JP2007116785A

JP2007116785A - キャパシタ蓄電電源の制御装置

Info

Publication number: JP2007116785A
Application number: JP2005303375A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yamamoto; 真一山本; Masaaki Yamagishi; 政章山岸; Atsushi Shimizu; 敦清水
Original assignee: Power System Co Ltd
Current assignee: Power System Co Ltd
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2025-10-18
Also published as: JP3967757B2; JP4006476B2; JP2007259695A

Abstract

【課題】キャパシタ蓄電電源のキャパシタを過充電から保護する充電制御手段をＩＣ化する際、放電深度の深いところでの使用時にも動作電圧を確実に確保するとともに、負電位となったキャパシタの逆充電からＩＣ内の素子を保護する。
【解決手段】キャパシタ蓄電電源に含まれるキャパシタの各々に並列的に接続される電流バイパス回路２１〜２４と、キャパシタの電圧を監視し充電時に電流バイパス回路２１〜２４を所定にオンオフ制御する電圧監視回路とを含むキャパシタ蓄電電源の制御装置において、ＩＣ化された電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４を内蔵する複数の充電制御ユニット１１Ａ〜１１Ｃを含み、中間電位に位置する充電制御ユニット１１Ｂの電源電圧ＶＤＤを充電制御ユニット１１Ａが担当するキャパシタＣ３１の正極電位から得るとともに、基準電圧ＶＳＳを充電制御ユニット１１Ｃが担当するキャパシタＣ１４の負極電位から得るＩＣ用電源回路を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列に接続された複数のキャパシタを含むキャパシタ蓄電電源を制御する制御装置に関し、さらに詳しく言えば、上記各キャパシタごとに設けられる電圧監視回路をＩＣ（集積回路）化する際のＩＣ用電源回路に関するものである。

電気二重層キャパシタ（単に「キャパシタ」ということがある。）は、電池と異なり化学反応を伴わずに物理現象のみで電気を蓄えることができるノンファラデーデバイスである。そのため、化学電池では実現し得なかった９０％以上の充放電効率，１００万回を超えるサイクル寿命，１０年以上の長寿命，電池に比べて一桁低い内部抵抗と出力密度特性を兼ね備えた新型の物理電池と言える。

しかしながら、キャパシタは定格電圧を超えて充電されると特性が劣化するおそれがある。すなわち、通常、キャパシタ蓄電電源には直列に接続された複数のキャパシタが含まれるが、各キャパシタがそれぞれ同一の漏れ電流，同一の静電容量であると仮定すると、各キャパシタ電圧は同じ電圧に分圧される。しかしながら、実際には漏れ電流，静電容量は、ある幅の特性分布をもつため、それぞれのキャパシタの電圧は不均等になる。

キャパシタ蓄電電源を実際に電気自動車や無停電電源装置などの大型蓄電装置に使用する場合、直列接続数は１００以上にもなるため、直列接続されたキャパシタＣの端と端とで周囲温度を同じように維持することは容易ではない。そのため、各キャパシタでの漏れ電流にバラツキが生じ、これが原因で各キャパシタ電圧が不均一となることがある。

さらには、当初は一致していたキャパシタの漏れ電流や静電容量も経年変化によりバラツキが生ずる。漏れ電流の少ないキャパシタＣには漏れ電流の大きいキャパシタＣより多くの電圧が残る。このような電圧不均等な状態で、キャパシタ蓄電電源を最大電圧にまでフル充電すると、中には定格電圧を超え特性が劣化するキャパシタが出てくる。

そこで、キャパシタ蓄電電源に含まれているキャパシタを過充電から保護する提案が例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。このうちの特許文献１に記載の発明の基本的な構成を図４により説明する。

上記特許文献１に記載の発明によると、図４（ａ）に示すように、キャパシタ蓄電電源に含まれる直列に接続された各キャパシタＣ（ここでは便宜上３つのキャパシタＣ１〜Ｃ３のみを示す）ごとに並列モニタと呼ばれる充電制御手段１が接続される。

この充電制御手段１は、図４（ｂ）に示すように、キャパシタＣに対して並列に接続される電流バイパス回路２と、キャパシタＣの電圧を監視する電圧監視回路３とを備える。この場合、電流バイパス回路２には、例えばベース抵抗Ｒ３とコレクタ抵抗Ｒ４を有するトランジスタＴＲ１が用いられる。電圧監視回路３は、キャパシタＣの両端間電圧を分圧する分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２と、その分圧電圧に応じて動作する制御端子付きツェナーダイオードからなる３端子レギュレータＱ１とを備える。

図示しない充電電源（好ましくは定電流電源）により、各キャパシタＣ１〜Ｃ３を充電する際、３端子レギュレータＱ１はキャパシタＣが所定の電圧（例えば定格電圧）に達するまで非導通で、したがってトランジスタＴＲ１もオフに保たれる。キャパシタＣが所定の電圧に達すると、３端子レギュレータＱ１が導通し、これに伴ってトランジスタＴＲ１がオン，すなわち電流バイパス回路２がオンとなる。

上記特許文献１に記載の充電制御手段（並列モニタ）１によれば、すべての充電制御手段１の電流バイパス回路２がオンになるまで充電を継続することにより、過充電を防止して各キャパシタＣ１〜Ｃ３の充電電圧を基準電圧値に揃えることができる。

ところで、上記充電制御手段（並列モニタ）１を例えば特許文献３に記載のキャパシタ電源装置や特許文献４に記載の蓄電装置の制御回路のようにＩＣ化（集積回路化）することにより、コストダウンと信頼性（ＭＴＢＦ：平均故障時間）の向上を図ることができる。図５にＩＣ化した充電制御ユニット１０の一例を示す。

この例において、充電制御ユニット１０は上記電圧監視回路３をＩＣ化した４つの電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４を内蔵しており、上記電流バイパス回路２は比較的大きな電流が流されることから外付けとされる。

各電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４は、外付けの電流バイパス回路２１〜２４を介して監視対象としてのキャパシタＣ（この例では、４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４）に接続される。この場合、充電制御ユニット１０の電源電圧ＶＤＤは高電位側のキャパシタＣ１の正極から得るとともに、基準電圧（もしくはグランド電圧）ＶＳＳは低電位側のキャパシタＣ４の負極から得る。

また、各電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４内の半導体素子の静電破壊（ラッチアップ）を防止するため、各電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４ごとに、電源電圧ＶＤＤと基準電圧ＶＳＳとの間に静電破壊防止用のダイオードＤ１〜Ｄ４が接続される。

特開平６−３４３２２５号公報特許第３５０７３８４号公報特開２００１−３７０７７号公報特開２００３−７０１７９号公報

上記のように充電制御手段である並列モニタをＩＣ化するにあたって、制御対象がキャパシタの場合、電池とは異なり放電深度が深いところまで使用することを考慮して設計する必要がある。

すなわち、図６の充放電特性のグラフに示すように、静電容量が大で漏れ電流の小さなキャパシタは、放電深度深くまで放電させても図示実線のように０Ｖを割り込むことはないが、静電容量が小さいかおよび／または漏れ電流の大きなキャパシタは、図示鎖線のように放電深度深くまで放電させると０Ｖを割り込み、その電位が負電位になることがある。

次に、ＩＣ化された上記充電制御ユニット１０を実際に使用するうえで、キャパシタ特有の問題点を図７を参照して説明する。図７は３つの充電制御ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃでキャパシタ蓄電電源の各キャパシタを制御する場合を示している。充電制御ユニット１０Ａが高電位側，充電制御ユニット１０Ｂが中電位，充電制御ユニット１０Ｃが低電位側であり、作図の都合上、充電制御ユニット１０Ａ，１０Ｃについては、その内蔵ＩＣおよび外付けの電流バイパス回路は図示を省略している。

キャパシタの場合、放電深度が深いところまで使用するため、電源電圧ＶＤＤと基準電圧ＶＳＳ間の電圧（動作電圧）の変動が激しい。この例の場合、ひとつの充電制御ユニットあたり直列接続の４つのキャパシタが接続されるため、その各キャパシタが２．５Ｖの電圧を有している場合の充電制御ユニット１０Ａ〜１０Ｃの各動作電圧は２．５Ｖ×４＝１０Ｖである。

これに対して、２０％にまで放電すると、各キャパシタの残存電圧は０．５Ｖとなり、充電制御ユニット１０Ａ〜１０Ｃの各動作電圧は０．５Ｖ×４＝２Ｖまで下がり、回路動作を維持する限界点近くになる。

ここで、放電深度が深くなるに伴って、充電制御ユニット１０Ｂが担当するキャパシタＣ２１〜Ｃ２４の中で例えば最低電位に位置するキャパシタＣ２４の電位が負に逆転して−０．５Ｖになったとすると、充電制御ユニット１０Ｂの動作電圧は１．０Ｖにまで落ち込み、動作不能状態となる。そればかりでなく、電圧監視回路ＩＣ３４の静電破壊防止用ダイオードＤ４の順方向電圧を超えると、ダイオードＤ４にキャパシタ電流が流れ、ダイオードＤ４が破壊されてしまう。

また、電圧監視回路ＩＣ内には、各素子を分離するための寄生ダイオードが上記静電破壊防止用のダイオードと同じ向きに作られているため、これらＩＣ内のダイオードにも順方向の過電流が流れ、ラッチアップ現象が生じたり、ＩＣの内部素子が破壊される。

なお、充電制御ユニットが担当する直列接続された複数のキャパシタのうち、最高電位に位置するキャパシタ，最低電位に位置するキャパシタ（充電制御ユニット１０Ｂについて言えば、キャパシタＣ２４，Ｃ２１）が負電位になった場合に、ダイオードの順方向電圧を超える電流が流れ、ダイオード破壊に至りやすい。

したがって、本発明の課題は、キャパシタ蓄電電源に含まれる直列に接続された複数のキャパシタを過充電から保護する充電制御手段をＩＣ化する際、放電深度の深いところでの使用時にも動作電圧を確実に確保でき、また、負電位となったキャパシタの逆充電からＩＣ内の素子を保護し得るＩＣ用電源回路を備えたキャパシタ蓄電電源の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、直列に接続された複数のキャパシタを含むキャパシタ蓄電電源を制御対象として、上記キャパシタの各々に並列的に接続される電流バイパス回路と、上記キャパシタの電圧を監視し充電時に上記電流バイパス回路を所定にオンオフ制御する電圧監視回路とを含むキャパシタ蓄電電源の制御装置において、上記電流バイパス回路ごとに設けられる上記電圧監視回路をＩＣ化してなる複数の充電制御ユニットを含み、上記充電制御ユニットの電源電圧ＶＤＤを電位的に直近の高電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタの正極電位から得るとともに、上記充電制御ユニットの基準電圧ＶＳＳを電位的に直近の低電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタの負極電位から得るＩＣ用電源回路を備えていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、上記電源電圧ＶＤＤを得る上記キャパシタが、上記高電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最低電位に位置するキャパシタで、上記基準電圧ＶＳＳを得る上記キャパシタが、上記低電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最高電位に位置するキャパシタであることを特徴としている。

また、上記課題を解決するため、請求項３に記載の発明は、直列に接続された複数のキャパシタを含むキャパシタ蓄電電源を制御対象として、上記キャパシタの各々に並列的に接続される電流バイパス回路と、上記キャパシタの電圧を監視し充電時に上記電流バイパス回路を所定にオンオフ制御する電圧監視回路とを含むキャパシタ蓄電電源の制御装置において、上記電流バイパス回路ごとに設けられる上記電圧監視回路をＩＣ化してなる充電制御ユニットを含み、上記充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最低電位に位置するキャパシタの負極電位から上記充電制御ユニットの電源電圧ＶＤＤを得る第１電圧変換手段と、上記充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最高電位に位置するキャパシタの正極電位から上記充電制御ユニットの基準電圧ＶＳＳを得る第２電圧変換手段とを含むＩＣ用電源回路を備えていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、上記請求項３において、上記第１電圧変換手段が極性を反転して昇圧する昇圧型のコンバータであり、上記第２電圧変換手段が極性を反転して降圧する降圧型のコンバータであることを特徴としている。

また、上記課題を解決するため、請求項５に記載の発明は、直列に接続された複数のキャパシタを含むキャパシタ蓄電電源を制御対象として、上記キャパシタの各々に並列的に接続される電流バイパス回路と、上記キャパシタの電圧を監視し充電時に上記電流バイパス回路を所定にオンオフ制御する電圧監視回路とを含むキャパシタ蓄電電源の制御装置において、上記電流バイパス回路ごとに設けられる上記電圧監視回路をＩＣ化してなり、そのＩＣ化された電圧監視回路ごとに、電源電圧ＶＤＤと基準電圧ＶＳＳとの間に接続される静電破壊防止用ダイオードを備える充電制御ユニットを含み、上記充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最高電位に位置するキャパシタの正極電位と上記電源電圧ＶＤＤとの間，および上記充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最低電位に位置するキャパシタの負極電位と上記基準電圧ＶＳＳとの間の各々に、上記静電破壊防止用ダイオードに流れる順方向電流を所定値以下に制限する電流制限抵抗を接続してなることを特徴としている。

本発明が適用されるキャパシタ蓄電電源は、主として電気自動車や無停電電源装置などの大規模電源装置に使用される関係上、請求項６に記載されているように、上記キャパシタには電気二重層キャパシタが好ましく採用される。

請求項１に記載の発明によれば、キャパシタ蓄電電源に含まれているキャパシタの各々に並列的に接続される電流バイパス回路をオンオフ制御する電圧監視回路をＩＣ化してなる充電制御ユニットを備え、その充電制御ユニットの電源電圧ＶＤＤを電位的に直近の高電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタの正極電位から得るとともに、基準電圧ＶＳＳを電位的に直近の低電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタの負極電位から得るようにしたことにより、キャパシタを放電深度の深いところまで使用しても、充電制御ユニットの動作電圧を確実に確保することができる。また、負電位になるキャパシタが現れたとしても、常に電源電圧ＶＤＤ＞キャパシタ端子電圧＞基準電圧ＶＳＳの関係が保たれるため、静電破壊防止用のダイオードが破壊されることもない。

請求項２に記載の発明によれば、電源電圧ＶＤＤを得るキャパシタを高電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最低電位に位置するキャパシタとし、基準電圧ＶＳＳを得る上記キャパシタを低電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最高電位に位置するキャパシタとすることにより、充電制御ユニットの動作電圧を過電圧ではない適正な電圧とすることができ、したがってＩＣ化するにも各素子の耐圧を必要以上に高める必要がなくなる。

請求項３に記載の発明によれば、キャパシタ蓄電電源に含まれているキャパシタの各々に並列的に接続される電流バイパス回路をオンオフ制御する電圧監視回路をＩＣ化してなる充電制御ユニットを備え、第１電圧変換手段により充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最低電位に位置するキャパシタの負極電位から電源電圧ＶＤＤを得るとともに、第２電圧変換手段により充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最高電位に位置するキャパシタの正極電位から基準電圧ＶＳＳを得るようにしたことにより、請求項１と同じく、キャパシタを放電深度の深いところまで使用しても、充電制御ユニットの動作電圧を確実に確保することができる。また、負電位になるキャパシタが現れたとしても、常に電源電圧ＶＤＤ＞キャパシタ端子電圧＞基準電圧ＶＳＳの関係が保たれるため、静電破壊防止用のダイオードが破壊されることもない、という効果が奏される。

請求項４に記載の発明によれば、上記第１電圧変換手段として極性を反転して昇圧する昇圧型のコンバータを用い、上記第２電圧変換手段として極性を反転して降圧する降圧型のコンバータを用いることにより、汎用の回路構成で済ませることができる。

また、請求項５に記載の発明によれば、キャパシタ蓄電電源に含まれているキャパシタの各々に並列的に接続される電流バイパス回路をオンオフ制御する電圧監視回路をＩＣ化してなり、そのＩＣ化された電圧監視回路ごとに、電源電圧ＶＤＤと基準電圧ＶＳＳとの間に接続される静電破壊防止用ダイオードを備える充電制御ユニットを含み、充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最高電位に位置するキャパシタの正極電位と電源電圧ＶＤＤとの間，および充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最低電位に位置するキャパシタの負極電位と基準電圧ＶＳＳとの間の各々に、静電破壊防止用ダイオードに流れる順方向電流を所定値以下に制限する電流制限抵抗を接続したことにより、例えばキャパシタが負電位となり、その電圧が静電破壊防止用ダイオードの順方向電圧を超えて順方向電流が流れたとしても、その電流が電流制限抵抗により制限されるため、静電破壊防止用ダイオードが破壊に至ることはない。

次に、図１ないし図３により、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の第１実施形態として、直列に接続された複数のキャパシタ（電気二重層キャパシタ）を含むキャパシタ蓄電電源にＩＣ化された例えば３つの充電制御ユニット１１（１１Ａ〜１１Ｃ）を接続した例を示す回路図である。

この例において、第１充電制御ユニット１１Ａがキャパシタ蓄電電源の高電位側に位置し，第２充電制御ユニット１１Ｂが中間電位に位置し、第２充電制御ユニット１１Ｃが低電位側に位置しているが、その構成は同一であり、特に区別する必要が無い場合には、充電制御ユニット１１とする。

充電制御ユニット１１は、先の図５で説明したのと同じく、基本的な構成として、図４（ｂ）に示す電圧監視回路３をＩＣ化した４つの電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４を内蔵しており、電流バイパス回路２は比較的大きな電流が流されることから電流バイパス回路２１〜２４として外付けとされる。

この例においても、充電制御ユニット１１は４つのキャパシタＣ（ユニット１１ＡはＣ３１〜Ｃ３４，ユニット１１ＢはＣ２１〜Ｃ２４，ユニット１１ＣはＣ１１〜Ｃ１４）を担当し、各電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４は、外付けの電流バイパス回路２１〜２４を介して各キャパシタＣに接続される。なお、電圧監視回路ＩＣの数は、充電制御ユニット１０の規模に応じて任意に決められてよい。

また、各電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４内の半導体素子の静電破壊を防止するため、各電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４ごとに、電源電圧ＶＤＤと基準電圧（もしくはグランド電圧）ＶＳＳとの間に静電破壊防止用のダイオードＤ１〜Ｄ４が接続される。

本発明は、充電制御ユニット１１の電源電圧ＶＤＤと基準電圧ＶＳＳの採り方に特徴を有し、そのひとつとして、この第１実施形態では、中間電位に位置する第２充電制御ユニット１１Ｂに着目すると、その電源電圧ＶＤＤを高電位側に位置する第１充電制御ユニット１１Ａが担当するキャパシタＣ３１〜Ｃ３４のうちの最低電位に位置するキャパシタＣ３１の正極電位から得ている。

また、基準電圧ＶＳＳについては、低電位側に位置する第３充電制御ユニット１１Ｃが担当するキャパシタＣ１１〜Ｃ１４のうちの最高電位に位置するキャパシタＣ１４の負極電位から得ている。

これによれば、各キャパシタＣが２．５Ｖの電圧を有している場合の第２充電制御ユニット１１Ｂの動作電圧は、電源電圧ＶＤＤが２２．５Ｖで、基準電圧ＶＳＳが７．５Ｖであるから１５Ｖとなり、図７の場合にくらべて５Ｖだけ動作電圧の幅が広くなる。

これに対して、２０％にまで放電させた場合、各キャパシタの残存電圧は０．５Ｖとなるが、この場合、第２充電制御ユニット１１Ｂの電源電圧ＶＤＤは４．５Ｖで、基準電圧ＶＳＳは１．５Ｖであるから３Ｖの動作電圧が確保できる（図７の場合、２Ｖ）。

したがって、キャパシタＣを放電深度の深いところで使用した結果、仮に第２充電制御ユニット１１Ｂが担当する高電位側のキャパシタＣ２４もしくは低電位側のキャパシタＣ２１が負電位となることがあったとしても、静電破壊防止用のダイオードＤ１，Ｄ４が破壊されることがない。

なお、第２充電制御ユニット１１Ｂの電源電圧ＶＤＤを第１充電制御ユニット１１Ａが担当するキャパシタＣ３１以外の例えばキャパシタＣ３２の正極電位から得てもよい。同様に、第２充電制御ユニット１１Ｂの基準電圧ＶＳＳを第３充電制御ユニット１１Ｃが担当するキャパシタＣ１４以外の例えばキャパシタＣ１３の負極電位から得てもよい。

次に、図２に示す第２実施形態に係る充電制御ユニット１２について説明する。この第２実施形態で上記第１実施形態と異なる点は、自己が担当するキャパシタＣ１〜Ｃ４のうちの最低電位に位置するキャパシタＣ１の負極電位と、最高電位に位置するキャパシタＣ４の正極電位から、静電破壊防止用のダイオードＤ１，Ｄ４が破壊されることのない電源電圧ＶＤＤと基準電圧ＶＳＳを得る点であり、そのほかの構成は上記第１実施形態の充電制御ユニット１１と同一であってよい。

すなわち、この第２実施形態に係る充電制御ユニット１２にも、上記充電制御ユニット１１と同じく電流バイパス回路２１〜２４，ＩＣ化された電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４および静電破壊防止用のダイオードＤ１〜Ｄ４などが含まれるが、さらにこの充電制御ユニット１２では、電源電圧ＶＤＤを得るための昇圧型の第１コンバータ１１０と、基準電圧ＶＳＳを得るための降圧型の第２コンバータ１２０とを備える。

第１コンバータ１１０と第２コンバータ１２０には、ともにスイッチング素子１１１，１２１と、インダクタンス素子１１２，１２１と、スイッチング用の整流ダイオード１１３，１２３と、電圧保持用のコンデンサ素子１１４，１２４とが含まれる。コンデンサ素子１１４，１２４は、アルミニウム電解コンデンサや電気二重層キャパシタであってよい。

第１コンバータ１１０において、インダクタンス素子１１２とコンデンサ素子１１４の各一端は整流ダイオード１１３のアノード側とカソード側とに接続された状態でスイッチング素子１１１を介して最低電位に位置するキャパシタＣ１の負極電位側に接続され、インダクタンス素子１１２とコンデンサ素子１１４の各他端は最高電位に位置するキャパシタＣ４の正極電位側に接続される。コンデンサ素子１１４は、当該充電制御ユニット１１に対して電源電圧ＶＤＤを供給する。

第２コンバータ１２０において、インダクタンス素子１２２とコンデンサ素子１２４の各一端は整流ダイオード１１３のカソード側とアノード側とに接続された状態でスイッチング素子１２１を介して最高電位に位置するキャパシタＣ４の正極電位側に接続され、インダクタンス素子１１２とコンデンサ素子１１４の各他端は最低電位に位置するキャパシタＣ１の負極電位側に接続される。コンデンサ素子１２４は、当該充電制御ユニット１１に対して基準電圧ＶＳＳを供給する。

昇圧型の第１コンバータ１１０の動作を簡単に説明する。スイッチング素子１１１をオンにすると、キャパシタＣ１の負極電位側からインダクタンス素子１１２の両端に、キャパシタＣ１〜Ｃ４までの電圧が印加され、インダクタンス素子１１２に励磁電流が流れ始める。

次の瞬間にスイッチング素子１１１をオフにすると、急激な電流変化ができないインダクタンス素子１１２は極性を反転して電流を流し続け、その電流が整流ダイオード１１３を介してコンデンサ素子１１４に流れ込み、インダクタンス素子１１２に蓄えられた励磁エネルギーがコンデンサ素子１１４に電荷として蓄えられ、これが電源電圧ＶＤＤとして当該充電制御ユニット１１に供給される。

この場合、コンデンサ素子１１４から給電される電源電圧ＶＤＤは、最高電位に位置するキャパシタＣ４が逆充電される電圧によって決められる。ＩＣ（電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４）での消費電流はわずかであるため、上記電源電圧ＶＤＤを得る変換動作は通常のスイッチング電源動作と異なり、休止期間が長くときどき瞬間的に動作する間欠動作であってよい。なお、基準電圧ＶＳＳを得る降圧型の第２コンバータ１２０も極性が異なるだけで、動作は上記第１コンバータと同じであるため、その説明は省略する。

上記第２実施形態に係る充電制御ユニット１２においても、キャパシタ蓄電電源に含まれるキャパシタを放電深度の深いところまで使用したとしても、上記第１実施形態の充電制御ユニット１１と同様、その動作電圧を確実に確保することができるとともに、最高電位側および／または最低電位側のキャパシタが負電位となり、そのキャパシタが逆充電されるような場合でも、静電破壊防止用ダイオードが破壊されることがない。

次に、図３に示す第３実施形態に係る充電制御ユニット１３について説明する。この第３実施形態に係る充電制御ユニット１３は、上記第１，第２実施形態の充電制御ユニット１１，１２と同じく、ＩＣ化された電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４を備え、各電圧監視回路ＩＣ３１〜ＩＣ３４ごとに、電源電圧ＶＤＤと基準電圧（もしくはグランド電圧）ＶＳＳとの間に静電破壊防止用のダイオードＤ１〜Ｄ４が接続されるが、この第３実施形態では電流制限抵抗により静電破壊防止用ダイオードＤ１〜Ｄ４を保護する。

すなわち、当該充電制御ユニット１３が担当するキャパシタＣ１〜Ｃ４のうちの最高電位に位置するキャパシタＣ４の正極電位と電源電圧ＶＤＤとを第１電流制限抵抗Ｒ１１を介して接続するとともに、最低電位に位置するキャパシタＣ１の負極電位と基準電圧ＶＳＳとを第２電流制限抵抗Ｒ１２を介して接続する。

キャパシタＣを放電深度の深いところで使用した結果、例えば最高電位側のキャパシタＣ４が負電位となり、その電圧が静電破壊防止用ダイオードＤ１の順方向電圧を超えると、ダイオードＤ１に順方向電流が流れるが、この第３実施形態によれば、その順方向電流が第１電流制限抵抗Ｒ１１により制限されるため、ダイオードＤ１は破壊されない。最低電位側のキャパシタＣ１が負電位となった場合でも、上記と同様にしてダイオードＤ４が保護される。

以上図示の例に基づき本発明を説明したが、キャパシタ蓄電電源に上記第１実施形態の充電制御ユニット１１と上記第２実施形態，上記第３実施形態の充電制御ユニット１２，１３を併用することもできる。すなわち、多数のキャパシタが直列されているキャパシタ蓄電電源において、その両端に位置するキャパシタには上記第２，３実施形態の充電制御ユニット１２，１３を適用し、その他のキャパシタには上記第１実施形態の充電制御ユニット１１を適用する態様も本発明に含まれる。また、例えば特許文献４に記載されているＩＣ化された制御回路にも本発明を適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る制御ユニットを示す模式的な回路図。本発明の第２実施形態に係る制御ユニットを示す模式的な回路図。本発明の第３実施形態に係る制御ユニットを示す模式的な回路図。（ａ）従来の充電制御手段を示すブロック図，（ｂ）その内部構成を示す概略的な回路図。図４（ｂ）の充電制御回路をＩＣ化した充電制御ユニットの一例を示す回路図。特性が異なるキャパシタの充放電特性を示すグラフ。図５の充電制御ユニットをキャパシタ蓄電電源に使用するうえでの問題点を説明するための模式図。

符号の説明

１１，１２，１３充電制御ユニット
２１〜２４電流バイパス回路
１１０昇圧型第１コンバータ
１２０降圧型第２コンバータ
ＩＣ３１〜ＩＣ３４電圧監視回路
Ｄ１〜Ｄ４静電破壊防止用のダイオード
Ｃ（Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ１１〜Ｃ１４，Ｃ２１〜Ｃ２４，Ｃ３１〜Ｃ３４）キャパシタ
ＶＤＤ電源電圧
ＶＳＳ基準電圧
Ｒ１１，Ｒ１２電流制限抵抗

Claims

直列に接続された複数のキャパシタを含むキャパシタ蓄電電源を制御対象として、上記キャパシタの各々に並列的に接続される電流バイパス回路と、上記キャパシタの電圧を監視し充電時に上記電流バイパス回路を所定にオンオフ制御する電圧監視回路とを含むキャパシタ蓄電電源の制御装置において、
上記電流バイパス回路ごとに設けられる上記電圧監視回路をＩＣ化してなる複数の充電制御ユニットを含み、
上記充電制御ユニットの電源電圧ＶＤＤを電位的に直近の高電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタの正極電位から得るとともに、上記充電制御ユニットの基準電圧ＶＳＳを電位的に直近の低電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタの負極電位から得るＩＣ用電源回路を備えていることを特徴とするキャパシタ蓄電電源の制御装置。
上記電源電圧ＶＤＤを得る上記キャパシタが、上記高電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最低電位に位置するキャパシタで、上記基準電圧ＶＳＳを得る上記キャパシタが、上記低電位側充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最高電位に位置するキャパシタであることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ蓄電電源の制御装置。
直列に接続された複数のキャパシタを含むキャパシタ蓄電電源を制御対象として、上記キャパシタの各々に並列的に接続される電流バイパス回路と、上記キャパシタの電圧を監視し充電時に上記電流バイパス回路を所定にオンオフ制御する電圧監視回路とを含むキャパシタ蓄電電源の制御装置において、
上記電流バイパス回路ごとに設けられる上記電圧監視回路をＩＣ化してなる充電制御ユニットを含み、
上記充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最低電位に位置するキャパシタの負極電位から上記充電制御ユニットの電源電圧ＶＤＤを得る第１電圧変換手段と、上記充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最高電位に位置するキャパシタの正極電位から上記充電制御ユニットの基準電圧ＶＳＳを得る第２電圧変換手段とを含むＩＣ用電源回路を備えていることを特徴とするキャパシタ蓄電電源の制御装置。
上記第１電圧変換手段が極性を反転して昇圧する昇圧型のコンバータであり、上記第２電圧変換手段が極性を反転して降圧する降圧型のコンバータであることを特徴とする請求項３に記載のキャパシタ蓄電電源の制御装置。
直列に接続された複数のキャパシタを含むキャパシタ蓄電電源を制御対象として、上記キャパシタの各々に並列的に接続される電流バイパス回路と、上記キャパシタの電圧を監視し充電時に上記電流バイパス回路を所定にオンオフ制御する電圧監視回路とを含むキャパシタ蓄電電源の制御装置において、
上記電流バイパス回路ごとに設けられる上記電圧監視回路をＩＣ化してなり、そのＩＣ化された電圧監視回路ごとに、電源電圧ＶＤＤと基準電圧ＶＳＳとの間に接続される静電破壊防止用ダイオードを備える充電制御ユニットを含み、
上記充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最高電位に位置するキャパシタの正極電位と上記電源電圧ＶＤＤとの間，および上記充電制御ユニットが担当するキャパシタのうちの最低電位に位置するキャパシタの負極電位と上記基準電圧ＶＳＳとの間の各々に、上記静電破壊防止用ダイオードに流れる順方向電流を所定値以下に制限する電流制限抵抗を接続してなることを特徴とするキャパシタ蓄電電源の制御装置。
上記キャパシタが電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のキャパシタ蓄電電源の制御装置。