(57)【要約】【課題】本発明は、キャパシタセルの充電電圧をバランスさせて充電効率を高めるとともに、ユニット化してキャパシタセルの増設を容易とし得る充電装置を実現することを目的としている。【解決手段】このため、複数のキャパシタセルを直列に接続した充電装置において、キャパシタセルと並列に接続され、キャパシタセルのセル電圧の総和を抵抗器で分圧し各キャパシタセルの平均電圧を発生させる平均電圧回路を備え、平均電圧回路で発生した各キャパシタセルの平均電圧を取り出す電位差検知回路を備え、各キャパシタセルの端子間電圧とキャパシタセルの平均電圧とを比較し、比較結果に基づいて算出された電圧を出力する電圧比較回路を備え、電圧比較回路から電圧が出力された時には、キャパシタセルの電圧を調整する電圧調整回路を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のキャパシタセルを直列に接続した充電装置において、前記キャパシタセルと並列に接続され、前記キャパシタセルのセル電圧の総和を抵抗器で分圧し各キャパシタセルの平均電圧を発生させる平均電圧回路を備え、この平均電圧回路で発生した各キャパシタセルの平均電圧を取り出す電位差検知回路を備え、各キャパシタセルの端子間電圧と前記キャパシタセルの平均電圧とを比較し、比較結果に基づいて算出された電圧を出力する電圧比較回路を備え、この電圧比較回路から電圧が出力された時には、キャパシタセルの電圧を調整する電圧調整回路を備えていることを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記電圧調整回路に、擬似漏洩電流を流すことによりキャパシタセルのセル電圧を調整していることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記電位差検知回路と電圧比較回路と電圧調整回路とが、セット化されていることを特徴とする請求項１及び２に記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は充電装置に係り、特に複数のキャパシタセルを直列に接続した充電装置において、充電電圧をバランスすることで充電効率の向上を図る充電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
キャパシタセル、例えば電気二重層キャパシタセルは、従来のアルミ電解コンデンサ等と比較して飛躍的に高い容量を持ち、急速充電・大電流放電が可能で、しかも使用寿命が長いことから、鉛蓄電池の代替装置として用いられるとともに、電気自動車や燃料電池自動車の補助電源としても使用が検討されている。
また、複数のキャパシタセルを直列に接続して充電装置を構成することで、太陽光発電などの電力貯蔵装置としても期待されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−７８７６５号公報
【特許文献２】特開２００１−２１８３８２号公報
【特許文献３】特開２００３−２４４８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来の充電装置、例えば複数のキャパシタセルを直列に接続した充電装置においては、キャパシタセルの充電電圧が不揃いになるため、定格の７０％程度までしか充電電圧を加えることができず、エネルギ効率が悪いという不都合がある。
【０００５】
この不都合を解消する方策として、特許文献１などに平準化回路が開示されている。
この特許文献１に開示されるものは、定格電圧に達したキャパシタセルの充電電池を並列接続したパワートランジスタでバイパスする方策である。
しかし、キャパシタセルのセル電圧が低い充電当初では電流バイパスを行わず、図１５及び図１６に示す如く、キャパシタセルが定格電圧に達した後に大電流をバイパスするため、バイパス回路での損失が大きいという不都合がある。
【０００６】
また、前記キャパシタセルのセル電圧が不揃いになる主な理由としては、キャパシタセルの漏洩電流がキャパシタセル毎に異なるためである。
ここで、参考までに電気二重層キャパシタセルについて説明すると、電気二重層キャパシタセル１０１は、図１７に示す如く、＋（プラス）電極１０２と、−（マイナス）電極１０３と、＋電極と−電極間の電解液層１０４とからなる。
そして、前記電気二重層キャパシタセル１０１の＋電極１０２に充電電流を流すことで、電解液層１０４の＋電極１０２側に「−（マイナス）の電荷」が蓄積されるとともに、電解液層１０４の−電極１０３側には「＋（プラス）の電荷」が蓄積される。
このとき、＋電極１０２から電解液層１０４を介して−電極１０３へ漏洩電流が流れる。
従って、図１８に示す如く、キャパシタセル１０１に並列に擬似漏洩電流を流すことで、キャパシタセル１０１のセル電圧を制御することが可能である。
このとき、図１９に示す如く、キャパシタセルのセル電圧の低い充電開始当初からキャパシタセルと並列に擬似漏洩電流を流し、各キャパシタセルのセル電圧をバランスさせる方策が考えられている。
そして、この擬似漏洩電流を流してキャパシタセルのセル電圧をバランスさせる方策においては、擬似漏洩電流が数ｍＡ（ミリアンペア）程度であるため、電流損失が小さいという利点がある。
【０００７】
上述の擬似漏洩電流でキャパシタセルのセル電圧をバランスさせる方策としては、特許文献２に開示される等化機能を有するキャパシタモジュールや特許文献３に開示される電気二重層キャパシタ充電方法などがある。
特許文献２に開示されるものは、隣接したキャパシタセルのセル電圧を監視する方策であり、直列に接続したキャパシタセル全体の電圧は見ていないものである。
参考までに、図２０に特許文献２に開示された方策の概念図を開示する。
また、特許文献３に開示されるものは、キャパシタセル全体の電圧から平均電圧を算出する電圧設定回路を有しているが、キャパシタセルの数が増加して検出する電圧が大きくなれば、素子の耐圧の問題で電圧設定回路を構成することができなくなるという不都合がある。
そして、キャパシタセルを増設するためには、平均電圧算出の定数が変化するため、電圧設定回路を設計し直す必要があるという不都合がある。
参考までに、図２１及び図２２に回路の概念図を開示する。
【０００８】
この発明の目的は、キャパシタセルの充電電圧をバランスさせて充電効率を高めるとともに、ユニット化してキャパシタセルの増設を容易とし得る充電装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、複数のキャパシタセルを直列に接続した充電装置において、前記キャパシタセルと並列に接続され、前記キャパシタセルのセル電圧の総和を抵抗器で分圧し各キャパシタセルの平均電圧を発生させる平均電圧回路を備え、この平均電圧回路で発生した各キャパシタセルの平均電圧を取り出す電位差検知回路を備え、各キャパシタセルの端子間電圧と前記キャパシタセルの平均電圧とを比較し、比較結果に基づいて算出された電圧を出力する電圧比較回路を備え、この電圧比較回路から電圧が出力された時には、キャパシタセルの電圧を調整する電圧調整回路を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上詳細に説明した如くこの本発明によれば、複数のキャパシタセルを直列に接続した充電装置において、キャパシタセルと並列に接続され、キャパシタセルのセル電圧の総和を抵抗器で分圧し各キャパシタセルの平均電圧を発生させる平均電圧回路を備え、この平均電圧回路で発生した各キャパシタセルの平均電圧を取り出す電位差検知回路を備え、各キャパシタセルの端子間電圧と前記キャパシタセルの平均電圧とを比較し、比較結果に基づいて算出された電圧を出力する電圧比較回路を備え、この電圧比較回路から電圧が出力された時には、キャパシタセルの電圧を調整する電圧調整回路を備えている。
従って、常時、キャパシタセルのセル電圧の総和を監視可能な状態で、キャパシタセルの充電電圧をバランスさせることが可能である。これにより、充電効率を高めることが可能である。
また、抵抗器と、電位差検知回路と電圧比較回路と電圧調整回路とをまとめたユニットを追加するだけで、キャパシタセルが増加した場合に柔軟に対応可能である。これにより、キャパシタセルを簡単に増設することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１〜図６はこの発明の第１実施例を示すものである。
図１において、１は充電装置である。
この充電装置１は、複数のキャパシタセル２を直列に接続したものである。
この第１実施例においては、例えば４個の第１〜第４キャパシタセル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを直列に接続する。
このとき、前記充電装置１は、前記キャパシタセル２と並列に接続され、前記キャパシタセル２のセル電圧の総和を抵抗器３で分圧し各キャパシタセル２の平均電圧を発生させる平均電圧回路４を備え、この平均電圧回路４で発生した各キャパシタセル２の平均電圧を取り出す電位差検知回路５を備え、各キャパシタセル２の端子間電圧と前記キャパシタセル２の平均電圧とを比較し、比較結果に基づいて算出された電圧を出力する電圧比較回路６を備え、この電圧比較回路６から電圧が出力された時には、キャパシタセル２の電圧を調整する電圧調整回路７を備えている。
詳述すれば、前記平均電圧回路４は、前記キャパシタセル２と並列に接続される基準抵抗ＲＤからなる抵抗器３で構成され、この抵抗器３によってキャパシタセル２のセル電圧の総和を等分に分圧し、各キャパシタセル２の平均電圧を発生させるものである。
また、前記電位差検知回路５は、差動増幅器８で構成され、前記抵抗器３の端子間に発生したキャパシタセル２の平均電圧を取り出す機能を有している。
つまり、前記電位差検知回路５は、図２に示す如く、前記平均電圧回路４の抵抗器３の＋電極側と−電極側とに接続する２個の抵抗Ｒｓ、Ｒｓと、これら抵抗Ｒｓ、Ｒｓを接続した前記差動増幅器８とを備えている。
このとき、差動増幅器８の検知範囲が小さい場合には、図３に示す如く、前記平均電圧回路４の抵抗器３側をさらに分圧し、差動増幅器８の増幅率で出力を調整することも可能である。
なお、図３に開示されるものは、３個の第１〜第３抵抗器３−１、３−２、３−３を直列に接続し、キャパシタセル２の平均電圧を「１／３」として増幅率を「３倍」とした例である。
更に、前記電圧比較回路６は、図４に示す如く、前記電位差検知回路５側に接続する抵抗Ｒｉｎと、前記キャパシタセル２側に接続する抵抗Ｒｉｎと、これら抵抗Ｒｉｎを接続した差動増幅器９とを備えている。
そして、前記電圧比較回路６は、前記キャパシタセル２の端子間電圧とキャパシタセル２の平均電圧とを差動増幅器９で比較し、キャパシタセル２の端子間電圧がキャパシタセル２の平均電圧よりも大きい場合には、式１の通り
出力電圧∝キャパシタセルの端子間電圧−キャパシタセルの平均電圧・・・（式１）
のキャパシタセルの端子間電圧とキャパシタセルの平均電圧との差に比例する電圧を出力するものである。
更にまた、前記電圧調整回路７は、図４に示す如く、この電圧調整回路７に擬似漏洩電流を流すことによりキャパシタセル２のセル電圧を調整するものであり、トランジスタ回路等を用いている。
そして、前記電圧調整回路７は、前記電圧比較回路６の出力電圧で駆動され、前記キャパシタセル２の端子間に並行して擬似漏洩電流を流し、キャパシタセル２の端子間電圧を降下させる。
【００１３】
そして、前記電位差検知回路５と電圧比較回路６と電圧調整回路７とがセット化されている。
つまり、１個の前記キャパシタセル２に対して、前記平均電圧回路４と電位差検知回路５と電圧比較回路６と電圧調整回路７とをセット化し、電圧バランス回路１０を構成する。
このとき、前記キャパシタセル２を４個の第１〜第４キャパシタセル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄからなる構成とした場合には、図１に示す如く、４個のセット化された第１〜第４電圧バランス回路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとなり、これらの第１〜第４電圧バランス回路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄによって１ユニットが構成される。
そして、前記平均電圧回路４は、図１に示す如く、第１〜第４平均電圧回路４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄからなる。
また、前記電位差検知回路５は、図１に示す如く、第１〜第４電位差検知回路５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなる。
更に、前記電圧比較回路６は、図１に示す如く、第１〜第４電圧比較回路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄからなる。
更にまた、前記電圧調整回路７は、図１に示す如く、第１〜第４電圧調整回路７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄからなる。
【００１４】
ここで、複数の電圧バランス回路１０で構成されたユニット、例えば４個のセット化された第１〜第４電圧バランス回路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄからなる１つのユニットｎを、図５（特に、破線部分参照。）に開示する。
このとき、図５に開示されるものは、前記キャパシタセル２の平均電圧を「１／３」として増幅率を「３倍」とした前記平均電圧回路４の例である。
また、前記電位差検知回路５の差動増幅器８や前記電圧比較回路６の差動増幅器９として低電圧オペアンプを使用している。
そして、充電初期から数ｍＡ程度の擬似漏洩電流で前記キャパシタセル２のセル電圧のバランスを取り、電流損失を小さくしている。
前記平均電圧回路４は、前記抵抗器３による分圧回路なので、各キャパシタセル２の平均電圧を出力することができる。
更に、このキャパシタセル２の増設に対応して抵抗器３を増設すれば、簡単に拡張可能である。
そして、前記電位差検知回路５と電圧比較回路６と電圧調整回路７とは、１個のキャパシタセル２に対して１セットの構成となっており、キャパシタセル２を増設する場合には、回路を１セット増設すれば良く、簡単に拡張できるものである。
【００１５】
また、複数の電圧バランス回路１０で構成されたユニット、つまり、ユニットｎとユニットｎ＋１同士を直列に接続する例を、図６に開示する。
この図６においては、前記平均電圧回路４側の平均電圧回路接続と、前記キャパシタセル２側の電源端子接続とを行っている。
なお、これらの接続を利用することによって、前記ユニットｎにユニットｎ−１以下のユニットを接続することが可能であるとともに、前記ユニットｎ＋１にはユニットｎ＋２以降のユニットを接続することが可能である。
【００１６】
次に作用を説明する。
【００１７】
前記充電装置１の平均電圧回路４は、前記キャパシタセル２のセル電圧の総和を抵抗器３で分圧し、各キャパシタセル２の平均電圧を発生させる。
また、前記電位差検知回路５は、この平均電圧回路４で発生した各キャパシタセル２の平均電圧を取り出す。
更に、前記電圧比較回路６は、各キャパシタセル２の端子間電圧と前記キャパシタセル２の平均電圧とを比較し、比較結果に基づいて算出された電圧を出力する。
更にまた、前記電圧調整回路７は、この電圧比較回路６から電圧が出力された時には、キャパシタセル２の電圧を調整する。
つまり、常時、キャパシタセル２のセル電圧の総和を監視可能な状態で、キャパシタセル２の充電電圧をバランスさせ、充電効率を高めている。
【００１８】
また、前記充電装置１は、１個の前記キャパシタセル２に対して、前記電位差検知回路５と電圧比較回路６と電圧調整回路７とがセット化されている。
このとき、前記キャパシタセル２を４個の第１〜第４キャパシタセル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄからなる構成とした場合には、図１に示す如く、４個のセット化された第１〜第４電圧バランス回路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄによって１ユニットを構成している。
そして、ユニット同士を直列に接続する際には、前記平均電圧回路４側の平均電圧回路接続と、前記キャパシタセル２側の電源端子接続とを行い、抵抗器３と、電位差検知回路５と電圧比較回路６と電圧調整回路７とをまとめたユニットとを追加するだけで、キャパシタセル２の増加に柔軟に対応し、キャパシタセル２を簡単に増設することを可能としている。
【００１９】
これにより、複数のキャパシタセル２を直列に接続した充電装置１において、前記キャパシタセル２と並列に接続され、前記キャパシタセル２のセル電圧の総和を抵抗器３で分圧し各キャパシタセル２の平均電圧を発生させる平均電圧回路４を備え、この平均電圧回路４で発生した各キャパシタセル２の平均電圧を取り出す電位差検知回路５を備え、各キャパシタセル２の端子間電圧と前記キャパシタセル２の平均電圧とを比較し、比較結果に基づいて算出された電圧を出力する電圧比較回路６を備え、この電圧比較回路６から電圧が出力された時には、キャパシタセル２の電圧を調整する電圧調整回路７を備えている。
従って、常時、キャパシタセル２のセル電圧の総和を監視可能な状態で、キャパシタセル２の充電電圧をバランスさせることが可能である。これにより、充電効率を高めることが可能である。
また、抵抗器３と、電位差検知回路５と電圧比較回路６と電圧調整回路７とをまとめたユニットとを追加するだけで、キャパシタセル２が増加した場合に柔軟に対応可能である。これにより、キャパシタセル２を簡単に拡張可能である。
【００２０】
また、前記電圧調整回路７に、擬似漏洩電流を流すことによりキャパシタセル２のセル電圧を調整している。
擬似漏洩電流は数ｍＡ（ミリアンペア）程度であるので、電流損出を少なくすることが可能である。
【００２１】
更に、前記電位差検知回路５と電圧比較回路６と電圧調整回路７とが、セット化されている。
従って、増加したセル数にあわせて、セットを追加すればよいので、簡単に充電システムを増設することができる。
【実施例２】
【００２２】
図７〜図１０はこの発明の第２実施例を示すものである。この第２実施例において、上述第１実施例のものと同一機能を果たす箇所には、同一符号を付して説明する。
【００２３】
この第２実施例の特徴とするところは、第１実施例における電位差検知回路５と電圧比較回路６とを、差動増幅器の加算機能を考慮した兼用可能なタイプの兼用回路１１とした点にある。
【００２４】
すなわち、上述の第１実施例においては、図７に示す如く、電位差検知回路５と電圧比較回路６とを別個に構成している。
このとき、電位差検知回路５の差動増幅器８や電圧比較回路６の差動増幅器９の加算機能を考えると、図８に示す如き状況となり、図９に示す如く、１個の差動増幅器１２とすることが可能である。
このため、１個の差動増幅器１２を利用し、図１０に示す如く、第１実施例における電位差検知回路５と電圧比較回路６とを兼用する前記兼用回路１１とするものである。
【００２５】
さすれば、差動増幅器の個数を削減することができるとともに、回路構成を簡略することが可能となり、コストの低減や充電システムの小型化に寄与し得るものである。
【実施例３】
【００２６】
図１１〜図１４はこの発明の第３実施例を示すものである。
【００２７】
この第３実施例の特徴とするところは、オペアンプで表現した電位差検知回路や電圧比較回路を、ディスクリート（「個別半導体」あるいは「単機能半導体」ともいう。）で組み込んだ差動回路１３とした点にある。
【００２８】
すなわち、前記ディスクリート１４は、トランジスタ１４ａやＦＥＴ（「ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ」、「電界効果トランジスタ」）１４ｂなどからなる。
そして、第１及び第２実施例においてオペアンプで表現した差動増幅器１５は、図１１に示す如く、トランジスタ１４ａとすることが可能であり、図１２に示す如く、このトランジスタ１４ａを組み込んで前記差動回路１３とするものである。
また、オペアンプで表現した差動増幅器１５は、図１３に示す如く、ＦＥＴ１４ｂとすることが可能であり、図１４に示す如く、このＦＥＴ１４ｂを組み込んで前記差動回路１３とするものである。
【００２９】
さすれば、差動増幅器の個数を削減することが可能であるとともに、回路構成を簡略することができ、充電システムの小型化に寄与し得るものである。
【００３０】
なお、この発明は上述実施例に限定されるものではなく、種々の応用改変が可能である。
【００３１】
例えば、この発明の実施例においては、複数のキャパシタセルを直列に接続した充電装置について説明したが、リチウム二次電池などの多種の二次電池セルの直列接続にも応用できる。
つまり、充電機能を持つ二次電池キャパシタセルを直列に接続した構成の充電装置であれば、応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の第１実施例を示す充電装置の回路図である。
【図２】充電装置の電位差検知回路の概略回路図である。
【図３】充電装置の電位差検知回路の概略回路図である。
【図４】充電装置の電圧比較回路と電圧調整回路との概略回路図である。
【図５】第１〜第４電圧バランス回路によって構成される１ユニットの充電装置の回路図である。
【図６】ユニット同士を直列に接続する状態を示す回路図である。
【図７】この発明の第２実施例を示す充電装置の電位差検知回路と電圧比較回路との概略回路図である。
【図８】差動増幅器の概略回路図である。
【図９】差動増幅器を兼用タイプとした状態の概略回路図である。
【図１０】充電装置の電位差検知回路と電圧比較回路とを兼用タイプとした状態の概略回路図である。
【図１１】この発明の第３実施例を示す電位差検知回路と電圧比較回路とをトランジスタとした状態の概略図である。
【図１２】充電装置の電位差検知回路と電圧比較回路とをトランジスタとした状態の概略回路図である。
【図１３】電位差検知回路と電圧比較回路とをＦＥＴとした状態の概略図である。
【図１４】充電装置の電位差検知回路と電圧比較回路とをＦＥＴとした状態の概略回路図である。
【図１５】この発明の従来技術を示す平準化回路による充電状態を示す図である。
【図１６】充電装置のバイパス回路を示す図である。
【図１７】電気二重層キャパシタセルの概略図である。
【図１８】電気二重層キャパシタセルをバイパスして擬似漏洩電流を流す状態の電気二重層キャパシタセルの概略図である。
【図１９】バランス回路による充電状態を示す図である。
【図２０】特許文献２に開示される回路の概念図である。
【図２１】特許文献３に開示される回路の概念図である。
【図２２】特許文献３に開示される回路の概念図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  充電装置
２  キャパシタセル
３  抵抗器
４  平均電圧回路
５  電位差検知回路
６  電圧比較回路
７  電圧調整回路
８、９  差動増幅器
１０  電圧バランス回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2008295184.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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