WO2006123598A1 - 蓄電装置 - Google Patents

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Kazuki Morita
Yoshimitu Odajima
Junji Takemoto
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/50—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/52—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially for charge balancing, e.g. equalisation of charge between batteries
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices

Definitions

  • the present invention has a charge / discharge limiting circuit function of detecting an overvoltage of a storage element and preventing deterioration of the storage element in a storage device configured by connecting a plurality of storage elements in series or in series and parallel.
  • the present invention relates to a power storage device.
  • FIG. 9 shows a configuration of a conventional power storage device 20.
  • Power storage device 20 includes charge / discharge limiting circuit 21.
  • the charge / discharge limiting circuit 21 includes a voltage detection unit 22, reference voltage sources 32 and 34, voltage comparison units 36 and 38, a charge / discharge limitation switch control unit 40, and a charge / discharge limitation switch 42.
  • Voltage detection unit 22 is provided to detect a voltage between positive side terminal 24P of storage element 24C connected in series in a plurality of stages and negative side terminal 30M of storage element 30C.
  • storage elements 24C, 26C, 28C and 30C are overcharged, the voltage between their terminals rises, and as a result, the voltage of the entire storage element generated between positive side terminal 24P and negative side terminal 30M also increases. Do.
  • balance resistors 24R, 26R, 28R, and 30R are connected in parallel to the storage elements 24C, 26C, 28C, and 30C, respectively.
  • lower limit voltage and upper limit voltage allowable at the time of discharge and charge, respectively are set, and detected by voltage detection unit 22 in voltage comparison units 36 and 38, respectively. It is compared with the detection voltage, and the detection result is configured to be separately output to the charge / discharge limit switch control unit 40.
  • the limiting switch 42 limits the discharge of the storage element.
  • the charge to the storage element is limited via the charge / discharge limit switch 42.
  • the charging is performed by the charger 44, and the discharging is performed by the external load 46.
  • the present invention overcomes such problems, and alleviates or suppresses the influence of voltage concentration transiently generated by variation in internal resistance of the storage element and charging current during charging of the storage element.
  • the present invention provides a power storage device capable of smoothly charging the power storage element and reliably detecting the overvoltage of each power storage element to prevent deterioration of the power storage element.
  • the power storage device of the present invention includes an input terminal, a DC power supply connected to the input terminal, and an input terminal. And a charging element for limiting the DC current from the DC power supply.
  • the storage device further includes a charging current detection unit connected to the charging element to detect the charging current, a storage element connected to the charging current detection unit, and a discharge element connected to the storage element.
  • the storage device further includes an output terminal connected to the discharge element, a voltage detection unit detecting a voltage applied to the storage element, and a control unit connected to the voltage detection unit to control the charge element and the discharge element.
  • the storage device further includes a voltage comparison unit connected to the voltage detection unit and the control unit, and a variable reference voltage source connected to the voltage comparison unit, the size of which can be adjusted, and the voltage across terminals of the storage element is a reference voltage. It is determined by the source.
  • the storage device of the present invention eliminates the voltage concentration that is generated transiently due to the variation in the internal resistance of the storage element and the charging current during charging of the storage element, and the charging of the storage element is smooth. It is possible to prevent deterioration of the storage element in advance by reliably detecting the overvoltage of each storage element.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a power storage device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a time chart according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a power storage device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a power storage device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of a power storage device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram of a power storage device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram of a power storage device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram of a power storage device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram of a conventional power storage device.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of power storage device 100 according to the first embodiment.
  • Power storage device 100 includes charge / discharge limiting circuit 101.
  • the charge / discharge limiting circuit 101 includes a charge element 112, a discharge element 114, a control unit 118, a charge current detection unit 120, a voltage detection unit 122, a variable reference voltage source 124, and a voltage comparison unit 126.
  • the variable reference voltage source 124 is of a type in which the magnitude of the voltage can be adjusted automatically and controlled under control of any circuit part other than the conventional type in which the magnitude of the voltage is fixed.
  • a plurality of storage elements 102C, 104C and 106C which are electric double layer capacitors, are connected in series.
  • Balance resistors 102R, 104R and 106R are respectively connected in parallel to the respective storage elements 102C, 104C and 106C.
  • a DC power supply 110 is connected to the input terminal 108 as a charging current source, and is configured to charge the storage elements 102C, 104C and 106C through the charging element 112 for limiting the charging current!
  • the storage elements 102C, 104C and 106C are charged by the DC power supply 110 via the charging element 112 and the charging current detection unit 120.
  • Terminal voltages VI, V2 and V3 generated at storage elements 102C, 104C and 106C are output to output terminal 116 via discharge element 114 which controls the discharge current.
  • the charging element 112 and the discharging element 114 are controlled to operate based on the control signals 118A and 118B from the control unit 118, respectively.
  • control unit 118 detects detection signal 120A output from charging current detection unit 120 which detects the charging current of storage devices 102C, 104C and 106C, and voltage detection unit which detects the charging voltage of storage devices 102C, 104C and 106C.
  • Control signals 118A and 118B are generated based on the detection signal 126A output from the detection signal 122A output from 122 and the voltage comparison unit 126 that compares the detection voltage with the variable reference voltage source 124.
  • the control signal 118A controls the charging element 112, and the control signal 118B controls the discharging element 114.
  • storage elements 102C, 104C and 106C are charged with a constant charging current (constant current), and when charging progresses and these storage elements reach a preset voltage, they become a constant voltage.
  • the charging element 112 is controlled based on the control signal 118A.
  • storage If any abnormality occurs in the elements 102C, 104C and 106C, the charge / discharge limiting circuit 101, the detection signal 120B extracted from the charge current detection unit 120 so that the voltage applied to the storage elements does not exceed the withstand voltage.
  • the variable reference voltage source 124 is newly adjusted to a predetermined size.
  • the voltage comparison unit 126 compares voltages corresponding to the voltages VI, V2 and V3 between the terminals of the newly adjusted variable reference voltage source 124 and the storage elements 102C, 104C and 106C.
  • Variable reference voltage source 124 is connected to the input terminal on one side of voltage comparator 126.
  • the detection signal 122 B extracted from the voltage detection unit 122 is connected to the other input terminal of the voltage comparison unit 126.
  • the detection signal 122B is determined to be a voltage substantially equal to or proportional to the voltage across the terminals of the storage elements 102C, 104C and 106C.
  • the voltage comparison unit 126 compares the variable reference voltage source 124 with the detection signal extracted from the voltage detection unit 122, and the compared detection result is extracted as the detection signal 126A from the output side of the voltage detection unit 126.
  • control element 118 controls control element 118 through control signal 118A to charge the battery. Stop the current or limit the magnitude of the charging current. As a result, deterioration of the storage elements 102C, 104C and 106C can be reliably prevented.
  • the voltage detection unit 122 may detect the overall voltage of the plurality of storage elements 102C, 104C and 106C, that is, the magnitude of (V1 + V2 + V3), and each storage element 102C, 104.
  • the voltage between the terminals of C and 106C, that is, at least one of VI, V2 and V3 may be detected.
  • a plurality of storage elements 102C, 104C and 106C may be grouped, and any one of the voltages VI, V2 and V3 between their terminals may be detected as the voltage of the sum or difference of the two.
  • variable reference voltage source 124 generates the control signal 120B based on the charging current detected by the charging current detection unit 120, and the size of the variable reference voltage source 124 is controlled by the control signal 120B. To adjust the These features are clearly different from those of the conventional storage device in which the reference voltage source is fixed.
  • FIG. 2 is a time chart at the time of charging for explaining the features of the power storage device shown in FIG. Show.
  • characteristic CI shows the case where the internal resistance of one of storage elements 102C, 104C and 106C is increased.
  • Characteristic C2 indicates the voltage between the terminals of the storage element having a small internal resistance. Such conditions can occur at low temperatures, for example, below 0 ° C., where the variation in resistance is large.
  • the internal resistance (not shown) of one storage element becomes extremely large compared to the other storage elements, the storage element stores the voltage in addition to the voltage divided by the inverse ratio of the capacity. A voltage generated by the product of the internal resistance of the element and the charging current is applied.
  • the charging current when the charging current is large, the voltage is concentrated, so the peak voltage VP shown in FIG. 2 exceeds the reference voltage VR, and after time t elapses, the constant current ICC starts charging.
  • the charge current IC gradually decreases, and the peak voltage VP also gradually decreases and eventually converges to a predetermined magnitude VC.
  • variable reference voltage source 124 is set a little higher at the beginning of charging in consideration of peak voltage VP, and charging current IC falls below predetermined current ICR.
  • the magnitude of the variable reference voltage source 124 is adjusted to be low via the charging current detection unit 120 and the control signal 120B.
  • the size of the variable reference voltage source 124 is adjusted based on the size of the charge current IC, it is possible to minimize the influence of voltage concentration generated transiently to the storage elements 102C, 104C and 106C. Charging can be performed efficiently.
  • the variable reference voltage source 124 during charging may be set to exceed the withstand voltage (voltage that can be applied continuously) of the storage elements 102C, 104C, and 106C. It may be set in consideration of the relationship between the time when the withstand voltage is transiently exceeded during charging and the life of the electric double layer capacitors constituting the storage elements 102C, 104C and 106C.
  • control unit, the voltage comparison unit, and the variable reference voltage source can be configured by a microcomputer or the like, and the variable reference voltage source at that time can be set by software.
  • FIG. 3 is a block diagram of a power storage device according to a second embodiment.
  • the difference from Embodiment 1 is The variable reference voltage source 124 is adjusted based on the temperature of the storage elements 102C, 104C and 106C itself or the ambient temperature in which these storage elements are placed.
  • a temperature detection unit 130 is provided to detect the temperature of at least one of the storage elements 102C, 104C, and 106C itself, or the temperature around the storage elements.
  • the detection signal 130A is generated based on the temperature detected by the temperature detection unit 130, and the variable reference voltage source 124 is adjusted based on the detection signal 130A.
  • storage elements 102C, 104C and 106C formed of electric double layer capacitors have their internal resistances increased and their internal resistances also become large. In such a case, when the internal resistance of one of the storage elements 102C, 104C, and 106C becomes extremely larger than the other internal resistance, as shown in FIG. VP occurs.
  • variable reference voltage source 124 can be increased regardless of the magnitude of the charging current to the storage element.
  • the extent to which variable reference voltage source 124 is to be increased may be determined in consideration of the relationship between the temperature under the environment where the power storage device is used and the life of the electric double layer capacitor.
  • FIG. 4 is a block diagram of a power storage device according to a third embodiment.
  • the difference from the first embodiment is that the timer circuit 132 is provided in the charge / discharge limiting circuit 101, and the size of the variable reference voltage source 124 is determined by the control signal 132A generated based on the time measured by the timer circuit 132. It is something which is adjusted.
  • the peak voltage VP is generated in the storage elements 102C, 104C, and 106C during charging, during the charging time by the constant current ICC.
  • the peak voltage VP converges as the charging current decreases as charging progresses and constant voltage control is entered.
  • the time from the start of charging by the constant current ICC to the end of charging can be calculated by the charge current IC and the capacity of the storage element. Therefore, after the time to start charging is measured by timer circuit 132 and the calculated time to the end of charging is reached, the magnitude of variable reference voltage source 124 is adjusted to reduce the peak voltage.
  • FIG. 5 is a block diagram of a power storage device according to a fourth embodiment.
  • the difference from Embodiment 1 is the difference between the voltage across the terminals stored in storage elements 102C, 104C and 106C before and after charging stop, for example, (VI-V2), (V2-V3), (V3-VI).
  • a voltage storage section 134 for storing the voltage is provided to adjust the variable reference voltage source 124 via the control signal 134A based on the difference between the storage element voltage before and after the charging stop.
  • FIG. 6 is a block diagram of a power storage device according to a fifth embodiment.
  • the difference with Embodiment 1 is that the voltage detected by voltage detection unit 122 for detecting voltages VI, V2 and V3 between terminals of storage elements 102C, 104C and 106C is controlled via control signal 122C as a variable reference voltage source.
  • the size of 124 is adjusted. That is, the variable reference voltage source 124 is adjusted by two control paths of the first control via the charging current detection unit 120 and the detection signal 120B, and the second control via the voltage detection unit 122 and the detection signal 122C. It will be.
  • the charge current detection unit 120 adjusts the variable reference voltage source 124 based on the charge current IC. Under such a configuration, if noise is applied to the charging current IC, a malfunction may occur in which the size of the variable reference voltage source 124 is erroneously adjusted due to a malfunction. At this time, the charging current IC is limited based on the erroneous variable reference voltage source 124.
  • storage element 102C is used. , 104C and 106C are added to one of the conditions for adjusting the variable reference voltage source 124, so the magnitude of the variable reference voltage source 124 is affected by noise.
  • variable reference voltage source 124 is not performed unless the voltage between the terminals of the storage elements 102C, 104C and 106C exceeds a predetermined threshold value. This makes it possible to provide redundancy for noise and to provide a more reliable power storage device.
  • FIG. 7 is a block diagram of a power storage device according to a sixth embodiment.
  • an abnormal signal generation circuit 136 is provided which outputs an abnormal signal when the voltage of the storage elements 102C, 104C and 106C exceeds the set upper limit voltage.
  • an abnormal signal can be output to the abnormal signal terminal 138 to notify the user that the power storage device is in an abnormal state.
  • FIG. 8 is a block diagram of a power storage device according to a seventh embodiment.
  • a discharge circuit portion configured of a discharge resistor 140R and a discharge switch 142 is provided. That is, when the voltage applied to the electric double layer capacitors which are the storage elements 102C, 104C and 106C tends to exceed the predetermined upper limit voltage, the discharge switch 142 is used to prevent the deterioration of the electric double layer capacitor in advance. When closed, the charge accumulated in the entire electric double layer capacitor is discharged through the discharge resistor 140R. With this configuration, the electrical safety of the power storage device can be secured, and the lifetime can be further extended.
  • the configuration according to the seventh embodiment can be applied to the configurations of the second to fifth embodiments together, and the same effect can be obtained.
  • the storage device can eliminate the influence of voltage concentration transiently generated due to the variation of the internal resistance of the storage element and the charging current during charging of the storage element.
  • charging of the storage elements can be performed smoothly, and the overvoltage of each storage element can be reliably detected to prevent deterioration of the storage elements. Because of this, it is useful for emergency backup power supplies that require rapid charging at high current, so its industrial applicability is high.

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Abstract

　蓄電素子(１０２Ｃ，１０４Ｃ，１０６Ｃ)への充電をスムーズに行い、かつ各蓄電素子の過電圧を確実に検出することができる蓄電装置（１００）を提供する。蓄電装置（１００）は充放電制限回路（１０１）を備える。充放電制限回路（１０１）は、充電素子（１１２），放電素子（１１４），制御部（１１８），充電電流検出部（１２０），電圧検出部（１２２），可変基準電圧源（１２４），及び電圧比較部（１２６）を備えている。充電電流検出部（１２０）によって、電圧比較部（１２６）の一方側の入力端子に接続される可変基準電圧源（１２４）の大きさを調整する。電圧比較部（１２６）の他方側の入力端子には電圧検出部からの検出信号（１２２Ｂ）が与えられる。

Description

明 細 書
蓄電装置
技術分野
[0001] 本発明は複数の蓄電素子を直列、または直並列に接続して構成した蓄電装置に おいて、蓄電素子の過電圧を検出し、蓄電素子の劣化を防止する充放電制限回路 機能を備えた蓄電装置に関するものである。
背景技術
[0002] 従来、蓄電素子として複数の電気二重層コンデンサを直列接続して使用する場合 、各蓄電素子の寿命は、各蓄電素子にかかる電圧に大きく影響する。このため、各蓄 電素子の充電電圧にばらつきが生じると、蓄電装置全体としての寿命の信頼性が低 下するおそれがあるため、各蓄電素子の電圧を常に監視するようにして 、る。
[0003] 図 9は従来の蓄電装置 20の構成を示す。蓄電装置 20は、充放電制限回路 21を備 える。充放電制限回路 21は電圧検出部 22、基準電圧源 32, 34、電圧比較部 36, 3 8、充放電制限スィッチ制御部 40及び充放電制限スィッチ 42を備える。
[0004] 電圧検出部 22は、複数段に直列接続された蓄電素子 24Cのプラス側端子 24Pと、 蓄電素子 30Cのマイナス側端子 30Mとの間の電圧を検出するように設けられている 。蓄電素子 24C, 26C, 28C及び 30Cが過充電されると、それらの端子間電圧は上 昇し、その結果、プラス側端子 24Pとマイナス側端子 30Mの間に生じる蓄電素子全 体の電圧も上昇する。なお、蓄電素子 24C, 26C, 28C及び 30Cには各別にバラン ス抵抗 24R, 26R, 28R及び 30Rが並列に接続されている。
[0005] これらの蓄電素子が過放電されると、各蓄電素子の端子間電圧は低下し、プラス側 端子 24Pとマイナス側端子 30Mの間に生じる蓄電素子全体の電圧も低下する。
[0006] また、基準電圧源 32, 34には、それぞれ放電時、充電時に許容される下限電圧、 上限電圧が設定されており、それぞれ電圧比較部 36, 38において電圧検出部 22で 検出された検出電圧と比較され、その検出結果が充放電制限スィッチ制御部 40に 各別に出力されるように構成されて ヽる。
[0007] ここで、電圧検出部 22で検出された検出電圧が基準電圧源 32を下回ると、充放電 制限スィッチ 42によって蓄電素子力もの放電が制限される。検出電圧が基準電圧源 34を上回ると、充放電制限スィッチ 42を介して蓄電素子への充電が制限されるよう に構成されている。なお、充電は充電器 44によって、放電は外部負荷 46によってそ れぞれ行われる。
[0008] なお、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば日本特許公開特 開 2000— 197277号公報力知られて!/ヽる。
[0009] しかしながら、上記従来の構成では、蓄電素子 24C, 26C, 28C及び 30Cの内部 抵抗（図示せず)が増力!]した場合、または蓄電装置が置かれた周囲温度が、たとえば 、 0°C以下のような低温の環境下において、複数の蓄電素子の中の 1つの蓄電素子 の内部抵抗が他の蓄電素子と比べて極端に大きくなつたとすると、その蓄電素子に は、容量の逆比によって分圧される電圧に加えて、蓄電素子の内部抵抗と充電電流 の積で発生する余分の電圧が印加される。このため、蓄電素子の端子間電圧は基準 電圧源 34の大きさにすぐに達し、その度毎に充電電流が制限され、充電に時間がか 力るという不具合が生じる。
[0010] こうした不具合を排除するためには、これらの蓄電素子をたとえば 0°C以下の低温 の環境下において、その電気的特性を測り、特性レベルに応じて選別作業を行うか 、または、耐電圧を確保するために直列に接続する蓄電素子の数を増やすなどの対 策を講じなければならない。しかしこうした対策は、コストアップの要因につながるの で最適な方法とは言えない。また低温の環境下においては、特に充電電流が大きい ほどこの傾向が顕著に現れるので、電流容量の大きな蓄電装置は、さらに不利な状 態に置かれることになる。
発明の開示
[0011] 本発明はこのような不具合を克服するものであり、蓄電素子への充電中に、蓄電素 子の内部抵抗のばらつきと充電電流によって過渡的に発生する電圧集中の影響を 緩和，抑止し、蓄電素子への充電をスムーズに行い、かつ各蓄電素子の過電圧を確 実に検出して、蓄電素子の劣化を未然に防止することができる蓄電装置を提供する ものである。
[0012] 本発明の蓄電装置は、入力端子と、入力端子に接続される直流電源と、入力端子 に接続され直流電源からの直流電流を制限する充電素子を備える。また、蓄電装置 は、充電素子に接続され充電電流を検出する充電電流検出部と、充電電流検出部 に接続される蓄電素子と、蓄電素子に接続される放電素子を備える。また蓄電装置 は、放電素子に接続される出力端子と、蓄電素子に印加される電圧を検出する電圧 検出部と、電圧検出部に接続され充電素子及び放電素子を制御する制御部を備え る。また蓄電装置は、電圧検出部及び制御部に接続される電圧比較部と、電圧比較 部に接続され、その大きさが調整されうる可変基準電圧源を備え、蓄電素子の端子 間電圧が基準電圧源によって決定されものである。
[0013] こうした本発明の蓄電装置は、蓄電素子への充電中に、蓄電素子の内部抵抗のば らつきと充電電流によって過渡的に発生する電圧集中を排除し、蓄電素子への充電 をスムーズに行い、かつ各蓄電素子の過電圧を確実に検出して、蓄電素子の劣化を 未然に防止することができるものである。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1にかかる蓄電装置の構成図である。
[図 2]図 2は、本発明の実施の形態 1にかかるタイムチャートである。
[図 3]図 3は、本発明の実施の形態 2にかかる蓄電装置の構成図である。
[図 4]図 4は、本発明の実施の形態 3にかかる蓄電装置の構成図である。
[図 5]図 5は、本発明の実施の形態 4にかかる蓄電装置の構成図である。
[図 6]図 6は、本発明の実施の形態 5にかかる蓄電装置の構成図である。
[図 7]図 7は、本発明の実施の形態 6にかかる蓄電装置の構成図である。
[図 8]図 8は、本発明の実施の形態 7にかかる蓄電装置の構成図である。
[図 9]図 9は、従来の蓄電装置の構成図である。
符号の説明
[0015] 20, 100 蓄電装置
21, 101 充放電制限回路
24C, 26C, 28C, 30C, 102C, 104C, 106C 蓄電素子
24P プラス側端子
30M マイナス側端子 22 電圧検出部
32, 34 基準電圧源
36, 38 電圧比較部
40 充放電制限スィッチ制御部
42 充放電制限スィッチ
44 充電器
46 外部負荷
108 入力端子
110 直流電源
116 出力端子
112 充電素子
120 充電電流検出部
114 放電素子
118 制御部
126 電圧比較部
124 可変基準電圧源
122 電圧検出部
24R, 26R, 28R, 30R, 102R, 104R, 106R ノ ランス抵抗
130 温度検出部
132 タイマー回路
134 電圧記憶部
136 異常信号発生回路
138 異常信号端子
140R 放電抵抗
142 放電スィッチ
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図 1から図 8 において同一機能を有する構成については、同一符号を付してその説明を省略する [0017] (実施の形態 1)
図 1は実施の形態 1にかかる蓄電装置 100の構成図である。蓄電装置 100は充放 電制限回路 101を備える。充放電制限回路 101は、充電素子 112,放電素子 114, 制御部 118,充電電流検出部 120,電圧検出部 122,可変基準電圧源 124及び電 圧比較部 126を備えている。ここで、可変基準電圧源 124は電圧の大きさが固定さ れる従来の形式ではなぐ何らかの回路部力も制御を受け自動的にその大きさが調 整されうる形式のものである。
[0018] 電気二重層コンデンサからなる複数個の蓄電素子 102C, 104C及び 106Cは直 列に接続されている。それぞれの蓄電素子 102C, 104C及び 106Cにはバランス抵 抗 102R, 104R及び 106Rが各別に並列に接続されている。入力端子 108には充 電電流源として直流電源 110が接続されて ヽるとともに、充電電流を制限する充電 素子 112を介して蓄電素子 102C, 104C及び 106Cを充電するように構成されて！ヽ る。すなわち、直流電源 110によって、充電素子 112,充電電流検出部 120を介して 、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cが充電される。
[0019] 蓄電素子 102C, 104C及び 106Cに生じる端子間電圧 VI, V2及び V3は放電電 流を制御する放電素子 114を介して出力端子 116に出力される。充電素子 112及び 放電素子 114はそれぞれ制御部 118からの制御信号 118A及び 118Bに基づ ヽて それぞれ作動するように制御される。また制御部 118は、蓄電素子 102C, 104C及 び 106Cの充電電流を検出する充電電流検出部 120から出力される検出信号 120 A、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの充電電圧を検出する電圧検出部 122から 出力される検出信号 122Aおよび可変基準電圧源 124と検出電圧とを比較する電圧 比較部 126から出力される検出信号 126Aに基づいて制御信号 118A, 118Bを生 成する。制御信号 118Aによって、充電素子 112が、制御信号 118Bによって、放電 素子 114がそれぞれ制御される。
[0020] 充電の初期には一定の充電電流（定電流）で、蓄電素子 102C, 104C及び 106C を充電し、充電が進みこれらの蓄電素子があらかじめ設定された電圧に達すると、定 電圧になるように制御信号 118Aに基づいて充電素子 112を制御する。また、蓄電 素子 102C, 104C及び 106Cゃ充放電制限回路 101に何らかの異常が生じた場合 には、それらの蓄電素子に印加される電圧が耐電圧を超えないよう、充電電流検出 部 120から取り出した検出信号 120Bによって、可変基準電圧源 124を所定の大きさ にあらたに調整し直す。あらたに調整された可変基準電圧源 124と、蓄電素子 102C , 104C及び 106Cの端子間電圧 VI, V2及び V3に相当する電圧が電圧比較部 12 6で比較される。
[0021] 可変基準電圧源 124は電圧比較器 126の一方側の入力端子に接続される。電圧 比較部 126の他方側の入力端子には電圧検出部 122から取り出した検出信号 122 Bが接続される。検出信号 122Bは蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの端子間電圧 にほぼ等しいか、あるいはこれらの電圧に比例した電圧に決定されている。電圧比較 部 126において、可変基準電圧源 124と、電圧検出部 122から取り出される検出信 号が比較され、その比較された検出結果が、検出信号 126Aとして電圧検出部 126 の出力側力 取り出される。
[0022] 蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの端子間電圧 VI, V2及び V3が可変基準電圧 源 124を上回った場合には、制御部 118,制御信号 118Aを介して充電素子 112を 制御して充電電流を停止させるかあるいは充電電流の大きさを制限する。これにより 確実に蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの劣化を防止することができる。
[0023] なお、電圧検出部 122は複数の蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの全体の電圧 、すなわち、（V1 +V2+V3)の大きさを検出してもよいし、各蓄電素子 102C, 104 C及び 106Cの各端子間電圧、すなわち、 VI, V2及び V3の少なくとも 1つを検出し てもよい。または、複数の蓄電素子 102C, 104C及び 106Cをグループ化し、それら の端子間電圧 VI, V2及び V3の中のいずれ力 2つの和の電圧または差の電圧を検 出してもよい。
[0024] 実施の形態 1の特徴は、可変基準電圧源 124が充電電流検出部 120で検出され た充電電流に基づき制御信号 120Bを生成し、制御信号 120Bによって、可変基準 電圧源 124の大きさを調整するようにしたことである。こうした特徴は、従来の蓄電装 置の基準電圧源が固定されていたものとは明らかに相違する。
[0025] 図 2は、図 1に示した蓄電装置の特徴を説明するための充電時のタイムチャートを 示す。図 2において、特性 CIは、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの中の 1つの内 部抵抗が増カ卩した場合を示す。特性 C2は、内部抵抗が小さい蓄積素子の端子間電 圧を示す。こうした状態は、例えば、抵抗値のばらつきが大きくなる、 0°C以下のような 低温時に起こりうる。 1つの蓄電素子の内部抵抗（図示せず）が他の蓄電素子に比べ て極端に大きくなつた場合には、その蓄電素子には、容量の逆比によって分圧される 電圧に加えて、蓄電素子の内部抵抗と充電電流の積で発生する電圧が印加される。 特に充電電流が大きいときは電圧が集中してしまうため、図 2に示すようなピーク電圧 VPが基準電圧 VRを超えて発生し、その後、時間 tが経過し、定電流 ICCによる充電 から、定電圧による制御に移行するにつれて、充電電流 ICは徐々に減り、ピーク電 圧 VPも次第に減少して、最終的には所定の大きさ VCに収束する。
[0026] 実施の形態 1では、ピーク電圧 VPを考慮して充電の初期には可変基準電圧源 12 4を少し高めに設定しておき、充電電流 ICが所定のしき 、値の電流 ICRを下回ったと きに、充電電流検出部 120,制御信号 120Bを介して可変基準電圧源 124の大きさ が低くなるように調整する。このように充電電流 ICの大きさに基づいて、可変基準電 圧源 124の大きさを調整するならば、過渡的に発生する電圧集中の影響を極力抑え ながら、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cへの充電を効率良く行うことができる。
[0027] なお、充電中の可変基準電圧源 124は、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの耐 電圧 (連続して印加できる電圧）を超えて設定することも可能である。充電中にぉ 、て 過渡的に耐電圧を超える時間と、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cを構成する電 気二重層コンデンサの寿命との関係を考慮しながら設定すればよい。
[0028] なお、実施の形態 1においては、説明の便宜上、蓄電素子 102C, 104C及び 106 Cの 3つを直列接続した場合を例に挙げた。しかし、直列に接続する数がいくつであ つても同様の効果を奏する。また、こうした直列接続体を複数個並列に接続した場合 でも同様の効果を奏する。また、制御部および電圧比較部と可変基準電圧源はマイ コンなどで構成することも可能で、その際の可変基準電圧源はソフトウェアにより設定 することが可能である。
[0029] (実施の形態 2)
図 3は実施の形態 2にかかる蓄電装置の構成図である。実施の形態 1との相違点は 、蓄電素子 102C, 104C及び 106C自体の温度またはこれらの蓄電素子が置かれ た周囲温度に基づいて可変基準電圧源 124を調整するようにしたものである。
[0030] すなわち、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの少なくとも 1つの蓄電素子自体の 温度、あるいはこれらの蓄電素子の周囲の温度を検出するための温度検出部 130を 設ける。温度検出部 130によって検出した温度に基づき検出信号 130Aを生成し、 検出信号 130Aに基づき可変基準電圧源 124を調整する。
[0031] 電気二重層コンデンサからなる蓄電素子 102C, 104C及び 106Cは、例えば 0°C 以下のような低温時には、その内部抵抗が増加し、また内部抵抗のばらつきも大きく なる。こうした場合に、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの中の 1つの内部抵抗が 他の内部抵抗よりも極端に大きくなると、図 2に示すように、その蓄電素子に電圧が集 中するためにピーク電圧 VPが発生する。
[0032] なお、低温時においては、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cを構成している電気 二重層コンデンサの耐電圧 (連続して印加できる電圧）はある程度の大きさの範囲で あれば、さほど寿命に影響を受けることはない。このため、蓄電素子に対する充電電 流の大きさにかかわらず、可変基準電圧源 124を大きくすることが可能となる。なお、 可変基準電圧源 124をどの程度大きくするかについては、蓄電装置を使用する環境 下の温度と、電気二重層コンデンサの寿命との関係を考慮しながら決定すればよい
[0033] (実施の形態 3)
図 4は実施の形態 3にかかる蓄電装置の構成図である。実施の形態 1との相違点は 、充放電制限回路 101の中にタイマー回路 132を設け、タイマー回路 132によって 計測した時間に基づいて生成した制御信号 132Aによって、可変基準電圧源 124の 大きさを調整するようにしたものである。
[0034] すなわち、図 2に示すタイムチャートから分力るように、充電時、蓄電素子 102C, 1 04C及び 106Cにピーク電圧 VPが発生するのは、定電流 ICCで充電している期間 t ccであり、充電が進み、定電圧制御に移行すると、ピーク電圧 VPは充電電流が減少 することで収束する。定電流 ICCによる充電開始から充電完了までの時間は、充電 電流 ICと蓄電素子の容量によって算出することができる。 [0035] 従って、充電開始力もの時間をタイマー回路 132によって計測し、算出した充電完 了までの時間に達した後は、可変基準電圧源 124の大きさを下げるように調整すれ ば、ピーク電圧 VPによって充電電流 ICが制限されるという不具合を排除し、スムーズ に蓄電素子を充電することができる。
[0036] (実施の形態 4)
図 5は実施の形態 4にかかる蓄電装置の構成図である。実施の形態 1との相違点は 、充電停止前後の蓄電素子 102C, 104C及び 106Cに蓄えられた端子間電圧の差 、たとえば、（VI— V2) , (V2-V3) , (V3— VI)を記憶する電圧記憶部 134を設け て、充電停止前後の蓄電素子電圧の差に基づき、制御信号 134Aを介して可変基 準電圧源 124を調整するようにしたものである。
[0037] すなわち、定電流充電中に充電を一時停止し、充電停止前後の蓄電素子電圧の 差を電圧記憶部 134に記憶することで、各蓄電素子の内部抵抗と充電電流 ICの積 で発生するピーク電圧 VPを算出する。これに基づいて、定電流充電中の可変基準 電圧源 124を上げるように調整してやれば、ピーク電圧 VPの発生によって充電電流 ICが制限されるという不具合を排除して、スムーズに蓄電素子を充電することができ る。
[0038] (実施の形態 5)
図 6は実施の形態 5にかかる蓄電装置の構成図である。実施の形態 1との相違点は 、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの端子間電圧 VI, V2及び V3を検出する電圧 検出部 122によって検出された電圧を、制御信号 122Cを介して可変基準電圧源 12 4の大きさを調整するようにしたものである。すなわち、可変基準電圧源 124は、充電 電流検出部 120,検出信号 120Bを介する第 1の制御と、電圧検出部 122,検出信 号 122Cを介する第 2の制御の 2つの制御経路によって調整されることになる。
[0039] 実施の形態 1は充電電流 ICに基づき、充電電流検出部 120が可変基準電圧源 12 4を調整するものであった。こうした構成下においては、充電電流 ICに、ノイズが印加 されると、誤動作により誤った可変基準電圧源 124の大きさに調整されてしまうという 不具合が生じうる。このときには、誤った可変基準電圧源 124に基づいて充電電流 I Cが制限されることになる。これに対して、実施の形態 5においては、蓄電素子 102C , 104C及び 106Cの電圧検出部 122によって検出された電圧を可変基準電圧源 12 4を調整する条件の 1つに加えるものであるから、ノイズの影響を受けて可変基準電 圧源 124の大きさが変化するという不具合を排除することができる。すなわち、蓄電 素子 102C, 104C及び 106Cの端子間電圧が所定のしきい値を超えていなければ 、可変基準電圧源 124の調整を実行しないように設定するものである。これにより、ノ ィズに対して冗長性を持たせることができ、より信頼性の高 ヽ蓄電装置を提供するこ とが可能となる。
[0040] (実施の形態 6)
図 7は実施の形態 6にかかる蓄電装置の構成図である。実施の形態 1との相違点は 、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cの電圧が設定された上限電圧を超えたときに、 異常信号を出力する異常信号発生回路 136を設けたものである。こうした構成によれ ば、蓄電装置に何らかの異常が生じ、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cに過電圧 が印加がされた場合には、充電電流 ICを停止あるいは制限させて、これらの蓄電素 子の劣化を未然に防止するというものである。併せて、異常信号端子 138に、異常信 号を出力し、蓄電装置が異常状態であることを使用者に知らしめることができる。
[0041] なお、実施の形態 6の特徴は実施の形態 2〜5にも併せて適用することができ、同 様の効果を奏する。
[0042] (実施の形態 7)
図 8は実施の形態 7にかかる蓄電装置の構成図である。実施の形態 1との相違点は 、放電抵抗 140Rと放電スィッチ 142によって構成される放電回路部を設けたことで ある。すなわち、蓄電素子 102C, 104C及び 106Cである電気二重層コンデンサに 印加される電圧が所定の上限電圧を超えようとするときには、電気二重層コンデンサ の劣化を未然に防止するために、放電スィッチ 142を閉じて、電気二重層コンデンサ 全体に蓄積された電荷を放電抵抗 140Rを介して放電させると 、うものである。こうし た構成によって、蓄電装置の電気的な安全性を確保し、さらに長寿命化を図ることが できる。
[0043] なお、実施の形態 7にかかる構成は実施の形態 2〜5の構成にも併せて適用するこ とができ、同様の効果を奏する。 産業上の利用可能性
本発明にかかる蓄電装置は、蓄電素子への充電中に、蓄電素子の内部抵抗のば らつきと充電電流によって過渡的に発生する電圧集中の影響を排除することができ る。また、蓄電素子への充電をスムーズに行い、かつ各蓄電素子の過電圧を確実に 検出し、蓄電素子の劣化を防止することができる。このため、大電流で急速な充電が 必要な非常用バックアップ電源などに有用であるのでその産業上の利用可能性は高 い。

Claims

請求の範囲
[1] 入力端子と、前記入力端子に接続される直流電源と、前記入力端子に接続され前記 直流電源からの直流電流を制限する充電素子と、前記充電素子に接続され前記充 電電流を検出する充電電流検出部と、前記充電電流検出部に接続される蓄電素子 と、前記蓄電素子に接続される放電素子と、前記放電素子に接続される出力端子と 、前記蓄電素子に印加される電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部に接 続され前記充電素子及び前記放電素子を制御する制御部と、前記電圧検出部及び 前記制御部に接続される電圧比較部と、前記電圧比較部に接続され、その大きさが 調整される可変基準電圧源を備えた蓄電装置。
[2] 前記可変基準電圧源が前記充電電流検出部によって調整される請求項 1に記載の 蓄電装置。
[3] 前記可変基準電圧源が、前記蓄電素子自体の温度または前記蓄電素子が置かれ た周囲の温度を検出する温度検出部で調整される請求項 1に記載の蓄電装置。
[4] 前記可変基準電圧源が前記制御部に接続されるタイマー回路によって調整される請 求項 1に記載の蓄電装置。
[5] 前記可変基準電圧源が、前記蓄電素子の充電中に充電を一時停止させ、その充電 停止前後の前記蓄電素子の端子間電圧の差に基づき調整される請求項 1に記載の 蓄電装置。
[6] 前記可変基準電圧源が、前記充電電流検出部及び前記電圧検出部によって検出さ れた両者の検出信号に基づき調整される請求項 2に記載の蓄電装置。
[7] 前記蓄電素子に充電される充電電圧が前記蓄電素子の所定の端子間電圧を超え たとときに異常信号を出力する異常信号発生回路を備えた請求項 1に記載の蓄電装 置。
[8] 電気二重層コンデンサで前記蓄電素子を構成し、前記蓄電素子が所定の端子間電 圧を超えたときに前記蓄電素子に蓄積された電荷を放電する放電回路部を備えた 請求項 1に記載の蓄電装置。
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