(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気化学素子の各端子間に端子間電圧を調整する電力制御回路を各々接続した電源装置において、
各電力制御回路間を電磁気的に結合し相互に電力を授受するために、一群を構成する磁気回路と、前記磁気回路を介して前記電力制御回路間で相互に電力を授受する電力授受手段とを備え、
前記電力授受手段は、前記磁気回路と電磁気的に結合した電力授受用巻線と、前記電気化学素子に充電された電圧を前記電力授受用巻線に印加する放電回路と、
前記電力授受用巻線に発生した電圧により前記電気化学素子を充電する充電回路を有しており、
前記充電回路は、前記電力授受用巻線の一端を前記電気化学素子の一端に接続するとともに、前記電気化学素子の端子間電圧より前記電力授受用巻線の端子間電圧の方が高い場合に、前記電気化学素子を充電する方向に電流を流す第１の整流素子と、
前記電気化学素子を充電する場合に一時的に電力を蓄積して、前記電気化学素子に流れる電流の急峻な変化を抑制するコイルと、
前記コイルと前記第１の整流素子に流れる電流の経路が絶たれた場合に、前記コイルに蓄積した電流を前記電気化学素子に還流する第２の整流素子とを備えており、
前記放電回路は、前記電気化学素子に充電された電圧を前記電力授受用巻線に印加する場合に、直列に接続された複数の電気化学素子の中から、端子間電圧の高い電気化学素子を選択する放電素子選択手段を備え、
前記放電素子選択手段は、前記電力授受用巻線に流れる電流を制限する第３の整流素子を、
備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
異なる一群を構成する磁気回路と、一方の磁気回路と他方の磁気回路とを電磁気的に結合するとともに、前記磁気回路間で相互に電力を授受する磁気回路結合手段とを
備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記磁気回路結合手段は、前記磁気回路の一方と電力を授受する第１の電力制御回路と、
前記磁気回路の他方と電力を授受する第２の電力制御回路と、
前記第１の電力制御回路と前記第２の電力制御回路を、前記直列に接続された複数の電気化学素子のいずれか１つの端子に並列に接続するとともに、前記電気化学素子を介して前記磁気回路間で相互に電力を授受する回路と
を備えたことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記磁気回路結合手段は、前記磁気回路の一方と電磁気的に結合した第１の磁気回路結合用巻線と、
前記磁気回路の他方と電磁気的に結合した第２の磁気回路結合用巻線と、前記第１の磁気回路結合用巻線と前記第２の磁気回路結合用巻線を相互に接続するとともに、前記磁気回路間で相互に電力を授受する回路と
を備えたことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直列接続した電気二重層コンデンサなどの電気化学素子の端子間電圧を制御する電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層コンデンサは静電容量が大きく、バッテリと比較して充電効率が高いため、電気自動車や、エレベータの回生電力を蓄積する動力源として注目されている。しかしながら、一個当たりの耐電圧が低いため、高い電圧が必要な場合には複数の電気二重層コンデンサを直列接続する必要が有る。
【０００３】
このとき、直列に接続された電気二重層コンデンサの漏洩電流のバラツキや静電容量のバラツキから、電気二重層コンデンサへの充放電によって個々の電気二重層コンデンサの端子間電圧にアンバランスが生じ、個々の電気二重層コンデンサに定格電圧を超える電圧が印加される可能性がある。
【０００４】
そこで、従来は図９に示すように各コンデンサの端子間に抵抗を接続することで個々のコンデンサの端子間電圧を均等に保つ方法や、図１０に示す特開平９−２４７８５１号公報のような方法により、各電圧バランスの補正を行いコンデンサの端子間電圧が定格電圧を超えないようにしていた。
【０００５】
しかし、図９に示すコンデンサの端子間に抵抗を接続する方法では常時抵抗に電流が流れるとともに、急激な充放電の際に生じる電圧のアンバランスの均等化速度を向上させるには、抵抗を小さくしなければならないため大きなエネルギーが常時抵抗で消費されてしまう。また、図１０に示す特開平９−２４７８５１号公報の従来例の方法では、各コンデンサ毎に所定の電圧を超えた場合にのみ当該コンデンサの充電を停止する構造となっている。
【０００６】
そのためエネルギー効率は改善されるが、充電制御用トランジスタＳで余分な充電電流をバイパスさせることになり、その間余分なエネルギー全てが熱エネルギーになる。このとき、コンデンサなどの電気化学素子の静電容量にバラツキがあって頻繁に充放電される回路では、多量の熱が発生するためにエネルギー効率が悪く冷却装置のための空間を確保する必要があり装置の小型化が難しくなるという問題もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の電源装置においては、特開平９−２４７８５１号公報に記載の発明に示すように、漏洩電流のアンバランスなどにより個々の電気化学素子の端子間電圧が上昇し基準電圧に達した場合に、さらに流入した電流により端子間電圧が基準電圧を超えないようにするために、その電力を一旦コイルに蓄積し他の電気化学素子に分配することにより過充電を防いでいる。また、直列に接続された電気化学素子間の静電容量にバラツキがある場合、充放電により各電気化学素子に発生する電圧の変化幅は静電容量に反比例する。そのために直列に接続された電気化学素子の蓄積電荷を充放電する場合には、静電容量の小さい電気化学素子が他のものより早く端子間電圧が増減することになる。
【０００８】
また、特開平９−２４７８５１号公報に記載の従来の方法では、充電時に相対的に静電容量の少ない電気化学素子の端子間電圧の過充電を防ぐことができる。しかし、基準電圧以下では制御が行われないため、電気化学素子の電荷を放電する際には、容量の少ない電気化学素子が他の電気化学素子と比較して急激に充電され、場合によっては電気化学素子に逆電圧が印加される可能性があり、有極性の電気化学素子の場合には寿命の低下をまねくような不適切な電圧を印加するという問題がある。
【０００９】
また、図１１に示す特開平９−２４７８５１号公報に記載されている２個以上の電気化学素子を直列に接続する場合の接続方法では、充電によって基準電圧に達した電気化学素子の電荷を他の電気化学素子に分配する際に、隣接した他の電気化学素子の電圧に係わりなく分配しているため、分配先の電気化学素子が既に基準電圧に達している場合には、その電力がさらにその先に隣接した他の電気化学素子に再分配され、全ての電気化学素子が基準値以下になるまで再分配が繰り返されることになる。
【００１０】
さらに、各制御回路ブロックＰ１は余分なエネルギーを図中のより下に位置する電気化学素子に分配し、最下段に位置する制御ブロックＰ２でのみ全電気化学素子に分配される構成になっているため余分な電力は下側の段に偏りやすく、余分な電力をとくに余裕のあるところに選択的に分配されるわけではなく、下側に位置している電気化学素子全てに分配されるため上側の電気化学素子に再分配する必要がある場合必然的に回路の通過回数が増加してしまう構成となっている。
【００１１】
そのため、分配する電力は動作開始時点から通過する制御回路ブロックの電気化学素子の端子間電圧が基準値以下に達するまでの間再分配され、通過する制御回路の回路数乗倍の効率になってしまうなど、エネルギー効率を向上させることが難しい特性を有している。
【００１２】
また、各制御回路Ｐ１、Ｐ２の電力蓄積手段Ｌ１、Ｌ２に蓄積された電力を電気化学素子Ｃ１、Ｃ２に受け渡すためのダイオードＤ１ｂの端子間に掛かる電圧は、特開平９−２４７８５１号公報に示すようにダイオードＤ１ｂより下に位置する電気化学素子の端子間電圧の和になり、ダイオードＤ２ｂの場合、前記ダイオードＤ２ｂより上に位置する電気化学素子の端子電圧の和になるため、ダイオード端子間電圧の定格の関係上電気化学素子に充電できる電圧が制限されるという問題がある。
【００１３】
この発明は上記問題点を解消するためになされたもので、直列に接続した複数の電気化学素子の端子間電圧を高速にかつ少ない熱損失で制御できる電源装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電源装置は、複数の電気化学素子の各端子間に端子間電圧を調整する電力制御回路を各々接続した電源装置において、各電力制御回路間を電磁気的に結合し相互に電力を授受するために、一群を構成する磁気回路と、前記磁気回路を介して前記電力制御回路間で相互に電力を授受する電力授受手段とを備え、前記電力授受手段は、前記磁気回路と電磁気的に結合した電力授受用巻線と、前記電気化学素子に充電された電圧を前記電力授受用巻線に印加する放電回路と、前記電力授受用巻線に発生した電圧により前記電気化学素子を充電する充電回路を有しており、前記充電回路は、前記電力授受用巻線の一端を前記電気化学素子の一端に接続するとともに、前記電気化学素子の端子間電圧より前記電力授受用巻線の端子間電圧の方が高い場合に、前記電気化学素子を充電する方向に電流を流す第１の整流素子と、前記電気化学素子を充電する場合に一時的に電力を蓄積して、前記電気化学素子に流れる電流の急峻な変化を抑制するコイルと、  前記コイルと前記第１の整流素子に流れる電流の経路が絶たれた場合に、前記コイルに蓄積した電流を前記電気化学素子に還流する第２の整流素子とを備えており、前記放電回路は、前記電気化学素子に充電された電圧を前記電力授受用巻線に印加する場合に、直列に接続された複数の電気化学素子の中から、端子間電圧の高い電気化学素子を選択する放電素子選択手段を備え、前記放電素子選択手段は、前記電力授受用巻線に流れる電流を制限する第３の整流素子を、備えたものである。
【００１５】
また、異なる一群を構成する磁気回路と、一方の磁気回路と他方の磁気回路とを電磁気的に結合するとともに、前記磁気回路間で相互に電力を授受する磁気回路結合手段とを、備えたものである。
【００１６】
また、前記磁気回路結合手段は、前記磁気回路の一方と電力を授受する第１の電力制御回路と、前記磁気回路の他方と電力を授受する第２の電力制御回路と、前記第１の電力制御回路と前記第２の電力制御回路を、前記直列に接続された複数の電気化学素子のいずれか１つの端子に並列に接続するとともに、前記電気化学素子を介して前記磁気回路間で相互に電力を授受する回路とを、備えたものである。
【００１７】
また、前記磁気回路結合手段は、前記磁気回路の一方と電磁気的に結合した第１の磁気回路結合用巻線と、前記磁気回路の他方と電磁気的に結合した第２の磁気回路結合用巻線と、前記第１の磁気回路結合用巻線と前記第２の磁気回路結合用巻線を相互に接続するとともに、前記磁気回路間で相互に電力を授受する回路と、を備えたものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明による実施の形態１を示す電源装置の概略回路構成図である。
図において、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は直列接続された例えば電気二重層コンデンサあるいはバッテリなどの電気化学素子であり、直列回路の両端に図示しない電源と負荷などが接続されている。また、ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３はそれぞれ各電気化学素子の端子間電圧を調整するために、それぞれの電気化学素子Ｃの端子間に接続した電力制御回路である。さらに、ＴＲＳは、電力制御回路ＰＣが電気化学素子Ｃの端子間電圧を調整する時に、相互の電力制御回路ＰＣに電力を授受するために一群を構成する磁気回路である。
【００３１】
なお、図１では３個の電気化学素子Ｃを直列に接続した例を示しており、それぞれの電気化学素子Ｃの端子間に接続した３個の電力制御回路ＰＣは全て同様な回路として構成した。ここで、図１では回路を構成する部品の符号の末尾に１から３の数字を付して示した。例えば、電気化学素子Ｃは上からＣ１、Ｃ２、Ｃ３の符号で表わし、電力制御回路ＰＣは同じくＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の符号で表わし、さらに巻線Ｗ１は同様にＷ１１、Ｗ１２、Ｗ１３の符号で表わした。
【００３２】
ここで、電力制御回路ＰＣの回路構成を説明する。
Ｗ１は磁気回路ＴＲＳと電磁気的に結合して一端を電気化学素子Ｃに接続した巻線、Ｓ１は巻線Ｗ１に電気化学素子Ｃの電圧を印加するために、一端を巻線Ｗ１に接続し他端を電気化学素子Ｃに接続したスイッチであり、電気化学素子Ｃと巻線Ｗ１およびスイッチＳ１からなる直列回路を構成する。
【００３３】
次に、Ｄ１は、電気化学素子Ｃの端子間電圧と比較して巻線Ｗ１の端子間電圧の方が高い場合に、電気化学素子Ｃを充電する方向に電流を流すように、カソード側を巻線Ｗ１とスイッチＳ１との接続部に接続した整流素子であり、Ｌは、その一端を整流素子Ｄ１のアノード側と接続し、他端を電気化学素子ＣとスイッチＳ１との接続部に接続されて、巻線Ｗ１の端子電圧により充電する時に一時的に電力を蓄積して、電気化学素子Ｃに流れる電流の急峻な変化を抑制するためのコイルである。
なお、Ｄ１は電気化学素子Ｃの端子間電圧と比較して巻線Ｗ１の端子間電圧の方が高い場合に、電気化学素子Ｃを充電する方向に電流を流すように、カソード側を巻線Ｗ１とスイッチＳ１との接続部に接続した整流機能回路としても良い。さらに、整流機能回路Ｄ１はＭＯＳＦＥＴ等による同期整流回路などコイルＬ導通時に片方向導通整流機能回路Ｄ２への電流経路が絶たれた場合に導通させ、それ以外のときには導通を遮断できる導通制御可能なスイッチで置き換えることが可能であり、片方向導通整流機能回路は例えばダイオードなど印加電圧の向きにより自動的に導通する回路である。
【００３４】
また、Ｄ２は、コイルＬと整流素子Ｄ１に流れている電流の経路が絶たれた場合に、コイルＬに蓄積した電流を電気化学素子Ｃに還流するために、アノード側をコイルＬと整流素子Ｄ１の接続部に接続し、カソード側を電気化学素子Ｃと巻線Ｗ１の接続部に接続した整流素子である。そして、ＳＢは、スイッチＳ１を開放した瞬間に発生するサージ電力を吸収するために、巻線Ｗ１の端子間に接続したスナバ回路である。
【００３５】
次に動作について述べる。
図２はこの発明による実施の形態１を示す電源装置の電圧電流波形の説明図である。図２ａは、電気化学素子直列回路の両端に接続された電源及び負荷により、電気化学素子Ｃに流れる充電電流、図２ｂは電気化学素子Ｃ１、およびＣ２の端子間電圧、図２ｃは巻線Ｗ１１、およびＷ１２の端子間電圧、図２ｄはコイルＬ２に流れる電流、図２ｅは巻線Ｗ１１に流れる電流、のそれぞれの変化について時間軸をＡ期間からＦ期間に分割して示すものである。
【００３６】
図１に示すような３個の電気化学素子Ｃを直列に接続した場合において、図示しないが直列に接続した電気化学素子の両端に接続した電源や回生電力を発生する負荷などにより、図２ａのＢ期間に示すように充放電電流が流れた場合、図２ｂのＢ期間のように電気化学素子Ｃ１およびＣ２の端子間にはそれぞれの容量に反比例した電圧変化が現れる。
【００３７】
ここで、巻線Ｗ１１、Ｗ１２の巻線比が等しいとすると、期間ＣにスイッチＳ１１を投入した場合、巻線Ｗ１１、Ｗ１２の各端子間には図２ｃに示すように電気化学素子Ｃの端子間電圧に相当する電圧が現れる。ここでは、巻線Ｗ１２の端子間電圧より電気化学素子Ｃ２の端子間電圧が低いので、整流素子Ｄ１２が導通し、このときコイルＬ２の電流ＩＬ２、および巻線Ｗ１１の電流Ｉｗ１１の時間変化率は図２ｄ及び数式１のようになる。
【００３８】
【数１】
0004320511.tif 000002
【００３９】
式１に示すように巻線電圧Ｖｗ１１と電気化学素子の端子間電圧Ｖｃ２との差が大きいほど電流の増加率が大きくなる。従って、端子間電圧の低い電気化学素子が優先的に充電されることになり、応答を改善することが可能となると同時に、充電を必要としない電気化学素子を充電しないため、余剰電力の再分配が不要となり回路の効率改善が可能となる。
【００４０】
次に、投入したスイッチＳ１を開放した場合、巻線Ｗ１２のインピーダンスが大きくなり、コイルＬ２を流れる電流はこれ以上整流素子Ｄ１２を通過することができなくなり、コイルＬ２に発生した逆起電力により整流素子Ｄ２２が導通して、図２ｄのＤ期間に示すようにコイルＬ２に蓄えられている電力を放電しながら電気化学素子Ｃ２を充電する。
【００４１】
そして、コイルＬ２の電流が零になったときから次にスイッチを投入するまでは各部の電流は零となる。以降各電力制御回路ＰＣ毎に期間Ｃ、Ｄの動作を繰り返すことにより、各電気化学素子Ｃを巻線比で決定される電圧に収束させることができる。ここで、同一電圧であれば巻線比を同じにすれば良く、また、電圧が異なればその比で巻線比を決めれば良い。
なお、スイッチＳ１の投入および開放のタイミングについて図示はしないが汎用の制御回路を使用すれば良い。
【００４２】
また、上述の方法では同一磁気回路に接続した電力制御回路ＰＣのスイッチＳ１１、Ｓ１２を順次投入するか、より応答を改善する場合には端子間電圧が基準電圧と比較して過剰率が最も高い電力制御回路ＰＣのスイッチＳ１を選択して投入しても良い。
【００４３】
以上のように構成したことにより、端子間電圧の低い電気化学素子が優先的に充電されることになり、充電を必要としない電気化学素子を充電しないため、余剰電力の再分配が不要となり回路の効率改善が可能となる。従って、直列に接続した複数の電気化学素子の端子間電圧を高速にかつ少ない熱損失で適正な電圧に制御できる。
【００４４】
実施の形態２．
図３はこの発明による実施の形態２を示す電源装置の概略回路構成図である。図３において、図１と同一の符号は同一または相当の部分を表わす。
図に示すように、電気化学素子Ｃの端子電圧調整用に実施の形態１と同様な電力制御回路ＰＣを備えて、磁気回路ＴＲＳと電磁気的に結合した巻線Ｗ１に印加する電圧を調整するスイッチＳ１と直列に整流素子Ｄ３を接続した。すなわち、整流素子Ｄ３のアノード側を巻線Ｗ１と整流素子Ｄ２のカソード側との接続点に接続し、整流素子Ｄ３のカソード側をスイッチＳ１に接続した。
【００４５】
なお、図３では３個の電気化学素子Ｃを直列に接続した例を示しており、それぞれの電気化学素子Ｃの端子間に接続した３個の電力制御回路ＰＣは全て同様な回路として構成した。ここで、図３では回路を構成する部品の符号の末尾に１から３の数字を付して示した。例えば、電気化学素子Ｃは上からＣ１、Ｃ２、Ｃ３の符号で表わし、電力制御回路ＰＣは同じくＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の符号で表わし、さらに整流素子Ｄ３は同様にＤ３１、Ｄ３２、Ｄ３３の符号で表わした。
【００４６】
次に動作について説明する。
図４はこの発明による実施の形態２を示す電源装置の電圧波形説明図である。以下では、簡略化のため、各スイッチ、各整流素子の導通時の端子間電圧は零であるものとし、各巻線Ｗ１の巻数が等しいものとする。また、ＡからＣの各期間は十分に短く、各電力制御回路ＰＣのスイッチＳ１の投入による電気化学素子Ｃの端子間電圧の変化を無視できるものとし、端子間電圧の大小関係はＣ１＞Ｃ２＞Ｃ３の順であるものとする。
【００４７】
図４のＡ期間はスイッチＳ１３のみを投入した場合の各巻線Ｗ１の端子間電圧を示している。また、Ｂ期間はＡ期間に投入されていたスイッチＳ１３に加えてスイッチＳ１２を投入した場合の各巻線Ｗ１の端子間電圧を示している。さらに、Ｃ期間はＡ期間に投入されていたスイッチＳ１３、およびスイッチＳ１２に加えてスイッチＳ１１を投入した場合の各巻線Ｗ１の端子間電圧を示している。
【００４８】
ここで、Ａ期間では、スイッチＳ１３のみをオンさせており、各巻線Ｗ１にはこの電気化学素子Ｃ３の端子間電圧が現れている。また、Ｂ期間では、スイッチＳ１３に加えてスイッチＳ１２をオンさせる。この場合、各電力制御回路ＰＣの巻線Ｗ１には電気化学素子Ｃ２の端子間電圧が現れる。このとき、整流素子Ｄ３３の巻線Ｗ１３との接続側の電位は整流素子Ｄ３３のスイッチ１３との接続側の電位より低くなっているため、整流素子Ｄ３３は導通することはない。
【００４９】
さらに、Ｃ期間では、スイッチＳ１３およびスイッチＳ１２に加えてスイッチＳ１１をオンさせており、各巻線Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３には電気化学素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の端子間電圧が現れる。このとき、整流素子Ｄ３３および整流素子Ｄ３２の巻線Ｗ１３および巻線Ｗ１２との接続側の電位は整流素子Ｄ３３および整流素子Ｄ３２のスイッチ１３およびスイッチ１２との接続側の電位より低くなっているため、整流素子Ｄ３３および整流素子Ｄ３２は導通することはない。
【００５０】
このように、各電力制御回路ＰＣのスイッチＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３を同時に投入すると、端子間電圧の高い電気化学素子Ｃに接続された電力制御回路ＰＣの整流素子Ｄ３が導通し、それ以外の整流素子Ｄ３には逆電圧が印加されて導通が切れるため、端子間電圧の高い電気化学素子Ｃから選択的に電力を受け取って、実施の形態１で述べた整流素子Ｄ１の効果により、端子間電圧の低い電気化学素子Ｃに選択的に電力を受け渡すことを可能とした。
【００５１】
以上のように構成したことにより、各電力制御回路ＰＣのスイッチＳ１と巻線Ｗ１の間に、整流素子Ｄ３を電気化学素子Ｃから巻線Ｗ１に電流を流す方向に直列に接続することにより、充電電圧の最も高い電気化学素子Ｃを自動的に選択することが可能となる。従って、各電力制御回路ＰＣのスイッチＳ１を同時にスイッチングする単純な制御回路で、直列接続した電気化学素子Ｃの端子間電圧を電力制御回路ＰＣの巻線Ｗ１の巻線比で決まる電圧に制御できる。
【００５２】
実施の形態３．
図５はこの発明による実施の形態３を示す電源装置の概略回路構成図である。図５において、図１と同一の符号は同一または相当の部分を表わす。図に示すように、電気化学素子Ｃの端子電圧調整用に実施の形態１と同様な電力制御回路ＰＣを備えて、巻線Ｗ１と整流素子Ｄ１のカソード側との間にスイッチＳ２を直列接続するように、スイッチＳ２の一端を巻線Ｗ１に接続し他端を整流素子Ｄ１のカソード側に接続した。また、ＶＳは電気化学素子Ｃの端子間電圧を検出する電圧検出器であり、ＣＮＴは電圧検出器ＶＳが検出した電気化学素子Ｃの端子間電圧に基づいて、スイッチＳ２を開閉制御するスイッチ制御回路である。
【００５３】
なお、図５では３個の電気化学素子Ｃを直列に接続した例を示しており、それぞれの電気化学素子Ｃの端子間に接続した３個の電力制御回路ＰＣは全て同様な回路として構成した。ここで、図５では回路を構成する部品の符号の末尾に１から３の数字を付して示した。例えば、電気化学素子Ｃは上からＣ１、Ｃ２、Ｃ３の符号で表わし、電力制御回路ＰＣは同じくＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の符号で表わし、さらにスイッチＳ２は同様にＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３の符号で表わした。
【００５４】
次に動作について説明する。
基本となる動作は実施の形態１と同様であるので説明を省略し異なる動作について説明する。
電力制御回路ＰＣにより巻線Ｗ１から受け渡された電力で電気化学素子Ｃを充電する場合に、スイッチ制御回路ＣＮＴは、電気化学素子Ｃの端子間電圧を電圧検出器ＶＳで検出し、電気化学素子Ｃの端子間電圧が基準値に達していないときにはスイッチＳ２を投入し、電気化学素子Ｃを巻線Ｗ１から受け渡された電力で充電する。さらに、スイッチ制御回路ＣＮＴは、電気化学素子Ｃの端子間電圧を電圧検出器ＶＳで検出し、電気化学素子Ｃの端子間電圧が基準値に達したときにはスイッチＳ２を開放し、電気化学素子Ｃが過充電されることを防止する。
【００５５】
以上述べたように、実施の形態１、および実施の形態２の場合、各電気化学素子Ｃの充電電圧は各巻線Ｗ１の磁気回路ＴＲＳへの結合比で決定されるため、充電電圧を高精度で制御するためには磁気回路ＴＲＳへの各巻線Ｗ１の結合比を高精度に管理する必要がある。そこで、実施の形態３ではスイッチＳ２を追加することにより各巻線Ｗ１の結合比にバラツキが生じた場合でも、電気化学素子Ｃの端子間電圧が基準値に到達した場合にスイッチＳ２を開放することにより、電気化学素子Ｃが過充電されることを防ぐことができる。
【００５６】
実施の形態４．
図６はこの発明による実施の形態４を示す電源装置の概略回路構成図である。
図６において、図１と同一の符号は同一または相当の部分を表わす。図に示すように、電気化学素子Ｃの端子電圧調整用に実施の形態３と同様な電力制御回路ＰＣを備えて、電力授受用の巻線Ｗ１の替わりに、電力受け渡し用巻線Ｗ２と電力受け取り用巻線Ｗ３を独立して設けたものである。すなわち、Ｗ２は磁気回路ＴＲＳと電磁気的に結合した電力受け渡し用巻線であり、一端を電気化学素子Ｃに接続し、他端をスイッチＳ１に接続した。また、Ｗ３は磁気回路ＴＲＳと電磁気的に結合した電力受け取り用巻線であり、一端を電力受け渡し用巻線Ｗ２に接続し、他端をスイッチＳ１に接続した。なお、電力受け渡し用巻線Ｗ２と電力受け取り用巻線Ｗ３は同方向同極性に巻かれている。
【００５７】
なお、図６では３個の電気化学素子Ｃを直列に接続した例を示しており、それぞれの電気化学素子Ｃの端子間に接続した３個の電力制御回路ＰＣは全て同様な回路として構成した。ここで、図６では回路を構成する部品の符号の末尾に１から３の数字を付して示した。例えば、電気化学素子Ｃは上からＣ１、Ｃ２、Ｃ３の符号で表わし、電力制御回路ＰＣは同じくＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の符号で表わし、さらに電力受け渡し用巻線Ｗ２は同様にＷ２１、Ｗ２２、Ｗ２３、また、電力受け取り用巻線Ｗ３は同様にＷ３１、Ｗ３２、Ｗ３３の符号で表わした。
【００５８】
ここで、電力制御回路ＰＣの回路構成を説明する。
Ｗ２は磁気回路ＴＲＳの単一の磁気回路と電磁気的に結合して一端を電気化学素子Ｃに接続した電力受け渡し用巻線、Ｓ１は巻線Ｗ２に電気化学素子Ｃの電圧を印加するために、一端を巻線Ｗ２に接続し他端を電気化学素子Ｃに接続したスイッチであり、電気化学素子Ｃと巻線Ｗ２およびスイッチＳ１からなる直列回路を構成する。また、Ｗ３は磁気回路ＴＲＳの磁気回路と電磁気的に結合した電力受け取り用巻線であり、一端を電力受け渡し用巻線Ｗ２とスイッチＳ１との接続部に接続した。
【００５９】
次に、Ｄ１は、電気化学素子Ｃの端子間電圧と比較して巻線Ｗ３の端子間電圧の方が高い場合に、電気化学素子Ｃを充電する方向に電流を流すように、カソード側を巻線Ｗ３に接続した整流素子であり、Ｌは、その一端を整流素子Ｄ１のアノード側と接続し、他端を電気化学素子ＣとスイッチＳ１との接続部に接続されて、磁気回路ＴＲＳからの充電時に一時的に電力を蓄積して、電気化学素子Ｃに流れる電流の急峻な変化を抑制するためのコイルである。
【００６０】
また、Ｄ２は、コイルＬと整流素子Ｄ１に流れている電流の経路が絶たれた場合に、コイルＬに蓄積した電流を電気化学素子Ｃに還流するために、アノード側をコイルＬと整流素子Ｄ１の接続部に接続し、カソード側を電気化学素子Ｃと巻線Ｗ２の接続部に接続した整流素子である。そして、ＳＢは、スイッチＳ１を開放した瞬間に発生するサージ電力を吸収するために、巻線Ｗ１の端子間に接続したスナバ回路である。
【００６１】
さらに、Ｓ２は巻線Ｗ３と整流素子Ｄ１のカソード側との間に直列接続したスイッチＳ２であり、スイッチＳ２の一端を巻線Ｗ３に接続し他端を整流素子Ｄ１のカソード側に接続した。
また、ＶＳは電気化学素子Ｃの端子間電圧を検出する電圧検出器であり、ＣＮＴは電圧検出器ＶＳが検出した電気化学素子Ｃの端子間電圧に基づいて、スイッチＳ２を開閉制御するスイッチ制御回路である。
【００６２】
次に動作について説明する。
基本となる動作は実施の形態３と同様であるので説明を省略し異なる動作について説明する。
電力制御回路ＰＣにより電気化学素子Ｃから磁気回路ＴＲＳすなわち電力受け渡し用巻線Ｗ２へ電力を供給する場合は実施の形態１と同様である。磁気回路ＴＲＳから電気化学素子Ｃを充電する電力を受け取る場合に、電力受け渡し用巻線Ｗ２と電力受け取り用巻線Ｗ３は直列に接続されることになり、巻線数が電力受け渡し巻線Ｗ２よりも多くなるため、磁気回路ＴＲＳへ供給する電圧より高い電圧を受け取ることができる。
【００６３】
以上述べたように、実施の形態３ではスイッチＳ２を設けることにより、巻線の結合比のバラツキ等による過充電を防ぐことを可能としたが、充電電圧の不足を防ぐことは不可能であった。一方、実施の形態４では電力受け取り用巻線Ｗ３の巻線数を電力受け渡し用巻線Ｗ２の巻線数より大きい値に設定することができる。これにより、実施の形態１から実施の形態３で発生する恐れがあるような、結合比が低い巻線Ｗによる電気化学素子Ｃの充電不足を解消することができる。さらに、電気化学素子Ｃの目標電圧と比較して電力受け取り用巻線Ｗ３の電圧を充分に高く設定することができるため、コイルＬの端子間に印加される電圧を大きくすることができ、時間あたりの電流の増加率を大きくすることができ、制御応答性を改善することができる。
【００６４】
実施の形態５．
図７はこの発明による実施の形態５を示す電源装置の概略回路構成図である。図に示すように、電気化学素子Ｃの端子電圧調整用に実施の形態４と同様な電力制御回路ＰＣを備えている。ここでは、例えば１つの磁気回路ＴＲＳには最大６個の巻線を備えることができるものとした。すなわち、電力制御回路ＰＣは電力受け渡し用巻線Ｗ２と電力受け取り用巻線Ｗ３の２つの巻線を備えるため、１つの磁気回路ＴＲＳには３個の電力制御回路を結合できることになる。
【００６５】
ここで、電力制御回路ＰＣの回路構成を説明する。
Ｗ２は磁気回路ＴＲＳの単一の磁気回路と電磁気的に結合して一端を電気化学素子Ｃに接続した電力受け渡し用巻線、Ｓ１は巻線Ｗ２に電気化学素子Ｃの電圧を印加するために、一端を巻線Ｗ２に接続し他端を電気化学素子Ｃに接続したスイッチであり、電気化学素子Ｃと巻線Ｗ２およびスイッチＳ１からなる直列回路を構成する。また、Ｗ３は磁気回路ＴＲＳの磁気回路と電磁気的に結合した電力受け取り用巻線であり、一端を電力受け渡し用巻線Ｗ２とスイッチＳ１との接続部に接続した。
【００６６】
次に、Ｄ１は、電気化学素子Ｃの端子間電圧と比較して巻線Ｗ３の端子間電圧の方が高い場合に、電気化学素子Ｃを充電する方向に電流を流すように、カソード側を巻線Ｗ３に接続した整流素子であり、Ｌは、その一端を整流素子Ｄ１のアノード側と接続し、他端を電気化学素子ＣとスイッチＳ１との接続部に接続されて、磁気回路ＴＲＳからの充電時に一時的に電力を蓄積して、電気化学素子Ｃに流れる電流の急峻な変化を抑制するためのコイルである。
【００６７】
また、Ｄ２は、コイルＬと整流素子Ｄ１に流れている電流の経路が絶たれた場合に、コイルＬに蓄積した電流を電気化学素子Ｃに還流するために、アノード側をコイルＬと整流素子Ｄ１の接続部に接続し、カソード側を電気化学素子Ｃと巻線Ｗ２の接続部に接続した整流素子である。そして、ＳＢは、スイッチＳ１を開放した瞬間に発生するサージ電力を吸収するために、巻線Ｗ１の端子間に接続したスナバ回路である。
【００６８】
さらに、Ｓ２は巻線Ｗ３と整流素子Ｄ１のカソード側との間に直列接続したスイッチＳ２であり、スイッチＳ２の一端を巻線Ｗ３に接続し他端を整流素子Ｄ１のカソード側に接続した。
また、ＶＳは電気化学素子Ｃの端子間電圧を検出する電圧検出器であり、ＣＮＴは電圧検出器ＶＳが検出した電気化学素子Ｃの端子間電圧に基づいて、スイッチＳ２を開閉制御するスイッチ制御回路である。
【００６９】
なお、図７では５個の電気化学素子Ｃを直列に接続した例を示しており、それぞれの電気化学素子Ｃの端子間に接続した６個の電力制御回路ＰＣは全て同様な回路として構成した。ここで、図７では回路を構成する部品の符号の末尾に１から６の数字を付して示した。例えば、電気化学素子ＣはＣ１からＣ５の符号で表わし、電力制御回路ＰＣは同じくＰＣ１からＰＣ６の符号で表わし、さらに電力受け渡し用巻線Ｗ２は同様にＷ２１からＷ２６、また、電力受け取り用巻線Ｗ３は同様にＷ３１からＷ３６の符号で表わした。
【００７０】
一方、図７に示すように、５個の電気化学素子Ｃが直列接続されており、１番目の電気化学素子Ｃ１の電力制御回路ＰＣ１から、３番目の電気化学素子Ｃ３の電力制御回路ＰＣ３まで３個の電力制御回路ＰＣを第１の磁気回路ＴＲＳ１に結合し、４番目の電気化学素子Ｃ４の電力制御回路ＰＣ４と、５番目の電気化学素子Ｃ５の電力制御回路ＰＣ５とを第２の磁気回路ＴＲＳ２に結合した。さらに、３番目の電気化学素子Ｃ３の端子電圧調整用として、電力制御回路ＰＣ６を電力制御回路ＰＣ３と並列に追加接続して第２の磁気回路ＴＲＳ２に結合した。すなわち、第２の磁気回路ＴＲＳ２にも、電力制御回路ＰＣ４、ＰＣ５、ＰＣ６の３個の電力制御回路ＰＣを結合したことになる。
【００７１】
次に動作について説明する。
基本となる動作は実施の形態５と同様であるので説明を省略し異なる動作について説明する。
図７では５個の電気化学素子Ｃを直列に接続した例を示している。図において電気化学素子Ｃ３を電力制御回路ＰＣ３と電力制御回路ＰＣ６が共有している。ここで、電気化学素子Ｃ３に蓄積した電力は、電力制御回路ＰＣ３側のスイッチＳ１３を投入すれば、磁気回路ＴＲＳ１側に電力を供給することになり、電力制御回路ＰＣ６側のスイッチＳ１６を投入すれば、磁気回路ＴＲＳ２側に電力を供給することになる。
【００７２】
また、電気化学素子Ｃ３を充電する電力は、電力制御回路ＰＣ３側の電力受け取り用巻線Ｗ３３、あるいは、電力制御回路ＰＣ６側の電力受け取り用巻線Ｗ３６、のどちらからでも受け取ることができる。すなわち、電気化学素子Ｃ３を介して磁気回路ＴＲＳ１と磁気回路ＴＲＳ２の間で電力を相互に授受することになり、全体として５個の電気化学素子Ｃの端子間電圧を制御することが可能となる。
【００７３】
以上述べたように、実施の形態５では、１つの磁気回路ＴＲＳに設けることができる巻線の個数を超える電気化学素子Ｃを直列接続した場合に、複数の磁気回路ＴＲＳを使用し、異なる磁気回路に結合した２組の電力制御回路ＰＣ間で、同一の電気化学素子Ｃを共有するように相互に接続することにより、全ての電気化学素子Ｃの端子間電圧を制御することができ、直列接続する電気化学素子Ｃの数の制限をなくすことができる。
【００７４】
また、図７では、実施の形態４と同様の電力制御回路ＰＣを使用した例を説明したが、図７と同様に２つの磁気回路ＴＲＳに結合した２組の電力制御回路ＰＣ間で、同一の電気化学素子Ｃを共有するように構成すれば、実施の形態１から実施の形態３で説明した電力制御回路ＰＣを使用しても、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
【００７５】
実施の形態６．
図８はこの発明による実施の形態６を示す電源装置の概略回路構成図である。ここでは、例えば１つの磁気回路ＴＲＳには最大７個の巻線を備えることができるものとした。すなわち、電力制御回路ＰＣは電力受け渡し用巻線Ｗ２と電力受け取り用巻線Ｗ３の２つの巻線を備えるため、１つの磁気回路ＴＲＳには３個の電力制御回路を結合できることになる。
【００７６】
ここで、電力制御回路ＰＣの回路構成を説明する。
Ｗ２は磁気回路ＴＲＳの単一の磁気回路と電磁気的に結合して一端を電気化学素子Ｃに接続した電力受け渡し用巻線、Ｓ１は巻線Ｗ２に電気化学素子Ｃの電圧を印加するために、一端を巻線Ｗ２に接続し他端を電気化学素子Ｃに接続したスイッチであり、電気化学素子Ｃと巻線Ｗ２およびスイッチＳ１からなる直列回路を構成する。また、Ｗ３は磁気回路ＴＲＳの磁気回路と電磁気的に結合した電力受け取り用巻線であり、一端を電力受け渡し用巻線Ｗ２とスイッチＳ１との接続部に接続した。
【００７７】
次に、Ｄ１は、電気化学素子Ｃの端子間電圧と比較して巻線Ｗ３の端子間電圧の方が高い場合に、電気化学素子Ｃを充電する方向に電流を流すように、カソード側を巻線Ｗ３に接続した整流素子であり、Ｌは、その一端を整流素子Ｄ１のアノード側と接続し、他端を電気化学素子ＣとスイッチＳ１との接続部に接続されて、磁気回路ＴＲＳからの充電時に一時的に電力を蓄積して、電気化学素子Ｃに流れる電流の急峻な変化を抑制するためのコイルである。
【００７８】
また、Ｄ２は、コイルＬと整流素子Ｄ１に流れている電流の経路が絶たれた場合に、コイルＬに蓄積した電流を電気化学素子Ｃに還流するために、アノード側をコイルＬと整流素子Ｄ１の接続部に接続し、カソード側を電気化学素子Ｃと巻線Ｗ２の接続部に接続した整流素子である。そして、ＳＢは、スイッチＳ１を開放した瞬間に発生するサージ電力を吸収するために、巻線Ｗ１の端子間に接続したスナバ回路である。
【００７９】
さらに、Ｓ２は巻線Ｗ３と整流素子Ｄ１のカソード側との間に直列接続したスイッチＳ２であり、スイッチＳ２の一端を巻線Ｗ３に接続し他端を整流素子Ｄ１のカソード側に接続した。
また、ＶＳは電気化学素子Ｃの端子間電圧を検出する電圧検出器であり、ＣＮＴは電圧検出器ＶＳが検出した電気化学素子Ｃの端子間電圧に基づいて、スイッチＳ２を開閉制御するスイッチ制御回路である。
【００８０】
なお、図８では６個の電気化学素子Ｃを直列に接続した例を示しており、それぞれの電気化学素子Ｃの端子間に接続した６個の電力制御回路ＰＣは全て同様な回路として構成した。ここで、図８では回路を構成する部品の符号の末尾に１から６の数字を付して示した。例えば、電気化学素子ＣはＣ１からＣ６の符号で表わし、電力制御回路ＰＣは同じくＰＣ１からＰＣ６の符号で表わし、さらに電力受け渡し用巻線Ｗ２は同様にＷ２１からＷ２６、また、電力受け取り用巻線Ｗ３は同様にＷ３１からＷ３６の符号で表わした。ところで、Ｗ７１、Ｗ７２は異なる一群を構成する磁気回路ＴＲＳ１、ＴＲＳ２の各々と電磁気的に結合した磁気回路結合用巻線である。
【００８１】
一方、図８に示すように、６個の電気化学素子Ｃが直列接続されており、１番目の電気化学素子Ｃ１の電力制御回路ＰＣ１から、３番目の電気化学素子Ｃ３の電力制御回路ＰＣ３まで３個の電力制御回路ＰＣを第１の磁気回路ＴＲＳ１に結合し、４番目の電気化学素子Ｃ４の電力制御回路ＰＣ４から、６番目の電気化学素子Ｃ６の電力制御回路ＰＣ６まで３個の電力制御回路ＰＣを第２の磁気回路ＴＲＳ２に結合した。さらに、第１の磁気回路ＴＲＳ１の磁気回路結合用巻線Ｗ７１と第２の磁気回路ＴＲＳ２の磁気回路結合用巻線Ｗ７２とを相互に接続した。
【００８２】
次に動作について説明する。
基本となる動作は実施の形態５と同様であるので説明を省略し異なる動作について説明する。
図８では６個の電気化学素子Ｃを直列に接続した例を示している。図において、第１の磁気回路ＴＲＳ１の磁気回路結合用巻線Ｗ７１と第２の磁気回路ＴＲＳ２の磁気回路結合用巻線Ｗ７２との間で電力を相互に授受することになり、全体として６個の電気化学素子Ｃの端子間電圧を制御することが可能となる。
【００８３】
以上述べたように、実施の形態６では、１つの磁気回路ＴＲＳに設けることができる巻線の個数を超える電気化学素子Ｃを直列接続した場合に、複数の磁気回路ＴＲＳを使用し、異なる磁気回路に結合した２組の磁気回路結合用巻線どうしを相互に接続することにより、２つの磁気回路間で電力を授受することができるようになる。このように、簡単な回路構成で全ての電気化学素子Ｃの端子間電圧を制御することができ、直列接続する電気化学素子Ｃの数の制限をなくすことができる。
【００８４】
また、図８では、実施の形態４と同様の電力制御回路ＰＣを使用した例を説明したが、実施の形態１から実施の形態３で説明した電力制御回路ＰＣを使用しても、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
【００８５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果がある。
【００８６】
複数の電気化学素子の各端子間に端子間電圧を調整する電力制御回路を各々接続した電源装置において、各電力制御回路間を電磁気的に結合し相互に電力を授受するために、一群を構成する磁気回路と、前記磁気回路を介して前記電力制御回路間で相互に電力を授受する電力授受手段とを備え、前記電力授受手段は、前記磁気回路と電磁気的に結合した電力授受用巻線と、前記電気化学素子に充電された電圧を前記電力授受用巻線に印加する放電回路と、前記電力授受用巻線に発生した電圧により前記電気化学素子を充電する充電回路を有しており、前記充電回路は、前記電力授受用巻線の一端を前記電気化学素子の一端に接続するとともに、前記電気化学素子の端子間電圧より前記電力授受用巻線の端子間電圧の方が高い場合に、前記電気化学素子を充電する方向に電流を流す第１の整流素子と、前記電気化学素子を充電する場合に一時的に電力を蓄積して、前記電気化学素子に流れる電流の急峻な変化を抑制するコイルと、前記コイルと前記第１の整流素子に流れる電流の経路が絶たれた場合に、前記コイルに蓄積した電流を前記電気化学素子に還流する第２の整流素子とを備えており、前記放電回路は、前記電気化学素子に充電された電圧を前記電力授受用巻線に印加する場合に、直列に接続された複数の電気化学素子の中から、端子間電圧の高い電気化学素子を選択する放電素子選択手段を備え、前記放電素子選択手段は、前記電力授受用巻線に流れる電流を制限する第３の整流素子を、充電電圧の最も高い電気化学素子を自動的に選択することが可能となり、直列に接続した複数の電気化学素子の端子間電圧を適切な電圧に制御する安価な電源装置を提供できる。
【００８７】
また、異なる一群を構成する磁気回路と、一方の磁気回路と他方の磁気回路とを電磁気的に結合するとともに、磁気回路間で相互に電力を授受する磁気回路結合手段とを備えたことにより、多数の電気化学素子を直列接続することができる電源装置を提供できる。
【００８８】
また、磁気回路結合手段は、磁気回路の一方と電力を授受する第１の電力制御回路と、磁気回路の他方と電力を授受する第２の電力制御回路と、第１の電力制御回路と第２の電力制御回路を、直列に接続された複数の電気化学素子のいずれか１つの端子に並列に接続するとともに、電気化学素子を介して磁気回路間で相互に電力を授受する回路とを備えたことにより、全ての電気化学素子の端子間電圧を適切な電圧に制御できる電源装置を提供できる。
【００８９】
また、磁気回路結合手段は、磁気回路の一方と電磁気的に結合した第１の磁気回路結合用巻線と、磁気回路の他方と電磁気的に結合した第２の磁気回路結合用巻線と、第１の磁気回路結合用巻線と第２の磁気回路結合用巻線を相互に接続するとともに、磁気回路間で相互に電力を授受する回路とを備えたことにより、２つの磁気回路間で電力を授受することができ、簡単な回路構成で全ての電気化学素子の端子間電圧を適切な電圧に制御することができる電源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明による実施の形態１を示す電源装置の概略回路構成図。
【図２】  この発明による実施の形態１を示す電源装置の電圧電流波形説明図。
【図３】  この発明による実施の形態２を示す電源装置の概略回路構成図。
【図４】  この発明による実施の形態２を示す電源装置の電圧波形説明図。
【図５】  この発明による実施の形態３を示す電源装置の概略回路構成図。
【図６】  この発明による実施の形態４を示す電源装置の概略回路構成図。
【図７】  この発明による実施の形態５を示す電源装置の概略回路構成図。
【図８】  この発明による実施の形態６を示す電源装置の概略回路構成図。
【図９】  従来のコンデンサの端子間電圧調整回路図。
【図１０】  従来のコンデンサ端子間電圧バランスの補正回路図。
【図１１】  従来の電源装置の概略回路構成図。
【符号の説明】
Ｃ  電気化学素子、ＰＣ  電力制御回路、ＴＲＳ  磁気回路、Ｓ１  第１のスイッチ、Ｓ２  第２のスイッチ、Ｗ１  電力授受用巻線、Ｗ２  電力受け渡し用巻線、Ｗ３  電力受け取り用巻線、Ｄ１  第１の整流素子、Ｄ２  第２の整流素子、Ｄ３  第３の整流素子、Ｌ  コイル、ＳＢ  スナバ回路、ＣＮＴ  スイッチ制御回路、Ｖｓ  電圧検出器、Ｗ７  磁気回路結合用巻線。
【図１】
0004320511.tif 000003
【図２】
0004320511.tif 000004
【図３】
0004320511.tif 000005
【図４】
0004320511.tif 000006
【図５】
0004320511.tif 000007
【図６】
0004320511.tif 000008
【図７】
0004320511.tif 000009
【図８】
0004320511.tif 000010
【図９】
0004320511.tif 000011
【図１０】
0004320511.tif 000012
【図１１】
0004320511.tif 000013