JP2001275251A - 直列段数切換電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池の接続を並列接続から直列接続あるいは
直列接続から並列接続に切り換える際に発生する横流や
異常電圧の発生を防止し、電池の数が増えて多段になっ
てもコストが抑えられる簡素な切換回路構成を有する、
直列段数切換電源装置の提供。 【解決手段】 充放電量に応じて電圧が大きく変動する
電池を用い、電池の複数個Ｃ１〜Ｃ８を並列接続から直
列接続あるいは直列接続から並列接続に切り換える切換
回路を備えた直列段数切換電源装置の提供による。その
切換回路が、サイリスタＴｈ１−０〜Ｔｈ９−１（又は
ゲートターンオフサイリスタ）を備えていて、電池の接
続を切り換えた際の、各々の電池の残存電圧差に応じて
流れる横流を防止するとともに、電池の接続を切り換え
るタイミングによって生じる、回路の瞬時の閉ループ状
態、又は開放状態による異常電圧の発生を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、充放電量に応じ
て電圧が大きく変動する電池を用いた、電池の複数個を
並列接続から直列接続、あるいは直列接続から並列接続
に切り換える切換回路を備えた、直列段数切換電源装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】 電気二重層コンデンサを電気自動車の
電源装置や大規模な電力用の電池として利用することが
試みられているが、この種の電池は従来から知られてい
る鉛電池やニッケル・カドミウム電池と比較してその出
力特性に大きな相違がある。即ち、鉛電池やニッケル・
カドミウム電池の端子電圧は、負荷に給電した場合にも
その電池に蓄えられたエネルギー量に拘わらずほぼ一定
の定電圧特性を示すのに対して、電気二重層コンデンサ
電池は、蓄積されたエネルギー量により電池の端子電圧
が大きく変化する特性を有している。より具体的には、
電気二重層コンデンサ電池では、蓄積されたエネルギー
が１００％の時の電池電圧が１００％とすると、蓄積エ
ネルギーが２５％になると、電池電圧が満充電時の５０
％程度まで低下してしまう。

【０００３】 そこで、この対策として、特開平８−１
６８１８２号公報によれば、図７に示すような電源装置
が提案されている。図７において、コンデンサ電池Ｃ
１、Ｃ２はそれぞれほぼ同特性の電気二重層コンデンサ
電池で、スイッチＳ１〜Ｓ３は、スイッチＳ１とＳ２が
連動しこれらとスイッチＳ３が相補的に動作して、コン
デンサ電池Ｃ１、Ｃ２の各電圧に応じてオン、オフ制御
されるものである。

【０００４】 この電源装置においては、コンデンサ電
池Ｃ１、Ｃ２が満充電状態ではスイッチＳ３をオフ、ス
イッチＳ１、Ｓ２をオンにして両者を並列接続し、満充
電電圧から１／２の電圧まで低下すると、スイッチＳ３
をオン、スイッチＳ１、Ｓ２をオフにして両者を直列接
続して再び電圧を高く戻す。又、負荷は、例えば、電気
自動車であれば動力用のモータであり、暖房機であれば
ヒータである。なお、出力変換・調整回路は、パルス信
号により断続制御されるスイッチング手段を備えたもの
であり、例えば昇圧コンバータ、又は降圧コンバータで
出力電圧を安定化するための回路を示している。

【０００５】 コンデンサ電池Ｃ１、Ｃ２を満充電時の
並列接続から端子間電圧が１／２に低下した時点で直列
接続に切り換えると、出力変換・調整回路は降圧比を１
／２から１／１まで変化させるものでよい。従って、出
力変換・調整回路は降圧比の幅を狭くすることで効率の
高い変換ができ、１／２に低電圧化できるので、使用半
導体の選択の自由度を大きくすることができる。

【０００６】 しかしながら、実際には、コンデンサ電
池Ｃ１、Ｃ２のそれぞれは、その特性に相違を有するも
のであり、図７の電源装置においては、コンデンサ電池
Ｃ１、Ｃ２の直列充放電時において、これら２つのコン
デンサ電池Ｃ１、Ｃ２の特性の差により、両電池の電圧
バランスが変化して、両電池の電圧が大きく異なる状態
に至る。このような両電池の電圧が大きく異なった状態
で、電圧を切り換えるためにコンデンサ電池Ｃ１、Ｃ２
を並列接続させると、両電池の残存電圧差に応じて大き
な横流が流れるという事態が発生する。このような横流
が流れると、電圧切換用のスイッチ、とりわけ半導体ス
イッチを使用する場合には、スイッチ素子が破損する問
題が生じることがある。

【０００７】 横流の発生に対して、特開平１１−２９
９１１２号公報によれば、図８に示すような電源装置が
提案されている。図８において、電池Ｃ１、Ｃ２は電気
二重層コンデンサ、あるいは複数の電気二重層コンデン
サを直並列に接続したコンデンサバンクから成り、整流
素子Ｄ１、Ｄ２と単方向制御整流素子Ｑ１、Ｑ２との並
列回路をそれぞれ直列に接続し、更にそれらの直列接続
点との間にも整流素子Ｄ３と単方向制御整流素子Ｑ３と
の並列回路を接続して、これらの単方向制御整流素子Ｑ
１〜Ｑ３のオン、オフの制御により、電池Ｃ１、Ｃ２を
直列接続と並列接続の切り換えを行っている。そのため
に、整流素子Ｄ１と単方向制御整流素子Ｑ１との並列回
路を電池Ｃ１の正極側に接続すると、整流素子Ｄ２と単
方向制御整流素子Ｑ２との並列回路は、反対に電池Ｃ２
の負極側に接続する。

【０００８】 そして、整流素子Ｄ１、Ｄ２は、それぞ
れ電池Ｃ１、Ｃ２から放電電流を流す方向の極性に接続
し、これらと反対に単方向制御整流素子Ｑ１、Ｑ２はそ
れぞれ電池Ｃ１、Ｃ２から充電電流を流す方向の極性に
接続する。又、直列接続点の間に接続する並列回路で
は、単方向制御整流素子Ｑ３を電池Ｃ１、Ｃ２から直列
にして放電電流を流す方向に接続し、整流素子Ｄ３を電
池Ｃ１、Ｃ２から直列に充電電流を流す方向に接続す
る。電流制限回路Ｌ１、Ｌ２は電池Ｃ１、Ｃ２に過大な
電流が流れるのを制限する回路である。

【０００９】 この電源装置では、電池Ｃ１、Ｃ２を電
圧の変動に応じて、並列接続又は直列接続に切り換える
手段として、スイッチを使用せず、整流素子Ｄ１〜Ｄ３
や単方向制御整流素子Ｑ１〜Ｑ３の並列回路による構成
を採用し、単方向制御整流素子Ｑ１、Ｑ２により、電池
Ｃ１、Ｃ２が並列に接続されたときの充電電流を制御す
るものである。即ち、電池Ｃ１、Ｃ２に対して、それぞ
れ充電電流を流す方向の極性に、単方向制御整流素子Ｑ
１、Ｑ２を接続し、電流制限回路Ｌ１、Ｌ２によって、
単方向制御整流素子Ｑ１、Ｑ２を制御して過大な充電電
流が流れるのを制限するので、電池Ｃ１、Ｃ２を直列接
続から並列接続に切り換えたときに過大な電流が流れる
のを防ぐことが出来、結果として電池Ｃ１、Ｃ２の電圧
の差により、大きな横流が流れるのを防ぐことが出来
る。

【００１０】 図９は、図８の電源装置を４段に直列接
続したもので、コンパレータＡ１〜Ａ３１を接続して切
り換え電圧を検出している。このように多段の装置で
は、満充電状態ではそれぞれ並列接続し、放電時に電圧
が低下する毎に１段ずつ並列から直列に切り換える。１
段の装置では満充電から１／２の電圧降下で切り換える
が、４段では１／５の電圧降下で切り換えられ、変動範
囲が抑えられる。

【００１１】 本方法では、大きな横流発生は防止して
いるが、やはり図７におけるコンデンサ電池と同様に、
電池Ｃ１、Ｃ２のそれぞれは、その特性に相違を有する
ものであり、図８、図９の電源装置においても、電池Ｃ
１、Ｃ２の特性の差により、両電池の電圧バランスが変
化して、実際には両電池の電圧が同一にはならないた
め、横流発生を小さく抑えるには並列接続される各電池
の電圧検出あるいはコンパレータと、これらの検出する
信号から各素子をオン、オフさせるタイミングを決定す
る制御回路や、電圧差が生じた際の横流を制限する電流
制限回路が必要になり、回路が複雑になり、回路損失も
増え、高コストになるという問題がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】 本発明は、上記した
従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とす
るところは、電池の接続を並列接続から直列接続、ある
いは直列接続から並列接続に切り換える際に発生する横
流や異常電圧の発生を防止し、電池の数が増えて多段に
なってもコストが抑えられる簡素な切換回路構成を有す
る直列段数切換電源装置を提供することにある。

【００１３】 本発明者らは、上記の目的を達成するた
めに、種々検討した結果、２つ以上の電池を直並列に接
続した多段の電池バンクを千鳥形に接続し、切換回路素
子の全てにサイリスタ又はゲートターンオフサイリスタ
（以下、ＧＴＯという）を使用すること、又、切換は新
たに導通させたいサイリスタ又はＧＴＯに導通トリガー
（ゲートパルス）をオンにすることにより行い、オフは
任意のタイミングで行って、以降の回路の切換はサイリ
スタの転流による自動切換（ＧＴＯの場合は非導通トリ
ガー（負のゲートパルス）をオンすること）により行う
ことで、上記の目的を達成できることを見出した。

【００１４】

【課題を解決するための手段】 即ち、本発明によれ
ば、充放電量に応じて電圧が大きく変動する電池を用
い、電池の複数個を並列接続から直列接続あるいは直列
接続から並列接続に切り換える切換回路を備えた直列段
数切換電源装置であって、切換回路が、サイリスタ又は
ＧＴＯを備え、電池の接続を切り換えた際の、各々の電
池の残存電圧差に応じて流れる横流を防止するととも
に、電池の接続を切り換えるタイミングにより、瞬時の
閉ループ状態又は開放状態が起きることによる異常電圧
の発生を防止することを特徴とする直列段数切換電源装
置が提供される。

【００１５】 本発明の直列段数切換電源装置におい
て、電池の複数個は、半数を直列に接続した２列並列の
電池バンクにより構成され、切換回路が、正極端子側の
第一の電池バンクに接続されたスイッチング手段と、負
極端子側の第二の電池バンクに接続されたスイッチング
手段と、正極端子側のスイッチング手段の負極側から第
二の電池バンクの各電池間へ並列接続される複数のスイ
ッチング手段と、負極端子側のスイッチング手段の正極
側から第一の電池バンクの各電池間へ並列接続される複
数のスイッチング手段と、正極端子側のスイッチング手
段の負極側から負極端子側のスイッチング手段の正極側
へ接続されるスイッチング手段により構成されることが
好ましい。

【００１６】 尚、スイッチング手段は、第１のサイリ
スタ又はＧＴＯからなる第１制御整流手段と、第１のサ
イリスタ又はＧＴＯと逆向きである第２のサイリスタ又
はＧＴＯからなる第２制御整流手段を並列に接続してな
る回路であることが好ましい。

【００１７】 又、本発明においては、電圧が大きく変
動する電池として、電気二重層コンデンサを挙げること
ができる。又、電圧が大きく変動する電池として、ほぼ
同特性の電気二重層コンデンサを複数個直列に接続した
電気二重層コンデンサバンクを挙げることもできる。

【００１８】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の直列段数切換電
源装置に関し、図面に示す回路に基づいて説明する。図
１は、本発明に係る直列段数切換電源装置のうちの切換
回路の一例を示す回路図である。図１に示すように、電
池は合計８個で、完全な並列の状態では半数の４個を直
列に接続した２列並列の電池バンクにより構成されてい
る。又、スイッチング手段は、サイリスタを順向きと逆
向きを１組として並列に接続してなる回路であり、合計
９回路有している。

【００１９】 切換回路は、正極端子側の片方の電池バ
ンクに接続されたスイッチング手段１回路と、負極端子
側のもう一方の電池バンクに接続されたスイッチング手
段１回路と、正極端子側のスイッチング手段の負極側か
ら、反対側の電池バンクの４個の各電池の間へ並列に接
続されるスイッチング手段３回路と、負極端子側のスイ
ッチング手段の正極側から反対側の電池バンクの４個の
各電池の間へ並列接続されるスイッチング手段３回路
と、正極端子側のスイッチング手段の負極側から負極端
子側のスイッチング手段の正極側へ接続されるスイッチ
ング手段１回路により構成されている。切換回路は、上
記のように構成されており、電源装置を構成するその他
の要素である出力変換・調整回路は、図７と同じであ
る。

【００２０】 次に、切換回路の動作状態による電池バ
ンクの接続パターンを図２に示す。図２は、本発明に係
る直列段数切換電源装置において、切換回路の動作状態
による複数電池の接続パターンを示す構成図である。図
２（ａ）は、電池４個の直列のバンクが並列に２系列接
続されている放電時初期の接続パターンで、図２（ｂ）
は、電池３個の直列のバンクが並列に２系列接続されて
いて両極に１個の電池が直列に接続されている充放電の
過渡期の接続パターンである。

【００２１】 図２（ｃ）は、電池２個の直列のバンク
が並列に２系列接続されていて両極に２個の電池が直列
に接続されている充放電の過渡期の接続パターンで、図
２（ｄ）は、電池１個が並列に２系列接続されていて両
極に３個の電池が直列に接続されている充放電の過渡期
の接続パターンで、更には図２（ｅ）は、電池８個が直
列に接続されている充電時初期の接続パターンを示して
いる。上記のように、切換回路の各スイッチング手段の
オンかオフかの状態により、電池バンクの構成は図２
（ａ）〜（ｅ）に示される５つのパターンの接続の何れ
かとなる。

【００２２】 次に、図１により、切換回路の動作を説
明する。表１は、回路が切り替わる工程を示す歩進表で
あり、工程１〜１０が充電工程、工程１１〜２０が放電
工程である。表１のサイリスタＴｈ１−０〜Ｔｈ９−１
の内、○で示されるサイリスタのみがオンになり、導通
していることを表す。ここで負荷の定格電圧を例えば１
２Ｖとし、出力変換・調整回路の降圧コンバータを用い
て出力調整するとすれば、各電池はそれぞれほぼ同特性
の電気二重層コンデンサ電池として、満充電電圧６Ｖの
ものが選定される。

【００２３】

【表１】

【００２４】 まず、電池Ｃ１〜Ｃ８が満充電になって
いるとして、サイリスタＴｈ１−１及びサイリスタＴｈ
２−１をオンとし、その他のサイリスタは全てオフにな
るとすれば、出力変換・調整回路等により、電池Ｃ１〜
Ｃ４間及びＣ５〜Ｃ８間の端子間電圧はそれぞれ２４Ｖ
の入力に対して１／２に降圧して負荷に給電する。これ
が放電の初期である。これは図２（ａ）の接続パターン
に相当する。

【００２５】 次いで、負荷でエネルギーが消費されて
電池Ｃ１〜Ｃ４間及びＣ５〜Ｃ８間の端子間電圧が低下
すると、出力変換・調整回路では、電池Ｃ１〜Ｃ４間及
びＣ５〜Ｃ８間の端子間電圧が２４Ｖの４／５、即ち１
９．２Ｖに低下するまで降圧比を１／２から１／１．６
まで変化させて負荷に安定した１２Ｖの定格電圧で給電
する。電池Ｃ１〜Ｃ８から所定量（例えば、約７５％）
のエネルギーが取り出されると、電池Ｃ１〜Ｃ４間及び
Ｃ５〜Ｃ８間の端子間電圧が１９．２Ｖに低下するの
で、この時に、サイリスタＴｈ３−１及びサイリスタＴ
ｈ９−１をオンとし、その他のサイリスタは全てオフに
なるとすれば、回路構成は図２（ｂ）の接続パターンに
なる。

【００２６】 そうなれば、出力変換・調整回路には、
再び２４Ｖが入力されるので、満充電の時と同じよう
に、１／２に降圧して１２Ｖの定格電圧で負荷に給電で
きる。更に所定量（例えば、約６０％）のエネルギーが
取り出され、電池Ｃ１〜Ｃ８間の端子間電圧が２４Ｖの
５／６、即ち２０Ｖに低下したら、この時に、サイリス
タＴｈ４−１及びサイリスタＴｈ８−１をオンとし、そ
の他のサイリスタは全てオフになるとすれば、回路構成
は図２（ｃ）の接続パターンになる。

【００２７】 そうすると、出力変換・調整回路には、
同じように２４Ｖが入力されるので、満充電の時と同じ
ように、１／２に降圧して１２Ｖの定格電圧で負荷に給
電できる。更に又、所定量（例えば、約４５％）のエネ
ルギーが取り出され、電池Ｃ１〜Ｃ８間の端子間電圧が
２４Ｖの６／７の約２０．６Ｖに低下したら、この時
に、サイリスタＴｈ５−１及びサイリスタＴｈ７−１を
オンとし、その他のサイリスタは全てオフになるとすれ
ば、回路構成は図２（ｄ）の接続パターンになる。

【００２８】 そうなると、出力変換・調整回路には、
同じように２４Ｖが入力されるので、満充電の時と同じ
く、１／２に降圧して１２Ｖの定格電圧で負荷に給電で
きる。次には、所定量（例えば、約２０％）のエネルギ
ーが取り出され、電池Ｃ１〜Ｃ８間の端子間電圧が２４
Ｖの７／８である２１Ｖに低下したら、この時に、サイ
リスタＴｈ６−１をオンとし、その他のサイリスタは全
てオフになるとすれば、電池Ｃ１〜Ｃ８は全て直列に接
続され、回路構成は図２（ｄ）の接続パターンになり、
放電における最終の接続回路である。

【００２９】 この接続の初期に、出力変換・調整回路
には、同じように２４Ｖが入力されるので、満充電の時
と同じく、１／２に降圧して１２Ｖの定格電圧で負荷に
給電できる。更に各電池の平均端子間電圧が定格の１／
４である１．５Ｖ、即ち、出力変換・調整回路の入力電
圧が１２Ｖに低下するまで、負荷に安定した１２Ｖの定
格電圧で給電することができる。

【００３０】 上記のようにして、電池Ｃ１〜Ｃ８から
予め設定された量のエネルギーが取り出される放電動作
が終了すると、次に、電池Ｃ１〜Ｃ８にエネルギーを充
足する充電動作を行う。放電動作は上記のように、回路
構成を図２（ａ）から図２（ｅ）へ変形させていった
が、充電動作は、放電動作とは逆に、図２（ｅ）から図
２（ａ）へ接続パターンを変化させる。充電電圧は、例
えば２４Ｖとする。

【００３１】 充電時には、まず、サイリスタＴｈ６−
０をオンとし、その他のサイリスタは全てオフとする。
電池Ｃ１〜Ｃ８は全て直列に接続され、回路構成は図
２（ｅ）の接続パターンになり、この直列回路に放電時
とは逆向きの電圧を印加し充電する。

【００３２】 電池Ｃ１〜Ｃ８に所定量のエネルギーが
充電された後（電池Ｃ１〜Ｃ８の端子間電圧が、ほぼ２
４Ｖ、即ちＣ１〜Ｃ８のそれぞれの電池の端子電圧が全
体の１／８である３Ｖに到達した後）、サイリスタＴｈ
５−０及びサイリスタＴｈ７−０をオンとし、その他の
サイリスタは全てオフとすれば、回路構成は図２（ｄ）
の接続パターンになり、この回路に電圧を印加し充電す
る。

【００３３】 続いて電池Ｃ１〜Ｃ８に所定量のエネル
ギーが充電された後（電池Ｃ１〜Ｃ８の端子間電圧が、
ほぼ２４Ｖに到達した後）、サイリスタＴｈ４−０及び
サイリスタＴｈ８−０をオンとし、その他のサイリスタ
は全てオフとすれば、回路構成は図２（ｃ）の接続パタ
ーンになり、この回路に電圧を印加し充電する。

【００３４】 更には電池Ｃ１〜Ｃ８に所定量のエネル
ギーが充電された後（電池Ｃ１〜Ｃ８の端子間電圧が、
ほぼ２４Ｖ、即ちＣ１〜Ｃ８のそれぞれの端子間電圧が
全体の１／６である４Ｖに到達した後）、サイリスタＴ
ｈ３−０及びサイリスタＴｈ９−０をオンとし、その他
のサイリスタは全てオフとすれば、回路構成は図２
（ｂ）の接続パターンになり、この回路に電圧を印加し
充電する。

【００３５】 最後に並列２系列の接続パターンである
図２（ａ）にするために、電池Ｃ１〜Ｃ８に所定量のエ
ネルギーが充電された後（電池Ｃ１〜Ｃ８の端子間電圧
が、ほぼ２４Ｖに到達した後）、サイリスタＴｈ１−０
及びサイリスタＴｈ２−０をオンとし、その他のサイリ
スタは全てオフとし、この回路に電圧を印加し充電す
る。このようにして、電池Ｃ１〜Ｃ４間及び電池Ｃ５〜
Ｃ８の端子間電圧を所定の２４Ｖまで満充電する。

【００３６】 図１の直列段数切換電源装置において
は、上記のように、切換回路素子の全てにサイリスタを
使用している。サイリスタは素子自身が方向性制御機能
を有する素子で、逆方向の電流を阻止する。図１のよう
な回路では、回路の切換は新たに導通させたいサイリス
タに導通トリガー（ゲートパルス）をオンにすることに
より行い、導通トリガー（ゲートパルス）のオフは任意
のタイミングで行って、以降の回路の切換はサイリスタ
の転流による自動切換により行われるので、電流の横流
や短絡が発生しない。

【００３７】 サイリスタの動作は、電圧阻止の状態か
ら導通トリガー（ゲートパルス）により導通を維持し、
一定の電流値（保持電流）以下となるか若しくは逆電圧
がかかるとオフになる。このため、上記のような電流の
横流や短絡を防止することに加えて、図１のような回路
では、サイリスタの転流ターンオフする特性から、機械
式接点を有する回路のように開放状態にはならないし、
回路の接続は自動で切り換わる。

【００３８】 このような直列段数切換電源装置及び回
路の切換方法によって、図７、図８に示す従来の回路の
ような横流の発生は起こらず、又、図８に示す従来の回
路のような電流制限回路は不要で、更には、図７に示す
従来の回路のような機械式接点のスイッチを使用したり
せず、切換時に回路が瞬時開放状態になって電流急変、
異常電圧発生が起こることもない。

【００３９】 上記の説明は、降圧型コンバータとの組
合せで行ったが、本発明は降圧型コンバータとの組合せ
に限ったことではなく、昇圧型コンバータと組合わせて
も、若しくは交流負荷の場合には、交直変換用のインバ
ータと組合わせても、横流や異常電圧を防止でき、簡素
な回路構成でコストが抑えられる効果があることは言う
までもない。

【００４０】 更には、電気二重層コンデンサ電池を用
いた直列段数切換電源装置について、実施の形態の一例
を示して説明してきたが、電圧が大きく変動する電池と
しては、勿論これに限定されるものではなく、例えば、
リチウム電池のように電源の消費により端子電圧が大き
く変動する電池や、導電性ポリマー等の電荷蓄積機能を
利用したコンデンサ等についても適用することができ
る。

【００４１】

【実施例】 本発明を実施例に基づいて、更に詳細を説
明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるもの
ではない。回路の切換が行われる際の、より悪い条件、
即ち、切換の前後で電圧差が大きい状態での試験を、充
電時、放電時について一例ずつ行い確認した。以下に結
果を示す。

【００４２】（実施例１）図３は、本発明に係る直列段
数切換電源装置において、充電時の電圧差の大きい回路
切換動作の一例を示している。図３（ａ）は、電池８個
が直列に接続されている充電時の切換前の回路状態を示
す図であり、このときに、電池Ｃ１〜Ｃ４を放電させて
おき、電池Ｃ５〜Ｃ８に対して電圧差を２Ｖとした。そ
して、切換動作を行い、図３（ｂ）に示される、電池４
個の直列のバンクが並列に２系列接続されている、充電
時の切換後の回路状態とした。

【００４３】（考察１）図４は、図３（ａ）から図３
（ｂ）へ回路の切換動作を実施したときの、バンク電流
ＢＡ７、バンク電圧ＢＶ７、各スイッチング回路電流の
変化の関係を示す図である。各々の電圧、電流の測定位
置は、図１に示す通りである。図４において、時間ｔ１
において回路を切り換えたとき、バンク電流ＢＡ７は一
定である。切り換え直後、電圧差が生じている電圧の高
い一方のスイッチング回路電流ＳＡ−Ｔｈ１が流れる
が、流れた電流値は元々の電流値とおなじであり、横流
は、逆向きのサイリスタにより阻止されている。即ち、
図４より、横流は阻止されていて、回路の短絡や開放も
起きていないことがわかる。

【００４４】（実施例２）図５は、本発明に係る直列段
数切換電源装置において、放電時の電圧差の大きい回路
切換動作の一例を示している。図５（ａ）は、電池４個
の直列のバンクが並列に２系列接続されている放電時の
切換前の回路状態を示す図であり、このときに、電池Ｃ
１、Ｃ２、Ｃ５、Ｃ６を放電させた。そして、切換動作
を行い、図５（ｂ）に示される、電池２個の直列のバン
クが並列に２系列接続されていて、両極に２個ずつの電
池が直列に接続されている放電時の切換後の回路状態と
した。このときに、並列接続の電池Ｃ３、Ｃ４と電池Ｃ
５、Ｃ６では電圧差が１Ｖになるようにした。

【００４５】（考察２）図６は、図５（ａ）から図５
（ｂ）へ回路の切換動作を実施したときの、バンク電流
ＢＡ９、バンク電圧ＢＶ９、各スイッチング回路電流の
変化の関係を示す図である。各々の電圧、電流の測定位
置は、図１に示す通りである。図６において、時間ｔ１
１において回路を切り換えたとき、バンク電流ＢＡ９は
一定である。切り換え直後、並列になった回路部分に電
圧差が生じ、電圧の高い一方のスイッチング回路電流Ｓ
Ａ−Ｔｈ４が流れるが、流れた電流値は元々の電流値と
おなじであり、横流の発生はみられない。即ち、図６よ
り、横流は阻止されていて、回路の短絡や開放も起きて
いないことがわかる。

【００４６】

【発明の効果】 以上説明したように、本発明の直列段
数切換電源装置によれば、電池の数が増えて多段になっ
てもコストが抑えられる簡素な切換回路により、複数の
電池の接続を並列接続から直列接続、あるいは直列接続
から並列接続に切り換える際に発生する横流や異常電圧
の発生を防止することが出来るといった優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る直列段数切換電源装置のうちの
切換回路の一実施例を示す回路図である。

【図２】 本発明に係る直列段数切換電源装置において
切換回路の動作状態による複数電池の接続パターンを示
す構成図で、図２（ａ）は、電池４個の直列のバンクが
並列に２系列接続されている放電時初期の接続パターン
で、図２（ｂ）は、電池３個の直列のバンクが並列に２
系列接続されていて両極に１個の電池が直列に接続され
ている充放電の過渡期の接続パターンで、図２（ｃ）
は、電池２個の直列のバンクが並列に２系列接続されて
いて両極に２個の電池が直列に接続されている充放電の
過渡期の接続パターンで、図２（ｄ）は、電池１個が並
列に２系列接続されていて両極に３個の電池が直列に接
続されている充放電の過渡期の接続パターンで、図２
（ｅ）は、電池８個が直列に接続されている充電時初期
の接続パターンを示している。

【図３】 本発明に係る直列段数切換電源装置におい
て、充電時の電圧差の大きい回路切換動作の一例を示す
回路図で、図３（ａ）は、電池８個が直列に接続されて
いる充電時の切換前の回路状態を示す図で、図３（ｂ）
は、電池４個の直列のバンクが並列に２系列接続されて
いる、充電時の切換後の回路状態を示す図である。

【図４】 本発明に係る直列段数切換電源装置におい
て、充電時の電圧差の大きい回路切換動作を実施したと
きの、バンク電流、バンク電圧、各スイッチング回路電
流の変化の関係を示す図である。

【図５】 本発明に係る直列段数切換電源装置におい
て、放電時の電圧差の大きい回路切換動作の一例を示す
回路図で、図５（ａ）は、電池４個の直列のバンクが並
列に２系列接続されている、放電時の切換前の回路状態
を示す図で、図５（ｂ）は、電池２個の直列のバンクが
並列に２系列接続されていて、両極に２個ずつの電池が
直列に接続されている、放電時の切換後の回路状態を示
す図である。

【図６】 本発明に係る直列段数切換電源装置におい
て、放電時の電圧差の大きい回路切換動作を実施したと
きの、バンク電流、バンク電圧、各スイッチング回路電
流の変化の関係を示す図である。

【図７】 従来の電圧の変動を抑えた電源装置の一実施
例を示す回路図である。

【図８】 従来の横流の発生を抑えた電源装置のうちの
切換回路の一実施例を示す回路図である。

【図９】 図８の電源装置のうちの切換回路を、多段直
列にした一実施例を示す回路図である。

【符号の説明】 Ｃ１〜Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ２２，Ｃ３２…コンデンサ電
池、Ｓ１〜Ｓ３，Ｓ１１〜Ｓ１３，Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ
３１〜Ｓ３３…切換スイッチ、Ｄ１〜Ｄ３…ダイオー
ド、Ｑ１〜Ｑ３…単方向制御整流素子、Ｔｈ１−０〜Ｔ
ｈ９−１…サイリスタ、Ａ１，Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１
…コンパレータ、Ｌ１，Ｌ２…電流制限回路、ＢＡ７，
ＢＡ９…バンク電流、ＢＶ７，ＢＶ９…バンク電圧、Ｓ
Ａ−Ｔｈ１，ＳＡ−Ｔｈ２，ＳＡ−Ｔｈ４，ＳＡ−Ｔｈ
６，ＳＡ−Ｔｈ８…スイッチング回路電流、ｔ１，ｔ１
１…回路切換タイミング、Ｔ１…充電放電工程時間、Ｖ
１…全端子間電圧。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水谷 浩 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 勝川 裕幸 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 杉本 重幸 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20番地 の１ 中部電力株式会社内 (72)発明者 小川 重明 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20番地 の１ 中部電力株式会社内 (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 株式会社岡村研究所内 Ｆターム(参考） 5G065 DA04 HA04 JA05 NA01 NA08 5H030 AA06 AS20 BB01 BB03 BB26 DD06 FF43

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充放電量に応じて電圧が大きく変動する
   電池を用い、前記電池の複数個を並列接続から直列接続
   あるいは直列接続から並列接続に切り換える切換回路を
   備えた直列段数切換電源装置であって、 前記切換回路が、サイリスタ又はゲートターンオフサイ
   リスタを備え、 前記電池の接続を切り換えた際の、各々の電池の残存電
   圧差に応じて流れる横流を防止するとともに、 前記電池の接続を切り換えるタイミングにより、瞬時の
   閉ループ状態又は開放状態が起きることによる異常電圧
   の発生を防止することを特徴とする直列段数切換電源装
   置。
2. 【請求項２】 前記電池の複数個は、半数を直列に接続
   した２列並列の電池バンクにより構成され、 前記切換回路が、正極端子側の第一の電池バンクに接続
   されたスイッチング手段と、 負極端子側の第二の電池バンクに接続されたスイッチン
   グ手段と、 前記正極端子側のスイッチング手段の負極側から第二の
   電池バンクの各電池間へ並列接続される複数のスイッチ
   ング手段と、 前記負極端子側のスイッチング手段の正極側から第一の
   電池バンクの各電池間へ並列接続される複数のスイッチ
   ング手段と、 前記正極端子側のスイッチング手段の負極側から前記負
   極端子側のスイッチング手段の正極側へ接続されるスイ
   ッチング手段により構成されることを特徴とする請求項
   １に記載の直列段数切換電源装置。
3. 【請求項３】 前記スイッチング手段は、第１のサイリ
   スタ又はゲートターンオフサイリスタからなる第１制御
   整流手段と、 前記第１のサイリスタ又はゲートターンオフサイリスタ
   と逆向きである第２のサイリスタ又はゲートターンオフ
   サイリスタからなる第２制御整流手段を並列に接続して
   なる回路であることを特徴とする請求項２に記載の直列
   段数切換電源装置。
4. 【請求項４】 前記電池が電気二重層コンデンサである
   請求項１又は２に記載の直列段数切換電源装置。
5. 【請求項５】 前記電池が略同特性の電気二重層コンデ
   ンサを複数個直列に並列にあるいは直並列を組み合わせ
   て接続した電気二重層コンデンサバンクである請求項１
   又は２に記載の直列段数切換電源装置。