WO2009136483A1 - 電源装置及び車両用電源装置 - Google Patents

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WO2009136483A1
WO2009136483A1 PCT/JP2009/001931 JP2009001931W WO2009136483A1 WO 2009136483 A1 WO2009136483 A1 WO 2009136483A1 JP 2009001931 W JP2009001931 W JP 2009001931W WO 2009136483 A1 WO2009136483 A1 WO 2009136483A1
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capacitor
power supply
switching element
supply device
voltage
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Inventor
乗松泰明
寺沢一史
今井伸治
Original Assignee
日立化成工業株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
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    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a power supply apparatus and a vehicle power supply apparatus that are hybridly configured with a secondary battery and a capacitor.
  • the recent progress in battery technology has led to the rapid spread of hybrid vehicles.
  • the hybrid vehicle has a system that uses a secondary battery to drive a motor or the like and regenerates energy during deceleration to the secondary battery.
  • Secondary batteries have evolved from sealed lead batteries to Ni-hydrogen batteries and further to Li-ion batteries with the advent of new secondary batteries, miniaturization and weight reduction, and higher output density.
  • the development of battery active materials and the development of high-capacity and high-power battery structures have been carried out in order to increase the energy density, and efforts have been made to realize a power source with high output density and long usable time. Has been made.
  • Efforts are being made to improve fuel efficiency in the automotive field, but it is expected that new fuel efficiency improvement functions will be added to existing vehicles in order to reduce emissions such as carbon dioxide. Therefore, a low-loss power source, that is, a power source with a low internal resistance is required.
  • the secondary battery and the capacitor may be connected using a switch using a mechanical relay or a switch of a semiconductor element such as a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) (see, for example, Patent Document 1). ).
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • a secondary battery such as a lead storage battery bears the total discharge current of a starter motor or the like, but a secondary battery such as a lead storage battery is prone to deterioration due to a large current charge / discharge. is there.
  • secondary batteries such as lead-acid batteries have to be increased in performance and size so that the total discharge current can be ensured, so that the advantage of using a hybrid capacitor is reduced.
  • an object of the present invention is to use a switching element to control the amount of power supplied to a secondary battery in which the state of the capacitor is matched, and to suppress the rise in the temperature of the capacitor and the deterioration of the capacitor.
  • An object of the present invention is to provide a power supply device and a vehicle power supply device that can be used.
  • a power supply device comprises a secondary battery and a capacitor connected in parallel to the secondary battery, and a detecting means for detecting the temperature of the capacitor and the voltage of the capacitor; A switching element that limits the discharge current from the capacitor based on the detection value of the detection means, and a switching element that performs at least one of limiting and blocking the charging current to the capacitor based on the detection value of the detection means. It is characterized by.
  • the temperature rise of the capacitor and the deterioration of the capacitor can be suppressed.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a power supply device according to a preferred first embodiment of the present invention.
  • 2 is a flowchart for explaining a first control method in the power supply device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a circuit diagram during switch control in step S5 of FIG. 2.
  • 4 is a flowchart for explaining a second control method in the power supply device of FIG. 1.
  • It is a circuit diagram at the time of switch control of step S10 of FIG. 6 is a flowchart for explaining a third control method in the power supply device of FIG. 1.
  • It is a graph which shows the discharge characteristic of an electric double layer capacitor and a hybrid capacitor.
  • It is a flowchart for demonstrating the control method in the power supply device of suitable 2nd Embodiment which concerns on this invention.
  • It is a circuit diagram at the time of switch control of step S23 of FIG. It is a circuit diagram which shows the power supply device of suitable 3rd Embodiment based on this invention.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a power supply device according to a preferred first embodiment.
  • the power supply device 10 of this embodiment is connected to a rotating electrical machine 100 that is mounted on a vehicle and functions as an alternator / starter motor (generator / motor), for example.
  • alternator / starter motor generator / motor
  • alternator alternator / motor
  • the power supply device 10 includes a secondary battery 1 such as a lead storage battery and a capacitor 2 connected in parallel to each other.
  • the capacitor 2 is formed by connecting a plurality of (four in the figure) capacitor cells 3 in series, and each capacitor cell 3 is an electric double layer capacitor cell.
  • a discharge cutoff switching element (third switching element) 5 and a charge control switching unit 6 are connected in series to the positive current path 4 of the capacitor 2.
  • the discharge cutoff switching element 5 includes an N-channel MOSFET 7 and a body diode 8 formed between the drain and source of the MOSFET 7 and connected in the direction opposite to the direction of the discharge current flowing from the capacitor 2 to the motor 100 side.
  • the discharge cutoff switching element 5 allows a discharge current from the capacitor 2 to pass when the switch is turned on (gate on), and cuts off the discharge current when the switch is turned off. Further, the discharge cutoff switching element 5 allows a charging current to the capacitor 2 to pass through the body diode 8 regardless of whether the switch is on or off in a charging mode for the capacitor 2 described later.
  • the charge control switching unit 6 is connected to the charge cutoff switching element (first switching element) 9, the charge / discharge limiting switching element (second switching element) 11, and the charge / discharge limiting switching element 11 side connected in parallel to each other.
  • the charge limiting resistor 12 is provided.
  • the charge cutoff switching element 9 and the charge / discharge limiting switching element 11 are respectively formed between the N-channel MOSFET 7 and the drain-source of the N-channel MOSFET 7 and are connected in the direction opposite to the charging current flowing from the alternator 100 to the capacitor 2 side.
  • the charge cut-off switching element 9 and the charge / discharge limit switching element 11 each pass a charge current to the capacitor 2 when the switch is turned on (gate on) and cut off the charge current when the switch is turned off.
  • the charge interruption switching element 9 and the charge / discharge limiting switching element 11 allow the discharge current from the capacitor 2 to pass through each body diode 8 regardless of whether the switch is on or off in the discharge mode to the motor 100 described later.
  • Each capacitor cell 3 is connected to each capacitor cell 3 in parallel with a balance switch element 13 and a balance switch resistor 14 connected in series to the balance switch element 13.
  • Each balance switch element 13 includes a MOSFET 7 and a body diode 8 formed between the drain and source of the MOSFET 7 and connected in the direction opposite to the discharge current direction of the capacitor 2.
  • the gates of the respective MOSFETs 7 constituting the discharge cutoff switching element 5, the charge cutoff switching element 9, the charge / discharge limiting switching element 11 and the balance switch 13 are connected to a discrimination control means 15 for switch control (ON / OFF) of the MOSFET 7. .
  • the discrimination control means 15 monitors the temperature of the capacitor 2 and deterioration of the capacitor 2 (voltage drop due to internal resistance generated in the capacitor cell 3), and controls each switch element according to the deterioration and temperature of the capacitor 2. It is.
  • the discrimination control means 15 is constituted by a microcomputer and includes a boosting gate driver (built in) for driving the gate of the MOSFET 7.
  • a boosting gate driver built in
  • any one such as a charge pump type that has a gate driving function of the N-channel MOSFET 7 may be used.
  • the microcomputer 15 incorporates an A / D converter for monitoring the voltage of the capacitor 2 and monitors the voltage across the capacitor 2 (total voltage of the capacitor cells 3 connected in series) (path 16).
  • reference numeral 17 denotes a voltage measuring resistor.
  • the microcomputer 15 is sequentially switched and connected to each capacitor cell 3 using the multiplexer 18 (path 19), and monitors the voltage of each capacitor cell 3.
  • the microcomputer 15 is connected to the secondary battery 1 (not shown) and also monitors the voltage of the secondary battery 1.
  • the microcomputer 15 is connected to a host ECU (Electronic Control Unit) provided in the vehicle. Communication function.
  • ECU Electronic Control Unit
  • the discrimination control means 15 is connected to a temperature detection means 20 for detecting the temperature of the capacitor 2 and a current detection means 23 for detecting a current flowing through the discharge cutoff switching element 5 and the charge cutoff switching element 9. .
  • the temperature detection means 20 includes a PTC thermistor (Positive Coefficient) 21 connected to an A / D converter built in the microcomputer 15 and a voltage dividing resistor 22.
  • the PTC thermistor 21 is a surface of the capacitor cell 3. Mounted on.
  • the current detection means 23 includes a differential amplifier connected to an A / D converter built in the microcomputer 15, and the differential amplifier is provided at both ends of the path from the discharge cutoff switching element 5 to the charge cutoff switching element 9. It is connected.
  • step S1 whether the temperature of the capacitor cell 3 detected by the temperature detecting means 20 is equal to or higher than a preset first temperature threshold value (lower limit of temperature determined to be abnormal) is determined control means. 15 is discriminated (step S1).
  • the discharge cut-off switching element 5, the charge cut-off switching element 9, and the charge / discharge limit switching element are all normally operated while being ON (Ste S2). If the temperature of the capacitor cell 3 is equal to or higher than the first temperature threshold value (S1 ⁇ Y), it is determined whether the capacitor cell 3 is deteriorated (step S3).
  • the deterioration of the capacitor cell 3 indicates that the internal resistance generated in the capacitor cell 3 is larger than a preset value (resistance deterioration).
  • each capacitor cell 3 The internal resistance of each capacitor cell 3 is obtained by measuring the voltage of the capacitor cell 3 when the balance switch element 13 is turned off and the voltage of the capacitor cell 3 when the balance switch element 13 is turned on, and the difference voltage and the balance switch. It is obtained from the resistance value of the resistor 14 for use.
  • the determination of the temperature and deterioration of the capacitor cell 3 is preferably performed for all the capacitor cells 2, but may be performed for at least one capacitor cell 3.
  • step S4 When the capacitor cell 3 is not deteriorated (S3 ⁇ N), the switching elements 5, 9, and 11 are normally operated while being turned on (step S4).
  • Step S5 the mode in which only the charge cutoff switching element 9 is turned OFF while the discharge cutoff switching element 5 and the charge / discharge limiting switching element 11 remain ON.
  • Step S5 first control mode.
  • the discharge current when the capacitor 2 is discharged passes through the discharge cutoff switching element 5, and the body diode 8 on the charge cutoff switching element 9 side and the charge / discharge limiting switching element. 11, and after passing through these, they are combined and supplied to the motor 100.
  • the capacitor 2 and the secondary battery 1 are discharged, the voltage of the capacitor 2 and the voltage of the secondary battery 1 are monitored, and when the voltage of the capacitor 2 becomes equal to or lower than the voltage of the secondary battery 1, the charge cutoff switching is performed.
  • the switches of the element 9 and the charge / discharge cutoff switching element 11 are turned off. By turning off both the switching elements 9 and 11, the current path in the charging direction to the capacitor 2 is blocked, and the current supplied from the secondary battery 1 can be prevented from flowing to the capacitor 2.
  • the current path when the capacitor 2 is charged (when power is supplied from the alternator 100 to the capacitor 2) is OFF because the MOSFET 7 of the charge cutoff switching element 9 is OFF and its body diode 8 is opposite to the charge current direction.
  • the path passes through the charge / discharge limiting switching element 11, the charge limiting resistor 12, and the discharge cutoff switching element 5 without passing through the switching element 9. In this current path, the charging current to the capacitor cell 3 becomes smaller than that during normal operation due to the charging limiting resistor 12.
  • Step S6 ⁇ Y When the discharge current and the charge current of the capacitor cell 3 are reduced, the heat generation of the capacitor cell 3 is suppressed and the temperature of the capacitor cell 3 is lowered.
  • the capacitor cell 3 is discharged and charged with the charge cutoff switching element 9 turned OFF, and the charge cutoff switching element 9 remains OFF until the temperature of the capacitor cell 3 becomes lower than a preset second temperature threshold. (Step S6 ⁇ Y).
  • the charge cutoff switching element 9 is turned on and normal operation is resumed (step S7).
  • the second temperature threshold is set lower than the first temperature threshold in order to give hysteresis to the response of the charge cutoff switching element 9.
  • the second control method is a method in which the voltage of the capacitor cell 3 is further monitored (measured) in the first control method, and each switching element is controlled when the voltage shows an abnormal value.
  • the voltage of the capacitor cell 3 is set to a preset first voltage threshold value (lower limit of voltage determined to be abnormal). Compare (step S8).
  • each switching element is normally operated while being ON (step S9).
  • Step S10 second control mode
  • the current path in the discharge direction from the capacitor cell 3 passes through the discharge cutoff switching element 5 and is shunted to the body diode 8 on the charge cutoff switching element 9 side and the charge / discharge limiting switching element 11 side. After passing through, they merge and head toward the motor 100.
  • the order of the body diode 8 of the charge / discharge limiting switching element 11 as well as the charge cutoff switching element 9 is as follows. Since each directional voltage is generated as a voltage drop, the circuit when the capacitor 2 is discharged is equivalent to an increase in the equivalent series resistance (ESR) of the capacitor 2 compared to that in the first control mode. Therefore, the discharge current of the capacitor cell 3 is further reduced than in the first control mode.
  • ESR equivalent series resistance
  • the MOSFET 7 of the charge cutoff switching element 9 and the charge / discharge limiting switching element 11 is OFF, and the body diode 8 of both switching elements 9, 11 is in the charging current direction. Since it is the opposite direction, it is blocked.
  • Step S11 ⁇ Y In the state where the charge interruption switching element 9 and the charge / discharge limiting switching element 11 are turned off, the discharge current of the capacitor cell 3 becomes small and the charging current does not flow, so the voltage of the capacitor cell 3 gradually decreases.
  • the voltage of the capacitor cell 3 is monitored by the discrimination control means 15, and the charge cut-off switching element 9 and the charge / discharge limiting switching element 11 are kept OFF until the voltage of the capacitor cell 3 becomes lower than a preset second voltage threshold. (Step S11 ⁇ Y).
  • the charge cutoff switching element 9 and the charge / discharge limiting switching element 11 are turned on, and normal operation is started (step S12).
  • the second voltage threshold value is set lower than the first voltage threshold value so that the response of the switching elements 9 and 11 has hysteresis.
  • the configuration using the second control method allows the temperature of the capacitor cell 3 to be higher than the configuration using the first control method. Deterioration due to the rise and current can be suppressed, and the cell voltage of the capacitor 2 gradually decreases. Therefore, protection to the cell withstand voltage at high voltage and progression of deterioration of the capacitor 2 due to high temperature can be suppressed.
  • the third control method includes a step of controlling the switching elements 5, 9, and 11 when the capacitor cell 3 exhibits a voltage (overvoltage) higher than the first voltage threshold.
  • the method includes a step of discriminating the capacitor cell 3 to which the overvoltage is applied and quickly reducing the voltage of the capacitor cell 3.
  • the voltage of the capacitor cell 3 is set to a first preset value higher than the first voltage threshold value. Is compared with the overvoltage threshold value (step S13).
  • step S8 When the voltage of the capacitor cell 3 is lower than the first overvoltage threshold (S13 ⁇ N), the voltage of the capacitor cell 3 is compared with the first voltage threshold (step S8), and the steps described in the second control method are performed. Then, the normal operation state is entered (step S9 or steps S10 and S11).
  • the balance switch element connected to the capacitor cell 3 indicating the overvoltage is turned on (step S14, third control mode).
  • the capacitor cell 3 Since the charge interruption switching element 9 and the charge / discharge limiting switching element 11 are OFF and the balance switch element 13 is ON, the capacitor cell 3 is not charged and is always discharged from the capacitor cell 3.
  • steps S13 and S14 the voltage of the capacitor 2 (total voltage of the capacitor cell 3) is measured, and the voltage is set to be equal to or higher than the first overvoltage threshold value of the capacitor 2 (separately from the overvoltage threshold value of the capacitor cell 3).
  • the voltage is set to be equal to or higher than the first overvoltage threshold value of the capacitor 2 (separately from the overvoltage threshold value of the capacitor cell 3).
  • all the balance switch elements 13 are turned ON. When all the balance switch elements 13 are ON, all the capacitor cells 3 are always discharged.
  • the voltage of the capacitor cell 3 (or the total voltage of the capacitor) is monitored by the discrimination control means 15 and is lower than the preset second overvoltage threshold, which is lower than the first overvoltage threshold, until the charge cutoff switching element 9 is reached. Then, the charge / discharge limiting switching element 11 is turned off and the balance switch element is kept on (step S15 ⁇ Y).
  • step S16 When the voltage of the capacitor cell 3 becomes lower than the second overvoltage threshold (S15 ⁇ N), the charge cut-off switching element 9 and the charge / discharge limiting switching element 11 are turned on, and the balance switch element 13 is turned off for normal operation. Is started (step S16).
  • the OFF condition (second overvoltage threshold) of the balance switch element 13 is set to be lower than the first voltage threshold, but is set to a smaller value with hysteresis to prevent chattering due to switching of the balance switch element 13. It may be a value.
  • the voltage of the capacitor cell 3 can be lowered more quickly than in the configuration using the second control method, so that a failure due to an overvoltage of the capacitor cell 3 can be prevented. Since the deterioration state of the capacitor cell 3 due to the high voltage and high temperature can be quickly eliminated, it is effective in extending the life of the capacitor 2.
  • fever and deterioration of the capacitor 2 which arise at the time of discharge and charge of the capacitor 2 can be suppressed.
  • the discharge voltage from the capacitor 2 is not reduced to 0, so that it is possible to always ensure power to the secondary battery 1.
  • the abnormality of the capacitor 2 can be prevented (recovered from the abnormality)
  • the capacity of the secondary battery 1 can be reduced, and the secondary battery 1 can be downsized.
  • the burden on the secondary battery 1 is reduced, damage due to an increase in the discharge current of the secondary battery 1 can be suppressed, which is effective in extending the life of the secondary battery 1.
  • the present invention is not limited to the embodiment described above, and various other ones are assumed.
  • N-channel MOSFETs are used as the MOSFETs 7 constituting the switching elements 5, 9, 11, and 13, and the resistance is low.
  • P-channel MOSFETs are used for at least one of the switching elements 5, 9, 11, and 13. May be.
  • the discrimination control means 15 is configured using a general-purpose microcomputer, but may be configured using a dedicated IC.
  • the current detection means 23 measures the voltage across the switching elements 5 and 9 using a differential amplifier. In addition, the current detection means 23 is based on detection by a Hall element, voltage measurement of a shunt resistor, and voltage measurement of a current transformer. Current detection may be performed, and other devices may be used as long as they have a function capable of detecting the current flowing through the switching elements 5 and 9.
  • the PTC thermistor 21 is used as the temperature detection means 20, a temperature detection may be made using an NTC (Negative-Temperature-Coefficient) thermistor or temperature IC.
  • NTC Negative-Temperature-Coefficient
  • the temperature detection location is the surface of the capacitor cell 3, the temperature detection location may be a circuit board connected to the capacitor 2 and a housing that houses the capacitor 2.
  • the current cut-off switching element 5, the charge cut-off switching element 9, and the charge / discharge limiting switching element 11 are provided in the current path 4 of the capacitor 2.
  • the switching element that limits the charging current to the capacitor as a switching element that performs at least one of limiting and cutting off the charging current to the capacitor, only the charging cutoff switching element 9 may be provided in the current path 4, or the charging cutoff switching element 9 and the charge cutoff switching element 9 may be provided.
  • the charge / discharge limiting switching element 11 and the charge limiting resistor connected in parallel to each other may be provided in the current path 4.
  • the basic components of the power supply device of the present embodiment are substantially the same as those of the power supply device 10 of FIG. 1 described above, except that the capacitor 2 of the previous embodiment is replaced with an electric double layer capacitor (EDLC) and lithium ions are negatively connected. The difference is that the hybrid capacitor (HC) used in is used.
  • EDLC electric double layer capacitor
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the discharge amount and the voltage for each of the electric double layer capacitor and the hybrid capacitor.
  • the hybrid capacitor has a higher discharge voltage than the electric double layer capacitor 2.
  • the electric double layer capacitor can be discharged until the discharge voltage becomes 0, whereas the hybrid capacitor has a large discharge amount and deteriorates when discharged to a voltage lower than the discharge limit (lower limit voltage), The deterioration is not recoverable.
  • the power supply device of this embodiment includes a hybrid capacitor having a discharge voltage higher than that of the electric double layer capacitor, and includes a step for preventing the voltage of the hybrid capacitor from being equal to or lower than the lower limit voltage (overdischarge voltage). It is a configuration.
  • step S21 when the temperature of the capacitor 2 does not exceed the first temperature threshold in the power supply device (third control method) of the previous embodiment described in FIG. 6 (step S1 ⁇ N)
  • step S21 When the normal operation is started, the voltage of the capacitor cell 3 is measured and compared with a preset overdischarge voltage threshold (step S21).
  • each switching element is normally operated while being turned on (step S22).
  • the discharge path from the capacitor 2 is cut off because the discharge cut-off switching element 5 is OFF and the body diode 8 of the discharge cut-off switching element 5 is opposite to the discharge current direction.
  • the charging path to the capacitor 2 passes through the charge cutoff switching element 9 and the charge / discharge limiting switching element 11, passes through the body diode of the discharge cutoff switching element 5, and reaches the capacitor 2.
  • the discharge cutoff switching element 5 is turned off, the discharge of the capacitor cell 3 is cut off, so that only the charging can be performed without lowering the voltage, so that the voltage gradually increases.
  • the voltage of the capacitor cell 3 is monitored by the discrimination control means 15, and the discharge cutoff switching element 5 is kept OFF until the voltage of the capacitor cell 3 becomes higher than a preset second overdischarge threshold (step S24). ⁇ Y).
  • the discharge cutoff switching element 5 is turned on and normal operation is started (step S25).
  • the second overdischarge threshold is set higher than the first overdischarge threshold.
  • the hybrid capacitor 2 by using the hybrid capacitor 2, a higher discharge output can be obtained than when the electric double layer capacitor 2 is used.
  • the hybrid capacitor 2 can obtain a high discharge output, the hybrid capacitor 2 is severely deteriorated in an overdischarge state.
  • the power supply apparatus can prevent the capacitor cell 3 from being broken due to overdischarge by detecting that the voltage of the capacitor cell 3 has become low and performing control to stop the discharge of the capacitor cell 3. This power supply apparatus can prevent the hybrid capacitor from being overdischarged and can extend the life of the hybrid capacitor.
  • the basic components of the power supply device 30 of the present embodiment are substantially the same as those of the power supply device 10 of FIG. 1 described above, and the same reference numerals as in FIG.
  • another capacitor is connected in parallel with the capacitor 2 of FIG. 1
  • the same discharge cutoff switching element and charge control switching unit as those of the previous embodiment are connected to the current path of the capacitor 2, and both capacitors are connected.
  • the difference is that the switching elements connected to 2 and 32 are connected to one discrimination control means.
  • the power supply device 30 includes a first capacitor 2 and a second capacitor 32 respectively connected in parallel to the secondary battery 1.
  • the first discharge cutoff switching element 5, the first charge cutoff switching element, the first charge / discharge limiting switching element 11 and the charge limiting resistor 12 are connected to the current path on the + side of the first capacitor 2,
  • the second discharge cut-off switching element 33, the second charge cut-off switching element 34, the second charge / discharge limit switching element 35, and the second charge limit resistor 36 are also provided in the current path on the + side of the second capacitor 32. Similarly connected.
  • a balance switching element, temperature detection means, and current detection means are also provided on both the first capacitor side and the second capacitor 2 side (not shown).
  • the discrimination control means 37 is connected to the first switching elements 5, 9, 11 and the second switching elements 33 to 35. Specifically, the discrimination control means 37 includes a first gate driver 38 that drives the switching elements 5, 9, and 11 on the first capacitor 2 side, and switching elements 33 to 35 on the second capacitor 32 side. And a CPU 40 connected to the first and second gate drivers 38 and 39 for switch control. In addition, the discrimination control unit 37 is also connected to a temperature detection unit and a current detection unit (not shown) as in the previous embodiment.
  • the power supply device 30 of the present embodiment in addition to the operational effects of the first and second embodiments, even if one capacitor 2 is abnormal or fails, the other capacitor 32 can maintain charge / discharge. Therefore, it is possible to prevent the discharge voltage from the capacitors 2 and 32 from becoming 0, and to ensure the power security to the secondary battery 1. Since the burden on the secondary battery 1 is reduced, the capacity of the secondary battery 1 can be reduced and the size can be reduced. In addition, since the burden on the secondary battery 1 is reduced, damage due to an increase in the discharge current of the secondary battery 1 can be suppressed, which is effective in extending the life of the secondary battery 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

　キャパシタの温度上昇及びキャパシタの劣化を抑制することができる電源装置及び車両用の電源装置を提供する。二次電池とその二次電池に並列接続されたキャパシタと、キャパシタの温度及びキャパシタの電圧を検出する検出手段と、検出手段の検出値に基づき、キャパシタからの放電電流を制限するスイッチング素子と、検出手段の検出値に基づき、キャパシタへの充電電流の制限及び遮断の少なくとも一つを行うスイッチング素子とを備えた。

Description

電源装置及び車両用電源装置
　本発明は、二次電池とキャパシタとでハイブリッド構成された電源装置及び車両用電源装置に関する。
　近年の電池技術の進歩によって、ハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。ハイブリッド車は、二次電池を用いてモータ等を駆動したり、減速時のエネルギーを二次電池に回生したりするシステムを有する。二次電池は、新型二次電池の出現、小型軽量化および高出力密度化により、シール鉛バッテリーからＮｉ水素電池、さらにはＬｉイオン電池へと発展してきた。いずれの二次電池においても、エネルギー密度を高めるため、電池活物質の開発や高容量かつ高出力の電池構造の開発が行われ、出力密度が高く、使用可能時間の長い電源を実現する努力がなされている。
　自動車分野において、燃費改善への努力がなされているが、今後も二酸化炭素などの排出物削減のために既存の自動車にも新しい燃費改善機能を追加する傾向が予想される。そのため、低損失の電源、すなわち、内部抵抗の小さい電源が要求される。
　内部抵抗の小さい電源を二次電池で実現する場合は、その最大出力電流の小ささが問題となる。そこで、出力電流の制限を必要としないキャパシタの必要性が高まっており、一例として電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）が一般的に知られている。また、電気二重層キャパシタが平滑用などに使用されるようなコンデンサと二次電池との中間的な特性を示すのに対して、電気二重層キャパシタと二次電池の中間的な特性を示す、高エネルギー密度のキャパシタとしてリチウムイオンを負極に用いたハイブリッドキャパシタ（ＨＣ）がある。これらキャパシタに関しては、エネルギー密度は小さいが出力密度が二次電池よりも高いことから、瞬間的な出力が要求されるアイドリングストップシステムに適用した例が知られる（例えば、特許文献１参照）。ただし、一般的に、キャパシタは自己放電が大きいため、キャパシタ単体での使用は現実的ではなく、二次電池とのハイブリッド構成としている。二次電池とキャパシタとは、機械式のリレーを使用したスイッチや、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）等の半導体素子のスイッチを用いて接続されたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６－１５２８２０号公報
　キャパシタを用いた電源装置においては、キャパシタの異常（劣化、発熱）や故障を防ぐための制御についても検討する必要がある。アイドリングストップシステムにおいて再スタート時のスタータモータの電力補償をキャパシタで実現するためには、低抵抗化による燃費改善のために鉛蓄電池と同様にエンジンルーム内に配置して配線長を最短化することが望ましいが、温度的な点で非常に厳しい条件となる。また、前記のようにキャパシタは出力密度の点で既存の二次電池よりも期待できるが、内部抵抗と電流によって発生する発熱は二次電池と同様に存在する。したがって、キャパシタが劣化して内部抵抗が高くなったときや、電流の入出力を頻発したこと等によってキャパシタが高温となったときには、キャパシタの電流を低減させて発熱を低減させる必要がある。キャパシタの発熱を低減させるためには、キャパシタから二次電池へのスイッチを遮断する方法が考えられる。
　しかしながら、このような場合は鉛蓄電池などの二次電池がスタータモータ等の全放電電流を負担することとなるが、鉛蓄電池などの二次電池は大電流の充放電によって劣化しやすいという課題がある。さらに、鉛蓄電池などの二次電池は全放電電流を保障できるように、高性能化や大型化せざるを得ないため、キャパシタをハイブリッドにしたことによる利点が小さくなる。
　本発明の目的は、上記課題を解決すべく、キャパシタの状態の合わせた二次電池への電力供給量制御をスイッチング素子を利用して実現し、キャパシタの温度上昇及びキャパシタの劣化を抑制することができる電源装置及び車両用電源装置を提供することにある。
　上記目的を達成すべく本発明に係る電源装置は、二次電池とその二次電池に並列接続されたキャパシタとを備えた電源装置において、キャパシタの温度及びキャパシタの電圧を検出する検出手段と、検出手段の検出値に基づき、キャパシタからの放電電流を制限するスイッチング素子と、検出手段の検出値に基づき、キャパシタへの充電電流の制限及び遮断の少なくとも一つを行うスイッチング素子とを備えたことを特徴とする。
　本発明によれば、キャパシタの温度上昇及びキャパシタの劣化を抑制することができる。
本発明に係る好適な第１の実施形態の電源装置を示す回路図である。 図１の電源装置において、第１の制御方法を説明するためのフローチャートである。 図２のステップＳ５のスイッチ制御時における回路図である。 図１の電源装置において、第２の制御方法を説明するためのフローチャートである。 図４のステップＳ１０のスイッチ制御時における回路図である。 図１の電源装置において、第３の制御方法を説明するためのフローチャートである。 電気二重層キャパシタとハイブリッドキャパシタの放電特性を示すグラフである。 本発明に係る好適な第２の実施形態の電源装置における制御方法を説明するためのフローチャートである。 図８のステップＳ２３のスイッチ制御時における回路図である。 本発明に係る好適な第３の実施形態の電源装置を示す回路図である。
　以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
　図１は、好適な第１の実施形態の電源装置を示す回路図である。
　図１に示すように、本実施形態の電源装置１０は、例えば、車両に搭載され、オルタネータ兼スタータモータ（発電機兼電動機）として機能する回転電機１００に接続される。
なお、以下の説明では、上記回転電機１００がスタータモータとして機能しているときは「モータ」と称し、オルタネータとして機能しているときは「オルタネータ」と称する。
　電源装置１０は、互いに並列接続された鉛蓄電池等の二次電池１とキャパシタ２とを備える。キャパシタ２は複数個（図では４個）のキャパシタセル３が直列接続されてなり、各キャパシタセル３は電気二重層キャパシタセルである。
　キャパシタ２の＋側の電流経路４には放電遮断スイッチング素子（第３のスイッチング素子）５と充電制御スイッチング部６とが互いに直列に接続されている。放電遮断スイッチング素子５は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ７と、ＭＯＳＦＥＴ７のドレイン－ソース間に形成され、キャパシタ２からモータ１００側へ流れる放電電流方向とは逆向きに接続されたボディダイオード８とで構成される。放電遮断スイッチング素子５は、スイッチオン（ゲートオン）時にはキャパシタ２からの放電電流を通過させ、スイッチオフ時には放電電流を遮断する。また、放電遮断スイッチング素子５では、後述するキャパシタ２への充電モードの時には、ボディダイオード８を介してスイッチのオンオフに関係なくキャパシタ２への充電電流を通過させる。
　充電制御スイッチング部６は、互いに並列接続された充電遮断スイッチング素子（第１のスイッチング素子）９と、充放電制限スイッチング素子（第２のスイッチング素子）１１と、充放電制限スイッチング素子１１側に接続された充電制限用抵抗１２とからなる。
充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１は、それぞれＮチャネルＭＯＳＦＥＴ７と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ７のドレイン－ソース間に形成され、オルタネータ１００からキャパシタ２側へ流れる充電電流方向とは逆向きに接続されたボディダイオード８とで構成される。充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１はそれぞれ、スイッチオン（ゲートオン）時にはキャパシタ２への充電電流を通過させ、スイッチオフ時には充電電流を遮断する。また、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１は、後述するモータ１００への放電モードの時には、それぞれのボディダイオード８を介してスイッチのオンオフに関係なくキャパシタ２からの放電電流を通過させる。
　各キャパシタセル３には、バランススイッチ素子１３と、バランススイッチ素子１３に直列接続されたバランススイッチ用抵抗１４とが、各キャパシタセル３と並列に接続されている。各バランススイッチ素子１３は、ＭＯＳＦＥＴ７と、ＭＯＳＦＥＴ７のドレイン－ソース間に形成され、キャパシタ２の放電電流方向とは逆向きに接続されたボディダイオード８とで構成される。
　放電遮断スイッチング素子５、充電遮断スイッチング素子９、充放電制限スイッチング素子１１及びバランススイッチ１３を構成するそれぞれのＭＯＳＦＥＴ７のゲートは、ＭＯＳＦＥＴ７のスイッチ制御（オンオフ）するための判別制御手段１５に接続される。
　判別制御手段１５は、キャパシタ２の温度と、キャパシタ２の劣化（キャパシタセル３に発生する内部抵抗による電圧降下）とを監視し、キャパシタ２の劣化と温度とによって、各スイッチ素子を制御するものである。
　判別制御手段１５は、マイコンで構成され、ＭＯＳＦＥＴ７のゲート駆動するための昇圧型ゲートドライバを備える（内蔵される）。昇圧型ゲートドライバは、チャージポンプ型など、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ７のゲート駆動機能を有するものであればいずれのものを用いてもよい。
　マイコン１５は、キャパシタ２の電圧監視用のＡ／Ｄコンバータを内蔵すると共に、キャパシタ２の両端の電圧（直列接続されたキャパシタセル３の総電圧）を監視する（経路１６）。なお、図中１７は、電圧測定用抵抗である。さらに、マイコン１５は、マルチプレクサ１８を用いて各キャパシタセル３に順次切換え接続され（経路１９）、各キャパシタセル３の電圧を監視する。マイコン１５は、二次電池１に接続され（図示せず）、二次電池１の電圧も監視する。マイコン１５は、各スイッチング素子５，９，１１，１３のＭＯＳＦＥＴ７のオンオフ制御機能、電源（キャパシタ２、二次電池１）の電圧監視機能の他に、車両が備える上位ＥＣＵ（Electronic Control Unit）への通信機能を有する。
　判別制御手段１５には、キャパシタ２の温度を検出するための温度検出手段２０と、放電遮断スイッチング素子５と充電遮断スイッチング素子９とを流れる電流を検出する電流検出手段２３とが接続されている。
　温度検出手段２０は、マイコン１５に内蔵されたＡ／Ｄコンバータに接続されたＰＴＣサーミスタ（Positive Temperature Coefficient）２１と、分圧用の抵抗２２とで構成され、ＰＴＣサーミスタ２１は、キャパシタセル３の表面に取付けられる。
　電流検出手段２３は、マイコン１５に内蔵されたＡ／Ｄコンバータに接続された差動アンプで構成され、その差動アンプは、放電遮断スイッチング素子５から充電遮断スイッチング素子９までの経路の両端に接続されている。
　次に、電源装置１０の制御方法について、図２～図６を基づき説明する。
　（第１の制御方法）
　通常状態（キャパシタ２に異常がなく充電、放電されている間）においては、放電遮断スイッチング素子５、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１は３つともＯＮの状態で、バランススイッチ素子１３はすべてＯＦＦの状態で、キャパシタ２の放電或いは充電が行われる。
　図２に示すように、温度検出手段２０で検出されるキャパシタセル３の温度が、予め設定された第１の温度閾値（異常と判定される温度の下限）以上であるかを、判別制御手段１５で判別する（ステップＳ１）。
　キャパシタセル３の温度が第１の温度閾値を超えない場合（Ｓ１→Ｎ）、放電遮断スイッチング素子５、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子は、いずれもＯＮのまま通常動作される（ステップＳ２）。キャパシタセル３の温度が第１の温度閾値以上であった場合（Ｓ１→Ｙ）、キャパシタセル３に劣化があるか判別する（ステップＳ３）。キャパシタセル３の劣化とは、キャパシタセル３内に発生する内部抵抗が予め設定された値よりも大きくなったことを示す（抵抗劣化）。各キャパシタセル３の内部抵抗は、バランススイッチ素子１３をＯＦＦしたときのキャパシタセル３の電圧と、バランススイッチ素子１３をＯＮしたときのキャパシタセル３の電圧とを測定し、その差分電圧とバランススイッチ用抵抗１４の抵抗値から求めている。キャパシタセル３の温度及び劣化の判別は、全てのキャパシタセル２に対して行うのが好ましいが、少なくとも１つのキャパシタセル３について行えばよい。
　キャパシタセル３に劣化がない場合（Ｓ３→Ｎ）、各スイッチング素子５，９，１１はＯＮのまま通常動作される（ステップＳ４）。
　キャパシタセル３に劣化があった場合（Ｓ３→Ｙ）、図３に示すように、放電遮断スイッチング素子５と充放電制限スイッチング素子１１はＯＮのまま、充電遮断スイッチング素子９のみをＯＦＦにするモードとなる（ステップＳ５，第１制御モード）。第１制御モードでは、キャパシタ２の放電時（モータ１００への電力供給時）の放電電流は、放電遮断スイッチング素子５を通過し、充電遮断スイッチング素子９側のボディダイオード８と充放電制限スイッチング素子１１に分流し、これらを通過後合流してモータ１００に供給される。
　第１制御モード時の本電源装置１０の回路構成を二次電池１側からみると、充電遮断スイッチング素子９のボディダイオード８の順方向電圧が電圧降下として生じているため、キャパシタ２の放電時の回路は、通常状態よりもキャパシタ２の等価直列抵抗（ＥＳＲ）が増加したことと等しくなる。よって、放電時には、二次電池１とキャパシタ２との電流バランスが変化し、キャパシタ２の放電電流が低下する。
　ただし、キャパシタ２と二次電池１の放電時において、キャパシタ２の電圧と二次電池１の電圧とを監視し、キャパシタ２の電圧が二次電池１の電圧以下になったとき、充電遮断スイッチング素子９及び充放電遮断スイッチング素子１１のスイッチをＯＦＦにする。両スイッチング素子９，１１をＯＦＦにすることにより、キャパシタ２への充電方向の電流経路は遮断され、二次電池１から供給される電流がキャパシタ２へ流れるのを防ぐことができる。
　キャパシタ２の充電時（オルタネータ１００からキャパシタ２への電力供給時）の電流経路は、充電遮断スイッチング素子９のＭＯＳＦＥＴ７がＯＦＦ、そのボディダイオード８が充電電流方向とは逆向きであるから、充電遮断スイッチング素子９を通過せずに、充放電制限スイッチング素子１１、充電制限用抵抗１２、放電遮断スイッチング素子５を通過する経路となる。この電流経路では、充電制限用抵抗１２により、キャパシタセル３への充電電流は、通常動作時よりも小さくなる。
　キャパシタセル３の放電電流及び充電電流が小さくなると、キャパシタセル３の発熱は抑制され、キャパシタセル３温度が低下する。キャパシタセル３は、充電遮断スイッチング素子９をＯＦＦにした状態で放電、充電され、キャパシタセル３の温度が予め設定された第２の温度閾値より低くなるまで、充電遮断スイッチング素子９をＯＦＦのままとする（ステップＳ６→Ｙ）。
　キャパシタセル３の温度が第２の温度閾値より低くなったとき（Ｓ６→Ｎ）、充電遮断スイッチング素子９はＯＮにされ、通常動作が再開される（ステップＳ７）。第２の温度閾値は、充電遮断スイッチング素子９の応答にヒステリシスを持たせるために、第１の温度閾値よりも低くされている。
　以上、第１の制御方法を用いる構成とすることにより、本電源装置では、キャパシタセル３の温度が上昇し、かつキャパシタセル３の内部抵抗が大きくなった（劣化が生じた）際に、キャパシタセル３の放電電流と充電電流の両方を低下させるため、キャパシタセル３の温度上昇を抑制することができる。また、キャパシタセル３の放電電流と充電電流の両方を低下させるので、キャパシタセル３の劣化（内部抵抗値の上昇）を抑制することができる。
　（第２の制御方法）
　本電源装置による第２の制御方法を図４，図５に基づき説明する。
　第２の制御方法は、第１の制御方法において、さらにキャパシタセル３の電圧を監視（測定）し、その電圧が異常値を示した場合に各スイッチング素子を制御する方法である。
　図４に示すように、キャパシタセル３の劣化がなかった場合（Ｓ３→Ｎ）に、キャパシタセル３の電圧を、予め設定された第１の電圧閾値（異常と判定される電圧の下限）と比較する（ステップＳ８）。
　キャパシタセル３の電圧が第１の電圧閾値よりも低い場合（Ｓ８→Ｎ）、各スイッチング素子はＯＮのまま通常動作される（ステップＳ９）。
　キャパシタセル３の電圧が第１の電圧閾値以上の場合（Ｓ８→Ｙ）、図５に示すように、放電遮断スイッチング素子５はＯＮのまま、充電遮断スイッチング素子９と充電遮断スイッチング素子１１をＯＦＦにするモードとなる（ステップＳ１０，第２制御モード）。
　第２制御モードでは、キャパシタセル３からの放電方向の電流経路は、放電遮断スイッチング素子５を通過し、充電遮断スイッチング素子９側と充放電制限スイッチング素子１１側のボディダイオード８に分流し、これらを通過後合流してモータ１００へ向かう。
　第２制御モード時のキャパシタ２からモータ１００への充電時における電源装置１０の回路構成を二次電池１側からみると、充電遮断スイッチング素子９と共に充放電制限スイッチング素子１１のボディダイオード８の順方向電圧がそれぞれ電圧降下として生じているため、キャパシタ２の放電時の回路は、キャパシタ２の等価直列抵抗（ＥＳＲ）が第１制御モード時よりも増加したことと等しくなる。よって、キャパシタセル３の放電電流は、第１制御モード時よりもさらに低下する。
　充電モード、すなわちオルタネータ１００からキャパシタ２への充電方向の電流経路は、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１のＭＯＳＦＥＴ７がＯＦＦかつ、両スイッチング素子９，１１のボディダイオード８が充電電流方向とは逆向きであるから、遮断される。
　充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１をＯＦＦにした状態では、キャパシタセル３の放電電流は小さくなり、充電電流は流れないので、キャパシタセル３の電圧は次第に低下する。キャパシタセル３の電圧は判別制御手段１５で監視され、キャパシタセル３の電圧が予め設定された第２の電圧閾値より低くなるまで、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１をＯＦＦのままとする（ステップＳ１１→Ｙ）。
　キャパシタセル３の温度が第２の電圧閾値より低くなったとき（Ｓ１１→Ｎ）、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１はＯＮにされ、通常動作が開始される（ステップＳ１２）。第２の電圧閾値は、スイッチング素子９，１１の応答にヒステリシスを持たせるために、第１の電圧閾値よりも低く設定されている。
　高電圧時は低電圧時よりも過電流が流れやすい状態であるが、第２の制御方法を用いる構成とすることにより、第１の制御方法を用いた構成よりも、キャパシタのセル３の温度上昇と電流に伴う劣化を抑制でき、キャパシタ２のセル電圧も次第に低下するため、高電圧時のセル耐圧までの保護、高温によるキャパシタ２の劣化の進行も抑制することができる。
　（第３の制御方法）
　本電源装置による第３の制御方法を図６のフローチャートに基づき説明する。
　第３の制御方法は、第２の制御方法に加えて、キャパシタセル３が第１の電圧閾値よりも高い電圧（過電圧）を示した場合に各スイッチング素子５，９，１１を制御するステップを有する。つまり、過電圧が印加されたキャパシタセル３を判別し、そのキャパシタセル３の電圧を早く低下させるステップを含ませた方法である。
　具体的には、図６に示すように、キャパシタセル３の劣化がなかった場合（Ｓ３→Ｎ）に、キャパシタセル３の電圧を、第１の電圧閾値よりも高い、予め設定された第１の過電圧閾値と比較する（ステップＳ１３）。
　キャパシタセル３の電圧が第１の過電圧閾値よりも低い場合（Ｓ１３→Ｎ）、キャパシタセル３の電圧が第１の電圧閾値と比較し（ステップＳ８）、第２の制御方法で説明したステップを経て通常動作状態に移行する（ステップＳ９又はステップＳ１０，Ｓ１１）。
　キャパシタセル３の電圧が第１の過電圧閾値以上の場合（Ｓ１３→Ｙ）、過電圧を示すキャパシタセル３に接続されているバランススイッチ素子をオンにするモードにする（ステップＳ１４、第３制御モード）。
　充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１がＯＦＦ、バランススイッチ素子１３がＯＮとなっているため、キャパシタセル３には充電されず、かつキャパシタセル３から常時放電されている状態となる。
　ただし、ステップＳ１３，Ｓ１４において、キャパシタ２の電圧（キャパシタセル３の総電圧）を測定し、その電圧がキャパシタ２の第１の過電圧閾値以上（キャパシタセル３の過電圧閾値とは別に設定される、例えば、キャパシタセルの第１の過電圧閾値の合計）の場合は、全てのバランススイッチ素子１３をＯＮにする。全バランススイッチ素子１３がＯＮの場合は、全てのキャパシタセル３が常時放電されている状態となる。
　キャパシタセル３の電圧（或いはキャパシタの総電圧）は、判別制御手段１５で監視され、第１の過電圧閾値よりも低い、予め設定された第２の過電圧閾値より低くなるまで、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１をＯＦＦ、バランススイッチ素子をＯＮのままとする（ステップＳ１５→Ｙ）。
　キャパシタセル３の電圧が第２の過電圧閾値より低くなったとき（Ｓ１５→Ｎ）、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１はＯＮにされ、バランススイッチ素子１３はＯＦＦにされ、通常動作が開始される（ステップＳ１６）。
　バランススイッチ素子１３のＯＦＦ条件（第２の過電圧閾値）は、第１の電圧閾値より低く設定されるものであるが、バランススイッチ素子１３の切替によるチャタリングを防止すべくヒステリシスをもたせてより小さな設定値としてもよい。
　第３の制御方法を用いる構成とすることにより、第２の制御方法を用いた構成よりも、キャパシタセル３の電圧を早く低下させることができるため、キャパシタセル３の過電圧による故障を防止できる。高電圧、高温によるキャパシタセル３の劣化の状態を早く解消することができるため、キャパシタ２の長寿命化に効果的である。
　以上、本実施形態の電源装置によれば、キャパシタ２の放電及び充電の際に生じるキャパシタ２の発熱と劣化を抑制することができる。キャパシタ２が異常状態（発熱、或いは劣化状態）になったときも、キャパシタ２からの放電電圧を０にさせることがないので、常に二次電池１への電力保障を実現できる。キャパシタ２の異常を防ぐ（異常から回復させる）ことができるので、二次電池１の容量低減も可能となり、二次電池１の小型化を図れる。また、二次電池１の負担が減ることから、二次電池１の放電電流の増加によるダメージも抑制できるので、二次電池１の長寿命化にも効果的である。
　本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定される。
　各スイッチング素子５，９，１１，１３を構成するＭＯＳＦＥＴ７として、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用い、低抵抗な構成としたが、各スイッチング素子５，９，１１，１３の少なくとも１つにＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。
　判別制御手段１５は、汎用マイコンを用いて構成したが、他に、専用のＩＣを用いて構成してもよい。電流検出手段２３は、差動アンプを用いて、スイッチング素子５，９の両端の電圧を測定するものであるが、他に、ホール素子による検出、シャント抵抗の電圧測定、カレントトランスの電圧測定による電流検出をしてもよく、スイッチング素子５，９を流れる電流を検出可能な機能を有すれば、他のものを用いてもよい。温度検出手段２０としては、ＰＴＣサーミスタ２１を用いたが、他にＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタ、温度ＩＣを用いて温度検出する構成としてもよい。温度検出箇所は、キャパシタセル３表面としたが、温度検出箇所を、キャパシタ２に接続される回路基板、キャパシタ２を収容する筐体としてもよい。
　本実施形態では、キャパシタ２の電流経路４に、放電遮断スイッチング素子５、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１とを設けた構成としたが、キャパシタへの充電電流を制限するスイッチング素子及びキャパシタへの充電電流の制限及び遮断の少なくとも一つを行うスイッチング素子として、充電遮断スイッチング素子９のみを電流経路４に設けた構成としてもよく、或いは充電遮断スイッチング素子９と充電遮断スイッチング素子９に並列に接続される充放電制限スイッチング素子１１と充電制限用抵抗とを電流経路４に設けた構成としてもよい。
　次に、好適な第２の実施形態の電源装置について説明する。
　本実施形態の電源装置の基本的な構成部分は、上述した図１の電源装置１０とほぼ同様であるが、前実施形態のキャパシタ２を、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）に代わりリチウムイオンを負極に用いたハイブリッドキャパシタ（ＨＣ）とした点において異なる。
　ここで、一般的な電気二重層キャパシタとハイブリッドキャパシタの放電特性の違いについて、図７を用いて説明する。
　図７は、電気二重層キャパシタとハイブリッドキャパシタのそれぞれについて、放電量と電圧の関係を示したグラフである。
　電気二重層キャパシタ（図中、グラフ７１）及びハイブリッドキャパシタ（図中、グラフ７２）は、放電量が多くなるに従って電圧が下がる。ハイブリッドキャパシタは、電気二重層キャパシタ２に対して放電電圧が高い。しかしながら、電気二重層キャパシタは、放電電圧が０になるまで放電可能であるのに対し、ハイブリッドキャパシタは、放電量が大きくなり、放電限界となる電圧（下限電圧）を下回るまで放電すると劣化し、その劣化は回復不可能である。
　本実施形態の電源装置は、電気二重層キャパシタよりも高い放電電圧を有するハイブリッドキャパシタを備え、そのハイブリッドキャパシタの電圧が上記の下限電圧（過放電電圧）以下になるのを防ぐためのステップを含む構成としたものである。
　本実施形態の電源装置の制御方法について図８に基づき説明する。
　図８に示すように、本電源装置では、図６で説明した前実施形態の電源装置（第３の制御方法）において、キャパシタ２の温度が第１の温度閾値を超えない場合（ステップＳ１→Ｎ）、通常動作に移行するところ、キャパシタセル３の電圧を測定し、予め設定した過放電電圧閾値と比較する（ステップＳ２１）。
　キャパシタセル３の電圧が過放電閾値よりも大きい場合（Ｓ２１→Ｎ）、各スイッチング素子はＯＮのまま通常動作される（ステップＳ２２）。
　キャパシタセル３の電圧が過放電閾値以下である場合（Ｓ２１→Ｙ）、図９に示すように、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１はＯＮのまま、放電遮断スイッチング素子５のみをＯＦＦにするモードとなる（ステップＳ２３，第４制御モード）。
　第４制御モードでは、キャパシタ２からの放電経路は、放電遮断スイッチング素子５がＯＦＦかつ、放電遮断スイッチング素子５のボディダイオード８が放電電流方向と逆向きであるから、遮断される。キャパシタ２への充電経路は、充電遮断スイッチング素子９及び充放電制限スイッチング素子１１を通過し、放電遮断スイッチング素子５のボディダイオードを通過してキャパシタ２へ到達する。放電遮断スイッチング素子５をＯＦＦにした状態では、キャパシタセル３の放電は遮断されるので電圧が下がることなく、充電のみが可能となるので電圧は次第に上昇する。キャパシタセル３の電圧は、判別制御手段１５で監視され、キャパシタセル３の電圧が予め設定された第２の過放電閾値より高くなるまで、放電遮断スイッチング素子５をＯＦＦのままとする（ステップＳ２４→Ｙ）。
　キャパシタセル３の電圧が第２の過放電閾値より高くなったとき（Ｓ２４→Ｎ）、放電遮断スイッチング素子５はＯＮにされ、通常動作が開始される（ステップＳ２５）。第２の過放電閾値は、第１の過放電閾値よりも高く設定されている。第２の過放電閾値を、キャパシタセル３の下限電圧を示す第１の過放電閾値よりも高くすることで、通常動作を再開してもキャパシタセル３の電圧が異常電圧にすぐに到達しないようにするためである。
　本電源装置によれば、ハイブリッドキャパシタ２を用いることにより、電気二重層キャパシタ２を用いた場合に比べ、高い放電出力が得られる。ただし、ハイブリッドキャパシタ２は、高い放電出力が得られるものの、過放電状態になると激しく劣化するものである。本電源装置は、キャパシタセル３の電圧が低くなったことを検知し、キャパシタセル３の放電を停止させる制御を行うことにより、過放電によるキャパシタセル３の故障を防止することができる。本電源装置は、ハイブリッドキャパシタが過放電状態になるのを防ぎ、ハイブリッドキャパシタの長寿命化を図ることができる。
　次に、本発明に係る好適な第３の実施形態の電源装置について説明する。
　図１０に示すように、本実施形態の電源装置３０の基本的な構成部分は、上述した図１の電源装置１０とほぼ同様であり、同一構成部分には図１の場合と同一の符号を付してあるが、図１のキャパシタ２と並列に別のキャパシタを接続し、そのキャパシタ２の電流経路にも前実施形態と同様の放電遮断スイッチング素子及び充電制御スイッチング部を接続し、両キャパシタ２，３２に接続されたスイッチング素子が１つの判別制御手段に接続される点において異なる。
　具体的には、電源装置３０は、二次電池１にそれぞれ並列に接続された第１のキャパシタ２と第２のキャパシタ３２とを備える。
　第１のキャパシタ２の＋側の電流経路には第１の放電遮断スイッチング素子５、第１の充電遮断スイッチング素子、第１の充放電制限スイッチング素子１１及び充電制限用抵抗１２が接続され、第２のキャパシタ３２の＋側の電流経路にも、第２の放電遮断スイッチング素子３３、第２の充電遮断スイッチング素子３４、第２の充放電制限スイッチング素子３５及び第２の充電制限用抵抗３６が同様に接続される。バランススイッチング素子、温度検出手段、電流検出手段も第１のキャパシタ側と第２のキャパシタ２側の両方にそれぞれ設けられている（図示せず）。
　判別制御手段３７は、第１の各スイッチング素子５，９，１１及び第２の各スイッチング素子３３～３５に接続される。具体的には、判別制御手段３７は、第１のキャパシタ２側の各スイッチング素子５，９，１１を駆動する第１のゲートドライバ３８と、第２のキャパシタ３２側の各スイッチング素子３３～３５を駆動する第２のゲートドライバ３９と、第１及び第２のゲートドライバ３８，３９に接続され、スイッチ制御をするＣＰＵ４０とを備える。また、判別制御手段３７は、前実施形態と同様に、温度検出手段、電流検出手段にも接続される（図示せず）。
　本実施形態の電源装置３０によれば、第一、第二の実施形態の作用効果に加え、一方のキャパシタ２が異常或いは故障したとしても、他方のキャパシタ３２が充放電を維持することができるので、キャパシタ２、３２からの放電電圧が０になることを防ぎ、二次電池１への電力保障を確実に実現することができる。二次電池１の負担が軽減されるので、二次電池１の容量を低減し、小型化を図ることができる。また、二次電池１の負担が減ることから、二次電池１の放電電流の増加によるダメージも抑制できるので、二次電池１の長寿命化にも効果的である。
１　二次電池
２　キャパシタ
３　キャパシタセル
５　放電遮断スイッチング素子
６　充電制御スイッチング部
７　ＭＯＳＦＥＴ
８　ボディダイオード
９　充電遮断スイッチング素子
１０　電源装置
１１　充放電制限スイッチング素子
１２　充電制限用抵抗
１３　バランススイッチ素子
１５　判別制御手段（マイコン）
２０　温度検出手段
３０　電源装置
３２　第二のキャパシタ

Claims (15)

  1. 　二次電池とその二次電池に並列接続されたキャパシタとを備えた電源装置において、
    　前記キャパシタの温度及び前記キャパシタの電圧を検出する検出手段と、
    　前記検出手段の検出値に基づき、前記キャパシタからの放電電流を制限するスイッチング素子と、
    　前記検出手段の検出値に基づき、前記キャパシタへの充電電流の制限及び遮断の少なくとも一つを行うスイッチング素子とを備えたことを特徴とする電源装置。
  2. 　請求項１記載の電源装置において、前記放電電流を制限するスイッチング素子と前記充電電流の制限及び遮断の少なくとも一方を行うスイッチング素子は、前記キャパシタの電流経路に接続されたＭＯＳＦＥＴと、そのＭＯＳＦＥＴに並列かつ前記キャパシタへの充電電流方向と逆向きに接続されるダイオードとからなる第１のスイッチング素子で構成された電源装置。
  3. 　請求項２記載の電源装置において、前記検出手段で検出される前記キャパシタの内部抵抗、及び、前記検出手段で検出される温度が予め設定された閾値よりも高いとき、前記第１のスイッチング素子をオフにする構成とした電源装置。
  4. 　請求項１記載の電源装置において、前記放電電流を制限するスイッチング素子と前記充電電流の制限及び遮断の少なくとも一方を行うスイッチング素子は、
    　前記キャパシタの電流経路に接続されたＭＯＳＦＥＴと、そのＭＯＳＦＥＴに並列かつ前記キャパシタへの充電電流方向と逆向きに接続されるダイオードとからなる第１のスイッチング素子と、
    　前記第１のスイッチング素子と並列に接続されたＭＯＳＦＥＴと、そのＭＯＳＦＥＴに並列から前記キャパシタへの充電電流方向と逆向きに接続されるダイオードとからなる第２のスイッチング素子と、
    　その第２のスイッチング素子に直列接続される充電制限用抵抗とで構成された電源装置。
  5. 　請求項４記載の電源装置において、前記検出手段で検出される前記キャパシタの内部抵抗、及び、前記検出手段で検出される温度が予め設定された閾値よりも高いとき、前記第１のスイッチング素子をオフにする構成とした電源装置。
  6. 　請求項４記載の電源装置において、前記検出手段で検出されるキャパシタの温度が予め設定された温度閾値よりも高く、かつ、前記検出手段で検出される前記キャパシタの電圧が予め設定された電圧閾値よりも高いとき、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子を共にオフにする構成とした電源装置。
  7. 　請求項１記載の電源装置において、前記キャパシタは、一つ或いは互いに直列接続された複数個のキャパシタセルからなり、前記検出手段は、任意のキャパシタセルの電圧を検出可能に各キャパシタセルに接続された電源装置。
  8. 　請求項７記載の電源装置において、互いに直列接続されたバランススイッチ素子と抵抗とが各キャパシタセルに並列に接続され、前記バランススイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴと、そのＭＯＳＦＥＴに並列かつ前記キャパシタへの放電電流方向と逆向きに接続されるダイオードとからなる電源装置。
  9. 　請求項８記載の電源装置において、少なくとも一つのキャパシタセルの温度が予め設定された温度閾値を超え、かつ、そのキャパシタセルの電圧が予め設定された電圧閾値よりも高く設定された過電圧閾値を超えたときに、前記バランススイッチ素子をオンにする構成とした電源装置。
  10. 　請求項１記載の電源装置において、前記キャパシタは、電気二重層キャパシタである電源装置。
  11. 　請求項１記載の電源装置において、前記キャパシタは、リチウムイオンを負極に用いたハイブリッドキャパシタである電源装置。
  12. 　請求項１１記載の電源装置において、前記キャパシタの電流経路には、ＭＯＳＦＥＴと、そのＭＯＳＦＥＴに並列かつ前記キャパシタへの放電電流方向と逆向きに接続されるダイオードとからなる第３のスイッチング素子が接続された電源装置。
  13. 　請求項１２記載の電源装置において、前記ハイブリッドキャパシタの過放電電圧閾値が設定され、前記ハイブリッドキャパシタの放電電圧が前記過放電電圧閾値より低くなったとき、前記第３のスイッチング素子をオフにする構成とした電源装置。
  14. 　請求項１記載の電源装置において、前記キャパシタと並列に接続された別のキャパシタと、前記別のキャパシタの温度及び前記別のキャパシタの電圧を検出する別の検出手段と、前記別の検出手段の検出値に基づき、前記別のキャパシタからの放電電流を制限する別のスイッチング素子と、前記別の検出手段の検出値に基づき、前記別のキャパシタへの充電電流の制限及び遮断の少なくとも一つを行う別のスイッチング素子とを備えたことを特徴とする電源装置。
  15. 　請求項１記載の電源装置にモータ及びオルタネータが接続される車両用電源装置。
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