JP2006197790A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタセルを複数個用いたキャパシタユニットで構成した電源装置に関するものであり、各キャパシタセルのショート故障もしくはオープン故障を、各々のキャパシタセルの電圧を監視することなく簡易的に行うことを目的としたものである。
【解決手段】キャパシタユニット３の電圧を検知するユニット電圧検知部４と、キャパシタユニット３の任意の直列段における電圧を検知するセル電圧検知部５と、これら２つの電圧検知部からの電圧を処理する処理部６からなり、ユニット電圧から予想されるキャパシタユニット３の任意の直列段における電圧と、実際にセル電圧検知部から求めた任意の直列段における電圧とを比較することにより、キャパシタセル２のショート故障もしくはオープン故障を判定するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャパシタを用いた電源装置に関する。

一般に燃料電池車両用などの高出力電源に対するサポート用電源装置として用いられるキャパシタユニットは、多数のキャパシタセルを複数個直列及び並列に配置する構成が知られている。

このようなキャパシタユニットを扱うにあたっては、個々のキャパシタセルにショート故障もしくはオープン故障が起こった場合、残ったキャパシタセルに大きな負担がかかり、定格を上回る電圧がかかることが予想される。

キャパシタセルに定格を超える電圧が長期間にわたって印加されると、セルの安全弁が開弁し電解液が回路の内部に浸入する恐れがあり危険である。

これに対し、従来のキャパシタセルのショート故障やオープン故障の検知は、キャパシタユニットを構成する各キャパシタセルに対して個々に電圧を検出する検知部を設け、各検知部により得られた信号を処理部で処理することにより故障検知を行っていた。

なお、この出願の発明に関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。
特開平１１−２４８７５５号公報

しかしながら車両用などでキャパシタセルが使用される際には、その耐電圧の低さから多数のキャパシタセルを直列につなげ、かつ容量の不足を補うために多数のキャパシタセルを並列につなげて使用する必要がある。

この場合、各キャパシタセルの一つ一つにショート故障もしくはオープン故障の有無を調べる回路を設けていたのでは回路規模の増大を招く。

そこで簡易的に故障状態を判定できるような検出方法を有する電源装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、キャパシタセルを複数個直列および並列に配置したキャパシタユニットにおいて、このキャパシタユニットの電圧を検知するユニット電圧検知部と、前記キャパシタユニットの任意の直列段における電圧を検知するセル電圧検知部と、これら２つの電圧検知部からの電圧を処理する処理部からなり、ユニット電圧から予想されるキャパシタユニットの任意の直列段における電圧と、実際にセル電圧検知部から求めた任意の直列段における電圧とを比較することにより、キャパシタセルのショート故障もしくはオープン故障を判定するような構成としたものである。

本発明の電源装置によれば、簡易的にキャパシタユニットにおけるショート故障やオープン故障などの故障状態を判定できるため、安価で安全性の高いキャパシタを用いた電源装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における電源装置のキャパシタセルをｎ直列、ｍ並列に接続したキャパシタユニットの構成図である。図２は本発明の実施の形態における電源装置のキャパシタセルをｎ直列、ｍ並列に接続した複数個のキャパシタユニットを直列に接続した場合の構成図である。図３は本発明の実施の形態における電源装置のキャパシタセルをｎ直列、ｍ並列に接続した複数個のキャパシタユニットを直並列に接続した場合の構成図である。

図１において、電源１により充電されるキャパシタセル２は例えば電気二重層キャパシタからなり、ｎ直列、ｍ並列に接続されている。また、並列に接続されたキャパシタセル２の各端子は同電位になるように接続されている。

このように接続されたキャパシタユニット３には全体の電圧を検知するユニット電圧検知部４と、キャパシタユニット３の任意の直列段における電圧を検知するセル電圧検知部５とを有している。

任意の直列段における電圧として中点電圧を求めるときは、セル電圧検知部５はｎ直列に接続されたキャパシタセル２の中点位置に接続される。

ユニット電圧検知部４とセル電圧検知部５は図示しない電圧検知手段やマイクロコンピュータ等からなる処理部６に接続されている。

処理部６には故障を外部に通知する通信部７が接続されている。

このような構成を有するキャパシタユニット３内のキャパシタセル２が何らかの異常でショートもしくはオープン状態となった場合、電源１の電圧をそれぞれのセルが受け持つことで均等に印加されているはずの電圧バランスが大きく崩れ、場合によってはキャパシタセル２の耐電圧を超える電圧が印加される恐れがある。

そこで、このキャパシタユニット３に電源１より充電を行い、ある程度電荷が蓄えられた状態で、ユニット電圧検知部４とセル電圧検知部５の電圧値をそれぞれ処理部６に入力し、処理部６はあらかじめ内部に記憶した故障判定のための計算式の結果から、キャパシタセル２のショート故障もしくはオープン故障を検知するものである。

以下にショート故障及びオープン故障の判定式を用いて故障判定する方法について説明する。
１）ショート故障検知の判定式
ｎ直列（ｎはｎ≧２の偶数）、ｍ並列（ｍはｍ≧２の整数）のキャパシタユニット３において、キャパシタセル２が正常な時は、キャパシタユニット３の中点より上部に連結されたキャパシタセル２の合計容量は、１個のキャパシタセル２の容量をＣとすると２ｍＣ／ｎとなる。

同様に、下部に連結されたキャパシタセル２の合計容量も２ｍＣ／ｎとなり、このときのキャパシタユニット３の中点より上部と下部の電圧比は１：１である。

ここで、キャパシタセル２の容量ばらつきによる電圧差を考慮する。

正常時でも容量ばらつきにより中点電圧に差が生じているようなキャパシタユニット３において、確実にショート故障を検知できるためには、たとえ正常時の中点電圧が高い側のグループ内の１つのキャパシタセル２がショートして電圧が下がったとしても、それを検知できなければならない。

最も大きく中点電圧に差が生じるケースは、キャパシタセル２の容量ばらつきをｘとすると、キャパシタユニット３の中点より上側のキャパシタセル２が全て＋ｘ、下側のキャパシタセル２が全て−ｘにずれた時、もしくはその逆になった時である。この時、正常時でも誤差が最大となる。

仮に、上部のセル全てが−ｘ、下部のセル全てが＋ｘにばらついたとすると、それぞれの容量は次の（１）式、（２）式で表される。

上部容量＝２ｍＣ（１−ｘ）／ｎ （１）
下部容量＝２ｍＣ（１＋ｘ）／ｎ （２）
今、上部のキャパシタセル２の何れかにおいてショート故障が起こったとすると、上部容量は次の（３）式となる。

上部容量＝２ｍＣ（１−ｘ）／（ｎ−２） （３）
これにより、充電時の上部電圧と下部電圧の比は次の（４）式となる。

上部電圧：下部電圧
＝２（１＋ｘ）／ｎ：２（１−ｘ）／（ｎ−２） （４）
従って、キャパシタセル２にショート故障が起こっていない状態において、中点電圧が取り得る範囲は中点電圧をＶｍ、ユニット電圧をＶｕとした時、

のようになる。

従って、Ｖｕを（数１）に代入、計算することにより予測されるＶｍの範囲に実際のＶｍが入っていない場合は、何れかのキャパシタセル２にショート故障が起こっていると判断できる。この判断を処理部６で行い、故障と判断すれば通信部７を介して外部に故障を通知する。
２）オープン故障検知の判定式
ショート故障検知と同じように、キャパシタセル２の正常時の中点における容量比は次の（５）式で表される。

上部容量：下部容量＝２ｍＣ／ｎ：２ｍＣ／ｎ （５）
このときのキャパシタユニット３の中点より上部と下部の電圧比は１：１である。

キャパシタセル２の容量ばらつきによる電圧差も考慮に入れると、正常時でも容量ばらつきにより中点電圧に差が生じているキャパシタユニット３において、確実にオープン故障を検知するためには、たとえ正常時の中点電圧が低い側のグループ内の１つのキャパシタセル２がオープンして中点電圧が増加したとしても、それを検知できなければならない。

仮に、上部のセル全てが＋ｘ、下部のセル全てが−ｘにばらついたとすると、上部容量および下部容量はそれぞれ次の（６）式、（７）式で表される。

上部容量＝２ｍＣ（１＋ｘ）／ｎ （６）
下部容量＝２ｍＣ（１−ｘ）／ｎ （７）
今、上部のキャパシタセル２の何れかにおいてオープン故障が起こったとすると、上部容量は次の（８）式となる。

これにより、充電時の上部電圧と下部電圧の比は次の（９）式となる。

従って、キャパシタセル２にオープン故障が起こっていない状態において、中点電圧が取り得る範囲は

のようになる。

従って、ユニット電圧Ｖｕを（数２）に代入、計算することにより予測される中点電圧Ｖｍの範囲に実際のＶｍが入らず、キャパシタユニット３内の何れかのキャパシタセル２に異常があると判定した時は、通信部７により異常であることを外部に通知し、充電を止めてキャパシタユニット３の使用を停止するような措置をとることができるようにする。

以上に述べたショート故障およびオープン故障に対し、具体的な例としてキャパシタセル２の容量ばらつきを±０．０４（±４％）、電源１の電圧が１２Ｖ、ｎ＝６、ｍ＝２である電源装置について説明する。

キャパシタユニット３が満充電となっている場合、まずショート故障が起こったとすると、上記ショート故障の判定式（数１）にパラメータを代入、計算すると、
５．０３（Ｖ）＜Ｖｍ＜６．９７（Ｖ） （１０）
となり、中点のセル電圧検知部５からの電圧Ｖｍが上記範囲を外れた場合に、処理部６は通信部７を通して外部にショート故障の発生を知らせる。

同様に、オープン故障の場合には、上記オープン故障検知の判定式（数２）にパラメータを代入、計算すると、
５．３８（Ｖ）＜Ｖｍ＜６．６２（Ｖ） （１１）
となり、中点のセル電圧検知部５からの電圧Ｖｍが上記範囲を外れた場合に、処理部６は通信部７を通して外部にオープン故障の発生を知らせる。

以上の方法によりショート故障やオープン故障が判定できるのであるが、キャパシタセル２のばらつきがあまり大きすぎると、ショート故障やオープン故障による電圧変化がばらつき範囲内に含まれてしまい、前記故障の判断ができない可能性がある。

そこで、キャパシタセル２の内部容量のばらつき精度により、上記ユニット電圧Ｖｕと中点電圧Ｖｍの２点だけで、本実施の形態の方法によりショート故障もしくはオープン故障を検知できる最大のｎ数、およびｍ数の求め方を説明する。
３）ショート故障検知のできるｎ数
キャパシタセル２のばらつき精度をｘとすると、キャパシタユニット３の中点より上側のキャパシタセル２が全て＋ｘ、下側のキャパシタセル２が全て−ｘにずれた時、もしくはその逆になった時に、正常時でも理論値からの誤差が最大となる。

この場合でも１個のキャパシタセル２のショート故障時の電圧のずれよりも誤差は小さくなくてはならない。

従って、次の（１２）式と（１３）式を同時に満たす必要がある。

これらの式をｎについて整理すると、

となる。

例えば、キャパシタセル２の容量ばらつきｘを０．０４（４％）とすると、（数３）より、１３．５２＞ｎとなり、ｎは偶数であるからその最大値は１２となる。

従って、この場合はキャパシタセル２を１２個まで直列接続できることがわかる。
４）オープン故障検知のできるｎ数、ｍ数
ショート故障時と同様に、キャパシタセル２のばらつき精度をｘとすると、キャパシタユニット３の中点より上側のキャパシタセル２が全て＋ｘ、下側のキャパシタセルが全て−ｘにずれた時、もしくはその逆になった時に、正常時でも理論値からの誤差が最大となる。

この場合でも１個のキャパシタセル２のオープン故障時の電圧のずれよりも誤差は小さくなくてはならない。

従って、次の（１４）式と（１５）式を同時に満たす必要がある。

これらの式をｎ、ｍについて整理すると、

となる。

例えば、キャパシタセル２の容量ばらつきｘを０．０４（４％）とすると、２）項で述べたｍの値（ｍ＝２）の時は、（数４）より１１．５２＞ｎとなり、ｎは偶数であるからその最大値は１０となる。

従って、並列数ｍが２の時はキャパシタセル２を直列に１０個まで接続できることがわかる。

一方、２）項で述べたｎの値（ｎ＝６）の時は、（数４）より２．９２＞ｍとなり、これを満たす最大のｍ（偶数）は２となる。

以上のようにキャパシタセル２の内部容量のばらつきに応じて、キャパシタセル２の直列数ｎと並列数ｍを求めることでキャパシタユニット３を構成し、その充電時のユニット電圧Ｖｕと中点電圧Ｖｍを上記の判定式を用いて管理することで、簡易的にキャパシタユニット３のショート故障もしくはオープン故障の検知を行うことが可能となる。

しかし、実際に電源装置としての要求仕様を満たすのに必要なキャパシタセル２の直列数ｎ、並列数ｍが、必ずしも（数３）、（数４）を満たすように設計できない場合がある。

そこで、この場合の故障検知方法について説明する。
５）ショート故障が検出できないｎ数の場合
ばらつき精度ｘに比較してｎ数が大きい場合は（数３）を満たさない。例えば精度ｘ＝０．０４（４％）でｎ＝１４のときは（数３）を満たさなくなるため、中点一箇所の監視だけではショート判定ができなくなる。このときには２箇所以上の中点でショート故障を判定する必要がある。

そこで直列数が多い場合には図２に示したように、ｎ数が（数３）を満たすような複数（図２ではｊ個）のブロックに分割し、各々のブロック毎にユニット電圧Ｖｕと中点電圧Ｖｍを監視することでショート故障を検知すればよい。

すなわち、図２において、キャパシタユニット３は３１から３ｊまでｊ個あり、その一番上のキャパシタユニット３１について説明すると、ユニット電圧Ｖｕはユニット電圧検知部４１と４２の電圧差で求められ、中点電圧Ｖｍはセル電圧検知部５１とユニット電圧検知部４２の電圧差で求められる。

これらのＶｕ、Ｖｍを（数１）に代入することによってショート故障を検出することができる。

以下、同様にしてキャパシタユニット３１〜３ｊについて各々ショート故障を順次判定すればよい。
６）オープン故障が検出できないｎ数、ｍ数の場合
ばらつき精度ｘに比較してｎ数、ｍ数が大きい場合は（数４）を満たさない。例えば精度ｘ＝０．０４（４％）でｎ＝６、ｍ＝３のときは（数４）を満たさなくなるため、中点一箇所の監視だけではオープン判定ができなくなる。このときには２箇所以上の中点でオープン故障を判定する必要がある。

そこで直列数、並列数が多い場合には図３に示したように、ｎ数、ｍ数が（数４）を満たすような複数（図３ではｉ×ｊ個）のブロックに分割し、各々のブロック毎にユニット電圧Ｖｕと中点電圧Ｖｍを監視することでオープン故障を検知すればよい。

すなわち、図３において、キャパシタユニット３は３１１から３ｉｊまでｉ×ｊ個あり、その一番左上のキャパシタユニット３１１について説明すると、ユニット電圧Ｖｕはユニット電圧検知部４１１と４１２の電圧差で求められ、中点電圧Ｖｍはセル電圧検知部５１１とユニット電圧検知部４１２の電圧差で求められる。

これらのＶｕ、Ｖｍを（数２）に代入することによってオープン故障を検出することができる。

以下、同様にしてキャパシタユニット３１１〜３ｉｊについて各々オープン故障を順次判定すればよい。

なお、ショート故障、オープン故障の両方を判定する場合には、オープン故障の判定の方が条件が厳しいため、オープン故障の判定式を用いることでショート故障の判定も兼ねることができる。

上記各構成において、ショート故障、もしくはオープン故障が判定された場合には、処理部６から通信部７を介して外部に異常の通知を行う。

以上の構成、動作により、極めて簡易的な構成でキャパシタセル２のショート故障やオープン故障を検出することが可能となる。

本発明にかかる電源装置は、キャパシタセルのショート故障もしくはオープン故障を小さな回路規模で簡易的に判定でき、これにより安価で、かつ安全性を高めることが可能となるので、例えば燃料電池車両などの高出力電源に対するサポート用電源装置等として有用である。

本発明の実施の形態における電源装置のキャパシタセルをｎ直列、ｍ並列に接続したキャパシタユニットの構成図 本発明の実施の形態における電源装置のキャパシタセルをｎ直列、ｍ並列に接続した複数個のキャパシタユニットを直列に接続した場合の構成図 本発明の実施の形態における電源装置のキャパシタセルをｎ直列、ｍ並列に接続した複数個のキャパシタユニットを直並列に接続した場合の構成図

符号の説明

２ キャパシタセル
３ キャパシタユニット
４ ユニット電圧検知部
５ セル電圧検知部
６ 処理部

Claims (11)

1. キャパシタセルを複数個直列および並列に配置したキャパシタユニットにおいて、
   前記キャパシタユニットの電圧を検知するユニット電圧検知部と、
   前記キャパシタユニットの任意の直列段における電圧を検知するセル電圧検知部と、
   これら２つの電圧検知部からの電圧を処理する処理部とからなり、
   ユニット電圧から予想される前記キャパシタユニットの任意の直列段における電圧と、実際に前記セル電圧検知部から求めた任意の直列段における電圧とを比較することにより、
   前記キャパシタセルのショート故障および／またはオープン故障を判定する電源装置。
2. 任意の直列段における電圧はキャパシタユニットの中点電圧である請求項１に記載の電源装置。
3. キャパシタセルがｎ直列（ｎはｎ≧２の偶数）、ｍ並列（ｍはｍ≧２の整数）に接続されている場合、キャパシタユニットの中点に接続されたセル電圧検知部により中点電圧を検知し、キャパシタユニット電圧から予想されるキャパシタユニットの中点電圧と比較するようにした請求項２に記載の電源装置。
4. 中点電圧をＶｍ、キャパシタユニット電圧をＶｕ、キャパシタセルの容量ばらつきをｘ、直列数をｎ（ｎはｎ≧２の偶数）としたとき、
   Ｖｍが（数１）を満たしていなければ、いずれかのキャパシタセルにショート故障が起こっていると判定する請求項３に記載の電源装置。
   

   
5. 中点電圧をＶｍ、キャパシタユニット電圧をＶｕ、キャパシタセルの容量ばらつきをｘ、直列数をｎ（ｎはｎ≧２の偶数）、並列数をｍ（ｍはｍ≧２の整数）としたとき、
   Ｖｍが（数２）を満たしていなければ、いずれかのキャパシタセルにオープン故障が起こっていると判定する請求項３に記載の電源装置。
   

   
6. キャパシタセルのショート検知を行うために、容量ばらつきｘと直列数ｎが（数３）を満たすようにした請求項４に記載の電源装置。
   

   
7. キャパシタセルのオープン検知を行うために、容量ばらつきｘ、直列数ｎ、および並列数ｍが（数４）を満たすようにした請求項５に記載の電源装置。
   

   
8. 直列数ｎが（数３）を満たしていない場合には、ｎが（数３）を満たすようにキャパシタユニットを複数のブロックに分割し、前記ブロック毎にそれぞれのユニット電圧と中点電圧を比較する請求項４に記載の電源装置。
9. 直列数ｎと並列数ｍが（数４）を満たしていない場合には、ｎおよびｍが（数４）を満たすようにキャパシタユニットを複数のブロックに分割し、前記ブロック毎にユニット電圧と中点電圧を比較する請求項５に記載の電源装置。
10. ショート故障とオープン故障の両方を判定する場合には、オープン故障を判定するときの式を用いて、両方の故障を判定するようにした請求項１に記載の電源装置。
11. キャパシタユニットにショート故障もしくはオープン故障が起こっていると処理部が判定した時には、外部に故障を通知するようにした請求項１に記載の電源装置。

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