(57)【要約】【課題】蓄電装置として複数のキャパシタセルを直列接続することにより組成されるキャパシタモジュールのセル電圧均等化回路において、バイパスされる電気量を効率よく回収しえると共に、各セルの端子間電圧（セル電圧）を精度よく均等化しえるようにする。【解決手段】各バイパス回路１２（１２ａ〜１２ｄ）をそれぞれバイパスON-OFFの信号に基づいて開閉するスイッチング手段Ｑ１〜Ｑ４、２つ並ぶキャパシタセル毎にセル間の平均電圧Vavgとモジュール電極の＋側からの接続順位が下のセルの端子間電圧Vrefとの比較に基づいて、Vavg＞Vrefのときのみ接続順位が上のセルに対応するスイッチング手段Ｑ１〜Ｑ４へバイパスONの信号を出力する電圧比較回路１２、バイパス回路が閉成するとバイパス電流により起動する充電回路１５（１５ａ〜１５ｄ），１６，１７、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置として複数のキャパシタセルを直列接続することにより組成されるキャパシタモジュールにおいて、キャパシタセル毎に並列接続されるバイパス回路、各バイパス回路に１個ずつ配置されると共にそれぞれバイパスON-バイパスOFFの信号に基づいてバイパス回路を開閉するスイッチング手段、２つ並ぶキャパシタセル毎にキャパシタセル間の平均電圧Vavgとモジュール電極の＋側からの接続順位が下のキャパシタセルの端子間電圧Vrefとの比較に基づいて、Vavg＞Vrefのときのみ接続順位が上のキャパシタセルに対応するバイパス回路のスイッチング手段へバイパスONの信号を出力する電圧比較回路、バイパス回路が閉成するとバイパス電流により起動する充電回路、を備えることを特徴とするキャパシタモジュールのセル電圧均等化装置。
【請求項２】
充電回路は、各バイパス回路に１個ずつスイッチング手段と直列の接続状態に介装される絶縁型DC-DCコンバータ、このコンバータの出力に基づく電力を充電する蓄電要素、DC-DCコンバータの出力電圧を蓄電要素の端子間電圧よりも高く維持する昇圧回路、を備えることを特徴とする請求項１に係るキャパシタモジュールのセル電圧均等化装置。
【請求項３】
モジュール電極の＋側からの接続順位が最下位のキャパシタセルに対応するスイッチング手段については、接続順位が１つ上のキャパシタセルとの電圧比較回路のネガティブ信号により、Vavg＞Vrefでないときのみ最下位のキャパシタセルに対応するバイパス回路を閉成することを特徴とする請求項１に係るキャパシタモジュールのセル電圧均等化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、蓄電装置として複数のキャパシタセルを直列接続することにより組成されるキャパシタモジュールのセル電圧均等化回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の蓄電装置として急速充電が可能で充放電サイクル寿命も長い、電気二重層キャパシタ（以下、キャパシタと称する）の適用技術が注目される。キャパシタ単体（キャパシタセル）は、所要容量の蓄電装置（キャパシタモジュール）を構成する上から、モジュール電極の＋側と−側との間に複数のキャパシタセルが直列接続される。このような蓄電装置においては、充電を効率よく行うため、各キャパシタセルの端子間電圧（セル電圧）を整列する必要があり、電圧均等化装置が備えられる（特許文献１，特許文献２）。
【特許文献１】特許第３４９１８７５号
【特許文献２】特許第３５０７３８４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１、特許文献２の場合、各キャパシタの端子間電圧を検出し、これが第１の設定値（満充電電圧）に達したら、定電流充電を停止する一方で、キャパシタセルの端子間電圧が第１の設定値よりも低い第２の設定値（初期化電圧）に達したら、そのキャパシタのバイパス回路を閉成して充電電流の一部をバイパスさせるようになっている。これにより、早く初期化電圧に達するキャパシタセルの端子間電圧と、遅れて初期化電圧に達するキャパシタセルの端子間電圧と、の差が充電停止時に小さくなるのである。
【０００４】
初期化電圧と満充電電圧との差を大きく設定すると、電圧均等化処理における、１充電あたりのズレの補償量を大きく取ることが可能となる。その反面、バイパス回路の閉成期間が長くなり、制限抵抗の発熱による電力ロスが大きくなってしまう。逆に初期化電圧と満充電電圧との差を小さく設定すると、１充電あたりのズレの補償量が小さくなり、電圧均等化が効率よく行かない。
【０００５】
この発明は、このような従来技術を踏まえつつ、バイパスされる電気量を熱でロスするのでなく、これを効率よく回収しえると共に各キャパシタセルの端子間電圧（セル電圧）を精度よく均等化しえる手段の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、蓄電装置として複数のキャパシタセルを直列接続することにより組成されるキャパシタモジュールにおいて、キャパシタセル毎に並列接続されるバイパス回路、各バイパス回路に１個ずつ配置されると共にそれぞれバイパスON-バイパスOFFの信号に基づいてバイパス回路を開閉するスイッチング手段、２つ並ぶキャパシタセル毎にキャパシタセル間の平均電圧Vavgとモジュール電極の＋側からの接続順位が下のキャパシタセルの端子間電圧Vrefとの比較に基づいて、Vavg＞Vrefのときのみ接続順位が上のキャパシタセルに対応するバイパス回路のスイッチング手段へバイパスONの信号を出力する電圧比較回路、バイパス回路が閉成するとバイパス電流により起動する充電回路、を備えることを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明に係る充電回路は、充電回路は、各バイパス回路に１個ずつスイッチング手段と直列の接続状態に介装される絶縁型DC-DCコンバータ、このコンバータの出力に基づく電力を充電する蓄電要素、DC-DCコンバータの出力電圧を蓄電要素の端子間電圧よりも高く維持する昇圧回路、を備えることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第１の発明に係るモジュール電極の＋側からの接続順位が最下位のキャパシタセルに対応するスイッチング手段については、接続順位が１つ上のキャパシタセルとの電圧比較回路のネガティブ信号により、Vavg＞Vrefでないときのみ最下位のキャパシタセルに対応するバイパス回路を閉成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明においては、電圧比較回路からバイパスONの信号が出力されると、これを受けるスイッチング手段がONしてバイパス回路を閉成する。このバイパス回路を流れるバイパス電流により、充電回路が起動するため、バイパス電流を例えばバッテリに充電することが可能となる。また、２つ並ぶキャパシタセル毎にVavg＞Vrefのときのみ接続順位が上のキャパシタセルに対応するバイパス回路を閉成する処理により、蓄電装置（キャパシタモジュール）を構成する各キャパシタセルの端子間電圧は、最も電位の低いキャパシタセルの端子間電圧に整列（均等化）されるのである。これらの結果、バイパスされる電気量を熱でロスするのでなく、これを充電回路により効率よく回収しえるほか、キャパシタセルの個々の電圧を測定するのでなく、電圧比較回路により、電圧の差を監視するので、僅かでも電圧が高くなると、バイパス回路が閉成するため、各キャパシタセルの端子間電圧（セル電圧）をVavg＝Vrefに精度よく均等化しえる。
【００１０】
第２の発明においては、スイッチング手段のONにより、バイパス回路が閉成すると、これを流れるバイパス電流により、絶縁型DC-DCコンバータが起動して入力側のバイパス電流を電源として出力側に電圧を発生させる。この出力電圧は、昇圧回路により、さらに蓄電要素の端子間電圧よりも高められ、蓄電要素を充電する。このため、バイパスされる電気量を蓄電要素に効率よく回収しえるのである。DC-DCコンバータを昇圧タイプとすれば、昇圧回路の負担が減り、大きな出力電流を取れる。
【００１１】
第３の発明においては、最下位のキャパシタセルに対応するスイッチング手段は、電圧比較回路のネガティブ信号により動作するため、電圧比較回路からバイパスOFFの信号を受けると、その間（Vavg＞Vrefでないとき）は、最下位のキャパシタセルに対応するバイパス回路を閉成するので、最下位のキャパシタセルの端子間電圧についても、接続順位が上のキャパシタセルの端子間電圧に揃えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に基づいて、この発明の実施形態に係るキャパシタモジュール（蓄電装置）のセル電圧均等化装置を説明する。
【００１３】
蓄電装置１０は、モジュール電極１１ａ、１１ｂ（接続端子）の＋側と−側との間に複数のキャパシタセルＣ１〜Ｃ４（電気二重層キャパシタ単体）が直列接続される。
【００１４】
キャパシタセルＣ１〜Ｃ４毎にバイパス回路１２（１２ａ〜１２ｄ）が並列接続され、各バイパス回路１２ａ〜１２ｄに１個ずつスイッチング手段Ｑ１〜Ｑ４（トランジスタ）が介装される。スイッチング手段Ｑ１〜Ｑ４は、後述の電圧比較回路１３からバイパス信号のON-OFFにより、バイパス回路１２を開閉する。
【００１５】
電圧比較回路１３は、各スイッチング手段Ｑ１〜Ｑ４に対応するコンパレータＵ１〜Ｕ３と、２つ並ぶキャパシタセル毎にモジュール電極の＋側から数える接続順位が上のキャパシタセルの＋側と１つ接続順位が下のキャパシタセルの−側との間を接続する分圧回路１４ａ〜１４ｃと、を備える。
【００１６】
各コンパレータＵ１〜Ｕ３は、２つ並ぶキャパシタセルの両端電圧を電源とし、分圧回路１４ａ〜１４ｃの抵抗Ｒ１−Ｒ２，Ｒ１１−Ｒ１２，Ｒ２１−Ｒ２２の中間電圧と、２つ並ぶキャパシタセルの中間電圧が入力される。分圧回路１４ａ〜１４ｃの抵抗は、値が同一の精密抵抗である。２つ並ぶキャパシタセルの中間電圧は、抵抗Ｒ３、Ｒ１３、Ｒ２３を介してコンパレータＵ１〜Ｕ３に入力される。Ｒ４，Ｒ１４，Ｒ２４は、スイッチング手段Ｑ１〜Ｑ４のベース保護抵抗である。
【００１７】
コンパレータＵ１は、端子Ｅ１の電圧と端子Ｅ３の電圧を電源とし、分圧回路１４ａの抵抗Ｒ１−Ｒ２の中間電圧，端子Ｅ２の電圧に基づいて、キャパシタセルＣ１−Ｃ２間の平均電圧Vavg＝（Vc1＋Vc2）／２と、このうち接続順位が下のキャパシタセルＣ２の端子間電圧Vrefと、の比較により、Vavg＞Vrefのときは、スイッチング手段Ｑ１へのバイパスONの信号を出力する一方、Vavg＞Vrefでないときは、スイッチング手段Ｑ１へのバイパスOFFの信号を出力する。
【００１８】
コンパレータＵ２は、端子Ｅ２の電圧と端子Ｅ４の電圧を電源とし、分圧回路１４ｂの抵抗Ｒ１１−Ｒ１２の中間電圧，端子Ｅ３の電圧に基づいて、キャパシタセルＣ２−Ｃ３間の平均電圧Vavg＝（Vc2＋Vc3）／２と、このうち接続順位が下のキャパシタセルＣ３の端子間電圧Vrefと、の比較により、Vavg＞Vrefのときは、スイッチング手段Ｑ２へのバイパスONの信号を出力する一方、Vavg＞Vrefでないときは、スイッチング手段Ｑ２へのバイパスOFFの信号を出力する。
【００１９】
コンパレータＵ３は、端子Ｅ３の電圧と端子Ｅ５の電圧を電源とし、分圧回路１４ｃの抵抗Ｒ２１−Ｒ２２の中間電圧，端子Ｅ３の電圧に基づいて、キャパシタセルＣ３−Ｃ４間の平均電圧Vavg＝（Vc3＋Vc4）／２と、このうち接続順位が下のキャパシタセルＣ４の端子間電圧Vrefと、の比較により、Vavg＞Vrefのときは、スイッチング手段Ｑ３へのバイパスONの信号を出力する一方、Vavg＞Vrefでないときは、スイッチング手段Ｑ３へのバイパスOFFの信号を出力する。
【００２０】
スイッチング手段Ｑ１〜Ｑ３は、コンパレータＵ１〜Ｕ３からバイパスONの信号を受けるとバイパス回路１２ａ〜１２ｃを閉成する一方、同じくバイパスOFFの信号を受けるとバイパス回路１２（１２ａ〜１２ｃ）を開成する。
【００２１】
モジュール電極１１ａ，１１ａの＋側からの接続順位が最下位のキャパシタセルＣ４に対応するスイッチング手段Ｑ４は、スイッチング手段Ｑ３とコンパレータＵ３が共通のため、コンパレータＵ３からバイパスONの信号を受けるとバイパス回路１２ｄを開成する一方、同じくバイパスOFFの信号を受けるとバイパス回路１２ｄを閉成する。
【００２２】
各バイパス回路１２ａ〜１２ｄに１個ずつ絶縁型DC-DCコンバータ１５（１５ａ〜１５ｄ）がスイッチング手段Ｑ１〜Ｑ４と直列に介装され、後述の昇圧回路１６と共にバッテリ１７（蓄電要素）の充電回路を構成する。
【００２３】
DC-DCコンバータ１５ａ〜１５ｄは、おのおのバイパス回路１２ａ〜１２ｄが閉成すると、バイパス回路１２を流れるバイパス電流により起動する（入出力間絶縁型の電源として機能する）ものであり、各出力側を昇圧回路１６に並列接続できる。昇圧回路１６（例えば、チャージポンプが考えられる）は、DC-DCコンバータ１５（１５ａ〜１５ｄ）の出力を電源にバッテリ１７の充電電圧まで高め、バッテリ１７を充電するのである。一般にキャパシタセルの充電電圧は2.5V〜3.6Vと低く、バッテリの充電電圧は12V〜24Vなので、DC-DCコンバータ１５ａ〜１５ｄを昇圧タイプとすれば、昇圧回路１６の負担が減り、大きな出力電流を取れる。
【００２４】
このような構成により、各キャパシタセルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧（セル電圧）は、Vavg＝Vrefに精度よく均等化しえる。例えば、キャパシタセルＣ２の端子間電圧が他のキャパシタセルＣ１，Ｃ３，Ｃ４の端子間電圧よりも高くなると、スイッチング手段Ｑ２に対応するコンパレータＵ２において、Vavg＞Vrefとなり、バイパスONの信号を出力する。これにより、キャパシタセルＣ２のバイパス回路１２ｂが閉成されるため、余分な電荷はバイパス回路１２ｂを流れ、キャパシタセルＣ２の端子間電圧（セル電圧）が基準電圧Vrefに低下する。また、キャパシタセルＣ１の端子間電圧がキャパシタセルＣ２の端子間電圧より高くなると、スイッチング手段Ｑ１に対応するコンパレータＵ１において、Vavg＞Vrefとなり、バイパスONの信号を出力する。今度は、キャパシタセルＣ１のバイパス回路１２ａが閉成されるため、余分な電荷がバイパス回路を流れ、キャパシタセルＣ１の端子間電圧（セル電圧）が基準電圧Vrefに低下する。このような処理により、蓄電装置１０（キャパシタモジュール）を構成する各キャパシタセルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧は、最も電位の低いキャパシタセルの端子間電圧に均等化されるのである。
【００２５】
バイパス回路１２を流れるバイパス電流により、絶縁型DC-DCコンバータ１５ａ〜１５ｄが起動して入力側のバイパス電流を電源として出力側に電圧を発生させる。DC-DCコンバータ１５ａ〜１５ｄが昇圧タイプの場合、キャパシタセルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧よりも高い電圧を発生させる。この出力は、同期起動の昇圧型DC-DCコンバータ１５ａ〜１５ｄ間において、電位が同一なので１つの昇圧回路１６につなぐことができる。昇圧回路１６により、さらにバッテリ電圧よりも高められ（この電圧を充電電圧とする）、バッテリ１７を充電する。バッテリ１７の充電回路は、昇圧型DC-DCコンバータ１５ａ〜１５ｄと昇圧回路１６とから構成されるので、電力変換損失が小さく、バイパスされる電気量をバッテリ１７に効率よく回収しえる。
【００２６】
蓄電装置１０においては、最下位のキャパシタセルＣ４のインピーダンスが高く、急激な充電のため、キャパシタセルＣ４の端子間電圧が他のキャパシタセルＣ１〜Ｃ３の端子間電圧より高くなった場合、スイッチング手段Ｑ４に対応するコンパレータＵ３において、Vavg＜Vrefとなり、バイパスOFFの信号を出力するが、スイッチング手段Ｑ４はコンパレータＵ３のネガティブ信号により動作する（スイッチング手段Ｑ４は、他のスイッチング手段Ｑ１〜Ｑ３と違いＰＮＰ型が用いられる）ので、Vavg＜VrefでないときにキャパシタセルＣ４のバイパス回路１２ｄが閉成され、最下位のキャパシタセルＣ４の端子間電圧を１つ接続順位が上のキャパシタセルＣ３の端子間電圧に揃えることができる。
【００２７】
これらの結果、バイパスされる電気量を熱でロスするのでなく、これをバッテリ１７に効率よく回収しえるので、放熱のための高価で大きな部品や材料が不要となるほか、キャパシタセルＣ１〜Ｃ４の個々の電圧を測定するのでなく、コンパレータＵ１〜Ｕ３により、電圧の差を監視するので、僅かでも電圧が高くなると、バイパス回路１２ａ〜１２ｄが閉成するため、各キャパシタセルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧（セル電圧）をVavg＝Vrefに精度よく安価に均等化しえるのである。
【００２８】
蓄電装置１０を構成するキャパシタセルの個数を増やす場合、図１のキャパシタセルＣ３とキャパシタセルＣ４との間に必要な個数のキャパシタセルを直列接続する一方、これら増加分の各キャパシタについても、キャパシタセルＣ１〜Ｃ３と同様の、バイパス回路１２，電圧比較回路１３，絶縁型DC-DCコンバータ１５（昇圧タイプが望ましい）、を組み付けることになる。また、昇圧回路１６の出力は、蓄電装置１０の総電圧を昇圧しえる範囲なら、バッテリ１７でなく、キャパシタセルＣ１〜Ｃ４に充電することも考えられる。
【００２９】
この発明に係る蓄電装置１０（キャパシタモジュール）のセル電圧均等化装置については、原動機を構成する回転電機と、回転電機の主電源を構成する蓄電装置と、を備える車両の電源装置に対しても、好適なものとなる。図１のバッテリ１７は、車両の電装系電源を兼用すると良い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明に係る装置を説明する構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  蓄電装置（キャパシタモジュール）
１１ａ，１１ｂ  モジュール電極
１２（１２ａ〜１２ｄ）  バイパス回路
１３  電圧比較回路
１４ａ〜１４ｃ  分圧回路
１５（１５ａ〜１５ｄ）  絶縁型DC-DCコンバータ
１６  昇圧回路
１７  バッテリ（蓄電要素）
Ｃ１〜Ｃ４  キャパシタセル
Ｕ１〜Ｕ３  コンパレータ
Ｑ１〜Ｑ４  スイッチング手段（トランジスタ）
【図１】
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