(57)【要約】【課題】エネルギーの損失抑制、充電効率及び放電能力の向上、及び、複数の電池の電圧の迅速な均等化が可能で、しかも、これらを簡素な回路構成で実現する。【解決手段】この蓄電装置は、複数の電池のうち、一の電池を蓄電素子に接続するアクティブ第１回路、及び、当該蓄電素子を他の電池に接続するアクティブ第２回路を、選択的に構成可能であるとともに、アクティブ第１，第２回路のスイッチ素子を介して任意の電池の両端を繋ぐパッシブ回路を構成可能なスイッチ回路部と、アクティブ第１回路とアクティブ第２回路とを交互に構成してアクティブ方式の電圧均等化を実行する他、複数の電池から電圧に基づいて選択した電池について、能動領域で抵抗として動作させるスイッチ素子を介してパッシブ回路を構成し、パッシブ方式の電圧均等化を実行する制御部とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、
前記複数の電池の各々の電圧を検知する電圧センサと、
電気エネルギーを一時的に蓄える蓄電素子と、
複数のスイッチ素子によって構成され、前記複数の電池のうち、一の電池を前記蓄電素子に接続するアクティブ第１回路、及び、当該蓄電素子を他の電池に接続するアクティブ第２回路を、選択的に構成可能であるとともに、前記アクティブ第１回路のスイッチ素子及び前記アクティブ第２回路のスイッチ素子を介して任意の電池の両端を繋ぐパッシブ回路を構成可能なスイッチ回路部と、
前記アクティブ第１回路と前記アクティブ第２回路とを交互に構成してアクティブ方式の電圧均等化を実行する他、前記複数の電池から電圧に基づいて選択した電池について、能動領域で抵抗として動作させる前記スイッチ素子を介して前記パッシブ回路を構成し、パッシブ方式の電圧均等化を実行する制御部と、
を備えている蓄電装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記アクティブ方式の電圧均等化を優先的に実行し、その後、前記パッシブ方式の電圧均等化を実行する請求項１の蓄電装置。
【請求項３】
前記蓄電素子はキャパシタである請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記蓄電素子はインダクタである請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項５】
充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池の両端に所定の電圧を印加して充電を行う充電工程と、
前記複数の電池のうちの一の電池を蓄電素子に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第１工程、及び、当該蓄電素子を他の電池に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第２工程を、スイッチ素子を介して、交互に繰り返すアクティブ方式の電圧均等化工程と、
前記複数の電池から電圧に基づいて選択した電池の両端に、能動領域で抵抗として動作させる前記スイッチ素子を繋いで、当該電池を放電させるパッシブ方式の電圧均等化工程と、
を有する充電方法。
【請求項６】
充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池の両端から負荷に電力を供給する放電工程と、
前記複数の電池のうちの一の電池を蓄電素子に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第１工程、及び、当該蓄電素子を他の電池に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第２工程を、スイッチ素子を介して、交互に繰り返すアクティブ方式の電圧均等化工程と、
前記複数の電池から電圧に基づいて選択した電池の両端に、能動領域で抵抗として動作させる前記スイッチ素子を繋いで、当該電池を放電させるパッシブ方式の電圧均等化工程と、
を有する放電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電可能な電池（二次電池）を互いに直列に接続して成る組電池を有する蓄電装置、並びにその充電方法及び放電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繰り返しの充電が可能な二次電池を用いて電力を蓄え、必要なときに当該二次電池から電力を供給する電力貯蔵システムが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。このような電力貯蔵システムは、電力需要の変動を緩和して発電設備の利用率を高める用途のほか、太陽光発電及び風力発電のように、発電量の変動が大きい発電方式を採用する発電設備を補完する用途にも適用可能である（例えば、非特許文献２参照。）。また、ハイブリッド車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）も、一種の電力貯蔵システムである。
【０００３】
このような電力貯蔵システムの中核を成す蓄電装置は、複数の電池の直列体を基本構成として備え、必要な電流容量によりこれを並列に構成する。例えば電池としてリチウムイオン電池を使用する場合、１つの電池(セル)の電圧は、約３〜４．２Ｖ程度しかないので、高い直流電圧を必要とする用途には、多数の電池が直列に接続される。また、電池を充電するには、直列体全体に高い充電電圧が印加される。
【０００４】
図９は、ｎ個の電池（例えばリチウムイオン電池）Ｂ１〜Ｂｎを直列に接続した状態で、直列体を電源（直流）１１により充電する回路図である。放電時は、電源１１が負荷１２に置き換わり、直列体から負荷１２に電力が供給される。電池Ｂ１〜Ｂｎにはそれぞれ並列に、半導体のスイッチ素子Ｓ（Ｓ１〜Ｓｎの総称）と抵抗Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎの総称）との直列体が接続されている。また、電池Ｂ１〜Ｂｎのそれぞれの両端には、並列に、電圧センサＶ１〜Ｖｎが接続されている。
【０００５】
充電時は、各電池が均一に充電され、電池の直列体全体で、蓄積し得る最大のエネルギーを蓄えることが望ましい。ところが、実際には各電池の残量及び容量の差があり、満充電に達するタイミングが一致しない。
例えば、図１０は、電池Ｂ１及びＢ２について、満充電に達するタイミングが異なる場合の充電特性を示すグラフである。この場合、同じ３．０Ｖから充電開始しても、電池Ｂ１は時刻ｔ１で既に満充電（４．２Ｖ）に達し、一方、電池Ｂ２はそれより後の時刻ｔ２になってようやく満充電（４．２Ｖ）に達する。
【０００６】
単純に、電池の直列体に充電電圧を印加するとすれば、いずれか１つの電池でも満充電の状態になれば、当該電池の過充電を防止すべく、その時点で充電を停止しなければならない。しかし、他の電池は満充電に達していない。
そこで、例えば図９における電池Ｂ１が満充電（４．２Ｖ）に達したとすると、以後、スイッチ素子Ｓ１を断続的にオンとして電池Ｂ１を放電させ、過充電を抑制する。他の電池についても同様であり、最終的に全ての電池が満充電に達した時点で、全てのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎがオフとなり、充電が完了する。
このようにして、各電池の電圧を均等化させる方式は、パッシブ方式と呼ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０００−５１１３９８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１１６００６号公報
【特許文献３】特開２００４−４０８６９号公報
【特許文献４】特開平１０−２２５００５号公報
【特許文献５】特開平９−７４６８９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月
【非特許文献２】電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図９に示したような充電では、満充電に達した電池は、他の全ての電池が満充電に達するまで、放電することになるので、全体としてエネルギーの損失が大きい。また、負荷１２に電力を供給する放電の場合には、いずれかの電池の電圧が放電限界の最低値（３．０Ｖ）まで下がると、他の電池に余力があっても、負荷１２への電力供給を停止しなければならない。例えば、最も放電の進行している電池に、他の電池を合わせるようにスイッチ素子Ｓをオンにして放電を加速することにより、全体として放電のペースを揃えれば若干、電力供給できる時間を延ばせるかもしれないが、全体としては、やはりエネルギーの損失である。
【００１０】
一方、キャパシタを使って、直列に接続された複数の電池の電圧を均等化する技術も提案されている（例えば特許文献１参照。）。これは、パッシブ方式と対比してアクティブ方式と呼ばれている。しかし、このような均等化が収束するには時間がかかり、その間にキャパシタの若干の抵抗分やスイッチ素子の若干の抵抗分による電力消費、及び、均等化回路の制御部（ドライブ回路等）の電力消費により、エネルギー損失も生じる。
また、アクティブ方式とパッシブ方式とを併用する考え方も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この場合は２方式の回路がそれぞれ必要であり、回路構成が複雑化するという問題点がある。
【００１１】
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させ、複数の電池の電圧の、迅速な均等化が可能で、しかも、これらを簡素な回路構成で実現する蓄電装置、充電方法及び放電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の蓄電装置は、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、前記複数の電池の各々の電圧を検知する電圧センサと、電気エネルギーを一時的に蓄える蓄電素子と、複数のスイッチ素子によって構成され、前記複数の電池のうち、一の電池を前記蓄電素子に接続するアクティブ第１回路、及び、当該蓄電素子を他の電池に接続するアクティブ第２回路を、選択的に構成可能であるとともに、前記アクティブ第１回路のスイッチ素子及び前記アクティブ第２回路のスイッチ素子を介して任意の電池の両端を繋ぐパッシブ回路を構成可能なスイッチ回路部と、前記アクティブ第１回路と前記アクティブ第２回路とを交互に構成してアクティブ方式の電圧均等化を実行する他、前記複数の電池から電圧に基づいて選択した電池について、能動領域で抵抗として動作させる前記スイッチ素子を介して前記パッシブ回路を構成し、パッシブ方式の電圧均等化を実行する制御部と、を備えている。
【００１３】
また、本発明の充電方法は、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池の両端に所定の電圧を印加して充電を行う充電工程と、前記複数の電池のうちの一の電池を蓄電素子に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第１工程、及び、当該蓄電素子を他の電池に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第２工程を、スイッチ素子を介して、交互に繰り返すアクティブ方式の電圧均等化工程と、前記複数の電池から電圧に基づいて選択した電池の両端に、能動領域で抵抗として動作させる前記スイッチ素子を繋いで、当該電池を放電させるパッシブ方式の電圧均等化工程と、を有する。
【００１４】
また、本発明の放電方法は、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池の両端から負荷に電力を供給する放電工程と、前記複数の電池のうちの一の電池を蓄電素子に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第１工程、及び、当該蓄電素子を他の電池に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第２工程を、スイッチ素子を介して、交互に繰り返すアクティブ方式の電圧均等化工程と、前記複数の電池から電圧に基づいて選択した電池の両端に、能動領域で抵抗として動作させる前記スイッチ素子を繋いで、当該電池を放電させるパッシブ方式の電圧均等化工程と、を有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させ、複数の電池の電圧の、迅速な均等化が可能で、しかも、これらを簡素な回路構成で実現する蓄電装置、充電方法及び放電方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る蓄電装置と、これに接続される電源又は負荷との接続回路図である。
【図２】制御部の制御による、スイッチ回路部におけるスイッチ素子の動作状態の変化を示すタイムチャートである。
【図３】図１におけるスイッチ素子の動作特性を示すグラフである。
【図４】図１と同じ回路について、スイッチ素子の一部を抵抗体として使用することによりパッシブ回路を実現する回路図の一例である。
【図５】スイッチ素子を能動領域にするための、所定の入力電圧の与え方の例を示す波形図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る蓄電装置と、これに接続される電源又は負荷との接続回路図である。
【図７】制御部の駆動による、スイッチ回路部におけるスイッチ素子の動作状態の変化を示すタイムチャートである。
【図８】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る蓄電装置と、これに接続される電源又は負荷との接続回路図である。（ｂ）は、インダクタを用いる場合の蓄電装置の実用的回路図の例である。
【図９】ｎ個の電池を直列に接続した状態で、直列体を電源により充電する回路図である。
【図１０】２つの電池について、満充電に達するタイミングが異なる場合の充電特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
【００１８】
（１）この蓄電装置は、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池と、前記複数の電池の各々の電圧を検知する電圧センサと、電気エネルギーを一時的に蓄える蓄電素子と、複数のスイッチ素子によって構成され、前記複数の電池のうち、一の電池を前記蓄電素子に接続するアクティブ第１回路、及び、当該蓄電素子を他の電池に接続するアクティブ第２回路を、選択的に構成可能であるとともに、前記アクティブ第１回路のスイッチ素子及び前記アクティブ第２回路のスイッチ素子を介して任意の電池の両端を繋ぐパッシブ回路を構成可能なスイッチ回路部と、前記アクティブ第１回路と前記アクティブ第２回路とを交互に構成してアクティブ方式の電圧均等化を実行する他、前記複数の電池から電圧に基づいて選択した電池について、能動領域で抵抗として動作させる前記スイッチ素子を介して前記パッシブ回路を構成し、パッシブ方式の電圧均等化を実行する制御部と、を備えている。
【００１９】
上記のように構成された蓄電装置では、アクティブ第１回路とアクティブ第２回路とを交互に構成することによりアクティブ方式の電圧均等化が実行され、各電池の電圧は均等化される。また、スイッチ素子を能動領域で抵抗として動作させれば、回路構成を切り替えるだけでパッシブ方式の電圧均等化を実行することができる。すなわち、スイッチ素子はアクティブ方式のみならずパッシブ方式での抵抗体の代わりに使用することができる。これにより、アクティブ方式の回路要素をそのまま利用してパッシブ方式の回路を構成することができる。従って、簡素な回路構成でありながら、２方式を使い分けて、複数の電池の電圧の、迅速な均等化を実現することができる。
また、これにより、充電時は各電池を均等に充電することができ、放電時は各電池を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させることができる。
【００２０】
（２）また、（１）の蓄電装置において、前記制御部は、前記アクティブ方式の電圧均等化を優先的に実行し、その後、前記パッシブ方式の電圧均等化を実行することが好ましい。
この場合、電力損失の少ないアクティブ方式で、ある程度の電圧均等化をした後で、フィニッシュ処理として適時にパッシブ方式を使うことができる。そのため、パッシブ方式による電力損失を抑制することができる。また、パッシブ方式で収束させることにより電圧均等化が全体として迅速に完結する。
【００２１】
（３）また、（１）又は（２）の蓄電装置において、前記蓄電素子は例えばキャパシタである。
この場合、蓄電素子がインダクタの場合よりも、電気エネルギーの移動に伴う電力損失が少ない。
【００２２】
（４）また、（１）又は（２）の蓄電装置において、前記蓄電素子は例えばインダクタである。
この場合、蓄電素子がキャパシタの場合よりも、アクティブ方式の電圧均等化が迅速に行われる。
【００２３】
（５）一方、充電方法としては、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池の両端に所定の電圧を印加して充電を行う充電工程と、前記複数の電池のうちの一の電池を蓄電素子に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第１工程、及び、当該蓄電素子を他の電池に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第２工程を、スイッチ素子を介して、交互に繰り返すアクティブ方式の電圧均等化工程と、前記複数の電池から電圧に基づいて選択した電池の両端に、能動領域で抵抗として動作させる前記スイッチ素子を繋いで、当該電池を放電させるパッシブ方式の電圧均等化工程と、を有する。
【００２４】
このような充電方法では、アクティブ方式の電圧均等化が実行され、各電池の電圧は均等化される。また、スイッチ素子を能動領域で抵抗として動作させれば、回路構成を切り替えるだけでパッシブ方式の電圧均等化を実行することができる。すなわち、スイッチ素子はアクティブ方式のみならずパッシブ方式での抵抗体の代わりに使用することができる。これにより、アクティブ方式の回路要素をそのまま利用してパッシブ方式の回路を構成することができる。従って、簡素な回路構成でありながら、２方式を使い分けて、複数の電池の電圧の、迅速な均等化を実現することができる。
また、これにより、充電時は各電池を均等に充電することができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率を向上させることができる。
【００２５】
（６）また、放電方法としては、充電可能な複数の電池を互いに直列に接続して成る組電池の両端から負荷に電力を供給する放電工程と、前記複数の電池のうちの一の電池を蓄電素子に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第１工程、及び、当該蓄電素子を他の電池に接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第２工程を、スイッチ素子を介して、交互に繰り返すアクティブ方式の電圧均等化工程と、前記複数の電池から電圧に基づいて選択した電池の両端に、能動領域で抵抗として動作させる前記スイッチ素子を繋いで、当該電池を放電させるパッシブ方式の電圧均等化工程と、を有する。
【００２６】
このような放電方法では、アクティブ方式の電圧均等化が実行され、各電池の電圧は均等化される。また、スイッチ素子を能動領域で抵抗として動作させれば、回路構成を切り替えるだけでパッシブ方式の電圧均等化を実行することができる。すなわち、スイッチ素子はアクティブ方式のみならずパッシブ方式での抵抗体の代わりに使用することができる。これにより、アクティブ方式の回路要素をそのまま利用してパッシブ方式の回路を構成することができる。従って、簡素な回路構成でありながら、２方式を使い分けて、複数の電池の電圧の、迅速な均等化を実現することができる。
また、これにより、放電時は各電池を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、放電能力を向上させることができる。
【００２７】
［実施形態の詳細］
《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。但し、これは、説明の便宜上、電池やキャパシタの要素数に関して簡素な例を示しており、実際には、要素数は限定されない（他の実施形態でも同様である。）。
電源１は、例えば商用交流電圧から直流電圧を出力するコンバータ装置であり、負荷２は、例えば直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置である。図示の便宜上、１つのシンボルとして描いているが、通常は別々に存在し、いずれか一方と接続して蓄電装置１００の充電又は放電が行われる。
【００２８】
図１において、蓄電装置１００は、互いに直列に接続されて組電池１０を成す４個の電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４と、３個のキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３と、スイッチ回路部３と、電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４にそれぞれ並列に接続された電圧センサＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４と、制御部４とを備えている。電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の個々の電圧は、電圧センサＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４によって検知され、検知信号は制御部４に送られる。
【００２９】
スイッチ回路部３は、スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３，Ｓｂ４を含み、電池Ｂ１〜Ｂ４とキャパシタＣ１〜Ｃ３との間にあって、図示のように接続されている。スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３，Ｓｂ４は、制御部４の制御によって、オン／オフ動作する。
【００３０】
電池Ｂ１〜Ｂ４は、充電可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン電池である。電池Ｂ１〜Ｂ４の各々は、例えば１セルであるが、複数セルの直列体を１つの電池として考えてもよい。また、上記各スイッチ素子（Ｓａ１〜Ｓａ４，Ｓｂ１〜Ｓｂ４）としては、半導体スイッチング素子が好適であり、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＳｉＣトランジスタ、ＧａＮトランジスタ等である。
【００３１】
なお、キャパシタＣ１〜Ｃ３は、電気エネルギーを一時的に蓄える蓄電素子として用いられている。
キャパシタＣ１〜Ｃ３の各々は、実際に１個のキャパシタでもよいし、複数のキャパシタを並列又は直並列に接続したものを便宜上１個のキャパシタと称してもよい。キャパシタＣ１〜Ｃ３の個々のキャパシタンスは互いに同一である。
【００３２】
（充電方法）
ここで、まず、蓄電装置１００には、充電用の電源１が接続されている、とする。すなわち、電池Ｂ１〜Ｂ４の直列体である組電池１０の両端に、電源１の出力する所定の直流電圧が印加され、電池Ｂ１〜Ｂ４が充電される充電工程が実行されている。
【００３３】
（アクティブ方式の電圧均等化）
図２は、制御部４の制御による、スイッチ回路部３におけるスイッチ素子Ｓａ（Ｓａ１〜Ｓａ４の総称）、Ｓｂ（Ｓｂ１〜Ｓｂ４の総称）の動作状態の変化を示すタイムチャートである。図において、スイッチ素子Ｓａと、スイッチ素子Ｓｂとは、互いに交互にオン動作している。スイッチ素子Ｓａのオン時間Ｔａと、スイッチ素子Ｓｂのオン時間Ｔｂとは、互いに同じ時間でもよいし、必要に応じて異なる時間とすることもできる。オン時間Ｔａ，Ｔｂの間には、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂがいずれもオフ状態となる一定の切替時間ΔＴが設けられている。切替時間ΔＴを設けることにより、電池Ｂ１〜Ｂ４の両端及びその直列体の両端の短絡並びに電源１の短絡を確実に防止することができる。
【００３４】
図１に戻り、スイッチ素子Ｓａ（Ｓａ１〜Ｓａ４）がオンのとき、電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、それぞれ、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３と並列に接続される。この状態を、アクティブ第１回路が構成された状態、とする。電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３とキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３との間で電荷がどのように移動するかは、双方の電圧による。例えば、３組の並列ペアの１つとして電池Ｂ１とキャパシタＣ１との関係を考えると、電池Ｂ１の電圧の方が、キャパシタＣ１の電圧よりも高い場合は、電池Ｂ１からキャパシタＣ１に電荷が移動し、キャパシタＣ１は充電される。逆に、キャパシタＣ１の電圧の方が、電池Ｂ１の電圧よりも高い場合は、キャパシタＣ１から電池Ｂ１に電荷が移動し、電池Ｂ１が充電される。他の並列ペアについても同様である。
【００３５】
一方、スイッチ素子Ｓｂ（Ｓｂ１〜Ｓｂ４）がオンのとき、電池Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４は、それぞれ、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３と並列に接続される。この状態を、アクティブ第２回路が構成された状態、とする。電池Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４とキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３との間で電荷がどのように移動するかは、双方の電圧による。例えば、３組の並列ペアの１つとして電池Ｂ２とキャパシタＣ１との関係を考えると、電池Ｂ２の電圧の方が、キャパシタＣ１の電圧よりも高い場合は、電池Ｂ２からキャパシタＣ１に電荷が移動し、キャパシタＣ１は充電される。逆に、キャパシタＣ１の電圧の方が、電池Ｂ２の電圧よりも高い場合は、キャパシタＣ１から電池Ｂ２に電荷が移動し、電池Ｂ２が充電される。他の並列ペアについても同様である。
【００３６】
以上のような電荷の移動を、図２に示すように交互に繰り返すことにより、アクティブ方式の電圧均等化工程が実行される。
すなわち、上記のように構成された蓄電装置１００において、スイッチ回路部３が、複数の電池Ｂ１〜Ｂ４のうち、一の電池をキャパシタＣ１〜Ｃ３に並列接続するアクティブ第１回路（Ｂ１→Ｃ１，Ｂ２→Ｃ２，Ｂ３→Ｃ３）、及び、当該キャパシタＣ１〜Ｃ３を他の電池に並列接続するアクティブ第２回路（Ｃ１→Ｂ２，Ｃ２→Ｂ３，Ｃ３→Ｂ４）を交互に繰り返し構成することにより、アクティブ方式の電圧均等化工程が実行される。
【００３７】
（パッシブ方式の電圧均等化）
次に、パッシブ方式の電圧均等化について説明する。
図３は、図１におけるスイッチ素子Ｓａ（Ｓａ１〜Ｓａ４），Ｓｂ（Ｓｂ１〜Ｓｂ４）の動作特性を示すグラフである。スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂが例えばＭＯＳ−ＦＥＴであるとして、横軸はゲート・ソ−ス間の入力電圧Ｖｇｓを示し、縦軸はドレイン・ソース間に流れる出力電流Ｉｄｓを示す。スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂをオン又はオフのスイッチとして使うときは、（ａ）に示すように、例えば約５Ｖの入力電圧Ｖｇｓ（斜線右側）をスイッチ素子Ｓａ，Ｓｂに与えることでオン状態とし、約０Ｖの入力電圧Ｖｇｓ（斜線左側）をスイッチ素子Ｓａ，Ｓｂに与えることでオフ状態とする。
【００３８】
一方、（ｂ）に示すように、例えば約３．１Ｖの入力電圧Ｖｇｓを与えると、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂは能動領域での動作となり、出力電流Ｉｄｓは流れるが、入力電圧Ｖｇｓに対応した一定の抵抗値を持つ状態となる。この状態を利用すれば、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂを、抵抗体として使用することができる。
ここで、スイッチ素子を能動領域で使用する際にゲート端子に与える電圧Ｖｇｓは、例えば、以下の手順で決定することができる。
スイッチ素子での消費電力をＷ、スイッチ素子に加わる電圧をＶｄｓ、スイッチ素子を流れる電流をＩｄｓ、スイッチ素子の抵抗をＲとするとき、
Ｗ＝Ｖｄｓ・Ｉｄｓ      ・・・（１）
である。式（１）より、スイッチ素子が許容する熱発生量と、電池電圧とから、電流値Ｉｄｓが決まる。Ｖｄｓは、
Ｖｄｓ＝Ｉｄｓ・Ｒ      ・・・（２）
である。式（２）より、スイッチ素子に要求される抵抗値Ｒが決まる。そこで、ゲート端子に与える電圧Ｖｇｓは、スイッチ素子が抵抗Ｒとなるように、与える。
逆に、直接、均等化で電池から放電させたい電流値、すなわち、スイッチ素子に流したい電流Ｉｄｓから、抵抗値Ｒを決定した場合は、スイッチ素子での熱消費を十分に考慮した熱設計、熱対策を行う必要がある。
【００３９】
図４は、図１と同じ回路について、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂの一部を抵抗体として使用することによりパッシブ回路を実現する回路図の一例である。電圧センサＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４がそれぞれ検知する電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の電圧を、ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３，ＶＢ４とする。今、例えば、ＶＢ１＝ＶＢ３＜ＶＢ２＜ＶＢ４とすると、最も低い電圧ＶＢ１，ＶＢ３に、他の電圧ＶＢ２，ＶＢ４を合わせる（下げる）必要がある。そこで、このような場合は、スイッチ素子Ｓａ２，Ｓｂ２の入力電圧Ｖｇｓを制御部４により制御して、これらのスイッチ素子Ｓａ２，Ｓｂ２を能動領域で使用し、図４に示すように、実質的に抵抗体として使用する。同様に、スイッチ素子Ｓａ４，Ｓｂ４の入力電圧Ｖｇｓを制御部４により制御して、これらのスイッチ素子Ｓａ４，Ｓｂ４を能動領域で使用し、実質的に抵抗体として使用する。なお、その他のスイッチ素子Ｓａ１，Ｓｂ１，Ｓａ３，Ｓｂ３は全てオフの状態である。
【００４０】
その結果、電池Ｂ２は、抵抗体としてのスイッチ素子Ｓａ２，Ｓｂ２を介して放電し、電圧が下がる。同様に、電池Ｂ４も、抵抗体としてのスイッチ素子Ｓａ４，Ｓｂ４を介して放電し、電圧が下がる。制御部４は、電圧センサＶ２が検知する電圧ＶＢ２を監視し、電圧ＶＢ２がＶＢ１（＝ＶＢ３）と等しくなったところでスイッチ素子Ｓａ２，Ｓｂ２をオフの状態にする。同様に、制御部４は、電圧センサＶ４が検知する電圧ＶＢ４を監視し、電圧ＶＢ４がＶＢ１（＝ＶＢ３）と等しくなったところでスイッチ素子Ｓａ４，Ｓｂ４をオフの状態にする。
【００４１】
こうして、電池Ｂ２，Ｂ４の各々の両端を抵抗体としてのスイッチ素子Ｓａ２，Ｓｂ２及びＳａ４，Ｓｂ４で繋ぐことにより放電させ、電圧を下げることができる。すなわち、アクティブ方式の回路要素をそのまま利用してパッシブ方式の電圧均等化を実行することができる。なお、電池Ｂ２，Ｂ４について放電させたのは一例に過ぎず、任意の電池についてパッシブ方式の電圧均等化を実行することができる。すなわち、以下の要領で、パッシブ方式の電圧均等化を実行する。
【００４２】
電池Ｂ１を放電させる場合は、スイッチ素子Ｓａ１，Ｓｂ１を抵抗体とする。
電池Ｂ２を放電させる場合は、スイッチ素子Ｓａ２，Ｓｂ２を抵抗体とする。
電池Ｂ３を放電させる場合は、スイッチ素子Ｓａ３，Ｓｂ３を抵抗体とする。
電池Ｂ４を放電させる場合は、スイッチ素子Ｓａ４，Ｓｂ４を抵抗体とする。
【００４３】
（実行順序）
また、パッシブ方式の電圧均等化工程は、アクティブ方式の電圧均等化工程を経た後に行われる。すなわち、制御部４は、アクティブ方式の電圧均等化を優先的に実行し、その後、パッシブ方式の電圧均等化を実行する。こうすることで、電力損失の少ないアクティブ方式で、ある程度の電圧均等化をした後で、フィニッシュ処理として適時にパッシブ方式を使うことができる。そのため、パッシブ方式による電力損失を抑制することができる。また、パッシブ方式で収束させることにより電圧均等化が全体として迅速に完結する。
こうして、電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧は迅速に均等化される。これにより、電池Ｂ１〜Ｂ４を均等に充電することができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率を向上させることができる。
【００４４】
（放電方法）
一方、蓄電装置１００に負荷２が接続されている場合、すなわち、電池Ｂ１〜Ｂ４の直列体の両端に、負荷２が接続され、電池Ｂ１〜Ｂ４から電力を供給する放電工程が実行されている場合について考える。
この場合も同様に、上述のアクティブ方式の電圧均等化工程及びパッシブ方式の電圧均等化工程が実行される。
その結果、電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧は迅速に均等化される。これにより、電池Ｂ１〜Ｂ４を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、放電能力を向上させることができる。
【００４５】
（まとめ）
上記のように構成された蓄電装置１００では、アクティブ第１回路とアクティブ第２回路とを交互に構成することによりアクティブ方式の電圧均等化が実行され、各電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧は均等化される。また、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂを能動領域で抵抗として動作させれば、回路構成を切り替えるだけでパッシブ方式の電圧均等化を実行することができる。すなわち、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂはアクティブ方式のみならずパッシブ方式での抵抗体の代わりに使用することができる。これにより、アクティブ方式の回路要素をそのまま利用してパッシブ方式の回路を構成することができる。従って、簡素な回路構成でありながら、２方式を使い分けて、複数の電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧の、迅速な均等化を実現することができる。
また、これにより、充電時は各電池を均等に充電することができ、放電時は各電池を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させることができる。
【００４６】
（電圧制御の細部）
図５は、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂを能動領域にするための、所定の入力電圧Ｖｇｓの与え方の例を示す波形図である。（ａ）に示すように、一定電圧３．１Ｖをゲートに与えてもよい。また、（ｂ）に示すように、入力電圧をピーク値５Ｖのパルス列とし、パルス幅を調整することにより、実効値として３．１Ｖをゲートに与えるようにしてもよい。
【００４７】
《第２実施形態》
図６は、本発明の第２実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。第１実施形態との違いは、キャパシタが１個しか無い点と、４個の電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４と１個のキャパシタＣとの間に４通りの並列回路を選択的に構成可能なスイッチ回路部３が設けられている点である。スイッチ回路部３は、一対４組のスイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｄ１，Ｓｄ２を含んでいる。
【００４８】
図７は、制御部４の駆動による、スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｄ１，Ｓｄ２の動作状態の変化を示すタイムチャートである。スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２をスイッチ素子「Ｓａ」、スイッチ素子Ｓｂ１，Ｓｂ２をスイッチ素子「Ｓｂ」、スイッチ素子Ｓｃ１，Ｓｃ２をスイッチ素子「Ｓｃ」、スイッチ素子Ｓｄ１，Ｓｄ２をスイッチ素子「Ｓｄ」と、それぞれ総称すると、図７において、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄは、順番に、交互にオン動作している。但し、これは一例であり、順番は、これに限定されない。要するに、４組のスイッチが、交代でオン状態になればよい。
【００４９】
各スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄのオン時間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄは、相互に同じ時間でもよいし、必要に応じて異なる時間とすることもできる。時間軸上で隣接するオン時間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄの間には、各スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄが全てオフ状態となる一定の切替時間ΔＴが設けられている。切替時間ΔＴを設けることにより、各電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の両端及びその直列体の両端の短絡並びに電源１の短絡を確実に防止することができる。
【００５０】
上記のスイッチ回路部３は、要するに、一の電池（Ｂ１〜Ｂ４のいずれか１つ）をキャパシタＣに並列接続する回路、及び、当該キャパシタＣを他の電池（上記のいずれか１つを除く、残りの３つのうちのいずれか１つ）に並列接続する回路を、選択的に構成可能である。そして、制御部４によって、回路を逐次切り替えることにより、キャパシタＣで仲介しながら、電圧の高い方から低い方への移動が繰り返し実行されることになる。その結果、各電池Ｂ１〜Ｂ４の端子間電圧が均等化される。従って、各電池Ｂ１〜Ｂ４を均等に充電しつつ、満充電の状態にすることができる。その結果として、充電効率を高めることができる。このようにして、第１実施形態の場合と同様に、アクティブ方式での電圧均等化を実行することができる。
【００５１】
アクティブ方式の電圧均等化工程をある程度まで行った後、制御部４は、電池Ｂ１〜Ｂ４の個々の電圧に基づいて、パッシブ方式の電圧均等化工程を実行する。すなわち、最も電圧の低い電池の電圧に他の電池の電圧を合わせるように、当該他の電池について放電を行わせる。具体的には、電池に対応して以下のようにスイッチ素子を能動領域で動作させ、抵抗体として使用する。
【００５２】
電池Ｂ１を放電させる場合は、スイッチ素子Ｓａ１，Ｓｂ１を抵抗体とする。
電池Ｂ２を放電させる場合は、スイッチ素子Ｓｂ１，Ｓｃ１を抵抗体とするか又は、スイッチ素子Ｓａ２，Ｓｂ２を抵抗体とする。
電池Ｂ３を放電させる場合は、スイッチ素子Ｓｃ１，Ｓｄ１を抵抗体とするか又は、スイッチ素子Ｓｂ２，Ｓｃ２を抵抗体とする。
電池Ｂ４を放電させる場合は、スイッチ素子Ｓｃ２，Ｓｄ２を抵抗体とする。
【００５３】
一方、蓄電装置１００に負荷２が接続されている場合、すなわち、電池Ｂ１〜Ｂ４の直列体の両端に、負荷２が接続され、電池Ｂ１〜Ｂ４から電力を供給する放電工程が実行されている場合についても同様に、上述のアクティブ方式の電圧均等化工程及びパッシブ方式の電圧均等化工程が実行される。
【００５４】
このようにして、第１実施形態と同様に、簡素な回路構成でありながら、２方式を使い分けて、複数の電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧の、迅速な均等化を実現することができる。
また、これにより、充電時は各電池を均等に充電することができ、放電時は各電池を均等に放電させることができるので、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させることができる。
【００５５】
《第３実施形態》
なお、上記第１，第２実施形態では、電気エネルギーを一時的に蓄える蓄電素子としてキャパシタを用いた例を示したが、キャパシタに代えてインダクタ（コイル）を仲介用の蓄電素子として用いることもできる。
キャパシタとインダクタの特徴としては、キャパシタは、インダクタよりも、電気エネルギーの移動に伴う電力損失が少ないという利点がある。一方、インダクタは、キャパシタよりも、アクティブ方式の電圧均等化が迅速に行われるという利点がある。
【００５６】
以下、蓄電素子がインダクタの場合について簡単に説明する。
図８の（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。但し、これは概念的に、かつ、簡略化して示した回路図であり、また、電池等の要素数を最小限（＝２）とした場合の回路図である。
【００５７】
図８の（ａ）において、蓄電装置１００は、互いに直列に接続されて組電池１０を成す２個の電池Ｂ１，Ｂ２と、１個のインダクタＬと、スイッチ回路部３と、電池Ｂ１，Ｂ２にそれぞれ並列に接続された電圧センサＶ１，Ｖ２と、制御部４とを備えている。電池Ｂ１，Ｂ２の個々の電圧は、電圧センサＶ１，Ｖ２によって検知され、検知信号は制御部４に送られる。組電池１０の両端には、電源１（又は負荷２）が接続される。
【００５８】
スイッチ回路部３は、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂを含み、それぞれ、電池Ｂ１及びインダクタＬ，電池Ｂ２及びインダクタＬを含む図示の閉回路を構成し得るように、存在している。スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂは、制御部４の制御によって、オン／オフ動作する。
【００５９】
図８の（ａ）の回路において、スイッチ素子Ｓａと、スイッチ素子Ｓｂとは、図２と同様に、交互にオンになる。スイッチ素子Ｓａがオンのときは、電池Ｂ１とインダクタＬとの間で電荷の移動が生じる。スイッチ素子Ｓｂがオンのときは、電池Ｂ２とインダクタＬとの間で電荷の移動が生じる。この繰り返しにより、電池Ｂ１，Ｂ２の電圧は均等化される。これは、アクティブ方式の電圧均等化である。
【００６０】
一方、電池Ｂ１，Ｂ２のうちいずれか一方（電圧の高い方）を、他方（電圧の低い方）に合わせるパッシブ方式の電圧均等化を実行するには、電圧を下げたい方のスイッチ素子（Ｓａ又はＳｂ）を能動領域で使用し、抵抗体の役目をさせる。これにより、抵抗体を介して放電する電池は電圧が低下する。電池Ｂ１，Ｂ２の電圧が均等化されれば、制御部４は、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂをオフにする。
【００６１】
なお、インダクタを用いる場合の蓄電装置１００の実用的回路としては、（ｂ）に示す回路が好ましい。インダクタＬには並列に抵抗Ｒｘが接続される。電池Ｂ１，Ｂ２にはそれぞれ、キャパシタＣ１１，Ｃ１２が並列接続される。スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂはそれぞれ例えばＰ型ＭＯＳ−ＦＥＴ，Ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴであり、それぞれの２端子間には抵抗Ｒ１１，Ｒ１２が接続される。
【００６２】
（その他）
なお、第１実施形態におけるキャパシタの数は、電池の数より１個少ない構成であるが、アクティブ方式に関しては、他にも種々の構成が可能である。
例えば、多数の電池の直列体の場合は、第２実施形態のキャパシタＣ及びスイッチ回路部３を複数セット用意して、直列体を複数ブロックに分け、ブロックごとに電圧均等化を行うことができる。
また、第１実施形態のように電池とキャパシタとを１対１の関係で接続して局所的に電気エネルギーを移動させることと並行して、複数の電池の直列体と、別の１個のキャパシタとの間で広域的に電気エネルギーを移動させることを行ってもよい。
【００６３】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６４】
１  電源
２  負荷
３  スイッチ回路部
４  制御部
１０  組電池
１１  電源
１２  負荷
１００  蓄電装置
Ｂ１〜Ｂ４〜Ｂｎ  電池
Ｃ１〜Ｃ３，Ｃ１１，Ｃ１２  キャパシタ
Ｌ  インダクタ
Ｓａ１〜Ｓａ４，Ｓｂ１〜Ｓｂ４，Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，Ｓ１〜Ｓｎ  スイッチ素子
Ｖ１〜Ｖ４〜Ｖｎ  電圧センサ
Ｒｘ，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１〜Ｒｎ  抵抗
【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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【図９】
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【図１０】
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