JP3616216B2 - コンデンサの充電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術の分野】
本発明は、複数のコンデンサが接続され、電源として使用されるコンデンサブロックの各コンデンサに均等に充電を行うための充電制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
コンデンサブロックの各コンデンサに均等に充電を行う充電装置としては、各コンデンサと並列に第1のスイッチ手段とトランスの1次コイルとの直列回路を接続し、該トランスの2次コイルと第2のスイッチ手段とを調整端子に接続した構成とし、各コンデンサの充電電荷を該トランスを介して該調整端子から取り出し、充電用電源や他のコンデンサ等に回送することで各コンデンサの端子間電圧を均等にするようにしたものが知られている(特開平7─322515号)。
【0003】
また、2つのスイッチ手段の直列回路を2つのコンデンサの直列回路に並列に接続すると共に、2つのスイッチ手段の直列接続中点と2つのコンデンサの直列接続中点との間にインダクティブ素子を接続した構成とし、各スイッチをスイッチングして、各コンデンサの電荷を該インダクティブ素子を介して他のコンデンサに移動させることで、各コンデンサの端子間電圧を均等にするようにしたものが知られている(特開平7─322516号)。
【0004】
上記2つの充電装置は、いずれも各コンデンサ間で電荷を移動させることで各コンデンサの端子間電圧を均等にするものである。そして、先ず充電開始前にコンデンサブロックの各コンデンサの端子間電圧が均等になるように各コンデンサ間で電荷の移動を行う。これにより、各コンデンサの端子間電圧が等しい状態で充電を開始することができ、大電流で急速充電を行うときの充電率を高めることができる。しかし、各コンデンサの充電率は容量の違いなどによって異なるため、各コンデンサが充電を完了するのに要する時間は一致しない。そのため、上記2つの充電装置では、充電を完了したコンデンサにさらに電流が流れて該コンデンサが過充電となって破損するのを防ぐため、充電開始後は、常時各コンデンサの端子間電圧を規定充電電圧と比較し、端子間電圧が該規定充電電圧に達したコンデンサの電荷を他の端子間電圧が該規定充電電圧に達していないコンデンサに移動させることで各コンデンサが過充電されることを防ぎ、全てのコンデンサを該規定充電電圧まで充電するようにしている。
【0005】
このように、上記2つの充電装置では、大電流を扱うコイルが必要なため、各コンデンサの端子間電圧を均一にする均一化回路が大型になってしまうという不都合があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記不都合を解決し、コンデンサブロックの各コンデンサの充電を小型の回路を用い、最低限の熱損失で均等に行うことができるコンデンサの充電装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、一対の出力端子間に複数のコンデンサを接続して構成されたコンデンサブロックを充電用電源に接続して各コンデンサの充電を行うコンデンサの充電装置において、該出力端子間の電流経路に流れる電流を各コンデンサの箇所でバイパスするバイパス手段と、各コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段によって検出される各コンデンサの端子間電圧から各コンデンサの端子間電圧の増加率を算出する電圧増加率算出手段と、前記コンデンサブロックの充電開始後、前記電圧増加率算出手段によって得られる各コンデンサの端子間電圧の増加率を比較して、端子間電圧の増加率が最も大きいコンデンサに流れる電流をバイパスさせ、その後、端子間電圧の増加率が最も小さいコンデンサの端子間電圧が、バイパスされたコンデンサの端子間電圧以上の所定電圧に達したときに、該バイパスされたコンデンサのバイパスを解除すると共に、それまでバイパスされていたコンデンサ以外のコンデンサのうちで前記電圧増加率算出手段によって得られる端子間電圧の増加率が最も大きいコンデンサをバイパスする処理を繰り返す充電制御手段とを設けたことを特徴とする。
【0008】
かかる本発明によれば、先ず、端子間電圧の増加率が最も大きなコンデンサに流れる電流をバイパスさせるので、該コンデンサの充電が抑制される。そして、そのバイパス後、端子間電圧の増加率が最も小さいコンデンサの端子間電圧が、前記バイパスを行ったコンデンサの端子間電圧に達したときに、該バイパスを行ったコンデンサのバイパスを解除して充電を再開すると同時に、該バイパスを行ったコンデンサ以外のコンデンサの内、端子間電圧の増加率が最も大きなコンデンサをバイパスさせる。
【0009】
そして以後は、バイパスを行ったコンデンサの端子間電圧に、端子間電圧の増加率が最も小さいコンデンサの端子間電圧が達したときに、そのバイパスを解除して充電を再開し、該バイパスを解除したコンデンサ以外のコンデンサの内、端子間電圧の増加率が最も大きなコンデンサのバイパスを行う、という動作が繰り返される。そのため、各コンデンサの端子間電圧が均等になるように制御され、バイパスを行う時間が次第に短くなり、各コンデンサの充電をほぼ同時に終了させることができる。したがって、先に充電を完了したコンデンサが過充電されるのを防ぐため、該コンデンサに対応したバイパス電流路に電流を常時流すことで、前記バイパス手段において熱損失が発生し続けるという事態は生じない。
【0010】
そのため、大電力を扱う回路が不要となり、小型の回路で充電を行うことが可能となる。そして、各コンデンサの端子間電圧の均等性を保ちながら充電が行われるので、高い充電率を得ることができる。
【0013】
前記充電制御手段は、前記バイパス手段で消費される電力量の制限値を予め設定し、該電力量の制限値を超えない範囲で、端子間電圧の増加率が最も高いコンデンサを含めて該バイパス手段によってバイパスするコンデンサの個数を決定することを特徴とする。
【0014】
かかる本発明において、前記バイパス制御手段で消費される電力量の制限値を設定すると、充電が進み、各コンデンサの端子間電圧が上昇するにつれて、コンデンサをバイパスしたときに前記バイパス制御手段で消費される電力量が増加するため、バイパス可能なコンデンサの個数は減少する。しかし、充電が進むにつれて、各コンデンサの端子間電圧の差が減少してバイパスを行う必要があるコンデンサの個数も減少するため、前記バイパス制御手段で消費される電力量を一定値以下に抑えて充電を行うことができる。
【0015】
また、前記充電制御手段は、各コンデンサの端子間電圧の増加率と最大充電電圧の相関関係により作成されたバイパス時間マップを有し、該バイパス時間マップにより、各コンデンサのバイパス時間を設定することを特徴とする。
【0016】
かかる本発明によれば、設定されたバイパス時間の長いコンデンサから順次バイパスを行うことで、各コンデンサの端子間電圧の差を効率良く減少させることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の実施形態を図1から図3を参照して説明する。図1は本実施例のコンデンサの充電装置の構成図、図2、図3はコンデンサの充電時間と端子間電圧との関係を示すグラフである。図1を参照して、1はコンデンサであり、直列に接続されてコンデンサブロック2を構成する。3は充電用電源であり、コンデンサブロック2の一対の出力端子4、5と接続されてコンデンサ1に定電流を供給し、これらを充電する。各コンデンサ1はバイパス手段6と接続され、コンデンサ1に流れる電流がバイパス手段6によってバイパスされる。バイパス手段6は、バイパス電流路7と、バイパス電流路7と接続されたFET8とからなる。FET8のゲート端子は充電制御手段11と接続され、充電制御手段11からのハイ、ロー2レベルの信号出力によってFET8がオン、オフされる。
【0018】
充電制御手段11からの出力信号がローレベルのときは、FET8がオフとなるので、出力端子4、5間の電流経路からバイパス電流路7が遮断され、コンデンサ1に電流が流れる第1の状態(充電状態)となる。また、充電制御手段11からの出力信号がハイレベルのときには、FET8がオンしてバイパス電流路7が該電流経路に導通されるので、それまでコンデンサ1に流れていた電流がバイパス電流路7に流れる第2の状態(バイパス状態)となる。12は電圧検出手段である差動増幅器であり、コンデンサ1の両端子と接続されて、その端子間電圧を検出する。電圧検出手段12の出力端子は充電制御手段11と電圧増加率算出手段13とに接続される。電圧増加率算出手段13は、電圧検出手段12によって検出されるコンデンサ1の端子間電圧の時間変化から、コンデンサ1の出力端子間電圧の増加率を算出する。
【0019】
図2は図1に示したコンデンサブロック2を構成する3個のコンデンサ1の端子間電圧と充電時間との関係を示すグラフである。図2において、20、21、22は、充電開始後の前記3個のコンデンサ1の端子間電圧の増加状況を示している。充電開始点T0 では充電制御手段11から各バイバス制御手段6に対して、ローレベルの信号が出力される。即ち、前記第1の状態(充電状態)となり、各コンデンサ1に対して充電が開始される。その後T0 から所定時間経過したT1 で、3個のコンデンサ1の端子間電圧の増加率が電圧増加率算出手段13によって算出され、充電制御手段11に入力される。そして、充電制御手段11は、端子間電圧の増加率(グラフの傾き)が最大である20に対応したコンデンサ1に接続されたバイパス手段6に対して、ハイレベルの信号を出力する。これによって20に対応したコンデンサ1に接続されたバイパス手段6は前記第2の状態(バイパス状態)となり、20に対応したコンデンサ1がバイパスされ、充電が中断される。
【0020】
その後、充電制御手段11は、電圧検出手段12によって検出される上記バイパスを行った20に対応したコンデンサ1以外の各コンデンサ1の端子間電圧及び、電圧増加率算出手段13によって算出される各コンデンサ1の端子間電圧の増加率を一定時間毎に入力する。そして、端子間電圧の増加率が最小である22がV1 に達する時間T2 で20に対応したコンデンサ1に接続されたバイパス手段6に対してローレベルの信号を出力して、該バイパス手段6を前記第1の状態(充電状態)に戻してバイパスを解除し、充電を再開する。このとき同時に、21、22の内、端子間電圧の増加率が最大である21に対応したコンデンサ1に接続されたバイパス制御手段6に対してハイレベル信号を出力し、該バイパス制御手段6を前記第2の状態(バイパス状態)とする。これにより、21に対応したコンデンサ1がバイパスされ、充電が中断される。
【0021】
その後、充電制御手段11は、電圧検出手段12によって検出される上記バイパスを行った21に対応したコンデンサ1以外の20、22に対応した各コンデンサ1の端子間電圧及び、電圧増加率算出手段13によって算出される各コンデンサ1の端子間電圧の増加率を一定時間毎に入力する。そして、20、22の内、端子間電圧の増加率が最小である22がV2 に達する時間T3 で、21に対応したコンデンサに接続されたバイパス手段6に対してローレベルの信号を出力する。これにより、21に対応したコンデンサ1に接続されたバイパス手段6は前記第1の状態(充電状態)となり、バイパスが解除されて充電が再開される。このような制御を繰り返すと、バイパスを行う時間である、( T2 −T1)、(T3 −T2 )、・・・、が次第に短くなり、各コンデンサの端子間電圧が均等になるので、各コンデンサの充電をはぼ同時に終了することができる。したがって、バイパスによって発生する熱損失で本来充電に使用されるべき電気エネルギーが無駄になってしまうのを抑制することができる。
【0022】
尚、本実施例では、端子間電圧の増加率が最小である22がV1 に達したT2 で20に対応したコンデンサ1のバイパスを解除したが、図3に示すように22がV1 を越えた所定値Va になった時点Ta で20に対応したコンデンサ1のバイパスを解除してもよい。
【0023】
次に、本発明の第2の実施形態について、図4を参照して説明する。図4は6個のコンデンサが直列接続されたコンデンサブロックをバイパス制御を行って充電したときの、各コンデンサの端子間電圧の推移を示すグラフであり、縦軸が端子間電圧、横軸が充電時間である。尚、本第2の実施形態の装置構成は図1に示した前記第1の実施形態と同様であり、6個のコンデンサ1に対してそれぞれバイパス手段6と、電圧検出手段12と、電圧増加率算出手段13とが設けられる。
【0024】
本第2の実施形態では、バイパス手段6で消費される電力量の制限値(例えば3.0W)が予め定められ、該制限値を越えない範囲で複数個のコンデンサが同時にバイパスされる。また、コンデンサブロックには、充電用電源3から1Aの定電流が供給されて充電が行われる。
【0025】
図4のグラフを参照して、T0 で充電が開始されると、T1 、T2 、T3 で電圧増加率算出手段13によって検出される端子間電圧の増加率が最大であるコンデンサ41及びこれに準じるコンデンサ42、43がそれぞれバイパス手段6によりバイパスされる。このとき、バイパスされた各コンデンサ41、42、43の端子間電圧は0.5Vであるので、バイパス制御手段6で消費される電力量は、
1A × 0.5V × 4(個) = 2W ・・・ ▲1▼
となる。
【0026】
バイパスされたコンデンサ41、42、43は、電圧増加率算出手段13によって検出される端子間電圧の増加率が最小であるコンデンサ44及びこれに準ずるコンデンサ45、46の端子間電圧が1Vを越えた所定値以上となったT4 、T5 、T6 で、バイパス解除される。そして、バイパスされたコンデンサ41、42、43以外のコンデンサのうちで、端子間電圧の増加率が最大であるコンデンサ44がT7 でバイパスされる。このとき、バイパスされたコンデンサ44の端子間電圧は2Vであるので、バイパス制御手段6で消費される電力量は、
1A × 2V × 1(個) = 2W ・・・ ▲2▼
となる。
【0027】
そして、T8 で端子間電圧の増加率が最小であるコンデンサ46が、バイパスされたコンデンサ44の端子間電圧を越えた所定値となったときに、コンデンサ44のバイパスが解除され、コンデンサ45がバイパスされる。このとき、バイパスされたコンデンサ45の端子間電圧は2.3Vであるので、バイパス制御手段6で消費される電力量は、
1A × 2.3V × 1(個) = 2.3W ・・・ ▲3▼
となる。
【0028】
このように、▲1▼〜▲3▼に示すように、本第2の実施形態によれば、多数のコンデンサが接続されたコンデンサブロックを、複数のコンデンサをバイパスさせて各コンデンサ間の端子間電圧の差を縮小させながら充電を行うときに、バイパス制御手段で消費される電力量が予め定められた制限値以下に抑えられる。そのため、バイパス制御手段に備える放熱手段は、全てのコンデンサの満充電電圧時でバイパスさせる必要がなくなるため(端子間電圧が低い時点でバイパスさせるため)、該放熱手段を小型にすることができる。
【0029】
尚、本第2の実施形態では、コンデンサの端子間電圧の上昇率によって、バイパスするコンデンサを決定したが、充電開始時に、各コンデンサが必要とするバイパス時間を予測し(実験により決定した、端子間電圧の上昇率と必要バイパス時間との相関関係データマップを用意し、該データマップによって必要バイパス時間を予測する。)、該バイパス時間の長い順にバイパスするコンデンサを決定してもよい。このとき、バイパスされるコンデンサ間の端子間電圧は一定とはならないが、例えばバイパスFETのゲート電圧をPWM制御したり、又はゲート電圧をアナログ制御することで一定化することも可能である。
【0030】
また、本第2の実施形態では、充電開始後、端子間電圧が0.5Vになったコンデンサが発生したときに、バイパス制御を開始したが、充電開始直後にバイパス制御を開始してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の構成図。
【図2】本発明の第1の実施形態の充電状態を示すグラフ。
【図3】本発明の第1の実施形態の充電状態を示すグラフ。
【図4】本発明の第2の実施形態の充電状態を示すグラフ。
【符号の説明】
1…コンデンサ、2…コンデンサブロック、3…充電用電源、4,5…出力端子、6…バイパス手段、7…バイパス電流路、8…FET、11…充電制御手段、12…電圧検出手段、13…電圧増加率算出手段
Claims (3)
- 一対の出力端子間に複数のコンデンサを接続して構成されたコンデンサブロックを充電用電源に接続して各コンデンサの充電を行うコンデンサの充電装置において、該出力端子間の電流経路に流れる電流を各コンデンサの箇所でバイパスするバイパス手段と、各コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段によって検出される各コンデンサの端子間電圧から各コンデンサの端子間電圧の増加率を算出する電圧増加率算出手段と、
前記コンデンサブロックの充電開始後、前記電圧増加率算出手段によって得られる各コンデンサの端子間電圧の増加率を比較して、端子間電圧の増加率が最も大きいコンデンサに流れる電流をバイパスさせ、
その後、端子間電圧の増加率が最も小さいコンデンサの端子間電圧が、バイパスされたコンデンサの端子間電圧以上の所定電圧に達したときに、該バイパスされたコンデンサのバイパスを解除すると共に、それまでバイパスされていたコンデンサ以外のコンデンサのうちで前記電圧増加率算出手段によって得られる端子間電圧の増加率が最も大きいコンデンサをバイパスする処理を繰り返す充電制御手段とを設けたことを特徴とするコンデンサの充電装置。 - 前記充電制御手段は、前記バイパス手段で消費される電力量の制限値を予め設定し、該電力量の制限値を超えない範囲で、端子間電圧の増加率が最も高いコンデンサを含めて該バイパス手段によってバイパスするコンデンサの個数を決定することを特徴とする請求項1記載のコンデンサの充電装置。
- 前記充電制御手段は、各コンデンサの端子間電圧の増加率と最大充電電圧の相関関係により作成されたバイパス時間マップを有し、該バイパス時間マップにより、各コンデンサのバイパス時間を設定することを特徴とする請求項1又は請求項2記載のコンデンサの充電装置。
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