CN100456596C

CN100456596C - 电容控制系统

Info

Publication number: CN100456596C
Application number: CNB2005800104885A
Authority: CN
Inventors: 大桥敏彦; 垣内公康; 三谷庸介
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2025-04-06
Also published as: JP4590906B2; EP1737097A1; EP1737097A4; JP2005304112A; WO2005099062A1; CN1938919A; US20070210761A1; US7531987B2

Abstract

本发明的电容控制系统，将由电容控制系统所控制的电容单元(1)分割为由规定数目串联连接的电容(2)形成的电容模块(3)，在各电容模块(3)中设置检测部(4)。多个检测部(4)通过模拟开关(5)选择性地与微型计算机(6)连接。由此实现高输出电源用的电容单元以及电容控制系统的小型化。

Description

电容控制系统

技术领域

本发明涉及适用于高输出电源中所使用的电容单元的电容控制系统。

背景技术

电容单元通常用作装载有燃料电池的车辆等高输出电源的支撑电源，众所周知，具有多个电容串联连接的结构。

而且，在采用这样的电容单元时，必须具有对各个电容的电压以及全体电容的总电压进行监视、控制的电容控制系统。

现有的电容控制系统采用的是下述结构，即，分别设置对构成电容单元的各电容进行电压检测的各检测部，利用微型计算机对由各检测部得到的信息进行处理。

其中，有关本发明的现有技术，例如在日本专利特开平11-248755号公报中有所揭示。

但是，为了利用微型计算机对与多个电容相对应的信息进行处理，而必须使微型计算机具有多个端口。因此，为了确保这些端口的数目，而必须设置多台微型计算机，由此，存在电容控制系统大型化的问题。

发明内容

因此，本发明的目的为提供一种能够实现小型化的电容控制系统。

本发明的电容控制系统，是将电容单元分割为按照规定数目的电容串联连接而形成的规定数目的电容模块，相对每个电容模块设置检测部，通过模拟开关将这些检测部与微型计算机进行连接的结构。

附图说明

图1表示的是本发明第一实施方式的电容控制系统的示意图。

图2A表示的是本发明第一实施方式的图1所示的电容控制系统中的检测部的动作，表示的是电容与电容器连接状态的示意图。

图2B表示的是在同一电容控制系统中，使电容器从电容单元独立分离的状态的示意图。

图2C表示的是在同一电容控制系统中，使电容器从电容单元独立分离并等待1周期时间的状态的示意图。

图2D表示的是在同一电容控制系统中，使电容器与OP放大器连接的状态的示意图。

图2E表示的是在同一电容控制系统中，使电容器与OP放大器独立分离的状态的示意图。

图2F表示的是在同一电容控制系统中，使电容器从OP放大器独立分离并等待1周期时间的状态的示意图。

图2G表示的是在同一电容控制系统中检测部的动作，在再读工序时使电容与电容器连接的状态的示意图。

图2H表示的是在同一电容控制系统中，在再读工序时使电容器从电容单元独立分离的状态的示意图。

图2I表示的是在同一电容控制系统中，在再读工序时使电容器从电容单元独立分离并等待1周期时间状态的示意图。

图2J表示的是在同一电容控制系统中检测部的动作，在再读工序时使电容器从电容单元独立分离的状态的示意图。

图2K表示的是在同一电容控制系统中检测部的动作，在再读工序时使电容器与OP放大器独立分离的状态的示意图。

图2L表示的是在同一电容控制系统中检测部的动作，在再读工序时使电容器与OP放大器独立分离并等待1周期时间的状态的示意图。

图3表示的是第二实施方式的同一电容控制系统中电容器的均等化动作的图。

符号说明：

1：电容单元(capacitor unit)；2：电容(capacitor)；3：电容模块(capacitor block)；4：检测部；5：模拟开关(analog switch)；6：微型计算机(microcomputer)；9：电容器(condenser)；10：OP放大器(OP amplifier)；11：变压器(transformer)。

具体实施方式

下面，利用附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1表示的是对作为燃料电池车的高输出电源的支撑电源(supportpower source)而使用的电容单元1进行控制的电容控制系统的图。

其中，这里所示的电容单元1采用的是下述结构，即，为了适应于数百伏特的高电压而将多个双电层电容器(electric double-layercapacitors)串联连接的结构。因此，由于形成电容单元1的电容2中的电气特性的偏差，而导致蓄积的电压也产生较大偏差。如果在蓄积的电压中产生了偏差，则被施加该较大电压的电容2的寿命就会比其他电容2的寿命短。即，作为电容单元1的整体寿命变短。因此，为了有效地利用电容单元1，并且使其保持较长的寿命，而需要对各电容2的电压以及电容2全体的总电压进行检测，并对其进行控制。

因此，首先，为了检测构成电容单元1的各电容2的电压，将由多数电容2的串联体构成的电容单元1分割为由少数电容2的串联体构成的电容模块3。而且，在各个电容模块3中设置有检测部4，在检测部4与微型计算机6之间连接有模拟开关5，通过采用该结构，来实现电容控制系统的小型化。其中，这里所谓的模拟开关，是指基于控制信号对模拟电压或者模拟电流进行ON/OFF(闭合/切断)控制的开关。就模拟开关6而言，可以采用双极晶体管(bipolar transistor)、MIS型晶体管或者其他半导体元件。

其中，检测部4的构造如下所述，即，其使用由光耦合继电器(photoMOS relay)等构成的开关7与控制开关7的模拟开关8，对电容2选择性地进行连接，由此来检测各个电容2的电压。

具体地说，在电容单元1由192个电容2的串联体构成的情况下，在该电容控制系统中，相对于一个微型计算机6连接有与8ch(8channels)相对应的三个模拟开关5。在模拟开关5的各端口上连接有检测部4，相对于各检测部4连接有由8个电容2的串联体所构成的电容模块3。构成为形成电容模块3的电容2选择性地连接于检测部4的结构。根据这样的结构，能够利用一台微型计算机6、三个模拟开关5、24个检测部4，对全部192个电容2的电压进行检测。这样的结构与现有技术的结构相比，能够实现电容控制系统的小型化。

此外，在检测部4中，当对各电容2的电压进行检测时，从电容模块3选择连接单一的电容2。构成为从该电容2向电容器9进行充电，在充电后将电容器9从电容2分离，成为独立的状态，其后，将电容器9连接于OP放大器10，检测电容器9两端的电压。从而，能够在由全部的电容2的串联体构成、形成数百伏特电压的电容单元1中，将各个电容2的电压作为从高压部分独立分离出来的电容器9的电压、即作为小的电压进行检测。这是因为，能够取出1个电容2的两端电压的电位差。因此，OP放大器10可以不使用与高电压对应的特殊品构成，而是由通用件所构成。

其中，在该检测方法中，为了提高1个电容2的电压检测精度，对检测过一次的电容器9进行重复检测，即实施再读等，由此提高电压检测精度，

此外，电容单元1的电压可以通过检测各电容2各自的电压与全部电容2的总电压而得知，首先在第一轮的步骤中，检测全部电容2的总电压，其后检测各个电容2的电压。在接着的第二轮的步骤中，为了防止第一轮步骤中的误检测而进行再检测，能够选择性地对在第一轮步骤中检测出异常的电容2进行检测，所以，能够缩短检测时间。其中，在该再检测步骤中，只要进行全体电容中的电容2有无异常的确认、抽出即可。即，因为只需选择在第一轮步骤检测中异常幅度最大的电容2进行检测即可，所以，能够进一步实现检测时间的缩短。

图2A至图2L表示的是例如检测由192个电容串联连接的电容单元1的各个电容电压的连续流程。

首先，图2A表示的是利用开关7选择192个电容中的1个电容2，并将电容2连接在电容器9上的控制状态。将蓄积在电容2两端的电压充入电容器9。此时，其他电容2不与开关7相连接。此外，当开关7a为切断状态时，使电容器9与OP放大器10的连接切断。

图2B表示的是开关7被切断，并将电容2与电容器9的电气连接切断，从而使电容器9从电容单元1独立分离而被控制的状态。

图2C表示的是在图2B的状态下等待1周期时间的状态，虽然其结果与图2B所示的状态相同，但是，其表示的是将开关7与OP放大器10都切断的状态，是使电容器9以及OP放大器10从电容单元1切离且完全独立而被控制的状态。

图2D表示的是从图2C的状态开始连接开关7a，将电容器9中积蓄的电压输入到OP放大器10，并由OP放大器10检测该电压的状态。

图2E表示的是从图2D的状态开始切断开关7a，使电容器9从OP放大器10分离的状态。

图2F表示的是在图2E的状态下等待1周期时间的状态，虽然其结果与图2E所示的状态相同，但是，其表示的是，在切断开关7以及开关7a使电容器9处于分离的状态下，为了使电压稳定而进行为期1周期的时间等待的状态。

图2G表示的是为了提高电容2中积蓄的电压的检测精度，而移动到所谓的再读工序的状态。即，与图2A所示的状态相同，进行使电容器9与电容2再连接、再充电的控制。

图2H和图2I所示的控制状态与图2B和图2C所示的控制状态相同。即，图2H是表示使电容器9从电容单元1独立分离的控制，图2I表示的是为了完全确保电容器9的独立并使电压状态稳定，而进行为期1个周期的时间等待的状态。

图2J与图2D所示的控制状态相同。即，连接开关7a、使电容器9再次与OP放大器10连接，对电容器9中积蓄的电压进行再检测的状态。

图2K和图2L所示的控制状态与图2E和图2F所示的控制状态相同。即，图2K表示的是使电容器9从OP放大器10分离的状态。

图2L虽然从结果上表示的是与图2K相同的连接状态，但是，其表示的是为了切断开关7以及开关7a、使电容器9从电容单元1切离而完全独立，且使电压稳定，进行为期1个周期的时间等待的状态。

这样，在图2A至图2L所示的电容控制流程中，若将图1所示的微型计算机6的控制周期设定为例如6ms，则图2A至图2L所示的12个阶段的控制需要72ms。为了使用三个模拟开关5对全部192个电容2进行并行处理来实行该控制，而需要((72×192)/3)＝4608ms的检测时间。

而且，如果再次(第二轮)重复该检测，则需要4608ms×2＝9216ms的检测时间。但是根据本发明，只需在一次检测所需4608ms的基础上，再加上对异常电容2进行再检测所需的72ms，即只需4608+72＝4680ms的检测时间，就能够对电容单元1进行检测，所以，能够大幅度缩短检测时间。

(第二实施方式)

图3表示的是在电容控制系统中的电容电压均等化动作的图。在图2A至图2L所示的电容控制系统中，当在电容单元1检测出有电容2与其他电容2之间产生电压偏差后，对该偏差进行均等化，进行所谓的电容电压均等化处理。即，使电容2的电压一致。这是由于电容2的电压均等化，对于确保电容单元1规定的能量并且最大限度地发挥电容2的蓄电量是很重要的。

接着，作为本发明的一例，假设电容单元1由192个电容2的串联体构成的情况。大体上将192个电容分为128个与64个，再将各组顺次且分级地分为各自一半的单元。

对于128个电容的组来说，其由2的7次方(＝128)个所构成，以128、64、32、16、8、4、2的顺序数起，第七层为两个，对于64个电容的组来说，由2的6次方(＝64)个所构成，第六层为两个。图3表示的是从最下层G11、G12、G21以及G22的2个电容，至两个返回层G0的4个、8个电容。

在图3中，若对最左侧变压器11的初级侧施加励磁能量，则由于次级侧的两个线圈相一致，所以这两个线圈被激励相同的电压。

其结果是，下一层的变压器11被激励，并且该励磁同样被顺序地传递。

这里，由于次级侧线圈全部一致，所以，只需通过激励最上层的变压器，就能够对最下层的全部次级侧施加相同的电压。

如果次级侧线圈电压为V11，二极管的顺方向电压为Vd，则各电容被充电至(V11-Vd)。由此，能够实现各电容的电压均等化。

即，对形成电容单元1的电容2的串联体进行分割，使它们的数目均等化，进一步对该均等化的串联体进行分割，使其均等化。通过重复该工序，能够从电容2的较大集合向较小集合顺次进行均等化，由此，能够高效率地使全部电容2的蓄电量均等化。

其中，在该电容2的均等化中，当对电容2的串联体进行分割时，采用的是分为两份，使各自集合为相同数目的所谓的均等分割法。但是，还可以不采用这种分割方法，通过适宜地变更变压器11的电路，也能够得到同样的作用与效果。

此外，在实施这样的电容电压均等化期间，各电容2的电压有可能成为不稳定状态。此时，即使检测出各电容2的电压，也有可能并非是正确地检测。因此，以不是同时进行检测操作与均等化操作的方式进行控制是很重要的。即，不同时进行图2A至图2L所示的检测与图3所示的电压均等化是很重要的。

其中，这种在燃料电池车中使用的电容单元1，在点火(点燃)为ON的状态下，电压检测与均等化所需电力对燃料电池车的燃料费用产生影响，所以，优选在该状态下不进行电容2的电压检测与均等化。

此外，当点火(点燃)为OFF时实施电容器的电压检测与均等化，在该情况下，由于使用作为该驱动源的蓄电池以及电容2中存储的电力，使蓄电池以及电容单元1的蓄电量下降。因此，要求实施控制，以对此进行抑制。

因此，作为实现这一目标的控制，例如当在电容单元1中存储的总电压显示为规定值以上的情况下，实施电容电压的检测与均等化。在总电压显示为规定值以下的情况下，终止电容电压的检测作业与均等化作业，进行所谓的抑制充电量降低的控制，在对电容2实施均等化操作时限制其次数的控制，可列举出上述控制等。

其中，在上述电容电压检测阶段，当检测出电压超出电容2的容许电压的情况下，将该信息从微型计算机向外部发送是很重要的。由此，能够中止对电容单元1的充电以及电容2的检测、均等化，使电荷从电容2放出等操作。其结果，能够提高电容单元1以及使用电容单元1的燃料电池车等装置的安全性。

工业利用的可能性

本发明的电容控制系统，具有使电容控制系统小型化的效果，特别是对于要求小型化的车载用途中十分有用，所以在工业上利用的可能性很高。

Claims

1.一种电容控制系统，其特征在于，包括：

多个电容串联连接的电容单元；以及将所述电容单元分割为由规定数目串联连接的所述电容形成的电容模块，并在每个电容模块中设置的检测部，其中，

所述检测部从所述电容模块中选择单一的电容，对设置在所述检测部的电容器充入所述电容所具有的电压，当使所述电容器从所述电容模块中独立后，对所述独立的电容器的电压进行检测，并且，

各个所述检测部，顺次对与该检测部连接的电容模块的各个电容的电压进行检测，在进行一轮检测后，在下一轮检测中选择性地检测在所述上一轮检测中检测为异常的所述电容，各个所述检测部通过模拟开关与微型计算机连接。

2.如权利要求1所述的电容控制系统，其特征在于：

将形成所述电容单元的电容分割为多个电容串联体，使所述分割的各个电容串联体的电压平衡均等化，接着进一步将所述均等化的电容串联体分割为多个，使多个电容串联体的电压平衡均等化，顺次进行所述均等化的工序，使电容的电压均等化，分时进行将所述各个电容的电压平衡均等化的动作、和所述检测部检测所述电容电压的动作。