JP2003174732A

JP2003174732A - 蓄電電源装置

Info

Publication number: JP2003174732A
Application number: JP2001370914A
Authority: JP
Inventors: Hachiro Shimayama; 八郎島山
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2003-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な回路構成で、蓄電池セルの電圧検出回路
の損失電力量を低減して、低価格で総合効率の高い蓄電
電源装置を提供する。【解決手段】直並列接続された複数の蓄電池セルで構成
され、該蓄電池セルの端子電圧を、分割抵抗を用いて検
出するようにした蓄電電源装置において、前記蓄電池セ
ルの端子電圧が低下したら、分割抵抗を流れる電流を抑
制させる手段を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蓄電電源装置に関
し、特に、長時間、蓄電電力量を保持したときに、損失
電力量の少ない蓄電電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】蓄電電源装置は、太陽光発電システムに
おける出力変動の抑制や、電気自動車における電力の回
生や、無停電電源装置の蓄電などに広く利用されてい
る。最近、これらの蓄電電源装置に、蓄電量（蓄電エネ
ルギー）に応じて端子電圧が変動するキャパシタセル
（例えば、電気二重層キャパシタセル）を、複数個直並
列接続させたものが用いられるようになった。キャパシ
タセルの端子電圧は、その蓄電量に応じて大きく変動す
るため、キャパシタセルの端子電圧の検出は、キャパシ
タセル間の電圧のばらつきを低減したり、キャパシタセ
ルの最大電圧を制限する際などに、必要不可欠となって
いる。

【０００３】キャパシタセルの最大耐電圧は、２．５〜
３Ｖ程度と低いため、負荷回路が要求する電圧まで出力
電圧を上げるために、複数のキャパシタセルを直列接続
して用いることが多い。ところが、キャパシタセルに
は、静電容量、漏洩電流、等価直列抵抗などの特性や、
充電初期電圧などにばらつきがあり、各キャパシタセル
の端子電圧は均一とはならない。このため、キャパシタ
セルを用いた蓄電電源装置では、各キャパシタセルと並
列に、図５に示すような電圧検出回路３を設け、分割抵
抗Ｒ１、Ｒ２で検出したキャパシタセルの端子電圧が、
制限電圧Ｅａ以上になったことをコンパレータ（誤差増
幅器）３Ａで判別することによって、キャパシタセルの
充電電流を制限したり（特開平１０−１７４２８３号公
報）、端子電圧制限用電圧制限電流バイパス回路４Ｂを
接続して、各キャパシタセルの端子電圧が所定の値以上
になったときに、充電電流をバイパスして端子電圧の上
昇を制限したり（特開平６−２６１４５２号公報）して
いる。また、各キャパシタセルの端子電圧を均一にする
際のエネルギー損失を抑制したり（特願２００１−００
４３０２号）する場合などにも、電圧検出回路３が用い
られている。

【０００４】電圧検出回路３は、図５のように、キャパ
シタセルの端子電圧を、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２で検出し、
基準電圧源３Ｂの基準電圧Ｅｒと検出端子電圧とをコン
パレータ３Ａで比較して、端子電圧が制限電圧Ｅａに到
達したか否かの信号を出力させるものである。そして、
図５におけるコンパレータ３Ａと基準電圧源３Ｂとの関
係は、図６および図７に示すような、シャント式レギュ
レータ、あるいは、電圧検出器と呼ばれる集積回路（商
品名：μＰＣ１９４３）において、Ｒｅｆ入力信号が基
準電圧Ｅｒ以上になったら動作し、動作中だけ電流が流
れるように構成された回路と、基本的に等価である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、分割抵抗を
用いてキャパシタセルの端子電圧を検出するように構成
された電圧検出回路では、電圧検出部である分割抵抗Ｒ
１、Ｒ２において、下記のような損失電力Ｐｔを発生す
る。

【０００６】Ｐｔ＝（Ｅｔ）^２／（Ｒ１＋Ｒ２）（Ｗ）ここで、Ｅｔは、時刻ｔにおけるキャパシタセルの端子
電圧（Ｖ）である。このため、時刻ｔ_１からｔ_２までの
時間（秒）には、下記のような損失電力量Ｐｗが発生す
る。（数１）

【０００７】ここで、Δｔは、時刻ｔにおける微小時間
である。尚、ここでは、コンパレータに流入する電流に
よる損失電力は無視している。

【０００８】この損失電力量Ｐｗは、時間が短い場合
は、キャパシタセルの蓄電エネルギーやキャパシタセル
の漏洩電流による損失エネルギーに比較して、十分に小
さいが、蓄電保持時間が長くなり、１００時間以上も放
置するような場合になると、キャパシタセルの端子電圧
の低下とともに、その電圧に依存して、キャパシタセル
の漏洩電流も減少し、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２での電力消費
量が相対的に大きくなり、キャパシタセルの残存エネル
ギーや蓄電電源装置の総合効率に影響してくるようにな
る。また、複数のキャパシタセルを多数段（例えば１０
０段以上）直列接続する大規模な蓄電システムでは、分
割抵抗Ｒ１、Ｒ２での損失エネルギーの総量が大きくな
ってくる。

【０００９】損失電力Ｐｔを低減するためには、分割抵
抗Ｒ１、Ｒ２を高抵抗値とすれば良いが、コンパレータ
への入力電流やその変動およびばらつきなども考慮する
必要があり、極端に高抵抗値にはできない。実際にも、
キャパシタセルの制限電圧Ｅａは３Ｖ程度、また、分割
抵抗Ｒ１とＲ２の抵抗値は、ともに２２ｋΩ程度であ
る。また、キャパシタセルの制限電圧には、高精度（例
えば誤差１％以下）が要求されたり、可変にする必要性
などがあって、図５以外の構成は採りにくい。

【００１０】一方、損失電力Ｐｔを低減するための他の
方法として、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２と直列にフォトリレー
３Ｃを接続し、電圧検出時のみ、フォトリレー３Ｃをオ
ンにする方法（特開２０００−０８８８９８号公報）も
考えられるが、複数のキャパシタセルを直列接続した蓄
電電源装置では、各々のフォトリレー３Ｃに制御信号を
送る必要があり、配線が複雑になるほか、フォトリレー
３Ｃ自身の電力損失が加わること、高価格となること、
などの問題がある。

【００１１】本発明の目的は、上述した点に鑑み、簡単
な回路構成で、キャパシタセルなどの蓄電池セルの電圧
検出回路の損失電力量を低減して、低価格で総合効率の
高い蓄電電源装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明にかかる蓄電電源装置は、直並列接続された
複数の蓄電池セルで構成され、該蓄電池セルの端子電圧
を、分割抵抗を用いて検出するようにした蓄電電源装置
において、前記蓄電池セルの端子電圧が低下したら、分
割抵抗を流れる電流を抑制させる手段を備えたことを特
徴としている。

【００１３】また、直並列接続された複数の蓄電池セル
で構成され、該蓄電池セルの端子電圧を、分割抵抗を用
いて検出するようにした蓄電電源装置において、前記分
割抵抗の少なくとも一部を、非線型素子で置き換えたこ
とを特徴としている。

【００１４】また、前記非線型素子は、ダイオードであ
ることを特徴としている。

【００１５】また、直並列接続された複数の蓄電池セル
で構成され、該蓄電池セルの端子電圧を、分割抵抗を用
いて検出するようにした蓄電電源装置において、前記分
割抵抗と直列に、スイッチ素子を組み入れたことを特徴
としている。

【００１６】また、前記スイッチ素子は、前記蓄電池セ
ルの端子電圧またはその分圧を入力信号とする電界効果
トランジスタ、またはシャント式レギュレータであるこ
とを特徴としている。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。図１は、本発明にかかる蓄電電
源装置の一実施例を示したものである。図１では、図４
の従来技術との違いを明確にするために、電圧検出回路
３とその周辺部だけに範囲を限定して示してある。尚、
本実施例では、蓄電池セルとして、キャパシタセルを用
いた例を上げて説明するが、本発明は、キャパシタセル
以外にも、リチウムイオン二次電池など、他の蓄電池セ
ルを複数直列に接続した蓄電電源装置の電圧検出回路へ
の応用が可能である。

【００１８】図中３は、電圧検出回路である。この回路
は、キャパシタ蓄電池２を構成する複数のキャパシタセ
ルＣ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎの１個ごとに並列接続され、
各キャパシタセルの端子電圧を分割抵抗Ｒ１、Ｒ２、お
よび、分割抵抗に直列接続された非線型素子Ｄ１〜Ｄ５
で検出し、検出した電圧と基準電圧源３Ｂの電圧Ｅｒと
をコンパレータ３Ａで比較して、各キャパシタセルの端
子電圧が所定の電圧（例えば、制限電圧Ｅａ）に到達し
たか否かを判定するものである。

【００１９】非線型素子としては、ｐｎ接合ダイオー
ド、ツェナーダイオード、ショットキーバリアダイオー
ドなどのダイオードが用いられる。そして、これらのダ
イオードの電気特性、すなわち、順方向接続で順方向電
圧降下の高い電圧では低抵抗となり、低い電圧では高抵
抗となる電気特性を利用して、検出されるキャパシタセ
ルの端子電圧が、キャパシタセルの制限電圧Ｅａ近傍の
場合には、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値に比較して十分
に低い抵抗値になり、また、検出されるキャパシタセル
の端子電圧が、キャパシタセルの制限電圧Ｅａよりも低
い場合には、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値に比較して十
分に高い抵抗値になるように、非線型素子Ｄ１〜Ｄ５の
等価抵抗値を設定する。

【００２０】尚、図１の例では、非線型素子が５個使用
されているが、これは、キャパシタセルの制限電圧Ｅａ
が３Ｖ程度であって、市販の非線型素子１個当たりの順
方向電圧降下が０．６Ｖ程度であることから決められた
便宜的な数であり、特に深い意味はない。また、このと
き、Ｒ１とＤ１〜Ｄ３を合わせた抵抗値と、Ｒ２とＤ４
〜Ｄ５を合わせた抵抗値とは、キャパシタセルの検出電
圧が制限電圧ぎりぎりの３Ｖ付近で、ともにほぼ２２ｋ
Ω程度で均衡するように設定されている。

【００２１】次に、４は、電圧電流制限回路である。キ
ャパシタセルの端子電圧が所定の電圧に到達した場合
に、電圧検出回路３内のコンパレータ３Ａからの出力を
受けて、充電電流とキャパシタセルを流れる電流（緩和
電流）との差電流をバイパスし、キャパシタセルの端子
電圧を所定の電圧に保持する働きをする。尚、図１に
は、電圧電流制限回路４の具体的な回路構成が図示され
ていないが、その構成は、図４に示した電圧電流制限回
路とまったく同じ構成である。

【００２２】このような構成において、キャパシタセル
Ｃ１の端子電圧Ｅｔの検出は、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２に非
線型素子Ｄ１〜Ｄ５を直列接続した形で行なう。そし
て、端子電圧Ｅｔを分割した電圧と、基準電圧源３Ｂの
電圧Ｅｒとを、コンパレータ３Ａで比較させ、もし端子
電圧Ｅｔがキャパシタセルの制限電圧Ｅａを超えようと
したら、コンパレータ３Ａが動作するように、基準電圧
源３Ｂの電圧Ｅｒの値を設定しておく。

【００２３】非線型素子Ｄ１〜Ｄ５の等価抵抗値は、検
出するキャパシタセルの端子電圧がキャパシタセルの制
限電圧Ｅａに近いときには、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗
値に対して十分低い抵抗値になり、また、検出するキャ
パシタセルの端子電圧がキャパシタセルの制限電圧Ｅａ
よりも低いときには、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値に対
して十分高い抵抗値になるので、検出するキャパシタセ
ルの端子電圧がキャパシタセルの制限電圧Ｅａに近いと
きには、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２が非線型素子の影響をほと
んど受けることなく、正確にキャパシタセルの端子電圧
を検出することができ、また、検出するキャパシタセル
の端子電圧がキャパシタセルの制限電圧Ｅａよりも低い
ときには、非線型素子の等価抵抗値が増大して、分割抵
抗Ｒ１、Ｒ２を流れる電流を低減させ、分割抵抗におい
て発生する損失電力量を抑制する効果を期待することが
できる。

【００２４】図２は、分割抵抗の少なくとも一部を非線
型素子で置き換えたときの損失電力を、相対値で表わし
たものである。キャパシタセルの端子電圧を、３Ｖから
０．３Ｖずつ低下させていったときの、従来の分割抵抗
の方式で発生する損失電力をそれぞれ１００％とする
と、本実施例での損失電力は、７１％、４３％、２１
％、９％、３％、・・・と、キャパシタセルの端子電圧が
低下するほど、顕著に減少することが分かる。これによ
り、簡単な回路構成で、キャパシタセルの電圧検出回路
の損失電力を低減して損失電力量を抑制できるから、低
価格で総合効率の高い蓄電電源装置を提供することが可
能になった。

【００２５】図３は、本発明にかかる蓄電電源装置の別
の実施例である。この例では、非線型素子の代わりに、
スイッチ素子の一種であるシャント式レギュレータ６を
用いている。このシャント式レギュレータ６は、キャパ
シタセルの端子電圧、またはその電圧の分圧を入力信号
とすることにより、キャパシタセルの端子電圧がキャパ
シタセルの制限電圧Ｅａに近い場合にはオンとなり、キ
ャパシタセルの端子電圧がキャパシタセルの制限電圧Ｅ
ａよりも低い場合にはオフとなるように設定されてい
る。

【００２６】これにより、検出するキャパシタセルの端
子電圧がキャパシタセルの制限電圧Ｅａに近いときに
は、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２がシャント式レギュレータ６の
影響をほとんど受けることなく、正確にキャパシタセル
の端子電圧を検出することができ、また、検出するキャ
パシタセルの端子電圧がキャパシタセルの制限電圧Ｅａ
よりも低いときには、シャント式レギュレータ６が、分
割抵抗Ｒ１、Ｒ２を流れる電流をストップさせ、分割抵
抗において発生する損失電力量を抑制させることができ
るようになった。

【００２７】図４は、本発明にかかる蓄電電源装置の更
に別の実施例である。この例では、非線型素子の代わり
に、スイッチ素子の一種である電界効果トランジスタＴ
Ｒを用いている。この電界効果トランジスタＴＲは、キ
ャパシタセルの端子電圧、またはその電圧の分圧を入力
信号とすることにより、キャパシタセルの端子電圧がキ
ャパシタセルの制限電圧Ｅａに近い場合にはオンとな
り、キャパシタセルの端子電圧がキャパシタセルの制限
電圧Ｅａよりも低い場合にはオフとなるように設定され
ている。

【００２８】これにより、検出するキャパシタセルの端
子電圧がキャパシタセルの制限電圧Ｅａに近いときに
は、分割抵抗Ｒ１、Ｒ２が電界効果トランジスタＴＲの
影響をほとんど受けることなく、正確にキャパシタセル
の端子電圧を検出することができ、また、検出するキャ
パシタセルの端子電圧がキャパシタセルの制限電圧Ｅａ
よりも低いときには、電界効果トランジスタＴＲが、分
割抵抗Ｒ１、Ｒ２を流れる電流をストップさせ、分割抵
抗において発生する損失電力量を抑制させることができ
るようになった。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明の蓄電電源装
置によれば、蓄電池セルの端子電圧が低下したら、分割
抵抗を流れる電流を抑制させる手段を備えたので、簡単
な回路構成で、蓄電池セルの電圧検出回路の損失電力量
を低減して、低価格で総合効率の高い蓄電電源装置を提
供することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる蓄電電源装置の一実施例を示す
図である。

【図２】本発明にかかる蓄電電源装置の一実施例による
効果を示す図である。

【図３】本発明にかかる蓄電電源装置の別の実施例を示
す図である。

【図４】本発明にかかる蓄電電源装置の別の実施例を示
す図である。

【図５】従来の蓄電電源装置を示す図である。

【図６】従来の蓄電電源装置の電圧検出回路の等価回路
を示す図である。

【図７】従来の蓄電電源装置の電圧検出回路の等価回路
を示す図である。

【符号の説明】

１・・・定電圧定電流充電回路、２・・・キャパシタ蓄電池、
３・・・電圧検出回路、３Ａ・・・コンパレータ、３Ｂ・・・基
準電圧源、３Ｃ・・・フォトリレー、４・・・電圧電流制限回
路、４Ａ・・・電位絶縁回路、４Ｂ・・・電圧制限電流バイパ
ス回路、６・・・シャント式レギュレータ、Ｃ１〜Ｃｎ・・・
キャパシタセル、Ｄ１〜Ｄ５・・・非線型素子、Ｒ１〜Ｒ
２・・・分割抵抗、Ｒ３・・・抵抗、ＴＲ・・・電界効果トラン
ジスタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直並列接続された複数の蓄電池セルで構成
され、該蓄電池セルの端子電圧を、分割抵抗を用いて検
出するようにした蓄電電源装置において、前記蓄電池セ
ルの端子電圧が低下したら、分割抵抗を流れる電流を抑
制させる手段を備えたことを特徴とする蓄電電源装置。
【請求項２】直並列接続された複数の蓄電池セルで構成
され、該蓄電池セルの端子電圧を、分割抵抗を用いて検
出するようにした蓄電電源装置において、前記分割抵抗
の少なくとも一部を、非線型素子で置き換えたことを特
徴とする蓄電電源装置。
【請求項３】前記非線型素子は、ダイオードであること
を特徴とする請求項２記載の蓄電電源装置。
【請求項４】直並列接続された複数の蓄電池セルで構成
され、該蓄電池セルの端子電圧を、分割抵抗を用いて検
出するようにした蓄電電源装置において、前記分割抵抗
と直列に、スイッチ素子を組み入れたことを特徴とする
蓄電電源装置。
【請求項５】前記スイッチ素子は、前記蓄電池セルの端
子電圧またはその分圧を入力信号とする電界効果トラン
ジスタ、またはシャント式レギュレータであることを特
徴とする請求項４記載の蓄電電源装置。