(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタを直列または直並列に接続したキャパシタユニットと、前記キャパシタユニットに定電流で充電する充電部と、前記各キャパシタの高電位側の電圧を検出する検出部と、前記検出部の電圧から演算処理を行い異常の有無を判定する判定部と、前記判定部からの判定結果を出力する通信部を備え、隣接する前記キャパシタの高電位側の電圧間の差に、上限電圧Ｖａを超えるものがあった時、または下限電圧Ｖｂ未満のものがあった時、または負電圧のものがあった時に判定部で異常と判定する電源装置において、前記キャパシタの充電開始直後には前記判定を行わず、前記キャパシタユニットの充電電圧Ｖｃが所定の電圧値Ｖｄ以下の時点から前記判定を行うようにするとともに、前記キャパシタの直列数をＮとした時、下限電圧Ｖｂの値を、
Ｖｂ＝Ｖｃ／（２Ｎ）
としたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
上限電圧の値を、キャパシタ１セル当たりの耐電圧の値としたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
キャパシタ１セル当たりの耐電圧の値をＶｔとし、キャパシタの容量バラツキをｄｅｖとし、キャパシタの直列数をＮとし、ショート故障のキャパシタが含まれる直列段数をＭとし、検出誤差マージンをαとする時、所定の電圧値Ｖｄを、
Ｖｄ＝Ｖｔ×｛１＋(Ｎ−１−Ｍ)×(１−ｄｅｖ)／(１＋ｄｅｖ)｝−α
としたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はキャパシタに蓄電する電源装置におけるキャパシタの異常検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に電源装置の蓄電用として用いられる大容量のキャパシタユニットは、主電源の負荷変動時の安定用として使用される。また一番厳しい応用としては、主電源が故障した場合のバックアップ動作用電源として使用される。例えば車載ブレーキシステムなどに適用する場合には高信頼性が要求される。キャパシタユニットの劣化状態を検出する方法としては、充電時にキャパシタユニットの抵抗値や容量値を測定してキャパシタユニットの劣化状態を監視する方法が知られている。または、キャパシタユニット内のあるキャパシタに所定値以上の電圧が加わると、該当するキャパシタに並列に入っている放電回路を動作させて、キャパシタの電圧バランスをとる監視方法が知られている。
【０００３】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特開平１０−１７４２８５号公報が知られている。
【０００４】
しかしながらキャパシタ単体の異常が発生しても、キャパシタユニット全体としては大きな変化として検出することが難しいという課題があった。またバランス動作回路が故障した場合などには異常検出が不能となり、非常状態でキャパシタユニットによるバックアップ動作が要求される場合に、その動作が保証されないという課題があった。
【発明の開示】
【０００５】
本発明の電源装置は、キャパシタを直列または直並列に接続したキャパシタユニットと、キャパシタユニットに定電流で充電する充電部と、各キャパシタの高電位側の電圧を検出する検出部と、検出部の電圧から異常の有無を判定する判定部と、判定部からの判定結果を出力する通信部を備えた電源装置において、隣接するキャパシタの高電位側の電圧間の差に、上限電圧値Ｖａを超えるものがあった時、または下限電圧値Ｖｂ未満のものがあった時、または負電圧のものがあった時に判定部で異常と判定する電源装置において、前記キャパシタの充電開始直後には前記判定を行わず、前記キャパシタユニットの充電電圧Ｖｃが所定の電圧値Ｖｄ以下の時点から前記判定を行うようにするとともに、前記キャパシタの直列数をＮとした時、下限電圧Ｖｂの値を、
Ｖｂ＝Ｖｃ／（２Ｎ）
としたことを特徴とする。
【０００６】
これにより、各キャパシタに加わる異常電圧やショート故障を検出することでキャパシタユニットの異常検知が可能となり高信頼性が保証できるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明にかかるキャパシタの異常を判定する電源装置は、高信頼性を有し、キャパシタ充電のための電源装置としての使用に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は車載電子デバイスに対する非常用のバックアップ電源装置として、蓄電用キャパシタを搭載した電源装置の構成図を示す。
【０００９】
電気二重層キャパシタからなるキャパシタユニット７は、未使用時には寿命を延ばすために電荷を抜いておく必要がある。従って、降車時には放電し、乗車時にバッテリーから充電を行う。使用時に必要に応じて再充電を行う際には、充電部８を通じて定電流で充電を行う。バッテリー１がはずれるなどして主電源が落ちる非常時には、キャパシタユニット７よりバックアップ出力端子１０を通して車載電子デバイス３にエネルギーを供給する。
【００１０】
図２は本発明の実施の形態におけるキャパシタユニットの高電位側の電圧を説明する図である。図２において、キャパシタユニット７は、Ｎ個のキャパシタ７１，７２，７３．．．７Ｎが直列接続されて構成されており、その両端が出力端子１１０と接地端子１２０とに接続されている。なお、ここではキャパシタ７１から７Ｎを全て直列に接続した例を説明するが、これは直並列接続としてもよい。また、前記Ｎを直列数と呼ぶ。すなわち、図２の直列接続のみの場合はキャパシタの数が直列数Ｎとなる。図４は本発明の実施の形態におけるキャパシタユニットが、直列にＮ個のキャパシタが接続され、並列にＭ列接続された直並列接続で構成される場合を示す図である。図４において、例えばＮ＝４、Ｍ＝３とすると、直列に４個接続されたキャパシタを３列並列にマトリックス状に接続したキャパシタユニットとなる。この場合の直列数Ｎは４となる。
【００１１】
このキャパシタユニット７の充電時において検出部６により各キャパシタの充電時の電圧を監視し、判定部４にその電圧値を伝達する。各キャパシタに印加される電圧は、図２に示すように隣接するそれぞれの高電位側の電圧の差で求められる。例えば、最上部のキャパシタ７１では、その高電位側の電圧値はＶｈ１であり、その下のキャパシタ７２の高電位側の電圧値はＶｈ２であるので、最上部のキャパシタ７１のキャパシタに印加される電圧はＶｈ１−Ｖｈ２で求められる。ただし、最下部のキャパシタ７Ｎについては、片側が接地端子１２０に接続されているので零電位となり、キャパシタ７Ｎに印加される電圧の値としてはＶｈＮがそのまま用いられる。
【００１２】
ここで、判定部４で判定する上限電圧値Ｖａは、キャパシタ１セル当たりの耐電圧値Ｖｔと設定すればよい。
【００１３】
また、通常キャパシタに容量バラツキが無い場合には、各キャパシタの電圧は、キャパシタユニットの出力端子１１０と接地端子１２０との間に印加される充電電圧Ｖｃの１／Ｎとなっている。しかし、充電回路の異常やキャパシタの容量バラツキ等がある場合、キャパシタの電圧が少なくともこの半分の電圧すなわち、
Ｖｃ／（２Ｎ）
に至らない時は、充電不能またはショート故障などの異常と判定できる。従って、判定部４で判定する下限電圧値Ｖｂをこの値に設定する。また、キャパシタの電圧が負電圧であった時は、回路やキャパシタの安全上、異常と判定する。
【００１４】
次に、判定を開始する電圧について説明する。
【００１５】
図３は本実施の形態におけるキャパシタユニットのセルショート時と容量バラツキとの関係を示す図である。キャパシタの容量バラツキ及びショート故障がある場合は、図３に示すようにショート故障したキャパシタ分の電圧が残りのキャパシタに割り増しされて印加される。容量バラツキの割合を示す値をｄｅｖとする。そして、図３において、例えば最下部のキャパシタ７０Ｎが容量バラツキの下限であるＣ×（１−ｄｅｖ）の値で、残りのキャパシタが容量バラツキの上限であるＣ×（１＋ｄｅｖ）の値であるとしたとき、この下限のキャパシタ７０Ｎの充電時の電圧Ｖｋは最大となる。
【００１６】
そこで、ショート故障のキャパシタが含まれる直列段数をＭとし、直列数をＮとして、ショート故障していないキャパシタの中で、１つのキャパシタが容量の下限バラツキの値であるとし、残りのキャパシタが容量の上限バラツキの値であるとする。このとき、容量の下限バラツキの値のキャパシタの充電時の電圧値をＶｋ、容量の上限バラツキの値のキャパシタの充電時の電圧値をＶｊとすると、次式の関係が成り立つ。
【００１７】
Ｖｋ＋(Ｎ−１−Ｍ)×Ｖｊ＝Ｖｃ     （式１）
なお、直列段数Ｍは、図３の直列接続のみの場合はショート故障したキャパシタの数になるが、直並列接続の場合は直列方向のキャパシタの内１つでもショート故障すると、そのキャパシタと並列に接続された他のキャパシタもショートすることになるので、ショート故障したキャパシタが含まれる段（並列方向）の数をＭとする。従って、同じ段のキャパシタが複数ショート故障してもＭは１として数える。
【００１８】
また、直列接続のキャパシタには同じ充電電流が流れるため、各キャパシタの容量と充電時の電圧は反比例する。従って、次式が成り立つ。
【００１９】
Ｖｋ／Ｖｊ＝(１＋ｄｅｖ)／(１−ｄｅｖ)    （式２）
上記２つの式より、Ｖkを求めると次式のようになる。
【００２０】
Ｖｋ＝Ｖｃ×｛１／(１−ｄｅｖ)｝／｛(Ｎ−１−Ｍ)／(１＋ｄｅｖ)＋１／(１−ｄｅｖ)｝    （式３）
この電圧値Ｖｋをキャパシタの耐電圧値Ｖｔとし、この時の充電時の電圧値ＶｃをＶｔで解くと次式のようになる。
【００２１】
Ｖｃ＝Ｖｔ×｛１＋(Ｎ−１−Ｍ)×(１−ｄｅｖ)／(１＋ｄｅｖ)｝    （式４）
したがって、このＶｃに計測誤差などの検出誤差マージンαを考慮して、判定開始の所定の電圧値Ｖｄを
Ｖｄ＝Ｖｔ×｛１＋(Ｎ−１−Ｍ)×(１−ｄｅｖ)／(１＋ｄｅｖ)｝−α
とする。よって、Ｖｃがこの電圧値Ｖｄ以下から判定を行うようにすれば、異常時にキャパシタに過電圧が加わる前にその異常の検出を行うことができる。具体的には、例えばキャパシタの満充電電圧をＶｆとすると、ＶｃがＶｄ＝０．８Ｖｆに至るまでに判定を行えばよい。
【００２２】
そして、これら異常が判定された時は、通信部５により、通信出力端子９から外部のシステム、例えば図３における車載電子デバイス、に異常を示す信号を伝達する。このことにより、外部のシステムがシステム全体としての安全動作を確保することが可能となる。
【００２３】
以上のことから、キャパシタの異常が検知でき、高信頼性が図れる。それとともに、多数のキャパシタを扱う判定処理に関しては、制御処理が混み合い演算処理の負荷が重くなるキャパシタの充電開始直後から行う必要はなく、Ｖｄ以下で演算処理の負荷が軽くなる時点、例えばＶｃ＝０．５Ｖｆとなる時点から行うことが可能となる。そのため、演算処理の負荷が軽くなり、実施する上で有用であり効果が大なるものとなる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明にかかるキャパシタの異常を判定する電源装置は、高信頼性を有し、キャパシタ充電のための電源装置としての使用に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施の形態における電源装置の構成図
【図２】同実施の形態におけるキャパシタユニットの高電位側の電圧を説明する図
【図３】同実施の形態におけるキャパシタユニットのセルショート時と容量バラツキとの関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態におけるキャパシタユニットが、直列にＮ個のキャパシタが接続され、並列にＭ列接続された直並列接続で構成される場合を示す図
【符号の説明】
【００２６】
１    バッテリー
２    電源装置
３    車載電子デバイス
４    判定部
５    通信部
６    検出部
７    キャパシタユニット
８    充電部
９    通信出力端子
１０    バックアップ出力端子
【図１】
0004172517.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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