WO2012032651A1 - 蓄電モジュールの過電圧検出装置 - Google Patents

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Abstract

 蓄電モジュールの過電圧検出装置においては、複数の過電圧検出部は、複数の蓄電セルのそれぞれに並列接続され、外部電源から電力を受けて複数の蓄電セルのそれぞれの端子間電圧を監視する。複数の過電圧検出部は、複数の蓄電セルの端子間電圧が所定の基準電圧以内である場合に、蓄電セルが正常であることを示すためのON信号を出力する。複数の過電圧検出部は、蓄電セルの端子間電圧が基準電圧を超過した場合に、OFF信号を出力する。

Description

蓄電モジュールの過電圧検出装置
 この発明は、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタからなる複数の蓄電セルを有する蓄電モジュールに設けられる蓄電モジュールの過電圧検出装置に関する。
 一般的に、蓄電モジュールとしての電気二重層キャパシタモジュールは、複数の蓄電セル(キャパシタセル)を直列接続して、所望のエネルギ量を得るとともに、接続回路で利用しやすい電圧を実現している。なお、このように複数の蓄電セルを直列接続するのは、単一の蓄電セルの許容電圧が約3Vと低いためである。
 蓄電セルを直列接続した場合、各蓄電セルの漏れ電流がアンバランスとなったり、静電容量がばらついた状態でモジュールを充放電した場合に各蓄電セルの端子間電圧がアンバランスとなったりすることによって、単一の蓄電セルにおける許容電圧を超える可能性がある。このように、単一の蓄電セルに加わる電圧が許容電圧を超えた場合には、比較的短時間で性能が劣化し、その蓄電セルが異常に至る場合もある。このため、各蓄電セルに過大な電圧が印加されることを避ける必要がある。
 これに対して、従来装置では、異常検出回路がキャパシタユニット(複数の蓄電セルの並列接続体)に並列に接続され、その異常検出回路がキャパシタユニットの端子間電圧が基準電圧以上に達したことを検出可能となっている(例えば、特許文献1参照)。具体的に、いずれかの蓄電セルに過電圧が加わった場合に、異常検出回路のフォトカプラが導通状態となり、異常検出回路の後段の制御部にキャパシタユニットの異常が報知される。
特開2009-244171号公報
 上記のような従来装置では、異常時導通型の構成を採用しているため、例えばフォトカプラ以降の配線に、断線やコネクタ抜け等の配線上の不具合が生じた場合には、その配線上の不具合を検出することができなかった。また、このような場合に、蓄電セルに過電圧が加わったときには、その過電圧の発生を制御部に報知することができなかった。
 これに加えて、従来装置では、異常検出回路の各素子は、キャパシタモジュールの異常発生時に初めて動作することになるため、異常検出回路の素子自体に異常が生じても、その異常に気付きにくいという問題があった。従って、上記のような従来装置では、信頼性が十分ではなく、例えばエレベータや電気自動車等に適用するために、信頼性をより向上させることが望まれていた。
 ここで、従来装置では、蓄電セルの正常時に積極的に信号を生成するような構成(正常時導通型・異常時非導通型の構成)を採用する場合には、異常検出回路が蓄電セルから電力を受けて動作するため、蓄電セルの端子間電圧が異常検出回路の最低動作電圧(フォトカプラのみでも1.1Vが必要)を下回った場合には、異常検出が不可能となる。このように、従来装置では、蓄電セルの端子間電圧が低い場合にも動作する回路を実現することが困難であった。
 この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、信頼性をより向上させることができるとともに、蓄電セルの端子間電圧によらずに安定して蓄電セルの過電圧を検出することができる蓄電モジュールの過電圧検出装置を得ることを目的とする。
 この発明による蓄電モジュールの過電圧検出装置は、電気二重層キャパシタあるいはリチウムイオンキャパシタからなり、かつ直列接続された複数の蓄電セルを有する蓄電モジュールに設けられるものであって、前記複数の蓄電セルのそれぞれに並列接続され、かつ外部電源から電力を受け、前記複数の蓄電セルのそれぞれの端子間電圧を監視し、その端子間電圧が所定の基準電圧以内である場合に、前記蓄電セルが正常であることを示すためのオン信号を出力し、前記蓄電セルの端子間電圧が前記基準電圧を超過した場合に、オフ信号を出力する複数の過電圧検出部を備えるものである。
この発明の実施の形態1による蓄電モジュールを示す回路図である。 図1の動作電圧生成部での電流の流れを説明するための回路図である。 図1の動作電圧生成部の動作を説明するための波形図である。
 以下、この発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
 実施の形態1.
 図1は、この発明の実施の形態1による蓄電モジュールを示す回路図である。
 図1において、蓄電モジュール1は、複数の蓄電セルC2A~C2Nと、交流電圧源としての矩形波発振部3と、複数の動作電圧生成部4A~4Nと、複数の過電圧検出部(異常検出部)5A~5Nとを有している。
 ここで、本明細書において、複数の蓄電セルC2A~C2N、複数の動作電圧生成部4A~4N、及び複数の過電圧検出部5A~5Nの符号A~Nは、接続系統を表す。また、符号Nは、任意の整数である。さらに、本明細書において、複数の蓄電セルC2A~C2N、複数の動作電圧生成部4A~4N、及び複数の過電圧検出部5A~5Nのうち、接続系統を特定しないものについては、それぞれ蓄電セルC2、動作電圧生成部4及び過電圧検出部5とも言う。
 蓄電セルC2は、電気二重層キャパシタあるいはリチウムイオンキャパシタである。また、複数の蓄電セルC2A~C2Nは、それぞれ直列に接続されて、全体として蓄電部2を構成している。蓄電部2には、充放電部(充放電回路)が接続されている。蓄電部2は、充放電部から受けた電力を充電し、あるいは充電した電力を充放電部に放電する。また、充電時において、蓄電部2における複数の蓄電セルC2A~C2Nのそれぞれには、充放電部からの電圧がほぼ均等に分圧されて加えられる。
 矩形波発振部3は、蓄電モジュール1の外部の電源基板に設けられた外部電源100にコネクタ及びケーブルを介して接続されている。また、矩形波発振部3は、最終段に配置された蓄電セルC2Nに接続されている。さらに、矩形波発振部3は、外部電源100から電力を受けて、交流電圧としての矩形波電圧(パルス波)を発振する。この矩形波電圧の振幅は、例えば5Vである。複数の動作電圧生成部4A~4Nは、複数の蓄電セルC2A~C2Nのそれぞれに並列に接続されている。
 また、動作電圧生成部4は、矩形波発振部3から矩形波電圧を受ける。さらに、動作電圧生成部4は、矩形波発振部3から矩形波電圧を整流して、整流後の電圧を動作電圧として過電圧検出部5に加える。
 さらに、動作電圧生成部4N以外の動作電圧生成部4は、レベルシフト用の第1のコンデンサCx(図1におけるCxA,CxB)と、抵抗Rと、整流用の第1のダイオードD1と、レベルシフト量設定用の第2のダイオードD2と、平滑用の第2のコンデンサCy(図1におけるCyA,CyB)とをそれぞれ有している。なお、第1のコンデンサCxはレベルシフト部をなし、第1のダイオードD1は整流部をなし、第2のコンデンサCyは平滑部をなしている。
 第1のコンデンサCxのN極は、矩形波発振部3に直列に接続されている。抵抗Rの一端は、第1のコンデンサCxのP極に接続されている。第1のコンデンサCx及び抵抗Rは、直列接続体を構成している。第1のダイオードD1のアノード端子は、抵抗Rの他端に接続されている。第1のダイオードD1のカソード端子は、第2のコンデンサCyのP極に接続されている。
 第2のダイオードD2のカソードは、第1のダイオードD1のアノードに接続されている。第2のダイオードD2のアノードは、蓄電セルC2のN極、及び第2のコンデンサCyのN極に接続されている。第2のコンデンサCyの両端は、過電圧検出部5の電源入力に接続されている。
 動作電圧生成部4Nは、抵抗R、整流用のダイオードD1、及び平滑用のコンデンサCyNを有しており、コンデンサCx及びダイオードD2については省略されている。即ち、動作電圧生成部4Nは、動作電圧生成部4A,4Bに比べて簡素化されている。このように動作電圧生成部4NでコンデンサCx及びダイオードD2が省略されているのは、動作電圧生成部4Nでは、レベルシフトが不要だからである。
 なお、動作電圧生成部4Nにおいて、動作電圧生成部4A,4Bと同様に、コンデンサCx及びダイオードD2を省略せずに用いてもよい。この場合には、動作電圧生成部4Nの回路基板の配線パターンを、動作電圧生成部4N以外の他の動作電圧生成部4と同一の配線パターンとすることができ、製造の簡略化を図ることができる。
 次に、動作電圧生成部4の動作について説明する。図2は、図1の動作電圧生成部4での電流の流れを説明するための回路図である。図3は、図1の動作電圧生成部4の動作を説明するための波形図である。なお、図3の括弧内のA1,B1,A2,B2は、それぞれ図2の電流の向きを示す矢線A1,B1,A2,B2に対応している。
 図3に示すように、第1のコンデンサCxAの電流は、矩形波の立ち上がり・立ち下がりの両方に応じて変化する。第2のコンデンサCyAの電流は、第1のダイオードD1によって矩形波が整流されることから、矩形波の立ち上がりのみに応じて変化する。この第1のコンデンサCyAによって、矩形波が平滑化されて、直流5Vが動作電圧として過電圧検出部5に加えられる。この第1のコンデンサCyBの動作は、第1のコンデンサCyAと同様である。第1のコンデンサCxA,CxBのそれぞれは、矩形波の立ち上がり・立ち下がりに応じて充放電されるため、第1のコンデンサCxA,CxBの端子間電圧は、小幅に変化する。
 ここで、矩形波がLレベル(0V)の場合には、第1のコンデンサCxAのP極の電位は、蓄電セルC2AのN極の電位(蓄電セルC2BのP極の電位)に相当する電位に充電される。他方、矩形波がHレベル(5V)の場合には、第1のコンデンサCxAのP極の電位は、蓄電セルC2AのN極の電位に矩形波電圧の振幅が加算された電位である。これに対して、矩形波がLレベルの場合には、第1のコンデンサCxAのN極の電位は、矩形波電圧のLレベルに相当する電位であり、矩形波がHレベルの場合には、矩形波電圧のHレベルに相当する電位である。
 これと同様に、矩形波がLレベルの場合には、第1のコンデンサCxBのP極の電位は、蓄電セルC2BのN極の電位(蓄電セルC2Bの下段に位置する蓄電セルC2CのP極の電位)に相当する電位に充電される。矩形波がHレベルの場合には、第1のコンデンサCxBのP極の電位は、蓄電セルC2BのN極の電位に矩形波電圧の振幅が加算された電位である。これに対して、矩形波がLレベルの場合には、第1のコンデンサCxBのN極の電位は、矩形波電圧のLレベルに相当する電位であり、矩形波がHレベルの場合には、矩形波電圧のHレベルに相当する電位である。
 従って、第1のコンデンサCxAは、最終段に配置された蓄電セルC2NのN極と矩形波発振部3との接続点を基準として、蓄電セルC2AのN極と蓄電セルC2NのN極との電位差分を矩形波電圧に順次加えてレベルシフトする。即ち、第1のコンデンサCxAは、蓄電セルC2A側の電路の高電圧領域と、矩形波発振部3側の電路とを分離する。これと同様に、第1のコンデンサCxBは、蓄電セルC2NのN極と矩形波発振部3との接続点を基準として、蓄電セルC2BのN極と蓄電セルC2NのN極との電位差分を矩形波電圧に順次加えてレベルシフトする。
 このように、第1のコンデンサCxは、複数の蓄電セルC2A~C2Nのうち最下段に配置された蓄電セルC2NのN極と矩形波発振部3との接続点を基準として、第1のコンデンサCxと同一の接続系統に配置された蓄電セルC2のN極と蓄電セルC2NのN極との電位差分を矩形波電圧に加えてレベルシフトする。
 次に、過電圧検出部5の構成及び動作について説明する。過電圧検出部5は、比較器6、第1のトランジスタTR1、第2のトランジスタTR2、及び分圧用の複数の抵抗を有している。ここで、複数の過電圧検出部5A~5Nのうち、最終段に配置された過電圧検出部5Nは、フォトカプラ7を有している。
 フォトカプラ7のLEDは、抵抗を介して、過電圧検出部5Nにおける第1のトランジスタTR1のコレクタに接続されている。フォトカプラ7のフォトトランジスタは、コネクタ及びケーブルを介して、蓄電モジュール1の外部の制御基板の電源VCC及び制御部に電気的に接続されている。
 過電圧検出部5の比較器6及び第1のトランジスタTR1には、動作電圧生成部4のコンデンサCyの端子電圧(例えば直流5V)が動作電圧として加えられる。比較器6は、電圧比較手段(コンパレータ)、基準電圧生成手段(例えばダイオード)及びFETによって構成されている。また、比較器6は、蓄電セルC2の端子間電圧を監視し、3V程度の所定の基準電圧と比較する。
 比較器6は、蓄電セルC2の端子間電圧が基準電圧以内である場合には、FETをOFF状態にしている。これにより、TR1,TR2は、動作電圧生成部4からの電流によって、いずれもON状態を維持する。複数の過電圧検出部5A~5Nのいずれも、蓄電セルC2の過電圧を検出しなければ、フォトカプラ7のLEDのアノードに電流が流れて、そのLEDが発光する。これに伴って、フォトカプラ7のフォトトランジスタがON状態となる。この結果、制御部には、フォトカプラ7のフォトトランジスタから、全ての蓄電セルC2が正常であることを示すON信号が送られる。
 他方、いずれかの蓄電セルC2の端子間電圧が基準電圧を超過した場合には、その蓄電セルC2に接続された過電圧検出部5の比較器6は、FETをOFF状態からON状態に切り換える。これによって、TR2のベースに流れる電流がFETへバイパスされ、TR2がOFF状態となり、TR1もOFF状態となる。そして、その下段の過電圧検出部5におけるTR2のベース電流が遮断されて、そのTR2もOFF状態となり、そのTR2に接続されたTR1もOFF状態となる。
 そして、最下段の過電圧検出部5NのTR1も最終的にはOFF状態となることから、フォトカプラ7のLEDへの電流が流れなくなり、そのLEDの発光が停止する。これに伴い、フォトカプラ7のフォトトランジスタがOFF状態となって、フォトカプラ7のフォトトランジスタからのON信号の出力が停止する。即ち、フォトカプラ7のフォトトランジスタからOFF信号が出力される。
 このように、過電圧検出部5は、フォトカプラ7の導通状態を正常時導通型・異常時非導通型とした構成によって、蓄電セルC2の過電圧を検出可能となっている。なお、制御部は、フォトカプラ7のフォトトランジスタからのON信号が途切れたこと、即ちフォトトランジスタからOFF信号が出力されたことに応じて、いずれかの蓄電セルC2に過電圧が加わったと判断し、充放電部に指令を送ることによって、蓄電部2の充放電を停止させる。
 上記のような実施の形態1によれば、過電圧検出部5が蓄電セルC2の端子間電圧を監視し、その端子間電圧が基準電圧以内である場合に、蓄電セルC2が正常であることを示すためのON信号を出力し、蓄電セルC2の端子間電圧が基準電圧を超過した場合に、OFF信号を出力する。この構成により、蓄電モジュール1の配線に断線やコネクタ抜け等の配線上の不具合が生じた場合や、過電圧検出部5における素子に不具合が生じた場合に、過電圧検出部5からOFF信号が出力されたことに応じて、これらの不具合を制御部側で検出可能となり、信頼性をより向上させることができる。これに加えて、過電圧検出部5が外部電源100からの電力によって動作するため、蓄電セルC2の端子間電圧によらずに安定して蓄電セルC2の過電圧を検出することができる。
 また、第1のコンデンサCxは、蓄電セルC2NのN極と矩形波発振部3との接続点を基準として、第1のコンデンサCxと同一の接続系統の蓄電セルC2のN極と蓄電セルC2NのN極との電位差分を矩形波電圧に順次加えてレベルシフトする。この構成により、蓄電セルC2の端子間電圧の影響を受けずに、過電圧検出部5に安定して電力を供給することができる。
 ここで、蓄電モジュール1の用途によっては、100V以上の高電圧領域と、5V程度の低電圧領域とがモジュール内に存在することになり、部品配置や回路基板のパターン設計等の制約が生じる。これに対して、実施の形態1では、第1のコンデンサCxによって、直流電圧成分を中心とする高電圧領域と、矩形波の交流電圧成分を中心とする低電圧領域とが分離される。この構成により、高電圧領域に対応する電気部品を、集中してモジュール内に配置することができ、回路設計を容易にすることができ、また回路を小型化することができる。これは、蓄電セルC2を多数(例えば50個以上)用いるような構成では、特に有効である。
 また、実施の形態1において、矩形波発振部3及び動作電圧生成部4に代えて、スイッチング電源等により、過電圧検出部5に所望の動作電圧を加えることも可能である。しかしながら、蓄電セルC2を多数(例えば50個以上)用いるような構成では、蓄電セルC2と同数の巻数を有するスイッチング電源をモジュールに組み込む必要があるため、製品サイズが大きくなるとともに、製造コストが増加することが想定される。これに対して、実施の形態1では、動作電圧生成部4が比較的小型かつ安価な電気部品により構成されているため、製品サイズ及び製造コストを実用的な範囲に抑えることができる。
 なお、実施の形態1において、蓄電セルC2の数については、蓄電容量や用途に応じて適宜決定することができる。また、実施の形態1において、矩形波発振部3を、蓄電モジュール1の外部(例えば電源基板等)に設けてもよい。
 さらに、実施の形態1では、交流電圧源として矩形波発振部3を用いた。しかしながら、この例に限定するものではなく、交流電圧源として正弦波発振部を用いてもよい。つまり、交流電圧として正弦波電圧を用いてもよい。
 また、実施の形態1では、第1のコンデンサCxに接続された抵抗Rが、直列接続体を構成していた。しかしながら、この例に限定するものではなく、抵抗Rにインダクタを直列接続して、直列接続体としてもよい。この場合、矩形波の形状をなまらせて、矩形波における立ち上がりエッジのピーク電流を抑えることができる。
 さらに、実施の形態1では、最終段の過電圧検出部5にのみフォトカプラ7が設けられていた。しかしながら、この例に限定するものではなく、複数の過電圧検出部5A~5Nのそれぞれにフォトカプラを設けてもよい。あるいは、複数の過電圧検出部5A~5Nを複数のグループに分け、そのグループ内の1つの過電圧検出部5にフォトカプラを設けてもよい。これによって、過電圧が生じた蓄電セルC2、あるいは過電圧が生じた蓄電セルC2が属するグループを制御部に報知することができる。
 また、実施の形態1において、第1のダイオードD1のカソード端子を抵抗R(直列接続体)に接続し、第1のダイオードD1のアノード端子を第2のコンデンサCyのN極に接続し、さらに、第2のダイオードD2のアノード端子を第1のダイオードD1のカソード端子に接続し、第2のダイオードD2のカソード端子を蓄電セルC2のP極と第2のコンデンサC2のP極とに接続してもよい。この場合、電源電圧を負電圧とした構成に対応可能となる。

Claims (5)

  1.  電気二重層キャパシタあるいはリチウムイオンキャパシタからなり、かつ直列接続された複数の蓄電セルを有する蓄電モジュールに設けられる蓄電モジュールの過電圧検出装置であって、
     前記複数の蓄電セルのそれぞれに並列接続され、かつ外部電源から電力を受け、前記複数の蓄電セルのそれぞれの端子間電圧を監視し、その端子間電圧が所定の基準電圧以内である場合に、前記蓄電セルが正常であることを示すためのオン信号を出力し、前記蓄電セルの端子間電圧が前記基準電圧を超過した場合に、オフ信号を出力する複数の過電圧検出部
     を備える蓄電モジュールの過電圧検出装置。
  2.  前記外部電源からの交流電圧を整流して、整流後の電圧を前記複数の過電圧検出部のそれぞれに加える複数の動作電圧生成部
     をさらに備える請求項1記載の蓄電モジュールの過電圧検出装置。
  3.  前記蓄電セルは、N極とP極とを有し、
     前記外部電源には、前記交流電圧を発生する交流電圧源が設けられ、
     前記動作電圧生成部は、
      前記複数の蓄電セルのうちの1つの蓄電セルのN極と前記交流電圧源との接続点を基準として、各蓄電セルの電位差分を前記交流電圧に順次加えてレベルシフトするレベルシフト部と、
      レベルシフトされた交流電圧を整流する整流部と、
      整流された交流電圧を平滑化する平滑部と
     を有する請求項2記載の蓄電モジュールの過電圧検出装置。
  4.  前記動作電圧生成部は、
      前記交流電圧源に直列接続され、前記レベルシフト部をなす第1のコンデンサと、
      前記第1のコンデンサに直列接続された抵抗、あるいは前記第1のコンデンサに直列接続されかつ互いに直列接続された抵抗及びインダクタからなる直列接続体と、
      N極とP極とを有し、前記平滑部をなす第2のコンデンサと、
      アノード端子が前記直列接続体の2つの端子のうち前記第1のコンデンサの反対側の端子に接続され、かつカソード端子が前記第2のコンデンサのP極に接続され、前記整流部をなす第1のダイオードと、
      カソード端子が前記第1のダイオードのアノード端子に接続され、かつアノード端子が前記複数の蓄電セルのうちの1つの蓄電セルのN極と前記第2のコンデンサのN極とに接続され、レベルシフト量を決定する第2のダイオードと
     を有する請求項3記載の蓄電モジュールの過電圧検出装置。
  5.  前記動作電圧生成部は、
      前記交流電圧源に直列接続され、前記レベルシフト部をなす第1のコンデンサと、
      前記第1のコンデンサに直列接続された抵抗、あるいは前記第1のコンデンサに直列接続されかつ互いに直列接続された抵抗及びインダクタからなる直列接続体と、
      N極とP極とを有し、前記平滑部をなす第2のコンデンサと、
      カソード端子が前記直列接続体の2つの端子のうち前記第1のコンデンサの反対側の端子に接続され、かつアノード端子が前記第2のコンデンサのN極に接続され、前記整流部をなす第1のダイオードと、
      アノード端子が前記第1のダイオードのカソード端子に接続され、かつカソード端子が前記複数の蓄電セルのうちの1つの蓄電セルのP極と前記第2のコンデンサのP極とに接続され、レベルシフト量を決定する第2のダイオードと
     を有する請求項3記載の蓄電モジュールの過電圧検出装置。
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