JP3854592B2

JP3854592B2 - 蓄電器の充電装置

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Publication number: JP3854592B2
Application number: JP2003310603A
Authority: JP
Inventors: 和郎山下
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP2005080469A

Description

本発明は、例えば電気二重層キャパシタ等の繰り返し充放電可能な蓄電器の充電装置、特に直列に接続された複数の蓄電器を充電する装置に関する。

繰り返し充放電可能な蓄電器として、電気二重層キャパシタが用いられている。電気二重層キャパシタは、電気化学反応を用いる二次電池と比較して、大電流による急速充放電が可能であり、かつ長寿命という特徴を有している。しかし、１個あたりの耐電圧が一般的に２．５Ｖ程度と低いため、出力電圧を増大させるためには、複数の電気二重層キャパシタを直列に接続して使用する必要がある。また、電気二重層キャパシタは耐電圧を超えて充電してしまうと急速に劣化してしまう特徴を有しているので、耐電圧を超えない範囲で電気二重層キャパシタを使用する必要がある。

直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを同時に充電する場合は、電気二重層キャパシタの各々に容量のばらつきがあるため、充電電圧にもばらつきが発生することになる。各電気二重層キャパシタに効率よく電気エネルギーを蓄積させるためには、耐電圧を超えない範囲で各電気二重層キャパシタの電圧が均等になるように充電を行うことが望ましい。そこで、各電気二重層キャパシタの電圧のばらつきを補正して電圧が均等になるように充電するための回路が必要となる。その回路の一例が特開２００１−１３６６６０号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２００１−１３６６６０号公報

直列に接続する電気二重層キャパシタの数を増やして全体の耐電圧を増大させることにより、蓄積可能な電気エネルギーを増大させることができるとともに、負荷への放電電流を低減させることができる。ただし、直列に接続された電気二重層キャパシタ全体の耐電圧が充電用電源の出力電圧より十分高い場合は、電気二重層キャパシタに効率よく電気エネルギーを蓄積させるために、例えばＤＣ−ＤＣコンバータのような昇圧用の回路を用いて充電用電源からの電圧を昇圧させて充電を行う必要がある。この場合は充電装置の小型化が困難であるという問題点がある。

本発明は、直列に接続された蓄電器の各々を電圧が均等になるように充電することができるとともに、例えばＤＣ−ＤＣコンバータのような昇圧用の回路を用いることなく充電用電源からの電圧を昇圧させて蓄電器を充電することができる蓄電器の充電装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、第１の本発明に係る蓄電器の充電装置は、直列に接続された複数の蓄電器を充電用電源を用いて充電する装置であって、各蓄電器の両端子間を磁気的に結合し、各蓄電器の両端子間に略同一の誘起電圧を印加可能な充電用巻線を含む充電用トランスと、該誘起電圧が各蓄電器の両端子間に印加されるように、各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態を切り換え可能な切換手段と、各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態の切り換え制御を行う制御手段と、を備え、複数の蓄電器は、充電用電源の両端子間に接続された蓄電器及び充電用電源の両端子間に接続されない蓄電器によって構成され、充電用電源の両端子間に接続されない蓄電器については、前記制御手段により各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態を切り換えることで、充電用巻線に発生する誘起電圧が印加されて充電が行われ、複数の蓄電器全体の充電電圧は充電用電源の出力電圧より大きくなることを特徴とする。

第１の本発明によれば、各蓄電器の両端子間に略同一の誘起電圧を印加することができるので、各蓄電器の電圧が均等になるように充電を行うことができる。さらに、充電用電源の両端子間に接続されない蓄電器についても、充電用巻線に発生する誘起電圧が印加されることにより充電が行われるので、例えばＤＣ−ＤＣコンバータのような昇圧用の回路を用いることなく充電用電源からの電圧を昇圧させて蓄電器の充電を行うことができる。なお、ここでの蓄電器については、蓄電セル単体であってもよいし、複数の蓄電セルが並列接続されたものであってもよい。

第２の本発明に係る蓄電器の充電装置は、第１の本発明に記載の装置であって、前記切換手段は、各蓄電器と充電用巻線の間の導通／非導通の切り換えが可能であり、前記制御手段は、各蓄電器と充電用巻線の間の導通／非導通を交互に切り換えることを特徴とする。

この構成によれば、各蓄電器と充電用巻線の間の導通／非導通を交互に切り換えることにより、各蓄電器に略同一の誘起電圧を印加させることができるので、各蓄電器の電圧が均等になるように充電を行うことができる。

第３の本発明に係る蓄電器の充電装置は、第２の本発明に記載の装置であって、前記充電用トランスは、前記充電用巻線と磁気的に結合され、複数の蓄電器全体に誘起電圧を印加可能な回収用巻線をさらに含むことを特徴とする。

この構成によれば、充電用巻線と磁気的に結合され、複数の蓄電器全体に誘起電圧を印加可能な回収用巻線を含むことにより、充電用トランスに蓄えられた磁気エネルギーを回収用巻線から蓄電器へ回収させることができる。

第４の本発明に係る蓄電器の充電装置は、第１の本発明に記載の装置であって、前記切換手段は、各蓄電器の正負端子に対する充電用巻線の接続方向の切り換えが可能であり、前記制御手段は、各蓄電器の正負端子に対する充電用巻線の接続方向を切り換えることを特徴とする。

この構成によれば、各蓄電器の正負端子に対する充電用巻線の接続方向を切り換えることにより、各蓄電器に略同一の誘起電圧を略常時印加させることができるので、均等充電動作を効率よく行うことができる。さらに、充電用トランスに蓄えられた磁気エネルギーを蓄電器へ回収させるための回収用巻線が不要となる。

第５の本発明に係る蓄電器の充電装置は、第１〜４の本発明のいずれか１に記載の装置であって、前記充電用トランスは複数のトランスに分割されて設けられており、それらのトランスの各々が前記充電用巻線と磁気的に結合された巻線を含み、それらの巻線が互いに並列接続されていることを特徴とする。

この構成によれば、分割されたトランスの各々が充電用巻線と磁気的に結合された巻線を含み、それらの巻線が互いに並列接続されていることにより、多数の蓄電器を直列接続して出力電圧を増大させることができるので、負荷への放電電流を減少させることができる。

第６の本発明に係る蓄電器の充電装置は、第１〜４の本発明のいずれか１に記載の装置であって、前記充電用トランスは複数のトランスに分割されて設けられており、それらのトランス間が蓄電器の両端子間を介して接続されていることを特徴とする。

この構成によれば、分割されたトランス間が蓄電器の両端子間を介して接続されていることにより、多数の蓄電器を直列接続して出力電圧を増大させることができるので、負荷への放電電流を減少させることができる。

第７の本発明に係る蓄電器の充電装置は、第１〜６の本発明のいずれか１に記載の装置であって、各蓄電器の充電電圧を検出する電圧検出手段をさらに備え、前記制御手段は、各蓄電器の充電電圧間に所定の差が生じた場合に、各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態を切り換えるように制御することを特徴とする。

この構成によれば、各蓄電器の充電電圧間に所定の差が生じた場合に、各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態を切り換えるように制御することにより、充電の際の損失を低減させることができる。

第８の本発明に係る蓄電器の充電装置は、第１〜７の本発明のいずれか１に記載の装置であって、蓄電器が充放電状態にあるか否かを検出する充放電検出手段をさらに備え、前記制御手段は、蓄電器が充放電状態にある場合に、各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態を切り換えるように制御することを特徴とする。

この構成によれば、蓄電器が充放電状態にある場合に、各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態を切り換えるように制御することにより、充電の際の損失を低減させることができる。

第９の本発明に係る蓄電器の充電装置は、第１〜８の本発明のいずれか１に記載の装置であって、前記蓄電器は電気二重層キャパシタであることを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

（１）第１実施形態
図１，２は、本発明の第１実施形態に係る蓄電器の充電装置の構成の概略を示す回路図であり、蓄電器が電気二重層キャパシタである場合について示す。本実施形態の充電装置は、充電用電源Ｓ１０１、充電用トランスＴ１０１、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６及びスイッチ制御回路Ｂ１０１を備えている。

電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６は互いに直列に接続されている。直列接続された電気二重層キャパシタの各々については、電気二重層キャパシタセル単体であってもよいし、複数の電気二重層キャパシタセルが並列接続されたものであってもよい。なお、図示は省略しているが、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子ＴＭ１０１，ＴＭ１０２間には、負荷が接続される。

充電用電源Ｓ１０１は、直流電圧を出力可能であり、その両端子間に電気二重層キャパシタＣ１０４〜Ｃ１０６が接続されている。一方、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３については、充電用電源Ｓ１０１の両端子間に接続されない。このように、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６は、充電用電源Ｓ１０１の両端子間に接続される電気二重層キャパシタＣ１０４〜Ｃ１０６、及び充電用電源Ｓ１０１の両端子間に接続されない電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３によって構成されることになる。なお、充電用電源Ｓ１０１の出力電圧については、電気二重層キャパシタＣ１０４〜Ｃ１０６全体の耐電圧を超えない範囲に設定される。

充電用トランスＴ１０１は、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６及び回収用巻線Ｌ１４１を含んでいる。充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６は、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６にそれぞれ対応して設けられており、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子間にそれぞれ接続されている。そして、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６は、互いに磁気的に結合されており、その巻数が略等しく設定されていることにより、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の各々の両端子間に略同一の誘起電圧を印加可能となっている。

回収用巻線Ｌ１４１は、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子ＴＭ１０１，ＴＭ１０２間に接続されている。回収用巻線Ｌ１４１の巻数と充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６の巻数の比は、直列接続された電気二重層キャパシタの数に略等しく設定され、すなわち図１の例では約６倍に設定されている。そして、回収用巻線Ｌ１４１は、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６と磁気的に結合されていることにより、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６全体に誘起電圧を印加可能となっている。また、回収用巻線Ｌ１４１と電気二重層キャパシタＣ１０１との間には、回収用巻線Ｌ１４１から電気二重層キャパシタＣ１０１への電流の流れのみを許容する整流ダイオードＣＤ１０１が設けられている。

切換手段としてのスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６は、キャパシタＣ１０１と巻線Ｌ１０１との間、キャパシタＣ１０２と巻線Ｌ１０２との間、キャパシタＣ１０３と巻線Ｌ１０３との間、キャパシタＣ１０４と巻線Ｌ１０４との間、キャパシタＣ１０５と巻線Ｌ１０５との間、及びキャパシタＣ１０６と巻線Ｌ１０６との間における導通／非導通の切り換えがそれぞれ可能である。スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の一例としては、ＦＥＴを用いることができる。

制御手段としてのスイッチ制御回路Ｂ１０１は、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通／非導通を同期させて交互に切り換える制御を行う。より具体的な構成の一例としては、スイッチ制御回路Ｂ１０１は、図２に示すように、パルス電圧を出力するパルス発生回路Ｂ１０２と、このパルス電圧を分配して各スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６へ出力する分配用トランスＴ１０２と、を備えている。

なお、図１，２では、直列に接続する電気二重層キャパシタの数を６、充電用電源Ｓ１０１の両端子間に接続する電気二重層キャパシタの数を３としているが、直列に接続する電気二重層キャパシタの数ｎ１、及び充電用電源Ｓ１０１の両端子間に接続する電気二重層キャパシタの数ｎ２については、ｎ１＞ｎ２の条件で任意に設定することができる。

次に、本実施形態の充電動作について説明する。

電気二重層キャパシタＣ１０４〜Ｃ１０６には、充電用電源Ｓ１０１からの電圧が印加される。一方、スイッチ制御回路Ｂ１０１は、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通／非導通を同期させながら交互に切り換える制御を行う。

ここで、互いに磁気的に結合された充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６の巻数は略等しいため、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通時における充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６に発生する誘起電圧は略同一となる。充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６は電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子間にそれぞれ接続されるため、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６に発生する誘起電圧は、ほぼ電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の平均電圧となり、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通時には、この電圧が電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の各々に印加される。このように、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３については、充電用電源Ｓ１０１の両端子間に接続されていないものの、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０３に発生する誘起電圧をそれぞれ印加することができるので、充電を行うことができる。

スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通時に、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧にばらつきが発生している場合、誘起電圧より電圧の高いキャパシタについては該キャパシタの両端子間に接続された充電用巻線へ放電電流が流れ、誘起電圧より電圧の低いキャパシタについては該キャパシタの両端子間に接続された充電用巻線からの充電電流が流れる。したがって、各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧が均等になるように充電が行われる。

スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の非導通時には、充電用トランスＴ１０１に蓄えられた磁気エネルギーにより、回収用巻線Ｌ１４１に誘起電圧が発生する。この電圧が電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６全体に印加され、充電電流が整流ダイオードＣＤ１０１を介して電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６へ流れることにより、エネルギー回収が行われ、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６全体の充電が行われる。このように、充電用電源Ｓ１０１の両端子間に接続されていない電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３については、回収用巻線Ｌ１４１によっても充電を行うことができる。

各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧が等しくなると、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６に向かって流れる電流は充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６のインダクタンスＬに対して流れる電流Ｉのみとなる。この電流Ｉは以下の（１）式で表される。

Ｉ＝ｅ／Ｌ×ｔ１（１）

ここで、ｅは電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧であり、ｔ１はスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通時間である。

（１）式より電流Ｉを小さく抑えるには、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６の巻数を多くし、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通時間ｔ１を短くすることが好ましい。ただし、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６の巻数を多くすると、巻線抵抗による損失が増大するため、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通時間ｔ１を短くする、すなわちスイッチ制御回路Ｂ１０１によるスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の切り換え周波数を高くすることが好ましい。

本実施形態における巻線電圧波形の一例を図３に示す。スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通時間ｔ１に対し、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の非導通時の逆起電圧の大きさは順方向電圧の大きさとほぼ等しく、持続時間ｔ２も導通時間ｔ１とほぼ等しい。

以上説明したように、本実施形態によれば、充電用トランスＴ１０１の充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６により各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子間に略同一の誘起電圧を印加することができるので、各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧が均等になるように充電を行うことができる。したがって、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６に効率よく電気エネルギーを蓄積することができる。

さらに、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３については、充電用電源Ｓ１０１の両端子間に接続されていなくても充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０３に発生する誘起電圧がそれぞれ印加されることにより充電を行うことができるので、充電用電源Ｓ１０１からの電圧を昇圧させて電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６を充電することができ、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６全体の充電電圧は充電用電源Ｓ１０１の出力電圧よりも高くなる。したがって、充電用電源Ｓ１０１の出力電圧を増加させることなく、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６全体の充電電圧を増大させることができるので、負荷への放電電流を減少させることができる。また、充電用電源Ｓ１０１からの電圧を昇圧させて電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の充電を行う際に、例えばＤＣ−ＤＣコンバータのような昇圧用の回路を用いる必要がないため、充電装置の小型化を実現できる。

（２）第２実施形態
図４，５は、本発明の第２実施形態に係る電気二重層キャパシタの充電装置の構成の概略を示す回路図である。本実施形態における充電用トランスＴ１０１は、互いに磁気的に結合された中点タップ付き巻線Ｌ１５１〜Ｌ１５３を含んでいる。

中点タップ付き巻線Ｌ１５１については、その中点が電気二重層キャパシタＣ１０１と電気二重層キャパシタＣ１０２との間に接続され、その両端子が電気二重層キャパシタＣ１０１，Ｃ１０２の両端子と接続される。ただし、中点タップ付き巻線Ｌ１５１の電気二重層キャパシタＣ１０１，Ｃ１０２の正負端子に対する接続方向がスイッチＳＷ１０１，ＳＷ１０２によって切り換え可能である。具体的には、スイッチＳＷ１０１，ＳＷ１０２は、電気二重層キャパシタＣ１０１の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５１の一端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０２の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５１の他端子とを接続する第１の状態（図４に示す状態）と、電気二重層キャパシタＣ１０１の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５１の他端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０２の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５１の一端子とを接続する第２の状態と、の切り換えが可能である。

同様に、中点タップ付き巻線Ｌ１５２については、その中点が電気二重層キャパシタＣ１０３と電気二重層キャパシタＣ１０４との間に接続され、その両端子が電気二重層キャパシタＣ１０３，Ｃ１０４の両端子と接続される。スイッチＳＷ１０３，ＳＷ１０４は、電気二重層キャパシタＣ１０３の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５２の一端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０４の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５２の他端子とを接続する第１の状態（図４に示す状態）と、電気二重層キャパシタＣ１０３の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５２の他端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０４の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５２の一端子とを接続する第２の状態と、の切り換えが可能である。そして、中点タップ付き巻線Ｌ１５３については、その中点が電気二重層キャパシタＣ１０５と電気二重層キャパシタＣ１０６との間に接続され、その両端子が電気二重層キャパシタＣ１０５，Ｃ１０６の両端子と接続される。スイッチＳＷ１０５，ＳＷ１０６は、電気二重層キャパシタＣ１０５の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５３の一端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０６の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５３の他端子とを接続する第１の状態（図４に示す状態）と、電気二重層キャパシタＣ１０５の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５３の他端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０６の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５３の一端子とを接続する第２の状態と、の切り換えが可能である。

このように、本実施形態においては、電気二重層キャパシタＣ１０１，Ｃ１０２に誘起電圧を印加するための充電用巻線Ｌ１０１，Ｌ１０２が中点タップ付き巻線Ｌ１５１によって構成されている。同様に、電気二重層キャパシタＣ１０３，Ｃ１０４に誘起電圧を印加するための充電用巻線Ｌ１０３，Ｌ１０４が中点タップ付き巻線Ｌ１５２によって構成され、電気二重層キャパシタＣ１０５，Ｃ１０６に誘起電圧を印加するための充電用巻線Ｌ１０５，Ｌ１０６が中点タップ付き巻線Ｌ１５３によって構成されている。そして、上記に説明したスイッチＳＷ１０１，ＳＷ１０２の第１の状態と第２の状態とを交互に切り換えることで、充電用巻線Ｌ１０１，Ｌ１０２の電気二重層キャパシタＣ１０１，Ｃ１０２の正負端子に対する接続方向の切り換えが可能である。同様に、スイッチＳＷ１０３，ＳＷ１０４の第１の状態と第２の状態とを交互に切り換えることで、充電用巻線Ｌ１０３，Ｌ１０４の電気二重層キャパシタＣ１０３，Ｃ１０４の正負端子に対する接続方向の切り換えが可能であり、スイッチＳＷ１０５，ＳＷ１０６の第１の状態と第２の状態とを交互に切り換えることで、充電用巻線Ｌ１０５，Ｌ１０６の電気二重層キャパシタＣ１０５，Ｃ１０６の正負端子に対する接続方向の切り換えが可能である。

スイッチ制御回路Ｂ１０１は、上記に説明したスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の第１の状態と第２の状態とを同期させながら交互に切り換える制御を行う。より具体的な構成の一例としては、スイッチ制御回路Ｂ１０１は、図５に示すように、パルス電圧を出力するパルス発生回路Ｂ１０２と、このパルス電圧を分配して各スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６へ出力する分配用トランスＴ１０２と、を備えている。

他の構成については第１実施形態と同様であるため説明を省略し、以下、本実施形態の充電動作について説明する。

電気二重層キャパシタＣ１０４〜Ｃ１０６には、充電用電源Ｓ１０１からの電圧が印加される。一方、スイッチ制御回路Ｂ１０１は、上記に説明したスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の第１の状態と第２の状態とを同期させながら交互に切り換える制御を行う。

ここで、互いに磁気的に結合された充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６の巻数は略等しいため、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の第１の状態時において充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６に発生する誘起電圧は略同一となる。充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６は電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子間にそれぞれ接続されるため、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６に発生する誘起電圧は、ほぼ電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の平均電圧となり、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の第１の状態時に、この電圧が電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の各々に印加される。

本実施形態においては、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６を第２の状態に切り換えても、ほぼ電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の平均電圧となる誘起電圧が充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６の各々に発生し、この電圧が電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の各々に印加される。

第１実施形態と同様に、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧にばらつきが発生している場合、誘起電圧より電圧の高いキャパシタについては該キャパシタの両端子間に接続された充電用巻線へ放電電流が流れ、誘起電圧より電圧の低いキャパシタについては該キャパシタの両端子間に接続された充電用巻線からの充電電流が流れる。したがって、各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧が均等になるように充電が行われる。また、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３については、充電用電源Ｓ１０１の両端子間に接続されていないものの、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０３に発生する誘起電圧をそれぞれ印加することができるので、充電を行うことができる。

本実施形態における巻線電圧波形の一例を図６に示す。本実施形態のスイッチ制御回路Ｂ１０１は、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の第１の状態の時間と第２の状態の時間配分が略等しくなるように、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の切り換え制御を行う。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧が均等になるように充電を行うことができるとともに、例えばＤＣ−ＤＣコンバータのような昇圧用の回路を用いることなく充電用電源Ｓ１０１からの電圧を昇圧させて電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６を充電することができる。

さらに、本実施形態においては、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６と充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６との接続動作はプッシュプル動作となるため、電圧のばらつきを補正するための誘起電圧を常に印加することが可能となり、均等充電動作を効率よく行うことができる。また、充電用トランスＴ１０１に蓄えられた磁気エネルギーは逆の半サイクルで電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６へ回収可能なため、第１実施形態における回収用巻線Ｌ１４１及び整流ダイオードＣＤ１０１を省略することができる。

（３）第３実施形態
図７は、本発明の第３実施形態に係る電気二重層キャパシタの充電装置の構成の概略を示す回路図である。本実施形態においては、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１１８が直列接続され、充電用電源Ｓ１０１の両端子間に電気二重層キャパシタＣ１１３〜Ｃ１１８が接続されている。そして、充電用トランスＴ１０１が３つのトランスＴ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３に分割されて設けられている。トランスＴ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３は巻線Ｌ１７１，Ｌ１７２，Ｌ１７３をそれぞれ含んでいる。巻線Ｌ１７１は充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６と磁気的に結合され、巻線Ｌ１７２は充電用巻線Ｌ１０７〜Ｌ１１２と磁気的に結合され、巻線Ｌ１７３は充電用巻線Ｌ１１３〜Ｌ１１８と磁気的に結合されている。また、巻線Ｌ１７１，Ｌ１７２，Ｌ１７３は互いに並列接続されていることにより、トランスＴ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３間の電気的接続が行われている。他の構成は第２実施形態と同様であるため説明を省略する。

なお、図７では充電用トランスＴ１０１を３つに分割した例を示しているが、充電用トランスＴ１０１の分割数については任意に設定することができる。また、第１実施形態においても、充電用トランスＴ１０１を複数に分割して設けることができる。

ここで、直列接続される電気二重層キャパシタの数が多くなるにつれて、１つに共有化された充電用トランスＴ１０１では充電用巻線の巻数の確保が難しくなる。しかし、本実施形態によれば、多数の電気二重層キャパシタを直列接続することができ、全体の耐電圧をさらに増加させることができ、負荷への放電電流をさらに減少させることができる。

さらに、充電用トランスＴ１０１を分割したときのトランス間の電気的接続については、電気二重層キャパシタの両端子間を介して接続してもよい。その一例として、トランスＴ１１１とトランスＴ１１２とを電気二重層キャパシタＣ１０６，Ｃ１０７の両端子間を介して接続した場合を図８に示す。

図８に示す構成においては、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１１２が直列接続され、充電用電源Ｓ１０１の両端子間に電気二重層キャパシタＣ１０７〜Ｃ１１２が接続されている。そして、トランスＴ１１１は中点タップ付き巻線Ｌ１５１〜Ｌ１５３と磁気的に結合された中点タップ付き巻線Ｌ１６１をさらに含み、トランスＴ１１２は中点タップ付き巻線Ｌ１５４〜Ｌ１５６と磁気的に結合された中点タップ付き巻線Ｌ１６２をさらに含む。

中点タップ付き巻線Ｌ１６１については、その中点が電気二重層キャパシタＣ１０７の負側端子に接続され、その両端子のいずれかがスイッチＳＷ１２１を介して電気二重層キャパシタＣ１０７の正側端子に接続される。スイッチＳＷ１２１は、電気二重層キャパシタＣ１０７の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１６１の一端子とを接続する第１の状態（図８に示す状態）と、電気二重層キャパシタＣ１０７の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１６１の他端子とを接続する第２の状態と、の切り換えが可能である。

同様に、中点タップ付き巻線Ｌ１６２については、その中点が電気二重層キャパシタＣ１０６の正側端子に接続され、その両端子のいずれかがスイッチＳＷ１２４を介して電気二重層キャパシタＣ１０６の負側端子に接続される。スイッチＳＷ１２４は、電気二重層キャパシタＣ１０６の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１６２の他端子とを接続する第１の状態（図８に示す状態）と、電気二重層キャパシタＣ１０６の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１６２の一端子とを接続する第２の状態と、の切り換えが可能である。

スイッチＳＷ１２１，ＳＷ１２４が第１の状態（図８に示す状態）のときは、トランスＴ１１１の充電用巻線Ｌ１２１とトランスＴ１１２の充電用巻線Ｌ１０７とが電気二重層キャパシタＣ１０７の両端子間を介して接続され、トランスＴ１１１の充電用巻線Ｌ１０６とトランスＴ１１２の充電用巻線Ｌ１２４とが電気二重層キャパシタＣ１０６の両端子間を介して接続される。一方、スイッチＳＷ１２１，ＳＷ１２４が第２の状態のときは、トランスＴ１１１の充電用巻線Ｌ１２２とトランスＴ１１２の充電用巻線Ｌ１０８とが電気二重層キャパシタＣ１０７の両端子間を介して接続され、トランスＴ１１１の充電用巻線Ｌ１０５とトランスＴ１１２の充電用巻線Ｌ１２３とが電気二重層キャパシタＣ１０６の両端子間を介して接続される。

図８において、電圧のばらつきの一例として、電気二重層キャパシタＣ１０１の電圧が誘起電圧より高く、電気二重層キャパシタＣ１１２の電圧が誘起電圧より低い場合を考える。この場合、電気二重層キャパシタＣ１１２はトランスＴ１１２を介して電気二重層キャパシタＣ１０６〜Ｃ１１１から充電電流を受ける。一方、電気二重層キャパシタＣ１０１はトランスＴ１１１を介して電気二重層キャパシタＣ１０２〜Ｃ１０７へ充電電流を流す。したがって、電気二重層キャパシタＣ１０１から電気二重層キャパシタＣ１０６，Ｃ１０７を介して電気二重層キャパシタＣ１１２へ充電電流が流れることになり、電圧が均等になるように充電が行われる。

そして、トランスＴ１１４がさらに備えられている場合を図９に示す。図９に示す構成においては、トランスＴ１１１とトランスＴ１１４とが電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０４の両端子間のそれぞれを介して接続されており、トランスＴ１１２とトランスＴ１１４とが電気二重層キャパシタＣ１０９〜Ｃ１１２の両端子間のそれぞれを介して接続されている。図９に示す構成によれば、電圧のばらつきを補正するための充電経路が多重化されるので、電気二重層キャパシタへ流す電流を増大させることができ、充電時間を短縮することができる。

なお、各実施形態におけるスイッチ制御回路Ｂ１０１によるスイッチの切り換え制御については、電気二重層キャパシタの充電電圧間に所定の差が生じた場合に行うようにしてもよく、これによって、充電の際の損失を低減させることができる。その一例である図１０に示す構成においては、各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の充電電圧を測定して電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６間の電圧差を検出する電圧差検出回路Ｄ１０１が図４に示す構成からさらに備えられている。スイッチ制御回路Ｂ１０１は、電圧差検出回路Ｄ１０１からの出力電圧に基づいて、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の切り換え制御を行うか否かを判定する。

図１１は、電圧差検出回路Ｄ１０１の一例として、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧の平均値（全体電圧の１／６）と各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧との差を絶対値増幅し加算した電圧を出力する回路である。電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧がすべて等しくなれば、出力電圧は電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の中点（キャパシタＣ１０３とキャパシタＣ１０４との間）電圧となる。この出力電圧と中点電圧との偏差が所定値以上の場合は、スイッチ制御回路Ｂ１０１はスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の切り換え制御を行う。一方、出力電圧と中点電圧との偏差が所定値より小さい場合は、スイッチ制御回路Ｂ１０１はスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の切り換え制御を行わない。

図１２に示す電圧差検出回路Ｄ１０１の一例においては、６個の抵抗器Ｒと６個の抵抗器ｒにより、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６全体の電圧を６等分して平均化し、オープンコレクタ型（またはオープンドレイン型）のコンパレータにより誤差検出し、ワイアードオアにより合成している。すべてが許容範囲誤差の場合には出力電圧はＨレベルとなり、１つでも誤差が許容範囲を超えた場合は出力電圧はＬレベルとなる。ここで、誤差の許容範囲は抵抗器ｒにより設定される。電圧差検出回路Ｄ１０１からの出力電圧がＬレベルの場合は、スイッチ制御回路Ｂ１０１はスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の切り換え制御を行う。一方、電圧差検出回路Ｄ１０１からの出力電圧がＨレベルの場合は、スイッチ制御回路Ｂ１０１はスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の切り換え制御を行わない。

さらに、各実施形態におけるスイッチ制御回路Ｂ１０１によるスイッチの切り換え制御については、電気二重層キャパシタが充放電状態にある場合に行うようにしてもよく、これによって、充電の際の損失を低減させることができる。その一例である図１３に示す構成においては、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６が充放電状態にあるか否かを検出する充放電検出回路Ｄ１０２が図４に示す構成からさらに備えられている。スイッチ制御回路Ｂ１０１は、充放電検出回路Ｄ１０２からの出力電圧に基づいて、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の切り換え制御を行うか否かを判定する。

図１４に示す充放電検出回路Ｄ１０２の一例においては、電気二重層キャパシタＣ１０６に微小抵抗Ｒ１０１を直列接続し、微小抵抗Ｒ１０１に発生する電圧を絶対値増幅している。充放電電流が０であるならば、出力電圧は電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の中点電圧となる。この出力電圧と中点電圧との偏差が所定値以上の場合は、スイッチ制御回路Ｂ１０１はスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の切り換え制御を行う。一方、出力電圧と中点電圧との偏差が所定値より小さい場合は、スイッチ制御回路Ｂ１０１はスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の切り換え制御を行わない。

以上の説明においては、蓄電器が電気二重層キャパシタである場合について説明した。ただし、本発明は、例えば鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ポリマ電池等の電気二重層キャパシタ以外の蓄電器にも適用することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の第１実施形態に係る蓄電器の充電装置の構成を示す回路図である。本発明の第１実施形態に係る蓄電器の充電装置の構成を示す回路図である。本発明の第１実施形態に係る蓄電器の充電動作の一例を説明する図である。本発明の第２実施形態に係る蓄電器の充電装置の構成を示す回路図である。本発明の第２実施形態に係る蓄電器の充電装置の構成を示す回路図である。本発明の第２実施形態に係る蓄電器の充電動作の一例を説明する図である。本発明の第３実施形態に係る蓄電器の充電装置の構成を示す回路図である。本発明の第３実施形態の変形例に係る蓄電器の充電装置の構成を示す回路図である。本発明の第３実施形態の変形例に係る蓄電器の充電装置の構成を示す回路図である。本発明の実施形態の変形例に係る蓄電器の充電装置の構成を示す回路図である。電圧差検出回路の構成の一例を示す回路図である。電圧差検出回路の構成の一例を示す回路図である。本発明の実施形態の変形例に係る蓄電器の充電装置の構成を示す回路図である。充放電検出回路の構成の一例を示す回路図である。

符号の説明

Ｂ１０１スイッチ制御回路、Ｃ１０１〜Ｃ１１８電気二重層キャパシタ、Ｌ１０１〜Ｌ１１８充電用巻線、Ｓ１０１充電用電源、ＳＷ１０１〜ＳＷ１１８スイッチ、Ｔ１０１充電用トランス。

Claims

直列に接続された複数の蓄電器を充電用電源を用いて充電する装置であって、
各蓄電器の両端子間を磁気的に結合し、各蓄電器の両端子間に略同一の誘起電圧を印加可能な充電用巻線を含む充電用トランスと、
該誘起電圧が各蓄電器の両端子間に印加されるように、各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態を切り換え可能な切換手段と、
各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態の切り換え制御を行う制御手段と、
を備え、
複数の蓄電器は、充電用電源の両端子間に接続された蓄電器及び充電用電源の両端子間に接続されない蓄電器によって構成され、
充電用電源の両端子間に接続されない蓄電器については、前記制御手段により各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態を切り換えることで、充電用巻線に発生する誘起電圧が印加されて充電が行われ、複数の蓄電器全体の充電電圧は充電用電源の出力電圧より大きくなることを特徴とする蓄電器の充電装置。
請求項１に記載の蓄電器の充電装置であって、
前記切換手段は、各蓄電器と充電用巻線の間の導通／非導通の切り換えが可能であり、
前記制御手段は、各蓄電器と充電用巻線の間の導通／非導通を交互に切り換えることを特徴とする蓄電器の充電装置。
請求項２に記載の蓄電器の充電装置であって、
前記充電用トランスは、前記充電用巻線と磁気的に結合され、複数の蓄電器全体に誘起電圧を印加可能な回収用巻線をさらに含むことを特徴とする蓄電器の充電装置。
請求項１に記載の蓄電器の充電装置であって、
前記切換手段は、各蓄電器の正負端子に対する充電用巻線の接続方向の切り換えが可能であり、
前記制御手段は、各蓄電器の正負端子に対する充電用巻線の接続方向を切り換えることを特徴とする蓄電器の充電装置。
請求項１〜４のいずれか１に記載の蓄電器の充電装置であって、
前記充電用トランスは複数のトランスに分割されて設けられており、
それらのトランスの各々が前記充電用巻線と磁気的に結合された巻線を含み、
それらの巻線が互いに並列接続されていることを特徴とする蓄電器の充電装置。
請求項１〜４のいずれか１に記載の蓄電器の充電装置であって、
前記充電用トランスは複数のトランスに分割されて設けられており、
それらのトランス間が蓄電器の両端子間を介して接続されていることを特徴とする蓄電器の充電装置。
請求項１〜６のいずれか１に記載の蓄電器の充電装置であって、
各蓄電器の充電電圧を検出する電圧検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、各蓄電器の充電電圧間に所定の差が生じた場合に、各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態を切り換えるように制御することを特徴とする蓄電器の充電装置。
請求項１〜７のいずれか１に記載の蓄電器の充電装置であって、
蓄電器が充放電状態にあるか否かを検出する充放電検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、蓄電器が充放電状態にある場合に、各蓄電器と充電用巻線との間の接続状態を切り換えるように制御することを特徴とする蓄電器の充電装置。
請求項１〜８のいずれか１に記載の蓄電器の充電装置であって、
前記蓄電器は電気二重層キャパシタであることを特徴とする蓄電器の充電装置。