JP2000299933A

JP2000299933A - 充電装置

Info

Publication number: JP2000299933A
Application number: JP11196690A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Matsuoka; 武彦松岡; Katsutoshi Miyajima; 勝利宮島; Hiromasa Kubo; 裕政久保; Takeshi Hirano; 剛平野
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Daihen Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Daihen Corp
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】損失を生じさせることなく蓄電素子の過充電を
防止する。【解決手段】放電経路１に直列接続された複数の蓄電素
子Ｃ₁〜_nをチョークコイルＬ１を介して充電用電源ＤＣ
ＰＳ１により充電したうえで、放電経路１を介して負荷
ＲＬに給電する充電装置において、蓄電素子Ｃ₁〜_nそれ
ぞれを充電用電源ＤＣＰＳ１に対して並列接続する充電
経路２₁〜_nを設け、この充電経路２₁〜_nに対して蓄電素
子Ｃ₁〜_nそれぞれを個別に開閉操作するスイッチング素
子Ｑ１₁〜_n，Ｑ２₁〜_n-1の操作を、電圧測定回路３で測
定した蓄電素子Ｃ₁〜_nそれぞれの端子電圧に基づいて制
御回路４で制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放電経路に直列接
続された複数の蓄電素子を充電して負荷に給電する充電
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、不安定な直流電源（例えば、太
陽電池）から安定な電源を必要とする負荷に給電する場
合に、直流電源と負荷との間に充電装置を介装すること
が行われている。このような用途に用いられる充電装置
として、従来から、図８に示すように、直列接続された
複数の電気二重層コンデンサＣ₁〜_nと、電気二重層コン
デンサＣ₁〜_nの充電を制御する充電回路５０と、充電さ
れた電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの放電を制御する放電
回路５１とを備えて構成されたものがある。なお、図８
中、符号ＤＣＰＳ１は充電用電源であり、ＲＬは負荷で
ある。

【０００３】このような充電装置においては、図９に示
すように、各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの過充電を防
止するために、電気二重層コンデンサＣ₁〜_n毎に過電圧
防止回路５２₁〜_nが設けられている。過電圧防止回路５
２₁〜_nそれぞれは、図１０に示すように、分圧抵抗Ｒ
１、Ｒ２と、３端子シャントレギュレータ５３と、３端
子シャントレギュレータ５３に直列に接続された電流制
限抵抗Ｒ４と、スイッチング素子５４と、スイッチング
素子５４に直列に接続された過電流消費抵抗Ｒ３と、シ
ョットキーダイオード５５とをそれぞれ電気二重層コン
デンサＣ₁〜_nに対して並列に接続することで構成されて
いる。この過電圧防止回路５２₁〜_nは次のようにして電
気二重層コンデンサＣ₁〜_nに過電圧が印加されることを
防止している。すなわち、各電気二重層コンデンサＣ₁
〜_nが過電圧まで充電されると、スイッチング素子５４
が動作して充電電流をバイパス経路ＢＹに迂回させ、充
電電流をバイパス経路ＢＹに設けられた過電流消費抵抗
Ｒ３で消費させることで、電気二重層コンデンサＣ₁〜_n
が過充電されることを防止している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の過電圧防止回路５２₁〜_nを備えた充電装置で
は、電気二重層コンデンサＣ₁〜_nが過充電されないよう
に、放電電流を過電流消費抵抗Ｒ３に消費させる構成で
あるために、過充電を防止する動作における損失が大き
いという課題があった。

【０００５】したがって、本発明においては、損失を生
じさせることなく蓄電素子の過充電を防止できる充電装
置の提供を課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、次のような手
段によって、上述した課題の解決を達成している。請求
項１に係る発明では、放電経路に直列接続された複数の
蓄電素子を有し、当該蓄電素子をチョークコイルを介し
て充電用電源により充電したうえで、前記放電経路を介
して外部に出力する充電装置であって、前記蓄電素子そ
れぞれを前記充電用電源に対して並列に接続する充電経
路と、前記充電経路に対して前記蓄電素子それぞれを個
別に開閉操作する開閉手段と、前記蓄電素子それぞれの
端子電圧を測定する測定手段と、前記測定手段が測定し
た各蓄電素子の端子電圧に基づいて前記開閉手段の開閉
制御を行う制御手段とを有することに特徴を有してお
り、これにより、次のような作用を有する。すなわち、
測定手段による蓄電素子の端子電圧の測定で、蓄電素子
が満充電されたことを制御手段が検出すると、制御手段
は、満充電された蓄電素子に対応する開閉手段を開操作
するように制御する。そのため、満充電された蓄電素子
が過充電されることが防止される。さらには、このよう
な過充電防止を開閉手段の開操作により行うので、過充
電防止動作において損失は生じない。

【０００７】請求項２に係る発明は、請求項１記載の充
電装置であって、前記制御手段は、前記測定手段が測定
した前記端子電圧と予め設定された電圧指令値との間の
差分に応じて前記開閉手段の回路閉時間を増減制御する
ことに特徴を有しており、これにより次のような作用を
有する。すなわち、測定手段が測定した前記端子電圧と
予め設定された電圧指令値との間の差分に応じて前記開
閉手段の回路閉時間を増減制御することで、充電途中に
おける蓄電素子の電圧をフィードバックして充電制御す
ることになり、蓄電素子相互において、充電途中におけ
る端子電圧が突出することなく揃うことになる。

【０００８】なお、これら請求項において、蓄電素子と
記載した素子は、充電した電力を放電する素子一般を示
す概念であって、例えば、電気二重層コンデンサ、電解
コンデンサ、２次電池等の素子がその例として挙げられ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。

【００１０】実施の形態１図１は、本発明の実施の形態１の充電装置の構成を示す
回路図であり、図２は電圧測定回路の構成を示す回路図
である。

【００１１】この充電装置は、出力が一定しない直流電
源（例えば、太陽電池）からなる充電用電源ＤＣＰＳ１
の出力を昇圧して負荷ＲＬに給電する充電装置であっ
て、複数の電気二重層コンデンサＣ₁〜_nと、放電経路１
と、充電経路２₁〜_nと、電圧測定回路３と、制御回路４
とを備えている。

【００１２】放電経路１は、電気二重層コンデンサＣ₁
〜_nを負荷ＲＬに接続する電気経路であって、負荷ＲＬ
に対して各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nを直列に接続し
ている。放電経路１には電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの
放電に基づいて負荷ＲＬに電力を供給するＤＣ−ＤＣコ
ンバータＣonv１が設けられている。なお、ＤＣ−ＤＣ
コンバータＣonv１は省略してもよい。

【００１３】充電経路２₁〜_nは、各電気二重層コンデン
サＣ₁〜_nを充電用電源ＤＣＰＳ１に接続する電気経路で
あって、各充電経路２₁〜_nは直流電源ＤＣＰＳ１に対し
て各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nを並列に接続してい
る。充電経路２₁〜_nには、充電電流を平滑するチョーク
コイルＬ１が設けられている。チョークコイルＬ１は、
電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの正極側もしくは負極側、
あるいはその両方に設けられており、各充電経路２₁〜_n
の間で共通する電気経路上に配置されている。

【００１４】充電経路２₁〜_nのうち、充電用電源ＤＣＰ
Ｓ１の正極に最も近接する位置に設けられた電気二重層
コンデンサＣ₁の充電経路２₁には、逆流防止ダイオード
Ｄ０ ₁と、スイッチング素子Ｑ２₁とが設けられている。
逆流防止ダイオードＤ０₁は、電気二重層コンデンサＣ₁
の正極側に設けられている。スイッチング素子Ｑ２
₁は、電気二重層コンデンサＣ₁の負極側に設けられてい
る。また、充電経路２₁〜 _nのうち、直流電源ＤＣＰＳ１
の負極に最も近接する位置に設けられた電気二重層コン
デンサＣ_nの充電経路２_nには、スイッチング素子Ｑ１_n
と逆流防止ダイオードＤ０₂とが直列配置されている。
スイッチング素子Ｑ１_nは、電気二重層コンデンサＣ_nの
正極側に設けられている。逆流防止ダイオードＤ０
₂は、電気二重層コンデンサＣ_nの負極側に設けられてい
る。逆流防止ダイオードＤ０₁、Ｄ０₂は各電気二重層コ
ンデンサＣ₁、Ｃ₂に順方向電流が流れようとする場合に
はその電流を許容する一方、電気二重層コンデンサ
Ｃ₁、Ｃ₂に逆方向電流が流れようとする場合には、その
電流を阻止する向きに配設されている。

【００１５】電気二重層コンデンサＣ₁、Ｃ_n以外の電気
二重層コンデンサＣ₂〜_n-1の充電経路２₂〜_n-1にはスイ
ッチング素子Ｑ１₂〜_n-1と、スイッチング素子２₂〜_n-1
とが設けられている。スイッチング素子Ｑ１₂〜_n-1は、
電気二重層コンデンサ２₂〜_n _-1の正極側に設けられてい
る。スイッチング素子Ｑ２₂〜_n-1は、各電気二重層コン
デンサ２₂〜_n-1の負極側に設けられている。これらスイ
ッチング素子Ｑ１₂〜_n、およびスイッチング素子Ｑ２₁
〜_n-1は、例えば、トランジスタから構成されている。

【００１６】また、各充電経路２₁〜_nには、各電気二重
層コンデンサＣ₁〜_nの正極と負極とを短絡する逆流バイ
パス路５₁〜_nが設けられている。各逆流バイパス路５₁
〜_nには、逆流許容ダイオードＤ１₁〜_nが直列配置され
ている。逆流許容ダイオードＤ１₁〜_nは各電気二重層コ
ンデンサＣ₁〜_nに逆方向電流が流れようとする場合の
み、その電流の流れを許容する一方、各電気二重層コン
デンサＣ₁〜_nに順方向電流が流れようとする場合には、
その電流を阻止する向きに配設されている。なお、充電
経路２_n-1（直流電源ＤＣＰＳ１の負極に最も近接す
る）に設けられたスイッチング素子Ｑ２_n-1にフリーホ
イールダイオードが内蔵されている場合には、このフリ
ーホイールダイオードを、逆流バイパス路５_n（充電用
電源ＤＣＰＳ１の負極に最も近接する）の逆流防止ダイ
オードとして用いることができるので、逆流バイパス路
５_nに設ける逆流防止ダイオードＤ１_nを省略することが
できる。

【００１７】電圧測定回路３は、各電気二重層コンデン
サＣ₁〜_nの端子電圧を測定して制御回路４に出力する回
路であって、例えば、図２に示すように構成されてい
る。すなわち、各電気二重層コンデンサＣ₁〜_n-1の両端
電圧を減算増幅器１０₁〜_n-1により減算処理したのち、
減算増幅器１０₁〜_n-1の出力を反転回路１１₁〜_n-1で反
転することで、電圧モニタ出力ＶＭ₁〜_nを作製して制御
回路４に出力している。なお、充電用電源ＤＣＰＳ１の
負極に最も近接する位置に設けられた電気二重層コンデ
ンサＣ_nの端子電圧を測定する構成においては、減算増
幅器や反転増幅器は必要なく、電気二重層コンデンサＣ
_nの端子電圧を電圧ホロワ回路１２を介して端子電圧モ
ニタ出力ＶＭ_nとして出力すればよい。

【００１８】図２に示す電圧測定回路３は、電圧測定回
路３の制御電圧（通常、約１５Ｖに設定されている）が
電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの総電圧（直列配置された
電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの最も端の端子間から取り
出される電圧）より低い場合に有効な回路構成である。
もし、電圧測定回路３の制御電圧が電気二重層コンデン
サＣ₁〜_nの総電圧より高い場合には、図３に示すようし
て電圧測定回路３’を構成すればよい。すなわち、この
電圧測定回路３’は、上述した電圧測定回路３の構成に
加えて、減算増幅器１０₁〜_nの前段側（減算増幅器１０
₁〜_nと各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nとの間）に、降圧
手段１４₁〜_nを設けている。降圧手段１４₁〜_nは、分圧
抵抗ＲＤ₁〜_nと、電圧ホロワ回路１３₁〜_nとから構成さ
れている。なお、直流電源ＤＣＰＳ１の負極に最も近接
する位置に設けられた電気二重層コンデンサＣ_nの端子
電圧を測定する構成においては、降圧手段１４_nを構成
する電圧ホロワ回路１３_nを設けるために、上述した電
圧ホロワ回路１２は省略されている。

【００１９】制御回路４は、例えば、ＣＰＵから構成さ
れ、電圧測定回路３が出力する各電気二重層コンデンサ
Ｃ₁〜_nの端子電圧モニタ出力ＶＭ₁〜_nに基づいて、各ス
イッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1のスイッチング制
御信号ＳＣ₁〜_nを作製して、各スイッチング素子Ｑ１₂
〜_n、Ｑ２₁〜_n-1に出力することで、これらスイッチン
グ素子Ｑ１₂〜_nＱ２₁〜_n-1をＰＷＭ制御（パルス幅変調
制御）している。

【００２０】次に、主として制御回路４が行うこの充電
回路の制御動作を図４を参照して説明する。まず、各電
気二重層コンデンサＣ₁〜_nの過電圧レベルに応じて、電
圧指令値Ｖ_Oを設定して制御回路４に記憶しておく。そ
のうえで制御回路４は、図４（ａ）に示すように、三角
波キャリアＴＣを作製し、作製した三角波キャリアＴＣ
と、電圧指令値Ｖ_Oとを比較して図４（ｂ）に示すパル
ス信号ＰＳを作製する。このパルス信号ＰＳは、三角波
キャリアＴＣの１波長をパルス間隔Ｔ１とし、電圧指令
値Ｖ_Oより三角波キャリアＴＣの方が高レベル（ＴＣ＞
Ｖ_O）となる期間Ｔ２だけ選択的にＨＩＧＨとなる。す
なわち、パルス信号ＰＳは、パルス間隔＝期間Ｔ１、パ
ルス幅＝期間Ｔ２となったパルスＰが連続したものから
構成される。

【００２１】さらに制御回路４は、作製したパルス信号
ＰＳを構成する各パルスＰを、スイッチング素子Ｑ１₂
〜_n、Ｑ₁〜_n-1の配列順に順次時間軸方向に振り分ける
ことで、図４（ｃ）に示すように、各スイッチング素子
Ｑ１₂〜_n、Ｑ₁〜_n-1に対応するスイッチング制御信号Ｓ
Ｃ₁〜_nを作製する。このようにして作製されるスイッチ
ング制御信号ＳＣ₁〜_nは、パルス信号ＰＳのパルス間隔
Ｔ１×電気二重層コンデンサＣ₁〜_n数をパルス間隔Ｔ３
とし、振り分けられた各パルスＰ₁〜_nの出力期間
（Ｔ₂）だけ選択的にＨＩＧＨとなるパルス信号とな
る。さらには、隣接するスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_n
間におけるＨＩＧＨ期間どうしは、互いに、期間Ｔ１だ
け時間軸方向に位置ずれする。したがって、このように
して作製されたスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nは、パル
ス間隔Ｔ３のうち、振り分けられた各パルスＰ₁〜_nのＨ
ＩＧＨ期間だけ、対応するスイッチング素子Ｑ１₂〜_n、
Ｑ₁〜_n-1を選択的に閉操作させる信号となる。

【００２２】スイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nは制御手段
４から各充電経路２₁〜_n毎に供給される。すなわち、ス
イッチング制御信号ＳＣ₁は、充電経路２₁に設けられた
スイッチング素子Ｑ２₁に供給される。スイッチング制
御信号ＳＣ₂〜_n-1は、充電経路２₂〜_n-1に設けられたス
イッチング素子Ｑ１₂〜_n-1、Ｑ２₂〜_n-1に供給される。
スイッチング制御信号ＳＣ_nは、充電経路２_nに設けられ
たスイッチング素子Ｑ１_nに供給される。

【００２３】以上のようにして作製したスイッチング制
御信号ＳＣ₁〜_nそれぞれを、互いに同期させた状態で対
応する各スイッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1に繰り
返し供給することで、各スイッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ
２₁〜_n-1をスイッチングして各充電経路２₁〜_nの入切制
御を行い、これにより、充電用電源ＤＣＰＳ１の電流を
各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nに供給して充電する。

【００２４】具体的には、次のように制御される。すな
わち、充電を開始した当初であって、どの電気二重層コ
ンデンサＣ₁〜_nの充電レベルも過電圧レベルを越えてい
ない場合には、各スイッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜
_n-1に対して、対応するスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_n
が時間軸方向に順次繰り返し供給されるため、スイッチ
ング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1は間欠的に入切を繰り返
すことになる。これにより、対応する各充電経路２₁〜_n
を介して充電用電源ＤＣＰＳ１から各電気二重層コンデ
ンサＣ₁〜_nに間欠的に電力が供給されて充電される。す
なわち、電気二重層コンデンサＣ₁では、スイッチング
制御信号ＳＣ₁がＨＩＧＨとなる期間（スイッチング素
子Ｑ２₁が閉じられる期間）だけ、充電経路２₁から間欠
的に充電用電源ＤＣＰＳ１の電力が供給されて充電され
る。同様に、電気二重層コンデンサＣ ₂〜_n-1では、スイ
ッチング制御信号ＳＣ₂〜_n-1がＨＩＧＨとなる期間（ス
イッチング素子Ｑ１₂〜_n-1、Ｑ２₂〜_n-1が閉じられる期
間）だけ、充電経路２₁〜_n-1から間欠的に充電用電源Ｄ
ＣＰＳ１の電力が供給されて充電される。同様に、電気
二重層コンデンサＣ_nでは、スイッチング制御信号ＳＣ_n
がＨＩＧＨとなる期間（スイッチング素子Ｑ１_nが閉じ
られる期間）だけ、充電経路２_nから間欠的に充電用電
源ＤＣＰＳ１から電力が供給されて充電される。なお、
各充電経路２₁〜_nが閉じた瞬間（対応するスイッチング
素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1が閉じた瞬間）に生じるサー
ジ電圧は、各充電経路２₁〜_nの共通経路上に設けられた
チョークコイルＬ１により平滑化されて吸収されるた
め、電気二重層コンデンサＣ₁〜_n等に悪影響を及ぼさな
い。本実施の形態では、チョークコイルＬ１を各充電経
路２₁〜_nの共通経路上に設けているので、単一のチョー
クコイルＬ１ですべての充電経路２₁〜_nのサージ電圧を
平滑化することができる。

【００２５】なお、各充電経路２₁〜_nが開いている期間
（対応するスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nがＬＯＷとな
る期間）においては、チョークコイルＬ１に蓄えられた
エネルギーは、チョークコイルＬ１→逆流防止ダイオー
ドＤ０₁→電気二重層コンデンサＣ₁→Ｃ₂→…→Ｃ_n→逆
流防止ダイオードＤ０₂の経路で各電気二重層コンデン
サＣ₁〜_nに充電される。

【００２６】このようにして各電気二重層コンデンサＣ
₁〜_nを充電しながら、電圧測定回路３において充電中の
各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの端子電圧を測定して、
その単位電圧モニタ出力ＶＭ₁〜_nを制御回路４に出力す
る。制御回路４では、入力される各電気二重層コンデン
サＣ₁〜_nの端子電圧モニタ出力ＶＭ₁〜_nと、予め、記憶
している過電圧レベルとを常時比較する。そして、端子
電圧モニタ出力Ｖ₁〜_nが過電圧レベルを越えた時点で、
その電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの充電を司るスイッチ
ング制御信号ＳＣ₁〜_nの出力を選択的に停止する。する
と、出力を停止されたスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nに
対応するスイッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1は、間
欠的に閉じることなく開いたままの状態を維持すること
となり、これらスイッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1
が配設された充電経路２₁〜_nには通電されなくなる。こ
れにより、過電圧となって充電停止を行う必要のある電
気二重層コンデンサＣ₁〜_nには、電力が供給されなくな
り、充電が停止する。このとき、充電を停止する電気二
重層コンデンサＣ₁〜_nに接続される充電経路２₁〜_nで
は、スイッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1を開放して
通電を停止するため、充電停止中にこの充電経路２₁〜_n
で損失が生じることはない。

【００２７】以上のようにして、各電気二重層コンデン
サＣ₁〜_nにおいて過充電を生じさせることなく、すべて
の電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの充電を行う。そして、
所望する電圧まで充電が完了したことを図示しない放電
回路が検知すると、放電回路は、放電経路１を閉じる操
作を行って、充電した電力を負荷ＲＬに供給する。な
お、本実施の形態では、これら電気二重層コンデンサＣ
₁〜_nの両端からその最大電力を放電するように構成して
いるが、電力の取り出しは、所望する電力に応じて、電
気二重層コンデンサＣ₁〜_nの任意の接続点から行うこと
もできる。そのような場合においても、損失を生じさせ
ることなく充電した電力の取り出しが可能となる。

【００２８】また、本実施の形態で説明した本発明の構
成では、充電用電源ＤＣＰＳ１の出力をスイッチング制
御するスイッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1を設けて
いるので、充電用電源ＤＣＰＳ１が太陽電池等の不安定
な直流電源である場合には、これらスイッチング素子Ｑ
１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1を用いて、充電用電源ＤＣＰＳ１の
最大電力点追従制御を行うこともできる。

【００２９】上述した実施の形態１の構成では、昇圧動
作しか行なうことができない。満充電時における電気二
重層コンデンサＣ₁〜Ｃ_nの合計電圧が充電用電源ＤＣＰ
Ｓ１の最大電圧よりも十分高い場合において、実施の形
態１の構成で降圧動作も行わせる必要があるときには、
次のような回路構成を追加すればよい。すなわち、図５
に示すように、充電用電源ＤＣＰＳ１と充電用経路２₁
〜_nとの間に降圧型チョッパ２０を設ける。降圧型チョ
ッパ２０は、トランジスタ等からなるスイッチング素子
Ｑ３と、コンデンサ２２と、ダイオード２３とを備えて
いる。スイッチング素子Ｑ３は充電用電源ＤＣＰＳ１の
正極とチョークコイルＬ１との間に直列に接続されてい
る。コンデンサ２２は、スイッチング素子Ｑ３のコレク
タと充電用電源ＤＣＰＳ１の負極との間にあってこの充
電装置に対して並列に接続配置されている。ダイオード
２３はスイッチング素子Ｑ３のエミッタと充電用電源Ｄ
ＳＰＳ１の負極との間にあってこの充電装置に対して並
列に接続配置されている。なお、図５では、降圧型チョ
ッパ２０以外の構成については、図１の回路構成と同様
の構成を備えているため、図１と同一ないし同様の部分
には同一の符号を付し、それらについての説明は省略す
る。

【００３０】次に、この変形例による充電動作を説明す
る。電気二重層コンデンサＣ₁〜Ｃ_nの合計電圧よりも充
電用電源ＤＣＰＳ１の電圧が高い場合には、スイッチン
グ素子Ｑ１₂〜Ｑ１_nおよびスイッチング素子Ｑ２₁〜Ｑ
２_n-1を全て開状態にした上で、スイッチング素子Ｑ３
だけを制御回路４によりＰＷＭ制御することで開閉動作
させて電気二重層コンデンサＣ₁〜Ｃ_nを充電する（降圧
動作）。一方、電気二重層コンデンサＣ₁〜Ｃ_nの合計電
圧よりも充電用電源ＤＣＰＳ１の電圧が低い場合には、
スイッチング素子Ｑ３を常時閉状態にしたうえで、前述
した実施の形態１と同様のＰＷＭ制御によりスイッチン
グ素子Ｑ２₁〜Ｑ２_n-1を開閉動作させることで、電気二
重層コンデンサＣ₁〜Ｃ_nを充電する（昇圧動作）。な
お、図５においては、降圧動作時の電流の流れを１点鎖
線の矢印で示しており、昇圧動作時に電流の流れを２点
鎖線の矢印（図１と同様）で示している。

【００３１】上述した変形例では、降圧型チョッパ２０
を設けることで降圧動作を可能にしていたが、同様の位
置にＤＣ／ＤＣコンバータを設けることで降圧動作を可
能にすることもできる。

【００３２】次に、昇圧／降圧両方の動作を行うことが
できる本発明の実施の形態２の充電装置の構成を説明す
る。

【００３３】実施の形態２図６は本発明の実施の形態２の充電装置の構成を示す回
路図である。なお、本実施の形態の充電装置の構成は基
本的には実施の形態１と同様であり、同一ないし同様の
部分には、同一の符号を付し、それらに付いての詳細な
説明は省略する。

【００３４】この充電装置は、図６に示すように、充電
経路２₁’と、各逆流バイパス路５₁〜_n’と、チョーク
コイルＬ１₁〜_nに特徴がある。すなわち、電気二重層コ
ンデンサＣ₁の充電経路である充電経路２₁’には、スイ
ッチング素子Ｑ１₁と、スイッチング素子Ｑ２₁が設けら
れている。スイッチング素子Ｑ１₁は、実施の形態１の
逆流防止ダイオードＤ０₁に代わって電気二重層コンデ
ンサＣ₁の正極側に設けられており、スイッチング素子
Ｑ２₁は、実施の形態１と同様、電気二重層コンデンサ
Ｃ₂の負極側に設けられている。さらには、実施の形態
１におけるチョークコイル１に代わって、逆流バイパス
路５₁〜_n’それぞれに、チョークコイルＬ１₁〜_mが設け
られている。ここで、隣接する逆流バイパス路５₁〜_n’
は、その電気経路の一部を共用化して構成されている。
そこで、本実施の形態では、隣接するバイパス路５
₁〜_n’においては、共用化している電気経路にチョーク
コイルＬ ₁〜_mを設けることで、チョークコイルＬ₁〜_mも
共用化しており、これによりチョークコイルＬ₁〜_mの数
を削減（ｎ＞ｍ、ｎ：実施の形態１のチョークコイルの
数、ｍ：実施の形態２のチョークコイルの数）してい
る。このようにして隣接するバイパス路５₁〜_n’におい
てチョークコイルＬ₁〜_mを共用化しても、チョークコイ
ルＬ₁〜_mの動作に不都合は生じない。しかしながら、バ
イパス路５₁〜_n’それぞれに応じてチョークコイルを設
けてもよいのはいうまでもない。

【００３５】次に、主として制御回路４が行うこの充電
回路の制御動作を実施の形態１と同様、図４に基づいて
説明する。まず、各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの過電
圧レベルに応じて、電圧指令値Ｖ_Oを設定して制御回路
４に記憶しておく。そのうえで制御回路４は、図４
（ａ）に示すように、三角波キャリアＴＣを作製し、作
製した三角波キャリアＴＣと、電圧指令値Ｖ_Oとを比較
して図４（ｂ）に示すパルス信号ＰＳを作製する。この
パルス信号ＰＳは、三角波キャリアＴＣの１波長をパル
ス間隔Ｔ１とし、電圧指令値Ｖ_Oより三角波キャリアＴ
Ｃの方が高レベル（ＴＣ＞Ｖ_O）となる期間Ｔ２だけ選
択的にＨＩＧＨとなる。すなわち、パルス信号ＰＳは、
パルス間隔＝期間Ｔ１、パルス幅＝期間Ｔ２となったパ
ルスＰが連続したものから構成される。

【００３６】さらに制御回路４は、作製したパルス信号
ＰＳを構成する各パルスＰを、スイッチング素子Ｑ１₁
〜_n、Ｑ２₁〜_n-1の配列順に順次時間軸方向に振り分け
ることで、図４（ｃ）に示すように、各スイッチング素
子Ｑ１₁〜_n、Ｑ２₁〜_n-1に対応するスイッチング制御信
号ＳＣ₁〜_nを作製する。このようにして作製されるスイ
ッチング制御信号ＳＣ₁〜_nは、パルス信号ＰＳのパルス
間隔Ｔ１×電気二重層コンデンサＣ₁〜_n数をパルス間隔
Ｔ３とし、振り分けられた各パルスＰ₁〜_nの出力期間だ
け選択的にＨＩＧＨとなるパルス信号となる。さらに
は、各スイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nにおけるＨＩＧＨ
期間どうしは、互いに、期間Ｔ１だけ時間軸方向に位置
ずれする。したがって、このようにして作製されたスイ
ッチング制御信号ＳＣ₁〜_nは、パルス間隔Ｔ３のうち、
振り分けられた各パルスＰ₁〜_nのＨＩＧＨ期間だけ、対
応するスイッチング素子Ｑ１₁〜_n、Ｑ２₁〜_n-1を選択的
に閉操作させる信号となる。

【００３７】スイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nは各充電経
路２₁〜_n’毎に供給される。すなわち、スイッチング制
御信号ＳＣ₁は、充電経路２₁’に設けられたスイッチン
グ素子Ｑ１₁、Ｑ２₁に供給される。スイッチング制御信
号ＳＣ₂〜_n-1は、充電経路２ ₂〜_n-1’に設けられたスイ
ッチング素子Ｑ１₂〜_n-1、Ｑ２₂〜_n-1に供給される。ス
イッチング制御信号ＳＣ_nは、充電経路２_n’に設けられ
たスイッチング素子Ｑ１_nに供給される。

【００３８】以上のようにして作製したスイッチング制
御信号ＳＣ₁〜_nそれぞれを、互いに同期させた状態で対
応する各スイッチング素子Ｑ１₁〜_n、Ｑ２₁〜_n-1に繰り
返し供給することで、各スイッチング素子Ｑ１₁〜_n、Ｑ
２₁〜_n-1をスイッチングして各充電経路２₁〜_n’の入切
制御を行い、これにより、充電用電源ＤＣＰＳ１の電流
を各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nに供給して充電する。

【００３９】具体的には、次のように制御される。すな
わち、充電を開始した当初であって、どの電気二重層コ
ンデンサＣ₁〜_nの充電レベルも過電圧レベルを越えてい
ない場合には、各スイッチング素子Ｑ１₁〜_n、Ｑ２₁〜
_n-1に対して、対応するスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_n
が時間軸方向に順次繰り返し供給されるため、スイッチ
ング素子Ｑ１₁〜_n、Ｑ２₁〜_n-1は間欠的に入切を繰り返
すことになる。これにより、対応する各充電経路２
₁〜_n’を介して充電用電源ＤＣＰＳ１から各電気二重層
コンデンサＣ₁〜_nに間欠的に電力が供給されて充電され
る。すなわち、電気二重層コンデンサＣ₁では、スイッ
チング制御信号ＳＣ₁がＨＩＧＨとなる期間（スイッチ
ング素子Ｑ１₁、Ｑ２₁が閉じられる期間）だけ、充電経
路２₁’から間欠的に充電用電源ＤＣＰＳ１の電力が供
給されて充電される。同様に、電気二重層コンデンサＣ
₂〜_n-1では、スイッチング制御信号ＳＣ₂〜_n-1がＨＩＧ
Ｈとなる期間（スイッチング素子Ｑ１₂〜_n-1、Ｑ２₂〜
_n-1が閉じられる期間）だけ、充電経路２₁〜_n-1’から
間欠的に充電用電源ＤＣＰＳ１の電力が供給されて充電
される。同様に、電気二重層コンデンサＣ_nでは、スイ
ッチング制御信号ＳＣ_nがＨＩＧＨとなる期間（スイッ
チング素子Ｑ１_nが閉じられる期間）だけ、充電経路
２_n’から間欠的に充電用電源ＤＣＰＳ１の電力が供給
されて充電される。なお、各充電経路２₁〜_n’が閉じた
瞬間（対応するスイッチング素子Ｑ１₁〜_n、Ｑ２₁〜_n-1
が閉じた瞬間）に生じるサージ電圧、電流は、各充電経
路２₁〜_n’に設けられたチョークコイルＬ１₁〜_mにより
平滑化されて吸収されるため、電気二重層コンデンサＣ
₁〜_n等に悪影響を及ぼさない。

【００４０】なお、各充電経路２₁〜_n’が開いている期
間（対応するスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nがＬＯＷと
なる期間）においては、チョークコイルＬ１₁〜_mに蓄え
られたエネルギーは、各逆流バイパス路５₁〜_n’を介し
て各電気二重層コンデンサＣ ₁〜_nに充電される。

【００４１】このようにして各電気二重層コンデンサＣ
₁〜_nを充電しながら、電圧測定回路３において充電中の
各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの端子電圧を測定して、
その単位電圧モニタ出力ＶＭ₁〜_nを制御回路４に出力す
る。制御回路４では、入力される各電気二重層コンデン
サＣ₁〜_nの端子電圧モニタ出力ＶＭ₁〜_nと、予め、記憶
している過電圧レベルとを常時比較する。そして、端子
電圧モニタ出力Ｖ₁〜_nが過電圧レベルを越えた時点で、
その電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの充電を司るスイッチ
ング制御信号ＳＣ₁〜_nの出力を選択的に停止する。する
と、出力を停止されたスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nに
対応するスイッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1は、間
欠的に閉じることなく開いたままを維持することとな
り、これらスイッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1が配
設された充電経路２₁〜_n’には通電されなくなる。これ
により、過電圧となって充電停止を行う必要のある電気
二重層コンデンサＣ₁〜_nには電力が供給されなくなり、
充電が停止する。このとき、充電を停止する電気二重層
コンデンサＣ₁〜_nに接続される充電経路２₁〜_n’では、
スイッチング素子Ｑ１₁〜_n、Ｑ２₁〜_n-1を開放して通電
を停止するため、充電停止中にこの充電経路２₁〜_n’で
損失が生じることはない。

【００４２】以上のようにして、各電気二重層コンデン
サＣ₁〜_nにおいて過充電を生じさせることなく、すべて
の電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの充電を行う。そして、
所望する電圧まで充電が完了したことを図示しない放電
回路が検知すると、放電回路は、放電経路１を閉じる操
作を行って、充電した電力を負荷ＲＬに供給する。

【００４３】本発明では、以上のようにして均等な充電
動作を行うのであるが、上述した各実施の形態では、各
スイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nのパルス幅は電圧指令値
Ｖ_Oと三角波キォリアＴＣとの比較により設定されるよ
うになっている。そのため、スイッチング制御信号ＳＣ
₁〜_nのパルス幅は常時一定となっている。これに対し
て、各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの充電特性にある程
度のばらつきが生じるのは避けられない。そのため、パ
ルス幅が一定であるスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nによ
って、充電特性が互いに異なる各電気二重層コンデンサ
Ｃ₁〜_nの充電制御を行った場合では、各電気二重層コン
デンサＣ₁〜_nがばらばらの充電経過を辿った末に、過電
圧レベルにおいて、互いの端子電圧を揃えることができ
る。しかしながら、充電途中の任意の時点において、各
電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの端子電圧のレベルを揃え
ることは困難である。

【００４４】これに対して、電気二重層コンデンサＣ₁
〜_nといった蓄電素子においては、充電時における端子
電圧が高くなる程、寿命が短くなることが知られてお
り、充電途中における端子電圧が不均等のまま継続使用
すると、充電時における端子電圧が高いままで充電操作
を継続してきた蓄電素子の寿命が他のものに比べて短く
なる結果、各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの寿命がばら
つくという不具合が生じる。

【００４５】さらには、充電のばらつきにより各電気二
重層コンデンサＣ₁〜_nが満充電となるタイミングにもず
れが生じる。そのため、すべての電気二重層コンデンサ
Ｃ₁〜_nが満充電となった時点で放電するのであればよい
が、一部の電気二重層コンデンサＣ₁〜_nで満充電となら
ない時点で放電を行った場合、満充電とならない電気二
重層コンデンサＣ₁〜_nでは、満充電となったものより先
に放電が終了してしまう。すると、放電を終えた電気二
重層コンデンサＣ₁〜_nに対して、逆流防止ダイオードＤ
１₁〜_nを介して放電電流が流れ、このときわずかである
が逆流防止ダイオードＤ１₁〜_nの順電圧降下により放電
終了電気二重層コンデンサＣ₁〜_nが逆充電されてしま
う。逆充電は、電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの寿命を低
下させる要因となることが知られており、逆充電を防止
する対策が必要となる。具体的には、充電途中の任意の
時点における各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの端子電圧
のレベルを揃える必要がある。

【００４６】これに対して、本発明の構成において、充
電途中の任意の時点における各電気二重層コンデンサＣ
₁〜_nの端子電圧のレベルを揃えるには、各スイッチング
制御信号ＳＣ₁〜_nのＨＩＧＨ期間（パルス幅）を、対応
する電気二重層コンデンサＣ ₁〜_nの端子電圧に応じて増
減させればよい。詳細にいえば次のようになる。すなわ
ち、三角波キォリアＴＣの各周期Ｃc₁〜_nは、各スイッ
チング制御信号ＳＣ₁〜 _nに対応しており、各周期Ｃc₁〜
_nは、対応するスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nのパルス
出力期間に同期している。そこで、図７（ａ）に示すよ
うに、三角波キャリアＴＣの各周期Ｃc₁〜_nの直前にお
いて、その周期Ｃc₁〜_nに対応するスイッチング制御信
号ＳＣ₁〜_nの制御対象である電気二重層コンデンサＣ₁
〜_nの端子電圧（端子電圧モニタ出力ＶＭ₁〜_n）と、電
圧指令値Ｖ_Oとの間の差分Ｇ₁〜_n（＝ＶＭ₁〜_n−Ｖ₀）を
算出する。そして、図７（ｂ）に示すように、算出した
差分Ｇ₁〜_nと三角波キォリアＴＣとを比較し、差分Ｇ₁
〜_nより三角波キャリアＴＣの方が高レベル（ＴＣ＞Ｇ₁
〜_n）となる期間Ｔ２’において、ＨＩＧＨ期間となる
パルス信号ＰＳ’を作製する。

【００４７】さらに制御回路４は、作製したパルス信号
ＰＳ’を構成する各パルスＰ’を、スイッチング素子Ｑ
１₂〜_n、Ｑ₁〜_n-1の配列順に順次時間軸方向に振り分け
ることで、図７（ｃ）に示すように、各スイッチング素
子Ｑ１₂〜_n、Ｑ₁〜_n-1に対応するスイッチング制御信号
ＳＣ’₁〜_nを作製する。

【００４８】このようにして作製したスイッチング制御
信号ＳＣ₁〜_nに基づいて、上述したのと同様のＰＷＭ制
御を行えば、各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの充電時間
を、充電する各タイミングにおける各電気二重層コンデ
ンサＣ₁〜_nの端子電圧をフィードバックさせて設定する
ことができるようになる。これにより、充電途中におい
て、他の電気二重層コンデンサＣ₁〜_nより充電が進行し
ている電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの充電時間を短縮す
ることが可能となり、他の電気二重層コンデンサＣ₁〜_n
と充電状態を揃えることができる。そのため、充電途中
の任意の時点における各電気二重層コンデンサＣ₁〜_nの
端子電圧のレベルを常時ほぼ均等に維持することができ
る。

【００４９】また、上述した各実施の形態では、作製し
たパルス信号ＰＳを単パルス毎にスイッチング素子Ｑ１
₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1等に振り分けることでスイッチング制
御信号ＳＣ₁〜_nを構成していたが、パルス信号ＰＳを複
数パルス毎にスイッチング素子Ｑ１₂〜_n、Ｑ２₁〜_n-1等
に振り分けることでスイッチング制御信号ＳＣ₁〜_nを構
成してもよい。そうすれば、制御速度の比較的遅い制御
回路４を用いることも可能となる。

【００５０】また、上述した実施の形態では、蓄電素子
として、電気二重層コンデンサを用いていたが、本発明
はこの他、電解コンデンサ、２次電池等の他の蓄電素子
の充電装置においても実施できるのはいうまでもない。

【００５１】

【発明の効果】以上のように本発明の請求項１によれ
ば、損失を生じさせることなく蓄電素子の過充電を防止
できる。このような過充電防止効果は、極端の容量の異
なる蓄電素子を混在させたものにおいても十分得られ
る。

【００５２】また、請求項２によれば、蓄電素子相互に
おいて、充電途中における端子電圧が突出することなく
揃えることが可能となって充電途中における充電電圧の
均等化が達成できる。これにより、他の蓄電素子に比し
て充電電圧が低い状態の蓄電素子が放電時に逆充電され
るといった不都合を防止することができ、その分、蓄電
素子の長寿命化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る充電装置の構成を
示す回路図である。

【図２】実施の形態１の充電装置の電圧測定回路の構成
を示す回路図である。

【図３】電圧測定回路の他の例を示す回路図である。

【図４】実施の形態１の充電装置の充電動作時における
タイムチャートである。

【図５】実施の形態１の変形例の構成を示す回路図であ
る。

【図６】本発明の実施の形態２に係る充電装置の構成を
示す回路図である。

【図７】実施の形態２の充電装置の充電動作時における
タイムチャートである。

【図８】従来例の充電装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図９】従来例の充電装置の要部の構成を示すブロック
図である。

【図１０】従来例の過充電防止回路の構成を示す回路図
である。

【符号の説明】

Ｃ₁〜_n 電気二重層コンデンサＤＣＰＳ１充
電用電源ＲＬ負荷１放
電経路２₁〜_n 充電経路Ｑ１₂〜_n
スイッチング素子Ｑ２₁〜_n-1 スイッチング素子３電
圧測定回路４制御回路５₁〜_n 逆
流バイパス路Ｄ１₁〜_n 逆流防止ダイオード１０₁〜_n
減算増幅器１１₁〜_n 反転回路Ｌ１チ
ョークコイルＶＭ₁〜_n 端子電圧モニタ出力ＳＣ₁〜_n
スイッチング制御信号Ｖ_O 電圧指令値

フロントページの続き (72)発明者宮島勝利大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者久保裕政大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号株式会社ダイヘン内 (72)発明者平野剛大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号株式会社ダイヘン内Ｆターム(参考） 5G003 AA03 AA06 AA08 BA03 CA12 CC02 DA06 DA12 DA15 FA08 GC05 5G065 AA01 BA00 DA04 EA01 HA04 HA16 JA07 LA01 MA07 MA09 MA10 NA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電経路に直列接続された複数の蓄電素
子を有し、当該蓄電素子をチョークコイルを介して充電
用電源により充電したうえで、前記放電経路を介して外
部に出力する充電装置であって、前記蓄電素子それぞれを前記充電用電源に対して並列接
続する充電経路と、前記充電経路に対して前記蓄電素子それぞれを個別に開
閉操作する開閉手段と、前記蓄電素子それぞれの端子電圧を測定する測定手段
と、前記測定手段が測定した各蓄電素子の端子電圧に基づい
て前記開閉手段の開閉制御を行う制御手段と、を有することを特徴とする充電装置。
【請求項２】請求項１記載の充電装置であって、前記制御手段は、前記測定手段が測定した前記端子電圧
と予め設定された電圧指令値との間の差分に応じて前記
開閉手段の回路閉時間を増減制御することを特徴とする
充電装置。