JP5428589B2

JP5428589B2 - リチウムイオンキャパシタセルの充放電装置

Info

Publication number: JP5428589B2
Application number: JP2009158381A
Authority: JP
Inventors: 隆之山本
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: JP2011015561A

Description

本発明は、複数のリチウムイオンキャパシタセルが直列接続されてなるリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置に関し、特に、電圧均等化回路及び過放電保護回路を備えたリチウムイオンキャパシタセル充放電装置に関する。

リチウムイオンキャパシタは一般的に活性炭等を構成材料とした正極と、黒鉛やグラファイトなどを主とした負極とを、セパレータを介して対向させた構造となっており、正極は電気二重層キャパシタ、負極はリチウムイオン二次電池と同様の構成を有している。電極間は電解質塩を含む有機溶媒で満たされている。このようなリチウムイオンキャパシタは、予め負極にリチウムイオンを吸蔵させて電位を持たせることにより電気二重層キャパシタよりも高い２．２Ｖから３．８Ｖ程度の動作電圧範囲を有している。この高い動作電圧によって電気二重層キャパシタに比較して３〜４倍の高エネルギーを蓄えることが可能である。そのため電気二重層キャパシタのエネルギーでは不十分であった高エネルギーを要する用途や、ある程度長い放電時間が必要な用途への適用が期待され、電源バックアップ用途への適用において電気二重層キャパシタや二次電池よりも優位性が得られると考えられる。

一方でリチウムイオンキャパシタは一般的に上述したように動作電圧範囲が定められており、この電圧範囲内での使用であれば、特性低下は小さく電気二重層キャパシタと同等程度の寿命を有し、長期にわたる安定使用が可能であるものの、この電圧範囲を超えてしまうと急速に劣化してしまう。このため使用に際しては電圧の監視と制御を行う必要がある。

これに対し、現在リチウムイオン二次電池においても電圧の監視と制御が必要であり、そのために保護回路が標準的に搭載されている。これは二次電池が過充電や過放電となるといずれの場合も熱暴走につながり、発火・爆発に至る危険性があるためである。このため常時セル電圧を監視し過充電・過放電それぞれの場合に電界効果トランジスタを制御して主回路を遮断する方式がとられており、またセル電圧を監視するための手段として多種の論理回路などの素子を複雑に組み合わせて高精度な電圧検出と充放電の制御が行われている。

リチウムイオンキャパシタの動作電圧範囲は、リチウムイオン二次電池と近い上限・下限電圧に設定されている。この動作電圧範囲を超過した場合、急速な特性低下さらには故障モードへの移行が生じる。このためセル電圧を監視する必要があるが、現状リチウムイオンキャパシタ用の電圧監視及び過充電・過放電保護用の専用ＩＣはなく、専用の充放電制御回路もない。

リチウムイオンキャパシタを過放電から保護する場合、リチウムイオン二次電池と動作電圧範囲が近いことから特許文献１のような二次電池用の過放電保護回路を適用することも電圧範囲を制御するという点では可能である。しかし各セルの電圧を監視して特定セルが過放電となった場合に警報を出力する、あるいはスイッチ手段を用いて主回路を遮断するといった方法をとると、直列接続をした段階ですでにセル間の電圧に差があった場合や特性の差によってセル間に電圧差が生じた場合には、設定した放電電圧に達する前に過放電が検出され十分に放電できないといった事態が生じる可能性がある。

このような電圧ばらつきを回避するために特許文献２のような電圧均等化回路を設けることが広く行われている。

特開２０００−１４０２５号公報特開２００５−３１２１６１号公報

しかしながら、電圧ばらつきを回避するために特許文献２に記載されたような電圧均等化回路を設ける場合、電圧均等化回路はそれ自体でエネルギーを消費する場合が多く、設置に際しては過放電に至らせないようにしなくてはならない。

本発明はこのような問題を解決するものであって、エネルギーの損失を抑制することを可能としたリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、前記各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、充電時に隣接する前記リチウムイオンキャパシタセル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、各前記リチウムイオンキャパシタセルにそれぞれ並列に接続された第１スイッチおよび分圧抵抗からなる多数の直列部とを有し、前記第１スイッチが、充放電主回路と電気的に絶縁され、前記充放電主回路の充電電流によりオンオフ制御される第２スイッチから出力される信号に基づいて開閉を行い、前記第２スイッチの信号が、前記差分演算回路の出力と、前記充放電主回路と電気的に絶縁され充電時に流れる主回路電流の有無によりオンオフ制御される第３スイッチの出力との論理積であることを特徴とする。

また、第２の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、第１の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置において、各前記セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、前記充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかの前記セルの電圧が所定電圧以下の場合に前記電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第４スイッチとを備え、放電時、前記第４スイッチがオン出力である場合に警報を出力することを特徴とする。

また、第３の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、前記各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、充電時に隣接する前記リチウムイオンキャパシタセル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、各前記リチウムイオンキャパシタセルにそれぞれ並列に接続された第１スイッチおよび分圧抵抗からなる多数の直列部とを有し、前記第１スイッチが、充放電主回路と電気的に絶縁され、前記充放電主回路の充電電流によりオンオフ制御される第２スイッチから出力される信号に基づいて開閉を行うとともに、前記充放電主回路と電気的に絶縁され前記充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第５スイッチを有し、前記差分演算回路が放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力し、前記第５スイッチから出力される信号と、前記差分演算回路の出力との論理積に基づき警報出力を行うことを特徴とする。

また、第４の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、第１の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置において、前記充放電主回路と電気的に絶縁され前記充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第５スイッチを有し、前記差分演算回路が放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力し、前記第５スイッチから出力される信号と、前記差分演算回路の出力との論理積に基づき警報出力を行うことを特徴とする。

また、第５の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、第３又は第４の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置において、各前記セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、前記充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかの前記セルの電圧が所定電圧以下の場合に前記電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第４スイッチとを備え、放電時、前記第４スイッチがオン出力である場合に警報を出力することを特徴とする。

また、第６の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、前記各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、充放電主回路と電気的に絶縁され前記充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第５スイッチとを有し、前記差分演算回路の出力と、前記第５スイッチから出力される信号との論理積に基づき警報出力を行うことを特徴とする。

また、第７の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、第３乃至第６のいずれかの発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置において、各前記セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、前記充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかの前記セルの電圧が所定電圧以下の場合に前記電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第４スイッチとを備え、放電時、前記差分演算回路の出力と、前記第４スイッチの出力との論理積に基づいて警報出力を行うことを特徴とする。

上述した第１の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、充電時に隣接するリチウムイオンキャパシタセル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、各リチウムイオンキャパシタセルにそれぞれ並列に接続された第１スイッチおよび分圧抵抗からなる多数の直列部とを有し、第１スイッチが、充放電主回路と電気的に絶縁され、充放電主回路の充電電流によりオンオフ制御される第２スイッチから出力される信号に基づいて開閉を行うので、電圧均等化のためのリレースイッチをオンオフ制御する入力スイッチの動作電力を充放電主回路の充放電電流を直接利用することなく供給することができる。また、第２スイッチの信号が、差分演算回路の出力と、充放電主回路と電気的に絶縁され充電時に流れる主回路電流の有無によりオンオフ制御される第３スイッチの出力との論理積であるので、充電時における隣接するセル間の電圧のばらつきを検出することができる。

上述した第２の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、各セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかのセルの電圧が所定電圧以下の場合に電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第４スイッチとを備え、放電時、第４スイッチがオン出力である場合に警報を出力するので、過度に早い過放電検出による装置の停止および高頻度のセル交換を回避でき、長期にわたって安定した使用が可能となる。

上述した第３の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、充電時に隣接するリチウムイオンキャパシタセル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、各リチウムイオンキャパシタセルにそれぞれ並列に接続された第１スイッチおよび分圧抵抗からなる多数の直列部とを有し、第１スイッチが、充放電主回路と電気的に絶縁され、充放電主回路の充電電流によりオンオフ制御される第２スイッチから出力される信号に基づいて開閉を行うので、電圧均等化のためのリレースイッチをオンオフ制御する入力スイッチの動作電力を充放電主回路の充放電電流を直接利用することなく供給することができる。また、充放電主回路と電気的に絶縁され充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第５スイッチを有し、差分演算回路が放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力し、第５スイッチから出力される信号と、差分演算回路の出力との論理積に基づき警報出力を行うので、放電時における隣接するセル間の電圧のばらつきを検出することができる。

上述した第４の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、充放電主回路と電気的に絶縁され充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第５スイッチを有し、差分演算回路が放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力し、第５スイッチから出力される信号と、差分演算回路の出力との論理積に基づき警報出力を行うので、放電時における隣接するセル間の電圧のばらつきを検出することができる。

上述した第５の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、各セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかのセルの電圧が所定電圧以下の場合に電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第４スイッチとを備え、放電時、第４スイッチがオン出力である場合に警報を出力するので、過度に早い過放電検出による装置の停止および高頻度のセル交換を回避でき、長期にわたって安定した使用が可能となる。

上述した第６の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、充放電主回路と電気的に絶縁され充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第５スイッチとを有し、差分演算回路の出力と、第５スイッチから出力される信号との論理積に基づき警報出力を行うので、放電時における隣接するセル間の電圧のばらつきを検出することができる。

上述した第７の発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、各セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかのセルの電圧が所定電圧以下の場合に電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第４スイッチとを備え、放電時、差分演算回路の出力と、第４スイッチの出力との論理積に基づいて警報出力を行うので、各セル間の電圧差の発生と放電状態の検出とを組み合わせることにより、キャパシタモジュール内の各セルの電圧状態（電圧ばらつきの発生）を充放電主回路の外部から確認することが可能になるとともに、キャパシタモジュール内の劣化セルおよび故障セルの存在を検出することが可能となる。

本発明の実施例１に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の過放電警報回路を示す回路図である。本発明の実施例２に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の過放電警報回路を示す回路図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の詳細について説明する。

図１を用いて本発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の第１の実施例を説明する。図１は本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の過放電警報回路の一例を示す回路図である。

図１に示すように、本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の充放電主回路において、電力の充放電を行う複数の蓄電素子としてのリチウムイオンキャパシタセル（以下、単にキャパシタセルという）Ｃ１，Ｃ２，…，Ｃｎは直列に接続されている。

そして、これら複数のキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの正極（Ｐ）側に直列に、正極から負極（Ｎ）方向を導通方向とする第３スイッチとしてのフォトカプラＰＣ１の一次側、及び、負極から正極方向を導通方向とする第５スイッチとしてのフォトカプラＰＤ１の一次側が接続されている。

これらフォトカプラＰＣ１，ＰＤ１の一次側には直列に分圧抵抗ＲＣ，ＲＤがそれぞれ接続されている。さらに、フォトカプラＰＣ１の二次側は、入力が電源ＶＣＣ１に接続され、出力が二つの入力の論理積を出力する論理回路ＡＮＤ１の一方の入力に接続されている。フォトカプラＰＤ１の二次側は、入力が電源ＶＣＣ１に接続され、出力が二つの入力の論理積を出力する論理回路ＡＮＤ２の一方の入力に接続されている。

また、各キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎは、それぞれその両端が、内部にＡ／Ｄ変換器を備える差分演算回路１の入力に接続されている。差分演算回路１は二つの出力Ｃout，Ｄoutを有しており、これら出力Ｃout，Ｄoutがそれぞれ論理回路ＡＮＤ１，ＡＮＤ２の他方の入力に接続されている。論理回路ＡＮＤ１の出力は後述するフォトカプラＰＣ２の一次側入力に接続され、論理回路ＡＮＤ２の出力は警報Ｗ２を出力する警報出力手段に接続されている。

差分演算回路１は、各キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの両端の電圧を入力し、隣接するキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧差の演算を行う。そして、隣接するキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧差が０．２Ｖ以上になったときに出力ＣoutおよびＤoutからＨＩレベルに相当する信号を出力する。出力ＣoutおよびＤoutから出力される信号は、その後、隣接するキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧差が例えば０．０５Ｖ未満になったときはＬＯＷレベル相当に遷移する。

さらに、各キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎには、電圧検出器Ｑ１，Ｑ２，…，Ｑｎと、第１スイッチとしてのリレーＲＹ１，ＲＹ２，…，ＲＹｎ及び分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎがそれぞれ直列に接続されてなる直列部とがそれぞれ並列に接続されている。

各電圧検出器Ｑ１，Ｑ２，…，Ｑｎは制御信号の入力部がそれぞれフォトカプラＰ１，Ｐ２，…，Ｐｎの一次側に接続されている。フォトカプラＰ１，Ｐ２，…，Ｐｎの二次側は、それぞれ入力が電源ＶＣＣ２に接続され、出力がグラウンドに接続されている。さらに、これらフォトカプラＰ１，Ｐ２，…，Ｐｎと電源ＶＣＣ２の電源端との間に第４スイッチとしての警報出力用のフォトカプラＰＤ２の一次側が接続されている。フォトカプラＰＤ２の二次側は警報Ｗ１を出力する警報出力手段に接続されている。

さらに、各リレーＲＹ１，ＲＹ２，…，ＲＹｎの電源入力は正極側が電源ＶＣＣ２に接続されており、負極側が第２スイッチとしてのフォトカプラＰＣ２の二次側を介してグラウンドに接続されている。フォトカプラＰＣ２の一次側は、入力が論理回路ＡＮＤ１の出力に接続され、出力がグラウンドに接続されている。

なお、リレーＲＹ１，ＲＹ２，…，ＲＹｎについてはフォトカプラに置き換えることも可能である。

以下に、本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充電装置による作用効果について説明する。本実施例において、キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの充電が行われるとき、主回路の正極から負極へ電流が流れる。このときフォトカプラＰＣ１は充電電流検出手段として動作する。

詳しくは、キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの充電が行われるとき、充電電流が分圧抵抗ＲＣを介して分流され、フォトカプラＰＣ１の一次側入力端に電流が印加される。これにより、フォトカプラＰＣ１の二次側がオンとなり、電源ＶＣＣ１から論理回路ＡＮＤ１へＨＩレベル相当の信号が入力される。

ここで、充電時のキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間のばらつきが０．２Ｖ未満である場合、差分演算回路１の出力ＣoutはＬＯＷレベルに相当するため、論理回路ＡＮＤ１の出力もＬＯＷレベル相当となる。この結果、フォトカプラＰＣ２の二次側はオフとなり、各リレーＲＹ１，ＲＹ２，…，ＲＹｎの電源入力端への電源ＶＣＣ２からの入力は遮断され、リレーＲＹ１，ＲＹ２，…，ＲＹｎはオープンとなる。

これに対し、充電時のキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間のばらつきがもともと０．２Ｖ以上だった場合、もしくは充電中に０．２Ｖ以上になった場合は、差分演算回路１の出力ＣoutがＨＩレベル相当となり、これにより論理回路ＡＮＤ１の出力がＨＩレベル相当となる。その結果、フォトカプラＰＣ２の二次側がオンとなり、各リレーＲＹ１，ＲＹ２，…，ＲＹｎの電源入力端へ電源ＶＣＣ２から電源が供給され、リレーＲＹ１，ＲＹ２，…，ＲＹｎがオンとなる。これにより、各キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎにそれぞれ並列に接続された分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎの線路が導通するため、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２，…，ＲｎによりキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの電圧均等化が行われる。

その結果、次回の放電時にはキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの電圧が均等化された状態で放電を開始することができるため、相対的に低電圧方向にシフトしたキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎによる早々の過放電警報Ｗ２の出力、頻繁な過放電警報Ｗ２の発生を抑制することが可能となり、長期にわたる安定的な使用を継続することが可能となる。

さらに、キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの電圧均等化が進み、キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧差が設定値以下となると、差分演算回路１の出力ＣoutがＬＯＷレベル相当となるため、論理回路ＡＮＤ１の出力がＬＯＷレベル相当となり、フォトカプラＰＣ２の二次側がオフとなって、リレーＲＹ１，ＲＹ２，…，ＲＹｎの接点がオープンとなることから、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２，…，ＲｎによるキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎのエネルギーの消費を抑制することができる。

また、特定のキャパシタセルＣｉ（１≦ｉ≦ｎ）の劣化や故障モードに伴い、このキャパシタセルＣｉと、隣接するキャパシタセル（例えば、C（ｉ＋１））との間に大きな電圧差が生じていた場合にはキャパシタセルＣｉ，C（ｉ＋１）間の電圧ばらつきが解消しきる前に電流が絞り込まれてしまうことが考えられる。この場合はフォトカプラＰＣ１の二次側がオフとなることから、キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの電圧均等化が十分に行われる前にリレーＲＹ１，ＲＹ２，…，ＲＹｎがオープンとなってしまうが、差分演算回路Sの出力ＣoutはＨＩレベルを維持するので次回の放電時にキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間に電圧のばらつきが残っていることを直ちに検出して過放電への対応を取ることが可能となり、また故障しているキャパシタセルＣｉの存在を早期に知ることも可能となる。

また、キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの放電が行われる場合、負極から正極へ電流が流れる。このときフォトカプラＰＤ１は放電電流検出手段として動作する。放電電流が分圧抵抗ＲＤを介して分流されフォトカプラＰＤ１の入力端に電流が印加される。これによりフォトカプラＰＤ１の二次側がオンとなり、電源ＶＣＣ１から論理回路ＡＮＤ２へＨＩレベル相当の信号が出力される。

ここで、放電時のキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧のばらつきが０．２Ｖ未満の場合、差分演算回路１の出力ＤoutはＬＯＷレベルに相当するため、論理回路ＡＮＤ２の出力もＬＯＷレベル相当となる。これにより警報Ｗ２は出力されない。

これに対し、放電時のキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧のばらつきが０．２Ｖ以上の場合、論理回路ＡＮＤ２の出力はＨＩレベル相当となり、論理回路ＡＮＤ２の出力を受けて電界効果トランジスタやフォトカプラを駆動させることにより、警報Ｗ２として外部に放電時のキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧のばらつきの発生を知らせることが可能となる。

また、本実施例においては各電圧検出器Ｑ１，Ｑ２，…，Ｑｎの検出電圧をリチウムイオンキャパシタの下限電圧である２．２Ｖに設定する。これにより放電時に特定のキャパシタセルＣｉ（１≦ｉ≦ｎ）の電圧の下限が２．２Ｖに達した際には、このキャパシタセルＣｉに対応する電圧検出器Ｑｉ内部のトランジスタがオンとなることにより、この電圧検出器Ｑｉの出力端に接続されたフォトカプラＰｉの一次側に電流が流れ、二次側がオンとなる。

一つのフォトカプラＰｉの二次側がオンとなると、電源ＶＣＣ２からフォトカプラＰｉの二次側を介して電流が流れるため、フォトカプラＰＤ２の一次側に電流が流れ、二次側がオンとなる。その結果、外部へ過放電についての警報Ｗ１を出力することができ、さらにフォトカプラＰＤ２の二次側出力と主回路のスイッチング手段（図示せず）を連携させることにより、過放電警報Ｗ１の出力と同時に主回路の遮断によるキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの保護が可能となる。

このように構成される本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、特定の条件下（充電時に隣接するキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧差が０．２Ｖ未満、放電時に各キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの電圧が２．２Ｖ以上）でのみ電圧均等化回路が導通する構成としたことにより、均等化不要時の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２，…，ＲｎによるキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎのエネルギーおよび充電に用いるエネルギーの損失の抑制、低電圧側にシフトしたキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎによる所定より短時間での過放電への到達の防止、及び、低電圧側にシフトしたキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎの存在による頻繁な過放電検出とこれによる装置の停止の防止が可能となる。

図２を用いて本発明に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の第２の実施例を説明する。図２は本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の過放電警報回路の一例を示す回路図である。

本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置は、図１に示し上述したリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置の過放電警報回路に図２に示す論理積を出力する論理回路ＡＮＤ３を追加したものである。

図２に示すように、本実施例において、差分演算回路１からの出力Ｄoutと、フォトカプラＰＤ２の二次側出力とが、論理回路ＡＮＤ３の入力に接続され、この論理回路ＡＮＤ３の出力が警報Ｗ３を出力する警報出力手段に接続されている。その他の構成は図１に示し上述した構成と概ね同様であり、以下、同一の作用を奏する部材については同一の符合を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。なお、実施例１において説明したように、電圧検出器Ｑ１，Ｑ２，…，Ｑｎの出力によりフォトカプラＰ１，Ｐ２，…，Ｐｎの一次側に電流が流れて二次側がオンとなることで、フォトカプラＰＤ２の一次側に電流が流れ、これによりフォトカプラＰＤ２の二次側がオンとなる。

以下に、本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充電装置による作用効果について説明する。本実施例においては、論理回路ＡＮＤ３を追加したことにより、放電時に、過放電の検出信号とキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧のばらつきの有無の信号との組み合わせに基づいて警報Ｗ３を出力することができる。即ち、本実施例では、キャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間に電圧のばらつきがあり、かつ、電圧検知器Ｑｉからの出力によりフォトカプラＰｉを介してフォトカプラＰＤ２の二次側がオンとなって論理回路ＡＮＤ３に過放電検出の出力としてＨＩレベル相当の信号が入力されたときに、警報Ｗ１および警報Ｗ３が出力されることとなる。これは、電圧均等化回路によってキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧のばらつきが解消されない状態で過放電に達したことを示している。これにより、キャパシタセルＣｉが著しく劣化した、あるいは故障モードとなっていることを検出することが可能となる。

このように構成された本実施例に係るリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置によれば、実施例１の効果に加えて、充電時のキャパシタセルＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎ間の電圧のバラツキの検出が維持されることにより、劣化または故障したキャパシタセルＣｉを早期に発見することが可能となるという効果が得られる。

本発明は、複数のセルが直列接続されたリチウムイオンキャパシタセルの過放電装置に適用して好適なものである。

１差分演算回路
Ｃ１，Ｃ２，…，Ｃｎキャパシタセル
ＶＣＣ１，ＶＣＣ２電源
ＲＣ，ＲＤ分圧抵抗
Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎ分圧抵抗
ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＤ１，ＰＤ２フォトカプラ
Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｎフォトカプラ
Ｑ１，Ｑ２，…，Ｑｎ電圧検出器
ＲＹ１，ＲＹ２，…，ＲＹｎリレー
ＡＮＤ１，ＡＮＤ２，ＡＮＤ３論理回路
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３警報

Claims

多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、前記各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、
充電時に隣接する前記リチウムイオンキャパシタセル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、
各前記リチウムイオンキャパシタセルにそれぞれ並列に接続された第１スイッチおよび分圧抵抗からなる多数の直列部とを有し、
前記第１スイッチが、充放電主回路と電気的に絶縁され、前記充放電主回路の充電電流によりオンオフ制御される第２スイッチから出力される信号に基づいて開閉を行い、
前記第２スイッチの信号が、前記差分演算回路の出力と、前記充放電主回路と電気的に絶縁され充電時に流れる主回路電流の有無によりオンオフ制御される第３スイッチの出力との論理積である
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。
各前記セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、
前記充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかの前記セルの電圧が所定電圧以下の場合に前記電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第４スイッチとを備え、
放電時、前記第４スイッチがオン出力である場合に警報を出力する
ことを特徴とする請求項１記載のリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。
多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、前記各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、
充電時に隣接する前記リチウムイオンキャパシタセル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、
各前記リチウムイオンキャパシタセルにそれぞれ並列に接続された第１スイッチおよび分圧抵抗からなる多数の直列部とを有し、
前記第１スイッチが、充放電主回路と電気的に絶縁され、前記充放電主回路の充電電流によりオンオフ制御される第２スイッチから出力される信号に基づいて開閉を行うとともに、
前記充放電主回路と電気的に絶縁され前記充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第５スイッチを有し、
前記差分演算回路が放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力し、
前記第５スイッチから出力される信号と、前記差分演算回路の出力との論理積に基づき警報出力を行う
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。
前記充放電主回路と電気的に絶縁され前記充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第５スイッチを有し、
前記差分演算回路が放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力し、
前記第５スイッチから出力される信号と、前記差分演算回路の出力との論理積に基づき警報出力を行う
ことを特徴とする請求項１記載のリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。
各前記セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、
前記充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかの前記セルの電圧が所定電圧以下の場合に前記電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第４スイッチとを備え、
放電時、前記第４スイッチがオン出力である場合に警報を出力する
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。
多数直列に接続したリチウムイオンキャパシタセルと、前記各リチウムイオンキャパシタセル間の分担電圧を均等化する手段とを有するリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置であって、
放電時の隣接セル間の電圧差を監視して監視結果を出力する差分演算回路と、
充放電主回路と電気的に絶縁され前記充放電主回路の放電電流によりオンオフ制御される第５スイッチとを有し、
前記差分演算回路の出力と、前記第５スイッチから出力される信号との論理積に基づき警報出力を行う
ことを特徴とするリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。
各前記セルにそれぞれ並列に接続された電圧検出器と、
前記充放電主回路と電気的に絶縁され、いずれかの前記セルの電圧が所定電圧以下の場合に前記電圧検出器から出力される信号に基づきオン出力を行う第４スイッチとを備え、
放電時、前記差分演算回路の出力と、前記第４スイッチの出力との論理積に基づいて警報出力を行う
ことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載のリチウムイオンキャパシタセルの充放電装置。