(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のキャパシタを複数段に直列接続してなり、
直流電源に接続されて運用され、
定電流を出力して上記キャパシタ蓄電装置の初期充電を行う充電装置、および上記初期充電時、上記複数の各段のキャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタをバイパスするバイパス手段を備えたキャパシタ蓄電装置において、
上記複数の各段のキャパシタと並列に接続された分圧抵抗を備え、
この分圧抵抗の抵抗値は、上記キャパシタ蓄電装置の初期充電時の回路におけるキャパシタの容量成分と直列抵抗成分とで決まる時定数でなされる初期充電動作末期における上記分圧抵抗への分流率が１０％以下となることをその下限値の設定基準とし、上記各キャパシタの漏洩抵抗値の１０％以下となることをその上限値の設定基準とし、
上記バイパス手段は、複数の各段のキャパシタの電圧を検出する電圧検出器、および上記複数の各段のキャパシタの端子間に接続された分流抵抗と分流スイッチとの直列接続体を備え、
初期充電は、上記直流電源との接続を断ち上記充電装置から定電流を出力して行い、この初期充電時、上記キャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタに接続された分流スイッチを閉路することにより上記複数の各段のキャパシタの電圧をすべて上記規定電圧にまで充電し、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記直流電源に接続して運用動作に移行するものとし、
上記キャパシタ蓄電装置に上記直流電源を接続したとき上記分流抵抗に流れる電流が、初期充電時に充電装置から出力される定電流値以下になるよう、上記分流抵抗の抵抗値を設定したことを特徴とするキャパシタ蓄電装置。
【請求項２】
複数のキャパシタを複数段に直列接続してなり、
直流電源に接続されて運用され、
定電流を出力して上記キャパシタ蓄電装置の初期充電を行う充電装置、および上記初期充電時、上記複数の各段のキャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタをバイパスするバイパス手段を備えたキャパシタ蓄電装置において、
上記複数の各段のキャパシタと並列に接続された分圧抵抗を備え、
この分圧抵抗の抵抗値は、上記キャパシタ蓄電装置の初期充電時の回路におけるキャパシタの容量成分と直列抵抗成分とで決まる時定数でなされる初期充電動作末期における上記分圧抵抗への分流率が１０％以下となることをその下限値の設定基準とし、上記各キャパシタの漏洩抵抗値の１０％以下となることをその上限値の設定基準とし、
上記バイパス手段は、複数の各段のキャパシタの電圧を検出する電圧検出器、および上記複数の各段のキャパシタの端子間に接続された分流抵抗と分流スイッチとの直列接続体を備え、
初期充電は、上記直流電源との接続を断ち上記充電装置から定電流を出力して行い、この初期充電時、上記キャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタに接続された分流スイッチを閉路することにより上記複数の各段のキャパシタの電圧をすべて上記規定電圧にまで充電し、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記直流電源に接続して運用動作に移行するものとし、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記キャパシタの電圧の如何に拘らず上記分流スイッチを開路状態に保持するとともに、上記直流電源に接続して運用動作に移行することを特徴とするキャパシタ蓄電装置。
【請求項３】
複数のキャパシタを複数段に直列接続してなり、
直流電源に接続されて運用され、
定電流を出力して上記キャパシタ蓄電装置の初期充電を行う充電装置、および上記初期充電時、上記複数の各段のキャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタをバイパスするバイパス手段を備えたキャパシタ蓄電装置において、
上記複数の各段のキャパシタと並列に接続された分圧抵抗を備え、
この分圧抵抗の抵抗値は、上記キャパシタ蓄電装置の初期充電時の回路におけるキャパシタの容量成分と直列抵抗成分とで決まる時定数でなされる初期充電動作末期における上記分圧抵抗への分流率が１０％以下となることをその下限値の設定基準とし、上記各キャパシタの漏洩抵抗値の１０％以下となることをその上限値の設定基準とし、
上記バイパス手段は、複数の各段のキャパシタの電圧を検出する電圧検出器、および上記複数の各段のキャパシタの端子間に接続された調整キャパシタと分流スイッチとの直列接続体を備え、
初期充電は、上記直流電源との接続を断ち上記充電装置から定電流を出力して行い、この初期充電時、上記キャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタに接続された分流スイッチを閉路することにより上記複数の各段のキャパシタの電圧をすべて上記規定電圧にまで充電し、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記直流電源に接続して運用動作に移行することを特徴とするキャパシタ蓄電装置。
【請求項４】
分流スイッチと並列に接続されたバイパススイッチを備え、  初期充電は上記バイパススイッチを開路した状態で行い、初期充電終了後、充電装置を切り離し、上記バイパススイッチを閉路状態に保持するとともに、直流電源に接続して運用動作に移行することを特徴とする請求項３記載のキャパシタ蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数のキャパシタを複数段に直列に接続して構成されるキャパシタ蓄電装置に係り、特に上記複数段のキャパシタの電圧を均一化する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近は、充放電特性に優れた大容量キャパシタとして電気二重層キャパシタが注目されている。しかるに、この電気二重層キャパシタは単器の電圧は低く、実用的な電圧定格のキャパシタ蓄電装置として使用するには複数個、複数段に直列に接続して構成する必要がある。
この場合、問題になるのは、各キャパシタの容量偏差に伴う各段のキャパシタの電圧の不均一性である。即ち、直列接続された複数のキャパシタに定電流を供給して充電していくと、容量の小さいキャパシタの電圧が容量の大きいキャパシタの電圧より高くなり、各キャパシタの電圧を許容限度である規定電圧以下に収めるものとすると、この規定電圧にまですべてのキャパシタを充電するということができなくなる。
【０００３】
この解決策として、各キャパシタの容量偏差に伴う電圧の不均一を解消できる程度に比較的低い抵抗値をもつ分圧抵抗を直列の各段に接続する、いわゆる抵抗分圧方式が従来から広く知られている。
しかるに、この方式は、常時、この分圧抵抗に相当量の電流が流れており、従って、その発生損失が無視できず効率の低下が避けられない。
【０００４】
この抵抗による発生損失を減少させるため、例えば、図１４に示す方式が開発されている。この方式は各段のキャパシタの電圧を検出し、この電圧が規定電圧に達したときのみ抵抗に分流させ、電圧の均一化を図るものである。
図において、１は充電電流を供給する定電流源、２は負荷である放電抵抗、３、４はスイッチ（Ｓ１、Ｓ２）、５および６は互いに直列にして定電流源１に接続されたキャパシタ（容量をＣ１、Ｃ２とする）、７および８はそれぞれキャパシタ５および６の端子間に接続された電圧検出器で、接続されたキャパシタの電圧が所定の規定電圧に達すると後述する半導体スイッチにオン信号を、また、規定電圧未満になるとオフ信号を出力する。
９、１０は分流抵抗（Ｒ）、１１、１２は半導体スイッチ（Ｔ１）、１３、１４はダイオード（Ｔ２）である。
【０００５】
次に充電時の動作を図１５を参照して説明する。キャパシタＣ１の静電容量がＣ２より小さいとすれば、時間ｔ１にて定電流で充電を開始すると時間ｔ２でＣ１は規定電圧Ｅ１に達し、このまま充電すると電圧が上昇するのを、電圧を検出して半導体スイッチＴ１を導通し分流抵抗Ｒに充電電流をバイパスさせることにより電圧Ｅ１を保つ。時間ｔ３になるとキャパシタＣ２も電圧Ｅ１まで充電されてＣ１と同一の電圧になる。この間のバイパスされる電力を図中の三角部が示している。この時点で充電は完了し、以後放電−充電サイクルをＥ１電圧を基準にして続けることが出来る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、この従来のキャパシタ蓄電装置をその充電（初期充電）を終えて、例えば、電鉄の饋電回路などの直流電源に接続し、その負荷の変動に基づく直流電源電圧の変化に応じて充放電動作を繰り返す運用状態を想定すると、以下に示す問題点が存在する。
即ち、各キャパシタは漏洩抵抗を有しているが、その値も製造される個々のキャパシタでかなりのばらつきが存在する。この漏洩抵抗は、その等価回路としては純粋なキャパシタ要素と並列に接続された形となる。後段で詳述するが、この漏洩抵抗のばらつきが、比較的長時間のスパンにおける各段のキャパシタの電圧分担を決定することになる。
【０００７】
この結果、キャパシタ蓄電装置の運用時において、各段のキャパシタには漏洩抵抗のばらつきに基づく新たな電圧アンバランスが発生し、半導体スイッチＴ１がオン動作して分流抵抗Ｒにバイパス電流が流れることになる。この場合のバイパス電流は、運用時の直流電源電圧に依存して変動し得るが、一般に、初期充電時に定電流源から供給される値に比較して、極めて大きな値となり、これら半導体スイッチ等のバイパス回路機器の電流容量が大きくなって高価になるとともに、その発生損失も増大する。
【０００８】
この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、長期にわたるキャパシタ蓄電装置の運用時において、複数段のキャパシタの電圧分担を均等化でき、また、キャパシタの容量偏差に基づく初期充電時の電圧均一化のためにバイパス手段を設ける場合も、その電流容量を小規模なレベルのものにとどめて低価格、低損失を実現することができるキャパシタ蓄電装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るキャパシタ蓄電装置は、複数のキャパシタを複数段に直列接続してなり、直流電源に接続されて運用され、
定電流を出力して上記キャパシタ蓄電装置の初期充電を行う充電装置、および上記初期充電時、上記複数の各段のキャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタをバイパスするバイパス手段を備えたキャパシタ蓄電装置において、
上記複数の各段のキャパシタと並列に接続された分圧抵抗を備え、
この分圧抵抗の抵抗値は、上記キャパシタ蓄電装置の初期充電時の回路におけるキャパシタの容量成分と直列抵抗成分とで決まる時定数でなされる初期充電動作末期における上記分圧抵抗への分流率が１０％以下となることをその下限値の設定基準とし、上記各キャパシタの漏洩抵抗値の１０％以下となることをその上限値の設定基準とし、
そのバイパス手段は、複数の各段のキャパシタの電圧を検出する電圧検出器、および上記複数の各段のキャパシタの端子間に接続された分流抵抗と分流スイッチとの直列接続体を備え、
初期充電は、上記直流電源との接続を断ち上記充電装置から定電流を出力して行い、この初期充電時、上記キャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタに接続された分流スイッチを閉路することにより上記複数の各段のキャパシタの電圧をすべて上記規定電圧にまで充電し、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記直流電源に接続して運用動作に移行するものとし、
上記キャパシタ蓄電装置に上記直流電源を接続したとき上記分流抵抗に流れる電流が、初期充電時に充電装置から出力される定電流値以下になるよう、上記分流抵抗の抵抗値を設定したものである。
【００１０】
また、この発明に係るキャパシタ蓄電装置は、複数のキャパシタを複数段に直列接続してなり、直流電源に接続されて運用され、
定電流を出力して上記キャパシタ蓄電装置の初期充電を行う充電装置、および上記初期充電時、上記複数の各段のキャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタをバイパスするバイパス手段を備えたキャパシタ蓄電装置において、
上記複数の各段のキャパシタと並列に接続された分圧抵抗を備え、
この分圧抵抗の抵抗値は、上記キャパシタ蓄電装置の初期充電時の回路におけるキャパシタの容量成分と直列抵抗成分とで決まる時定数でなされる初期充電動作末期における上記分圧抵抗への分流率が１０％以下となることをその下限値の設定基準とし、上記各キャパシタの漏洩抵抗値の１０％以下となることをその上限値の設定基準とし、
そのバイパス手段は、複数の各段のキャパシタの電圧を検出する電圧検出器、および上記複数の各段のキャパシタの端子間に接続された分流抵抗と分流スイッチとの直列接続体を備え、
初期充電は、上記直流電源との接続を断ち上記充電装置から定電流を出力して行い、この初期充電時、上記キャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタに接続された分流スイッチを閉路することにより上記複数の各段のキャパシタの電圧をすべて上記規定電圧にまで充電し、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記直流電源に接続して運用動作に移行するものとし、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記キャパシタの電圧の如何に拘らず上記分流スイッチを開路状態に保持するとともに、上記直流電源に接続して運用動作に移行するものである。
【００１１】
また、この発明に係るキャパシタ蓄電装置は、複数のキャパシタを複数段に直列接続してなり、直流電源に接続されて運用され、
定電流を出力して上記キャパシタ蓄電装置の初期充電を行う充電装置、および上記初期充電時、上記複数の各段のキャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタをバイパスするバイパス手段を備えたキャパシタ蓄電装置において、
上記複数の各段のキャパシタと並列に接続された分圧抵抗を備え、
この分圧抵抗の抵抗値は、上記キャパシタ蓄電装置の初期充電時の回路におけるキャパシタの容量成分と直列抵抗成分とで決まる時定数でなされる初期充電動作末期における上記分圧抵抗への分流率が１０％以下となることをその下限値の設定基準とし、上記各キャパシタの漏洩抵抗値の１０％以下となることをその上限値の設定基準とし、
そのバイパス手段は、複数の各段のキャパシタの電圧を検出する電圧検出器、および上記複数の各段のキャパシタの端子間に接続された調整キャパシタと分流スイッチとの直列接続体を備え、
初期充電は、上記直流電源との接続を断ち上記充電装置から定電流を出力して行い、この初期充電時、上記キャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタに接続された分流スイッチを閉路することにより上記複数の各段のキャパシタの電圧をすべて上記規定電圧にまで充電し、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記直流電源に接続して運用動作に移行するものである。
【００１２】
また、この発明に係るキャパシタ蓄電装置は、分流スイッチと並列に接続されたバイパススイッチを備え、
初期充電は上記バイパススイッチを開路した状態で行い、初期充電終了後、充電装置を切り離し、上記バイパススイッチを閉路状態に保持するとともに、直流電源に接続して運用動作に移行するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本願発明の具体的な構成内容の説明に入る前に、複数段に直列に接続されたキャパシタにおいてその漏洩抵抗のばらつきが、各段のキャパシタの電圧分担に与える影響について説明する。
【００１４】
図１は、電気二重層キャパシタの最小モジュールの単位となるセルを２個直列に接続したものを示す。図において、２０は電圧可変の直流電源、２１はスイッチ、２２は電気二重層キャパシタのセル（Ｃ１）で、静電容量Ｃ１１、直列抵抗Ｒ１１、漏洩抵抗Ｒ１２を有している。また、セル２３（Ｃ２）は、静電容量Ｃ２１、直列抵抗Ｒ２１、漏洩抵抗Ｒ２２を有している。
セル毎のこれら各特性定数がすべて一致すれば、直列に接続した回路での電圧分担は均一となるが、実際の製造工程で、これら全ての定数を合わせるには、製造された多数のセルの中から特定のセルを選択抽出して組み合わせる必要があり、経済的でない。
【００１５】
従って、一定範囲の定数のばらつきは避けられず、このばらつきにより分担電圧が異なってくる。
図２はＣ１１が３０００Ｆ、Ｃ２１が３３００Ｆ、Ｒ１１とＲ２１がいずれも０．０１Ω、Ｒ１１が１０００Ω、Ｒ２２が２０００Ωと仮定して一定電流で充電しＤＣ６Ｖ電圧を印加し続ける時の電圧分担の状態を示している。充電電圧はＤＣ６Ｖで、Ｃ１とＣ２の電圧はそれぞれＤＣ３．１３ＶとＤＣ２．８７Ｖで静電容量の逆比で分担され、２０００秒付近でもＤＣ３．１２ＶとＤＶ２．８８Ｖで、ほぼ変わりはない。
しかし、更に時間が経過すると、図３に示すように０．６×１０６秒付近で両電圧は同一になり、その後両者の電圧は反転し、更に時間の経過と共に分担電圧はその偏差が大きくなり、時間２×１０６秒ではＤＣ２．７２ＶとＤＣ３．２８Ｖとなる。これは図４に示すように時間２×１０７秒（約２３１日に相当）では充電電圧がＤＣ６Ｖで、分担電圧がそれぞれＤＣ２．０ＶとＤＣ４．０Ｖと漏洩抵抗に比例し容量比とは関係なく電圧分担され各セルの規定電圧以上の電圧がＣ２に常時印加されることになる。
【００１６】
このように時間の経過に連れて漏洩抵抗に比例してセルの分担電圧が決まる特性は、その途中で充放電を繰り返しても分担電圧は元の充電初期の静電容量の逆比で決まる電圧には戻らない。この様子を図５に示す。
これは、図１の電気二重層キャパシタ回路にて、セルＣ１とＣ２に直流電源より一定電圧ＤＣ６Ｖを印加した状態で更にセルから図１では図示しない負荷に放電した時のセルの分担電圧を示している。時間０．２５×１０７、０．５０×１０７、１．０×１０７、１．５×１０７にて負荷に放電しその後直ぐに直流電源より充電されている。例えば、時間１．０×１０７時点でセルＣ２は分担電圧ＤＣ３．９Ｖから負荷に放電し、一旦ＤＣ１．３９Ｖまで低下した後、再充電によりもとのＤＣ３．９Ｖとなり漏洩抵抗に基づく分担電圧に戻っており、充電初期の静電容量偏差に基づく分担電圧ＤＣ２．８７Ｖにはリセットされない。
【００１７】
同じく、セルＣ１は分担電圧ＤＣ２．１２Ｖから負荷に放電し、一旦ＤＣ−０．６３Ｖまで低下した後、再充電によりもとのＤＣ２．１２Ｖとなり漏洩抵抗に基づく分担電圧に戻っており、充電初期の静電容量偏差に基づく分担電圧ＤＣ３．１２Ｖにはリセットされない。
【００１８】
図６は、図５で得られたセルＣ１とＣ２の印加電圧の比率の経過特性を表したものである。この比率は各セルの漏洩抵抗Ｒ１２とＲ２２の比率１０００Ω／２０００Ωの０．５に収斂している。
この様に充電初期に静電容量の逆比で分担された電圧比率は、時間の経過とともに漏洩抵抗で決まる比率に変化していく。
【００１９】
本願発明は以上で示した各特性を踏まえてなされたもので、直列に接続されるキャパシタの漏洩抵抗を等価的に均一化することで、長期にわたって均等な分担電圧を安定して維持せしめるものである。
【００２０】
以下、この発明の実施の形態１におけるキャパシタ蓄電装置を図７に基づき説明する。
図７において、Ｃ１１〜Ｃ４３は各キャパシタセルで、図示は省略しているが、図１で説明したと同様、それぞれ直列抵抗、漏洩抵抗を有している。ここでは、各段毎に４個のセルを並列に接続して単位のモジュールＣＭ１、ＣＭ２、ＣＭ３を構成し、この単位モジュールに対して分圧抵抗２４を接続している。そして、このモジュールと分圧抵抗とを並列に接続したものを複数段（ここでは３段）直列に接続してキャパシタ蓄電装置を構成している。
【００２１】
各単位モジュールＣＭ１〜３を構成するセルは、モジュールとしての静電容量が互いに極力等しくなるようその組み合わせが決定されるが、漏洩抵抗についてもセルを複数個毎にまとめることでモジュールとしての漏洩抵抗のばらつきは確率的に小さくなる。この分圧抵抗２４の抵抗値としては、後段で更に詳述するが、キャパシタの漏洩抵抗との並列合成抵抗値が直列の各段でほぼ等しくなるような値に設定されることから、キャパシタの漏洩抵抗のばらつきに依存することになる。
このことから、例えば、図８に示すように、各セル毎に分圧抵抗２４を接続し、これを３段直列にしたものを単位モジュールＣＭ１等とし、この単位モジュールを４個並列接続して図７と同容量のキャパシタ蓄電装置を構成する場合には、電圧を均等化すべき対象のキャパシタの漏洩抵抗のばらつきが単位セルのままの比較的大きな値になるので、結果として、分圧抵抗２４の抵抗値としては、図７の場合より小さい値に設定せざるを得ず、その分この分圧抵抗２４で発生する損失が増大するという欠点がある。
【００２２】
次に、分圧抵抗の抵抗値をいかに設定すべきかについて説明する。上述した通り、分圧抵抗は、直列接続された各段のキャパシタの長時限における電圧分担を決定する漏洩抵抗のばらつきを実質的に解消するためのものであり、この意味で、分圧抵抗の抵抗値は、キャパシタの漏洩抵抗との合成抵抗値が各段でほぼ等しくなる値に設定する必要がある。具体的には、キャパシタの漏洩抵抗値の１／１０程度以下にすればよい。
【００２３】
一方、分圧抵抗値として、漏洩抵抗値の１／１０以下にすれば、いくら小さくしても上記合成抵抗値を均等化するという条件は満足するが、この分圧抵抗に分流する電流、従って損失が増大し、従来技術で指摘した問題点が再起する。これは、分圧抵抗がキャパシタの容量偏差に伴う電圧偏差をも吸収してしまうほどにその抵抗値が小さいからである。従って、分圧抵抗値としては、初期充電時における各段のキャパシタの電圧分担率が各段のキャパシタの容量偏差に応じて定まる電圧分担率とほぼ等しくなる値にとどめる必要がある。換言すれば、分圧抵抗を接続することによって、初期充電時の各段の電圧分担率にほとんど影響を及ぼさないようにする訳である。具体的には、初期充電時における分圧抵抗への分流率が１０％程度以下となるように設定する。
なお、初期充電動作とは、キャパシタが未充電、即ち、電圧零の状態から定電流を流して充電を開始するので、キャパシタ電圧は時間に比例して上昇する。従って、キャパシタに並列に接続された分圧抵抗に流れる電流の割合である分流率は零から時間の経過と共に上昇し、初期充電動作の末期において最大となる。従って、上記で、初期充電時における分圧抵抗への分流率が１０％程度以下となるように設定する、ということは、当然ながら、初期充電動作末期における分圧抵抗への分流率を問題としており、その値を１０％程度以下とすることと同義である。
【００２４】
以上をまとめると、分圧抵抗の抵抗値は以下の要領で設定すべきである。即ち、
キャパシタ蓄電装置の初期充電時における各段の電圧分担率が各段のキャパシタの容量偏差に応じて定まる電圧分担率とほぼ等しくなる、更に具体的数値で表現すると、上記初期充電動作末期における分圧抵抗への分流率が１０％以下となる、そのような抵抗値を、分圧抵抗の下限値とする。
そして、キャパシタの漏洩抵抗との合成抵抗値が各段でほぼ等しくなる、更に具体的数値で表現すると、各キャパシタの漏洩抵抗値の１０％以下となる、そのような抵抗値を、分圧抵抗の上限値とする。
以上の条件を具備する抵抗値を有する分圧抵抗を設けることにより、損失が少なく、しかも各段の電圧分担が長期にわたって均等化される信頼性の高いキャパシタ蓄電装置を実現することができる。
【００２５】
図９は、図１で例示したと同じ特性のもつキャパシタセルＣ１、Ｃ２に、それぞれ本願発明になる分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２を接続してキャパシタ蓄電装置を構成したもので、ここでは、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値は１００Ωとしている。即ち、実際の電気二重層キャパシタの一例では、セルの漏洩抵抗は、２０００Ωを中心に±１０００Ω程度の偏差があり、ここでは、その最低値１０００Ωの１／１０である１００Ωを分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２の設定値とした。
【００２６】
図１０は図１で用いたキャパシタ定数のままで、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２をそれぞれ同じ１００Ωで使用した場合の分担電圧均一化効果を示している。
充電時はキャパシタの静電容量の逆比でＣ１、Ｃ２がそれぞれＤＣ３．１３ＶとＤＣ２．８７Ｖと電圧分担していたが、時間の経過に連れて漏洩抵抗との合成分圧抵抗値９０．９１Ωと９５．２４Ωに比例し時間２×１０７秒（約２３１日に相当）ではＤＣ２．９２ＶとＤＣ３．０７Ｖになりほぼ均一化して安定化している。
【００２７】
なお、分圧抵抗として１００Ωという値は、小さ過ぎて分流（漏れ）電流が一見大きいように思えるが、この種キャパシタセルはＤＣ３Ｖ回路に使用するので３／１００＝３０ｍＡ程度であり、実際の充放電電流を１０Ａ以上にする回路では、その０．３％以下の漏れ電流であり全体の効率としては問題になるレベルではない。
従来のように、充電電流をすべて分流抵抗に分流させ電圧が規定値を越えないようにする場合は、当該充電電流を１０Ａ、セル電圧を３Ｖとすると、分流抵抗値を３／１０＝０．３Ω以下に設定する必要があり、抵抗器の容量、発生損失も極めて大きくならざるを得ない。
【００２８】
以上のように、この発明の実施の形態１に係るキャパシタ蓄電装置は、図７に示すように、各段のモジュールを、複数のキャパシタセルを並列に接続したもので構成することにより、各段の容量偏差を極力小さく抑え、各段のモジュール毎に、上述した所定の抵抗値に設定された分圧抵抗を接続するという簡便な構成により、大きな抵抗損失を発生することなく、初期充電時においても、また、長期間にわたっても、各段のキャパシタの電圧は均等に保たれ、高効率で信頼性が向上する。
【００２９】
実施の形態２．
図１１はこの発明の実施の形態２におけるキャパシタ蓄電装置を示す構成図である。先のキャパシタ蓄電装置が長期間継続して使用される場合の保護対策を備えたものである。即ち、ここでは、各段のキャパシタセルの電圧を検出する電圧検知回路２７、２８を備え、その検出値がキャパシタの耐量から設定された規定電圧を超えるとリレー２９または３０が動作してその接点２９Ａまたは３０Ａが開路してキャパシタ蓄電装置を直流電源２０から切り離す。
【００３０】
長期課電使用時における、キャパシタセルの特性劣化により、その漏洩抵抗や容量が大幅に変化して各段の分担電圧が不均一となることを想定し、これを放置した場合に規定電圧を越えたセルから順次雪崩的にバンク破壊に至る現象を未然に防止するものである。例えば、負荷の停電対策として、常時電圧が印加される、いわゆるフローティング回路で使用されるキャパシタ蓄電装置に適用することで、機器の安全性が向上する利点がある。
【００３１】
実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３におけるキャパシタ蓄電装置を示す構成図である。先の実施の形態１では、直列接続される各段のキャパシタの容量偏差は一定限度以内に抑えられていることを前提にしたものであるが、装置によっては必ずしもこの容量偏差が十分小さい範囲にとどまらない場合、また、容量偏差にかかわらず、初期充電時の各段キャパシタの電圧を確実に合わせたい場合がある。この実施の形態３は、このようなケース、要請に応えるもので、常に、初期充電時から長期にわたって、各段の電圧を確実に均一化できるキャパシタ蓄電装置を提供するものである。
【００３２】
図１２において、セル２２、２３、分圧抵抗２４は、先の図９と同一のものである。また、電圧検出器７、８、分流抵抗９、１０（Ｒ）、半導体スイッチ１１、１２（Ｔ１）、ダイオード１３、１４（Ｔ２）は、図１４と同一のものであり個々の説明は省略する。３１は例えば、電鉄の饋電回路を想定し、これを定電圧源Ｅ（饋電変電所に相当）、変動負荷抵抗ＲＬ（列車に相当）および線路抵抗ＲＦ１、ＲＦ２からなる等価回路で模擬することでキャパシタ蓄電装置から見た直流電源とみなしたもので、スイッチＳＷ１を介してキャパシタ蓄電装置と接続される。３２は一定の充電電流を供給する充電装置で、スイッチＳＷ２を介してキャパシタ蓄電装置と接続される。
【００３３】
次に動作について説明する。先ず、各キャパシタＣ１、Ｃ２に電荷がない状態から規定電圧にまで充電する初期充電の動作について説明する。
スイッチＳＷ１を開、スイッチＳＷ２を閉にして充電装置３２から一定の充電電流を直列接続されたキャパシタに供給する。
【００３４】
キャパシタの容量偏差により、例えば、セルＣ１の電圧が先に規定電圧に達すると、電圧検出器７がこれを検知して半導体スイッチＴ１をオンして充電電流を分流抵抗Ｒに分流させセルＣ１の電圧を規定電圧に保つ。その後、セルＣ２の電圧が規定電圧に達すると充電動作を終了する。
ところで、この場合の充電電流値は、後述する、スイッチＳＷ１を閉路してキャパシタ蓄電装置を運用状態とした場合に各キャパシタに流れる負荷電流値と無関係に設定することができる。従って、分流抵抗Ｒや半導体スイッチＴ１等のバイパス回路機器を、負荷電流よりは十分小さい値に設定し得る、充電装置３２からの充電電流を流し得るもので足り、このバイパス回路の実現が技術的、経済的に容易となる。
【００３５】
初期充電が終了すると、スイッチＳＷ１を閉じスイッチＳＷ２を開いて、キャパシタ蓄電装置としての運用動作に移行し、半導体スイッチＴ１は電圧の如何に拘わらずオフとしてバイパス回路を開の状態に保つ。この運用動作においては、直流電源３１内の負荷変動に基づく電圧変動に応じて、直流電源３１からキャパシタ蓄電装置への充電動作およびキャパシタ蓄電装置から直流電源３１への放電動作を繰り返すことになる。そして、この充放電動作とともに、キャパシタ蓄電装置の電圧、従って、各キャパシタの電圧は変動するが、ここでは初期充電終了時点で各段のキャパシタ電圧は均一化されており、かつ、分圧抵抗２４によって各キャパシタの漏洩抵抗は実質的に均一化されているので先に図５の特性図で説明した通り、充放電後の回復時の電圧は各段のキャパシタで均一となりこの状態が継続する。
【００３６】
なお、以上ではキャパシタ蓄電装置の運用動作時は、半導体スイッチＴ１を常にオフするものとしたが、何らかの原因で直流電源３１からの電圧が過電圧状態になり得ること、また、特定のキャパシタの劣化で、他のキャパシタに正常時より高い電圧が印加され得ること等を考慮して、そのような異常発生時には、キャパシタを保護するため半導体スイッチＴ１をオンさせてキャパシタの電圧上昇を抑制するようにしてもよい。この場合、分流抵抗Ｒの抵抗値を、キャパシタ蓄電装置を直流電源３１に接続した場合に当該分流抵抗Ｒでバイパスしたときに流れる電流が、初期充電時に充電装置３２から供給される定電流値以下になるように設定しておけば、これらバイパス回路機器の電流容量を、先に説明した初期充電時でのその本来の責務を越えない範囲にとどめることができる。
【００３７】
実施の形態４．
図１３はこの発明の実施の形態４におけるキャパシタ蓄電装置を示す構成図である。実施の形態３の図１２と異なるのは、バイパス回路の分流抵抗Ｒに替えて、調整キャパシタＣＰを接続している点のみである。即ち、セルＣ１、Ｃ２のキャパシタの偏差に基づき容量の小さいキャパシタの電圧が規定電圧に達すると、半導体スイッチＴ１をオンして調整キャパシタＣＰを投入し電圧の上昇を抑える訳である。
【００３８】
ここで、調整キャパシタＣＰの容量は例えば以下の要領で設定する。即ち、各セルキャパシタの公称容量をＣａ、この公称容量に対する容量ばらつきを±ｐａ％、各調整キャパシタの公称容量をＣｂ、この公称容量に対する容量ばらつきを±ｐｂ％としたとき、下式
Ｃｂ≧２・Ｃａ・ｐａ／（１００−ｐｂ）
を満足する値を設定する。
【００３９】
初期充電および運用動作への移行に係る動作は、先の実施の形態３と同様であるので説明を省略する。但し、運用動作時には、半導体スイッチＴ１は常にオンにしてバイパス回路を形成する状態にする。
この場合も、実施の形態３と同様の効果を奏するとともに、各段の電圧均等化を、調整キャパシタＣＰにバイパスすることで行うので、抵抗損失を発生することがなく、実施の形態３に比較して損失をより低減して効率の向上が期待できる。
【００４０】
なお、キャパシタ蓄電装置の運用動作時における過電流の発生等の可能性を考慮して、図示は省略するが、図１３の半導体スイッチＴ１と並列にバイパススイッチを接続しておくことにより、一般に電流耐量に厳しい半導体スイッチＴ１およびダイオードＴ２を過電流から保護することができる。即ち、このバイパススイッチは初期充電動作時は開路しておき、上述した電圧検出器に基づく半導体スイッチＴ１のスイッチング動作で電圧の均一化を図り、初期充電終了後、運用動作に移行するとこのバイパススイッチを閉路状態に保持する。
これにより、たとえ調整キャパシタＣＰのバイパス回路に初期充電時の定電流値を越える電流が流れても、この電流は、半導体スイッチＴ１およびダイオードＴ２に並列に接続したバイパススイッチに流れ半導体スイッチＴ１、ダイオードＴ２に流れることはない。従って、このバイパススイッチを、金属導体形で容易に大きな電流耐量のものを実現し得るもので構成することにより、半導体スイッチＴ１およびダイオードＴ２の必要電流耐量を、初期充電時の定電流値のレベルにとどめることができ、経済的技術的にその実現が一層容易となる。
【００４１】
なお、上記各実施の形態では、キャパシタとして電気二重層キャパシタを用いたもので説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。また、キャパシタ蓄電装置を形成するための、複数の単位キャパシタの直並列構成は、各図の例のものに限られるものではないことは勿論である。
更に、キャパシタ蓄電装置の運用対象の直流電源は、例えば図１２等に示した回路構成のものに限られることはなく、また、電鉄の饋電回路を想定したものに限られるものでもない。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係るキャパシタ蓄電装置は、複数のキャパシタを複数段に直列接続してなり、直流電源に接続されて運用され、
定電流を出力して上記キャパシタ蓄電装置の初期充電を行う充電装置、および上記初期充電時、上記複数の各段のキャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタをバイパスするバイパス手段を備えたキャパシタ蓄電装置において、
上記複数の各段のキャパシタと並列に接続された分圧抵抗を備え、
この分圧抵抗の抵抗値は、上記キャパシタ蓄電装置の初期充電時の回路におけるキャパシタの容量成分と直列抵抗成分とで決まる時定数でなされる初期充電動作末期における上記分圧抵抗への分流率が１０％以下となることをその下限値の設定基準とし、上記各キャパシタの漏洩抵抗値の１０％以下となることをその上限値の設定基準とするので、抵抗損失の少ない最適な分圧抵抗の設定が容易になされ、かつ、初期充電時から長期にわたって、各段のキャパシタの電圧を確実に均一化できる。
更に、そのバイパス手段は、複数の各段のキャパシタの電圧を検出する電圧検出器、および上記複数の各段のキャパシタの端子間に接続された分流抵抗と分流スイッチとの直列接続体を備え、
初期充電は、上記直流電源との接続を断ち上記充電装置から定電流を出力して行い、この初期充電時、上記キャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタに接続された分流スイッチを閉路することにより上記複数の各段のキャパシタの電圧をすべて上記規定電圧にまで充電し、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記直流電源に接続して運用動作に移行するので、複数段のキャパシタの容量偏差に基づく初期充電時の電圧ばらつきが解消し、初期充電からその後の長期にわたる運用時において常に安定した均等電圧分担特性が得られる。
更に、上記キャパシタ蓄電装置に上記直流電源を接続したとき上記分流抵抗に流れる電流が、初期充電時に充電装置から出力される定電流値以下になるよう、上記分流抵抗の抵抗値を設定したので、分流抵抗および分流スイッチの必要電流耐量を初期充電後の低いレベルにとどめることが可能となり、これら分流回路構成の実現が経済的技術的に容易となる。
【００４３】
また、この発明に係るキャパシタ蓄電装置は、複数のキャパシタを複数段に直列接続してなり、直流電源に接続されて運用され、
定電流を出力して上記キャパシタ蓄電装置の初期充電を行う充電装置、および上記初期充電時、上記複数の各段のキャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタをバイパスするバイパス手段を備えたキャパシタ蓄電装置において、
上記複数の各段のキャパシタと並列に接続された分圧抵抗を備え、
この分圧抵抗の抵抗値は、上記キャパシタ蓄電装置の初期充電時の回路におけるキャパシタの容量成分と直列抵抗成分とで決まる時定数でなされる初期充電動作末期における上記分圧抵抗への分流率が１０％以下となることをその下限値の設定基準とし、上記各キャパシタの漏洩抵抗値の１０％以下となることをその上限値の設定基準とするので、抵抗損失の少ない最適な分圧抵抗の設定が容易になされ、かつ、初期充電時から長期にわたって、各段のキャパシタの電圧を確実に均一化できる。
更に、そのバイパス手段は、複数の各段のキャパシタの電圧を検出する電圧検出器、および上記複数の各段のキャパシタの端子間に接続された分流抵抗と分流スイッチとの直列接続体を備え、
初期充電は、上記直流電源との接続を断ち上記充電装置から定電流を出力して行い、この初期充電時、上記キャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタに接続された分流スイッチを閉路することにより上記複数の各段のキャパシタの電圧をすべて上記規定電圧にまで充電し、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記直流電源に接続して運用動作に移行するので、複数段のキャパシタの容量偏差に基づく初期充電時の電圧ばらつきが解消し、初期充電からその後の長期にわたる運用時において常に安定した均等電圧分担特性が得られる。
更に、初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記キャパシタの電圧の如何に拘らず分流スイッチを開路状態に保持するとともに、上記直流電源に接続して運用動作に移行するので、分流回路には初期充電後は電流が流れず、これら分流回路構成の実現が経済的技術的に容易となる。
【００４４】
また、この発明に係るキャパシタ蓄電装置は、複数のキャパシタを複数段に直列接続してなり、直流電源に接続されて運用され、
定電流を出力して上記キャパシタ蓄電装置の初期充電を行う充電装置、および上記初期充電時、上記複数の各段のキャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタをバイパスするバイパス手段を備えたキャパシタ蓄電装置において、
上記複数の各段のキャパシタと並列に接続された分圧抵抗を備え、
この分圧抵抗の抵抗値は、上記キャパシタ蓄電装置の初期充電時の回路におけるキャパシタの容量成分と直列抵抗成分とで決まる時定数でなされる初期充電動作末期における上記分圧抵抗への分流率が１０％以下となることをその下限値の設定基準とし、上記各キャパシタの漏洩抵抗値の１０％以下となることをその上限値の設定基準とするので、抵抗損失の少ない最適な分圧抵抗の設定が容易になされ、かつ、初期充電時から長期にわたって、各段のキャパシタの電圧を確実に均一化できる。
更に、そのバイパス手段は、複数の各段のキャパシタの電圧を検出する電圧検出器、および上記複数の各段のキャパシタの端子間に接続された調整キャパシタと分流スイッチとの直列接続体を備え、
初期充電は、上記直流電源との接続を断ち上記充電装置から定電流を出力して行い、この初期充電時、上記キャパシタの電圧が所定の規定電圧に達したとき当該キャパシタに接続された分流スイッチを閉路することにより上記複数の各段のキャパシタの電圧をすべて上記規定電圧にまで充電し、
初期充電終了後、上記充電装置を切り離し、上記直流電源に接続して運用動作に移行するので、抵抗損失を伴うことなく複数段のキャパシタの容量偏差に基づく初期充電時の電圧ばらつきが解消し、初期充電からその後の長期にわたる運用時において常に安定した均等電圧分担特性が得られる。
【００４５】
また、この発明に係るキャパシタ蓄電装置は、分流スイッチと並列に接続されたバイパススイッチを備え、
初期充電は上記バイパススイッチを開路した状態で行い、初期充電終了後、充電装置を切り離し、上記バイパススイッチを閉路状態に保持するとともに、直流電源に接続して運用動作に移行するので、分流スイッチに例えば半導体スイッチを適用してもその必要電流耐量を初期充電時の低いレベルにとどめることが可能となり、これら分流回路構成の実現が経済的技術的に容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  キャパシタのセルを２個直列に接続して充電する場合の回路を示す図である。
【図２】  図１の回路における比較的短時間レベルでの充電電圧特性を示す図である。
【図３】  図１の回路における比較的長時間レベルでの充電電圧特性を示す図である。
【図４】  図１の回路における更に長時間レベルでの充電電圧特性を示す図である。
【図５】  図１の回路で、充放電を繰り返した場合の充電電圧特性を示す図である。
【図６】  図５の場合の各キャパシタの電圧比の時間変化特性を示す図である。
【図７】  この発明の実施の形態１におけるキャパシタ蓄電装置の基本構成を示す図である。
【図８】  図７との比較を説明するために例示した図である。
【図９】  この発明の実施の形態１におけるキャパシタ蓄電装置を示す図である。
【図１０】  図９の長期充電電圧特性を示す図である。
【図１１】  この発明の実施の形態２におけるキャパシタ蓄電装置を示す図である。
【図１２】  この発明の実施の形態３におけるキャパシタ蓄電装置を示す図である。
【図１３】  この発明の実施の形態４におけるキャパシタ蓄電装置を示す図である。
【図１４】  従来のキャパシタ蓄電装置を示す図である。
【図１５】  図１４の充放電特性を示す図である。
【符号の説明】
７，８  電圧検出器、９，１０  分流抵抗（Ｒ）、
１１，１２  半導体スイッチ（Ｔ１）、１３，１４  ダイオード（Ｔ２）、
２０，３１  直流電源、２２，２３  キャパシタセル（Ｃ１、Ｃ２）、
２４  分圧抵抗（Ｒ１、Ｒ２）、２７，２８  電圧検知回路、
２９，３０  リレー（Ｒｙ１、Ｒｙ２）、３２  充電装置、
３３，３４  調整キャパシタ（ＣＰ）、Ｒ１２，Ｒ２２  漏洩抵抗。
【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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【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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