(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のキャパシタからなり、各キャパシタに端子電圧を初期化設定電圧と比較して初期化レベル到達を判定した初期化レベル検出信号を出力し、初期化スイッチがオンのとき前記初期化レベル検出信号により充電電流をバイパスする並列モニタを接続したキャパシタ蓄電装置において、
前記複数のキャパシタのいずれかの並列モニタの初期化レベル到達を判定した初期化レベル検出信号により各並列モニタの初期化スイッチを一定の時間だけオンにして、前記一定の時間後の前記複数のキャパシタからなる全電圧を測定し、使用環境に応じた使用電圧と前記初期化設定電圧との比を前記測定した全電圧に乗じて満充電全電圧を求め、前記満充電全電圧に達するまで充電を行う充電制御手段を備え、使用環境に応じて満充電全電圧を変えるように構成したことを特徴とする可変電圧キャパシタ蓄電装置。
【請求項２】
前記並列モニタは、前記端子電圧を初期化設定電圧と比較する第１のコンパレータ、前記端子電圧をキャパシタの最大使用電圧より高い設定電圧と比較する第２のコンパレータ、及び前記端子電圧をゼロ付近の設定電圧と比較する第３のコンパレータを有し、前記充電制御手段は、前記第２のコンパレータ及び第３のコンパレータの信号により異常を検出することを特徴とする請求項１記載の可変電圧キャパシタ蓄電装置。
【請求項３】
前記使用環境は、環境温度であり、前記充電制御手段は、低温で前記使用環境に応じた使用電圧を上げることを特徴とする請求項１記載の可変電圧キャパシタ蓄電装置。
【請求項４】
前記使用環境は、要求される蓄電量であり、前記充電制御手段は、前記蓄電量の大小に応じて前記使用環境に応じた使用電圧の大小を制御することを特徴とする請求項１記載の可変電圧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】
本発明は、複数のキャパシタからなり、各キャパシタに充電電圧をモニタし充電レベルの均等化を行うための並列モニタを接続したキャパシタ蓄電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の大容量のキャパシタを組み合わせて蓄電装置を構成する際に不可欠な条件として、キャパシタの直列接続時に生ずる、負担電圧の均等化の問題がある。本発明者らはかねてから、電気二重層キャパシタを用い電子回路を組み合わせたＥＣＳ（Energy Capacitor System)と称する蓄電システムを提案し（例えば岡村廸夫著「電気二重層キャパシタと蓄電システム」日刊工業新聞社１９９９年３月３１日初版第１刷発行  ｐ６〜１４、ｐ１４５〜１５９、特開２００１−１８６６８１号公報参照）、実用に供している。ＥＣＳでは、直列接続される個々のキャパシタに電圧監視制御装置としての並列モニタを接続して初期化レベル、満充電レベルの検出を行い、キャパシタの耐電圧の範囲で最大限の充電が可能となるようにしている。
【０００３】
図５は並列モニタを備えたキャパシタ蓄電装置の従来例を示す図であり、１１は充電器、１２、１３はコンパレータ、１４、１５はオアゲート、Ｃはキャパシタ、Ｒは抵抗、Ｔｒはトランジスタ、Ｓ１は初期化スイッチ、Ｖful は満充電設定電圧、Ｖini は初期化設定電圧を示す。
【０００４】
従来の並列モニタは、図５に示すように初期化レベル検出用と満充電レベル検出用に別々のコンパレータ１２、１３を有する。初期化レベル検出用のコンパレータ１２は、初期化設定電圧Ｖini と比較して初期化レベル到達を判定し、モニタ信号として初期化レベル検出信号Ｉを出力し、初期化動作時に、充電電流をバイパスするようにキャパシタＣに並列接続したトランジスタＴｒの動作を制御することにより、充電レベルの均等化を行う。
【０００５】
初期化スイッチＳ１は、初期化制御信号S によりキャパシタＣの初期化動作のオン／オフを行うものであり、初期化モードが選択されたときオンになる。トランジスタＴｒと抵抗Ｒは、キャパシタＣの初期化を行う際に、キャパシタＣの端子電圧が初期化設定電圧Ｖini 以上になると充電電流のバイパス回路を構成し、そのバイパス電流を制限する。つまり充電電流の一部をバイパスするものであり、その電流を設定するのが抵抗Ｒである。
【０００６】
満充電レベル検出用のコンパレータ１３は、満充電レベル到達を検出する電圧検出手段として用い、初期化設定電圧Ｖini より高い満充電設定電圧Ｖful と比較し、モニタ信号として満充電レベル検出信号Ｆを出力して、充電器１１により満充電レベル検出信号Ｆに基づき充電制御を行う。
【０００７】
オアゲート１４は、コンパレータ１２の初期化レベル検出信号Ｉをオア論理処理し、オアゲート１５は、コンパレータ１３の満充電レベル検出信号Ｆをオア論理処理するものである。充電器１１は、直列接続された複数のキャパシタＣに対する充電を行うものであり、これらオアゲート１４、１５の信号を入力して初期化の実行、充電の停止等の判断を行う。
【０００８】
例えば初期化充電を行う場合、充電器１１は、初期化制御信号Ｓにより初期化スイッチＳ１をオンにして充電を開始し、各キャパシタのコンパレータ１２の初期化レベル検出信号Ｉをオア論理処理して取り出すことにより、複数のキャパシタのうちのいずれかで充電電流のバイパス動作が開始したことを判定し、コンパレータ１３の満充電レベル検出信号Ｆをオア論理処理して取り出すことにより、複数のキャパシタのうちのいずれかが満充電に達したことを判定して、あらゆる充電を終了する。
【０００９】
したがって、初期化設定電圧Ｖini が満充電設定電圧Ｖful より低い電圧に設定され、初期化スイッチＳ１がオンのときの充電では、早く初期化設定電圧Ｖini まで充電されたキャパシタより順次トランジスタＴｒと抵抗Ｒからなるバイパス回路により充電電流の一部がバイパスされて充電速度を落とし、いずれかのキャパシタが満充電になると、充電器１１により定電流による充電を停止し、必要に応じて緩和充電を行う。
【００１０】
しかし、ＥＣＳの用途の拡大に伴って、場合により使用条件によって満充電電圧を変化させたいという要求が起こり、本発明者によって２つの提案がなされている。その１つは、外部からパルス信号をコンデンサ結合を介して並列モニタに送り、そのパルスの形状によって並列モニタの設定値を変化させる方法（特開平８−２３７８６１号公報、米国特許第５，７２６，５５２号明細書参照）であり、結合方法を変えれば誘導結合、光電結合などを介して並列モニタの設定電圧を遠隔制御することが可能である。もう１つは、直列にされたキャパシタの総電圧をサンプルホールドし必要があればデジタル量で記憶し、その電圧を基準にして以後の制御を行うという方法（特開２０００−２１７２５１号公報参照）であり、任意の電圧を基準にした制御法を提供している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、並列モニタとして各種の発展型をこれまでに提案している。その原理は、上記のように総てのキャパシタ単セルの充電電圧の上限を一定値にクランプして、あるいはクランプするのと等価になる動作を与えて、そこを基準にして放電及び充電を繰り返すという方法であった。この方法において、通常、クランプ電圧は設計時に定めた一定値となり、動作条件やユーザの要求によって上下に変化させるという性質のものではなかった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、使用環境に応じた充電レベルの制御及び異常検出を可能にするものである。
【００１３】
そのために本発明は、複数のキャパシタからなり、各キャパシタに端子電圧を初期化設定電圧と比較して初期化レベル到達を判定した初期化レベル検出信号を出力し、初期化スイッチがオンのとき前記初期化レベル検出信号により充電電流をバイパスする並列モニタを接続したキャパシタ蓄電装置において、前記複数のキャパシタのいずれかの並列モニタの初期化レベル到達を判定した初期化レベル検出信号により各並列モニタの初期化スイッチを一定の時間だけオンにして、前記一定の時間後の前記複数のキャパシタからなる全電圧を測定し、使用環境に応じた使用電圧と前記初期化設定電圧との比を前記測定した全電圧に乗じて満充電全電圧を求め、前記満充電全電圧に達するまで充電を行う充電制御手段を備え、使用環境に応じて満充電全電圧を変えるように構成したことを特徴とする。
【００１４】
前記並列モニタは、前記端子電圧を初期化設定電圧と比較する第１のコンパレータ、前記端子電圧をキャパシタの最大使用電圧より高い設定電圧と比較する第２のコンパレータ、及び前記端子電圧をゼロ付近の設定電圧と比較する第３のコンパレータを有し、前記充電制御手段は、前記第２のコンパレータ及び第３のコンパレータの信号により異常を検出することを特徴とする。
【００１５】
前記使用環境は、環境温度であり、前記充電制御手段は、低温で前記使用環境に応じた使用電圧を上げることを特徴とする。
【００１６】
【請求項４】  前記使用環境は、要求される蓄電量であり、前記充電制御手段は、前記蓄電量の大小に応じて前記使用環境に応じた使用電圧の大小を制御することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る可変電圧キャパシタ蓄電装置の実施の形態を説明するための図、図２は本発明に係る可変電圧キャパシタ蓄電装置による充電及び初期化の制御手順を説明するための図、図３は本発明に係る可変電圧キャパシタ蓄電装置の動作電圧配分の例を示す図である。図中、１は温度センサ、２は蓄電要求部、３は充電制御部、４はキャパシタ蓄電部、１１は充電器、１２、はコンパレータ、１４はオアゲート、Ｃはキャパシタ、Ｒは抵抗、Ｔはトランジスタを示す。
【００１８】
図１（Ａ）において、温度センサ１は、蓄電装置周囲の環境温度を検出するものであり、蓄電要求部２は、蓄電装置として要求される蓄電量を設定するものである。充電制御部３は、温度センサ１により検出された環境温度、蓄電要求部２により要求される蓄電量に応じて満充電レベルを算定し、その満充電レベルにキャパシタ蓄電部５を制御するものであり、例えば環境温度が低温度になると、その温度範囲に応じて高い満充電レベルを算定する。キャパシタ蓄電部５は、複数のキャパシタＣを直列或いは直並列に接続して蓄電し、蓄電したエネルギーを放電して負荷へ給電するものである。
【００１９】
上記本発明に係る可変電圧キャパシタ蓄電装置では、従来のＥＣＳにおける「使いながら初期化する」方式をそのまま用いると、例えば図１（Ｂ）に示すように従来の初期化レベル検出用のコンパレータ１２の初期化レベル検出信号Ｉを利用し、一定時間の初期化を行ったときの充電全電圧Ｖitと使用環境に応じて選択、設定される満充電電圧Ｖf から満充電全電圧Ｖm を算出して充電を制御する。いま、並列モニタに対する電圧の設定例として、初期化設定電圧Ｖini を２．２Ｖ、満充電電圧Ｖf を初期化設定電圧Ｖini に等しい２．２Ｖの他、２．５Ｖ、２．７５Ｖ、３．０Ｖの場合について説明する。
【００２０】
充電及び初期化の手順は、図２に示すように定常の充電において、直列に接続されたキャパシタＣの充電電圧のいずれか１個が初期化設定電圧Ｖini に達すると（ステップＳ１１）、初期化レベル検出用のコンパレータ１２が作動し、初期化レベル検出信号Ｉがモニタ信号として充電器１１に送出される。
【００２１】
充電器１１は、その時点から一定の時間ｔp 、例えば５秒間だけ初期化制御信号Ｓをオンにする（ステップＳ１２）。そして、時間ｔp 後に全電圧Ｖitを測定してその結果を記憶し（ステップＳ１３）、単セルの電圧ではなく直列に接続されたキャパシタの全電圧となる満充電全電圧Ｖm を次の〔数１〕で計算する（ステップＳ１４）。
【００２２】
〔数１〕
Ｖm ＝Ｖit×（３．０Ｖ／２．２Ｖ）
ただし、単セル電圧を３．０Ｖまで使う場合である。上記〔数１〕の３．０Ｖを２．７５Ｖあるいは２．５Ｖに変えれば、それらの場合も算出できる。
【００２３】
こうして算出された満充電全電圧Ｖm を目標値として、全電圧Ｖx を測定し（ステップＳ１５）、Ｖm ≦Ｖx の判定を行って（ステップＳ１６）、測定した全電圧Ｖx が目標値の満充電全電圧Ｖm に達するまで充電を行う。満充電全電圧Ｖm に達したところで定電流充電から定電圧充電（緩和充電）に切り替え、次に放電が始まるまで緩和充電を継続する（ステップＳ１７）。
【００２４】
上記のような充電による電圧のトレースを示したのが図３であり、初期化がキャパシタＣの充電電圧のいずれか１個が初期化設定電圧Ｖini に達した時点から一定の時間ｔp であり、満充電Ｃが３．０Ｖで、例えば−２０℃といった厳寒時の容量低下を防ぐための設定であったとすると、これに対する常温２０℃〜３０℃の環境では満充電Ａの２．５Ｖで運転したい場合には、〔数１〕の３．０Ｖを２．５Ｖに代えてＶm を求めここれが満充電全電圧となるように充電器を制御すればよい。
【００２５】
以上に述べたようにして、「使いながら初期化する」方式を用い初期化電圧を代えないで、満充電全電圧Ｖm だけを変更することにより初期化設定電圧Ｖini 以上の任意の電圧にキャパシタを安全に充電することができる。この場合、用途に応じたインターロック、例えばハイブリッド電気自動車の場合、（ａ）充電が放電に切り替わった、（ｂ）回生制動で大電流充電に入った、（ｃ）ハンティング防止のため初期化後の３０秒間、などの条件では初期化を中止するといった制御を採り入れる。
【００２６】
初期化は、キャパシタの充電電圧が初期化設定電圧Ｖini で行われるので、それ以上まで充電されるのであれば、初期化の機会は充電のサイクルごとに発生するので、キャパシタ単セル間の電圧バラツキは、使用中に次第に減少させることができる。
【００２７】
初期化が完全に行われているか、それとも各キャパシタの電圧が大きくばらついているのかの判定は、直列セル数をｎとすると、Ｖini とｎとの積を、単セルのどれかが初期化設定電圧Ｖini に到達した時に発せられる初期化レベル検出信号Ｉによって検出が行われる全電圧Ｖitと比較することにより行うことができる。もしも初期化が完全であれば総ての単セルはＶini に達しているから初期化率ｐ＝Ｖit／（ｎ×Ｖini ）＝１００％となるが、Ｖini より電圧の低いセルが含まれていればその程度に応じてｐは小さくなる。
【００２８】
次に、異常検出回路と組み合わせた他の実施の形態について説明する。図４は本発明に係る可変電圧キャパシタ蓄電装置の他の実施の形態を説明するための図であり、１３、１６はコンパレータ、１５はオアゲートを示す。
【００２９】
図４において、充電器１１は、図１（Ｂ）に示した初期化レベル検出用のコンパレータ１２の初期化レベル検出信号Ｉを入力し、初期化制御信号Ｓを出力すると共に、異常検出信号Ｆを入力するものである。コンパレータ１３は、従来の満充電レベル検出用のコンパレータに相当し、満充電設定電圧Ｖful に代えて図３に示すＶh （キャパシタの最大使用電圧以上）を設定するものである。コンパレータ１６は、検出レベルを電圧ゼロ付近の図３に示すＶb に設定するコンパレータである。つまり、ここでは、複数のキャパシタのうちのいずれか１個のキャパシタ単セルでもＶh 、Ｖb を検出すると、異常検出信号Ｆが出力される。
【００３０】
図３に点線で示すように、Ｖh はキャパシタの最大使用電圧より上、Ｖb は電圧ゼロ付近に設定することにより、正常な動作をしている限り、これらの設定された範囲から外れることはなく、異常検出信号Ｆを受信するときは、Ｖh 〜Ｖb の範囲を逸脱した異常状態になることを示す。Ｖh を越えてコンパレータ１３からの異常検出信号Ｆが出力されるのは充電時であり、Ｖb を割ってコンパレータ１６からの異常検出信号Ｆが出力されるのは放電時であるので、独立の配線は必要としないので、図４に示すようにコンパレータ１３、１６の出力を独立に取り出さずに、オアゲート１５を用いることができ、並列モニタの配線を簡潔にすることができる。
【００３１】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、満充電レベル検出用のコンパレータを異常検出用のコンパレータとして用いたが、勿論、従来のように満充電レベル検出用として用い、満充電設定電圧を使用環境に応じて変えるようにしてもよい。また、本発明者等が先に提案したバンク切り替え方式（例えば米国特許第５，７３４，２０５号明細書、特開平８−１６８１８２号公報参照）などと併用し、バンク切り替えの閾値を決定する基準電圧に満充電全電圧Ｖm を用いてもよい。この場合、満充電全電圧Ｖm は一定とは限らず初期化の状態によって変化するので、常時Ｖm の値を基準にしてバンク切り替えの電圧を求めるようにして使用すればよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数のキャパシタからなり、各キャパシタに端子電圧を初期化設定電圧と比較して初期化レベル到達を判定した初期化レベル検出信号を出力し、初期化スイッチがオンのとき初期化レベル検出信号により充電電流をバイパスする並列モニタを接続したキャパシタ蓄電装置において、複数のキャパシタのいずれかの並列モニタの初期化レベル到達を判定した初期化レベル検出信号により各並列モニタの初期化スイッチを一定の時間だけオンにして、一定の時間後の複数のキャパシタからなる全電圧を測定し、使用環境に応じた使用電圧と初期化設定電圧との比を測定した全電圧に乗じて満充電全電圧を求め、満充電全電圧に達するまで充電を行う充電制御手段を備え、使用環境に応じて満充電全電圧を変えるように構成したので、周囲温度の検出や要求される蓄電量の設定による使用環境に応じて満充電電圧を変え、厳冬期あるいは寒冷地では使用電圧を上げて容量の低下を防ぎ、酷暑の地域では、満充電電圧を下げて劣化を防ぐことができる。
【００３３】
並列モニタは、設定された初期化レベルの電圧を検出するコンパレータ及びコンパレータの出力を制御入力とするキャパシタのバイパス回路を有し、充電制御手段は、複数のキャパシタのいずれかより初期化レベルが検出されたことを条件に制御入力を一定時間オンにし、該一定時間後の全電圧に基づき満充電全電圧を設定し、該満充電全電圧を使用環境に応じて制御することにより、１つのコンパレータを用いた簡単な構成で使用環境に応じたレベルの充電と初期化を行うことができる。
【００３４】
また、並列モニタは、キャパシタの最大使用電圧より高い電圧を検出する第２のコンパレータ及びゼロ付近の電圧を検出する第３のコンパレータを有し、充電制御手段は、第２のコンパレータ及び第３のコンパレータの信号により異常を検出することにより、コンパレータを追加するだけの簡単な構成の追加で異常の検出を行うことができる。
【００３５】
使用環境は、環境温度であり、充電制御手段は、低温で充電レベルを上げ、使用環境は、要求される蓄電量であり、充電制御手段は、蓄電量の大小に応じて充電レベルの大小を制御するので、厳冬期あるいは寒冷地では使用電圧を上げて容量の低下を防ぎ、酷暑の地域では、満充電電圧を下げて劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る可変電圧キャパシタ蓄電装置の実施の形態を説明するための図である。
【図２】  本発明に係る可変電圧キャパシタ蓄電装置による充電及び初期化の制御手順を説明するための図である。
【図３】  本発明に係る可変電圧キャパシタ蓄電装置の動作電圧配分の例を示す図である。
【図４】  本発明に係る可変電圧キャパシタ蓄電装置の他の実施の形態を説明するための図である。
【図５】  並列モニタを備えたキャパシタ蓄電装置の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１…温度センサ、２…蓄電要求部、３…充電制御部、４…キャパシタ蓄電部、１１…充電器、１２、…コンパレータ、１４…オアゲート、Ｃ…キャパシタ、Ｒ…抵抗、Ｔ…トランジスタ
【図１】
0003963343.tif 000002
【図２】
0003963343.tif 000003
【図３】
0003963343.tif 000004
【図４】
0003963343.tif 000005
【図５】
0003963343.tif 000006