JP2011015561A - Charging/discharging device of lithium ion capacitor cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のリチウムイオンキャパシタセルが直列接続されてなるリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置に関し、特に、電圧均等化回路及び過放電保護回路を備えたリチウムイオンキャパシタセル充放電装置に関する。 The present invention relates to a charge / discharge device for a lithium ion capacitor cell in which a plurality of lithium ion capacitor cells are connected in series, and more particularly to a lithium ion capacitor cell charge / discharge device including a voltage equalization circuit and an overdischarge protection circuit.
リチウムイオンキャパシタは一般的に活性炭等を構成材料とした正極と、黒鉛やグラファイトなどを主とした負極とを、セパレータを介して対向させた構造となっており、正極は電気二重層キャパシタ、負極はリチウムイオン二次電池と同様の構成を有している。電極間は電解質塩を含む有機溶媒で満たされている。このようなリチウムイオンキャパシタは、予め負極にリチウムイオンを吸蔵させて電位を持たせることにより電気二重層キャパシタよりも高い2.2Vから3.8V程度の動作電圧範囲を有している。この高い動作電圧によって電気二重層キャパシタに比較して3〜4倍の高エネルギーを蓄えることが可能である。そのため電気二重層キャパシタのエネルギーでは不十分であった高エネルギーを要する用途や、ある程度長い放電時間が必要な用途への適用が期待され、電源バックアップ用途への適用において電気二重層キャパシタや二次電池よりも優位性が得られると考えられる。 A lithium ion capacitor generally has a structure in which a positive electrode made of activated carbon or the like and a negative electrode mainly made of graphite or graphite are opposed to each other through a separator. The positive electrode is an electric double layer capacitor, a negative electrode Has the same configuration as the lithium ion secondary battery. The space between the electrodes is filled with an organic solvent containing an electrolyte salt. Such a lithium ion capacitor has an operating voltage range of about 2.2 V to about 3.8 V, which is higher than that of the electric double layer capacitor, by preliminarily storing lithium ions in the negative electrode to give a potential. With this high operating voltage, it is possible to store 3 to 4 times as much energy as the electric double layer capacitor. Therefore, it is expected to be applied to applications that require high energy, which was insufficient with the energy of electric double layer capacitors, and applications that require a certain amount of discharge time. Electric double layer capacitors and secondary batteries can be used for power backup applications. It is thought that superiority can be obtained.
一方でリチウムイオンキャパシタは一般的に上述したように動作電圧範囲が定められており、この電圧範囲内での使用であれば、特性低下は小さく電気二重層キャパシタと同等程度の寿命を有し、長期にわたる安定使用が可能であるものの、この電圧範囲を超えてしまうと急速に劣化してしまう。このため使用に際しては電圧の監視と制御を行う必要がある。 On the other hand, the operating voltage range of the lithium ion capacitor is generally determined as described above, and if used within this voltage range, the characteristic degradation is small and the life is comparable to that of the electric double layer capacitor. Although stable use over a long period of time is possible, if the voltage range is exceeded, it will deteriorate rapidly. For this reason, it is necessary to monitor and control the voltage during use.
これに対し、現在リチウムイオン二次電池においても電圧の監視と制御が必要であり、そのために保護回路が標準的に搭載されている。これは二次電池が過充電や過放電となるといずれの場合も熱暴走につながり、発火・爆発に至る危険性があるためである。このため常時セル電圧を監視し過充電・過放電それぞれの場合に電界効果トランジスタを制御して主回路を遮断する方式がとられており、またセル電圧を監視するための手段として多種の論理回路などの素子を複雑に組み合わせて高精度な電圧検出と充放電の制御が行われている。 On the other hand, voltage monitoring and control are also required for lithium ion secondary batteries at present, and a protection circuit is standardly installed for this purpose. This is because if the secondary battery is overcharged or overdischarged, it will lead to thermal runaway in any case, and there is a risk of fire or explosion. Therefore, the cell voltage is constantly monitored and the main circuit is shut off by controlling the field effect transistor in each case of overcharge and overdischarge, and various logic circuits are used as means for monitoring the cell voltage. High-accuracy voltage detection and charge / discharge control are performed by combining such elements in a complicated manner.
リチウムイオンキャパシタの動作電圧範囲は、リチウムイオン二次電池と近い上限・下限電圧に設定されている。この動作電圧範囲を超過した場合、急速な特性低下さらには故障モードへの移行が生じる。このためセル電圧を監視する必要があるが、現状リチウムイオンキャパシタ用の電圧監視及び過充電・過放電保護用の専用ICはなく、専用の充放電制御回路もない。 The operating voltage range of the lithium ion capacitor is set to an upper limit / lower limit voltage close to that of the lithium ion secondary battery. When this operating voltage range is exceeded, rapid characteristic degradation and a transition to a failure mode occur. For this reason, it is necessary to monitor the cell voltage, but there is no dedicated IC for voltage monitoring and overcharge / overdischarge protection for current lithium ion capacitors, and no dedicated charge / discharge control circuit.
リチウムイオンキャパシタを過放電から保護する場合、リチウムイオン二次電池と動作電圧範囲が近いことから特許文献1のような二次電池用の過放電保護回路を適用することも電圧範囲を制御するという点では可能である。しかし各セルの電圧を監視して特定セルが過放電となった場合に警報を出力する、あるいはスイッチ手段を用いて主回路を遮断するといった方法をとると、直列接続をした段階ですでにセル間の電圧に差があった場合や特性の差によってセル間に電圧差が生じた場合には、設定した放電電圧に達する前に過放電が検出され十分に放電できないといった事態が生じる可能性がある。
When a lithium ion capacitor is protected from overdischarge, the operating voltage range is close to that of a lithium ion secondary battery, so applying an overdischarge protection circuit for a secondary battery as in
このような電圧ばらつきを回避するために特許文献2のような電圧均等化回路を設けることが広く行われている。 In order to avoid such voltage variations, it is widely performed to provide a voltage equalizing circuit as in Patent Document 2.
しかしながら、電圧ばらつきを回避するために特許文献2に記載されたような電圧均等化回路を設ける場合、電圧均等化回路はそれ自体でエネルギーを消費する場合が多く、設置に際しては過放電に至らせないようにしなくてはならない。 However, when a voltage equalization circuit such as that described in Patent Document 2 is provided in order to avoid voltage variations, the voltage equalization circuit often consumes energy by itself, leading to overdischarge during installation. I have to avoid it.
本発明はこのような問題を解決するものであって、エネルギーの損失を抑制することを可能としたリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置を提供することを目的とする。 The present invention solves such a problem, and an object of the present invention is to provide a lithium ion capacitor cell charging / discharging device capable of suppressing energy loss.
上記の課題を解決するための第1の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、前記各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、充電時に隣接する前記リチウムイオンキャパシタセル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、各前記リチウムイオンキャパシタセルにそれぞれ並列に接続された第1スイッチおよび分圧抵抗からなる多数の直列部とを有し、前記第1スイッチが、充放電主回路と電気的に絶縁され、前記充放電主回路の充電電流によりオンオフ制御される第2スイッチから出力される信号に基づいて開閉を行うことを特徴とする。 A charging / discharging device for a lithium ion capacitor cell according to a first aspect of the present invention for solving the above-described problems includes a plurality of lithium ion capacitor cells connected in series and a means for equalizing a voltage shared between the lithium ion capacitor cells. A charging / discharging device for a lithium ion capacitor cell having a difference calculation circuit that monitors a voltage difference between adjacent lithium ion capacitor cells during charging and outputs a monitoring result, and each of the lithium ion capacitor cells A first switch connected in parallel and a plurality of series parts composed of a voltage dividing resistor, wherein the first switch is electrically insulated from the charge / discharge main circuit and is turned on / off by a charge current of the charge / discharge main circuit Opening and closing is performed based on a signal output from the controlled second switch.
また、第2の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、第1の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置において、前記第1スイッチは、機械式または電磁式、又はフォトカプラであることを特徴とする。 The lithium ion capacitor cell charging / discharging device according to the second invention is the lithium ion capacitor cell charging / discharging device according to the first invention, wherein the first switch is a mechanical or electromagnetic type or a photocoupler. It is characterized by being.
また、第3の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、第1または第2の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置において、前記第2スイッチの信号は、前記差分演算回路の出力と、前記充放電主回路と電気的に絶縁され充電時に流れる主回路電流の有無によりオンオフ制御される第3スイッチの出力との論理積であることを特徴とする。 The lithium ion capacitor cell charging / discharging device according to a third aspect of the present invention is the lithium ion capacitor cell charging / discharging device according to the first or second aspect of the invention, wherein the signal of the second switch is the difference calculation circuit. It is a logical product of the output and the output of the third switch that is electrically insulated from the charge / discharge main circuit and controlled to be turned on / off depending on the presence / absence of a main circuit current flowing during charging.
また、第4の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、第1乃至第3のいずれかのリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置において、各前記セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、前記充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかの前記セルの電圧が所定電圧以下の場合に前記電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第4スイッチとを備え、放電時、前記第4スイッチがオン出力である場合に警報を出力することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a charge / discharge device for a lithium ion capacitor cell according to any one of the first to third lithium ion capacitor cells, wherein the voltage detector is connected in parallel to each of the cells. And a fourth switch that is electrically insulated from the charge / discharge main circuit and performs on-output based on a signal output from the voltage detector when the voltage of any one of the cells is equal to or lower than a predetermined voltage, When discharging, an alarm is output when the fourth switch is ON output.
また、第5の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、第1乃至第4のいずれかの発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置において、前記充放電主回路と電気的に絶縁され前記充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第5スイッチを有し、前記差分演算回路が放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力し、前記第5スイッチから出力される信号と、前記差分演算回路の出力との論理積に基づき警報出力を行うことを特徴とする。 A lithium ion capacitor cell charge / discharge device according to a fifth aspect of the invention is the lithium ion capacitor cell charge / discharge device according to any one of the first to fourth aspects of the invention, which is electrically insulated from the charge / discharge main circuit. And a fifth switch that is on / off controlled by a discharge current of the charge / discharge main circuit, wherein the difference calculation circuit monitors a voltage difference between adjacent cells during discharge and outputs a monitoring result, from the fifth switch An alarm is output based on the logical product of the output signal and the output of the difference calculation circuit.
また、第6の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、前記各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、充放電主回路と電気的に絶縁され前記充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第5スイッチとを有し、前記差分演算回路の出力と、前記第5スイッチから出力される信号との論理積に基づき警報出力を行うことを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a charging / discharging device for a lithium ion capacitor cell, comprising: a plurality of lithium ion capacitor cells connected in series; and a means for equalizing a shared voltage between the lithium ion capacitor cells. A charge / discharge device for a cell, a difference calculation circuit that monitors a voltage difference between adjacent cells during discharge and outputs a monitoring result, and a discharge current of the charge / discharge main circuit that is electrically insulated from the charge / discharge main circuit And a fifth switch that is controlled to be turned on and off, and outputs an alarm based on a logical product of an output of the difference calculation circuit and a signal output from the fifth switch.
また、第7の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、第5又は第6の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置において、各前記セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、前記充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかの前記セルの電圧が所定電圧以下の場合に前記電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第4スイッチとを備え、放電時、前記差分演算回路の出力と、前記第4スイッチの出力との論理積に基づいて警報出力を行うことを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a charge / discharge device for a lithium ion capacitor cell according to the fifth or sixth aspect, wherein the voltage detector is connected in parallel to each of the cells. And a fourth switch that is electrically insulated from the charge / discharge main circuit and performs on-output based on a signal output from the voltage detector when the voltage of any one of the cells is equal to or lower than a predetermined voltage, At the time of discharging, an alarm output is performed based on a logical product of the output of the difference calculation circuit and the output of the fourth switch.
上述した第1の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、充電時に隣接するリチウムイオンキャパシタセル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、各リチウムイオンキャパシタセルにそれぞれ並列に接続された第1スイッチおよび分圧抵抗からなる多数の直列部とを有し、第1スイッチが、充放電主回路と電気的に絶縁され、充放電主回路の充電電流によりオンオフ制御される第2スイッチから出力される信号に基づいて開閉を行うので、電圧均等化のためのリレースイッチをオンオフ制御する入力スイッチの動作電力を充放電主回路の充放電電流を直接利用することなく供給することができる。 According to the above-described charging / discharging device for lithium ion capacitor cells according to the first aspect of the invention, lithium ions having a large number of serially connected lithium ion capacitor cells and means for equalizing the voltage sharing between the lithium ion capacitor cells. A charging / discharging device for a capacitor cell, wherein a differential operation circuit that monitors a voltage difference between adjacent lithium ion capacitor cells during charging and outputs a monitoring result, and a first connected in parallel to each lithium ion capacitor cell The first switch is output from a second switch that is electrically insulated from the charge / discharge main circuit and controlled to be turned on / off by the charge current of the charge / discharge main circuit. The input switch that controls on / off of the relay switch for voltage equalization It can be supplied without using create power charging and discharging current of the charge and discharge main circuit directly.
上述した第2の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、第1スイッチは、機械式または電磁式、又はフォトカプラであるので、第一スイッチに常時電力を供給する必要がなく、エネルギーのロスを低減することができる。 According to the lithium ion capacitor cell charging / discharging device according to the second invention described above, since the first switch is a mechanical type, an electromagnetic type, or a photocoupler, it is not necessary to constantly supply power to the first switch. , Energy loss can be reduced.
上述した第3の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、第2スイッチの信号は、差分演算回路の出力と、充放電主回路と電気的に絶縁され充電時に流れる主回路電流の有無によりオンオフ制御される第3スイッチの出力との論理積であるので、充電時における隣接するセル間の電圧のばらつきを検出することができる。 According to the above-described charging / discharging device for a lithium ion capacitor cell according to the third aspect of the invention, the signal of the second switch includes the output of the difference calculation circuit and the main circuit current that is electrically insulated from the charging / discharging main circuit and flows during charging. Since this is a logical product with the output of the third switch that is controlled to be turned on / off by the presence or absence of voltage, it is possible to detect variations in voltage between adjacent cells during charging.
上述した第4の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、各セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかのセルの電圧が所定電圧以下の場合に電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第4スイッチとを備え、放電時、第4スイッチがオン出力である場合に警報を出力するので、過度に早い過放電検出による装置の停止および高頻度のセル交換を回避でき、長期にわたって安定した使用が可能となる。 According to the lithium ion capacitor cell charge / discharge device according to the fourth invention described above, the voltage detector connected in parallel to each cell and the charge / discharge main circuit are electrically insulated from each other. A fourth switch that performs on-output based on a signal output from the voltage detector when the voltage is equal to or lower than a predetermined voltage, and outputs an alarm when the fourth switch is on-output during discharge. It is possible to avoid device stoppage and frequent cell replacement due to early overdischarge detection, and stable use over a long period of time is possible.
上述した第5の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、充放電主回路と電気的に絶縁され充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第5スイッチを有し、差分演算回路が放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力し、第5スイッチから出力される信号と、差分演算回路の出力との論理積に基づき警報出力を行うので、放電時における隣接するセル間の電圧のばらつきを検出することができる。 According to the charging / discharging device of the lithium ion capacitor cell according to the fifth aspect described above, the fifth switch is electrically insulated from the charging / discharging main circuit and controlled to be turned on / off by the discharging current of the charging / discharging main circuit. Since the arithmetic circuit monitors the voltage difference between adjacent cells at the time of discharge and outputs the monitoring result, and outputs an alarm based on the logical product of the signal output from the fifth switch and the output of the difference arithmetic circuit, the discharge It is possible to detect voltage variations between adjacent cells at the time.
上述した第6の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、充放電主回路と電気的に絶縁され充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第5スイッチとを有し、差分演算回路の出力と、第5スイッチから出力される信号との論理積に基づき警報出力を行うので、放電時における隣接するセル間の電圧のばらつきを検出することができる。 According to the above-described charging / discharging device for lithium ion capacitor cells according to the sixth aspect of the invention, lithium ions having a large number of serially connected lithium ion capacitor cells and means for equalizing the shared voltage between the lithium ion capacitor cells A charge / discharge device for a capacitor cell, which monitors a voltage difference between adjacent cells during discharge and outputs a monitoring result; and a discharge current of the charge / discharge main circuit that is electrically insulated from the charge / discharge main circuit And a fifth switch that is controlled to be turned on / off, and outputs an alarm based on the logical product of the output of the difference calculation circuit and the signal output from the fifth switch. Variations can be detected.
上述した第7の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、各セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかのセルの電圧が所定電圧以下の場合に電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第4スイッチとを備え、放電時、差分演算回路の出力と、第4スイッチの出力との論理積に基づいて警報出力を行うので、各セル間の電圧差の発生と放電状態の検出とを組み合わせることにより、キャパシタモジュール内の各セルの電圧状態(電圧ばらつきの発生)を充放電主回路の外部から確認することが可能になるとともに、キャパシタモジュール内の劣化セルおよび故障セルの存在を検出することが可能となる。 According to the charging / discharging device of the lithium ion capacitor cell according to the seventh aspect described above, the voltage detector connected in parallel to each cell and the charge / discharge main circuit are electrically insulated from each other. A fourth switch that performs ON output based on a signal output from the voltage detector when the voltage is equal to or lower than a predetermined voltage, and is based on the logical product of the output of the difference calculation circuit and the output of the fourth switch during discharge Since the alarm output is performed, the voltage state of each cell in the capacitor module (occurrence of voltage variation) is confirmed from outside the charge / discharge main circuit by combining the generation of the voltage difference between the cells and the detection of the discharge state. It becomes possible to detect the presence of a deteriorated cell and a failed cell in the capacitor module.
以下、図面を参照しつつ本発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の詳細について説明する。 Hereinafter, the details of the charging / discharging device for a lithium ion capacitor cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1を用いて本発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の第1の実施例を説明する。図1は本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の過放電警報回路の一例を示す回路図である。 A first embodiment of a charging / discharging device for a lithium ion capacitor cell according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of an overdischarge alarm circuit of a charging / discharging device for a lithium ion capacitor cell according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の充放電主回路において、電力の充放電を行う複数の蓄電素子としてのリチウムイオンキャパシタセル(以下、単にキャパシタセルという)C1,C2,…,Cnは直列に接続されている。 As shown in FIG. 1, in the charge / discharge main circuit of the charge / discharge device of the lithium ion capacitor cell according to this embodiment, lithium ion capacitor cells (hereinafter simply referred to as capacitor cells) as a plurality of power storage elements that charge and discharge power. ) C1, C2,..., Cn are connected in series.
そして、これら複数のキャパシタセルC1,C2,…,Cnの正極(P)側に直列に、正極から負極(N)方向を導通方向とする第3スイッチとしてのフォトカプラPC1の一次側、及び、負極から正極方向を導通方向とする第5スイッチとしてのフォトカプラPD1の一次側が接続されている。 The primary side of the photocoupler PC1 as a third switch having a conduction direction from the positive electrode to the negative electrode (N) in series with the positive electrode (P) side of the plurality of capacitor cells C1, C2,. The primary side of the photocoupler PD1 is connected as a fifth switch whose conduction direction is from the negative electrode to the positive electrode.
これらフォトカプラPC1,PD1の一次側には直列に分圧抵抗RC,RDがそれぞれ接続されている。さらに、フォトカプラPC1の二次側は、入力が電源VCC1に接続され、出力が二つの入力の論理積を出力する論理回路AND1の一方の入力に接続されている。フォトカプラPD1の二次側は、入力が電源VCC1に接続され、出力が二つの入力の論理積を出力する論理回路AND2の一方の入力に接続されている。 Voltage dividing resistors RC and RD are connected in series to the primary sides of the photocouplers PC1 and PD1, respectively. Further, the secondary side of the photocoupler PC1 has an input connected to the power supply VCC1, and an output connected to one input of a logic circuit AND1 that outputs a logical product of the two inputs. The secondary side of the photocoupler PD1 has an input connected to the power supply VCC1 and an output connected to one input of a logic circuit AND2 that outputs a logical product of the two inputs.
また、各キャパシタセルC1,C2,…,Cnは、それぞれその両端が、内部にA/D変換器を備える差分演算回路1の入力に接続されている。差分演算回路1は二つの出力Cout,Doutを有しており、これら出力Cout,Doutがそれぞれ論理回路AND1,AND2の他方の入力に接続されている。論理回路AND1の出力は後述するフォトカプラPC2の一次側入力に接続され、論理回路AND2の出力は警報W2を出力する警報出力手段に接続されている。
Each of the capacitor cells C1, C2,..., Cn is connected at both ends to the input of the
差分演算回路1は、各キャパシタセルC1,C2,…,Cnの両端の電圧を入力し、隣接するキャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧差の演算を行う。そして、隣接するキャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧差が0.2V以上になったときに出力CoutおよびDoutからHIレベルに相当する信号を出力する。出力CoutおよびDoutから出力される信号は、その後、隣接するキャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧差が例えば0.05V未満になったときはLOWレベル相当に遷移する。
The
さらに、各キャパシタセルC1,C2,…,Cnには、電圧検出器Q1,Q2,…,Qnと、第1スイッチとしてのリレーRY1,RY2,…,RYn及び分圧抵抗R1,R2,…,Rnがそれぞれ直列に接続されてなる直列部とがそれぞれ並列に接続されている。 Further, each capacitor cell C1, C2,..., Cn includes voltage detectors Q1, Q2,..., Qn, relays RY1, RY2,. A series portion formed by connecting Rn in series is connected in parallel.
各電圧検出器Q1,Q2,…,Qnは制御信号の入力部がそれぞれフォトカプラP1,P2,…,Pnの一次側に接続されている。フォトカプラP1,P2,…,Pnの二次側は、それぞれ入力が電源VCC2に接続され、出力がグラウンドに接続されている。さらに、これらフォトカプラP1,P2,…,Pnと電源VCC2の電源端との間に第4スイッチとしての警報出力用のフォトカプラPD2の一次側が接続されている。フォトカプラPD2の二次側は警報W1を出力する警報出力手段に接続されている。 Each of the voltage detectors Q1, Q2,..., Qn has a control signal input section connected to the primary side of the photocouplers P1, P2,. The secondary sides of the photocouplers P1, P2,..., Pn have their inputs connected to the power supply VCC2 and their outputs connected to the ground. Further, the primary side of the alarm output photocoupler PD2 as a fourth switch is connected between the photocouplers P1, P2,..., Pn and the power supply terminal of the power supply VCC2. The secondary side of the photocoupler PD2 is connected to alarm output means for outputting an alarm W1.
さらに、各リレーRY1,RY2,…,RYnの電源入力は正極側が電源VCC2に接続されており、負極側が第2スイッチとしてのフォトカプラPC2の二次側を介してグラウンドに接続されている。フォトカプラPC2の一次側は、入力が論理回路AND1の出力に接続され、出力がグラウンドに接続されている。 Further, the power input of each of the relays RY1, RY2,..., RYn is connected to the power supply VCC2 on the positive side and connected to the ground via the secondary side of the photocoupler PC2 as the second switch. The primary side of the photocoupler PC2 has an input connected to the output of the logic circuit AND1 and an output connected to the ground.
なお、リレーRY1,RY2,…,RYnについてはフォトカプラに置き換えることも可能である。 Relays RY1, RY2,..., RYn can be replaced with photocouplers.
以下に、本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充電装置による作用効果について説明する。本実施例において、キャパシタセルC1,C2,…,Cnの充電が行われるとき、主回路の正極から負極へ電流が流れる。このときフォトカプラPC1は充電電流検出手段として動作する。 Below, the effect by the charging device of the lithium ion capacitor cell which concerns on a present Example is demonstrated. In this embodiment, when the capacitor cells C1, C2,..., Cn are charged, a current flows from the positive electrode to the negative electrode of the main circuit. At this time, the photocoupler PC1 operates as charging current detection means.
詳しくは、キャパシタセルC1,C2,…,Cnの充電が行われるとき、充電電流が分圧抵抗RCを介して分流され、フォトカプラPC1の一次側入力端に電流が印加される。これにより、フォトカプラPC1の二次側がオンとなり、電源VCC1から論理回路AND1へHIレベル相当の信号が入力される。 Specifically, when the capacitor cells C1, C2,..., Cn are charged, the charging current is shunted through the voltage dividing resistor RC, and the current is applied to the primary side input terminal of the photocoupler PC1. As a result, the secondary side of the photocoupler PC1 is turned on, and a signal corresponding to the HI level is input from the power supply VCC1 to the logic circuit AND1.
ここで、充電時のキャパシタセルC1,C2,…,Cn間のばらつきが0.2V未満である場合、差分演算回路1の出力CoutはLOWレベルに相当するため、論理回路AND1の出力もLOWレベル相当となる。この結果、フォトカプラPC2の二次側はオフとなり、各リレーRY1,RY2,…,RYnの電源入力端への電源VCC2からの入力は遮断され、リレーRY1,RY2,…,RYnはオープンとなる。
Here, when the variation among the capacitor cells C1, C2,..., Cn at the time of charging is less than 0.2V, the output Cout of the
これに対し、充電時のキャパシタセルC1,C2,…,Cn間のばらつきがもともと0.2V以上だった場合、もしくは充電中に0.2V以上になった場合は、差分演算回路1の出力CoutがHIレベル相当となり、これにより論理回路AND1の出力がHIレベル相当となる。その結果、フォトカプラPC2の二次側がオンとなり、各リレーRY1,RY2,…,RYnの電源入力端へ電源VCC2から電源が供給され、リレーRY1,RY2,…,RYnがオンとなる。これにより、各キャパシタセルC1,C2,…,Cnにそれぞれ並列に接続された分圧抵抗R1,R2,…,Rnの線路が導通するため、分圧抵抗R1,R2,…,RnによりキャパシタセルC1,C2,…,Cnの電圧均等化が行われる。
On the other hand, if the variation among the capacitor cells C1, C2,..., Cn at the time of charging is originally 0.2 V or more, or if it becomes 0.2 V or more during charging, the output Cout of the
その結果、次回の放電時にはキャパシタセルC1,C2,…,Cnの電圧が均等化された状態で放電を開始することができるため、相対的に低電圧方向にシフトしたキャパシタセルC1,C2,…,Cnによる早々の過放電警報W2の出力、頻繁な過放電警報W2の発生を抑制することが可能となり、長期にわたる安定的な使用を継続することが可能となる。 As a result, the discharge can be started in the state where the voltages of the capacitor cells C1, C2,..., Cn are equalized at the next discharge, so that the capacitor cells C1, C2,. , Cn, an early output of overdischarge alarm W2 and frequent occurrence of overdischarge alarm W2 can be suppressed, and stable use over a long period of time can be continued.
さらに、キャパシタセルC1,C2,…,Cnの電圧均等化が進み、キャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧差が設定値以下となると、差分演算回路1の出力CoutがLOWレベル相当となるため、論理回路AND1の出力がLOWレベル相当となり、フォトカプラPC2の二次側がオフとなって、リレーRY1,RY2,…,RYnの接点がオープンとなることから、分圧抵抗R1,R2,…,RnによるキャパシタセルC1,C2,…,Cnのエネルギーの消費を抑制することができる。 Furthermore, when the voltage equalization of the capacitor cells C1, C2,..., Cn progresses, and the voltage difference between the capacitor cells C1, C2,. Therefore, the output of the logic circuit AND1 is equivalent to the LOW level, the secondary side of the photocoupler PC2 is turned off, and the contacts of the relays RY1, RY2,..., RYn are opened, so that the voltage dividing resistors R1, R2, ..., energy consumption of the capacitor cells C1, C2, ..., Cn by Rn can be suppressed.
また、特定のキャパシタセルCi(1≦i≦n)の劣化や故障モードに伴い、このキャパシタセルCiと、隣接するキャパシタセル(例えば、C(i+1))との間に大きな電圧差が生じていた場合にはキャパシタセルCi,C(i+1)間の電圧ばらつきが解消しきる前に電流が絞り込まれてしまうことが考えられる。この場合はフォトカプラPC1の二次側がオフとなることから、キャパシタセルC1,C2,…,Cnの電圧均等化が十分に行われる前にリレーRY1,RY2,…,RYnがオープンとなってしまうが、差分演算回路Sの出力CoutはHIレベルを維持するので次回の放電時にキャパシタセルC1,C2,…,Cn間に電圧のばらつきが残っていることを直ちに検出して過放電への対応を取ることが可能となり、また故障しているキャパシタセルCiの存在を早期に知ることも可能となる。 In addition, due to deterioration or failure mode of a specific capacitor cell Ci (1 ≦ i ≦ n), a large voltage difference is generated between this capacitor cell Ci and an adjacent capacitor cell (for example, C (i + 1)). In this case, it is conceivable that the current is narrowed before the voltage variation between the capacitor cells Ci and C (i + 1) is completely eliminated. In this case, since the secondary side of the photocoupler PC1 is turned off, the relays RY1, RY2,... RYn are opened before the voltage equalization of the capacitor cells C1, C2,. However, since the output Cout of the difference calculation circuit S maintains the HI level, it is immediately detected that the voltage variation remains between the capacitor cells C1, C2,. It is also possible to detect the presence of the failed capacitor cell Ci at an early stage.
また、キャパシタセルC1,C2,…,Cnの放電が行われる場合、負極から正極へ電流が流れる。このときフォトカプラPD1は放電電流検出手段として動作する。放電電流が分圧抵抗RDを介して分流されフォトカプラPD1の入力端に電流が印加される。これによりフォトカプラPD1の二次側がオンとなり、電源VCC1から論理回路AND2へHIレベル相当の信号が出力される。 Further, when the capacitor cells C1, C2,..., Cn are discharged, a current flows from the negative electrode to the positive electrode. At this time, the photocoupler PD1 operates as a discharge current detection unit. The discharge current is divided through the voltage dividing resistor RD, and the current is applied to the input terminal of the photocoupler PD1. As a result, the secondary side of the photocoupler PD1 is turned on, and a signal corresponding to the HI level is output from the power supply VCC1 to the logic circuit AND2.
ここで、放電時のキャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧のばらつきが0.2V未満の場合、差分演算回路1の出力DoutはLOWレベルに相当するため、論理回路AND2の出力もLOWレベル相当となる。これにより警報W2は出力されない。
Here, when the variation in voltage between the capacitor cells C1, C2,..., Cn during discharge is less than 0.2V, the output Dout of the
これに対し、放電時のキャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧のばらつきが0.2V以上の場合、論理回路AND2の出力はHIレベル相当となり、論理回路AND2の出力を受けて電界効果トランジスタやフォトカプラを駆動させることにより、警報W2として外部に放電時のキャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧のばらつきの発生を知らせることが可能となる。 On the other hand, when the variation in voltage between the capacitor cells C1, C2,..., Cn during discharge is 0.2 V or more, the output of the logic circuit AND2 is equivalent to the HI level, and the field effect is received by receiving the output of the logic circuit AND2. By driving the transistors and photocouplers, it is possible to notify the outside of the occurrence of voltage variations among the capacitor cells C1, C2,..., Cn during discharge as an alarm W2.
また、本実施例においては各電圧検出器Q1,Q2,…,Qnの検出電圧をリチウムイオンキャパシタの下限電圧である2.2Vに設定する。これにより放電時に特定のキャパシタセルCi(1≦i≦n)の電圧の下限が2.2Vに達した際には、このキャパシタセルCiに対応する電圧検出器Qi内部のトランジスタがオンとなることにより、この電圧検出器Qiの出力端に接続されたフォトカプラPiの一次側に電流が流れ、二次側がオンとなる。 In this embodiment, the detection voltage of each voltage detector Q1, Q2,..., Qn is set to 2.2 V which is the lower limit voltage of the lithium ion capacitor. As a result, when the lower limit of the voltage of a specific capacitor cell Ci (1 ≦ i ≦ n) reaches 2.2 V during discharging, the transistor inside the voltage detector Qi corresponding to this capacitor cell Ci is turned on. Thus, a current flows through the primary side of the photocoupler Pi connected to the output terminal of the voltage detector Qi, and the secondary side is turned on.
一つのフォトカプラPiの二次側がオンとなると、電源VCC2からフォトカプラPiの二次側を介して電流が流れるため、フォトカプラPD2の一次側に電流が流れ、二次側がオンとなる。その結果、外部へ過放電についての警報W1を出力することができ、さらにフォトカプラPD2の二次側出力と主回路のスイッチング手段(図示せず)を連携させることにより、過放電警報W1の出力と同時に主回路の遮断によるキャパシタセルC1,C2,…,Cnの保護が可能となる。 When the secondary side of one photocoupler Pi is turned on, a current flows from the power supply VCC2 through the secondary side of the photocoupler Pi. Therefore, a current flows to the primary side of the photocoupler PD2, and the secondary side is turned on. As a result, an overdischarge alarm W1 can be output to the outside, and the secondary discharge of the photocoupler PD2 and the switching means (not shown) of the main circuit are linked to output the overdischarge alarm W1. At the same time, the capacitor cells C1, C2,..., Cn can be protected by interrupting the main circuit.
このように構成される本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、特定の条件下(充電時に隣接するキャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧差が0.2V未満、放電時に各キャパシタセルC1,C2,…,Cnの電圧が2.2V以上)でのみ電圧均等化回路が導通する構成としたことにより、均等化不要時の分圧抵抗R1,R2,…,RnによるキャパシタセルC1,C2,…,Cnのエネルギーおよび充電に用いるエネルギーの損失の抑制、低電圧側にシフトしたキャパシタセルC1,C2,…,Cnによる所定より短時間での過放電への到達の防止、及び、低電圧側にシフトしたキャパシタセルC1,C2,…,Cnの存在による頻繁な過放電検出とこれによる装置の停止の防止が可能となる。 According to the lithium ion capacitor cell charging / discharging device according to the present embodiment configured as described above, the voltage difference between the capacitor cells C1, C2,. The voltage equalizing circuit is conductive only in the capacitor cells C1, C2,..., Cn having a voltage of 2.2 V or more at the time of discharging, so that the voltage dividing resistors R1, R2,. Reducing the energy of the capacitor cells C1, C2,..., Cn and energy used for charging by Rn, reaching the overdischarge in a shorter time than the predetermined by the capacitor cells C1, C2,. , And frequent overdischarge detection due to the presence of the capacitor cells C1, C2,..., Cn shifted to the low voltage side, and the stop of the apparatus due to this can be prevented.
図2を用いて本発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の第2の実施例を説明する。図2は本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の過放電警報回路の一例を示す回路図である。 A second embodiment of the lithium ion capacitor cell charge / discharge device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of an overdischarge alarm circuit of the charge / discharge device for a lithium ion capacitor cell according to the present embodiment.
本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、図1に示し上述したリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の過放電警報回路に図2に示す論理積を出力する論理回路AND3を追加したものである。 In the charging / discharging device of the lithium ion capacitor cell according to the present embodiment, a logic circuit AND3 that outputs a logical product shown in FIG. 2 is added to the overdischarge alarm circuit of the charging / discharging device of the lithium ion capacitor cell shown in FIG. Is.
図2に示すように、本実施例において、差分演算回路1からの出力Doutと、フォトカプラPD2の二次側出力とが、論理回路AND3の入力に接続され、この論理回路AND3の出力が警報W3を出力する警報出力手段に接続されている。その他の構成は図1に示し上述した構成と概ね同様であり、以下、同一の作用を奏する部材については同一の符合を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。なお、実施例1において説明したように、電圧検出器Q1,Q2,…,Qnの出力によりフォトカプラP1,P2,…,Pnの一次側に電流が流れて二次側がオンとなることで、フォトカプラPD2の一次側に電流が流れ、これによりフォトカプラPD2の二次側がオンとなる。
As shown in FIG. 2, in this embodiment, the output Dout from the
以下に、本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充電装置による作用効果について説明する。本実施例においては、論理回路AND3を追加したことにより、放電時に、過放電の検出信号とキャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧のばらつきの有無の信号との組み合わせに基づいて警報W3を出力することができる。即ち、本実施例では、キャパシタセルC1,C2,…,Cn間に電圧のばらつきがあり、かつ、電圧検知器Qiからの出力によりフォトカプラPiを介してフォトカプラPD2の二次側がオンとなって論理回路AND3に過放電検出の出力としてHIレベル相当の信号が入力されたときに、警報W1および警報W3が出力されることとなる。これは、電圧均等化回路によってキャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧のばらつきが解消されない状態で過放電に達したことを示している。これにより、キャパシタセルCiが著しく劣化した、あるいは故障モードとなっていることを検出することが可能となる。 Below, the effect by the charging device of the lithium ion capacitor cell which concerns on a present Example is demonstrated. In this embodiment, by adding the logic circuit AND3, at the time of discharging, an alarm W3 based on a combination of an overdischarge detection signal and a signal indicating whether or not there is voltage variation between the capacitor cells C1, C2,. Can be output. That is, in this embodiment, there is a variation in voltage between the capacitor cells C1, C2,..., Cn, and the secondary side of the photocoupler PD2 is turned on via the photocoupler Pi by the output from the voltage detector Qi. Thus, when a signal corresponding to the HI level is input to the logic circuit AND3 as an output of overdischarge detection, the alarm W1 and the alarm W3 are output. This indicates that overdischarge has been reached in a state in which the voltage variation between the capacitor cells C1, C2,. This makes it possible to detect that the capacitor cell Ci has deteriorated significantly or is in a failure mode.
このように構成された本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、実施例1の効果に加えて、充電時のキャパシタセルC1,C2,…,Cn間の電圧のバラツキの検出が維持されることにより、劣化または故障したキャパシタセルCiを早期に発見することが可能となるという効果が得られる。 According to the lithium ion capacitor cell charging / discharging device according to the present embodiment configured as described above, in addition to the effects of the first embodiment, the variation in voltage between the capacitor cells C1, C2,. By maintaining the detection, there is an effect that it is possible to find a capacitor cell Ci that has deteriorated or failed at an early stage.
本発明は、複数のセルが直列接続されたリチウムイオンキャパシタセルの過放電装置に適用して好適なものである。 The present invention is suitable for application to an overdischarge device of a lithium ion capacitor cell in which a plurality of cells are connected in series.
1 差分演算回路
C1,C2,…,Cn キャパシタセル
VCC1,VCC2 電源
RC,RD 分圧抵抗
R1,R2,…,Rn 分圧抵抗
PC1,PC2,PD1,PD2 フォトカプラ
P1,P2,…,Pn フォトカプラ
Q1,Q2,…,Qn 電圧検出器
RY1,RY2,…,RYn リレー
AND1,AND2,AND3 論理回路
W1,W2,W3 警報
1 Difference operation circuit C1, C2,..., Cn Capacitor cell VCC1, VCC2 Power supply RC, RD Voltage dividing resistor R1, R2,..., Rn Voltage dividing resistor PC1, PC2, PD1, PD2 Photocoupler P1, P2,. Couplers Q1, Q2, ..., Qn Voltage detectors RY1, RY2, ..., RYn Relay AND1, AND2, AND3 Logic circuit W1, W2, W3 Alarm
Claims (7)
充電時に隣接する前記リチウムイオンキャパシタセル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、
各前記リチウムイオンキャパシタセルにそれぞれ並列に接続された第1スイッチおよび分圧抵抗からなる多数の直列部とを有し、
前記第1スイッチが、充放電主回路と電気的に絶縁され、前記充放電主回路の充電電流によりオンオフ制御される第2スイッチから出力される信号に基づいて開閉を行う
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。 A lithium ion capacitor cell charging / discharging device comprising a number of serially connected lithium ion capacitor cells and means for equalizing the voltage shared between the lithium ion capacitor cells,
A difference calculation circuit that monitors a voltage difference between adjacent lithium ion capacitor cells during charging and outputs a monitoring result; and
A first switch connected in parallel to each of the lithium ion capacitor cells and a number of series parts consisting of voltage dividing resistors;
The first switch is electrically insulated from a charge / discharge main circuit and opens and closes based on a signal output from a second switch that is on / off controlled by a charge current of the charge / discharge main circuit. Charge / discharge device for ion capacitor cell.
ことを特徴とする請求項1記載のリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。 2. The charging / discharging device for a lithium ion capacitor cell according to claim 1, wherein the first switch is a mechanical type, an electromagnetic type, or a photocoupler.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載のリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。 The signal of the second switch is a logical product of the output of the difference calculation circuit and the output of the third switch that is electrically insulated from the charge / discharge main circuit and controlled to be turned on / off depending on the presence / absence of the main circuit current flowing during charging. The charge / discharge device for a lithium ion capacitor cell according to claim 1, wherein the charge / discharge device is a lithium ion capacitor cell.
前記充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかの前記セルの電圧が所定電圧以下の場合に前記電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第4スイッチとを備え、
放電時、前記第4スイッチがオン出力である場合に警報を出力する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。 A voltage detector connected in parallel to each of the cells;
A fourth switch that is electrically insulated from the charge / discharge main circuit and performs on-output based on a signal output from the voltage detector when the voltage of any of the cells is equal to or lower than a predetermined voltage;
The charging / discharging device for a lithium ion capacitor cell according to any one of claims 1 to 3, wherein an alarm is output when the fourth switch is ON output during discharging.
前記差分演算回路が放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力し、
前記第5スイッチから出力される信号と、前記差分演算回路の出力との論理積に基づき警報出力を行う
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。 A fifth switch electrically insulated from the charge / discharge main circuit and controlled to be turned on / off by a discharge current of the charge / discharge main circuit;
The difference calculation circuit monitors the voltage difference between adjacent cells at the time of discharge and outputs a monitoring result,
The lithium ion capacitor according to any one of claims 1 to 4, wherein an alarm output is performed based on a logical product of a signal output from the fifth switch and an output of the difference calculation circuit. Cell charging / discharging device.
放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、
充放電主回路と電気的に絶縁され前記充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第5スイッチとを有し、
前記差分演算回路の出力と、前記第5スイッチから出力される信号との論理積に基づき警報出力を行う
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。 A lithium ion capacitor cell charging / discharging device comprising a number of serially connected lithium ion capacitor cells and means for equalizing the voltage shared between the lithium ion capacitor cells,
A differential arithmetic circuit that monitors the voltage difference between adjacent cells during discharge and outputs the monitoring result; and
A fifth switch electrically insulated from the charge / discharge main circuit and controlled to be turned on / off by a discharge current of the charge / discharge main circuit;
An alarm output is performed based on a logical product of an output of the difference calculation circuit and a signal output from the fifth switch.
前記充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかの前記セルの電圧が所定電圧以下の場合に前記電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第4スイッチとを備え、
放電時、前記差分演算回路の出力と、前記第4スイッチの出力との論理積に基づいて警報出力を行う
ことを特徴とする請求項5又は請求項6記載のリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。 A voltage detector connected in parallel to each of the cells;
A fourth switch that is electrically insulated from the charge / discharge main circuit and performs on-output based on a signal output from the voltage detector when the voltage of any of the cells is equal to or lower than a predetermined voltage;
7. The charging / discharging device for a lithium ion capacitor cell according to claim 5, wherein an alarm output is performed based on a logical product of an output of the difference calculation circuit and an output of the fourth switch during discharging. .
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