JP2004222343A

JP2004222343A - セルエネルギ量調節装置

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Publication number: JP2004222343A
Application number: JP2003003176A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Mori; 和也森; Shingo Takahashi; 真吾高橋; Akio Hasebe; 章雄長谷部
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】直接全体のエネルギ貯蔵装置にエネルギを移送することができ、また低電圧入力回路に対応したセルエネルギ量調節装置を提供する。
【解決手段】互いに磁気的に結合され電気的に絶縁された複数個のコイルを持つトランスを一つもしくは複数個備え、任意のセルに接続された前記トランスのコイルの回路を開閉するスイッチングトランジスタＳＷ１〜ＳＷ６と、前記大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子に整流回路を介して前記トランスの他のコイルを接続した回路と、前記スイッチング回路を動作させることによって該セルが貯蔵しているエネルギ量を前記大容量エネルギ貯蔵装置が貯蔵するエネルギ量に対して特定の比率に調節する制御回路を備え、さらに前記トランスに電圧検出用トランス２次側コイルＬ７，Ｌ９を備え、該コイルに電圧入力回路３ａ，３ｂが接続されているセルエネルギ量調節装置とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直列に接続された電気エネルギ貯蔵セルによって構成される電気エネルギ貯蔵装置に貯蔵されたエネルギ量に対して、それぞれのセルの貯蔵エネルギ量の比率を目標の値に設定するエネルギ配分回路を備えた電気エネルギ貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から電気エネルギ貯蔵セルを直列に接続して単体のセルより端子電圧が高く、エネルギ貯蔵量が大きいエネルギ貯蔵装置を構成することが行われているが、該装置を構成するそれぞれのセルが貯蔵しているエネルギ量を管理することは殆ど行われていなかった。そこで、例えば、特許文献１で開示されているように、充電、放電、待機中に関わらず、セルのエネルギ量をトランスを用いてエネルギ移送を行うことにより最適な目標値に保つことが出来るセルエネルギ量調節装置が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１３６６６０号公報
【０００４】
図３は、従来のセルエネルギ量調節装置の説明図である。図３は、電気二重層キャパシタを３個ずつモジュールとして、それを２つ接続して一つの単位エネルギ貯蔵装置としたセルエネルギ量調節装置である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００１−１３６６６０公報では、直列接続するセルの個数が多くなった場合に、トランスを複数個用い、幾つかのグループにセルを分け、グループ毎に段階的にエネルギの調節を行った。しかし、実際には、エネルギ貯蔵装置のセルが貯蔵しているエネルギ量をすべて均一にすることが目的であり、グループ毎にセルが貯蔵しているエネルギ量を均一にしてから、すべてのグループが貯蔵しているエネルギ量を均一するといった段階に分ける必要はない。２段階乃至はそれ以上の回数でエネルギ量を均一化すると、エネルギ移送の際の損失が大きく、効率を下げる結果となる。
【０００６】
そこで、一つのセルから直接全体のエネルギ貯蔵装置にエネルギを移送する方法が有効であると考えられ、前記特許においても提案を行っている。しかし、それぞれのトランスのエネルギ貯蔵装置全体に接続されているコイルを用いてセルの電圧を測定するためには、電圧入力回路は高電圧に対応したものである必要があり、電圧が高い応用には不適であった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、直接全体のエネルギ貯蔵装置にエネルギを移送することができ、また、低電圧入力回路に対応したセルエネルギ量調節装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数のセルが直列に接続されて１つの単位をなすエネルギ貯蔵装置において、単位エネルギ貯蔵装置内の任意のセルから該セルが貯蔵しているエネルギをエネルギ貯蔵装置の入出力端子に移送することによって、充電、放電、待機中に関わらず、単位エネルギ貯蔵装置を構成するそれぞれのセルのエネルギ貯蔵量を、原理的な損失を伴わずに最適な目標値に保つ手段を提供する。
【０００９】
本発明によれば、キャパシタセルまたは二次電池セルを複数個直列に接続して構成するエネルギ貯蔵装置を単位エネルギ貯蔵装置とし、複数の単位エネルギ貯蔵装置を直列に接続して構成するエネルギ貯蔵装置を大容量エネルギ貯蔵装置とし、任意のセルから該セルに充電されているエネルギを前記大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子に移送する装置であって、互いに磁気的に結合され電気的に絶縁された複数個のコイルを持つトランスを一つもしくは複数個備え、任意のセルに接続された前記トランスのコイルの回路を開閉するスイッチング回路と、前記大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子に整流回路を介して前記トランスの他のコイルを接続した回路と、前記スイッチング回路を動作させることによって該セルが貯蔵しているエネルギ量を前記大容量エネルギ貯蔵装置が貯蔵するエネルギ量に対して特定の比率に調節する制御回路を備え、さらに前記トランスに電圧入力回路が接続された第３のコイルを備えていることを特徴とするセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、前記セルエネルギ量調節装置において、大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子に接続された電位または任意に選択されたセルの端子の電位を基準として、それぞれのセルに接続されたスイッチング回路を制御する信号を、コンデンサを介して伝達する回路を備えることを特徴とするセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１１】
また、本発明によれば、前記セルエネルギ量調節装置において、電圧入力回路と接続する複数のトランスに備えられている第３のコイルを任意に選択できるスイッチング回路を備えることを特徴とするセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１２】
また、本発明によれば、前記セルエネルギ量調節装置において、任意に選択されたセルに接続されたスイッチング回路を制御する操作に同期して大容量エネルギ貯蔵装置に接続されたコイルの開放端子電圧を検知して該セルが貯蔵しているエネルギ量を判定する回路を持つことを特徴とするセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、前記セルエネルギ量調節装置において、セルが貯蔵しているエネルギ量が単位エネルギ貯蔵装置のエネルギ貯蔵量に対して過大であると判定された場合には、該セルに接続されたスイッチング回路を制御することによって該セルが貯蔵しているエネルギの一部を大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子に移送して、該セルに貯蔵されているエネルギ量を適正化する制御を行う制御回路またはソフトウェアまたはその両方を備えることを特徴とするセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記セルエネルギ量調節装置において、大容量エネルギ貯蔵装置が貯蔵しているエネルギ量に対する、それぞれのセルが貯蔵すべきエネルギ量の比率を設定する回路またはソフトウェアまたはその両方を備えることを特徴とするセルエネルギ貯蔵装置が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記セルエネルギ量貯蔵装置において、大容量エネルギ貯蔵装置に対して充放電が繰り返し行われるか、任意量のエネルギを貯蔵した状態で放置されるか、充放電と放置が混合して行われる場合に、単位エネルギ貯蔵装置が貯蔵しているエネルギ量と、該単位エネルギ貯蔵装置を構成するそれぞれのセルが貯蔵するべきエネルギ量のそれぞれの比率を設定する回路またはソフトウェアまたはその両方を備え、それぞれのセルの初期状態を含む特性または単位エネルギ貯蔵装置の充放電予測またはその両方によるそれぞれのセルが貯蔵するべき適正量を学習する機能を備えることを特徴とするセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１６】
さらに、本発明によれば、前記セルエネルギ量調節装置において、複数個の大容量エネルギ貯蔵装置を直列に接続して大容量エネルギ貯蔵装置より高い端子電圧にするとともに大容量エネルギ貯蔵装置により大きいエネルギ量を貯蔵するエネルギ貯蔵装置を構成する場合に、該大容量エネルギ貯蔵装置と該エネルギ貯蔵装置との関係を、前記セルと該単位エネルギ貯蔵装置との関係、もしくは該セルと該大容量エネルギ貯蔵装置との対応関係と同様の関係の構成にするか、または更に該エネルギ貯蔵装置の接続を任意の階数に拡大することを特徴とするセルエネルギ量調節装置が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によるセルエネルギ量調節装置について、以下に説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１によるバックワードコンバータを用いたセルエネルギ量調節装置の説明図である。エネルギ貯蔵セルとして電気二重層キャパシタを用いたエネルギ貯蔵装置に本発明を適用した実施の形態によって説明する。電気二重層キャパシタのエネルギ貯蔵は、電荷の蓄積によってなされるので、エネルギ貯蔵量の増減に従って端子電圧が増減する。
【００１９】
ここでは、電気二重層キャパシタを６個直列に接続した場合を説明するが、当然、接続する電気二重層キャパシタは、使用する際の都合で幾つであっても良い。図１において、エネルギ貯蔵セルＣ１〜Ｃ６の電圧が、それぞれ電気二重層キャパシタの定格最大電圧以下の任意の値を示しているときに、中央制御ユニット５の指示に従って選ばれたスイッチングトランジスタＳＷ１〜ＳＷ６の何れかが、スイッチ駆動回路６のスイッチング信号によって、特定の時間オンする。該当するスイッチに対応するエネルギ移送トランスＴ１もしくはＴ２のエネルギ移送用トランス１次側コイルＬ１〜Ｌ６の何れかに電流が流れ、電圧検出用トランス２次側コイルＬ７およびＬ９にコイルの巻線比に従って該当する電気二重層キャパシタの電圧に従った電圧が発生する。
【００２０】
この電圧を電圧入力回路３ａおよび３ｂを経て、セル電圧メモリ４に記憶し、残りの電気二重層キャパシタのセル電圧についても順次記憶する。スイッチングトランジスタＳＷ１〜ＳＷ６がオフした直後にエネルギ移送用トランスＴ１もしくはＴ２が磁化されたエネルギは、整流器Ｄ１もしくはＤ２を経て入出力端子１、２間に送られて回収される。
【００２１】
次に、予め設定された基準に従って、端子電圧が過大なセルに対応したスイッチを繰り返しオン、オフさせて該当するセルが貯蔵しているエネルギの一部を他のセルに分配する。この時に、該当するセルも分配を受けるが、セルの直列数が増すに従って該当するセルに分配される比率は減少する。
【００２２】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２によるフォワードコンバータを用いたセルエネルギ量調節装置の説明図である。
【００２３】
実施の形態１でのセルエネルギ量調節装置の操作は、図２に示すフォワードコンバータを用いたセルエネルギ量調節装置の場合の回路においても同様に成り立つが、エネルギ移送、電圧検出兼用トランス２次側コイルＬ７ａもしくはＬ９ａ、整流器Ｄ１もしくはＤ２に直列にスイッチング回路ＰＳ１もしくはＰＳ２を設けて、セル電圧測定期間に同期して、エネルギ移送、電圧検出兼用トランス２次側コイルＬ７ａもしくはＬ９ａの回路をオフする操作が必要になる。本構成では、実施の形態１の整流器Ｄ１およびＤ２の代わりに、スイッチング回路ＰＳ３およびＰＳ４を用いているために、同期整流を行うことによってスイッチング回路ＰＳ１およびＰＳ２を省略しても構わない。
【００２４】
図１、図２のスイッチングトランジスタＳＷ１〜ＳＷ６は、ＭＯＳトランジスタで構成され、スイッチのオンオフはゲートに信号を与えて制御する。図１においては、ゲート駆動用コンデンサＳＣ１〜ＳＣ６を用いており、図２においてはゲート駆動トランスＳＴ１〜ＳＴ６を用いて接続している。一般に、セル端子電圧の変化は緩慢であるのに対して、スイッチングトランジスタＳＷ１〜ＳＷ６のスイッチング周波数は充分に高いので、ゲート駆動用コンデンサＳＣ１〜ＳＣ６とゲート駆動用抵抗ＳＲ１〜ＳＲ６の値を適正に選ぶことによって、電気二重層キャパシタの直列接続による電位に対して制御回路を絶縁できる。
【００２５】
本説明では、電気二重層キャパシタを用いてセルエネルギ量調節装置を構成したが、どのようなエネルギ貯蔵セルを用いてセルエネルギ量調節装置を構成しても構わない。
【００２６】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明によれば、直接、全体のエネルギ貯蔵装置にエネルギを移送することができ、また、低電圧入力回路に対応したセルエネルギ量調節装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるバックワードコンバータを用いたセルエネルギ量調節装置の説明図。
【図２】本発明の実施の形態２によるフォワードコンバータを用いたセルエネルギ量調節装置の説明図。
【図３】従来のセルエネルギ量調節装置の説明図。
【符号の説明】
１，２大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子
３ａ，３ｂ電圧入力回路
４セル電圧メモリ
５中央制御ユニット
６スイッチ駆動回路
７制御装置
Ａ制御装置内のアドレスの流れ
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６エネルギ貯蔵セル（電気二重層キャパシタ）
ＣＬ１，ＣＬ２チョークコイル
ＣＣ１，ＣＣ２平滑コンデンサ
Ｄ制御装置内のデータの流れ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６整流器
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６エネルギ移送用トランス１次側コイル
Ｌ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ３ａ，Ｌ４ａ，Ｌ５ａ，Ｌ６ａエネルギ移送用トランス１次側コイル
Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ，Ｌ３ｂ，Ｌ４ｂ，Ｌ５ｂ，Ｌ６ｂエネルギ移送用トランス１次側コイル
Ｌ７ｂ，Ｌ８，Ｌ８ａ，Ｌ８ｂ，Ｌ１０，Ｌ１０ａエネルギ移送用トランス２次側コイル
Ｌ７，Ｌ９電圧検出用トランス２次側コイル
Ｌ７ａ，Ｌ９ａエネルギ移送、電圧検出兼用トランス２次側コイル
ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４，ＱＳ１，ＱＳ２スイッチング回路
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６スイッチングトランジスタ
ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３，ＳＴ４，ＳＴ５，ＳＴ６ゲート駆動用トランス
ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，ＳＣ４，ＳＣ５，ＳＣ６ゲート駆動用コンデンサ
ＳＤ１，ＳＤ２，ＳＤ３，ＳＤ４，ＳＤ５，ＳＤ６ゲート駆動用ダイオード
ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，ＳＲ４，ＳＲ５，ＳＲ６ゲート駆動用抵抗
Ｔ１，Ｔ２エネルギ移送用トランス

Claims

キャパシタセルまたは二次電池セルを複数個直列に接続して構成するエネルギ貯蔵装置を単位エネルギ貯蔵装置とし、複数の単位エネルギ貯蔵装置を直列に接続して構成するエネルギ貯蔵装置を大容量エネルギ貯蔵装置とし、任意のセルから該セルに充電されているエネルギを前記大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子に移送するセルエネルギ量調節装置であって、前記セルエネルギ量調節装置は、互いに磁気的に結合され、電気的に絶縁された複数個のコイルを持つトランスを一つもしくは複数個備え、任意のセルに接続された前記トランスのコイルの回路を開閉するスイッチング回路と、前記大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子に整流回路を介して前記トランスの他のコイルを接続した回路と、前記スイッチング回路を動作させることによって前記セルが貯蔵しているエネルギ量を前記大容量エネルギ貯蔵装置が貯蔵するエネルギ量に対して特定の比率に調節する制御回路を備え、さらに前記トランスに電圧入力回路が接続された第３のコイルを備えたことを特徴とするセルエネルギ量調節装置。
請求項１に記載のセルエネルギ量調節装置において、大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子に整流回路を介して接続されたコイルに直列にスイッチ回路を設けるか、または前記コイルに直列に接続された整流回路にスイッチ機能を兼備させることによって、大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子と前記コイルとの接続を一時的に遮断することを特徴とするセルエネルギ量調節装置。
請求項１または２のいずれかに記載のセルエネルギ量調節装置において、大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子に接続された電位または任意に選択されたセルの端子の電位を基準として、それぞれのセルに接続されたスイッチング回路を制御する信号を、コンデンサを介して伝達する回路を備えることを特徴とするセルエネルギ量調節装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載のセルエネルギ量調節装置において、任意に選択されたセルに接続されたスイッチング回路を制御する操作に同期して大容量エネルギ貯蔵装置に接続された第３のコイルの開放端子電圧を電圧入力回路によって検知して該セルが貯蔵しているエネルギ量を判定する回路を持つことを特徴とするセルエネルギ量調節装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載のセルエネルギ量調節装置において、電圧入力回路と接続する複数のトランスに備えられている第３のコイルを任意に選択できるスイッチング回路を備えることを特徴とするセルエネルギ量調節装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載のセルエネルギ量調節装置において、セルが貯蔵しているエネルギ量が単位エネルギ貯蔵装置のエネルギ貯蔵量に対して過大であると判定された場合には、該セルに接続されたスイッチング回路を制御することによって該セルが貯蔵しているエネルギの一部を大容量エネルギ貯蔵装置の入出力端子に移送して、該セルに貯蔵されているエネルギ量を適正化する制御を行う制御回路またはソフトウェアまたはその両方を備えることを特徴とするセルエネルギ量調節装置。
請求項１ないし６のいずれかに記載のセルエネルギ量調節装置において、大容量エネルギ貯蔵装置が貯蔵しているエネルギ量に対する、それぞれのセルが貯蔵すべきエネルギ量の比率を設定する回路またはソフトウェアまたはその両方を備えることを特徴とするセルエネルギ貯蔵装置。
請求項１ないし７のいずれかに記載のセルエネルギ量貯蔵装置において、大容量エネルギ貯蔵装置に対して充放電が繰り返し行われるか、任意量のエネルギを貯蔵した状態で放置されるか、充放電と放置が混合して行われる場合に、単位エネルギ貯蔵装置が貯蔵しているエネルギ量と、該単位エネルギ貯蔵装置を構成するそれぞれのセルが貯蔵するべきエネルギ量のそれぞれの比率を設定する回路またはソフトウェアまたはその両方を備え、それぞれのセルの初期状態を含む特性または単位エネルギ貯蔵装置の充放電予測またはその両方によるそれぞれのセルが貯蔵するべき適正量を学習する機能を備えることを特徴とするセルエネルギ量調節装置。
請求項１ないし８のいずれかに記載のセルエネルギ量調節装置において、複数個の大容量エネルギ貯蔵装置を直列に接続して大容量エネルギ貯蔵装置より高い端子電圧にするとともに大容量エネルギ貯蔵装置により大きいエネルギ量を貯蔵するエネルギ貯蔵装置を構成する場合に、該大容量エネルギ貯蔵装置と該エネルギ貯蔵装置との関係を、前記セルと単位エネルギ貯蔵装置との関係、もしくは前記セルと前記大容量エネルギ貯蔵装置との対応関係と同様の関係の構成にするか、または更に前記エネルギ貯蔵装置の接続を任意の階数に拡大することを特徴とするセルエネルギ量調節装置。