KR20160124233A - 축전 소자의 충전 방법 및 축전 장치 - Google Patents

축전 소자의 충전 방법 및 축전 장치 Download PDF

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Abstract

복수의 축전 소자를 서로 접속하여 비교적 높은 직렬도를 가지는 2단자 회로를 구성하고, 상기 2단자 회로에 전류 주입하여 축전 소자의 충전을 개시한다. 소정의 타이밍에, 직렬도가 작아지도록 축전 소자의 접속이 변경되어 축전 소자 간의 전압 편차가 해소된 후, 다시 직렬도가 높은 2단자 회로로 접속 변경되어 충전이 계속된다. 축전 소자 간의 전압 밸런스를 취하면서, 각 축전 소자를 단시간에 충전할 수 있다.

Description

축전 소자의 충전 방법 및 축전 장치{ELECTRICITY STORAGE ELEMENT CHARGING METHOD AND ELECTRICITY STORAGE DEVICE}
이 발명은, 복수의 축전 소자를 충전하는 방법 및 복수의 축전 소자를 구비하는, 축전 장치에 관한 것이다.
에너지를 비축하는 기술로서, 물리적인 전하(이온 분자)의 흡탈착을 이용하는 커패시터나, 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하여 비축하는 2차 전지 등의, 축전 소자를 이용하는 것이 있다. 이러한 기술에 있어서는, 단일의 축전 소자의 축전 용량이나 단자 전압의 사용 가능 범위가 한정적이기 때문에, 다수의 축전 소자가 전기적으로 접속된 상태로 사용되는 것이 일반적이다. 복수의 축전 소자를 충전하는 경우, 각 축전 소자 간의 단자 전압의 편차를 억제하면서, 가능한 한 단시간에 모든 축전 소자를 만충전 상태에 이르게 하는 것이 바람직하다. 이 목적을 위해, 복수의 축전 소자의 접속 상태를 수시 변화시키면서 충전을 행하는 기술이 제안되고 있다.
예를 들면 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 직렬 접속과 병렬 접속 사이에서 전환 가능한 복수 개의 커패시터를 가지는 회로 블록이 복수 직렬 접속된 회로 구성의 축전 수단이 설치된다. 각 회로 블록에 포함되는 커패시터가 직렬로 접속된 상태로 충전이 개시되고, 회로 블록 내의 커패시터의 단자 전압의 합계가 소정치에 이르면, 상기 회로 블록 내의 커패시터가 병렬 접속으로 변경된다. 커패시터가 병렬 접속됨으로써, 단자 전압의 불균형이 시정된다. 또 예를 들면 특허 문헌 2에 기재된 기술에서는, 서로 직렬 접속된 커패시터 중 인접하는 것들이 순차적으로 직렬 접속에서 병렬 접속으로 변경되어 충전이 행해진다.
국제 공개 제2007/046138호 국제 공개 제2012/014281호
상기 종래 기술에서는, 복수의 축전 소자(커패시터)가 전기적으로 접속되어 이루어지는 2단자 회로의 양단 전압을, 접속되는 부하 장치의 내(耐)입력 전압 이하로 억제하는 것에 중점이 놓여져 있다. 이 때문에, 충전의 진행에 수반하여, 병렬 접속되는 축전 소자의 수가 점차 증가하는 구성으로 되어 있다. 병렬 접속된 축전 소자의 사이에서는 외부로부터 주입되는 전하가 분배되기 때문에, 직렬 접속 시에 비해 만충전에 이르기까지의 소요 시간은 길어진다. 이와 같이, 상기 종래 기술에는, 충전 시간의 단축과 같은 점에 있어서 개량의 여지가 남아 있다.
이 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 복수의 축전 소자를 이용한 충전 방법 및 축전 장치에 있어서, 축전 소자 간의 전압 밸런스를 취하면서 단시간에 각 축전 소자를 충전할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 하나의 양태는, 3 이상의 축전 소자를 전기적으로 접속하여 충전을 행하는 축전 소자의 충전 방법으로서, 복수의 단위 회로가 직렬 접속된 회로 구성을 가지며, 또한 상기 단위 회로의 각각은 단일의 상기 축전 소자 또는 서로 병렬 접속된 복수의 상기 축전 소자인 2단자 회로에 대해서는, 직렬 접속된 상기 단위 회로의 수를 상기 2단자 회로의 직렬도로 정의하고, 상기 축전 소자 모두가 병렬 접속된(즉, 모든 축전 소자에 의해 단일의 단위 회로가 구성된) 2단자 회로에 대해서는, 상기 2단자 회로의 상기 직렬도를 1로 할 때, 상기 축전 소자를 접속하여 상기 직렬도의 값이 2 이상인 2단자 회로를 구성하고, 상기 2단자 회로에 전류를 주입하여 상기 축전 소자의 각각을 충전하는 제1 공정과, 상기 직렬도의 값이 작아지도록 상기 축전 소자의 접속을 변경하여 새로운 2단자 회로를 구성하는 제2 공정과, 상기 직렬도의 값이 커지도록 상기 축전 소자의 접속을 변경하여 새로운 2단자 회로를 구성하고, 상기 2단자 회로에 전류를 주입하여 상기 축전 소자의 각각을 충전하는 제3 공정을 구비하고 있다.
또, 본 발명의 다른 양태는, 3 이상의 축전 소자와, 상기 축전 소자를 전기적으로 접속하여 2단자 회로를 구성하는 접속 수단과, 상기 접속 수단에 의해 구성된 상기 2단자 회로에 전류를 주입하여 상기 축전 소자를 충전하는 전류 주입 수단을 구비하고, 복수의 단위 회로가 직렬 접속된 회로 구성을 가지며, 또한 상기 단위 회로의 각각은 단일의 상기 축전 소자 또는 서로 병렬 접속된 복수의 상기 축전 소자인 2단자 회로에 대해서는, 직렬 접속된 상기 단위 회로의 수를 상기 2단자 회로의 직렬도로 정의하고, 상기 축전 소자 모두가 병렬 접속된 2단자 회로에 대해서는, 상기 2단자 회로의 상기 직렬도를 1로 할 때, 상기 접속 수단은, 상기 축전 소자의 접속 상태를 전환하여, 상기 직렬도의 값이 2 이상인 제1의 2단자 회로와, 상기 직렬도의 값이 상기 제1의 2단자 회로보다 작은 제2의 2단자 회로와, 상기 직렬도의 값이 상기 제2의 2단자 회로보다 큰 제3의 2단자 회로를 이 순서로 형성한다.
이와 같이 구성된 발명에서는, 복수의 축전 소자가 전기적으로 접속되어 구성되는 2단자 회로에 대해, 전류가 주입되어 충전이 행해진다. 이 발명에 있어서의 2단자 회로는, 복수의 단위 회로가 직렬 접속된 회로 구성을 가지는 것, 모든 축전 소자가 병렬 접속되는 것 중 어느 하나이다. 또 복수의 단위 회로의 각각은, 단일의 축전 소자를 포함하는 것, 복수의 축전 소자를 포함하며 그들이 서로 병렬 접속되는 것 중 어느 하나이다.
또한, 본 발명에 있어서 「단위 회로」는 고정적으로 설치되는 것이 아니라, 축전 소자끼리가 접속되어 2단자 회로가 구성되었을 때에 일시적으로 출현하는 단일의 또는 복수의 축전 소자를 포함하는 회로를 가리키는 개념이다. 그리고, 2단자 회로가 복수의 단위 회로의 직렬 회로라고 볼 수 있을 때, 상기 직렬 회로를 구성하는 단위 회로의 수를 「직렬도」라고 칭한다. 또, 모든 축전 소자가 병렬 접속된 2단자 회로에 있어서는, 상기 2단자 회로의 직렬도를 1로 한다.
본 발명에서는, 직렬도가 비교적 높은 2단자 회로에 대해 전류가 주입되어 각 축전 소자의 충전이 개시된 후, 직렬도가 낮아지도록, 즉 직렬도의 값이 작아지도록 2단자 회로의 접속이 변경된다. 2단자 회로의 직렬도가 낮아지는 것은, 2단자 회로 중 적어도 1개의 축전 소자가, 새롭게 다른 축전 소자와 병렬 접속되는 것을 의미한다. 복수의 축전 소자가 병렬 접속됨으로써 그들 축전 소자 간에서 단자 전압이 균등화된다. 이것에 의해, 축전 소자 간의 전압의 편차가 억제된다.
한편, 축전 소자가 병렬 접속된 상태에서는, 각 축전 소자로의 충전에 장시간을 필요로 한다. 그 때문에, 본 발명에서는 재차 축전 소자의 접속이 변경되어, 직렬도가 더욱 높은, 즉 직렬도의 값이 더욱 큰 2단자 회로가 구성된다. 이것에 의해, 각 축전 소자의 충전에 필요로 하는 시간이 단축된다.
이와 같이, 본 발명에서는, 충전의 과정에 있어서, 복수의 축전 소자에 의해 구성되는 2단자 회로의 직렬도가 일단 저하하도록 접속이 변경되어 축전 소자 간의 전압 편차가 시정된 후, 다시 직렬도가 높은 2단자 회로가 구성됨으로써, 축전 소자 간의 전압 밸런스를 취하면서 단시간에 각 축전 소자를 충전하는 것이 가능하다.
본 발명에 의하면, 복수의 축전 소자에 의해 구성되는 2단자 회로의 직렬도가 비교적 높은 상태로 충전이 개시되며, 일단 직렬도가 낮은 2단자 회로로 접속 변경된 후, 다시 직렬도가 높은 2단자 회로가 구성된다. 이것에 의해, 축전 소자 간의 전압 밸런스를 취하면서 단시간에 각 축전 소자를 충전하는 것이 가능하다.
이 발명의 상기 및 그 외의 목적과 신규 특징은, 첨부 도면을 참조하면서 다음의 상세한 설명을 읽으면, 보다 완전하게 분명해질 것이다. 단, 도면은 오로지 해설을 위한 것이며, 이 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 관련된 축전 장치의 일실시 형태를 나타내는 도이다.
도 2는 스위치군의 작동에 의해 구성되는 회로의 예를 나타내는 도이다.
도 3은 축전 소자의 접속 상태의 예를 나타내는 도이다.
도 4는 충전 동작에 있어서의 축전 소자의 접속 상태를 나타내는 도이다.
도 5는 2단자 회로의 구성예를 나타내는 도이다.
도 6은 이 축전 장치에 있어서의 충전 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 7은 충전 동작의 더욱 구체적인 일 양태를 나타내는 플로차트이다.
도 8은 도 6의 충전 동작의 변형예의 일부를 나타내는 플로차트이다.
도 9는 충전 동작의 더욱 구체적인 다른 일 양태를 나타내는 플로차트이다.
도 10은 이 동작 양태에 있어서의 축전 소자의 접속 상태의 변천을 나타내는 도이다.
도 1은 본 발명에 관련된 축전 장치의 일실시 형태를 나타내는 도이다. 더욱 상세하게는, 도 1a는 본 발명에 관련된 축전 소자의 충전 방법을 적합하게 적용 가능한 축전 장치(1)를 나타내는 블럭도이다. 또, 도 1b는 축전 장치(1)에 설치되는 축전부(10) 및 접속 전환부(30)의 전기적 구성을 나타내는 회로도이다.
축전 장치(1)는, 축전부(10)와, 급전부(20)와, 접속 전환부(30)와, 전위 검출부(40)와, 제어부(50)를 구비하고 있다. 축전부(10)는 전기 에너지를 저장하는 기능을 각각이 가지는 복수의 축전 소자를 구비하고 있다. 급전부(20)는 축전부(10)에 전력을 공급한다. 접속 전환부(30)는, 후술하는 스위치군에 의해, 축전부(10)에 설치된 복수의 축전 소자를 전기적으로 접속하는 기능을 가지며, 또한 그 접속 상태를 변경하여 복수종의 회로 구성을 실현하는 것이 가능하다.
전위 검출부(40)는, 축전부(10)에 설치된 축전 소자의 각각의 양단자의 전위를 개별적으로 검출하는 기능을 가진다. 또 제어부(50)는, 상기한 각 구성을 종합적으로 제어하여 축전 장치(1)에 소정의 충전 동작을 실행시키는 기능을 가진다.
급전부(20)는 소정의 직류 전류를 출력하는 전류원(21)과, 소정의 직류 전압을 출력하는 전압원(22)과, 이들을 선택적으로 축전부(10)에 접속하는 스위치(23, 24)를 구비하고 있다. 구체적으로는, 전류원(21)과 축전부(10) 사이는 스위치(23)를 통하여 접속되는 한편, 전압원(22)과 축전부(10) 사이는 스위치(24)를 통하여 접속된다. 스위치(23, 24)의 개폐는 제어부(50)에 의해 제어되고 있으며, 스위치(23)가 닫혀 있을 때는 전류원(21)으로부터 출력되는 정전류가 축전 소자(10)에 공급된다. 한편, 스위치(24)가 닫혀 있을 때에는 전압원(22)으로부터 출력되는 정전압이 축전 소자(10)에 공급된다.
축전부(10)는 N개(N은 3 이상의 자연수)의 축전 소자 C1, C2, C3, …, CN을 가지고 있다. 이들 축전 소자로서는, 예를 들면 전기 이중층 커패시터, 하이브리드 커패시터, 레독스 커패시터 등의 전기 화학 커패시터, 및, 리튬계 2차 전지, 니켈수소 전지, 나트륨 유황 전지, 아연 할로겐 전지, 레독스·플로우 전지 등의 2차 전지를 적합하게 적용 가능하다.
이들 축전 소자 C1, C2, C3, …, CN은, 접속 전환부(30)에 설치된 스위치군을 통하여 접속되어 있다. 구체적으로는, 회로도 상에 있어서 인접하는 2개의 축전 소자 Cn, Cn+1(n은 1 이상 N 미만의 자연수)의 사이는, 3개의 스위치 SWn1, SWn2, SWn3을 통하여 전기적으로 접속된다. 보다 상세하게는, 축전 소자 Cn의 일방(도면에 있어서 상측의) 단자와 축전 소자 Cn +1의 일방 단자 사이가 스위치 SWn1을 통하여 접속되고, 축전 소자 Cn의 타방(도면에 있어서 하측의) 단자와 축전 소자 Cn +1의 타방 단자 사이가 스위치 SWn3을 통하여 접속된다. 또한, 축전 소자 Cn의 타방 단자와 축전 소자 Cn +1의 일방 단자 사이가 스위치 SWn2를 통하여 접속된다. 스위치 SWn1, SWn2, SWn3의 개폐는, 제어부(50)에 의해 제어된다.
이러한 스위치의 개폐 형식으로서는 임의의 것을 사용 가능하지만, 개폐 시에 과도적으로 큰 전류가 흐를 가능성이 있기 때문에, 불꽃의 발생을 피하기 위해 기계적인 접점을 가지지 않는 예를 들면 반도체 스위치를 이용하는 것이 바람직하다.
예를 들면 회로도에 있어서 가장 왼쪽에 있는 축전 소자 C1과 이것에 인접하는 축전 소자 C2 사이에서는, 축전 소자 C1의 일방 단자와 축전 소자 C2의 일방 단자 사이에 스위치 SW11이 설치되며, 축전 소자 C1의 타방 단자와 축전 소자 C2의 타방 단자 사이에는 스위치 SW12가 설치된다. 또한, 축전 소자 C1의 타방 단자와 축전 소자 C2의 일방 단자 사이에는, 스위치 SW13이 설치된다.
축전 소자 Cn의 일방 단자 및 타방 단자 각각의 전위가 전위 검출부(40)에 의해 개별적으로 검출되며, 이들 전위의 차가 축전 소자 Cn의 단자 전압을 나타낸다. 전위 검출부(40)에 의한 전위 검출 결과는 제어부(50)에 부여된다. 제어부(50)는, 전위 검출부(40)로부터 부여되는 전위 검출 결과에 의거하여 각 축전 소자 Cn의 단자 전압을 구하고, 그 결과에 의거하여 장치 각 부를 제어한다.
도 2(도 2a 내지 도 2c)는 스위치군의 작동에 의해 구성되는 회로의 예를 나타내는 도이다. 회로도 상에서 서로 인접하는 2개의 축전 소자 Cn, Cn +1과, 그 사이에 설치되는 스위치 SWn1, SWn2, SWn3으로 구성되는 최소 구성의 회로에서는, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 스위치 SWn1 및 SWn3이 열린 상태, SWn2가 닫힌 상태일 때 축전 소자 Cn, Cn +1의 직렬 접속이 실현된다. 한편, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 스위치 SWn1 및 SWn3이 닫힌 상태, SWn2가 열린 상태일 때 축전 소자 Cn, Cn +1의 병렬 접속이 실현된다.
이와 같이, 스위치의 개폐 상태에 의해, 축전 소자 Cn, Cn +1의 접속 상태가 직렬 접속과 병렬 접속 사이에서 전환된다. 전환 시에 있어서는, 스위치 SWn1과 스위치 SWn2 사이, 및 스위치 SWn3과 스위치 SWn2 사이의 각각에서, 양스위치가 모두 닫힌 상태가 되지 않도록 할 필요가 있다. 즉, 도 2c에 나타내는 바와 같이, 직렬 상태에서 병렬 상태로 접속이 변경될 때, 스위치 SWn2가 열리고 나서 스위치 SWn1, SWn3이 닫힌다. 한편, 병렬 상태에서 직렬 상태로 접속이 변경될 때, 스위치 SWn1, SWn3이 열리고 나서 스위치 SWn2가 닫힌다.
스위치 SWn1과 스위치 SWn2가 모두 닫힌 상태에서는 축전 소자 Cn이 단락되며, 스위치 SWn2와 스위치 SWn3이 모두 닫힌 상태에서는 축전 소자 Cn +1이 단락된다. 이것을 방지하기 위해, 상기와 같은 타이밍에 전환이 행해질 필요가 있다. 또한, 스위치 SWn1, SWn3의 개폐 타이밍에 대해서는, 상기 조건이 만족되는 한, 반드시 동시일 필요는 없다.
축전 소자의 수가 3 이상인 경우에도 마찬가지로, 회로도 상에서 인접하는 2개의 축전 소자가 서로 직렬 또는 병렬로 접속됨으로써, 축전 소자 C1, C2, …, CN이 서로 전기적으로 접속된다.
도 3(도 3a 내지 도 3c)은 축전 소자의 접속 상태의 예를 나타내는 도이다. 여기에서는, 축전부(10)가 4개의 축전 소자 C1~C4를 구비하는(즉 N=4) 경우를 예시한다. 도 3a에 나타내는 예에서는, 각 축전 소자 사이에 설치된 스위치군 중 스위치 SWn1, SWn3(n=1, 2, 3)이 모두 열린 상태, 스위치 SWn2가 모두 닫힌 상태이며, 모든 축전 소자 C1~C4가 직렬 접속된다. 한편, 도 3b에 나타내는 예에서는, 스위치 SWn1, SWn3(n=1, 2, 3)가 모두 닫힌 상태, 스위치 SWn2가 모두 열린 상태이며, 모든 축전 소자 C1~C4가 병렬 접속된다.
또한, 도 3c에 나타내는 예에서는, 스위치 SW12, SW21, SW23, SW32가 닫힌 상태, 다른 스위치가 열린 상태로 되어 있다. 이 상태에서는, 축전 소자 C2, C3이 병렬 접속되고, 그 병렬 회로가 또한 축전 소자 C1 및 축전 소자 C4와 직렬로 접속된다. 이와 같이, 이 축전 장치(1)는, 각 스위치의 개폐를 제어함으로써, 축전 소자를 다양한 접속 상태로 접속할 수 있도록 구성되어 있다.
다음에, 상기와 같이 구성된 축전 장치(1)에 의한 충전 동작에 대해서 설명한다. 이 축전 장치(1)에서는, 축전부(10)에 설치된 복수의 축전 소자 C1~CN이 접속 전환부(30)에 의해 서로 접속되고, 적당한 회로 구성을 가지는 2단자 회로가 구성된다. 이렇게 하여 구성된 2단자 회로에 대해, 전류원(21)으로부터의 직류 정전류, 또는 전압원(22)으로부터의 직류 정전압이 선택적으로 공급됨으로써, 축전부(10)의 각 축전 소자가 충전된다. 후술하는 바와 같이, 이 축전 장치(1)의 충전 동작의 과정에 있어서는, 축전 소자의 접속 상태가 전환되어 2단자 회로의 구성이 수시 변경된다.
도 4(도 4a 내지 도 4c)는 충전 동작에 있어서의 축전 소자의 접속 상태를 나타내는 도이다. 상기한 바와 같이, 이 축전 장치(1)의 충전 동작에서는, 축전부(10) 및 접속 전환부(30)에 의해 소정의 2단자 회로가 구성된다. 이 2단자 회로는, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 소정의 회로 구성을 가지는 1 이상의 단위 회로 U1, U2, …, US(S는 자연수)를 포함하고, 단위 회로가 복수인 경우에는 그들 모두가 직렬 접속된 회로 구성을 가진다. 각각의 단위 회로 Um(m=1, 2, …, S)는, 도 4b에 나타내는 단일의 축전 소자를 포함하는 회로, 또는 도 4c에 나타내는 복수의 축전 소자가 서로 병렬 접속된 회로 중 어느 하나이다. 단일의 2단자 회로가, 회로 구성이 상이한 복수 종의 단위 회로를 포함하고 있어도 된다. 축전부(10)에 설치된 축전 소자 모두가 병렬 접속되는 경우, 그들 전체 소자가 단일의 단위 회로를 구성하는 것으로 간주한다.
또, 축전부(10)에 포함되는 축전 소자 C1~CN 모두가 어느 하나의 단위 회로에 장착되는 것으로 한다. 예를 들면 축전 소자 C1~CN 중 적어도 1개가 단락되어 있는 회로나, 전류원(21)이 접속되었을 때에 형성되는 닫힘 회로에 포함되지 않는 축전 소자가 존재하는 회로와 같이, 충전에 관여하지 않는 축전 소자를 포함하는 회로는, 여기서 말하는 2단자 회로에 해당하지 않는다.
다음과 같이 바꾸어 말할 수도 있다. 서로 병렬 접속된 복수의 축전 소자는 전체로서, 서로의 축전 용량을 가산한 축전 용량을 가지는 1개의 「광의의 축전 소자」라고 볼 수 있다. 이와 같이, 서로 병렬 접속되어 광의의 축전 소자를 이루는 복수의 축전 소자의 일단(일단(一團)이, 1개의 단위 회로에 상당한다. 한편, 다른 축전 소자와 병렬 접속되어 있지 않은 단일의 축전 소자에 대해서는, 상기 축전 소자가 단독으로 1개의 단위 회로를 이룬다. 그리고, 이와 같은 단위 회로가 단독으로, 또는 복수 직렬 접속되어, 본 실시 형태에 말하는 2단자 회로를 구성한다.
또한, 단위 회로 Um은, 이 축전 장치(1)에 있어서 고정적으로 설치되는 것이 아니라, 접속 전환부(30)가 제어부(50)로부터의 제어 지령에 따라 축전 소자 C1, C2, …, CN을 접속함으로써 일시적으로 형성되는 것이다. 예를 들면 도 1b의 회로에 있어서 스위치 SW11~SW13에 의해 축전 소자 C1, C2가 직렬 접속되었을 때, 축전 소자 C1, 축전 소자 C2는 각각 단독으로 1개의 단위 회로를 이룬다. 한편, 스위치 SW11~SW13에 의해 축전 소자 C1, C2가 병렬 접속되었을 때, 축전 소자 C1, C2가 전체로서 1개의 단위 회로를 이룬다. 이와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 「단위 회로」 및 「2단자 회로」는, 접속 전환부(30)의 각 스위치의 개폐 상태의 조합에 따라 동적으로 변화하는 회로를 가리키는 개념이다. 축전부(10)에 설치되는 축전 소자의 수는 N개이기 때문에, 이들 중 적어도 일부에 의해 구성되는 단위 회로의 수 S는 최대에서도 N이다.
여기서, 도 4a에 나타내는 2단자 회로를 구성하는 단위 회로의 수 S를, 상기 2단자 회로의 「직렬도」라고 칭한다. 또한 모든 축전 소자 C1~CN이 병렬 접속된 2단자 회로에서는, 이들 축전 소자 C1~CN이 단일의 단위 회로를 구성하므로, 그 직렬도는 1이다. 상기한 바와 같이, 이 축전 장치(1)에서는, 접속 전환부(30)의 각 스위치의 개폐 상태의 조합에 의해, 다양한 직렬도 S(1≤S≤N)를 가지는 2단자 회로가 실현 가능하다.
도 5(도 5a 내지 도 5e)는 2단자 회로의 구성예를 나타내는 도이다. 여기에서는, 축전부(10)가 8개의 축전 소자 C1~C8을 구비하는(즉 N=8) 경우를 예시한다. 도 5a에 나타내는 예에서는, 모든 축전 소자 C1~C8이 직렬 접속되어 있으며, 직렬도 S의 값은 8이다. 이 경우, 각 축전 소자 C1~C8이 각각 단독으로 1개의 단위 회로를 이룬다.
도 5b에 나타내는 예에서는, 회로도 상에서 인접하는 2개의 축전 소자 C3, C4가 병렬 접속되며, 다른 축전 소자는 직렬 접속되어 있다. 이 경우, 직렬도 S의 값은 7이며, 2개의 축전 소자 C3, C4가 1개의 단위 회로 U3을 이루고, 다른 축전 소자는 각각 단독으로 1개의 단위 회로 U1, U2, U4~U7을 이룬다. 또한, 2개의 축전 소자만이 병렬 접속되는 한, 축전 소자의 조합에 상관없이 직렬도 S의 값은 7이다.
도 5c에 나타내는 예에서는, 회로도 상에서 인접하는 축전 소자가 2개씩 병렬 접속되어 있다. 구체적으로는, 축전 소자 C1, C2이 병렬 접속되어 단위 회로 U1을 구성하고, 축전 소자 C3, C4가 병렬 접속되어 단위 회로 U2를 구성하며, 축전 소자 C5, C6이 병렬 접속되어 단위 회로 U3을 구성하고, 축전 소자 C7, C8이 병렬 접속되어 단위 회로 U4를 구성한다. 그리고, 각각 병렬 접속된 2개의 축전 소자로 이루어지는 4개의 단위 회로 U1~U4가 직렬 접속되어 2단자 회로가 구성된다. 따라서 이 경우의 직렬도 S의 값은 4이다.
한편, 도 5d에 나타내는 예에서는, 직렬도 S의 값은 도 5c의 예와 동일하게 4이지만, 회로 구성은 완전히 상이하다. 즉, 축전 소자 C1, C8이 각각 단독으로 단위 회로 U1, U4를 구성하는 한편, 4개의 축전 소자 C2~C5가 서로 병렬 접속되어 단위 회로 U2를 구성하고, 2개의 축전 소자 C6, C7가 서로 병렬 접속되어 1개의 단위 회로 U3을 구성한다. 그리고, 이들 단위 회로 U1~U4가 직렬 접속되어 2단자 회로가 구성된다. 이와 같이, 직렬도 S의 값이 동일해도 회로 구성은 상이한 경우가 있다.
또한, 도 5e에 나타내는 예에서는, 모든 축전 소자 C1~C8이 서로 병렬 접속되고, 전체가 1개의 단위 회로를 구성한다. 따라서 이 경우, 직렬도 S의 값은 1이다. 이와 같이, 이 축전 장치(1)에서는, 1부터 N까지의 임의의 직렬도 S를 가지는 다양한 2단자 회로를 구성하는 것이 가능하게 되어 있다. 또, 직렬도 S가 1 또는 N인 경우를 제외하고, 동일한 직렬도 S의 값에 대해 상이한 회로 구성을 가지는 2종류 이상의 2단자 회로를 구성하는 것이 가능하다. 다음에 설명하는 바와 같이, 이 축전 장치(1)의 충전 동작의 동작 과정에 있어서는, 직렬도 S가 서로 상이한 복수종의 2단자 회로가 순차적으로 출현한다.
도 6은 이 축전 장치에 있어서의 충전 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다. 이 충전 동작은, 미리 작성된 제어 프로그램에 의거하여 제어부(50)가 장치 각 부를 제어하여 소정의 동작을 행하게 함으로써 실현된다.
최초로, 장치 각 부가 소정의 초기 상태로 설정되어 장치의 초기화가 행해진다(단계 S101). 초기 상태에서는, 급전부(20) 및 접속 전환부(30)에 설치된 스위치 종류는 모두 열린 상태이다. 따라서 축전부(10)에 설치된 축전 소자 C1~CN으로의 충전은 행해지지 않는다. 축전 소자 C1~CN은, 미충전 또는 완전 방전 상태여도 되고, 또 일부 또는 전부의 축전 소자에 약간의 전기 에너지가 저장된 상태여도 된다. 또, 전위 검출부(40)에 의한 축전 소자 C1~CN의 단자 전위의 검출이 개시된다. 또한, 충전이 개시되기 전에 있어서의 회로의 접속 상태는, 상기에 한정되지 않고 임의이다.
다음에, 제어부(50)가 접속 전환부(30)를 작동시키고, 접속 전환부(30)는 축전 소자 C1~CN을 서로 접속하여 직렬도 S가 소정치 S1인 제1의 2단자 회로를 구성한다(단계 S102). 그리고, 급전부(20)의 스위치(23)가 제어부(50)로부터의 제어 지령에 따라 닫힘으로써, 전류원(21)으로부터 축전부(10)에 직류 정전류가 공급되어, 축전부(10)의 정전류 충전이 개시된다(단계 S103).
이때의 직렬도 S1에 대해서는 2 이상 N 이하의 임의의 수치로 할 수 있지만, 가능한 한 큰 값인 것이 바람직하다. 복수의 축전 소자가 병렬 접속된 상태에서는, 주입되는 전류가 이들 축전 소자에 분산되기 때문에, 이러한 충전에 장시간을 필요로 한다. 복수의 축전 소자를 단시간에 충전한다는 목적을 위해서는, 가능한 한 많은 축전 소자를 직렬 접속하여(즉 직렬도 S를 높게 하여) 정전류 충전을 행하는 것이 바람직하다. 예를 들면 부분적으로 충전된 상태의 축전 소자가 있는 경우에는, 상기 축전 소자가 다른 축전 소자와 병렬 접속된 상태로 충전이 개시되어도 된다.
한편, 직렬 접속되어 정전류 충전되는 각 축전 소자의 단자 전압의 상승의 정도는, 축전 소자의 용량 편차에 기인하며 반드시 일정하지 않다. 예를 들면 전기 화학 커패시터에서는 동일한 공칭 용량을 가지는 소자 간에서 최대 20% 정도의 용량 편차를 가지는 경우가 있다. 이 때문에, 이대로 충전을 계속하면 축전 소자 간의 단자 전압의 편차가 점차 커진다.
단자 전압이 높은 축전 소자를 기준으로 하여 충전 제어가 행해지는 경우, 단자 전압이 낮은 축전 소자가 만충전 상태에 이르기 전에 충전이 종료되어 버린다. 한편, 단자 전압이 낮은 축전 소자를 기준으로 하여 충전 제어가 행해지는 경우, 그 축전 소자가 만충전 상태에 이르기 전에 다른 축전 소자가 과충전 상태가 되어 버린다. 모두 바람직하지 않은 상태이다.
그래서, 이 충전 동작의 과정에 있어서는, 충전 중에 각 축전 소자 C1~CN의 단자 전압이 감시되어 있다. 축전 소자 간의 단자 전압의 차가 미리 설정된 규정치 이상이 된 경우에는(단계 S104), 스위치(23)가 열리고 전류원(21)으로부터의 전류 주입이 정지된다(단계 S105). 그리고, 접속 전환부(30)에 의해 축전 소자의 접속이 직렬도 S가 저하하도록 변경되고, 직렬도 S의 값이 제1의 2단자 회로의 직렬도 S1보다 작은 제2의 2단자 회로가 새롭게 구성된다(단계 S106). 이때의 직렬도 S를 S2(＜S1)로 한다.
2단자 회로의 직렬도 S가 저하하도록 접속이 변경될 때, 상기 2단자 회로에 있어서는, 변경의 직전에는 병렬 접속되어 있지 않았던 적어도 1쌍의 축전 소자가 새롭게 병렬 접속되게 된다. 축전 소자가 새롭게 병렬 접속됨으로써, 그들 축전 소자 간의 단자 전압의 편차가 시정된다. 따라서, 2단자 회로의 직렬도 S가 저하하는 축전 소자의 접속 변경은, 축전 소자 간의 전압 편차를 축소시키는 작용을 가진다.
제1의 2단자 회로보다 직렬도 S가 낮은 2단자 회로로서는 다양한 회로 구성의 것이 상정될 수 있지만, 그 중 하나가 제2의 2단자 회로가 되어도 된다. 단, 복수의 축전 소자 중 단자 전압이 가장 높은 것, 및 단자 전압이 가장 낮은 것 중 적어도 하나가 다른 축전 소자와 병렬 접속되도록 하면, 전압 편차를 시정하는 효과가 특히 현저해진다.
2단자 회로의 접속을 변경하는데 앞서 전류 주입을 정지하는 것은, 단자 전압이 상이한 축전 소자가 병렬 접속되었을 때에 소자 사이에 흐르는 과도 전류와 충전 전류가 중첩됨으로써 스위치에 과대한 전류가 흘러, 스위치가 파손되는 것을 방지하기 위해서이다. 스위치의 전류 용량이 충분히 크거나, 이러한 문제가 생길 우려가 없는 경우에는, 전류 주입이 계속해서 실시되어도 된다. 즉, 단계 S105가 생략되어도 된다.
축전 소자 간의 전압 편차가 해소되었는지 아닌지에 대해서는, 예를 들면 전위 검출부(40)에 의해 검출되는 각 축전 소자의 단자 전압을 비교함으로써 행할 수 있다. 즉, 각 축전 소자 중 단자 전압이 가장 높은 것과 가장 낮은 것의 전압차가 규정치보다 작을 때 전압 편차가 해소되었다고 할 수 있다. 이 경우의 규정치는, 단계 S104에 있어서의 규정치와 동일치여도 되고, 또 이것보다 작은 값이어도 된다.
또, 단자 전압이 상이한 복수의 축전 소자가 병렬 접속되었을 때에 축전 소자 간에서 단자 전압이 동일해질 때까지의 시간은, 축전 소자의 용량과 배선의 전기 저항으로 정해지는 시정수의 크기에 의존한다. 따라서 각 부품의 특성으로부터 대략의 시간을 예측하는 것도 가능하다. 이것으로부터, 단계 S106에 있어서 형성된 회로 구성을 유지하는 시간을 미리 정해 두어, 정해진 시간만 접속 상태가 유지되도록 해도 된다.
이렇게 하여 직렬도가 낮은 2단자 회로가 구성됨으로써 축전 소자 간의 전압 편차가 해소되면, 계속해서, 모든 축전 소자의 단자 전압이 소정의 규정 전압 이상에 이르고 있는지 아닌지가 판단된다(단계 S107). 이 경우의 규정 전압은, 각 축전 소자가 거의 만충전 상태인 것으로 간주할 때의 축전 소자의 단자 전압에 대응하는 값이다. 예를 들면, 만충전 상태에 있어서의 축전 소자의 단자 전압의 90% 내지 95% 정도의 전압치를, 규정 전압으로 할 수 있다.
모든 축전 소자의 단자 전압이 규정 전압 이상일 때(단계 S107에 있어서 YES), 전류원(21)으로부터의 전류 주입이 계속되고 있으면 스위치(23)가 열려 전류 주입이 정지되며(단계 S111), 모든 축전 소자가 병렬 접속이 되도록 접속이 변경된다(단계 S112). 그리고, 급전부(20)의 스위치(24)가 닫혀져 전압원(22)으로부터의 직류 정전압이 각 축전 소자에 인가된다(단계 S113).
전체 축전 소자를 병렬 접속하여 직류 정전압을 인가함으로써, 다음과 같은 효과가 얻어진다. 이때의 직류 전압의 크기를 각 축전 소자의 최종적인 목표 전압치로 해둠으로써, 각 축전 소자의 단자 전위가 자동적으로 목표 전압에 맞춰진다. 이것에 의해, 거의 만충전 상태가 된 각 축전 소자의 단자 전압이 균일화됨과 함께, 축전 소자의 자기 방전에 기인하는 단자 전압의 저하가 방지된다. 이러한 효과는, 전압원(22)이 출력하는 직류 전압의 크기를 적정하게 유지함으로써 얻어지는 것이며, 개개의 축전 소자의 단자 전위의 검출 및 거기에 의거하는 제어를 특별히 필요로 하지 않는다.
이 상태에서 일련의 충전 동작은 종료하고, 이후는 축전 소자의 자기 방전을 보상하기 위한 전류만이 축전부(10)에 유입하는 토리클 충전 상태가 되어 각 축전 소자가 만충전 상태로 유지된다.
한편, 어느 하나의 축전 소자의 단자 전압이 규정 전압에 이르고 있지 않은 경우에는(단계 S107에 있어서 NO), 접속 전환부(30)에 의해 축전 소자의 접속이 변경되어, 제2의 2단자 회로의 직렬도 S2보다 높은 직렬도 S3(＞S2)를 가지는 제3의 2단자 회로가 새롭게 구성된다(단계 S108). 그리고, 단계 S103로 되돌아와 다시 정전류 충전이 행해진다. 이것에 의해, 만충전에 이르고 있지 않은 축전 소자의 충전이 계속된다. 2단자 회로의 직렬도 S를 높일 수 있음으로써, 각 축전 소자를 만충전 상태에 이르게 하기까지의 소요 시간을 단축할 수 있다.
제3의 2단자 회로의 회로 구성은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 단계 S107의 판단에 있어서 단자 전압이 규정 전압 미만인 것으로 판단된 축전 소자에 대해서는 다른 축전 소자와 병렬 접속되지 않는 상태가 되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 상기 축전 소자에 효율적으로 전류를 유입시켜 단자 전압을 빠르게 상승시키는 것이 가능해진다. 한편, 단자 전압이 규정 전압 이상인 축전 소자에 대해서는 다른 축전 소자와 병렬 접속함으로써, 전압 편차를 시정함과 함께 과충전이 되는 것을 방지할 수 있다. 제어부(50)는, 전위 검출부(40)에 의한 검출 결과로부터 각 축전 소자 C1~CN의 단자 전압을 수시 파악하고, 그 결과에 따라 각 축전 소자를 어떻게 접속하는지를 결정하여 접속 전환부(30)를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 단계 S108에 있어서 구성되는 제3의 2단자 회로의 직렬도 S3 및 그 회로 구성은, 단계 S102에 있어서 구성되는 제1의 2단자 회로의 직렬도 S1 및 그 회로 구성과 동일해도 되고, 상이해도 된다. 또, 제1의 2단자 회로와 직렬도는 동일하며 회로 구성이 상이해도 된다.
또, 단계 S103 내지 S108의 처리 루프가 복수 회 실행될 때, 회로의 접속 변경을 수반하는 단계 S106 및 단계 S108이 각각 복수 회 실행되게 된다. 이때, 단계 S106에 있어서 구성되는 제2의 2단자 회로의 직렬도 S2 및 회로 구성은, 각 회의 처리에 있어서 동일해도 되고, 상이해도 된다. 단, 각 축전 소자 간의 전압 편차를 시정한다는 관점에서는, 회로 구성이 다양하게 상이한 2단자 회로가 순차적으로 출현하는 것이 바람직하다. 병렬 접속되는 축전 소자의 조합이 순차적으로 변화함으로써, 각 축전 소자 간의 단자 전압이 서로 균등화되기 때문이다.
또, 단계 S108에 있어서 구성되는 제3의 2단자 회로의 직렬도 S3 및 회로 구성도, 각 회의 처리에 있어서 동일해도 되고, 상이해도 된다. 단, 충전 소요 시간의 단축이라는 관점에서는, 직렬도 S가 가능한 한 높은 상태가 되는 것이 바람직하다.
또한, 제2 공정과 제3 공정이 각각 복수 회 반복해서 실행되는 양태에 있어서, 제2 공정과 제3 공정 사이에서 직렬도 S를 크게 변화시키지 않는 것이 유효한 케이스가 있다. 직렬도 S의 변화를 수반하는 접속 변경은, 2단자 회로의 양단 전압의 변동의 원인이 된다. 예를 들면 충전 동작 중에 축전부(10)로부터 외부 부하로 전력을 공급하는 경우와 같이, 2단자 회로의 양단 전압의 변동을 억제하는 것이 필요해지는 경우, 제2 공정과 제3 공정 사이에서의 직렬도 S의 변화를 비교적 작게 하는 것이 유효하다.
이와 같이, 이 충전 동작에 있어서는, 축전부(10)에 설치된 축전 소자 C1~CN이 비교적 높은 직렬도 S=S1이 되도록 접속된 상태로 정전류 충전이 개시된다. 그리고, 소정의 타이밍에, 보다 구체적으로는 축전 소자 간의 단자 전압차가 규정치 이상이 되었을 때에, 축전 소자의 접속이 변경되어, 직렬도 S=S2(＜S1)를 가지는 새로운 2단자 회로가 구성된다. 2단자 회로의 직렬도가 저하함으로써, 축전 소자 간의 전압 밸런스가 개선된다.
그리고, 전압 편차가 시정된 후, 각 축전 소자가 만충전에 이르고 있지 않으면, 보다 구체적으로는, 축전 소자 중 단자 전압이 규정 전압에 이르고 있지 않은 것이 있으면, 축전 소자의 접속이 재차 변경되어, 직렬도 S=S3(＞S2)를 가지는 새로운 2단자 회로가 구성된다. 2단자 회로의 직렬도가 증가함으로써, 각 축전 소자로의 충전 속도가 향상된다. 그리고, 필요에 따라서, 직렬도 S의 상승을 수반하는 접속 변경과 직렬도 S의 저하를 수반하는 접속 변경이 교호로 복수 회 실행됨으로써, 축전 소자 간의 전압 편차가 억제되면서, 각 축전 소자가 순차적으로 만충전 상태가 된다.
이와 같이, 이 충전 동작의 과정에 있어서는, 충전의 개시 후, 직렬도의 저하를 수반하는 축전 소자의 접속 변경과, 직렬도의 상승을 수반하는 축전 소자의 접속 변경이 교호로 실행된다. 이것에 의해, 축전 소자 간의 전압 밸런스를 취하면서 단시간에 각 축전 소자를 충전하는 것이 가능해진다. 상술한 선행 기술 중 어느 하나에 있어서도, 충전 과정에 있어서 축전 소자의 접속 변경은 행해지지만, 직렬도의 상승을 수반하는 축전 소자의 접속 변경은 행해지지 않는다. 따라서, 단시간에서의 충전을 가능하게 하는 점에 있어서, 본 실시 형태의 충전 동작은 선행 기술의 것보다 유리하다.
도 7은 충전 동작의 보다 구체적인 일 양태를 나타내는 플로차트이다. 도 7에 있어서는, 도 6에 나타내는 충전 동작과 기본적으로 동일한 동작에 대해서는 도 6과 동일한 부호를 붙이고, 이하에서는 그 동작 내용에 대한 설명을 생략한다. 이 양태에 있어서는, 단계 S102a에 있어서 모든 축전 소자 C1~CN이 직렬 접속된 2단자 회로가 구성되는 점에서, 도 6의 단계 S102의 동작 내용과는 상이하다. 또, 도 6의 단계 S106 대신에, 단계 s106a 및 S106b가 설치된다. 또, 단계 S108a에 있어서도, 모든 축전 소자가 직렬 접속된 2단자 회로가 구성된다. 이러한 점을 제외하면, 도 7의 충전 동작의 동작 내용은 도 6의 충전 동작과 동일하다.
단계 S106a에서는, 직렬도가 낮은 2단자 회로로서, 모든 축전 소자 C1~CN이 병렬 접속된 2단자 회로가 구성된다. 단계 S106b에서는, 전위 검출부(40)에 의한 각 축전 소자의 단자 전압 검출 결과로부터, 축전 소자 간의 단자 전압차가 해소되었는지 아닌지가 판단되며, 단자 전압차가 해소될 때까지 대기 상태가 된다. 또, 상술한 바와 같이, 단자 전압에 상관없이 접속 상태가 일정 시간 유지되도록 구성되어도 된다.
즉, 도 7에 나타내는 동작 양태에서는, 각 축전 소자가 접속되어 직렬도 S가 높은 2단자 회로가 구성될 때, 원리적으로 직렬도 S가 가장 높아지는, 모든 축전 소자가 직렬 접속된 상태(이하, 「전체 직렬 상태」라고 한다)의 2단자 회로가 구성된다. 한편, 2단자 회로의 직렬도 S를 저하시킬 때에는, 원리적으로 직렬도 S가 가장 낮아지는, 모든 축전 소자가 병렬 접속된 상태(이하, 「전체 병렬 상태」라고 한다)의 2단자 회로가 구성된다.
이것에 의해, 이 양태에서는, 도 5a에 나타내는 축전 소자 C1~CN이 전체 직렬 상태(즉 직렬도 S=N)에서 정전류 충전이 개시되며, 소정의 타이밍에, 축전 소자 C1~CN의 접속이 도 5e에 나타내는 전체 병렬 상태(즉 직렬도 S=1)로 변경된다. 그 후의 단계 S108a에서는 다시, 도 5a에 나타내는 전체 직렬 접속 상태로 접속이 변경된다. 또한, 도 5a 내지 도 5e의 예에서는 축전부(10)에 설치된 축전 소자의 개수 N을 8로 하고 있지만, 임의의 개수 N에 있어서 동일한 처리가 가능하다.
이와 같이, 이 양태의 충전 동작(도 7)에서는, 도 5a에 나타내는 전체 직렬 상태와 도 5e에 나타내는 전체 병렬 상태가 교호로 전환되면서 축전 소자의 충전이 진행된다. 전체 직렬 상태에서의 정전류 충전은, 개개의 축전 소자로의 충전이 가장 빨리 진행되는 양태이다. 한편, 전체 병렬 상태는, 모든 축전 소자 간에서 단자 전압이 가장 단시간이며 또한 확실히 균등화되는 양태이다. 따라서, 이 양태의 충전 동작에서는, 축전 소자 간의 전압 밸런스를 취하면서 단시간에 각 축전 소자를 충전하는 것이 가능하다. 또한, 이 양태에서는, 모든 축전 소자가 병렬 접속되어 각 축전 소자의 단자 전압차가 해소된 상태로 단계 S107의 판단이 이루어진다. 그 때문에, 단계 S107에서는 모든 축전 소자의 단자 전압을 검출할 필요는 없고, 어느 하나의 축전 소자의 단자 전압, 또는 축전부(10) 전체로서의 양단 전압에 의거하여 판단을 행해도 된다.
도 7의 단계 S102a 및 S108a에 있어서의 「축전 소자의 전체 직렬 상태로의 접속」은, 도 6의 단계 S102 및 S108에 있어서의 「보다 높은 직렬 상태로의 접속」의 일 양태와 다름없다. 마찬가지로, 도 7의 단계 S106a에 있어서의 「축전 소자의 전체 병렬 상태로의 접속」은, 도 6의 단계 S106에 있어서의 「더욱 낮은 직렬 상태로의 접속」의 일 양태와 다름없다. 이 의미에 있어서, 도 7의 충전 동작은, 도 6의 충전 동작의 기술 사상을 더욱 구체적인 양태로 한정한 것으로 말할 수 있다.
도 8은 도 6의 충전 동작의 변형예의 일부를 나타내는 플로차트이다. 도 6의 단계 S106 대신에, 도 8에 나타내는 단계 S106c~S106e가 실행되어도 된다. 단계 S106c에서는, 도 6의 단계 S106과 마찬가지로, 축전 소자에 의해 구성되는 2단자 회로의 직렬도 S가 저하하는 접속 변경이 행해진다. 단계 S106d에서는 축전 소자 간의 단자 전압차가 해소되었는지 아닌지가 판단되며, 단자 전압차가 해소되어 있으면 도 6의 단계 S107 이후의 처리가 실행된다.
단자 전압차가 해소되어 있지 않을 때, 단계 S106e에 있어서, 축전 소자의 접속 변경이 행해진다. 단계 S106c에 있어서 형성되는 2단자 회로가 전체 병렬 상태가 아닌 경우, 병렬 접속되는 축전 소자의 조합에 따라서는, 병렬 접속되어 있지 않은 축전 소자 간에서의 단자 전압차가 해소되지 않는 경우가 있을 수 있다. 병렬 접속되는 축전 소자의 조합이 바뀌도록 접속이 변경되는 것은, 이러한 경우에 유효하다. 축전 소자 간의 단자 전압차의 해소를 목적으로 하는 접속 변경에 있어서는, 접속 변경에 의해 2단자 회로의 직렬도 S가 유지되거나, 저하되는 것이 바람직하다. 단자 전압차가 해소될 때까지 단계 S106d, S106e가 반복됨으로써, 축전 소자 간의 단자 전압차를 확실히 해소할 수 있다.
이와 같이, 축전 소자 간의 전압 밸런스를 취하기 위해 2단자 회로의 직렬도를 저하시키는 공정에 있어서, 회로 구성이 상이한 복수종의 2단자 회로가 순차적으로 형성되어도 된다. 동일한 방식에 의거하여, 다음과 같은 양태도 가능하다.
도 9는 충전 동작의 보다 구체적인 다른 일 양태를 나타내는 플로차트이다. 또, 도 10(도 10a 내지 도 10e)은 이 동작 양태에 있어서의 축전 소자의 접속 상태의 변천을 나타내는 도이다. 도 9에 있어서의 단계 S101~S104의 동작 내용은, 도 7에 있어서의 단계 S101~S104의 동작 내용과 동일하다. 즉, 이 양태에서는, 축전 소자가 도 5a에 나타내는 전체 직렬 상태로 접속되어 정전류 충전이 개시되고(단계 S101~S103), 축전 소자 간의 단자 전압차가 규정치에 이를 때까지(단계 S104), 이 상태가 유지된다.
계속해서, 전체 직렬 상태의 축전 소자 C1~CN 중 회로도 상에 있어서 인접하는 1쌍의 축전 소자 사이, 예를 들면 도 10a에 나타내는 바와 같이 축전 소자 C1, C2 사이의 접속이, 병렬 접속으로 변경된다(단계 S106f). 이것에 의해, 축전 소자 C1, C2 사이에서 단자 전압이 균등화된다. 이하에서는, 이렇게 하여 서로 병렬 접속된 1쌍의 축전 소자를 「병렬부」라고 칭하고 도면에서는 부호 P를 붙인다. 여기에서는 회로도 상의 배치에 의거하여 병렬부 P를 형성하는 축전 소자가 선택되고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 단자 전압이 가장 높은 또는 가장 낮은 1개의 축전 소자와, 회로도에 있어서 상기 축전 소자와 인접하는 1개의 축전 소자에 의해 병렬부 P가 형성되어도 된다. 이와 같이 하면, 단자 전압차의 해소에 필요로 하는 시간을 단축하는 것이 가능하다. 특히, 단자 전압이 가장 높은 축전 소자에 대해서는, 빠른 단계에서 다른 축전 소자와 병렬 접속함으로써, 과충전이 되는 것을 방지할 수 있다.
이때의 축전 소자의 접속 변경은, 전체 직렬 상태에서 직렬도 S가 1개만 저하하는 것이며, 1쌍의 축전 소자의 접속 상태가 직렬에서 병렬로 변경되는 것에 지나지 않는다. 그 때문에, 병렬 접속으로의 변경에 기인하여 흐르는 과도 전류도 한정적인 것으로 생각할 수 있다. 따라서 이 경우에는 전류원(22)으로부터의 전류 주입을 정지할 필요는 없다. 오히려, 전류 주입을 계속함으로써, 1쌍의 축전 소자 간에서 단자 전압의 균등화를 행하고 있는 동안에도 상기 축전 소자 및 다른 축전 소자로의 충전을 계속할 수 있으므로, 충전에 필요로 하는 시간을 보다 단축하는 것이 가능해진다.
접속 변경이 행해지고 나서 소정 시간이 경과하면, 병렬부 P를 구성하는 축전 소자의 조합을 회로도 상에서 1개 시프트시킨 새로운 2단자 회로가 구성된다(단계 S106g). 여기서 병렬부의 시프트란, 축전 소자의 접속을 변경하여, 병렬부 P를 구성하고 있는 2개의 축전 소자의 일방과, 상기 축전 소자와 회로도에 있어서 인접하는 다른 1개의 축전 소자 사이에서 새로운 병렬부 P를 형성하는 것을 의미한다. 도 10a에 나타내는 바와 같이 2개의 축전 소자 C1, C2에 의해 병렬부 P가 형성되어 있는 케이스에서는, 도 10b에 나타내는 바와 같이, 축전 소자 C1, C2 사이의 병렬 접속이 해소되어 직렬 접속으로 변경되고, 일방의 축전 소자 C2와 이것에 인접하는 다른 축전 소자 C3 사이에서 새로운 병렬부 P가 형성된다는 동작이, 병렬부 P의 시프트에 상당한다. 또한, 병렬부 P를 형성한 축전 소자 간의 단자 전압차가 소정치 이하가 되었다고 판단했을 때에 시프트가 행해지도록 해도 된다.
소정의 시프트 종료 조건이 성립할 때까지(단계 S106h), 상기한 병렬부 P의 시프트가 반복된다. 이때, 도 10c, 도 10d에 나타내는 바와 같이, 병렬부 P를 형성하는 축전 소자의 쌍이, 회로도 상에 있어서 1개씩 시프트되어 간다. 이것에 의해, 축전 소자 간에서의 전압 편차가 시정된다. 이 동안도 각 축전 소자로의 전류 주입을 계속하여, 축전 소자로의 충전을 진행시킬 수 있다.
시프트 종료 조건으로서는 다양한 것을 생각할 수 있다. 예를 들면, 전위 검출부(40)에 의해 검출되는 각 축전 소자 간의 단자 전압차가 해소되었을 때, 시프트 종료가 되도록 할 수 있다. 또, 회로도 상에 있어서 인접하는 축전 소자의 쌍 모두에 있어서 병렬부 P가 형성된 후에, 시프트 동작이 종료하도록 해도 된다.
또한, 상기와 같이 병렬부를 순차적으로 시프트해 가면, 도 10e에 나타내는 바와 같이, 최종적으로는 회로도에서 가장 우단에서 쌍을 이루는 축전 소자 CN -1, CN에 의해 형성되는 병렬부에서 시프트가 종료하게 된다. 이 상태에서 더 시프트 동작을 계속하는 경우, 재차 도 10a에 나타내는 상태에서 순차적으로 병렬부 P의 시프트가 행해져도 되고, 또 상기와는 역순으로 도 10e에 나타내는 상태에서 도 10a에 나타내는 상태를 향해 시프트가 행해져도 된다. 또, 상술한 선행 기술 문헌(국제 공개 제2012/014281호)에 기재된 바와 같이, 회로도에 있어서 가장 떨어진 2개의 축전 소자 C1, CN 사이에 이들에 의한 병렬부 P를 형성하기 위한 스위치를 설치하여, 병렬부 P의 순환이 가능해지도록 해도 된다.
병렬부 P의 시프트 동작이 종료되면, 계속해서 도 6, 도 7의 단계 S107과 마찬가지로, 모든 축전 소자의 단자 전압이 규정 전압 이상이 되어 있는지 아닌지가 판단된다(단계 S107). 그 후의 동작은, 도 7에 나타내는 충전 동작과 동일하다. 즉, 축전 소자 간에서의 전압 편차가 해소되면, 축전 소자가 전체 직렬 상태로 되돌려져, 2단자 회로의 직렬도 S는 증가한다. 이것에 의해, 병렬부가 형성됨으로써 전류가 분산되어, 충전에 필요로 하는 시간이 길어지는 것을 방지할 수 있다. 또, 모든 축전 소자의 단자 전압이 규정 전압 이상이 되어 있으면, 모든 축전 소자가 병렬 접속되어 토리클 충전 상태가 된다.
이와 같이, 이 양태의 충전 동작(도 9)에서는, 전체 직렬 상태에서의 정전류 충전에 있어서 축전 소자 간의 단자 전압차가 커지면, 1쌍의 축전 소자에 의한 병렬부 P가 형성되어 단자 전압이 균등화되고, 또한, 병렬부 P의 시프트가 순차적으로 진행된다. 이것에 의해 축전 소자 간의 전압 밸런스가 개선된다. 그리고, 축전 소자 간의 단자 전압차가 해소되면 다시 전체 직렬 상태로 되돌려짐으로써, 충전에 필요로 하는 시간이 단축된다.
또한, 축전 소자 간에서의 단자 전압차를 해소하기 위해, 일부의 축전 소자에 의해 병렬부를 형성하고 이것을 시프트시킨다는 기술 사상은, 상술한 선행 기술 문헌(국제 공개 제2012/014281호)에 기재된 기술 사상과 일정한 유사성을 가지는 것이다. 그러나, 이 선행 기술에는, 도 9의 충전 동작과 상이하게, 일단 병렬부가 형성된 상태에서 전체 직렬 상태로 이행한다는 국면이 존재하지 않는다. 이 상이점에 기인하여, 도 9의 충전 동작은, 충전에 필요로 하는 시간이 더욱 짧다는 점에서 선행 기술보다 우수한 것이다. 바꾸어 말하면, 도 9에 나타내는 충전 동작은, 이 선행 기술을 충전 속도의 면에 있어서 개량한 것에 상당한다고 할 수도 있다.
도 9의 충전 동작은, 도 6의 충전 동작의 단계 S106에 있어서 축전 소자 간의 단자 전압차가 해소되지 않았을 때에, 2단자 회로의 직렬도 S를 바꾸지 않고 그 회로 구성을 순차적으로 변경하도록 동작을 개변한 것에 상당한다고도 생각할 수 있다. 이 의미에 있어서, 도 9의 충전 동작을 도 6의 충전 동작의 변형예라고 할 수 있다.
상기 양태에서는 회로도 상에 있어서의 축전 소자의 배열 순서에 준거한 순서로 병렬부 P가 형성되지만, 변형예로서, 병렬부 P의 형성 및 시프트 동작이 다음과 같이 구성되어도 된다. 기본적인 생각은, 회로도 상에 있어서 인접하는 축전 소자끼리에서 단자 전압차가 가장 큰 1쌍의 축전 소자에 의해 병렬부 P를 형성한다는 것이다. 즉, 단계 S106f에서는, 각 축전 소자의 단자 전압 검출 결과에 의거하여, 인접하는 축전 소자 간에서 단자 전압차가 가장 큰 1쌍의 축전 소자에 의해 병렬부 P가 형성된다. 이것에 의해 상기 축전 소자쌍에서의 단자 전압차가 해소된다.
그리고, 단계 S106f에서는, 그 시점에서 단자 전압차가 가장 큰 1쌍의 인접하는 축전 소자의 사이에서 새로운 병렬부 P가 형성됨으로써, 병렬부의 위치가 시프트한다. 이와 같이 단자 전압차가 큰 축전 소자의 쌍부터 순서대로 병렬화되어 감으로써, 단시간에 축전 소자 간의 전압 편차를 해소할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 상기 실시 형태에 있어서는, 접속 전환부(30)가 본 발명의 「접속 수단」으로서 기능하는 한편, 전류원(21) 및 전압원(22)이 각각 본 발명의 「전류 주입 수단」 및 「전압 인가 수단」으로서 기능하고 있다.
또, 도 6의 단계 S102 및 S103, 도 7 및 도 9의 단계 S102a 및 S103이, 모두 본 발명의 「제1 공정」에 상당하고 있다. 또, 도 6의 단계 S106, 도 7의 단계 S106a 내지 S106b, 도 8의 단계 S106c 내지 S106e, 도 9의 단계 S106f 내지 S106h가, 모두 본 발명의 「제2 공정」에 상당하고 있다. 또, 도 6의 단계 S108, 도 7 및 도 9의 단계 S108a가, 모두 본 발명의 「제3 공정」에 상당하고 있다. 또, 도 6, 도 7 및 도 9의 단계 S112 내지 S113이, 본 발명의 「제4 공정」에 상당하고 있다.
이상과 같이, 이 실시 형태에서는, 복수의 축전 소자 C1~CN에 의해 구성된 2단자 회로에 충전 전류를 주입하여 충전을 행할 때에, 당초는 직렬도 S의 값이 비교적 높게 설정된다(제1 공정). 그리고, 충전의 진행에 수반하여 축전 소자 간의 전압 편차가 커져 가면, 보다 직렬도 S가 낮은 2단자 회로로 접속이 변경되어, 축전 소자 간의 전압 밸런스가 개선된다(제2 공정). 전압 편차가 작아지면, 다시 직렬도 S가 높은 2단자 회로가 구성되고, 이것에 의해 각 축전 소자로의 충전이 단시간에 진행된다(제3 공정). 이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 복수의 축전 소자 간의 전압 밸런스를 취하면서, 각 축전 소자를 단시간에 만충전 상태에 이르게 하는 것이 가능하다.
또, 2단자 회로의 직렬도를 높일 수 있는 제3 공정 후에, 2단자 회로의 직렬도를 재차 저하시키는 축전 소자의 접속 변경(제2 공정)이 행해짐으로써, 제3 공정에서 발생할 수 있는 축전 소자 간의 단자 전압의 편차를 억제하는 것이 가능해진다. 이 경우, 제2 공정이 실행될 때마다, 병렬 접속되는 축전 소자의 조합이 변경되어도 된다. 이것에 의하여, 상기 조합이 고정된 경우에 비해, 각 축전 소자의 단자 전압의 균등화를 보다 효율적으로 실현할 수 있다.
또, 필요에 따라 제2 공정과 제3 공정이 교호로 복수 회 실행되는 구성에서는, 충전 동작의 전체 과정에 있어서 축전 소자 간의 전압 편차를 소정 범위 내로 하면서 충전을 진행시킬 수 있다. 이 경우, 직렬도가 상승하는 접속 변경이 제2 공정에서 제3 공정으로의 이행에 상당하며, 직렬도가 저하하는 접속 변경이 제3 공정에서 제2 공정으로의 이행에 상당한다. 복수 회의 제2 공정의 사이에서는 서로 직렬도의 변화가 있어도 되고, 복수 회의 제3 공정 사이에 있어서도 서로 직렬도의 변화가 있어도 된다. 그 결과, 어느 타이밍에 실행되는 제2 공정에 있어서의 2단자 회로의 직렬도가, 이것과 연속하지 않는 타이밍에 실행되는 제3 공정에 있어서의 직렬도보다 커지는 케이스가 생길 수 있지만, 이것은 허용된다.
또, 1회의 제2 공정이, 2단자 회로의 회로 구성이 순차적으로 변화하도록 구성되어도 된다(도 8, 도 9). 이 경우, 직렬도가 일정하게 유지되거나, 직렬도가 저하하는 접속 변경이 이루어지는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 각 축전 소자 간의 단자 전압의 편차를 효율적으로 시정할 수 있다.
또, 제2 공정 및 제3 공정이 실행됨으로써 각 축전 소자가 충전된 후, 모든 축전 소자가 병렬 접속되어 정전압 충전이 행해진다(제4 공정). 이것에 의해, 각 축전 소자의 단자 전압이 균등화된 상태가 유지되고, 또 축전 소자의 자기 방전에 의한 전압 저하를 보상할 수 있다.
또, 제4 공정은, 모든 축전 소자의 단자 전압이 규정 전압 이상이 되었을 때에 실행된다. 축전 소자의 단자 전압이 낮은 상태로 정전압 충전이 행해지는 경우, 축전 소자에는 단시간 동안에 큰 전류가 흘러들게 된다. 특히 복수의 축전 소자가 병렬 접속된 상태에서는, 충전을 행하기 위한 전압원에 매우 큰 전류 공급 능력이 필요하며, 또 전류 경로 상의 부품에도 큰 전류 용량이 필요해진다. 축전 소자의 단자 전압이 충분히 상승한 상태로 정전압 충전이 행해짐으로써, 이러한 과도기적인 대전류로의 대응은 불필요해진다.
또, 제2 공정은, 축전 소자로의 전류의 주입이 행해지지 않는 상태로 실행되어도 된다(도 6, 도 7). 제2 공정에서도 축전 소자로의 전류 주입을 행함으로써 충전에 필요로 하는 시간은 단축된다. 그러나, 단자 전압이 상이할 가능성이 있는 복수의 축전 소자가 병렬 접속될 때에, 전압차에 기인하는 과도기적인 전류가 축전 소자 사이에 흐른다. 이 전류가 외부로부터 주입되는 충전 전류에 중첩되기 때문에, 전류 경로 상의 부품에 큰 전류 용량이 필요해진다. 축전 소자로의 전류 주입이 없는 상태에서 병렬 접속으로의 변경이 행해지도록 하면, 이러한 문제는 생기지 않는다.
또, 제2 공정에 있어서 모든 축전 소자가 병렬 접속되는 양태(도 7)에서는, 축전 소자 간의 단자 전압차를 단시간에 해소하여, 모든 축전 소자 사이에서 단자 전압을 균등화할 수 있다.
또, 제2 공정은, 축전 소자 중 단자 전압이 가장 높은 것과 가장 낮은 것의 차가 미리 정해진 규정치에 이르렀을 때에 실행된다. 축전 소자의 병렬화를 진행시킴으로써 단자 전압의 밸런스는 개선되지만, 그 반면, 충전에 필요로 하는 시간은 길어진다. 충전을 단시간에 완료시키기 위해서는, 가능한 한 축전 소자를 직렬로 접속하는 것이 유효하고, 그들을 병렬 접속하는 기간은 짧은 것이 바람직하다. 단자 전압의 차가 작을 때는 병렬화를 행하지 않고, 가장 큰 전압차가 규정치에 이르렀을 때에 제2 공정이 실행되도록 하면, 축전 소자 간의 전압 편차를 규정치 이하로 억제하면서, 충전에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있다.
한편, 축전 소자로의 전류 주입 시간이 제1 규정 시간에 이르렀을 때에 제2 공정이 개시되도록 해도 된다. 축전 소자의 용량 편차의 정도를 알고 있으면, 충전에 수반하는 단자 전압의 상승 속도의 편차도 어느 정도 예측이 가능하다. 따라서, 단자 전압의 차의 실측치에 상관없이 전류 주입 시간 만으로 제2 공정의 실행 타이밍이 결정되는 양태여도, 단자 전압의 차가 극단적으로 커지기 전에 축전 소자를 병렬화하여, 전압 밸런스를 개선하는 것이 가능하다.
마찬가지로, 복수의 축전 소자가 병렬 접속되었을 때에 그들 단자 전압차가 해소될 때까지 필요한 시간에 대해서도, 축전 소자의 용량이나 배선의 전기 저항 등으로부터 어느 정도 예측 가능하다. 따라서, 제2 공정의 실행 계속 시간이 소정의 제2 규정 시간에 이르렀을 때에, 제2 공정에서 제3 공정으로 이행하도록 구성되어도 된다. 제3 공정 후에 다시 제2 공정을 실행 가능한 구성에 있어서도 마찬가지이며, 제3 공정의 실행 계속 시간이 소정의 제3 규정 시간에 이르렀을 때에, 제3 공정에서 제2 공정으로 이행하도록 해도 된다.
또, 제1 공정에 있어서 모든 축전 소자가 직렬 접속됨으로써, 충전 개시 당초에 있어서의 각 축전 소자의 단자 전압의 상승 속도를 최대화할 수 있어, 각 축전 소자가 만충전 상태에 이르기까지 필요로 하는 시간을 짧게 할 수 있다. 제3 공정에 있어서 모든 축전 소자가 직렬 접속되는 양태(도 7)에서는, 단자 전압차가 해소된 후의 충전을 단시간에 행할 수 있어, 각 축전 소자가 만충전 상태에 이르기까지 필요로 하는 시간을 더 짧게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 한에 있어서 상술한 것에 대해 다양한 변경을 더하는 것이 가능하다. 예를 들면, 도 7에 나타내는 충전 동작에 있어서의 제3 공정(단계 s108a)에서는, 모든 축전 소자가 직렬 접속되지만, 이것 대신에, 일부의 축전 소자를 병렬 접속한 채로 해도 된다. 예를 들면 직렬 접속에서의 충전 시에 단자 전압의 상승이 비교적 빠른 축전 소자에 대해서는 다른 축전 소자와 병렬 접속된 채여도 된다.
또, 도 9에 나타내는 충전 동작에 있어서의 제2 공정(단계 S106f~S106h)에서는, 인접하는 2개의 축전 소자 만이 병렬 접속되고, 그 조합이 순차적으로 시프트한다. 이것 대신에, 인접하는 3 이상의 축전 소자가 병렬 접속되고, 그 조합이 순차적으로 시프트하는 구성이어도 된다.
또, 상기 실시 형태에서는, 축전 소자 간의 단자 전압차가 규정치 이상이 되었을 때에, 2단자 회로의 직렬도가 저하하는 축전 소자의 접속 변경, 즉 제2 공정이 실행된다. 이것 대신에, 각 축전 소자 중 단자 전압의 상승이 가장 빠르게 단자 전압이 가장 큰 축전 소자의 단자 전압이 규정치에 이르렀을 때에, 제2 공정이 개시되도록 해도 된다. 이 경우, 규정치가 클수록, 직렬도가 높은 상태가 길게 유지되고 충전 속도는 빨라진다. 축전 소자가 과충전 상태가 되는 전압보다 낮게 규정치를 설정해 두면, 단자 전압의 상승이 빠른 축전 소자에 대해서도 확실히, 과충전이 되는 것을 방지할 수 있다.
또 예를 들면, 2단자 회로에 전류가 주입된 시간이 규정 시간(제1 규정 시간)이 되었을 때에 축전 소자의 접속 변경이 행해져도 된다. 상기한 바와 같이, 각 축전 소자의 축전 용량 등, 특성의 편차를 미리 알고 있으면, 정전류 충전에 수반하는 단자 전압의 상승 속도의 편차도 어느 정도 예측 가능하다. 따라서, 축전 소자 간의 전압 편차가 규정치에 이르는 타이밍도 어느 정도 예측할 수 있다. 이 타이밍보다 전에 2단자 회로의 직렬도가 저하하는 접속 변경이 행해지도록 하면, 축전 소자 간의 전압 편차가 규정치를 넘는 일은 없다. 제3 공정에 대해서도 동일하다.
이러한 것으로부터, 예를 들면, 제1 공정, 제2 공정, 제3 공정 모두를, 전위 검출부(40)에 의한 축전 소자의 단자 전압 검출 결과에 상관없이 실행 시간만으로 관리하는 것도 가능하다. 즉, 제1 공정에서 각 축전 소자가 소정의 제1 규정 시간 충전된 후, 축전 소자의 접속이 변경되어 제2 공정으로 이행한다. 제2 공정이 제2 규정 시간 실행된 후, 필요에 따라 축전 소자의 접속이 변경되어 제3 공정으로 이행한다. 제3 공정의 실행 시간은 소정의 제3 규정 시간이 된다. 이와 같이, 제1 내지 제3 공정이 각각 설정된 실행 시간만 실행되는 양태여도 된다. 이 경우, 복수의 축전 소자에 의해 구성되는 2단자 회로의 양단 전압만이 검출되면 충분하므로, 간이적으로는 축전 소자마다의 단자 전압의 검출을 생략하는 것도 가능하다. 또, 제1 내지 제3 규정 시간에 대해서는, 축전 소자의 특성, 주입되는 전류의 크기, 배선이나 스위치의 전기 저항, 목표로 하는 충전 시간 등을 감안하여 정할 수 있다.
또, 축전 소자를 접속하여 이루어지는 2단자 회로의 충전의 과정에서 일시적으로 직렬도 S의 저하를 수반하는 2단자 회로의 접속 변경이 행해짐으로써 축전 소자 간에는 큰 전압 편차가 생기지 않는다는 전제 아래, 간이적으로는 이하와 같이 하여 충전 완료 시기를 판단하는 것도 가능하다. 제1에는, 축전부(10)의 양단 전압, 즉 축전 소자 C1~CN의 상호 접속에 의해 구성되는 2단자 회로의 양단 전압이 미리 설정된 값에 이르렀을 때에, 충전 완료로 할 수 있다. 제2에는, 축전부(10)에 주입된 전하의 총량이 미리 설정된 값에 이르렀을 때에, 충전 완료로 할 수 있다. 제3에는, 축전부(10)로의 전류 주입 시간의 합계가 미리 설정된 값에 이르렀을 때에, 충전 완료로 할 수 있다. 또한, 주입 전류량과 주입 시간의 곱이 총 전하량에 상당하기 때문에, 축전부(10)로의 전류 주입이 정전류에 의해 행해지는 경우에는, 제2 케이스와 제3 케이스는 실질적으로 등가이다.
축전부의 양단 전압 또는 전류 주입 시간에 의거하는 판단 방법은, 축전부가 단일의 축전 소자로 구성되는 경우, 축전부 내의 모든 축전 소자의 특성이 완전하게 또는 거의 일치하는 경우, 및 각 축전 소자를 만충전 상태에 이르게 할 필요가 없는 경우 등에는 문제없이 실용되는 것이다. 그러나, 축전부(10)는 복수의 축전 소자를 포함하고, 또한 개개의 축전 소자에는 특성의 편차가 존재한다. 그 때문에, 개개의 축전 소자의 충전 상태가 반영되지 않는 상기와 같이 간이한 판단 방법을 채용하려면, 특성 편차에 기인하는 문제에 대한 대응이 필요해진다. 또 장치의 이용 효율의 관점에서는, 모든 축전 소자를 만충전 상태에 접근시키는 것이 바람직하다.
상기 실시 형태의 충전 동작에서는, 충전 동작 중에 일시적으로 2단자 회로의 직렬도 S를 저하시킴으로써 축전 소자 간의 전압 밸런스를 취하고 있기 때문에, 용량 편차에 기인하는 문제는 생기지 않는다. 이 때문에, 축전부(10)는, 외부에서 보면 각 축전 소자의 용량을 합계한 1개의 축전 소자와 실질적으로 등가이다. 따라서, 충전 완료 시기의 판단에 있어서는, 축전 소자 개개의 단자 전압에 상관없이, 상기와 같이 비교적 간이한 방법을 채용하는 것도 실용적으로는 가능하다.
또, 상기 실시 형태에서는, 모든 축전 소자의 단자 전압이 규정 전압 이상이 된 후에 그들이 병렬 접속되어 정전압 충전(토리클 충전)이 행해진다. 그러나 이것은, 고정밀도의 단자 전위 검출 및 그것에 의거하는 제어를 행하지 않고 각 축전 소자의 단자 전압을 목표 전압에 이르게 하기 위해, 및 각 축전 소자가 만충전 상태가 된 후 그 상태를 유지하기 위해 필요한 동작이다. 축전 소자 간의 전압 밸런스를 취하면서 단시간에 각 축전 소자를 만충전 상태에 이르게 한다는 목적에 있어서는, 정전압 충전은 필수의 요건은 아니다.
또, 상기 실시 형태의 접속 전환부(30)의 구성은, 복수의 축전 소자를 전기적으로 접속하여 본 발명의 취지에 합치하는 2단자 회로를 구성하기 위해 필요한 최소한의 것이며, 본 발명의 「접속 수단」의 구성은 이것에 한정되는 것은 아니다. 상기에 예시한 2단자 회로 이외의 다양한 회로 구성을 실현 가능한 것이어도 된다.
또, 상기 실시 형태의 축전 장치(1)에서는, 급전부(20)에 대해 1세트의 축전부(10)가 접속되어 있다. 그러나, 이것 대신에, 1개의 급전부에 대해 복수의 축전부가 설치되어도 된다. 이 경우, 각각의 축전부에 있어서, 상기한 각 조건에 합치하는 2단자 회로가 구성되면 된다.
이상, 특정의 실시예에 따라 발명을 설명했지만, 이 설명은 한정적인 의미로 해석되는 것을 의도한 것은 아니다. 발명의 설명을 참조하면, 본 발명의 그 외의 실시 형태와 마찬가지로, 개시된 실시 형태의 다양한 변형예가, 이 기술에 정통한 사람에게 명백해질 것이다. 고로, 첨부한 특허 청구의 범위는, 발명의 진정한 범위를 일탈하지 않는 범위 내에서, 상기 변형예 또는 실시 형태를 포함하는 것이라고 생각할 수 있다.
1: 충전 장치 10: 축전부
20: 급전부 21: 전류원(전류 주입 수단)
22: 전압원(전압 인가 수단) 23, 24: 스위치
30: 접속 전환부(접속 수단) 40: 전위 검출부
50: 제어부 C1~CN: 축전 소자
S102~S103, S102a~S103: 제1 공정
S106, S106a~S106b, S106c~S106e, S106f~S106h: 제2 공정
S108, S108a: 제3 공정 S112~S113: 제4 공정
SW11~SWN3: 스위치 U1~US: 단위 회로

Claims (17)

  1. 3 이상의 축전 소자를 전기적으로 접속하여 충전을 행하는 축전 소자의 충전 방법에 있어서,
    복수의 단위 회로가 직렬 접속된 회로 구성을 가지며, 또한 상기 단위 회로의 각각은 단일의 상기 축전 소자 또는 서로 병렬 접속된 복수의 상기 축전 소자인 2단자 회로에 대해서는, 직렬 접속된 상기 단위 회로의 수를 상기 2단자 회로의 직렬도로 정의하고, 상기 축전 소자 모두가 병렬 접속된 2단자 회로에 대해서는, 상기 2단자 회로의 상기 직렬도를 1로 할 때,
    상기 축전 소자를 접속하여 상기 직렬도의 값이 2 이상인 2단자 회로를 구성하고, 상기 2단자 회로에 전류를 주입하여 상기 축전 소자의 각각을 충전하는 제1 공정과,
    상기 직렬도의 값이 작아지도록 상기 축전 소자의 접속을 변경하여 새로운 2단자 회로를 구성하는 제2 공정과,
    상기 직렬도의 값이 커지도록 상기 축전 소자의 접속을 변경하여 새로운 2단자 회로를 구성하고, 상기 2단자 회로에 전류를 주입하여 상기 축전 소자의 각각을 충전하는 제3 공정을 구비하는, 축전 소자의 충전 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 공정 후에 상기 제2 공정을 실행 가능하며, 상기 제3 공정 후에 실행되는 상기 제2 공정에서는, 직전의 상기 제3 공정에 있어서의 2단자 회로보다 직렬도의 값이 작은 2단자 회로가 구성되는, 축전 소자의 충전 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    적어도 1회의 상기 제2 공정에 있어서 구성되는 2단자 회로에서는, 서로 병렬 접속되는 상기 축전 소자의 조합이, 먼저 실행된 상기 제2 공정에 있어서의 조합과는 상이한, 축전 소자의 충전 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 공정에서는, 상기 축전 소자의 접속을 변경하여, 회로 구성이 서로 상이한 복수종의 2단자 회로를 순차적으로 구성하는, 축전 소자의 충전 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 공정에서는, 상기 직렬도가 서로 동일하고, 또한, 회로 구성이 서로 상이한 복수종의 2단자 회로를 구성하는, 축전 소자의 충전 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 공정 및 상기 제3 공정의 실행 후에, 모든 상기 축전 소자를 병렬 접속하여 정전압 충전하는 제4 공정을 구비하는, 축전 소자의 충전 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    모든 상기 축전 소자의 단자 전압이 규정 전압 이상이 되었을 때에, 상기 제4 공정이 실행되는, 축전 소자의 충전 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 공정에서는, 상기 축전 소자로의 전류의 주입을 행하지 않는, 축전 소자의 충전 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 공정에서는, 모든 상기 축전 소자가 병렬 접속되는, 축전 소자의 충전 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 축전 소자 중 단자 전압이 가장 높은 것과 가장 낮은 것의 단자 전압의 차가 규정치에 이르면, 상기 제2 공정이 개시되는, 축전 소자의 충전 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축전 소자로의 전류 주입 시간이 제1 규정 시간에 이르면, 상기 제2 공정이 개시되는, 축전 소자의 충전 방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 공정의 실행 시간이 제2 규정 시간에 이르면, 상기 제3 공정이 개시되는, 축전 소자의 충전 방법.
  13. 청구항 2에 있어서,
    상기 제3 공정의 실행 시간이 제3 규정 시간에 이르면, 상기 제2 공정이 개시되는, 축전 소자의 충전 방법.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 공정에서는, 모든 상기 축전 소자가 직렬 접속되는, 축전 소자의 충전 방법.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축전 소자가 전기 화학 커패시터 또는 2차 전지인, 축전 소자의 충전 방법.
  16. 3 이상의 축전 소자와,
    상기 축전 소자를 전기적으로 접속하여 2단자 회로를 구성하는 접속 수단과,
    상기 접속 수단에 의해 구성된 상기 2단자 회로에 전류를 주입하여 상기 축전 소자를 충전하는 전류 주입 수단을 구비하고,
    복수의 단위 회로가 직렬 접속된 회로 구성을 가지며, 또한 상기 단위 회로의 각각은 단일의 상기 축전 소자 또는 서로 병렬 접속된 복수의 상기 축전 소자인 2단자 회로에 대해서는, 직렬 접속된 상기 단위 회로의 수를 상기 2단자 회로의 직렬도로 정의하고, 상기 축전 소자 모두가 병렬 접속된 2단자 회로에 대해서는, 상기 2단자 회로의 상기 직렬도를 1로 할 때,
    상기 접속 수단은, 상기 축전 소자의 접속 상태를 전환하여, 상기 직렬도의 값이 2 이상인 제1의 2단자 회로와, 상기 직렬도의 값이 상기 제1의 2단자 회로보다 작은 제2의 2단자 회로와, 상기 직렬도의 값이 상기 제2의 2단자 회로보다 큰 제3의 2단자 회로를 이 순서로 형성하는, 축전 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 접속 수단에 의해 상기 축전 소자 모두가 병렬 접속된 상태로, 상기 축전 소자에 정전압을 인가하는 전압 인가 수단을 구비하는, 축전 장치.
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