JP4513791B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、特にキャパシタを用いた蓄電装置に関するものである。

近年、環境への配慮から駆動の全てあるいは一部をモーターで行う、いわゆる電気自動車やハイブリッド自動車が普及しつつある。

これらの自動車はモーターの電力がバッテリから供給されているが、バッテリは急速かつ大電流充放電による特性変化や劣化が起こるため、特に急加速時にモーターへ供給する電流を制限している。そのため十分な加速が得られない場合があった。

そこで、急速放電が可能なキャパシタをバッテリと併用した自動車が考案されている。これにより、急加速時にバッテリに加えキャパシタの電力もモーターに供給されるため、バッテリのみの場合より急峻な加速が可能となる。

モーターを駆動できるだけの電圧をキャパシタで得るには、必要電圧が約７５０Ｖであるとすると、１個当たりの定格電圧が２．５Ｖのキャパシタを用いた場合、３００個を直列に接続する必要がある。また、必要な容量を得るために並列接続を組み合わせることもある。

しかし、キャパシタにはバラツキがあり、キャパシタに印加される電圧がばらつくので、それを考慮せず充電を行うと、キャパシタの劣化が進行したり、場合によっては破損に到る可能性がある。

そこで、多数のキャパシタの状態を管理し、異常を検出する方法が考案されている。このような異常検出方法の一例を図１０のブロック回路図に示す。

直流電源１から定格電圧２．５Ｖの複数のキャパシタ２に電力が充電される際に、各々のキャパシタ２にどれだけの電流が流れ、どれだけの電圧がかかっているかを電流検出器３および電圧検出手段４によりそれぞれ測定して、制御器５で充電を制御するとともにキャパシタ２の正常、異常を判断している。

なお、この出願に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００３−２７４５６６号公報

前述の異常検出方法によると、異常のあるキャパシタ２を検出することが可能であるので、例えばハイブリッド自動車のモーター駆動バッテリの補助用に使用した場合、前記したように３００個のキャパシタ２の内の１つが動作限界に至るなどして異常と判定されれば、そのキャパシタ２を回路から除外するなどの処置が取られる。

また、あらかじめキャパシタ２の異常を幾つまで許容するかを決めておくことでハイブリッド自動車のシステムを安全に停止させることができる。

このようにすると、例えば運転停止時に異常のあるキャパシタ２をまとめて交換でき、メンテナンスが比較的楽になるという長所が考えられる。

しかしこの場合、異常のあるキャパシタ２だけを新品に交換すると、現在は異常がなくても動作限界が近づきつつある他のキャパシタ２と混在してシステムを使用することになるので、遠からず同様に異常キャパシタが出現し、既定個数の異常が発生する都度、キャパシタ２を交換せねばならない。

このようにキャパシタ２が複数存在する蓄電装置においては、その耐用時間は劣化進行度の早いキャパシタ２により規制されてしまう。

よって、長期に使用するほどに交換頻度が増えるか、蓄電装置の耐用時間を短縮せしめることになる。

これに対して、異常のあるキャパシタ２の個数が既定数に達した時、システム全体を交換すれば、交換頻度が増えることはなくなるが、動作限界までに余裕のあるキャパシタ２も交換してしまうので不経済である。

従って、確かに従来の構成で異常のあるキャパシタ２を検出することは可能であるが、既定個数の異常キャパシタ発生の都度、新品に交換するため、長期使用とともに交換頻度が増えたり、あるいは蓄電装置の耐用時間を短縮せしめることになり総括的に不経済であることが課題であった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、耐用時間の延長ができ、キャパシタの交換頻度を極力減らすことが可能な蓄電装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄電装置は、複数のキャパシタの劣化進行度を求める劣化進行度検出手段と、前記キャパシタに並列に接続されたバランス電圧調整手段と、前記劣化進行度検出手段と前記バランス電圧調整手段が接続された制御部とからなり、前記制御部は前記劣化進行度検出手段で検出された前記キャパシタの劣化進行度の平均値から、前記キャパシタの劣化進行度のバラツキ幅が小さくなるバランス電圧をそれぞれ求め、接続された前記全キャパシタの両端に電圧を印加した状態で、前記キャパシタの両端電圧が前記バランス電圧になるよう前記バランス電圧調整手段を制御するものである。

本構成によるとキャパシタの劣化進行度のバラツキ幅が小さくなるようにバランス電圧が調整されるので、劣化が進んだキャパシタに対し劣化進行度を遅延させられる。また、全キャパシタがほぼ同時期に動作限界に達する。その結果、前記目的を達成することができる。

本発明の蓄電装置によれば、劣化が進んだキャパシタに対し劣化進行度を遅延させ、また全キャパシタがほぼ同時期に動作限界に達するため、蓄電装置としての耐用時間の延長が可能になり、キャパシタの交換回数を極力減らすことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態では蓄電装置をハイブリッド自動車に適用した場合について述べる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の一部省略ブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の充電時におけるキャパシタ両端電圧の経時変化特性図である。図３は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の容量値と内部抵抗値をパラメータとしたキャパシタの動作限界特性図である。図４は、本発明の実施の形態１における蓄電装置のバランス電圧調整後のキャパシタ両端電圧の経時変化特性図である。

まず、蓄電装置の構造を図１により説明する。なお、図１の配線における太線は高電圧系、細線は信号系をそれぞれ示す。

図１において、バッテリ１１はハイブリッド自動車のモーター駆動を担う主電源として使用される。バッテリ１１には図示しない昇圧回路が内蔵されている。

バッテリ１１の充放電は充放電制御回路１２によって制御されている。

充放電制御回路１２はバッテリ１１の補助用として使用される３００個直列接続されたキャパシタ１３の充放電と同キャパシタ１３の監視および制御を行う制御部３０（詳細は後述）の制御も担い、さらにバッテリ１１の出力とキャパシタ１３の最適出力調整等のシステム制御全般を担っている。

また、ハイブリッド自動車の制御回路（図示せず）とのデータのやり取り等を行うコネクタ１２ａも接続されている。

キャパシタ１３には急速充放電に優れる電気二重層キャパシタを用いた。

キャパシタ１３の充放電については、充放電制御回路１２により充電時に充電スイッチ１４が、放電時には放電スイッチ１５がオンするように制御されている。充放電を行わない時は充電スイッチ１４と放電スイッチ１５を両方オフにしている。

充電スイッチ１４には充電電流を検出するための電流検出手段１６が直列に接続されている。

次に各キャパシタ１３に接続された周辺回路１７（図１の一番上のキャパシタ１３に対する周辺回路１７の範囲を一番広い四角点線で示した。他のキャパシタ１３については図が見にくくなるため四角点線は省略する。以下、他の図についても同様）について説明する。

なお、周辺回路１７は劣化進行度検出手段の一部として使用され、劣化進行度検出手段は周辺回路１７と後述する制御部３０を組み合わせることで構成されている。

キャパシタ１３の両端には２個のスイッチ２１を介して並列にキャパシタ１３より小容量のサンプリングコンデンサ２０が接続されている。また、キャパシタ１３の両端にはさらに並列にバランス電圧調整手段２３が接続されている。

スイッチ２１は３端子タイプであり、図１に示すように切替スイッチの一端は前記キャパシタ１３に、他方はキャパシタ１３の両端電圧を計測する電圧計測回路を含む制御部３０（後述）に接続され、外部からの信号によりいずれか一方を選択する構成としている。

バランス電圧調整手段２３は図１に２番目に広い四角点線で示した範囲であり、キャパシタ１３の両端電圧を調整することができる。

具体的には以下の構成を有する。

まず、バランス抵抗２４と直列接続されたスイッチ２５がキャパシタ１３に対し並列になるよう接続されている。

更にキャパシタ１３には、前記キャパシタ１３の両端電圧を分圧するための分圧抵抗Ａ２６、分圧抵抗Ｂ２７が直列に接続され、その分担電圧Ｖｓはコンパレータ２８の一方に入力される。また、コンパレータ２８の他方の入力側にはバランス電圧設定手段３１（図１の一番小さい四角点線で示した）の出力（基準電圧）Ｖｆが接続されている。

バランス電圧設定手段３１は、基準電源３２と制御部３０からの信号により抵抗値を調整可能なデジタルポテンショメーター３３と抵抗３４を直列に接続することで調整可能な基準電圧Ｖｆを生成する構成としている。なお、デジタルポテンショメーター３３は不揮発性メモリ３５を内蔵しているので、蓄電装置の電源が切れている時も調整した抵抗値を記憶しておくことができる。

従って、バランス電圧設定手段３１の基準電圧Ｖｆは制御部３０が指示したデジタルポテンショメーター３３の抵抗値により決定され、この基準電圧Ｖｆと分担電圧Ｖｓがコンパレータ２８に入力されることになる。換言するとキャパシタ１３の両端電圧と基準電圧Ｖｆが比較される構成となっている。

コンパレータ２８は入力された電圧の比較結果に応じてスイッチ２５のオンオフを制御する。

本実施の形態１の蓄電装置は、以上のような周辺回路１７（図１の周辺回路１７として四角点線で示した範囲の内、キャパシタ１３を除く全ての回路）を有するキャパシタ１３が３００個直列に接続されて構成されるが、図１では最初の２個と最後の１個のみを示し、他を省略した。

次に制御部３０について説明する。

制御部３０はキャパシタ１３の監視および制御を行う機能を持ち、本実施の形態１においては、次の構成部品を内蔵している。

すなわち、電気的間接接続手段として例えばフォトカプラやフォトＩＣ等からなる電気的絶縁手段の機能を有する光電変換器群３６と、計測信号から各種演算や制御を実行するマイクロコンピュータ３７と、マイクロコンピュータ３７からの制御によりキャパシタ１３の両端電圧を計測するためのＡＤコンバータ３８と、キャパシタ１３の電圧を切り替えて計測するためのマルチプレクサ３９と、充放電回路１２およびその他の制御部３０との通信を司る送受信部４０より構成されている。

これによりマイクロコンピュータ３７は光電変換器群３６を介して電気的に絶縁した状態で、スイッチ２１とマルチプレクサ３９およびＡＤコンバータ３８を制御しキャパシタ１３の両端電圧の計測とデジタルポテンショメーター３３への設定抵抗値を指示するようにしている。

なお、キャパシタ１３と周辺回路１７は３００セットからなるため、各種演算処理を行う上で処理効率とトータルメリットを検討し、本実施の形態１ではキャパシタ１３と周辺回路１７の４セットにつき１つの制御部３０を設け、４セットのキャパシタ１３と周辺回路１７に対してスイッチ２１の切替、キャパシタ１３の両端電圧の計測、およびデジタルポテンショメーター３３への設定抵抗値の指示等を並列処理するようにした。

従って、制御部３０は７５個となるので、各制御部３０は内蔵した送受信部４０を介して、相互に各種演算情報や制御結果などの通信を行う構成とした。

また、例えばキャパシタ１３の電圧計測においては、充放電制御回路１２より計測開始指令を同報出力にて送信することで、各制御部３０が一斉に各キャパシタ１３の電圧計測を開始する構成とするなど、全制御部３０に共通な情報については充放電制御回路１２より一斉に同報出力にて指示し、情報データを伝送するように構成している。

蓄電装置の内部でキャパシタ１３の近傍には温度を測定するための温度センサ４１を設けた。この温度データは充放電制御回路１２により取り込まれ、前記温度データに関しても一斉に制御部３０に伝送するようにしている。なお、温度センサ４１には感度に優れるサーミスタを用いた。

また、本実施の形態１の回路全般において、高電圧系回路および７５個の制御部３０のグランドはそれぞれ独立とした。これにより、万一のスイッチ動作不良による高電圧と低電圧の混触等の故障の波及を防止する構成とした。

なお、周辺回路１７や制御部３０に逆三角形で示したグランドに付した数字は、同じ数字のグランド同士が接続されていることを示す。

従って、制御部は７５個あるので、グランドに付した数字も１・・・ｎ・・・７５となる。

次にこのような蓄電装置の動作について説明する。

ハイブリッド自動車（以下、車両と略す）のイグニションスイッチ（図示せず、以下、ＩＧと略す）をオンにすると、蓄電装置本体や充放電制御回路１２が起動する。

充放電制御回路１２は制御部３０に対し同報出力によりＩＧがオンになったという情報を出力すると共に、キャパシタ１３を規定電圧（従来と同様に全キャパシタ１３の両端電圧が７５０Ｖ）まで定電流で充電する。

具体的には図１に示す充放電制御回路１２が充電スイッチ１４をオンにする。こうして充電を開始してからのキャパシタ両端電圧の経時変化を図２に示す。なお、横軸は時間、縦軸はキャパシタ両端電圧を示す。

充電を開始する前のキャパシタ両端電圧は前回の車両使用後の状況により異なる。キャパシタ１３にとっては車両使用後に３００個全てを放電しきってしまう方が寿命にはよいが、その電力を再起動時に充電しなければならないので、電力が無駄になる。

そこで、車両使用後に強制的に放電しないで放置しておく方法が考えられる。この場合は自然放電になるので、再度車両を使用するときに電力がキャパシタ１３に残留しており、自然放電した分だけを充電すればよく、無駄が低減できる。

従って、寿命や効率を考えて完全放電するシステムもあれば自然放電させるシステムもあるため、図２の縦軸の原点は必ずしも０ではない。

ここでは、説明をわかりやすくするために車両使用後に強制的に放電を行い、全てのキャパシタ１３の両端電圧が０Ｖであるとして説明する。なお、図２において、実線で示した任意のキャパシタｘの経時変化特性を用いて説明する。

時間０で充電を開始すると、キャパシタｘの内部抵抗値Ｒに相当する急峻な電圧上昇が起こり、その後、時間とともに充電が進みキャパシタ両端電圧は増加していく。

この充電中に、既に公開されているキャパシタの劣化進行度検出手段（特開２００５−２８９０８号公報）を用いて、キャパシタｘの劣化進行度予測を行う。

劣化進行度検出手段の概略は蓄電装置本体の起動時に各キャパシタ１３を充電する際の電流、電圧、およびキャパシタ１３の近傍に設けた温度センサ４１からの温度データを基にして求めた各キャパシタ１３の内部抵抗値Ｒと劣化進行度の相関関係から各キャパシタ１３の劣化進行度を求めるものである。

従って、劣化進行度予測には内部抵抗値Ｒ、温度Ｔが必要なので、このうち内部抵抗値Ｒの具体的な求め方を説明する。なお、容量値Ｃも同時に求められるので、合わせて説明する。

まず内部抵抗値Ｒを求めるために、キャパシタｘへの充電が完了するまでの任意の時間に充電スイッチ１４を瞬間的（数１０ｍｓのオーダー）にオフにして充電を中断する。

これにより、キャパシタ両端電圧は電圧降下を起こす。この電圧降下幅Ｖｉｘは、そのキャパシタｘの内部抵抗値Ｒに比例する。すなわち、充電電流Ｉは定電流であり、電流検出手段１６から得られるので、
Ｒ＝Ｖｉｘ／Ｉ （１）
で求められる。

ここで問題となるのは３００個のキャパシタ１３のそれぞれに対して瞬間的な電圧降下を測定する手法である。

それに対し、本実施の形態１では以下のようにして電圧降下を求めている。

まず充放電制御回路１２からの指示データに基づき、各制御部３０は充電を中断する直前のキャパシタ両端電圧を読み込む。これは具体的には以下のようにして行う。

まず、全てのスイッチ２１をキャパシタ１３側に一斉に切り替える。これにより、キャパシタ１３とサンプリングコンデンサ２０は並列接続される。

ここで、サンプリングコンデンサ２０の容量はキャパシタ１３の容量に比べ、圧倒的に小さいため、サンプリングコンデンサ２０の両端電圧はキャパシタ１３の両端電圧と等しくなる。

次に、全てのスイッチ２１を制御部３０側（電圧計測側）に切り替える。

その後、制御部３０に内蔵したマルチプレクサ３９を切り替えることで４個のサンプリングコンデンサ２０の両端電圧、すなわち、キャパシタ１３の両端電圧を順次切り替えて読み込む。

選択されたキャパシタ１３の両端電圧はＡＤコンバータ３８、光電変換器群３６を介しデジタルデータとしてマイクロコンピュータ３７に内蔵したメモリ（図示せず）に記憶されていく。

このように３００個ものキャパシタ１３の両端電圧を順次読み込めば極めて時間がかかるが、７５個の制御部３０が一斉に４個づつ読み込むことで高速に読み込み終えることができる。

次に、充電中断前のキャパシタ電圧の読み込みが完了したら充電スイッチ１４をオフにすると同時に、再びスイッチ２１を制御し、サンプリングコンデンサ２０をキャパシタ１３と並列に接続するようにする。

その結果、前記したようにサンプリングコンデンサ２０の両端電圧はキャパシタ１３の両端電圧と等しくなる。

その後、電圧降下が落ち着いて一定値になるまで待ち、一定値になればスイッチ２１を制御し制御部３０側に切り替えることで、サンプリングコンデンサ２０にホールドされた降下後の電圧を充電再開後に読み込み、４個のサンプリングコンデンサ２０の両端電圧を順次メモリに記憶していく。

次に、充放電制御回路１２は瞬時に充電スイッチ１４をオン制御し充電を再開させる。

以上の動作によりＶｉｘを求める事ができる。後は充電電流Ｉが既知なので、（１）式より内部抵抗値Ｒｘを求める事ができる。

これを３００個のキャパシタ１３に対して求めておく。

次に、容量値Ｃを求めるために充電時のキャパシタ両端電圧の傾きを求める。

傾きは一定時間ｔの間のキャパシタ両端電圧の変化幅Ｖｄとして求められる。これにより、充電される電荷量Ｑ＝Ｉ・ｔ＝Ｃ・Ｖｄの関係式より、
Ｃ＝Ｉ・ｔ／Ｖｄ （２）
として求められる。ここで、Ｉ、ｔは決まっているので、Ｖｄを求めればＣがわかる。

図２でキャパシタｘに対するＶｄｘを求めるには、まず任意の時間ｔ１でキャパシタｘの両端電圧Ｖ１を求める。これは上述のようにスイッチ２１を切替制御し時間ｔ１での両端電圧をサンプルホールドするとともに４個のサンプリングコンデンサ２０毎に順次マルチプレクサ３９を切替え制御してキャパシタ１３の両端電圧を読み込む。

これにより高速にかつ同時刻サンプリングにてキャパシタ３００個分のＶ１が求められる。

次に、時間ｔが経過してｔ２になった時、同様にして３００個のキャパシタ１３のＶ２を求める。

こうして、Ｖｄｘ＝Ｖ２−Ｖ１として求める事ができる。これを３００個のキャパシタ１３に対して求め、（２）式から容量値Ｃを求めておく。

この後は充電がキャパシタの基準電圧Ｖｆになるまで行われる。

この時の動作は、キャパシタ両端電圧に相当する分圧抵抗Ａ２６、分圧抵抗Ｂ２７の分担電圧Ｖｓとバランス電圧設定手段３１から出力される基準電圧Ｖｆをコンパレータ２８で比較し、基準電圧Ｖｆを超えたらコンパレータ２８がスイッチ２５をオンにしてバランス回路に電流が流れるようにすることで、キャパシタ１３の両端電圧が基準電圧Ｖｆ以上にならないよう制御する。

このようにして充電は完了するのであるが、キャパシタ１３にはバラツキがあり、特に劣化が進んで動作限界に近づくにつれ図２の点線で示したように充電が早く終了する。

すなわち、劣化すると内部抵抗値Ｒが大きくなり、容量値Ｃが小さくなるので、蓄えられる電荷量Ｑも小さくなる。電荷量Ｑは図２のグラフにおける充電中の時間積分（面積）に相当するが、点線の劣化が進んだキャパシタｙはＱが小さいので充電時の傾きが大きくなり、早々と基準電圧（満充電）に至るのである。

従って、充電完了時間はキャパシタ１３によって異なるため、充電は全てのキャパシタ１３が基準電圧になるまで行われる。

なお、このようなキャパシタｙに対してもキャパシタｘと同様の方法で内部抵抗値Ｒｙや容量値Ｃｙを求めておく。

以上のようにして充電が完了すると、充電スイッチ１４をオフにする。この時点で３００個の全キャパシタ１３の内部抵抗値Ｒと容量値Ｃが求められている。

次に各キャパシタ１３の劣化進行度を予測し、劣化進行度の平均値から劣化が進んだキャパシタ１３に対しては劣化の進行を遅延させるようバランス電圧を制御する。

また、蓄電装置としての規定電圧を保持するため、劣化進行に余裕のあるキャパシタ１３に対しては劣化負荷をかけるようバランス電圧の制御を行う。

このバランス電圧を求める方法について説明する。

図３は容量値Ｃを横軸に、内部抵抗値Ｒを縦軸に取った時の各温度におけるキャパシタ１３の動作限界線を示す。すなわち、上述した方法で求めたＣとＲを座標（Ｃ、Ｒ）としてプロットした時、現在の温度における動作限界線を越えていれば、そのキャパシタ１３は動作限界に達したと判断できる。

なお、動作限界線はあらかじめキャパシタ１３の動作限界試験を行うことによって求めており、そのデータはマイクロコンピュータ３７に記憶されている。

図３に既に求めた３００個のキャパシタ１３の座標（Ｃｎ、Ｒｎ）：ｎ＝１〜３００をプロットしたイメージを点で示す。

キャパシタ１３が全て新品でＣやＲにバラツキが少ないものを選別して使用した場合は図３のグラフの右下の方に座標点が固まるが、通常の使用途上を考えると、キャパシタ１３はバラツキが発生してくるので、ある程度の幅を持ちながら劣化が進む。

そして、動作限界に近づくと容量値Ｃは下がり内部抵抗値Ｒは上がるので、全体的に右下から左上の分布となる。図３はこのような状態の分布をイメージして示したものである。

このような分布を持つキャパシタ１３の劣化進行度予測について説明する。

本来は前記のように容量値Ｃは下がり内部抵抗値Ｒは上がるので、ここではその傾向の延長線が動作限界線に至るまでの距離を劣化進行度と定義する。但し、ＣでもＲでも劣化進行度に対する挙動（動作限界線に至るまでの距離の変化）は同様であるので、どちらかのパラメータを用いて劣化進行度制御を行えばよい。

しかし、容量値Ｃについては、図２で説明したＶｄｘ（傾き）を監視および制御することになるが、ＣやＲは充電中に求めるので、充電が終了してしまってからではＶｄｘを監視および制御することができない。

そこで、劣化進行度のもう１つのパラメータとして内部抵抗値Ｒの制御に着目した。

図３の３００個のプロットにおいて、ＣｎおよびＲｎを平均した座標（Ｃｍ、Ｒｍ）のプロットを黒丸で示した。このプロットの内、平均内部抵抗値Ｒｍに対する劣化進行度は、現在の温度を３０℃とすると（温度は温度センサ４１の温度データより知ることができる）、前記定義に従ってＲｍと３０℃の動作限界線の最短距離Ｒｌｍに相当する。

そこで、３００個のキャパシタ１３のＲｎと動作限界線までの最短距離、すなわち、劣化進行度Ｒｌｎが全てＲｌｍになるように各キャパシタ１３への両端電圧を補正するようにした。

つまり、キャパシタｘのように劣化進行度Ｒｌｘがまだ長いものについては少し高いバランス電圧を与えることで動作限界特性において負荷をかける（劣化進行度を少し短くなる方向にする）調整を行い、逆にキャパシタｙのように劣化進行度Ｒｌｙが短いものについては動作限界特性において負荷を低減するよう少し低いバランス電圧を与えることで劣化進行度を延ばす方向に調整を行う。

これにより、全てのキャパシタ１３の劣化進行度のバラツキ幅が小さくなるように調整される。

これは、キャパシタ１３の劣化進行度、換言すると寿命はバランス電圧によって大きく左右され、バランス電圧が大きいほど寿命が短くなる特徴を利用している。

このような制御方法を以下に具体的に説明する。

キャパシタｘについては劣化進行度Ｒｌｘが平均劣化進行度Ｒｌｍより長いので、その差分ΔＲｌｘを加えることでほぼ平均劣化進行度Ｒｌｍとすることができる。

同様に、キャパシタｙについては劣化進行度Ｒｌｙが平均劣化進行度Ｒｌｍより短いので、その差分ΔＲｌｙを差し引くことでほぼ平均劣化進行度Ｒｌｍとすることができる。

従って、図４に示すように、満充電下にある現在のキャパシタｘおよびキャパシタｙの両端電圧Ｖｘ、Ｖｙに対し、前述の特徴を利用し前者に対してはΔＲｌｘ相当の電圧を加え、後者にはΔＲｌｙ相当の電圧を差し引く制御をすることで、劣化進行度を制御する。

この時の調整電圧は、
＋ΔＶｌｘ＝＋ΔＲｌｘ・Ｉ （３）
−ΔＶｌｙ＝−ΔＲｌｙ・Ｉ （４）
として求め、これらの調整電圧相当の劣化進行ないしは劣化抑制を図っている。なお、Ｉは電流である。

従って、実際の動作をまとめると以下のようになる。

まず全てのキャパシタ１３が基準電圧（満充電）になってから、上記の劣化進行度の補正計算を行い、各キャパシタ１３におけるΔＶｌｎ（ｎ＝１〜３００）を求める。

次に充電スイッチ１４をオンにして全キャパシタ１３の両端に規定電圧（本実施の形態１では７５０Ｖ）を印加した状態にした後、図４に示す任意のバランス電圧調整タイミングで各々決定したΔＶｌｎだけ基準電圧が変わるようにデジタルポテンショメーター３３を調整する。

ここで、デジタルポテンショメーター３３にはシリアル通信によりマイクロコンピュータ３７の調整信号が伝達される構成とした。

このため、３００個のデジタルポテンショメーター３３に対し、１つのマイクロコンピュータ３７から一度にシリアル通信で調整信号を伝達すると非効率なので、制御部３０毎に接続された４つのデジタルポテンショメーター３３に調整信号を伝達するようにしている。

なお、充放電制御回路１２は各制御部３０からのバランス電圧情報を収集し、各制御部３０からのバランス電圧を相互調整することで、蓄電装置全体として規定電圧になるようにしている。

この時、デジタルポテンショメーター３３は光電変換器群３６を介し制御することでマイクロコンピュータ３７と周辺回路１７を電気的に絶縁するようにしている。

なお、キャパシタ１３の両端電圧を下げる方向の調整はスイッチ２５をオンにしてバランス抵抗２４に電流を流すことで実施できるが、上げる方向については電圧を印加する必要がある。そのため、全キャパシタ１３の両端に対し再度充電制御を行うことで、キャパシタ１３の両端電圧の調整を可能としている。

以上のように、基準電圧、換言するとバランス電圧を平均劣化進行度に近づくように調整するので、各キャパシタ１３の両端電圧は相違するものの、全キャパシタ１３の両端電圧は７５０Ｖであり、必要な電圧は確保できる。

全キャパシタ１３の調整が終了すれば、充電スイッチ１４をオフにする。

以上のようにして、各キャパシタ１３のバランス電圧を調整し各キャパシタの劣化進行のバラツキ幅が小さくなるようにバランス電圧設定手段３１を制御している。

なお、バランス電圧の調整時にキャパシタ１３の両端電圧を上げる場合は、あまり高電圧にすると急速に劣化が進行してしまうため、規定電圧を超えないように制御している。規定電圧としては、例えばキャパシタ１３の定格電圧に対し１０％増しの電圧としている。従って、キャパシタ１３の両端電圧が前記規定電圧より小さくなるように、マイクロコンピュータ３７がデジタルポテンショメーター３３を制御することによって、キャパシタ１３の急速な劣化を避けることができ、蓄電装置の耐用時間を延長することが可能となる。

また、本実施の形態１では各キャパシタ１３の平均劣化進行度に近づくようにバランス電圧を調整しているものの、いずれ全てのキャパシタ１３が劣化していくことは避けられない。そこで、制御部３０は劣化進行度検出手段により各キャパシタ１３の劣化進行度を検出し、充放電制御回路１２に送信しているが、この時に得られた劣化進行度から全キャパシタ１３が劣化していることがわかれば、充放電制御回路１２は、その情報をコネクタ１２ａからハイブリッド自動車の制御回路（図示せず）へ出力している。これにより、ハイブリッド自動車の制御回路は運転者に警告を出す等の動作を行うことで、蓄電装置の耐用時間が経過したことを知らせている。このように動作することで、蓄電装置の耐用時間の延長制御を行いつつ、全キャパシタ１３の劣化時における信頼性も確保している。

また、車両の使用を終わりＩＧをオフにすると、本実施の形態１ではキャパシタの寿命をより延ばすために放電スイッチ１５をオンにして強制放電しているが、再度車両を使用するときにＩＧをオンにすると、デジタルポテンショメーター３３には不揮発性メモリ３５が内蔵されているので、バランス電圧設定手段３１が出力する基準電圧Ｖｆは前回調整したバランス電圧となる。

この場合でもこれまで説明した方法で再度基準電圧調整を行う。これを車両の使用の都度、繰り返すことで、最終的には全キャパシタ１３の劣化進行をほぼ等しくすることができる。

なお、本実施の形態１では、基準電圧調整は図２や図４に示したキャパシタ１３への充電特性が必要なので、車両や蓄電装置本体の起動時に行っている。

但し、キャパシタ１３の劣化が急峻に進行することはほとんどないので、基準電圧調整は車両の起動毎である必要はなく、既定の一定時間毎、例えば車両の点検毎に実施してもよい。

以上の構成、動作により、全キャパシタ１３の劣化進行を制御し劣化進行度のバラツキ幅を小さくすることで、従来に比べ蓄電装置としての耐用時間の延長を図り、結果としてキャパシタ１３や蓄電装置本体そのものの交換回数を極力減らすことが可能な蓄電装置が実現できた。

なお、本実施の形態１ではキャパシタ１３を３００個直列に接続したが、これは必要とする電力に応じて並列や直並列混在の接続としてもよい。

また、本実施の形態１では車両の使用終了後に各キャパシタ１３を強制放電するシステムについて説明したが、これは自然放電するシステムにおいても同様に調整してもよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。

図５は、本発明の実施の形態２における蓄電装置の一部省略ブロック回路図である。図６は、本発明の実施の形態２における蓄電装置のキャパシタ漏れ電流と劣化進行度比の相関図である。図７は、本発明の実施の形態２における蓄電装置のキャパシタ漏れ電流変化量とバランス電圧変化量の相関図である。

なお、図５において、図１と同一構成部分には同一番号を付与して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

すなわち本実施の形態２の特徴となる点は、各キャパシタ１３の劣化進行度を内部抵抗値Ｒから求めるのではなく、各キャパシタ１３の漏れ電流から求めた点である。

ここでは、漏れ電流から劣化進行度を求める際の構成および動作について詳細を述べる。

まず、実施の形態１との構成上の違いは図１と図５の対比から以下の通りである。

１）サンプリングコンデンサ２０を廃した
２）キャパシタ１３の両端電圧を制御部３０で取り込まないようにした
３）スイッチ２１（３端子タイプ）の一方は従来通りのバランス電圧調整手段２３を接続し、他方はキャパシタ１３と電流検出手段１６と定電圧源４２が直列に閉ループ回路となるよう接続した
４）図１の充電スイッチ１４と直列に接続した電流検出手段１６を廃した
次に、動作について説明する。

車両を使用する際にＩＧをオンにすると、その情報が充放電制御回路１２より各制御部３０のマイクロコンピュータ３７に入力される。

充放電制御回路１２は充電スイッチ１４をオンに、各制御部３０のマイクロコンピュータ３７はスイッチ２１をバランス電圧調整手段２３側に切り替える。これによりバッテリ１１から充電電流が流れる。

なお、スイッチ２１は実施の形態１と同様に３００個設けられ、全て一斉に充放電制御回路１２からの指示データにより制御部３０を介し同じ方向に切り替わるように構成されている。

全キャパシタ１３がバランス電圧調整手段２３によって両端電圧を調整しながら満充電になるまで充電を連続して行う。

充電が完了したら、充放電制御回路１２は充電スイッチ１４をオフにした後、各制御部３０に同報出力によりスイッチ２１を電流検出手段１６側に切り替える情報を伝送する。

これにより、劣化進行度検出手段の一部を形成するキャパシタ１３、定電圧源４２、電流検出手段１６、スイッチ２１の閉回路が構成される。なお、劣化進行度検出手段には他に制御部３０に内蔵したマイクロコンピュータ３７のソフトウエアが含まれる。その動作については後述する。

スイッチ２１の切り替えにより構成された閉回路には、理想的には電流が流れないが、キャパシタ１３の劣化進行によりキャパシタ１３の漏れ電流ＬＣが流れる。これは劣化とともにキャパシタ１３の絶縁抵抗が低下することに起因するもので、キャパシタ１３の劣化進行に直結するデータとなる。このＬＣを電流検出手段１６で検出する。

なお、本実施の形態２においては、この電流検出手段１６を高精度な抵抗より構成し、ＬＣにより前記抵抗の両端に発生する両端電圧からＬＣを計測するようにした。

なお、電流検出手段１６は例えば磁界センサ等による電気的絶縁手法による構成を用いることも可能である。

ここで、実施の形態１と同様に、３００個のキャパシタ１３のＬＣを素早く測定するために、７５個の制御部３０により、それぞれ４個のキャパシタ１３のＬＣを計測するようにしている。

計測方法は実施の形態１と同様に、電流検出手段１６の出力をマルチプレクサ３９により順次切り替えて取り込んでいる。

ＬＣの取り込みが終われば、スイッチ２１を再びバランス電圧調整手段２３側に切り替える。

次に、得られたＬＣから劣化進行度比Ｌを求める。ここで劣化進行度比Ｌとは、キャパシタ１３の劣化進行度の限界値を１とした時の、現在の劣化進行度との比率を想定した値であり、例えば車両用として２０年を劣化進行度の限界値とすると、２０年が１となるので、０．５は劣化進行度が１０年ということになる。

この劣化進行度比ＬはＬＣと相関があり、両者の関係を実験的に求めた結果を図６に示す。なお、図６で横軸は漏れ電流ＬＣ、縦軸は劣化進行度比Ｌである。

図６より劣化進行度比ＬはＬＣと非線形逆比例の関係にあり、ＬＣが大きくなるほど劣化進行度比Ｌは小さい、すなわち耐用時間が短いということになる。また、ＬＣが大きくなるにつれ急激に劣化進行度比Ｌが小さくなる領域が存在する。

従って、以下のようにして各キャパシタ１３のバランス電圧の調整を行っている。

まず、３００個のキャパシタ１３それぞれに対するＬＣから劣化進行度比Ｌを求める。その様子を図６に示す。ＬＣはバラツキがあるので、横軸に示した最大漏れ電流ＬＣｍａｘと最小漏れ電流ＬＣｍｉｎの幅に対応して劣化進行度比Ｌは最大劣化進行度比Ｌｍａｘと最小劣化進行度比Ｌｍｉｎの幅でばらつくことになる。

次に、全劣化進行度比Ｌを平均し、平均劣化進行度比Ｌｍを求める。Ｌｍを図６の縦軸に黒丸で示す。

ここで、任意のキャパシタｘを考える。キャパシタｘの劣化進行度比ＬはＬｘであったとする。Ｌｘを図６の縦軸に白丸で示す。

図６よりＬｘはＬｍより大きいので平均より劣化進行度が大きいといえる。そこで、劣化進行度を平均化するために劣化進行度の大きいものは小さくなるように、小さいものは大きくなるように、各キャパシタ１３に平均劣化進行度比Ｌｍとの偏差ΔＬｘを求め、ΔＬｘに対応したバランス電圧Ｖの制御を実行する。

これについて以下に具体的に説明する。

キャパシタｘの劣化進行度比Ｌｘと上記平均劣化進行度比Ｌｍから偏差ΔＬｘは（５）式で示される。

ΔＬｘ＝Ｌｘ−Ｌｍ （５）
次に、ΔＬｘに相当する漏れ電流の偏差（変化量）ΔＬＣｘを求める。そのためにＬｘに対応する漏れ電流ＬＣｘを図６の矢印に従って読み取る。同時にＬｍに対応する漏れ電流ＬＣｍを図６の矢印に従って読み取る。

得られたＬＣｘとＬＣｍの偏差が漏れ電流変化量ΔＬＣｘである。

すなわち、
ΔＬＣｘ＝ＬＣｍ−ＬＣｘ （６）
から求められる。

ΔＬＣｘが決まれば図７よりキャパシタｘのバランス電圧変化量ΔＶｘが求まる。

すなわち、図７は横軸が漏れ電流変化量ΔＬＣ、縦軸がバランス電圧変化量ΔＶを表し、両者の相関関係を実験的に求め、温度毎に示したものであるので、現在の温度が５０℃とすると、そのグラフ（太線で示した）において、ΔＬＣｘに対応したバランス電圧変化量ΔＶｘは図中の矢印のようにグラフを読むことによって決定できる。これにより温度補正されたバランス電圧変化量ΔＶｘが得られる。

以上の手順で全キャパシタ１３のバランス電圧変化量ΔＶｎ（ｎ＝１〜３００）と現在のバランス電圧Ｖｆｎから（７）式よりバランス電圧Ｖｎを決定していく。

Ｖｎ＝Ｖｆｎ＋ΔＶｎ （７）
上記によるバランス電圧Ｖｎが全て決定したら、マイクロコンピュータ３７は光電変換器群３６を介してバランス電圧設定手段３１のデジタルポテンショメーター３３を調整し、各キャパシタ１３の両端電圧がバランス電圧Ｖｎになるよう制御する。

この後の動作は実施の形態１と同様であるので詳細は省略するが、これにより素早く３００個のキャパシタ１３の両端電圧をバランス電圧Ｖｎにすることができる。

以上の動作でキャパシタ１３の劣化進行度を平均化する調整が完了する。この動作は、キャパシタ１３が急峻に劣化することは通常ほとんどないので、本実施の形態２では車両や蓄電装置本体の点検時に行うようにしている。

この際、実施の形態１と同様にデジタルポテンショメーター３３は不揮発性メモリ３５で設定値を記憶しているので、再起動時に点検時設定のＶｎ（＝基準電圧Ｖｆ）でキャパシタ１３の両端電圧を調整している。

以上の構成、動作により、全キャパシタ１３の劣化進行度のバラツキ幅が小さくなるため、従来に比べ蓄電装置として耐用時間を延ばすことができ、結果としてキャパシタ１３や蓄電装置本体そのものの交換回数を極力減らすことが可能な蓄電装置が実現できた。

（実施の形態３）
図８は本発明の実施の形態３における高精度蓄電装置の一部省略ブロック回路図である。

なお、図８において、図５と同一構成部分には同一番号を付与して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

すなわち本実施の形態３の特徴となる点は、各キャパシタ１３の近傍にそれぞれ温度センサ４１を設けたことである。

これは、３００個ものキャパシタ１３が全て同じ温度とは限らず、蓄電装置の内部温度にムラが発生するような場合に有効である。

これに伴い、３００ヶ所の温度を高速に読み込む必要があるため、温度センサ４１の出力は制御部３０のマルチプレクサ３９に接続され、電流検出手段１６の出力を順次読み込む時に、４個の温度センサ４１の温度データも同時に読み込む動作を７５個の制御部３０で一斉に行うようにしている。

このように、各キャパシタ１３の温度を正確に読み込むことにより、図７でバランス電圧Ｖｎを決定する際に、より正確な温度に応じたグラフから温度補正されたＶｎを決定できるので、その分高精度に劣化進行度の調整ができる。

なお、その他の構成、動作は実施の形態２と同一である。

以上の構成、動作により、実施の形態２の構成に比べさらなるキャパシタ１３の劣化進行度の延長が可能な蓄電装置を実現できる。

なお、各キャパシタに温度センサ４１を設ける構成は実施の形態１の蓄電装置にも適用可能であり、同様の効果が得られる。

（実施の形態４）
図９は本発明の実施の形態４における温度調節器付き蓄電装置の一部省略ブロック回路図である。

なお、図９において、図８と同一構成部分には同一番号を付与して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

すなわち本実施の形態４の特徴となる点は、３００セットのキャパシタ１３と周辺回路１７を温度調節器４３の中に設けたことである。これにより、キャパシタ１３と周辺回路１７の全体の温度を一定温度に保つことが可能となる。

温度調節器４３の温度は、充放電制御回路１２の指令に基づきマイクロコンピュータ３７を介して設定温度信号が温度調節器制御部４４に伝達される。これにより温度調節器４３は任意の設定温度で一定に保たれる。

この場合、各キャパシタ１３の温度を一定にした状態で各キャパシタ１３へのバランス電圧Ｖｎを求める事ができるので、図７による温度補正後のＶｎ決定が極めて正確になる上、温度調節器４３を用いているとはいえ僅かに存在する温度ムラを各キャパシタ１３に設けた温度センサ４１で検出することができるので、実施の形態３に比べより一層高精度に劣化進行度の調整が可能になる。

さらに温度調節器４３を備えたことにより、図３から明らかなように温度が低いほどキャパシタ１３の劣化進行度は大きく（長く）なるので、温度を低く調整することでキャパシタ１３の劣化進行度を延ばすことができる。

なお、その他の構成、動作は実施の形態２と同一である。

以上の構成、動作により、実施の形態３の構成に比べ一層キャパシタ１３の劣化進行度の延長が可能な蓄電装置を実現できる。

なお、キャパシタ１３や周辺回路１７の全体を温度調節器に内蔵する構成は実施の形態１の蓄電装置にも適用可能であり、同様の効果が得られる。

本発明にかかる蓄電装置は各キャパシタの劣化進行度をそれぞれ調整することにより、全キャパシタの劣化進行度のバラツキ幅を小さくすることで、蓄電装置としての耐用時間の延長を図ることができ、その結果キャパシタや蓄電装置本体そのものの交換回数を極力減らすことが可能となるため、特にハイブリッド自動車のモーター駆動バッテリの補助用蓄電装置等として有用である。

本発明の実施の形態１における蓄電装置の一部省略ブロック回路図 本発明の実施の形態１における蓄電装置の充電時におけるキャパシタ両端電圧の経時変化特性図 本発明の実施の形態１における蓄電装置の容量値と内部抵抗値をパラメータとしたキャパシタ動作限界特性図 本発明の実施の形態１における蓄電装置のバランス電圧調整後のキャパシタ両端電圧の経時変化特性図 本発明の実施の形態２における蓄電装置の一部省略ブロック回路図 本発明の実施の形態２における蓄電装置のキャパシタ漏れ電流と劣化進行度比の相関図 本発明の実施の形態２における蓄電装置のキャパシタ漏れ電流変化量とバランス電圧変化量の相関図 本発明の実施の形態３における高精度蓄電装置の一部省略ブロック回路図 本発明の実施の形態４における温度調節器付き蓄電装置の一部省略ブロック回路図 従来の異常検出方法を示すブロック回路図

符号の説明

１３ キャパシタ
１６ 電流検出手段
２１ スイッチ
２３ バランス電圧調整手段
３０ 制御部
３３ デジタルポテンショメーター
３５ 不揮発性メモリ
３６ 光電変換器群
３７ マイクロコンピュータ
４１ 温度センサ
４２ 定電圧源
４３ 温度調節器

Claims (10)

1. 直列または並列または直並列に接続された複数のキャパシタと、
   前記キャパシタの劣化進行度を求める劣化進行度検出手段と、
   前記キャパシタに接続されたバランス電圧調整手段と、
   前記劣化進行度検出手段と前記バランス電圧調整手段が接続され、マイクロコンピュータを内蔵した制御部とからなり、
   前記制御部は前記劣化進行度検出手段で検出された前記キャパシタの劣化進行度の平均値から、前記キャパシタの劣化進行度のバラツキ幅が小さくなるようなバランス電圧をそれぞれ求め、
   接続された前記全キャパシタの両端に電圧を印加した状態で、
   前記キャパシタの両端電圧が前記バランス電圧になるよう前記バランス電圧調整手段を制御する蓄電装置。
2. 劣化進行度検出手段は蓄電装置本体の起動時にキャパシタを充電する際の電流、電圧、および前記キャパシタ近傍に設けた温度センサからの温度データを基にして求めた前記キャパシタの内部抵抗値と劣化進行度の相関関係から前記キャパシタの劣化進行度を求める請求項１に記載の蓄電装置。
3. 劣化進行度検出手段はキャパシタに並列に接続した定電圧源と、
   前記キャパシタと前記定電圧源の間に直列に接続した電流検出手段と、
   前記キャパシタと前記電流検出手段の間に接続した、バランス電圧調整手段または前記電流検出手段のいずれか一方に切り替えるスイッチとからなり、
   劣化進行度を検出する際は、前記スイッチが前記電流検出手段側を選択することにより前記キャパシタの漏れ電流を求め、
   前記漏れ電流と劣化進行度の相関関係から前記キャパシタの劣化進行度を求める請求項１に記載の蓄電装置。
4. バランス電圧調整手段の制御は既定の一定期間毎に行う請求項１に記載の蓄電装置。
5. キャパシタ全体の温度を一定に保つ温度調節器を設け、
   前記キャパシタの温度を一定にした状態で前記キャパシタのバランス電圧を求める請求項１に記載の蓄電装置。
6. 制御部に電気的間接接続手段を設けることでバランス電圧調整手段とマイクロコンピュータを電気的に絶縁した請求項１に記載の蓄電装置。
7. バランス電圧調整手段は制御部からの信号により抵抗値が調整可能な不揮発性メモリを内蔵したデジタルポテンショメーターである請求項１に記載の蓄電装置。
8. キャパシタ近傍にそれぞれ温度センサを設け、前記キャパシタのバランス電圧を温度補正して決定する請求項１に記載の蓄電装置。
9. バランス電圧調整手段は、キャパシタの両端電圧が規定電圧を超えないように制御する請求項１に記載の蓄電装置。
10. 劣化進行度検出手段により、全てのキャパシタが劣化していることが検出されれば、その情報を出力する請求項１に記載の蓄電装置。

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