JP4590906B2 - キャパシタ制御システム - Google Patents

Description

本発明は、高出力電源に用いられるキャパシタユニットに対応したキャパシタ制御システムに関するものである。

一般に燃料電池車両用などの高出力電源に対するサポート用電源として用いられるキャパシタユニットは、多数のキャパシタを直列接続する構成が知られている。

そして、このようなキャパシタユニットを扱うにあたっては、個々のキャパシタの電圧と全キャパシタによる総電圧を監視し制御することが重要となるため、それを実行するキャパシタ制御システムが必要となる。

従来、このキャパシタ制御システムは、キャパシタユニットを構成する各キャパシタに対して電圧を検出する検知部を個々に設け、各検知部により得られた情報をマイコンで処理する構造となっていた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平１１−２４８７５５号公報

しかしながら、多数のキャパシタに対応する情報をマイコンにより処理するためには、マイコンに多くのポートが必要となるため、そのポート数を確保するためにマイコンを複数設けなければならず、キャパシタ制御システムが大型化してしまうという問題を有していた。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、キャパシタ制御システムを小型化することを目的とするものである。

この目的を達成するために本発明は、特に、キャパシタユニットを所定数の直列接続されたキャパシタで形成されるキャパシタブロックに分割し、キャパシタブロック毎に検知部を設け、この複数の検知部をアナログスイッチを介して選択的に前記マイコンに接続する構成としたものである。

この構成により、マイコンに接続するポート数を削減できキャパシタ制御システムを小型化することができるものである。

以下、本発明の一実施の形態について図を用いて説明する。

図１は燃料電池車の高出力電源に対するサポート用電源として用いられるキャパシタユニット１を制御するキャパシタ制御システムを示したものである。

なお、ここに示されたキャパシタユニット１は、数百ボルトの高電圧に対応するため多数の電気２重層キャパシタを直列に接続した構成となっており、このためキャパシタユニット１を形成する各キャパシタ２における特性バラツキ等による電圧バラツキが生じれば、バラツキの範囲内においても電圧が大きく掛かるキャパシタ２の寿命は他のキャパシタ２に比べて短くなってしまい、これによりキャパシタユニット１全体の寿命が短くなってしまう。よって、このキャパシタユニット１を十分に活用するためには各キャパシタ２の電圧および全キャパシタ２の総電圧を検知し制御する必要がある。

そこで、まずキャパシタユニット１を構成する各キャパシタ２の電圧を検知するにあたり、多数のキャパシタ２の直列体で構成されたキャパシタユニット１を少数のキャパシタ２の直列体で形成されるキャパシタブロック３に分割し、各キャパシタブロック３に対して検知部４を設け、各検知部４をアナログスイッチ５を介してマイコン６に接続した構成としたことでキャパシタ制御システムの小型化を実現している。

なお、検知部４はキャパシタブロック３に含まれるキャパシタ２をホトモスリレーなどのスイッチ７とこのスイッチ７を制御するアナログスイッチ８を用いて選択的に接続し個々のキャパシタ２の電圧を検知する構造となっている。

具体的には、キャパシタユニット１を１９２個のキャパシタ２の直列体で形成した場合、このキャパシタ制御システムにおいては１つのマイコン６に対して８ｃｈ対応のアナログスイッチ５を３つ接続し、このアナログスイッチ５の各ポートに検知部４を接続し、各検知部４に対して８個のキャパシタ２の直列体からなるキャパシタブロック３を接続し、キャパシタブロック３を形成するキャパシタ２を選択的に検知部４に接続する構成としているので、１つのマイコン６と、３つのアナログスイッチ５と、２４個の検知部４で１９２個全てのキャパシタ２の電圧を検知できることになるので、従来のものに比べキャパシタ制御システムを小型化できるものである。

また、検知部４において各キャパシタ２の電圧を検知するにあたっては、キャパシタブロック３から単一のキャパシタ２を選択し接続するとともに、そのキャパシタ２からコンデンサ９に充電し、充電後にコンデンサ９をキャパシタ２から分離独立させた状態とした後に、このコンデンサ９をＯＰアンプ１０に接続し電圧を検知する構造としており、これにより全てのキャパシタ２の直列体をもって数百ボルトの電圧を形成するキャパシタユニット１において、個々のキャパシタ２の電圧を高電圧部分から独立分離したコンデンサ９の電圧、つまり小さい電圧として検知することができるようになり、ＯＰアンプ１０を高電圧対応の特殊品を用いることなく汎用品で構成することができるものである。

なお、この検知方法においては、１つのキャパシタ２における電圧の検知精度を高めるため、１度検知したコンデンサ９を繰り返して検知する、いわゆる２度読み等を実施することで電圧検知精度を高めるようにしている。

また、キャパシタユニット１の電圧は各キャパシタ２の個別電圧と、全てのキャパシタ２の総電圧を検知することから、まず全てのキャパシタ２の電圧を一通り検知し個別電圧および総電圧を検知し、次の巡回においては先の巡回での誤検知を防止するための再検知であるため、先の巡回で異常を検知したキャパシタ２に対して選択的に検知することで、検知時間の短縮を図ることが出来るのである。なお、この再検知の巡回においては全キャパシタの内に１つ以上の異常キャパシタ２の有無の確認をすれば良いことから、最初の検知において異常幅が最大となったキャパシタ２のみを選択して行えば、さらに検知時間の短縮を図ることが出来るものである。

例えば１９２個のキャパシタ２で構成されたキャパシタユニット１を検知する制御を行う場合、一つのキャパシタ２を検知するには図２に示されるごとく、選択したスイッチ７のみを接続状態としてキャパシタ２をコンデンサ９に接続・充電する制御（ａ）、次いでこのスイッチ７を切断状態としてキャパシタユニット１からコンデンサ９を独立分離する制御（ｂ）、次いでスイッチ７およびＯＰアンプ１０を共に切断状態としキャパシタユニット１からの独立状態を確保する制御（ｃ）、次いでスイッチ７ａのみを接続状態としてコンデンサ９をＯＰアンプ１０に接続・検知する制御（ｄ）、次いでスイッチ７ａを切断状態としＯＰアンプ１０からコンデンサ９を分離する制御（ｅ）、次いでスイッチ７およびスイッチ７ａを共に切断状態としコンデンサ９の分離状態を確保する制御（ｆ）を行う。

そして、次に検知精度を高める２度読み工程として、コンデンサ９をキャパシタ２に再接続・再充電する制御（ｇ）、次いでキャパシタユニット１からコンデンサ９を独立分離する制御（ｈ）、次いでコンデンサ９の独立状態を確保する制御（ｉ）、次いでコンデンサ９をＯＰアンプ１０に再接続・再検知する制御（ｊ）、次いでＯＰアンプ１０からコンデンサ９を分離する制御（ｋ）、次いでコンデンサ９の独立状態を確保する制御（ｌ）により構成されるため、各制御を行うマイコン６の制御周期を６ｍｓとすれば先の１２段階の制御に７２ｍｓ必要となり、これを３つのアナログスイッチ５による並行処理を用いて１９２個の全てのキャパシタ２に実施するのに４６０８ｍｓ必要となる。

そして、この検知を単に２巡回させれば４６０８ｍｓ×２で９２１６ｍｓ必要になるところを、２巡目を１巡目で異常が検知されたキャパシタ２の中でもその異常幅が最大となるキャパシタ２のみに限定して実施することで、一巡するのに必要な４６０８ｍｓに異常キャパシタ２の再検知に必要な７２ｍｓを加えたもので検知できるようになり、大幅に検知時間を短縮することが出来るものである。

また、このようにしてキャパシタユニット１内のキャパシタ２間における電圧バラツキを検知した場合そのバラツキを均等化しなければならないのであるが、この制御については図３に示されるように、キャパシタユニット１が１９２個のキャパシタ２の直列体で構成されたものであれば、先ず９６個ずつのキャパシタ２の直列体となるよう２分割し、この２つの直列体の電圧をトランス１１により均等化する。

次いで、この均等化された９６個直列体をさらに４８個ずつのキャパシタ２の直列体となるよう２分割し、この２つの直列体の電圧をトランス１１により均等化する。そして、この動作を繰り返し実施し最後は１つずつのキャパシタ２に対して均等化を実施することで、１９２個全てのキャパシタ２の均等化が完了することが出来るものである。

すなわち、キャパシタユニット１を形成するキャパシタ２の直列体を分割し均等化し、この均等化された直列体をさらに分割しこれを均等化する。この工程を繰り返すことで大きなキャパシタ２の括りから順に小さな括りへと順次均等化されるので、効率よく全てのキャパシタ２を均等化できるものである。

なお、このキャパシタ２の均等化ではキャパシタ２の直列体を分割するにあたり均等に２分割する方式で説明したが、このような均等分割を用いなくともトランス１１の回路構成を適宜変更することで同様の作用、効果を得ることが出来るものである。

また、このような均等化を実施する間は、各キャパシタ２の電圧が不安定なものとなり、この際に各キャパシタ２の電圧を検知しても正確な検知がなされないものとなってしまうので、均等化作業と検知作業は同時に行わないように制御することが重要である。

なお、このような燃料電池車に用いられるキャパシタユニット１はイグニッションがオンの状態での電圧検知や均等化に必要な電力の分だけ燃料電池車の燃費に影響してしまうことから、このような状態においてはキャパシタ電圧の検知や均等化を実施しないように制御することが望ましい。

また、イグニッションのオフ時にキャパシタ電圧の検知や均等化を実施する場合、その駆動源となるバッテリーやキャパシタ２に蓄えられた電気を使用するためバッテリーやキャパシタユニット１の充電量が低下してしまうことになるので、これを抑制するような制御が要求されることになる。

そこで、このようなものを実現する制御としては、例えばキャパシタユニット１に蓄えられた総電圧が所定以上の値を示す場合にはキャパシタ電圧の検知や均等化を実施するものとし、総電圧が所定以下の値を示す場合にはキャパシタ電圧の検知や均等化を中止し、充電量の低下を抑えるといった制御や、キャパシタ２の均等化作業を実施する際にその回数を制限する制御などを挙げることが出来るものである。

なお、先に述べたキャパシタ電圧の検知の段階でキャパシタ２の許容電圧を超えるようなものを検知した場合、その情報をマイコンから外部に発信することが重要となり、これによりキャパシタユニット１に対する充電やキャパシタ２の検知、均等化を中止し、キャパシタ２から電荷を抜く等の作業が実施可能となり、結果としてキャパシタシステム１およびそれを用いた燃料電池車などの装置の安全性を高めることが出来るものである。

本発明にかかるキャパシタ制御システムは、キャパシタ制御システムを小型化できるという効果を有し、特に小型化が要望される車載用途において有用である。

本発明の一実施の形態におけるキャパシタ制御システムを示す図 同キャパシタ制御システムにおける検知部４における動作を示す図 同キャパシタ制御システムにおけるキャパシタの均等化動作を示す図

符号の説明

１ キャパシタユニット
２ キャパシタ
３ キャパシタブロック
４ 検知部
５ アナログスイッチ
６ マイコン
９ コンデンサ

Claims (2)

1. 複数のキャパシタを直列接続したキャパシタユニットと、前記キャパシタの電圧を検知する検知部と、この検知部からの情報を処理するマイコンとを備え、前記キャパシタユニットを所定数の直列接続された前記キャパシタで形成されるキャパシタブロックに分割し、このキャパシタブロック毎に前記検知部を設け、この複数の前記検知部をアナログスイッチを介して前記マイコンに接続した構成を有し、
   前記検知部は前記キャパシタブロックから単一の前記キャパシタを選択し、そのキャパシタの持つ電圧を前記検知部を構成するコンデンサに充電させ、このコンデンサを前記キャパシタブロックから独立させた後にこの独立したコンデンサの電圧を検知することで、前記キャパシタユニットを構成する全ての前記キャパシタの電圧を順次検知し、検知が一巡した後、次巡の検知においては前記一巡目で異常を検知した前記キャパシタの中で異常幅が最大となるキャパシタのみを選択して検知することを特徴とするキャパシタ制御システム。
2. 前記キャパシタユニットを形成する全ての前記キャパシタを複数に分割し、この分割されたそれぞれのキャパシタ直列体の電圧バランスを均等化し、次いでこの均等化された前記キャパシタ直列体をさらに複数に分割し複数のキャパシタ直列体の電圧バランスを均等化し、この均等化工程を順次行うことで全ての前記キャパシタの電圧を均等化する動作と、前記キャパシタの電圧を検知する動作を時分割で行うことを特徴とした請求項１に記載のキャパシタ制御システム。

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