JP3491875B2 - 初期化機能を有するキャパシタ蓄電装置及び並列モニタ並びに初期化制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のキャパシタ
を直列接続して蓄電装置を構成するキャパシタ蓄電装置
及び並列モニタ並びに初期化制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は並列モニタの回路構成を示す
図、図１１は並列モニタ付の充放電波形と並列モニタな
しの動作を説明するための図である。図中、Ｃは電気二
重層キャパシタ、ＣＭＰはコンパレータ、Ｄはダイオー
ド、Ｔｒはトランジスタ、Ｖｒは基準電圧を示す。

【０００３】複数の大容量のキャパシタを組み合わせて
蓄電装置を構成する際に不可欠な条件として、キャパシ
タの直列接続時に生ずる、負担電圧の均等化の問題があ
る。本発明者らはかねてから、電気二重層キャパシタを
用いたＥＣＳ（Energy Capacitor System)と称する蓄電
装置を提案し（例えば電子技術、１９９４−１２、ｐ１
〜３、電学論Ｂ、１１５巻５号、平成７年 ｐ５０４〜
６１０など）、提供している。ＥＣＳでは、直列接続さ
れる個々のキャパシタに電圧監視制御装置としての並列
モニタを接続し、キャパシタの耐電圧の範囲で最大限の
充電が可能となるようにしている。

【０００４】並列モニタは、図１０に示すようにコンパ
レータＣＭＰによってキャパシタＣの電圧を基準電圧Ｖ
ｒと比較して監視し、キャパシタＣの電圧が基準電圧Ｖ
ｒを越えるとトランジスタＴｒをオンにして充電電流を
バイパスする。この動作によってキャパシタＣの充電電
圧は、図１１のに示すように設定値に保たれ、直列に
接続された他のキャパシタが満充電に達して次の放電
に移るまでの間、定電圧の緩和充電モードとするもの
である。このようにＥＣＳでは、の点で充電電圧の上
限に抑える方法、つまりキャパシタの電圧を上限で初期
化（クランプ）し、そこを起点として充放電させること
により、キャパシタの電圧配分が個々の容量のバラツキ
で図１１の円内のようになり、また充電開始時の電圧の
差によってもキャパシタの個々の負担電圧が不均一とな
る問題を解決した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の構成
は、シンプル、かつ低価格に実現でき、動作も確実であ
るため、ＥＣＳの実用化に大きな役割を果たしたが、上
記〜の間で、並列モニタがオンになっている期間中
の充電エネルギーが熱になるのが問題となる。すなわ
ち、図１０に示した並列モニタでは、の設定電圧に達
した時点でトランジスタＴｒを動作させてバイパス回路
を形成させ、電圧がそれ以上に上昇しないようにして、
電子回路でいう「電圧クランプ」の状態を作ったが、そ
のために、バイパス回路には、充電電流×満充電電圧に
相当する損失が発生して発熱する。

【０００６】ただ、〜間での発熱は、二次電池であ
れば充放電サイクル毎に毎回発生するが、キャパシタで
は、最初に一度発生するだけで、以後は、この設定値で
ある満充電の電位からスタートしてに示すように下向
きに放電し、充電するとまたもとの電位で一緒になる
という特長がある。この特長のために並列モニタは、初
期化のとき以外は、使用中の僅かな特性の変動や漏れ
電流によるのズレを吸収するだけで動作するので、発
熱も少なく、実用上十分な効果を発揮することが各種の
実用例で判明した。

【０００７】その他にも、並列モニタのコンパレータと
トランジスタの部分をスイッチングコンバータに置き換
えて、電力を消費しないようにしたり、低レベルで初期
化し満充電レベルを揃えるようにする方式が考えられて
いる。しかし、前者の方式では、キャパシタの数だけコ
イルやトランスが必要になり、複雑になると共にコスト
も割高になり、電力伝送効率や電力の節約量に見合わな
いという問題がある。また、後者の方式では、満充電に
到達する時間を推定して初期化調整をするため、レベル
を低くして初期化電力を少なくすれば調整の精度が悪く
なり、一方、調整の精度を上げようとしてレベルを高く
すれば初期化電力が大きくなるという問題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、集積回路化を容易にしキャパシタ
のバイパス回路の電流容量の低減、初期化損失の低減を
図るものである。

【０００９】そのために本発明は、直列接続して蓄電装
置を構成する複数のキャパシタと、各キャパシタの端子
間に接続される一対の入力端子と、前記一対の入力端子
に接続され端子電圧を検出して初期化電圧を判定しキャ
パシタの充電電流をバイパスする初期化回路と、前記一
対の入力端子に接続され端子電圧を検出して満充電電圧
を判定する満充電判定回路と、信号端子から入力される
選択信号のオン／オフにより前記初期化回路の初期化動
作をオン／オフすると共に前記オフ時に前記満充電判定
回路の判定信号を前記信号端子に送出する選択回路とを
備えたことを特徴とするものである。

【００１０】前記選択回路は、前記入力端子の一方と前
記信号端子との間をオン／オフするトランジスタを有す
る第１のフォトカップラに前記初期化モードの選択信号
を入力し、前記入力端子の一方と前記信号端子との間で
発光するダイオードを有する第２のフォトカップラに前
記判定信号を送出することを特徴とし、各キャパシタの
前記第１のフォトカップラのダイオードは、直列接続し
て初期化モードの選択信号により制御され、各キャパシ
タの前記第２のフォトカップラのトランジスタは、並列
接続して前記判定信号が取り出されることを特徴とする
ものである。

【００１１】また、直列接続して蓄電装置を構成する複
数のキャパシタのそれぞれに並列に接続して端子電圧を
検出し充電電流をバイパス制御するキャパシタ蓄電装置
の並列モニタであって、キャパシタの端子間に接続され
る一対の入力端子と、前記一対の入力端子に接続され端
子電圧を検出して初期化電圧を判定しキャパシタの充電
電流をバイパスする初期化回路と、前記一対の入力端子
に接続され端子電圧を検出して満充電電圧を判定する満
充電判定回路と、信号端子から入力される選択信号のオ
ン／オフにより前記初期化回路の初期化動作をオン／オ
フすると共に前記オフ時に前記満充電判定回路の判定信
号を前記信号端子に送出する選択回路とを備えたことを
特徴とし、前記信号端子から送出される前記判定信号
は、前記入力端子の一方に対する信号レベルの変化であ
ることを特徴とするものである。

【００１２】直列接続して蓄電装置を構成する複数のキ
ャパシタと、各キャパシタの端子間に接続される一対の
入力端子と、前記一対の入力端子に接続され端子電圧を
検出して初期化電圧を判定しキャパシタの充電電流をバ
イパスする初期化回路と、前記一対の入力端子に接続さ
れ端子電圧を検出して満充電電圧を判定する満充電判定
回路と、信号端子から入力される選択信号のオン／オフ
により前記初期化回路の初期化動作をオン／オフすると
共に前記オフ時に前記満充電判定回路の判定信号を前記
信号端子に送出する選択回路とを備えたキャパシタ蓄電
装置の初期化制御方法であって、前記複数のキャパシタ
のいずれか１から前記判定信号が送出されたことを条件
に充電を停止し、前記各キャパシタの充電状態にバラツ
キが生じたとき前記選択信号により初期化を実行するこ
とを特徴とし、各キャパシタの合計電圧が設定値に達し
たことを条件に前記初期化回路をオフにすること、各キ
ャパシタの合計電圧が初期化動作の開始時より一定値以
上上昇したことを条件に初期化回路をオフにすること、
あるいは前記充電を停止したときの各キャパシタの合計
電圧が設定値以下になったことを条件に初期化モードの
選択信号をオンにすることを特徴とするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る初期化機能
を有するキャパシタ蓄電装置の実施の形態を示す図であ
り、１は並列モニタ、Ｃ１はキャパシタ、Ｑ１〜Ｑ４は
トランジスタ、Ｘ１、Ｘ２はシャントレギュレータ、Ｄ
１はダイオード、ＱＰは光トランジスタ、ＤＰは発光ダ
イオード、Ｒ１〜Ｒ１１、ＲＣは抵抗、Ｐ１〜Ｐ３は外
部端子を示す。

【００１４】図１において、キャパシタＣ１は、電力を
貯蔵するために直列に多数接続される例えば電気二重層
キャパシタである。並列モニタ１は、外部端子Ｐ１、Ｐ
２を入力端子としてキャパシタＣ１の端子間に並列に接
続し、外部端子Ｐ３を信号端子として初期化モードの選
択と満充電信号の送出を行う３ピンの外部端子Ｐ１〜Ｐ
３を有し、キャパシタＣ１の初期化時には初期化電圧に
達すると所定の充電電流をバイパスし、満充電に達する
と満充電信号を送出するものである。並列モニタ１は、
初期化時に所定の充電電圧を検出して充電電流をバイパ
スする初期化回路と満充電電圧を検出して満充電信号を
送出する信号送出回路と初期化動作を選択又は解除する
選択回路とを有し、初期化時には、所定の充電電流をバ
イパスすることにより、早く初期化電圧に達したキャパ
シタの充電を遅らせ、初期化電圧に達するのが遅いキャ
パシタとのバラツキをなくすようにする。したがって、
初期化電圧は、満充電電圧以下の電圧に設定する。光ト
ランジスタＱＰは、外部端子Ｐ３に接続して外部端子Ｐ
１との間をオン／オフするものであり、初期化モードの
選択時に光指令信号を受信してオンに制御される。光ダ
イオードＤＰは、外部端子Ｐ３に接続し抵抗Ｒ１１、Ｒ
５を通して満充電信号の電流を供給するものであり、満
充電時に光信号を送出する。

【００１５】並列モニタ１において、初期化回路は、ト
ランジスタＱ１〜Ｑ３、シャントレギュレータＸ１、抵
抗Ｒ１〜Ｒ４により構成し、抵抗Ｒ３とＲ４からなる分
圧回路とシャントレギュレータＸ１により端子電圧の検
出、判定を行い、初期化動作でトランジスタＱ１により
充電電流をバイパスする。シャントレギュレータＸ１
は、抵抗Ｒ３とＲ４からなる分圧回路を制御入力に接続
してコンパレータとして動作し、トランジスタＱ３がオ
ンになって電流が供給されているときにキャパシタＣ１
の端子電圧が所定の電圧（初期化電圧Ｖini ）に達する
とオンになる回路（例えばＴＩ社製のＴＬ４３１、ＮＥ
Ｃ社製のＣ１９４４など）である。このシャントレギュ
レータＸ１がオンになると、トランジスタＱ２、Ｑ１を
オンにして抵抗Ｒ１により決まる電流でキャパシタＣ１
の充電電流をバイパスする。

【００１６】信号送出回路は、シャントレギュレータＸ
２、抵抗Ｒ５〜Ｒ７により構成し、抵抗Ｒ６とＲ７から
なる分圧回路とシャントレギュレータＸ２により端子電
圧の検出、判定を行い、外部端子Ｐ３より満充電信号を
送出する。シャントレギュレータＸ２は、抵抗Ｒ６とＲ
７からなる分圧回路を制御入力に接続してコンパレータ
として動作し、外部端子Ｐ３に接続された光トランジス
タＱＰがオフのときにキャパシタＣ１の端子電圧が所定
の電圧（満充電電圧Ｖful ）に達するとオンになる回路
（例えばＴＩ社製のＴＬ４３１、ＮＥＣ社製のＣ１９４
４など）である。このシャントレギュレータＸ２がオン
になると、発光ダイオードＤＰに大きな電流が流れて光
信号を送出する。

【００１７】選択回路は、トランジスタＱ４、抵抗Ｒ８
〜Ｒ１０により構成し、外部端子Ｐ３の信号レベルがＨ
（外部端子Ｐ１と短絡）になると、トランジスタＱ４が
オフになって初期化回路のトランジスタＱ３をオンにす
る。また、外部端子Ｐ３が外部端子Ｐ１との間で高イン
ピーダンス回路になると、トランジスタＱ４がオンにな
って初期化回路のトランジスタＱ３をオフにするので、
外部端子Ｐ３の信号レベルは、信号送出回路のシャント
レギュレータＸ２のオン／オフに応じて変化する。光ト
ランジスタＱＰは、オンにすることにより外部端子Ｐ３
の信号レベルをＨ（トランジスタＱ４のエミッタ電位）
にし、オフにすることにより外部端子Ｐ３とＰ１との間
に抵抗Ｒ１１と発光ダイオードＤＰを挿入接続する。

【００１８】したがって、外部端子Ｐ３とＰ１との間の
抵抗を並列モニタ１の中に接続し、外部端子Ｐ３から充
電制御を行う充電器などに信号レベルの変化で信号送出
回路の満充電信号を取り出すようにしてもよい。シャン
トレギュレータＸ１、Ｘ２では、分圧回路から検出され
るキャパシタの端子電圧について初期化電圧や満充電電
圧の判定を行っているので、それらは基準電圧を発生す
るツエナーダイオードとコンパレータに置き換えること
もできる。また、初期化モードの選択状態において、充
電電流をバイパスする初期化動作に入った場合に、外部
端子Ｐ３の信号レベルを変化させるようにし、その変化
に基づき充電器側で初期化動作の開始を検知できるよう
にしてもよいので、外部端子Ｐ３の信号レベルを２ステ
ートで使用してもよいし、この例はＩＣのピン数３本に
まとめるために苦労しているが、上で述べた必要な入出
力信号を、それぞれ別のピンにつないで使用することも
できる。

【００１９】図２は本発明に係る初期化機能を有するキ
ャパシタ蓄電装置の接続及び制御の例を説明するための
図であり、Ｃ１、Ｃ２はキャパシタ、１−１、１−２は
並列モニタ、２−１、２−２、３−１、３−２はフォト
カップラを示す。

【００２０】図２において、フォトカップラ２−１、２
−２は、初期化モードの選択信号を並列モニタ１−１、
１−２に供給するものであり、光トランジスタを並列モ
ニタ１−１、１−２の外部端子Ｐ１とＰ３との間に接続
し、初期化モードの選択信号Ｖini inを各発光ダイオ
ードに直列に入力する。したがって、初期化モードの選
択信号Ｖini inをオンにすると、各並列モニタ１−
１、１−２の発光ダイオードが同時に発光してそれぞれ
の光トランジスタがオンになり、初期化モードが選択さ
れる。フォトカップラ３−１、３−２は、並列モニタ１
−１、１−２から満充電信号を取り出すものであり、発
光ダイオードを並列モニタ１−１、１−２の外部端子Ｐ
１とＰ３との間に接続し、満充電信号Ｖful out は、
各光トランジスタを並列にして取り出す信号である。し
たがって、初期化モードの選択信号Ｖini inがオフの
時に、キャパシタＣ１、Ｃ２のいずれかにおいて満充電
になると、該当する並列モニタ１−１、１−２に接続し
たフォトカップラ３−１、３−２の発光ダイオードが発
光して光トランジスタがオンになるので、キャパシタＣ
１、Ｃ２のいずれかが満充電になったときの信号として
満充電信号Ｖful out を取り出すことができる。

【００２１】充電器が初期化モードの選択信号Ｖini
in及び満充電信号Ｖful out を使って充電制御を行う
場合には例えば次のように考える。キャパシタの満充電
電圧をＶful とすると、ｎ個のキャパシタＣ１、Ｃ２、
……、Ｃｎを直列接続した蓄電装置において、全てキャ
パシタが満充電になったときは、Ｖful ×ｎが合計電圧
となる。充電器による充電制御では、合計電圧がＶful
×ｎに達する前、満充電信号Ｖful out によりいずれ
かのキャパシタが満充電になったときに停止する。そこ
で、このときの合計電圧をＶout とすると、全てキャパ
シタが満充電になったときの合計電圧との差、つまり
（Ｖful ×ｎ−Ｖout ）は、キャパシタの充電状態のバ
ラツキを示すことになる。したがって、初期化モードの
選択は、この差が大きくなったときに行われる。そし
て、初期化モードの選択は、いずれかのキャパシタが満
充電になるまで行い、満充電信号Ｖful out により解
除してもよいが、その場合には、先に述べたように初期
化電圧に達するのが早いキャパシタほど充電電流をバイ
パスする時間が長くなり、電力の無駄、発熱が大きくな
るので、一定の端子電圧、例えば初期化電圧Ｖini ×
ｎ、あるいはＶini ×ｎ±αに達したことを条件に解除
してもよい。また、初期化動作が開始した後に一定の時
間経過したことを条件に解除してもよい。初期化動作の
開始は、例えば初期化回路の動作信号を取り出すことに
より検知することができ、また、充電電圧の上昇カーブ
の変化からも検知することができる。

【００２２】図３は本発明に係る初期化機能を有するキ
ャパシタ蓄電装置の充放電カーブの例を示す図、図４は
初期化がずれている場合と初期化が満充電電圧で完全に
行われた状態の例を説明するための図である。キャパシ
タＣ_A 、Ｃ_B が全放電あるいは電圧ゼロで初期化された
状態から一定電流で充電（定電流充電）を開始すると、
初期化モードが選択されていない状態、つまり初期化モ
ードの選択信号Ｖini inがオフの状態では、充電電流の
バイパス回路が動作しないので、図３の左端に示すＡ、
Ｂのように容量の差に応じた傾斜で電圧が上昇する。そ
して、直列に接続されているキャパシタＣ_A 、Ｃ_B の１
つ、例えば容量の小さい方のキャパシタＣ_A がｔ１で満
充電電圧Ｖful に達すると、充電器がこれを満充電信号
Ｖful out で検出し定電流充電を停止させる。その後、
キャパシタＣ_A の端子電圧がキャパシタ内部の自己充電
や自己放電などによって満充電電圧Ｖful を割り込む
と、再度充電が開始されるので、ｔ１以降は一定電圧に
維持される緩和充電の状態が続く。端子電圧は、初期電
圧の高いキャパシタがあれば早く上昇し、また、初期電
圧が低くても静電容量が他より小さなキャパシタがあれ
ば、その端子電圧も早く上昇する。これらの中でいずれ
かのキャパシタが満充電に達したとき充電を停止した状
態を示したのが図４（Ａ）であり、並列モニタにより初
期化が満充電電圧で完全に行われた状態を示したのが図
４（Ｂ）である。

【００２３】次に、時間ｔ２で放電してキャパシタ
Ｃ_A 、Ｃ_B に蓄積した電力を利用し、時間ｔ３で次の充
電サイクルに入る。このとき初期化モードを選択する
と、充電が始まるｔ３からいずれかのキャパシタの端子
電圧が満充電電圧Ｖful に達するまで初期化モードの選
択信号Ｖini inをオンにしておけば、その期間が初期
化ペリオドとなる。そして、充電が進んでキャパシタの
端子電圧が上昇すると、まず、キャパシタＣ_A の端子電
圧が初期化電圧Ｖini に達するｔ４でキャパシタＣ_Aの
バイパス回路がオンになり、さらに遅れてｔ５でキャパ
シタＣ_B のバイパス回路もオンになる。

【００２４】バイパス回路がオンになると、それらに流
れる電流だけキャパシタの端子電圧の上昇が遅くなる。
図１に示した抵抗Ｒ１がゼロであれば、端子電圧は初期
化電圧Ｖini より上昇しないが、充電電流を、例えば半
分バイパスする程度に抵抗Ｒ１の値を選定しておくと、
電圧の上昇するスピードは半分になって端子電圧はなお
上昇を続ける。

【００２５】このようにｔ４で初期化電圧Ｖini に達し
たキャパシタＣ_A と、遅れてｔ５で初期化電圧Ｖini に
達したキャパシタＣ_B では、バイパス回路の動作してい
る時間、つまりバイパスされている電気量はキャパシタ
Ｃ_A の方が大きい。その結果、ｔ１とｔ６における電圧
を比較すると明らかなようにそれまで低かったキャパシ
タＣ_B の満充電時（充電停止時）の端子電圧が増大して
キャパシタＣ_A の端子電圧に近づくことになる。

【００２６】この方法には、２つの設計条件が伴う。第
１は満充電電圧Ｖful と初期化電圧Ｖini との間隔であ
るが、満充電電圧Ｖful は、キャパシタの耐電圧で決ま
るので、初期化電圧Ｖini の値が条件になるといっても
よい。初期化電圧Ｖini の値を高くすると、キャパシタ
のバイパス回路がオンになっている時間が短いので、１
充電あたりのズレの補償量が小さくなる。逆に、初期化
電圧Ｖini の値を低くすると、キャパシタのバイパス回
路がオンになっている時間が延びるので、同じバイパス
電流でもキャパシタの電圧を平均化する量は増える。た
だし、初期化電圧Ｖini の値を低くすると、バイパスさ
れる電力量は増えるため、バイパス回路での発熱が大き
くなり、初期化損失は増大する。

【００２７】第２の条件は、バイパス電流値、つまり充
電電流をバイパスする割合である。初期化電圧Ｖini の
値を高くして、バイパス電流を大きくすると、充電カー
ブの頂上付近だけで大量のバイパス電流が流れ、充電電
流をバイパスする時間は短くなるが、初期化される蓄電
量が電圧の二乗に比例して増加するため初期化損失が増
大し、しかもバイパス回路がそれだけの電流値に耐える
設計を必要とする。

【００２８】したがって、満充電電圧Ｖful と初期化電
圧Ｖini との間隔、バイパス電流値は、例えばキャパシ
タのバラツキの大きさ、発熱の程度に応じてバイパス回
路を動作させる時間をどの程度に制限するか、初期化モ
ードをどの程度の時間や充電回数で解除させるかなどを
勘案して任意に設定することができることは勿論であ
る。また、先に述べたように初期化モードを選択（初期
化の起動）し解除（初期化の停止）する条件も任意に設
定することができる。

【００２９】初期化の起動は、例えば初期化を行うべき
条件にあるとき（初期化実行条件）、充電終了時のキャ
パシタの合計電圧Ｖout が基準値Ｖroより低下したとき
（初期化必要条件）などである。初期化実行条件は、例
えばハイブリッド電気自動車であれば、走り出す前、つ
まり運転開始時、電力貯蔵であれば、夏においては午後
のピークを迎える前、つまり午前中など、用途に応じた
要求、運転予測に基づき設定される。

【００３０】初期化の停止は、例えば初期化を中止すべ
き条件（初期化中止条件）にあるとき、初期化がなされ
たとき（初期化終了条件）などである。初期化中止条件
は、例えばハイブリッド電気自動車の場合、回生制動中
など用途に応じた要求、運転予測に基づき設定される。
初期化終了条件は、例えば初期化を開始してから一定時
間経過したとき、初期化を開始してから各キャパシタの
合計電圧Ｖout が一定値上昇したとき、各キャパシタの
合計電圧Ｖout が所定値に達したとき、並列モニタの放
熱板の温度が上昇したときなどである。これらの条件を
使い分けることにより、充電停止に至らず延々と長時間
におよび初期化動作が継続するのを防ぐことができる。

【００３１】次に、初期化モードの選択／解除の動作を
説明する。図５は初期化モードの選択／解除を行う回路
の例を示す図、図６は初期化モードの解除信号を発生す
る回路の例を示す図、図７は充電の途中で初期化モード
が解除される動作の例を説明するための図である。図
中、１１、１６はサンプルホールド回路、１２、１９は
コンパレータ、１３、１５はオアゲート、１４は初期化
選択／解除回路、１７は減算回路、１８は加算回路を示
す。

【００３２】図５において、サンプルホールド回路１１
は、充電の停止信号Ｓをトリガとして各キャパシタの合
計電圧Ｖout をサンプルホールドするものであり、コン
パレータ１２は、サンプルホールドした各キャパシタの
合計電圧Ｖout を基準値Ｖroと比較するものである。オ
アゲート１３は、初期化実行条件に基づき発せられる初
期化指令か、各キャパシタの合計電圧Ｖout が基準値Ｖ
roより低いときのオアゲート１３の出力信号により初期
化選択信号を出力するものである。初期化選択／解除回
路１４は、オアゲート１３の出力信号である初期化選択
信号により初期化モードの選択信号Ｖini inをオンに
して初期化モードを選択し、初期化中止条件や初期化終
了条件に基づき発生される初期化解除信号により初期化
モードの選択信号Ｖini inをオフにして初期化モード
を解除するものである。

【００３３】初期化終了条件に基づき初期化解除信号を
発生する回路として、例えば初期化を開始してから各キ
ャパシタの合計電圧Ｖout が一定値上昇したときを条件
とする回路の例を示したのが図６である。図６に示す回
路では、オアゲート１５により、各キャパシタの初期化
用のコンパレータ４のいずれかが作動を開始したときに
初期化開始信号を出力し、サンプルホールド回路１６に
より、その初期化開始時の各キャパシタの合計電圧Ｖou
t をサンプルホールドする。そして、減算回路１７によ
り、初期化開始時の各キャパシタの合計電圧Ｖout と各
キャパシタが初期化電圧Ｖini であると仮定したときの
電圧Ｖini ×ｎとの差を求め、加算回路１８により、こ
の差に初期化開始時の各キャパシタの合計電圧Ｖout を
加算する。そして、コンパレータ１９により加算回路１
８の加算値まで各キャパシタの合計電圧Ｖout が初期化
開始後に上昇すると初期化解除信号を出力する。

【００３４】上記のように初期化開始時の各キャパシタ
の合計電圧Ｖout に応じて初期化解除信号を発生する電
圧上昇値を決定すると、図７のに示すように電圧のバ
ラツキが大きい場合には初期化開始時のから初期化解
除信号が発生するポイントＰまで初期化動作の継続する
時間が長くなる。しかし、このような初期化を繰り返す
ことにより、図７のとの間で示すように電圧のバラ
ツキが小さくなってくると、初期解除信号が発生するポ
イントＰまで初期化動作の継続する時間が短くなる。つ
まり、電圧のパラツキに応じて初期化動作の継続する時
間を自動的に調節することができる。この場合、バイパ
ス電流を変えると、初期化動作後の電圧上昇勾配が変わ
るので、その勾配の変化に応じて時間が変わる。

【００３５】上記のように１回で完全に初期化された状
態にならなくても、何サイクルもの間に少しずつ上記初
期化機能を使うことにより、特別な初期化のサイクルや
時間を用意する必要がなく、例えばハイブリッド電気自
動車で言えば運転者に気づかれずに初期化することが可
能となる。元来、キャパシタのバラツキは、漏れ電流の
固体差などにより長時間かけて次第に発生するものであ
るので、それを修正するための初期化も用途によって
は、上記のような緩慢な手法で十分であり、むしろ合理
的な方法といえよう。

【００３６】また、図６において、コンパレータ１９を
省くと共に加算回路１８に変えてタイマーを用い、減算
回路１７の出力に応じて時間を設定し、そのタイムオー
バーで初期化解除信号を発生させても同様に、電圧のパ
ラツキに応じて初期化動作の継続する時間を自動的に調
節することができる。また、図６において、減算回路１
７を省き加算回路１８でサンプルホールド回路１６にサ
ンプルホールドした初期化開始時の各キャパシタの合計
電圧Ｖout に一定値を加算すると、初期化解除信号を発
生させるまでの上昇電圧を一定にすることができ、同様
に初期化動作の継続する時間を一定にすることができ
る。

【００３７】図８は本発明の他の実施の形態として定電
流をバイパスするバイパス回路の構成例を示す図、図９
は本発明の他の実施の形態として満充電の検知を行う回
路の例を示す図である。図中、Ｔｒはトランジスタ、Ｒ
ｓは電流制限抵抗、Ｚは基準電圧源、２２は電圧監視装
置を示す。

【００３８】バイパス回路として、トランジスタＱ１に
直列に抵抗Ｒ１を挿入接続してバイパス電流を制限する
構成を図１に示したが、バイパス電流を制限する構成と
してはこれに限るものではなく、種々の回路を採用する
ことができることはいうまでもない。その１例を示した
のが図８であり、定電流回路としてよく知られているよ
うに、トランジスタＴｒのエミッタに電流制限抵抗Ｒｓ
を直列に接続するとともに、このトランジスタＴｒのベ
ース・エミッタと電流制限抵抗Ｒｓとの直列回路にツェ
ナーダイオードＺを並列に接続したものである。この回
路によれば、電流制限抵抗Ｒｓにおける電圧降下が基準
電圧源Ｚの電圧になるように、つまり定電流になるよう
にトランジスタＴｒが制御される。電流制限抵抗Ｒｓ
は、電流を検出するために用いるので、図１に示した抵
抗Ｒ１に比べて遙に小さな値の抵抗でよい。図は動作原
理を説明するために簡単な回路で示したが、扱うバイパ
ス電流が大きい場合には、電流制限抵抗Ｒｓの代わりに
電流検出用のホール素子など低損失のセンサーを用い、
制御にも集積回路やマイクロコンピュータを用いて信号
の増幅や比較、論理判断を行わせるようにしてもよい。

【００３９】また、各セルの満充電を検知する手段とし
て、抵抗による分圧回路とシャントレギュレータを用い
る例を図１に示したが、これは１例であり例えば図９に
示す電圧監視装置２２、その他既知の任意の方法を用い
ることができることは勿論である。図９に示す電圧監視
装置２２は、多数の直列に接続されたキャパシタＣ１〜
Ｃｎの接続点の電圧を採集する、コンパレータやＡＤＣ
（アナログーデジタルコンバータ）で構成する演算ユニ
ットであり、キャパシタＣ１〜Ｃｎの電圧を逐次読み取
ることができるものである。この操作には、例えばマイ
クロプロセッサを用いることができ、通常の大型キャパ
シタの充電時間は数１０秒以上になるので、簡単な装置
で多数のキャパシタの端子電圧の読み取りを行い、さら
に不良が発生した場合には短絡するなどの制御を行わせ
ることができる。

【００４０】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、初期化モードの選択信号、満充電信
号の授受をフォトカップラを介して行うようにしたが、
他の結合素子を用いてもよいし、直接接続して論理処理
を行うようにしてもよい。また、多数のキャパシタのう
ちの幾つかが故障した際に、そのキャパシタを短絡し
て、全システムとしての運転を継続するという方法があ
るが、その方法を本発明の並列モニタと同時に適用する
ことが可能である。本発明では、コンパレータもトラン
ジスタも充電時の特定の時期以外は使用していないの
で、必要に応じてコンパレータやトランジスタを劣化し
たキャパシタの短絡に用いるようにしてもよい。初期化
モードの選択は、残量計と併用し充電停止時の残量に基
づき判定して行うようにしてもよいし、定期的に行うよ
うにしてもよい。

【００４１】

【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、キャパシタの端子間に接続される一対の入力
端子と、一対の入力端子に接続され端子電圧を検出して
初期化電圧を判定しキャパシタの充電電流をバイパスす
る初期化回路と、一対の入力端子に接続され端子電圧を
検出して満充電電圧を判定する満充電判定回路と、信号
端子から入力される選択信号のオン／オフにより初期化
回路の初期化動作をオン／オフすると共にオフ時に満充
電判定回路の判定信号を信号端子に送出する選択回路と
を備えるので、信号端子を介して充電器から初期化モー
ドの選択信号を入力し、満充電の判定信号を送出するこ
とで、充電器から初期化及び充電制御を行うことがで
き、キャパシタに並列に接続する制御回路として３ピン
のパワーＩＣの並列モニタを実現することができる。し
かも、初期化モードの選択信号を入力し、満充電の判定
信号を送出する信号の授受をフォトカプラを介して行う
ことができ、蓄電装置を構成する各キャパシタに接続さ
れる高圧側の並列モニタと制御信号ラインとをアイソレ
ーションする必要がなくなり、回路や配線、さらには周
囲の回路の構成を簡素化することができる。

【００４２】また、特別に初期化のサイクルを設けず、
充放電を繰り返しながら初期化を行うことができる。し
たがって、始動前にキャパシタの初期化をする時間がな
いといった利用状況の制限がある場合にも、効果的であ
る。さらに、１回の充電サイクルではなく、何回もの充
電サイクルで少しずつ初期化、すなわちキャパシタの電
圧配分を平均化させていくことができる。また、バイパ
ス回路に流れる電流を制限するので、バイパス回路に最
大充電電流までの電流容量がなくてもよく、バイパス回
路の電流容量を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る初期化機能を有するキャパシタ
蓄電装置の実施の形態を示す図である。

【図２】 本発明に係る初期化機能を有するキャパシタ
蓄電装置の接続及び制御の例を説明するための図であ
る。

【図３】 本発明に係る初期化機能を有するキャパシタ
蓄電装置の充放電カーブの例を示す図である。

【図４】 初期化がずれている場合と初期化が満充電電
圧で完全に行われた状態の例を説明するための図であ
る。

【図５】 初期化モードの選択／解除を行う回路の例を
示す図である。

【図６】 初期化モードの解除信号を発生する回路の例
を示す図である。

【図７】 充電の途中で初期化モードが解除される動作
の例を説明するための図である。

【図８】 本発明の他の実施の形態として定電流をバイ
パスするバイパス回路の構成例を示す図である。

【図９】 本発明の他の実施の形態として満充電の検知
を行う回路の例を示す図である。

【図１０】 並列モニタの回路構成を示す図である。

【図１１】 並列モニタ付の充放電波形と並列モニタな
しの動作を説明するための図である。

【符号の説明】

１…並列モニタ、Ｃ１…キャパシタ、Ｑ１〜Ｑ４…トラ
ンジスタ、Ｘ１、Ｘ２…シャントレギュレータ、Ｄ１…
ダイオード、ＱＰ…光トランジスタ、ＤＰ…発光ダイオ
ード、Ｒ１〜Ｒ１１、ＲＣ…抵抗、Ｐ１〜Ｐ３…外部端
子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 篠塚 政彦 神奈川県横浜市金沢区福浦１丁目１番１ 号 株式会社パワーシステム内 (72)発明者 最上 明矩 東京都昭島市武蔵野三丁目１番２号 日 本電子株式会社内 (56)参考文献 特開 平８−237861（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−174285（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−174283（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−126973（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−155236（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−64377（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−59266（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 1/00 306 H02J 7/02 H02J 7/10

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直列接続して蓄電装置を構成する複数の
   キャパシタと、 各キャパシタの端子間に接続される一対の入力端子と、 前記一対の入力端子に接続され端子電圧を検出して初期
   化電圧を判定しキャパシタの充電電流をバイパスする初
   期化回路と、 前記一対の入力端子に接続され端子電圧を検出して満充
   電電圧を判定する満充電判定回路と、 信号端子から入力される選択信号のオン／オフにより前
   記初期化回路の初期化動作をオン／オフすると共に前記
   オフ時に前記満充電判定回路の判定信号を前記信号端子
   に送出する選択回路とを備えた ことを特徴とする初期化
   機能を有するキャパシタ蓄電装置。
2. 【請求項２】 前記選択回路は、前記入力端子の一方と
   前記信号端子との間をオン／オフするトランジスタを有
   する第１のフォトカップラに前記初期化モードの選択信
   号を入力し、前記入力端子の一方と前記信号端子との間
   で発光するダイオードを有する第２のフォトカップラに
   前記判定信号を送出することを特徴とする請求項１記載
   の初期化機能を有するキャパシタ蓄電装置。
3. 【請求項３】 各キャパシタの前記第１のフォトカップ
   ラのダイオードは、 直列接続して初期化モードの選択信号により制御され、
   各キャパシタの前記第２のフォトカップラのトランジス
   タは、並列接続して前記判定信号が取り出されることを
   特徴とする請求項２記載の初期化機能を有するキャパシ
   タ蓄電装置。
4. 【請求項４】 直列接続して蓄電装置を構成する複数の
   キャパシタのそれぞれに並列に接続して端子電圧を検出
   し充電電流をバイパス制御するキャパシタ蓄電装置の並
   列モニタであって、 キャパシタの端子間に接続される一対の入力端子と、 前記一対の入力端子に接続され端子電圧を検出して初期
   化電圧を判定しキャパシタの充電電流をバイパスする初
   期化回路と、 前記一対の入力端子に接続され端子電圧を検出して満充
   電電圧を判定する満充電判定回路と、 信号端子から入力される選択信号のオン／オフにより前
   記初期化回路の初期化動 作をオン／オフすると共に前記
   オフ時に前記満充電判定回路の判定信号を前記信号端子
   に送出する選択回路とを備えた ことを特徴とする並列モ
   ニタ。
5. 【請求項５】 前記信号端子から送出される前記判定信
   号は、前記入力端子の一方に対する信号レベルの変化で
   あることを特徴とする請求項４記載の並列モニタ。
6. 【請求項６】 直列接続して蓄電装置を構成する複数の
   キャパシタと、各キャパシタの端子間に接続される一対
   の入力端子と、前記一対の入力端子に接続され端子電圧
   を検出して初期化電圧を判定しキャパシタの充電電流を
   バイパスする初期化回路と、前記一対の入力端子に接続
   され端子電圧を検出して満充電電圧を判定する満充電判
   定回路と、信号端子から入力される選択信号のオン／オ
   フにより前記初期化回路の初期化動作をオン／オフする
   と共に前記オフ時に前記満充電判定回路の判定信号を前
   記信号端子に送出する選択回路とを備えたキャパシタ蓄
   電装置の初期化制御方法であって、 前記複数のキャパシタのいずれか１から前記判定信号が
   送出されたことを条件に充電を停止し、前記各キャパシ
   タの充電状態にバラツキが生じたとき前記選択信号によ
   り初期化を実行することを特徴とする初期化制御方法。
7. 【請求項７】 各キャパシタの合計電圧が設定値に達し
   たことを条件に前記初期化回路をオフにすることを特徴
   とする請求項６記載の初期化制御方法。
8. 【請求項８】 各キャパシタの合計電圧が初期化動作の
   開始時より一定値以上上昇したことを条件に初期化回路
   をオフにすることを特徴とする請求項６記載の初期化制
   御方法。
9. 【請求項９】 前記充電を停止したときの各キャパシタ
   の合計電圧が設定値以下になったことを条件に初期化モ
   ードの選択信号をオンにすることを特徴とする請求項６
   記載の初期化制御方法。