CN103683911A - 充电装置及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及充电装置及充电方法。将电容器元件C1～Cn、Cr串联连接而进行充电，直到电容器元件C1～Cn、Cr中电容最小的电容器元件Cr的端子间电压Vr达到耐电压Vh。并且，当端子间电压Vr达到耐电压Vh时，将电容器元件C1～Cn、Cr并联连接，使电容器元件Cr的电荷移动至其他电容器元件C1～Cn。然后，反复进行如下的串并联切换动作：由于电荷流出而电容器元件Cr的端子间电压Vr降低至满充电压Va时，再次将电容器元件C1～Cn、Cr串联连接而进行充电，当端子间电压Vr达到耐电压Vh时，将电容器元件C1～Cn、Cr并联连接。

Description

充电装置及充电方法

本申请基于2012年9月3日提出的日本专利申请2012-193198并享受其优先权，该申请的全部内容通过参照而包含于此。

技术领域

本发明涉及能够进行快速充电的充电装置及充电方法。

背景技术

近年来，开发了各种具备双电层电容的充电装置。例如在日本专利第3738617号公报中公开了如下的充电装置：对多个双电层电容每隔一定周期进行串并联连接的切换控制，在多个双电层电容串联连接的情况下进行充电，另一方面，在多个双电层电容并联连接的情况下，监视充电电压，当充电电压超过基准电压时使充电停止。

但是，在上述专利第3738617号公报所公开的技术中，对多个双电层电容每隔一定周期进行串并联连接的切换控制，在多个双电层电容串联连接的情况下进行充电，所以无法进行连续的充电动作，存在无法进行快速充电的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种能够进行快速充电的充电装置及充电方法。

为了达成上述目的，本发明的充电装置的特征在于，具备：监视单元，监视多个电容器元件中的第1电容器元件的端子间电压；串联充电单元，将所述多个电容器元件串联连接而进行充电，直到由所述监视单元监视的所述第1电容器元件的端子间电压达到第1电压；并联放电单元，在由所述监视单元监视的所述第1电容器元件的端子间电压达到第1电压的情况下，将所述多个电容器元件并联连接，从而使该第1电容器元件的端子间电压向其他电容器元件的端子间电压接近；以及串并联切换单元，反复进行如下串并联切换动作：当由所述监视单元监视的所述第1电容器元件的端子间电压降低至第2电压时，通过所述串联充电单元使所述多个电容器元件串联连接而进行充电，当所述第1电容器元件的端子间电压达到第1电压时，通过所述并联放电单元使所述多个电容器元件并联连接，从而使所述第1电容器元件的端子间电压向其他电容器元件的端子间电压接近。

附图说明

图1是表示一个实施方式的充电装置10的概略构成的电路图。

图2是表示在充电时形成的串联电路的图。

图3是表示充电初期状态下的各电容器元件的端子间电压的上升特性的曲线图。

图4是表示在充电结束时形成的并联电路的图。

图5是表示从串联电路切换到并联电路时的充放电特性的曲线图。

图6是表示图5所示的充放电特性的放大图。

图7A、图7B是表示并联电路的等价电路的图。

图8是表示随着充电时的串并联切换动作而变化的电容器端子间电压的曲线图。

图9是用于说明充电装置10的具体构成的整体电路图。

图10是表示对图9的电路要素10-3进行LSI化而成的构成的电路图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施方式。图1是表示一个实施方式的充电装置10的概略构成的电路图。充电装置10具备设置于未图示的电源侧（电力输入端侧）和负载侧（积蓄电力供给侧）之间的开关元件SW11～SW1n、开关元件SW21～SW2n、开关元件30、电容器元件C1～Cn、Cr及电压监视部20。

开关元件SW11～SW1n在非充电时设定为断开，在充电时设定为接通，使电容器元件C1～Cn、Cr相对于电源串联连接。开关元件SW21～SW2n在充电时设定为断开，而在非充电时设定为接通，使电容器元件C1～Cn、Cr相对于电源并联连接。在向负载侧（积蓄电力供给侧）供电的情况下开关元件30设定为接通。

使用双电层电容的电容器元件C1～Cn、Cr通过在充电时设定为接通的开关元件SW11～SW1n而被串联连接的状态下，如图2所示，被供给恒定电流I0。电压监视部20基于随时监测的电容器元件Cr的端子间电压Vr，对开关元件SW11～SW1n及开关元件SW21～SW2n进行接通或断开控制，由此反复进行后述的串并联切换动作，从而能够进行快速充电。

如图2所示，在充电时，通过设定为接通的开关元件SW11～SW1n而使电容器元件C1～Cn、Cr被串联连接，形成串联充电电路，从电源侧向该串联充电电路供给恒定电流I0。如果各电容器元件C1～Cn、Cr的电容相同，则各自的端子间电压相同，但是各电容器元件C1～Cn、Cr的电容不同时，如下式（1）所示，产生与电容的倒数成正比的端子间电压。

Q＝C1V1＝C2V2＝…CnVn＝CrVr…（1）

若端子间电压超过了一定的电压（耐电压），则双电层电容电解液劣化而寿命极度变短，所以需要将端子间电压抑制为耐电压以下。当然，由于端子间电压V＝电荷Q/电容C，所以电容C的降低意味着端子间电压V的增加。因此，在上述（1）式中，端子间电压V最高的电容器是电容C最小的电容器，其他电容器不超过该值。即，换句话说，只需要监视电容C最小的电容器的端子间电压V，不需要监视其他电容器的端子间电压V。

在对图2所示的串联充电电路供给恒定电流I0而开始充电的过渡状态下，如图3所示，电容最小的电容器Cr的端子间电压的上升最大。即，如果Cr＜C1＜C3＜C2＜Cn，则其中电容最小的电容器Cr的端子间电压达到规定电压Va的时间最短。

在达到规定电压Va的时刻，将开关元件SW11～SW1n设定为断开，并且将开关元件SW21～SW2n设定为接通，从而如图4所示，全部电容器元件C1～Cn、Cr被并联连接，实现了各电容器元件C1～Cn、Cr的端子间电压的均一化。这时，如图3所示，电容器元件Cr的端子间电压是最高的电位，所以如图5所示，电容器元件Cr的电荷向其他电容器元件C1～Cn移动。

即，如果电容器元件Cr的端子间电压是最高的电位Vh，则该电容器元件Cr的端子间电压按照因电荷的流出而达到规定电压Va的放电特性而变化，另一方面，在电容比电容器元件Cr更大的其他电容器元件C1～Cn中，按照因电荷的流入而达到规定电压Va的充电特性而变化。

例如电容为C1＞C3＞C2＞Cn＞…＞Cr时的过渡响应如图6的放大图所示，成为电容最小的电容器元件Cr的端子间电压Vh在时刻t1收敛为规定电压Va的放电特性，其他电容器元件C1～Cn的各端子间电压按照与各自的电容相对应的充电特性而变化。将规定电压Va设为了满充电压的情况下，根据图7A所示的并联电路可知，除了电容器元件Cr之外的其他电容器元件C1～Cn中流动的电流依赖于各电容器元件的端子间电压及内部电阻。

在将除了电容器元件Cr之外的其他电容器元件的合成电容设为Ca、将合成内部电阻设为Ra的图7B所示的等价电路中，由于电荷的移动而各电容器元件的端子间电压变为相同，因此在将移动电荷设为ΔQ时，下式（2）的关系成立。

Va＋ΔQ/Ca＝Vr－ΔQ/Cr…（2）

移动电荷ΔQ由于电容器的时间常数而无法在短时间内完全地实现电荷移动。双电层电容的时间常数为0.5秒左右，所以如果使用的电容器元件彼此的电容没有较大差异，那么并联电路中的移动电荷ΔQ的放电时间常数t用下式（3）表示。

放电时间常数t＝t0（1＋1/m－1）…（3）

其中，t0是最小电容的电容器元件Cr的放电时间常数，m是形成并联电路的电容器元件的个数。因此，根据上述（3）式可知，如果表示形成并联电路的电容器元件的个数的m多到一定程度，则能够将电容器并联电路的放电时间常数t看做最小电容的电容器元件Cr的放电时间常数t0。

在此，对于各电容器元件C1～Cn的平均电容C，将电容最小的电容器元件Cr的电容设为0.8C时，各电容器元件C1～Cn的端子间电压成为0.8Vh。在此，例如，若设Vh＝3.8V，则各电容器元件C1～Cn的平均端子间电压成为3.04V，如果设满充电压Va＝3.7V，则通过基于电容器并联的平均化，使得电容器元件Cr的端子间电压达到Va的时间远远短于时间常数。

即，通过下式（4）所示的条件来表示。

［－（Ca＋Cr）/（Ra＋Rr）·Ca·Cr］＜1/t…（4）

其中，在上述（4）式中，Ca是电容器元件C1～Cn的合成电容，Ra是电容器元件C1～Cn的合成内部电阻，Cr是电容器元件Cr的电容，Rr是电容器元件Cr的内部电阻，t是放电时间常数。

并且，如果基于上述（4）式的条件而通过近似式来表现图7B的等价电路中流动的电流i，则能够用下式（5）表示。

i＝［（Vh－Va）/（Ra＋Rr）］×

｛1＋［－（Ca＋Cr）t］/（Ra＋Rr）·Ca·Cr｝…（5）

接着，参照图8说明充电动作。图8是表示随着充电时的串并联切换动作而变化的电容器端子间电压的曲线图。在该图中，Vh是耐电压，Va是满充电压，Vr是电容最小的电容器元件Cr的端子间电压，Vf是各电容器元件C1～Cn的端子间电压。

如前所述，若向串联充电电路供给恒定电流I0而开始充电，则电容最小的电容器元件Cr的端子间电压Vr最快地达到耐电压Vh。若端子间电压Vr达到耐电压Vh，则将全部电容器元件C1～Cn、Cr并联连接，实现电容器元件C1～Cn的端子间电压Vf的均一化。

达到耐电压Vh的电容器元件Cr的端子间电压Vr由于电荷流出而电位降低，另一方面，电容器元件C1～Cn的端子间电压Vf由于电荷流入而电位升高。根据上述（5）式可知，由于耐电压Vh及满充电压Va是固定值，所以通过该电荷移动而在并联电路（参照图7B）中产生的电流i直线地减少，该变化由放电时间常数t决定。

之后反复进行如下的串并联切换动作：若电容最小的电容器元件Cr的端子间电压Vr达到满充电压Va，则再次形成串联电路，供给恒定电流I0而进行充电，若端子间电压Vr达到耐电压Vh，则将全部电容器元件C1～Cn、Cr并联连接，实现电容器元件C1～Cn的端子间电压Vf的均一化。然后，如图8所示，随着通过反复进行串并联切换动作而并联动作期间T1～Tn推进，电容器元件C1～Cn的端子间电压Vf达到满充电压Va。

这样，通过反复进行如下的串并联切换动作而实现快速充电：将全部电容器元件C1～Cn、Cr串联连接而进行充电，直到电容最小的电容器元件Cr的端子间电压Vr达到耐电压Vh，若端子间电压Vr达到耐电压Vh，则将全部电容器元件C1～Cn、Cr并联连接，使电容器元件Cr的电荷移动至其他电容器元件C1～Cn，若由于电荷流出而电容器元件Cr的端子间电压Vr降低至满充电压Va，则再次将全部电容器元件C1～Cn、Cr串联连接而进行充电，若端子间电压Vr达到耐电压Vh，则将全部电容器元件C1～Cn、Cr并联连接。

实际上，将电容最小的电容器元件Cr设为其他电容器元件C1～Cn的电容的80%的情况下，若将满充电压Va设为3.7V并将耐电压Vh设为3.8V，则通过最初的串联连接充电，电荷Q0能够一口气充电至Cr×Vh＝0.8Q×3.8/3.7＝0.82Q（Q：满充时电荷）。能量与其平方存在相关性，所以成为满充的67%左右。若将基于之后的并联连接的端子间电压的均一化时间设为与电容器的时间常数相同的时间，则串联连接充电从3.73V充电至3.8V、也就是充电1.9%的电荷。

例如电容器元件C1～Cn由9个构成的情况下，仅充电（1－0.82）Q×9＝1.62Q的电荷即可。因此，串并联切换动作的次数（充放电次数）P根据1.62Q＝0.019Q×P的算式而成为85次以上。若假设时间常数至多为0.5秒左右，则在43秒以下即满充，所以能够进行快速充电。

另外，在本实施方式中，电压监视部20基于电容器元件Cr的端子间电压Vr，对开关元件SW11～SW1n及开关元件SW21～SW2n进行接通或断开控制而反复进行串并联切换动作，但是不限于此，也可以采用如下的方式：在电压监视部20中设置对串并联切换动作的次数（充放电次数）进行计数的计数单元，由该计数单元计数的串并联切换动作的次数（充放电次数）若超过预先设定的次数，则视为电容器元件C1～Cn的端子间电压Vf已达到满充电压Va，使串并联切换动作停止。

此外，也可以取代该方式而采用如下的方式：在电压监视部20中设置计时单元，该计时单元预先计测通过反复进行串并联切换动作而电容器元件C1～Cn的端子间电压Vf达到满充电压Va为止的均一化时间，并对从开始串并联切换动作起的经过时间进行计时，在由该电压监视部20具备的计时单元计时的经过时间达到上述均一化时间的时刻，视为电容器元件C1～Cn的端子间电压Vf已达到满充电压Va，使串并联切换动作停止。

接着，参照图9～图10说明充电装置10的具体构成。图9是用于说明充电装置10的具体构成的整体电路图，图10是表示对图9的电路要素10-3进行LSI化的情况下的一个构成例的电路图。图9所示的充电装置10的构成与图1所示的构成基本相同，具备：开关元件SW11～SW1n、开关元件SW21～SW2n、开关元件30、电容器元件C1～Cn、Cr、电阻R1～Rn及电压监视部20。

开关元件SW11～SW1n在非充电时设定为断开，在充电时设定为接通，使电容器元件C1～Cn、Cr相对于电源串联连接。开关元件SW21～SW2n在充电时设定为断开，而在非充电时设定为接通，使电容器元件C1～Cn、Cr相对于电源并联连接。在向负载侧（积蓄电力供给侧）供电的情况下开关元件30设定为接通。

电压监视部20根据电容最小的电容器元件Cr的端子间电压Vr，对开关元件SW11～SW1n及开关元件SW21～SW2n进行接通或断开控制，从而使电容器元件C1～Cn、Cr相对于电源串联或并联地连接。具体地说，反复进行如下串并联切换动作而进行快速充电：将全部电容器元件C1～Cn、Cr串联连接而进行充电，直到监测中的端子电压Vr达到耐电压Vh，若端子电压Vr达到耐电压Vh，则将全部电容器元件C1～Cn、Cr并联连接，使电容器元件Cr的电荷移动至其电容器元件C1～Cn，若由于电荷流出而电容器元件Cr的端子电压Vr降低至满充电压Va，则再次将全部电容器元件C1～Cn、Cr串联连接而进行充电，若端子电压Vr达到耐电压Vh，则将全部电容器元件C1～Cn、Cr并联连接。

此外，电阻R1～Rn用于在将电容器元件C1～Cn、Cr并联连接时进行过电流保护，这些电阻的有无以及各电阻值能够适当设定。

上述构成的充电装置10可以LSI化，作为其中一例，在图10中示出了对图9的电路要素10-3进行LSI化后的构成。该图所示的电路要素10-3具备：电容器元件C3、相当于图9中的开关元件SW13的晶体管元件Tr33、相当于图9中的开关元件SW24的晶体管元件Tr32及相当于图9中的开关元件SW25的晶体管元件Tr31，此外，还具有：对这些晶体管元件Tr31～Tr33进行接通或断开控制的晶体管元件Tr3a～Tr3c、用于向晶体管元件Tr31～Tr33的栅极施加规定电压的分压电阻R3、R31～R33及齐纳二极管ZD31～ZD33。

此外，向该晶体管元件Tr3a～Tr3c的栅极供给切换串联和并联的信号，该信号向晶体管元件Tr3b的栅极是直接供给的，向晶体管元件Tr3a及Tr3c的栅极是经由变换器Ina及Inc供给的。

根据上述构成，将晶体管元件Tr3a～Tr3c的栅极设置为“L”时，晶体管元件Tr33接通，由此电容器元件C3与其他电容器元件（未图示）串联连接。另一方面，将晶体管元件Tr3a～Tr3c的栅极设置为“H”时，晶体管元件Tr31及晶体管元件Tr31接通，由此电容器元件C3与其他电容器元件（未图示）并联连接。

如以上说明，在本实施方式中，具备多个电容器元件C1～Cn、Cr、将多个电容器元件C1～Cn、Cr串联连接的开关元件SW11～SW1n、以及将多个电容器元件C1～Cn、Cr并联连接的开关元件SW11～SW1n，并且通过反复执行如下的串并联切换动作而能够进行快速充电：通过开关元件SW11～SW1n将全部电容器元件C1～Cn、Cr串联连接而进行充电，直到这些多个电容器元件C1～Cn、Cr中电容最小的电容器元件Cr的端子间电压Vr达到耐电压Vh，若端子间电压Vr达到耐电压Vh，则通过开关元件SW11～SW1n将全部电容器元件C1～Cn、Cr并联连接，使电容器元件Cr的电荷移动至其他电容器元件C1～Cn，若由于电荷流出而电容器元件Cr的端子间电压Vr降低至满充电压Va，则再次将全部电容器元件C1～Cn、Cr串联连接而进行充电，若端子间电压Vr达到耐电压Vh，则将全部电容器元件C1～Cn、Cr并联连接。

此外，根据上述实施方式，仅监视多个电容器元件C1～Cn、Cr中电容最小的电容器元件Cr的端子间电压Vr而进行串并联切换动作，所以不需要监视并联连接的每个各电容器元件的端子间电压的并联监测或保护电路，结果抑制了热损失，还能够获得有利于装置小型化的效果。

此外，近年来，由于仅使用二次电池的情况下输出密度较低，为了补充输出而开发了在锂离子电池或空气电池中并设电容器的装置，本实施方式当然也可以应用于这样的装置。

以上说明了本发明的一个实施方式，但是本发明不限于此，而是包含在本申请的权利要求所记载的发明及其等同范围内。

Claims (5)

1.一种充电装置，其中，具备：

监视单元，监视多个电容器元件中的第1电容器元件的端子间电压；

串联充电单元，将所述多个电容器元件串联连接而进行充电，直到由所述监视单元监视的所述第1电容器元件的端子间电压达到第1电压；

并联放电单元，在由所述监视单元监视的所述第1电容器元件的端子间电压达到第1电压的情况下，将所述多个电容器元件并联连接，从而使该第1电容器元件的端子间电压向其他电容器元件的端子间电压接近；以及

串并联切换单元，反复进行如下串并联切换动作：当由所述监视单元监视的所述第1电容器元件的端子间电压降低至第2电压时，通过所述串联充电单元使所述多个电容器元件串联连接而进行充电，当所述第1电容器元件的端子间电压达到第1电压时，通过所述并联放电单元使所述多个电容器元件并联连接，从而使所述第1电容器元件的端子间电压向其他电容器元件的端子间电压接近。

2.如权利要求1所述的充电装置，其中，

所述第1电容器元件是所述多个电容器元件中电容最小的电容器元件。

3.如权利要求1所述的充电装置，其中，

所述串并联切换单元还具备：

计数单元，对串并联切换动作的次数进行计数；以及

停止单元，在由该计数单元计数的串并联切换动作的次数超过了预先设定的规定次数的情况下，视为所述第1电容器元件以外的其他电容器元件的端子间电压已达到所述第2电压，使串并联切换动作停止。

4.如权利要求1所述的充电装置，其中，

所述串并联切换单元还具备：

计时单元，对从开始串并联切换动作起的经过时间进行计时；以及

停止单元，在由该计时单元计时的经过时间超过了预先设定的规定时间的情况下，视为所述第1电容器元件以外的其他电容器元件的端子间电压已达到所述第2电压，使串并联切换动作停止。

5.一种充电方法，其中，

监视多个电容器元件中的电容最小的第1电容器元件的端子间电压；

将所述多个电容器元件串联连接而进行充电，直到所述监视的所述第1电容器元件的端子间电压达到第1电压；

在所述监视的所述第1电容器元件的端子间电压达到第1电压的情况下，将所述多个电容器元件并联连接，从而使该第1电容器元件的端子间电压向其他电容器元件的端子间电压接近；

反复进行如下串并联切换动作：当所述监视的所述第1电容器元件的端子间电压降低至第2电压时，使所述多个电容器元件串联连接而进行充电，当所述第1电容器元件的端子间电压达到第1电压时，使所述多个电容器元件并联连接，从而使所述第1电容器元件的端子间电压向其他电容器元件的端子间电压接近。

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