(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコンデンサから構成されるコンデンサバンクと、
商用電源から供給される交流信号に基づいて、前記コンデンサバンクに所定の充電電流を供給し、前記複数のコンデンサを充電する電源手段と、
前記コンデンサバンクに充電された電圧を検出、監視する単一の電圧監視手段と、を備え、
前記コンデンサバンクは、前記複数のコンデンサの接続状態を切り換える切換スイッチを有し、前記複数のコンデンサを充電する充電動作においては、前記切換スイッチにより前記複数のコンデンサを直列接続するように切り換え、前記複数のコンデンサを直列接続した状態で、前記充電電流により前記各コンデンサを充電し、前記充電された電圧を検出、監視する電圧監視動作においては、前記切換スイッチにより前記複数のコンデンサを並列接続するように切り換え、前記複数のコンデンサを互いに並列接続することにより均一化された前記各コンデンサの充電電圧を、前記単一の電圧監視手段により検出し、該充電動作と該電圧監視動作が所定の時間間隔で繰り返し実行されるように制御することを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記切換スイッチは、前記商用電源から供給される交流信号を半波整流して生成される脈流に基づいて、前記複数のコンデンサを直列接続状態、又は、並列接続状態に切り換え制御することを特徴とする請求項１記載の充電装置。
【請求項３】
前記電圧監視手段は、前記電圧監視動作時に検出された充電電圧と、予め設定された基準電圧とを比較し、前記充電電圧が前記基準電圧以上となったとき、前記電源手段から前記コンデンサバンクへの電流の供給を遮断することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の充電装置。
【請求項４】
商用電源から供給される交流信号に基づいて生成される充電電流によりコンデンサバンクを充電する充電方法において、
前記コンデンサバンクを構成する複数のコンデンサを切換スイッチにより直列接続するように切り換えて、該複数のコンデンサを直列接続して充電する手順と、
所定の時間間隔で、前記複数のコンデンサを前記切換スイッチにより並列接続するように切り換えて、並列接続状態に切り換えることにより均一化された前記各コンデンサの充電電圧を、単一の電圧監視手段により検出、監視する手順と、
前記検出された充電電圧と、予め設定された基準電圧とを比較し、前記充電電圧が前記基準電圧以上となったとき、前記電源手段から前記コンデンサバンクへの電流の供給を遮断する手順と、を含むことを特徴とする充電方法。
【請求項５】
前記充電方法は、前記商用電源から供給される交流信号を半波整流して生成される脈流の発生タイミングに基づいて、前記複数のコンデンサを直列接続して充電する手順と、前記複数のコンデンサを並列接続状態に切り換えて、前記均一化された前記各コンデンサの充電電圧を前記単一の電圧監視手段により検出、監視する手順を、所定の時間間隔で繰り返し実行することを特徴とする請求項４記載の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電装置及び充電方法に関し、特に、複数の電気二重層コンデンサを電力素子として備えたコンデンサバンクに、電気エネルギーを蓄積する充電装置及び充電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車等の駆動用電源として、電気二重層コンデンサを備えた充電装置を適用することが研究されている。例えば、特開平１１−１２２８１１号公報には、図１６に示すように、複数の電気二重層コンデンサＣ１１〜Ｃ１４を備えたコンデンサバンク２０Ａに対して、電源回路１０Ａから所定の充電電流ＩＢを供給することにより、電気二重層コンデンサＣ１１〜Ｃ１４の各々に電流値に応じた電荷を蓄積する技術が記載されている。ここで、複数の電気二重層コンデンサＣ１１〜Ｃ１４を直列に接続して充電動作を行うことにより、充電電流の電流値を低減しつつ、高容量のコンデンサバンクを有する充電装置を構成できることが記載されている。
【０００３】
ところで、一般に、電気二重層コンデンサを含むコンデンサの両端電圧（充電電圧）Ｖは、Ｑを電荷量、Ｃをコンデンサ容量とすると、次式のように表される。
Ｖ＝Ｑ／Ｃ          ……（１１）
また、電荷量Ｑは、ＩＢをコンデンサに流れる電流（充電電流）、ｔを充電時間とすると、次式のように表される。
Ｑ＝ＩＢ・ｔ          ……（１２）
【０００４】
このように、コンデンサに蓄積される電荷量Ｑは、充電時間ｔの経過に比例して上昇するので、コンデンサの充電電圧Ｖも、充電時間ｔとともに上昇し、充電電圧Ｖがコンデンサの耐圧を越えると、コンデンサの破壊や充電装置の故障や不良を生じる問題を有している。
そこで、従来においては、図１６に示すように、充電電圧が電気二重層コンデンサの耐圧以上にならないように、各電気二重層コンデンサＣ１１〜Ｃ１４毎に、充電電圧値を検出、監視し、充電電圧値が耐圧保証電圧（基準電圧）を越えたとき、電気二重層コンデンサへの充電動作を停止（詳しくは、充電電流をバイパス）する電圧モニタ回路３０ａ〜３０ｄが設けられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術においては、複数の電気二重層コンデンサを直列接続する構成を有していたため、充電電圧の検出、監視に際し、各電気二重層コンデンサ毎に電圧モニタ回路を並列的に接続（並列モニタ）する必要があり、充電装置の規模が極端に大型化し、製品コストが増大してしまうという問題を有していた。
また、電圧モニタ回路により充電電流をバイパスする場合、電圧モニタ回路の消費電力、及び、電圧モニタ回路（二重層コンデンサ）の接続数に応じた熱量Ｗが発生するため、充電装置の小型化を一層困難なものにしていた。なお、充電電流のバイパスにより発生する熱量Ｗは、ＩＢを充電電流、ＶＬを耐圧保証電圧、ｎを電圧モニタ回路（電気二重層コンデンサ）の数とすると、次式により表され、電圧モニタ回路の数に比例して熱量Ｗが増大する。
Ｗ＝ＩＢ・ＶＬ・ｎ    ……（１３）
【０００６】
そこで、本発明は、上述した課題に鑑み、コンデンサバンクを構成する複数の電気二重層コンデンサに供給する電流を低減しつつ、電気二重層コンデンサの各々に並列的に接続される電圧モニタ回路の個数を削減して、大幅な小型化、及び、低コスト化を図ることができる充電装置及び充電方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の充電装置は、複数のコンデンサから構成されるコンデンサバンクと、商用電源から供給される交流信号に基づいて、前記コンデンサバンクに所定の充電電流を供給し、前記複数のコンデンサを充電する電源手段と、前記コンデンサバンクに充電された電圧を検出、監視する単一の電圧監視手段と、を備え、前記コンデンサバンクは、前記複数のコンデンサの接続状態を切り換える切換スイッチを有し、前記複数のコンデンサを充電する充電動作においては、前記切換スイッチにより前記複数のコンデンサを直列接続するように切り換え、前記複数のコンデンサを直列接続した状態で、前記充電電流により前記各コンデンサを充電し、前記充電された電圧を検出、監視する電圧監視動作においては、前記切換スイッチにより前記複数のコンデンサを並列接続するように切り換え、前記複数のコンデンサを互いに並列接続することにより均一化された前記各コンデンサの充電電圧を、前記単一の電圧監視手段により検出し、該充電動作と該電圧監視動作が所定の時間間隔で繰り返し実行されるように制御することを特徴としている。
【０００９】
請求項２記載の充電装置は、請求項１記載の充電装置において、前記切換スイッチは、前記商用電源から供給される交流信号を半波整流して生成される脈流に基づいて、前記複数のコンデンサを直列接続状態、又は、並列接続状態に切り換え制御することを特徴としている。請求項３記載の充電装置は、請求項１又は２のいずれかに記載の充電装置において、前記電圧監視手段は、前記電圧監視動作時に検出された充電電圧と、予め設定された基準電圧とを比較し、前記充電電圧が前記基準電圧以上となったとき、前記電源手段から前記コンデンサバンクへの電流の供給を遮断することを特徴としている。
【００１０】
請求項４記載の充電方法は、商用電源から供給される交流信号に基づいて生成される充電電流によりコンデンサバンクを充電する充電方法において、前記コンデンサバンクを構成する複数のコンデンサを切換スイッチにより直列接続するように切り換えて、該複数のコンデンサを直列接続して充電する手順と、所定の時間間隔で、前記複数のコンデンサを前記切換スイッチにより並列接続するように切り換えて、並列接続状態に切り換えることにより均一化された前記各コンデンサの充電電圧を、単一の電圧監視手段により検出、監視する手順と、前記検出された充電電圧と、予め設定された基準電圧とを比較し、前記充電電圧が前記基準電圧以上となったとき、前記電源手段から前記コンデンサバンクへの電流の供給を遮断する手順と、を含むことを特徴としている。請求項５７記載の充電方法は、請求項６記載の充電方法において、前記充電方法は、前記商用電源から供給される交流信号を半波整流して生成される脈流の発生タイミングに基づいて、前記複数のコンデンサを直列接続して充電する手順と、前記複数のコンデンサを並列接続状態に切り換えて、前記均一化された前記各コンデンサの充電電圧を前記単一の電圧監視手段により検出、監視する手順を、所定の時間間隔で繰り返し実行することを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の充電装置及び充電方法について、実施の形態を示して詳しく説明する。
図１は、本発明に係る充電装置の一実施形態を示す概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る充電装置は、電源手段を構成する電源回路１０と、複数の電気二重層コンデンサ（以下、単にコンデンサという）から構成されるコンデンサバンク２０と、電圧監視手段を構成する電圧モニタ回路３０と、を有して構成されている。
【００１２】
電源回路１０は、コンデンサバンク２０が接続された高電位側電源線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬ間に、商用の交流電源（例えば、ＡＣ１００Ｖ）に基づく所定の直流電圧を印加し、コンデンサバンク２０に充電電流ＩＡを供給する。
コンデンサバンク２０は、上記高電位側電源線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬ間に、コンデンサＣ１と、切換スイッチＳＷ１１と、コンデンサＣ２と、切換スイッチＳＷ１２と、コンデンサＣ３と、切換スイッチＳＷ１３と、コンデンサＣ４が、順次接点Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ３１、Ｎ３２を介して直列に接続されている。
【００１３】
そして、高電位側電源線ＨＬ及び接点Ｎ１２間、高電位側電源線ＨＬ及び接点Ｎ２２間、高電位側電源線及び接点Ｎ３２間には、各々切換スイッチＳＷ２１〜２３が設けられ、低電位側電源線ＬＬ及び接点Ｎ１１間、低電位側電源線ＬＬ及び接点Ｎ２１間、低電位側電源線ＬＬ及び接点Ｎ３１間には、各々切換スイッチＳＷ３１〜３３が設けられている。
また、高電位側電源線ＨＬには、コンデンサＣ１〜Ｃ４及び切換スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３からなる直列接続への充電電流の供給を制御するスイッチＳＷ０が設けられている。
【００１４】
ここで、切換スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３及びスイッチＳＷ０は、同一の制御信号に基づいて、所定のタイミングで一斉にＯＮ／ＯＦＦ制御される。また、切換スイッチＳＷ２１〜２３及びＳＷ３１〜３３は、上記切換スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３とは、逆のタイミングで一斉にＯＮ／ＯＦＦ制御される。
電圧モニタ回路３０は、高電位側電源線ＨＬ及び低電位側電源線ＬＬに接続され、コンデンサＣ１〜Ｃ４に蓄積された電荷量を、モニタ電圧（充電電圧）値として検出するとともに、あらかじめ定められた基準電圧（耐圧保証電圧）値と比較し、モニタ電圧値が、基準電圧値に達したか否かを判定する。モニタ電圧値が、基準電圧値に到達した場合には、制御信号ＳＣ０を電源回路１０に出力し、充電電流ＩＡのコンデンサバンク２０への供給を遮断する。
【００１５】
次に、上述した構成を有する充電装置における動作状態について、図面を参照して説明する。
（充電動作）
図２は、本実施形態に係る充電装置の充電動作時の接続状態を示す概略回路であり、図３は、充電動作時の接続状態を示す等価回路である。
充電動作は、図２に示すように、高電位側電源線ＨＬの切換スイッチＳＷ０をＯＮ状態に切り換え制御して、電源回路１０とコンデンサバンク２０とを電気的に導通するとともに、コンデンサバンク２０の切換スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３をＯＮ状態に、また、切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３及びＳＷ３１〜ＳＷ３３をＯＦＦ状態に、一斉に切り換え制御することにより実現される。
【００１６】
このような切換スイッチＳＷ０、ＳＷ１１〜ＳＷ１３、ＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３の切り換え制御により、コンデンサバンク２０は、図３に示す等価回路のように、高電位側電源線ＨＬと低電位側電源線ＬＬとの間に、各コンデンサＣ１〜Ｃ４が直列接続された状態となり、電源回路１０から高電位側電源線ＨＬに供給される充電電流ＩＡが、各コンデンサＣ１〜Ｃ４に流下して、充電が開始される。
【００１７】
（電圧監視動作）
図４は、本実施形態に係る充電装置の電圧監視動作時の接続状態を示す概略回路であり、図５は、電圧監視動作時の接続状態を示す等価回路である。
電圧監視動作は、図４に示すように、高電位側電源線ＨＬの切換スイッチＳＷ０をＯＦＦ状態に切り換え制御して、電源回路１０とコンデンサバンク２０とを電気的に遮断するとともに、コンデンサバンク２０の切換スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３をＯＦＦ状態に、また、切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３及びＳＷ３１〜ＳＷ３３をＯＮ状態に、一斉に切り換え制御することにより実現される。
【００１８】
このような切換スイッチＳＷ０、ＳＷ１１〜ＳＷ１３、ＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３の切り換え制御により、コンデンサバンク２０は、図５に示す等価回路のように、高電位側電源線ＨＬと低電位側電源線ＬＬとの間に、各コンデンサＣ１〜Ｃ４が並列接続された状態となり、単一の電圧モニタ回路３０が、全てのコンデンサＣ１〜Ｃ４の各々に対して共通に接続され、各コンデンサＣ１〜Ｃ４に充電された電圧が均一化されて充電電圧として検出される。
【００１９】
（放電動作）
図６は、本実施形態に係る充電装置の放電動作状態を示す概略構成図である。放電動作は、図６（ａ）に示すように、高電位側電源線ＨＬと低電位側電源線ＬＬとの間に、スイッチＳＷ３１を介して、電圧モニタ回路３０と並列的に負荷３５が接続された構成において、高電位側電源線ＨＬの切換スイッチＳＷ０をＯＦＦ状態に切り換え制御して、電源回路１０とコンデンサバンク２０とを電気的に遮断するとともに、コンデンサバンク２０と負荷３５との間に設けられたスイッチＳＷ３１をＯＮ状態に切り換え制御して、図６（ｂ）に示すように、コンデンサバンク２０と負荷３５とを電気的に接続することにより実現される。
この場合におけるコンデンサバンク２０の各コンデンサＣ１〜Ｃ４の接続状態は、負荷３５の状態に応じて、適宜切り換え制御されて、適切な蓄積エネルギーが負荷３５に対して供給される。
【００２０】
次に、コンデンサバンクを構成するコンデンサの接続状態とその作用について、図面を参照して説明する。
図７は、本実施形態に適用されるコンデンサバンクを構成するコンデンサの接続状態による作用を示す概略回路図である。
例えば、容量がＣ（Ｆ）のコンデンサの両端に充電電圧Ｖ（Ｖ）が生じている場合における蓄積エネルギーＥは、一般に、次式により表される。
Ｅ＝１／２・ＣＶ2      ……（１）
【００２１】
すなわち、（１）式より、蓄積エネルギーＥは、充電電圧Ｖの２乗に比例する。ここで、充電電流をＩ（Ａ）、充電時間をｔ（ｓ）とすると、コンデンサに蓄積される電荷量Ｑは、
Ｑ＝∫Ｉdt＝Ｉ・ｔ        ……（２）
と表され、また、電荷量Ｑと容量Ｃ及び両端電圧Ｖとの関係は、一般に、
Ｑ＝ＣＶ                ……（３）
と表されるので、上記（１）式は、次式のように表される。
Ｅ＝（１／２）Ｃ・（Ｑ／Ｃ）2＝（１／２Ｃ）・（Ｉ・ｔ）2    ……（４）
【００２２】
すなわち、上記（４）式より、蓄積エネルギーＥが一定であれば、充電電流Ｉと充電時間（ｔ）は、反比例することが導かれる。さらに、上記（４）式を変形すると、充電電流Ｉは、次式により表される。
Ｉ＝√（２ＥＣ）／ｔ      ……（５）
上記（５）式より、充電動作における充電電流Ｉは、蓄積エネルギーＥ及び充電時間ｔを一定とした場合、コンデンサの容量Ｃの平方根（ルート）に比例して、増減することが導かれる。
【００２３】
ここで、蓄積エネルギーＥを一定にするために、図７（ａ）に示すように、コンデンサバンクをｎ個（図では４個）のコンデンサＣ１〜Ｃ４に分割して、直列接続する場合を検討すると、コンデンサバンク２０の容量Ｃは、１／（ｎ2）倍になり、この場合の容量Ｃ／（ｎ2）を上記（５）式に適用すると、
√（２ＥＣ）／ｔ＝√（２ＥＣ／ｎ2）／ｔ＝Ｉ／ｎ      ……（６）
となり、コンデンサをｎ分割して、直列接続することにより、充電電流Ｉが１／ｎ倍になる。
【００２４】
一般に、単一のコンデンサを急速充電するには、大きな充電電流を流す必要があり、そのためには電源回路の大型化を避けることはできないが、本発明に係る充電装置によれば、上述したように、コンデンサバンク２０に蓄積されるエネルギー量を一定とした場合、コンデンサバンク２０を複数（例えば、ｎ＝４）のコンデンサにより分割して構成し、直列に接続することにより、コンデンサバンク２０としての容量値が１／（ｎ2）＝１／１６倍に減少するので、コンデンサによる分割割合に応じて、充電電流Ｉを１／ｎ＝１／４倍に低減することができる。換言すれば、充電電流Ｉを一定とした場合には、充電時間ｔを１／ｎ＝１／４に短縮することができる。
【００２５】
一方、図７（ｂ）に示すように、上記ｎ個に分割されたコンデンサＣ１〜Ｃ４を並列接続する場合を検討すると、コンデンサバンク２０の容量Ｃは、ｎ倍になるとともに、各コンデンサＣ１〜Ｃ４における両端電圧（充電電圧）が相互に均一化される。
ここで、並列接続されたコンデンサバンク２０の両端を電圧モニタ回路３０に接続して、その両端電圧を検出することにより、各コンデンサＣ１〜Ｃ４に蓄積された充電電圧がバラツキなく単一の電圧モニタ回路により検出される。
そして、上記コンデンサの直列接続状態と並列接続状態とを切り換えて、直列接続による充電動作と、並列接続による電圧監視動作とを所定のタイミングで実行し、電圧モニタ回路により検出されたコンデンサバンクの両端電圧が、各コンデンサの耐圧を保証するために予め設定された基準電圧に達した場合に、電圧モニタ回路から電源回路に制御信号を出力して、充電電流の供給を遮断し、充電動作を停止する。
【００２６】
本発明に係る充電装置によれば、電圧監視動作時には、コンデンサを並列接続状態に切り換えて、単一の電圧モニタ回路を用いて、各コンデンサの両端電圧（充電電圧）を検出することができるので、従来技術に示したように、各コンデンサ毎に並列接続される電圧モニタ回路を必要とせず、充電装置の大幅な小型化、低コスト化を図ることができる。また、本発明に適用される電圧モニタ回路は、コンデンサバンクに充電された電圧を検出し、基準電圧以上となった場合に充電電流の供給を遮断する制御信号を出力する機能を有するものであって、従来技術に示したように、各コンデンサ毎に並列接続し、充電電流をバイパスするものではないので、電圧モニタ回路からの発熱を大幅に抑制することもできる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る充電装置の充電方法について、図面を参照して説明する。
図８は、本実施形態に適用されるコンデンサバンクの充電方法の手順を示すフローチャートであり、図９は、本実施形態に適用されるコンデンサバンクを構成するコンデンサの制御タイミングを示すタイミングチャートである。
（Ｓ１０１、Ｓ１０２）
まず、切換スイッチＳＷ０、ＳＷ１１〜ＳＷ１３をＯＮ状態、切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３をＯＦＦ状態に切り換えることにより、コンデンサＣ１〜Ｃ４を直列接続状態にするとともに、コンデンサバンク２０と電源回路１０とを接続して、高電位側電源線ＨＬを介して供給される充電電流ＩＡをコンデンサＣ１〜Ｃ４に充電する充電動作を開始する。
【００２８】
（Ｓ１０３、Ｓ１０４）
次いで、充電動作開始後、所定の時間経過後に、切換スイッチＳＷ０、ＳＷ１１〜ＳＷ１３をＯＦＦ状態、切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３をＯＮ状態に切り換えることにより、コンデンサＣ１〜Ｃ４を並列接続状態にするとともに、コンデンサバンク２０と電源回路１０とを電気的に切り離して充電動作を中断し、コンデンサＣ１〜Ｃ４に充電された電圧を電圧モニタ回路３０により検出する電圧監視動作を実行する。
【００２９】
（Ｓ１０５）
ここで、電圧モニタ回路３０は、検出した充電電圧（検出電圧）Ｖｍと、コンデンサＣ１〜Ｃ４の耐圧に基づいて、予め設定された基準電圧（耐圧保証電圧）Ｖｓとを比較し、検出電圧Ｖｍが基準電圧Ｖｓ以上でない場合には、電圧監視動作終了後、再び、切換スイッチＳＷ０、ＳＷ１１〜ＳＷ１３をＯＮ状態、切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３をＯＦＦ状態に切り換え制御して、充電動作を継続する。
（Ｓ１０６）
一方、検出電圧Ｖｍが基準電圧Ｖｓ以上となった場合には、電圧モニタ回路３０から電源回路１０に制御信号ＳＣ０を出力して、電源回路１０からの充電電流の供給を遮断して、充電動作を終了する。
【００３０】
このように、本実施形態に係る充電方法は、図９に示すように、切換スイッチＳＷ０、ＳＷ１１〜ＳＷ１３のグループと、切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３のグループを、逆のタイミングで一斉にＯＮ、ＯＦＦ制御し、コンデンサＣ１〜Ｃ４を直列接続したとき、充電動作を実行し、充電動作時に所定の時間毎にコンデンサＣ１〜Ｃ４を並列接続して、電圧監視動作を実行する。なお、上記（１２）式に示したように、コンデンサの充電電圧は、充電時間に比例して上昇するため、電圧監視動作は、一定の時間間隔毎に実行することが望ましい。
【００３１】
次に、本実施形態に係る充電装置に適用される切換スイッチ及びその制御手段について、図面を参照して説明する。
図１０は、本実施形態に係る充電装置に適用されるスイッチ制御手段の第１の実施例を示す概略構成図であり、図１１は、切換スイッチの具体例を示す回路構成図である。
図１０に示すように、本実施形態に係る充電装置に適用されるスイッチ制御手段は、マイクロコンピュータ（以下、マイコンという）４０により構成され、制御信号ＳＣ１により切換スイッチＳＷ０、ＳＷ１１〜ＳＷ１３のグループのＯＮ、ＯＦＦ動作を一斉に制御し、制御信号ＳＣ２により切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３、ＳＷ３１〜ＳＷ３３のグループのＯＮ、ＯＦＦ動作を一斉に制御する。
【００３２】
ここで、制御信号ＳＣ１、ＳＣ２の出力タイミングは、図９に示したように、一定の時間間隔で、充電動作及び電圧監視動作を繰り返す充電方法の手順に対応するものであってもよいし、コンデンサの充電電圧が、充電時間に比例して上昇することに基づいて、充電電圧が基準電圧に達するまでの所要時間を演算し、充電動作開始後、所要時間の経過を検出して、電圧監視動作を実行するものであってもよい。
【００３３】
本実施例に係るスイッチ制御手段を適用した場合、切換スイッチＳＷとして、図１１に示すように、例えば、マイコンから出力される制御信号（電圧）に基づいて、所定の波長の光を発光するフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤからの光を受光して電気的に導通するフォトトランジスタＰＳから構成される、いわゆるフォトカプラ（光結合トランジスタともいう）を利用することができる。
このような構成を有する切換スイッチによれば、入力側（制御信号）と出力側（スイッチ動作）を電気的に分離することができるとともに、制御信号に的確に対応したＯＮ、ＯＦＦ動作を実現することができる。
【００３４】
図１２は、本実施形態に係る充電装置に適用されるスイッチ制御手段の第２の実施例を示す概略構成図であり、図１３は、半波整流処理による信号波形の変化を示す波形図であり、図１４は、制御信号の信号波形を示す波形図であり、図１５は、制御信号の供給制御回路を示す概略回路図である。
図１２に示すように、本実施形態に係る充電装置に適用されるスイッチ制御手段は、商用交流電源により供給される交流信号を半波整流して脈流を生成し、コンデンサバンク２０に供給する半波整流回路１０ａと、上記交流信号をダイオードＤ１及び保護抵抗Ｒ１を介して生成される電圧波形を、第１の制御信号ＳＣ１として出力する第１の信号系と、上記交流信号をダイオードＤ２及び保護抵抗Ｒ２を介して生成される電圧波形を、第２の制御信号ＳＣ２として出力する第２の信号系と、を有して構成されている。
【００３５】
半波整流回路１０ａは、図１３に示すように、商用交流電源により供給される正弦交流信号のうち、正の信号電圧成分のみを抽出して、一定の周期で正の電圧波形を有する脈流を生成して、充電電流としてコンデンサバンク２０に供給するとともに、切換スイッチの駆動用電源を生成する積分回路１０ｂ及び安定化電源回路１０ｃに供給する。
積分回路１０ｂ及び安定化電源回路１０ｃは、半波整流された脈流に基づいて、所望の信号電圧を有する電源電圧を生成し、コンデンサバンク２０内の切換スイッチの駆動用電源として供給する。
【００３６】
第１の信号系は、上記交流信号に対して、順方向に接続されたダイオードＤ１により、図１４に示すように、交流信号の正の電圧成分のみを通過して、一定の周期で正の電圧波形を有する制御信号ＳＣ１を生成し、切換スイッチＳＷ０及びＳＷ１１〜ＳＷ１３をＯＮ、ＯＦＦ制御する信号としてコンデンサバンク２０に供給される。一方、第２の信号系は、上記交流信号に対して、逆方向に接続されたダイオードＤ２により、図１４に示すように、交流信号の負の電圧成分のみを通過して、一定の周期で正の電圧波形を有する制御信号ＳＣ２を生成し、切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３及びＳＷ３１〜ＳＷ３３をＯＮ、ＯＦＦ制御する信号としてコンデンサバンク２０に供給される。
【００３７】
すなわち、制御信号ＳＣ１は、図１３に示した脈流に同期して、切換スイッチＳＷ０及びＳＷ１１〜ＳＷ１３を一斉にＯＮ制御してコンデンサＣ１〜Ｃ４を直列接続状態とし、さらに、脈流に基づく充電電流がコンデンサバンク２０に供給されるので、充電動作が実行される。これに対して、制御信号ＳＣ２は、図１３に示した脈流と逆のタイミングで、切換スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３及びＳＷ３１〜ＳＷ３３を一斉にＯＮ制御してコンデンサＣ１〜Ｃ４を並列接続状態とし、さらに、コンデンサバンク２０への充電電流の供給が遮断されるので、充電動作が中断されて、電圧モニタ回路３０により、電圧監視動作が実行される。
【００３８】
制御信号ＳＣ１及びＳＣ２を切換スイッチに供給する制御回路は、図１５に示すように、制御信号ＳＣ１又はＳＣ２をベース入力とし、コレクタが簡易電源に接続されたスイッチングトランジスタＳＷＴと、ベース入力線（制御信号ＳＣ１及びＳＣ２入力線）に接続され、スイッチングトランジスタＳＷＴへの過電圧の印加を防止する過電圧防止用ダイオードＤ１１と、スイッチングトランジスタＳＷＴのエミッタ端子に、それぞれフォトダイオード電流制限用抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、…を介して並列に接続され、図１１に示したものと同様に、フォトカプラ構成を有する切換スイッチＳＷと、を有している。
【００３９】
このような切換スイッチＳＷにおいて、制御信号ＳＣ１、ＳＣ２によりスイッチングトランジスタＳＷＴのベース入力に所定の信号電圧が印加されると、スイッチングトランジスタＳＷＴは導通して、コネクタに印加されている簡易電源に応じて所定のエミッタ電流が、フォトダイオード電流制限用抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、…を介して、各切換スイッチＳＷに流下され、一斉にＯＮ制御される。
本実施例に係るスイッチ制御手段を適用した場合、商用交流電源により供給される交流信号を用いて、切換スイッチの切り換え制御、及び、動作状態の切り換え制御を行う構成を有しているので、商用交流電源に同期してコンデンサを定期的に直列接続と並列接続を切り換え、充電動作と電圧監視動作を繰り返し実行することができ、簡易な構成でコンデンサバンクへの充電動作を良好に行うことができる。
【００４０】
なお、上述した各実施例においては、スイッチ制御手段として、マイコンを適用する例、及び、商用交流電源を適用した例を個別に示したが、本発明に係る充電装置は、これに限定されるものではなく、商用交流電源から生成される脈流に基づいて生成される制御信号を、マイコンにより所定のタイミングで切換スイッチに出力するものであってもよい。
この場合、コンデンサの接続状態を切り換える制御信号のＤｕｔｙ（図１２、図１３では５０％）を、マイコンにより切換タイミングを任意に変更して設定することができ、一層高速な充電動作や充電電流の低減を実現した充電装置を提供することができる。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、複数のコンデンサから構成されるコンデンサバンクと、複数のコンデンサを充電する電源手段と、充電された電圧を検出、監視する単一の電圧監視手段と、を備え、前記コンデンサバンクは、前記複数のコンデンサの接続状態を切り換える切換スイッチを有し、充電動作においては、前記切換スイッチにより前記複数のコンデンサを直列接続するように切り換え、複数のコンデンサを直列接続した状態で、前記充電電流により前記各コンデンサを充電し、電圧監視動作においては、前記切換スイッチにより前記複数のコンデンサを並列接続するように切り換え、複数のコンデンサを互いに並列接続することにより均一化された前記各コンデンサの充電電圧を、前記単一の電圧監視手段により検出し、該充電動作と該電圧監視動作が所定の時間間隔で繰り返し実行されるように制御する構成を有しているので、並列接続状態のまま充電を行う場合と比較して、同等のエネルギー量を低電流、あるいは、短時間で充電することができ、充電装置の小型化又は充電性能の向上を図ることができる。また、電圧監視手段は、並列接続された複数のコンデンサの各々に共通に接続される単一の構成を有しているので、各コンデンサ毎に電圧監視手段を必要とすることなく、単一の電圧監視手段により、各コンデンサの充電電圧を均一化して的確に検出することができ、充電装置の大幅な小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００４４】
請求項２記載の発明によれば、切換スイッチは、商用電源により供給される交流信号を半波整流して生成される脈流に基づいて、複数のコンデンサを直列接続状態、又は、並列接続状態に切り換え制御する構成を有しているので、商用電源に同期して複数のコンデンサを定期的に直列接続と並列接続を切り換え、充電動作と電圧監視動作を繰り返し実行することができ、簡易な回路構成でコンデンサバンクへの充電動作を良好に行うことができる充電装置を提供することができる。
【００４５】
請求項３記載の発明によれば、電圧監視手段は、電圧監視動作時に検出された充電電圧と、予め設定された基準電圧とを比較し、充電電圧が基準電圧以上となったとき、電源手段からコンデンサバンクへの電流の供給を遮断する構成を有しているので、充電時間の経過に伴って上昇するコンデンサの充電電圧が、コンデンサの耐圧を越える前に、充電動作を停止することができ、コンデンサの破壊や充電装置の故障や不良の発生を防止することができる。また、電圧監視手段は、コンデンサバンクに供給される電流をバイパスする構成ではなく、電源手段からの電流の供給を遮断する構成を有しているので、充電装置の発熱量を大幅に抑制することができる。
【００４７】
請求項４記載の発明によれば、商用電源から供給される交流信号に基づいて生成される充電電流によりコンデンサバンクを充電する充電方法において、コンデンサバンクを構成する複数のコンデンサを切換スイッチにより直列接続するように切り換えて、該複数のコンデンサを直列接続して充電動作を実行し、所定の時間間隔毎に複数のコンデンサを前記切換スイッチにより並列接続するように切り換えて、並列接続状態に切り換えることにより均一化された前記各コンデンサの充電電圧を、単一の電圧監視手段により検出、監視し、検出された充電電圧を基準電圧と比較して、基準電圧以上となったとき、電源手段から供給される電流を遮断する手順を含んでいるので、並列接続状態のまま充電を行う場合と比較して、同等のエネルギー量を低電流、あるいは、短時間で充電することができるとともに、充電時間の経過に伴って上昇するコンデンサの充電電圧を定期的に監視し、充電電圧がコンデンサの耐圧を越える前に充電動作を停止して、コンデンサの破壊や充電装置の故障や不良の発生を防止することができ、適切な充電動作を実現することができる。
【００４８】
請求項５記載の発明によれば、商用電源により供給される交流信号を半波整流して生成される脈流に基づいて、複数のコンデンサを直列接続して充電する手順と、複数のコンデンサを並列接続状態に切り換えて、前記均一化された前記各コンデンサの充電電圧を前記単一の電圧監視手段により検出、監視する手順を、所定の時間間隔で繰り返し実行するので、商用電源に同期して複数のコンデンサを定期的に直列接続と並列接続を切り換え、充電動作と電圧監視動作を繰り返し実行することができ、簡易な切り換え制御方法によりコンデンサバンクへの充電動作を良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る充電装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】一実施形態に係る充電装置の充電動作時の接続状態を示す概略回路である。
【図３】一実施形態に係る充電装置の充電動作時の接続状態を示す等価回路である。
【図４】一実施形態に係る充電装置の電圧監視動作時の接続状態を示す概略回路である。
【図５】一実施形態に係る充電装置の電圧監視動作時の接続状態を示す等価回路である。
【図６】一実施形態に係る充電装置の放電動作状態を示す概略構成図である。
【図７】一実施形態に適用されるコンデンサバンクを構成するコンデンサの接続状態による作用を示す概略回路図である。
【図８】一実施形態に適用されるコンデンサバンクの充電方法の手順を示すフローチャートである。
【図９】一実施形態に適用されるコンデンサバンクを構成するコンデンサの制御タイミングを示すタイミングチャートである。
【図１０】一実施形態に係る充電装置に適用されるスイッチ制御手段の第１の実施例を示す概略構成図である。
【図１１】一実施形態に係る充電装置に適用される切換スイッチの具体例を示す回路構成図である。
【図１２】一実施形態に係る充電装置に適用されるスイッチ制御手段の第２の実施例を示す概略構成図である。
【図１３】第２の実施例に係るスイッチ制御手段の半波整流処理による信号波形の変化を示す波形図である。
【図１４】第２の実施例に係るスイッチ制御手段の制御信号の信号波形を示す波形図である。
【図１５】第２の実施例に係るスイッチ制御手段の制御信号の供給制御回路を示す概略回路図である。
【図１６】従来技術における充電装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０      電源回路
１０ａ    半波整流回路
１０ｂ    積分回路
１０ｃ    安定化電源回路
２０      コンデンサバンク
３０      電圧モニタ回路
４０      マイクロコンピュータ
Ｃ１〜Ｃ４      コンデンサ
ＳＣ０、ＳＣ１、ＳＣ２  制御信号
ＨＬ      高電位側電源線
ＬＬ      低電位側電源線
【図１】
0003738617.tif 000002
【図２】
0003738617.tif 000003
【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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【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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