JP3998154B1 - キャパシタ充放電システム - Google Patents

Abstract

高出力型のキャパシタから構成される大電流を扱う充放電システムに用いる並列モニタ回路においても、定格の大きなパワートランジスタが必要とならないように、バイパス電流を決定することが可能な方法を提供する。
【課題】
【解決手段】本発明は、設定値を越える電圧で充電電流をバイパスする並列モニタを有し直列接続した複数のキャパシタ（Ｃ１、Ｃ２、・・Ｃｎ）からなるキャパシタを充放電するキャパシタ充放電システムにおいて、バイパス電流路にはトランジスタＴｒ及び抵抗Ｒが設け、バイパス電流が流れたときの該トランジスタＴｒの消費電力をＰｃ、該抵抗Ｒの消費電力をＰｒとするとき、Ｐｒ＝ｋＰｃ （ただし、ｋ≧１）となるように設定することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、周期的なサイクル時間で電力を要求する負荷に給電を行うためのキャパシタ充放電システムに係り、特にバイパス電流によるトランジスタの発熱を抑制したキャパシタ充放電システム関するものである。

近年、大電流の充放電が可能な電気二重層キャパシタが注目されている。電気二重層キャパシタは、電極と電解液との界面においてイオンの分極によりできる電気二重層を利用したキャパシタであり、従来のキャパシタに比較して大容量の静電容量を充電できるとともに、急速充放電が可能であり、その応用が期待されている。この電気二重層キャパシタの用途としては、メモリバックアップ用や電気自動車のパワーアシスト用や電力貯蔵用蓄電池代替などがあり、小容量品から大容量品まで幅広く検討されている。本件出願人は、例えば複数の電気二重層キャパシタのセルを直列に接続し、各キャパシタセルを並列モニタで監視しつつ充放電を行う電子回路と組み合わせて構成したキャパシタ蓄電装置を、ＥＣＳ(Energy Capacitor System）またはＥＣａＳＳ（Energy Capacitor Systems）(登録商標)として提案している。ここで、並列モニタは、複数の電気二重層キャパシタが直列に接続されたキャパシタバンクの各電気二重層キャパシタの端子間に接続され、キャパシタバンクの充電電圧が並列モニタの設定値を越えると充電電流をバイパスする装置である。

上記並列モニタを備えたキャパシタバンクは、充電する際にキャパシタバンクの充電電圧が設定値以上に上昇しないように充電電流をバイパスして一定に保つので、キャパシタバンク内のすべての電気二重層キャパシタは、設定された電圧まで均等に充電され、電気二重層キャパシタの蓄積能力をほぼ１００パーセント発揮させることができる。したがって、並列モニタは、キャパシタの特性のバラツキや残留電荷の大小がある場合にも、最大電圧の均等化、逆流防止、充電終止電圧の検出と制御などを行い、耐電圧いっぱいまで使えるようにするものとして、きわめて大きな役割を持ち、エネルギー密度の有効利用の手段として不可欠な装置である。このような並列モニタについては、特許文献１（特許第３３０６３２５号公報）等に開示されている。
特許第３３０６３２５号公報

電気二重層キャパシタはその設計により内部抵抗の低い高出力型タイプのキャパシタから、内部抵抗は高くてもエネルギー密度が大きなタイプのキャパシタまで、各種を得ることができる。高出力型のキャパシタは、用途によっては１００Ａ〜１０００Ａの大電流がキャパシタに流れる。

高出力型のキャパシタは、その構造に起因して静電容量のバラツキが大きくなる。（高エネルギー密度型の電気二重層キャパシタに比べて、分極性電極が薄塗りとなるのでわずかな塗行厚の違いによって、静電容量の差となってしまうことによる。）
静電容量のバラツキはキャパシタを直列につないだとき、電圧がキャパシタの個数分の１に均圧（電圧がキャパシタに均等配分）されない原因となる。このようなキャパシタの静電容量のバラツキに対処するために、均圧抵抗などをキャパシタと並列につなぐ方法も考えられるが、この方法では漏れ抵抗の不均一は軽減されるが静電容量の不同に対する是正効果はない。

そこで、このような高出力型のキャパシタを用いた大電流を扱う充放電システムでは上記のような並列モニタ回路を用いることとなる。ところが、キャパシタのバイパス電流を全て並列モニタ回路の経由で流すとすると、定格の大きなパワートランジスタが必要となってしまう。これを並列モニタ回路毎に設けると、回路構成が非常に高価になってしまう、という問題がある。

また、定格の大きなパワートランジスタを実装するときにおいては、このパワートランジスタを取り付けるためのヒートシンクなどの放熱部材といった構成が必要となり、コストアップの原因となるという問題がある。また、このような複雑な実装構造とすると並列モニタ回路の信頼性が低下するという問題もある。

上記のような各問題に対処するために、キャパシタのバイパス電流路に抵抗を設けてバイパス時の最大電流を制限するとともに、この抵抗にも一定の電圧を分担させるという解決手段が考えられる。このような抵抗を設けると、キャパシタのバイパス電流による発熱負担を一部抵抗が分担することができ、より定格の低いパワートランジスタを用いることができる。本発明においては、キャパシタのバイパス電流による発熱負担を分担する抵抗を設けるときの抵抗値の決定方法に係るものである。

そのために、本発明の請求項１に係る発明は、周期的なサイクル時間で電力を要求する負荷に用いられ、設定値を越える電圧で充電電流をバイパスする並列モニタを有し直列接続した複数の電気二重層キャパシタからなるキャパシタモジュールを充放電するキャパシタ充放電システムにおいて、それぞれの電気二重層キャパシタの充電電流をバイパスするバイパス電流路にはトランジスタ、該トランジスタと直列に接続される抵抗が設けられ、それぞれの電気二重層キャパシタの電圧が基準電圧Ｖｒによる設定値を越えると該トランジスタをオンにするコンパレータが設けられ、該トランジスタの定格特性で定まる該トランジスタがオン状態でのエミッタ−コレクタ間電圧をＶｔｏｎとすると、
Ｖｒ−Ｖｔｏｎ＝ｋＶｔｏｎ
かつ
ｋ＝１．２〜１．５
となるように設定することを特徴とする。

本発明の実施の形態に係るキャパシタ充放電システムによれば、トランジスタＴｒはより定格の小さなものを利用することができ、トランジスタＴｒに取り付けるためのヒートシンクなどの放熱部材といった構成が不必要となり、コストを抑制することができる。また、実装構造が簡単となるので、回路としての信頼性を確保することができる、というメリットがある。

また、本発明の実施の形態に係るキャパシタ充放電システムによれば、高出力型のキャパシタから構成される大電流を扱う充放電システムに用いる並列モニタ回路においても、定格の大きなパワートランジスタが必要とならないように、バイパス電流を決定することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明が対象とする充放電システムの構成を示す図である。図１において、充電源１０は接続された電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎからなる高出力型のキャパシモジュールを充電するものである。このような高出力型のキャパシは、「発明が解決しようとする課題」において説明したものと同様のものである。電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎそれぞれに並列に並列モニタ回路が設けられる。図示するように並列モニタは各電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎの端子間に接続され、コンパレータＣＭＰ１〜ＣＭＰｎ、電流制限用抵抗Ｒ１〜Ｒｎ、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒｎ、基準電圧Ｖｒ１〜Ｖｒｎからなる。基準電圧Ｖｒ１〜Ｖｒｎには、共通のキャパシタ満充電電圧（一般には、キャパシタの定格電圧）のＶｒが用いられる。

並列モニタ回路は、図１に示すようにコンパレータＣＭＰ１〜ｎによってキャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎの各電圧を基準電圧Ｖｒと比較して監視し、キャパシタＣの電圧が基準電圧Ｖｒによる設定値を越えるとトランジスタＴｒをオンにして充電電流をバイパスする。

本発明が想定するキャパシタ充放電システムでは、並列モニタ回路がこのようなバイパス電流を流すときにおいては、全ての充電電流をバイパスさせないように電流制限用抵抗Ｒ１〜Ｒｎが選定される。或いは、全ての充電電流をバイパスさせないように電流制限用抵抗Ｒ１〜Ｒｎの抵抗値を可変としておき、これを調整する。

本発明が想定するキャパシタ充放電システムでは、このように電流制限用抵抗Ｒ１〜Ｒｎを設定することで、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒｎとして、定格の大きなパワートランジスタが必要となることがない
すなわち、本発明では、電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎのバイパス電流による発熱負担を一部電流制限用抵抗Ｒ１〜Ｒｎが負担することができ、より定格の低いトランジスタＴｒ１〜Ｔｒｎを用いることができる。

ここで、図２を参照しつつ、本発明の実施形態に係るキャパシタ充放電システムのバイパス電流決定方法について説明する。図２は本発明が対象とする並列モニタ回路のパラメーターを示す図である。図２は、図１に示される複数の並列モニタ回路のうちの一つを抜き出して示したものである。

図２において、Ｉｔはバイパス電流である。このバイパス電流Ｉｔは、電気二重層キャパシタＣの初期化電圧（定格電圧）をＶｒ、トランジスタＴｒの定格特性で定まるトランジスタＴｒがオン状態でのエミッタ−コレクタ間電圧をＶｔｏｎとすると、
Ｉｔ＝（Ｖｒ−Ｖｔｏｎ）／Ｒ （１）
と表すことができる。

またバイパス電流Ｉｔが流れたときのトランジスタＴｒからの発熱Ｐｃ（トランジスタＴｒの消費電力）は、
Ｐｃ＝Ｉｔ×Ｖｔｏｎ （２）
と表すことができる。また、バイパス電流Ｉｔが流れたときの抵抗Ｒからの発熱Ｐｒ（抵抗Ｒの消費電力）は、
Ｐｒ＝Ｉｔ×（Ｖｒ−Ｖｔｏｎ） （３）
と表すことができる。

ここでｋ≧１である定数を導入し、本発明においては、
Ｐｒ＝ｋＰｃ （４）
が成立するように、バイパス電流Ｉｔを決定するものとする。本発明においては、このようなバイパス電流Ｉｔを流すために、トランジスタＴｒと抵抗Ｒの抵抗値を選択する。

ここで、ｋ＝１として設定する場合について説明する。式（４）において、ｋ＝１に設定すると、トランジスタＴｒと抵抗Ｒとで略均等に消費電力を分担させることができる。すなわち、このようにバイパス電流を流すようにすると、理論上は（トランジスタＴｒの発熱量）＝（抵抗Ｒの発熱量）とすることができる。

トランジスタを実装するときには、ヒートシンクなどの放熱部材を用いない方がコスト面、信頼性の面で有利である。そこで、可能であれば定格の小さなトランジスタを採用して、放熱部材を用いないような設計とすることが理想的である。本発明のキャパシタ充放電においては、上述のようにトランジスタＴｒと抵抗Ｒとで略均等に発熱をさせるようにバイパス電流を流すことで、トランジスタＴｒの発熱分を一部抵抗Ｒに分担してもらう、というような構成とする。このような構成とすることで、トランジスタＴｒはより定格の小さなものを利用することができる。また、このような構成とすることで、トランジスタＴｒに取り付けるためのヒートシンクなどの放熱部材といった構成が不必要となり、コストを抑制することができる。また、実装構造が簡単となるので、回路としての信頼性を確保することができる、というメリットがある。

次に、ｋ＝ｋ＝１．２〜１．５に設定する場合について説明する。ｋ＝１．２〜１．５に設定するということは、式（４）からも分かるとおり、トランジスタＴｒに比べて抵抗Ｒにより多く消費電力を分担させるようにバイパス電流を流す、ということになる。すなわち、ｋ＝ｋ＝１．２〜１．５として設定すると、トランジスタＴｒに比べて抵抗Ｒがより発熱するような状態となる。

充放電システムが周期的なサイクル時間で電力を要求するタイプの負荷に用いられる場合がある。このようなタイプの負荷としては、工作機器などの一定間隔ごとに仕事量を必要とするものに用いられるモーターなどがある。このように周期の短いサイクルで比較的高出力で用いられる充放電システムにおいては、抵抗Ｒの発熱量をトランジスタＴｒの発熱量より高く設定することが好ましい。

図３は、抵抗ＲとトランジスタＴｒの発熱プロフィールを示す図である。図３（Ａ）は抵抗ＲとトランジスタＴｒに入力する電流の波形を示し、図３（Ｂ）は当該電流が入力されたときの抵抗ＲとトランジスタＴｒの素子外囲の発熱カーブを示している。

図３を参照すると、抵抗Ｒは流れる電流に素早く追随するように発熱する。これに対して、トランジスタＴｒの発熱カーブは電流に素早く追随せずになだらかに上昇するようにして発熱する。すなわち、抵抗Ｒが熱しやすく冷めやすいタイプの素子であるのに対して、トランジスタＴｒは熱がこもってしまうタイプの素子である、ということが言える。

本発明では、このような抵抗ＲとトランジスタＴｒ両素子の発熱特性、及び充放電システムのサイクリックな利用を考慮して、ｋ＝ｋ＝１．２〜１．５に設定するものである。このような設定によれば、充放電システムのサイクリックな利用中に、抵抗Ｒの方がトランジスタＴｒより発熱することになるが、抵抗Ｒの発熱パターンは電流に対する追随性が高いので、効率的に放熱することができ、結果として回路全体の放熱効率がよいものとなる。また、抵抗Ｒに発熱を分担させることによって、熱に対して脆弱であるトランジスタＴｒを保護することになるし、また、抵抗Ｒよりコストの高いトランジスタＴｒを呼称させてしまう、というようなリスクを避けることができる。

次に本発明の他の実施の形態について説明する。本発明が想定するキャパシタ充放電システムでは、上記のように全ての電流をバイパスさせることがない。したがって、早く満充電に達してしまったキャパシタには、一部の電流がバイパスされるものの、依然としてそれ以外の所定量の充電電流が流れるわけであり、この分このキャパシタには負担となってしまう。

本発明のバイパス電流決定方法の考え方について説明する。キャパシタのバイパス電流を全て並列モニタ回路のトランジスタ経由で流すとすると、定格の大きなパワートランジスタが必要となってしまう。これを並列モニタ毎に設けると、回路構成が非常に高価になってしまう、という問題がある。

そこで、本発明のバイパス電流決定方法においては、複数のキャパシタのうち、早く満充電に達してしまったキャパシタに多少の負担がかかることは勘案しても、バイパス電流の一部のみ並列モニタ回路に流すようにする。ただ、このようなキャパシタの負担が長期化してしまうと当該キャパシタの寿命が早まってしまうので、時間的な制約を設けるようにする。例えば、このような時間をＴｉと設定する。この時間Ｔｉは、言い換えると、システム中の複数のキャパシタのうち最初にキャパシタが満充電に達したときから全てのキャパシタが満充電に達するまでの時間である。

また、充放電システムが周期的なサイクル時間で電力を要求するタイプの負荷に用いられることにも着目する。このようなタイプの負荷としては、工作機器などの一定間隔ごとに仕事量を必要とするものに用いられるモーターなどがある。

負荷の周期的なサイクル時間をＴｓとすると、先の時間Ｔｉの間にＴｉ／Ｔｓ回の充放電サイクルが繰り返されることとなる。他の実施形態では、Ｔｉ／Ｔｓ回の充放電サイクルのうちにキャパシタの初期化の問題を解決するようにバイパス電流を決定する。

本発明のキャパシタ充放電システムでは、早く満充電に達してしまったキャパシタには、所定の期間、バイパス電流以外の所定量の充電電流が流れ続けて、キャパシタのある程度の負担がかかることは許容する。ただ、これが長時間化しないような方策を立てるものとする。すなわち、この所定の期間のうちに、もっとも充電の遅いキャパシタも満充電となるように設定するものである。ここで、この「所定の期間」は、キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎのうち最初のキャパシタが満充電に達したときから、全てのキャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎが満充電に達するまでの時間であり、これを全初期化時間Ｔｉとする。

次に、本発明が想定するキャパシタ充放電システムにおける負荷２０について説明する。図４は本発明が対象とする充放電システムの負荷２０の負荷プロフィールを示す図である。本発明が想定するキャパシタ充放電システムでは、周期的なサイクル時間で電力を要求するタイプの負荷に用いられるものとする。このようなタイプの負荷としては、工作機器などの一定間隔ごとに仕事量を必要とするものに用いられるモーターなどがある。図４に示すように、本発明が想定するキャパシタ充放電システムにおける負荷２０は、周期的なサイクル時間Ｔｓで、電流消費を行うとともに、回生電流を発生するようなものとなっている。ここで、このような負荷プロフィールはあくまで一例であって、本発明の決定方法では、このような負荷プロフィールに限定されるものではない。本発明が想定するキャパシタ充放電システムでは、要は負荷プロフィールが周期的なサイクル時間Ｔｓを有している、というところがポイントとなる。

キャパシタ充放電システムの負荷２０がこのような負荷プロフィールを有するとき、本発明においては、Ｔｉ／Ｔｓ回のサイクルで全てのキャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎを満充電とするように、バイパス電流を決定するようにする。このバイパス電流を決定するためには、先に記したように電流制限用抵抗Ｒ１〜Ｒｎの選定・調整が行われる。

本発明のキャパシタ充放電システムにおいて、全初期化時間Ｔｉをかけて行おうとしていることは、最も速く満充電に達するキャパシタと最も遅く満充電に達するキャパシタとのギャップの調整である。ここで、最も速く満充電に達するキャパシタと最も遅く満充電に達するキャパシタとの初期電圧の予想し得るバラツキ量をΔＶとする。

本発明のバイパス電流の決定方法においては、この予想バラツキ量ΔＶをＴｉ／Ｔｓ回の充放電サイクルで解消するようにバイパス電流を決定することをもう一つの特徴点としている。

以上のようなバイパス電流を決定方法によれば、高出力型のキャパシタから構成される大電流を扱う充放電システムに用いる並列モニタ回路においても、定格の大きなパワートランジスタが必要とならないように、バイパス電流を決定することができる。

本発明が対象とする充放電システムの構成を示す図である。 本発明が対象とする並列モニタ回路のパラメーターを示す図である。 抵抗ＲとトランジスタＴｒの発熱プロフィールを示す図である。 本発明が対象とする充放電システムの負荷２０の負荷プロフィールを示す図である。

符号の説明

１０・・・充電源、２０・・・負荷

Claims (1)

1. 周期的なサイクル時間で電力を要求する負荷に用いられ、設定値を越える電圧で充電電流をバイパスする並列モニタを有し直列接続した複数の電気二重層キャパシタからなるキャパシタモジュールを充放電するキャパシタ充放電システムにおいて、
   それぞれの電気二重層キャパシタの充電電流をバイパスするバイパス電流路にはトランジスタ、該トランジスタと直列に接続される抵抗が設けられ、それぞれの電気二重層キャパシタの電圧が基準電圧Ｖｒによる設定値を越えると該トランジスタをオンにするコンパレータが設けられ、該トランジスタの定格特性で定まる該トランジスタがオン状態でのエミッタ−コレクタ間電圧をＶｔｏｎとすると、
   Ｖｒ−Ｖｔｏｎ＝ｋＶｔｏｎ
   かつ
   ｋ＝１．２〜１．５
   となるように設定することを特徴とするキャパシタ充放電システム。

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