JP2008232989A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速に蓄電素子の劣化判断ができる高信頼な蓄電装置を提供すること。
【解決手段】複数の蓄電素子３１からなる蓄電部２９に充放電スイッチ２５を設けるとともに、各蓄電素子３１の両端にショートスイッチ３３を、各蓄電素子３１の正極に蓄電素子電圧検出回路３５を設けた構成を有し、蓄電部２９の劣化判断時に充放電スイッチ２５をオフにした後、任意の蓄電素子３１の両端電圧（Ｖｃａ）を蓄電素子電圧検出回路３５から求め、前記任意の蓄電素子３１のショートスイッチ３３を既定時間（ｔ）の間、オンにした後オフにし、再度、両端電圧（Ｖｃｂ）を求めて電圧変化率（Δ）を計算し、劣化限界範囲と比較して劣化を判断する動作を、全蓄電素子３１に対し順次行い、いずれかの蓄電素子３１の電圧変化率（Δ）が前記劣化限界範囲を超えれば、蓄電部２９が劣化していると判断して、充放電スイッチ２５をオフのままにするようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電部から電力を供給する蓄電装置に関するものである。

近年、環境への配慮や燃費向上のためにハイブリッド車が市販されている。これは、自動車（以下、車両という）をエンジンだけでなくモータによっても駆動するので、効率が向上し、低燃費化を実現できる。このハイブリッド車はモータを駆動するために大電力を扱う蓄電装置が必要となる。蓄電装置はモータを駆動するだけでなく、制動時の回生エネルギーを蓄える動作を行っている。これにより、制動エネルギーを有効利用できるので、低燃費化が可能となる。

このような蓄電装置に使用される蓄電素子として、通常のモータ駆動に用いられる二次電池に加え、急加速時に大電力を供給するため、例えば急速充放電が可能なキャパシタを併用する構成が考案されている。しかし、キャパシタは車両の使用中に何度も短時間に充放電が繰り返されるので、高信頼性を得るにはキャパシタの劣化判断が重要となる。キャパシタの劣化判断装置としては、例えば下記特許文献１に記載されたものが提案されている。

図５はキャパシタの劣化判断装置の概略回路図である。なお、図５は電動車両のモータ駆動回路におけるインバータに設けられた平滑用コンデンサの劣化判断装置を示す。図５において、車両駆動用のモータ１０１はバッテリ１０３の電力によって駆動される。この電力をモータ１０１に供給し駆動するために、モータ１０１とバッテリ１０３の間にはインバータ１０５が接続されている。また、インバータ１０５の電力入力側には、その両端に平滑用コンデンサ１０７が接続されるとともに、バッテリ１０３の電力をインバータ１０５に供給するためのモータコンタクタ１０９が接続されている。さらに、インバータ１０５を制御するために、インバータ１０５の入力電圧や入力電流を求める電圧センサ１１１と電流センサ１１３が図５に示すように接続されている。

平滑用コンデンサ１０７の劣化判断のための構成としては、平滑用コンデンサ１０７を充電するためのプリチャージコンタクタ１１５とプリチャージ抵抗１１７が直列接続された状態でモータコンタクタ１０９の両端に接続されている。また、平滑用コンデンサ１０７を放電するためのディスチャージコンタクタ１１９とディスチャージ抵抗１２１が直列接続された状態で平滑用コンデンサ１０７の両端に接続されている。

また、電圧センサ１１１と電流センサ１１３の電圧値、電流値からインバータ１０５を制御するために電子制御ユニット１２３が接続されている。電子制御ユニット１２３は他にもモータコンタクタ１０９、プリチャージコンタクタ１１５、ディスチャージコンタクタ１１９のオンオフ制御等も行っている。

次に、このようなキャパシタの劣化判断装置における動作について説明する。電子制御ユニット１２３は車両起動時に、モータコンタクタ１０９がオフの状態でプリチャージコンタクタ１１５をオンにする。その結果、プリチャージ抵抗１１７により電流制限された状態で平滑用コンデンサ１０７が充電される。この時、電圧センサ１１１で平滑用コンデンサ１０７の電圧増加率を検出し、所定値を超えれば平滑用コンデンサ１０７が劣化したと判断する。また、車両使用終了時にモータコンタクタ１０９をオフにした後、ディスチャージコンタクタ１１９をオンにして平滑用コンデンサ１０７を放電する。この時の放電電流はディスチャージ抵抗１２１により制限される。この際、電圧センサ１１１で平滑用コンデンサ１０７の電圧減少率を検出し、所定値を超えれば平滑用コンデンサ１０７が劣化したと判断する。このようにして平滑用コンデンサ１０７の劣化判断を行っている。
特開平９−１９００３号公報

上記のキャパシタ劣化判断装置によると、確かに平滑用コンデンサ１０７の劣化判断ができるのであるが、この装置をハイブリッド車の蓄電装置に内蔵される蓄電素子に適用すると、次のような課題があった。

蓄電装置には車両を駆動できる程度の電力供給能力が要求されるので、蓄電素子として例えば大容量の電気二重層キャパシタが用いられる。しかし、電気二重層キャパシタの定格電圧は２Ｖ強であるが、その寿命を考慮すると車両使用時の電気二重層キャパシタへの充電電圧は２Ｖ程度に抑制しておく必要がある。従って、モータ駆動電圧を得るためには、１００個オーダーの蓄電素子を直列、または直並列接続する構成となる。電気二重層キャパシタからなる蓄電素子は直列接続数が増えるほど容量が減るので、電気二重層キャパシタとしては１個当たり数１００Ｆ（ファラッド）以上のものを用いる必要がある。

このような背景から、ここでは仮に正常時の容量値が６００Ｆ、劣化限界時（これ以上劣化すれば蓄電装置として使用できない状態）の容量値が４２０Ｆとなる蓄電素子を用いて、上記のキャパシタ劣化判断装置を放電時に適用した場合について考える。なお、他のパラメータとして、蓄電素子の正常時における内部抵抗値を０．１ｍΩ、劣化限界時の内部抵抗値を０．２ｍΩ、満充電電圧を２Ｖとする。また、劣化判断時の放電電流を低減するために、ディスチャージ抵抗１２１の抵抗値を１００Ωとする。

放電時の蓄電素子両端電圧Ｖの経時変化は、（１）式で表される。

Ｖ＝（Ｑ／Ｃ）・ｅｘｐ（−ｔ／Ｒ／Ｃ） （１）
ここで、Ｑは蓄電された電荷量（クーロン）、Ｃは容量値（Ｆ）、ｔは時間（秒）、Ｒは抵抗値（Ω）である。従って、放電時の蓄電素子両端電圧Ｖは指数関数的に低下することになる。なお、（１）式に代入する値は次の通りである。

蓄電された電荷量ＱはＱ＝Ｃ・Ｖで表されるが、ここでＶは満充電電圧であるので２Ｖになる。また、Ｃは上記の通り、正常時で６００Ｆ、劣化限界時で４２０Ｆである。従って、正常時はＱ＝１２００クーロン、劣化限界時はＱ＝８４０クーロンとなる。容量値Ｃは上記の通りである。抵抗値Ｒはディスチャージ抵抗１２１の抵抗値と蓄電素子の内部抵抗値との和となるが、ここでは前者が１００Ω、後者が０．１〜０．２ｍΩであるので、内部抵抗値は無視できる。従って、抵抗値Ｒは１００Ωとした。

これらのパラメータを（１）式に代入して計算した正常時と劣化限界時における蓄電素子両端電圧Ｖの経時変化特性図を図６に示す。図６において、横軸はディスチャージコンタクタ１１９のオン時間ｔ（秒）、縦軸は蓄電素子両端電圧Ｖをそれぞれ示す。また、正常時の特性を実線で、劣化限界時の特性を点線で示す。

図６から明らかなように、蓄電素子両端電圧Ｖは経時的に低下していくことがわかる。また、正常時（実線）と劣化限界時（点線）において、それぞれの傾き（電圧減少率）が異なることから、原理的には従来のキャパシタ劣化判断装置でも劣化判断が可能であることがわかる。

ここで、一般的に用いられる汎用マイクロコンピュータで電子制御ユニット１２３を構成した場合、それに内蔵されるＡＤコンバータの入力分解能は通常１０ビット程度であるので、電圧センサ１１１の出力電圧が０〜２Ｖとすれば、電子制御ユニット１２３の電圧読み込み分解能は２Ｖ／２¹⁰≒２ｍＶとなる。従って、電子制御ユニット１２３は２ｍＶ単位でしか電圧を読み込むことができない。

この点に基づいて図６を参照すると、電子制御ユニット１２３の電圧読み込み分解能（＝２ｍＶ）以上の正常時と劣化限界時の傾き差を得るには、図中に縦点線で示したように１４０秒（２分強）程度かかることがわかる。すなわち、傾きを求めるための始点の座標（０秒、２Ｖ）は共通であり、終点の座標は時間１４０秒において正常時で（１４０秒、約１．９９５Ｖ）、劣化限界時で（１４０秒、約１．９９３Ｖ）となるので、１４０秒での両者の蓄電素子両端電圧Ｖの差（傾きの差に相当）は約２ｍＶとなる。これは電子制御ユニット１２３の電圧読み込み分解能と等しい値であるので、従来のキャパシタ劣化判断装置で車両用の大容量電気二重層キャパシタの劣化判断を行うには最低でも２分以上経過しないと、正常時と劣化限界時の傾きの差を検出できない。さらに、回路ノイズやＡＤコンバータの誤差等を考慮すると、２ｍＶの電圧読み込みに対する精度は不十分であるので、少なくとも分解能（２ｍＶ）の５倍である１０ｍＶ程度の有意な電圧差が得られるまで待つ必要がある。この場合の劣化判断時間は約１２分となる。

また、上記計算は蓄電素子１個当たりについてであり、前記したように１００個オーダーもの蓄電素子に対し、それぞれ有意な劣化判断を行うと、劣化判断のために２０時間程度もかかることになる。

これらのことから、従来のキャパシタ劣化判断装置は、複数の大容量蓄電素子の劣化判断を行うためには時間がかかりすぎるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高速に蓄電素子の劣化判断ができる高信頼な蓄電装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄電装置は、複数の蓄電素子の直列、または直並列接続構成を有する蓄電部と、前記各蓄電素子の両端、または並列接続された前記蓄電素子を一まとめにした各蓄電素子群の両端に接続され、所定の内部抵抗値を有するショートスイッチと、前記各蓄電素子同士、または前記各蓄電素子群同士の接続点、および前記蓄電部の正極に接続された蓄電素子電圧検出回路と、前記ショートスイッチ、および蓄電素子電圧検出回路が接続された制御部とを備え、前記制御部は前記蓄電部の電圧（Ｖ１）が既定範囲内であり、かつ前記蓄電部が充放電していない時に、任意の前記蓄電素子、または任意の前記蓄電素子群の両端電圧（Ｖｃａ）を、前記蓄電素子電圧検出回路から求め、前記ショートスイッチを既定時間（ｔ）の間、オンにした後オフにし、再度、前記任意の蓄電素子、または前記任意の蓄電素子群の両端電圧（Ｖｃｂ）を、前記蓄電素子電圧検出回路から求め、前記両端電圧（Ｖｃａ、Ｖｃｂ）と前記既定時間（ｔ）から電圧変化率（Δ）を計算し、前記電圧変化率（Δ）と、前記電圧変化率（Δ）の劣化限界範囲とを比較して劣化を判断する動作を、全ての前記蓄電素子、または前記蓄電素子群に対して順次行い、いずれかの前記蓄電素子、または前記蓄電素子群の前記電圧変化率（Δ）が前記劣化限界範囲を超えれば、前記蓄電部が劣化していると判断するようにしたものである。

本発明の蓄電装置によれば、従来のディスチャージ抵抗を廃し、各蓄電素子の劣化を判断する際に、その両端をショートスイッチによりほぼショートするようにしたので、大電流が流れることによりすぐに蓄電素子両端電圧が低下していく。その結果、正常時と劣化限界時における有意な傾きの差が短時間で得られ、蓄電素子全体に対する劣化判断を高速に行える高信頼な蓄電装置を実現できるという効果が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、蓄電装置をハイブリッド車の主電源補助用として用いた場合について述べる。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における蓄電装置の蓄電素子を直列接続した際のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態における蓄電装置の劣化判断時の蓄電素子両端電圧の経時変化図である。図３は、本発明の実施の形態における蓄電装置の劣化判断時のフローチャートである。図４は、本発明の実施の形態における蓄電装置の蓄電素子を直並列接続した際のブロック回路図である。なお、図１と図４の太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。

図１において、蓄電装置１１は主電源１５と負荷１７との間に接続されている。主電源１５は二次電池であり、負荷１７は車両駆動用のモータである。従って、通常のモータ駆動時は主電源１５の電力を負荷１７に供給するが、急加速時等で負荷１７が短時間に大電力を消費する時には蓄電装置１１から負荷１７に電力が供給される構成となる。

蓄電装置１１は次の構成を有する。まず、主電源１５の出力には、その電圧Ｖｂを検出する主電源電圧検出回路２１が接続されている。主電源電圧検出回路２１の電力系配線（太線）の入力側と出力側は同電圧になるよう接続されている。

主電源電圧検出回路２１と負荷１７の間には切替スイッチ２３が接続されている。切替スイッチ２３はオン、オフの２つの状態を有するものであり、本実施の形態ではアノードを主電源電圧検出回路２１に、カソードを負荷１７に接続したダイオードを用いた。

切替スイッチ２３と負荷１７の接続点には充放電スイッチ２５の一端が接続されている。充放電スイッチ２５は外部からオンオフ制御が可能な構成を有し、本実施の形態ではＦＥＴを用いた。また、充放電スイッチ２５の他端には電力を蓄える蓄電部２９の正極側が接続されている。従って、充放電スイッチ２５をオンにすることで、蓄電部２９の充放電が可能となる。

蓄電部２９は複数の蓄電素子３１を直列に接続した構成を有する。また、蓄電素子３１には定格電圧が２．２Ｖで、正常時の容量値が６００Ｆの電気二重層キャパシタを用いた。

各蓄電素子３１の両端には、それぞれショートスイッチ３３が接続されている。ショートスイッチ３３は所定の内部抵抗値（本実施の形態では１０ｍΩとした）を有するＦＥＴで構成される。このＦＥＴには後述するように２００Ａ程度の電流が流れるので、大電流対応型のＦＥＴを用いた。このように、ショートスイッチ３３を各蓄電素子３１の両端に接続する構成としたので、従来のようにディスチャージ抵抗が不要となり回路構成が簡単になるとともに、低コスト化が可能となる。

各蓄電素子３１同士の接続点、および蓄電部２９と充放電スイッチ２５の接続点には、それぞれ蓄電素子電圧検出回路３５が接続されている。蓄電素子電圧検出回路３５は前記各接続点の電圧を、後述する制御部に内蔵されたＡＤコンバータが読み込める電圧に比例変換するもので、簡単には２個の抵抗器を直列接続し、その中点電圧を出力する構成とすればよい。

また、蓄電部２９には温度センサ３７が設けられている。温度センサ３７としては、例えば温度変化を抵抗値変化として出力するサーミスタを用いた。これにより、蓄電部２９の温度を検出している。

主電源電圧検出回路２１、充放電スイッチ２５、ショートスイッチ３３、蓄電素子電圧検出回路３５、および温度センサ３７は信号系配線で制御部４１にも接続されている。但し、ショートスイッチ３３と蓄電素子電圧検出回路３５は複数存在するので、それぞれショートスイッチ選択マルチプレクサ４３、および電圧検出用マルチプレクサ４５を介して制御部４１に接続されている。なお、ショートスイッチ選択マルチプレクサ４３は複数のショートスイッチ３３の内の１つを選択して、そのオンオフ制御を行う。また、電圧検出用マルチプレクサ４５は複数の蓄電素子電圧検出回路３５の内の１つを選択して、その電圧を出力する。

制御部４１はマイクロコンピュータから構成されており、蓄電装置１１の全体の動作を制御している。すなわち、制御部４１は主電源電圧検出回路２１の出力から主電源１５の電圧Ｖｂを、温度センサ３７の出力から蓄電部２９の温度Ｔを、また電圧検出用マルチプレクサ４５を介して任意の蓄電素子電圧検出回路３５の電圧Ｖｉをそれぞれ読み込む。なお、制御部４１は蓄電素子電圧検出回路３５を選択するために、蓄電素子電圧検出回路選択信号Ｖｓｅｌを電圧検出用マルチプレクサ４５に送信する。また、制御部４１は充放電スイッチ２５に充放電スイッチオンオフ信号ＯＦを送信することで充放電スイッチ２５のオンオフ制御を行うとともに、ショートスイッチ選択マルチプレクサ４３にショートスイッチ選択信号Ｓｓｅｌを送信してショートスイッチ３３を選択し、ショートスイッチオンオフ信号ＨＬを送信することでショートスイッチ３３のオンオフ制御を行う。さらに、制御部４１は車両用制御回路（図示せず）とデータ信号ｄａｔａの送受信を行うことで互いに交信する機能を有している。

次に、従来の図６と対比するために、このような蓄電装置１１における蓄電素子３１の正常時と劣化限界時の放電特性を計算する。計算式は（１）式を用い、計算の前提条件は従来と同じである。すなわち、蓄電素子３１の容量値Ｃは正常時６００Ｆ、劣化限界時４２０Ｆ、内部抵抗値は正常時０．１ｍΩ、劣化限界時０．２ｍΩとする。また、満充電電圧Ｖを２Ｖとする。従って、（１）式における電荷量Ｑは正常時１２００クーロン、劣化限界時８４０クーロンとなる。また、ショートスイッチ３３の内部抵抗値は１０ｍΩであるので、抵抗値Ｒは蓄電素子３１の内部抵抗値とショートスイッチ３３の内部抵抗値を合計した値、すなわち正常時は１０．１ｍΩ、劣化限界時は１０．２ｍΩとなる。

これらのパラメータを（１）式に代入して計算した正常時と劣化限界時における蓄電素子両端電圧Ｖの経時変化特性図を図２に示す。図２において、横軸はショートスイッチ３３のオン時間ｔ（秒）、縦軸は蓄電素子両端電圧Ｖをそれぞれ示す。また、図６と同様に、正常時の特性を実線で、劣化限界時の特性を点線で示す。

図２から明らかなように、蓄電素子両端電圧Ｖは経時的に低下していき、正常時（実線）と劣化限界時（点線）において、それぞれの傾き（電圧変化率）が異なることから、蓄電素子３１の劣化判断が可能であることがわかる。

ここで、従来例で説明したように制御部４１に内蔵されたＡＤコンバータの分解能を１０ビットとした時、回路ノイズや読み込み誤差の影響を考慮した正常時と劣化限界時の有意な電圧差（傾きの差）である１０ｍＶが得られる時間は、図２の縦点線に示したように約０．０８秒であることがわかる。従って、ショートスイッチ３３をオンにしてから０．０８秒後に蓄電素子３１の劣化を判断することができる。これにより、蓄電部２９に１００個オーダーの蓄電素子３１が内蔵されていても、それら全ての劣化判断を８秒程度で終了することができ、従来に比べ極めて高速に劣化判断ができることがわかる。

なお、劣化判断に要する時間は抵抗値Ｒが小さいほど早くなるので、抵抗値Ｒの大部分を占めるショートスイッチ３３の内部抵抗値を小さくすれば早く劣化判断を終了することができる。しかし、前記内部抵抗値を小さくするほど、ショートスイッチ３３をオンにした時の突入電流（＝Ｖ／Ｒ）が大きくなりショートスイッチ３３が破壊する可能性が高くなる。一方で抵抗値Ｒが大きくなると劣化判断時間が長くなる。そこで、本実施の形態ではシュートスイッチ３３が破壊せず、かつ劣化判断をできるだけ早く行うために、ショートスイッチ３３に用いるＦＥＴの定格電流を２００Ａとし、突入電流がそれと同等になるような所定の内部抵抗値を有するＦＥＴを用いた。具体的には、最大突入電流が流れる満充電時の蓄電素子３１の両端電圧が２Ｖ、突入電流を２００Ａとすると、抵抗値Ｒは１０ｍΩとなるので、内部抵抗値が１０ｍΩのＦＥＴを用いた。なお、使用したＦＥＴの定格電流は２００Ａであるので、許容電流はそれよりさらに大きい値を有する。

次に、このような蓄電装置１１の動作について説明する。

まず、通常の蓄電装置１１の動作を述べる。運転者がイグニションキー（図示せず）をオンにすると、蓄電装置１１が起動する。この際、蓄電部２９を満充電にするために、制御部４１は充放電スイッチ２５をオンにするよう充放電スイッチオンオフ信号ＯＦを送信する。これにより、充放電スイッチ２５がオンになり、蓄電部２９が切替スイッチ２３のカソード側と接続されたことになる。この際、蓄電部２９は車両非使用時の自己放電等により満充電状態ではないので、蓄電部２９の電圧は主電源１５の電圧Ｖｂより低くなる。従って、切替スイッチ２３が自動的にオンになり蓄電部２９が満充電される。

その後、車両使用時の加速等により負荷１７が大電流を消費したとする。この場合、主電源１５からの電力だけではこのような瞬発的な大電流を供給できない。そこで、本実施の形態では、大電流消費により主電源１５の電圧Ｖｂが低下すると、満充電された蓄電部２９の電圧の方が高くなるので、切替スイッチ２３がオフになり、蓄電部２９の電力が負荷１７に供給される。この際、蓄電素子３１は急速充放電に優れるため、負荷１７に瞬発的な大電流を供給することができる。また、切替スイッチ２３はオフなので、蓄電部２９から主電源１５に電流が流れることがなく、蓄電部２９に蓄えた電力を有効に負荷１７に供給できる。但し、蓄電部２９の電圧は経時的に低下していくので、切替スイッチ２３がオフになっている間に回復した主電源１５の電圧Ｖｂの方がいずれ高くなる。その時には切替スイッチ２３がオンになり、負荷１７へは主電源１５から電力が供給される。また、この時に蓄電部２９から放電された電力を補うために、主電源１５により蓄電部２９が満充電され、次の加速等に備える。

このような動作を繰り返すことにより、蓄電部２９の電力は補助的に負荷１７に供給されることになる。

次に、蓄電装置１１の劣化判断動作について、図３のフローチャートにより説明する。なお、制御部４１はメインルーチン（図示せず）から必要に応じて様々なサブルーチンを実行することにより全体の動作を行うソフトウエア構成としているので、図３に示すフローチャートをサブルーチンの形態で示した。

制御部４１は、定期的に図３のサブルーチンを実行する。これにより、まず主電源電圧検出回路２１により主電源１５の電圧Ｖｂを読み込み（Ｓ１）、電圧Ｖｂと既定値を比較する（Ｓ３）。なお、既定値は前記したように負荷１７を駆動できる最低電圧である。もし、電圧Ｖｂが既定値以下であれば（Ｓ３のＹｅｓ）、負荷１７が急加速等により大電流を消費している途中であるので、劣化判断を行わずに図３のサブルーチンを終了する。

一方、電圧Ｖｂが既定値を超えていれば（Ｓ３のＮｏ）、電圧検出用マルチプレクサ４５を経由して電圧Ｖ１を読み込む（Ｓ５）。この電圧Ｖ１は蓄電部２９の電圧に相当する。次に、電圧Ｖ１が既定範囲内であるか否かを判断する（Ｓ７）。ここで、前記既定範囲は次のようにして決定している。

各蓄電素子３１の両端電圧は放電時の０Ｖから満充電時の２Ｖまで変化するが、図２の電圧変化率（傾き特性）を求めて劣化判断を行うためには、蓄電素子３１にある程度の電荷が充電されている必要がある。そこで、各蓄電素子３１の両端電圧が少なくとも０．５Ｖ以上あれば劣化判断を行うようにしている。なお、０．５Ｖという電圧値はそれに限定されるものではなく、例えば高精度なＡＤコンバータを用いることにより、正常時と劣化限界時における図２の電圧変化率の差をより高精度に、かつ有意に求められれば、それより小さくても構わない。ここでは、蓄電素子３１は１００個あるので、前記既定範囲は５０Ｖ（＝０．５Ｖ×１００個）から２００Ｖ（＝２Ｖ×１００個）となる。

電圧Ｖ１が既定範囲内でなければ（Ｓ７のＮｏ）、蓄電部２９が充電開始後、間もない状態であると考えられるので、劣化判断を行わず図３のサブルーチンを終了する。一方、電圧Ｖ１が既定範囲内にあれば（Ｓ７のＹｅｓ）、充放電スイッチ２５をオフにする（ステップ番号Ｓ１１）。これにより、劣化判断時に蓄電部２９が充放電していない状態とすることができるので、高精度な劣化判断が行え、高信頼性が得られる。次に、温度センサ３７の出力信号Ｔを読み込み（Ｓ１３）、蓄電素子３１の番号ｉを１にする（Ｓ１５）。なお、番号ｉは制御部４１に内蔵したメモリを使用しており、蓄電素子３１がｎ個直列であるとすると、番号ｉはｉ＝１〜ｎのいずれかの値になる。Ｓ１５ではこれから各蓄電素子３１の劣化を順番に判断していくので、最初の蓄電素子３１の番号である１をｉに代入している。

次に、主電源電圧検出回路２１により主電源１５の電圧Ｖｂを読み込み（Ｓ１７）、電圧Ｖｂと既定値を比較する（Ｓ１９）。なお、既定値はＳ３で説明した値と同じである。もし、電圧Ｖｂが既定値以下であれば（Ｓ１９のＹｅｓ）、負荷１７が急加速等により大電流を消費しているので、蓄電部２９からの電力を放電して負荷１７に供給する必要がある。この場合には各蓄電素子３１の両端電圧が一斉に経時的に低下していくので、個々の劣化判断を行うことができない。そこで、蓄電部２９の劣化判断動作を行っている間に、主電源１５の電圧Ｖｂが既定値以下になれば、制御部４１は劣化判断動作を中止する。そのために、後述するＳ６７にジャンプする。なお、電圧Ｖｂと既定値との比較（Ｓ１９）は図３のフローチャート中で実行しているが、これは図３のフローチャート実行中に一定間隔毎に割り込むルーチンを別途設け、それにより電圧Ｖｂと既定値との比較判断を行うようにしてもよい。その結果、さらにタイムリーに劣化判断動作の中止が可能となる。

ここでＳ１９に戻って、電圧Ｖｂが既定値を超えていれば（Ｓ１９のＮｏ）、主電源１５は通常動作中であるので、劣化判断動作を続行する。まず、電圧検出用マルチプレクサ４５に蓄電素子電圧検出回路選択信号Ｖｓｅｌを送信して番号ｉの蓄電素子３１の正極に接続された蓄電素子電圧検出回路３５を選択する。次に、選択した蓄電素子電圧検出回路３５の出力電圧Ｖｉを電圧検出用マルチプレクサ４５経由で読み込む。同様に、番号ｉ＋１の蓄電素子３１の正極に接続された蓄電素子電圧検出回路３５を選択し、その蓄電素子電圧検出回路３５の出力電圧Ｖｉ＋１を電圧検出用マルチプレクサ４５経由で読み込む（以上、Ｓ２１）。次に、両者の差、すなわち番号ｉの蓄電素子３１における放電前の両端電圧Ｖｃａ（＝Ｖｉ−Ｖｉ＋１）を求める（Ｓ２３）。その後、番号ｉの蓄電素子３１の両端に接続されたショートスイッチ３３をオンにする（Ｓ２５）。具体的には、まずショートスイッチ選択マルチプレクサ４３にショートスイッチ選択信号Ｓｓｅｌを送信し、次にショートスイッチオンオフ信号ＨＬをオン信号として送信する。これにより、ショートスイッチ３３がオンになり、蓄電素子３１の蓄電電荷が大電流となってショートスイッチ３３に流れる。ショートスイッチ３３は既定時間ｔ（前記したようにｔ＝０．０８秒）の間だけオンにするので、その時に流れる電流Ｉは、蓄電素子３１が正常時の場合、電荷量Ｑ＝Ｃ・ΔＶ＝Ｉ・ｔに、Ｃ＝６００Ｆ、ΔＶ＝２−１．９７３＝０．０２７Ｖ、ｔ＝０．０８秒を代入して、Ｉ≒２０２Ａとなる。ゆえに、Ｓ２５でショートスイッチ３３には約２００Ａもの電流が流れることになるが、前記したようにショートスイッチ３３として許容電流が２００Ａより十分大きいＦＥＴを使用しているので、これによりショートスイッチ３３が破壊、損傷することはない。

この状態で既定時間ｔ（＝０．０８秒）が経過したか否かを判断し（Ｓ２７）、経過していなければ（Ｓ２７のＮｏ）、再びＳ２７に戻って既定時間ｔが経過するのを待つ。既定時間ｔが経過すれば（Ｓ２７のＹｅｓ）、番号ｉのショートスイッチ３３をオフにするために、ショートスイッチオンオフ信号ＨＬをオフ信号として送信する（Ｓ２９）。これにより、ショートスイッチ３３は既定時間ｔの間、オンした後オフになるよう制御される。その後、すぐにＳ２１と同様にして電圧検出用マルチプレクサ４５経由で電圧Ｖｉ、Ｖｉ＋１を読み込み（Ｓ３１）、番号ｉの蓄電素子３１における放電後の両端電圧Ｖｃｂ（＝Ｖｉ−Ｖｉ＋１）を求める（Ｓ３３）。

こうして得られた番号ｉの蓄電素子３１における放電前後の両端電圧Ｖｃａ、Ｖｃｂと、既定時間ｔから電圧変化率Δを計算する（Ｓ３５）。なお、電圧変化率Δは、Δ＝｜Ｖｃａ−Ｖｃｂ｜／ｔで求められる。従って、蓄電素子３１が正常時であれば、前記したように放電前の満充電状態にある蓄電素子３１の両端電圧Ｖｃａは約２Ｖとなり、放電後の両端電圧Ｖｃｂは図２より約１．９７３Ｖとなるので、Δ＝｜２−１．９７３｜／０．０８≒０．３３８となる。一方、蓄電素子３１が劣化限界時であれば、放電後の両端電圧Ｖｃｂは図２より約１．９６３Ｖとなるので、Δ＝｜２−１．９６３｜／０．０８≒０．４６３となる。従って、Ｓ３５で電圧変化率Δを求めることにより、番号ｉの蓄電素子３１の劣化判断を行うことができる。但し、電圧変化率Δは（１）式より蓄電素子３１の容量値Ｃと内部抵抗値Ｒの関数であることがわかるが、容量値Ｃと内部抵抗値Ｒは蓄電素子３１の劣化進行以外にも、温度Ｔによっても変化する。従って、蓄電装置１１を例えば温度変化の少ない非常用電源等に用いる場合は温度の影響を考慮する必要性は低いが、ここでは車両用の蓄電装置１１として用いているので、温度変化が大きい。この場合は、電圧変化率Δも温度Ｔによって変わるので、劣化判断方法として、Ｓ３５で計算した電圧変化率Δが、Ｓ１３で求めた現在の温度Ｔにおける劣化限界範囲を超えたか否かを判断するようにしている（Ｓ３７）。具体的には、上記電圧変化率Δの数値は室温のものであるので、室温において電圧変化率Δが０．４６３よりも大きくなると劣化限界範囲を超えたと判断する。なお、制御部４１は様々な温度における電圧変化率Δの劣化限界範囲をメモリに記憶しているので、現在の温度Ｔでの劣化限界範囲を用いてＳ３７の劣化判断を行っている。ここで、本実施の形態では図２に示すように蓄電素子３１の劣化が進行すると電圧変化率Δが大きくなる傾向を示すが、蓄電素子３１の容量値や内部抵抗値によっては、劣化進行に伴い電圧変化率Δが小さくなる傾向のものもある。従って、劣化限界時の電圧変化率Δを超えれば劣化と判断するものもあれば、劣化限界時の電圧変化率Δを下回れば劣化と判断するものもあるので、ここではこれらをまとめて、蓄電素子３１が劣化限界に至るまでの正常状態の範囲を劣化限界範囲と呼ぶ。ゆえに、劣化限界範囲を超えれば劣化したと判断することになる。

電圧変化率Δが現在の温度Ｔにおける劣化限界範囲を超えていれば（Ｓ３７のＹｅｓ）、制御部４１は蓄電部２９が劣化していると判断し、車両用制御回路に劣化信号を出力する（Ｓ３９）。これを受け、車両用制御回路は蓄電装置１１が劣化したことを運転者に警告し、修理を促す。この際、劣化信号には劣化した蓄電素子３１の識別情報（例えば番号ｉ）が含まれていてもよい。この場合、車両用制御回路はどの蓄電素子３１が劣化したかを知ることができるので、これを修理者に示すことで修理のサービス性や信頼性が高まる。

Ｓ３９で劣化信号を出力した後は、そのまま図３のサブルーチンを終了しメインルーチンに戻る。従って、劣化判断中にいずれかの蓄電素子３１が１つでも劣化していると判断されれば、その時点で劣化信号を出力し、残りの蓄電素子３１の劣化判断は行わない。これにより、少しでも早く劣化を運転者に警告することができ、信頼性が高まる。また、図３のサブルーチンを終了した段階では、充放電スイッチ２５がＳ１１でオフになったままになるので、主電源１５から負荷１７に至る電力系配線から蓄電部２９を切り離していることになる。その結果、劣化した蓄電部２９が主電源１５から負荷１７の電力系配線に電気的な影響を及ぼすことがなくなり、高信頼性が得られる。

ここでＳ３７に戻って、電圧変化率Δが現在の温度Ｔにおける劣化限界範囲を超えていなければ（Ｓ３７のＮｏ）、番号ｉを１だけ加算し、次の番号とする（Ｓ４１）。次に、番号ｉが最後の蓄電素子３１の番号ｎと等しいか否かを判断する（Ｓ４３）。もし、等しくなければ、全ての蓄電素子３１に対する劣化判断動作が終了していないので、Ｓ１７に戻って劣化判断動作を順次繰り返す。

一方、もし番号ｉがｎと等しければ（Ｓ４３のＹｅｓ）、この時点までで番号ｎ−１までの蓄電素子３１の劣化判断が終了し、いずれも劣化していない状態にあることになる。従って、以下のルーチンは最後の蓄電素子３１の劣化判断を行う動作を示す。

まず、主電源電圧検出回路２１により主電源１５の電圧Ｖｂを読み込み（Ｓ４５）、電圧Ｖｂと既定値を比較する（Ｓ４７）。なお、既定値はＳ１９と同じである。もし、電圧Ｖｂが既定値以下であれば（Ｓ４７のＹｅｓ）、Ｓ１９で説明した同じ理由で劣化判断動作を中止する。そのために、後述するＳ６７にジャンプする。

一方、電圧Ｖｂが既定値を超えていれば（Ｓ４７のＮｏ）、番号ｎの蓄電素子３１の正極に接続された蓄電素子電圧検出回路３５の出力電圧Ｖｎを電圧検出用マルチプレクサ４５経由で読み込む（Ｓ４９）。この際、番号ｎの蓄電素子３１の負極は図１に示すようにグランドに接続されているので、番号ｎの蓄電素子３１の両端電圧Ｖｃａは前記電圧Ｖｎと等しくなる。従って、Ｓ２１のように次の番号の蓄電素子電圧検出回路３５の出力電圧を読み込む必要はない。また、両端電圧Ｖｃａに電圧Ｖｎを代入することで、番号ｎの蓄電素子３１における放電前の両端電圧Ｖｃａを求める（Ｓ５１）。その後、番号ｎの蓄電素子３１の両端に接続されたショートスイッチ３３をオンにして大電流で放電する（Ｓ５３）。この状態で既定時間ｔ（＝０．０８秒）が経過したか否かを判断し（Ｓ５５）、経過していなければ（Ｓ５５のＮｏ）、再びＳ５５に戻って既定時間ｔが経過するのを待つ。既定時間ｔが経過すれば（Ｓ５５のＹｅｓ）、番号ｎのショートスイッチ３３をオフにする（Ｓ５７）。その後、すぐにＳ４９と同様にして電圧検出用マルチプレクサ４５経由で電圧Ｖｎを読み込み（Ｓ５９）、番号ｎの蓄電素子３１における放電後の両端電圧Ｖｃｂとして電圧Ｖｎを代入する（Ｓ６１）。次に、両端電圧Ｖｃａ、Ｖｃｂと、既定時間ｔから電圧変化率Δを計算する（Ｓ６３）。なお、電圧変化率Δの計算方法はＳ３５で説明した通りである。

次に、得られた電圧変化率Δが現在の温度Ｔにおける劣化限界範囲を超えていれば（Ｓ６５のＹｅｓ）、番号ｎの蓄電素子３１が劣化しているので、前記したＳ３９にジャンプする。一方、電圧変化率Δが現在の温度Ｔにおける劣化限界範囲を超えていなければ（Ｓ６５のＮｏ）、全ての蓄電素子３１が劣化していないことになるので、蓄電部２９が正常であると判断し、引き続き補助電源として蓄電装置１１を使用できるようにするために、充放電スイッチ２５をオンにする（Ｓ６７）。これにより、主電源１５の電力が蓄電部２９に供給されるので、僅かずつではあるが劣化判断で放電した各蓄電素子３１を満充電にすることができる。また、主電源１５から負荷１７に至る電力系配線に蓄電部２９が接続されたことになるので、急加速時等における主電源１５の電圧Ｖｂの低下を蓄電部２９に蓄えた電力で補うことができる。その後、図３のサブルーチンを終了する。

以上の劣化判断動作をまとめると、以下のようになる。

制御部４１は蓄電部２９の電圧Ｖ１が既定範囲内であり、かつ蓄電部２９が充放電していない（ここではそのために充放電スイッチ２５をオフにしている）時に、任意の蓄電素子３１の両端電圧Ｖｃａを蓄電素子電圧検出回路３５から求める。次に、任意の蓄電素子３１の両端に接続されたショートスイッチ３３を既定時間ｔの間、オンにした後オフにし、再度、任意の蓄電素子３１の両端電圧Ｖｃｂを、蓄電素子電圧検出回路３５から求める。得られた両端電圧Ｖｃａ、Ｖｃｂと既定時間ｔから電圧変化率Δを計算する。この電圧変化率Δと、温度センサ３７から得られる温度Ｔにおける電圧変化率Δの劣化限界範囲とを比較して劣化を判断する。このような動作を、全ての蓄電素子３１に対して順次行い、いずれかの蓄電素子３１の電圧変化率Δが劣化限界範囲を超えれば、蓄電部２９が劣化していると判断して劣化信号を出力するとともに、充放電スイッチ２５をオフのままにする。

以上の構成、動作により、各蓄電素子３１の劣化を判断する際に、その両端をショートスイッチ３３によりショートするようにしたので、大電流が流れることによりすぐに蓄電素子両端電圧が低下していき、正常時と劣化限界時における有意な電圧変化率Δ（傾き）の差が短時間で得られ、蓄電素子３１全体に対する劣化判断を高速に行える高信頼な蓄電装置を実現できる。

なお、本実施の形態では蓄電部２９の正極側に充放電スイッチ２５を設けたが、これはなくてもよい。この場合、劣化判断を行う際に、充放電スイッチ２５による主電源１５や負荷１７との切り離しができなくなるので、蓄電部２９が充放電していない状態であることを検出する必要がある。このためには、蓄電部２９の電圧Ｖ１が満充電状態であることを蓄電素子電圧検出回路３５により判断すると同時に、主電源１５の電圧Ｖｂが既定値以上であることを主電源電圧検出回路２１により判断すればよい。この結果、前者の判断により蓄電部２９は現在充電されていないことがわかり、後者の判断により蓄電部２９は負荷１７に対し現在放電していないことがわかるので、蓄電部２９が充放電していない状態であることを検出できる。

また、本実施の形態では蓄電素子３１の劣化を判断する際の、正常時と劣化限界時における蓄電素子両端電圧差を約１０ｍＶと設定しているが、これは蓄電素子電圧検出回路３５により検出する電圧が、図２より１．９〜２Ｖ程度の範囲に限定されるので、この範囲の電圧を蓄電素子電圧検出回路３５で検出した後、増幅して制御部４１のＡＤコンバータに入力するようにしてもよい。これにより、ＡＤコンバータに入力される１０ｍＶ相当の蓄電素子両端電圧差を得るまでの時間がさらに短くなるので、より高速な蓄電素子３１の劣化判断が可能となる。

また、本実施の形態において蓄電素子３１に電気二重層キャパシタを用いたが、これは電気化学キャパシタ等の他の蓄電素子でもよい。さらに、蓄電部２９は複数の蓄電素子３１を直列に接続した構成としたが、これに限定されるものではなく、負荷１７が要求する電力仕様に応じて図４に示すように直並列接続としてもよい。図４では並列接続数が２の場合、すなわち２個の蓄電素子３１を並列に接続した場合を示すが、これは２個以上であってもよい。この場合、回路的には並列接続された蓄電素子３１を一まとめにした蓄電素子群４７を１つの蓄電素子とみなすことができるので、図１の蓄電素子３１を蓄電素子群４７に置き換えることにより、図１で説明した構成、動作と全く同じになる。従って、図４の詳細については説明を省略する。但し、図４の構成では蓄電素子群４７毎に劣化判断が行われることになる。

また、本実施の形態では蓄電装置１１をハイブリッド車に適用した場合について述べたが、それに限らず、電気自動車や燃料電池車の補助電源等にも適用可能である。また、蓄電装置１１を主電源１５の補助用として用いたハイブリッド車の場合を述べたが、これは蓄電素子１１のみをハイブリッド車や電気自動車、燃料電池車に用いてもよい。さらに、蓄電装置１１を車両用に限らず非常用電源として適用してもよい。

本発明にかかる蓄電装置は、蓄電素子の劣化判断を高速に行え、高信頼性が得られるので、特に多数の蓄電素子からなる蓄電部より電力を供給する蓄電装置等として有用である。

本発明の実施の形態における蓄電装置の蓄電素子を直列接続した際のブロック回路図 本発明の実施の形態における蓄電装置の劣化判断時の蓄電素子両端電圧の経時変化図 本発明の実施の形態における蓄電装置の劣化判断時のフローチャート 本発明の実施の形態における蓄電装置の蓄電素子を直並列接続した際のブロック回路図 従来のキャパシタの劣化判断装置の概略回路図 従来のキャパシタの劣化判断装置の劣化判断時の蓄電素子両端電圧の経時変化図

符号の説明

１１ 蓄電装置
１５ 主電源
１７ 負荷
２１ 主電源電圧検出回路
２３ 切替スイッチ
２５ 充放電スイッチ
２９ 蓄電部
３１ 蓄電素子
３３ ショートスイッチ
３５ 蓄電素子電圧検出回路
３７ 温度センサ
４１ 制御部
４７ 蓄電素子群

Claims (6)

1. 複数の蓄電素子の直列、または直並列接続構成を有する蓄電部と、
   前記各蓄電素子の両端、または並列接続された前記蓄電素子を一まとめにした各蓄電素子群の両端に接続され、所定の内部抵抗値を有するショートスイッチと、
   前記各蓄電素子同士、または前記各蓄電素子群同士の接続点、および前記蓄電部の正極に接続された蓄電素子電圧検出回路と、
   前記ショートスイッチ、および蓄電素子電圧検出回路が接続された制御部とを備え、
   前記制御部は前記蓄電部の電圧（Ｖ１）が既定範囲内であり、かつ前記蓄電部が充放電していない時に、任意の前記蓄電素子、または任意の前記蓄電素子群の両端電圧（Ｖｃａ）を、前記蓄電素子電圧検出回路から求め、
   前記ショートスイッチを既定時間（ｔ）の間、オンにした後オフにし、
   再度、前記任意の蓄電素子、または前記任意の蓄電素子群の両端電圧（Ｖｃｂ）を、前記蓄電素子電圧検出回路から求め、
   前記両端電圧（Ｖｃａ、Ｖｃｂ）と前記既定時間（ｔ）から電圧変化率（Δ）を計算し、
   前記電圧変化率（Δ）と、前記電圧変化率（Δ）の劣化限界範囲とを比較して劣化を判断する動作を、全ての前記蓄電素子、または前記蓄電素子群に対して順次行い、
   いずれかの前記蓄電素子、または前記蓄電素子群の前記電圧変化率（Δ）が前記劣化限界範囲を超えれば、前記蓄電部が劣化していると判断するようにした蓄電装置。
2. 前記蓄電部の劣化判断動作を行っている間に、前記蓄電部からの放電が必要になれば、前記制御部は前記劣化判断動作を中止するようにした請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記蓄電部が劣化していると判断した場合には、前記制御部は劣化信号を出力するようにした請求項１に記載の蓄電装置。
4. 前記劣化信号には劣化した前記蓄電素子の識別情報が含まれる請求項３に記載の蓄電装置。
5. 前記蓄電部に設けられ、前記制御部に接続された温度センサを備え、
   前記制御部は計算した前記電圧変化率（Δ）を、前記温度センサから得られる温度（Ｔ）における前記電圧変化率（Δ）の劣化限界範囲と比較して劣化を判断するようにした請求項１に記載の蓄電装置。
6. 前記蓄電部の正極側に、前記制御部によってオンオフ制御される充放電スイッチを設け、
   前記制御部は、前記蓄電部の劣化判断を行う前に前記充放電スイッチをオフにし、
   前記蓄電部が劣化していると判断した場合には、前記充放電スイッチをオフのままにするようにした請求項１に記載の蓄電装置。

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