TWI395389B - 使用電容器的蓄電裝置及其控制方法 - Google Patents

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Description

使用電容器的蓄電裝置及其控制方法
本發明係關於使用電二重層電容器(Electric Double Lager Capacitor：EDLC)等之電容器之蓄電裝置及其控制方法。
近年來因為電二重層電容器(EDLC)具有循環壽命長和使用溫度範圍寬廣等之特徵，所以代替二次電池作為新一代蓄電裝置受到注目。但是，電容器會與所儲存之電荷量成正比例地變化輸出電壓，或在單體時其輸出電壓較低，所以在一般大多是串聯或並聯地使用。
當將電容器串聯或並聯時，要對負載供給穩定之電壓時所使用之方法是利用複雜之開關將複數個EDLC切換成串聯或並聯。
在構建成使複數個EDLC串並聯之蓄電裝置中，要提高充放電效率時，一般是併用被稱為「組合切換」和「均壓電路」之2個控制方法。以下說明該等之控制手法之概要和並用該等之控制手法時之問題。
<組合切換>
至目前為止所提案之「組合切換」(例如，參照專利文獻1)之方式是將複數個EDLC和複數個開關如第1(a)圖所示地配置成為多段，經由控制該開關，如第1(b)圖、第1(c)圖、第1(d)圖所示依序地切換EDLC之連接狀態。另外在以下之說明中，構成1個段之電容器之組稱為「塊」。另 外，圖中所顯示之各個電容器亦可以成為串並聯複數個電容器者。
如第1圖所示之先前技術之蓄電裝置，例如在放電過程，隨著放電使各個電容器(EDLC)之電壓降低，而使蓄電裝置之輸出電壓降低，當每次接近換流器之輸入下限電壓時，以第1(a)圖→第1(b)圖→第1(c)圖之順序，使EDLC被並聯之塊，依序地每次1個塊，使其塊內之EDLC切換成為串聯，用來將蓄電裝置之輸出電壓控制成收歛在換流器之輸入範圍，最後如第1(d)圖所示，在全部之EDLC被串聯前，從蓄電裝置輸出電力。但是，一旦EDLC被串聯之塊，其EDLC不回到並聯。
另外，在充電過程中，以和上述之放電情況相反之順序，隨著各個電容器(EDLC)之電壓上升，使蓄電裝置之輸出電壓上升，每次接近換流器之輸入上限電壓時，使EDLC被串聯之塊，1次1個塊依序地使該塊內之EDLC被切換成為並聯。但是EDLC一旦被並聯之塊，其EDLC不會回到串聯。
該先前技術之「組合切換」有利於充放電特性和放電深度之提高，但是會有以下之問題。
(1)塊間之端子間電壓之變動
例如，在充電過程，當EDLC被串聯之塊，使其EDLC切換成並聯時，EDLC被並聯之塊之各個EDLC所儲存之電荷量成為EDLC被串聯之塊之各個EDLC所儲存之電荷量之一半，所以每一個在EDLC之端子間電壓會發生變動。 當EDLC之端子間電壓發生變動時，EDLC被切換成為並聯之塊，在其EDLC達到充滿電之前，EDLC被串聯之塊之各個EDLC之端子間電壓，假如不連續保持在耐電壓以下時，EDLC被串聯之塊之各個EDLC會陷入過充電。
(2)構成塊之EDLC個數之不同造成充電特性不同
通常，雖係以構成塊之EDLC之個數成為相同之方式來構成裝置，但是會發生有不得已必需使每一個塊之EDLC之個數成為不同之情況。在此種情況，在充電過程中，當EDLC之個數較多之塊其EDLC之連接狀態從串聯切換成為並聯時，蓄電裝置之輸出電壓Vt 極端地降低，被切換成為並聯之各個EDLC隨著充電之進行到發生下一個切換之間具有很長之時間。另外在最劣之情況，蓄電裝置之輸出電壓Vt 有可能低於換流器輸入電壓範圍。
另外，蓄電裝置之輸出電壓Vt 即使不在低於換流器之輸入電壓範圍時，因為EDLC之端子間電壓在每一個塊有大的變動，所以在其後隨著充電之進行，不久達到充滿電之EDLC超過耐電壓，有可能產生破壞。
(3)橫流電流
如第2圖所示，在充電過程當1個塊之EDLC之連接狀態，從第2(a)圖之串聯變更為第2(b)圖並聯狀態時，若電容器(EDLC)C1 之端子間電壓V1 和電容器(EDLC)C2 之端子間電壓V2 具有變動時，就產生橫流電流。因此，假如第2圖之開關使用半導體開關之情況，當半導體開關之ON電阻成為R[Ω]時，所產生之橫流電流變為(V2 -V1 )/R[A]，依 照情況之不同有可能使半導體開關破壞。
要防止該橫流電流之發生時，需要抑制並聯之EDLC之端子間電壓之變動。
因為具有上述方式之問題，所以只以「組台切換」構建蓄電裝置會有困難。但是該等之問題利用以下之對策可以避免。
[1]以EDLC之端子間電壓不會超過耐電壓之方式附加控制電路。
[2]附加經常抑制EDLC之端子間電壓之變動之控制電路。
[3]儘可能使構成各個塊之EDLC之個數成為同數。
為著實現上述之[1]、[2]，使用被稱為「均壓電路」之電路。
<均壓電路>
均壓電路是用來抑制各個EDLC之端子間電壓之變動之控制電路，其任務用來提高蓄電裝置之安全性。
在利用組合切換方式之蓄電裝置中，EDLC之端子間電壓產生變動之要因有「各個EDLC之靜電容量不同」、「各個EDLC之本身之放電特性不同」、「由於組合切換在各個EDLC流動之電荷量不同」之3個。該等複數個要因重疊，產生上述之3個問題，亦即(1)塊間之端子間電壓之變動，(2)由於構成塊之EDLC之個數使充電特性不同，(3)產生很大之橫流電流。以下說明利用「均壓電路」之EDLC之端子間電壓之抑制。
(1)防止過充電
利用均壓電路之EDLC過充電防止之實現，如第3圖所示，在各個EDLC之端子間設置電阻和開關。亦即，監視各個EDLC之端子間電壓，超過耐電壓時使連接在EDLC之開關成為ON，以用來強制進行放電，藉以防止過充電。經由使用該均壓電路，可以將比其他之EDLC快速達到充滿電之EDLC之端子間電壓，維持在耐電壓以下，而不會陷入過充電，可以安全地進行充電。依照此種方式，使全部之EDLC之端子間電壓儘可能地配置成為同電壓，以下將其稱為「均壓化」。另外利用均壓電路經由將EDLC之端子間電壓維持在耐電壓以下，所產生之損失稱為「均壓化損失」。
(2)防止電容器(EDLC)之端子間電壓之變動
均壓電路被用來抑制EDLC之端子間電壓之變動。在習知之方式中，只在進行串並聯切換之電壓之附近進行均壓化(在文獻中稱為「初期化」)以減小各個電容器之端子間電壓之變動(例如，參照專利文獻2)。依照此種方式，經由併用「均壓電路」和「組合切換」，可以安全地進行「組合切換」之動作，可以重複地進行EDLC之充放電。
[專利文獻1]日本專利特開平11-215695號公報
[專利文獻2]日本專利特開2003-111286號公報
但是，上述之先前技術之蓄電裝置併用「組合切換」 和「均壓電路」時所發生之問題具有以下之問題。
在實際之EDLC之靜電容量具有誤差。因此，只能以前述預定之塊順序切換連接狀態之「先前技術之組合切換方式」中，由於各個塊之合計靜電容量之誤差，會產生以下所述之問題。
例如在充電過程，以並聯狀態之2個塊來考慮。當一方之塊之合計靜電容量大於另外一方之合計靜電容量之情況時，合計靜電容量較大之塊之一方，其達到充滿電之時間較長。相反地，合計靜電容量較小之塊，其達到充滿電之時間較短。因此，合計靜電容量較大之塊在達到充滿電前之期間，靜電容量較小之塊內之EDLC之端子間電壓必需保持在耐電壓以下，所以由於「均壓電路」使防止過充電期間變長，因而浪費地進行強制放電，故產生均壓化損失增大之問題。
另外，在各個塊內當存在有一個靜電容量較小之EDLC時，以該EDLC之端子間電壓作為基準，因為屬於該塊之其他EDLC之端子間電壓之變動被抑制，所以浪費地進行強制放電，亦會產生充放電特性劣化之問題。
另外，在習知之方式中，要防止EDLC之端子間電壓之變動時，只在進行串並聯切換之電壓附近進行均壓化(在文獻中稱為「初期化」)，但是當在該時點之端子間電壓之變動過大時，均壓化需要長時間，故會有均壓化損失變大之問題。
上述問題之解決方法之一是使用靜電容量誤差較小之 EDLC，但是要集合靜電容量一致之EDLC構建裝置時，因為造成靜電容量之測定時間之浪費和成本增加，所以不實用。特別是在構建大容量之蓄電裝置之情況，要正確地測定所使用之大容量之EDLC之靜電容量需要很多之時間。
本發明係針對此種情況而開發，其目的是提供不易受到電容器之靜電容量誤差之影響、充放電效率高、使用電容器之蓄電裝置及其控制方法。
為著達成上述目的，本發明人致力研究之結果獲得下列之見解。亦即，「習知之組合切換方式」之大問題之一是例如在充電過程，一旦EDLC被切換成為並聯之塊，其EDLC在充電完成之前不能回到串聯，必需在全部之EDLC達到充滿電前繼續維持並聯狀態。另外，在放電過程，一旦EDLC被切換成為串聯之塊之EDLC在完成放電前亦不能回到並聯，必需在全部之EDLC進行放電之前繼續維持串聯狀態。另外，各個塊之串並聯切換，在充電過程中，只在蓄電裝置之輸出電壓成為換流器之輸入上限電壓之情況時進行，在放電過程中，亦只在蓄電裝置之輸出電壓成為換流器之輸入下限電壓之情況時進行。
本案之發明人發現，由於該等原因使每一個塊之EDLC之端子間電壓之充放電型態發生變動，因而使均壓化損失增大，對充放電特性造成大的影響。亦即，在充電過程，依照塊電壓(在1個電路塊內之EDLC被串聯之情況時，將各個EDLC之端子間電壓之合計電壓Vb，或在1個電路塊 內之EDLC被並聯之情況時，將各個EDLC之端子間電壓之平均值電壓Vb，稱為「塊電壓」)之大小的順序，使塊之電容器成為並聯，假如使EDLC被一旦變更為並聯之低的塊電壓之塊之EDLC回到串聯狀態時，可以更快速地進行充電，亦可降低均壓化損失。另外，在放電過程中，亦依照塊電壓之大小的順序，使塊之電容器串聯，假如使EDLC被一旦變更為串聯之低的塊電壓之塊之EDLC回到並聯狀態時，可以更長時間放電，可以提高放電深度。因此，提案以下之：準備更多樣之連接型態，經由切換成為最佳之連接型態，可以減小構成蓄電裝置之全部之電容器之端子間電壓之變動的「新組合切換方式」。下面將「先前技術之組合切換方式」稱為「習知方式」，將「本發明之新的組合切換方式」稱為「本方式」。
根據此種見解，本發明採取下面所述之構造。
亦即，申請專利範圍第1項之發明之使用電容器之蓄電裝置，具備有：蓄電手段，具備有使具有複數個電容器之電路塊串聯n個(其中n為2以上之自然數)電路構造；直流-交流轉換手段，用來將來自蓄電手段之直流輸出電壓轉換成為交流輸出電壓，將其施加到負載；串並聯切換手段，用來切換成為使蓄電手段之每一個電路塊之複數個電容器形成並聯狀態，或使該等形成串聯之狀態；複數個防止過充電手段，分別與蓄電手段之電容器並聯，當蓄電手段之電容器之端子電壓成為耐電壓值時，強制該電容器進行放電；端子間電壓檢測手段，用來檢測蓄電手段之各個 電路塊之複數個電容器之端子間電壓；塊電壓求出手段，根據利用端子間電壓檢測手段所檢測到之各個電容器之端子間電壓，就每一個電路塊，求得為電路塊之電壓的塊電壓；和控制手段，檢測蓄電手段之輸出電壓，依照其電壓值控制串並聯切換手段；控制手段在蓄電手段之充電時之情況進行：第1過程，在對蓄電手段開始充電時，以將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器串聯之方式控制串並聯切換手段；第2過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓時，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，使j個(其中，j為1次之充電時達到輸入上限電壓之次數，最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器成為並聯之方式控制串並聯切換手段；和第3過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓前之期間，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，使j個電路塊之複數個電容器並聯之方式控制串並聯切換手段；又，控制手段在蓄電手段之放電時之情況進行：第4過程，在蓄電手段開始放電時，以將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器並聯之方式控制串並聯切換手段；第5過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓時，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，使k個(其中，k為1次之放電時達到輸入下限電壓之次數，最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器成為串聯之方式控制串並聯切換手段；和第6過程，在蓄電手段之輸出電壓再度 達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓前之期間，依照利用塊電壓求出手段之塊電壓之高低順序，使k個電路塊之複數個電容器串聯之方式控制串並聯切換手段。
另外，在本說明書中之「對蓄電手段開始充電時」是指蓄電手段內之各個電容器大致尚未儲存有電荷時，包含：蓄電手段內之各個電容器完全未儲存有電荷時；和在蓄電手段內之各個電容器儲存有電荷但是其程度只達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓之程度時。另外，本說明書中之「蓄電手段之開始放電時」是指蓄電手段內之全部電容器大致充滿電時，包含：蓄電手段內之全部電容器之充滿電時；和全部之電路塊之電容器被並聯時，在蓄電手段內之各個電容器儲存有電荷，但是其程度不超過直流-交流轉換手段之輸入下限電壓時。
本發明之蓄電裝置之作用和效果如下所述。
當對蓄電手段充電之情況，首先，在對蓄電手段開始充電時，使蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器串聯(第1過程)。然後，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓時，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，使j個(其中，j為在1次之充電時達到輸入上限電壓之次數，最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器並聯(第2過程)。另外，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓前之期間，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，使j個電路塊之複數個電容器並聯(第3過程)。
因此，在充電過程，使蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器串聯，對蓄電手段開始充電，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓時，使複數個電路塊中之塊電壓最大之電路塊之電容器並聯，亦即，使合計靜電容量較小之電路塊之電容器並聯，可減小該電路塊之均壓化損失，同時使合計靜電容量較大之電路塊之電容器仍維持串聯，可以優先進行對該電路塊之充電，故可以提高充電效率。然後，在下一個切換時，亦即，當蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓時，包含在該時點使電容器被串聯之電路塊之電容器回到並聯，依照塊電壓最大之順序使j個電路塊之電容器並聯，至下一個切換前之期間，亦即，蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓之前之期間，與上述同樣地，依照塊電壓為最大之依序使j個電路塊之電容器並聯，所以可以減小均壓化損失，並且使合計靜電容量較大之電路塊之電容器仍維持串聯之狀態，故可以優先對該電路塊充電，故可以提高充電效率。
亦即，在充電過程中，對於複數個電路塊，可以實現多種電容器之串並聯型態，而且可以從複數個串並聯型態中進行切換成為最佳之串並聯型態。另外，在下一個切換時，包含使在該點電容器被串聯之電路塊之電容器回到並聯，而進行和切換最佳之串並聯型態之選擇。另外，在至下一個切換時之期間，亦即，蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓之前之期間，包含使 在該時點電容器被串聯之電路塊之電容器回到並聯，而進行和切換最佳之串並聯型態之選定。
然後，在蓄電手段之放電情況，首先，在蓄電手段之放電開始時，使蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器並聯(第4過程)。然後，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓時，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，使k個(其中，k為1次之放電時達到輸入下限電壓之次數，最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器成為串聯(第5過程)。另外，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓前之期間，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，使k個電路塊之複數個電容器串聯(第6過程)。
因此，在放電過程，使蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器並聯以開始蓄電手段之放電，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓時，從複數個電路塊中之塊電壓最大之電路塊起，依序地使該電路塊之電容器串聯。另外，在下一個切換時，亦即，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓時，包含使在該時點電容器被串聯之電路塊之電容器回到並聯，依照塊電壓最大之順序，使k個電路塊之電容器串聯，在至下一個切換時之期間，亦即，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓之前之期間，與上述同樣地，依照塊電壓最大之順序，使k個電路塊之電容器串聯，所以可以使各個電路塊之電荷均等地 放電，可以提高放電深度。亦即，在放電過程中，對於複數個電路塊，可以實現多種之電容器之串並聯型態，另外，可以從該多種之串並聯型態中，進行切換成為最佳之串並聯型態。另外，在下一個切換時，包含使在該時點電容器被串聯之電路塊回到並聯，進行和切換最佳之串並聯型態之選定。
其結果是可以提供不易受到電容器之靜電容量誤差影響、充放電效率高、使用電容器之蓄電裝置。
當採用將來自蓄電手段之直流輸出電壓轉換成為指定之直流輸出電壓然後施加到負載之直流-交流轉換手段，用以取代上述之蓄電裝置之直流-交流轉換手段之情況時，亦可以具有與上述同樣之作用和效果。
另外，本說明書中之「對蓄電手段開始充電時」是指在蓄電手段內之各個電容器大致未儲存電荷時，包含：在蓄電手段內之各個電容器完全未儲存電荷時；和在蓄電手段內之各個電容器只儲存不會達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓之程度之電荷時。另外，在本說明書中之「蓄電手段之開始放電時」是指蓄電手段內之全部電容器大致充滿電時，包含：蓄電手段之全部電容器為充滿電時；和當全部之電路塊之電容器並聯時，在蓄電手段內之各個電容器儲存之電荷不超過直流-交流轉換手段之輸入下限電壓之程度時。
另外，控制手段亦可以在每經過指定之間隔時進行第3過程和第6過程。在此種情況，因為每經過間隔時間進 行最佳之串並聯型態之選定和切換，所以在至下一個切換之前之期間，可以提高充放電效率。
另外，控制手段因為根據對蓄電手段之輸入電流和來自蓄電手段之輸出電流之比較，而切換蓄電手段之充電和放電之控制，所以可以提供即使在隨機重複進行充電和放電之情況時亦不容易受到電容器之靜電容量誤差之影響、充放電效率高、使用電容器之蓄電裝置。
另外，因為在蓄電手段之各個電路塊間具備有用來切換為通電/非通電之開關，控制手段使該等開關中之位於電容器被並聯之電路塊間之開關成為非通電，所以當與未具備有該開關之構造比較時，可以使充電時間變短，可以提高充電效率。
另外，控制手段在蓄電手段之充電和放電時，為著儘可能使各個電容器之端子間電壓一致，所以進行第7過程，利用端子間電壓檢測手段所檢測到之各個塊之電容器之端子間電壓，在每一個塊對超過在最小端子間電壓加上容許值之電壓值的電容器，強制其放電，以此方式控制防止過充電手段，因此可以校正成將各個電容器之端子間電壓之變動收斂在容許範圍內(一定範圍內)，可以防止由於串/並聯切換形成之橫流電流造成開關之破壞。
另外，因為控制手段每經過指定之間隔時間進行第7過程，所以在每一定之間隔時間監視各個電容器之端子間電壓之變動，利用防止過充電手段可以校正成將各個電容器之端子間電壓經常收斂在容許範圍內(一定範圍內)，可 以防止由於串並聯切換形成之橫流電流造成開關之破壞。另外，予先在端子間電壓產生大變動之前經常進行校正，可以用來抑制均壓化損失。
另外，在使用電容器之蓄電裝置之控制方法中，當蓄電手段之充電時之情況進行：第1過程，當對具備有使具有複數個電容器之電路塊串聯n個(其中n為2以上之自然數)電路構造之蓄電手段開始充電時，將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器串聯；第2過程，當蓄電手段之輸出電壓達到將來自蓄電手段之直流輸出電壓轉換為交流輸出電壓然後施加到負載之直流-交流轉換手段之輸入上限電壓時，依照求出之塊電壓之高低順序，使j個(其中，j為1次之充電時達到輸入上限電壓之次數，最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器成為並聯；和第3過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓前之期間，依照求出之塊電壓的高低順序，使j個電路塊之複數個電容器並聯，以此方式控制串並聯切換手段；又，當蓄電手段之放電時之情況進行：第4過程，在蓄電手段之開始放電時，並聯蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器；第5過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓時，依照求出之塊電壓之高低順序，將k個(其中，k為1次之放電時達到輸入下限電壓之次數，最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器串聯；和第6過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓前之期間，依照求出之塊電壓之高低 順序，將k個電路塊之複數個電容器串聯；在此種情況，具有與上述之申請專利範圍第1項相同之作用和效果。
另外，在上述之控制方法中，將直流-交流轉換手段更換成為直流-直流切換手段之情況亦同。
在使用電容器之蓄電裝置中，控制手段在蓄電手段之充電時之情況，進行：第一過程，在對蓄電手段開始充電時，以將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器串聯之方式控制串並聯切換手段；第2過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓時，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，以使j個(其中，j為1次之充電時達到輸入上限電壓之次數，最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器成為並聯之方式控制串並聯切換手段；和第3過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓前之期間，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，使j個電路塊之複數個電容器並聯之方式控制串並聯切換手段；另外，控制手段在蓄電手段之放電時之情況，進行：第4過程，在蓄電手段之開始放電時，以將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器並聯之方式控制串並聯切換手段；第5過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓時，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，使k個(其中，k為1次之放電時達到輸入下限電壓之次數，最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器 成為串聯之方式控制串並聯切換手段；和第6過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓前之期間，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，使k個電路塊之複數個電容器串聯之方式控制串並聯切換手段；經由進行上述之過程，用來實現提供不容易受到電容器之靜電容量誤差之影響、充電效率高、使用電容器之蓄電裝置。
(實施例1)
下面參照圖面來說明本發明之實施例。第6圖是方塊圖，用來表示本發明之使用電容器(例如電二重層電容器)之蓄電裝置之一實施例。
本實施例之蓄電裝置具備有蓄電裝置本體10。蓄電裝置本體10用來儲存從直流電流源11供給之直流電力，將其切換成為交流電力後供給到負載12。
作為外部裝置之直流電流源11例如由太陽電池、風力發電機、或引擎發電機等構成。
蓄電裝置本體10大致上具備有：蓄電部10A；和電力轉換部10B，用來將被儲存在該蓄電部10A之直流電力轉換為交流電力。
首先說明蓄電部10A。蓄電部10A包含有：電容器群13，具備有使n個(其中之n為2以上之自然數)電路塊串聯之電路構造，該電路塊具有複數個(在本實施例中例如成為2個)之作為電容器之電二重層電容器(Electric Double Layer Capacitor：EDLC)；均壓電路群(亦稱為並聯監視電 路)14，連接到電容器群13；串並聯切換電路15，用來將電容器群13之每個電路塊之2個電容器切換成並聯狀態及串聯狀態；電容器端子間電壓檢測電路16，用來檢測電容器群13之各個EDLC之端子間電壓；和控制電路17，檢測電容器群13之輸出電壓，依照其電壓值控制串並聯切換電路15。
下面使用第7圖說明電容器群13。第7圖是電路圖，用來表示電容器群13和串並聯切換電路15之構造。特別是第7(a)圖表示全部電路塊之EDLC為並聯狀態。第7(b)圖表示第1段之電路塊之EDLC為串聯，其以外之電路塊之EDLC為並聯狀態。第7(c)圖表示第1段和第2段之電路塊之EDLC為串聯，其以外之電路塊之EDLC為並聯狀態。第7(d)圖表示全部之電路塊之EDLC為串聯之狀態。
如第7圖所示，電容器群13是例如成為使具有2個靜電容量3000[F]，耐電壓2.3[V]之EDLC的電路塊，以n個(其中n為2以上之自然數)串聯之電路構造。電容器群13相當於本發明之蓄電手段。
串並聯切換電路15如第7圖所示，具備有開關24，用來將電容器群13之每個電路塊之2個電容器切換成並聯狀態及串聯狀態。串並聯切換電路15相當於本發明之串並聯切換手段。
電容器端子間電壓檢測電路16用來檢測第7圖所示之電容器群13之各個EDLC之端子間電壓。電容器端子間電壓檢測電路16相當於本發明之端子間電壓檢測手段。
控制電路17如第6圖所示，具備有塊電壓求出部19，其根據利用電容器端子間電壓檢測電路16所檢測到之電容器群13之各個EDLC之端子間電壓，就每一個電路塊求得為電容器群13之電路塊之電壓之塊電壓。塊電壓求出部19相當於本發明之塊電壓求出手段。
控制電路17在電容器群13之充電時之情況，進行：第1過程，以對電容器群13開始充電時使電容器群13之各個電路塊之2個EDLC串聯之方式控制串並聯切換電路15：第2過程，當電容器群13之輸出電壓達到DC-AC換流器18之輸入上限電壓時，依照利用塊電壓求出部19求得之塊電壓之高低順序，使j個(其中之j為1次之充電時達到輸入上限電壓之次數，最大為n之自然數)電路塊之2個EDLC成為並聯之方式控制串並聯切換電路15；和第3過程，依照利用塊電壓求出部19求出之塊電壓之高低順序，使j個電路塊之2個EDLC成為並聯之方式控制串並聯切換電路15。
另外，當對電容器群13開始充電時，雖其是電容器群13內之各個EDLC大致未儲存有電荷時，但包含：在電容器群13內之各個EDLC完成未儲存有電荷時；和在電容器群13內之各個EDLC儲存之電荷只在未達到DC-AC換流器18之輸入下限電壓之程度時。
另外，控制電路17在電容器群13之放電之情況，進行：第4過程，在電容器群13開始放電時，以將電容器群13之各個電路塊之2個EDLC並聯之方式控制串並聯切換 電路15；第5過程，當電容器群13之輸出電壓達到DC-AC換流器18之輸入下限電壓時，依照利用塊電壓求出部19求出之塊電壓之高低順序，使k個(其中，k是1次之放電時達到輸入下限電壓之次數，最大為n之自然數)電路塊之2個EDLC成為串聯之方式控制串並聯切換手段；和第6過程，在電容器群13之輸出電壓再度達到DC-AC換流器18之輸入下限電壓前之期間，依照利用塊電壓求出部19求出之塊電壓之高低順序，以使k個電路塊之2個EDLC串聯之方式控制串並聯切換電路15。
另外，電容器群13開始放電時，雖然是電容器群13內之全部EDLC為大致充滿電時，但是亦包含電容器群13內之全部EDLC之充滿電時，和當全部之電路塊之EDLC並聯時，超過DC-AC換流器18之輸入下限電壓之程度，將電荷儲存在電容器群13內之各個EDLC時。
控制電路17在每經過指定之間隔時間(例如5秒)時，進行上述之第3過程和第6過程。另外，亦可以使該間隔時間成為5秒以外之指定時間。另外，該間隔時間最好考慮電容器(EDLC)之電容量用來決定該指定時間。
另外，控制電路17為著使各個電路塊之電容器端子間電壓一致，所以在電容器群13之充電時和放電時，控制均壓電路群14進行第7過程，在利用電容器端子間電壓檢測電路16檢測到之各個電路塊之EDLC之端子間電壓中，以最小之端子間電壓之EDLC之端子間電壓作為基準，當該電路塊中之其他EDLC之端子間電壓超過在該最小端子間 電壓值加上容許值後之電壓值之情況時，強制該超過之EDLC進行放電。
控制電路17亦可以在經過指定之間隔時間(例如，5秒)進行上述之第7過程。另外，亦可以使間隔時間成為5秒以外之指定時間。另外，該間隔時間最好是考慮電容器(EDLC)之電容量而決定該指定之時間。控制電路17相當於本發明之控制手段。
如第7圖所示，在電容器群13之各個電路塊間，具備有通電/非通電切換開關23。控制電路17使該等開關23中之位於與EDLC並聯之電路塊間之開關23成為非導通。
均壓電路群(並聯監視電路)14如第8圖所示，係由分別與構成電容器群13之各個電二重層電容器(EDLC)C1、C2、…並聯之複數個均壓電路14A、14B、…所構成。各個均壓電路14A、14B、…因為具有相同之構造，所以以下採用均壓電路14A為例進行說明。
均壓電路14A之構成包含有：放電路徑，串聯電阻20和場效應電晶體(FET)21，用來分流(bypass)電容器C1之兩個端子；和放電控制電路22，用來控制該放電路徑之開閉。放電控制電路22監視電容器C1之端子電壓，當該端子電壓超過指定電壓(電二重層電容器之耐電壓)時，對FET 21施加控制信號使其成為導通狀態，以使放電路徑成為閉路狀態而強制電容器C1進行放電。各個均壓電路14A、14B、…分別用來阻止對應之電二重層電容器(EDLC)C1、C2、…陷入過充電。各個均壓電路14A、14B、…相當於本發明 之防止過充電手段。
另外，亦可以構建成由控制電路17進行放電控制電路22之任務。亦即，亦可以構建成當利用電容器端子間電壓檢測電路16檢測到之電容器C1之端子電壓超過指定電壓(電二重層電容器之耐電壓)時，控制電路17對FET 21施加控制信號使其成為導通狀態，用來使放電路徑成為閉路狀態，藉以強制電容器C1進行放電。
下面說明充電動作時之均壓電路14A、14B、…之功能。規格上即使是相同電容量之EDLC，因為在實際上其電容量會有變動，所以充電時間在每一個EDLC成為不同當可明白。因此，會有1個EDLC成為充滿電時其他之EDLC尚未達到充滿電之情況。因此，如上述，經由在全部之EDLC設置均壓電路，在1個EDLC達到充滿電時，並非結束全部之EDLC之充電，而是可以使全部之EDLC成為充滿電。
下面說明電力轉換部10B之構造。如第6圖所示，電力轉換部10B包含直流-交流(DC-AC)換流器18。DC-AC換流器18用來將直流輸入電壓轉換為交流輸出電壓，然後施加到負載12。DC-AC換流器18相當於本發明之直流-交流轉換手段。
在此處為著使以後之說明簡化，以具備有第9(a)圖之3個電路塊(大致而言為3個塊)構成之電容器群13之蓄電裝置為例進行說明。亦即，以上述之電容器群13和串並聯切換電路15之各個開關24由3個電路塊構成之構造為例 進行說明。另外在以下之說明中，只顯示閉路之開關23和開關24，使第9(a)圖如第9(b)圖之方式表示。
在第9(a)圖之電路構造之情況時，在只串聯1個電路塊之EDLC，和並聯2個電路塊之EDLC之型態，如第10圖所示，存在有3種之連接型態。
另外，將2個電路塊之EDLC串聯，在只並聯1個電路塊之EDLC之型態存在有第11圖所示之3種，另外加上串聯全部之EDLC之第12圖之連接型態，和並聯全部之電路塊之EDLC之上述之第9圖之型態，成為存在有合計8種(=23 )之連接型態，在本實施例裝置中，從該8種之連接型態中，可適當地切換成為最佳之連接型態。
另外，在以下之說明中，如第13(a)圖所示在串聯1個電路塊內之EDLC之情況，將各個EDLC之端子間電壓之合計電壓Vb稱為「塊電壓」，另外，如第13(b)圖所示，在並聯1個電路塊內之EDLC之情況，將各個EDLC之端子間電壓之平均值電壓Vb稱為「塊電壓」。
亦即，當將上述方式之電路塊連接成n段之情況時，EDLC之連接型態之總數成為2n ，電路塊數越增加時其型態數亦增加。經由增加連接型態數用來增加選擇數，從複數個連接型態中選擇最佳之連接型態，可以用來使變更到EDLC之並聯之塊內之其EDLC再度回到串聯，將其他之電路塊內之EDLC切換成為並聯，可以極力地抑制全部之電容器(EDLC)之端子間電壓之變動。
第14圖表示將電路塊連接成n段之情況時之連接型態 之一實例。第14(a)圖是將全部之EDLC串聯之情況，第14(b)圖是只將1個電路塊之EDLC並聯之情況，第14(c)圖是只將2個電路塊之EDLC並聯之情況之實例。
在第1圖所示之先前技術之電路方式中，例如在充電時EDLC從串聯變更為並聯之塊之變更後之塊電壓，當與串聯時比較，成為極端地低。另外相反地，在放電時EDLC從並聯為串聯之塊之變更後之塊電壓，當與並聯時比較，成為極端地高，蓄電裝置之輸出電壓變動幅度成為很大。
但是，在本方式中，利用電容器端子間電壓檢測電路16在每個一定期間監視各個電容器(EDLC)之端子間電壓，在多樣之連接型態中，在充電時使塊電壓最高之電路塊變更為並聯。重複進行此種動作，可以抑制各個塊電壓之變動，和可以極力地抑制全部之電容器(EDLC)之端子間電壓之變動，故可以抑制由於均壓電路群(並聯監視電路)14造成均壓化損失。
下面稍微詳細地說明利用控制電路17進行之電路塊之串並聯切換控制。
<電路塊之串並聯切換控制>
在先前技術之方式中，當蓄電裝置之輸出電壓接近換流器之輸入電壓範圍之下限或上限之情況時，進行串並聯切換，例如在充電過程，一旦並聯之塊不回到串聯。另一方面，在本方式中因為具備有控制電路17，所以可以實現複數個串並聯之連接型態，可以進行最佳之電路塊之EDLC之串並聯切換。亦即，在充電過程包含從塊電壓最大之電 路塊並聯EDLC，在下一個切換時，在該點回到串聯EDLC之電路塊並和該EDLC並聯，以進行最佳之連接型態(串並聯型態)之選定並切換。另外在放電時亦同樣地，包含從塊電壓最大之電路塊串聯，在下一個切換時，在該時點回到串聯EDLC之塊並和該EDLC之並聯，以進行最佳之連接型態之選定及切換。
更稍微詳細說明時，在本蓄電裝置中，依照控制電路17之指令，在每一定之間隔(例如5秒)，計測全部電容器(EDLC)之端子間電壓，進行最佳之串並聯切換。另外，亦可以不設置間隔，經常連續地計測全部之電容器之端子間電壓。
在充電過程中之切換控制，例如在全部之EDLC之電荷為「0」時，從全部之EDLC串聯之型態開始充電。進行某種程度之充電，當蓄電裝置之輸出電壓接近DC-AC換流器18之輸入電壓範圍之上限(例如15[v])時，亦即達到14.9[v]時，塊電壓最大之1個電路塊之EDLC成為並聯，並持續進行充電，然後，在每一定之間隔(例如5秒)計測全部之電容器(EDLC)之端子間電壓，將電荷均等地儲存在各個電路塊，以塊電壓之變動成為最少之方式，選定EDLC並聯之最佳之1個電路塊，進行串並聯之切換。
將電荷均等地儲存在全部之電路塊，然後繼續充電，當蓄電裝置之輸出電壓再度接近DC-AC換流器18輸入範圍之上限(例如15[V])時，亦即達到14.9[V]時，因為只並聯1個電路塊之EDLC而不能因應，所以其次並聯2個電 路塊之EDLC而繼續充電。這時，變更為並聯塊電壓較大之2個電路塊之EDLC。然後，同樣地增加EDLC並聯之塊，同時連續充電至變更為並聯全部之塊之EDLC。
另外，在放電過程中，例如全部之EDLC為充滿電時，從全部之EDLC被並聯之連接型態開始放電。進行某種程度之放電，當蓄電裝置之輸出電壓接近DC-AC換流器18之輸入電壓範圍之下限(例如10.5[v])時，亦即達到10.6[v]時，塊電壓最大之1個電路塊之EDLC被串聯，繼續放電。
雖進行繼續放電，但每一定之間隔(例如5秒)計測全部電容器(EDLC)之端子間電壓，進行EDLC被串聯之1個電路塊之選定和切換，以使各個塊之電荷均等地放電。
使全部之電路塊之電荷均等地放電，更繼續放電，當蓄電裝置之輸出電壓再度接近DC-AC換流器18之輸入電壓範圍之下限(例如10.5[v])時，亦即達到10.6[v]時，因為只使1個電路塊之EDLC串聯不能因應，所以使2個電路塊之EDLC串聯而繼續放電。這時，變更成為串聯塊電壓較大之2個電路塊之EDLC。然後，同樣地增加EDLC被串聯之電路塊，同時在變更成為全部之電路塊被串聯之前，繼續放電。
第15圖表示以上述方式充電時之串並聯切換之流程，第16圖表示放電時之串並聯切換之流程。
如第15圖所示，在步驟S1，在電容器群13之全部之塊之EDLC被串聯之狀態，開始充電。亦即，EDLC成為並 聯之電路塊之數目的並聯塊數j成為「0」。步驟S1相當於本發明之第1過程。在步驟S2，測定蓄電裝置之輸出電壓Vt 。在步驟S3，檢測蓄電裝置之輸出電壓Vt 是否達到DC-AC換流器18之輸入上限電壓Vtmax ，假如未達到時前進到步驟S3A，在該步驟S3A等待間隔(例如5秒)之經過，回到步驟S2，假如有達到時前進到步驟S4。
在步驟S4，對並聯塊數j加「1」。在步驟S5，計測各個電容器(EDLC)之端子間電壓，求得塊電壓。在步驟S6，依照塊電壓大小之順序，將j個電路塊之EDLC切換成為並聯。在步驟S7，測定蓄電裝置之輸出電壓Vt 。在步驟S8，檢測蓄電裝置之輸出電壓Vt 是否達到DC-AC換流器18之輸入上限電壓Vtamx ，假如未達到時前進到步驟S10，在該步驟S10等待間隔(例如5秒)之經過，然後回到步驟S5，假如已達到時前進到步驟S9。
在步驟S9，判定並聯塊數j是否達到電路塊之總數n。已達到時就前進到步驟S11，未達到時回到步驟S4。另外，步驟S3~S9相當於本發明之第2過程，步驟S5~S8、S10相當於本發明之第3過程。
在步驟S11，停止對電容器群13供給電流，亦即，停止對電容器群13充電，結束本充電過程。
其次說明放電過程。如第16圖所示，在步驟S21，在電容器群13之全部之塊之EDLC成為並聯狀態而開始放電。亦即，EDLC成為串聯之電路塊之數目之串聯塊數k成為「0」。步驟S21相當於本發明之第4過程。在步驟S22， 測定蓄電裝置之輸出電壓Vt 。在步驟S23，檢測蓄電裝置之輸出電壓Vt 是否達到DC-AC換流器18之輸入下限電壓Vtmin ，假如未達到時就前進到步驟S23A，在該步驟S23A等待間隔(例如5秒)之經過，回到步驟S22，假如已達到時就前進到步驟S24。
在步驟S24，對串聯塊數加「1」。在步驟S25，計測各個電容器(EDLC)之端子間電壓，以求得塊電壓。在步驟S26，依照塊電壓之大小順序，將k個電路塊之EDLC切換成為串聯。在步驟S27，測定蓄電裝置之輸出電壓Vt 。在步驟S28，檢測蓄電裝置之輸出電壓Vt 是否達到DC-AC換流器18之輸入下限電壓Vtmin ，假如未達到時就前進到步驟S30，在該步驟S30等待間隔(例如5秒)之經過，回到步驟S25，假如已達到時就前進到步驟S29。
在步驟S29，判定串聯塊數k是否達到電路塊之總數n。假如已達到時就前進到步驟S31，假如未達到時就回到步驟S24。另外，步驟S23~S29相當於本發明之第5過程，步驟S25~S28、S30相當於本發明之第6過程。
在步驟S31，停止從電容器群13輸出，亦即，停止電容器群13之放電，結束本放電過程。
另外，在隨機重複進行充電和放電之情況時，不停地檢測從直流電流源11朝向蓄電裝置之輸入電流和從蓄電裝置朝向DC-AC換流器18之輸出電流，判斷充電模態和放電模態之切換，在隨機重複進行充電和放電之構造中，可以適當地進行充電和放電。對於隨機重複進行該充電和 放電之情況時之串並聯切換之流程，將使用第17圖進行說明。
如第17圖所示，在步驟S41，在電容器群13之全部之塊之EDLC成為串聯之狀態，開始充電。亦即，在蓄電裝置停止輸出(放電)之狀態，EDLC成為並聯之電路塊之數目之並聯塊數j成為「0」。步驟S41相當於本發明之第1過程。在步驟S42，測定蓄電裝置之輸出電壓Vt 。在步驟S43，檢測蓄電裝置之輸出電壓Vt 是否達到DC-AC換流器18之輸入上限電壓Vtamx ，假如未達到時前進到步驟S44，在該步驟S44等待間隔(例如5秒)之經過，回到步驟S42，假如已達到時前進到步驟S44。
在步驟S45，開始蓄電裝置之輸出(放電)。在步驟S46，在並聯塊數j加「1」。在步驟S47，計測各個電容器(EDLC)之端子間電壓，以求得塊電壓。在步驟S48，依照塊電壓之大小順序，將j個電路塊之EDLC切換成為並聯。在步驟S49，當從直流電流源11朝向蓄電裝置之輸入電流Iin ，大於或等於從蓄電裝置朝向DC-AC換流器18之輸出電流Iout 時，就前進到步驟S50，假如不是如此就前進到步驟S55。在步驟S50，測定蓄電裝置之輸出電壓Vt 。在步驟S51，檢測蓄電裝置之輸出電壓Vt 是否達到DC-AC換流器18之輸入上限電壓Vtamx ，當未達到時前進到步驟S53，在該步驟S53等待間隔(例如5秒)之經過，回到步驟S47，假如達到時就前進到步驟S52。
在步驟S52，判斷並聯塊數j是否達到電路塊之總數n 。假如已達到時就前進到步驟S54，假如未達到時就回到步驟S46。在步驟S54，停止對電容器群13供給電流，亦即，停止(停止輸入)對電容器群13之充電。另外，步驟S43~S48、S50~S52相當於本發明之第2過程，步驟S47、S48、S50、S51、S53相當於本發明之第3過程。步驟S54相當於本發明之第4過程。
在步驟S55，測定蓄電裝置之輸出電壓Vt 。在步驟S56，假如蓄電裝置之輸出電壓Vt 未達到DC-AC換流器18之輸入下限電壓Vtmin 時，就前進到步驟S57，在該步驟S57等待間隔(例如5秒)之經過，回到步驟S55，假如已達到時就前進到步驟S58。
在步驟S58，假如在停止對電容器群13之充電(停止輸入到蓄電裝置)中，再度開始對電容器群13充電(再度開始對蓄電裝置輸入)。在步驟S59，計測各個電容器(EDLC)之端子間電壓，以求得塊電壓。在該步驟S60，依塊電壓之大小順序，將(n+1-j)個電路塊之EDLC切換成為串聯。
在步驟S61，當從直流電流源11流到蓄電裝置之輸入電流Iin ，大於或等於從蓄電裝置朝向DC-AC換流器18之輸出電流Iout 時，就前進到步驟S62，假如不是就前進到步驟S63。在步驟S63，測定蓄電裝置之輸出電壓Vt 。另外，在步驟S62，從並聯塊數j減「1」。然後，前進到步驟S50。
在步驟S64，檢測蓄電裝置之輸出電壓Vt 是否達到DC-AC換流器18之輸入下限電壓Vtmin ，假如未達到時就 前進到步驟S67，在該步驟S67等待間隔(例如5秒)之經過，回到步驟S59，假如已達到時就前進到步驟S65，從並聯塊數j減「1」。然後，前進到步驟S66。
在步驟S66，判定並聯塊數j是否為「0」。假如為0時就前進到步驟S68，假如不為「0」時就回到步驟S59。另外，步驟S56、S59、S60、S63~S66相當於本發明之第5過程，步驟S59、S60、S63、S64、S67相當於本發明之第6過程。
在步驟S68，停止電容器群13之放電(停止蓄電裝置之輸出)，回到步驟S42。
下面說明本實施例之蓄電裝置之電容器(EDLC)之端子間電壓之經常校正。
另外在本方式中，控制電路17在每個一定之間隔(例如5秒)，監視各個EDLC之端子間電壓之變動，經由控制均壓電路群(並聯監視電路)14來校正各個EDLC之端子間電壓，使其被收歛在一定範圍內。利用此種方式，可以防止由於串並聯切換產生之橫流電流所造成開關24之破壞。另外予先在端子間電壓產生大變動前經常校正，可以用來抑制均壓化損失。
該經常校正，利用用以抑制各個電路塊之電容器之端子間電壓之變動的操作，對每一個電路塊進行。亦即，以各個電路塊之EDLC中之端子間電壓成為最低之EDLC之端子間電壓VCmin 作為基準，當該電路塊之其他EDLC之端子間電壓，高於利用該VCmin 預先設定之校正值以上時， 對該EDLC強制進行放電。亦即，在1個電路塊由2個電容器(EDLC)構成之情況，當端子間電壓較高之一方之電容器之端子間電壓，成為在端子間電壓較低之一方之電容器之電壓值加上容許值X之電壓值以上之情況時，則強制端子間電壓較高之電容器放電，用來使2個電容器之端子間電壓成為一致。
另外，第7圖等所顯示之各個電容器(EDLC)之各個，在使複數個電容器並聯之情況時，以下列之式(1)所示之條件進行強制放電。其中，N為電路塊內之電容器總數，i為塊內之電容器號碼，VCi 為電容器號碼i之EDLC之端子間電壓，X為容許值。強制能夠滿足該條件之電容器i之放電。
VCi >VCmin +X…(1) VCmin =min(VC1 、VC2 、…、VCN )
在此種進行習知方式和本方式之比較。為著進行習知方式和本方式之比較，檢討使用12個電容器(EDLC)之蓄電裝置。使各個電容器(EDLC)之耐電壓為2.3[V]，12個電容器中只有第1塊之1個EDLC具有10%之容量誤差之情況時，亦即模擬11個電容器(EDLC)之靜電容量為3000[F]，1個電容器(EDLC)之靜電容量為2700[F]之情況時之蓄電裝置之充放電過程。
第18圖、第19圖表示使用2[A]之定電流源進行充電，在充滿電後切離定電流源，當包含換流器之負載為36W，放電至換流器之輸入下限電壓之情況時之實施例裝置之 充放電之時間變化的模擬結果。另外，第4圖表示在與實施例裝置之相同條件之習知方式之對各個電容器之充放電之時間變化的模擬結果，第5圖表示習知方式之蓄電裝置之輸出電壓之充放電的時間變化之模擬結果。另外，換流器之輸入電壓範圍為10.5~15[V]。另外在每個間隔(例如5秒)進行本方式之全部電容器之端子電壓計測，且以使各個塊之電荷均等地充放電之方式，進行EDLC被串並聯之塊之選定和切換。
第4圖、第5圖分別表示習知方式之情況時之12個電容器之各個端子間電壓之時間推移和蓄電裝置之輸出電壓之時間推移。另外，第18圖、第19圖分別表示使用本方式之情況時之12個電容器之各端子間電壓之時間推移和蓄電裝置之輸出電壓之時間推移。
從以上之結果看時，當與習知方式比較，可以明白本方式之情況充電時間可以縮短16%以上(在習知方式充電時間為5015秒，在本方式充電時間為4210秒)。亦即，例如直流電流源11為太陽電池之情況，太陽電池之面積可以減小16%以上，對於太陽光發電/蓄電系統全體之降低成本具有很大之效果。
另外，如第4圖所示，可以明白在習知方式中12個電容器之各端子間電壓具有變動，達到耐電壓之電容器之電荷由於均壓電路之電阻被無謂地消耗。亦即可以明白均壓化損失變大。與此相對地，在第18圖所示之本方式中可以明白，12個電容器之各個端子間電壓經常以大致同電壓推 移同時進行充放電。該差成為顯著地表示充電時間之差。從該等之結果可以明白，當與習知之組合切換方式比較時，本方式之均壓化損失成為極小。另外，習知方式之平均放電深度為81.8%，本方式之平均放電深度為85.7%，本方式可以明顯地提高放電深度。
另外，放電深度是表示被儲存在EDLC之蓄電能量之利用效率之指標之一，以下列之式(2)定義。在此處UMax 為最大蓄電能量，Urem 為殘留蓄電能量。
放電深度[%]=(1-Urem /UMax )×100…(2)
在此處EDLC之蓄電能量以式(3)定義。其中VC 為EDLC之端子間電壓。
U=CVC 2 /2…(3)
由式(2)和式(3)獲得式(4)。其中，VCmax 為與最大蓄電能量對應之EDLC之端子間電壓(耐電壓)，VCrem 為與殘留蓄電能量對應之EDLC之端子間電壓。
放電深度[%]-(1-VCrem 2 /VCmax 2 )×100…(4)
在本實施例中，如第7圖所示，在電容器群13之串聯之各個電路塊之塊間設置開關23，控制電路17使該等之開關23中之位於EDLC被並聯之電路塊間之開關23成為非通電，當與未設有該開關23之情況比較時，具有以下之優點。
下面說明例如由第20圖之3個塊構成之情況。第20(a)圖是第1圖之電路亦即電路塊間無開關之方式，第20(b)圖是本方式。任一方均是使第1段塊被串聯。在此處當各 第2段塊之電容器為C1 、C2 ，第3塊之電容器為C3 、C4 時，在電路塊間無開關之方式，第17(a)圖所示之波線部之合成容量Ca 成為式(5)。
Ca =(C1 C3 +C1 C4 +C2 C3 +C2 C4 )/(C1 +C2 +C3 +C4 )…(5)
另外，本方式之第20(b)圖之波線部之合成容量Cb 成為式(6)。
Cb =(C1 C2 C3 +C1 C3 C4 +C1 C2 C4 +C2 C3 C4 )/(C1 C3 +C1 C4 +C2 C3 +C2 C4 )...(6)
通常，在構成蓄電裝置之情況時，因為使用相同規格之電容器，所以在此處當電容器之規格容量為C，各電容器之容量誤差為△i(i=1、2、...、4、△i《C)時，成為C1 =C+△1、C2 =C+△2、C3 =C+△3、C4 =C+△4。
將該等代入(5)式、(6)式，△i△j(i=1、2、…、4，j=1、2、…、4，i≠j)，△i△j△k(i=1、2、…、4，j=1、2、…、4，k=1、2、3…、4，i≠j，j≠k，k≠i)之項成為微小項可以忽視，當△1△2△3△4=△時，成為Ca ≒2C(2C+△)/4C+△
Cb ≒C2 (4C+3△)/2C(2C+△)。
因此，可以明白成為Ca -Cb =C2 △2 /2C(2C+△)(4C+△)≧0，電路塊間無開關之方式之第20(a)圖所示之波線部之合成容量Ca ，遠大於本方式之第20(b)圖之波線部之合成容量Cb 。
一般在充電過程中，儲存在EDLC被並聯之電路塊之各個EDLC之電荷量，成為儲存在EDLC被串聯之電路塊 之各個EDLC之電荷量之一半，所以EDLC被並聯之電路塊之充電速度急激地降低。但是本方式之第20(b)圖之波線部之合成容量Cb ，因為小於電路塊間無開關之方式之第20(a)圖之波線部之合成容量Ca ，所以當與電路塊間無開關之方式比較時，本方式可以使EDLC被並聯之電路塊之EDLC之充電所需要之時間縮短。
另外，第1圖之電路亦可以使用本方式之控制方法，充電時間縮短11%(在第1圖之電路使用本方式之控制方法之情況時，充電時間縮短為4465秒)，放電深度明顯地提高(第1圖之電路使用本方式之控制方法之情況時，放電深度為85.9%)，確認在第1圖之電路中本方式之控制方法的有用性。
本發明並不只限於上述實施例，亦可以以下列方式變化實施。
(1)在上述之實施例中是採用DC-AC換流器18，但是亦可以採用DC-DC換流器。
(2)在上述之實施例中是電容器群13之各個電路塊具備有2個電容器(EDLC)者，但是亦可以適用在3個以上，亦可適用在一部分之電路塊之電容器(EDLC)之數目和其他之電路塊之電容器(EDLC)之數目不同之情況。
(3)在上述之實施例中是採用EDLC作為電容器群13之各個電路塊之電容器，但是亦可以採用其他種類之電容器。
(產業上之利用可能性)
依照上述之方式，本發明可以構建與各個電容器之靜電容量誤差無關之蓄電裝置，可以構建高充放電效率之更廉價之系統。另外，亦可用在操作電力之規模變成很大之情況。
10‧‧‧蓄電裝置本體
10A‧‧‧蓄電部
10B‧‧‧電力轉換部
11‧‧‧直流電流源
12‧‧‧負載
13‧‧‧電容器群
14‧‧‧均壓電路群
14A‧‧‧均壓電路
15‧‧‧串並聯切換電路
16‧‧‧電容器端子間電壓檢測電路
17‧‧‧控制電路
18‧‧‧DC-AC換流器
19‧‧‧塊電壓求出部
20‧‧‧電阻
21‧‧‧場效應電晶體
22‧‧‧放電控制電路
23‧‧‧開關
24‧‧‧開關
第1(a)~(d)圖是表示先前技術之組合切換之電路圖。
第2(a)、(b)圖是電路圖，用來說明橫流之電流。
第3圖是先前技術之均壓電路之構造圖。
第4圖表示先前技術之各個電容器之充放電之時間變化之模擬結果。
第5圖表示先前技術之蓄電裝置之輸出電壓之充放電之時間變化之模擬結果。
第6圖是表示本發明之蓄電裝置之實施例之方塊圖。
第7(a)~(d)圖是電路圖，用來表示實施例1之電容器群和串並聯切換電路之構造。
第8圖是均壓電路群之電路圖。
第9(a)、(b)圖表示實施例1之具備有3個電路塊之電容器群之蓄電裝置之實例。
第10(a)~(c)圖用來說明只串聯一個電路塊之EDLC之連接型態。
第11圖用來說明只並聯一個電路塊之EDLC之連接型態。
第12圖用來說明串聯全部之電路塊之EDLC之連接型態。
第13(a)圖用來說明串聯電路塊內之EDLC時之塊電壓 ，第13(b)圖用來說明並聯電路塊內之EDLC時之塊電壓。
第14(a)圖~第14(c)圖表示將電路塊連接成為n段時之連接型態之一實例。
第15圖是充電時之串並聯切換之流程圖。
第16圖是放電時之串並聯切換之流程圖。
第17圖是隨機重複進行充電和放電時之串並聯切換之流程圖。
第18圖是特性圖，用來表示實施例1之情況之12個電容器之各個端子間電壓之時間推移。
第19圖是特性圖，用來表示實施例1之蓄電裝置之輸出電壓之時間推移。
第20(a)圖、第20(b)圖用來說明在電路塊間未設有開關之情況和設有之情況之不同。
10‧‧‧蓄電裝置本體
10A‧‧‧蓄電部
10B‧‧‧電力轉換部
11‧‧‧直流電流源
12‧‧‧負載
13‧‧‧電容器群
14‧‧‧均壓電路群
15‧‧‧串並聯切換電路
16‧‧‧電容器端子間電壓檢測電路
17‧‧‧控制電路
18‧‧‧DC-AC換流器
19‧‧‧塊電壓求出部

Claims (12)

  1. 一種使用電容器之蓄電裝置，其特徵在於具備有：蓄電手段，具備有一電路構造，該電路構造係串聯n個(其中n為2以上之自然數)具有複數個電容器之電路塊；直流-交流轉換手段，將來自蓄電手段之直流輸出電壓轉換為交流輸出電壓而施加到負載；串並聯切換手段，在將蓄電手段之每一個電路塊之複數個電容器並聯之狀態與將該等電容器串聯之狀態之間作切換；複數個防止過充電手段，分別與蓄電手段之電容器並聯，當蓄電手段之電容器之端子電壓成為耐電壓值時，強制該電容器進行放電；端子間電壓檢測手段，檢測蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器之端子間電壓；塊電壓求出手段，根據利用端子間電壓檢測手段所檢測到之各個電容器之端子間電壓，就每一個電路塊，求得作為電路塊之電壓的塊電壓；和控制手段，檢測蓄電手段之輸出電壓，依照其電壓值控制串並聯切換手段；其中控制手段在蓄電手段之充電時之情況進行：第1過程，在對蓄電手段開始充電時，以將蓄電手 段之各個電路塊之複數個電容器串聯之方式控制串並聯切換手段；第2過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓時，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，以使j個(其中，j為1次之充電時達到輸入上限電壓之次數，且最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器成為並聯之方式控制串並聯切換手段；和第3過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓前之期間，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，以使j個電路塊之複數個電容器並聯之方式控制串並聯切換手段；又，控制手段在蓄電手段之放電時之情況進行：第4過程，在蓄電手段開始放電時，以將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器並聯之方式控制串並聯切換手段；第5過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓時，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，以使k個(其中，k為1次之放電時達到輸入下限電壓之次數，且最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器成為串聯之方式控制串並聯切換手段；和第6過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓前之期間，亦依照利用塊電 壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，以使k個電路塊之複數個電容器串聯之方式控制串並聯切換手段。
  2. 一種使用電容器之蓄電裝置，其特徵在於具備有：蓄電手段，具備一電路構造，該電路構造係串聯n個(其中n為2以上之自然數)具有複數個電容器之電路塊；直流-直流切換手段，將來自蓄電手段之直流輸出電壓轉換為指定之直流輸出電壓而施加到負載；串並聯切換手段，在將蓄電手段之每一個電路塊之複數個電容器並聯之狀態與將該等電容器串聯之狀態之間作切換；複數個防止過充電手段，分別與蓄電手段之電容器並聯，當蓄電手段之電容器之端子電壓成為耐電壓值時，強制該電容器進行放電；端子間電壓檢測手段，檢測蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器之端子間電壓；塊電壓求出手段，根據利用端子間電壓檢測手段所檢測到之各個電容器之端子間電壓，就每一個電路塊，求得作為電路塊之電壓的塊電壓；和控制手段，檢測蓄電手段之輸出電壓，依照其電壓值控制串並聯切換手段；其中控制手段在蓄電手段之充電時之情況進行：第1過程，在對蓄電手段開始充電時，以將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器串聯之方式控制串並聯切換手段； 第2過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-直流切換手段之輸入上限電壓時，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，以使j個(其中，j為1次之充電時達到輸入上限電壓之次數，且最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器成為並聯之方式控制串並聯切換手段；和第3過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-直流切換手段之輸入上限電壓前之期間，亦依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，以使j個電路塊之複數個電容器並聯之方式控制串並聯切換手段；和控制手段在蓄電手段之放電時之情況進行：第4過程，在蓄電手段開始放電時，以將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器並聯之方式控制串並聯切換手段；第5過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-直流切換手段之輸入下限電壓時，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，以使k個(其中，k為1次之放電時達到輸入下限電壓之次數，且最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器成為串聯之方式控制串並聯切換手段；和第6過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-直流切換手段之輸入下限電壓前之期間，依照利用塊電壓求出手段所求出之塊電壓之高低順序，以使k個電路塊之複數個電容器串聯之方式控制串並聯切換手段。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之使用電容器之蓄電裝置，其中在每經過指定之間隔時間，控制手段進行第3過程和第6過程。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之使用電容器之蓄電裝置，其中控制手段根據對蓄電手段之輸入電流、和來自蓄電手段之輸出電流之比較，切換蓄電手段之充電和放電之控制。
  5. 如申請專利範圍第3項之使用電容器之蓄電裝置，其中控制手段根據對蓄電手段之輸入電流、和來自蓄電手段之輸出電流之比較，切換蓄電手段之充電和放電之控制。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之使用電容器之蓄電裝置，其中蓄電手段之各個電路塊間，具備有用來切換通電/非通電之開關，控制手段使該等開關中之位於電容器並聯之電路塊間之開關成為非通電。
  7. 如申請專利範圍第5項之使用電容器之蓄電裝置，其中蓄電手段之各個電路塊間，具備有用來切換通電/非通電之開關，控制手段使該等開關中之位於電容器並聯之電路塊間之開關成為非通電。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之使用電容器之蓄電裝置，其中控制手段在蓄電手段之充電和放電時進行第7過程，其係以在利用端子間電壓檢測手段所檢測到之各個電 路塊之電容器之端子間電壓中端子間電壓為最小之電容器之端子間電壓作為基準，當該電路塊中之其他電容器之端子間電壓超過在該最小端子間電壓加上容許值後之電壓值時，以強制該超過之電容器放電之方式控制防止過充電手段。
  9. 如申請專利範圍第7項之使用電容器之蓄電裝置，其中控制手段在蓄電手段之充電和放電時進行第7過程，其係以在利用端子間電壓檢測手段所檢測到之各個電路塊之電容器之端子間電壓中端子間電壓為最小之電容器之端子間電壓作為基準，當該電路塊中之其他電容器之端子間電壓超過在該最小端子間電壓加上容許值後之電壓值時，以強制該超過之電容器放電之方式控制防止過充電手段。
  10. 如申請專利範圍第8項之使用電容器之蓄電裝置，其中每經過指定之間隔時間，控制手段進行第7過程。
  11. 一種使用電容器之蓄電裝置之控制方法，其特徵在於：當蓄電手段之充電時之情況進行：第1過程，當對具備有串聯n個(其中n為2以上之自然數)具有複數個電容器之電路塊之電路構造之蓄電手段開始充電時，將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器串聯；第2過程，當蓄電手段之輸出電壓達到將來自蓄電手段之直流輸出電壓轉換為交流輸出電壓而施加到負載之直流-交流轉換手段之輸入上限電壓時，亦依照求出之 塊電壓之高低順序，將j個(其中，j為1次之充電時達到輸入上限電壓之次數，且最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器並聯；和第3過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入上限電壓前之期間，依照求出之塊電壓的高低順序，以使j個電路塊之複數個電容器並聯方式控制串並聯切換手段；又，當蓄電手段之放電時之情況進行：第4過程，在蓄電手段開始放電時，將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器並聯；第5過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓時，依照求出之塊電壓之高低順序，將k個(其中，k為1次之放電時達到輸入下限電壓之次數，且最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器串聯；和第6過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-交流轉換手段之輸入下限電壓前之期間，依照求出之塊電壓之高低順序，將k個電路塊之複數個電容器串聯。
  12. 一種使用電容器之蓄電裝置之控制方法，其特徵在於：當蓄電手段之充電時之情況進行：第1過程，當對具備有串聯n個(其中n為2以上之自然數)具有複數個電容器之電路塊之電路構造之蓄電手段開始充電時，將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器串聯； 第2過程，當蓄電手段之輸出電壓達到將來自蓄電手段之直流輸出電壓轉換為指定之直流輸出電壓而施加到負載之直流-直流切換手段之輸入上限電壓時，依照求出之塊電壓之高低順序，將j個(其中，j為1次之充電時達到輸入上限電壓之次數，且最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器並聯；和第3過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-直流切換手段之輸入上限電壓前之期間，亦依照求出之塊電壓的高低順序，以使j個電路塊之複數個電容器並聯方式控制串並聯切換手段；又，當蓄電手段之放電時之情況進行：第4過程，在蓄電手段開始放電時，將蓄電手段之各個電路塊之複數個電容器並聯；第5過程，當蓄電手段之輸出電壓達到直流-直流切換手段之輸入下限電壓時，依照求出之塊電壓之高低順序，將k個(其中，k為1次之放電時達到輸入下限電壓之次數，且最大為n之自然數)電路塊之複數個電容器串聯；和第6過程，在蓄電手段之輸出電壓再度達到直流-直流切換手段之輸入下限電壓前之期間，依照求出之塊電壓之高低順序，將k個電路塊之複數個電容器串聯。
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