(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電路に沿って直列接続された複数の蓄電用コンデンサと、
これら各蓄電用コンデンサのそれぞれに並列接続されたスイッチング・レギュレータと、
これらスイッチング・レギュレータのそれぞれの出力端子を前記主電路に接続する副電路と、
前記各蓄電用コンデンサの端子間電圧を監視し、この監視中の端子間電圧が高いものほど大きな導通時間率となるようにそれぞれに並列接続された前記スイッチング・レギュレータのスイッチング動作を個別に制御する監視・制御回路と
を備えたことを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記副電路を流れる電流は、前記主電路を流れる電流の高々１０％前後になるように設定されたことを特徴とする蓄電装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記蓄電用コンデンサは、電気二重層コンデンサであることを特徴とする蓄電装置。
【請求項４】
請求項１乃至３において、
前記監視・制御回路はＩＣチップ上に形成されたことを特徴とする蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車の蓄電装置などに利用される直並列接続された多数の直流蓄電用コンデンサから構成される蓄電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気自動車用蓄電装置は、鉛蓄電池やニッケルカドミウム電池などの二次電池（蓄電池）を主体とするものが開発されてきた。この二次電池による蓄電装置の開発と並行して、電気二重層コンデンサと称される極めて大容量のコンデンサ（蓄電器）を電気自動車用の蓄電装置として利用する研究も進められてきている。
【０００３】
この電気二重層コンデンサは、特開昭６０ー１５１３８  号公報や、ＵＳＰ３，５３６，９６３号などに開示されているように、活性炭や活性炭繊維と、水系電解液や有機系電解液とを組合せることにより、極めて大きな静電容量を実現している。典型的には、十円硬貨とほぼ同一の直径とほぼ３倍の厚みのもとで５Ｆ（ファラッド）〜１０Ｆもの大容量の電気二重層コンデンサが実現され、市販されている。このような大容量の電気二重層コンデンサは、単位体積、単位容量当たりの蓄電量が既に鉛蓄電池などのそれを凌ぎつつあり、電気自動車用の蓄電装置として極めて有望視されている。この電気二重層コンデンサは、蓄電池とは異なり充放電可能な回数に実質的な制限がないという点で、極めて経済的であるという利点も備えている。
【０００４】
従来、コンデンサ（蓄電器）は、単体で、あるいはコイルや抵抗器などの回路素子と組合せられて、サージの吸収、平滑化、濾波、同調など各種の交流電気特性の実現に利用さてきているが、その静電容量は高々数百μＦであり、蓄電器とはいってもその蓄積エネルギーは極めて小さい。
【０００５】
従って、数ファラッドもの超大容量を有するコンデンサは、極めて特殊な用途を除き、概ね直流電力の蓄積のための用途を有するものとして、従来の小容量の交流特性を実現するためのコンデンサと区別することができる。従って、本明細書では、そのような直流電力の蓄積を目的とする電気二重層コンデンサなどの数ファラッド以上の静電容量を有する大容量のコンデンサを「蓄電用コンデンサ」と総称する。
【０００６】
このような直流蓄電用コンデンサの一つである電気二重層コンデンサの場合、典型的な耐圧は数ボルトの程度の低い値に留まる。このため、数百ＫＷＨもの蓄電量と、数千ボルトもの出力電圧を有する電気自動車用蓄電装置を実現するには、数百個の直流蓄電用コンデンサについて、直列接続と並列接続とが混在するような接続（直並列接続）が行われる。
【０００７】
直列接続された各電気二重層コンデンサには同一の放電電流が流れるが、それぞれの端子電圧の低下の様子が同一になるとは限らない。例えば、図２に示すように、直列接続された３個の電気二重層コンデンサＣ１，Ｃ２及びＣ３の個々の端子間電圧は、一般に、放電の進行（時間の経過）と共に異なる割合で低下してゆく。この例では、電気二重層コンデンサＣ３の端子間電圧が負の値になると、直列接続回路の端子間電圧がかえって低下するという不都合が生じる。
【０００８】
上記不都合を回避するために、図３に示すように、電気二重層コンデンサＣ１，Ｃ２及びＣ３のそれぞれに、予めダイオードＤ１，Ｄ２及びＤ３を並列接続しておき、端子間電圧の極性が反転したものについては、放電電流を対応の並列接続ダイオード内をバイパスさせることにより、端子Ｏ１，Ｏ２間の電圧の低下を回避する対策が考えられる。
【０００９】
あるいは、図４に示すように、電気二重層コンデンサＣ１，Ｃ２及びＣ３のそれぞれを、予めスイッチＳ１，Ｓ２及びＳ３を介在させながら直列接続し、端子間電圧の極性が反転したものについては、スイッチを切替えて直列接続回路から切り離すことにより、端子Ｏ１，Ｏ２間の電圧の低下を回避する対策も考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図３に例示したダイオードを並列する構成では、各ダイオードの抵抗値をＲオーム、放電電流をＩアンペアとした場合、バイパス状態となった各ダイオードあたりＲＩ２  ワットというかなり大きな電力損失が生じるという問題がある。また図４に例示した切替えスイッチを使用する構成では、大きな放電電流を切替えるために高価な大容量のスイッチが必要になり、不経済であるという問題がある。
【００１１】
さらに、図３，図４のいずれの構成でも、装置全体としての端子間電圧の変動が大きいという問題がある。
従って、本発明の目的は、電力の利用効率が高く、安価で、端子間電圧の変動が小さな蓄電装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の蓄電装置は、主電路に沿って直列接続された複数の蓄電用コンデンサと、これら各蓄電用コンデンサのそれぞれに並列接続されたスイッチング・レギュレータと、これら各スイッチング・レギュレータの出力端子を前記主電路に接続する副電路と、前記各蓄電用コンデンサの端子間電圧を監視し、この監視中の端子間電圧が高いものほど大きな導通時間率となるように前記並列接続されたスイッチング・レギュレータのスイッチング動作を個別に制御する監視・制御回路とを備えている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記副電路を流れる電流は、前記主電路を流れる電流の高々１０％前後の値になるように設定されることにより、各スイッチング・レギュレータを低い定格値の安価な素子で構成可能としている。本発明の他の実施の形態によれば、直列接続される各蓄電用コンデンサは電気二重層コンデンサであり、前記監視・制御回路はＩＣチップ上に形成されている。
以下、本発明の詳細を実施例と共に詳細に説明する。
【００１４】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の蓄電装置の構成を示す回路図である。複数の電気二重層コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３・・・Ｃｎが出力端子Ｏ１とＯ２間の主電路Ｍに沿って直列接続されている。各電気二重層コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３・・・Ｃｎのそれぞれには、スイッチング・レギュレータＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３・・・ＳＲｎが並列接続されている。
【００１５】
スイッチング・レギュレータＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３・・・ＳＲｎのそれぞれは、変成器Ｔ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）から成るスイッチング素子Ｑ、整流用ダイオードＤ及び平滑用コンデンサＣから構成されている。スイッチング・レギュレータＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３・・・ＳＲｎのそれぞれの出力端子は副電路Ｓを通して主電路Ｍに接続されている。
【００１６】
監視・制御回路ＳＣはＩＣチップ上に形成されている。この監視・制御回路ＳＣは、電気二重層コンデンサＣ１の低圧側端子の電圧値Ｖ０と、各電気二重層コンデンサＣ１〜Ｃｎの高圧側端子の電圧値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３・・・・Ｖｎのそれぞれを、端子電圧監視用電線Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・・Ｓｎを介して検出し、Ｖ１−Ｖ０，Ｖ２−Ｖ１，Ｖ３−Ｖ２・・・・Ｖｎ−Ｖｎー１を算出することより、各電気二重層コンデンサの端子電圧を検出する。
【００１７】
監視・制御回路ＳＣは、各電気二重層コンデンサに並列接続されているスイッチング・レギュレータＳＲ１〜ＳＲｎ内のスイッチング素子Ｑに制御信号線ａ１〜ａｎを介してパルス電圧を供給して間欠的に導通状態にすることにより、各スイッチング・レギュレータのスイッチング動作を制御する。このスイッチング動作の制御は、対応の電気二重層コンデンサＣ１〜Ｃｎの端子電圧が高いスイッチング・レギュレータほど導通の時間率（導通角）が増大するように、パルスのデューティ比が変更される。
【００１８】
すなわち、直列接続された電気二重層コンデンサＣ１〜Ｃｎのうち最も高い端子間電圧を有するものについては、対応のスイッチング・レギュレータから副電路Ｓに最も大きな直流電流が出力される。また、電気二重層コンデンサＣ１〜Ｃｎのうち最も低い端子間電圧を有するものについては、対応のスイッチング・レギュレータから副電路Ｓに最小の又はゼロの直流電流が出力される。そして、電気二重層コンデンサＣ１〜Ｃｎのうち中間的な端子間電圧を有するものについては、対応のスイッチング・レギュレータから副電路Ｓに中間的な大きさの直流電流が出力される。
【００１９】
電気二重層コンデンサＣ１〜Ｃｎのうち高い端子間電圧を有するものについては、対応のスイッチング・レギュレータから大きな電流が副電路Ｓを通して主電路Ｍに出力されるため、端子間電圧の下降の速度が高まる。逆に、電気二重層コンデンサＣ１〜Ｃｎのうち低い端子間電圧を有するものについては、対応のスイッチング・レギュレータから小さな電流が副電路Ｓを通して主電路Ｍに出力されるため、端子間電圧の下降の速度が低下する。この結果、各電気二重層コンデンサの端子電圧は、互いに接近状態を保ちながら下降することになる。
【００２０】
好適には、副電路Ｓを通して主電路に流れる電流が、直列接続された各電気二重層コンデンサＣ１〜Ｃｎを通して主電路Ｍに流れる電流の高々１０％前後になるように、スイッチング・レギュレータを構成する素子の定数が選択され、監視・制御回路ＳＣによる制御が決定される。
【００２１】
すなわち、各電気二重層コンデンサに並列接続されるスイッチング・レギュレータの出力電力は、各電気二重層コンデンサの端子間電圧のバラツキを解消できる程度の大きさの供給電力のバラツキを生じさせる程度でよく、その値は直列接続された電気二重層コンデンサから直接供給される電力の高々１０％程度で足りる。このように、スイッチング・レギュレータを介する供給電力の割合を小さな値に留めることにより、各スイッチング・レギュレータを低い定格値の安価な回路素子で構成でき、蓄電装置全体の製造費用を低減できる。
【００２２】
以上、蓄電用コンデンサとして電気二重層コンデンサを使用する構成を例示したが、電気二重層コンデンサ以外の適宜な蓄電用コンデンサを利用することもできる。
【００２３】
以上詳細に説明したように、本発明の蓄電装置は、直列接続された各蓄電用コンデンサのそれぞれにスイッチング・レギュレータを並列接続し、それぞれの端子間電圧を均一化するように各スイッチング・レギュレータを介する供給電力を制御する構成であるから、電力の利用効率が高く、安価で、端子間電圧の変動が小さな蓄電装置を実現できる。
【００２４】
特に、スイッチング・レギュレータを介する供給電力を全体の高々１０％前後の値になるように設定することにより、各スイッチング・レギュレータを低い定格値の安価な素子で構成可能とし、装置全体の製造費用を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の蓄電装置の構成を示す回路図である。
【図２】直列接続された３個の蓄電用コンデンサＣ１〜Ｃ３の端子間電圧が放電の進行と共に不揃いに変化する様子とその弊害を説明するための概念図である。
【図３】直列接続された３個の蓄電用コンデンサＣ１〜Ｃ３の端子間電圧が放電の進行と共に不揃いに変化することにより弊害を回避するために各蓄電用コンデンサにダイオードを並列接続した蓄電装置の構成を示す回路図である。
【図４】直列接続された３個の蓄電用コンデンサＣ１〜Ｃ３の端子間電圧が放電の進行と共に不揃いに変化することを防止するために、各蓄電用コンデンサに切替えスイッチを付加した蓄電装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｃ１〜Ｃｎ    電気二重層コンデンサ
ＳＲ１  〜ＳＲｎ  スイッチング・レギュレータ
Ｍ          主電路
Ｓ          副電路
ＳＣ        監視・制御回路
Ｏ１，Ｏ２      出力端子
Ｓ１〜Ｓｎ    電圧監視用電線
ａ１〜ａｎ  制御信号線
Ｔ        変成器
Ｑ          スイッチング素子
【図１】
0003563538.tif 000002
【図２】
0003563538.tif 000003
【図３】
0003563538.tif 000004
【図４】
0003563538.tif 000005