JP6032516B2 - 蓄電素子の充電方法および蓄電装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の蓄電素子を充電する方法および複数の蓄電素子を備える蓄電装置に関するものである。

エネルギーを備蓄する技術として、物理的な電荷（イオン分子）の吸脱着を利用するキャパシタや、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して備蓄する二次電池などの蓄電素子を利用するものがある。これらの技術においては、単一の蓄電素子の蓄電容量や端子電圧の使用可能範囲が限定的であることから、多数の蓄電素子が電気的に接続された状態で使用されるのが一般的である。複数の蓄電素子を充電する場合、各蓄電素子間の端子電圧のばらつきを抑えつつ、できるだけ短時間で全ての蓄電素子を満充電状態に至らせることが望まれる。この目的のために、複数の蓄電素子の接続状態を随時変化させながら充電を行う技術が提案されている。

例えば特許文献１に記載の技術では、直列接続と並列接続との間で切り替え可能な複数個のキャパシタを有する回路ブロックが複数直列接続された回路構成の蓄電手段が設けられる。各回路ブロックに含まれるキャパシタが直列に接続された状態で充電が開始され、回路ブロック内のキャパシタの端子電圧の合計が所定値に達すると、当該回路ブロック内のキャパシタが並列接続に変更される。キャパシタが並列接続されることで、端子電圧の不均衡が是正される。また例えば特許文献２に記載の技術では、互いに直列接続されたキャパシタのうち隣接するもの同士が順次直列接続から並列接続に変更されて充電が行われる。

国際公開第２００７／０４６１３８号 国際公開第２０１２／０１４２８１号

上記従来技術では、複数の蓄電素子（キャパシタ）が電気的に接続されてなる二端子回路の両端電圧を、接続される負荷装置の耐入力電圧以下に抑えることに重点が置かれている。このため、充電の進行に伴って、並列接続される蓄電素子の数が次第に増加する構成となっている。並列接続された蓄電素子の間では外部から注入される電荷が分配されるため、直列接続時に比べて満充電に至るまでの所要時間は長くなる。このように、上記従来技術には、充電時間の短縮という点において改良の余地が残されている。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、複数の蓄電素子を用いた充電方法および蓄電装置において、蓄電素子間の電圧バランスを取りながら短時間で各蓄電素子を充電することのできる技術を提供することを目的とする。

本発明の一の態様は、３以上の蓄電素子を電気的に接続して充電を行う蓄電素子の充電方法であって、複数の単位回路が直列接続された回路構成を有し、かつ前記単位回路の各々は単一の前記蓄電素子または互いに並列接続された複数の前記蓄電素子である二端子回路については、直列接続された前記単位回路の数を当該二端子回路の直列度と定義し、前記蓄電素子の全てが並列接続された（すなわち、全ての蓄電素子により単一の単位回路が構成された）二端子回路については、当該二端子回路の前記直列度を１とするとき、前記蓄電素子を接続して前記直列度の値が２以上である二端子回路を構成し、該二端子回路に電流を注入して前記蓄電素子の各々を充電する第１工程と、前記直列度の値が小さくなるように前記蓄電素子の接続を変更して新たな二端子回路を構成する第２工程と、前記直列度の値が大きくなるように前記蓄電素子の接続を変更して新たな二端子回路を構成し、該二端子回路に電流を注入して前記蓄電素子の各々を充電する第３工程とを備えている。

また、本発明の他の態様は、３以上の蓄電素子と、前記蓄電素子を電気的に接続して二端子回路を構成する接続手段と、前記接続手段により構成された前記二端子回路に電流を注入して前記蓄電素子を充電する電流注入手段とを備え、複数の単位回路が直列接続された回路構成を有し、かつ前記単位回路の各々は単一の前記蓄電素子または互いに並列接続された複数の前記蓄電素子である二端子回路については、直列接続された前記単位回路の数を当該二端子回路の直列度と定義し、前記蓄電素子の全てが並列接続された二端子回路については、当該二端子回路の前記直列度を１とするとき、前記接続手段は、前記蓄電素子の接続状態を切り替えて、前記直列度の値が２以上である第１の二端子回路と、前記直列度の値が前記第１の二端子回路よりも小さい第２の二端子回路と、前記直列度の値が前記第２の二端子回路よりも大きい第３の二端子回路とをこの順番で形成する。

このように構成された発明では、複数の蓄電素子が電気的に接続されて構成される二端子回路に対し、電流が注入されて充電が行われる。この発明における二端子回路は、複数の単位回路が直列接続された回路構成を有するもの、全ての蓄電素子が並列接続されたもののいずれかである。また複数の単位回路の各々は、単一の蓄電素子を含むもの、複数の蓄電素子を含みそれらが互いに並列接続されたもののいずれかである。

なお、本発明において「単位回路」は固定的に設けられるものではなく、蓄電素子同士が接続されて二端子回路が構成されたときに一時的に出現する単一のまたは複数の蓄電素子を含む回路を指す概念である。そして、二端子回路が複数の単位回路の直列回路と見ることができるとき、当該直列回路を構成する単位回路の数を「直列度」と称する。また、全ての蓄電素子が並列接続された二端子回路においては、当該二端子回路の直列度を１とする。

本発明では、直列度の比較的高い二端子回路に対して電流が注入されて各蓄電素子の充電が開始された後、直列度が低くなるように、すなわち直列度の値が小さくなるように二端子回路の接続が変更される。二端子回路の直列度が低くなるということは、二端子回路中の少なくとも１つの蓄電素子が、新たに他の蓄電素子と並列接続されることを意味する。複数の蓄電素子が並列接続されることでそれらの蓄電素子間で端子電圧が均等化される。これにより、蓄電素子間の電圧のばらつきが抑制される。

一方、蓄電素子が並列接続された状態では、各蓄電素子への充電に長時間を要する。そのため、本発明では再度蓄電素子の接続が変更され、直列度がより高い、すなわち直列度の値がより大きな二端子回路が構成される。これにより、各蓄電素子の充電に要する時間が短縮される。

このように、本発明では、充電の過程において、複数の蓄電素子により構成される二端子回路の直列度がいったん低下するように接続が変更されて蓄電素子間の電圧ばらつきが是正された後、再び直列度の高い二端子回路が構成されることで、蓄電素子間の電圧バランスを取りながら短時間で各蓄電素子を充電することが可能である。

本発明によれば、複数の蓄電素子により構成される二端子回路の直列度が比較的高い状態で充電が開始され、いったん直列度の低い二端子回路に接続変更された後、再び直列度の高い二端子回路が構成される。これにより、蓄電素子間の電圧バランスを取りながら短時間で各蓄電素子を充電することが可能である。

この発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、添付図面を参照しながら次の詳細な説明を読めば、より完全に明らかとなるであろう。ただし、図面は専ら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。

図１は本発明にかかる蓄電装置の一実施形態を示す図である。 図２はスイッチ群の作動により構成される回路の例を示す図である。 図３は蓄電素子の接続状態の例を示す図である。 図４は充電動作における蓄電素子の接続状態を示す図である。 図５は二端子回路の構成例を示す図である。 図６はこの蓄電装置における充電動作の一例を示すフローチャートである。 図７は充電動作のより具体的な一態様を示すフローチャートである。 図８は図６の充電動作の変形例の一部を示すフローチャートである。 図９は充電動作のより具体的な他の一態様を示すフローチャートである。 図１０はこの動作態様における蓄電素子の接続状態の変遷を示す図である。

図１は本発明にかかる蓄電装置の一実施形態を示す図である。より詳しくは、図１Ａは本発明にかかる蓄電素子の充電方法を好適に適用可能な蓄電装置１を示すブロック図である。また、図１Ｂは蓄電装置１に設けられる蓄電部１０および接続切替部３０の電気的構成を示す回路図である。

蓄電装置１は、蓄電部１０と、給電部２０と、接続切替部３０と、電位検出部４０と、制御部５０とを備えている。蓄電部１０は電気エネルギーを貯蔵する機能をそれぞれが有する複数の蓄電素子を備えている。給電部２０は蓄電部１０に電力を供給する。接続切替部３０は、後述するスイッチ群により蓄電部１０に設けられた複数の蓄電素子を電気的に接続する機能を有し、しかもその接続状態を変更して複数種の回路構成を実現することが可能である。

電位検出部４０は、蓄電部１０に設けられた蓄電素子の各々の両端子の電位を個別に検出する機能を有する。また制御部５０は、上記した各構成を総合的に制御して蓄電装置１に所定の充電動作を実行させる機能を有する。

給電部２０は所定の直流電流を出力する電流源２１と、所定の直流電圧を出力する電圧源２２と、これらを選択的に蓄電部１０に接続するスイッチ２３，２４とを備えている。具体的には、電流源２１と蓄電部１０との間はスイッチ２３を介して接続される一方、電圧源２２と蓄電部１０との間はスイッチ２４を介して接続される。スイッチ２３，２４の開閉は制御部５０により制御されており、スイッチ２３が閉じているときには電流源２１から出力される定電流が蓄電素子１０に供給される。一方、スイッチ２４が閉じているときには電圧源２２から出力される定電圧が蓄電素子１０に供給される。

蓄電部１０はＮ個（Ｎは３以上の自然数）の蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，…，Ｃ_Ｎを有している。これらの蓄電素子としては、例えば電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、レドックスキャパシタなどの電気化学キャパシタ、および、リチウム系二次電池、ニッケル水素電池、ナトリウム硫黄電池、亜鉛ハロゲン電池、レドックス・フロー電池などの二次電池を好適に適用可能である。

これらの蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，…，Ｃ_Ｎは、接続切替部３０に設けられたスイッチ群を介して接続されている。具体的には、回路図上において隣接する２つの蓄電素子Ｃ_ｎ，Ｃ_ｎ＋１（ｎは１以上Ｎ未満の自然数）の間は、３個のスイッチＳＷ_ｎ１，ＳＷ_ｎ２，ＳＷ_ｎ３を介して電気的に接続される。より詳しくは、蓄電素子Ｃ_ｎの一方（図において上側の）端子と蓄電素子Ｃ_ｎ＋１の一方端子との間がスイッチＳＷ_ｎ１を介して接続され、蓄電素子Ｃ_ｎの他方（図において下側の）端子と蓄電素子Ｃ_ｎ＋１の他方端子との間がスイッチＳＷ_ｎ３を介して接続される。さらに、蓄電素子Ｃ_ｎの他方端子と蓄電素子Ｃ_ｎ＋１の一方端子との間がスイッチＳＷ_ｎ２を介して接続される。スイッチＳＷ_ｎ１，ＳＷ_ｎ２，ＳＷ_ｎ３の開閉は、制御部５０により制御される。

これらのスイッチの開閉形式としては任意のものを使用可能であるが、開閉時に過渡的に大きな電流が流れる可能性があることから、火花の発生を避けるために機械的な接点を持たない例えば半導体スイッチを用いることが好ましい。

例えば回路図において最も左にある蓄電素子Ｃ_１とこれに隣接する蓄電素子Ｃ_２との間では、蓄電素子Ｃ_１の一方端子と蓄電素子Ｃ_２の一方端子との間にスイッチＳＷ_１１が設けられ、蓄電素子Ｃ_１の他方端子と蓄電素子Ｃ_２の他方端子との間にはスイッチＳＷ_１２が設けられる。さらに、蓄電素子Ｃ_１の他方端子と蓄電素子Ｃ_２の一方端子との間には、スイッチＳＷ_１３が設けられる。

蓄電素子Ｃ_ｎの一方端子および他方端子それぞれの電位が電位検出部４０により個別に検出され、これらの電位の差が蓄電素子Ｃ_ｎの端子電圧を表す。電位検出部４０による電位検出結果は制御部５０に与えられる。制御部５０は、電位検出部４０から与えられる電位検出結果に基づき各蓄電素子Ｃ_ｎの端子電圧を求め、その結果に基づいて装置各部を制御する。

図２（図２Ａないし図２Ｃ）はスイッチ群の作動により構成される回路の例を示す図である。回路図上で互いに隣接する２つの蓄電素子Ｃ_ｎ，Ｃ_ｎ＋１と、その間に設けられるスイッチＳＷ_ｎ１，ＳＷ_ｎ２，ＳＷ_ｎ３とで構成される最小構成の回路では、図２Ａに示すように、スイッチＳＷ_ｎ１およびＳＷ_ｎ３が開状態、ＳＷ_ｎ２が閉状態のとき蓄電素子Ｃ_ｎ，Ｃ_ｎ＋１の直列接続が実現される。一方、図２Ｂに示すように、スイッチＳＷ_ｎ１およびＳＷ_ｎ３が閉状態、ＳＷ_ｎ２が開状態のとき蓄電素子Ｃ_ｎ，Ｃ_ｎ＋１の並列接続が実現される。

このように、スイッチの開閉状態により、蓄電素子Ｃ_ｎ，Ｃ_ｎ＋１の接続状態が直列接続と並列接続との間で切り替わる。切り替えに際しては、スイッチＳＷ_ｎ１とスイッチＳＷ_ｎ２との間、およびスイッチＳＷ_ｎ３とスイッチＳＷ_ｎ２との間のそれぞれで、両スイッチが共に閉状態とならないようにする必要がある。すなわち、図２Ｃに示すように、直列状態から並列状態に接続が変更されるとき、スイッチＳＷ_ｎ２が開いてからスイッチＳＷ_ｎ１，ＳＷ_ｎ３が閉じられる。一方、並列状態から直列状態に接続が変更されるとき、スイッチＳＷ_ｎ１，ＳＷ_ｎ３が開いてからスイッチＳＷ_ｎ２が閉じられる。

スイッチＳＷ_ｎ１とスイッチＳＷ_ｎ２とが共に閉の状態では蓄電素子Ｃ_ｎが短絡され、スイッチＳＷ_ｎ２とスイッチＳＷ_ｎ３とが共に閉の状態では蓄電素子Ｃ_ｎ＋１が短絡される。これを防止するために、上記のようなタイミングで切り替えが行われる必要がある。なお、スイッチＳＷ_ｎ１，ＳＷ_ｎ３の開閉タイミングについては、上記条件が満たされる限り、必ずしも同時である必要はない。

蓄電素子の数が３以上の場合でも同様に、回路図上で隣接する２つの蓄電素子が互いに直列または並列に接続されることで、蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２，…，Ｃ_Ｎが互いに電気的に接続される。

図３（図３Ａないし図３Ｃ）は蓄電素子の接続状態の例を示す図である。ここでは、蓄電部１０が４個の蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_４を備える（すなわちＮ＝４）場合を例示する。図３Ａに示す例では、各蓄電素子の間に設けられたスイッチ群のうちスイッチＳＷ_ｎ１，ＳＷ_ｎ３（ｎ＝１，２，３）がいずれも開状態、スイッチＳＷ_ｎ２がいずれも閉状態であり、全ての蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_４が直列接続される。一方、図３Ｂに示す例では、スイッチＳＷ_ｎ１，ＳＷ_ｎ３（ｎ＝１，２，３）がいずれも閉状態、スイッチＳＷ_ｎ２がいずれも開状態であり、全ての蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_４が並列接続される。

さらに、図３Ｃに示す例では、スイッチＳＷ_１２，ＳＷ_２１，ＳＷ_２３，ＳＷ_３２が閉状態、他のスイッチが開状態となっている。この状態では、蓄電素子Ｃ_２，Ｃ_３が並列接続され、該並列回路がさらに蓄電素子Ｃ_１および蓄電素子Ｃ_４と直列に接続される。このように、この蓄電装置１は、各スイッチの開閉を制御することにより、蓄電素子を種々の接続状態で接続することができるように構成されている。

次に、上記のように構成された蓄電装置１による充電動作について説明する。この蓄電装置１では、蓄電部１０に設けられた複数の蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎが接続切替部３０により相互に接続されて、適宜の回路構成を有する二端子回路が構成される。こうして構成された二端子回路に対し、電流源２１からの直流定電流、または電圧源２２からの直流定電圧が選択的に供給されることで、蓄電部１０の各蓄電素子が充電される。後述するように、この蓄電装置１の充電動作の過程においては、蓄電素子の接続状態が切り替えられて二端子回路の構成が随時変更される。

図４（図４Ａないし図４Ｃ）は充電動作における蓄電素子の接続状態を示す図である。上記したように、この蓄電装置１の充電動作では、蓄電部１０および接続切替部３０によって所定の二端子回路が構成される。この二端子回路は、図４Ａに示すように、所定の回路構成を有する１以上の単位回路Ｕ_１，Ｕ_２，…，Ｕ_Ｓ（Ｓは自然数）を含み、単位回路が複数の場合にはそれらの全てが直列接続された回路構成を有する。各々の単位回路Ｕ_ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｓ）は、図４Ｂに示される単一の蓄電素子を含む回路、または図４Ｃに示される複数の蓄電素子が互いに並列接続された回路のいずれかである。単一の二端子回路が、回路構成の異なる複数種の単位回路を含んでいてもよい。蓄電部１０に設けられた蓄電素子の全てが並列接続される場合、それらの全素子が単一の単位回路を構成するとみなす。

また、蓄電部１０に含まれる蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎの全てがいずれかの単位回路に組み込まれるものとする。例えば蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎのうち少なくとも１つが短絡されている回路や、電流源２１が接続されたときに形成される閉回路に含まれない蓄電素子が存在する回路のように、充電に関与しない蓄電素子を含む回路は、ここでいう二端子回路に該当しない。

次のように言い換えることもできる。互いに並列接続された複数の蓄電素子は全体として、互いの蓄電容量を加算した蓄電容量を有する１つの「広義の蓄電素子」とみることができる。このように、互いに並列接続されて広義の蓄電素子をなす複数の蓄電素子の一団が、１つの単位回路に相当する。一方、他の蓄電素子と並列接続されていない単一の蓄電素子については、当該蓄電素子が単独で１つの単位回路をなす。そして、このような単位回路が単独で、または複数直列接続されて、本実施形態にいう二端子回路を構成する。

なお、単位回路Ｕ_ｍは、この蓄電装置１において固定的に設けられるものではなく、接続切替部３０が制御部５０からの制御指令に応じて蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２，…，Ｃ_Ｎを接続することにより一時的に形成されるものである。例えば図１Ｂの回路においてスイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３により蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２が直列接続されたとき、蓄電素子Ｃ_１、蓄電素子Ｃ_２はそれぞれ単独で１つの単位回路をなす。一方、スイッチＳＷ_１１〜ＳＷ_１３により蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２が並列接続されたとき、蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２が全体として１つの単位回路をなす。このように、本実施形態における「単位回路」および「二端子回路」は、接続切替部３０の各スイッチの開閉状態の組み合わせに応じて動的に変化する回路を指す概念である。蓄電部１０に設けられる蓄電素子の数はＮ個であるから、これらの少なくとも一部により構成される単位回路の数Ｓは最大でもＮである。

ここで、図４Ａに示される二端子回路を構成する単位回路の数Ｓを、当該二端子回路の「直列度」と称する。なお全ての蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎが並列接続された二端子回路では、これらの蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎが単一の単位回路を構成するので、その直列度は１である。上記したように、この蓄電装置１では、接続切替部３０の各スイッチの開閉状態の組み合わせにより、種々の直列度Ｓ（１≦Ｓ≦Ｎ）を有する二端子回路が実現可能である。

図５（図５Ａないし図５Ｅ）は二端子回路の構成例を示す図である。ここでは、蓄電部１０が８個の蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_８を備える（すなわちＮ＝８）場合を例示する。図５Ａに示す例では、全ての蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_８が直列接続されており、直列度Ｓの値は８である。この場合、各蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_８がそれぞれ単独で１つの単位回路をなす。

図５Ｂに示す例では、回路図上で隣接する２つの蓄電素子Ｃ_３，Ｃ_４が並列接続され、他の蓄電素子は直列接続されている。この場合、直列度Ｓの値は７であり、２つの蓄電素子Ｃ_３，Ｃ_４が１つの単位回路Ｕ_３をなし、他の蓄電素子はそれぞれ単独で１つの単位回路Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_４〜Ｕ_７をなす。なお、２つの蓄電素子のみが並列接続される限り、蓄電素子の組み合わせによらず直列度Ｓの値は７である。

図５Ｃに示す例では、回路図上で隣接する蓄電素子が２つずつ並列接続されている。具体的には、蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２が並列接続されて単位回路Ｕ_１を構成し、蓄電素子Ｃ_３，Ｃ_４が並列接続されて単位回路Ｕ_２を構成し、蓄電素子Ｃ_５，Ｃ_６が並列接続されて単位回路Ｕ_３を構成し、蓄電素子Ｃ_７，Ｃ_８が並列接続されて単位回路Ｕ_４を構成する。そして、それぞれ並列接続された２つの蓄電素子からなる４つの単位回路Ｕ_１〜Ｕ_４が直列接続されて二端子回路が構成される。したがってこの場合の直列度Ｓの値は４である。

一方、図５Ｄに示す例では、直列度Ｓの値は図５Ｃの例と同じ４であるが、回路構成は全く異なる。すなわち、蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_８がそれぞれ単独で単位回路Ｕ_１，Ｕ_４を構成する一方、４つの蓄電素子Ｃ_２〜Ｃ_５が互いに並列接続されて単位回路Ｕ_２を構成し、２つの蓄電素子Ｃ_６，Ｃ_７が互いに並列接続されて１つの単位回路Ｕ_３を構成する。そして、これらの単位回路Ｕ_１〜Ｕ_４が直列接続されて二端子回路が構成される。このように、直列度Ｓの値が同一であっても回路構成は異なっている場合がある。

さらに、図５Ｅに示す例では、全ての蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_８が互いに並列接続され、全体が１つの単位回路を構成する。したがってこの場合、直列度Ｓの値は１である。このように、この蓄電装置１では、１からＮまでの任意の直列度Ｓを有する種々の二端子回路を構成することが可能となっている。また、直列度Ｓが１またはＮである場合を除き、同じ直列度Ｓの値に対し異なる回路構成を有する２種類以上の二端子回路を構成することが可能である。次に説明するように、この蓄電装置１の充電動作の動作過程においては、直列度Ｓが互いに異なる複数種の二端子回路が順次出現する。

図６はこの蓄電装置における充電動作の一例を示すフローチャートである。この充電動作は、予め作成された制御プログラムに基づき制御部５０が装置各部を制御して所定の動作を行わせることにより実現される。

最初に、装置各部が所定の初期状態に設定されて装置の初期化が行われる（ステップＳ１０１）。初期状態では、給電部２０および接続切替部３０に設けられたスイッチ類は全て開状態である。したがって蓄電部１０に設けられた蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎへの充電は行われない。蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎは、未充電または完全放電状態であってもよく、また一部または全部の蓄電素子に幾らかの電気エネルギーが蓄えられた状態であってもよい。また、電位検出部４０による蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎの端子電位の検出が開始される。なお、充電が開始される前における回路の接続状態は、上記に限定されず任意である。

次に、制御部５０が接続切替部３０を作動させ、接続切替部３０は蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎを相互に接続して直列度Ｓが所定値Ｓ１である第１の二端子回路を構成する（ステップＳ１０２）。そして、給電部２０のスイッチ２３が制御部５０からの制御指令に応じて閉じることにより、電流源２１から蓄電部１０へ直流定電流が供給され、蓄電部１０の定電流充電が開始される（ステップＳ１０３）。

このときの直列度Ｓ１については２以上Ｎ以下の任意の数値とすることができるが、できるだけ大きな値であることが望ましい。複数の蓄電素子が並列接続された状態では、注入される電流がこれらの蓄電素子に分散されるため、これらの充電に長時間を要する。複数の蓄電素子を短時間で充電するという目的のためには、可能な限り多くの蓄電素子を直列接続して（つまり直列度Ｓを高くして）定電流充電を行うことが好ましい。例えば部分的に充電された状態の蓄電素子がある場合には、当該蓄電素子が他の蓄電素子と並列接続された状態で充電が開始されてもよい。

一方、直列接続され定電流充電される各蓄電素子の端子電圧の上昇の程度は、蓄電素子の容量ばらつきに起因して必ずしも一様ではない。例えば電気化学キャパシタでは同一の公称容量を有する素子間で最大２０％程度の容量ばらつきを有する場合がある。このため、このまま充電を継続すると蓄電素子間の端子電圧のばらつきが次第に大きくなる。

端子電圧の高い蓄電素子を基準として充電制御が行われる場合、端子電圧の低い蓄電素子が満充電状態に至る前に充電が終了されてしまう。一方、端子電圧の低い蓄電素子を基準として充電制御が行われる場合、その蓄電素子が満充電状態に至る前に他の蓄電素子が過充電状態となってしまう。いずれも好ましくない状態である。

そこで、この充電動作の過程においては、充電中に各蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎの端子電圧が監視されている。蓄電素子間の端子電圧の差が予め設定された規定値以上となった場合には（ステップＳ１０４）、スイッチ２３が開かれて電流源２１からの電流注入が停止される（ステップＳ１０５）。そして、接続切替部３０により蓄電素子の接続が直列度Ｓが低下するように変更されて、直列度Ｓの値が第１の二端子回路の直列度Ｓ１よりも小さい第２の二端子回路が新たに構成される（ステップＳ１０６）。このときの直列度ＳをＳ２（＜Ｓ１）とする。

二端子回路の直列度Ｓが低下するように接続が変更されるとき、当該二端子回路においては、変更の直前には並列接続されていなかった少なくとも１対の蓄電素子が新たに並列接続されることになる。蓄電素子が新たに並列接続されることにより、それらの蓄電素子間の端子電圧のばらつきが是正される。したがって、二端子回路の直列度Ｓが低下するような蓄電素子の接続変更は、蓄電素子間の電圧ばらつきを縮小させる作用を有する。

第１の二端子回路よりも直列度Ｓの低い二端子回路としては種々の回路構成のものが想定され得るが、そのいずれが第２の二端子回路とされてもよい。ただし、複数の蓄電素子のうち端子電圧が最も高いもの、および端子電圧が最も低いものの少なくとも一方が他の蓄電素子と並列接続されるようにすると、電圧ばらつきを是正する効果が特に顕著となる。

二端子回路の接続を変更するのに先立って電流注入を停止するのは、端子電圧の異なる蓄電素子が並列接続された際に素子間に流れる過渡電流と充電電流とが重畳されることでスイッチに過大な電流が流れ、スイッチが破損するのを防止するためである。スイッチの電流容量が十分に大きいなど、このような問題が生じるおそれがない場合には、電流注入が継続して実施されてもよい。すなわち、ステップＳ１０５が省かれてもよい。

蓄電素子間の電圧ばらつきが解消されたか否かについては、例えば電位検出部４０により検出される各蓄電素子の端子電圧を比較することによって行うことができる。すなわち、各蓄電素子のうち端子電圧が最も高いものと最も低いものとの電圧差が規定値よりも小さいとき電圧ばらつきが解消されたということができる。この場合の規定値は、ステップＳ１０４における規定値と同一値であってもよく、またこれより小さい値であってもよい。

また、端子電圧の異なる複数の蓄電素子が並列接続されたときに蓄電素子間で端子電圧が同一となるまでの時間は、蓄電素子の容量と配線の電気抵抗とで定まる時定数の大きさに依存する。したがって各部品の特性からおよその時間を予測することも可能である。このことから、ステップＳ１０６において形成された回路構成を維持する時間を予め定めておき、定められた時間だけ接続状態が維持されるようにしてもよい。

こうして直列度の低い二端子回路が構成されることで蓄電素子間の電圧ばらつきが解消されると、続いて、全ての蓄電素子の端子電圧が所定の規定電圧以上に達しているか否かが判断される（ステップＳ１０７）。この場合の規定電圧は、各蓄電素子がほぼ満充電状態であるとみなせるときの蓄電素子の端子電圧に対応する値である。例えば、満充電状態における蓄電素子の端子電圧の９０％ないし９５％程度の電圧値を、規定電圧とすることができる。

全ての蓄電素子の端子電圧が規定電圧以上であるとき（ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、電流源２１からの電流注入が継続されていればスイッチ２３が開かれて電流注入が停止され（ステップＳ１１１）、全ての蓄電素子が並列接続となるよう接続が変更される（ステップＳ１１２）。そして、給電部２０のスイッチ２４が閉じられて電圧源２２からの直流定電圧が各蓄電素子に印加される（ステップＳ１１３）。

全蓄電素子を並列接続し直流定電圧を印加することで、次のような効果が得られる。このときの直流電圧の大きさを各蓄電素子の最終的な目標電圧値としておくことで、各蓄電素子の端子電位が自動的に目標電圧に揃えられる。これにより、ほぼ満充電状態となった各蓄電素子の端子電圧が均一化されるとともに、蓄電素子の自己放電に起因する端子電圧の低下が防止される。これらの効果は、電圧源２２が出力する直流電圧の大きさを適正に維持することで得られるものであり、個々の蓄電素子の端子電位の検出およびそれに基づく制御を特に必要としない。

この状態で一連の充電動作は終了し、以後は蓄電素子の自己放電を補償するための電流だけが蓄電部１０に流入するトリクル充電状態となって各蓄電素子が満充電状態に維持される。

一方、いずれかの蓄電素子の端子電圧が規定電圧に達していない場合には（ステップＳ１０７においてＮＯ）、接続切替部３０により蓄電素子の接続が変更され、第２の二端子回路の直列度Ｓ２よりも高い直列度Ｓ３（＞Ｓ２）を有する第３の二端子回路が新たに構成される（ステップＳ１０８）。そして、ステップＳ１０３に戻ってさらに定電流充電が行われる。これにより、満充電に至っていない蓄電素子の充電が継続される。二端子回路の直列度Ｓが高められることにより、各蓄電素子を満充電状態に至らせるまでの所要時間を短縮することができる。

第３の二端子回路の回路構成は特に限定されないが、例えばステップＳ１０７の判断において端子電圧が規定電圧未満であると判断された蓄電素子については他の蓄電素子と並列接続されない状態とされることが望ましい。こうすることで、当該蓄電素子に効率的に電流を流入させて端子電圧を素早く上昇させることが可能となる。一方、端子電圧が規定電圧以上である蓄電素子については他の蓄電素子と並列接続することで、電圧ばらつきを是正するとともに過充電となるのを防止することができる。制御部５０は、電位検出部４０による検出結果から各蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎの端子電圧を随時把握し、その結果に応じて各蓄電素子をどのように接続するかを決定し接続切替部３０を制御することが好ましい。

なお、ステップＳ１０８において構成される第３の二端子回路の直列度Ｓ３およびその回路構成は、ステップＳ１０２において構成される第１の二端子回路の直列度Ｓ１およびその回路構成と同一であってもよく、異なっていてもよい。また、第１の二端子回路と直列度は同じであって回路構成が異なっていてもよい。

また、ステップＳ１０３ないしＳ１０８の処理ループが複数回実行されるとき、回路の接続変更を伴うステップＳ１０６およびステップＳ１０８がそれぞれ複数回実行されることになる。このとき、ステップＳ１０６において構成される第２の二端子回路の直列度Ｓ２および回路構成は、各回の処理において同一であってもよく、異なっていてもよい。ただし、各蓄電素子間の電圧ばらつきを是正するとの観点からは、回路構成が種々に異なる二端子回路が順次出現することが好ましい。並列接続される蓄電素子の組み合わせが順次変化することで、各蓄電素子間の端子電圧が相互に均等化されるからである。

また、ステップＳ１０８において構成される第３の二端子回路の直列度Ｓ３および回路構成も、各回の処理において同一であってもよく、異なっていてもよい。ただし、充電所要時間の短縮との観点からは、直列度Ｓができるだけ高い状態とされることが好ましい。

なお、第２工程と第３工程とがそれぞれ複数回繰り返して実行される態様において、第２工程と第３工程との間で直列度Ｓを大きく変化させないことが有効なケースがある。直列度Ｓの変化を伴う接続変更は、二端子回路の両端電圧の変動の原因となる。例えば充電動作中に蓄電部１０から外部負荷へ電力を供給する場合のように、二端子回路の両端電圧の変動を抑制することが必要とされる場合、第２工程と第３工程との間での直列度Ｓの変化を比較的小さくすることが有効である。

このように、この充電動作においては、蓄電部１０に設けられた蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎが比較的高い直列度Ｓ＝Ｓ１となるように接続された状態で定電流充電が開始される。そして、所定のタイミングで、より具体的には蓄電素子間の端子電圧差が規定値以上となったときに、蓄電素子の接続が変更され、直列度Ｓ＝Ｓ２（＜Ｓ１）を有する新たな二端子回路が構成される。二端子回路の直列度が低下することにより、蓄電素子間の電圧バランスが改善される。

そして、電圧ばらつきが是正された後、各蓄電素子が満充電に至っていなければ、より具体的には蓄電素子のうち端子電圧が規定電圧に達していないものがあれば、蓄電素子の接続が再度変更され、直列度Ｓ＝Ｓ３（＞Ｓ２）を有する新たな二端子回路が構成される。二端子回路の直列度が増加することにより、各蓄電素子への充電速度が向上する。そして、必要に応じて、直列度Ｓの上昇を伴う接続変更と直列度Ｓの低下を伴う接続変更とが交互に複数回実行されることで、蓄電素子間の電圧ばらつきが抑制されながら、各蓄電素子が順次満充電状態となる。

このように、この充電動作の過程においては、充電の開始後、直列度の低下を伴う蓄電素子の接続変更と、直列度の上昇を伴う蓄電素子の接続変更とが交互に実行される。これにより、蓄電素子間の電圧バランスを取りながら短時間で各蓄電素子を充電することが可能となる。前述した先行技術のいずれにおいても、充電過程において蓄電素子の接続変更は行われるが、直列度の上昇を伴う蓄電素子の接続変更は行われない。したがって、短時間での充電を可能とする点において、本実施形態の充電動作は先行技術のものよりも有利である。

図７は充電動作のより具体的な一態様を示すフローチャートである。図７においては、図６に示す充電動作と基本的に同一の動作については図６と同一の符号を付し、以下ではその動作内容についての説明を省略する。この態様においては、ステップＳ１０２ａにおいて全ての蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎが直列接続された二端子回路が構成される点で、図６のステップＳ１０２の動作内容とは相違している。また、図６のステップＳ１０６に代えて、ステップｓ１０６ａおよびＳ１０６ｂが設けられる。また、ステップＳ１０８ａにおいても、全ての蓄電素子が直列接続された二端子回路が構成される。これらの点を除けば、図７の充電動作の動作内容は図６の充電動作と同じである。

ステップＳ１０６ａでは、直列度の低い二端子回路として、全ての蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎが並列接続された二端子回路が構成される。ステップＳ１０６ｂでは、電位検出部４０による各蓄電素子の端子電圧検出結果から、蓄電素子間の端子電圧差が解消されたか否かが判断され、端子電圧差が解消されるまで待機状態となる。また、前述したように、端子電圧によらず接続状態が一定時間維持されるように構成されてもよい。

つまり、図７に示す動作態様では、各蓄電素子が接続され直列度Ｓの高い二端子回路が構成される際、原理的に直列度Ｓが最も高くなる、全ての蓄電素子が直列接続された状態（以下、「全直列状態」という）の二端子回路が構成される。一方、二端子回路の直列度Ｓを低下させる際には、原理的に直列度Ｓが最も低くなる、全ての蓄電素子が並列接続された状態（以下、「全並列状態」という）の二端子回路が構成される。

これにより、この態様では、図５Ａに示す蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎが全直列状態（すなわち直列度Ｓ＝Ｎ）で定電流充電が開始され、所定のタイミングで、蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎの接続が図５Ｅに示す全並列状態（すなわち直列度Ｓ＝１）に変更される。その後のステップＳ１０８ａでは再び、図５Ａに示す全直列接続状態に接続が変更される。なお、図５Ａないし図５Ｅの例では蓄電部１０に設けられた蓄電素子の個数Ｎを８としているが、任意の個数Ｎにおいて同様の処理が可能である。

このように、この態様の充電動作（図７）では、図５Ａに示される全直列状態と図５Ｅに示される全並列状態とが交互に切り替えられながら蓄電素子の充電が進行する。全直列状態での定電流充電は、個々の蓄電素子への充電が最も速く進行する態様である。一方、全並列状態は、全ての蓄電素子間で端子電圧が最も短時間でかつ確実に均等化される態様である。したがって、この態様の充電動作では、蓄電素子間の電圧バランスを取りながら短時間で各蓄電素子を充電することが可能である。なお、この態様では、全ての蓄電素子が並列接続され各蓄電素子の端子電圧差が解消された状態でステップＳ１０７の判断がなされる。そのため、ステップＳ１０７では全ての蓄電素子の端子電圧を検出する必要はなく、いずれか１つの蓄電素子の端子電圧、または蓄電部１０全体としての両端電圧に基づき判断を行ってよい。

図７のステップＳ１０２ａおよびＳ１０８ａにおける「蓄電素子の全直列状態への接続」は、図６のステップＳ１０２およびＳ１０８における「より高い直列状態への接続」の一態様に他ならない。同様に、図７のステップＳ１０６ａにおける「蓄電素子の全並列状態への接続」は、図６のステップＳ１０６における「より低い直列状態への接続」の一態様に他ならない。この意味において、図７の充電動作は、図６の充電動作の技術思想をより具体的な態様に限定したものであると言える。

図８は図６の充電動作の変形例の一部を示すフローチャートである。図６のステップＳ１０６に代えて、図８に示すステップＳ１０６ｃ〜Ｓ１０６ｅが実行されてもよい。ステップＳ１０６ｃでは、図６のステップＳ１０６と同様に、蓄電素子により構成される二端子回路の直列度Ｓが低下するような接続変更が行われる。ステップＳ１０６ｄでは蓄電素子間の端子電圧差が解消されたか否かが判断され、端子電圧差が解消されていれば図６のステップＳ１０７以降の処理が実行される。

端子電圧差が解消されていないとき、ステップＳ１０６ｅにおいて、蓄電素子の接続変更が行われる。ステップＳ１０６ｃにおいて形成される二端子回路が全並列状態でない場合、並列接続される蓄電素子の組み合わせによっては、並列接続されていない蓄電素子間での端子電圧差が解消されない場合があり得る。並列接続される蓄電素子の組み合わせが変わるように接続が変更されることは、このような場合に有効である。蓄電素子間の端子電圧差の解消を目的とする接続変更においては、接続変更によって二端子回路の直列度Ｓが維持されるか、低下することが望ましい。端子電圧差が解消されるまでステップＳ１０６ｄ、Ｓ１０６ｅが繰り返されることで、蓄電素子間の端子電圧差を確実に解消することができる。

このように、蓄電素子間の電圧バランスを取るために二端子回路の直列度を低下させる工程において、回路構成の異なる複数種の二端子回路が順次形成されてもよい。同様の考え方に基づき、次のような態様も可能である。

図９は充電動作のより具体的な他の一態様を示すフローチャートである。また、図１０（図１０Ａないし図１０Ｅ）はこの動作態様における蓄電素子の接続状態の変遷を示す図である。図９におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０４の動作内容は、図７におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０４の動作内容と同一である。すなわち、この態様では、蓄電素子が図５Ａに示す全直列状態に接続されて定電流充電が開始され（ステップＳ１０１〜Ｓ１０３）、蓄電素子間の端子電圧差が規定値に達するまで（ステップＳ１０４）、この状態が維持される。

続いて、全直列状態の蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎのうち回路図上において隣接する１対の蓄電素子の間、例えば図１０Ａに示すように蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２の間の接続が、並列接続に変更される（ステップＳ１０６ｆ）。これにより、蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２の間で端子電圧が均等化される。以下では、こうして互いに並列接続された１対の蓄電素子を「並列部」と称し図では符号Ｐを付す。ここでは回路図上の配置に基づき並列部Ｐを形成する蓄電素子が選択されているが、これに限定されない。例えば、端子電圧が最も高いまたは最も低い１つの蓄電素子と、回路図において当該蓄電素子と隣接する１つの蓄電素子とにより並列部Ｐが形成されてもよい。このようにすると、端子電圧差の解消に要する時間を短縮することが可能である。特に、端子電圧が最も高い蓄電素子については、早い段階で他の蓄電素子と並列接続することで、過充電となるのを防止することができる。

このときの蓄電素子の接続変更は、全直列状態から直列度Ｓが１つだけ低下するものであり、１対の蓄電素子の接続状態が直列から並列に変更されるにすぎない。そのため、並列接続への変更に起因して流れる過渡電流も限定的であると考えられる。したがってこの場合には電流源２２からの電流注入を停止する必要はない。むしろ、電流注入を継続することにより、１対の蓄電素子間で端子電圧の均等化を行っている間にも当該蓄電素子および他の蓄電素子への充電を継続することができるので、充電に要する時間をより短縮することが可能となる。

接続変更が行われてから所定時間が経過すると、並列部Ｐを構成する蓄電素子の組み合わせを回路図上で１つシフトさせた新たな二端子回路が構成される（ステップＳ１０６ｇ）。ここで並列部のシフトとは、蓄電素子の接続を変更して、並列部Ｐを構成している２つの蓄電素子の一方と、当該蓄電素子と回路図において隣接する別の１つの蓄電素子との間で新たな並列部Ｐを形成することを意味する。図１０Ａに示すように２つの蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２により並列部Ｐが形成されているケースでは、図１０Ｂに示すように、蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_２の間の並列接続が解消されて直列接続に変更され、一方の蓄電素子Ｃ_２とこれに隣接する別の蓄電素子Ｃ_３との間で新たな並列部Ｐが形成されるという動作が、並列部Ｐのシフトに相当する。なお、並列部Ｐを形成した蓄電素子間の端子電圧差が所定値以下になったと判断したときにシフトが行われるようにしてもよい。

所定のシフト終了条件が成立するまで（ステップＳ１０６ｈ）、上記した並列部Ｐのシフトが繰り返される。このとき、図１０Ｃ、図１０Ｄに示すように、並列部Ｐを形成する蓄電素子の対が、回路図上において１つずつシフトしてゆく。これにより、蓄電素子間での電圧ばらつきが是正される。この間も各蓄電素子への電流注入を継続して、蓄電素子への充電を進行させることができる。

シフト終了条件としては種々のものが考えられる。例えば、電位検出部４０により検出される各蓄電素子間の端子電圧差が解消されたとき、シフト終了となるようにすることができる。また、回路図上において隣接する蓄電素子の対の全てにおいて並列部Ｐが形成された後に、シフト動作が終了するようにしてもよい。

なお、上記のように並列部を順次シフトしてゆくと、図１０Ｅに示すように、最終的には回路図で最も右端で対をなす蓄電素子Ｃ_Ｎ−１，Ｃ_Ｎにより形成される並列部でシフトが終了することになる。この状態からさらにシフト動作を継続する場合、再度図１０Ａに示す状態から順次並列部Ｐのシフトが行われてもよく、また上記とは逆順に図１０Ｅに示す状態から図１０Ａに示す状態に向かってシフトが行われてもよい。また、前述した先行技術文献（国際公開第２０１２／０１４２８１号）に記載されたように、回路図において最も離れた２つの蓄電素子Ｃ_１，Ｃ_Ｎの間にこれらによる並列部Ｐを形成するためのスイッチを設け、並列部Ｐの循環が可能となるようにしてもよい。

並列部Ｐのシフト動作が終了すると、続いて図６、図７のステップＳ１０７と同様に、全ての蓄電素子の端子電圧が規定電圧以上となっているか否かが判断される（ステップＳ１０７）。その後の動作は、図７に示す充電動作と同じである。すなわち、蓄電素子間での電圧ばらつきが解消されると、蓄電素子が全直列状態に戻され、二端子回路の直列度Ｓは増加する。これにより、並列部が形成されることで電流が分散され、充電に要する時間が長くなるのを防止することができる。また、全ての蓄電素子の端子電圧が規定電圧以上となっていれば、全ての蓄電素子が並列接続されてトリクル充電状態となる。

このように、この態様の充電動作（図９）では、全直列状態での定電流充電において蓄電素子間の端子電圧差が大きくなると、１対の蓄電素子による並列部Ｐが形成されて端子電圧が均等化され、しかも、並列部Ｐのシフトが順次行われる。これにより蓄電素子間の電圧バランスが改善される。そして、蓄電素子間の端子電圧差が解消されると再び全直列状態に戻されることで、充電に要する時間が短縮される。

なお、蓄電素子間での端子電圧差を解消するために、一部の蓄電素子により並列部を形成しこれをシフトさせるという技術思想は、前述の先行技術文献（国際公開第２０１２／０１４２８１号）に記載された技術思想と一定の類似性を有するものである。しかしながら、この先行技術には、図９の充電動作と異なり、いったん並列部が形成された状態から全直列状態へ移行するという局面が存在しない。この相違点に起因して、図９の充電動作は、充電に要する時間がより短いという点で先行技術よりも優れたものである。言い換えれば、図９に示す充電動作は、この先行技術を充電速度の面において改良したものに相当すると言うこともできる。

図９の充電動作は、図６の充電動作のステップＳ１０６において蓄電素子間の端子電圧差が解消されなかったときに、二端子回路の直列度Ｓを変えずにその回路構成を順次変更するように動作を改変したものに相当するとも考えることができる。この意味において、図９の充電動作を図６の充電動作の変形例ということができる。

上記態様では回路図上における蓄電素子の配列順序に則った順番に並列部Ｐが形成されるが、変形例として、並列部Ｐの形成およびシフト動作が次のように構成されてもよい。基本的な考え方は、回路図上において隣接する蓄電素子同士で端子電圧差が最も大きい１対の蓄電素子により並列部Ｐを形成する、というものである。すなわち、ステップＳ１０６ｆでは、各蓄電素子の端子電圧検出結果に基づき、隣接する蓄電素子間で端子電圧差が最も大きい１対の蓄電素子により並列部Ｐが形成される。これにより当該蓄電素子対での端子電圧差が解消される。

そして、ステップＳ１０６ｆでは、その時点で端子電圧差が最も大きい１対の隣接する蓄電素子の間で新たな並列部Ｐが形成されることにより、並列部の位置がシフトする。このように端子電圧差の大きい蓄電素子の対から順に並列化してゆくことにより、短時間で蓄電素子間の電圧ばらつきを解消することができる。

以上説明したように、上記実施形態においては、接続切替部３０が本発明の「接続手段」として機能する一方、電流源２１および電圧源２２がそれぞれ本発明の「電流注入手段」および「電圧印加手段」として機能している。

また、図６のステップＳ１０２およびＳ１０３、図７および図９のステップＳ１０２ａおよびＳ１０３が、いずれも本発明の「第１工程」に相当している。また、図６のステップＳ１０６、図７のステップＳ１０６ａないしＳ１０６ｂ、図８のステップＳ１０６ｃないしＳ１０６ｅ、図９のステップＳ１０６ｆないしＳ１０６ｈが、いずれも本発明の「第２工程」に相当している。また、図６のステップＳ１０８、図７および図９のステップＳ１０８ａが、いずれも本発明の「第３工程」に相当している。また、図６、図７および図９のステップＳ１１２ないしＳ１１３が、本発明の「第４工程」に相当している。

以上のように、この実施形態では、複数の蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎにより構成された二端子回路に充電電流を注入し充電を行うに際して、当初は直列度Ｓの値が比較的高く設定される（第１工程）。そして、充電の進行に伴い蓄電素子間の電圧ばらつきが大きくなってくると、より直列度Ｓの低い二端子回路に接続が変更されて、蓄電素子間の電圧バランスが改善される（第２工程）。電圧ばらつきが小さくなると、再び直列度Ｓの高い二端子回路が構成され、これにより各蓄電素子への充電が短時間で進行する（第３工程）。このように、本実施形態によれば、複数の蓄電素子間の電圧バランスを取りながら、各蓄電素子を短時間で満充電状態に至らせることが可能である。

また、二端子回路の直列度が高められる第３工程の後に、二端子回路の直列度を再度低下させる蓄電素子の接続変更（第２工程）が行われることにより、第３工程で生じうる蓄電素子間の端子電圧のばらつきを抑えることが可能となる。この場合、第２工程が実行される都度、並列接続される蓄電素子の組み合わせが変更されてもよい。これにより、該組み合わせが固定された場合に比べて、各蓄電素子の端子電圧の均等化をより効率的に実現することができる。

また、必要に応じて第２工程と第３工程とが交互に複数回実行される構成では、充電動作の全過程において蓄電素子間の電圧ばらつきを所定範囲内に収めつつ充電を進行させることができる。この場合、直列度が上昇する接続変更が第２工程から第３工程への移行に相当し、直列度が低下する接続変更が第３工程から第２工程への移行に相当する。複数回の第２工程の間では相互に直列度の変化があってもよく、複数回の第３工程の間においても相互に直列度の変化があってもよい。その結果、あるタイミングで実行される第２工程における二端子回路の直列度が、これと連続しないタイミングで実行される第３工程における直列度よりも大きくなるケースが生じうるが、これは許容される。

また、１回の第２工程が、二端子回路の回路構成が順次変化するように構成されてもよい（図８、図９）。この場合、直列度が一定に維持されるか、直列度が低下するような接続変更がなされることが望ましい。これにより、各蓄電素子間の端子電圧のばらつきを効率よく是正することができる。

また、第２工程および第３工程が実行されることで各蓄電素子が充電された後、全ての蓄電素子が並列接続されて定電圧充電が行われる（第４工程）。これにより、各蓄電素子の端子電圧が均等化された状態が維持され、また蓄電素子の自己放電による電圧低下を補償することができる。

また、第４工程は、全ての蓄電素子の端子電圧が規定電圧以上となったときに実行される。蓄電素子の端子電圧が低い状態で定電圧充電が行われる場合、蓄電素子には短時間のうちに大きな電流が流れ込むことになる。特に複数の蓄電素子が並列接続された状態では、充電を行うための電圧源に極めて大きな電流供給能力が必要となり、また電流経路上の部品にも大きな電流容量が必要となる。蓄電素子の端子電圧が十分に上昇した状態で定電圧充電が行われることで、このような過渡的な大電流への対応は不要となる。

また、第２工程は、蓄電素子への電流の注入が行われない状態で実行されてもよい（図６、図７）。第２工程でも蓄電素子への電流注入を行うことで充電に要する時間は短縮される。しかしながら、端子電圧が異なる可能性のある複数の蓄電素子が並列接続される際に、電圧差に起因する過渡的な電流が蓄電素子間に流れる。この電流が外部から注入される充電電流に重畳されるため、電流経路上の部品に大きな電流容量が必要となる。蓄電素子への電流注入がない状態で並列接続への変更が行われるようにすれば、このような問題は生じない。

また、第２工程において全ての蓄電素子が並列接続される態様（図７）では、蓄電素子間の端子電圧差を短時間で解消して、全ての蓄電素子の間で端子電圧を均等化することができる。

また、第２工程は、蓄電素子のうち端子電圧が最も高いものと最も低いものとの差が予め定められた規定値に達したときに実行される。蓄電素子の並列化を進めることで端子電圧のバランスは改善されるが、その反面、充電に要する時間は長くなる。充電を短時間で完了させるためには、できる限り蓄電素子を直列に接続することが有効であり、それらを並列接続する期間は短いことが好ましい。端子電圧の差が小さいうちは並列化を行わず、最も大きい電圧差が規定値に達したときに第２工程が実行されるようにすれば、蓄電素子間の電圧ばらつきを規定値以下に抑えつつ、充電に要する時間を短縮することができる。

一方、蓄電素子への電流注入時間が第１規定時間に達したときに第２工程が開始されるようにしてもよい。蓄電素子の容量ばらつきの程度がわかっていれば、充電に伴う端子電圧の上昇速度のばらつきもある程度予測が可能である。したがって、端子電圧の差の実測値によらず電流注入時間のみで第２工程の実行タイミングが決定される態様であっても、端子電圧の差が極端に大きくなる前に蓄電素子を並列化し、電圧バランスを改善することが可能である。

同様に、複数の蓄電素子が並列接続された際にそれらの端子電圧差が解消されるまでに必要な時間についても、蓄電素子の容量や配線の電気抵抗等からある程度予測可能である。したがって、第２工程の実行継続時間が所定の第２規定時間に達したときに、第２工程から第３工程へ移行するように構成されてもよい。第３工程の後に再び第２工程を実行可能な構成においても同様であり、第３工程の実行継続時間が所定の第３規定時間に達したときに、第３工程から第２工程へ移行するようにしてもよい。

また、第１工程において全ての蓄電素子が直列接続されることにより、充電開始当初における各蓄電素子の端子電圧の上昇速度を最大化することができ、各蓄電素子が満充電状態に至るまでに要する時間を短くすることができる。第３工程において全ての蓄電素子が直列接続される態様（図７）では、端子電圧差が解消された後の充電を短時間で行うことができ、各蓄電素子が満充電状態に至るまでに要する時間をさらに短くすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したものに対して種々の変更を加えることが可能である。例えば、図７に示す充電動作における第３工程（ステップｓ１０８ａ）では、全ての蓄電素子が直列接続されるが、これに代えて、一部の蓄電素子を並列接続したままとしてもよい。例えば直列接続での充電時に端子電圧の上昇が比較的速い蓄電素子については他の蓄電素子と並列接続されたままでもよい。

また、図９に示す充電動作における第２工程（ステップＳ１０６ｆ〜Ｓ１０６ｈ）では、隣接する２つの蓄電素子のみが並列接続され、その組み合わせが順次シフトする。これに代えて、隣接する３以上の蓄電素子が並列接続されて、その組み合わせが順次シフトする構成であってもよい。

また、上記実施形態では、蓄電素子間の端子電圧差が規定値以上となったときに、二端子回路の直列度が低下するような蓄電素子の接続変更、つまり第２工程が実行される。これに代えて、各蓄電素子のうち端子電圧の上昇が最も速く端子電圧が最も大きい蓄電素子の端子電圧が規定値に達したときに、第２工程が開始されるようにしてもよい。この場合、規定値が大きいほど、直列度の高い状態が長く維持されて充電速度は速くなる。蓄電素子が過充電状態となる電圧よりも低く規定値を設定しておけば、端子電圧の上昇が速い蓄電素子についても確実に、過充電となるのを防止することができる。

また例えば、二端子回路に電流が注入された時間が規定時間（第１規定時間）となったときに蓄電素子の接続変更が行われてもよい。前記したように、各蓄電素子の蓄電容量等、特性のばらつきが予めわかっていれば、定電流充電に伴う端子電圧の上昇速度のばらつきもある程度予測可能である。したがって、蓄電素子間の電圧ばらつきが規定値に達するタイミングもある程度予測することができる。このタイミングよりも前に二端子回路の直列度が低下する接続変更が行われるようにすれば、蓄電素子間の電圧ばらつきが規定値を超えることはない。第３工程についても同様である。

これらのことから、例えば、第１工程、第２工程、第３工程の全てを、電位検出部４０による蓄電素子の端子電圧検出結果によらず実行時間のみで管理することも可能である。すなわち、第１工程で各蓄電素子が所定の第１規定時間充電された後、蓄電素子の接続が変更されて第２工程に移行する。第２工程が第２規定時間実行された後、必要に応じて蓄電素子の接続が変更されて第３工程に移行する。第３工程の実行時間は所定の第３規定時間とされる。このように、第１ないし第３工程がそれぞれ設定された実行時間だけ実行される態様であってもよい。この場合、複数の蓄電素子により構成される二端子回路の両端電圧のみが検出されれば足りるので、簡易的には蓄電素子ごとの端子電圧の検出を省くことも可能である。また、第１ないし第３規定時間については、蓄電素子の特性、注入される電流の大きさ、配線やスイッチの電気抵抗、目標とする充電時間などを勘案して定めることができる。

また、蓄電素子を接続してなる二端子回路の充電の過程で一時的に直列度Ｓの低下を伴う二端子回路の接続変更が行われることにより蓄電素子間には大きな電圧ばらつきが生じないという前提の下、簡易的には以下のようにして充電完了時期を判断することも可能である。第１には、蓄電部１０の両端電圧、つまり蓄電素子Ｃ_１〜Ｃ_Ｎの相互接続により構成される二端子回路の両端電圧が予め設定された値に達したときに、充電完了とすることができる。第２には、蓄電部１０に注入された電荷の総量が予め設定された値に達したときに、充電完了とすることができる。第３には、蓄電部１０への電流注入時間の合計が予め設定された値に達したときに、充電完了とすることができる。なお、注入電流量と注入時間との積が総電荷量に相当するから、蓄電部１０への電流注入が定電流によって行われる場合には、第２のケースと第３のケースとは実質的に等価である。

蓄電部の両端電圧または電流注入時間に基づく判断方法は、蓄電部が単一の蓄電素子で構成される場合、蓄電部内の全ての蓄電素子の特性が完全にまたはほぼ一致する場合、および各蓄電素子を満充電状態に至らせる必要がない場合等には問題なく実用になるものである。しかしながら、蓄電部１０は複数の蓄電素子を含み、かつ個々の蓄電素子には特性のばらつきが存在する。そのため、個々の蓄電素子の充電状態が反映されない上記のような簡易な判断方法を採用するには、特性ばらつきに起因する問題への対応が必要となる。また装置の利用効率の観点からは、全ての蓄電素子を満充電状態に近づけることが望ましい。

上記実施形態の充電動作では、充電動作中に一時的に二端子回路の直列度Ｓを低下させることで蓄電素子間の電圧バランスを取っているため、容量ばらつきに起因する問題は生じない。このため、蓄電部１０は、外部からみれば各蓄電素子の容量を合計した１つの蓄電素子と実質的に等価である。したがって、充電完了時期の判断においては、蓄電素子個々の端子電圧によらず、上記のように比較的簡易な方法を採用することも実用的には可能である。

また、上記実施形態では、全ての蓄電素子の端子電圧が規定電圧以上となった後でそれらが並列接続されて定電圧充電（トリクル充電）が行われる。しかしながらこれは、高精度な端子電位検出およびそれに基づく制御を行わずに各蓄電素子の端子電圧を目標電圧に至らせるため、ならびに各蓄電素子が満充電状態となった後その状態を維持するために必要な動作である。蓄電素子間の電圧バランスを取りつつ短時間で各蓄電素子を満充電状態に至らせるという目的においては、定電圧充電は必須の要件ではない。

また、上記実施形態の接続切替部３０の構成は、複数の蓄電素子を電気的に接続して本発明の趣旨に合致する二端子回路を構成するために必要な最小限のものであって、本発明の「接続手段」の構成はこれに限定されるものではない。上記に例示した二端子回路以外の種々の回路構成を実現可能なものであってもよい。

また、上記実施形態の蓄電装置１では、給電部２０に対して１組の蓄電部１０が接続されている。しかしながら、これに代えて、１つの給電部に対して複数の蓄電部が設けられてもよい。この場合、各々の蓄電部において、上記した各条件に合致する二端子回路が構成されればよい。

以上、特定の実施例に沿って発明を説明したが、この説明は限定的な意味で解釈されることを意図したものではない。発明の説明を参照すれば、本発明のその他の実施形態と同様に、開示された実施形態の様々な変形例が、この技術に精通した者に明らかとなるであろう。故に、添付の特許請求の範囲は、発明の真の範囲を逸脱しない範囲内で、当該変形例または実施形態を含むものと考えられる。

１…充電装置
１０…蓄電部
２０…給電部
２１…電流源（電流注入手段）
２２…電圧源（電圧印加手段）
２３、２４…スイッチ
３０…接続切替部（接続手段）
４０…電位検出部
５０…制御部
Ｃ_１〜Ｃ_Ｎ…蓄電素子
Ｓ１０２〜Ｓ１０３、Ｓ１０２ａ〜Ｓ１０３…第１工程
Ｓ１０６、Ｓ１０６ａ〜Ｓ１０６ｂ、Ｓ１０６ｃ〜Ｓ１０６ｅ、Ｓ１０６ｆ〜Ｓ１０６ｈ…第２工程
Ｓ１０８、Ｓ１０８ａ…第３工程
Ｓ１１２〜Ｓ１１３…第４工程
ＳＷ_１１〜ＳＷ_Ｎ３…スイッチ
Ｕ_１〜Ｕ_Ｓ…単位回路

Claims (17)

1. ３以上の蓄電素子を電気的に接続して充電を行う蓄電素子の充電方法において、
   複数の単位回路が直列接続された回路構成を有し、かつ前記単位回路の各々は単一の前記蓄電素子または互いに並列接続された複数の前記蓄電素子である二端子回路については、直列接続された前記単位回路の数を当該二端子回路の直列度と定義し、前記蓄電素子の全てが並列接続された二端子回路については、当該二端子回路の前記直列度を１とするとき、
   前記蓄電素子を接続して前記直列度の値が２以上である二端子回路を構成し、該二端子回路に電流を注入して前記蓄電素子の各々を充電する第１工程と、
   前記直列度の値が小さくなるように前記蓄電素子の接続を変更して新たな二端子回路を構成する第２工程と、
   前記直列度の値が大きくなるように前記蓄電素子の接続を変更して新たな二端子回路を構成し、該二端子回路に電流を注入して前記蓄電素子の各々を充電する第３工程と
   を備える蓄電素子の充電方法。
2. 前記第３工程の後に前記第２工程を実行可能であり、前記第３工程後に実行される前記第２工程では、直前の前記第３工程における二端子回路よりも直列度の値が小さい二端子回路が構成される請求項１に記載の蓄電素子の充電方法。
3. 少なくとも１回の前記第２工程において構成される二端子回路では、互いに並列接続される前記蓄電素子の組み合わせが、先に実行された前記第２工程における組み合わせとは異なる請求項２に記載の蓄電素子の充電方法。
4. 前記第２工程では、前記蓄電素子の接続を変更して、回路構成が互いに異なる複数種の二端子回路を順次構成する請求項１ないし３のいずれかに記載の蓄電素子の充電方法。
5. 前記第２工程では、前記直列度が互いに等しく、かつ、回路構成が互いに異なる複数種の二端子回路を構成する請求項４に記載の蓄電素子の充電方法。
6. 前記第２工程および前記第３工程の実行後に、全ての前記蓄電素子を並列接続して定電圧充電する第４工程を備える請求項１ないし５のいずれかに記載の蓄電素子の充電方法。
7. 全ての前記蓄電素子の端子電圧が規定電圧以上になったときに、前記第４工程が実行される請求項６に記載の蓄電素子の充電方法。
8. 前記第２工程では、前記蓄電素子への電流の注入を行わない請求項１ないし７のいずれかに記載の蓄電素子の充電方法。
9. 前記第２工程では、全ての前記蓄電素子が並列接続される請求項１ないし８のいずれかに記載の蓄電素子の充電方法。
10. 前記蓄電素子のうち端子電圧が最も高いものと最も低いものとの端子電圧の差が規定値に達すると、前記第２工程が開始される請求項９に記載の蓄電素子の充電方法。
11. 前記蓄電素子への電流注入時間が第１規定時間に達すると、前記第２工程が開始される請求項１ないし１０のいずれかに記載の蓄電素子の充電方法。
12. 前記第２工程の実行時間が第２規定時間に達すると、前記第３工程が開始される請求項１ないし１１のいずれかに記載の蓄電素子の充電方法。
13. 前記第３工程の実行時間が第３規定時間に達すると、前記第２工程が開始される請求項２に記載の蓄電素子の充電方法。
14. 前記第１工程では、全ての前記蓄電素子が直列接続される請求項１ないし１３のいずれかに記載の蓄電素子の充電方法。
15. 前記蓄電素子が電気化学キャパシタまたは二次電池である請求項１ないし１４のいずれかに記載の蓄電素子の充電方法。
16. ３以上の蓄電素子と、
    前記蓄電素子を電気的に接続して二端子回路を構成する接続手段と、
    前記接続手段により構成された前記二端子回路に電流を注入して前記蓄電素子を充電する電流注入手段と
    を備え、
    複数の単位回路が直列接続された回路構成を有し、かつ前記単位回路の各々は単一の前記蓄電素子または互いに並列接続された複数の前記蓄電素子である二端子回路については、直列接続された前記単位回路の数を当該二端子回路の直列度と定義し、前記蓄電素子の全てが並列接続された二端子回路については、当該二端子回路の前記直列度を１とするとき、
    前記接続手段は、前記蓄電素子の接続状態を切り替えて、前記直列度の値が２以上である第１の二端子回路と、前記直列度の値が前記第１の二端子回路よりも小さい第２の二端子回路と、前記直列度の値が前記第２の二端子回路よりも大きい第３の二端子回路とをこの順番で形成する蓄電装置。
17. 前記接続手段により前記蓄電素子の全てが並列接続された状態で、前記蓄電素子に定電圧を印加する電圧印加手段を備える請求項１６に記載の蓄電装置。

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