(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続した電気二重層キャパシタと並列に充電バランス回路を接続してなるキャパシタモジュールと、充電装置とを接続して構成される電気二重層キャパシタ充電装置において、
上記充電バランス回路が、端子電圧検出器と比較器とスイッチング素子と上限電圧設定器と基準電圧設定器と抵抗とを接続して構成され、
電気二重層キャパシタの平均電圧Ｖaveと各キャパシタの定格電圧である充電設定電圧Ｖtarと各キャパシタの静電容量ばらつきの許容差ΔＣo、または静電容量ばらつきと漏れ電流ばらつきの許容差ΔＣ’＋ΔＬから、下記［数１］または［数２］により充電進行時の各平均電圧におけるキャパシタ電圧許容範囲ΔＶｃまたはΔＶｃ’を設定する基準設定手段と、
各キャパシタ電圧値を上記キャパシタ電圧許容範囲ΔＶｃまたはΔＶｃ’と比較してこれを超える場合にキャパシタに並列接続した充電バランス回路を導通させて充電電流を制限する充電制御手段とを用いることを特徴とする電気二重層キャパシタの充電方法。
【数１】
0003839734.tif 000004
【数２】
0003839734.tif 000005
【請求項２】
上記の電気二重層キャパシタの平均容量Ｃaveと、各キャパシタに容量ばらつきがないと仮定した際の平均容量Ｃoとの差ΔＣaveを求め、上記キャパシタ電圧許容範囲ΔＶcaを下記［数３］にて設定することを特徴とする請求項１記載の電気二重層キャパシタの充電方法。
【数３】
0003839734.tif 000006
【請求項３】
上記充電バランス回路が最小電圧検出器と最大電圧検出器とを有し、各々、全キャパシタの最小電圧と最大電圧を検出して、演算器により最小電圧値と最大電圧値の和を２分してその平均値を求め、これをキャパシタの平均電圧と仮設定することを特徴とする請求項１記載の電気二重層キャパシタの充電方法。
【請求項４】
直列接続した電気二重層キャパシタと並列に充電バランス回路を接続したキャパシタモジュールと、充電装置とを接続して構成される電気二重層キャパシタ充電装置において、
上記充電バランス回路が、端子電圧検出器と比較器とスイッチング素子と上限電圧設定器と基準電圧設定器と抵抗とを接続して構成され、
全キャパシタの最小電圧を検出してこれを下限基準値とし、該下限基準値に静電容量ばらつきおよび漏れ電流ばらつきの許容差によって設定される電圧ばらつきを加算する上限電圧設定器によりキャパシタ電圧許容範囲を設定する基準設定手段と、各キャパシタ電圧値と上記キャパシタ電圧許容範囲とを比較器により比較し、キャパシタ電圧値が高い場合に、キャパシタと並列接続した充電バランス回路を導通させて充電電流を制限する充電制御手段とを有することを特徴とする電気二重層キャパシタの充電方法。
【請求項５】
上記電気二重層キャパシタ充電装置において、充電進行時にキャパシタ平均電圧がキャパシタ充電設定電圧に近づくにつれて、キャパシタ電圧許容範囲が０に収束することを特徴とする請求項１〜４記載の電気二重層キャパシタの充電方法。
【請求項６】
上記電気二重層キャパシタ充電装置において、キャパシタモジュールの充電設定電圧より低い電圧値に充電変化点を設け、キャパシタモジュール電圧が充電変化点を超えた時点で定電流充電から定電圧充電に移行する充電制御方式を取ることを特徴とする請求項１〜５記載の電気二重層キャパシタ充電方法。
【請求項７】
上記電気二重層キャパシタ充電装置において、充電進行時におけるキャパシタ電圧許容範囲を設定する基準設定手段と、各キャパシタ電圧値を上記キャパシタ電圧許容範囲と比較してこれを超える場合に充電電流を制限する充電制御手段をマイクロプロセッサによるソフトウエア制御で行うことを特徴とする請求項１〜６記載の電気二重層キャパシタ充電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の電気二重層キャパシタ（以下、キャパシタと略記。）を直列に接続したキャパシタモジュールの充電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層キャパシタは、従来のアルミ電解コンデンサ等と比べて飛躍的に高い容量を持ち、急速充電・大電流放電が可能でサイクル寿命が長いことから、鉛蓄電池の代替装置として用いられる他、電気自動車や燃料電池自動車の補助電源としても使用が検討されている。さらに、複数のキャパシタを直並列に接続して、大容量のキャパシタモジュールを構成することで、太陽光発電などの電力貯蔵装置としても期待されている。
【０００３】
これらの電気二重層キャパシタの定格電圧は、電解液の分解電圧に依存し、約２．３〜２．５Ｖと低いため、蓄電装置として使用する場合は、一部を除いて複数のキャパシタを直列接続して定格電圧を高くし、モジュールとして使用されるのが一般的である（さらに、大容量化が必要な場合は、これら複数のモジュールを並列接続して使用される）。しかしながら、これら直列に接続されたモジュールを充放電する場合、各キャパシタの静電容量や漏れ電流ばらつきによって、端子電圧にばらつきを生じ、キャパシタ電圧が定格電圧を超えてしまうことによって、特性劣化するキャパシタが生じてしまう。
【０００４】
各キャパシタの静電容量や漏れ電流ばらつきを考慮した上で、複数のキャパシタを直列接続したモジュールを充放電させる場合には、キャパシタ電圧が定格電圧を超えないように定格電圧より低い充電電圧に設定して使用しなければならない。しかし、電気二重層キャパシタに蓄積できるエネルギーは、Ｗ＝ＣＶ２／２の関係に基づくため、定格電圧よりも端子電圧を低くすると、電圧の二乗で充電エネルギーが低くなってしまう。たとえば、定格電圧２．５Ｖに対して２．０Ｖを満充電とする場合は、充電可能なエネルギーの６４％しか充電ができない。
【０００５】
この問題を解決するために、特開平６−２６１４５２号公報には、直列に接続された電気二重層キャパシタの各キャパシタ端子電圧を検出し、端子電圧が所定値になったことを判別してキャパシタの充電を制限する並列モニタ回路が開示されている。図１３は、上記公報に記載されているキャパシタ２個を直列接続した場合の充電制御回路の一例である。キャパシタＣ１、Ｃ２には、各々並列にシャントレギュレータＩＣ１、ＩＣ１１、トランジスタＱ１、Ｑ１１、抵抗Ｒ１〜４、Ｒ１１〜１４からなる並列モニタ回路が接続され、充電電源Ｉ１から充電が行われる。キャパシタＣ１、Ｃ２のいずれかが満充電に達した時、並列モニタ回路により電流がバイパスされて、キャパシタ端子電圧が所定値を超えないように制限される。しかしながら、この方法では、直列に接続された個々のキャパシタに大きな静電容量ばらつき、あるいは初期充電状態のばらつきがあると、最初のキャパシタが定格電圧に達して並列モニタが作動してから、その他全てのキャパシタが定格電圧に充電されるまでに比較的長時間を要する。しかも並列モニタで消費される電力は、端子電圧×バイパス電流で表される大きな発熱量であるため、それに見合った回路素子や放熱機構を備える必要が生じるという問題があった。
【０００６】
昨今、電気自動車や燃料電池自動車の補助電源の用途においては、複数のキャパシタを直列接続したモジュールに求められる充電電流を１００Ａ程度に大電流化する必要が生じている。しかし、モジュールのうち、先に定格電圧に達したキャパシタの並列モニタが充電電流をバイパスした場合、バイパス電流は充電電流そのものとなる。充電電流１００Ａの場合、並列モニタ１個あたりで消費される電力は、キャパシタの定格電圧を２．５Ｖとすると、２．５Ｖ×１００Ａ＝２５０Ｗという極端に大きなものとなってしまう。従って、これら充電電流を１００％バイパスできる電力容量と電流定格をもった電子部品とこれを一定温度以内に保つ放熱機構が必要となり、並列モニタの大容量化は避けられなかった。
【０００７】
また、特開平１０−１７４２８３号公報には、複数のキャパシタを直列接続したモジュールの端子電圧、および個々のキャパシタ端子電圧を監視して所定の電圧で充電電流を減少させる充電方法が開示されている。この方法を用いた場合には、並列モニタ回路動作時に充電電流を減じて消費電力を減らすことで、並列モニタで消費される電力は低減できるものの、満充電以前に充電電流を減少させてしまうので、充電時間が長くかかるという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような問題があったため、直列に接続された複数のキャパシタを充放電する際に、各キャパシタに並列に接続した充電電流バイパス用モニタで消費される電力を最小にし、トランジスタ等の回路素子と放熱機構を小型化した充電装置と、より充電時間の短い充電方法が要求されていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するものであって、直列に接続された複数のキャパシタを充放電する際に、各キャパシタの特性ばらつきを考慮した上で満充電で端子電圧が一致するようなキャパシタ許容電圧範囲を設定し、この範囲を超えないように各キャパシタの充電電流を制御することで、各キャパシタに並列に接続した充電電流バイパス用トランジスタで消費される電力を最小にし、トランジスタ等の回路素子と放熱機構を小型化した充電装置と、より充電時間の短い充電方法を提供することにある。
【００１０】
すなわち、直列接続した電気二重層キャパシタと並列に充電バランス回路を接続してなるキャパシタモジュールと、充電装置とを接続して構成される電気二重層キャパシタ充電装置において、
上記充電バランス回路が、端子電圧検出器と比較器とスイッチング素子と上限電圧設定器と基準電圧設定器と抵抗とを接続して構成され、
電気二重層キャパシタの平均電圧Ｖaveと各キャパシタの定格電圧である充電設定電圧Ｖtarと各キャパシタの静電容量ばらつきの許容差ΔＣｏ、または静電容量ばらつきと漏れ電流ばらつきの許容差ΔＣ’＋ΔＬから、後に示す（１）式または（５）式により充電進行時の各平均電圧におけるキャパシタ電圧許容範囲ΔＶcまたはΔＶc’を設定する基準設定手段と、各キャパシタ電圧値を上記キャパシタ電圧許容範囲ΔＶcまたはΔＶc’と比較してこれを超える場合にキャパシタに並列接続した充電バランス回路を導通させて充電電流を制限する充電制御手段とを用いることを特徴とする電気二重層キャパシタの充電方法である。
【００１２】
また、上記の電気二重層キャパシタの平均容量Ｃaveと、各キャパシタに容量ばらつきがないと仮定した際の平均容量Ｃoとの差ΔＣaveを求め、上記キャパシタ電圧許容範囲ΔＶcaを下記（１）’式にて設定することを特徴とする電気二重層キャパシタの充電方法である。
ΔＶca＝Ｖave＋（Ｖtar−Ｖave）×ΔＣave                （１）’
【００１３】
そして、上記充電バランス回路が最小電圧検出器と最大電圧検出器とを有し、各々、全キャパシタの最小電圧と最大電圧を検出して、演算器により最小電圧値と最大電圧値の和を２分してその平均値を求め、これをキャパシタの平均電圧と仮設定することを特徴とする電気二重層キャパシタの充電方法である。
【００１４】
さらに、直列接続した電気二重層キャパシタと並列に充電バランス回路を接続したキャパシタモジュールと、充電装置とを接続して構成される電気二重層キャパシタ充電装置において、
上記充電バランス回路が、端子電圧検出器と比較器とスイッチング素子と上限電圧設定器と基準電圧設定器と抵抗とを接続して構成され、
全キャパシタの最小電圧を検出してこれを下限基準値とし、該下限基準値に静電容量ばらつきおよび漏れ電流ばらつきの許容差によって設定される電圧ばらつきを加算する上限電圧設定器によりキャパシタ電圧許容範囲を設定する基準設定手段と、各キャパシタ電圧値と上記キャパシタ電圧許容範囲とを比較器により比較し、キャパシタ電圧値が高い場合に、キャパシタと並列接続した充電バランス回路を導通させて充電電流を制限する充電制御手段とを有することを特徴とする電気二重層キャパシタの充電方法である。
【００１５】
また、上記電気二重層キャパシタ充電装置において、充電進行時にキャパシタ平均電圧がキャパシタ充電設定電圧に近づくにつれて、キャパシタ電圧許容範囲が０に収束することを特徴とする電気二重層キャパシタの充電方法である。
【００１６】
そして、上記電気二重層キャパシタ充電装置において、キャパシタモジュールの充電設定電圧より低い電圧値に充電変化点を設け、キャパシタモジュール電圧が充電変化点を超えた時点で定電流充電から定電圧充電に移行する充電制御方式を取ることを特徴とする電気二重層キャパシタ充電方法である。
【００１７】
さらに、上記電気二重層キャパシタ充電装置において、充電進行時におけるキャパシタ電圧許容範囲を設定する基準設定手段と、各キャパシタ電圧値を上記キャパシタ電圧許容範囲と比較してこれを超える場合に充電電流を制限する充電制御手段をマイクロプロセッサによるソフトウエア制御で行うことを特徴とする電気二重層キャパシタ充電方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
電気二重層キャパシタの充電装置を、図１のように、直列接続した電気二重層キャパシタと並列に充電バランス回路を接続したキャパシタモジュールと、電流検出器と、充電制御回路とを充電装置に接続して構成する。
上記充電バランス回路は図２、図７のように、端子電圧検出器と比較器とパワーＮＰＮトランジスタと上限電圧設定器とシャントレギュレータと抵抗とを接続して構成される。ここで、図８、図９のように、上記充電バランス回路の端子電圧検出器と上限電圧設定器との間に最大電圧検出器および／または最小電圧検出器と、演算器および／または乗算器とで構成される回路を接続してもよい。
そして、上記充電制御回路は図１０のように、端子電圧検出器と充電電流検出器と充電電流制御器と満充電検出器とを接続して構成される。
上記電気二重層キャパシタ充電装置により、電気二重層キャパシタの平均電圧と各キャパシタの充電設定電圧と各キャパシタの静電容量ばらつき、または漏れ電流ばらつきの許容差から、充電進行時の各平均電圧におけるキャパシタ電圧許容範囲を設定する基準設定手段と、各キャパシタ電圧値を上記キャパシタ電圧許容範囲と比較してこれを超える場合にキャパシタに並列接続した電流バランス回路を導通させて充電電流を制限する充電制御手段とを用いて電気二重層キャパシタを充電する。
また、上記電気二重層キャパシタの合成容量と、各キャパシタセルに容量ばらつきがないと仮定した際の合成容量との差を求め、その差分により上記キャパシタの平均電圧を補正する。
さらに、上記の電気二重層キャパシタの平均容量と、各キャパシタに容量ばらつきがないと仮定した際の平均容量との差を求め、上記コンデンサの平均電圧を補正する。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明による実施例について、図面を参照して説明する。
本発明による電気二重層キャパシタ充電装置の一実施例を図１に示す。図１において、キャパシタモジュール３は、直列に接続された複数のキャパシタ１とそれに並列接続された充電バランス回路２とからなる。充電装置６は、商用電源とインバータによる電圧変換手段を組み合わせたもの、あるいは太陽電池等の直流電源を用いてキャパシタモジュール３に電力を供給し、充電制御回路４でキャパシタモジュール３の端子電圧と充電電流を検出して充電制御を行う。
【００２０】
図２は、キャパシタ２個を直列接続したキャパシタモジュールの一例を示すもので、直列接続されたキャパシタＣ１、Ｃ２とそれに並列接続された充電バランス回路２からなる。上限電圧設定器７に入力される電圧のうち、Ａ点電圧は、例えば抵抗Ｒ１＝１１ｋΩ、抵抗Ｒ２＝９ｋΩと設定することで、キャパシタ平均電圧＝キャパシタモジュール電圧／２より０．４５×（キャパシタモジュール電圧）＝０．９×（キャパシタ平均電圧Ｖave）を得ることができる。Ｂ点電圧は、例えば制御用のＩＣ１にシャントレギュレータμＰＣ１９４４（ＮＥＣ製）を使用してＤ点電圧を１．２５Ｖに制御し、Ｒ５＝１０ｋΩ、Ｒ６＝２．５ｋΩとしてＲ５、Ｒ６の抵抗分圧で０．２５Ｖを得ることができる。Ａ、Ｂ点電圧は、上限電圧設定器７で加算し上限電圧０．９×Ｖave＋０．２５として出力され、比較器９にて各キャパシタ端子電圧と比較して、キャパシタ端子電圧が上限曲線電圧よりも高いキャパシタにおいてはパワーＮＰＮトランジスタ１０を導通状態にして充電電流を制限し、キャパシタ端子電圧が上限電圧を超えない場合には、充電電流を制限することなく充電を進める。なお、キャパシタＣ２の端子電圧は上限電圧設定器７と電圧基準が同じであるため、キャパシタ端子電圧検出器は必要ない。
【００２１】
図３は、図２のキャパシタモジュールにおいて各キャパシタの充電設定電圧を２．５Ｖとしたときの充放電サイクル時におけるキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧を示したものである。今、静電容量ばらつきによる許容差を±１０％とし、キャパシタＣ１がＣ２より２０％容量が小さい場合を考える。キャパシタＣ１、Ｃ２がともに満充電の２．５Ｖから放電が開始されたとき、Ｃ１端子電圧は、Ｃ２よりも２０％早いスピードで端子電圧が低下する。放電がある一定時間進んだ後に充電に切り変わった場合、Ｃ１端子電圧は、Ｃ２よりも２０％早いスピードで端子電圧が上昇するため、最終的に放電深度と充電スピードが相殺して再び満充電で一致する。
このように、満充電から放電が開始され、再び充電される場合には、キャパシタＣ１、Ｃ２における放電深度と充電スピードの効果が相殺されるため、充電バランス回路２による充電電流の制限は必要ない。
ここで、充電進行時における各キャパシタの端子電圧ばらつきが、放電深度と充電スピードの関係で満充電時に相殺される範囲をセル電圧許容範囲とする。
【００２２】
充電進行時におけるキャパシタ電圧許容範囲は、キャパシタの平均電圧と充電設定電圧と静電容量ばらつき許容差から設定する。キャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧を満充電で一致させるには、平均電圧Ｖaveにおいて、充電設定電圧Ｖtarと平均電圧Ｖaveとの電圧差（Ｖtar−Ｖave）に対して静電容量ばらつきΔＣ０による充電スピード差を考慮して、（Ｖtar−Ｖave）×ΔＣ０の範囲内にキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧が入るように制御をする必要がある。キャパシタＣ１、Ｃ２を充電設定電圧Ｖtarで一致させるために平均電圧Ｖaveにおいて許されるキャパシタ電圧許容範囲ΔＶｃは次の（１）式で計算される。
【００２３】
ΔＶｃ＝Ｖave＋（Ｖtar−Ｖave）×ΔＣ０                        （１）
【００２４】
図２において、充電設定電圧Ｖtar＝２．５Ｖ、静電容量ばらつきΔＣ０を±１０％としてこれを、（１）式に代入すると、
【００２５】
ΔＶｃ＝Ｖave＋（２．５−Ｖave）×（±０．１）                （２）
【００２６】
これをキャパシタセル電圧許容範囲の上限電圧Ｖhとして表すと次式となる。
【００２７】
Ｖh＝０．９×Ｖave＋０．２５                                  （３）
【００２８】
また、下限電圧Ｖlとして表すと次式となる。
【００２９】
Ｖl＝１．１×Ｖave−０．２５                                  （４）
【００３０】
仮に下限電圧Ｖlを下回るキャパシタ端子電圧があった場合、充電電流を増加させることは不可能であるから、充電バランス回路２で充電電流を制限することなく充電を続ける。逆に上限電圧Ｖhを上回るキャパシタ端子電圧があった場合、充電バランス回路２で該当キャパシタの充電電流を制限して、電圧許容範囲内に入る充電電流で充電を進めることとなる。このように、放電深度差と充電スピード差の相殺効果が得られるのは、２回目以降の充放電に相当する場合である。
【００３１】
図４は、図２のキャパシタモジュールにおける初回充電時のキャパシタＣ１、Ｃ２端子電圧を示したものである。初回充電は、キャパシタＣ１、Ｃ２が共に０ボルトから始まる。キャパシタＣ１の端子電圧が１．２５Ｖになるまでは、先に設定した電圧許容範囲内にキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧が入るため、充電バランス回路２による充電電流の制限は行われない。しかし、キャパシタＣ１が１．２５Ｖを超えると許容範囲を超えるため、キャパシタＣ１のみ充電バランス回路２により充電電流を制限し、充電スピードを落として充電する。キャパシタＣ１の充電電流は、キャパシタＣ２と充電スピードを一致させるための充電電流制限分（２０％）とキャパシタＣ１が１．２５Ｖに充電されるまでに開いたキャパシタＣ１、Ｃ２の電圧差分（０．２５Ｖ）の埋め合わせ分（１３％）の合計３３％の充電電流を制限して充電する。従って、キャパシタＣ１が１．２５Ｖを超えてからは、キャパシタＣ１のみ充電電流を３３％制限して充電を続け、キャパシタＣ２は充電電流を制限することなく充電することで、２．５Ｖの充電設定電圧でキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧を一致させることができる。
このように、初回充電時や長期放置による自然放電のために放電深度と充電スピードに相殺関係が得られない場合は、充電進行時にキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧がキャパシタ電圧許容範囲を超えてしまうため、充電バランス回路２により充電電流を制限して充電を進めることとなる。
【００３２】
特開平６−２６１４５２号公報による、キャパシタ電圧が充電設定電圧に達した時点で充電電流が制限される充電方法と、本発明によるキャパシタ電圧がキャパシタ電圧許容範囲を超えた時点で充電電流が制限される充電方法とを初回充電時で比較してみる。
静電容量ばらつきによる許容差を±１０％とし、キャパシタＣ１がＣ２より２０％容量が小さいと仮定した場合を考える。図１３の充電制限回路では、キャパシタＣ１が２．５Ｖに達した際、キャパシタＣ２は２．０Ｖでしかないため、キャパシタＣ１はすべての充電電流を並列モニタ側にバイパスして、キャパシタＣ２が２．５Ｖに達するまでひたすら待つこととなる。この時、キャパシタＣ１が充電設定電圧に達し、その後全ての充電電流をバイパスし続ける時間は、全充電時間の２０％にも達する。
一方、図２の充電制御回路では、キャパシタＣ１が１．２５Ｖから２．５Ｖに達するまでの時間（全充電時間の６０％）において、充電電流の３３％をパワーＮＰＮトランジスタ１０でバイパスすることによってキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧を満充電で一致させることができる。従って、図２の充電制御回路では、トランジスタ１０に電流容量の小さいものを選定することができ、かつ充電バランス回路２の消費電力（バイパス電流×キャパシタ端子電圧）を低減できるため放熱装置の小型化が可能となる。
【００３３】
図３、図４の充放電サイクル例で用いたキャパシタ電圧許容範囲（１）式は、各キャパシタの静電容量ばらつき許容差のみを考慮したものである。一般にキャパシタの漏れ電流ばらつきは静電容量ばらつきと比較して小さくなるが、各キャパシタの漏れ電流ばらつき許容差ΔＬを（１）式に併せて考慮した場合、キャパシタ全体の許容差ばらつきを（ΔＣ＋ΔＬ）として（１）式のΔＣ０と置き換えると、キャパシタ電圧許容範囲は（５）式となる。
【００３４】
ΔＶｃ’＝Ｖave＋（Ｖtar−Ｖave）×（ΔＣ’＋ΔＬ）           （５）
【００３５】
このように、静電容量ばらつきと漏れ電流ばらつきを併せて考慮する場合は、それぞれの許容差ばらつきを足し合わせて（５）式に代入すればよく、（３）式、（４）式に相当するキャパシタ電圧許容範囲の上・下限電圧を簡単に導き出すことができる。
【００３６】
続いて、キャパシタ５個を直列接続した場合のキャパシタモジュールについて考える。
事例を単純化するために、以下の説明は、静電容量ばらつきのみが生じたものとして考える。静電容量ばらつきと漏れ電流ばらつきを併せて考慮する場合は、（５）式と同様に、それぞれのばらつきを足し合わせて、キャパシタ電圧許容範囲を設定すればよい。
キャパシタ５個の静電容量ばらつきが互いに打ち消し合い、キャパシタの合成容量ばらつきが０となる場合には、平均電圧が各キャパシタの充放電曲線の中間に位置するため、図２のキャパシタ２個を直列にしたキャパシタモジュールと同様のキャパシタ電圧許容範囲を設定できる。しかし、静電容量がプラス側、あるいはマイナス側にかたよって、キャパシタ平均容量がばらついた場合には、図２に示した上限電圧による充電電流の制御が効果的に行えない場合が出てくる。
今、静電容量のかたよりが大きい例として、５個のキャパシタのうち、＋１０％のキャパシタが１個、−１０％のキャパシタが４個ある場合を考えてみる。図５は−１０％のキャパシタＣ１（４個）と＋１０％のキャパシタＣ２（１個）による初回充電時のキャパシタ端子電圧を表す。平均電圧がキャパシタＣ１側にかたよるため、（３）式で示すキャパシタ電圧許容範囲の上限電圧もＣ１側にかたよってしまう。
キャパシタＣ１電圧がＶ１のとき、キャパシタＣ２電圧は０．８×Ｖ１で求められる。このとき、キャパシタ平均電圧Ｖaveは、（６）式で求められる。
【００３７】
0003839734.tif 000002
【００３８】
（３）式に（６）式のＶaveを代入して、図５において上限曲線式を越えるキャパシタ電圧Ｖ１を求めると、Ｖ１＝１．８４Ｖとなり、図２の場合の１．２５Ｖと比較して約０．６Ｖ高くなってしまう。従って、キャパシタＣ１の端子電圧が１．８４Ｖから２．５Ｖに達するまでの間、キャパシタＣ１の充電電流は、キャパシタＣ２と充電スピードを一致させるための充電電流制限分（２０％）とキャパシタＣ１が１．８４Ｖに充電されるまでに開いたキャパシタＣ１、Ｃ２の電圧差分（０．３７Ｖ）の埋め合わせ分（２９％）の合計４９％の充電電流を制限して充電を進めることとなる。
２回目以降の充放電の際にも充電電流の制限が効果的に行えない状況が出てくる。図６においてキャパシタＣ１、Ｃ２が満充電の２．５Ｖから放電された際、Ｃ２は放電曲線ａとなるはずであるが、平均電圧がキャパシタＣ１側にかたよるため、Ｃ２が上限電圧を超えてしまい、キャパシタＣ２は放電の際に４％の電流を充電バランス回路側にバイパスして、放電曲線ｂで放電することとなる。また、２回目以降の充電の際にも、先の放電時の４％バイパス電流によって、キャパシタＣ１、Ｃ２の放電深度と充電スピードの関係がアンバランスとなり、交点ｄでキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧が一致してしまうため、交点ｄから充電設定電圧２．５Ｖまで、キャパシタＣ１の充電電流を２０％制限して充電を進める必要がある。
静電容量のかたよりが大きいもう一つの例として、５個のキャパシタのうち、＋１０％のキャパシタが４個、−１０％のキャパシタが１個ある場合を考えてみる。図による説明は省略するが、この場合は平均電圧がＣ２側にかたよるため、初回充電時にキャパシタＣ１が上限電圧を超える電圧は１．２５Ｖよりも充分小さく、充電があまり進んでいない時期から緩やかにキャパシタＣ１側の充電電流に制限をかけることができる。また、２回目以降の充放電の際にも上限電圧を超えるキャパシタ電圧はなく、充電電流を制限する必要がない。
【００３９】
キャパシタ５個を直列接続したキャパシタモジュールの例を図７に示す。上限電圧設定器７に入力される電圧のうち、Ａ点電圧は、例えば抵抗Ｒ１＝４１ｋΩ、抵抗Ｒ２＝９ｋΩと設定することで、キャパシタ平均電圧Ｖave＝キャパシタモジュール電圧／５より、０．１８×（キャパシタモジュール電圧）＝０．９×（キャパシタ平均電圧Ｖave）を得ることができる。Ｂ点電圧は、例えばＩＣ１にシャントレギュレータμＰＣ１９４４（ＮＥＣ製）を使用してＤ点電圧を１．２５Ｖに制御し、Ｒ５＝１０ｋΩ、Ｒ６＝２．５kΩとしてＲ５、６の抵抗分圧で０．２５Ｖを得ることができる。Ａ、Ｂ点電圧は、上限電圧設定器７で加算されて上限曲線電圧０．９×Ｖave＋０．２５として出力され、比較器９にて各キャパシタ端子電圧と比較して、キャパシタ端子電圧が上限曲線電圧よりも高いキャパシタにおいてはパワーＮＰＮトランジスタ１０を導通状態にして充電電流を制限し、キャパシタ端子電圧が上限電圧を超えない場合には、充電電流を制限することなく充電を進める。
【００４０】
先のキャパシタ５個の直列接続に示されるように、静電容量ばらつきによって、キャパシタの平均電圧にかたよりが見られる場合は、図５、６における上限電圧を補正する必要がある。
例えば、キャパシタモジュールの合成容量を測定し、容量ばらつきがないと仮定した際の合成容量と比較してその差を求め、キャパシタ平均電圧を合成容量の差分を用いて補正することが可能である。表１は、図５におけるキャパシタ５個が直列接続された場合について、各キャパシタの容量ばらつきを＋１０％、あるいは−１０％と仮定した場合の容量ばらつきとキャパシタ平均電圧のかたより、キャパシタ合成容量ばらつきの関係を示したものである。
【００４１】
【表１】
0003839734.tif 000003
【００４２】
表１において、キャパシタ合成容量ばらつきの符号を反転したものは、キャパシタ平均電圧ばらつきとほぼ等しいことがわかる。従って、キャパシタモジュールの合成容量を測定してキャパシタ合成容量ばらつきを求め、これをキャパシタ平均電圧のかたよりとして図７のＡ点電圧におけるＶaveを補正することで、図５、６の充放電特性中の平均電圧曲線をキャパシタＣ１、Ｃ２の充放電曲線の中間付近に置くことができる。
例えば、表１における−１０％のＣ１（４個）と＋１０％のＣ２（１個）を用いた場合、表１から平均電圧かたより＋６％を求め、図７のように抵抗Ｒ２に可変抵抗を用いてＲ２の抵抗調整を行い、Ａ点電圧０．９×Ｖaveを６％低下させる補正を行うことで、図５、６の平均電圧曲線を０．６％の誤差で補正することができる。
【００４３】
さらに精度よく平均電圧の補正を行う場合は、キャパシタ個々の静電容量を測定し平均容量を計算して求め、容量ばらつきがない場合の平均容量と比較して、その差分をもとに図７におけるＲ２の抵抗調整を行い、Ａ点電圧０．９×Ｖaveの補正を行うことで、図５、６の平均電圧をＣ１、Ｃ２の充放電曲線の中間点にプロットすることができる。
【００４４】
また、平均電圧の補正を必要としない方法として、各キャパシタ電圧のうち最小端子電圧と最大端子電圧を求めてこの平均を平均電圧Ｖaveとする方法について説明する。図８における各キャパシタ電圧のうち、端子電圧検出器８で検出した各キャパシタ電圧について、最小電圧検出器１１と最大電圧検出器１２で最小・最大端子電圧を求め、演算器１３で（最大電圧値＋最小電圧値）／２を演算する。続いて、乗算器１４で演算器１３の出力を０．９倍することで、Ａ点電圧（０．９×Ｖave）が得られる。乗算器１４で得られたＡ点電圧は、上限電圧設定器７でＢ点電圧と足し合わされて、上限曲線電圧０．９×Ｖave＋０．２５として出力され、各キャパシタ端子電圧と比較するのに用いられる。以降は、図７の例と同様であるので、説明は省略する。図８におけるＶaveは、全てのキャパシタ電圧の平均値ではなく、最大電圧値と最小電圧値の平均であるが、静電容量ばらつきや漏れ電流ばらつきによる電圧のかたよりの影響を受けることなく、本来必要としている各キャパシタの充放電曲線の中間点に平均電圧曲線をプロットすることができる。
【００４５】
また、平均電圧の補正を必要としない他の方法として、各キャパシタ電圧のうち最小電圧を検出してこれを下限基準値とし、この値に各キャパシタの静電容量ばらつき、漏れ電流ばらつき許容差によって設定される電圧ばらつきを加算してキャパシタ電圧許容範囲を設定する方法について説明する。先に得られた上限・下限電圧の（３）式、（４）式についてＶaveを消去すると、次の上限電圧を得ることができる。
【００４６】
Ｖh＝０．８２×Ｖl＋０．４５                                （式７）
【００４７】
この式のＶlに最小キャパシタ端子電圧を代入して上限電圧の値を得る。具体的に図９の回路図で説明する。図９における各キャパシタ電圧のうち、端子電圧検出器８で検出した各キャパシタ電圧について、最小電圧検出器１１において最小端子電圧を求め、乗算器１４で演算器１３の出力を０．８２倍することで、Ａ点電圧（０．８２×Ｖl）が得られる。乗算器１４から得られたＡ点電圧は、上限電圧設定器７でＢ点電圧に加算されて、上限電圧０．８２×Ｖl＋０．４５として出力され、各端子電圧と比較するのに用いられる。以降は、図７、８の例と同様であるので、説明は省略する。このように、図９の回路図に示す方法では、最小電圧値をもとに静電容量ばらつき、漏れ電流ばらつき許容差を加算しているため、静電容量ばらつきや漏れ電流ばらつきによる電圧のかたよりの影響を受けることなく、キャパシタ電圧許容範囲を設定することができる。
【００４８】
なお、上記実施例の図２、図７、図８、図９の充電バランス回路において、比較器にパワーＮＰＮトランジスタを接続して使用したが、これ以外にパワーＰＮＰトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ等も使用することができる。
【００４９】
図２の電気二重層キャパシタ充電装置において、キャパシタモジュール全体の充電設定電圧より低い電圧値に充電変化点を設け、キャパシタモジュール電圧が充電変化点を超えた時点で定電流充電から定電圧充電に移行する充電制御方式を取ることで、より効果的な充電制御を行うことができる。図１０において、電気二重層キャパシタ充電装置は、キャパシタモジュール３と充電制御回路４と充電装置６を接続して構成される。キャパシタモジュール３は、直列に接続された複数のキャパシタ１とそれに並列接続された充電バランス回路２からなる。また、充電装置６は、図２と同様に商用電源とインバータによる電圧変換手段を組み合わせたもの、あるいは太陽電池等の直流電源を用いることができる。
【００５０】
充電制御回路４は、次の要領で定電流充電から定電圧充電への切り替えを行う。
図１０のキャパシタモジュール３が、定格２．５Ｖのキャパシタ５個を直列接続して構成されていた場合、キャパシタモジュールの充電設定電圧は１２．５Ｖとなり、定電流充電から定電圧充電への切り替えを行う充電変化点電圧を１２Ｖ付近に設定しておく。
端子電圧検出器１５は、キャパシタモジュール３の端子電圧を充電変化点電圧１２Ｖと比較してそれを超える場合に、端子電圧と１２Ｖとの差を比較・差動増幅器１９で増幅し、トランジスタ２０とフォトカプラ２１を介して抵抗Ｒ７の両端に電圧を出力する。
また、充電電流検出器１６は、キャパシタモジュール３の充電電流を抵抗Ｒ８の両端電圧として取り出し、差動増幅器２２で増幅し、トランジスタ２３とフォトカプラ２４を介して抵抗Ｒ７の両端に電圧を出力する。よって抵抗Ｒ７の両端には、キャパシタモジュール端子電圧と充電変化点電圧１２Ｖの差に比例した増幅出力、および充電電流に比例した増幅出力を加算した電圧出力が得られることとなる。
また、充電電流制御器１７では、充電電流値を電圧換算して設定したＶref電圧と抵抗Ｒ７の両端電圧が常に等しくなるように、駆動トランジスタ２６をフィードバック制御して、充電装置６からキャパシタモジュール３への充電を行っている。
【００５１】
キャパシタモジュール３の端子電圧が１２Ｖよりも低い場合、抵抗Ｒ７への電圧出力は充電電流検出器１６からの出力のみとなり、端子電圧検出器１５による出力はない。従って、キャパシタモジュール３は、電圧Ｖrefによって設定される充電電流値で定電流充電されることとなる。一方、キャパシタモジュール３の端子電圧が１２Ｖを超えると、端子電圧検出器１５で端子電圧と１２Ｖとの差を増幅したものが、抵抗Ｒ７に電圧出力される。端子電圧検出器１５と充電電流検出器１６による抵抗Ｒ７への出力はＶref一定であるため、端子電圧検出器１５により出力が増加した分だけ充電電流検出器１６の出力が減少することとなる。
【００５２】
図１０の電気二重層キャパシタ充電装置で充電した際の充電電圧−充電電流特性を図１１に示す。１２Ｖから充電電流が緩やかに減少し、１２．５Ｖの充電電流０．５Ａまで低下させて充電を行うこととなる。このときの充電電流０．５Ａは、各キャパシタ内部の充電密度を均等化する補充電流に相当する。そしてキャパシタモジュールの端子電圧が１２．５Ｖを超えたことを満充電検出器１８で検出し、充電装置６による充電を停止する。
【００５３】
定電流充電から定電圧充電へ移行し始めるキャパシタモジュールの充電変化点電圧１２Ｖでは、５つのキャパシタ全てが２．４Ｖ±１０ｍＶの誤差ばらつき内に入る状態にあるため、充電電流を減少させてもある特定のキャパシタが満充電に達するのが遅くなるということはない。また、各キャパシタが満充電付近の２．５Ｖに達したとしても、充電密度を均等化する補充電を一定時間行う必要があり、図１０に示す充電装置で充電を行うことにより定電流充電から定電圧充電への効率よい切り替えを行うことができる。
【００５４】
図２の電気二重層キャパシタ充電装置において、充電時におけるキャパシタ電圧許容範囲の設定と、各キャパシタ電圧値をキャパシタ電圧許容範囲と比較してこれを超える場合に充電電流を制限する充電制御をマイクロプロセッサによるソフトウエア制御で行った例を図１２に示す。
図１２におけるキャパシタモジュールは、キャパシタ５個を直列接続している。直列接続されたキャパシタの各接続点電位をＡ−Ｄコンバータ３１で検出してＣＰＵに伝達し、ＣＰＵで各端子電圧を演算して求める。ＥＥＰＲＯＭ３０には、充電時の各平均電圧におけるキャパシタ電圧許容範囲を設定する基準設定手段と、各キャパシタ電圧値を上限電圧値と比較してこれを超える場合に充電電流を制限する信号を出力するプログラムがあらかじめ書き込まれている。
そして、Ａ−Ｄコンバータ３１から入力された各端子電圧とＥＥＰＲＯＭ３０に書き込まれた制御プログラムをもとに、ＣＰＵ２９において上限設定電圧の演算と各キャパシタ端子電圧との比較を行い、各端子電圧が上限設定電圧を超える場合は、Ｄ−Ａコンバータ３２を通して各キャパシタに並列に接続したパワーＮＰＮトランジスタ１０を導通制御し、リアルタイムで各キャパシタの充電制御を行うことで、充電設定電圧ですべてのキャパシタを満充電に一致させる。この際、ＥＥＰＲＯＭ３０に記述されている上限設定電圧式は（０．９×Ｖave＋０．２５）として、上限設定電圧Ｖaveを直列接続したキャパシタ電圧から求めてもよいし、全キャパシタの最大電圧と最小電圧を検出してその平均値を入力してもよい。また、全キャパシタの最小電圧Ｖlで記述された（７）式の上限設定電圧式ΔＶｈ＝（０．８２×Ｖｌ＋０．４５）を用いてもよい。さらに、マイクロプロセッサ２８に接続されたキャパシタの各キャパシタ容量を測定して、平均容量ばらつきをもとに平均電圧を補正した上で、ＥＥＰＲＯＭ３０のプログラム書き込みポート３３を用いて、制御プログラムを書き込むこともできる。
【００５５】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、複数の電気二重層キャパシタを直列接続したキャパシタモジュールにおいて、各々のキャパシタ端子電圧を検出して満充電にすべてのキャパシタ電圧が一致するようなキャパシタ電圧許容範囲を設定して充電制御を行うことで、キャパシタに並列接続した充電電流制御用トランジスタにおける電力消費を低減し、放熱装置の小型化が可能となる。また、充電進行時において、最小電圧キャパシタは充電電流を制限することなく充電を進め、それ以外のキャパシタについて充電電流を制限することで、キャパシタモジュール全体を見たときに充電スピードを落とすことなく、最短時間で全てのキャパシタを満充電に達することができる。
また、キャパシタモジュールの充電設定電圧より低い電圧値に充電変化点を設けて、キャパシタモジュール電圧が充電変化点を超えた時点で定電流充電から定電圧充電に移行する充電制御方式を取ることで、充電設定電圧を越えて充電が進行することを抑制し、かつ満充電付近で補充電を行うことで、各キャパシタ内部の充電密度を均等化することができる。
また、直列に接続したキャパシタに接続した充電バランス回路において、キャパシタの平均電圧をもとにキャパシタ電圧許容範囲を設定する手段と各キャパシタ電圧値をキャパシタ電圧許容範囲と比較して充電電流を制限する信号出力をマイクロプロセッサによるソフトウエア制御で行うことで、充電バランス回路を小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による電気二重層キャパシタ充電装置である。
【図２】電気二重層キャパシタ２個を直列接続した、キャパシタモジュールの実施例である。
【図３】図２のキャパシタモジュールにおける電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧の経時変化である。
【図４】図２のキャパシタモジュールにおける初回充電時のキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧である。
【図５】キャパシタ５個を直列接続したキャパシタモジュールにおける初回充電時のキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧である。
【図６】５個を直列接続したキャパシタモジュールにおけるＣ１、Ｃ２の端子電圧である。
【図７】キャパシタ５個を直列接続した、キャパシタモジュールの他の実施例である。
【図８】キャパシタ５個を直列接続した、キャパシタモジュールの他の実施例である。
【図９】キャパシタ５個を直列接続した、キャパシタモジュールの他の実施例である。
【図１０】本発明の実施例による電気二重層キャパシタ充電装置の充電制御回路の要部を記述したものである。
【図１１】図１０の電気二重層キャパシタ充電装置によるキャパシタモジュールの充電電圧−充電電流特性を記述したものである。
【図１２】キャパシタ５個を直列接続したキャパシタモジュールの他の実施例である。
【図１３】電気二重層キャパシタを２個直列接続した場合の従来例である。
【符号の説明】
１  電気二重層キャパシタ
２  充電バランス回路
３  キャパシタモジュール
４  充電制御回路
５  電流検出器
６  充電装置
７  上限電圧設定器
８  端子電圧検出器
９  比較器
１０  パワーＮＰＮトランジスタ
１１  最小電圧検出器
１２  最大電圧検出器
１３  演算器
１４  乗算器
１５  端子電圧検出器
１６  充電電流検出器
１７  充電電流制御器
１８  満充電検出器
１９  比較・差動増幅器
２０  トランジスタ
２１  フォトカプラ
２２  差動増幅器
２３  トランジスタ
２４  フォトカプラ
２５  差動増幅器
２６  トランジスタ
２７  比較器
２８  マイクロプロセッサ
２９  ＣＰＵ
３０  ＥＥＰＲＯＭ
３１  Ａ−Ｄコンバータ
３２  Ｄ−Ａコンバータ
３３  ＥＥＰＲＯＭの書き込み端子
【図１】
0003839734.tif 000007
【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】
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【図９】
0003839734.tif 000015
【図１０】
0003839734.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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