JP3781124B2 - キャパシタ蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、並列モニタを用いて複数のキャパシタの電圧を所定値に揃えるようにしたキャパシタ電圧の初期化機能と、出力電圧の変動幅を小さくするために複数のキャパシタの接続状態を切り換えるバンク切換機能とを備えたキャパシタ蓄電装置に関するものである。

電気二重層キャパシタ等からなる複数のキャパシタを、前記初期化機能及びバンク切換機能を実現する電子回路と組み合わせて構成したキャパシタ蓄電装置は、ＥＣＳ(Energy Capacitor System）またはＥＣａＳＳ（Energy Capacitor Systems）(登録商標)として既に知られている（後述する非特許文献１を参照）。
ここで、初期化機能とは、直列接続される複数のキャパシタの静電容量や初期電圧の相違に起因して各キャパシタの分担電圧が不均一になるのを防止するため、個々のキャパシタに並列接続された並列モニタを用いて、各キャパシタを一定電圧に充電する機能である。本機能を定期的に使用することにより、各キャパシタの動作点がずれていくのを元に戻すことができ、キャパシタを定格電圧で安全に使うことができる。
また、バンク切換機能とは、個々のキャパシタの電圧が高いときには複数のキャパシタを並列接続し、電圧が低いときにはこれらを直列接続することにより、蓄電装置全体としての出力電圧や充電時の電圧の変動幅を小さくして安定化させるために、複数のキャパシタの接続状態をスイッチによって切り換えるものであり、例えば、スイッチのいかなる動作状態でも切り離されるキャパシタがなく、また、全てのキャパシタに同一の耐電圧、静電容量の素子を使用可能な、いわゆるシフト形バンク切換法などが知られている。

さて、発明者は、上記初期化機能及びバンク切換機能を備えたキャパシタ蓄電装置を、後述の特許文献１として既に提案している。
この特許文献１に開示されたキャパシタ蓄電装置は、並列モニタによる初期化機能及びスイッチ手段によるバンク切換機能を実現する制御手段を備えたキャパシタ蓄電装置において、制御手段が、スイッチ手段によるバンク切換を行う電圧の近傍で並列モニタによる初期化を行う（バンク切換の直前または直後に初期化を行う）ようにしたものである。

ここで、図１（ａ）はキャパシタ蓄電装置におけるキャパシタバンクの一例（いわゆるシフト型２段バンク切換回路）を示しており、Ｃ１〜Ｃ４はキャパシタ、Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３は切換スイッチである。この図では、便宜的に並列モニタの図示を省略してある。
図１（ａ）から明らかなように、切換スイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３を切り換えることによって等価的に図１（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す接続状態を実現可能であり、上記スイッチの切換により、放電時には（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）、充電時には（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）といった順にキャパシタＣ１〜Ｃ４の接続状態を変更して、キャパシタ蓄電装置全体の出力電圧を所定値に維持している。
なお、図１（ｅ），（ｆ）の接続状態については後述する。

図１において、一部のキャパシタ（例えばＣ２，Ｃ３）を直列から並列に切り換える場合、例えば、図１（ｄ）から（ｃ）に切り換える場合には、図１（ａ）におけるスイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂを同時にオンしている。これにより、直列接続から並列接続に変更されたキャパシタＣ２，Ｃ３の電圧は両者の電圧差に応じた充放電により強制的に等しくなるので、擬似的な初期化現象が生じる。
ここで、並列モニタによる初期化の設定電圧を、バンク切換に影響されない満充電の設定電圧近くに選んだとすると、並列接続に変更されるキャパシタは、一充電サイクルの間に条件の異なる初期化動作を２回経験することになる。

図２は１個のキャパシタ（例えばＣ２またはＣ３）の充放電時の電圧変化を例示したものであり、Ｔ_Ａは直列接続（図１（ｄ）の状態）から並列接続（同（ｃ）の状態）へのバンク切換時点、Ｖ_Ａはバンク切換の設定電圧、Ｔ_Ｂは満充電到達時点、Ｖ_Ｂは満充電の設定電圧であるとする。
満充電状態から放電を開始し、休止時間を経て充電される場合、満充電時に全てのキャパシタ電圧を揃えても、満充電の設定電圧Ｖ_Ｂに対してキャパシタ電圧が１／２程度であるバンク切換時点Ｔ_Ａでは、並列接続されるキャパシタごとの静電容量に反比例した電圧のばらつきを生じている。従来ではこの状態でバンク切換を行って２個のキャパシタを強制的に並列接続するため、キャパシタ間にクロスカレント（横流）が流れて電力損失を生じる。

また、バンク切換時点Ｔ_Ａから満充電の設定電圧Ｖ_Ｂに向けて充電していくと、再び静電容量に反比例した電圧のばらつきが発生するので、並列モニタの動作により電圧が高くなろうとするキャパシタの電流を消費し、全てのキャパシタの電圧を等しくするような動作が行われる。キャパシタ間の静電容量のばらつきが大きいほどこの動作は激しくなり、電力損失が一層増加することとなる。また、この電力損失は、並列モニタによる初期化の設定電圧とバンク切換時の設定電圧との差が大きいほど大きくなる。

そこで、特許文献１の発明では、バンク切換時のキャパシタ電圧の近傍で初期化を行う（並列モニタによる初期化の設定電圧を、図２におけるバンク切換時の設定電圧Ｖ_Ａの前後のＶ_ＣやＶ_Ｃ’とすることにより、初期化時点を時点Ｔ_Ａに近付ける）こととした。
これにより、キャパシタに静電容量のばらつきがあったとしても、バンク切換時には、並列接続されるキャパシタの電圧の差が小さくなっているので、切換により強制的に並列接続した際のキャパシタ間の横流を少なくすることができ、電力損失の減少及びエネルギー効率の向上を可能にしている。

岡村廸夫、「電気二重層キャパシタと蓄電システム 第２版」、第５章 電子回路の技術、ｐ．１２９−ｐ．１６４、日刊工業新聞社、２００１年２月２８日発行 特開２００３−１１１２８６号公報（請求項１，２，５、［００２４］〜［００２９］、図２〜図４等）

しかしながら、初期化の設定電圧をＶ_ＣまたはＶ_Ｃ’としてキャパシタを初期化したとしても、このキャパシタが充電されて満充電電圧Ｖ_Ｂに達するまでに、依然としてキャパシタの静電容量に反比例した電圧のばらつきが発生する。仮に初期化の設定電圧をＶ_Ｃとし、このＶ_Ｃが満充電電圧Ｖ_Ｂの１／２であるとした場合、Ｖ_Ｃで初期化してキャパシタの電圧を揃えたとしても、キャパシタの電圧が満充電電圧Ｖ_Ｂに到達する時点の電圧のばらつきは、初期化を行わない場合に比べて１／２に圧縮されるものの、ある程度の値となるため、並列モニタの動作により電圧が高くなろうとするキャパシタの電流を消費し、電力損失の原因となる。

このため、キャパシタ蓄電装置の設計に当たって上記ばらつき分の電圧余裕を見込んでおく必要が生じ、ほぼ満充電電圧Ｖ_Ｂで初期化する並列モニタ本来の特性に比べて、マージンを含めた低い満充電電圧を設定せざるを得なくなる。このことは、
Ｕ＝ＣＶ^２／２ （Ｕ：キャパシタの蓄電エネルギー，Ｃ:キャパシタの静電容量，Ｖ：キャパシタの電圧）
によって表される蓄電エネルギーの減少を意味しており、キャパシタの持つ能力を有効に利用できないと問題を生じていた。
そこで本発明は、電力損失を少なくしてキャパシタの持つ能力を最大限に利用するようにしたキャパシタ蓄電装置を提供しようとするものである。

上記の課題を解決するため、本発明では、バンク切換時に並列接続されるべき複数のキャパシタを同時に並列接続するのではなく、切換スイッチを交互にオンオフさせることでこれらのキャパシタを交互に接続するようにした。
前述した如く、特許文献１では、図１（ｄ）から（ｃ）へのバンク切換時に、図１（ａ）におけるスイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂを同時に切り換えてオンさせることにより、キャパシタＣ２，Ｃ３を同時に並列接続している。この場合、バンク切換時点と初期化時点が接近しているため、バンク切換時において並列接続されるキャパシタＣ２，Ｃ３間の電圧差は小さく、横流の発生は抑制できるが、その後の充電期間において各キャパシタＣ２，Ｃ３の静電容量のばらつきによって電圧の差が生じてくると、満充電電圧に到達する時点で並列モニタの動作により、電圧が高くなろうとするキャパシタの電流を消費し、電力損失を招く。

そこで本発明では、図１（ａ）のスイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂを同時にはオンせず、交互にオンオフすることにより、図１（ｃ）の並列接続状態を擬似的に実現する。
ここで、図３は本発明におけるスイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂの基本的動作を示すタイミングチャートである。すなわち、図１（ｄ）の状態から、図３に示す如くスイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂを交互にオンオフすると、図１（ｆ）に示すようにキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ４の直列接続またはＣ１，Ｃ３，Ｃ４の直列接続が交互に繰り返されることになる。
こうするとキャパシタＣ２，Ｃ３が並列接続される機会は生じないから、キャパシタＣ２，Ｃ３の電圧が異なる場合でも横流が発生せず、それぞれの電圧がエネルギーの授受によって強制的に均一化されることはない。また、スイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂのオンオフによるバンク切換動作を行いながら充放電を行っても初期化の設定電圧からのズレはほとんど生じず、並列モニタによる初期化と併用してキャパシタの性能を最大限に活用し得る蓄電装置を提供することができる。

同様にして、図１（ｃ）から（ｂ）の接続状態に切り換える場合でも、スイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂを同時にはオンせずに交互にオンオフすることにより、図１（ｅ）に示すようなキャパシタＣ１，Ｃ２の直列接続またはＣ３，Ｃ４の直列接続を交互に繰り返し、これら両方の状態によって図１（ｂ）の並列接続状態を擬似的に実現する。

上記切換スイッチとしては、機械式リレーのほか、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチを使用することができる。
図４は、ＭＯＳＦＥＴを用いた切換スイッチの例である。ＭＯＳＦＥＴ ＳＦ−１及び逆阻止ダイオードＤ１の直列接続回路と、同じくＳＦ−２及びＤ２の直列接続回路とを逆並列に接続して双方向スイッチ回路を構成しており、このスイッチ回路を、図１（ａ）における１個の切換スイッチ（例えば、Ｓ１ａ）として用いる。そして、各ＭＯＳＦＥＴ ＳＦ−１，ＳＦ−２を充電時及び放電時に単独で制御することにより、一方向の電流を通流可能としている。

次に、図５は、図４に示したような切換スイッチを用いて図１（ａ）のシフト型２段バンク切換回路を構成し、図１（ｄ）から（ｃ）の切換を行う際の切換スイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂのタイミングチャートである。
本発明において、基本的には、図３に示した如く切換スイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂを交互にオンオフするものであるが、各キャパシタの充放電電流を連続的に流すために、図５にハッチングで示すように１０［μｓｅｃ］〜１［ｍｓｅｃ］程度の同時オン時間を設ける。このようにスイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂを同時にオンさせても、スイッチ２ａ，Ｓ２ｂは充電時及び放電時においてそれぞれ一方向の電流しか流さないため、横流が発生することはない。また、スイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂの動作周期は特に限定されるものではないが、例えば１秒間オン、１秒間オフというように切り換えた場合、同時オン時間の充放電による初期化への影響は無視することができる。

以上をまとめると、請求項１に記載した発明は、複数のキャパシタの接続状態を切換スイッチにより切り換えて所定の電圧を出力するバンク切換機能を備えたキャパシタ蓄電装置において、直列接続されている複数のキャパシタを並列接続するためにオンするべき複数の切換スイッチを、交互にオンオフさせるものである。

また、請求項２に記載した発明は、複数のキャパシタと、これらのキャパシタにそれぞれ並列に接続されて各キャパシタの電圧を所定値に初期化するための並列モニタと、複数のキャパシタの接続状態を切換スイッチにより切り換えて所定の電圧を出力するバンク切換機能と、を備えたキャパシタ蓄電装置において、直列接続されている複数のキャパシタを並列接続するためにオンするべき複数の切換スイッチを、交互にオンオフさせるものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載したキャパシタ蓄電装置において、前記複数の切換スイッチを、充放電電流を連続させるための同時オン時間を保有しながら交互にオンオフさせるものである。

請求項４に記載した発明は、請求項１，２または３に記載したキャパシタ蓄電装置において、前記切換スイッチがＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチを備え、かつ、双方向単独に電流を通流及び遮断可能であることを特徴とする。

本発明によれば、複数のキャパシタの接続状態を直列接続から並列接続に切り換える際に、切換スイッチを交互にオンオフすることで複数のキャパシタが同時に並列接続される状態を回避しているので、これらのキャパシタ間で横流が流れることがなく、電力損失を減少させることができる。
また、並列接続されるべき複数のキャパシタに対し、バンク切換を行いながら充放電を行っても初期化電圧からのずれをほとんど生じず、充電末期においてキャパシタの電圧がばらつくこともないため、並列モニタの頻繁な動作により電力の浪費や充放電効率の低下を招くおそれもなく、キャパシタの持つ能力を最大限に発揮した蓄電装置を実現することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図６は、実施形態に係るキャパシタ蓄電装置２０と、この蓄電装置２０に対し充放電を行う電力変換装置１０と、蓄電装置２０から給電される抵抗負荷３０とからなる充放電システムの全体構成図である。
その動作の概要としては、電力変換装置１０の充放電主回路１３から定電力でキャパシタ蓄電装置２０のキャパシタ群２３を充電し、また、キャパシタ群２３からバンク切換主回路２１を介し定電力で抵抗負荷３０に放電するようになっている。

電力変換装置１０は、交流電力を直流電力に変換する電力変換回路としての交直変換主回路１１と、その制御回路１２と、キャパシタ群２３に対し充放電動作を行い、抵抗負荷３０に対し放電動作を行う充放電主回路１３と、これをＰＷＭ（パルス幅変調）制御する制御回路１４とから構成されている。
また、キャパシタ蓄電装置２０は、複数のキャパシタの接続状態を切り換える複数の切換スイッチを備えたバンク切換主回路２１と、その制御回路２２と、キャパシタ群２３とから構成されており、キャパシタ群２３を構成する個々のキャパシタには並列モニタ付の電気二重層キャパシタが用いられている。なお、並列モニタとしては、例えば、前述した特許文献１の図５に記載された回路を使用することができる。

充放電制御回路１４は、充放電主回路１３からのキャパシタの充放電電圧信号及び充放電電流信号を取り込み、これらが設定値に等しくなるようにＰＷＭ信号を作成して充放電主回路１３内の半導体スイッチング素子のオンオフを制御している。
バンク切換制御回路２２は、バンク切換主回路２１から送られる充放電電流信号から充電、放電のどちらのモードであるかを判断すると共に、充放電電圧信号によりキャパシタ電圧がバンク切換の設定電圧に達したことを検出し、切換信号をバンク切換主回路２１に送ってバンク切換を実行する。

図７（ａ）は、キャパシタ群２３の具体的構成例を示す図であり、キャパシタＣ１〜Ｃ８及び切換スイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３によってシフト型２段バンク切換回路が構成されている。切換スイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３には、図４と同様にＭＯＳＦＥＴからなる半導体スイッチと逆阻止ダイオードとの直列接続回路を２個、逆並列に接続したものを用いている。なお、Ｓ１ａ−１，Ｓ１ａ−２，Ｓ１ｂ−１，Ｓ１ｂ−２，Ｓ２ａ−１，Ｓ２ａ−２，Ｓ２ｂ−１，Ｓ２ｂ−２，Ｓ３−１，Ｓ３−２は、それぞれ切換スイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３を構成する半導体スイッチである。
これらの半導体スイッチのうち、充電時には、Ｓ１ａ−１，Ｓ１ｂ−１，Ｓ２ａ−１，Ｓ２ｂ−１，Ｓ３−１を制御し、放電時には、Ｓ１ａ−２，Ｓ１ｂ−２，Ｓ２ａ−２，Ｓ２ｂ−２，Ｓ３−２を制御して各キャパシタの充放電を行う。

次に、上記構成において、キャパシタ群２３のバンク切換を行いながら充放電を行う場合の実施例を述べる。
まず、キャパシタ（電気二重層キャパシタ）Ｃ１〜Ｃ８としては、例えば定格電圧がＤＣ２４［Ｖ］、定格静電容量が３３３［Ｆ］、蓄電エネルギーが２７［Ｗｈ］の、並列モニタ付のキャパシタモジュールを使用した。バンク切換は、放電時に図７（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）の順で行い、充電時に（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）の順で行い、バンク切換電圧は、放電時がＤＣ６０Ｖ、充電時がＤＣ９６Ｖとした。
なお、図７（ｂ），（ｃ）の接続状態は何れもキャパシタの並列回路を含んでいるが、同時オン時間を除いてスイッチＳ１ａとＳ１ｂとは交互にオンオフし、同じくＳ２ａとＳ２ｂとは交互にオンオフするので、例えば図７（ｃ）に示すようにキャパシタＣ３，Ｃ４の直列回路と同Ｃ５，Ｃ６の直列回路とが定常的に並列接続されることはない。つまり、図７（ｃ）に関して言えば、バンク切換時には、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ７，Ｃ８の直列接続とＣ１，Ｃ２，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８の直列接続とが交互に繰り返されるのであり、図７（ｃ）はこれらの接続状態を合成して擬似的に示したものに過ぎない。このことは、図７（ｂ）についても同様である。
この意味で、図７（ｂ），（ｃ）の状態は擬似的な並列接続状態ということができる。

上述した図７（ｂ），（ｃ）の擬似的並列接続状態では、それぞれ図８，図９に示すように、スイッチＳ１ａとＳ１ｂ、Ｓ２ａとＳ２ｂを約１秒毎に交互にオンオフすることとし、オンオフの切換時に１［ｍｓｅｃ］の同時オン時間を設けた。
因みに、図８によれば、充電時に半導体スイッチＳ２ａ−１とＳ２ｂ−１とが交互にオンオフするので、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ７，Ｃ８の直列接続とＣ１，Ｃ２，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８の直列接続とが交互に繰り返され、図７（ｃ）の擬似的並列接続状態が実現されることとなる。
また、図９によれば、充電時に半導体スイッチＳ１ａ−１とＳ１ｂ−１とが交互にオンオフするので、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の直列接続とＣ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８の直列接続とが交互に繰り返され、図７（ｂ）の擬似的並列接続状態が実現されることとなる。
更に、図７（ｄ）の接続状態では、スイッチＳ３を連続オンとした。
放電電力は充放電主回路１３の放電側出力端において一定とし、充電電力は充放電主回路１３の充電側出力端において一定とした。

上述した条件のもとで、キャパシタＣ１〜Ｃ８の充放電及びバンク切換を行った場合のキャパシタ電圧の変化を図１０に示す。
図１０において、キャパシタの電圧は、全体、（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ３＋Ｃ４），（Ｃ５＋Ｃ６），（Ｃ７＋Ｃ８）について測定した。放電開始前は図７（ｂ）の接続状態になっており、そのときの全体電圧は、キャパシタモジュールの初期化電圧である２５［Ｖ］の４直列接続状態で１００［Ｖ］である。また、（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ３＋Ｃ４），（Ｃ５＋Ｃ６），（Ｃ７＋Ｃ８）はそれぞれ２５［Ｖ］の２直列接続状態で５０［Ｖ］である。

放電開始時には、半導体スイッチＳ１ａ−２，Ｓ１ｂ−２を約１秒ごとにオンオフさせることにより、擬似的に図７（ｂ）の接続状態が実現されている。
この際の半導体スイッチＳ１ａ−２，Ｓ１ｂ−２の動作状態は図９のとおりであり、Ｓ１ａ−２とＳ１ｂ−２との間では、放電電流を連続的に流すための同時オン時間が確保される。

図１０に示すように、放電開始と共に（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ３＋Ｃ４），（Ｃ５＋Ｃ６），（Ｃ７＋Ｃ８）の電圧はほぼ同じ割合で低くなっていき、全体電圧が約６０［Ｖ］になった時点で半導体スイッチＳ１ａ−２，Ｓ１ｂ−２のオンオフを停止し、Ｓ２ａ−２，Ｓ２ｂ−２をオンオフすることにより、図７（ｂ）→（ｃ）のバンク切換が行われている。
この際、半導体スイッチＳ２ａ−２，Ｓ２ｂ−２の動作状態は前述した図８のとおりであり、Ｓ２ａ−２とＳ２ｂ−２との間には、放電電流を連続的に流すための同時オン時間が確保される。
また、図７（ｂ）→（ｃ）のバンク切換により、全体電圧が瞬時に増加する。

その後は、擬似的に並列接続された（Ｃ３＋Ｃ４），（Ｃ５＋Ｃ６）の方が、直列接続された（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ７＋Ｃ８）よりも電圧の低下が小さくなっている。そして、全体電圧が再び約６０［Ｖ］になった時点で半導体スイッチＳ２ａ−２，Ｓ２ｂ−２のオンオフを停止し、かつ、半導体スイッチＳ３−１，Ｓ３−２がオンすることによって図７（ｃ）→（ｄ）のバンク切換が行われ、全体電圧が瞬時に増加する。

また、休止時間を経た充電開始と共に、（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ３＋Ｃ４），（Ｃ５＋Ｃ６），（Ｃ７＋Ｃ８）の電圧は放電時と逆の変化で高くなっていき、全体電圧が約９６［Ｖ］になった時点で半導体スイッチＳ３−１，Ｓ３−２をオフとし、半導体スイッチＳ２ａ−１，Ｓ２ｂ−１をオンオフすることにより、図７の（ｄ）→（ｃ）のバンク切換が行われ、全体電圧が瞬時に低下する。
この際の半導体スイッチＳ２ａ−１，Ｓ２ｂ−１の動作状態は図８のとおりであり、Ｓ２ａ−１とＳ２ｂ−１との間では、充電電流を連続的に流すための同時オン時間が確保される。

その後、全体電圧が再び増加し、約９６［Ｖ］になった時点で半導体スイッチＳ２ａ−１，Ｓ２ｂ−１のオンオフを停止し、かつ、半導体スイッチＳ１ａ−１，Ｓ１ｂ−１をオンオフさせることにより図７の（ｃ）→（ｂ）のバンク切換が行われ、全体電圧が再度、瞬時に低下する。
この際の半導体スイッチＳ１ａ−１，Ｓ１ｂ−１の動作状態は図９のとおりであり、Ｓ１ａ−１とＳ１ｂ−１との間では、充電電流を連続的に流すための同時オン時間が確保される。

図７（ｃ）→（ｂ）のバンク切換後は、（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ３＋Ｃ４），（Ｃ５＋Ｃ６），（Ｃ７＋Ｃ８）の電圧がほぼ等しくなった状態を維持して充電終了まで推移する。
従って、上記のようにバンク切換を行いながら充放電を行っても、電圧の高いところでほぼすべてのキャパシタが元の電圧に戻っていることから、バンク切換時に擬似的に並列接続されるキャパシタの相互間でエネルギーが授受（いわゆる擬似的な初期化）されておらず、それによる電力損失が発生していないことが確認された。

しかし上述した図１０の例では、使用したキャパシタに静電容量のばらつきが少なかったため、本発明の作用効果が明確になっていない。そこで、各キャパシタの静電容量のばらつきを模擬するため、満充電後に（Ｃ３＋Ｃ４）及び（Ｃ７＋Ｃ８）についてそれぞれ５［Ｖ］放電させ、その状態で上記同様の充放電動作を行わせた。この結果を図１１に示す。
また、比較例として、図８，図９に示したようなスイッチングを行わず、バンク切換時に従来のように切換スイッチを同時にオンしてキャパシタを同時に並列接続した場合の結果を、図１２に示す。
図１１，図１２において、放電開始前の電圧は、全体電圧がキャパシタモジュールの初期化電圧である２５［Ｖ］の４直列接続状態（１００［Ｖ］）より５［Ｖ］低い９５［Ｖ］であり、（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ５＋Ｃ６）はそれぞれ２５［Ｖ］の２直列接続状態で５０［Ｖ］であり、（Ｃ３＋Ｃ４），（Ｃ７＋Ｃ８）はそれぞれ２５［Ｖ］の２直列接続状態より５［Ｖ］低い４５［Ｖ］である。

図１１によれば、キャパシタの擬似的な並列接続時にスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂ及びＳ２ａ，Ｓ２ｂを図８，図９の如く約１秒ごとに交互にオンオフを行ったことにより、放電開始時に（Ｃ３＋Ｃ４），（Ｃ７＋Ｃ８）の電圧が（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ５＋Ｃ６）よりも５［Ｖ］低い状態を、充電期間における図７（ｃ）→（ｂ）のバンク切換時以降に再現し、充電終了時まで維持することができた。これは、キャパシタの静電容量が使用前または使用中にばらついていたとしても、バンク切換時に擬似的に並列接続されるキャパシタの相互間でエネルギーの授受（擬似的な初期化）が行われていないことを意味している。

これに対し、従来のようにキャパシタを同時に並列接続する図１２の例では、放電開始時に（Ｃ３＋Ｃ４），（Ｃ７＋Ｃ８）の電圧が（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ５＋Ｃ６）よりも５［Ｖ］低い状態を、充電期間における図７（ｃ）→（ｂ）のバンク切換以降に再現することができず、５［Ｖ］の電位差がその半分の約２．５［Ｖ］となっている。
この現象は、放電時の図７（ｂ）→（ｃ）のバンク切換の際に同時に並列接続された（Ｃ３＋Ｃ４）と（Ｃ５＋Ｃ６）との間のエネルギーの授受により電圧が均等化されてしまい、結果的にキャパシタの初期化が行われたのと等価になったためである。従って、仮に放電開始時の電圧が（Ｃ１＋Ｃ２），（Ｃ３＋Ｃ４），（Ｃ５＋Ｃ６），（Ｃ７＋Ｃ８）の全てについて揃っていたとしても、各キャパシタの静電容量にばらつきがある場合には、充放電期間中にバンク切換を行うことにより、充放電を行った後の電圧の高いところでキャパシタ電圧にばらつきを生じることが想定される。

すなわち、上述した図１０〜図１２の結果から、複数のキャパシタの接続状態を直並列に切り換える切換スイッチＳ１ａとＳ１ｂ、及びＳ２ａとＳ２ｂについて、複数のキャパシタを並列接続するためにオンするべき複数のスイッチを交互にオンオフさせた場合には、バンクを切り換えながら充放電を行っても、その過程で複数のキャパシタが完全に並列接続される状態を生じない。従って、これらのキャパシタ間でエネルギーの授受が行われることはなく、擬似的な初期化動作が起こらないため、電力損失を生じることがない。また、充電末期におけるキャパシタ電圧のばらつきも少なくなるので、並列モニタの頻繁な動作による電力の浪費も生じない。
これに対し、従来のように並列接続されるべきキャパシタを同時に並列接続する場合には、バンク切換を行いながら充放電を行うと、各サイクルで擬似的な初期化動作が行われる結果、電力損失を生じると共に、充電末期にはキャパシタの電圧のばらつきをなくすために並列モニタが頻繁に動作することにより、電力の浪費や充放電効率の低下を招くことが予測される。

なお、上記の説明では、図７（ｄ）→（ｃ）間、及び、図７（ｃ）→（ｂ）間のバンク切換動作を例示したが、本発明は、更に多段にわたってもあらゆる並列接続の機会に適用することができる。
また、スイッチの動作周期は特に限定されるものではないが、スイッチングコンバータのように数［ｋＨｚ］〜数１００［ｋＨｚ］で作動させる必要はなく、例えば１秒おきにオンオフを切り換えるなど用途に応じた選択が可能である。すなわち、スイッチの適正な動作周期を設定することにより、スイッチング損失は定常損失と比べれば誤差程度のものとなる。また、スイッチングノイズ等は、スイッチングコンバータに準じて対処可能であり、二つの異なる電圧のキャパシタ、例えばＣ２とＣ３が切り換えられることによって生じる電圧の変化も、通常この種のバンク切換電源では、バンク切換時に遥かに大きな電圧変化が起こることが設計の前提となっているため、特に問題となることはない。

バンク切換によるキャパシタの接続状態を示す図である。 キャパシタの充放電時の電圧変化を示す図である。 本発明におけるバンク切換時の基本的なスイッチ動作を示すタイミングチャートである。 ＭＯＳＦＥＴを用いた切換スイッチの構成図である。 本発明における切換スイッチの動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態に係るキャパシタ蓄電装置を含む充放電システムの全体構成図である。 本発明の実施形態におけるキャパシタの接続状態を示す図である。 本発明の実施例における切換スイッチの動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例における切換スイッチの動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例におけるキャパシタ電圧の変化を示す図である。 本発明の実施例におけるキャパシタ電圧の変化を示す図である。 比較例におけるキャパシタ電圧の変化を示す図である。

符号の説明

１０：電力変換装置
１１：交直変換主回路
１２：交直変換制御回路
１３：充放電主回路
１４：充放電制御回路
２０：キャパシタ蓄電装置
２１：バンク切換主回路
２２：バンク切換制御回路
２３：キャパシタ群
３０：抵抗負荷
ＳＦ−１，ＳＦ−２：ＭＯＳＦＥＴ
Ｄ１，Ｄ２：逆阻止ダイオード
Ｃ１〜Ｃ８：キャパシタ
Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ３：切換スイッチ
Ｓ１ａ−１，Ｓ１ａ−２，Ｓ１ｂ−１，Ｓ１ｂ−２，Ｓ２ａ−１，Ｓ２ａ−２，Ｓ２ｂ−１，Ｓ２ｂ−２，Ｓ３−１，Ｓ３−２：半導体スイッチ

Claims (4)

1. 複数のキャパシタの接続状態を切換スイッチにより切り換えて所定の電圧を出力するバンク切換機能を備えたキャパシタ蓄電装置において、
   直列接続されている複数のキャパシタを並列接続するためにオンするべき複数の切換スイッチを、交互にオンオフさせることを特徴とするキャパシタ蓄電装置。
2. 複数のキャパシタと、これらのキャパシタにそれぞれ並列に接続されて各キャパシタの電圧を所定値に初期化するための並列モニタと、複数のキャパシタの接続状態を切換スイッチにより切り換えて所定の電圧を出力するバンク切換機能と、を備えたキャパシタ蓄電装置において、
   直列接続されている複数のキャパシタを並列接続するためにオンするべき複数の切換スイッチを、交互にオンオフさせることを特徴とするキャパシタ蓄電装置。
3. 請求項１または２に記載したキャパシタ蓄電装置において、
   前記複数の切換スイッチを、充放電電流を連続させるための同時オン時間を保有しながら交互にオンオフさせることを特徴とするキャパシタ蓄電装置。
4. 請求項１，２または３に記載したキャパシタ蓄電装置において、
   前記切換スイッチが半導体スイッチを備え、かつ、双方向単独に電流を通流及び遮断可能であることを特徴とするキャパシタ蓄電装置。

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