JP5277711B2 - Power supply device and vehicle power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池とキャパシタとでハイブリッド構成された電源装置及び車両用電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply apparatus and a vehicle power supply apparatus that are hybridly configured with a secondary battery and a capacitor.
近年の電池技術の進歩によって、ハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。ハイブリッド車は、二次電池を用いてモータ等を駆動したり、減速時のエネルギーを二次電池に回生したりするシステムを有する。二次電池は、新型二次電池の出現、小型軽量化および高出力密度化により、シール鉛バッテリーからNi水素電池、さらにはLiイオン電池へと発展してきた。いずれの二次電池においても、エネルギー密度を高めるため、電池活物質の開発や高容量かつ高出力の電池構造の開発が行われ、出力密度が高く、使用可能時間の長い電源を実現する努力がなされている。 Due to recent advances in battery technology, the spread of hybrid vehicles is rapidly progressing. The hybrid vehicle has a system that uses a secondary battery to drive a motor or the like and regenerates energy during deceleration to the secondary battery. Secondary batteries have evolved from sealed lead batteries to Ni-hydrogen batteries and further to Li-ion batteries with the advent of new secondary batteries, miniaturization and weight reduction, and higher output density. In any secondary battery, the development of battery active materials and the development of high-capacity and high-power battery structures have been carried out in order to increase the energy density, and efforts have been made to realize a power source with a high output density and a long usable time. Has been made.
自動車分野において、燃費改善への努力がなされているが、今後も二酸化炭素などの排出物削減のために既存の自動車にも新しい燃費改善機能を追加する傾向が予想される。そのため、低損失の電源、すなわち、内部抵抗の小さい電源が要求される。 Efforts are being made to improve fuel efficiency in the automobile field, but it is expected that new fuel efficiency improvement functions will be added to existing vehicles in order to reduce emissions such as carbon dioxide. Therefore, a low-loss power source, that is, a power source with a low internal resistance is required.
内部抵抗の小さい電源を二次電池で実現する場合は、その最大出力電流の小ささが問題となる。そこで、出力電流の制限を必要としないキャパシタの必要性が高まっており、一例として電気二重層キャパシタ(EDLC)が一般的に知られている。また、電気二重層キャパシタが平滑用などに使用されるようなコンデンサと二次電池との中間的な特性を示すのに対して、電気二重層キャパシタと二次電池の中間的な特性を示す、高エネルギー密度のキャパシタとしてリチウムイオンを負極に用いたハイブリッドキャパシタ(HC)がある。これらキャパシタに関しては、エネルギー密度は小さいが出力密度が二次電池よりも高いことから、瞬間的な出力が要求されるアイドリングストップシステムに適用した例が知られる(例えば、特許文献1参照)。ただし、一般的に、キャパシタは自己放電が大きいため、キャパシタ単体での使用は現実的ではなく、二次電池とのハイブリッド構成としている。二次電池とキャパシタとは、機械式のリレーを使用したスイッチや、MOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)等の半導体素子のスイッチを用いて接続されたものがある(例えば、特許文献1参照)。 When a power supply with a small internal resistance is realized by a secondary battery, the small maximum output current becomes a problem. Therefore, there is an increasing need for capacitors that do not require a limitation on output current, and an electric double layer capacitor (EDLC) is generally known as an example. In addition, the electric double layer capacitor shows an intermediate characteristic between the capacitor and the secondary battery used for smoothing, etc., whereas the electric double layer capacitor shows an intermediate characteristic between the secondary battery, As a high energy density capacitor, there is a hybrid capacitor (HC) using lithium ions as a negative electrode. Regarding these capacitors, since the energy density is small but the output density is higher than that of the secondary battery, an example applied to an idling stop system that requires instantaneous output is known (see, for example, Patent Document 1). However, since the capacitor generally has a large self-discharge, it is not practical to use the capacitor alone, and a hybrid configuration with the secondary battery is adopted. The secondary battery and the capacitor may be connected using a switch using a mechanical relay or a switch of a semiconductor element such as a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) (see, for example, Patent Document 1). ).
キャパシタを用いた電源装置においては、キャパシタの異常(劣化、発熱)や故障を防ぐための制御についても検討する必要がある。アイドリングストップシステムにおいて再スタート時のスタータモータの電力補償をキャパシタで実現するためには、低抵抗化による燃費改善のために鉛蓄電池と同様にエンジンルーム内に配置して配線長を最短化することが望ましいが、温度的な点で非常に厳しい条件となる。また、前記のようにキャパシタは出力密度の点で既存の二次電池よりも期待できるが、内部抵抗と電流によって発生する発熱は二次電池と同様に存在する。したがって、キャパシタが劣化して内部抵抗が高くなったときや、電流の入出力を頻発したこと等によってキャパシタが高温となったときには、キャパシタの電流を低減させて発熱を低減させる必要がある。キャパシタの発熱を低減させるためには、キャパシタから二次電池へのスイッチを遮断する方法が考えられる。 In a power supply device using a capacitor, it is necessary to consider control for preventing abnormality (deterioration, heat generation) and failure of the capacitor. In order to realize starter motor power compensation at the time of restart in an idling stop system with a capacitor, in order to improve fuel efficiency by reducing resistance, it is arranged in the engine room like lead storage batteries to minimize the wiring length. However, it is a very severe condition in terms of temperature. Further, as described above, the capacitor can be expected from the existing secondary battery in terms of output density, but heat generated by the internal resistance and current is present in the same manner as the secondary battery. Therefore, when the capacitor deteriorates and the internal resistance becomes high, or when the capacitor becomes hot due to frequent input / output of current, it is necessary to reduce the heat generated by reducing the capacitor current. In order to reduce the heat generation of the capacitor, a method of cutting off the switch from the capacitor to the secondary battery can be considered.
しかしながら、このような場合は鉛蓄電池などの二次電池がスタータモータ等の全放電電流を負担することとなるが、鉛蓄電池などの二次電池は大電流の充放電によって劣化しやすいという課題がある。さらに、鉛蓄電池などの二次電池は全放電電流を保障できるように、高性能化や大型化せざるを得ないため、キャパシタをハイブリッドにしたことによる利点が小さくなる。 However, in such a case, a secondary battery such as a lead storage battery bears the total discharge current of a starter motor or the like, but a secondary battery such as a lead storage battery is prone to deterioration due to a large current charge / discharge. is there. Furthermore, secondary batteries such as lead-acid batteries have to be increased in performance and size so that the total discharge current can be ensured, so that the advantage of using a hybrid capacitor is reduced.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決すべく、キャパシタの状態の合わせた二次電池への電力供給量制御をスイッチング素子を利用して実現し、キャパシタの温度上昇及びキャパシタの劣化を抑制することができる電源装置及び車両用電源装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to realize a control of the amount of power supplied to the secondary battery in which the state of the capacitor is matched by using a switching element in order to solve the above-described problem, and suppress the rise in the temperature of the capacitor and the deterioration of the capacitor. An object of the present invention is to provide a power supply device and a vehicle power supply device that can be used.
上記目的を達成すべく本発明に係る電源装置は、二次電池とその二次電池に並列接続されたキャパシタとを備えた電源装置において、キャパシタの温度及びキャパシタの電圧を検出する検出手段と、検出手段の検出値に基づき、キャパシタからの放電電流を制限するスイッチング素子と、検出手段の検出値に基づき、キャパシタへの充電電流の制限及び遮断の少なくとも一つを行うスイッチング素子とを備えたものである。 In order to achieve the above object, a power supply device according to the present invention comprises a secondary battery and a capacitor connected in parallel to the secondary battery, and a detecting means for detecting the temperature of the capacitor and the voltage of the capacitor; A switching element that limits the discharge current from the capacitor based on the detection value of the detection means, and a switching element that performs at least one of limiting and cutting off the charging current to the capacitor based on the detection value of the detection means It is.
本発明によれば、キャパシタの温度上昇及びキャパシタの劣化を抑制することができる。 According to the present invention, the temperature rise of the capacitor and the deterioration of the capacitor can be suppressed.
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、好適な第1の実施形態の電源装置を示す回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a power supply device according to a preferred first embodiment.
図1に示すように、本実施形態の電源装置10は、例えば、車両に搭載され、オルタネータ兼スタータモータ(発電機兼電動機)として機能する回転電機100に接続される。なお、以下の説明では、上記回転電機100がスタータモータとして機能しているときは「モータ」と称し、オルタネータとして機能しているときは「オルタネータ」と称する。
As shown in FIG. 1, the
電源装置10は、互いに並列接続された鉛蓄電池等の二次電池1とキャパシタ2とを備える。キャパシタ2は複数個(図では4個)のキャパシタセル3が直列接続されてなり、各キャパシタセル3は電気二重層キャパシタセルである。
The
キャパシタ2の+側の電流経路4には放電遮断スイッチング素子(第3のスイッチング素子)5と充電制御スイッチング部6とが互いに直列に接続されている。放電遮断スイッチング素子5は、NチャネルMOSFET7と、MOSFET7のドレイン−ソース間に形成され、キャパシタ2からモータ100側へ流れる放電電流方向とは逆向きに接続されたボディダイオード8とで構成される。放電遮断スイッチング素子5は、スイッチオン(ゲートオン)時にはキャパシタ2からの放電電流を通過させ、スイッチオフ時には放電電流を遮断する。また、放電遮断スイッチング素子5では、後述するキャパシタ2への充電モードの時には、ボディダイオード8を介してスイッチのオンオフに関係なくキャパシタ2への充電電流を通過させる。
A discharge cut-off switching element (third switching element) 5 and a charge
充電制御スイッチング部6は、互いに並列接続された充電遮断スイッチング素子(第1のスイッチング素子)9と、充放電制限スイッチング素子(第2のスイッチング素子)11と、充放電制限スイッチング素子11側に接続された充電制限用抵抗12とからなる。充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11は、それぞれNチャネルMOSFET7と、NチャネルMOSFET7のドレイン−ソース間に形成され、オルタネータ100からキャパシタ2側へ流れる充電電流方向とは逆向きに接続されたボディダイオード8とで構成される。充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11はそれぞれ、スイッチオン(ゲートオン)時にはキャパシタ2への充電電流を通過させ、スイッチオフ時には充電電流を遮断する。また、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11は、後述するモータ100への放電モードの時には、それぞれのボディダイオード8を介してスイッチのオンオフに関係なくキャパシタ2からの放電電流を通過させる。
The charge
各キャパシタセル3には、バランススイッチ素子13と、バランススイッチ素子13に直列接続されたバランススイッチ用抵抗14とが、各キャパシタセル3と並列に接続されている。各バランススイッチ素子13は、MOSFET7と、MOSFET7のドレイン−ソース間に形成され、キャパシタ2の放電電流方向とは逆向きに接続されたボディダイオード8とで構成される。
A
放電遮断スイッチング素子5、充電遮断スイッチング素子9、充放電制限スイッチング素子11及びバランススイッチ13を構成するそれぞれのMOSFET7のゲートは、MOSFET7のスイッチ制御(オンオフ)するための判別制御手段15に接続される。
The gates of the
判別制御手段15は、キャパシタ2の温度と、キャパシタ2の劣化(キャパシタセル3に発生する内部抵抗による電圧降下)とを監視し、キャパシタ2の劣化と温度とによって、各スイッチ素子を制御するものである。
The discrimination control means 15 monitors the temperature of the
判別制御手段15は、マイコンで構成され、MOSFET7のゲート駆動するための昇圧型ゲートドライバを備える(内蔵される)。昇圧型ゲートドライバは、チャージポンプ型など、NチャネルMOSFET7のゲート駆動機能を有するものであればいずれのものを用いてもよい。
The discrimination control means 15 is composed of a microcomputer, and includes a boost gate driver for driving the gate of the MOSFET 7 (built in). As the step-up gate driver, any one such as a charge pump type that has a gate driving function of the N-
マイコン15は、キャパシタ2の電圧監視用のA/Dコンバータを内蔵すると共に、キャパシタ2の両端の電圧(直列接続されたキャパシタセル3の総電圧)を監視する(経路16)。なお、図中17は、電圧測定用抵抗である。さらに、マイコン15は、マルチプレクサ18を用いて各キャパシタセル3に順次切換え接続され(経路19)、各キャパシタセル3の電圧を監視する。マイコン15は、二次電池1に接続され(図示せず)、二次電池1の電圧も監視する。マイコン15は、各スイッチング素子5,9,11,13のMOSFET7のオンオフ制御機能、電源(キャパシタ2、二次電池1)の電圧監視機能の他に、車両が備える上位ECU(Electronic Control Unit)への通信機能を有する。
The
判別制御手段15には、キャパシタ2の温度を検出するための温度検出手段20と、放電遮断スイッチング素子5と充電遮断スイッチング素子9とを流れる電流を検出する電流検出手段23とが接続されている。
The discrimination control means 15 is connected to a temperature detection means 20 for detecting the temperature of the
温度検出手段20は、マイコン15に内蔵されたA/Dコンバータに接続されたPTCサーミスタ(Positive Temperature Coefficient)21と、分圧用の抵抗22とで構成され、PTCサーミスタ21は、キャパシタセル3の表面に取付けられる。
The temperature detection means 20 includes a PTC thermistor (Positive Temperature Coefficient) 21 connected to an A / D converter built in the
電流検出手段23は、マイコン15に内蔵されたA/Dコンバータに接続された差動アンプで構成され、その差動アンプは、放電遮断スイッチング素子5から充電遮断スイッチング素子9までの経路の両端に接続されている。
The current detection means 23 includes a differential amplifier connected to an A / D converter built in the
次に、電源装置10の制御方法について、図2〜図6を基づき説明する。
Next, a method for controlling the
(第1の制御方法)
通常状態(キャパシタ2に異常がなく充電、放電されている間)においては、放電遮断スイッチング素子5、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11は3つともONの状態で、バランススイッチ素子13はすべてOFFの状態で、キャパシタ2の放電或いは充電が行われる。
(First control method)
In the normal state (while the
図2に示すように、温度検出手段20で検出されるキャパシタセル3の温度が、予め設定された第1の温度閾値(異常と判定される温度の下限)以上であるかを、判別制御手段15で判別する(ステップS1)。
As shown in FIG. 2, whether the temperature of the
キャパシタセル3の温度が第1の温度閾値を超えない場合(S1→N)、放電遮断スイッチング素子5、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子は、いずれもONのまま通常動作される(ステップS2)。キャパシタセル3の温度が第1の温度閾値以上であった場合(S1→Y)、キャパシタセル3に劣化があるか判別する(ステップS3)。キャパシタセル3の劣化とは、キャパシタセル3内に発生する内部抵抗が予め設定された値よりも大きくなったことを示す(抵抗劣化)。各キャパシタセル3の内部抵抗は、バランススイッチ素子13をOFFしたときのキャパシタセル3の電圧と、バランススイッチ素子13をONしたときのキャパシタセル3の電圧とを測定し、その差分電圧とバランススイッチ用抵抗14の抵抗値から求めている。キャパシタセル3の温度及び劣化の判別は、全てのキャパシタセル2に対して行うのが好ましいが、少なくとも1つのキャパシタセル3について行えばよい。
When the temperature of the
キャパシタセル3に劣化がない場合(S3→N)、各スイッチング素子5,9,11はONのまま通常動作される(ステップS4)。
When the
キャパシタセル3に劣化があった場合(S3→Y)、図3に示すように、放電遮断スイッチング素子5と充放電制限スイッチング素子11はONのまま、充電遮断スイッチング素子9のみをOFFにするモードとなる(ステップS5,第1制御モード)。第1制御モードでは、キャパシタ2の放電時(モータ100への電力供給時)の放電電流は、放電遮断スイッチング素子5を通過し、充電遮断スイッチング素子9側のボディダイオード8と充放電制限スイッチング素子11に分流し、これらを通過後合流してモータ100に供給される。
When the
第1制御モード時の本電源装置10の回路構成を二次電池1側からみると、充電遮断スイッチング素子9のボディダイオード8の順方向電圧が電圧降下として生じているため、キャパシタ2の放電時の回路は、通常状態よりもキャパシタ2の等価直列抵抗(ESR)が増加したことと等しくなる。よって、放電時には、二次電池1とキャパシタ2との電流バランスが変化し、キャパシタ2の放電電流が低下する。
When the circuit configuration of the
ただし、キャパシタ2と二次電池1の放電時において、キャパシタ2の電圧と二次電池1の電圧とを監視し、キャパシタ2の電圧が二次電池1の電圧以下になったとき、充電遮断スイッチング素子9及び充放電遮断スイッチング素子11のスイッチをOFFにする。両スイッチング素子9,11をOFFにすることにより、キャパシタ2への充電方向の電流経路は遮断され、二次電池1から供給される電流がキャパシタ2へ流れるのを防ぐことができる。
キャパシタ2の充電時(オルタネータ100からキャパシタ2への電力供給時)の電流経路は、充電遮断スイッチング素子9のMOSFET7がOFF、そのボディダイオード8が充電電流方向とは逆向きであるから、充電遮断スイッチング素子9を通過せずに、充放電制限スイッチング素子11、充電制限用抵抗12、放電遮断スイッチング素子5を通過する経路となる。この電流経路では、充電制限用抵抗12により、キャパシタセル3への充電電流は、通常動作時よりも小さくなる。
However, when the
The current path when the
キャパシタセル3の放電電流及び充電電流が小さくなると、キャパシタセル3の発熱は抑制され、キャパシタセル3温度が低下する。キャパシタセル3は、充電遮断スイッチング素子9をOFFにした状態で放電、充電され、キャパシタセル3の温度が予め設定された第2の温度閾値より低くなるまで、充電遮断スイッチング素子9をOFFのままとする(ステップS6→Y)。
When the discharge current and the charge current of the
キャパシタセル3の温度が第2の温度閾値より低くなったとき(S6→N)、充電遮断スイッチング素子9はONにされ、通常動作が再開される(ステップS7)。第2の温度閾値は、充電遮断スイッチング素子9の応答にヒステリシスを持たせるために、第1の温度閾値よりも低くされている。
When the temperature of the
以上、第1の制御方法を用いる構成とすることにより、本電源装置では、キャパシタセル3の温度が上昇し、かつキャパシタセル3の内部抵抗が大きくなった(劣化が生じた)際に、キャパシタセル3の放電電流と充電電流の両方を低下させるため、キャパシタセル3の温度上昇を抑制することができる。また、キャパシタセル3の放電電流と充電電流の両方を低下させるので、キャパシタセル3の劣化(内部抵抗値の上昇)を抑制することができる。
As described above, with the configuration using the first control method, in this power supply device, when the temperature of the
(第2の制御方法)
本電源装置による第2の制御方法を図4,図5に基づき説明する。
(Second control method)
A second control method by the power supply apparatus will be described with reference to FIGS.
第2の制御方法は、第1の制御方法において、さらにキャパシタセル3の電圧を監視(測定)し、その電圧が異常値を示した場合に各スイッチング素子を制御する方法である。
The second control method is a method in which, in the first control method, the voltage of the
図4に示すように、キャパシタセル3の劣化がなかった場合(S3→N)に、キャパシタセル3の電圧を、予め設定された第1の電圧閾値(異常と判定される電圧の下限)と比較する(ステップS8)。
As shown in FIG. 4, when there is no deterioration of the capacitor cell 3 (S3 → N), the voltage of the
キャパシタセル3の電圧が第1の電圧閾値よりも低い場合(S8→N)、各スイッチング素子はONのまま通常動作される(ステップS9)。
When the voltage of the
キャパシタセル3の電圧が第1の電圧閾値以上の場合(S8→Y)、図5に示すように、放電遮断スイッチング素子5はONのまま、充電遮断スイッチング素子9と充電遮断スイッチング素子11をOFFにするモードとなる(ステップS10,第2制御モード)。
When the voltage of the
第2制御モードでは、キャパシタセル3からの放電方向の電流経路は、放電遮断スイッチング素子5を通過し、充電遮断スイッチング素子9側と充放電制限スイッチング素子11側のボディダイオード8に分流し、これらを通過後合流してモータ100へ向かう。
In the second control mode, the current path in the discharge direction from the
第2制御モード時のキャパシタ2からモータ100への充電時における電源装置10の回路構成を二次電池1側からみると、充電遮断スイッチング素子9と共に充放電制限スイッチング素子11のボディダイオード8の順方向電圧がそれぞれ電圧降下として生じているため、キャパシタ2の放電時の回路は、キャパシタ2の等価直列抵抗(ESR)が第1制御モード時よりも増加したことと等しくなる。よって、キャパシタセル3の放電電流は、第1制御モード時よりもさらに低下する。
When the circuit configuration of the
充電モード、すなわちオルタネータ100からキャパシタ2への充電方向の電流経路は、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11のMOSFET7がOFFかつ、両スイッチング素子9,11のボディダイオード8が充電電流方向とは逆向きであるから、遮断される。
In the charging mode, that is, the current path in the charging direction from the
充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11をOFFにした状態では、キャパシタセル3の放電電流は小さくなり、充電電流は流れないので、キャパシタセル3の電圧は次第に低下する。キャパシタセル3の電圧は判別制御手段15で監視され、キャパシタセル3の電圧が予め設定された第2の電圧閾値より低くなるまで、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11をOFFのままとする(ステップS11→Y)
キャパシタセル3の温度が第2の電圧閾値より低くなったとき(S11→N)、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11はONにされ、通常動作が開始される(ステップS12)。第2の電圧閾値は、スイッチング素子9,11の応答にヒステリシスを持たせるために、第1の電圧閾値よりも低く設定されている。
In a state in which the charge
When the temperature of the
高電圧時は低電圧時よりも過電流が流れやすい状態であるが、第2の制御方法を用いる構成とすることにより、第1の制御方法を用いた構成よりも、キャパシタのセル3の温度上昇と電流に伴う劣化を抑制でき、キャパシタ2のセル電圧も次第に低下するため、高電圧時のセル耐圧までの保護、高温によるキャパシタ2の劣化の進行も抑制することができる。
(第3の制御方法)
本電源装置による第3の制御方法を図6のフローチャートに基づき説明する。
Although overcurrent flows more easily at high voltage than at low voltage, the configuration using the second control method allows the temperature of the
(Third control method)
A third control method by the power supply apparatus will be described based on the flowchart of FIG.
第3の制御方法は、第2の制御方法に加えて、キャパシタセル3が第1の電圧閾値よりも高い電圧(過電圧)を示した場合に各スイッチング素子5,9,11を制御するステップを有する。つまり、過電圧が印加されたキャパシタセル3を判別し、そのキャパシタセル3の電圧を早く低下させるステップを含ませた方法である。
In addition to the second control method, the third control method includes a step of controlling the
具体的には、図6に示すように、キャパシタセル3の劣化がなかった場合(S3→N)に、キャパシタセル3の電圧を、第1の電圧閾値よりも高い、予め設定された第1の過電圧閾値と比較する(ステップS13)。
Specifically, as shown in FIG. 6, when there is no deterioration of the capacitor cell 3 (S3 → N), the voltage of the
キャパシタセル3の電圧が第1の過電圧閾値よりも低い場合(S13→N)、キャパシタセル3の電圧が第1の電圧閾値と比較し(ステップS8)、第2の制御方法で説明したステップを経て通常動作状態に移行する(ステップS9又はステップS10,S11)。
When the voltage of the
キャパシタセル3の電圧が第1の過電圧閾値以上の場合(S13→Y)、過電圧を示すキャパシタセル3に接続されているバランススイッチ素子をオンにするモードにする(ステップS14、第3制御モード)。
When the voltage of the
充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11がOFF、バランススイッチ素子13がONとなっているため、キャパシタセル3には充電されず、かつキャパシタセル3から常時放電されている状態となる。
Since the charge
ただし、ステップS13,S14において、キャパシタ2の電圧(キャパシタセル3の総電圧)を測定し、その電圧がキャパシタ2の第1の過電圧閾値以上(キャパシタセル3の過電圧閾値とは別に設定される、例えば、キャパシタセルの第1の過電圧閾値の合計)の場合は、全てのバランススイッチ素子13をONにする。全バランススイッチ素子13がONの場合は、全てのキャパシタセル3が常時放電されている状態となる。
However, in steps S13 and S14, the voltage of the capacitor 2 (total voltage of the capacitor cell 3) is measured, and the voltage is set to be equal to or higher than the first overvoltage threshold value of the capacitor 2 (separately from the overvoltage threshold value of the capacitor cell 3). For example, in the case of the sum of the first overvoltage thresholds of the capacitor cells), all the
キャパシタセル3の電圧(或いはキャパシタの総電圧)は、判別制御手段15で監視され、第1の過電圧閾値よりも低い、予め設定された第2の過電圧閾値より低くなるまで、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11をOFF、バランススイッチ素子をONのままとする(ステップS15→Y)。
The voltage of the capacitor cell 3 (or the total voltage of the capacitor) is monitored by the discrimination control means 15 and is lower than the preset second overvoltage threshold, which is lower than the first overvoltage threshold, until the charge
キャパシタセル3の電圧が第2の過電圧閾値より低くなったとき(S15→N)、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11はONにされ、バランススイッチ素子13はOFFにされ、通常動作が開始される(ステップS16)。
When the voltage of the
バランススイッチ素子13のOFF条件(第2の過電圧閾値)は、第1の電圧閾値より低く設定されるものであるが、バランススイッチ素子13の切替によるチャタリングを防止すべくヒステリシスをもたせてより小さな設定値としてもよい。
The OFF condition (second overvoltage threshold) of the
第3の制御方法を用いる構成とすることにより、第2の制御方法を用いた構成よりも、キャパシタセル3の電圧を早く低下させることができるため、キャパシタセル3の過電圧による故障を防止できる。高電圧、高温によるキャパシタセル3の劣化の状態を早く解消することができるため、キャパシタ2の長寿命化に効果的である。
By adopting the configuration using the third control method, the voltage of the
以上、本実施形態の電源装置によれば、キャパシタ2の放電及び充電の際に生じるキャパシタ2の発熱と劣化を抑制することができる。キャパシタ2が異常状態(発熱、或いは劣化状態)になったときも、キャパシタ2からの放電電圧を0にさせることがないので、常に二次電池1への電力保障を実現できる。キャパシタ2の異常を防ぐ(異常から回復させる)ことができるので、二次電池1の容量低減も可能となり、二次電池1の小型化を図れる。また、二次電池1の負担が減ることから、二次電池1の放電電流の増加によるダメージも抑制できるので、二次電池1の長寿命化にも効果的である。
As mentioned above, according to the power supply device of this embodiment, the heat_generation | fever and deterioration of the
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定される。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other types are assumed.
各スイッチング素子5,9,11,13を構成するMOSFET7として、NチャネルMOSFETを用い、低抵抗な構成としたが、各スイッチング素子5,9,11,13の少なくとも1つにPチャネルMOSFETを用いてもよい。
N-channel MOSFETs are used as the
判別制御手段15は、汎用マイコンを用いて構成したが、他に、専用のICを用いて構成してもよい。電流検出手段23は、差動アンプを用いて、スイッチング素子5,9の両端の電圧を測定するものであるが、他に、ホール素子による検出、シャント抵抗の電圧測定、カレントトランスの電圧測定による電流検出をしてもよく、スイッチング素子5,9を流れる電流を検出可能な機能を有すれば、他のものを用いてもよい。温度検出手段20としては、PTCサーミスタ21を用いたが、他にNTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスタ、温度ICを用いて温度検出する構成としてもよい。温度検出箇所は、キャパシタセル3表面としたが、温度検出箇所を、キャパシタ2に接続される回路基板、キャパシタ2を収容する筐体としてもよい。
Although the discrimination control means 15 is configured using a general-purpose microcomputer, it may be configured using a dedicated IC. The current detection means 23 measures the voltage across the
本実施形態では、キャパシタ2の電流経路4に、放電遮断スイッチング素子5、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11とを設けた構成としたが、キャパシタへの充電電流を制限するスイッチング素子及びキャパシタへの充電電流の制限及び遮断の少なくとも一つを行うスイッチング素子として、充電遮断スイッチング素子9のみを電流経路4に設けた構成としてもよく、或いは充電遮断スイッチング素子9と充電遮断スイッチング素子9に並列に接続される充放電制限スイッチング素子11と充電制限用抵抗とを電流経路4に設けた構成としてもよい。
In this embodiment, the current cut-off
次に、好適な第2の実施形態の電源装置について説明する。 Next, a power supply device according to a preferred second embodiment will be described.
本実施形態の電源装置の基本的な構成部分は、上述した図1の電源装置10とほぼ同様であるが、前実施形態のキャパシタ2を、電気二重層キャパシタ(EDLC)に代わりリチウムイオンを負極に用いたハイブリッドキャパシタ(HC)とした点において異なる。
The basic components of the power supply device of the present embodiment are substantially the same as those of the
ここで、一般的な電気二重層キャパシタとハイブリッドキャパシタの放電特性の違いについて、図7を用いて説明する。 Here, a difference in discharge characteristics between a general electric double layer capacitor and a hybrid capacitor will be described with reference to FIG.
図7は、電気二重層キャパシタとハイブリッドキャパシタのそれぞれについて、放電量と電圧の関係を示したグラフである。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the discharge amount and the voltage for each of the electric double layer capacitor and the hybrid capacitor.
電気二重層キャパシタ(図中、グラフ71)及びハイブリッドキャパシタ(図中、グラフ72)は、放電量が多くなるに従って電圧が下がる。ハイブリッドキャパシタは、電気二重層キャパシタ2に対して放電電圧が高い。しかしながら、電気二重層キャパシタは、放電電圧が0になるまで放電可能であるのに対し、ハイブリッドキャパシタは、放電量が大きくなり、放電限界となる電圧(下限電圧)を下回るまで放電すると劣化し、その劣化は回復不可能である。
In the electric double layer capacitor (
本実施形態の電源装置は、電気二重層キャパシタよりも高い放電電圧を有するハイブリッドキャパシタを備え、そのハイブリッドキャパシタの電圧が上記の下限電圧(過放電電圧)以下になるのを防ぐためのステップを含む構成としたものである。 The power supply device of this embodiment includes a hybrid capacitor having a discharge voltage higher than that of the electric double layer capacitor, and includes a step for preventing the voltage of the hybrid capacitor from being equal to or lower than the lower limit voltage (overdischarge voltage). It is a configuration.
本実施形態の電源装置の制御方法について図8に基づき説明する。 The control method of the power supply device of this embodiment is demonstrated based on FIG.
図8に示すように、本電源装置では、図6で説明した前実施形態の電源装置(第3の制御方法)において、キャパシタ2の温度が第1の温度閾値を超えない場合(ステップS1→N)、通常動作に移行するところ、キャパシタセル3の電圧を測定し、予め設定した過放電電圧閾値と比較する(ステップS21)。
As shown in FIG. 8, in this power supply device, when the temperature of the
キャパシタセル3の電圧が過放電閾値よりも大きい場合(S21→N)、各スイッチング素子はONのまま通常動作される(ステップS22)。
When the voltage of the
キャパシタセル3の電圧が過放電閾値以下である場合(S21→Y)、図4に示すように、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11はONのまま、放電遮断スイッチング素子5のみをOFFにするモードとなる(ステップS23,第4制御モード)。
When the voltage of the
第4制御モードでは、キャパシタ2からの放電経路は、放電遮断スイッチング素子5がOFFかつ、放電遮断スイッチング素子5のボディダイオード8が放電電流方向と逆向きであるから、遮断される。キャパシタ2への充電経路は、充電遮断スイッチング素子9及び充放電制限スイッチング素子11を通過し、放電遮断スイッチング素子5のボディダイオードを通過してキャパシタ2へ到達する。放電遮断スイッチング素子5をOFFにした状態では、キャパシタセル3の放電は遮断されるので電圧が下がることなく、充電のみが可能となるので電圧は次第に上昇する。キャパシタセル3の電圧は、判別制御手段15で監視され、キャパシタセル3の電圧が予め設定された第2の過放電閾値より高くなるまで、放電遮断スイッチング素子5をOFFのままとする(ステップS24→Y)。
In the fourth control mode, the discharge path from the
キャパシタセル3の電圧が第2の過放電閾値より高くなったとき(S24→N)、放電遮断スイッチング素子5はONにされ、通常動作が開始される(ステップS25)。第2の過放電閾値は、第1の過放電閾値よりも高く設定されている。第2の過放電閾値を、キャパシタセル3の下限電圧を示す第1の過放電閾値よりも高くすることで、通常動作を再開してもキャパシタセル3の電圧が異常電圧にすぐに到達しないようにするためである。
When the voltage of the
本電源装置によれば、ハイブリッドキャパシタ2を用いることにより、電気二重層キャパシタ2を用いた場合に比べ、高い放電出力が得られる。ただし、ハイブリッドキャパシタ2は、高い放電出力が得られるものの、過放電状態になると激しく劣化するものである。本電源装置は、キャパシタセル3の電圧が低くなったことを検知し、キャパシタセル3の放電を停止させる制御を行うことにより、過放電によるキャパシタセル3の故障を防止することができる。本電源装置は、ハイブリッドキャパシタが過放電状態になるのを防ぎ、ハイブリッドキャパシタの長寿命化を図ることができる。
According to this power supply apparatus, by using the
次に、本発明に係る好適な第3の実施形態の電源装置について説明する。 Next, a power supply device according to a preferred third embodiment of the present invention will be described.
図10に示すように、本実施形態の電源装置30の基本的な構成部分は、上述した図1の電源装置10とほぼ同様であり、同一構成部分には図1の場合と同一の符号を付してあるが、図1のキャパシタ2と並列に別のキャパシタを接続し、そのキャパシタ2の電流経路にも前実施形態と同様の放電遮断スイッチング素子及び充電制御スイッチング部を接続し、両キャパシタ2,32に接続されたスイッチング素子が1つの判別制御手段に接続される点において異なる。
As shown in FIG. 10, the basic components of the
具体的には、電源装置30は、二次電池1にそれぞれ並列に接続された第1のキャパシタ2と第2のキャパシタ32とを備える。
Specifically, the
第1のキャパシタ2の+側の電流経路には第1の放電遮断スイッチング素子5、第1の充電遮断スイッチング素子、第1の充放電制限スイッチング素子11及び充電制限用抵抗12が接続され、第2のキャパシタ32の+側の電流経路にも、第2の放電遮断スイッチング素子33、第2の充電遮断スイッチング素子34、第2の充放電制限スイッチング素子35及び第2の充電制限用抵抗36が同様に接続される。バランススイッチング素子、温度検出手段、電流検出手段も第1のキャパシタ側と第2のキャパシタ2側の両方にそれぞれ設けられている(図示せず)。
The first discharge
判別制御手段36は、第1の各スイッチング素子5,9,11及び第2の各スイッチング素子33〜35に接続される。具体的には、判別制御手段36は、第1のキャパシタ2側の各スイッチング素子5,9,11を駆動する第1のゲートドライバ37と、第2のキャパシタ32側の各スイッチング素子33〜35を駆動する第2のゲートドライバ38と、第1及び第2のゲートドライバ37,38に接続され、スイッチ制御をするCPU39とを備える。また、判別制御手段36は、前実施形態と同様に、温度検出手段、電流検出手段にも接続される(図示せず)。
The discrimination control means 36 is connected to the
本実施形態の電源装置30によれば、第一、第二の実施形態の作用効果に加え、一方のキャパシタ2が異常或いは故障したとしても、他方のキャパシタ32が充放電を維持することができるので、キャパシタ2、32からの放電電圧が0になることを防ぎ、二次電池1への電力保障を確実に実現することができる。二次電池1の負担が軽減されるので、二次電池1の容量を低減し、小型化を図ることができる。また、二次電池1の負担が減ることから、二次電池1の放電電流の増加によるダメージも抑制できるので、二次電池1の長寿命化にも効果的である。
According to the
1 二次電池
2 キャパシタ
3 キャパシタセル
5 放電遮断スイッチング素子
6 充電制御スイッチング部
7 MOSFET
8 ボディダイオード
9 充電遮断スイッチング素子
10 電源装置
11 充放電制限スイッチング素子
12 充電制限用抵抗
13 バランススイッチ素子
15 判別制御手段(マイコン)
20 温度検出手段
30 電源装置
32 第二のキャパシタ
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
20 Temperature detection means 30
Claims (12)
前記キャパシタの温度及び前記キャパシタの電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出値に基づき、前記キャパシタからの放電電流を遮断するスイッチング素子と、
前記検出手段の検出値に基づき、前記キャパシタへの充電電流の制限及び遮断の少なくとも一つを行うスイッチング素子部とを備え、
前記充電電流の制限及び遮断の少なくとも一方を行うスイッチング素子部は、
前記キャパシタの電流経路に接続されたMOSFETと、そのMOSFETに並列かつ前記キャパシタへの充電電流方向と逆向きに接続されるダイオードとからなる第1のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子と並列に接続されたMOSFETと、そのMOSFETに並列かつ前記キャパシタへの充電電流方向と逆向きに接続されるダイオードとからなる第2のスイッチング素子と、
その第2のスイッチング素子に直列接続される充電制限用抵抗とで構成され、
前記キャパシタの内部抵抗、及び、前記検出手段で検出される温度が予め設定された閾値よりも高いとき、前記第1のスイッチング素子をオフにする構成とした電源装置。 In a power supply device comprising a secondary battery and a capacitor connected in parallel to the secondary battery,
Detecting means for detecting the temperature of the capacitor and the voltage of the capacitor;
A switching element for cutting off a discharge current from the capacitor based on a detection value of the detection means;
A switching element unit that performs at least one of limiting and cutting off the charging current to the capacitor based on the detection value of the detection unit;
The switching element unit that performs at least one of limiting and blocking the charging current,
A first switching element comprising: a MOSFET connected to the current path of the capacitor; and a diode connected in parallel to the MOSFET and in a direction opposite to the charging current direction of the capacitor;
Said first MOSFET connected in parallel with the switching element, a second switching element comprising a diode connected in parallel and charge current direction opposite to the capacitor to the MOSFET,
A charge limiting resistor connected in series to the second switching element,
A power supply apparatus configured to turn off the first switching element when an internal resistance of the capacitor and a temperature detected by the detection unit are higher than a preset threshold value.
前記検出手段で検出されるキャパシタの温度が予め設定された温度閾値よりも高く、かつ、前記検出手段で検出される前記キャパシタの電圧が予め設定された電圧閾値よりも高いとき、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を共にオフにする構成とした電源装置。 The power supply device according to claim 1 , wherein
When the temperature of the capacitor detected by the detection means is higher than a preset temperature threshold and the voltage of the capacitor detected by the detection means is higher than a preset voltage threshold, the first A power supply apparatus configured to turn off both the switching element and the second switching element.
前記キャパシタは、一つ或いは互いに直列接続された複数個のキャパシタセルからなり、前記検出手段は、任意のキャパシタセルの電圧を検出可能に各キャパシタセルに接続された電源装置。 The power supply device according to claim 1 or 2 ,
The capacitor is composed of one or a plurality of capacitor cells connected in series with each other, and the detection means is a power supply device connected to each capacitor cell so that the voltage of any capacitor cell can be detected.
互いに直列接続されたバランススイッチ素子と抵抗とが各キャパシタセルに並列に接続され、前記バランススイッチ素子は、MOSFETと、そのMOSFETに並列かつ前記キャパシタへの放電電流方向と逆向きに接続されるダイオードとからなる電源装置。 The power supply device according to claim 3 , wherein
A balance switch element and a resistor connected in series with each other are connected in parallel to each capacitor cell, and the balance switch element is a MOSFET and a diode connected in parallel to the MOSFET and in the opposite direction to the discharge current direction to the capacitor. A power supply unit consisting of
少なくとも一つのキャパシタセルの温度が予め設定された温度閾値を超え、かつ、そのキャパシタセルの電圧が予め設定された電圧閾値よりも高く設定された過電圧閾値を超えたときに、前記バランススイッチ素子をオンにする構成とした電源装置。 The power supply device according to claim 4 ,
When the temperature of at least one capacitor cell exceeds a preset temperature threshold and the voltage of the capacitor cell exceeds an overvoltage threshold set higher than a preset voltage threshold, the balance switch element is A power supply configured to be turned on.
前記放電電流を遮断するスイッチング素子は、前記キャパシタの電流経路に接続されたMOSFETと、そのMOSFETに並列かつ前記キャパシタの放電電流方向と逆向きに接続されるダイオードとからなる第3のスイッチング素子で構成された電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 5 ,
The switching element that cuts off the discharge current is a third switching element that includes a MOSFET connected to the current path of the capacitor and a diode connected in parallel to the MOSFET and in a direction opposite to the discharge current direction of the capacitor. Configured power supply.
前記キャパシタは、電気二重層キャパシタである電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 6 ,
The power supply device, wherein the capacitor is an electric double layer capacitor.
前記キャパシタは、リチウムイオンを負極に用いたハイブリッドキャパシタである電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 7 ,
The said capacitor is a power supply device which is a hybrid capacitor which used lithium ion for the negative electrode.
前記キャパシタの電流経路には、MOSFETと、そのMOSFETに並列かつ前記キャパシタへの放電電流方向と逆向きに接続されるダイオードとからなる第3のスイッチング素子が接続された電源装置。 The power supply device according to claim 8 , wherein
A power supply apparatus in which a third switching element comprising a MOSFET and a diode connected in parallel to the MOSFET and in a direction opposite to the discharge current direction to the capacitor is connected to the current path of the capacitor.
前記ハイブリッドキャパシタの過放電電圧閾値が設定され、前記ハイブリッドキャパシタの放電電圧が前記過放電電圧閾値より低くなったとき、前記第3のスイッチング素子をオフにする構成とした電源装置。 The power supply device according to claim 9 , wherein
A power supply apparatus configured to turn off the third switching element when an overdischarge voltage threshold of the hybrid capacitor is set and a discharge voltage of the hybrid capacitor becomes lower than the overdischarge voltage threshold.
前記キャパシタと並列に接続された別のキャパシタと、前記別のキャパシタの温度及び前記別のキャパシタの電圧を検出する別の検出手段と、前記別の検出手段の検出値に基づき、前記別のキャパシタからの放電電流を制限する別のスイッチング素子と、前記別の検出手段の検出値に基づき、前記別のキャパシタへの充電電流の制限及び遮断の少なくとも一つを行う別のスイッチング素子とを備えたことを特徴とする電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 10 ,
Another capacitor connected in parallel with the capacitor, another detection means for detecting a temperature of the another capacitor and a voltage of the other capacitor, and the other capacitor based on a detection value of the another detection means Another switching element that limits the discharge current from the other capacitor, and another switching element that performs at least one of limiting and cutting off the charging current to the other capacitor based on the detection value of the other detection means. A power supply device characterized by that.
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