(57)【要約】【課題】回路素子の特性のばらつきにかかわらず電圧均等化を適切に行う電圧均等化装置および蓄電装置を提供する。【解決手段】直列接続された複数の蓄電部材の電圧を測定する電圧測定回路と、複数の整流素子が直列接続されて一群をなし、各蓄電部材のそれぞれに並列接続された整流素子群と、各整流素子群のそれぞれの隣接する整流素子間のノードに接続されたキャパシタと、各キャパシタの入力側に配置され、前記蓄電部材に供給される電圧を制御する電圧制御器と、各キャパシタのそれぞれに接続され、前記ノードを前記電圧制御器に対して接続又は切断するスイッチと、各スイッチの動作状態を前記電圧測定回路の測定結果に基づいて制御するスイッチ制御器と、を備える。【選択図】図１
2015171280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数の蓄電部材の電圧を測定する電圧測定回路と、
複数の整流素子が直列接続されて一群をなし、各蓄電部材のそれぞれに並列接続された整流素子群と、
各整流素子群のそれぞれの隣接する整流素子間のノードに接続されたキャパシタと、
各キャパシタの入力側に配置され、前記蓄電部材に供給される電圧を制御する電圧制御器と、
各キャパシタのそれぞれに接続され、前記ノードを前記電圧制御器に対して接続又は切断するスイッチと、
各スイッチの動作状態を前記電圧測定回路の測定結果に基づいて制御するスイッチ制御器と、を備える電圧均等化装置。
【請求項２】
前記電圧制御器は、電圧均等化動作の際に、振幅が前記蓄電部材の最大充電電圧より大きい矩形波を出力する請求項１記載の電圧均等化装置。
【請求項３】
前記電圧制御器は、入力側に外部電源が接続される請求項１記載の電圧均等化装置。
【請求項４】
前記電圧制御器は、入力側に前記蓄電部材が接続される請求項１記載の電圧均等化装置。
【請求項５】
前記電圧制御器は、直流−直流変換回路を含む請求項４記載の電圧均等化装置。
【請求項６】
前記スイッチ制御器は、電圧均等化動作の開始時に前記スイッチを接続状態に制御し、前記蓄電部材が満充電電圧になった場合に前記スイッチを切断状態に制御する請求項３記載の電圧均等化装置。
【請求項７】
前記スイッチ制御器は、電圧均等化動作の開始時に前記スイッチを接続状態に制御し、前記蓄電部材の電圧が平均電圧に達した場合に前記スイッチを切断状態に制御する請求項４記載の電圧均等化装置。
【請求項８】
直列接続された複数の蓄電部材と、
電圧均等化装置と、を備え、
前記電圧均等化装置は、
前記複数の蓄電部材の電圧を測定する電圧測定回路と、
複数の整流素子が直列接続されて一群をなし、各蓄電部材のそれぞれに並列接続された整流素子群と、
各整流素子群のそれぞれの隣接する整流素子間のノードに接続されたキャパシタと、
各キャパシタの入力側に配置され、前記蓄電部材に供給される電圧を制御する電圧制御器と、
各キャパシタのそれぞれに接続され、前記ノードを前記電圧制御器に対して接続又は切断するスイッチと、
各スイッチの動作状態を前記電圧測定回路の測定結果に基づいて制御するスイッチ制御器と、を備える蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電圧均等化装置および蓄電装置に関する。より詳しくは、複数の蓄電部材の電圧を均等化する電圧均等化装置および蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、直列接続された複数のセルの電圧を均等化する技術が提案されている。例えば、特許文献１では、直列接続された蓄電セルの各々に対して、２つの直列接続されたダイオードを並列に接続し、ダイオードの中間点にキャパシタを接続した均等化回路が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１８３５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電圧均等化は、回路素子の特性のばらつきにかかわらず適切に行いたい。
【０００５】
本開示は、回路素子の特性のばらつきにかかわらず電圧均等化を適切に行う電圧均等化装置および蓄電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示に係る電圧均等化装置は、直列接続された複数の蓄電部材の電圧を測定する電圧測定回路と、複数の整流素子が直列接続されて一群をなし、各蓄電部材のそれぞれに並列接続された整流素子群と、各整流素子群のそれぞれの隣接する整流素子間のノードに接続されたキャパシタと、各キャパシタの入力側に配置され、前記蓄電部材に供給される電圧を制御する電圧制御器と、各キャパシタのそれぞれに接続され、前記ノードを前記電圧制御器に対して接続又は切断するスイッチと、各スイッチの動作状態を前記電圧測定回路の測定結果に基づいて制御するスイッチ制御器と、を備えるものである。
前記電圧制御器は、電圧均等化動作の際に、振幅が前記蓄電部材の最大充電電圧より大きい矩形波を出力してもよい。
前記電圧制御器は、入力側に外部電源が接続されてもよい。この場合、前記スイッチ制御器は、電圧均等化動作の開始時に前記スイッチを接続状態に制御し、前記蓄電部材が満充電電圧になった場合に前記スイッチを切断状態に制御してもよい。
または、前記電圧制御器は、入力側に前記蓄電部材が接続されてもよい。この場合、前記電圧制御器は、直流−直流変換回路を含んでもよい。もしくは、前記スイッチ制御器は、電圧均等化動作の開始時に前記スイッチを接続状態に制御し、前記蓄電部材の電圧が平均電圧に達した場合に前記スイッチを切断状態に制御してもよい。
本開示に係る蓄電装置は、直列接続された複数の蓄電部材と、電圧均等化装置と、を備え、前記電圧均等化装置は、前記複数の蓄電部材の電圧を測定する電圧測定回路と、複数の整流素子が直列接続されて一群をなし、各蓄電部材のそれぞれに並列接続された整流素子群と、各整流素子群のそれぞれの隣接する整流素子間のノードに接続されたキャパシタと、各キャパシタの入力側に配置され、前記蓄電部材に供給される電圧を制御する電圧制御器と、各キャパシタのそれぞれに接続され、前記ノードを前記電圧制御器に対して接続又は切断するスイッチと、各スイッチの動作状態を前記電圧測定回路の測定結果に基づいて制御するスイッチ制御器と、を備えるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、回路素子の特性のばらつきにかかわらず電圧均等化を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の第１の実施形態の蓄電装置の構成例を示す回路図である。
【図２】本開示の第１の実施形態の蓄電装置の動作例を示すフローチャートである。
【図３】本開示の第１の実施形態の第１の変形例の蓄電装置の構成例を示す回路図である。
【図４】オリビン型リン酸鉄を用いたリチウムイオン二次電池の放電曲線の一例を示すグラフである。
【図５】本開示の第２の実施形態の蓄電装置の構成例を示す回路図である。
【図６】本開示の第２の実施形態の蓄電装置の構成例を示す矩形波電圧のタイムチャートである。
【図７】本開示の第２の実施形態の蓄電装置の動作原理を説明するための第１の回路図である。
【図８】本開示の第２の実施形態の蓄電装置の動作原理を説明するための第２の回路図である。
【図９】本開示の第２の実施形態の蓄電装置の動作原理を説明するための第３の回路図である。
【図１０】本開示の第２の実施形態の蓄電装置の動作原理を説明するための第４の回路図である。
【図１１】本開示の第２の実施形態の蓄電装置の動作原理を説明するための第５の回路図である。
【図１２】本開示の第２の実施形態の蓄電装置の動作例を示すフローチャートである。
【図１３】本開示の第３の実施形態の蓄電装置の構成例を示す回路図である。
【図１４】本開示の第３の実施形態の蓄電装置の動作例を示すフローチャートである。
【図１５】本開示の第４の実施形態の蓄電装置の構成例を示す回路図である。
【図１６】本開示の第４の実施形態の蓄電装置の動作例を示すフローチャートである。
【図１７】本開示の蓄電装置の蓄電システムへの応用例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本開示を実施するための好適な形態について図面を参照しながら説明する。以下に説明する複数の実施形態は、本開示の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本開示の範囲が狭く解釈されることはない。また、各実施形態において、互いに対応する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施形態
（蓄電部材に並列接続された複数の整流素子間のノードを電圧制御器に対して接続又は切断させるスイッチを備えた蓄電装置の例）
２．第１の実施形態の第１の変形例
（蓄電部材が二次電池である蓄電装置の例）
３．第２の実施形態
（入力側に外部電源が接続された電圧制御器が二次電池の最大充電電圧より振幅が大きい矩形波を出力する蓄電装置の例）
４．第３の実施形態
（電圧制御器の入力側に二次電池が接続された蓄電装置の例）
５．第４の実施形態
（電圧制御器の入力側に外部電源および二次電池が選択的に接続される蓄電装置の例）
６．第５の実施形態
（本開示の蓄電装置が適用された蓄電システムの例）
【００１０】
＜１．第１の実施形態＞
［装置の構成例］
図１は、本実施形態の蓄電装置１００の構成例を示す回路図である。図１に示すように、蓄電装置１００は、複数の蓄電部材１１０と、電圧均等化装置１２０とを備える。電圧均等化装置１２０は、本開示に係る電圧均等化装置の一実施形態である。
【００１１】
［蓄電部材１１０］
図１に示すように、各蓄電部材１１０は、直列接続されている。各蓄電部材１１０は、いずれも充放電可能とされている。すなわち、各蓄電部材１１０は、充電の際には、不図示の電源から供給されたエネルギーを蓄積し、放電の際には、各蓄電部材１１０に蓄積されたエネルギーを不図示の負荷に供給することができる。
【００１２】
蓄電部材１１０の個数は、複数であれば図１に示すような２つに限定されない。蓄電部材１１０は、偶数個であってもよく、または、奇数個であってもよい。各蓄電部材１１０は、同一規格で構成されていてもよく、または、別規格で構成されていてもよい。本開示は、直接接続された各蓄電部材１１０のそれぞれに、他の蓄電部材が並列接続されている態様を除外しない。蓄電部材１１０の種類も限定されず、例えば、二次電池やハイブリッドキャパシタなどであってもよい。
【００１３】
［電圧均等化装置１２０］
図１に示すように、電圧均等化装置１２０は、電圧測定回路１２１と、整流素子群１２２と、キャパシタ１２３と、電圧制御器１２４と、スイッチ１２５と、スイッチ制御器１２６とを備える。
【００１４】
［電圧測定回路１２１］
図１に示すように、電圧測定回路１２１は、各蓄電部材１１０にそれぞれ対応して複数配置されている。各電圧測定回路１２１は、対応する蓄電部材１１０に並列接続されている。各電圧測定回路１２１は、対応する蓄電部材１１０の電圧すなわち端子電圧を測定するようになっている。電圧測定回路１２１は、蓄電部材１１０の電圧の測定結果を、電圧測定信号としてスイッチ制御器１２６に出力するようになっている。電圧測定信号は、スイッチ制御器１２６側で電圧測定信号に対応する蓄電部材１１０を特定可能な態様で出力されてもよい。この場合、電圧測定信号は、スイッチ制御器１２６に設けられた蓄電部材１１０毎の入力端子に向けて出力されたり、各蓄電部材１１０の番号などの蓄電部材１１０の識別情報が対応付けられたりしてもよいが、これらに限定されない。
【００１５】
電圧測定回路１２１の具体的な態様は限定されず、蓄電部材１１０の電圧を測定可能な種々の回路を採用することができる。電圧測定回路１２１は、集積回路などを含んでもよい。電圧測定回路１２１は、電圧センサおよびアナログフロントエンドなどで構成されていてもよいが、これに限定されない。
【００１６】
［整流素子群１２２］
図１に示すように、整流素子群１２２は、各蓄電部材１１０にそれぞれ対応して複数群配置されている。図１の構成では、整流素子群１２２は、蓄電部材１１０毎に１群ずつの合計２群配置されている。各整流素子群１２２は、対応する蓄電部材１１０に並列接続されている。整流素子群１２２は、複数の整流素子１２２１が直列接続されて一群をなしている。整流素子群１２２同士は直列接続されている。
【００１７】
図１の構成では、全ての整流素子１２２１の向きすなわち整流方向が同一とされている。換言すれば、任意の整流素子１２２１のカソードは、この整流素子１２２１にカソード側において隣接する他の整流素子１２１１のアノードに接続されている。
【００１８】
１つの整流素子群１２２に含まれる整流素子１２２１の個数は、複数であれば図１に示すような２つに限定されない。各整流素子群１２２同士の間で、整流素子１２２１の個数は同一であってもよく、または、異なってもよい。各整流素子１２２１は、同一規格で構成されていてもよく、または、別規格で構成されていてもよい。整流素子１２２１の種類も限定されず、例えば、ダイオードなどであってもよい。
【００１９】
［キャパシタ１２３］
キャパシタ１２３は、各蓄電部材１１０にそれぞれ対応して複数配置されている。図１の構成では、キャパシタ１２３は、蓄電部材１１０と同数の２つ配置されている。各キャパシタ１２３は、各キャパシタ１２３の出力端を介して対応する整流素子群１２２における隣接する整流素子１２２１間のノード１２２２に接続されている。
【００２０】
［電圧制御器１２４］
電圧制御器１２４は、各キャパシタ１２３の入力側に配置されている。電圧制御器１２４は、各キャパシタ１２３に電気的に接続されるようになっている。電圧制御器１２４は、各蓄電部材１１０に供給される電圧を制御するようになっている。換言すれば、電圧制御器１２４は、各キャパタ１２３に供給される電圧を制御するようになっている。電圧の制御は、電圧の波形の制御を含んでもよい。電圧の波形は、矩形波や正弦波などであってもよいが、これらに限定されない。
【００２１】
電圧制御器１２４の具体的な態様は限定されず、電圧を制御可能な種々の電子装置を採用してもよい。この場合、電子装置は、スイッチング素子や抵抗などの電子素子を含んでもよい。
【００２２】
［スイッチ１２５］
スイッチ１２５は、各蓄電部材１１０にそれぞれ対応して複数配置されている。図１の構成では、スイッチ１２５は、蓄電部材１１０毎に１つずつの合計２つ配置されている。各スイッチ１２５は、各キャパシタ１２３にそれぞれ接続されている。各スイッチ１２５は、各ノード１２２２を電圧制御器１２４に対して接続又は切断するようになっている。具体的には、スイッチ１２５は、オン状態すなわち接続状態になることによって、対応するノード１２２２を電圧制御器１２４に接続し、オフ状態すなわち切断状態になることによって、対応するノード１２２２を電圧制御器１２４から切断するようになっている。
【００２３】
より具体的には、各スイッチ１２５は、対応するキャパシタ１２３と電圧制御器１２４との間に配置されている。換言すれば、スイッチ１２５の出力端は、対応するキャパシタ１２３の入力端に接続され、スイッチ１２５の入力端は、電圧制御器１２４に接続されている。各スイッチ１２５の入力端は、共通ノードであってもよい。本開示は、スイッチ１２５がキャパシタ１２３とノード１２２２との間に配置される態様を除外しない。
【００２４】
スイッチ１２５の具体的な態様は限定されない。例えば、スイッチ１２５は、半導体素子などによって構成してもよい。半導体素子は、トランジスタなどであってもよい。トランジスタは、電界効果トランジスタなどであってもよい。電界効果トランジスタは、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）などであってもよい。電界効果トランジスタを採用することで、消費電力を抑えることができる。
【００２５】
［スイッチ制御器１２６］
スイッチ制御器１２６は、各スイッチ１２５の動作状態を電圧測定回路１２１の測定結果に基づいて制御するようになっている。図１に示すように、スイッチ制御器１２６は、スイッチ１２５に対するスイッチ制御信号の出力により、スイッチ１２５をオン状態またはオフ状態に制御するようになっている。
【００２６】
スイッチ制御器１２６の具体的な態様は限定されない。例えば、スイッチ制御器１２６は、電子装置などによって構成してもよい。この場合、電子装置は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)やＭＰＵ(Micro-Processing Unit)などのプロセッサおよびＲＡＭ(Random Access Memory)やＲＯＭ(Read Only Memory)などの記憶装置等を備えてもよい。ＲＯＭには、電圧均等化装置１２０の機能を実現するためのプログラムやデータを格納してもよい。プロセッサは、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することで、電圧均等化装置１２０の機能を実現してもよい。ＲＡＭは、プロセッサの作業領域などとして利用してもよい。スイッチ制御器１２６は、外部との通信を行うための通信器を備えてもよい。この場合、通信は、例えば、複数の蓄電装置１００の動作を統括して管理する不図示の制御装置との間で行われてもよいが、これに限定されない。通信では、電圧均等化動作の指令などがスイッチ制御器１２６に入力されてもよいが、これに限定されない。スイッチ制御器１２６は以上の構成に限定されない。
【００２７】
［装置の動作例］
図２は、本実施形態の蓄電装置１００の動作例を示すフローチャートである。
【００２８】
説明の便宜上、図２の初期状態では、全てのスイッチ１２５がオフ状態すなわち全てのノード１２２２が電圧制御器１２４から切断された状態であり、電圧均等化動作は開始されていないものとする。電圧均等化動作の開始のトリガーは限定されず、例えば、定期的なタイミングなどであってもよい。電圧均等化動作の開始のトリガーが発生したことは、スイッチ制御器１２６が検知してもよいが、これに限定されない。
【００２９】
そして、初期状態から、電圧均等化動作を開始すると、先ず、図２のステップ１（Ｓ１）において、スイッチ制御器１２６により、全てのスイッチ１２５をオンにする。
【００３０】
次いで、ステップ２（Ｓ２）において、電圧制御器１２４による電圧制御によって、各キャパシタ１２３および各整流素子群１２２を介して各蓄電部材１１０への電圧供給を行う。
【００３１】
次いで、ステップ３（Ｓ３）において、スイッチ制御器１２６により、各電圧測定回路１２１の測定結果に基づいて、蓄電部材１１０の電圧が閾値に達したか否かを蓄電部材１１０毎に判定する。閾値の具体的な態様は限定されず、対象の蓄電部材１１０に対する電圧均等化が完了したとみなされる種々の値を設定してもよい。そして、肯定的な判定結果が得られた蓄電部材１１０については、ステップ４（Ｓ４）に進み、否定的な判定結果が得られた蓄電部材１１０については、ステップ２（Ｓ２）を繰り返す。
【００３２】
次いで、ステップ４（Ｓ４）において、スイッチ制御器１２６により、ステップ３（Ｓ３）において肯定的な判定結果が得られた蓄電部材１１０に対応するスイッチ１２５すなわち該当するスイッチ１２５をオフにする。
【００３３】
次いで、ステップ５（Ｓ５）において、スイッチ制御器１２６により、全てのスイッチ１２５がオフになったか否かを判定する。そして、肯定的な判定結果が得られた場合には、ステップ６（ステップ６）に進み、否定的な判定結果が得られた場合には、ステップ２（Ｓ２）に戻る。
【００３４】
次いで、ステップ６（Ｓ６）において、電圧制御器１２４の電圧制御による電圧供給を終了して、電圧均等化動作を終了させる。
【００３５】
本実施形態の蓄電装置１００によれば、電圧が閾値に達した蓄電部材１１０への電圧供給をスイッチ１２５の開放によって個別に停止させることができる。これにより、キャパシタ１２３や整流素子１２２１などの回路素子の特性のばらつきにかかわらず、蓄電部材１１０の電圧均等化を適切に行うことができる。
【００３６】
ここで、上記特許文献１に記載の均等化回路における最終的な充電停止電圧は、蓄電セルと並列に接続された２直列のダイオードの閾値電圧を含む。よって、この均等化回路では、ダイオードの閾値電圧がばらつくと、各蓄電セルの充電停止電圧もばらついてしまう。ダイオードの閾値電圧は、個体差、環境温度および通電電流の大きさなどにより異なるため、充電停止電圧のばらつきを抑えることは困難であり、或る蓄電セルが他の蓄電セルより過充電となってしまう可能性がある。これを避けるために、仮に、全ての蓄電セルへの電圧供給を止めると、過充電のおそれがない蓄電セルへの充電までも止まってしまい、充電のばらつきを抑制することは困難である。これに対して、本開示では、上記の如く各蓄電部材１１０への電圧供給を個別に制御することができるので、充電のばらつきが有効に抑制された適切な電圧均等化を実現することができる。
【００３７】
または、本開示の蓄電装置１００によれば、満充電状態になったセルに対応する充電電流を該セルではなくバイパス回路側に流して該回路の抵抗で消費させる場合に比べて、エネルギーの無駄を抑えることができる。または、本開示の蓄電装置１００によれば、トランスを用いて電圧均等化を行う場合に比べて、コストを抑えることができるとともに装置を小型軽量にすることができる。または、本開示の蓄電装置１００によれば、蓄電部材の個数の偶奇が制約されないので、設計の自由度を確保することができる。
【００３８】
＜２．第１の実施形態の第１の変形例＞
本変形例の蓄電装置１００は、図１の蓄電装置１００に対して、蓄電部材１１０の態様が更に特定されている。具体的には、図３に示すように、本変形例の蓄電装置１００は、蓄電部材１１０の一例としての二次電池１１１を有している。
【００３９】
二次電池１１１は、リチウムイオン二次電池や鉛蓄電池などであってもよい。リチウムイオン二次電池の具体的な態様は限定されないが、好ましい態様の一例として、長寿命、高い安全性能、急速充電性能などの利点を有するオリビン型リン酸鉄を用いたリチウムイオン二次電池を採用してもよい。
【００４０】
ここで、オリビン型リン酸鉄を用いたリチウムイオン二次電池の放電曲線の一例を図４に示す。図４の放電特性は、放電開始直後は内部抵抗による電圧降下が大きいが、その後はフラットな特性が続くことから、直列接続で構成した組電池内における電圧ばらつきは小さいといえる。また、この種のリチウムイオン二次電池をスマートグリッドにおける電力貯蔵用電源に適用する場合には、各電池の温度分布が比較的一様で、負荷電流も自動車などと比較すると変動が少ないため、各電池間の電圧のばらつきはより一層小さい。したがって、オリビン型リン酸鉄を用いたリチウムイオン二次電池を適用する場合には、大電流を使って高速にセル間電圧ばらつきを解消する必要性は小さく、少ない電流で無駄なくセル間電圧バランスをとることができる。
【００４１】
本変形例の蓄電装置１００によれば、回路素子の特性のばらつきの影響が少ない適切な二次電池１１１の電圧均等化を行うことができ、または、少ない電流による効率的な電圧均等化を行うことができる。
【００４２】
＜３．第２の実施形態＞
［装置の構成例］
図５は、本実施形態の蓄電装置１００の構成例を示す回路図である。本実施形態の蓄電装置１００は、図３の蓄電装置１００に対して、電圧制御器１２４の構成が更に特定されている。
【００４３】
具体的には、図５に示すように、本実施形態の蓄電装置１００は、電圧制御器１２４の入力側に外部電源２が接続されている。また、図５に示すように電圧制御器１２４は、外部電源２に接続された第１のスイッチ１２４１と、グランドに接続された第２のスイッチ１２４２とを備える。第１のスイッチ１２４１と第２のスイッチ１２４２とは互いに並列に接続されている。
【００４４】
電圧制御器１２４は、第１のスイッチ１２４１と第２のスイッチ１２４２とが交互に選択的にオンになることによって、図６に示すように、最大電圧が外部電源２の電圧Ｖｍ［Ｖ］、最低電圧がグランド電圧Ｖｇ［Ｖ］とされた矩形波を出力するようになっている。スイッチ制御器１２６は、第１のスイッチ１２４１および第２のスイッチ１２４２に対するスイッチ制御信号の出力によって、各スイッチ１２４１、１２４２の動作状態を制御するようになっている。
【００４５】
［動作原理］
ここで、本実施形態の蓄電装置１００の動作原理を、図７の回路７００および後述の図１０の回路１０００ならびに図１１の回路１１００を参照して説明する。図７の回路７００は、図５の蓄電装置１００に対して、整流素子群として２直列のダイオードＤ１、Ｄ２を一群のみ備える点が異なる。また、図７の回路７０は、図５の蓄電装置１００に対して、二次電池１１１の替りにキャパシタ７０１を備える点が異なる。また、図７の回路７００は、図５の蓄電装置１００に対して、ダイオードＤ１のアノードとグランドとの間に蓄電素子７０２が配置されている点が異なる。また、図７の回路７００は、図５の蓄電装置１００に対して、スイッチ１２５が無い又は常時オン状態である点が異なる。
【００４６】
回路７００は、図７の状態では、第１のスイッチ１２４１および第２のスイッチ１２４２がいずれもオフになっている。また、図７の状態では、キャパシタ７０１に蓄積されている電荷すなわち初期電荷は０［Ｃ］とする。また、蓄電素子７０２の電圧はＶａ［Ｖ］とする。また、各ダイオードＤ１、Ｄ２の閾値電圧はいずれもＶｔ［Ｖ］とする。
【００４７】
次に、図８に示すように、図７の状態から、第２のスイッチ１２４２をオン状態に切り替えると、蓄電素子７０２から電流（図８の一点鎖線矢印参照）が流れ、最終的にダイオードＤ１、Ｄ２間のノードＮの電圧は、Ｖａ−Ｖｔ［Ｖ］となる。また、第１のスイッチ１２４１側の電力線と第２のスイッチ１２４２側の電力線とを接続するノード１２４３の電圧は、グランド電位（ここでは、０［Ｖ］とする）に等しくなる。また、回路７００の出力電圧Ｖｏは、ノードＮの電圧から更に１つのダイオードＤ２の閾値電圧分低下するので、Ｖａ−２Ｖｔ［Ｖ］となる。
【００４８】
次に、図９に示すように、第１のスイッチ１２４１をオン状態に切り替え、第２のスイッチ１２４２をオフ状態に切り替える。すると、キャパシタ１２３の両端の電圧は保持されるので、ノード１２４３の電圧はＶｍ［Ｖ］となる。また、ダイオードＤ１、Ｄ２間のノードＮの電圧は、Ｖｍ＋Ｖａ−Ｖｔ［Ｖ］となる。また、出力電圧Ｖｏは、Ｖｍ＋Ｖａ−２Ｖｔ［Ｖ］となる。これにより、キャパシタ７０１すなわち負荷の両端の電位差はＶｍ−２Ｖｔ［Ｖ］となる。このように、負荷がキャパシタ７０１である回路７００では、スイッチ１２４１、１２４２の動作状態を１回ずつ切り替えることによって、出力電圧をＶａ［Ｖ］からＶｍ−２Ｖｔ［Ｖ］に嵩上げすることができる。
【００４９】
次に、以上の回路７００の負荷をキャパシタ７０１から二次電池１１１に変更した回路１０００を図１０に示す。ここで、図１０の回路１０００において、第１のスイッチ１２４１と第２のスイッチ１２４２とを交互にオンオフする際のスイッチ切り替え周波数をｆ［Ｈｚ］とする。また、キャパシタ１２３の静電容量をＣ１［Ｆ］とする。また、二次電池１１１の電圧をＶｂ［Ｖ］とする。
【００５０】
今、Ｖｍ−２Ｖｔ［Ｖ］が二次電池１１１の電圧Ｖｂ［Ｖ］より高いとすると、図１０に示すように、二次電池１１１には平均電流Ｉａｖｅ［Ａ］が流れる。平均電流Ｉａｖｅは、Ｖｂ＝Ｖｍ−２Ｖｔとなるまで流れる。平均電流Ｉａｖｅは、次の数式１で表される。
【数１】
2015171280.tif 000003
この式によれば、平均電流Ｉａｖｅは、スイッチ切り替え周波数ｆによって調整可能であることが分かる。
【００５１】
次に、図１０の回路１０００における同図破線より右側の回路素子を多段積み上げることによって構成された回路１１００を図１１に示す。図１１の回路１１００では、図１０の回路１０００においてダイオード群のグランド側に示されていた電圧Ｖａが、各ダイオード群にとっての下段側（グランド側）のダイオード群の閾値電圧の合計値であるとして省略されている。図１１の回路１１００では、直列接続されている二次電池１１１を、１個の電源２によって個別に充電することができる。ここで、図１１に示すように、直列接続された３つの二次電池１１１のそれぞれに２つずつ繋がっている合計６つのダイオードＤ１〜６の閾値電圧をＶｔ１〜６とする。また、各ダイオード間のノードＮに接続された合計３つのキャパシタ１２３の静電容量をＣ１〜３［Ｆ］とする。この場合、各二次電池１１１の最終到達電圧ＶＬ１〜３は、次の数式２で表される。
【数２】
2015171280.tif 000004
また、各二次電池１１１の電圧をＶｂ１〜３とすると、最終到達電圧に達するまでに二次電池１１１に流れる平均電流Ｉａ１〜３は、次の数式３で表される。
【数３】
2015171280.tif 000005
【００５２】
数式２から分かるように、図１１の回路１１００では、最終到達電圧ＶＬ１〜３が、ダイオード閾値電圧Ｖｔ１〜６がばらつくことによってばらついてしまう。一般的なショットキー型ダイオードでは、閾値電圧Ｖｔのばらつきは、同一電流通電時で３０［ｍＶ］程度であるため、各二次電池１１１の電圧Ｖｂ１〜３も３０［ｍＶ］程度ばらついてしまう。ここで、蓄電部材としてリチウムイオン二次電池などを使用する場合には、電圧の計測および制御は安全性の観点から１〜５［ｍＶ］オーダーで行うことが必要な場合があるため、３０［ｍＶ］といった最終到達電圧のばらつきは許容できない。また、数式３から分かるように、各二次電池１１１の充電電流は、ダイオード閾値電圧Ｖｔ１〜６のばらつきだけでなく、キャパシタの静電容量Ｃ１〜３のばらつきの影響も受けてしまう。このように、図１１の回路１１００では、回路素子の特性のばらつきにより、蓄電部材の最終到達電圧が各蓄電部材で異なってしまう。
【００５３】
これに対して、本実施形態の蓄電装置１００では、図５に示したように、電圧制御器１２４とキャパシタ１２３との間にスイッチ１２５を設けている。また、本実施形態の蓄電装置１００では、二次電池１１１の満充電電圧をＶｃｍａｘ、Ｖｔ１〜６の最大値をＶｔ１ｍａｘ〜Ｖｔ６ｍａｘとすると、次の数式４が成立するように外部電源２が設定されている。
【数４】
2015171280.tif 000006
【００５４】
このような外部電源２の設定によれば、前述した電圧制御器１２４が出力する矩形波すなわち最大電圧Ｖｍ、最低電圧Ｖｇの矩形波は、振幅が二次電池１１１の最大充電電圧すなわち満充電電圧Ｖｃｍａｘよりも大きい矩形波となる。つまり、本実施形態の電圧制御器１２４は、外部電源２と相まって、振幅が二次電池１１１の最大充電電圧より大きい矩形波を出力するようになっている。外部電源２は、電圧Ｖｍの設定が変更可能な可変電圧電源であってもよい。
【００５５】
数式４は、次の数式５のように一般化できるので、図５の態様以外にも応用できる。
【数５】
2015171280.tif 000007
但し、数式５において、Ｎは、ダイオードすなわち整流素子の直列接続数であり、ＭＡＸ（Ｖｔｉｍａｘ）は、Ｖｔｉｍａｘのうちの最大値である。
【００５６】
また、数式５（等号の場合）を数式２に代入することで、次の数式６が成立する。
【数６】
2015171280.tif 000008
数式６は、本実施形態の蓄電装置１００における各二次電池１１１の最終到達電圧ＶＬ１〜３が、閾値電圧Ｖｔのばらつきにかかわらず満充電電圧に到達することを示す。
【００５７】
また、本実施形態のスイッチ制御器１２６は、電圧均等化動作の開始時には、スイッチ１２５をオン状態にしておき、その後、満充電電圧に到達した二次電池１１１に対応するスイッチ１２５をオフ状態に切り替えるようになっている。オフ状態に切り替えられたスイッチ１２５に対応する二次電池１１１は、外部電源２からの電流経路が断たれるため、過充電となる前に充電が停止する。
【００５８】
［装置の動作例］
図１２は、本実施形態の蓄電装置１００の動作例を示すフローチャートである。
【００５９】
図１２では、図２のステップ３の具体例として、ステップ３１（Ｓ３１）を実行する。ステップ３１（Ｓ３１）では、スイッチ制御器１２６により、各電圧測定回路１２１の測定結果に基づいて、二次電池１１１の電圧が満充電電圧に達したか否かを二次電池１１１毎に判定する。そして、肯定的な判定結果が得られた二次電池１１１については、ステップ４（Ｓ４）に進み、否定的な判定結果が得られた二次電池１１１については、ステップ２（Ｓ２）を繰り返す。
【００６０】
本実施形態の蓄電装置１００によれば、図３の蓄電装置１００と同様の効果を奏することができ、または、外部電源を用いた電圧均等化を適切に行うことが可能となる。または、本実施形態の蓄電装置１００によれば、電圧制御器１２４によって二次電池１１１の最大充電電圧より大きい矩形波を出力することで、全ての二次電池１１１を簡便な手法によって確実に満充電電圧に到達させることができる。または、本実施形態の蓄電装置１００によれば、満充電電圧に到達した二次電池１１１に対応するスイッチ１２５をスイッチ制御器１２６によってオフ状態に制御することで、素子ばらつきに影響されずに、各二次電池１１１の充電状態を一定にすることができる。
【００６１】
＜第３の実施形態＞
図１３は、本実施形態の蓄電装置１００の構成例を示す回路図である。本実施形態の蓄電装置１００は、図５の蓄電装置１００に対して、電圧制御器１２４の構成が異なる。
【００６２】
具体的には、図１３に示すように、本実施形態の蓄電装置１００は、電圧制御器１２４の入力側に二次電池１１１が接続されている。また、図１３に示すように、電圧制御器１２４は、直流‐直流変換回路の一例としての降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４４を含む。
【００６３】
より具体的には、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４４には、全ての二次電池１１１の直列電圧が入力されるようになっている。降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４４は、入力された直列電圧を降圧して第１のスイッチ１２４１に入力するようになっている。すなわち、本実施形態の蓄電装置１００は、全ての二次電池１１１からのエネルギーを電圧均等化動作によって二次電池１１１に再配分するようになっている。このような電圧均等化動作によって、各二次電池１１１は、最終的には、全二次電池１１１の平均電圧に到達する。
【００６４】
スイッチ制御器１２６は、電圧均等化動作の開始時には、スイッチ１２５をオン状態に制御し、その後、平均電圧に到達した二次電池１１１に対応するスイッチ１２５をオフ状態に切り替えるようになっている。なお、平均電圧は、スイッチ制御器１２６が算出してもよく、または、スイッチ制御器１２６以外の構成部が算出してもよい。
【００６５】
［装置の動作例］
図１４は、本実施形態の蓄電装置１００の動作例を示すフローチャートである。
【００６６】
図１４では、図２のステップ３の具体例として、ステップ３２（Ｓ３２）を実行する。ステップ３２（Ｓ３２）では、スイッチ制御器１２６により、各電圧測定回路１２１の測定結果に基づいて、二次電池１１１の電圧が、予め算出されている平均電圧に達したか否かを二次電池１１１毎に判定する。そして、肯定的な判定結果が得られた二次電池１１１については、ステップ４（Ｓ４）に進み、否定的な判定結果が得られた二次電池１１１については、ステップ２（Ｓ２）を繰り返す。
【００６７】
本実施形態の蓄電装置１００によれば、図３の蓄電装置１００と同様の効果を奏することができ、または、全二次電池２の電圧を再配分することで、電圧均等化を効率的に行うことができる。また、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１２４４を用いることで、全二次電池１１１の電圧を調整して電圧均等化に用いることができるので、電圧均等化を適切に行うことができる。
【００６８】
＜第４の実施形態＞
図１５は、本実施形態の蓄電装置１００の構成例を示す回路図である。本実施形態の蓄電装置１００は、図１３の蓄電装置１００に対して、電圧制御器１２４の構成が異なる。
【００６９】
具体的には、図１５に示すように、本実施形態の蓄電装置１００は、電圧制御器１２４の入力側に、外部電源２および二次電池１１１の双方が接続可能とされている。また、電圧制御器１２４は、第３のスイッチ１２４５を有している。第３のスイッチ１２４５は、外部電源２と二次電池１１１とを第１のスイッチ１２４１に対して選択的に接続するようになっている。すなわち、本実施形態の蓄電装置１００は、外部電源２を用いた均等化充電と二次電池１１１自身のエネルギーの再配分とを切り替えることが可能となっている。
【００７０】
第３のスイッチ１２４５の動作は、スイッチ制御器１２６がスイッチ制御信号の出力によって制御してもよい。外部電源２および二次電池１１１のいずれを用いるかについての具体的な態様は限定されない。例えば、二次電池１１１の合計電圧が閾値を超える場合には、第３のスイッチ１２４５を二次電池１１１に接続し、該合計電圧が閾値以下の場合には、第３のスイッチ１２４５を外部電源２に接続してもよいが、これに限定されない。
【００７１】
［装置の動作例］
図１６は、本実施形態の蓄電装置１００の動作例を示すフローチャートである。
【００７２】
図１６では、図２のステップ３の具体例として、ステップ３０（Ｓ３０）〜ステップ３２（Ｓ３２）を実行する。ステップ３１（Ｓ３１）の内容は、図１２において述べた通りである。ステップ３２（Ｓ３２）の内容は、図１４において述べた通りである。ステップ３０（Ｓ３０）において、スイッチ制御器１２６は、外部電源２の電圧が入力されている場合には、ステップ３１（Ｓ３１）進み、二次電池１１の電圧が入力されている場合には、ステップ３２（Ｓ３２）に進む。
【００７３】
本実施形態の蓄電装置１００によれば、図５および図１３の蓄電装置１００と同様の効果を奏することができ、または、二次電池１１１および外部電源２の双方を選択的に利用した電圧均等化を行うことができるので、利便性を向上させることができる。
【００７４】
＜第５の実施形態＞
図１７は、本開示の蓄電装置１００が適用される蓄電システム１７００の構成例を示す。蓄電システム１７００は、例えば住宅やビルなどの建物に適用される。
【００７５】
図１７に示すように、蓄電システム１７００は、火力１７１１、原子力１７１２、水力１７１３などの集中型電力系統１７１０から、電力網１７０２、情報網１７０３、スマートメータ１７０４、パワーハブ１７０５等を介して、蓄電部材１１０に電力が供給される。これにより、蓄電部材１１０が充電される。なお、図１７では、便宜上、１つの蓄電部材１１０のみが代表的に図示されているが、実際は、図１に示したように複数の蓄電部材１１０が直列接続されている。蓄電部材１１０には、家庭内発電装置１７０６の独立電源からも電力が供給される。蓄電部材１１０に蓄積された電力は、例えば、冷蔵庫１７２１、エアコン１７２２、テレビ１７２３、風呂１７２４などの屋内の電力消費装置１７２０に供給される。また、蓄電部材１１０の電力は、例えば、電気自動車１７３１、ハイブリッドカー１７３２、電気バイク１７３３などの屋外の電力消費装置１７３０に供給される。
【００７６】
電力網１７０２は、直流給電、交流給電および非接触給電のいずれか一つ又は複数による電力供給を行う構成であってもよい。情報網１７０３は、Zigbee（登録商標）、PLC (Power Line Communications)、WiFi（登録商標）およびBlue tooth（登録商標）のいずれの通信方式を用いてもよい。スマートメータ１７０４は、商用電力の使用量を測定し、測定された使用量を、電力会社に送信する機能を備えている。発電装置１７０６は、太陽電池や燃料電池などであってもよい。
【００７７】
また、図１７に示すように、蓄電システム１７００は、制御装置１７４０を備え、この制御装置１７４０は、本開示の電圧均等化装置１２０を含む。
【００７８】
また、図１７に示すように、蓄電システム１７００は、各種センサ１７０７を備える。各種センサ１７０７は、例えば、人感センサ、照度センサ、物体検知センサ、消費電力センサ、振動センサ、接触センサ、温度センサ、赤外センサなどであってもよい。各種センサ１７０７により取得された情報は、制御装置１７４０に送信される。
【００７９】
また、図１７に示すように、蓄電システム１７００は、サーバ１７０８を備える。サーバ１７０８は、制御装置１７４０と接続されている。サーバ１７０８は、住宅、電力会社およびサービスプロバイダーのいずれに管理されていてもよい。サーバ１７０８が送受信する情報は、例えば、消費電力情報、生活パターン情報、電力料金、天気情報、天災情報および電力取引に関する情報などであってもよい。これらの情報は、家庭内の電力消費装置１７２０（例えばテレビ）から送受信してもよいが、家庭外の装置（たとえば、携帯電話機等）から送受信してもよい。これらの情報は、表示機能を持つ機器、たとえば、テレビ、携帯電話機、ＰＤＡなどに、好適に表示されてもよい。
【００８０】
制御装置１７４０は、電圧均等化装置１２０の機能に加え、例えば、商用電力の使用量と、発電量とを調整する機能を有している。なお、その他にも、制御装置１７４０は、電力市場で電力取引を行う機能等を備えていてもよい。
【００８１】
本実施形態によれば、蓄電装置１００を備えることで、回路素子の特性のばらつきにかかわらず電圧均等化を適切に行うことができる蓄電システムを実現することができる。
【００８２】
上述の各実施形態および変形例は、これらを適宜組み合わせてもよい。任意の１つの実施形態または変形例中のある構成部を、他の実施形態または変形例に追加したり、他の実施形態または変形例中の構成部と置換したりする場合も、本開示の範囲内である。
【００８３】
各実施形態および変形例に記載された作用効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、他の作用効果があってもよい。本開示は、各実施形態および変形例に記載された複数の作用効果のいずれか一つを奏すればよい。
【００８４】
また、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
（１）直列接続された複数の蓄電部材の電圧を測定する電圧測定回路と、
複数の整流素子が直列接続されて一群をなし、各蓄電部材のそれぞれに並列接続された整流素子群と、
各整流素子群のそれぞれの隣接する整流素子間のノードに接続されたキャパシタと、
各キャパシタの入力側に配置され、前記蓄電部材に供給される電圧を制御する電圧制御器と、
各キャパシタのそれぞれに接続され、前記ノードを前記電圧制御器に対して接続又は切断するスイッチと、
各スイッチの動作状態を前記電圧測定回路の測定結果に基づいて制御するスイッチ制御器と、を備える電圧均等化装置。
（２）前記電圧制御器は、電圧均等化動作の際に、振幅が前記蓄電部材の最大充電電圧より大きい矩形波を出力する（１）に記載の電圧均等化装置。
（３）前記電圧制御器は、入力側に外部電源が接続される（１）又は（２）に記載の電圧均等化装置。
（４）前記電圧制御器は、入力側に前記蓄電部材が接続される（１）〜（３）のいずれかに記載の電圧均等化装置。
（５）前記電圧制御器は、直流−直流変換回路を含む（４）に記載の電圧均等化装置。
（６）前記スイッチ制御器は、電圧均等化動作の開始時に前記スイッチを接続状態に制御し、前記蓄電部材が満充電電圧になった場合に前記スイッチを切断状態に制御する（３）に記載の電圧均等化装置。
（７）前記スイッチ制御器は、電圧均等化動作の開始時に前記スイッチを接続状態に制御し、前記蓄電部材の電圧が平均電圧に達した場合に前記スイッチを切断状態に制御する（４）に記載の電圧均等化装置。
【符号の説明】
【００８５】
１００  蓄電装置
１１０  蓄電部材
１２０  電圧均等化装置
１２１  電圧測定回路
１２２  整流素子群
１２３  キャパシタ
１２４  電圧制御器
１２５  スイッチ
１２６  スイッチ制御器
【図１】
2015171280.tif 000009
【図２】
2015171280.tif 000010
【図３】
2015171280.tif 000011
【図４】
2015171280.tif 000012
【図５】
2015171280.tif 000013
【図６】
2015171280.tif 000014
【図７】
2015171280.tif 000015
【図８】
2015171280.tif 000016
【図９】
2015171280.tif 000017
【図１０】
2015171280.tif 000018
【図１１】
2015171280.tif 000019
【図１２】
2015171280.tif 000020
【図１３】
2015171280.tif 000021
【図１４】
2015171280.tif 000022
【図１５】
2015171280.tif 000023
【図１６】
2015171280.tif 000024
【図１７】
2015171280.tif 000025