(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入出力端子を持つ複数のキャパシタ要素の直列接続からなるキャパシタ回路と、
前記各キャパシタ要素の充電または放電を行うことができる２象限動作電源と、
前記各キャパシタ要素の２端子にそれぞれ設けられたスイッチ装置からなり、前記２象限動作電源の２端子と前記各キャパシタ要素の２端子とを順次切り換え接続する切換回路と、
前記各キャパシタ要素の端子電圧のバラツキが解消されるように、前記切換回路を制御する制御回路と、を持つことを特徴とする電源システム。
【請求項２】
さらに、前記各キャパシタ要素の端子間電圧を検出するための電圧検出回路を持つことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２象限動作電源と、複数のキャパシタ要素が直列接続されてなるキャパシタ回路とが切換回路を介して接続された電源システムに関し、各キャパシタ要素の端子電圧のバラツキを抑制することで、各キャパシタ要素の利用率を高め、かつその寿命を長くすることができる前記システムに関する。
【０００２】
【技術背景】
電気回路に、キャパシタ回路（単一のキャパシタまたは直列接続された複数のキャパシタからなる回路）を接続し、このキャパシタ回路の端子間電圧を駆動電圧として、当該電気回路を動作させることがある。
【０００３】
キャパシタ回路に使用されるキャパシタは、電気回路が要求する電圧に応じた耐圧を有さなくてはならない。たとえば、電気回路が要求する電圧が高い場合には、キャパシタ回路を多数のキャパシタの直列接続により構成し、各キャパシタ（本明細書では、キャパシタ回路を構成するキャパシタを、「キャパシタ要素」と言う）が分担する電圧を下げることが行われる。
【０００４】
一般に、キャパシタのメーカーは、極板間隔を変更したり、誘電体の種類を変更することで、耐圧が異なるキャパシタを複数種類製造している。したがって、産業機器メーカ等（ユーザ）がキャパシタを購入する場合、通常、耐圧について選択の幅があり、電気回路が要求する電圧が高い場合には、それに応じて制限電圧が高いキャパシタを選択することができる。
【０００５】
近年開発された、電気二重層キャパシタと呼ばれる非常に大容量のキャパシタがエネルギー貯蔵デバイスとして注目されている。この電気二重層キャパシタは、原理的にその制限電圧が２．３Ｖ（あるいは２．５Ｖ）と決まっている。このため、電気二重層キャパシタでは、上述した通常のキャパシタのように、メーカーが制限電圧が異なるものを何種類が製造し、ユーザが所望の制限電圧のものを適宜に選択するといったことはできない。
【０００６】
このため、電気二重層キャパシタをある電気回路に使用する場合、その回路の電圧が２．３Ｖ（または２．５Ｖ）以上ならば、必然的に、前記電圧値に応じた複数個のキャパシタ要素を直列に接続してキャパシタ回路を構成し、この回路全体での制限電圧（耐圧）を高くせざるを得ない。
【０００７】
ところで、キャパシタには、容量、並列内部抵抗等の特性にバラツキがある。キャパシタを直列接続してキャパシタ回路を構成する場合に、各キャパシタ要素の仕様（たとえば、同種類かつ同容量）であっても、各キャパシタ要素の２端子間に現れる電圧は等しくはならないのが普通である。
【０００８】
たとえば、４個の制限電圧２．５Ｖのキャパシタ要素を直列に接続して、キャパシタ回路をつくり、このキャパシタ回路を、その出力端子電圧が１０Ｖになるように充電したものとする。
この場合、キャパシタの特性のバラツキに起因して、あるキャパシタ要素には制限電圧２．５Ｖより大きい電圧が加わり、他のキャパシタ要素には制限電圧２．５Ｖより小さい電圧が加わる。このため、制限電圧２．５Ｖより大きい電圧が加わるキャパシタ要素には、特性劣化が生じ易くなる。直列接続されるキャパシタ要素の個数を増やす（たとえば、上記の例では５個にする）ことで、１個のキャパシタ要素に加わる電圧を下げ、どのキャパシタ要素にも制限電圧より大きい電圧が加わらないようにすることもできる。しかし、この場合には、各キャパシタ要素の利用率が低下し、製造コストの上で不利となり、またキャパシタ回路の大きさが大きくなる。
【０００９】
また、キャパシタ回路を電源として使用している場合に、当該キャパシタ回路全体がある低い電圧（たとえば、ゼロＶに近い正の電圧）まで放電されることがある。この場合、上記の特性のバラツキに起因して、キャパシタ要素の中には、逆極性で充電されるものがでてくる。キャパシタはその構造によっては、逆極性の電圧印加が特性劣化、寿命の短命化に直結する。
【００１０】
直列接続したキャパシタ要素の端子電圧のバラツキを是正するために、図３（Ａ）や図３（Ｂ）に示すように、キャパシタ要素Ｃ１，Ｃ２，・・・にブリーダ抵抗Ｒ１，Ｒ２，・・・や、ツェナーダイオードＤＺ１，ＤＺ２，・・・を並列接続したキャパシタ回路が従来から用いられている。
【００１１】
図３（Ａ）のキャパシタ回路では、ブリーダ抵抗Ｒ１，Ｒ２，・・・と、キャパシタ要素Ｃ１，Ｃ２，・・・の内部抵抗との分圧比で決まる電圧が各キャパシタ要素に加わるので、各キャパシタ要素の端子電圧のバラツキが是正される。
このため、図３（Ａ）のキャパシタ回路は、他の電源から電気エネルギーの供給を受けながら、ある出力電圧値を保持する用途には使用できるが、キャパシタ要素自身に蓄積されている電気エネルギーを放出することにより、キャパシタ回路を電源として使用する用途では、エネルギー損失が大きくなり、使用することができない。
【００１２】
また、図３（Ｂ）のキャパシタ回路は、各キャパシタ要素Ｃ１，Ｃ２，・・・の端子電圧の上限値を一定の電圧以下に抑えるだけである。このため、キャパシタ回路を電源として使用する場合等、制限電圧以下でキャパシタ要素を動作させるときには、各キャパシタ要素の端子電圧のバラツキは解消されない。
また、このキャパシタ回路の場合も、すでに制限電圧に達したキャパシタがある場合に、回路全体の充電を行うと、その充電電流は、そのキャパシタ要素に接続されたツェナーダイオード側に流れてしまうことになり、これもエネルギーの損失となる。
以上のように、図３（Ｂ）のキャパシタ回路は、頻繁に充・放電を繰り返すような用途には不向きである。
【００１３】
たとえば電気自動車のエネルギー源としてキャパシタを使用する場合、このキャパシタには、エネルギー損失が小さく、かつ頻繁に充・放電を繰り返すことが要求される。
したがって、電気自動車には図３（Ａ），（Ｂ）に示したような、端子電圧のバラツキを是正する従来の回路を使用することができず、上述したキャパシタ要素の利用率の低下、製造コスト上の不利、キャパシタ回路の大型化、あるいは逆極性電圧印加によるキャパシタ要素の特性劣化、寿命の短命化を容認せざるを得ないのが現状であった。
特に電気自動車のエネルギー源として、前述した電気二重層キャパシタを用いる場合には、前述したようにその制限電圧が低いことから、多数（たとえば、１００個）のキャパシタ要素を直列接続する必要があり、一層、上記のような問題が顕著となる。
【００１４】
【発明の目的】
本発明の目的は、入出力端子を持つキャパシタ回路を有する電源システムにおいて、前記キャパシタ回路を構成する直列接続された多数のキャパシタ要素の端子電圧のバラツキを効率よく是正することで、各キャパシタ要素の利用率を高め、かつその寿命を長くする前記電源システムを提供することである。
【００１５】
【発明の概要】
本発明の電源システムは、電気自動車の電源システム等、エネルギーの回生を行うシステムに好ましく適用されるもので、（１）入出力端子を持つ複数のキャパシタ要素の直列接続からなるキャパシタ回路と、（２）各キャパシタ要素の充電または放電を行うことができる２象限動作電源と、（３）２象限動作電源と各キャパシタ要素との間に設けられた切換回路と、（４）各キャパシタ要素の端子電圧のバラツキが解消されるように、切換回路を制御する制御回路と、を持つことを特徴する。
【００１６】
本発明では、「キャパシタ要素」は、基本的には電荷蓄積素子の最小単位であり、通常は同一仕様のもの、すなわち制限電圧等が同一のものが使用されるが、本発明はこれに限定されない。また、この最小単位を適宜組合わせたもの（たとえば、同一仕様のキャパシタ素子の直列接続回路または並列接続回路）を、「キャパシタ要素」とすることができる。
【００１７】
「２象限動作電源」は、端子間電圧を所定の値としたまま電荷（あるいは、電気エネルギー）の吸い込みと吐き出しとを行うことができる電源であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ、キャパシタ（前記キャパシタ要素とは異なる他のキャパシタ）等を「２象限動作電源」として用いることができる。この２象限動作電源は、たとえば、
（ｉ）電気エネルギーの入出力端子を介在してをキャパシタ回路に電気エネルギー蓄えておき、この電気エネルギーを、各キャパシタ要素の端子電圧の均衡化に際して、各キャパシタ要素に供給できるようにしてもよく、
（ｉｉ）外部から電気エネルギーの供給を受け（この場合、供給された電気エネルギーを蓄積してもよい）、この電気エネルギーを、各キャパシタ要素の端子電圧の均衡化に際して、各キャパシタ要素に供給できるようにしてもよく、
（ｉｉｉ）各キャパシタ要素の端子電圧の均衡化に際して、各キャパシタ要素から電気エネルギーの供給を受け、この電気エネルギーを端子電圧を均衡化するために各キャパシタ要素に供給できるようにしてもよい。もちろん、２象限動作電源は、上記（ｉ）〜（ｉｉｉ）の動作を組み合わさって動作するようにしてもよい。
「切換回路」は、リレー、半導体スイッチング素子（ＦＥＴやフォトＭＯＳＦＥＴ）等のスイッチ装置により構成されるもので、基本的には各キャパシタ要素の２端子に設けられる。この切換回路により、各キャパシタ要素の充・放電を独立して行うことができる。
【００１８】
本発明の電源システムでは、キャパシタ要素の端子間電圧を検出するための電圧検出手段を設けることもできる。キャパシタ要素の端子間電圧を知ることで、キャパシタ要素ごとに、２象限動作電源に接続される時間を制御できるし、またキャパシタ要素をどのような順序で２象限動作電源に接続するか等の制御を行うこともできる。
【００１９】
本発明の電源システムの典型的な作用を以下に説明する。
キャパシタ回路は、入出力端子を介して、電気エネルギーの供給を外部から受け（すなわち、この電気エネルギーを各キャパシタ要素に蓄積）し、またこの蓄積された電気エネルギーを外部に放出する。
いま、キャパシタ回路が充電された状態にあるときに、２象限動作電源の端子間がある電圧値（電圧の設定方法については後述する）に設定されたものとする。制御回路は切換回路を制御して、２象限動作電源の２端子と、所定のキャパシタ要素の２端子とを接続する。なお、予め定められたある電圧値（キャパシタ要素の制限電圧値と同一か、これより小さい値）を設定値とすることもできる。また、電圧検出手段が設けられているシステムでは、各キャパシタ要素の電圧をそれぞれ測定し、その平均値を設定値とすることもできる（この場合には、各キャパシタ要素の電圧の均衡化に要する時間をほぼ最短にできる）。
２象限動作電源の端子間電圧が、キャパシタ要素の端子間電圧よりも大きいときには、キャパシタ要素は充電動作し（これは、２象限動作電源から見るとエネルギーの吐き出しとなる）、２象限動作電源の端子間電圧が、キャパシタ要素の端子間電圧よりも小さいときには、キャパシタ要素は放電動作する（これは、２象限動作電源から見ると電気エネルギーの吸い込みとなる）。
制御回路は、２象限動作電源の２端子と各キャパシタ要素の２端子とが順次接続されるように、切換回路を制御し、各キャパシタ要素に充電動作または放電動作を行わせる。
【００２０】
電圧検出手段が設けられていないシステムでは、２象限動作電源とキャパシタ要素とが接続されている時間を、キャパシタの容量等に応じて一律に定めることもできるし、２象限動作電源とキャパシタ要素とを接続する直前に、キャパシタ回路の入出力端子に現れる電圧に基づき定めることもできる。
【００２１】
電圧検出手段が設けられているシステムでは、キャパシタ要素の端子電圧の検出結果に基づき、２象限動作電源とあるキャパシタ要素との接続時間を調整することができる。たとえば、２象限動作電源の端子間電圧が、キャパシタ要素の端子間電圧よりも高い場合に、キャパシタ要素の端子間電圧が２象限動作電源の端子間電圧の所定割合（たとえば９０％）に達したときに、接続を止めて、２象限動作電源を次のキャパシタ要素に接続することができる。逆に、２象限動作電源の端子間電圧が、キャパシタ要素の端子間電圧よりも低い場合に、キャパシタ要素の端子間電圧が２象限動作電源の端子間電圧の所定割合（たとえば１１０％）に達したときに、接続を止めて、２象限動作電源を次のキャパシタ要素に接続することができる。
【００２２】
このように、本発明のシステムでは、２象限動作電源が順次各キャパシタ要素に接続されることで、各キャパシタ要素の充・放電が適宜行われるので、各キャパシタ要素の電圧が均衡化する。
したがって、一部のキャパシタ要素のみの電圧が高くなることを想定して、本来の動作電圧よりも高い制限電圧のキャパシタ要素を選択使用する、といった無駄がなくなるので、各キャパシタ要素の利用率が向上する。また、キャパシタ回路を構成するキャパシタ要素の個数を増やさないで済むので、システムの小型化が図られる。さらに、制限電圧が低ければ、通常キャパシタの価格も低価格なので製造コスト上有利となる。加えて、２象限動作電源の端子間電圧がゼロ〔Ｖ〕に近くなっても、各キャパシタ要素には、逆極性の電圧が印加されることはほとんどなくなるので、特性劣化、寿命の短命化が生じることはなくなった。
【００２３】
【実施例】
図１において、電源システム１１は、キャパシタ回路２１、２象限動作電源３１、切換回路４１、および制御回路５１からなる。
キャパシタ回路２１は、複数のキャパシタ要素ＣＥ１，ＣＥ２，・・・，ＣＥＮが直列接続されて構成されており、その両端子（ａ），（ｂ）は入出力端子となっている。
【００２４】
２象限動作電源３１は、端子電圧を適宜に設定できる機能を有しており、切換回路４１を介してキャパシタ回路２１の各キャパシタ要素を充・放電することができる。２象限動作電源３１は、ここでは、非接地（フローティング）状態となっている。
切換回路４１は、各キャパシタ要素ＣＥ１，ＣＥ２，・・・，ＣＥＮに対応して設けられたリレーＲＡ１，ＲＡ２，・・・，ＲＡＮからなる。各リレーは同時動作する２接点を持ち、各キャパシタ要素の２端子と２象限動作電源３１の２端子とを接続状態にしたり切断状態にしたりすることができる。
制御回路５１は、リレーＲＡ１，ＲＡ２，・・・，ＲＡＮを順次動作させることができる。
【００２５】
図１の電源システムの動作を以下に説明する。
２象限動作電源３１の端子電圧Ｖｓは、あらかじめ所定電圧に設定され、キャパシタ要素ＣＥ１，ＣＥ２，・・・，ＣＥＮの端子電圧は、ＶＣ１，ＶＣ２，・・・，ＶＣＮで表されるものとする。
いま、キャパシタ要素ＣＥｋ（ｋは１，２，・・・，Ｎの何れか）に対応するリレーＲＡｋのみをオン状態とし、他のリレーをオフ状態としたとする。
キャパシタ要素ＣＥｋ（ｋ＝１，２，・・・，Ｎ）の端子電圧が、
ＶＣｋ＞Ｖｓ
である場合には、キャパシタ要素ＣＥｋは放電動作し、充電電荷（あるいは、充電エネルギー）は２象限動作電源３１に返され、端子電圧ＶＣｋは、Ｖｓとほぼ等しくなる。
【００２６】
また、キャパシタ要素ＣＥｋの端子電圧が、
ＶＣｋ＜Ｖｓ
である場合には、キャパシタ要素ＣＥｋは充電動作し、２象限動作電源３１からの電荷（あるいは、電気エネルギー）を蓄積し、この場合にも端子電圧ＶＣｋは、Ｖｓとほぼ等しくなる。
キャパシタ要素ＣＥｋの充・放電に際して、リレーＲＡｋがオン状態となった後、端子電圧ＶＣｋがＶｓに等しくなるまでには、キャパシタ要素ＣＥｋの容量、２象限動作電源３１が入出力できる電流値、経路抵抗（２象限動作電源３１の内部抵抗、各キャパシタ要素の内部抵抗、配線抵抗等）等によって決まる時間を待つことで、端子電圧ＶＣｋを、Ｖｓにほぼ等しくなったとすることができる。
制御回路５１により、リレーＲＡ１，ＲＡ２，・・・，ＲＡＮの全てについて、上記の操作を行うことにより、各端子電圧ＶＣ１、ＶＣ２、・・・、ＶＣＮをほぼ等しくすることができる。
【００２７】
図２は、図１の電源システム１１に電圧検出回路６２を設けた電源システムを示す図であり、なるべく早く、全てのキャパシタ要素について、充・放電の処理を行いたい場合に使用される。
図２では、電源システム１２は、図１の電源システムと同様のキャパシタ回路２２と、２象限動作電源３２と、切換回路４２と、制御回路５２とを有している。電圧検出回路６２は、各キャパシタ要素ＣＥ１，ＣＥ２，・・・，ＣＥＮに対応して設けられたリレーＲＢ１，ＲＢ２，・・・，ＲＢＮからなる。各リレーは同時動作する２接点を持ち、切換回路４２の対応するリレー（同じキャパシタ要素に接続されたリレー）と同期して、各キャパシタ要素の２端子と検出器６２１の２入力端子とを接続状態にして、検出器６２１により各キャパシタ要素の端子間電圧を測定することができる。図２に示した電圧検出回路６２の構成は、切換回路４２とほぼ同様であるが、ほとんど電流が流れないことから、リレーとして小容量の（大きさが小さい）もの、配線として小容量の（細いもの）を用いることができる。
【００２８】
図２では、キャパシタ要素ＣＥｋの端子電圧ＶＣｋと、２象限動作電源３２の電圧Ｖｓとの間に、±ｄＶの誤差を許容しておき、
（１）端子電圧ＶＣｋが、Ｖｓ−ｄＶとＶｓ＋ｄＶとの範囲内であるときには、キャパシタ要素ＶＣｋの充・放電処理を行わず、
（２）端子電圧ＶＣｋがＶｓ＋ｄＶより大きいときには、端子電圧ＶＣｋがＶｓ＋ｄＶに降下するまで、そのキャパシタ要素ＣＥｋについての放電処理を行い、
（３）端子電圧ＶＣｋがＶｓ−ｄＶより小さいときには、端子電圧ＶＣｋがＶｓ−ｄＶに上昇するまで、そのキャパシタ要素ＣＥｋについての充電処理を行うことができる。
【００２９】
また、２象限動作電源３１の２端子に現れる電圧値Ｖｓを変更できるようにしておくこともできる。この場合には、キャパシタ要素ＣＥｋの端子電圧ＶＣｋがある設定値Ｖ１よりも低いときには、ＶｓをＶ１よりも高くして、キャパシタ要素ＣＥｋの充電を行い、端子電圧ＶＣｋがある設定値Ｖ２よりも高いときには、ＶｓをＶ２よりも低くして、キャパシタ要素ＣＥｋの放電を行うこともできる。こうすることで、充・放電処理に要する時間が大幅に短縮できる。
【００３０】
〔具体例１〕
図１に示した電源システム１１について、以下の条件で具体的に実施した。
キャパシタ要素：定格容量１８００Ｆ
キャパシタ要素の直列接続個数：８個
２象限動作電源：設定電圧１．９５Ｖ
ひとつのリレーについてのオン時間：１５０秒
この具体例１では、当初１３％にばらついていたキャパシタ要素の端子電圧のバラツキを、６．７％まで減らすことができた。
【００３１】
【発明の効果】
頻繁にキャパシタ回路が充・放電を行う（すなわち、各キャパシタ要素が充・放電を行う）場合に、個々のキャパシタ要素の端子電圧のバラツキを低減することができる。これにより、各キャパシタ要素の利用率を高めることができるので、電源システムの小型化・低コスト化が図られるし、また各キャパシタ要素の寿命も長くでき、電源システムの信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電源システムの一実施例を示す図である。
【図２】本発明の電源システムの他の実施例を示す図である。
【図３】（Ａ）は従来の電源システムに使用する、キャパシタ要素にブリーダ抵抗を並列接続したキャパシタ回路を示す図であり、（Ｂ）はキャパシタ要素にツェナーダイオードを並列接続したキャパシタ回路を示す図である。
【符号の説明】
１１，１２  電源システム
２１，２２  キャパシタ回路
３１，３２  ２象限動作電源
４１，４２  切換回路
５１，５２  制御回路
６２  電圧検出回路
６２１  検出器
ＣＥ１，ＣＥ２，・・・，ＣＥＮ、Ｃ１，Ｃ２，・・・ＣＮ  キャパシタ要素
ＲＡ１，ＲＡ２，・・・，ＲＡＮ、ＲＢ１，ＲＢ２，・・・，ＲＢＮ  リレー
Ｒ１，Ｒ２，・・・  ブリーダ抵抗
ＤＺ１，ＤＺ２，・・・  ツェナーダイオード
Ｖｓ、ＶＣ１，ＶＣ２，・・・，ＶＣＮ  端子電圧
Ｖ１，Ｖ２  設定値
【図１】
0003956003.tif 000002
【図２】
0003956003.tif 000003
【図３】
0003956003.tif 000004