JP2010190707A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電部の容量値を高精度に求め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】主電源１５と負荷１７の間に接続された、キャパシタからなる蓄電部２３と、蓄電部２３に接続された充放電回路１９、および電圧検出回路２５と、これらが接続された制御回路４１とから構成され、制御回路４１は、負荷１７を蓄電部２３により動作させた際の蓄電部２３の電圧（Ｖｃ）における変化範囲幅（Ｖｃｒ）をあらかじめ求めておき、定電流値（Ｉ）で蓄電部２３を充電、または放電し、かつ電圧検出回路２５で検出した蓄電部２３の電圧（Ｖｃ）が充放電開始時から変化範囲幅（Ｖｃｒ）に至るまでの時間幅（Δｔ）を求め、蓄電部２３の電圧（Ｖｃ）の傾き（ΔＶｓ）を計算し、定電流値（Ｉ）を傾き（ΔＶｓ）で除して蓄電部２３の容量値（Ｃ）を求めるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャパシタからなる蓄電部に電力を蓄える補助電源としての蓄電装置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、モータとエンジンの動力をハイブリッド化した自動車（以下、車両という）が市販されている。このような車両はブレーキによる電力回生を行うために、従来の機械的な油圧制御に替わって電気的な油圧制御を行う車両制動システムが用いられている。しかし、バッテリが異常になると、車両制動システムが動作しなくなる等の可能性があった。

そこで、バッテリ異常時に車両制動システムに電力を供給するための補助電源としての車両用の蓄電装置が、例えば特許文献１に提案されている。図５はこのような蓄電装置のブロック回路図である。電力を蓄える蓄電素子には例えば大容量の電気二重層キャパシタが用いられ、これを複数個接続して蓄電部としてのキャパシタユニット１０１が構成されている。キャパシタユニット１０１には、その充放電を制御する充電回路１０３、および放電回路１０５が接続されている。充電回路１０３と放電回路１０５はマイコン１０７によって制御されている。マイコン１０７にはバッテリ異常を検出するための電圧検出手段１０９が接続され、電圧検出手段１０９には異常時にキャパシタユニット１０１の電力を供給するＦＥＴスイッチ１１１が接続されている。

このようにして構成された蓄電装置１１３はバッテリ１１５と電子制御部１１７の間に接続されており、イグニションスイッチ１１９によって起動、停止するように制御されている。

電子制御部１１７は車両制動システムであるので、安全確保のためにバッテリ１１５が異常になっても電子制御部１１７を駆動させ続けなければならない。そこで、バッテリ１１５の異常を電圧検出手段１０９が検出すれば、ＦＥＴスイッチ１１１をオンにしてキャパシタユニット１０１の電力を電子制御部１１７に供給することで、バッテリ１１５の異常に対応している。また、車両の使用終了時には、キャパシタユニット１０１の劣化を抑制するために、マイコン１０７は放電回路１０５によってキャパシタユニット１０１に蓄えられた電力を放電している。

このような蓄電装置１１３は、バッテリ１１５の異常時にも確実に電子制御部１１７に必要十分な電力を供給できるようにするために、キャパシタユニット１０１の劣化判断を行っている。すなわち、キャパシタユニット１０１は劣化が進行するに伴って、その内部抵抗値Ｒが上昇し容量値Ｃが低減するので、現在の内部抵抗値Ｒと容量値Ｃを求め、例えばあらかじめ求めたこれらの劣化限界値（順にＲｄ、Ｃｄとする）と比較することにより、キャパシタユニット１０１の劣化を判断することができる。この劣化判断動作の詳細を図６により説明する。

図６は、蓄電装置１１３を起動した際におけるキャパシタユニット１０１の電圧経時変化特性を示し、横軸は時間を、縦軸はキャパシタユニット１０１の電圧を、それぞれ示す。

前記したように、マイコン１０７は使用終了時に放電回路１０５によりキャパシタユニット１０１の電力を放電しているので、図６の時間０に示すように、蓄電装置１１３の起動時にはキャパシタユニット１０１の電圧は０Ｖである。この状態で、マイコン１０７が充電回路１０３により定電流値Ｉでキャパシタユニット１０１を充電すると、充電開始直後に、図６の時間０に示すようにキャパシタユニット１０１の内部抵抗値Ｒに比例した電圧上昇が起こり、その後、キャパシタユニット１０１の電圧が経時的に上昇していく。

ここで、マイコン１０７はキャパシタユニット１０１の内部抵抗値Ｒを求めるために充電を８０ミリ秒（８０ｍＳ）の間、中断し、その際の電圧降下幅ΔＶ１を求める。これにより、内部抵抗値Ｒを、Ｒ＝ΔＶ１／Ｉより求めている。

その後、マイコン１０７は充電を再開し、その際の任意の時間幅Δｔにおける電圧上昇幅ΔＶ２を求める。これにより、キャパシタユニット１０１の容量値Ｃを、Ｃ＝Ｉ・Δｔ／ΔＶ２より求めている。

このようにして求めた内部抵抗値Ｒと容量値Ｃを用いて、前記した劣化限界値Ｒｄ、Ｃｄとそれぞれ比較し、Ｒ≧Ｒｄ、またはＣ≦Ｃｄであれば、キャパシタユニット１０１が劣化していると判断することができる。これにより、蓄電装置１１３の高信頼性を得ていた。
特開２００５−２８９０８号公報

上記の蓄電装置１１３によると、確かにキャパシタユニット１０１の劣化判断を行うことにより、高信頼性の蓄電装置１１３を構成することができるのであるが、容量値Ｃを充電再開後の任意の時間幅Δｔにおける電圧上昇幅ΔＶ２により求めているので、時間幅Δｔの設定によっては容量値Ｃの精度が低下する可能性があった。この理由を図７により説明する。図７はキャパシタの等価回路図である。ここで、前記したようにキャパシタユニット１０１は複数の電気二重層キャパシタを接続した構造であるが、ここでは接続された電気二重層キャパシタを合成して１つのキャパシタと等価として扱う。

図７に示すように、キャパシタは内部抵抗成分１２１、１２２、１２３・・・と容量成分１３１、１３２、１３３・・・が複数並列に接続された構成と等価であると考えられる。ここで、キャパシタの充電初期では、図７における一番上の容量成分１３１に電力が主に蓄えられ、並列接続された他の容量成分１３２、１３３・・・にはあまり充電されない。これは、図７で容量成分１３２、１３３・・・と下の方の容量成分になる程、内部抵抗成分１２１、１２２、１２３・・・の合成抵抗値が大きくなるためである。しかし、充電を継続するに従って、徐々に容量成分１３２、１３３・・・にも充電されていく。このような挙動により、キャパシタユニット１０１を定電流値Ｉで充電すると、理想的には図６に示すように、キャパシタユニット１０１の電圧は時間とともに直線的に上昇していくのであるが、実際には、主に容量成分１３１に充電される初期状態においては素早く充電されるので、キャパシタユニット１０１の電圧上昇速度が大きくなるが、その後、他の容量成分１３２、１３３・・・への充電が徐々に行われると、その際の電圧上昇速度は小さくなる。このため、図６の電圧上昇幅ΔＶ２の測定タイミングによっては、同じ時間幅Δｔであっても図６の電圧上昇幅ΔＶ２が変化してしまう可能性があった。すなわち、図６の時間０の近傍で電圧上昇幅ΔＶ２を測定すると、その値は大きくなり、満充電近傍で電圧上昇幅ΔＶ２を測定すると、その値は小さくなる。その結果、時間幅Δｔを充電時の任意のタイミングに設定すると容量値Ｃの精度が低下するという課題があった。

なお、満充電状態のキャパシタを定電流値Ｉで放電する場合も、上記した充電時と同様に、内部抵抗成分１２１のみで合成抵抗値が最小である図７の一番上の容量成分１３１に蓄えられた電力から放電される。この時は、合成抵抗値が小さいので、電圧降下速度が大きくなる。その後、他の容量成分１３２、１３３・・・からの放電が徐々に行われると、電圧降下速度は小さくなる。従って、放電時に容量値Ｃを求める場合でも、充電時と同様の課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、蓄電部の容量値を高精度に求め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、主電源と負荷の間に接続された蓄電装置であって、前記蓄電装置は、キャパシタからなる蓄電部と、前記蓄電部に接続された充放電回路、および電圧検出回路と、前記充放電回路、および前記電圧検出回路が接続され、前記負荷を前記蓄電部により動作させた際の前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）における変化範囲幅（Ｖｃｒ）をあらかじめ記憶した制御回路とからなり、前記制御回路は、前記充放電回路により前記蓄電部を定電流値（Ｉ）で未充電状態から充電を開始するか、または満充電状態から放電を開始し、前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）が前記変化範囲幅（Ｖｃｒ）に入っている時に、前記充電、または放電の中断前後における電圧差（ΔＶｐ）を前記電圧検出回路により検出し、前記電圧差（ΔＶｐ）を前記定電流値（Ｉ）で除して前記蓄電部の内部抵抗値（Ｒ）を求めるとともに、前記電圧検出回路で検出した前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）が、前記充電、または放電を開始してから前記変化範囲幅（Ｖｃｒ）分、変化するまでの時間幅（Δｔ）を求め、前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）の傾き（ΔＶｓ）を、ΔＶｓ＝(Ｖｃｒ−ΔＶｐ)／Δｔより計算し、前記定電流値（Ｉ）を前記傾き（ΔＶｓ）で除して前記蓄電部の容量値（Ｃ）を求めるようにしたものである。

本発明の蓄電装置によれば、蓄電部の電圧（Ｖｃ）が変化範囲幅（Ｖｃｒ）に入っている時に内部抵抗値（Ｒ）を求めるとともに、蓄電部の電圧（Ｖｃ）が変化範囲幅（Ｖｃｒ）分、変化するまでの時間幅（Δｔ）から蓄電部の容量値（Ｃ）を求めるが、変化範囲幅（Ｖｃｒ）として、負荷を蓄電部により動作させた際に取り得る蓄電部の電圧（Ｖｃ）の範囲としたことで、蓄電部を実際に使用する条件における容量値Ｃが得られ、高精度化が図れるという効果を奏する。

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。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態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における蓄電装置の定電流充電時における蓄電部の電圧の経時特性図である。図３は、本発明の実施の形態における蓄電装置の内部抵抗値と容量値の相関関係からなる劣化限界特性図である。図４は、本発明の実施の形態における蓄電装置の定電流放電時における蓄電部の電圧の経時特性図である。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。また、図２、図４において、横軸は時間ｔを、縦軸は蓄電部の電圧Ｖｃをそれぞれ示す。また、図３において、横軸は容量値Ｃを、縦軸は内部抵抗値Ｒをそれぞれ示す。

図１において、蓄電装置１１は主電源１５と負荷１７との間に接続されている。主電源１５は車両用のバッテリであり、負荷１７は車両制動システムの電子制御部である。

蓄電装置１１は次の構成を有する。まず、主電源１５の出力には充放電回路１９と、主電源１５の電圧Ｖｂを検出する主電源電圧検出回路２１が接続されている。充放電回路１９は後述する蓄電部を定電流、または定電圧で満充電電圧まで充電したり、任意に放電する機能を有する。なお、本実施の形態における充放電回路１９の放電機能は、蓄えられた電力を負荷１７に供給することなく充放電回路１９に内蔵された抵抗器（図示せず）により放電するもので、負荷１７への放電を制御する機能は有していない。また、主電源電圧検出回路２１は電力系配線（太線）の入力側と出力側が同電圧になるよう接続されている。

充放電回路１９と負荷１７の間には、蓄電部２３が接続されている。蓄電部２３は、例えば蓄電素子として電気二重層キャパシタを複数個直列接続して必要な電力を賄う構成としている。本実施の形態では定格電圧２．２Ｖの電気二重層キャパシタを６個直列に接続した構成とした。従って、蓄電部２３の満充電電圧Ｖｃｆは１３．２Ｖとなる。なお、負荷１７の要求電力仕様によって電気二重層キャパシタの個数を増減したり直並列接続としてもよい。

蓄電部２３には、その電圧Ｖｃを検出して出力する電圧検出回路２５が接続されている。さらに、蓄電部２３には、その温度を検出するための温度センサ２７が配されている。温度センサ２７は温度に対する抵抗値の変化率が大きいサーミスタを用いた。

電圧検出回路２５と負荷１７の間には、切替スイッチ３５と第１ダイオード３７が直列に接続されている。切替スイッチ３５は外部からオンオフ制御できる構成のもので、ここではＦＥＴを用いた。また、第１ダイオード３７はアノードが切替スイッチ３５に、カソードが負荷１７にそれぞれ接続されている。

なお、主電源電圧検出回路２１と負荷１７の間にも第２ダイオード３９が接続されている。第２ダイオード３９はアノードが主電源電圧検出回路２１に、カソードが負荷１７にそれぞれ接続されている。従って、第１ダイオード３７と第２ダイオード３９により主電源１５からの電力と蓄電部２３からの電力が互いに逆流することを防止している。

充放電回路１９、主電源電圧検出回路２１、電圧検出回路２５、温度センサ２７、および切替スイッチ３５は信号系配線で制御回路４１にも接続されている。制御回路４１はマイクロコンピュータと周辺回路から構成されており、蓄電装置１１の全体の動作を制御している。すなわち、制御回路４１は電圧検出回路２５の出力から蓄電部２３の電圧Ｖｃを、主電源電圧検出回路２１の出力から主電源１５の電圧Ｖｂを、温度センサ２７の出力から温度Ｔを、それぞれ読み込む。また、制御回路４１は充放電回路１９に制御信号Ｃｏｎｔを送信することで充放電回路１９の制御を行う。また、切替スイッチ３５に切替スイッチオンオフ信号Ｓｏｆを送信することで切替スイッチ３５のオンオフ制御を行う。また、制御回路４１は車両側制御回路（図示せず）とデータ信号ｄａｔａの送受信を行うことで互いに交信する機能を有している。

次に、このような蓄電装置１１の動作について、まず蓄電部２３の劣化判断を含む起動時の動作を、図２、図３により説明する。

図２において、時間ｔ０では車両が非使用状態である。この時、蓄電部２３には電力が充電されていない未充電状態であるので、蓄電部２３の電圧Ｖｃは０Ｖ近傍となる。その後、時間ｔ１で車両のイグニションスイッチ（図示せず）がオンになったとする。その結果、蓄電装置１１の制御回路４１に主電源１５からの電力が供給され、蓄電装置１１が起動する。これにより、制御回路４１は蓄電部２３を充電するように充放電回路１９へ制御信号Ｃｏｎｔを送信する。これを受け、充放電回路１９は主電源１５の電力を定電流値Ｉで蓄電部２３に充電する。この際、制御回路４１は電圧検出回路２５より蓄電部２３の電圧Ｖｃを監視しながら蓄電部２３の満充電を行う。

次に、蓄電部２３の充電過程について図２の太実線を参照しながら説明する。なお、図２において、太実線は蓄電部２３が新品時の場合の挙動を、太点線は蓄電部２３が劣化限界時に至った場合の挙動を、それぞれ示すので、以下の説明では太実線、すなわち蓄電部２３が新品時の場合について説明する。

まず、時間ｔ１で充電が開始されると、蓄電部２３の電圧Ｖｃは、蓄電部２３の内部抵抗値Ｒの値に応じて急峻に上昇する。ここで、前記したように、蓄電部２３の内部抵抗値Ｒは劣化が進行するとともに大きくなるので、定電流値Ｉで充電を開始すると、新品時の電圧上昇は劣化進行時に比べて小さくなる。

その後、蓄電部２３が充電されるとともに、その電圧Ｖｃは経時的に上昇するのであるが、蓄電部２３の等価回路は図７のようになるので、充電初期は図７における内部抵抗成分１２１のみが接続された容量成分１３１から主に充電されていくことになる。この際、蓄電部２３の内部抵抗値Ｒは主に内部抵抗成分１２１のみに相当するので、充電速度が速くなる。その結果、図２に示すように、時間ｔ１から直後は蓄電部２３の電圧Ｖｃの上昇速度（傾きΔＶｓ）が大きくなる。

蓄電部２３の充電が進行すると、図７における容量成分１３１が満充電に近づくので、次に容量成分１３２にも充電されていく。この場合、内部抵抗成分の合計は内部抵抗成分１２１と内部抵抗成分１２２の和に相当するので、内部抵抗成分１２１のみの場合に比べ内部抵抗成分の合計が大きくなる。その結果、充電速度は遅くなり、図２に示すように蓄電部２３の電圧Ｖｃの傾きΔＶｓは小さくなっていく。

このようにして蓄電部２３への充電が行われるので、定電流値Ｉで充電しても電圧Ｖｃの傾きΔＶｓは経時的に小さくなっていく挙動を示す。なお、図２ではこの挙動をわかりやすくするために、実際より誇張して示している。

従って、充電末期の段階では電圧Ｖｃの傾きΔＶｓが大きいので、この傾きΔＶｓを基に従来の方法で蓄電部２３の容量値Ｃを求めると、実際よりも大きい値となってしまう。この場合、容量値Ｃが小さいほど劣化が進行していると判断されるので、蓄電部２３の劣化が進行しているにもかかわらず、まだ使用できる状態であると誤判断される可能性がある。

これを避けるためには、正しく容量値Ｃが得られる時点で電圧Ｖｃの傾きΔＶｓを求めるようにすればよいが、その時点をどのように決定するかが課題となる。そこで、本実施の形態では負荷１７を蓄電部２３により動作させた際の電圧Ｖｃにおける変化範囲幅Ｖｃｒをあらかじめ求めておき、電圧Ｖｃが充電開始時（時間ｔ１）から変化範囲幅Ｖｃｒ分、変化するまでの時間幅Δｔから傾きΔＶｓを求めるようにしている。これにより、実際に蓄電装置１１を使用する時の蓄電部２３の容量値Ｃを求めることができるので、実使用状態において蓄電部２３が劣化しているか否かが判断できる。これらのことから、容量値Ｃの高精度化が図れ、劣化判断の確度も向上する。

なお、具体的な変化範囲幅Ｖｃｒとして、本実施の形態では蓄電部２３の放電時において、満充電電圧Ｖｃｆ（＝１３．２Ｖ）から負荷１７の最低動作電圧Ｖｃｍ（ここでは９Ｖとした）までの範囲、すなわち４．２Ｖとした。この値は、あらかじめ制御回路４１に内蔵したメモリに記憶してある。従って、蓄電部２３から負荷１７に電力を放電開始してから、変化範囲幅Ｖｃｒの分、電圧Ｖｃが降下するまでの電圧降下挙動は、図７で充放電メカニズムを説明したように、蓄電部２３が未充電の状態から充電を開始して、変化範囲幅Ｖｃｒの分、電圧Ｖｃが上昇するまでの電圧上昇挙動と同様である。ゆえに、電圧挙動が同様であるタイミングで容量値Ｃを求めることにより、実際の蓄電装置１１の使用時における容量値Ｃを反映した値が得られる。

ここで、図２に戻り、蓄電部２３の電圧Ｖｃは時間ｔ１以降で経時的に上昇し続け、やがて時間ｔ４で変化範囲幅Ｖｃｒ（＝４．２Ｖ）に至るが、それまでの時間ｔ２において、制御回路４１は蓄電部２３の充電を停止するように充放電回路１９を制御する。これにより、蓄電部２３の電圧Ｖｃは内部抵抗値Ｒに比例した電圧降下を起こす。その後、制御回路４１は、蓄電部２３の電圧Ｖｃが安定した時間ｔ３で電圧検出回路２５より電圧Ｖｃを検出し、定電流値Ｉでの充電を再開するよう充放電回路１９を制御する。これにより、蓄電部２３の内部抵抗値Ｒに応じた電圧上昇が急峻に起こるので、その時の電圧Ｖｃを検出する。これらの動作により、制御回路４１は充電の中断前後における電圧差ΔＶｐ１を求めている。なお、電圧差ΔＶｐ１における添字１は蓄電部２３が新品時の電圧差であることを示す。以下、同様にΔの付いた記号における添字が１の場合は全て蓄電部２３が新品時の記号であり、添字が２の場合は全て蓄電部２３が劣化進行時の記号であると定義する。また、充電の中断時間（＝ｔ３−ｔ２）は従来と同様に８０ミリ秒とした。

このようにして電圧差ΔＶｐ１が求まると、制御回路４１は電圧差ΔＶｐ１を定電流値Ｉで除して蓄電部２３の内部抵抗値Ｒを求める。

次に、時間ｔ４で蓄電部２３の電圧Ｖｃが変化範囲幅Ｖｃｒ（＝４．２Ｖ）に至る。制御回路４１は、時間ｔ４と充電開始時である時間ｔ１の差から時間幅Δｔ１を求める。次に、制御回路４１は時間幅Δｔ１における電圧Ｖｃの傾きΔＶｓ１を求める。ここで、電圧Ｖｃは０から変化範囲幅Ｖｃｒまで変化しているが、この中には蓄電部２３の内部抵抗値Ｒに起因した電圧上昇が時間ｔ１で発生しているので、その影響を除いて傾きΔＶｓ１を求める。具体的には、ΔＶｓ１＝（Ｖｃｒ−ΔＶｐ１）／Δｔ１から計算する。なお、電圧差ΔＶｐ１は時間ｔ３で求めた値である。また、上式から明らかなように、傾きΔＶｓ１は直線近似した値である。

次に、制御回路４１は定電流値Ｉを傾きΔＶｓ１で除して蓄電部２３の容量値Ｃを求める。すなわち容量値Ｃは、Ｃ＝Ｉ／ΔＶｓ１により計算される。

以上により、蓄電部２３の内部抵抗値Ｒと容量値Ｃが求められたので、次に制御回路４１は蓄電部２３の劣化判断を行う。その判断方法を図３により説明する。

蓄電部２３の劣化判断は、簡単には前記したように内部抵抗値Ｒと容量値Ｃの劣化限界値Ｒｄ、Ｃｄとのそれぞれの比較により行うことができるが、劣化判断における両者の関係は完全に独立しているわけではなく、例えば容量値Ｃが劣化限界値Ｃｄより小さくなっても、内部抵抗値Ｒが小さい時や、逆に内部抵抗値Ｒが劣化限界値Ｒｄより大きくなっても、容量値Ｃが大きい時は、蓄電装置１１を正常に使用できる場合がある。これは、蓄電部２３の劣化進行による内部抵抗値Ｒと容量値Ｃの変化率が必ずしも同じではないためである。従って、図３に示すように、横軸に容量値Ｃを、縦軸に内部抵抗値Ｒを取った座標系において、時間ｔ５までで得られた容量値Ｃと内部抵抗値Ｒにおける座標（Ｃ、Ｒ）が劣化限界特性に至れば劣化したと判断することにより、劣化判断の高精度化が図れる。すなわち、図３において座標（Ｃ、Ｒ）が劣化限界特性の下側である正常と書かれた領域にあれば、蓄電部２３は正常であり、劣化限界特性の上側である劣化と書かれた領域にあれば、異常であると判断できる。制御回路４１は図３の劣化限界特性をメモリに記憶しているので、得られた容量値Ｃと内部抵抗値Ｒの組み合わせである座標（Ｃ，Ｒ）がどの領域にあるかを判断することで、高精度な劣化判断を行っている。劣化していると判断すれば、制御回路４１は車両側制御回路（図示せず）に対しデータ信号ｄａｔａにより劣化信号を出力する。これを受け、車両側制御回路は蓄電装置１１の劣化を運転者に警告し、修理を促す。この結果、劣化したままの蓄電装置１１を使い続けることにより負荷１７への電力バックアップ動作が不十分になる可能性を低減している。

以上に説明した、内部抵抗値Ｒと容量値Ｃによる蓄電部２３の劣化判断動作をまとめると、次のようになる。制御回路４１は、内部抵抗値Ｒと容量値Ｃの組み合わせが、蓄電部２３の劣化時における内部抵抗値Ｒと容量値Ｃの相関関係からなる劣化限界特性に至れば、蓄電部２３が劣化したと判断し、劣化信号を出力する。さらに、制御回路４１はこれ以上の蓄電部２３への充電を中止する。

上記した劣化判断の結果、蓄電部２３が正常であれば、その後、蓄電部２３の充電が進行する。やがて、図２の時間ｔ５で蓄電部２３の電圧Ｖｃが満充電電圧Ｖｃｆに近づくと、制御回路４１は充放電回路１９に対し定電流充電から定電圧充電に移行するように制御する。これにより、蓄電部２３は徐々に満充電電圧Ｖｃｆを目標電圧とした定電圧充電を行う。その結果、蓄電部２３の電圧Ｖｃの経時変化における傾きは徐々に小さくなり、やがて満充電電圧Ｖｃｆに至る。その後、制御回路４１は蓄電部２３が満充電電圧Ｖｃｆを維持するように制御し、主電源１５がいつ異常状態になっても、負荷１７への電力供給が途切れないように待機する。

このようにして、蓄電部２３が新品の場合の起動時充電動作が完了する。なお、起動時に蓄電部２３の劣化判断を行うことにより、車両使用前に蓄電部２３の劣化がわかるため、蓄電部２３が劣化した状態で車両を使用してしまう可能性を低減することができ、高信頼性が得られる。

ここで、蓄電部２３の劣化が進行している場合の起動時充電動作を、図２の太点線で示した電圧Ｖｃの経時変化により説明する。蓄電部２３の劣化が進行すると、内部抵抗値Ｒが大きくなるので、時間ｔ１における電圧上昇が大きくなる。その後の蓄電部２３への定電流値Ｉによる充電を行うと、劣化進行により容量値Ｃが小さくなっているので、図２の太点線に示すように、新品時に比べ蓄電部２３の電圧Ｖｃが早く上昇する。その後、新品時と同様にして、時間ｔａで充電を中止し、時間ｔｂで再開した時の電圧差ΔＶｐ２を求めるが、その値は劣化進行により内部抵抗値Ｒが大きくなっているため、新品時の電圧差ΔＶｐ１に比べ大きくなる。その後、時間ｔｃで電圧Ｖｃが変化範囲幅Ｖｃｒに至ると、時間ｔ１から時間ｔｃまでの時間幅Δｔ２を求め、時間幅Δｔ２における電圧Ｖｃの傾きΔＶｓ２を求めるのであるが、前記したように劣化進行に伴い傾きは大きくなるので、傾きΔＶｓ２は新品時の傾きΔＶｓ１より大きくなる。傾きΔＶｓ２は時間ｔ１での電圧上昇を考慮して、ΔＶｓ２＝（Ｖｃｒ−ΔＶｐ２）／Δｔ２から計算される。次に、定電流値Ｉを傾きΔＶｓ２で除して蓄電部２３の容量値Ｃを求める。

その後、新品時と同様にして、蓄電部２３の内部抵抗値Ｒと容量値Ｃから劣化判断を行い、劣化限界に至っていなければ充電を継続する。やがて時間ｔｄで蓄電部２３の電圧Ｖｃが満充電電圧Ｖｃｆに近づくと定電圧充電に移行し、満充電電圧Ｖｃｆになるまで充電する。その後、満充電電圧Ｖｃｆを維持する。なお、新品時に比べ劣化進行時は傾きΔＶｓ２が大きくなるので、満充電に至る時間は短くなる。

以上のようにして、蓄電部２３が劣化進行している場合の起動時充電動作が完了する。

なお、図２において、内部抵抗値Ｒを求めるために、充電を一時中断している。従って、時間幅Δｔ１、Δｔ２は正確には中断期間（上記したように８０ミリ秒）を差し引く必要がある。しかし、本実施の形態においては、蓄電部２３を満充電にするまでに、１〜２分程度かかるので、前記中断期間はほぼ無視できる。従って、時間幅Δｔ１、Δｔ２から前記中断期間を差し引く補正は行っていない。

次に、蓄電装置１１の通常時の動作について説明する。まず、制御回路４１は主電源１５の電圧Ｖｂを主電源電圧検出回路２１から読み込み、電圧Ｖｂと最低動作電圧Ｖｃｍ（＝９Ｖ）を比較する監視動作を行う。もし、電圧Ｖｂが最低動作電圧Ｖｃｍより大きければ、主電源１５は正常な電圧を出力しているので、再び主電源１５の電圧Ｖｂの監視動作を行う。一方、電圧Ｖｂが最低動作電圧Ｖｃｍ以下であれば、主電源１５が断線等の異常状態となっており、負荷１７を動作させることができなくなる。この場合は、切替スイッチオンオフ信号Ｓｏｆをオン信号として制御回路４１から切替スイッチ３５に送信することで、切替スイッチ３５をオンにする。これにより、蓄電部２３の電力が図１の放電経路と書かれた矢印の方向に流れ、負荷１７に供給される。この時、第２ダイオード３９のアノード電圧（＝主電源１５の電圧Ｖｂ）はカソード電圧（＝蓄電部２３により負荷１７に印加される電圧）より小さくなるので、第２ダイオード３９はオフになり、蓄電部２３の電力が主電源１５に供給されることはない。このことから、蓄電部２３の電力は負荷１７にのみ供給され、負荷１７は動作し続けられる。

以上のことから、万一、主電源１５の電圧Ｖｂが異常となっても、蓄電部２３の電力が負荷１７に供給されるので、車両制動システムが動作し続け、安全に車両を停止できる。

次に、車両の使用を終了した時の蓄電装置１１の動作について説明する。車両の使用が終了すると、制御回路４１は充放電回路１９に対し蓄電部２３の電力を放電するように制御信号Ｃｏｎｔを送信する。これを受け、充放電回路１９は蓄電部２３の電圧Ｖｃがほぼ０Ｖになるまで放電を行う。放電が完了すれば蓄電装置１１の動作を停止する。このように動作することで、車両非使用時に蓄電部２３に電力を蓄えたままにしておくことによる蓄電部２３の劣化進行を抑制することができる。なお、蓄電部２３は電気二重層キャパシタの定格電圧（２．２Ｖ）の半分程度まで放電すれば、劣化への影響が極めて小さくなるので、定格電圧の半分程度まで放電するように充放電回路１９を制御してもよい。

なお、図２の動作においては、蓄電装置１１の起動充電時に蓄電部２３の内部抵抗値Ｒと容量値Ｃを求めて劣化判断を行っていたが、これは蓄電装置１１の使用終了時に行ってもよい。この場合、前記したように蓄電装置１１は充放電回路１９により蓄電部２３の電力を放電しているので、その間に内部抵抗値Ｒと容量値Ｃを求めて劣化判断を行う。この具体的な動作を図４により説明する。なお、図４において太実線は蓄電部２３が新品時の場合、太点線は劣化進行時の場合をそれぞれ示し、新品時の場合から説明する。

図４において、時間ｔ１０では車両の使用中であるので、蓄電部２３は満充電状態であり、その電圧Ｖｃは満充電電圧Ｖｃｆを維持している。次に、時間ｔ１１でイグニションスイッチがオフになり、車両の使用が終了したとする。この情報は車両側制御回路からデータ信号ｄａｔａにより制御回路４１に伝達される。これにより、制御回路４１は蓄電部２３を定電流値Ｉで放電する。その結果、時間ｔ１１で蓄電部２３の内部抵抗値Ｒに比例した急峻な電圧降下が起こり、その後、経時的に電圧Ｖｃが低下していく。ここで、蓄電部２３を放電する場合も、図７に示す等価回路における容量成分１３１に蓄えた電力から優先して放電されていく。これは、内部抵抗成分の合計が内部抵抗成分１２１のみとなるためである。その後、容量成分１３２、１３３・・・の電力も順次放電されるが、図７の下側の容量成分ほど内部抵抗成分の合計が大きくなるので、放電されにくくなる。従って、放電が進行するにつれて、図４の電圧Ｖｃの経時特性の傾きの絶対値は小さくなる。

このような挙動を示すことから、放電時に容量値Ｃを求める際に、放電開始から電圧Ｖｃが最低動作電圧Ｖｃｍに至るまでの変化範囲幅Ｖｃｒにおいて求めれば、実使用範囲における容量値Ｃとして高精度化が図れる。なお、図２においては変化範囲幅Ｖｃｒが０Ｖから高電圧側への範囲であったが、放電時には、図４に示すように変化範囲幅Ｖｃｒは満充電電圧Ｖｃｆから低電圧側への範囲となる。これは、上記したように蓄電部２３の実使用電圧範囲と等しくなる。

従って、時間ｔ１１での放電開始後で、電圧Ｖｃが変化範囲幅Ｖｃｒに入っている時間ｔ１２で制御回路４１は放電を停止する。これにより、蓄電部２３の内部抵抗値Ｒに比例した電圧上昇が起こる。その後、充電時と同様に所定の時間（８０ミリ秒）が経過した時間ｔ１３で蓄電部２３の電圧Ｖｃを検出し、その後定電流値Ｉでの放電を再開するとともに、再開直後の電圧Ｖｃを検出する。これにより、放電中断前後における電圧差ΔＶｐ１を求めることができる。よって、電圧差ΔＶｐ１を定電流値Ｉで除することで内部抵抗値Ｒが得られる。

その後、時間ｔ１４において蓄電部２３の電圧Ｖｃが変化範囲幅Ｖｃｒ分（＝４．２Ｖ分）低下すると、制御回路４１は時間ｔ１１と時間ｔ１４の時間幅Δｔ１を求める。その後は、図２の充電時と同様に、時間幅Δｔ１における電圧Ｖｃの傾きΔＶｓ１を、ΔＶｓ１＝（Ｖｃｒ−ΔＶｐ１）／Δｔ１より計算し、定電流値Ｉを傾きΔＶｓ１で除することにより容量値Ｃを求める。

このようにして、蓄電部２３の内部抵抗値Ｒと容量値Ｃが求められれば、充電時と同様にして温度補正後に劣化判断を行い、劣化していれば劣化信号を出力する動作を行う。なお、劣化していた場合、充電時では充電を中止していたが、放電時では放電を継続する。これにより、劣化した蓄電部２３が電力を保持し続けることがなくなり、信頼性が向上する。

次に、蓄電部２３が劣化進行した状態の場合について説明する。劣化が進行すると、図４の太点線に示すように放電直後の電圧降下と傾きの絶対値がいずれも大きくなるが、基本的な動作は新品時と同じである。すなわち、まず時間ｔ１１で放電を開始した後の時間ｔｗから時間ｔｘまでで放電を中断し、中断前後の電圧Ｖｃの電圧差ΔＶｐ２を求める。これにより、内部抵抗値Ｒを得る。次に、電圧Ｖｃが変化範囲幅Ｖｃｒ分、低下した時間ｔｙと、放電開始時の時間ｔ１１における時間幅Δｔ２での傾きΔＶｓ２を、ΔＶｓ２＝（Ｖｃｒ−ΔＶｐ２）／Δｔ２より求める。これにより、容量値Ｃを得る。こうして得られた内部抵抗値Ｒと容量値Ｃから、上記した新品時の場合と同様に劣化判断を行う。

以上の構成、動作により、負荷１７を蓄電部２３により動作させた際に取り得る蓄電部２３の電圧Ｖｃの範囲を変化範囲幅Ｖｃｒとし、その範囲における時間幅Δｔから傾きΔＶｓを求めることにより、蓄電部２３の実使用下に近い高精度な容量値Ｃが得られ、劣化判断の確度を向上することが可能な蓄電装置１１を実現できる。

なお、本実施の形態では、蓄電部２３を定電流値Ｉで未充電状態から充電を開始するか、または満充電状態から放電を開始するときに、蓄電部２３の内部抵抗値Ｒと容量値Ｃを求めて劣化判断を行っているが、それに加え、蓄電装置１１を使用している間、常時劣化判断を行うようにしてもよい。この場合、蓄電部２３の充電開始時に内部抵抗値Ｒと容量値Ｃを求めておく必要がある。さらに、車両の使用に応じて温度Ｔが変化する場合があるので、高精度な常時劣化判断を行うために、制御回路４１は、充電開始時に求めた内部抵抗値Ｒと容量値Ｃに対し、温度センサ２７から読み込んだ温度Ｔから温度補正を行う。具体的には、例えば以下のようにして温度補正を行っている。

制御回路４１には蓄電部２３の新品時における内部抵抗値Ｒと容量値Ｃの温度特性が記憶されている。この温度特性は、ある基準温度（例えば２５℃）における新品の蓄電部２３の内部抵抗値Ｒや容量値Ｃを基準値とした時に、他の温度における内部抵抗値Ｒや容量値Ｃの比を求めたものある。すなわち、内部抵抗値Ｒは温度Ｔが上がるとともに下がるので、基準温度では前記比が１に、温度Ｔが上がると１未満に、温度Ｔが下がると１より大きくなる特性となる。容量値Ｃは温度Ｔが上がるとともに上がるので、基準温度では前記比が１に、温度Ｔが上がると１より大きくなり、温度Ｔが下がると１未満になる特性となる。この特性により、現在の温度Ｔにおける前記比が、内部抵抗値Ｒと容量値Ｃに対してそれぞれ求められるので、図２の時間ｔ５までで求めた内部抵抗値Ｒと容量値Ｃに、温度Ｔから求めた比を乗じることで、温度補正された内部抵抗値Ｒと容量値Ｃが得られる。これらの値による座標（Ｃ、Ｒ）に対して、図３に示す基準温度における劣化限界特性と比較することで、温度補正を行った劣化判断が可能となる。これにより、劣化判断を常時行うことができるので、タイムリーに高精度な劣化判断ができる。

また、本実施の形態において、蓄電部２３には蓄電素子として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、本実施の形態において、蓄電装置１１を車両制動システムの補助電源に適用した場合について述べたが、それらに限らず、アイドリングストップ車やハイブリッド車、あるいは電動パワーステアリングや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。

本発明にかかる蓄電装置は、蓄電部の容量値を高精度に求めることができるので、蓄電部の劣化判断の確度が向上し、特に主電源の電圧低下時に蓄電部から電力を供給する車両用補助電源としての蓄電装置等として有用である。

本発明の実施の形態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における蓄電装置の定電流充電時における蓄電部の電圧の経時特性図 本発明の実施の形態における蓄電装置の内部抵抗値と容量値の相関関係からなる劣化限界特性図 本発明の実施の形態における蓄電装置の定電流放電時における蓄電部の電圧の経時特性図 従来の蓄電装置のブロック回路図 従来の蓄電装置の起動時におけるキャパシタユニットの電圧経時変化特性図 従来の蓄電装置のキャパシタの等価回路図

１１ 蓄電装置
１５ 主電源
１７ 負荷
１９ 充放電回路
２３ 蓄電部
２５ 電圧検出回路
２７ 温度センサ
４１ 制御回路

Claims (3)

1. 主電源と負荷の間に接続された蓄電装置であって、
   前記蓄電装置は、キャパシタからなる蓄電部と、
   前記蓄電部に接続された充放電回路、および電圧検出回路と、
   前記充放電回路、および前記電圧検出回路が接続され、前記負荷を前記蓄電部により動作させた際の前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）における変化範囲幅（Ｖｃｒ）をあらかじめ記憶した制御回路とからなり、
   前記制御回路は、前記充放電回路により前記蓄電部を定電流値（Ｉ）で未充電状態から充電を開始するか、または満充電状態から放電を開始し、
   前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）が前記変化範囲幅（Ｖｃｒ）に入っている時に、前記充電、または放電の中断前後における電圧差（ΔＶｐ）を前記電圧検出回路により検出し、
   前記電圧差（ΔＶｐ）を前記定電流値（Ｉ）で除して前記蓄電部の内部抵抗値（Ｒ）を求めるとともに、
   前記電圧検出回路で検出した前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）が、前記充電、または放電を開始してから前記変化範囲幅（Ｖｃｒ）分、変化するまでの時間幅（Δｔ）を求め、前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）の傾き（ΔＶｓ）を、ΔＶｓ＝(Ｖｃｒ−ΔＶｐ)／Δｔより計算し、
   前記定電流値（Ｉ）を前記傾き（ΔＶｓ）で除して前記蓄電部の容量値（Ｃ）を求めるようにした蓄電装置。
2. 前記制御回路は、前記内部抵抗値（Ｒ）と前記容量値（Ｃ）の組み合わせが、前記蓄電部の劣化時における前記内部抵抗値（Ｒ）と前記容量値（Ｃ）の相関関係からなる劣化限界特性に至れば、前記蓄電部が劣化したと判断し、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。
3. 前記制御回路は、前記蓄電部の劣化判断を起動時に行うようにした請求項２に記載の蓄電装置。

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