JP6314820B2 - キャパシタの制御装置及び制御方法 - Google Patents

キャパシタの制御装置及び制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、キャパシタの制御装置及び制御方法に関し、例えば、リチウムイオンキャパシタの制御装置及び制御方法に関する。
車輌に搭載される電源の一つにリチウムイオンキャパシタがある。リチウムイオンキャパシタはリチウムイオンバッテリと比較して低抵抗(高出力)、かつ、電気二重層コンデンサよりも大容量であるという特徴がある。このリチウムイオンキャパシタと蓄電容量が大きなリチウムイオンバッテリとをモータに対して並列に接続することで、車輌の動力性能の向上が期待できる。そこで、リチウムインキャパシタと二次電池とを電源とするモータ駆動装置の例が特許文献1に開示されている。
特許文献1では、制御装置が、車輌システム起動開始前において、キャパシタの端子間電圧がシステム電圧と略同じとなるように電圧制御を行なう。キャパシタが過放電状態のとき、制御装置は、バッテリの電力を用いてモータジェネレータを駆動してエンジンを始動させた後、所望のエンジン回転数でエンジンを駆動する。そして、エンジンの駆動力でモータジェネレータに逆起電圧を発生させると、モータジェネレータの中性点から単相交流出力電圧を取り出し、2つのシステムリレーを介してキャパシタに供給する。キャパシタが過放電状態から脱すると、制御装置は、逆起電圧の多相交流出力電圧を用いてキャパシタを継続して充電する。
特開2007−089264号公報
リチウムイオンキャパシタは、一定の動作保証電圧範囲(例えば、2.2〜3.8V)を有している。また、この動作保証電圧範囲内において、特に一定の電圧(例えば、3V)以上で最も安定した特性を得られる。リチウムイオンキャパシタは、一定の電圧(例えば、3V)以下で放置しておくと3Vに電圧が近づく特性を有する。そして、リチウムイオンキャパシタを搭載した車輌で発生する暗電流が継続して電力を消費し、セルが安定な3Vに戻れないためであると推定されている。
特許文献1に記載の技術では、リチウムイオンキャパシタが安定な電圧(例えば、3V)以下である状態で放置された状態が継続することを防止することができない。そのため、特許文献1に記載の技術では、リチウムイオンキャパシタの性能劣化(例えば、抵抗値の上昇)を抑制することができない問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、リチウムイオンキャパシタの性能劣化を防止することを目的とするものである。
本発明にかかる二次電池のキャパシタ制御装置の一態様は、車輌に搭載されたモータに並列に接続されたキャパシタと二次電池と、前記モータと前記キャパシタと前記二次電池との接続関係を切り替えるスイッチ群と、前記キャパシタの電圧を測定する電圧センサと、前記車輌が停止状態である期間に前記電圧センサが測定した電圧に基づき、前記スイッチ群を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記電圧センサが測定した電圧に基づき前記キャパシタの暗電流を算出し、算出した暗電流が予め設定した閾値を超えた場合に、前記暗電流の大きさに基づき暗電流キャンセル周期を設定し、前記キャパシタの電圧が維持電圧以上となるように前記暗電流キャンセル周期で前記二次電池から前記キャパシタに電流を供給する。
本発明にかかるキャパシタ制御方法の一態様は、車輌に搭載されたモータに並列に接続されたキャパシタと二次電池とを有する電源装置におけるキャパシタ制御方法であって、前記車輌が停止状態である期間に前記キャパシタの電圧を測定し、測定した電圧に基づき前記キャパシタの暗電流を算出し、算出した暗電流が予め設定した閾値を超えた場合に、前記暗電流の大きさに基づき暗電流キャンセル周期を設定し、前記暗電流キャンセル周期で前記キャパシタの電圧が維持電圧以上となるように前記二次電池から前記キャパシタに電流を供給する。
本発明にかかるキャパシタの制御装置及び制御方法は、暗電流の大きさが一定以上の大きさになった場合に、キャパシタの暗電流をキャンセルしてキャパシタの電圧を維持電圧以上となるようにキャパシタを二次電池で充電する。これにより、本発明にかかるキャパシタの制御装置及び制御方法は、キャパシタの電圧を維持電圧以下の電圧で放置されることを防止する。
本発明にかかる本発明にかかるキャパシタの制御装置及び制御方法によれば、キャパシタの性能劣化を防止することができる。
実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置のブロック図である。 実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置の車輌走行時の電流経路を説明する図である。 実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置の電流供給停止時の電流経路を説明する図である。 実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置のバッテリからキャパシタへの電流供給時の電流経路を説明する図である。 実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置の暗電流キャンセル周期設定処理の処理を説明するフローチャートである。 リチウムイオンキャパシタの充電率と電圧との関係を示すグラフである。 実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置の暗電流キャンセル処理の処理を説明するフローチャートである。 リチウムイオンキャパシタの電圧と抵抗値増加率の関係を説明するグラフである。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
以下の説明では、キャパシタとしてリチウムイオンキャパシタを例にした説明を行う。そのため、以下で説明する電圧の具体的数値はリチウムイオンキャパシタに適した値であり、本発明は以下で説明する具体的な数値に限られるものではない。また、以下で説明する装置は、モータ駆動装置である。以下で説明では、モータ駆動装置の動作の一つであるキャパシタ制御の部分を説明するものであるため、本明細書では、このモータ駆動装置をキャパシタ制御装置と称す。
図1に実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置1のブロック図を示す。図1に示すように、キャパシタ制御装置1は、キャパシタユニット11、スイッチユニット12、バッテリユニット21、スイッチユニット22、制御部30、システムメインリレー31、32を有する。ここで、スイッチユニット12、22及びシステムメインリレー31、32はキャパシタ制御装置1においてスイッチ群を構成するスイッチである。
また、図1では、キャパシタ制御装置1がモータ駆動装置として機能する場合に、キャパシタユニット11、システムメインリレー13が電流を供給するモータ33、モータ34を示した。図1では、キャパシタユニット11、バッテリユニット21に外部から充電を行うサービスプラグ10、サービスプラグ20を示した。図1に示したコンデンサC11、C21、C30は、電圧の変動を平滑化する平滑コンデンサである。
キャパシタユニット11は、複数のリチウムイオンキャパシタが直列に接続されたものである。キャパシタユニット11の最上段に配置されるリチウムイオンキャパシタの一端がキャパシタユニット11の正極となり、キャパシタユニット11の最下段に配置されるリチウムイオンキャパシタの一端がキャパシタユニット11の負極となる。
スイッチユニット12は、システムメインリレー13、14、電圧センサ15、ヒューズ16、17、コンデンサC10を有する。システムメインリレー13は、キャパシタユニット11の正極に一端が接続される。システムメインリレー13の他端は、ヒューズ16の一端に接続される。システムメインリレー14は、キャパシタユニット11の負極に一端が接続される。システムメインリレー14の他端は、ヒューズ17の一端に接続される。システムメインリレー13の他端とシステムメインリレー14の他端との間には、コンデンサC10が接続される。電圧センサ15は、コンデンサC10の両端の電圧を測定する。コンデンサC10には、キャパシタユニット11と同じ電圧が保持されるため、電圧センサ15は、コンデンサC10の両端の電圧を測定することでキャパシタユニット11の電圧を測定することができる。ヒューズ16の他端は、キャパシタユニット11の正極側出力を伝達する端子となる。ヒューズ17の他端は、キャパシタユニット11の負極側出力を伝達する端子となる。ここで、システムメインリレー13、14は、制御部30からの指示に基づき開閉状態が制御されるスイッチである。
バッテリユニット21は、複数のバッテリが直列に接続されたものである。バッテリユニット21の最上段に配置されるバッテリの一端がバッテリユニット21の正極となり、バッテリユニット21の最下段に配置されるバッテリの一端がバッテリユニット21の負極となる。
スイッチユニット22は、システムメインリレー23、24、電圧センサ25、ヒューズ26、27、コンデンサC20を有する。システムメインリレー23は、バッテリユニット21の正極に一端が接続される。システムメインリレー23の他端は、ヒューズ26の一端に接続される。システムメインリレー24は、バッテリユニット21の負極に一端が接続される。システムメインリレー24の他端は、ヒューズ27の一端に接続される。システムメインリレー23の他端とシステムメインリレー24の他端との間には、コンデンサC20が接続される。電圧センサ25は、コンデンサC20の両端の電圧を測定する。コンデンサC20には、バッテリユニット21と同じ電圧が保持されるため、電圧センサ25は、コンデンサC20の両端の電圧を測定することでバッテリユニット21の電圧を測定することができる。ヒューズ26の他端は、バッテリユニット21の正極側出力を伝達する端子となる。ヒューズ27の他端は、バッテリユニット21の負極側出力を伝達する端子となる。ここで、システムメインリレー23、24は、制御部30からの指示に基づき開閉状態が制御されるスイッチである。
システムメインリレー31、32は、制御部30からの指示に基づき開閉状態が制御されるスイッチである。システムメインリレー31の一端には、スイッチユニット12を介してキャパシタユニット11の正極が接続されると共にスイッチユニット22を介してバッテリユニット21の正極が接続される。システムメインリレー32の一端には、スイッチユニット12を介してキャパシタユニット11の負極が接続されると共にスイッチユニット22を介してバッテリユニット21の負極が接続される。
システムメインリレー31の他端とシステムメインリレー32の他端との間には、モータ33及びモータ34が並列接続される。
制御部30は、電圧センサ15が測定した電圧値に基づきシステムメインリレー13、14、23、24、31、32の開閉状態を制御する。また、制御部30は、電圧センサ15が測定した電圧に基づきキャパシタユニット11の暗電流を算出し、算出した暗電流が予め設定した閾値を超えた場合に、暗電流の大きさに基づき暗電流キャンセル周期を設定し、キャパシタユニット11の電圧が維持電圧以上となるように暗電流キャンセル周期でバッテリユニット21からキャパシタユニット11に電流を供給する。以下で、制御部30における具体的な処理方法とキャパシタ制御装置1のスイッチの切り替えについて説明する。
ここで、維持電圧について説明する。維持電圧は、概ね2.95V〜3.05Vの電圧である。つまり、維持電圧は、3Vを中心とする一定の範囲内の電圧である。維持電圧は、リチウムイオンキャパシタの初期電圧である。リチウムイオンキャパシタの初期電圧は、リチウムドープ量によって決定される。より具体的には、リチウムイオンキャパシタの負極カーボンにリチウムがドープされることによって、負極電位が低下して初期電圧が発生する。このとき、初期電圧が安定である3Vになるようにリチウムのドープ量が設定されるが、生産時のバラツキ(例えば、リチウムの仕込み量のバラツキ、負極の目付のバラツキ、電極内のリチウムの分布のバラツキ)の影響によりリチウムイオンキャパシタの初期電圧にバラツキが生じる。また、リチウムイオンキャパシタは、放置すると電圧が3Vに近づく特性を有するが、電圧が3V付近になると時間に対する電圧変化量が小さくなる。このため、納品リードタイム程度の時間経過では、バラツキの影響により初期電圧が3Vからずれているセルの電圧が3Vに収束することは考えにくい。そのため、維持電圧は、2.95V〜3.05V程度の幅を持たせることが好ましい。以下の説明では、このような事情があるもの維持電圧を理想的な3Vとして説明する。
まず、キャパシタ制御装置1のスイッチの切り替えについて説明する。キャパシタ制御装置1では、車輌走行時と、電流供給停止時と、電流供給時との大きく3つのスイッチ状態を有する。そこで、それぞれのスイッチ状態を図2〜図4を用いて説明する。
図2に実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置の車輌走行時の電流経路を説明する図を示す。図2に示すように、車輌走行時は、システムメインリレー13、14、23、24、31、32のすべてを閉状態(オン状態)とする。これにより、車輌走行時は、キャパシタユニット11とバッテリユニット21とがモータ33、34に対して並列に接続され、キャパシタユニット11とバッテリユニット21とからモータ33、34に電流が供給される。
図3に実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置の電流供給停止時の電流経路を説明する図を示す。電流供給停止時は、車輌が停止し、キャパシタユニット11及びバッテリユニット21に対する充放電が停止されている。この電流供給停止時は、システムメインリレー13、14、23、24を開状態(オフ状態)とし、システムメインリレー31、32を閉状態とする。これにより、キャパシタユニット11及びバッテリユニット21からモータ33、34への電流供給が停止する。また、キャパシタユニット11とバッテリユニット21との間の電流の授受も無くなる。
図4に実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置のバッテリからキャパシタへの電流供給時の電流経路を説明する図を示す。図4に示すように、電流供給時は、システムメインリレー31、32を開状態とし、システムメインリレー13、14、23、24を閉状態とする。キャパシタ制御装置1では、キャパシタユニット11及びバッテリユニット21がモータ33、34と切り離された状態で、キャパシタユニット11とバッテリユニット21とが並列接続された状態となる。これにより、バッテリユニット21からキャパシタユニット11への電流供給が行われる。
続いて、制御部30における処理について説明する。制御部30は、まず暗電流キャンセル周期設定処理を行い、当該暗電流キャンセル周期設定処理で設定された暗電流キャンセル周期で暗電流キャンセル処理を行う。そこで、以下では、暗電流キャンセル周期設定処理と、暗電流キャンセル処理と、についてそれぞれ説明する。
図5に実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置1の暗電流キャンセル周期設定処理の処理を説明するフローチャートを示す。図5に示すように、暗電流キャンセル周期設定処理は、車輌が停止した状態で行われる。そのため、制御部30は、暗電流キャンセル周期設定処理の具体的処理を行う前に車輌が停止状態であるか否かを確認する(ステップS1)。ここで、車輌が停止した状態とは、車輌のイグニッションがオフの状態を言う。
そして、車輌が停止状態であると判断できたら、キャパシタユニット11の電圧測定と測定を行った時刻の保存を行う(ステップS2)。このとき、制御部30は、測定時刻と測定値とを対応付けて蓄積する。また、電圧測定を行う場合、システムメインリレー13、14を閉状態とし、システムメインリレー23、24、31、32を開状態とする。
次いで、蓄積した測定値が2つ以上あるかを確認する(ステップS3)。このステップS3で測定値が2つ以上ないと判断された場合、暗電流の計算は行わずに次測定時刻が経過するまで待つ。一方、ステップS3で測定値が2つ以上ある場合、制御部30は、暗電流の算出及び暗電流キャンセル周期の設定を行う。
暗電流の計算(ステップS4)では、離れた時刻で測定された2つの測定値の差に基づき暗電流を算出する。ここで、暗電流の具体的な計算方法について説明する。そこで、まず、図6にリチウムイオンキャパシタの充電率と電圧との関係を示すグラフを示す。図6に示すように、リチウムイオンキャパシタの電圧と充電率との間には、一次関数の関係がある。このようなリチウムイオンキャパシタの特性から、暗電流の大きさは(1)式によって算出することができる。
暗電流[A]=(1時間当たりの電圧降下量)÷傾き÷100
×{静電容量[F]×動作保証電圧幅÷3600}・・・(1)
ここで、より具体的な数値を(1)式に当てはめて暗電流について説明する。そこで、例として、キャパシタユニット11が図6に示した特性を有し、キャパシタユニット11の静電容量が1100F、動作保証電圧幅が1.6V(2.2V〜3.8V)、1週間で測定された電圧降下量が0.01Vであった場合について説明する。この場合、(1)式に数値を当てはめることで暗電流が(2)式により求められる。
暗電流=(0.01÷7÷24)÷0.016÷100
×{1100×1.6÷3600}=0.018mA・・・(2)
図5に示すように、上記のように算出された暗電流に基づき制御部30は、暗電流キャンセル処理の周期を設定する。そこで、制御部30は、ステップS4で算出された暗電流が閾値よりも大きければ、暗電流の大きさに応じた暗電流キャンセル周期を設定する(ステップS5、S6)。一方、制御部30は、ステップS4で算出された暗電流が閾値よりも小さければ、暗電流キャンセル処理を解除する(ステップS5、S7)。キャパシタ制御装置1では、暗電流キャンセル処理が解除されることで、暗電流キャンセル処理が行われなくなる。また、暗電流キャンセル処理を行うか否かを判断する基準となる閾値は、例えば、車輌の仕様頻度と暗電流の大きさから考えて暗電流による電圧低下に起因してキャパシタユニット11の電圧が維持電圧(例えば3V)を大きく下回らない暗電流の大きさに基づき設定することができる。つまり、暗電流キャンセル処理を行うか否かを判断する基準となる閾値は、暗電流に起因したキャパシタユニット11の性能劣化が許容できる範囲であるか否かにより決めることができる。また、暗電流キャンセル周期は、暗電流の大きさが大きければ短く設定し、暗電流の大きさが小さければ長く設定することが好ましい。
次いで、制御部30は、次測定開始時刻が経過するまで処理を待ち状態とする(ステップS8)。そして、次測定開始時刻が経過した後に車輌が停止した状態が前回の電圧測定から継続しているかを判断する(ステップS9)。このステップS9において、車輌の停止が前回の測定時から継続したものであると判断された場合、制御部30は、再度ステップS2からS8の処理を行う。一方、このステップS9において、車輌の停止が前回の測定時から継続したものではないと判断された場合、制御部30は、ステップS1から再度処理をやり直す。これは、前回の測定時と今回の測定時の間に車輌が始動した場合、キャパシタユニット11の充放電が行われ暗電流の影響によるキャパシタユニット11の電圧低下が不明となり、暗電流の大きさの誤判定が生じるためである。
続いて、キャパシタ制御装置1における暗電流キャンセル処理について説明する。この暗電流キャンセル処理は、図5で説明した暗電流キャンセル周期で実施されるものである。図7に実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置1の暗電流キャンセル処理の処理を説明するフローチャートを示す。
図7に示すように、暗電流キャンセル処理では、まず、車輌が停止状態であるか否かを判断する(ステップS11)。このステップS1において、車輌が停止状態にない場合、制御部30は、暗電流キャンセル処理を終了させる。一方、ステップS1において、車輌が停止状態である場合、制御部30は、キャパシタユニット11の電圧を測定し、キャパシタユニット11の電圧が維持電圧(例えば、3V)以下であるか否かを確認する(ステップS12、S13)。
そして、ステップS3において、キャパシタユニット11の電圧が3Vより大きければ、制御部30は暗電流キャンセル処理を終了させる。一方、ステップS3において、キャパシタユニット11の電圧が3V以下であれば、制御部30は、バッテリユニット21からキャパシタユニット11に電流が供給されるようにシステムメインリレーを制御する(ステップS14)。
続いて、制御部30は、再度キャパシタユニット11の電圧を測定し、キャパシタユニット11の電圧が維持電圧(例えば、3V)以下であるか否かを確認する(ステップS15、S16)。ステップS16において、キャパシタユニット11の電圧が3V以下であれば、制御部30は、バッテリユニット21からキャパシタユニット11への電流供給を継続させる。一方、ステップS16において、キャパシタユニット11の電圧が3Vよりも大きければ、制御部30は、暗電流キャンセル処理を終了する。
上記暗電流キャンセル処理を行うことで、キャパシタ制御装置1では、キャパシタユニット11が維持電圧(例えば、3V)以下で維持されることを防止する。そして、キャパシタユニット11の電圧を3V以下で維持されることを防止することでキャパシタユニット11の性能劣化を防ぐことができる。そこで、キャパシタユニット11に対して7000時間の耐久試験を行った後の抵抗の増加率をキャパシタ制御装置1と暗電流キャンセル処理を行わない比較例とで比較したグラフを図8に示す。なお、図8は、横軸をキャパシタユニット11の電圧、縦軸を抵抗の増加率としたグラフである。
図8に示すように、実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置1を適用した場合、抵抗の増加率が比較例に比べて小さくなっていることがわかる。特に3V以下の領域では、抵抗の増加率の小ささが顕著になる。
上記説明より、実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置1及びキャパシタ制御方法を適用することで、キャパシタユニット11が、性能劣化(例えば、抵抗値の増加)が生じる維持電圧(例えば、3V)以下で維持されることを防止することができる。そして、キャパシタユニット11が維持電圧以下で維持されることを防止することで、キャパシタユニット11の性能劣化を防止することができる。
また、実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置1及びキャパシタ制御方法では、キャパシタユニット11の電圧降下量から暗電流を算出し、算出した暗電流が閾値よりも小さければ暗電流のキャンセル処理を停止することができる。これにより、実施の形態1にかかるキャパシタ制御装置1及びキャパシタ制御方法では、暗電流が小さい場合には暗電流キャンセル処理によるバッテリユニット21の蓄電電力の消費を抑制しながら、キャパシタユニット11の性能劣化を削減することができる。
上記説明は、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
1 キャパシタ制御装置
10 サービスプラグ
11 キャパシタユニット
12 スイッチユニット
13、14 システムメインリレー
15 電圧センサ
16、17 ヒューズ
20 サービスプラグ
21 バッテリユニット
22 スイッチユニット
23、24 システムメインリレー
25 電圧センサ
26、27 ヒューズ
30 制御部
31、32 システムメインリレー
33、34 モータ

Claims (4)

  1. 車輌に搭載されたモータに並列に接続されたキャパシタと二次電池と、
    前記モータと前記キャパシタと前記二次電池との接続関係を切り替えるスイッチ群と、
    前記キャパシタの電圧を測定する電圧センサと、
    前記車輌が停止状態である期間に前記電圧センサが測定した電圧に基づき、前記スイッチ群を制御する制御部と、を有し、
    前記制御部は、前記電圧センサが測定した電圧に基づき前記キャパシタの暗電流を算出し、算出した暗電流が予め設定した閾値を超えた場合に、前記暗電流の大きさに基づき暗電流キャンセル周期を設定し、前記キャパシタの電圧が維持電圧以上となるように前記暗電流キャンセル周期で前記二次電池から前記キャパシタに電流を供給するキャパシタ制御装置。
  2. 前記維持電圧は2.95V〜3.05Vである請求項1に記載のキャパシタ制御装置。
  3. 前記キャパシタは、リチウムイオンキャパシタである請求項2に記載のキャパシタ制御装置。
  4. 車輌に搭載されたモータに並列に接続されたキャパシタと二次電池とを有する電源装置におけるキャパシタ制御方法であって、
    前記車輌が停止状態である期間に前記キャパシタの電圧を測定し、
    測定した電圧に基づき前記キャパシタの暗電流を算出し、
    算出した暗電流が予め設定した閾値を超えた場合に、前記暗電流の大きさに基づき暗電流キャンセル周期を設定し、
    前記暗電流キャンセル周期で前記キャパシタの電圧が維持電圧以上となるように前記二次電池から前記キャパシタに電流を供給するキャパシタ制御方法。
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