JPWO2018139213A1

JPWO2018139213A1 - 車載用非常電源装置

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Publication number: JPWO2018139213A1
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Inventors: 洋一影山; 貴司東出; 克則愛宕; 久雄平城; 一雄竹中; 侑吾薛
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Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2019-11-14
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Abstract

車載用非常電源装置は、電気二重層キャパシタを有する蓄電部と、蓄電部を充電する充電回路と、蓄電部を放電する放電回路と、充電回路と放電回路とを制御する制御部とを備える。制御部は、蓄電部を充電回路によって充電させるときに、蓄電部の設定満充電電圧を決定し、設定満充電電圧に基づいて設定満充電電圧より低い補正充電電圧を決定し、蓄電電圧が補正充電電圧に達するまで充電回路を動作させて蓄電部を充電するように構成されている。この車載用非常電源装置は出力電圧を安定させることができる。

Description

本発明は、各種車両に使用される車載用非常電源装置に関する。

図１０は従来の車載用非常電源装置の回路ブロック図である。車載用非常電源装置１は蓄電部２と、蓄電部２の入力経路に設けられて降圧動作を行う充電回路３と、蓄電部２の出力経路に設けられて昇圧動作を行う放電回路４と、充電回路３と放電回路４とを制御する制御部５とを有する。

通常は、車両負荷７には通常路線７Ａを介してバッテリー６に接続されることで電力が供給され、また、充電回路３はバッテリー６に接続され、バッテリー６の電圧を降圧したうえで蓄電部２を充電する。バッテリー６に障害が生じた際には、蓄電部２に蓄えられた電力が放電回路４によって電圧を昇圧されたうえで放電回路４から車両負荷７へと供給される。

車載用非常電源装置１に類似の従来の車載用非常電源装置は、例えば特許文献１に開示されている。

国際公開第２０１３／１２５１７０号

車載用非常電源装置は、電気二重層キャパシタを有する蓄電部と、蓄電部を充電する充電回路と、蓄電部を放電する放電回路と、充電回路と放電回路とを制御する制御部とを備える。制御部は、蓄電部を充電回路によって充電させるときに、蓄電部の設定満充電電圧を決定し、設定満充電電圧に基づいて設定満充電電圧より低い補正充電電圧を決定し、蓄電電圧が補正充電電圧に達するまで充電回路を動作させて蓄電部を充電するように構成されている。

この車載用非常電源装置は出力電圧を安定させることができる。

図１は実施の形態における車載用非常電源装置の回路ブロック図である。図２は車載用非常電源装置を搭載した車両のブロック図である。図３は実施の形態における車載用非常電源装置の動作を示すフローチャートである。図４は実施の形態における車載用非常電源装置の図３に示す動作での動作特性図である。図５は実施の形態における車載用非常電源装置の図３に示す動作での他の動作特性図である。図６は実施の形態における車載用非常電源装置の蓄電部の寿命特性図である。図７は実施の形態における車載用非常電源装置の蓄電部の寿命特性図である。図８は実施の形態における車載用非常電源装置の他の動作を示すフローチャートである。図９は実施の形態における車載用非常電源装置の図８に示す動作での動作特性図である。図１０は従来の車載用非常電源装置のブロック図である。

図１は実施の形態における車載用非常電源装置８の回路ブロック図である。車載用非常電源装置８は、蓄電部１０と、蓄電部１０の入力経路に設けられた充電回路１１と、蓄電部１０の出力経路に設けられた放電回路１２と、充電回路１１に接続された入力部１３と、放電回路１２に接続された出力部１４と、充電回路１１および放電回路１２の動作を制御する制御部１５と、制御部１５に接続された信号受信部１６とを含む。充電回路１１は蓄電部１０を充電する。放電回路１２は蓄電部１０を放電させる。制御部１５は蓄電部１０に接続されている。蓄電部１０は互いに直列に接続された複数の電気二重層キャパシタ９を有する。蓄電部１０は１つの電気二重層キャパシタ９で構成されていてもよい。電気二重層キャパシタ９のそれぞれは、内部容量Ｃｉｎｔｐと、内部容量Ｃｉｎｔｐに直列に接続された内部抵抗Ｒｉｎｔｐとを有する。蓄電部１０は、等価的に、内部容量Ｃｉｎｔと、内部容量Ｃｉｎｔに直列に接続された内部抵抗Ｒｉｎｔとを有する。内部容量Ｃｉｎｔは、互いに直列に接続された複数の電気二重層キャパシタ９の内部容量Ｃｉｎｔｐを合成して得られた合成容量であり、内部抵抗Ｒｉｎｔは、互いに直列に接続された複数の電気二重層キャパシタ９の内部抵抗Ｒｉｎｔｐを合成して得られた合成抵抗である。

図２は車載用非常電源装置８を搭載する車両１７のブロック図である。車両１７は、車体１８と、車体１８に搭載された車載用非常電源装置８と、車体１８に搭載されたバッテリー１９と、車体１８に配置されたエンジン連動スイッチ２０と、車体１８に配置されたエンジンスイッチ２３と、車体１８に搭載された車両負荷２１と、車両負荷２１をエンジン連動スイッチ２０と接続する電力供給路線２２とを備える。車載用非常電源装置８の入力部１３はバッテリー１９にエンジン連動スイッチ２０を介して接続されている。車載用非常電源装置８の出力部１４は車両負荷２１に接続されている。車両負荷２１は、バッテリー１９にもエンジン連動スイッチ２０を介して接続されている。

車両１７とバッテリー１９とが正常な状態では、車両１７の起動に連動するエンジン連動スイッチ２０が導通しているとき、バッテリー１９の電力は電力供給路線２２を通じて車両負荷２１へと供給される。車両１７とバッテリー１９が正常な状態では、車載用非常電源装置８の充電回路１１が常時、間欠的、または予め設定されたタイミングで動作し、蓄電部１０を充電する。車両１７に搭載された一部の負荷は、車両１７の起動に関連せず、常にバッテリー１９から電力を供給されることが可能な状態となってはいるが車載用非常電源装置８の動作とは直接に関係しないので、以降も詳しく説明しない。

車両１７とバッテリー１９との少なくとも一方が異常な状態に陥ったときには、車載用非常電源装置８の放電回路１２が動作し、蓄電部１０に蓄えられた電力が車両負荷２１へと供給される。

以下においては、主に車両１７とバッテリー１９が正常な状態での蓄電部１０、充電回路１１、および制御部１５の動作について説明する。図３は車両１７と車載用非常電源装置８の動作を示すフローチャートである。図４と図５は車載用非常電源装置８の図３に示す動作での動作特性図である。図４と図５において、縦軸は蓄電部１０の両端の電圧である蓄電電圧Ｖ１０と充電回路１１が蓄電部１０に流す充電電流Ｉ１０とを示し、横軸は時間を示す。

車両１７の搭乗者が車両１７を起動させるようにエンジンスイッチ２３を操作すると（ステップＳ１）エンジン連動スイッチ２０は導通状態となる（ステップＳ２）。またエンジンスイッチ２３が車両１７を起動する状態になると同時に、あるいはエンジン連動スイッチ２０が導通状態となった後に、車載用非常電源装置８の信号受信部１６が動作信号を受信し、制御部１５が動作信号を検知する（ステップＳ３）。実施の形態における車両１７では、信号受信部１６が受信する動作信号は、エンジンスイッチ２３が発信する。動作信号は、車両１７を統括制御する車両制御装置からエンジンスイッチの切り替えに応じて発信されてもよい。また、ここでは説明の便宜上、エンジンスイッチ２３から車載用非常電源装置８への信号の伝達のために信号受信部１６を示す。しかしながら、エンジンスイッチ２３が制御部１５と直接に接続されて、エンジンスイッチ２３から車載用非常電源装置８へ信号が伝達されてもよい。

制御部１５は動作信号を検知すると、即座に、あるいは所定の期間の経過後に、またあるいは、蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０に応じて充電回路１１を時点Ｔ０に起動させる（ステップＳ４）。エンジンスイッチ２３が車両１７を起動させるステップＳ１の前、すなわち、車両１７が起動していないときには蓄電部１０は満充電状態ではなく低い水準の充電状態や概ね空に近い充電の状態に対応する初期電圧Ｖｉに設定されている。充電回路１１が起動することで、蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０が所望水準の充電状態である補正充電電圧Ｖｃとなるように時点Ｔ０に充電回路１１は蓄電部１０を充電し始める。

充電回路１１が時点Ｔ０に蓄電部１０を充電し始めると、制御部１５は蓄電部１０の充電状態に対応する蓄電電圧Ｖ１０の値を充電過程の電圧として検出し始める。あるいは、制御部１５は蓄電部１０の充電状態に対応する蓄電電圧Ｖ１０を充電過程の電圧として検出することが可能な状態となる。そして、制御部１５は、充電回路１１が充電を開始した時点Ｔ０から所定の期間ＰＴ１、ＰＴ２だけ経過した時点Ｔ１、Ｔ２で蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０の複数の値Ｖ１、Ｖ２を検出する（ステップＳ５）。

制御部１５は、蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ１、Ｖ２と時点Ｔ１、Ｔ２と、と、予め制御部１５に記憶されたデータとを用いて設定満充電電圧Ｖｕを決定する（ステップＳ６）。以下に、制御部１５がステップＳ６で設定満充電電圧Ｖｕを決定する動作について説明する。

図１に示すように、電気二重層キャパシタ９は互いに直列に接続された内部容量Ｃｉｎｔと内部抵抗Ｒｉｎｔとを有する。内部抵抗Ｒｉｎｔは電気二重層キャパシタ９の劣化が進行するに従って大きくなる。このため、蓄電部１０から放電回路１２へ同じ電圧を供給するためには、電気二重層キャパシタ９の劣化が進行した場合は、電気二重層キャパシタ９の劣化が進行していない場合に比較して、電気二重層キャパシタ９の満充電電圧は内部抵抗Ｒｉｎｔによる電圧降下の分だけ上昇させる。設定満充電電圧Ｖｕは電気二重層キャパシタ９の上記満充電電圧と電気二重層キャパシタ９の数との積である。電気二重層キャパシタ９の劣化が進行するに従って満充電電圧を上昇させる必要がある。言い換えると、蓄電部１０から放電回路１２へと所定電圧を供給するために必要な満充電電圧は、電気二重層キャパシタ９の劣化が進行するに従って高くなる。

内部抵抗Ｒｉｎｔが電気二重層キャパシタ９の劣化が進行するに従って大きくなると同時に電気二重層キャパシタ９の内部容量Ｃｉｎｔも小さくなる。このため、充電回路１１から蓄電部１０へ同じ充電電流を供給して蓄電部１０を充電する場合に、電気二重層キャパシタ９の劣化が進行した場合には、電気二重層キャパシタ９の劣化が進行していない場合に比較して、電気二重層キャパシタ９はより短時間で満充電に到達する。図４は、電気二重層キャパシタ９の劣化が進行する前の状態を示し、図５は電気二重層キャパシタ９の劣化が進行した後の状態を示す。図４と図５に示すように、充電を開始した時点Ｔ０から所定の期間ＰＴ１、ＰＴ２だけ経過したときの蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ１、Ｖ２は大きくなり、同一の初期電圧Ｖｉを起点とした場合の蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ１、Ｖ２の差は、電気二重層キャパシタ９の劣化が進行するに従って大きくなる。

上記の特性に基づき、電気二重層キャパシタ９の劣化の進行に対して、電気二重層キャパシタ９の内部抵抗Ｒｉｎｔと満充電電圧に相当する設定満充電電圧Ｖｕと、所定の期間ＰＴ１、ＰＴ２に対応する蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ１、Ｖ２と、時点Ｔ１から時点Ｔ２への蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ１から値Ｖ２への変化とは相関がある。言い換えると、電気二重層キャパシタ９の劣化の進行に伴う、所定の充電電流における単位時間当たりの蓄電電圧Ｖ１０の変化率の推移と、設定満充電電圧Ｖｕの推移との間には相関がある。あるいは、電気二重層キャパシタ９の劣化の進行に伴う所定の充電電流における単位時間当たりの蓄電電圧Ｖ１０の傾きの推移と、設定満充電電圧Ｖｕの推移との間には相関がある。したがって、充電時に充電回路１１から蓄電部１０へ供給される充電電流が所定電流値として一定に維持された条件では、充電回路１１から蓄電部１０への充電時間と充電過程の蓄電電圧Ｖ１０との関係、または、充電時間と蓄電電圧Ｖ１０の変化との関係によって、電気二重層キャパシタ９の劣化の度合いに対応して設定満充電電圧Ｖｕを制御部１５は決定することができる。

また、電気二重層キャパシタ９の劣化の度合いは電気二重層キャパシタ９に固有である。制御部１５は、上記の所定電流値における、充電回路１１が蓄電部１０を充電する充電時間の複数の値と蓄電電圧Ｖ１０の複数の値との関係、または、充電時間の複数の値と所定時間あたりの蓄電電圧Ｖ１０の変化の複数の値との関係に対応した設定満充電電圧Ｖｕの複数の値のデータを予め記憶している。制御部１５は、蓄電電圧Ｖ１０を検出すると、予め記憶していたデータを用いることによって設定満充電電圧Ｖｕを求めることができる。

具体的には、例えば、先述の蓄電電圧Ｖ１０の変化率や傾きと設定満充電電圧Ｖｕとの関係のデータが、適用する電気二重層キャパシタ９に対して予め与えられた値として制御部１５に記憶されている。制御部１５は、実際に測定された蓄電電圧Ｖ１０の変化率や傾きに基づいて上記の記憶したデータを参照して、測定時点での設定満充電電圧Ｖｕを比較や演算などにより推定して求める。様々な充電電流の値がパラメータとして用いられ、充電電流のそれぞれの値に対する蓄電電圧Ｖ１０の変化率や傾きと設定満充電電圧Ｖｕとの関係のデータが制御部１４に記憶されていることが好ましい。

制御部１５は、先のように求めた設定満充電電圧Ｖｕから保全電圧ｄＶを減じて得られる補正充電電圧Ｖｃを決定する（ステップＳ６）。制御部１５は、蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０が補正充電電圧Ｖｃに達するまで、充電回路１１を動作させて蓄電部１０を充電する。保全電圧ｄＶは一定の値であっても、あるいは、設定満充電電圧Ｖｕに１未満の所定の定数を乗じた値であってもよい。

図４と図５に示すように、時点Ｔ２を経て充電回路１１が蓄電部１０を一定の充電電流で充電し続けると、蓄電電圧Ｖ１０は値Ｖ２から増加し続けて、時点Ｔ３で補正充電電圧Ｖｃに達し、時点Ｔ４で設定満充電電圧Ｖｕに達する。実施の形態における車載用非常電源装置８では、充電回路１１は、電気二重層キャパシタ９の劣化進行の度合いには関係なく、常に蓄電電圧Ｖ１０が設定満充電電圧Ｖｕに達する時点Ｔ４の前に蓄電電圧Ｖ１０が設定満充電電圧Ｖｕよりも低い補正充電電圧Ｖｃに達する時点Ｔ３で蓄電部１０を充電し終える。これにより、蓄電部１０の劣化進行は抑制され、蓄電部１０における蓄電容量の減少も抑制される。結果として車載用非常電源装置８からの出力電力が長期間にわたって安定し、蓄電部１０および車載用非常電源装置８は長寿命化される。

図１０に示す従来の車載用非常電源装置１では、放電回路４が車両負荷７への電力供給時に昇圧動作を行う。特に蓄電部２での劣化が進行した状況において車両負荷７へ供給する電力が大きく、かつ供給期間が長いときには、放電回路４からの出力電圧を安定させることができない場合がある。

実施の形態における車載用非常電源装置８では、前述のように出力電力が長期間にわたって安定し、蓄電部１０および車載用非常電源装置８は長寿命化される。

図６は蓄電部１０に用いられる電気二重層キャパシタ９の寿命特性図である。図６において、縦軸は電気二重層キャパシタ９の内部容量Ｃｉｎｔｐと内部抵抗Ｒｉｎｔｐとを示し、横軸は使用時間を示す。一般的に電気二重層キャパシタ９においては、図６は満充電電圧まで複数回充電された場合の内部容量Ｃｉｎｔｐの値Ｃ１と内部抵抗Ｒｉｎｔｐの値Ｒ１を示し、満充電よりも低い電圧まで複数回充電された場合の内部容量Ｃｉｎｔｐの値Ｃ２と内部抵抗Ｒｉｎｔｐの値Ｒ２をさらに示す。図６に示すように、満充電電圧まで複数回充電されて使用した場合の内部容量Ｃｉｎｔｐの値Ｃ１は、満充電電圧より低い電圧で複数回充電されて使用された場合の内部容量Ｃｉｎｔｐの値Ｃ２よりも早く小さくなる。また、満充電電圧まで複数回充電されて使用された場合の内部抵抗Ｒｉｎｔｐの値Ｒ１は、満充電電圧より低い電圧で複数回充電されて使用された場合の内部抵抗Ｒｉｎｔｐの値Ｒ２よりも早く大きくなる。すなわち満充電電圧まで複数回充電された場合は、満充電電圧より低い電圧で複数回充電された場合よりも電気二重層キャパシタ９は早く劣化する。このため、蓄電電圧Ｖ１０が設定満充電電圧Ｖｕよりも低い補正充電電圧Ｖｃまで蓄電部１０が充電されることによって、電気二重層キャパシタ９を含めた蓄電部１０および車載用非常電源装置８はより長寿命化され、車載用非常電源装置８からの出力電力が長期間にわたって安定化する。

図７は車載用非常電源装置８における蓄電部１０の寿命特性図である。図７において、縦軸は蓄電部１０の内部容量Ｃｉｎｔを示し、横軸は使用時間を示す。図７は、車載用非常電源装置８における蓄電部１０の内部容量Ｃｉｎｔの値Ｃ３を示す。図７は、設定満充電電圧Ｖｕまで複数回充電されて使用された場合の内部容量Ｃｉｎｔの値Ｃ４と、設定満充電電圧Ｖｕよりも低い電圧まで複数回充電されて使用された場合の内部容量Ｃｉｎｔの値Ｃ５をさらに示す。図７に示すように蓄電部１０が設定満充電電圧Ｖｕで満充電に近い状態で充電されても、あるいは、補正充電電圧Ｖｃを用いて充電されても、時間とともに電気二重層キャパシタ９が劣化して蓄電部１０の内部容量Ｃｉｎｔは減少する。しかしながら、保全電圧ｄＶに基づく補正充電電圧Ｖｃまで充電されることで、蓄電部１０の内部容量Ｃｉｎｔの減少を伴う劣化の進行は抑制される。蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０が保全電圧ｄＶだけ低下した補正充電電圧Ｖｃまで蓄電部１０が充電されていることによって、異常時における降圧放電での車載用非常電源装置８の出力電圧が安定化する。

先にも述べたように、電気二重層キャパシタ９の劣化が進行するに従って満充電電圧は上昇させる。この動作が、更なる電気二重層キャパシタ９の劣化を招く恐れがある。しかしながら、上記のように保全電圧ｄＶと補正充電電圧Ｖｃとが用いられることによって、蓄電部１０の内部容量Ｃｉｎｔの低下を伴う劣化の進行は大幅に抑制される。

保全電圧ｄＶと補正充電電圧Ｖｃとが用いられた場合であっても先に内部抵抗Ｒｉｎｔについて述べたように、電気二重層キャパシタ９への満充電電圧は内部抵抗Ｒｉｎｔによる電圧降下の分だけ上昇させる必要が生じ、補正充電電圧Ｖｃの値も電気二重層キャパシタ９の劣化が進行するに従って高くなる。そして、電気二重層キャパシタ９の劣化が進行するに従って蓄電部１０の内部容量Ｃｉｎｔも低下する。

ここで、電気二重層キャパシタ９の劣化に伴う内部容量Ｃｉｎｔの変化すなわち低下と、電気二重層キャパシタ９の劣化に伴う設定満充電電圧Ｖｕの変化すなわち上昇との間には相関がある。さらに、電気二重層キャパシタ９の劣化に伴う内部容量Ｃｉｎｔの変化すなわち低下と、内部抵抗Ｒｉｎｔの変化すなわち上昇との間には相関がある。がある。これは先述のように、適用する電気二重層キャパシタ９が固有に有する特性や値であるので、電気二重層キャパシタ９に対して予め与えられた値として制御部１５に記憶されるとよい。

先述の蓄電電圧Ｖ１０の変化率や傾きと設定満充電電圧Ｖｕとの関係のデータが、適用する電気二重層キャパシタ９に対して予め与えられた値として制御部１５に記憶されている。制御部１５は、実際に測定された蓄電電圧Ｖ１０の変化率や傾き基づいて上記の記憶したデータを参照して測定時点での内部容量Ｃｉｎｔを比較や演算などにより推定して求める。そして先述と同様に、様々な充電電流の値がパラメータとして用いられ、充電電流のそれぞれの値に対する蓄電電圧Ｖ１０の変化率や傾きの値と内部容量Ｃｉｎｔの値との関係のデータが制御部１４に記憶されていることが好ましい。

図７において、補正充電電圧Ｖｃへ保全電圧ｄＶを適用した充電による内部容量Ｃｉｎｔが劣化に伴って低下し、放電回路１２を適切に動作させることのできる下限である限界容量ＣＬに時点ＴＸで達したときには、あるいは、限界容量ＣＬを時点ＴＸで下回ったときには、保全電圧ｄＶを０に設定し、補正充電電圧Ｖｃと設定満充電電圧Ｖｕとを同じ値とする。これにより、補正充電電圧Ｖｃが上昇し、蓄電部１０の容量は満充電状態まで充電されるのである程度の期間にわたって蓄電容量を増加させた状態を維持することができる。つまり、図７に示す期間ＰＴＥだけ蓄電部１０すなわち車載用非常電源装置８の寿命を長くすることができる。限界容量ＣＬは車両負荷２１を適切に動作させることが可能な電力および電力量にもとづいて決定されてもよい。

以上では、主に車両１７やバッテリー１９が正常な状態での蓄電部１０と充電回路１１と制御部１５の動作について説明した。以下では、車両１７やバッテリー１９が異常な状態に陥り、車載用非常電源装置８が蓄電部１０に蓄えた電力を放電回路１２によって放電するときの動作を考慮して車載用非常電源装置８の動作を説明する。

ここで特に、車両１７やバッテリー１９が正常な状態で充電回路１１は動作し、車両１７やバッテリー１９が異常な状態に陥った際に放電回路１２が蓄電電圧Ｖ１０を下げて出力する降圧回路として動作する。車両１７やバッテリー１９が異常な状態に陥った際には、蓄電部１０の内部容量Ｃｉｎｔが限界容量ＣＬ以上であって、蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０が放電回路１２を降圧回路として動作させることが可能な電圧以上であることが必要となる。

つまり、車両１７やバッテリー１９が正常時には、蓄電電圧Ｖ１０が、車両負荷２１で必要とされる出力部１４における出力電圧よりも高い値で維持される。これによって、車両負荷２１で消費する電力が大きくなったときにも放電回路１２からの出力電圧は不安定な状態とはならない。これに対して車両１７やバッテリー１９が異常時には、放電回路１２は降圧回路として動作するので、蓄電電圧Ｖ１０は高い電圧を保持する必要がある。このため、蓄電部１０は互いに直列に接続された複数の電気二重層キャパシタ９よりなり、蓄電部１０の容量が限界容量ＣＬ以上に維持される電圧に蓄電部１０は充電されている。

これにより、蓄電部１０の内部抵抗Ｒｉｎｔは大きな値となり易く、蓄電部１０から電力が放電される際の放電電流は抑制されやすくなる。この結果として蓄電部１０の電圧が出力部１４で必要とされる電圧よりも高い値を維持している間は、放電電流は急変しにくく、したがって放電電流の急変に伴う放電電圧の急変が生じ難い。つまり、放電電力は安定した電圧で比較的長い期間にわたって放電回路１２から出力されることができる。特に車両負荷２１がモータのような一時的に大電流が必要となる負荷である場合に、車両負荷２１は大電流が流れる前後においても安定して動作することができる。

ここで、充電回路１１は入力された電圧を高くして出力する昇圧回路であってもよく、入力された電圧を下げて出力する降圧回路としてであってもよい。言い換えると、蓄電部１０の電圧が出力部１４で必要とされる電圧よりも高い値を有するのであれば充電回路１１は昇圧動作、降圧動作の何れを行ってもよい。

またさらに図７に示すように、補正充電電圧Ｖｃが用いられることにより、蓄電部１０の当初の内部容量Ｃｉｎｔは保全電圧ｄＶに対応して減少するものの、電気二重層キャパシタ９の劣化による内部容量Ｃｉｎｔの減少が抑制される。このため、特に放電回路１２が降圧回路として動作する場合、蓄電部１０の直列に接続されている電気二重層キャパシタ９の数を少なくすることができる。つまり、蓄電部１０の当初の蓄電容量は低い値であっても、蓄電容量の劣化が進行しにくいため、放電回路１２からの出力電圧よりも高い電圧を蓄電部１０が有するとの条件が満たされていれば、直列接続された電気二重層キャパシタ９の数を少なくし、蓄電部１０の劣化に対する余裕度合いを小さくして初期の電圧を低くすることができる。したがって、蓄電部１０と車載用非常電源装置８の容積の小型化や重量の軽量化が可能となる。そして同時に、車両１７やバッテリー１９が異常な状態に陥ったときに、車載用非常電源装置８は安定した出力電圧を得ることができる。

さらに、蓄電部１０は直列に接続された複数の電気二重層キャパシタ９よりなるので、蓄電部１０へ適用される保全電圧ｄＶは単一の値であると同時に個々の電気二重層キャパシタ９に対して概ね均等に作用する。したがって、個々の電気二重層キャパシタ９においては小さな電圧値であっても、保全電圧ｄＶは容易に決定、印加されることができる。この結果、保全電圧ｄＶは効果的に電気二重層キャパシタ９の劣化を抑制する。

以上の動作では、特に充電回路１１が動作するときに、制御部１５は時点Ｔ１、Ｔ２での蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ１，Ｖ２を検出し、２つの時点Ｔ１、Ｔ２と蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ１、Ｖ２とから、予め記憶されたデータをもとにして蓄電部１０の設定満充電電圧Ｖｕを決定する。しかしながら、制御部１５は３つ以上の時点で検出した蓄電電圧Ｖ１０の値に基づいて設定満充電電圧Ｖｕを決定してもよい。検出する時点が多くなることより、蓄電電圧Ｖ１０の複数の値のうち基準値から限度範囲を超えて乖離した値を削除することが可能となり、設定満充電電圧Ｖｕおよび補正充電電圧Ｖｃの値をより正確に決定することができ、電気二重層キャパシタ９を含めた蓄電部１０および車載用非常電源装置８は長寿命化される。また、車両１７が異常な状態に陥った際の、車載用非常電源装置８からの出力電力が長期間にわたって安定する。そして、車両負荷２１は正確な動作が可能となる。

また、制御部１５は、時点０における初期電圧Ｖｉと時点Ｔ１における蓄電電圧Ｖ１０のＶ１とを検出したうえで、時点Ｔ２に蓄電電圧Ｖ１０を検出することなく、設定満充電電圧Ｖｕおよび補正充電電圧Ｖｃを決定してもよい。

設定満充電電圧Ｖｕを決定するためには、蓄電部１０が満充電に達する前に蓄電電圧Ｖ１０の値を検出する。したがって、蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０を検出し終えるタイミングも、予め電気二重層キャパシタ９の特性に応じて制御部１５に記憶された満充電に達する時間や、あるいは、車両１７が前回駆動されたときに記憶された満充電に達する時間にもとづいて決定されてもよい。

以上の動作では、充電回路１１が蓄電部１０を充電し、制御部１５は、所定の複数の時点で蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０を検出し、検出した値が制御部１５に予め記憶されたデータに対照されたうえで、設定満充電電圧Ｖｕを決定し、そして、最終的に補正充電電圧Ｖｃを決定する。制御部１５は、他の動作で設定満充電電圧Ｖｕと補正充電電圧Ｖｃを決定することができる。

上述のように、制御部１５は、蓄電部１０を充電回路１１によって充電させるときに、以下の動作を行うように構成されている。制御部１５は、充電回路１１が蓄電部１０へ電力を供給し始めてから複数の所定の期間ＰＴ１、ＰＴ２後における、蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０の複数の値Ｖ１、Ｖ２をそれぞれ検出する。制御部１５は、蓄電電圧Ｖ１０の複数の値Ｖ１、Ｖ２と複数の所定の期間ＰＴ１、ＰＴ２とに基づき蓄電部１０の設定満充電電圧Ｖｕを決定する。制御部１５は、設定満充電電圧Ｖｕに基づいて設定満充電電圧Ｖｕより低い補正充電電圧Ｖｃを決定する。制御部１５は、蓄電電圧Ｖ１０が補正充電電圧Ｖｃに達するまで充電回路１１を動作させて蓄電部１０を充電する。

制御部１５は、設定満充電電圧Ｖｕから保全電圧ｄＶを減じて補正充電電圧Ｖｃを決定してもよい。

制御部１５は、蓄電部１０の内部容量Ｃｉｎｔが小さくなり限界容量ＣＬに達した場合に補正充電電圧Ｖｃを高くしてもよい。

図８は実施の形態における車載用非常電源装置８の他の動作を示すフローチャートである。図９は図８に示す動作における車載用非常電源装置の動作特性図である。図８と図９において、図３から図５に示す動作と同じ項目には同じ参照番号を付す。図８に示す動作では、制御部１５が蓄電部１０における内部抵抗Ｒｉｎｔの値を試験電流と蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０とから求め、内部抵抗Ｒｉｎｔの値から設定満充電電圧Ｖｕを決定し、最終的に補正充電電圧Ｖｃを決定する。

車両１７やバッテリー１９が正常な状態であるとき、制御部１５は動作信号を検知すると、即座に、あるいは定期的に、またあるいは、蓄電部１０の端子電圧に応じて、充電回路１１を時点Ｔ０で起動させる（ステップＳ４）。エンジンスイッチ２３が車両起動状態となる前、すなわち、車両１７が起動していないときには蓄電部１０は満充電状態ではなく低い水準の充電状態や概ね空に近い充電状態の初期電圧Ｖｉに設定されている。充電回路１１が起動することで、蓄電部１０の両端の電圧である蓄電電圧Ｖ１０が所望水準の充電状態である補正充電電圧Ｖｃとなるように蓄電部１０を充電し始める。

充電回路１１が蓄電部１０を充電し始める前に、あるいは充電回路１１が蓄電部１０へ充電を始めてから所定の期間ＰＴ１が経過した時点Ｔ１で充電回路１１が蓄電部１０の充電を時点Ｔ１に一時的に中断して蓄電部１０に流れる充電電流Ｉ１０をゼロにする。そして、充電回路１１が蓄電部１０の充電を中断している間にまず、制御部１５もしくは蓄電部１０が、蓄電部１０の両端の電位差Ｖ２１の値を測定して検出して一時的に記憶する（ステップＳ１５１）。電位差Ｖ２１は蓄電電圧Ｖ１０であってもよい。つぎに、時点Ｔ１から所定の期間ＰＴ１１が経過した時点Ｔ１１で制御部１５は蓄電部１０の蓄電部１０に試験電流Ｉ２１を流れさせて電気二重層キャパシタ９に蓄えられた電力を放電する（ステップＳ１５２）。試験電流Ｉ２１はマイナスの値である。電気二重層キャパシタ９の電力の放電は、放電回路１２によって行われても、あるいは車載用非常電源装置８の中に設けられた別の回路によって行われもよい。蓄電部１０には内部抵抗Ｒｉｎｔが存在する。このため、蓄電部１０に試験電流Ｉ２１が流れると内部抵抗Ｒｉｎｔにおける損失によって蓄電部１０の両端で検出される電位差が値Ｖ２１から値Ｖ２２へと低下する。電位差の値Ｖ２２は電位差の値Ｖ２１と同様に蓄電電圧Ｖ１０であってもよい。さらに、制御部１５は電位差の値Ｖ２２を検出して一時的に記憶する。（ステップＳ１５３）そして、制御部１５は電位差の値Ｖ２１と値Ｖ２２との差分を試験電流Ｉ２１によって除することによって、内部抵抗Ｒｉｎｔの値を算出する（ステップS１６）。蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０は、充電回路１１が検出したあとで制御部１５へ情報として伝えられても、あるいは制御部１５が直接に検出してもよい。

制御部１５は、試験電流Ｉ２１の通電前の蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ２１、および試験電流Ｉ２１の通電による蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ２２を検出し終えると、時点Ｔ１２で再び充電回路１１が蓄電部１０を充電し始める。

制御部１５は上記で検出した蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ２１と値Ｖ２２と試験電流Ｉ２１とから、実施の形態では蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ２１と値Ｖ２２との差分を試験電流Ｉ２１で除して、蓄電部１０の内部抵抗Ｒｉｎｔを算出する。さらに、制御部１５は内部抵抗Ｒｉｎｔの値から設定満充電電圧Ｖｕを決定する（ステップＳ１６）。設定満充電電圧Ｖｕは、予め制御部１５に記憶された設定満充電電圧Ｖｕと内部抵抗Ｒｉｎｔとの関係についてのデータなどを用いて決定してもよい。

内部抵抗Ｒｉｎｔは電気二重層キャパシタ９の劣化が進行するに従って値が大きくなる。前述のように、蓄電部１０から放電回路１２へと所定電圧を供給するために必要な満充電電圧は、電気二重層キャパシタ９の劣化が進行するに従って高くなる。

このように、電気二重層キャパシタ９の内部抵抗Ｒｉｎｔと満充電電圧に相当する設定満充電電圧Ｖｕとの間には相関がある。したがって、蓄電部１０が有する内部抵抗Ｒｉｎｔの値にもとづいて、電気二重層キャパシタ９の劣化の度合いに対応した設定満充電電圧Ｖｕを制御部１５は決定することができる。

また、電気二重層キャパシタ９の劣化の度合いは電気二重層キャパシタ９の製品固有の値でもある。このことから、制御部１５は予め蓄電部１０の内部抵抗Ｒｉｎｔの変化の複数の値にそれぞれ対応した設定満充電電圧Ｖｕの複数の値のデータを記憶している。制御部１５は、蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ２１と試験電流Ｉ２１とを用いて内部抵抗Ｒｉｎｔを求め、さらに予め記憶した上記データを用いることによって設定満充電電圧Ｖｕを求めることができる。

制御部１５は、先のように求めた設定満充電電圧Ｖｕから保全電圧ｄＶを減じて補正充電電圧Ｖｃを決定する（ステップＳ１７）。制御部１５は、蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０が補正充電電圧Ｖｃに達するまで、充電回路１１を動作させて蓄電部１０を充電する。保全電圧ｄＶは一定の値であっても、あるいは、設定満充電電圧Ｖｕへ１未満の所定の定数を乗じた値としてもよい。

以上の構成および動作により、最終的に充電回路１１は、電気二重層キャパシタ９の劣化進行の度合いには関係なく、常に満充電電圧に達する前に満充電電圧よりも低い値で蓄電部１０を充電し終える。一般的に蓄電部１０の電気二重層キャパシタ９においては、図６に示すように満充電に近い値で充電する場合と、満充電よりも低い値で充電する場合とでは寿命の尺度での時間で、電気二重層キャパシタ９の劣化に伴う内部抵抗Ｒｉｎｔの上昇の度合いや蓄電容量の低下の度合いは異なる。このため、設定満充電電圧Ｖｕよりも低い値の補正充電電圧Ｖｃを用いて蓄電部１０が充電されることによって、電気二重層キャパシタ９を含めた蓄電部１０および車載用非常電源装置８は長寿命化され、車載用非常電源装置８からの出力電力が長期間にわたって安定する。

上記の所定の時点Ｔ１での蓄電電圧Ｖ１０は、蓄電部１０が満充電に達する前に検出される必要がある。したがって、充電し始めてから蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０が検出を終えるまでの時間は、電気二重層キャパシタ９の特性に応じて制御部１５に予め記憶された満充電に達する時間や、あるいは、前回の車両１７が駆動されたときに記憶された満充電に達する時間にもとづいて決定されてもよい。

上記の動作では、予め設定された時点Ｔ１で、蓄電部１０に流される試験電流Ｉ２１と蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ２１とを用いて蓄電部１０における内部抵抗Ｒｉｎｔを算出する。制御部１５は、予め設定された時点Ｔ１で、蓄電部１０に流される試験電流Ｉ２１と蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０の値Ｖ２１とを用いて、制御部１５に予め記憶された、値Ｖ２１と試験電流Ｉ２１と内部抵抗Ｒｉｎｔとの関係データから、直接に内部抵抗Ｒｉｎｔが求めてもよい。

また、内部抵抗Ｒｉｎｔの値を求めるにあたっては、上記の動作では蓄電電圧Ｖ１０の単一の値Ｖ２１と試験電流Ｉ２１との関係から内部抵抗Ｒｉｎｔの値が求められている。しかしながら、値Ｖ２１と試験電流Ｉ２１との検出は１つの時点に限らず、複数の時点で検出されてもよい。検出する時点が多くなることより、複数の値のうち基準値から大きく乖離した値を削除することなどが可能となる。したがって、設定満充電電圧Ｖｕおよび補正充電電圧Ｖｃの値は一層正確な値として得られ、電気二重層キャパシタ９を含めた蓄電部１０および車載用非常電源装置８は長寿命化され、車載用非常電源装置８からの出力電力が長期間にわたって安定する。

特に、充電回路１１は昇圧回路として動作し、放電回路１２は降圧回路として動作することによって、先に述べた限界容量ＣＬを有効に活用することができる。つまり、蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０が出力電圧よりも高い値を維持することで、車両負荷２１で消費する電力が大きくなったときにも放電回路１２からの出力電圧が不安定な状態となることを抑制できる。

充電回路１１は昇圧回路としてでも降圧回路としてでも動作してもよい。言い換えると、蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０が出力部１４で必要とされる電圧よりも高い値を有するのであれば充電回路１１は昇圧回路と降圧回路との何れとしても動作してもよい。

上述のように、制御部１５は、蓄電部１０を充電回路１１によって充電させるときに、以下の動作を行う。すなわち、制御部１５は、蓄電部１０へ試験電流Ｉ２１を供給し、試験電流Ｉ２１を供給しているときに蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０を検出する。制御部１５は、検出された蓄電電圧Ｖ１０と試験電流Ｉ２１とによって蓄電部１０の内部抵抗Ｒｉｎｔを求める。制御部１５は、内部抵抗Ｒｉｎｔに対応した蓄電部１０における設定満充電電圧Ｖｕを決定する。制御部１５は、設定満充電電圧Ｖｕに基づき設定満充電電圧Ｖｕより低い補正充電電圧Ｖｃを決定する。制御部１５は、蓄電電圧Ｖ１０が補正充電電圧Ｖｃに達するまで充電回路１１を動作させて蓄電部１０を充電する。

制御部１５は、蓄電部１０を充電回路１１によって充電させるときに、以下の動作を行ってもよい。すなわち、制御部１５は、充電回路１１が蓄電部１０へ電力を供給し始めてから所定の期間ＰＴ１後に充電回路１１からの電力の供給を一時中断し、蓄電部１０へ供給される試験電流Ｉ２１と試験電流Ｉ２１に伴う蓄電部１０の蓄電電圧Ｖ１０を検出する。制御部１５は、設定満充電電圧Ｖｕから保全電圧ｄＶを減じて補正充電電圧Ｖｃを決定する。制御部１５は、蓄電電圧Ｖ１０が補正充電電圧Ｖｃに達するまで充電回路１１を動作させて蓄電部１０をさらに充電する。

８車載用非常電源装置
９電気二重層キャパシタ
１０蓄電部
１１充電回路
１２放電回路
１３入力部
１４出力部
１５制御部
１６信号受信部
１７車両
１８車体
１９バッテリー
２０エンジン連動スイッチ
２１車両負荷
２２電力供給路線
２３エンジンスイッチ

Claims

電気二重層キャパシタを有する蓄電部と、
前記蓄電部を充電する充電回路と、
前記蓄電部を放電する放電回路と、
前記充電回路と前記放電回路とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記蓄電部を前記充電回路によって充電させるときに、
前記充電回路が蓄電部へ電力を供給し始めてから複数の所定の期間後における、前記蓄電部の蓄電電圧の複数の値をそれぞれ検出し、
前記蓄電電圧の前記複数の値と前記複数の所定の期間とに基づき前記蓄電部の設定満充電電圧を決定し、
前記設定満充電電圧に基づいて前記設定満充電電圧より低い補正充電電圧を決定し、
前記蓄電電圧が前記補正充電電圧に達するまで前記充電回路を動作させて前記蓄電部を充電する、
ように構成されている、車載用非常電源装置。
前記制御部は、前記設定満充電電圧から保全電圧を減じて前記補正充電電圧を決定する、請求項１に記載の車載用非常電源装置。
前記放電回路は降圧回路として動作する、請求項１に記載の車載用非常電源装置。
前記蓄電部は内部容量を有し、
前記制御部は、前記蓄電部の前記内部容量が小さくなり限界容量に達した場合に前記補正充電電圧を高くする、請求項１に記載の車載用非常電源装置。
前記制御部は、
前記設定満充電電圧から保全電圧を減じて前記補正充電電圧を決定し、
前記保全電圧を低くすることで前記補正充電電圧を高くする、
ように構成されている、請求項４に記載の車載用非常電源装置。
直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを有する蓄電部と、
前記蓄電部を充電する充電回路と、
前記蓄電部を放電する放電回路と、
前記充電回路と前記放電回路とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記蓄電部を前記充電回路によって充電させるときに、
前記充電回路による充電を一時的に停止し前記充電回路による前記充電に停止している間に前記蓄電部の蓄電電圧を検出し、その後前記蓄電部へ試験電流を供給し、前記試験電流を供給しているときに前記蓄電部の蓄電電圧を検出し、
前記検出された前記試験電流の通電前の前記蓄電電圧と前記試験電流が通電時の前記蓄電電圧の差分と前記試験電流とによって前記蓄電部の内部抵抗を求め、
前記内部抵抗に対応した前記蓄電部における設定満充電電圧を決定し、
前記設定満充電電圧に基づき前記設定満充電電圧より低い補正充電電圧を決定し、
前記蓄電電圧が前記補正充電電圧に達するまで前記充電回路を動作させて前記蓄電部を充電する、
ように構成されている、車載用非常電源装置。
前記制御部は、前記蓄電部を前記充電回路によって充電させるときに、
前記充電回路が前記蓄電部へ電力を供給し始めてから所定の期間後に前記充電回路からの電力の供給を一時中断し、前記蓄電部へ供給される試験電流と前記試験電流に伴う前記蓄電部の前記蓄電電圧を検出し、
前記設定満充電電圧から保全電圧を減じて補正充電電圧を決定し、
前記蓄電電圧が前記補正充電電圧に達するまで前記充電回路を動作させて前記蓄電部をさらに充電する、
ように構成されている、請求項６に記載の車載用非常電源装置。
前記放電回路は降圧回路として動作する、請求項６に記載の車載用非常電源装置。
前記蓄電部は、前記電気二重層キャパシタを含む互いに直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の車載用非常電源装置。