(57)【要約】【課題】簡単なバランス回路を付加するだけで、直列に接続された電気二重層キャパシタの電圧バランスが均等になるよう充電することができる電圧バランス均等化回路を提供する。【解決手段】直列接続された電気二重層キャパシタ１ａ，１ｂの各々に並列に、バランス回路６が接続した構成となっており、バランス回路６は、ツェナーダイオード５と抵抗３とを直列接続しただけの簡単な構成となっている。バランス回路６において、ツェナーダイオード５のカソード側端子は電気二重層キャパシタ１の正極側端子に接続され、ツェナーダイオード５のアノード側端子は抵抗３の一方の端子に接続され、抵抗３の他方の端子は、電気二重層キャパシタ１の負極側端子に接続される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続した電気二重層キャパシタの各電気二重層キャパシタにバランス回路を並列接続してなる電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路であって、
前記バランス回路はツェナーダイオードと抵抗とを直列接続してなることを特徴とする電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路。
【請求項２】
前記直列接続した電気二重層キャパシタの端子電圧を検出し、当該端子電圧が定格電圧を越えないように充電電流を制御する充電装置を付加したことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路。
【請求項３】
前記直列接続した電気二重層キャパシタの端子電圧を検出し、当該端子電圧が定格電圧を越えないよう充電電流を制御し、かつ、定期的に定格電圧まで均等充電する充電装置を付加したことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直列接続した電気二重層キャパシタの各電気二重層キャパシタにバランス回路を並列に接続することで各キャパシタの電圧バランスを均等化する電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層キャパシタは、繰り返し充放電に強く、静電容量が極めて大きいとの特徴から、大電流を瞬時に充放電する必要のある瞬低補償や電気自動車等の用途に使われている。
【０００３】
このような用途において、一般に、電気二重層キャパシタの定格電圧が低いため電気二重層キャパシタを直列に接続しキャパシタモジュールを構成することで所定の電圧を得る方法が採られている。この場合、キャパシタモジュールが充放電電を繰り返すと、直列に接続した各電気二重層キャパシタ毎に分担する電圧のアンバランスが次第に大きくなるため、各キャパシタの電圧バランスを均等化する必要があり、そのための回路が提案されている。
【０００４】
図６は従来の電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路の一例である。
【０００５】
図６に示すように、バランス回路６４は直列接続された各電気二重層キャパシタ６１ａ，６１ｂ（以下電気二重層キャパシタ６１と総称する）に並列に接続される。なお図６では、便宜上、電気二重層キャパシタ６１の直列接続数が最も少ないケースとして、電気二重層キャパシタ６１ａ，６１ｂを２個直列接続した場合の回路構成を示したが、３個以上直列接続した場合も同様である。
【０００６】
バランス回路６４の主回路は、トランジスタ６２と抵抗６３とを直列に接続することで構成される。ここで、トランジスタ６２のコレクタ端子は電気二重層キャパシタ６１の正極側端子に接続され、トランジスタ６２のエミッタ端子は抵抗６３の一方の端子に接続され、抵抗６３の他方の端子は、電気二重層キャパシタ６１の負極側端子に接続される。また、トランジスタ６２のベース端子には不図示の制御回路が接続されている。
【０００７】
電気二重層キャパシタ６１は、大きな電荷が蓄積できる大容量コンデンサで、蓄積エネルギー量によって端子電圧が変化する。端子電圧が定格電圧に近づくほど蓄積しているエネルギー量が大きく、定格電圧に達してからもさらに充電を行うと、端子電圧は定格電圧を超えて過充電状態となる。１つの電気二重層キャパシタ６１を充電する場合、電気二重層キャパシタ６１の端子電圧を監視して、この端子電圧が定格電圧に達したならば電気二重層キャパシタ６１の充電動作を停止すればよい。しかし２個以上の電気二重層キャパシタ６１大容量キャパシタが直列に接続していると、充電電流は電気二重層キャパシタ６１を共通に流れるため、電気二重層キャパシタ６１の静電容量や内部抵抗、また蓄積電荷を自己放電する漏れ抵抗により電気二重層キャパシタ６１の端子電圧にばらつきが生じる。
【０００８】
電気二重層キャパシタ６１の端子電圧がばらつくと、充電動作でエネルギーを蓄積する際、最も早く定格電圧に達する電気二重層キャパシタ６１が充電制限となり、他の電気二重層キャパシタ６１に十分なエネルギーを蓄積できないといった問題が生じる。そこでトランジスタ６２と抵抗６３を直列に接続してバランス回路６４を構成し、大容量キャパシタ１と並列にバランス回路４を接続して電気二重層キャパシタ６１の端子電圧を均等化することとしたものである。
【０００９】
図７は電気二重層キャパシタ６１充電時の端子電圧を示す図である。
【００１０】
ここでは、２つの電気二重層キャパシタ６１ａ，ｂが直列に接続されており、一方の電気二重層キャパシタ６１ａの正極側は端子Ｐ１にて不図示の充電装置の接続され負極側は端子Ｐ２にて他方の電気二重層キャパシタ６１ｂの正極側に接続される。さらに、電気二重層キャパシタ６１ｂの負極側は、端子Ｐ３にて不図示の充電装置に接続される。したがって、充電電流は端子Ｐ１、端子Ｐ２そして端子Ｐ３の順に流れることとなる。
【００１１】
次に、図７を用いてバランス回路６４の動作を説明する。図７において、Ｖｐを一方の電気二重層キャパシタ６１ａの端子電圧、Ｖｎを他方の電気二重層キャパシタ６１ｂの端子電圧とする。
【００１２】
期間Ａは充電動作期間で、期間Ａにおいて、充電電流は端子Ｐ１、電気二重層キャパシタ６１ａ、端子Ｐ２、電気二重層キャパシタ６１ｂ、そして端子Ｐ３の順に流れる。２つの電気二重層キャパシタ６１ａ，ｂの静電容量の特性が全く同じであれば両端子電圧波形の傾きは同一であるが、一般に静電容量の特性には多少の差は避けられないので、充電電流は同じことから、充電動作期間中の電気二重層キャパシタ６１ａ，ｂの端子電圧は不均一となる。すなわち、静電容量が大きい電気二重層キャパシタ６１ｂの電圧Ｖｎの傾きは緩やかで、静電容量が小さい電気二重層キャパシタ６１ａの電圧Ｖｐの傾きは急になり、静電容量の小さい電気二重層キャパシタ６１ａが先に定格電圧に達してしまう。
【００１３】
期間Ｂは均等充電期間で、まだ定格電圧に達していない電気二重層キャパシタ６１ｂを定格電圧まで充電するため、さらに充電動作を継続する期間である。このとき他方の上側電気二重層キャパシタ６１ａは既に定格電圧に到達していることから、バランス回路６４中のトランジスタ６２をオンして抵抗６３に電流を流し充電電流をバイパスさせて電気二重層キャパシタ６１ａの電圧上昇を抑制する。
【００１４】
期間Ｃは電圧均等期間で、２つの電気二重層キャパシタ６１ａ，ｂの端子電圧Ｖｐ，Ｖｎの各々が定格電圧に達したことで充電動作を停止して、端子電圧が均等化されている期間である。
【００１５】
このようにして従来のバランス回路６４においては、電気二重層キャパシタ６１ａ，ｂを定格電圧を越すことなく、定格電圧まで充電することができる。
【００１６】
なお、図８に示すように、２つの電気二重層キャパシタ６１の電圧を検出して、どれか１つの電気二重層キャパシタ６１の電圧が定格電圧に達したことで充電電流を絞り、バランス回路６４中のトランジスタ６２の動作許容電流にて均等充電を継続する方法もある。
【００１７】
【特許文献１】
特開平６−３４３２２５号公報
【００１８】
【特許文献２】
特開２０００−２１７２５０号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、図７の動作を行う従来の電圧バランス均等回路では、電気二重層キャパシタ６１の充電電流を十分許容できるトランジスタ６２の電流容量が必要であり、かつトランジスタ６２のゲートを制御する回路が必要なため、ＩＣ回路を用いた大がかりな回路により充電電流をバイパスしていた。また図８の動作を行う電圧バランス均等化回路では、トランジスタ６２を小型にすることができるが、各電気二重層キャパシタ６１ａ，ｂの端子電圧を検出して充電装置の電流を絞る必要があるためトランジスタ６２のゲートを制御する回路の回路構成が複雑になることと、定格電流にくらべて微弱な電流で充電をおこなうために均等充電時間が長くなり損失が増加するといった問題が生じていた。
【００２０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、簡単なバランス回路を付加するだけで、電気二重層キャパシタの電圧バランスが均等になるよう充電することができる電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路は、直列接続した電気二重層キャパシタの各電気二重層キャパシタにバランス回路を並列接続してなる電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路であって、前記バランス回路はツェナーダイオードと抵抗とを直列接続してなることを特徴とする。
【００２２】
このように、本発明に係る電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路によれば、直列接続された電気二重層キャパシタの１つの端子電圧が設定電圧以上になると、充電電流は、ツェナーダイオードと抵抗とを直列接続してなるバランス回路に分流するので、簡単なバランス回路を付加するだけで、直列接続された電気二重層キャパシタの電圧バランスが均等になるよう充電することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路一実施の形態を図１乃至図５を参照して詳細に説明する。なお、図６に示した従来の構成と同一構成には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２４】
図１は本発明の第１の実施の形態を示した構成図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態における電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路は、直列接続された２個の電気二重層キャパシタ１ａ，１ｂ（以下電気二重層キャパシタ１と総称する）の各々に並列に、バランス回路６を接続した構成となっている。
【００２６】
バランス回路６は、ツェナーダイオード５と抵抗３とを直列接続しただけの簡単な構成となっている。すなわち、バランス回路６において、ツェナーダイオード５のカソード側端子は電気二重層キャパシタ１の正極側端子に接続され、ツェナーダイオード５のアノード側端子は抵抗３の一方の端子に接続され、抵抗３の他方の端子は、電気二重層キャパシタ１の負極側端子に接続される。
【００２７】
また、ツェナーダイオード５の設定電圧は各電気二重層キャパシタ１の定格電圧より低い電圧値とする。なお、ツェナーダイオード５の設定電圧とは、逆方向バイアスの電圧を増加させていったとき、逆方向電流が急激に増加するときの電圧をいい、電気二重層キャパシタ１の定格電圧とは、電気二重層キャパシタ１が許容する最大電圧をいう。
【００２８】
図２は、第１の実施の形態における電気二重層キャパシタ１充電時の端子電圧を示す図である。
【００２９】
ここでは、２つの電気二重層キャパシタ１ａ，ｂが直列に接続されており、一方の電気二重層キャパシタ１ａの正極側は端子Ｐ１にて不図示の充電装置の接続され、負極側は端子Ｐ２にて他方の電気二重層キャパシタ１ｂの正極側に接続される。さらに、電気二重層キャパシタ１ｂの負極側は、端子Ｐ３にて不図示の充電装置に接続される。したがって、充電電流は端子Ｐ１、端子Ｐ２そして端子Ｐ３の順に流れることとなる。
【００３０】
期間Ａは充電動作期間で、期間Ａにおいて、電気二重層キャパシタ１ａまたは１ｂが定格電圧に達するまでは、充電電流は端子Ｐ１、電気二重層キャパシタ１ａ、端子Ｐ２、電気二重層キャパシタ１ｂ、そして端子Ｐ３の順に流れる。
【００３１】
本図において、静電容量のバラツキにより、静電容量が大きい電気二重層キャパシタ１ｂの電圧Ｖｎの傾きは緩やかで、静電容量が小さい電気二重層キャパシタ１ａの電圧Ｖｐの傾きは急になり、時刻Ｔ０で充電を開始したとき、時刻Ｔ１で静電容量の小さい電気二重層キャパシタ１ａが先に設定電圧に達し、続いて、時刻Ｔ２で静電容量の大きい電気二重層キャパシタ１ｂが設定電圧に達する。
【００３２】
ツェナーダイオード５は設定電圧以上の電圧が印加されると、オフ状態からオン状態に変化して電流が流れる。時刻Ｔ１で電気二重層キャパシタ１ａの端子電圧がツェナーダイオード５の設定電圧以上に上昇すると、ツェナーダイオード５がオンしてツェナーダイオード５と抵抗３を介してバランス回路６に電流ｉ２が流れる。抵抗３はバランス回路６に流れる電流ｉ２を制限するので、ツェナーダイオード５の設定電圧を超えて充電している期間、充電電流はバイパス回路６に流れる電流ｉ２と大容量キャパシタ１ａに流れる電流ｉ１とに分流して流れる。
【００３３】
同様に時刻Ｔ２で、電気二重層キャパシタ１ｂの端子電圧がツェナーダイオード５の設定電圧以上に上昇すると、ツェナーダイオード５がオンしてツェナーダイオード５と抵抗３を介してバランス回路６に電流ｉ４が流れる。抵抗３はバランス回路６に流れる電流ｉ４を制限するので、時刻Ｔ２以降、充電電流はバイパス回路６に流れる電流ｉ４と大容量キャパシタ１ｂに流れる電流ｉ３とに分流して流れる。
【００３４】
期間Ｄは電圧均等化動作期間で、この期間、時刻Ｔ３で、電気二重層キャパシタ１ａ，１ｂの端子電圧が定格電圧になる前に充電動作を停止すると、各電気二重層キャパシタ１ａ，１ｂの電荷がツェナーダイオード５を介して抵抗３から放電されてゆき、時刻Ｔ４で、電気二重層キャパシタ１ｂの電圧Ｖｎはツェナーダイオード５の設定電圧となり、時刻Ｔ５で、電気二重層キャパシタ１ａの電圧Ｖｐはツェナーダイオード５の設定電圧となる。ツェナーダイオード５は設定電圧以下に端子電圧が落ちるとオン状態からオフ状態になるため、抵抗３での放電動作が終了して大容量キャパシタ電圧はツェナーダイオード５の設定電圧で維持される。
【００３５】
期間Ｃは電圧均等期間で、抵抗３での放電動作が終了して電気二重層キャパシタ１ａ，１ｂの端子電圧Ｖｐ，Ｖｎの各々が設定電圧にて均等化されている期間である。
【００３６】
このように第１の実施の形態によれば、直列接続された電気二重層キャパシタ１のうちの１つの端子電圧が設定電圧以上になると、充電電流は、バランス回路６に分流するので、直列接続された電気二重層キャパシタ１の電圧バランスが均等になるよう充電することができる。ここで、バランス回路６はツェナーダイオード５と抵抗３とで構成された簡単な直列回路からなり、ゲートを制御するための複雑なＩＣ回路等を必要としないためバランス回路６のコスト低減と信頼性の向上をはかることができる。
【００３７】
なお、本実施の形態において、最も電気二重層キャパシタ１の直列接続数が少ない場合として２個直列接続した場合を示したが、直列数がさらに多くなっても同様に、電圧バランスを均等化することができる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３は本発明の第２の実施の形態を示した構成図である。
【００３９】
図３に示すように、本実施の形態における電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路は、キャパシタモジュール７、電圧検出回路８及び充電装置９により構成され、キャパシタモジュール７は、第１の実施の形態と同様の構成、すなわち、直列接続された２個の電気二重層キャパシタ１ａ，１ｂの各々に並列に、ツェナーダイオード５と抵抗３とを直列接続してなるバランス回路６が接続した構成となっている。
【００４０】
電圧検出回路８は、キャパシタモジュール７の電圧、つまり、直列接続された２個の電気二重層キャパシタ１ａ，１ｂの端子Ｐ１及びＰ３間の電圧を検出し、充電装置９にフィードバックする。充電装置９は、電圧検出回路８の検出値を取り込み、検出電圧がキャパシタモジュール７の設定電圧に達したら充電動作を停止する。
【００４１】
図４は、第２実施の形態における電気二重層キャパシタ１の端子電圧を示す図である。
【００４２】
期間Ａは充電動作期間を示し、この期間、充電装置９は、時刻Ｔ０で充電を開始し、キャパシタモジュール７の電圧が設定電圧に達する時刻Ｔ１で充電動作を停止する。
【００４３】
ここで、キャパシタモジュール７の設定電圧はツェナーダイオード５の設定電圧の直列個数倍とし、もしツェナーダイオード５の設定電圧が２．２Ｖで、キャパシタモジュールが大容量キャパシタ１およびバラン回路６を２個直列接続してキャパシタモジュール７を構成していたら、キャパシタモジュールの設定電圧は２．２Ｖ×２個＝４．４Ｖとなる。
【００４４】
充電装置９が、キャパシタモジュール７の設定電圧で充電動作を停止する時刻Ｔ１において、キャパシタモジュール７内の電気二重層キャパシタ１の平均電圧はツェナーダイオード５の設定電圧となる。一方、静電容量にバラツキがあるため、静電容量が大きい電気二重層キャパシタ１ｂの電圧Ｖｎは、静電容量が小さい電気二重層キャパシタ１ａの電圧Ｖｐより小さくなる。したがって、時刻Ｔ１において、静電容量が大きい電気二重層キャパシタ１ｂの電圧Ｖｎはツェナーダイオード５の設定電圧を越え、静電容量が小さい電気二重層キャパシタ１ａの電圧Ｖｐはツェナーダイオード５の設定電圧以下となる。
【００４５】
期間Ｄは電圧均等化動作期間を示し、この期間、時刻Ｔ１で、ツェナーダイオード５の設定電圧を超えて電圧が印加された電気二重層キャパシタ１ａは、抵抗３で放電され、時刻Ｔ２で、ツェナーダイオード５の設定電圧まで電圧が減少する。他の電気二重層キャパシタ１ｂは充電終了時の電圧を維持することから、モジュール内の大容量キャパシタ端子電圧Ｖｐ，Ｖｎは電圧差が縮まって電圧バランスを均等化することができる。
【００４６】
期間Ｃは電圧均等期間で、抵抗３での放電動作が終了して電気二重層キャパシタ１ａ，１ｂの端子電圧Ｖｐ，Ｖｎの電圧差が縮まった状態で維持されている期間である。また、時刻Ｔ３で、充電装置９で充電を開始しすると、上述の期間Ａ及び期間Ｄの動作で説明したとおり、キャパシタモジュール７の電圧が設定電圧に達する時刻Ｔ４で充電動作を停止し、ツェナーダイオード５の設定電圧を超えて電圧が印加された電気二重層キャパシタ１ａは、抵抗３で放電され、時刻Ｔ５で、ツェナーダイオード５の設定電圧まで電圧が減少するので、モジュール内の大容量キャパシタ端子電圧Ｖｐ，Ｖｎはさらに電圧差が縮まる。
【００４７】
このように第２の実施の形態によれば、キャパシタモジュール７の電圧が設定電圧に達すると、自動的に充電動作が停止されるので、直列接続された電気二重層キャパシタ１のうち端子電圧が設定電圧を超えて電圧が印加されている電気二重層キャパシタ１は、抵抗３で放電されてツェナーダイオード５の設定電圧まで電圧が減少し、それ以外の電気二重層キャパシタ１は充電終了時の電圧を維持することから、モジュール内の電気二重層キャパシタ端子電圧は電圧差が縮まって電圧バランスを均等化することができる。
【００４８】
これにより、電気二重層キャパシタ１のモジュール電圧を過充電から保護して、ツェナーダイオード５と抵抗３とを直列接続してなる簡単なバランス回路で電気二重層キャパシタ１の電圧バランスを均等化することができ、バランス回路のコスト低減と信頼性の向上をはかることが可能となる。
【００４９】
なお、本実施の形態において、最も電気二重層キャパシタ１の直列接続数が少ない場合として２個直列接続した場合を示したが、直列数がさらに多くなっても同様に、電圧バランスを均等化することができる。
【００５０】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５は本発明の第３の実施の形態における電気二重層キャパシタ１の端子電圧を示す図である。
【００５１】
第３の実施の形態は、回路構成は、第２に実施の形態と同一で、期間Ｅの電圧均等充電を定期的に行って電圧の均等化を図るものである。すなわち、定期的に時刻Ｔ１、Ｔ３になると充電装置９は自動的に充電を開始し、時刻Ｔ２または時刻Ｔ４にてモジュール電圧が設定電圧に達すると自動的に充電を停止するので、モジュール内の電気二重層キャパシタ端子電圧が均等化され電圧差が縮まった状態が常に維持される。
【００５２】
このように第３の実施の形態によれば電気二重層キャパシタ１のモジュール電圧を過電圧から保護し、また定期的に電圧均等充電を実施するので電気二重層キャパシタ１の定格電圧とツェナーダイオード５の設定電圧を均等充電の間隔に合わせて最適設計することができる。また、ツェナーダイオード５と抵抗３とを直列接続してなる簡単なバランス回路で電気二重層キャパシタ１の電圧バランスを均等化することができ、バランス回路のコスト低減と信頼性の向上をはかることが可能となる。
【００５３】
なお、本実施の形態において、最も電気二重層キャパシタ１の直列接続数が少ない場合として２個直列接続した場合を示したが、直列数がさらに多くなっても同様に、電圧バランスを均等化することができることは言うまでもない。
【００５４】
【発明の効果】
上記のように、本発明に係る電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路によれば、簡単なバランス回路を付加するだけで、直列接続された電気二重層キャパシタの電圧バランスが均等になるよう充電することができ、バランス回路のコスト低減と信頼性の向上をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示した構成図である。
【図２】第１の実施の形態における電気二重層キャパシタ１充電時の端子電圧を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示した構成図である。
【図４】第２実施の形態における電気二重層キャパシタ１の端子電圧を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態における電気二重層キャパシタ１の端子電圧を示す図である。
【図６】従来の電気二重層キャパシタの電圧バランス均等化回路の一例である
【図７】従来例において電気二重層キャパシタ充電時の端子電圧を示す図である。
【図８】従来例において電気二重層キャパシタ充電時の端子電圧を示す他の例である
【符号の説明】
１  電気二重層キャパシタ
３  抵抗
５  ツェナーダイオード
６  バランス回路
７  キャパシタモジュール
８  電圧検出回路
９  充電装置
【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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