(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のキャパシタを直並列に接続して蓄電を行うキャパシタ蓄電システムの残量検出装置であって、
低電圧では定抵抗を有し予め設定された電圧で定電圧動作する複数の定電圧制限可変抵抗回路と、
前記複数の定電圧制限可変抵抗回路と直列接続される負荷抵抗と、
電流を検出する電流検出手段と
を備え、前記複数の定電圧制限可変抵抗回路と前記負荷抵抗と前記電流検出手段とを直列にして前記複数のキャパシタのうちの１つのキャパシタの端子間に接続し、前記電流検出手段によりキャパシタ蓄電システムの全キャパシタの残量を検出することを特徴とするキャパシタ蓄電システムの残量検出装置。
【請求項２】
複数のキャパシタを直並列に接続して蓄電を行うキャパシタ蓄電システムの残量検出装置であって、
低電圧では定抵抗を有し予め設定された電圧で定電圧動作する複数の定電圧制限可変抵抗回路と、
前記複数の定電圧制限可変抵抗回路のそれぞれと直列接続される複数の負荷抵抗と、
電流を検出する電流検出手段と
を備え、それぞれ前記負荷抵抗が直列接続された前記複数の定電圧制限可変抵抗回路を並列接続し、該並列接続した回路と前記電流検出手段とを直列にして前記複数のキャパシタのうちの１つのキャパシタの端子間に接続し、前記電流検出手段によりキャパシタ蓄電システムの全キャパシタの残量を検出することを特徴とするキャパシタ蓄電システムの残量検出装置。
【請求項３】
前記定電圧制限可変抵抗回路の前段にボルテージフォロアを接続したことを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ蓄電システムの残量検出装置。
【請求項４】
前記複数のキャパシタは、キャパシタ蓄電システムの出力電圧の変動に応じて直並列切り換え接続されるキャパシタであることを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ蓄電システムの残量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、複数のキャパシタを直並列に接続して蓄電を行うキャパシタ蓄電システムの残量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層キャパシタを使用したＥＣＳ(Energy Capacitor System) による電力貯蔵装置は、電気自動車の電源装置や大規模な電力貯蔵装置として注目されている。電気二重層キャパシタは、鉛電池やニッケル・カドミウム電池のような充電に時間がかかる化学電池と比較して、他のキャパシタと同様に物理的な充電であるため急速充電が可能になる。しかも、電気二重層キャパシタは、短時間に大量にエネルギーが放出できるという化学電池にないメリットを有している。しかし、化学電池は、定電圧デバイスであり、正常な動作範囲では負荷に給電しても、その電池に蓄えられたエネルギー量にかかわらず、端子電圧はほぼ一定の定電圧特性を示すのに対して、電気二重層キャパシタは、電力の貯蔵量を多くしてそれを有効に利用しようとすると、Ｑ＝ＣＶ2 ／２の関係に基づいて端子電圧が大きく変動する特性を持っている。すなわち、電気二重層キャパシタの端子電圧は、蓄積されたエネルギーを放電するにしたがって、満充電電圧からゼロまで大きく変化し、負荷に安定した定格電圧を供給するにはＥＣＳで大幅な出力電圧の調整が必要になる。
【０００３】
ＥＣＳは、キャパシタと並列モニタと電流ポンプからなる電力エネルギー貯蔵システムとして既に各種文献（例えば電子技術、１９９４−１２、ｐ１〜３、電学論Ｂ、１１５巻５号、平成７年  ｐ５０４〜６１０、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など）で紹介されている。ここで、並列モニタは、複数のキャパシタが直並列に接続されたキャパシタバンクの各キャパシタの端子間に接続され、キャパシタバンクの充電電圧が並列モニタの設定値を越えると充電電流をバイパスしたり、満充電を検出したりする装置である。
【０００４】
上記並列モニタを備えたキャパシタバンクは、充電する際にキャパシタバンクの充電電圧が設定値以上に上昇しないように充電電流をバイパスして一定に保ち初期化を行うことができるので、キャパシタバンク内のすべてのキャパシタは、設定された電圧まで均等に充電され、キャパシタの蓄積能力をほぼ１００パーセント発揮させることができる。したがって、並列モニタは、キャパシタの特性のバラツキや残留電荷の大小がある場合にも、最大電圧の均等化、逆流防止、充電終止電圧の検出と制御などを行い、耐電圧いっぱいまで使えるようにするものとして、きわめて大きな役割を持ち、エネルギー密度の有効利用の手段として不可欠な装置である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
キャパシタと電子回路を組み合わせた蓄電システム（ＥＣＳ）の大型化の進行に伴い、そのままでは充放電によっておこる出力電圧の大幅な変化を軽減する手段として、キャパシタの直並列接続切換えなど、キャパシタの接続を切換えて使用する方法が実用化されつつある。しかし、このような電源装置では、電源の蓄積されているエネルギーの残量を正しく表示できないという問題が生じる。すなわち、電気二重層キャパシタ電池では、通常、電圧計を使って端子電圧を検出し残量として表示している。そのため、満充電状態から並列接続でエネルギーを取り出すときと、電圧が低下して並列接続から直列接続に切り換えたときが、ほぼ同じ電圧であってもエネルギーの残量は後者の方が少なくなっているにもかかわらず、電圧計により検出したエネルギーの残量では、同じになってしまう。
【０００６】
【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、直並列接続切換えを行うキャパシタ蓄電システムを含めて簡単に精度よく残量の計測、表示を行えるようにするものである。
【０００７】
そのために本発明は、複数のキャパシタを直並列に接続して蓄電を行うキャパシタ蓄電システムの残量検出装置であって、低電圧では定抵抗を有し予め設定された電圧で定電圧動作する複数の定電圧制限可変抵抗回路と、前記複数の定電圧制限可変抵抗回路と直列接続される負荷抵抗と、電流を検出する電流検出手段とを備え、前記複数の定電圧制限可変抵抗回路と前記負荷抵抗と前記電流検出手段とを直列にして前記複数のキャパシタのうちの１つのキャパシタの端子間に接続し、或いは、低電圧では定抵抗を有し予め設定された電圧で定電圧動作する複数の定電圧制限可変抵抗回路と、前記複数の定電圧制限可変抵抗回路のそれぞれと直列接続される複数の負荷抵抗と、電流を検出する電流検出手段とを備え、それぞれ前記負荷抵抗が直列接続された前記複数の定電圧制限可変抵抗回路を並列接続し、該並列接続した回路と前記電流検出手段とを直列にして前記複数のキャパシタのうちの１つのキャパシタの端子間に接続し、前記電流検出手段によりキャパシタ蓄電システムの全キャパシタの残量を検出することを特徴とするものである。
【０００８】
また、前記定電圧制限可変抵抗回路の前段にボルテージフォロアを接続したことを特徴とし、前記複数のキャパシタは、キャパシタ蓄電システムの出力電圧の変動に応じて直並列切り換え接続されるキャパシタであることを特徴とするものである。
【０００９】
【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は本発明に係るキャパシタ蓄電システムの残量検出装置の実施の形態を示す図であり、１０は残量計、Ｃはキャパシタ、Ｒ１〜Ｒ１３は抵抗、Ｘ１、Ｘ２はシャントレギュレータ、Ｑ1 〜Ｑ４はトランジスタを示す。
【００１０】
図１（Ａ）において、キャパシタＣは、多数のキャパシタを直並列に接続して構成するキャパシタ蓄電システムにおいて、複数のキャパシタ（セル）を直列に接続してバンク（モジュール）とし、その複数のバンクを直列に接続して電源装置とするとき、そのバンクやバンクを構成する単体のキャパシタであり、キャパシタ蓄電システムの残量を表示するために端子間の電圧を取り出している。残量計１０は、キャパシタＣの両端に折れ線近似回路と直列に接続されて多数のキャパシタが接続された電源装置の残量を表示する、例えばフルスケールが１ｍＡの電流計である。シャントレギュレータＸ１、Ｘ２は、温度補償されたアクティブ・ツェナーであり、抵抗Ｒ１〜Ｒ５と共に折れ線近似を行う近似回路を構成するものである。シャントレギュレータＸ１は、抵抗Ｒ１とＲ２からなる分圧回路を制御入力に接続してコンパレータとして動作し、制御入力の電圧が所定の電圧（折れ曲がり点）に達するとオンになる回路（例えばＴＩ社製のＴＬ４３１、ＮＥＣ社製のＣ１９４４など）である。したがって、シャントレギュレータＸ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２からなる回路は、いわゆる低電圧では定抵抗を有し予め設定された電圧で定電圧動作する定電圧制限可変抵抗回路であり、抵抗５は定電圧制限可変抵抗回路に接続される負荷抵抗である。
【００１１】
トランジスタＱ１、Ｑ２は、抵抗Ｒ６〜Ｒ８と共に分圧回路を構成する高耐圧のトランジスタである。耐電圧がシャントレギュレータの最大定格を越える場合に、高耐圧のトランジスタＱ１、Ｑ２を用いる。これは、トランジスタのβを利用してボルテージフォロア（エミッタフォロア）を構成し、アクティブな消費電力の少ない分圧回路を構成したものであり、例えば満充電電圧１０Ｖ用の残量計により、ボルテージフォロアの前の分圧抵抗を調節するだけで、しかも、折れ曲がり点の再調整をすることなしに１０Ｖ以上の任意の電圧用に適用できる。すなわち、折れ線近似回路の前に単純に分圧抵抗をおいたものでは、折れ曲がりポイントが狂ってしまい再計算や大幅な再調整が必要になるが、前にボルテージフォロアを接続すると、出力インピーダンスが低いので、さらに素の前に任意の分圧抵抗を接続しても折れ線近似の特性が狂わず、設計、調整が容易になる。
【００１２】
また、βの大きくないトランジスタの場合には、図１（Ｂ）に示すようにトランジスタＱ３、Ｑ４のダーリントン接続を用いてもよい。つまり、要求する精度、電圧範囲と使用するトランジスタによって、１石のトランジスタ、図１（Ａ）に示すような直列接続のトランジスタ、図１（Ｂ）に示すようなダーリントン接続のトランジスタを適宜採用すればよいことはいうまでもない。また、折れ線近似回路は、図１（Ｃ）に示すようにシャントレギュレータＸ１、Ｘ２を並列に接続して構成してもよい。
【００１３】
図２は高電圧シャントレギュレータの回路構成例を示す図、図３は図２に示す高電圧シャントレギュレータの特性を示す図、図４は図１に示す折れ線近似回路の特性を示す図である。
【００１４】
２．５Ｖの基準電圧を用いて約１００Ｖのシャントレギュレータの構成例を示したのが図２に示す高電圧シャントレギュレータである。図２に示す回路では、分圧点３が抵抗Ｒ１〜Ｒ３により４分の１に分圧されているので、ダーリントン接続したトランジスタＱ１、Ｑ２  のコレクタ側が約１００Ｖの電圧のとき２５Ｖの電圧になり、シャントレギュレータＸ１の制御入力はさらにその１０分の１の２．５Ｖになる。シャントレギュレータＸ１は、この電圧が動作点となるので、図３に示すようにトランジスタＱ１、Ｑ２  のコレクタ電位（▽、△印）が約１００Ｖ、トランジスタＱ２のエミッタ電位（□、◇印）、つまりシャントレギュレータＸ１の電圧が２５Ｖに維持される。したがって、キャパシタの残量が多くなりキャパシタ電圧が高くなるのに比例して、抵抗Ｒ４に流れる電流（■、◆印）が増加する特性を示す。
【００１５】
上記折れ線近似の特性を備えた図２のＸ１、Ｒ１、Ｒ２に相当する部分をもう一組直列に加え、折れ曲がりの部分を二つにしたのが図１に示す例であり、簡単な連立方程式による定数の算出と、ツェナー電圧のバラツキに対応する微調整で図４に示すようにキャパシタの特性（□印）に対し極めて良好な折れ線近似特性（■印）が得られる。図１（Ａ）に示す回路では、特性を与える電流供給素子が、折れ曲がり点以後の電流を与える▲１▼Ｒ５と、それ以前の電流を定める▲２▼Ｘ１、Ｒ１、Ｒ２のブロック、▲３▼Ｘ２、Ｒ３、Ｒ４のブロックの二つが直列になり、▲１▼と合計して三つのブロックが直列になっている。
【００１６】
これらのブロックは、図１（Ｃ）に示すように並列接続しても類似の特性が得られる。回路の設計は、並列型の方が相互の干渉が少なくて容易だが、設計値によって負荷となる抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３のように部品点数がいくらか多くなり消費電流が増える。
【００１７】
本発明に係る残量検出装置は、バンク切り換えを行うキャパシタ蓄電システムにおいても同様に適用できる。以下にバンク切り換えを行うキャパシタ蓄電システムに適用した例について説明する。バンク切換えを行うと、キャパシタの端子電圧は、それぞれのバンクが異なった振る舞いをする。従って、一般的には、すべてのキャパシタバンクに残量計を設け、それらを合算すれば蓄電システムの全キャパシタの残量を知ることができる。この手法は既に出願済みである。
【００１８】
しかし、バンク切換えのキャパシタ蓄電システムでは、その内の特定のキャパシタ、或いはキャパシタバンクに注目すると、その端子間電圧と蓄電量の間には一定の関係が存在する。その関係を折れ線近似回路でフィットすれば、簡単な残量計が得られる。この方法では、キャパシタ全部の残量を測定せず、対象となったバンクだけから全蓄電量を推算することになるので厳密とはいえないが、電圧から蓄電量を求めるタイプの残量計は、いずれもキャパシタの静電容量が一定であると仮定して計算しているから、各バンクの静電容量を一定だと仮定する本方式も、同様に実用性において全く問題はない。
【００１９】
図５は直並列型バンク切り換え式のキャパシタ電源装置の構成例を示す図、図６は図５に示す電源装置の放電特性を示す図、図７は図５に示すキャパシタ電源装置の電圧と蓄電量（残量）との関係を示す図、図８はシフト型バンク切り換え式のキャパシタ電源装置の構成例を示す図、図９は図８に示すキャパシタ電源装置の電圧と蓄電量（残量）との関係を示す図、図１０はタップ型バンク切り換え式のキャパシタ電源装置の構成例を示す図、図１１は図１０に示すキャパシタ電源装置の電圧と蓄電量（残量）との関係を示す図である。
【００２０】
図５に示す直並列型バンク切り換え式のキャパシタ電源装置は、例えば満充電時に並列接続スイッチＳｐ１、Ｓｐ２、Ｓｐ１１、Ｓｐ１２でキャパシタＣ１、Ｃ２及びＣ１１、Ｃ１２をそれぞれ並列に接続し、キャパシタＣ１、Ｃ１１の端子間電圧を監視して、放電に伴って電圧が低下すると順次並列接続に切り換えることにより出力電圧ｏｕｔの変動幅を小さくするものであり、充電の場合にはその逆の制御を行えばよい。直並列の切り換え制御では、例えば図６に示すように満充電時の各キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ１１、Ｃ１２の電圧が３０Ｖの場合、出力端の電圧が６０Ｖから放電を開始し、４０Ｖまで下がると、まず直列接続スイッチＳｓ１でキャパシタＣ１、Ｃ２の並列接続を直列接続に切り換える。これにより出力電圧を満充電時と同じ６０Ｖの電圧まで上げ、さらに放電により４０Ｖ近傍まで下がると、残りの直列接続スイッチＳｓ１１でキャパシタＣ１１、Ｃ１２の並列接続を直列接続に切り換える。このような制御による出力端（図５の点１１）の電圧の変化を図６の□で、キャパシタＣ１（図５の点３）の電圧の変化を図６の◇で、キャパシタＣ１１（図５の点１３と１との間）の電圧の変化を図６の▽で、放電量を■でそれぞれ示している。そこで、図６に示す特性に基づきキャパシタＣ１（図５の点３）の電圧と蓄電量との関係を示すと、図７の□に示すような特性になる。これを折れ線で近似すると、例えば図７の一点鎖線で示す２つの折れ曲がり点●を有する折れ線により、かなり精度よく設定することができる。
【００２１】
図８に示すシフト型バンク切り換え式のキャパシタ電源装置は、スタガー型とも呼び、満充電時には、（ｂ）に示すようにキャパシタＣ１、Ｃ２の直列回路とキャパシタＣ３、Ｃ４の直列回路を並列に接続し、電圧の低下に伴って、（ｃ）に示すようにまずキャパシタＣ２、Ｃ３の並列回路にキャパシタＣ１、Ｃ４を直列接続するように切り換え、次に（ｄ）に示すようにすべてのキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を直列接続するように切り換える。この切り換えに伴う出力の電圧の変化を示したのが図９の■印の線であり、キャパシタＣ１の電圧に対応する蓄電量を示したのが図９の□印の線である。この場合も折れ線で近似すると、例えば図９の一点鎖線で示す２つの折れ曲がり点●を有する折れ線により、かなり精度よく設定することができる。
【００２２】
図１０に示すタップ型バンク切り換え式のキャパシタ電源装置は、キャパシタＣ１〜Ｃ３をベースとし、キャパシタＣ４、Ｃ５を補助（調整用）として、電圧の低下に伴って、ベースのキャパシタＣ１〜Ｃ３に補助のキャパシタＣ４、Ｃ５を段階的に１つずつ直列に追加接続するものである。この系では、切り換えの行われないベースとなるキャパシタＣ１〜Ｃ３の端子電圧を基準にする正確な残量計測が可能である。キャパシタＣ１が相対的に小さい場合に非直線性が顕著となるので、キャパシタＣ２、Ｃ３を省き、キャパシタＣ１、Ｃ４、Ｃ５の３個のキャパシタを用い、キャパシタＣ１の端子電圧Ｖ（１）をＸ軸にとって、全キャパシタの蓄電量の和の満充電量に対する比を求めた結果を示したのが図１１の□である。この場合も折れ線で近似すると、例えば図１１の一点鎖線で示す折れ曲がり点●を有する折れ線により、かなり精度よく設定することができる。
【００２３】
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、典型的な３種類のバンク切換え方式に適用した例を挙げたが、これら各種の例を通じて、バンク切換えの行われる系の中の、特定のキャパシタバンクに注目し、その電圧と系全体のエネルギー貯蔵量との関係を調べ、本発明の回路を用いて折れ線近似すると、簡便で精度の充分ある残量計が得られることは明らかである。折れ線近似回路としてシャントレギュレータを用いたが、ツェナーダイオードその他の定電圧制御回路や素子と置き換えてもよいことはいうまでもない。
【００２４】
【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、複数のキャパシタを直並列に接続して蓄電を行うキャパシタ蓄電システムの残量検出装置であって、低電圧では定抵抗を有し予め設定された電圧で定電圧動作する複数の定電圧制限可変抵抗回路と、複数の定電圧制限可変抵抗回路と直列接続される負荷抵抗と、電流を検出する電流検出手段とを備え、複数の定電圧制限可変抵抗回路と負荷抵抗と電流検出手段とを直列にして複数のキャパシタのうちの１つのキャパシタの端子間に接続し、或いは、低電圧では定抵抗を有し予め設定された電圧で定電圧動作する複数の定電圧制限可変抵抗回路と、複数の定電圧制限可変抵抗回路のそれぞれと直列接続される複数の負荷抵抗と、電流を検出する電流検出手段とを備え、それぞれ負荷抵抗が直列接続された複数の定電圧制限可変抵抗回路を並列接続し、該並列接続した回路と電流検出手段とを直列にして複数のキャパシタのうちの１つのキャパシタの端子間に接続し、電流検出手段によりキャパシタ蓄電システムの全キャパシタの残量を検出するので、複数のキャパシタを充放電状態に応じて直並列に切り換え接続する方式のキャパシタ蓄電システムであっても、簡単な回路により残量特性を折れ線近似することができる。しかも１つのキャパシタの端子電圧から精度よく残量を求め表示することができ、残量検出、表示のための構成を簡素化、コンパクト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るキャパシタ蓄電システムの残量検出装置の実施の形態を示す図である。
【図２】  高電圧シャントレギュレータの回路構成例を示す図である。
【図３】  図２に示す高電圧シャントレギュレータの特性を示す図である。
【図４】  図１に示す折れ線近似回路の特性を示す図である。
【図５】  直並列型バンク切り換え式のキャパシタ電源装置の構成例を示す図である。
【図６】  図５に示す電源装置の放電特性を示す図である。
【図７】  図５に示すキャパシタ電源装置の電圧と蓄電量（残量）との関係を示す図である。
【図８】  シフト型バンク切り換え式のキャパシタ電源装置の構成例を示す図である。
【図９】  図８に示すキャパシタ電源装置の電圧と蓄電量（残量）との関係を示す図である。
【図１０】  タップ型バンク切り換え式のキャパシタ電源装置の構成例を示す図である。
【図１１】  図１０に示すキャパシタ電源装置の電圧と蓄電量（残量）との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…残量計、Ｃ…キャパシタ、Ｒ１〜Ｒ１３…抵抗、Ｘ１、Ｘ２…シャントレギュレータ、Ｑ1 〜Ｑ４…トランジスタ
【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】
0004014067.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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