JP3421126B2 - 直列接続コンデンサの充電制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電池として使用される
直列に接続した複数のコンデンサを充電用電源に接続し
て充電を行う直列接続コンデンサの充電制御方式に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気二重層コンデンサを電力用の
電池として利用することが可能となってきている。しか
し、コンデンサでは、電池の単位セルに相当する単位コ
ンデンサの耐電圧が数ボルトと低いため、実用上従来の
電池のセルと同様に複数個を直列に接続したり、それら
からなる組電池を直列に接続することにより所望の使用
電圧を得ている。しかし、電気二重層コンデンサを電池
として使用したときの電圧は、従来の電池と異なり充電
されたエネルギーにより大幅に変化する特性を持ってい
る。電池電圧とエネルギーとの関係は、コンデンサ電圧
をＥ〔Ｖ〕、コンデンサ容量をＣ〔Ｆ〕、充電されたエ
ネルギーをＷ〔Ｊ〕とすると、Ｗ＝０．５ＣＥ² で示さ
れる。つまり、この電気二重層コンデンサによる新電池
では、過充電されると、コンデンサ端子電圧の上昇とな
って表れて容易に耐電圧を越えてしまい、ついには電池
が劣化にいたる恐れがあるという特性を持っている。特
に、実用に際しては、複数個の電池を直列に接続して使
用することがほとんどであるため、当然のこととして直
列に接続されたままで充電されることになる。ところが
各々のコンデンサの漏洩電流が異なり自己放電による影
響でコンデンサ端子電圧がバラツキを持っているため、
同一の電流で充電されると、あるものはすぐに満充電と
なるにもかかわらず、あるものは全く不十分な充電しか
行われないという現象が発生する。

【０００３】図３は直列接続されたコンデンサの端子電
圧のバラツキをなくすために抵抗を並列に接続した回路
の構成例を示す図である。直列接続されたコンデンサＣ
１、Ｃ２の端子電圧のバラツキをなくすため従来からあ
る方法として、図３に示すように単位コンデンサ各々に
漏洩電流以上を流す抵抗Ｒ１、Ｒ２を並列に接続する手
段が古くから採用されている。しかし、この方法では、
漏れ電流が大きくなるため、直列接続するコンデンサの
数を増やして負担電圧がバラついても耐電圧以内に収ま
るような使い方が採用されている。さらにこれとは別
に、各コンデンサと並列に並列モニタと呼ばれる電子回
路を接続する方法が、例えば特開平５−２９２６８３号
公報や特開平５−２９２６８４号公報に提案され、実用
化されている。

【０００４】上記並列モニタは、各コンデンサ或いは各
コンデンサ・ブロック毎に並列に接続して、コンパレー
タ機能を組み込んだものであり、コンデンサの端子間電
圧が設定値に達すると、電流のバイパス回路を閉じてそ
のコンデンサにそれ以上の充電を行わないように制御し
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の並
列モニタでは、同じ系統に直列に接続されている個々の
コンデンサに大きな静電容量、或いは初期充電状態のバ
ラツキがあると、最初のコンデンサが定格電圧に達して
並列モニタが作動してから、最後のコンデンサが定格電
圧に充電されるまでに比較的長時間を要する。しかも、
並列モニタの発熱量が大きくなるので、それに見合った
電力容量を備える必要が生じるという問題があった。

【０００６】この現象は、 コンデンサの静電容量偏差を特定の誤差以内、例えば
３０％以内に管理する コンデンサを組み替えたり長時間使わなかった場合に
は、充電する前に一旦完全に放電する 並列モニタの許容電力容量を大きく設計する などの方法で解決できる。しかし、の方法は、ある程
度の偏差以内にすることは必要としても、の方法は、
使用上不便であり、そのための追加回路や装置を要し、
の方法は、稀にしか起こらない条件への対応策として
は大型となり不経済であると言わざるをえない。

【０００７】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、個々のコンデンサに大きな静電容量、或いは初期
充電状態のバラツキがある場合にも効率よく各コンデン
サに充電を行うことができる直列接続コンデンサの充電
制御方式を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのために本発明は、直
列に接続して電池として使用される複数のコンデンサを
充電用電源に接続して充電を行い直列接続コンデンサの
充電制御方式であって、各コンデンサと並列に通常充電
と逆方向の整流素子を接続し、切り換え手段により充電
用電源を逆極性に接続して各コンデンサの残留電荷を放
電させ、あるいは各コンデンサと並列に端子電圧が所定
値になったことを判別してスイッチング素子により充電
電流をバイパスする充電制限回路を接続し、該スイッチ
ング素子をオンにし各コンデンサの残留電荷を放電させ
ることにより、初期化モードによる各コンデンサの初期
化を行うことを特徴とするものである。また、コンデン
サの組み替え、一部交換、又は使用しない期間を判断し
て前記初期化モードの実行を制御する制御手段、充電制
限回路の動作のバラツキを判断して前記初期化モードの
実行を制御する制御手段を備えたことを特徴とするもの
である。

【０００９】

【作用】本発明の直列接続コンデンサの充電制御方式で
は、各コンデンサと並列に通常充電と逆方向の整流素子
を接続し、切り換え手段により充電用電源を逆極性に接
続して各コンデンサの残留電荷を放電させ、あるいは各
コンデンサと並列に端子電圧が所定値になったことを判
別してスイッチング素子により充電電流をバイパスする
充電制限回路を接続し、該スイッチング素子をオンにし
各コンデンサの残留電荷を放電させることにより、初期
化モードによる各コンデンサの初期化を行うので、各コ
ンデンサの静電容量に規格以上の偏差がないかぎり、容
量一杯まで効率よく各コンデンサに充電を行うことがで
き、しかも、簡単な構成で実現できる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は本発明に係る直列接続コンデンサの充電
制御方式の１実施例を説明するための図、図２は充電制
御装置の動作を説明するための図である。図中、１は充
電制御装置、２は電源極性切り換え器、Ｃ１、Ｃ２はコ
ンデンサ、Ｄ１、Ｄ２はダイオード、Ｍ１、Ｍ２はスイ
ッチング素子、Ｘ１、Ｘ２は３端子シャントレギュレー
タ、Ｒ１１〜Ｒ１４、Ｒ２１〜Ｒ２４は抵抗を示す。

【００１１】図１において、コンデンサＣ１、Ｃ２は、
直列に接続して電池として使用される電気二重層コンデ
ンサである。スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２、３端子シャ
ントレギュレータＸ１、Ｘ２、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４、Ｒ
２１〜Ｒ２４、ダイオードＤ１、Ｄ２からなる回路は、
先に説明したような従来より採用されている充電制限回
路（並列モニタ）を構成するものであり、コンデンサＣ
１、Ｃ２と並列に接続して、端子電圧が充電により所定
値に達するとバイパス回路をオンにして、定格電圧以上
の電圧にならないように制限している。スイッチング素
子Ｍ１、Ｍ２には、例えばＭＯＳＦＥＴが用いられ、ダ
イオードＤ１、Ｄ２には、順方向電圧の低いショットキ
ダイオードが用いられる。電源極性切り換え器２は、コ
ンデンサＣ１、Ｃ２に接続する充電用電源の極性を通常
充電か初期化充電かに応じて切り換えるものである。充
電制御装置１は、設定された充電モードによりこの電源
極性切り換え器２を制御してコンデンサＣ１、Ｃ２を初
期化、充電を行うものである。充電モードが通常充電の
場合には、電源極性切り換え器２を図示実線のように充
電用電源に接続してコンデンサＣ１、Ｃ２を順方向に充
電し、端子電圧が所定値に達すると、３端子シャントレ
ギュレータＸ１、Ｘ２が動作してスイッチング素子Ｍ
１、Ｍ２のバイパス回路をオンにする。また、充電モー
ドが初期化充電の場合には、電源極性切り換え器２を図
示破線のように充電用電源に接続してコンデンサＣ１、
Ｃ２の残留電荷を放電しさらに逆方向に充電するように
なるが、その場合の端子電圧は、ダイオードＤ１、Ｄ２
によって極めて低い順方向電圧に制限される。

【００１２】次に、充電制御装置１による制御を説明す
る。まず、充電モードには、通常充電と初期化充電があ
る。通常充電は、コンデンサＣ１、Ｃ２に通常の充電を
行うモードであり、初期化充電は、各コンデンサの電荷
を放電させて初期化した後通常充電モードを実行するモ
ードである。充電制御装置１は、図２に示すようにこれ
らの充電モードを判断し（ステップＳ１１）、通常充電
の場合には、電源極性切り換え器２を図示実線の極性で
充電用電源を接続して従来から行われている充電を実行
するが（ステップＳ１５〜Ｓ１６）、初期化充電の場合
には、まず、電源極性切り換え器２を図示破線の極性に
切り換えて充電用電源を逆極性に接続して逆方向充電を
行うことによって各コンデンサを初期化した後（ステッ
プＳ１２〜Ｓ１４）、通常充電の場合と同様に電源極性
切り換え器２を図示実線の極性に切り換えて充電用電源
を接続して通常の充電を実行する（ステップＳ１５〜Ｓ
１６）。

【００１３】また、充電制御装置１から点線で示すよう
にスイッチング素子Ｍ１、Ｍ２のゲートにオンの信号を
印加することによって初期化を行ってもよい。この場合
は、抵抗Ｒ１１、Ｒ２１を放電用抵抗としてコンデンサ
Ｃ１、Ｃ２の残留電荷を放電させ、スイッチング素子Ｍ
１、Ｍ２を並列モニタの電流バイパス回路と初期化回路
との兼用にしたものである。したがって、充電用電源を
接続しないので、電源極性切り換え器２は除いて構成す
ることができる。

【００１４】ところで、新しいコンデンサの最大充電電
圧を均等に保つには、並列モニタの機能があれば十分で
ある。しかし、種々の使い方や運転履歴、それらの組み
合わせを考慮すると、初期電圧も、漏れ電流も、静電容
量もある程度ばらついているコンデンサをできるだけ揃
えて運転できる機能を持つことが、実用上の設備コスト
や運転コストを低廉に抑えるため必要である。それに
は、各コンデンサができるだけ放電した状態まで、装置
例えば電気スクータで使用した後、全部のセルを一旦完
全に放電する、つまり初期化するのが望ましい。この初
期化の後に新規に充電すれば、コンデンサの静電容量に
規格以上の偏差がない限り、並列モニタが予定通り作動
して、容量一杯までの充電が行える。

【００１５】このように初期化は、度々行う必要はな
く、例えばコンデンサ・バンクの組み替えや、コンデン
サの一部交換を行ったとき、長期間使用しなかったと
き、などに行えばよい。したがって、通常の使用条件で
は、例えば各並列モニタのバイパス回路の動作時間のバ
ラツキを検出することによって、「容量偏差過大」を検
出し、その場合にだけ初期化を行えばよい。

【００１６】次に、並列モニタを初期化に兼用した場合
の各コンデンサのバラツキと発熱の関係を考察する。普
通、コンデンサの蓄電電源装置では、放電電圧の下限を
定格電圧の１／４〜１／５に設定してあるので、装置の
底まで使うことによって、このレベルまでの放電は可能
であるが、その先は、電子装置が働かなくなってしまう
ので放電できない。しかし、自然放電を待ったのでは、
完全な放電には何ヵ月もかかってしまう。そこで、並列
モニタをコンデンサの初期化に兼用すると、並列モニタ
の許容電流に相当する放電電流Ｉ_s を５Ａとし、静電容
量が３６００Ｆで、電圧値が０．６Ｖのコンデンサを初
期化の段階で０Ｖまで放電させた場合には、１７８ｍＷ
ｈの発熱があるが、これを３．６Ｖまで充電した後に同
様の目的で３Ｖまで放電させた場合には、１０倍以上の
１．９８Ｗｈの発熱となる。また、初期電圧にバラツキ
のある、静電容量の等しいコンデンサを複数個直列に接
続して定電流充電すると、初期電圧の高いコンデンサほ
ど大きな電力が充電される。それは、十分大きな静電容
量のコンデンサに電流１Ａで１秒充電する場合を考える
と、コンデンサの初期電圧が１Ｖなら１Ｗ・秒（１ジュ
ール）充電され、初期電圧が１ｍＶなら１ｍＷ・秒（１
ｍジュール）しか充電されない。こうして僅かな充電電
力の差が充電が進行するにつれて大きな差に増幅されて
しまう。

【００１７】つまり、コンデンサに蓄えられる電気量の
バラツキを抑えるには、なるべく電圧の低いうちに放電
させれば、電気量が節約でき、充電が進んでから行うと
大きな発熱が伴うことがわかる。しかし、静電容量のバ
ラツキがあれば、低電圧で充電状態が等しくても電圧が
上昇するにしたがって、電圧のバラツキも大きくなるか
ら、最大電圧を抑える並列モニタの効果は不可欠であ
る。並列モニタの設定電圧を充電に伴って０から逐次上
昇させて、最後に最大電圧まで高めれば全部のコンデン
サを充電の途中も含めていつも揃った電圧に充電するこ
ともできる。

【００１８】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記
の実施例では、各コンデンサに接続したスイッチング素
子とダイオードを備えた並列モニタを初期化のために兼
用したが、初期化のためにスイッチング素子やダイオー
ドのいずれかを採用するように構成してもよいし、単に
初期化用としてＮチャネルＭＯＳＦＥＴを使ったスイッ
チやそれ以外のＦＥＴ、リレー、バイポーラトランジス
タを使ったスイッチング素子を採用してもよい。ただ
し、ここで用いるスイッチは、実質的に直列接続された
コンデンサと同数設置され、初期化に際してはコンデン
サ端子電圧がほとんどゼロになってもオンでありつづけ
る必要があるため、スイッチをオンに保つ機能、あるい
は電源を用意しておく必要がある。また、初期化を行う
か否かは、並列モニタの動作のバラツキ、つまり、満充
電になるまでの時間のバラツキを検出して判断してもよ
いし、使用量や残留電荷の検出結果、コンデンサ・バン
クの組み替えや、コンデンサの一部交換を行ったとき、
長期間使用しなかったとき、などの条件を初期化条件と
し、これらの判断を行って適宜初期化を行うようにして
もよい。さらに、電池Ｃ１、Ｃ２は、単位電池として説
明したが、それらを組み合わせた組電池でもよく、また
複数個の電池の組み合わせについても、直並列に組み合
わせた種々の構成を含むものであってもよいことはいう
までもない。さらにまた、初期化モードでは、充電用電
源を逆極性に接続して各コンデンサの残留電荷を放電さ
せるようにしたが、必ずしも充電用電源を用いる必要は
なく、他の電源を用いて残留電荷の放電を行うように構
成してもよい。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、各コンデンサと並列に通常充電と逆方向の整
流素子を接続し、切り換え手段により充電用電源を逆極
性に接続して各コンデンサの残留電荷を放電させ、ある
いは各コンデンサと並列に端子電圧が所定値になったこ
とを判別してスイッチング素子により充電電流をバイパ
スする充電制限回路を接続し、該スイッチング素子をオ
ンにし各コンデンサの残留電荷を放電させることによ
り、初期化モードによる各コンデンサの初期化を行うの
で、各コンデンサの静電容量に規格以上の偏差がないか
ぎり、容量一杯まで効率よく各コンデンサに充電を行う
ことができ、しかも、簡単な構成で実現でき、電圧の低
いうちに初期化により放電させることにより、電気量が
節約できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る直列接続コンデンサの充電制御
方式の１実施例を説明するための図である。

【図２】 充電制御装置の動作を説明するための図であ
る。

【図３】 直列接続されたコンデンサの端子電圧のバラ
ツキをなくすために抵抗を並列に接続した回路の構成例
を示す図である。

【符号の説明】

１…充電制御装置、２…電源極性切り換え器、Ｃ１、Ｃ
２…コンデンサ、Ｄ１、Ｄ２…ダイオード、Ｍ１、Ｍ２
…スイッチング素子、Ｘ１、Ｘ２…３端子シャントレギ
ュレータ、Ｒ１１〜Ｒ１４、Ｒ２１〜Ｒ２４…抵抗

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山岸 政章 神奈川県横浜市神奈川区台町２−５株式 会社パワーシステム内 (72)発明者 清水 雅彦 神奈川県横浜市神奈川区台町２−５株式 会社パワーシステム内 (72)発明者 篠塚 政彦 神奈川県横浜市神奈川区台町２−５株式 会社パワーシステム内 (72)発明者 清水 正明 神奈川県横浜市神奈川区台町２−５株式 会社パワーシステム内 (72)発明者 岩下 繁明 神奈川県横浜市神奈川区台町２−５株式 会社パワーシステム内 (56)参考文献 特開 平５−15076（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−255134（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−236664（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−127140（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−23527（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−41639（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 1/00 - 1/16 H02J 7/00 - 7/36

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直列に接続して電池として使用される複
   数のコンデンサを充電用電源に接続して充電を行い直列
   接続コンデンサの充電制御方式であって、各コンデンサ
   と並列に通常充電と逆方向の整流素子を接続し、切り換
   え手段により充電用電源を逆極性に接続して各コンデン
   サの残留電荷を放電させることにより、初期化モードに
   よる各コンデンサの初期化を行うことを特徴とする直列
   接続コンデンサの充電制御方式。
2. 【請求項２】 電池として使用される直列に接続した複
   数のコンデンサを充電用電源に接続して充電を行う直列
   接続コンデンサの充電制御方式であって、各コンデンサ
   と並列に端子電圧が所定値になったことを判別してスイ
   ッチング素子により充電電流をバイパスする充電制限回
   路を接続し、該スイッチング素子をオンにし各コンデン
   サの残留電荷を放電させることにより、初期化モードに
   よる各コンデンサの初期化を行うことを特徴とする直列
   接続コンデンサの充電制御方式。
3. 【請求項３】 コンデンサの組み替え、一部交換、又は
   使用しない期間を判断して前記初期化モードの実行を制
   御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は
   ２記載の直列接続コンデンサの充電制御方式。
4. 【請求項４】 充電制限回路の動作のバラツキを判断し
   て前記初期化モードの実行を制御する制御手段を備えた
   ことを特徴とする請求項２記載の直列接続コンデンサの
   充電制御方式。