WO2007023849A1

WO2007023849A1 - 電圧モニタ装置とそれを用いた蓄電装置

Info

Publication number: WO2007023849A1
Application number: PCT/JP2006/316481
Authority: WO
Inventors: Yoshimitu Odajima; Kazuki Morita; Junji Takemoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2007-03-01
Also published as: JPWO2007023849A1; EP1918725A4; EP1918725B1; EP1918725A1; US7482816B2; US20080001593A1; JP4535124B2

Abstract

　蓄電部を構成する複数のキャパシタの各両端子間電圧を測定する電圧モニタ装置では、充電時に端子間接続点の電圧を各々抵抗分割して得られる分圧電圧が切替スイッチに接続される。そして切替スイッチの隣接する入力端子同士が短絡すると、正常に充電される場合の分圧電圧に比べ著しく大きい、または小さい電圧にシフトするように、あらかじめ抵抗分割する抵抗値が設定されている。

Description

明細書

電圧モニタ装置とそれを用いた蓄電装置

技術分野

[0001] 本発明は、特に直列、または直並列に接続された複数のキャパシタを用いた蓄電装置における電圧モニタ装置に関する。

背景技術

[0002] 直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを用いた従来の蓄電装置では、それぞれのキャパシタの端子電圧は以下のようにして検出される。まず、直列接続した 2つの抵抗の組を電気二重層キャパシタ同士の接続点である各端子とグランドとの間に接続し、この 2つの抵抗の間の接続箇所の電圧 (分圧電圧)を切替スィッチに入力する。そしてマイクロコンピュータが切替スィッチにキャパシタ選択信号を送り、切替スイッチを制御する。これによつて切替スィッチはマイクロコンピュータで選択されたキヤパシタの分圧電圧をマイクロコンピュータの AZDに入力する。マイクロコンピュータはこのようにして検出した分圧電圧を演算してそれぞれのキャパシタの端子間電圧を検出する。

[0003] 特開 2004— 271356号公報はこの種の電圧モニタ装置を開示している。この電圧モニタ装置では、切替スィッチとしてマルチプレクサを用い、複数の抵抗の接続の組み合わせをマルチプレクサで選択する。

[0004] し力しながら、マルチプレクサの入力端子の間隔は狭い。そのため切替スィッチとしてマルチプレクサを用い、基板に実装すると電極を構成する金属のマイグレーションなどにより隣接入力端子間で短絡する故障を起こす可能性がある。このように隣接入力端子間で短絡を起こすと各キャパシタの分圧電圧が正しく得られなくなる。そのため、このような短絡を検出する必要がある。

[0005] 入力端子間の短絡を検出する方法として以下のような方法が考えられる。すなわち、分圧電圧の出力を切替スィッチの隣接する全ての入力端子に接続して電圧検出するのではなぐ例えば分圧電圧出力を接続した入力端子の両側の隣接入力端子をグランドに接続しておく。このようにすれば隣の入力端子と短絡しても分圧電圧出力がグランドにクランプされるので簡単に短絡を検出することができる。

[0006] しかし、切替スィッチの入力端子に各分圧電圧出力とグランドを交互に接続すると、半分の入力端子しか有効に使えず効率が悪、。ある、は大きな切替スィッチを使用する必要があり、電圧モニタ装置自体が大きくなる。

発明の開示

[0007] 本発明は、抵抗分割された各分圧電圧出力が切替スィッチに接続される際、狭間隔な入力端子に接続された場合でも隣接入力端子間の短絡異常を簡単に検出することができる電圧モニタ装置である。本発明による電圧モニタ装置は、直列に接続された第 1キャパシタと第 2キャパシタとを少なくとも含む蓄電部の、第 1、第 2キャパシタの各両端への各印加電圧を検出する。この電圧モニタ装置は、蓄電部に充電電圧を印加する充電回路と、モニタ部と、制御部と、を有する。モニタ部は、第 1分圧部と、第 1入力端子と、第 2分圧部と、第 2入力端子と、切替スィッチと、を有する。第 1分圧部は、第 1、第 2キャパシタの接続点における電圧を複数の抵抗で分圧する。第 1入力端子には第 1分圧部の分圧電圧が入力される。第 2分圧部は第 2キャパシタの、充電回路側の電圧を複数の抵抗で分圧する。この複数の抵抗は、第 1キャパシタと第 2 キャパシタとが同容量の場合に第 1分圧部の分圧電圧とは異なる分圧電圧を出力するように抵抗値が設定されている。第 2分圧部の分圧電圧が入力される第 2入力端子は第 1入力端子に隣接して設けられている。切替スィッチは第 1、第 2入力端子のいずれか一つを選択して制御部に出力する。制御部は切替スィッチに第 1、第 2入力端子の選択信号を出力するとともに、切替スィッチの出力に基づき第 1、第 2キャパシタの両端への各印加電圧を算出する。そして第 1、第 2入力端子間が短絡した際に、切替スィッチの出力が異常電圧となるように、第 1、第 2分圧部を構成する複数の抵抗の抵抗値が設定されている。制御部はこの異常電圧力算出した第 1、第 2キャパシタの両端への各印加電圧力も第 1、第 2入力端子間が短絡したことを判定する。この構成により、短絡が発生すると分圧電圧出力が正常時の分圧電圧の範囲を逸脱する。その結果、入力端子間の短絡を簡単に検出することができる。

図面の簡単な説明

[0008] [図 1]図 1は本発明の実施の形態 1における電圧モニタ装置を含む回路の概略構成図である。

圆 2]図 2は本発明の実施の形態 1における電圧モニタ装置の入力端子短絡時の等価回路図である。

圆 3]図 3は本発明の実施の形態 2における電圧モニタ装置を含む回路の概略構成図である。

圆 4]図 4は本発明の実施の形態 2における電圧モニタ装置の分圧部の分圧電圧出力が接続された入力端子と温度検出部の温度出力が接続された入力端子の短絡時の等価回路図である。

[図 5A]図 5Aは本発明の実施の形態 2における電圧モニタ装置の、正常時のキャパシタ接続点の電圧の経時特性図である。

[図 5B]図 5Bは温度検出部の温度出力電圧が満充電時のキャパシタの分圧部の分圧電圧より高い状態における入力端子短絡時のキャパシタ接続点の電圧の経時特 '性図である。

[図 5C]図 5Cは、温度検出部の温度出力電圧が満充電時のキャパシタの分圧部の分圧電圧より低い状態における入力端子短絡時のキャパシタ接続点の電圧の経時特 '性図である。

圆 6]図 6は本発明の実施の形態 3における電圧モニタ装置の温度検出部の概略回路図である。

圆 7]図 7は本発明の実施の形態 3における電圧モニタ装置の分圧部の分圧電圧出力が接続された入力端子と温度検出部の温度出力が接続された入力端子の短絡時に分圧電圧出力が選択された時の一部回路図である。

[図 8A]図 8Aは本発明の実施の形態 3において、電気二重層キャパシタを直並列接続した場合の蓄電装置の一部回路図であり、直列接続を並列に接続した一部回路図である。

[図 8B]図 8Bは本発明の実施の形態 3において、電気二重層キャパシタを直並列接続した場合の蓄電装置の一部回路図であり、並列接続を直列に接続した場合の一部回路図である。

[図 8C]図 8Cは本発明の実施の形態 3において、電気二重層キャパシタを直並列接続した場合の蓄電装置の一部回路図であり、並列接続と単数の電気二重層キャパシタを組み合わせて直列に接続した場合の一部回路図である。

符号の説明

[0009] 1 主電源

2 充電回路

3 制御部

4 上位制御部

5A 第 1分圧部

5B 第 2分圧部

5C 第 3分圧部

6 蓄電部

7 切替スィッチ

8 モニタ部

9 温度検出部

発明を実施するための最良の形態

[0010] (実施の形態 1)

図 1は本発明の実施の形態 1における電圧モニタ装置を含む回路の概略構成図である。図 2は本実施の形態における電圧モニタ装置の入力端子短絡時の等価回路図である。

[0011] 主電源 1はバッテリーまたは発電機力もなり、充電回路 2に接続されている。充電回路 2は充電電圧と充電電流とを所定の値に制御する。充電回路 2は制御部 3から充電の開始および停止の指令を得る。制御部 3は後述するように電圧モニタ装置全体を制御するとともに、上位制御部 4と通信して充電の開始、停止を決定する。

[0012] 第 1分圧部である分圧部 5Aは、電気二重層キャパシタ Cl〜Cn(nはキャパシタの個数)を直列に接続した蓄電部 6の、キャパシタ C1とキャパシタ C2との接続点に印カロされる接続点電圧 VIを複数の抵抗 R1、R2により分圧するように構成されている。第 1入力端子である入力端子 IN1には分圧部 5Aの分圧電圧が入力される。第 2分圧部である分圧部 5Bは、キャパシタ C2の、充電回路 2側の電圧を複数の抵抗 R3、 R4で分圧する。入力端子 INIに隣接する第 2入力端子である入力端子 IN2には分圧部 5Bの分圧電圧が入力される。以下同様に、キャパシタ C3〜Cnにはそれぞれ、各キャパシタの、充電回路 2側の電圧を複数の抵抗で分圧する分圧部が設けられて V、る。蓄電部 6は充電回路 2により所定の電圧まで充電される。

[0013] 切替スィッチ 7は、スィッチ SWl〜SWn+ 1からいずれかを選ぶ信号を制御部 3から受ける。そして複数の入力端子 ΙΝ1〜ΙΝη+ 1の内、その選択信号に適合する入力端子 INx (xは選択信号で、 l≤x≤n+ l)の電圧を切替スィッチ 7の出力として制御部 3に出力する。

[0014] モニタ部 8は、分圧部 5A、 5Bを含む複数の分圧部、入力端子 ΙΝ1〜ΙΝη+ 1、切替スィッチ 7、温度検出部 9を有し、充電時に電圧が異なる電気二重層キャパシタ Cx の端子の接続点における電圧と蓄電部 6の環境温度とをモニタしている。

[0015] 環境温度を出力する温度検出部 9は、基準電圧 Vrefを抵抗 R7とサーミスタ TH1とで分圧し、両者の間の電圧を温度出力として出力する。この温度出力は電圧バッファとしてのオペアンプ OP1を介して複数の入力端子の 1つである入力端子 IN3に接続されている。

[0016] 制御部 3は上記の温度出力により環境温度を算出し、また切替スィッチ 7を制御する。これ以外に制御部 3は、蓄電部 6の充電状態を監視する。さらに各入力端子 IN1 〜INn+ lの電圧から、それぞれのキャパシタ Cl〜Cnの印加電圧を算出し、異常があれば上位制御部 4へ通信により情報を伝達する。すなわち制御部 3は切替スィッチ 7の出力に基づきキャパシタ Cl〜Cnの両端への各印加電圧を算出する。また必要であれば、充電停止指令を充電回路 2へ送出する。さらに、各分圧部に用いられる抵抗比を記憶している。

[0017] 次に、このように構成された電圧モニタ装置の動作について説明する。充電回路 2 は制御部 3から充電開始の指令を受けると、蓄電部 6に所定の充電電圧を印加して蓄電部 6を充電する。このとき、各キャパシタ Cl〜Cnへの印加電圧が高い場合、あるいは周囲環境温度が高い場合には、容量および内部抵抗の劣化が進行する。そこで、制御部 3は各キャパシタ Cl〜Cnの印加電圧と環境温度とをモニタする。そして印加電圧が所定値を著しく超えたり、環境温度が所定値を著しく超えたりする異常が発生すれば、制御部 3は充電回路 2を制御して充電を停止する。場合によっては蓄電部 6を放電する。このように制御部 3はキャパシタ Cl〜Cnへの過負荷を軽減する。なお、図示していないが、強制空冷するファンや水冷するための冷却水循環路とポンプとを設けて制御部 3がこれらを制御し、環境温度を低下させて過負荷を軽減してちょい。

[0018] 蓄電部 6が正常に充電されれば、制御部 3は充電回路 2に対して充電停止を指令する。その後、切替スィッチ 7に対してどの入力端子 INxを選択するかの選択信号を順次出力する。これにより制御部 3は、各キャパシタ Cl〜Cnの接続点電圧 Vl〜Vn が各分圧部で分圧された分圧電圧 VMl〜VMnを、切替スィッチ 7の出力力も読み込んでいく。

[0019] 制御部 3は読み込まれた各分圧電圧 VMl〜VMnに基づいて、実際の各キャパシタ Cl〜Cnの印加電圧を推定する。具体的には、各分圧部の分圧比の逆数を各分圧電圧 VMl〜VMnに乗じて接続点電圧 Vl〜Vnを算出する。そして。得られた接続点電圧 Vl〜Vnのうち、隣接する接続点電圧の差 Vx+ 1—Vxを算出することで、制御部 3は各キャパシタ Cl〜Cnの両端に印加されている電圧を推定する。

[0020] 例えば図 1に示した第 2キャパシタであるキャパシタ C2の印加電圧は、第 1キャパシタであるキャパシタ C1とキャパシタ C2との接続点電圧 VIと、キャパシタ C2の充電回路 2側の接続点電圧 V2より、 V2— VIを制御部 3で算出することで推定している。なお、これらの演算の詳細は後述する。

[0021] 次に、環境温度の検出方法について説明する。一定の基準電圧 Vrefは、第 1抵抗である抵抗 R7と、温度に反比例して抵抗値が変化するサーミスタ TH1とで分圧される。すなわち、抵抗 R7とサーミスタ TH1とは基準電圧 Vrefを分圧する第 3分圧部 5C を形成している。抵抗 R7とサーミスタ TH1とによる分圧電圧 (温度出力） VMtは、ォぺアンプ OP1を介して切替スィッチ 7の入力端子 IN3に接続されている。そのため、制御部 3は入力端子の選択信号で入力端子 IN3を選択することにより、温度を算出するための温度出力 VMtを読み込む。

[0022] こうして得られた各種電圧より、制御部 3は各キャパシタ Cl〜Cnの印加電圧と環境温度とを算出する。それぞれの印加電圧と環境温度との推定値のうち、いずれかが所定の閾値幅を逸脱する場合、通信出力を用いて上位制御部 4へ異常を送信する。各キャパシタ C 1〜Cnの印加電圧と環境温度とが閾値幅内の場合、制御部 3は引き続き所定時間毎に印加電圧や環境温度をモニタする。

[0023] 図 1において、キャパシタ C2の両端に印加される印加電圧は V2— VIである。したがって、まず制御部 3はスィッチ SW1をオンにし、 VIの電圧を抵抗分割した分圧電圧 VM1 = VI X R2/ (Rl +R2)を読み込む。

[0024] 次に、制御部 3はスィッチ SW1をオフした後、スィッチ SW2をオンにし、 V2の電圧を抵抗分割した分圧電圧 VM2=V2 XR4Z (R3+R4)を読み込む。

[0025] 制御部 3は、読み込んだ VM1、 VM2に、それぞれの分圧部 5A、 5Bの分圧比の逆数を乗算した後、減算処理を実行する。具体的には、制御部 3は次の（1)式より V 2— VIの値、すなわち C2の両端印加電圧を求める。

[0026] [数 1]

VM2x(R3 + R4) VM lx(R 1 +R 2)

V 2 - V 1 = ^ ^ ' · ' ( 1 )

[0027] 次に、隣接する入力端子 ΙΝ1〜ΙΝη+ 1の短絡が発生した場合の故障検出方法について具体的に説明する。一例として入力端子 IN1、 IN2間が短絡した場合を、図 2 を用いて説明する。この状態では、制御部 3がスィッチ SW1を選択した場合も、スイツチ SW2を選択した場合も、図 2に示す VM 1と VM2の合成電圧値 Vaが制御部 3に読み込まれる。この合成電圧値 Vaは、（2)式で表現することができる。なお、 ZZは並列接続された合成抵抗値を表す。

[0028] [数 2]

Fix 2x- ^R1

V a R2//R4 + R3 R2//R4 + R1 xR2//R4 ( 2 )

R1 + R2//R3//R4 R3 + R1I! R2H RA

[0029] したがって、制御部 3がキャパシタ C2の両端印加電圧として算出する電圧値 V2'

-VI，は、次の（3)式で表現できる。

[0030] [数 3] V ax( R 3 + R 4 ) V ax( R_l十 R 2 )

V 2 ' - V 1 ' = • · · ( 3 )

R 4 R 2

[0031] ここで、 VM1 =VM2とならないように、 R1〜R4の値を設定しておく。すなわち、分圧部 5Bは、キャパシタ C1とキャパシタ C2とが同容量の場合に分圧部 5Aの分圧電圧とは異なる分圧電圧が出力されるように抵抗値 R3、 R4が設定されている。以下同様に、隣り合う入力端子 INnと INn— 1とでは分圧電圧 VMnと VMn— 1とが異なるように各分圧部の抵抗値が設定されて、る。

[0032] また入力端子 IN 1、 IN2間に短絡が発生すると切替スィッチ 7の出力が異常電圧となり、制御部 3が正常値 VI— V2とは明らかに異なる異常電圧 VI '— V2'を算出するように、各抵抗値 R1〜R4をあらかじめ所定値に設定しておく。すなわち、入力端子 IN1、 IN2が短絡すると、正常に充電される場合の分圧電圧 VM1、 VM2に比べ著しく大きい、または小さい電圧にシフトするように、あらかじめ抵抗分割する抵抗値 R1〜R4が設定されて!、る。

[0033] このように各抵抗を設定すると、（2)式、（3)式より、入力端子 IN1と IN2の短絡故障発生時に制御部 3が算出する V2'—VI 'は、短絡していない正常値 V2— VIと比ベ異なった値、すなわち異常電圧となる。

[0034] そして、 V2' VI ' >Vth>V2— VI、または V2'— VI ' < Vth< V2— VIが成り立つように、 V2— VIと V2'—VI 'の中間に電圧閾値 Vthを設定する。前者の不等式の場合、任意の Vx+ 1— Vxが Vth未満であれば正常であり、 Vthを超えていれば短絡故障であると判定できる。一方、後者の不等式の場合、任意の Vx+ 1— Vxが V thより大きければ正常であり、 Vth以下であれば短絡故障であると判定できる。このように制御部 3は切替スィッチ 7の出力する異常電圧力算出したキャパシタ C1、C2の両端への各印加電圧力も入力端子 IN1、IN2間が短絡したことを判定する。

[0035] V2— VIはキャパシタ C2の両端電圧として算出される値である。一方、各キャパシタの概略電圧は、蓄電部 6全体の電圧を各キャパシタの静電容量の逆数に比例して配分することにより推定できる。そのため、キャパシタの静電容量のばらつきを考慮しつつ、各キャパシタの電圧の正常電圧範囲を決定することができる。この電圧範囲の上下限を閾値として用いることもできる。 [0036] 通常、各分圧部の抵抗分割比は、直列接続した最上位キャパシタ電圧 Vnを分割した電圧が制御部 3を構成するマイクロコンピュータの AZDコンバータ部分の上限を超えない範囲で、同じになるように設定される。そして、分圧電圧 VMn—lと VMnとが切換スィッチ 7の入力端子に隣接するように接続すれば、容易にスィッチ 7の入力隣接間の短絡を検知できる。これは短絡時に VM1と VM2とが同じ値になり、（1)式の分割比が同じであれば、 V2— VIが 0となるためである。しかしながらマイクロコンビユータの AZDコンバータ部分は耐圧上限値を有するため、高電圧側に合せて抵抗分割比を設定すると、グランド (GND)電位に近ヽキャパシタ C 1の分圧電圧 VM 1が小さくなる。そのため、マイクロコンピュータでの読み取り A/D値は周辺ノイズの影響を受けやすくなる。電気二重層キャパシタの直列数 Cnが大きくなるほどその現象は顕著になる。さらに AZD端子の電圧が約 0. 3Vより低くなると、 AZD端子からのリーク (漏れ)電流が急増する。このため AZD端子からの読み取り誤差が増大する。

[0037] そのため、キャパシタ C1の分圧電圧 VM1は、マイクロコンピュータの AZDコンパータ部分の上限内でなるべく大きい方が好ましい。そのためには、キャパシタ C1に対応する抵抗分割比 (Rl +R2) ZR2やキャパシタ C2に対応する抵抗分割比 (R3 +R 4) ZR4は小さく設定することが好ま、。

[0038] 一方、キャパシタ C3よりもグランド側力も離れた位置に接続されているキャパシタではマイクロコンピュータの AZDコンバータ部分の上限を超えないように抵抗分割比を大きく設定する必要がある。このように各分圧部の抵抗分割比が異なる方が分圧電圧の測定精度を向上させることができる。し力しながらそのために、従来の方法では入力端子間の短絡を検出できない。

[0039] 本実施の形態では、隣り合う入力端子 INnと INn— 1とでは分圧電圧 VMnと VMn —1とが異なるように各分圧部の抵抗値を設定している。そして制御部 3は、各キャパシタの両端電圧が所定の閾値を上回るか下回ったときに入力端子間の短絡が生じていると判断する。以上の構成、動作により、確実に切替スィッチ 7の入力端子間の短絡を検出することができる。なお、本構成では全ての入力端子に分圧電圧出力が接続できるので、入力端子を有効に利用できる。

[0040] ここで、抵抗値や抵抗分割比の設定の具体例を説明する。図 1におヽて、電気二重層キャパシタの直列数 Cnを 6、 C1〜C6間の満充電電圧を 12Vとする。この場合、各キャパシタの両端電圧はそれぞれ 2Vとなる。なお、マイクロコンピュータの AZDコンバータ部分の上限電圧は高精度の電圧が得られる 2. 5Vとする。

[0041] まず、充電過程で種々の演算に対するノイズの影響を低減できるように VM1の値を高めるため、キャパシタ C1に対応する分圧部 5Aにおいて、 R1 = 866 Q、R2 = 86 6 Ωとする。分割比は (R1 +R2)Z(R2) = 2である。切換スィッチ 7の入力間短絡がない正常時に、入力端子 IN1の電圧 VM1は IV、演算電圧 VIは 2Vとなる。

[0042] 一方、キャパシタ C2に対応する分圧部 5Bにおいては、 R3=4330 Q , R4 = 866

Ωとする。分割比は (R3+R4)Z(R4) =6である。切換スィッチ 7の入力間短絡がない正常時に、入力端子 IN2の電圧 VM2は 0. 67V、演算電圧 V2は 4Vである。すなわち V2— VI = 2Vであり、 VM2は VM 1と異なる値となる。

[0043] これに対し、切換スィッチの入力端子 IN 1と IN2との間が短絡した時の異常電圧 Va は（2)式より、 Va=0. 875Vとなる。した力 Sつて、 V2 '— VI， = 5. 25— 1. 75 = 3. 2 5Vとなる。

[0044] これらより例えば、 Vthを、 V2— VIと V2 '— VI，の中間値である 2. 625Vに設定すれば制御部 3は入力端子 IN1と IN2との間の短絡を検出することができる。 Vthは V2— VIと V2 '— VI 'との間で適宜設定することができる。たとえば、キャパシタ C1 〜C6の容量ばらつきが 10%と見積もれるのであれば、下限閾値を 1. 8Vとして、これを下回る場合に短絡と判定してもよい。また、上限閾値を 2. 2Vとして、これを上回る場合に短絡と判定してもよヽ。

[0045] なお、 VM1の値が 0. 3V以上になるように分圧部 5Aの抵抗分割比を設定することでノイズの影響を抑制することができるので、上記以外の抵抗分割比に設定することもできる。さらに、上記の説明では蓄電部 6が満充電の場合の電圧を例に説明している力より低充電の状態で判定してもよい。

[0046] (実施の形態 2)

図 3は本発明の実施の形態 2における電圧モニタ装置を含む回路の概略構成図である。図 4は同電圧モニタ装置の分圧部の分圧電圧出力が接続された入力端子と温度検出部の温度出力が接続された入力端子との短絡時の等価回路図である。図 5A 〜図 5Cは同電圧モニタ装置の充電電圧の経時特性図であり、図 5Aは正常時のキャパシタ接続点の電圧の経時特性図である。図 5Bは温度検出部の温度出力電圧が満充電時のキャパシタの分圧部の分圧電圧より高い状態における入力端子短絡時のキャパシタ接続点の電圧の経時特性図である。図 5Cは温度検出部の温度出力電圧が満充電時のキャパシタの分圧部の分圧電圧より低い状態における入力端子短絡時のキャパシタ接続点の電圧の経時特性図を示す。

[0047] 図 3に示す電圧モニタ装置は、図 1に示した実施の形態 1の構成において温度検出部 9の温度出力 VMtの入力端子の位置が異なる。すなわち温度検出部 9の温度出力 VMtは入力端子 IN2に接続され、分圧部 5Bの分圧電圧 VM2は入力端子 IN3 に接続されている。この場合、入力端子 IN3は分圧電圧 VM2が入力される第 2端子であり、入力端子 IN2は温度出力 VMtが入力される第 3端子である。これ以外は実施の形態 1と同じ構成であるので、同一構成要素には同一番号を付して詳細な説明は省略する。

[0048] 本実施の形態における特徴的な点は、温度検出部 9の温度出力 VMtを入力される入力端子 IN2と、分圧部 5Aの分圧電圧 VM1または分圧部 5Bの分圧電圧 VM2が入力される入力端子 IN1または IN3とが短絡した時の検出方法である。

[0049] 実施の形態 1で述べたように、キャパシタ Cl〜Cnの両端印加電圧をモニタする場合の切替スィッチ 7の入力端子間短絡は、あらかじめ短絡を検出可能な各分圧部の抵抗値と制御部 3内に故障判定の電圧閾値 Vthを設定しておく方法で解決できる。しかし温度検出部 9では分圧するための抵抗の一方がサーミスタ TH1であり抵抗値が温度で変化するため、あら力じめ故障判定できる抵抗値に設定できない。その理由を以下に説明する。

[0050] Vrefを 5V、キャパシタの温度特性を補正するための温度範囲を 40°Cから + 25 °Cとする。また R7は 200k Ωとする。 25°Cでのサーミスタ TH1の抵抗値が 10kQ、温度特性である B定数が 3400の場合、 VMtの温度依存性は（表 1)のように指数関数的に変化する。

[0051] [表 1] 温度 T H 1抵抗値（ k Ω ) V M t ( V )

- 4 o 1 9 5 2 . 7

- 2 5 8 7 . 5 1 . 5 2

0 2 7 . 2 0 . 6 0 0

2 5 1 0 . 0 0 . 2 3 8

[0052] (表 1)に示すように、 VMtは温度変化により図 1の分圧電圧 VM1と VM2の値を包含するので、 IN2とその隣接端子との間の短絡、すなわち IN2の IN1との短絡、または IN2の IN3との短絡を検知できな!/、。

[0053] そこで図 3に示すように、抵抗 R7とそれに直列に接続したサーミスタ TH1で基準電圧 Vrefを分圧し、その分圧電圧 (温度出力）と切替スィッチ 7の入力端子 IN2との間にオペアンプ OP1を電圧バッファとして挿入する。この電圧バッファにより、入力端子 IN2が隣接する入力端子 IN1や IN3と短絡した場合でも、制御部 3は簡単にこのような故障を検出できる。

[0054] 以下にその検出方法について具体的に説明する。まず図 5Aを用いて入力端子 IN 2と INIや IN3との短絡が無く正常に充電する場合にっ、て説明する。入力端子 IN 1、 IN3の電圧 VM1、 VM3は、正常時の電圧変化の軌跡をたどって満充電まで上昇し、これに応じて図 5Aに示すように VI、 V2が上昇する。

[0055] これに対し、切替スィッチ 7の入力端子 IN 1、 IN2が短絡し、 VMt>VMlである場合について図 5Bを用いて説明する。図 4に示すように入力端子 IN1、 IN2が短絡した場合、正常時の VIを抵抗分割した分圧電圧 VM1 =V1 XR2/ (Rl +R2)の値に関わらず、 VM1は、電圧バッファであるオペアンプ OP1の出力電圧値（=温度出力） VMt=Vref XTH1Z (R7+TH1)に固定される。特に蓄電部 6が充電開始初期の OVから所定の満充電電圧まで急速に充電される充電制御の場合、充電中の時間 0から Tの短時間の範囲においては、環境温度の変化が非常に小さいと想定される。そのため、入力端子 IN1、 IN2の電圧 VM1、 VMtは一定の値に固定されたままになる。これによつて VIは図 5Bのように高、値で一定になる。

[0056] このため、充電開始初期には V2— VIの印加電圧、すなわちキャパシタ C2の両端印加電圧が充電初期にマイナスの電圧からスタートし、満充電になる前にマイナスからプラスへ逆転する。そしてさらに満充電に達した時、キャパシタ C2の両端印加電圧 V2— VIは異常に小さい電圧として検出される。一方、キャパシタ C1の両端印加電圧 VIは異常に大きい電圧として検出される。

[0057] 一方、短絡時の温度出力 VMtがキャパシタ C1の満充電電圧 VIよりも小さい値の場合は、図 5Cに示すようになる。すなわち、キャパシタ C2の両端印加電圧 V2— VI は異常に大きい電圧として制御部 3で算出される。

[0058] このように温度検出部 9の温度出力 VMtと短絡すれば、キャパシタ Cl、 C2の印加電圧は異常な挙動を示す。この挙動を利用し、充電中に減少する印加電圧、充電初期のキャパシタのマイナスの印加電圧、ある、は満充電時の過大な印加電圧と、つた異常電圧を制御部 3で検出する。この検知結果に基づき制御部 3は、温度検出部 9の温度出力の入力端子 IN2に、隣接する分圧電圧の入力端子 IN1が短絡したことを検出する。すなわち制御部 3は、入力端子 IN2と入力端子 IN1との間が短絡した際に生じる入力端子 IN 1の異常電圧力も算出したキャパシタ C 1、 C2の両端への各印加電圧力も入力端子 IN1、 IN2間が短絡したと判定する。

[0059] この際、各々の異常電圧に対する所定の閾値をそれぞれ設定しておき、閾値を逸脱した力否かで正常充電と区別する。すなわち、前述のように満充電状態におけるキャパシタの両端印加電圧で判断する場合には、実施の形態 1と同様に、キャパシタ C 1〜C6の容量ばらつきを見越して閾値を設定することができる。容量ばらつきが 10 %と見積もれるのであれば、下限閾値を 1. 8Vとして、これを下回る場合に短絡と判定してもよい。また、上限閾値を 2. 2Vとして、これを上回る場合に短絡と判定してもよい。このように、温度検出部 9の出力が含まれる短絡であっても簡単に検出できる。

[0060] なお、入力端子 IN2と IN3とが短絡した場合は、分圧部 5Bの分圧電圧 VM2が温度出力電圧 VMtに固定される。この場合も、入力端子 IN1と IN2との短絡時と同様に検知できる。この場合、異常検出対象のキャパシタは Cl、 C2ではなく C2、 C3になる。

[0061] 以上の構成、動作により温度検出部 9の温度出力が含まれる短絡であっても、簡単な構成で短絡検出することができる。なお、本構成においても全ての入力端子に接続できるので、入力端子を有効に利用できる。

[0062] なおここでは入力端子 IN1または IN3との短絡を例に説明している力温度出力の入力端子を例えば入力端子 IN4など他の位置にした場合でも同様にして他の入力端子との短絡を検出することができる。

[0063] (実施の形態 3)

図 6は本発明の実施の形態 3における電圧モニタ装置の温度検出部の概略回路図である。図 7は同電圧モニタ装置の分圧部の分圧電圧出力が接続された入力端子と温度検出部の温度出力が接続された入力端子の短絡時に分圧電圧出力が選択された時の一部回路図である。

[0064] 本実施の形態と図 3に示した実施の形態 2とが異なる点は、図 6に示す回路構成の温度検出部 9Aを用いた点である。それ以外の構成は、実施の形態 2の構成とほぼ同等であるので、同一構成要素には同一番号を付して詳細な説明は省略し、異なる部分について説明する。

[0065] 実施の形態 2では、抵抗 R7とサーミスタ TH1との分圧電圧 (温度出力） VMtは、ォぺアンプ OP1で構成された電圧バッファに入力されている。これに対し本実施の形態では、温度出力 VMtの入力される入力端子 IN2は外部制御可能なスィッチ SWを介して既定電圧に接続されている。すなわち、基準電圧 Vrefを分圧する第 1抵抗である抵抗 R7とサーミスタ TH1とで構成された第 3分圧部である分圧部 5Cの分圧電圧 (温度出力） VMtはスィッチ SWに接続されている。スィッチ SWはオン時に抵抗 7とサーミスタ TH1との接続点を既定電圧に接続する。なお本実施の形態では既定電圧をグランドとしている。また、スィッチ SWは制御部 3によってオンオフを制御されている。

[0066] 次に正常時の温度検出部 9Aの動作を説明する。図 7において、短絡がない正常時であって、切替スィッチ 7が温度検出部 9Aの温度出力 VMtと接続された入力端子 IN2以外の入力端子を選択して、る時、制御部 3はスィッチ SWをオンにして、る。これにより、温度検出時以外は常に入力端子 IN2がグランドにクランプされる。

[0067] 温度を検出する際、制御部 3は、温度出力 VMtが接続された入力端子 IN2を選択するよう切替スィッチ 7に選択信号を出力する。このとき制御部 3は、同時にスィッチ S Wをオフにする。これにより、温度出力 VMtはグランドから切り離されるので、入力端子 IN2の電圧は温度出力 VMtになり、制御部 3は温度を算出することができる。そして制御部 3は蓄電部の環境温度を算出した後、スィッチ SWをオンにする。以上のようにスィッチ SWを制御することにより、スィッチ SWは温度出力 VMtを読み込む時だけオフになり、それ以外の時間はオンのままとなる。

[0068] 次に、温度出力 VMtが入力された入力端子 IN2と分圧部 5Aの分圧電圧 VM1が接続された入力端子 IN1とが短絡した場合に短絡を検出する方法を説明する。図 7 に示すように、入力端子 IN1と IN2が短絡した状態で切替スィッチ 7が入力端子 IN1 を選択する。この場合、スィッチ SWはオンであるので、分圧部 5Aの分圧電圧 VM1 はグランドに接続される。したがって、入力端子 IN1の電圧はグランドレベルとなる。入力端子 IN1が既定電圧であるグランドレベルであることから、制御部 3は入力端子 I N1と IN2との短絡を検出することができる。

[0069] このように入力端子 IN1、 IN2が短絡していることがわかれば、制御部 3は切替スィツチ 7が次に選択する入力端子 IN2の温度出力が異常であるとし、温度への換算動作を行わない。また制御部 3は、これらの短絡情報や温度が正常に得られないという情報を上位制御部 4に通信するとともに、必要に応じて充電停止指令を充電回路 2 へ送出する等の動作を行う。

[0070] 以上のように、入力端子 IN2と、それに隣接する入力端子 IN1または入力端子 IN3 との短絡が起これば、切替スィッチ 7が入力端子 IN1または入力端子 IN3を選んだ時に電圧が既定電圧となる。そのため入力端子 IN1または入力端子 IN3の電圧が既定電圧か否かという簡単な判断基準で短絡の有無を検出することができる。また、図 6 の回路構成に示す温度検出部 9Aを用いることにより、実施の形態 2に比べてォペアンプ OP1が不要で回路構成が簡単になり、低コストィ匕が可能となる。以上の構成、動作により温度検出部 9Aの温度出力がキャパシタの端子電圧を算出するための分圧電圧と短絡した場合でも、さらに簡単な構成で短絡検出することができる。

[0071] なお、温度出力が含まれない入力端子間の短絡検出方法は実施の形態 1と同じである。また、本構成においても全ての入力端子に接続できるので、入力端子を有効に利用できる。

[0072] なお、実施の形態 1〜3においては、複数の電気二重層キャパシタを全て直列に接続する構成としたが、これは蓄電部 6に要求される電力仕様に応じて直並列接続としてもよい。図 8A〜図 8Cは電気二重層キャパシタを直並列接続した場合の一部回路図である。図 8Aは直列接続を並列に接続した一部回路図、図 8Bは並列接続を直列に接続した場合の一部回路図、図 8Cは並列接続と単数の電気二重層キャパシタを組み合わせて直列に接続した場合の一部回路図をそれぞれ示している。

[0073] 図 8Aに示すように複数の電気二重層キャパシタを直列接続した蓄電部 6を並列に接続する直並列構成においては、モニタ部 8も蓄電部 6と同数設ければよい。また、図 8Bに示すように複数の電気二重層キャパシタを並列に接続したものを直列接続した直並列構成や、図 8Cに示すような複数の電気二重層キャパシタを並列に接続したものと単数の電気二重層キャパシタを組み合わせて直列接続した直並列構成にお V、ては、モニタ部 8は充電時に電圧が異なる電気二重層キャパシタの端子の接続点における電圧をモニタするように接続すればよい。すなわち、キャパシタ C1に第 3キャパシタであるキャパシタ C3を並列接続し、これにキャパシタ C2を直列接続した構成の蓄電部 6でも本発明を適用することができる。またキャパシタ C3をキャパシタ C2 に並列接続してもよい。なお、並列に接続するキャパシタの数は限定されない。

[0074] 実施の形態 1〜3ではキャパシタとして容量の大きい電気二重層キャパシタを用いているが、これに限定されない。し力しながら、電気二重層キャパシタは環境温度や維持電圧によって容量の低下を引き起こしやすい。そのため本実施の形態による電圧モニタ装置は電気二重層キャパシタを用いた蓄電装置に特に有効である。

産業上の利用可能性

[0075] 本発明の電圧モニタ装置は、容易に入力端子間の短絡故障を検出できるので、特にキャパシタを用いた高信頼性を要求される車両用緊急補助電源等として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 直列に接続された第 1キャパシタと第 2キャパシタとを少なくとも含む蓄電部の前記第 1、第 2キャパシタの各両端への各印加電圧を検出する電圧モニタ装置であって、前記蓄電部に充電電圧を印加する充電回路と、

前記第 1、第 2キャパシタの接続点における電圧を複数の抵抗で分圧する第 1 分圧部と、前記第 1分圧部の分圧電圧が入力される第 1入力端子と、

前記第 2キャパシタの、前記充電回路側の電圧を複数の抵抗で分圧し、前記第 1キャパシタと前記第 2キャパシタとが同容量の場合に前記第 1分圧部の分圧電圧とは異なる分圧電圧を出力するように抵抗値が設定された第 2分圧部と、前記第 1入力端子に隣接して設けられ、前記第 2分圧部の分圧電圧が入力される第 2入力端子と前記第 1、第 2入力端子のいずれか一つを選択して出力する切替スィッチと、を有するモニタ部と、

前記切替スィッチに前記第 1、第 2入力端子の選択信号を出力するとともに、前記切替スィッチの出力に基づき前記第 1、第 2キャパシタの両端への各印加電圧を算出する制御部と、を備え、

前記第 1、第 2入力端子間が短絡した際に、前記切替スィッチの出力が異常電圧となるように、前記第 1、第 2分圧部を構成する前記複数の抵抗の抵抗値が設定され、前記制御部は前記異常電圧力算出した前記第 1、第 2キャパシタの両端への各印加電圧力前記第 1、第 2入力端子間が短絡したことを判定する、

電圧モニタ装置。

[2] 前記モニタ部は、基準電圧を分圧する第 1抵抗とサーミスタとで構成された第 3分圧部と、前記第 3分圧部の分圧電圧を入力される電圧バッファとしてのオペアンプと、を含み前記第 1抵抗と前記サーミスタとの接続点の電圧を温度出力として出力する温度検出部と、前記温度出力が入力されるとともに前記第 1入力端子と前記第 2入力端子との間に設けられた第 3入力端子と、をさらに有し、

前記制御部は前記温度出力に基づき前記蓄電部の環境温度を算出するとともに、前記第 3入力端子と前記第 1入力端子との間が短絡した際に生じる前記第 1入力端子の異常電圧力算出した前記第 1、第 2キャパシタの両端への各印加電圧力前記第 1、第 3入力端子間が短絡したことを判定する、

請求項 1記載の電圧モニタ装置。

[3] 前記モニタ部は、基準電圧を分圧する第 1抵抗とサーミスタとで構成された第 3分圧部と、前記第 1抵抗と前記サーミスタとの接続点の電圧を入力され、前記制御部にォンオフ制御され、オン時に前記第 1抵抗と前記サーミスタとの接続点を既定電圧に接続するスィッチと、を含み前記第 1抵抗と前記サーミスタとの接続点の電圧を温度出力として出力する温度検出部と、前記温度出力が入力されるとともに前記第 1入力端子と前記第 2入力端子との間に設けられた第 3入力端子と、をさらに有し、制御部は、温度を検出する際に前記第 3入力端子を選択するよう前記切替スィッチに選択信号を出力すると同時に前記スィッチをオフにし、前記温度出力に基づいて前記蓄電部の環境温度を算出し、

前記環境温度を算出した後、前記スィッチをオンにするとともに、

前記第 3入力端子と、前記第 1入力端子と前記第 2入力端子とのいずれかとの間が短絡した際には、前記第 1入力端子と前記第 2入力端子とのいずれかから前記既定電圧を得ることで、前記第 3入力端子と、前記第 1入力端子と前記第 2入力端子とのいずれかとの間の短絡を検出する、

請求項 1記載の電圧モニタ装置。

[4] 直列に接続された第 1キャパシタと第 2キャパシタとを少なくとも含む蓄電部と、請求項 1記載の電圧モニタ装置と、を備えた、

蓄電装置。

[5] 前記蓄電部は、前記第 1キャパシタと前記第 2キャパシタとの一方に並列に接続された第 3キャパシタをさらに含む、

請求項 4記載の蓄電装置。

[6] 前記第 1キャパシタと前記第 2キャパシタとは電気二重層キャパシタである、

請求項 4記載の蓄電装置。