(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の出力端子間に複数のコンデンサを接続して構成されたコンデンサブロックを充電用電源に接続して各コンデンサの充電を行うコンデンサの充電装置において、該出力端子間の電流経路に流れる電流を各コンデンサの箇所でバイパスするバイパス手段と、各コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段によって検出される各コンデンサの端子間電圧から各コンデンサの端子間電圧の増加率を算出する電圧増加率算出手段と、
前記コンデンサブロックの充電開始後、前記電圧増加率算出手段によって得られる各コンデンサの端子間電圧の増加率を比較して、端子間電圧の増加率が最も大きいコンデンサに流れる電流をバイパスさせ、
その後、端子間電圧の増加率が最も小さいコンデンサの端子間電圧が、バイパスされたコンデンサの端子間電圧以上の所定電圧に達したときに、該バイパスされたコンデンサのバイパスを解除すると共に、それまでバイパスされていたコンデンサ以外のコンデンサのうちで前記電圧増加率算出手段によって得られる端子間電圧の増加率が最も大きいコンデンサをバイパスする処理を繰り返す充電制御手段とを設けたことを特徴とするコンデンサの充電装置。
【請求項２】
前記充電制御手段は、前記バイパス手段で消費される電力量の制限値を予め設定し、該電力量の制限値を超えない範囲で、端子間電圧の増加率が最も高いコンデンサを含めて該バイパス手段によってバイパスするコンデンサの個数を決定することを特徴とする請求項１記載のコンデンサの充電装置。
【請求項３】
前記充電制御手段は、各コンデンサの端子間電圧の増加率と最大充電電圧の相関関係により作成されたバイパス時間マップを有し、該バイパス時間マップにより、各コンデンサのバイパス時間を設定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のコンデンサの充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、複数のコンデンサが接続され、電源として使用されるコンデンサブロックの各コンデンサに均等に充電を行うための充電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンデンサブロックの各コンデンサに均等に充電を行う充電装置としては、各コンデンサと並列に第１のスイッチ手段とトランスの１次コイルとの直列回路を接続し、該トランスの２次コイルと第２のスイッチ手段とを調整端子に接続した構成とし、各コンデンサの充電電荷を該トランスを介して該調整端子から取り出し、充電用電源や他のコンデンサ等に回送することで各コンデンサの端子間電圧を均等にするようにしたものが知られている（特開平７─３２２５１５号）。
【０００３】
また、２つのスイッチ手段の直列回路を２つのコンデンサの直列回路に並列に接続すると共に、２つのスイッチ手段の直列接続中点と２つのコンデンサの直列接続中点との間にインダクティブ素子を接続した構成とし、各スイッチをスイッチングして、各コンデンサの電荷を該インダクティブ素子を介して他のコンデンサに移動させることで、各コンデンサの端子間電圧を均等にするようにしたものが知られている（特開平７─３２２５１６号）。
【０００４】
上記２つの充電装置は、いずれも各コンデンサ間で電荷を移動させることで各コンデンサの端子間電圧を均等にするものである。そして、先ず充電開始前にコンデンサブロックの各コンデンサの端子間電圧が均等になるように各コンデンサ間で電荷の移動を行う。これにより、各コンデンサの端子間電圧が等しい状態で充電を開始することができ、大電流で急速充電を行うときの充電率を高めることができる。しかし、各コンデンサの充電率は容量の違いなどによって異なるため、各コンデンサが充電を完了するのに要する時間は一致しない。そのため、上記２つの充電装置では、充電を完了したコンデンサにさらに電流が流れて該コンデンサが過充電となって破損するのを防ぐため、充電開始後は、常時各コンデンサの端子間電圧を規定充電電圧と比較し、端子間電圧が該規定充電電圧に達したコンデンサの電荷を他の端子間電圧が該規定充電電圧に達していないコンデンサに移動させることで各コンデンサが過充電されることを防ぎ、全てのコンデンサを該規定充電電圧まで充電するようにしている。
【０００５】
このように、上記２つの充電装置では、大電流を扱うコイルが必要なため、各コンデンサの端子間電圧を均一にする均一化回路が大型になってしまうという不都合があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記不都合を解決し、コンデンサブロックの各コンデンサの充電を小型の回路を用い、最低限の熱損失で均等に行うことができるコンデンサの充電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、一対の出力端子間に複数のコンデンサを接続して構成されたコンデンサブロックを充電用電源に接続して各コンデンサの充電を行うコンデンサの充電装置において、該出力端子間の電流経路に流れる電流を各コンデンサの箇所でバイパスするバイパス手段と、各コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段によって検出される各コンデンサの端子間電圧から各コンデンサの端子間電圧の増加率を算出する電圧増加率算出手段と、前記コンデンサブロックの充電開始後、前記電圧増加率算出手段によって得られる各コンデンサの端子間電圧の増加率を比較して、端子間電圧の増加率が最も大きいコンデンサに流れる電流をバイパスさせ、その後、端子間電圧の増加率が最も小さいコンデンサの端子間電圧が、バイパスされたコンデンサの端子間電圧以上の所定電圧に達したときに、該バイパスされたコンデンサのバイパスを解除すると共に、それまでバイパスされていたコンデンサ以外のコンデンサのうちで前記電圧増加率算出手段によって得られる端子間電圧の増加率が最も大きいコンデンサをバイパスする処理を繰り返す充電制御手段とを設けたことを特徴とする。
【０００８】
かかる本発明によれば、先ず、端子間電圧の増加率が最も大きなコンデンサに流れる電流をバイパスさせるので、該コンデンサの充電が抑制される。そして、そのバイパス後、端子間電圧の増加率が最も小さいコンデンサの端子間電圧が、前記バイパスを行ったコンデンサの端子間電圧に達したときに、該バイパスを行ったコンデンサのバイパスを解除して充電を再開すると同時に、該バイパスを行ったコンデンサ以外のコンデンサの内、端子間電圧の増加率が最も大きなコンデンサをバイパスさせる。
【０００９】
そして以後は、バイパスを行ったコンデンサの端子間電圧に、端子間電圧の増加率が最も小さいコンデンサの端子間電圧が達したときに、そのバイパスを解除して充電を再開し、該バイパスを解除したコンデンサ以外のコンデンサの内、端子間電圧の増加率が最も大きなコンデンサのバイパスを行う、という動作が繰り返される。そのため、各コンデンサの端子間電圧が均等になるように制御され、バイパスを行う時間が次第に短くなり、各コンデンサの充電をほぼ同時に終了させることができる。したがって、先に充電を完了したコンデンサが過充電されるのを防ぐため、該コンデンサに対応したバイパス電流路に電流を常時流すことで、前記バイパス手段において熱損失が発生し続けるという事態は生じない。
【００１０】
そのため、大電力を扱う回路が不要となり、小型の回路で充電を行うことが可能となる。そして、各コンデンサの端子間電圧の均等性を保ちながら充電が行われるので、高い充電率を得ることができる。
【００１３】
前記充電制御手段は、前記バイパス手段で消費される電力量の制限値を予め設定し、該電力量の制限値を超えない範囲で、端子間電圧の増加率が最も高いコンデンサを含めて該バイパス手段によってバイパスするコンデンサの個数を決定することを特徴とする。
【００１４】
かかる本発明において、前記バイパス制御手段で消費される電力量の制限値を設定すると、充電が進み、各コンデンサの端子間電圧が上昇するにつれて、コンデンサをバイパスしたときに前記バイパス制御手段で消費される電力量が増加するため、バイパス可能なコンデンサの個数は減少する。しかし、充電が進むにつれて、各コンデンサの端子間電圧の差が減少してバイパスを行う必要があるコンデンサの個数も減少するため、前記バイパス制御手段で消費される電力量を一定値以下に抑えて充電を行うことができる。
【００１５】
また、前記充電制御手段は、各コンデンサの端子間電圧の増加率と最大充電電圧の相関関係により作成されたバイパス時間マップを有し、該バイパス時間マップにより、各コンデンサのバイパス時間を設定することを特徴とする。
【００１６】
かかる本発明によれば、設定されたバイパス時間の長いコンデンサから順次バイパスを行うことで、各コンデンサの端子間電圧の差を効率良く減少させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態を図１から図３を参照して説明する。図１は本実施例のコンデンサの充電装置の構成図、図２、図３はコンデンサの充電時間と端子間電圧との関係を示すグラフである。図１を参照して、１はコンデンサであり、直列に接続されてコンデンサブロック２を構成する。３は充電用電源であり、コンデンサブロック２の一対の出力端子４、５と接続されてコンデンサ１に定電流を供給し、これらを充電する。各コンデンサ１はバイパス手段６と接続され、コンデンサ１に流れる電流がバイパス手段６によってバイパスされる。バイパス手段６は、バイパス電流路７と、バイパス電流路７と接続されたＦＥＴ８とからなる。ＦＥＴ８のゲート端子は充電制御手段１１と接続され、充電制御手段１１からのハイ、ロー２レベルの信号出力によってＦＥＴ８がオン、オフされる。
【００１８】
充電制御手段１１からの出力信号がローレベルのときは、ＦＥＴ８がオフとなるので、出力端子４、５間の電流経路からバイパス電流路７が遮断され、コンデンサ１に電流が流れる第１の状態（充電状態）となる。また、充電制御手段１１からの出力信号がハイレベルのときには、ＦＥＴ８がオンしてバイパス電流路７が該電流経路に導通されるので、それまでコンデンサ１に流れていた電流がバイパス電流路７に流れる第２の状態（バイパス状態）となる。１２は電圧検出手段である差動増幅器であり、コンデンサ１の両端子と接続されて、その端子間電圧を検出する。電圧検出手段１２の出力端子は充電制御手段１１と電圧増加率算出手段１３とに接続される。電圧増加率算出手段１３は、電圧検出手段１２によって検出されるコンデンサ１の端子間電圧の時間変化から、コンデンサ１の出力端子間電圧の増加率を算出する。
【００１９】
図２は図１に示したコンデンサブロック２を構成する３個のコンデンサ１の端子間電圧と充電時間との関係を示すグラフである。図２において、２０、２１、２２は、充電開始後の前記３個のコンデンサ１の端子間電圧の増加状況を示している。充電開始点Ｔ０  では充電制御手段１１から各バイバス制御手段６に対して、ローレベルの信号が出力される。即ち、前記第１の状態（充電状態）となり、各コンデンサ１に対して充電が開始される。その後Ｔ０  から所定時間経過したＴ１  で、３個のコンデンサ１の端子間電圧の増加率が電圧増加率算出手段１３によって算出され、充電制御手段１１に入力される。そして、充電制御手段１１は、端子間電圧の増加率（グラフの傾き）が最大である２０に対応したコンデンサ１に接続されたバイパス手段６に対して、ハイレベルの信号を出力する。これによって２０に対応したコンデンサ１に接続されたバイパス手段６は前記第２の状態（バイパス状態）となり、２０に対応したコンデンサ１がバイパスされ、充電が中断される。
【００２０】
その後、充電制御手段１１は、電圧検出手段１２によって検出される上記バイパスを行った２０に対応したコンデンサ１以外の各コンデンサ１の端子間電圧及び、電圧増加率算出手段１３によって算出される各コンデンサ１の端子間電圧の増加率を一定時間毎に入力する。そして、端子間電圧の増加率が最小である２２がＶ１  に達する時間Ｔ２  で２０に対応したコンデンサ１に接続されたバイパス手段６に対してローレベルの信号を出力して、該バイパス手段６を前記第１の状態（充電状態）に戻してバイパスを解除し、充電を再開する。このとき同時に、２１、２２の内、端子間電圧の増加率が最大である２１に対応したコンデンサ１に接続されたバイパス制御手段６に対してハイレベル信号を出力し、該バイパス制御手段６を前記第２の状態（バイパス状態）とする。これにより、２１に対応したコンデンサ１がバイパスされ、充電が中断される。
【００２１】
その後、充電制御手段１１は、電圧検出手段１２によって検出される上記バイパスを行った２１に対応したコンデンサ１以外の２０、２２に対応した各コンデンサ１の端子間電圧及び、電圧増加率算出手段１３によって算出される各コンデンサ１の端子間電圧の増加率を一定時間毎に入力する。そして、２０、２２の内、端子間電圧の増加率が最小である２２がＶ２  に達する時間Ｔ３  で、２１に対応したコンデンサに接続されたバイパス手段６に対してローレベルの信号を出力する。これにより、２１に対応したコンデンサ１に接続されたバイパス手段６は前記第１の状態（充電状態）となり、バイパスが解除されて充電が再開される。このような制御を繰り返すと、バイパスを行う時間である、（  Ｔ２  −Ｔ１）、（Ｔ３  −Ｔ２  ）、・・・、が次第に短くなり、各コンデンサの端子間電圧が均等になるので、各コンデンサの充電をはぼ同時に終了することができる。したがって、バイパスによって発生する熱損失で本来充電に使用されるべき電気エネルギーが無駄になってしまうのを抑制することができる。
【００２２】
尚、本実施例では、端子間電圧の増加率が最小である２２がＶ１  に達したＴ２  で２０に対応したコンデンサ１のバイパスを解除したが、図３に示すように２２がＶ１  を越えた所定値Ｖａ  になった時点Ｔａ  で２０に対応したコンデンサ１のバイパスを解除してもよい。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施形態について、図４を参照して説明する。図４は６個のコンデンサが直列接続されたコンデンサブロックをバイパス制御を行って充電したときの、各コンデンサの端子間電圧の推移を示すグラフであり、縦軸が端子間電圧、横軸が充電時間である。尚、本第２の実施形態の装置構成は図１に示した前記第１の実施形態と同様であり、６個のコンデンサ１に対してそれぞれバイパス手段６と、電圧検出手段１２と、電圧増加率算出手段１３とが設けられる。
【００２４】
本第２の実施形態では、バイパス手段６で消費される電力量の制限値（例えば３．０Ｗ）が予め定められ、該制限値を越えない範囲で複数個のコンデンサが同時にバイパスされる。また、コンデンサブロックには、充電用電源３から１Ａの定電流が供給されて充電が行われる。
【００２５】
図４のグラフを参照して、Ｔ０  で充電が開始されると、Ｔ１  、Ｔ２  、Ｔ３  で電圧増加率算出手段１３によって検出される端子間電圧の増加率が最大であるコンデンサ４１及びこれに準じるコンデンサ４２、４３がそれぞれバイパス手段６によりバイパスされる。このとき、バイパスされた各コンデンサ４１、４２、４３の端子間電圧は０．５Ｖであるので、バイパス制御手段６で消費される電力量は、
１Ａ  ×  ０．５Ｖ  ×  ４（個）  ＝  ２Ｗ  ・・・  ▲１▼
となる。
【００２６】
バイパスされたコンデンサ４１、４２、４３は、電圧増加率算出手段１３によって検出される端子間電圧の増加率が最小であるコンデンサ４４及びこれに準ずるコンデンサ４５、４６の端子間電圧が１Ｖを越えた所定値以上となったＴ４  、Ｔ５  、Ｔ６  で、バイパス解除される。そして、バイパスされたコンデンサ４１、４２、４３以外のコンデンサのうちで、端子間電圧の増加率が最大であるコンデンサ４４がＴ７  でバイパスされる。このとき、バイパスされたコンデンサ４４の端子間電圧は２Ｖであるので、バイパス制御手段６で消費される電力量は、
１Ａ  ×  ２Ｖ  ×  １（個）  ＝  ２Ｗ      ・・・  ▲２▼
となる。
【００２７】
そして、Ｔ８  で端子間電圧の増加率が最小であるコンデンサ４６が、バイパスされたコンデンサ４４の端子間電圧を越えた所定値となったときに、コンデンサ４４のバイパスが解除され、コンデンサ４５がバイパスされる。このとき、バイパスされたコンデンサ４５の端子間電圧は２．３Ｖであるので、バイパス制御手段６で消費される電力量は、
１Ａ  ×  ２．３Ｖ  ×  １（個）  ＝  ２．３Ｗ  ・・・  ▲３▼
となる。
【００２８】
このように、▲１▼〜▲３▼に示すように、本第２の実施形態によれば、多数のコンデンサが接続されたコンデンサブロックを、複数のコンデンサをバイパスさせて各コンデンサ間の端子間電圧の差を縮小させながら充電を行うときに、バイパス制御手段で消費される電力量が予め定められた制限値以下に抑えられる。そのため、バイパス制御手段に備える放熱手段は、全てのコンデンサの満充電電圧時でバイパスさせる必要がなくなるため（端子間電圧が低い時点でバイパスさせるため）、該放熱手段を小型にすることができる。
【００２９】
尚、本第２の実施形態では、コンデンサの端子間電圧の上昇率によって、バイパスするコンデンサを決定したが、充電開始時に、各コンデンサが必要とするバイパス時間を予測し（実験により決定した、端子間電圧の上昇率と必要バイパス時間との相関関係データマップを用意し、該データマップによって必要バイパス時間を予測する。）、該バイパス時間の長い順にバイパスするコンデンサを決定してもよい。このとき、バイパスされるコンデンサ間の端子間電圧は一定とはならないが、例えばバイパスＦＥＴのゲート電圧をＰＷＭ制御したり、又はゲート電圧をアナログ制御することで一定化することも可能である。
【００３０】
また、本第２の実施形態では、充電開始後、端子間電圧が０．５Ｖになったコンデンサが発生したときに、バイパス制御を開始したが、充電開始直後にバイパス制御を開始してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態の充電状態を示すグラフ。
【図３】本発明の第１の実施形態の充電状態を示すグラフ。
【図４】本発明の第２の実施形態の充電状態を示すグラフ。
【符号の説明】
１…コンデンサ、２…コンデンサブロック、３…充電用電源、４，５…出力端子、６…バイパス手段、７…バイパス電流路、８…ＦＥＴ、１１…充電制御手段、１２…電圧検出手段、１３…電圧増加率算出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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