CN108702015A

CN108702015A - 放电电路以及蓄电装置

Info

Publication number: CN108702015A
Application number: CN201780015378.0A
Authority: CN
Inventors: 久藤贵弘; 小田岛义光; 三谷庸介
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: US20210021148A1; DE112017001341T5; US20180366973A1; CN108702015B; JPWO2017159035A1; US11418050B2; US10833527B2; WO2017159035A1; JP7117531B2

Abstract

本发明提供一种放电电路以及蓄电装置。放电电路(10)具备与蓄电部(C₁)连接的第一晶体管(Q₁)、对第一晶体管(Q₁)的输出电流进行控制的运算放大器(IC₁)、和与运算放大器(IC₁)连接的电流镜电路(15)，电流镜电路(15)具有与运算放大器(IC₁)的同相输入端子(V+)连接的第二晶体管(Q₂)、和与蓄电部(C₁)连接的第三晶体管(Q₃)。

Description

放电电路以及蓄电装置

技术领域

本发明涉及对充电至电容器的电进行放电的放电电路以及包含该放电电路的蓄电装置。

背景技术

以往，在逆变器装置等电力变换装置中，已知对充电至电容器的电进行放电的放电电路。

作为这种放电电路的一例，公开了如下恒定功率放电电路(参照专利文献1)，其中，具备能够根据栅极电压调整放电电流的晶体管、和流动由晶体管调整的放电电流而输出参考电压的分流电阻，根据因放电而降低的放电电压来决定放电电流设定值，并且对与电容器的残留电压对应地选择的放电电流设定值与根据参考电压得到的放电电流进行比较，控制栅极电压而使得放电电流与放电电流设定值相等。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-112156号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，在专利文献1所公开的放电电路中，需要按电容器的残留电压的波形上的给定的区间设置放电电流设定值，进而控制栅极电压而使得实际的放电电流与放电电流设定值相等。

因此，本发明的目的在于，提供一种不设置上述放电电流设定值而通过简单的结构控制电容器的放电电流的放电电路、以及具备该放电电路的蓄电装置。

用于解决课题的手段

用于解决上述课题的放电电路的一个方式具备与蓄电部连接的第一晶体管、对所述第一晶体管的输出电流进行控制的运算放大器、和与所述运算放大器连接的电流镜电路，所述电流镜电路具有与所述运算放大器的同相输入端子连接的第二晶体管、和与所述蓄电部连接的第三晶体管。

此外，用于解决上述课题的蓄电装置的一个方式具备上述蓄电部和上述放电电路，蓄电部和放电电路被连接。

发明效果

根据本发明，能够通过简单的结构实现进行与恒定功率放电近似的放电的放电电路，因此能够实现能够小型化以及低成本化的蓄电装置。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的放电电路以及蓄电装置的电路图。

图2是表示设置在放电电路的齐纳二极管的二极管特性的示意图。

图3是表示本发明的实施方式所涉及的蓄电装置以及放电电路的各结构的动作状态的模拟图。

具体实施方式

以下，边参照附图，边对本发明的实施方式所涉及的放电电路以及蓄电装置进行说明。另外，以下说明的实施方式均表示本发明的优选的一个具体例。因此，以下的实施方式所示的数值、形状、材料、结构要素、结构要素的配置位置以及连接方式等是一个例子，并不是限定本发明的主旨。因此，关于以下的实施方式中的结构要素中的、表示本发明的最上位概念的独立权利要求中没有记载的结构要素，作为任意的结构要素进行说明。

另外，各图是示意图，并不一定是严密示出的图。另外，在各图中，对实质上相同的结构标注相同的符号，省略或简化重复的说明。

此外，在以下的实施方式中，“连接”是指电连接，不仅是直接连接的情况，也包含经由其他电气元件等间接连接的情况。

(实施方式)

[蓄电装置以及放电电路的结构]

图1是本发明的实施方式所涉及的放电电路10以及蓄电装置1的电路图。

本实施方式所涉及的蓄电装置1例如以搭载于汽车等车辆中的蓄电装置1为例进行说明。

本实施方式所涉及的蓄电装置1具备搭载于车辆的蓄电池BATT、与蓄电池BATT连接的电容器C₁、与电容器C₁连接的放电电路10、和控制部20。在此，电容器C₁是本发明的蓄电部的一例。

蓄电池BATT经由开关Q₄与电容器C₁的一端(正极)cp连接。开关Q₄例如由场效应晶体管(FET)构成。电容器C₁通过使开关Q₄为接通状态而被充电，并且通过使开关Q₄为断开状态而停止充电。此外，电容器C₁的另一端(负极)接地。

放电电路10在对充电至电容器C₁的电进行放电时使用。放电电路10具备：对电容器C₁的放电电流进行控制的晶体管Q₁、对晶体管Q₁的输出电流进行控制的运算放大器IC₁、与运算放大器IC₁的同相输入端子(V+)连接的电流镜电路15、与电流镜电路15的输入侧连接的齐纳二极管ZD₁、和与电流镜电路15的输出侧连接的参考电源REF。另外，晶体管Q₁是本发明的第一晶体管的一例。此外，参考电源REF是本发明的电流源的一例。

在本实施方式中，晶体管Q₁是n型沟道FET。晶体管Q₁的电流输入端子(漏极)经由电阻R₁与电容器C₁的一端cp连接，电流输出端子(源极)经由电阻R2接地。此外，在晶体管Q₁的控制端子(栅极)连接有运算放大器IC₁的输出端子，通过运算放大器IC₁对向晶体管Q₁的栅极施加的电压进行控制。由此，对在两个电流端子间(漏极-源极间)流动的漏极电流I_D的大小进行控制。另外，晶体管Q₁的源极是本发明的输出端子的一例。

运算放大器IC₁的输出端子经由电阻R₃以及电阻R₄与运算放大器IC₁的反相输入端子(V-)连接。

电流镜电路15是在输出侧流动与在输入侧流动的电流相同的值的电流的电路，具有晶体管Q₂以及Q₃。晶体管Q₂以及Q₃的基极彼此连接，晶体管Q₃的基极和集电极也被连接。在此，晶体管Q₂是输出侧，晶体管Q₃是输入侧，若在晶体管Q₃的集电极-发射极之间流动电流I1，则在晶体管Q₂的集电极-发射极之间也流动几乎相同大小的电流I₂(I₁≈I₂)。另外，晶体管Q₂、Q₃分别是本发明的第二、第三晶体管的一例。

在晶体管Q₂的集电极经由电阻R₅以及R₆连接有输出恒定电压的参考电源REF。此外，晶体管Q₂的发射极经由电阻R₇接地。此外，运算放大器IC₁的同相输入端子(V+)与电阻R₅和电阻R₆之间的连接点ER连接。

在晶体管Q₃的集电极经由电阻R₈连接有齐纳二极管ZD₁的阳极，齐纳二极管ZD₁的阴极与电容器C₁的一端cp连接。此外，晶体管Q₃的发射极经由电阻R₉接地。另外，电阻R₈、R₉是对在齐纳二极管ZD₁流动的电流进行限制的电阻。

图2是表示设置在放电电路10的齐纳二极管ZD₁的二极管特性的示意图。如图2所示，在电容器C₁的电压大于齐纳二极管ZD₁的击穿电压V_z的情况下(第一区间)，在齐纳二极管ZD₁容易流动电流I₁。另外，在电容器C₁的电压成为V_z之前，根据齐纳二极管的一般特征，I₁保持恒定的值。此外，在电容器C₁的电压小于击穿电压V_z的情况下(第二区间)，在齐纳二极管ZD₁流动的电流I₁呈指数函数减少。

控制部20的输出端子经由电阻R₁₁以及二极管D₁与运算放大器IC₁的反相输入端子(V-)连接。此外，控制部20的一方的输入端子经由电阻R₁₀与晶体管Q₁的源极连接，另一方的输入端子与电容器C₁的一端cp连接。由此，控制部20能够对晶体管Q₁的源极电压ES和电容器C₁的电压进行测定。另外，电阻R₁₀是用于保护控制部20的保护电阻。

如上所述，构成本实施方式的蓄电装置1。

[蓄电装置以及放电电路的动作]

接下来，对本发明的实施方式所涉及的蓄电装置1以及放电电路10的动作进行说明。

蓄电池BATT向发动机的起动器、车载电气设备等供给电力，并且还用于电容器C₁的充电。电容器C₁用于代替蓄电池BATT(或者备用)，因此例如在车辆的发动机钥匙为接通状态等蓄电池BATT能够向车载设备供给电力的情况下，从蓄电池BATT供给电力，由此对电容器C₁进行完全充电。然而，当完全充电状态持续长时间时，电容器C₁自身受到应力，容易劣化。因此，在不使用蓄电装置1的情况下(例如，将发动机钥匙设为断开状态的情况下)，优选对电容器C₁进行放电。

图3是表示蓄电装置1以及放电电路10的各结构的动作状态的模拟图，(a)表示电容器C₁的电压，(b)表示晶体管Q₁的漏极电流I_D，(c)表示晶体管Q₁、电阻R₁以及电阻R2的消耗功率。

在本实施方式中，电容器C₁串联连接了五个最大充电电压为2.5V的双电层电容器，在完全充电状态下，充电为12V(参照图3的(a))。

此时，若将齐纳二极管ZD₁的击穿电压V_z设为8.7V，则由于在齐纳二极管ZD₁施加击穿电压(8.7V)以上的电压，因此在齐纳二极管ZD₁流动电流I₁。但是，由于使电阻R₈、R₉与齐纳二极管ZD₁串联连接，因此在齐纳二极管ZD₁流动的最大电流I_1max被限制在数mA～数十mA程度。

此外，从控制部20向运算放大器IC₁的反相输入端子(V-)输出V_ref以上的给定的电压(例如，2.5V)的Hi信号，向运算放大器IC₁的输出端子输出零电压。由此，晶体管Q₁成为截止状态，晶体管Q₁的漏极电流I_D为零。

在该状态下，开始电容器C₁的放电。首先，通过将开关Q₄设为断开状态，从而停止向电容器C₁的电力供给。

在这种情况下，如上所述，由于在电流镜电路15的输入侧的晶体管Q₃流动大的电流I_1max，因此在电流镜电路15的输出侧的晶体管Q₂也流动几乎相同的大小的电流I₂(≈I_1max)。由于从参考电源REF供给该电流I₂，因此电阻R₅、R₆的连接点ER的电位V_ER成为从参考电压V_ref下降了由电阻R₅引起的电压下降量的值(V_ER＝V_ref-I2·R5)。由于电流I₂大(≈I_1max)，因此V_ER变小，向运算放大器IC₁的同相输入端子(V+)输入小的电压V_ER。

在此，从控制部20向运算放大器IC₁的反相输入端子(V-)输出V_ref以下的给定的电压(例如，0V)的Low信号。由此，在运算放大器IC₁的输出端子输出小的电压V_ER，在晶体管Q₁的栅极也输入相同的电压。其结果是，晶体管Q₁成为导通状态，漏极电流I_D开始流动，电容器C₁的强制放电开始。

如放电开始时那样，在电容器C₁的电压比齐纳二极管ZD₁的击穿电压V_z充分大的情况下(图3(a)的“第一区间”)，根据上述齐纳二极管的一般特征，在晶体管Q₃流动的电流I₁被保持为大的电流值I_1max，因此在晶体管Q₂流动的电流I₂也同样保持为大的电流值I_1max。由此，连接点ER的电位V_ER以及运算放大器IC₁的输出端子的电位被维持为给定的低电压。由此，晶体管Q₁不成为完全的导通状态(完全导通状态)，如图3(b)所示，晶体管Q₁的漏极电流I_D被维持为较小的值。

电容器C₁的放电进行，电容器C₁的电压逐渐降低，若变得小于齐纳二极管ZD₁的击穿电压V_z(图3(a)的“第二区间”)，则根据上述齐纳二极管的一般特征，在晶体管Q₃流动的电流I₁减少。与此相伴，在晶体管Q₂流动的电流I₂也同样减少，因此连接点ER的电位V_ER以及运算放大器IC₁的输出端子的电位逐渐变大，接近参考电源的电压V_ref。其结果是，晶体管Q₁逐渐成为完全导通状态，如图3(b)所示，晶体管Q₁的漏极电流I_D也变大。

控制部20在使电容器C₁放电期间，测定电容器C₁的电压，在电容器C₁成为预先设定的放电结束电压(例如，5V)时，使Hi信号从控制部20向运算放大器IC₁的反相输入端子(V-)输出。由此，晶体管Q₁成为截止状态，电容器C₁的放电结束。

[效果等]

在本实施方式所涉及的放电电路10中，如上所述，在电容器C₁的电压比较高的第一区间，如图3(b)、(c)所示，通过进行将放电电流(漏极电流I_D)抑制为小的值的恒流放电，能够不使晶体管Q₁以及电阻R₁、R₂的功率损耗变得过度大。此外，在电容器C₁的电压减少的第二区间，漏极电流I_D与电容器C₁的电压降低相应地增加，如图3(c)所示，因此，能够不使晶体管Q₁以及电阻R₁、R₂的功率损耗较大变动地对电容器C₁进行放电。这样，在本实施方式中，在电容器C₁的放电过程的整个区间，晶体管Q₁以及电阻R₁、R₂的功率损耗不会较大地变动，实现了几乎恒定的放电功率。

即，在放电过程的整个区间，能够大致均等地进行电容器C₁的放电，因此，不需要对承担放电电流的功率消耗的晶体管Q₁以及电阻R₁、R₂使用高电力规格的部件。因此，能够实现放电电路10以及蓄电装置1的小型化以及低成本化。

此外，在本实施方式中，通过调整齐纳二极管ZD₁以及电阻R₅～R₇等，由此能够对使电容器C₁的电压下降到给定的电压为止的放电时间进行控制。例如，若增大齐纳二极管ZD₁的击穿电压Vz，则第一区间变短(向第二区间的切换变早)，能够缩短电容器C₁的放电时间。此外，若减小电阻R₅的电阻值，则参考电压V_ref和连接点ER的电压V_ER之差变小，因此能够从放电开始时增大向运算放大器IC₁的同相输入端子(V+)的输入电压V_in。由此，能够增大第一区间的晶体管Q₁的漏极电流I_D，从而能够缩短整体的放电时间。

此外，在图3中，示出了使对电容器C₁完全充电后的12V的电压在20分钟以内下降至5V的例子，但能够在构成电容器C₁的单元(在本实施方式中为双电层电容器)的劣化不发展的范围内控制放电时间。

此外，在本实施方式中，在电容器C₁成为预先设定的放电结束电压时，结束放电。由此，在放电结束时刻，在电容器C₁中残留有给定的电荷，因此能够防止完全放电引起的单元的劣化、缩短下一次充电的情况下的充电时间。另外，残留在电容器C₁中的电压是即使残留也不会在电容器C₁中引起劣化的电压，根据电容器C₁的种类、用途适当决定。在本实施方式中，将放电结束时的电容器C₁的电压设为5V，在这种情况下，每个单元的残存电压成为1V，认为不易引起双电层电容器的劣化。

此外，在本实施方式中，控制部20能够测定晶体管Q₁的源极电压ES。例如，在通过蓄电池BATT对电容器C₁进行充电的情况下，晶体管Q₁成为截止状态，因此本来在晶体管Q₁的源极不产生电压，但在晶体管Q₁发生故障等的情况下，成为导通状态，在源极产生电压。此外，在对电容器C₁进行放电的情况下，晶体管Q₁成为导通状态，因此本来在晶体管Q₁的源极产生电压，但在晶体管Q₁发生故障等的情况下，成为截止状态，在源极不产生电压。这样，在对电容器C₁进行充电或者放电时，分别在晶体管Q₁的源极检测到不希望的电压的情况下，认为晶体管Q₁发生故障。因此，通过测定晶体管Q₁的源极电压ES，能够进行放电电路10以及蓄电装置1的异常检测。

以上，基于实施方式对放电电路以及蓄电装置进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。例如，通过对上述实施方式实施本领域技术人员想到的各种变形而得到的方式、在不脱离本发明的主旨的范围内任意组合实施方式中的结构要素以及功能而实现的方式也包含在本发明中。

例如，设置在蓄电装置1的电容器C₁不限于双电层电容器，也可以是电解电容器、二次电池。电容器C₁可以是单个的单元也可以是组合了多个单元的结构，例如，可以是将串联连接的多个单元并列连接的结构，也可以是将并列连接的多个单元串联连接的结构。

此外，蓄电装置1具备蓄电池BATT，但本发明并不局限于此，取代蓄电池可以是发电机。此外，蓄电装置1不局限于车辆，可以搭载于家庭用、产业用的电气设备内，进而蓄电池BATT可以设置在蓄电装置外。此时，蓄电池BATT也可以是AC电源(商用交流电源)。

此外，蓄电装置1具备控制部20，但本发明并不局限于此，控制部可以设置在蓄电装置外。例如，也能够使用搭载于车辆的ECU来控制蓄电装置1。

此外，放电电路10具备向晶体管Q₂供给电流I₂的参考电源REF，但本发明并不局限于此，也能够从放电电路10外供给电流。

符号说明

1 蓄电装置

10 放电电路

15 电流镜电路

20 控制部

BATT 蓄电池

C₁ 电容器(蓄电部)

cp 电容器的一端

ER 连接点

I₁、I₂ 电流

I_D 晶体管Q₁的漏极电流(放电电流)

IC₁ 运算放大器

Q₁、Q₂、Q₃ 晶体管

Q₄ 开关

R₅、R₆ 电阻

REF 参考电源

V_ER 连接点ER的电压

V_ref 参考电压

V_in 运算放大器IC₁的同相输入端子(V+)的输入电压

ZD₁ 齐纳二极管

Claims

1.一种放电电路，具备：

第一晶体管，与蓄电部连接；

运算放大器，对所述第一晶体管的输出电流进行控制；和

电流镜电路，与所述运算放大器连接，

所述电流镜电路具有与所述运算放大器的同相输入端子连接的第二晶体管、和与所述蓄电部连接的第三晶体管。

2.根据权利要求1所述的放电电路，其中，

所述蓄电部经由齐纳二极管与所述第三晶体管连接。

3.根据权利要求1或2所述的放电电路，其中，

还具有向所述第二晶体管供给电流的电流源，

在所述电流源和所述第二晶体管之间连接有电阻。

4.一种蓄电装置，其特征在于，

具备权利要求1～3中的任一项所述的所述蓄电部和所述放电电路，

所述蓄电部和所述放电电路被连接。

5.根据权利要求4所述的蓄电装置，其中，

还具备使用所述放电电路对所述蓄电部的放电电流进行控制的控制部，

所述控制部在所述蓄电部的电压成为给定值以下的情况下使所述第一晶体管为截止状态。

6.根据权利要求4或5所述的蓄电装置，其中，

所述控制部在对所述蓄电部进行充电或者放电时，对所述第一晶体管的输出端子的电压进行测定。