JP2000152495A

JP2000152495A - 直列切り換え式キャパシタ電源装置

Info

Publication number: JP2000152495A
Application number: JP10324742A
Authority: JP
Inventors: Michio Okamura; 廸夫岡村; Masahiko Shinozuka; 政彦篠塚
Original assignee: OKAMURA KENKYUSHO KK; Jeol Ltd; Okamura Laboratory Inc; Power System Co Ltd
Current assignee: OKAMURA KENKYUSHO KK; Jeol Ltd; Okamura Laboratory Inc; Power System Co Ltd
Priority date: 1998-11-16
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2000-05-30
Anticipated expiration: 2018-11-16
Also published as: JP3414655B2

Abstract

(57)【要約】【課題】少ない数のスイッチでキャパシタの接続を制
御し、装置のコストの低減、信頼性の向上を図る。【解決手段】出力電圧の設定範囲で充放電される出力
用キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３と、出力電圧の許容変
動幅で充放電される調整用キャパシタ・バンクＣ４、Ｃ
５と、出力用キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３に調整用キ
ャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５を直列に接続又は該接続の
切り離しを行うスイッチング手段Ｓ１〜Ｓ３と、出力電
圧に応じてスイッチング手段Ｓ１〜Ｓ３を制御する制御
手段Ａ１と、充電状態に応じ切り換えて定電流充電又は
緩和充電を行う充電手段１とを備え、調整用キャパシタ
・バンクＣ４、Ｃ５を直列に接続又は該接続の切り離し
を行うことにより、出力電圧を設定範囲の許容変動幅で
調整した変動幅の小さい電源を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、キャパシタ・バン
クに電気エネルギーを蓄えて負荷に給電するキャパシタ
電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気二重層コンデンサは、鉛電池やニッ
ケル・カドミウム電池のような充電に時間がかかる化学
電池と比較して、他のコンデンサと同様に物理的な充電
により急速充電が可能になる。しかも、電気二重層コン
デンサの電池は、大量にエネルギーが貯蔵できるという
化学電池にない大きなメリットを有しているが、電力の
貯蔵量を多くしてそれを有効に利用しようとすると、Ｑ
＝ＣＶ²／２の関係に基づいて端子電圧が大きく変動す
る特性を持っている。電気二重層コンデンサを使用した
ＥＣＳ(Energy Capacitor System) による電力貯蔵装置
は、電気二重層コンデンサの電力の貯蔵量を多くしてそ
れを有効に利用できるものとして、電気自動車の電源装
置や大規模な電力貯蔵装置として注目されている。

【０００３】ＥＣＳは、コンデンサと並列モニタと電流
ポンプからなる電力エネルギー貯蔵システムとして既に
各種文献（例えば電子技術、１９９４−１２、ｐ１〜
３、電学論Ｂ、１１５巻５号、平成７年ｐ５０４〜６
１０など）で紹介されている。ここで、並列モニタは、
複数のコンデンサが直並列に接続されたコンデンサバン
クの各コンデンサの端子間に接続され、コンデンサバン
クの充電電圧が並列モニタの設定値を越えると充電電流
をバイパスする装置である。そのため、コンデンサバン
クを耐電圧いっぱいまで使えるようにするものとして、
並列モニタは、きわめて大きな役割を持ち、エネルギー
密度の有効利用の手段として不可欠な装置である。並列
モニタの接続により、コンデンサの特性のバラツキや残
留電荷の大小がある場合にも、最大電圧の均等化、逆流
防止、充電終止電圧の検出と制御などを行うことができ
る。したがって、コンデンサバンク内のすべてのコンデ
ンサは、設定された電圧まで均等に充電され、コンデン
サの蓄積能力をほぼ１００パーセント発揮させることが
できる。

【０００４】しかし、電気二重層コンデンサのように満
充電状態からエネルギーを取り出すに従って電圧が大き
く低下する電圧変動の大きい電池を用いた電源装置で
は、蓄積能力を有効に活用するため、電源側電圧の定電
圧化を図ることが必須である。そのために、電池の直並
列切り換えを行い、電圧の変動幅を小さくするようにし
た電源装置が既に提案（特開平８−１６８１８２号公報
参照）されている。図１１はコンデンサ電池の直並列切
り換えを行う電源装置の構成例を示す図であり、コンデ
ンサ電池を電圧の低下にしたがって並列接続から直列接
続に切り換えるものである。このような電源装置では、
例えば図１１（Ａ）に示すコンデンサ電池Ｃ１、Ｃ２の
直並列切り換え回路を、図１１（Ｂ）に示すようにさら
に多段に縦続接続し充放電状態に応じ段階的に切り換え
制御すると、段数に見合って電圧の変動幅を小さくする
ことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
電圧の変動幅を小さくしようとすると、並列接続から直
列接続に切り換える段数が多くなり、段数が多くなるに
伴ってそれだけ多数の切り換えスイッチＳｐ１、Ｓｐ
２、Ｓｓ１〜Ｓｐ３１、Ｓｐ３２、Ｓｓ３１が必要にな
る。つまり、図１１（Ａ）から明らかなように、１段に
３つの切り換えスイッチＳｐ１、Ｓｐ２、Ｓｓ１が用い
られるので、段数の３倍の切り換えスイッチが必要にな
る。

【０００６】しかも、これらの切り換えスイッチは、電
源用であることから、大型の電磁接触器やジャイアント
トランジスタ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、サイリスタなどのパ
ワー半導体を用いることになる。そのため、切り換えス
イッチの駆動回路や放熱板などを含め、部品点数が多く
なり、取り付けのために大きなスペースの確保が必要に
なる。その結果、装置のコストが高くなり、信頼性にも
問題が生じる。

【０００７】さらに、並列接続から直列接続に切り換え
る際、コンデンサ電池Ｃ１、Ｃ２の電圧が不均一になっ
ていると、コンデンサ電池Ｃ１とＣ２との間で大きなク
ロスカーレントが流れるので、図１１（Ｃ）に示すよう
にこのようなクロスカーレントを防ぐための保護回路Ａ
１、Ａ２、それに対応できるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ
３が必要になる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、少ない数のスイッチでキャパシタ
の接続を制御し、利用率の向上、装置のコストの低減、
信頼性の向上を図るものである。

【０００９】そのために本発明は、出力電圧の設定範囲
で充放電される出力用キャパシタ・バンクと、出力電圧
の許容変動幅で充放電される調整用キャパシタ・バンク
と、前記出力用キャパシタ・バンクに前記調整用キャパ
シタ・バンクを直列に接続又は該接続の切り離しを行う
スイッチング手段と、前記出力電圧に応じて前記スイッ
チング手段を制御する制御手段と、前記出力用キャパシ
タ・バンク及び調整用キャパシタ・バンクに対し充電状
態に応じ切り換えて定電流充電又は緩和充電を行う充電
手段とを備え、前記出力用キャパシタ・バンクに前記調
整用キャパシタ・バンクを直列に接続又は該接続の切り
離しを行うことにより、出力電圧を設定範囲の許容変動
幅で調整するように構成したことを特徴とするものであ
る。

【００１０】さらに、前記充電手段は、スイッチング手
段により接続の切り離しを行った調整用キャパシタ・バ
ンクに対して前記緩和充電を行う回路を有することを特
徴とし、前記出力用キャパシタ・バンクは、複数のキャ
パシタ・バンクを直列接続し、前記調整用キャパシタ・
バンクは、複数のキャパシタ・バンクからなり、前記制
御手段は、前記複数のキャパシタ・バンクについて前記
充電状態に応じて段階的に接続又は該接続の切り離しを
行い、前記出力用キャパシタ・バンクの端子間電圧を測
定して前記充放電状態を検出し、前記出力用キャパシタ
・バンクの端子間電圧を測定してエネルギー残量を演算
し、残量表示を行うことを特徴とするものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る直列切り換
え式キャパシタ電源装置の実施の形態を示す図であり、
Ｃ１〜Ｃ５はキャパシタ・バンク、Ｓ１〜Ｓ３はスイッ
チ、Ａ１は制御回路、１は充電器、２は出力制御回路、
３は負荷を示す。

【００１２】図１において、キャパシタ・バンクＣ１〜
Ｃ５は、電気エネルギー貯蔵用として、例えば電気二重
層コンデンサのようなキャパシタ（単セル）を複数個用
いることにより、それらを直列あるいはそれをさらに並
列に接続したものであり、各キャパシタ、あるいはバン
クには並列モニタが接続される。これらのうち、キャパ
シタ・バンクＣ１〜Ｃ３は、負荷の定格電圧の範囲で充
放電される出力用キャパシタ・バンクであり、キャパシ
タ・バンクＣ４、Ｃ５は、負荷電圧の変動幅許容範囲で
充放電される調整用キャパシタ・バンクである。スイッ
チＳ１〜Ｓ３は、直列接続した出力用キャパシタ・バン
クＣ１〜Ｃ３にさらに追加して調整用キャパシタ・バン
クＣ４、Ｃ５を段階的に直列接続したり、あるいは接続
の切り離しをしたりするものである。

【００１３】制御回路Ａ１は、直列接続した出力用キャ
パシタ・バンクＣ１〜Ｃ３における充放電状態（電圧）
を検出し、その充放電状態に応じてスイッチＳ１〜Ｓ３
を制御して調整用キャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５につい
て接続又は接続の切り離しを行うものである。したがっ
て、制御回路Ａ１によりスイッチＳ１〜Ｓ３のうち常に
いずれか１つのみをオンにすることにより、キャパシタ
・バンクＣ１〜Ｃ３だけの直列接続からキャパシタ・バ
ンクＣ４、さらにはＣ５を加えた直列接続の状態まで、
直列接続されるバンク数を段階的に切り換える。したが
って、制御回路Ａ１では、３つの接続状態の切り換えを
行うので、２つの検出レベルＥ₁、Ｅ_２（例えばＥ_１
＜Ｅ₂）を有する。

【００１４】充電器１は、電源より直列接続されたキャ
パシタ・バンクＣ１〜Ｃ５に定電流充電する電流源であ
り、段階的にキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５の接続が切
り離され、最終的にキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の直
列回路が定格電圧まで充電されて充電を終了する。出力
制御回路２は、例えば既に知られた電流ホンプのように
キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５から負荷３に供給する電
流を制御、調節したり、負荷３から逆に電流源（充電
器）としてキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５を充電する、
つまり負荷３が発電機となる回生制動の場合の切り換え
を行ったりするものである。したがって、出力制御回路
２としては、電子スイッチや、降圧チョッパ、昇圧チョ
ッパ、その他のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられるが、
キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の接続切り換えの制御に
より、負荷３から見て調整の必要のない範囲に電圧が安
定化される場合には省くこともでき、本発明にとっては
特に必要不可欠な構成要素というものではない。勿論、
キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の接続切り換えの制御に
より、電圧変動範囲が小さくなれば、これとコンバータ
を組み合わせることにより、コンバータを高効率に設計
でき、電圧安定性の高い電源を実現することもできる。

【００１５】次に、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の電
圧Ｖc3に応じてスイッチＳ１〜Ｓ３を制御し、直列接続
するキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の数を切り換える充
放電動作を説明する。図２は接続制御の処理ルーチンの
例を説明するための図、図３は制御回路の構成例を示す
図、図４は電圧を判定しスイッチング信号を発生する回
路の構成例を示す図である。図中、２１、２２、２４、
２５はコンパレータ、２３、２８はデコーダ、２６はイ
ンバータ（反転回路）、２７はアップダウンカウンタを
示す。

【００１６】制御回路Ａ１では、例えば図２に示すよう
にキャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧Ｖc3を読み込み
（ステップＳ１１）、この電圧Ｖc3を制御の判定基準と
して予め設定された設定レベルＥ₁、Ｅ₂と比較する
（ステップＳ１２、１４）。そして、電圧Ｖc3が第１の
設定レベルＥ₁より低い場合には、スイッチＳ３のみを
オンにして全キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の直列接続
とする（ステップＳ１６）。また、電圧Ｖc3が第２の設
定レベルＥ₂より低く第１の設定レベルＥ₁以上であれ
ば、スイッチＳ２のみをオンにしてキャパシタ・バンク
Ｃ５を除きキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ４の直列接続と
する（ステップＳ１５）。そして、電圧Ｖc3が第２の設
定レベルＥ₂以上であれば、スイッチＳ１のみをオンに
してキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５を除きキャパシタ・
バンクＣ１〜Ｃ３の直列接続とする（ステップＳ１
３）。これを充放電動作で説明すると、次のようにな
る。

【００１７】充電動作について説明する。全放電からの
充電は、図１（Ａ）に示すようにスイッチＳ３のみをオ
ンにすることにより、全キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５
を直列に接続した状態から開始する。つまり、制御回路
Ａ１は、キャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧Ｖc3が第
１の設定レベルＥ₁に達しないとスイッチＳ３のみをオ
ンにする。充電を開始し、充電電圧Ｖc3が第１の設定レ
ベルＥ₁まで上昇したことを制御回路Ａ１が検出する
と、図１（Ｂ）に示すようにスイッチＳ３をオフにして
スイッチＳ２のみをオンにすることにより、キャパシタ
・バンクＣ５を切り離してキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ
４の直列接続とする。さらに充電電圧Ｖc3が上昇し、第
２の設定レベルＥ₂に達した（越えた）ことを制御回路
Ａ１が検出すると、図１（Ｃ）に示すようにスイッチＳ
２をオフにしてスイッチＳ１のみをオンにすることによ
り、キャパシタ・バンクＣ４を切り離してキャパシタ・
バンクＣ１〜Ｃ３の直列接続とする。そして、定格電圧
まで充電すると、この状態が系としての満充電になる。

【００１８】放電動作について説明する。満充電からの
放電は、充電動作のときと逆に、図１（Ｃ）に示すよう
にスイッチＳ１のみをオンにすることにより、キャパシ
タ・バンクＣ１〜Ｃ３の３つを直列に接続した状態から
開始する。放電により電圧Ｖc3が低下し、第２の設定レ
ベルＥ₂より低下したことを制御回路Ａ１が検出する
と、図１（Ｂ）に示すようにスイッチＳ１をオフにして
スイッチＳ２のみをオンにすることにより、キャパシタ
・バンクＣ４を直列に加える。さらに放電が進み、電圧
Ｖc3が第１の設定レベルＥ₁より低下したことを制御回
路Ａ１が検出すると、図１（Ａ）に示すようにスイッチ
Ｓ２をオフにしてスイッチＳ１のみをオンにすることに
より、キャパシタ・バンクＣ５も直列に加える。このよ
うにキャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５を順次直列に加えて
いくことにより、出力電圧の低下を補っている。

【００１９】系としての満充電の状態では、図１（Ｃ）
に示すようにスイッチＳ１のみをオンにしキャパシタ・
バンクＣ１〜Ｃ３の直列接続により定格電圧を取り出し
ているため、その上にキャパシタ・バンクＣ４＋Ｃ５の
電圧が積み重なり、回路の内部で発生する最大電圧はそ
の分大きくなる。このような図１（Ａ）〜（Ｃ）に示す
回路構成に対し、図１（Ｄ）に示す回路構成は、キャパ
シタ・バンクＣ４＋Ｃ５の電圧がキャパシタ・バンクＣ
１〜Ｃ３の直列回路の電圧から差し引く極性で接続され
るので、回路の内部で発生する最大電圧を低く抑えるこ
とができる。

【００２０】このように制御回路Ａ１では、負荷の定格
電圧の範囲で充放電される出力用キャパシタ・バンクＣ
１〜Ｃ３の端子間電圧Ｖc3を測定し、その電圧Ｖc3の判
定に基づき充放電状態を検出することができるが、電圧
Ｖからエネルギー残量を求めることもできる。図３はこ
の残量表示を行う回路を有する制御回路の構成例を示し
たものである。図３において、電圧検出回路１１は、出
力用キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の端子間電圧Ｖc3を
測定するものである。電圧判定回路１２は、その電圧Ｖ
c3に基づき電圧を判定（充放電状態を判定）するもので
あり、スイッチ制御回路１２は、電圧判定回路１２の判
定に基づき上記のようなスイッチＳ１〜Ｓ３のオンオフ
制御を行うものである。また、残量演算回路１４は、電
圧Ｖc3に基づきエネルギー残量を演算するものであり、
表示回路１５は、残量演算回路１４により演算されたエ
ネルギー残量を表示するものである。

【００２１】電圧を判定しスイッチング信号を発生する
回路としては、例えば図４に示す回路がある。図４
（Ａ）に示す例の回路は、先に述べたようにキャパシタ
・バンクＣ３の上端の電圧Ｖc3を読み込み、この電圧Ｖ
c3を設定レベルＥ₁、Ｅ₂と比較し判定してスイッチＳ
１〜Ｓ３のオン／オフを制御するものである。設定レベ
ルＥ₁、Ｅ₂は、第１段、第２段のキャパシタ・バンク
の切り換えレベルを判定するために用意されるものであ
り、コンパレータ２１、２２は、キャパシタ・バンクＣ
３の上端の電圧Ｖc3と設定レベルＥ₁、Ｅ₂との比較を
行うものである。そして、デコーダ２３は、コンパレー
タ２１、２２の出力をデコードしてスイッチＳ１〜Ｓ３
のいずれかのオン信号を生成するものである。したがっ
て、調整用キャパシタ・バンクの段数が増えれば、その
段数に対応した数の設定レベルとコンパレータが必要と
なる。

【００２２】また、図４（Ｂ）に示す例の回路は、出力
用キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３に調整用のキャパシタ
・バンクＣ４、Ｃ５を適宜直列に接続した出力電圧Ｖou
t を読み込み、この電圧Ｖout を判定してスイッチＳ１
〜Ｓｎのオン／オフを制御するものである。設定レベル
Ｖ_Hは、充電時の切り換えレベルを判定するために用意
される高めの値、設定レベルＶ_Lは、放電時の切り換え
レベルを判定するために用意される低めの値であり、コ
ンパレータ２４、２５は、出力電圧Ｖout と設定レベル
Ｖ_H、Ｖ_Lとの比較を行うものである。そして、アップ
ダウンカンウタ２７は、コンパレータ２４の出力により
アップカウントを、コンパレータ２５の出力によりダウ
ンカウントを行い、デコーダ２８は、アップダウンカン
ウタ２７の出力をデコードしてスイッチＳ１〜Ｓｎのい
ずれかのオン信号を生成するものである。リセット（re
set)は、起動時など、カウント値をゼロにして回路をス
タートさせる時に用いる。したがって、この回路の場合
には、アップダウンカンウタ２７とデコーダ２８を調整
用キャパシタ・バンクの数に対応できるようにすれば、
調整用キャパシタ・バンクの数に関係なく２つの設定レ
ベルと２つのコンパレータ２４、２５で構成できる。

【００２３】なお、上に述べたいずれの方式でも、キャ
パシタの内部抵抗によって発生する出力電圧の変動、い
わゆる負荷変動の現象が現れるが、切り換え点付近で負
荷変動により不必要に頻繁なバンク切り換えが発生しな
いよう、コンパレータには適宜なヒステリシス特性を持
たせることができる。

【００２４】充電から放電までの動作例をさらに説明す
る。図５は全放電状態から定電流充電し定電力放電完了
までの各部の電圧推移の例を示す図、図６は緩和充電時
間と自己放電特性の関係を説明するための図、図７は自
己放電による利用率の低下を説明するための図、図８は
緩和充電回路を備えた本発明に係る直列切り換え式キャ
パシタ電源装置の実施の形態を示す図である。それぞれ
同一の１０００Ｆ、１０Ｖ定格のキャパシタ・バンクＣ
１〜Ｃ５を用いて充放電試験を行った例を示したのが図
５である。ここで、制御回路Ａ１の設定レベルは、Ｅ₁
＝１８Ｖ、およびＥ₂＝２２．５Ｖとし、充電器は３０
Ａの定電流型（電流源）を用い、電圧制限値を３０．５
Ｖに定め、放電は５００Ｗの定電力負荷とした。

【００２５】まず、基本的な全放電状態、つまり各キャ
パシタ・バンクの初期電圧がゼロの状態から満充電まで
と、満充電から全放電までの間の出力電圧および各キャ
パシタ・バンクの電圧の推移は、図５に示すように出力
電圧が１（◇）、キャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧
が２（□）、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の平均電圧
が３（▽）、キャパシタ・バンクＣ４、Ｃ５の電圧が４
（△）、５（○）となる。このように出力電圧１は、キ
ャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５の直列状態への充電電圧が
定格に達したところから、直列接続しても定格電圧を割
るまでの全期間中の最低電圧は２２．５Ｖ、変動の幅を
７．５／３０＝２５％以内に留めることができた。

【００２６】また、キャパシタ・バンクＣ３の上端の電
圧のトレース２から明らかなように、キャパシタ・バン
クＣ１〜Ｃ３の端子電圧は、系の貯蔵エネルギーの残量
と一定の関係を持つ。したがって、静電容量Ｃのキャパ
シタに蓄えたエネルギーＵがその端子電圧Ｖから、Ｕ＝ＣＶ²／２で表せる原理を利用し、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３
の端子電圧を測定することにより、上記の計算、あるい
は２乗、平方根の折れ線近似回路を使って端子電圧Ｖを
貯蔵エネルギーの残量、すなわち蓄電量に換算すること
ができ、残量計に簡単で正確な表示を行うことができ
る。

【００２７】電気二重層キャパシタでは、充電時間が短
いと、特有の自己充電すなわち自己のキャパシタ配列の
後段に向かって充電する現象が顕著に起こり、図６に示
すように端子電圧が時間とともに低下する。この低下の
割合は、長時間緩和充電をするほど小さくすることがで
きる。したがって、上記電源装置において、充電時に順
次直列回路から切り離されるキャパシタ・バンクＣ５、
Ｃ４で端子電圧の低下が大きいと、図７に示すようにキ
ャパシタ・バンクＣ５、Ｃ４の蓄電能力が有効に利用さ
れないことになる。図１において、いま、満充電状態か
らスイッチＳ１がオンの状態でキャパシタ・バンクＣ１
〜Ｃ３の放電を開始し、電圧が低下してくると、スイッ
チＳ１がオフになってスイッチＳ２がオンに切り換わ
り、キャパシタ・バンクＣ５又はＣ４が直列に加えられ
る。しかし、そのとき、キャパシタ・バンクＣ５又はＣ
４が自己放電して電圧が下がっていると、図５に対応し
て図７、に示したように切り換え直後から時間の経
過に応じて電圧から低くなってしまう。

【００２８】図８において、緩和充電回路３２は、充電
時にキャパシタ・バンクＣ５又はＣ４に対してキャパシ
タ・バンクＣ１〜Ｃ３から切り離されると、その後の端
子電圧の低下を防ぐこめに緩和充電を行う回路であり、
電流源として例えば小型、小容量のスイッチング定電流
回路を用いることができる。すなわち、この緩和充電回
路３２は、キャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ５に対する通常
の充電電流に比べて１／５〜１〜１００程度の充電電流
を供給する小容量の回路で済み、制御は、充電されるキ
ャパシタ・バンクＣ５、Ｃ４の満充電状態をかろうじて
維持する程度に充電を続けるものであればよい。

【００２９】図９および図１０は本発明に係る直列切り
換え式キャパシタ電源装置の他の実施の形態を説明する
ための図である。上記実施の形態では、説明を簡単にす
るため全てのキャパシタ・バンクに静電容量や耐電圧が
等しいものを使って説明したが、図５に示すトレース
３、４、５から明らかなように、固定のキャパシタ・バ
ンクＣ１〜Ｃ３に対して、スイッチされるキャパシタ・
バンクＣ４、Ｃ５は、それぞれ７５％、６０％の電圧ま
でしか充電されない、したがって、ここには耐電圧の低
いキャパシタ・バンクあるいは直列接続個数の少ないキ
ャパシタ・バンクを使用することができる。直列接続個
数の少ないバンクを同じ静電容量の単セルで製造する
と、必然的にその静電容量は直列接続個数の少なさに比
例して大きくなる。

【００３０】スイッチされるキャパシタ・バンクＣ４、
Ｃ５に固定のキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３より大きい
静電容量（Ｃ４＝１ｋＦ／０．６、Ｃ５＝１ｋＦ／０．
７５）を用いた場合の各部の電圧推移の例を示したのが
図９であり、逆にスイッチされるキャパシタ・バンクＣ
４、Ｃ５に固定のキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３より小
さい静電容量（Ｃ４、Ｃ５＝１ｋＦ×０．８）を用いた
場合の各部の電圧推移の例を示したのが図１０である。
これらは、□がキャパシタ・バンクＣ３の上端の電圧、
◇が出力電圧、○がキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の平
均電圧、△がキャパシタ・バンクＣ４の電圧、▽がキャ
パシタ・バンクＣ５の電圧のトレースをそれぞれ示して
いる。

【００３１】このようにスイッチされるキャパシタ・バ
ンクＣ４、Ｃ５の静電容量の増減によって、一定電圧以
上で利用できる電力量、つまり利用率が増減し、電圧の
変動幅が変化する。したがって、本発明は、全部同一の
キャパシタを用いて製造を容易にするか、静電容量を使
用する部位によって調節して蓄電量の有効利用を図るか
など、目的に応じた設計を選択することが可能である。

【００３２】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、調整用のキャパシタ・バンクを緩和
充電する回路として、調整用のキャパシタ・バンク全体
に直列に設けるようにしたが、個々のキャパシタ・バン
ク毎に設けてもよい。また、緩和充電用の電流経路を確
保するための小型電流源（電源を持たない電流バイパス
回路）として、図８の３３、３３′に示すように各キャ
パシタ毎に小型スイッチング定電流回路を用いてもよい
し、その際に、上段側のバイパス回路は、下段のキャパ
シタを跨いで電流をバイパスする回路であってもよい。
さらに、３個のキャパシタ・バンクを出力用として直列
にした上に充放電状態に応じて２個のキャパシタ・バン
クを調整用として段階的に直列に加えたり、切り離した
りしたが、これらの個数やそれぞれの容量は任意の組み
合わせにより採用できることはいうまでもない。例えば
２個のキャパシタ・バンクを直列にした上に１個のキャ
パシタ・バンクを直列に加えたり、切り離したりしても
よい。一般に変動分を小さくするには、スイッチされな
いキャパシタ・バンクＣ１〜Ｃ３の部分の個数を多く、
つまり電圧を高くすればよい。このことにより、スイッ
チされるキャパシタ・バンクが加えられた際に電圧ステ
ップを全出力電圧に対して小さな割合とすることができ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、直列接続するキャパシタ・バンクの数を増減
させるようにするので、例えば２５％程度の変動に抑え
るために必要なスイッチの個数を、従来の並列接続と直
列接続との切り換えを行う場合に比較して、１２個から
３〜４個と遙に少なくすることができる。そのためにス
イッチの損失、取り付けスペース、発熱の冷却、スイッ
チの駆動回路、およびコストを大幅に削減することがで
きると共に、信頼性を大幅に向上させることができる。
しかも、充電に際して充電電圧が上がって切り離された
キャパシタ・バングに対し緩和充電を行うので、自己放
電して電圧が下がることに伴い利用効率が低下するのを
防ぐことができる。

【００３４】特に、本発明の直列切り換え式キャパシタ
電源装置は、スイッチングコンバータが不要であるた
め、スイッチング損失がなく装置がシンプルになり大型
あるいは超大型のシステムにも適用がしやすくなる。そ
の場合、全体に比べて僅か１０％以下の緩和充電回路に
より、キャパシタ・バンクの利用効率を高めることがで
き、緩和充電回路の存在価値は大きい。

【００３５】さらに、従来の並列接続と直列接続との切
り換えを行う場合には、並列接続への切り換え時に電圧
のアンバランスによりクロスカーレントが流れるのを防
ぐ手段が必要になるが、本発明によれば直列接続するキ
ャパシタ・バンクの数を増減させるものであるため、こ
のような手段が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る直列切り換え式キャパシタ電源
装置の実施の形態を示す図である。

【図２】接続制御の処理ルーチンの例を説明するため
の図である。

【図３】制御回路の構成例を示す図である。

【図４】電圧を判定しスイッチング信号を発生する回
路の構成例を示す図である。

【図５】全放電状態から定電流充電し定電力放電完了
までの各部の電圧推移の例を示す図である。

【図６】緩和充電時間と自己放電特性の関係を説明す
るための図である。

【図７】自己放電による利用率の低下を説明するため
の図である。

【図８】緩和充電回路を備えた本発明に係る直列切り
換え式キャパシタ電源装置の実施の形態を示す図であ
る。

【図９】本発明に係る直列数制御型電源装置の他の実
施の形態を説明するための図である。

【図１０】本発明に係る直列数制御型電源装置の他の
実施の形態を説明するための図である。

【図１１】コンデンサ電池の直並列切り換えを行う電
源装置の構成例を示す図である。

【符号の説明】

Ｃ１〜Ｃ５…キャパシタ・バンク、Ｓ１〜Ｓ３…スイッ
チ、Ａ１…制御回路、１…充電器、２…出力制御回路、
３…負荷

フロントページの続き (72)発明者岡村廸夫神奈川県横浜市南区南太田２丁目19番６号 (72)発明者篠塚政彦神奈川県横浜市金沢区福浦１丁目１番１号株式会社パワーシステム内Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA03 CA02 CC02 5G065 DA04 HA01 HA16 JA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】出力電圧の設定範囲で充放電される出力
用キャパシタ・バンクと、出力電圧の許容変動幅で充放
電される調整用キャパシタ・バンクと、前記出力用キャ
パシタ・バンクに前記調整用キャパシタ・バンクを直列
に接続又は該接続の切り離しを行うスイッチング手段
と、前記出力電圧に応じて前記スイッチング手段を制御
する制御手段と、前記出力用キャパシタ・バンク及び調
整用キャパシタ・バンクに対し充電状態に応じ切り換え
て定電流充電又は緩和充電を行う充電手段とを備え、前
記出力用キャパシタ・バンクに前記調整用キャパシタ・
バンクを直列に接続又は該接続の切り離しを行うことに
より、出力電圧を設定範囲の許容変動幅で調整するよう
に構成したことを特徴とする直列切り換え式キャパシタ
電源装置。
【請求項２】前記充電手段は、スイッチング手段によ
り接続の切り離しを行った調整用キャパシタ・バンクに
対し前記緩和充電を行う回路を有することを特徴とする
請求項１記載の直列切り換え式キャパシタ電源装置。
【請求項３】前記出力用キャパシタ・バンクは、複数
のキャパシタ・バンクを直列接続したものであることを
特徴とする請求項１記載の直列切り換え式キャパシタ電
源装置。
【請求項４】前記調整用キャパシタ・バンクは、複数
のキャパシタ・バンクからなり、前記制御手段は、前記
複数のキャパシタ・バンクについて前記充電状態に応じ
て段階的に接続又は該接続の切り離しを行うことを特徴
とする請求項１記載の直列切り換え式キャパシタ電源装
置。
【請求項５】前記制御手段は、前記出力用キャパシタ
・バンクの端子間電圧を測定して前記充放電状態を検出
することを特徴とする請求項１記載の直列切り換え式キ
ャパシタ電源装置。
【請求項６】前記制御手段は、前記出力用キャパシタ
・バンクの端子間電圧を測定してエネルギー残量を演算
し、残量表示を行うことを特徴とする請求項５記載の直
列切り換え式キャパシタ電源装置。