JP2009165262A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な動作でキャパシタの長寿命化を図ることが可能な蓄電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】直列に接続された複数のキャパシタ１１と、複数のキャパシタ１１のそれぞれに接続されたバランス電圧調整手段１３と、バランス電圧調整手段１３に接続された制御回路１５からなり、制御回路１５は、キャパシタ１１の非充放電時において、互いに測定タイミングが異なる２点のキャパシタ両端電圧（Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ、ｉ＝１〜ｎ、ｎはキャパシタ１１の個数）をバランス電圧調整手段１３により測定し、２点のキャパシタ両端電圧（Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ）の差の絶対値（ΔＶｉ）をそれぞれ求め、絶対値（ΔＶｉ）に応じて各キャパシタ１１のバランス電圧（Ｖｒｉ）を決定し、バランス電圧調整手段１３により、キャパシタ両端電圧（Ｖｉ）がバランス電圧（Ｖｒｉ）になるように制御するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャパシタに電力を蓄え、必要な時に放電する蓄電装置に関するものである。

近年、環境への配慮から駆動の全てあるいは一部をモータで行う、いわゆる電気自動車やハイブリッド自動車が普及しつつある。

これらの自動車（以下、車両という）はモータの電力がバッテリから供給されているが、バッテリは急速かつ大電流充放電による特性変化や劣化が起こるため、特に急加速時にモータへ供給する電流を制限している。そのため十分な加速が得られない場合があった。

そこで、急速充放電が可能なキャパシタをバッテリと併用した車両が考案されている。これにより、急加速時にバッテリに加えキャパシタの電力もモータに供給されるため、バッテリのみの場合より急峻な加速が可能となる。

モータを駆動できるだけの電圧をキャパシタで得るには、必要電圧が約７５０Ｖであるとすると、１個当たりの定格電圧が２．５Ｖのキャパシタを用いた場合、３００個を直列に接続する必要がある。また、必要な容量を得るために並列接続を組み合わせることもある。

しかし、キャパシタにはバラツキがあり、キャパシタに印加される電圧がばらつくので、それを考慮せず充電を行うと、キャパシタの劣化が進行し、寿命が短くなる可能性がある。

そこで、多数のキャパシタの劣化進行度のバラツキを低減し、長寿命化する蓄電装置が例えば特許文献１に提案されている。このような蓄電装置を図５のブロック回路図に示す。

直列接続された複数のキャパシタ１０１のそれぞれの両端には、バランス電圧調整手段１０３が接続されている。さらに、各キャパシタ１０１の両端には、キャパシタ１０１の両端電圧を測定するためのサンプリングコンデンサ１０５が２個のスイッチ１０７を介して接続されている。バランス電圧調整手段１０３とスイッチ１０７は制御部１０９に接続されている。なお、直列接続された複数のキャパシタ１０１は充放電回路を介して車両のモータ、発電機、バッテリ、負荷等に接続されているが、図５ではこれらを省略している。

バランス電圧調整手段１０３は次の構成を有する。まず、キャパシタ１０１の両端にバランススイッチ１１１とバランス抵抗１１３の直列回路が接続されている。さらに、キャパシタ１０１の両端には２個の直列接続された分圧抵抗１１５も接続されている。２個の分圧抵抗１１５の接続点はコンパレータ１１７の一方の入力に接続されている。また、コンパレータ１１７の他方の入力にはデジタルポテンショメータ１１９が接続されている。デジタルポテンショメータ１１９は基準電源１２１と制御部１０９に接続されているので、制御部１０９の指示に従って任意の基準電圧を出力することができる。コンパレータ１１７の出力はバランススイッチ１１１に接続され、そのオンオフを制御する。

次に、このような蓄電装置の動作について説明する。まず、制御部１０９は各キャパシタ１０１の劣化進行度を求める。具体的には、各キャパシタ１０１を定電流充電した時の両端電圧変化の傾き、および充電中断時の両端電圧変化から、容量値Ｃと内部抵抗値Ｒをそれぞれ求め、あらかじめ求めたこれらの劣化限界値までの差を劣化進行度として求める。従って、差が小さいほど劣化が進行していることになる。

次に、制御部１０９は各キャパシタ１０１の劣化進行度の平均値を求め、各キャパシタ１０１の劣化進行度のバラツキ幅が小さくなるようにバランス電圧をそれぞれ求める。すなわち、劣化が進んだキャパシタ１０１に対しては、劣化を遅らせるために両端電圧を下げるようバランス電圧を決定する。その後、各キャパシタ１０１の両端電圧がバランス電圧になるようにバランス電圧調整手段を制御する。

このように制御することにより、各キャパシタ１０１の劣化進行度のバラツキ幅が小さくなるようにバランス電圧が調整されるので、劣化が進んだキャパシタ１０１の劣化進行度を遅延させられるとともに、全キャパシタがほぼ同時期に動作限界に達する。その結果、蓄電装置の長寿命化が得られる。
特開２００７−１２４８８３号公報

上記の蓄電装置によると、確かに長寿命化が得られるのであるが、そのためには定電流充電中に各キャパシタ１０１の容量値Ｃや内部抵抗値Ｒを測定し、それらから劣化進行度を求め、さらにその平均値から各キャパシタ１０１の劣化進行度のバラツキ幅が小さくなるようにバランス電圧をそれぞれ求めるという制御を行わなければならず、動作が複雑化す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、簡単な動作でキャパシタの長寿命化を図ることが可能な蓄電装置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、本発明の蓄電装置は、直列に接続された複数のキャパシタと、複数の前記キャパシタのそれぞれに接続されたバランス電圧調整手段と、前記バランス電圧調整手段に接続された制御回路からなり、前記制御回路は、前記キャパシタの非充放電時において、互いに測定タイミングが異なる２点のキャパシタ両端電圧（Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ、ｉ＝１〜ｎ、ｎは前記キャパシタの個数）を前記バランス電圧調整手段により測定し、前記２点のキャパシタ両端電圧（Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ）の差の絶対値（ΔＶｉ）をそれぞれ求め、前記絶対値（ΔＶｉ）に応じて前記各キャパシタのバランス電圧（Ｖｒｉ）を決定し、前記バランス電圧調整手段により、キャパシタ両端電圧（Ｖｉ）が前記バランス電圧（Ｖｒｉ）になるように制御するようにしたものである。

本発明の蓄電装置によれば、キャパシタの非充放電時に、互いに測定タイミングが異なる２点のキャパシタ両端電圧（Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ）の差の絶対値（ΔＶｉ）を求め、それによりバランス電圧（Ｖｒｉ）を決定するので、従来のようにキャパシタを定電流充電状態とした上で容量値Ｃや内部抵抗値Ｒを測定する必要がなく、さらに劣化進行度を求めて平均値を計算した結果からバランス電圧を決定する制御も不要となる。従って、従来に比べ極めて簡単な動作でキャパシタの長寿命化を図ることができるという効果が得られる。

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、実施の形態では蓄電装置をハイブリッド自動車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における蓄電装置のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の時間ｔ１、ｔ２におけるキャパシタ両端電圧の変化図である。図３は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の各キャパシタのバランス電圧を求めるフローチャートである。なお、図１において、太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。

図１において、キャパシタ１１は複数個が直列に接続されている。本実施の形態１では、キャパシタ１１として大容量の電気二重層キャパシタを用いた。なお、キャパシタ１１は必要な電力仕様に応じて直並列接続としてもよい。この場合は、並列接続部分のキャパシタを１個のキャパシタ１１として取り扱うことにより、図１と等価回路になる。従って、各キャパシタ１１は１個でもよいし、複数個を並列接続したものでもよいものとして、以下説明する。なお、図１に示す蓄電装置における直列接続されたキャパシタ１１の最両端を、他の蓄電装置の最両端と接続する構成としてもよい。このような直並列接続の場合は、キャパシタ１１のそれぞれに後述するバランス電圧調整手段１３が接続される構成となる。

各キャパシタ１１の両端には、それぞれバランス電圧調整手段１３が接続されている。さらに、バランス電圧調整手段１３には制御回路１５が接続されているので、制御回路１５によりバランス電圧調整手段１３の動作が制御されている。なお、制御回路１５は、従来の図５に示したデジタルポテンショメータ１１９や基準電源１２１等の機能を有する複数の周辺回路と、それらを制御するマイクロコンピュータから構成されている。また、制御回路１５は車両用制御回路（図示せず）との間でデータ信号ｄａｔａによりデータを交信する機能も有している。

次に、バランス電圧調整手段１３の構成について説明する。まず、キャパシタ１１の両端にはバランススイッチ１７とバランス抵抗１９の直列回路が接続されている。バランススイッチ１７は外部からオンオフ制御ができる構成を有し、例えばＦＥＴやトランジスタが適用できる。さらに、キャパシタ１１の両端には２個の分圧抵抗２１の直列回路も接続されている。２個の分圧抵抗２１の接続点は制御回路１５、およびコンパレータ２３の一方の入力に接続されている。これにより、制御回路１５はキャパシタ１１の両端電圧Ｖｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは直列接続されたキャパシタ１１の個数）を読み込むことができる。また、コンパレータ２３の他方の入力は、制御回路１５と接続されている。これにより、制御回路１５から発せられるバランス電圧Ｖｒｉがコンパレータ２３に入力されることになる。また、コンパレータ２３の出力はバランススイッチ１７に接続されている。従って、コンパレータ２３の出力によりバランススイッチ１７のオンオフが制御される。

キャパシタ１１の近傍には温度センサ２５が配されている。温度センサ２５は温度に対する抵抗値変化が大きいサーミスタを用いた。温度センサ２５の出力は制御回路１５に接続されている。従って、制御回路１５は温度センサ２５が検出した温度Ｔを読み込むことができる。

直列接続されたキャパシタ１１の最両端である正極端子２７と負極端子２９には、充放電回路を介して車両のモータ、発電機、バッテリ、負荷等に接続されているが、図１ではこれらを省略している。

次に、このような構成を有する蓄電装置の動作について、図２、図３を用いて説明する。なお、図２において、横軸は時間ｔ、縦軸はキャパシタ両端電圧Ｖｉをそれぞれ示す。また、ハイブリッド自動車の場合、キャパシタ１１は前記したように数１００個程度が直列接続される構成となるが、以下の説明ではわかりやすくするために、キャパシタ１１が４個直列であるとする。従って、キャパシタ１１の個数ｎは４になり、添字ｉの範囲は１〜４となる。

まず、図２において、時間ｔ１で車両のイグニションスイッチ（図示せず）がオンになり、車両が起動したとする。制御回路１５は、イグニションスイッチのオン信号を車両用制御回路からデータ信号ｄａｔａとして受信することにより、車両の起動を認識する。なお、車両の起動は、イグニションスイッチがオンになることで制御回路１５に駆動電圧が印加されるので、それにより認識するようにしてもよい。

車両の起動を認識すると、制御回路１５は直ちに現在の各キャパシタ１１の両端電圧Ｖ１ｉ（ｉ＝１〜４）をバランス電圧調整手段１３より順次読み込み、制御回路１５に内蔵されたメモリに記憶する。同時に、時間ｔ１も１点目時間ｔ１としてメモリに記憶する。これにより、１点目時間ｔ１が測定されたことになる。なお、キャパシタ両端電圧Ｖ１１〜Ｖ１４は、前回の車両使用終了時から時間ｔ１に至るまでの間、自己放電により低下した状態である。さらに、各キャパシタ１１の特性バラツキや劣化進行バラツキにより、キャパシタ両端電圧Ｖ１１〜Ｖ１４はばらついた状態である。

その後、車両の使用により各キャパシタ１１は制動時に回生電力を充電し、加速時に充電電力を放電する動作を繰り返す。なお、この経時変化は図２には示していない。

次に、時間ｔ２において、車両の使用を終了したとする。この際、通常は車両を制動して停止した後、使用を終了するので、この制動時の回生電力が各キャパシタ１１に充電された状態となる。従って、図２の時間ｔ２においては、各キャパシタ１１の両端電圧Ｖ２ｉ（ｉ＝１〜４）は、時間ｔ１でのキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉよりも大きくなる。制御回路１５は時間ｔ２におけるキャパシタ両端電圧Ｖ２１〜Ｖ２４をバランス電圧調整手段１３より順次読み込み、メモリに記憶するとともに、時間ｔ２も２点目時間ｔ２として記憶する。これにより、２点目時間ｔ２が測定されたことになる。

以上の説明より、時間ｔ１、および時間ｔ２はいずれもキャパシタ１１への充放電を行っていない非充放電時であるので、安定したキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉを測定することができる。ここで、非充放電時とは、充放電回路（図示せず）によるキャパシタ１１への充放電を積極的に行っていない状態として定義する。従って、完全にキャパシタ１１に電流が流れていない場合だけでなく、充放電回路を動作させていなくてもキャパシタ１１に僅かな漏れ電流が流れる等の場合は非充放電時に含む。

なお、キャパシタ両端電圧Ｖｉは温度により変化する特性を有する。そこで、制御回路１５は、あらかじめ求めたキャパシタ両端電圧Ｖｉの温度依存性を記憶しておき、それにより温度センサ２５から得られる温度Ｔに応じて、２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉを補正している。

具体的には、基準温度Ｔｏ（例えば２５℃）において、キャパシタ１１を既知電圧まで充電した状態で温度Ｔを変えた時のキャパシタ両端電圧Ｖｉの温度依存特性を求める。これを、既知電圧がキャパシタ１１の定格電圧（例えば２．５Ｖ）まで既定の電圧幅（例えば０．１Ｖ）毎に求める。すなわち、基準温度Ｔｏ（２５℃）でキャパシタ１１を０．１Ｖまで充電した状態で温度Ｔを変えた時のキャパシタ両端電圧Ｖｉの温度依存特性を求め、次に２５℃で０．２Ｖまで充電して温度依存特性を求め、次に２５℃で０．３Ｖまで充電して温度依存特性を求め、というようにして、定格電圧（２．５Ｖ）まで繰り返し温度依存特性を求める。こうして得られた複数の温度依存特性を制御回路１５のメモリにあらかじめ記憶しておく。

次に、温度Ｔと任意のキャパシタ両端電圧Ｖｉが得られれば、複数の温度依存特性の中から、温度Ｔにおけるキャパシタ両端電圧Ｖｉを有する温度依存特性を選択する。次に、基準温度Ｔｏにおけるキャパシタ両端電圧Ｖｉを、選択した温度依存特性から求める。こうして求めたキャパシタ両端電圧Ｖｉが温度補正後の値となる。

これにより、図２の時間ｔ１とｔ２で互いに温度が異なっても、基準温度Ｔｏにおけるキャパシタ両端電圧Ｖｉに補正されるので、以下に述べるバランス電圧Ｖｒｉの計算精度を向上することができる。ゆえに、各キャパシタ１１の劣化進行の低減（詳細は後述）を高精度に行えるので、温度補正を行うことでキャパシタ１１の長寿命化に寄与できる。

ここで、キャパシタ両端電圧Ｖ２１〜Ｖ２４の大小関係は、キャパシタ両端電圧Ｖ１１〜Ｖ１４の大小関係と同じであるとは限らない。すなわち、各キャパシタ１１の特性や劣化進行におけるバラツキに応じて大小関係が逆転する場合がある。具体的には、図２において、時間ｔ１で最大の両端電圧Ｖ１１を有するキャパシタ１１は、時間ｔ２では最小の両端電圧Ｖ２１となり、時間ｔ１で最小の両端電圧Ｖ１４を有するキャパシタ１１は、時間ｔ２では最大の両端電圧Ｖ２４となっている。従って、本実施の形態１では、互いに測定タイミングが異なる時間ｔ１と時間ｔ２における２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉから得られる図２の太矢印の傾きを基に、各キャパシタ１１のバランス電圧Ｖｒｉを決定するようにしている。

次に、具体的なバランス電圧Ｖｒｉの決定方法を図３のフローチャートに従って説明する。なお、制御回路１５はメインルーチンから各種サブルーチンを実行することにより蓄電装置全体の動作を制御しているので、図３のフローチャートはサブルーチンの形態で示した。

上記した１点目時間ｔ１、２点目時間ｔ２の値、および２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉの値が揃った時間ｔ２の時点で、制御回路１５は図３のサブルーチンを実行する。これにより、まず制御回路１５に内蔵した変数メモリｉに１を代入する（ステップ番号Ｓ１１）。ここで、変数メモリｉは添字ｉと同等の意味を有すると定義し、以下、添字ｉと呼ぶ。また、Ｓ１１において、ｉ＝１と記載しているが、これは右辺の値を左辺の変数に代入するという意味であると以下定義する。従って、Ｓ１１では右辺の値である数値の１を、左辺の変数である添字ｉに代入することになる。

次に、制御回路１５は２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉの差の絶対値ΔＶｉを、ΔＶｉ＝｜Ｖ２ｉ−Ｖ１ｉ｜より求める（Ｓ１３）。次に、２点目時間ｔ２から１点目時間ｔ１を差し引くことにより時間差Δｔを求める（Ｓ１４）。すなわち、Δｔ＝ｔ２−ｔ１により時間差Δｔを求めている。次に、各キャパシタ１１の電圧調整幅ΔＶｂｉを、絶対値ΔＶｉ、時間差Δｔ、および既定係数Ａから、ΔＶｂｉ＝Ａ×ΔＶｉ／Δｔにより求める（Ｓ１５）。ここで、ΔＶｉ／Δｔは図２の太矢印の傾きである。この傾きは各キャパシタ１１の容量値Ｃの逆数に相当する。すなわち、キャパシタ１１は全て直列接続されているので、いずれにも同じ電流値Ｉで充電される。この時のキャパシタ１１に蓄えられる電荷量ＱはＱ＝Ｃ・ΔＶｉ＝Ｉ・Δｔとなる。これを変形すると、Ｃ＝Ｉ・Δｔ／ΔＶｉとなる。ここで、電流値Ｉは各キャパシタ１１に対して等しいので、図２の傾きΔＶｉ／Δｔの逆数が各キャパシタ１１の容量値Ｃと比例することがわかる。

ここで、キャパシタ１１は劣化が進行すると容量値Ｃが低下するので、劣化が進行したキャパシタ１１ほど傾きΔＶｉ／Δｔが大きくなることになる。従って、図２において、添字ｉ＝４のキャパシタ１１は傾きが最も大きいので劣化が一番進行していることがわかる。これにより、傾きの大小に応じてバランス電圧Ｖｒｉを調整することになる。

そのために、まずＳ１５で電圧調整幅ΔＶｂｉを求めている。すなわち、電圧調整幅ΔＶｂｉは、キャパシタ１１が劣化未進行の初期状態の場合に設定される初期バランス電圧Ｖｒｏ（例えば定格電圧が２．５Ｖのキャパシタ１１であれば、初期バランス電圧Ｖｒｏ＝２．５Ｖとなる）からどれだけ電圧を下げるかを表すものである。これは、上記傾きに既定係数Ａを乗じることにより求めている。従って、劣化が進行し、傾きが大きいキャパシタ１１ほど、電圧調整幅ΔＶｂｉが大きくなることになる。なお、既定係数Ａは次のステップ（Ｓ１７）でバランス電圧Ｖｒｉが正規の範囲に入るように調整するための係数で、あらかじめ実験的に求めてメモリに記憶しておく。

次に、制御回路１５はバランス電圧Ｖｒｉを、Ｖｒｉ＝Ｖｒｏ−ΔＶｂｉより求める（Ｓ１７）。ここで、前記したように電圧調整幅ΔＶｂｉはキャパシタ１１の劣化が進行するほど大きくなり、一方で初期バランス電圧Ｖｒｏが定数であるので、バランス電圧Ｖｒｉは小さくなる。これにより、バランス電圧調整手段１３でキャパシタ両端電圧Ｖｉがバランス電圧Ｖｒｉになるように調整されるので、劣化が進行したキャパシタ１１ほどキャパシタ両端電圧Ｖｉが小さくなる。これにより、そのキャパシタ１１の劣化進行は他のキャパシタ１１より抑制される。なお、Ｓ１７の式でバランス電圧Ｖｒｉが極端に小さくなったり負になったりしないように、あらかじめ既定係数Ａを求めて、Ｓ１５で傾きに既定係数Ａを乗じるようにしている。

次に、制御回路１５はバランス電圧Ｖｒｉと劣化限界値Ｖｇを比較する（Ｓ１９）。ここで、劣化限界値Ｖｇとは、キャパシタ１１がこれ以上使用できない限界状態まで劣化した時のバランス電圧Ｖｒｉの値であり、これもあらかじめ実験的に求めてある。従って、もしバランス電圧Ｖｒｉが劣化限界値Ｖｇ以下になれば（Ｓ１９のＹｅｓ）、これ以上蓄電装置を使用できないので、制御回路１５は蓄電装置の劣化信号をｄａｔａ信号として車両用制御回路に送信する（Ｓ２１）。これを受け、車両用制御回路は運転者に蓄電装置の劣化を警告し、修理を促すと同時に、蓄電装置の充電を中止する。これにより、劣化した蓄電装置を使い続けることがなくなるので、高信頼性が得られる。その後、制御回路１５は図３のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。

一方、バランス電圧Ｖｒｉが劣化限界値Ｖｇより大きければ（Ｓ１９のＮｏ）、蓄電装置を継続して使用できるので、次に制御回路１５は添字ｉに１を加え、添字ｉの内容を更新する（Ｓ２３）。その後、更新した添字ｉがキャパシタ１１の個数ｎ（ここではｎ＝４）に１を加えた値と等しいか否かを判断する（Ｓ２５）。もし、添字ｉがｎ＋１でなければ（Ｓ２５のＮｏ）、まだ全てのキャパシタ１１のバランス電圧Ｖｒｉが決まっていないので、Ｓ１３に戻り、それ以降の動作を繰り返す。

一方、添字ｉがｎ＋１と等しければ（Ｓ２５のＹｅｓ）、全てのキャパシタ１１に対するバランス電圧Ｖｒｉを決定できたので、図３のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。

以上に説明した図３のフローチャートによるサブルーチンの動作をまとめると、次のようになる。

制御回路１５は、２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉのうち、１点目のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉを測定する際の１点目時間ｔ１と、２点目のキャパシタ両端電圧Ｖ２ｉを測定する際の２点目時間ｔ２を測定し、２点目時間ｔ２から１点目時間ｔ１を差し引くことにより時間差Δｔを求め、絶対値ΔＶｉを時間差Δｔで除して既定係数Ａを乗じることにより、各キャパシタ１１の電圧調整幅ΔＶｂｉを計算し、初期バランス電圧Ｖｒｏから電圧調整幅ΔＶｂｉを差し引くことでバランス電圧Ｖｒｉを決定している。このようにして、絶対値ΔＶｉに応じた各キャパシタ１１のバランス電圧Ｖｒｉを得ている。

その後は、制御回路１５から各バランス電圧調整手段１３に対して、それぞれ決定したバランス電圧Ｖｒｉを出力するので、各バランス電圧調整手段１３は、接続されたキャパシタ１１の両端電圧Ｖｉがバランス電圧Ｖｒｉになるようにバランススイッチ１７を制御する。すなわち、キャパシタ両端電圧Ｖｉがバランス電圧Ｖｒｉより大きければ、コンパレータ２３はバランススイッチ１７をオンにする。これにより、キャパシタ１１がバランス抵抗１９により放電され、キャパシタ両端電圧Ｖｉは低下する。その後、キャパシタ両端電圧Ｖｉがバランス電圧Ｖｒｉとほぼ等しくなれば、コンパレータ２３はバランススイッチ１７をオフにする。これにより、キャパシタ１１の放電が停止し、そのキャパシタ両端電圧Ｖｉは目標であるバランス電圧Ｖｒｉとなる。その結果、キャパシタ１１の印加電圧が下がるので、その劣化進行を低減することができる。なお、その後は車両非使用時に渡ってキャパシタ両端電圧Ｖｉが自己放電により徐々に低下していく。

また、このように動作することで、車両使用終了時において劣化が進行したキャパシタ１１のキャパシタ両端電圧Ｖｉ（図２ではＶ２４）を下げ、比較的劣化が進行していないキャパシタ１１のキャパシタ両端電圧Ｖｉ（図２ではＶ２１）は高い状態のままとすることにより、前者の劣化進行を低減するとともに後者の劣化を相対的に進ませることになるので、各キャパシタ１１の劣化進行を揃えることが可能となる。その結果、任意の１個のキャパシタ１１のみが劣化限界に達して蓄電装置全体が使えなくなる可能性を低減でき、蓄電装置の長寿命化も図れる。

なお、２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉをキャパシタ１１への非充放電時に求めているので、２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉは、図２の太矢印の傾きの逆数として示される各キャパシタ１１の容量値Ｃの影響のみを反映しており、内部抵抗値Ｒの影響は含まれない。これは、キャパシタ１１を充放電した直後、または充放電終了時にのみ、キャパシタ両端電圧Ｖｉが内部抵抗値Ｒの大きさを反映するためである。従って、本実施の形態１では内部抵抗値Ｒを求めずに各キャパシタ１１の劣化進行を揃えることができるので、簡単な動作でキャパシタの長寿命化が図れる。

以上の構成、動作により、キャパシタ１１の非充放電時に、互いに測定タイミングが異なる２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉの差の絶対値ΔＶｉを求め、それによりバランス電圧Ｖｒｉを決定するので、極めて簡単な動作でキャパシタ１１の長寿命化を図ることが可能な蓄電装置を実現できる。

なお、本実施の形態１では、１点目時間ｔ１が起動時であり、２点目時間ｔ２が使用終了時であるようにしたので、確実にキャパシタ１１への充放電が行われていない状態で２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉをそれぞれ求められるのであるが、１点目時間ｔ１と２点目時間ｔ２は、それぞれ起動時と使用終了時に限定されるものではなく、キャパシタ１１が非充放電時であれば車両の使用中であっても構わない。但し、この場合はキャパシタ１１の充放電回路が動作していないことを示す信号を車両用制御回路から受信するようにしておくか、あるいは複数のキャパシタ１１の直列回路に対し電流検出回路を直列に接続する必要がある。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における蓄電装置の各キャパシタのバランス電圧を求めるフローチャートである。なお、本実施の形態２における蓄電装置の構成は図１と同じであるので、構成の説明を省略する。すなわち、本実施の形態２の特徴は動作部分であるので、動作について以下に詳細を説明する。

まず、制御回路１５は車両の起動時や車両使用中において、キャパシタ１１の非充放電時の任意の時間ｔ１で現在の各キャパシタ１１の両端電圧Ｖ１ｉを読み込み、制御回路１５に内蔵されたメモリに記憶する。なお、この時に実施の形態１と同様にキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉの温度補正を行っておく。また、この時の時間ｔ１は実施の形態１と異なり、メモリに記憶する動作は行わない。

次に、制御回路１５は時間ｔ１より後の車両使用中や車両使用終了時において、キャパシタ１１の非充放電時の任意の時間ｔ２で現在の各キャパシタ１１の両端電圧Ｖ２ｉを読み込み、制御回路１５に内蔵されたメモリに記憶する。なお、この時に実施の形態１と同様にキャパシタ両端電圧Ｖ２ｉの温度補正を行っておく。また、この時の時間ｔ２は実施の形態１と異なり、メモリに記憶する動作は行わない。

以上の動作で２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉの値が揃ったので、制御回路１５は図４のサブルーチンを実行する。これにより、まず添字ｉに１を代入する（Ｓ５１）。次に、制御回路１５は２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉの差の絶対値ΔＶｉを、ΔＶｉ＝｜Ｖ２ｉ−Ｖ１ｉ｜より求める（Ｓ５３）。次に添字ｉに１を加えて更新し（Ｓ５５）、添字ｉがキャパシタ１１の個数ｎに１を加えた値に至ったか否かを判断する（Ｓ５７）。もし、添字ｉがｎ＋１と等しくなければ（Ｓ５７のＮｏ）、Ｓ５３に戻り、次のキャパシタ１１の絶対値ΔＶｉを求める動作を繰り返す。

添字ｉがｎ＋１と等しくなれば（Ｓ５７のＹｅｓ）、制御回路１５は得られた複数の絶対値ΔＶｉの中から最小値ΔＶｍｉｎを求める（Ｓ５９）。これは、図２の場合であればΔＶ１が最小値ΔＶｍｉｎとなる。次に、制御回路１５は再び添字ｉに１を代入し（Ｓ６１）、各絶対値ΔＶｉと最小値ΔＶｍｉｎの比Δｉを、Δｉ＝ΔＶｉ／ΔＶｍｉｎより求める（Ｓ６３）。こうして求めた比Δｉは絶対値ΔＶｉが最小値ΔＶｍｉｎに対してどれだけ大きいかを示す値であるので、比Δｉは１以上の数値となる。なお、最小値ΔＶｍｉｎに相当するキャパシタ１１に対しては、キャパシタ両端電圧ΔＶｉ（図２ではΔＶ１）が最小値ΔＶｍｉｎと等しいので、Δｉ＝１となる。

従って、比Δｉが１のものは図２よりも明らかなように傾きが最小のものに相当するので、劣化進行が最も遅いことになる。その他のキャパシタ１１については比Δｉが大きいほど劣化が進行していることになり、図２においては、添字ｉ＝４のキャパシタ１１が最も劣化進行していることがわかる。ゆえに、比Δｉが各キャパシタ１１の劣化進行の指標となる。そこで、次に比Δｉと電圧調整幅ΔＶｂの相関関係から添字ｉのキャパシタ１１の電圧調整幅ΔＶｂｉを求める（Ｓ６５）。ここで、実施の形態１で説明したように、電圧調整幅ΔＶｂｉは劣化が進行しているものほど大きい値になるようにしているので、制御回路１５はあらかじめ実験的に求めた比Δｉと電圧調整幅ΔＶｂの相関関係をメモリに記憶しておき、Ｓ６３で求めた比Δｉに応じた電圧調整幅ΔＶｂｉを求めるようにしている。なお、比Δｉと電圧調整幅ΔＶｂの相関関係は正の相関関数となるので、これを最小二乗法で式として求めておき、比Δｉを前記式に代入することで、各キャパシタ１１に対する電圧調整幅ΔＶｂｉを計算している。これにより、相関関係をデータ表としてメモリに記憶する場合に比べ、メモリの節約ができる。

次に、制御回路１５はバランス電圧Ｖｒｉを、Ｖｒｉ＝Ｖｒｏ−ΔＶｂｉより求める（Ｓ６７）。なお、初期バランス電圧Ｖｒｏは実施の形態１と同様にキャパシタ１１の定格電圧（２．５Ｖ）としている。これにより、劣化が進行したキャパシタ１１ほど、そのバランス電圧Ｖｒｉは小さくなる。従って、そのキャパシタ１１の劣化進行は他のキャパシタ１１より抑制されるので、その分、キャパシタ１１の寿命を延ばすことができる。

次に、制御回路１５はバランス電圧Ｖｒｉと劣化限界値Ｖｇを比較する（Ｓ６９）。ここで、劣化限界値Ｖｇの意味は実施の形態１と同じである。もしバランス電圧Ｖｒｉが劣化限界値Ｖｇ以下になれば（Ｓ６９のＹｅｓ）、これ以上蓄電装置を使用できないので、制御回路１５は蓄電装置の劣化信号をｄａｔａ信号として車両用制御回路に送信し（Ｓ７１）、図３のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。

一方、バランス電圧Ｖｒｉが劣化限界値Ｖｇより大きければ（Ｓ６９のＮｏ）、蓄電装置を継続して使用できるので、次に制御回路１５は添字ｉに１を加え、添字ｉの内容を更新する（Ｓ７３）。その後、更新した添字ｉがキャパシタ１１の個数ｎに１を加えた値と等しいか否かを判断する（Ｓ７５）。もし、添字ｉがｎ＋１でなければ（Ｓ７５のＮｏ）、まだ全てのキャパシタ１１のバランス電圧Ｖｒｉが決まっていないので、Ｓ６３に戻り、それ以降の動作を繰り返す。

一方、添字ｉがｎ＋１と等しければ（Ｓ７５のＹｅｓ）、全てのキャパシタ１１に対するバランス電圧Ｖｒｉを決定できたので、図４のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。

以上に説明した図４のフローチャートによるサブルーチンの動作をまとめると、次のようになる。

制御回路１５は、各絶対値ΔＶｉの最小値ΔＶｍｉｎを求め、各絶対値ΔＶｉと最小値ΔＶｍｉｎの比Δｉ、および電圧調整幅ΔＶｂにおける、あらかじめ求めた相関関係から、各キャパシタ１１に対する電圧調整幅ΔＶｂｉをそれぞれ求め、初期バランス電圧Ｖｒｏから電圧調整幅ΔＶｂｉを差し引くことでバランス電圧Ｖｒｉを決定している。このようにして、絶対値ΔＶｉに応じた各キャパシタ１１のバランス電圧Ｖｒｉを得ている。

その後の動作は、実施の形態１と同様に、各キャパシタ１１の両端電圧Ｖｉが決定されたバランス電圧Ｖｒｉになるようにバランス電圧調整手段１３により調整される。その結果、劣化が進行したキャパシタ１１の印加電圧が下がるので、さらなる劣化進行を低減することができるとともに、各キャパシタ１１の劣化進行を揃えることが可能となる。従って、蓄電装置の長寿命化も図れる。

以上の構成、動作により、キャパシタ１１の非充放電時に、互いに測定タイミングが異なる２点のキャパシタ両端電圧Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉの差の絶対値ΔＶｉを求め、その最小値ΔＶｍｉｎとの比Δｉによりバランス電圧Ｖｒｉを決定するので、実施の形態１に比べ１点目時間ｔ１と２点目時間ｔ２の測定が不要となり、さらに簡単な動作でキャパシタ１１の長寿命化を図ることが可能な蓄電装置を実現できる。

なお、実施の形態１、２ではキャパシタ１１の近傍に温度センサ２５を配する構成としたが、これは、例えば蓄電装置を非常用補助電源に用いる場合のように、温度Ｔがあまり変化しない時には、キャパシタ両端電圧Ｖｉの温度Ｔに対する補正をしなくてもよいことになる。従って、この場合は温度センサ２５を用いなくてもよい。

また、実施の形態１、２において、制御回路１５は劣化信号をバランス電圧Ｖｒｉが劣化限界値Ｖｇ以下になれば出力するようにしているが、これは絶対値ΔＶｉが劣化上限値ΔＶｇ以上になれば出力するようにしてもよい。ここで、劣化上限値ΔＶｇは、これ以上蓄電装置を使用できない限界時の絶対値ΔＶｉのことであり、あらかじめ求めて制御回路１５のメモリに記憶しておけばよい。なお、絶対値ΔＶｉは前記したようにキャパシタ１１が劣化するに従って大きくなるので、バランス電圧Ｖｒｉが劣化限界値Ｖｇ以下になれば劣化と判断するのとは逆に、絶対値ΔＶｉが劣化上限値ΔＶｇ以上になれば劣化と判断することになる。これにより、特に実施の形態２において、蓄電装置の劣化を少しでも早い段階で判断することができる。また、これら２つの判断を両方行い、少なくともいずれかの条件が成立すれば劣化信号を出力するようにしてもよい。これにより、二重に劣化判断を行うので、劣化判断精度が向上する。

また、実施の形態１、２において、劣化限界値Ｖｇや劣化上限値ΔＶｇを２段階に設定してもよい。この場合、例えば１段階目では車両用制御回路が運転者に警告を発するとともに、充電電流を制限する制御を行う。２段階目に至ると、警告とともに蓄電装置への充電を中止するように制御する。これにより、劣化した蓄電装置を使い続ける可能性を大きく低減することが可能となる。

また、実施の形態１、２においてキャパシタ１１には電気二重層キャパシタを用いたが、これは電気化学キャパシタ等の他のキャパシタでもよい。

また、実施の形態１、２において蓄電装置をハイブリッド自動車に適用した場合について述べたが、それらに限らず、車両の回生システムや、アイドリングストップ、電動パワーステアリング、車両制動システム、電動過給器等の各システムにおける車両用補助電源等にも適用可能である。さらに、車両用以外の非常用補助電源等の、キャパシタを複数直列に接続し充放電を行うものであれば適用できる。

本発明にかかる蓄電装置は極めて簡単な動作でキャパシタの長寿命化を図ることができるため、特にキャパシタに電力を蓄え、必要な時に放電する車両用の蓄電装置等として有用である。

本発明の実施の形態１における蓄電装置のブロック回路図 本発明の実施の形態１における蓄電装置の時間ｔ１、ｔ２におけるキャパシタ両端電圧の変化図 本発明の実施の形態１における蓄電装置の各キャパシタのバランス電圧を求めるフローチャート 本発明の実施の形態２における蓄電装置の各キャパシタのバランス電圧を求めるフローチャート 従来の蓄電装置のブロック回路図

符号の説明

１１ キャパシタ
１３ バランス電圧調整手段
１５ 制御回路
２５ 温度センサ

Claims (6)

1. 直列に接続された複数のキャパシタと、
   複数の前記キャパシタのそれぞれに接続されたバランス電圧調整手段と、
   前記バランス電圧調整手段に接続された制御回路からなり、
   前記制御回路は、前記キャパシタの非充放電時において、互いに測定タイミングが異なる２点のキャパシタ両端電圧（Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ、ｉ＝１〜ｎ、ｎは前記キャパシタの個数）を前記バランス電圧調整手段により測定し、
   前記２点のキャパシタ両端電圧（Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ）の差の絶対値（ΔＶｉ）をそれぞれ求め、
   前記絶対値（ΔＶｉ）に応じて前記各キャパシタのバランス電圧（Ｖｒｉ）を決定し、
   前記バランス電圧調整手段により、キャパシタ両端電圧（Ｖｉ）が前記バランス電圧（Ｖｒｉ）になるように制御するようにした蓄電装置。
2. 前記制御回路は、前記２点のキャパシタ両端電圧（Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ）のうち、１点目のキャパシタ両端電圧（Ｖ１ｉ）を測定する際の１点目時間（ｔ１）と、
   ２点目のキャパシタ両端電圧（Ｖ２ｉ）を測定する際の２点目時間（ｔ２）を測定し、
   前記２点目時間（ｔ２）から前記１点目時間（ｔ１）を差し引くことにより時間差（Δｔ）を求め、
   前記絶対値（ΔＶｉ）を前記時間差（Δｔ）で除して既定係数（Ａ）を乗じることにより、前記各キャパシタの電圧調整幅（ΔＶｂｉ）を計算し、
   初期バランス電圧（Ｖｒｏ）から前記電圧調整幅（ΔＶｂｉ）を差し引くことで前記バランス電圧（Ｖｒｉ）を決定するようにした請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記１点目時間（ｔ１）は起動時であり、前記２点目時間（ｔ２）は使用終了時である請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記制御回路は、前記各絶対値（ΔＶｉ）の最小値（ΔＶｍｉｎ）を求め、
   前記各絶対値（ΔＶｉ）と前記最小値（ΔＶｍｉｎ）の比（Δｉ）、および電圧調整幅（ΔＶｂ）における、あらかじめ求めた相関関係から、前記各キャパシタに対する前記電圧調整幅（ΔＶｂｉ）をそれぞれ求め、
   初期バランス電圧（Ｖｒｏ）から前記電圧調整幅（ΔＶｂｉ）を差し引くことで前記バランス電圧（Ｖｒｉ）を決定するようにした請求項１に記載の蓄電装置。
5. 前記キャパシタに温度センサを配するとともに、前記温度センサの出力が前記制御回路に接続された構成を有し、
   前記制御回路は、あらかじめ求めた前記キャパシタ両端電圧（Ｖｉ）の温度依存性により、前記温度センサから得られる温度（Ｔ）に応じて、前記２点のキャパシタ両端電圧（Ｖ１ｉ、Ｖ２ｉ）を補正するようにした請求項１に記載の蓄電装置。
6. 前記制御回路は、前記バランス電圧（Ｖｒｉ）が劣化限界値（Ｖｇ）以下になるか、あるいは前記絶対値（ΔＶｉ）が劣化上限値（ΔＶｇ）以上になるか、の少なくともいずれかの場合に、劣化信号を出力するようにした請求項１に記載の蓄電装置。

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