电容器电源装置、电压监视装置、电压监视方法和电容器电源装置的制造方法

摘要

本发明提供能够提高电容器的电压的测定精度的电容器电源装置、电压监视装置、电压监视方法和电容器电源装置的制造方法。在校准处理中，成为从端部端子(35A)和(35B)拆下电容器组件(50)的状态、即各个电容器(51)不与端子(35)连接的状态。端部端子(35A)和(35B)间被施加规定的电压(已知的电压)(V

说明书

技术领域

本发明涉及使用串联连接有多个电容器的电容器组件的电容器电源装置、其电源监视装置、电源监视方法和电容器电源装置的制造方法。 

背景技术

利用双电层的电化学电容器(以下称为电容器。)与现有的二次电池相比，能够急速充电和大电流放电，循环寿命长，所以作为适合于可再生能源等的用途的蓄电器件备受关注。 

例如在想要利用电容器实现可再生能源等能源的回收的情况下，电容器的额定电压低，所以通常构成为将多个电容器串联连接的电容器组件。 

但是，在对这些串联连接的电容器进行充电放电的情况下，由于各电容器的静电电容、漏电流的偏差(不均)，在电容器组件的端子间电压产生偏差。在该情况下，如果在多个电容器之中的至少一个超过其额定电压，则该至少一个电容器的特性发生劣化。如果以不超过额定电压的方式将施加于各个电容器的电压设定得较低，则不能够有效利用电容器的容量。 

因此，在专利文献1中记载有与各电容器分别并列连接的具有开关和电阻体的电压不均等化抑制电路。例如，该电路在对电容器进行充电时，分别监视各个电容器的端子间电压，闭合与其它开关的端子间电压相比、端子间电压高于预先设定的容许范围的一个以上的电容器所连接的开关。这样，电流被与该电容器连接的电阻体消耗，对该电容器充电的充电量减少。因此，该电容器的端子间电压的上升速度比不连接电阻体的其它电容器的端子间电压的上升速度慢。结果，在充电中，这些各端子间电压的偏差受到抑制(例如参照专利文献1的 说明书段落[0022])。 

专利文献2中记载的电池监视装置中的电池单元监视组件具有平衡器，该平衡器包括与串联连接的多个电池单元分别并联连接的电阻和开关。电池单元监视组件，在平衡器的开关ON时和OFF时，由电压测定电路测定电池单元的电压，在ON时和OFF时其测定电压的差大于阈值的情况下，判定电池单元或电路发生异常(例如参照专利文献2的说明书段落[0018])。 

现有技术文献 

专利文献 

专利文献1：日本特开2012－115103号公报 

专利文献2：日本特开2010－271267号公报 

发明内容

发明想要解决的技术问题 

然而，在这种装置中，由于电路、元件所具有的个体差，各电容器的测定电压会产生偏差。在想要将电容器的容量有效利用至极限的情况下，需要准确测定电容器的电压，抑制那样的个体差导致的偏差。 

本发明的目的在于提供能够提高电容器的电压的测定精度的电容器电源装置、电压监视装置、电压监视方法和电容器电源装置的制造方法。 

用于解决结束问题的技术方案 

为了达成上述目的，本发明的电容器电源装置包括多个端子、旁路电路、电压检测部、存储部和修正部。 

上述多个端子包括作为两端的端子的第一端子和第二端子，能够将多个电容器串联连接。 

上述旁路电路具有与构成上述多个端子的各个端子间分别并联连接的旁路开关。 

上述电压检测部能够检测出上述多个端子之中的至少上述第二端子以外的端子的电压。 

上述存储部，存储在上述多个电容器不与上述多个端子连接的状态、并且将与上述多个端子之中从上述第一端子侧起的1个端子或者 连续的2个以上的端子连接的上述旁路开关闭合的状态下，基于在规定的电压被输入到上述第一端子和上述第二端子之间时的由上述电压检测部检测出的电压的修正信息。 

上述修正部基于上述修正信息修正在上述多个电容器分别与上述多个端子连接的状态下通过上述电压检测部得到的电压。 

本发明的电压监视装置是用于具有上述多个端子和上述旁路电路的电容器电源装置的电压监视装置，具有上述电压检测部、上述存储部和上述修正部。 

本发明的电压监视方法，检测包括作为两端的端子的第一端子和第二端子的、能够将多个电容器串联连接的多个端子之中从上述第一端子侧起的1个端子或者连续的2个以上的端子的电压。 

取得在上述多个电容器不与上述多个端子连接的状态下、且与构成上述多个端子的各个端子间分别并联连接的旁路开关之中与上述1个端子或者连续的2个以上的端子连接的上述旁路开关闭合的状态下，基于在规定的电压被输入到上述第一端子和上述第二端子之间时的通过上述电压检测部检测出的电压的修正信息。 

基于上述修正信息修正在上述多个电容器分别与上述多个端子连接的状态下通过上述电压检测得到的电压。 

本发明的电容器电源装置的制造方法为具有上述多个端子和上述旁路电路的电容器电源装置的制造方法，检测上述多个端子之中从上述第一端子侧起的1个或者连续的2个以上的端子的电压。 

取得在上述多个电容器不与上述多个端子连接的状态、并且将与上述1个端子或者连续的2个以上的端子连接的上述旁路开关闭合的状态下，基于在规定的电压被输入到上述第一端子和上述第二端子之间时的通过上述电压检测部检测出的电压的修正信息。 

上述取得的修正信息被存储在上述电压监视装置的存储部。 

附图说明

图1是表示能够应用本发明的一实施方式的电压监视装置的电容器电源装置的功能的框图。 

图2表示本实施方式的电压监视装置的构成。 

图3是用于说明在图2所示的电压监视装置中的校准处理的图。 

图4是表示校准处理的流程图。 

图5是表示包含电压监视动作的电容器电源装置的整体的动作的流程图。 

图6是表示图5中的状态转变控制的处理的流程图。 

图7是表示本发明的其它实施方式的电容器电源装置的功能的构成的框图。 

具体实施方式

在上述的电容器电源装置中，在多个端子不与电容器连接的状态下并且旁路开关闭合的状态下，在规定的电压被输入到第一端子和第二端子之间时所检测出的电压为反映由各种电路中所包含的元件等具有的个体差导致的偏差的电压。该电容器电源装置存储基于该电压的修正信息，由此能够对在各电容器与各端子连接的状态下检测出的电压进行修正。即，能够提高电容器的电压的测定精度。 

上述存储部，作为上述修正信息存储在上述多个端子之中的上述第二端子和与上述第二端子相邻的端子之间连接的旁路开关以外的上述旁路开关闭合的状态下、基于上述检测出的电压的修正信息。 

在旁路电路的构造上，即使基于第二端子和与第二端子相邻的端子之间连接的旁路开关不对第二端子通电，电容器电源装置也能够将从各端子输入的基于电压检测部的检测电压值全部取得。 

上述电容器电源装置还具有与上述第二端子以外的上述端子连接的分压电阻电路，上述电压检测部可以检测由上述分压电阻电路分压后的上述端子的各自的电压。 

由此，在测定点的电压超过电压检测部的检测范围的情况下，能够设置这样的分压电阻电路。在设置有这种分压电阻电路的情况下，即使在分压电阻电路的各电阻元件存在个体差的情况下，根据本发明，因存储有各电容器不被连接的状态下的电压的修正信息，所以能够吸收这样的个体差。 

上述旁路电路包括与上述各旁路开关分别串联连接的旁路电阻元件，上述旁路电阻元件具有比上述分压电阻电路所包括的各电阻元件 的电阻值低的电阻值。 

旁路电阻元件具有比分压电阻电路所包含的各电阻元件的电阻值充分低的电阻值，由此，作为旁路开关闭合的状态，实质上能够为使端子间短路的状态。由此，成为与使用连接电缆等的夹具将端子间短路的状态相同的状态，而不需要使用这样的夹具(治具、jig)。 

下面参照附图说明本发明的实施方式。 

1.电容器电源装置的构成 

图1是表示能够应用本发明的一个实施方式的电压监视装置的电容器电源装置的功能的构成的框图。 

电容器电源装置100具有将利用双电层的多个电化学电容器(以下称为电容器。)51串联连接而成的电容器组件50。电容器组件50为了进行更换而能够装卸。电容器组件50可以按每个电容器组件50能够更换，各电容器51也可以单独相对于各端子35能够更换。 

作为电容器51的材料典型的是能够采用锂离子电容器(LIC)，但不限于此。电容器组件50具有例如10个电容器51，但个数不限定。 

电容器电源装置100具备能源的输入输出用的主端子(正极的端子11和负极的端子12)，另外，具备MPU(Micro Processing Unit：微处理单元)20、升压变换器23和降压变换器24。 

电容器组件50的正极侧的端部端子35A(用于将多个电容器51分别串联连接的各端子35中的端部的第一端子)经由升压变换器23和降压变换器24与正极侧的主端子11连接。电容器组件50的负极侧的端部端子35B(用于将多个电容器51分别串联连接的各端子35中的端部的第二端子)与负极侧的主端子12连接。升压变换器23和降压变换器24例如能够通过DC/DC变换器分别实现。 

此外，负极侧的端部端子35B和负极侧的主端子12实际上可以为相同的端子。 

MPU20主要进行电容器组件50的充放电的控制、以及电容器51的电压的监视等。在主端子11和12之间连接有未图示的充电用的电源的情况下，MPU20控制升压变换器23，进行对电容器组件50的恒定电流充电和恒定电压充电。另外，在主端子11和12之间连接有未图示的负载的情况下，MPU20控制降压变换器24，以将输出电压维持 为一定(恒定)的状态，进行对该负载的放电。 

电容器电源装置100包括多路复用器(Multiplexers、多工器)21和旁路开关S_n等。 

多路复用器21与电容器组件50的各端子35连接，对各端子35的电压的模拟值有选择地切换并将其输入到MPU20。基于内置于MPU20的AD变换器的接口数(接口数增加的情况下)，不需要多路复用器21。 

旁路开关S_n是切换后述的旁路电路22的、相对电容器组件50的连接的ON(导通)/OFF(关断)的开关。 

另外，该电容器电源装置100的MPU20能够检测规定的部位的电流和电压。例如MPU20使用各电阻元件13分别检测来自未图示的充电电源的输入电流、对电容器组件50的输入电流、以及对负载的输出电流。另外，MPU20能够检测主端子11的电压。 

并且，在该电容器电源装置100中，能够检测电容器51的温度和电路的温度，并且设置有串行通信用的外部I/F26。 

2.电压监视装置的构成 

图2表示本实施方式的电压监视装置的构成。电压监视装置具有包括上述旁路开关S_n的旁路电路22。 

旁路电路22具有与将电容器组件50的各电容器51串联连接的各个端子35之间分别并联连接的、旁路电阻元件R_Pn(n＝1，2，···，10)和旁路开关S_n(n＝1，2，···10)。旁路开关S_n的ON(导通)/OFF(关断)的切换由MPU20控制。 

各端子35与由分压电阻元件R_An和R_Bn(n＝1，2，···，10)构成的分压电路25分别连接。分压电路25可以为多路复用器21具有的电路。MPU20经由分压电路25取得各电容器51的端子35的电压作为模拟量，并通过AD转换将其转换为数字值。在该情况下，MPU20主要作为电压检测部发挥功能。 

MPU20基于取得的各个电容器51的端子电压控制旁路电路22。例如在检测出的端子电压超过按它们的端子的每一个预先设定的电压阈值的情况下，MPU20使与被检测出超过其电压阈值的电压的端子并联连接的旁路开关S_n为ON。由此，电流流过旁路电阻元件R_Pn，所以 能够降低与被检测出超过其电压阈值的电压的端子35间连接的电容器51的电压。下面，将其称为平衡控制。 

分压电阻元件R_An(和R_Bn)的电阻值为数kΩ～数十kΩ。另一方面，旁路电阻元件R_Pn的电阻值具有比其低的电阻值。例如其为数Ω～数十Ω，设置为与分割电阻元件(分压电阻元件)R_An(和R_Bn)的电阻值相比充分低的值。即，旁路电阻元件R_Pn的电阻值为分压电阻元件R_An(和R_Bn)的电阻值的1/10000～1/100左右。 

3.校准处理 

说明为了提高基于如以上方式构成的电压监视装置进行的各电容器51的电压的测定精度的校准处理。 

该校准处理是在电容器电源装置100的制造(也包含设计)时，由用户进行电容器电源装置100的使用时、或者在这两者的情况下能够进行的处理。 

如图3所示，校准处理中，成为从端部端子35A和35B拆下电容器组件50的状态、即各个电容器51不与端子35连接的状态。另外，如图1所示，使接地连接的校准模式用的开关18成为ON。在该状态下，端部端子35A和35B间被施加规定的电压(已知的电压)V_g。V_g为例如5V。 

图4表示由MPU20进行的校准处理的流程图。 

MPU20使旁路电路22的旁路开关S₁、S₂、···、S₁₀中的、与从正极的端部端子35A侧起1个或者连续的2个以上的端子35连接的旁路开关S_n为ON(步骤101)。本实施方式中，旁路开关S₁₀～S₂为ON。即，连接于负极侧的端部端子35B和其相邻的端子35之间的旁路开关S1以外的、连续的9个旁路开关S₁₀～S₂为ON。 

MPU20经由各分压电路25取得上述1个或者连续的2个以上的端子35、本实施方式中为负极的端部端子35B以外的端子电压V_N10、V_N9、V_N8、···V_N2、V_N1(步骤102)。 

MPU20将取得的端子电压(V_N10～V_N1)写入非易失性存储器(步骤103)。 

端子电压(V_N10～V_N1)能够用下式表示。 

V_N10＝V_g·R_B10/(R_A10+R_B10)、 

V_N9＝V_g·R_B9/(R_A9+R_B9)、 

V_N8＝V_g·R_B8/(R_A8+R_B8)、 

··········· 

··········· 

V_N1＝V_g·R_B1/(R_A1+R_B1) 

如上所述，通过校准处理，取得电容器电源装置100不与电容器组件50连接的状态下的、各端子电压(V_N10～V_N1)作为修正信息，并对其进行存储。在该情况下，MPU20或者非易失性存储器作为存储基于各端子电压得到的修正信息的存储部发挥功能。 

在实际的计算中，MPU20根据如以上方式获得的端子电压(V_N10～V_N1)，能够按以下方式算出修正系数N₁₀、N₉、N₈、···、N₁。MPU20可以将该修正系数(N₁₀～N₁)作为修正信息存储。 

N₁₀＝V_g/V_N10、 

N₉＝V_g/V_N9、 

N₈＝V_g/V_N8、 

······ 

······ 

N₁＝V_g/V_N1

4.电容器电源装置的动作 

图5是表示电容器电源装置的整体的动作的流程图，特别是主要表示包括上述校准处理和使用由此得到的修正信息的端子电压的修正处理的动作(电压监视方法)。 

如图5所示，首先，进行规定的初始设定(步骤201)。初始设定是软件和硬件等的最初必要的设定。 

在初始设定后，在电容器组件50被从端部端子35A和35B拆下的状态下，执行校准处理的情况下(步骤202的“是”)，进入步骤203，MPU20执行图4所示的校准处理(步骤203)。 

在不执行校准处理的情况下(步骤202的“否”)，电容器电源装置100进行通常动作。即，电容器组件50在与端部端子35A和35B连接的状态下进行动作。 

MPU20，首先从非易失性存储器读出在步骤103(参照图4)中存 储的修正信息(步骤204)。 

MPU20测定电容器组件50的各端子电压(V_T10～V_T1)，另外，测定主端子11的电压和各部的电流(步骤205)。在该情况下，MPU20主要至少作为电压检测部发挥功能。 

MPU20基于在步骤204中读出的修正信息，对检测出的电压进行修正(步骤206)。在该情况下，MPU20主要作为修正部发挥功能。具体来讲，MPU20如下述式所示，将对电容器组件50的各端子电压(V_T10～V_T1)乘以修正系数(N₁₀～N₁)而得到的值作为修正后的电压(V₁₀～V₁)输出。 

V₁₀＝V_T10·N₁₀(＝V_T10·V_g/V_N10)、 

V₉＝V_T9·N₉(＝V_T9·V_g/V_N9)、 

V₈＝V_T8·N₈(＝V_T8·V_g/V_N8)、 

············· 

············· 

V₁＝V_T1·N₁(＝V_T1·V_g/V_N1) 

MPU20基于按上述方式修正后的电压(V₁₀～V₁)、即高精度地测定的电压(V₁₀～V₁)，执行上述的平衡控制(步骤207)。另外，MPU20执行状态转变控制(步骤208)。关于状态转变控制在后文述说。 

如上所述，MPU20基于在各电容器51不与各端子35连接的状态下检测出的各端子电压(V_N10～V_N1)，对实际检测出的各端子电压(V_T10～V_T1)进行修正。端子电压(V_N10～V_N1)是反映出各种电路中所包含的元件(例如、MPU20内的元件、分压电路25、或者旁路电阻元件R_Pn等)等所具有的个体差导致的偏差的电压。所以，MPU20能够通过修正吸收这些偏差，结果能够提高各个电容器51的电压的测定精度。结果，能够进行高精度的平衡控制。 

此外，作为上述MPU20内的元件的个体差，具有例如相对于基准电压的偏置导致的误差、AD变换器的电压感度的误差等。 

另外，在本实施方式中，假如分压电路25导致的分压率的精度低的情况下，也能够通过上述修正处理吸收它们的分压率的误差。 

在本实施方式中，旁路电阻元件R_Pn具有比分压电路25的各电阻元件R_An和R_Bn的电阻值充分低的电阻值，由此作为闭合旁路开关S_n 的状态，能够成为实质上使各端子35间短路的状态。由此，成为与使用连接电缆等的夹具将端子间短路的状态相同的状态，不需要使用这样的连接电缆等的夹具。 

实际上，旁路电阻元件R_Pn的电阻值不为0，但是与分压电路25的电阻值导致的电压下降相比，旁路电阻元件R_Pn的电阻值导致的电压下降充分小，是能够无视的程度。所以，也能够在各端子35的电压检测时无视该旁路电路22的电阻。然而，由于上述修正信息是基于在包含这些旁路电阻元件R_Pn导致的电压下降的状态下检测出的电压的修正信息，因此，在本实施方式中，在电容器51连接时，能够获得包含微小的电压下降的状态的、高精度的电容器51的电压信息。 

图6是表示图5的步骤208的状态转变控制的处理的流程图。 

如图6所示，MPU20在由步骤205中检测出的主端子11的输入电压V_ext超过阈值V_th1的情况下(步骤301的“是”)，进入步骤302。否则，进入步骤303。阈值V_th1能够为例如25V(＝额定电压24V+规定的电压1V)。 

在步骤301的“是”的情况下，MPU20判定为主端子11和12之间连接有充电用电源的状态、即充电状态。 

在处于充电状态时的电容器组件50的各端子35的容许的最大电压V_max超过例如阈值V_th2的情况下(步骤302的“是”)，MPU20进行恒定电流充电(步骤304)。即，MPU20控制升压变换器23，使得流向电容器组件50的电流为规定的一定值(设计值)。阈值V_th2设置为例如各个电容器51的最大容量的电压值3.8V。 

另一方面，MPU20在该最大电压V_max为阈值V_th2以下的情况下(步骤302的“否”)进行恒定电压充电(步骤305)。即，MPU20控制升压变换器23，使得电容器组件50的各端子电压(例如、上述修正处理后的端部端子35A的电压值V₁₀)为规定的一定值(设计值)。 

在步骤301中为“否”的情况下，MPU20判定为主端子11和12之间连接有负载的状态、即放电状态。 

在放电状态的情况下，MPU20控制降压变换器24，使得在步骤205中检测出的来自主端子11的输出电压维持为规定值(例如额定电压24V)(步骤303)。 

在该情况下，MPU20在电容器组件50的各端子电压(例如、上述修正处理后的端部端子35A的电压值V₁₀)的最低电压值V_min低于阈值V_th3(例如，2.2V)的情况下(步骤306的“是”)，停止降压变换器24的动作。 

电容器电源装置100通过以上那样的充放电控制实现状态转变控制。 

5.其它实施方式 

本发明不限于以上说明的实施方式，能够实现其它各种实施方式。 

如图7所示，在校准处理中，可以从外部经由内部用的变换器27施加规定的电压(已知的电压)。该电容器电源装置包括将外部端子16和变换器27连接的主开关15、和设置在主开关15和主端子11之间的通常动作开关14。 

例如，校准处理时，在外部端子16被从外部施加有规定的电压(例如22～40V)的状态下，使主开关15为ON(通常动作开关14为OFF)。变换器27输出例如对上述的端部端子35A施加的规定的电压(例如5V)，并将其输入MPU。这样，在电容器组件50不与端子35A和35B之间连接的状态下，能够再现5V的电压被输入到MPU的状态。由此，MPU能够执行与上述图4所示的校准处理同样的处理。在该情况下，变换器27可以具有与上述分压电路25等效的电路。 

在电容器电源装置进行通常动作的情况下，MPU20使主开关15为OFF，解除施加于上述端子16的电压。在步骤202中，MPU20使主开关15和通常动作开关14双方为ON，能够进行步骤204以后的处理。 

上述实施方式的电压监视装置通过基于旁路电路22的被动控制来实现平衡控制，但是，也可以通过主动控制各端子电压的主动控制来实现平衡控制。或者，并不限于在上述实施方式中说明的内容的平衡控制，本技术中能够应用公知的各种平衡控制。 

上述实施方式的步骤101(参照图4)中，使最下段(最下的电压侧)的开关S₁为OFF，使其它开关S₁₀～S₂为ON。但是，如果是从端部端子35A侧起的1个或者连续的2个以上的端子，存在在各端子电压中需要修正的端子和不需要修正的端子时，使从包含该需要修正的 端子起上段的连续的开关S_n为ON即可。 

电容器组件50具有多个由串联连接的多个电容器51形成的一个组，这些多个组可以分别并联连接。即，串联连接n个电容器51的组通过并联连接设置有m个，电容器组件50可以具有n×m个电容器51。 

例如在电容器电源装置的制造时，针对各端子35中至少2个端子35的每一个，可以有意地改变基于分压电路25的分压率。在该情况下，能够以使输入到MPU20的AD变换器的检测电压成为适当的水平(AD时的量子化误差能够无视)的方式设定分压率。 

电容器组件50所包含的电容器51的串联的连接数量为多个(例如数十个)，且如上所述按端子35的每一个有意地改变了分压率的情况下，在校准处理中，AD转换时的量子化误差能够被无视。在该情况下，也能够将2种以上的规定的电压(已知电压)施加到该电容器组件的2个部位以上。 

在以上说明的各方式的特征部分中，能够组合至少2个特征部分。 

附图标记说明 

11、12…主端子 

20…MPU 

22…旁路电路 

25…分压电路 

35…端子 

35A、35B…端部端子 

50…电容器组件 

51…电容器 

100…电容器电源装置 

R_Pn…旁路电阻元件 

R_An、R_Bn…分压电阻元件 

S_n…旁路开关。