(57)【要約】      （修正有）【課題】キャパシタの初期化用設定電圧と満充電検出用設定電圧の２つの電圧を１つのコンパレータで監視するキャパシタ充放電監視制御装置を提供する。【解決手段】周期的なサイクル時間で電力を要求する負荷に用いられるキャパシタ充放電監視制御装置において、該キャパシタの充電電流のバイパス手段Ｔｒｎと、該キャパシタに対する第１基準電圧を設定する第１基準電圧設定手段（Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌ）と、該キャパシタに対する第２基準電圧を設定する第２基準電圧設定手段（Ｖｒｅｆ  ｉｎｉ）と、それらの出力信号により該バイパス手段を動作させる。バイパス動作信号をラッチし、第１監視信号として出力する第１ラッチ回路５３と、該第２基準電圧設定手段がコンパレータＣＭＰｎに入力されているときのバイパス動作信号をラッチし、第２監視信号として出力する第２ラッチ回路５４と、からなる。【選択図】図２
2009225516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的なサイクル時間で電力を要求する負荷に用いられるキャパシタの充電放電の監視制御を行うキャパシタ充放電監視制御装置において、
該キャパシタの充電電流をバイパスするバイパス手段と、
該キャパシタに対する第１基準電圧を設定する第１基準電圧設定手段と、
該キャパシタに対する第２基準電圧を設定する第２基準電圧設定手段と、
該第１基準電圧設定手段又は該第２基準電圧設定手段のいずれかが入力されて、該キャパシタの充電電圧を第１基準電圧又は第２基準電圧と比較し、これらに達したことを判定して該バイパス手段をバイパス動作させると共にバイパス動作信号を出力する比較手段と、該第１基準電圧設定手段が該比較手段に入力されているときのバイパス動作信号をラッチし、第１監視信号として出力する第１ラッチ回路と、
該第２基準電圧設定手段が該比較手段に入力されているときのバイパス動作信号をラッチし、第２監視信号として出力する第２ラッチ回路と、
からなることを特徴とするキャパシタ充放電監視制御装置。
【請求項２】
該比較手段に該第１基準電圧設定手段又は該第２基準電圧設定手段のいずれを入力するかを時分割制御するタイマ回路が設けられることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ充放電監視制御装置。
【請求項３】
該タイマ回路は該第１ラッチ回路及び該第２ラッチ回路も時分割制御することを特徴とする請求項２に記載のキャパシタ充放電監視制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期的なサイクル時間で電力を要求する負荷に給電を行う電気二重層キャパシタの充電電圧を監視し、当該監視結果に基づいてキャパシタの充電放電の制御を行うキャパシタ充放電監視制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、大電流の充放電が可能な電気二重層キャパシタが注目されている。電気二重層キャパシタは、電極と電解液との界面においてイオンの分極によりできる電気二重層を利用したキャパシタであり、従来のキャパシタに比較して大容量の静電容量を充電できるとともに、急速充放電が可能であり、その応用が期待されている。この電気二重層キャパシタの用途としては、メモリバックアップ用や電気自動車のパワーアシスト用や電力貯蔵用蓄電池代替などがあり、小容量品から大容量品まで幅広く検討されている。本件出願人は、例えば複数の電気二重層キャパシタのセルを直列に接続し、各キャパシタセルを並列モニタで監視しつつ充放電を行う電子回路と組み合わせて構成したキャパシタ蓄電装置を、ＥＣＳ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ  Ｓｙｓｔｅｍ）またはＥＣａＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）（登録商標）として提案している。ここで、並列モニタは、複数の電気二重層キャパシタが直列に接続されたキャパシタバンクの各電気二重層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する装置である。
【０００３】
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つので、キャパシタバンク内のすべての電気二重層キャパシタは、設定された電圧まで均等に充電され、電気二重層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。このような並列モニタについては、特許文献１（特許２００１−１８６６８１号公報）等に開示されている。
【特許文献１】特許２００１−１８６６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
並列モニタは、所定の基準電圧で充電電流をバイパスすることにより、充電電圧を所定値（耐電圧の範囲内）に制限し、充電電圧のバラツキを低減するものである。特許文献１に記載のものは、その図２に示すように初期化用と満充電検出用に別々のコンパレータ１２、１３を有する。図２において、初期化用のコンパレータ１２は、第１の設定電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉで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を動作させるものである。満充電検出用のコンパレータ１３は、第１の設定電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉより高い満充電到達を判定する第２の設定電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌを検出する電圧検出手段として用いるものである。
【０００５】
以上のように、並列モニタにおいて初期化用の設定電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉと満充電検出用の設定電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌの２つの電圧を用いてキャパシタを監視する必要性としては、例えば、キャパシタに充電された電力を瞬時のピークカット用に利用する場合などが考えられる。すなわち、キャパシタを、周期的なサイクル時間で電力を要求するクレーンや搬送機などの建築機械、ハイブリッド自動車などの負荷への瞬時電力を補うために利
用するものである。
【０００６】
以上のような用途のためにキャパシタを利用するシステムにおいては、通常はキャパシタの定格電圧より低い電圧である初期化用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉ−例えば、２．３Ｖ−でキャパシタ電圧を監視しこれを維持する。そして、負荷に対して力行電力を放電したり、負荷からの回生電力を充電したりできる態勢とする。また、一方では、キャパシタの定格電圧である満充電検出用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌ−例えば、２．７Ｖ−でキャパシタ電圧を監視し、この満充電検出用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌにキャパシタ電圧が達した場合には、主電源の制御部などにキャパシタ電圧が満充電電圧に達したことをフィードバックする。
【０００７】
ところで、以上のように負荷への瞬時電力を補うためにキャパシタを利用する場合の並列モニタでは、初期化用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉと満充電検出用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌの２つの電圧を監視するために、２つのコンパレータが必要となり、回路が複雑化すると共にコストも上昇する、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、周期的なサイクル時間で電力を要求する負荷に用いられるキャパシタの充電放電の監視制御を行うキャパシタ充放電監視制御装置において、該キャパシタの充電電流をバイパスするバイパス手段と、該キャパシタに対する第１基準電圧を設定する第１基準電圧設定手段と、該キャパシタに対する第２基準電圧を設定する第２基準電圧設定手段と、該第１基準電圧設定手段又は該第２基準電圧設定手段のいずれかが入力されて、該キャパシタの充電電圧を第１基準電圧又は第２基準電圧と比較し、これらに達したことを判定して該バイパス手段をバイパス動作させると共にバイパス動作信号を出力する比較手段と、該第１基準電圧設定手段が該比較手段に入力されているときのバイパス動作信号をラッチし、第１監視信号として出力する第１ラッチ回路と、該第２基準電圧設定手段が該比較手段に入力されているときのバイパス動作信号をラッチし、第２監視信号として出力する第２ラッチ回路と、からなることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のキャパシタ充放電監視制御装置において、該比較手段に該第１基準電圧設定手段又は該第２基準電圧設定手段のいずれを入力するかを時分割制御するタイマ回路が設けられることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載のキャパシタ充放電監視制御装置において、該タイマ回路は該第１ラッチ回路及び該第２ラッチ回路も時分割制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施の形態に係るキャパシタ充放電監視制御装置によれば、キャパシタの初期化用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉと満充電検出用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌの２つの電圧を監視するために、１つのコンパレータ（比較手段）を時分割で利用する構成であるので、コンパレータを２つ設ける必要がなくなり、コストを抑制することができると共に、回路を簡素化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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、本発明の実施形態に係るキャパシタ充放電監視制御装置が用いられる電気システムの概略構成を示す図である。このような電気システムとしては、周期的なサイクル時間で電力を要求するクレーンや搬送機などの建築機械、ハイブリッド自動車などの電気システムである。図１において、
１０は主制御部、２０は主電源、３０は負荷、４０はキャパシタ充放電監視制御装置、Ｃ１、Ｃ２、・・Ｃｍは電気二重層キャパシタをそれぞれ示している。
【００１３】
電気システムはモーターなとの負荷３０によって動作するものであり、負荷３０は周期的なサイクル時間で電力を要求するものである。この負荷３０に対する電力は、主電源２０の電力と共に、直列接続された電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｍからの放電電力が供給される。ここで、電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｍは、負荷３０の瞬時電力を補うために利用されるようになっている。また、電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｍには、主電源２０からの電力が充電されると共に、負荷３０の回生電力も充電されるよう制御される。
【００１４】
それぞれの電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｍにはそれぞれのキャパシタの充電電圧をモニタすると共に、必要に応じてキャパシタへの充電電流をバイパスしてキャパシタを保護するキャパシタ充放電監視制御装置４０が設けられている。このキャパシタ充放電監視制御装置４０は、充電電流のバイパス動作を主電源２０などに報知する信号も発するようになっている。また、キャパシタ充放電監視制御装置４０は、負荷３０が要求する特性に応じた動作を行うために主制御部１０からの設定信号を受信するようになっている。
【００１５】
主制御部１０は、電気システムの主制御を司る構成であり、少なくとも負荷３０に対する負荷制御信号、主電源２０に対する主電源制御信号、及びキャパシタ充放電監視制御装置４０に対する監視制御装置設定信号を各構成に発信し、それぞれを制御するようになっている。負荷制御信号はモーターなどの負荷３０の出力を制御するための信号であり、主電源制御信号は負荷３０の出力などに応じて主電源２０を制御するための信号である。また、監視制御装置設定信号は、キャパシタ充放電監視制御装置４０における監視のデューティー比を設定するために用いられる信号である。
【００１６】
本電気システムでは、電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｍに充電された電力を瞬時のピークカット用に利用する。すなわち、キャパシタを、周期的なサイクル時間で電力を要求するクレーンや搬送機などの建築機械、ハイブリッド自動車などの負荷への瞬時電力を補うために利用するものである。
【００１７】
このような電気システムのキャパシタ充放電監視制御装置４０においては、負荷３０が電力を要求していない状態では、それぞれのキャパシタの定格電圧より低い電圧である初期化用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉ−例えば、２．３Ｖ−でキャパシタ電圧を監視しこれを維持する。そして、負荷に対して力行電力を放電したり、負荷からの回生電力を充電したりできる態勢とする。
【００１８】
一方では、キャパシタ充放電監視制御装置４０は、キャパシタの定格電圧である満充電検出用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌ−例えば、２．７Ｖ−でキャパシタ電圧を監視し、この満充電検出用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌにキャパシタ電圧が達した場合には、主電源２０にキャパシタ電圧が満充電電圧に達したことをフィードバックする。
【００１９】
次に、キャパシタ充放電監視制御装置４０についてより詳細に説明する。図２は本発明の実施形態に係るキャパシタ充放電監視制御装置を示す図である。図２に示すキャパシタ充放電監視制御装置４０は、電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・ＣｍのうちのＣｎに接続されているものを示しているが、全ての電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｍに接続されるキャパシタ充放電監視制御装置４０は同様の構成を有するものである。
【００２０】
図２において、５１はタイマ設定回路、５２はタイマ回路、５３は第１ラッチ回路、５
４は第２ラッチ回路、ＳＷ１、ＳＷ２はスイッチ、Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌは第１基準電圧（満充電検出用設定電圧）、Ｖｒｅｆ  ｉｎｉは第２基準電圧（初期化用設定電圧）、ＣＭＰｎはコンパレータ、Ｔｒｎはトランジスタ、Ｃｎは電気二重層キャパシタをそれぞれ示している。
【００２１】
第１基準電圧（満充電検出用設定電圧）Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌは電気二重層キャパシタＣｎの定格電圧、第２基準電圧（初期化用設定電圧）Ｖｒｅｆ  ｉｎｉは電気二重層キャパシタＣｎの初期化電圧に対応しており、それぞれの基準電圧は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン／オフ動作によって、コンパレータＣＭＰｎに入力されるようになっている。また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオン／オフはタイマ回路５２からのオン／オフ信号によって動作するようになっている。
【００２２】
スイッチＳＷ１はタイマ回路５２からの第１オン／オフ信号がＨｉｇｈであるときにオンし、これがＬｏｗとなるとオフするようになっている。また、スイッチＳＷ２はタイマ回路５２からの第２オン／オフ信号がＨｉｇｈであるときにオンし、これがＬｏｗとなるとオフするようになっている。このように本実施形態のキャパシタ充放電監視制御装置４０では、タイマ回路５２によって入力する第１基準電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌ、第２基準電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉを切り替えて、１つのコンパレータＣＭＰｎを時分割で制御するようになっており、これにより、２つの設定電圧を監視するために、コンパレータを２つ設ける必要がなくなり、コストを抑制することができると共に、回路を簡素化することができる。
【００２３】
図３はタイマ回路５２が発生する第１オン／オフ信号及び第２オン／オフ信号のタイミングを示す図である。
【００２４】
図３に示すようにＴ１時間第１オン／オフ信号がＨｉｇｈであるときに、第２オン／オフ信号はＬｏｗとなっている。そして次のＴ２時間第２オン／オフ信号がＨｉｇｈであるときに、第２オン／オフ信号はＬｏｗとなっている。タイマ回路５２はこれを交互に周期的に繰り返すようになっている。
【００２５】
タイマ設定回路５１は、タイマ回路５２における第１オン／オフ信号がＨｉｇｈ状態である時間Ｔ１と、第２オン／オフ信号がＨｉｇｈ状態である時間Ｔ２とのデューティー比を設定することができるようになっている。このようなタイマ設定回路５１におけるデューティー比の設定は、主電源２０での電力供給状況及び負荷３０の動作状況などに応じて主制御部１０が決定する。主制御部１０は、決定されたデューティー比の設定を監視制御装置設定信号としてタイマ設定回路５１に送信する。これを受けたタイマ設定回路５１がタイマ回路５２におけるデューティー比を設定する。
【００２６】
コンパレータＣＭＰｎは、第１基準電圧（満充電検出用設定電圧）Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌが入力されているときには、電気二重層キャパシタＣｎの電圧と第１基準電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌとを比較して、電気二重層キャパシタＣｎの電圧が第１基準電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌに達していると、トランジスタＴｒｎを動作させて電気二重層キャパシタＣｎに流れ込む電流をトランジスタＴｒｎにバイパスさせると共に、バイパス動作信号を第１ラッチ回路５３、第２ラッチ回路５４に送信するようになっている。
【００２７】
また、コンパレータＣＭＰｎは、第２基準電圧（初期化用設定電圧）Ｖｒｅｆ  ｉｎｉが入力されているときには、電気二重層キャパシタＣｎの電圧と第２基準電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉとを比較して、電気二重層キャパシタＣｎの電圧が第２基準電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉに達していると、トランジスタＴｒｎを動作させて電気二重層キャパシタＣｎに流れ込む電流をトランジスタＴｒｎにバイパスさせると共に、バイパス動作信号を第１ラッチ回路
５３、第２ラッチ回路５４に送信するようになっている。
【００２８】
第１ラッチ回路５３は、タイマ回路５２からの第１オン／オフ信号がＨｉｇｈであるときに前記バイパス動作信号をラッチして、ラッチしたバイパス動作信号を第１監視信号として出力する。また、第２ラッチ回路５４はタイマ回路５２からの第２オン／オフ信号がＨｉｇｈであるときに、前記バイパス動作信号をラッチして、ラッチしたバイパス動作信号を第２監視信号として出力する。第１監視信号は電気二重層キャパシタＣｎが満充電電圧（定格電圧）にあるか、また、第２監視信号は電気二重層キャパシタＣｎが初期化電圧にあるかを主電源２０側に報知する信号となる。以上のような第１監視信号及び第２監視信号は、主電源２０に入力されて電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｍの充電制御に供されるようになっている。本実施形態では、このような２種類の監視信号によって主電源２０が制御されているので、電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｍが過充電状態になるなどの負担を免れると共に、電気システムを安全に運用することができる。
【００２９】
以上、本発明のキャパシタ充放電監視制御装置によれば、キャパシタの初期化用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｉｎｉと満充電検出用設定電圧Ｖｒｅｆ  ｆｕｌｌの２つの電圧を監視するために、１つのコンパレータ（比較手段）を時分割で利用する構成であるので、コンパレータを２つ設ける必要がなくなり、コストを抑制することができると共に、回路を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係るキャパシタ充放電監視制御装置が用いられる電気システムの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るキャパシタ充放電監視制御装置を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るキャパシタ充放電監視制御装置のタイマ回路が発生するオン／オフ信号のタイミングを示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０・・・主制御部、２０・・・主電源、３０・・・負荷、４０・・・キャパシタ充放電監視制御装置、５１・・・タイマ設定回路、５２・・・タイマ回路、５３・・・第１ラッチ回路、５４・・・第２ラッチ回路
【図１】
2009225516.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009225516.tif 000005