JP2008092660A

JP2008092660A - 蓄電回路

Info

Publication number: JP2008092660A
Application number: JP2006270390A
Authority: JP
Inventors: Yasusuke Mitani; 庸介三谷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2026-10-02
Also published as: JP5250953B2

Abstract

【課題】蓄電素子の不要放電を抑制し、かつ高信頼性が得られる蓄電回路を提供することを目的とする。
【解決手段】複数の蓄電素子１に並列に接続したバランス回路３と、蓄電素子１の電圧検出とバランス回路３の動作制御を行うための電圧モニタ用選択スイッチ９、バランス回路用選択スイッチ１１、及び制御回路１３と、これらに電力を供給するスイッチ素子１９とからなり、蓄電回路５７の動作中は、外部の充放電回路６３により蓄電素子ユニット２を充電する際に制御回路１３が電圧モニタ用選択スイッチ９及びバランス回路用選択スイッチ１１でもって蓄電素子１の電圧バランスが一定になるように制御し、蓄電回路５７が停止した時は、外部からの起動信号Ｗａｋｅによりスイッチ素子１９をオンにして制御回路１３により蓄電素子１の電圧バランスを一定にし、一定になればスイッチ素子１９をオフにするようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力を充放電する蓄電素子を用いた蓄電回路に関するものである。

近年、環境への配慮や燃費向上のために停車時にエンジン駆動を停止するアイドリングストップ機能や、エンジン負荷を軽減するための電動パワーステアリングを搭載した自動車が市販されている。また、エンジン駆動を積極的に補うためのハイブリッドシステムや電動ターボシステム等が今後普及してくるものと予測される。さらに、車両の制動についても、従来の機械的な油圧制御から電気的な油圧制御への各種の提案がなされてきている。

このように、今後自動車が必要とする電力は極めて増大する傾向にあるが、従来の電力供給源であるバッテリだけでは、瞬発的な大電力供給が困難であるので十分に電力が賄えなかったり、バッテリが異常になった時、システムが動作しなくなる等の可能性があった。

これに対し、バッテリ異常時も含めて十分に電力を供給できる補助電源としての蓄電回路が、例えば特許文献１に提案されている。

図４はこのような蓄電回路の概略回路図である。蓄電素子には大容量の電気二重層コンデンサからなるコンデンサセル１１０を用いている。これらを複数個直列に接続してコンデンサパック１１２が構成されている。コンデンサパック１１２にはバッテリ等の電源が接続されているので、この電源によりコンデンサセル１１０が充電される構成となる。

各コンデンサセル１１０には、その両端電圧のバランスを取るために例えばバランス抵抗器１１４のような負荷が並列に接続されている。各コンデンサセル１１０と各バランス抵抗器１１４の間にはリレースイッチ１１６が接続されている。リレースイッチ１１６はスイッチ部分を形成する常開型のリレー接点１１６ａとスイッチ部分を駆動する電磁コイル１１６ｂから構成されている。各電磁コイル１１６ｂは電源とグランド間に並列に接続され、電源側にアクセサリスイッチ１１８が接続された構成としている。従って、アクセサリスイッチ１１８をオンにすれば、全ての電磁コイル１１６ｂが駆動しリレースイッチ１１６がオンになる。

次に、このような蓄電回路の概略動作を説明する。

車両を起動すると、イグニションキーによりアクセサリスイッチ１１８がオンになる。その結果、上記したように全リレースイッチ１１６がオンになり、コンデンサセル１１０とバランス抵抗器１１４が並列接続される。従って、各コンデンサセル１１０には電源が印加され、充電が開始されるとともに、バランス抵抗器１１４が接続された状態となるので、各コンデンサセル１１０の両端電圧が等しくなるように自動的に調整される。これにより、コンデンサセル１１０への過充電を防止し長寿命化を図ることが可能となる。

次に、車両を停止すると、アクセサリスイッチ１１８がオフになる。これにより、全リレースイッチ１１６がオフになり、コンデンサセル１１０とバランス抵抗器１１４の接続が断たれる。その結果、各コンデンサセル１１０は配線から独立するので、車両停止前までに充電していた電荷を保持した状態となる。これにより、コンデンサセル１１０からの不要な放電を防止し、長期に渡って蓄電し続ける。このような動作によって、エンジン再始動時に備えた電力供給が可能となる。
特開平１０−２０１０９１号公報

上記の蓄電回路によると、確かにコンデンサセル１１０の過充電を防止し長寿命化を図ったり、車両停止時のコンデンサセル１１０の不要放電を抑えエンジン再始動時に電力供給ができるのであるが、車両停止時に蓄電したままコンデンサセル１１０を長時間放置すると自然放電を起こし、両端電圧は徐々に下がっていく。この時、コンデンサセル１１０には特性のバラツキがあるため、自然放電によるコンデンサセル１１０の両端電圧もばらつくことになる。この状態で車両を起動すると、リレースイッチ１１６がオンになりバランス抵抗器１１４がコンデンサセル１１０と接続されることにより、ばらついたコンデンサセル１１０の両端電圧がバランス抵抗器１１４により自動的に一定値に調整されるのであるが、車両を長時間放置した場合、コンデンサセル１１０の自己放電のバラツキ幅によっては、車両起動時の電圧バランスが取れて一定になるまでの時間（以下、バランス時間という）が数時間のオーダーと長くなってしまう。その間に一部のコンデンサセル１１０は過電圧状態となるものがあり、それにより寿命が短くなるため、信頼性が低下する可能性があった。

これを回避するためには車両使用終了後の停止時に間欠的に電圧バランスを取る構成とすればよい。これに対し、従来の蓄電回路では停止時に車室内に設けた押釦スイッチ（図示せず）により手動で操作する例が記載されているが、長期間の停止時に手動で電圧バランスを一定にするのは極めて困難であるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、蓄電素子の不要放電を抑制し、かつ自動的に間欠的な電圧バランス動作を行うことにより高信頼性が得られる蓄電回路を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄電回路は、バランス回路を備えるとともに電力の充放電を行う複数の蓄電素子からなる蓄電素子ユニットと、このバランス回路に接続された電圧モニタ用選択スイッチ及びバランス回路用選択スイッチを介して前記蓄電素子の電圧を制御する制御回路と、外部からの起動信号を受信してオンオフ制御するスイッチ素子とからなる蓄電回路であって、前記蓄電回路の動作中は、外部に設けた充放電回路により前記蓄電素子ユニットを充電する際に前記制御回路が前記電圧モニタ用選択スイッチ及び前記バランス回路用選択スイッチでもって前記蓄電素子の電圧バランスが一定になるように制御し、前記蓄電回路が停止した時は、外部からの前記起動信号により前記スイッチ素子をオンにし、前記制御回路を通じて前記電圧モニタ用選択スイッチ及び前記バランス回路用選択スイッチを制御して前記蓄電素子の電圧バランスを一定にし、前記電圧バランスが一定になれば前記制御回路は前記スイッチ素子をオフにするようにしたものである。

これにより、使用終了時は電圧モニタ用選択スイッチ、バランス回路用選択スイッチ、及び制御回路に電力が供給されないため、スイッチ手段がオフになるが、停止時において外部から間欠的に送信される起動信号により電圧モニタ用選択スイッチ、バランス回路用選択スイッチ、及び制御回路に電力が供給され、蓄電素子の電圧バランスを取ることができる。その結果、前記目的を達成することができる。

本発明の蓄電回路によれば、停止時に蓄電素子の電力を消費しないので蓄電素子の不要放電を抑制でき、かつ間欠的に電圧バランスを一定にするので、車両起動時における蓄電素子の過電圧状態がなくなり高信頼性を確保可能な蓄電回路が実現できる。

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参照しながら説明する。なお、ここでは蓄電回路を車両に適用した場合について述べる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における蓄電回路のブロック回路図である。

図１において、電力の充放電を行う蓄電素子１は電気二重層キャパシタからなり、これを複数個直列に接続して蓄電素子ユニット２を構成している。蓄電素子１にはそれぞれ並列にバランス回路３が接続されている。バランス回路３はトランジスタからなるスイッチ手段５と抵抗器７を直列に接続した回路から構成される。このため、スイッチ手段５をオンにすると蓄電素子１の両端に抵抗器７が接続されたことになり、抵抗器７による放電の結果、蓄電素子１の電圧を下げる方向に制御することができる。

バランス回路３には、その一端の電圧Ｖ１〜Ｖｎ（ｎは蓄電素子１の数＋１）を選択する電圧モニタ用選択スイッチ９が接続されている。電圧モニタ用選択スイッチ９は例えばマルチプレクサで構成され、どの電圧Ｖ１〜Ｖｎを選択するかを示す電圧選択信号ＳＬＶにより、電圧Ｖ１〜Ｖｎのいずれかを選択する機能を有する。さらに、電圧モニタ用選択スイッチ９は電源電圧（本実施の形態１ではＤＣ５Ｖとした）の供給が断たれると、電圧Ｖ１〜Ｖｎのいずれも選択しない状態となるフローティング構成を有する。これにより、停止時に電圧モニタ用選択スイッチ９の電源がオフになると、各バランス回路３の両端は全て電圧モニタ用選択スイッチ９で絶縁されることになるので、電圧モニタ用選択スイッチ９を経由して蓄電素子１が放電されることを防止できる。

前記それぞれのスイッチ手段５のオンオフ制御端子（本実施の形態１ではトランジスタのベース端子）にはバランス回路用選択スイッチ１１が接続されている。バランス回路用選択スイッチ１１も例えばマルチプレクサで構成され、どのスイッチ手段５を選択するかを示すスイッチ手段選択信号ＳＬＢにより任意のスイッチ手段５を選択し、選択されたスイッチ手段５に制御回路（後述する）で作られたオン信号Ｈｉを伝達する機能を有する。これにより、蓄電素子１の電圧バランス状態に応じて任意のバランス回路３を動作させることが可能となるので、各蓄電素子１に対して個別に電圧バランスを取ることができる。

電圧モニタ用選択スイッチ９とバランス回路用選択スイッチ１１には制御回路１３が接続されている。制御回路１３は、マイクロコンピュータ、及びオン信号Ｈｉ等の各種信号を生成したり送受信を行う周辺回路（いずれも図示せず）で構成され、前記したように電圧モニタ用選択スイッチ９の電圧選択信号ＳＬＶ、バランス回路用選択スイッチ１１のスイッチ手段選択信号ＳＬＢ、オン信号Ｈｉを送信するとともに、電圧モニタ用選択スイッチ９が選択した電圧（Ｖ１〜Ｖｎのいずれか）を２個の抵抗器１５、１７で抵抗分割した際の中点電圧とした電圧信号Ｖｉｎを受信する。従って、電圧信号Ｖｉｎは電圧Ｖｉ（ｉ＝１〜ｎ）に比例した値となる。制御回路１３には他にも送受信のための端子が設けられているが、それらについては順次説明する。

電圧モニタ用選択スイッチ９、バランス回路用選択スイッチ１１、及び制御回路１３の駆動電力（電圧はいずれもＤＣ５Ｖとした）は、スイッチ素子１９がオン動作を行うことにより供給される。スイッチ素子１９のオンオフ動作は後述する外部からの起動信号Ｗａｋｅ、または制御回路１３の電力制御信号Ｌｏによって制御される。

スイッチ素子１９は例えばＰチャネルＭＯＳＦＥＴから構成されており、そのソース端子Ｓには蓄電素子１の最高電圧Ｖ１に接続されている。さらに、ソース端子Ｓには第１抵抗器２１がゲート端子Ｇとの間に接続されている。また、ゲート端子Ｇは第２抵抗器２３を介して制御回路１３に接続されている。一方、ドレイン端子Ｄには逆流防止用のダイオード２５を介して一定電圧（ＤＣ５Ｖ）を生成するレギュレータ２７が接続されている。これにより、電圧Ｖ１からＤＣ５Ｖの定電圧が得られ、電圧モニタ用選択スイッチ９、バランス回路用選択スイッチ１１、及び制御回路１３の駆動電圧入力端子２９に供給される。従って、ＤＣ５Ｖの電圧供給はスイッチ素子１９のオンオフにより制御されることになる。

制御回路１３と第２抵抗器２３の接続点には起動用絶縁型信号伝達手段３１が接続されている。起動用絶縁型信号伝達手段３１は例えばフォトカプラで構成され、そのうちフォトトランジスタ３３のコレクタ側に制御回路１３と第２抵抗器２３の接続点が接続されている。また、フォトトランジスタ３３のエミッタ側はグランドに接続されている。

一方、起動用絶縁型信号伝達手段３１の発光ダイオード３５のアノード側には外部制御回路３７が接続されている。外部制御回路３７は制御回路１３と同様にマイクロコンピュータと周辺回路から構成され、蓄電素子ユニット２の充放電制御等を含む車両制御に用いられる。この外部制御回路３７から発光ダイオード３５へは起動信号Ｗａｋｅが送信される。なお、発光ダイオード３５のカソード側は抵抗器３９を介してグランドに接続される。

外部制御回路３７は制御回路１３と同様にＤＣ５Ｖの定電圧で駆動するが、この電源は車両に搭載された低電圧系（例えばＤＣ１２Ｖ）のバッテリ４１の出力電圧をレギュレータ４２でＤＣ５Ｖに変換して供給している。従って、制御回路１３とは独立した電源から電力を得ていることになる。なお、バッテリ４１にはバッテリ用イグニションスイッチ４３を介して低電圧負荷４４が接続されている。なお、バッテリ用イグニションスイッチ４３はイグニションのオンオフ状態を示すイグニション信号ＩＧを送信する機能を有しており、図１の構成では、外部制御回路３７と後述する主電源用イグニションスイッチにイグニション信号ＩＧを送信している。

外部制御回路３７と制御回路１３は相互にデータの送受信を行っている。まず、制御回路１３から外部制御回路３７への送信は、データ送信用絶縁型信号伝達手段４５により行われている。データ送信用絶縁型信号伝達手段４５の構成は起動用絶縁型信号伝達手段３１の構成と同じであるが、フォトトランジスタ４７と発光ダイオード４９の位置が反転している。

具体的なデータ送信方法は次の通りである。まず、制御回路１３から蓄電素子１の電圧データ等をデータ信号Ｄｏｕｔとして発光ダイオード４９に送信する。これを受け、フォトトランジスタ４７がデータ信号に応じてオンオフすることで電気信号に戻し、データ信号Ｄｉｎとして外部制御回路３７に入力される。

同様に、制御回路１３への外部制御回路３７からの受信は、データ受信用絶縁型信号伝達手段５１により行われている。データ受信用絶縁型信号伝達手段５１の構成は起動用絶縁型信号伝達手段３１の構成と同じである。

具体的なデータ受信方法は次の通りである。まず、外部制御回路３７から蓄電素子１の電圧データ送信要求等のデータをデータ信号Ｄｏｕｔとして発光ダイオード５３に送信する。これを受け、フォトトランジスタ５５がデータ信号に応じてオンオフすることで電気信号に戻し、データ信号Ｄｉｎとして制御回路１３に入力される。このような制御により、制御回路１３と外部制御回路３７の送受信を行っている。

以上までで説明した構成部品の内、図１の太点線で囲まれた部品により蓄電回路５７が構成される。また、蓄電回路５７には、蓄電素子１への充電電力源である主電源５９が、主電源用イグニションスイッチ６１、及び蓄電素子１の充放電回路６３を介して接続されている。ここで、主電源５９は高電圧系の二次電池（例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池）で構成されている。従って、主電源用イグニションスイッチ６１の出力には、例えばスタータや、ハイブリッド自動車の車両駆動用モーター等の高電圧系の負荷６５も接続されている。また、充放電回路６３は外部制御回路３７により制御されるので、充放電制御信号ｃｏｎｔを送信するための配線が両者間に接続されている。なお、充放電回路６３は停止時には入出力間が完全にオフになる構成としている。また、主電源用イグニションスイッチ６１はバッテリ用イグニションスイッチ４３からのイグニション信号ＩＧに応じてオンオフ制御されるので、そのための配線が両者間に接続されている。

なお、蓄電回路５７のグランドは、それ以外の構成部品のグランドと独立した構成としている（図１のグランド記号を両者で別のものとして示している）。これにより、起動用絶縁型信号伝達手段３１、データ送信用絶縁型信号伝達手段４５、及びデータ受信用絶縁型信号伝達手段５１の使用と相まって、蓄電回路５７は他の回路構成から独立していることになる。その結果、例えば蓄電回路５７が故障した時に、極めて容易に良品の蓄電回路５７との交換が可能となる。

さらに、本実施の形態１では蓄電回路５７を１つだけ設けた構成を示したが、これは負荷６５が必要とする電力仕様に応じて蓄電回路５７を複数個設け、１つの外部制御回路３７で制御する構成としてもよい。この場合、蓄電回路５７は他の回路構成から独立しているので、極めて容易な構成で複数の蓄電回路５７を接続することができる。

次に、このような蓄電回路５７の動作について説明する。

まず、車両を起動するために、バッテリ用イグニションスイッチ４３をオンにする。これにより、低電圧負荷４４に電力が供給されるとともに、主電源用イグニションスイッチ６１もオンになり、負荷６５に電力が供給されるので、例えばスタータが動作してエンジンを駆動することにより車両の起動が行われる。これと同時に外部制御回路３７にはバッテリ用イグニションスイッチ４３からオン状態を示すイグニション信号ＩＧが送信される。これにより、充放電制御信号ｃｏｎｔを充放電回路６３に送信し、蓄電回路５７の蓄電素子１への充電を開始するよう指令する。

さらに、外部制御回路３７は蓄電回路５７を起動するために、起動信号Ｗａｋｅを送信する。これにより、起動用絶縁型信号伝達手段３１の発光ダイオード３５がオンとなり、フォトトランジスタ３３もオンになる。

ここで、フォトトランジスタ３３がオンになるまでは、充放電回路６３の入出力間が完全にオフのため、スイッチ素子１９のソース端子Ｓには蓄電素子１の最高電圧Ｖ１が印加されている。ソース端子Ｓは第１抵抗器２１を介してゲート端子Ｇに接続されるとともに、ゲート端子Ｇは第２抵抗器２３を介して制御回路１３に接続されているが、制御回路１３が駆動していない時は、第２抵抗器２３と制御回路１３の接続点が電気的に浮いた状態になる構成としている。従って、ソース端子Ｓとゲート端子Ｇが等電圧Ｖ１となるので、スイッチ素子１９はオフの状態である。

この時にフォトトランジスタ３３がオンになると、第２抵抗器２３と制御回路１３の接続点はフォトトランジスタ３３を介してグランドに接続されることになる。その結果、ソース端子Ｓの電圧Ｖ１に対しゲート端子Ｇの電圧は第１抵抗器２１と第２抵抗器２３の抵抗値に応じた電圧、すなわち電圧Ｖ１より低い電圧になる。これにより、ゲート端子Ｇにオン信号が入力されることになるので、スイッチ素子１９はオンになる。ゆえに、電圧Ｖ１がダイオード２５を介してレギュレータ２７に印加されるので、レギュレータ２７は一定電圧（ＤＣ５Ｖ）を出力する。この電圧は制御回路１３、電圧モニタ用選択スイッチ９、及びバランス回路用選択スイッチ１１に供給され、蓄電回路５７が起動する。これにより、制御回路１３はスイッチ素子１９を常時オンにして一定電圧を供給し続けるため、第２抵抗器２３と制御回路１３の接続点の電圧がグランドレベルを維持するように、電力制御信号Ｌｏをグランドレベルにする。

その後、蓄電素子１は充放電回路６３を介して主電源５９の電力で充電される。この際に外部制御回路３７は電圧データ送信要求信号Ｄｏｕｔを蓄電回路５７に送信する。これにより、制御回路１３は電圧モニタ用選択スイッチ９に電圧選択信号ＳＬＶを送信する。電圧モニタ用選択スイッチ９は電圧選択信号ＳＬＶで指定された電圧（Ｖ１〜Ｖｎの内のいずれか）を選択し、その電圧信号Ｖｉｎを制御回路１３が読み込む。このような動作を繰り返し、全ての電圧Ｖ１〜Ｖｎのデータを読み込む。全ての電圧データは制御回路１３からデータ信号Ｄｏｕｔとしてデータ送信用絶縁型信号伝達手段４５を介して外部制御回路３７に送信される。外部制御回路３７は得られた電圧データから、満充電になるまで最適な条件になるように充放電回路６３を制御しながら蓄電素子１を充電し続ける。

蓄電素子１が満充電になれば、外部制御回路３７は充放電回路６３に充電を停止する指令を出す。これにより、蓄電回路５７の起動が完了する。

次に、大電流を消費する負荷６５が動作したとする。これにより、主電源５９は電圧降下を起こし、負荷６５に安定した電圧で電力を供給できなくなる。そこで、電圧降下の分を補償するように蓄電素子１の電力が充放電回路６３を介して負荷６５に供給される。その結果、電圧降下が発生しても負荷６５には安定した電圧を供給し続けることができる。

大電流の消費が終了すると、主電源５９の電圧は戻るので、その後、再度蓄電素子１を満充電にして次の電圧降下の補償に備えている。

このように、蓄電回路５７の動作中において充放電回路６３により蓄電素子ユニット２を充電する際に、制御回路１３は電圧モニタ用選択スイッチ９、及びバランス回路用選択スイッチ１１でもって蓄電素子１の電圧バランスが一定になるように制御する。

次に、車両の使用を終了し、バッテリ用イグニションスイッチ４３をオフにした場合について説明する。これにより、主電源用イグニションスイッチ６１もオフになるので、負荷６５への電力供給が断たれるとともに、イグニションのオフ状態を示すイグニション信号ＩＧが外部制御回路３７に送信される。なお、外部制御回路３７は停止時においても必要最低限の制御を行うために、バッテリ４１の電力がレギュレータ４２を通して常に供給されている。これにより、外部制御回路３７は充放電制御信号ｃｏｎｔを送信して、充放電回路６３の入出力間を完全にオフにするよう指令を出す。その結果、蓄電素子１は主電源５９の配線系統とは独立した状態になる。従って、蓄電素子１の不要放電が抑制される。

この時点では、まだ制御回路１３は蓄電素子１の電力により駆動し続けているので、これを停止するために第２抵抗器２３と制御回路１３の接続点を電気的に浮かせる。その結果、前記したようにスイッチ素子１９のソース電圧とゲート電圧が等しくなるので、スイッチ素子１９がオフになり、制御回路１３、電圧モニタ用選択スイッチ９、及びバランス回路用選択スイッチ１１が全てオフになる。これにより、電圧モニタ用選択スイッチ９はフローティング構成であるので、電圧Ｖ１〜Ｖｎのいずれも選択しない。さらに、起動用絶縁型信号伝達手段３１、データ送信用絶縁型信号伝達手段４５、及びデータ受信用絶縁型信号伝達手段５１はいずれも外部制御回路３７の配線系統と直接接続されていない。これらのことから、蓄電素子１は電気的に浮いた状態になるので、不要な放電を行わない。

この状態で車両を放置すると、蓄電素子１に接続された回路からの放電は極めて抑制されているものの、蓄電素子１の内部抵抗に起因した自己放電が起こる。これにより、蓄電素子１の両端電圧は徐々に低下していくが、この時、蓄電素子１の内部抵抗バラツキにより電圧低下速度に差が発生し、蓄電素子１の両端電圧値にバラツキが発生する。そこで、バラツキを低減するために、以下の電圧バランス動作を既定条件毎（例えば１日１回毎など）に自動的に行うようにしている。

外部制御回路３７は常に動作しているので、外部制御回路３７が既定時間の計測を行う。既定時間が経過すると、外部制御回路３７は起動信号Ｗａｋｅを発する。これにより、制御回路１３は起動信号Ｗａｋｅを受信し、前記した蓄電回路５７の起動時と全く同じ動作を行うことにより、スイッチ素子１９がオンになる。その結果、蓄電素子１の電力がレギュレータ２７により一定電圧（ＤＣ５Ｖ）に安定化され、蓄電回路５７が起動する。

次に、制御回路１３は電圧モニタ用選択スイッチ９を制御して電圧Ｖ１〜Ｖｎを検出する。その方法も前記した蓄電回路５７の起動時と全く同じである。制御回路１３は得られた電圧データから各蓄電素子１の両端電圧を求め、バランス回路用選択スイッチ１１を制御して両端電圧が高い蓄電素子１のバランス回路３を動作させる。具体的には、まずバランス回路用選択スイッチ１１で対象となる蓄電素子１のスイッチ手段５を選択するためのスイッチ手段選択信号ＳＬＢを送信する。これにより、バランス回路用選択スイッチ１１は選択されたスイッチ手段５にスイッチ手段オン信号Ｔｒｉ（ｉ＝１〜ｎ−１）を送信する。その結果、選択されたスイッチ手段５がオンになり、抵抗器７を通して蓄電素子１の電力が放電され電圧が低下していく。

このような動作を繰り返し、全ての蓄電素子１の両端電圧が等しくなれば電圧バランスが一定となるので、電圧バランス動作を完了する。この時も前記した車両使用終了時と同様に、制御回路１３が第２抵抗器２３との接続点を電気的に浮かすことでスイッチ素子１９をオフにする。これにより、蓄電回路５７の動作を停止し、停止時と同じ状態になる。

このようにして間欠的に蓄電素子１の電圧バランスを一定にするので、車両の起動時に電圧バランスが崩れた状態で充電することによる蓄電素子１への過電圧の可能性を低減することができ、高信頼性が得られる。

但し、電圧検出動作により蓄電素子１の電圧が過放電になれば、制御回路１３はデータ送信用絶縁型信号伝達手段４５を介して過放電信号を外部制御回路３７に送信する。同時に、蓄電素子１の短寿命化を避けるため、電圧バランス動作を停止する。外部制御回路３７は過放電信号を受信することにより、以後の既定時間毎の起動信号Ｗａｋｅを送信せず、車両起動時に過放電であることを運転者に警告することで信頼性を確保している。

以上の構成、動作により、停止時の蓄電素子１の不要放電を極力抑制するとともに、自動的に間欠的な電圧モニタ動作、及び電圧バランス動作を行うことにより過電圧や過放電の可能性を低減し高信頼性が得られる蓄電回路を実現できた。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における蓄電回路のブロック回路図である。

図２において、図１と同じ構成要素には同じ番号を付して詳細な説明は省略する。すなわち、図２の構成の特徴となる部分は以下の通りである。

１）制御回路１３の駆動電圧入力端子２９に蓄電部品７３を接続した。

２）蓄電部品７３の電力により、制御回路１３は停止時に省電力状態を維持するようにした。なお、蓄電部品７３は制御回路１３が省電力状態を約１ヶ月維持できる容量値とした。

３）それに伴い、外部制御回路３７から発せられた起動信号Ｗａｋｅが制御回路１３の起動端子７５に伝達される構成とした。そのために、フォトトランジスタ３３のコレクタ端子をレギュレータ２７の出力に接続するとともに、フォトトランジスタ３３のエミッタ端子に抵抗器７７を接続し、エミッタ端子と抵抗器７７の接続点を制御回路１３の起動端子７５に接続した。

４）制御回路１３により電圧モニタ用選択スイッチ９とバランス回路用選択スイッチ１１への電力をオンオフ制御する選択スイッチ用電源スイッチ７９を設けた。

上記以外の構成は、実施の形態１と同じである。なお、蓄電部品７３はコンデンサでも二次電池でもよいが、本実施の形態２では容量値が数ファラッドのコンデンサを用いた。

次に、このような構成の蓄電回路５７の動作について、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

まず、車両起動によりバッテリ用イグニションスイッチ４３をオンにすると、主電源用イグニションスイッチ６１がオンになりエンジンが駆動するとともに、外部制御回路３７が充放電制御信号ｃｏｎｔを充放電回路６３に送信し、蓄電素子１への充電を開始するよう指令する。この動作は実施の形態１と同じである。

ここで、フォトトランジスタ３３がオンになるまでは、制御回路１３は省電力状態にある。この時の制御回路１３への駆動電圧は蓄電部品７３から供給されている。すなわち、省電力状態の制御回路１３は消費電流が極めて小さいので、容量値が数ファラッドの蓄電部品７３でも十分駆動できる。また、省電力状態の時は、制御回路１３はスイッチ素子１９と選択スイッチ用電源スイッチ７９をオフにしている上、フォトトランジスタ３３、５５はオフであるので、蓄電部品７３の電力は制御回路１３にのみ供給されることになる。これにより、蓄電部品７３で長期間（約１ヶ月）制御回路１３を駆動できる。

この時にフォトトランジスタ３３がオンになると、蓄電部品７３からの電流が抵抗器７７を通してグランドへ流れるので、フォトトランジスタ３３のエミッタ端子に電圧が発生する。これが起動信号Ｗａｋｅに相当するので、制御回路１３の起動端子７５に入力されることにより、制御回路１３は省電力状態から通常動作モードに戻り起動する。これにより、制御回路１３は実施の形態１と同様に電力制御信号Ｌｏをグランドレベルにすることにより、直ちにスイッチ素子１９をオンにする。その結果、電圧Ｖ１がレギュレータ２７でＤＣ５Ｖに変換されて制御回路１３の駆動電圧入力端子２９に入力される。従って、以降は安定した電圧が供給されることになる。これと同時に、蓄電部品７３にも制御回路１３の省電力状態により消費された電力が蓄えられ満充電になるので、次の省電力状態に備えることができる。

さらに、制御回路１３は選択スイッチ電源信号ＳＰを送信することで、選択スイッチ用電源スイッチ７９をオンにする。その結果、電源モニタ用選択スイッチ９とバランス回路用選択スイッチ１１に電源が供給される。

このような動作により、蓄電回路５７が起動する。その後の動作は実施の形態１と同じであり、各蓄電素子１の電圧をモニタしながら充放電回路６３を制御して蓄電素子１を充電する。蓄電素子１が満充電になれば、外部制御回路３７は充放電回路６３に充電を停止する指令を出す。これにより、蓄電回路５７の起動が完了する。

次に、大電流を消費する負荷６５が動作すると、主電源５９の電圧降下を補償するように蓄電素子１の電力が充放電回路６３を介して負荷６５に供給される。その結果、電圧降下が発生しても負荷６５には安定した電圧を供給し続けることができる。大電流の消費が終了すると、主電源５９の電圧は戻るので、その後、蓄電素子１を再度満充電にして次の電圧降下の補償に備える。

このような充放電回路６３による蓄電素子ユニット２の充電時に、制御回路１３は電圧モニタ用選択スイッチ９、及びバランス回路用選択スイッチ１１でもって蓄電素子１の電圧バランスが一定になるように制御する。

次に、車両の使用終了時について説明する。バッテリ用イグニションスイッチ４３をオフにすると、主電源用イグニションスイッチ６１もオフになり、負荷６５への電力供給が断たれるとともに、イグニションのオフ状態を示すイグニション信号ＩＧが外部制御回路３７に送信される。これにより、外部制御回路３７は充放電制御信号ｃｏｎｔを送信して、充放電回路６３の入出力間を完全にオフにするよう指令を出す。その結果、蓄電素子１は主電源５９の配線系統とは独立した状態になる。従って、蓄電素子１の不要放電が抑制される。

この時点では、まだ制御回路１３は蓄電素子１の電力により駆動し続けているので、これを停止するために電力制御信号Ｌｏを電気的に浮かせるように設定することでスイッチ素子１９をオフにする。同時に選択スイッチ用電源スイッチ７９もオフにする。その結果、実施の形態１と同様に蓄電素子１は電気的に浮いた状態になるので、不要な放電を行わない。その後、制御回路１３は蓄電部品７３の電力供給を受けながら省電力状態に入り、それを維持する。

この状態で車両を放置すると、実施の形態１で説明した理由により蓄電素子１の両端電圧値にバラツキが発生するので、バラツキを低減するために、以下の電圧バランス動作を既定条件毎（例えば１日１回毎など）に自動的に行うようにしている。

外部制御回路３７は既定時間が経過すると起動信号Ｗａｋｅを発する。これにより、制御回路１３は起動信号Ｗａｋｅを受信し、前記した蓄電回路５７の起動時と全く同じ動作を行うことにより、通常動作モードに戻る。これにより、制御回路１３はスイッチ素子１９と選択スイッチ用電源スイッチ７９をオンにする。その結果、蓄電素子１の電力がレギュレータ２７により一定電圧（ＤＣ５Ｖ）に安定化され、蓄電回路５７が起動する。

次に、制御回路１３は実施の形態１と全く同じ方法で電圧モニタ用選択スイッチ９を制御して電圧Ｖ１〜Ｖｎを検出し、バランス回路用選択スイッチ１１を制御して両端電圧が高い蓄電素子１のバランス回路３を動作させる。これにより、蓄電素子１の電力が放電され電圧が低下していく。このような動作を繰り返し、電圧バランスが一定になれば電圧バランス動作を完了する。その後の動作は前記した車両使用終了時と同様である。これにより、制御回路１３が省電力状態となり、蓄電回路５７は停止時と同じ状態になる。

このようにして間欠的に蓄電素子１の電圧バランスを取るので、車両の起動時に電圧バランスが崩れた状態で充電することによる蓄電素子１の過電圧の可能性を低減することができ、高信頼性が得られる。

なお、蓄電素子１の過放電を検出すれば、実施の形態１と同様に制御回路１３が過放電信号を外部制御回路３７に送信するとともに、電圧バランス動作を停止することで信頼性を確保している。

なお、本実施の形態２は実施の形態１に比べ、蓄電部品７３や選択スイッチ用電源スイッチ７９等が必要となり若干構成が複雑になるものの、停止時に制御回路１３が実施の形態１のように完全にオフにならず省電力状態を維持しているので、起動信号Ｗａｋｅにより迅速に起動することができる。

また、実施の形態１、２では蓄電素子１が直列になるように接続したが、これは必要とされる電力仕様に応じて、直並列接続としてもよい。この場合の蓄電素子１とバランス回路３の接続回路図を図３（ａ）、（ｂ）に示す。

まず、図３（ａ）はバランス回路３に対して蓄電素子１を３個並列に接続した場合を示す。この場合、蓄電素子１は全体に直並列接続であるが、そのうちの並列接続部分の３個の蓄電素子１の両端電圧は等しくなるので、バランス回路３はそれぞれの蓄電素子１に接続する必要はなく、並列接続により両端電圧が等しくなる蓄電素子１のいずれかに接続すればよい。

次に、図３（ｂ）はバランス回路３に対して蓄電素子１を３個並列に接続したものを２段直列に接続した場合を示す。この場合は、蓄電素子１全体の直並列接続の内、直列接続部分で蓄電素子１の両端電圧が異なるものの、蓄電素子１のバラツキが少なければ直列接続して用いた場合においてもバラツキ幅が小さくなるので、それぞれの蓄電素子１にバランス回路３を接続する必要はない。従って、図３（ｂ）に示すように例えば６個毎にバランス回路３を接続してもよい。

このようにバランス回路３は必ずしも各々の蓄電素子１に接続する必要はなく、複数の蓄電素子１を１つのまとまりとしてそれ毎にバランス回路３を接続してもよい。

また、実施の形態１、２では車両用の補助電源としての蓄電回路を例に説明したが、車両用に限らず一般の非常用バックアップ電源等にも適用可能である。

本発明にかかる蓄電回路は停止時における蓄電素子の不要放電の抑制と、過電圧や過放電の防止による高信頼性が得られるので、特に車両用の補助電源や非常用バックアップ電源の蓄電回路等として有用である。

本発明の実施の形態１における蓄電回路のブロック回路図本発明の実施の形態２における蓄電回路のブロック回路図本発明の実施の形態２における蓄電回路の蓄電素子の接続回路図であり、（ａ）バランス回路に対し蓄電素子を並列接続した場合の接続回路図、（ｂ）バランス回路に対し蓄電素子を直並列接続した場合の接続回路図従来の蓄電回路の概略回路図

符号の説明

１蓄電素子
２蓄電素子ユニット
３バランス回路
５スイッチ手段
７抵抗器
９電圧モニタ用選択スイッチ
１１バランス回路用選択スイッチ
１３制御回路
１９スイッチ素子
３１起動用絶縁型信号伝達手段
４５データ送信用絶縁型信号伝達手段
５１データ受信用絶縁型信号伝達手段
５７蓄電回路
７３蓄電部品
７９選択スイッチ用電源スイッチ

Claims

バランス回路を備えるとともに電力の充放電を行う複数の蓄電素子からなる蓄電素子ユニットと、このバランス回路に接続された電圧モニタ用選択スイッチ及びバランス回路用選択スイッチを介して前記蓄電素子の電圧を制御する制御回路と、外部からの起動信号を受信してオンオフ制御するスイッチ素子とからなる蓄電回路であって、
前記蓄電回路の動作中は、外部に設けた充放電回路により前記蓄電素子ユニットを充電する際に前記制御回路が前記電圧モニタ用選択スイッチ及び前記バランス回路用選択スイッチでもって前記蓄電素子の電圧バランスが一定になるように制御し、前記蓄電回路が停止した時は、外部からの前記起動信号により前記スイッチ素子をオンにし、前記制御回路を通じて前記電圧モニタ用選択スイッチ及び前記バランス回路用選択スイッチを制御して前記蓄電素子の電圧バランスを一定にし、前記電圧バランスが一定になれば前記制御回路は前記スイッチ素子をオフにするようにした蓄電回路。
前記制御回路の駆動電圧入力端子に接続された蓄電部品と、前記電圧モニタ用選択スイッチ及び前記バランス回路用選択スイッチをオンオフ制御する選択スイッチ用電源スイッチをさらに備え、
前記蓄電回路が停止した時に前記制御回路は前記蓄電部品の電力により省電力状態を維持し、外部からの前記起動信号により前記制御回路は前記スイッチ素子及び前記選択スイッチ用電源スイッチをオンにして前記蓄電素子ユニットの電圧バランスを一定にし、前記電圧バランスが一定になれば前記制御回路は前記スイッチ素子及び前記選択スイッチ用電源スイッチをオフにするようにした請求項１に記載の蓄電回路。
前記電圧モニタ用選択スイッチはいずれの電圧も選択しない状態を有する構成とした請求項１に記載の蓄電回路。
外部からの前記起動信号の受信は絶縁型信号伝達手段を介して行うようにした請求項１に記載の蓄電回路。
前記制御回路は前記蓄電素子の電圧が過放電になれば、過放電信号を送信する請求項１に記載の蓄電回路。
過放電信号の送信は絶縁型信号伝達手段を介して行うようにした請求項５に記載の蓄電回路。