JP2013187969A - Voltage equalization circuit and lithium-ion capacitor module - Google Patents

Voltage equalization circuit and lithium-ion capacitor module Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the occurence of overcharge or overdischarge of a lithium ion capacitor.SOLUTION: Voltage-dividing resistors R1 and R2 for voltage setting are connected in parallel to lithium ion capacitor cells C1 and C2, and switches SW1 and SW2 are provided in series between the lithium ion capacitor cells C1 and C2 and the voltage-dividing resistors R1 and R2. A temperature variation detection circuit 2 detects the surface temperature variation of the lithium ion capacitor cells C1 and C2 on the basis of an input signal from thermistors T1 and T2. When detecting a reduction in surface temperature, the temperature variation detection circuit 2 outputs an output signal Idout to an input circuit of a photocoupler CP1. By the output signal Idout, an output circuit of the photocoupler CP1 is conducted, and power is supplied to the switches SW1 and SW2 from an external power supply VDD2. As a result, the switches SW1 and SW2 are conducted, and the equalization of the shared voltages of the lithium ion capacitor cells C1 and C2 is performed by the voltage-dividing resistors R1 and R2.

Description

本発明は、直列接続された複数の蓄電素体の電圧均等化回路に関する。特に、リチウムイオンキャパシタモジュールの電圧均等化回路に関する。   The present invention relates to a voltage equalization circuit for a plurality of storage element bodies connected in series. In particular, the present invention relates to a voltage equalization circuit for a lithium ion capacitor module.

リチウムイオンキャパシタやリチウムイオン二次電池などの蓄電体は、ノートパソコンなどの小型機器から、産業用の機械・装置や自動車・電力設備など多様な用途への適用が進んでおり、高電圧が要求される用途への適用も図られている。実用的には、複数のセル(蓄電素体)を直列接続することで高電圧のモジュールを形成し、高電圧が要求される用途に対応している。   Power storage units such as lithium-ion capacitors and lithium-ion rechargeable batteries are being applied to various applications such as notebook computers and other small machines, industrial machines and devices, automobiles, and power facilities, and high voltage is required. Application to the intended use is also planned. Practically, a high-voltage module is formed by connecting a plurality of cells (storage element bodies) in series, and is used for applications that require a high voltage.

リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタを複数用いて高電圧モジュールを形成する場合、セルを直列に接続することによって、容易にセルの数に応じた電圧を持つモジュールを構成することができる。しかし、一般的に各セルは特性が少しずつ異なっており、充電を行った際にこの特性の違いにより、セル間の分担電圧に差が生じる傾向がある。また、自己放電についても同様に特性が異なるため、自己放電によって電圧が低下するにつれてセル間の電圧差にばらつきが生じてしまう。この結果、特定のセルで過放電や過充電が発生し、これに伴いセルの性能劣化が起こり、最終的には故障へと至ってしまうことがある。   When a high voltage module is formed using a plurality of lithium ion secondary batteries and electric double layer capacitors, a module having a voltage corresponding to the number of cells can be easily configured by connecting cells in series. However, in general, each cell has slightly different characteristics, and when charging is performed, there is a tendency that a difference occurs in the shared voltage between the cells due to the difference in the characteristics. In addition, since the characteristics of the self-discharge are also different, the voltage difference between the cells varies as the voltage decreases due to the self-discharge. As a result, overdischarge or overcharge occurs in a specific cell, and the performance of the cell is deteriorated accordingly, which eventually leads to failure.

そのため、特許文献1のように、直列接続された電気二重層キャパシタでは、個々のセルに並列に分圧抵抗を設け、各セル間の電圧を調整する電圧均等化回路を設ける手法が用いられている。   Therefore, as in Patent Document 1, in an electric double layer capacitor connected in series, a method is used in which voltage dividing circuits are provided in parallel to individual cells and voltage equalization circuits for adjusting the voltage between the cells are used. Yes.

特開2005−26450号公報JP 2005-26450 A 特開2009−100580号公報JP 2009-100580 A

しかしながら、リチウムイオンキャパシタは、二次電池と同様に、上限電圧のみならず下限電圧が存在する。そのために、単純にリチウムイオンキャパシタセルと並列に分圧抵抗を設けると、リチウムイオンキャパシタが常に放電状態に置かれるため、早期に過放電に至ってしまうおそれがある。   However, a lithium ion capacitor has a lower limit voltage as well as an upper limit voltage, as in a secondary battery. For this reason, if a voltage dividing resistor is simply provided in parallel with the lithium ion capacitor cell, the lithium ion capacitor is always placed in a discharge state, which may lead to overdischarge early.

そこで、本発明は、リチウムイオンキャパシタに適用可能な電圧均等化回路を提供し、リチウムイオンキャパシタの過充電または過放電の発生を抑制することに貢献する技術の提供を目的としている。   Therefore, the present invention provides a voltage equalization circuit applicable to a lithium ion capacitor, and an object thereof is to provide a technique that contributes to suppressing the occurrence of overcharge or overdischarge of the lithium ion capacitor.

上記目的を達成する本発明の分担電圧均等化回路は、充電時と放電時の蓄電素体表面温度の時間変化を検出し、検出された表面温度の時間変化に基づいて、蓄電素体の充電状態と放電状態を検出する。そして、蓄電素体が充電状態である場合にのみ、分圧抵抗により蓄電素体の分担電圧の均等化を行うものである。   The shared voltage equalization circuit of the present invention that achieves the above object detects a temporal change in the surface temperature of the storage element body during charging and discharging, and charges the storage element body based on the detected temporal change in the surface temperature. Detect state and discharge state. Then, only when the storage element is in a charged state, the shared voltage of the storage element is equalized by the voltage dividing resistor.

すなわち、上記目的を達成する本発明の分担電圧均等化回路は、直列に接続した複数の蓄電素体のそれぞれに並列に接続され、当該蓄電素体の分担電圧を均等化する分圧抵抗と、前記蓄電素体の表面温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出信号に基づき、前記蓄電素体の表面温度の時間変化を検出する温度変化検出手段と、前記分圧抵抗と前記蓄電素体との間に直列に接続され、前記温度変化検出手段が前記表面温度の低下を検出したときに、前記分圧抵抗と前記蓄電素体とを導通させるスイッチ手段と、を備えることを特徴としている。   That is, the shared voltage equalization circuit of the present invention that achieves the above object is connected in parallel to each of a plurality of power storage elements connected in series, and a voltage dividing resistor that equalizes the shared voltage of the power storage elements, Temperature detecting means for detecting a surface temperature of the electricity storage element; temperature change detecting means for detecting a temporal change in the surface temperature of the electricity storage element based on a detection signal of the temperature detecting means; the voltage dividing resistor; A switch unit connected in series between the storage element body and electrically connecting the voltage dividing resistor and the storage element body when the temperature change detection unit detects a decrease in the surface temperature. It is a feature.

また、上記目的を達成する本発明の分担電圧均等化回路は、上記分担電圧均等化回路において、前記蓄電素体は、リチウムイオンキャパシタセルであることを特徴としている。   The shared voltage equalization circuit of the present invention that achieves the above object is characterized in that, in the shared voltage equalization circuit, the storage element is a lithium ion capacitor cell.

また、上記目的を達成する本発明の分担電圧均等化回路は、上記分担電圧均等化回路において、前記温度変化検出手段が前記蓄電素体の表面温度の低下を検出しないときは、前記スイッチ手段は、前記蓄電素体と前記分圧抵抗との電気的接続を遮断することを特徴としている。   Further, the shared voltage equalization circuit of the present invention that achieves the above object is the shared voltage equalization circuit, wherein when the temperature change detection means does not detect a decrease in the surface temperature of the power storage element, the switch means The electrical connection between the storage element body and the voltage dividing resistor is cut off.

また、上記目的を達成する本発明の電圧均等化回路は、複数の蓄電素体を直列に接続した複数の蓄電ユニットと、前記蓄電ユニットのそれぞれに並列に接続され、当該蓄電ユニットの分担電圧を均等化する分圧抵抗と、前記蓄電ユニットの少なくとも一つの蓄電素体の表面温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出信号に基づき、前記蓄電素体の表面温度の時間変化を検出する温度変化検出手段と、前記分圧抵抗と前記蓄電ユニットとの間に直列に接続され、前記温度変化検出手段が前記表面温度の低下を検出したときに、前記分圧抵抗と前記蓄電ユニットとを導通させるスイッチ手段と、を備えることを特徴としている。   Further, the voltage equalization circuit of the present invention that achieves the above-described object is provided with a plurality of power storage units in which a plurality of power storage elements are connected in series, and connected in parallel to each of the power storage units. Based on the voltage dividing resistor to be equalized, the temperature detection means for detecting the surface temperature of at least one power storage element of the power storage unit, and the time change of the surface temperature of the power storage element based on the detection signal of the temperature detection means A temperature change detecting means for detecting, and the voltage dividing resistor and the power storage unit are connected in series between the voltage dividing resistor and the power storage unit, and the temperature change detecting means detects a decrease in the surface temperature. And switch means for conducting the power supply.

また、上記目的を達成する本発明のリチウムイオンキャパシタモジュールは、直列に接続した複数のリチウムイオンキャパシタセルと、前記リチウムイオンキャパシタセルと並列に接続され、前記リチウムイオンキャパシタセルの分担電圧を均等化させる分圧抵抗と、前記リチウムイオンキャパシタセルの表面温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出信号に基づいて、前記リチウムイオンキャパシタセルの表面温度の時間変化を検出する温度変化検出手段と、前記分圧抵抗と前記リチウムイオンキャパシタセルとの間に直列に接続され、前記温度変化検出手段が前記表面温度の低下を検出したときに、前記分圧抵抗と前記リチウムイオンキャパシタセルとを導通させるスイッチ手段と、を備えることを特徴としている。   The lithium ion capacitor module of the present invention that achieves the above object is connected to a plurality of lithium ion capacitor cells connected in series and in parallel with the lithium ion capacitor cell, and equalizes the shared voltage of the lithium ion capacitor cell. A voltage dividing resistor, temperature detecting means for detecting a surface temperature of the lithium ion capacitor cell, and temperature change detection for detecting a time change of the surface temperature of the lithium ion capacitor cell based on a detection signal of the temperature detecting means Means, and the voltage dividing resistor and the lithium ion capacitor cell are connected in series, and when the temperature change detecting means detects a decrease in the surface temperature, the voltage dividing resistor and the lithium ion capacitor cell And switch means for conducting the current.

また、上記目的を達成する本発明のリチウムイオンキャパシタセルの充放電状態検出方法は、リチウムイオンキャパシタセルの表面温度変化を検出し、前記リチウムイオンキャパシタセルの表面温度の変化に基づいて、前記リチウムイオンキャパシタセルの充電状態及び放電状態を検出することを特徴としている。   In addition, the method for detecting a charge / discharge state of a lithium ion capacitor cell according to the present invention that achieves the above object detects a change in the surface temperature of the lithium ion capacitor cell, and based on the change in the surface temperature of the lithium ion capacitor cell, It is characterized by detecting a charged state and a discharged state of the ion capacitor cell.

以上の発明によれば、リチウムイオンキャパシタの過充電または過放電の発生を抑制することに貢献することができる。   According to the above invention, it can contribute to suppressing the occurrence of overcharge or overdischarge of the lithium ion capacitor.

本発明の実施形態に係る電圧均等化回路を備えるリチウムイオンキャパシタモジュールの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of a lithium ion capacitor module provided with the voltage equalization circuit which concerns on embodiment of this invention. リチウムイオンキャパシタを48Aの放電電流で放電したときのセル電圧とリチウムイオンキャパシタの表面温度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the cell voltage when the lithium ion capacitor is discharged with the discharge current of 48 A, and the surface temperature of the lithium ion capacitor. リチウムイオンキャパシタを24Aの充電電流で充電したときのセル電圧とリチウムイオンキャパシタの表面温度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the cell voltage when charging a lithium ion capacitor with the charging current of 24A, and the surface temperature of a lithium ion capacitor. リチウムイオンキャパシタを12Aの放電電流で放電したときのセル電圧とリチウムイオンキャパシタの表面温度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the cell voltage when a lithium ion capacitor is discharged with the discharge current of 12A, and the surface temperature of a lithium ion capacitor.

図面を参照して、本発明の実施形態に係る電圧均等化回路、リチウムイオンキャパシタモジュール、及びリチウムイオンキャパシタセルの充放電状態検出方法について詳細に説明する。   With reference to the drawings, a voltage equalization circuit, a lithium ion capacitor module, and a charge / discharge state detection method for a lithium ion capacitor cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る電圧均等化回路を備えるリチウムイオンキャパシタモジュール1の構成を示す回路図である。
(Embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a lithium ion capacitor module 1 including a voltage equalization circuit according to an embodiment of the present invention.

リチウムイオンキャパシタセルC1,C2は、活性炭など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。そして、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。   The lithium ion capacitor cells C1 and C2 have a structure in which a positive electrode made of activated carbon or the like and a negative electrode mainly made of graphite or graphite are opposed to each other through a separator, and the positive electrode is an electric double layer capacitor, a negative electrode Has the same configuration as the lithium ion secondary battery. The space between the electrodes is filled with an organic solvent containing an electrolyte salt.

このリチウムイオンキャパシタセルC1,C2を直列に接続することで、リチウムイオンキャパシタユニットが形成される。そして、リチウムイオンキャパシタユニットの両端の端子P及び端子Nには、図示省略するが、リチウムイオンキャパシタセルC1,C2の充電時には充電回路が、リチウムイオンキャパシタセルC1,C2の放電時にはリチウムイオンキャパシタセルC1,C2に蓄積されたエネルギーにより駆動される駆動回路が接続される。なお、リチウムイオンキャパシタセルC1,C2の個数は、2個に限定されるものではなく、リチウムイオンキャパシタモジュール1に要求される電圧に応じて、直列接続されるリチウムイオンキャパシタセルC1,C2の個数が決定される。   By connecting the lithium ion capacitor cells C1 and C2 in series, a lithium ion capacitor unit is formed. The terminals P and N at both ends of the lithium ion capacitor unit are not shown, but the charging circuit is used when charging the lithium ion capacitor cells C1 and C2, and the lithium ion capacitor cell is used when discharging the lithium ion capacitor cells C1 and C2. A drive circuit driven by the energy accumulated in C1 and C2 is connected. The number of lithium ion capacitor cells C1 and C2 is not limited to two, but the number of lithium ion capacitor cells C1 and C2 connected in series according to the voltage required for the lithium ion capacitor module 1 Is determined.

それぞれのリチウムイオンキャパシタセルC1,C2には、電圧設定用の分圧抵抗R1,R2がそれぞれ並列に接続されるとともに、各リチウムイオンキャパシタC1,C2と分圧抵抗R1,R2間には、それぞれ直列にスイッチSW1,SW2が設けられる。   The voltage setting voltage dividing resistors R1 and R2 are connected in parallel to the lithium ion capacitor cells C1 and C2, respectively, and between the lithium ion capacitors C1 and C2 and the voltage dividing resistors R1 and R2, respectively. Switches SW1 and SW2 are provided in series.

このスイッチSW1,SW2には、フォトカプラCP1の出力回路が接続され、フォトカプラCP1の出力信号に応じてスイッチのオン・オフの切り換えが行われる。すなわち、スイッチSW1,SW2がオン状態のとき、分圧抵抗R1,R2が、それぞれのリチウムイオンキャパシタセルC1,C2に並列に接続された状態となる。一方、スイッチSW1,SW2がオフ状態のとき、分圧抵抗R1,R2が、リチウムイオンキャパシタセルC1,C2から電気的に切り離された状態となる。   An output circuit of the photocoupler CP1 is connected to the switches SW1 and SW2, and the switch is turned on / off according to the output signal of the photocoupler CP1. That is, when the switches SW1 and SW2 are in the on state, the voltage dividing resistors R1 and R2 are connected in parallel to the respective lithium ion capacitor cells C1 and C2. On the other hand, when the switches SW1 and SW2 are in the off state, the voltage dividing resistors R1 and R2 are electrically disconnected from the lithium ion capacitor cells C1 and C2.

ここで、フォトカプラCP1の入力回路に出力信号Idoutを出力する温度変化検出回路2について説明する。   Here, the temperature change detection circuit 2 that outputs the output signal Idout to the input circuit of the photocoupler CP1 will be described.

温度変化検出回路2は、リチウムイオンキャパシタC1,C2の表面温度の変化を検出し、表面温度の低下する割合が予め定められたしきい値以上である場合に、フォトカプラCP1に出力信号Idoutを出力する。温度変化検出回路2は、外部電源VDD1により駆動されており、タイマを備える。このタイマにより単位時間あたりの温度低下率を演算する。温度変化検出回路2には、リチウムイオンキャパシタセルC1,C2の表面(負極付近の表面)に設けられるサーミスタT1,T2からの信号がAD変換器3を介して入力される。そして、各リチウムイオンキャパシタセルC1,C2の表面温度の単位時間あたりの変化を算出する。温度変化検出回路2は、表面温度の低下する割合が予め定められたしきい値(例えば、表面温度の低下が0.01℃/s)以上である場合に、フォトカプラCP1の入力回路に出力信号Idoutを出力する。   The temperature change detection circuit 2 detects a change in the surface temperature of the lithium ion capacitors C1 and C2, and outputs an output signal Idout to the photocoupler CP1 when the rate at which the surface temperature decreases is equal to or greater than a predetermined threshold value. Output. The temperature change detection circuit 2 is driven by an external power supply VDD1 and includes a timer. This timer calculates the temperature decrease rate per unit time. Signals from thermistors T1 and T2 provided on the surfaces of lithium ion capacitor cells C1 and C2 (surfaces near the negative electrode) are input to the temperature change detection circuit 2 via the AD converter 3. And the change per unit time of the surface temperature of each lithium ion capacitor cell C1, C2 is calculated. The temperature change detection circuit 2 outputs to the input circuit of the photocoupler CP1 when the rate at which the surface temperature decreases is equal to or greater than a predetermined threshold (for example, the surface temperature decrease is 0.01 ° C./s). The signal Idout is output.

フォトカプラCP1の入力回路に温度変化検出回路2の出力信号Idoutが入力されると、フォトカプラCP1の出力回路では、外部電源VDD2より電力が供給されスイッチSW1,SW2がオン状態となる。
(実施例)
具体的な実施例を示して、本発明の実施形態に係る電圧均等化回路及びリチウムイオンキャパシタモジュール1の動作について詳細に説明する。
When the output signal Idout of the temperature change detection circuit 2 is input to the input circuit of the photocoupler CP1, in the output circuit of the photocoupler CP1, power is supplied from the external power supply VDD2, and the switches SW1 and SW2 are turned on.
(Example)
The operation of the voltage equalization circuit and the lithium ion capacitor module 1 according to the embodiment of the present invention will be described in detail with specific examples.

図1に示す電圧均等化回路を備えたリチウムイオンキャパシタモジュール1(静電容量:2200F)を定格電圧上限の3.8Vまで充電し、その後放電電流48Aで定格電圧下限の2.2Vまで放電した。この時のリチウムイオンキャパシタセルC1,C2の表面温度とセル電圧の時間変化を図2に示す。なお、サーミスタT1,T2は、リチウムイオンキャパシタモジュール1を外装するアルミラミネートフィルム表面であって、リチウムイオンキャパシタセルC1,C2の電極に接する箇所に設けた。   The lithium ion capacitor module 1 (capacitance: 2200F) provided with the voltage equalization circuit shown in FIG. 1 was charged to the rated voltage upper limit of 3.8 V, and then discharged to a rated voltage lower limit of 2.2 V with a discharge current of 48 A. . FIG. 2 shows temporal changes in the surface temperature and cell voltage of the lithium ion capacitor cells C1 and C2 at this time. The thermistors T1 and T2 are provided on the surface of the aluminum laminate film that covers the lithium ion capacitor module 1 and in contact with the electrodes of the lithium ion capacitor cells C1 and C2.

図2に示すように、放電時間の経過とともにセル表面温度が約5℃上昇した。よって、温度変化検出回路2は、表面温度の上昇を検出するので、温度変化検出回路2から出力信号Idoutは出力されない。その結果、フォトカプラCP1の出力回路は非導通のままであり、スイッチSW1,SW2のオフ状態(分圧抵抗R1,R2とリチウムイオンキャパシタセルC1,C2とが絶縁された状態)が維持される。すなわち、リチウムイオンキャパシタセルC1,C2の放電時には、分圧抵抗R1,R2がリチウムイオンキャパシタセルC1,C2から電気的に切り離された状態となっている。   As shown in FIG. 2, the cell surface temperature increased by about 5 ° C. over the course of the discharge time. Therefore, since the temperature change detection circuit 2 detects an increase in the surface temperature, the output signal Idout is not output from the temperature change detection circuit 2. As a result, the output circuit of the photocoupler CP1 remains nonconductive, and the switches SW1 and SW2 are kept off (the voltage dividing resistors R1 and R2 and the lithium ion capacitor cells C1 and C2 are insulated). . That is, when the lithium ion capacitor cells C1 and C2 are discharged, the voltage dividing resistors R1 and R2 are electrically disconnected from the lithium ion capacitor cells C1 and C2.

次に、定格電圧下限の2.2Vまで放電した後のリチウムイオンキャパシタモジュール1を充電電流24Aで定格電圧上限の3.8Vまで充電した。このときのリチウムイオンキャパシタセルC1,C2の表面温度とセル電圧の時間変化を図3に示す。   Next, the lithium ion capacitor module 1 after being discharged to the rated voltage lower limit of 2.2 V was charged with a charging current of 24 A to the rated voltage upper limit of 3.8 V. FIG. 3 shows temporal changes in the surface temperature and cell voltage of the lithium ion capacitor cells C1 and C2 at this time.

図3に示すように、充電時間の経過とともにセル表面温度が約3℃低下した。よって、温度変化検出回路2では、表面温度の低下が検出される。検出された表面温度の低下する割合が予め定められたしきい値以上となった場合、温度変化検出回路2から、出力信号IdoutがフォトカプラCP1の入力回路に出力される。フォトカプラCP1の入力回路に出力信号Idoutが入力されると、フォトカプラCP1の出力回路が導通する。その結果、スイッチSW1,SW2には外部電源VDD2より電力が供給され、スイッチSW1,SW2がオン状態(分圧抵抗R1,R2とリチウムイオンキャパシタセルC1,C2とが導通された状態)となる。その結果、リチウムイオンキャパシタセルC1,C2に並列に設けられた分圧抵抗R1,R2を含む回路が導通し、リチウムイオンキャパシタセルC1,C2の充電に伴って分圧抵抗R1,R2を利用して、リチウムイオンキャパシタセルC1,C2間の電圧均等化が図られる。その後、定格電圧に達し、定電圧充電または充電待機状態となると、表面温度の低下する割合(表面温度の時間変化)は、定格電圧に達する前の充電時と比較して小さくなる。そこで、温度変化検出回路2は、表面温度の時間変化が単位時間当たり0.01℃未満となったら、出力信号Idoutの出力を停止する。出力信号Idoutの出力が停止することで、フォトカプラCP1の出力回路が非導通となり、その結果、スイッチSW1,SW2がオフ状態となる。そして、再び分圧抵抗R1,R2がリチウムイオンキャパシタセルC1,C2から電気的に切り離される。   As shown in FIG. 3, the cell surface temperature decreased by about 3 ° C. over the course of the charging time. Therefore, the temperature change detection circuit 2 detects a decrease in the surface temperature. When the detected rate of decrease in the surface temperature is equal to or higher than a predetermined threshold value, the output signal Idout is output from the temperature change detection circuit 2 to the input circuit of the photocoupler CP1. When the output signal Idout is input to the input circuit of the photocoupler CP1, the output circuit of the photocoupler CP1 becomes conductive. As a result, power is supplied to the switches SW1 and SW2 from the external power supply VDD2, and the switches SW1 and SW2 are turned on (a state where the voltage dividing resistors R1 and R2 and the lithium ion capacitor cells C1 and C2 are conducted). As a result, a circuit including voltage dividing resistors R1 and R2 provided in parallel with the lithium ion capacitor cells C1 and C2 conducts, and the voltage dividing resistors R1 and R2 are used as the lithium ion capacitor cells C1 and C2 are charged. Thus, voltage equalization between the lithium ion capacitor cells C1 and C2 is achieved. After that, when the rated voltage is reached and a constant voltage charging or charging standby state is reached, the rate at which the surface temperature decreases (time change of the surface temperature) becomes smaller than that during charging before reaching the rated voltage. Therefore, the temperature change detection circuit 2 stops outputting the output signal Idout when the time change of the surface temperature becomes less than 0.01 ° C. per unit time. When the output of the output signal Idout is stopped, the output circuit of the photocoupler CP1 becomes non-conductive, and as a result, the switches SW1 and SW2 are turned off. Then, the voltage dividing resistors R1 and R2 are again electrically disconnected from the lithium ion capacitor cells C1 and C2.

さらに、この定格電圧上限の3.8Vまで充電されたリチウムイオンキャパシタモジュール1を放電電流12Aで定格電圧下限の2.2Vまで放電した。このときのリチウムイオンキャパシタセルC1,C2の表面温度とセル電圧の時間変化を図4に示す。   Further, the lithium ion capacitor module 1 charged to the upper limit of the rated voltage of 3.8 V was discharged with a discharge current of 12 A to the lower limit of the rated voltage of 2.2 V. FIG. 4 shows temporal changes in the surface temperature and cell voltage of the lithium ion capacitor cells C1 and C2 at this time.

図4に示すように、放電時間の経過とともにセル表面温度が約4℃上昇した。よって、温度変化検出回路2は、表面温度の上昇を検出するので、温度変化検出回路2から、出力信号Idoutが出力されない。その結果、フォトカプラCP1の出力回路は非導通のままであり、スイッチSW1,SW2のオフ状態が維持される。すなわち、放電時には、分圧抵抗R1,R2がリチウムイオンキャパシタセルC1,C2から電気的に切り離された状態となっている。   As shown in FIG. 4, the cell surface temperature increased by about 4 ° C. over the course of the discharge time. Therefore, since the temperature change detection circuit 2 detects an increase in the surface temperature, the output signal Idout is not output from the temperature change detection circuit 2. As a result, the output circuit of the photocoupler CP1 remains nonconductive, and the switches SW1 and SW2 are kept off. That is, at the time of discharging, the voltage dividing resistors R1 and R2 are electrically disconnected from the lithium ion capacitor cells C1 and C2.

以上のように、本発明の実施形態に係る電圧均等化回路を備えるリチウムイオンキャパシタモジュールによれば、リチウムイオンキャパシタの表面温度の変化に基づいて、リチウムイオンキャパシタモジュールの充電状態や放電状態を検出することができる。そして、充電状態である場合には、分圧抵抗を利用して各リチウムイオンキャパシタセルの電圧均等化を行うことができる。   As described above, according to the lithium ion capacitor module including the voltage equalization circuit according to the embodiment of the present invention, the charge state and the discharge state of the lithium ion capacitor module are detected based on the change in the surface temperature of the lithium ion capacitor. can do. When the battery is in a charged state, voltage equalization of each lithium ion capacitor cell can be performed using a voltage dividing resistor.

よって、本発明の実施形態に係る電圧均等化回路、及びリチウムイオンキャパシタモジュールによれば、リチウムイオンキャパシタモジュールの充電時において、各セル間の分担電圧のばらつきを低減し、過充電を効果的に防止することができる。そして、リチウムイオンキャパシタモジュールの放電開始時には、セル電圧は均一となっているので、各リチウムイオンキャパシタセルに蓄積されたエネルギーも略均一とすることができ、特定のセルが過放電に至る可能性を低減することができる。   Therefore, according to the voltage equalization circuit and the lithium ion capacitor module according to the embodiment of the present invention, when the lithium ion capacitor module is charged, it is possible to reduce variation in the shared voltage between the cells and effectively overcharge. Can be prevented. Since the cell voltage is uniform at the start of discharge of the lithium ion capacitor module, the energy stored in each lithium ion capacitor cell can be substantially uniform, and a specific cell may overdischarge. Can be reduced.

また、リチウムイオンキャパシタモジュールの放電時において、分圧抵抗がリチウムイオンキャパシタセルから電気的に切り離されていることから、放電時にリチウムイオンキャパシタセルに蓄積されたエネルギーが分圧抵抗によって消費されることがない。よって、放電時において、リチウムイオンキャパシタセルに蓄積されたエネルギーを効率的に利用することができる。   In addition, since the voltage dividing resistor is electrically disconnected from the lithium ion capacitor cell during the discharge of the lithium ion capacitor module, the energy accumulated in the lithium ion capacitor cell during the discharge is consumed by the voltage dividing resistor. There is no. Therefore, the energy stored in the lithium ion capacitor cell can be efficiently used during discharge.

さらに、充電待機時や、保管時においても、分圧抵抗がリチウムイオンキャパシタセルから電気的に切り離されていることから、リチウムイオンキャパシタの長期間の保管が可能となる。つまり、エネルギー損失の少ない蓄電素体の電圧均等化回路を実現することができる。   Furthermore, since the voltage dividing resistor is electrically disconnected from the lithium ion capacitor cell during standby for charging or during storage, the lithium ion capacitor can be stored for a long period of time. That is, it is possible to realize a voltage equalizing circuit for a storage element body with little energy loss.

リチウムイオンキャパシタモジュールは、予め負極にリチウムイオンを吸蔵させ、電位を持たせることで電気二重層キャパシタよりも高い2.2V〜3.8Vの動作電圧範囲を有する。この高い動作電圧により、電気二重層キャパシタと比較して3〜4倍の高エネルギーを蓄積させ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密度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可能である。さらに、電源バックアップ用途などへの適用においても、電気二重層キャパシタや二次電池よりも優位性が得ることができる。しかしながら、リチウムイオンキャパシタモジュールは、予め電極に電位を持たせているため、並列に分圧抵抗を設けると、常に放電状態となり、早期に過放電に至ってしまう。   The lithium ion capacitor module has an operating voltage range of 2.2 V to 3.8 V higher than that of the electric double layer capacitor by preliminarily storing lithium ions in the negative electrode and applying a potential. With this high operating voltage, it is possible to store 3 to 4 times as much energy as the electric double layer capacitor. For this reason, the energy density of the electric double layer capacitor is insufficient, and it can be applied to a use requiring high energy or a use requiring a long discharge time. Furthermore, superiority can be obtained over electric double layer capacitors and secondary batteries in applications such as power backup. However, since the lithium ion capacitor module has a potential applied to the electrodes in advance, if a voltage dividing resistor is provided in parallel, the lithium ion capacitor module is always in a discharged state, resulting in early overdischarge.

そこで、本発明のリチウムイオンキャパシタモジュール、及び本発明の電圧均等化回路は、リチウムイオンキャパシタが充電状態のときに分圧抵抗を利用したリチウムイオンキャパシタセル間の電圧均等化を行い、その他の場合には、分圧抵抗を回路から電気的に切り離した状態とする。その結果、充電時には、リチウムイオンキャパシタセルの電圧を均等化する電圧均等化回路を利用した充電が行うことができるとともに、放電時には、リチウムイオンキャパシタに蓄積されたエネルギーを効率よく駆動回路に供給することができる。   Therefore, the lithium ion capacitor module of the present invention and the voltage equalization circuit of the present invention perform voltage equalization between lithium ion capacitor cells using voltage dividing resistors when the lithium ion capacitor is in a charged state. The voltage dividing resistor is electrically disconnected from the circuit. As a result, charging can be performed using a voltage equalization circuit that equalizes the voltage of the lithium ion capacitor cell during charging, and energy stored in the lithium ion capacitor is efficiently supplied to the drive circuit during discharging. be able to.

また、本発明のリチウムイオンキャパシタセルの充放電状態検出方法によれば、充電時と放電時の表面温度変化の違いに基づいて、リチウムイオンキャパシタセルの充放電状態を検出することができる。一般的な電気二重層キャパシタでは、充電・放電どちらの場合でも内部抵抗に依存した発熱が生じる。その結果、電気二重層キャパシタでは、充電・放電どちらの場合においても表面温度は上昇する。これに対し、リチウムイオンキャパシタは、充電時に表面温度が低下する。この傾向はリチウムイオンキャパシタに特有ものであると考えられる。なお、図2〜4の温度変化の傾きより、充電・放電時の温度変化は、充電(放電)電流の大きさに依存するものと考えられる。よって、充電・放電を判定するしきい値(単位時間当たりの温度の変化率)は、実施形態に限定するものでなく、充電(放電)電流の大きさに基づいて適宜設定するとよい。また、この温度変化は微小であるので、リチウムイオンキャパシタの外部の温度を測定し、外気温の温度の変化率と比較して、顕著にリチウムイオンキャパシタの表面温度変化に差が生じた場合にのみ、充電(放電)状態を判定する。また、リチウムイオンキャパシタの定格電圧(上限・下限ともに)に達した後のリチウムイオンキャパシタセルの表面温度変化は、定格電圧に達する前と比較して、温度変化が緩やかになっている。よって、リチウムイオンキャパシタセルの表面温度変化を検出することで、リチウムイオンキャパシタが定格電圧まで充電(または放電)されたことを検出することができる。   Moreover, according to the charging / discharging state detection method of the lithium ion capacitor cell of this invention, the charging / discharging state of a lithium ion capacitor cell can be detected based on the difference in the surface temperature change at the time of charge and discharge. A general electric double layer capacitor generates heat depending on the internal resistance in both cases of charging and discharging. As a result, in the electric double layer capacitor, the surface temperature increases in both cases of charging and discharging. On the other hand, the surface temperature of a lithium ion capacitor is reduced during charging. This tendency is considered to be unique to lithium ion capacitors. 2 to 4, it is considered that the temperature change during charging / discharging depends on the magnitude of the charging (discharging) current. Therefore, the threshold value for determining charge / discharge (rate of change in temperature per unit time) is not limited to the embodiment, and may be set as appropriate based on the magnitude of the charge (discharge) current. In addition, since this temperature change is minute, when the temperature outside the lithium ion capacitor is measured and compared with the rate of change in the temperature of the outside air temperature, there is a marked difference in the surface temperature change of the lithium ion capacitor. Only determine the state of charge (discharge). Further, the change in the surface temperature of the lithium ion capacitor cell after reaching the rated voltage (both upper limit and lower limit) of the lithium ion capacitor is less gradual than before the rated voltage is reached. Therefore, it is possible to detect that the lithium ion capacitor has been charged (or discharged) to the rated voltage by detecting the change in the surface temperature of the lithium ion capacitor cell.

なお、本発明の分担電圧均等化回路、リチウムイオンキャパシタモジュール、リチウムイオンキャパシタセルの充放電状態検出方法は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その効果を損なわない範囲で適宜設計変更が可能である。例えば、サーミスタの設けられる位置は、電極の温度変化が検出できる位置であれば実施形態に限定するものではなく、直接電極温度を測定する形態であってもよい。また、サーミスタは、電極温度を検出できるものであればよいので、例えば、熱電対などの測温機器を用いることができる。   The shared voltage equalization circuit, the lithium ion capacitor module, and the charge / discharge state detection method for the lithium ion capacitor cell of the present invention are not limited to the above-described embodiment, and may be appropriately modified within a range that does not impair the effect. Is possible. For example, the position where the thermistor is provided is not limited to the embodiment as long as the temperature change of the electrode can be detected, and may be a form in which the electrode temperature is directly measured. Moreover, since the thermistor should just be what can detect electrode temperature, temperature measuring apparatuses, such as a thermocouple, can be used, for example.

また、複数のリチウムイオンキャパシタセルを直列に接続して一つのリチウムイオンユニットとして、このリチウムイオンユニットを直列に接続する場合において、本発明の電圧均等化回路を用いることで、各リチウムイオンユニットの分担電圧を均等することができる。   Further, when a plurality of lithium ion capacitor cells are connected in series and connected as a lithium ion unit in series, by using the voltage equalization circuit of the present invention, each lithium ion unit The shared voltage can be equalized.

また、本発明の分担電圧均等化回路は、リチウムイオンキャパシタセルから構成される回路に限定されるものではなく、充電時と放電時における電極の温度変化が異なる蓄電素体から構成される回路に適用することで、エネルギー損失の少ない電圧均等化回路を実現することができる。   In addition, the shared voltage equalization circuit of the present invention is not limited to a circuit configured from a lithium ion capacitor cell, but is a circuit configured from a storage element body in which temperature changes of electrodes at the time of charging and discharging are different. By applying, a voltage equalization circuit with little energy loss can be realized.

1…リチウムイオンキャパシタモジュール
2…温度変化検出回路(温度変化検出手段)
3…AD変換器
C1,C2…リチウムイオンキャパシタセル(蓄電素体)
CP1…フォトカプラ
R1,R2…分圧抵抗
SW1,SW2…スイッチ(スイッチ手段)
T1,T2…サーミスタ(温度検出手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Lithium ion capacitor module 2 ... Temperature change detection circuit (temperature change detection means)
3. AD converters C1, C2 ... Lithium ion capacitor cell (storage element)
CP1 ... photocoupler R1, R2 ... voltage dividing resistor SW1, SW2 ... switch (switch means)
T1, T2 ... thermistor (temperature detection means)

Claims (6)

直列に接続した複数の蓄電素体のそれぞれに並列に接続され、当該蓄電素体の分担電圧を均等化する分圧抵抗と、
前記蓄電素体の表面温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出信号に基づき、前記蓄電素体の表面温度の時間変化を検出する温度変化検出手段と、
前記分圧抵抗と前記蓄電素体との間に直列に接続され、前記温度変化検出手段が前記表面温度の低下を検出したときに、前記分圧抵抗と前記蓄電素体とを導通させるスイッチ手段と、を備える
ことを特徴とする分担電圧均等化回路。
A voltage dividing resistor connected in parallel to each of a plurality of power storage elements connected in series and equalizing a shared voltage of the power storage elements;
Temperature detecting means for detecting the surface temperature of the electricity storage element;
Based on a detection signal of the temperature detection means, temperature change detection means for detecting a temporal change in the surface temperature of the electricity storage element body;
Switch means connected in series between the voltage dividing resistor and the electricity storage element, and when the temperature change detecting means detects a decrease in the surface temperature, the switch means for conducting the voltage dividing resistor and the electricity storage element. And a shared voltage equalizing circuit.
前記蓄電素体は、リチウムイオンキャパシタセルである
ことを特徴とする請求項1に記載の分担電圧均等化回路。
The shared voltage equalization circuit according to claim 1, wherein the power storage element is a lithium ion capacitor cell.
前記温度変化検出手段が前記蓄電素体の表面温度の低下を検出しないときは、前記スイッチ手段は、前記蓄電素体と前記分圧抵抗との電気的接続を遮断する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の分担電圧均等化回路。
The switch means cuts off an electrical connection between the power storage element and the voltage dividing resistor when the temperature change detection means does not detect a decrease in the surface temperature of the power storage element. The shared voltage equalization circuit according to claim 1 or 2.
複数の蓄電素体を直列に接続した複数の蓄電ユニットと、
前記蓄電ユニットのそれぞれに並列に接続され、当該蓄電ユニットの分担電圧を均等化する分圧抵抗と、
前記蓄電ユニットの少なくとも一つの蓄電素体の表面温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出信号に基づき、前記蓄電素体の表面温度の時間変化を検出する温度変化検出手段と、
前記分圧抵抗と前記蓄電ユニットとの間に直列に接続され、前記温度変化検出手段が前記表面温度の低下を検出したときに、前記分圧抵抗と前記蓄電ユニットとを導通させるスイッチ手段と、を備える
ことを特徴とする分担電圧均等化回路。
A plurality of power storage units in which a plurality of power storage elements are connected in series;
A voltage dividing resistor connected in parallel to each of the power storage units and equalizing the shared voltage of the power storage units;
Temperature detecting means for detecting a surface temperature of at least one power storage element of the power storage unit;
Based on a detection signal of the temperature detection means, temperature change detection means for detecting a temporal change in the surface temperature of the electricity storage element body;
Switch means connected in series between the voltage dividing resistor and the power storage unit, and electrically connecting the voltage dividing resistor and the power storage unit when the temperature change detecting means detects a decrease in the surface temperature; A shared voltage equalizing circuit comprising:
直列に接続した複数のリチウムイオンキャパシタセルと、
前記リチウムイオンキャパシタセルと並列に接続され、前記リチウムイオンキャパシタセルの分担電圧を均等化させる分圧抵抗と、
前記リチウムイオンキャパシタセルの表面温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出信号に基づいて、前記リチウムイオンキャパシタセルの表面温度の時間変化を検出する温度変化検出手段と、
前記分圧抵抗と前記リチウムイオンキャパシタセルとの間に直列に接続され、前記温度変化検出手段が前記表面温度の低下を検出したときに、前記分圧抵抗と前記リチウムイオンキャパシタセルとを導通させるスイッチ手段と、を備える
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタモジュール。
A plurality of lithium ion capacitor cells connected in series;
A voltage dividing resistor connected in parallel with the lithium ion capacitor cell and equalizing a shared voltage of the lithium ion capacitor cell;
Temperature detecting means for detecting a surface temperature of the lithium ion capacitor cell;
Based on a detection signal of the temperature detection means, a temperature change detection means for detecting a time change of the surface temperature of the lithium ion capacitor cell;
The voltage dividing resistor and the lithium ion capacitor cell are connected in series, and when the temperature change detecting means detects a decrease in the surface temperature, the voltage dividing resistor and the lithium ion capacitor cell are made conductive. A lithium ion capacitor module.
リチウムイオンキャパシタセルの表面温度変化を検出し、前記リチウムイオンキャパシタセルの表面温度の変化に基づいて、前記リチウムイオンキャパシタセルの充電状態及び放電状態を検出する
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタセルの充放電状態検出方法。
A lithium ion capacitor cell characterized by detecting a change in surface temperature of the lithium ion capacitor cell and detecting a charge state and a discharge state of the lithium ion capacitor cell based on a change in the surface temperature of the lithium ion capacitor cell. Charge / discharge state detection method.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023054604A1 (en) * 2021-09-30 2023-04-06 ミネベアミツミ株式会社 Power supply device and method for controlling power supply device

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