JP2007020368A - 蓄電素子の電圧均等化装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】どのような動作点にあっても、蓄電素子間の電圧均等化動作を行えるとともに、定常的なエネルギーロスを最小限に抑える組蓄電池の電圧均等化装置と方法を提供する。
【解決手段】電圧均等化コンデンサと組蓄電池を構成する各蓄電素子とが並列に接続される接続切換え手段を有し、接続切換え手段を適用して、電圧均等化コンデンサと組蓄電池の各蓄電素子とを任意の順番で逐次並列接続させ、この逐次並列接続を繰り返させることにより、組蓄電池の各蓄電素子の電圧を均等化する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、直列接続して組蓄電池を構成する複数の蓄電素子の充電電圧を均等化する装置および方法に関する。

二次電池あるいはキャパシタ等の蓄電素子（セル）においては、個々の蓄電素子の最大電圧が規定されており、この最大電圧を上回る電圧を得るためには、これらの蓄電素子を直列接続させた組蓄電池を用いることが多い。なお、以下において、互いに直列に接続された１つの蓄電装置を構成する蓄電器を組蓄電池という。蓄電素子を直列に接続したことにより、組蓄電池の充電あるいは放電において全電圧を管理することが容易である。

しかしながら、組蓄電池を全電圧で管理する上記使用法には以下のような問題がある。

ある組蓄電池を構成する蓄電素子の漏れ電流が他の蓄電素子の漏れ電流に比べ大きいとする。組蓄電池を充電するために組蓄電池に電圧を印加すると、漏れ電流の大きい蓄電素子の電圧が全印加電圧の理論分担電圧に到達する前に、他の蓄電素子が理論分担電圧を超えて充電され、組蓄電池としては所定の全電圧値を示すという、蓄電素子における理論分担電圧の不均衡が発生する。

一方、蓄電素子を直列接続した組蓄電池においては、回路的に全蓄電素子に同じ充電電流あるいは放電電流が流れるため、通常の使用法においては上記した理論分担電圧の不均衡を是正することが困難である。

そこで従来、蓄電素子を直列接続した組蓄電池の使用法においては、各種方法により各蓄電素子の蓄電電圧を均等化することが行われてきた。

代表的な２次電池である鉛蓄電池の場合、満充電後に行う押込み充電によって各蓄電素子の電圧を均等化している。同じく２次電池のニッケルカドミウム系蓄電池の場合、まず全蓄電素子の電荷を完全に零まで放電させ、その後改めて充電することで、各蓄電素子の電圧を均等化している。

またキャパシタのように蓄積電荷と電圧が比例関係にある蓄電素子については、従来、さまざまな均等化方法が採用されてきた。

図８は、抵抗を用いて蓄電素子（ここではキャパシタ）を均等化する方法を説明するための図である。

図８において、キャパシタＣ１〜Ｃ４が直列に接続されており、キャパシタＣ１〜Ｃ４はそれぞれＶ１〜Ｖ４の電圧で充電されている。また、Ｃ１〜Ｃ４とそれぞれ並列して電圧均等化用抵抗Ｒ１〜Ｒ４が取付けられている。

各電圧均等化用抵抗が等しい抵抗値Ｒ０を持つと仮定すると、各抵抗に流れる電流は、
Ｉｎ＝Ｖｎ÷Ｒ０ （１）
で表せる。ここでｎ＝１〜４である。

上記構成、すなわち図８の構成において、何らかの原因によりキャパシタの電圧不均衡が生じ、Ｖ１＞Ｖ２となったとすると、（１）式より、Ｉ１＞Ｉ２となる。すなわち、抵抗Ｒ１によるＣ１からの電荷の放出は、抵抗Ｒ２によるＣ２からの電荷の放出より大きい。したがって、キャパシタＣ１の電圧Ｖ１の低下率はキャパシタＣ２の電圧Ｖ２の低下率を上回るため、キャパシタＶ１とキャパシタＶ２との電圧不均衡は時間とともに是正されることになる。

図９は、ツェナーダイオードを用いてキャパシタを均等化する方法を説明するための図である。

図９において、キャパシタＣ１〜Ｃ４が直列に接続されており、キャパシタＣ１〜Ｃ４はそれぞれＶ１〜Ｖ４の電圧で充電されている。また、Ｃ１〜Ｃ４とそれぞれ並列して電圧均等化用ツェナーダイオードＺ１〜Ｚ４が取付けられている。ツェナーダイオードのツェナー電圧は、キャパシタの定格電圧近傍の所定値に設定されている。ツェナーダイオードは図示しない電流制限抵抗とともに実装されている。具体的には、たとえばキャパシタ電圧が２．５（Ｖ）程度の場合、ツェナー電圧として２．３〜２．４（Ｖ）程度に設定されることが多い。

上記構成、すなわち図９の構成において、キャパシタの電圧不均衡が生じ、キャパシタＣ１の電圧Ｖ１が他のキャパシタの電圧より高い状態で充電作業が継続されたとする。

すると、上記充電作業により、キャパシタＣ１の電圧Ｖ１は他のキャパシタに先んじてツェナー電圧を超えるため、キャパシタＣ１の電荷のみツェナーダイオードＺ１を介して放電される。これによりキャパシタＣ１の過剰充電が防止される。

しかしながら、図８で示した抵抗を使用する電圧均等化方法の場合、抵抗によるエネルギーロス（以下抵抗ロスという）の問題が発生する。

通常、電圧均等化用抵抗にはキャパシタの漏れ電流の１０倍程度の電流を流すことを目安としている。たとえばキャパシタ電圧が２．５（Ｖ）程度で、キャパシタの漏れ電流が５（ｍＡ）程度とした場合、電圧均等化コンデンサ用抵抗に５０（ｍＡ）を流すために５０（Ω）程度の大きさの抵抗が配置される。したがって、キャパシタ蓄電時には、電圧均等化用抵抗による抵抗ロスが常時発生することになる。

その点で、ツェナーダイオードを使用する電圧均等化方法の場合、通常使用電圧（定格より十分低い電圧）においては、ツェナーダイオードの特性から電流が流れることがないため、抵抗ロスを生じない利点がある。

しかしながら、ツェナーダイオードを使用した組蓄電池の電圧均等化方法では、電圧均等化コンデンサの動作は各キャパシタの満充電付近でないと行われないので、常時満充電付近で使用される非常電源のような用途には適しているが、定格よりずっと低い電圧領域で充電と放電を繰り返すような一時的エネルギー蓄積用途を目的とする組蓄電池に適用するには不向きである。

本願発明は、上記した従来技術の問題点に鑑み、どのような電圧動作点にあっても、蓄電素子の電圧均等化動作を行えるとともに、蓄電時の定常的なエネルギーロスを最小限に抑える蓄電素子の電圧均等化装置と方法を提供することを目的としている。

以上のような目的を達成するために、第１発明の装置は、互いに直列接続されて組蓄電池を構成する複数の蓄電素子と、各蓄電素子の電圧を均等化する電圧均等化コンデンサと、電圧均等化コンデンサを蓄電素子に並列接続するスイッチとを備え、電圧均等化コンデンサが各蓄電素子に逐次並列接続されるように、スイッチを切換えることにより、各蓄電素子の電圧を均等化することを特徴とする。

第２発明の装置は、互いに直列接続されて組蓄電池を構成するｎ個（ｎ≧３）の蓄電素子と、複数個の蓄電素子に対応し、各蓄電素子の電圧を均等化するｍ個（２≦ｍ≦ｎ−１）の電圧均等化コンデンサと、電圧均等化コンデンサに対応し、電圧均等化コンデンサを蓄電素子に並列接続するｍ個のスイッチとを備え、各電圧均等化コンデンサは、他の電圧均等化コンデンサと少なくとも１個の蓄電素子を共有し、電圧均等化コンデンサが、対応する各蓄電素子に逐次並列接続されるように、スイッチを切換えることにより、各蓄電素子の電圧を均等化することを特徴とする。

第３発明の装置は、第２発明において、スイッチの切換え制御を行うスイッチ切換え制御部を備え、蓄電素子と、電圧均等化コンデンサと、スイッチと、スイッチ切換え制御部とがモジュール化されていることを特徴とする。

第４発明の装置は、第３発明において、前記各スイッチ切換え制御部を駆動する電力は、前記組電池の蓄電電圧からそれぞれ給電されることを特徴とする。

第５発明の方法は、互いに直列接続されて組蓄電池を構成する複数の蓄電素子と、各蓄電素子の電圧を均等化する電圧均等化コンデンサと、電圧均等化コンデンサを蓄電素子に並列接続するスイッチとを用意し、電圧均等化コンデンサが各蓄電素子に逐次並列接続されるように、スイッチを切換えることにより、各蓄電素子の電圧を均等化することを特徴とする。

第６発明の方法は、互いにに直列接続されて組蓄電池を構成するｎ個（ｎ≧３）の蓄電素子と、複数個の蓄電素子に対応し、各蓄電素子の電圧を均等化するｍ個（２≦ｍ≦ｎ−１）の電圧均等化コンデンサと、各電圧均等化コンデンサに対応し、電圧均等化コンデンサを蓄電素子に並列接続するｍ個のスイッチとを用意し、各電圧均等化コンデンサは、他の電圧均等化コンデンサと少なくとも１個の蓄電素子を共有し、電圧均等化コンデンサが、対応する各蓄電素子に逐次並列接続されるように、スイッチを切換えることにより、各蓄電素子の電圧を均等化することを特徴とする。

第１発明によれば、図１に示すように、スイッチ２が切り換えられて、電圧均等化コンデンサＣ０が各蓄電素子Ｃ１〜Ｃ４に逐次並列接続される。これにより各蓄電素子Ｃ１〜Ｃ４の電圧の差に応じて、各蓄電素子Ｃ１〜Ｃ４間で電荷が移動して、各蓄電素子Ｃ１〜Ｃ４の電圧が均等化される。

第２発明では、図３および図５に示すように、ｍ個の各電圧均等化コンデンサＣ０１〜Ｃ０ｍに対応して、スイッチ２がｍ個設けられる。ただし、各電圧均等化コンデンサＣ０１〜Ｃ０ｍは、他の電圧均等化コンデンサと少なくとも１個の蓄電素子を共有している。スイッチ２が切り換えられて、対応する電圧均等化コンデンサ、たとえば電圧均等化コンデンサＣ０１が各蓄電素子Ｃ１〜Ｃ４に逐次並列接続される。これにより各蓄電素子Ｃ１〜Ｃ４の電圧の差に応じて、各蓄電素子Ｃ１〜Ｃ４間で電荷が移動して、各蓄電素子Ｃ１〜Ｃ４の電圧が均等化される。他の電圧均等化コンデンサＣ０２、…Ｃ０ｍについても同様に、対応する各蓄電素子に逐次並列接続される。これにより、全ての蓄電素子Ｃ１〜Ｃn間で電荷が移動して、各蓄電素子Ｃ１〜Ｃnの電圧が均等化される。

第３発明の装置では、図６に示すように、蓄電素子と、電圧均等化コンデンサと、スイッチと、スイッチ切換え制御部とがモジュール化されている。

第４発明の装置では、図７に示すように、各スイッチ切換え制御部を駆動する電力は、前記組電池の蓄電電圧からそれぞれ給電される。

第５発明および第６発明の方法は、第１、第２の発明を方法の発明に置換したものである。

本願第１発明によれば、１個の電圧均等化コンデンサを介して組蓄電池の複数の蓄電素子間の電圧差を是正することが可能となる。電圧均等化コンデンサは単に電荷の移動を行うだけであり、組蓄電池の蓄電素子の電圧均等化を最小限のエネルギーで行うことができる。また、定格より低い電圧領域で蓄電素子の電圧均等化を行うことができる。

第２発明によれば、ｍ（２≦ｍ≦ｎ−１）個の電圧均等化コンデンサを介してｎ個の蓄電素子間の電圧差を是正することが可能となる。電圧均等化コンデンサは単に電荷の移動を行うだけであり、組蓄電池の蓄電素子の電圧均等化を最小限のエネルギーで行うことができる。また、定格より低い電圧領域で蓄電素子の電圧均等化を行うことができる。また、複数の蓄電素子と電圧均等化コンデンサとスイッチをモジュール化することができ、組蓄電池の実装性が向上する。

第３発明によれば、各モジュール内にスイッチを切換えるためスイッチ切換制御部を有しているので、外部から切換え信号を入力する必要がなく、組蓄電池の実装性が向上する。

第４発明によれば、スイッチ切換え制御部の電力を蓄電素子側から供給でき、外部から電力を供給する必要がないので組蓄電池の実装性がさらに向上する。

第５発明によれば、１個の電圧均等化コンデンサを介して複数の蓄電素子間の電圧差を是正できる。電圧均等化コンデンサは単に電荷の移動を行うだけであり、組蓄電池の蓄電素子の電圧均等化を最小限のエネルギーで行うことができる。また、定格より低い電圧領域で蓄電素子の電圧均等化を行うことができる。

第６発明によれば、ｍ（２≦ｍ≦ｎ−１）個の電圧均等化コンデンサを介してｎ個の蓄電素子間の電圧差を是正できる。電圧均等化コンデンサは単に電荷の移動を行うだけであり、組蓄電池の蓄電素子の電圧均等化を最小限のエネルギーで行うことができる。また、定格より低い電圧領域で蓄電素子の電圧均等化を行うことができる。また、複数の蓄電素子と電圧均等化コンデンサとスイッチをモジュール化することができるので、組蓄電池の実装性が向上する。

以下、本願発明による組蓄電池の電圧均等化装置と方法について図を参照しながら説明する。

実施例１は、互いに直列接続されて組蓄電池を構成する複数の蓄電素子を、１個の電圧均等化コンデンサで均等化するものである。

図１は、実施例１の蓄電素子の電圧均等化装置を説明するための図である。

図１において、キャパシタＣ１〜Ｃ４がＣ１、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の順で直列に接続されて組蓄電池１が構成されている。組蓄電池の端子、すなわちＣ１の一方の端子（図の左側）とＣ４の一方の端子（図の右側）は外部に接続される。Ｃ１の一方の端子側を負極、Ｃ４の一方の端子側を正極とする。キャパシタＣ１〜Ｃ４はそれぞれ電圧Ｖ１〜Ｖ４で蓄電されている。また電圧均等化コンデンサＣ０と制限抵抗Ｒが直列に接続されている。制限抵抗Ｒは接続切換え時に大きな突入電流が発生することを防止するためのものである。電圧均等化コンデンサＣ０の容量が小さく、またキャパシタ電圧Ｖ１〜Ｖ４の差が小さければ、制限抵抗Ｒを配線抵抗あるいはスイッチ２の内部インピーダンスで代替してもよい。

なお、以下においてはキャパシタＣ１〜Ｃ４の容量は電圧均等化コンデンサＣ０の容量に比べ数桁以上大きい（Ｃ１〜Ｃ４＞＞Ｃ０）と仮定しておく。

スイッチ２は同構造のサブスイッチ２ａ、２ｂで構成されている。サブスイッチ２ａ、２ｂは端子ａに対して端子ｂ〜ｅのいずれかを接続自在である４点切換えスイッチである。サブスイッチ２ａ、２ｂは、ｂ→ｃ→ｄ→ｅ→ｂの順に連動しながら逐次切換えられる。
サブスイッチ２ａの端子ａは電圧均等化コンデンサＣ０の一端側と配線を介して接続され、またサブスイッチ２ｂの端子ａは制限抵抗Ｒの他端側と配線を介して接続される。

サブスイッチ２ａの端子ｅはキャパシタＣ１の負極側と配線を介して接続される。サブスイッチ２ｂの端子ｂはキャパシタＣ４の正極側と配線を介して接続される。サブスイッチ２ａの端子ｄとサブスイッチ２ｂの端子ｅはキャパシタＣ１の正極側に接続される。

サブスイッチ２ａの端子ｃとサブスイッチ２ｂの端子ｄはキャパシタＣ２の正極側に配線を介して接続される。サブスイッチ２ａの端子ｂとサブスイッチ２ｂの端子ｃはキャパシタＣ３の正極側に配線を介して接続される。

次に、図１の構成の装置による電圧均等化方法を説明する。

図２に実施例１の電圧均等化方法のフローチャートを示す。

キャパシタＣ１〜Ｃ４に接続する前の電圧均等化コンデンサＣ０は電荷を蓄積しておらず、したがって電圧均等化コンデンサＣ０の電圧は零（Ｖ）である。

スイッチ２により、サブスイッチ２ａ、２ｂの端子ａに端子ｂが接続されると、電圧均等化コンデンサＣ０にキャパシタＣ４が並列接続される。最初のサイクルの場合、電圧均等化コンデンサＣ０に電荷の蓄積が始まり、キャパシタＣ４の電圧とほぼ等しい電圧Ｖ４になるまで電荷が蓄積される（ステップＳ１０）。電圧均等化コンデンサＣ０に蓄積される電荷量はキャパシタＣ１の蓄積電荷量より数桁小さい。

次に、スイッチ２が切換えられ、サブスイッチ２ａ、２ｂの端子ａに端子ｃが接続され、電圧均等化コンデンサＣ０にキャパシタＣ３が並列接続される。これにより電圧均等化コンデンサＣ０とキャパシタＣ３のうち電圧の高い方から電圧の低い方に電荷が移動する。これによりキャパシタＣ４とキャパシタＣ３の電圧差が是正される(ステップＳ１１)。

次に、スイッチ２が切換えられ、サブスイッチ２ａ、２ｂの端子ａに端子ｄが接続され、電圧均等化コンデンサＣ０にキャパシタＣ２が並列接続される。これにより電圧均等化コンデンサＣ０とキャパシタＣ２のうち電圧の高い方から電圧の低い方に電荷が移動する。これによりキャパシタＣ３とキャパシタＣ２の電圧差が是正される(ステップＳ１２)。

次に、スイッチ２が切換えられ、サブスイッチ２ａ、２ｂの端子ａに端子ｅが接続され、電圧均等化コンデンサＣ０にキャパシタＣ１が並列接続される。これにより電圧均等化コンデンサＣ０とキャパシタＣ１のうち電圧の高い方から電圧の低い方に電荷が移動する。これによりキャパシタＣ２とキャパシタＣ１の電圧差が是正される(ステップＳ１３)。

以上で最初のサイクルが終了し、キャパシタＣ４とキャパシタＣ３、キャパシタＣ３とキャパシタＣ２、キャパシタＣ２とキャパシタＣ１の電圧差、すなわち全キャパシタの電圧差が是正される。

最初のサイクル終了後、再度ステップＳ１０に戻り、スイッチ２が切換えられ、サブスイッチ２ａ、２ｂの端子ａに端子ｂが接続され、電圧均等化コンデンサＣ０とキャパシタＣ４が並列接続される。 次に、ステップＳ１１の判断によりステップＳ１３に進み、電圧均等化コンデンサＣ０を介して電圧の高い方から電圧の低い方に電荷が移動して、キャパシタＣ１とキャパシタＣ４の電圧差が是正される。

以上のように、上記サイクルを繰り返すことにより、キャパシタＣ１〜Ｃ４の電圧を略均等化することができる。

実施例１はキャパシタ間の電荷移動を行うだけであり、抵抗ロスを生じることがないので、キャパシタ電圧の均等化に際してエネルギーの消費を最小限に抑えることができる。また、ツェナーダイオードを用いた場合と異なり、蓄電素子の電圧がツェナー電圧より低い場合でもキャパシタ間の電荷移動を行うことができる利点がある。

このように、実施例１はキャパシタ電圧の大きさに依存せず行えるため、定格電圧から定格電圧より低い電圧までの広い電圧領域で繰返し使用される電気自動車等のエネルギー一時蓄積用途の組蓄電池に適した方法である。

上記説明では電圧均等化コンデンサＣ０の容量をキャパシタＣ１〜Ｃ４の容量より数桁以上小さいものとしたが、場合によって電圧均等化コンデンサＣ０の容量を適宜大きくしてもよい。

また、実施例１では、キャパシタの数を４個として説明したが、本願発明は特に限定されるものではなく、キャパシタの数は任意である。

実施例１の場合、複数のキャパシタの電圧を均等化するための電圧均等化コンデンサは１個であった。以下に述べる実施例２は、３個以上のキャパシタの電圧を均等化するため、電圧均等化コンデンサの数を少なくとも２個以上用いるものである。

以下において、最初に各電圧均等化コンデンサが2個のキャパシタの電圧を均等化する場合について説明し、次に、その他の場合について説明する。

図３は実施例２の蓄電素子の電圧均等化装置を説明するための図である。

図３において、１個のキャパシタと１個の電圧均等化コンデンサと１個のスイッチがモジュール化されている。すなわち、キャパシタＣ１と電圧均等化コンデンサＣ０１とスイッチ２がモジュールＭ１に、キャパシタＣ２と電圧均等化コンデンサＣ０２とスイッチ２がモジュールＭ２、キャパシタＣ３と電圧均等化コンデンサＣ０３とスイッチ２がモジュールＭ３に組込まれている。

なお、以下においてはキャパシタＣ１〜Ｃ３の容量は電圧均等化コンデンサＣ０１〜Ｃ０３の容量に比べ数桁以上大きい（Ｃ１〜Ｃ３＞＞Ｃ０）と仮定しておく。また、実施例２では制限抵抗を備えていないが、場合によっては制限抵抗を用いてもよい。

モジュールＭ１の構造を以下に説明する。

スイッチ２は同構造のサブスイッチ２ａ、２ｂで構成されている。サブスイッチ２ａ、２ｂは端子ａに対して端子ｂ、ｃのいずれかを接続自在である２点切換えスイッチである。サブスイッチ２ａ、２ｂは、連動しながら端子ｂ、ｃの間で切換えられる。
サブスイッチ２ａの端子ａは電圧均等化コンデンサＣ０１の一端側と配線を介して接続され、またサブスイッチ２ｂの端子ａは電圧均等化コンデンサＣ０１の他端側と配線を介して接続される。

スイッチ２ａの端子ｂとスイッチ２ｂの端子ｃは配線を介してキャパシタＣ１の一方側に接続される。またキャパシタＣ１の一方側は外部端子Ｔ１および外部端子Ｔ３に配線を介して接続される。スイッチ２ｂの端子ｂはキャパシタＣ１の他方側に配線を介して接続される。またキャパシタＣ１の他方側は外部端子Ｔ２に配線を介して接続される。スイッチ２ａの端子ｃは外部端子Ｔ４に配線を介して接続される。

モジュールＭ２およびモジュールＭ３の構造は、モジュールＭ１の構造と同一である。

図３において、外部端子を介してモジュールM１〜M３が直列に接続されている。すなわち、モジュールＭ３の外部端子Ｔ１とＴ４はモジュールＭ２の外部端子Ｔ２とＴ３とにそれぞれ接続され、モジュールＭ２の外部端子Ｔ１とＴ４はモジュールＭ１の外部端子Ｔ２とＴ３にそれぞれ接続される。

モジュールＭ１〜Ｍ３を接続することにより、キャパシタＣ１〜Ｃ３を直列に接続した組蓄電池１が構成される。モジュールＭ３の外部端子Ｔ２およびモジュールＭ１の外部端子Ｔ１は、キャパシタＣ３の他方側およびキャパシタＣ１の一方側の外部端子となっている。キャパシタＣ１〜Ｃ３はそれぞれ電圧Ｖ１〜Ｖ３で蓄電されている。各キャパシタの左側を負極とし、右側を正極としておく。

なお、本実施例では電圧均等化コンデンサＣ０１は機能しない。

次に、図３の構成の装置による蓄電素子の電圧均等化方法を説明する。

図４は実施例２における電圧均等化方法のフローチャートである。

キャパシタＣ１〜Ｃ３に接続する前の電圧均等化コンデンサＣ０１〜Ｃ０３は電荷を蓄積しておらず、したがって電圧均等化コンデンサＣ０１〜Ｃ０３の電圧は零（Ｖ）である。

スイッチ２により、サブスイッチ２ａ、２ｂの端子ａに端子ｂが接続されると、電圧均等化コンデンサＣ０３にキャパシタＣ３が、また電圧均等化コンデンサＣ０２にキャパシタＣ２が並列接続される（ステップＳ２０）。
最初のサイクルで、電圧均等化コンデンサＣ０２、Ｃ０３に電荷の蓄積が始まり、それぞれキャパシタＣ２、キャパシタＣ３の電圧とほぼ等しい電圧Ｖ２、Ｖ３になるまで電荷が蓄積される。電圧均等化コンデンサＣ０２、Ｃ０３に蓄積される電荷量はキャパシタＣ１、Ｃ２の蓄積電荷量より数桁小さい。

次にスイッチ２が切換えられ、サブスイッチ２ａ、２ｂの端子ａに端子ｃが接続され、電圧均等化コンデンサＣ０３にキャパシタＣ２が、また電圧均等化コンデンサＣ０２にキャパシタＣ１が並列接続される（ステップＳ２１）。これにより電圧均等化コンデンサＣ０２、Ｃ０３を介して電圧の高い方から電圧の低い方に電荷が移動して、キャパシタＣ３とキャパシタＣ２およびキャパシタＣ２とキャパシタＣ１の電圧差が是正される。

以上で最初のサイクルが終了し、キャパシタＣ３とキャパシタＣ２、キャパシタＣ２とキャパシタＣ１の電圧差、すなわち全キャパシタの電圧差が是正される。

最初のサイクル終了後、再度ステップＳ２０に戻り、スイッチ２が切換えられ、サブスイッチ２ａ、２ｂの端子ａに端子ｂが接続され、電圧均等化コンデンサＣ０３にキャパシタＣ３が、また電圧均等化コンデンサＣ０２にキャパシタＣ２が並列接続され、これにより電圧均等化コンデンサＣ０２、Ｃ０３を介して電圧の高い方から電圧の低い方に電荷が移動して、キャパシタＣ３とキャパシタＣ２およびキャパシタＣ２とキャパシタＣ１の電圧差が是正される。

次にスイッチ２が切換えられ、サブスイッチ２ａ、２ｂの端子ａに端子ｃが接続され、電圧均等化コンデンサＣ０３にキャパシタＣ２が、また電圧均等化コンデンサＣ０２にキャパシタＣ１が並列接続される（ステップＳ２１）。これにより電圧均等化コンデンサＣ０２、Ｃ０３を介して電圧の高い方から電圧の低い方に電荷が移動して、キャパシタＣ３とキャパシタＣ２およびキャパシタＣ２とキャパシタＣ１の電圧差が是正される。

以上で２サイクル目が終了し、キャパシタＣ３とキャパシタＣ２、キャパシタＣ２とキャパシタＣ１、の電圧差、すなわち全キャパシタの電圧がさらに是正される。３サイクル目以降は２サイクル目と同じステップが繰り返される。

以上のように、上記サイクルを繰り返すことにより、キャパシタＣ１〜Ｃ３の電圧を略均等化することができる。

以上のように、２個の電圧均等化コンデンサＣ０２、Ｃ０３を介してキャパシタＣ１〜Ｃ３の電圧が均等化される方向に是正される。実施例２は、実施例１と同じく、キャパシタ間の電荷移動を行うだけであり、抵抗ロスを生じることがないので、キャパシタ電圧の均等化に際してエネルギーの消費を最小限に抑えることができる。また、ツェナーダイオードを用いた場合と異なり、キャパシタの電圧がツェナー電圧より低い場合でもキャパシタ間の電荷移動を行うことができる。

このように、実施例２はキャパシタ電圧の大きさに依存せず行えるため、定格電圧から定格電圧より低い電圧までの広い電圧領域で繰返し使用される電気自動車等のエネルギー一時蓄積用途の組蓄電池に適した方法である。

上記説明では電圧均等化コンデンサＣ０の容量をキャパシタＣ１〜Ｃ４の容量より数桁以上小さいものとしたが、場合によって電圧均等化コンデンサＣ０の容量を適宜大きくしてもよい。

また、逐次並列接続を切換える周期および接続時間はモジュールＭ２、Ｍ３の各スイッチ２で独立に設定できる。

また、図３の構成の場合、蓄電素子と電圧均等化コンデンサとスイッチを組み合わせモジュール化することができるので、モジュールを逐次ドッキングさせることにより組蓄電池の数を容易に増加させることができる。

ここまで、３個のモジュールＭ１〜Ｍ３の３個のキャパシタＣ１〜Ｃ３で構成された組蓄電池１に適用する電圧均等装置と方法を説明してきた。電圧均等化コンデンサする蓄電素子（ここではキャパシタ）の数は３個にかぎられることはない。

図５は別形態を模式化して示したものである。

図５（ａ）において、電圧均等化コンデンサＣ０１はスイッチ２を介してキャパシタＣ１とキャパシタＣ２とに逐次並列接続される。電圧均等化コンデンサＣ０２はスイッチ２を介してキャパシタＣ２とキャパシタＣ３に逐次並列接続される。電圧均等化コンデンサＣ０３はスイッチ２を介してキャパシタＣ３とキャパシタＣ４に逐次並列接続される。すなわち、キャパシタＣ２は電圧均等化コンデンサＣ０１、Ｃ０２に共有される。同じように、キャパシタＣ３は電圧均等化コンデンサＣ０２、Ｃ０３に共有される。

また、電圧均等化コンデンサＣ０ｎ−３はスイッチ２を介してキャパシタＣｎ−３とキャパシタＣｎ−２に逐次並列接続される。電圧均等化コンデンサＣ０ｎ−２はスイッチ２を介してキャパシタＣｎ−２とキャパシタＣｎ−１に並列接続される。電圧均等化コンデンサＣ０ｎ−１はスイッチ２を介してキャパシタＣｎ−１とキャパシタＣｎに逐次並列接続される。すなわち、キャパシタＣｎ−２は電圧均等化コンデンサＣ０ｎ−３、Ｃ０ｎ―２に共有される。同じように、キャパシタＣｎ−１は電圧均等化コンデンサＣ０ｎ−２、Ｃ０ｎ−１に共有される。

以上の構成により、ｎ（ｎ≧３）個の直列キャパシタで構成された組蓄電池の蓄電素子を、（ｎ−１）個の電圧均等化コンデンサを介して行うことができる。

図５（ｂ）において、電圧均等化コンデンサＣ０１はスイッチ２を介してキャパシタＣ１〜Ｃ４に逐次並列接続される。電圧均等化コンデンサＣ０２はスイッチ２を介してキャパシタＣ４〜Ｃ７に逐次並列接続される。すなわち、キャパシタＣ４は電圧均等化コンデンサＣ０１、Ｃ０２に共有される。

また、電圧均等化コンデンサＣ０ｍ−１はスイッチ２を介してキャパシタＣｎ−６〜Ｃｎ−３に逐次並列接続される。電圧均等化コンデンサＣ０ｍはスイッチ２を介してキャパシタＣｎ−３〜Ｃｎに逐次並列接続される。すなわち、キャパシタＣｎ−３は電圧均等化コンデンサＣ０ｍ−１、Ｃ０ｍに共有される。

以上の構成により、ｎ（ｎ≧３）個の直列蓄電素子で構成された組蓄電池１の蓄電素子を、ｍ（２≦ｍ≦ｎ―）個の電圧均等化コンデンサおよびスイッチで行うこともできる。

なお、図５に示す形態においても、図３と同様に、キャパシタと電圧均等化コンデンサとスイッチとで形成されるモジュールが接続されたものとして構成することができる。

以上のように、蓄電素子数と電圧均等化コンデンサ数を適宜組合せることによって、上記したｎおよびｍの数値制限のもと、蓄電素子の電圧均等化装置を構成でき、またそれを用いて蓄電素子の電圧均等化を行うことができる。

各電圧均等化コンデンサは、他の電圧均等化コンデンサと少なくとも１個の蓄電素子を共有すればよい。場合によっては、１個だけでなく２個以上共有してもよい。また、逐次並列接続を切換える周期および接続時間はｍ個のスイッチ２それぞれ独立に設定できる。

また、複数の蓄電素子と電圧均等化コンデンサとスイッチを適宜組み合わせモジュール化することができるので、モジュールをドッキングさせるだけで組蓄電池の数を増加させることができる。

実施例２で述べたように、各モジュールは電圧均等化コンデンサの動作を他のモジュールと独立して行える。そこで、実施例３ではモジュール毎に独立した切換え信号発生部を設けている。切換え信号発生部は高い周波数の信号を発生させるための装置である。

図６は、実施例３の蓄電素子の電圧均等化装置を説明するための図である。図６は基本的には実施例２で示した図３と同じ構成である。異なるところは各モジュールのスイッチ２に切換え信号発生部２０が設けられていることである。したがって、図３と同じ符号のついた箇所については説明を省略する。

図６において、スイッチ２側に信号２１が送られ、信号２１に基づいてスイッチ２は高速でスイッチ切換えを行う。

各モジュールは他のモジュールとスイッチの周期および接続時間の協調を必要としないため、モジュール内に独立した物理形態、たとえばプリントカードを設けることができる。プリントカードは電圧均等化コンデンサ、制限抵抗、切換え信号発生部２０等から構成される。たとえばプリントカードに搭載する電圧均等化コンデンサの容量を１０（μＦ）とし、電圧差を是正する２個の蓄電素子の電圧差を０．１（Ｖ）とすると、１回の切換え動作で移動する電荷量は０．１（Ｖ）×１０（μＦ）＝１（μＣ）となる。切換え信号発生部２０の周波数を１００（ｋＨｚ）とすれば、スイッチ切換えにより単位時間に移動する電荷量（電流）は１００（ｍＡ）と計算される。通常、蓄電素子の漏れ電流は５（ｍＡ）程度を想定しているので、切換え信号発生部２０で発生させる周波数は１００（ｋＨｚ）程度あれば十分である。切換え信号発生部２０で発生させる周波数は各プリントカード毎に自由に変えてよい。

切換え信号発生器２０を備えることにより、各モジュールのスイッチの切換えを行うために外部から信号を入力する必要がなくなるので、モジュール化による実装性が高まる。また高速の切換えスイッチを容易に行うことができる。

図７は、本願発明の実施例４の蓄電素子の電圧均等化コンデンサ装置を説明するための図である。

図７は基本的には図６と同じ構成であり、モジュールＭ１〜Ｍ３が外部端子を介して接続されている。異なるところは切換え信号発生部２０の電力を組蓄電池の蓄電素子側から供給させることである。

モジュールＭ３では、切換え信号発生部２０の電源の一端は配線を介してキャパシタＣ３の正極側に接続され、他端は配線を介して外部端子Ｔ４に接続される。モジュールＭ２では、切換え信号発生部２０の電源の一端は配線を介してキャパシタＣ２の正極側に接続され、他端は配線を介して外部端子Ｔ４に接続される。モジュールＭ２では、切換え信号発生部２０の電源の一端は配線を介してキャパシタＣ２の正極側に接続され、他端は配線を介して外部端子Ｔ４に接続される。

上記構成にしたので、モジュールＭ３の切換え信号発生部２０の電源はキャパシタＣ３とキャパシタＣ２の直列電源となる。また、モジュールＭ２の切換え信号発生部２０の電源はキャパシタＣ２とキャパシタＣ１の直列電源となる。

したがって、２．５（Ｖ）程度の低電圧動作ＩＣを用いて切換え信号発生部２０を構成することによって、キャパシタの耐圧を２．５（Ｖ）とした場合、電源電圧は５（Ｖ）程度であるので、たとえキャパシタの蓄電量が２分の１程度になっても切換え信号発生部２０を駆動して蓄電素子の電圧均等化を行うことが可能である。

また、組蓄電池の広範囲な充電電圧を用いて切換え信号発生部２０の電力を供給してもよい。この場合、必要なら昇圧機構および電圧制限機構を設けて電力を供給してもよい。

以上の実施例では、キャパシタを用いた電圧均等化する装置および方法について述べてきたが、本願発明はキャパシタに限られることはなく、蓄電素子の蓄電量と正負極間電圧に相関関係のあるあらゆる蓄電素子、たとえば鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムイオン電池等に適用できる。

図１は本願発明の実施例１の蓄電素子の電圧均等化装置を説明するための図である。 実施例１の電圧均等化方法のフローチャートである。 実施例２の蓄電素子の電圧均等化装置を説明するための図である。 実施例２における電圧均等化方法のフローチャートである。 実施例２の変形例を説明するための模式図である。 実施例３の蓄電素子の電圧均等化装置を説明するための図である。 実施例４の蓄電素子の電圧均等化装置を説明するための図である。 抵抗を用いて蓄電素子を均等化する方法を説明するための図である。 ツェナーダイオードを用いて蓄電素子を均等化する方法を説明するための図である。

符号の説明

Ｃ０、Ｃ０１〜Ｃ０３ 用電圧均等化コンデンサ
Ｃ１〜Ｃ４ キャパシタ
Ｍ１〜Ｍ３ モジュール
ａ〜ｅ 端子
１ 組蓄電池
２ スイッチ
２ａ、２ｂ サブスイッチ
２０ 切換え信号発生部

Claims (6)

1. 互いに直列接続されて組蓄電池を構成する複数の蓄電素子と、
   各蓄電素子の電圧を均等化する電圧均等化コンデンサと、
   電圧均等化コンデンサを蓄電素子に並列接続するスイッチと
   を備え、
   電圧均等化コンデンサが各蓄電素子に逐次並列接続されるように、スイッチを切換えることにより、各蓄電素子の電圧を均等化すること
   を特徴とする蓄電素子の電圧均等化装置。
2. 互いに直列接続されて組蓄電池を構成するｎ個（ｎ≧３）の蓄電素子と、
   複数個の蓄電素子に対応し、各蓄電素子の電圧を均等化するｍ個（２≦ｍ≦ｎ−１）の電圧均等化コンデンサと、
   電圧均等化コンデンサに対応し、電圧均等化コンデンサを蓄電素子に並列接続するｍ個のスイッチと
   を備え、
   各電圧均等化コンデンサは、他の電圧均等化コンデンサと少なくとも１個の蓄電素子を共有し、
   電圧均等化コンデンサが、対応する各蓄電素子に逐次並列接続されるように、スイッチを切換えることにより、各蓄電素子の電圧を均等化すること
   を特徴とする蓄電素子の電圧均等化装置。
3. 前記スイッチの切換え制御を行うスイッチ切換え制御部を備え、
   蓄電素子と、電圧均等化コンデンサと、スイッチと、スイッチ切換え制御部とがモジュール化されていること
   を特徴とする請求項２記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
4. 前記各スイッチ切換え制御部を駆動する電力は、前記組電池の蓄電電圧からそれぞれ給電されること
   を特徴とする請求項３記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
5. 互いに直列接続されて組蓄電池を構成する複数の蓄電素子と、
   各蓄電素子の電圧を均等化する電圧均等化コンデンサと、
   電圧均等化コンデンサを蓄電素子に並列接続するスイッチと
   を用意し、
   電圧均等化コンデンサが各蓄電素子に逐次並列接続されるように、スイッチを切換えることにより、各蓄電素子の電圧を均等化すること
   を特徴とする蓄電素子の電圧均等化方法。
6. 互いに直列接続されて組蓄電池を構成するｎ個（ｎ≧３）の蓄電 素子と、
   複数個の蓄電素子に対応し、各蓄電素子の電圧を均等化するｍ個（２≦ｍ≦ｎ−１）の電圧均等化コンデンサと、
   各電圧均等化コンデンサに対応し、電圧均等化コンデンサを蓄電素子に並列接続するｍ個のスイッチと
   を用意し、
   各電圧均等化コンデンサは、他の電圧均等化コンデンサと少なくとも１個の蓄電素子を共有し、
   電圧均等化コンデンサが、対応する各蓄電素子に逐次並列接続されるように、スイッチを切換えることにより、各蓄電素子の電圧を均等化すること
   を特徴とする蓄電素子の電圧均等化方法。

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