JP4032096B2

JP4032096B2 - 電気二重層キャパシタの充電装置

Info

Publication number: JP4032096B2
Application number: JP2001310544A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　　誠; 成美早川; 義晴土生; 節雄関本
Original assignee: Ueda Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Ueda Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2021-10-05
Also published as: JP2003115423A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繰り返し使用可能な蓄電装置として用いられる電気二重層キャパシタの充電装置、特に直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを充電する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層キャパシタは、繰り返し使用される蓄電装置として用いられている。電気二重層キャパシタは、大電流による急速充放電が可能で、長寿命という特徴を有している反面、１個あたりの定格電圧が低いため、通常は複数のキャパシタを直列に接続して使用することが多い。そして、電気二重層キャパシタは、定格電圧いっぱいまで充電することにより効率よく使用できるが、定格電圧を超えて充電してしまうと急速に劣化してしまう特徴を有している。そこで、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを同時に充電する場合は、各々のキャパシタを定格電圧いっぱいまで均等に充電したいが、実際は各々のキャパシタの特性のばらつきにより、定格電圧まで充電するのに必要な時間が各々のキャパシタで異なってくる。そこで、定格電圧を超えないように各々のキャパシタの充電電圧を監視しながら充電を行う必要がある。
【０００３】
従来における直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを充電する装置としては、各々のキャパシタごとに充電用電源としてＤＣ−ＤＣコンバータを設け、さらに各々のキャパシタの充電電圧を監視しながらキャパシタの定格電圧を超えないようにＤＣ−ＤＣコンバータを制御して充電を行っている。あるいは、１つのＤＣ−ＤＣコンバータを用いて複数のキャパシタを同時に充電する場合は、各々のキャパシタと並列にバイパス回路を設け、各々のキャパシタの電圧を監視し、定格電圧まで充電されたキャパシタについてはバイパス回路に電流を流し定格電圧を超えないようにバイパス回路を制御して充電を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の各々のキャパシタごとにＤＣ−ＤＣコンバータを設けた装置においては、充電用電源、キャパシタ充電電圧を検出する手段及び充電用電源を制御する回路が各々のキャパシタごとに必要になってしまう。また、従来の１つのＤＣ−ＤＣコンバータを用いて複数のキャパシタを同時に充電する装置においては、充電用電源であるＤＣ−ＤＣコンバータは１つで済むが、キャパシタ充電電圧を検出する手段及びバイパス回路を制御する回路が各々のキャパシタごとに必要になってしまう。以上のように、これらの従来における電気二重層キャパシタの充電装置は、コスト高及び重量の増大を招いてしまうという課題があった。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、１つの充電用電源及び１つの電圧検出手段を用いて、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタの各々を、定格電圧いっぱいまで均等に充電することを可能とし、コスト及び重量の削減を図ることのできる電気二重層キャパシタの充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】
このような目的を達成するために、本発明に係る電気二重層キャパシタの充電装置は、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを充電する装置であって、電気二重層キャパシタを充電するための直流電流を供給する充電用共通電源と、電気二重層キャパシタの充電電圧を検出する共通電圧検出手段と、前記充電用共通電源及び前記共通電圧検出手段を電気二重層キャパシタの各々に順次切り換えて接続する切り換え手段と、を備え、前記切り換え手段により前記充電用共通電源及び前記共通電圧検出手段と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えながら充電を行い、前記切り換え手段は、各々の電気二重層キャパシタの両端子に接続され、前記充電用共通電源及び前記共通電圧検出手段と各々の電気二重層キャパシタの導通／非導通の切り換えが可能なスイッチ素子と、該スイッチ素子の制御端子と接続され、該スイッチ素子の作動を制御するパルス発生回路と、を含み、前記充電用共通電源と各々の電気二重層キャパシタの導通／非導通、及び前記共通電圧検出手段と各々の電気二重層キャパシタの導通／非導通を、同一のスイッチ素子により切り替えることを特徴とする。
【０００７】
このように、切り換え手段により充電用共通電源及び共通電圧検出手段と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えながら充電を行うことにより、１つの充電用電源及び１つの電圧検出手段を用いて、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタの各々を、定格電圧いっぱいまで均等に充電することができ、コスト及び重量の削減を図ることができる。
【０００８】
本発明に係る電気二重層キャパシタの充電装置は、さらに、前記共通電圧検出手段の検出値を帰還して前記充電用共通電源からの供給電流を制御する共通電圧帰還回路を備え、前記切り換え手段により前記充電用共通電源及び前記共通電圧検出手段と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えると同時に、前記共通電圧検出手段を介して前記共通電圧帰還回路と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えることを特徴とする。
【０００９】
このように、共通電圧帰還回路と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えることにより、１つの電圧帰還回路を用いて、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタの各々を、定格電圧いっぱいまで均等に充電することができ、コスト及び重量の削減を図ることができる。
【００１０】
本発明に係る電気二重層キャパシタの充電装置は、さらに、前記充電用共通電源からの供給電流を検出する共通電流検出手段と、前記共通電流検出手段の検出値を帰還して前記充電用共通電源からの供給電流を制限する共通電流制限回路と、を備え、前記切り換え手段により前記充電用共通電源及び前記共通電圧検出手段と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えると同時に、前記共通電流制限回路と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えることを特徴とする。
【００１１】
このように、共通電流制限回路と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えることにより、１つの電流制限回路を用いて、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタの各々を、定格電圧いっぱいまで均等に充電することができ、コスト及び重量の削減を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタの充電装置の構成を示すブロック図である。直列に接続された複数の電気二重層キャパシタ１０の各々の正側電極端子２８及び負側電極端子３０の両方に、スイッチ素子１２、１４がそれぞれ接続され、正側電極端子２８にはスイッチ素子１２の出力端子が接続され、負側電極端子３０にはスイッチ素子１４の入力端子が接続されている。スイッチ素子１２、１４としては、例えばＦＥＴ、バイポーラ型トランジスタまたはリレーが用いられる。スイッチ素子１２の入力端子の各々は、途中で一線路に結合されて充電用共通電源としてのＤＣ−ＤＣコンバータ２６の正側端子３２と接続され、スイッチ素子１４の出力端子の各々は、途中で一線路に結合されてＤＣ−ＤＣコンバータ２６の負側端子３４と接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２６にはＤＣ電圧が入力される。スイッチ素子１２及びスイッチ素子１４の制御端子の各々には、パルス発生回路２４の出力が接続されている。スイッチ素子１４の出力端子の各々とＤＣ−ＤＣコンバータ２６の負側端子３４の間の一線路に結合された線路には、共通電流検出手段としての電流検出用抵抗２０が設けられ、その両端子が後述する共通電流制限回路２２の入力と接続されている。スイッチ素子１２の入力端子の各々とＤＣ−ＤＣコンバータ２６の正側端子３２の間の一線路に結合された線路と、スイッチ素子１４の出力端子の各々と電流検出用抵抗２０の間の一線路に結合された線路とが、共通電圧検出手段としての分圧抵抗１６を介して接続され、分圧抵抗１６間の端子が後述する共通電圧帰還回路１８の入力と接続されている。
【００１５】
図２に共通電圧帰還回路１８及び共通電流制限回路２２の構成の１例を示す。共通電圧帰還回路１８においては、基準電圧が演算増幅器４０の非反転入力端子に接続され、分圧抵抗１６間の端子が演算増幅器４０の反転入力端子に接続されている。さらに、後述する共通電流制限回路２２の出力が演算増幅器４０の反転入力端子に接続されている。そして、演算増幅器４０の出力側にフォトカプラ４２が設けられている。フォトカプラ４２は発光ダイオード４４及びフォトトランジスタ４６によって構成されている。発光ダイオード４４のカソード側が演算増幅器４０の出力端子と接続され、アノード側がＤＣ−ＤＣコンバータ２６の正側端子３２と接続されている。そして、フォトトランジスタ４６のコレクタ端子及びエミッタ端子は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６と接続され、図示していないがフォトトランジスタ４６のコレクタ〜エミッタ間電流に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ２６内に設けられたスイッチングレギュレータのパルス幅を制御してＤＣ−ＤＣコンバータ２６からの供給電流を制御する。なお、演算増幅器４０の非反転入力端子に入力される基準電圧値については、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６の設定出力電圧及び分圧抵抗１６の抵抗値に基づいて設定される。
【００１６】
共通電流制限回路２２においては、電流検出用抵抗２０のスイッチ素子１４側の端子が演算増幅器３６の非反転入力端子に接続され、電流検出用抵抗２０のＤＣ−ＤＣコンバータ２６の負側端子３４側の端子が演算増幅器３６の反転入力端子に抵抗を介して接続されている。さらに、基準電圧が演算増幅器３６の反転入力端子に抵抗を介して接続されている。演算増幅器３６の出力側にダイオード３８が設けられ、そのアノード側が演算増幅器３６の出力端子と接続され、そのカソード側が先述した共通電圧帰還回路１８内の演算増幅器４０の反転入力端子に接続されている。そして、演算増幅器３６の出力を抵抗を介して反転入力端子に帰還して負帰還をかけている。なお、演算増幅器３６の反転入力端子に入力される基準電圧値及び電流検出用抵抗２０の抵抗値については、電気二重層キャパシタ１０への供給電流の最大値に基づいて設定される。
【００１７】
次に、本実施形態における動作について説明する。充電を行う１つの電気二重層キャパシタ１０と接続されたスイッチ素子１２、１４の制御端子にパルス発生回路２４から電圧が供給され、スイッチ素子１２、１４の入力〜出力間が導通される。このとき、他の電気二重層キャパシタ１０と接続されたスイッチ素子１２、１４については、入力〜出力間は導通されない。その状態でＤＣ−ＤＣコンバータ２６から充電を行う１つの電気二重層キャパシタ１０へ充電電流が供給されて充電が行われる。その際に、分圧抵抗１６によって充電を行っている電気二重層キャパシタ１０の充電電圧が検出され、共通電圧帰還回路１８に入力される。そして、電流検出用抵抗２０によってＤＣ−ＤＣコンバータ２６から充電を行っている電気二重層キャパシタ１０へ供給している充電電流が検出され、共通電流制限回路２２に入力される。
【００１８】
共通電圧帰還回路１８内においては、検出した電気二重層キャパシタ１０の充電電圧とＤＣ−ＤＣコンバータ２６の設定出力電圧に基づく基準電圧とが演算増幅器４０によって比較される。ただし、実際は後述するように、演算増幅器４０の反転入力端子に入力される電圧は、電気二重層キャパシタ１０の充電電圧だけでなく電気二重層キャパシタ１０への供給電流も考慮した電圧となる場合がある。基準電圧の方が高い場合は、発光ダイオード４４に電流は流れず、フォトトランジスタ４６のコレクタ〜エミッタ間についても電流は流れない。その場合は、図示していないがＤＣ−ＤＣコンバータ２６内に設けられたスイッチングレギュレータのパルス幅を広げ、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６からの供給電流を増加させるように制御する。一方、基準電圧の方が低い場合は、発光ダイオード４４に電流が流れ、フォトトランジスタ４６のコレクタ〜エミッタ間についても電流が流れる。その場合は、図示していないがＤＣ−ＤＣコンバータ２６内に設けられたスイッチングレギュレータのパルス幅を狭くし、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６からの供給電流を減少させるように制御する。本実施形態の構成においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６の出力電圧は電気二重層キャパシタ１０の充電電圧とほぼ等しくなる。そこで、電気二重層キャパシタ１０の充電電圧が定格電圧より十分に低い状態においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６の設定出力電圧を定格電圧に設定すれば電圧帰還が働き、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６の出力電圧を高くするために電気二重層キャパシタ１０への供給電流を増加させるように作用する。
【００１９】
共通電流制限回路２２内においては、検出した電気二重層キャパシタ１０への供給電流と供給電流の最大値に基づく基準電圧とが演算増幅器３６によって比較される。基準電圧の方が高い場合は、ダイオード３８に電流は流れない。一方、電気二重層キャパシタ１０への供給電流の方が高い場合は、ダイオード３８に電流が流れ、その先に接続された共通電圧帰還回路１８内の演算増幅器４０の反転入力端子の電圧を高くする方向に作用する。したがって、電気二重層キャパシタ１０への供給電流の方が高い場合は、電気二重層キャパシタ１０の充電電圧だけでなく電気二重層キャパシタ１０への供給電流も考慮してＤＣ−ＤＣコンバータ２６内に設けられたスイッチングレギュレータのパルス幅制御が行われる。具体的には、電気二重層キャパシタ１０への供給電流があらかじめ設定した最大値を超えた場合は、共通電圧帰還回路１８内の演算増幅器４０の反転入力端子の電圧を高くする方向に作用し、電気二重層キャパシタ１０の充電電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ２６の設定出力電圧に基づく基準電圧よりも低い場合でも、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６からの供給電流を減少させるように制御して供給電流を制限する。特に、充電電圧が０Ｖに近い状態のときは、供給電流を制限することにより、電気二重層キャパシタ１０の内部抵抗及びスイッチ素子１２、１４の抵抗による電圧降下を抑え、効率よく電気二重層キャパシタ１０に電荷を蓄積することができる。
【００２０】
パルス発生回路２４は、あらかじめ設定されている所定時間を経過した後は、充電を行っている電気二重層キャパシタ１０と接続されたスイッチ素子１２、１４の制御端子への電圧の供給を停止し、今まで導通していたスイッチ素子１２、１４の入力〜出力間が非導通となる。同時に、次に充電を行う別の電気二重層キャパシタ１０と接続されたスイッチ素子１２、１４の制御端子にパルス発生回路２４から電圧を供給して同様の充電動作を繰り返す。このように所定時間ごとに充電を行う１つの電気二重層キャパシタ１０を順次切り換えながら電気二重層キャパシタ１０の各々について充電を行っていく。なお、パルス発生回路２４内で設定されている切り換え間隔の所定時間の１例を挙げると０．１秒程度の時間であるが、切り換え間隔はこの時間に限定されるものではない。
【００２１】
以上のようにして各々の電気二重層キャパシタ１０を順次切り換えて充電を行っていくが、各々の電気二重層キャパシタ１０は特性にばらつきをもつため、１つの電気二重層キャパシタ１０の充電電圧が定格電圧に達しても、他の電気二重層キャパシタ１０については必ずしも定格電圧まで充電されていない。本実施形態では、分圧抵抗１６による検出値が定格電圧に達した電気二重層キャパシタ１０についても、ＤＣ−ＤＣコンバータ２６の設定出力電圧を定格電圧に設定した状態で充電動作を続ける。そして、すべての電気二重層キャパシタ１０について分圧抵抗１６による検出値が定格電圧に達しても、所定時間はＤＣ−ＤＣコンバータ２６の設定出力電圧を定格電圧に設定した状態で充電動作を続ける。このように、分圧抵抗１６による検出値が定格電圧に達しても、定格電圧を電気二重層キャパシタ１０にかけ続けることで、電気二重層キャパシタ１０の内部抵抗及びスイッチ素子１２、１４の抵抗による電圧降下分を考慮することができる。最終的には、電気二重層キャパシタ１０に電流は流れなくなり、電気二重層キャパシタ１０の内部抵抗及びスイッチ素子１２、１４の抵抗による電圧降下はなくなる。したがって、分圧抵抗１６による検出値が定格電圧に達しても、定格電圧を電気二重層キャパシタ１０に所定時間かけ続けることで、より正確に定格電圧まで充電を行うことができる。
【００２２】
本実施形態においては、電気二重層キャパシタの各々の両端子にスイッチ素子を接続し、充電を行う１つの電気二重層キャパシタのみパルス発生回路によりスイッチ素子を導通して充電を行い、所定時間ごとに充電を行う１つの電気二重層キャパシタ１０を順次切り換えながら電気二重層キャパシタ１０の各々について充電を行っていくことにより、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを定格電圧いっぱいまで均一に充電する際に、１つの充電用電源、１つの電圧検出手段、１つの電圧帰還回路、１つの電流検出手段及び１つの電流制限回路で済ますことができる。したがって、充電装置のコスト及び重量の削減を図ることができる。そして、使用部品を削減できるので信頼性も向上させることができる。また、スイッチ素子の数を増減させるだけで、充電を行う電気二重層キャパシタの数の増減にも容易に対応できる。
【００２３】
なお、本実施形態においては、充電用電源はＤＣ−ＤＣコンバータに限るものではなく、直流電流を供給できれば何でもよい。さらに、共通電圧帰還回路についても図２の構成に限るものではなく、電圧検出値を帰還して充電用電源の供給電流を制御できる構成であればどのような構成でもよい。そして、共通電流制限回路についても図２の構成に限るものではなく、電流検出値を帰還して充電用電源の供給電流を制限できる構成であればどのような構成でもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、切り換え手段により充電用共通電源及び共通電圧検出手段と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えながら充電を行うことにより、１つの充電用電源及び１つの電圧検出手段を用いて、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタの各々を、定格電圧いっぱいまで均等に充電することができ、コスト及び重量の削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタの充電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る共通電圧帰還回路及び共通電流制限回路の構成の１例を示す図である。
【符号の説明】
１０電気二重層キャパシタ、１２，１４スイッチ素子、１６分圧抵抗、１８共通電圧帰還回路、２０電流検出用抵抗、２２共通電流制限回路、２４パルス発生回路、２６ＤＣ−ＤＣコンバータ。

Claims

直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを充電する装置であって、
電気二重層キャパシタを充電するための直流電流を供給する充電用共通電源と、
電気二重層キャパシタの充電電圧を検出する共通電圧検出手段と、
前記充電用共通電源及び前記共通電圧検出手段を電気二重層キャパシタの各々に順次切り換えて接続する切り換え手段と、
を備え、
前記切り換え手段により前記充電用共通電源及び前記共通電圧検出手段と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えながら充電を行い、
前記切り換え手段は、
各々の電気二重層キャパシタの両端子に接続され、前記充電用共通電源及び前記共通電圧検出手段と各々の電気二重層キャパシタの導通／非導通の切り換えが可能なスイッチ素子と、
該スイッチ素子の制御端子と接続され、該スイッチ素子の作動を制御するパルス発生回路と、
を含み、
前記充電用共通電源と各々の電気二重層キャパシタの導通／非導通、及び前記共通電圧検出手段と各々の電気二重層キャパシタの導通／非導通を、同一のスイッチ素子により切り替えることを特徴とする電気二重層キャパシタの充電装置。
請求項１に記載の電気二重層キャパシタの充電装置において、
前記共通電圧検出手段の検出値を帰還して前記充電用共通電源からの供給電流を制御する共通電圧帰還回路を備え、
前記切り換え手段により前記充電用共通電源及び前記共通電圧検出手段と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えると同時に、前記共通電圧検出手段を介して前記共通電圧帰還回路と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えることを特徴とする電気二重層キャパシタの充電装置。
請求項１または２に記載の電気二重層キャパシタの充電装置において、
前記充電用共通電源からの供給電流を検出する共通電流検出手段と、
前記共通電流検出手段の検出値を帰還して前記充電用共通電源からの供給電流を制限する共通電流制限回路と、
を備え、
前記切り換え手段により前記充電用共通電源及び前記共通電圧検出手段と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えると同時に、前記共通電流制限回路と接続する電気二重層キャパシタを順次切り換えることを特徴とする電気二重層キャパシタの充電装置。