JP3602250B2

JP3602250B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP3602250B2
Application number: JP08578696A
Authority: JP
Inventors: 智樋山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2016-03-14
Also published as: JPH09252531A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の蓄電装置などに利用される超大容量の電気二重層コンデンサなどの蓄電用コンデンサを直並列接続して構成される蓄電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気自動車用蓄電装置は、鉛蓄電池やニッケルカドミウム電池などの二次電池（蓄電池）を主体とするものが開発されてきた。この二次電池による蓄電装置の開発と並行して、電気二重層コンデンサと称される極めて大容量のコンデンサ（蓄電器）を電気自動車用の蓄電装置として利用する研究も進められてきている。
【０００３】
この電気二重層コンデンサは、特開昭６０ー１５１３８号公報や、ＵＳＰ３，５３６，９６３号などに開示されているように、活性炭や活性炭繊維と、水系電解液や有機系電解液とを組合せることにより、極めて大きな静電容量を実現している。典型的には、十円硬貨とほぼ同一の直径とほぼ３倍の厚みのもとで５Ｆ〜１０Ｆもの超大容量のコンデンサが実現され市販されている。
【０００４】
このような大容量コンデンサは、単位体積、単位重量当たりの蓄電量が既に鉛蓄電池などのそれを凌いでおり、電気自動車用の蓄電装置として極めて有望視されている。このような電気二重層コンデンサは、従来の蓄電池とは異なり、充放電可能回数に実質的な制限がないという点で、極めて経済的であるという利点も有する。
【０００５】
従来、コンデンサ（蓄電器）は、単体で、あるいはコイルや抵抗器などの回路素子と組合せられて、サージの吸収、平滑化、濾波、同調など各種の交流電気特性の実現に利用されてきているが、その静電容量は高々数百μＦであり、蓄電器とは言っても蓄積エネルギーは極めて小さい。従って、数十ファラッドもの超大容量を有するコンデンサは、極めて特殊な用途を除き、概ね直流電力の蓄積のための用途を有するものとして、従来の小容量の交流特性を実現するためのコンデンサと区別することができる。従って、本明細書では、そのような直流電力の蓄電のための電気二重層コンデンサなどの数十Ｆ以上の大容量のコンデンサを総称して「蓄電用コンデンサ」と称する。
【０００６】
このような直流蓄電用コンデンサの一つである電気二重層コンデンサの場合、典型的な耐圧は数ｖｏｌｔの程度と低い値に留まる。このため、数百ＫＷＨの蓄電量と、３００ｖｏｌｔ程度の出力電圧を有する電気自動車用蓄電装置を実現するうえで、多数の、典型的には数百個の、直流蓄電用コンデンサがモジュールとして直並列接続されたコンデンサ・アレイが形成されることになる。
【０００７】
上記蓄電用コンデンサを利用して電気自動車用蓄電装置を実現する場合、数百個ものモジュールが直並列に接続されるので、モジュールの一部に発生した劣化が蓄電装置全体の機能を大きく損なうおそれがある。このため、個々のモジュール素子について劣化の有無を判定することと、劣化が生じたと判定されたモジュールについてはこれをコンデンサ・アレイから分離することが必要になる。
【０００８】
従来、電気二重層コンデンサの劣化の有無を判定するための方法として、特開平６ー３４２０２４号公報に提案されているように、低周波の方形波信号を電気二重層コンデンサの端子間に印加した時の端子間電圧の所定部分の積分値に基づいて判定する方法が知られている。また、電気二重層コンデンサの劣化を判定する他の方法として、特開平７ー９９７２３号公報に提案されているように、電気二重層コンデンサの端子間にツェナーダイオードと発光ダイオードとを直列接続し、発光ダイオードの発光量から故障を検出するものが提案されている。
【０００９】
また、劣化が生じたと判定されたモジュールをコンデンサ・アレイから分離する方法については、特開平７ー９９１４２号公報に提案されている。この方法によれば、直列接続されたダイオードのそれぞれに着脱自在のコネクタを介して電気二重層コンデンサを並列接続し、劣化と判定された電気二重層コンデンサについてはこれを着脱自在のコネクタから抜き取るように構成されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した電気二重層コンデンサの劣化の判定方法のうち、特開平６ー３４２０２４号公報に提案された方法は、製造段階でのスクリーニングなどには適している可能性がある。しかしながら、これは間接的な判定方法であるため誤判定を生じるおそれがあり、少なくとも使用状態における判定方法としては判定の確度の点で問題がある。
【００１１】
また、上述した電気二重層コンデンサの劣化の判定方法のうち、特開平７ー９９７２３号公報に提案されている方法は、点検・修理を行う作業者が目視によって不良素子を発見するのには適している可能性がある。しかしながら、車両走行中の電子制御ユニット（ＥＣＵ）などによる自動判定を実現するには、発光ダイオードの発光量を一旦電圧や電流などの電気信号に変換する光電変換回路が素子ごとに必要になり、装置のコストがかさむという問題がある。
【００１２】
さらに、劣化が生じたと判定されたモジュールをこれらの直並列接続から構成されるコンデンサ・アレイから分離する方法に関して特開平７ー９９１４２号公報に提案された方法は、点検・修理を行う作業者などの人手による抜き取りには適しているが、車両走行中の電子制御ユニット（ＥＣＵ）などによる自動判定を実現するには問題がある。
従って、本発明の目的は、各モジュールの劣化に関する判定の確度が高く、比較的安価で、しかも車両走行中の電子制御ユニットなどによる劣化モジュールの自動判定とコンデンサ・アレイからの自動分離とに適した蓄電装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明の蓄電装置は、電気二重層コンデンサなどの蓄電用コンデンサを含むコンデンサ・モジュールが複数直並列接続されたコンデンサ・アレイと、各コンデンサ・モジュールの端子間電圧と温度との少なくとも一方を検出し、検出した端子間電圧と温度の双方又は一方が異常なコンデンサ・モジュールを劣化モジュールと見做してコンデンサ・アレイから分離する監視・制御部とを備えている。
【００１４】
そして、各コンデンサ・モジュールの端子間電圧や温度が異常であるか否かの判定は、上記監視・制御部が上記直並列接続部に接続中の全てのコンデンサ・モジュールについて端子間電圧や温度の平均値を算定し、いずれかのコンデンサ・モジュールについて検出された端子間電圧や温度が上記各平均値の上下に設定した上限値と下限値の範囲を逸脱したか否かによって行われる。
【００１５】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の蓄電装置の構成を示す機能ブロック図である。本実施例の蓄電装置は、直並列接続された電気二重層コンデンサ・モジュール群から構成されるコンデンサ・アレイＣＧと、このコンデンサ・アレイＣＧから劣化モジュールを分離したり、充電電源の種類などに応じてコンデンサ・アレイＣＧ内のコンデンサ・モジュールの直並列の接続状態を変更したりする電子制御ユニットＥＣＵと、劣化モジュールの発生やこの劣化モジュールの識別子を表示したりする表示部ＤＰとから構成されている。
【００１６】
電気二重層コンデンサの直並列接続によって構成されるコンデンサ・アレイＣＧは、図２に例示するように、全体が適宜な個数の電気二重層コンデンサ・モジュールの群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３・・・に分割されると共に、各電気二重層コンデンサ・モジュールの群は電子制御ユニットＥＣＵに連なる制御信号線ＣＬ１，ＣＬ２を介し、この電子制御ユニットＥＣＵによって制御されるスイッチＳＷ１，ＳＷ２の切替えにより、直並列の接続の変更が可能なように接続されている。
【００１７】
すなわち、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が図２に例示するように切替えられることにより、各電気二重層コンデンサ・モジュールの群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３・・・は互いに直列に接続される。これに対して、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が図示とは反対の状態になるように切替えられることにより、各群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３・・・は互いに並列に接続される。各群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３・・・の内部でも、更に小数の電気二重層コンデンサ・モジュールの群が図２に示したと同様に直並列接続されており各群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３・・・について直列から並列へと接続変更が行われると同時に、各群内においても同様の接続変更が行われる。
【００１８】
図３は、直並列接続される電気二重層コンデンサの最小単位である電気二重層コンデンサ・モジュール１０の構成を示す等価回路図であり、図４はこの電気二重層コンデンサ・モジュールの外観を示す斜視図である。この電気二重層コンデンサ・モジュール１０は、大容量の電気二重層コンデンサ・セルＣと、正負端子Ｔ１，Ｔ２と、これら正負端子Ｔ１，Ｔ２間に電気二重層コンデンサ・セルＣを接続するための主電路ＭＰとに加えて、バイパス電路ＢＰと、このバイパス電路ＢＰと主電路ＭＰの一方を選択して正端子Ｔ１に接続するスイッチＳＷと、このスイッチＳＷに選択のための制御信号を供給する制御信号線ＣＬと、この制御信号をこの電気二重層コンデンサ・モジュール１０の外部の電子制御ユニットＥＣＵから受ける制御端子ＣＮＴを備えている。
【００１９】
この電気二重層コンデンサ・モジュール１０は、更に、制御信号線ＣＬを電気二重層コンデンサ・セルＣの負端子に接続する抵抗器Ｒと、電気二重層コンデンサ・セルＣの端子間電圧を外部からモニタするための電圧モニタ線ｍ１，ｍ２と、電圧モニタ端子Ｍ１，Ｍ２と、電気二重層コンデンサ・セルＣの動作温度を検出するための熱電対ＴＨと、この熱電対ＴＨの端子間電圧をこの電気二重層コンデンサ・モジュール１０の外部の電子制御ユニットＥＣＵからモニタするための電圧モニタ端子Ｍ３，Ｍ４とを備えている。
【００２０】
この電気二重層コンデンサ・モジュール１０の動作中は、電子制御ユニットＥＣＵから制御端子ＣＮＴに正電圧の制御信号が供給され、スイッチＳＷが図示のように切替えられ、電気二重層コンデンサＣの端子間電圧が正端子Ｔ１と負端子Ｔ２との間に出現する。この動作期間内は、電気二重層コンデンサＣの端子間電圧と動作温度とが、モニタ端子（Ｍ１，Ｍ２）、（Ｍ３，Ｍ４）と、これらのモニタ端子を電子制御ユニットＥＣＵに接続するためのモニタ信号線とを通して、電子制御ユニットＥＣＵ（図１）によって一定の周期でモニタされる。
【００２１】
電子制御ユニットＥＣＵは、各モニタ信号線が引き込まれている入力ポート番号をこの入力ポートに接続される対応の電気二重層コンデンサ・モジュールのモジュール番号ｉ（＝１，２，３・・・ｎ）として管理する。電子制御ユニットＥＣＵは、図５に例示するように、各電気二重層コンデンサ・モジュールからモニタした端子間電圧Ｖｉと動作温度Ｔｉとをモジュール番号ｉに対応付けて内蔵のメモリ上に形成したモジュール状況管理テーブル内で管理する。
【００２２】
電子制御ユニットＥＣＵは、各コンデンサ・モジュールについてモニタした端子間電圧Ｖｉからコンデンサ・アレイ内に接続中の全てのコンデンサ・モジュールについての平均値Ｖａｖを算定し、さらに、この平均値に１よりも大きな所定の定数αと、１よりも小さな所定の定数βとを乗算することにより、それぞれ、許容上限値Ｖｍａｘ（＝αＶａｖ）と、許容下限値Ｖｍｉｎ（＝βＶａｖ）とを算定し、モジュール状況管理テーブル内に書き込む。
【００２３】
同様に、電子制御ユニットＥＣＵは、各コンデンサ・モジュールについてモニタした動作温度Ｔｉから全てのコンデンサ・モジュールについての平均値Ｔａｖを算定し、さらに、この平均値に１よりも大きな所定の定数γと、１よりも小さな所定の定数δとを乗算することにより、それぞれ許容上限値Ｔｍａｘ（＝γＴａｖ）と、許容下限値Ｔｍｉｎ（＝δＴａｖ）とを算定しモジュール状況管理テーブル内に書き込む。
【００２４】
電子制御ユニットＥＣＵは、各コンデンサ・モジュールについて端子間電圧Ｖｉと動作温度Ｔｉのモニタと、平均値及び許容上限／下限値の算定が終了するたびに、新たにモニタした端子間電圧Ｖｉと動作温度Ｔｉについて、これらがいずれも対応の許容下限値と許容上限値の間に存在するか否かを検査する。電子制御ユニットＥＣＵは、端子間電圧又は動作温度がそれぞれの許容下限値未満と許容下限値の間に存在しないコンデンサ・モジュールを検出すると、このコンデンサ・モジュールを劣化モジュールと見做して、コンデンサ・アレイＣＧから切り離す。
【００２５】
図６は、上記モジュール状況管理テーブル内で管理される各コンデンサ・モジュールの端子間電圧の平均値と、許容上限／下限値の時間変化の様子を示す概念図である。各コンデンサ・モジュールの端子間電圧は、これらによって構成される車両用蓄電装置の放電の進行に伴って時間の経過と共に低下してゆくが、それぞれの平均値に一定値を乗算したハッチングを付して示す許容上下限値の範囲という相対的な値に基づいて個々のモジュールの劣化が検出されるため、検出の確度は高い値に保たれる。
【００２６】
各コンデンサ・モジュールについて、その端子間電圧だけでなく動作温度からも劣化が判定できるのは、次のような理由による。すなわち、いずれかのコンデンサ・モジュール内の電気二重層コンデンサ・セルＣの劣化に伴いその直列抵抗が増大すると、ジュール熱損が増加してその電気二重層コンデンサ・セルＣの動作温度が上昇する。逆に、いずれかのコンデンサ・モジュール内で生じた断線などによる開放性の故障に伴って電気二重層コンデンサ・セルＣに流れる電流がゼロになると、ジュール発熱が消失し、このコンデンサモジュールの動作温度が正常なコンデンサ・モジュールの動作温度に比べて低下する。このように、各コンデンサ・モジュールの動作温度をモニタすることによっても劣化を検出できる。
【００２７】
電子制御ユニットＥＣＵは、劣化と見做したコンデンサ・モジュールをコンデンサ・アレイＣＧから切り離す。すなわち、電子制御ユニットＥＣＵは、劣化と判定したコンデンサ・モジュール１０の制御端子ＣＮＴ（図３）に連なる信号線上に出力中の正電圧をゼロにする。これに伴い、このコンデンサ・モジュール内では、主電路ＭＰの代わりにバイパス電路ＢＰがスイッチＳＷを通して正端子Ｔ１に接続され、正負端子Ｔ１，Ｔ２間はバイパス電路ＢＰによって短絡される。この結果、劣化と判定されたコンデンサ・モジュールは、図１のコンデンサ・アレイＣＧから切り離される。
【００２８】
なお、一旦劣化と見做されて切り離されたコンデンサ・モジュール内で、静電気の発生や誘導雑音などに起因して正電圧が制御端子ＣＮＴに出現してスイッチＳＷが動作し、このコンデンサ・モジュールがコンデンサ・アレイＣＧに再接続されてしまうことを防ぐために、制御信号線ＣＬと、電気二重層コンデンサ・セルＣの負端子に接続される主電路ＭＰとの間に抵抗器Ｒが接続されている。静電気や誘導雑音などに起因して短時間にわたって制御信号線ＣＬ上に出現する正電圧は、抵抗器Ｒを通して主電路ＭＰ上に放電され、消滅する。なお、抵抗器の代わりに、数十μＦ程度の静電容量を有する汎用のコンデンサを制御信号線ＣＬと主電路ＭＰとの間に接続することによって同様の目的を達することができる。
【００２９】
電子制御ユニットＥＣＵは、劣化と見做してコンデンサ・アレイＣＧから切り放したコンデンサ・モジュールについては、これが劣化によって切り離されたことを示す劣化フラグＦをモジュール状況管理テーブル内の対応のモジュール番号の位置に書込む。図５は、モジュール番号３のコンデンサ・モジュールが劣化状態にある場合を例示している。この劣化の状況は、表示部ＤＰ（図１）に読み出され、一部のコンデンサ・モジュールに劣化が発生した旨の表示と、この劣化によって切り離されたコンデンサ・モジュールのモジュール番号が液晶表示パネルなどに表示される。
【００３０】
図３のスイッチＳＷの具体的な一例は、図７に示すように、大電力用電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２と、インバータＩＮＶから構成されている。制御電圧線ＣＬ上に一定のレベルの正電圧が出現すると、ＦＥＴ１はオン状態、ＦＥＴ２はオフ状態となり、主電路ＭＰはＦＥＴ１を通して正端子Ｔ１に接続される。制御信号線ＣＬ上から一定のレベルの正電圧が消滅すると、ＦＥＴ１はオフ状態、ＦＥＴ２はオン状態となり、バイパス電路ＢＰがＦＥＴ２を通して正端子Ｔ１に接続され、この素子の端子Ｔ１，Ｔ２間はバイパス電路ＢＰを通してバイパスされる。
【００３１】
ＥＣＵは、この蓄電装置の充電時には、充電電圧の大きさに応じて、コンデンサ・アレイＣＧを構成する群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３・・・や各群内のコンデンサ・モジュールの直並列の接続状態を変更する。また、ＥＣＵは、車両走行時の放電期間内には、ＤＣ／ＤＣコンバータに接続されるこの蓄電装置の出力端子（図示せず）の端子電圧を検出し、この出力端子電圧がある程度以下に降下したことを検出すると、並列接続状態を直列接続状態に移行させることにより蓄電装置の出力端子の電圧の降下を補償する。
【００３２】
このような目的のためには、直並列の接続の切替えを多段階にわたって行う構成とするすることにより、放電期間中の出力端子の電圧を多段階にわたって変更することが一層望ましい。また、充電期間中の充電入力端子の電圧の上昇の状況に応じて、直並列の切替えを多段階にわたって行うことにより、充電の進行状況に応じて端子電圧を変更することも可能になる。
【００３３】
以上、各コンデンサ・モジュールについてその端子間電圧と動作温度とをモニタし、いずれか一方が異常の場合には劣化と判定する構成を例示した。しかしながら、各コンデンサ・モジュールについて、その端子間電圧のみをモニタして劣化を判定したり、動作温度のみをモニタして劣化を判定したり、あるいは双方をモニタし双方が異常の場合にのみ劣化が発生したと判定したりする構成を採用することもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の蓄電装置は、直並列に接続される各コンデンサ・モジュールの端子電圧又は動作温度の少なくとも一方をモニタし、これらの少なくとも一方が異常な値を示すコンデンサ・モジュールを劣化モジュールと見做してコンデンサ・アレイから分離する監視・制御部を備える構成であるから、劣化の判定が直接的でそのぶん判定の確度が向上すると共に、車両走行中の電子制御ユニットなどによる劣化モジュールの自動判定と自動切替えとが可能になるという効果が奏される。
【００３５】
本発明によれば、コンデンサ・アレイＣＧに接続中の全てのコンデンサ・モジュールについて端子間電圧や動作温度の平均値を算定し、いずれかのコンデンサ・モジュールについて検出された端子間電圧や動作温度がこの算定した平均値の上下に設定した上限値と下限値の範囲を逸脱したことをもって異常と判定する構成であるから、従来の蓄電池とは異なり充放電の進行状況に応じて端子間電圧が大幅に変動する蓄電用コンデンサを利用する蓄電装置や、走行地域や季節などに依存して温度が大幅に変動する車両用の蓄電装置について、極めて高確度の劣化判定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の蓄電装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】上記実施例の直並列接続部ＣＧの接続変更のための構成の一例を示す等価回路図である。
【図３】上記実施例の最小単位の電気二重層コンデンサを含む素子の外観を示す斜視図である。
【図４】上記素子の外観を示す斜視図である。
【図５】図１の電子制御ユニットＥＣＵが各素子の状態を集中管理するための管理テーブルの内容の一例を示す概念図である。
【図６】上記管理テーブルによって管理される各コンデンサ・モジュールの端子電圧の時間変化の様子を示す概念図である。
【図７】図３のスイッチＳＷの具体的な構成の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
ＣＧ電気二重層コンデンサの直並列接続たら構成されるコンデンサ・アレイ
ＥＣＵ電子制御ユニット
ＤＰ表示部
１０コンデンサ・モジュール
Ｃ電気二重層コンデンサ・セル
Ｔ１，Ｔ２正負端子
ＭＰ主電路
ＢＰバイパス電路
ＳＷスイッチ
ＣＮＴ制御端子

Claims

蓄電用コンデンサを含むコンデンサ・モジュールが複数直並列接続されたコンデンサ・アレイと、前記各コンデンサ・モジュールの端子間電圧と温度を検出し、検出した端子間電圧と温度の双方又は一方が異常なコンデンサ・モジュールを劣化モジュールと見做して前記コンデンサ・アレイから分離する監視・制御部とを備えたことと、
この監視・制御部が前記直並列接続された全ての前記コンデンサ・モジュールについて端子間電圧と温度の平均値を算定し、いずれかのコンデンサ・モジュールについて検出された端子間電圧と温度の双方又は一方が前記各平均値の上下に設定した上限値と下限値の範囲を逸脱したことをもって前記異常と判定すること
とを特徴とする蓄電装置。
蓄電用コンデンサを含むコンデンサ・モジュールが複数直並列接続されたコンデンサ・アレイと、前記各コンデンサ・モジュールの端子間電圧を検出し、この検出した端子間電圧が異常なコンデンサ・モジュールを劣化モジュールと見做して前記コンデンサ・アレイから分離する監視・制御部とを備えたことと、
この監視・制御部が前記直並列接続された全ての前記コンデンサ・モジュールについて端子間電圧の平均値を算定し、いずれかのコンデンサ・モジュールについて検出された端子間電圧が前記平均値の上下に設定した上限値と下限値の範囲を逸脱したことをもって前記異常と判定すること
を特徴とする蓄電装置。
蓄電用コンデンサを含むコンデンサ・モジュールが複数直並列接続されたコンデンサ・アレイと、前記各コンデンサ・モジュールの温度を検出し、この検出した温度が異常なコンデンサ・モジュールを劣化モジュールと見做して前記コンデンサ・アレイから分離する監視・制御部とを備えたことと、
この監視・制御部が前記直並列接続された全ての前記コンデンサ・モジュールについて温度の平均値を算定し、いずれかのコンデンサ・モジュールについて検出された温度が前記平均値の上下に設定した上限値と下限値の範囲を逸脱したことをもって前記異常と判定すること
を特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至３のそれぞれにおいて、
前記蓄電用コンデンサは電気二重層コンデンサであることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記監視・制御部は、前記劣化と見做したモジュールが出現したことを表示する表示手段を備えたことを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記監視・制御部の表示手段は、前記劣化と見做したコンデンサ・モジュールの識別子を表示する手段を更に備えたことを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記各コンデンサ・モジュールの内部にはバイパス電路とスイッチとが設けられており、前記コンデンサ・アレイからの前記劣化と見做したモジュールの分離は、この劣化と見做したモジュール内のスイッチの切替えによるバイパス電路の形成によって行われることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記コンデンサ・アレイ内の各コンデンサ・モジュールの直並列の接続状態は、前記監視・制御部の制御によって変更可能であることを特徴とする蓄電装置。