WO2011132302A1 - Charging control method and discharging control method for electricity storage device - Google Patents
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- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
- H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
Definitions
- the present invention relates to a charge control method and a discharge control method for a power storage device using an electric double layer capacitor as a power storage device.
- Electric Double Layer Capacitors are attracting attention as new storage devices that replace secondary batteries due to their long cycle life and wide operating temperature range.
- capacitor an electric double layer capacitor
- the DC power supplied from the DC power source 1 such as a solar battery is temporarily stored in the power storage unit 21 of the power storage device 2.
- the capacitor has a voltage between terminals that varies greatly in proportion to the amount of stored charge, and therefore cannot store the power stored in the power storage unit 21 directly to the load 3. For this reason, the power stored in the power storage unit 21 is supplied to the load 3 after the voltage is stabilized in the power converter 22 such as a DC-DC converter or a DC-AC inverter.
- the control unit 23 controls charging / discharging in the power storage unit 21.
- the power converter 22 has an allowable input voltage range. Therefore, in order to continuously supply stable power to the load 3, the output voltage (hereinafter referred to as “power storage unit voltage”) Vt of the power storage unit 21 must be maintained within the allowable input voltage range of the power converter 22. I must.
- the power storage unit 21 is often used by connecting a plurality of capacitors in series. Further, in order to secure the necessary accumulated charge amount, a plurality of capacitors are often connected in parallel. Therefore, power storage unit 21 of a power storage device using a capacitor is generally configured by connecting a plurality of capacitors in series and in parallel.
- Series-parallel switching is one of the methods used for improving the charge / discharge characteristics and the discharge depth in the power storage device 2 in which the power storage unit 21 is configured by connecting a plurality of capacitors in series or in parallel. It is.
- the power storage unit 21 of the power storage device 2 using “series-parallel switching” described in Patent Document 1 is configured as shown in FIG. That is, one circuit block (hereinafter simply abbreviated as “block”) is constituted by a pair of capacitors C, C having the same capacitance and a plurality of switches S for switching the series connection and the parallel connection of the pair of capacitors C, C.
- the blocks are connected in n stages (B1 to Bn) in series.
- FIG. 19 is a simplified diagram showing the connection pattern of capacitor C of power storage unit 21 in FIG.
- each capacitor C Charge is accumulated in each capacitor C as charging progresses, and the storage unit voltage Vt increases.
- the switches (S11 to S33) in FIG. 18 are appropriately turned on or off.
- the capacitors C of each block are arranged in a predetermined order such that the power storage unit voltage Vt falls within the allowable input voltage range of the power converter 22, for example, FIG. 19B ⁇ FIG. 19C ⁇ FIG.
- switching from the serial connection to the parallel connection is performed in stages, and charging is performed so that the capacitors C of each block are finally connected in parallel.
- the switches (S11 to S33) in FIG. By turning off, the capacitor of each block in a predetermined order opposite to that during charging, for example, in the order of FIG. 19 (d) ⁇ FIG. 19 (c) ⁇ FIG. 19 (b) ⁇ FIG. C is gradually switched from parallel connection to series connection, and discharging is performed.
- the series-parallel switching is performed in order to improve the charge / discharge characteristics and the depth of discharge by maintaining the power storage unit voltage Vt within the allowable input voltage range of the power converter 22.
- a circuit called “parallel monitor” configured by a resistor R and a switch S as shown in FIG.
- this parallel monitor turns on the switch S as shown in FIG.
- the capacitor C is prevented from being overcharged by forcibly bypassing Ic.
- the charging control method of the power storage device developed by the inventors is not only for preventing overcharging of the parallel monitor, but also by controlling the parallel monitor at regular intervals so that the voltage between terminals of each capacitor is within a certain range. It is also used as a countermeasure for so-called “cross current” that occurs when the capacitors of each block are switched from serial connection to parallel connection, for correction so as to be within the range (called constant correction). With this and the serial / parallel switching control method described later, the operation time of the parallel monitor and the heat generated by the operation can be significantly reduced as compared with the method described in Patent Document 1, and the charging efficiency can be increased.
- the power storage unit voltage Vt reaches the upper limit of the allowable input voltage range of the power converter 22 to appropriately control the switches (S01 to S33). Then, the capacitor C of any one block is switched to the parallel connection, and the power storage unit voltage Vt is lowered within the allowable input voltage range of the power converter 22.
- block voltage blocks having the highest sum of voltages between terminals of the two capacitors C in the block. That is, the state shown in FIG. 22 (a) is switched to the state shown in FIG. 22 (b), FIG. 22 (c), or FIG. 22 (d).
- the block is set so that the storage unit voltage Vt falls within the allowable input voltage range of the power converter 22 every time the storage unit voltage Vt reaches the upper limit value of the allowable input voltage range of the power converter 22.
- the block with the highest voltage is selected, the capacitor C of that block is switched to parallel connection, and the power storage unit voltage Vt is lowered.
- the block connected in parallel is switched to the serial connection, such as switching from the state of FIG. 22B to the state of FIG. 22D, and the other one block is switched from the serial connection to the parallel connection.
- each capacitor C is charged while maintaining the power storage unit voltage Vt within the allowable input voltage range of the power converter 22 by increasing the number of blocks to be connected in parallel. That is, the state is switched from any of the states of FIG. 22 (b), FIG. 22 (c), or FIG. 22 (d) to any of the states of FIG. 22 (e), FIG. 22 (f), or FIG. It is done. Also in this case, two blocks are selected in descending order of the block voltage, and the capacitors C of these blocks are connected in parallel.
- the capacitors C of all the blocks (B1 to B3) are connected in parallel, and the power storage unit voltage Vt when all the capacitors C are fully charged is It is set to be within the allowable input voltage range.
- the block voltage is set so that the power storage unit voltage Vt falls within the allowable input voltage range of the power converter 22 every time the power storage unit voltage Vt decreases to the lower limit value of the allowable input voltage range of the power converter 22.
- the highest block is preferentially connected in series to increase the power storage unit voltage Vt. At this time, for example, the block connected in series is returned to the parallel connection, such as switching from the state of FIG. 22E to the state of FIG. 22F, and the other one block is connected in series.
- discharging is performed so that the storage unit voltage Vt maintains the allowable input voltage range of the power converter 22 by switching the series-parallel connection state of each block.
- the feature of the serial-parallel switching method described in Patent Document 2 is that the order of blocks to be serial-parallel switched and the pattern of serial-parallel switching are not fixed as in the method described in Patent Document 1. It is in. By doing so, it is possible to finely control the voltage across the terminals of the capacitors C in each block, and furthermore, it is possible to suppress variations in the voltages across the terminals of all the capacitors C constituting the power storage unit 21.
- the conventional charge control method and discharge control method for a power storage device achieve efficient charge and discharge by using series-parallel switching control and a parallel monitor together.
- series-parallel switching is performed because the storage unit voltage Vt is the upper limit of the allowable input voltage range of the power converter 22.
- the correction is always performed by parallel monitoring.
- the number of series-parallel switching is small, and the terminal voltage of each capacitor still varies. It was.
- the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and a power storage device charge control method capable of suppressing variations in voltage between terminals of a capacitor only by switching a series-parallel connection without using a parallel monitor. It is another object of the present invention to provide a discharge control method.
- a method for controlling the charge of a power storage device includes, as power storage means, a block composed of two capacitors having the same capacitance and a plurality of switches in series (n Is a natural number of 2 or more), and each block is a power storage device capable of switching the connection of the two capacitors in series or in parallel by turning on / off the plurality of switches.
- a charge control method comprising: When a predetermined interval time elapses, a block voltage that is a sum of voltages between terminals of two capacitors constituting the block is compared for each block, Connection of capacitors of each block so that k blocks (k is a natural number equal to or less than n) are connected in parallel and other (nk) blocks are connected in series in order from the block with the highest block voltage. Switch state, In addition, the comparison of the block voltages and the switching of the connection state of each block are repeated at each interval time until the output voltage of the power storage unit reaches a preset first voltage value.
- the output voltage of the power storage unit reaches the first voltage value
- the number of blocks connected in parallel among the n blocks is changed from k to (k + 1).
- the two capacitors constituting the block may be formed by connecting a plurality of capacitors having the same capacitance in parallel.
- n blocks (n is a natural number of 2 or more) connected in series with two capacitors having the same capacitance and a plurality of switches are connected.
- the capacitor group is used, and each block is a discharge control method of a power storage device that can switch the connection of the two capacitors in series or in parallel by turning on / off the plurality of switches,
- the block voltage that is the sum of the voltages across the terminals of each capacitor constituting the block is compared for each block, In order from the block with the highest block voltage, (nk) (k is a natural number less than n) blocks are connected in series, and the other k capacitors are connected in parallel so that the other blocks are connected in parallel.
- Switch state In addition, the comparison of the block voltages and the switching of the connection state of each block are repeated at each interval time until the output voltage of the power storage means reaches a preset second voltage value.
- the output voltage of the power storage means reaches the second voltage value
- the number of blocks connected in series among the n blocks is changed from (nk) to (nk + 1).
- the two capacitors constituting the block may be formed by connecting a plurality of capacitors having the same capacitance in parallel.
- the discharge is stopped when the voltage between terminals of any one of the capacitors constituting the power storage unit falls below the lower limit voltage.
- the charge control method for a power storage device since the series-parallel connection of each block is switched so that the block voltage does not vary every short interval time, the variation in the voltage between the terminals of the capacitor can be suppressed.
- the discharge control method for a power storage device the series-parallel connection of each block is switched so as to eliminate the variation in the block voltage every short interval time, so that the variation in the voltage between the terminals of the capacitor can be suppressed.
- the second voltage value for example, the lower limit value of the allowable input voltage range of the power converter
- the discharging time of the power storage means that is, the operation of the power converter The time can be lengthened.
- FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a power supply system including a power storage device.
- FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific example of the configuration of the power storage unit of FIG.
- FIG. 3 is an explanatory diagram of “block voltage”.
- FIG. 4 is a graph showing a temporal change in the power storage unit voltage Vt.
- FIG. 5 is a graph showing temporal changes in the block voltage in the present invention and the conventional charge control method.
- FIG. 6 is a diagram illustrating capacitor switching control in the charge control method of the present invention.
- FIG. 7 shows a block configuration of the power storage unit.
- FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a block.
- FIG. 9 is a flowchart for carrying out the charge control method of the present invention.
- FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a power supply system including a power storage device.
- FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific example of the configuration of the power storage
- FIG. 10 is a diagram illustrating capacitor switching control in the discharge control method of the present invention.
- FIG. 11 is a flowchart for carrying out the discharge control method of the present invention.
- FIG. 12 is a flowchart in a case where the discharge control method of the present invention is performed on a power storage device using a capacitor in which upper limit voltage and lower limit voltage are limited.
- FIG. 13 is a flowchart when the charge control method and the discharge control method of the present invention are combined.
- FIG. 14 is a flowchart in the case where the charge control method and the discharge control method of the present invention are performed on a power storage device using a capacitor in which the upper limit voltage and the lower limit voltage are limited.
- FIG. 15 is a graph showing temporal changes in the power storage unit voltage Vt and the capacitor terminal voltage Vc when charge control and discharge control are performed according to the flow of FIG.
- FIG. 16 is a block diagram illustrating a configuration of a power supply system using a plurality of capacitors as an electricity storage device.
- FIG. 17 is a circuit diagram illustrating a configuration of the power storage unit.
- FIG. 18 is a circuit diagram of a power storage unit configured by three blocks.
- FIG. 19 is a diagram showing a simplified connection pattern of capacitor C in the power storage unit shown in FIG.
- FIG. 20 is a circuit diagram illustrating the “parallel monitor”.
- FIG. 21 is a circuit diagram illustrating a configuration of the power storage unit described in Patent Document 2.
- FIG. 22 is a simplified view of the connection pattern of capacitor C in the power storage unit shown in FIG.
- charge control method and a discharge control method (hereinafter simply referred to as “charge control method” and “discharge control method”) for a power storage device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
- FIG. 1 illustrates a configuration of a power supply system including a power storage device.
- a charge control method performed by power storage device 2 in FIG. 1 will be described.
- the power storage device 2 stores the DC power supplied from the DC power source 1 and supplies the DC power to the load 3 as it is or converted into AC power.
- the DC power supply 1 is preferably a current source, but may be a voltage source.
- the DC power source 1 for example, a solar cell, a wind power generator, an engine generator, or the like is used. However, other power supply sources can be used. To use.
- the power storage device 2 includes a power storage unit 21, a power converter 22, and a control unit 23.
- the power storage unit 21 stores DC power supplied from the DC power supply 1.
- the power converter 22 is composed of a DC-AC inverter or the like, converts the DC power stored in the power storage unit 21 into AC power, and stabilizes the output voltage.
- a DC-DC converter or the like is used as the power converter 22.
- the power storage unit 21 that is a power storage unit of the power storage device 2 is a block in which n blocks (n is a natural number of 2 or more) connected in series are two blocks each having two capacitors (that is, electric double layer capacitors).
- n blocks n is a natural number of 2 or more
- capacitors that is, electric double layer capacitors
- each block (B1 to B5) is composed of two capacitors C and three switches S having the same capacitance. By switching each switch S on and off, the two capacitors C are connected in series or Connected in parallel. The reason for configuring each block with two capacitors will be described in detail later.
- the electric double layer capacitor in the narrow sense means a symmetric electric double layer capacitor using electric double layer capacitance for both the positive electrode and the negative electrode of the electrode, but the electric double layer capacitor in the broad sense includes a symmetric capacitor.
- an asymmetric type electric double layer capacitor in which one pole is a redox pseudocapacitance (redox pseudocapacitance) generated with a redox reaction and the other pole is an electric double layer capacitance is also included.
- the present invention can be applied to an electric double layer capacitor in a broad sense.
- the switch S a semiconductor switch composed of an FET or the like is usually used. However, when the amount of current flowing through the switch S is large, a thyristor or IGBT may be used.
- control unit 23 controls charging / discharging in the power storage unit 21.
- the control unit 23 includes a series / parallel switching circuit 24, an inter-terminal voltage detection circuit 25, a power storage unit voltage detection circuit 26, and a control circuit 27.
- the series-parallel switching circuit 24 switches between the state in which the two capacitors C are connected in series and the state in which the capacitors are connected in parallel by switching each of the three switches S in each block.
- the inter-terminal voltage detection circuit 25 detects the inter-terminal voltage Vc of the capacitor C in each block.
- the power storage unit voltage detection circuit 26 detects the output voltage of the power storage unit 21, that is, the power storage unit voltage Vt.
- the inter-terminal voltage Vc detected by the inter-terminal voltage detection circuit 25 and the power storage unit voltage Vt detected by the power storage unit voltage detection circuit 26 are input to the control circuit 27.
- the control circuit 27 includes a block voltage calculation circuit 28 and an oscillation circuit 29.
- the block voltage calculation circuit 28 calculates the block voltage Vb of each block based on the terminal voltage Vc of each capacitor C detected by the terminal voltage detection circuit 25.
- the oscillation circuit 29 generates a pulse for each interval period from the clock signal and outputs it as a timing signal for the series-parallel switching circuit 24 and the inter-terminal voltage detection circuit 25.
- the control circuit 27 controls the series / parallel switching circuit 24 based on the block voltage Vb calculated by the block voltage calculation circuit 28 and the storage unit voltage Vt output from the storage unit voltage detection circuit 26.
- control circuit 27 When the control circuit 27 is configured by a CPU (Central Processing Unit), the functions of the control circuit 27, the block voltage calculation circuit 28, and the oscillation circuit 29 are software (programs) stored in a ROM (Read Only Memory). This is realized by reading out to the CPU and executing it.
- CPU Central Processing Unit
- ROM Read Only Memory
- the “block voltage” Vb defined in this specification is not a voltage across the block but a value obtained by adding a voltage between terminals of two capacitors constituting the block.
- the block voltage Vb is the voltage Vc1 between the terminals of the capacitor C1 and the voltage between the terminals of the capacitor C2. A value obtained by adding Vc2.
- the block voltage Vb is a value obtained by adding the inter-terminal voltage Vc3 of the capacitor C1 and the inter-terminal voltage Vc4 of the capacitor C2.
- control circuit 27 needs to control the discharge so that the amount of power stored in the power storage unit 21 does not fall below the amount of power required by the control circuit 27.
- the charge control method according to the present invention is the same as the control method described in Patent Document 2 described above, in which the block is switched in series and parallel when the storage unit voltage Vt reaches a preset first voltage value. .
- the block voltage Vb is always detected at every predetermined interval time except when the capacitors of all the blocks are connected in series and when the capacitors of all the blocks are connected in parallel. The series-parallel connection is switched so that the variation in the voltage Vb is reduced.
- the block voltage Vb of each capacitor constituting the block is compared for each block, and k blocks (in order from the block having the highest block voltage Vb) k is a natural number equal to or less than n), and the connection state of the capacitors in each block is switched so that the other (n ⁇ k) blocks are connected in series.
- the comparison of the block voltage Vb and the switching of the connection state of each block are repeated for each interval time Ti until the power storage unit voltage Vt reaches a preset first voltage value.
- the first voltage value is normally set to a value that provides the best efficiency, that is, the upper limit value of the allowable input voltage range of the power converter 22, but the efficiency is not limited even if it is set to a lower value. Although slightly reduced, the effect of the charge control method of the present invention is exhibited.
- the first voltage value is set to the upper limit value of the allowable input voltage range of the power converter 22.
- FIG. 4 is a graph showing temporal changes in the power storage unit voltage Vt
- FIG. 5A is a graph showing temporal changes in the block voltage in the charge control method of the present invention
- FIG. It is a graph which shows the time change of the block voltage in a charge control method.
- the transition of the block voltage of each block is as shown in FIG. That is, the series-parallel connection is switched at point a (time Ta) when the storage unit voltage Vt reaches the upper limit of the allowable input voltage range of the power converter 22, and at this time, the block B1 having the highest block voltage Vb is switched. Two capacitors are connected in parallel. As a result, the charging speed of the two capacitors in the block B1 becomes slow, and the difference in the block voltage Vb from the other blocks (blocks B2 and B3) decreases.
- the storage unit voltage Vt reaches the upper limit value of the allowable input voltage range of the power converter 22 again.
- the switching of the series-parallel connection is not performed until (time Tb), and the two capacitors of the block B1 are continuously charged while being connected in parallel.
- the block voltage Vb of the block B1 is much lower than the block voltages Vb of the other blocks (B2, B3), which causes the block voltage Vb to vary.
- the block voltage Vb of the block B2 is When it becomes the highest at the point c (time Tc), the connection state of the two capacitors in the block B1 is returned in series at this point, and the connection state of the two capacitors in the block B2 is switched in parallel.
- the block voltage Vb of each block is always detected at every predetermined interval time Ti, and the two capacitors of the block having the highest block voltage Vb are switched to the parallel connection. The two capacitors in the block that were were returned to the serial connection.
- the switching of the block connection state is repeated every interval time Ti, thereby suppressing the variation in the block voltage Vb.
- the switching control of the capacitor connection state will be described more specifically. 6, the case where the power storage unit 21 shown in FIG. 2, that is, the power storage unit 21 in which five blocks (B1 to B5) are connected in series, will be described.
- the block voltage Vb of each block calculated by the block voltage calculation circuit 28 is B3, B5, B4, B1, Suppose B2.
- the control circuit 27 switches the connection between the blocks B3 and B5 having a high voltage level in parallel, and instead switches the blocks B1 and B2 connected in parallel to series connection.
- the connection state of each block when the time T2 has elapsed is shown in the upper part of FIG.
- the block voltage Vb of each block calculated by the block voltage calculation circuit 28 is B4, B1, Assume that B2, B3, and B5 are obtained.
- the control circuit 27 switches the blocks B4 and B1 having a high voltage level from series connection to parallel connection, and instead switches the blocks B3 and B5 having low voltage level connected in parallel to series connection. .
- the connection state of each block when the time T3 has elapsed is shown in the upper part of FIG.
- the interval time Ti By setting the interval time Ti to a short time (for example, within 10 seconds) and repeating the switching operation described above, the variation in the block voltage Vb of each block is suppressed as shown in the graph of FIG. Furthermore, variations in the terminal voltage Vc of the capacitors constituting the block are also suppressed. As a result, since the inter-terminal voltage Vc of each capacitor does not exceed the rated voltage until almost all capacitors are fully charged, it is not necessary to provide a parallel monitor.
- each capacitor When charging is started from a completely discharged state, the capacitors C of all the blocks are connected in series, so that the block voltage of each block and the voltage between terminals of each capacitor are not changed until the series-parallel switching is started. It varies. However, each capacitor does not reach the rated voltage during this period, and the block voltage of each block and the voltage between terminals of each capacitor are equalized by subsequent series-parallel switching.
- the capacitors C of all the blocks are connected in parallel, and when the power storage unit as shown in FIG. 2 is used, the block voltage of each block varies. However, until the capacitors C of all the blocks are connected in parallel, the block voltage of the block and the voltage between terminals of each capacitor are equalized by serial / parallel switching. Are very few.
- each block of the power storage unit 21 is composed of two capacitors in the present invention.
- Both the power storage unit 21A shown in FIG. 7A and the power storage unit 21B shown in FIG. 7B are each composed of a total of 12 capacitors C having the same nominal capacitance.
- one block includes four capacitors C, and the two capacitors C are connected in series.
- the power storage unit 21B of FIG. 7B one block is composed of two capacitors C, and each capacitor C is a single capacitor.
- the configuration of the power storage unit 21B can reduce variations in the block voltage Vb of each block and the inter-terminal voltage Vc of each capacitor compared to the configuration of the power storage unit 21A. Furthermore, the fluctuation
- each of the capacitors C in each block in FIG. 7B is configured by a plurality of capacitors (two in the figure) having the same capacitance connected in parallel as shown in FIG. These can be regarded as one capacitor in terms of characteristics. Therefore, a block having the configuration shown in FIG.
- FIG. 9 shows a flow for carrying out the charge control method according to the present invention.
- the flow of charge control will be described with reference to the block diagram of FIG. 1 and the flowchart of FIG. 9.
- each capacitor C of the power storage unit 21 is in a completely discharged state, that is, all the capacitors C are in a state where no charge is accumulated.
- step S13 the control circuit 27 waits for the interval time Ti to elapse, and after the interval time Ti elapses, proceeds to the processing in step S14.
- step S14 the inter-terminal voltage detection circuit 25 measures the inter-terminal voltage Vc of each capacitor C of the power storage unit 21.
- the power storage unit voltage detection circuit 26 measures a power storage unit voltage Vt that is an output voltage of the power storage unit 21.
- step S15 the block voltage calculation circuit 28 of the control circuit 27 calculates the block voltage Vb of each block based on the terminal voltage Vc of each capacitor C detected by the terminal voltage detection circuit 25.
- step S16 the control circuit 27 determines whether or not the terminal voltage Vc of each capacitor C is equal to or lower than the rated voltage VCU.
- the process proceeds to step S21, and when the inter-terminal voltage Vc of any capacitor C does not exceed the rated voltage VCU (YES). Advances to step S17.
- step S21 the control circuit 27 stops charging and ends the charging control.
- the terminal voltage Vc of the capacitor C is rated as long as all the capacitors C are not fully charged. None exceed the voltage. Therefore, when the inter-terminal voltage Vc of any capacitor C exceeds the rated voltage, it is determined that all the capacitors C are almost fully charged, or the capacitance of any capacitor C is abnormal. To stop charging.
- control circuit 27 determines whether or not power storage unit voltage Vt exceeds upper limit value VU of the allowable input voltage range of power converter 22 based on power storage unit voltage Vt detected by power storage unit voltage detection circuit 26. To do. When power storage unit voltage Vt exceeds upper limit value VU (NO), the process proceeds to step 18, and when power storage unit voltage Vt does not exceed upper limit value VU (YES), the process proceeds to step S20.
- step S18 if the number k of parallel-connected blocks is n (YES), the process proceeds to step S21, and it is determined that all capacitors C are fully charged, and charging is stopped.
- step S19 the block number k is set to “k + 1”, and then the process proceeds to step S20.
- step S20 the control circuit 27 controls the series / parallel switching shown in FIG. That is, k blocks of capacitors C are connected in parallel from the block with the highest block voltage Vb, and the other (nk) blocks of capacitors C are connected in series.
- step S20 After the process of step S20 is completed, the process returns to the process of step S13, and the processes of steps S14 to S20 are repeated every interval time Ti until the power storage unit voltage Vt exceeds the upper limit value VU of the allowable input voltage range.
- the variation in the block voltage Vb is not limited to when the power storage unit voltage Vt reaches the upper limit value of the allowable input voltage range of the power converter 22 but also at every predetermined interval time.
- the series-parallel switching control is performed so that the number is reduced. As a result, not only variations in the block voltage Vb but also variations in the voltage Vc between the terminals of each capacitor C can be suppressed.
- the discharge control method according to the present invention is always the same as the charge control method described in the first embodiment, except when the capacitors of all the blocks are connected in series and when the capacitors of all the blocks are connected in parallel.
- the block voltage Vb is detected at every predetermined interval time, and the series-parallel connection is switched so that the variation of the block voltage Vb between the blocks is reduced.
- the block voltage Vb of each capacitor constituting the block is compared for each block, and (n ⁇ k)
- the connection state of the capacitors of each block is switched so that the blocks (k is a natural number equal to or less than n) are connected in series and the other k blocks are connected in parallel.
- the comparison of the block voltage Vb and the switching of the connection state of each block are repeated every interval time Ti until the output voltage Vt of the power storage unit 21 reaches a preset second voltage value.
- the second voltage value is usually set to a value that provides the best efficiency, that is, the lower limit value of the allowable input voltage range of the power converter 22, but the efficiency slightly decreases even if it is set to a higher value.
- the effect of the discharge control method of the present invention is exhibited.
- the block voltage Vb of each block calculated by the block voltage calculation circuit 28 is B4, B5, B3, B2, Suppose B1.
- the control circuit 27 switches the connection between the blocks B4 and B5 having a high voltage level from parallel to series, and switches the blocks B1 and B2 connected in series to parallel connection instead.
- the upper part of FIG. 10 shows the connection state of each block when time T6 has elapsed.
- the control circuit 27 switches the blocks B3 and B2 having a higher block voltage level among the blocks connected in parallel to serial connection, and instead connects the blocks B4 and B5 connected in series in parallel. Switch to connection.
- the upper part of FIG. 10 shows the connection state of each block when time T6 has elapsed.
- the interval time Ti is set to a short time (for example, within 10 seconds) and repeating the switching operation described above, the variation in the block voltage Vb of each block is suppressed, and furthermore, the capacitors constituting the block Variations in the inter-terminal voltage Vc are also suppressed, and as a result, the discharge time of the power storage unit 21 (operation time of the power converter 22) can be lengthened.
- FIG. 11 shows a flow for carrying out the discharge control method of the present invention.
- the flow of discharge control will be described with reference to the block diagram of FIG. 1 and the flowchart of FIG. 11 when discharging from a fully charged state.
- each capacitor C of the power storage unit 21 is almost fully charged.
- step S33 the control circuit 27 waits for the interval time Ti to elapse, and after the interval time Ti elapses, proceeds to the process of step S34.
- step 34 the inter-terminal voltage detection circuit 25 measures the inter-terminal voltage Vc of each capacitor C of the power storage unit 21.
- the storage unit voltage detection circuit 26 measures the storage unit voltage Vt.
- step S35 the block voltage calculation circuit 28 of the control circuit 27 calculates the block voltage Vb of each block based on the terminal voltage Vc of the capacitor C detected by the terminal voltage detection circuit 25.
- step S36 the control circuit 27 determines whether or not the power storage unit voltage Vt is equal to or higher than the lower limit value VL of the allowable input voltage range of the power converter 22.
- the process proceeds to step 37.
- the process proceeds to step S39.
- step S37 when the number of blocks k connected in parallel is “0” (YES), the process proceeds to step S40, and the power storage unit 21 cannot supply a voltage equal to or higher than the lower limit value VL of the allowable input voltage range of the power converter 22. Judgment is made and discharge is stopped.
- step S38 the number k of parallel blocks is set to (k ⁇ 1), and then the process proceeds to step S39.
- step S39 the control circuit 27 controls the series / parallel switching shown in FIG. That is, (k) blocks of capacitors C are connected in series from the block with the highest block voltage Vb, and the other k blocks of capacitors C are connected in parallel.
- step S39 After the process of step S39 is completed, the process returns to the process of step S33, and the processes of steps S34 to S39 are repeated every time the interval time Ti elapses until the power storage unit voltage Vt becomes less than the lower limit value VL of the allowable input voltage range.
- FIG. 12 shows a flow in the case of using a capacitor in which the upper limit voltage and the lower limit voltage are limited.
- step S41 is added between steps S35 and S36 of the flow of FIG. That is, in step S41, the control circuit 27 determines whether or not the terminal voltage Vc of each capacitor C is higher than the lower limit voltage VCL. When the inter-terminal voltage Vc of any one of the capacitors C becomes equal to or lower than the lower limit voltage VCL (NO), the process proceeds to step S40 and the discharge is stopped. On the other hand, if the inter-terminal voltage Vc of any capacitor C is higher than the rated lower limit voltage VCL (YES), the process proceeds to step S36.
- the variation in the voltage Vc between the terminals of the capacitor is suppressed. Therefore, when the voltage Vc between the terminals of any one of the capacitors C becomes the lower limit voltage VCL, It is determined that the discharge of the capacitor C has been completed, or it is determined that there is an abnormality in the capacitance of any one of the capacitors C, and charging is stopped.
- FIG. 13 shows a flow when the charge control method and the discharge control method of the present invention are implemented in combination.
- the same steps as those in FIGS. 9 and 11 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
- the allowable input voltage range of the power converter 22 is larger than the rated voltage (upper limit voltage) of each capacitor, that is, (VU ⁇ VL)> the rated voltage (upper limit voltage) of each capacitor. It is assumed that.
- step S17 the power storage unit voltage Vt is compared with the upper limit value VU of the allowable input voltage range of the power converter, and when the power storage unit voltage Vt exceeds the upper limit value VU (NO), a discharge is possible. Discharging is started (step S32), and then the control circuit 27 instructs the series-parallel switching circuit 24 to set the number k of parallel connection blocks to “1” (step S51).
- the control circuit 27 subsequently performs the process of step S20, that is, performs serial / parallel switching of the blocks, and subsequently executes the steps (steps S13 to S21) of the charging control described in FIG.
- step S17 in the lower part of the flow of FIG. 13, when the power storage unit voltage Vt does not exceed the upper limit value VU of the allowable input voltage range of the power converter (YES), the process proceeds to step S36.
- step S36 the control circuit 27 determines whether or not the power storage unit voltage Vt is lower than the lower limit value VL of the allowable input voltage range of the power converter 22 due to discharging, and if it is lower than the lower limit value VL (NO). The process proceeds to step S37, and if not lower (YES), the process proceeds to step S52.
- step S52 the control circuit 27 determines whether or not the charging of the power storage unit 21 is stopped.
- the control circuit 27 proceeds to the process of step S53 and restarts the charging, and then returns to the process of step S20.
- the charging is not stopped (NO)
- the process directly returns to step S20.
- step S37 when the number of blocks k connected in parallel is “0” (YES), the process proceeds to step S40, and the power storage unit 21 cannot supply a voltage equal to or higher than the lower limit value VL of the allowable input voltage range of the power converter 22. Judgment is made and discharge is stopped.
- step S38 the number k of parallel blocks is set to (k ⁇ 1), and then the process proceeds to step S39. The process returns to step S13 in the lower part of the flow.
- FIG. 14 similarly to FIG. 12 described above, a capacitor having a limitation on the upper limit voltage (rated voltage) and the lower limit voltage is used as an electricity storage device, and the charge control method and the discharge control method of the present invention are combined. The flow in the case of implementation is shown.
- step S41 is added between step S17 and step S36 shown in the lower part of the flow of FIG. That is, in step S41, the control circuit 27 determines whether or not the terminal voltage Vc of the capacitor C exceeds the lower limit voltage VCL. When the inter-terminal voltage Vc of any one of the capacitors C becomes equal to or lower than the lower limit voltage VCL (NO), the process proceeds to step S40 to stop discharging, and the inter-terminal voltage Vc of any capacitor C is higher than the lower limit voltage VCL. If yes (YES), the process proceeds to step S36.
- 15 (a) and 15 (b) show the storage unit voltage when charge control and discharge control are performed according to the flow of FIG. 13 for the storage unit 21 in which the five blocks shown in FIG. 2 are connected in series.
- 5 is a graph showing temporal changes in Vt and a voltage Vc between terminals of a capacitor C.
- the graph of FIG. 15 shows a case where the discharge to the load is performed after all the capacitors C are fully charged.
- an electric double layer capacitor having a rated voltage of 2.7 [V] and a nominal capacitance of 5000 [F] is used as the capacitor C.
- the allowable input voltage range of the power converter 22 was set to 10.5 to 15 [V]
- the interval time Ti was set to 5 seconds to perform charge control and discharge control.
- the circuit having the configuration shown in FIG. 2 is used as the power storage unit 21 that implements the charge control method and the discharge control method of the present invention.
- the present invention is not limited to this. .
- the same effect can be obtained by using the circuit having the configuration shown in FIG.
- the charge control method and the discharge control method according to the present invention can be applied to various power supply systems without being limited by the amount of power to be handled because the charge / discharge efficiency is high and the configuration of the power storage device can be simplified. Is.
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Abstract
Description
本発明は、電気二重層キャパシタを蓄電デバイスとして用いた蓄電装置の充電制御方法および放電制御方法に関する。 The present invention relates to a charge control method and a discharge control method for a power storage device using an electric double layer capacitor as a power storage device.
電気二重層キャパシタ(Electric Double Layer Capacitor)は、サイクル寿命が長いことや使用温度範囲が広いなどの特徴から、二次電池に代わる新しい蓄電デバイスとして注目を集めている。 Electric double layer capacitors (Electric Double Layer Capacitors) are attracting attention as new storage devices that replace secondary batteries due to their long cycle life and wide operating temperature range.
図16を参照して、蓄電デバイスとして電気二重層キャパシタ(以降、単に「キャパシタ」と略す)を用いた電力供給システムについて説明する。太陽電池等の直流電源1から供給された直流の電力は、一旦蓄電装置2の蓄電部21に蓄積される。
Referring to FIG. 16, a power supply system using an electric double layer capacitor (hereinafter simply referred to as “capacitor”) as an electricity storage device will be described. The DC power supplied from the
キャパシタは、二次電池と異なり、端子間電圧が蓄積電荷量に比例して大きく変動するため、蓄電部21に蓄積された電力を直接、負荷3に供給することができない。このため、蓄電部21に蓄積された電力は、DC-DCコンバータやDC-ACインバータ等の電力変換器22において電圧を安定化した後、負荷3に供給される。なお、制御部23は蓄電部21における充放電を制御する。
Unlike the secondary battery, the capacitor has a voltage between terminals that varies greatly in proportion to the amount of stored charge, and therefore cannot store the power stored in the
図16の電力供給システムにおいて、電力変換器22には許容入力電圧範囲がある。したがって、負荷3に安定した電力を継続的に供給するためには、蓄電部21の出力電圧(以降、「蓄電部電圧」という)Vtを電力変換器22の許容入力電圧範囲内に保持しなければならない。
In the power supply system of FIG. 16, the
またキャパシタは、単体では出力電圧が低いことから、蓄電部21は複数個のキャパシタを直列に接続して用いることが多い。さらに必要な蓄積電荷量を確保するために、複数個のキャパシタを並列に接続して用いることも多い。したがって、キャパシタを用いた蓄電装置の蓄電部21は、一般的に、複数個のキャパシタを直列および並列に接続して構成される。
In addition, since the output voltage of a capacitor alone is low, the
従来、蓄電部21が複数のキャパシタによって構成された蓄電装置2では、充放電特性や放電深度を向上させるため、「直並列切り換え」と「並列モニタ」の2つの手法を併用した充電制御方法および放電制御方法が採用されている(例えば、特許文献1参照)。以下、この2つの手法を採用した特許文献1記載の蓄電装置について、図面を参照して説明する。
Conventionally, in the
最初に「直並列切り換え」について説明する。「直並列切り換え」とは、蓄電部21が、複数個のキャパシタを直列または並列に接続して構成される蓄電装置2において、充放電特性や放電深度の向上のために用いられる手法の一つである。
First, “series-parallel switching” will be explained. “Series-parallel switching” is one of the methods used for improving the charge / discharge characteristics and the discharge depth in the
特許文献1に記載された、「直並列切り換え」を用いた蓄電装置2の蓄電部21は、図17のように構成されている。すなわち、静電容量の等しい一対のキャパシタC、Cと、この一対のキャパシタC、Cの直列接続と並列接続を切り換える複数のスイッチSにより1つの回路ブロック(以降、単に「ブロック」と略す)が構成され、そのブロックがn段(B1~Bn)直列に接続されている。
The
特許文献1に記載された直並列切り換えの方法について、蓄電部21が、図18に示すように3段のブロック(B1~B3)で構成されている場合を例として説明する。なお、図19は、図18の蓄電部21のキャパシタCの接続パターンを簡略化して示した図である。
The serial-parallel switching method described in
蓄電部21を構成する全てのキャパシタCが完全放電状態から充電を開始する場合、まずスイッチS12、S22およびS32をオンにし(すなわち閉じる)、スイッチS11、S13、S21、S23、S31およびS33をオフにする(すなわち開く)ことにより、図19(a)に示すように、全てのブロックのキャパシタCが直列に接続され、充電が開始される。
When all the capacitors C constituting the
充電が進むにつれて各キャパシタCに電荷が蓄積され、蓄電部電圧Vtが上昇する。蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に達する度に、図18中のスイッチ(S11~S33)を適宜オンあるいはオフにする。そして、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲内に収まるように、各ブロックのキャパシタCを予め定められた順序、例えば、図19(b)→図19(c)→図19(d)の順に、直列接続から並列接続に段階的に切り換え、最終的に各ブロックのキャパシタCが全て並列接続となるように充電が行われる。
Charge is accumulated in each capacitor C as charging progresses, and the storage unit voltage Vt increases. Each time the power storage unit voltage Vt reaches the upper limit of the allowable input voltage range of the
また放電時には、蓄電部電圧Vtの降下に伴って、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値に達する度に、図18中のスイッチ(S11~S33)を適宜オンあるいはオフにすることにより、充電時とは逆の予め定められた順序、例えば、図19(d)→図19(c)→図19(b)→図19(a)の順に、各ブロックのキャパシタCを段階的に並列接続から直列接続に切り換え、放電が行われる。以上のように直並列切り換えは、蓄電部電圧Vtを電力変換器22の許容入力電圧範囲に維持し続けることにより、充放電特性や放電深度を向上するために行われる。
Further, at the time of discharging, whenever the storage unit voltage Vt reaches the lower limit value of the allowable input voltage range of the
次に「並列モニタ」について説明する。一般的にキャパシタの静電容量は、ばらつきが大きい。したがって、複数個のキャパシタを直列接続して充電すると、静電容量の小さなキャパシタから満充電状態となる。さらに充電を継続すると、静電容量の小さなキャパシタは過充電となり、これが劣化の原因となって、最悪の場合には破壊に至る。 Next, “Parallel monitor” will be described. Generally, the capacitance of a capacitor varies greatly. Therefore, when a plurality of capacitors are connected in series and charged, a capacitor having a small capacitance is fully charged. If the charging is further continued, the capacitor having a small electrostatic capacity becomes overcharged, which causes deterioration, and in the worst case, it is destroyed.
そこで、蓄電デバイスにキャパシタを用いた蓄電装置では、各キャパシタCの端子間に、図20(a)に示すような抵抗RとスイッチSによって構成される「並列モニタ」と呼ばれる回路を付加する場合が多い。この並列モニタは、各キャパシタCの端子間電圧が定格電圧(キャパシタを安全に使用しうる端子間電圧の上限)を超えると、図20(b)に示すようにスイッチSをオンにし、充電電流Icを強制的にバイパスさせることにより、キャパシタCの過充電を防止している。 Therefore, in a power storage device using a capacitor as a power storage device, a circuit called “parallel monitor” configured by a resistor R and a switch S as shown in FIG. There are many. When the terminal voltage of each capacitor C exceeds the rated voltage (the upper limit of the terminal voltage at which the capacitor can be used safely), this parallel monitor turns on the switch S as shown in FIG. The capacitor C is prevented from being overcharged by forcibly bypassing Ic.
次に、特許文献1に記載された蓄電装置の充電制御方法の問題点について説明する。蓄電部21が同一公称静電容量の複数のキャパシタによって構成されていても、直並列切り換えによって並列接続されたブロックの各キャパシタCに流入する電荷量は、直列接続されたブロックの各キャパシタCに流入する電荷量の約半分になる。さらに実際のキャパシタには静電容量誤差や自己放電特性の違いもあるので、各キャパシタの端子間電圧には、ばらつきが生じる。
Next, problems of the power storage device charging control method described in
このばらつきによって、直列接続状態にあるブロックのいずれかのキャパシタCが満充電になった場合、そのキャパシタCは、並列接続状態にある他のブロック内のキャパシタCが満充電に達するまでの間、過充電に陥ることを避けるために、並列モニタにより、端子間電圧を定格電圧に維持し続けなければならない。その結果、並列モニタの抵抗による熱損失が発生し、充電効率が低下する。 Due to this variation, when any capacitor C in a block connected in series is fully charged, the capacitor C is in a period until the capacitors C in other blocks connected in parallel reach full charge. In order to avoid falling into overcharge, the terminal voltage must be kept at the rated voltage by the parallel monitor. As a result, heat loss due to the resistance of the parallel monitor occurs, and the charging efficiency decreases.
すなわち、特許文献1に記載された従来の充電制御方法では、ブロック間でのキャパシタの端子間電圧のばらつきが非常に大きくなり、過充電防止のために並列モニタの動作時間も長くなるので、熱損失が増加し、結果として充電効率が低下する。
That is, in the conventional charge control method described in
上述した問題点を解決するため、発明者らは、蓄電部を構成する全てのキャパシタの端子間電圧のばらつきを抑制する直並列切り換えの制御方法を開発した(特許文献2参照)。 In order to solve the above-described problems, the inventors have developed a control method for serial-parallel switching that suppresses variations in voltage between terminals of all capacitors constituting the power storage unit (see Patent Document 2).
発明者らが開発した蓄電装置の充電制御方法は、並列モニタを過充電防止のためだけでなく、一定のインターバル毎に並列モニタを制御することによって、各キャパシタの端子間電圧が一定範囲内に収まるように補正する(常時補正と呼ばれる)ためや、各ブロックのキャパシタを直列接続から並列接続に切り換える際に発生する、いわゆる「クロス電流」対策用としても用いている。これと後述する直並列切り換えの制御方法により、並列モニタの動作時間とその動作に伴う発熱を、特許文献1に記載の方法より大幅に削減でき、充電効率を高めることができる。
The charging control method of the power storage device developed by the inventors is not only for preventing overcharging of the parallel monitor, but also by controlling the parallel monitor at regular intervals so that the voltage between terminals of each capacitor is within a certain range. It is also used as a countermeasure for so-called “cross current” that occurs when the capacitors of each block are switched from serial connection to parallel connection, for correction so as to be within the range (called constant correction). With this and the serial / parallel switching control method described later, the operation time of the parallel monitor and the heat generated by the operation can be significantly reduced as compared with the method described in
特許文献2に記載された各ブロックの直並列切り換えの制御方法について、図21に示した3つのブロック(B1、B2、B3)で構成された蓄電部21に適用する場合を例に説明する。なお、図22は、図21の蓄電部21のキャパシタCの接続パターンを簡略化して示した図である。
The control method of serial / parallel switching of each block described in
充電過程においては、全てのキャパシタCが完全放電状態の場合、スイッチS13、S01、S23、S02およびS33をオンにし、スイッチS11、S12、S21、S22、S31およびS32をオフにすることにより、図22(a)に示すように全てのキャパシタCを直列接続した状態から充電が開始される。 In the charging process, when all the capacitors C are completely discharged, the switches S13, S01, S23, S02 and S33 are turned on, and the switches S11, S12, S21, S22, S31 and S32 are turned off. Charging is started from a state in which all capacitors C are connected in series as shown in 22 (a).
そして蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に達した時点でスイッチ(S01~S33)を適宜制御することにより、蓄電部21の3つのブロック(B1~B3)のうち、いずれか1つのブロックのキャパシタCを並列接続に切り換え、蓄電部電圧Vtを電力変換器22の許容入力電圧範囲内に降下させる。
Of the three blocks (B1 to B3) of the
この際、ブロック内の2個のキャパシタCの端子間電圧の和(以降、「ブロック電圧」という)が最も高いブロックが優先的に並列接続される。すなわち図22(a)の状態から、図22(b)、図22(c)または図22(d)のいずれかの状態に切り換わる。 At this time, blocks having the highest sum of voltages between terminals of the two capacitors C in the block (hereinafter referred to as “block voltage”) are preferentially connected in parallel. That is, the state shown in FIG. 22 (a) is switched to the state shown in FIG. 22 (b), FIG. 22 (c), or FIG. 22 (d).
以降、充電が継続され、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に達する度に、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲内に収まるように、ブロック電圧が最も高いブロックを選択し、そのブロックのキャパシタCを並列接続に切り換え、蓄電部電圧Vtを降下させる。この際、例えば、図22(b)の状態から図22(d)の状態に切り換えるなど、並列接続されていたブロックを直列接続に戻し、他の1つのブロックを直列接続から並列接続に切り換える。
Thereafter, charging is continued and the block is set so that the storage unit voltage Vt falls within the allowable input voltage range of the
しかし、並列接続にする1つのブロックを何度か変更しているうちに、さらに充電が進んで、各キャパシタCの端子間電圧が上昇し、どの1つのブロックを並列接続にしても蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲内に収まらない状態になる。
However, while one block to be connected in parallel is changed several times, the charging proceeds further, the voltage between terminals of each capacitor C increases, and the voltage of the power storage unit voltage no matter which one block is connected in parallel Vt does not fall within the allowable input voltage range of the
このような状態になると、並列接続にするブロックの数を増加させることにより、蓄電部電圧Vtを電力変換器22の許容入力電圧範囲内に維持しながら、各キャパシタCの充電が行われる。すなわち、図22(b)、図22(c)または図22(d)のいずれかの状態から、図22(e)、図22(f)または図22(g)のいずれかの状態に切り換えられる。この際にも、ブロック電圧が高い順に2つのブロックが選択され、それらのブロックのキャパシタCが並列接続される。
In such a state, each capacitor C is charged while maintaining the power storage unit voltage Vt within the allowable input voltage range of the
そして、さらに充電が進行し、図22(e)、図22(f)および図22(g)のどの状態に切り換えても、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲を超えてしまう状態になると、最終的に図22(h)の状態に切り換えられ、全てのキャパシタCがほぼ満充電になるまで充電が継続される。
Charging further proceeds, and the power storage unit voltage Vt exceeds the allowable input voltage range of the
なお、図22(h)のように全てのブロック(B1~B3)のキャパシタCが並列接続され、全てのキャパシタCが満充電状態になった場合の蓄電部電圧Vtは、電力変換器22の許容入力電圧範囲内になるように設定されている。 As shown in FIG. 22 (h), the capacitors C of all the blocks (B1 to B3) are connected in parallel, and the power storage unit voltage Vt when all the capacitors C are fully charged is It is set to be within the allowable input voltage range.
また放電過程においては、全てのキャパシタCが満充電状態の場合には、図22(h)の状態(全てのブロックが並列の状態)から放電が開始され、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値まで低下した時、いずれか1つのブロックのキャパシタCを直列接続に切り換える。これにより、蓄電部電圧Vtを昇圧させ、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲内に収まるようにして放電を維持する。この際、ブロック電圧の高いブロックから優先的に直列接続される。すなわち、図22(h)の状態から図22(e)、図22(f)または図22(g)のいずれかの状態に切り換えられる。
Further, in the discharging process, when all the capacitors C are fully charged, discharging starts from the state of FIG. 22 (h) (all blocks are in parallel), and the power storage unit voltage Vt becomes the
以後同様に、蓄電部電圧Vtが、電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値まで低下する度に、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲内に収まるように、ブロック電圧の最も高いブロックを優先的に直列接続にし、蓄電部電圧Vtを上昇させる。この際、例えば、図22(e)の状態から図22(f)の状態に切り換えるなど、直列接続されていたブロックを並列接続に戻し、他の1つのブロックを直列接続にする。
Similarly, the block voltage is set so that the power storage unit voltage Vt falls within the allowable input voltage range of the
そして放電がさらに進行し、どの1つのブロック内のキャパシタCを直列接続しても、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値まで低下すると、直列接続にするブロック数を増加させる。この際にも、ブロック電圧が高い順に2つのブロックが優先的に選択され、直列接続される。すなわち、図22(e)、図22(f)または図22(g)のいずれかの状態から、図22(b)、図22(c)または図22(d)のいずれかの状態に切り換えられる。
When the discharge further proceeds and the capacitor C in any one block is connected in series, if the storage unit voltage Vt decreases to the lower limit value of the allowable input voltage range of the
そして放電がさらに進行し、図22(b)、図22(c)および図22(d)のどの状態に切り換えても蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値まで低下すると、最終的に、ブロックを構成する全てのキャパシタCが直列接続された図22(a)の状態に切り換えられ、放電を継続する。
Then, the discharge further proceeds, and the power storage unit voltage Vt drops to the lower limit value of the allowable input voltage range of the
以上のように、各ブロックの直並列の接続状態を切り換えることにより、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲を維持するように放電が行われる。
As described above, discharging is performed so that the storage unit voltage Vt maintains the allowable input voltage range of the
上述したように、特許文献2に記載の直並列切り換え方法の特徴は、直並列切り換えされるブロックの順番や直並列切り換えのパターンが、特許文献1に記載の方法のように固定されていないことにある。こうすることにより各ブロック内のキャパシタCの端子間電圧を細かく制御することが可能となり、さらには蓄電部21を構成する全てのキャパシタCの端子間電圧のばらつきを抑制することができる。
As described above, the feature of the serial-parallel switching method described in
上述したように従来の蓄電装置の充電制御方法および放電制御方法は、直並列切り換え制御と並列モニタを併用することにより、効率のよい充放電を実現している。しかし、特許文献1に記載の制御方法だけでなく特許文献2に記載の制御方法においても、直並列の切り換えが行われるのは、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値あるいは下限値に達した場合のみであり、特許文献2においては、並列モニタによる常時補正も行われたが、直並列切り換えの回数が少なく、依然として各キャパシタの端子間電圧にばらつきが存在していた。
As described above, the conventional charge control method and discharge control method for a power storage device achieve efficient charge and discharge by using series-parallel switching control and a parallel monitor together. However, in the control method described in
したがって、従来の蓄電装置の制御方法では、並列モニタを完全に排除することは困難であり、並列モニタによる電力損失を避けることはできなかった。 Therefore, it is difficult to completely eliminate the parallel monitor in the conventional power storage device control method, and power loss due to the parallel monitor cannot be avoided.
本発明はこのような従来の問題点に鑑みて成されたもので、並列モニタを使用することなく、直並列接続の切り換えのみによってキャパシタの端子間電圧のばらつきを抑制できる蓄電装置の充電制御方法および放電制御方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and a power storage device charge control method capable of suppressing variations in voltage between terminals of a capacitor only by switching a series-parallel connection without using a parallel monitor. It is another object of the present invention to provide a discharge control method.
上記目的を達成するため、本発明にかかる蓄電装置の充電制御方法は、蓄電手段として、静電容量の等しい2個のキャパシタと複数のスイッチとで構成されたブロックを、直列にn個(nは2以上の自然数)接続したキャパシタ群を用い、かつ前記各ブロックは、前記複数のスイッチをオン/オフすることにより、前記2個のキャパシタの接続を直列または並列に切り換えることができる蓄電装置の充電制御方法であって、
所定のインターバル時間経過時に、前記ブロックを構成する2個のキャパシタの端子間電圧の和であるブロック電圧をブロック毎に比較し、
ブロック電圧が高いブロックから順にk個(kはn以下の自然数)のブロックを並列接続にし、それ以外の(n-k)個のブロックを直列接続にするように、前記各ブロックのキャパシタの接続状態を切り換え、
かつ前記ブロック電圧の比較および前記各ブロックの接続状態の切り換えを、前記蓄電手段の出力電圧が、あらかじめ設定した第1の電圧値に到るまで、前記インターバル時間毎に繰り返すことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for controlling the charge of a power storage device according to the present invention includes, as power storage means, a block composed of two capacitors having the same capacitance and a plurality of switches in series (n Is a natural number of 2 or more), and each block is a power storage device capable of switching the connection of the two capacitors in series or in parallel by turning on / off the plurality of switches. A charge control method comprising:
When a predetermined interval time elapses, a block voltage that is a sum of voltages between terminals of two capacitors constituting the block is compared for each block,
Connection of capacitors of each block so that k blocks (k is a natural number equal to or less than n) are connected in parallel and other (nk) blocks are connected in series in order from the block with the highest block voltage. Switch state,
In addition, the comparison of the block voltages and the switching of the connection state of each block are repeated at each interval time until the output voltage of the power storage unit reaches a preset first voltage value.
ここで、前記蓄電部の出力電圧が、前記第1の電圧値に到ったとき、前記n個のブロックのうち並列に接続されたブロックの数をkから(k+1)に変更する。また前記第1の電圧値として、前記蓄電手段の出力側に接続された電力変換器の許容入力電圧範囲の上限値を用いることが好ましい。 Here, when the output voltage of the power storage unit reaches the first voltage value, the number of blocks connected in parallel among the n blocks is changed from k to (k + 1). Moreover, it is preferable to use the upper limit value of the allowable input voltage range of the power converter connected to the output side of the power storage means as the first voltage value.
なお、前記ブロックを構成する2個のキャパシタは、それぞれ、静電容量が等しい複数個のキャパシタが並列に接続されたものであってもよい。 Note that the two capacitors constituting the block may be formed by connecting a plurality of capacitors having the same capacitance in parallel.
また本発明にかかる蓄電装置の放電制御方法は、蓄電手段として、静電容量の等しい2個のキャパシタと複数のスイッチで構成されたブロックを、直列にn個(nは2以上の自然数)接続したキャパシタ群を用い、かつ前記各ブロックは、前記複数のスイッチをオン/オフすることにより、前記2個のキャパシタの接続を直列または並列に切り換えることができる蓄電装置の放電制御方法であって、
所定のインターバル時間経過時に、前記ブロックを構成する各キャパシタの端子間電圧の和であるブロック電圧をブロック毎に比較し、
ブロック電圧が高いブロックから順に(n-k)個(kはn以下の自然数)のブロックを直列接続にし、それ以外のk個のブロックを並列接続にするように、前記各ブロックのキャパシタの接続状態を切り換え、
かつ前記ブロック電圧の比較および前記各ブロックの接続状態の切り換えを、前記蓄電手段の出力電圧が、あらかじめ設定した第2の電圧値に到るまで、前記インターバル時間毎に繰り返すことを特徴とする。
In the discharge control method for a power storage device according to the present invention, as a power storage means, n blocks (n is a natural number of 2 or more) connected in series with two capacitors having the same capacitance and a plurality of switches are connected. The capacitor group is used, and each block is a discharge control method of a power storage device that can switch the connection of the two capacitors in series or in parallel by turning on / off the plurality of switches,
When a predetermined interval time elapses, the block voltage that is the sum of the voltages across the terminals of each capacitor constituting the block is compared for each block,
In order from the block with the highest block voltage, (nk) (k is a natural number less than n) blocks are connected in series, and the other k capacitors are connected in parallel so that the other blocks are connected in parallel. Switch state,
In addition, the comparison of the block voltages and the switching of the connection state of each block are repeated at each interval time until the output voltage of the power storage means reaches a preset second voltage value.
ここで、前記蓄電手段の出力電圧が、前記第2の電圧値に到ったとき、前記n個のブロックのうち直列に接続されたブロックの数を(n-k)から(n-k+1)に変更する。また前記第2の電圧値として、前記蓄電手段の出力側に接続された電力変換器の許容入力電圧範囲の下限値を用いることが好ましい。 Here, when the output voltage of the power storage means reaches the second voltage value, the number of blocks connected in series among the n blocks is changed from (nk) to (nk + 1). Change to Moreover, it is preferable to use the lower limit value of the allowable input voltage range of the power converter connected to the output side of the power storage means as the second voltage value.
なお、前記ブロックを構成する2個のキャパシタは、それぞれ、静電容量が等しい複数個のキャパシタが並列に接続されたものであってもよい。 Note that the two capacitors constituting the block may be formed by connecting a plurality of capacitors having the same capacitance in parallel.
また前記キャパシタとして、下限電圧にも制限のあるキャパシタを用いた場合には、前記蓄電手段を構成するいずれかのキャパシタの端子間電圧が前記下限電圧を下回ったときに放電を停止することが好ましい。 Further, when a capacitor having a lower limit voltage is used as the capacitor, it is preferable that the discharge is stopped when the voltage between terminals of any one of the capacitors constituting the power storage unit falls below the lower limit voltage. .
本発明にかかる蓄電装置の充電制御方法によれば、短いインターバル時間毎に、ブロック電圧のばらつきがなくなるように各ブロックの直並列接続が切り換えられるため、キャパシタの端子間電圧のばらつきを抑制できる。 According to the charge control method for a power storage device according to the present invention, since the series-parallel connection of each block is switched so that the block voltage does not vary every short interval time, the variation in the voltage between the terminals of the capacitor can be suppressed.
すなわち、直並列切り換えによって、直列接続されたブロックの各キャパシタに流入する電荷が、並列接続されたブロックの各キャパシタに流入する電荷の約2倍になることと、並列接続によってブロック内の2つのキャパシタの端子間電圧が均圧化されることを積極的に利用することによって、ブロック電圧のばらつきと各キャパシタの端子間電圧のばらつきを抑制できる。 That is, due to the series-parallel switching, the electric charge flowing into each capacitor of the block connected in series becomes about twice the electric charge flowing into each capacitor of the block connected in parallel. By actively utilizing the equalization of the voltage between the terminals of the capacitor, it is possible to suppress variations in the block voltage and the voltages between the terminals of each capacitor.
結果として、過充電を防止するための並列モニタが不要となり、熱損失がなくなるため充電効率が向上する。 As a result, there is no need for a parallel monitor to prevent overcharging, and heat loss is eliminated, improving charging efficiency.
また本発明にかかる蓄電装置の放電制御方法によれば、短いインターバル時間毎に、ブロック電圧のばらつきがなくなるように各ブロックの直並列接続が切り換えられるため、キャパシタの端子間電圧のばらつきを抑制できることに加えて、蓄電部電圧が第2の電圧値(例えば電力変換器の許容入力電圧範囲の下限値)に達するまでの時間が遅くなることから、蓄電手段の放電時間、すなわち電力変換器の稼動時間を長くすることができる。 Further, according to the discharge control method for a power storage device according to the present invention, the series-parallel connection of each block is switched so as to eliminate the variation in the block voltage every short interval time, so that the variation in the voltage between the terminals of the capacitor can be suppressed. In addition, since the time until the power storage unit voltage reaches the second voltage value (for example, the lower limit value of the allowable input voltage range of the power converter) is delayed, the discharging time of the power storage means, that is, the operation of the power converter The time can be lengthened.
以下、本発明の実施の形態にかかる蓄電装置の充電制御方法および放電制御方法(以降、単に「充電制御方法」および「放電制御方法」という)について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a charge control method and a discharge control method (hereinafter simply referred to as “charge control method” and “discharge control method”) for a power storage device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1に、蓄電装置を含む電力供給システムの構成を示す。本実施の形態では、図1の蓄電装置2によって実施される充電制御方法について説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 illustrates a configuration of a power supply system including a power storage device. In the present embodiment, a charge control method performed by
蓄電装置2は、直流電源1から供給された直流電力を蓄電し、これを直流電力のまま、あるいは交流電力に変換して負荷3に供給する。直流電源1は、電流源であることが望ましいが、電圧源であってもよい。直流電源1としては、例えば太陽電池、風力発電機、エンジン発電機などが用いられるが、他の電力供給源を利用することも可能であり、電力供給源が交流電源である場合には直流化して利用する。
The
<蓄電装置の構成>
蓄電装置2は、蓄電部21、電力変換器22および制御部23を備えている。蓄電部21は、直流電源1から供給された直流の電力を蓄積する。電力変換器22は、DC-ACインバータなどで構成され、蓄電部21に蓄えられた直流電力を交流電力に変換すると共に、出力電圧を安定化する。なお、負荷3が直流電力で駆動される場合には、電力変換器22としてDC-DCコンバータなどを用いる。
<Configuration of power storage device>
The
蓄電装置2の蓄電手段である蓄電部21は、キャパシタ(すなわち電気二重層キャパシタ)を2個有するブロックを、n個(nは2以上の自然数)直列に接続したものである。蓄電部21の構成の具体例を図2に示す。
The
図2の蓄電部21は、5個のブロック(B1~B5)が直列に接続されている。各ブロック(B1~B5)は、静電容量の等しい2個のキャパシタCと3個のスイッチSで構成され、それぞれのスイッチSのオンとオフを切り換えることにより、2個のキャパシタCは直列または並列に接続される。各ブロックを2個のキャパシタで構成する理由については、後に詳述する。
In the
なお、狭義の電気二重層キャパシタは、電極の正極と負極の両方に電気二重層容量を用いた対称型の電気二重層キャパシタを意味するが、広義の電気二重層キャパシタには、対称型のキャパシタの他に、一方の極が酸化還元反応を伴って発生する酸化還元擬似容量(レドックス擬似容量)で、他方の極が電気二重層容量となっている非対称型の電気二重層キャパシタなども含まれる。本発明は広義の電気二重層キャパシタに適用可能である。 The electric double layer capacitor in the narrow sense means a symmetric electric double layer capacitor using electric double layer capacitance for both the positive electrode and the negative electrode of the electrode, but the electric double layer capacitor in the broad sense includes a symmetric capacitor. In addition, an asymmetric type electric double layer capacitor in which one pole is a redox pseudocapacitance (redox pseudocapacitance) generated with a redox reaction and the other pole is an electric double layer capacitance is also included. . The present invention can be applied to an electric double layer capacitor in a broad sense.
スイッチSとして、通常、FETなどで構成された半導体スイッチが用いられる。しかし、スイッチSに流れる電流量が多い場合には、サイリスタやIGBTなどを用いてもよい。 As the switch S, a semiconductor switch composed of an FET or the like is usually used. However, when the amount of current flowing through the switch S is large, a thyristor or IGBT may be used.
図1の説明に戻って、制御部23は、蓄電部21における充放電を制御する。制御部23は、直並列切り換え回路24、端子間電圧検出回路25、蓄電部電圧検出回路26および制御回路27を備えている。
1, the
直並列切り換え回路24は、各ブロックの3個のスイッチSのそれぞれの切り換えを行うことにより、2個のキャパシタCを直列に接続した状態と並列に接続した状態とに切り換える。
The series-
端子間電圧検出回路25は、各ブロック内のキャパシタCの端子間電圧Vcを検出する。蓄電部電圧検出回路26は、蓄電部21の出力電圧すなわち蓄電部電圧Vtを検出する。端子間電圧検出回路25で検出された端子間電圧Vcおよび蓄電部電圧検出回路26で検出された蓄電部電圧Vtは制御回路27に入力される。
The inter-terminal
制御回路27は、ブロック電圧算出回路28および発振回路29を含む。ブロック電圧算出回路28は、端子間電圧検出回路25によって検出された各キャパシタCの端子間電圧Vcを基にして各ブロックのブロック電圧Vbを算出する。発振回路29は、クロック信号からインターバル期間毎にパルスを生成し、直並列切り換え回路24および端子間電圧検出回路25のタイミング信号として出力する。
The
制御回路27は、ブロック電圧算出回路28で算出されたブロック電圧Vbおよび蓄電部電圧検出回路26から出力された蓄電部電圧Vtに基づいて、直並列切り換え回路24の制御を行う。
The
なお、制御回路27をCPU(Central Processing Unit)で構成した場合、制御回路27、ブロック電圧算出回路28および発振回路29のそれぞれの機能は、ROM(Read Only Memory)に格納されたソフトウェア(プログラム)をCPUに読み出して実行することにより、実現される。
When the
ここで、図3を参照し、前述の「ブロック電圧」Vbについて、詳しく説明する。本明細書で定義する「ブロック電圧」Vbは、ブロックの両端の電圧ではなく、ブロックを構成する2個のキャパシタの端子間電圧を足した値である。 Here, with reference to FIG. 3, the aforementioned “block voltage” Vb will be described in detail. The “block voltage” Vb defined in this specification is not a voltage across the block but a value obtained by adding a voltage between terminals of two capacitors constituting the block.
具体的には、図3(a)に示すようにブロックを構成するキャパシタC1とC2が直列に接続されている場合、ブロック電圧Vbは、キャパシタC1の端子間電圧Vc1とキャパシタC2の端子間電圧Vc2を足した値となる。同様に、図3(b)に示すようにキャパシタC1とC2が並列に接続されている場合、ブロック電圧Vbは、キャパシタC1の端子間電圧Vc3とキャパシタC2の端子間電圧Vc4を足した値となる。 Specifically, when the capacitors C1 and C2 constituting the block are connected in series as shown in FIG. 3A, the block voltage Vb is the voltage Vc1 between the terminals of the capacitor C1 and the voltage between the terminals of the capacitor C2. A value obtained by adding Vc2. Similarly, when the capacitors C1 and C2 are connected in parallel as shown in FIG. 3B, the block voltage Vb is a value obtained by adding the inter-terminal voltage Vc3 of the capacitor C1 and the inter-terminal voltage Vc4 of the capacitor C2. Become.
なお、制御部23内の各回路および電力変換器22には、図示しない蓄電池などの電源から作動用の電力が供給される。しかし、特に電源を設けず、作動用の電力として、蓄電部21に蓄積された直流電力の一部を用いてもよい。この場合、制御回路27は、蓄電部21に蓄積された電力量が、制御回路27で必要とされる電力量以下にならないように放電を制御する必要がある。
Note that power for operation is supplied to each circuit in the
<キャパシタの接続状態の切り換え制御>
次に、本発明におけるキャパシタの接続状態の切り換え制御について説明する。本発明にかかる充電制御方法は、蓄電部電圧Vtがあらかじめ設定した第1の電圧値に達した時にブロックの直並列切り換えを行う点は、前述の特許文献2に記載の制御方法と同様である。本発明では、さらに、全てのブロックのキャパシタが直列接続状態のときおよび全てのブロックのキャパシタが並列接続状態のとき以外は、常に所定のインターバル時間毎にブロック電圧Vbを検出し、ブロック間のブロック電圧Vbのばらつきが少なくなるように直並列接続の切り換えを行っている。
<Capacitor connection state switching control>
Next, switching control of the connection state of the capacitor in the present invention will be described. The charge control method according to the present invention is the same as the control method described in
具体的には、本発明にかかる充電制御方法は、所定のインターバル時間Ti経過時に、ブロックを構成する各キャパシタのブロック電圧Vbをブロック毎に比較し、ブロック電圧Vbが高いブロックから順にk個(kはn以下の自然数)のブロックを並列接続にすると共に、それ以外の(n-k)個のブロックを直列接続にするように、各ブロックのキャパシタの接続状態を切り換える。そしてこれらブロック電圧Vbの比較および各ブロックの接続状態の切り換えを、蓄電部電圧Vtが、あらかじめ設定した第1の電圧値に到るまで、インターバル時間Ti毎に繰り返すものである。 Specifically, in the charge control method according to the present invention, when a predetermined interval time Ti elapses, the block voltage Vb of each capacitor constituting the block is compared for each block, and k blocks (in order from the block having the highest block voltage Vb) k is a natural number equal to or less than n), and the connection state of the capacitors in each block is switched so that the other (n−k) blocks are connected in series. The comparison of the block voltage Vb and the switching of the connection state of each block are repeated for each interval time Ti until the power storage unit voltage Vt reaches a preset first voltage value.
なお、前記第1の電圧値として、通常は、効率が最も良くなる値、すなわち電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に設定するが、それより低い値に設定しても、効率は若干低下するが、本発明の充電制御方法の効果を発揮する。
The first voltage value is normally set to a value that provides the best efficiency, that is, the upper limit value of the allowable input voltage range of the
以下、本発明の充電制御方法におけるブロック電圧のばらつきの抑制について、特許文献2に記載の充電制御方法と比較しながら説明する。なお、説明を分かりやすくするため、ここでは、蓄電部21が3個のブロックで構成されている場合を例に挙げて説明する。また第1の電圧値は、電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に設定している。
Hereinafter, suppression of variation in block voltage in the charge control method of the present invention will be described in comparison with the charge control method described in
図4は蓄電部電圧Vtの時間的変化を示すグラフ、図5(a)は本発明の充電制御方法におけるブロック電圧の時間的変化を示すグラフ、図5(b)は特許文献2に記載の充電制御方法におけるブロック電圧の時間的変化を示すグラフである。 FIG. 4 is a graph showing temporal changes in the power storage unit voltage Vt, FIG. 5A is a graph showing temporal changes in the block voltage in the charge control method of the present invention, and FIG. It is a graph which shows the time change of the block voltage in a charge control method.
特許文献2に記載の充電制御方法においても本発明にかかる充電制御方法においても、蓄電部の各キャパシタに電荷が蓄積され、やがて図4に示すように、a点(時刻Ta)において蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に達すると、並列接続されるブロックが1つ増加し、蓄電部電圧Vtが低下する。そして、さらに充電が進むと、再びb点(時刻Tb)において蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に達する。
In both the charge control method described in
この過程において、特許文献2に記載の充電制御方式では、各ブロックのブロック電圧の推移は図5(b)のようになる。すなわち、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に達したa点(時刻Ta)で直並列接続の切り換えが行われ、この時点で最もブロック電圧Vbの高いブロックB1の2個のキャパシタが並列接続状態になる。その結果、ブロックB1の2個のキャパシタの充電速度は遅くなり、他のブロック(ブロックB2、B3)とのブロック電圧Vbの差が減少する。
In this process, in the charge control method described in
しかし、c点(時刻Tc)においてブロックB1のブロック電圧Vbが、ブロックB2のブロック電圧Vbを下回っても、蓄電部電圧Vtが再び電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に達するb点(時刻Tb)まで直並列接続の切り換えは行われず、ブロックB1の2個のキャパシタは並列接続のまま充電が継続される。その結果、b点(時刻Tb)に到達した時には、ブロックB1のブロック電圧Vbは、他のブロック(B2、B3)のブロック電圧Vbより大きく下回ることになり、ブロック電圧Vbがばらつく原因となる。
However, even when the block voltage Vb of the block B1 falls below the block voltage Vb of the block B2 at the point c (time Tc), the storage unit voltage Vt reaches the upper limit value of the allowable input voltage range of the
一方、本発明の充電制御方法では、特許文献2に記載の方法と同様、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に達したa点(時刻Ta)において直並列接続の切り換えが行われるが、a点(時刻Ta)以外においても、常に所定のインターバル時間Ti毎に各ブロックのブロック電圧Vbが検出され、ブロック電圧Vbのばらつきが少なくなるように接続状態の切り換えが行われる。
On the other hand, in the charge control method of the present invention, as in the method described in
すなわち図5(a)に示すように、a点(時刻Ta)においてブロック電圧Vbが最も高いブロックB1の2個のキャパシタの接続状態が直列から並列になった後、ブロックB2のブロック電圧Vbがc点(時刻Tc)において最も高くなると、この時点でブロックB1の2個のキャパシタの接続状態を直列に戻し、ブロックB2の2個のキャパシタの接続状態を並列に切り換える。時刻Tc以降も同様に、常に所定のインターバル時間Ti毎に各ブロックのブロック電圧Vbが検出され、ブロック電圧Vbが最も高いブロックの2個のキャパシタが並列接続に切り換えられ、それまで並列の接続状態であったブロックの2個のキャパシタは直列の接続状態に戻される。図5(a)に示すように、ブロックの接続状態の切り換えをインターバル時間Ti毎に繰り返すことにより、ブロック電圧Vbのばらつきが抑制される。 That is, as shown in FIG. 5A, after the connection state of the two capacitors of the block B1 having the highest block voltage Vb at the point a (time Ta) is changed from series to parallel, the block voltage Vb of the block B2 is When it becomes the highest at the point c (time Tc), the connection state of the two capacitors in the block B1 is returned in series at this point, and the connection state of the two capacitors in the block B2 is switched in parallel. Similarly, after the time Tc, the block voltage Vb of each block is always detected at every predetermined interval time Ti, and the two capacitors of the block having the highest block voltage Vb are switched to the parallel connection. The two capacitors in the block that were were returned to the serial connection. As shown in FIG. 5A, the switching of the block connection state is repeated every interval time Ti, thereby suppressing the variation in the block voltage Vb.
図6を参照して、キャパシタの接続状態の切り換え制御について、さらに具体的に説明する。なお、図6では、図2に示した蓄電部21、すなわち5個のブロック(B1~B5)が直列に接続された蓄電部21を用いた場合について説明する。
Referring to FIG. 6, the switching control of the capacitor connection state will be described more specifically. 6, the case where the
図6の上段に示すように、時刻T1において、蓄積部21を構成する5つのブロック(B1~B5)のうち、2個のブロックB1とB2が並列に接続され、その他の3個のブロックは直列に接続されている(すなわちk=2)。
As shown in the upper part of FIG. 6, at time T1, among the five blocks (B1 to B5) constituting the
この状態でインターバル時間Tiが経過したとき、ブロック電圧算出回路28で算出した各ブロックのブロック電圧Vbは、図6の下段に示すように電圧レベルの高いブロックから順にB3、B5、B4、B1、B2となったとする。制御回路27は、時刻T2(=T1+Ti)において、電圧レベルの高いブロックB3とB5の接続を並列に切り換え、代わりに並列接続されていたブロックB1とB2を直列接続に切り換える。図6の上段に時刻T2が経過した時の各ブロックの接続状態を示す。
When the interval time Ti elapses in this state, the block voltage Vb of each block calculated by the block
同様にして、時刻T2からインターバル時間Tiが経過したとき、ブロック電圧算出回路28で算出した各ブロックのブロック電圧Vbは、図6の下段に示すように電圧レベルの高いブロックから順にB4、B1、B2、B3、B5となったとする。制御回路27は、時刻T3(=T2+Ti)において、電圧レベルの高いブロックB4とB1を直列接続から並列接続に切り換え、代わりに並列接続されていた電圧レベルの低いブロックB3とB5を直列接続に切り換える。図6の上段に時刻T3が経過した時の各ブロックの接続状態を示す。
Similarly, when the interval time Ti elapses from time T2, the block voltage Vb of each block calculated by the block
インターバル時間Tiを短時間(例えば10秒以内)に設定して上述した切り換え動作を繰り返すことにより、前述の図5(a)のグラフに示すように、各ブロックのブロック電圧Vbのばらつきが抑制され、さらには、ブロックを構成するキャパシタの端子間電圧Vcのばらつきも抑制される。結果として、各キャパシタの端子間電圧Vcは、ほとんど全てのキャパシタが満充電となるまで定格電圧を超えることがないため、並列モニタを設ける必要がなくなる。 By setting the interval time Ti to a short time (for example, within 10 seconds) and repeating the switching operation described above, the variation in the block voltage Vb of each block is suppressed as shown in the graph of FIG. Furthermore, variations in the terminal voltage Vc of the capacitors constituting the block are also suppressed. As a result, since the inter-terminal voltage Vc of each capacitor does not exceed the rated voltage until almost all capacitors are fully charged, it is not necessary to provide a parallel monitor.
なお、完全放電状態から充電を開始する場合、全てのブロックのキャパシタCが直列接続されるので、直並列切り換えが開始されるまでの間は、各ブロックのブロック電圧や各キャパシタの端子間電圧がばらつく。しかし、この期間に各キャパシタが定格電圧に達することはなく、またその後の直並列切り換えにより、各ブロックのブロック電圧や各キャパシタの端子間電圧の均圧化が行われる。 When charging is started from a completely discharged state, the capacitors C of all the blocks are connected in series, so that the block voltage of each block and the voltage between terminals of each capacitor are not changed until the series-parallel switching is started. It varies. However, each capacitor does not reach the rated voltage during this period, and the block voltage of each block and the voltage between terminals of each capacitor are equalized by subsequent series-parallel switching.
さらに、充電の最終段階には、全てのブロックのキャパシタCが並列接続された状態となり、図2に示すような蓄電部を用いた場合には、各ブロックのブロック電圧がばらつくことになる。しかし、全てのブロックのキャパシタCが並列接続される状態になるまでに、直並列切り換えにより、ブロックのブロック電圧や各キャパシタの端子間電圧の均圧化が行われており、この期間に生じるばらつきは極めて少ない。 Furthermore, in the final stage of charging, the capacitors C of all the blocks are connected in parallel, and when the power storage unit as shown in FIG. 2 is used, the block voltage of each block varies. However, until the capacitors C of all the blocks are connected in parallel, the block voltage of the block and the voltage between terminals of each capacitor are equalized by serial / parallel switching. Are very few.
<ブロックを2個のキャパシタで構成する理由>
次に、本発明において、蓄電部21の各ブロックを2個のキャパシタで構成する理由について説明する。図7(a)に示す蓄電部21Aと図7(b)に示す蓄電部21Bは、どちらも総数12個の同一公称静電容量のキャパシタCで構成されている。図7(a)の蓄電部21Aは、1つのブロックが4個のキャパシタCで構成され、かつ2個のキャパシタCが直列に接続されている。これに対し図7(b)の蓄電部21Bは、1つのブロックが2個のキャパシタCで構成され、かつ各キャパシタCは単体のキャパシタである。
<Reason for configuring a block with two capacitors>
Next, the reason why each block of the
図7(a)に示す蓄電部21Aの直並列接続の切り換えパターンの数は8(=23)であるが、図7(b)に示す蓄電部21Bの直並列接続の切り換えパターンの数は64(=26)となる。したがって、各ブロックのブロック電圧および各キャパシタの端子間電圧Vbの制御については、蓄電部21Bの構成の方が蓄電部21Aの構成より細かく制御することが可能となる。
The number of switching patterns for series-parallel connection of
すなわち、蓄電部21Bの構成の方が蓄電部21Aの構成より、各ブロックのブロック電圧Vbおよび各キャパシタの端子間電圧Vcのばらつきを小さくすることができる。さらに、直並列切り換えによる蓄電部電圧Vtの変動を抑制することができる。
That is, the configuration of the
なお、図7(b)の各ブロックのキャパシタCのそれぞれが、図8に示すような、並列に接続された静電容量の等しい複数個(図では2個)のキャパシタで構成された場合、これらは特性上1個のキャパシタとみなすことができる。したがって、蓄電部21に図8に示す構成のブロックを採用してもよい。 In addition, when each of the capacitors C in each block in FIG. 7B is configured by a plurality of capacitors (two in the figure) having the same capacitance connected in parallel as shown in FIG. These can be regarded as one capacitor in terms of characteristics. Therefore, a block having the configuration shown in FIG.
<充電制御のフロー>
本発明にかかる充電制御方法を実施する際のフローを図9に示す。以下、図1のブロック図および図9のフローチャートを用いて、充電制御の流れを説明する。
<Flow of charge control>
FIG. 9 shows a flow for carrying out the charge control method according to the present invention. Hereinafter, the flow of charge control will be described with reference to the block diagram of FIG. 1 and the flowchart of FIG. 9.
充電制御を開始する時点では、蓄電部21の各キャパシタCは完全放電状態、すなわち全てのキャパシタCは電荷が蓄積されていない状態にあるものとする。
It is assumed that at the time when charging control is started, each capacitor C of the
ステップS11において、制御回路27は、直並列切り換え回路24に指示して全ブロック(図2に示すような蓄電部の場合にはB1~B5)のキャパシタCを直列接続とする。つまり、全ブロック数n(図2ではn=5)のうち、キャパシタCが並列接続となっているブロックの数kは「0」である。この状態で充電を開始する(ステップS12)。
In step S11, the
ステップS13において、制御回路27はインターバル時間Tiが経過するのを待ち、インターバル時間Tiが経過した後、ステップS14の処理に進む。
In step S13, the
ステップS14において、端子間電圧検出回路25は、蓄電部21の各キャパシタCの端子間電圧Vcを測定する。また蓄電部電圧検出回路26は、蓄電部21の出力電圧である蓄電部電圧Vtを測定する。
In step S14, the inter-terminal
ステップS15において、制御回路27のブロック電圧算出回路28は、端子間電圧検出回路25で検出した各キャパシタCの端子間電圧Vcに基づいて各ブロックのブロック電圧Vbを算出する。
In step S15, the block
ステップS16において、制御回路27は、各キャパシタCの端子間電圧Vcが定格電圧VCU以下であるか否かを判断する。いずれかのキャパシタCの端子間電圧Vcが定格電圧VCUを超えた場合(NO)はステップS21の処理に進み、いずれのキャパシタCの端子間電圧Vcも定格電圧VCUを超えていない場合(YES)はステップS17の処理に進む。
In step S16, the
ステップS21において、制御回路27は充電を停止して充電制御を終了する。前述したように、本発明の充電制御方法においては、キャパシタの端子間電圧Vcのばらつきが抑制される結果、全てのキャパシタCがほぼ満充電状態にならない限り、キャパシタCの端子間電圧Vcが定格電圧を超えることはない。したがって、いずれかのキャパシタCの端子間電圧Vcが定格電圧を超えた場合は、全てのキャパシタCがほぼ満充電状態になったと判断し、もしくはいずれかのキャパシタCの静電容量に異常があると判断して充電を停止する。
In step S21, the
ステップS17において、制御回路27は、蓄電部電圧検出回路26で検出した蓄電部電圧Vtに基づき、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値VUを超えたか否かを判断する。蓄電部電圧Vtが上限値VUを超えた場合(NO)にはステップ18の処理に進み、蓄電部電圧Vtが上限値VUを超えていない場合(YES)にはステップS20の処理に進む。
In step S <b> 17,
ステップS18において、並列接続のブロック数kがnの場合(YES)は、ステップS21の処理に進み、全てのキャパシタCが満充電状態になったと判断して充電を停止する。 In step S18, if the number k of parallel-connected blocks is n (YES), the process proceeds to step S21, and it is determined that all capacitors C are fully charged, and charging is stopped.
一方、ステップ18において、並列接続のブロック数kが「n」でない場合(NO)は、ステップS19の処理に進み、ブロック数kを「k+1」とし、引き続いてステップS20の処理に進む。 On the other hand, if the number k of parallel-connected blocks is not “n” in step 18 (NO), the process proceeds to step S19, the block number k is set to “k + 1”, and then the process proceeds to step S20.
ステップS20において、制御回路27は図6に示した直並列切り換えの制御を行う。すなわちブロック電圧Vbの高いブロックから順にk個のブロックのキャパシタCを並列接続にし、それ以外の(n-k)個のブロックのキャパシタCを直列接続にする。
In step S20, the
ステップS20の処理が終了したのち、ステップS13の処理に戻り、蓄電部電圧Vtが許容入力電圧範囲の上限値VUを超えるまで、インターバル時間Ti経過毎にステップS14~S20の処理が繰り返される。 After the process of step S20 is completed, the process returns to the process of step S13, and the processes of steps S14 to S20 are repeated every interval time Ti until the power storage unit voltage Vt exceeds the upper limit value VU of the allowable input voltage range.
以上説明したように本発明の充電制御方法では、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値に到達した場合だけではなく、所定のインターバル時間毎に、ブロック電圧Vbのばらつきが少なくなるように直並列切り換え制御が行われる。その結果、ブロック電圧Vbのばらつきばかりでなく、各キャパシタCの端子間電圧Vcのばらつきも抑制できる。
As described above, according to the charge control method of the present invention, the variation in the block voltage Vb is not limited to when the power storage unit voltage Vt reaches the upper limit value of the allowable input voltage range of the
したがって、従来の充電制御方法で必要とされた、過充電を防止するための並列モニタが不要となり、さらに、キャパシタを直列接続から並列接続に切り換えた際に発生する「クロス電流」対策を施す必要もなくなる。その結果、並列モニタを構成する抵抗による熱損失がなくなり、充電効率が向上する。 This eliminates the need for a parallel monitor to prevent overcharging, which is required in conventional charge control methods, and to take measures against the "cross current" that occurs when a capacitor is switched from series connection to parallel connection. Also disappear. As a result, heat loss due to the resistors constituting the parallel monitor is eliminated, and charging efficiency is improved.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明にかかる放電制御方法について説明する。なお、放電制御に用いる蓄電装置2および蓄電部21の構成は、実施の形態1で説明した構成と同様である。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a discharge control method according to the present invention will be described. The configurations of
本発明にかかる放電制御方法は、実施の形態1で説明した充電制御方法と同様に、全てのブロックのキャパシタが直列接続状態のときおよび全てのブロックのキャパシタが並列接続状態のとき以外は、常に所定のインターバル時間毎にブロック電圧Vbを検出し、ブロック間のブロック電圧Vbのばらつきが少なくなるように直並列接続の切り換えを行う。 The discharge control method according to the present invention is always the same as the charge control method described in the first embodiment, except when the capacitors of all the blocks are connected in series and when the capacitors of all the blocks are connected in parallel. The block voltage Vb is detected at every predetermined interval time, and the series-parallel connection is switched so that the variation of the block voltage Vb between the blocks is reduced.
具体的には、本発明にかかる放電制御方法は、所定のインターバル時間Ti経過時に、ブロックを構成する各キャパシタのブロック電圧Vbをブロック毎に比較し、ブロック電圧Vbが高いブロックから順に(n-k)個(kはn以下の自然数)のブロックを直列接続にすると共に、それ以外のk個のブロックを並列接続にするように、各ブロックのキャパシタの接続状態を切り換える。そしてこれらブロック電圧Vbの比較および各ブロックの接続状態の切り換えを、蓄電部21の出力電圧Vtが、あらかじめ設定した第2の電圧値に到るまで、インターバル時間Ti毎に繰り返すものである。
Specifically, in the discharge control method according to the present invention, when a predetermined interval time Ti elapses, the block voltage Vb of each capacitor constituting the block is compared for each block, and (n− k) The connection state of the capacitors of each block is switched so that the blocks (k is a natural number equal to or less than n) are connected in series and the other k blocks are connected in parallel. The comparison of the block voltage Vb and the switching of the connection state of each block are repeated every interval time Ti until the output voltage Vt of the
前記第2の電圧値として、通常は、効率が最も良くなる値、すなわち電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値に設定するが、それより高い値に設定しても、効率は若干低下するが、本発明の放電制御方法の効果を発揮する。
The second voltage value is usually set to a value that provides the best efficiency, that is, the lower limit value of the allowable input voltage range of the
<キャパシタの接続状態の切り換え制御>
次に、図10を参照して、本発明の放電制御方法におけるキャパシタの接続状態の切り換え制御について、具体的に説明する。なお、ここでは、蓄電部電圧Vtおよびブロック電圧Vbの時間的変化をグラフで示すことはしないが、蓄電部電圧Vtおよびブロック電圧Vbは、図4および図5(a)に示したグラフを、ほぼ上下に反転させた形状となる。
<Capacitor connection state switching control>
Next, the switching control of the connection state of the capacitor in the discharge control method of the present invention will be specifically described with reference to FIG. Here, the temporal change in the storage unit voltage Vt and the block voltage Vb is not shown in a graph, but the storage unit voltage Vt and the block voltage Vb are shown in the graphs of FIGS. 4 and 5A. The shape is almost inverted up and down.
図10の上段に示すように、時刻T5において、蓄積部21を構成する5つのブロック(B1~B5、すなわちn=5)のうち、2個のブロックB1とB2が直列に接続され、その他の3個のブロックは並列に接続されている(すなわちk=3)。
As shown in the upper part of FIG. 10, at time T5, two blocks B1 and B2 are connected in series among the five blocks (B1 to B5, that is, n = 5) constituting the
この状態でインターバル時間Tiが経過したとき、ブロック電圧算出回路28で算出した各ブロックのブロック電圧Vbは、図10の下段に示すように電圧レベルの高いブロックから順にB4、B5、B3、B2、B1となったとする。制御回路27は、時刻T6(=T5+Ti)において、電圧レベルの高いブロックB4とB5の接続を並列から直列に切り換え、代わりに直列接続されていたブロックB1とB2を並列接続に切り換える。図10の上段に時刻T6が経過した時の各ブロックの接続状態を示す。
When the interval time Ti elapses in this state, the block voltage Vb of each block calculated by the block
同様にして、時刻T6からインターバル時間Tiが経過したとき、ブロック電圧算出回路28で算出した各ブロックのブロック電圧Vbは、図10の下段に示すように電圧レベルの高い順にB3、B2、B1、B5、B4となったとする。制御回路27は、時刻T7(=T6+Ti)において、並列に接続されていたブロックのうちブロック電圧レベルの高いブロックB3とB2を直列接続に切り換え、代わりに直列接続されていたブロックB4とB5を並列接続に切り換える。図10の上段に時刻T6が経過した時の各ブロックの接続状態を示す。
Similarly, when the interval time Ti elapses from time T6, the block voltage Vb of each block calculated by the block
ブロックを構成する2個のキャパシタが直列接続されている場合、2個のキャパシタCの静電容量にばらつきがあると、放電を続ければ、静電容量の小さいキャパシタの端子間電圧の方が、静電容量の大きなキャパシタの端子間電圧Vcより速く低下する。したがって、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値に達するまでの時間が速くなり、結果として、蓄電部21の放電時間、すなわち電力変換器22の稼動時間が短くなる。
When the two capacitors constituting the block are connected in series, if the capacitance of the two capacitors C varies, if the discharge is continued, the voltage across the terminals of the capacitor having a smaller capacitance is: The voltage drops faster than the terminal voltage Vc of the capacitor having a large capacitance. Therefore, the time until the power storage unit voltage Vt reaches the lower limit value of the allowable input voltage range of the
これに対し、インターバル時間Tiを短時間(例えば10秒以内)に設定して上述した切り換え動作を繰り返すことにより、各ブロックのブロック電圧Vbのばらつきが抑制され、さらには、ブロックを構成するキャパシタの端子間電圧Vcのばらつきも抑制され、結果として、蓄電部21の放電時間(電力変換器22の稼動時間)を長くすることができる。 On the other hand, by setting the interval time Ti to a short time (for example, within 10 seconds) and repeating the switching operation described above, the variation in the block voltage Vb of each block is suppressed, and furthermore, the capacitors constituting the block Variations in the inter-terminal voltage Vc are also suppressed, and as a result, the discharge time of the power storage unit 21 (operation time of the power converter 22) can be lengthened.
<放電制御のフロー>
本発明の放電制御方法を実施する際のフローを図11に示す。以下、図1のブロック図および図11のフローチャートを用い、満充電状態から放電する場合について放電制御の流れを説明する。
<Discharge control flow>
FIG. 11 shows a flow for carrying out the discharge control method of the present invention. Hereinafter, the flow of discharge control will be described with reference to the block diagram of FIG. 1 and the flowchart of FIG. 11 when discharging from a fully charged state.
放電制御を開始する時点では、蓄電部21の各キャパシタCは、ほとんど満充電の状態である。ステップS31において、全ブロック(図2に示す蓄電部の場合にはB1~B5)のキャパシタCは並列接続となっている。つまり、全ブロック数n(図2の場合にはn=5)のうち、キャパシタCが並列接続となっているブロックの数kは「n」である。この状態で放電を開始する(ステップS32)。
At the time of starting the discharge control, each capacitor C of the
ステップS33において、制御回路27はインターバル時間Tiが経過するのを待ち、インターバル時間Tiが経過した後、ステップS34の処理に進む。
In step S33, the
ステップ34において、端子間電圧検出回路25は、蓄電部21の各キャパシタCの端子間電圧Vcを測定する。また蓄電部電圧検出回路26は、蓄電部電圧Vtを測定する。
In step 34, the inter-terminal
ステップS35において、制御回路27のブロック電圧算出回路28は、端子間電圧検出回路25で検出したキャパシタCの端子間電圧Vcに基づいて各ブロックのブロック電圧Vbを算出する。
In step S35, the block
ステップS36において、制御回路27は、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値VL以上であるか否かを判断する。蓄電部電圧Vtが下限値VLを下回った場合(NO)にはステップ37の処理に進む。一方、蓄電部電圧Vtが下限値VL以上である場合(YES)はステップS39の処理に進む。
In step S36, the
ステップS37において、並列接続のブロック数kが「0」である場合(YES)はステップS40に進み、蓄電部21が電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値VL以上の電圧を供給できないと判断して放電を停止する。一方、並列接続のブロック数kが「0」でない場合(NO)は、ステップS38の処理に進み、並列ブロックの数kを(k-1)とし、引き続いてステップS39の処理に進む。
In step S37, when the number of blocks k connected in parallel is “0” (YES), the process proceeds to step S40, and the
ステップS39において、制御回路27は図10に示した直並列切り換えの制御を行う。すなわちブロック電圧Vbの高いブロックから順に(n-k)個のブロックのキャパシタCを直列接続にし、それ以外のk個のブロックのキャパシタCを並列接続にする。
In step S39, the
ステップS39の処理が終了したのち、ステップS33の処理に戻り、蓄電部電圧Vtが許容入力電圧範囲の下限値VL未満となるまで、インターバル時間Ti経過毎にステップS34~S39の処理が繰り返される。 After the process of step S39 is completed, the process returns to the process of step S33, and the processes of steps S34 to S39 are repeated every time the interval time Ti elapses until the power storage unit voltage Vt becomes less than the lower limit value VL of the allowable input voltage range.
なお、キャパシタには、種類によって上限電圧(定格電圧)のみに制限が設けられているものと、上限電圧と下限電圧のいずれにも制限が設けられているものがある。蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタなどの上限電圧と下限電圧に制限が設けられているキャパシタを用いた場合には、放電制御のフローを若干変更する必要がある。図12に、上限電圧と下限電圧に制限が設けられているキャパシタを用いた場合のフローを示す。 There are capacitors that are limited only in the upper limit voltage (rated voltage) depending on the type, and those that are limited in both the upper limit voltage and the lower limit voltage. When a capacitor with restrictions on the upper limit voltage and the lower limit voltage such as a lithium ion capacitor is used as the electricity storage device, it is necessary to slightly change the flow of discharge control. FIG. 12 shows a flow in the case of using a capacitor in which the upper limit voltage and the lower limit voltage are limited.
図12のフローでは、図11のフローのステップS35とS36との間にステップS41が追加されている。すなわちステップS41において、制御回路27は、各キャパシタCの端子間電圧Vcが下限電圧VCLより高いか否かを判断する。いずれかのキャパシタCの端子間電圧Vcが下限電圧VCL以下となった場合(NO)はステップS40の処理に進んで放電を停止する。一方、いずれのキャパシタCの端子間電圧Vcも定格下限電圧VCLより高い場合(YES)は、ステップS36の処理に進む。
In the flow of FIG. 12, step S41 is added between steps S35 and S36 of the flow of FIG. That is, in step S41, the
前述したように、本発明の放電制御方法においては、キャパシタの端子間電圧Vcのばらつきが抑制されるので、いずれかのキャパシタCの端子間電圧Vcが下限電圧VCLとなった場合は、全てのキャパシタCの放電が完了したと判断し、もしくはいずれかのキャパシタCの静電容量に異常があると判断して充電を停止する。 As described above, in the discharge control method of the present invention, the variation in the voltage Vc between the terminals of the capacitor is suppressed. Therefore, when the voltage Vc between the terminals of any one of the capacitors C becomes the lower limit voltage VCL, It is determined that the discharge of the capacitor C has been completed, or it is determined that there is an abnormality in the capacitance of any one of the capacitors C, and charging is stopped.
以上説明したように本発明にかかる放電制御方法では、蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値に到達した場合だけではなく、所定のインターバル時間毎に、ブロック電圧Vbのばらつきが少なくなるように直並列切り換え制御が行われる。その結果、ブロック電圧Vbのばらつきばかりでなく、各キャパシタCの端子間電圧Vcのばらつきも抑制できるため、端子間電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値に達するまでの時間を長くして放電時間、すなわち電力変換器22の稼動時間を長くすることができる。
As described above, in the discharge control method according to the present invention, not only when the storage unit voltage Vt reaches the lower limit value of the allowable input voltage range of the
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明にかかる充電制御方法と放電制御方法とを組み合わせた場合、すなわち充電しながら放電を行う場合について説明する。図13は、本発明の充電制御方法と放電制御方法を組み合わせて実施する場合のフローを示す。図中、図9および図11のステップと同一のステップには同一の符号を付し、説明を省略する。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, a case where the charge control method and the discharge control method according to the present invention are combined, that is, a case where discharge is performed while charging will be described. FIG. 13 shows a flow when the charge control method and the discharge control method of the present invention are implemented in combination. In the figure, the same steps as those in FIGS. 9 and 11 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
以下、図9および図11のフローとは異なるステップを中心に図13のフローを説明する。なお、図13のフローは、電力変換器22の許容入力電圧範囲が各キャパシタの定格電圧(上限電圧)よりも大きいこと、すなわち(VU-VL)>各キャパシタの定格電圧(上限電圧)であることを前提としている。
Hereinafter, the flow of FIG. 13 will be described with a focus on steps different from those of FIGS. 9 and 11. In the flow of FIG. 13, the allowable input voltage range of the
制御は、全てのキャパシタCが完全に放電されている状態、すなわち全てのブロックのキャパシタCが直列に接続された状態(並列接続のブロック数k=0)から開始され(ステップS11)、引き続いて、図9で説明した充電制御(ステップS12~S17)が行われる。蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の上限値VUに達するまでは、全てのキャパシタCが直列に接続された状態で充電が行われ、各ブロックの接続状態を切り換える処理(ステップS20)は行われない。
The control starts from a state in which all the capacitors C are completely discharged, that is, a state in which the capacitors C of all the blocks are connected in series (the number of blocks connected in parallel k = 0) (step S11), and subsequently The charge control described in FIG. 9 (steps S12 to S17) is performed. Until the power storage unit voltage Vt reaches the upper limit value VU of the allowable input voltage range of the
ステップS17において、蓄電部電圧Vtと電力変換器の許容入力電圧範囲の上限値VUとが比較され、蓄電部電圧Vtが上限値VUを超えた場合(NO)、放電が可能な状態となって放電が開始され(ステップS32)、その後、制御回路27は、直並列切り換え回路24に指示して、並列接続のブロック数kを「1」にする(ステップS51)。
In step S17, the power storage unit voltage Vt is compared with the upper limit value VU of the allowable input voltage range of the power converter, and when the power storage unit voltage Vt exceeds the upper limit value VU (NO), a discharge is possible. Discharging is started (step S32), and then the
制御回路27は引き続いてステップS20の処理、すなわちブロックの直並列切り換えを行い、引き続いて図9で説明した充電制御の各ステップ(ステップS13~S21)を実行する。
The
図13のフローの下段のステップS17において、蓄電部電圧Vtが電力変換器の許容入力電圧範囲の上限値VUを超えない場合(YES)にはステップS36の処理に移る。ステップS36において、制御回路27は、放電により蓄電部電圧Vtが電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値VLを下回ったか否かを判断し、下限値VLを下回った場合(NO)にはステップS37の処理に移り、下回っていない場合(YES)には、ステップS52の処理に移る。
In step S17 in the lower part of the flow of FIG. 13, when the power storage unit voltage Vt does not exceed the upper limit value VU of the allowable input voltage range of the power converter (YES), the process proceeds to step S36. In step S36, the
ステップS52において、制御回路27は、蓄電部21への充電が停止状態にあるか否かを判断する。制御回路27は、充電が停止されている場合(YES)はステップS53の処理に移って充電を再開した後、ステップS20の処理に戻る。一方、充電が停止されていない場合(NO)は、そのままステップS20の処理に戻る。
In step S52, the
ステップS37において、並列接続のブロック数kが「0」である場合(YES)はステップS40に進み、蓄電部21が電力変換器22の許容入力電圧範囲の下限値VL以上の電圧を供給できないと判断して放電を停止する。一方、並列接続のブロック数kが「0」でない場合(NO)は、ステップS38の処理に進み、並列ブロック数kを(k-1)とし、引き続いてステップS39の処理に進み、さらに図13のフローの下段のステップS13の処理に戻る。
In step S37, when the number of blocks k connected in parallel is “0” (YES), the process proceeds to step S40, and the
さらに図14には、前述の図12と同様に、蓄電デバイスとして上限電圧(定格電圧)と下限電圧に制限が設けられたキャパシタを用いて、本発明の充電制御方法および放電制御方法を組み合わせて実施する場合のフローを示す。 Further, in FIG. 14, similarly to FIG. 12 described above, a capacitor having a limitation on the upper limit voltage (rated voltage) and the lower limit voltage is used as an electricity storage device, and the charge control method and the discharge control method of the present invention are combined. The flow in the case of implementation is shown.
図14のフローでは、前述の図13のフローの下段に示すステップS17とステップS36の間にステップS41が追加されている。すなわちステップS41において、制御回路27は、キャパシタCの端子間電圧Vcが下限電圧VCLを超えているか否か判断する。いずれかのキャパシタCの端子間電圧Vcが下限電圧VCL以下となった場合(NO)はステップS40の処理に進んで放電を停止し、いずれのキャパシタCの端子間電圧Vcも下限電圧VCLより高い場合(YES)はステップS36の処理に進む。
In the flow of FIG. 14, step S41 is added between step S17 and step S36 shown in the lower part of the flow of FIG. That is, in step S41, the
図15(a)および(b)は、図2に示した5個のブロックを直列接続した蓄電部21に対し、図13のフローにしたがって充電制御と放電制御を行った場合の、蓄電部電圧VtおよびキャパシタCの端子間電圧Vcの時間的変化を示したグラフである。図15のグラフでは、全てのキャパシタCが満充電された後に負荷への放電を行った場合を示している。
15 (a) and 15 (b) show the storage unit voltage when charge control and discharge control are performed according to the flow of FIG. 13 for the
本実施の形態では、キャパシタCとして、定格電圧が2.7[V]、公称静電容量が5000[F]の電気二重層キャパシタを用いた。また電力変換器22の許容入力電圧範囲を10.5~15[V]とし、インターバル時間Tiを5秒に設定して充電制御および放電制御を行った。
In the present embodiment, an electric double layer capacitor having a rated voltage of 2.7 [V] and a nominal capacitance of 5000 [F] is used as the capacitor C. Moreover, the allowable input voltage range of the
端子間電圧が0[V]の全てのキャパシタCを直列接続した状態から、2[A]の定電流で充電を開始し、直並列接続の切り換えを繰り返し、全てのブロックが並列接続状態になり、充電が完了した後、充電を停止した。その後、30[W]の負荷3を接続して放電を開始し、直並列接続の切り換えを繰り返して、全てのブロックが直列接続状態に戻り、蓄電部電圧Vtが10.5[V]を下回った時点で、負荷3への放電を停止した。
From the state in which all the capacitors C whose terminal voltage is 0 [V] are connected in series, charging is started with a constant current of 2 [A], and switching of the series-parallel connection is repeated, and all the blocks are in the parallel connection state. After charging was completed, charging was stopped. Thereafter, the
図15(b)に示すグラフでは1本の曲線が描かれているように見えるが、図15(b)には、蓄電部21を構成する10個のキャパシタの端子間電圧Vcのグラフが重ねて描かれている。図15(b)に示すように、本発明にかかる充電制御方法および放電制御方法を採用することにより、キャパシタCの端子間電圧Vcのばらつきが解消されることがわかる。なお、満充電時(充電停止時)における、蓄電部21を構成する10個のキャパシタの端子間電圧のばらつき、すなわち最大値と最小値の差は0.04[V]であった。
In the graph shown in FIG. 15B, it seems that one curve is drawn, but in FIG. 15B, the graph of the voltage Vc between the terminals of the ten capacitors constituting the
なお、上述した各実施の形態では、本発明の充電制御方法および放電制御方法を実現する蓄電部21として、図2に示す構成の回路を用いたが、これに限定されないことは云うまでもない。例えば、図21に示した構成の回路を用いても、同様の効果が得られる。
In each of the above-described embodiments, the circuit having the configuration shown in FIG. 2 is used as the
本発明にかかる充電制御方法および放電制御方法は、充放電効率が高く、また蓄電装置の構成を簡素にできることから、扱う電力の大きさに制限されることなく、各種の電力供給システムに適用できるものである。 The charge control method and the discharge control method according to the present invention can be applied to various power supply systems without being limited by the amount of power to be handled because the charge / discharge efficiency is high and the configuration of the power storage device can be simplified. Is.
1 直流電源
2 蓄電装置
3 負荷
21 蓄電部
22 電力変換器
23 制御部
24 直並列切り換え回路
25 端子間電圧検出回路
26 蓄電部電圧検出回路
27 制御回路
28 ブロック電圧算出回路
29 発振回路
C キャパシタ
B ブロック
S スイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
所定のインターバル時間経過時に、前記ブロックを構成する2個の電気二重層キャパシタの端子間電圧の和であるブロック電圧をブロック毎に比較し、
ブロック電圧が高いブロックから順にk個(kはn以下の自然数)のブロックを並列接続にし、それ以外の(n-k)個のブロックを直列接続にするように、前記各ブロックの電気二重層キャパシタの接続状態を切り換え、
かつ前記ブロック電圧の比較および前記各ブロックの接続状態の切り換えを、前記蓄電手段の電圧が、あらかじめ設定した第1の電圧値に到るまで、前記インターバル時間毎に繰り返すことを特徴とする蓄電装置の充電制御方法。 As a power storage means, a capacitor group in which n blocks (n is a natural number of 2 or more) connected in series with two electric double layer capacitors and a plurality of switches having the same capacitance are used, The block is a charge control method for a power storage device that can switch the connection of the two electric double layer capacitors in series or in parallel by turning on / off the plurality of switches,
When a predetermined interval time elapses, a block voltage that is a sum of voltages between terminals of two electric double layer capacitors constituting the block is compared for each block,
The electric double layer of each block so that k blocks (k is a natural number equal to or less than n) are connected in parallel and the other (nk) blocks are connected in series from the block with the highest block voltage. Switch the connection state of the capacitor,
And the comparison of the block voltage and the switching of the connection state of each block are repeated at each interval time until the voltage of the power storage means reaches a preset first voltage value. Charge control method.
所定のインターバル時間経過時に、前記ブロックを構成する各電気二重層キャパシタの端子間電圧の和であるブロック電圧をブロック毎に比較し、
ブロック電圧が高いブロックから順に(n-k)個(kはn以下の自然数)のブロックを直列接続にし、それ以外のk個のブロックを並列接続にするように、前記各ブロックの電気二重層キャパシタの接続状態を切り換え、
かつ前記ブロック電圧の比較および前記各ブロックの接続状態の切り換えを、前記蓄電手段の電圧が、あらかじめ設定した第2の電圧値に到るまで、前記インターバル時間毎に繰り返すことを特徴とする蓄電装置の放電制御方法。 As a power storage means, a capacitor group in which n blocks (n is a natural number of 2 or more) connected in series with two electric double layer capacitors having the same capacitance and a plurality of switches is used, and each of the blocks Is a discharge control method of a power storage device that can switch the connection of the two electric double layer capacitors in series or in parallel by turning on / off the plurality of switches,
When a predetermined interval time elapses, the block voltage that is the sum of the voltages across the terminals of each electric double layer capacitor constituting the block is compared for each block,
In order from the block having the highest block voltage, (n−k) blocks (k is a natural number equal to or less than n) are connected in series, and the other k blocks are connected in parallel. Switch the connection state of the capacitor,
The comparison of the block voltages and the switching of the connection state of each block are repeated at each interval time until the voltage of the power storage means reaches a preset second voltage value. Discharge control method.
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