＷ３が導通状態になると、第１の放電回路８１は第２の放電回路８３により短絡された状態になり、以後二次電池３からの放電電流は第２の放電回路８３からモータ回路Ｍ及びリチウムイオンキャパシタ・ユニット１に供給される。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧が第１の設定電圧Ｖ2まで上昇する場合は、切換回路８が第１の回路構成になった後、二次電池３を使用してモータ回路（負荷）Ｍに対して過電流を流すことなく必要な電力を供給できており、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニット１も二次電池３によって充電できている場合である（図２（Ａ））。第１の設定電圧Ｖ2は、二次電池３から負荷Ｍへの放電電流が過電流になることを阻止できる電圧である。したがってこの状態では、電流制限抵抗４は、電力損失の発生原因となるだけで、過電流の発生防止機能は果たしていない。そこで第２の回路構成に切り換わることで、電流制限抵抗４を切り離して、電流制限抵抗４における電力損失の発生を阻止し、二次電池３の負荷を減少させる。その結果、二次電池３の容量低下速度を遅いものとすることができる。
【００３５】
なお、第１の設定電圧Ｖ2は第１の回路構成から第２の回路構成に切り替わった際に、二次電池３から負荷への放電電流が最大放電電流を超えないように設定する必要がある。第１の設定電圧Ｖ2として、上記のように固定値を用いることも可能である。しかし第１の設定電圧Ｖ2を固定値にした場合には、二次電池の劣化、個体差、環境温度などの条件によって二次電池の放電時の電圧変化率が大きくなると、第１の放電回路の電流制限手段を短絡したときに、放電電流が最大放電電流より大きくなる事態が発生する可能性がある。そこで、このような場合には、(1)式のように、二次電池の電圧値（端子間電圧）ＶBからの放電電流が過電流になることを阻止することを許容する許容差電圧Ｖdifを減算した電圧値を第１の設定電圧Ｖ2とするのが好ましい。
【００３６】
Ｖ2＝ＶB−Ｖdif ・・・(1)
許容差電圧Ｖdifは、(2)式から算出できる。
【００３７】
Ｖdif＝Ｉref・（ＲC＋ＲB） ・・・(2)
ただし、Ｉrefは二次電池３の最大放電電流、ＲCはリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の内部抵抗、ＲBは二次電池３の内部抵抗である。例えば、Ｉref＝１０［Ａ］、ＲC＝１０［ｍΩ］、ＲB＝１０［ｍΩ］の場合には、Ｖdif＝２００［ｍＶ］となる。(2)式により予め算出した許容差電圧Ｖdifを制御回路７が記憶しておき、(1)式に基いて第１の設定電圧Ｖ2を制御回路７が決定する。そして電圧検出手段５が、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が第１の設定電圧Ｖ2まで上昇したことを検出すると、制御回路７は切換回路８に切換指令を出力する。
【００３８】
なお、(2)式は、次のような理由から定めている。すなわち、第２の回路構成になった場合、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１と二次電池３は直接接続された状態となる。そしてこのときのリチウムイオンキャパシタ・ユニット１と二次電池３を含む放電回路中の抵抗は、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗（ＲC）と二次電池の内部抵抗（ＲB）のみになる。この回路構成において、放電電流が二次電池３の最大放電電流を超えないようにするためには、二次電池３とリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧差を内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）で割って得られる電流値（Ｉ）が、二次電池の最大放電電流（Ｉref）以下になるように設定すればよい。すなわち、許容差電圧Ｖdifと最大放電電流（Ｉref）との間には、次の(3)式が成立すればよい。
【００３９】
Ｖdif／（ＲC＋ＲB）＝Ｉ＜＝Ｉref ・・・(3)
そこで、許容差電圧Ｖdifとして、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の内部抵抗及び二次電池３の内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）と二次電池の最大放電電流（Ｉref）の積［上記(2)式］で求まる電圧値を用いれば、二次電池の劣化を防ぎながら、電流制限抵抗４による電力損失を最も小さくすることができる。
【００４０】
リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧が第２の設定電圧Ｖ3まで低下する場合は、切換回路８が第１の回路構成（スイッチＳＷ１が導通状態）になった時点における負荷が大き過ぎるために、電流制限抵抗４を介して負荷に電流を供給していたのでは、十分な電力を供給できず、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の放電が継続される場合である（図２（Ｂ））。したがってこの場合において、電流制限抵抗４を放電回路に存在させることは、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１からの放電を継続させて、各リチウムイオンキャパシタの電圧を下限電圧まで低下させてしまう危険性がある。そこで第２の回路構成（スイッチＳＷ３が導通状態）に切り換わることで、電流制限抵抗４を放電回路から切り離すことにより、モータ回路（負荷）Ｍに対して必要な電力を供給し、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧低下を防止する。このような観点から第２の設定電圧Ｖ3は、リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧以下になることを阻止できる電圧である。
【００４１】
図４に示すように、二次電池３の充電回路１１３において、充電電圧を降圧する手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータの代わりに、直列に接続した複数のダイオードを使用することも可能である。図４は、充電回路１１３にダイオードを利用した第２の実施の形態の構成を示している。図４において、図１に示した実施の形態と同じ部材には、図１に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。本実施の形態では、複数のダイオードを直列に接続してダイオードアレイ１１７を構成し、ダイオードアレイ１１７のアノード側をリチウムイオンキャパシタ・ユニット１０１の端子Ｔ３に接続し、カソードを二次電池１０３の陽極端子Ｔ５に接続する。このように構成することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく、使用する二次電池１０３の定格電圧に応じてダイオードの数を決めるだけで、容易に二次電池１０３の充電電圧を調整することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明によれば、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを主電源として用い、二次電池を予備電源として用いる直流電源装置において、二次電池の負担を減らして二次電池の劣化を抑え、寿命を延ばし、また、安定して電力の供給が可能な直流電源装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１ リチウムイオンキャパシタ・ユニット
３ 二次電池
４ 電流制限抵抗
５ 電圧検出手段
６ 温度検出手段
７ 制御回路
８ 切換回路
９ 充電用直流電源
１３ 充電回路
Ｃ１〜Ｃ１６ リチウムイオンキャパシタ
Ｍ モータ
ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５ スイッチング回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電手段からの放電により、負荷に直流電力を供給する直流電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車のモータなどの負荷に直流電力を供給するための直流電源装置には、比較的容量の大きいキャパシタ（コンデンサ）を用いているものがある（例えば、実開平３−１０４００２号公報）。また、キャパシタは電荷がなくなると電力を供給できなくなるため、二次電池（バッテリ）と併用することで、直流電源の使用時間を延ばす工夫をしている直流電源装置もある（例えば、特開平６−２７０６９５号公報〔特許文献２〕、特開２００９−１１２１２２号公報〔特許文献３〕、特開２００４−２６６８８８号公報〔特許文献４）及び特開２０１０−４５８７号公報〔特許文献５〕）。特に、特許文献３及び５では、大容量のキャパシタとしてリチウムイオンキャパシタを使用して必要最大電力をまかない、二次電池の必要最大電力を小さくすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平３−１０４００２号公報
【特許文献２】特開平６−２７０６９５号公報
【特許文献３】特開２００９−１１２１２２号公報
【特許文献４】特開２００４−２６６８８８号公報
【特許文献５】特開２０１０−４５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、リチウムイオンキャパシタに比べて、二次電池は、急激な充放電や過放電・過充電によって劣化しやすく、従来の制御方法によっては、二次電池が劣化してしまうという問題がある。例えば、特許文献４に記載の構成では、二次電池が主電源とリレーを介して並列に接続されており、充放電時には二次電池にも制限無く大きな負荷が接続されることになる。また特許文献５に記載の構成では、二次電池の使用頻度が高く、また、ＤＣ／ＤＣコンバータを常時使用しているために常に電力を消費してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを主電源として用い、二次電池を予備電源として用いる直流電源装置において、二次電池の負担を減らして二次電池の劣化を抑え、寿命を延ばし、また、安定して電力の供給が可能な直流電源装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、外部電源によりリチウムイオンキャパシタ・ユニットを充電する際に、二次電池も併せて充電が可能な直流電源装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、直流電源装置が使用される環境温度に適した条件で二次電池を充電可能な直流電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の直流電源装置は、負荷に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ・ユニットと、負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続可能な二次電池と、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続するための切換回路とを備えている。
【０００９】
一般的なリチウムイオンキャパシタは、単体では３．８Ｖ程度であるため、用途に合わせて複数のリチウムイオンキャパシタを直列接続してリチウムイオンキャパシタ・ユニットを構成し、必要な出力電圧を得る。また、二次電池は、例えば、鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの充放電可能なものであればよく、その種類は限定されるものではない。
【００１０】
リチウムイオンキャパシタには、特性上必然的に定まる下限電圧を下回って過放電状態となると、再充電したとしても、元の特性を得られなくなるという性質がある。そこで、本発明においては、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを構成する各リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧を割り込んでしまうことを避けるために、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧を電圧検出手段で検出し、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧に達すると、切換回路がリチウムイオンキャパシタ・ユニットに二次電池を並列接続して、リチウムイオンキャパシタ・ユニット内の複数のリチウムイオンキャパシタが下限電圧以下に低下するのを防止する。
【００１１】
なお、本願明細書において「ユニット下限電圧」とは、直列接続されている複数のリチウムイオンキャパシタの下限電圧の合計値よりも高く、二次電池の定格電圧よりも低い電圧値であり、リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧以下に下がることを防止できる値である。
【００１２】
本発明において、切換回路は、２つの回路構成を切り換えるように構成されている。まず、切換回路は、二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続したときには、最初に二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに電流制限手段を含む第１の放電回路を介して並列接続する第１の回路構成となる。その後リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出するかまたはリチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出すると、切換回路は、二次電池を負荷及びリチウムイオンキャパシタ・ユニットに電流制限手段を含まない第２の放電回路を介して並列接続する第２の回路構成となる。
【００１３】
“リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出する場合”は、切換回路が第１の回路構成になった後、二次電池を使用して負荷に対して過電流を流すことなく必要な電力を供給できており、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニットも二次電池によって充電できている場合である。そのために、ユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで電圧が上昇している。第１の設定電圧は、二次電池から負荷への放電電流が過電流になることを阻止できる電圧である。したがってこの状態では、電流制限素子の存在は、電力損失の発生原因となり、過電流の発生防止機能は果たしていない。そこで第２の回路構成に切り換わることで、電流制限手段を切り離して、電流制限手段における損失の発生を阻止し、二次電池の負荷を減少させることになる。その結果、二次電池の容量低下速度を遅いものとすることができる。
【００１４】
これに対して“リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧がユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出する場合”は、切換回路が第１の回路構成になった時点における負荷が大き過ぎるために、電流制限素子を介して負荷に電流を供給していたのでは、十分な電力を供給できず、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニットの放電が継続される場合である。したがってこの場合において、電流制限素子を放電回路に存在させることは、リチウムイオンキャパシタ・ユニットからの放電を継続させて、各リチウムイオンキャパシタの電圧を下限電圧まで低下させてしまう危険性がある。そこで第２の回路構成に切り換わることで、電流制限手段を切り離すことにより、負荷に対して必要な電力を供給し、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧低下を防止する。このような観点から第２の設定電圧は、リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧以下になることを阻止できる電圧である。
【００１５】
以上のように、本発明によれば、特定の条件の場合に第１の回路構成から第２の回路構成に切り換えることで、二次電池からの過電流の放電を阻止して二次電池の劣化を抑制し且つ電力損失を抑制することができ、しかも負荷に必要な電力を供給することができる。
【００１６】
第２の放電回路は、具体的には、第１の放電回路の電流制限手段を短絡する短絡回路で構成することができる。このように構成することで、切換回路の構成を簡単なものとすることができる。
【００１７】
本発明の直流電源装置は、モータにより駆動する自動搬送車（ＡＧＶ）等に適している。一般的には、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が低下した場合には、自動搬送車であれば、待機ステーションに自動搬送車が戻った時点で充電装置（外部充電器）により充電が行われる。この際、リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに動作状態になって二次電池を充電する充電回路をさらに具備するようにすれば、二次電池も併せて充電することができる。ただし、リチウムイオンキャパシタ・ユニットと二次電池の充電特性及び充電時間は大きく異なるため、同時に充電を行うと、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの充電時間が充電に時間のかかる二次電池の充電時間に拘束されて、必要以上に延びてしまい、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを有効に活用できない問題が生じる。また、充電回路を常に接続した状態にしておくと、リチウムイオンキャパシタ・ユニットから常に二次電池を充電する動作が可能となり、電力損失が発生する。そこで、充電回路にスイッチング回路を含めておき、スイッチング回路が導通状態になっている場合に、二次電池の充電が行われるようにしておくことが望ましい。充電回路にスイッチング回路を含めておくことで、充電時間の短いリチウムイオンキャパシタ・ユニットを充電した後で、待機時間などを利用して、充電時間の長い二次電池を充電することが可能になる。また、このようなスイッチング回路を設けると、リチウムイオンキャパシタ・ユニットから二次電池に充電する動作を任意に止めることができる。なお、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの充電電圧は二次電池の充電電圧よりも高い。そのため、充電回路には充電電圧を二次電池の充電に適した電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含めることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは任意に電圧制御することができるため、適切な充電電圧で二次電池を充電して二次電池の寿命低下を抑制することができる。
【００１８】
二次電池の充電に適している電圧は、二次電池がおかれる環境温度によって変わることが知られている。そこで、過充電及び充電不足を防止するように二次電池の充電を行うためには、環境温度を検出する温度検出手段をさらに備え、環境温度によって充電回路に含めるＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を変化させることが好ましい。具体的には、温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準上限温度より高くなると、二次電池の充電に適した電圧を低下させ、温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準下限温度より低くなると二次電池の充電に適した電圧を上昇させるようにすればよい。
【００１９】
なお、充電回路を、１以上のダイオードを含んで構成し、リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに充電電圧を二次電池の充電に適した電圧に降圧して二次電池に印加するように構成してもよい。具体的には、１以上のダイオードを直列に接続し、アノード側をリチウムイオンキャパシタ・ユニットの陽極端子に接続し、カソードを二次電池の陽極端子に接続する。このように構成すれば、使用する二次電池の定格電圧に応じてダイオードの数を決めるだけで、容易に二次電池の充電電圧を調整することが可能である。そのためスイッチング回路やＤＣ／ＤＣコンバータなどの複雑な回路を必要としない。この場合にも、充電回路にスイッチング回路を含めておき、スイッチング回路が導通状態になっている場合だけ、二次電池の充電が行われるようにしておくことが望ましい。
【００２０】
上述の通り、第１の設定電圧は、二次電池から負荷への放電電流が過電流になることを阻止できる電圧である。このように第１の設定電圧を定めるのは、切換回路によって第１の回路構成から第２の回路構成に切り替わった時点で、二次電池の電圧がリチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧よりも大きく且つ両電圧の電圧差が所定値以上になると、二次電池の最大放電電流を超える電流が流れてしまう可能性があるためである。「二次電池の最大放電電流」とは、二次電池の寿命を縮めることなく、放電可能な最大の電流のことであり、二次電池の仕様によって規定されるものである。二次電池の性能及び二次電池の使用環境によっては、第１の設定電圧として、固定値を用いることも可能である。しかし第１の設定電圧を固定値にした場合には、二次電池の劣化、個体差、環境温度などの条件によって、放電時の二次電池の電圧変化率が大きくなると、第１の放電回路の電流制限手段を短絡したときに、放電電流が最大放電電流より大きくなる事態が発生する可能性がある。そこで、第１の設定電圧は、二次電池の電圧値（端子間電圧）から放電電流が過電流になることを阻止することを許容する許容差電圧を減算した電圧とすることができる。このように第１の設定電圧を設定することで、第１の回路構成から第２の回路構成に切り替わる際に、二次電圧とリチウムイオンキャパシタ・ユニットとの電圧差が十分に小さくなり、二次電池の最大放電電流を超える放電電流が流れることがなくなる。
【００２１】
第２の回路構成になった場合、リチウムイオンキャパシタ・ユニットと二次電池は、直接接続された状態となり、リチウムイオンキャパシタ・ユニットと二次電池を含む放電回路中の抵抗成分はリチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗（ＲC）と二次電池の内部抵抗（ＲB）のみになる。この放電回路において、放電電流が二次電池の最大放電電流を超えないようにするためには、二次電池とリチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧差（Ｖdif）を内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）で割って得られる電流値（Ｉ）が、二次電池の最大放電電流（Ｉref）以下になるように設定すればよい。したがって、許容差電圧として、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗及び二次電池の内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）と二次電池の最大放電電流（Ｉref）の積で求まる電圧値を用いれば、二次電池からの放電電流が最大放電電流を超えることを防止することができて、二次電池の劣化を防ぎながら、電流制限手段による電力損失を最も小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の直流電源装置の第１の実施の形態の一例の構成を示す回路図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の直流電源装置の切換回路で切換のタイミングを示すタイムチャートである。
【図３】本発明の直流電源装置の切換回路を制御する制御回路のフローを示すフロー図である。
【図４】本発明の直流電源装置の第２の実施の形態の一例の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の直流電源装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
〔構成〕
図１は、本発明の直流電源装置を自動搬送車の直流電源装置に適用した第１の実施の形態の構成を示す回路図である。本実施の形態の直流電源装置は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１、鉛蓄電池等の二次電池３、電圧検出手段５、制御回路７及び切換回路８を備えている。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１及び二次電池３は、負荷であるモータＭに対して並列に接続されている。本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ・ユニット１は、１６個のリチウムイオンキャパシタが直列接続されたキャパシタアレイが４本並列接続されたモジュールからなる（ただし、図においては、キャパシタの図示を一部省略してある）。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の容量は４５０Ｆ（リチウムイオンキャパシタ単セルで１８００Ｆ）である。リチウムイオンキャパシタＣ１〜Ｃ１６の上限電圧が３．８［Ｖ］であるとすると、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧は、６０．８［Ｖ］になる。リチウムイオンキャパシタＣ１〜Ｃ１６の下限電圧は２．２［Ｖ］であるので、３５．２［Ｖ］を下回らないことと、負荷側のシステムがダウンしない電圧設定により、本実施の形態のユニット下限電圧は４０．０［Ｖ］に設定してある。リチウムイオンキャパシタのそれぞれには、各リチウムイオンキャパシタの電圧を均等化させるための電圧均等化回路を構成する抵抗素子が並列に接続されている（ただし、図においては省略してある）。電圧均等化の抵抗素子には例えば１ｋΩの抵抗が使用される。二次電池３としては、定格４８．０［Ｖ］（定格２Ｖのセルが２４個直列接続されている）、４４Ａｈの制御弁式鉛蓄電池を使用している。
【００２５】
電圧検出手段５は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１及び二次電池３の端子間電圧をそれぞれ検出できるように、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の一対の端子Ｔ３及びＴ４と、二次電池３の一対の端子Ｔ５及びＴ６に並列に接続されている。電圧検出手段５は、例えば抵抗分圧回路を用いて構成することができる。制御回路７は、電圧検出手段５が検知した電圧値に基づいて、スイッチＳＷ１，ＳＷ３及びＳＷ５の導通及び遮断を制御している。具体的な制御動作については、後述する。
【００２６】
切換回路８は、第１の放電回路８１と、第２の放電回路８３から構成されている。第１の放電回路８１は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ１に直列接続された電流制限抵抗４とから構成されている。第２の放電回路８３は、スイッチＳＷ３を含んで構成されている。後述のように電流制限抵抗４は、スイッチＳＷ１が導通したときに、二次電池３から過電流が放電されることを防ぐ目的で備えられている。なお図示していないが、負荷としてのモータを含むモータ回路Ｍには、制御指令に応じて動作するインバータ回路を含むモータ駆動回路が接続されている。
【００２７】
本実施の形態では、モータ回路Ｍの一対の端子Ｔ１及びＴ２にリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の一対の端子Ｔ３及びＴ４がそれぞれ電気的に接続されている。なおモータ回路Ｍの端子Ｔ１、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の端子Ｔ３及び二次電池３の端子Ｔ５は、陽極端子であり、モータ回路Ｍの端子Ｔ２、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の端子Ｔ４及び二次電池３の端子Ｔ６は、それぞれ充電器９のアース端子に共通接続された負極端子である。第１の放電回路８１はリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の陽極端子Ｔ３と、二次電池３の陽極端子Ｔ６との間に配置されている。第２の放電回路８３は、第１の放電回路８１に対して並列に接続されている。よって、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１と二次電池３は、第１の放電回路８１及び第２の放電回路８３からなる切換回路８を介して並列接続されている。
【００２８】
充電器（充電用直流電源）９は自動搬送車の待機ステーションに設けられた充電器である。自動搬送車が待機ステーションに戻るたびに、端子Ｔ１及びＴ２が充電器９の出力端子Ｔ７及びＴ８に接続され、充電動作が行われる。充電器９と自動搬送車の直流電源装置が接続されると、充電器９は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の上限電圧よりも少し低い充電電圧でリチウムイオンキャパシタ・ユニット１を充電する。本実施の形態では、端子Ｔ１と二次電池３の端子Ｔ５との間に二次電池３の充電回路１３が接続されている。充電回路１３は、スイッチＳＷ５とＤＣ／ＤＣコンバータ１５とが直列に接続されて構成されている。充電器９が直流電源装置に接続されているときに、スイッチＳＷ５が制御回路７からの導通信号に応じて導通状態になることで、二次電池３の充電が開始される。制御回路７は電圧検出手段５が検出する二次電池３の電圧が、予め定めた充電開始電圧以下に下がっていることを検出すると、充電器９が直流電源装置に接続されたときに、スイッチＳＷ５を導通状態にする導通信号を出力する。スイッチＳＷ５は、このオン指令が出力されている間、導通状態を維持する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の充電電圧を二次電池３の充電に適した電圧まで降圧して得た充電電圧を二次電池３に印加する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５からの充電電流が大きくなりすぎると、二次電池３の劣化につながるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は１〜７Ａ程度の電流で二次電池３を充電するように構成してある。電圧検出手段５が、二次電池３の端子Ｔ５及びＴ６間電圧が予め定めた設定電圧（充電完了電圧）まで充電されたことを検出すると、制御回路７はオン指令の出力を停止してスイッチＳＷ５を遮断し、充電が終了する。本実施の形態では、二次電池３を充電しているとき以外では、スイッチＳＷ５を遮断しているので、待機電力を消費しない。そのため、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１を二次電池３の充電に影響を受けることなく、迅速に充電することができる。
【００２９】
また、本実施の形態では、二次電池３の環境温度を検出する温度検出手段６も備えられている。温度検出手段６の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の図示しない制御部に入力される。図示しない制御部は、温度検出手段６により検出された二次電池３が置かれている環境温度に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧を調整する。具体的には、図示しない制御部は、環境温度が高くなれば、二次電池への充電電圧を下げ、環境温度が低くなれば二次電池への充電電圧を上げるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧を調整する。このようにすることにより、環境温度の変化に適した充電電圧で二次電池を充電することにより、過充電または充電不足により、二次電池が受けるストレスを軽減して、二次電池３の寿命を延ばすことができる。
【００３０】
〔切換回路の制御〕
次に図２及び図３を参照して、制御回路７によって制御される切換回路８の切換動作を説明する。
【００３１】
本実施の形態の直流電源装置では、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の充電電圧がユニット下限電圧Ｖ1（４０．０［Ｖ］）よりも高いときには、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１のみからモータ回路Ｍに給電を行う。このときには、切換回路８中のスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ３は双方共に遮断された状態である。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の端子間電圧ＶLICがユニット下限電圧Ｖ1（４０．０［Ｖ］）まで低下したことを電圧検出手段５が検出すると（ステップＳＴ１）、制御回路７はスイッチＳＷ１を導通状態にする導通信号を出力する（ステップＳＴ２）。この状態で、切換回路８は、第１の回路構成となっている。スイッチＳＷ１が導通状態になると、電圧が下がったリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧よりも高い電圧に充電されている二次電池３からモータ回路Ｍに駆動電流が供給されるのと同時にリチウムイオンキャパシタ・ユニット１に充電電流が供給される。
【００３２】
このときの二次電池３の電圧が４８．０［Ｖ］であると、二次電池３の電圧とユニット下限電圧Ｖ1（４０．０［Ｖ］）まで低下したリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧との電圧差は、８．０［Ｖ］である。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の内部抵抗は１０［ｍΩ］であり、二次電池の内部抵抗も１０［ｍΩ］とすると、電流制限抵抗４がない場合には、二次電池３は計算上の瞬間最大電流は４００［Ａ］の大電流を放電することになる。そこで、二次電池３からの放電電流を制限するために、電流制限抵抗４が含まれている第１の放電回路８１を介して二次電池３からリチウムイオンキャパシタ・ユニット１を充電する。電流制限抵抗４の抵抗値は、例えば、二次電池３とリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電位差が８．０［Ｖ］のときに、最大３［Ａ］程度に放電を制限する場合、３．０Ω５０Ｗ程度の抵抗を選択するのが好ましい。ただし、実際には負荷への供給電力に不足がない電力値を考慮して電流制限抵抗４の値を決定する必要がある。
【００３３】
スイッチＳＷ１が導通状態になった後、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧が、ユニット下限電圧Ｖ1よりも高い第１の設定電圧Ｖ2（４２．５［Ｖ］）またはユニット下限電圧Ｖ1よりも低い第２の設定電圧Ｖ3（３７．５［Ｖ］）になったことを電圧検出手段５が検出すると（ステップＳＴ３）、制御回路７は、スイッチＳＷ３を導通状態にする導通信号を出力する（ステップＳＴ４）。スイッチＳＷ３が導通状態になったときに、切換回路８は第２の回路構成となる。なお、スイッチＳＷ３を投入した後は、スイッチＳＷ１を遮断してもよい。
【００３４】
スイッチＳＷ３が導通状態になると、第１の放電回路８１は第２の放電回路８３により短絡された状態になり、以後二次電池３からの放電電流は第２の放電回路８３からモータ回路Ｍ及びリチウムイオンキャパシタ・ユニット１に供給される。リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧が第１の設定電圧Ｖ2まで上昇する場合は、切換回路８が第１の回路構成になった後、二次電池３を使用してモータ回路（負荷）Ｍに対して過電流を流すことなく必要な電力を供給できており、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニット１も二次電池３によって充電できている場合である（図２（Ａ））。第１の設定電圧Ｖ2は、二次電池３から負荷Ｍへの放電電流が過電流になることを阻止できる電圧である。したがってこの状態では、電流制限抵抗４は、電力損失の発生原因となるだけで、過電流の発生防止機能は果たしていない。そこで第２の回路構成に切り換わることで、電流制限抵抗４を切り離して、電流制限抵抗４における電力損失の発生を阻止し、二次電池３の負荷を減少させる。その結果、二次電池３の容量低下速度を遅いものとすることができる。
【００３５】
なお、第１の設定電圧Ｖ2は第１の回路構成から第２の回路構成に切り替わった際に、二次電池３から負荷への放電電流が最大放電電流を超えないように設定する必要がある。第１の設定電圧Ｖ2として、上記のように固定値を用いることも可能である。しかし第１の設定電圧Ｖ2を固定値にした場合には、二次電池の劣化、個体差、環境温度などの条件によって二次電池の放電時の電圧変化率が大きくなると、第１の放電回路の電流制限手段を短絡したときに、放電電流が最大放電電流より大きくなる事態が発生する可能性がある。そこで、このような場合には、(1)式のように、二次電池の電圧値（端子間電圧）ＶBからの放電電流が過電流になることを阻止することを許容する許容差電圧Ｖdifを減算した電圧値を第１の設定電圧Ｖ2とするのが好ましい。
【００３６】
Ｖ2＝ＶB−Ｖdif ・・・(1)
許容差電圧Ｖdifは、(2)式から算出できる。
【００３７】
Ｖdif＝Ｉref・（ＲC＋ＲB） ・・・(2)
ただし、Ｉrefは二次電池３の最大放電電流、ＲCはリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の内部抵抗、ＲBは二次電池３の内部抵抗である。例えば、Ｉref＝１０［Ａ］、ＲC＝１０［ｍΩ］、ＲB＝１０［ｍΩ］の場合には、Ｖdif＝２００［ｍＶ］となる。(2)式により予め算出した許容差電圧Ｖdifを制御回路７が記憶しておき、(1)式に基いて第１の設定電圧Ｖ2を制御回路７が決定する。そして電圧検出手段５が、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が第１の設定電圧Ｖ2まで上昇したことを検出すると、制御回路７は切換回路８に切換指令を出力する。
【００３８】
なお、(2)式は、次のような理由から定めている。すなわち、第２の回路構成になった場合、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１と二次電池３は直接接続された状態となる。そしてこのときのリチウムイオンキャパシタ・ユニット１と二次電池３を含む放電回路中の抵抗は、リチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗（ＲC）と二次電池の内部抵抗（ＲB）のみになる。この回路構成において、放電電流が二次電池３の最大放電電流を超えないようにするためには、二次電池３とリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧差を内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）で割って得られる電流値（Ｉ）が、二次電池の最大放電電流（Ｉref）以下になるように設定すればよい。すなわち、許容差電圧Ｖdifと最大放電電流（Ｉref）との間には、次の(3)式が成立すればよい。
【００３９】
Ｖdif／（ＲC＋ＲB）＝Ｉ＜＝Ｉref ・・・(3)
そこで、許容差電圧Ｖdifとして、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の内部抵抗及び二次電池３の内部抵抗の合計値（ＲC＋ＲB）と二次電池の最大放電電流（Ｉref）の積［上記(2)式］で求まる電圧値を用いれば、二次電池の劣化を防ぎながら、電流制限抵抗４による電力損失を最も小さくすることができる。
【００４０】
リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧が第２の設定電圧Ｖ3まで低下する場合は、切換回路８が第１の回路構成（スイッチＳＷ１が導通状態）になった時点における負荷が大き過ぎるために、電流制限抵抗４を介して負荷に電流を供給していたのでは、十分な電力を供給できず、しかもリチウムイオンキャパシタ・ユニット１の放電が継続される場合である（図２（Ｂ））。したがってこの場合において、電流制限抵抗４を放電回路に存在させることは、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１からの放電を継続させて、各リチウムイオンキャパシタの電圧を下限電圧まで低下させてしまう危険性がある。そこで第２の回路構成（スイッチＳＷ３が導通状態）に切り換わることで、電流制限抵抗４を放電回路から切り離すことにより、モータ回路（負荷）Ｍに対して必要な電力を供給し、リチウムイオンキャパシタ・ユニット１の電圧低下を防止する。このような観点から第２の設定電圧Ｖ3は、リチウムイオンキャパシタの電圧が下限電圧以下になることを阻止できる電圧である。
【００４１】
図４に示すように、二次電池３の充電回路１１３において、充電電圧を降圧する手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータの代わりに、直列に接続した複数のダイオードを使用することも可能である。図４は、充電回路１１３にダイオードを利用した第２の実施の形態の構成を示している。図４において、図１に示した実施の形態と同じ部材には、図１に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。本実施の形態では、複数のダイオードを直列に接続してダイオードアレイ１１７を構成し、ダイオードアレイ１１７のアノード側をリチウムイオンキャパシタ・ユニット１０１の端子Ｔ３に接続し、カソードを二次電池１０３の陽極端子Ｔ５に接続する。このように構成することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく、使用する二次電池１０３の定格電圧に応じてダイオードの数を決めるだけで、容易に二次電池１０３の充電電圧を調整することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明によれば、リチウムイオンキャパシタ・ユニットを主電源として用い、二次電池を予備電源として用いる直流電源装置において、二次電池の負担を減らして二次電池の劣化を抑え、寿命を延ばし、また、安定して電力の供給が可能な直流電源装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１ リチウムイオンキャパシタ・ユニット
３ 二次電池
４ 電流制限抵抗
５ 電圧検出手段
６ 温度検出手段
７ 制御回路
８ 切換回路
９ 充電用直流電源
１３ 充電回路
Ｃ１〜Ｃ１６ リチウムイオンキャパシタ
Ｍ モータ
ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５ スイッチング回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ・ユニットと、
前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続可能な二次電池と、
前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段が前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットのユニット下限電圧を検出するまでは、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットから電気的に切り離し、前記電圧検出手段が前記ユニット下限電圧を検出すると、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続する切換回路とを具備し、
前記切換回路は、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続したときには、最初に前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに電流制限手段を含む第１の放電回路を介して並列接続する第１の回路構成となり、その後前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が前記ユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出するかまたは前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が前記ユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出すると、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに前記電流制限手段を含まない第２の放電回路を介して並列接続する第２の回路構成となることを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
前記第２の放電回路は、前記第１の放電回路の前記電流制限手段を短絡する短絡回路によって構成されている請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項３】
前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに動作状態になって前記二次電池を充電する充電回路をさらに具備している請求項１に記載に直流電源装置。
【請求項４】
前記充電回路には、スイッチング回路が含まれており、前記スイッチング回路が導通状態になった場合に、前記二次電池の充電が行われる請求項３に記載の直流電源装置。
【請求項５】
前記充電回路は、前記充電電圧を前記二次電池の充電に適した電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含んでいる請求項３または４に記載の直流電源装置。
【請求項６】
環境温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準上限温度より高くなると、前記二次電池の充電に適した電圧を低下させ、前記温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準下限温度より低くなると前記二次電池の充電に適した電圧を上昇させる請求項５に記載の直流電源装置。
【請求項７】
１以上のダイオードを含んで構成され、前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに前記充電電圧を前記二次電池の充電に適した電圧に降圧して前記二次電池に印加する充電回路をさらに具備している請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項８】
前記充電回路には、スイッチング回路が含まれており、前記スイッチング回路が導通状態になった場合に、前記二次電池の充電が行われる請求項７に記載の直流電源装置。
【請求項９】
前記第１の設定電圧は、前記二次電池からの放電電流が過電流になることを阻止することを許容する許容差電圧を前記二次電池の端子間電圧から減算した電圧であることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項１０】
前記許容差電圧は、前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗及び前記二次電池の内部抵抗の合計値と前記二次電池の最大放電電流の積で定まることを特徴とする請求項９に記載の直流電源装置。
【請求項１】
負荷に並列接続されるリチウムイオンキャパシタ・ユニットと、
前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続可能な二次電池と、
前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段が前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットのユニット下限電圧を検出するまでは、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットから電気的に切り離し、前記電圧検出手段が前記ユニット下限電圧を検出すると、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続する切換回路とを具備し、
前記切換回路は、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに並列接続したときには、最初に前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに電流制限手段を含む第１の放電回路を介して並列接続する第１の回路構成となり、その後前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が前記ユニット下限電圧よりも高い第１の設定電圧まで上昇したことを検出するかまたは前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの電圧が前記ユニット下限電圧よりも低い第２の設定電圧まで低下したことを検出すると、前記二次電池を前記負荷及び前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに前記電流制限手段を含まない第２の放電回路を介して並列接続する第２の回路構成となることを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
前記第２の放電回路は、前記第１の放電回路の前記電流制限手段を短絡する短絡回路によって構成されている請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項３】
前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに動作状態になって前記二次電池を充電する充電回路をさらに具備している請求項１に記載に直流電源装置。
【請求項４】
前記充電回路には、スイッチング回路が含まれており、前記スイッチング回路が導通状態になった場合に、前記二次電池の充電が行われる請求項３に記載の直流電源装置。
【請求項５】
前記充電回路は、前記充電電圧を前記二次電池の充電に適した電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含んでいる請求項３または４に記載の直流電源装置。
【請求項６】
環境温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準上限温度より高くなると、前記二次電池の充電に適した電圧を低下させ、前記温度検出手段が検出する検出温度が予め定めた基準下限温度より低くなると前記二次電池の充電に適した電圧を上昇させる請求項５に記載の直流電源装置。
【請求項７】
１以上のダイオードを含んで構成され、前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットに外部充電器から充電電圧が印加されたときに前記充電電圧を前記二次電池の充電に適した電圧に降圧して前記二次電池に印加する充電回路をさらに具備している請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項８】
前記充電回路には、スイッチング回路が含まれており、前記スイッチング回路が導通状態になった場合に、前記二次電池の充電が行われる請求項７に記載の直流電源装置。
【請求項９】
前記第１の設定電圧は、前記二次電池からの放電電流が過電流になることを阻止することを許容する許容差電圧を前記二次電池の端子間電圧から減算した電圧であることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項１０】
前記許容差電圧は、前記リチウムイオンキャパシタ・ユニットの内部抵抗及び前記二次電池の内部抵抗の合計値と前記二次電池の最大放電電流の積で定まることを特徴とする請求項９に記載の直流電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１８２８５７（Ｐ２０１２−１８２８５７Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２９００３（Ｐ２０１１−２９００３）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００１２０３）新神戸電機株式会社 (518)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００１２０３）新神戸電機株式会社 (518)
【Ｆターム（参考）】
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