JPH10174283A - 並列モニタを小電力化する充電制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 急速な大電流充電の用途で用いる並列モニタ
でも小電力で構成できるようにする。 【解決手段】 設定値を越える電圧で充電電流をバイパ
スする並列モニタを有し直列接続した複数のコンデンサ
からなるコンデンサバンク１を充電装置２より充電する
充電制御装置で、コンデンサバンク１の充電状態を検出
して充電制御回路３により充電状態が所定の条件に達し
たとき充電装置２の充電電流を減少させる。充電状態が
所定の条件に達したときは、充電電圧が設定値を越えた
ときや、並列モニタの少なくとも１つがオンになったと
き、コンデンサの少なくとも１つの充電電圧が設定値を
越えたときであり、所定の条件に達したときから充電電
流を漸次減少させ、コンデンサバンクの満充電直前で充
電電流を大幅に減少させ、或いは階段状に減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、並列モニタを有し
直列接続した複数のコンデンサからなるコンデンサバン
クを充電する充電制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＥＣＳ（Energy Capacitor System)は、
コンデンサと並列モニタと電流ポンプからなる電力貯蔵
システムとして既に各種文献（例えば電子技術、１９９
４−１２、ｐ１〜３、電学論Ｂ、１１５巻５号、平成７
年 ｐ５０４〜６１０など）で紹介されている。ここ
で、並列モニタは、複数のコンデンサが直列に接続され
たコンデンサバンクの各コンデンサの端子間に接続さ
れ、コンデンサバンクの充電電圧が並列モニタの設定値
を越えると充電電流をバイパスする装置である。

【０００３】上記並列モニタを備えたコンデンサバンク
は、充電する際にコンデンサバンクの充電電圧が設定値
以上に上昇しないように充電電流をバイパスして一定に
保つので、コンデンサバンク内のすべてのコンデンサ
は、設定された電圧まで均等に充電され、コンデンサの
蓄積能力をほぼ１００パーセント発揮させることができ
る。したがって、並列モニタは、コンデンサの特性のバ
ラツキや残留電荷の大小がある場合にも、最大電圧の均
等化、逆流防止、充電終止電圧の検出と制御などを行
い、耐電圧いっぱいまで使えるようにするものとして、
きわめて大きな役割を持ち、エネルギー密度の有効利用
の手段として不可欠な装置である。

【０００４】コンデンサの放電時のコンデンサの端子電
圧は満充電時に比べ下がるばかりであるので、並列モニ
タは常時オフとなっており、放電時の動作には何ら関与
しない。つまり、並列モニタに電流が流れるのは、その
接続を途中で変更しない限り、コンデンサの充電時だけ
である。したがって、並列モニタが電力を消費するの
は、特定のコンデンサが定格を越えて充電されていると
きだけであり、この低損失性が並列モニタの特徴であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＥＣＳの利用
範囲が、ごく急速な充放電の側に拡張されるに伴い、そ
の許容電流、電力をさらに巨大化する必要が生じ、その
結果不経済となる場合が生じてきた。並列モニタにおい
て最も大きな電流をバイパスした場合、その電流は充電
電流そのものとなる。コンデンサの端子間電圧は、並列
モニタが正常ながぎり、その設定電圧にとどまるから、
並列モニタが負担する最大電力は、設定電圧と最大充電
電流との積となる。

【０００６】一例としてコンデンサの定格電圧、つまり
並列モニタの設定電圧を３Ｖ、充電電流を１０Ａの定電
流とすれば、並列モニタ１個当たりの発熱は最大、すな
わち１００％バイパス状態で３０Ｗとなる。別の例とし
て、電気自動車の回生制動のような、短時間に生じる大
電流で充電される場合を想定し、そのときの充電電流を
１００Ａとすれば、並列モニタの発熱は３００Ｗとな
る。

【０００７】並列モニタの定格は、充電電流が大きいほ
ど大きくする必要がある。並列モニタの放熱器の温度上
昇は、瞬間的な発熱があっても、時間が短ければ設定値
内に収める手段があるが、電子回路部の最大電流、電力
の定格はそれに応じたものが必要となる。このため大電
流充電、ごく急速な充電、ＥＣＳで標準としている１５
分間を下回る、例えば３０秒充電などを行う場合には、
並列モニタの容量は巨大にならざるを得なかった。

【０００８】しかし、そうであるからといって並列モニ
タを省けば、コンデンサは、不均等充電のために蓄電能
力をいっぱいに使うことができない。また、均圧抵抗な
どをコンデンサに並列につなぐ方法では電力損失や自己
放電など、並列モニタが解決したはずの諸問題が再現す
るのが実状である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、急速な大電流充電の用途で用いる
並列モニタでも小電力で構成できるようにするものであ
る。

【００１０】そのために本発明は、設定値を越える電圧
で充電電流をバイパスする並列モニタを有し直列接続し
た複数のコンデンサからなるコンデンサバンクを充電す
る充電制御装置において、コンデンサバンクの充電状態
を検出して該充電状態が所定の条件に達したとき充電電
流を減少させるようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１１】そして、前記充電状態が所定の条件に達し
たときは、充電電圧が設定値を越えたときや、前記並列
モニタの少なくとも１つがオンになったとき、前記コン
デンサの少なくとも１つの充電電圧が設定値を越えたと
きであり、前記所定の条件に達したときから充電電流を
漸次減少させ、コンデンサバンクの満充電直前で前記充
電電流を大幅に減少させ、或いは階段状に減少させるよ
うにしたことを特徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る並列モニタ
を小電力化した充電制御装置の実施の形態を示す図、図
２は並列モニタ付コンデンサバンクの構成例を示す図、
図３は充電制御回路の構成例を示す図である。図中、１
は並列モニタ付コンデンサバンク、２は充電装置、３は
充電制御回路、４は電流検出器、５は基準電圧、１１は
演算回路、１２は並列モニタ、Ｃ１〜Ｃｎはコンデンサ
を示す。

【００１３】図１において、並列モニタ付コンデンサバ
ンク１は、複数のコンデンサからなるコンデンサバンク
にその充電電圧が所定の値に達すると充電電流をバイパ
スする並列モニタを有し、各コンデンサバンクでの並列
モニタの動作により均等充電を行って電力を貯蔵し、そ
の貯蔵した電力を負荷に給電するものであり、検出信号
Ｖｃは、並列モニタ付コンデンサバンク１における充電
状態を検出したものとして充電制御回路３に送出するも
のである。充電制御回路３は、並列モニタ付コンデンサ
バンク１で検出された充電状態の検出信号Ｖｃ、電流検
出器４で検出された充電電流の検出信号Ｖｉ、予め設定
された基準電圧Ｖｒを入力して制御信号Ｖｏを設定し、
この制御信号Ｖｏにより充電装置２から並列モニタ付コ
ンデンサバンク１に供給する充電電流を制御するもので
ある。充電装置２は、充電制御回路２の制御信号Ｖｏに
基づいて充電電流を決定し、並列モニタ付コンデンサバ
ンク１に充電電流を供給するものであり、並列モニタ付
コンデンサバンク１を満充電時の電圧より僅か低い電圧
まで充電すると充電を停止するものである。電流検出器
４は、充電装置２から並列モニタ付コンデンサバンク１
に供給される充電電流を検出するものであり、基準電圧
Ｖｒは、充電制御回路３において制御信号Ｖｏを決定す
るための基準とするものである。

【００１４】並列モニタ付コンデンサバンク１は、例え
ば図２に示すように各並列モニタ１２の動作信号を検出
してそれらの動作信号を演算回路１１により演算しそれ
を充電状態の検出信号Ｖｃとして、また、全体の充電電
圧を検出してそれを充電状態の検出信号Ｖｃ′として出
力するものである。ここで、並列モニタ１２の動作信号
は、例えば各並列モニタ１２がオンか否かや、並列モニ
タ１２に並列に電圧コンパレータを設けて所定の電圧に
なったか否かを検出したものである。演算回路１１は、
この動作信号を演算して充電状態の検出信号Ｖｃを求め
るものである。

【００１５】充電制御回路３は、例えば図３に示す演算
回路により構成される。図３（Ａ）に示す回路は、後述
する図４のに示すように充電電圧の上昇に伴って充電
電流を漸次減少させてゆく回路の構成例を示したもので
あり、検出信号Ｖｃがない場合には、電流検出器からの
検出信号Ｖｉが基準電圧Ｖｒと等しくなるような制御信
号Ｖｏが出力される。したがって、検出信号Ｖｃとして
コンデンサの端子電圧を加えると、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２
の選択により、コンデンサの電圧上昇に伴ってノード１
に現れる基準電圧を小さくすることができるので、充電
電圧の上昇に伴って充電電流が漸次減少するような制御
が可能となる。コンデンサの端子電圧と充電電流との関
係は、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２の部分に非線形な素子や回路
を挿入することにより、非直線や折れ線近似型の変化を
させることも可能である。

【００１６】図３（Ｂ）に示す回路は、後述する図４の
に示すように設定電圧Ｖｐの点から電流を段階的に減
少させる場合に適用される構成例であり、コンデンサの
端子電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｐより低い間はノード１に現
れる電圧が正になるのに対し、電流検出器からの検出信
号Ｖｉがほとんどグランド電位に近くノード２の電圧が
低くなるので、ダイオードＤはオフになり検出信号Ｖｉ
の電圧がそのまま制御信号Ｖｏに出力される。そして、
コンデンサの端子電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｐを越えると、
ＯＰアンプの増幅作用によりノード１の電位は負に向か
い、以後はコンデンサの端子電圧Ｖｃの増加に伴ってそ
の電圧が大きくなる。このため、ダイオードＤはオンに
なり、ノード１の電圧に伴って抵抗Ｒ２を経由してノー
ド３の電位を負に引くので、制御電圧Ｖｏは急速に低下
する。したがって、定数を適当に定めることにより、図
４のに示すような特性を得ることができる。

【００１７】図３（Ｃ）に示す回路は、図４のに示す
ようにステップ状に電流を変える場合に適用される構成
例である。動作は図３（Ｂ）と同様であるが、ここで
は、ＯＰアンプではなくコンパレータを用い、設定点で
トランジスタＴＲをオンにして分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２の分
圧比を切り替えるようにしている。また、アナログ方式
による一段切り替えの例を示したが、デジタル方式で制
御を行う場合が有利で、多段に切り替えることも容易に
可能である。

【００１８】本発明は、上記のようにコンデンサの充電
状態を検出してそれが所定の条件に達している場合に、
充電電流を絞り込むよう充電装置を制御し、これによっ
て並列モニタの最大消費電力が不必要に大きくならない
ようにするものである。その条件として、充電装置の充
電電圧を測定し、それが設定値を越えると充電電流を漸
次減少させ、並列モニタがオンか否かを検出し、オンに
なっていれば充電電流を減少させ、或いは並列モニタに
並列に電圧コンパレータを設け、その信号によって充電
電流を減少させる。

【００１９】本発明の充電制御の方法と、その特徴、作
用について更に具体的に詳述する。図４は充電装置の充
電電圧対電流特性き例を示す図、図５はコンデンサの充
電特性を説明するための図である。例えば最大定格電圧
３Ｖのコンデンサ１０個を直列に接続しそれぞれに並列
モニタを設けた並列モニタ付コンデンサバンクの標準的
な構成では、充電装置の電圧制限値は３０Ｖに設定し、
各並列モニタは３Ｖより僅かに高く３．０５Ｖあたりに
設定するのが通例である。これによって満充電状態では
すべてのコンデンサがほとんど３Ｖに均等に充電され
る。

【００２０】上記の動作にあたって並列モニタの発生す
る熱量に対し、コンデンサのバラツキが１５％程度まで
は標準の１５分間の充電に充分耐えられるよう、あまり
嵩張らない放熱で設計が可能であり、故障などの異常現
象に基づく場合は、放熱板の温度検出や過電流検出によ
って保護を行えばよい。しかし、コンデンサのバラツキ
が極端に大きいか、充電電流が大きい場合には、必要と
する放熱の能力を増大させなければならず、また、定常
的に大きな電流で急速に充電する用途では、放熱板を大
きく設計せざるを得ない。その解決には、充電装置の充
電電流を上記の例で言えば２７Ｖ以上で低下させるとよ
い。その手段を以下に図４を用いて説明する。

【００２１】図４のは充電開始から満充電に達するま
で、一定の電流で充電する方式が与える充電装置の電圧
／電流特性である。それに対して図４のは充電電圧の
低い間を大電流で充電し、充電電圧が高まるに従って電
流を減少させ、その電力がほぼ一定となるような充電方
法とした場合の充電装置の電圧／電流特性を示す。並列
モニタに必要な許容電力は、図４のに比べると、図４
のの方が小さくて済む。図４のは、を適用しさら
に満充電電圧Ｖｍよりやや低い設定電圧Ｖｐから満充電
電圧Ｖｍに向かって充電電流を大幅に減少させるもので
ある。なお、図４のでは、充電電流の減少特性を直線
で表したが、任意のカーブを採用してもよいし、或いは
に示したような階段状に変化させてもよい。この場
合、設定電圧Ｖｐを低く選ぶほど、広範囲なコンデンサ
のバラツキに対して効果があるが、充電電圧が設定電圧
Ｖｐより上の領域での充電速度が電流を減少させた分だ
け遅くなる。

【００２２】上記のような本発明によれば、コンデンサ
自体の緩和充電電流による均等化効果に加えて、満充電
直前で充電電流を大幅に減少させることが可能になるた
め、必要な並列モニタの許容電力および放熱容量を１／
２〜１／２０程度に削減することができる。

【００２３】上記の方法では、充電電流を絞りはじめる
設定電圧Ｖｐを予め設定したが、この設定電圧Ｖｐは、
すべてのコンデンサがよく揃っていれば限りなくＶｍに
近い値に設定することができるのに対し、各コンデンサ
のバラツキが大きい場合には満充電側と反対のゼロに近
い方に移動する。したがって、設定電圧Ｖｐは、ある程
度の品質のコンデンサを想定すればそれに応じた値を決
めることができる。厳密にいうと最適な設定電圧Ｖｐ
は、コンデンサの使われ方によって変化する。

【００２４】上記充電電圧を利用する方法に対し、並列
モニタがオンになった信号を利用する方法は、各コンデ
ンサのバラツキに応じて設定を自動的に変化させるため
である。図２に示すようにすべての並列モニタから信号
を取り出し、それを例えばＯＲ論理で接続することによ
って、いずれかの並列モニタがオンになったことを検出
し、その信号によって充電装置の充電電流を例えば定格
の１／１０に減少させる。この並列モニタがオンになっ
た信号を利用する方法は、装置から信号の取り出しが必
要になるので、上記充電電圧を利用する方法より構成は
複雑になるが、実際にオンになった並列モニタが出ては
じめて充電電流を絞るので、最善の性能が得られる。

【００２５】また、各並列モニタに並列に電圧コンパレ
ータを設ける方法は、標準値との比較などの処理を行え
ばよいので、コンデンサの故障や劣化の判定に利用する
こともできる。コンデンサの故障や劣化を判定する方法
で用いられるコンデンサの故障や劣化を判定するための
電圧コンパレータの信号を利用して電圧Ｖｐの点を求
め、充電電流を減少させるように構成することもでき
る。

【００２６】二次電池は一般に電気化学反応を利用して
いるので、充電時間を極端に短くするのは困難である。
コンデンサは物理現象で電気二重層を挟んで電解液中の
イオンとキャリア（電子またはホール）が引き合うのを
利用しており、化学電池より各段に短時間充電が可能で
あり、その際の発熱や寿命への影響もごく軽微に製作す
ることができる。

【００２７】このような電気二重層コンデンサの充電特
性は、図５に充電電流を□及び充電電圧を■で示すよう
に定電流で設定値まで充電し（charge(CC)の区間) 、そ
こで定電圧に保つと、充電電流は一挙にゼロには下がら
ず、図の楕円内に示すようにコンデンサに固有なある一
定の時定数をもって徐々に減少する。これは電極が有限
な厚さを有するため、端子から遠い分散キャパシタに充
電が行き渡る過程と見られ、それに必要な時間だけ充電
装置の電圧を一定に維持して、いわゆる緩和充電を行う
方法を用いている。

【００２８】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、充電状態を検出する方法として、並
列モニタがオンか否か、所定の電圧Ｖｐまで充電された
か否かを検出するように構成したが、並列モニタが取り
付けられた放熱板、または並列モニタのバイパストラン
ジスタの温度を検出し、その検出値が設定値を越えたと
き、図４に示す電圧Ｖｐに達したと判断して充電電流を
減少させるようにしてもよい。また、全体の充電電圧を
並列モニタ付コンデンサバンクで検出したが、充電装置
の出力電圧を検出するように構成してもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、コンデンサバンクの充電状態を検出して該充
電状態が所定の条件に達したとき充電電流を減少させる
ので、急速な大電流充電の用途で用いる並列モニタでも
小電力で構成できる。

【００３０】すなわち、本発明に係る充電制御装置によ
れば、充電電流は一挙に減少しないという図５に示した
現象から、ＥＣＳの並列モニタでは、その最初の一個が
動作した際に、いきなり全充電電流をバイパスするので
はなく、そのバイパス電流はコンデンサ電流のゆっくり
した減少を補う形で徐々に増加し、他方、並列モニタが
作動していない他のコンデンサは全充電電流で充電され
ているので、充電速度に差が生じ、早く設定値に達した
ものが足踏みをする形となり、充電の遅れているものが
追いついてくる。このときの閾値の設定は、格別に、徐
々に何段階にもバイパス電流が変化するように設定しな
くても、設定値に達してから図５の楕円内に示したよう
にコンデンサに流れ込む電流が急激にではなく、徐々に
変化するコンデンサの性質があるので、この性質が自動
的に充電速度を調節する際のバイパス電流による損失を
軽減するように働く。

【００３１】したがって、多数のコンデンサを直列にし
て充電する充電装置、つまり定電流源には、直列にした
すべての並列モニタの合計よりわずかに低い電圧で充電
を停止させるように電圧制限回路を設定しておくことに
より、充電装置が充電完了後の並列モニタのバイパスト
ライジスタを著しく加熱するのを回避することができる
ので、並列モニタの小電力化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る並列モニタを小電力化した充電
制御装置の実施の形態を示す図である。

【図２】 並列モニタ付コンデンサバンクの構成例を示
す図である。

【図３】 充電制御回路の構成例を示す図である。

【図４】 充電装置の充電電圧対電流特性き例を示す図
である。

【図５】 コンデンサの充電特性を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１…並列モニタ付コンデンサバンク、２…充電装置、３
…充電制御回路、４…電流検出器、５…基準電圧、１１
…演算回路、１２…並列モニタ、Ｃ１〜Ｃｎ…コンデン
サ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 設定値を越える電圧で充電電流をバイパ
   スする並列モニタを有し直列接続した複数のコンデンサ
   からなるコンデンサバンクを充電する充電制御装置にお
   いて、コンデンサバンクの充電状態を検出して該充電状
   態が所定の条件に達したとき充電電流を減少させるよう
   にしたことを特徴とする並列モニタを小電力化する充電
   制御装置。
2. 【請求項２】 前記充電状態が所定の条件に達したとき
   は、充電電圧が設定値を越えたときであることを特徴と
   する請求項１記載の並列モニタを小電力化する充電制御
   装置。
3. 【請求項３】 前記充電状態が所定の条件に達したとき
   は、前記並列モニタの少なくとも１つがオンになったと
   きであることを特徴とする請求項１記載の並列モニタを
   小電力化する充電制御装置。
4. 【請求項４】 前記充電状態が所定の条件に達したとき
   は、前記コンデンサの少なくとも１つの充電電圧が設定
   値を越えたときであることを特徴とする請求項１記載の
   並列モニタを小電力化する充電制御装置。
5. 【請求項５】 前記所定の条件に達したときから充電電
   流を漸次減少させ、コンデンサバンクの満充電直前で前
   記充電電流を大幅に減少させるようにしたことを特徴と
   する請求項１記載の並列モニタを小電力化する充電制御
   装置。
6. 【請求項６】 前記所定の条件に達したときから充電電
   流を漸次減少させ、コンデンサバンクの満充電直前で前
   記充電電流を階段状に減少させるようにしたことを特徴
   とする請求項１記載の並列モニタを小電力化する充電制
   御装置。