JP3954081B1

JP3954081B1 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP3954081B1
Application number: JP2006041825A
Authority: JP
Inventors: 真一山本; 克司三井; 敦清水
Original assignee: 株式会社パワーシステム
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2026-02-20
Also published as: JP2007221954A

Abstract

【課題】キャパシタバンク内の各電気二重層キャパシタに接続される電圧監視回路の電力消費を少なくする。
【解決手段】電気二重層キャパシタＣを直列に含むキャパシタバンク１０と、各電気二重層キャパシタＣの端子間に並列に接続され、その電気二重層キャパシタＣより電源を得て動作する電圧監視回路１１と、キャパシタバンク１０を充電モード，放電モード,待機モードとする制御手段３０とを備える蓄電装置において、充電モード時に電気二重層キャパシタＣの電圧が高電圧側閾値に達した時点でそれ以上の充電を停止させる充電監視用コンパレータと、放電モード時に電気二重層キャパシタＣの電圧が低電圧側閾値に達した時点でそれ以上の放電を停止させる放電監視用コンパレータとが含まれており、制御手段３０は、キャパシタバンク１０が待機モードである場合には、充電監視用コンパレータおよび上記放電監視用コンパレータをともに動作電源を停止状態とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電気二重層キャパシタを直列に接続してなるキャパシタバンクを有する蓄電装置に関し、さらに詳しく言えば、各電気二重層キャパシタに接続される電圧監視回路で消費される電力を最小限に抑える技術に関するものである。

電気二重層キャパシタは、静電容量が大きいばかりでなく，二次電池に比べて急速充電が可能かつ瞬時の大電力放電に対応でき、しかも充放電サイクル寿命が半永久的であることから、大電力設備などの無停電電源装置（ＵＰＳ）や電気自動車の蓄電装置として有望視されており、一部の分野ではすでに実用化の段階に入っている。

この種の電気二重層キャパシタによる蓄電装置では、通常、耐電圧を高めるため複数の電気二重層キャパシタを直列に接続して使用するようにしており、これを本明細書では「キャパシタバンク」と称している。

ところで、複数の電気二重層キャパシタを上記のようにして直列に接続して使用する場合、その各々が同一の特性を有しているとは限らない。例えば、キャパシタの容量や漏れ電流の特性値は、製造上ある範囲の許容誤差がある。また、使用時にキャパシタバンク内部に温度の不均一がおきることもある。

このような場合、各電気二重層キャパシタの充放電電圧を揃え、キャパシタの定格電圧を超えることなく、かつ、最大限のエネルギーを蓄積できるようにするため、特許文献１および特許文献２に記載されているように、各電気二重層キャパシタごとに電圧監視回路が接続される。

この電圧監視回路は、電気二重層キャパシタの端子間に並列に接続されることから、特許文献２などでは「並列モニタ回路」と称しており、これに倣って本明細書においても電圧監視回路を並列モニタ回路ということがある。

上記並列モニタ回路は、基本的な構成として、充電電圧を監視する第１および第２の２つのコンパレータを備える。そのうちの第１コンパレータは初期化電圧監視用で、その出力により電気二重層キャパシタの端子間に並列に接続されている充電電流バイパス用のスイッチング素子をオンオフ制御する。

すなわち、第１コンパレータは電気二重層キャパシタの電圧が所定の初期化電圧に達した時点でスイッチング素子をオンにする。これにより、電気二重層キャパシタに対する充電電流がスイッチング素子のバイパス回路を流れるため、各電気二重層キャパシタの充電電圧を上記初期化電圧に揃えることができる。

第２コンパレータは上限電圧監視用である。この上限電圧は上記初期化電圧よりも高い電圧で、例えば定格電圧（満充電電圧）に設定される。第１コンパレータと第２コンパレータは制御手段により、そのいずれか一方が動作するように択一的に選択され、第２コンパレータが選択された場合、電気二重層キャパシタは上限電圧にまで充電される。

電気二重層キャパシタの電圧がマイナスになるような放電は、実用上本来の使用状態ではなく、場合によってはキャパシタの特性を劣化させる。そこで、並列モニタ回路に、放電時において電気二重層キャパシタの下限電圧を検出する第３コンパレータを設けて、キャパシタバンク内の電気二重層キャパシタのいずれかが上記下限電圧に達したら、キャパシタバンクの放電を停止することも行われている。

特開平０６−２６１４５２号公報特許第３３０６３２５号公報

このように、従来の並列モニタ回路には、初期化用の第１コンパレータ，上限電圧監視用の第２コンパレータおよび下限電圧監視用の第３コンパレータが含まれるが、いずれのコンパレータにしても、その動作電源を監視対象である電気二重層キャパシタから得ている。そのため、例えばシビアな蓄電効率が求められる省エネルギ機器に適用されるキャパシタバンクでは、並列モニタで消費される電力を極力抑える必要がある。

本来、充電時には下限電圧監視用の第３コンパレータの監視機能は不要であり、これに対して放電時には初期化用の第１コンパレータと上限電圧監視用の第２コンパレータの機能は不要である。

しかしながら、従来の並列モニタ回路では、充電時，放電時およびそのいずれでもない待機中においても、各コンパレータに含まれている基準電圧回路（初期化電圧，上限電圧，下限電圧を得るための電圧回路）と、例えばＩＣ素子からなるコンパレータ回路で常に電流が消費されている。

そのため、特にその待機時間が長い場合には、その電力消費が無視し得ないものとなるばかりでなく、使用時に放電エネルギーが不足し、例えば無停電電源装置（ＵＰＳ）や電気自動車などの用途では、キャパシタバンクとしての機能を果たさないおそれもある。

したがって、本発明の課題は、複数の電気二重層キャパシタを直列に接続してなり、その各電気二重層キャパシタに電圧監視回路（並列モニタ回路）が接続されているキャパシタバンクを備えている蓄電装置において、電圧監視回路での電力消費を可及的に少なくすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載されているように、複数の電気二重層キャパシタを直列に接続してなるキャパシタバンクと、上記各電気二重層キャパシタの端子間に並列に接続され、上記電気二重層キャパシタより電源を得て動作する電圧監視回路と、上記電圧監視回路からの出力信号および／または操作部からの指示信号に基づいて上記キャパシタバンクを充電モード，放電モードもしくはそのいずれでもない待機モードとする制御手段とを備えている蓄電装置において、上記電圧監視回路は、上記電気二重層キャパシタに対して使用上任意に設定される高電圧側閾値と低電圧側閾値とを備えているとともに、上記電圧監視回路内には、上記充電モード時に上記電気二重層キャパシタの電圧が上記高電圧側閾値に達した時点で充電を制限させる信号を出力する充電監視用コンパレータと、上記放電モード時に上記電気二重層キャパシタの電圧が上記低電圧側閾値に達した時点でそれ以上の放電を停止させる信号を出力する放電監視用コンパレータとが含まれており、上記制御手段は、上記キャパシタバンクが上記待機モードである場合には、上記充電監視用コンパレータおよび上記放電監視用コンパレータをともに動作電源を消費しない停止状態とすることを特徴としている。

本発明には、その好ましい態様として、請求項２に記載されているように、上記制御手段は、上記キャパシタバンクが上記放電モードである場合には、上記放電監視用コンパレータを動作状態とし、上記充電監視用コンパレータを動作電源を消費しない停止状態とする態様と、請求項３に記載されているように、上記制御手段は、上記キャパシタバンクが上記充電モードである場合には、上記充電監視用コンパレータを動作状態とし、上記放電監視用コンパレータを動作電源を消費しない停止状態とする態様とが含まれる。

また、請求項４に記載されているように、上記高電圧側閾値には、上記電気二重層キャパシタの充電電圧を揃えるための初期化電圧と、上記電気二重層キャパシタで許容される上限電圧（≧初期化電圧）の２つの閾値が含まれているとともに、上記放電監視用コンパレータには、上記初期化電圧監視用コンパレータと、上記上限電圧監視用コンパレータの２つのコンパレータが含まれていてもよい。

本発明によれば、キャパシタバンクが充電モード，放電モードのいずれでもない待機モードである場合には、電圧監視回路に含まれている充電監視用コンパレータおよび上記放電監視用コンパレータをともに動作電源を消費しない停止状態とする、すなわち電圧監視回路の動作をすべて止めるようにしたことにより、電圧監視回路での消費電流がほぼゼロになるため、電気二重層キャパシタに蓄電したエネルギーの無駄な損失を防止することができる。

次に、図１ないし図３により、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明による蓄電装置の全体的な構成を示す概略的なブロック図，図２は電圧監視回路の構成を示す回路図，図３は電圧監視回路により制御されるキャパシタ電圧を示すグラフである。

図１に示すように、本発明の蓄電装置は、複数（この例では３つ）の電気二重層キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３を直列に接続してなるキャパシタバンク１０を備える。なお、各電気二重層キャパシタを区別する必要がないときには、その参照符号に単にＣとする。個々の電気二重層キャパシタＣには、単位キャパシタセルを任意に直並列に接続したキャパシタセルが用いられてもよい。

キャパシタバンク１０に含まれている各電気二重層キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３ごとに、それらの端子間に電圧監視回路としての並列モニタ回路１１が接続される。キャパシタバンク１０は、充電回路２１を介して充電電源２２に接続され、また、放電回路２３を介して所定の負荷２４に接続される。キャパシタバンク１０に対する充電方式は、充電効率の観点から定電流充電が好ましい。

充電回路２１および放電回路２３は、制御回路３０により制御される。この場合、制御回路３０は、キャパシタバンク１０を充電モード，放電モードもしくはそのいずれでもない待機モードとする３つの制御モードを有している。制御回路３０は、充電，放電，待機の各モードを判断できるだけの簡単なハードウェアで構成できるし、あるいはマイクロコンピュータなどが用いられてよい。

制御回路３０は、信号伝達回路３１を介して各並列モニタ回路１１と接続される。信号伝達回路３１はインターフェイス回路の一種であるが、各並列モニタ回路１１はコモン電位を異にすることから電圧変換機能を備えていることが好ましい。また、電気二重層キャパシタＣの数が増えてキャパシタバンクが高電圧になる場合には、フォトカプラなどにより制御回路３０と各並列モニタ回路１１とを分離する必要が生ずる。

図２に示すように、並列モニタ回路１１は、３つのコンパレータＵ１，Ｕ２，Ｕ３と、充電時に電気二重層キャパシタＣに対する充電電流をバイパスさせるバイパス回路に電流制限抵抗Ｒとともに含まれるトランジスタＴＲ１とを備える。

制御回路３０は操作部３２からの指示信号および／または並列モニタ回路１１からの出力に基づいて、図３のグラフに示すように、電気二重層キャパシタＣを充電，放電，待機の各モードに制御する。

コンパレータＵ１は、充電時に各電気二重層キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の各充電電圧があらじめ設定された所定の初期化電圧Ｖｉｎｉに等しく揃うように電気二重層キャパシタＣを初期化するコンパレータで、電気二重層キャパシタＣの電圧が初期化電圧Ｖｉｎｉに達した時点でトランジスタＴＲ１をオンとして充電電流をバイパスさせ、電気二重層キャパシタＣを初期化電圧Ｖｉｎｉ以上に充電させないように動作する。

なお、トランジスタＴＲ１は、制御回路３０から初期化指示が出されている状態で、コンパレータＵ１の出力がＨｉになった場合にのみオンとなる。制御回路３０から初期化指示が出されていない場合には、コンパレータＵ１の出力がＨｉになったとしてもオフを維持する。

コンパレータＵ２は、充電時において電気二重層キャパシタＣの電圧が上限電圧（例えば公称の定格電圧（満充電電圧ともいう））Ｖｆｕｌｌに達したかどうかを検出するコンパレータで、電気二重層キャパシタＣの電圧が上限電圧Ｖｆｕｌｌに達した時点で、上限電圧信号（過電圧信号）を制御回路３０に出力する。

この上限電圧信号が出されると、制御回路３０は充電を制限する。この充電制限には、充電を停止させる状態と、充電電流を絞り込んで充電する緩和充電状態とが含まれる。なお通常、上記初期化電圧Ｖｉｎｉは上限電圧Ｖｆｕｌｌよりも低い電圧に設定されるが、Ｖｉｎｉ＝Ｖｆｕｌｌに設定されることもある。このような場合、コンパレータＵ１，Ｕ２は１つのコンパレータで足りることになる。

コンパレータＵ３は、放電時に電気二重層キャパシタＣの電圧が、例えばその後の充電時に逆充電されないように、その放電電圧の下限電圧（最低電圧）Ｖｂｏｔｔｏｍを検出するコンパレータで、電気二重層キャパシタＣの電圧が下限電圧Ｖｂｏｔｔｏｍに達した時点で、下限電圧信号を制御回路３０に出力する。

制御回路３０は、これら３つのコンパレータＵ１，Ｕ２，Ｕ３からの出力信号に基づいて、図３のグラフに示すように、キャパシタバンク１０もしくは個々の電気二重層キャパシタＣの電圧を制御するが、初期化電圧Ｖｉｎｉもしくは上限電圧Ｖｆｕｌｌのいずれにまで充電させるか、また、どの時点で待機モードとするか等については操作部３２からの指示による。

図３のグラフから分かるように、充電時に初期化指示があった場合には初期化電圧Ｖｉｎｉにまで充電されるが、初期化指示がない場合には上限電圧Ｖｆｕｌｌにまで充電される。一方、放電時にキャパシタ電圧が下限電圧Ｖｂｏｔｔｏｍにまで至ると放電が停止される。

上限電圧Ｖｆｕｌｌと下限電圧Ｖｂｏｔｔｏｍの範囲内で充放電させるのが正常な使い方で、この範囲を外れた場合には強制的に充放電を止める。したがって、充電時には上限電圧Ｖｆｕｌｌの監視を必要とし、放電時には下限電圧Ｖｂｏｔｔｏｍの監視が必要となる。

コンパレータＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、電気二重層キャパシタＣの端子間に並列に接続され、その動作電源を電気二重層キャパシタＣから得ている。制御回路３０は、並列モニタ回路１１での電力消費を極力抑え込むため、キャパシタバンク１０の動作モードに応じてコンパレータＵ１，Ｕ２，Ｕ３に対して出力する回路起動信号ＥＮ１，ＥＮ２，ＥＮ３をそれぞれ備える。

すなわち、キャパシタバンク１０が待機モードである場合には、キャパシタ電圧が大きく変化することがないため、制御回路３０はコンパレータＵ１，Ｕ２，Ｕ３に対する回路起動信号ＥＮ１，ＥＮ２，ＥＮ３をすべてオフとして、並列モニタ回路１１の監視動作を停止する。これにより、並列モニタ回路１１での消費電流はほぼゼロになるため、電気二重層キャパシタＣに蓄電されたエネルギーの無駄な損失が防止される。

次に、キャパシタバンク１０が放電モードである場合には、キャパシタの電圧は下がるのみであるため、過電圧の監視や初期化動作は必要ない。したがって、放電モード時にはコンパレータＵ１，Ｕ２に対する回路起動信号ＥＮ１，ＥＮ２をオフとし、コンパレータＵ３に対する回路起動信号ＥＮ３のみをオンとする。この放電時にコンパレータＵ３により下限電圧が検出されると、制御回路３０はキャパシタバンク１０の放電を停止し、深い深度での使用によるキャパシタの特性劣化を防止する。

次に、キャパシタバンク１０が充電モードである場合には、下限電圧の監視は不要であるため、好ましくはコンパレータＵ３に対する回路起動信号ＥＮ３をオフとし、コンパレータＵ１，Ｕ２に対する回路起動信号ＥＮ１，ＥＮ２をオンとする。

これにより、初期化指示がない場合には、コンパレータＵ２による過電圧監視下のもとで上限電圧Ｖｆｕｌｌにまで充電が行われ、初期化指示がある場合には、コンパレータＵ１により初期化電圧Ｖｉｎｉにまで充電が行われる。

なお、この蓄電装置が特に大電力系の無停電電源装置やインバータ装置などに適用される場合には、並列モニタ回路１１で消費される電力は充電時の蓄電エネルギーに比べてわずかであるため、コンパレータＵ３に対する回路起動信号ＥＮ３をオンとしてもよい。

以上、図示の例に基づいて本発明を説明したが、初期化電圧Ｖｉｎｉ＝上限電圧Ｖｆｕｌｌに設定される場合、コンパレータＵ１，Ｕ２のうちのいずれか一方のコンパレータを省略することができる。また、コンパレータＵ１，Ｕ２，Ｕ３には、コンパレート機能のほかに例えば演算機能などを有する素子が用いられてもよい。

本発明による蓄電装置の全体的な構成を示す概略的なブロック図。電圧監視回路の構成を示す回路図。電圧監視回路により制御されるキャパシタ電圧を示すグラフ。

符号の説明

１０キャパシタバンク
１１電圧監視回路（並列モニタ回路）
２１充電回路
２２充電電源
２３放電回路
２４負荷
３０制御回路
３１信号伝達回路
Ｃ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）電気二重層キャパシタ
Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３コンパレータ

Claims

複数の電気二重層キャパシタを直列に接続してなるキャパシタバンクと、上記各電気二重層キャパシタの端子間に並列に接続され、上記電気二重層キャパシタより電源を得て動作する電圧監視回路と、上記電圧監視回路からの出力信号および／または操作部からの指示信号に基づいて上記キャパシタバンクを充電モード，放電モードもしくはそのいずれでもない待機モードとする制御手段とを備えている蓄電装置において、
上記電圧監視回路は、上記電気二重層キャパシタに対して使用上任意に設定される高電圧側閾値と低電圧側閾値とを備えているとともに、
上記電圧監視回路内には、上記充電モード時に上記電気二重層キャパシタの電圧が上記高電圧側閾値に達した時点で充電を制限させる信号を出力する充電監視用コンパレータと、上記放電モード時に上記電気二重層キャパシタの電圧が上記低電圧側閾値に達した時点でそれ以上の放電を停止させる信号を出力する放電監視用コンパレータとが含まれており、
上記制御手段は、上記キャパシタバンクが上記待機モードである場合には、上記充電監視用コンパレータおよび上記放電監視用コンパレータをともに動作電源を消費しない停止状態とすることを特徴とする蓄電装置。
上記制御手段は、上記キャパシタバンクが上記放電モードである場合には、上記放電監視用コンパレータを動作状態とし、上記充電監視用コンパレータを動作電源を消費しない停止状態とすることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
上記制御手段は、上記キャパシタバンクが上記充電モードである場合には、上記充電監視用コンパレータを動作状態とし、上記放電監視用コンパレータを動作電源を消費しない停止状態とすることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
上記高電圧側閾値には、上記電気二重層キャパシタの充電電圧を揃えるための初期化電圧と、上記電気二重層キャパシタで許容される上限電圧（≧初期化電圧）の２つの閾値が含まれているとともに、
上記放電監視用コンパレータには、上記初期化電圧監視用コンパレータと、上記上限電圧監視用コンパレータの２つのコンパレータが含まれていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の蓄電装置。