JP2013034302A

JP2013034302A - 蓄電体の過放電警報回路

Info

Publication number: JP2013034302A
Application number: JP2011168958A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yamamoto; 隆之山本; Ron Horikoshi; 論堀越; Yoshio Kijima; 芳夫木島; Taketoshi Terada; 剛敏寺田; Mitsuo Muto; 光夫武藤
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd; Shoei Electric Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd; Shoei Electric Co Ltd
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2031-08-02
Also published as: JP5758222B2

Abstract

【課題】蓄電体における過放電の検出および警報の消費電力を抑制し、蓄電体を過放電から効果的に保護する。
【解決手段】電圧検出器Ｓ１により蓄電体Ｃの電圧を検出し、通常時は蓄電体Ｃの静電エネルギーをコンデンサＣ３に充電し、前記電圧検出部Ｓ１が過放電を検出した際は、コンデンサＣ３に充電された静電エネルギーを短時間放電する。この時、コンデンサＣ３から放電された電流は絶縁素子ＰＣ１の一次側に印加され、絶縁素子ＰＣ１の２次側がオンとなった際に、蓄電体Ｃと絶縁素子ＰＣ１の２次側との閉回路が形成される。そして、蓄電体Ｃからの電流が継電器ＲＹ１のコイルに励磁され、その継電器ＲＹ１の接点がオンに切り替わると、警報出力端子ＡＬ１，ＡＬ２間が導通する。そして、この継電器ＲＹ１の切替後はオン状態が機械的に保持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、動作電圧範囲が定められている蓄電体の電圧状態を監視し、低消費電力で過放電検出および警報出力を行う過放電警報回路に関する。

リチウムイオンキャパシタは、一般的に動作電圧範囲が定められており、この動作電圧範囲内での使用であれば特性低下は小さく、電気二重層キャパシタと同等程度の寿命を有し長期に渡る安定使用が可能である。しかしながら、この動作電圧範囲外の電圧で使用すると急速に劣化してしまうため、使用に際しては、電圧の監視と制御を行う必要がある。

また、リチウムイオン二次電池も、過充電や過放電となるといずれの場合も熱暴走につながり発火・爆発に至る危険性があるため、電圧の監視と制御が必要である。そのため、リチウムイオン二次電池には保護回路が標準的に搭載されており、常時セル電圧を監視し、過充電・過放電のそれぞれの場合に電界効果トランジスタを制御して主回路を遮断する方式がとられている。

なお、セル電圧を監視するための手段として、電圧検出回路を備え、使用用途に応じてタイマーなどの制御と組み合わせてスイッチング素子を制御し、外部に信号を送出する回路が特許文献１に開示されている。

また、二次電池など動作電圧範囲が定められている蓄電体の電圧を監視し、過放電から保護する方法として、特許文献２が提案されている。

特許３６７０５２２号公報特開２００７−１０３３０９号公報

しかしながら、特許文献２の方法の場合、電圧検出部からの電圧検出信号によって主回路が遮断され蓄電体と負荷とが切り離されたとしても、電圧検出部そのものが消費電力を有しているため、電圧検出部の消費電力により蓄電体からの放電は進行してしまう。さらに、過充電時や過放電時に外部に警報を出力する機能を有する場合は、警報出力の維持によっても電力を消費するため、深刻な過放電に至る危険性がより高くなる。このことから、蓄電体の過放電の検出および警報の出力は極めて低消費電力であることが求められる。

以上示したようなことから、蓄電体における過放電の検出および警報の消費電力を抑制し、蓄電体を過放電から効果的に保護することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み案出されたもので、その一態様は、蓄電体の電圧監視および警報出力を行う過放電警報回路であって、蓄電体の電圧を検出する電圧検出部と、通常時は蓄電体の静電エネルギーを充電し、前記電圧検出部が過放電を検出した際は充電された静電エネルギーを短時間放電するコンデンサと、前記コンデンサから放電された電流が１次側に印加され２次側がオンとなった際、蓄電体と前記２次側との閉回路を形成する絶縁素子と、コイルが前記閉回路における蓄電体と絶縁素子との間に介挿され、接点が警報出力端子間に介挿され、接点がオンに切り替わると前記警報出力端子間が導通し、接点がオンに切り替わった後は警報出力端子間の導通状態を機械的に保持する継電器と、を備えたことを特徴とする。

また、前記蓄電体としてはリチウムイオンキャパシタを用いても良く、前記継電器にラッチングリレーを適用しても良い。

本発明によれば、蓄電体の過放電の検出および警報の消費電力を抑制し、蓄電体を過放電から効果的に保護することが可能となる。

実施形態における蓄電体の過放電警報回路の一例を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態における蓄電体の過放電警報回路を図面に基づいて詳細に説明する。

［実施形態］
図１は、本実施形態における蓄電体の過放電警報回路の一例を示す回路構成図である。過放電警報回路１は、図１に示すように、直列接続された蓄電体Ｃと、電圧検出器Ｓ１と、コンデンサＣ３と、絶縁素子（本実施形態ではフォトカプラ：以下、フォトカプラと称する）ＰＣ１と、継電器（本実施形態ではラッチングリレー：以下、ラッチングリレーと称する）ＲＹ１と、スイッチＳ１ａと、スイッチＳ１ｂと、ダイオードＤ１と、警報出力端子ＡＬ１，ＡＬ２と、を備える。

なお、図１では蓄電体Ｃを１つのみ示しているが、蓄電体Ｃは複数個直列に接続され、この蓄電体Ｃにはそれぞれ過放電警報回路１が設けられている。

本実施形態では、前記蓄電体Ｃとして、リチウムイオンキャパシタが用いられる。このリチウムイオンキャパシタは、一般的に活性炭等を構成材料とした正極と、黒鉛やグラファイトなどを主とした負極と、をセパレータを介して対向させた構造となっており、正極は電気二重層キャパシタ，負極はリチウムイオン二次電池と同様の構成を有している。また、その電極間は電解質塩を含む有機溶媒で満たされている。

そして、あらかじめ負極にリチウムイオンを吸蔵させて電位をもたせることにより、電気二重層キャパシタよりも高い２．２Ｖから３．８Ｖ程度の動作電圧範囲を有している。この高い動作電圧範囲により、電気二重層キャパシタに比べて３〜４倍の高エネルギーを蓄えることが可能である。

そのため、電気二重層キャパシタのエネルギーでは不十分であった高エネルギーを要する用途や、ある程度長い放電時間が必要な用途への適用が期待され、特に、電源バックアップ用途への適用において、電気二重層キャパシタや二次電池よりも優位性が得られると考えられている。

前記電圧検出部Ｓ１は、蓄電体Ｃに並列接続され、蓄電体Ｃの電圧を検出する。そして、蓄電体Ｃの電圧が定格動作電圧範囲よりも低下した場合には、電圧低下信号をスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂに出力する。

前記コンデンサＣ３は電圧検出部Ｓ１に並列接続され、後述するスイッチＳ１ｂのオン時（通常時）には蓄電体Ｃの静電エネルギーを充電し、スイッチＳ１ａのオン時（過放電検出時）には、その充電した静電エネルギーを短時間放電する。

前記フォトカプラＰＣ１は、その一次側における動作制御のフォトダイオードが、前記蓄電体Ｃ，電圧検出部Ｓ１に並列に接続されている。また、フォトカプラＰＣ１における２次側のフォトトランジスタは、ラッチングリレーＲＹ１を介して蓄電体Ｃに並列接続されている。

前記スイッチＳ１ｂは電圧検出部Ｓ１とコンデンサＣ３との間に介挿され、前記スイッチＳ１ａはフォトカプラＰＣ１における１次側のフォトダイオードとコンデンサＣ３との間（Ｎ側）に介挿されている。前記スイッチＳ１ｂは、通常時、投入されており、電圧検出部Ｓ１の電圧低下信号により開放される。一方、スイッチＳ１ａは、通常時、開放されており、電圧検出部Ｓ１の電圧低下信号により投入される。また、スイッチＳ１ｂとコンデンサＣ３との間には、逆流阻止用のダイオードＤ１が設けられている。

前記ラッチングリレー（２巻線）ＲＹ１のコイルは蓄電体ＣとフォトカプラＰＣ１のフォトトランジスタとの間に介挿され、接点側は警報出力端子ＡＬ１，ＡＬ２間に介挿されている。

次に、図１に基づき、本実施形態における蓄電体Ｃの過放電警報回路１の動作について説明する。

［蓄電体Ｃの電圧が定格動作電圧範囲内の場合］
蓄電体Ｃが定格動作電圧範囲内にあり、通常の動作状態にある場合は、スイッチＳ１ｂは投入され、スイッチＳ１ａは開放されている。蓄電体Ｃの静電エネルギーは、スイッチＳ１ｂ，ダイオードＤ１を介して、コンデンサＣ３に充電される。この時、スイッチＳ１ａが開放状態であるため、フォトカプラＰＣ１における一次側のフォトダイオードには電流が印加されない。

［蓄電体Ｃの電圧が定格動作電圧範囲外の場合］
蓄電体Ｃからの放電が進み、電圧検出部Ｓ１で検出した電圧が定格動作電圧範囲よりも低下した際には、電圧検出部Ｓ１から電圧低下信号がスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂに出力される。この電圧低下信号により、スイッチＳ１ａが投入され、同時にスイッチＳ１ｂが開放される。その結果、蓄電体ＣとコンデンサＣ３間は遮断され、コンデンサＣ３に蓄えられた静電エネルギーが、スイッチＳ１ａを介して短時間放電される。これにより、フォトカプラＰＣ１における１次側のフォトダイオードに短時間電流が印加され、フォトカプラＰＣ１における２次側のフォトトランジスタがオンとなり、蓄電体Ｃと前記フォトトランジスタとで閉回路を形成する。

この時、蓄電体Ｃに蓄えられた静電エネルギーは、ラッチングリレーＲＹ１，フォトカプラＰＣ１における２次側のフォトトランジスタを介して、短時間放電される。そして、ラッチングリレーＲＹ１のコイルに短時間電流が励磁され、接点側がオン状態に切り替わると、警報出力端子ＡＬ１，ＡＬ２間が導通し、警報が出力される。ラッチングリレーＲＹ１は、この状態を機械的に保持させる。すなわち、通常のリレーは電流を励磁し続けないとＯＮ状態を保持できないが、ラッチングリレーＲＹ１はＯＮ／ＯＦＦの切替時のみ励磁電流の供給が必要であり、ＯＮ／ＯＦＦの切替後は励磁電流が無くてもその状態が保持される。

その後、コンデンサＣ３の放電が終了することにより、フォトカプラＰＣ１におけるフォトダイオードへの電流印加が停止し、フォトトランジスタがオフとなる。これにより、蓄電体ＣからラッチングリレーＲＹ１への放電は遮断される。この時、警報出力端子ＡＬ１，ＡＬ２間はラッチングリレーＲＹ１により、機械的にＯＮ状態が維持されるため、警報出力は継続される。

以上示したように、本実施形態における蓄電体Ｃの過放電警報回路１は、警報出力動作をコンデンサＣ３に充電した電力によって短時間のみ行うことにより蓄電体Ｃの電力消費を抑制することができる。また、警報出力を機械的に保持することにより、コンデンサＣの電力消費は、ラッチングリレーＲＹ１の切替時のみとなり、蓄電体Ｃからの電力消費を抑制することが可能となる。

その結果、蓄電体Ｃにおける過放電の検出および警報の消費電力を抑制し、蓄電体Ｃを深刻な過放電から効果的に保護することが可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、実施形態では、継電器にラッチングリレーＲＹ１を用いたが、機械的に警報出力端子ＡＬ１，ＡＬ２間の導通状態が保持できるものであればその他の構成でもよい。

また、実施形態では蓄電体Ｃとしてリチウムイオンキャパシタを用いたが、その他の蓄電体でも適用可能である。

Ｃ…蓄電体（リチウムイオンキャパシタ）
１…過放電警報回路
Ｓ１…電圧検出部
Ｃ３…コンデンサ
ＰＣ１…フォトカプラ（絶縁素子）
Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ…スイッチ
ＲＹ１…ラッチングリレー（継電器）
Ｄ１…ダイオード
ＡＬ１，ＡＬ２…警報出力端子

Claims

蓄電体の電圧監視および警報出力を行う過放電警報回路であって、
蓄電体の電圧を検出する電圧検出部と、
通常時は蓄電体の静電エネルギーを充電し、前記電圧検出部が過放電を検出した際は充電された静電エネルギーを短時間放電するコンデンサと、
前記コンデンサから放電された電流が１次側に印加され２次側がオンとなった際、蓄電体と前記２次側との閉回路を形成する絶縁素子と、
コイルが前記閉回路における蓄電体と絶縁素子との間に介挿され、接点が警報出力端子間に介挿され、接点がオンに切り替わると前記警報出力端子間が導通し、接点がオンに切り替わった後は警報出力端子間の導通状態を機械的に保持する継電器と、
を備えたことを特徴とする蓄電体の過放電警報回路。
前記蓄電体は、リチウムイオンキャパシタであることを特徴とする請求項１記載の蓄電体の過放電警報回路。
前記継電器は、ラッチングリレーであることを特徴とする請求項１または２記載の蓄電体の過放電警報回路。