JP2013200966A

JP2013200966A - 蓄電セル温度調整回路及び当該蓄電セル温度調整回路を備えた蓄電装置

Info

Publication number: JP2013200966A
Application number: JP2012067475A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ohashi; 和寛大橋
Original assignee: JM Energy Corp
Current assignee: JM Energy Corp
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-10-03

Abstract

【課題】冷媒を加熱するための凝縮器やコンプレッサなどが不要となり、低コストであるうえ、蓄電装置を温度調整させるためのシステムとしてサイズが大きくなることがなく、軽量化を図ることができる蓄電セル温度調整回路及び当該蓄電セル温度調整回路を備えた蓄電装置を提供する。
【解決手段】蓄電セルを温度調整するための蓄電セル温度調整回路であって、蓄電セルに対して並列に接続された温度調整用抵抗及び温度調整用スイッチと、温度調整用スイッチを制御するための演算処理装置とを備え、演算処理装置によって、温度調整用スイッチを入状態にすることによって蓄電セルの温度調整を行うように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに直列接続された複数個のキャパシタセルやバッテリーセルなどの蓄電セルを備えた蓄電装置において、寒冷地などにおいて蓄電セルの温度が低下している場合に、蓄電セルを温度調整するための蓄電セル温度調整回路及び当該蓄電セル温度調整回路を備えた蓄電装置に関する。

複数個の電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタなどが直列接続されたキャパシタセルや、複数個のリチウムイオンバッテリーなどが直列接続されたバッテリーセルなどの蓄電セルは、キャパシタやバッテリーの温度が低いと静電容量が低下し、放電量が低下してしまうことが知られている。

図３は、定格容量９００Ｆのリチウムイオンキャパシタにおける、温度と静電容量の関係を示すグラフである。図３に示すように、リチウムイオンキャパシタは２０℃以下になると静電容量が低下し始め、−４０℃では静電容量が定格容量の半分以下にまで低下してしまい、寒冷地などにおいては、蓄電セルの性能を十分に発揮させることが困難となる。

また、蓄電セルを充電する場合にも、蓄電セルの温度が低下し静電容量が低下した状態であると、同じ電圧で充電しても、常温付近での静電容量が大きい場合と比べて充電できる電荷量が低下してしまい、十分に蓄電セルを充電することができない。

このため、蓄電セルを有する蓄電装置に対して熱結合状態に配置された冷却通路（特許文献１）や、蓄電装置の内部を流通する冷却水が循環する循環回路（特許文献２）を備えることによって、蓄電装置の温度が低い場合に冷却通路や循環回路内を流れる冷却水などの冷媒を加熱することで蓄電装置を温度調整することが行われている。

特開２０１０−１５７８８号公報特開２０１０−１１９２８２号公報

しかしながら、このように冷却通路や循環回路などを用いて蓄電装置を温度調整するためには、冷媒を加熱するための凝縮器やコンプレッサなどが必要となるため高コストであるうえ、蓄電装置を温度調整するためのシステムとしてサイズが大きくなり、重くなってしまっていた。

さらに、複数の蓄電セルを積層させた蓄電装置の場合、外側に配置された蓄電セルを温めることは可能だが、内側に配置された蓄電セルまで熱が届かないため、外側の蓄電セルと内側の蓄電セルとによって温度差が生じ、静電容量にばらつきが生じてしまっていた。

また、リチウムイオンキャパシタやリチウムイオンバッテリーなどでは、ラミネートセルと呼ばれる形態の蓄電セルが用いられることがあるが、ラミネート外装の熱伝導性が低く、冷却通路や循環回路などによってラミネートセルの外部から温度調整しようとしても温まりにくかった。

本発明はこのような現状を鑑み、冷媒を加熱するための凝縮器やコンプレッサなどが不要となり、低コストであるうえ、蓄電装置を温度調整するためのシステムとしてサイズが大きくなることがなく、軽量化を図ることができる蓄電セル温度調整回路及び当該蓄電セル温度調整回路を備えた蓄電装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、ラミネートセルと呼ばれる形態の蓄電セルを用いる場合であっても、ラミネート外装に影響を受けずに、効率良く蓄電セルの温度調整ができる蓄電セル温度調整回路及び当該蓄電セル温度調整回路を備えた蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明は、前述したような目的を達成するために発明されたものであって、本発明の蓄電セル温度調整回路は、蓄電セルを含む蓄電装置において、蓄電セルを温度調整するための蓄電セル温度調整回路であって、
前記蓄電セルに対して並列に接続された温度調整装置及び温度調整用スイッチと、
前記温度調整用スイッチを制御するための演算処理装置と、を備え、
前記演算処理装置によって、前記温度調整用スイッチを入状態にすることによって蓄電セルの温度調整を行うように構成されていることを特徴とする。

このように昇温用抵抗に対して蓄電セルから電流を消費するように構成することによって、蓄電セル自体の発熱によって蓄電セルを昇温することができ、冷媒を加熱するための凝縮器やコンプレッサなどが不要となり、低コストであるうえ、蓄電装置を昇温させるためのシステムとしてサイズが大きくなることがなく、軽量化を図れ、さらに、蓄電セルをムラなく温めることができる。

さらに、蓄電セル自体の発熱により昇温するため、ラミネートセルと呼ばれる形態の蓄電セルを用いる場合であっても、ラミネート外装の影響を受けずに、蓄電セルをムラなく温めることができる。

また、本発明の蓄電セル昇温回路は、前記蓄電セルを複数備えるとともに、前記温度調整装置及び温度調整用スイッチをそれぞれ複数備え、前記複数の蓄電セルに対して前記温度調整装置及び温度調整用スイッチがそれぞれ１つずつ並列に接続されていることを特徴とする。

また、本発明の蓄電セル温度調整回路は、前記複数の蓄電セルのセル電圧をそれぞれ検出するためのセル電圧検出回路をさらに備え、
前記セル電圧検出回路によって測定された前記複数の蓄電セルのセル電圧値に基づいて、前記演算処理装置によって前記温度調整用スイッチを切状態とすることを特徴とする。

また、本発明の蓄電セル温度調整回路は、前記複数の蓄電セルの温度をそれぞれ測定するための温度測定手段が、前記複数の蓄電セルに近接して設けられていることを特徴とする。

また、本発明の蓄電セル温度調整回路は、前記蓄電装置が作動した際に、前記温度測定手段によって測定された蓄電セルの温度が所定の温度調整開始温度以下である場合に、前記演算処理装置によって前記温度調整用スイッチを入状態とすることを特徴とする。

また、本発明の蓄電セル温度調整回路は、前記温度測定手段によって測定された蓄電セルの温度が、所定の温度調整終了温度以上になった場合、もしくは、所定の調整温度だけ温度調整された場合に、前記演算処理装置によって前記温度調整用スイッチを切状態とすることを特徴とする。

また、本発明の蓄電セル温度調整回路は、前記蓄電セルを複数備えるとともに、前記複数の蓄電セルのセル電圧を均等化させるための均等化制御回路を備えることを特徴とする。

また、本発明の蓄電セル温度調整回路では、前記蓄電セルが、リチウムイオンキャパシタであることを特徴とする。
また、本発明の蓄電装置は、上述するいずれかの蓄電セル温度調整回路を備えることを特徴とする。

また、本発明の蓄電装置では、前記蓄電セルが、リチウムイオンキャパシタであることを特徴とする。

本発明によれば、蓄電セル自体の発熱により温度調整するため、冷媒を加熱するための凝縮器やコンプレッサなどが不要となり、低コストであるうえ、蓄電装置を温度調整するためのシステムとしてサイズが大きくなることがなく、軽量化を図れ、さらに、蓄電セルをムラなく温度調整することができる。

また、本発明によれば、蓄電セル自体の発熱により温度調整するため、ラミネートセルと呼ばれる形態の蓄電セルを用いる場合であっても、ラミネート外装の影響を受けずに、蓄電セルをムラなく温度調整することができる。

図１は、本発明の蓄電セル温度調整回路を備えた蓄電装置の回路構成図である。図２は、本発明の別の実施例における蓄電セル温度調整回路を備えた蓄電装置の回路構成図である。図３は、定格容量９００Ｆのリチウムイオンキャパシタにおける、温度と静電容量の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態（実施例）を、図面に基づいてより詳細に説明する。尚、本実施例の実施形態を以下に記すが、本発明はこの実施形態に限られるものではない。
図１は、本発明の蓄電セル温度調整回路を備えた蓄電装置の回路構成図である。

本実施例の蓄電装置１０の蓄電セル温度調整回路１４は、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nに対してそれぞれ並列に接続された温度調整装置Ｒ_r1〜Ｒ_rn及びＦＥＴ（Field Effect Transistor；電界効果トランジスタ）からなる温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnと、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nのセル電圧をそれぞれ検出するためのセル電圧検出回路及び後述する均等化制御を行うキャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nに対して並列に接続された均等化制御用スイッチＳ_e1〜Ｓ_enを制御するための均等化セル選択回路を含む均等化ＩＣ１６と、均等化ＩＣ１６及び温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnを制御するための演算処理装置１８と、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nから演算処理装置１８を動作させるための電力を供給するための電源回路２０とから構成されている。

温度調整装置Ｒ_r1〜Ｒ_rnとしては、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの電流を消費するものであれば特に限定されず、例えば、抵抗器や高調波発生器などを用いることができる。本実施例では、温度調整装置として、温度調整用抵抗Ｒ_r1〜Ｒ_rnを用いて説明する。

また、本実施例の蓄電装置１０には、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nにおいて、セル間の電圧のバラツキを補正するための均等化制御回路１２を設けている。均等化制御回路１２は、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nに対してそれぞれ並列に接続された均等化制御用抵抗Ｒ_e1〜Ｒ_en及びＦＥＴからなる均等化制御用スイッチＳ_e1〜Ｓ_enと、前述した均等化ＩＣ１４と演算処理装置１８と電源回路２０とから構成されている。

均等化制御回路１２は、蓄電セルにセル間電圧のバラツキが生じると、特定の蓄電セルに電圧が集中することにより蓄電セルの寿命が短くなってしまうという問題を解消するために設けられる回路であり、本実施例では、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nに対してそれぞれ並列に接続された均等化制御用抵抗Ｒ_e1〜Ｒ_enとＦＥＴからなる均等化制御用スイッチＳ_e1〜Ｓ_enとから構成されているが、これに限定されず、既存の均等化制御回路を用いることができる。

本実施例の均等化制御回路１２では、蓄電装置１０の休止中に、均等化ＩＣ１６のセル電圧検出回路によってキャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nのセル電圧を測定し、セル電圧が高いキャパシタセルに対して並列に接続された均等化制御用スイッチＳ_e1〜Ｓ_enを、演算処理装置１８からの命令に従って均等化ＩＣ１６の均等化セル選択回路によって入状態とする。これによって、セル電圧が高いキャパシタセルの電荷を均等化制御用抵抗Ｒ_e1〜Ｒ_enによって消費して電圧を下げることができる。

また、本実施例では、温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rn及び均等化制御用スイッチＳ_e1〜Ｓ_enとしてＦＥＴを用いているが、これに限定されず、ダイオードスイッチやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチなどの高周波スイッチなど、演算処理装置１８や均等化セル選択回路（本実施例の場合は、均等化ＩＣ１６）の出力に基づいて入切を制御できるスイッチを用いることができる。

また、本実施例では、セル電圧検出回路及び均等化セル選択回路などを含む均等化ＩＣ１６（例えば、リニアテクノロジー社製ＬＴＣ６８０２）を用いているが、セル電圧検出回路及び均等化セル選択回路をそれぞれ独立して構成してもよい。

また、演算処理装置１８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）やＲＡＭ（Random Access Memory；ランダムアクセスメモリ）、演算処理プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory；リードオンリーメモリ）などによって構成されている。

また、電源回路２０は、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nから演算処理装置１８を動作させるための電力を供給するための回路であり、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータなどを含んで構成されている。

一方、蓄電装置１０の蓄電部２２は、蓄電セルとしてリチウムイオンキャパシタからなるｎ個のキャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nが直列接続されて構成される。蓄電部２２の両端は電源回路２０に接続されており、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの電力を用いて演算処理装置１８を動作させるように構成されている。すなわち、本実施例の蓄電セル温度調整回路１４を備えた蓄電装置１０は、蓄電装置１０自身の電力を用いて蓄電セルの温度調整を行うことができる。

このように構成された本実施例の蓄電セル温度調整回路１４では、昇温用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnが入状態となると、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nから温度調整用抵抗Ｒ_r1〜Ｒ_rnに対してそれぞれ電流が流れる。

この電流の消費によって、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_n自身が発熱し、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nが昇温されることになる。このように、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_n自身の発熱によって昇温するためには、大きな電流が流れるようにする必要があるため、温度調整用抵抗Ｒ_r1〜Ｒ_rnとしては、均等化制御用抵抗Ｒ_e1〜Ｒ_enと比べて小さな抵抗値とする必要がある。温度調整用抵抗Ｒ_r1〜Ｒ_rnの抵抗値としては、蓄電セルの種類や定格容量などによって適宜設定することができる。

このような蓄電セル温度調整回路１４では、例えば、外気温が低い場合に蓄電装置１０に備えられた温度調整スイッチ（図示せず）を入れることによって、温度調整用抵抗Ｒ_r1〜Ｒ_rnを入状態となるように演算処理装置１８によって制御することができる。

なお、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nが温度調整のために電力を消費しすぎることで、蓄電装置１０が使用できなくなることを防止するために、温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnが入状態の間、均等化ＩＣ１６のセル電圧検出回路によってキャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの電圧値を測定し、所定の電圧値以下となった場合に、演算処理装置１８によって温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnを切状態とするように制御することもできる。

この場合、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの電圧値を個別に測定することによって、所定の電圧値以下となったキャパシタセルに対して並列に接続された温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnだけを切状態とすればよいので、蓄電装置１０全体を効率良く温度調整できるとともに、必要以上に蓄電装置１０の電力を消費しないようにすることができる。

図２は、本発明の別の実施例における蓄電セル温度調整回路を備えた蓄電装置の回路構成図である。
図２に示す蓄電セル温度調整回路１４を備えた蓄電装置１０は、基本的には図１に示した蓄電セル温度調整回路１４を備えた蓄電装置１０と同様な構成であり、同じ構成部材には、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

この実施例の蓄電セル温度調整回路１４では、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの温度を測定するための温度測定手段Ｍ_t1〜Ｍ_tnが、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nに近接して設けられている。

なお、温度測定手段Ｍ_t1〜Ｍ_tnによって測定されたキャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの温度は、温度測定用ＩＣ２４を介して、温度信号として演算処理装置１８に送信されるように構成されている。

なお、温度測定用ＩＣ２４では、温度測定手段Ｍ_t1〜Ｍ_tnから送られてくる温度信号をキャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nに関連づけたデータとして、演算処理装置１８に送信するように構成されている。

なお、本実施例では、温度測定手段Ｍ_t1〜Ｍ_tnが、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nに対してそれぞれ設けられているが、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_n全体の温度を測定するために温度測定手段を適宜設けるように構成することもできる。

このように構成された蓄電セル温度調整回路１４を備えた蓄電装置１０では、蓄電装置１０が作動した際に、温度測定手段Ｍ_t1〜Ｍ_tnによってキャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの温度を測定し、所定の温度調整開始温度（本実施例の場合、例えば、０℃）以下である場合に、温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnを入状態とし、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの温度調整を行うように構成することができる。

また、温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnが入状態の間、温度測定手段Ｍ_t1〜Ｍ_tnによってキャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの温度を常時もしくは定期的に測定し、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの温度が所定の温度調整終了温度以上になった場合、もしくは、所定の調整温度だけ温度調整された場合に、演算処理装置１８によって温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnを切状態とするように構成することができる。

このように、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの温度管理をすることによって、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_n間の温度のバラツキを抑えることができ、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nの劣化を防ぎ、セル寿命を延ばすことができる。

以上、本発明の好ましい実施の態様を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、上記実施例では、温度調整用抵抗Ｒ_r1〜Ｒ_rn及び温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnをキャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nに対してそれぞれ並列して接続しているが、キャパシタセルＣ₁〜Ｃ_n全体に対して並列に１つの温度調整用抵抗及び１つの温度調整用スイッチを接続するように構成することもできる。

また、温度調整用抵抗Ｒ_r1〜Ｒ_rn及び温度調整用スイッチＳ_r1〜Ｓ_rnは、キャパシタセル毎に１つずつ以上有していてもよいが、複数のキャパシタセルに対して同じ数の温度調整用抵抗及び温度調整用スイッチを設ける必要はない。

さらに、上記実施例では、複数の蓄電セルを含む蓄電装置１０として説明しているが、１つのセルに対して温度調整用抵抗及び温度調整用スイッチを設けて、同様な構成としてもよい。

また、上記実施例では、複数のキャパシタセルＣ₁〜Ｃ_nが直列接続された構成で説明しているが、複数のキャパシタセルが並列接続された構成などにおいても同様に適用できる。

さらに、上記実施例では、温度調整装置として抵抗器を用いて説明したが、温度調整装置として高調波発生器を用いた場合には、高周波長を重畳させることで、蓄電セルの内部インピーダンスを高めて温度を上昇させることができるなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１０蓄電装置
１２均等化制御回路
１４蓄電セル温度調整回路
１６均等化ＩＣ
１８演算処理装置
２０電源回路
２２蓄電部
２４温度測定用ＩＣ
Ｃ₁〜Ｃ_n キャパシタセル
Ｒ_e1〜Ｒ_en 均等化制御用抵抗
Ｒ_r1〜Ｒ_rn 温度調整用抵抗
Ｓ_e1〜Ｓ_en 均等化制御用スイッチ
Ｓ_r1〜Ｓ_rn 温度調整用スイッチ

Claims

蓄電セルを含む蓄電装置において、蓄電セルを温度調整するための蓄電セル温度調整回路であって、
前記蓄電セルに対して並列に接続された温度調整装置及び温度調整用スイッチと、
前記温度調整用スイッチを制御するための演算処理装置と、を備え、
前記演算処理装置によって、前記温度調整用スイッチを入状態にすることによって蓄電セルの温度調整を行うように構成されていることを特徴とする蓄電セル温度調整回路。
前記蓄電セルを複数備えるとともに、
前記温度調整装置及び温度調整用スイッチをそれぞれ複数備え、前記複数の蓄電セルに対して前記温度調整装置及び温度調整用スイッチがそれぞれ１つずつ並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電セル温度調整回路。
前記複数の蓄電セルのセル電圧をそれぞれ検出するためのセル電圧検出回路をさらに備え、
前記セル電圧検出回路によって測定された前記複数の蓄電セルのセル電圧値に基づいて、前記演算処理装置によって前記温度調整用スイッチを切状態とすることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電セル温度調整回路。
前記複数の蓄電セルの温度を測定するための温度測定手段が、前記複数の蓄電セルに近接して設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蓄電セル温度調整回路。
前記蓄電装置が作動した際に、前記温度測定手段によって測定された蓄電セルの温度が所定の温度調整開始温度以下である場合に、前記演算処理装置によって前記温度調整用スイッチを入状態とすることを特徴とする請求項４に記載の蓄電セル温度調整回路。
前記温度測定手段によって測定された蓄電セルの温度が、所定の温度調整終了温度以上になった場合、もしくは、所定の調整温度だけ温度調整された場合に、前記演算処理装置によって前記温度調整用スイッチを切状態とすることを特徴とする請求項４または５に記載の蓄電セル温度調整回路。
前記蓄電セルから、前記演算処理装置を動作させるための電力を供給するための電源回路を備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の蓄電セル温度調整回路。
前記蓄電セルを複数備えるとともに、
前記複数の蓄電セルのセル電圧を均等化させるための均等化制御回路を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の蓄電セル温度調整回路。
前記蓄電セルが、リチウムイオンキャパシタであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の蓄電セル温度調整回路。
請求項１から９のいずれかに記載の蓄電セル温度調整回路を備えることを特徴とする蓄電装置。
前記蓄電セルがリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする請求項１０に記載の蓄電装置。