JP2010136530A - 大容量キャパシタの充電方法および充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量キャパシタの急速充電を、装置を大型化，複雑化することなく最適に実現できるようにする。
【解決手段】複数セル１の直列接続回路を任意の電流を充電する充電装置２と、各セルの電圧を検出するとともに、各セルの電圧が所定値を超えたことを判定する判定回路５と、少なくとも１つのセルの電圧が所定値を超えたことを監視する充電抑制判定回路３とを設け、充電開始時には電流値を段階的に増加させたパルス状の充電電流を与え、この充電電流によって発生する各セルの電圧上昇値のうちの少なくとも１つが所定値を超えたことを充電抑制判定手段３で検知したら、充電装置２はパルス電流の供給を一旦停止し、その後は判断時点の電流値よりも低い電流で急速充電を開始する。
【選択図】図１

Description

この発明は、無停電電源装置（ＵＰＳ）や瞬低・瞬停対策装置等に用いられる、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタのような大容量キャパシタの充電方法および装置に関する。

２次電池や大容量キャパシタには、一般的に次のような特徴がある（例えば特許文献１参照）。

２次電池：エネルギー密度は高いが、高率充放電やサイクル寿命に難点がある。（リチウムイオン２次電池，ニッケル水素電池等）。
大容量キャパシタ：高率充放電やサイクル動作に対して長寿命だが、エネルギー密度が低い（電気二重層キャパシタ，リチウムイオンキャパシタ）。

このような特徴から、短時間補償型の無停電電源装置（瞬低・瞬停対策装置）では、大容量キャパシタを利用する場合が多くなって来ている。また、２次電池は充電電流制限が低いため、充電に長時間を要する一方、大容量キャパシタは大電流による急速充電が可能である。なお、大容量キャパシタは、単一セルでは定格電圧が１．５Ｖ〜３Ｖ程度と低いため、電源装置として利用する場合には、複数個のセルを多数個直列接続して利用されることが多い。

ところで、大容量キャパシタの各セルは、静電容量や内部抵抗にバラツキがあり、直列接続した状態で充電を行なうと、上記バラツキにより各セルに加わる充電電圧に差が生じる。そのため、充電によりキャパシタ全体が満充電に達する前にセルの耐電圧を超え、過充電となるセルが発生することがある。定格電圧を超えるような過充電になると、大容量キャパシタの寿命に大きな影響を与えるだけでなく、故障の原因ともなる。

そこで、このような充電途中における各セルの単独過充電を抑制する手法として、例えば特許文献１や特許文献２に示すものがある。

図３に、特許文献１に開示の例を示す。

同図において、１は単一のキャパシタセル（セル）、２は充電装置、３は充電抑制判定回路、４はバイパススイッチ、５は電圧判定回路、７はバイパス回路を示す。

キャパシタセル１の各々には、その端子電圧が所定値Vref1に達したときに充電電流をバイパスするためのバイパス回路７と、端子電圧が所定値Vref2に達したときに充電電流を抑制するための電圧判定回路５とが設けられている。なお、Vref1＞Vref2に設定する。

充電動作により、いずれかのセルの端子電圧が充電電流抑制レベルVref2に達すると、充電装置２は充電電流値をバイパス回路７の規定電流にまで抑制する。その後、当該セルの端子電圧がバイパスレベルVref1に達すると、当該セル対応のバイパス回路７が動作し、
その結果、当該セルへの充電は遮断される。なお、残りのセルの動作も同様に行なわれることから、各セルは過充電を抑制されながら充電動作を完了することができる。

図４に、特許文献２に開示の例を示す。同図の符号８は直流電源、９はフライバック形DC-DCコンバータである。

これは、DC-DCコンバータ９に複数の２次巻線を設け、その各々に各セル１を接続することで、端子電圧の低いセルを優先的に充電する方式である。これにより、静電容量や内部抵抗のバラツキに関わらず、常にセル間の電圧バランスを保つことができるため、セル個々の過充電を抑制することができる。
特開２００８−００５５９４号公報 特開平０８−２１４４５４号公報

この発明によれば、充電開始時にパルス電流を段階的に逐次増加させて行きながら、電圧上昇量を監視して急速充電電流値を定めるようにしたので、キャパシタ内部抵抗にアンバランスが生じている場合でも充電電流による過電圧を抑制し、従来のようにバイパス回路や大電流DC-DCコンバータを用いて回路を大型化，複雑化することなく、キャパシタ状態に応じた最適な急速充電が可能となる。

特許文献１の方式は、セルの充電電流をバイパスさせるため、一般的に用いられるブリーダ抵抗によるセルバランス回路に比べ、大電流のバイパス回路が必要になるだけでなく、満充電到達までバイパス回路が動作するため、バイパス回路に大容量の熱処理構造を必要とするなどの理由から、バイパス回路が大型化するという問題がある。

特許文献２の方式は、急速充電を行なうために大電流を流すDC-DCコンバータが必要となり、また、セル直列数相当の２次巻線が必要になるといった理由から、充電回路が大型化，複雑化する可能性がある。

したがって、この発明の課題は、回路を大型化，複雑化することなく大容量キャパシタの急速充電を可能とすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、単一セルを複数個直列接続してなる大容量キャパシタを充電するに当たり、
充電開始時には電流値が段階的に増加するパルス状の充電電流を順次与え、この充電電流によって発生する各セルの電圧上昇値のうちの少なくとも１つが、設定値を超えたことを検知したら前記パルス電流の供給を一旦停止し、その後は前記判断時点の直前の段階で与えた電流値で残りのセルを充電することを特徴とする。

また、請求項２の発明では、単一セルを複数個直列接続してなる大容量キャパシタの充電装置において、
前記各セルに与える充電電流値を定めて電流を供給する充電手段と、各セルの端子電圧を検出するとともに各セルの端子電圧が設定値を超えたことを判定する判定手段と、この判定手段の出力が少なくとも１つあるか否かを監視する監視手段とを設け、充電開始時には電流値が段階的に増加するパルス状の充電電流を順次与え、この充電電流によって発生する各セルの電圧上昇値のうちの少なくとも１つが設定値を超えたことを前記監視手段で検知したら、監視手段は充電手段に対しその旨を通知し、以後充電手段は前記判断時点の直前の段階で与えた電流値で残りのセルを充電することを特徴とする。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。

同図からも明らかなように、この例は図３に示す従来例からバイパス回路を削除するとともに、電圧判定回路５を主としてコンパレータ６から構成してその比較基準値（上限電圧値）をVref3とした点、および充電抑制判定回路３の出力（判定許可信号）を各電圧判定回路５に導入するようにした点などが特徴である。なお、Vref3はセルの内部抵抗値などに基づいて、適宜設定される。また、充電装置２は複数セルの直列接続回路へ所望の電流を流すべく、例えば発電機，電力変換器やその制御回路等を備えている。

各セル１の電圧は電圧判定回路５で検出され、コンパレータ６で基準値Vref3と比較される。充電抑制判定回路３は論理和回路を備え、各セルに対応する電圧判定回路５からの出力信号を論理和（ＯＲ）条件で監視し、１つ以上のセルで上限電圧値を超えると、充電装置２に対し電流抑制信号を出力する。また、充電抑制判定回路３は、充電開始時の充電電流上限判定時のみ電圧判定回路５が動作するよう、判定許可信号を出力する。充電装置２は充電抑制判定回路３からの出力に基づき充電電流上限を決定し、その電流値で急速充電を開始する。

図２は図１の動作を説明するための説明図である。

図示のように、急速充電開始までの一定期間は充電電流上限判定期間とされ、この期間にパルス状の充電電流を、図２（ａ）のように予め設定された電流振幅（Ich）および充電期間で各セルに与え、各セルからの電圧上昇分を電圧判定回路５で検出する。この電圧上昇分(vch)は、パルス電流の流入によって図２（ｂ）のようにステップ的に発生する電圧成分である。この電圧上昇分が上限電圧値Vref3を超過すると、判定信号が充電抑制判定回路３に与えられる。

図２では、最初の電流値はI1で、以下I2,I3…I6と順次増加させて行き、I6で過電圧と判定された場合を示している（図２（ｃ）参照）。充電装置２は、充電抑制判定回路３から電流抑制信号を受け、過電圧判定信号を発生する前の電流値より1つ前の電流値I5に充電電流を設定し、急速充電を開始する。

各セルの電圧上昇分の違いは、内部抵抗のバラツキなどによって発生するものであり、電圧上昇の最も大きいセルが、急速充電時の許容される最大の充電電流値を制限することになる。従って、以上のような方法で充電電流を設定することにより、特性バラツキや経年劣化による特性変化に対しても、最適な充電を行なうことが可能となる。

この発明の実施の形態を示す回路図 図１の動作を説明する説明図 第１の従来例を示す構成図 第２の従来例を示す構成図

符号の説明

１…単一キャパシタセル（セル）、２…充電装置、３…充電抑制判定回路、４…バイパススイッチ、５…電圧判定回路、６…コンパレータ、７…バイパス回路、８…直流電圧源、９…フライバック形DC-DCコンバータ。

Claims (2)

1. 単一セルを複数個直列接続してなる大容量キャパシタを充電するに当たり、
   充電開始時には電流値が段階的に増加するパルス状の充電電流を順次与え、この充電電流によって発生する各セルの電圧上昇値のうちの少なくとも１つが、設定値を超えたことを検知したら前記パルス電流の供給を一旦停止し、その後は前記判断時点の直前の段階で与えた電流値で残りのセルを充電することを特徴とする大容量キャパシタの充電方法。
2. 単一セルを複数個直列接続してなる大容量キャパシタの充電装置において、
   前記各セルに与える充電電流値を定めて電流を供給する充電手段と、各セルの端子電圧を検出するとともに各セルの端子電圧が設定値を超えたことを判定する判定手段と、この判定手段の出力が少なくとも１つあるか否かを監視する監視手段とを設け、充電開始時には電流値が段階的に増加するパルス状の充電電流を順次与え、この充電電流によって発生する各セルの電圧上昇値のうちの少なくとも１つが設定値を超えたことを前記監視手段で検知したら、監視手段は充電手段に対しその旨を通知し、以後充電手段は前記判断時点の直前の段階で与えた電流値で残りのセルを充電することを特徴とする大容量キャパシタの充電装置。

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