(57)【要約】【課題】ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータを用いずに、低損失、低ノイズの交流出力可能な蓄電装置を提供する。【解決手段】本発明は、１以上の蓄電素子を含んでなる蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、蓄電モジュール群と電気的に接続され、蓄電モジュールの各々に印加される電圧を調整するよう構成された、バランス回路と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１端子と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、第１スイッチ群と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第２端子と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、第２スイッチ群と、を備え、第１スイッチ群及び第２スイッチ群でのスイッチ切り替えにより、第１端子と第２端子とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じて出力電圧の大きさ及び極性を選択するよう構成された、蓄電装置を提供する。【選択図】図７
2011055648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の蓄電素子を含んでなる蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、
前記蓄電モジュール群と電気的に接続され、前記蓄電モジュールの各々に印加される電圧を調整するよう構成された、バランス回路と、
前記直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１接続点と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、スイッチ群と、
前記第１接続点と、前記直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と電気的に接続された第２接続点と、を入力とする正逆反転回路であって、該第１接続点と第２接続点との各々を、出力端子のいずれかと接続するよう構成された、正逆反転回路と、
前記蓄電モジュールの電圧を検出するよう構成された、蓄電モジュール電圧検出手段と、
前記蓄電モジュール電圧検出手段により検出された前記蓄電モジュールの電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさとに基づき、前記スイッチ群に含まれるスイッチのうちいずれか１つをオンとするよう構成された、スイッチ群制御手段と、
目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の極性に基づき、前記正逆反転回路において、前記第１接続点と第２接続点とに接続される出力端子を選択するよう構成された、正逆反転回路制御手段と、
を備え、
前記目標とする出力電圧波形の大きさ及び極性と、前記蓄電モジュールの電圧と、に応じて、前記スイッチ群におけるスイッチ切り替えと、前記正逆反転回路における前記第１及び第２接続点に接続される出力端子の選択と、を行うことによって、前記第１接続点と第２接続点とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じた出力電圧の大きさを選択し、該第１接続点と第２接続点との各々に接続される出力端子に応じた出力電圧の極性を選択し、該目標とする出力電圧波形を有する電圧を出力するよう構成された、
蓄電装置。
【請求項２】
１以上の蓄電素子を含んでなる蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、
前記蓄電モジュール群と電気的に接続され、前記蓄電モジュールの各々に印加される電圧を調整するよう構成された、バランス回路と、
前記直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１接続点と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、スイッチ群と、
前記第１接続点と、前記直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と電気的に接続された第２接続点と、を入力とする正逆反転回路であって、該第１接続点と第２接続点との各々を、出力端子のいずれかと接続するよう構成された、正逆反転回路と、
を備え、
前記スイッチ群でのスイッチ切り替えにより、前記第１接続点と第２接続点とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じて出力電圧の大きさを選択し、前記正逆反転回路により、該第１接続点と第２接続点との各々に接続される出力端子に応じて出力電圧の極性を選択するよう構成された、
蓄電装置。
【請求項３】
１以上の蓄電素子を含んでなる、各々が直流電源に接続された蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、
前記直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１接続点と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、スイッチ群と、
前記第１接続点と、前記直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と電気的に接続された第２接続点と、を入力とする正逆反転回路であって、該第１接続点と第２接続点との各々を、出力端子のいずれかと接続するよう構成された、正逆反転回路と、
を備え、
前記スイッチ群でのスイッチ切り替えにより、前記第１接続点と第２接続点とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じて出力電圧の大きさを選択し、前記正逆反転回路により、該第１接続点と第２接続点との各々に接続される出力端子に応じて出力電圧の極性を選択するよう構成された、
蓄電装置。
【請求項４】
前記蓄電モジュールの電圧を検出するよう構成された、電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された前記蓄電モジュールの電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさとに基づき、前記スイッチ群に含まれるスイッチのうちいずれか１つをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第１手段と、
前記目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の極性に基づき、前記正逆反転回路において、前記第１接続点と第２接続点とに接続される出力端子を選択するよう構成された、正逆反転回路制御手段と、
をさらに備え、
前記目標とする出力電圧波形の大きさ及び極性と、前記蓄電モジュールの電圧と、に応じて前記スイッチ群と前記正逆反転回路とを制御することにより、該目標とする出力電圧波形を有する電圧を出力するよう構成された、請求項２又は３に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記出力端子に接続された負荷の電圧を検出するよう構成された、電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された前記負荷電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさとに基づき、前記スイッチ群に含まれるスイッチのうちいずれか１つをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第１手段と、
前記目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の極性に基づき、前記正逆反転回路において、前記第１接続点と第２接続点とに接続される出力端子を選択するよう構成された、正逆反転回路制御手段と、
をさらに備え、
前記目標とする出力電圧波形の大きさ及び極性と、前記負荷電圧と、に応じて前記スイッチ群と前記正逆反転回路とを制御することにより、該目標とする出力電圧波形を有する電圧を出力するよう構成された、請求項２又は３に記載の蓄電装置。
【請求項６】
前記出力端子に接続された負荷の電圧を検出するよう構成された負荷電圧検出手段と、
前記目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧と、該ある時刻における、前記負荷電圧検出手段により検出された負荷電圧と、に基づき、前記スイッチ群に含まれるスイッチのうちいずれか１つをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第２手段と、
を更に備え、前記負荷と、前記スイッチ群制御第２手段によってオンとされたスイッチを介して該負荷と接続された前記蓄電モジュールとの間での充放電によって、前記目標とする出力電圧波形の、前記ある時刻における電圧へと、前記負荷電圧を調整するよう構成された、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の蓄電装置。
【請求項７】
請求項２乃至６のいずれか一項に記載の蓄電装置を用いて、電圧を出力する方法であって、
基準波形出力手段より、基準波形信号を入力する段階と、
前記基準波形信号に基づいて、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさ及び極性を決定する段階と、
前記蓄電モジュールの電圧と、前記目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさに基づき、前記スイッチ群に含まれるスイッチのうちいずれか１つをオンとする段階と、
前記目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の極性に基づき、前記正逆反転回路において、前記第１接続点と第２接続点との各々を、前記出力端子のいずれかと接続する段階と、
を含み、所定の時間間隔が経過するごとに前記出力電圧の大きさ及び極性を選択することにより、前記目標とする出力電圧波形へと出力電圧を調整することを特徴とする、方法。
【請求項８】
前記スイッチ群において、全てのスイッチがオフになった状態と、いずれか１つのスイッチがオンになった全ての状態と、から選択される２以上の状態の間での切り替えを、前記所定の時間間隔内で１回以上行うことにより、前記所定の時間間隔内での出力電圧時間平均を調整する段階を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
１以上の蓄電素子を含んでなる蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、
前記蓄電モジュール群と電気的に接続され、前記蓄電モジュールの各々に印加される電圧を調整するよう構成された、バランス回路と、
前記直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１端子と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、第１スイッチ群と、
前記直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第２端子と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、第２スイッチ群と、
を備え、
前記第１スイッチ群及び第２スイッチ群でのスイッチ切り替えにより、前記第１端子と第２端子とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じて出力電圧の大きさ及び極性を選択するよう構成された、
蓄電装置。
【請求項１０】
１以上の蓄電素子を含んでなる、各々が直流電源に接続された蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、
前記直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１端子と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、第１スイッチ群と、
前記直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第２端子と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、第２スイッチ群と、
を備え、
前記第１スイッチ群及び第２スイッチ群でのスイッチ切り替えにより、前記第１端子と第２端子とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じて出力電圧の大きさ及び極性を選択するよう構成された、
蓄電装置。
【請求項１１】
前記蓄電モジュールの電圧を検出するよう構成された、電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された前記蓄電モジュールの電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧とに基づき、前記第１スイッチ群と第２スイッチ群とに含まれるスイッチのうち、各々いずれか１つずつをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第１手段と、
をさらに備え、
前記目標とする出力電圧波形の大きさ及び極性と、前記蓄電モジュールの電圧と、に応じて前記第１スイッチ群及び第２スイッチ群を制御することにより、該目標とする出力電圧波形を有する電圧を出力するよう構成された、請求項９又は１０に記載の蓄電装置。
【請求項１２】
請求項９又は１０に記載の蓄電装置であって、該蓄電装置に接続された負荷の電圧を検出するよう構成された、電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された前記負荷電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧とに基づき、前記第１スイッチ群と第２スイッチ群とに含まれるスイッチのうち、各々いずれか１つずつをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第１手段と、
をさらに備え、
前記目標とする出力電圧波形の大きさ及び極性と、前記負荷電圧と、に応じて前記第１スイッチ群及び第２スイッチ群を制御することにより、該目標とする出力電圧波形を有する電圧を出力するよう構成された、蓄電装置。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれか一項に記載された蓄電装置であって、
該蓄電装置に接続された負荷の電圧を検出するよう構成された負荷電圧検出手段と、
前記目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧と、該ある時刻における、前記負荷電圧検出手段により検出された負荷電圧と、に応じて、前記第１スイッチ群と第２スイッチ群とに含まれるスイッチのうち、各々いずれか１つをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第２手段と、
を更に備え、前記負荷と、前記スイッチ群制御第２手段によってオンとされたスイッチを介して該負荷と接続された前記蓄電モジュールとの間での充放電によって、前記目標とする出力電圧波形の、前記ある時刻における電圧へと、前記負荷電圧を調整するよう構成された、蓄電装置。
【請求項１４】
請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の蓄電装置を用いて、電圧を出力する方法であって、
基準波形出力手段より、基準波形信号を入力する段階と、
前記基準波形信号に基づいて、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさ及び極性を決定する段階と、
前記蓄電モジュールの電圧と、前記目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさと極性とに基づき、前記第１スイッチ群と第２スイッチ群とに含まれるスイッチのうち、それぞれいずれか１つずつをオンとする段階と、
を含み、所定の時間間隔が経過するごとに前記出力電圧の大きさ及び極性を選択することにより、前記目標とする出力電圧波形へと出力電圧を調整することを特徴とする、方法。
【請求項１５】
前記第１又は第２スイッチ群において全てのスイッチがオフになった状態と、該第１及び第２スイッチ群において、それぞれいずれか１つのスイッチがオンとなった全ての状態と、から選択される２以上の状態の間での切り替えを、前記所定の時間間隔内で１回以上行うことにより、前記所定の時間間隔内での出力電圧時間平均を調整する段階を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記１以上の蓄電素子のうち少なくとも１つは、キャパシタ又は二次電池である、請求項１乃至６、及び９乃至１３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電装置に関する。さらに詳細には、本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータを用いずに低損失、低ノイズでの交流出力を可能とする、蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電圧を発生させるための電源の一例として、キャパシタ等の蓄電手段が保持する電圧を、ＤＣ−ＤＣコンバータ及びインバータで変換する方式によるものがある。
【０００３】
そのような交流電源の一般的な回路構成を図１に示す。この蓄電装置は、蓄電手段−放電回路−ＤＣ／ＤＣコンバータ−インバータより構成されている。
【０００４】
一般に、電力によって何らかの電子機器を動作させる際には、その装置の特性により決定される、所定の動作電圧範囲内で給電を行うことが必要である。電子機器類は個々の特性に応じた所定の電圧範囲内にて動作するが、その動作電圧範囲外では動作が不安定となるか、あるいは非動作となってしまうからである。したがって、上記交流電源においても出力電圧を一定範囲内へと収めるために、主にはＤＣ−ＤＣコンバータによる制御が必須となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２１９９６４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特に蓄電手段として、充放電状態に応じて出力特性が大きく変化するキャパシタを用いる場合は、その変動する出力電圧を一定の動作範囲内電圧へと変換すべく、幅広い入力電圧でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させる必要がある。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータを広範囲の入力電圧で動作させることによる損失増大という問題が生じる。加えて、トランスやコイルを用いた一般的なＤＣ−ＤＣコンバータを用いる場合には、コイルを含んだ回路サイズが比較的大きくなってしまうことや、鉄心等の構成部材に起因して変圧器全体としての重量が大きくなること等の問題もある。
【０００７】
また、上記蓄電装置によって交流を出力するにはＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧をインバータによってスイッチングすることとなるが、ＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電圧が高い場合には、高電圧をスイッチングすることによるノイズの増大という問題が生じる。
【０００８】
したがって、これらＤＣ−ＤＣコンバータやインバータを極力用いずに交流出力を可能とする蓄電装置が提供されれば、効率の改善やノイズの低減、及び装置全体としての小型化へと繋がる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、１以上の蓄電素子を含んでなる蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、蓄電モジュール群と電気的に接続され、蓄電モジュールの各々に印加される電圧を調整するよう構成された、バランス回路と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１接続点と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、スイッチ群と、第１接続点と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と電気的に接続された第２接続点と、を入力とする正逆反転回路であって、第１接続点と第２接続点との各々を、出力端子のいずれかと接続するよう構成された、正逆反転回路と、蓄電モジュールの電圧を検出するよう構成された、蓄電モジュール電圧検出手段と、蓄電モジュール電圧検出手段により検出された蓄電モジュールの電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさとに基づき、スイッチ群に含まれるスイッチのうちいずれか１つをオンとするよう構成された、スイッチ群制御手段と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の極性に基づき、正逆反転回路において、第１接続点と第２接続点とに接続される出力端子を選択するよう構成された、正逆反転回路制御手段と、を備え、目標とする出力電圧波形の大きさ及び極性と、蓄電モジュールの電圧と、に応じて、スイッチ群におけるスイッチ切り替えと、正逆反転回路における第１及び第２接続点に接続される出力端子の選択と、を行うことによって、第１接続点と第２接続点とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じた出力電圧の大きさを選択し、該第１接続点と第２接続点との各々に接続される出力端子に応じた出力電圧の極性を選択し、目標とする出力電圧波形を有する電圧を出力するよう構成された、蓄電装置を提供する。
【００１０】
上記蓄電装置は、スイッチ群のスイッチ切り替えによって出力電圧の大きさを選択するよう構成されており、コイルやトランスを用いた従来型のＤＣ−ＤＣコンバータを必要としない。スイッチ切り替えによって選択される所望の大きさを有することとなった、蓄電モジュール群からの電圧は、正逆反転回路により必要に応じて極性（正負）の変換を受けた後、出力端子より出力される。
【００１１】
また上記蓄電装置においてはバランス回路によって各蓄電モジュールの電圧が調整されているため、それら調整された電圧を単位とする、出力電圧調整が可能となっている。
【００１２】
ここで、蓄電素子として、キャパシタ等の電圧変動が大きい素子を用いる場合には、変動する電圧を、蓄電モジュール電圧検出手段によって監視することが好ましい。オンとするスイッチを固定している間も放電によってキャパシタ電圧は降下するため、動作範囲内の出力を得るためには随時スイッチの切り替えが必要となるからである。なお、蓄電モジュール電圧検出手段とは、電圧を測定して測定電圧に応じたアナログ・デジタル信号を出力するよう構成された、任意の機器であってよい。
【００１３】
上記蓄電素子の電圧変動、及び目標とする電圧に応じたスイッチ切り替えは、スイッチ群制御手段により行うことが好ましい。スイッチとしてＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチを用いる場合、スイッチ群制御手段は、ＲＦ発振回路等からなる任意のスイッチドライバであってよい。
【００１４】
なお、上記スイッチドライバの一例としては、蓄電モジュール電圧検出手段によって検出された蓄電モジュール電圧を目標波形電圧と比較して、最適なスイッチング状態を決定した上でスイッチ群に対して切り替え信号を発生するよう構成された、プログラマブル・スイッチドライバを用いることが可能である。しかしながら、このような構成をスイッチ群制御手段が備えることは必須ではなく、任意の比較演算回路によってそのような比較を行うことも可能である。同様に、上記構成における蓄電モジュール電圧検出手段とスイッチ群制御手段とは別個の手段として構成される必要はなく、それらの機能を含んだ単一の機器を用いることも可能である。
【００１５】
上記のとおり、ある時刻における目標電圧へと出力電圧を調整するよう構成された蓄電装置を用いて、所定時間毎に出力電圧調整を行うことにより、直流／交流を問わず任意の波形パターンでの電圧出力が可能となる。
【００１６】
また、本発明は、１以上の蓄電素子を含んでなる蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、蓄電モジュール群と電気的に接続され、蓄電モジュールの各々に印加される電圧を調整するよう構成された、バランス回路と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１接続点と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、スイッチ群と、第１接続点と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と電気的に接続された第２接続点と、を入力とする正逆反転回路であって、第１接続点と第２接続点との各々を、出力端子のいずれかと接続するよう構成された、正逆反転回路と、を備え、スイッチ群でのスイッチ切り替えにより、第１接続点と第２接続点とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じて出力電圧の大きさを選択し、正逆反転回路により、第１接続点と第２接続点との各々に接続される出力端子に応じて出力電圧の極性を選択するよう構成された、蓄電装置を提供する。
【００１７】
各制御手段としては任意の外部機器を用いることとし、使用時にそれら外部機器を上記蓄電装置と適宜接続することによっても、本発明の目的は達成される。
【００１８】
また、本発明は、１以上の蓄電素子を含んでなる、各々が定電圧直流電源に接続された蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１接続点と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、スイッチ群と、第１接続点と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と電気的に接続された第２接続点と、を入力とする正逆反転回路であって、第１接続点と第２接続点との各々を、出力端子のいずれかと接続するよう構成された、正逆反転回路と、を備え、スイッチ群でのスイッチ切り替えにより、第１接続点と第２接続点とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じて出力電圧の大きさを選択し、正逆反転回路により、第１接続点と第２接続点との各々に接続される出力端子に応じて出力電圧の極性を選択するよう構成された、蓄電装置を提供する。
【００１９】
バランス回路を用いることに代わって、各蓄電モジュールに直流電源を接続することとした構成である。一例として、定電圧直流電源に個々の蓄電モジュールを接続しておけば、各蓄電モジュールの電圧降下を考慮せずに、出力電圧調整をすることが可能となる。
【００２０】
本発明の蓄電装置は、蓄電モジュールの電圧を検出するよう構成された、電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された蓄電モジュールの電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさとに基づき、スイッチ群に含まれるスイッチのうちいずれか１つをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第１手段と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の極性に基づき、正逆反転回路において、第１接続点と第２接続点とに接続される出力端子を選択するよう構成された、正逆反転回路制御手段と、をさらに備え、目標とする出力電圧波形の大きさ及び極性と、蓄電モジュールの電圧と、に応じてスイッチ群と正逆反転回路とを制御することにより、目標とする出力電圧波形を有する電圧を出力するよう構成することができる。
【００２１】
あるいは、本発明の蓄電装置は、出力端子に接続された負荷の電圧を検出するよう構成された、電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された負荷電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさとに基づき、スイッチ群に含まれるスイッチのうちいずれか１つをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第１手段と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の極性に基づき、正逆反転回路において、第１接続点と第２接続点とに接続される出力端子を選択するよう構成された、正逆反転回路制御手段と、をさらに備え、目標とする出力電圧波形の大きさ及び極性と、負荷電圧と、に応じてスイッチ群と正逆反転回路とを制御することにより、目標とする出力電圧波形を有する電圧を出力するよう構成することができる。
【００２２】
蓄電モジュールの電圧ではなく、負荷電圧を直接検出して、当該検出された負荷電圧に基づき、出力電圧を調整するよう構成することが可能である。蓄電モジュールの電圧と負荷電圧との間には、オンとするスイッチの選択に応じて特定の数学的関係が成立するため、出力電圧を調整するためにはそれらのうちいずれかを検出すれば十分だからである。
【００２３】
本発明の蓄電装置は、出力端子に接続された負荷の電圧を検出するよう構成された負荷電圧検出手段と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧と、ある時刻における、負荷電圧検出手段により検出された負荷電圧と、に基づき、スイッチ群に含まれるスイッチのうちいずれか１つをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第２手段と、を更に備え、負荷と、スイッチ群制御第２手段によってオンとされたスイッチを介して負荷と接続された蓄電モジュールとの間での充放電によって、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧へと、負荷電圧を調整するよう構成することができる。
【００２４】
本発明の蓄電装置を用いて、例えばコイルやキャパシタのようなリアクタンス素子を含む負荷へと交流電圧を出力する場合には（あるいは、負荷が何らかのリアクタンス成分を無視できない程度に有する場合には）、誘導起電力の発生などにより、負荷電圧と、目標とする電圧の値とが一致しないということが起こりうる。特に時間的変動の大きい高周波電圧を出力する際は、そのような影響が大きくなる。あるいは、負荷変動、残電位などの影響によっても、負荷電圧が出力電圧目標値からずれる場合がある。
【００２５】
上記構成によれば、そのような目標値とは異なる実際の負荷電圧を負荷電圧検出手段によって検出し、当該負荷を任意の蓄電モジュールと接続して充放電させることにより、負荷電圧を直接調整することが可能となる。また負荷の余剰エネルギーが蓄電モジュールへと回生されることにより、蓄電モジュールの電圧降下をある程度補償することも可能となり、これは動作の安定化に繋がる。
【００２６】
また、本発明は、上記蓄電装置を用いて、電圧を出力する方法であって、基準波形出力手段より、基準波形信号を入力する段階と、基準波形信号に基づいて、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさ及び極性を決定する段階と、蓄電モジュールの電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさに基づき、スイッチ群に含まれるスイッチのうちいずれか１つをオンとする段階と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の極性に基づき、正逆反転回路において、第１接続点と第２接続点との各々を、出力端子のいずれかと接続する段階と、を含み、所定の時間間隔が経過するごとに出力電圧の大きさ及び極性を選択することにより、目標とする出力電圧波形へと出力電圧を調整することを特徴とする、方法を提供する。
【００２７】
本発明の蓄電装置を用いて所望の波形パターン電圧を出力するための、具体的な手順を与える実施形態である。
【００２８】
上記方法は、スイッチ群において、全てのスイッチがオフになった状態と、いずれか１つのスイッチがオンになった全ての状態と、から選択される２以上の状態の間での切り替えを、所定の時間間隔内で１回以上行うことにより、所定の時間間隔内での出力電圧時間平均を調整する段階を含む方法とすることができる。
【００２９】
上記構成によれば、時間変動する電圧を所定の時間間隔ごとのスイッチ切り替え等により出力するに際して、当該所定の時間間隔中において出力電圧が異なる複数の状態間でのスイッチ切り替えを行うことによって、当該所定の時間間隔内での実質的な（時間平均）電圧を更に微細に調整することが可能となる。一例としては、全てのスイッチがオフになった状態と、整数個の直列接続蓄電モジュールが出力に寄与する状態とを所定時間内で高速に切り替えることにより、半整数個の蓄電モジュール電圧に対応する出力電圧を得ることが可能となる。蓄電装置に含まれる蓄電モジュールの数が少ない場合でも、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御によって出力電圧の多段階調整を可能とする構成である。
【００３０】
また、本発明は、１以上の蓄電素子を含んでなる蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、蓄電モジュール群と電気的に接続され、蓄電モジュールの各々に印加される電圧を調整するよう構成された、バランス回路と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１端子と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、第１スイッチ群と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第２端子と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、第２スイッチ群と、を備え、第１スイッチ群及び第２スイッチ群でのスイッチ切り替えにより、第１端子と第２端子とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じて出力電圧の大きさ及び極性を選択するよう構成された、蓄電装置を提供する。
【００３１】
正逆反転回路を用いず、第１スイッチ群と第２スイッチ群とにおけるスイッチ切り替えによって出力電圧の大きさ及び極性の選択を可能とする構成である。典型的には、第１スイッチ群と第２スイッチ群とのいずれから高電位側スイッチを選択し、いずれから低電位側スイッチを選択するか、を適宜切り替えることにより、極性の選択が可能となる。
【００３２】
また、本発明は、１以上の蓄電素子を含んでなる、各々が定電圧直流電源に接続された蓄電モジュールを２以上直列接続して構成される蓄電モジュール群と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第１端子と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、第１スイッチ群と、直列接続された蓄電モジュールのいずれかの端子と、第２端子と、を結ぶ経路中に設けられたスイッチを２以上含んでなる、第２スイッチ群と、を備え、第１スイッチ群及び第２スイッチ群でのスイッチ切り替えにより、第１端子と第２端子とを結ぶ経路中に存在する蓄電素子構成に応じて出力電圧の大きさ及び極性を選択するよう構成された、蓄電装置を提供する。
【００３３】
バランス回路を用いることに代わって、各蓄電モジュールに定電圧直流電源を接続する構成である。
【００３４】
本発明の蓄電装置は、蓄電モジュールの電圧を検出するよう構成された、電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された蓄電モジュールの電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧とに基づき、第１スイッチ群と第２スイッチ群とに含まれるスイッチのうち、各々いずれか１つずつをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第１手段と、をさらに備え、目標とする出力電圧波形の大きさ及び極性と、蓄電モジュールの電圧と、に応じて第１スイッチ群及び第２スイッチ群を制御することにより、目標とする出力電圧波形を有する電圧を出力するよう構成することができる。
【００３５】
あるいは、本発明の蓄電装置は、当該蓄電装置に接続された負荷の電圧を検出するよう構成された、電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された負荷電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧とに基づき、第１スイッチ群と第２スイッチ群とに含まれるスイッチのうち、各々いずれか１つずつをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第１手段と、をさらに備え、目標とする出力電圧波形の大きさ及び極性と、負荷電圧と、に応じて第１スイッチ群及び第２スイッチ群を制御することにより、目標とする出力電圧波形を有する電圧を出力するよう構成することができる。
【００３６】
蓄電モジュールの電圧ではなく、負荷電圧を直接検出して、当該検出された負荷電圧に基づき、出力電圧を調整するよう構成することが可能である。
【００３７】
本発明の蓄電装置は、当該蓄電装置に接続された負荷の電圧を検出するよう構成された負荷電圧検出手段と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧と、ある時刻における、負荷電圧検出手段により検出された負荷電圧と、に応じて、第１スイッチ群と第２スイッチ群とに含まれるスイッチのうち、各々いずれか１つをオンとするよう構成された、スイッチ群制御第２手段と、を更に備え、負荷と、スイッチ群制御第２手段によってオンとされたスイッチを介して負荷と接続された蓄電モジュールとの間での充放電によって、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧へと、負荷電圧を調整するよう構成することができる。
【００３８】
負荷のリアクタンス成分などに起因した負荷電圧のずれの補正、及び、余剰エネルギーを蓄電モジュールへと回生させることによる蓄電モジュール電圧降下の補償を可能とする、構成である。
【００３９】
また、本発明は、上記蓄電装置を用いて、電圧を出力する方法であって、基準波形出力手段より、基準波形信号を入力する段階と、基準波形信号に基づいて、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさ及び極性を決定する段階と、蓄電モジュールの電圧と、目標とする出力電圧波形の、ある時刻における電圧の大きさと極性とに基づき、第１スイッチ群と第２スイッチ群とに含まれるスイッチのうち、それぞれいずれか１つずつをオンとする段階と、を含み、所定の時間間隔が経過するごとに出力電圧の大きさ及び極性を選択することにより、目標とする出力電圧波形へと出力電圧を調整することを特徴とする、方法を提供する。
【００４０】
本発明の蓄電装置を用いて所望の波形パターン電圧を出力するための、具体的な手順を与える実施形態である。
【００４１】
上記方法は、第１又は第２スイッチ群において全てのスイッチがオフになった状態と、第１及び第２スイッチ群において、それぞれいずれか１つのスイッチがオンとなった全ての状態と、から選択される２以上の状態の間での切り替えを、所定の時間間隔内で１回以上行うことにより、所定の時間間隔内での出力電圧時間平均を調整する段階を含む方法とすることができる。
【００４２】
パルス幅変調制御によって出力電圧の多段階調整を可能とする構成である。
【００４３】
なお、蓄電素子としては典型的にキャパシタ又は二次電池が用いられるが、これらに限らず任意の素子、モジュール、及び装置等を用いて、本発明の蓄電装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明の蓄電装置を用いれば、ＤＣ−ＤＣコンバータのようなモジュールを用いずに、目標とする波形の直流／交流電圧を出力することが可能となる。また、上記蓄電装置の一実施形態においては、インバータも不要である。
【００４５】
これにより、広範な出力強度範囲に亘って低損失、低ノイズでの直流／交流電圧出力を可能とする、蓄電装置が実現される。
【００４６】
また、負荷変動、残電位、電磁誘導等に伴う負荷からのエネルギーの逆流を蓄電モジュールへと回生することにより、更に厳密な負荷電圧制御、及びエネルギー消費の高効率化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】蓄電手段を用いた、従来の交流蓄電装置の回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る、交流出力可能な蓄電装置の回路図である。
【図３】バランス回路の一例として用いることができる、スイッチトキャパシタを示した回路図である。
【図４】図２の蓄電装置において、接続点Ａ，Ｂを介して正逆反転回路へと入力される電圧波形の一例を示したグラフである。
【図５】蓄電モジュールにおける電圧降下の影響を補償するために行われるスイッチ切り替えを示した図である。
【図６】図２の蓄電装置によって負荷に印加される電圧波形の一例を示したグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る、交流出力可能な蓄電装置の回路図である。
【図８ａ】図７の蓄電装置において第２スイッチ群内のＳＷ1bをオンとし、第１スイッチ群内でオンとするスイッチをＳＷ1a〜ＳＷn+1a中で切り替えた場合の、出力電圧波形の一例を示すグラフである。
【図８ｂ】図７の蓄電装置において第１スイッチ群内のＳＷ1aをオンとし、第２スイッチ群内でオンとするスイッチをＳＷ1b〜ＳＷn+1b中で切り替えた場合の、出力電圧波形の一例を示すグラフである。
【図９】図７の蓄電装置によって負荷に印加される電圧波形の一例を示したグラフである。
【図１０】出力電圧が時間変動する場合に生じる、負荷電圧のずれを説明するための、回路図である。
【図１１】出力電圧が時間変動する場合に生じる、負荷電圧のずれを示したグラフである。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る、回生機能を備えた蓄電装置の回路図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る、回生機能を備えた蓄電装置の回路図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る電圧出力方法を説明するための、ある蓄電装置を示した回路図である。
【図１５】図１４の蓄電装置によって作成される、半波波形電圧の一例を示したグラフである。
【図１６】図１４の蓄電装置と比較してスイッチ数を半分にし、各スイッチ間隔を蓄電素子単位で２倍に広げた蓄電装置を示す、回路図である。
【図１７】図１６の蓄電装置によって作成される、半波波形電圧の一例を示したグラフである。
【図１８】図１６の蓄電装置をＰＷＭ制御することにより作成される、半波波形電圧の一例を示したグラフである。
【図１９】少ないスイッチ数できめ細やかな出力電圧調整を可能とする、本発明の方法を実施するために用いられる蓄電装置を示した回路図である。
【図２０】バランス回路に代わって各蓄電モジュールに定電圧直流電源を接続した、本発明の第６実施形態に係る蓄電装置を示した回路図である。
【図２１】バランス回路に代わって各蓄電モジュールに定電圧直流電源を接続した、本発明の第６実施形態に係る蓄電装置を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
これより図面を用いて、本発明に係る蓄電装置、及び電圧出力方法を説明する。但し、本発明に係る蓄電装置の構成は、各図面にて示される特定の具体的構成へと限定されるわけではなく、本発明の範囲内で適宜変更可能である。例えば、以下において各蓄電素子は主にキャパシタであるとして説明するが、これは二次電池など充放電可能な任意の素子、又は複数の素子からなるモジュールであってよい。各蓄電素子の容量も、それぞれ異なっていてよい。各スイッチについても、以下においてはＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチであるとして説明するが、任意の電子スイッチ、あるいは機械式スイッチを用いることも可能である。
【実施例１】
【００４９】
蓄電装置１の構成
図２は、本発明の第１実施形態に係る、交流出力可能な蓄電装置１の回路図である。蓄電装置１は、バランス回路２と、ｎ個の蓄電モジュール（以下キャパシタ）Ｃ1〜Ｃnを直列接続してなる蓄電モジュール群３と、ｎ個のスイッチＳＷ1〜ＳＷnからなるスイッチ群４と、スイッチＩＳa1，ＩＳa2，ＩＳb1，ＩＳb2を含む正逆反転回路５と、からなり、負荷６に対して所望の大きさ・極性で電圧を印加するよう構成されている。なお、負荷６とは抵抗器に限られるわけではなく、電力により動作する任意の素子、モジュール、装置のような任意の負荷を用いることが可能である。また図中のＡとＢは、正逆反転回路５の入力部に対応する、接続点である。
【００５０】
バランス回路２は、例えば特許文献１にて開示された蓄電セルモジュールにより構成される回路であってよいし、あるいは図３に示されるとおりの、キャパシタＣs1〜Ｃsn-1、及びスイッチＱ1〜Ｑ2nからなるスイッチトキャパシタシステムとして構成された回路であってもよい。
【００５１】
バランス回路２として図３のスイッチトキャパシタシステムを用いる場合は、スイッチＱ1〜Ｑ2nの高速スイッチングによってキャパシタＣs1〜Ｃsn-1とＣ1〜Ｃnとが相互充放電することにより、各キャパシタの分担する電圧が均一となる。
【００５２】
具体的には、奇数番号のスイッチＱ1，Ｑ3，…Ｑ2n-1がオンである時には、キャパシタＣ1とＣS1とが、Ｃ2とＣS2とが、…及びＣn-1とＣSn-1とが、それぞれ並列接続されることとなるため、並列接続されたキャパシタ間に電圧のばらつきが発生している場合には相互充放電が行われ、電圧ばらつきが解消される方向へと向かう。また一方で、偶数番号のスイッチＱ2，Ｑ4，…Ｑ2nがオンである時には、キャパシタＣ2とＣS1とが、Ｃ3とＣS2とが、…及びＣnとＣSn-1とが、それぞれ並列接続されることとなるため、並列接続されたキャパシタ間に電圧のばらつきが発生している場合には相互充放電が行われ、電圧ばらつきが解消される方向へと向かう。
【００５３】
したがって、奇数番号のスイッチを全てオンとする状態と偶数番号のスイッチを全てオンとする状態との間でスイッチングを繰り返すことにより、各々のキャパシタは他の全てのキャパシタと直接的、又は間接的に（他のキャパシタを介して）相互充放電を行うのであり、したがってキャパシタＣs1〜Ｃsn-1及びＣ1〜Ｃnの電圧が均一化される。
【００５４】
なお、バランス回路２によって、キャパシタＣ1〜Ｃnの電圧を均等化することは、本発明の蓄電装置１にとって必須ではない。
【００５５】
すなわち、後述のとおり、蓄電装置１による出力電圧の大きさは、各キャパシタＣ1〜Ｃnの電圧を単位として調整可能であるが、このような調整単位としての当該個々の蓄電素子電圧が全て等しいということは必須ではなく、例えば２種類の刻みをもって出力電圧を調整可能とするために、２種類の大きさの電圧をそれぞれのキャパシタに印加するよう、バランス回路２を構成することが可能である。あるいは全てのキャパシタ電圧を、全て異なる値へと調整してもよい。
【００５６】
蓄電モジュール群３を構成する、各蓄電モジュールＣ1〜Ｃnとしては、それぞれ単独のキャパシタを用いる代わりに、２以上のキャパシタ又は二次電池（あるいは、他の任意の蓄電素子）からなる蓄電モジュールを用いることも可能である。２以上のキャパシタ又は二次電池が直列・並列に接続されている場合であっても、合成容量を適切に計算することによりキャパシタと同様に扱うことが可能である。
【００５７】
スイッチ群４に含まれるそれぞれのスイッチＳＷ1〜ＳＷnは、キャパシタＣ1〜Ｃnのいずれかの端子と、蓄電装置１内の接続点Ａと、を結ぶ経路中に配置されている。スイッチＳＷ1〜ＳＷnのいずれか１つをオンとすることにより、それら端子のいずれかと接続点Ａとが電気的に接続されることとなり、したがって接続点Ａと接続点Ｂとの間には、選択されたスイッチに対応してキャパシタＣ1〜Ｃnのいずれか１以上の電圧を合計した電圧が、印加される。
【００５８】
正逆反転回路５は、スイッチＩＳa1，ＩＳa2，ＩＳb1，ＩＳb2を切り替えることにより、接続点Ａ及びＢに接続される蓄電装置１の出力端子を選択するよう構成される。すなわち、スイッチＩＳa1，ＩＳa2をオンとするか、あるいはＩＳb1，ＩＳb2をオンとするか、に応じて、負荷６へ印加される電圧の極性を選択することが可能となっている。なお、このような４つのスイッチを用いた構成は正逆反転回路５の単なる一例であって、本発明の蓄電装置１を実施するために、出力電圧の極性を選択できる任意の回路を用いてよい。
【００５９】
また、図２の蓄電装置１には、基準波形発振回路７、電圧検出回路８、比較演算回路９、スイッチ制御回路１０、及び正逆反転制御回路１１が備えられている。
【００６０】
基準波形発振回路７は、蓄電装置１が出力すべき電圧の目標である出力電圧波形を表す、基準波形信号を出力する。典型的には、基準波形発振回路７から出力される基準波形信号における瞬間電圧の一定倍率の電圧を出力するよう、蓄電装置１は動作する。
【００６１】
電圧検出回路８は、各キャパシタＣ1〜Ｃnのいずれか１以上、あるいは全ての電圧を検出するよう構成される。典型的には、電圧検出回路８をキャパシタＣ1〜Ｃnへと接続することで、直接キャパシタＣ1〜Ｃnの電圧を検出し、比較演算回路９へと出力するよう構成される。しかしながら、例えばバランス回路内の任意の素子に電圧検出回路８を接続し、当該素子の電圧を検出した上でその値に基づき各キャパシタの電圧を算出する、等の構成も可能である。
【００６２】
なお、既に述べたとおり、電圧検出回路８は、キャパシタの電圧ではなく負荷６の電圧を直接検出してもよい。蓄電モジュールの電圧と負荷電圧との間には、オンとするスイッチの選択に応じて特定の数学的関係が成立するため、出力電圧を調整するためにはそれらのうちいずれかを検出すれば十分だからである。図示してはいないが、そのような場合、電圧検出回路８は、蓄電モジュール群３ではなく負荷６へ接続される。
【００６３】
比較演算回路９は、基準波形発振回路７から出力された基準波形信号の電圧に基づいて決定される（典型的には、基準波形信号の電圧に一定倍率を乗じた大きさ及び極性の電圧として決定される）目標電圧と、電圧検出回路８から出力されたキャパシタ電圧とを比較し、スイッチ制御回路１０へと信号を出力するよう構成される。
【００６４】
信号とは、例えば目標電圧とキャパシタ電圧との単純な比率であってよいし、あるいはスイッチ制御回路１０から現在のスイッチ切り替え状態に関する情報を受信した上で、当該切り替え状態と、電圧検出回路８より受信したキャパシタ電圧値とから、現在蓄電装置１が出力している電圧の大きさを算出した上で、目標電圧と出力電圧とのずれを通知する信号であってもよい。あるいは、そのような情報に基づいて選択すべきスイッチ切り替え状態を決定し、スイッチ制御手段１０へと切り替え命令信号を出力するよう、比較演算回路９を構成することも可能である。
【００６５】
スイッチ制御回路１０は、比較演算回路９から受信した信号に基づき、スイッチ群４へとスイッチ切り替え信号を出力するよう構成される。
【００６６】
スイッチＳＷ1〜ＳＷnとしてＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチを用いる場合、スイッチ切り替え信号とは、例えばスイッチ制御回路１０内のＲＦ発振回路等で生成されるＲＦ信号である。あるいは、スイッチＳＷ1〜ＳＷnとして機械式スイッチを用いる場合など、スイッチの具体的な動作原理に応じて適切な制御信号を発するよう、スイッチ制御回路１０を適宜構成することができる。
【００６７】
正逆反転制御回路１１は、必要に応じて出力電圧の極性を変更するために、正逆反転回路５へと制御信号を発するよう構成される。正逆反転回路５として図２に示されるスイッチからなる構成を採用する場合、正逆反転制御回路１１は、スイッチ制御回路と同様に任意のスイッチドライバとすることができる。ただしこのような構成に限られる必要はなく、具体的な正逆反転回路５の構成に応じて、その動作を制御することが可能な任意の回路を用いてよい。なお、出力すべき電圧の極性を通知する信号は、比較演算回路９からスイッチ制御回路１０を経由して正逆反転制御回路１１へと入力されてもよいし、あるいは比較演算回路９から正逆反転制御回路１１へと直接入力されてもよい。
【００６８】
本発明の蓄電装置を動作させる際には、上記回路群７〜１１を用いることで動作中の制御を自動化すると都合が良い。しかしながら、このような回路群は必須ではなく、任意の外部機器との接続、あるいは任意の外部システムによる制御の下で、本発明の蓄電装置１を動作させることが可能である。
【００６９】
なお、図２では基準波形発振回路７、電圧検出回路８、比較演算回路９、スイッチ制御回路１０、及び正逆反転制御回路１１がそれぞれ別個の回路であるとして示されているが、これら全ての機能を組み込んだ単一の回路によってこれらを置き換えることも可能であるし、あるいはこれらの機能を、２以上の任意の数の回路に分担させることも可能である。
【００７０】
蓄電装置１の動作
次に、蓄電装置１の動作を説明する。まず初期状態において、キャパシタＣ1〜Ｃnはそれぞれ所定の電圧により充電されている。上述のとおり、これらの電圧は互いに異なっていてよいが、一例として、以下では全てのキャパシタに等しい電圧が印加されているものとする。また、スイッチＳＷ1〜ＳＷnは全てオフとされており、正逆反転回路５においては任意の切り替え状態が選択されているものとする。
【００７１】
比較演算回路９は、基準波形回路７と電圧検出回路８とからの信号を入力可能な状態で待機している。一例として、比較演算回路９は、当該回路を構成する演算装置（不図示）のクロック周波数等により決定される所定の時間間隔ごとに、基準波形回路７と電圧検出回路８とからの信号を確認し、両信号が存在する場合には比較演算を実行する。
【００７２】
比較演算回路９に、基準波形回路７と電圧検出回路８とからの信号が入力されると、比較演算回路９は、基準波形発振回路７から入力された基準波形信号電圧の瞬間値と、電圧検出回路８から入力されたキャパシタ電圧とを比較する。
【００７３】
例えば、基準波形信号電圧の瞬間値が＋５０ｍＶであって、キャパシタＣ1〜Ｃnの電圧がそれぞれ１Ｖであったとする。蓄電装置１の設定倍率値として、基準波形の１００倍で出力を行うとの設定がされている場合（典型的には、基準波形発振回路７から、あるいは任意の外部インターフェースを介して、比較演算回路９へと入力される設定信号による。）、比較演算回路９は基準波形信号電圧瞬間値の１００倍である５Ｖとキャパシタ電圧の１Ｖとを比較した上で、その比率を表す「５」と、基準波形信号電圧の極性を表す「＋」と、を表す信号を、スイッチ制御回路１０へと出力する（あるいは目標出力電圧としての「＋５Ｖ」を表す信号を直接出力してもよい）。
【００７４】
スイッチ制御回路１０は、入力された信号に応じて、選択すべきスイッチ群４の切り替え状態を選択する。比率として「５」を表す信号が入力された場合は、目標とする出力電圧の大きさとしてキャパシタ５個分の電圧を選択する必要があるため、スイッチ群４に対してスイッチＳＷ5をオンとするためのスイッチ切り替え信号を出力する（あるいは、比較演算回路９から受信した、目標出力電圧としての「＋５Ｖ」を表す信号と、電圧検出回路８から受信したキャパシタ電圧とに基づいて、スイッチＳＷ5をオンとすべきであるとの判断をスイッチ制御回路１０にて行い、引き続きスイッチ切り替え信号を出力する構成としてもよい。）。
【００７５】
上記スイッチ切り替え信号によりスイッチＳＷ5がオンとされ、接続点Ａ，Ｂ間にはキャパシタＣ1〜Ｃ5の合計電圧である５Ｖの電圧が印加される。
【００７６】
比較演算回路９から出力された、基準波形信号瞬間電圧の極性、すなわち目標電圧の極性「＋」を表す信号は、スイッチ制御回路１０を介して（あるいは直接）正逆反転制御回路１１へと入力される。正逆反転制御回路１１においては、「＋」信号に対してはスイッチＩＳa1とＩＳa2とを、「−」信号に対してはスイッチＩＳb1とＩＳb2とを対応させるとの設定が（あるいは逆の対応関係を定める設定が）あらかじめなされている。したがって「＋」信号を受信した正逆反転制御回路１１は、正逆反転回路５に対し、スイッチＩＳa1とＩＳa2とをオンとするための制御信号を出力する。
【００７７】
上記制御信号により、正逆反転回路５においてスイッチＩＳa1とＩＳa2とがオンとされ、負荷６に対して、目標出力電圧である「＋５Ｖ」の電圧が印加される。
【００７８】
基準波形信号電圧のある時刻における瞬間値に対応した出力電圧調整動作は、以上のとおり行われる。主には比較演算回路９にて規定されたクロック周波数に従い、所定の時間間隔が経過するごとに、時々刻々変化する目標出力電圧の瞬間値に応じて、上記調整動作により出力電圧が調整される。蓄電装置１を用いれば、基準波形信号に応じて、直流・交流いずれの電圧を出力することも可能である。
【００７９】
なお、目標出力電圧の瞬間値だけではなく、キャパシタＣ1〜Ｃ5の放電によりキャパシタ電圧が降下した場合も、上記動作によって適切なスイッチ切り替えが行われる。
【００８０】
例えば、ある時刻において基準波形発振回路７から比較演算回路９へと入力された信号が、基準波形信号電圧の瞬間値として、以前と同じ＋５０ｍＶを表していたとする。一方で、電圧検出回路８より入力された信号によれば、キャパシタＣ1〜Ｃnの電圧はそれぞれ０．５Ｖであったとする（負荷６へと電圧を印加し続けたことにより、キャパシタＣ1〜Ｃ6において放電による電圧降下が起こった場合に対応する。なお、負荷６へと直接接続されるキャパシタがＣ1〜Ｃ5のみであったとしても、バランス回路２の動作により、キャパシタＣ1〜Ｃnにおいて等しく電圧降下が起こっている。）。
【００８１】
比較演算回路９は、基準波形信号電圧瞬間値の１００倍である５Ｖとキャパシタ電圧との０．５Ｖとを比較した上で、その比率を表す「１０」と、目標電圧の極性を表す「＋」とを表す信号を、スイッチ制御回路１０へと出力する。
【００８２】
スイッチ制御回路１０は、入力された信号に応じて、選択すべきスイッチ群４の切り替え状態を選択する。比率として「１０」を表す信号が入力された場合は、出力電圧の大きさとしてキャパシタ１０個分の電圧を選択する必要があるため、スイッチ群４に対してスイッチＳＷ10（不図示）をオンとするためのスイッチ切り替え信号を出力する。
【００８３】
上記スイッチ切り替え信号によりスイッチＳＷ10がオンとされ、接続点Ａ，Ｂ間にはキャパシタＣ1〜Ｃ10（不図示）の合計電圧である５Ｖの電圧が印加される。
【００８４】
比較演算回路９から出力された、目標電圧の極性「＋」を表す信号は、スイッチ制御回路１０を介して（あるいは直接）正逆反転制御回路１１へと入力される。「＋」信号を受信した正逆反転制御回路１１は、正逆反転回路５に対し、スイッチＩＳa1とＩＳa2とをオンとするための制御信号を出力する。
【００８５】
上記制御信号により、正逆反転回路５においてスイッチＩＳa1とＩＳa2とがオンとされ（既にそのような状態が選択されている場合、切り替えは不要である。）、負荷６に対して「＋５Ｖ」の出力電圧が印加される。
【００８６】
このように、電圧検出回路８によりキャパシタ電圧を監視し続けることによって、キャパシタの電圧降下による出力電圧の乱れを防止することが可能となる。
【００８７】
図４は、目標出力電圧として正弦波が入力されたときに接続点Ａ，Ｂ間へと出力される電圧を１周期に亘って示したグラフである。実際の正弦波は１周期の間に正と負の間で極性が変わるが、スイッチ群４の切り替えは極性変化に対応していないため、Ａ、Ｂ間には常に同じ極性の電圧が出力される。この電圧が正逆反転回路へと入力され、各時刻において、目標出力電圧の極性に対応した変換を受ける。
【００８８】
なお、図４のグラフにおいて、Ａ，Ｂへの出力電圧は連続的な変化をせず、一定時間間隔ごとに階段状の変化をしている。これは既に述べたとおり、蓄電装置１による出力電圧の調整が所定の時間間隔ごとに行われるためである。
【００８９】
図４の例においては、基準波形信号における１周期の間に１６回、出力電圧の調整が行われている。しかしながら、上記所定の時間間隔を更に短く設定することで、より滑らかな出力電圧波形を得ることが可能である。
【００９０】
図５は、キャパシタにおける電圧降下の影響を補償するために行われるスイッチ切り替えを示した図である。既に述べたとおり、負荷６に電圧を印加し続けることで各キャパシタＣ1〜Ｃnは放電し、それぞれの電圧が降下する。したがって、基準波形信号として振幅一定の正弦波が入力される場合であっても、当該一定の振幅に対応する大きさの電圧を出力するために必要なキャパシタの個数は時間の経過と共に増加する。
【００９１】
図５中の実線で表されるグラフは、ある半周期に亘って基準波形信号に対応する正弦波を出力するために選択されたスイッチの時間変化を表す。一方、図５中の破線は、上記ある半周期よりも時間的に後の、別の半周期に亘って、基準波形信号に対応する正弦波を出力するために選択されたスイッチの時間変化を表す。同一振幅の正弦波の同一位相における電圧値を出力するためには、時間経過に応じて、より多くのキャパシタを出力に寄与させねばならないことがわかる（なおここでは、キャパシタの放電時間に比べて正弦波の周期が十分短いと仮定した。そのような条件が成り立たない場合、図５のグラフは、同一半周内でも時間経過に応じて「右肩上がりに」上昇する方向へと修正される。）。
【００９２】
なお、バランス回路２に何らかの充電手段を組み込んだ場合や、あるいは後述の実施例６にて説明されるとおり、キャパシタＣ1〜Ｃnに対して定電圧直流電源を接続した場合は、キャパシタＣ1〜Ｃ5の電圧が一定に保たれるため、電圧降下に応じた上記スイッチの切り替えは不要である。
【００９３】
図６は、基準波形信号として正弦波が入力されたときの、蓄電装置１からの出力電圧を示すグラフである。この電圧が蓄電装置１の出力として負荷６に印加される。このような波形は、図４で示される電圧が正逆反転回路５において適切な極性変換を受けることにより実現される交流電圧に対応する。
【実施例２】
【００９４】
蓄電装置１の構成
図７は、本発明の第２実施形態に係る、交流出力可能な蓄電装置１の回路図である。図１の蓄電装置と異なり、正逆反転回路５、及び正逆反転制御回路１１が含まれておらず、一方でスイッチ群４は、ＳＷ1a〜ＳＷn+1aよりなる第１スイッチ群１２と、ＳＷ1b〜ＳＷn+1bよりなる第２スイッチ群１３とから構成されている。
【００９５】
第１スイッチ群１２におけるそれぞれのスイッチＳＷ1a〜ＳＷn+1aは、キャパシタＣ1〜Ｃnのいずれかの端子と、蓄電装置１内の接続点Ａと、を結ぶ経路中に配置されている。第２スイッチ群１３におけるそれぞれのスイッチＳＷ1b〜ＳＷn+1bは、キャパシタＣ1〜Ｃnのいずれかの端子と、蓄電装置１内の接続点Ｂと、を結ぶ経路中に配置されている。なお、図７の蓄電装置１は正逆反転回路５を含まないため、接続点Ａ，Ｂにおいて負荷６が接続される。したがって以下では、Ａ，Ｂを出力端子Ａ，Ｂと呼ぶ。
【００９６】
図７の構成によれば、正逆反転回路を用いることなく出力電圧の極性を変更することが可能である。一例として、第１スイッチ群１２中のスイッチＳＷ5aと第２スイッチ群１３中のスイッチＳＷ2bとがオンとなっている状態では、キャパシタＣ2，Ｃ3，Ｃ4の電圧合計値に相当する出力電圧が負荷６に印加されるが、この出力電圧の極性を変更するためには、第１スイッチ群１２中のスイッチＳＷ2aと第２スイッチ群１３中のスイッチＳＷ5bとがオンとなるよう、それぞれのスイッチ群で切り替えを行えばよい。
【００９７】
なお、その他の要素については図２の蓄電装置と同様であり、それぞれの要素、回路、素子、及びモジュールは、図示された具体的構成に限らず本発明の範囲内で適宜変更可能である。
【００９８】
蓄電装置１の動作
次に、図７の構成をとる蓄電装置１の動作を説明する。まず初期状態において、キャパシタＣ1〜Ｃnはそれぞれ所定の電圧により充電されている。上述のとおり、これらの電圧は互いに異なっていてよいが、一例として、以下では全てのキャパシタに等しい電圧が印加されているものとする。また、スイッチＳＷ1a〜ＳＷn+1a、及びスイッチＳＷ1b〜ＳＷn+1bの少なくとも一方は全てオフとされており、蓄電装置１から負荷６へは電圧が印加されていない。
【００９９】
比較演算回路９は、基準波形回路７と電圧検出回路８とからの信号を入力可能な状態で待機している。一例として、比較演算回路９は、当該回路を構成する演算装置（不図示）のクロック周波数等により決定される所定の時間間隔ごとに、基準波形回路７と電圧検出回路８とからの信号を確認し、両信号が存在する場合には比較演算を実行する。
【０１００】
比較演算回路９に、基準波形回路７と電圧検出回路８とからの信号が入力されると、比較演算回路９は、基準波形発振回路７から入力された基準波形信号電圧の瞬間値と、電圧検出回路８から入力されたキャパシタ電圧とを比較する。
【０１０１】
例えば、基準波形信号電圧の瞬間値が＋５０ｍＶであって、キャパシタＣ1〜Ｃnの電圧がそれぞれ１Ｖであったとする。蓄電装置１の設定倍率値として、基準波形の１００倍で出力を行うとの設定が（典型的には任意のインターフェースを介した比較演算回路９への入力により）されていた場合、比較演算回路９は基準波形信号電圧瞬間値の１００倍である５Ｖとキャパシタ電圧の１Ｖとを比較した上で、その比率を表す「５」と、基準波形信号電圧の極性を表す「＋」と、を表す信号を、スイッチ制御回路１０へと出力する。
【０１０２】
スイッチ制御回路１０は、入力された信号に応じて、選択すべき第１スイッチ群１２及び第２スイッチ群１３の切り替え状態を選択する。比率として「５」を表す信号が入力された場合は、出力電圧の大きさとしてキャパシタ５個分の電圧を選択する必要があるため、例えば第１スイッチ群１２に対してはスイッチＳＷ6aをオンとするための信号を出力して、第２スイッチ群１３に対してはスイッチＳＷ1bをオンとするための信号を出力するか、あるいは、第１スイッチ群１２に対してはスイッチＳＷ1aをオンとするための信号を出力して、第２スイッチ群１３に対してはスイッチＳＷ6bをオンとするための信号を出力する。
【０１０３】
いずれの切り替え状態を選択するかは、比較演算回路９からの信号により指示される基準波形信号瞬間電圧の極性、すなわち目標電圧の極性に応じて定まる。一例として、極性が「＋」である場合には、第１スイッチ群１２から選択するスイッチの指標数が第２スイッチ群１３から選択するスイッチの指標数以上となるようスイッチ選択をするとの設定が（典型的には任意のインターフェースを介したスイッチ制御回路１０への入力により）されていた場合、スイッチＳＷ6aとＳＷ1bとをオンとするためのスイッチ切り替え信号が第１スイッチ群１２と第２スイッチ群１３とに対して出力される。
【０１０４】
あるいは、極性が「＋」である場合には第２スイッチ群中のＳＷ1bをオンとし、「−」である場合には第１スイッチ群中のＳＷ1aをオンとするよう、あらかじめ定めておくことも可能である。すなわち極性に応じて電圧の基準点を固定しておけば、「＋」の場合には第１スイッチ群から、「−」の場合には第２スイッチ群から適切なスイッチを選択することで、目標出力電圧の大きさに対応した出力電圧の調整が可能となる。このような構成をとれば、目標出力電圧の極性が変わるタイミング以外では第１スイッチ群又は第２スイッチ群のいずれか一方のみを切り替えることによって目標出力電圧変動に対応できるため、スイッチ切り替えによるノイズを更に低減させることが可能となる。
【０１０５】
上記のとおり、第１スイッチ群１２と第２スイッチ群１３との適切な切り替えにより、負荷６に対して、目標出力電圧である「＋５Ｖ」の電圧が印加される。
【０１０６】
基準波形信号電圧のある時刻における瞬間値に対応した出力電圧調整動作は、以上のとおり行われる。主には比較演算回路９にて規定されたクロック周波数に従い、所定の時間間隔が経過するごとに、時々刻々変化する目標出力電圧の瞬間値に応じて、上記調整動作により出力電圧が調整される。蓄電装置１を用いれば、基準波形信号に応じて、直流・交流いずれの電圧を出力することも可能である。
【０１０７】
なお、目標出力電圧の瞬間値だけではなく、キャパシタＣ1〜Ｃ5の放電によりキャパシタ電圧が降下した場合も、図２に示される蓄電装置と同様、上記動作によって適切なスイッチ切り替えが行われる。
【０１０８】
既に述べたとおり、電圧検出回路８によりキャパシタ電圧を監視し続けることによって、キャパシタの電圧降下による出力電圧の乱れを防止することが可能となる。
【０１０９】
図８ａ，図８ｂは、基準波形信号として正弦波が入力されたときに出力端子Ａ，Ｂから出力される電圧をそれぞれ半周期に亘って示したグラフである。最初の半周期を図８ａで、次の半周期を図８ｂで表している。具体的には、最初の半周期では第２スイッチ群１３中のスイッチＳＷ1bをオンとし、第１スイッチ群１２からは正弦波形に合わせて適宜選択するスイッチを変更し、そして次の半周期においては、第１スイッチ群１２中のスイッチＳＷ1aをオンとし、第２スイッチ群１３からは正弦波形に合わせて適宜選択するスイッチを変更することにより出力される電圧を図示している。第１スイッチ群１２と第２スイッチ群１３との適切な切り替えによって極性変化に対応することが可能であるため、極性変化を伴う任意の波形の電圧を、正逆反転回路を用いることなく出力できる。なお、図９はこのような極性変化を伴う交流電圧を、図７の蓄電装置１により１周期に亘って出力した場合の出力電圧を表している。
【０１１０】
なお、第１実施形態と同様に、出力端子Ａ，Ｂからの出力電圧は連続的な変化をせず、一定時間間隔ごとに階段状の変化をしている。これは既に述べたとおり、蓄電装置１による出力電圧の調整が所定の時間間隔ごとに行われるためである。所定の時間間隔を更に短く設定することで、より滑らかな出力電圧波形を得ることが可能である。
【０１１１】
また、図７の蓄電装置１においても、負荷６に電圧を印加し続けることで各キャパシタＣ1〜Ｃnは放電し、それぞれの電圧が降下する。したがって、基準波形信号として振幅一定の正弦波が入力される場合であっても、当該一定の振幅に対応する大きさの電圧を出力するために必要なキャパシタの個数は時間の経過と共に増加する。したがって、第１実施形態と同様の、図５において示されるとおりのスイッチ切り替えを行うことが好ましい。
【０１１２】
ただし、バランス回路２に何らかの充電手段を組み込んだ場合や、あるいは後述の実施例６にて説明されるとおり、キャパシタＣ1〜Ｃnに対して定電圧直流電源を接続した場合は、キャパシタＣ1〜Ｃ5の電圧が一定に保たれるため、電圧降下に応じた上記スイッチの切り替えは不要である。
【実施例３】
【０１１３】
蓄電装置１の構成
図１２は、本発明の第３実施形態に係る、回生機能を備えた蓄電装置１の回路図である。図２の蓄電装置と比較して、負荷電圧検出回路１４、比較帰還回路１５、及び回生スイッチ制御回路１６が加わった構成となっている。
【０１１４】
図１２の蓄電装置１を用いれば、基準波形信号電圧に設定倍率値を乗じた電圧としての目標電圧値から、負荷電圧がずれた場合でも、そのずれを修正することが可能となり、かつ、そのようなずれの電圧に対応する、負荷６の余剰エネルギーをキャパシタへと回生させることにより、キャパシタの電圧降下をある程度補償することが可能となる。
【０１１５】
蓄電装置１の動作
図１２の蓄電装置１によって実現される回生機能を説明する前に、図１０と図１１とを用いて、回生機能が必要となる原因である、負荷電圧のずれについて説明する。
【０１１６】
図１０は、負荷電圧のずれについて説明するために都合が良い、蓄電装置の一例を示している。蓄電装置１７は、バランス回路１８と、キャパシタＣ1〜Ｃ8からなるキャパシタ群１９と、スイッチＳＷ1〜ＳＷ8からなるスイッチ群２０と、から構成され、オンとするスイッチを適宜切り替えることにより、負荷２１へ時間に依存する電圧を出力するよう構成されている。
【０１１７】
図１１は、このような蓄電装置１７により時間変動する電圧を出力した場合に生じる、負荷電圧における理想値からのずれを表したグラフである。
【０１１８】
蓄電装置１７において、オンとするスイッチをＳＷ1，ＳＷ2…ＳＷ8と、所定時間ごとに切り替えていくことで、各キャパシタから負荷２１へと電流が流れて負荷電圧は階段状に上昇する。各段の幅は個々のキャパシタＣ1〜Ｃ8の電圧に対応する。
【０１１９】
ここで、ＳＷ8をオンとして負荷２１に最大電圧を印加したのち、以降の切り替えにおいてはオンとするスイッチをＳＷ7，ＳＷ6，…ＳＷ1と切り替えることにより、負荷電圧を上昇時と対称的なパターンで降下させることを考える。
【０１２０】
この場合、負荷２１が理想的な、十分重い抵抗器であれば、図１１の破線で示される、上昇時と対称的な階段パターンで、負荷電圧は降下する。しかしながら負荷２１がコイルやキャパシタのようなリアクタンス素子を含む構成となっている場合、あるいは負荷２１が軽い場合、あるいは負荷２１がその形状などに起因して何らかのリアクタンス成分を有しており、そのリアクタンス成分が抵抗成分と比較して無視できない程度の大きさである場合等には、実線で示されるとおり、負荷電圧の降下パターンが理想的パターンからずれる。一例としては、負荷２１内で誘導起電力が発生することにより、このようなずれが生じる。
【０１２１】
図１２の蓄電装置１を用いれば、このような電圧変動の理想的パターンからのずれを修正することが可能となる。この点に着目して、以下に蓄電装置１の動作を説明する。
【０１２２】
負荷電圧変動のずれの修正にかかる動作を除けば、図１２の蓄電装置１は、図２に示される蓄電装置１と同様に動作する。すなわち、比較演算回路９にて、基準波形発振回路７から入力された基準波形信号電圧の瞬間値と、電圧検出回路８から入力されたキャパシタ電圧との比較を行い、設定倍率値に応じて負荷への電圧出力に寄与すべきキャパシタの数を決定し、対応するスイッチ切り替え信号をスイッチ群４へと出力することで出力電圧の大きさを選択し、また基準波形回路７から入力された上記基準波形信号電圧の瞬間値の極性（正負）に応じて、正逆反転回路５へと制御信号を出力し、負荷へ印加する電圧の極性を選択する。
【０１２３】
ここで、図１２の蓄電装置１が行う新たな動作として、負荷電圧検出回路１４が負荷６の電圧を監視し、検出された電圧を表す信号を比較帰還回路１５へと出力する。また比較帰還回路１５に対しては、基準波形発振回路７から目標出力電圧を表す信号が入力される。これら信号入出力のタイミングは、何らかの外部機器により同期されていてもよく、あるいは負荷電圧検出回路１４と基準波形発振回路７とが、各々に設定されたクロック周波数等により決定される所定の時間間隔ごとに、比較帰還回路１５へとそれぞれ信号を出力するよう構成することも可能である。あるいは、比較帰還回路１５に対して、基準波形信号電圧瞬間値、及び上記設定倍率値のそれぞれを表す信号が、基準波形発振回路７から、又は蓄電装置１を構成する別の任意のモジュールから入力されてもよい。又は、そのような設定倍率値を、任意の外部インターフェースを介してあらかじめ比較帰還回路１５へと直接入力しておくよう、蓄電装置１を構成してもよい。
【０１２４】
比較帰還回路１５は、負荷電圧検出回路１４からの信号により通知される負荷電圧と、基準波形発振回路７からの信号により通知される目標出力電圧とを用いて、負荷電圧における、目標出力電圧からのずれを算出する。その後、一例としては負荷電圧と上記目標電圧との差を表す信号を生成し、回生スイッチ制御回路１６へと出力する。あるいは、上記目標値との差が所定の許容限界値を超えていた場合のみ、回生スイッチ制御回路１６への信号出力をするよう構成してもよい。
【０１２５】
回生スイッチ制御回路１６は、上記比較帰還回路１５からの信号に応答して、スイッチ群４へとスイッチ切り替え信号を出力する（負荷電圧と上記目標値との差を表す信号が比較帰還回路１５から入力される場合は、その値が所定の許容限界値を超えていることを条件として、当該スイッチ切り替え信号を出力する。）。切り替え信号を受信したスイッチ群４においては、負荷への出力電圧印加のためにオンとなっていたスイッチが一旦開放され、続いてスイッチ群４から新たに選択された、いずれかのスイッチがオンとなる。
【０１２６】
典型的には、上記動作においてスイッチＳＷ1がオンとされる。これにより負荷６にはキャパシタＣ1のみが接続され、両者の電位差に起因して負荷６からキャパシタ１へと余剰エネルギーが回生される。なお、回生を行うためにＳＷ1を選択することは必須ではないが、負荷６との電位差を大きくすることにより回生速度を上昇させるという点においては、スイッチＳＷ1を選択することにより負荷６に接続されるキャパシタ数を最小とすることが好ましい。
【０１２７】
余剰エネルギーの回生とは、負荷６から、この例においてはキャパシタＣ1への放電を意味するのであり、負荷６の電圧が降下して目標値へと近づく一方、キャパシタＣ1の電圧は上昇する。
【０１２８】
なお、キャパシタＣ1〜Ｃnの電圧はバランス回路２により常に調整されているため、バランス回路２が電圧均等化を行うような構成を採用する一例において、キャパシタＣ1へと充電されたエネルギーはバランス回路２によりキャパシタＣ2〜Ｃnへと分配され、したがって各キャパシタの電圧が上昇する。これにより蓄電装置１の動作可能時間が延長される。
【０１２９】
スイッチＳＷ1をオンとした状態で所定時間が経過した後、スイッチＳＷ1をオフにするとともに、回生を行う直前の切り替え状態へとスイッチ群４を再び切り替えるためのスイッチ切り替え信号が、スイッチ制御回路１０からスイッチ群４へと出力される。上記所定時間経過の通知は、蓄電装置全体の動作タイミングを制御する何らかの外部機器が行ってもよいし、あるいは回生スイッチ制御回路１６からスイッチ制御回路１０へと、所定時間が経過したことを示す信号を出力する構成とすることも可能である。
【０１３０】
あるいは、所定時間経過をスイッチ切り替えの条件とするのではなく、上記回生動作中も負荷電圧検出回路４による負荷電圧の検出、及び比較帰還回路１５による負荷電圧と目標値との比較を随時行い、負荷電圧と目標値との差が所定の許容限界値を下回った時点で、比較帰還回路１５からスイッチ制御回路１０へと制御信号が出力され、回生動作前の切り替え状態へと戻すよう構成してもよい。
【０１３１】
以降の動作は、図２の蓄電装置におけるものと同様である。基準波形発振回路７と電圧検出回路８とからの、時々刻々の入力に応じて、出力電圧の大きさと極性とが調整される。
【０１３２】
ここで、上記回生動作を行うタイミングは任意に設定可能である。例えば、上記基準波形発振回路７と電圧検出回路８とからの入力に応じた出力電圧調整を行う上記所定の時間間隔と同じ時間間隔をもって、すなわち毎回の出力電圧調整に付随して、回生動作を行うよう構成することも可能であるし、あるいはそれと異なる時間間隔をもって、比較帰還回路１５での比較動作を行うよう構成することも可能である。
【実施例４】
【０１３３】
なお、上記回生動作に係る構成は、図７の蓄電装置へと実装することも可能である。この場合の蓄電装置の構成を、図１３に示す。
【０１３４】
図１２の蓄電装置と同様に、負荷電圧検出回路１４により負荷６の電圧が監視され、比較帰還回路１５において負荷電圧と目標値とが比較され、比較結果に応じて、回生動作を行うためのスイッチ切り替え状態へと、スイッチ群４が一時的に切り替えられる。
【０１３５】
なお、図１３の蓄電装置においてスイッチ群４は第１スイッチ群１２と第２スイッチ群１３とから構成されているため、回生動作を行うに際しては、第１スイッチ群１２と第２スイッチ群１３とのそれぞれから、オンとすべきスイッチを選択する。
【０１３６】
回生速度の上昇という観点からは、負荷電圧とは極性が逆で、かつ大きな電圧を負荷６へと印加するべく、それぞれのスイッチ選択をすることが好ましい。しかしながら、大電流がキャパシタに流れ込むことによるキャパシタ損傷の危険性や、修正すべき範囲を超えて負荷６のエネルギーが失われてしまうという問題もあるため、回生動作において採用すべきスイッチ切り替え状態は、各素子の特性や目標出力電圧の時間変動の大きさなど諸条件に応じて随時設定すべきである。当業者であれば、本発明の教示に従ってそのような設定を適宜行うことが可能であり、また本発明の範囲には、そのようなバリエーションの全てが含まれる。
【実施例５】
【０１３７】
次に、本発明の第５実施形態に係る電圧出力方法を説明する。この方法は、図２、図７、図１２、及び図１３のいずれの蓄電装置を用いても実施可能であり、時間平均値という意味での実質的出力電圧を、少ない素子数できめ細やかに調整するための方法である。
【０１３８】
図１４と図１６とは、出力電圧調整における調整刻み幅の問題を説明するために都合が良い、蓄電装置２２の一例を示している。それぞれの蓄電装置２２は、バランス回路２３と、同数のキャパシタＣ1〜Ｃ8からなるキャパシタ群２４と、スイッチ群２５又は２６と、から構成され、オンとするスイッチを適宜切り替えることにより、負荷２７へ時間に依存する電圧を出力するよう構成されている。ただし、スイッチ群２５は８個のスイッチＳＷ1〜ＳＷ8で構成されるのに対して、スイッチ群２６は４個のスイッチＳＷ1〜ＳＷ4で構成されている点が異なる。
【０１３９】
図１４の蓄電装置２２においては、ＳＷ1〜ＳＷ8のいずれかをオンとすることによって、出力電圧に寄与するキャパシタの個数を１個単位で選択することが可能である。一方、図１５の蓄電装置においては、ＳＷ1〜ＳＷ4のいずれかをオンとすることによる、出力電圧に寄与するキャパシタの個数選択を、２個単位でしか行うことができない。
【０１４０】
バランス回路２３が各キャパシタ電圧を均一化するよう構成されている場合において、図１４の蓄電装置２２中のスイッチを順次切り替えた場合の出力電圧を、図１５に示す。各キャパシタの電圧をＶとすれば、スイッチを（全てオフ），ＳＷ1，ＳＷ2，…ＳＷ8と切り替えることにより、出力電圧は（０），Ｖ，２Ｖ，…８Ｖと調整され、またＳＷ8，ＳＷ7，…ＳＷ1，（全てオフ）と切り替えることにより、出力電圧は８Ｖ，７Ｖ，…Ｖ，（０）と調整される。すなわち、調整刻み幅Ｖをもっての出力電圧調整が行われている。
【０１４１】
一方、バランス回路２３が同様のものであるとして、図１６の蓄電装置２２中のスイッチを順次切り替えた場合の出力電圧を、図１７に示す。各キャパシタの電圧をＶとすれば、スイッチを（全てオフ），ＳＷ1，ＳＷ2，…ＳＷ4と切り替えることにより、出力電圧は（０），２Ｖ，４Ｖ，…８Ｖと調整され、またＳＷ4，ＳＷ3，…ＳＷ1，（全てオフ）と切り替えることにより、出力電圧は８Ｖ，６Ｖ，…２Ｖ，（０）と調整される。すなわち、調整刻み幅２Ｖをもっての出力電圧調整が行われている。スイッチの数が少ないために、各キャパシタ１個の電圧を単位とするきめ細やかな出力電圧調整をすることができないという問題が生じている。
【０１４２】
本発明は、パルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）により、この問題を解決する。すなわち本発明は、図２、図７、図１２、及び図１３のいずれかの蓄電装置において、図１６の蓄電装置と同様に、スイッチが直列接続キャパシタ２個ごとに備えられているような構成であっても、時間平均値という意味での実質的出力電圧をキャパシタ１個の電圧に対応する刻み幅で調整することを可能とする。図２の蓄電装置においてスイッチ数が半分となった構成、すなわち図１９で示される蓄電装置１を用いる場合を例として、以下にその方法を説明する（図７，図１２，図１３の蓄電装置を用いる場合も、同じ原理にしたがってこの方法を実施することができる。）。
【０１４３】
この方法においては、上述の実施例１等で説明された動作の一部である、スイッチ群４におけるスイッチ切り替えと正逆反転回路５における出力端子の選択とによる出力電圧調整を行った後、次回の出力電圧調整を行うまでの所定時間の前半分時間において、スイッチ群４の高速切り替えを行う。
【０１４４】
典型的には、全てのスイッチをオフとする動作と、出力電圧調整によってオンとなっていたスイッチを再びオンにする動作と、を所定の時間間隔比で多数回繰り返す。
【０１４５】
具体的には、図１９の蓄電装置１中のスイッチ群４においてオンとするスイッチを（全てオフ），ＳＷ1，ＳＷ2，…ＳＷ4，ＳＷ3，…ＳＷ1，（全てオフ）と切り替えて図１７と同様の波形電圧を出力する場合、ＳＷ1をオンとしてからＳＷ2をオンとするまでの時間（所定時間）の前半分の時間において、スイッチが全てオフの状態とＳＷ1をオンとした状態との間での高速切り替えを行う。各々の切り替えを等時間間隔で行えば、上記所定時間の前半における時間平均電圧はＶとなり、一方で高速切り替えが行われない、上記所定時間の後半における時間平均電圧は２Ｖとなる。すなわち、高速切り替えを行わない場合に比べて、時間平均という意味での実質的電圧の刻み幅が１／２となる。
【０１４６】
同様に、ＳＷ2をオンとしてからＳＷ3をオンとするまでの時間（所定時間）の前半分の時間において、スイッチが全てオフの状態とＳＷ2をオンとした状態との間での高速切り替えを行う。各々の切り替えを１：３の時間間隔比で行えば、上記所定時間の前半における時間平均電圧は３Ｖとなり、一方で高速切り替えが行われない、上記所定時間の後半における時間平均電圧は４Ｖとなる。すなわち、高速切り替えを伴わない場合に比べて、時間平均という意味での実質的電圧の刻み幅が１／２となる。
【０１４７】
以降のスイッチ切り替えに際しても、同様の高速切り替えを行うことにより、実質的には電圧の刻み幅を１／２とするきめ細やかな調整が可能となる。このような方法を用いた場合の電圧の時間変化は、図１８のとおりである。
【０１４８】
なお、上記高速切り替えにおいて、各々の切り替え動作の時間間隔比は任意に設定可能である。任意の比率によって時間間隔を調整すれば、実質的な刻み幅を１／２以外の任意の比率へと調整できる。
【０１４９】
また、高速切り替えを、上記のとおり出力電圧調整により選択されたスイッチをオンとする状態と、全てのスイッチをオフとした状態と、の間で行うことも、必須の条件ではない。任意の切り替え状態を、２つに限らず任意の数だけ選択し、かつ切り替えの時間間隔をそれぞれ任意に設定することにより、高速切り替えを行っている間の電圧時間平均値を所望の値へと制御することができるからである。同様に、高速切り替えを行う時間を、所定時間の前半分とすることも必須の条件ではない。
【実施例６】
【０１５０】
実施例１〜実施例５において用いた蓄電装置は、全てバランス回路を用いて各キャパシタの電圧を調整し、すなわち出力電圧の調整刻み幅を調整するという構成であった。
【０１５１】
しかしながら、個々のキャパシタに定電圧直流電源を接続すれば、バランス回路を用いることなく、各キャパシタの電圧を調整することが可能となる。
【０１５２】
図２０、及び図２１は、それぞれ図２と図７とに示される、本発明に係る蓄電装置１において、バランス回路２を用いる代わりに各キャパシタへ定電圧直流電源２８を接続した構成となっている。
【０１５３】
このような蓄電装置１によっても、実施例１及び２と同様の原理により任意の直流／交流電圧を出力することが可能であるし、また実施例３及び４と同様の原理により余剰エネルギーを回生させるための手段を更にそなえることも、あるいは当該蓄電装置１を、実施例５における出力電圧の更なるきめ細やかな調整のために用いることも、可能である。
【０１５４】
なお、定電圧直流電源を各キャパシタに接続している場合は、各キャパシタの放電による電圧降下を考慮する必要がないため、実施例１及び２に比べて蓄電装置１の制御は単純化される。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
本発明に係る蓄電装置はＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータ等を用いないために低損失、低ノイズであり、また直流・交流を問わず任意の波形パターンを有する電圧を出力可能である。したがって電気により動作するあらゆる機器のための高効率電源として用いることができる。また、高効率であることに加え、用いるべき主な素子は単純な機構のキャパシタでありメンテナンスコストが安価であるという点に鑑みれば、太陽電池市場において用いるために適している。
【符号の説明】
【０１５６】
１          蓄電装置
２          バランス回路
３          蓄電モジュール群
４          スイッチ群
５          正逆反転回路
６          負荷
７          基準波形発振回路
８          電圧検出回路
９          比較演算回路
１０        スイッチ制御回路
１１        正逆反転制御回路
１２        第１スイッチ群
１３        第２スイッチ群
１４        負荷電圧検出回路
１５        比較帰還回路
１６        回生スイッチ制御回路
１７        蓄電装置
１８        バランス回路
１９        キャパシタ群
２０        スイッチ群
２１        負荷
２２        蓄電装置
２３        バランス回路
２４        キャパシタ群
２５，２６  スイッチ群
２７        負荷
２８        定電圧直流電源
【図１】
2011055648.tif 000003
【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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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