(57)【要約】【課題】余剰な電気エネルギを回収して有効に活用することが可能なキャパシタセルの電圧均等化用回路を提供すること。【解決手段】  電気を蓄えるための複数のキャパシタセル１０と、キャパシタセル１０と並列に設けられ、キャパシタセル１０に供給される余剰な電流を流すためのバイパス回路２０と、を備え、複数のキャパシタセル１０の電圧を均等化するための電圧均等化用回路１００であって、バイパス回路２０は、キャパシタセル１０の電圧に応じて電流を流すか否かを切り換え可能なスイッチ素子３０と、スイッチ素子３０と直列に接続され、余剰な電流の電気エネルギを回収するためのＤＣ−ＤＣコンバータ４０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気を蓄えるための複数のキャパシタセルと、
前記キャパシタセルと並列に設けられ、前記キャパシタセルに供給される余剰な電流を流すためのバイパス回路と、を備え、
前記複数のキャパシタセルの電圧を均等化するための電圧均等化用回路であって、
前記バイパス回路は、
前記キャパシタセルの電圧に応じて電流を流すか否かを切り換え可能なスイッチ素子と、
前記スイッチ素子と直列に接続され、余剰な電流の電気エネルギを回収するためのエネルギ回収手段と、を備えることを特徴とするキャパシタセルの電圧均等化用回路。
【請求項２】
前記キャパシタセルの電圧を検出し、検出した電圧に基づいて前記バイパス回路に電流を流すように前記スイッチ素子を切り換えるためのコンパレータを備えることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタセルの電圧均等化用回路。
【請求項３】
前記エネルギ回収手段は、前記余剰な電流の電気エネルギを所望の電圧に変換して電流を出力可能な絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のキャパシタセルの電圧均等化用回路。
【請求項４】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータには、前記余剰な電流によって駆動され、前記キャパシタセルを冷却するための冷却装置が接続されることを特徴とする請求項３に記載のキャパシタセルの電圧均等化用回路。
【請求項５】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータには、前記余剰な電流によって点灯する点灯装置が接続されることを特徴とする請求項３に記載のキャパシタセルの電圧均等化用回路。
【請求項６】
前記エネルギ回収手段は、前記キャパシタセルに取り付けられるペルチェ素子であり、
前記ペルチェ素子に前記余剰な電流が流れることによって、前記キャパシタセルの熱を排出することを特徴とする請求項１又は２に記載のキャパシタセルの電圧均等化用回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタセルの電圧を均等化するための電圧均等化用回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、車両走行用の動力源として内燃機関と電動機とを備えるハイブリッド車両が開発されている。電動機は、電源装置に蓄えられた電気を動力源として動作し、また、車両の減速時などには発電機として作動し、発電した電気を電源装置に蓄える。
【０００３】
ハイブリッド車両の電源装置として、急速充電可能で、充放電サイクル寿命の長い電気二重層キャパシタ（以下、単に「キャパシタ」という。）を用いたキャパシタ蓄電装置が注目されている。キャパシタ蓄電装置は、所望の電圧を得るために、積層され直列に接続された複数のキャパシタセルを備える。
【０００４】
ところで、キャパシタ蓄電装置では、定格が同じキャパシタセルを用いても、静電容量，内部抵抗，漏れ電流などのばらつきにより、充放電を繰り返すと各キャパシタセルの電圧に不均衡を生じ、一部のキャパシタセルが過充電されるおそれがある。
【０００５】
特許文献１には、各キャパシタセルの電圧を均等化するための電圧コントローラを備える車両用キャパシタ蓄電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２８１６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の車両用キャパシタ蓄電装置では、キャパシタセルに供給された余剰な電流をバイパス回路に流し、電流制限用抵抗で熱に変換して外部へと排出していた。つまり、余剰な電流の電気エネルギが有効に活用されていなかった。
【０００８】
そこで、本発明では、電気エネルギの有効活用が可能なキャパシタセルの電圧均等化用回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電気を蓄えるための複数のキャパシタセルと、前記キャパシタセルと並列に設けられ、前記キャパシタセルに供給される余剰な電流を流すためのバイパス回路と、を備え、前記複数のキャパシタセルの電圧を均等化するための電圧均等化用回路であって、前記バイパス回路は、前記キャパシタセルの電圧に応じて電流を流すか否かを切り換え可能なスイッチ素子と、前記スイッチ素子と直列に接続され、余剰な電流の電気エネルギを回収するためのエネルギ回収手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、キャパシタセルに余剰な電流が供給されたときには、その電流は、スイッチ素子がバイパス回路に電流を流すように切り換えることによって、キャパシタセルと並列に設けられるバイパス回路に流される。バイパス回路は、余剰な電流の電気エネルギを回収するためのエネルギ回収手段を備える。
【００１１】
したがって、エネルギ回収手段によって余剰な電流の電気エネルギを回収することができ、電気エネルギを有効活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るキャパシタセルの電圧均等化用回路の回路図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るキャパシタセルの電圧均等化用回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
以下では、図１を参照しながら本発明の第１の実施の形態に係るキャパシタセル１０の電圧均等化用回路１００について説明する。
【００１４】
電圧均等化用回路１００は、積層され直列に接続された複数のキャパシタセル１０の過充電を防止し、それぞれの電圧を均等化するための回路である。電圧均等化用回路１００は、キャパシタセル１０に供給される余剰な電流をバイパス可能なバイパス回路２０を備える。
【００１５】
キャパシタセル１０は、陽極と陰極との二つの電極の間の電解質のイオンが電気二重層を構成して電気を蓄える電気二重層キャパシタのセルである。キャパシタセル１０は、直列にｎ個接続され、所望の電圧や容量に調整されたキャパシタ蓄電装置を形成し、車両に搭載される。
【００１６】
キャパシタセル１０は、化学反応を利用して電気を蓄えるのではなく、電気を電子のまま蓄えることが可能であるため、化学反応を利用する二次電池よりも大電流を発生させることが可能であり、また、充放電を繰り返しても殆ど劣化しない。
【００１７】
バイパス回路２０は、電流を流すか否かを切り換え可能なスイッチ素子３０と、スイッチ素子３０を切り換えるためのリセットＩＣ５０と、スイッチ素子３０と直列に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ４０とを備える。バイパス回路２０は、各々のキャパシタセル１０に並列に接続され、キャパシタセル１０と同じｎ個設けられる。
【００１８】
スイッチ素子３０は、ｎ型のパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と呼ばれる大電流に対応可能なＭＯＳ型半導体スイッチである。スイッチ素子３０は、ゲート端子３１とドレイン端子３２とソース端子３３との三個の端子を備える。
【００１９】
ドレイン端子３２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０を介してキャパシタセル１０のプラス端子１１に接続され、ソース端子３３は、キャパシタセル１０のマイナス端子１２に接続される。ゲート端子３１は、発振防止のための抵抗器５５を介してリセットＩＣ５０の電圧入力端子５１に接続される。また、ゲート端子３１とソース端子３３との間には、ゲート端子３１がフロート状態になることに起因する破損や誤動作を防止するために抵抗器３５が介装される。
【００２０】
スイッチ素子３０は、ゲート端子３１とソース端子３３との間の電圧差を検出してドレイン端子３２とソース端子３３との間の電流を制御するものである。つまり、ゲート端子３１とソース端子３３との間の電圧を調節することによって、ドレイン端子３２からソース端子３３へと流れる電流、即ちバイパス回路２０を流れる電流を制御可能である。
【００２１】
リセットＩＣ５０は、電圧入力端子（Ｖｃｃ端子）５１と接地端子５２（ＧＮＤ端子）と電圧出力端子（Ｖｏｕｔ端子）５３とを備える。リセットＩＣ５０は、電圧入力端子５１と接地端子５２との間に印加される電圧が所定の電圧を超えたか否かによって電圧出力端子５３からの出力電圧を変化させるものである。このリセットＩＣ５０がコンパレータに該当する。
【００２２】
リセットＩＣ５０は、電圧入力端子５１がキャパシタセル１０のプラス端子１１に接続され、接地端子５２がキャパシタセル１０のマイナス端子１２に接続される。リセットＩＣ５０はキャパシタセル１０に並列に接続されるため、電圧入力端子５１と接地端子５２との間に印加される電圧は、キャパシタセル１０の電圧値と同一である。つまり、リセットＩＣ５０は、キャパシタセル１０の電圧を検出して作動する。
【００２３】
リセットＩＣ５０は、キャパシタセル１０の電圧が所定の電圧以上であるときには、電圧入力端子５１から印加された電圧を電圧出力端子５３からの出力電圧とし、キャパシタセル１０の電圧が所定の電圧より小さいときには、電圧出力端子５３からの出力電圧を零にする。ここで、所定の電圧とは、キャパシタセル１０が充分に充電され、フル充電の状態であると判定可能な大きさの電圧である。
【００２４】
リセットＩＣ５０に印加された電圧と等しい大きさの電圧がリセットＩＣ５０の電圧出力端子５３から出力されると、ゲート端子３１とソース端子３３との間に電位差が生じる。これにより、スイッチ素子３０にはドレイン端子３２からソース端子３３への電流が流れ、バイパス回路２０に電流が流れることとなる。
【００２５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、バイパス回路２０を流れる電流の電気エネルギを回収するために設けられる。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、キャパシタセル１０がフル充電になった後で供給された余剰な電流の電気エネルギを回収して所望の電圧の電流に変換し、車両用のバッテリ６０に送るための素子である。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、バイパス回路２０を流れる電流の電気エネルギを回収している。このＤＣ−ＤＣコンバータ４０がエネルギ回収手段に該当する。
【００２６】
ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、入力プラス端子４１と入力マイナス端子４２と出力プラス端子４４と出力マイナス端子４３とを備える。入力プラス端子４１は、キャパシタセル１０のプラス端子１１に接続される。入力マイナス端子４２は、スイッチ素子３０のドレイン端子３２に接続され、スイッチ素子３０を介してキャパシタセル１０のマイナス端子１２に接続される。出力プラス端子４４は、逆流防止のダイオード４５を介してバッテリ６０のプラス端子６１に接続される。出力マイナス端子４３は、バッテリ６０のマイナス端子６２に接続される。
【００２７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、入力プラス端子４１から入力された直流電流の電気エネルギを所望の電圧の直流電流に変換して、出力プラス端子４４から出力するものである。ここでは車両用のバッテリ６０の電圧はＤＣ２４Ｖである。よって、出力プラス端子４４からはＤＣ２４Ｖの電圧の直流電流が出力される。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は絶縁型であるため、キャパシタセル１０から入力プラス端子４１を介して入力された電流が、そのまま出力プラス端子４４を介してバッテリ６０に流れることは無い。
【００２８】
以下、キャパシタセル１０の電圧均等化用回路１００の動作について説明する。
【００２９】
キャパシタセル１０が充分に充電されておらず電圧が所定の電圧より低いときには、リセットＩＣ５０の電圧出力端子５３から出力される電圧は零である。よって、バイパス回路２０には電流が流れず、供給される電流によってキャパシタセル１０は充電される。
【００３０】
キャパシタセル１０が充分に充電され、電圧が所定の電圧以上になると、リセットＩＣ５０は、電圧出力端子５３からキャパシタセル１０の電圧と同一の電圧を出力する。電圧出力端子５３から電圧が出力されると、スイッチ素子３０のゲート端子３１とソース端子３３との間に電位差が生じるため、ドレイン端子３２からソース端子３３へと電流が流れるようになる。
【００３１】
スイッチ素子３０を電流が流れることが可能になったため、キャパシタセル１０の電圧が所定の電圧以上になった後で供給された余剰な電流は、バイパス回路２０を流れる。よって、キャパシタセル１０は、余剰な電流によって充電されることはなく、キャパシタセル１０の過充電を防止できる。このとき、所定の電圧に到達していない他のキャパシタセル１０には、引き続き充電が行われている。
【００３２】
バイパス回路２０を流れる電流は、入力プラス端子４１からＤＣ−ＤＣコンバータ４０に入力される。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、入力された電流を所望の電圧の電流に変換して出力する。このＤＣ−ＤＣコンバータ４０は絶縁型であるため、バイパス回路２０を流れる電流が出力プラス端子４４を介して車両用のバッテリ６０へと流れることは無い。
【００３３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ４０から出力される電流を利用してファン等の冷却装置（図示省略）を駆動すれば、充電によって発熱するキャパシタセル１０を冷却することが可能である。冷却装置へは、バッテリ６０に蓄えられた電流を利用しても、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０から直接電流を供給してもよい。これにより、キャパシタセル１０がフル充電になった後にキャパシタセル１０に供給される余剰な電流を電気エネルギとして回収して有効に活用することが可能である。
【００３４】
この他にも、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０から出力される電流を利用してＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉtｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）等の点灯装置（図示省略）を駆動すれば、そのキャパシタセル１０がフル充電であることを示すモニターランプとして利用でき、点検時のメンテナンス性が向上する。
【００３５】
その後、キャパシタセル１０が放電するなどして電圧が降下し、キャパシタセル１０の電圧がリセットＩＣ５０の設定電圧より低くなると、リセットＩＣ５０から電圧出力端子５３を介して出力される電圧は零となる。よって、スイッチ素子３０のドレイン端子３２からソース端子３３へは電流が流れないため、電流はバイパス回路２０に電流は流れずにキャパシタセル１０が充電される。
【００３６】
以上の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
【００３７】
電圧均等化用回路１００では、キャパシタセル１０がフル充電になった後にキャパシタセル１０に供給される余剰な電気エネルギを利用して冷却装置を駆動したり、点灯装置を点灯させたりすることができる。したがって、余剰な電気エネルギを回収して有効に活用することが可能である。
（第２の実施の形態）
以下、図２を参照しながら本発明の第２の実施の形態に係るキャパシタセル１０の電圧均等化用回路２００について説明する。なお、以下に示す実施形態では前述した実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
【００３８】
第２の実施の形態は、第１の実施の形態ではＤＣ−ＤＣコンバータ４０によって電気エネルギを回収しているのに対して、ペルチェ素子２３０によって電気エネルギを回収する点で第１の実施の形態と相違する。
【００３９】
ペルチェ素子２３０は、スイッチ素子３０と直列に接続される。ペルチェ素子２３０は、二種類の金属が接合されて形成される素子であり、電流が流れると一方の金属から他方の金属に熱が移動するペルチェ効果を利用するものである。ペルチェ素子２３０は、電流が流れると冷却される金属がキャパシタセル１０のケースに面接触するように取り付けられる。
【００４０】
以上の実施の形態によれば、リセットＩＣ５０によってスイッチ素子３０に電流が流され、スイッチ素子３０と直列に接続されるペルチェ素子２３０に電流が流れると、キャパシタセル１０のケースと当接するペルチェ素子２３０の金属が冷却され、キャパシタセル１０のケースと反対側のペルチェ素子２３０の金属に熱が移動する。これにより、ペルチェ素子２３０は、キャパシタセル１０の熱を外部に排出する。よって、充電時に発熱したキャパシタセル１０は冷却される。
【００４１】
したがって、キャパシタセル１０がフル充電になった後にキャパシタセル１０に供給される余剰な電気エネルギを回収し、キャパシタセル１０を冷却すために活用することができる。
【００４２】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係るキャパシタセルの電圧均等化用回路は、複数のキャパシタセルを積層して形成されるキャパシタ蓄電装置に用いることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１００  電圧均等化用回路
１０    キャパシタセル
２０    バイパス回路
３０    スイッチ素子
４０    ＤＣ−ＤＣコンバータ
４３    出力プラス端子
４５    ダイオード
５０    リセットＩＣ
５１    電圧入力端子
５３    電圧出力端子
５５    抵抗器
６０    バッテリ
【図１】
2011061920.tif 000003
【図２】
2011061920.tif 000004