JP5012483B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、キャパシタに電力を蓄え、必要な時に放電する蓄電装置に関するものである。

近年、環境への配慮や燃費向上のために、制動時に発電を行うことで制動エネルギーを電気エネルギーとして回収する回生システムを搭載した自動車（以下、車両という）が開発されている。この回生システムは車両減速時に発電機で発生する電力（以下、回生電力という）を充電し、減速時以外に放電することで、発電機の発電量を減らすことができるので、その分、エンジン負担が軽減され省燃費が可能となる。

このような回生電力は車両減速時に急峻に発生するため、回生電力を十分に充電するためには、蓄電素子として例えば急速充放電特性に優れた電気二重層キャパシタを用いた蓄電装置とすることが望ましい。しかし、電気二重層キャパシタは定格電圧が２．５Ｖ程度と低いため、車両に用いるには複数個を直列に接続して電圧を高める構成が必要となる。このような蓄電装置としての車両用電源装置が、例えば下記特許文献１に提案されている。図４はこのような車両用電源装置のブロック回路図である。

図４において、電力を蓄えるキャパシタ１０１（電気二重層キャパシタからなる）は複数が直列に接続された構成を有する。キャパシタ１０１への充放電は図示しない充放電制御回路によって行われる。各キャパシタ１０１の両端にはバランススイッチ１０３とバランス抵抗１０５からなる直列回路が接続されている。また、直列接続したキャパシタ１０１の両端部と、各キャパシタ１０１の接続点は、マルチプレクサ１０７を介して電圧検出手段１０９に接続されている。電圧検出手段１０９の電圧出力と各バランススイッチ１０３はマイクロコンピュータ１１１に接続されている。マイクロコンピュータ１１１にはマルチプレクサ１０７も接続されており、マルチプレクサ１０７の制御も行う。これにより、マイクロコンピュータ１１１は検出したい電圧をマルチプレクサ１０７により選択し、電圧検出手段１０９から所望の電圧を読み込むことができる。さらに、マイクロコンピュータ１１１は制御系の配線にも接続されている。これにより、充放電制御回路等とデータのやり取りを行っている。なお、図４の構成は、以上のようにして構成されるキャパシタブロック１１３を複数個接続することにより、車両の駆動が可能な電力に対応できるようになっている。

車両使用時には、走行状況に応じて充放電制御回路によりキャパシタ１０１の充放電が行われる。その後、車両を使用し終わると、使用終了状況により程度は異なるものの、キャパシタ１０１には電力が蓄えられた状態となる。このままの状態でキャパシタ１０１を放置すると、自己放電によりキャパシタ１０１の電圧が徐々に低下していくが、特性バラツキ等の影響で電圧がばらついてくる。電圧がばらついた状態で車両の使用を開始し、複数のキャパシタ１０１を一斉に充電すると、満充電電圧近傍のまま、あまり電圧降下を起こさなかった一部のキャパシタ１０１が過電圧状態となる。これにより、そのキャパシタ１０１の寿命が短くなり、車両用電源装置全体の寿命も短くなる可能性があった。

そこで、図４の車両用電源装置においては、車両使用終了後に定期的に各キャパシタ１０１の電圧バランスを取るように制御している。この時の動作を図５により説明する。図５は車両使用終了後（自己放電時）から車両使用開始時（充電時）までの各キャパシタ１０１の両端電圧の経時変化図を示す。図５において、横軸は時間、縦軸はキャパシタ両端電圧である。

車両使用時には各キャパシタ１０１の両端電圧がＶｓで一定であったとする。その後、イグニションスイッチ（ＩＧという）をオフにすると、各キャパシタ１０１の両端電圧は自己放電により経時的に低下する。但し、それぞれの特性バラツキにより、電圧低下の傾きは図５の太点線に示すように幅を持つことになる。そこで、マイクロコンピュータ１１１は一定時間が経過すると（ここでは図５の横軸でキャパシタ電圧調整回数が１の時点に相当）、マルチプレクサ１０７を制御してキャパシタ１０１の両端部と各接続点の電圧を電圧検出手段１０９から読み込み、各キャパシタ１０１の両端電圧を求める。その後、両端電圧の最小値を求め、他の各キャパシタ１０１の両端電圧がそれぞれ最小値になるまでバランススイッチ１０３をオンにする。これにより、各キャパシタ１０１に蓄えられた電力はバランス抵抗１０５により熱として消費され、両端電圧が速やかに低下する。

マイクロコンピュータ１１１は全てのキャパシタ１０１の両端電圧が最小値と等しくなり、全てのバランススイッチ１０３がオフになれば、一定時間の経過後に同様の動作を繰り返す。これにより、図５に示すように、定期的に各キャパシタ１０１の両端電圧を最小値に合わせるので、車両非使用時における両端電圧のバラツキが極めて少ない状態で推移する。

その後、任意の時間でＩＧがオンになり車両用電源装置が起動すると、充放電制御回路は車両制動により各キャパシタ１０１を満充電するのであるが、各キャパシタ１０１の電圧がほぼ揃っているので、図５の右側に示すように、満充電電圧を超えて過電圧になるキャパシタ１０１がほとんどなくなり車両用電源装置の長寿命化が実現できる。
特開２００７−１２４７７１号公報

上記の車両用電源装置によると、確かに起動充電時の過電圧が低減でき、長寿命化が得られるのであるが、そのために車両非使用時に定期的に各キャパシタ１０１の電圧バランスを取っているので、車両使用時に充電した電力を定期的に放電してしまい、その分、損失が発生する。この場合、新品時のように各キャパシタ１０１の特性バラツキが小さければ、それほど大きな損失にはならないが、キャパシタ１０１の劣化が進行すると、そのバラツキも加わるため、自己放電による電圧低下の傾き幅は徐々に大きくなる。

このような状態でも、キャパシタ１０１の両端電圧の最小値になるように全てのキャパシタ１０１の両端電圧を合わせると、最も劣化が進んだキャパシタ１０１の両端電圧に合わせることになり、劣化が比較的遅いキャパシタ１０１に蓄えた電力も無駄に放電してしまうことになる。従って、劣化が進行するに従って、定期的な電圧バランス動作による損失が大きくなってしまうという課題があった。

なお、劣化が進んだキャパシタ１０１の自己放電による電圧低下の傾きが大きくなる理由は次の通りである。劣化が進んだキャパシタ１０１は、その容量値Ｃが低下する。従って、劣化進行が遅い（Ｃの大きい）他のキャパシタ１０１に比べると、両端電圧Ｖが等しい場合、劣化したキャパシタ１０１に蓄えられる電荷量Ｑは、Ｑ＝Ｃ・Ｖより小さくなることがわかる。一方、自己放電は各キャパシタ１０１の絶縁抵抗に電流Ｉが流れることにより起こるが、劣化による絶縁抵抗の変化は容量値Ｃの変化に比べ小さいので、自己放電時に絶縁抵抗に流れる電流Ｉのバラツキは小さい。その結果、電荷量Ｑ＝Ｉ・ｔ（ｔは時間）において、自己放電電流Ｉは劣化によらずほぼ一定とすると、電荷量Ｑの小さい、すなわち劣化が進行したキャパシタ１０１は時間ｔが小さくなる。従って、劣化進行に伴い自己放電による電圧低下が早く起こり、傾きが大きくなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、キャパシタの劣化が進行しても電圧バランス動作による損失を低減することができる蓄電装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄電装置は、直列に接続されたキャパシタと、前記キャパシタのそれぞれに並列に接続されたバランススイッチ、およびバランス抵抗からなる直列回路と、前記キャパシタにおける直列接続の両端部、および前記各キャパシタの接続点に接続された電圧検出手段と、前記各バランススイッチ、および前記電圧検出手段に接続された制御回路とからなり、前記制御回路は、使用終了時と、前記使用終了時から既定時間（ｔ１）経過後の前記両端部、および前記各接続点の電圧を前記電圧検出手段によりそれぞれ求め、前記使用終了時から前記既定時間（ｔ１）経過時までの前記各キャパシタの電圧変化幅（ΔＶｉ：ｉ＝１〜ｎ、ｎは前記キャパシタの数）をそれぞれ計算し、前記電圧変化幅（ΔＶｉ）が既定値（ΔＶｄ）以下のものの中から最大電圧変化幅（ΔＶｍａｘ）を求め、前記電圧変化幅（ΔＶｉ）が前記既定値（ΔＶｄ）以下の前記各キャパシタの両端電圧（Ｖｉ）が、前記最大電圧変化幅（ΔＶｍａｘ）を有する最大変化キャパシタの両端電圧（Ｖｍａｘ）になるように前記各バランススイッチを制御し、以後、使用開始時まで既定時間間隔（Δｔ）毎に、前記電圧変化幅（ΔＶｉ）が前記既定値（ΔＶｄ）以下の前記各キャパシタの両端電圧（Ｖｉ）が、前記最大変化キャパシタのその時点における両端電圧（Ｖｍａｘ）になるように前記各バランススイッチを制御する動作を繰り返すようにしたものである。

本発明の蓄電装置によれば、自己放電によるキャパシタの両端電圧変化幅（ΔＶｉ：傾きに相当）が劣化進行に伴い既定値（ΔＶｄ）より大きくなると、そのキャパシタを電圧バランス動作の対象から外しているので、従来のように最も劣化が進行したキャパシタに合わせて電圧バランス動作を行う場合に比べて損失を低減することが可能な蓄電装置を実現できるという効果が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における蓄電装置のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態における蓄電装置の使用終了後における電圧バランス動作のフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態における蓄電装置の使用終了後から使用開始時におけるキャパシタ両端電圧の経時変化図である。なお、図１において太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。また、本実施の形態では蓄電装置を車両の回生システムに適用した場合について述べる。

図１の蓄電装置１１において、電力を蓄えるキャパシタ１３は複数が直列に接続されている。キャパシタ１３は大容量の電気二重層キャパシタからなり、直列接続することにより必要な電圧仕様を満たしている。なお、図１の構成ではキャパシタ１３を直列に接続した例を示しているが、これは直並列接続としてもよい。この場合は、以下の説明において、キャパシタ１３が並列接続された部分を１まとめにみなすことにより、直列接続と電気回路的に等価となるので、並列接続部分を１個のキャパシタ１３として扱えばよい。

キャパシタ１３のそれぞれには、キャパシタ１３に並列に電圧バランスを取るための直列回路１５が接続されている。直列回路１５はバランススイッチ１７とバランス抵抗１９を直列接続した構成を有する。従って、バランススイッチ１７をオンにすることにより、キャパシタ１３の電力がバランス抵抗１９により放電されるので、キャパシタ１３の電圧を下げる方向に調整することができる。なお、バランススイッチ１７は外部からオンオフ制御が可能な構成を有し、ここではＦＥＴを用いた。

直列接続されたキャパシタ１３の両端部である正極端子２１、および負極端子２３は電圧検出手段２５に接続されている。さらに、電圧検出手段２５には各キャパシタ１３のそれぞれの接続点も接続されている。従って、電圧検出手段２５は正極端子２１、負極端子２３、および前記接続点の電圧を検出することができる。なお、電圧検出手段２５は従来と同様に、正極端子２１、負極端子２３、および複数の前記接続点の電圧のいずれか１つを選択し、その電圧を出力する構成を有している。

また、直列接続されたキャパシタ１３の近傍には、その環境温度を検出するための温度センサ２７が配されている。温度センサ２７は温度に対する抵抗値変化が大きいサーミスタを用いた。

各バランススイッチ１７、電圧検出手段２５、および温度センサ２７は信号系配線で制御回路２９に接続されている。制御回路２９はマイクロコンピュータと周辺回路から構成されており、蓄電装置１１の全体の動作を制御している。すなわち、制御回路２９は電圧検出手段２５を切り替えながら、正極端子２１、負極端子２３、および各キャパシタ１３の接続点の電圧を読み込む。また、温度センサ２７の出力より温度Ｔを読み込む。さらに、制御回路２９は電圧バランスを取る際に、各バランススイッチ１７のオンオフ制御を行う。また、制御回路２９は車両側制御回路（図示せず）とデータ信号の送受信を行うことで互いに交信する機能を有している。

蓄電装置１１の正極端子２１と負極端子２３は車両側に搭載したキャパシタ１３の充放電回路を介してバッテリ、発電機、負荷等（いずれも図示せず）に接続されている。これにより、発電機で発電した回生電力をキャパシタ１３に充電したり、回生時以外の必要な時にキャパシタ１３の電力を負荷等に放電することで、省燃費化を達成している。

なお、本実施の形態における蓄電装置１１は単体で車両に搭載される構成としているが、それに限定されるものではなく、従来のように複数の蓄電装置１１を搭載する構成としてもよい。この場合は、複数の蓄電装置１１の正極端子２１、および負極端子２３のそれぞれが直列、または直並列になるように上記した充放電回路と接続することで、必要な電力を賄う。また、蓄電装置１１間のデータ信号のやり取りを行うことができるように、各制御回路２９が信号系配線で接続されるとともに、上記した車両側制御回路にも接続されるようにすればよい。

次に、このような蓄電装置１１の使用終了後における電圧バランス動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。なお、制御回路２９はメインルーチンから必要に応じて様々なサブルーチンを実行することにより全体の動作を行うソフトウエア構成としているので、図２に示すフローチャートをサブルーチンの形態で示した。また、図２の動作の結果としての各キャパシタ１３の両端電圧の経時変化を図３に示す。従って、ここでは蓄電装置１１の使用終了後の動作を図２、および図３により説明する。なお、図３の横軸は時間を、縦軸は各キャパシタ１３の両端電圧を、それぞれ示す。

車両の使用が終了すると、制御回路２９は車両側制御回路から車両使用終了を示すデータ信号を受信する。これにより、制御回路２９は図２のサブルーチンを実行する。

図２のサブルーチンが実行されると、まず制御回路２９は電圧検出手段２５により、正極端子２１、負極端子２３、および各キャパシタ１３の接続点の電圧を順次切り替えて読み込む（ステップ番号Ｓ１１）。

次に、使用終了時における各キャパシタ１３の両端電圧Ｖ０ｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは直列接続されたキャパシタ１３の個数）を求める。両端電圧Ｖ０ｉはＳ１１で読み込んだ正極端子２１、負極端子２３、および各キャパシタ１３の接続点の電圧を基に、各キャパシタ１３の正極電圧と負極電圧の差を順次計算することにより得ている。さらに、得られた両端電圧Ｖ０ｉの平均値Ｖｍを計算する（以上、Ｓ１３）。

ここまでの動作は図３の時間０、すなわち使用終了時に行われる。なお、図３において時間０までは車両使用中であるので、蓄電装置１１にある程度の電力が蓄えられているとしている。しかも、車両使用中には各キャパシタ１３の電圧バランスが直列回路１５によって適宜取られているので、各キャパシタ１３の両端電圧（図３の縦軸）はほぼ平均値Ｖｍと等しくなる。従って、図３では両端電圧Ｖ０ｉのバラツキがほとんどなく、平均値Ｖｍにほぼ等しいとして示している。

ここで図２に戻り、次に制御回路２９は使用終了後から既定時間ｔ１が経過したか否かを判断する（Ｓ１５）。なお、既定時間ｔ１は、後述する各キャパシタ１３の電圧変化幅ΔＶｉを、それぞれ制御回路２９の計算精度内で区別できる程度以上に、各キャパシタ１３が自己放電するために要する時間である。これは、使用するキャパシタ１３の容量値や自己放電特性、制御回路２９の計算精度、さらに電圧検出手段２５の誤差マージン等を考慮してあらかじめ実験的に決定され、制御回路２９に内蔵したメモリに記憶されている。

もし、既定時間ｔ１が経過していなければ（Ｓ１５のＮｏ）、再びＳ１５に戻り、既定時間ｔ１が経過するまで待つ。

既定時間ｔ１が経過すれば（Ｓ１５のＹｅｓ）、時間ｔ１における正極端子２１、負極端子２３、および各キャパシタ１３の接続点の電圧をＳ１１と同様にして読み込む（Ｓ１７）。さらに、既定時間ｔ１経過後の各キャパシタ１３の両端電圧Ｖｉ（ｉ＝１〜ｎ）を計算する（Ｓ１９）。なお、両端電圧Ｖｉの計算方法はＳ１３の両端電圧Ｖ０ｉの計算方法と同じである。

次に、制御回路２９は、Ｓ１３で求めた各キャパシタ１３の両端電圧Ｖ０ｉ、およびＳ１９で求めた両端電圧Ｖｉから、各キャパシタ１３の電圧変化幅ΔＶｉを計算する（Ｓ２１）。なお、電圧変化幅ΔＶｉは、ΔＶｉ＝Ｖ０ｉ−Ｖｉ（ｉ＝１〜ｎ）により求める。

以上までの動作をまとめると次のようになる。制御回路２９は、使用終了時（時間０）と、使用終了時から既定時間ｔ１経過後の両端部（正極端子２１と負極端子２３）、およびキャパシタ１３の各接続点の電圧を電圧検出手段２５によりそれぞれ求め、使用終了時から既定時間ｔ１経過時までの各キャパシタ１３の電圧変化幅ΔＶｉ（ｉ＝１〜ｎ）をそれぞれΔＶｉ＝Ｖ０ｉ−Ｖｉより計算する。但し、時間０における各キャパシタ１３の両端電圧をＶ０ｉ、既定時間ｔ１経過後の両端電圧をＶｉとする。

ここで、使用終了時（時間０）から既定時間ｔ１経過後、すなわち時間ｔ１における各キャパシタ１３の両端電圧Ｖｉを図３に示す。なお、図３においては、５個のキャパシタ１３における両端電圧の変化について示している。ここで、５個のキャパシタ１３の電圧変化幅ΔＶｉが小さいものから順にそれぞれＣａ１、Ｃａ２、Ｃａ３、Ｃａ４、Ｃａ５と呼ぶ。

時間０でほぼ両端電圧Ｖ０ｉ（ここではｉ＝１〜５）が揃っていた各キャパシタ１３は、時間ｔ１に至ると、それぞれの初期的なバラツキと劣化進行度合いに応じて、図３の太線（Ｃａ１〜Ｃａ４のキャパシタ１３）、太点線（Ｃａ５のキャパシタ１３）に示すように自己放電により両端電圧Ｖｉがばらつく。従って、時間０から時間ｔ１までの電圧変化幅ΔＶｉに差が生じた状態となっている。

ここで図２に戻り、次に制御回路２９は温度センサ２７の出力より温度Ｔを読み込む（Ｓ２３）。その後、温度ＴとＳ１３で求めた平均値Ｖｍに応じた既定値ΔＶｄと劣化限界値ΔＶｇを、それぞれの相関関係から決定する（Ｓ２５）。

なお、既定値ΔＶｄとは、車両の使用終了後、すなわち非使用時に各キャパシタ１３の電圧バランスを取る対象と判断する電圧変化幅ΔＶｉの最大値のことであり、電圧変化幅ΔＶｉが既定値ΔＶｄを超えると、そのキャパシタ１３に対しては以後の非使用時における電圧バランス動作を行わないようにしている。これにより、従来のように常に最も劣化が進行したキャパシタの両端電圧に、他のキャパシタの両端電圧を合わせることにより電力損失が増大してしまう程度を低減している。ここで、既定値ΔＶｄは電圧検出誤差等のマージンを含めて、後述する劣化限界値ΔＶｄよりも小さい値に設定している。

既定値ΔＶｄは使用終了時の各キャパシタ１３の両端電圧Ｖｉの大きさによって変化する。これは、両端電圧Ｖｉの大きさにより自己放電速度が異なるためである。すなわち、両端電圧Ｖｉが高ければ同じ既定時間ｔ１の間の自己放電による電圧変化幅ΔＶｉは大きく、両端電圧Ｖｉが低ければ自己放電による電圧変化幅ΔＶｉは小さくなる。

ここで、前記したように車両使用時には電圧バランスが取られることから、両端電圧Ｖｉのバラツキは小さい。従って、両端電圧Ｖｉの平均値Ｖｍを両端電圧Ｖｉの代表値として、それに対する既定値ΔＶｄの相関関係をあらかじめ実験的に求め制御回路２９のメモリに記憶している。

同様に、既定値ΔＶｄは各キャパシタ１３の温度Ｔによっても変化する。従って、温度Ｔに対する既定値ΔＶｄの相関関係をあらかじめ実験的に求め制御回路２９のメモリに記憶している。

このように、平均値Ｖｍと温度Ｔの両方のパラメータを求め、それらに応じた既定値ΔＶｄを決定することにより、既定値ΔＶｄの高精度化が図れる。

一方、劣化限界値ΔＶｇはキャパシタ１３が劣化して、これ以上蓄電装置１１として使用できなくなる場合の電圧変化幅のことである。すなわち、前記したように、キャパシタ１３の劣化進行に伴い、自己放電による電圧変化幅ΔＶｉは大きくなる傾向にあるので、限界まで劣化したキャパシタ１３の電圧変化幅を劣化限界値ΔＶｇとしてあらかじめ求め、メモリに記憶している。従って、任意のキャパシタ１３の電圧変化幅ΔＶｉが劣化限界値ΔＶｇを超えれば、これ以上蓄電装置１１を使用することができないと判断できる。

なお、劣化限界値ΔＶｇもキャパシタ１３の両端電圧Ｖｉや温度Ｔによって変化するので、既定値ΔＶｄと同様に、平均値Ｖｍ、および温度Ｔに応じた劣化限界値ΔＶｇの相関関係を実験的に求め、メモリに記憶している。

以上のことから、Ｓ２５では平均値Ｖｍ、および温度Ｔに応じて既定値ΔＶｄ、および劣化限界値ΔＶｇを決定している。

なお、例えば蓄電装置１１を車両のバックアップ電源に使用する場合は、車両使用中には常に各キャパシタ１３の両端電圧が一定となるので、使用終了時の平均値Ｖｍもほぼ一定となる。この際は既定値ΔＶｄと劣化限界値ΔＶｇが平均値Ｖｍによらず同じ値となるので、平均値Ｖｍと既定値ΔＶｄ、および劣化限界値ΔＶｇの相関関係は不要となり、温度Ｔのみの相関関係でこれらを決定すればよい。

また、例えば温度Ｔがほとんど変化しない環境に蓄電装置１１が設置されている場合は、温度Ｔと既定値ΔＶｄ、および劣化限界値ΔＶｇの相関関係は不要となり、平均値Ｖｍのみの相関関係でこれらを決定すればよい。

さらに、例えばバックアップ電源が車室内に設置されている場合のように、車両使用終了時に平均値Ｖｍも温度Ｔもほとんど変化しない場合は、既定値ΔＶｄ、および劣化限界値ΔＶｇを一義的に決定してもよい。

次に、Ｓ２５で既定値ΔＶｄと劣化限界値ΔＶｇが決まれば、制御回路２９は各キャパシタ１３の電圧変化幅ΔＶｉと劣化限界値ΔＶｇを順次比較する（Ｓ２７）。その結果、例えば図３の太点線で示したＣａ５のキャパシタ１３のように、時間ｔ１で電圧変化幅ΔＶ５が劣化限界値ΔＶｇを超えていれば、蓄電部１１をこれ以上使用することができない。すなわち、図２のＳ２７において、各電圧変化幅ΔＶｉが１つでも劣化限界値ΔＶｇを超えれば（Ｓ２７のＹｅｓ）、蓄電装置１１が劣化したと判断する。この場合、制御回路２９は劣化信号を車両側制御回路に出力する（Ｓ２９）。これにより、車両側制御回路は運転者に蓄電装置１１の劣化を警告し、修理を促す。その後、図２のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

一方、各電圧変化幅ΔＶｉが全て劣化限界値ΔＶｇを超えていなければ（Ｓ２７のＮｏ）、次に制御回路２９は電圧変化幅ΔＶｉが既定値ΔＶｄ以下のものを抽出する（Ｓ３１）。具体的には、図３に示すようにＣａ１からＣａ４のキャパシタ１３の内、Ｃａ４のキャパシタ１３の電圧変化幅ΔＶ４だけが既定値ΔＶｄよりも大きいので、それを除くＣａ１からＣａ３のキャパシタ１３の電圧変化幅ΔＶ１〜ΔＶ３が抽出されることになる。なお、ここから以下の説明では劣化したＣａ５のキャパシタ１３は存在せず、Ｃａ１からＣａ４の４個のキャパシタ１３で蓄電装置１１が構成されるものとする。

ここで図２に戻り、次に制御回路２９は抽出した電圧変化幅ΔＶｉの最大値を求め、その値を最大電圧変化幅ΔＶｍａｘとして記憶する。さらに、最大電圧変化幅ΔＶｍａｘを有するキャパシタ１３を最大変化キャパシタと呼び、そのキャパシタ番号ｉと時間ｔ１における両端電圧Ｖｍａｘを記憶する（以上、Ｓ３３）。具体的には、図３において、抽出した電圧変化幅ΔＶ１〜ΔＶ３の内、最大値はΔＶ３であるので、ΔＶ３を最大電圧変化幅ΔＶｍａｘとして記憶する。これは、制御回路２９に内蔵したメモリの一部を最大電圧変化幅ΔＶｍａｘの変数として用意しておき、そこに最大値であるΔＶ３の値を代入することで、ΔＶｍａｘを記憶している。また、Ｃａ３のキャパシタ１３を最大変化キャパシタと呼び、キャパシタ番号３をメモリに記憶するとともに、時間ｔ１におけるＣａ３のキャパシタ１３の両端電圧Ｖ３を最大変化キャパシタの両端電圧Ｖｍａｘとして記憶する。

次に、図２に戻り、制御回路２９は最大変化キャパシタを除く抽出したキャパシタ１３の両端電圧Ｖｉが、最大変化キャパシタの両端電圧Ｖｍａｘになるまで、それぞれの抽出したキャパシタ１３に接続されたバランススイッチ１７をオンにする（Ｓ３５）。従って、抽出したキャパシタ１３の両端電圧Ｖｉが、最大変化キャパシタの両端電圧Ｖｍａｘになれば、そのキャパシタ１３に接続されたバランススイッチ１７をオフにすることになる。具体的には、図３において、最大変化キャパシタはＣａ３であるので、それを除く抽出したキャパシタ１３はＣａ１とＣａ２になる。従って、制御回路２９はＣａ１とＣａ２のキャパシタ１３に接続されたバランススイッチ１７をオンにする。その結果、それぞれのバランス抵抗１９により電力が放電されるので、Ｃａ１とＣａ２のキャパシタ１３の両端電圧Ｖ１、Ｖ２は急に低下していく。やがて、まずＣａ２のキャパシタ１３が最大変化キャパシタの両端電圧Ｖｍａｘに至るので、その時点でＣａ２のキャパシタ１３のバランススイッチ１７をオフにする。引き続き、Ｃａ１のキャパシタ１３が最大変化キャパシタの両端電圧Ｖｍａｘに至るので、その時点でＣａ１のキャパシタ１３のバランススイッチ１７をオフにする。これらの電圧変化は自己放電による電圧変化に比べ早いので、図３ではほぼ時間ｔ１にてＣａ１とＣａ２のキャパシタ１３の両端電圧Ｖ１、Ｖ２が最大変化キャパシタの両端電圧Ｖｍａｘに至ったとして示している。

次に、図２に戻り、制御回路２９は全ての抽出したキャパシタ１３の両端電圧Ｖｉが最大変化キャパシタの両端電圧Ｖｍａｘと等しくなったか否かを判断する（Ｓ３７）。この判断のためには、各バランススイッチ１７の状態を監視し、全てオフになれば最大変化キャパシタの両端電圧Ｖｍａｘと等しくなったと判断する。もし、全ての抽出したキャパシタ１３の両端電圧Ｖｉが最大変化キャパシタの両端電圧Ｖｍａｘと等しくなければ（Ｓ３７のＮｏ）、Ｓ３５に戻り、等しくなるまで待つ。

一方、全ての抽出したキャパシタ１３の両端電圧Ｖｉが最大変化キャパシタの両端電圧Ｖｍａｘと等しくなれば（Ｓ３７のＹｅｓ）、制御回路２９は既定時間間隔Δｔが経過したか否かを判断する（Ｓ３９）。ここで、既定時間間隔Δｔは次に電圧バランスを取るまでの時間間隔のことで、各キャパシタ１３の自己放電による電圧変化幅ΔＶｉのバラツキ幅等に応じて、早くばらつく場合は短めになるように、なかなかばらつかない場合は長めになるようにあらかじめ決定しておく。

既定時間間隔Δｔが経過していなければ（Ｓ３９のＮｏ）、再びＳ３９に戻り既定時間間隔Δｔが経過するまで待つ。既定時間間隔Δｔが経過すれば（Ｓ３９のＹｅｓ）、Ｓ３３で記憶したキャパシタ番号のキャパシタ１３、すなわち最大変化キャパシタにおける両端電圧Ｖｍａｘを求める（Ｓ４１）。具体的には、図３において、時間ｔ１から既定時間間隔Δｔが経過した時間ｔ２に至ると、その時点でのキャパシタ番号３のキャパシタ１３（Ｃａ３のキャパシタ）における両端電圧Ｖ３を最大変化キャパシタにおける両端電圧Ｖｍａｘ（変数メモリ）に代入する。

ここで、図２に戻って、Ｓ４１の後はＳ３５にジャンプし、Ｓ３５からＳ４１の動作を繰り返す。これにより、図３に示すように、Ｃａ１とＣａ２のキャパシタ１３は自己放電による電圧変化が遅いので、これらの両端電圧Ｖ１、Ｖ２が最大変化キャパシタにおける両端電圧Ｖｍａｘ（＝Ｖ３）になるようにＣａ１とＣａ２のキャパシタ１３に接続されたバランススイッチ１７のオンオフ制御を行う。その結果、ほぼ時間ｔ２でＣａ１とＣａ２のキャパシタ１３の両端電圧Ｖ１、Ｖ２は最大変化キャパシタにおける両端電圧Ｖｍａｘと等しくなるので、電圧バランスが取れる。

その後、同様にして時間ｔ２から既定時間間隔Δｔが経過した時間ｔ３においても電圧バランスを取る。このようにして、車両の使用開始時までＣａ１からＣａ３のキャパシタ１３の電圧バランスが定期的に取られることになる。この動作をまとめると、使用開始時まで既定時間間隔Δｔ毎に、電圧変化幅ΔＶｉが既定値ΔＶｄ以下の各キャパシタ１３の両端電圧Ｖｉが、最大変化キャパシタのその時点における両端電圧Ｖｍａｘになるように各バランススイッチ１７を制御する動作を繰り返すことで電圧バランスを取っている。

一方、Ｃａ４のキャパシタ１３は時間ｔ１の時点で電圧変化幅ΔＶ４が既定値ΔＶｄを超えていると判断されているので、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３のそれぞれにおいて電圧バランスは取られない。従って、図３に示すように自己放電により経時的に電圧が低下していく。

その後、時間ｔ４で車両が再び使用され、イグニションスイッチ（図示せず）がオンになったとする。その結果、制御回路２９は車両側制御回路から起動信号を受信するので、これにより制御回路２９に内蔵したマイクロコンピュータがリセットされるようにしている。ここで、マイクロコンピュータをリセットするのは、図２のサブルーチンのＳ３５からＳ４１が無限ループとなるので、起動時にそれから抜け出すためである。なお、マイクロコンピュータはリセットされるとメインルーチンを最初から実行するので、このような動作により、図２のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻ったことになる。

時間ｔ４は使用開始直後を示すので、この時点では車両が走行しておらず、回生電力は発生しない。従って、回生電力が発生する時間ｔ５までは各キャパシタ１３の両端電圧Ｖｉは自己放電の傾向を示し続ける。その後、時間ｔ５で車両制動により回生電力が発生すると、Ｃａ１からＣａ４の各キャパシタ１３に回生電力が充電されていく。その結果、各キャパシタ１３の両端電圧Ｖ１〜Ｖ４は急激に上昇する。この時、Ｃａ１からＣａ３の各キャパシタ１３の両端電圧Ｖ１〜Ｖ３は非使用時に定期的に電圧バランスが取られていたので、ほぼばらつくことなく両端電圧Ｖ１〜Ｖ３が上昇していく。しかし、Ｃａ４のキャパシタ１３は他のキャパシタ１３に比べ劣化が進行しているので、容量値Ｃが小さくなっている。その結果、回生電力を充電すると、他のキャパシタ１３よりも高速に両端電圧Ｖ４が上昇し、傾きが大きくなる。従って、各キャパシタ１３の両端電圧Ｖ１〜Ｖ４が満充電電圧に近づく時間ｔ６においてＣａ１からＣａ４の各キャパシタ１３の両端電圧Ｖ１〜Ｖ４の差は小さくなり、時間ｔ７で満充電となった時には両端電圧Ｖ１〜Ｖ４がほぼ等しい状態となる。ゆえに、劣化がある程度進行して既定値ΔＶｄを超えたＣａ４のキャパシタ１３に対して非使用時に電圧バランスを取らなかったとしても、回生電力の充電時には満充電電圧までほぼばらつかずに充電できることになる。これにより、従来のように最も劣化が進行したキャパシタの両端電圧に合わせるように電圧バランスを取る場合に比べ、電力損失を低減するとともに、従来同様ほとんど過電圧に至ることなく満充電にすることができる。

なお、もし劣化限界値ΔＶｇを超えたＣａ５のキャパシタ１３を使い続けたとすると、図３の太点線に示すように、時間ｔ５における充電開始により、容量値Ｃが劣化で小さくなっている分、両端電圧Ｖ５の上昇傾きが他のキャパシタ１３に比べさらに大きくなる。その結果、例えば時間ｔ６近傍で満充電電圧に至り、全てのキャパシタ１３が満充電に至る時間ｔ７を越えて過電圧が印加された状態が続くことが起こり得る。これにより、劣化したＣａ５のキャパシタ１３はさらに劣化が進行し、蓄電装置１１の寿命をさらに縮めることになる。従って、本実施の形態では劣化限界値ΔＶｇを超えたキャパシタ１３が１つでも発生すれば、その時点で劣化信号を出力するようにしている。

以上の構成、動作により、自己放電によるキャパシタ１３の両端電圧変化幅ΔＶｉが劣化進行に伴い既定値ΔＶｄより大きくなると、そのキャパシタ１３を電圧バランス動作の対象から外しているので、従来のように最も劣化が進行したキャパシタに合わせて電圧バランス動作を行う場合に比べて損失を低減することが可能な蓄電装置１１を実現できる。

なお、本実施の形態においてキャパシタ１３には電気二重層キャパシタを用いたが、これは電気化学キャパシタ等の他のキャパシタでもよい。

また、本実施の形態において蓄電装置１１を車両の回生システムに適用した場合について述べたが、それらに限らず、ハイブリッド車や、アイドリングストップ、電動パワーステアリング、車両制動システム、電動過給器等の各システムにおける車両用補助電源等にも適用可能である。

本発明にかかる蓄電装置は、キャパシタの劣化が進行しても電圧バランス動作による損失を低減することができるので、特にキャパシタに電力を蓄え、必要な時に放電する車両用の蓄電装置等として有用である。

本発明の実施の形態における蓄電装置のブロック回路図 本発明の実施の形態における蓄電装置の使用終了後における電圧バランス動作のフローチャート 本発明の実施の形態における蓄電装置の使用終了後から使用開始時におけるキャパシタ両端電圧の経時変化図 従来の車両用電源装置のブロック回路図 従来の車両用電源装置における車両使用終了後（自己放電時）から車両使用開始時（充電時）までの各キャパシタの両端電圧の経時変化図

符号の説明

１１ 蓄電装置
１３ キャパシタ
１５ 直列回路
１７ バランススイッチ
１９ バランス抵抗
２１ 正極端子
２３ 負極端子
２５ 電圧検出手段
２７ 温度センサ
２９ 制御回路

Claims (6)

1. 直列に接続されたキャパシタと、
   前記キャパシタのそれぞれに並列に接続されたバランススイッチ、およびバランス抵抗からなる直列回路と、
   前記キャパシタにおける直列接続の両端部、および前記各キャパシタの接続点に接続された電圧検出手段と、
   前記各バランススイッチ、および前記電圧検出手段に接続された制御回路とからなり、
   前記制御回路は、使用終了時と、前記使用終了時から既定時間（ｔ１）経過後の前記両端部、および前記各接続点の電圧を前記電圧検出手段によりそれぞれ求め、
   前記使用終了時から前記既定時間（ｔ１）経過時までの前記各キャパシタの電圧変化幅（ΔＶｉ：ｉ＝１〜ｎ、ｎは前記キャパシタの数）をそれぞれ計算し、
   前記電圧変化幅（ΔＶｉ）が既定値（ΔＶｄ）以下のものの中から最大電圧変化幅（ΔＶｍａｘ）を求め、
   前記電圧変化幅（ΔＶｉ）が前記既定値（ΔＶｄ）以下の前記各キャパシタの両端電圧（Ｖｉ）が、前記最大電圧変化幅（ΔＶｍａｘ）を有する最大変化キャパシタの両端電圧（Ｖｍａｘ）になるように前記各バランススイッチを制御し、
   以後、使用開始時まで既定時間間隔（Δｔ）毎に、前記電圧変化幅（ΔＶｉ）が前記既定値（ΔＶｄ）以下の前記各キャパシタの両端電圧（Ｖｉ）が、前記最大変化キャパシタのその時点における両端電圧（Ｖｍａｘ）になるように前記各バランススイッチを制御する動作を繰り返すようにした蓄電装置。
2. 前記制御回路は、前記各電圧変化幅（ΔＶｉ）が１つでも前記既定値（ΔＶｄ）より大きな劣化限界値（ΔＶｇ）を超えれば、劣化信号を出力するようにした請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記制御回路は、前記使用終了時に前記各キャパシタの両端電圧（Ｖｉ）を求めて平均値（Ｖｍ）を計算し、
   前記平均値（Ｖｍ）に応じて前記既定値（ΔＶｄ）、および前記劣化限界値（ΔＶｇ）を決定するようにした請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記平均値（Ｖｍ）に対する前記既定値（ΔＶｄ）、および前記劣化限界値（ΔＶｇ）との相関関係をそれぞれあらかじめ求め、前記制御回路に記憶した請求項３に記載の蓄電装置。
5. 前記制御回路に接続された温度センサを設け、
   前記制御回路は、前記使用終了時に前記温度センサから出力される温度（Ｔ）に応じて前記既定値（ΔＶｄ）、および前記劣化限界値（ΔＶｇ）を決定するようにした請求項２に記載の蓄電装置。
6. 前記温度（Ｔ）に対する前記既定値（ΔＶｄ）、および前記劣化限界値（ΔＶｇ）との相関関係をそれぞれあらかじめ求め、前記制御回路に記憶した請求項５に記載の蓄電装置。

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