JP4940817B2

JP4940817B2 - 蓄電装置

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Publication number: JP4940817B2
Application number: JP2006213168A
Authority: JP
Inventors: 一樹森田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: EP2043219A4; US8134337B2; CN101501956A; WO2008015933A1; EP2043219A1; EP2043219B1; CN101501956B; US20090261782A1; KR20090028544A; KR101024138B1; JP2008043036A

Description

本発明は、蓄電素子を用いた蓄電装置に関するものである。

近年、環境への配慮や燃費向上のために停車時にエンジン駆動を停止するアイドリングストップ機能や、エンジン負荷を軽減するための電動パワーステアリングを搭載した自動車が市販されている。また、エンジン駆動を積極的に補うためのハイブリッドシステムや電動ターボシステム等が今後普及してくるものと予測される。さらに、車両の制動についても、従来の機械的な油圧制御から電気的な油圧制御への各種の提案がなされてきている。

このように、今後自動車が必要とする電力は極めて増大する傾向にあるが、従来の電力供給源であるバッテリだけでは、瞬発的な大電力供給が困難であるので十分に電力が賄えなかったり、バッテリが異常になった時、システムが動作しなくなる等の可能性があった。

これに対し、バッテリ異常時も含めて十分に電力を供給できる補助電源としての蓄電装置が、例えば特許文献１に提案されている。

図１３はこのような蓄電装置の概略回路図である。蓄電素子には大容量の電気二重層コンデンサからなるコンデンサセル１１０を用いている。これらを複数個直列に接続してコンデンサパック１１２が構成されている。コンデンサパック１１２にはバッテリ等の電源が接続されているので、この電源によりコンデンサセル１１０が充電される構成となる。

各コンデンサセル１１０には、その両端電圧のバランスを取るために例えばバランス抵抗器１１４のような負荷が並列に接続されている。各コンデンサセル１１０と各バランス抵抗器１１４の間にはリレースイッチ１１６が接続されている。リレースイッチ１１６はスイッチ部分を形成する常開型のリレー接点１１６ａとスイッチ部分を駆動する電磁コイル１１６ｂから構成されている。各電磁コイル１１６ｂは電源とグランド間に並列に接続され、電源側にアクセサリスイッチ１１８が接続された構成としている。従って、アクセサリスイッチ１１８をオンにすれば、全ての電磁コイル１１６ｂが駆動しリレースイッチ１１６がオンになる。

次に、このような蓄電装置の概略動作を説明する。

車両を起動すると、イグニションキーによりアクセサリスイッチ１１８がオンになる。その結果、上記したように全リレースイッチ１１６がオンになり、コンデンサセル１１０とバランス抵抗器１１４が並列接続される。従って、各コンデンサセル１１０には電源が印加され、充電が開始されるとともに、バランス抵抗器１１４が接続された状態となるので、各コンデンサセル１１０の両端電圧が等しくなるように自動的に調整される。これにより、コンデンサセル１１０への過充電を防止し長寿命化を図ることが可能となる。

次に、車両を停止すると、アクセサリスイッチ１１８がオフになる。これにより、全リレースイッチ１１６がオフになり、コンデンサセル１１０とバランス抵抗器１１４の接続が断たれる。その結果、各コンデンサセル１１０は配線から独立するので、車両停止前までに充電していた電荷を保持した状態となる。これにより、コンデンサセル１１０からの不要な放電を防止し、長期に渡って蓄電し続ける。このような動作によって、エンジン再始動時に備えた電力供給が可能となる。
特開平１０−２０１０９１号公報

上記の蓄電装置によると、確かにコンデンサセル１１０の過充電を防止し長寿命化を図ったり、車両停止時のコンデンサセル１１０の不要放電を抑えエンジン再始動時に電力供給ができるのであるが、車両停止時に蓄電したままコンデンサセル１１０を長時間放置すると自然放電を起こし、両端電圧は徐々に下がっていく。この時、コンデンサセル１１０には特性のバラツキがあるため、自然放電によるコンデンサセル１１０の両端電圧もばらつくことになる。この状態で車両を起動すると、リレースイッチ１１６がオンになりバランス抵抗器１１４がコンデンサセル１１０と接続されることにより、ばらついたコンデンサセル１１０の両端電圧がバランス抵抗器１１４により自動的に一定値に調整される。この時のコンデンサセル１１０の両端電圧の経時変化を図１４に示す。図１４で横軸は時間を、縦軸はコンデンサセル両端電圧をそれぞれ示す。車両起動時である時間ｔ０において、図１４のバラツキ幅と示した幅で両端電圧がばらついていたとしても、バランス抵抗器１１４によりバラツキが調整されながら充電されていき（これにより各コンデンサセル１１０の両端電圧は上昇していく）、時間ｔ２で各コンデンサセル１１０の両端電圧は、ほぼ等しい電圧Ｖ１になることがわかる。

しかし、電圧Ｖ１に至る時間ｔ２はバラツキ幅が大きいほど長くなるので、車両停止時の放置時間が短い場合であればバラツキ幅も少なく、従来の構成でも比較的短時間で電圧Ｖ１に至るのであるが、長時間放置するとコンデンサセル１１０の自己放電のバラツキにより、電圧バランスが取れるまでの時間（以下、バランス時間という）が数時間のオーダーと、極めて長くなっていた。このバランス時間は、コンデンサセル１１０の容量値とバランス抵抗器１１４の抵抗値から得られる時定数により決まるが、この場合、車両用の補助電源として必要な蓄電装置の容量値は決まっているので、バランス抵抗器１１４の抵抗値がバランス時間に影響することになる。

バランス抵抗器１１４の抵抗値は、コンデンサセル１１０からの放電をできるだけ抑え、不要な電力消費を低減するために、大きい値が望ましいが、大きすぎるとバランス時間が長くなるので、ある適当な抵抗値に決定せざるを得なかった。このため、車両の長時間放置によるコンデンサセル１１０の両端電圧のバラツキ幅によっては、車両起動時のバランス時間が長くなるという課題があった。その結果、電圧バランスが取れるまでの間にコンデンサセル１１０が過充電されてしまう時間が長くなり、コンデンサセル１１０の寿命を短くする可能性があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、蓄電素子の両端電圧のバラツキ幅が大きくても短時間に電圧バランスを取ることができ、かつ不要な電力消費を抑制できる蓄電装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄電装置は、直列または直並列に接続された複数の蓄電素子と、この蓄電素子に接続された電圧均等化回路とからなり、前記電圧均等化回路が、蓄電素子毎に並列に接続されたバランス抵抗器、および／または複数の蓄電素子を１つのまとまりとしてそれ毎に並列に接続されたバランス抵抗器と、前記蓄電素子の片端と前記バランス抵抗器の間にそれぞれ接続されたバランススイッチと、前記バランス抵抗器と並列に放電スイッチを介して接続した、前記バランス抵抗器よりも抵抗値の小さい放電抵抗器とを備えた蓄電装置であって、外部の充電装置から充電回路を通じて前記蓄電素子を充電する際に、前記蓄電素子の充電時に、充電開始から既定時間（ｔ１）が経過したときまで、または前記蓄電素子の電圧が略既定電圧（Ｖ１）に至ったときまで前記電圧均等化回路で充電する電流の一部、または全部を放電するようにし、その後、放電電流を減らして充電を行うものである。

本構成によると充電時の蓄電素子の両端電圧バラツキ幅が大きくても、電圧均等化回路により充電する電流の一部、または全部を放電することで、蓄電素子に蓄えられた電力の一部が放電されることになる。また、電圧バランスが取れた際の条件である既定時間（ｔ１）の経過、または蓄電素子の電圧の略既定電圧（Ｖ１）への到達が成立すると、以後は放電電流を減らして充電が行われる。その結果、前記目的を達成することができる。

また、前記電圧均等化回路が、蓄電素子毎に並列に接続されたバランス抵抗器、および／または複数の前記蓄電素子を１つのまとまりとしてそれ毎に並列に接続されたバランス抵抗器と、前記蓄電素子の片端と前記バランス抵抗器の間にそれぞれ接続されたバランススイッチと、前記バランス抵抗器と並列に放電スイッチを介して接続した、前記バランス抵抗器よりも抵抗値の小さい放電抵抗器を備えたものであるとともに、前記電圧均等化回路に接続された前記蓄電素子の両端電圧を測定し、前記バランススイッチ、および前記放電スイッチのオンオフを制御する制御部とを備えた構成とすることにより、充電中に任意の蓄電素子の両端電圧が最小両端電圧の蓄電素子における現在の両端電圧と既定差以内になれば、前記任意の蓄電素子の放電量を小さくする制御を、全ての前記放電スイッチがオフになるまで繰り返すことができるので、最小両端電圧の蓄電素子の充電特性に合うように各蓄電素子が順次充電されていく。その結果、前記目的を達成することができる。

本発明の蓄電装置によれば、充電時に蓄電素子に蓄えられた電力の一部、または全部が放電されることにより電圧バランスを取るので、蓄電素子の両端電圧のバラツキ幅が大きくても短時間に電圧バランスを取ることが可能で、さらに電圧バランスが取れた後は放電電流を減らして充電が行われるので、以後の不要な電力消費を抑制可能な蓄電装置を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。なお、ここでは蓄電装置を車両に適用した場合について述べる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の概略回路図である。図２は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の充電電流が放電電流より大きい場合の蓄電素子両端電圧の経時変化図である。図３は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の充電電流が放電電流より小さい場合の蓄電素子両端電圧の経時変化図である。図４は、本発明の実施の形態１における蓄電装置の他の概略回路図である。

図１において、蓄電素子１は定格電圧２．５Ｖの電気二重層キャパシタからなり、これを複数個直列に接続して必要な電力を賄っている。蓄電素子１にはそれぞれ並列に電圧均等化回路２が接続されている。電圧均等化回路２の詳細構成は次の通りである。

まず、各蓄電素子１に対して並列にバランス抵抗器３が接続されている。ここで、各バランス抵抗器３の抵抗値はほぼ等しく設定してあり、その絶対値は電圧バランスを取る際の放電電流を抑制し、不要な電力消費を低減するため１００Ωオーダーとした。蓄電素子１の片端とバランス抵抗器３の間の配線にはそれぞれバランススイッチ５が接続されている。バランススイッチ５は従来のリレースイッチのように外部からオンオフ制御が可能なものであればよい。なお、本実施の形態１では図１の各バランススイッチ５に点線で示したように、同時にオンオフする構成としている。また、各バランス抵抗器３にはそれぞれ並列に放電抵抗器７が接続されている。これにより、放電抵抗器７は蓄電素子１とも並列に接続されることになる。各放電抵抗器７の抵抗値はほぼ等しく設定してあり、その絶対値はバランス抵抗器３の抵抗値より小さく、具体的には数Ωとした。このように、バランス抵抗器３の抵抗値は放電抵抗器７の抵抗値より１桁以上大きくしている。蓄電素子１と放電抵抗器７の間の配線には放電スイッチ９が接続されている。放電スイッチ９もバランススイッチ５と同様に外部からオンオフ制御が可能なものであればよい。なお、図１の各放電スイッチ９に点線で示したように、これらも同時にオンオフする構成としている。

このようにして電圧均等化回路２が構成されている。従って、バランススイッチ５と放電スイッチ９を同時にオンにすると、放電抵抗器７の抵抗値が極めて小さいので電圧均等化回路２は放電抵抗器７により蓄電素子１に蓄えられた電力を大電流で放電することができる。また、この状態で放電スイッチ９のみをオフにすることにより、バランス抵抗器３の抵抗値が放電抵抗器７の抵抗値より１桁以上大きいので蓄電素子１から放電される電流量（放電電流）を減らすことができる。

バランススイッチ５、および放電スイッチ９は制御部１０によってオンオフ制御が行われる。なお、制御部１０の詳細な動作は後述する。

以上のようにして構成された蓄電装置１１は、蓄電素子１への充電を司る充電回路１２、および車両のイグニションスイッチ１３を介してバッテリ１５に接続されている。なお、これらをまとめて充電装置１７と呼ぶ。また、図示していないが、蓄電装置１１には、その電力を供給する負荷も接続されている。

次に、このような蓄電装置１１の動作について説明する。

車両を起動すると、イグニションスイッチ１３がオンになる。その結果、バッテリ１５の電力が充電回路１２で制御され、蓄電素子１の充電が開始する。この時、イグニションスイッチ１３のオンに連動して、制御部１０によりバランススイッチ５と放電スイッチ９が全てオンになる。なお、図１の構成ではバランス抵抗器３に放電スイッチ９を介して放電抵抗器７が接続されているので、抵抗値の小さい放電抵抗器７で蓄電素子１を放電させるためには放電スイッチ９をオンにするとともにバランススイッチ５もオンにしなければならない。これにより、各蓄電素子１にはバランス抵抗器３と放電抵抗器７が並列に接続された状態になる。従って、前回車両を停止した時に蓄えられていた各蓄電素子１の電力はバランス抵抗器３と放電抵抗器７により放電されるのであるが、バランス抵抗器３の抵抗値は放電抵抗器７の抵抗値より１桁以上大きいので、放電抵抗器７に大電流が流れる。

この時の蓄電素子１の両端電圧の経時変化を図２、図３に示す。図２、図３において、横軸は時間を、縦軸は蓄電素子両端電圧をそれぞれ示す。なお、図２は充電開始時の充電電流が放電抵抗器７に流れる放電電流よりも大きい場合を示す。この場合は、起動時に蓄電素子１に蓄えられていた電荷が少なく、放電抵抗器７による放電が行われているものの、それ以上に充電電流が大きい状態に相当する。これにより、充電開始時は充電電流の内、放電抵抗器７に流れる放電電流と相殺されるので、見かけ上、充電電流の一部が放電されていることになる。また、図３は充電開始時の充電電流が放電抵抗器７に流れる放電電流よりも小さい場合を示す。この場合は、起動時に蓄電素子１に蓄えられていた電荷が多く、充電回路１２により充電が行われているものの、それ以上に放電抵抗器７による放電電流が大きい状態に相当する。これにより、充電開始時に充電電流は放電抵抗器７に流れる放電電流と全て相殺されるので、見かけ上、充電電流の全部が放電されていることになる。

ここでは、まず図２の場合について説明する。例えば車両を長時間放置し、起動時の時間ｔ０で蓄電素子１の両端電圧のバラツキ幅が図２に示す幅であったとすると、その両端電圧は図２の実線に示すように、充電電流の方が放電電流より大きいので、時間ｔ１までに充電されつつ（両端電圧が上昇）急速に電圧Ｖ１に至る。この時間ｔ１は本実施の形態１では数秒程度であり、図２に点線で示した従来の蓄電装置のバランス時間ｔ２（数時間オーダー）に比べ著しく短時間であることがわかる。その理由は放電抵抗器７の抵抗値が極めて小さく、それにより大電流が放電され、各蓄電素子１の両端電圧が急速に揃うためである。

次に、図３の場合について説明する。起動時（ｔ０）の蓄電素子１の両端電圧バラツキ幅が図３に示す幅であったとすると、その両端電圧は図３に示すように、放電電流の方が充電電流より大きいので、時間ｔ１までに放電されつつ（両端電圧が下降）急速に電圧Ｖ１に至る。この時間ｔ１も図２と同様に数秒程度なので、従来のバランス時間ｔ２に比べ著しく短時間になる。

ゆえに、本実施の形態１では時間ｔ１までに蓄電素子１の電圧バランスが取れるので、その後、放電スイッチ９のみを全てオフにする。なお、バランススイッチ５は既にオンであるので、そのままとする。これにより、蓄電素子１の放電電流を減らしている。なお、この場合、バランススイッチ５をオンのままとすることにより、少ない放電量で各蓄電素子１の電圧バランスを取り続けることができるので、従来と同様に蓄電素子１の過電圧防止による長寿命化が可能になるとともに、不要な電力消費が抑制できる。

ここで、放電スイッチ９を全てオフにするとともに、バランススイッチ５を全てオンにする条件について述べる。前記動作の前提条件は各蓄電素子１の電圧バランスが取れた時である。従って、最も簡単には充電開始から電圧バランスが取れるまでの既定時間ｔ１をあらかじめ求めておき、既定時間ｔ１が経過した時を放電スイッチ９のオフ、かつバランススイッチ５のオンの条件とすればよい。但し、この場合は蓄電素子１の状態（温度や劣化進行等）により時間ｔ１が変動する可能性があるので、正確には各蓄電素子１の両端電圧を図示しない電圧検出回路で検出し、全ての蓄電素子１の両端電圧が略既定電圧Ｖ１に至った時を条件とすれば最も望ましい。なお、全ての蓄電素子１の両端電圧を正確に既定電圧Ｖ１に至らせるのは困難であるので、バラツキ幅が許容される範囲において、ほぼ既定電圧Ｖ１に至れば以下の動作に進む。

充電開始から既定時間ｔ１が経過した時、または蓄電素子１の電圧が略既定電圧Ｖ１に至った時のいずれかの条件が成立するまでは電圧均等化回路２で充電する電流の一部、または全部を放電するようにし、その後、制御部１０は放電スイッチ９を全てオフにするとともに、バランススイッチ５をオンにすることで、電圧均等化回路２が放電する大電流は、前記条件が成立すると極めて小さくなる。なお、本実施の形態１では電圧均等化回路２が放電する大電流は条件成立後の消費電流より１桁以上大きくなるように構成している。

その後（時間ｔ１以降）は充電回路１２からの充電電流により、蓄電素子１は充電されていく。この場合、放電抵抗器７による放電は行われない上にバランス抵抗器３による放電電流は極めて小さいので、時間ｔ１以降の充電電圧の傾きは大きくなる。

次に、車両を停止する場合、すなわち、蓄電装置１１の使用終了時については従来とほぼ同じ動作である。すなわち、車両停止のためにイグニションスイッチ１３をオフにすると、それに連動して制御部１０は全ての放電スイッチ９、およびバランススイッチ５をオフにして、蓄電素子１とバランス抵抗器３や放電抵抗器７との接続を断つ。その結果、各蓄電素子１は配線から独立するので放電が起こらず、各蓄電素子１は車両停止前までに充電していた電荷を保持した状態となる。これにより、蓄電素子１からの不要な放電を防止し、長期に渡って蓄電し続ける。このような動作によって、例えばエンジン再始動時に備えた電力供給が可能となる。

以上の構成、動作により、バランス抵抗器３より抵抗値の小さい放電抵抗器７を蓄電素子１と並列に設け、充電時に放電抵抗器７により充電電流の一部、または全部を放電して電圧バランスを取ることで、蓄電素子１の両端電圧のバラツキ幅が大きくても短時間に電圧バランスを取ることが可能となる上、不要な電力消費を抑制する蓄電装置を実現することができた。

なお、図１の蓄電装置１１の回路構成では、各蓄電素子１の両端に、まずバランス抵抗器３を接続し、さらにバランス抵抗器３の両端に放電抵抗器７を接続する構成としていたが、これは図４に示すように蓄電素子１の両端にバランス抵抗器３を接続するとともに、放電抵抗器７も蓄電素子１の両端に接続する構成としてもよい。すなわち、蓄電素子１毎に並列に接続されたバランス抵抗器３と、蓄電素子１の片端とバランス抵抗器３の間にそれぞれ接続されたバランススイッチ５を備え、かつ蓄電素子１と並列に接続された、バランス抵抗器３よりも抵抗値の小さい放電抵抗器７と、蓄電素子１の片端と放電抵抗器７の間にそれぞれ接続された放電スイッチ９とを備えた構成でもよい。これにより、図１の構成では放電抵抗器７を蓄電素子１と接続するためにはバランススイッチ５と放電スイッチ９を両方オンにしなければならなかったが、図４の構成では放電スイッチ９をオンにするだけで放電抵抗器７と蓄電素子１を接続することができる。その結果、図１の構成では充電時にバランススイッチ５にも大電流が流れる場合があるので、バランススイッチ５を大電流に対応した構成とする必要があるが、図４の構成ではバランススイッチ５には大電流が流れないので、耐電流値が小さなスイッチを用いることができる。

図４の蓄電装置１１の動作は図１の動作と同じとしてもよいが、充電開始時に電圧バランスを取る際には放電スイッチ９のみを全てオンにし、充電開始から既定時間ｔ１が経過したとき、または蓄電素子１のそれぞれの電圧が略既定電圧Ｖ１になったときに放電スイッチ９を全てオフにするとともにバランススイッチ５を全てオンにするように動作させて蓄電素子１を充電してもよい。従って、充電時には図１の構成ではバランススイッチ５も全てオンにしなければならないが、図４の構成では必ずしもバランススイッチ５をオンにする必要はないので、蓄電装置１１の回路構成により必要に応じてバランススイッチ５を全てオンにすればよいことになる。なお、蓄電装置１１の使用終了時は図１の構成と同様に全てのバランススイッチ５をオフにする動作を行って不要な電力消費を抑制している。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における蓄電装置の概略回路図である。図６は、本発明の実施の形態２における蓄電装置の蓄電素子両端電圧の経時変化図である。図７は、本発明の実施の形態２における蓄電装置の他の概略回路図である。

図５において、図１と同じ構成については同じ番号を付して詳細な説明を省略する。すなわち、本実施の形態２の構成上の特徴は、図５に示したように制御部１０と充電回路１２の間に制御線１９を接続し充電回路１２の出力をオンオフ制御できるようにした点と、制御部１０で蓄電素子１の両端電圧を測定できるようにした点である。

次に、このような電源装置の動作について説明する。

車両起動によりイグニションスイッチ１３がオンになると、バッテリ１５の電力が充電回路１２で制御され、蓄電素子１の充電が開始する。なお、充電回路１２は、放電スイッチ９、およびバランススイッチ５を全てオンにした時の全蓄電素子１の放電電流よりも大きい充電電流が供給できるように設定されている。従って、実施の形態１における図２で述べたように充電電流が放電抵抗器７に流れる放電電流よりも常に大きくなるように設定されていることになる。

また、イグニションスイッチ１３のオンに連動して、制御部１０によりバランススイッチ５と放電スイッチ９が全てオンになる。これにより、実施の形態１と同様に、前回車両を停止した時に蓄えられていた各蓄電素子１の電力はバランス抵抗器３と放電抵抗器７により放電されるのであるが、バランス抵抗器３の抵抗値は放電抵抗器７の抵抗値より１桁以上大きいので、放電抵抗器７に大電流が流れる。

この時の蓄電素子１の両端電圧の経時変化を図６に示す。図６において、横軸は時間を、縦軸は蓄電素子両端電圧をそれぞれ示す。なお、図６は図２と同様に、充電開始時の充電電流が放電抵抗器７に流れる放電電流よりも大きいので、充電電流の内、放電抵抗器７に流れる放電電流が相殺され、見かけ上、充電電流の一部が放電されていることになる。

図６において、起動時の時間ｔ０で蓄電素子１の両端電圧のバラツキ幅が図６に示す幅であったとすると、充電電流の方が放電電流より大きいので、両端電圧はバラツキ幅が小さくなるように充電されていく（両端電圧が上昇）。これにより、いずれ蓄電素子１のそれぞれの電圧が必要電圧Ｖ２を超える。ここで、必要電圧Ｖ２とは、蓄電装置１１に要求される最低限の出力電圧を得るための各蓄電素子１の両端電圧Ｖ３に既定の余裕度を持たせた電圧のことである。なお、余裕度はあらかじめ蓄電素子１の放電特性から決定しておけばよい。

全蓄電素子１の両端電圧が必要電圧Ｖ２を超えた時点では、まだ両端電圧のバラツキ幅は十分に狭まった状態には至っていない。そこで、制御部１０は各蓄電素子１の両端電圧を測定し、全蓄電素子１の両端電圧が必要電圧Ｖ２を超えると、制御線１９を介して充電回路１２の出力をオフにする。この際、バランススイッチ５と放電スイッチ９は全てオンのままであるので、蓄電素子１に蓄えられた電力は大部分が放電抵抗器７に流れて急速に両端電圧が低下する。これにより、極めて短い時間ｔ３で蓄電素子１の両端電圧のバラツキは低減され、電圧Ｖ３に至る。このことから、既定時間ｔ３が経過したとき、または蓄電素子１のそれぞれの電圧が略既定電圧Ｖ３になったときに、制御部１０は制御線１９を介して再び充電回路１２の出力をオンにする。また、この時は蓄電素子１の電圧バランスが取れているので、同時に放電スイッチ９を全てオフにする。その後、この状態で蓄電素子１を充電していく。この時は放電スイッチ９がオフなので、放電電流はバランス抵抗器３に流れるだけとなるが、バランス抵抗器３の抵抗値は放電抵抗器７の抵抗値より１桁以上大きいので、上記制御により放電電流を減らして充電を行うことができる。なお、充電回路１２の出力を再びオンにする条件は既定時間ｔ３が経過したとき、または蓄電素子１のそれぞれの電圧が略既定電圧Ｖ３になったときであるが、実施の形態１で述べたように、後者の方がより正確なので望ましい。

このように一旦充電を止めることで、実施の形態１に比べてさらに早く電圧バランスを取ることができる。また、充電開始時に必ず蓄電素子１の電圧が上昇するように充電回路１２を設定しているので、必要電圧Ｖ２まで素早く達することができる上、その状態で充電を止めることによるＶ２からＶ３への電圧の落ち込みが起こっても、蓄電装置１１の要求最低出力は確保されているので、早く確実に蓄電装置１１が機能できる。

なお、車両を停止する場合、すなわち、蓄電装置１１の使用終了時の動作は実施の形態１と同様に、制御部１０がバランススイッチ５を全てオフにする。この時は既に放電スイッチ９が全てオフであるので、各蓄電素子１は車両停止前までに充電していた電荷を保持した状態となる。これにより、蓄電素子１からの不要な放電を防止し、長期に渡って蓄電し続ける。

以上の構成、動作により、実施の形態１の制御に加え、充電時に充電電流を一旦止める制御を行うことで、蓄電素子１の両端電圧のバラツキ幅が大きくても、さらに短時間に電圧バランスを取ることが可能となる上、不要な電力消費を抑制する蓄電装置を実現することができた。

なお、図５の蓄電装置１１の回路構成は、図７に示すように蓄電素子１毎に並列に接続されたバランス抵抗器３と、蓄電素子１の片端とバランス抵抗器３の間にそれぞれ接続されたバランススイッチ５を備え、かつ蓄電素子１と並列に接続された、バランス抵抗器３よりも抵抗値の小さい放電抵抗器７と、蓄電素子１の片端と放電抵抗器７の間にそれぞれ接続された放電スイッチ９とを備えた構成でもよい。この場合も制御部１０と充電回路１２の間に制御線１９が接続されている。その他の構成は図５と同様である。このような構成とすることにより、実施の形態１の図４で述べたことと同様の効果が得られる。

図７の蓄電装置１１の動作は図５の動作と同じとしてもよいが、充電開始時に電圧バランスを取る際には放電スイッチ９のみを全てオンにし、充電により蓄電素子１のそれぞれの電圧が必要電圧Ｖ２を超えたときに充電回路１２の出力をオフにし、その後既定時間ｔ３が経過したとき、または蓄電素子１のそれぞれの電圧が略既定電圧Ｖ３になったときに充電回路１２の出力をオンにするとともに放電スイッチ９を全てオフにし、かつバランススイッチ５を全てオンにした状態で蓄電素子１を充電するように動作させてもよい。なお、蓄電装置１１の使用終了時は図５の構成と同様に全てのバランススイッチ５をオフにする動作を行って不要な電力消費を抑制している。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における蓄電装置の概略回路図である。図９は、本発明の実施の形態３における蓄電装置の充電電流が放電電流より大きい場合の蓄電素子両端電圧の経時変化図である。図１０は、本発明の実施の形態３における蓄電装置の充電電流が放電電流より小さい場合の蓄電素子両端電圧の経時変化図である。図１１は、本発明の実施の形態３における蓄電装置の他の概略回路図である。図１２は、本発明の実施の形態３における蓄電装置の蓄電素子の接続回路図であり、（ａ）は電圧均等化回路に対し蓄電素子を並列接続した場合の接続回路図を、（ｂ）は電圧均等化回路に対し蓄電素子を直並列接続した場合の接続回路図を、それぞれ示す。

図８において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。すなわち、図８の構成上の特徴となる部分は以下の通りである。

１）それぞれの蓄電素子１の両端電圧を測定する構成とした。

２）各放電スイッチ９を個別にオンオフできる構成とした。

３）両端電圧の測定機能と、バランススイッチ５、および放電スイッチ９のオンオフ制御機能を有する制御部１０を設けた。

次に、このような蓄電装置１１の動作について説明する。

車両起動によりイグニションスイッチ１３がオンになると、バッテリ１５の電力が充電回路１２で制御され、蓄電素子１の充電が開始する。この時、制御部１０は全てのバランススイッチ５を同時にオンにするとともに、各蓄電素子１の両端電圧を測定し、最小の両端電圧を有する蓄電素子１に接続された放電スイッチ９を除く他の放電スイッチ９を全てオンにする。その結果、最小両端電圧の蓄電素子１以外の蓄電素子１は放電抵抗器７により放電も開始する。この時、実施の形態１と同様に、バランス抵抗器３の抵抗値は放電抵抗器７の抵抗値より１桁以上大きいので、オン状態の放電スイッチ９が接続された放電抵抗器７で放電する電流は大電流となる。具体的にはバランス抵抗器３に流れる電流より１桁以上大きくなる。

この時の蓄電素子１の両端電圧の経時変化を図９、図１０に示す。図９、図１０において、横軸は時間を、縦軸は蓄電素子両端電圧をそれぞれ示す。なお、図９、図１０での充電電流と放電電流の状態は、それぞれ図２、図３と同じである。

そこで、まず図９の場合、すなわち充電電流が放電抵抗器７による放電電流より大きい場合について説明する。起動時の時間ｔ０で蓄電素子１の両端電圧のバラツキ幅が図９に示す幅であり、この状態で充電を開始したとする。この時、最小両端電圧（バラツキ幅の一番下の電圧）を有する蓄電素子１は放電抵抗器７が接続されない状態であり、バランス抵抗器３に流れる放電電流は僅かであるので、時間ｔ０からほぼ充電のみが行われ、電圧が上昇していく。一方、他の蓄電素子１は放電抵抗器７が接続されており放電電流が流れるが、ここでは充電電流が放電電流より大きい状態であるので、ほぼ充電のみの場合に比べ電圧の傾きは小さくなるものの電圧は上昇していく。その結果、最小両端電圧の蓄電素子１以外の任意の蓄電素子１、例えばバラツキ幅の下から２番目の電圧を有する蓄電素子１の両端電圧は、極めて短時間でバラツキ幅の一番下の電圧を有する蓄電素子１の現在（時間ｔ０１）の両端電圧に近づく。制御部１０は、この両端電圧の変化を常時測定し、任意の蓄電素子１の両端電圧と、最小両端電圧の蓄電素子１における現在の両端電圧との差が既定値以内（本実施の形態３では蓄電素子１の定格充電電圧の５％以内とした）になった時間ｔ０１（これを既定条件とする）で、任意の蓄電素子１（ここではバラツキ幅の下から２番目の電圧を有する蓄電素子１）に接続された放電スイッチ９をオフにすることにより、任意の蓄電素子１の放電電流を減らすように制御する。これにより、任意の蓄電素子１は放電抵抗器７による放電電流が停止するので、時間ｔ０１以降は最小両端電圧の蓄電素子１と同様にほぼ充電のみが行われる。この時、任意の蓄電素子１の両端電圧は、最小両端電圧の蓄電素子１の両端電圧とほぼ等しいので、図９に示すように最小両端電圧の蓄電素子１の充電特性に合うように任意の蓄電素子１の両端電圧が同じ傾きで上昇していく。これにより、両者のバラツキが時間ｔ０１で解消されたことになる。

以下同様にして、任意の蓄電素子１として例えばバラツキ幅の下から３番目の電圧を有する蓄電素子１の両端電圧と、バラツキ幅の一番下の電圧を有する蓄電素子１の現在の両端電圧との差が時間ｔ０２で既定値以内になると、制御部１０は、任意の蓄電素子１に接続された放電スイッチ９をオフにする。これにより、任意の蓄電素子１は時間ｔ０２以降、ほぼ充電のみが行われるが、その時の任意の蓄電素子１の両端電圧は、最小両端電圧の蓄電素子１の現在（ｔ０２）の両端電圧とほぼ等しいので、両者のバラツキは時間ｔ０２で解消され、図９に示すように両者は同じ傾きで上昇していく。

制御部１０は上記の動作を全ての放電スイッチ９がオフになるまで繰り返す。これにより、ばらついていた各蓄電素子１の両端電圧は順次バラツキが解消されていき、時間ｔ１で全ての放電スイッチ９がオフになると、時間ｔ１以降はバラツキがほとんどなく、充電電流を減らした状態で継続して各蓄電素子１が充電されていく。この時、全てのバランススイッチ５はオンのままであるので、電圧バランスが崩れることなく充電される。

このような動作とすることで、従来に比べ極めて早く蓄電素子１の両端電圧バランスを取ることができる上、実施の形態１に比べて順次バラツキを抑制していくので、その分、放電抵抗器７による不要な消費電力も低減される。これは、実施の形態１では全ての蓄電素子１のバランスが取れるまで放電抵抗器７がオンのままであったが、本実施の形態３ではバランスが取れた蓄電素子１に接続された放電スイッチ９を順次オフにしていくことで、放電抵抗器７に流れる電流も順次減っていくためである。

次に図１０の場合、すなわち充電電流が放電抵抗器７による放電電流よりも小さい場合について述べる。起動時の時間ｔ０で蓄電素子１の両端電圧のバラツキ幅が図１０に示す幅であり、この状態で充電を開始したとする。この時、図９の場合と同様に、最小両端電圧（バラツキ幅の一番下の電圧）を有する蓄電素子１は放電抵抗器７が接続されない状態なので、時間ｔ０からほぼ充電のみが行われ、電圧が上昇していく。一方、他の蓄電素子１は放電抵抗器７が接続されており放電電流が流れるが、ここでは充電電流が放電電流より小さい状態であるので、それらの両端電圧は経時的に低下していく。その結果、最小両端電圧の蓄電素子１以外の任意の蓄電素子１、例えばバラツキ幅の下から２番目の電圧を有する蓄電素子１の両端電圧と、バラツキ幅の一番下の電圧を有する蓄電素子１の現在（時間ｔ０１）の両端電圧との差が非常に短時間で既定値以内になる。この既定条件成立の後の動作は図９の場合と全く同じであり、制御部１０が任意の蓄電素子１に接続された放電スイッチ９をオフにすることにより、任意の蓄電素子１の放電電流を減らすように制御する。これにより、任意の蓄電素子１は時間ｔ０１以降、ほぼ充電のみが行われるが、その時の任意の蓄電素子１の両端電圧は、最小両端電圧の蓄電素子１の現在（ｔ０１）の両端電圧とほぼ等しいので、両者のバラツキは時間ｔ０１で解消され、図１０に示すように両者は同じ傾きで上昇していく。

制御部１０は上記の動作を全ての放電スイッチ９がオフになるまで順次繰り返すことで、時間ｔ１で全ての放電スイッチ９がオフになる。時間ｔ１以降は図９と同様にバラツキがほとんどなく、放電電流を減らした状態で継続して各蓄電素子１が充電されていく。この時、全てのバランススイッチ５はオンのままであるので、電圧バランスが崩れることなく充電される。

次に、上記いずれの場合も車両を停止する時、すなわち、蓄電装置１１の使用終了時についてであるが、これは実施の形態１と同じ動作であり、制御部１０は全ての放電スイッチ９、およびバランススイッチ５をオフにする。

これらの動作をまとめると、制御部１０は充電時に最低両端電圧を有する蓄電素子１以外の蓄電素子１を大電流で放電し、前記した既定条件（最低両端電圧を有する蓄電素子１の現在の両端電圧と、他の任意の蓄電素子１の両端電圧との差が既定値以内になる時）が成立する毎に順次放電スイッチ９をオフにして放電電流を減らしていることになる。

以上の構成、動作により、バランス抵抗器３より抵抗値の小さい放電抵抗器７を蓄電素子１と並列に設け、充電時に最低両端電圧を有する蓄電素子１以外の蓄電素子１を放電抵抗器７により放電して順次電圧バランスを取ることで、蓄電素子１の両端電圧のバラツキ幅が大きくても短時間に電圧バランスを取ることが可能な上、不要な電力消費を抑制する蓄電装置を実現することができた。

なお、図８の蓄電装置１１のバランス抵抗器３と放電抵抗器７の回路構成は図１１に示すように蓄電素子１毎に並列に接続されたバランス抵抗器３と、蓄電素子１の片端とバランス抵抗器３の間にそれぞれ接続されたバランススイッチ５を備え、かつ蓄電素子１と並列に接続された、バランス抵抗器３よりも抵抗値の小さい放電抵抗器７と、蓄電素子１の片端と放電抵抗器７の間にそれぞれ接続された放電スイッチ９とを備えた構成でもよい。その他の構成は図８と同様である。このような構成とすることにより、実施の形態１の図４で述べたことと同様の効果が得られる。

また、実施の形態１〜３では蓄電素子１が直列になるように接続したが、これは必要とされる電力仕様に応じて、直並列接続としてもよい。この場合の蓄電素子１と電圧均等化回路２の接続回路図を図１２（ａ）、（ｂ）に示す。

まず、図１２（ａ）は電圧均等化回路２に対して蓄電素子１を３個並列に接続した場合を示す。この場合、直並列接続のうち並列接続部分の３個の蓄電素子１の両端電圧は等しくなるので、電圧均等化回路２はそれぞれの蓄電素子１に接続する必要はなく、並列接続により両端電圧が等しくなる蓄電素子１のいずれかに接続すればよい。

また、図１２（ｂ）は電圧均等化回路２に対して蓄電素子１を３個並列に接続したものを２段直列に接続した場合を示す。この場合は、直列接続部分で蓄電素子１の両端電圧が異なるものの、蓄電素子１のバラツキが少なければ直列接続して用いた場合においても、バラツキ幅が小さくなるので、それぞれの蓄電素子１に電圧均等化回路２を接続する必要はない。従って、図１２（ｂ）に示すように例えば６個毎に電圧均等化回路２を接続してもよい。

このように電圧均等化回路２は必ずしも各々の蓄電素子１に接続する必要はなく、複数の蓄電素子１を１つのまとまりとしてそれ毎に電圧均等化回路２を接続してもよい。

また、実施の形態１〜３では電圧均等化回路２をバランス抵抗器３、バランススイッチ５、放電抵抗器７、および放電スイッチ９で構成したが、この構成に限定されるものではなく、外部から放電電流を変えることができる回路、例えば電子負荷回路や定電流回路等を用いてもよい。

また、実施の形態１〜３ではエンジン再起動時の補助電源としての蓄電装置を例に説明したが、それに限らずアイドリングストップ、電動パワーステアリング、電動ターボ、ハイブリッド等の各システムにおける車両用補助電源や、車両用に限らず一般の非常用バックアップ電源等にも適用可能である。

本発明にかかる蓄電装置は充電時に短時間に蓄電素子の電圧バランスを取ることができるので、特に車両用の補助電源や非常用バックアップ電源の蓄電装置等として有用である。

本発明の実施の形態１における蓄電装置の概略回路図本発明の実施の形態１における蓄電装置の充電電流が放電電流より大きい場合の蓄電素子両端電圧の経時変化図本発明の実施の形態１における蓄電装置の充電電流が放電電流より小さい場合の蓄電素子両端電圧の経時変化図本発明の実施の形態１における蓄電装置の他の概略回路図本発明の実施の形態２における蓄電装置の概略回路図本発明の実施の形態２における蓄電装置の蓄電素子両端電圧の経時変化図本発明の実施の形態２における蓄電装置の他の概略回路図本発明の実施の形態３における蓄電装置の概略回路図本発明の実施の形態３における蓄電装置の充電電流が放電電流より大きい場合の蓄電素子両端電圧の経時変化図本発明の実施の形態３における蓄電装置の充電電流が放電電流より小さい場合の蓄電素子両端電圧の経時変化図本発明の実施の形態３における蓄電装置の他の概略回路図本発明の実施の形態３における蓄電装置の蓄電素子の接続回路図であり、（ａ）電圧均等化回路に対し蓄電素子を並列接続した場合の接続回路図、（ｂ）電圧均等化回路に対し蓄電素子を直並列接続した場合の接続回路図従来の蓄電装置の概略回路図従来の蓄電装置のコンデンサセル両端電圧の経時変化図

１蓄電素子
２電圧均等化回路
３バランス抵抗器
５バランススイッチ
７放電抵抗器
９放電スイッチ
１０制御部
１１蓄電装置

Claims

直列または直並列に接続された複数の蓄電素子と、この蓄電素子に接続された電圧均等化回路とからなり、前記電圧均等化回路が、蓄電素子毎に並列に接続されたバランス抵抗器、および／または複数の蓄電素子を１つのまとまりとしてそれ毎に並列に接続されたバランス抵抗器と、前記蓄電素子の片端と前記バランス抵抗器の間にそれぞれ接続されたバランススイッチと、前記バランス抵抗器と並列に放電スイッチを介して接続した、前記バランス抵抗器よりも抵抗値の小さい放電抵抗器とを備えた蓄電装置であって、
外部の充電装置から充電回路を通じて前記蓄電素子を充電する際に、充電開始から既定時間（ｔ１）が経過したときまで、または前記蓄電素子の電圧が略既定電圧（Ｖ１）に至ったときまで前記電圧均等化回路で充電する電流の一部、または全部を放電するようにし、その後、放電電流を減らして充電を行う蓄電装置。
充電開始時に電圧均等化回路の放電スイッチ、およびバランススイッチを全てオンにし、充電開始から既定時間（ｔ１）が経過したとき、または前記蓄電素子のそれぞれの電圧が略既定電圧（Ｖ１）になったときに前記放電スイッチを全てオフにした状態で前記蓄電素子を充電し、使用終了時に前記バランススイッチを全てオフにする制御部を備えたものである請求項１に記載の蓄電装置。
充電回路は、放電スイッチ、およびバランススイッチを全てオンにした時の全蓄電素子の放電電流よりも大きい充電電流が供給できるように設定されるとともに、
制御部は、充電開始時に電圧均等化回路の放電スイッチ、およびバランススイッチを全てオンにし、充電により前記蓄電素子のそれぞれの電圧が必要電圧（Ｖ２）を超えたときに前記充電回路の出力をオフにし、その後既定時間（ｔ３）が経過したとき、または前記蓄電素子のそれぞれの電圧が略既定電圧（Ｖ３）になったときに前記充電回路の出力をオンにするとともに前記放電スイッチを全てオフにした状態で前記蓄電素子を充電し、使用終了時に前記バランススイッチを全てオフにする請求項１に記載の蓄電装置。
直列または直並列に接続された複数の蓄電素子と、この蓄電素子に接続された電圧均等化回路とからなり、前記電圧均等化回路が、蓄電素子毎に並列に接続されたバランス抵抗器、および／または複数の蓄電素子を１つのまとまりとしてそれ毎に並列に接続されたバランス抵抗器と、前記蓄電素子の片端と前記バランス抵抗器の間にそれぞれ接続されたバランススイッチを備え、かつ前記蓄電素子と並列に接続された、前記バランス抵抗器よりも抵抗値の小さい放電抵抗器と、前記蓄電素子の片端と前記放電抵抗器の間にそれぞれ接続された放電スイッチとを備えた蓄電装置であって、
外部の充電装置から充電回路を通じて前記蓄電素子を充電する際に、充電開始から既定時間（ｔ１）が経過したときまで、または前記蓄電素子の電圧が略既定電圧（Ｖ１）に至ったときまで前記電圧均等化回路で充電する電流の一部、または全部を放電するようにし、その後、放電電流を減らして充電を行う蓄電装置。
充電開始時に電圧均等化回路の放電スイッチを全てオンにし、充電開始から既定時間（ｔ１）が経過したとき、または前記蓄電素子のそれぞれの電圧が略既定電圧（Ｖ１）になったときに前記放電スイッチを全てオフにするとともにバランススイッチを全てオンにした状態で前記蓄電素子を充電し、使用終了時に前記バランススイッチを全てオフにする制御部を備えたものである請求項４に記載の蓄電装置。
充電回路は、放電スイッチ、およびバランススイッチを全てオンにした時の全蓄電素子の放電電流よりも大きい充電電流が供給できるように設定されるとともに、
制御部は、充電開始時に電圧均等化回路の放電スイッチを全てオンにし、充電により前記蓄電素子のそれぞれの電圧が必要電圧（Ｖ２）を超えたときに前記充電回路の出力をオフにし、その後既定時間（ｔ３）が経過したとき、または前記蓄電素子のそれぞれの電圧が略既定電圧（Ｖ３）になったときに前記充電回路の出力をオンにするとともに前記放電スイッチを全てオフにし、かつ前記バランススイッチを全てオンした状態で前記蓄電素子を充電し、使用終了時に前記バランススイッチを全てオフにする請求項４に記載の蓄電装置。
外部の充電装置から充電回路を通じて充電される、直列または直並列に接続された複数の蓄電素子と、この蓄電素子に接続された電圧均等化回路とを備えた蓄電装置であって、
前記電圧均等化回路は、前記蓄電素子毎に並列に接続されたバランス抵抗器、および／または複数の前記蓄電素子を１つのまとまりとしてそれ毎に並列に接続されたバランス抵抗器と、
前記蓄電素子の片端と前記バランス抵抗器の間にそれぞれ接続されたバランススイッチと、
前記バランス抵抗器と並列に放電スイッチを介して接続した、前記バランス抵抗器よりも抵抗値の小さい放電抵抗器を備えたものであるとともに、
前記電圧均等化回路に接続された前記蓄電素子の両端電圧を測定し、前記バランススイッチ、および前記放電スイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記蓄電素子の充電開始時に、全ての前記バランススイッチをオンにするとともに、少なくとも１つの前記放電スイッチをオンにする蓄電装置。
外部の充電装置から充電回路を通じて充電される、直列または直並列に接続された複数の蓄電素子と、この蓄電素子に接続された電圧均等化回路とを備えた蓄電装置であって、
前記電圧均等化回路は、前記蓄電素子毎に並列に接続されたバランス抵抗器、および／または複数の前記蓄電素子を１つのまとまりとしてそれ毎に並列に接続されたバランス抵抗器と、
前記蓄電素子の片端と前記バランス抵抗器の間にそれぞれ接続されたバランススイッチを備え、
かつ前記蓄電素子と並列に接続された、前記バランス抵抗器よりも抵抗値の小さい放電抵抗器と、
前記蓄電素子の片端と前記放電抵抗器の間にそれぞれ接続された放電スイッチとを備えたものであるとともに、
前記電圧均等化回路に接続された前記蓄電素子の両端電圧を測定し、前記バランススイッチ、および前記放電スイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記蓄電素子の充電開始時に、少なくとも１つの前記放電スイッチをオンにする蓄電装置。
前記制御部は、前記蓄電素子の充電開始時に、全ての前記バランススイッチをオンにするとともに、最小両端電圧の前記蓄電素子に接続された前記放電スイッチ以外の前記放電スイッチをオンにし、充電中に、任意の前記蓄電素子の両端電圧と、前記最小両端電圧の蓄電素子における現在の両端電圧との差が既定値以内になれば、前記任意の蓄電素子に接続された前記放電スイッチをオフにすることにより、前記任意の蓄電素子の放電電流を減らす制御を、全ての前記放電スイッチがオフになるまで繰り返し、その後、前記放電電流を減らした状態で充電を行い、使用終了時に、前記放電スイッチ、および前記バランススイッチを全てオフにする請求項７、または８に記載の蓄電装置。
バランス抵抗器の抵抗値は放電抵抗器の抵抗値より１桁以上大きくした請求項１〜９のいずれかに記載の蓄電装置。