JP4540640B2 - 電気二重層コンデンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、単数または複数個の電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）の過充電保護を行いながら急速充電できる電気二重層コンデンサ装置に関する。

ＥＤＬＣは、単一のセルでは定格電圧が１．５〜３Ｖ程度と低いため、電源装置として利用する場合には、複数個のＥＤＬＣセルを直列に接続して、ＥＤＬＣ装置として使用される。
しかし、ＥＤＬＣの各セルは、静電容量や内部抵抗にばらつきがあり、直列に接続した状態で充電を行うと、静電容量や内部抵抗のばらつきにより各ＥＤＬＣセルに加わる充電電圧に差が生じる。そのため充電時にＥＤＬＣセルの耐電圧を超え、過充電となってしまうことがある。

ＥＤＬＣは、ＥＤＬＣが定格電圧を超えるような過充電になると、ＥＤＬＣの寿命に大きく影響を与えるだけでなく、故障の原因ともなる。よって、従来のＥＤＬＣ装置は、ＥＤＬＣへの過充電を防ぐため、単数または複数個のＥＤＬＣに、並列にトランジスタ等の半導体で構成されたバイパス回路を付加し、ＥＤＬＣが定格電圧を超える前に、ＥＤＬＣへの充電電流を遮断または制限している（特許文献１、２参照）。
特開２０００−１４０３０号公報 特開２００５−９４８９４号公報

上記従来のＥＤＬＣ装置を図８に示す。複数個のＥＤＬＣ１０が直列に接続されており、各ＥＤＬＣ１０と並列にバイパス回路部１３が接続されている。ＥＤＬＣ１０の静電容量や内部抵抗のばらつきがあるため、バイパス回路部１３の半導体デバイス１２がオンするＥＤＬＣ１０の両端電圧が全て異なり、ＥＤＬＣ１０の静電容量が小さいまたは内部抵抗が大きいほど半導体デバイス１２が早くオンする。
また、半導体デバイス１２に電圧が印加された状態でバイパス電流が流れるため、損失（発熱）が生じバイパス電流が過大であれば半導体デバイス１２の破損が起きるという問題がある。

この問題を回避するため、半導体デバイス１２がオンされる前にＥＤＬＣ１０への充電電流を制限することにより、半導体デバイス１２に流れるバイパス電流を素子が破壊しない電流値に抑制し、その破損を防止する必要がある。しかしながら、回避動作によりＥＤＬＣ１０への充電電流を制限する必要があるため、複数個のＥＤＬＣ１０を直列接続した場合、ＥＤＬＣ１０への急速充電ができず、充電速度が遅くなるという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するもので、電気二重層コンデンサと、該電気二重層コンデンサと並列に接続されるとともに、半導体デバイス素子を有するバイパス回路部とを備え、前記バイパス回路部は、前記電気二重層コンデンサが充電され、該電気二重層コンデンサが第１の電圧に達すると、前記半導体デバイス素子を動作状態にして充電電流をバイパスする電気二重層コンデンサ装置において、前記電気二重層コンデンサと並列に接続され、前記電気二重層コンデンサの充電電圧を検出し、該充電電圧が前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に達すると前記電気二重層コンデンサへの充電電流を抑制する信号を出力する充電電圧検出回路部と、前記充電電圧検出回路部からの信号を受けて前記電気二重層コンデンサの充電電流の抑制動作を行う充電電流制御回路部とをさらに備え、前記充電電流制御回路部は、前記バイパス回路部が動作する前に前記充電電流の抑制動作を行うことで、前記半導体デバイス素子を保護することを特徴とする。

さらに、前記充電電流抑制後、抑制された充電電流によって上昇した前記電気二重層コンデンサの充電電圧が前記第２の電圧に達すると、充電電流制御回路部は前記充電電流の抑制動作を、前記電気二重層コンデンサの充電電流が前記バイパス回路部の許容電流値以下になるまで実行し、充電電流を段階的に抑制することを特徴とする。

以上の手段により、急速充電を抑制するためのしきい値、すなわち充電電圧検出回路部による分圧電圧値（動作点）がバイパス回路部の動作点より低い値であれば、充電電圧検出回路部が動作するまでＥＤＬＣへの急速充電が可能となる。

本発明は、上記したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。

ＥＤＬＣと並列に、過充電からＥＤＬＣを保護するバイパス回路部と、充電電圧検出回路部の２つを備えた回路で、充電電圧検出回路部の動作電圧は、バイパス回路部の動作電圧より低く設定されるため、充電電圧検出回路部が動作して充電電流を段階的に抑制した後、バイパス回路部が動作することができるので、ＥＤＬＣの過充電を防ぎながら、バイパス回路の保護を行うことができ、かつＥＤＬＣへの急充電が可能となる。

図１は、本発明による１個のＥＤＬＣを用いた電気二重層コンデンサ装置の構成図、図２は、図１のＥＤＬＣの充電特性図、図３は、本発明を複数個のＥＤＬＣに適用した構成図、図４は、ＥＤＬＣ複数個に適用された充電特性図、図７はＥＤＬＣ装置を示すブロック図である。

以下、図面を参照して詳細に説明する。
図７は、ＥＤＬＣ装置のブロック図で、ＥＤＬＣ装置は、商用電源が充電装置３１に入力され、充電装置３１で直流電流に変換してＥＤＬＣ１０を充電する。ＥＤＬＣ１０の各セルにはそれぞれバイパス回路部１３と充電電圧検出回路部２３が接続されており、充電電圧検出回路部２３から充電電流制御回路部３２に信号が出力される。
図１は、そのバイパス回路部１３と充電電圧検出回路部２３の詳細である。図１に示すＥＤＬＣ装置は、ＥＤＬＣ１０とバイパス回路部１３と充電電圧検出回路部２３とで構成され、バイパス回路部１３と充電電圧検出回路部２３とがＥＤＬＣ１０に並列接続されている。
充電電圧検出回路部２３は、ＥＤＬＣ１０の両端電圧値をリファレンス値として検出する２つの抵抗と、リレー２２およびそれを駆動するドライブ回路２１とで構成され、ドライブ回路２１の可変シャントレギュレータ２４がオンすると、リレー２２のフォトカプラに順電流が流れ、その２次側のリレーがオンされる。
バイパス回路部１３は、ＥＤＬＣ１０の両端電圧値をリファレンス値として検出する２つの抵抗と、半導体デバイス１２およびそれを駆動するドライブ回路１１とで構成される。ドライブ回路１１のトランジスタがオンされると、半導体デバイス１２のベース・エミッタ間に電圧が印加され、半導体デバイス１２がオンされる。また、半導体デバイスは発熱するため放熱板を設けてあり、その過熱検出手段を備えている。

図２に、図１の１個のＥＤＬＣ１０を用いた電気二重層コンデンサ装置の充電特性を示す。充電電圧検出回路部、およびバイパス回路部の動作点である各分圧電圧値は、ＥＤＬＣの静電容量のディレーティングを考慮し、ＥＤＬＣの定格電圧以下に設定し、分圧検出の抵抗、半導体デバイスの部品ばらつきを考慮しながら、バイパス回路部が動作する前に、充電電圧検出回路部が動作するように充電電圧検出回路部の分圧電圧値（動作点）を低く設定する。

図２に示すように、ＥＤＬＣが充電されるとＥＤＬＣの両端電圧（充電電圧）は上昇し、まず、充電電圧検出回路部がその電圧を検出して、リレー２２からＥＤＬＣの充電電流を抑制するように充電電流制御回路部に信号が出力される。その信号を受信した充電電流制御回路部が、バイパス回路部で制限される充電電流値まで抑制しながらＥＤＬＣへ充電を継続する。
続いて、バイパス回路部が動作すると半導体デバイス１２がオンし、ＥＤＬＣへの充電電流を遮断し、ＥＤＬＣの過充電を防止する。充電電圧検出回路部が動作するまで、急速充電が可能であり、充電時間の短縮となる。
検出回路を持たない従来例では、バイパス回路部の動作電圧は、ＥＤＬＣセルのばらつきを考慮した低い動作値としなければならないため、充電が制限される。

本発明による電気二重層コンデンサ装置のその他の実施例を図３に示す。
本ＥＤＬＣ装置は、各々のＥＤＬＣ１０（定格電圧２.５Ｖ）に並列接続されたバイパス回路部１３、充電電圧検出回路部２３とが複数個で構成されている。分圧抵抗や半導体デバイス１２の部品ばらつきを考慮し、本実施例ではバイパス回路部１３の抵抗分圧比は１０：１１、充電電圧検出回路部２３は１０：１３とした。
抵抗分圧比により、バイパス回路部１３の動作検出基準値Ｖｒ１、および充電電圧検出回路部２３の動作検出基準値Ｖｒ２は
Ｖｒ１＝１.２６Ｖ×（（１０+１１）／１１）＝２.４１Ｖ・・・・・・（１）
Ｖｒ２＝１.２６Ｖ×（（１０+１３）／１３）＝２.２３Ｖ・・・・・・（２）
となる。なお、（１）（２）式の１.２６Ｖはドライブ回路１１、２１に選定した可変シャントレギュレータの基準電圧である。
また、抵抗分圧比は、上記設定値に限られるものではなく、部品のばらつき、回路の構成により適宜変更可能である。

バイパス回路部１３の半導体デバイス１２は、最大定格１２Ａのトランジスタを採用した場合、トランジスタの放熱板の熱抵抗値にもよるが、バイパス回路部１３の充電電流は最大連続通電２.２Ａ（Ｉｐａｓｓ）に設計した。
充電電流を更に大きくする場合は、熱抵抗値の低い放熱板を採用するか、最大定格の大きいトランジスタを採用すればよい。充電電流（Ｉｐａｓｓ）が流れる半導体デバイス１２には、Ｖｒ１の電圧が印加されているため、
Ｐ＝Ｉｐａｓｓ ×Ｖｒ１ ＝ ２.２Ａ × ２.４１Ｖ ＝ ５.３Ｗ・・・・・（３）
の熱Ｐが発生する。その放熱のため半導体デバイス１２には放熱板を設け、さらに放熱板過熱の検出器を設けている。Ｉｐａｓｓの連続電流が流れても半導体デバイス１２が熱破壊しない設計とし、それでも過熱となる場合、放熱板過熱の検出器が動作する構成とした。

図４に本発明によるＥＤＬＣ装置の充電特性図を示す。複数個のＥＤＬＣを直列接続する場合、ＥＤＬＣの静電容量や内部抵抗のばらつきにより、各ＥＤＬＣ毎の両端電圧に差異が生じ、充電電圧検出回路部の検出タイミングも異なる。
複数の充電電圧検出回路部の１つでも充電電圧検出回路部の基準値Ｖｒ２を超えて検出したとき、リレー２２からＥＤＬＣの充電電流を制御をする充電電流制御回路部に出力される。充電電流制御回路部がバイパス回路部に通電可能な充電電流２.２Ａまで抑制しながらＥＤＬＣへの充電を行い、充電到達電圧まで充電させる。
充電到達電圧までにバイパス回路部が動作しても、充電電流は２.２Ａであり、バイパスされる電流を抑制しているので半導体デバイス１２の破損を防ぐことができる。
この動作によりＥＤＬＣの充電電流を制御する充電電流制御回路部において、充電電圧検出回路部が動作するまでＥＤＬＣへの急速充電が可能となる。

続いて、ＥＤＬＣ１セルの等価回路を図５に示す。ＥＤＬＣ充電電圧は、等価回路のコンデンサ電圧に内部抵抗と充電電流との積を加算した値になるため、充電電圧検出回路部が動作して充電電流値が抑制されると、図６に示すように、ＥＤＬＣ充電電圧は、内部抵抗分の電圧が低下し、充電電流を抑制する前の充電電圧検出回路部の動作値より低い電圧値となる。抑制された充電電流によりＥＤＬＣの充電が継続されて、ＥＤＬＣ充電電圧が上昇し、再度充電電圧検出回路部が動作する。充電電圧検出回路部が動作すると、さらに充電電流が抑制され、ＥＤＬＣ充電電圧は充電電流の抑制前の充電電圧検出回路部動作値より再度低下する。
このような動作を数回繰り返し、充電電流がバイパス回路部に適した許容電流値となるまで継続する。充電電流がバイパス回路部に適した許容電流値となれば、充電電圧検出回路部は動作したままとなる。
段階的に電流値を抑制する回数は、充電電流を大幅に抑制して少なくすることもできるが、充電時間が長くなるため、３〜４回実施するのが好適である。ＥＤＬＣの内部抵抗値、バイパス電流値、充電電流値により選定するのがよい。また、充電電圧検出回路部が繰り返し動作から充電電圧を検出したままとするのは、検出回路に公知のヒステリシス効果を持つ回路を追加すればよい。
内部抵抗の影響を考慮しても、充電時間短縮の効果が得られ、また段階的に充電電流を減少させることで、一挙にバイパス電流値まで低下させる場合と比べて、充電電流値が大きい分、充電時間も短縮できる。
また、充電電流制御回路部は、充電電圧検出回路部から信号を受けて、初期充電電流値からバイパス電流値までに所定の回数で段階的に抑制する機能を有する公知の回路を用いればよい。

本発明による単数のＥＤＬＣを用いた電気二重層コンデンサ装置の構成図 図１の電気二重層コンデンサの充電特性図 本発明による複数個のＥＤＬＣを用いた電気二重層コンデンサ装置の構成図 電気二重層コンデンサ複数個に適用された充電特性図 電気二重層コンデンサセルの等価回路 電気二重層コンデンサの内部抵抗を考慮した充電特性図 電気二重層コンデンサ装置のブロック図 従来の電気二重層コンデンサ装置で構成された回路図

符号の説明

１０ ＥＤＬＣ
１１ バイパス回路部ドライブ回路
１２ 半導体デバイス
１３ バイパス回路部
１４ シャントレギュレータ
２１ 充電電圧検出回路部ドライブ回路
２２ 充電電圧検出回路部リレー
２３ 充電電圧検出回路部
２４ シャントレギュレータ
３１ 充電装置
３２ 充電電流制御回路部

Claims (2)

1. 電気二重層コンデンサと、該電気二重層コンデンサと並列に接続されるとともに、半導体デバイス素子を有するバイパス回路部とを備え、前記バイパス回路部は、前記電気二重層コンデンサが充電され、該電気二重層コンデンサが第１の電圧に達すると、前記半導体デバイス素子を動作状態にして充電電流をバイパスする電気二重層コンデンサ装置において、
   前記電気二重層コンデンサと並列に接続され、前記電気二重層コンデンサの充電電圧を検出し、該充電電圧が前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に達すると前記電気二重層コンデンサへの充電電流を抑制する信号を出力する充電電圧検出回路部と、
   前記充電電圧検出回路部からの信号を受けて前記電気二重層コンデンサの充電電流の抑制動作を行う充電電流制御回路部と
   をさらに備え、
   前記充電電流制御回路部は、前記バイパス回路部が動作する前に前記充電電流の抑制動作を行うことで、前記半導体デバイス素子を保護することを特徴とする電気二重層コンデンサ装置。
2. 前記充電電流抑制後、抑制された充電電流によって上昇した前記電気二重層コンデンサの充電電圧が前記第２の電圧に達すると、充電電流制御回路部は前記充電電流の抑制動作を、前記電気二重層コンデンサの充電電流が前記バイパス回路部の許容電流値以下になるまで実行し、充電電流を段階的に抑制することを特徴とする請求項１記載の電気二重層コンデンサ装置。

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