JP4367374B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は複数の蓄電素子を直列に接続して構成した蓄電装置において、蓄電素子の過電圧を検出し、蓄電素子の破壊を防ぐ回路に関するものである。

例えば、蓄電素子として電気二重層コンデンサを直列接続して多数使用する場合、各蓄電素子の寿命は、各蓄電素子にかかる電圧に大きく影響し、各蓄電素子の充電電圧にバラツキが生じると、蓄電装置としての信頼性が低下するおそれがあるため、各蓄電素子の電圧が所定の状態にあるかどうかを常に監視するようにしていた。

図９は従来の蓄電装置の構成を示したものである。図において、電圧検出部２８は、複数段に直列接続された蓄電素子２１のプラス側端子２０Ａとマイナス側端子２０Ｂ間の電圧を検出するように設けられており、蓄電素子２１が過充電されると、端子間電圧は上昇し、蓄電素子２１が過放電されると、端子間電圧は下降するように構成されている。

また、基準電圧源２６、２７は、それぞれ放電時、充電時に許容される下限電圧値、上限電圧値が設定されており、それぞれ電圧比較部２４、２５において電圧検出部２８で検出された検出電圧と比較され、その結果が充放電制限スイッチ制御部２３へ出力されるように構成されている。

ここで、検出電圧が下限電圧値を下回ると、充放電制限スイッチ２２ により放電が制限され、検出電圧が上限電圧値を上回ると、充放電制限スイッチ２２により充電が制限されるように構成されている。

なお、この出願の発明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２０００−１９７２７７号公報

しかしながら、上記従来の構成では、蓄電素子２１の内部抵抗が増加し、また抵抗値のバラツキも大きくなる０℃以下のような低温時に、一つの蓄電素子だけ内部抵抗が他の蓄電素子と比べて極端に大きくなった場合、その蓄電素子には、容量の逆比によって分圧される電圧に加えて、蓄電素子の内部抵抗と充電電流の積で発生する電圧が印加されるため、電圧が集中してすぐに設定された基準電圧源２７の電圧に達してしまい、その度毎に充電電流が制限されて充電に時間がかかってしまうものであった。

このため、蓄電素子の低温での特性選別や、耐電圧を確保するために直列接続数を増やすなどの対策を行っていたが、コストアップの要因になるものであった。また低温時に限らず、充電電流が大きいほどこの傾向は顕著になるものであった。

本発明はこの課題を解決するものであり、蓄電素子への充電中に、蓄電素子の内部抵抗バラツキと充電電流によって過渡的に発生する電圧集中の影響を極力抑え、蓄電素子への充電をスムーズに行い、かつ各蓄電素子の過電圧を確実に検出し、蓄電素子の破壊を防止する蓄電装置を実現することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、入力端子と、出力端子を備え、前記入力端子に直流電源を接続し、充放電制御回路を介して直列、または直並列に接続された複数の蓄電素子を充電し、必要時に前記蓄電素子から前記充放電制御回路を介して前記出力端子に電圧を出力する蓄電装置であって、前記充放電制御回路は、充電電流を制限する充電素子と、放電電流を制限する放電素子と、前記蓄電素子に流れる前記充電電流を検出する充電電流検出手段と、前記蓄電素子に加えられる電圧を検出する電圧検出手段とからなり、前記電圧検出手段により前記いずれかの蓄電素子の端子間電圧が設定された基準電圧を超えたとき、前記直流電源からの前記充電電流を前記充電素子により停止もしくは制限するように構成されているとともに、充電初期は前記蓄電素子の内部抵抗により発生するピーク電圧より高い前記基準電圧を設定しておき、前記充電電流がしきい値を下回ったときに前記基準電圧が下がるようにしたことを特徴とする蓄電装置である。

本発明の蓄電装置によれば、蓄電素子への充電中に、蓄電素子の内部抵抗バラツキと充電電流によって過渡的に発生する電圧集中の影響を極力抑え、蓄電素子への充電をスムーズに行い、かつ各蓄電素子の過電圧を確実に検出し、蓄電素子の破壊を防止することができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１から図８において同一機能を有する構成については、同一符号を付してその説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は実施の形態１における蓄電装置の構成図である。１は電気二重層コンデンサからなる蓄電素子であり、複数個の蓄電素子１が直列に接続されているとともに、それぞれの蓄電素子１にバランス抵抗１２が並列に接続されている。３は入力端子であり、直流電源２１が接続されているとともに、充電電流を制限する充電素子５を介して蓄電素子１を充電するように構成されている。一方、４は出力端子であり、蓄電素子１に蓄えられた電圧が放電電流を制御する放電素子７を介して出力端子４に出力されるように構成されている。充電素子５および放電素子７はそれぞれ制御部８からの指示に基づいて動作するように構成されており、制御部８は蓄電素子１への充電電流を検出する充電電流検出手段６からの情報Ａ、蓄電素子１の充電電圧を検出する電圧検出手段１１からの情報Ｂ、および基準電圧１０と検出電圧とを比較する電圧比較部９からの情報Ｃに基づいて制御信号を生成している。

ここで、充放電制御回路２は、充電素子５、充電電流検出手段６、放電素子７、制御部８、電圧比較部９、基準電圧１０、電圧検出手段１１からなり、充電初期には一定の充電電流で充電し、充電が進み蓄電素子１があらかじめ設定された電圧に達すると、定電圧になるように情報Ｂに基づいて充電素子５を制御している。また、蓄電素子１や充放電制御回路２に異常が発生した場合でも、蓄電素子１に印加される電圧が耐電圧を超えないよう、基準電圧１０を設定し、これを蓄電素子１の端子間電圧と電圧比較部９で比較し、蓄電素子１の端子間電圧が基準電圧１０を上回った場合に、充電素子５を制御して充電電流を停止あるいは制限するように構成されており、これにより確実に蓄電素子１を保護している。

なお、電圧検出手段１１は各蓄電素子１の端子間電圧を検出してもよいし、複数の蓄電素子１をグループ化してその電圧を検出してもよい。

本実施の形態の特徴は、基準電圧１０が充電電流検出手段６で検出された充電電流に基づいて調整されるようにした構成であり、以下にその説明を行う。図２は、充電時のタイムチャートを示している。図において、１つの蓄電素子１だけ内部抵抗が増加した場合、例えば、抵抗値のバラツキが大きくなる０℃以下のような低温時に、一つの蓄電素子１だけ内部抵抗が他の蓄電素子１と比べて極端に大きくなった場合、その蓄電素子１には、容量の逆比によって分圧される電圧に加えて、蓄電素子１の内部抵抗と充電電流の積で発生する電圧が印加され、特に充電電流が大きいときは電圧が集中してしまうため、図のようなピーク電圧が発生し、その後、電圧が進むと定電圧制御に移行するため、充電電流は徐々に減ってこのピーク電圧も収まる。

本実施の形態では、このピーク電圧を考慮して充電初期は基準電圧１０を少し高めに設定しておき、充電電流があるしきい値を下回ったときに、基準電圧１０が下がるように構成されており、このような充電電流に基づく基準電圧１０の調整により過渡的に発生する電圧集中の影響を極力抑えながら、蓄電素子１への充電を効率良く行うことができる。

なお、充電中の基準電圧１０は、蓄電素子１の耐電圧（連続して印加できる電圧）を超えて設定することも可能であり、充電中において過渡的に耐電圧を超える時間と、蓄電素子１である電気二重層コンデンサの寿命との関係を考慮しながら設定すればよい。

また、ここでは説明の便宜上、蓄電素子１を３直列にした場合を例に挙げて説明したが、直列数がいくつになっても同様の効果が得られるとともに、蓄電素子１の直列体を複数並列に接続した場合でも同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図３は実施の形態２における蓄電装置の構成図である。実施の形態１との相違点は、蓄電素子１自身の温度または蓄電素子１の周囲温度に基づいて基準電圧１０を調整できるようにした構成である。すなわち、蓄電素子１自身、あるいは充放電制御回路２内の蓄電素子１周囲のいずれかに温度検出手段１３を設け、この温度検出手段１３によって検出した温度に基づいて基準電圧１０を調整できるように構成している。

蓄電素子１である電気二重層コンデンサなどは、例えば０℃以下のような低温時、内部抵抗が増加し、また抵抗値のバラツキも大きくなるので、一つの蓄電素子１だけ内部抵抗が他の蓄電素子１と比べて極端に大きくなると、電圧が集中してピーク電圧が発生する。

ただし低温においては、蓄電素子１である電気二重層コンデンサの耐電圧（連続して印加できる電圧）をある程度超えても寿命に与える影響は少ないため、充電電流にかかわらず、基準電圧１０を大きくすることが可能であり、どの程度基準電圧１０を大きくするかは、温度と、電気二重層コンデンサの寿命との関係を考慮しながら決定すればよい。

（実施の形態３）
図４は実施の形態３における蓄電装置の構成図である。実施の形態１との相違点は、充放電制御回路２内にタイマー回路１４を設けて、このタイマー回路１４によって計測した時間に基づいて、基準電圧１０を調整できるようにした構成である。

すなわち、図２のタイムチャートから分かるように、充電時、蓄電素子１にピーク電圧が発生するのは、定電流で充電しているときであり、充電が進み、定電圧制御に移行すると、ピーク電圧は充電電流が減少することで収束してくるため、定電流による充電開始から充電完了までの時間は、充電電流と蓄電素子の容量によって算出できる。

従って、充電開始からの時間をタイマー回路１４によって計測し、算出した充電完了までの時間に達した後、基準電圧１０を下げるように調整してやれば、電圧ピークにより充電電流が制限されることなくスムーズに充電することができる。

（実施の形態４）
図５は実施の形態４における蓄電装置の構成図である。実施の形態１との相違点は、充電停止前後の蓄電素子１に蓄えられた電圧の差を記憶する電圧記憶部１５を設けて、充電停止前後の蓄電素子電圧の差に基づいて基準電圧１０を調整できるようにした構成である。

すなわち、定電流充電中に充電を一時停止し、充電停止前後の蓄電素子電圧の差を記憶することで、内部抵抗と充電電流の積で発生するピーク電圧値を算出することができ、これに基づいて、定電流充電中の基準電圧１０を上げるように調整してやれば、電圧ピークにより充電電流が制限されることなくスムーズに充電することができる。

（実施の形態５）
図６は実施の形態５における蓄電装置の構成図である。実施の形態１との相違点は、蓄電素子１の電圧検出手段１１によって検出された電圧を、基準電圧１０を調整する際の条件としてさらに加えたものである。

すなわち、実施の形態１では充電電流に基づいて基準電圧１０を調整していたが、充電電流に基づいた信号にノイズが印加されると、誤動作により誤った基準電圧１０が設定され、その誤った基準電圧１０に基づいて充電電流が制限されることになるが、蓄電素子１の電圧検出手段１１によって検出された電圧を基準電圧１０の調整の条件に加えることで、例えば、充電電流に基づいた信号にノイズが印加されても、蓄電素子１の電圧があるしきい値を超えていなければ、基準電圧１０を調整できないように設定することにより、ノイズに対し冗長性を持たせることができ、より信頼性の高い装置を提供することが可能となる。

（実施の形態６）
図７は実施の形態６における蓄電装置の構成図である。実施の形態１ との相違点は、蓄電素子１の電圧が設定した基準電圧を超えたとき、異常信号を出力する異常信号発生回路１６を設けた構成である。これにより、異常が生じて蓄電素子１に過電圧がかかると、充電電流を停止あるいは制限させて、蓄電素子１を保護すると同時に、異常信号端子１７に、異常信号を出力し異常状態であることを使用者に知らしめることができるものである。

なお、本実施の形態の特徴構成は実施の形態２〜５にも応用ができ、同様の効果を得ることができる。

（実施の形態７）
図８は実施の形態７における蓄電装置の構成図である。実施の形態１ との相違点は、放電抵抗１８と放電スイッチ１９を設けた構成である。すなわち、蓄電素子１である電気二重層コンデンサの電圧が設定した基準電圧を超えたとき、電気二重層コンデンサの破壊を防止するために、放電スイッチ１９を閉成することで、電気二重層コンデンサ全体を放電抵抗１８を介して放電させ、安全に回路を停止することができる構成である。

なお、本実施の形態の特徴構成は実施の形態２〜５にも応用ができ、同様の効果を得ることができる。

本発明にかかる蓄電装置は、蓄電素子への充電中に、蓄電素子の内部抵抗バラツキと充
電電流によって過渡的に発生する電圧集中の影響を極力抑え、蓄電素子への充電をスムーズに行い、かつ各蓄電素子の過電圧を確実に検出し、蓄電素子の破壊を防止が可能になるので、大電流で急速な充電が必要な非常用バックアップ電源などに有用である。

本発明の実施の形態１における蓄電装置の構成図 本発明の実施の形態１におけるタイムチャート 本発明の実施の形態２における蓄電装置の構成図 本発明の実施の形態３における蓄電装置の構成図 本発明の実施の形態４における蓄電装置の構成図 本発明の実施の形態５における蓄電装置の構成図 本発明の実施の形態６における蓄電装置の構成図 本発明の実施の形態７における蓄電装置の構成図 従来の蓄電装置の構成図

符号の説明

１ 蓄電素子
２ 充放電制御回路
３ 入力端子
４ 出力端子
５ 充電素子
６ 充電電流検出手段
７ 放電素子
８ 制御部
９ 電圧比較部
１０ 基準電圧
１１ 電圧検出手段
１２ バランス抵抗
１３ 温度検出手段
１４ タイマー回路
１５ 電圧記憶部
１６ 異常信号発生回路
１７ 異常信号端子
１８ 放電抵抗
１９ 放電スイッチ
２０Ａ、２０Ｂ プラス側端子、マイナス側端子
２１ 蓄電素子
２２ 充放電制限スイッチ
２３ 充放電制限スイッチ制御部
２４、２５ 電圧比較部
２６、２７ 基準電圧源
２８ 電圧検出部

Claims (5)

1. 入力端子と、出力端子を備え、前記入力端子に直流電源を接続し、充放電制御回路を介して直列、または直並列に接続された複数の蓄電素子を充電し、必要時に前記蓄電素子から前記充放電制御回路を介して前記出力端子に電圧を出力する蓄電装置であって、前記充放電制御回路は、充電電流を制限する充電素子と、放電電流を制限する放電素子と、前記蓄電素子に流れる前記充電電流を検出する充電電流検出手段と、前記蓄電素子に加えられる電圧を検出する電圧検出手段とからなり、前記電圧検出手段により前記いずれかの蓄電素子の端子間電圧が設定された基準電圧を超えたとき、前記直流電源からの前記充電電流を前記充電素子により停止もしくは制限するように構成されているとともに、充電初期は前記蓄電素子の内部抵抗により発生するピーク電圧より高い前記基準電圧を設定しておき、前記充電電流がしきい値を下回ったときに前記基準電圧が下がるようにしたことを特徴とする蓄電装置。
2. 前記充電電流に替わって、充電開始から充電完了までの時間により前記基準電圧が下がるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 充電中に充電を一時停止させ、その充電停止前後の蓄電素子電圧の差から前記ピーク電圧を求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
4. 前記充放電回路内に、前記基準電圧を超えたときに異常信号が出力されるように異常信号発生回路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
5. 前記蓄電素子を電気二重層コンデンサで構成するとともに、前記基準電圧を超えたときに前記蓄電素子全体が放電するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。

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