JP2000308271A

JP2000308271A - エネルギー移送装置、充電装置および電源装置

Info

Publication number: JP2000308271A
Application number: JP11113235A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Yasuzawa; 精一安沢
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: JP3280635B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高い信頼性を有し確実かつ容易にエネルギー
を移送することができ、加えて安価で小型に構成できる
エネルギー移送装置を提供する。【解決手段】少なくとも巻線３ａ〜３ｄおよびスイッ
チ手段Ｓａ〜Ｓｄを直列接続してなる直列回路を複数有
すると共に複数の直列回路の各々を複数のエネルギー蓄
積手段Ｃａ〜Ｃｄの各々にそれぞれ並列接続可能に構成
され、複数の巻線３ａ〜３ｄは、互いにそれぞれ磁気結
合され、複数のスイッチ手段Ｓａ〜Ｓｄは、互いに同期
してそれぞれスイッチング制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のエネルギー
蓄積手段に接続されて、そのエネルギー蓄積手段相互間
においてエネルギーを移送するエネルギー移送装置、お
よび充電装置に関し、詳しくは、複数のエネルギー蓄積
手段の両端電圧を平均化するのに適したエネルギー移送
装置、並びにそのエネルギー移送装置を用いた充電装置
および電源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のエネルギー移送装置として、例
えば、特開平７−３２２５１６号公報に記載された移送
装置６１が従来から知られている。この移送装置６１
は、図１１に示すように、複数のコンデンサＣ１〜Ｃ４
のうちの任意の１つの蓄積エネルギーを他のコンデンサ
に移送することによってコンデンサＣ１〜Ｃ４の蓄積エ
ネルギーを平均化可能に構成されている。具体的には、
移送装置６１は、コンデンサＣ１に並列接続されたチョ
ークコイルＬ１およびスイッチＳＷ１の直列回路と、チ
ョークコイルＬ１を介してコンデンサＣ２に接続された
スイッチＳＷ２１と、コンデンサＣ２に並列接続された
チョークコイルＬ２およびスイッチＳＷ２２の直列回路
と、コンデンサＣ３に並列接続されたチョークコイルＬ
３およびスイッチＳＷ３１の直列回路と、チョークコイ
ルＬ２を介してコンデンサＣ３に接続されたスイッチＳ
Ｗ３２と、チョークコイルＬ３を介してコンデンサＣ４
に接続されたスイッチＳＷ４とを備えている。

【０００３】この移送装置６１では、例えば、コンデン
サＣ４の蓄積エネルギーをコンデンサＣ１に移送する際
には、まず、スイッチＳＷ４をオン状態に制御する。こ
の際には、同図に示すように電流Ｉ61が流れることによ
ってチョークコイルＬ３が励磁される。次いで、スイッ
チＳＷ４およびスイッチＳＷ３１を同時にオフ状態およ
びオン状態にそれぞれ制御することにより、チョークコ
イルＬ３の励磁エネルギーに基づく電流Ｉ62が流れてコ
ンデンサＣ３が充電される。次に、スイッチＳＷ３１を
オフ状態に制御した後、スイッチＳＷ３２をオン状態に
制御する。これにより、電流Ｉ63が流れることによって
チョークコイルＬ２が励磁される。続いて、スイッチＳ
Ｗ３２およびスイッチＳＷ２２を同時にオフ状態および
オン状態にそれぞれ制御することにより、チョークコイ
ルＬ２の励磁エネルギーに基づく電流Ｉ64が流れてコン
デンサＣ２が充電される。次いで、スイッチＳＷ２２を
オフ状態に制御した後、スイッチＳＷ２１をオン状態に
制御する。これにより、電流Ｉ65が流れることによって
チョークコイルＬ１が励磁される。最後に、スイッチＳ
Ｗ２１およびスイッチＳＷ１を同時にオフ状態およびオ
ン状態にそれぞれ制御することにより、チョークコイル
Ｌ１の励磁エネルギーに基づく電流Ｉ66が流れてコンデ
ンサＣ１が充電される。この結果、コンデンサＣ４の蓄
積エネルギーがコンデンサＣ１に移送される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来の
移送装置６１には、以下の問題点がある。すなわち、移
送装置６１では、例えば、コンデンサＣ４からコンデン
サＣ３にエネルギーを移送する際に、スイッチＳＷ４お
よびスイッチＳＷ３１を同時にオフ状態およびオン状態
に制御する必要がある。この場合、スイッチＳＷ４のオ
フ状態に先立ってスイッチＳＷ３１がオン状態に制御さ
れると、コンデンサＣ３，Ｃ４がスイッチＳＷ４，ＳＷ
３１を介して短絡することによって、両コンデンサＣ
３，Ｃ４の蓄積エネルギーが損失する。一方、スイッチ
ＳＷ３１のオン状態に先立ってスイッチＳＷ４がオフ状
態に制御されると、スイッチＳＷ４の両端に極めて高電
圧が発生することによって、スイッチＳＷ４が破損す
る。このように、従来の移送装置６１には、スイッチＳ
１〜ＳＷ４のオン／オフ制御のタイミングが少しでもず
れると、回路の短絡や回路部品の破損を招くと共にエネ
ルギーを移送することができないという問題点がある。

【０００５】また、コンデンサＣ４からコンデンサＣ１
にエネルギーを移送する際に、スイッチＳＷ４〜ＳＷ１
を正確なタイミングで何度もオン／オフ制御しなければ
ならない。このため、移送装置６１には、スイッチの制
御が煩雑であるという問題点もある。

【０００６】さらに、移送装置６１では、４つのコンデ
ンサＣ１〜Ｃ４相互間においてエネルギーを移送するた
めに６つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を使用する必要があ
る。この場合、多数のコンデンサ相互間でのエネルギー
移送を考えると、スイッチの数は、そのコンデンサの数
の約２倍となる。このため、従来の移送装置６１には、
スイッチ数が多く、高価で大型化するという問題点もあ
る。

【０００７】本発明は、かかる問題点を解決すべくなさ
れたものであり、高い信頼性を有し確実かつ容易にエネ
ルギーを移送することができ、加えて安価で小型に構成
できるエネルギー移送装置、充電装置および電源装置を
提供することを主目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく請
求項１記載のエネルギー移送装置は、少なくとも巻線お
よびスイッチ手段を直列接続してなる直列回路を複数有
すると共にその複数の直列回路の各々を複数のエネルギ
ー蓄積手段の各々にそれぞれ並列接続可能に構成され、
複数の巻線は、互いにそれぞれ磁気結合され、複数のス
イッチ手段は、互いに同期してそれぞれスイッチング制
御されることを特徴とする。

【０００９】請求項２記載のエネルギー移送装置は、請
求項１記載のエネルギー移送装置において、複数の巻線
を有するトランスを備え、トランスは、スイッチ手段が
オフ状態に制御されたときにトランスの蓄積エネルギー
をエネルギー蓄積手段に放出するエネルギー放出用巻線
をさらに備えていることを特徴とする。

【００１０】請求項３記載のエネルギー移送装置は、請
求項２記載のエネルギー移送装置において、各巻線に
は、エネルギー放出用巻線がそれぞれ直列接続され、各
エネルギー放出用巻線は、対応する巻線に接続されてい
るエネルギー蓄積手段にトランスの蓄積エネルギーをそ
れぞれ放出することを特徴とする。

【００１１】請求項４記載のエネルギー移送装置は、請
求項２記載のエネルギー移送装置において、巻線とスイ
ッチ手段とからそれぞれ構成される第１〜第Ｎの直列回
路（Ｎは整数）を直列接続すると共にその直列接続回路
に第（Ｎ＋１）の巻線としてのエネルギー放出用巻線を
さらに直列接続し、第Ｍの巻線（Ｍは２以上（Ｎ＋１）
以下の整数）および一方向性素子を介して第（Ｍ−１）
の巻線に接続されているエネルギー蓄積手段にトランス
の蓄積エネルギーを放出可能に構成されていることを特
徴とする。

【００１２】請求項５記載のエネルギー移送装置は、請
求項２から４のいずれかに記載のエネルギー移送装置に
おいて、トランスは、リーケージトランスであることを
特徴とする。この場合、リーケージトランスは、鉄心に
ギャップを形成したり、各巻線の磁気的結合を適度に保
つことによって容易に構成することができる。

【００１３】請求項６記載のエネルギー移送装置は、請
求項１から５のいずれかに記載のエネルギー移送装置に
おいて、エネルギー蓄積手段は、二次電池またはコンデ
ンサであることを特徴とする。この場合、二次電池に
は、リチウムイオン電池やリチウムポリマ電池などが含
まれ、コンデンサには、電気二重層コンデンサなどが含
まれる。

【００１４】請求項７記載のエネルギー移送装置は、請
求項１から６のいずれかに記載のエネルギー移送装置に
おいて、巻線は、同一巻数でそれぞれ構成されているこ
とを特徴とする。

【００１５】請求項８記載のエネルギー移送装置は、請
求項１から７のいずれかに記載のエネルギー移送装置に
おいて、スイッチ手段は、電界効果トランジスタまたは
バイポーラトランジスタで構成されていることを特徴と
する。

【００１６】請求項９記載の充電装置は、請求項１から
８のいずれかに記載のエネルギー移送装置を備え、複数
の充電対象体の各々の両端に直列回路をそれぞれ並列接
続可能に構成されていることを特徴とする。

【００１７】請求項１０記載の電源装置は、請求項１か
ら８のいずれかに記載のエネルギー移送装置を備え、複
数のエネルギー蓄積手段は、コンデンサおよびバッテリ
ーのいずれかでそれぞれ構成され、所定の１つのエネル
ギー蓄積手段の蓄積エネルギーを他のエネルギー蓄積手
段に対して分配することを特徴とする。

【００１８】請求項１１記載の電源装置は、請求項１０
記載の電源装置において、複数のエネルギー蓄積手段の
いずれか１つの端子間電圧が所定電圧に安定化制御され
ていることを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係るエネルギー移送装置、充電装置および電源装置
の好適な実施の形態について説明する。

【００２０】最初に、本発明に係るエネルギー移送装置
の動作原理について、図１を参照して説明する。

【００２１】同図に示すように、移送装置１は、例え
ば、エネルギー蓄積手段としての４つのコンデンサＣａ
〜Ｃｄ（以下、区別しないときには、「コンデンサＣ」
という）相互間でのエネルギーの移送を可能に構成され
ている。具体的には、移送装置１は、巻線３ａ〜３ｄ
（以下、区別しないときには、「巻線３」という）を有
するトランス２を備えている。このトランス２は、各巻
線３の抵抗成分が０Ωで、かつリーケージインダクタン
スがなく、しかも励磁電流のない理想トランスとして機
能する。また、各巻線３ａ〜３ｄは、鉄心によって互い
に磁気的結合されており、巻数Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ，Ｎｄ
でそれぞれ巻き回されている。さらに、移送装置１は、
各巻線３ａ〜３ｄの巻終わり側端部とコンデンサＣａ〜
Ｃｄのマイナス側端子との間にそれぞれ接続されるスイ
ッチＳａ〜Ｓｄ（以下、区別しないときには、「スイッ
チＳ」という）を備えている。この場合、各スイッチＳ
ａ〜Ｓｄは、例えばＦＥＴやバイポーラトランジスタで
構成され、図外のスイッチング制御回路によって互いに
同期してオン／オフ制御される。

【００２２】この移送装置１では、各巻線３の各巻始め
側端部と、対応する各スイッチＳの固定接点とをコンデ
ンサＣａ〜Ｃｄの両端にそれぞれ接続し、その状態で、
スイッチング制御回路が各スイッチＳａ〜Ｓｄをスイッ
チング制御する。この際には、コンデンサＣａ〜Ｃｄの
端子間電圧ＶCa〜ＶCdと、巻線３の巻数Ｎａ〜Ｎｄとの
間には、下記の式が成立する。ＶCa：ＶCb：ＶCc：ＶCd＝Ｎａ：Ｎｂ：Ｎｃ：Ｎｄ・・・式

【００２３】したがって、スイッチＳａ〜Ｓｄのスイッ
チング時には、各コンデンサＣａ〜Ｃｄ相互間において
エネルギーの移転が行われる。具体的に、例えば、コン
デンサＣａの端子間に上記式に規定される電圧よりも
高電圧が印加された場合を例に挙げて説明する。各スイ
ッチＳａ〜Ｓｄがオン状態に制御されると、コンデンサ
Ｃａの端子間電圧ＶCaのみが上記式に応じた電圧より
も高電圧のため、コンデンサＣａのプラス側端子、巻線
３ａ、スイッチＳａおよびコンデンサＣａのマイナス側
端子からなる電流経路を電流が流れる。この場合、巻線
３ａにコンデンサＣａの端子間電圧ＶCaと等しい値の電
圧Ｖａが発生し、他の巻線３ｂ〜３ｄには、巻線３ａの
巻数Ｎａとの比率に応じた値の電圧Ｖｂ〜Ｖｄがそれぞ
れ発生する。具体的には、巻線３ｂには、値（電圧Ｖａ
×Ｎｂ／Ｎａ）の電圧Ｖｂが発生し、巻線３ｃには、値
（電圧Ｖａ×Ｎｃ／Ｎａ）の電圧Ｖｃが発生し、巻線３
ｄには、値（電圧Ｖａ×Ｎｄ／Ｎａ）の電圧Ｖｄが発生
する。

【００２４】この場合、各電圧Ｖｂ〜Ｖｄは、対応する
各端子間電圧ＶCb〜ＶCdよりもそれぞれ高電圧となる。
このため、各電圧Ｖｂ〜Ｖｄに基づく電流が、巻線３、
コンデンサＣおよびスイッチＳからなる電流経路を流れ
続けて各コンデンサＣｂ〜Ｃｄをそれぞれ充電する。次
いで、各電圧Ｖｂ〜Ｖｄと対応する各端子間電圧ＶCb〜
ＶCdとが等しい電圧に達したコンデンサＣから順次充電
が停止され、最終的には、上記式が満足される。この
結果、コンデンサＣａから他のコンデンサＣｂ〜Ｃｄへ
のエネルギーの分散移転が行われる。

【００２５】このように、この移送装置１によれば、エ
ネルギー蓄積手段と同数の巻線３およびスイッチＳで構
成することができるため、回路部品数を少なくすること
ができる結果、装置の小型、低価格化を達成することが
できる。また、スイッチＳａ〜Ｓｄを同期してスイッチ
ング制御するだけでよいため、その制御が容易になると
共に、短絡事故を招くことがないため、コンデンサＣａ
〜Ｃｄ相互間でのエネルギーの移転を高い信頼性で確実
に行うことができる。

【００２６】次に、現実的なトランスを用いた実際の回
路構成について、図２を参照して説明する。なお、以
下、移送装置１と同一の構成要素については同一の符号
を付して重複した説明を省略し、同一の動作についても
重複した説明を省略する。

【００２７】同図に示すように、移送装置１１は、各巻
線３ａ〜３ｄにそれぞれ直列接続されたリセット用巻線
（本発明におけるエネルギー放出用巻線に相当する）４
ａ〜４ｄ（以下、区別しないときには、「リセット用巻
線４」という）を有するトランス２ａと、リセット電流
放出用のダイオード５ａ〜５ｄ（以下、区別しないとき
には、「ダイオード５」という）とを備えている。な
お、各巻線３ａ〜３ｄは、予め規定した各コンデンサＣ
ａ〜Ｃｄの端子間電圧ＶCa〜ＶCdが上記式を満足する
比率の巻数Ｎａ〜Ｎｄでそれぞれ巻き回される。また、
各リセット用巻線４ａ〜４ｄは、下記の式を満たす巻
数ＮＡ〜ＮＤでそれぞれ巻き回される。ＮＡ／Ｎａ＝ＮＢ／Ｎｂ＝ＮＣ／Ｎｃ＝ＮＤ／Ｎｄ・・・式この場合、比率（ＮＡ／Ｎａ）は、スイッチＳのオフ期
間においてトランス２ａが確実に磁気リセットされるよ
うに定められる。

【００２８】この移送装置１１では、スイッチＳａ〜Ｓ
ｄのオン状態制御時には、上記移送装置１と同様にし
て、上記式で規定される電圧よりも高電圧のコンデン
サＣのプラス側端子からマイナス端子側に向けて電流が
流れることにより、各コンデンサＣａ〜Ｃｄの各端子間
電圧ＶCa〜ＶCdが上記式を満たすようにエネルギーが
移送される。一方、実際のトランス２ａでは、励磁電流
が流れるため、スイッチＳのオン状態制御時には、トラ
ンス２ａが磁化される。次いで、スイッチＳａ〜Ｓｄの
オフ状態制御時には、同図に示すように、各巻線３ａ〜
３ｄおよび各リセット用巻線４ａ〜４ｄに電圧Ｖａ〜Ｖ
ｄ，ＶＡ〜ＶＤがそれぞれ発生する。この場合には、各
巻線３ａ〜３ｄが共通する鉄心によって磁気的に結合さ
れているため、各巻線には、トランス２ａの励磁エネル
ギーに基づいて、その巻数比に応じた電圧が発生する。
この際には、スイッチＳが巻線３の誘起電圧に基づく電
流の通過を阻止するため、各リセット用巻線４に誘起し
た電圧ＶＡ〜ＶＤに基づく電流Ｉａ〜Ｉｄが、各リセッ
ト用巻線４、コンデンサＣおよびダイオード５を介して
それぞれ放出される。なお、この際には、リセット用巻
線４の誘起電圧に対する端子間電圧ＶCa〜ＶCdの電圧差
が大きい順に、リセット用巻線４からコンデンサＣに対
してエネルギーが放出される。

【００２９】この結果、スイッチＳのオフ状態制御時に
も、上記式を満たす電圧よりも高電圧のコンデンサＣ
から他のコンデンサＣにエネルギーが移転されることに
より、各端子間電圧ＶCa〜ＶCdが上記式を満たすこと
になる。なお、各巻線３の巻数比を同一にした場合に
は、各コンデンサＣａ〜Ｃｄの端子間電圧ＶCa〜ＶCdを
容易に同一電圧に平均化することができる。また、比率
（ＮＡ／Ｎａ）を値１にした場合、スイッチＳを５０％
デューティーでスイッチングすることにより、理論的に
は、トランス２ａの励磁エネルギーは、スイッチＳのオ
フ期間内ですべて放出される。この結果、トランス２ａ
の磁気飽和が確実に防止される。

【００３０】また、リーケージトランスをトランス２ａ
に用いた場合、スイッチＳのオン状態制御時に各巻線３
を介して電流が流れる際に、そのリーケージインダクタ
ンスを介して電流が流れることにより、その電流のピー
ク値を適度に制限することができる。

【００３１】次に、移送装置１１を充放電装置２１に適
用した例について、図３を参照して説明する。

【００３２】充放電装置２１は、エネルギー蓄積手段と
しての直列接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）のコン
デンサまたは二次電池（コンデンサと二次電池とが混在
する複合品であってもよい）を充電すると共に、エネル
ギー蓄積手段の蓄積エネルギーを負荷Ｌに供給する。以
下、エネルギー蓄積手段として、４つの同容量のコンデ
ンサＣａ〜Ｃｄの直列接続回路を使用して、各コンデン
サＣａ〜Ｃｄの端子間電圧を同電圧に維持しつつ充電ま
たは放電させる例について説明する。

【００３３】充放電装置２１は、電気二重層型のコンデ
ンサＣａ〜Ｃｄ、トランス２ｂ、スイッチＳａ〜Ｓｄ，
Ｓ１１、ダイオード６および充電器２２を備えて構成さ
れている。この場合、トランス２ｂは、互いに同一の巻
数Ｎａ〜Ｎｄで巻き回された４つの巻線３ａ〜３ｄと、
巻線３ａの例えば４倍の巻数Ｎｅで巻き回されたリセッ
ト巻線３ｅとを備えて構成されている。また、各スイッ
チＳａ〜Ｓｄは、スイッチＳ１１の切替制御に連動制御
され、充電器２２によるコンデンサＣに対する充電時、
またはコンデンサＣから負荷Ｌへの放電時にのみ互いに
同期してスイッチング制御され、充電または放電しない
ときにはオフ状態に制御される。さらに、スイッチＳ１
１は、充電時には、可動接点が充電端子に切替制御さ
れ、放電時には、放電端子に切替制御され、かつ非充電
時および非放電時には、停止端子に切替制御される。ま
た、充電器２２は、４つのコンデンサＣａ〜Ｃｄを充電
するのに十分な電圧を出力可能に構成されている。

【００３４】この充電装置２１では、充電時において、
各スイッチＳがオン状態に制御されると、充電器２２の
出力電流は、スイッチＳ１１を介して流れることによ
り、各コンデンサＣａ〜Ｃｄを充電する。同時に、端子
間電圧が最も高電圧のコンデンサＣの蓄積エネルギーに
基づく電流が、そのコンデンサＣのプラス側端子、巻線
３、スイッチＳ、およびそのコンデンサＣのマイナス側
端子からなる電流経路を流れることにより、他のコンデ
ンサＣの端子間電圧が同一電圧に平均化されると共にト
ランス２ｂが磁化される。次いで、各スイッチＳがオフ
状態に制御されると、トランス２ｂの蓄積エネルギーに
基づいて、同図に示すように、各巻線３ａ〜３ｅに電圧
Ｖａ〜Ｖｅがそれぞれ誘起する。この場合、各電圧Ｖａ
〜Ｖｄに基づく電流は、オフ状態に制御された各スイッ
チＳａ〜Ｓｄによってその通過がそれぞれ阻止される。
したがって、電圧Ｖｅに基づく電流が、巻線３ｅの巻終
わり側端子、コンデンサＣａ〜Ｃｄ、ダイオード６、お
よび巻線３ｅの巻始め側端子からなる電流経路を流れる
ことにより、各コンデンサＣａ〜Ｃｄが充電されると共
にトランス２ｂが磁気リセットされる。この結果、端子
間電圧が最も高電圧のコンデンサＣから他のコンデンサ
Ｃにエネルギーが分散移転されることにより、各コンデ
ンサＣａ〜Ｃｄの端子間電圧が同一電圧に平均化され
る。

【００３５】一方、スイッチＳ１１が放電端子に切り替
えられると、各コンデンサＣａ〜Ｃｄは、負荷Ｌに電流
を供給することによって放電する。この際に、各スイッ
チＳａ〜Ｓｄが継続してオン／オフ制御されることによ
り、上記した各コンデンサＣａ〜Ｃｄにおける端子間電
圧の平均化が継続して行われる。したがって、各コンデ
ンサＣａ〜Ｃｄは、各スイッチＳがオン／オフ制御され
ている限り、その端子間電圧が平均化される。

【００３６】次に、エネルギー蓄積手段としてのコンデ
ンサを互いに異なる端子間電圧に維持しつつ充電または
放電させる充放電装置３１について、図４を参照して説
明する。

【００３７】この充放電装置３１は、充電器３２と、ス
イッチＳ１１と、３つの巻線３ａ，３ｂ，３ｅを有する
トランス２ｃとを備えると共に、巻線３ａとスイッチＳ
ａとの直列回路をコンデンサＣ１１の両端に接続し、巻
線３ｂとスイッチＳｂとの直列回路をコンデンサＣ１２
の両端に接続して構成されている。この場合、コンデン
サＣ１１の端子間電圧をコンデンサＣ１２のＡ倍（Ａは
正数）の電圧に維持しつつ充放電させるものとする。こ
のため、巻線３ａは、巻線３ｂのＡ倍の巻数比で巻き回
され、巻線３ｅは、巻線３ｂの（Ａ＋１）倍の巻数比で
巻き回されている。この充放電装置３１においても、充
放電装置２１と同様にして、充電時および放電時におい
て、スイッチＳのオン状態制御時およびオフ状態制御時
に、コンデンサＣ１１の端子間電圧およびコンデンサＣ
１２の端子間電圧が、上記の式に応じた電圧に維持さ
れる。

【００３８】この充放電装置３１によれば、コンデンサ
Ｃ１１，Ｃ１２を互いに異なる端子間電圧に維持しつ
つ、充電または放電させることができる。なお、各コン
デンサＣ１１，Ｃ１２は、１つのコンデンサで構成して
もよいし、複数のコンデンサの直列または並列回路で構
成することもできる。

【００３９】次に、他の実施の形態に係る充放電装置４
１について、図５を参照して説明する。

【００４０】充放電装置４１は、４つのコンデンサＣａ
〜Ｃｄ、トランス２ｂ、スイッチＳａ〜Ｓｄ，Ｓ１１、
ダイオード７ａ〜７ｄ（以下、区別しないときには、
「ダイオード７」という）および充電器２２を備えて構
成されている。この場合、充放電装置４１では、トラン
ス２ｂの巻線３とスイッチＳとからそれぞれ構成される
第１〜第Ｎ（Ｎは値４）の直列回路が直列接続されると
共に、その直列接続回路に第（Ｎ＋１）の巻線としての
リセット用の巻線３ｅがさらに直列接続され、第Ｍの巻
線３（Ｍは２以上５以下の整数）およびダイオード７を
介して第（Ｍ−１）の巻線に接続されているコンデンサ
Ｃにトランス２ｂの蓄積エネルギーを放出可能に構成さ
れている。なお、各巻線３ａ〜３ｅの巻数Ｎａ〜Ｎｅは
互いに同一巻数で巻き回され、各コンデンサＣａ〜Ｃｄ
は、互いに同じ端子間電圧に平均化されるものとする。
また、各スイッチＳは、トランス２ｂの励磁エネルギー
をオフ状態制御期間内に放出するために、そのオフ状態
制御期間がオン状態制御期間と等しいか、長い時間に制
御されるものとする。

【００４１】この充放電装置４１では、スイッチＳのオ
フ状態制御時には、巻線３ａ〜３ｅに誘起した電圧Ｖａ
〜Ｖｅに基づく電流が、第Ｍの巻線３およびダイオード
７を介して第（Ｍ−１）の巻線に接続されているコンデ
ンサＣにトランス２ｂの励磁エネルギーを放出し、この
際にも、各コンデンサＣは、上記の式に応じた電圧に
平均化される。したがって、上記した充放電装置２１で
は、スイッチＳのオン状態制御時にのみ各コンデンサＣ
の端子間電圧を平均化しているのに対し、この充放電装
置４１によれば、スイッチＳのオン状態制御時およびオ
フ状態制御時の両時において、各コンデンサＣの端子間
電圧が平均化される。したがって、各コンデンサＣの端
子間電圧をより確実かつ迅速に平均化することができ
る。

【００４２】次に、各コンデンサＣａ〜Ｃｄの端子間電
圧が相違するときに好適な充放電装置５１について、図
６を参照して説明する。

【００４３】同図に示すように、充放電装置５１では、
トランス２ａは、その各巻線３ａ〜３ｄにリセット用巻
線４ａ〜４ｄがそれぞれ直列接続されて構成されてい
る。この場合、直列接続された各巻線３およびリセット
用巻線４は、例えば互いに同一巻数で巻き回され、かつ
各巻線３ａ〜３ｄは、各コンデンサＣａ〜Ｃｄの端子間
電圧が上記式を満たす比率の巻数Ｎａ〜Ｎｄで巻き回
されている。

【００４４】この充放電装置５１では、基本的には、移
送装置１１の動作原理と同様にして作動する。したがっ
て、各コンデンサＣは、充電器２２の出力電流によって
上記の式に従った端子間電圧に平均化されるように充
電または放電する。

【００４５】次に、各コンデンサＣａ〜Ｃｄの端子間電
圧ＶCa〜ＶCdを平均化しつつ充電または放電するメリッ
トについて説明する。

【００４６】コンデンサＣの端子間電圧ＶC は、充放電
電流、その充放電時間、およびコンデンサＣの容量をそ
れぞれＩ、ＴおよびＣとすれば、下記の式で表され
る。ＶC ＝Ｉ×Ｔ／Ｃ・・・・・・式この式によれば、端子間電圧ＶC と容量Ｃとが逆比例
する関係にあることが分かる。したがって、容量Ｃがば
らついている場合、同じ電流Ｉを流したときであって
も、容量Ｃが大きいコンデンサは、その端子間電圧ＶC
が低く、容量Ｃが小さい方のコンデンサは端子間電圧Ｖ
C が高くなる。したがって、同じ電流で同じ時間だけ充
電したときでも、容量Ｃが小さいコンデンサＣは、素早
く定格耐電圧まで充電され、容量Ｃが大きいコンデンサ
Ｃは、十分に充電されない。

【００４７】一方、コンデンサの蓄積エネルギーＥは、
下記の式で表され、端子間電圧ＶC の二乗に比例す
る。Ｅ＝Ｃ×ＶC ^２／２・・・・・式したがって、蓄積エネルギーＥは、端子間電圧ＶC が僅
かに相違しても、大きく変化する。このため、例えば、
電気自動車などに使用する駆動用二次電池の蓄積エネル
ギーＥを十分に大きくするためには、端子間電圧ＶC を
定格耐電圧ぎりぎりまで充電するのが好ましい。このこ
とから、特に容量が互いに異なる複数のコンデンサを１
つの充電装置で同時に充電する場合、端子間電圧ＶC を
平均化しつつ定格耐電圧ぎりぎまで充電するのが、充電
効率の面から最も好ましい。したがって、各コンデンサ
Ｃａ〜Ｃｄの端子間電圧ＶCa〜ＶCdを平均化しつつ充電
するメリットは極めて大きいといえる。

【００４８】次に、容量が互いに異なる複数のコンデン
サの直列回路から負荷Ｌに対して放電する際に、その複
数のコンデンサの端子間電圧を平均化するメリットにつ
いて説明する。

【００４９】まず、互いに同電圧まで充電されたコンデ
ンサＣ１１，Ｃ１２の直列回路から負荷Ｌに放電する場
合について、図７を参照して説明する。なお、同図
（ａ）に示すコンデンサＣ１１は、コンデンサＣ１２の
容量よりも大容量であるものとし、同図（ｂ）に示すよ
うに、負荷Ｌに対する放電開始の時点（ｔ＝０）では、
コンデンサＣ１１の端子間電圧ＶC11 とコンデンサＣ１
２の端子間電圧ＶC12 とが等しい電圧に維持されている
ものとする。したがって、この時点における負荷端電圧
ＶL は、値（ＶC11 ＋ＶC12 ＝２・ＶC11 ）に維持され
る。一方、負荷Ｌに対して電流Ｉ１が放電されて時間ｔ
１の時点に達すると、小容量のコンデンサＣ１２の放電
が終了し、端子間電圧ＶC12 が０Ｖになる。これ以降で
は、コンデンサＣ１１から放電される電流Ｉ１がコンデ
ンサＣ１２を逆向きに充電するため、負荷端電圧ＶL
は、急速に低下する。次いで、時間ｔ２の時点では、同
図（ｂ）に示すように、コンデンサＣ１１の蓄積エネル
ギーがすべて負荷Ｌに供給し終わらないうちに負荷端電
圧ＶL が０Ｖとなる。この状態では、コンデンサＣ１１
の蓄積エネルギーは、コンデンサＣ１１，Ｃ１２に残存
したままの状態になる。

【００５０】一方、コンデンサＣ１２の逆向きでの充電
を防止するために、図８（ａ）に示すように、ダイオー
ドＤ１をコンデンサＣ１２に並列接続することも考えら
れる。この場合、コンデンサＣ１２の放電が終了した時
間ｔ１の時点以降、コンデンサＣ１１から放電される電
流Ｉ２がコンデンサＣ１１のプラス側端子、負荷Ｌ、ダ
イオードＤ１、およびコンデンサＣ１１のマイナス側端
子からなる電流経路を流れる。したがって、コンデンサ
Ｃ１２の端子間電圧ＶC12 はダイオードＤ１の順方向電
圧ＶD に制限されるため、逆向き充電が防止される結
果、図７（ａ）の回路と比較して、負荷Ｌに対してより
多くのエネルギーを供給することができる。しかし、こ
の場合には、電流Ｉ２がダイオードＤ１を流れるため、
ダイオードＤ１による電力損失が無駄となる。

【００５１】ところが、両コンデンサＣ１１，Ｃ１２の
端子間電圧ＶC11 ，ＶC12 を平均化しつつ放電した場
合、図９に示すように、両コンデンサＣ１１，Ｃ１２に
よるエネルギー放出は、時間ｔ３の時点で同時に終了す
る。したがって、時間ｔ３以前においてコンデンサＣ１
１の蓄積エネルギーによるコンデンサＣ１２の充電が行
われないため、両コンデンサＣ１１，Ｃ１２の蓄積エネ
ルギーがすべて負荷Ｌに効率よく供給されることにな
る。また、コンデンサＣ１１とコンデンサＣ１２との間
での不均一分のエネルギーは、コンデンサＣ１２に直接
的に供給されることになるため、図８（ａ）における回
路のダイオードＤ１による無駄な電力損失が防止され、
しかも、負荷端電圧ＶL の急激な電圧低下が生じないと
いうメリットが生じる。

【００５２】このように、上記した充放電装置２１，３
１，４１，５１によれば、各巻線３およびスイッチＳの
直列回路に並列接続される各コンデンサＣの端子間電圧
を上記の式に従った電圧に維持しつつ充電または放電
させることができるため、各コンデンサＣにより多くの
エネルギーを蓄積させることができると共に、各コンデ
ンサＣから効率よくエネルギーを放出させることができ
る。また、回路部品数が少ないため、充放電装置を小型
かつ安価に構成することができる。しかも、各スイッチ
Ｓを同期してオン／オフ制御するだけでよいため、容易
に制御することができる。加えて、コンデンサＣの短絡
事故を招くことがないため、高い信頼性で各コンデンサ
Ｃ，Ｃ相互間においてエネルギーを移送することができ
る。

【００５３】なお、本発明は、上記した発明の実施の形
態に限定されず、その構成を適宜変更することができ
る。例えば、本発明の実施の形態では、充放電装置２１
などを例に挙げて説明したが、例えば、図１０に示すよ
うに、蓄電システムＳ１を構築することもできる。この
場合、蓄電システムＳ１は、建物Ａ内に設置されている
バッテリーＢＡと、バッテリーＢＡを充電する充電器２
２Ａと、建物Ｂ内に設置されバッテリーＢＡとは異なる
端子間電圧のバッテリーＢＢと、バッテリーＢＢを充電
する充電器２２Ｂと、移送装置１ａとで構成される。ま
た、移送装置１ａは、互いに磁気的結合する巻線３ａ，
３ｂを有するトランス２ｄと、両巻線３ａ，３ｂにそれ
ぞれ直列接続され互いに同期してオン／オフ制御される
スイッチＳａ，Ｓｂとで構成される。なお、同図では、
理想回路を図示している。この蓄電システムＳ１によれ
ば、両スイッチＳａ，Ｓｂのスイッチングを制御するこ
とによって両バッテリーＢＡ，ＢＢを相互に絶縁した状
態で蓄積エネルギーの相互間移送を行うことができる。
このため、例えば充電器２２Ｂが故障してバッテリーＢ
Ｂの充電電圧が低下したときには、両バッテリーＢＡ，
ＢＢの両端子間電圧が上記の式を満たすように、バッ
テリーＢＡの蓄積エネルギーをバッテリーＢＢに自動的
に移送することができる。

【００５４】さらに、上記図２に示した移送装置１１を
電源装置に適用することもできる。具体的に、例えば、
コンデンサＣａが、図外のスイッチング電源装置の出力
側コンデンサであって、そのスイッチング電源装置によ
って所定電圧に安定化制御されている場合を例に挙げて
説明する。従来、１つのスイッチング電源装置によって
生成された直流電圧に基づいて、電圧値や出力電流値が
異なる複数の電源出力を生成するときには、スイッチン
グ電源装置の出力側コンデンサに別のスイッチング電源
装置をさらに接続することによって、その複数の電源出
力を生成している。ところが、別のスイッチング電源装
置としてフォワードタイプやフライバックタイプのスイ
ッチング電源装置を用いた場合、回路が複雑になる点や
出力安定度が悪い点に問題がある。また、フォワードタ
イプでは、メインスイッチング素子がオン状態に制御さ
れているときにのみトランスの二次巻線を電流が流れ、
逆にフライバックタイプでは、メインスイッチング素子
がオフ状態に制御されているときにのみトランスの二次
巻線を電流が流れている。したがって、両タイプのスイ
ッチング電源装置には、トランスの二次巻線の利用率が
悪いため、出力リップル電圧が大きい点、およびピーク
電流が大きいという点に問題がある。さらに、複数の電
源出力に対応させて別のスイッチング電源装置を複数配
設した場合、周波数が異なる複数のスイッチングノイズ
が発生する結果、ノイズ同士のビートが発生する点や、
ＥＭＩノイズを低下させるのが極めて困難である点にも
問題がある。

【００５５】この移送装置１１を用いた電源装置では、
コンデンサＣａが所定電圧に安定化制御されている場
合、各スイッチＳａ〜Ｓｄをオン／オフ制御することに
より、コンデンサＣａの蓄積エネルギーを他のコンデン
サＣｂ〜Ｃｄに容易に分配することができる。したがっ
て、他のコンデンサＣｂ〜Ｃｄの端子間電圧ＶCb〜ＶCd
を電源出力電圧とすることで、電圧値や出力電流値が異
なる複数の電源出力を安定化しつつ容易に生成すること
ができる。

【００５６】この場合、各スイッチＳがオン状態に制御
されているときには、トランス２ａの巻線３ｂ〜３ｃを
介して各コンデンサＣｂ〜ＣｄにコンデンサＣａの蓄積
エネルギーが分配され、各スイッチＳがオフ状態に制御
されているときには、トランス２ａのリセット巻線４ｂ
〜４ｃを介して各コンデンサＣｂ〜ＣｄにコンデンサＣ
ａの蓄積エネルギーが分配される。したがって、各スイ
ッチＳのオン状態制御時およびオフ状態制御時の両時に
おいて、トランス２ａの巻線３，４を電流が流れること
になる。この結果、トランス２ａの巻線３，４の利用率
が極めて高くなると共にその際のピーク電流値を抑制す
ることができる。これにより、回路部品の小型化を図る
ことができると共に、出力リップル電圧を十分に小さく
することができる。

【００５７】さらに、スイッチングノイズについても、
この移送装置１１を用いた電源装置では、各スイッチＳ
が同期してスイッチング制御されるため、発生するスイ
ッチングノイズが１種類に限られる結果、ノイズ同士の
ビートの発生もなく、ＥＭＩノイズを十分に低下させる
のも容易となる。なお、各ダイオード５ａ〜５ｄに代え
てＦＥＴやバイポーラトランジスタを用いることによ
り、エネルギー分配時の電力損失を十分に小さくするこ
とができる。

【００５８】また、本発明の実施の形態では、エネルギ
ー蓄積手段として、電気二重層コンデンサを例に挙げて
説明したが、これに限らず、各種の大容量コンデンサ、
各種の二次電池を用いることもできる。

【００５９】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載のエネルギ
ー移送装置によれば、複数のスイッチ手段を互いに同期
してスイッチング制御することにより、複数のエネルギ
ー蓄積手段相互間でエネルギーの移送を行うことができ
るため、その際の制御が極めて容易となる。また、短絡
事故を招くことがないため、高い信頼性で確実にエネル
ギー蓄積手段の蓄積エネルギーを移送することができ
る。加えて、エネルギー蓄積手段と同数の巻線およびス
イッチ手段で構成することができるため、回路部品数を
少なくすることができる結果、装置の小型、低価格化を
達成することができる。

【００６０】また、請求項２記載のエネルギー移送装置
によれば、トランスが、その蓄積エネルギーをエネルギ
ー蓄積手段に放出するエネルギー放出用巻線を備えたこ
とにより、巻線に電流が流れたことに起因するトランス
の磁化を確実にリセットすることができ、これにより、
トランスの磁気飽和を確実に防止することができる。

【００６１】さらに、請求項３記載のエネルギー移送装
置によれば、各巻線に直列接続されたエネルギー放出用
巻線が、対応する巻線に接続されているエネルギー蓄積
手段にトランスの蓄積エネルギーをそれぞれ放出するこ
とにより、トランスの磁化の際および磁気リセットの際
の両時において、エネルギー蓄積手段の両端電圧を平均
化することができる。

【００６２】また、請求項４記載のエネルギー移送装置
によれば、エネルギー放出用巻線の数を少なくすること
ができるため、トランスを小型化することができる。

【００６３】また、請求項５記載のエネルギー移送装置
によれば、トランスとしてリーケージトランスを用いる
ことにより、巻線に流れる電流のピーク値を適度に制限
することができる。

【００６４】さらに、請求項６記載のエネルギー移送装
置によれば、エネルギー蓄積手段を二次電池またはコン
デンサで構成したことにより、例えば、蓄電システムな
どにおいて、二次電池やコンデンサの両端電圧を平均化
することができるため、効率よく充放電させることがで
きる。

【００６５】また、請求項７記載のエネルギー移送装置
によれば、複数のエネルギー蓄積手段の両端電圧を同電
圧に平均化する際には、巻線を同一巻数でそれぞれ構成
することにより、トランスを安価に製造することができ
る。

【００６６】また、請求項８記載のエネルギー移送装置
によれば、スイッチ手段を電界効果トランジスタまたは
バイポーラトランジスタで構成したことにより、スイッ
チ手段を安価に構成することができると共にスイッチン
グ時における電力損失をより少なくすることができる。

【００６７】また、請求項９記載の充電装置によれば、
エネルギー移送装置によって複数の充電対象体の各々の
両端電圧を均一化することができるため、充電対象体に
効率よくエネルギーを蓄積することができる。

【００６８】さらに、請求項１０記載の電源装置によれ
ば、所定の１つのエネルギー蓄積手段の蓄積エネルギー
を他のエネルギー蓄積手段に対して分配することによ
り、電圧値や出力電流値が異なる複数の電源出力を容易
に生成することができる。また、巻線の利用率を高くす
ることができるため、エネルギー分配の際のピーク電流
値を抑制することができる結果、回路部品の小型化を図
ることができると共に、出力リップル電圧を十分に小さ
くすることができる。さらに、スイッチングノイズにつ
いても、各スイッチＳを同期してスイッチング制御する
ため、ノイズ同士のビートの発生を阻止しつつ、ＥＭＩ
ノイズを十分に低下させることができる。

【００６９】また、請求項１１記載の電源装置によれ
ば、複数のエネルギー蓄積手段のいずれか１つの端子間
電圧が所定電圧に安定化制御されているため、電圧値や
出力電流値が異なり、かつ安定化された複数の電源出力
を容易に生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動作原理を説明するための移送装置１
の回路図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る移送装置１１の回路
図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る充放電装置２１の回
路図である。

【図４】本発明の他の実施の形態に係る充放電装置３１
の回路図である。

【図５】本発明のさらに他の実施の形態に係る充放電装
置４１の回路図である。

【図６】本発明のさらに他の実施の形態に係る充放電装
置５１の回路図である。

【図７】コンデンサＣ１１，Ｃ１２の端子間電圧ＶC11
，ＶC12 を平均化するメリットを説明するための図で
あって、（ａ）はコンデンサＣ１１，Ｃ１２に負荷Ｌを
接続した回路図、（ｂ）は両コンデンサＣ１１，Ｃ１２
の放電特性を示す電圧特性図である。

【図８】コンデンサＣ１１，Ｃ１２の端子間電圧ＶC11
，ＶC12 を平均化するメリットを説明するための図で
あって、（ａ）はコンデンサＣ１１，Ｃ１２に負荷Ｌを
接続すると共にコンデンサＣ１２の両端にダイオードＤ
１を並列接続した回路図、（ｂ）は両コンデンサＣ１
１，Ｃ１２の放電特性を示す電圧特性図である。

【図９】両コンデンサＣ１１，Ｃ１２の端子間電圧ＶC1
1 ，ＶC12 を平均化したときの放電特性を示す電圧特性
図である。

【図１０】蓄電システムＳ１のシステム構成図である。

【図１１】従来の移送装置６１の回路図である。

【符号の説明】

１移送装置１ａ移送装置２，２ａ〜２ｄトランス３ａ〜３ｅ巻線４ａ〜４ｄリセット用巻線７ａ〜７ｄダイオード２１，３１，４１，５１充放電装置２２，２２Ａ，２２Ｂ、３２充電器ＢＡ，ＢＢバッテリーＣａ〜Ｃｄ，Ｃ１１，Ｃ１２コンデンサＳ１蓄電システムＳａ〜Ｓｄスイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも巻線およびスイッチ手段を直
列接続してなる直列回路を複数有すると共に当該複数の
直列回路の各々を複数のエネルギー蓄積手段の各々にそ
れぞれ並列接続可能に構成され、前記複数の巻線は、互
いにそれぞれ磁気結合され、前記複数のスイッチ手段
は、互いに同期してそれぞれスイッチング制御されるこ
とを特徴とするエネルギー移送装置。
【請求項２】前記複数の巻線を有するトランスを備
え、当該トランスは、前記スイッチ手段がオフ状態に制
御されたときに当該トランスの蓄積エネルギーを前記エ
ネルギー蓄積手段に放出するエネルギー放出用巻線をさ
らに備えていることを特徴とする請求項１記載のエネル
ギー移送装置。
【請求項３】前記各巻線には、前記エネルギー放出用
巻線がそれぞれ直列接続され、前記各エネルギー放出用
巻線は、対応する前記巻線に接続されている前記エネル
ギー蓄積手段に前記トランスの蓄積エネルギーをそれぞ
れ放出することを特徴とする請求項２記載のエネルギー
移送装置。
【請求項４】前記巻線と前記スイッチ手段とからそれ
ぞれ構成される第１〜第Ｎの直列回路（Ｎは整数）を直
列接続すると共にその直列接続回路に第（Ｎ＋１）の巻
線としての前記エネルギー放出用巻線をさらに直列接続
し、前記第Ｍの巻線（Ｍは２以上（Ｎ＋１）以下の整
数）および一方向性素子を介して第（Ｍ−１）の巻線に
接続されている前記エネルギー蓄積手段に前記トランス
の蓄積エネルギーを放出可能に構成されていることを特
徴とする請求項２記載のエネルギー移送装置。
【請求項５】前記トランスは、リーケージトランスで
あることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載
のエネルギー移送装置。
【請求項６】前記エネルギー蓄積手段は、二次電池ま
たはコンデンサであることを特徴とする請求項１から５
のいずれかに記載のエネルギー移送装置。
【請求項７】前記巻線は、同一巻数でそれぞれ構成さ
れていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに
記載のエネルギー移送装置。
【請求項８】前記スイッチ手段は、電界効果トランジ
スタまたはバイポーラトランジスタで構成されているこ
とを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のエネ
ルギー移送装置。
【請求項９】請求項１から８のいずれかに記載のエネ
ルギー移送装置を備え、複数の充電対象体の各々の両端
に前記直列回路をそれぞれ並列接続可能に構成されてい
ることを特徴とする充電装置。
【請求項１０】請求項１から８のいずれかに記載のエ
ネルギー移送装置を備え、前記複数のエネルギー蓄積手
段は、コンデンサおよびバッテリーのいずれかでそれぞ
れ構成され、所定の１つの前記エネルギー蓄積手段の蓄
積エネルギーを他の前記エネルギー蓄積手段に対して分
配することを特徴とする電源装置。
【請求項１１】前記複数のエネルギー蓄積手段のいず
れか１つの端子間電圧が所定電圧に安定化制御されてい
ることを特徴とする請求項１０記載の電源装置。