JP5018448B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電部に電力を蓄え、必要な時に放電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、制動時に発電を行うことで制動エネルギーを電気エネルギーとして回収する回生システムを搭載した自動車（以下、車両という）が開発されている。この回生システムは車両減速時に発電機で発生する電力（以下、回生電力という）を充電することで、減速時以外の発電量を減らすことができるので、その分、エンジン負担が軽減され省燃費が可能となる。

このような回生電力は車両減速時に急峻に発生するため、回生電力を十分に充電するためには、例えば急速充放電特性に優れた電気二重層キャパシタにＤＣ／ＤＣコンバータを介して充電する蓄電装置を用いるシステムとすることが望ましい。しかし、この蓄電装置は車両に用いられるため、蓄電装置の異常を判断することで高信頼性を得る機能が要求される。このような異常判断を行う装置が、例えば下記特許文献１に提案されている。図６はこのような車両用電源診断装置における異常判定手段の要部ブロック図である。

図６において、異常判定手段１０１にはバッテリ（図示せず）の端子電圧Ｖｂと放電電流Ｉｂを検出するための端子電圧検出手段１０３と電流検出手段１０５がそれぞれ接続されている。端子電圧検出手段１０３の検出出力は端子電圧信号Ｖｄ、Ｖｅとして、それぞれ異常判定手段１０１に内蔵された比較判別手段１０７と記憶手段１０９に入力される。また、電流検出手段１０５の検出出力は検出電流信号Ｉｄとして比較判別手段１０７に入力される。異常判定手段１０１にはさらに記憶手段１０９に接続された記憶消去手段１１１とタイマ１１３を内蔵している。記憶消去手段１１１は記憶手段１０９に記憶された端子電圧信号Ｖｅを消去するスイッチで、バッテリ交換時にオンにすることで所定値にリセットされる。タイマ１１３はイグニションオン後、所定時間経過後に起動信号Ｂｃを記憶手段１０９に出力する。

次に、車両用電源診断装置の特に異常判定手段１０１の動作を説明する。端子電圧検出手段１０３から端子電圧信号Ｖｄが、電流検出手段１０５から検出電流信号Ｉｄが、それぞれ比較判別手段１０７に入力されると、比較判別手段１０７はあらかじめ記憶手段１０９に記憶されたバッテリの放電電流値Ｉｂと端子電圧Ｖｂの境界特性Ｃを特性信号Ｈｋとして取り込む。ここで、境界特性Ｃは図７に示すように、横軸が放電電流Ｉｂ、縦軸が端子電圧Ｖｂとした時のバッテリにおける正常と異常の境界にあたる特性のことであり、境界特性Ｃより小さい斜線の領域に放電電流Ｉｂと端子電圧Ｖｂが至っていれば異常と判断する。従って、比較判別手段１０７に入力された端子電圧信号Ｖｄと検出電流信号Ｉｄを特性信号Ｈｋとして取り込んだ境界特性Ｃと比較し、これらの値が境界特性Ｃを下回ればバッテリ異常と判断する。異常であれば異常信号Ｋｃを出力する。その結果、異常警告手段（図示せず）が運転者に異常を知らせる。このような動作によりバッテリの異常を判断できるので高信頼性が得られる。
特開２０００−２０６２１５号公報

上記の車両用電源診断装置によると、確かにバッテリの異常を判断することができるのであるが、このような車両用電源診断装置を前記した車両用の蓄電装置に適用すると、以下のような課題が生じる。

回生システム用の蓄電装置では、前記したように蓄電部として電気二重層キャパシタの充放電制御をＤＣ／ＤＣコンバータにより行う構成となる。この場合、例えば回生による発電電力を蓄電装置に充電する際に、図６の構成と同様にして、蓄電装置の正負極間の電圧と、流れる電流のみで異常判断を行うと、蓄電部に正常に充電されたか否かが不明確となる可能性があった。すなわち、もしＤＣ／ＤＣコンバータが異常となり、入力された電流の一部が漏れ電流として流れたとすると、その分、蓄電部への充電が少なくなる。しかし、蓄電装置の正負極間の電圧と、流れる電流だけを検出していると、見かけ上、蓄電装置は正常範囲に入っている可能性がある。従って、この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータが異常であるにも関わらず、蓄電装置としては正常と判断する可能性があ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、少なくともＤＣ／ＤＣコンバータと蓄電部のいずれかの異常を判断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、キャパシタからなる蓄電部と、前記蓄電部に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの蓄電部端子に接続され蓄電部電圧（Ｖｃ）を検出する蓄電部電圧検出回路と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力端子に接続され入出力電圧（Ｖｉ）を検出する入出力電圧検出回路、および入出力電流値（Ｉ）を検出する入出力電流検出回路と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ、蓄電部電圧検出回路、入出力電圧検出回路、および入出力電流検出回路が接続された制御回路と、前記制御回路に接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに配した温度センサと、からなり、前記蓄電部と前記ＤＣ／ＤＣコンバータが正常な状態において、前記入出力電圧（Ｖｉ）、入出力電流値（Ｉ）、蓄電部電圧（Ｖｃ）、および前記温度センサにより検出される温度（Ｔ）を変えた時の前記ＤＣ／ＤＣコンバータの効率（Ｅｆ）が取り得る範囲をあらかじめ求め、所定範囲（ＥｍｉｎからＥｍａｘ）として、それぞれ前記制御回路に記憶しておき、前記制御回路は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより前記蓄電部を充電、または放電している時に、前記入出力電圧（Ｖｉ）、入出力電流値（Ｉ）、蓄電部電圧（Ｖｃ）、および前記温度（Ｔ）を求め、それらに応じて前記所定範囲（ＥｍｉｎからＥｍａｘ）を求めるとともに、前記入出力電圧（Ｖｉ）と前記入出力電流値（Ｉ）から求めた前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力電力量と、前記蓄電部電圧（Ｖｃ）から求めた前記蓄電部への充電、または放電による電力量との比率から前記効率（Ｅｆ）を求め、前記効率（Ｅｆ）が前記所定範囲（ＥｍｉｎからＥｍａｘ）を超えれば、少なくとも前記蓄電部、または前記ＤＣ／ＤＣコンバータのいずれかが異常であ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、充電時、または放電時にＤＣ／ＤＣコンバータの効率（Ｅｆ）を求め、効率（Ｅｆ）が所定範囲（ＥｍｉｎからＥｍａｘ）を超えれば、少なくとも蓄電部、またはＤＣ／ＤＣコンバータのいずれかが異常であると判断するようにした。これにより、例えば充電時にＤＣ／ＤＣコンバータに漏れ電流が流れると効率（Ｅｆ）が低下するので、所定範囲の下限（Ｅｍｉｎ）未満となればＤＣ／ＤＣコンバータが異常であると判断できる。さらに、蓄電部が劣化し容量値（Ｃ）が小さくなると早期に蓄電部電圧（Ｖｃ）が上昇するが、効率（Ｅｆ）の計算に用いる容量値（Ｃ）は初期の値で一定なので、数式上は効率（Ｅｆ）が上昇する。ゆえに、所定範囲の上限（Ｅｍａｘ）を超えると蓄電部が劣化して異常であると判断できる。このような判断の組み合わせにより、少なくとも蓄電部、またはＤＣ／ＤＣコンバータのいずれかが異常であると判断することが可能となり、高信頼な蓄電装置が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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における蓄電装置のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の異常判断時のフローチャートである。なお、図１において太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。また、本実施の形態１では蓄電装置を車両の回生システムに適用した場合について述べる。

図１において、蓄電装置１１の正極１３、および負極１５は車両のバッテリ、発電機、負荷等（いずれも図示せず）に接続されている。従って、車両の制動時には発電機で発電した回生電力を蓄電装置１１に充電し、制動時以外には蓄電装置１１の電力をバッテリや負荷に放電する動作を行うことができる。

次に、蓄電装置１１の構成について述べる。正極１３には入出力電流検出回路１７、および入出力電圧検出回路１９を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入出力端子２３に接続されている。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入出力端子２３には入出力電圧検出回路１９、および入出力電流検出回路１７が接続されていることになるので、これらにより入出力端子２３の電圧（以下、入出力電圧Ｖｉという）と、入出力端子２３に流れる電流値（以下、入出力電流値Ｉという）を検出することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の蓄電部端子２５には、回生電力を蓄える蓄電部２７が接続されている。蓄電部２７は複数の電気二重層キャパシタを直列、または直並列に接続した構成を有する。なお、電気二重層キャパシタの数量や接続方法は蓄電装置１１に要求される電力仕様に応じて適宜決定すればよい。

蓄電部端子２５には、さらに蓄電部電圧検出回路２９が接続されている。これにより、蓄電部２７の電圧（以下、蓄電部電圧Ｖｃという）を検出することができる。

以上までに説明した入出力電流検出回路１７、入出力電圧検出回路１９、および蓄電部電圧検出回路２９は、図１においてそれぞれ別体構成で示しているが、これらはＤＣ／ＤＣコンバータ２１の機能として内蔵してもよい。この場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１から入出力電圧Ｖｉ、入出力電流値Ｉ、および蓄電部電圧Ｖｃを出力する構成とすればよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１には温度センサ３１が配されている。温度センサ３１はＤＣ／ＤＣコンバータ２１の近傍の温度Ｔを検出して出力する機能を有する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１、入出力電圧検出回路１９、入出力電流検出回路１７、蓄電部電圧検出回路２９、および温度センサ３１は信号系配線で制御回路３５にも接続されている。制御回路３５はマイクロコンピュータと周辺回路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、制御回路３５は入出力電圧検出回路１９、入出力電流検出回路１７、蓄電部電圧検出回路２９、および温度センサ３１から、それぞれ入出力電圧Ｖｉ、入出力電流値Ｉ、蓄電部電圧Ｖｃ、および温度Ｔを読み込む。また、制御回路３５はＤＣ／ＤＣコンバータ２１に制御信号ｃｏｎｔを送信することでＤＣ／ＤＣコンバータ２１の蓄電部２７に対する充放電制御を行う。さらに、制御回路３５は車両側制御回路（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、このような蓄電装置１１の異常判断動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。なお、制御回路３５はメインルーチン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２に示すフローチャートをサブルーチンの形態で示した。以後同様に、全てのフローチャートをサブルーチンの形態で示す。

制御回路３５は蓄電部２７を充電、または放電している時に図２のサブルーチンを実行する。なお、蓄電部２７が充電中であるか、または放電中であるかは、制御回路３５がＤＣ／ＤＣコンバータ２１の動作を制御しているので、それにより知ることができる。また、図２のサブルーチンは蓄電部２７を充電、または放電している時で、かつ既定時間毎（例えば２秒毎）に実行される。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１や蓄電部２７のタイムリーな異常判断が可能となる。

図２のサブルーチンが実行されると、現在の時間ｔ１における蓄電部電圧Ｖｃ１を蓄電部電圧検出回路２９から読み込む（ステップ番号Ｓ１１）。次に、時間ｔ１から時間ｔ２（ここでは時間ｔ１から１秒後とした）までの所定期間（１秒間）における入出力端子２３に流れる電力量Ｗを求める（Ｓ１３）。ここで、電力量Ｗは次のようにして求める。制御回路３５は、入出力電圧検出回路１９と入出力電流検出回路１７から、入出力電圧Ｖｉと入出力電流値Ｉをそれぞれ読み込む。次に、両者の積（Ｖｉ・Ｉ）を求める。この値を時間ｔ１から時間ｔ２までの所定期間に渡り積算していく。すなわち、これを式で表すと、

のようになる。この動作により、所定期間に蓄電装置１１に入力、または出力された電力量Ｗが求められる。なお、電力量ＷがＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入出力電力量に相当する。

次に、制御回路３５は時間ｔ２における蓄電部電圧Ｖｃ２を蓄電部電圧検出回路２９から読み込む（Ｓ１５）。その後、現在蓄電部２７を充電中であるか否か判断する（Ｓ１７）。ここで、前記したように制御回路３５はＤＣ／ＤＣコンバータ２１に対する動作制御から、充電中か放電中かを知ることができる。

もし、充電中であれば（Ｓ１７のＹｅｓ）、制御回路３５はＤＣ／ＤＣコンバータ２１の効率Ｅｆを（数２）に基づいて求める（Ｓ１９）。

なお、Ｓ１３で電力量Ｗが求められているので、Ｓ１９では（数１）を（数２）に代入して、Ｅｆ＝Ｃ・｜Ｖｃ２²−Ｖｃ１²｜／（２・Ｗ）より求めている。ここで、蓄電部２７の容量値Ｃは初期の値をあらかじめ求めて制御回路３５のメモリに記憶している。従って、ここでは容量値Ｃは一定となる。

ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の効率Ｅｆは、入力された電力量に対する出力された電力量の比率で定義されるため、（数２）において分母の電力量Ｗが入力された電力量に、残りのＣ・｜Ｖｃ２²−Ｖｃ１²｜／２が出力された電力量に相当する。ここで、出力された電力量は蓄電部２７に充電されるので、時間ｔ１から時間ｔ２までに蓄電部２７に充電される電力量（エネルギー）は、Ｃ・Ｖｃ２²／２−Ｃ・Ｖｃ１²／２＝Ｃ・（Ｖｃ２²−Ｖｃ１²）／２となる。但し、放電時はカッコ内の符号が負になるため、一般式としてカッコ内の絶対値を求めるようにして、出力された電力量は前記したＣ・｜Ｖｃ２²−Ｖｃ１²｜／２となる。これらのことから、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の効率Ｅｆは（数２）で示されることになる。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１から蓄電部２７に充電される電力の一部は、蓄電部２７の内部抵抗値Ｒと蓄電部２７に流れる充電電流値Ｉｃによって熱として消費される。その熱エネルギーＥｈは、Ｅｈ＝Ｒ・∫Ｉｃ²・ｄＴで表される。ここで、積分範囲は時間ｔ１から時間ｔ２である。以上のことから、効率Ｅｆは、正確にはＥｆ＝（Ｃ・｜Ｖｃ２²−Ｖｃ１²｜＋２・Ｅｈ）／（２・Ｗ）となる。これに対し、蓄電装置１１を車両の回生電力回収用に適用した場合における前記効率Ｅｆの式の分子の値を、実際の容量値Ｃ、内部抵抗値Ｒ、蓄電部電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、および充電電流値Ｉｃの測定値を用いて計算してみた。その結果、分子第一項（Ｃ・｜Ｖｃ２²−Ｖｃ１²｜）は、分子第２項（２・Ｅｈ）に対しておよそ１桁大きい値となった。従って、本実施の形態１では、熱エネルギーＥｈの項を無視している。ゆえに、効率Ｅｆは（数２）となる。

また、蓄電部２７の劣化が進行すると、容量値Ｃが小さくなり、内部抵抗値Ｒが大きくなるので、熱エネルギーＥｈは大きくなる。しかし、実際に測定した劣化進行前後の内部抵抗値Ｒの変化幅は、内部抵抗値Ｒの絶対値と同等のオーダーであったので、蓄電部２７が劣化して内部抵抗値Ｒが大きくなっても、依然熱エネルギーＥｈの影響は小さいままである。従って、蓄電部２７の劣化有無に関わらず、（数２）においては熱エネルギーＥｈの項を無視している。

以上のことから、蓄電装置１１はＤＣ／ＤＣコンバータ２１に蓄電部２７が接続された構成を有するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１から出力された電力量を蓄電部２７に充電される電力量として、蓄電部２７の容量値Ｃと蓄電部電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２より求めることができる。従って、蓄電部端子２５に流れる電流値を検出する必要がなくなり、簡単な回路構成で効率Ｅｆを求めることができる。効率Ｅｆの計算後は、後述するＳ２３にジャンプする。

一方、現在充電中でなければ（Ｓ１７のＮｏ）、放電中であるので、制御回路３５はＤＣ／ＤＣコンバータ２１の効率Ｅｆを（数２）の逆数により求める（Ｓ２１）。これは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１における入力された電力量と出力された電力量が逆になるためである。すなわち、放電時は蓄電部２７の電力を蓄電装置１１の外部に供給するので、時間ｔ１から時間ｔ２までの所定期間にＤＣ／ＤＣコンバータ２１に入力された電力量は蓄電部２７の放電した電力量（エネルギー）に相当する。従って、その電力量は、Ｃ・Ｖｃ１²／２−Ｃ・Ｖｃ２²／２＝Ｃ・（Ｖｃ１²−Ｖｃ２²）／２＝Ｃ・｜Ｖｃ２²−Ｖｃ１²｜／２となる。一方、所定期間にＤＣ／ＤＣコンバータ２１から出力された電力量Ｗは（数１）で表される。以上のことから、放電時のＤＣ／ＤＣコンバータ２１の効率Ｅｆは（数２）の逆数となる。なお、Ｓ２１ではＳ１９と同様に（数１）を（数２）に代入した後、逆数を取り、Ｅｆ＝２・Ｗ／（Ｃ・｜Ｖｃ２²−Ｖｃ１²｜）より効率Ｅｆを求めている。

効率Ｅｆが求められると、次に制御回路３５は、Ｓ１３とＳ１５で既に求めた時間ｔ２における入出力電圧Ｖｉ２、入出力電流値Ｉ２、蓄電部電圧Ｖｃ２と、温度センサ３１から読み込んだＤＣ／ＤＣコンバータ２１の温度Ｔに応じて、あらかじめ制御回路３５に内蔵されたメモリに記憶した効率Ｅｆの所定範囲Ｅｍｉｎ、Ｅｍａｘを求める（Ｓ２３）。

ここで、効率Ｅｆの所定範囲Ｅｍｉｎ、Ｅｍａｘについて説明する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の効率Ｅｆは入出力電圧Ｖｉと蓄電部電圧Ｖｃの差が大きいほど小さくなる特性を有する。同様に、入出力電流値Ｉや温度Ｔによっても影響を受ける。そこで、これらのパラメータを変更した時における、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１が正常で蓄電部２７が劣化限界時（これ以上劣化すれば蓄電部２７が使用できない状態）の効率を所定範囲の上限Ｅｍａｘとして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１が異常で蓄電部２７が正常時の効率を所定範囲の下限Ｅｍｉｎとして、それぞれあらかじめ求めてメモリに記憶しておく。これにより、現在の入出力電圧Ｖｉ２、入出力電流値Ｉ２、蓄電部電圧Ｖｃ２、および温度Ｔから、それらに応じて効率Ｅｆが取り得る所定範囲Ｅｍｉｎ、Ｅｍａｘを求めることができる。

以上をまとめると、蓄電部２７とＤＣ／ＤＣコンバータ２１が正常な状態において、入出力電圧Ｖｉ、入出力電流値Ｉ、蓄電部電圧Ｖｃ、および温度Ｔを変えた時の効率Ｅｆが取り得る範囲をあらかじめ求め、所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘとして、それぞれ制御回路３５に記憶していることになる。これにより、蓄電装置１１の使用状況に応じた所定範囲Ｅｍｉｎ、Ｅｍａｘが得られるので、蓄電装置１１の高精度な異常判断が可能となり、信頼性が高まる。

次に、制御回路３５は効率Ｅｆが所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘに入っているか否かを判断する（Ｓ２５）。もし、効率Ｅｆが所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘを超えれば（Ｓ２５のＮｏ）、少なくとも蓄電部２７、またはＤＣ／ＤＣコンバータ２１のいずれかが異常であると判断する。この場合の具体例を以下に示す。

例えばＤＣ／ＤＣコンバータ２１が異常となり漏れ電流が流れるとする。この場合は、蓄電部２７の充電中では漏れ電流の分、蓄電部２７に蓄えられるエネルギーが少なくなり、時間ｔ２が経過後の蓄電部電圧Ｖｃ２はＤＣ／ＤＣコンバータ２１が正常な時に比べ小さくなる。その結果、（数２）の分子が小さくなり、効率Ｅｆが低下する。従って、効率Ｅｆが所定範囲の下限Ｅｍｉｎより小さくなればＤＣ／ＤＣコンバータ２１が異常であると判断することができる。

また、蓄電部２７が劣化した場合は、その容量値Ｃが小さくなるとともに、内部抵抗値Ｒが大きくなる。但し、上記のように内部抵抗値Ｒの増大による熱エネルギーＥｈの影響は小さいので、本実施の形態１では劣化による熱エネルギーＥｈの変化を無視している。従って、蓄電部２７に蓄えられる電力量（エネルギー）が一定であれば、時間ｔ２が経過後の蓄電部電圧Ｖｃ２は容量値Ｃが劣化により小さくなった分、大きくなることになる。しかし、前記したように、本実施の形態１では（数２）の容量値Ｃを初期値のまま一定であるとしているので、劣化した蓄電部２７に充電すると、蓄電部電圧Ｖｃ２だけが大きくなる。その結果、（数２）で示される数式上は、蓄電部２７の劣化とともに蓄電部２７に蓄えられるエネルギーが大きくなることになり、（数２）の分子が大きくなる。ゆえに、効率Ｅｆが上昇する。従って、効率Ｅｆが所定範囲の上限Ｅｍａｘを超えると蓄電部２７が劣化して異常であると判断することができる。

他にも様々な異常状態が想定されるが、上記のような判断の組み合わせにより、少なくとも蓄電部、またはＤＣ／ＤＣコンバータのいずれかが異常であると判断できる。なお、この場合は後述するＳ３１にジャンプする。

一方、効率Ｅｆが所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘに入っていれば（Ｓ２５のＹｅｓ）、効率Ｅｆが正常範囲であるので、蓄電部２７とＤＣ／ＤＣコンバータ２１は正常であると考えられる。しかし、蓄電部２７の劣化とＤＣ／ＤＣコンバータ２１の異常が同時に進行することで、ちょうど効率Ｅｆが所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘに入る可能性もある。そこで、この場合の異常判断を行うために、制御回路２５は前回の異常判断で求めた前回効率Ｅｆｏと今回求めた効率Ｅｆの差（＝Ｅｆｏ−Ｅｆ）の符号が前回と異なるか否かを判断する（Ｓ２７）。なお、前回の符号は制御回路３５に内蔵したメモリに設けた符号フラグ（例えば正なら０、負なら−１）により得られる。

ここで、Ｓ２７のような動作を行う理由を以下に述べる。

蓄電部２７やＤＣ／ＤＣコンバータ２１が断線等の急激な異常を起こした場合は、直ちに効率Ｅｆが所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘを超える。従って、蓄電部２７の劣化とＤＣ／ＤＣコンバータ２１の異常が同時に進行して、効率Ｅｆが所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘに入る場合は、それぞれの異常が緩やかに進行していると想定される。この場合は図２の異常判断のサブルーチンを実行する毎に徐々に効率Ｅｆが大きくなるか、または小さくなるいずれかの傾向を示す。従って、前回効率Ｅｆｏと今回の効率Ｅｆの差（＝Ｅｆｏ−Ｅｆ）の符号は、徐々に効率Ｅｆが大きくなる場合は負を、小さくなる場合は正を、それぞれ維持する。このことから、もし符号が逆になれば、蓄電部２７、またはＤＣ／ＤＣコンバータ２１のいずれかの異常進行が急になったと考えられる。このような場合は蓄電装置１１としての動作が不安定になる要因となるので、少なくとも蓄電部２７、またはＤＣ／ＤＣコンバータ２１のいずれかが異常であると判断するようにしている。これにより、さらなる蓄電装置１１の高信頼性が得られる。

ここでＳ２７に戻り、もし符号が前回と同じであれば（Ｓ２７のＮｏ）、異常が緩やかに進行しているが、Ｓ２５で効率Ｅｆが所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘに入っているので、蓄電部２７とＤＣ／ＤＣコンバータ２１は正常であると判断する。この場合は、前回効率Ｅｆｏに今回の効率Ｅｆを代入して前回効率Ｅｆｏを更新する（Ｓ２９）。なお、Ｓ２９において、Ｅｆｏ＝Ｅｆと記載しているが、これは右辺（Ｅｆ）の値を左辺（Ｅｆｏ）に代入するという意味であると以後定義する。なお、図２には示していないが、この時、符号フラグも更新する。その後、図２の異常判断サブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

一方、前回効率Ｅｆｏと今回の効率Ｅｆの差Ｅｆｏ−Ｅｆにおける符号が前回と異なれば（Ｓ２７のＹｅｓ）、少なくとも蓄電部２７、またはＤＣ／ＤＣコンバータ２１のいずれかが異常であると判断されるので、制御回路３５は車両側制御回路へ蓄電部２７、またはＤＣ／ＤＣコンバータ２１の異常信号をｄａｔａ信号として出力する（Ｓ３１）。これにより、車両側制御回路は蓄電装置１１が異常であるとして運転者に警告し、修理を促す。その後、図２の異常判断サブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

以上の構成、動作により、入出力電圧Ｖｉ、入出力電流値Ｉ、蓄電部電圧Ｖｃと温度Ｔを検出し、それらに応じた所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘとＤＣ／ＤＣコンバータ２１の効率Ｅｆを求め、効率Ｅｆが所定範囲を超えれば、少なくとも蓄電部２７、またはＤＣ／ＤＣコンバータ２１のいずれかが異常であると判断するので、高信頼な蓄電装置１１を実現できる。

なお、本実施の形態１ではＤＣ／ＤＣコンバータ２１に温度センサ３１を配する構成としたが、これは、例えば蓄電装置１１を非常用補助電源に用いる場合のように、温度Ｔがあまり変化しない時には、所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘの温度Ｔによる影響を加味しなくてもよいことになる。従って、この場合は温度センサ３１を用いなくてもよい。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における蓄電装置のブロック回路図である。図４は、本発明の実施の形態２における蓄電装置の蓄電部の容量値計算のフローチャートである。図５は、本発明の実施の形態２における蓄電装置の異常判断時のフローチャートである。なお、図３においても図１と同様に、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３において、図１と同じ構成には同じ符号を付し詳細な説明を省略する。すなわち、本実施の形態２における特徴となる構成は、蓄電部２７にも蓄電部温度センサ３７を配した点である。蓄電部温度センサ３７は信号系配線で制御回路３５に接続されているので、制御回路３５は蓄電部温度センサ３７から蓄電部２７の近傍の温度（以下、蓄電部温度Ｔｃという）を読み込むことができる。

次に、このような蓄電装置１１の異常判断動作について図４、図５のフローチャートを用いて説明する。

本実施の形態２における特徴となる動作は次の通りである。実施の形態１においては、蓄電部２７の容量値Ｃが初期値のまま一定であるとして効率Ｅｆを計算していたが、本実施の形態２では異常判断時の容量値Ｃを求めて効率Ｅｆを計算するようにしている。これにより、実施の形態１よりも高精度に効率Ｅｆを求めることができる。以下に具体的な動作を説明する。

まず、容量値Ｃを図４のサブルーチンにより求める。なお、図４のサブルーチンは既定時間間隔Δｔ毎に割り込んで実行されるので、蓄電装置１１の起動と同時に割り込みを許可して容量値Ｃを求める動作を繰り返している。

既定時間間隔Δｔ（ここでは０．１秒とした）毎に割り込みが発生し、図４のサブルーチンが実行されると、まず蓄電部温度センサ３７により蓄電部温度Ｔｃを読み込むと同時に、蓄電部電圧検出回路２９から蓄電部電圧Ｖｃを読み込む（Ｓ４１）。次に、容量値Ｃを求める際に必要な積算時間ｔｓを計算する（Ｓ４３）。ここで、積算時間ｔｓとは蓄電部２７が新品の状態から現在までに電力を蓄えた総時間のことを示すが、蓄電部２７を構成する電気二重層キャパシタは印加されている蓄電部電圧Ｖｃや蓄電部温度Ｔｃによって寿命が大きく影響されるので、これらの影響を加味した積算時間ｔｓを以下のようにして計算している。

電気二重層キャパシタは印加されている蓄電部電圧Ｖｃが高いほど、また蓄電部温度Ｔｃが高いほど、指数関数的に寿命が短くなる傾向がある。そこで、まず蓄電部電圧Ｖｃと寿命の関係から電圧劣化係数Ｋ（Ｖｃ）を求めておく。これは、蓄電部電圧Ｖｃが基準電圧（例えば１２Ｖ）時の電圧劣化係数Ｋ（１２Ｖ）を１とした時に、基準電圧と異なる蓄電部電圧Ｖｃが印加された時の蓄電部２７の寿命が基準電圧印加時の寿命の何倍になるか、の逆数を求めたもので、蓄電部電圧Ｖｃが大きいほど電圧劣化係数Ｋ（Ｖｃ）も大きくなる。従って、同じ既定時間間隔Δｔであっても、電圧劣化係数Ｋ（Ｖｃ）が例えば２であれば、蓄電部２７に基準電圧（１２Ｖ）が印加されている場合の２倍の時間、すなわち２×Δｔを積算時間ｔｓに加算するようにしている。これにより、蓄電部２７に印加される蓄電部電圧Ｖｃの影響を加味した積算時間ｔｓを計算することができる。なお、電圧劣化係数Ｋ（Ｖｃ）はあらかじめ制御回路３５のメモリに記憶してある。

同様に、蓄電部温度Ｔｃと寿命の関係から温度劣化係数Ｋ（Ｔｃ）も求めておく。これは、蓄電部温度Ｔｃが基準温度（例えば２５℃）時の温度劣化係数Ｋ（２５℃）を１とした時に、基準温度と異なる蓄電部温度Ｔｃの環境下における蓄電部２７の寿命が基準温度時の寿命の何倍になるか、の逆数を求めたもので、蓄電部温度Ｔｃが高いほど温度劣化係数Ｋ（Ｔｃ）も大きくなる。従って、同じ既定時間間隔Δｔであっても、温度劣化係数Ｋ（Ｔｃ）が例えば２であれば、蓄電部２７が基準温度（２５℃）下の場合の２倍の時間、すなわち２×Δｔを積算時間ｔｓに加算するようにしている。これにより、蓄電部温度Ｔｃの影響を加味した積算時間ｔｓを計算することができる。なお、温度劣化係数Ｋ（Ｔｃ）はあらかじめ制御回路３５のメモリに記憶してある。

以上のことから、蓄電部電圧Ｖｃと蓄電部温度Ｔｃの両方の影響を加味すると、制御回路３５は、既定時間間隔Δｔ毎に蓄電部電圧Ｖｃから現在の電圧劣化係数Ｋ（Ｖｃ）を求めるとともに、蓄電部温度Ｔｃから現在の温度劣化係数Ｋ（Ｔｃ）を求め、既定時間間隔Δｔに現在の電圧劣化係数Ｋ（Ｖｃ）と現在の温度劣化係数Ｋ（Ｔｃ）を乗じた値を積算時間ｔｓに加算することで、積算時間ｔｓを計測することになる。すなわち、これまでの積算時間ｔｓにΔｔ×Ｋ（Ｖｃ）×Ｋ（Ｔｃ）を加算して、積算時間ｔｓの値を更新する。このようにして求めた積算時間ｔｓは基準電圧（１２Ｖ）下、および基準温度（２５℃）下に換算した積算時間に相当する。

次に、制御回路３５は、Ｓ４３で求めた積算時間ｔｓから、基準電圧、および基準温度における積算時間ｔｓと蓄電部２７の容量値Ｃの相関関係を用いて、容量値Ｃを求める（Ｓ４５）。なお、積算時間ｔｓと容量値Ｃの相関関係は、積算時間ｔｓが長くなるほど容量値Ｃが非線形に小さくなる関係となるので、これを実験的に求めて、あらかじめ制御回路３５のメモリに記憶している。これにより、積算時間ｔｓから容量値Ｃを求めている。求めた容量値Ｃはメモリに記憶される。

その後、図４のサブルーチンを終了して、割り込み元に戻る。

このような動作により、蓄電部２７の容量値Ｃは既定時間間隔Δｔ毎に更新されることになり、常に最新の容量値Ｃを得ることができる。

次に、蓄電装置１１の異常判断動作について図５のフローチャートを用いて説明する。なお、図５に示すサブルーチンも図２と同様に既定時間毎（２秒毎）に実行される。

図５において、図２のサブルーチンと同じ動作を行うステップ番号は同一のステップ番号を付して詳細な説明を省略し、動作が異なる部分について説明する。

まず、図５においてＳ１５の後、制御回路３５は現在の容量値Ｃをメモリから読み込み、同じくメモリにあらかじめ記憶した容量値Ｃに対する劣化限界値Ｃｄも読み込んだ後、両者を比較する（Ｓ５１）。なお、劣化限界値Ｃｄは蓄電部２７をこれ以上使用することのできない限界状態における容量値のことである。

もし、容量値Ｃが劣化限界値Ｃｄ以上であれば（Ｓ５１のＮｏ）、蓄電部２７は正常であるので、引き続きＳ１７以降の動作を行う。

一方、容量値Ｃが劣化限界値Ｃｄよりも小さくなれば（Ｓ５１のＹｅｓ）、制御回路３５は蓄電部２７が異常であると判断し、蓄電部２７の異常信号をデータ信号ｄａｔａとして車両側制御回路に出力する（Ｓ５３）。これにより、車両側制御回路は運転者に蓄電部２７の異常を警告し、修理を促す。その後、引き続きＳ１７以降の動作を行う。

次に、Ｓ２５でＮｏの場合、およびＳ２７でＹｅｓの場合の動作について説明する。これらの場合、制御回路３５は蓄電部２７が異常であったか否かを判断する（Ｓ５５）。ここで、蓄電部２７の異常有無はＳ５３を実行したか否かで知ることができる。もし、蓄電部２７が異常であれば（Ｓ５５のＹｅｓ）、既にＳ５３で蓄電部２７の異常信号を出力しているので、そのまま図５のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。

一方、蓄電部２７が異常でなければ（Ｓ５５のＮｏ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１が異常であると判断する。これは、実施の形態１で説明したように、Ｓ２５でＮｏの場合、およびＳ２７でＹｅｓの場合は、少なくともＤＣ／ＤＣコンバータ２１、または蓄電部２７のいずれかが異常であると判断しているが、ここでは既にＳ５１で蓄電部２７は正常であると判断されているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１が異常と判断できる。これにより、制御回路３５はＤＣ／ＤＣコンバータ２１の異常信号を車両用制御回路３５に出力する（Ｓ５７）。その後、図５のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。

このような本実施の形態２における特徴となる動作をまとめると、次のようになる。制御回路３５は、積算時間ｔｓから求めた蓄電部２７の容量値Ｃが劣化限界値Ｃｄよりも小さくなれば、蓄電部２７が異常であると判断する。その後、効率Ｅｆを求め、所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘを超えるか、あるいは効率Ｅｆが所定範囲ＥｍｉｎからＥｍａｘに入っている時は、前回効率Ｅｆｏと今回の効率Ｅｆの差（＝Ｅｆｏ−Ｅｆ）の符号が前回と異なれば、蓄電部２７が正常な場合はＤＣ／ＤＣコンバータ２１が異常であると判断する。

以上の構成、動作により、蓄電部２７とＤＣ／ＤＣコンバータ２１の異常を区別して判断することが可能となり、高信頼性が得られると同時に、異常部分のみを修理できるのでサービス性が向上した蓄電装置１１を実現できる。

なお、本実施の形態２においては、蓄電装置１１を使用している間、図４の割り込みサブルーチンにより既定時間間隔Δｔ毎に積算時間ｔｓを更新しているが、使用終了時には蓄電部２７の電力を全て放電するようにしている。これにより、車両非使用時には蓄電部２７に電力が蓄えられていないので、積算時間ｔｓを更新する必要がなくなる。その結果、車両非使用時における積算時間ｔｓの更新に要する暗電流を不要にできる。但し、この場合は蓄電部２７から放電される電力が無駄になるので、車両非使用時にも蓄電部２７に電力を蓄え続ける構成としてもよい。この際は車両の使用、非使用に関わらず常に蓄電部２７が電力を蓄えていることになるので、車両非使用時であっても積算時間ｔｓを更新し続ける必要がある。

また、実施の形態１、２において蓄電部２７には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キャパシタでもよい。

また、実施の形態１、２において蓄電装置１１を車両の回生システムに適用した場合について述べたが、それらに限らず、ハイブリッド車や、アイドリングストップ、電動パワーステアリング、車両制動システム、電動過給器等の各システムにおける車両用補助電源等にも適用可能である。さらに、車両用以外の非常用補助電源等にも適用できる。

本発明にかかる蓄電装置は、少なくともＤＣ／ＤＣコンバータと蓄電部のいずれかの異常を判断でき高信頼性が得られるので、特に蓄電部に電力を蓄え、必要な時に放電する車両用の蓄電装置等として有用である。

本発明の実施の形態１における蓄電装置のブロック回路図 本発明の実施の形態１における蓄電装置の異常判断時のフローチャート 本発明の実施の形態２における蓄電装置のブロック回路図 本発明の実施の形態２における蓄電装置の蓄電部の容量値計算のフローチャート 本発明の実施の形態２における蓄電装置の異常判断時のフローチャート 従来の車両用電源診断装置における異常判定手段の要部ブロック図 従来の車両用電源診断装置における異常または正常バッテリの境界特性図

符号の説明

１１ 蓄電装置
１７ 入出力電流検出回路
１９ 入出力電圧検出回路
２１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２３ 入出力端子
２５ 蓄電部端子
２７ 蓄電部
２９ 蓄電部電圧検出回路
３１ 温度センサ
３５ 制御回路
３７ 蓄電部温度センサ

Claims (6)

1. キャパシタからなる蓄電部と、
   前記蓄電部に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの蓄電部端子に接続され蓄電部電圧（Ｖｃ）を検出する蓄電部電圧検出回路と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力端子に接続され入出力電圧（Ｖｉ）を検出する入出力電圧検出回路、および入出力電流値（Ｉ）を検出する入出力電流検出回路と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ、蓄電部電圧検出回路、入出力電圧検出回路、および入出力電流検出回路が接続された制御回路と、
   前記制御回路に接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに配した温度センサと、からなり、
   前記蓄電部と前記ＤＣ／ＤＣコンバータが正常な状態において、前記入出力電圧（Ｖｉ）、入出力電流値（Ｉ）、蓄電部電圧（Ｖｃ）、および前記温度センサにより検出される温度（Ｔ）を変えた時の前記ＤＣ／ＤＣコンバータの効率（Ｅｆ）が取り得る範囲をあらかじめ求め、所定範囲（ＥｍｉｎからＥｍａｘ）として、それぞれ前記制御回路に記憶しておき、
   前記制御回路は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより前記蓄電部を充電、または放電している時に、前記入出力電圧（Ｖｉ）、入出力電流値（Ｉ）、蓄電部電圧（Ｖｃ）、および前記温度（Ｔ）を求め、それらに応じて前記所定範囲（ＥｍｉｎからＥｍａｘ）を求めるとともに、
   前記入出力電圧（Ｖｉ）と前記入出力電流値（Ｉ）から求めた前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力電力量と、前記蓄電部電圧（Ｖｃ）から求めた前記蓄電部への充電、または放電による電力量との比率から前記効率（Ｅｆ）を求め、前記効率（Ｅｆ）が前記所定範囲（ＥｍｉｎからＥｍａｘ）を超えれば、少なくとも前記蓄電部、または前記ＤＣ／ＤＣコンバータのいずれかが異常であると判断するようにした蓄電装置。
2. 前記制御回路は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより前記蓄電部を充電、または放電している時に、所定期間（時間ｔ１から時間ｔ２）において、前記入出力電圧検出回路、入出力電流検出回路、および蓄電部電圧検出回路により、それぞれ入出力電圧（Ｖｉ）、入出力電流値（Ｉ）、蓄電部電圧（Ｖｃ）を検出するとともに、前記蓄電部の容量値（Ｃ）を用いて、
   前記蓄電部が充電時の場合には、前記効率（Ｅｆ）を
   

   

   により求め、
   前記蓄電部が放電時の場合には、前記効率（Ｅｆ）を（数１）の逆数により求めるようにした請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記制御回路は、前記効率（Ｅｆ）が前記所定範囲（ＥｍｉｎからＥｍａｘ）に入っていた場合、前回に求めた前回効率（Ｅｆｏ）と前記効率（Ｅｆ）の差（Ｅｆｏ−Ｅｆ）の符号が前回と異なれば、少なくとも前記蓄電部、または前記ＤＣ／ＤＣコンバータのいずれかが異常であると判断するようにした請求項１に記載の蓄電装置。
4. 前記蓄電部電圧（Ｖｃ）が基準電圧時の前記蓄電部の寿命を１とした時に、前記基準電圧と異なる電圧が印加された時の前記蓄電部の寿命が前記基準電圧の印加時における寿命の何倍になるか、の逆数を求めた電圧劣化係数（Ｋ（Ｖｃ））、および前記蓄電部温度センサの出力である蓄電部温度（Ｔｃ）が基準温度時の前記蓄電部の寿命を１とした時に、前記基準温度と異なる温度環境下の前記蓄電部の寿命が前記基準温度時における寿命の何倍になるか、の逆数を求めた温度劣化係数（Ｋ（Ｔｃ））をあらかじめ前記制御回路に記憶しておき、
   前記制御回路は、既定時間間隔（Δｔ）毎に前記蓄電部電圧（Ｖｃ）から現在の前記電圧劣化係数（Ｋ（Ｖｃ））を求めるとともに、前記蓄電部温度（Ｔｃ）から現在の前記温度劣化係数（Ｋ（Ｔｃ））を求め、
   前記既定時間間隔（Δｔ）に現在の前記電圧劣化係数（Ｋ（Ｖｃ））と現在の前記温度劣化係数（Ｋ（Ｔｃ））を乗じた値を、前記蓄電部が電力を蓄えた積算時間（ｔｓ）に加算し、
   あらかじめ求めて前記制御回路に記憶した、前記基準電圧および前記基準温度における前記積算時間（ｔｓ）と前記蓄電部の容量値（Ｃ）の相関関係から、前記積算時間（ｔｓ）より前記容量値（Ｃ）を求めるようにした請求項２に記載の蓄電装置。
5. 前記制御回路は、前記容量値（Ｃ）が劣化限界値（Ｃｄ）よりも小さくなれば、前記蓄電部が異常であると判断するとともに、
   前記効率（Ｅｆ）を求め、前記効率（Ｅｆ）が前記所定範囲（ＥｍｉｎからＥｍａｘ）を超え、かつ前記蓄電部が正常であれば、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが異常であると判断するようにした請求項４に記載の蓄電装置。
6. 前記制御回路は、少なくとも前記蓄電部、または前記ＤＣ／ＤＣコンバータのいずれかが異常であると判断すれば、異常信号を出力するようにした請求項１に記載の蓄電装置。

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