JP2010017053A - 蓄電装置 - Google Patents

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Keisuke Otsuka
啓右 大塚
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ダイキン工業株式会社
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Abstract

【課題】容量素子間の電圧アンバランスを低減しつつ、該電圧アンバランス低減のために要する電力消費を小さく抑える。
【解決手段】容量素子に蓄電して電力を供給する蓄電装置において、複数の容量素子(11)が直列接続された複数の直列容量素子ブロック(10)と、複数の直列容量素子ブロック(10)を互いに並列接続する接続部(30)とを設ける。そして、蓄電装置全体の容量素子(11)の中で、漏れ電流が最大のものと最小のものとは、互いに異なる直列容量素子ブロック(10)に含まれるようにする。
【選択図】図1

Description

本発明は、容量素子に蓄電して電力を供給する蓄電装置に関するものである。
近年、容量素子に蓄電し電力を供給する蓄電装置が、複写機の加熱装置の補助電源や、パーソナルコンピュータの無停電電源装置などとして期待されている。このような蓄電装置では、容量素子を直列接続したモジュールを構成して所望の出力電圧を得るのが一般的である。また、蓄電装置には、蓄電用の容量素子として電気二重層キャパシタ(Electric Double Layer Capacitor、以下EDLC)が用いられることが多い。一般的にEDLCは、向かい合った2つの電極の間に電解液を満たした構造を有し、電解液と電極の界面に形成される電気二重層を利用して電荷を物理的に蓄積する。すなわち、このEDLCは、リチウム電池やニッケル水素電池などの二次電池と異なり、充電に化学反応を伴わない。そのため、劣化が少なく二次電池よりも寿命が長い、充電時間が短いといった特徴を有している。
ところで、上記のモジュールを構成する各容量素子(セルと呼ぶ)は、充電後の時間経過とともに自己放電して電圧が低下して行くという特性がある。この特性は、例えば容量素子に抵抗(漏れ抵抗と呼ぶ)が並列に接続されているモデルで表すことができる。この自己放電(漏れ電流)は、セル毎にばらつきがあり(すなわち漏れ抵抗にばらつきがある)、このばらつきによって、時間経過とともにセル間の電圧がアンバランスになるという現象が知られている。
セル間の電圧がアンバランスの状態で、モジュールに対して充電(蓄電)を行うと、場合によっては、電圧の高いセルから順に過充電になり、そのセルの定格電圧以上の電圧が印加された状態になる可能性がある。そして、セルに定格電圧以上の電圧が印加されると、セル内の電解液や構造部材の分解が加速され、内部抵抗の上昇や容量低下、ガス発生による漏液など、セルの耐久性に大きな悪影響を与えることになる。
このような、セル間の電圧アンバランスの問題を解決するため、セル間の電圧のバランスを取るバランス回路がモジュールに設けられることがある。一例としては、最小の漏れ抵抗の1/10程度の固定抵抗(バランス抵抗と呼ぶ)をバランス回路として全セルに並列に接続するものがある(例えば、非特許文献1を参照)。このバランス回路によれば、漏れ電流がばらついているセルを直列接続しても、バランス抵抗の分圧値でセルの電圧が規定されるため、セル間の電圧ばらつきが一定に保たれる。また、バランス回路が抵抗のみで構成されているため、回路が単純で信頼性が高い。
また、他のバランス回路の例としては、コンパレータでセルの電圧を比較して、電圧が高いセルを放電させるようにしたものもある(例えば、非特許文献1を参照)。
岡村廸夫著、「電気二重層キャパシタと蓄電システム」、第3版、日刊工業新聞社、2005年9月、p.152
しかしながら、バランス抵抗によるバランス回路は、モジュールから充電回路が切り離されている状態で無負荷状態(負荷がオープン状態)であっても、バランス抵抗によって容量素子が放電することになる。上記の例では、漏れ電流が最大のセルの10倍程度の電流がバランス抵抗に流れて、常時無駄なエネルギー(電力)を消費していることになり、省エネルギーの観点から見て好ましくはない。
また、コンパレータを用いたバランス回路は、複雑で部品点数が増えるため、故障率も高くなりがちであり、且つコストアップも大きい。さらには、大電流充電も困難であると考えられる。
本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、容量素子に蓄電して電力を供給する蓄電装置において、容量素子間の電圧アンバランスを低減しつつ、該電圧アンバランス低減のために要する電力消費を小さく抑えることを目的としている。
上記の課題を解決するため、第1の発明は、
容量素子に蓄電して電力を供給する蓄電装置であって、
複数の容量素子(11)が直列接続された複数の直列容量素子ブロック(10)と、
前記複数の直列容量素子ブロック(10)を互いに並列接続する接続部(30)と、
を備え、
前記蓄電装置全体の容量素子(11)の中で、漏れ電流が最大のものと最小のものとは、互いに異なる直列容量素子ブロック(10)に含まれていることを特徴とする。
これにより、それぞれの直列容量素子ブロック(10)における容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲は、該蓄電装置(1)全体で見た容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲よりも小さくなる。
また、第2の発明は、
第1の発明の蓄電装置において、
前記容量素子(11)の漏れ電流の大きさのばらつき範囲が所定以上の直列容量素子ブロック(10)は、その直列容量素子ブロック(10)内で漏れ電流が最小の容量素子に対して抵抗器(12)が並列接続されていることを特徴とする。
これにより、抵抗器(12)が、該抵抗器(12)が接続された容量素子(11)の電流をバイパスさせる。
また、第3の発明は、
第1の発明の蓄電装置において、
前記容量素子(11)は、すべて同容量であることを特徴とする。
これにより、すべての直列容量素子ブロック(10)が、同一容量の容量素子(11)によって構成される。
また、第4の発明は、
第1の発明の蓄電装置において、
前記複数の直列容量素子ブロック(10)のうちの少なくとも1つは、該直列容量素子ブロック(10)内の複数の容量素子(11)が、複数の副容量素子(13)が並列接続された並列容量素子ブロック(14)により構成され、
前記蓄電装置全体のうちの漏れ電流の大きさが最大の副容量素子(13)及び漏れ電流の大きさが最小の副容量素子(13)の少なくとも一方は、該副容量素子(13)とは漏れ電流の大きさが異なる副容量素子(13)と並列接続されていることを特徴とする。
これにより、並列容量素子ブロック(14)において、副容量素子(13)の漏れ抵抗が並列接続されて、漏れ抵抗値が平均化される。
第1の発明によれば、各直列容量素子ブロック(10)において、容量素子(11)間の電圧アンバランスを低減できる。しかも、無負荷状態で流れる電流は、各容量素子(11)の漏れ電流のみであり、容量素子にバランス抵抗を付加した蓄電装置のように、電圧アンバランス低減のために無駄なエネルギーを消費することがない。また、故障やコストアップに繋がる特別な回路も不要である。
また、第2の発明によれば、抵抗器(12)が、該抵抗器(12)が接続された容量素子(11)の電流をバイパスさせるので、該抵抗器(12)を備えた直列容量素子ブロック(10)において、さらに効果的に電圧アンバランスの低減ができる。
また、第3の発明によれば、すべての直列容量素子ブロック(10)が、同一容量の容量素子(11)によって構成されるので、それぞれの直列容量素子ブロック(10)を構成する容量素子(11)を、漏れ電流の大きさに応じて容易に選択することができる。
また、第4の発明によれば、それぞれの並列容量素子ブロック(14)において漏れ抵抗値が平均化されるので、各並列容量素子ブロック(14)の漏れ電流の大きさを近づけることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。また、以下の各実施形態やそれらの変形例の説明において、一度説明した構成要素と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
《発明の実施形態1》
図1は、本発明の実施形態に係る蓄電装置(1)の構成を示すブロック図である。この蓄電装置(1)は、例えば、複写機の加熱装置の補助電源や、パーソナルコンピュータの無停電電源装置などに使用される。
−蓄電装置(1)の全体構成−
蓄電装置(1)は、図1に示すように、2つの直列容量素子ブロック(10)、接続部(30)、及び一対の出力端子(T1,T2)を備えている。
直列容量素子ブロック(10)は、直列に接続された複数(図1の例では8個)の容量素子(11)を有し、それらの容量素子(11)に電荷を蓄積して、所定の電圧で電力を出力する。直列容量素子ブロック(10)の詳細については後述する。
また、接続部(30)は、例えば電線などの導体により構成され、それぞれの直列容量素子ブロック(10)を並列接続している。また、この接続部(30)は、出力端子(T1,T2)と接続されている。出力端子(T1,T2)は、例えば複写機の加熱装置などの負荷が接続されて電力の供給に使用される他、直列容量素子ブロック(10)を充電する際に、充電回路(図示せず)が接続される。
−直列容量素子ブロック(10)の構成−
本実施形態の直列容量素子ブロック(10)は、容量素子(11)として、EDLC(電気二重層キャパシタ)を採用している。ただし、容量素子(11)の形式は、これに限定されるものではなく、種々の形式の容量素子を採用できる。
それぞれの直列容量素子ブロック(10)を構成する容量素子(11)の具体的な個数は、蓄電装置(1)の出力電圧、入手可能な容量素子の出力電圧などから総合的に決定する。例えば、入手可能な容量素子の出力電圧が2.5Vで、蓄電装置(1)の出力電圧として20Vが必要な場合には、図1に示すように8個の容量素子を直列に接続して直列容量素子ブロック(10)を構成することが考えられる。なお、本実施形態では、これらの容量素子(11)の容量は何れも同容量(この例の容量は10F)で、且つ出力電圧も同じであるものとする。直列容量素子ブロック(10)における、具体的な容量素子(11)の容量、個数については、後に具体例で詳述する。
ところで、容量素子(11)は一般的に、図2に示すように、充電後の時間経過とともに自己放電して端子電圧が低下して行くという特性がある。この特性は、図3に示すように、容量素子に抵抗(漏れ抵抗と呼ぶ)が並列に接続されているモデルで表すことができる。また、容量素子(11)の自己放電(漏れ電流)は、容量素子(11)毎にばらつきがある(すなわち漏れ抵抗にばらつきがある)。容量素子が直列接続された蓄電装置においては、このばらつきによって、時間経過とともに容量素子間の電圧がアンバランスになるという現象が起こる。そこで、本実施形態では、製造時に各直列容量素子ブロック(10)に使用する容量素子(11)を、漏れ電流の大きさに応じて選択し、直列容量素子ブロック(10)における容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲がなるべく小さくなるようにしている。
具体的には、蓄電装置(1)全体の容量素子(11)の中で、漏れ電流が最大のものと最小のものとは、互いに異なる直列容量素子ブロック(10)に含まれるようにしている。これは、直列容量素子ブロック(10)において漏れ電流のばらつき範囲が最も大きくなるのが、蓄電装置(1)を構成する容量素子(11)の中で漏れ電流が最大のものと最小のものとが同じ直列容量素子ブロック(10)内で直列接続されている場合だからである。このように直列容量素子ブロック(10)を構成することで、それぞれの直列容量素子ブロック(10)における容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲は、該蓄電装置(1)全体で見た容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲よりも小さくなる。
それぞれの直列容量素子ブロック(10)における漏れ電流のばらつき範囲をより小さくするには、漏れ電流が最大、最小の容量素子(11)以外の容量素子(11)の漏れ電流の大きさも考慮して、各直列容量素子ブロック(10)に使用する容量素子(11)を選択するのがよい。これには例えば、直列容量素子ブロック(10)の製造に使用する容量素子(11)を、漏れ電流の大きさに応じてグループ分けし、1つの直列容量素子ブロック(10)は、1つのグループ内の容量素子(11)で構成するという方法がある。
この方法ではまず、容量素子(11)を漏れ電流の大きさに応じて、使用する容量素子(11)を、直列容量素子ブロック(10)の個数分のグループに分ける。本実施形態では、直列容量素子ブロック(10)が2つあるので、図4に示すように、容量素子(11)を漏れ電流の大きさに応じて2つのグループに分ける。例えば、容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲が±20%あるとすれば、−20%以上且つ0%以下のグループ(A)と、0%より大で且つ+20%以下のグループ(B)とに分けることが考えられる。図4の例では、16個の容量素子(11)(C1〜C16とする)が、±20%の範囲で漏れ電流がばらついており、これらの容量素子(11)のうち、C1〜C8がグループ(A)に含まれ、C9〜C16がグループ(B)に含まれている。
上記のように容量素子(11)を漏れ電流の大きさに応じてグループに分けするには、容量素子(11)の漏れ電流を予め測定しておく必要がある。容量素子(11)の漏れ電流は、例えば容量素子(11)の最終検査工程におけるエージング試験(定格電圧、定格電流以下での充放電試験)において、充電完了後に、無負荷状態で一定時間後の電圧降下を測定することでわかる。ここで、容量素子(11)の容量をC、電圧降下をV、漏れ電流をI、そして漏れ電流の計測時間をtとすると、CV=Itの関係があるから、この式より漏れ電流を算出できる。例えば、C=1F、t=100secとして、初期の充電電圧が2.5Vで、100sec後の端子電圧が2.49Vであった場合には、V=0.01Vである。そして、前記の式から漏れ電流を求めると、I=0.1mAとなる。
特に、EDLCは、製造工程で漏れ電流を全数計測し、漏れ電流の大きいもの(規格外のもの)についてはロットアウトするのが一般的なので、この検査工程において漏れ電流値で容量素子(11)をグループ分けができる。
以上のようにグループ分けを行った後、2つの直列容量素子ブロック(10)のうち、一方の直列容量素子ブロック(10)をグループ(A)内の容量素子(11)(すなわち、C1〜C8)で構成し、他方の直列容量素子ブロック(10)をグループ(B)(すなわちC9〜C16)で構成する。これにより、漏れ電流値の揃った容量素子(11)同士を直列接続してモジュール化することができる。
−蓄電装置(1)における容量素子(11)間の電圧アンバランス−
例えば、図5に示した回路構成の蓄電装置(基本構成と呼ぶことにする)の代わりに使用する蓄電装置として蓄電装置(1)を構成したとして、蓄電装置(1)における容量素子(11)間の電圧アンバランスを検討してみる。なお、基本構成の蓄電装置は、8個の容量素子(101〜108)が直列に接続され、それぞれの容量素子(単セル)は、容量(単セル容量)が20Fである。したがって、それぞれの容量素子の出力電圧が2.5Vであるものとすると、この例では合成容量は2.5F、出力電圧は20V(=2.5V×8)である。
この基本構成の蓄電装置に相当する電力を、本実施形態の蓄電装置(1)で供給するには、直列容量素子ブロック(10)ひとつあたりの合成容量は、1.25Fとする必要がある。このとき、1つの直列容量素子ブロック(10)を8個の容量素子(11)を直列接続して構成するには、それぞれの容量素子(11)は、容量を10F、出力電圧を2.5Vとすればよい。
基本構成の蓄電装置は、直列接続の容量素子が1列のみなので、漏れ電流による電圧アンバランスを補正することはできない。そして、場合よっては、容量素子同士の漏れ電流の差が大きな(過充電になる)組み合わせになる場合もありえる。
また、例えば上記のグループ(A)の容量素子(11)のみで1つの基本構成の蓄電装置を製造し、グループ(A)の容量素子(11)のみで1つの基本構成の蓄電装置を製造することも考えられるが、これでは、製造する装置毎の漏れ電流の大きさが異なることになり、好ましくない。
これに対し、本実施形態では、それぞれの直列容量素子ブロック(10)における容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲は、該蓄電装置(1)全体における容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲よりも小さくなるように構成されている。上記の例では、容量素子(11)が、上記のように漏れ電流の大きさに応じて2つのグループ(A,B)に分けられ、1つの直列容量素子ブロック(10)は、1つのグループ内の容量素子(11)で構成されているので、直列容量素子ブロック(10)単位で見ると、漏れ電流のばらつき範囲は、理論的には基本構成の蓄電装置の半分以下になる。したがって、いずれの直列容量素子ブロック(10)においても、容量素子(11)間の電圧アンバランスが低減されることになる。これにより、この蓄電装置(1)に対して充電しても、容量素子(11)が過充電にはなり難くい。また、この具体例では、基本構成の2倍の個数の容量素子を使用するので、製造に使用する容量素子をより多く準備する必要があるが、これには、漏れ電流のばらつき範囲の偏りを小さくできるという効果もある。
以上のように、本実施形態によれば、蓄電装置における容量素子間の電圧アンバランスを低減することができる。しかも、無負荷状態で流れる電流は、各容量素子(11)の漏れ電流のみであり、容量素子にバランス抵抗を付加した蓄電装置のように、電圧アンバランス低減のために無駄なエネルギーを消費することがない。また、故障やコストアップに繋がる特別な回路も不要である。
なお、容量素子(11)の漏れ電流によるグループ分けは、上記のようにそれぞれのばらつき範囲が重ならないようにする必要は必ずしもない。例えば、図6に示すようにグループ間で、ばらつき範囲が重なっていてもよい。
《実施形態1の変形例1》
図7は、本発明の実施形態1の変形例1に係る蓄電装置の構成を示す回路図である。図7に示すように、本変形例に係る蓄電装置は、4つの直列容量素子ブロック(10)を備えている。
本変形例のように、直列容量素子ブロック(10)が4つある蓄電装置を製造する場合には、図8に示すように、使用する容量素子(11)を漏れ電流の大きさに応じて4つのグループに分ける。例えば、容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲が±20%あるとすれば、−20%以上且つ−10%より小のグループ(A)と、−10%以上で且つ0%より小のグループ(B)と、0%以上で且つ10%より小のグループ(C)と、10%以上で且つ20%以下のグループ(D)とに分けることが考えられる。図8の例では、32個の容量素子(11)(C1〜C32とする)の漏れ電流を測定した結果、それぞれ、C1〜C8がグループ(A)、C9〜C16がグループ(B)、C17〜C24がグループ(C)、C25〜C32がグループ(D)にグループ分けされている。
そして、それぞれの直列容量素子ブロック(10)は、何れか1つのグループ内の容量素子(11)を直列接続にして製造すれば、漏れ電流のばらつき範囲は、直列容量素子ブロック(10)単位で見ると、理論的には基本構成の蓄電装置の1/4以下になる。すなわち、容量素子(11)を2グループに分けた場合よりも漏れ電流のばらつき範囲が小さい。
このように各直列容量素子ブロック(10)における容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲は、グループ数に応じて小さくなる。つまり、直列容量素子ブロック(10)の数が多いほど、電圧アンバランスが小さいことになる。各直列容量素子ブロック(10)における漏れ電流のばらつき範囲は、漏れ電流が最大の容量素子(11)を満充電した際に、漏れ電流が最小の容量素子(11)が過充電にならない範囲となるのがよい。そこで、直列容量素子ブロック(10)の数(グループ数)は、この範囲に各直列容量素子ブロック(10)における容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲が収まるように定めることが考えられる。
《実施形態1の変形例2》
図9は、本発明の実施形態1の変形例2に係る蓄電装置の構成を示す回路図である。この変形例は、上記のように漏れ電流のばらつき範囲を狭めてもなお漏れ電流が最小の容量素子(11)が過充電になる場合などに、さらに直列容量素子ブロック(10)の漏れ電流のばらつき範囲を狭めたい場合に適用できる形態である。本変形例に係る蓄電装置は、直列容量素子ブロック(10)の構成が実施形態1の蓄電装置(1)と異なっている。具体的には、この蓄電装置では、容量素子(11)の漏れ電流の大きさのばらつき範囲が所定以上の直列容量素子ブロック(10)における、一部の容量素子(11)に対して、図9に示すように、抵抗器(12)が並列接続されている。このとき、抵抗器(12)が付加されるのは一部の容量素子(11)のみでよい。具体的には、まず、その直列容量素子ブロック(10)内で漏れ電流が最小のものに抵抗器(12)を付加し、それでもその直列容量素子ブロック(10)が所望の漏れ電流の範囲に収まらない場合には、漏れ電流が小さい容量素子(11)から順に順次付加する抵抗器(12)の数を増やしてゆく。
このようにすることで、それぞれの直列容量素子ブロック(10)における容量素子(11)の漏れ電流のばらつき範囲を、実施形態1の蓄電装置(1)よりもさらに狭めることができる。このとき、抵抗器(12)によって蓄電したエネルギーが消費されることになるが、抵抗器(12)が付加されるのは一部の容量素子(11)のみでよいので、すべての容量素子に対してバランス抵抗が付加されている従来の蓄電装置と比べると、無駄なエネルギー消費は小さくなる。
《具体例》
例えば、出力電圧が2.5Vで、漏れ電流がそれぞれ0.1mA、0.05mAの2つの容量素子(11)が1つの直列容量素子ブロック(10)内に含まれていたとする。この場合、例えば、漏れ電流が0.05mAの容量素子(11)に対して抵抗器(12)を使って、0.05mAの電流をバイパスすれば、その端子電圧は、0.1mAの漏れ電流の容量素子(11)と等価に同なる。これには、抵抗器(12)として、R=2.5V/0.05mA=50kΩの抵抗器を接続すればよい。
《発明の実施形態2》
図10は、本発明の実施形態に係る蓄電装置(2)の構成を示すブロック図である。この蓄電装置(2)では、少なくとも1つの直列容量素子ブロック(10)において、該直列容量素子ブロック(10)内の複数の容量素子(11)が、並列容量素子ブロック(14)に置き換えられている。
−並列容量素子ブロック(14)の構成−
並列容量素子ブロック(14)は、複数(図10の例では2個)の副容量素子(13)が並列接続されている。この並列容量素子ブロック(14)では、副容量素子(13)として、EDLC(電気二重層キャパシタ)を採用している。ただし、副容量素子(13)の形式は、これに限定されるものではなく、種々の形式の容量素子を採用できる。なお、本実施形態では、これらの副容量素子(13)の容量は何れも同容量で、且つ出力電圧も同じであるものとする。並列容量素子ブロック(14)における、具体的な副容量素子(13)の容量、個数等については、後に具体例で詳述する。
本実施形態では、上記のように副容量素子(13)同士を並列接続して、漏れ抵抗のばらつきを平均化している。その際、並列接続する副容量素子(13)を、漏れ電流の大きさに応じて選択し、並列容量素子ブロック(14)単位の漏れ電流値ができるだけ同じ値になるようにしている。
具体的には、蓄電装置(1)全体の副容量素子(13)うちの漏れ電流の大きさが最大の副容量素子(13)及び漏れ電流の大きさが最小の副容量素子(13)の少なくとも一方は、その副容量素子(13)とは漏れ電流の大きさが異なる副容量素子(13)と並列接続されるようにしている。
つまり、後に例示するように、漏れ抵抗が最大の副容量素子(13)のみで構成した並列容量素子ブロック(14)と、漏れ抵抗が最小の副容量素子(13)のみで構成した並列容量素子ブロック(14)とが蓄電装置(2)に含まれている場合には、並列容量素子ブロック(14)単位で見た漏れ電流のばらつき範囲が、副容量素子(13)単位で見た漏れ電流のばらつき範囲と同じになるため、このような副容量素子(13)の組み合わせを除外しているのである。
より効果的に各並列容量素子ブロック(14)の漏れ電流の大きさを揃えるには、漏れ電流が最大、最小の副容量素子(13)以外の副容量素子(13)の漏れ電流の大きさも考慮して、各並列容量素子ブロック(14)に使用する副容量素子(13)を選択するのがよい。これには、一例として次のような方法がある。
まず、並列容量素子ブロック(14)の製造に使用する副容量素子(13)を、漏れ電流の大きさに応じて、複数のグループに分ける。このときのグループ数は、該並列容量素子ブロック(14)において並列接続される副容量素子(13)の個数とするのがよい。すなわち、本実施形態では、並列容量素子ブロック(14)が2つの副容量素子(13)で構成されているので、副容量素子(13)を漏れ電流の大きさに応じて2つのグループに分ける(図4を参照)。例えば、副容量素子(13)の漏れ電流のばらつき範囲が±20%あるとすれば、−20%以上で且つ0%以下のグループ(A)と、0%より大で且つ+20%以下のグループ(B)とに分け、並列容量素子ブロック(14)内の一方の副容量素子(13)としてグループ(A)内の副容量素子(13)を選択し、他方の副容量素子(13)としてグループ(B)内の副容量素子(13)を選択する。
次に、それぞれのグループから選んだ副容量素子(13)を並列接続する。このとき、並列接続する副容量素子(13)は、漏れ電流の差が大きな組み合わせ(漏れ抵抗の差が大きな組み合わせ)となるように選ぶのが好ましい。例えば、上記の例では、グループ(A)内の漏れ電流が最小の副容量素子(13)と、グループ(B)内の漏れ電流が最大の副容量素子(13)とを組み合わせるのがよい。
−蓄電装置(2)における並列容量素子ブロック(14)間の電圧アンバランス−
例えば、実施形態1の蓄電装置(1)で、一方の直列容量素子ブロック(10)内の2つの容量素子(11)を、それぞれ並列容量素子ブロック(14)で置き換えたとする。この場合、並列容量素子ブロック(14)ひとつあたりの合成容量は、10Fとする必要がある。例えば、1つの並列容量素子ブロック(14)を2個の副容量素子(13)を並列接続して構成するとすれば、それぞれの副容量素子(13)は、容量を5F、出力電圧を2.5Vとすればよい。このとき、容量素子(11)の容量を10F、出力電圧を2.5V、漏れ抵抗の中央値を20kΩとして±20%のばらつきを有しているとする。これに対し、副容量素子(13)の漏れ抵抗は、並列容量素子ブロック(14)を直列容量素子ブロック(10)内の容量素子(11)と等価にするために、そのばらつき範囲は40kΩ±20%であるものとする。つまり、蓄電装置(2)全体における副容量素子(13)の漏れ電流のばらつき範囲は、漏れ抵抗に換算して、40kΩ±20%である。
《具体例》
例えば、4つの副容量素子(13)の漏れ電流を測定し、それを漏れ抵抗に換算したところ、それぞれ32kΩが2つ、48kΩが2つであったとする。この場合は、中央値の40kΩを境界にして副容量素子(13)を2つのグループに分ける。この例では、一方グループには漏れ抵抗が32kΩの副容量素子(13)のみ、もう一方のグループには漏れ抵抗が48kΩの副容量素子(13)のみがそれぞれ含まれる。したがって、この例では、漏れ抵抗が32kΩの副容量素子(13)と漏れ抵抗が48kΩの副容量素子(13)とを並列接続した並列容量素子ブロック(14)を2つ形成し、それらの並列容量素子ブロック(14)を用いて一方の直列容量素子ブロック(10)を形成する。
この構成の蓄電装置(2)では、図11に示すように、それぞれの並列容量素子ブロック(14)は、何れも32kΩの抵抗と48kΩの抵抗が並列接続された状態(すなわち19.2kΩ)であるので、それぞれの並列容量素子ブロック(14)単位の漏れ抵抗は、何れも19.2kΩである。したがって、蓄電装置(2)全体では、漏れ抵抗が19.2kΩの容量素子が2つ直列接続された状態と等価と見ることができる。この状態では、2つの並列容量素子ブロック(14)間には電圧のアンバランスを生じない。また、この19.2kΩという値は、容量素子(11)の漏れ抵抗の中央値である20kΩにも近い値であり、並列容量素子ブロック(14)に直列接続された容量素子(11)との電圧アンバランスも小さい。
以上のように、本実施形態によれば、蓄電装置における容量素子間の電圧アンバランスを低減することができる。しかも、無負荷状態で流れる電流は、各容量素子(11)及び副容量素子(13)の漏れ電流のみであり、容量素子にバランス抵抗を付加した蓄電装置のように、電圧アンバランス低減のために無駄なエネルギーを消費することがない。また、故障やコストアップに繋がる特別な回路も不要である。
本発明に係る蓄電装置は、容量素子に蓄電して電力を供給する蓄電装置として有用である。
本発明の実施形態に係る蓄電装置(1)の構成を示すブロック図である。 容量素子の端子電圧の経時変化を示す図である。 容量素子の等価回路を示す図である。 容量素子の漏れ電流のばらつき、及び容量素子のグループ分けを説明する図である。 容量素子が一列分だけ直列接続された蓄電装置(基本構成)の回路図である。 容量素子のグループ分けの他の一例を示す図である。 本発明の実施形態1の変形例1に係る蓄電装置の構成を示す回路図である。 実施形態1の変形例1における、容量素子のグループ分けを説明する図である。 本発明の実施形態1の変形例2に係る蓄電装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る蓄電装置(2)の構成を示すブロック図である。 並列容量素子ブロック(14)単位の漏れ抵抗を説明する図である。
符号の説明
10 直列容量素子ブロック
11 容量素子
12 抵抗器
13 副容量素子
14 並列容量素子ブロック
30 接続部

Claims (4)

  1. 容量素子に蓄電して電力を供給する蓄電装置であって、
    複数の容量素子(11)が直列接続された複数の直列容量素子ブロック(10)と、
    前記複数の直列容量素子ブロック(10)を互いに並列接続する接続部(30)と、
    を備え、
    前記蓄電装置全体の容量素子(11)の中で、漏れ電流が最大のものと最小のものとは、互いに異なる直列容量素子ブロック(10)に含まれていることを特徴とする蓄電装置。
  2. 請求項1の蓄電装置において、
    前記容量素子(11)の漏れ電流の大きさのばらつき範囲が所定以上の直列容量素子ブロック(10)は、その直列容量素子ブロック(10)内で漏れ電流が最小の容量素子に対して抵抗器(12)が並列接続されていることを特徴とする蓄電装置。
  3. 請求項1の蓄電装置において、
    前記容量素子(11)は、すべて同容量であることを特徴とする蓄電装置。
  4. 請求項1の蓄電装置において、
    前記複数の直列容量素子ブロック(10)のうちの少なくとも1つは、該直列容量素子ブロック(10)内の複数の容量素子(11)が、複数の副容量素子(13)が並列接続された並列容量素子ブロック(14)により構成され、
    前記蓄電装置全体のうちの漏れ電流の大きさが最大の副容量素子(13)及び漏れ電流の大きさが最小の副容量素子(13)の少なくとも一方は、該副容量素子(13)とは漏れ電流の大きさが異なる副容量素子(13)と並列接続されていることを特徴とする蓄電装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105958621A (zh) * 2016-04-29 2016-09-21 合容电气股份有限公司 一种用于电容器组桥差保护不平衡电流调平方法

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