JP2001292529A

JP2001292529A - 充電装置

Info

Publication number: JP2001292529A
Application number: JP2000106173A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Someya; 薫染谷
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】コンデンサバンクを構成する複数の電気二重
層コンデンサに供給する電流を低減しつつ、電気二重層
コンデンサの各々に接続される電圧モニタ回路の数を削
減して熱量の発生を抑制し、装置規模の小型化を図ると
ともに、電気二重層コンデンサの充電電圧を良好に管理
することができる充電装置を提供する。【解決手段】充電装置は、コンデンサバンク２０に充
電電流ＩＡを供給する電源回路１０と、複数のコンデン
サＣ１１、Ｃ１２が直列に接続され、充電電流ＩＡに応
じた所定の電圧が充電されるコンデンサバンク２０と、
各コンデンサＣ１１、Ｃ１２の端子電圧（充電電圧）相
互の差分に基づいて、各々の端子電圧を均一化するよう
に、コンデンサＣ１１、Ｃ１２に供給される電流を制御
する端子電圧平均化モジュール３０と、を有して構成さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、充電装置に関し、
特に、複数の電気二重層コンデンサを電力素子として備
えたコンデンサバンクに、電気エネルギーを蓄積する充
電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鉛蓄電池やアルカリ蓄電池等の二
次電池の充電においては、定電流充電、あるいは、定電
圧充電、定電圧パルス充電等の方法が用いられている。
これらの充電方法により二次電池を充電した場合、充電
による端子電圧の変化が微少であるため、充電の終了状
態（終了時期）の検出に際し、微少な電圧変動を検出す
るか、あるいは、電池の温度変化を検出する等の手法を
採用する必要があった。そのため、充電状態を正確に検
出して効率的に充電動作を行うためには、装置構成や制
御が複雑となり、装置の大型化や製造コストの増大を招
くという問題を有していた。

【０００３】一方、近年、電気自動車等の駆動用電源と
して、電気二重層コンデンサ等のコンデンサ型蓄電池を
備えた充電装置を適用することが研究されている。一般
に、電気二重層コンデンサ等のコンデンサ型蓄電池の両
端電圧（充電電圧）Ｖは、Ｑを電荷量、Ｃをコンデンサ
容量とすると、次の（１１）式のように表される。Ｖ＝Ｑ／Ｃ ……（１１）また、電荷量Ｑは、ＩＢをコンデンサに流れる電流（充
電電流）、ｔを充電時間とすると、次の（１２）式のよ
うに表される。Ｑ＝ＩＢ・ｔ ……（１２）

【０００４】したがって、例えば、図１１に示すよう
に、複数の電気二重層コンデンサＣ１０１〜Ｃ１０４を
備えたコンデンサバンク２００に対して、電源回路１０
０から所定の充電電流ＩＢを供給することにより、電気
二重層コンデンサＣ１０１〜Ｃ１０４の各々に電流値に
応じた電荷が蓄積される。ここで、コンデンサバンク２
００を構成する複数の電気二重層コンデンサＣ１０１〜
Ｃ１０４を直列に接続して充電動作を行うことにより、
合成容量を小さくして充電電流の電流値を低減した充電
装置を構成できる。

【０００５】上述したように、コンデンサに蓄積される
電荷量Ｑは、充電時間ｔの経過に比例して上昇するの
で、コンデンサの充電電圧Ｖも、充電時間ｔとともに上
昇し、充電電圧Ｖがコンデンサの耐圧を越えると、コン
デンサの破壊や充電装置の故障や不良を生じる問題を有
している。そこで、例えば、特開平１１−１２２８１１
号公報等には、図１１に示すように、充電電圧が電気二
重層コンデンサの耐圧以上にならないように、各電気二
重層コンデンサＣ１０１〜Ｃ１０４の端子間に、充電電
圧値を検出、監視し、充電電圧値が耐圧保証電圧（基準
電圧）を越えたとき、電気二重層コンデンサへの充電電
流をバイパスすることにより、該電気二重層コンデンサ
への充電動作を停止する電圧モニタ回路（または、並列
モニタ）３０１〜３０４を設けた構成が記載されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術においては、充電電流の電流値を低減しつ
つ、高容量のコンデンサバンクを構成するために、複数
の電気二重層コンデンサを直列接続する構成を有し、か
つ、充電電圧の検出、監視のために、各電気二重層コン
デンサ毎に電圧モニタ回路を並列的に接続する必要があ
ったため、充電装置の規模が極端に大型化し、製品コス
トが増大してしまうという問題を有していた。

【０００７】また、電圧モニタ回路により充電電流をバ
イパスする場合、電圧モニタ回路の消費電力および接続
数（すなわち、電気二重層コンデンサの接続数）に応じ
た熱量Ｗが発生することになるため、充電装置の小型化
を一層困難なものにしていた。なお、電圧モニタ回路に
より充電電流をバイパスした場合に発生する熱量Ｗは、
ＩＢを充電電流、ＶＬを電気二重層コンデンサの端子電
圧（耐圧保証電圧）とすると、次の（１３）式のように
表され、電圧モニタ回路の消費電力に応じた熱量が発生
し、充電装置全体では、概略電圧モニタ回路（電気二重
層コンデンサ）の数ｎに比例した熱量が発生することに
なる。Ｗ＝ＩＢ・ＶＬ ……（１３）

【０００８】そこで、本発明は、上述した課題に鑑み、
コンデンサバンクを構成する複数の電気二重層コンデン
サに供給する電流を低減しつつ、電気二重層コンデンサ
の各々に接続される電圧モニタ回路の数を削減して熱量
の発生を抑制し、装置規模の小型化を図るとともに、電
気二重層コンデンサの充電電圧を良好に管理することが
できる充電装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の充電装置
は、複数のコンデンサを直列に接続して構成されるコン
デンサバンクと、前記コンデンサバンクに所定の充電電
流を供給し、前記複数のコンデンサを充電する電源手段
と、前記複数のコンデンサにおける各コンデンサの端子
電圧相互の差分に基づいて、前記各コンデンサの端子電
圧を均一化する端子電圧平均化手段と、を備えたことを
特徴としている。請求項２記載の充電装置は、請求項１
記載の充電装置において、前記端子電圧平均化手段は、
前記直列接続された複数のコンデンサのうち、隣り合う
同数のコンデンサよりなる一組のコンデンサ群に対して
設けられ、該一組のコンデンサ群における各コンデンサ
の端子電圧を均一化することを特徴としている。

【００１０】請求項３記載の充電装置は、請求項１記載
の充電装置において、前記端子電圧平均化手段は、少な
くとも、前記直列接続された複数のコンデンサのうち、
隣り合う同数のコンデンサよりなる一組のコンデンサ群
毎に設けられ、該一組のコンデンサ群における各コンデ
ンサの端子電圧を均一化する複数の最下段の平均化モジ
ュールと、少なくとも前記複数の最下段の平均化モジュ
ール群を含む下位の平均化モジュールにより均一化され
た前記コンデンサ群の両端電圧相互を均一化する最上段
の平均化モジュールと、を備えたことを特徴としてい
る。

【００１１】請求項４記載の充電装置は、請求項１乃至
３のいずれかに記載の充電装置において、前記端子電圧
平均化手段は、前記コンデンサバンクの充電動作時に、
前記コンデンサにおける端子電圧相互の差分に基づい
て、前記複数のコンデンサの端子電圧を均一化するため
の電流を、前記複数のコンデンサに個別に供給し、前記
コンデンサバンクの放電動作時には、前記複数のコンデ
ンサへの前記電流の供給を停止することを特徴としてい
る。請求項５記載の充電装置は、請求項１乃至４のいず
れかに記載の充電装置において、前記端子電圧平均化手
段は、前記コンデンサバンクの充電動作時に、前記コン
デンサに前記充電電流を供給し、前記コンデンサバンク
の放電動作時には、前記コンデンサバンクからの放電電
流の印加を遮断する電流制御手段を備えていることを特
徴としている。

【００１２】請求項６記載の充電装置は、請求項１乃至
５のいずれかに記載の充電装置において、前記充電装置
は、前記コンデンサバンクを構成する前記複数のコンデ
ンサのうち、特定の前記コンデンサにおける端子電圧を
検出、監視する電圧監視手段を備え、前記コンデンサの
端子電圧が所定のしきい値に達したとき、前記電源手段
から前記コンデンサバンクへの前記充電電流の供給を停
止することを特徴としている。請求項７記載の充電装置
は、請求項３記載の充電装置において、前記充電装置
は、前記コンデンサバンクを構成する前記複数のコンデ
ンサのうち、少なくとも前記下位の平均化モジュールに
より両端電圧が均一化された、異なる前記コンデンサ群
に含まれる前記コンデンサの端子電圧を検出、監視する
複数の電圧監視手段を備えていることを特徴としてい
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る充電装置につ
いて、実施の形態を示して詳しく説明する。＜第１の実施形態＞図１は、本発明に係る充電装置の第
１の実施形態を示す概略構成図である。図１に示すよう
に、本実施形態に係る充電装置は、電源回路１０と、複
数の電気二重層コンデンサ（以下、「コンデンサ」と略
記する）Ｃ１１、Ｃ１２から構成され、電源回路１０か
ら供給される充電電流ＩＡに応じて所定の電圧が充電さ
れるコンデンサバンク２０と、各コンデンサＣ１１、Ｃ
１２に充電される電圧を均一化または平均化する端子電
圧平均化モジュール（端子電圧平均化手段）３０と、を
有して構成されている。

【００１４】電源回路１０は、コンデンサバンク２０が
接続された高電位側電源線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬ
間に、所定の直流電圧を印加し、コンデンサバンク２０
に充電電流ＩＡを供給する。コンデンサバンク２０は、
上記高電位側電源線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬ間に、
コンデンサＣ１１とコンデンサＣ１２が接点Ｎ１１を介
して直列に接続されている。

【００１５】端子電圧平均化モジュール３０は、高電位
側電源線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬ間に、コンデンサ
バンク２０を構成する直列接続されたコンデンサＣ１
１、Ｃ１２に並列に接続され、コンデンサＣ１１、Ｃ１
２に蓄積された電荷量、すなわち、コンデンサＣ１１、
Ｃ１２の端子電圧（充電電圧）相互の差分に基づいて、
各々の端子電圧を均一化するように、コンデンサＣ１
１、Ｃ１２に供給される電流を制御する。端子電圧平均
化モジュール３０の具体的な構成及び動作については、
後述する。なお、本実施形態においては、コンデンサバ
ンク２０を構成するコンデンサは、２個直列接続された
場合について示したが、後述するように、一般には、偶
数個接続されているものであれば良好に適用することが
できる。

【００１６】次に、本実施形態に適用される端子電圧平
均化モジュールの具体的な回路構成について、図面を参
照して説明する。図２は、本発明に適用される端子電圧
平均化モジュールの回路構成の一例を示す概略回路図で
ある。図２に示すように、端子電圧平均化モジュール３
０は、コンデンサバンク２０が接続された高電位側電源
線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬとの間に、次の構成が設
けられている。

【００１７】すなわち、高電位側電源線ＨＬ及び低電位
側電源線ＬＬ間に、コンデンサバンク２０に並列にｎ型
電界効果型トランジスタ（Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ）により構
成されるＦＥＴスイッチＴｒ１及びＦＥＴスイッチＴｒ
２が、接点Ｎ１２を介して直列に接続され、コンデンサ
Ｃ１１、Ｃ１２間の接点Ｎ１１と接点Ｎ１２が接続され
ている。ここで、ＦＥＴスイッチＴｒ１のゲート端子に
は、コンパレータ（オペアンプ）ＣＭＰ１の出力端子が
接続されるとともに、抵抗素子Ｒ４を介して、低電位側
電源線ＬＬに接続されている。一方、ＦＥＴスイッチＴ
ｒ２のゲート端子には、コンパレータＣＭＰ２の出力端
子が接続されるとともに、抵抗素子Ｒ３を介して、低電
位側電源線ＬＬに接続されている。

【００１８】また、高電位側電源線ＨＬ及び低電位側電
源線ＬＬ間には、上記ＦＥＴスイッチＴｒ１及びＦＥＴ
スイッチＴｒ２に並列に、抵抗素子Ｒ１、Ｒ５、Ｒ７が
各々接点Ｎ１３、Ｎ１４を介して直列に接続されてい
る。ここで、接点Ｎ１４は、直接コンパレータＣＭＰ１
の一方の入力端（＋）に接続されるとともに、抵抗素子
Ｒ６を介してコンパレータＣＭＰ２の一方の入力端
（＋）に接続されている。また、接点Ｎ１３は、直接コ
ンパレータＣＭＰ２の他方の入力端（−）に接続される
とともに、抵抗素子Ｒ２を介してコンパレータＣＭＰ１
の他方の入力端（−）に接続されている。

【００１９】さらに、上記接点Ｎ１２及びコンパレータ
ＣＭＰ１の他方の入力端（−）間には、コンパレータＣ
ＭＰ１の他方の入力端（−）から接点Ｎ１２方向を順方
向としてダイオードＤ１が接続されるとともに、上記接
点Ｎ１２及びコンパレータＣＭＰ２の一方の入力端
（＋）間には、接点Ｎ１２からコンパレータＣＭＰ２の
一方の入力端（＋）方向を順方向としてダイオードＤ２
が接続されている。

【００２０】すなわち、図示を省略した電源回路から端
子ａ、ｂを介して、高電位側電源線ＨＬ及び低電位側電
源線ＬＬに充電電流が供給される充電状態においては、
コンパレータＣＭＰ１の一方の入力端（＋）に、高電位
側電源線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬ間に接続された抵
抗素子Ｒ１、Ｒ５、Ｒ７の分圧比により接点Ｎ１４に設
定される電圧が常時印加されるとともに、コンパレータ
ＣＭＰ２の他方の入力端（−）に、抵抗素子Ｒ１、Ｒ
５、Ｒ７の分圧比により接点Ｎ１３に設定される電圧が
常時印加される。また、コンパレータＣＭＰ１の他方の
入力端（−）には、上記接点Ｎ１３に設定される電圧
と、コンデンサバンク２０への充電状態に応じて変化す
る接点Ｎ１１の電圧に基づく所定の電圧が印加され、コ
ンパレータＣＭＰ２の一方の入力端（＋）には、上記接
点Ｎ１４に設定される電圧と、コンデンサバンク２０の
接点Ｎ１１の電圧に基づく所定の電圧が印加される。こ
こで、抵抗素子Ｒ１及びＲ７は、各々同等の抵抗値を有
するように設定され、また、抵抗素子Ｒ３及びＲ４、抵
抗素子Ｒ２及びＲ６においても、各々同等の抵抗値を有
するように設定されている。

【００２１】次に、上述した構成を有する充電装置にお
ける動作について、図面を参照して説明する。図３は、
本実施形態に係る充電装置の動作を示す概略回路であ
る。図３に示すように、まず、コンデンサバンク２０の
充電動作においては、電源回路１０から端子ａ、ｂを介
して、高電位側電源線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬ間に
直流電圧が印加され、充電電流ＩＡが供給されると、端
子ａから高電位側電源線ＨＬ、コンデンサＣ１１、Ｃ１
２を介して、端子ｂに電荷が移動する（矢印Ｆ１）。こ
れにより、コンデンサＣ１１、Ｃ１２には、その電荷量
に応じた端子電圧Ｖ_C11、Ｖ_C12が生じる。

【００２２】このとき、コンデンサＣ１１、Ｃ１２に生
じる端子電圧が均等で略一定の場合には、端子ａ、ｂ間
に印加された直流電圧は、端子電圧平均化モジュール３
０の抵抗素子Ｒ１、Ｒ５、Ｒ７の所定の分圧比により分
圧されて、接点Ｎ１３、Ｎ１４に生じる電圧Ｖ_N13、Ｖ
_N14が、Ｖ_N13＞Ｖ_N14の関係となるため、コンパレータ
ＣＭＰ１及びコンパレータＣＭＰ２の各入力端に印加さ
れる入力電圧は、各々逆電位となり、コンパレータＣＭ
Ｐ１及びコンパレータＣＭＰ２からの出力は、“Ｌ（ロ
ー）”レベルとなる。したがって、コンデンサＣ１１、
Ｃ１２に均等に充電が行われている場合には、ＦＥＴス
イッチＴｒ１、Ｔｒ２は、いずれもＯＦＦ状態となり、
充電電流ＩＡは、端子ａ→コンデンサＣ１１→コンデン
サＣ１２→端子ｂの経路を流下する。

【００２３】そして、コンデンサＣ１１、Ｃ１２の端子
電圧Ｖ_C11、Ｖ_C12が上昇し、かつ、コンデンサＣ１１、
Ｃ１２の容量のばらつき等により、たとえば、コンデン
サＣ１１、Ｃ１２の端子電圧Ｖ_C11、Ｖ_C12に、Ｖ_C11＞
Ｖ_C12のような電圧差が生じると、コンデンサＣ１１、
Ｃ１２間の接点Ｎ１１の電位Ｖ_N11が立ち下がり、さら
に、電位Ｖ_N11とダイオードＤ１、Ｄ２の順方向電圧Ｖ_D
の合成電圧が、接点Ｎ１４の電位Ｖ_N14以下になると、
コンパレータＣＭＰ１の入力端に印加される入力電圧
は、順電位となり、コンパレータＣＭＰ１からの出力
は、“Ｈ（ハイ）”レベルとなって、ＦＥＴスイッチＴ
ｒ１がＯＮ動作する。

【００２４】このとき、端子ａから供給される充電電流
ＩＡは、高電位側電源線ＨＬからＦＥＴスイッチＴｒ
１、接点Ｎ１１を介して、コンデンサＣ２に直接流れる
とともに、コンデンサＣ１１、Ｃ１２の端子電圧
Ｖ_C11、Ｖ_C12の差分に基づく電荷がコンデンサＣ１１か
らコンデンサＣ１２に流れる（矢印Ｆ２）。そして、コ
ンデンサＣ１２の端子電圧Ｖ_C12が上昇し、コンデンサ
Ｃ１１、Ｃ１２の端子電圧Ｖ_C11、Ｖ_C12の差分が、上記
コンパレータＣＭＰ１をＯＮ動作させない所定の電圧範
囲内に戻ると、ＦＥＴスイッチＴｒ１が再びＯＦＦ動作
する。このような端子電圧平均化モジュール３０の動作
により、コンデンサＣ１１、Ｃ１２に、たとえば、ＦＥ
ＴスイッチＴｒ１、Ｔｒ２のゲート−ソース間電圧Ｖgs
が２Ｖ程度以上となる、所定の電圧が充電（電荷が蓄
積）された時点で、各々の端子電圧Ｖ_C11、Ｖ_C12が一定
（均一）になるように制御される。

【００２５】したがって、上述したような構成を有する
端子電圧平均化モジュールを、コンデンサバンクを構成
する隣接する一組（２個）のコンデンサに対して付加す
ることにより、各コンデンサの充電電圧（端子電圧）が
異なる場合にのみ、端子電圧平均化モジュールに電流を
流下して、双方のコンデンサの充電電圧を均一化するよ
うに、充電電流の供給が調整されるので、コンデンサを
電圧モニタ回路（並列モニタ）により個別に監視し、耐
圧保証電圧に至ったコンデンサへの充電電流を常時バイ
パスする従来の構成に比較して、電流の流下を抑制する
ことができ、発熱量を低減することができる。また、各
コンデンサの容量値にばらつきが生じている場合であっ
ても、充電動作を良好に行うことができる。

【００２６】さらに、各コンデンサの充電電圧は、端子
電圧平均化モジュールにより均一化され、直列接続され
た複数のコンデンサの両端電圧を高電圧領域で監視し
て、充電電圧を管理することができるので、コンデンサ
の充電電圧を低電圧領域で個別に管理する場合に比較し
て、電圧管理精度を向上することができる。よって、熱
量の発生を抑制して、装置規模の小型化を図ることがで
きるとともに、充電電圧を良好に管理することができ
る。加えて、コンデンサの充電電圧値に依存するのでは
なく、充電電圧の差分（ばらつき）に応じて端子電圧平
均化モジュールを動作させることができるので、本実施
形態に係る充電装置に限らず、電圧レベルの均一化を要
する回路構成に対して汎用的に適用することができる。

【００２７】＜第２の実施形態＞次に、本発明に係る充
電装置の第２の実施形態について、図面を参照して説明
する。図４は、本発明に係る充電装置の第２の実施形態
を示す概略構成図である。ここで、上述した実施形態と
同等の構成については、同一の符号を付して、その説明
を省略する。本実施形態に係る充電装置は、端子電圧平
均化モジュールを階層化して、より多くのコンデンサの
端子電圧相互を均一化する構成を有している。

【００２８】図４に示すように、本実施形態に係る充電
装置は、高電位側電源線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬ間
に、コンデンサＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、Ｃ２４が、各
々接点Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ２３を介して直列に接続され
たコンデンサバンク２１と、該コンデンサバンク２１の
隣り合う一組（２個）のコンデンサＣ２１、Ｃ２２に並
列に接続された端子電圧平均化モジュール（最下段の平
均化モジュール）３１ａと、一組（２個）のコンデンサ
Ｃ２３、Ｃ２４に並列に接続された端子電圧平均化モジ
ュール（最下段の平均化モジュール）３１ｂと、コンデ
ンサＣ２１、Ｃ２２のグループ２１ａとコンデンサＣ２
３、Ｃ２４のグループ２１ｂに対して並列に接続された
端子電圧平均化モジュール（最上段の平均化モジュー
ル）３１ｃと、を備えて構成されている。なお、端子
ａ、ｂには、図示を省略した電源回路が接続され、高電
位側電源線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬ間に直流電圧を
印加することにより、所定の充電電流が供給される。

【００２９】すなわち、本実施形態においては、２個ず
つのコンデンサＣ２１、Ｃ２２、及び、Ｃ２３、Ｃ２４
に付加された各端子電圧平均化モジュール３１ａ、３１
ｂを下位の平均化モジュールとし、２個のコンデンサグ
ループ２１ａ、２１ｂに付加された端子電圧平均化モジ
ュール３１ｃを上位の平均化モジュールとした階層構造
または積層構造（ヒエラルキー構造）を有している。

【００３０】このような構成により、複数（４個）のコ
ンデンサを２個ずつのコンデンサグループに分けて、コ
ンデンサグループ毎に下位の端子電圧平均化モジュール
を付加することにより、グループ内のコンデンサの充電
電圧を均一化することができ、さらに、２個のコンデン
サグループ毎に上位の端子電圧平均化モジュールを付加
することにより、コンデンサグループ相互の両端電圧を
均一化することができるので、上述した実施形態と同様
に、充電電流のバイパス時の消費電力を抑制して発熱量
を低減し、装置規模の小型化を図ることができるととも
に、充電電圧を良好に管理することができる。

【００３１】次いで、上述したような構成を一般化した
場合について、さらに詳しく説明する。図５は、コンデ
ンサと階層化された平均化モジュールとの接続関係を示
す表であり、図６は、本実施形態に係る充電装置に適用
される端子電圧平均化モジュールを多階層化して、より
多くのコンデンサを備えたコンデンサバンクに付加した
構成例を示す概略図である。図５に示すように、コンデ
ンサと階層化された平均化モジュールとの接続関係は、
コンデンサの接続個数が２個の場合には、２個のコンデ
ンサを一組として、高電位側電源線ＨＬ及び低電位側電
源線ＬＬ間に、コンデンサバンクに並列に１個の端子電
圧平均化モジュール（下位平均化モジュール）を設置す
ることにより、上述した第１の実施形態の構成及び機能
を実現することができる。したがって、端子電圧平均化
モジュールの設置数は１個でよいことになる。

【００３２】また、コンデンサの接続個数が４個の場合
には、２個のコンデンサを一組として、２組のコンデン
サグループを構成し、各グループ毎に端子電圧平均化モ
ジュール（下位平均化モジュール）を設置し、さらに、
２個の下位平均化モジュールを一組として、並列に１個
の端子電圧平均化モジュール（中位平均化モジュール）
を設置することにより、上述した第２の実施形態の構成
及び機能を実現することができる。したがって、端子電
圧平均化モジュールの設置数は３個でよいことになる。

【００３３】さらに、図６示すように、コンデンサの接
続個数が８個（Ｃ３１〜Ｃ３８）の場合には、２個のコ
ンデンサを一組として、４個のコンデンサグループ２２
ａ〜２２ｄを構成し、各グループ２２ａ〜２２ｄ毎に端
子電圧平均化モジュール（下位平均化モジュール）３２
ａ〜３２ｄを設置し、２個の下位平均化モジュールを一
組として、並列に２個の端子電圧平均化モジュール（中
位平均化モジュール）３２ｅ、３２ｆを設置し、さら
に、２個の中位平均化モジュール３２ｅ、３２ｆを一組
として、並列に１個の端子電圧平均化モジュール（上位
平均化モジュール）３２ｇを設置する。したがって、本
構成例においては、端子電圧平均化モジュールの設置数
は７個でよいことになる。

【００３４】上述したことから、一般に、コンデンサの
接続数をｐ個とし、端子電圧平均化モジュールの数をｍ
とした場合、次の（１）式の関係を導くことができる。ｍ＝ｐ／２＋ｐ／４＋ｐ／８＋… ＝ｐΣ｛（１−１／２ⁿ）／（１−１／２）｝ ……（１）ここで、コンデンサの接続数ｐは偶数であり、理想的な
端子電圧平均化モジュールの接続構成を考慮して、ｍ＝
２ⁿとすると、ｍ＝ｐ−１の関係が導かれる。

【００３５】このようにして、コンデンサを直列に接続
する構成を有するコンデンサバンクにおいて、下位の端
子電圧平均化モジュールにより、各コンデンサグループ
の両端電圧を均一化し、上位の端子電圧平均化モジュー
ルによりコンデンサバンクを構成する全コンデンサの充
電電圧を均一化する構成を適用することにより、コンデ
ンサの数よりも少ない数の端子電圧平均化モジュールを
用いて、発熱量を抑制しつつ、直列接続された全コンデ
ンサ、すなわち、コンデンサバンクの両端電圧を均一化
することができ、この両端電圧を監視することにより、
コンデンサバンクの充電電圧の過剰を正確に管理するこ
とができる。

【００３６】＜第３の実施形態＞次に、本発明に係る充
電装置の第３の実施形態について、図面を参照して説明
する。図７は、本発明に係る充電装置の第３の実施形態
を示す概略構成図である。ここで、上述した実施形態と
同等の構成については、同一の符号を付して、その説明
を省略する。本実施形態に係る充電装置は、上述した第
１の実施形態に示した端子電圧平均化モジュール（図
２）において、コンデンサバンクの放電動作時に、端子
電圧平均化モジュールへの放電電流の一部の流下（漏れ
電流）を抑制する構成を有している。

【００３７】図７に示すように、本実施形態に係る充電
装置は、第１の実施形態に示した回路構成（図２参照）
において、端子ａ及び端子電圧平均化モジュール３０か
らコンデンサバンク２０（または、端子ｃ）方向を順方
向とするダイオード（電流制御手段）Ｄ３が高電位側電
源線ＨＬに接続されている。また、端子電圧平均化モジ
ュール３０において、抵抗素子Ｒ１、Ｒ５、Ｒ７を流下
する電流経路、コンパレータＣＭＰ１、抵抗素子Ｒ４を
流下する電流経路、コンパレータＣＭＰ２、抵抗素子Ｒ
３を流下する電流経路を介して、低電位側電源線ＬＬに
至る方向を順方向とするダイオード（電流制御手段）Ｄ
４が上記各電流経路に共通に接続されている。

【００３８】すなわち、本実施形態においては、通常の
充電動作時には、充電電流が端子ａ→端子ｃ→コンデン
サＣ１１、Ｃ１２→端子ｄ→端子ｂ方向に流下し、ま
た、端子電圧平均化モジュール３０による端子電圧の均
一化動作時には、端子ａ→端子電圧平均化モジュール３
０→端子ｂ方向に流下するように、電流の流下方向を制
御するダイオードＤ３、Ｄ４が設けられている。

【００３９】このような構成により、コンデンサバンク
２０の充電動作時には、コンデンサＣ１１、Ｃ１２に充
電電流が供給されるとともに、コンデンサＣ１１、Ｃ１
２の端子電圧が所定の電圧以上になると、端子電圧相互
の差分に応じて端子電圧平均化モジュール３０が動作し
て、端子電圧を均一化するように作用する。一方、コン
デンサバンク２０の充電動作時以外、すなわち、コンデ
ンサバンク２０の放電動作時には、ダイオードＤ３によ
り、コンデンサバンク２０からの放電電流が高電位側電
源線ＨＬを逆流して、端子電圧平均化モジュール３０を
介して低電位側電源線ＬＬに流下する現象（漏れ電流の
発生）を抑制することができ、電力損失を低減すること
ができる。

【００４０】＜第４の実施形態＞次に、本発明に係る充
電装置の第４の実施形態について、図面を参照して説明
する。図８は、本発明に係る充電装置の第４の実施形態
を示す概略構成図である。ここで、上述した実施形態と
同等の構成については、同一の符号を付して、その説明
を省略する。本実施形態に係る充電装置は、上述した第
１の実施形態において、コンデンサバンクを構成する特
定のコンデンサに端子電圧を検出、監視する電圧モニタ
回路（電圧監視手段）を設けた構成を有している。

【００４１】図８に示すように、本実施形態に係る充電
装置は、第１の実施形態に示した回路構成（図１参照）
において、コンデンサバンク２０を構成する２個のコン
デンサＣ１１、Ｃ１２のうち、いずれか一方、たとえ
ば、コンデンサＣ１２に並列に、その端子電圧を監視す
る電圧モニタ回路４０が接続されている。ここで、電圧
モニタ回路４０は、コンデンサＣ１２に蓄積された電荷
量を、モニタ電圧（充電電圧）値として検出するととも
に、あらかじめ定められたコンデンサの耐圧保証電圧値
に基づく基準電圧（しきい値）と比較し、モニタ電圧値
が、基準電圧値に達したか否かを判定する。そして、モ
ニタ電圧値が、基準電圧値に到達した場合には、図示を
省略した電源回路に制御信号（充電制御信号）を送出し
て、コンデンサバンク２０への充電電流の供給を遮断す
る制御を行う。

【００４２】このような構成により、上述した実施形態
と同様に、端子電圧平均化モジュール３０によりコンデ
ンサバンク２０を構成する各コンデンサＣ１１、Ｃ１２
の端子電圧が均一化されて、充電電圧が簡易な構成で良
好に管理されるとともに、電圧モニタ回路４０によりコ
ンデンサバンク２０が所定の充電電圧まで安全に充電さ
れる。したがって、コンデンサＣ１１、Ｃ１２の耐圧保
証電圧等に基づいて設定される所定の充電電圧以上に端
子電圧が上昇することがないので、良好かつ効率的な充
電動作を実現することができる。また、コンデンサバン
ク２０を構成する全コンデンサＣ１１、Ｃ１２の充電電
圧を、単一のコンデンサＣ１２に接続された電圧モニタ
回路４０により監視、制御することができるので、簡易
な構成により、正確かつ良好に充電動作を管理、制御す
ることができる。

【００４３】図９は、本実施形態に係る充電装置に階層
構造を有する端子電圧平均化モジュールを適用した場合
の構成例を示す概略図である。ここで、上述した実施形
態と同等の構成については、同一の符号を付して、その
説明を省略する。本実施形態に係る充電装置は、上述し
た第２の実施形態に示したような端子電圧平均化モジュ
ールを階層化した構造において、コンデンサバンクを構
成する特定のコンデンサに端子電圧を検出、監視する電
圧モニタ回路を設けた構成を有している。

【００４４】図９に示すように、本実施形態に係る充電
装置は、第２の実施形態に示した回路構成（図４参照）
において、コンデンサバンク２１を構成する４個のコン
デンサＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、Ｃ２４を、２個のコン
デンサグループ２１ａ、２１ｂに分け、各コンデンサグ
ループ２１ａ、２１ｂに並列に下位の端子電圧平均化モ
ジュール３１ａ、３１ｂを付加し、さらに、この２個の
コンデンサグループ２１ａ、２１ｂに並列に単一の上位
の端子電圧平均化モジュール３１ｃを付加するととも
に、コンデンサＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、Ｃ２４のう
ち、いずれか一つ、たとえば、コンデンサＣ２４に並列
に、その端子電圧を監視する電圧モニタ回路４１が接続
されている。

【００４５】このような構成により、上述した実施形態
と同様に、下位の端子電圧平均化モジュール３１ａ、３
１ｂにより各コンデンサグループ２１ａ、２１ｂ内のコ
ンデンサＣ２１、Ｃ２２、及び、Ｃ２３、Ｃ２４の充電
電圧相互が均一化され、さらに、コンデンサグループ２
１ａ、２１ｂに付加された上位の端子電圧平均化モジュ
ール３１ｃによりコンデンサグループ２１ａ、２１ｂの
両端電圧相互が均一化される。

【００４６】したがって、階層構造を有する端子電圧平
均化モジュール３１ａ〜３１ｃによりコンデンサバンク
２１を構成する全コンデンサＣ２１〜Ｃ２４の端子電圧
相互が均一化されるとともに、コンデンサバンク２１を
構成する単一のコンデンサＣ２４に付加された電圧モニ
タ回路４１によりコンデンサバンク２１を構成する全コ
ンデンサＣ２１〜Ｃ２４の充電電圧が監視、制御され、
所定の充電電圧まで安全に充電されるので、充電電流の
バイパス時の消費電力を抑制して発熱量を低減し、装置
規模の小型化を図ることができるとともに、充電電圧を
良好に管理することができる。

【００４７】＜第５の実施形態＞次に、本発明に係る充
電装置の第５の実施形態について、図面を参照して説明
する。図１０は、本発明に係る充電装置の第５の実施形
態を示す概略構成図である。ここで、上述した実施形態
と同等の構成については、同一の符号を付して、その説
明を省略する。本実施形態に係る充電装置は、上述した
第２の実施形態に示したような端子電圧平均化モジュー
ルを階層化した構造において、電圧モニタ回路を特定の
コンデンサに付加することにより、上位の端子電圧平均
化モジュールを省略（削除）した構成を有している。

【００４８】図１０に示すように、本実施形態に係る充
電装置は、第２の実施形態に示した回路構成（図６参
照）において、コンデンサバンク２２を構成する８個の
コンデンサＣ３１〜Ｃ３８を、隣り合う２個のコンデン
サを一組として、４個のグループ２２ａ〜２２ｄを構成
し、各コンデンサグループ２２ａ〜２２ｄに並列に下位
の端子電圧平均化モジュール３２ａ〜３２ｄを付加し、
さらに、２個の下位平均化モジュールを一組として、各
組のコンデンサグループ２２ａ、２２ｂ、及び、２２
ｃ、２２ｄに対して並列に上位の端子電圧平均化モジュ
ール３２ｅ、３２ｆを付加するとともに、上位の端子電
圧平均化モジュール３２ｅ、３２ｆにより端子電圧が均
一化される各４個のコンデンサＣ３１〜Ｃ３４、Ｃ３５
〜Ｃ３８のうちの各々いずれか一つ、たとえば、コンデ
ンサＣ３１、Ｃ３７に並列に、端子電圧を監視する電圧
モニタ回路４２ａ、４２ｂが接続されている。

【００４９】すなわち、電圧モニタ回路４２ａ、４２ｂ
は、少なくとも上位の端子電圧平均化モジュール３２
ｅ、３２ｆにより両端電圧が均一化される、異なるコン
デンサグループ２２ａ、２２ｂ、及び、２２ｃ、２２ｄ
に含まれる特定のコンデンサＣ３１、Ｃ３７の端子電圧
を検出、監視するように付加されている。このように、
複数の上位の端子電圧平均化モジュールにより両端電圧
が均一化される各コンデンサ群に含まれる単一のコンデ
ンサの端子電圧を監視するように複数の電圧モニタ回路
を付加し、かつ、これらの電圧モニタ回路の電圧監視特
性を同一になるように設定することにより、各コンデン
サ群に含まれる全コンデンサの充電電圧を均一化するこ
とができる。

【００５０】したがって、上述した構成によれば、複数
の上位の端子電圧平均化モジュールにより両端電圧が均
一化されたコンデンサグループの両端電圧をさらに均一
化する最上位の端子電圧平均化モジュール（図中の端子
電圧平均化モジュール３２ｇ）と同等の機能を実現する
ことができるので、図６に示した構成において、端子電
圧平均化モジュール３２ｇを省略（削除）して、最上位
の端子電圧平均化モジュールに要求される耐圧を考慮す
る必要がなくなり、端子電圧平均化モジュールの耐圧を
低く設定することができる。

【００５１】ここで、最上位の端子電圧平均化モジュー
ルに要求される耐圧への考慮とは、上述したような階層
構造を有する端子電圧平均化モジュールにおいては、最
上位となる端子電圧平均化モジュールは、回路構成上、
高電位側電源線ＨＬと低電位側電源線ＬＬ間に直接接続
されることになるので、電源回路から印加される高電圧
に耐え得る回路素子を備えた高耐圧の回路構成を有して
いることを必要とすることを意味する。一般には、高耐
圧回路は、高耐圧特性を有する個別の回路素子を基板上
に集積したディスクリート構造が採用されるため、回路
規模が極めて大きくなるという問題を有しているが、本
実施形態においては、最上位の端子電圧平均化モジュー
ルを省略することができるので、端子電圧平均化モジュ
ールの耐圧を低く設定することができ、回路構成の小型
化及び設計自由度の向上、さらには、回路の集積化を図
ることができる。

【００５２】なお、上述した各実施形態においては、コ
ンデンサバンクを構成する複数のコンデンサのうち、隣
り合う２個のコンデンサを一組（グループ）として、端
子電圧平均化モジュールを並列接続した場合について説
明したが、本発明に係る充電装置は、これに限定される
ものではなく、各コンデンサが各々複数のコンデンサか
らなるコンデンサバンクを構成しているものであっても
よい。この場合、直列接続されるコンデンサの数を増加
させることができるので、充電動作時の静電容量を一層
低減することができ、より少ない充電電流で効率的に充
電を行うことができる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る充電
装置によれば、端子電圧平均化モジュールをコンデンサ
バンクを構成する隣接する一組（２個）のコンデンサに
対して付加することにより、各コンデンサの充電電圧
（端子電圧）が異なる場合にのみ、端子電圧平均化モジ
ュールに電流を流下して、双方のコンデンサの充電電圧
を均一化するように、充電電流の供給が調整されるの
で、コンデンサを電圧モニタ回路により個別に監視し、
耐圧保証電圧に至ったコンデンサへの充電電流を常時バ
イパスする従来の構成に比較して、電流の流下を抑制す
ることができ、発熱量を低減することができる。また、
各コンデンサの容量値にばらつきが生じている場合であ
っても、充電動作を良好に行うことができる。

【００５４】また、本発明に係る充電装置によれば、各
コンデンサの充電電圧は、端子電圧平均化モジュールに
より均一化され、直列接続された複数のコンデンサの両
端電圧を高電圧領域で監視して、充電電圧を管理するこ
とができるので、コンデンサの充電電圧を低電圧領域で
個別に管理する場合に比較して、電圧管理精度を向上す
ることができる。よって、熱量の発生を抑制して、装置
規模の小型化を図ることができるとともに、充電電圧を
良好に管理することができる。また、本発明に係る充電
装置によれば、コンデンサの充電電圧値に依存するので
はなく、充電電圧の差分（ばらつき）に応じて端子電圧
平均化モジュールを動作させることができるので、充電
装置に限らず、電圧レベルの均一化を要する回路構成に
対して汎用的に適用することができる。

【００５５】さらに、本発明に係る充電装置によれば、
端子電圧平均化モジュールによりコンデンサバンクを構
成する各コンデンサの端子電圧が均一化されて、充電電
圧が管理されるとともに、電圧モニタ回路によりコンデ
ンサバンクが所定の充電電圧まで安全に充電されるの
で、コンデンサの耐圧保証電圧以上に端子電圧が上昇す
ることがないので、良好かつ効率的な充電動作を実現す
ることができる。また、コンデンサバンクを構成する全
コンデンサの充電電圧を、１個のコンデンサに接続され
た電圧モニタ回路により監視、制御することができるの
で、簡易な構成により、正確かつ良好に充電動作を管
理、制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る充電装置の第１の実施形態を示す
概略構成図である。

【図２】本発明に適用される端子電圧平均化モジュール
の回路構成の一例を示す概略回路図である。

【図３】本実施形態に係る充電装置の動作を示す概略回
路である。

【図４】本発明に係る充電装置の第２の実施形態を示す
概略構成図である。

【図５】コンデンサと階層化された平均化モジュールと
の接続関係を示す表である。

【図６】本実施形態に係る充電装置に適用される端子電
圧平均化モジュールを多階層化して、より多くのコンデ
ンサを備えたコンデンサバンクに付加した構成例を示す
概略図である。

【図７】本発明に係る充電装置の第３の実施形態を示す
概略構成図である。

【図８】本発明に係る充電装置の第４の実施形態を示す
概略構成図である。

【図９】本実施形態に係る充電装置に階層構造を有する
端子電圧平均化モジュールを適用した場合の構成例を示
す概略図である。

【図１０】本発明に係る充電装置の第５の実施形態を示
す概略構成図である。

【図１１】従来技術における充電装置を示す概略構成図
である。

【符号の説明】

１０電源回路２０〜２２コンデンサバンク２１ａ、２１ｂ、２２ａ〜２２ｄコンデンサ
グループ３０、３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｇ端子電圧平
均化モジュール４０、４１、４２ａ、４２ｂ電圧モニタ
回路ＨＬ高電位側電源線ＬＬ低電位側電源線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のコンデンサを直列に接続して構成
されるコンデンサバンクと、前記コンデンサバンクに所定の充電電流を供給し、前記
複数のコンデンサを充電する電源手段と、前記複数のコンデンサにおける各コンデンサの端子電圧
相互の差分に基づいて、前記各コンデンサの端子電圧を
均一化する端子電圧平均化手段と、を備えたことを特徴
とする充電装置。
【請求項２】前記端子電圧平均化手段は、前記直列接
続された複数のコンデンサのうち、隣り合う同数のコン
デンサよりなる一組のコンデンサ群に対して設けられ、
該一組のコンデンサ群における各コンデンサの端子電圧
を均一化することを特徴とする請求項１記載の充電装
置。
【請求項３】前記端子電圧平均化手段は、少なくと
も、前記直列接続された複数のコンデンサのうち、隣り合う
同数のコンデンサよりなる一組のコンデンサ群毎に設け
られ、該一組のコンデンサ群における各コンデンサの端
子電圧を均一化する複数の最下段の平均化モジュール
と、少なくとも前記複数の最下段の平均化モジュール群を含
む下位の平均化モジュールにより均一化された前記コン
デンサ群の両端電圧相互を均一化する最上段の平均化モ
ジュールと、を備えたことを特徴とする請求項１記載の
充電装置。
【請求項４】前記端子電圧平均化手段は、前記コンデ
ンサバンクの充電動作時に、前記コンデンサにおける端
子電圧相互の差分に基づいて、前記複数のコンデンサの
端子電圧を均一化するための電流を、前記複数のコンデ
ンサに個別に供給し、前記コンデンサバンクの放電動作
時には、前記複数のコンデンサへの前記電流の供給を停
止することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
載の充電装置。
【請求項５】前記端子電圧平均化手段は、前記コンデ
ンサバンクの充電動作時に、前記コンデンサに前記充電
電流を供給し、前記コンデンサバンクの放電動作時に
は、前記コンデンサバンクからの放電電流の印加を遮断
する電流制御手段を備えていることを特徴とする請求項
１乃至４のいずれかに記載の充電装置。
【請求項６】前記充電装置は、前記コンデンサバンク
を構成する前記複数のコンデンサのうち、特定の前記コ
ンデンサにおける端子電圧を検出、監視する電圧監視手
段を備え、前記コンデンサの端子電圧が所定のしきい値に達したと
き、前記電源手段から前記コンデンサバンクへの前記充
電電流の供給を停止することを特徴とする請求項１乃至
５のいずれかに記載の充電装置。
【請求項７】前記充電装置は、前記コンデンサバンク
を構成する前記複数のコンデンサのうち、少なくとも前
記下位の平均化モジュールにより両端電圧が均一化され
た、異なる前記コンデンサ群に含まれる前記コンデンサ
の端子電圧を検出、監視する複数の電圧監視手段を備え
ていることを特徴とする請求項３記載の充電装置。