JP2012170226A - 電気二重層コンデンサ用保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な回路構成で信頼性の高い保護機能を有する電気二重層コンデンサ用保護装置を提供する。
【解決手段】電気二重層コンデンサ４から構成されるコンデンサブロック３が直列接続されたコンデンサモジュールに対し、各コンデンサブロック３の電圧を均等に分圧する分圧抵抗２がコンデンサブロック３ごとに設けられている。このコンデンサブロック３の電圧を検出し、コンデンサブロック３の電圧が予め設定された設定電圧以上になるとトランジスタ１１をオフ状態からオン状態に切り替え、オン状態となったトランジスタ１１を通じてコンデンサブロック３からの電流を放電抵抗３０において放電させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気二重層コンデンサ用保護装置に関する。

電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）は、単一のセルでは定格電圧が１．５〜３Ｖ程度と低いため、複数個のセルを直列に接続したコンデンサモジュールとして用いられる。

このようなコンデンサモジュールは、直列に接続された各セルに分圧用の抵抗が並列に接続されることで、均等に電圧が付加されるようになっている。
しかしながら、静電容量や内部抵抗のばらつきにより各セルに電圧差が生じてしまい、電圧印加時にセルの定格電圧を超えて過電圧となってしまう場合があった。

このような問題に対し、電気二重層コンデンサを保護するものとして、特許文献１記載の装置がある。
特許文献１には、コンデンサモジュールの各セルにバイパストランジスタを並列接続し、セルの過電圧検出時にはバイパストランジスタをオンさせて電気二重層コンデンサを短絡して電荷を放電させると共に、このバイパストランジスタの過電流を検出してバイパストランジスタの過負荷を保護する電気二重層コンデンサ装置が開示されている。

特開２００５−０９４８９４号公報

しかしながら、特許文献１の電気二重層コンデンサ装置では、セルの保護回路を保護するための回路が必要であるため複雑な回路構成となり、セルの保護機能の信頼性が低下するおそれがあった。

そこで、本発明は、簡易な回路構成で信頼性の高い保護機能を有する電気二重層コンデンサ用保護装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、電気二重層コンデンサ単体をセルとし、該セルから構成されるコンデンサブロックが直列接続されたコンデンサモジュールに対し、該コンデンサブロックごとに設けられ、各コンデンサブロックの電圧を均等に分圧する分圧抵抗に並列接続された電気二重層コンデンサ用保護装置において、前記コンデンサブロック電圧を検出する電圧検出部と、前記コンデンサブロックの電圧が予め設定された設定電圧以上になるとオフ状態からオン状態に切り替わるスイッチング素子と、オン状態となった前記スイッチング素子を通じて前記コンデンサブロックからの電流を放電させる放電抵抗と、を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、電気二重層コンデンサが設定電圧に達して過電圧となった場合、スイッチング素子がオン状態に切り替えられ、電気二重層コンデンサからの電流がオン状態となったスイッチング素子を通じて放電抵抗に流れる。これにより、過電圧となった電気二重層コンデンサからの電流が放電されるため、電気二重層コンデンサの過電圧を解消することができる。

また、本発明の電気二重層コンデンサ用保護装置は、前記スイッチング素子と前記放電抵抗とが直列に接続され、前記スイッチング素子と前記放電抵抗とからなる直列回路が、前記分圧抵抗に並列接続され、前記スイッチング素子がオン状態に切り替わることにより、前記セルに並列接続された抵抗の合成抵抗値を低下させる構成にされていてもよい。

上記構成によれば、スイッチング素子がオン状態に切り換わると、放電抵抗が分圧抵抗に並列に接続されることになるため、スイッチング素子がオフ状態である場合よりもセルに並列接続された抵抗の合成抵抗値が小さくなる。これにより、放電される電流が定常時よりも増加するため、電気二重層コンデンサの過電圧を解消することができる。

また、本発明の電気二重層コンデンサ用保護装置は、前記スイッチング素子のオン／オフ状態を検出し、前記スイッチング素子がオン状態に切り替わると、過電圧故障信号を出力する過電圧故障信号出力回路をさらに備える構成にされていてもよい。

上記構成によれば、電気二重層コンデンサが過電圧となってスイッチング素子のオン状態を検出した場合に、過電圧故障信号を出力することができ、電気二重層コンデンサの異常を容易に検知することができる。

本発明によれば、簡易な回路構成で信頼性の高い保護機能を提供することができる。

本発明をコンデンサモジュールに適用したブロック図である。 本実施形態に係る電気二重層コンデンサ用保護装置の回路図である。

本発明の電気二重層コンデンサ用保護装置は、コンデンサバンク装置や瞬時電圧低下補償装置等に適用される。
以下、本実施の形態における電気二重層コンデンサ用保護装置について図面を用いて説明する。

（構成）
図１は、本発明を複数個のコンデンサブロック３からなるコンデンサモジュールに適用したブロック図を示す。図１に示すように、本実施形態のコンデンサモジュール３００は、コンデンサブロック３が複数個、直列に接続されている。例えば、コンデンサバンク装置に用いられるコンデンサモジュール３００の場合は、コンデンサモジュール３００の両端に商用電源を直流電流に変換する充電装置が配設される。

コンデンサブロック３は、並列に接続された２個の電気二重層コンデンサ単体からなるセル４から構成されている。このコンデンサブロック３と並列に分圧抵抗２が接続されている。分圧抵抗２は、コンデンサブロック３に加えられる電圧が均等となるように分圧する機能を有している。そして、このコンデンサブロック３ごとに、電気二重層コンデンサ用保護装置１が並列に接続されている。

このように、本実施形態では、並列に接続された２個のセル４から構成されるコンデンサブロック３に対して、分圧抵抗２と電気二重層コンデンサ用保護装置１とが、それぞれ並列に接続されるものであるが、これに限定されることはない。例えば、コンデンサブロック３が１個の電気二重層コンデンサで構成され、直列に接続された一列のコンデンサブロック３のそれぞれに並列に分圧抵抗と電気二重層コンデンサ用保護装置とを配設する構成であってもよい。

上記のように配設された電気二重層コンデンサ用保護装置１について説明する。
図２は、この電気二重層コンデンサ用保護装置１の回路図である。図２に示すように、本実施形態の電気二重層コンデンサ用保護装置１は、トランジスタ（スイッチング素子）１１と、電圧検出部２０と、放電抵抗３０と、過電圧故障信号出力回路４０と、を備えている。

トランジスタ１１と放電抵抗３０とからなる直列回路は、コンデンサブロック３と並列に接続されている。すなわち、トランジスタ１１と放電抵抗３０とからなる直列回路は、分圧抵抗２と並列になっている。また、トランジスタ１１のコレクタに放電抵抗３０が直列に接続され、エミッタにコンデンサブロック３の（＋）端子が接続されている。したがって、トランジスタ１１がオン状態となった場合には、コンデンサブロック３からの電流が放電抵抗３０に流れるようになっている。

電圧検出部２０は、コンデンサブロック３と並列に接続されている。すなわち、電圧検出部２０は、分圧抵抗２、およびトランジスタ１１と放電抵抗３０の直列回路と並列になっている。
具体的に、電圧検出部２０は、リファレンス電圧検出用抵抗２１・２２と、シャントレギュレータＩＣ２３と、ノイズ除去用コンデンサ２４と、スイッチング制御用抵抗２５と、を有している。

直列に接続されたリファレンス電圧検出用抵抗２１・２２は、分圧抵抗２に並列に接続され、コンデンサブロック３の両端電圧値をリファレンス電圧として検出する。
シャントレギュレータＩＣ２３は、リファレンス電圧検出用抵抗２１・２２によって分圧された電圧をリファレンス電圧としてリファレンス端子に印加可能にされている。シャントレギュレータＩＣ２３は、内部に基準電圧を有しており、リファレンス電圧が基準電圧を超える（コンデンサブロック３が過電圧である）場合には、シャントレギュレータＩＣ２３が動作状態となり、カソード側からアノード側への導通を許容するようになっている。

なお、コンデンサブロック３の過電圧設定は、通常２．５Ｖに設定されるがこれに限定されるものではない。また、シャントレギュレータＩＣ２３は、このコンデンサブロック３が過電圧として判定される電圧を設定電圧として設定され、当該設定電圧以上となった場合に動作状態となることが望ましい。

スイッチング制御用抵抗２５は、シャントレギュレータＩＣ２３のカソード側に接続されている。なお、このスイッチング制御用抵抗２５とシャントレギュレータＩＣ２３との接続点がトランジスタ１１のベース側に接続されている。したがって、シャントレギュレータＩＣ２３が動作状態となり導通した場合には、スイッチング制御用抵抗２５において電圧降下が発生し、トランジスタ１１からベース電流が流れてトランジスタ１１がオン状態となる。

ノイズ除去用コンデンサ２４は、シャントレギュレータＩＣ２３のノイズを除去するために一端がシャントレギュレータＩＣ２３のカソードに、他端が電圧検出用抵抗２１、２２の接続部に接続されている。

このように、電圧検出部２０は、コンデンサブロック３の充電電圧を検出し、該充電電圧が設定電圧以上になるとトランジスタ１１をオン状態に切り替えて、コンデンサブロック３からの電流を放電抵抗３０へ導通させる機能を有している。すなわち、スイッチング素子としてのトランジスタ１１は、コンデンサブロック３の電圧が予め設定された設定電圧以上になるとオフ状態からオン状態に切り替わる機能を有している。

放電抵抗３０は、上述のとおり、トランジスタ１１のコレクタ側に、トランジスタ１１と直列に接続されている。すなわち、放電抵抗３０は、コンデンサブロック３からの電流が流れた場合にコンデンサブロック３を放電させる機能を有している。
すなわち、コンデンサブロック３が過電圧である場合には、分圧抵抗２に放電抵抗３０が並列に接続されるため、コンデンサブロック３に並列接続される抵抗の合成抵抗値が低下する。

過電圧故障信号出力回路４０は、放電抵抗３０と並列に接続された、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）４１と、半導体リレー４２とを有している。ＬＥＤ４１及び半導体リレー４２は、コンデンサブロック３が過電圧である場合に、トランジスタ１１がオン状態に切り替えられることで導通する。すなわち、ＬＥＤ４１は、接続されているＥＤＬＣセル３が過電圧であることを目視で確認可能にするものである。

また、半導体リレー４２は、導通することで外部（出力端子Ｔ１・Ｔ２）に過電圧故障信号を出力することができるようになっている。すなわち、半導体リレー４２は、自身が導通することでトランジスタのオン状態を検出して過電圧故障信号を出力し、自身が非導通となることでトランジスタのオフ状態を検出して過電圧故障信号の出力を停止する。
なお、半導体リレー４２は、定常時（非導通状態）に接点が閉（すなわち過電圧時の導通時に開）となるものであってもよいし、その逆でもよい。また、半導体リレー４２はホトカプラを用いるものであってもよい。

また、過電圧故障信号は、電気二重層コンデンサ用保護装置１の出力用プラス端子および出力用マイナス端子である出力端子Ｔ１・Ｔ２ごとに個別に出力されるものであってもよいし、各電気二重層コンデンサ用保護装置１の出力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２とを接続して最上段のプラス端子と最下段のマイナス端子から出力されるものであってもよい。
また、各電気二重層コンデンサ用保護装置１の出力端子Ｔ１および出力端子Ｔ２を並列接続してまとめたプラス端子とマイナス端子とから出力されるものであってもよい。

（動作）
上記のように構成された電気二重層コンデンサ用保護装置１の動作について説明する。
先ず、定常状態時には、各コンデンサブロック３には、分圧抵抗２で均等に分圧された電圧が加えられている。

そして、何れかのコンデンサブロック３が過電圧状態となった場合、リファレンス電圧検出用抵抗２１・２２によって検出されるリファレンス電圧が、シャントレギュレータＩＣ２３が有する内部電圧以上となるため、シャントレギュレータＩＣ２３が動作状態となり、カソード側からアノード側へ降伏電流が流れる。

シャントレギュレータＩＣ２３に降伏電流が流れることにより、スイッチング制御用抵抗２５において、電圧降下が発生する。これにより、トランジスタ１１からシャントレギュレータＩＣ２３へベース電流が流れる。

トランジスタ１１にベース電流が流れることで、トランジスタ１１がオン状態となり、エミッタ側からコレクタ側へ電流が流れ、放電抵抗３０に電流が流れてコンデンサブロック３が放電される。すなわち、主に分圧抵抗２のみで放電されていたコンデンサブロック３の放電電流が、トランジスタ１１がオン状態（過電圧状態）では分圧抵抗２に並列に接続された放電抵抗３０においても放電されるようになる。
ここで、分圧抵抗２と放電抵抗３０との合成抵抗値は、定常時における分圧抵抗２の抵抗値よりも小さくなる。したがって、トランジスタ１１がオン状態となってコンデンサブロック３からの電流が放電抵抗３０に流れた場合、放電量は定常時よりも増加するため、コンデンサブロック３の過電圧を解消することができるようになっている。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲
において変更が可能である。

例えば、本実施形態においては、過電圧の目視確認用にＬＥＤ４１を設けた構成にしていたがこれに限定されず、ＬＥＤ４１の無い構成であってもよい。

また、本実施形態では、並列に接続された２個のセル４から構成されるコンデンサブロック３が複数直列に接続されたコンデンサモジュール３００に適用するものであったが、適用対象はこのような形態に限定されず、セルは１個または３個以上でもよい。
また、シャントレギュレータＩＣ２３等による構成で例示された電圧検出部、トランジスタ１１で例示されたスイッチング素子、半導体リレー４２等による構成で例示された過電圧故障信号出力回路等はこのような形態に限定されない。

１ 電気二重層コンデンサ用保護装置
２ 分圧抵抗
３ コンデンサ（電気二重層コンデンサ）ブロック
４ セル（電気二重層コンデンサ）
１１ トランジスタ
２０ 電圧検出部
２１、２２ リファレンス電圧検出用抵抗
２３ シャントレギュレータ
２４ ノイズ除去用コンデンサ
２５ スイッチング制御用抵抗
３０ 放電抵抗
４０ 過電圧故障信号出力回路
４１ ＬＥＤ
４２ 半導体リレー
３００ コンデンサモジュール

Claims (3)

1. 電気二重層コンデンサ単体をセルとし、該セルから構成されるコンデンサブロックが直列接続されたコンデンサモジュールに対し、該コンデンサブロックごとに設けられ、各コンデンサブロックの電圧を均等に分圧する分圧抵抗に並列接続された電気二重層コンデンサ用保護装置において、
   前記コンデンサブロック電圧を検出する電圧検出部と、
   前記コンデンサブロック電圧が予め設定された設定電圧以上になるとオフ状態からオン状態に切り替わるスイッチング素子と、
   オン状態となった前記スイッチング素子を通じて前記コンデンサブロックからの電流を放電させる放電抵抗と、
   を備えたことを特徴とする電気二重層コンデンサ用保護装置。
2. 前記スイッチング素子と前記放電抵抗とが直列に接続され、
   前記スイッチング素子と前記放電抵抗とからなる直列回路が、前記分圧抵抗に並列接続され、
   前記スイッチング素子がオン状態に切り替わることにより、前記セルに並列接続された抵抗の合成抵抗値を低下させることを特徴とする請求項１記載の電気二重層コンデンサ用保護装置。
3. 前記スイッチング素子のオン／オフ状態を検出し、前記スイッチング素子がオン状態に切り替わると、過電圧故障信号を出力する過電圧故障信号出力回路をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の電気二重層コンデンサ用保護装置。

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