(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の直流電圧または脈流よりなる充電電圧を生成して出力する電源回路と、
任意の信号幅および任意の周期を有する出力信号を生成する発振回路と、
前記出力信号の所定のタイミングで、前記充電電圧に基づいて生成される出力電流を間欠的に出力する間欠充電回路と、
複数のコンデンサ、または、複数のコンデンサを積層して構成される複数のコンデンサスタックを備え、前記出力電流に対応する電気エネルギーを蓄積するコンデンサ型蓄電池と、
前記出力信号の所定のタイミングに同期して、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を直列接続状態に切り替え制御する接続状態切替回路と、
を具備し、
前記接続状態切替回路は、前記間欠充電回路から前記出力電流が出力されるタイミングでは、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を並列から直列に接続して、前記各コンデンサ、または、前記各コンデンサスタックに前記出力電流に対応する電気エネルギーを蓄積し、
前記間欠充電回路からの前記出力電流が遮断されるタイミングでは、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を直列から並列に接続して、前記各コンデンサ、または、前記各コンデンサスタックに充電された充電電圧を均一化することを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記充電装置は、前記接続状態切替回路により前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互が並列に接続されたとき、前記コンデンサ、又は、前記コンデンサスタックに充電された前記充電電圧を検出、監視する電圧モニタ回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電装置に関し、特に、複数の電気二重層コンデンサを電力素子として備えたコンデンサバンクに、電気エネルギーを蓄積する充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉛蓄電池やアルカリ蓄電池等の二次電池の充電においては、定電流充電、あるいは、定電圧充電、定電圧パルス充電等の方法が用いられている。これらの充電方法により二次電池を充電した場合、充電による端子電圧の変化が微少であるため、充電の終了状態（終了時期）の検出に際し、微少な電圧変動を検出するか、あるいは、電池の温度変化を検出する等の手法を採用する必要があった。そのため、充電状態を正確に検出して効率的に充電動作を行うためには、装置構成や制御が複雑となり、装置の大型化や製造コストの増大を招くという問題を有していた。
【０００３】
一方、近年、電気自動車等の駆動用電源として、電気二重層コンデンサ等のコンデンサ型蓄電池を備えた充電回路（装置）を適用することが研究されている。
一般に、電気二重層コンデンサを含むコンデンサの両端電圧（充電電圧）Ｖは、Ｑを電荷量、Ｃをコンデンサ容量とすると、次式のように表される。
Ｖ＝Ｑ／Ｃ          ……（１１）
また、電荷量Ｑは、ＩＢをコンデンサに流れる電流（充電電流）、ｔを充電時間とすると、次式のように表される。
Ｑ＝ＩＢ・ｔ          ……（１２）
【０００４】
したがって、例えば、図８に示すように、複数の電気二重層コンデンサＣ１０１〜Ｃ１０４を備えたコンデンサバンク２００に対して、電源回路１００から所定の充電電流ＩＢを供給することにより、電気二重層コンデンサＣ１０１〜Ｃ１０４の各々に電流値に応じた電荷が蓄積される。ここで、コンデンサバンク２００を構成する複数の電気二重層コンデンサＣ１０１〜Ｃ１０４を直列に接続して充電動作を行うことにより、合成容量を小さくして充電電流の電流値を低減した充電装置を構成できる。
【０００５】
なお、図８において、３０１〜３０４は、電圧モニタ回路（または、並列モニタ）であって、充電電圧が電気二重層コンデンサの耐圧以上にならないように、各電気二重層コンデンサＣ１０１〜Ｃ１０４の端子間に並列に接続され、充電電圧値を検出、監視し、充電電圧値が基準電圧耐圧（保証電圧）を越えたとき、電気二重層コンデンサへの充電電流をバイパスすることにより、該電気二重層コンデンサへの充電動作を停止する機能を有している。
【０００６】
このように、コンデンサ型蓄電池を備えた充電装置によれば、コンデンサに蓄積される電荷量Ｑが、充電時間ｔの経過に比例して上昇するので、コンデンサの充電電圧Ｖも、充電時間ｔとともに上昇する特性を有するとともに、上述した鉛蓄電池やアルカリ蓄電池等の二次電池に比較して極めて軽量であり、かつ、急速充電が可能であり、繰り返し充放電によるサイクル寿命も長い、という長所を有している。このような電気二重層コンデンサにおいて、充電効率向上のため、一定電流を供給する充電方式を用いることが、たとえば、特開平７−８７６６８号公報に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術においては、次に示すような問題点を有していた。
（１）電気二重層コンデンサを適用した充電装置においては、コンデンサの充電電圧Ｖが充電時間ｔとともに上昇する特性を有しているため、図８に示したように、充電電圧を検出、監視するための電圧モニタ回路を、各電気二重層コンデンサ毎に並列的に接続する必要があった。そのため、充電装置の規模が極端に大型化し、製品コストが増大してしまうという問題を有していた。
【０００８】
（２）また、電圧モニタ回路により充電電流をバイパスする場合、電圧モニタ回路の消費電力および接続数（すなわち、電気二重層コンデンサの接続数）に応じた熱量Ｗが発生することになるため、充電装置の小型化を一層困難なものにしていた。なお、電圧モニタ回路により充電電流をバイパスした場合に発生する熱量Ｗは、ＩＢを充電電流、ＶＬを電気二重層コンデンサの端子電圧（耐圧保証電圧）とすると、次の（１３）式のように表され、電圧モニタ回路の消費電力に応じた熱量が発生し、充電装置全体では、概略電圧モニタ回路（電気二重層コンデンサ）の数ｎに比例した熱量が発生することになる。
Ｗ＝ＩＢ・ＶＬ        ……（１３）
【０００９】
（３）さらに、電気二重層コンデンサを適用した充電装置において、今後の実用化のためには、より充電効率を高めつつ、電気二重層コンデンサを急速充電することができ、かつ、コンデンサの充電電圧を精度良く監視して、充電動作を適切に制御することが強く求められている。したがって、このような多様なニーズに応じた充電特性を実現するために、設計自由度の一層の向上を図る必要がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、電気二重層コンデンサを適用した充電装置において、回路構成を簡素化することができるとともに、設計自由度の向上を図って、より充電効率を高めつつ電気二重層コンデンサを適切に急速充電することができる充電装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の充電装置は、所定の直流電圧または脈流よりなる充電電圧を生成して出力する電源回路と、任意の信号幅および任意の周期を有する出力信号を生成する発振回路と、前記出力信号の所定のタイミングで、前記充電電圧に基づいて生成される出力電流を間欠的に出力する間欠充電回路と、複数のコンデンサ、または、複数のコンデンサを積層して構成される複数のコンデンサスタックを備え、前記出力電流に対応する電気エネルギーを蓄積するコンデンサ型蓄電池と、前記出力信号の所定のタイミングに同期して、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を直列接続状態に切り替え制御する接続状態切替回路と、を具備し、前記接続状態切替回路は、前記間欠充電回路から前記出力電流が出力されるタイミングでは、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を並列から直列に接続して、前記各コンデンサ、または、前記各コンデンサスタックに前記出力電流に対応する電気エネルギーを蓄積し、前記間欠充電回路からの前記出力電流が遮断されるタイミングでは、前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互を直列から並列に接続して、前記各コンデンサ、または、前記各コンデンサスタックに充電された充電電圧を均一化することを特徴としている。
【００１３】
請求項２記載の充電装置は、請求項１記載の充電装置において、前記充電装置は、前記接続状態切替回路により前記複数のコンデンサ相互、または、前記複数のコンデンサスタック相互が並列に接続されたとき、前記コンデンサ、又は、前記コンデンサスタックに充電された前記充電電圧を検出、監視する電圧モニタ回路を備えたことを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る充電装置について、実施の形態を示して詳しく説明する。
＜第１の実施形態＞
本発明に係る充電装置の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る充電装置の第１の実施形態を示す概略回路図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態に係る充電装置は、所定の直流電圧を供給する電源回路１０と、所定のタイミングでパルス信号を出力する発振回路２０と、パルス信号の所定のタイミングで、直流電圧Ｖinに基づく充電電流ＩＡを間欠的に供給する間欠充電回路３０と、複数の電気二重層コンデンサ（以下、単に、「コンデンサ」と記す）から構成される充電コンデンサ５０と、上記パルス信号の所定のタイミングで、充電コンデンサ５０を構成する複数のコンデンサ相互の接続状態を切り替え制御する接続状態切替回路４０と、充電コンデンサ５０に充電された電圧を検出、監視する電圧モニタ回路６０と、を有して構成されている。
【００１６】
以下、各構成について説明する。
図２は、本実施形態に係る充電装置に適用される間欠充電回路３０の一例を示す概略構成図であり、図３は、本実施形態に係る充電装置に適用される充電コンデンサ５０および接続状態切替回路４０の一例を示す概略構成図であり、図４は、接続状態切替回路４０による充電コンデンサ５０の接続状態の切替制御を示すタイミングチャートであり、図５は、接続状態切替回路４０に適用される切替スイッチの一例を示す概略構成図である。
【００１７】
電源回路１０は、後述する間欠充電回路３０において、所定の充電電流ＩＡを生成するために必要な直流電圧を、高電位側電源線ＨＬおよび低電位側電源線ＬＬ間に供給する。なお、電源回路としては、所定の直流電圧を供給可能なものであれば、電池電源等から供給される一定電圧に限らず、商用交流電源（たとえば、ＡＣ１００Ｖ）の交流電圧を整流して、所定の極性の電圧成分のみを抽出した脈流や、交流電圧を整流、平滑化したものであっても良好に適用することができる。
発振回路２０は、所定のタイミング、すなわち、任意の信号幅および任意の周期を有するパルス信号Ｐａを生成して、間欠充電回路３０および接続状態切替回路４０に出力する。ここで、発振回路２０により生成、出力されるパルス信号Ｐａは、上述した電源回路１０における直流電圧の供給周期とは独立した任意のタイミングで出力される。
【００１８】
間欠充電回路３０は、発振回路２０から出力されるパルス信号Ｐａのタイミングに基づいて、電源回路１０から供給される直流電圧Ｖinに基づく充電電流ＩＡを生成し、後述する充電コンデンサ５０に間欠的に供給する。
具体的には、間欠充電回路３０は、図２に示すように、高電位側電源線ＨＬに直列に接続されたスイッチング用トランジスタ（以下、「スイッチングＦＥＴ」と記す）３１、インダクタンス（コイル）Ｌ１、電流検出用の抵抗素子Ｒ１と、抵抗素子Ｒ１の両端電位差を入力とする増幅器３３と、増幅器３３の出力を一方（−）の入力とし、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation）発振回路３５の出力を他方（＋）の入力とするコンパレータ３４と、コンパレータ３４の出力、発振回路２０の出力信号（パルス信号Ｐａ）、後述する電圧モニタ回路６０の出力信号（制御信号Ｓｃ）を各々入力とし、出力端がスイッチングＦＥＴ３１のゲート端子に接続された３入力論理積素子（以下、「ＡＮＤゲート」と記す）３２と、スイッチングＦＥＴ３１、インダクタンスＬ１間の接点と低電位側電源線ＬＬとの間に接続された整流素子Ｄ１と、を有している。
【００１９】
ここで、コンパレータ３４の＋側入力端に接続されるＰＷＭ発振器３５は、所定の周期で、たとえば、鋸歯状の信号波形を有するパルス波を出力する。なお、図２に示した間欠充電回路３０は、たとえば、一部の構成が集積化されて単体のＩＣとして市販されているものを適用することができる。また、本実施形態に示した構成は、一般的なＤＣ−ＤＣコンバータを適用した回路構成であって、何ら本発明の構成を限定するものではない。
【００２０】
すなわち、間欠充電回路３０は、発振回路２０からのパルス信号Ｐａおよび電圧モニタ回路６０からの制御信号Ｓｃが、ハイ（Ｈｉｇｈ）レベルの場合には、コンパレータ３４の出力に基づいて、電源回路１０から供給される直流電圧Ｖinを、所定の定電圧に変換して抵抗素子Ｒ１に印加し、抵抗素子Ｒ１の両端電位の電圧降下（すなわち、抵抗素子Ｒ１を流下する電流値）に応じて、スイッチングＦＥＴ３１の導通／遮断制御を行う、いわゆる、ＤＣ−ＤＣコンバータの機能を有している。
【００２１】
したがって、この間欠充電回路３０においては、コンパレータ３４により抵抗素子Ｒ１の電圧降下（充電コンデンサ５０に供給される充電電流ＩＡに対応）と、ＰＷＭ発振器３５からの鋸歯状のパルス信号の信号電圧との比較処理が行われて、抵抗素子Ｒ１の電圧降下が小さく（充電電流値が小さく）なると、ＡＮＤゲート３２の入力端にハイレベルが出力されて、スイッチングＦＥＴ３１が導通制御され、また、抵抗素子Ｒ１の電圧降下が大きく（充電電流値が大きく）なると、ＡＮＤゲート３２の入力端にロー（Ｌｏｗ）レベルが出力される。これにより、所定のタイミングで充電電流ＩＡが生成され、充電コンデンサ５０に出力される。なお、具体的な動作については、後述する。
【００２２】
接続状態切替回路４０は、上述した発振回路２０から出力されるパルス信号Ｐａのタイミングに基づいて、充電コンデンサ５０を構成する複数のコンデンサの接続状態を、直列または並列に切り替える制御を行う。特に、上述した間欠充電回路３０において、発振回路２０からＡＮＤゲート３２への出力がハイレベルであって、コンパレータ３４の出力に応じてスイッチングＦＥＴ３１が導通（ＯＮ）状態となって、充電コンデンサ５０に充電電流ＩＡが供給されるタイミングに同期して、複数のコンデンサ相互を直列接続状態に切り替え、また、スイッチングＦＥＴ３１が遮断（ＯＦＦ）状態となって、充電電流ＩＡの供給が停止したタイミングに同期して、コンデンサ相互を並列接続状態に切り替える制御を行う。
【００２３】
充電コンデンサ５０は、複数の電気二重層コンデンサにより構成され、上述した発振回路２０から出力されるパルス信号Ｐａのタイミングに基づいて、接続状態切替回路４０によりコンデンサ相互の接続状態が切替制御される。
具体的には、接続状態切替回路４０および充電コンデンサ５０は、図３に示すように、高電位側電源線ＨＬおよび低電位側電源線ＬＬ間に、コンデンサＣ１と、切替スイッチＳＷ１１と、コンデンサＣ２と、切替スイッチＳＷ１２と、コンデンサＣ３と、切替スイッチＳＷ１３と、コンデンサＣ４が、順次接点Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ３１、Ｎ３２を介して直列に接続されている。
【００２４】
そして、高電位側電源線ＨＬおよび接点Ｎ１２間、高電位側電源線ＨＬおよび接点Ｎ２２間、高電位側電源線および接点Ｎ３２間には、各々切替スイッチＳＷ２１〜２３が設けられ、低電位側電源線ＬＬおよび接点Ｎ１１間、低電位側電源線ＬＬおよび接点Ｎ２１間、低電位側電源線ＬＬおよび接点Ｎ３１間には、各々切替スイッチＳＷ３１〜３３が設けられている。
ここで、図４に示すように、切替スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３は、発振回路２０から出力されるパルス信号Ｐａに基づいて、所定のタイミングで一斉にＯＮ／ＯＦＦ動作を行うように制御される。また、切替スイッチＳＷ２１〜２３およびＳＷ３１〜３３は、切替スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３とは、逆のタイミングで一斉にＯＮ／ＯＦＦ動作を行うように制御される。
【００２５】
このように、本実施形態に適用される接続状態切替回路４０および充電コンデンサ５０は、コンデンサＣ１〜Ｃ４と、これらのコンデンサＣ１〜Ｃ４の接続状態を直列または並列に切り替え制御する切替スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３、ＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３とを有する、いわゆる、コンデンサバンクを構成している。
【００２６】
なお、上述した切替スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３、ＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３の具体的な構成としては、図５に示すように、たとえば、発振回路２０から出力されるパルス信号Ｐａに基づいて、所定の波長の光を発光するフォトダイオード群ＰＤと、フォトダイオード群ＰＤからの光を受光して電位差を発生する受光素子ＰＳと、該電位差に基づいて、電気的に導通する電界効果トランジスタＭＯＳＴから構成される、いわゆるフォトカプラ（光結合トランジスタともいう）を利用することができる。このような構成を有する切替スイッチによれば、入力側（パルス信号Ｐａ）と出力側（スイッチ動作）を電気的に分離することができるとともに、パルス信号Ｐａの信号レベルに的確に対応した導通制御を実現することができる。
【００２７】
電圧モニタ回路６０は、高電位側電源線ＨＬおよび低電位側電源線ＬＬとの間に、充電コンデンサ５０と並列に接続され、コンデンサＣ１〜Ｃ４に蓄積された電荷量を、モニタ電圧（充電電圧）値として検出するとともに、あらかじめ定められた基準電圧（耐圧保証電圧）値と比較し、モニタ電圧値が、基準電圧値に達したか否かを判定する。モニタ電圧値が、基準電圧値に達した場合には、制御信号Ｓｃ（ローレベル）を間欠充電回路３０のＡＮＤゲート３２に出力し、充電電流ＩＡの充電コンデンサ５０への供給を遮断する。
【００２８】
次に、上述した構成を有する充電装置の動作について、図面を参照して説明する。
図６は、本実施形態に係る充電装置における充電動作／電圧モニタ動作の切り替え制御と各電圧レベルとの関係、および、充電コンデンサの充電電圧の変化を示すタイミングチャートである。なお、ここでは、必要に応じて上述した充電装置（図１乃至図４参照）の構成を参照しながら説明する。
【００２９】
まず、充電コンデンサ５０を構成するコンデンサＣ１〜Ｃ４に電荷が蓄積されていない状態、すなわち、充電電圧Ｖｍが０Ｖの状態を初期状態として説明する。このとき、電圧モニタ回路６０からは、ハイレベルの制御信号Ｓｃが出力され、図２に示した間欠充電回路３０のＡＮＤゲート３２の入力端（１）に入力されている。
そして、発振回路２０から所定のタイミングでハイレベルのパルス信号Ｐａが出力されると、充電装置は充電可能状態となる。すなわち、パルス信号Ｐａが間欠充電回路３０のＡＮＤゲート３２の入力端（２）に入力されることにより、ＡＮＤゲート３２の入力端（１）にも、ハイレベルの制御信号Ｓｃが入力されているので、ＡＮＤゲート３２は、入力端（３）に入力されるコンパレータ３４からの出力レベルに基づいて、スイッチングＦＥＴ３１の導通状態が制御される。
【００３０】
また、パルス信号Ｐａは、間欠充電回路３０への入力と同期して、接続状態切替回路４０にも入力され、図３に示した切替スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３を一斉にＯＮ状態にするとともに、切替スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３を一斉にＯＦＦ状態に設定して、コンデンサＣ１〜Ｃ４相互を直列接続する。
ここで、増幅回路３３からの出力がローレベル、すなわち、抵抗素子Ｒ１の両端電位差が小さく、流下する電流値が小さい場合には、ＰＷＭ発振器３５から出力される信号周期（ハイレベル）となるタイミングに基づいて、コンパレータ３４からハイレベルの信号が間欠的に出力されるので、ＡＮＤゲート３２への入力が全てハイレベルとなって、スイッチングＦＥＴ３１のゲート電極にはハイレベルが印加されてスイッチングＦＥＴ３１は断続的に導通状態になる。これにより、インダクタンスＬ１を介して抵抗素子Ｒ１に印加される電圧が上昇するように制御される。
【００３１】
一方、増幅回路３３からの出力がハイレベル、すなわち、抵抗素子Ｒ１の両端電位差が大きく、流下する電流値が大きい場合には、コンパレータ３４からローレベルの信号が常時出力されるので、スイッチングＦＥＴ３１のゲート電極にはローレベルが印加されてスイッチングＦＥＴ３１は遮断状態になる。
このような間欠的なスイッチングＦＥＴ３１の導通／遮断動作により、ダイオードＤ１を介して断続的にインダクタンスＬ１に電荷が蓄積されて抵抗素子Ｒ１への印加電圧が制御され、この電圧に基づいて抵抗素子Ｒ１を介して充電電流ＩＡが断続的に充電コンデンサ５０に供給されて充電動作が行われる。
【００３２】
特に、ｍ個（本実施形態では、ｍ＝４）のコンデンサＣ１〜Ｃｍを直列接続状態に切り替えて充電動作を行うことにより、充電コンデンサ５０を単一のコンデンサで構成して充電する場合に比べて、充電コンデンサ５０としての容量値を１／ｍ2（本実施形態では、１／１６）倍に低減することができるので、コンデンサによる分割割合に応じて、充電電流値を１／ｍ（＝１／４）倍に低減することができる。
【００３３】
次いで、発振回路２０から所定のタイミングでローレベルのパルス信号Ｐａが出力されると、充電装置は電圧モニタ状態となる。すなわち、パルス信号Ｐａが間欠充電回路３０のＡＮＤゲート３２の入力端（２）に入力されることにより、スイッチングＦＥＴ３１のゲート電極には常時ローレベルが印加されてスイッチングＦＥＴ３１は遮断状態に制御される。
このとき、パルス信号Ｐａは、間欠充電回路３０への入力と同期して、接続状態切替回路４０にも入力されているので、図３に示した切替スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３を一斉にＯＦＦ状態にするとともに、切替スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３を一斉にＯＮ状態に設定して、コンデンサＣ１〜Ｃ４相互を並列接続する。並列接続されたコンデンサＣ１〜Ｃ４は、単一の電圧モニタ回路６０に共通に接続される。
【００３４】
これにより、各コンデンサＣ１〜Ｃ４の容量のばらつきに起因して不均一になっている各両端電圧は、共通接続されることにより均一化されるので、単一の電圧モニタ回路６０により、この均一化された両端電圧を、各コンデンサＣ１〜Ｃ４の充電電圧Ｖｍとしてバラツキなく検出（モニタ）することができる。また、分割されたコンデンサＣ１〜Ｃ４を並列接続することにより、充電コンデンサ５０の容量を増大して負荷駆動能力を向上させることができる。
【００３５】
電圧モニタ回路７０における具体的な電圧モニタ動作は、図６に示すように、上記均一化され、検出された充電電圧Ｖｍと、コンデンサＣ１〜Ｃ４の耐圧に基づいて予め設定された基準電圧（耐圧保証電圧）Ｖｚとを比較処理し、充電電圧Ｖｍが基準電圧Ｖｚ以上でない場合には、電圧モニタ動作終了後に継続して充電動作が実行されるように間欠充電回路３０のＡＮＤゲート３２にハイレベルの制御信号Ｓｃを出力する。一方、充電電圧Ｖｍが基準電圧Ｖｚ以上となった場合には、充電コンデンサ５０への充電電流ＩＡの供給を強制的に遮断するように間欠充電回路３０のＡＮＤゲート３２にローレベルの制御信号Ｓｃを出力して、充電動作を終了する。
【００３６】
したがって、上述したような充電動作および電圧モニタ動作を、発振回路２０において設定される任意の信号幅および任意の周期を有するパルス信号Ｐａに基づいて繰り返し実行することにより、電源回路１０における直流電圧Ｖinの供給周期（たとえば、商用電源の交流周期）等に依存することなく、充電コンデンサ５０への充電の進行状態を任意のタイミングで制御することができるので、充電装置の設計自由度を向上させることができ、充電コンデンサ５０の耐圧を保証しつつ、より迅速かつ安定した充電動作を行うことができる。
【００３７】
また、電圧モニタ動作時には、充電コンデンサ５０を構成する各コンデンサＣ１〜Ｃ４を並列接続することにより、各コンデンサＣ１〜Ｃ４の充電電圧Ｖｍを均一化することができるので、充電電圧Ｖｍを精度良く監視することができるとともに、単一の電圧モニタ回路６０により充電電圧Ｖｍを検出することができるので、充電装置の装置規模を小型化することができるとともに、電圧モニタ回路６０における発熱量および消費電力の低減を図ることができる。
【００３８】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る充電装置の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。
図７は、本発明に係る充電装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。ここで、上述した実施形態と同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３９】
上述した第１の実施形態においては、充電装置に適用される接続状態切替回路４０および充電コンデンサ５０を構成する個別のコンデンサＣ１〜Ｃ４を所定のタイミングで直列接続状態または並列接続状態に切り替え制御する構成について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。したがって、たとえば、複数のコンデンサを積層したスタックコンデンサを同様の技術思想に基づいて、直列接続状態または並列接続状態に切り替え制御するものにも適用することができる。
【００４０】
具体的には、図７に示すように、本実施形態に係る接続状態切替回路４０および充電コンデンサ５０は、複数のコンデンサを積層したコンデンサスタックを複数備え、上記高電位側電源線ＨＬおよび低電位側電源線ＬＬ間に、複数のコンデンサＣ１１〜Ｃ３１、Ｃ１２〜Ｃ３２、Ｃ１３〜Ｃ３３、・・・、Ｃ１ｎ〜Ｃ３ｎを、各々直列に接続（積層）したコンデンサスタックＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、・・・、ＣＳｎと、各コンデンサスタックＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、・・・、ＣＳｎを構成するコンデンサＣ１１〜Ｃ３１、Ｃ１２〜Ｃ３２、Ｃ１３〜Ｃ３３、・・・、Ｃ１ｎ〜Ｃ３ｎの各層毎の並列接続を制御する切替スイッチ群ＳＷＡ１１〜ＳＷＡ１ｍ、ＳＷＡ２１〜ＳＷＡ２ｍ、ＳＷＡ３１〜ＳＷＡ３ｍと、各コンデンサスタックＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、・・・、ＣＳｎ相互の直列接続を制御する切替スイッチ群ＳＷＢ１〜ＳＷＢｍと、各コンデンサスタックＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、・・・、ＣＳｎと低電位側電源線ＬＬとの接続を制御する切替スイッチ群ＳＷＡ４１〜ＳＷＡ４ｍと、を有している。
【００４１】
ここで、切替スイッチ群ＳＷＡ１１〜ＳＷＡ１ｍ、ＳＷＡ２１〜ＳＷＡ２ｍ、ＳＷＡ３１〜ＳＷＡ３ｍ、ＳＷＡ４１〜ＳＷＡ４ｍ、ＳＷＢ１〜ＳＷＢｍは、上述した実施形態（図４参照）と同等の構成を有し、図示を省略した発振回路２０から出力されるパルス信号Ｐａのタイミングに基づいて、各コンデンサスタックＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、・・・、ＣＳｎ相互を直列接続状態に、または、各コンデンサスタックＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、・・・、ＣＳｎを構成する各コンデンサ相互を並列接続状態に切り替え制御する。
【００４２】
このような構成を有する接続状態切替回路４０および充電コンデンサ５０において、充電動作においては、パルス信号Ｐａがハイレベルとなるタイミングで、切替スイッチＳＷＢ１〜ＳＷＢｍを導通状態に、また、切替スイッチＳＷＡ１１〜ＳＷＡ１ｍ、ＳＷＡ２１〜ＳＷＡ２ｍ、ＳＷＡ３１〜ＳＷＡ３ｍおよびＳＷＡ４１〜ＳＷＡ４ｍを遮断状態に切り替え制御する。
【００４３】
このような切替スイッチＳＷＡ１１〜ＳＷＡ１ｍ、ＳＷＡ２１〜ＳＷＡ２ｍ、ＳＷＡ３１〜ＳＷＡ３ｍ、ＳＷＡ４１〜ＳＷＡ４ｍ、ＳＷＢ１〜ＳＷＢｍの切り替え制御により、充電コンデンサ５０は、高電位側電源線ＨＬと低電位側電源線ＬＬとの間に、各コンデンサＣ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ１２、Ｃ２２、・・・、Ｃ２ｎ、Ｃ３ｎが直列接続された状態となり、間欠充電回路３０から高電位側電源線ＨＬに供給される充電電流ＩＡにより充電コンデンサ５０の充電が行われる。
【００４４】
一方、電圧モニタ動作においては、パルス信号Ｐａがローレベルとなるタイミングで、切替スイッチＳＷＢ１〜ＳＷＢｍを遮断状態に、また、切替スイッチＳＷＡ１１〜ＳＷＡ１ｍ、ＳＷＡ２１〜ＳＷＡ２ｍ、ＳＷＡ３１〜ＳＷＡ３ｍおよびＳＷＡ４１〜ＳＷＡ４ｍを導通状態に切り替え制御する。
【００４５】
このような切り替え制御により、充電コンデンサ５０は、高電位側電源線ＨＬと接点Ｎ２１〜Ｎ２ｎを接続する信号線Ｌ１との間に、同一階層のコンデンサＣ１１〜Ｃ１ｎが並列接続され、信号線Ｌ１と接点Ｎ３１〜Ｎ３ｎを接続する信号線Ｌ２との間に、同一階層のコンデンサＣ２１〜Ｃ２ｎが並列接続され、さらに、信号線Ｌ２と接点Ｎ４１〜Ｎ４ｎを接続する信号線Ｌ３との間に、同一階層のコンデンサＣ３１〜Ｃ３ｎが並列接続された状態となる。並列接続されたコンデンサ群Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎは、各コンデンサの充電電圧が均一化されるとともに、各々のコンデンサ群が個別の電圧モニタ回路６１、６２、６３に接続され、各コンデンサ群Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎに充電された（均一化された）充電電圧が検出、監視される。
【００４６】
そして、上述した実施形態（図５参照）に示したように、上記充電動作および電圧モニタ動作を繰り返し実行することにより、充電期間中に周期的に充電電圧を検出し、基準電圧（耐圧保証電圧）と比較することにより充電状態が監視され、間欠充電回路３０のＡＮＤゲート３３に入力する制御信号Ｓｃにより充電コンデンサ５０への充電動作を制御することができるので、安定した急速充電動作特性を実現することができる。
したがって、このようなコンデンサスタックを用いた充電コンデンサ５０によれば、上述した実施形態における作用効果に加えて、スタック構造を有し、集積化された電気二重層コンデンサの接続状態を簡易に切り替え制御して、充電時の容量を極めて小さくすることができるので、充電装置の小型化を図りつつ、充電時間を短縮して充電特性の一層の向上を図ることができる。
【００４７】
なお、上述した各実施形態においては、充電コンデンサ５０を構成する個別の複数のコンデンサ相互、または、複数のコンデンサを積層した複数のコンデンサスタック相互を直列接続または並列接続状態に切り替え制御する構成について一例を示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、要するに、コンデンサ相互またはコンデンサ群相互の接続状態を切り替えて、充電動作および電圧モニタ動作を周期的（間欠的に）に繰り返し実行するものであれば、良好に適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、発振回路から出力される任意の信号幅および任意の周期を有するパルス信号に基づいて、間欠充電回路により充電コンデンサに間欠的に充電電流を供給するとともに、上記パルス信号に同期して、接続状態切替回路によりコンデンサ型蓄電池を構成する複数のコンデンサ相互、または、複数のコンデンサスタック相互を直列状態に切り替えて充電動作を行うように制御されるので、電源回路の電圧供給周期等に依存することなく、コンデンサ型蓄電池への充電の進行状態を任意のタイミングで制御することができ、充電装置の設計自由度を向上させて、より迅速な充電動作を行うことができる。
【００４９】
請求項２記載の発明によれば電装置は、接続状態切替回路により、間欠充電回路から出力電流が供給されるタイミングでは、複数のコンデンサ相互、または、複数のコンデンサスタック相互を直列に接続して充電動作を行うので、コンデンサ型蓄電池を単一のコンデンサにより構成して充電する場合に比べて、コンデンサ型蓄電池としての容量値を大幅に低減することができ、充電電流を削減して省電力化を図ることができる。
また、前記間欠充電回路からの出力電流が遮断されるタイミングでは、複数のコンデンサ相互、または、複数のコンデンサスタック相互を並列に接続して充電電圧を均一化する動作を行うように制御されるので、コンデンサ型蓄電池に充電されるコンデンサ電圧をバラツキなく精度良く検出することができる。
【００５０】
請求項３記載の発明によれば、接続状態切替回路により複数のコンデン相互、または、複数のコンデンサスタック相互が並列に接続されたとき、該コンデンサ、又は、コンデンサスタックに並列に接続された単一の電圧モニタ回路により充電電圧を検出、監視することができるので、充電装置の装置規模を小型化することができるとともに、電圧モニタ回路における発熱量および消費電力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る充電装置の第１の実施形態を示す概略回路図である。
【図２】本実施形態に係る充電装置に適用される間欠充電回路の一例を示す概略構成図である。
【図３】本実施形態に係る充電装置に適用される充電コンデンサおよび接続状態切替回路の一例を示す概略構成図である。
【図４】本実施形態に係る接続状態切替回路による充電コンデンサの接続状態の切替制御を示すタイミングチャートである。
【図５】本実施形態に係る接続状態切替回路に適用される切替スイッチの一例を示す概略構成図である。
【図６】本実施形態に係る充電装置における充電動作／電圧モニタ動作の切り替え制御と各電圧レベルとの関係、および、充電コンデンサの充電電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明に係る充電装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図８】従来技術おける充電装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０        電源回路
２０        発振回路
３０        間欠充電回路
４０        接続状態切替回路
５０        充電コンデンサ
３１        スイッチングＦＥＴ
３２        ＡＮＤゲート
３４        コンパレータ
３３        増幅器
３５        ＰＷＭ発振器
６０        電圧モニタ回路
Ｐａ        パルス信号
Ｓｃ        制御信号
ＨＬ        高電位側電源線
ＬＬ        低電位側電源線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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