JP6135375B2 - 蓄電装置、充電方法及び放電方法 - Google Patents
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本発明は、充電可能な電池（二次電池）を互いに直列に接続して成る組電池を有する蓄電装置、並びにその充電方法及び放電方法に関する。
繰り返しの充電が可能な二次電池を用いて電力を蓄え、必要なときに当該二次電池から電力を供給する電力貯蔵システムが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。このような電力貯蔵システムは、電力需要の変動を緩和して発電設備の利用率を高める用途のほか、太陽光発電及び風力発電のように、発電量の変動が大きい発電方式を採用する発電設備を補完する用途にも適用可能である（例えば、非特許文献２参照。）。また、ハイブリッド車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）も、一種の電力貯蔵システムである。
このような電力貯蔵システムの中核を成す蓄電装置は、複数の電池の直列体を基本構成として備え、必要な電流容量によりこれを並列に構成する。例えば電池としてリチウムイオン電池を使用する場合、１つの電池(セル)の電圧は、約３〜４．２Ｖ程度しかないので、高い直流電圧を必要とする用途には、多数の電池が直列に接続される。また、電池を充電するには、直列体全体に高い充電電圧が印加される。
図８は、ｎ個の電池（例えばリチウムイオン電池）Ｂ１〜Ｂｎを直列に接続した状態で、直列体を電源（直流）１１により充電する回路図である。放電時は、電源１１が負荷１２に置き換わり、直列体から負荷１２に電力が供給される。電池Ｂ１〜Ｂｎにはそれぞれ並列に、半導体のスイッチ素子Ｓ（Ｓ１〜Ｓｎの総称）と抵抗Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎの総称）との直列体が接続されている。また、電池Ｂ１〜Ｂｎのそれぞれの両端には、並列に、電圧センサＶ１〜Ｖｎが接続されている。
充電時は、各電池が均一に充電され、電池の直列体全体で、蓄積し得る最大のエネルギーを蓄えることが望ましい。ところが、実際には各電池の残量及び容量の差があり、満充電に達するタイミングが一致しない。
例えば、図９は、電池Ｂ１及びＢ２について、満充電に達するタイミングが異なる場合の充電特性を示すグラフである。この場合、同じ３．０Ｖから充電開始しても、電池Ｂ１は時刻ｔ１で既に満充電（４．２Ｖ）に達し、一方、電池Ｂ２はそれより後の時刻ｔ２になってようやく満充電（４．２Ｖ）に達する。
例えば、図９は、電池Ｂ１及びＢ２について、満充電に達するタイミングが異なる場合の充電特性を示すグラフである。この場合、同じ３．０Ｖから充電開始しても、電池Ｂ１は時刻ｔ１で既に満充電（４．２Ｖ）に達し、一方、電池Ｂ２はそれより後の時刻ｔ２になってようやく満充電（４．２Ｖ）に達する。
単純に、電池の直列体に充電電圧を印加するとすれば、いずれか１つの電池でも満充電の状態になれば、当該電池の過充電を防止すべく、その時点で充電を停止しなければならない。しかし、他の電池は満充電に達していない。
そこで、例えば図８における電池Ｂ１が満充電（４．２Ｖ）に達したとすると、以後、スイッチ素子Ｓ１を断続的にオンとして電池Ｂ１を放電させ、過充電を抑制する。他の電池についても同様であり、最終的に全ての電池が満充電に達した時点で、全てのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎがオフとなり、充電が完了する。
そこで、例えば図８における電池Ｂ１が満充電（４．２Ｖ）に達したとすると、以後、スイッチ素子Ｓ１を断続的にオンとして電池Ｂ１を放電させ、過充電を抑制する。他の電池についても同様であり、最終的に全ての電池が満充電に達した時点で、全てのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎがオフとなり、充電が完了する。
三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月
電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」
しかしながら、図８に示したような充電では、満充電に達した電池は、他の全ての電池が満充電に達するまで、放電することになるので、全体としてエネルギーの損失が大きい。また、負荷１２に電力を供給する放電の場合には、いずれかの電池の電圧が放電限界の最低値（３．０Ｖ）まで下がると、他の電池に余力があっても、負荷１２への電力供給を停止しなければならない。例えば、最も放電の進行している電池に、他の電池を合わせるようにスイッチ素子Ｓをオンにして放電を加速することにより、全体として放電のペースを揃えれば若干、電力供給できる時間を延ばせるかもしれないが、全体としては、やはりエネルギーの損失である。
一方、キャパシタを使って、直列に接続された複数の電池の電圧を均等化する技術も提案されている（例えば特許文献１）。しかし、このような均等化には時間がかかり、その間にキャパシタの若干の抵抗分により、エネルギー損失も生じる。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させ、複数の電池の電圧の、迅速な均等化が可能な蓄電装置、充電方法及び放電方法を提供することを目的とする。
本明細書は以下の発明を開示している。但し、本発明は、特許請求の範囲の記載により定められるものである。
例えばこの蓄電装置は、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成され、複数の前記単位電池のうち、一の単位電池を前記第１キャパシタに並列接続する回路、及び、当該第１キャパシタを他の単位電池に並列接続する回路を、選択的に構成可能な第１スイッチ回路部と、複数のスイッチ素子によって構成され、複数の前記電池グループのうち、一の電池グループを前記第２キャパシタに並列接続する回路、及び、当該第２キャパシタを他の電池グループに並列接続する回路を、選択的に構成可能な第２スイッチ回路部と、前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部について、構成する回路を逐次切り替えるようにそれぞれ前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部を動作させる制御部とを備えている。
例えばこの蓄電装置は、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成され、複数の前記単位電池のうち、一の単位電池を前記第１キャパシタに並列接続する回路、及び、当該第１キャパシタを他の単位電池に並列接続する回路を、選択的に構成可能な第１スイッチ回路部と、複数のスイッチ素子によって構成され、複数の前記電池グループのうち、一の電池グループを前記第２キャパシタに並列接続する回路、及び、当該第２キャパシタを他の電池グループに並列接続する回路を、選択的に構成可能な第２スイッチ回路部と、前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部について、構成する回路を逐次切り替えるようにそれぞれ前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部を動作させる制御部とを備えている。
また、異なる観点からの本発明は、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、を備える蓄電装置による充電方法であって、
前記組電池の両端に所定の電圧を印加して充電を行う充電工程と、前記単位電池を前記第１キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第１工程、及び、前記第１キャパシタを他の前記単位電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第２工程を、交互に繰り返す局所的電圧均等化工程と、前記電池グループを前記第２キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第１工程、及び、前記第２キャパシタを他の前記電池グループに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第２工程を、交互に繰り返す広域的電圧均等化工程と、を有する。
前記組電池の両端に所定の電圧を印加して充電を行う充電工程と、前記単位電池を前記第１キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第１工程、及び、前記第１キャパシタを他の前記単位電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第２工程を、交互に繰り返す局所的電圧均等化工程と、前記電池グループを前記第２キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第１工程、及び、前記第２キャパシタを他の前記電池グループに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第２工程を、交互に繰り返す広域的電圧均等化工程と、を有する。
さらに、本発明は、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、を備える蓄電装置による放電方法であって、
前記組電池の両端から負荷に電力を供給する放電工程と、前記単位電池を前記第１キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第１工程、及び、前記第１キャパシタを他の前記単位電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第２工程を、交互に繰り返す局所的電圧均等化工程と、前記電池グループを前記第２キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第１工程、及び、前記第２キャパシタを他の前記電池グループに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第２工程を、交互に繰り返す広域的電圧均等化工程と、を有する。
前記組電池の両端から負荷に電力を供給する放電工程と、前記単位電池を前記第１キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第１工程、及び、前記第１キャパシタを他の前記単位電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第２工程を、交互に繰り返す局所的電圧均等化工程と、前記電池グループを前記第２キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第１工程、及び、前記第２キャパシタを他の前記電池グループに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第２工程を、交互に繰り返す広域的電圧均等化工程と、を有する。
本発明の蓄電装置、充電方法及び放電方法によれば、複数の電池の電圧の、迅速な均等化が可能となり、また、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させることができる。
［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
（１）この蓄電装置は、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、
前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成され、複数の前記単位電池のうち、一の単位電池を前記第１キャパシタに並列接続する回路、及び、当該第１キャパシタを他の単位電池に並列接続する回路を、選択的に構成可能な第１スイッチ回路部と、複数のスイッチ素子によって構成され、複数の前記電池グループのうち、一の電池グループを前記第２キャパシタに並列接続する回路、及び、当該第２キャパシタを他の電池グループに並列接続する回路を、選択的に構成可能な第２スイッチ回路部と、前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部について、構成する回路を逐次切り替えるようにそれぞれ前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部を動作させる制御部とを備えている。
前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成され、複数の前記単位電池のうち、一の単位電池を前記第１キャパシタに並列接続する回路、及び、当該第１キャパシタを他の単位電池に並列接続する回路を、選択的に構成可能な第１スイッチ回路部と、複数のスイッチ素子によって構成され、複数の前記電池グループのうち、一の電池グループを前記第２キャパシタに並列接続する回路、及び、当該第２キャパシタを他の電池グループに並列接続する回路を、選択的に構成可能な第２スイッチ回路部と、前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部について、構成する回路を逐次切り替えるようにそれぞれ前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部を動作させる制御部とを備えている。
上記（１）のように構成された蓄電装置では、制御部が第１スイッチ回路部及び第２スイッチ回路部の各々における回路を逐次切り替えることにより、一の単位電池の電荷が第１キャパシタを介して他の単位電池へ移動するか、または、その逆に移動する。また、一の電池グループの電荷が第２キャパシタを介して他の電池グループへ移動するか、または、その逆に移動する。このようにして、広域的には、第２キャパシタで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各電池グループ全体での電圧が均等化される。また、局所的には、第１キャパシタで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各単位電池の電圧が均等化される。
その結果、各電池の電圧は迅速に均等化される。これにより、充電時は各電池を均等に充電することができ、放電時は各電池を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させることができる。
その結果、各電池の電圧は迅速に均等化される。これにより、充電時は各電池を均等に充電することができ、放電時は各電池を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させることができる。
（２）また、（１）の蓄電装置において、前記制御部は、前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部を並行して動作させるものであってもよい。
この場合、広域的な電圧の均等化と、局所的な電圧の均等化とが共に進行するので、迅速に各電池の端子電圧が均等化される。
この場合、広域的な電圧の均等化と、局所的な電圧の均等化とが共に進行するので、迅速に各電池の端子電圧が均等化される。
（３）また、（１）又は（２）の蓄電装置において、前記単位電池の個数をｎ、前記電池グループの数をｍとすると、前記第１キャパシタの個数は（ｎ−１）であり、前記第２キャパシタの個数は（ｍ−１）であってもよい。
この場合、多数の単位電池と、それよりも１個少ない第１キャパシタとの間で、一斉に電荷の移動を行うことができるので、端子電圧の均等化が迅速に行われる。また、複数の電池グループと、それよりも１個少ない第２キャパシタとの間で、一斉に電荷の移動を行うことができるので、電池グループ単位での電圧の均等化が迅速に行われる。
この場合、多数の単位電池と、それよりも１個少ない第１キャパシタとの間で、一斉に電荷の移動を行うことができるので、端子電圧の均等化が迅速に行われる。また、複数の電池グループと、それよりも１個少ない第２キャパシタとの間で、一斉に電荷の移動を行うことができるので、電池グループ単位での電圧の均等化が迅速に行われる。
（４）また、（１）又は（２）の蓄電装置において、前記単位電池の個数をｎ、前記電池グループの数をｍとすると、前記第１キャパシタの個数はｍであり、前記第２キャパシタの個数は１である、という構成を基本単位構成とすることもできる。
この場合、第１キャパシタ及び第２キャパシタの個数を、少なく抑えることができる。
この場合、第１キャパシタ及び第２キャパシタの個数を、少なく抑えることができる。
（５）また、（１）又は（２）の蓄電装置において、前記電池の直列方向に互いに隣り合う前記複数の電池グループは、一部の前記単位電池を共有することもできる。
この場合、同じ個数（複数）の単位電池の直列体を含む電池グループを直列に複数組繋いだ構成の組電池でなくても、同じ個数の単位電池を含む電池グループを複数構成することができる。
この場合、同じ個数（複数）の単位電池の直列体を含む電池グループを直列に複数組繋いだ構成の組電池でなくても、同じ個数の単位電池を含む電池グループを複数構成することができる。
（６）また、（１）〜（５）のいずれかの蓄電装置において、前記複数の電池グループごとにそれぞれ電圧を検知する複数の電圧センサを備え、前記制御部は、複数の前記電圧センサの検知した電圧の相互間に、閾値を超える差がある場合に前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部に対して回路を逐次切り替える動作をさせ、それ以外は、全てのスイッチ素子をオフ状態とするようにしてもよい。
この場合、必要なときにのみ第１，第２スイッチ回路部に対してそれぞれ回路を逐次切り替える動作をさせることになるので、第１，第２スイッチ回路部の駆動に要する消費電力を低減することができる。
この場合、必要なときにのみ第１，第２スイッチ回路部に対してそれぞれ回路を逐次切り替える動作をさせることになるので、第１，第２スイッチ回路部の駆動に要する消費電力を低減することができる。
（７）また、（１）〜（６）のいずれかの蓄電装置において、充電用の電源と、当該蓄電装置との接続をオン／オフするスイッチを備え、前記制御部は、前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、前記スイッチをオフ状態とするようにしてもよい。
この場合、各電池の電圧が不均等なときは、電源から蓄電装置への充電は行われない。従って、いずれかの電池が過充電となる事態を防止することができる。
この場合、各電池の電圧が不均等なときは、電源から蓄電装置への充電は行われない。従って、いずれかの電池が過充電となる事態を防止することができる。
（８）また、（１）〜（６）のいずれかの蓄電装置において、前記制御部は、回路の切替を行う際に、一時的に、前記電池と前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタとの接続に関わる前記スイッチ素子を全てオフ状態とするようにしてもよい。
この場合、回路の切替時に、電池や電源の短絡を確実に防止することができる。
この場合、回路の切替時に、電池や電源の短絡を確実に防止することができる。
（９）一方、これは、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、を備える蓄電装置による充電方法であって、前記組電池の両端に所定の電圧を印加して充電を行う充電工程と、前記単位電池を前記第１キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第１工程、及び、前記第１キャパシタを他の前記単位電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第２工程を、交互に繰り返す局所的電圧均等化工程と、前記電池グループを前記第２キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第１工程、及び、前記第２キャパシタを他の前記電池グループに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第２工程を、交互に繰り返す広域的電圧均等化工程とを有する。
上記（９）の充電方法では、局所的電圧均等化工程により、一の単位電池の電荷が第１キャパシタを介して他の単位電池へ移動するか、または、その逆に移動する。また、広域的電圧均等化工程により、一の電池グループの電荷が第２キャパシタを介して他の電池グループへ移動するか、または、その逆に移動する。このようにして、広域的には、第２キャパシタで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各電池グループ全体での電圧が均等化される。また、局所的には、第１キャパシタで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各単位電池の電圧が均等化される。
その結果、各電池の電圧は迅速に均等化される。これにより、各電池を均等に充電することができ、エネルギーの損失を抑制し、充電効率を向上させることができる。
その結果、各電池の電圧は迅速に均等化される。これにより、各電池を均等に充電することができ、エネルギーの損失を抑制し、充電効率を向上させることができる。
（１０）また、これは、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、を備える蓄電装置による放電方法であって、前記組電池の両端から負荷に電力を供給する放電工程と、前記単位電池を前記第１キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第１工程、及び、前記第１キャパシタを他の前記単位電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第２工程を、交互に繰り返す局所的電圧均等化工程と、前記電池グループを前記第２キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第１工程、及び、前記第２キャパシタを他の前記電池グループに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第２工程を、交互に繰り返す広域的電圧均等化工程とを有する。
上記（１０）の放電方法では、局所的電圧均等化工程により、一の単位電池の電荷が第１キャパシタを介して他の単位電池へ移動するか、または、その逆に移動する。また、広域的電圧均等化工程により、一の電池グループの電荷が第２キャパシタを介して他の電池グループへ移動するか、または、その逆に移動する。このようにして、広域的には、第２キャパシタで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各電池グループ全体での電圧が均等化される。また、局所的には、第１キャパシタで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各単位電池の電圧が均等化される。
その結果、各電池の電圧は迅速に均等化される。これにより、各電池を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、放電能力を向上させることができる。
その結果、各電池の電圧は迅速に均等化される。これにより、各電池を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、放電能力を向上させることができる。
［実施形態の詳細］
《第１実施形態：基本構成》
図１は、本発明の第１実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。但し、これは、説明の便宜上、電池その他の要素数に関して最も簡素な形態を示している。
電源１は、例えば商用交流電圧から直流電圧を出力するコンバータ装置であり、負荷２は、例えば直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置である。図示の便宜上、１つのシンボルとして描いているが、通常は別々に存在し、いずれか一方と接続して蓄電装置１００の充電又は放電が行われる。
《第１実施形態：基本構成》
図１は、本発明の第１実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。但し、これは、説明の便宜上、電池その他の要素数に関して最も簡素な形態を示している。
電源１は、例えば商用交流電圧から直流電圧を出力するコンバータ装置であり、負荷２は、例えば直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置である。図示の便宜上、１つのシンボルとして描いているが、通常は別々に存在し、いずれか一方と接続して蓄電装置１００の充電又は放電が行われる。
図１において、蓄電装置１００は、互いに直列に接続されて組電池１０を成す４個の電池（以下、単位電池という。）Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４と、３個の第１キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３と、１個の第２キャパシタＣｇと、第１スイッチ回路部３と、第２スイッチ回路部４と、制御部５とを備えている。
上記第１キャパシタＣ１〜Ｃ３は、組電池１０を、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わるものである。また、第２キャパシタＣｇは、組電池１０を、互いに隣り合う複数の単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わるものである。
上記第１キャパシタＣ１〜Ｃ３は、組電池１０を、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わるものである。また、第２キャパシタＣｇは、組電池１０を、互いに隣り合う複数の単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わるものである。
第１スイッチ回路部３は、スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３，Ｓｂ４を含み、単位電池Ｂ１〜Ｂ４と第１キャパシタＣ１〜Ｃ３との間にあって、図示のように接続されている。スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３，Ｓｂ４は、制御部５の制御によって、オン／オフ動作する。第２スイッチ回路部４は、スイッチ素子Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｑ１，Ｓｑ２を含み、単位電池Ｂ１〜Ｂ４と第２キャパシタＣｇとの間にあって、図示のように接続されている。スイッチ素子Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｑ１，Ｓｑ２は、制御部５の制御によって、オン／オフ動作する。
単位電池Ｂ１〜Ｂ４は、充電可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン電池である。単位電池Ｂ１〜Ｂ４の各々は、例えば１セルであるが、複数セルの直列体を単位電池として考えてもよい。また、上記各スイッチ素子（Ｓａ１〜Ｓａ４，Ｓｂ１〜Ｓｂ４，Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｑ１，Ｓｑ２）としては、半導体スイッチング素子が好適であり、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＳｉＣトランジスタ、ＧａＮトランジスタ等である。
なお、第１キャパシタＣ１〜Ｃ３，第２キャパシタＣｇの各々は、実際に１個のキャパシタでもよいし、複数のキャパシタを並列又は直並列に接続したものを便宜上１個のキャパシタと称してもよい。第１キャパシタＣ１〜Ｃ３の個々のキャパシタンスは互いに同一である。
以下の記載においても同様である。
以下の記載においても同様である。
ここで、まず、蓄電装置１００には、充電用の電源１が接続されている、とする。すなわち、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の直列体である組電池１０の両端に、電源１の出力する所定の直流電圧が印加され、単位電池Ｂ１〜Ｂ４が充電される充電工程が実行されている。
図２の（ａ）は、制御部５の制御による、第１スイッチ回路部３におけるスイッチ素子Ｓａ（Ｓａ１〜Ｓａ４の総称）、Ｓｂ（Ｓｂ１〜Ｓｂ４の総称）の動作状態の変化を示すタイムチャートである。図において、スイッチ素子Ｓａと、スイッチ素子Ｓｂとは、互いに交互にオン動作している。スイッチ素子Ｓａのオン時間Ｔａと、スイッチ素子Ｓｂのオン時間Ｔｂとは、互いに同じ時間でもよいし、必要に応じて異なる時間とすることもできる。オン時間Ｔａ，Ｔｂの間には、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂがいずれもオフ状態となる一定の切替時間ΔＴが設けられている。切替時間ΔＴを設けることにより、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の両端及びその直列体の両端の短絡並びに電源１の短絡を確実に防止することができる。
図２の（ｂ）は、制御部５の制御による、第２スイッチ回路部４におけるスイッチ素子Ｓｐ（Ｓｐ１，Ｓｐ２の総称）、Ｓｑ（Ｓｑ１，Ｓｑ２の総称）の動作状態の変化を示すタイムチャートである。図において、スイッチ素子Ｓｐと、スイッチ素子Ｓｑとは、互いに交互にオン動作している。スイッチ素子Ｓｐのオン時間Ｔｐと、スイッチ素子Ｓｑのオン時間Ｔｑとは、互いに同じ時間でもよいし、必要に応じて異なる時間とすることもできる。オン時間Ｔｐ，Ｔｑの間には、スイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑのいずれもオフ状態となる一定の切替時間ΔＴが設けられている。切替時間ΔＴを設けることにより、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の両端及びその直列体の両端の短絡並びに電源１の短絡を確実に防止することができる。
なお、図２の（ａ）に示すスイッチ素子Ｓａ，Ｓｂのオン／オフのタイミングと、（ｂ）に示すスイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑのオン／オフのタイミングとは、互いに同期している必要は無く（但し、同期していてもよい。）、それぞれが独立して動作することができる。また、スイッチングの周波数（オン／オフの時間）についても、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂと、スイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑとでは、互いに異なっていてもよい（但し、同じでもよい。）。切り替え時間ΔＴについても、互いに異なる値を設定してもよい。
なお、図２の（ａ）に示すスイッチ素子Ｓａ，Ｓｂのオン／オフのタイミングと、（ｂ）に示すスイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑのオン／オフのタイミングとは、互いに同期している必要は無く（但し、同期していてもよい。）、それぞれが独立して動作することができる。また、スイッチングの周波数（オン／オフの時間）についても、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂと、スイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑとでは、互いに異なっていてもよい（但し、同じでもよい。）。切り替え時間ΔＴについても、互いに異なる値を設定してもよい。
図１に戻り、スイッチ素子Ｓａ（Ｓａ１〜Ｓａ４）がオンのとき、単位電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、それぞれ、第１キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３と並列に接続される。単位電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と第１キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３との間で電荷がどのように移動するかは、双方の電圧による。例えば、３組の並列ペアの１つとして単位電池Ｂ１と第１キャパシタＣ１との関係を考えると、単位電池Ｂ１の電圧の方が、第１キャパシタＣ１の電圧よりも高い場合は、単位電池Ｂ１から第１キャパシタＣ１に電荷が移動し、第１キャパシタＣ１は充電される。逆に、第１キャパシタＣ１の電圧の方が、単位電池Ｂ１の電圧よりも高い場合は、第１キャパシタＣ１から単位電池Ｂ１に電荷が移動し、単位電池Ｂ１が充電される。他の並列ペアについても同様である。
また、上記の並列接続と並行して、スイッチ素子Ｓｐ（Ｓｐ１，Ｓｐ２）がオンになることにより、単位電池Ｂ１，Ｂ２の直列体からなる電池グループ（Ｂ１，Ｂ２）は、第２キャパシタＣｇと並列に接続される。電池グループ（Ｂ１，Ｂ２）と第２キャパシタＣｇとの間で電荷がどのように移動するかは、双方の電圧による。例えば、電池グループ（Ｂ１，Ｂ２）の両端の電圧の方が、第２キャパシタＣｇの電圧よりも高い場合は、電池グループ（Ｂ１，Ｂ２）から第２キャパシタＣｇに電荷が移動し、第２キャパシタＣｇは充電される。逆に、第２キャパシタＣｇの電圧の方が、電池グループ（Ｂ１，Ｂ２）の電圧よりも高い場合は、第２キャパシタＣｇから電池グループ（Ｂ１，Ｂ２）に電荷が移動し、電池グループ（Ｂ１，Ｂ２）が充電される。
一方、スイッチ素子Ｓｂ（Ｓｂ１〜Ｓｂ４）がオンのとき、単位電池Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４は、それぞれ、第１キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３と並列に接続される。単位電池Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４と第１キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３との間で電荷がどのように移動するかは、双方の電圧による。例えば、３組の並列ペアの１つとして単位電池Ｂ２と第１キャパシタＣ１との関係を考えると、単位電池Ｂ２の電圧の方が、第１キャパシタＣ１の電圧よりも高い場合は、単位電池Ｂ２から第１キャパシタＣ１に電荷が移動し、第１キャパシタＣ１は充電される。逆に、第１キャパシタＣ１の電圧の方が、単位電池Ｂ２の電圧よりも高い場合は、第１キャパシタＣ１から単位電池Ｂ２に電荷が移動し、単位電池Ｂ２が充電される。他の並列ペアについても同様である。
また、上記の並列接続と並行して、スイッチ素子Ｓｑ（Ｓｑ１，Ｓｑ２）がオンになることにより、単位電池Ｂ３，Ｂ４の直列体からなる電池グループ（Ｂ３，Ｂ４）は、第２キャパシタＣｇと並列に接続される。電池グループ（Ｂ３，Ｂ４）と第２キャパシタＣｇとの間で電荷がどのように移動するかは、双方の電圧による。例えば、電池グループ（Ｂ３，Ｂ４）の両端の電圧の方が、第２キャパシタＣｇの電圧よりも高い場合は、電池グループ（Ｂ３，Ｂ４）から第２キャパシタＣｇに電荷が移動し、第２キャパシタＣｇは充電される。逆に、第２キャパシタＣｇの電圧の方が、電池グループ（Ｂ３，Ｂ４）の電圧よりも高い場合は、第２キャパシタＣｇから電池グループ（Ｂ３，Ｂ４）に電荷が移動し、電池グループ（Ｂ３，Ｂ４）が充電される。
以上のような電荷の移動を、図２に示すように交互に繰り返すことにより、電圧均等化工程（広域的電圧均等化工程・局所的電圧均等化工程）が実行される。
すなわち、上記のように構成された蓄電装置１００において、第１スイッチ回路部３は、複数の単位電池Ｂ１〜Ｂ４のうち、一の単位電池を第１キャパシタＣ１〜Ｃ３に並列接続する回路（Ｂ１→Ｃ１，Ｂ２→Ｃ２，Ｂ３→Ｃ３）、及び、当該第１キャパシタＣ１〜Ｃ３を他の単位電池に並列接続する回路（Ｃ１→Ｂ２，Ｃ２→Ｂ３，Ｃ３→Ｂ４）を、選択的に構成可能である。
すなわち、上記のように構成された蓄電装置１００において、第１スイッチ回路部３は、複数の単位電池Ｂ１〜Ｂ４のうち、一の単位電池を第１キャパシタＣ１〜Ｃ３に並列接続する回路（Ｂ１→Ｃ１，Ｂ２→Ｃ２，Ｂ３→Ｃ３）、及び、当該第１キャパシタＣ１〜Ｃ３を他の単位電池に並列接続する回路（Ｃ１→Ｂ２，Ｃ２→Ｂ３，Ｃ３→Ｂ４）を、選択的に構成可能である。
また、第２スイッチ回路部４は、複数の電池グループ（Ｂ１，Ｂ２／Ｂ３，Ｂ４）のうち、一の電池グループを第２キャパシタＣｇに並列接続する回路（Ｂ１，Ｂ２→Ｃｇ）、及び、当該第２キャパシタＣｇを他の電池グループに並列接続する回路（Ｃｇ→Ｂ３，Ｂ４）を、選択的に構成可能である。そして、制御部５は、第１スイッチ回路部３及び第２スイッチ回路部４について、構成する回路を逐次切り替えるようにそれぞれ第１スイッチ回路部３及び第２スイッチ回路部４を動作させる。
このようにして、広域的には、第２キャパシタＣｇで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各電池グループ全体での電圧が均等化される。また、局所的には、第１キャパシタＣ１〜Ｃ３で仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧が均等化される。
その結果、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧は迅速に均等化される。これにより、単位電池Ｂ１〜Ｂ４を均等に、満充電まで充電することができる。また、エネルギーの損失を抑制し、充電効率を向上させることができる。
その結果、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧は迅速に均等化される。これにより、単位電池Ｂ１〜Ｂ４を均等に、満充電まで充電することができる。また、エネルギーの損失を抑制し、充電効率を向上させることができる。
また、制御部５は、第１スイッチ回路部３及び第２スイッチ回路部４を並行して動作させることにより、第２スイッチ回路部４と第２キャパシタＣｇとによる広域的な電圧の均等化と、第１スイッチ回路部３と第１キャパシタＣ１〜Ｃ３とによる局所的な電圧の均等化とが共に進行するので、迅速に単位電池Ｂ１〜Ｂ４の端子電圧が均等化される。
一方、蓄電装置１００に負荷２が接続されている場合、すなわち、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の直列体の両端に、負荷２が接続され、単位電池Ｂ１〜Ｂ４から電力を供給する放電工程が実行されている場合について考える。
この場合も同様に、上述の電圧均等化工程が実行される。
その結果、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧は迅速に均等化される。これにより、単位電池Ｂ１〜Ｂ４を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、放電能力を向上させることができる。
この場合も同様に、上述の電圧均等化工程が実行される。
その結果、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧は迅速に均等化される。これにより、単位電池Ｂ１〜Ｂ４を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、放電能力を向上させることができる。
《第１実施形態：応用構成》
図３は、図１に示す基本構成を、より実用的に応用した蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。但し、この場合でも、電池その他の要素数は、一例を示すに過ぎず、図示する要素数に限定されるものではない。
図３は、図１に示す基本構成を、より実用的に応用した蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。但し、この場合でも、電池その他の要素数は、一例を示すに過ぎず、図示する要素数に限定されるものではない。
図３において、蓄電装置１００は、互いに直列に接続されて組電池１０を成す９個の単位電池Ｂ１〜Ｂ９と、８個の第１キャパシタＣ１〜Ｃ８と、２個の第２キャパシタＣｇ１，Ｃｇ２と、第１スイッチ回路部３と、第２スイッチ回路部４と、制御部５とを備えている。第１スイッチ回路部３は、スイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａ９，Ｓｂ１〜Ｓｂ９を含み、単位電池Ｂ１〜Ｂ９と第１キャパシタＣ１〜Ｃ８との間にあって、図示のように接続されている。スイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａ９，Ｓｂ１〜Ｓｂ９は、制御部５の制御によって、オン／オフ動作する。第２スイッチ回路部４は、スイッチ素子Ｓｐ１〜Ｓｐ３，Ｓｑ１〜Ｓｑ３を含み、単位電池Ｂ１〜Ｂ９と第２キャパシタＣｇ１，Ｃｇ２との間にあって、図示のように接続されている。スイッチ素子Ｓｐ１〜Ｓｐ３，Ｓｑ１〜Ｓｑ３は、制御部５の制御によって、オン／オフ動作する。
なお、第１キャパシタＣ１〜Ｃ８の個々のキャパシタンスは互いに同一であり、また、第２キャパシタＣｇ１，Ｃｇ２の個々のキャパシタンスは互いに同一である。
なお、第１キャパシタＣ１〜Ｃ８の個々のキャパシタンスは互いに同一であり、また、第２キャパシタＣｇ１，Ｃｇ２の個々のキャパシタンスは互いに同一である。
図３の蓄電装置１００における第１スイッチ回路部３及び第２スイッチ回路部４の動作は、図１の蓄電装置１００と同様に、図２に示したように行われる。これにより、電圧均等化工程が実行される。
すなわち、図３のように構成された蓄電装置１００において、第１スイッチ回路部３は、複数の単位電池Ｂ１〜Ｂ９のうち、一の単位電池を第１キャパシタＣ１〜Ｃ８に並列接続する回路（Ｂ１→Ｃ１，Ｂ２→Ｃ２，Ｂ３→Ｃ３，Ｂ４→Ｃ４，Ｂ５→Ｃ５，Ｂ６→Ｃ６，Ｂ７→Ｃ７，Ｂ８→Ｃ８）、及び、当該第１キャパシタＣ１〜Ｃ８を他の単位電池に並列接続する回路（Ｃ１→Ｂ２，Ｃ２→Ｂ３，Ｃ３→Ｂ４，Ｃ４→Ｂ５，Ｃ５→Ｂ６，Ｃ６→Ｂ７，Ｃ７→Ｂ８，Ｃ８→Ｂ９）を、選択的に構成可能である。
すなわち、図３のように構成された蓄電装置１００において、第１スイッチ回路部３は、複数の単位電池Ｂ１〜Ｂ９のうち、一の単位電池を第１キャパシタＣ１〜Ｃ８に並列接続する回路（Ｂ１→Ｃ１，Ｂ２→Ｃ２，Ｂ３→Ｃ３，Ｂ４→Ｃ４，Ｂ５→Ｃ５，Ｂ６→Ｃ６，Ｂ７→Ｃ７，Ｂ８→Ｃ８）、及び、当該第１キャパシタＣ１〜Ｃ８を他の単位電池に並列接続する回路（Ｃ１→Ｂ２，Ｃ２→Ｂ３，Ｃ３→Ｂ４，Ｃ４→Ｂ５，Ｃ５→Ｂ６，Ｃ６→Ｂ７，Ｃ７→Ｂ８，Ｃ８→Ｂ９）を、選択的に構成可能である。
また、第２スイッチ回路部４は、複数の電池グループ（Ｂ１〜Ｂ３，Ｂ４〜Ｂ６，Ｂ７〜Ｂ９）のうち、一の電池グループを第２キャパシタＣｇ１，Ｃｇ２に並列接続する回路（Ｂ１〜Ｂ３→Ｃｇ１，Ｂ４〜Ｂ６→Ｃｇ２）、及び、当該第２キャパシタＣｇ１，Ｃｇ２を他の電池グループに並列接続する回路（Ｃｇ１→Ｂ４〜Ｂ６，Ｃｇ２→Ｂ７〜Ｂ９）を、選択的に構成可能である。そして、制御部５は、第１スイッチ回路部３及び第２スイッチ回路部４について、構成する回路を逐次切り替えるようにそれぞれ第１スイッチ回路部３及び第２スイッチ回路部４を動作させる。
このようにして、広域的には、第２キャパシタＣｇ１，Ｃｇ２で仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各電池グループ全体での電圧が均等化される。また、局所的には、第１キャパシタＣ１〜Ｃ８で仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、単位電池Ｂ１〜Ｂ９の電圧が均等化される。
その結果、単位電池Ｂ１〜Ｂ９の電圧は迅速に均等化される。これにより、充電時は単位電池Ｂ１〜Ｂ９を均等に充電することができ、放電時は単位電池Ｂ１〜Ｂ９を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させることができる。
その結果、単位電池Ｂ１〜Ｂ９の電圧は迅速に均等化される。これにより、充電時は単位電池Ｂ１〜Ｂ９を均等に充電することができ、放電時は単位電池Ｂ１〜Ｂ９を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させることができる。
また、制御部５は、第１スイッチ回路部３及び第２スイッチ回路部４を並行して動作させることにより、第２スイッチ回路部４と第２キャパシタＣｇ１，Ｃｇ２とによる広域的な電圧の均等化と、第１スイッチ回路部３と第１キャパシタＣ１〜Ｃ８とによる局所的な電圧の均等化とが共に進行するので、迅速に単位電池Ｂ１〜Ｂ９の端子電圧が均等化される。
なお、図１及び図３の構成において、単位電池の個数をｎ、電池グループの数をｍとすると、第１キャパシタの個数は（ｎ−１）であり、第２キャパシタの個数は（ｍ−１）である。
この場合、例えば図３にように、多数の単位電池Ｂ１〜Ｂ９と、それよりも１個少ない第１キャパシタＣ１〜Ｃ８との間で、一斉に電荷の移動を行うことができるので、端子電圧の均等化が迅速に行われる。また、複数の電池グループ（Ｂ１〜Ｂ３，Ｂ４〜Ｂ６，Ｂ７〜Ｂ９）と、それよりも１個少ない第２キャパシタＣｇ１，Ｃｇ２との間で、一斉に電荷の移動を行うことができるので、電池グループ単位での電圧の均等化が迅速に行われる。
この場合、例えば図３にように、多数の単位電池Ｂ１〜Ｂ９と、それよりも１個少ない第１キャパシタＣ１〜Ｃ８との間で、一斉に電荷の移動を行うことができるので、端子電圧の均等化が迅速に行われる。また、複数の電池グループ（Ｂ１〜Ｂ３，Ｂ４〜Ｂ６，Ｂ７〜Ｂ９）と、それよりも１個少ない第２キャパシタＣｇ１，Ｃｇ２との間で、一斉に電荷の移動を行うことができるので、電池グループ単位での電圧の均等化が迅速に行われる。
《第２実施形態》
図４は、本発明の第２実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。図３との違いは、キャパシタの個数を減らして、スイッチ回路部の回路の切り替えによってキャパシタを共用している点である。すなわち、第１キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３はそれぞれ、電池グループ（Ｂ１〜Ｂ３，Ｂ４〜Ｂ６，Ｂ７〜Ｂ９）ごとに設けられる。第２キャパシタＣｇは、３つの電池グループ（Ｂ１〜Ｂ３，Ｂ４〜Ｂ６，Ｂ７〜Ｂ９）に対して１個設けられる。
図４は、本発明の第２実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。図３との違いは、キャパシタの個数を減らして、スイッチ回路部の回路の切り替えによってキャパシタを共用している点である。すなわち、第１キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３はそれぞれ、電池グループ（Ｂ１〜Ｂ３，Ｂ４〜Ｂ６，Ｂ７〜Ｂ９）ごとに設けられる。第２キャパシタＣｇは、３つの電池グループ（Ｂ１〜Ｂ３，Ｂ４〜Ｂ６，Ｂ７〜Ｂ９）に対して１個設けられる。
第１スイッチ回路部３は、電池グループごとに同様のスイッチ素子による回路が構成されている。すなわち、電池グループ（Ｂ１〜Ｂ３）に対しては、単位電池Ｂ１と第１キャパシタＣ１とを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２、単位電池Ｂ２と第１キャパシタＣ１とを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｂ１，Ｓｂ２、単位電池Ｂ３と第１キャパシタＣ１とを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｃ１，Ｓｃ２が設けられている。
電池グループ（Ｂ４〜Ｂ６）に対しては、単位電池Ｂ４と第１キャパシタＣ２とを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓａ３，Ｓａ４、単位電池Ｂ５と第１キャパシタＣ２とを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｂ３，Ｓｂ４、単位電池Ｂ６と第１キャパシタＣ２とを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｃ３，Ｓｃ４が設けられている。
電池グループ（Ｂ７〜Ｂ９）に対しては、単位電池Ｂ７と第１キャパシタＣ３とを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓａ５，Ｓａ６、単位電池Ｂ８と第１キャパシタＣ３とを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｂ５，Ｓｂ６、単位電池Ｂ９と第１キャパシタＣ３とを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｃ５，Ｓｃ６が設けられている。
一方、第２スイッチ回路部４には、電池グループ（Ｂ１〜Ｂ３）と第２キャパシタＣｇとを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｐ１，Ｓｐ２、電池グループ（Ｂ４〜Ｂ６）と第２キャパシタＣｇとを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｑ１，Ｓｑ２、電池グループ（Ｂ７〜Ｂ９）と第２キャパシタＣｇとを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｒ１，Ｓｒ２が設けられている。
図５の（ａ）は、制御部５の制御による、第１スイッチ回路部３におけるスイッチ素子Ｓａ（Ｓａ１〜Ｓａ６の総称）、Ｓｂ（Ｓｂ１〜Ｓｂ６の総称）、Ｓｃ（Ｓｃ１〜Ｓｃ６の総称）の動作状態の変化を示すタイムチャートである。図において、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃは順番にオン動作している。スイッチ素子Ｓａのオン時間Ｔａ、スイッチ素子Ｓｂのオン時間Ｔｂ、スイッチ素子Ｓｃのオン時間Ｔｃは、互いに同じ時間でもよいし、必要に応じて異なる時間とすることもできる。オン時間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃの間には、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃがいずれもオフ状態となる一定の切替時間ΔＴが設けられている。切替時間ΔＴを設けることにより、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の両端及びその直列体の両端の短絡並びに電源１の短絡を確実に防止することができる。
図５の（ｂ）は、制御部５の制御による、第２スイッチ回路部４におけるスイッチ素子Ｓｐ（Ｓｐ１，Ｓｐ２の総称）、Ｓｑ（Ｓｑ１，Ｓｑ２の総称）、Ｓｒ（Ｓｒ１，Ｓｒ２の総称）の動作状態の変化を示すタイムチャートである。図において、スイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑ，Ｓｒは順番にオン動作している。スイッチ素子Ｓｐのオン時間Ｔｐ、スイッチ素子Ｓｑのオン時間Ｔｑ、スイッチ素子Ｓｒのオン時間Ｔｒは、互いに同じ時間でもよいし、必要に応じて異なる時間とすることもできる。オン時間Ｔｐ，Ｔｑ，Ｔｒの間には、スイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑ，Ｓｒがいずれもオフ状態となる一定の切替時間ΔＴが設けられている。切替時間ΔＴを設けることにより、単位電池Ｂ１〜Ｂ４の両端及びその直列体の両端の短絡並びに電源１の短絡を確実に防止することができる。
なお、図５の（ａ）に示すスイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃのオン／オフのタイミングと、（ｂ）に示すスイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑ，Ｓｒのオン／オフのタイミングとは、互いに同期している必要は無く（但し、同期していてもよい。）、それぞれが独立して動作することができる。また、スイッチングの周波数（オン／オフの時間）についても、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃと、スイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑ，Ｓｒとでは、互いに異なっていてもよい（但し、同じでもよい。）。切り替え時間ΔＴについても、互いに異なる値を設定してもよい。
なお、図５の（ａ）に示すスイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃのオン／オフのタイミングと、（ｂ）に示すスイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑ，Ｓｒのオン／オフのタイミングとは、互いに同期している必要は無く（但し、同期していてもよい。）、それぞれが独立して動作することができる。また、スイッチングの周波数（オン／オフの時間）についても、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃと、スイッチ素子Ｓｐ，Ｓｑ，Ｓｒとでは、互いに異なっていてもよい（但し、同じでもよい。）。切り替え時間ΔＴについても、互いに異なる値を設定してもよい。
なお、図５は一例を示すに過ぎず、各スイッチ素子がオン動作する順番は、これに限定されない。
上記第２実施形態によれば、第１実施形態とほぼ同様の作用効果が得られ、単位電池Ｂ１〜Ｂ９の電圧は迅速に均等化される。これにより、充電時は単位電池Ｂ１〜Ｂ９を均等に充電することができ、放電時は単位電池Ｂ１〜Ｂ９を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させることができる。また、第１キャパシタ及び第２キャパシタの個数を、少なく抑えることができる。
なお、図５の例では、合計３個の第１キャパシタＣ１〜Ｃ３を設けているが、基本的には、１個の第１キャパシタを順番に全ての単位電池Ｂ１〜Ｂ９に並列接続できるように第１スイッチ回路部３を構成してもよい。
上記第２実施形態によれば、第１実施形態とほぼ同様の作用効果が得られ、単位電池Ｂ１〜Ｂ９の電圧は迅速に均等化される。これにより、充電時は単位電池Ｂ１〜Ｂ９を均等に充電することができ、放電時は単位電池Ｂ１〜Ｂ９を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させることができる。また、第１キャパシタ及び第２キャパシタの個数を、少なく抑えることができる。
なお、図５の例では、合計３個の第１キャパシタＣ１〜Ｃ３を設けているが、基本的には、１個の第１キャパシタを順番に全ての単位電池Ｂ１〜Ｂ９に並列接続できるように第１スイッチ回路部３を構成してもよい。
《第３実施形態》
図６は、本発明の第３実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。図１との対応で違いを説明すると、単位電池Ｂ１〜Ｂ３の個数が３、すなわち、３以上の素数になっており、それに合わせて第２スイッチ回路部４を変更している点である。なお、図６は、説明を簡略化するために、電池その他の要素数に関して簡素な形態を示しているが、要素数は任意に増大させることができる。
図６は、本発明の第３実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。図１との対応で違いを説明すると、単位電池Ｂ１〜Ｂ３の個数が３、すなわち、３以上の素数になっており、それに合わせて第２スイッチ回路部４を変更している点である。なお、図６は、説明を簡略化するために、電池その他の要素数に関して簡素な形態を示しているが、要素数は任意に増大させることができる。
電池グループについて広域的な電圧の均等化を行うためには、複数の単位電池の直列体が、同一の単位電池数で、複数存在することが必要である。図６に示すように例えば単位電池の個数が３個の場合、複数の単位電池の直列体を、単純に、複数繋いだ組電池１０にはならない。そこで、一部（ここでは１個）の単位電池Ｂ２を２つの電池グループで共有し、一の電池グループ（Ｂ１，Ｂ２）と、他の電池グループ（Ｂ２，Ｂ３）とが第２キャパシタＣｇを介して電荷を移動させるように第２スイッチ回路部４を構成する。すなわち、電池グループ（Ｂ１，Ｂ２）と第２キャパシタＣｇとを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｐ１，Ｓｐ２と、電池グループ（Ｂ２，Ｂ３）と第２キャパシタＣｇとを互いに並列接続する回路を構成するためのスイッチ素子Ｓｑ１，Ｓｑ２とを備えた第２スイッチ回路部４とする。
このような第２スイッチ回路部４を図２の要領で動作させれば、広域的な電圧の均等化を行うことができる。なお、他にも、単位電池数が５，７，１１等、３以上の素数の場合に、一部の単位電池を共有するグループ化により、広域的な電圧の均等化を行うことができる。また、このような素数の場合で無くても、あえてこのように一部の単位電池を隣り合う２つの電池グループで共有するようなグループ化をすることも可能である。
《第４実施形態》
図７は、本発明の第４実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源１との接続回路図である。これは、蓄電装置１００については、図３と基本的に似た回路図であり、図３との違いは、電源１と蓄電装置１００とを接続する電路にスイッチ６が設けられ、制御部５がこれをオン／オフ制御する点、及び、電池グループごとにその直列体の両端電圧を検知する電圧センサＶ１〜Ｖ３を設け、それらの出力信号（電圧値）を制御部５に入力している点である。電圧センサＶ１〜Ｖ３は、電池の電圧の不均等を検知するためのものであり、基本的には単位電池Ｂ１〜Ｂ９に対してそれぞれ並列に接続してもよいが、合理性を考慮して、電池グループごとに設けることが好ましい。
図７は、本発明の第４実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源１との接続回路図である。これは、蓄電装置１００については、図３と基本的に似た回路図であり、図３との違いは、電源１と蓄電装置１００とを接続する電路にスイッチ６が設けられ、制御部５がこれをオン／オフ制御する点、及び、電池グループごとにその直列体の両端電圧を検知する電圧センサＶ１〜Ｖ３を設け、それらの出力信号（電圧値）を制御部５に入力している点である。電圧センサＶ１〜Ｖ３は、電池の電圧の不均等を検知するためのものであり、基本的には単位電池Ｂ１〜Ｂ９に対してそれぞれ並列に接続してもよいが、合理性を考慮して、電池グループごとに設けることが好ましい。
図７の構成において、まず、制御部５はスイッチ６をオン状態として、蓄電装置１００の単位電池Ｂ１〜Ｂ９を充電する（充電工程）。このとき、第１スイッチ回路部３及び第２スイッチ回路部４の全てのスイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａ９，Ｓｂ１〜Ｓｂ９，Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｑ１，Ｓｑ２，Ｓｒ１，Ｓｒ２はオフ状態であり、単位電池Ｂ１〜Ｂ９について電圧の均等化は行われない。
その後、電圧センサＶ１〜Ｖ３のうち、いずれか１つでも、他と、閾値を超える電圧差が検知されると、図３の場合と同様に、第１スイッチ回路部３及び第２スイッチ回路部４を動作させ、単位電池Ｂ１〜Ｂ９の電圧を均等化する（電圧均等化工程）。その結果、閾値を超える電圧差が検知されなくなると、第１スイッチ回路部３及び第２スイッチ回路部４の全てのスイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａ９，Ｓｂ１〜Ｓｂ９，Ｓｐ１，Ｓｐ２，Ｓｑ１，Ｓｑ２，Ｓｒ１，Ｓｒ２をオフ状態とし（すなわち均等化終了）、再びスイッチ６をオン状態として通常の充電状態に戻る。
以上のように、通常の充電時は、第１，第２スイッチ回路部３，４による回路の逐次切り替え動作を停止させ、必要な時にのみ、第１，第２スイッチ回路部３，４による当該動作を行わせるようにすれば、第１，第２スイッチ回路部３，４の駆動に要する消費電力を低減することができる。
また、制御部５は、第１，第２スイッチ回路部３，４に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、スイッチ６をオフ状態とするので、言い換えれば、各電池の電圧が不均等なときは、電源１から蓄電装置１００への充電は行われない。従って、いずれかの電池が過充電となる事態を防止することができる。
また、制御部５は、第１，第２スイッチ回路部３，４に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、スイッチ６をオフ状態とするので、言い換えれば、各電池の電圧が不均等なときは、電源１から蓄電装置１００への充電は行われない。従って、いずれかの電池が過充電となる事態を防止することができる。
なお、図７は、充電用の電源１と接続される蓄電装置１００についてのみ記載したが、電力供給が一時的に停止されても構わない負荷であれば、放電時にも図７と同様の回路構成で、電源１の代わりに負荷を接続することも可能である。この場合の動作は、充電時と同様である。
《その他》
なお、上記各実施形態ではいずれも、第１キャパシタの総数が単位電池の総数より少ないが、単位電池と同数の第１キャパシタを設けて、１対１の関係で並列接続の回路を構成することも可能である。但し、この場合は、電源１の短絡等の不具合が起きないように回路を構成する工夫が必要である。
なお、上記各実施形態の蓄電装置１００における電池の種類としては、リチウムイオン電池に限らず、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池、溶融塩電池等、種々の二次電池について、適用することができる。
なお、上記各実施形態ではいずれも、第１キャパシタの総数が単位電池の総数より少ないが、単位電池と同数の第１キャパシタを設けて、１対１の関係で並列接続の回路を構成することも可能である。但し、この場合は、電源１の短絡等の不具合が起きないように回路を構成する工夫が必要である。
なお、上記各実施形態の蓄電装置１００における電池の種類としては、リチウムイオン電池に限らず、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池、溶融塩電池等、種々の二次電池について、適用することができる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１ 電源
２ 負荷
３ 第１スイッチ回路部
４ 第２スイッチ回路部
５ 制御部
６ スイッチ
１０ 組電池
１００ 蓄電装置
Ｂ１〜Ｂ９ 電池（単位電池）
Ｂ１，Ｂ２／Ｂ３，Ｂ４ 電池グループ
Ｂ１〜Ｂ３／Ｂ４〜Ｂ６／Ｂ７〜Ｂ９ 電池グループ
Ｂ１，Ｂ２／Ｂ２，Ｂ３ 電池グループ
Ｃ１〜Ｃ８ 第１キャパシタ
Ｃｇ，Ｃｇ１，Ｃｇ２ 第２キャパシタ
Ｓａ１〜Ｓａ９，Ｓｂ１〜Ｓｂ９，Ｓｃ１〜Ｓｃ６ スイッチ素子
Ｓｐ１〜Ｓｐ３，Ｓｑ１〜Ｓｑ３，Ｓｒ１，Ｓｒ２ スイッチ素子
Ｖ１〜Ｖ３ 電圧センサ
２ 負荷
３ 第１スイッチ回路部
４ 第２スイッチ回路部
５ 制御部
６ スイッチ
１０ 組電池
１００ 蓄電装置
Ｂ１〜Ｂ９ 電池（単位電池）
Ｂ１，Ｂ２／Ｂ３，Ｂ４ 電池グループ
Ｂ１〜Ｂ３／Ｂ４〜Ｂ６／Ｂ７〜Ｂ９ 電池グループ
Ｂ１，Ｂ２／Ｂ２，Ｂ３ 電池グループ
Ｃ１〜Ｃ８ 第１キャパシタ
Ｃｇ，Ｃｇ１，Ｃｇ２ 第２キャパシタ
Ｓａ１〜Ｓａ９，Ｓｂ１〜Ｓｂ９，Ｓｃ１〜Ｓｃ６ スイッチ素子
Ｓｐ１〜Ｓｐ３，Ｓｑ１〜Ｓｑ３，Ｓｒ１，Ｓｒ２ スイッチ素子
Ｖ１〜Ｖ３ 電圧センサ
Claims (9)
- 充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、
前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、
前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、
複数のスイッチ素子によって構成され、複数の前記単位電池のうち、一の単位電池を前記第１キャパシタに並列接続する回路、及び、当該第１キャパシタを他の単位電池に並列接続する回路を、選択的に構成可能な第１スイッチ回路部と、
複数のスイッチ素子によって構成され、複数の前記電池グループのうち、一の電池グループを前記第２キャパシタに並列接続する回路、及び、当該第２キャパシタを他の電池グループに並列接続する回路を、選択的に構成可能な第２スイッチ回路部と、
前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部について、制御上互いに独立して且つ時期的には並行して、構成する回路を逐次切り替えるようにそれぞれ前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部を動作させる制御部と
を備えている蓄電装置。 - 前記単位電池の個数をｎ、前記電池グループの数をｍとすると、前記第１キャパシタの個数は（ｎ−１）であり、前記第２キャパシタの個数は（ｍ−１）である請求項１に記載の蓄電装置。
- 前記単位電池の個数をｎ、前記電池グループの数をｍとすると、前記第１キャパシタの個数はｍであり、前記第２キャパシタの個数は１である、という構成を基本単位構成とする請求項１に記載の蓄電装置。
- 前記電池の直列方向に互いに隣り合う前記複数の電池グループは、一部の前記単位電池を共有する請求項１に記載の蓄電装置。
- 前記複数の電池グループごとにそれぞれ電圧を検知する複数の電圧センサを備え、
前記制御部は、複数の前記電圧センサの検知した電圧の相互間に、閾値を超える差がある場合に前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部に対して回路を逐次切り替える動作をさせ、それ以外は、全てのスイッチ素子をオフ状態とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の蓄電装置。 - 充電用の電源と、当該蓄電装置との接続をオン／オフするスイッチを備え、
前記制御部は、前記第１スイッチ回路部及び前記第２スイッチ回路部に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、前記スイッチをオフ状態とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の蓄電装置。 - 前記制御部は、回路の切替を行う際に、一時的に、前記電池と前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタとの接続に関わる前記スイッチ素子を全てオフ状態とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の蓄電装置。
- 充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、
前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、
前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、を備える蓄電装置による充電方法であって、
前記組電池の両端に所定の電圧を印加して充電を行う充電工程と、
前記単位電池を前記第１キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第１工程、及び、前記第１キャパシタを他の前記単位電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第２工程を、交互に繰り返す局所的電圧均等化工程と、
前記局所的電圧均等化工程とは制御上独立して且つ時期的には並行して、前記電池グループを前記第２キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第１工程、及び、前記第２キャパシタを他の前記電池グループに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第２工程を、交互に繰り返す広域的電圧均等化工程と
を有する充電方法。 - 充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、
前記組電池を、単位電池の集合体として見た場合の、当該単位電池の充放電に関わる第１キャパシタと、
前記組電池を、互いに隣り合う複数の前記単位電池を含む電池グループの集合体として見た場合の、当該電池グループの充放電に関わる第２キャパシタと、を備える蓄電装置による放電方法であって、
前記組電池の両端から負荷に電力を供給する放電工程と、
前記単位電池を前記第１キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第１工程、及び、前記第１キャパシタを他の前記単位電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる局所的第２工程を、交互に繰り返す局所的電圧均等化工程と、
前記局所的電圧均等化工程とは制御上独立して且つ時期的には並行して、前記電池グループを前記第２キャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第１工程、及び、前記第２キャパシタを他の前記電池グループに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる広域的第２工程を、交互に繰り返す広域的電圧均等化工程と
を有する放電方法。
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