JP3938666B2

JP3938666B2 - 車両用キャパシタ蓄電装置

Info

Publication number: JP3938666B2
Application number: JP2001084922A
Authority: JP
Inventors: 育朗野津; 正和佐々木; 修一荒木; 廸夫岡村
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: JP2002281608A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動車両等に使用されるキャパシタ蓄電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ハイブリッド自動車などの電動車両等に使用される蓄電装置として、急速に充放電でき、長寿命である電気二重層コンデンサ（キャパシタ）を蓄電池として利用した蓄電装置（キャパシタ蓄電装置）が開発されている。
【０００３】
キャパシタ蓄電装置では、定格が同じキャパシタを用いても、静電容量、内部抵抗、漏れ電流のばらつきにより、充放電を繰り返すと直列に接続した各キャパシタの分担電圧（セル電圧）に不均衡を生じ、一部のキャパシタが過充電され破損する問題がある。そのため、各キャパシタを定格電圧で均等に充電できるキャパシタ蓄電装置が、例えば、特開平６−３４３２２５号公報において公開されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このキャパシタ蓄電装置では、分解整備を行う際に、蓄電状態では活線作業を行うこととなり安全上の問題を解決するものではなかった。特に、キャパシタの内部抵抗は低いため、感電する危険が高い。
【０００５】
本発明の目的は、キャパシタ蓄電装置の分解整備を行う際に、キャパシタ蓄電装置の放電を行うことによって、安全を確保することである。また、放電の際に、逆充電によりキャパシタを劣化させることがない放電機能を持つキャパシタ蓄電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、第１の発明は、発電機として機能する電動機を駆動力源として備える車両のキャパシタ蓄電装置において、電動機を用いて充電する直列接続された複数のキャパシタセルと、抵抗とトランジスタから構成され、各キャパシタセルに対して並列に接続されるバイパス回路と、各キャパシタセルに対して設けられ、少なくとも一つの信号入力があった場合に、各バイパス回路を導通させるため、前記トランジスタをオンさせるオン出力を提供するＯＲ回路と、各キャパシタセルの分担電圧を検出する手段と、各キャパシタセルの分担電圧を均等化するため、各キャパシタセルの分担電圧が基準電圧より大きい場合に、前記ＯＲ回路に信号を入力して前記オン出力を提供させ、前記バイパス回路に放電電流を流させる比較手段と、整備開始時に、各バイパス回路の前記ＯＲ回路に順次信号を入力して前記オン出力を提供させ、順次各バイパス回路に放電電流を流させるバイパス切替え回路と、を備えることことを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明に係わるキャパシタ蓄電装置において、前記バイパス切替え回路が、各キャパシタセルが放電と放電の中断を繰り返すよう前記ＯＲ回路に信号を入力して、各キャパシタセルの電圧を下げることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係わるキャパシタ蓄電装置において、車両に設けるスイッチの投入により、各キャパシタセルの放電が開始されることを特徴とすることを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
第１の発明においては、ＯＲ回路とバイパス切替え回路とを備えることにより、順次的に全てのキャパシタセルを０Vまで放電することができる。これにより、整備時の安全が確保される。
【００１３】
第２の発明においては、放電と放電の中断を繰り返して徐々に各キャパシタセルの電圧を下げることができるので、バイパス回路の発熱を防ぐことができる。
【００１５】
第３の発明においては、スイッチの投入により、整備者は安全かつ容易にキャパシタ蓄電装置の放電作業を開始できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図1を参照して、本発明の一実施形態に係るハイブリッド車両のハイブリッドシステムについて説明する。
【００１７】
本ハイブリッドシステムは、発電機としても機能する電動機（モータジェネレータ）１、モータジェネレータ１の駆動用インバータ２、ハイブリッド電子制御ユニット（ハイブリッドECU)３、車両電装系（各車載装置）に電力を供給するバッテリ４、整備スイッチ7、キャパシタ蓄電装置１０を具備する。
【００１８】
モータジェネレータ１は、車両の減速運転時には発電機として機能し、車両の慣性エネルギーを回生して発電を行い、キャパシタ蓄電装置１０内のキャパシタ３０を充電する。また、モータジェネレータ１は、車両の発進、加速時に、キャパシタ蓄電装置１０を電力源とする電動機として機能し、駆動トルクを車両の駆動系に供給する。
【００１９】
ハイブリッドECU３は、ハイブリッド車両の全体的な制御を行い、エンジン制御とモータジェネレータ制御等のほか、キャパシタ蓄電装置１０内の各キャパシタモジュール１０へ取得した車両情報の送出を行う。
【００２０】
整備スイッチ７は、整備を行う場合に整備作業者等によりオンされるもので、これがオンすることによりキャパシタ蓄電装置１０の放電制御が開始される。整備スイッチ７のオンオフの信号は、ハイブリッドECU３により検出される。
【００２１】
キャパシタ蓄電装置１０は、複数個（ｍ個）のキャパシタモジュール１１（MDL1〜MDLm）、主回路遮断コンタクタ１４、主回路ヒューズ１５、総電圧検出アンプ１６、主回路電源線(+)１７、主回路電源線(-)１８、通信ネットワーク２１を具備する。
【００２２】
直列接続された複数個のキャパシタモジュール１１が、電力供給系の主電源を構成しており、主回路遮断コンタクタ１４は、コイルの励磁と非励磁により、キャパシタモジュール１１からインバータ２に至る主回路（高圧系回路）をオンオフする。なお、キャパシタモジュールを直並列接続し、主電源を構成しても良い。キャパシタモジュール１１は、直列接続された複数（ｎ個）のキャパシタセル３０と電圧コントローラ４０から構成される。キースイッチ５の投入により主回路遮断コンタクタ１４をオンし主電源からの電力をインバータ２に供給すると、モータジェネレータ１が駆動可能な状態となる。またキースイッチ５の投入によって、バッテリ４から、ハイブリッドECU３など各部回路に電力が供給される。
【００２３】
各キャパシタモジュール１１の情報は、通信ネットワーク２１を介して逐次ハイブリッドECU３に送信される。また、ハイブリッドECU３は、通信ネットワーク２１を介して、各キャパシタモジュール１１に各種指令信号や車両情報を送出する。通信ネットワーク２１には終端抵抗２２が備えられる。
【００２４】
総電圧検出アンプ１６は、主電源の電圧（直列接続されたキャパシタモジュールの総電圧）を主回路と絶縁した総電圧信号に変換し、ハイブリッドECU３に出力する。ハイブリッドECU３は、この総電圧信号等に基づき、各種判断を実施し各モジュールに各種指令を行う。
【００２５】
次に図２を参照して、本発明の一実施形態に係るキャパシタモジュールについて詳細に説明する。
【００２６】
キャパシタモジュール１１は、直列接続された複数（ｎ個）のキャパシタセル３０（C1〜Cn）と電圧コントローラ４０から構成される。各キャパシタセル３０は、１個のキャパシタから構成してもよいし、複数のキャパシタを並列接続したものを１つのキャパシタセルとみなしてもよい。キャパシタとして、例えば、大容量の電気二重層コンデンサが用いられる。
【００２７】
電圧コントローラ４０は、電流制限用抵抗４１とバイパストランジスタ４２とからなるバイパス回路５０、OR回路４３、コンパレータ４４、バイパス基準電圧発生手段４５、セル電圧検出切替え回路４６、絶縁アンプ４７、AD変換回路４８、バイパス切替え回路４９、切替え信号出力回路５１、データ通信回路５２、中央演算処理装置（CPU)５３、読み出し専用メモリ(ROM)５４、ランダムアクセスメモリ(RAM)５５とを、備えている。
【００２８】
コンパレータ４４は、キャパシタセルの分担電圧（セル電圧）と一定のバイパス基準電圧とを比較する。そして、充電によってキャパシタセル３０の分担電圧がバイパス基準電圧発生手段４５で設定される電圧以上になると、バイパス指令を出力する。なお、バイパス基準電圧は、キャパシタセルの耐電圧付近（使用可能な最大電圧）、例えば2.7Vに設定される。バイパストランジスタ４２は、OR回路４３のオン出力により、ベース電圧が印加されると、バイパス回路５０を導通させる。バイパス指令は、OR回路４３を介しバイパストランジスタ４２をONし、キャパシタセルの充電電流の一部をバイパスさせる。このバイパス判断は、キャパシタセルそれぞれについて行われる。このようにして、各キャパシタセルの電圧を、使用可能な最大電圧に制限し均等化することができる。
【００２９】
本発明によるキャパシタ蓄電装置の電圧コントローラ４０は、上記の最大電圧に均等化する回路だけでなく、任意の電圧でセル電圧を均等化する回路を備えている。この回路を用いて、以下に記述するように、各キャパシタセルをセル電圧が０Vになるまで放電させることができる。
【００３０】
セル電圧切替え回路４６は、AD変換回路４８で電圧が読み込まれる対象のキャパシタセルを、切替え信号出力回路５１からの信号に基づいて、逐次切替える。AD変換回路４８から、デジタル化された電圧信号がCPU５３に取り込まれる。この時、絶縁アンプ４７により、キャパシタセルを含む主電源系回路とAD変換回路４８は絶縁されている。
【００３１】
CPU５３は、整備スイッチがオンである時、放電制御を行う。各キャパシタセルの放電は、前記バイパス回路５０に放電電流を流すことで行われる。
【００３２】
CPU５３は、切替え信号出力回路５１を介して、バイパス切替え回路４９に切替え信号を送出する。この切替え信号に基づき、バイパス切替え回路４９は、バイパスが必要になったセルに対し、バイパス指令を出力する。バイパス指令は、コンパレータ４４からのバイパス指令とのＯＲをとるＯＲ回路４３を介しトランジスタ４２をオンさせる。
【００３３】
これにより、キャパシタセルからの放電電流がバイパス回路５０を流れ、キャパシタセルが蓄えていた静電エネルギが、電流制限用抵抗４１とトランジスタ４２において消費される。電流をバイパス回路に流す上記のバイパス処理により、最終的には各キャパシタセルの電圧を全て０Vにすることができる。
【００３４】
また、電圧コントローラ４０は、セル電圧を任意の電圧で均等化する場合には、
例えば、平均電圧より所定値以上大きい電圧を持つセルに対して充電電流をバイパスことにより、充電中にセル電圧のばらつきをなくすことができる。
【００３５】
以下に、電圧コントローラ内の中央演算処理装置CPU５３が実行する具体的な放電制御ルーチンを、図３から図４のフローチャートに基づいて説明する。なお、
この放電制御ルーチンは、ROM５４に格納されているプログラムにより実行される。
【００３６】
まず図３を参照して、放電制御の基本ルーチンを説明する。このルーチンは、タイマ割り込み処理等により所定時間間隔で実行される。
【００３７】
まず、ステップS1において、CPU５３は、ハイブリッドECU３が検出した整備スイッチ７のオンオフの状態を、通信ネットワーク21から取得する。次いでステップS2において、整備スイッチ７がオンであるか否かを判断する。オンであると判断された場合は、ステップS3の放電制御を実行した後、終了する。整備スイッチ７がオフの場合、放電制御を終了させた後、ルーチンは終了する。
【００３８】
図４を参照して、ステップS3の放電制御に関するサブルーチンについて説明する。
【００３９】
まず、ステップS11において、１番目からｎ番目までのキャパシタセル（C1〜Cn）を放電（バイパス）するかどうか判定を開始するに際して、キャパシタセルの番号を示す変数i（1(i(n）に１を設定する。
【００４０】
ステップS1２においてi番目のキャパシタセルが放電中かどうか判断する。放電中の場合は、ステップS13に進んで、規定時間Tdの間放電状態が継続しているかどうか判断する。放電状態が規定時間Td継続している場合は、ルーチンはステップS15に進む。ステップS15において、CPU５３は、バイパストランジスタ４２をオフすることにより放電を停止する。このように放電状態を短い規定時間Tdだけ継続することにより、バイパス回路の発熱を防ぐことができる。放電状態がまだ規定時間Tdの間継続されていない場合は、ステップS16に進んで、バイパストランジスタ４２をオンの状態のままにしておき、放電を継続する。
【００４１】
一方、ステップS1２においてi番目のキャパシタセルが放電中でない場合は、ステップS14に進んで、放電が停止してから規定時間Tsが経過しているかどうか判断する。放電が停止してから規定時間Tsが経過した場合は、ルーチンはステップS16に進む。ステップS16において、CPU５３は、バイパストランジスタ４２をオンの状態にし、再度放電を開始する。このように、バイパスを行う時間間隔を所定時間Tsあける事により、さらにバイパス回路の発熱を抑えることができる。また、ステップS14において、放電が停止してから規定時間Tsが経過していない場合は、ステップS15に進んで、バイパストランジスタ４２をオフの状態のままにしておき、放電の停止を継続する。
【００４２】
次に、ステップS17において、全セルの放電制御が終了したかどうか、（つまりi=nかどうか）判断する。全セルの放電制御が終了した場合は、このルーチンを終了する。全セルの処理が終了していない場合は、ステップS18に進んで、キャパシタセルの番号を示す変数iに１を加え、i+１番目のセルの放電制御に移行する。
【００４３】
上記のように、放電を周期的に（周期Td+Tsで）繰り返すことにより、ゆっくりと各キャパシタセルの放電を行い、最終的にセル電圧は０Vに到達し、放電は終了する。
【００４４】
図５は、バイパス回路（つまりバイパストランジスタ）を周期的にオンオフすることによりにより、放電が行われる様子を示したものである。まず整備スイッチがオンすると、周期的にバイパス回路はオンオフし始める。キャパシタセルの電圧は、バイパス回路がオンすると減少し、バイパス回路がオフすると一定になる。各キャパシタセルの電圧は徐々に０Vまで減少する。
【００４５】
上述したように、本発明のキャパシタ蓄電装置は、整備スイッチ７の投入により、各キャパシタセルの放電を行う機能を備えている。そのため、整備開始時に整備スイッチの投入するだけで、整備作業者は容易にキャパシタ蓄電装置の放電を行え、整備時の安全が簡単に確保される。
【００４６】
また、外部放電装置を用いるとキャパシタ蓄電装置全体で放電するので、キャパシタ蓄電装置をOVまで放電させると、静電容量などセルの特性のばらつきにより逆充電つまりマイナス電圧となるセルが発生する。しかし、本発明によるキャパシタ蓄電装置では、各セルが０Vの一定電圧まで放電し、逆充電によるキャパシタセルの劣化は発生しない。また、各セルを０Vの一定電圧まで放電させることは、再充電した際のセルの分担電圧均等化にも有効で、充電時のばらつきを小さくする。
【００４７】
なお、整備時に投入するスイッチにより、放電制御を開始する方式としたが、このスイッチと連動してハイブリッドECU及びキャパシタ蓄電装置に電源を供給し、運転席のキースイッチによらず放電制御を行う方式としても良い。この場合、その他の車両制御、モータ駆動等の制御は行わず、キャパシタ蓄電装置の放電に係わる作動のみを起動する。
【００４８】
この発明は上記実施の形態に限定されない。そして、その技術的な思想の範囲において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るハイブリッドシステムの構成図。
【図２】本発明の一実施形態に係るキャパシタ蓄電装置のキャパシタモジュール構成図。
【図３】放電制御の基本ルーチンを示すフローチャート。
【図４】放電制御に関するサブルーチンのフローチャート。
【図５】放電制御の概要図。
【符号の説明】
１モータジェネレータ
２インバータ
３ハイブリッドECU
７整備スイッチ
１０キャパシタ蓄電装置
１１キャパシタモジュール
２１通信ネットワーク
３０キャパシタセル
４０電圧コントローラ
４１電流制限用抵抗
４２バイパストランジスタ
４５バイパス基準電圧発生手段
４６セル電圧検出切替え回路
４９バイパス切替え回路
５０バイパス回路
５１切替え信号出力回路
５３中央演算処理装置（CPU)

Claims

発電機として機能する電動機を駆動力源として備える車両のキャパシタ蓄電装置において、
電動機を用いて充電する直列接続された複数のキャパシタセルと、
抵抗とトランジスタから構成され、各キャパシタセルに対して並列に接続されるバイパス回路と、
各キャパシタセルに対して設けられ、少なくとも一つの信号入力があった場合に、各バイパス回路を導通させるため、前記トランジスタをオンさせるオン出力を提供するＯＲ回路と、
各キャパシタセルの分担電圧を検出する手段と、
各キャパシタセルの分担電圧を均等化するため、各キャパシタセルの分担電圧が基準電圧より大きい場合に、前記ＯＲ回路に信号を入力して前記オン出力を提供させ、前記バイパス回路に放電電流を流させる比較手段と、
整備開始時に、各バイパス回路の前記ＯＲ回路に順次信号を入力して前記オン出力を提供させ、順次各バイパス回路に放電電流を流させるバイパス切替え回路と、を備えることを特徴とするキャパシタ蓄電装置。
前記バイパス切替え回路が、各キャパシタセルが放電と放電の中断を繰り返すよう前記ＯＲ回路に信号を入力して、各キャパシタセルの電圧を下げることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ蓄電装置。
車両に設けるスイッチの投入により、各キャパシタセルの放電が開始されることを特徴とする請求項１又は２に記載のキャパシタ蓄電装置。