WO2019053934A1

WO2019053934A1 - キャパシタ電源装置

Info

Publication number: WO2019053934A1
Application number: PCT/JP2018/015824
Authority: WO
Inventors: 武雄岩井
Original assignee: 武雄岩井
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2019-03-21
Also published as: JP6418705B1; JP2019054640A

Abstract

【課題】電気自動車などの回生電力を余すことなく蓄電し、その電力を無駄なく活用するため、キャパシタに充電された電圧に応じて段階的にキャパシタを自動的に組み合わせ、直列又は並列に接続して蓄電された電力を最大限出力するキャパシタ電源装置を提供する。【解決手段】キャパシタユニットそれぞれを直列に接続する複数の第１スイッチング素子と、並列に接続する複数の第２スイッチング素子と、組分けする組分スイッチング素子と、キャパシタユニットの電圧を検出し、検出された該電圧が基準電圧よりも低いときは、キャパシタユニットの全てを直列に接続する第１信号を出力し、基準電圧よりも高いときは、キャパシタユニットの全てを並列に接続する第２信号を出力し、記基準電圧にほぼ等しいときは組分けされた各組のキャパシタユニットを直列に接続すると共に、各組相互を並列に接続する第３信号を出力する電圧検出手段と、を備えた。

Description

キャパシタ電源装置

　本発明は、キャパシタに蓄電された電圧を検出し、検出された電圧に基づいてキャパシタを自動的に組み合わせることにより電圧変動幅が比較的少ないハイパワーな電力を給電することができるキャパシタ電源装置に関する。

電気自動車の電源に用いるバッテリには、高い電圧が得られ、エネルギー密度が大きく、サイクル寿命が長いリチウムイオン電池が多用されている。しかしながら、リチウムイオン電池は高価なため、航続距離を長くしようと積載量を増やせば、自動車が自ずと高価格になる。また、化学反応によって蓄電するため、内部抵抗が高く、大きな電力を瞬間的に放出することができない。
一方、キャパシタは、内部抵抗が極めて低く、損失が少ないので発熱しにくいが、エネルギー密度が小さいので長時間使用することができない。
しかしながら、パワー密度が高いので瞬間的に大電力を放出できるうえ、充放電を繰り返しても劣化せず、長寿命である。また、２次電池では困難な低電圧による蓄電も可能であり、かつ動作温度範囲が広いという特長がある。
そこで、リチウムイオン電池などや燃料電池、太陽電池等とキャパシタとを組み合わせた電源装置が提案されており、特に電気自動車の回生電力を効率的に活用する提案が多数なされている。
例えば、アクセルセンサが加速のタイミングを検知すると、電気二重層コンデンサから給電し、その電圧がバッテリ電圧より低下したらバッテリから給電する一方、ブレーキセンサが減速時を検知したら、発電電力をインバータで直流に変換し、変換された直流の電圧が電気二重層コンデンサを充電するのにふさわしい電圧になるようにコンバータで降圧する電気自動車電源制御装置が開示されている（特許文献１）。
しかしながら、この方法は、路線バスのように短距離毎に停車する走行においては有効であるが、一般の自動車のように長距離乃至は長時間走行するものには適用できない。
そこで、インバータへの直流電流の大きさと方向を検出して加速時か回生時かを判定し、加速時においては、その直流電流が規定電流以下の場合は、コンバータをオフにし、規定電流を超える場合には超える分を電気二重層コンデンサから供給するようにコンバータを昇圧制御し、減速時においては、直流電流が規定電流以下の場合にはコンバータをオフにし、超える場合は超える分を電気二重層コンデンサに充電するようにコンバータを降圧制御する電気自動車電源制御装置が開示されている（特許文献２）。
また、電力変換回路（コンバータ）を常時作動させるのは、電力損失が大きいので、キャパシタの端子電圧が予め定められた範囲内の場合は、電力変換回路を停止してキャパシタの電力で走行し、予め定められた範囲から外れた場合は、電力変換回路を作動させ、キャパシタの端子電圧が予め定められた範囲を上回るときは、キャパシタの電力で２次電池を充電し、下回るときは、２次電池からキャパシタを充電する車両の制御装置が開示されている（特許文献３参照）。
　しかしながら、一つのキャパシタに回生電力を充電し、その回生電力で加速時に要する変動電力を賄う方法は、キャパシタの充放電による電圧の変動が極めて激しいうえ、その電圧によってコンバータなどを制御するのでは、制御が複雑になる。　そこで、本出願人は、減速時には回生電力を昇圧して、外部電源による充電時には、直接大容量のキャパシタに蓄電し、その電力を走行時に中容量のキャパシタに移して発進や加速などに使用することにより回生電力を効率的に活用し、大容量のキャパシタから中容量のキャパシタへの電力の充放電は、複雑な制御手段によることなく、給電や回生を制御する制御信号とＩＧＢＴなどのスイッチング素子で簡便に行うことができる駆動用電源装置（特許文献４参照）を提案している。

特開平６－８６４０７号公報特許第３４３０７０９号公報特許第４１９２６５８号公報特許第５８１９０２１号公報

しかしながら、大容量キャパシタと中容量キャパシタを用い、回生電力を昇圧して大容量キャパシタに充電し、その電力を走行時に中容量キャパシタに移して発進や加速などに使用する方法は、チャージポンプ式の昇圧回路が必要なうえ、チャージするまでに余分な時間を要する。
本発明は上記事情に鑑み、電気自動車などの回生電力を余すことなく蓄電してその電力を無駄なく活用することや、急加速などに必要な電力を賄うため、キャパシタに充電された電圧に応じて段階的に、自動的に組み合わせて、直列又は並列に接続することにより電圧変動の比較的少ないキャパシタ電源装置を提供することを目的とする。

本発明のキャパシタ電源装置は、1つのキャパシタ若しくは直列に接続された複数のキャパシタからなる複数のキャパシタユニットそれぞれに蓄電された電荷に応じて該キャパシタユニットそれぞれを自動的に直列又は並列に組み合わせ、電荷を充放電する電源装置であって、上記キャパシタユニットそれぞれを直列に接続する複数の第１スイッチング素子と、上記キャパシタユニットそれぞれを並列に接続する複数の第２スイッチング素子と、上記キャパシタユニットを組分けする組分スイッチング素子と、
上記キャパシタユニットの電圧を検出し、検出された該電圧が基準電圧よりも低い第１区分に属するときは、上記第１スイッチング素子のみをONにして上記キャパシタユニットの全てを直列に接続する第１信号を出力し、検出された該電圧が該基準電圧よりも高い第２区分に属するときは、上記第２スイッチング素子のみをONにして該キャパシタユニットの全てを並列に接続する第２信号を出力し、検出された該電圧が該記基準電圧にほぼ等しい第３区分に属するときは上記組分スイッチング素子をONにして組分けされた各組の上記キャパシタユニットを直列に接続すると共に、各組相互を並列に接続する第３信号を出力する電圧検出手段と、を備えたことを特徴とする。
　このように、キャパシタユニットの電圧を検出して、その電圧に応じた信号を出力し、その信号によって複数のキャパシタユニットそれぞれを直列に接続する複数の第１スイッチング素子や複数のキャパシタユニットそれぞれを並列に接続する複数の第２スイッチング素子をONにしたりOFFにしたり、組分けした各組のキャパシタユニットを直列に接続すると共に、各組相互を並列に接続する第３スイッチング素子をONにしたりOFFにしたりすれば、キャパシタユニットに蓄電された電圧に応じて段階的にキャパシタユニットを自動的に組み合わせれば、蓄電された電力を最大限度まで出力することができる。
　その場合、上記電圧検出手段は、降伏電圧が異なる複数のツエナーダイオードを備え、該ツエナーダイオードそれぞれが降伏したときに上記電圧領域に区分した信号を生成し、降伏電圧が相対的に高い上記ツエナーダイオードと相対的に低い該ツエナーダイオードとが共に降伏したときは、降伏電圧が相対的に高い該ツエナーダイオードで生成された上記信号のみを出力させるように構成することができる。
　電圧検出手段をこのように構成すれば、検出された電圧を複数の電圧領域に区分し、区分に応じた信号のみを出力することができる。
　また、上記組分スイッチング素子がＯＮになるとＯＦＦになり、該組分スイッチング素子がＯＦＦになるとＯＮになる、少なくとも１つの第３スイッチング素子及び複数の第４スイッチング素子を備え、一部の上記第１スイッチング素子は、上記第３スイッチング素子を介して上記第１信号又は第３信号が入力し、一部の上記第２スイッチング素子は、上記第４スイッチング素子を介して上記第２信号のみが入力し、他の該第２スイッチング素子は、上記第２信号又は上記第３信号が直接入力するようにできる。

本発明のキャパシタ電源装置は、1つのキャパシタ若しくは直列に接続された複数のキャパシタからなる複数のキャパシタユニットそれぞれに蓄電された電荷に応じて該キャパシタユニットそれぞれを自動的に直列又は並列に組み合わせ、電荷を充放電する電源装置であって、上記キャパシタユニットそれぞれを直列に接続する複数の第１スイッチング素子と、上記キャパシタユニットそれぞれを並列に接続する複数の第２スイッチング素子と、上記キャパシタユニットの電圧を検出し、検出された該電圧が基準電圧よりも低い第１区分に属するときは、上記第１スイッチング素子のみをONにして上記キャパシタユニットの全てを直列に接続する第１信号を出力し、検出された該電圧が該基準電圧よりも高い第２区分に属するときは、上記第２スイッチング素子のみをONにして該キャパシタユニットの全てを並列に接続する第２信号を出力する電圧検出手段と、を備えたことを特徴とする。
　このようにすれば、複数のキャパシタユニット全てを容易に直列に接続することも、キャパシタユニット全てを容易に並列に接続することもできる。
その場合、上記電圧検出手段は、降伏電圧が異なる複数のツエナーダイオードを備え、該ツエナーダイオードそれぞれが降伏したときに上記信号を生成し、該降伏電圧が相対的に高い該ツエナーダイオードと相対的に低い該ツエナーダイオードとが共に降伏したとき、該降伏電圧が相対的に高い該ツエナーダイオードにより生成された該信号のみを出力させるようにすればよい。

本発明のキャパシタ電源装置によれば、１つまたは複数のキャパシタからなるキャパシタユニットに充電された電圧に応じて、複数のキャパシタユニットすべてを自動的に直列に接続することや、すべてを自動的に並列に接続することはもとより、複数のキャパシタユニットのうちの幾つかを直列に接続した複数の組に自動的に組分けし、組相互を自動的に並列に接続することができる。従って、キャパシタユニットの電圧が基準電圧よりも高いときは、並列に、基準電圧よりも低いときは直列に、基準電圧にほぼ等しいときは直列と並列とを組み合わせることにより、複数のキャパシタユニットそれぞれに蓄電された電力を最大限度まで活用することができる。

図１は、第１のキャパシタ電源装置を示す図である。図２は、第１のキャパシタ電源装置における電圧検出手段の一例を示す図である。図３は、第２のキャパシタ電源装置を示す図である。図４は、第２のキャパシタ電源装置における電圧検出手段の一例を示す図である。

以下に、本発明のキャパシタ電源装置の実施形態について、図に基づいて説明する。但し、説明の都合上、請求項４から５に記載のものを第１のキャパシタ電源装置とし、請求項１から３に記載のものを第２のキャパシタ電源装置として説明する。
図１は、第１のキャパシタ電源装置の実施形態を示す図である。
図１に示す第１のキャパシタ電源装置１は、電力の入出力端子３と、信号の入力端子（A、B)４と、1つ又は複数のキャパシタからなる4つのキャパシタユニット（C1、C２、C３、C4）１０と、キャパシタユニット１０それぞれを直列に接続する３つの第１スイッチング素子（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）１１と、4つのキャパシタユニット（C1、C２、C３、C4）１０それぞれを並列に接続する６つの第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）１２と、4つのキャパシタユニット（C1、C２、C３、C４）１０のうち、アースEに直接接続される１つのキャパシタユニット（C1）１０の電圧を検出し、検出した電圧の区分に応じた信号を出力する第１の電圧検出手段２０と、を備えている。
すなわち、第１の電圧検出手段２０は、検出された電圧が基準電圧Ｖ０よりも低い第１区分に属するときはA端子に第１信号を出力し、基準電圧Ｖ０よりも高い第２区分に属するときはB端子に第２信号を出力する。
第１スイッチング素子（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）及び第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）は、ゲートGに信号が入力するとコレクタとエミッタ間が導通するIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等によって構成されている。
そして、コレクタとエミッタ間にはIGBTとは逆方向に通電するダイオードDが接続され、キャパシタユニット１０への充電電流を通電すると共に、サージ電圧等をバイパスする役目も兼ねている。
３つの第１スイッチング素子（Ｓ1、Ｓ２、Ｓ３）１１は、ゲートGがＡ端子に接続されているので、Ａ端子のみに第１信号が入力すると、３つの第１スイッチング素子（Ｓ1、Ｓ２、Ｓ３）１１それぞれがONとなり、４つのキャパシタユニット（C1、C２、C３、C4）１０は直列に接続される。
また、６つの第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）１２は、ゲートGがＢ端子に接続されているので、Ｂ端子のみに第２信号が入力すると、６つの第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）１２それぞれがＯＮとなり、４つのキャパシタユニット（C1、C２、C３、C4）１０の電力の入出力端子３側は、それぞれが電力の入出力端子３に共通に接続され、４つのキャパシタユニット（C1、C２、C３、C4）１０のアースE側は、それぞれアースEに共通に接続されているので、４つのキャパシタユニット（C1、C２、C３、C4）１０は並列に接続される。
ここで、本実施形態の第１のキャパシタ電源装置１は、４つのキャパシタユニット１０で構成されているが、キャパシタユニット１０は、４つに限定する必要はなく、２つでも、３つでも、５つ以上であってもよい。

図２は、第１の電圧検出手段の一例を示す図である。
図２に示す第１の電圧検出手段２０は、２つのツエナーダイオード（Ｚ１、Ｚ２）２３と、バイポーラトランジスタ等からなる４つのスイッチング素子（ｔ２、ｔ３、ｔ７、ｔ８）２４と、１０の抵抗Rと、信号の入力端子（A、B）４にそれぞれの信号を出力する端子とにより構成されている。
そして、キャパシタユニット（C1）１０における電力の入出力側とアースEとの間に接続されることにより、キャパシタユニット（C1）１０の電圧を検出し、信号の入力端子（A、B）４のうちのＡ端子には第１信号を出力し、Ｂ端子には第２信号を出力する。
その場合、一方のツエナーダイオード（Ｚ１）２３は、降伏電圧が基準電圧Ｖ０よりも低いものを用い、他方のツエナーダイオード（Ｚ２）２３は、降伏電圧が基準電圧Ｖ０よりも高いものを用いる。
ここで、基準電圧V０は、一般的に、第１のキャパシタ電源装置１と並列に接続される２次電池の電圧に設定されるが、必ずしもそのように設定する必要はなく、任意の電圧に設定することができる。
また、４つのスイッチング素子（ｔ２、ｔ３、ｔ７、ｔ８）２４それぞれは、ゲートGに電圧が加わるとＯＮになり、電位がゼロのときはＯＦＦになる。
そして、キャパシタユニット（C1）１０の電圧が基準電圧Ｖ０よりも低い第１区分に属するときはＡ端子に第１信号を出力し、検出された電圧が基準電圧Ｖ０よりも高い第２区分に属するときはＢ端子に第２信号を出力する。
すなわち、検出された電圧が第１区分に属し、ツエナーダイオード（Ｚ１）２３のみが降伏する場合は、ツエナーダイオード（Ｚ１）２３に接続された５つの抵抗Rに電流が流れる。その結果、スイッチング素子（ｔ３、ｔ7）２４は、ゲートGに抵抗に分圧が加わり、ＯＮになるが、スイッチング素子（ｔ２、ｔ８）２４のゲートGは電位がゼロであるので、ＯＦＦとなる。従って、Ａ端子のみに第１信号が出力される。
また、検出された電圧が第２区分に属し、２つのツエナーダイオード（Ｚ１、Ｚ２）２３が共に降伏する場合は、ツエナーダイオード（Ｚ１）２３に接続された５つの抵抗Rに加え、ツエナーダイオード（Ｚ２）２３に接続された５つの抵抗Rにも電流が流れる。その結果、スイッチング素子（ｔ２）２４は、ゲートGに抵抗Rの分圧が加わり、ＯＮになるので、スイッチング素子（ｔ３、ｔ７）２４のゲートGは電位がゼロになり、スイッチング素子（ｔ３、ｔ７）２４はＯＦＦになる。そして、スイッチング素子（ｔ８）は、スイッチング素子（ｔ３）２４がＯＦＦになったのでゲートGに電位が生じ、ＯＮになる。従って、Ｂ端子のみに第２信号が出力される。

例えば、基準電圧V０を１００Vとし、ツエナーダイオード（Ｚ１）２３の降伏電圧を５０V、ツエナーダイオード（Ｚ２）の降伏電圧を２００Vに設定したと仮定する。
キャパシタユニット（C1）１０の電圧が基準電圧Ｖ０よりも高い２２０Vである場合は、B端子のみに第２信号が出力され、キャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０が全て並列に接続されるので、第１のキャパシタ電源装置１の電圧は２２０Vになる。
また、キャパシタユニット（C1）１０の電圧が基準電圧Ｖ０よりも低い５５Vの場合には、Ａ端子のみに第１信号が出力され、キャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０が全て直列に接続されるので、第１のキャパシタ電源装置１の電圧は２２０Vになる。
すなわち、本実施形態の第１のキャパシタ電源装置１は、概ね２００V乃至それよりもやや高い電圧の電力を出力することができる。
従って、第１のキャパシタ電源装置１は、変動の少ない電圧で電力を給電することができる。
また、第１のキャパシタ電源装置１に２次電池等が並列に設置されていれば、第１のキャパシタ電源装置１の電力が消費されて電圧がかなり低くなったときは、第１のキャパシタ電源装置は、２次電池等から自動的に充電される。その場合、電流制御のためにインバータを使用してもよく、そのインバータを、さらに回生電力の回収のために使用してもよい。
ここで示した第１の電圧検出手段２０は、降伏電圧の異なる２つのツエナーダイオード２３と４つのスイッチング素子２４等を用いて電圧領域を区分し、区分に応じた信号を生成する方法を用いているが、この方法は一例であって、必ずしもこの方法に限定する必要はない。
例えば、検出された電圧をデジタル化して電圧領域を区分し、区分された電圧に従って自動的に信号を出力する回路構成としてもよい。

次に第２のキャパシタ電源装置の実施形態について説明する。
第２のキャパシタ電源装置２は、第１のキャパシタ電源装置１に比べると、キャパシタユニット（C1）１０の電圧を３つに区分し、区分に応じて３つの信号を出力する点、キャパシタユニット（C1）１０の電圧が、基準電圧Ｖ０にほぼ等しい第３区分に属するときには、キャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０を組分けし、各組に属するキャパシタユニット１０を直列に接続する一方、各組相互を並列に接続する点が相違する。

図３は、第２のキャパシタ電源装置の実施形態を示す図である。
図３に示す第２のキャパシタ電源装置２は、電力の入出力端子３と、信号の入力端子（A、B、Ｃ)４と、1つ又は複数のキャパシタからなる４つのキャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０と、キャパシタユニット１０それぞれを直列に接続する３つの第１スイッチング素子（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）１１と、4つのキャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０それぞれを並列に接続する６つの第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）１２と、４つのキャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０を２つずつの２組に組分けする、組分スイッチング素子（Ｓ１０）１３と、組分スイッチング素子（Ｓ１０）１３がON/OFFすると動作する第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４及び第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）１５と、２つのダイオードDと、７つの抵抗Rと、１つのキャパシタユニット（C1）１０の電圧を検出し、信号の入力端子（A、B、Ｃ)４それぞれに第１信号、第２信号、又は第３信号を出力する第２の電圧検出手段２１とを備えている。
第２の電圧検出手段２１が電圧を検出するのは、４つのキャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０のうちアースEに直接接続されたキャパシタユニット（C1）１０で、検出された電圧が基準電圧Ｖ０よりも高いときは第１信号をA端子に出力し、基準電圧Ｖ０よりも低いときは第２信号をB端子に出力し、基準電圧V０にほぼ等しいときは第３信号をC端子に出力する。

第１スイッチング素子（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）１１及び第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）１２は、ゲートGに信号が入力するとコレクタとエミッタ間が導通するIGBT等によって構成されている。そして、コレクタとエミッタ間には導通方向とは逆向きにダイオードDが接続されており、キャパシタユニット１０への充電電流を通電すると共に、サージ電圧等をバイパスする役目を兼ねている。
また、組分スイッチング素子（Ｓ１０）１３、第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４及び２つの第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）１５は、バイポーラ型のトランジスタ等で構成されている。
なお、ここで示す第２のキャパシタ電源装置２は、キャパシタユニット１０を２組に組分けする組分スイッチング素子（Ｓ１０）１３が１つ、第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４が１つ、第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）１５が２つ設置されている。
しかしながら、組分けは２つに限定する必要はなく、３組以上に組分けしてもよい。
また1組に含まれるキャパシタユニット１０は、1つであってもよいし、３つ以上であってもよい。その場合、第３スイッチング素子は少なくとも２つ、第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）は少なくとも３つ設置する必要がある。

３つの第１スイッチング素子（Ｓ1、Ｓ２、Ｓ３）１１のうち、２つの第１スイッチング素子（Ｓ1、Ｓ３）１１のゲートGは、Ａ端子に直接接続されているので、第１信号がＡ端子に入力すると、それらがONになり、２つのキャパシタユニット（C1、C２）１０が直列に接続された組と、２つのキャパシタユニット（C３、C4）１０が直列に接続された組とに分けられる。
そして、１つの第１スイッチング素子（Ｓ２）１１は、第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４を介してＡ端子に接続されているので、第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４がＯＮのときは、第１スイッチング素子（Ｓ２）１１もONになる。
その結果、キャパシタユニット（C1、C２）１０の組とキャパシタユニット（C３、C4）１０の組は、直列に接続されるので、４つのキャパシタユニット（C1、C２、C３、C4）１０全てが直列に接続される。

しかし、第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４がＯＦＦのときは、キャパシタユニット（C1、C２）１０の組とキャパシタユニット（C３、C4）１０の組は、組分けされたままの状態になる。
また、６つの第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）１２のうち、２つの第２スイッチング素子（Ｓ５、Ｓ８）１２は、ゲートGがＢ端子に直接接続されているので、第２信号がＢ端子に入力すると、２つの第２スイッチング素子（Ｓ５、Ｓ８）１２それぞれがONになる。
そして、残りの４つの第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ９）１２は、第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）１５を介してＢ端子に接続されているので、第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）１５がＯＮの場合には、第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ９）１２それぞれもONになり、４つのキャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０全てが並列に接続される。

しかし、第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）１５がＯＦＦの場合には、第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４もＯＦＦになるので、組分けされている、キャパシタユニット（C1、C２）１０の組とキャパシタユニット（C３、C4）１０の組は、第２スイッチング素子（Ｓ５、Ｓ８）１２がONなっているので並列に接続される。
一方、第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４及び２つの第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）５は、ゲートGに、電力の入出力端子３からの抵抗による分圧が印加されるので、組分スイッチング素子（Ｓ１０）１３がＯＦＦの場合には、その分圧によって第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４及び２つの第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）５は、ONになっている。
その状態のとき、Ａ端子に第１信号が入力すると第１スイッチング素子（Ｓ２）１１もONになるので、４つのキャパシタユニット（C1、C２、C３、C4）１０全てが直列に接続される。また、Ｂ端子に第２信号が入力すると４つの第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ９）１２もONになるので、４つのキャパシタユニット（C1、C２、C３、C4）１０全てが並列に接続される。

一方、組分スイッチング素子（Ｓ１０）１３のゲートGにはＣ端子が接続されているので、第３信号がＣ端子に入力すると、組分スイッチング素子（Ｓ１０）１３がＯＮになる。その結果、電力の入出力端子３からの抵抗Rによる分圧は短絡され、第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４及び２つの第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）１５それぞれは、ゲートG電圧がゼロになり、OFFになる。
また、第１スイッチング素子（Ｓ1、Ｓ３）１１、及び第２スイッチング素子（Ｓ５、Ｓ８）１２は、それぞれ別個のダイオードD及び抵抗Rを介してC端子に接続されている。
従って、Ｃ端子に第３信号が入力すると、第１スイッチング素子（Ｓ1、Ｓ３）１１及び第２スイッチング素子（Ｓ５、Ｓ８）１２それぞれがＯＮになり、組分けされているキャパシタユニット（C1、C２）１０の組とキャパシタユニット（C３、C4）１０の組が並列に接続される。

以上の通り、Ａ端子のみに第１信号が入力すると、３つの第１スイッチング素子（Ｓ1、Ｓ２、Ｓ３）１１が全てＯＮになり、４つのキャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０は全てが直列に接続される。
また、Ｂ端子のみに第２信号が入力すると、第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４及び２つの第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）１５がＯＮになり、６つの第２スイッチング素子（Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）１２もすべてＯＮとなって、４つのキャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０全てが並列に接続される。
そして、Ｃ端子のみに第３信号が入力すると、組分スイッチング素子（Ｓ１０）１３がＯＮになるので、第３スイッチング素子（Ｓ１１）１４と第４スイッチング素子（Ｓ１２、Ｓ１３）１５とがＯＦＦになる一方、２つの第１スイッチング素子（Ｓ1、Ｓ３）１１及び２つの第２スイッチング素子（Ｓ５、Ｓ８）１２がＯＮになるので、２つのキャパシタユニット（C1、C２）１０が直列に接続された組と２つのキャパシタユニット（C３、C4）１０が直列に接続された組とが並列に接続される。

以上に説明した通り、第２のキャパシタ電源装置２は、４つのキャパシタユニット１０で構成されているが、キャパシタユニット１０は、４つに限定する必要はなく、２つでも、３つでも、５つ以上であってもよい。また、２つずつのキャパシタユニット１０によって２つの組を構成しているが、組を構成するキャパシタユニット１０は必ずしも同数である必要はなく、奇数の組と偶数の組を設けてもよい。また組数は、必ずしも２組に限定する必要はなく、３組以上にすることもできる。
また、第２のキャパシタ電源装置に２次等が並列に接続されていれば、第２のキャパシタ電源装置の電力が消費され電圧が低くなったときは、２次電池等から充電することができる。その場合、電流制御のためにインバータを使用してもよく、そのインバータをさらに回生電力の回収に使用することもできる。

図４は、第２の電圧検出手段の一例を示す図である。
図４に示す第２の電圧検出手段２１は、３つのツエナーダイオード（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）２３と、バイポーラトランジスタ等からなる９つのスイッチング素子（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８、ｔ９）２４と、１５個の抵抗Rと、信号の入力端子（Ａ、Ｂ、Ｃ）４それぞれに対応する出力端子と、によって構成されている。
３つのツエナーダイオード（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）２３は、降伏電圧が基準電圧Ｖ０よりも低いツエナーダイオード（Ｚ１）２３と、基準電圧Ｖ０にほぼ等しいツエナーダイオード（Ｚ３）２３と、基準電圧Ｖ０よりも高いツエナーダイオード（Ｚ２）２３が用いられる。
そして、キャパシタユニット（C1）１０における電力の入出力側とアースEとの間に第２の電圧検出手段２１を接続してキャパシタユニット（C1）１０の電圧を検出して、検出された電圧区分に対応する信号を出力端子に出力する。
すなわち、ツエナーダイオード（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）２３によって３区分された電圧領域を検出して抵抗Rの分圧による信号を生成し、９つのスイッチング素子（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８、ｔ９）２４によって、区分に応じた信号を出力する。
検出した電圧が基準電圧VOよりも低い第１区分に属するときは、ツエナーダイオード（Ｚ１）２３のみが降伏して第１信号のみが生成される。
また、検出した電圧が基準電圧VOにほぼ等しい第３区分に属するときは、ツエナーダイオード（Ｚ１）２３とツエナーダイオード（Ｚ３）２３とが降伏するので、第１信号と第３信号の２つが生成される。
さらに、検出した電圧が基準電圧VOよりも高い第２区分に属するときは、３つのツエナーダイオード（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）２３が全て降伏し、第１信号、第２信号、及び第３信号が生成される。
そして、生成された複数の信号を、９つのスイッチング素子（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８、ｔ９）２４をON/OFFさせることにより、降伏電圧が相対的に高いツエナーダイオードから出力された信号のみを選別して、対応する出力端子に出力する。
　例えば、基準電圧を１００Vとし、ツエナーダイオード（Ｚ１）２３は、降伏電圧が概ね５０V、ツエナーダイオード（Ｚ２）２３は、降伏電圧が概ね２００V、そしてツエナーダイオード（Ｚ３）２３は、降伏電圧がほぼ１００Vであるとすれば、ツエナーダイオード（Ｚ１）２３が検出する電圧領域の第１区分とは、５０V以上の電圧となり、ツエナーダイオード（Ｚ２）２３が検出する電圧領域の第２区分とは、２００V以上の電圧、ツエナーダイオード（Ｚ３）２３が検出する電圧領域の第３区分とは、１００V前後の電圧となる。
そこで、電圧領域の第２区分や第３区分には相対的に低い電圧領域の区分が包含されることになるので、それら包含される区分において生成された信号は排除する必要がある。
すなわち、複数のツエナーダイオードが降伏した場合は、降伏電圧が相対的に低いツエナーダイオードで生成された信号を排除し、降伏電圧が相対的に高いツエナーダイオードで生成された信号のみを出力する。
ただし、ここに示す基準電圧や降伏電圧の数値は一例であって、ここで示した数値に限定する必要はない。

図４において、キャパシタユニット（C1）１０の電圧が基準電圧Ｖ０よりも低い第１区分に属するときはツエナーダイオード（Ｚ１）２３のみが降伏し、ツエナーダイオード（Ｚ１）２３に接続された５つの抵抗Rに電流が流れる。その結果、スイッチング素子（ｔ３、ｔ５、ｔ７）２４は、ゲートGに抵抗の分圧が加わるのでONになる。
また、スイッチング素子（ｔ８、ｔ９）２４は、スイッチング素子（ｔ３、ｔ５）２４がONになるため、ゲートGの電位がゼロとなり、OFFになる。従って、入力端子（B,C）に対応する出力端子はOFFで、入力端子（A）に対応する出力端子のみがONになり、ツエナーダイオード（Ｚ１）２３に接続された抵抗Rの分圧による第１信号が出力される。

また、検出された電圧が基準電圧Ｖ０にほぼ等しい第３区分に属するときは、２つのツエナーダイオード（Ｚ１、Ｚ３）２３が共に降伏し、ツエナーダイオード（Ｚ３）２３に接続された５つの抵抗Rにも電流が流れる。その結果、スイッチング素子（ｔ１、ｔ４）２４のゲートに電圧が加わり、スイッチング素子（ｔ１、ｔ４）２４がONになる。
一方、スイッチング素子（ｔ１、ｔ４）２４がONになったので、スイッチング素子（ｔ７、ｔ８）２４は、ゲートGの電位がゼロになりOFFになる。そして、スイッチング素子（ｔ１）２４がONになると、スイッチング素子（ｔ３、ｔ５）２４は、ゲートGの電位がゼロになるのでOFFになるが、スイッチング素子（ｔ９）２４はゲートGの電位が生じ、ONになる。
また、スイッチング素子（ｔ８）２４は、スイッチング素子（ｔ３）２４がOFFになったが、スイッチング素子（ｔ４）２４がONになったのでゲートGの電位はゼロであり、OFFのままである。従って、入力端子（C）に対応する出力端子のみがONになり、第３信号が出力される。

さらに、検出された電圧が基準電圧Ｖ０よりも高い第２区分に属するときは、３つのツエナーダイオード（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）２３が全て降伏し、ツエナーダイオード（Ｚ２）２３に接続された５つの抵抗Rにも電流が流れる。その結果、スイッチング素子（ｔ２、ｔ６）２４のゲートに抵抗Rの分圧が加わり、ONになる。そして、スイッチング素子（ｔ７、ｔ９）２４は、ゲートGの電位がゼロになり、OFFになる。また、スイッチング素子（ｔ６）２４がONになった結果、スイッチング素子（ｔ４）２４のゲートGの電位がゼロになるので、スイッチング素子（ｔ３、ｔ４）２４はOFFとなり、スイッチング素子（ｔ８）２４は、ゲートGの電位が生じるので、OFFからONになる。従って、入力端子（B）に対応する出力端子のみがONになり、第２信号が出力される。

以上の通り、第２のキャパシタ電源装置２は、キャパシタユニット（C1）１０の電圧が基準電圧Ｖ０よりも低い第１区分に属する、例えば５０Vになったときは、Ａ端子に第１信号が出力され、４つのキャパシタユニット（C1、C２、C3、C4）１０が全て直列に接続されるので第２のキャパシタ電源装置２の電圧は２００Vになる。
また、キャパシタユニット（C1）１０の電圧が基準電圧Ｖ０よりも高い第２区分に属する、例えば２００Vのときは、Ｂ端子に第２信号が出力され、４つのキャパシタユニット（C1、C2、C3、C4）１０が全て並列に接続されるので、第２のキャパシタ電源装置２の電圧が２００Vになる。
そして、キャパシタユニット（C1）１０の電圧が基準電圧Ｖ０にほぼ等しい第３区分に属する、例えば１００Vのときは、Ｃ端子に第３信号が出力され、キャパシタユニット（C1、C２）１０の組とキャパシタユニット（C3、C4）１０の組に組分けされる。そしてそれぞれの組は直列に接続され、各組相互は並列に接続されるので、第２のキャパシタ電源装置２の電圧は２００Vになる。
第２のキャパシタ電源装置２は、第１のキャパシタ電源装置１よりも、キャパシタユニット（C1）１０の電圧をさらにきめ細かく区分することができるので、充電された電力を効率的に出力することができる。
ここで、第２の電圧検出手段２１はキャパシタユニット（C1）１０の電圧を３つに区分しているが、区分は必ずしも３つに限定する必要はなく、区分の数を増やすと同時に、組分け数をさらに増やすことにより、電力を充放電する際の電圧の変動幅をより小さくすることができる。

電気自動車、バスのみならず、エレベータ、フォークリフトなどの産業用機械、　電動車椅子、ゴルフ場の電動カートなど発進と制動とを繰り返す駆動用モータの電源などに適用できる。

　１　　　　第１のキャパシタ電源装置
　２　　　　第２のキャパシタ電源装置
　３　　　　電力の入出力端子
　４　　　　信号の入力端子
　１０　　　キャパシタユニット
　１１　　　第１スイッチング素子
　１２　　　第２スイッチング素子
　１３　　　組分スイッチング素子
　１４　　　第３スイッチング素子
　１５　　　第４スイッチング素子
　２０　　　第１の電圧検出手段
　２１　　　第２の電圧検出手段
　２３　　　ツエナーダイオード
　２４　　　スイッチング素子

Claims

1つのキャパシタ若しくは直列に接続された複数のキャパシタからなる複数のキャパシタユニットそれぞれに蓄電された電荷に応じて該キャパシタユニットそれぞれを自動的に直列又は並列に組み合わせ、電荷を充放電する電源装置であって、
前記キャパシタユニットそれぞれを直列に接続する複数の第１スイッチング素子と、
前記キャパシタユニットそれぞれを並列に接続する複数の第２スイッチング素子と、
前記キャパシタユニットを組分けする組分スイッチング素子と、
前記キャパシタユニットの電圧を検出し、検出された該電圧が基準電圧よりも低い第１区分に属するときは、前記第１スイッチング素子のみをONにして前記キャパシタユニットの全てを直列に接続する第１信号を出力し、検出された該電圧が該基準電圧よりも高い第２区分に属するときは、前記第２スイッチング素子のみをONにして該キャパシタユニットの全てを並列に接続する第２信号を出力し、検出された該電圧が該記基準電圧にほぼ等しい第３区分に属するときは前記組分スイッチング素子をONにして組分けされた各組の前記キャパシタユニットを直列に接続すると共に、各組相互を並列に接続する第３信号を出力する電圧検出手段と、を備えたことを特徴とするキャパシタ電源装置。

前記電圧検出手段は、降伏電圧が異なる複数のツエナーダイオードを有し、該ツエナーダイオードそれぞれが降伏したときに前記信号を生成し、該降伏電圧が相対的に高い該ツエナーダイオードと相対的に低い該ツエナーダイオードとが共に降伏したとき、該降伏電圧が相対的に高い該ツエナーダイオードにより生成された該信号のみを出力させることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ電源装置

前記組分スイッチング素子がＯＮになるとＯＦＦになり、該組分スイッチング素子がＯＦＦになるとＯＮになる、少なくとも１つの第３スイッチング素子及び複数の第４スイッチング素子を備え、
一部の前記第１スイッチング素子は、前記第３スイッチング素子を介して前記第１信号又は前記第３信号が入力し、
一部の前記第２スイッチング素子は、前記第４スイッチング素子を介して前記第２信号が入力し、他の該第２スイッチング素子は、前記第２信号又は前記第３信号が直接入力することを特徴とする請求項１記載のキャパシタ電源装置。

1つのキャパシタ若しくは直列に接続された複数のキャパシタからなる複数のキャパシタユニットそれぞれに蓄電された電荷に応じて該キャパシタユニットそれぞれを自動的に直列又は並列に組み合わせ、電荷を充放電する電源装置であって、
前記キャパシタユニットそれぞれを直列に接続する複数の第１スイッチング素子と、
前記キャパシタユニットそれぞれを並列に接続する複数の第２スイッチング素子と、
前記キャパシタユニットの電圧を検出し、検出された該電圧が基準電圧よりも低い第１区分に属するときは、前記第１スイッチング素子のみをONにして前記キャパシタユニットの全てを直列に接続する第１信号を出力し、検出された該電圧が該基準電圧よりも高い第２区分に属するときは、前記第２スイッチング素子のみをONにして該キャパシタユニットの全てを並列に接続する第２信号を出力する電圧検出手段と、を備えたことを特徴とするキャパシタ電源装置。

前記電圧検出手段は、降伏電圧が異なる複数のツエナーダイオードを有し、該ツエナーダイオードそれぞれが降伏したときに前記信号を生成し、該降伏電圧が相対的に高い該ツエナーダイオードと相対的に低い該ツエナーダイオードとが共に降伏したとき、該降伏電圧が相対的に高い該ツエナーダイオードにより生成された該信号のみを出力させることを特徴とする請求項４記載のキャパシタ電源装置