(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機として機能する電動機を駆動力源として備える車両のキャパシタ蓄電装置であって、前記電動機を用いて充電する直列接続された複数のキャパシタセルを備え、各キャパシタセルの分担電圧のばらつきが前記車両の通常走行状態で補正されるキャパシタ蓄電装置において、
前記複数のキャパシタセルに並列に設けられて、該キャパシタセルの充電電流の一部をバイパスするバイパス回路と、
前記複数のキャパシタセルのうち、最高電圧Vmaxと最低電圧Vminとを検出し、その電圧差ΔVをΔV=Vmax-Vminにより算出する手段と、
算出された電圧差ΔVが予め定める規定値Vk以内か否かを判定する手段と、
電圧差ΔVが規定値Vkより大きい場合に、前記直列接続された複数のキャパシタセルの総電圧Vtを検出し、その平均電圧Vmeanを前記直列接続された複数のキャパシタセルの数ｎを用いてVmean=Vt/nにより算出する手段と、
算出された平均電圧Vmeanと前記規定値Vkを用いて判定基準電圧VaをVa=Vmean+Vk/2により算出する手段と、
前記複数のキャパシタセルのうち、セル電圧が前記判定基準電圧Va以上であるキャパシタセルを検出する手段と、
前記セル電圧が判定基準電圧Va以上であるキャパシタセルについて前記バイパス回路が充電電流の一部を一定時間経過するまでバイパスして、前記複数のキャパシタセルの分担電圧の分布範囲が前記規定値Vk以下になるように均等化する電圧制御手段と、
を設けたことを特徴とするキャパシタ蓄電装置。
【請求項２】
前記電圧制御手段は、さらにバイパスが終了してから所定時間経過したか否かを判定し、前記所定時間経過している場合に次のバイパスを開始することを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ蓄電装置。
【請求項３】
前記キャパシタ蓄電装置の充放電状態を検出する手段を備え、
前記キャパシタ蓄電装置が充電状態でありかつその充電電流が所定充電電流以下の場合のみ、バイパス回路が、該キャパシタセルの充電電流の一部をバイパスすることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蓄電装置を電源として使用する電気自動車及びハイブリッド車に適用できるキャパシタ蓄電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両走行用の動力源として内燃機関（エンジン）と、発電可能な電動機（モータジェネレータ）とを備えるハイブリッド車両の開発が進められている。
【０００３】
キャパシタを用いた蓄電装置（キャパシタ蓄電装置）は、急速充電可能で、充放電サイクル寿命も長いため、ハイブリッド車両の電源装置として注目されている。一般に、キャパシタ蓄電装置では、定格が同じキャパシタを用いても、静電容量、内部抵抗、漏れ電流のばらつきにより、充放電を繰り返すと直列に接続した各キャパシタの分担電圧（セル電圧）に不均衡を生じ、一部のキャパシタが過充電され破損する問題がある。そのため、キャパシタの破損を防止しつつ定格電圧まで充電するための特別な装置が必要となっていた。
【０００４】
このような装置が、例えば、特開平６−３４３２２５公報において公開されている。この蓄電装置は、定電流源を持ち、蓄電装置内の回路素子で規定された一定の電圧（定格電圧又はそれ以下の所定電圧のいずれか一方）でキャパシタを均等化（初期化）する機能を備えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この蓄電装置をハイブリッド車両で使用する場合、分担電圧を均等化するための定期的な充電が必要となる他、車両始動前に均等化のための時間が取られ、自動車としての機能を害する恐れがある。また、車両外部の充電設備も必要となる問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、分担電圧を均等化するための特別な装置や特別な時間を要することなく、各キャパシタセルの分担電圧のばらつきを通常走行状態で補正する車両用のキャパシタ蓄電装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、第１の発明は、発電機として機能する電動機を駆動力源として備える車両のキャパシタ蓄電装置であって、前記電動機を用いて充電する直列接続された複数のキャパシタセルを備え、各キャパシタセルの分担電圧のばらつきが前記車両の通常走行状態で補正されるキャパシタ蓄電装置において、前記複数のキャパシタセルに並列に設けられて、該キャパシタセルの充電電流の一部をバイパスするバイパス回路と、前記複数のキャパシタセルのうち、最高電圧Vmaxと最低電圧Vminとを検出し、その電圧差ΔVをΔV=Vmax-Vminにより算出する手段と、算出された電圧差ΔVが予め定める規定値Vk以内か否かを判定する手段と、電圧差ΔVが規定値Vkより大きい場合に、前記直列接続された複数のキャパシタセルの総電圧Vtを検出し、その平均電圧Vmeanを前記直列接続された複数のキャパシタセルの数ｎを用いてVmean=Vt/nにより算出する手段と、算出された平均電圧Vmeanと前記規定値Vkを用いて判定基準電圧VaをVa=Vmean+Vk/2により算出する手段と、前記複数のキャパシタセルのうち、セル電圧が前記判定基準電圧Va以上であるキャパシタセルを検出する手段と、前記セル電圧が判定基準電圧Va以上であるキャパシタセルについて前記バイパス回路が充電電流の一部を一定時間経過するまでバイパスして、前記複数のキャパシタセルの分担電圧の分布範囲が前記規定値Vk以下になるように均等化する電圧制御手段と、を設けたことを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、前記電圧制御手段は、さらにバイパスが終了してから所定時間経過したか否かを判定し、前記所定時間経過している場合に次のバイパスを開始することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、前記キャパシタ蓄電装置の充放電状態を検出する手段を備え、前記キャパシタ蓄電装置が充電状態でありかつその充電電流が所定充電電流以下の場合のみ、バイパス回路が、該キャパシタセルの充電電流の一部をバイパスすることを特徴とする。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明においては、前記セル電圧が判定基準電圧Va以上であるキャパシタセルについて前記バイパス回路が充電電流の一部を一定時間経過するまでバイパスして、前記複数のキャパシタセルの分担電圧の分布範囲が前記規定値Vk以下になるように均等化する電圧制御手段により、特別な装置や特別な時間を要することなく、バイパス回路への負担を最小限にしながら、徐々にキャパシタセルのセル電圧のばらつきを補正することができる。
【００１６】
第２の発明においては、さらに、バイパス回路の発熱と電力消費をさらに抑えることができる。
【００１７】
第３の発明においては、大電流での充電時にバイパス処理を避けることで、バイパス回路を大規模化、大容量化する必要がなくなり、簡単なバイパス回路を用いることが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図1を参照して、本発明の一実施形態に係るハイブリッド車両のハイブリッドシステムについて説明する。
【００２４】
本ハイブリッドシステムは、発電機としても機能する電動機（モータジェネレータ）１、モータジェネレータ１の駆動用インバータ２、ハイブリッド電子制御ユニット（ハイブリッドECU)３、車両電装系（各車載装置）に電力を供給するバッテリ４、キャパシタ蓄電装置１０を具備する。
【００２５】
モータジェネレータ１は、車両の減速運転時には発電機として機能し、車両の慣性エネルギーを回生して発電を行い、キャパシタ蓄電装置１０内のキャパシタ３０を充電する。また、モータジェネレータ１は、車両の発進、加速時に、キャパシタ蓄電装置１０を電力源とする電動機として機能し、駆動トルクを車両の駆動系に供給する。
【００２６】
ハイブリッドECU３は、ハイブリッド車両の全体的な制御を行い、エンジン制御とモータジェネレータ制御等のほか、キャパシタ蓄電装置１０へ取得した車両情報の送出を行う。
【００２７】
キャパシタ蓄電装置１０は、複数個（ｍ個）のキャパシタモジュール１１（MDL1〜MDLm）、主回路遮断コンタクタ１４、主回路ヒューズ１５、総電圧検出アンプ１６、主回路電源線(+)１７、主回路電源線(-)１８、通信ネットワーク２１を具備する。
【００２８】
直列接続された複数個のキャパシタモジュール１１が、電力供給系の主電源を構成しており、主回路遮断コンタクタ１４は、コイルの励磁と非励磁により、キャパシタモジュール１１からインバータ２に至る主回路（高圧系回路）をオンオフする。なお、キャパシタモジュールを直並列接続し、主電源を構成しても良い。
【００２９】
キャパシタモジュール１１は、複数（ｎ個）のキャパシタセル３０と電圧コントローラ４０から構成される。キースイッチ５の投入により主回路遮断コンタクタ１４をオンし主電源からの電力をインバータ２に供給すると、モータジェネレータ１が駆動可能な状態となる。またキースイッチ５の投入によって、バッテリ４から、ハイブリッドECU３など各部回路に電力が供給される。
【００３０】
各キャパシタモジュール１１の情報は、通信ネットワーク２１を介して逐次ハイブリッドECU３に送信される。また、ハイブリッドECU３は、通信ネットワーク２１を介して、各キャパシタモジュール１１に各種指令信号や車両情報を送出する。通信ネットワーク２１には終端抵抗２２が備えられる。
【００３１】
総電圧検出アンプ１６は、主電源の電圧（直列接続されたキャパシタモジュールの総電圧）を主回路と絶縁した総電圧信号に変換し、ハイブリッドECU３に出力する。ハイブリッドECU３は、この総電圧信号等に基づき、各種判断を実施し各モジュールに各種指令を行う。
【００３２】
次に図２を参照して、本発明の一実施形態に係るキャパシタモジュールについて詳細に説明する。
【００３３】
キャパシタモジュール１１は、直列接続された複数（ｎ個）のキャパシタセル３０（C1〜Cn）と電圧コントローラ４０から構成される。各キャパシタセル３０は、１個のキャパシタから構成してもよいし、複数のキャパシタを並列接続したものを１つのキャパシタセルとみなしてもよい。キャパシタとして、例えば、大容量の電気二重層コンデンサが用いられる。
【００３４】
電圧コントローラ４０は、電流制限用抵抗４１とバイパストランジスタ４２とからなるバイパス回路５０、OR回路４３、コンパレータ４４、バイパス基準電圧発生手段４５、セル電圧検出切替え回路４６、絶縁アンプ４７、AD変換回路４８、バイパス切替え回路４９、切替え信号出力回路５１、データ通信回路５２、中央演算処理装置（CPU)５３、読み出し専用メモリ(ROM)５４、ランダムアクセスメモリ(RAM)５５とを、備えている。
【００３５】
コンパレータ４４は、キャパシタセルの分担電圧と一定のバイパス基準電圧とを比較する。そして、充電によってキャパシタセル３０の分担電圧がバイパス基準電圧発生手段４５で設定される電圧以上になると、バイパス指令を出力する。なお、バイパス基準電圧は、キャパシタセルの耐電圧付近（使用可能な最大電圧）、例えば2.7Vに設定される。
【００３６】
バイパストランジスタ４２は、OR回路４３のオン出力により、ベース電圧が印加されると、バイパス回路５０を導通させる。バイパス指令は、OR回路４３を介しバイパストランジスタ４２をオンし、キャパシタセルの充電電流の一部をバイパスさせる。このバイパス判断は、キャパシタセルそれぞれについて行われる。このようにして、各キャパシタセルの電圧を、使用可能な最大電圧に制限し均等化することができる。
【００３７】
本発明のキャパシタ蓄電装置は、最大電圧に均等化する回路だけでなく、任意の電圧でキャパシタセルの電圧を均等化する回路を備えている。これについて以下に説明する。
【００３８】
セル電圧切替え回路４６は、AD変換回路４８で電圧が読み込まれる対象のキャパシタセルを、切替え信号出力回路５１からの信号に基づいて、逐次切替える。AD変換回路４８から、デジタル化された電圧信号がCPU５３に取り込まれる。この時、絶縁アンプ４７により、キャパシタセルを含む主電源系回路とAD変換回路４８は絶縁されている。
【００３９】
CPU５３は、データ通信回路２１から取得した車両情報とモジュール内の各キャパシタセルの電圧に基づいてバイパスの判断を行う。又、CPU５３は、切替え信号出力回路５１を介して、バイパス切替え回路４９に切替え信号を送出する。この切替え信号に基づき、バイパス切替え回路４９は、バイパスが必要になったセルに対し、バイパス指令を出力する。バイパス指令は、コンパレータ４４からのバイパス指令とのＯＲをとるＯＲ回路４３を介しトランジスタ４２をオンさせる。このようにして、キャパシタセルの充電電流の一部がバイパス回路５０を流れるバイパス処理が行われる。
【００４０】
以下に、電圧コントローラ内の中央演算処理装置CPU５３が実行する具体的なバイパス制御ルーチンを、図３から図５のフローチャートに基づいて説明する。なお、
このバイパス制御ルーチンは、ROM５４に格納されているプログラムに基づいて実行される。
【００４１】
まず図３を参照して、バイパス制御の基本ルーチンを説明する。このルーチンは、タイマ割り込み処理等により所定時間間隔で実行される。
【００４２】
まず、ステップS1において、CPU５３は、通信ネットワーク２１からキャパシタ蓄電装置10の充放電状態の情報を取得する。充放電状態の情報は、例えばインバータ２を介してハイブリッドECU３が検出し、通信ネットワーク２１に送出することができる。
【００４３】
次いでステップS2において、キャパシタ蓄電装置１０が充電状態であり、かつ充電電流が所定電流値以下であるか否かを判断する。大電流でない充電状態（つまり充電電流が所定電流値以下である）と判断された場合は、ステップS3のバイパス判定処理及びバイパス指令処理を実行した後、終了する。充電状態でない場合、或いは所定電流値より大きい充電電流での充電状態である場合は、バイパス処理を行わずルーチンを終了する。大電流での充電時にバイパス処理を避けることで、バイパス回路を大規模化、大容量化する必要がなくなり、簡単なバイパス回路を用いることが可能になる。
【００４４】
図４を参照して、ステップS3のサブルーチンについて説明する。ここでは、バイパス判定処理及びバイパス指令処理が実行される。
【００４５】
まず、ステップS11において、各セルのバイパス処理を実行するかどうか判定する際に使用する判定基準電圧Vaを決定する。なお、判定基準電圧決定ルーチンは後述する図５のフローチャートに示す。
【００４６】
ステップS12において、１番目からｎ番目までのキャパシタセル（C1〜Cn）のバイパス判定を開始するに際して、キャパシタセルの番号を示す変数i（1(i(n）に１を設定する。
【００４７】
ステップS13においてi番目のキャパシタセルの電圧V(i)が判定基準電圧Vaより小さい場合は、ステップS17に進んでバイパス指令出力はオフされ、バイパスは行われない。キャパシタセルの電圧V(i)が判定基準電圧Va以上の場合、ステップS14に進んで、i番目のセルのバイパスが終了してから所定時間Taが経過したかどうか判断する。所定時間Ta経過している場合、ステップS15に進みバイパスを開始する。
【００４８】
このようにして、バイパスを行う時間間隔を所定時間Taあける事により、バイパストランジスタ４２の発熱と電力消費を抑えることができる。
【００４９】
ステップS14で判断が否の場合は、バイパスは行わずステップS1７に進んでバイパス指令はオフの状態になり、その後ステップS18において全セルの処理が終了したかどうか（つまりi＝ｎかどうか）を判断する。
【００５０】
ステップS15では、バイパス切替え回路４９からのバイパス指令に基づいて、i番目のセル（Ci)の充電電流のバイパスが開始される。
【００５１】
次に、ステップS16において、このバイパスが一定時間Tbの間実行されたかどうかを判定する。バイパスが開始してから一定時間Tb経過した場合は、ステップS17においてバイパス指令をオフし、バイパスを終了する。
【００５２】
ステップS16において一定時間Tb経過していない場合は、ステップS18に進んで全セルの処理が終了したかどうか判断する。ステップS18で判断が否の場合、ステップS19に進んでセルの番号を示すiに１を加え、その後ステップS13に戻って次の（i+1）番目のセルが判定基準電圧Va以上かどうか判定する。
【００５３】
図５は、バイパスの判定基準電圧決定ルーチンを示したものである。まず、ステップS21において、キャパシタセルの最高電圧及び最低電圧の判定を行うにあたり、セルの番号iに１をセットする。
【００５４】
次にステップS22において、以下のようにキャパシタセルの最低電圧Vminと最高電圧Vmaxの検出処理を行う。
【００５５】
まずi番目のキャパシタセルのセル電圧V(i)が最低電圧Vmin以下かどうか判定する。最低電圧以下である場合は、最低電圧Vminをセル電圧V(i)とする（つまりVmin＝V(i)）。最低電圧以下でない場合は、i番目のセル電圧V(i)が最高電圧Vmax以上かどうか判定する。最高電圧以下である場合は、最高電圧Vmaxをセル電圧V(i)とする（つまりVmax＝V(i)）。なお、i＝１の場合は、最低電圧Vminと最高電圧Vmaxはともに、１番目のセル電圧V(1)とする。
【００５６】
続いて、ステップS23で全セルが終了したかどうか判定し、終了していない場合は、ステップS24でセル番号iに１を加え、ステップS22に戻り最低電圧と最高電圧の検出処理を行う。全セル終了した場合は、ステップS25で、最高電圧と最低電圧の差ΔVを計算する（ΔV＝Vmax-Vmin)。
【００５７】
次にステップS26において、その電圧差ΔVが規定値Vｋ以内かどうか判定する。規定値Vｋ以内のときはこのルーチンを終了する。規定値Vｋより大きい場合、ステップS27でモジュールの総電圧Vtを検出した後、ステップS28でモジュールの総電圧Vtをキャパシタモジュール内のキャパシタセルの数ｎで除算してセルの平均電圧Vmeanを計算する（Vmean＝Vt/n)。なお、ステップS28では、キャパシタセルの平均電圧Vmeanは、ハイブリッドECUで検出したキャパシタ蓄電装置の総電圧を、キャパシタ蓄電装置内の全キャパシタセル数で除算して求めても良い。
【００５８】
次に、ステップS29で、セル平均電圧Vmeanと規定値Vkの2分の１を足して判定基準電圧Vaとする（Va＝Vmean+Vk/２）。その後、このルーチンを終了する。
【００５９】
なお、ステップS26において、電圧差ΔVが規定値Vｋより小さい場合、ルーチンはリターンする。
【００６０】
次に、図６を参照して、上記のバイパス制御において補正するキャパシタセルを決定する方法をより詳細に説明する。バイパス処理が行われる前は、モジュール内のキャパシタセルのセル電圧は、図６下図のように平均電圧Vmeanのまわりに分布している。しかし、上記したバイパス処理において、平均電圧Vmeanに対してVk/２以上の電圧をもつキャパシタセル（つまり、Vmean+Vk/２より高い電圧を持つセル）に対する充電電流は、一部バイパス回路を通って流れる。従って、バイパスが繰り返し実行されることにより、セルの電圧は、充電中に時間の経過と共に共に均等化されていく。最終的には、図６上図のようにセル電圧のばらつきΔV（＝Vmax-Vmin）をある一定の条件下（Vk以内）に維持しておくことができる。
【００６１】
規定値Vkの値を例えば、0.1Vに設定すると、各キャパシタセルは、ほとんど同時に最高電圧まで充電することが可能である。従って、キャパシタ蓄電装置は、最大電圧近傍での利用が可能になり、高い効率で運転可能となる。
【００６２】
図７は、バイパスによって補正を行うことにより、電圧のばらつきが規定値Vk以内に補正されていく様子を示したものである。キャパシタセルの電圧が判定基準電圧Vaに達すると、充電電流の一部がバイパス回路を流れ始め、キャパシタセルの電圧の増加は抑えられる。
【００６３】
一定時間Tb経過後バイパスは終了し、その後キャパシタセルの電圧は、バイパスしない場合と同程度の傾きを持って、時間と共に上昇していく。なお、ここでは、一度だけバイパスされる場合を示したが、一定のバイパス時間Tb及びバイパス間隔Taを設けてあり、徐々に分担電圧のばらつきが補正されていく場合もある。
【００６４】
上記のように、本発明のキャパシタ蓄電装置は、キャパシタセル毎の電圧を検出し任意の電圧でキャパシタセルの電圧を均等化する機能を備えている。そのため、特別な装置や特別な時間を要することなく各キャパシタセルの分担電圧のばらつきを車両の走行状態で随時に補正することが充電可能となる。この結果、バイパス回路に過大な電流を流すことなく、キャパシタセルの最高使用電圧まで充電が可能になるため、電圧の二乗に比例する蓄電エネルギーを有効に利用できるようになる。
【００６５】
本発明は、１つのバイパス基準電圧に均等化する回路と、セル毎の電圧を検出し任意の電圧で均等化する２つの回路を設けたが、そのうち任意の電圧で均等化する回路のみで、均等化を行っても良い。つまり、キャパシタセルの電圧を最大電圧に制限する回路を省略し、モータジェネレータに対する通常の充放電制御を行うことにより、キャパシタセルへの充電を最高電圧に制限するようにしても良い。
【００６６】
また本発明は上記実施の形態に限定されない。そして、その技術的な思想の範囲において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るハイブリッドシステムの構成図。
【図２】本発明の一実施形態に係るキャパシタ蓄電装置のキャパシタモジュール構成図。
【図３】バイパス制御の基本ルーチンを示すフローチャート。
【図４】バイパス判定処理及びバイパス指令処理のサブルーチンを示すフローチャート。
【図５】判定基準電圧決定ルーチンを示すフローチャート。
【図６】充電バイパスにおいて補正するキャパシタセルを決定する方法を示す図。
【図７】分担電圧のばらつきが補正されていく様子を示す図。
【符号の説明】
１  モータジェネレータ
２  インバータ
３  ハイブリッドECU
４  バッテリ
１０  キャパシタ蓄電装置
１１  キャパシタモジュール
２１  通信ネットワーク
３０  キャパシタセル
４０  電圧コントローラ
４５  バイパス基準電圧発生手段
４６  セル電圧検出切替え回路
４７  絶縁アンプ
４８  AD変換回路
４９  バイパス切替え回路
５０  バイパス回路
５１  切替え信号出力回路
５３  中央演算処理装置（CPU)
【図１】
0004017831.tif 000002
【図２】
0004017831.tif 000003
【図３】
0004017831.tif 000004
【図４】
0004017831.tif 000005
【図５】
0004017831.tif 000006
【図６】
0004017831.tif 000007
【図７】
0004017831.tif 000008