(57)【要約】【課題】自動車の使い勝手にあわせ従来技術である充電型および放電型の優れた点を利用した均等化回路を提供する。【解決手段】複数の電気二重層キャパシタ１１−１，・・・１１−ｎを直列接続してなるキャパシタモジュールに並列接続した充電回路１３−１，・・・１３−ｐと、電気二重層キャパシタごとに並列接続された放電回路２０−１，・・・２０−ｎとを有し、放電回路２０−１，・・・２０−ｎにはそれぞれ異なる電圧均等化手段２１−１，・・・２１−ｎが接続されている。【選択図】  図２
2004273796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気二重層キャパシタを直列接続してなるキャパシタモジュールに並列接続した充電回路と、前記電気二重層キャパシタごとに並列接続された放電回路とを有し、前記放電回路にはそれぞれ異なる電圧均等化手段が接続されていることを特徴とするキャパシタ電圧均等化装置。
【請求項２】
前記キャパシタモジュールの内部をさらに複数のキャパシタブロックに分け、かつ前記充電回路を複数設け、複数の前記充電回路のそれぞれを複数の前記キャパシタブロックのそれぞれに対して並列に接続したことを特徴とする請求項１記載のキャパシタ電圧均等化装置。
【請求項３】
自動車に搭載され、イグニッションオンかつ車速がゼロのときにのみ電圧均等化動作を行うことを特徴とした請求項１または２記載のキャパシタ電圧均等化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャパシタ電圧均等化装置に関し、特に、複数個の電気二重層キャパシタを直列接続してなるキャパシタモジュールにおけるキャパシタ電圧均等化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド自動車や燃料電池自動車において、電気二重層キャパシタは発進時および加速時にモータアシストすることを目的として搭載されている。複数のキャパシタを用い、よりエネルギーを確保し、より安全にキャパシタを使用するにはキャパシタ自体の制御が不可欠である。特にキャパシタ個別に持っている蓄電量を最大限に発揮するためには複数のキャパシタ電圧を揃えること、すなわち、キャパシタ電圧均等化が必要である。キャパシタ電圧均等化手法としては充電型と放電型が公知の技術である。
【０００３】
充電型としては、特許文献１などが公知技術として知られている。放電型としては、特許文献２などが公知技術として知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１７１６８２公報
【特許文献２】
特開２００１−２９２５０７公報
【０００５】
特許文献１では、直列に接続された複数のセルからなる電気二重層キャパシタモジュールに用いられ、セル毎に並列に接続された均等化手段を有する電気二重層キャパシタ用充電装置であって、少なくとも、電気二重層キャパシタモジュールへ所定の設定充電電圧Ｖｓをかける充電手段と、電気二重層キャパシタモジュールへ流れる充電電流Ｉｃを計測する充電電流計測手段とを備え、充電電流Ｉｃの変化に基づき、設定充電電圧Ｖｓを、均等化手段が許容する最大電圧に調節し得ることを特徴としている。
【０００６】
特許文献２では、直列接続された複数の電気二重層キャパシタと、複数の電気二重層キャパシタの各々に並列接続され各電気二重層キャパシタの放電状態を制御する複数の電流制御手段と、複数の電気二重層キャパシタの各々の端子間電圧を設定電圧と比較する複数の電圧比較手段と、複数の電圧比較手段の比較出力により複数の電流制御手段を制御して各電気二重層キャパシタの端子間電圧におけるバランスを揃えるようにする制御手段とを有する電気二重層キャパシタ装置であって、制御手段は、複数の電気二重層キャパシタの充電時は複数の電流制御手段の制御動作を停止させることを特徴としている。
【０００７】
特許文献２の放電型においては電圧検出回路と電流バイパス用の抵抗またはトランジスタなどがキャパシタに並列につながれている。放電手法の基本的な考えは他のキャパシタよりも充電電圧の高いキャパシタの電圧をバイパス手段により電圧降下させ均等化を行うというものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１で開示されるような充電型技術は複数の充電回路を要するため重量増および大容積化という点で自動車にとって懸案となる。特許文献２で開示されるような放電手法では蓄電エネルギー損失と発熱が懸案となる。そのため、キャパシタに並列に接続された抵抗とトランジスタにおいて、スイッチング素子としてのトランジスタがオンになったときに抵抗を介してキャパシタに蓄電された電荷が放電されるような抵抗バイパス型の場合、放電動作を起こすキャパシタ電圧の範囲であるバイパス動作範囲を極力狭く設定することでエネルギー損失を抑える工夫が特許公開となっているが、蓄電エネルギーを高く保っておくためには、その動作範囲はキャパシタ電圧の高い領域に設定しなければならない。
【０００９】
このことを図５を用いて説明する。図５は、ハイブリッド車両に搭載された電気二重層キャパシタ装置における各電気二重層キャパシタの端子間電圧Ｖｃが、ハイブリッド車両が走行中において時間経過と共に、変化する状態を示すグラフである。図５では、説明の便宜上、直列接続された、初期電圧の異なる３つの電気二重層キャパシタの端子間電圧Ｖｃにおける変化状態について示している。同図において区間Ｔ１（ｔ０≦ｔ＜ｔ１）では電気二重層キャパシタへの充電能力がバイパス能力に比して非常に大きいために電気二重層キャパシタＡ，Ｂの端子間電圧Ｖｃがバイパス領域、すなわち、Ｖｒｅｆ１≦Ｖｃ＜Ｖｒｅｆ２の電圧領域に達しても、端子間電圧Ｖｃの電圧推移に対して、ほとんどバイパス効果は見られない。
【００１０】
このために、電気二重層キャパシタの端子間電圧Ｖｃは時間の経過により電気二重層キャパシタＡの端子間電圧Ｖｃは過電圧領域Ｖｃ≧Ｖｒｅｆ２に達してしまい、このまま充電状態が継続し行われると、劣化してしまうこととなる。そこで、過電圧検出部における電圧比較部から過電圧検知信号がコントローラに出力され、この信号に基づいてコントローラにより充電を中止する制御が行われる。すなわち、図５において、時刻ｔ１で電気二重層キャパシタＡの端子間電圧Ｖｃが過電圧領域に達したために各電気二重層キャパシタＡ，Ｂ，Ｃへの充電は停止される。
【００１１】
特許文献２では、電気二重層キャパシタの充電期間中における充電電流をバイパスするのは無駄な電流をバイパス部（スイッチング素子およびバイパス抵抗）に流し、無駄な電力を消費することになるので、これをなくすべく充電中は一切、充電電流のバイパスは行わないようにしている。これによりバイパス効果が得られない充電時には、バイパス部の機能を停止し、放電時のみバイパス部を駆動することにより電力損失の少ない電気二重層キャパシタ装置の電圧制御を実現している。
【００１２】
また、図５の時刻ｔ２で過電圧検出部により、電気二重層キャパシタＡの端子間電圧Ｖｃが過電圧（Ｖｒｅｆ２）に達したと判断されたために期間Ｔ２（ｔ１≦ｔ＜ｔ３）では、充電中止となり、各電気二重層キャパシタＡ，Ｂ，Ｃが放電状態に移行している。電気二重層キャパシタＣの端子間電圧Ｖｃの変化は、負荷駆動（走行）によるものであり、電気二重層キャパシタＡ，Ｂの端子間電圧Ｖｃの変化は、負荷駆動とバイパス効果によるものである。電気二重層キャパシタＡ，Ｂ，Ｃの端子間電圧Ｖｃの変化は、電気二重層キャパシタＣのそれに比して単位時間当たりの電圧変動が大きくなっていることがわかる。
【００１３】
また、電気二重層キャパシタＢの端子間電圧Ｖｃは、放電により時刻ｔ２で、バイパス領域を外れたために時刻ｔ２から負荷駆動のためだけの放電に切り替わり、電気二重層キャパシタＣと同様の電圧変動となっている。図５における期間Ｔ１，Ｔ２のようなサイクルを繰り返すことにより初期電圧の異なる複数の電気二重層キャパシタにおける端子間電圧の値が所定値に収束し、すなわち、揃うことになる。
【００１４】
上記のように放電型技術では、図５に示すように、キャパシタ電圧Ｖｃが放電を開始する電圧であるバイパスオン電圧以上の領域で電圧を低減させて均等化している。また、キャパシタ電圧の低減量を少なくするためにはバイパスオン電圧を持ち上げる必要がある。
【００１５】
バイパスオン電圧を持ち上げた場合、キャパシタ電圧がバイパスオン領域に入るような走行をすれば問題はないのであるが、自動車は不特定多数の人間が使用するため走行モードを限定することは困難であり、運転者の走行の仕方次第ではキャパシタ電圧が全く放電を行う領域であるバイパス領域に入り込まないことがあり、そのときにはキャパシタ電圧均等化の動作が起こらないような事象が発生する。そのような走行を常に運転者が行っていれば恐らく走行に全く支障がないのだが、いざ起伏の激しい場所の走行や高速道路の流入においてはキャパシタ電圧が均等化していないために十分にアシストを行うことができなくなるという問題がある。一方、そのような事象回避のためバイパス電流を増やせば発熱が増大し構造が複雑になる。
【００１６】
また、燃料電池自動車は駆動力を得るために、ハイブリッド自動車においてはエンジン駆動の補助としてモータが搭載されている。モータはその特性上からブレーキ時においては発電機と置き換えることが可能である。つまり巨大な充電器とみなすこともできる。ただし、モータには自動車に搭載されたキャパシタがすべて接続されていること、および本来の目的が走行のアシストに用いるもののため、キャパシタ個別制御に用いるには電気的精度確保が困難かつキャパシタにとっての微細な制御も困難である。
【００１７】
上記のように充電型、放電型は、それぞれにおいて問題点を有している。その反面、充電型、放電型共に優れた点も持ち合わせており、充電型はキャパシタに蓄電されたエネルギーは損失することなく均等化が可能であり、放電型は充電型に比べバイパス電流を絞り込めれば小型化、軽量化が達成できるという利点を有している。
【００１８】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、自動車の使い勝手にあわせ充電型および放電型の優れた点を利用したキャパシタ電圧均等化装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係るキャパシタ電圧均等化装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００２０】
第１のキャパシタ電圧均等化装置（請求項１に対応）は、複数の電気二重層キャパシタを直列接続してなるキャパシタモジュールに並列接続した充電回路と、電気二重層キャパシタごとに並列接続された放電回路とを有し、放電回路にはそれぞれ異なる電圧均等化手段が接続されていることで特徴づけられる。
【００２１】
第１のキャパシタ電圧均等化装置によれば、複数の電気二重層キャパシタを直列接続してなるキャパシタモジュールに並列接続した充電回路と、電気二重層キャパシタごとに並列接続された放電回路とを有し、放電回路にはそれぞれ異なる電圧均等化手段が接続されているため、キャパシタモジュールに並列接続した充電回路により充電を行いながら、電気二重層キャパシタ個別に並列接続された放電回路をそれぞれ異なる電圧均等化手段を用いて動作させるので、小型化、軽量化でき、キャパシタに蓄電されたエネルギーを損失することなく高い精度でキャパシタ電圧均等化をすることができる。
【００２２】
第２のキャパシタ電圧均等化装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくはキャパシタモジュールの内部をさらに複数のキャパシタブロックに分け、かつ充電回路を複数設け、複数の充電回路のそれぞれを複数のキャパシタブロックのそれぞれに対して並列に接続したことで特徴づけられる。
【００２３】
第２のキャパシタ用電圧均等化装置によれば、キャパシタモジュールの内部をさらに複数のキャパシタブロックに分け、かつ充電回路を複数設け、複数の充電回路のそれぞれを複数のキャパシタブロックのそれぞれに対して並列に接続したため、キャパシタモジュールに並列接続した充電回路により充電を行いながら、電気二重層キャパシタ個別に並列接続された放電回路をそれぞれ異なる電圧均等化手段を用いて動作させるので、小型化、軽量化でき、キャパシタに蓄電されたエネルギーを損失することなく高い精度でキャパシタ電圧均等化をすることができる。また、充電回路においては、キャパシタ複数個を１ブロック化することにより、個別充電回路搭載時よりも重量および容積の大幅低減が可能である。さらに充電回路でそれぞれの回路ブロック間ばらつきをある程度均等化させ、最終的に放電回路でブロック内における個別均等を行う２段階均等を行うので、キャパシタに蓄電されたエネルギーを損失することなく高い精度でキャパシタ電圧均等化をすることができる。また、個別均等を行う際は既にブロック間の電圧はある程度揃っているため、放電回路による均等化はある程度の時間をかけても自動車の性能を著しく低下させることはない。その結果、バイパス電流を数十ｍＡまで絞ることが可能となる。さらに、この電流採用により発熱が格段に抑えられるため１セルあたりで比較した場合、トランスを個別で用いる充電型よりも１回路構成容積は小さくすることが可能である。このように充電および放電型の従来技術の組み合わせで懸案であった重量、容積、発熱の低下低減が解決できる。
【００２４】
第３のキャパシタ電圧均等化装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは自動車に搭載され、イグニッションオンかつ車速がゼロのときにのみ電圧均等化動作を行うことで特徴づけられる。
【００２５】
第３のキャパシタ電圧均等化装置によれば、自動車に搭載され、イグニッションオンかつ車速がゼロのときにのみ電圧均等化動作を行うため、電圧変動がほとんどなく最も安定した状態で均等化ができる。また、走行中に比べ回路入力に伝搬、輻射されるノイズが少ない。そのため、アイドリング中であれば、電流も小さくノイズも小さいので、非常に安定した状態で制御が可能である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタ装置の構成図である。電気二重層キャパシタ装置１０は、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタ１１−１，１１−２，・・・、１１−ｎからなるキャパシタモジュールとそれらの電気二重層キャパシタの放電を制御するキャパシタ個別に放電制御回路１２−１，１２−２，・・・１２−ｎとその放電制御回路１２−１，１２−２，・・・１２−ｎと複数のキャパシタブロックに分けたものに並列に接続された充電回路１３−１，１３−２，・・・１３−ｐをコントロールするＣＰＵ１４ａとメモリ１４ｂを備えた制御装置１６から成り、その電気二重層キャパシタ装置１０は、モータ１７を駆動するブリッジ回路から構成される電力回路１８などに接続されて用いられる。
【００２８】
電力回路１８は、ブリッジ回路１９とコンデンサ１９ｂからなり、ブリッジ回路（電力回路）１９は６つのＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１９−１，１９−２，１９−３，１９−４，１９−５，１９−６を接続し、それぞれについてＯＮ／ＯＦＦを組み合わせることで、モータ１７の正転、逆転等を、ＰＷＭ制御により行うものである。電気二重層キャパシタ装置１０は、電力回路１８に補助電力を供給する装置である。放電制御回路１２−１，１２−２，・・・、１２−ｎは、放電回路２０−１，２０−２，・・・、２０−ｎと電圧均等化回路（電圧均等化手段）２１−１，２１−２，・・・、２１−ｎからなり、電気二重層キャパシタ１１−１，１１−２，・・・、１１−ｎの放電を制御する回路である。充電回路１３−１，１３−２，・・・１３−ｐは、各ブロックに分割した複数のキャパシタの充電を行うためのものである。制御装置１６は電気二重層キャパシタ装置１０の制御を行い、放電制御回路１２−１，１２−２，・・・、１２−ｎと充電回路１３−１，１３−２，・・・１３−ｐによる放電と充電を実行させるためにメモリ１４ｂに記憶されたプログラムに従って指令する信号を送る。
【００２９】
図２は、本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタ装置の回路図である。すなわち、図１で示した点線Ａで囲まれた部分の回路図である。本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタ装置１０は、直列接続された電気二重層キャパシタ１１−１，１１−２，・・・１１−ｍを有した複数のブロック２２−１，２２−２，・・・２２−ｐ（ここで、ｎ＝ｍ×ｐ）が直列に接続されて１つの電気二重層キャパシタモジュールが形成されている。各電気二重層キャパシタ１１−１，１１−２，・・・１１−ｎ、例えば、電気二重層キャパシタ１１−１の両端子間はスイッチング素子としてのバイポーラトランジスタ２３−１と、バイパス抵抗２４−１を介して接続されている。それらのバイポーラトランジスタとバイパス抵抗により放電回路２０−１を形成している。
【００３０】
また、電気二重層キャパシタ１１−１の端子１１−１ａにはコンパレータ２５−１の入力端子２５−１ａが接続され、コンパレータ２５−１のもう一方の入力端子２５−１ｂには基準電圧２６−１の正極側端子が接続され、基準電圧２６−１の負極側端子は電気二重層キャパシタ１１−１の端子１１−１ｂに接続されている。コンパレータ２５−１の出力端子２５−１ｃとバイポーラトランジスタ２３−１のベース端子２３−１ｂの間にはスイッチ２７−１が接続されている。それらのコンパレータと基準電圧とスイッチにより電圧均等化回路を形成している。
【００３１】
さらに、コンパレータ２５−１，２５−２，・・・２５−ｍの出力端子２５−１ｃ，２５−２ｃ，・・・２５−ｍｃは、ＡＮＤ回路２８−１の入力端子２８−１ａに接続されている。また、電気二重層キャパシタ１１−１，・・１１−ｍに並列にバイポーラトランジスタ２９−１とフォトカップラ３０−１の発光側が接続されており、そのバイポーラトランジスタ２９−１のベース端子２９−１ｂには、ＡＮＤ回路２８−１の出力端子２８−１ｂが接続されている。
【００３２】
また、電気二重層キャパシタブロック２２−１に並列にトランス３１−１の二次側がスイッチ３２−１を介して接続されている。トランス３１−１の一次側は、図示しない電源に接続されている。これにより充電回路を形成している。
【００３３】
また、制御装置１６は、バイポーラトランジスタ３３−１，・・・３３−ｐが５Ｖ端子から抵抗３４−１，・・・３４−ｐを介してエミッタ端子３３−１ｅに接続され、コレクタ端子３３−１ｃはアースとフォトカップラ３５−１の発光側の端子３５−１ｅと、フォトカップラ３０−１の受光側の端子３０−１ｒに接続されている。また、フォトカップラ３０−１の受光側の端子３０−１ｒは抵抗３６−１を介してバイポーラトランジスタ３３−１のベース端子３３−１ｂと接続されている。また、スイッチ３２−１は、フォトカップラ３０−１と連動しており、さらに、スイッチ３８−１，・・・３８−ｍはそのスイッチ３２−１と連動している。
【００３４】
フォトカップラ３５−１の発光側端子３５−１ｅは、制御部１４の出力端子１４−ｏｕｔに接続しており、バイポーラトランジスタ３３−１のエミッタ端子３４−１ｅは制御部１４の入力端子１４−ｉｎに接続されている。
【００３５】
電気二重層キャパシタ１１−１，・・・，１１−ｎは、電荷を蓄積し、補助的に電力回路１８へ電力を供給するためのものである。
【００３６】
バイポーラトランジスタ２３−１は、コレクタ端子２３−１ｃが抵抗２４−１の端子２４−ｂに接続され、エミッタ端子２３−１ｅがキャパシタ１１−１の端子１１−１ｂに接続され、また、ベース端子２３−１ｂがスイッチ２７−１を介してコンパレータ２５−１の出力端子２５−１ｃに接続されており、スイッチング素子として作用する。スイッチ２７−１がオンでコンパレータ２５−１の出力がローレベルのときは、ベース端子２３−１ｂは、ローレベルとなり、トランジスタ２３−１はオフ状態で、コレクターエミッタ端子間で電流は流れない状態となっている。コンパレータ２５−１の出力がハイレベル状態のときには、ベース端子２３−１ｂにそのハイレベル信号が入力され、トランジスタ２５−１はオンとなり、エミッタ−コレクタ端子間で電流が流れ、それにより、キャパシタ１１−１は放電する。
【００３７】
抵抗２４−１は、トランジスタ２３−１がオンで放電電流が流れる時の電流を制限し、トランジスタ２３−１に急激な大電流が流れて故障することを阻止するための抵抗である。
【００３８】
コンパレータ２５−１は、入力端子２５−１ａにキャパシタ１１−１の端子１１−１ａが接続され、入力端子２５−１ｂに基準電圧２６−１の正極端子が接続され、出力端子２５−１ｃには、スイッチ２７−１を介してトランジスタ２３−１のベース端子２３−１ｂに接続されている。スイッチ２７−１がオンでキャパシタ１１−１の電圧が基準電圧２６−１より小さいときは、出力端子２５−１ｃからは、ローレベル信号が出力され、トランジスタ２３−１のベース端子２３−１ｂにはローレベル電圧のため、トランジスタ２３−１はオフ状態である。また、スイッチ２７−１がオンでキャパシタ１１−１の電圧が基準電圧２６−１以上になったときは、出力端子２５−１ｃからは、ハイレベル信号が出力される。また、それぞれのコンパレータ２５−１の出力端子２５−１ｃは、ＡＮＤ回路２８−１の端子２８−１ａに接続されている。
【００３９】
次に、充電回路１３について説明する。この電気二重層キャパシタ装置１０では、放電回路だけの場合の、キャパシタの放電によって端子間電圧を揃えることのデメリットをなくすために、充電回路１３を備えている。
【００４０】
ＡＮＤ回路２８−１は、各コンパレータ２５−１，・・・２５−ｍの出力端子２５−１ｃ，・・・２５−ｍｃからの信号が入力され、ブロック内のすべてのコンパレータ２５−１，・・・２５−ｍの出力がハイレベルになったとき、出力端子２８−１ｂからハイレベル信号を出力し、トランジスタ２９−１のベース端子２９−１ｂにハイレベル信号を出力し、その他の条件では、ローレベル信号を出力する。
【００４１】
トランジスタ２９−１は、ベース端子２９−１ｂがＡＮＤ回路２８−１の出力端子２８−１ｂに接続され、コレクタ端子２９−１ｃが、キャパシタ１１−１の端子１１−１ａに接続され、エミッタ端子２９−１ｅが、フォトカップラ３０−１の発光側の端子に接続され、ＡＮＤ回路２８−１の出力がローレベルのときは、オフ状態であり、ＡＮＤ回路２８−１の出力がハイレベルのときは、オン状態となり、フォトカップラ３０−１に電流を流す。
【００４２】
フォトカップラ３０−１は、発光側に電流が流れたとき、受光側に電流が流れ、トランジスタ３３−１のベース端子３３−１ｂに電流が流れ、トランジスタ３３−１はオン状態となる。一方、発光側に電流が流れていないときは、受光側はオフ状態であり、したがって、それに接続されたトランジスタ３３−１はオフ状態となっている。
【００４３】
トランス３１−１は、一次側は、電源に接続され、二次側の端子３１−１ａは、キャパシタ１１−１に接続され、端子３１−１ｂはスイッチ３２−１に接続されている。
【００４４】
フォトカップラ３５−１は、制御部１４からの指令によってスイッチ３２−１をオンオフするためのものであり、端子３５−１ａは制御部１４の出力側に接続され、制御部１４から信号があったときにスイッチ３２−１をオンとする。
【００４５】
トランジスタ３３−１の端子３３−１ｅは抵抗３４−１を介して電源に接続され、また、制御部１４の入力端子１４−ｉｎに接続されている。また、コレクタ端子３３−１ｃはフォトカップラ３０−１の端子３０−１ｒに接続されている。さらに、ベース端子３３−１ｂは、抵抗３６−１を介してフォトカップラ３０−１の端子３０−１ｒに接続されている。トランジスタ３３−１がオフ状態では、制御部１４にハイレベル信号が入力され、また、ベース端子３３−１ｂに電流が流れ、トランジスタ３３−１がオンとなると、抵抗３４−１による電圧降下によって、制御部１４にはローレベル信号が入力される。
【００４６】
制御部１４は、トランジスタ３３−１のエミッタ端子３３−１ｅの電位が入力され、また、図示しないイグニッションスイッチと車速検出部３７からの信号が入力され、出力端子１４−ｏｕｔに信号を出力し、電気二重層キャパシタ１１−１，・・・１１−ｎの充放電を制御する。
【００４７】
図３は、制御部１４の具体例を示す構成図である。この具体例では、制御部１４は、ＥＣＵ１６内に設けられ、ＣＰＵ１４ａとメモリ１４ｂを備えた構成となっている。メモリ１４ｂには、車速ゼロ記憶領域４０と充放電処理プログラム記憶領域４１が設けられている。
【００４８】
また、入力インターフェース部４２と出力インターフェース部４３とＣＰＵ１４ａとメモリ１４ｂは、バス４４，４５，４６により接続されている。入力インターフェース部４２には、トランジスタのエミッタ端子３３−１ｅ，・・・３３−ｎｅから出力される信号と車速検出部３７からの車速信号とイグニッションスイッチ４７からの信号が入力され、出力インターフェース部４３からは、スイッチオンオフ信号が出力される。
【００４９】
車速ゼロ記憶領域４０は、電圧均等化を行うための条件である車速ゼロを記憶させる領域である。充放電処理プログラム記憶領域４１は、電気二重層キャパシタ１１−１，・・・１１−ｎの充放電を行うための処理プログラムが記憶されている領域である。
【００５０】
図４は、充放電処理プログラムに基づく処理のフローチャートである。イグニッションオン信号が入力されたならば、プログラムが開始される。まず、制御部１４の入力インターフェース部４２を通して車速検出部３７からの車速信号が入力される（ステップＳＴ１０）。ＣＰＵ１４ａは、車速と車速ゼロを比較する（ステップＳＴ１１）。もし、車速信号がゼロではないときには、制御部１４はハイレベル信号を出力し、スイッチをオフし、電圧均等化を停止する（ステップＳＴ１８）。また、車速信号がゼロのときには、トランジスタ３３−１の端子３３−１ｅの電位を入力し（ステップＳＴ１２）、ハイレベルかローレベルか検知する（ステップＳＴ１３）。ローレベルのときには、トランジスタ３３−１がオンすなわち、フォトカップラ３０−１がオン、ＡＮＤ回路２８−１がオン、そのとき、すべてのコンパレータ２５−１の出力がハイレベル、すべてのキャパシタ１１−１，・・・１１−ｎが均等になっているので、制御部１４はハイレベル信号を出力し、スイッチ２７，３２をオフし（ステップＳＴ１８）、電圧均等化を停止する（ステップＳＴ１９，２０）。もし、ハイレベルのときは、スイッチオン信号を出力し、スイッチをオンにする（ステップＳＴ１４）。それにより、トランス３１−１を通して充電される（ステップＳＴ１５）。また、スイッチ２７がオンなので、キャパシタ１１−１，・・・１１−ｎが基準電圧２６−１，・・・２６−ｎと同じになるまで放電もされ、電圧均等化がなされる（ステップＳＴ１６）。トランジスタ３３−１の端子の電位を入力し、ハイレベルかローレベルか検知する（ステップＳＴ１７）。ローレベルのときには、制御部１４はハイレベル信号を出力し、スイッチをオフし（ステップＳＴ１８）、充電停止し（ステップＳＴ１９）、電圧均等化を停止して（ステップＳＴ２０）、リターンする。もし、ハイレベルのときは、充電をするステップＳＴ１４に戻る。
【００５１】
このようにして、充電と放電により、電圧均等化が精度良くなされる。なお、本実施形態では、キャパシタモジュールを複数個のキャパシタによりブロック化し、それぞれのブロック毎に充電回路を設けるようにしたが、キャパシタモジュールをブロック化せず、キャパシタモジュール全体に一つの充電回路を設けるようにしても良い。
【００５２】
以上のように、充電回路においては、複数個を１ブロック化することにより、個別充電回路搭載時よりも重量および容積の大幅低減が可能である。また、キャパシタ耐電圧は一般的に３Ｖ程度である。例として１ブロック４セルであれば１２．０Ｖとなる。例えば自動車の１２Ｖ系を充電回路トランス１次側に用いても１２Ｖ系電圧が約１０Ｖ〜１４Ｖ程度の範囲であること、またトランス自体もその電圧近傍であれば市場汎用性が高い。その結果、入手も容易、価格も安いというメリットが考えられる。
【００５３】
さらに、充電回路については、充電回路を搭載したことにより、バイパス電流を絞り込むことが可能となる。それは、充電回路でそれぞれの回路ブロック間ばらつきをある程度均等化させ、最終的に放電回路でブロック内における個別均等を行うという２段階均等を行うためである。また、個別均等を行う際は既にブロック間の電圧はある程度揃っているため、放電回路による均等化はある程度の時間をかけても自動車の性能を著しく低下させることはない。その結果、バイパス電流を数十ｍＡまで絞ることが可能となる。
【００５４】
さらに、この電流採用により発熱が格段に抑えられるため１セルあたりで比較した場合、トランスを個別で用いる充電型よりも１回路構成容積は小さくすることが可能である。このように充電および放電型の従来技術の組み合わせで懸案であった重量、容積、発熱の低下低減が解決できる。
【００５５】
また、充電型は、自動車走行状態に関係なく充電させることが可能という非常に大きなメリットがある。しかしながら、本案は小型軽量化を優先してブロック充電とした。そのため、小型かつ軽量化の面でメリットのある放電回路も搭載したが、放電回路においては前述したように安易に動作させることはエネルギー損失につながる。一方、バイパス動作エリアを高い電圧に持っていけば均等エリアに達することが少なくなる。これは、自動車という特性上走行がユーザーによって異なるためである。常に全開加減速に近い走行を行えばキャパシタにとって電流の出し入れが多い、つまり電圧変動が大きくなりバイパス均等化エリアに頻繁に達することが可能である。しかし、平日は市街地走行が最も多く、休日に遠出するような家族が使用するときはキャパシタにとって均等化しづらい走行となる。使用頻度の一番高い走行は電圧変動が少なく、つまり均等エリアに入りづらくキャパシタ電圧が揃いづらく、いざ休日遠出のため高速や山道走行を行う際に最大にアシスト効果が得られないことが考えられる。そこでユーザーの走行に左右されず、均等化を行うことが最も効率よい制御といえる。
【００５６】
本発明は、アイドリング中にのみ均等化させることを最大の特徴とした。アイドリング中にのみ均等化を行うためにはブロック充電回路が必要となる。ブロック充電回路は充電させブロック均等を行う以外にバイパス均等のための電流供給もまかなうためである。
【００５７】
充電電流とバイパス電流の関係は、充電電流がバイパス電流以下の設定とする。その理由は、個別均等中に既に規定電圧まで達しているキャパシタは過充電を防ぐためにも充電を必要としない。したがって、そのキャパシタの過充電を防ぐために、充電電流をバイパス電流以下とするのである。バイパス電流を数十ｍＡとしているため、充電電流も同等の電流値設定のトランスを用いればよい。さらに、この条件にアイドリング中均等化を実施するという条件が加わることによりどんなユーザーでもありうる場面のため、微弱電流であっても十分に均等化可能である。
【００５８】
また、アイドリング中という条件は以下のメリットもある。自動車補記類の消費電流分の持ち出しのみであり、かつ停止中のため、電圧変動がほとんどなく最も安定した状態で均等化ができる。走行中であると充電回路および放電回路がキャパシタ電圧変動によって頻繁にオンオフするため、その信号をＥＣＵへ送り細やかな制御が必要になる。走行中に比べ回路入力に伝搬、輻射されるノイズが少ない。ハイブリッド自動車に代表されるブラシレスモータ等は直流を３相交流にスイッチングすることが必要なため、走行中はスイッチングノイズが発生する。電流も数十Ａと大きいため、その結果ノイズ自体のピークも大きくなる。そのため、万が一を考え、制御上信号確定までの制御を取り入れたりと工夫も必要となる。しかし、アイドリング中であれば、電流も小さくノイズも小さいため、非常に安定した状態で制御が可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００６０】
複数の電気二重層キャパシタを直列接続してなるキャパシタモジュールに並列接続した充電回路と、電気二重層キャパシタごとに並列接続された放電回路とを有し、放電回路にはそれぞれ異なる電圧均等化手段が接続されているため、キャパシタモジュールに並列接続した充電回路により充電を行いながら、電気二重層キャパシタ個別に並列接続された放電回路をそれぞれ異なる電圧均等化手段を用いて動作させるので、小型化、軽量化でき、キャパシタに蓄電されたエネルギーを損失することなく高い精度でキャパシタ電圧均等化をすることができる。
【００６１】
また、キャパシタモジュールの内部をさらに複数のキャパシタブロックに分け、かつ充電回路を複数設け、複数の充電回路のそれぞれを複数のキャパシタブロックのそれぞれに対して並列に接続したため、キャパシタモジュールに並列接続した充電回路により充電を行いながら、電気二重層キャパシタ個別に並列接続された放電回路をそれぞれ異なる電圧均等化手段を用いて動作させるので、小型化、軽量化でき、キャパシタに蓄電されたエネルギーを損失することなく高い精度でキャパシタ電圧均等化をすることができる。また、充電回路においては、複数個を１ブロック化することにより、個別充電回路搭載時よりも重量および容積の大幅低減が可能である。充電回路でそれぞれの回路ブロック間ばらつきをある程度均等化させ、最終的に放電回路でブロック内における個別均等を行う２段階均等を行うので、キャパシタに蓄電されたエネルギーを損失することなく高い精度でキャパシタ電圧均等化をすることができる。さらに、個別均等を行う際は既にブロック間の電圧はある程度揃っているため、放電回路による均等化はある程度の時間をかけても自動車の性能を著しく低下させることはない。その結果、バイパス電流を数十ｍＡまで絞ることが可能となる。また、この電流採用により発熱が格段に抑えられるため１セルあたりで比較した場合、トランスを個別で用いる充電型よりも１回路構成容積は小さくすることが可能である。このように充電および放電型の従来技術の組み合わせで懸案であった重量、容積、発熱の低下低減が解決できる。
【００６２】
さらに、自動車に搭載され、イグニッションオンかつ車速がゼロのときにのみ電圧均等化動作を行うため、電圧変動がほとんどなく最も安定した状態で均等化ができる。また、走行中に比べ回路入力に伝搬、輻射されるノイズが少ない。そのため、アイドリング中であれば、電流も小さくノイズも小さいので、非常に安定した状態で制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタ装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタ装置の回路図である。
【図３】制御部１４の具体例を示す構成図である。
【図４】充放電処理プログラムに基づく処理のフローチャートである。
【図５】各電気二重層キャパシタの端子間電圧Ｖｃが、ハイブリッド車両が走行中において時間経過と共に、変化する状態を示すグラフである。
【符号の説明】
１０                      電気二重層キャパシタ装置
１１−１，・・・１１−ｎ  電気二重層キャパシタ
１２−１，・・・１２−ｎ  放電制御回路
１３−１，・・・１３−ｐ  充電回路
１４ａ                    ＣＰＵ
１４ｂ                    メモリ
１６                      制御装置
１７                      モータ
１８                      電力回路
１９                      ブリッジ回路
１９ｂ                    コンデンサ
２０−１，・・・２０−ｎ  放電回路
２１−１，・・・２１−ｎ  電圧均等化回路
２２−１，・・・２２−ｐ  キャパシタブロック
２３−１，・・・２３−ｎ  バイポーラトランジスタ
２５−１，・・・２５−ｎ  コンパレータ
２８−１，・・・２８−ｐ  ＡＮＤ回路
２９−１，・・・２９−ｐ  バイポーラトランジスタ
３０−１，・・・３０−ｐ  フォトカップラ
３１−１，・・・３１−ｐ  トランス
３２−１，・・・３２−ｐ  スイッチ
３３−１，・・・３３−ｐ  バイポーラトランジスタ
３５−１，・・・３５−ｐ  フォトカップラ
【図１】
2004273796.tif 000003
【図２】
2004273796.tif 000004
【図３】
2004273796.tif 000005
【図４】
2004273796.tif 000006
【図５】
2004273796.tif 000007