充電制御装置、キャパシタモジュール及び充電制御方法
【課題】鉛蓄電池とキャパシタとを用いた蓄電システムにおいて、鉛蓄電池の性能劣化を抑えることのできる充電制御装置を提供する。
【解決手段】
鉛蓄電池５と鉛蓄電池５に並列接続されるキャパシタ４とを含む蓄電装置の充電を制御するための充電制御装置３であって、キャパシタ４に流れる電流を制限する電流制限部１１と、充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、電流制限部１１による電流の制限を実行させる制御回路１２と、を含む。
【解決手段】
鉛蓄電池５と鉛蓄電池５に並列接続されるキャパシタ４とを含む蓄電装置の充電を制御するための充電制御装置３であって、キャパシタ４に流れる電流を制限する電流制限部１１と、充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、電流制限部１１による電流の制限を実行させる制御回路１２と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、並列に接続された鉛蓄電池及びキャパシタに対する充電を制御する充電制御装置及び充電制御方法、並びに当該充電制御装置を含んだキャパシタモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、鉄道、建設機械などの移動体の駆動により得られる回生電力を回収するシステムがある。このようなシステムによって得られる電気エネルギーを利用するためには、この電気エネルギーを二次電池や電気二重層キャパシタなどを含んだ蓄電システムに供給して、蓄積する必要がある。このような蓄電システムの一つとして、高出力と高エネルギー密度を両立させるために、並列に接続された鉛蓄電池及びキャパシタを用いたものが提案されている。（例えば特許文献１，２，３，４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２５２５４６号公報
【特許文献２】特開平１０−１８４５０６号公報
【特許文献３】特開２００６−１５２８２０号公報
【特許文献４】特開２００６−１５２９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
鉛蓄電池は、長時間にわたって充放電を行わずに放置すると、電極の活物質が不活性になるなどの要因により、一時的に充電をしにくくなることがある。このような状態になると、例えば車両の走行時に得られる回生電力によって蓄電システムを充電する場合など、１回の充電時間が限られる用途においては、鉛蓄電池の充電効率の低下によって、１回の充電時間中に十分に鉛蓄電池を充電しきれなくなってしまうことがある。このような現象が起こると、鉛蓄電池の充電状態が一時的に低下し、鉛蓄電池の劣化を速めてしまうおそれがある。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、鉛蓄電池とキャパシタとを用いた蓄電システムにおいて、鉛蓄電池の性能劣化を抑えることのできる充電制御装置、キャパシタモジュール及び充電制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明に係る充電制御装置は、鉛蓄電池と当該鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタとを含む蓄電装置の充電を制御するための、充電制御装置であって、前記キャパシタに流れる電流を制限する電流制限手段と、前記蓄電装置の充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる制御手段と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
上記充電制御装置において、前記制御手段は、前記鉛蓄電池の充電状態に応じて決まるタイミングまで、前記電流の制限を実行させることとしてもよい。
【０００８】
さらに、前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの少なくとも一方に流れる電流及び／又は印加される電圧の時間変化に応じて、前記所定のタイミングを決定することとしてもよい。
【０００９】
また、上記充電制御装置は、前記キャパシタ及び前記鉛蓄電池のそれぞれに流れる電流を測定する測定手段をさらに含み、前記制御手段は、前記測定手段により測定される電流の時間変化に応じて、前記所定のタイミングを決定することとしてもよい。
【００１０】
さらに、前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの全体に流れる電流が時間とともに減少し、かつ、当該電流の単位時間あたりの減少量が時間とともに減少していることを検知した場合に、前記電流制限手段による電流の制限を解除することとしてもよい。
【００１１】
あるいは、前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの全体に供給される電力が時間とともに減少し、かつ、当該電力の単位時間あたりの減少量が時間とともに減少していることを検知した場合に、前記電流制限手段による電流の制限を解除することとしてもよい。
【００１２】
また、前記制御手段は、前記蓄電装置の充電を開始してから、前記鉛蓄電池に対して充電された電気量が所定の条件を満たすタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させることとしてもよい。
【００１３】
さらに、前記制御手段は、前記蓄電装置の充電を開始してから、前記鉛蓄電池に対して充電された電気量と、当該充電の開始前に前記鉛蓄電池が放電した電気量と、が所定の条件を満たすタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させることとしてもよい。
【００１４】
さらに、前記制御手段は、前記充電された電気量を前記放電した電気量で除した値が所定の閾値を超えるタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させることとしてもよい。
【００１５】
また、上記充電制御装置において、前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続された可変抵抗であって、前記制御手段の制御に応じて抵抗値を増大させることによって、前記キャパシタに流れる電流を制限することとしてもよい。
【００１６】
あるいは、前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続されたスイッチ素子であって、前記制御手段の制御に応じてオフ状態に切り替わることで、前記キャパシタに流れる電流を制限することとしてもよい。
【００１７】
また、前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続されたトランジスタスイッチであって、前記制御手段の制御に応じてオン状態とオフ状態との間の切り替えが交互に繰り返され、前記制御手段は、前記所定のタイミングまで、前記所定のタイミング到来後よりもオン状態の時間の割合を減少させることによって、電流の制限を実行させることとしてもよい。
【００１８】
また、本発明に係るキャパシタモジュールは、鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタと、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタに対する充電を制御する充電制御装置と、前記鉛蓄電池の一方の極を前記キャパシタに接続するための第１端子と、外部電源及び負荷を前記キャパシタ及び前記鉛蓄電池の前記一方の極に接続するための、前記第１端子とは独立した第２端子と、を含み、前記充電制御装置は、前記キャパシタに流れる電流を制限する電流制限手段と、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタに対する充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる制御手段と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る充電制御方法は、鉛蓄電池と当該鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタとを含む蓄電装置の充電を制御する充電制御方法であって、前記蓄電装置の充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記キャパシタに流れる電流を制限することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る充電制御装置を含んだ蓄電システムの回路構成を示す回路図である。
【図２】蓄電システムにおける電流の時間変化の一例を示す図である。
【図３】蓄電システムに供給される電流、電圧及び電力の時間変化の一例を示す図である。
【図４】蓄電システムに供給される電流、電圧及び電力の時間変化の別の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、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。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係るキャパシタモジュール２を含んだ蓄電システム１の回路構成を示す回路図である。この蓄電システム１は、キャパシタモジュール２と、鉛蓄電池５と、を含み、さらにキャパシタモジュール２は、充電制御装置３と、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ４と、を含んで構成されている。また、蓄電システム１は、外部電源６及び負荷７のそれぞれと接続される。
【００２３】
本実施形態では、蓄電システム１はアイドリングストップを行う車両に搭載されることとする。具体的に、蓄電システム１は、当該車両の駆動によって得られる回生電力を蓄積し、停止中のエンジンを再起動させたりするために蓄積した電力を負荷７に対して供給する。この場合、外部電源６は、オルタネータ等であって、車両のエンジン等から伝達される動力を電気エネルギーに変換し、蓄電システム１に供給する。また、負荷７は、車両に備えられた計器類や、車両の走行再開時にエンジンを始動するセルモータなどであって、蓄電システム１から供給される電力によって動作する。
【００２４】
蓄電システム１は、電力を蓄積する蓄電装置としてキャパシタ４及び鉛蓄電池５を含んでいる。キャパシタ４及び鉛蓄電池５は、互いに並列に接続され、外部電源６から供給される電力によって充電される。なお、例えばキャパシタ４は、互いに直列接続された複数の電気二重層キャパシタセル、及び各キャパシタセルに印加される電圧を均等化するための均等化回路を備えた電気二重層キャパシタユニットであってもよい。鉛蓄電池５も、複数の鉛蓄電池セルからなる電池ユニットであってもよい。ここでいうセルとは、少なくとも一対の電極で構成された単一のキャパシタまたは電池であり、ユニットとは、互いに接続された複数のキャパシタセルまたは電池セルに、必要に応じてその制御に必要な回路を組み合わせた蓄電装置の構成要素である。
【００２５】
また、本実施形態において、キャパシタ４及び鉛蓄電池５に対する充電は、充電制御装置３によって制御される。この充電制御装置３は、キャパシタ４と一体化されて、キャパシタモジュール２として提供される。図１に示されるように、充電制御装置３は、電流制限部１１と、制御回路１２と、第１電流測定部１３ａと、第２電流測定部１３ｂと、Ａ／Ｄコンバータ１４と、を含んで構成される。
【００２６】
また、キャパシタモジュール２は、外部との接続端子として第１正極端子Ｔ１、第２正極端子Ｔ２、及び負極端子Ｔ３を備えており、第１正極端子Ｔ１は鉛蓄電池５の正極側と、第２正極端子Ｔ２は外部電源６及び負荷７の正極側と、それぞれ接続される。一方、負極端子Ｔ３は、鉛蓄電池５、外部電源６及び負荷７の負極側と共通に接地される。このように、キャパシタモジュール２には、鉛蓄電池５の正極をキャパシタ４の正極と並列に接続するための第１正極端子Ｔ１と、外部電源６及び負荷７の正極を鉛蓄電池５及びキャパシタ４双方の正極に接続するための第２正極端子Ｔ２と、が互いに独立に設けられている。そのため、キャパシタモジュール２に対して鉛蓄電池５を備える既存の蓄電装置を簡便に接続することができる。これにより、既存の鉛蓄電池５にキャパシタモジュール２を組み合わせて、鉛蓄電池５の性能劣化を抑制して鉛蓄電池５を長寿命化することのできる蓄電システム１を構成できる。なお、ここでは正極側に複数の接続端子を設けることとしたが、これに代えて、またはこれに加えて、負極側に複数の接続端子を設けることとしてもよい。
【００２７】
電流制限部１１は、キャパシタ４と直列に接続され、制御回路１２から入力される制御信号に従って、外部電源６からの充電時にキャパシタ４に流れる電流Ｉｃを制限する。図１の例では、電流制限部１１は第２正極端子Ｔ２とキャパシタ４の正極との間に配置されている。制御回路１２は、マイクロプロセッサ等であって、Ａ／Ｄコンバータ１４から入力される情報に応じて、電流制限部１１の動作を制御する。電流制限部１１の具体的な構成、及び制御回路１２による電流制限部１１の制御の例については、後述する。
【００２８】
２個の電流測定部１３ａ及び１３ｂは、それぞれの接続箇所に流れる電流を測定し、測定された電流に応じたアナログ信号をＡ／Ｄコンバータ１４に入力する。具体的に、第１電流測定部１３ａは、キャパシタ４と直列に接続され、キャパシタ４に流れる電流Ｉｃを測定する。また、第２電流測定部１３ｂは、第１正極端子Ｔ１と第２正極端子Ｔ２との間に接続される。このように、キャパシタモジュール２が備える２個の正極端子間に第２電流測定部１３ｂを配置し、かつ、当該２個の正極端子のうち、キャパシタ４側の正極端子（図１では第２正極端子Ｔ２）に外部電源６及び負荷７を、他方の正極端子（図１では第１正極端子Ｔ１）に鉛蓄電池５を、それぞれ接続することによって、第２電流測定部１３ｂは鉛蓄電池５に流れる電流Ｉｂを測定できる。なお、ここではキャパシタ４の正極側に電流制限部１１や２個の電流測定部１３ａ及び１３ｂを設けることとしたが、これらの回路素子はキャパシタ４の負極側に接続されてもよい。その場合、キャパシタモジュール２は少なくとも２個の負極端子を備え、この２個の負極端子の間に鉛蓄電池５に流れる電流を測定する電流測定部が設けられる。
【００２９】
Ａ／Ｄコンバータ１４は、２個の電流測定部１３ａ及び１３ｂのそれぞれから入力されるアナログ信号を、デジタル信号に変換し、その結果を制御回路１２に入力する。Ａ／Ｄコンバータ１４が所定時間おきにこのような処理を実行することによって、制御回路１２は、キャパシタ４及び鉛蓄電池５のそれぞれに流れる電流の時間変化を示すデジタル情報を取得できる。また、Ａ／Ｄコンバータ１４には、キャパシタ４の正極、第１正極端子Ｔ１、及び負極端子Ｔ３それぞれの電圧を示す信号も入力される。Ａ／Ｄコンバータ１４は、これらの電圧信号を所定時間ごとにデジタル信号に変換して、制御回路１２に入力する。これによって、制御回路１２は、キャパシタ４及び鉛蓄電池５それぞれの両端の間に印加される電圧Ｖｃ及びＶｂの時間変化を示すデジタル情報を取得できる。
【００３０】
ここで、充電制御装置３によるキャパシタ４に流れる電流の制限を行わない場合に、蓄電システム１内に流れる電流の時間変化について、図２を用いて説明する。図２は、アイドリングストップを行う車両に蓄電システム１を適用する場合に、蓄電システム１が１回の放電を行った後、これに続いて１回の充電を行ったときの電流の時間変化のモデルケースを示している。なお、同図においては、横軸が時間、縦軸が電流をそれぞれ表しており、正の電流値は充電時に外部電源６から蓄電システム１に流れ込む電流を、負の電流値は放電時に蓄電システム１から負荷７に流れ出る電流を、それぞれ示している。また、実線が蓄電システム１全体に流れる全体電流Ｉｓを、一点鎖線がキャパシタ４に流れる電流Ｉｃを、破線が鉛蓄電池５に流れる電流Ｉｂを、それぞれ示している。
【００３１】
この図に示されるように、車両が停止すると、まず蓄電システム１は期間ｔ１において一定電流による放電を行う。これは、車両停止期間中における計器類等への電力供給に相当する。続いて期間ｔ２において、瞬間的に大きな電流が蓄電システム１から負荷７に流れる。これは、エンジンを再始動させる際のセルモータへの電力供給に相当する。
【００３２】
その後、車両が走行を開始すると、エンジン駆動によって得られる回生電力が外部電源６から蓄電システム１に対して供給され、蓄電システム１の充電が開始される。ここでは外部電源６は、ＣＣ−ＣＶ（定電流−定電圧）方式で蓄電システム１の充電を行うこととする。すなわち、まず期間ｔ３において一定電流で蓄電システム１への電力供給が行われる。この期間においては、まずキャパシタ４に大きな電流が流れ、鉛蓄電池５には相対的に小さな電流しか流れない。そして、蓄電システム１内の電圧値が所定の目標値に到達した後、期間ｔ４においては、この電圧値を保つように電流を徐々に減少させながら、外部電源６から蓄電システム１への電力供給が行われる。この期間では、キャパシタ４に流れる電流は小さくなり、逆に鉛蓄電池５に流れる電流が大きくなる。
【００３３】
なお、この図２に示される蓄電システム１全体の充放電パターンは、電池工業会規格（ＳＢＡ）の規格番号Ｓ０１０１「アイドリングストップ車用鉛蓄電池」において、鉛蓄電池の寿命試験用として規定されているモデルパターンに沿ったものになっている。当該規格においては、同図に示すようなパターンによる充放電を所定回数繰り返した後、所定時間にわたって鉛蓄電池を休止させる制御を複数回繰り返す寿命試験の方法が規定されている。
【００３４】
充電制御装置３による制御を行わずに、このようなモデルパターンで蓄電システム１を使用した場合、特に所定時間の休止が行われた後は、電極が不活性になるなどの要因で、鉛蓄電池５の充電効率が一時的に低下する。そのため、所定時間の休止の後、蓄電システム１の使用を再開してから最初の数十回程度の充放電サイクルにおいては、１回の放電によって減少した電力が次の充電において鉛蓄電池５に十分に充電されずに、鉛蓄電池５の充電状態が充放電サイクルを繰り返すごとに低下していく。その後は、さらに充放電サイクルを繰り返す過程で鉛蓄電池５の充電効率は徐々に回復し、これに伴って鉛蓄電池５の充電状態も元の満充電に近い状態に戻っていく。しかしながら、一時的にせよ充電状態が低下する状態が生じると、鉛蓄電池５の劣化を速めてしまうことになる。そこで本実施形態では、充電制御装置３によって効率よく鉛蓄電池５の充電を行うことにより、鉛蓄電池５の充電状態が低下しにくくなるよう制御している。以下では、この充電制御装置３による制御について、詳しく説明する。
【００３５】
本実施形態では、図１に示されるように、電流制限部１１は可変抵抗であることとしている。制御回路１２は、蓄電システム１の充電開始時には可変抵抗の抵抗値を大きな値に設定し、当該充電の終了前における所定の制御タイミングｔｃまでその状態を保つこととする。これによって、キャパシタ４に流れる電流が小さな値に制限され、相対的に鉛蓄電池５には大きな電流が流れる。そのため、キャパシタ４に流れる電流の制限が行われない場合と比較して、鉛蓄電池５には大きな電力が供給され、その充電が早く進行する。その後、所定の制御タイミングｔｃが到来すると、制御回路１２は可変抵抗の抵抗値をこれまでより小さな値に変更する。これによって、キャパシタ４に流れる電流の制限は解除され、これまでより大きな電流がキャパシタ４に流れ、キャパシタ４の充電が進行する。
【００３６】
特に鉛蓄電池５は、満充電に近い状態よりも、ある程度放電された状態、すなわち充電状態（ＳＯＣ）が低い間のほうが、充電効率がよい。そこで、放電が行われた後の１回の充電期間のうち、前半の期間においてキャパシタ４に流れる電流を制限して、優先的に鉛蓄電池５に電力供給を行うことによって、効率よく鉛蓄電池５を充電できる。
【００３７】
なお、電流制限部１１は、可変抵抗に限られず、その他の回路素子であってもよい。例えば電流制限部１１がリレーやトランジスタ等のスイッチ素子である場合、制御回路１２が充電開始時にこのスイッチ素子をオフ状態に切り替えることで、キャパシタ４に流れる電流を完全に遮断し、優先的に鉛蓄電池５を充電できる。
【００３８】
また、電界効果トランジスタ等のトランジスタスイッチを電流制限部１１として用いる場合、制御回路１２は、このトランジスタスイッチのオン状態とオフ状態との間の切り替えを交互に繰り返す制御を実行してもよい。この例では、制御回路１２は、充電開始時には相対的にオン状態の時間の割合が減少するようにオン／オフの切り替えを繰り返し、所定の制御タイミングｔｃが到来すると、相対的にオン状態の時間の割合を増大させる。これによって、制御タイミングｔｃの到来まで、キャパシタ４に流れる電流を低下させることができる。
【００３９】
さらにこの場合、制御回路１２は、制御タイミングｔｃの到来時には、単にオン状態の時間の割合を所定値に変化させるのではなく、オン状態の時間の割合を徐々に増加させることによって、電流の制限を解除することとしてもよい。こうすれば、制御タイミングｔｃの到来時に、急激に大きな電流がキャパシタ４に流れることを避けられる。なお、電流制限部１１が可変抵抗の場合も、制御回路１２はその抵抗値を徐々に変化させることによって、キャパシタ４に流れる電流の制限を解除してもよい。
【００４０】
ここで、制御回路１２が電流の制限を解除する制御タイミングｔｃの具体例について、説明する。既に述べたように、鉛蓄電池５の充電状態が低い間にキャパシタ４の電流を制限して、優先的に鉛蓄電池５の充電を行うことが望ましい。そこで制御回路１２は、鉛蓄電池５の充電状態に応じて決まる制御タイミングｔｃまで、電流制限部１１による電流の制限を実行させることとする。具体的に、制御回路１２は、Ａ／Ｄコンバータ１４からの入力によって得られる、蓄電システム１の充電時に鉛蓄電池５及びキャパシタ４のそれぞれに流れる電流Ｉｂ及びＩｃ、並びに鉛蓄電池５及びキャパシタ４のそれぞれに印加される電圧Ｖｂ及びＶｃの一部又は全部の時間変化に応じて、制御タイミングｔｃを決定する。
【００４１】
図３は、ＣＣ−ＣＶ充電が行われる場合の蓄電システム１に流れる全体電流Ｉｓ（＝Ｉｂ＋Ｉｃ）、印加される全体電圧Ｖｓ（＝Ｖｂ）、及び供給される全体電力Ｐｓ（＝Ｉｓ×Ｖｓ）の時間変化を示すグラフである。同図に示されるように、定電流充電から定電圧充電に移行すると、一定電圧が保たれるように電流を減少させながら電力供給が行われるため、外部電源６によって供給可能な電力のうち、鉛蓄電池５への充電には用いられない余剰分が生じることになる。そこで、例えば制御回路１２は、このような状態になるまでキャパシタ４に流れる電流を制限し、定電圧制御に移行した後は電流の制限を解除する。すなわち、定電流充電から定電圧充電に移行したタイミングを制御タイミングｔｃとする。これによって、１回の充電期間中において、定電流充電時には鉛蓄電池５の充電を優先させながら、定電圧充電時にはキャパシタ４への充電も行うことができる。
【００４２】
この例において、制御タイミングｔｃは、例えば以下のようにして決定される。すなわち、蓄電システム１への充電中であって（条件１）、蓄電システム１全体に流れる全体電流Ｉｓが時間とともに減少し（条件２）、かつ、全体電流Ｉｓの単位時間あたりの減少量が時間とともに減少している（条件３）ことを検知した場合に、制御回路１２は制御タイミングｔｃが到来したと判定し、キャパシタ４に対する電流の制限を解除する。これらの３つの条件は、それぞれ、時間を表す変数ｔの関数である全体電流Ｉｓ（ｔ）について、条件１はＩｓ（ｔ）が正の値をとること、条件２はＩｓ（ｔ）の変数ｔについての１階微分が負であること、条件３は条件２の前提においてＩｓ（ｔ）の変数ｔについての２階微分が正であること、にそれぞれ相当する。定電圧制御時には、図３に示すように電流の時間変化は下に凸の減少関数となり、この条件を満たすことになる。この演算は、所定時間おきにＩｂ，Ｉｃ，Ｖｂ及びＶｃの値を取得し、その単位時間あたりの変化量を算出することによって実現できる。このとき、異常値の検出によって誤判定を行うことを避けるため、制御回路１２は、過去の所定回数の測定によって得られた複数個のＩｂ，Ｉｃ，Ｖｂ及びＶｃの値それぞれの移動平均を算出し、この移動平均値を用いて全体電流Ｉｓの時間変化を評価してもよい。ここで、２階微分の正負（条件３）まで判定条件として用いているのは、瞬間的な異常変化などを排除して、充放電サイクル全体の中での定電圧制御が行われている期間を精度よく特定するためである。
【００４３】
あるいは、制御回路１２は、蓄電システム１に供給される全体電力Ｐｓ（＝Ｉｓ×Ｖｓ）を所定時間おきに算出し、この全体電力Ｐｓが正であって（条件１）、全体電力Ｐｓが時間とともに減少し（条件２）、かつ、全体電力Ｐｓの単位時間あたりの減少量が時間とともに減少している（条件３）ことを検知した場合に、制御タイミングｔｃが到来したと判定してもよい。この場合も、全体電流Ｉｓの場合と同様に、Ｐｓ（ｔ）が正、Ｐｓ（ｔ）の１階微分が負、Ｐｓ（ｔ）の２階微分が正であるとの判定条件を用いることによって、制御タイミングｔｃの到来を判定できる。
【００４４】
なお、以上の説明においては、外部電源６による蓄電システム１の充電は、ＣＣ−ＣＶ充電によって行われることとしたが、これ以外の方法によって行われることとしてもよい。例えばＣＣ−ＣＰ−ＣＶ（定電流−定電力−定電圧）方式によって蓄電システム１の充電が行われる場合における、全体電流Ｉｓ、全体電圧Ｖｓ、及び全体電力Ｐｓの時間変化を示すグラフが、図４に示されている。この場合、まず電力値が所定の目標値に達するまで一定電流で充電が行われ、その後は電圧値が所定の目標値に達するまで一定電力で充電が行われるよう電流値が制御される。そして、電圧値が所定の目標値に達すると、その後はＣＣ−ＣＶ充電の場合と同様に定電圧充電が行われる。この場合において、定電力充電から定電圧充電への切り替えタイミングを制御タイミングｔｃとすることとすると、全体電流Ｉｓの時間変化だけでは定電力充電と定電圧充電の判別が難しい。そこで、この例では、制御回路１２は、全体電力Ｐｓについて前述した３つの条件を満たすことを検知した場合に、制御タイミングｔｃが到来したと判定すればよい。
【００４５】
また、以上の説明においては、全体電流Ｉｓ又は全体電力Ｐｓの時間変化を用いて制御タイミングｔｃを決定することとしたが、制御回路１２は、その他の指標値を用いて制御タイミングｔｃを決定してもよい。具体的に、例えば制御回路１２は、鉛蓄電池５の電圧Ｖｂの単位時間あたりの変化量を算出し、当該算出された値を用いて制御タイミングｔｃを決定してもよい。あるいは、１回の充電期間中における典型的な電流や電力の時間変化のモデルが予め想定される場合、制御回路１２は、充電が開始された後、このようなモデルに基づいて予め決定された時間が経過したタイミングで、キャパシタ４に流れる電流の制限を解除してもよい。
【００４６】
あるいは、制御回路１２は、蓄電システム１の充電を開始してから、鉛蓄電池５に対して充電された電気量（以下、充電電気量Ｑ１という）が所定の条件を満たすタイミングまで、電流制限部１１を制御してキャパシタ４に流れる電流を制限することとしてもよい。例えば制御回路１２は、充電電気量Ｑ１と、当該充電の前に鉛蓄電池５が放電した電気量（以下、放電電気量Ｑ２という）と、が所定の条件を満たすように、電流の制限を解除する制御タイミングｔｃを決定する。この場合、制御回路１２は、第２電流測定部１３ｂによって測定される電流Ｉｂを継続的にモニタすることで、その電流値の正負の反転によって鉛蓄電池５に対する充放電の切り替わりを判断できる。また、１回の充電又は放電が行われている間の電流Ｉｂの値を時間積分することによって、充電電気量Ｑ１及び放電電気量Ｑ２のそれぞれの値を算出できる。
【００４７】
具体例として、制御回路１２は、鉛蓄電池５が放電を行っている間の電流Ｉｂの値を定期的に取得し、時間積分することによって、蓄電システム１に対する充電開始の直前の１回の放電における放電電気量Ｑ２を算出する。その後、鉛蓄電池５に対する充電が開始されると、やはり定期的に電流Ｉｂの値を取得することで、充電が継続している間、定期的に充電電気量Ｑ１の値を更新し続ける。そして、充電が継続されて充電電気量Ｑ１が増加し、充電電気量Ｑ１を放電電気量Ｑ２で除した値（Ｑ１／Ｑ２）が所定の閾値ｔｈを超えるタイミングまで、電流制限部１１に電流の制限を実行させることとし、（Ｑ１／Ｑ２）が閾値ｔｈを超えたタイミングで、電流の制限を解除する。なお、この閾値ｔｈは、前述した電池工業会規格の規格番号Ｓ０１０１における試験パターンで充放電が行われると想定される場合、０．６０以上の値とするのが好ましく、より好ましくは０．７０、さらに好ましくは０．８０以上の値とするのがよい。このような制御によれば、制御回路１２は、過去に鉛蓄電池５が放電した電気量に対して決まる一定の電気量が鉛蓄電池５に充電されるまで、キャパシタ４に流れる電流を制限し、優先的に鉛蓄電池５を充電することができる。
【００４８】
また、以上の説明においては、蓄電システム１を車両の駆動によって得られる回生電力の蓄積に用いることとしたが、本発明の実施の形態に係る充電制御装置を含む蓄電システムは、その他の用途に用いられることとしてもよい。具体的には、例えば、電車・船舶・飛行機等の加速・減速運動、エレベータの昇降運動、自動倉庫のスタッカークレーン、保冷・冷蔵・冷凍車における冷却機の媒体圧縮運動、開閉扉の開閉運動、スライド式移動棚の移動・停止運動、各種製造機械及び電気機器における回転体の回転・停止運動、振り子運動、ばね振動の制動エネルギーなどによって、モータを介して発電された電力の蓄積に用いるものであってもよい。あるいは、この蓄電システムは、太陽光発電、風力発電、流水による水力発電、揚水による水力発電等によって発電された電力の蓄積に用いるものであってもよい。この場合、１回あたりの充電期間は不定期になることが想定されるが、このような場合であっても、前述したように例えば全体電力Ｐｓの時間変化などに応じて制御タイミングｔｃを定めることで、キャパシタ４への充電も実行しつつ、鉛蓄電池５への充電を優先して行うことができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 蓄電システム、２ キャパシタモジュール、３ 充電制御装置、４ キャパシタ、５ 鉛蓄電池、６ 外部電源、７ 負荷、１１ 電流制限部、１２ 制御回路、１３ａ 第１電流測定部、１３ｂ 第２電流測定部、１４ Ａ／Ｄコンバータ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、並列に接続された鉛蓄電池及びキャパシタに対する充電を制御する充電制御装置及び充電制御方法、並びに当該充電制御装置を含んだキャパシタモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、鉄道、建設機械などの移動体の駆動により得られる回生電力を回収するシステムがある。このようなシステムによって得られる電気エネルギーを利用するためには、この電気エネルギーを二次電池や電気二重層キャパシタなどを含んだ蓄電システムに供給して、蓄積する必要がある。このような蓄電システムの一つとして、高出力と高エネルギー密度を両立させるために、並列に接続された鉛蓄電池及びキャパシタを用いたものが提案されている。（例えば特許文献１，２，３，４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２５２５４６号公報
【特許文献２】特開平１０−１８４５０６号公報
【特許文献３】特開２００６−１５２８２０号公報
【特許文献４】特開２００６−１５２９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
鉛蓄電池は、長時間にわたって充放電を行わずに放置すると、電極の活物質が不活性になるなどの要因により、一時的に充電をしにくくなることがある。このような状態になると、例えば車両の走行時に得られる回生電力によって蓄電システムを充電する場合など、１回の充電時間が限られる用途においては、鉛蓄電池の充電効率の低下によって、１回の充電時間中に十分に鉛蓄電池を充電しきれなくなってしまうことがある。このような現象が起こると、鉛蓄電池の充電状態が一時的に低下し、鉛蓄電池の劣化を速めてしまうおそれがある。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、鉛蓄電池とキャパシタとを用いた蓄電システムにおいて、鉛蓄電池の性能劣化を抑えることのできる充電制御装置、キャパシタモジュール及び充電制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明に係る充電制御装置は、鉛蓄電池と当該鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタとを含む蓄電装置の充電を制御するための、充電制御装置であって、前記キャパシタに流れる電流を制限する電流制限手段と、前記蓄電装置の充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる制御手段と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
上記充電制御装置において、前記制御手段は、前記鉛蓄電池の充電状態に応じて決まるタイミングまで、前記電流の制限を実行させることとしてもよい。
【０００８】
さらに、前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの少なくとも一方に流れる電流及び／又は印加される電圧の時間変化に応じて、前記所定のタイミングを決定することとしてもよい。
【０００９】
また、上記充電制御装置は、前記キャパシタ及び前記鉛蓄電池のそれぞれに流れる電流を測定する測定手段をさらに含み、前記制御手段は、前記測定手段により測定される電流の時間変化に応じて、前記所定のタイミングを決定することとしてもよい。
【００１０】
さらに、前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの全体に流れる電流が時間とともに減少し、かつ、当該電流の単位時間あたりの減少量が時間とともに減少していることを検知した場合に、前記電流制限手段による電流の制限を解除することとしてもよい。
【００１１】
あるいは、前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの全体に供給される電力が時間とともに減少し、かつ、当該電力の単位時間あたりの減少量が時間とともに減少していることを検知した場合に、前記電流制限手段による電流の制限を解除することとしてもよい。
【００１２】
また、前記制御手段は、前記蓄電装置の充電を開始してから、前記鉛蓄電池に対して充電された電気量が所定の条件を満たすタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させることとしてもよい。
【００１３】
さらに、前記制御手段は、前記蓄電装置の充電を開始してから、前記鉛蓄電池に対して充電された電気量と、当該充電の開始前に前記鉛蓄電池が放電した電気量と、が所定の条件を満たすタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させることとしてもよい。
【００１４】
さらに、前記制御手段は、前記充電された電気量を前記放電した電気量で除した値が所定の閾値を超えるタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させることとしてもよい。
【００１５】
また、上記充電制御装置において、前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続された可変抵抗であって、前記制御手段の制御に応じて抵抗値を増大させることによって、前記キャパシタに流れる電流を制限することとしてもよい。
【００１６】
あるいは、前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続されたスイッチ素子であって、前記制御手段の制御に応じてオフ状態に切り替わることで、前記キャパシタに流れる電流を制限することとしてもよい。
【００１７】
また、前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続されたトランジスタスイッチであって、前記制御手段の制御に応じてオン状態とオフ状態との間の切り替えが交互に繰り返され、前記制御手段は、前記所定のタイミングまで、前記所定のタイミング到来後よりもオン状態の時間の割合を減少させることによって、電流の制限を実行させることとしてもよい。
【００１８】
また、本発明に係るキャパシタモジュールは、鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタと、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタに対する充電を制御する充電制御装置と、前記鉛蓄電池の一方の極を前記キャパシタに接続するための第１端子と、外部電源及び負荷を前記キャパシタ及び前記鉛蓄電池の前記一方の極に接続するための、前記第１端子とは独立した第２端子と、を含み、前記充電制御装置は、前記キャパシタに流れる電流を制限する電流制限手段と、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタに対する充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる制御手段と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る充電制御方法は、鉛蓄電池と当該鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタとを含む蓄電装置の充電を制御する充電制御方法であって、前記蓄電装置の充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記キャパシタに流れる電流を制限することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る充電制御装置を含んだ蓄電システムの回路構成を示す回路図である。
【図２】蓄電システムにおける電流の時間変化の一例を示す図である。
【図３】蓄電システムに供給される電流、電圧及び電力の時間変化の一例を示す図である。
【図４】蓄電システムに供給される電流、電圧及び電力の時間変化の別の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、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。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係るキャパシタモジュール２を含んだ蓄電システム１の回路構成を示す回路図である。この蓄電システム１は、キャパシタモジュール２と、鉛蓄電池５と、を含み、さらにキャパシタモジュール２は、充電制御装置３と、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ４と、を含んで構成されている。また、蓄電システム１は、外部電源６及び負荷７のそれぞれと接続される。
【００２３】
本実施形態では、蓄電システム１はアイドリングストップを行う車両に搭載されることとする。具体的に、蓄電システム１は、当該車両の駆動によって得られる回生電力を蓄積し、停止中のエンジンを再起動させたりするために蓄積した電力を負荷７に対して供給する。この場合、外部電源６は、オルタネータ等であって、車両のエンジン等から伝達される動力を電気エネルギーに変換し、蓄電システム１に供給する。また、負荷７は、車両に備えられた計器類や、車両の走行再開時にエンジンを始動するセルモータなどであって、蓄電システム１から供給される電力によって動作する。
【００２４】
蓄電システム１は、電力を蓄積する蓄電装置としてキャパシタ４及び鉛蓄電池５を含んでいる。キャパシタ４及び鉛蓄電池５は、互いに並列に接続され、外部電源６から供給される電力によって充電される。なお、例えばキャパシタ４は、互いに直列接続された複数の電気二重層キャパシタセル、及び各キャパシタセルに印加される電圧を均等化するための均等化回路を備えた電気二重層キャパシタユニットであってもよい。鉛蓄電池５も、複数の鉛蓄電池セルからなる電池ユニットであってもよい。ここでいうセルとは、少なくとも一対の電極で構成された単一のキャパシタまたは電池であり、ユニットとは、互いに接続された複数のキャパシタセルまたは電池セルに、必要に応じてその制御に必要な回路を組み合わせた蓄電装置の構成要素である。
【００２５】
また、本実施形態において、キャパシタ４及び鉛蓄電池５に対する充電は、充電制御装置３によって制御される。この充電制御装置３は、キャパシタ４と一体化されて、キャパシタモジュール２として提供される。図１に示されるように、充電制御装置３は、電流制限部１１と、制御回路１２と、第１電流測定部１３ａと、第２電流測定部１３ｂと、Ａ／Ｄコンバータ１４と、を含んで構成される。
【００２６】
また、キャパシタモジュール２は、外部との接続端子として第１正極端子Ｔ１、第２正極端子Ｔ２、及び負極端子Ｔ３を備えており、第１正極端子Ｔ１は鉛蓄電池５の正極側と、第２正極端子Ｔ２は外部電源６及び負荷７の正極側と、それぞれ接続される。一方、負極端子Ｔ３は、鉛蓄電池５、外部電源６及び負荷７の負極側と共通に接地される。このように、キャパシタモジュール２には、鉛蓄電池５の正極をキャパシタ４の正極と並列に接続するための第１正極端子Ｔ１と、外部電源６及び負荷７の正極を鉛蓄電池５及びキャパシタ４双方の正極に接続するための第２正極端子Ｔ２と、が互いに独立に設けられている。そのため、キャパシタモジュール２に対して鉛蓄電池５を備える既存の蓄電装置を簡便に接続することができる。これにより、既存の鉛蓄電池５にキャパシタモジュール２を組み合わせて、鉛蓄電池５の性能劣化を抑制して鉛蓄電池５を長寿命化することのできる蓄電システム１を構成できる。なお、ここでは正極側に複数の接続端子を設けることとしたが、これに代えて、またはこれに加えて、負極側に複数の接続端子を設けることとしてもよい。
【００２７】
電流制限部１１は、キャパシタ４と直列に接続され、制御回路１２から入力される制御信号に従って、外部電源６からの充電時にキャパシタ４に流れる電流Ｉｃを制限する。図１の例では、電流制限部１１は第２正極端子Ｔ２とキャパシタ４の正極との間に配置されている。制御回路１２は、マイクロプロセッサ等であって、Ａ／Ｄコンバータ１４から入力される情報に応じて、電流制限部１１の動作を制御する。電流制限部１１の具体的な構成、及び制御回路１２による電流制限部１１の制御の例については、後述する。
【００２８】
２個の電流測定部１３ａ及び１３ｂは、それぞれの接続箇所に流れる電流を測定し、測定された電流に応じたアナログ信号をＡ／Ｄコンバータ１４に入力する。具体的に、第１電流測定部１３ａは、キャパシタ４と直列に接続され、キャパシタ４に流れる電流Ｉｃを測定する。また、第２電流測定部１３ｂは、第１正極端子Ｔ１と第２正極端子Ｔ２との間に接続される。このように、キャパシタモジュール２が備える２個の正極端子間に第２電流測定部１３ｂを配置し、かつ、当該２個の正極端子のうち、キャパシタ４側の正極端子（図１では第２正極端子Ｔ２）に外部電源６及び負荷７を、他方の正極端子（図１では第１正極端子Ｔ１）に鉛蓄電池５を、それぞれ接続することによって、第２電流測定部１３ｂは鉛蓄電池５に流れる電流Ｉｂを測定できる。なお、ここではキャパシタ４の正極側に電流制限部１１や２個の電流測定部１３ａ及び１３ｂを設けることとしたが、これらの回路素子はキャパシタ４の負極側に接続されてもよい。その場合、キャパシタモジュール２は少なくとも２個の負極端子を備え、この２個の負極端子の間に鉛蓄電池５に流れる電流を測定する電流測定部が設けられる。
【００２９】
Ａ／Ｄコンバータ１４は、２個の電流測定部１３ａ及び１３ｂのそれぞれから入力されるアナログ信号を、デジタル信号に変換し、その結果を制御回路１２に入力する。Ａ／Ｄコンバータ１４が所定時間おきにこのような処理を実行することによって、制御回路１２は、キャパシタ４及び鉛蓄電池５のそれぞれに流れる電流の時間変化を示すデジタル情報を取得できる。また、Ａ／Ｄコンバータ１４には、キャパシタ４の正極、第１正極端子Ｔ１、及び負極端子Ｔ３それぞれの電圧を示す信号も入力される。Ａ／Ｄコンバータ１４は、これらの電圧信号を所定時間ごとにデジタル信号に変換して、制御回路１２に入力する。これによって、制御回路１２は、キャパシタ４及び鉛蓄電池５それぞれの両端の間に印加される電圧Ｖｃ及びＶｂの時間変化を示すデジタル情報を取得できる。
【００３０】
ここで、充電制御装置３によるキャパシタ４に流れる電流の制限を行わない場合に、蓄電システム１内に流れる電流の時間変化について、図２を用いて説明する。図２は、アイドリングストップを行う車両に蓄電システム１を適用する場合に、蓄電システム１が１回の放電を行った後、これに続いて１回の充電を行ったときの電流の時間変化のモデルケースを示している。なお、同図においては、横軸が時間、縦軸が電流をそれぞれ表しており、正の電流値は充電時に外部電源６から蓄電システム１に流れ込む電流を、負の電流値は放電時に蓄電システム１から負荷７に流れ出る電流を、それぞれ示している。また、実線が蓄電システム１全体に流れる全体電流Ｉｓを、一点鎖線がキャパシタ４に流れる電流Ｉｃを、破線が鉛蓄電池５に流れる電流Ｉｂを、それぞれ示している。
【００３１】
この図に示されるように、車両が停止すると、まず蓄電システム１は期間ｔ１において一定電流による放電を行う。これは、車両停止期間中における計器類等への電力供給に相当する。続いて期間ｔ２において、瞬間的に大きな電流が蓄電システム１から負荷７に流れる。これは、エンジンを再始動させる際のセルモータへの電力供給に相当する。
【００３２】
その後、車両が走行を開始すると、エンジン駆動によって得られる回生電力が外部電源６から蓄電システム１に対して供給され、蓄電システム１の充電が開始される。ここでは外部電源６は、ＣＣ−ＣＶ（定電流−定電圧）方式で蓄電システム１の充電を行うこととする。すなわち、まず期間ｔ３において一定電流で蓄電システム１への電力供給が行われる。この期間においては、まずキャパシタ４に大きな電流が流れ、鉛蓄電池５には相対的に小さな電流しか流れない。そして、蓄電システム１内の電圧値が所定の目標値に到達した後、期間ｔ４においては、この電圧値を保つように電流を徐々に減少させながら、外部電源６から蓄電システム１への電力供給が行われる。この期間では、キャパシタ４に流れる電流は小さくなり、逆に鉛蓄電池５に流れる電流が大きくなる。
【００３３】
なお、この図２に示される蓄電システム１全体の充放電パターンは、電池工業会規格（ＳＢＡ）の規格番号Ｓ０１０１「アイドリングストップ車用鉛蓄電池」において、鉛蓄電池の寿命試験用として規定されているモデルパターンに沿ったものになっている。当該規格においては、同図に示すようなパターンによる充放電を所定回数繰り返した後、所定時間にわたって鉛蓄電池を休止させる制御を複数回繰り返す寿命試験の方法が規定されている。
【００３４】
充電制御装置３による制御を行わずに、このようなモデルパターンで蓄電システム１を使用した場合、特に所定時間の休止が行われた後は、電極が不活性になるなどの要因で、鉛蓄電池５の充電効率が一時的に低下する。そのため、所定時間の休止の後、蓄電システム１の使用を再開してから最初の数十回程度の充放電サイクルにおいては、１回の放電によって減少した電力が次の充電において鉛蓄電池５に十分に充電されずに、鉛蓄電池５の充電状態が充放電サイクルを繰り返すごとに低下していく。その後は、さらに充放電サイクルを繰り返す過程で鉛蓄電池５の充電効率は徐々に回復し、これに伴って鉛蓄電池５の充電状態も元の満充電に近い状態に戻っていく。しかしながら、一時的にせよ充電状態が低下する状態が生じると、鉛蓄電池５の劣化を速めてしまうことになる。そこで本実施形態では、充電制御装置３によって効率よく鉛蓄電池５の充電を行うことにより、鉛蓄電池５の充電状態が低下しにくくなるよう制御している。以下では、この充電制御装置３による制御について、詳しく説明する。
【００３５】
本実施形態では、図１に示されるように、電流制限部１１は可変抵抗であることとしている。制御回路１２は、蓄電システム１の充電開始時には可変抵抗の抵抗値を大きな値に設定し、当該充電の終了前における所定の制御タイミングｔｃまでその状態を保つこととする。これによって、キャパシタ４に流れる電流が小さな値に制限され、相対的に鉛蓄電池５には大きな電流が流れる。そのため、キャパシタ４に流れる電流の制限が行われない場合と比較して、鉛蓄電池５には大きな電力が供給され、その充電が早く進行する。その後、所定の制御タイミングｔｃが到来すると、制御回路１２は可変抵抗の抵抗値をこれまでより小さな値に変更する。これによって、キャパシタ４に流れる電流の制限は解除され、これまでより大きな電流がキャパシタ４に流れ、キャパシタ４の充電が進行する。
【００３６】
特に鉛蓄電池５は、満充電に近い状態よりも、ある程度放電された状態、すなわち充電状態（ＳＯＣ）が低い間のほうが、充電効率がよい。そこで、放電が行われた後の１回の充電期間のうち、前半の期間においてキャパシタ４に流れる電流を制限して、優先的に鉛蓄電池５に電力供給を行うことによって、効率よく鉛蓄電池５を充電できる。
【００３７】
なお、電流制限部１１は、可変抵抗に限られず、その他の回路素子であってもよい。例えば電流制限部１１がリレーやトランジスタ等のスイッチ素子である場合、制御回路１２が充電開始時にこのスイッチ素子をオフ状態に切り替えることで、キャパシタ４に流れる電流を完全に遮断し、優先的に鉛蓄電池５を充電できる。
【００３８】
また、電界効果トランジスタ等のトランジスタスイッチを電流制限部１１として用いる場合、制御回路１２は、このトランジスタスイッチのオン状態とオフ状態との間の切り替えを交互に繰り返す制御を実行してもよい。この例では、制御回路１２は、充電開始時には相対的にオン状態の時間の割合が減少するようにオン／オフの切り替えを繰り返し、所定の制御タイミングｔｃが到来すると、相対的にオン状態の時間の割合を増大させる。これによって、制御タイミングｔｃの到来まで、キャパシタ４に流れる電流を低下させることができる。
【００３９】
さらにこの場合、制御回路１２は、制御タイミングｔｃの到来時には、単にオン状態の時間の割合を所定値に変化させるのではなく、オン状態の時間の割合を徐々に増加させることによって、電流の制限を解除することとしてもよい。こうすれば、制御タイミングｔｃの到来時に、急激に大きな電流がキャパシタ４に流れることを避けられる。なお、電流制限部１１が可変抵抗の場合も、制御回路１２はその抵抗値を徐々に変化させることによって、キャパシタ４に流れる電流の制限を解除してもよい。
【００４０】
ここで、制御回路１２が電流の制限を解除する制御タイミングｔｃの具体例について、説明する。既に述べたように、鉛蓄電池５の充電状態が低い間にキャパシタ４の電流を制限して、優先的に鉛蓄電池５の充電を行うことが望ましい。そこで制御回路１２は、鉛蓄電池５の充電状態に応じて決まる制御タイミングｔｃまで、電流制限部１１による電流の制限を実行させることとする。具体的に、制御回路１２は、Ａ／Ｄコンバータ１４からの入力によって得られる、蓄電システム１の充電時に鉛蓄電池５及びキャパシタ４のそれぞれに流れる電流Ｉｂ及びＩｃ、並びに鉛蓄電池５及びキャパシタ４のそれぞれに印加される電圧Ｖｂ及びＶｃの一部又は全部の時間変化に応じて、制御タイミングｔｃを決定する。
【００４１】
図３は、ＣＣ−ＣＶ充電が行われる場合の蓄電システム１に流れる全体電流Ｉｓ（＝Ｉｂ＋Ｉｃ）、印加される全体電圧Ｖｓ（＝Ｖｂ）、及び供給される全体電力Ｐｓ（＝Ｉｓ×Ｖｓ）の時間変化を示すグラフである。同図に示されるように、定電流充電から定電圧充電に移行すると、一定電圧が保たれるように電流を減少させながら電力供給が行われるため、外部電源６によって供給可能な電力のうち、鉛蓄電池５への充電には用いられない余剰分が生じることになる。そこで、例えば制御回路１２は、このような状態になるまでキャパシタ４に流れる電流を制限し、定電圧制御に移行した後は電流の制限を解除する。すなわち、定電流充電から定電圧充電に移行したタイミングを制御タイミングｔｃとする。これによって、１回の充電期間中において、定電流充電時には鉛蓄電池５の充電を優先させながら、定電圧充電時にはキャパシタ４への充電も行うことができる。
【００４２】
この例において、制御タイミングｔｃは、例えば以下のようにして決定される。すなわち、蓄電システム１への充電中であって（条件１）、蓄電システム１全体に流れる全体電流Ｉｓが時間とともに減少し（条件２）、かつ、全体電流Ｉｓの単位時間あたりの減少量が時間とともに減少している（条件３）ことを検知した場合に、制御回路１２は制御タイミングｔｃが到来したと判定し、キャパシタ４に対する電流の制限を解除する。これらの３つの条件は、それぞれ、時間を表す変数ｔの関数である全体電流Ｉｓ（ｔ）について、条件１はＩｓ（ｔ）が正の値をとること、条件２はＩｓ（ｔ）の変数ｔについての１階微分が負であること、条件３は条件２の前提においてＩｓ（ｔ）の変数ｔについての２階微分が正であること、にそれぞれ相当する。定電圧制御時には、図３に示すように電流の時間変化は下に凸の減少関数となり、この条件を満たすことになる。この演算は、所定時間おきにＩｂ，Ｉｃ，Ｖｂ及びＶｃの値を取得し、その単位時間あたりの変化量を算出することによって実現できる。このとき、異常値の検出によって誤判定を行うことを避けるため、制御回路１２は、過去の所定回数の測定によって得られた複数個のＩｂ，Ｉｃ，Ｖｂ及びＶｃの値それぞれの移動平均を算出し、この移動平均値を用いて全体電流Ｉｓの時間変化を評価してもよい。ここで、２階微分の正負（条件３）まで判定条件として用いているのは、瞬間的な異常変化などを排除して、充放電サイクル全体の中での定電圧制御が行われている期間を精度よく特定するためである。
【００４３】
あるいは、制御回路１２は、蓄電システム１に供給される全体電力Ｐｓ（＝Ｉｓ×Ｖｓ）を所定時間おきに算出し、この全体電力Ｐｓが正であって（条件１）、全体電力Ｐｓが時間とともに減少し（条件２）、かつ、全体電力Ｐｓの単位時間あたりの減少量が時間とともに減少している（条件３）ことを検知した場合に、制御タイミングｔｃが到来したと判定してもよい。この場合も、全体電流Ｉｓの場合と同様に、Ｐｓ（ｔ）が正、Ｐｓ（ｔ）の１階微分が負、Ｐｓ（ｔ）の２階微分が正であるとの判定条件を用いることによって、制御タイミングｔｃの到来を判定できる。
【００４４】
なお、以上の説明においては、外部電源６による蓄電システム１の充電は、ＣＣ−ＣＶ充電によって行われることとしたが、これ以外の方法によって行われることとしてもよい。例えばＣＣ−ＣＰ−ＣＶ（定電流−定電力−定電圧）方式によって蓄電システム１の充電が行われる場合における、全体電流Ｉｓ、全体電圧Ｖｓ、及び全体電力Ｐｓの時間変化を示すグラフが、図４に示されている。この場合、まず電力値が所定の目標値に達するまで一定電流で充電が行われ、その後は電圧値が所定の目標値に達するまで一定電力で充電が行われるよう電流値が制御される。そして、電圧値が所定の目標値に達すると、その後はＣＣ−ＣＶ充電の場合と同様に定電圧充電が行われる。この場合において、定電力充電から定電圧充電への切り替えタイミングを制御タイミングｔｃとすることとすると、全体電流Ｉｓの時間変化だけでは定電力充電と定電圧充電の判別が難しい。そこで、この例では、制御回路１２は、全体電力Ｐｓについて前述した３つの条件を満たすことを検知した場合に、制御タイミングｔｃが到来したと判定すればよい。
【００４５】
また、以上の説明においては、全体電流Ｉｓ又は全体電力Ｐｓの時間変化を用いて制御タイミングｔｃを決定することとしたが、制御回路１２は、その他の指標値を用いて制御タイミングｔｃを決定してもよい。具体的に、例えば制御回路１２は、鉛蓄電池５の電圧Ｖｂの単位時間あたりの変化量を算出し、当該算出された値を用いて制御タイミングｔｃを決定してもよい。あるいは、１回の充電期間中における典型的な電流や電力の時間変化のモデルが予め想定される場合、制御回路１２は、充電が開始された後、このようなモデルに基づいて予め決定された時間が経過したタイミングで、キャパシタ４に流れる電流の制限を解除してもよい。
【００４６】
あるいは、制御回路１２は、蓄電システム１の充電を開始してから、鉛蓄電池５に対して充電された電気量（以下、充電電気量Ｑ１という）が所定の条件を満たすタイミングまで、電流制限部１１を制御してキャパシタ４に流れる電流を制限することとしてもよい。例えば制御回路１２は、充電電気量Ｑ１と、当該充電の前に鉛蓄電池５が放電した電気量（以下、放電電気量Ｑ２という）と、が所定の条件を満たすように、電流の制限を解除する制御タイミングｔｃを決定する。この場合、制御回路１２は、第２電流測定部１３ｂによって測定される電流Ｉｂを継続的にモニタすることで、その電流値の正負の反転によって鉛蓄電池５に対する充放電の切り替わりを判断できる。また、１回の充電又は放電が行われている間の電流Ｉｂの値を時間積分することによって、充電電気量Ｑ１及び放電電気量Ｑ２のそれぞれの値を算出できる。
【００４７】
具体例として、制御回路１２は、鉛蓄電池５が放電を行っている間の電流Ｉｂの値を定期的に取得し、時間積分することによって、蓄電システム１に対する充電開始の直前の１回の放電における放電電気量Ｑ２を算出する。その後、鉛蓄電池５に対する充電が開始されると、やはり定期的に電流Ｉｂの値を取得することで、充電が継続している間、定期的に充電電気量Ｑ１の値を更新し続ける。そして、充電が継続されて充電電気量Ｑ１が増加し、充電電気量Ｑ１を放電電気量Ｑ２で除した値（Ｑ１／Ｑ２）が所定の閾値ｔｈを超えるタイミングまで、電流制限部１１に電流の制限を実行させることとし、（Ｑ１／Ｑ２）が閾値ｔｈを超えたタイミングで、電流の制限を解除する。なお、この閾値ｔｈは、前述した電池工業会規格の規格番号Ｓ０１０１における試験パターンで充放電が行われると想定される場合、０．６０以上の値とするのが好ましく、より好ましくは０．７０、さらに好ましくは０．８０以上の値とするのがよい。このような制御によれば、制御回路１２は、過去に鉛蓄電池５が放電した電気量に対して決まる一定の電気量が鉛蓄電池５に充電されるまで、キャパシタ４に流れる電流を制限し、優先的に鉛蓄電池５を充電することができる。
【００４８】
また、以上の説明においては、蓄電システム１を車両の駆動によって得られる回生電力の蓄積に用いることとしたが、本発明の実施の形態に係る充電制御装置を含む蓄電システムは、その他の用途に用いられることとしてもよい。具体的には、例えば、電車・船舶・飛行機等の加速・減速運動、エレベータの昇降運動、自動倉庫のスタッカークレーン、保冷・冷蔵・冷凍車における冷却機の媒体圧縮運動、開閉扉の開閉運動、スライド式移動棚の移動・停止運動、各種製造機械及び電気機器における回転体の回転・停止運動、振り子運動、ばね振動の制動エネルギーなどによって、モータを介して発電された電力の蓄積に用いるものであってもよい。あるいは、この蓄電システムは、太陽光発電、風力発電、流水による水力発電、揚水による水力発電等によって発電された電力の蓄積に用いるものであってもよい。この場合、１回あたりの充電期間は不定期になることが想定されるが、このような場合であっても、前述したように例えば全体電力Ｐｓの時間変化などに応じて制御タイミングｔｃを定めることで、キャパシタ４への充電も実行しつつ、鉛蓄電池５への充電を優先して行うことができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 蓄電システム、２ キャパシタモジュール、３ 充電制御装置、４ キャパシタ、５ 鉛蓄電池、６ 外部電源、７ 負荷、１１ 電流制限部、１２ 制御回路、１３ａ 第１電流測定部、１３ｂ 第２電流測定部、１４ Ａ／Ｄコンバータ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛蓄電池と当該鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタとを含む蓄電装置の充電を制御するための、充電制御装置であって、
前記キャパシタに流れる電流を制限する電流制限手段と、
前記蓄電装置の充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる制御手段と、
を含むことを特徴とする充電制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記鉛蓄電池の充電状態に応じて決まるタイミングまで、前記電流の制限を実行させる
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの少なくとも一方に流れる電流及び／又は印加される電圧の時間変化に応じて、前記所定のタイミングを決定する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項４】
請求項３記載の充電制御装置であって、
前記キャパシタ及び前記鉛蓄電池のそれぞれに流れる電流を測定する測定手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記測定手段により測定される電流の時間変化に応じて、前記所定のタイミングを決定する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項５】
請求項４記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの全体に流れる電流が時間とともに減少し、かつ、当該電流の単位時間あたりの減少量が時間とともに減少していることを検知した場合に、前記電流制限手段による電流の制限を解除する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項６】
請求項３記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの全体に供給される電力が時間とともに減少し、かつ、当該電力の単位時間あたりの減少量が時間とともに減少していることを検知した場合に、前記電流制限手段による電流の制限を解除する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項７】
請求項２記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記蓄電装置の充電を開始してから、前記鉛蓄電池に対して充電された電気量が所定の条件を満たすタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項８】
請求項７記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記蓄電装置の充電を開始してから、前記鉛蓄電池に対して充電された電気量と、当該充電の開始前に前記鉛蓄電池が放電した電気量と、が所定の条件を満たすタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項９】
請求項８記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記充電された電気量を前記放電した電気量で除した値が所定の閾値を超えるタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項記載の充電制御装置であって、
前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続された可変抵抗であって、前記制御手段の制御に応じて抵抗値を増大させることによって、前記キャパシタに流れる電流を制限する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか一項記載の充電制御装置であって、
前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続されたスイッチ素子であって、前記制御手段の制御に応じてオフ状態に切り替わることで、前記キャパシタに流れる電流を制限する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項１２】
請求項１から９のいずれか一項記載の充電制御装置であって、
前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続されたトランジスタスイッチであって、前記制御手段の制御に応じてオン状態とオフ状態との間の切り替えが交互に繰り返され、
前記制御手段は、前記所定のタイミングまで、前記所定のタイミング到来後よりもオン状態の時間の割合を減少させることによって、電流の制限を実行させる
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項１３】
鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタと、
前記鉛蓄電池及び前記キャパシタに対する充電を制御する充電制御装置と、
前記鉛蓄電池の一方の極を前記キャパシタに接続するための第１端子と、
外部電源および負荷を前記キャパシタ及び前記鉛蓄電池の前記一方の極に接続するための、前記第１端子とは独立した第２端子と、
を含み、
前記充電制御装置は、
前記キャパシタに流れる電流を制限する電流制限手段と、
前記鉛蓄電池及び前記キャパシタに対する充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる制御手段と、
を含むことを特徴とするキャパシタモジュール。
【請求項１４】
鉛蓄電池と当該鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタとを含む蓄電装置の充電を制御する充電制御方法であって、
前記蓄電装置の充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記キャパシタに流れる電流を制限する
ことを特徴とする充電制御方法。
【請求項１】
鉛蓄電池と当該鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタとを含む蓄電装置の充電を制御するための、充電制御装置であって、
前記キャパシタに流れる電流を制限する電流制限手段と、
前記蓄電装置の充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる制御手段と、
を含むことを特徴とする充電制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記鉛蓄電池の充電状態に応じて決まるタイミングまで、前記電流の制限を実行させる
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの少なくとも一方に流れる電流及び／又は印加される電圧の時間変化に応じて、前記所定のタイミングを決定する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項４】
請求項３記載の充電制御装置であって、
前記キャパシタ及び前記鉛蓄電池のそれぞれに流れる電流を測定する測定手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記測定手段により測定される電流の時間変化に応じて、前記所定のタイミングを決定する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項５】
請求項４記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの全体に流れる電流が時間とともに減少し、かつ、当該電流の単位時間あたりの減少量が時間とともに減少していることを検知した場合に、前記電流制限手段による電流の制限を解除する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項６】
請求項３記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記鉛蓄電池及び前記キャパシタの全体に供給される電力が時間とともに減少し、かつ、当該電力の単位時間あたりの減少量が時間とともに減少していることを検知した場合に、前記電流制限手段による電流の制限を解除する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項７】
請求項２記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記蓄電装置の充電を開始してから、前記鉛蓄電池に対して充電された電気量が所定の条件を満たすタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項８】
請求項７記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記蓄電装置の充電を開始してから、前記鉛蓄電池に対して充電された電気量と、当該充電の開始前に前記鉛蓄電池が放電した電気量と、が所定の条件を満たすタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項９】
請求項８記載の充電制御装置であって、
前記制御手段は、前記充電された電気量を前記放電した電気量で除した値が所定の閾値を超えるタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項記載の充電制御装置であって、
前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続された可変抵抗であって、前記制御手段の制御に応じて抵抗値を増大させることによって、前記キャパシタに流れる電流を制限する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか一項記載の充電制御装置であって、
前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続されたスイッチ素子であって、前記制御手段の制御に応じてオフ状態に切り替わることで、前記キャパシタに流れる電流を制限する
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項１２】
請求項１から９のいずれか一項記載の充電制御装置であって、
前記電流制限手段は、前記キャパシタと直列に接続されたトランジスタスイッチであって、前記制御手段の制御に応じてオン状態とオフ状態との間の切り替えが交互に繰り返され、
前記制御手段は、前記所定のタイミングまで、前記所定のタイミング到来後よりもオン状態の時間の割合を減少させることによって、電流の制限を実行させる
ことを特徴とする充電制御装置。
【請求項１３】
鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタと、
前記鉛蓄電池及び前記キャパシタに対する充電を制御する充電制御装置と、
前記鉛蓄電池の一方の極を前記キャパシタに接続するための第１端子と、
外部電源および負荷を前記キャパシタ及び前記鉛蓄電池の前記一方の極に接続するための、前記第１端子とは独立した第２端子と、
を含み、
前記充電制御装置は、
前記キャパシタに流れる電流を制限する電流制限手段と、
前記鉛蓄電池及び前記キャパシタに対する充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記電流制限手段による電流の制限を実行させる制御手段と、
を含むことを特徴とするキャパシタモジュール。
【請求項１４】
鉛蓄電池と当該鉛蓄電池に並列接続されるキャパシタとを含む蓄電装置の充電を制御する充電制御方法であって、
前記蓄電装置の充電を開始してから、当該充電の終了前における所定のタイミングまで、前記キャパシタに流れる電流を制限する
ことを特徴とする充電制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２７９１７３（Ｐ２０１０−２７９１７３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２９３１５（Ｐ２００９−１２９３１５）
【出願日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２００９年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 新エネルギー技術開発 系統連系円滑化蓄電システム技術開発／要素技術開発／高エネルギー密度を有する新型電気二重層キャパシタ及びその蓄電システムの研究開発、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４３７４）日清紡ホールディングス株式会社 (370)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２００９年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 新エネルギー技術開発 系統連系円滑化蓄電システム技術開発／要素技術開発／高エネルギー密度を有する新型電気二重層キャパシタ及びその蓄電システムの研究開発、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４３７４）日清紡ホールディングス株式会社 (370)
【Ｆターム（参考）】
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