JP2003244859A

JP2003244859A - 電気二重層キャパシタ充電方法

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Publication number: JP2003244859A
Application number: JP2002041211A
Authority: JP
Inventors: Raita Nakanishi; 雷太中西
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2003-08-29
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: JP3839734B2

Abstract

(57)【要約】【課題】直列に接続された複数の電気二重層キャパシ
タを効率よく充電制御する。【解決手段】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、上記充電バラ
ンス回路が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、各々の端子電圧を検出して満
充電時にすべての充電電圧が一致するように充電電流を
制御することで、各キャパシタ容量の最大限を利用可能
とし、かつ個々の容量ばらつきにより消費されるエネル
ギーを最小に抑える。

Description

【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＝ＣＶ^２／２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６−２
６１４５２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、ＩＣ１
１、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Ｉ
１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、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、または静電容量ばらつきと
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。

【００１１】さらに、上記電気二重層キャパシタの合成
容量と、各キャパシタに容量ばらつきがないと仮定した
際の合成容量との差を求め、その差分により抵抗調整を
行い、上記キャパシタの平均電圧を補正することを特徴
とする電気二重層キャパシタの充電方法である。

【００１２】また、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、上記キャパシタの平均電圧
を補正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。

【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、演算器によりその平
均値を求め、これをキャパシタの平均電圧とすることを
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、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、Ｒ
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２
０％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ΔＣ_０によ
る充電スピード差を考慮して、（Ｖtar−Ｖave）×ΔＣ
_０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）×ΔＣ_０（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ΔＣ_０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Ｃ
１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１．２
５Ｖから２．５Ｖに達するまでの時間（全充電時間の６
０％）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Ｃ
１、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１
０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ΔＣ_０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、−１
０％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Ｖ
１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】Ｖave＝（４×Ｖ１＋０．８×Ｖ１）／５＝０．９６×Ｖ１（６）

【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２．５
Ｖ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＝４１
ｋΩ、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μＰＣ
１９４４（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Ｒ
５、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】

【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Ｃ
１、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Ｒ
７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１２
Ｖ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ＥＥＰＲ
ＯＭ３０に書き込まれた制御プログラムをもとに、ＣＰ
Ｕ２９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、ＥＥＰＲＯ
Ｍ３０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２９ＣＰＵ３０ＥＥＰＲＯＭ３１Ａ−Ｄコンバータ３２Ｄ−Ａコンバータ３３ＥＥＰＲＯＭの書き込み端子

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年３月１日（２００２．３．１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】電気二重層キャパシタ充電方法

Claims

【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、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、または静
電容量ばらつきと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。
【請求項２】上記電気二重層キャパシタの合成容量
と、各キャパシタに容量ばらつきがないと仮定した際の
合成容量との差を求め、その差分により抵抗調整を行
い、上記キャパシタの平均電圧を補正することを特徴と
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３】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、上記キャパシタの平均電圧を補
正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】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、演算器によりその平均値を
求め、これをキャパシタの平均電圧とすることを特徴と
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５】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、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６】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１〜５記載の電
気二重層キャパシタの充電方法。
【請求項７】上記電気二重層キャパシタ充電装置にお
いて、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
〜６記載の電気二重層キャパシタ充電方法。
【請求項８】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〜
７記載の電気二重層キャパシタ充電方法。