JP7117531B2 - 蓄電装置および放電回路 - Google Patents

蓄電装置および放電回路 Download PDF

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Description

本発明は、蓄電装置、放電回路、および、蓄電装置の放電方法に関する。
従来、インバータ装置等の電力変換装置において、キャパシタに充電された電気を放電する放電回路が知られている。
この種の放電回路の一例として、ゲート電圧によって放電電流を調整し得るトランジスタと、トランジスタによって調整される放電電流が流れてレファレンス電圧を出力するシャント抵抗とを備え、放電によって低下していく放電電圧に応じて放電電流設定値を決定するとともに、キャパシタの残留電圧に対応して選択された放電電流設定値とレファレンス電圧から得られる放電電流とを比較して、放電電流が放電電流設定値に等しくなるようにゲート電圧を制御する定電力放電回路が開示されている(特許文献1参照)。
特開2009-112156号公報
しかし、特許文献1に開示されている放電回路では、キャパシタの残留電圧の波形上における所定の区間ごとに放電電流設定値を設け、さらに、実際の放電電流が放電電流設定値に等しくなるようにゲート電圧を制御する必要がある。
そこで、本発明は、上記の放電電流設定値を設けることなく、簡略的な構成でキャパシタの放電電流を制御する蓄電装置等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蓄電装置の一態様は、蓄電部と、放電回路とを備える蓄電装置であって、前記放電回路は、電流入力端子が前記蓄電部の一端に接続され、前記蓄電部からの放電電流を通過させる第1トランジスタと、前記第1トランジスタの制御端子に接続され、前記第1トランジスタの出力電流を制御する演算増幅器と、前記演算増幅器の第1入力端子および前記蓄電部の一端に接続されたカレントミラー回路と、を有し、前記カレントミラー回路は、コレクタ端子が抵抗を介してレファレンス電圧源に接続された第2トランジスタと、コレクタ端子がツェナーダイオードを介して前記蓄電部の一端に接続された第3トランジスタと、を有し、前記抵抗と前記第2トランジスタのコレクタ端子との間の接続点は、前記演算増幅器の第1入力端子に接続され、前記演算増幅器は、前記第1入力端子と異なる第2入力端子を有し、強制放電の開始信号を前記第2入力端子を介して受け付けることで、前記接続点に接続された前記第1入力端子の電位の変化にともなう電圧を前記第1トランジスタの制御端子へ出力する。
また、上記の課題を解決するための放電回路の一態様は、上記の蓄電装置が備える放電回路である。
また、上記の課題を解決するために参考となる蓄電装置の放電方法の一態様は、蓄電部および放電回路を備える蓄電装置の放電方法であって、前記放電回路は、電流入力端子が前記蓄電部の一端に接続され、前記蓄電部からの放電電流を通過させる第1トランジスタと、前記第1トランジスタの制御端子に接続され、前記第1トランジスタの出力電流を制御する演算増幅器と、一端が前記演算増幅器の第1入力端子に接続され、当該一端と異なる他端がツェナーダイオードを介して前記蓄電部の一端に接続されたカレントミラー回路と、を有し、前記蓄電装置における放電は、第1ステップによる放電と、前記第1ステップよりも後の第2ステップによる放電と、を含み、前記第1ステップによる放電は、前記蓄電部の一端の電圧が前記ツェナーダイオードの降伏電圧よりも高い状態で行われ、前記第2ステップによる放電は、前記蓄電部の一端の電圧が前記ツェナーダイオードの降伏電圧よりも低い状態で、かつ、前記演算増幅器の第1入力端子に印加される電圧が、前記第1ステップよりも高い状態で行われる。
本発明によれば、簡略的な構成で定電力放電に近似した放電を行う放電回路を実現することができるので、小型化および低コスト化が可能な蓄電装置を実現することができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る放電回路、および、蓄電装置の回路図である。 図2は、放電回路に設けられたツェナーダイオードのダイオード特性を示す模式図である。 図3は、本発明の実施の形態に係る蓄電装置および放電回路の各構成の動作状態を示すシミュレーション図である。
以下、本発明の実施の形態に係る放電回路および蓄電装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化する。
また、以下の実施の形態において、「接続される」とは、電気的に接続されることを意味し、直接的に接続される場合だけでなく、他の電気素子等を介して間接的に接続される場合も含まれる。
(実施の形態)
[蓄電装置および放電回路の構成]
図1は、本発明の実施の形態に係る放電回路10、および、蓄電装置1の回路図である。
本実施の形態に係る蓄電装置1は、例えば、自動車などの車両に搭載される蓄電装置1を例に挙げて説明する。
本実施の形態に係る蓄電装置1は、車両に搭載されているバッテリBATTと、バッテリBATTに接続されたキャパシタCと、キャパシタCに接続された放電回路10と、制御部20とを備えている。ここで、キャパシタCは、本発明の蓄電部の一例である。
バッテリBATTは、スイッチQを介して、キャパシタCの一端(正極)cpに接続されている。スイッチQは、例えば、電界効果トランジスタ(FET)で構成される。キャパシタCは、スイッチQをオン状態にすることで充電されるとともに、スイッチQをオフ状態にすることで充電が停止される。また、キャパシタCの他端(負極)は接地されている。
放電回路10は、キャパシタCに充電された電気を放電する際に用いられる。放電回路10は、キャパシタCの放電電流を制御するトランジスタQと、トランジスタQの出力電流を制御する演算増幅器ICと、演算増幅器ICの非反転入力端子(V+)に接続されたカレントミラー回路15と、カレントミラー回路15の入力側に接続されたツェナーダイオードZDと、カレントミラー回路15の出力側に接続されたレファレンス電源REFとを備えている。なお、トランジスタQは、本発明の第1のトランジスタの一例である。また、レファレンス電源REFは本発明の電流源の一例である。
本実施形態では、トランジスタQは、n型チャネルFETである。トランジスタQの電流入力端子(ドレイン)は、抵抗Rを介して、キャパシタCの一端cpに接続され、電流出力端子(ソース)は、抵抗Rを介して、接地されている。また、トランジスタQの制御端子(ゲート)には、演算増幅器ICの出力端子が接続されており、演算増幅器ICによりトランジスタQのゲートへ印加する電圧を制御する。これにより、2つの電流端子間(ドレイン-ソース間)に流れるドレイン電流Iの大きさを制御する。なお、トランジスタQのソースは、本発明の出力端子の一例である。
演算増幅器ICの出力端子は、抵抗Rおよび抵抗Rを介して、演算増幅器ICの反転入力端子(V-)に接続されている。
カレントミラー回路15は、入力側に流れる電流と同じ値の電流を出力側に流す回路であり、トランジスタQおよびQを有する。トランジスタのQおよびQのベース同士は接続されており、トランジスタQのベースとコレクタも接続されている。ここで、トランジスタQが出力側、トランジスタQが入力側であり、トランジスタQのコレクタ-エミッタ間に電流Iが流れると、トランジスタQのコレクタ-エミッタ間にもほぼ同じ大きさの電流I(I≒I)が流れる。なお、トランジスタQ、Qは、それぞれ、本発明の第2、第3のトランジスタの一例である。
トランジスタQのコレクタには、抵抗RおよびRを介して、一定電圧を出力するレファレンス電源REFが接続されている。また、トランジスタQのエミッタは、抵抗Rを介して接地されている。また、演算増幅器ICの非反転入力端子(V+)は、抵抗Rと抵抗Rとの間の接続点ERに接続されている。
トランジスタQのコレクタには、抵抗Rを介して、ツェナーダイオードZDのアノードが接続され、ツェナーダイオードZDのカソードはキャパシタCの一端cpに接続されている。また、トランジスタQのエミッタは、抵抗Rを介して接地されている。なお、抵抗R、Rは、ツェナーダイオードZDに流れる電流を制限する抵抗である。
図2は、放電回路10に設けられたツェナーダイオードZDのダイオード特性を示す模式図である。図2に示すように、キャパシタCの電圧がツェナーダイオードZDの降伏電圧Vより大きい場合(第1区間)、ツェナーダイオードZDには電流Iが容易に流れる。なお、キャパシタCの電圧がVになるまでは、ツェナーダイオードの一般的な特徴により、Iは一定の値に保たれる。また、キャパシタCの電圧が降伏電圧Vより小さい場合(第2区間)、ツェナーダイオードZDに流れる電流Iは、指数関数的に減少する。
制御部20の出力端子は、抵抗R11およびダイオードDを介して、演算増幅器ICの反転入力端子(V-)に接続されている。また、制御部20の一方の入力端子は、抵抗R10を介して、トランジスタQのソースに接続されており、他方の入力端子は、キャパシタCの一端cpに接続されている。これにより、制御部20は、トランジスタQのソース電圧ESとキャパシタCの電圧を測定することができる。なお、抵抗R10は、制御部20を保護するための保護抵抗である。
以上のように、本実施形態の蓄電装置1が構成されている。
[蓄電装置および放電回路の動作]
次に、本発明の実施形態に係る蓄電装置1および放電回路10の動作について説明する。
バッテリBATTは、エンジンのスタータや車載電気機器などに電力を供給するとともに、キャパシタCの充電にも用いられる。キャパシタCは、バッテリBATTの代り(またはバックアップ)に用いられるため、例えば、車両のエンジンキーがオン状態になっているなど、バッテリBATTが車載機器に電力を供給可能な場合には、バッテリBATTから電力を供給することにより、キャパシタCをフル充電している。しかしながら、キャパシタCは、フル充電状態が長時間におよぶと自身にストレスがかかり、劣化しやすい。そこで、蓄電装置1を使用しない場合(例えば、エンジンキーをオフ状態とした場合)は、キャパシタCを放電することが望ましい。
図3は、蓄電装置1および放電回路10の各構成の動作状態を示すシミュレーション図であり、(a)はキャパシタCの電圧、(b)はトランジスタQのドレイン電流I、(c)は、トランジスタQ、抵抗Rおよび抵抗Rの消費電力を示している。
本実施の形態では、キャパシタCは、最大充電電圧が2.5Vの電気二重層キャパシタを5つ直列接続しており、フル充電状態では、12Vに充電されている(図3の(a)参照)。
このとき、ツェナーダイオードZDの降伏電圧Vを8.7Vとすると、ツェナーダイオードZDには降伏電圧(8.7V)以上の電圧が印加されるので、ツェナーダイオードZDには、電流I1が流れることになる。ただし、抵抗R、RをツェナーダイオードZDに直列に接続しているので、ツェナーダイオードZDに流れる最大電流I1maxは、数mA~数十mA程度に制限されている。
また、制御部20からは、演算増幅器ICの反転入力端子(V-)に対して、Vref以上の所定の電圧(例えば、2.5V)のHi信号が出力されており、演算増幅器ICの出力端子には、ゼロ電圧が出力されている。これにより、トランジスタQはオフ状態となっており、トランジスタQのドレイン電流Iは、ゼロである。
この状態で、キャパシタCの放電を開始する。まず、スイッチQをオフ状態にすることで、キャパシタCへの電力供給を停止する。
この場合、上述したように、カレントミラー回路15の入力側のトランジスタQには、大きな電流I1maxが流れているので、カレントミラー回路15の出力側のトランジスタQにもほぼ同じ大きさの電流I(≒I1max)が流れる。この電流Iは、レファレンス電源REFから供給されているので、抵抗R、Rの接続点ERの電位VERは、レファレンス電圧Vrefから抵抗Rによる電圧降下分だけ下がった値になる(VER=Vref-I2・R5)。電流Iが大きい(≒I1max)ことから、VERは小さくなり、演算増幅器ICの非反転入力端子(V+)には、小さい電圧VERが入力される。
ここで、制御部20から、演算増幅器ICの反転入力端子(V-)に、Vref以下の所定の電圧(例えば、0V)のLow信号を出力する。これにより、演算増幅器ICの出力端子には小さな電圧VERが出力され、トランジスタQのゲートにも同じ電圧が入力される。その結果、トランジスタQはオン状態となり、ドレイン電流Iが流れ始め、キャパシタCの強制放電が始まる。
放電開始時のように、キャパシタCの電圧がツェナーダイオードZDの降伏電圧Vより十分大きい場合(図3(a)の「第1区間」)には、上述したツェナーダイオードの一般的な特徴により、トランジスタQに流れる電流Iが大きな電流値I1maxに保たれるので、トランジスタQに流れる電流Iも、同様に、大きな電流値I1maxに保たれる。これにより、接続点ERの電位VERおよび演算増幅器ICの出力端子の電位は、所定の低い電圧に維持される。これにより、トランジスタQは完全な導通状態(フルオン状態)とはならずに、図3(b)に示すように、トランジスタQのドレイン電流Iは小さな値に維持される。
キャパシタCの放電が進み、キャパシタCの電圧が徐々に低下し、ツェナーダイオードZDの降伏電圧Vより小さくなると(図3(a)の「第2区間」)、上述したツェナーダイオードの一般的な特徴により、トランジスタQに流れる電流Iが、減少する。これにともなって、トランジスタQに流れる電流Iも、同様に、減少するので、接続点ERの電位VERおよび演算増幅器ICの出力端子の電位は、徐々に大きくなって、レファレンス電源の電圧Vrefに近づく。その結果、トランジスタQは、徐々にフルオン状態になっていき、図3(b)に示すように、トランジスタQのドレイン電流Iも大きくなっていく。
制御部20は、キャパシタCを放電している間、キャパシタCの電圧を測定しており、キャパシタCが予め設定した放電終了電圧(例えば、5V)になったときに、制御部20からHi信号を演算増幅器ICの反転入力端子(V-)に出力する。これにより、トランジスタQはオフ状態となり、キャパシタCの放電が終了する。
[効果等]
本実施の形態に係る放電回路10では、上述したように、キャパシタCの電圧が比較的高い第1区間では、図3(b)、(c)に示すように、放電電流(ドレイン電流I)を小さい値に抑えた定電流放電を行うことにより、トランジスタQおよび抵抗R、Rにおける電力損失が過度に大きくならないようにすることができる。また、キャパシタCの電圧が減少してくる第2区間では、キャパシタCの電圧低下に合わせてドレイン電流Iが増加するので、図3(c)に示すように、トランジスタQおよび抵抗R、Rにおける電力損失が大きく変動しないように、キャパシタCを放電することができる。このように、本実施形態では、キャパシタCの放電過程の全区間にわたって、トランジスタQおよび抵抗R、Rにおける電力損失が大きく変動することがなく、ほぼ一定の放電電力を実現している。
すなわち、放電過程の全区間にわたって、キャパシタCの放電をほぼ均等に行うことができるので、放電電流の電力消費を担うトランジスタQおよび抵抗R、Rに、高電力仕様の部品を用いる必要がない。したがって、放電回路10および蓄電装置1の小型化および低コスト化が可能となる。
また、本実施形態では、ツェナーダイオードZDおよび抵抗R~Rなどを調整することにより、キャパシタCの電圧を所定の電圧まで下げる放電時間を制御することができる。例えば、ツェナーダイオードZDの降伏電圧Vを大きくすると、第1区間が短く(第2区間への切り替えが早く)なり、キャパシタCの放電時間を短くすることができる。また、抵抗Rの抵抗値を小さくすると、レファレンス電圧Vrefと接続点ERにおける電圧VERとの差が小さくなるので、演算増幅器ICの非反転入力端子(V+)への入力電圧Vinを放電開始時から大きくすることができる。これにより、第1区間におけるトランジスタQのドレイン電流Iを大きくすることができ、全体の放電時間を短縮することができる。
また、図3では、キャパシタCにフル充電された12Vの電圧を20分以内に5Vに下げる例を示したが、キャパシタCを構成するセル(本実施形態では電気二重層キャパシタ)の劣化が進行しない範囲で放電時間を制御することができる。
また、本実施形態では、キャパシタCが予め設定した放電終了電圧になったときに放電を終了させている。これにより、放電終了時点には、キャパシタCには所定の電荷が残っているので、完全放電によるセルの劣化や、次に充電する場合の充電時間を短じかくすることができる。なお、キャパシタCに残す電圧は、残留させてもキャパシタCに劣化が起きない電圧であり、キャパシタCの種類や用途によって適宜決定される。本実施形態では、放電終了時のキャパシタCの電圧を5Vとしたが、この場合、セル1つ当たりの残存電圧は1Vとなり、電気二重層キャパシタの劣化は起きにくいと考えられる。
また、本実施形態では、制御部20は、トランジスタQのソース電圧ESを測定可能である。例えば、バッテリBATTによりキャパシタCを充電している場合、トランジスタQはオフ状態になっているので、本来、トランジスタQのソースに電圧は発生しないが、トランジスタQが故障などした場合には、オン状態になって、ソースには電圧が発生する。また、キャパシタCを放電している場合、トランジスタQはオン状態になっているので、本来、トランジスタQのソースに電圧が発生しているが、トランジスタQが故障などした場合には、オフ状態になって、ソースには電圧が発生しない。このように、キャパシタCを充電あるいは放電を行う際に、それぞれ、意図しない電圧がトランジスタQのソースに検出された場合には、トランジスタQが故障していると考えられる。したがって、トランジスタQのソース電圧ESを測定することにより、放電回路10および蓄電装置1の異常検出を行うことができる。
以上、放電回路および蓄電装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
例えば、蓄電装置1に設けられるキャパシタCは、電気二重層キャパシタに限られず、電解コンデンサや二次電池であってもよい。キャパシタCは、単一のセルであっても複数のセルを組み合わせた構成であってもよく、例えば、直列接続された複数のセルを並列接続した構成や、並列接続された複数のセルを直列接続した構成であってもよい。
また、蓄電装置1は、バッテリBATTを備えていたが、本発明はこれに限らず、バッテリの代わりに発電機であってもよい。また、蓄電装置1は、車両に限られず、家庭用や産業用の電気機器内に搭載されていてもよく、さらにバッテリBATTは蓄電装置外にあってもよい。このとき、バッテリBATTは、AC電源(商用交流電源)であってもよい。
また、蓄電装置1は、制御部20を備えていたが、本発明はこれに限られず、制御部は、蓄電装置外にあってもよい。例えば、車両に搭載されているECUを用いて、蓄電装置1を制御することも可能である。
また、放電回路10は、トランジスタQに電流Iを供給するレファレンス電源REFを備えていたが、本発明はこれに限らず、放電回路10外から、電流を供給することも可能である。
1 蓄電装置
10 放電回路
15 カレントミラー回路
20 制御部
BATT バッテリ
キャパシタ(蓄電部)
cp キャパシタの一端
ER 接続点
、I 電流
トランジスタQのドレイン電流(放電電流)
IC 演算増幅器
、Q、Q トランジスタ
スイッチ
、R 抵抗
REF レファレンス電源
ER 接続点ERの電圧
ref レファレンス電圧
in 演算増幅器ICの非反転入力端子(V+)の入力電圧
ZD ツェナーダイオード

Claims (6)

  1. 蓄電部と、放電回路とを備える蓄電装置であって、
    前記放電回路は、
    電流入力端子が前記蓄電部の一端に接続され、前記蓄電部からの放電電流を通過させる第1トランジスタと、
    前記第1トランジスタの制御端子に接続され、前記第1トランジスタの出力電流を制御する演算増幅器と、
    前記演算増幅器の第1入力端子および前記蓄電部の一端に接続されたカレントミラー回路と、を有し、
    前記カレントミラー回路は、
    コレクタ端子が抵抗を介してレファレンス電圧源に接続された第2トランジスタと、
    コレクタ端子がツェナーダイオードを介して前記蓄電部の一端に接続された第3トランジスタと、を有し、
    前記抵抗と前記第2トランジスタのコレクタ端子との間の接続点は、前記演算増幅器の第1入力端子に接続さ れ、
    前記演算増幅器は、前記第1入力端子と異なる第2入力端子を有し、強制放電の開始信号を前記第2入力端子を介して受け付けることで、前記接続点に接続された前記第1入力端子の電位の変化にともなう電圧を前記第1トランジスタの制御端子へ出力する
    蓄電装置。
  2. さらに、制御部を備え、
    前記制御部は、
    前記蓄電部の一端に接続された入力端子と、
    前記演算増幅器の前記第2入力端子に接続された出力端子と、を有する、
    請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記蓄電部に蓄えられた電荷の一部は、前記放電回路の動作により、前記第1トランジスタを介して強制的に放電され、
    前記第1トランジスタを介した強制的な放電は、
    前記制御部から前記演算増幅器を介して前記第1トランジスタの制御端子に入力される放電開始信号により開始され、
    前記制御部から前記演算増幅器を介して前記第1トランジスタの制御端子に入力される放電終了信号により終了する、
    請求項2に記載の蓄電装置。
  4. 前記放電開始信号は、前記蓄電部の一端の電圧が前記ツェナーダイオードの降伏電圧よりも高い状態において発され、
    前記放電終了信号は、前記蓄電部の一端の電圧が前記ツェナーダイオードの降伏電圧よりも低い状態において発される、
    請求項3に記載の蓄電装置。
  5. 前記強制的な放電の開始から終了までにおいて、
    前記蓄電部の一端の電圧が前記ツェナーダイオードの降伏電圧よりも低い状態における前記第1トランジスタの出力電流は、
    前記蓄電部の一端の電圧が前記ツェナーダイオードの降伏電圧よりも高い状態における前記第1トランジスタの出力電流よりも大きい、
    請求項3または4に記載の蓄電装置。
  6. 請求項1~5のいずれか1項に記載の蓄電装置が備える放電回路。
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