JP2011109875A - 直列／並列接続切り替え式キャパシタ電源ユニットならびにシステム - Google Patents

Abstract

【課題】各キャパシタの電圧のばらつきを抑えつつ、きめ細やかな出力電圧の調整を可能とするための、電源装置を提供する。
【解決手段】容量の等しい２ｎ個の蓄電モジュールにより構成される第１〜第３の蓄電モジュール群と、第１〜第３の蓄電モジュール群に含まれる蓄電モジュールがそれぞれ直列接続されてなる第１〜第３の蓄電モジュール列が並列接続された３並列接続状態と、第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールと第２蓄電モジュール群に含まれるｎ個の蓄電モジュールとが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列、及び第２蓄電モジュール群に含まれる当該ｎ個の蓄電モジュールとは異なる残りのｎ個の蓄電モジュールと第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールとが直列接続されてなる第５蓄電モジュール列が並列接続された、２並列接続状態と、を切り替える第１スイッチ群と、を備えた蓄電モジュール電源ユニットを提供する。
【選択図】図５

Description

本発明は、蓄電用キャパシタを用いた電源ユニットならびにシステムに関する。より詳細には、スイッチを用いてキャパシタの直列数ならびに並列数を切り替えることにより、各キャパシタの電圧のばらつきを抑えつつ出力電圧をある任意の範囲内に制御するための、電源ユニットならびにシステムに関する。

一般に、電力によって何らかの装置を動作させる際には、その装置の特性により決定される、所定の動作電圧範囲内で給電を行うことが必要である。電子機器類は個々の特性に応じた所定の電圧範囲内にて動作するが、その動作電圧範囲外では動作が不安定となるか、あるいは非動作となってしまうからである。特に、電気容量が極めて高い電気二重層キャパシタ（ハイブリッドキャパシタやレドックスキャパシタ等も含む）を電源として用いる場合は、電気二重層キャパシタにおける充放電の状態に応じた出力電圧の変動が従来の二次電池における変動よりも大きいため、変動する出力電圧を電子機器の動作範囲内電圧へと変換するための、何らかの電圧変換装置が必要となる。

電源から供給される電源電圧を動作電圧範囲内に変換するための手段としては、トランスやコイルを用いたＤＣ−ＤＣコンバータが、従来から広く用いられている。しかしながら、そのような構成の変圧器においては、コイルを含んだ回路サイズが比較的大きくなってしまうことや、鉄心等の構成部材に起因して変圧器全体としての重量が大きくなること、及び損失が大きくなること等の欠点が存在する。

そこで、図１に示すような、スイッチＱ１〜Ｑ３を用いてキャパシタＣ１とＣ２との接続状態を切り替えることにより、出力電圧の変動幅を小さくするようにしたキャパシタ電源装置が提案されている（特許文献１）。この電源装置においては、スイッチＱ１及びＱ２をオンとすることによりキャパシタＣ１及びＣ２が並列接続されるモードと、スイッチＱ３をオンとすることによりキャパシタＣ１及びＣ２が直列接続されるモードと、を切り替えることにより、出力電圧を段階的に調整することが可能となっている。

図２Ａ及び図２Ｂは、図１のユニットの放電時における接続状態、及び電流の経路を示す。放電開始時の初期状態においては、図２Ａに示すようにＱ１とＱ２とがオンとなっており、Ｃ１とＣ２とが並列に接続されている。すなわち回路は１直列２並列の接続状態となっており、出力電圧はＣ１の電圧及びＣ２の電圧のそれぞれと等しい。

放電の進行とともに出力電圧は低下する。その結果として出力電圧が機器の動作電圧範囲から外れることを避けるため、出力電圧がある任意の値（典型的には、当該電源装置により動作する電子機器の動作電圧範囲の下限値）を下回る前に、スイッチＱ１とＱ２とがオフとされ、併せてスイッチＱ３がオンとされる。この切り替えにより、回路の接続状態は、図２Ｂに示すとおりＣ１とＣ２とが直列接続された２直列１並列の状態となり、したがって出力電圧値はＣ１とＣ２の電圧の和へと上昇する。

その他、図３に示されるとおりの、多段階で直列／並列接続を切り替える方式も提案されている（特許文献２）。

図４Ａ〜図４Ｃは、図３のユニットの放電時における接続状態、及び電流の経路を示す。放電開始時の初期状態においては、図４Ａに示すようにＱ１とＱ２とがオンとなっており、Ｃ１とＣ２とが、及びＣ３とＣ４とが、それぞれ直列接続されている。すなわち回路全体としては２直列２並列の構成となっており、出力電圧は、Ｃ１とＣ２との電圧の和、及びＣ３とＣ４との電圧の和のそれぞれと等しい。

放電の進行と共に出力電圧は低下する。出力電圧が機器の動作電圧範囲から外れることを避けるため、出力電圧がある任意の値（典型的には、当該電源装置により動作する電子機器の動作電圧範囲の下限値）を下回る前に、スイッチＱ１とＱ２とがオフとされ、併せてスイッチＱ３とＱ５とがオンとされる。これにより、回路は図４Ｂに示される接続状態へと切り替わる。図４Ｂにおいては、Ｃ３と、Ｃ１及びＣ４が並列接続されてなる回路と、Ｃ２と、が直列接続されており、回路全体としては３直列の構成をとっている。このとき出力電圧は、Ｃ３、Ｃ１（又はＣ４）、及びＣ２の電圧の和へと上昇する。

更に放電が進行し出力電圧が低下した際には、スイッチＱ３とＱ５とをオフとし、併せてスイッチＱ４をオンとすることにより、回路は図４Ｃに示される接続状態へと切り替えられる。このとき、全てのキャパシタＣ１〜Ｃ４は直列接続されており、回路全体としては４直列の構成となる。したがって、出力電圧はＣ１〜Ｃ４の電圧の和へと上昇する。

特開平０８−１６８１８２ 特開２０００−２５３５７２

しかしながら、上記図１の電源装置単体によっては、キャパシタの直列接続数を１直列と２直列との間でしか切り替えることができない。すなわち出力電圧の調整比率が１：２に限られるのあって、よりきめ細やかな調整に対応することができない。

この点、上記図３の電源装置によれば、接続状態を多段階で切り替えることにより、キャパシタの直列接続数に応じて出力電圧を多段階で調整することが可能である。しかしながら、図３の電源装置においては、切り替えの各段階に対応する接続状態の少なくともいずれかにおいて、各キャパシタの電圧のばらつきを避けられないという問題が生じる。すなわち、仮にＣ１〜Ｃ４の容量が全て等しく、且つ放電開始時において全てのキャパシタが等しく充電されていたとしても、図４Ｂの接続状態においてはＣ１及びＣ４よりなる回路が２並列であり、その他のキャパシタは１並列状態であるため、各キャパシタＣ１〜Ｃ４に流れる電流が不均一となる。したがって各キャパシタの放電速度にばらつきが生じ、電圧のばらつきが発生することとなる。なお、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，及びＣ４の容量比を１：２：２：１となるよう構成することにより、図４Ｂの接続状態での電圧のばらつきは避けられるものの、この場合は図４Ａ、及び図４Ｃに示されるそれぞれの接続状態において電圧のばらつきを避けられない。すなわち図３の電源装置を用いる場合、スイッチの切り替えに伴い、少なくともいずれかの段階で各キャパシタの電圧がばらつくこととなる。

このため、各キャパシタの電圧のばらつきを抑えつつ、きめ細やかな出力電圧の調整を可能とするための、電源装置が求められている。

上記課題を解決するため、本件第１発明は、それぞれが容量の等しい２ｎ（ｎは１以上の整数）個の蓄電モジュールにより構成される、第１蓄電モジュール群、第２蓄電モジュール群、及び第３蓄電モジュール群と、第１スイッチ群であって、第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第１蓄電モジュール列、第２蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第２蓄電モジュール列、及び第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第３蓄電モジュール列が並列接続された３並列接続状態と、第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールと第２蓄電モジュール群に含まれるｎ個の蓄電モジュールとが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列、及び、第２蓄電モジュール群に含まれる、当該ｎ個の蓄電モジュールとは異なる残りのｎ個の蓄電モジュールと、第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールとが直列接続されてなる第５蓄電モジュール列、が並列接続された、２並列接続状態と、を切り替える第１スイッチ群と、を備えた、蓄電モジュール電源ユニットを提供する。

後述の実施例において詳しく説明するとおり、上記構成の蓄電モジュール電源ユニットにおいて３並列接続状態と２並列接続状態とを切り替えることにより、従来よりも細かい単位での出力電圧調整が可能となる。さらには、上記のとおり各蓄電モジュールの容量、個数、及びスイッチ切り替えにより実現される各モードでの回路構成を特定することにより、各モードでの電圧のばらつきを抑えつつ、出力電圧を調整することが可能となる。

なお、本明細書における蓄電モジュールとは、キャパシタ、電気二重層キャパシタモジュール、リチウムイオンキャパシタ、二次電池を初めとする任意の単独の蓄電素子であってよく、あるいはそれら蓄電素子を複数含んでなる任意の蓄電手段であってもよい。

また、本件第２発明は、１以上の蓄電モジュールよりなる第１蓄電モジュール群、２以上の蓄電モジュールよりなる第２蓄電モジュール群、及び、１以上の蓄電モジュールよりなる第３蓄電モジュール群と、第１スイッチ群であって、第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第１蓄電モジュール列、第２蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第２蓄電モジュール列、及び第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第３蓄電モジュール列が並列接続された３並列接続状態と、第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールと第２蓄電モジュール群に含まれる１以上の蓄電モジュールとが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列、及び、第２蓄電モジュール群に含まれる、当該１以上の蓄電モジュールとは異なる残りの１以上の蓄電モジュールと、第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールとが直列接続されてなる第５蓄電モジュール列、が並列接続された、２並列接続状態と、を切り替える第１スイッチ群と、を備えた、蓄電モジュール電源ユニットを提供する。

より一般化された構成を備える上記電源ユニットにおいて、各蓄電モジュール群に含まれる蓄電モジュールの容量、個数、そして３並列及び２並列接続状態間での第２蓄電モジュール群内蓄電モジュールの配分等を適宜選択することにより、各蓄電モジュールへの電圧比を任意に調整した上での、所望の調整幅での出力電圧調整が可能となる。例えば、電気二重層キャパシタモジュール、リチウムイオンキャパシタ、二次電池など、複数のタイプのモジュールが混在して含まれるような電源ユニットを構成する場合に、それぞれのモジュールにおける材料寿命、許容最大電圧等に応じて、印加される電圧の比をあらかじめ調整することができる。

第１蓄電モジュール群、第２蓄電モジュール群、及び第３蓄電モジュール群に含まれる各蓄電モジュールの容量を互いに等しくすることができる。また、第１蓄電モジュール列、第２蓄電モジュール列、及び第３蓄電モジュール列に含まれる各蓄電モジュールの数を互いに等しくすることができる。さらに、第４蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数と第５蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数とを等しくすることができる。

このような構成をとることにより、上記各接続状態での各蓄電モジュールにおける電圧のばらつきを抑えることができる。

また、本件第３発明は、第１〜第６の蓄電モジュールと、第１スイッチ群であって、第１蓄電モジュールと第２蓄電モジュールとが直列接続されてなる第１蓄電モジュール列、第３蓄電モジュールと第４蓄電モジュールとが直列接続されてなる第２蓄電モジュール列、及び第５蓄電モジュールと第６蓄電モジュールとが直列接続されてなる第３蓄電モジュール列が並列接続された、３並列接続状態と、第１蓄電モジュールと第２蓄電モジュールと第３蓄電モジュールとが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列、及び第４蓄電モジュールと第５蓄電モジュールと第６蓄電モジュールとが直列接続されてなる第５蓄電モジュール列が並列接続された、２並列接続状態と、を切り替える第１スイッチ群と、を備え、第２蓄電モジュールと第４蓄電モジュール、及び第３蓄電モジュールと第５蓄電モジュールがそれぞれ並列接続された蓄電モジュール電源ユニットであって、３並列接続状態において、第１蓄電モジュールと、第３蓄電モジュールと、第５蓄電モジュールと、よりなる回路の合成容量と、第２蓄電モジュールと、第４蓄電モジュールと、第６蓄電モジュールと、よりなる回路の合成容量と、が等しく、２並列接続状態において、第１蓄電モジュールと、第６蓄電モジュールと、よりなる回路の合成容量と、第２蓄電モジュールと、第４蓄電モジュールと、よりなる回路の合成容量と、第３蓄電モジュールと、第５蓄電モジュールと、よりなる回路の合成容量と、が等しいことを特徴とする、蓄電モジュール電源ユニットを提供する。

この場合、各蓄電モジュール間での電圧のばらつきを抑えるために、全ての蓄電モジュールの容量が等しいことは必ずしも要求されない。具体的には、後述の実施例２にて詳しく説明するとおり、蓄電モジュールユニットの具体的構成に応じて、各蓄電モジュールの容量が上記合成容量一定との条件により定められる幾つかの特定の数式にて規定される関係を満たすことを条件として、電圧のばらつきを抑えながらの接続状態の切り替えが可能となる。このような構成により、蓄電モジュールの容量選択における自由度が増す。

上記構成において、第１〜第６の蓄電モジュールは、それぞれが容量の等しい１以上の蓄電素子を直列接続してなる蓄電モジュールであってよい。

この場合であっても、上述のとおり３並列接続状態と２並列接続状態との間で各合成容量が等しいことを条件として、電圧のばらつきを抑えつつ出力電圧を調整することが可能となる。

なお、各蓄電モジュール群に含まれる蓄電素子の容量、個数、そして３並列及び２並列接続状態間での第２蓄電モジュール群内蓄電モジュールの配分等を適宜選択することにより、各蓄電モジュールへの電圧比を任意に調整した上での、所望の調整幅での出力電圧調整が可能となる。例えば、電気二重層キャパシタモジュール、リチウムイオンキャパシタ、二次電池など、複数のタイプのモジュールが混在して含まれるような電源ユニットを構成する場合に、それぞれのモジュールにおける材料寿命、許容最大電圧等に応じて、印加される電圧の比をあらかじめ調整することができる。

さらに、上記蓄電モジュール電源ユニットは、第１スイッチ群に含まれるスイッチであって、３並列接続状態においてオンとなり２並列接続状態においてオフとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第１整流素子群と、第１スイッチ群に含まれるスイッチであって、３並列接続状態においてオフとなり２並列接続状態においてオンとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第２整流素子群と、のうち少なくとも一方を備えていてよい。

２並列接続状態と３並列接続状態との間でスイッチ切り替えを行う際、全てのスイッチが一時的にオフとなることがある。このような場合であっても、上記整流素子群を備えることにより、電力供給の瞬断を防止することができる。なお、第１整流素子群、及び第２整流素子群のいずれかを選択することにより、全てのスイッチがオフとなった場合にいずれの接続状態が実現されるかを選択することができる。

さらに、上記蓄電モジュール電源ユニットを、第１整流素子群と第２整流素子群との両方を備え、第１整流素子群は放電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含み、第２整流素子群は充電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含むものとして構成することができる。

このような構成をとることにより、充放電時の両方において瞬断を防止することが可能となる。すなわち、放電中に全てのスイッチが一時的にオフとなった場合は、第１整流素子群によって、切り替え前後の接続状態のうち一方が実現され、そして充電中に全てのスイッチが一時的にオフとなった場合は、第２整流素子群によって、切り替え前後の接続状態のうち他方が実現されることにより、瞬断が防止される。

また、本件第４発明は、容量の等しいｎ（ｎは１以上の整数）個の蓄電モジュールにより構成される第１蓄電モジュール群と、第１蓄電モジュール群に含まれる各蓄電モジュールの２倍の容量を有する２ｎ個の蓄電モジュールにより構成される、第２蓄電モジュール群と、第１蓄電モジュール群に含まれる蓄電モジュールと等しい容量を有するｎ個の蓄電モジュールにより構成される、第３蓄電モジュール群と、第１スイッチ群であって、第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第１蓄電モジュール列と第２蓄電モジュール群に含まれるｎ個の蓄電モジュールが直列接続されてなる第２蓄電モジュール列とが並列接続されてなる第１並列回路、及び、第２蓄電モジュール群に含まれる、当該ｎ個の蓄電モジュールとは異なる残りのｎ個の蓄電モジュールが直列接続されてなる第３蓄電モジュール列と、第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列とが並列接続されてなる第２並列回路、が直列接続された、２つの並列回路の直列接続状態と、第２蓄電モジュール列と、第１蓄電モジュール列、及び第４蓄電モジュール列が並列接続されてなる第３並列回路と、第３蓄電モジュール列と、が直列接続された、１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態と、を切り替える第１スイッチ群と、を備えた、蓄電モジュール電源ユニットを提供する。

このような構成の蓄電モジュール電源ユニットによっても、各蓄電モジュールにおける電圧のばらつきを抑えつつ従来よりも細かい単位で出力電圧を調整することが可能となる。

また、本件第５発明は、１以上の蓄電モジュールよりなる第１蓄電モジュール群と、２以上の蓄電モジュールよりなる第２蓄電モジュール群と、１以上の蓄電モジュールよりなる第３蓄電モジュール群と、第１スイッチ群であって、第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第１蓄電モジュール列と第２蓄電モジュール群に含まれる１以上の蓄電モジュールが直列接続されてなる第２蓄電モジュール列とが並列接続されてなる第１並列回路、及び、第２蓄電モジュール群に含まれる、当該１以上の蓄電モジュールとは異なる残りの蓄電モジュールが直列接続されてなる第３蓄電モジュール列と、第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列と、が並列接続されてなる第２並列回路、が直列接続された、２つの並列回路の直列接続状態と、第２蓄電モジュール列と、第１蓄電モジュール列、及び第４蓄電モジュール列が並列接続されてなる第３並列回路と、第３蓄電モジュール列と、が直列接続された、１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態と、を切り替える第１スイッチ群と、を備えた、蓄電モジュール電源ユニットを提供する。

より一般化された構成を備える上記電源ユニットにおいて、各蓄電モジュール群に含まれる蓄電モジュールの容量、個数、そして、２つの並列回路の直列接続状態及び１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態の間での、第２蓄電モジュール群内蓄電モジュールの配分等を適宜選択することにより、各蓄電モジュールへの電圧比を任意に調整した上での、所望の調整幅での出力電圧調整が可能となる。例えば、電気二重層キャパシタモジュール、リチウムイオンキャパシタ、二次電池など、複数のタイプのモジュールが混在して含まれるような電源ユニットを構成する場合に、それぞれのモジュールにおける材料寿命、許容最大電圧等に応じて、印加される電圧の比をあらかじめ調整することができる。

２つの並列回路の直列接続状態において、第１並列回路の合成容量と、第２並列回路の合成容量とが等しく、１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態において、第２蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの合成容量と、第３並列回路の合成容量と、第３蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの合成容量と、が等しいものとして、上記電源ユニットを構成することができる。また、第１蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの容量は全て等しく、第２蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの容量は全て等しく、第３蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの容量は全て等しく、第４蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの容量は全て等しいものとして、上記蓄電モジュール電源ユニットを構成することができる。また、第１蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数と、第２蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数と、第３蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数と、第４蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数と、が等しいものとして、上記電源ユニットを構成することができる。

このような構成をとることにより、上記各接続状態での各蓄電モジュールにおける電圧のばらつきを抑えることができる。

さらに、上記蓄電モジュール電源ユニットは、第１スイッチ群に含まれるスイッチであって、２つの並列回路の直列接続状態においてオンとなり１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態においてオフとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第１整流素子群と、第１スイッチ群に含まれるスイッチであって、２つの並列回路の直列接続状態においてオフとなり１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態においてオンとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第２整流素子群と、のうち少なくとも一方を備えていてよい。

２つの並列回路の直列接続状態と、１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態と、の間でスイッチ切り替えを行う際、全てのスイッチが一時的にオフとなることがある。このような場合であっても、上記整流素子群を備えることにより、電力供給の瞬断を防止することができる。なお、第１整流素子群、及び第２整流素子群のいずれかを選択することにより、全てのスイッチがオフとなった場合にいずれの接続状態が実現されるかを選択することができる。

また、第１整流素子群と第２整流素子群との両方を備え、第１整流素子群は放電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含み、第２整流素子群は充電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含むものとして、上記電源ユニットを構成することができる。

このような構成をとることにより、充放電時の両方において瞬断を防止することが可能となる。すなわち、放電中に全てのスイッチが一時的にオフとなった場合は、第１整流素子群によって、切り替え前後の接続状態のうち一方が実現され、そして充電中に全てのスイッチが一時的にオフとなった場合は、第２整流素子群の他方によって、切り替え前後の接続状態のうち他方が実現されることにより、瞬断が防止される。

さらに、本件第６発明は、上述の蓄電モジュール電源ユニットのいずれかである、第１蓄電ユニット、及び第２蓄電ユニットと、第１蓄電ユニットと第２蓄電ユニットとが直列接続されてなる、２つの蓄電ユニットの直列接続状態と、第１蓄電ユニットと第２蓄電ユニットとが並列接続されてなる、２つの蓄電ユニットの並列接続状態と、を切り替える第２スイッチ群と、を備えた、蓄電モジュール電源システムを提供する。

このように、本発明に係る蓄電モジュール電源ユニットを構成要素として、更に接続状態の切り替えが可能なシステムを構成することにより、多段階でのきめ細やかな出力電圧調整が可能となる。ここで、第２スイッチ群の切り替えにより出力電圧を調整する際の調整刻み幅は、第１スイッチ群の切り替えにより定められる各蓄電ユニットの出力電圧に応じて定められる。したがって、第１蓄電ユニットと第２蓄電ユニットそれぞれに含まれる第１スイッチ群を２通りに切り替えること、及び第２スイッチ群を２通りに切り替えることによって、２×２×２＝８通りの出力電圧を実現することが可能となる。なお、後述の実施例で説明するとおり、各蓄電モジュールの電圧におけるばらつきを抑えるために第１蓄電ユニットと第２蓄電ユニットとを同一構成のユニットとして与える場合であっても、出力電圧を４段階で調整することが可能である。

さらに、上記電源システムは、第２スイッチ群に含まれるスイッチであって、２つの蓄電ユニットの直列接続状態においてオフとなり２つの蓄電ユニットの並列接続状態においてオンとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第３整流素子群と、第２スイッチ群に含まれるスイッチであって、２つの蓄電ユニットの直列接続状態においてオンとなり２つの蓄電ユニットの並列接続状態においてオフとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第４整流素子群と、のうち少なくとも一方を更に備えていてよい。

２つの蓄電ユニットの並列接続状態と２つの蓄電ユニットの直列接続状態との間でスイッチ切り替えを行う際、全てのスイッチが一時的にオフとなることがある。このような場合であっても、上記整流素子群を備えることにより、電力供給の瞬断を防止することができる。なお、第３整流素子群、及び第４整流素子群のいずれかを選択することにより、全てのスイッチがオフとなった場合にいずれの接続状態が実現されるかを選択することができる。

上記第３整流素子群と第４整流素子群との両方を備えた上で、第３整流素子群は放電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含み、第４整流素子群は充電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含むものとして、上記電源システムを構成することができる。

このような構成をとることにより、充放電時のスイッチ切り替えに伴う瞬断を防止することが可能となる。

蓄電モジュールは、キャパシタ、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、又は二次電池を含むことが好ましい。さらに、蓄電モジュールの少なくとも一部は、２以上の蓄電素子からなる蓄電モジュールであってもよい。２以上の蓄電素子が直列・並列に接続されている場合であっても、合成容量を適切に計算することにより単独の蓄電素子と同様に扱うことが可能である。

なお、第１スイッチ群、及び第２スイッチ群は、ＦＥＴ、サイリスタ、フォトＭＯＳリレー等を用いた電子的スイッチ（半導体スイッチ）から構成されたものであることが好ましい。あるいは、上記スイッチ群は、パワーリレー等、応答速度の遅い機械式スイッチから構成されたものであってもよい。

本発明による電源ユニットを用いることで、例えば電源ユニットを構成するキャパシタの接続状態を２直列３並列と３直列２並列の間で切り替えることにより、各キャパシタの電圧ばらつきを発生させることなく出力電圧をきめ細やかに調整することが可能となる。また電源ユニットを構成する各スイッチにダイオードを並列に設けることにより、充放電時においても無瞬断にて接続状態を切り替えることが可能となる。

また、本発明による電源システムを用いることで、例えば電源システムを構成するキャパシタの接続状態を２直列、３直列、４直列、６直列の間で切り替えることにより、各キャパシタの電圧ばらつきを発生させることなく出力電圧を多段階で調整することが可能となる。また電源システムを構成する各スイッチにダイオードを並列に設けることにより、充放電時においても無瞬断にて接続状態を切り替えることが可能となる。

１直列２並列と２直列１並列の切り替えを行うための、従来の電源ユニットである。 図１の電源ユニットにおける１直列２並列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 図１の電源ユニットにおける２直列１並列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 多段階で接続状態を切り替えるための、従来の電源ユニットである。 図３の電源ユニットにおける２直列２並列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 図３の電源ユニットにおける３直列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 図３の電源ユニットにおける４直列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る蓄電モジュール電源ユニットである。 図５の電源ユニットにおける２直列３並列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 図５の電源ユニットにおける３直列２並列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 図５の電源ユニットの放電時における、出力電圧とキャパシタセル電圧の時間推移を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る蓄電モジュール電源ユニットである。 図８の電源ユニットにおける２直列３並列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 図８の電源ユニットにおける３直列２並列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 本発明の第３実施形態に係る蓄電モジュール電源ユニットである。 図１０の電源ユニットにおける２直列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 図１０の電源ユニットにおける３直列接続状態と、放電時の電流経路とを示す回路図である。 本発明の第４実施形態に係る蓄電モジュール電源ユニットである。 図１２の電源ユニットにおける２直列３並列接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図１２の電源ユニットにおいて全てのスイッチがオフとされた状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図１２の電源ユニットにおける３直列２並列接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図１２の電源ユニットにおける３直列２並列接続状態と、充電時の電流経路を示す回路図である。 図１２の電源ユニットにおいて全てのスイッチがオフとされた状態と、充電時の電流経路を示す回路図である。 図１２の電源ユニットにおける２直列３並列接続状態と、充電時の電流経路を示す回路図である。 本発明の第５実施形態に係る蓄電モジュール電源システムである。 図１５の電源システムにおけるモード１の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図１５の電源システムにおけるモード２の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図１５の電源システムにおけるモード３の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図１５の電源システムにおけるモード４の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図１５の電源システムの放電時における、出力電圧とキャパシタセル電圧の時間推移を示す模式図である。 本発明の第６実施形態に係る蓄電モジュール電源システムである。 図２１のシステムの接続状態がモード１からモード２へと切り替えられる際のスイッチシーケンスを示す、模式図である。 図２１の電源システムにおけるモード１の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１の電源システムにおけるモード１−１の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１の電源システムにおけるモード２の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１のシステムの接続状態がモード２からモード３へと切り替えられる際のスイッチシーケンスを示す、模式図である。 図２１の電源システムにおけるモード２−１の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１の電源システムにおけるモード２−２の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１の電源システムにおけるモード２−３の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１の電源システムにおけるモード２−４の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１の電源システムにおけるモード２−５の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１の電源システムにおけるモード３の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１のシステムの接続状態がモード３からモード４へと切り替えられる際のスイッチシーケンスを示す、模式図である。 図２１の電源システムにおけるモード３−１の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１の電源システムにおけるモード３−２の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１の電源システムにおけるモード３−３の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。 図２１の電源システムにおけるモード４の接続状態と、放電時の電流経路を示す回路図である。

これより、図５〜３７を参照しつつ、本発明に係る蓄電モジュール電源ユニット、及び蓄電モジュール電源システムの実施形態について説明する。なお、図５の実施例における蓄電モジュール電源ユニットは６つのキャパシタから、図１０の実施例における蓄電モジュール電源ユニットは４つのキャパシタから、それぞれ構成されているが、これらは単なる例示的実施形態であって、本発明の電源モジュールが有するキャパシタの数は任意である。また各蓄電モジュールはキャパシタであるとして説明するが、これは電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、あるいは二次電池など充放電可能な任意の素子、又は複数の素子からなるモジュールであってもよい。各蓄電素子の容量も、それぞれ異なっていてよい。同様に、スイッチ群や整流素子群の具体的な構成も、図に示された特定の構成に限られるわけではなく、本発明の範囲内で任意に変更可能である。

蓄電モジュール電源ユニット１の構成
図５は、本件第１発明、及び第２発明の一例として用いることが可能な、蓄電モジュール電源ユニット１を示している。電源ユニット１は、容量の等しいＣ１〜Ｃ６の６つのキャパシタとＱ１〜Ｑ５のスイッチより構成されており、第１端子３と第２端子４との間に接続された任意の電子機器等への電源として用いることができる。

ここで、既に述べたとおりキャパシタとして具体的に用いる素子、及びその数は適宜変更可能である。すなわち、本件第２発明の一例として、例えばＣ１〜Ｃ６の各々が任意のｎ（ｎは１以上の整数）個のキャパシタを直列接続してなるモジュールとして構成されていてもよいし、あるいはＣ１〜Ｃ６が、それぞれ異なる数の任意の蓄電素子からなる蓄電モジュールであってもよい。キャパシタＣ１〜Ｃ６の容量が全て等しいことも必須の条件ではない。既に述べたとおり、各キャパシタの容量を異なるものとすることによって、各キャパシタへの電圧比を任意に調整することが可能だからである。本実施例は、各キャパシタの容量を等しくすることによりそれぞれの電圧を等しくするための一例である。

同様に、スイッチとして具体的に用いる素子も、電源ユニットにおいて許容されるサイズ・応答速度などに応じて、半導体スイッチや機械式スイッチなど任意のスイッチ素子を用いることができる。回路内での各スイッチの配置も、図５に示される特定パターンに限られるわけではなく、以下に述べるモード１及びモード２の接続状態を実現可能であれば、各スイッチがどのようなパターンで配置されていてもよい。これらの点については、後述の実施例２〜６においても同様である。

スイッチＱ１〜Ｑ５よりなる第１スイッチ群は、スイッチ制御手段（不図示）の制御により、Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５がオンとなりＱ２，Ｑ４がオフとなるモード１と、Ｑ２，Ｑ４がオンとなりＱ１，Ｑ３，Ｑ５がオフとなるモード２との間で切り替えられる。例えばスイッチとしてＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチを用いる場合には、スイッチ制御手段として、任意のスイッチドライバを用いることができる。

蓄電モジュール電源ユニット１の動作
次に、蓄電モジュール電源ユニット１によって任意の電子機器等へ電圧を出力する際の放電動作について説明する。

まず、放電を行うための準備として、キャパシタＣ１〜Ｃ６はそれぞれが等しい電圧によって充電されている。また第１スイッチ群は、この初期状態においてモード１の接続状態となるよう制御されている（あるいは、全てのスイッチがオフとされていてもよい。）。蓄電モジュール電源ユニット１の両端子に電子機器等（以下、単に負荷と呼ぶ。）の両端子を接続することで（全てのスイッチがオフである場合は、更に第１スイッチ群をモード１へと切り替えることにより）、放電が開始される。

図６Ａには、モード１での放電時における回路の接続状態、及び電流経路が示されている。スイッチＱ１とＱ３とＱ５とがオンとなっており、キャパシタＣ１及びＣ２、Ｃ３及びＣ４、Ｃ５及びＣ６がそれぞれ直列接続されている。さらに、これら３つの直列回路が並列接続されており、すなわち電源ユニット全体としては２直列３並列構成となっている。したがって、負荷には２つのキャパシタ（Ｃ１及びＣ２、又はＣ３及びＣ４、又はＣ５及びＣ６）に印加されている電圧の合計に相当する電圧が出力されている。

この状態において、放電電流は図６Ａに示すとおり３つの経路を流れるが、各経路中に存在するキャパシタの合成容量は全て等しいため、電流は上記３つの経路で均一に分配される。すなわち、各キャパシタＣ１〜Ｃ６は全て等しい速度で放電し、それぞれの電圧降下も等しくなるため、キャパシタ間での電圧のばらつきは起こらない。

放電の進行とともに出力電圧は低下する。すなわちモード１での放電を続けていれば、いずれ出力電圧は負荷の動作電圧範囲を外れることとなる。これを避けるためには、スイッチ制御手段によって第１スイッチ群を切り替え、出力電圧を上昇させればよい。具体的には、出力電圧がある所定の値（典型的には動作電圧範囲の下限値）を下回る前に、スイッチＱ１，Ｑ３，Ｑ５をオフとし、代わりにスイッチＱ２，Ｑ４をオンとする。これにより接続状態がモード２へと切り替えられ、出力電圧が上昇する。

なお、出力電圧と上記所定の値との比較は、例えば蓄電モジュール電源ユニット１の両端子、あるいはキャパシタＣ１〜Ｃ６いずれかの両端に接続された、電圧計など任意の電圧検出手段（不図示）により実行可能である。典型的には、所定の時間が経過するたびに上記電圧検出手段からスイッチ制御手段へと出力電圧が報告され、スイッチ制御手段において、あるいはスイッチ制御手段に接続された比較演算回路において出力電圧と上記所定の値との比較を行い、比較結果に応じて第１スイッチ群へと切り替え命令が送られるよう構成することができる。

図６Ｂには、モード２での放電時における回路の接続状態、及び電流経路が示されている。スイッチＱ２とＱ４とがオンとなっており、キャパシタＣ１，Ｃ２，及びＣ３が、そしてＣ４，Ｃ５，及びＣ６が、それぞれ直列接続されている。さらに、これら２つの直列回路が並列接続されており、すなわち電源ユニット全体としては３直列２並列構成となっている。したがって、負荷には３つのキャパシタ（Ｃ１，Ｃ２，及びＣ３、又はＣ４，Ｃ５，及びＣ６）に印加されている電圧の合計に相当する電圧が出力されることとなり、出力電圧は切り替え直前と比較して１．５倍となる。図７には、モード１での放電、モード１からモード２への切り替え、そしてモード２での放電に伴う出力電圧の変化、及び各キャパシタ電圧の変化が示されている。

この状態において、放電電流は図６Ｂに示すとおり２つの経路を流れるが、各経路中に存在するキャパシタの合成容量は全て等しいため、電流は上記２つの経路で均一に分配される。すなわち、各キャパシタＣ１〜Ｃ６は全て等しい速度で放電し、それぞれの電圧降下も等しくなるため、キャパシタ間での電圧のばらつきは起こらない。

以上のように、本実施例ではスイッチＱ１〜Ｑ５を用いてキャパシタの接続状態を切り替えることにより、２直列３並列構成と３直列２並列構成との間での切り替えを可能としている。さらに、各キャパシタに流れる電流は両モードにおいて常に均一であるため、モード切り替えを伴う一連の放電動作の全体に亘って、電圧ばらつきが積極的に発生することはない。なお、モード１は３並列構成であったのに対してモード２は２並列構成であるため、電源ユニット１の出力電流が一定であるとすれば、モード２において各キャパシタに流れる電流はモード１における各キャパシタの電流よりも大きい。すなわち、モード１において各キャパシタは（容量が全て等しいとすれば）出力電流の１／３の大きさの電流によって放電するのに対して、モード２では各キャパシタが出力電流の１／２の大きさの電流によって放電する。したがって、図７に示すとおり、モード２における各キャパシタの電圧勾配はモード１における電圧勾配よりも大きい。

なお、キャパシタＣ１〜Ｃ６は、容量の等しいｎ個のキャパシタを直列接続してなるモジュールとして、それぞれ構成されていてもよい。そのようなモジュールであっても、直列接続されたキャパシタ群について計算される合成容量を有する単独のキャパシタと同様に扱うことが可能だからである。この場合、上記各モジュールを構成するキャパシタの容量が全て等しければ、電圧が積極的にばらつくことはない。

蓄電モジュール電源ユニット１の構成
図８は、本件第３発明の一例として用いることが可能な、蓄電モジュール電源ユニット１を示している。図５の構成に加えて、さらにＣ２とＣ４、及びＣ３とＣ５とがそれぞれ並列に接続された構成となっている。実施例１と同様に、スイッチＱ１〜Ｑ５よりなる第１スイッチ群は、スイッチ制御手段（不図示）の制御により、Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５がオンとなりＱ２，Ｑ４がオフとなるモード１と、Ｑ２，Ｑ４がオンとなりＱ１，Ｑ３，Ｑ５がオフとなるモード２との間で切り替えられる。

蓄電モジュール電源ユニット１の動作
次に、本実施例２の蓄電モジュール電源ユニット１によって任意の電子機器等へ電圧を出力する際の放電動作について説明する。実施例１と同様に、初期時点においてキャパシタＣ１〜Ｃ６はそれぞれが等しい電圧によって充電されており、モード１の接続状態で放電が開始される。

図９Ａには、モード１での放電時における回路の接続状態、及び電流経路が示されている。電源ユニット１は、Ｃ１，Ｃ３，及びＣ５が並列接続された並列回路と、Ｃ２，Ｃ４，及びＣ６が並列接続された並列回路とが直列接続された、２直列３並列の格子状回路として構成されている。図９Ａ中の実線矢印で示すとおり、実施例２においても電流は３つの経路を通って出力されるが、併せて図９Ａ中の破線にて示す経路上でも電流が流れる。破線の経路を電流が流れることにより、各々並列に接続されている、Ｃ１，Ｃ３，そしてＣ５の間での、及び、Ｃ２，Ｃ４，そしてＣ６の間での電圧ばらつきは発生しない。

また、Ｃ１，Ｃ３，及びＣ５よりなる並列回路の合成容量と、Ｃ２，Ｃ４，及びＣ６よりなる並列回路の合成容量とが等しければ、直列接続された各並列回路間での電圧ばらつきも発生せず、したがって全てのキャパシタ間で電圧ばらつきが発生しないこととなる。すなわち、モード１での放電において全てのキャパシタ間で電圧ばらつきが発生しないための条件は以下のとおりである。
Ｃ１＋Ｃ３＋Ｃ５＝Ｃ２＋Ｃ４＋Ｃ６ （１）

ここで、上記式（１）中のＣ１〜Ｃ６の記号は，それぞれキャパシタＣ１〜Ｃ６の容量の大きさを表している。この点については以下の数式においても同様である。また実施例１において述べたとおり、Ｃ１〜Ｃ６はそれぞれｎ個のキャパシタよりなるモジュールであってよいし、あるいは容量の異なる任意の数のキャパシタよりなるモジュールであってよい。この場合、上記式（１）中のＣ１〜Ｃ６は、それぞれがそのようなモジュールの合成容量であるとして計算すべきである。

放電の進行とともに出力電圧は低下する。実施例１と同様に、出力電圧がある所定の値を下回る前に、第１スイッチ群がモード２へと切り替えられる。これにより出力電圧が上昇する。

図９Ｂには、モード２での放電時における回路の接続状態、及び電流経路が示されている。電源ユニット１は、Ｃ１及びＣ６が並列接続された並列回路と、Ｃ２及びＣ４が並列接続された並列回路と、Ｃ３及びＣ５が並列接続された並列回路と、の３つの並列回路が直列接続された、３直列２並列の格子状回路として構成されている。図９Ｂ中の実線矢印で示すとおり、実施例２においても電流は２つの経路を通って出力されるが、併せて図９Ｂ中の破線にて示す経路上でも電流が流れる。破線の経路を電流が流れることにより、各々並列に接続されている、Ｃ１及びＣ６，Ｃ２及びＣ４，そしてＣ３及びＣ５のそれぞれの間での電圧ばらつきは発生しない。

また、Ｃ１及びＣ６よりなる並列回路の合成容量と、Ｃ２及びＣ４よりなる並列回路の合成容量と、Ｃ３及びＣ５よりなる並列回路の合成容量と、が等しければ、直列接続された各並列回路間での電圧ばらつきも発生せず、したがって全てのキャパシタ間で電圧ばらつきが発生しないこととなる。すなわち、モード２での放電において全てのキャパシタ間で電圧ばらつきが発生しないための条件は以下のとおりである。
Ｃ１＋Ｃ６＝Ｃ２＋Ｃ４＝Ｃ３＋Ｃ５ （２）

Ｃ１〜Ｃ６がそれぞれｎ個のキャパシタよりなるモジュールである場合、あるいは容量の異なる任意の数のキャパシタよりなるモジュールである場合は、上記式（２）中のＣ１〜Ｃ６として、そのような各モジュールの合成容量を用いればよい。

上記式（１）及び（２）の両方を満たすように各キャパシタの容量Ｃ１〜Ｃ６を選択すれば、モード切り替えを伴う一連の放電動作の全体に亘って電圧ばらつきが発生しない。すなわち、Ｃ１＝Ｃ６、且つ（２）式を満たすよう容量を選択することで、放電時（及び充電時）の電圧ばらつきを防止することができる。

なお、容量の等しいｎ個のキャパシタを直列接続してなるモジュールとしてキャパシタＣ１〜Ｃ６を構成することが可能である（ここにおける「容量の等しい」とは、例えばＣ１を構成するｎ個のキャパシタが等しい容量を有することを意味するものであって、Ｃ１〜Ｃ６を構成する６ｎ個のキャパシタが全て等しい容量を有するか否か、について限定するものではない。）。この場合も、上記のとおり計算される合成容量が両モードで等しければ、各キャパシタの電圧が積極的にばらつくことはない。

蓄電モジュール電源ユニット１の構成
図１０は、本件第４発明、及び本件第５発明の一例として用いることが可能な蓄電モジュール電源ユニット１を示している。図８に示した回路においてキャパシタＣ２及びＣ５を取り除いた構成となっており、またキャパシタＣ３及びＣ４の容量はキャパシタＣ１及びＣ６の容量の２倍である。なお、このような図１０の構成は、図８の回路において全てのキャパシタの容量を等しいとした場合の構成と等価である。実施例１及び２と同様、第１スイッチ群により２つのモードを切り替えることによる出力電圧の段階的調整が可能となっている。

ここで、既に述べたとおりキャパシタとして具体的に用いる素子、及びその数は適宜変更可能である。すなわち、本件第５発明の一例として、例えばＣ１，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ６の容量比を適宜変更してもよいし、あるいはＣ１，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ６が、それぞれ異なる数の任意の蓄電モジュールからなる蓄電モジュール群であってもよい。このような変更を行うことで、各キャパシタへの電圧比を任意に調整することが可能だからである。本実施例は、Ｃ１，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ６の容量比を１：２：２：１することによりそれぞれの電圧を等しくするための一例である。

蓄電モジュール電源ユニット１の動作
次に、本実施例３の蓄電モジュール電源ユニット１によって任意の電子機器等へ電圧を出力する際の放電動作について説明する。実施例１及び２と同様に、初期時点においてキャパシタＣ１，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ６はそれぞれが等しい電圧によって充電されており、スイッチＱ１，Ｑ３，Ｑ５がオンとされたモード１の接続状態で放電が開始される。

図１１Ａには、モード１での放電時における回路の接続状態、及び電流経路が示されている。電源ユニット１は、Ｃ１及びＣ３が並列接続された並列回路と、Ｃ４及びＣ６が並列接続された並列回路とが直列接続された、２直列２並列の格子状回路として構成されている。図１１Ａ中の実線矢印で示すとおり、この場合電流は３つの経路を通って出力される。

ここにおいて、Ｃ１及びＣ３よりなる並列回路の合成容量と、Ｃ４及びＣ６よりなる並列回路の合成容量とが等しければ、直列接続された各並列回路間での電圧ばらつきも発生せず、したがって全てのキャパシタ間で電圧ばらつきが発生しないこととなる。すなわち、モード１での放電において全てのキャパシタ間で電圧ばらつきが発生しないための条件は以下のとおりである。
Ｃ１＋Ｃ３＝Ｃ４＋Ｃ６ （３）

本実施例３においてはＣ１＝Ｃ６，Ｃ３＝Ｃ４であるため、上記式（３）は満たされている。ただし、必ずしもＣ１とＣ６等を同一の容量とする必要はなく、各キャパシタの容量を、式（３）が満たされる限りにおいて任意に選択してよい。

なお、並列接続されたＣ１とＣ３、及びＣ４とＣ６の間で電圧ばらつきは発生しない。具体的には、図１１Ａ中の実線矢印で示されるとおり、Ｃ３とＣ４にはＣ１とＣ６に流れる電流の２倍の電流が流れるのであるが、一方Ｃ３とＣ４との容量はＣ１とＣ６との容量の２倍であるために、各キャパシタの電圧降下が等しいからである。

放電の進行に伴い、第１スイッチ群はモード２へと切り替えられる。モード２における接続状態と電流経路とを、図１１Ｂに示す。

電源ユニット１は、Ｃ４と、Ｃ１及びＣ６が並列接続された並列回路と、Ｃ３と、が直列接続された３直列構成となっている。図１１Ｂ中の実線矢印で示すとおり、この場合電流は２つの経路を通って出力される。

ここにおいて、Ｃ４の容量と、Ｃ１及びＣ６よりなる並列回路の合成容量と、Ｃ３の容量と、が等しければ、直列接続された各回路間での電圧ばらつきも発生せず、したがって全てのキャパシタ間で電圧ばらつきが発生しないこととなる。すなわち、モード２での放電において全てのキャパシタ間で電圧ばらつきが発生しないための条件は以下のとおりである。
Ｃ４＝Ｃ１＋Ｃ６＝Ｃ３ （４）

本実施例３においてはＣ１＝Ｃ６，Ｃ３＝Ｃ４，かつＣ３＝２Ｃ１であるため、上記式（４）は満たされている。ただし、必ずしもＣ１とＣ６等を同一の容量とする必要はなく、各キャパシタの容量を、式（４）が満たされる限りにおいて任意に選択してよい。

なお、実施例１及び２と同様に、キャパシタＣ１，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ６を、それぞれｎ個の容量が等しいキャパシタを直列接続してなるモジュールとして構成してもよい（ここにおける「容量が等しい」とは、例えばＣ１を構成するｎ個のキャパシタが等しい容量を有することを意味するものであって、Ｃ１，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ６を構成する４ｎ個のキャパシタが全て等しい容量を有するか否か、について限定するものではない。）。上記のとおり計算される合成容量が両モードで等しいことを条件として、この場合においても電圧が積極的にばらつくことはない。

以上、実施例１〜３の動作として放電時における動作のみを説明したが、充電時においても同様の原理で動作可能である。

以上の実施例１〜３においては、スイッチＱ１，Ｑ３，Ｑ５の組と、スイッチＱ２，Ｑ４の組と、を同時にオン／オフすることにより接続状態を切り替えるものとして説明した。しかしながら、上記オン／オフのタイミングには、使用するスイッチドライバの性能や各スイッチの応答速度などに起因する一定の誤差が生じうるものと考えられる。実際の接続状態切り替え時において、このような誤差により、スイッチＱ１，Ｑ３，Ｑ５の組とスイッチＱ２，Ｑ４の組との両方が一時的にオンとされた場合には、キャパシタやスイッチの破損を招く恐れがある。例えばスイッチＱ１とＱ２とが同時にオンとなった場合、実施例１のキャパシタＣ３はショート状態に陥る。このときキャパシタＣ３には大電流が流れ、キャパシタＣ３やスイッチＱ１，Ｑ２を破損する恐れが生じる。

このように、別個のモードにてそれぞれオンとすべきスイッチが同時にオンとなることを避けるために、実使用時においては、スイッチＱ１，Ｑ３，Ｑ５の組とスイッチＱ２，Ｑ４の組とが共にオフ状態となるデッドタイム期間を設ける必要がある。しかしながら、このデッドタイム期間においては各モードでオンとすべきスイッチのいずれもがオフ状態となるため、負荷への電力供給が断たれる瞬断状態が発生することとなる。このような瞬断状態を防止するため、実施例４においては、各スイッチと並列にダイオードが接続される。

蓄電モジュール電源ユニット１の構成
図１２は、本発明の第４実施形態である蓄電モジュール電源ユニット１を示している。図１２の構成は、実施例１として図５により示された構成において、ダイオードＤ１〜Ｄ５を各スイッチＱ１〜Ｑ５に対して並列に取り付けることにより、モード切り替え時における瞬断の防止を可能としたものである。この電源ユニット１においても、実施例１と同様、第１スイッチ群を用いて２つのモードを切り替えることによる、出力電圧の段階的調整が可能となっている。

蓄電モジュール電源ユニット１の放電動作
図１３Ａ，図１３Ｂ，及び１３Ｃは、放電時における接続状態及び電流経路を示している。図１３Ａがモード１に、そして図１３Ｃがモード２に対応している点は図６Ａ，図６Ｂと同様であるが、これに加えて、モード１とモード２の間での切り替え時におけるデッドタイム期間中の接続状態及び電流経路が、図１３Ｂに示されている。

放電はモード１の接続状態にて開始される。このときの電流経路は、図１３Ａに示されるとおり、図６Ａにおける電流経路と同様である。各キャパシタの容量が等しい場合、電圧のばらつきは生じない。

放電の進行に伴い、スイッチＱ１〜Ｑ５はモード２へと切り替えられる。ここで切り替えの際には、既に述べたとおりショートを避けるためにデッドタイム期間が設けられ、一時的に全てのスイッチがオフとなる。

デッドタイム期間中の接続状態及び電流経路が図１３Ｂに示されている。図示されるとおり、モード１においてＱ１，Ｑ３，Ｑ５の各スイッチを流れていた電流は、デッドタイム期間中において、当該各スイッチと並列に接続されたダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を流れている。すなわちデッドタイム期間中であっても電流が瞬断されることはなく、モード１と同様の状態が維持されている。

その後、スイッチＱ２及びＱ４をオンとすることにより、電源ユニット１はモード２へと切り替えられる。デッドタイム期間中にダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を流れていた電流は、モード２においてはスイッチＱ２，Ｑ４を流れる。このときの電流経路は、図１３Ｃに示すとおり、図６Ｂにおける電流経路と同様である。出力電圧は上昇し、以降はモード２の接続状態で放電が進行する。

蓄電モジュール電源ユニット１の充電動作
図１４Ａ，図１４Ｂ，及び１４Ｃは、充電時における接続状態及び電流経路を示している。放電時とは異なり、充電は図１４Ａに示されるモード２の接続状態にて開始され、図１４Ｂに示されるとおり全てのスイッチがオフとなるデッドタイム期間を経て、図１４Ｃに示されるモード１へと切り替えられる。

放電開始時の電流経路は、図１４Ａに示されるとおり、図６Ｂにおける電流経路と同様である。各キャパシタの容量が等しい場合、電圧のばらつきは生じない。一例として、容量の等しいキャパシタＣ１〜Ｃ６、スイッチＱ１〜Ｑ５、及びダイオードＤ１〜Ｄ５よりなる蓄電モジュール電源ユニット１を直流定圧電源により充電する場合、このモード２での充電によって、各キャパシタは電源電圧の１／３の電圧まで充電される。また、図１４Ａに示されるとおり、電源からの電流は２つの経路に分岐した上で各キャパシタを流れる。

モード２での充電が完了して電流が流れなくなると（あるいは、電流が所定の値を下回るなど、任意の条件が満たされると）、スイッチＱ１〜Ｑ５はモード１へと切り替えられる。ここで切り替えの際には、既に述べたとおりショートを避けるためにデッドタイム期間が設けられ、一時的に全てのスイッチがオフとなる。

デッドタイム期間中の接続状態及び電流経路が図１４Ｂに示されている。図示されるとおり、モード２においてＱ２，Ｑ４の各スイッチを流れていた電流は、デッドタイム期間中において、当該各スイッチと並列に接続されたダイオードＤ２，Ｄ４を流れている。すなわちデッドタイム期間中であっても電流が瞬断されることはなく、モード２と同様の状態が維持されている。

その後、スイッチＱ１，Ｑ３，及びＱ５をオンとすることにより、電源ユニット１はモード１へと切り替えられる。デッドタイム期間中にダイオードＤ２，Ｄ４を流れていた電流は、モード１においてはスイッチＱ１，Ｑ３，及びＱ５を流れる。このときの電流経路は、図１４Ｃに示すとおり、図６Ａにおける電流経路と同様である。キャパシタＣ１〜Ｃ６の容量が等しい場合、このモード１での充電によって、各キャパシタは電源電圧の１／２の電圧まで充電される。

なお、図１４Ｃに示されるとおり、モード１において電源からの電流は３つの経路に分岐した上で各キャパシタを流れる。すなわち、電源電流が同じであれば、各キャパシタにおけるモード１での充電はモード２での充電よりも遅くなる。したがって効率的な充電のためには、本実施例にて示されたとおり、まずはモード２において各キャパシタを電源電圧の１／３まで充電した上でモード１へと接続状態を切り替え、引き続き各キャパシタを電源電圧の１／２まで充電することが好ましい。ただし、充電時の接続状態切り替え方式はこれに限られるわけではなく、最初からモード１にて充電することや、本実施例とは逆の順序でモードを切り替えることも可能である。

以上のとおり、各モード間におけるデッドタイム期間を設けた上での電流経路切り替えは、スイッチからダイオード、あるいはダイオードからスイッチへの転流として実行される。したがって、モード切り替え時に電流が瞬断されることはない。

なお、本実施例においては、図５に示した実施形態において各スイッチとは並列にダイオードを接続した構成について特に説明したが、図８に示される第２実施形態や図１０に示される第３実施形態においても、同様にダイオードを設けることによって充放電の瞬断が防止される。すなわち、上記図５の構成における場合と同様に、図８及び図１０の構成においても、ダイオードＤ１〜Ｄ５を各スイッチＱ１〜Ｑ５に対して並列に取り付けることによってモード切り替え時の瞬断が防止される。各ダイオードの極性を図１２にて示される極性と同様に選択すれば、放電時のデッドタイム期間中には放電電流がダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を流れ、また充電時のデッドタイム期間中には充電電流がダイオードＤ２，Ｄ４を流れる。これにより充放電時の電流の瞬断が防止される。

上記実施例１〜４においては、特に２直列と３直列との間で接続状態を切り替える手段について説明した。しかし、出力電圧の変動を最小化することにより電子機器等の動作の安定化、及び効率化を図るという観点や、放電により短時間で大きく電圧変動するキャパシタのエネルギーを無駄なく利用するという観点からは、多段階での接続状態切り替えにより出力電圧をきめ細やかに調整可能とすることが望ましい。

蓄電モジュール電源システム２の構成
図１５は、そのようなきめ細やかな電圧調整を可能とする、本件第６発明の一例としての蓄電モジュール電源システム２を示している。図１５の構成においては、キャパシタＣ１〜Ｃ６とスイッチＱ１〜Ｑ５より構成される蓄電モジュールユニット５と、キャパシタＣ７〜Ｃ１２とスイッチＱ６〜Ｑ１０より構成される蓄電モジュールユニット６と、そしてスイッチＱ１１〜Ｑ１３（以下、第２スイッチ群と呼ぶ。）とによって、電源システム２が構成されており、第１端子７と第２端子８との間に接続された任意の負荷へ電圧を印加するよう構成されている。蓄電モジュールユニット５及び６は、実施例１にて説明した電源ユニットである。したがって実施例１と同様に、スイッチＱ１〜Ｑ５又はＱ６〜Ｑ１０を制御することにより、モード１とモード２との間で切り替えられる。電源システム２は全体として、図１に示す電源ユニットにおいて各キャパシタを蓄電モジュール電源ユニット５及び６により置き換えた構成となっている。

蓄電モジュール電源システム２の動作
次に、本実施例５の蓄電モジュール電源システム２によって任意の電子機器等へ電圧を出力する際の放電動作について説明する。これまでの実施例１〜４と同様に、初期時点においてキャパシタＣ１〜Ｃ１２はそれぞれが等しい電圧によって充電されているものとする。また電源ユニット５及び６は、放電開始時において、それぞれ実施例１等におけるモード１の接続状態へと切り替えられている。なお、本実施例５においては、モード１〜モード４を、電源システム２の全体に対して定められる接続状態として、以降新たに定義する。

図１６には、放電開始時における回路の接続状態、及び電流経路が示されている。本実施例５では、このような接続状態をモード１と定義する。モード１においては、Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、ならびにＱ６、Ｑ８、Ｑ１０がオンとなっており、電源ユニット５と６は２直列３並列の状態である。また、Ｑ１１とＱ１２とがオンとなっているため、電源ユニット５と６とは並列に接続されている。すなわち、電源システム２全体としては２直列６並列の状態となっている。

図１６中の実線矢印で示すとおり、モード１において、電流はまず電源ユニット５及び６へと向かって２つの経路へ分岐し、さらに各々の電源ユニット内で３つの経路へと分岐して流れ、最終的にはこれら６つの経路を流れる電流が合流して負荷へと出力される。この場合、Ｃ１とＣ２，Ｃ３とＣ４，Ｃ５とＣ６，Ｃ７とＣ８，Ｃ９とＣ１０，及びＣ１１とＣ１２の容量がそれぞれ等しければ、各キャパシタ間で電圧ばらつきは発生しない。なお、それぞれのキャパシタは任意の蓄電素子を複数接続してなる蓄電モジュールであってもよく、この場合はＣ１〜Ｃ１２としてそれら蓄電素子の合成容量を用いればよい点は、先の実施例１〜４と同様である。また出力電圧は、Ｃ１とＣ２等、直列接続された２つのキャパシタ電圧の合計となる。

このときの出力電圧の時間推移を図２０に示す。図示されるとおり、放電の進行とともに出力電圧は低下する。出力電圧がある所定の値を下回る前に、Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、及びＱ６、Ｑ８、Ｑ１０がオフとされ、同時にＱ２、Ｑ４、及びＱ７、Ｑ９がオンとされる。本実施例５においては、このような切り替えによって実現される、図１７に示されるとおりの接続状態をモード２と定義する。電源ユニット５と６はそれぞれ３直列２並列構成となっており、システム全体としては３直列４並列の接続状態が実現されている。したがって、出力電圧は図２０に示すとおり上昇する。なお、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を初めとする、直列接続された３つのキャパシタよりなる４組がそれぞれ同容量のキャパシタから構成されていれば、モード２においても電圧ばらつきは発生しない。

なお、モード１は６並列構成であったのに対してモード２は４並列構成であるため、電源システム２の出力電流が一定であるとすれば、モード２において各キャパシタに流れる電流はモード１における各キャパシタの電流よりも大きい。すなわち、モード１において各キャパシタは（容量が全て等しいとすれば）出力電流の１／６の大きさの電流によって放電するのに対して、モード２では各キャパシタが出力電流の１／４の大きさの電流によって放電する。したがって、図２０に示すとおり、モード２における各キャパシタの電圧勾配はモード１における電圧勾配よりも大きい。

以後、モード２にて放電が進行し、一旦上昇した出力電圧は再び低下し続ける。出力電圧がある所定の値を下回る前に、Ｑ２，Ｑ４，及びＱ７，Ｑ９がオフとされ、同時にＱ１、Ｑ３、Ｑ５，及びＱ６，Ｑ８，Ｑ１０がオンとされる。また、これら切り替えと同時に、Ｑ１１及びＱ１２をオフとし、Ｑ１３をオンとすることにより、電源ユニット５，６の接続が直列へと切り替えられる。本実施例５においては、このような切り替えによって実現される、図１８に示されるとおりの接続状態をモード３と定義する。電源ユニット５と６はそれぞれ２直列３並列構成となっており、システム全体としては４直列３並列の接続状態が実現されている。したがって、出力電圧は図２０に示すとおり上昇する。

モード３においては、電源ユニット５と６とに含まれるキャパシタそれぞれの合成容量が等しければ、両電源ユニットの電圧が等しくなる。その上で、Ｃ１及びＣ２を初めとする、直列接続された２つのキャパシタよりなる６組がそれぞれ同容量のキャパシタから構成されていれば、モード３においても電圧ばらつきは発生しない。

なお、モード２は４並列構成であったのに対してモード３は３並列構成であるため、電源システム２の出力電流が一定であるとすれば、モード３において各キャパシタに流れる電流はモード２における各キャパシタの電流よりも大きい。すなわち、モード２において各キャパシタは（容量が全て等しいとすれば）出力電流の１／４の大きさの電流によって放電するのに対して、モード３では各キャパシタが出力電流の１／３の大きさの電流によって放電する。したがって、図２０に示すとおり、モード３における各キャパシタの電圧勾配はモード２における電圧勾配よりも大きい。

以後、モード３にて放電が進行し、一旦上昇した出力電圧は再び低下し続ける。出力電圧がある所定の値を下回る前に、Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５，及びＱ６，Ｑ８，Ｑ１０がオフとされ、同時にＱ２，Ｑ４，及びＱ７，Ｑ９がオンとされる。本実施例５においては、このような切り替えによって実現される、図１９に示されるとおりの接続状態をモード４と定義する。電源ユニット５と６はそれぞれ３直列２並列構成となっており、これらユニットが直列接続されてなるシステム全体としては６直列２並列の接続状態が実現されている。したがって、出力電圧は図２０に示すとおり上昇する。

モード４においては、電源ユニット５と６とに含まれるキャパシタそれぞれの合成容量が等しければ、両電源ユニットの電圧が等しくなる。その上で、Ｃ１，Ｃ２，及びＣ３を初めとする、直列接続された３つのキャパシタよりなる４組がそれぞれ同容量のキャパシタから構成されていれば、モード４においても電圧ばらつきは発生しない。

なお、モード３は３並列構成であったのに対してモード４は２並列構成であるため、電源システム２の出力電流が一定であるとすれば、モード４において各キャパシタに流れる電流はモード３における各キャパシタの電流よりも大きい。すなわち、モード３において各キャパシタは（容量が全て等しいとすれば）出力電流の１／３の大きさの電流によって放電するのに対して、モード４では各キャパシタが出力電流の１／２の大きさの電流によって放電する。したがって、図２０に示すとおり、モード４における各キャパシタの電圧勾配はモード３における電圧勾配よりも大きい。

以上のとおり、図１５に示すシステム構成を採用すれば、２直列、３直列、４直列、６直列の間でキャパシタの直列接続数を切り替えることが可能である。また各キャパシタに流れる電流は、各キャパシタの容量が上記各モードにおいて述べた条件を満たす限りにおいて、これまでの実施例と同様に等しい。したがって電圧ばらつきは積極的には発生しない。

なお、ここでは放電時における動作について説明したが、充電時においても同様の原理で動作可能である。同様に、本実施例５においては電源ユニット５，６として特に実施例１にて説明された電源ユニットを用いる場合について説明したが、電源ユニット５，６として実施例２又は３の各ユニットを用いても、本電源システムは同様の原理により動作可能である。

また、本実施例５においては各スイッチが同時にオン／オフされるとして動作の説明を行ったが、実施例４と同様にダイオードを各スイッチに対して並列に設けることにより、ショートを防止するためのデッドタイム期間を設けつつ、無瞬断にて接続状態を切り替えることが可能となる。以下にその例を示す。

蓄電モジュール電源システム２の構成
図２１は、本件第６発明の一例である蓄電モジュール電源システム２を示している。図２１の構成は、実施例５として図１５により示された構成において、ダイオードＤ１〜Ｄ１３を各スイッチＱ１〜Ｑ１３に対して並列に取り付けることにより、モード切り替え時における瞬断の防止を可能としたものである。すなわち、本実施例６において用いられる電源ユニット５，６とは、それぞれ実施例４中で図１２を用いて説明された電源ユニットである。この電源システム２においても、実施例５と同様、各電源ユニット５，６中の第１スイッチ群、及びＱ１１〜Ｑ１３よりなる第２スイッチ群とをそれぞれ切り替えることにより、それぞれ２直列６並列、３直列４並列、４直列３並列、６直列２並列の接続状態からなる４つのモードを用いた出力電圧の段階的調整が可能となっている。

蓄電モジュール電源システム２の放電動作
次に、上記４モードを順次切り替えつつ行われる、本実施例６の電源システム２による放電動作を説明する。

モード１からモード２への切り替え動作
まず、初期状態であるモード１から中間的接続状態であるモード１−１を経てモード２へと、電源システム２の接続状態を切り替える動作について説明する。

図２３，図２４，及び図２５は、モード１からモード２への切り替えにおける各時点での接続状態及び電流経路を示している。図２３がモード１に、そして図２５がモード２に対応している点は図１６，図１７と同様であるが、これに加えて、モード１とモード２の間での切り替え時における途中の接続状態及び電流経路が、図２４に示されている。図２４に示した切り替え途中の状態を、以下ではモード１−１と呼ぶ。モード１、モード１−１、モード２のそれぞれにおける各スイッチの状態を図２２に示す。

放電時、まず初期状態のモード１（図２３）においては、Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５，ならびにＱ６，Ｑ８，Ｑ１０がオンとされており、電源ユニット５と６とはそれぞれ２直列３並列の接続状態となっている。さらに、Ｑ１１とＱ１２とがオンとされているため、電源ユニット５と６は並列に接続されており、電源システム２は全体として２直列６並列の接続状態を構成している。

この状態から、Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、ならびにＱ６、Ｑ８、Ｑ１０をオフとすることにより、接続状態は図２４のモード１−１へと移行する。この際、Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、ならびにＱ６、Ｑ８、Ｑ１０を流れていた電流は速やかにＤ１、Ｄ３、Ｄ５、ならびにＤ６、Ｄ８、Ｄ１０へと経路を移すため、デッドタイム期間中であっても出力が瞬断されることはない。その後、Ｑ２、Ｑ４、ならびにＱ７、Ｑ９をオンとすることで電源ユニット３と４は３直列２並列の状態へと切り替わり、電源システム１は図２５に示されるモード２へと移行する。

ここで、モード１−１からモード２への切り替わり時において、スイッチ切り替えタイミングの微妙なずれに起因して、電源ユニット５，６のうちいずれか一方のみが先に３直列２並列の状態に切り替わるということが起こりうる。例えば、Ｑ２とＱ４とがＱ７とＱ９よりも先にオンとされた場合、電源ユニット５は３直列２並列の状態と切り替えられている一方で、電源ユニット６は依然として２直列３並列状態のままである。

この時、仮にデッドタイム期間が設けられておらず、Ｑ６、Ｑ８、Ｑ１０がモード１に対応してオンのままであれば、３直列の電源ユニット３と２直列の電源ユニット４とがショートすることとなり、電源ユニット５から６へと大電流が流れて、素子の故障を引き起こす恐れが生じる。しかしながら、モード１−１においてＱ６、Ｑ８、Ｑ１０はオフとなっており、また瞬断を防ぐために備えられたダイオードＤ６、Ｄ８、Ｄ１０も、図２４に示されるとおり、電源ユニット５から６への方向には電流を通さない。したがって、仮に各電源ユニットにおけるスイッチ切り替えタイミングがずれたとしても、大きな問題とはならない。

なお、上記個々のスイッチの具体的な切り替え順序は、２直列６並列から３直列４並列へと接続状態を切り替えるためのシーケンスとしての一例に過ぎない。ショート及び出力の瞬断を防止できる限りにおいて上記のシーケンスとは異なる切り替え順序を採用することが可能であるし、あるいはそのような障害を回避するために別の手段を設けた上で、任意の順序で個々のスイッチを切り替えてもよい。

モード２からモード３への切り替え動作
次に、モード２から中間的接続状態であるモード２−１，２−２，２−３，２−４，及び２−５を経て、モード３へと電源システム２の接続状態を切り替える動作について説明する。

図２５，及び図２７〜３２は、モード２からモード３への切り替えにおける各時点での接続状態及び電流経路を示している。図２５がモード２に、そして図３２がモード３に対応している点は図１７，図１８と同様であるが、これに加えて、モード２とモード３の間での切り替え時における途中の接続状態及び電流経路が、図２７〜３１に示されている。図２７〜３１に示した切り替え途中の状態を、以下ではモード２−１，２−２，２−３，２−４，及び２−５と呼ぶ。モード２、モード２−１〜２−５、及びモード３のそれぞれにおける各スイッチの状態を図２６に示す。

放電時、まずモード２（図２５）においては、Ｑ２，Ｑ４，ならびにＱ７，Ｑ９がオンとされており、電源ユニット５と６とはそれぞれ３直列２並列の接続状態となっている。さらに、Ｑ１１とＱ１２とがオンとされているため、電源ユニット５と６は並列に接続されており、電源システム２は全体として３直列４並列の接続状態を構成している。

この状態から、Ｑ１１及びＱ１２をオフとすることにより、接続状態は図２７のモード２−１へと移行する。この際、Ｑ１１及びＱ１２を流れていた電流は速やかにＤ１１及びＤ１２へと経路を移すため、デッドタイム期間中であっても出力が瞬断されることはない。

次に、この状態からＱ７及びＱ９を更にオフとすることにより、接続状態は図２８のモード２−２へと移行する。モード２−２においてスイッチＱ６〜Ｑ１０は全てオフとなっているが、ダイオードＤ６，Ｄ８，Ｄ１０を経由することにより、出力電流は切り替え前と同じ方向へと流れうる。

しかしながら、そのような経路で電流を出力するために電源ユニット６から供給される電圧は、Ｃ７及びＣ８等、２直列構成のキャパシタによって出力される電圧である。すなわち電源ユニット６からの電圧は３直列構成の電源ユニット５から供給される電圧よりも小さい。したがって、電流は、図２８中の実線矢印で示すとおり電源ユニット５のみを経由して出力される。なお、電源ユニット５から電源ユニット６への電流はＤ１２によって阻止されるため、電源ユニット間を大電流が流れることはない。

次に、この状態からＱ６，Ｑ８，Ｑ１０をオンとすることにより、接続状態は図２９のモード２−３へと移行する。モード２−２と同様、モード２−３の接続状態においても、２直列構成の電源ユニット６から供給される電圧は３直列構成の電源ユニット５から供給される電圧よりも小さいために、出力電流は引き続き電源ユニット５のみを経由する。

次に、この状態からＱ１３をオンとすることにより、接続状態は図３０のモード２−４へと移行する。この切り替えにより電源ユニット５及び６が直列接続される。したがって、以降の出力電流はＤ１１を経由せず、電源ユニット６、スイッチＱ１３、及び電源ユニット５を経由して出力される。

モード２−４の接続状態においては、３直列２並列のキャパシタユニット５と、２直列３並列のキャパシタユニット６とが直列に接続されている。したがって、電源システム２は全体として５直列構成となっており、キャパシタ５個分に対応する電圧が出力される。なお、この状態において、出力電流は電源ユニット５内で２つの経路に分岐する一方、電源ユニット６内では３つの経路に分岐している。すなわち各キャパシタを流れる電流は一様ではなく、モード２−４での出力を長時間続ければキャパシタ間に電圧ばらつきが生じる恐れもある。したがって、モード２−３からモード２−４へと切り替えた時には、極力短時間内に次の切り替え動作を行うことが好ましい。

次に、この状態からＱ２及びＱ４を更にオフとすることにより、接続状態は図３１のモード２−５へと移行する。この状態において電源ユニット５内のスイッチＱ１〜Ｑ５は全てオフとなっており、Ｑ２及びＱ４を流れていた電流はＤ１，Ｄ３，Ｄ５を流れ始める。したがって電源ユニット５，６はいずれも２直列３並列構成として直列接続され、電源システム２は全体として４直列３並列構成とみなすことができる。

次に、この状態からＱ１，Ｑ３，及びＱ５をオンとすることにより、接続状態は図３２のモード３へと移行する。Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５を流れていた電流は即座にＱ１、Ｑ３、Ｑ５へと移る。

以上の説明における３直列４並列から４直列３並列への具体的な切り替え順序は、シーケンスとしての一例に過ぎない。各スイッチを上記とは異なるタイミングで制御することにより、接続状態を切り替えることも可能である。上記の例においては、まず電源ユニット６の接続状態が３直列２並列から２直列３並列へと切り替えられ、次にその電源ユニット６が、３直列２並列接続状態のままである電源ユニット５と直列に接続され、最後に電源ユニット５の接続状態が３直列２並列から２直列３並列へと切り替えられる、というシーケンスが採用された。しかしながら、例えば電源ユニット５と６とを予め２直列３並列の状態に切り替え、その後に２つのユニットを直列に接続する、というシーケンス等を採用することも可能である。

モード３からモード４への切り替え動作
次に、モード３から中間的接続状態であるモード３−１，３−２，及び３−３を経て、モード４へと電源システム２の接続状態を切り替える動作について説明する。

図３２，及び図３４〜３７は、４直列３並列状態のモード３から６直列２並列状態のモード４への切り替えにおける各時点での接続状態及び電流経路を示している。図３２がモード３に、そして図３７がモード４に対応している点は図１８，図１９と同様であるが、これに加えて、モード３とモード４の間での切り替え時における途中の接続状態及び電流経路が、図３４〜３６に示されている。図３４〜３６に示した切り替え途中の状態を、以下ではモード３−１，３−２，及び３−３と呼ぶ。モード３、モード３−１〜３−３、及びモード４のそれぞれにおける各スイッチの状態を図３３に示す。

放電時、まずモード３（図３２）においては、Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５，ならびにＱ６，Ｑ８，Ｑ１０がオンとされており、電源ユニット５と６とはそれぞれ２直列３並列の接続状態となっている。さらに、Ｑ１３がオンとされているため、電源ユニット５と６は直列に接続されており、電源システム２は全体として４直列３並列の接続状態を構成している。

この状態から、まずはＱ６，Ｑ８，及びＱ１０をオフとすることにより、接続状態を図３４に示されるモード３−１へと切り替える。この際、Ｑ６，Ｑ８，及びＱ１０を流れていた電流は速やかにＤ６，Ｄ８，及びＤ１０へと経路を移すため、デッドタイム期間中であっても出力が瞬断されることはない。

次に、この状態からＱ７及びＱ９をオンとすることにより、接続状態は図３５のモード３−２へと移行する。モード３−２において、全体としての電源システム２は、２直列３並列構成の電源ユニット５、及び３直列２並列構成へと切り替えられた電源ユニット６が直列接続された５直列の構成となっている。したがって、モード３−２においてはキャパシタ５個分に対応する電圧が出力される。

次に、この状態からＱ１，Ｑ３，Ｑ５をオフとすることにより、接続状態は図３６のモード３−３へと移行する。Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５に流れていた電流は速やかにＤ１、Ｄ３、Ｄ５へと移り変わるため、出力の瞬断が起きることはない。

次に、この状態からＱ２，Ｑ４をオンとすることにより、接続状態は図３７のモード４へと移行する。Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５を流れていた電流は即座にＱ２、Ｑ４へと移り、電源ユニット５は３直列２並列構成へと切り替えられる。この時、電源ユニット５と６は共に３直列２並列構成であるため、システム全体としては６直列２並列の構成となる。

以上の説明における４直列３並列から６直列２並列への具体的な切り替え順序は、シーケンスとしての一例に過ぎない。各スイッチを上記とは異なるタイミングで制御することにより、接続状態を切り替えることも可能である。上記の例においては、まず電源ユニット６の接続状態が２直列３並列から３直列２並列へと切り替えられ、次に電源ユニット５の接続状態が３直列２並列から２直列３並列へと切り替えられる、というシーケンスが採用された。しかしながら、例えば電源ユニット５を先に３直列２並列の状態に切り替え、その後に電源ユニット６を３直列２並列へと切り替えてもよい。

また、上記具体的に説明したシーケンスにおいては、まず電源ユニット５，６のいずれか一方を３直列２並列へと切り替えることにより、電源ユニットとして５並列の接続状態を経由している。これは出力電圧の大幅な変化を防止するという点において有効ではあるが、接続状態が電源ユニット間で異なる状態を経由するために、切り替えが遅れた場合はキャパシタ電圧のばらつきを招く恐れがある。したがって、電源ユニット５と６を同時に２直列３並列から３直列２並列に切り替えることにより、全体として４直列３並列から６直列２並列へと、中間状態を経由せずに切り替えるといったシーケンスも有効である。

本実施例６の電源システムは充電時においても同様の原理で動作可能である。放電中、スイッチＱ１１〜Ｑ１３が全てオフとなる期間において（モード２−１，２−２，２−３の期間において）はＤ１１とＤ１２によって放電電流の瞬断が防止されていたが、これに対応する、充電中のスイッチＱ１１〜Ｑ１３の切り替え時においては、Ｄ１３によって充電電流の瞬断が防止される。また、電源ユニット５と６は、特に図１２で示される本発明の第４実施形態における電源ユニットであるとして説明を行ったが、実施例４と同様に、電源ユニットが、図８，あるいは図１０で示される本発明の実施例２，３の電源ユニットに適宜ダイオードを備えたものであるとしても、電源システム２は同様の原理で動作可能である。

本発明に係る電源装置は、電力により動作する任意の装置へ電力供給するために用いることが可能である。例えば、バスやトラックのように重量の大きい移動体を発進させるためには瞬時に大電力を供給することが必要となるが、化学反応を介するバッテリーはこのような要求に対して充分に応えることができない。一方、本発明に係る電源ユニットは瞬時の充放電が可能なキャパシタによって構成できるため、このような用途にも対応することができる。特に、本発明に係る電源システムを従来のディーゼルエンジンなどと組み合わせれば、低燃費・低公害の大型車両の実現も期待できる。

１ 電源ユニット
２ 電源システム
３ 第１端子
４ 第２端子
５〜６ 電源ユニット
７ 第１端子
８ 第２端子

Claims (19)

1. それぞれが容量の等しい２ｎ（ｎは１以上の整数）個の蓄電モジュールにより構成される、第１蓄電モジュール群、第２蓄電モジュール群、及び第３蓄電モジュール群と、
   第１スイッチ群であって、
   前記第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第１蓄電モジュール列、前記第２蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第２蓄電モジュール列、及び前記第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第３蓄電モジュール列が並列接続された３並列接続状態と、
   前記第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールと前記第２蓄電モジュール群に含まれるｎ個の蓄電モジュールとが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列、及び、前記第２蓄電モジュール群に含まれる、該ｎ個の蓄電モジュールとは異なる残りのｎ個の蓄電モジュールと、前記第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールとが直列接続されてなる第５蓄電モジュール列、が並列接続された、２並列接続状態と、
   を切り替える第１スイッチ群と、
   を備えた、
   蓄電モジュール電源ユニット。
2. １以上の蓄電モジュールよりなる第１蓄電モジュール群、２以上の蓄電モジュールよりなる第２蓄電モジュール群、及び、１以上の蓄電モジュールよりなる第３蓄電モジュール群と、
   第１スイッチ群であって、
   前記第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第１蓄電モジュール列、前記第２蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第２蓄電モジュール列、及び前記第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第３蓄電モジュール列が並列接続された３並列接続状態と、
   前記第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールと前記第２蓄電モジュール群に含まれる１以上の蓄電モジュールとが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列、及び、前記第２蓄電モジュール群に含まれる、該１以上の蓄電モジュールとは異なる残りの１以上の蓄電モジュールと、前記第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールとが直列接続されてなる第５蓄電モジュール列、が並列接続された、２並列接続状態と、
   を切り替える第１スイッチ群と、
   を備えた、
   蓄電モジュール電源ユニット。
3. 前記第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールの容量と、前記第２蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールの容量と、前記第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールの容量とが等しいことを特徴とする、請求項２に記載の蓄電モジュール電源ユニット。
4. 前記第１蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数、前記第２蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数、及び前記第３蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数が互いに等しいことを特徴とする、請求項２又は３に記載の蓄電モジュール電源ユニット。
5. 前記第４蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数と、前記第５蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数とが等しいことを特徴とする、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の蓄電モジュール電源ユニット。
6. 第１〜第６の蓄電モジュールと、
   第１スイッチ群であって、
   前記第１蓄電モジュールと前記第２蓄電モジュールとが直列接続されてなる第１蓄電モジュール列、前記第３蓄電モジュールと前記第４蓄電モジュールとが直列接続されてなる第２蓄電モジュール列、及び前記第５蓄電モジュールと前記第６蓄電モジュールとが直列接続されてなる第３蓄電モジュール列が並列接続された、３並列接続状態と、
   前記第１蓄電モジュールと前記第２蓄電モジュールと前記第３蓄電モジュールとが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列、及び前記第４蓄電モジュールと前記第５蓄電モジュールと前記第６蓄電モジュールとが直列接続されてなる第５蓄電モジュール列が並列接続された、２並列接続状態と、
   を切り替える第１スイッチ群と、
   を備え、前記第２蓄電モジュールと前記第４蓄電モジュール、及び前記第３蓄電モジュールと前記第５蓄電モジュールがそれぞれ並列接続された蓄電モジュール電源ユニットであって、
   前記３並列接続状態において、
   前記第１蓄電モジュールと、前記第３蓄電モジュールと、前記第５蓄電モジュールと、よりなる回路の合成容量と、
   前記第２蓄電モジュールと、前記第４蓄電モジュールと、前記第６蓄電モジュールと、よりなる回路の合成容量と、
   が等しく、
   前記２並列接続状態において、
   前記第１蓄電モジュールと、前記第６蓄電モジュールと、よりなる回路の合成容量と、
   前記第２蓄電モジュールと、前記第４蓄電モジュールと、よりなる回路の合成容量と、
   前記第３蓄電モジュールと、前記第５蓄電モジュールと、よりなる回路の合成容量と、
   が等しいことを特徴とする、蓄電モジュール電源ユニット。
7. 前記第１〜第６の蓄電モジュールは、それぞれが容量の等しい１以上の蓄電素子を直列接続してなる蓄電モジュールである、請求項６に記載の電源モジュールユニット。
8. 前記第１スイッチ群に含まれるスイッチであって、前記３並列接続状態においてオンとなり前記２並列接続状態においてオフとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第１整流素子群と、
   前記第１スイッチ群に含まれるスイッチであって、前記３並列接続状態においてオフとなり前記２並列接続状態においてオンとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第２整流素子群と、
   のうち少なくとも一方を更に備えることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の蓄電モジュール電源ユニット。
9. 前記第１整流素子群と前記第２整流素子群との両方を備え、前記第１整流素子群は放電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含み、前記第２整流素子群は充電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含む、請求項８に記載の蓄電モジュール電源ユニット。
10. 容量の等しいｎ（ｎは１以上の整数）個の蓄電モジュールにより構成される第１蓄電モジュール群と、
    前記第１蓄電モジュール群に含まれる各蓄電モジュールの２倍の容量を有する２ｎ個の蓄電モジュールにより構成される、第２蓄電モジュール群と、
    前記第１蓄電モジュール群に含まれる蓄電モジュールと等しい容量を有するｎ個の蓄電モジュールにより構成される、第３蓄電モジュール群と、
    第１スイッチ群であって、
    前記第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第１蓄電モジュール列と前記第２蓄電モジュール群に含まれるｎ個の蓄電モジュールが直列接続されてなる第２蓄電モジュール列とが並列接続されてなる第１並列回路、及び、前記第２蓄電モジュール群に含まれる、該ｎ個の蓄電モジュールとは異なる残りのｎ個の蓄電モジュールが直列接続されてなる第３蓄電モジュール列と、前記第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列とが並列接続されてなる第２並列回路、が直列接続された、２つの並列回路の直列接続状態と、
    前記第２蓄電モジュール列と、前記第１蓄電モジュール列、及び前記第４蓄電モジュール列が並列接続されてなる第３並列回路と、前記第３蓄電モジュール列と、が直列接続された、１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態と、
    を切り替える第１スイッチ群と、
    を備えた、
    蓄電モジュール電源ユニット。
11. １以上の蓄電モジュールよりなる第１蓄電モジュール群と、
    ２以上の蓄電モジュールよりなる第２蓄電モジュール群と、
    １以上の蓄電モジュールよりなる第３蓄電モジュール群と、
    第１スイッチ群であって、
    前記第１蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第１蓄電モジュール列と前記第２蓄電モジュール群に含まれる１以上の蓄電モジュールが直列接続されてなる第２蓄電モジュール列とが並列接続されてなる第１並列回路、及び、前記第２蓄電モジュール群に含まれる、該１以上の蓄電モジュールとは異なる残りの蓄電モジュールが直列接続されてなる第３蓄電モジュール列と、前記第３蓄電モジュール群に含まれる全ての蓄電モジュールが直列接続されてなる第４蓄電モジュール列と、が並列接続されてなる第２並列回路、が直列接続された、２つの並列回路の直列接続状態と、
    前記第２蓄電モジュール列と、前記第１蓄電モジュール列、及び前記第４蓄電モジュール列が並列接続されてなる第３並列回路と、前記第３蓄電モジュール列と、が直列接続された、１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態と、
    を切り替える第１スイッチ群と、
    を備えた、
    蓄電モジュール電源ユニット。
12. 前記２つの並列回路の直列接続状態において、前記第１並列回路の合成容量と、前記第２並列回路の合成容量とが等しく、
    前記１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態において、前記第２蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの合成容量と、前記第３並列回路の合成容量と、前記第３蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの合成容量と、が等しい
    ことを特徴とする、請求項１１に記載の蓄電モジュール電源ユニット。
13. 前記第１蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの容量は全て等しく、前記第２蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの容量は全て等しく、前記第３蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの容量は全て等しく、前記第４蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの容量は全て等しいことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の蓄電モジュール電源ユニット。
14. 前記第１蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数と、前記第２蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数と、前記第３蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数と、前記第４蓄電モジュール列に含まれる蓄電モジュールの数と、が等しいことを特徴とする、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の蓄電モジュール電源ユニット。
15. 前記第１スイッチ群に含まれるスイッチであって、前記２つの並列回路の直列接続状態においてオンとなり前記１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態においてオフとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第１整流素子群と、
    前記第１スイッチ群に含まれるスイッチであって、前記２つの並列回路の直列接続状態においてオフとなり前記１つの並列回路と２つの蓄電モジュール列との直列接続状態においてオンとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第２整流素子群と、
    のうち少なくとも一方を更に備えることを特徴とする、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の蓄電モジュール電源ユニット。
16. 前記第１整流素子群と前記第２整流素子群との両方を備え、前記第１整流素子群は放電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含み、前記第２整流素子群は充電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含む、請求項１５に記載の蓄電モジュール電源ユニット。
17. 請求項１乃至１６のいずれか一項に記載された蓄電モジュール電源ユニットである、第１蓄電ユニット、及び第２蓄電ユニットと、
    前記第１蓄電ユニットと前記第２蓄電ユニットとが直列接続されてなる、２つの蓄電ユニットの直列接続状態と、前記第１蓄電ユニットと前記第２蓄電ユニットとが並列接続されてなる、２つの蓄電ユニットの並列接続状態と、を切り替える第２スイッチ群と、
    を備えた、
    蓄電モジュール電源システム。
18. 前記第２スイッチ群に含まれるスイッチであって、前記２つの蓄電ユニットの直列接続状態においてオフとなり前記２つの蓄電ユニットの並列接続状態においてオンとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第３整流素子群と、
    前記第２スイッチ群に含まれるスイッチであって、前記２つの蓄電ユニットの直列接続状態においてオンとなり前記２つの蓄電ユニットの並列接続状態においてオフとなるスイッチ、に対して並列に接続された１以上の整流素子よりなる第４整流素子群と、
    のうち少なくとも一方を更に備えることを特徴とする、請求項１７に記載の蓄電モジュール電源システム。
19. 前記第３整流素子群と前記第４整流素子群との両方を備え、前記第３整流素子群は放電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含み、前記第４整流素子群は充電電流を遮断しないよう構成される整流素子を含む、請求項１８に記載の蓄電モジュール電源システム。

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