JP4037031B2

JP4037031B2 - 直列段数切換電源装置

Info

Publication number: JP4037031B2
Application number: JP2000086100A
Authority: JP
Inventors: 浩水谷; 裕幸勝川; 重幸杉本; 重明小川; 廸夫岡村
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2020-03-27
Also published as: JP2001275251A

Description

【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８−１６８１８２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Ｃ１、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１１−２９９１１２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Ｑ１〜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Ｑ１、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、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１２Ｖ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Ｔｈ２−１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１９．２Ｖ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Ｔｈ９−１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２４Ｖ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２４Ｖ、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Ｔｈ５−０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Ｔｈ３−０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Ｃ１、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Ｃ５、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ｔ１１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ＳＡ−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，Ｓ３１〜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〜Ｔｈ９−１…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、ＳＡ−Ｔｈ１，ＳＡ−Ｔｈ２，ＳＡ−Ｔｈ４，ＳＡ−Ｔｈ６，ＳＡ−Ｔｈ８…スイッチング回路電流、ｔ１，ｔ１１…回路切換タイミング、Ｔ１…充電放電工程時間、Ｖ１…全端子間電圧。

Claims

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、
前記スイッチング手段は、第１の前記サイリスタ又は前記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の前記サイリスタ又は前記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直列段数切換電源装置。
前記電池が電気二重層コンデンサである請求項１に記載の直列段数切換電源装置。
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に記載の直列段数切換電源装置。