JP2013192371A - 蓄電装置、充電方法及び放電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させた蓄電装置を提供する。
【解決手段】本発明の蓄電装置１００は、互いに直列に接続された、充電可能な複数の電池Ｂ１〜Ｂ４と、キャパシタＣ１〜Ｃ３と、複数のスイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａ４，Ｓｂ１〜Ｓｂ４によって構成され、電池Ｂ１〜Ｂ３をキャパシタＣ１〜Ｃ３にそれぞれ並列接続する回路、及び、当該キャパシタＣ１〜Ｃ３を電池Ｂ２〜Ｂ４に並列接続する回路を、選択的に構成可能なスイッチ回路部３と、構成する回路を逐次切り替えるようにスイッチ回路部３を動作させる制御部４とを備えている。
【選択図】図７

Description

本発明は、充電可能な電池（二次電池）の直列体を有する蓄電装置、並びにその充電方法及び放電方法に関する。

繰り返しの充電が可能な二次電池を用いて電力を蓄え、必要なときに当該二次電池から電力を供給する電力貯蔵システムが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。このような電力貯蔵システムは、電力需要の変動を緩和して発電設備の利用率を高める用途のほか、太陽光発電及び風力発電のように、発電量の変動が大きい発電方式を採用する発電設備を補完する用途にも適用可能である（例えば、非特許文献２参照。）。また、ハイブリッド車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）も、一種の電力貯蔵システムである。

このような電力貯蔵システムの中核を成す蓄電装置は、複数の電池の直列体を基本構成として備え、必要な電流容量によりこれを並列に構成する。例えば電池としてリチウムイオン電池を使用する場合、１つの電池(セル)の電圧は、約３〜４．２Ｖ程度しかないので、高い直流電圧を必要とする用途には、多数の電池が直列に接続される。また、電池を充電するには、直列体全体に高い充電電圧が印加される。

図１０は、ｎ個の電池（例えばリチウムイオン電池）Ｂ１〜Ｂｎを直列に接続した状態で、直列体を電源（直流）１１により充電する回路図である。放電時は、電源１１が負荷１２に置き換わり、直列体から負荷１２に電力が供給される。電池Ｂ１〜Ｂｎにはそれぞれ並列に、半導体のスイッチ素子Ｓ（Ｓ１〜Ｓｎの総称）と抵抗Ｒ（Ｒ１〜Ｒｎの総称）との直列体が接続されている。また、電池Ｂ１〜Ｂｎのそれぞれの両端には、並列に、電圧センサＶ１〜Ｖｎが接続されている。

充電時は、各電池が均一に充電され、電池の直列体全体で、蓄積し得る最大のエネルギーを蓄えることが望ましい。ところが、実際には各電池の残量及び容量の差があり、満充電に達するタイミングが一致しない。
例えば、図１１は、電池Ｂ１及びＢ２について、満充電に達するタイミングが異なる場合の充電特性を示すグラフである。この場合、同じ３．０Ｖから充電開始しても、電池Ｂ１は時刻ｔ１で既に満充電（４．２Ｖ）に達し、一方、電池Ｂ２はそれより後の時刻ｔ２になってようやく満充電（４．２Ｖ）に達する。

単純に、電池の直列体に充電電圧を印加するとすれば、いずれか１つの電池でも満充電の状態になれば、当該電池の過充電を防止すべく、その時点で充電を停止しなければならない。しかし、他の電池は満充電に達していない。
そこで、例えば図１０における電池Ｂ１が満充電（４．２Ｖ）に達したとすると、以後、スイッチ素子Ｓ１を断続的にオンとして電池Ｂ１を放電させ、過充電を抑制する。他の電池についても同様であり、最終的に全ての電池が満充電に達した時点で、全てのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓｎがオフとなり、充電が完了する。

三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月 電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」

しかしながら、図１０に示したような充電では、満充電に達した電池は、他の全ての電池が満充電に達するまで、放電することになるので、全体としてエネルギーの損失が大きい。また、負荷１２に電力を供給する放電の場合には、いずれかの電池の電圧が放電限界の最低値（３．０Ｖ）まで下がると、他の電池に余力があっても、負荷１２への電力供給を停止しなければならない。例えば、最も放電の進行している電池に、他の電池を合わせるようにスイッチ素子Ｓをオンにして放電を加速することにより、全体として放電のペースを揃えれば若干、電力供給できる時間を延ばせるかもしれないが、全体としては、やはりエネルギーの損失である。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、エネルギーの損失を抑制し、充電効率及び放電能力を向上させる蓄電装置、充電方法及び放電方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の蓄電装置は、互いに直列に接続された、充電可能な複数の電池と、キャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成され、一の電池を前記キャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続する回路を、選択的に構成可能なスイッチ回路部と、構成する回路を逐次切り替えるように前記スイッチ回路部を動作させる制御部とを備えている。

上記のように構成された蓄電装置では、制御部がスイッチ回路部の回路を逐次切り替えることにより、一の電池の電荷がキャパシタを介して他の電池へ移動するか、または、その逆に移動する。このようにして、キャパシタで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各電池の端子間電圧が均一化される。従って、充電時は各電池を均等に充電することができ、放電時は各電池を均等に放電させることができる。

（２）また、上記（１）の蓄電装置において、電池の総数を３以上の自然数ｎとして、ｎより小さいｍ個の互いに直列に接続された電池に対してキャパシタの１個が存在し、かつ、スイッチ回路部は、ｍ通りの並列接続の回路を構成するものを基本ユニットとするとき、電池の直列方向に複数存在して互いに隣接する基本ユニット同士が、少なくとも１個の電池を共有していることが好ましい。
この場合、共有している電池を介して、隣接する基本ユニット同士間でも電荷が移動する。従って、この要領で基本ユニット数を必要数設ければ、多数の電池が互いに直列に接続されている場合でも、各電池の端子間電圧を均一化することができる。

（３）また、本発明の蓄電装置は、３以上の自然数をｎとして互いに直列に接続された、充電可能なｎ個の電池と、互いに直列に接続された（ｎ−１）個のキャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成され、１個を除く（ｎ−１）個の電池を一斉に前記キャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを、前記１個を含む（ｎ−１）個の電池に一斉に並列接続する回路を、選択的に構成可能なスイッチ回路部と、構成する回路を逐次切り替えるように前記スイッチ回路部を動作させる制御部とを備えている。

上記（３）のように構成された蓄電装置では、制御部がスイッチ回路部の回路を逐次切り替えることにより、一の電池の電荷がキャパシタを介して他の電池へ移動するか、または、その逆に移動する、という形の電荷の移動が、複数のキャパシタを介して一斉に行われる。このようにして、複数のキャパシタで仲介しながら、電圧の高い方から低い方への移動が繰り返し実行される結果、各電池の端子間電圧が迅速に均一化される。従って、充電時は各電池を均等に充電することができ、放電時は各電池を均等に放電させることができる。

（４）また、上記（３）の蓄電装置において、ｎ個の電池を、直列方向に第１から第ｎまでと定義すると、スイッチ回路部は、第１から第（ｎ−１）までの電池を一斉にキャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを、第２から第ｎまでの電池に一斉に並列接続する回路を、選択的に構成可能である、としてもよい。
この場合、隣り合う電池同士で電荷の移動ができるので、スイッチ回路部の構成が簡素である。

（５）また、上記（３）又は（４）の蓄電装置において、ｎより小さい所定数単位で電池の電圧をそれぞれ検知する複数の電圧センサを備え、制御部は、複数の電圧センサの検知した電圧の相互間に、閾値を超える差がある場合にスイッチ回路部に対して回路を逐次切り替える動作をさせ、それ以外は、スイッチ回路部の全てのスイッチ素子をオフ状態としてもよい。
この場合、必要なときにのみスイッチ回路部に対して回路を逐次切り替える動作をさせることになるので、スイッチ回路部の駆動に要する消費電力を低減することができる。

（６）また、上記（５）の蓄電装置において、充電用の電源と当該蓄電装置との接続をオン／オフするスイッチを備え、制御部は、スイッチ回路部に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、当該スイッチをオフ状態としてもよい。
この場合、各電池の端子間電圧が不均一なときは、電源から蓄電装置への充電は行われない。従って、いずれかの電池が過充電となる事態を防止することができる。

（７）また、上記（１）〜（６）のいずれかの蓄電装置において、制御部は、回路の切替を行う際に、一時的に、電池とキャパシタとの並列接続に関わる前記スイッチ素子を全てオフ状態とすることが好ましい。
この場合、回路の切替時に、電池や電源の短絡を確実に防止することができる。

（８）一方、本発明の充電方法は、充電可能な複数の電池の直列体の両端に所定の電圧を印加して充電を行う充電工程と、前記複数の電池のうちの一の電池をキャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第１工程、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第２工程を、交互に繰り返す電圧均一化工程とを有する。

上記（８）のような充電方法では、電圧均一化工程により、一の電池の電荷がキャパシタを介して他の電池へ移動するか、または、その逆に移動する。このようにして、キャパシタで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各電池の端子間電圧が均一化される。従って、各電池を均等に充電することができる。

（９）また、本発明の放電方法は、充電可能な複数の電池の直列体の両端から負荷に電力を供給する放電工程と、前記複数の電池のうちの一の電池をキャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第１工程、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第２工程を、交互に繰り返す電圧均一化工程とを有する。

上記（９）のような放電方法では、電圧均一化工程により、一の電池の電荷がキャパシタを介して他の電池へ移動するか、または、その逆に移動する。このようにして、キャパシタで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行される結果、各電池の端子間電圧が均一化される。従って、各電池を均等に放電させることができる。

本発明の蓄電装置、充電方法及び放電方法によれば、エネルギーの損失を抑制し、蓄電装置の充電効率及び放電能力を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る蓄電装置と、これに接続される電源又は負荷との接続回路図である。 （ａ）及び（ｂ）は、スイッチ回路部の２種類の動作状態を示す図である。 第１実施形態に係る蓄電装置におけるスイッチ素子の動作状態の変化を示すタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る蓄電装置と、これに接続される電源又は負荷との接続回路図である。 第２実施形態に係る蓄電装置におけるスイッチ素子の動作状態の変化を示すタイムチャートである。 本発明の第３実施形態に係る蓄電装置と、これに接続される電源又は負荷との接続回路図である。 本発明の第４実施形態に係る蓄電装置と、これに接続される電源又は負荷との接続回路図である。 第４実施形態の拡張版とも言える蓄電装置と、これに接続される電源又は負荷との接続回路図である。 本発明の第５実施形態に係る蓄電装置と、これに接続される電源との接続回路図である。 ｎ個の電池を直列に接続した状態で、直列体を電源により充電するか又は直列体から負荷に電力を供給する従来の蓄電装置に係る接続回路図である。 ２つの電池について、満充電に達するタイミングが異なる場合の充電特性を示すグラフである。

《第１実施形態：基本構成》
図１は、本発明の第１実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。これは、後述の他の全ての実施形態の基本構成とも言える蓄電装置１００の形である。但し、これは、本発明の蓄電装置１００としての原理的な基本構成を示しており、必ずしも実用上の基本構成ではない。
なお、電源１は、例えば商用交流電圧から直流電圧を出力するコンバータ装置であり、負荷２は、例えば直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置である。図示の便宜上、１つのシンボルとして描いているが、通常は別々に存在し、いずれか一方と接続して蓄電装置１００の充電又は放電が行われる。

図１において、蓄電装置１００は、互いに直列に接続された２個の電池Ｂ１，Ｂ２と、１個のキャパシタＣと、スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓｂ１，Ｓｂ２を含むスイッチ回路部３と、スイッチ回路部３のスイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓｂ１，Ｓｂ２をオン／オフ動作させる制御部４とを備えている。電池Ｂ１，Ｂ２は、充電可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン電池である。スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓｂ１，Ｓｂ２としては、半導体スイッチング素子が好適であり、例えばＭＯＳ−ＦＥＴである。
なお、１個のキャパシタＣとは、回路記号上のキャパシタを表し、実際に１個である場合の他、実際には複数のキャパシタを並列にした場合も含まれる。以下の記載においても同様である。

ここで、まず、蓄電装置１００には、充電用の電源１が接続されている、とする。すなわち、電池Ｂ１，Ｂ２の直列体の両端に、電源１の出力する所定の直流電圧が印加され、電池Ｂ１，Ｂ２が充電される充電工程が実行されている。

図２の（ａ）及び（ｂ）は、スイッチ回路部３におけるスイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓｂ１，Ｓｂ２の２種類の動作状態を示す図である。また、図３は、制御部４の駆動による、スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓｂ１，Ｓｂ２の動作状態の変化を示すタイムチャートである。スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２をスイッチ素子「Ｓａ」と総称し、スイッチ素子Ｓｂ１，Ｓｂ２をスイッチ素子「Ｓｂ」と総称すると、図３において、スイッチ素子Ｓａと、スイッチ素子Ｓｂとは、互いに交互にオン動作している。

スイッチ素子Ｓａのオン時間Ｔａと、スイッチ素子Ｓｂのオン時間Ｔｂとは、同じ時間でもよいし、必要に応じて異なる時間とすることもできる。オン時間Ｔａ，Ｔｂの間には、双方のスイッチ素子Ｓａ，Ｓｂが共にオフ状態となる一定の切替時間ΔＴが設けられている。切替時間ΔＴを設けることにより、各電池Ｂ１，Ｂ２の両端及びその直列体の両端の短絡並びに電源１の短絡を確実に防止することができる。

図２の（ａ）は、スイッチ素子ＳａすなわちＳａ１，Ｓａ２がオン状態で、スイッチ素子ＳｂすなわちＳｂ１，Ｓｂ２がオフ状態であるときの接続状態を示す回路図である。この場合、電池Ｂ１は、キャパシタＣと並列に接続される。なお、スイッチ素子Ｓｂ２がオフ状態であることによって、キャパシタＣに、電源１の電圧は印加されていない。電池Ｂ１とキャパシタＣとの間で電荷がどのように移動するかは、双方の電圧による。電池Ｂ１の電圧の方が、キャパシタＣの電圧よりも高い場合は、電池Ｂ１からキャパシタＣに電荷が移動し、キャパシタＣは充電される。逆に、キャパシタＣの電圧の方が、電池Ｂ１の電圧よりも高い場合は、キャパシタＣから電池Ｂ１に電荷が移動し、電池Ｂ１が充電される。

次に、図２の（ｂ）は、スイッチ素子ＳｂすなわちＳｂ１，Ｓｂ２がオン状態で、スイッチ素子ＳａすなわちＳａ１，Ｓａ２がオフ状態であるときの接続状態を示す回路図である。この場合、電池Ｂ２は、キャパシタＣと並列に接続される。なお、スイッチ素子Ｓａ１がオフ状態であることによって、キャパシタＣに、電源１の電圧は印加されていない。電池Ｂ２とキャパシタＣとの間で電荷がどのように移動するかは、双方の電圧による。電池Ｂ２の電圧の方が、キャパシタＣの電圧よりも高い場合は、電池Ｂ２からキャパシタＣに電荷が移動し、キャパシタＣは充電される。逆に、キャパシタＣの電圧の方が、電池Ｂ２の電圧よりも高い場合は、キャパシタＣから電池Ｂ２に電荷が移動し、電池Ｂ２が充電される。

上記のスイッチ回路部３において、スイッチ回路部３は、要するに、一の電池（Ｂ１又はＢ２）をキャパシタＣに並列接続する回路、及び、当該キャパシタＣを他の電池（Ｂ２又はＢ１）に並列接続する回路を、選択的に構成可能である。そして、制御部４によって、上記（ａ）の回路状態と、（ｂ）の回路状態とが、図３に示すタイムチャートに従って逐次切り替えられることにより、キャパシタＣで仲介しながら、電圧の高い方から低い方への電荷の移動が繰り返し実行されることになる（電圧均一化工程）。その結果、各電池Ｂ１，Ｂ２の端子間電圧が均一化される。従って、各電池Ｂ１，Ｂ２を均等に充電しつつ、満充電の状態にすることができる。その結果として、充電効率を高めることができる。

一方、蓄電装置１００に負荷２が接続されている場合、すなわち、電池Ｂ１，Ｂ２の直列体の両端に、負荷２が接続され、電池Ｂ１，Ｂ２から電力を供給する放電工程が実行されている場合について考える。この場合も同様に、制御部４がスイッチ回路部３の構成する回路を逐次切り替えることにより、キャパシタＣで仲介しながら、電圧の高い方から低い方へ電荷の移動が繰り返し実行されることになる（電圧均一化工程）。その結果、各電池Ｂ１，Ｂ２の残量及び端子間電圧が均一化される。従って、各電池Ｂ１，Ｂ２を均等に放電させ、必要により、各電池Ｂ１，Ｂ２を放電限界まで放電させることができる。その結果として、放電能力を高めることができる。

《第２実施形態：基本構成の応用例１》
図４は、本発明の第２実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。第１実施形態との違いは、４個の電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が互いに直列に接続され、１個のキャパシタＣとの間に４通りの並列回路を選択的に構成可能なスイッチ回路部３が設けられている点である。スイッチ回路部３は、一対４組のスイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｄ１，Ｓｄ２を含んでいる。

図５は、制御部４の駆動による、スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｄ１，Ｓｄ２の動作状態の変化を示すタイムチャートである。スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２をスイッチ素子「Ｓａ」、スイッチ素子Ｓｂ１，Ｓｂ２をスイッチ素子「Ｓｂ」、スイッチ素子Ｓｃ１，Ｓｃ２をスイッチ素子「Ｓｃ」、スイッチ素子Ｓｄ１，Ｓｄ２をスイッチ素子「Ｓｄ」と、それぞれ総称すると、図５において、スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄは、順番に、交互にオン動作している。但し、これは一例であり、順番は、これに限定されない。要するに、４組のスイッチが、交代でオン状態になればよい。

各スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄのオン時間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄは、相互に同じ時間でもよいし、必要に応じて異なる時間とすることもできる。時間軸上で隣接するオン時間Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄの間には、各スイッチ素子Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄが全てオフ状態となる一定の切替時間ΔＴが設けられている。切替時間ΔＴを設けることにより、各電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の両端及びその直列体の両端の短絡並びに電源１の短絡を確実に防止することができる。

上記のスイッチ回路部３において、スイッチ回路部３は、要するに、一の電池（Ｂ１〜Ｂ４のいずれか１つ）をキャパシタＣに並列接続する回路、及び、当該キャパシタＣを他の電池（上記のいずれか１つを除く、残りの３つのうちのいずれか１つ）に並列接続する回路を、選択的に構成可能である。そして、制御部４によって、回路を逐次切り替えることにより、キャパシタＣで仲介しながら、電圧の高い方から低い方への移動が繰り返し実行されることになる（電圧均一化工程）。その結果、各電池Ｂ１〜Ｂ４の端子間電圧が均一化される。従って、各電池Ｂ１〜Ｂ４を均等に充電しつつ、満充電の状態にすることができる。その結果として、充電効率を高めることができる。

一方、蓄電装置１００に負荷２が接続されている場合、すなわち、電池Ｂ１〜Ｂ４の直列体の両端に、負荷２が接続され、電池Ｂ１〜Ｂ４から電力を供給する放電工程が実行されている場合について考える。この場合も同様に、制御部４がスイッチ回路部３の構成する回路を逐次切り替えることにより、キャパシタＣで仲介しながら、電圧の高い方から低い方への移動が繰り返し実行されることになる（電圧均一化工程）。その結果、各電池Ｂ１〜Ｂ４の残量及び端子間電圧が均一化される。従って、各電池Ｂ１〜Ｂ４を均等に放電させ、必要により、各電池Ｂ１〜Ｂ４を放電限界まで放電させることができる。その結果として、放電能力を高めることができる。

なお、第２実施形態における電池の数は４個であるが、もちろん、３個でも、あるいは５個以上でも同様である。リチウムイオン電池の場合、４個直列で充電するには、約１６Ｖの電源１を用いることになるが、このあたりの電圧は、例えばスイッチ素子であるＭＯＳ−ＦＥＴを動作させるゲートパルスを作るのに適している。すなわち、４〜５個程度の電池（リチウムイオン電池）を直列に接続した場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴに必要なゲート駆動電圧を作りやすいという利点もある。

なお、電池の直列数が多くなるほど、１個のキャパシタでは、単位時間あたりの回路の切替回数が多くなるか又は１サイクルに要する時間が長くなり、各電池の端子間電圧を均一化させる処理の速度が低下する。そこで、この点にも配慮しつつ、電池の直列数をさらに多くしたのが、次の第３実施形態である。

《第３実施形態：基本構成の応用例２》
図６は、本発明の第３実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源（直流）１又は負荷２との接続回路図である。第２実施形態との違いは、まず、ｎ個（この例ではｎ≧７）の電池Ｂ１〜Ｂｎが互いに直列に接続されている点である。一方、第２実施形態と共通しているのは、電池４個単位で、１個のキャパシタとの間に各４通りの並列回路を選択的に構成可能なスイッチ回路部３が設けられている点である。

図示の例で具体的に述べると、４個の互いに直列に接続された電池Ｂ１〜Ｂ４に対して１個のキャパシタＣ１が存在し、かつ、スイッチ回路部３は、一対４組のスイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｄ１，Ｓｄ２を含む４通りの並列接続の回路を構成することができる。すなわち、これは、図４に示したものと同様の蓄電装置１００の基本ユニットＵ１である。

さらに、４個の互いに直列に接続された電池Ｂ４〜Ｂ７に対して１個のキャパシタＣ２が存在し、かつ、スイッチ回路部３は、一対４組のスイッチ素子Ｓａ３，Ｓａ４，Ｓｂ３，Ｓｂ４，Ｓｃ３，Ｓｃ４，Ｓｄ３，Ｓｄ４を含む４通りの並列接続の回路を構成することができる。すなわち、これは、図４に示したものと同様の蓄電装置１００の基本ユニットＵ２である。

図示しているのは上記２つの基本ユニットＵ１，Ｕ２であるが、電池の総数ｎに応じて同様の要領で、基本ユニットが設けられる。基本ユニットＵ１，Ｕ２内でのスイッチ回路部３の動作は、第２実施形態と同様である。但し、ここで、基本ユニットＵ１，Ｕ２は、電池Ｂ４を共有している。従って、１つの電池Ｂ４を、２つのキャパシタＣ１，Ｃ２に同時に並列に接続することがないように回路の切替が行われる。

説明の簡略化のため、ｎ＝７すなわち、電池はＢ１〜Ｂ７であるとして、最も分かり易いスイッチ回路部３の動作例を示すと、以下の順番での動作となる。
（１）スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４がオン状態で他は全てオフ状態
（２）スイッチ素子Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３，Ｓｂ４がオン状態で他は全てオフ状態
（３）スイッチ素子Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｃ３，Ｓｃ４がオン状態で他は全てオフ状態
（４）スイッチ素子Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｄ３，Ｓｄ４がオン状態で他は全てオフ状態

上記の（１）→（２）→（３）→（４）がサイクリックに繰り返されることにより、充電時は、各電池Ｂ１〜Ｂ４の端子間電圧が均一化され、かつ、各電池Ｂ４〜Ｂ７の端子間電圧が均一化される。ここで、基本ユニットＵ１，Ｕ２は電池Ｂ４を共有しているので、この電池Ｂ４を介して、全ての電池Ｂ１〜Ｂ７の端子間電圧が均一化されることになる（電圧均一化工程）。従って、各電池Ｂ１〜Ｂ７を均等に充電しつつ、満充電の状態にすることができる。その結果として、充電効率を高めることができる。放電時も同様に、各電池Ｂ１〜Ｂ７の残量及び端子間電圧が均一化される（電圧均一化工程）。従って、各電池Ｂ１〜Ｂ７を均等に放電させ、必要により、各電池Ｂ１〜Ｂ７を放電限界まで放電させることができる。その結果として、放電能力を高めることができる。

上記の、第３実施形態に係る蓄電装置１００の構成は、一般化して述べると、電池の総数を自然数ｎとして、ｎより小さいｍ個の互いに直列に接続された電池に対してキャパシタの１個が存在し、かつ、スイッチ回路部３は、ｍ通りの並列接続の回路を構成するものを基本ユニットとしている。そして、電池の直列方向に複数存在して互いに隣接する基本ユニット同士が、少なくとも１個の電池を共有している。なお、基本ユニットが複数であり、少なくとも１個の電池を共有することから、ｎは必然的に３以上となる。

この場合、共有している電池を介して、隣接する基本ユニット同士間でも電荷が移動する。従って、この要領で基本ユニット数を必要数設ければ、多数の電池が互いに直列に接続されている場合でも、各電池の端子間電圧を均一化することができる。

なお、上記第３実施形態では、隣接する基本ユニットで共有する電池は１個であるが、２個以上共有することも可能である。また、上記第３実施形態では、基本ユニットの数だけ、キャパシタが存在し、複数のキャパシタを一斉に、それぞれ対応する電池と並列に接続することができる。この「共有」と、「複数のキャパシタを一斉に接続すること」とを取り入れて、実用性を高めたものが、次の第４実施形態である。

《第４実施形態：実用的な基本ユニット》
図７は、本発明の第４実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源１又は負荷２との接続回路図である。
図７において、蓄電装置１００は、互いに直列に接続された４個の電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４と、３個のキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３と、スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３，Ｓｂ４を含むスイッチ回路部３と、スイッチ回路部３のスイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４，Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３，Ｓｂ４をオン／オフ動作させる制御部４とを備えている。

ここで、まず、蓄電装置１００には、充電用の電源１が接続されている、とする。すなわち、電池Ｂ１〜Ｂ４の直列体の両端に、電源１の出力する所定の直流電圧が印加され、電池Ｂ１〜Ｂ４が充電される充電工程が実行されている。

スイッチ素子Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４をスイッチ素子「Ｓａ」と総称し、スイッチ素子Ｓｂ１，Ｓｂ２，Ｓｂ３，Ｓｂ４をスイッチ素子「Ｓｂ」と総称すると、制御部４は、図３と同様のタイムチャートで、スイッチ素子Ｓａと、スイッチ素子Ｓｂとを、互いに交互にオン動作させる。

例えばまず、スイッチ素子Ｓａがオン状態（スイッチ素子Ｓｂがオフ状態）のとき、電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３はそれぞれ、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３と並列に接続される。なお、スイッチ素子Ｓｂ４がオフ状態であることによって、キャパシタＣ１〜Ｃ３に、電源１の電圧は印加されていない。電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３とキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３との間で電荷がどのように移動するかは、双方の電圧による。

次に、スイッチ素子Ｓｂがオン状態（スイッチ素子Ｓａがオフ状態）のとき、電池Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４はそれぞれ、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３と並列に接続される。なお、スイッチ素子Ｓａ１がオフ状態であることによって、キャパシタＣ１〜Ｃ３に、電源１の電圧は印加されていない。電池Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４とキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３との間で電荷がどのように移動するかは、双方の電圧による。
このような回路の切替が、逐次行われる。

上記第４実施形態に係る蓄電装置１００では、制御部４がスイッチ回路部３の回路を逐次切り替えることにより、電池Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の電荷がそれぞれキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３を介して他の電池Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４へ移動するか、または、その逆に移動する、という形の電荷の移動が、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ３を介して一斉に行われる。このようにして、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ３で仲介しながら、電圧の高い方から低い方への移動が繰り返し実行される結果、各電池Ｂ１〜Ｂ４の端子間電圧が迅速に均一化される（電圧均一化工程）。従って、充電時は各電池Ｂ１〜Ｂ４を均等に充電することができ、その結果、充電効率を高めることができる。

一方、蓄電装置１００から負荷２へ電力を供給する放電時（放電工程）も同様に、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ３で仲介しながら、電圧の高い方から低い方への移動が繰り返し実行される結果、各電池Ｂ１〜Ｂ４の残量及び端子間電圧が迅速に均一化される（電圧均一化工程）。従って、放電時は各電池を均等に放電させることができ、その結果、放電能力を高めることができる。

また、上記第４実施形態によれば、複数の電池に対して同数のキャパシタを一斉に一対一の関係で並列接続し、また、１個のキャパシタが並列接続をする相手の電池は２つであるため、図３に示す基本構成のタイムチャートと同様に迅速に、各電池の端子間電圧を均一化させることができる。しかも、隣り合う電池同士で電荷の移動ができるので、スイッチ回路部３の構成が簡素である。

なお、第４実施形態における電池の数は４個であるが、もちろん、３個でも、あるいは５個以上でも同様である。リチウムイオン電池の場合、４個直列で充電するには、約１６Ｖの電源１を用いることになるが、このあたりの電圧は、例えばスイッチ素子であるＭＯＳ−ＦＥＴを動作させるゲートパルスを作るのに適している。すなわち、４〜５個程度の電池（リチウムイオン電池）を直列に接続した場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴに必要なゲート駆動電圧を作りやすいという利点もある。

図７に示す実用的な基本ユニットを１単位として、これらを必要な数だけ、複数個単純に直列接続すれば、高い電圧を要する種々の蓄電装置として使用可能である。但し、多数の電池を互いに直列に接続して、より緻密に各電池の端子間電圧を均一化するには、図８の構成が好ましい。

図８は、上記第４実施形態の拡張版とも言える蓄電装置１００と、これに接続される電源１又は負荷２との接続回路図である。図８において、蓄電装置１００は、互いに直列に接続されたｎ個の電池Ｂ１〜Ｂｎ、（ｎ−１）個のキャパシタＣ１〜Ｃｎ−１と、スイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａｎ，Ｓｂ１〜Ｓｂｎを含むスイッチ回路部３と、スイッチ回路部３のスイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａｎ，Ｓｂ１〜Ｓｂｎをオン／オフ動作させる制御部４とを備えている。なお、この「ｎ」は、３以上の自然数である。３以上と定義したのは、仮にｎ＝２であれば、図１と同じ回路になるからである。この図８は、例えば電気自動車に搭載される蓄電装置１００を想定した回路である。この場合、ｎの値は例えば４８であり、電源１による充電電圧は１５０Ｖ程度である。

すなわち、図７，図８等の回路における蓄電装置１００を一般化して表現すれば、３以上の自然数をｎとして互いに直列に接続された、充電可能なｎ個の電池と、互いに直列に接続された（ｎ−１）個のキャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成されたスイッチ回路部３とを備えている。スイッチ回路部３は、１個を除く（ｎ−１）個の電池を一斉に同数のキャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを、当該１個を含む（ｎ−１）個の電池に一斉に並列接続する回路を、選択的に構成可能である。制御部４は、構成する回路を逐次切り替えるようにスイッチ回路部３を動作させる。図８の構成の作用効果については、図７の構成と同様である。

《第５実施形態：基本ユニットの応用例》
図９は、本発明の第５実施形態に係る蓄電装置１００と、これに接続される電源１との接続回路図である。
図７において、蓄電装置１００は、互いに直列に接続されたｎ個の電池Ｂ１〜Ｂｎと、（ｎ−１）個のキャパシタＣ１〜Ｃｎ−１と、スイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａｎ，Ｓｂ１〜Ｓｂｎを含むスイッチ回路部３と、スイッチ回路部３のスイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａｎ，Ｓｂ１〜Ｓｂｎをオン／オフ動作させる制御部４とを備えている。ここまでの構成は、図８と同じである。この場合も、「ｎ」は、３以上の自然数であるが、ここでは、例えば４８であるとする。

図８との違いは、電源１と蓄電装置１００とを接続する電路にスイッチ５が設けられ、制御部４がこれをオン／オフ制御する点、及び、電池の所定数（ここでは例えば４個）ごとにその直列体の両端電圧を検知する電圧センサＶ１〜Ｖ１２を設け、それらの出力信号（電圧値）を制御部４に入力している点である。電圧センサＶ１〜Ｖ１２は、電池の電圧の不均一を検知するためのものであり、基本的には各電池Ｂ１〜Ｂｎに対してそれぞれ並列に接続してもよいが、合理性を考慮して、複数個の電池の直列体ごとに設けることが好ましい。

図９の構成において、まず、制御部４はスイッチ５をオン状態として、蓄電装置１００の電池Ｂ１〜Ｂｎを充電する（充電工程）。このとき、スイッチ回路部３の全てのスイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａｎ，Ｓｂ１〜Ｓｂｎはオフ状態であり、各電池Ｂ１〜Ｂｎについて端子間電圧の均一化は行われない。

その後、電圧センサＶ１〜Ｖ１２のうち、いずれか１つでも、他と、閾値を超える電圧差が検知されると、制御部４はスイッチ回路部３のスイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａｎ，Ｓｂ１〜Ｓｂｎに対して、回路を逐次切り替える動作をさせる。これにより、各電池Ｂ１〜Ｂｎの端子間電圧は均一化される（電圧均一化工程）。その結果、閾値を超える電圧差が検知されなくなると、スイッチ回路部３のスイッチ素子Ｓａ１〜Ｓａｎ，Ｓｂ１〜Ｓｂｎを全てオフ状態とし（すなわち均一化終了）、再びスイッチ５をオン状態として通常の充電状態に戻る。

以上のように、通常の充電時は、スイッチ回路部３による回路の逐次切り替え動作を停止させ、必要な時にのみ、スイッチ回路部３による当該動作を行わせるようにすれば、スイッチ回路部３の駆動に要する消費電力を低減することができる。
また、制御部４は、スイッチ回路部３に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、スイッチ５をオフ状態とするので、言い換えれば、各電池の端子間電圧が不均一なときは、電源１から蓄電装置１００への充電は行われない。従って、いずれかの電池が過充電となる事態を防止することができる。

なお、図９は、充電用の電源１と接続される蓄電装置１００についてのみ記載したが、電力供給が一時的に停止されても構わない負荷であれば、放電時にも図９と同様の回路構成で、電源１の代わりに負荷を接続することも可能である。

《その他》
なお、上記各実施形態ではいずれも、キャパシタの総数が電池の総数より少ないが、電池と同数のキャパシタを設けて、１対１の関係で並列接続の回路を構成することも可能である。但し、この場合は、電源１の短絡等の不具合が起きないように回路を構成する工夫が必要である。例えば、第５実施形態（図９）のように、電圧均一化工程ではスイッチ５をオフ状態として電源１を隔離すれば、複数で同数の電池及びキャパシタについて、電池対キャパシタを１対１の関係で並列接続することも可能である。

なお、上記各実施形態の蓄電装置１００における電池の種類としては、リチウムイオン電池に限らず、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池、溶融塩電池等、種々の二次電池について、適用することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

なお、特許請求の範囲とは別に、以上説明した本願発明によれば、以下の構成を得ることもできる。
（付記１）
互いに直列に接続された、充電可能な複数の電池と、１つのキャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成され、一の電池を前記キャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続する回路を、選択的に構成可能なスイッチ回路部と、構成する回路を逐次切り替えるように前記スイッチ回路部を動作させる制御部とを備えていることを特徴とする蓄電装置。

（付記２）
少なくとも２以上の整数ｍ個の直列に接続された電池に対して１個のキャパシタを基本ユニットとし、当該基本ユニットは、当該キャパシタを当該基本セル内の他の電池に並列接続する回路を、選択的に可能に構成されたスイッチ回路部と、を備え、当該基本ユニットが直列方向に接続されてなる、付記１に記載の蓄電装置。

（付記３）
付記２に記載の蓄電装置において、隣接する基本ユニットの一方の基本ユニットのスイッチ回路部は、当該一方の基本ユニット内の前記キャパシタが、他方の基本ユニット内の少なくとも１つの電池と、選択的に並列接続可能なスイッチ回路を備えることを特徴とする蓄電装置。

（付記４）
付記３に記載の蓄電装置において、前記他方の基本ユニット内の少なくとも１つの電池は、隣接する基本ユニットを接続する電池である、ことを特徴とする蓄電装置。

（付記５）
３以上の整数をｎとして互いに直列に接続され、接続順に第１から第ｎと定義された充電可能なｎ個の電池と、互いに直列に接続され、接続順かつ電池に対応して第１から第（ｎ−１）と定義された（ｎ−１）個のキャパシタと、複数のスイッチ素子によって構成され、当該（ｎ−１）個のコンデンサのうちの第ｐ（整数、ｐ＝１〜ｎ−１）のコンデンサは、ｐ番目及び（ｐ＋１）番目の電池に選択的に並列接続可能なスイッチ回路部と、構成する回路を逐次切り替えるように前記スイッチ回路部を動作させる制御部とを備えていることを特徴とする蓄電装置。

（付記６）
付記５の蓄電装置において、前記スイッチ回路部は、第１から第（ｎ−１）までの電池を前記キャパシタに一斉に並列接続する状態と、当該キャパシタを、第２から第ｎまでの電池に一斉に並列接続する状態と、を交互に繰り返して行うことを特徴とする蓄電装置。

（付記７）
前記ｎより小さい所定数単位で前記電池の電圧をそれぞれ検知する複数の電圧センサを備え、前記制御部は、複数の前記電圧センサの検知した電圧の相互間に、閾値を超える差がある場合に前記スイッチ回路部に対して回路を逐次切り替える動作をさせ、それ以外は、前記スイッチ回路部の全てのスイッチ素子をオフ状態とする、付記５又は６に記載の蓄電装置。

（付記８）
充電用の電源と、当該蓄電装置との接続をオン／オフするスイッチを備え、前記制御部は、前記スイッチ回路部に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、前記スイッチをオフ状態とする付記７に記載の蓄電装置。

（付記９）
充電用の電源あるいは蓄電装置の電力を消費する負荷と、当該蓄電装置の入出力端子の少なくとも一方に電流をモニターするセンサと、を備え、前記制御部は、前記センサから電流が所定の閾値以下の場合、前記電池と前記キャパシタとの並列接続に関わる前記スイッチ素子を全てオフ状態とする、付記１〜６に記載の蓄電装置。

（付記１０）
前記制御部は、回路の切替を行う際に、一時的に、前記電池と前記キャパシタとの並列接続に関わる前記スイッチ素子を全てオフ状態とする付記１〜６のいずれか１項に記載の蓄電装置。

１ 電源
２ 負荷
３ スイッチ回路部
４ 制御部
５ スイッチ
１００ 蓄電装置
Ｂ１〜Ｂｎ 電池
Ｃ，Ｃ１〜Ｃｎ−１ キャパシタ
Ｓａ１〜Ｓａｎ，Ｓｂ１〜Ｓｂｎ スイッチ素子
Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｄ１，Ｓｄ２ スイッチ素子
Ｕ１，Ｕ２ 基本ユニット
Ｖ１〜Ｖ１２ 電圧センサ

Claims (9)

1. 互いに直列に接続された、充電可能な複数の電池と、
   キャパシタと、
   複数のスイッチ素子によって構成され、一の電池を前記キャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続する回路を、選択的に構成可能なスイッチ回路部と、
   構成する回路を逐次切り替えるように前記スイッチ回路部を動作させる制御部と
   を備えていることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記電池の総数を３以上の自然数ｎとして、ｎより小さいｍ個の互いに直列に接続された電池に対して前記キャパシタの１個が存在し、かつ、前記スイッチ回路部は、ｍ通りの並列接続の回路を構成するものを基本ユニットとするとき、
   前記電池の直列方向に複数存在して互いに隣接する基本ユニット同士が、少なくとも１個の電池を共有している請求項１記載の蓄電装置。
3. ３以上の自然数をｎとして互いに直列に接続された、充電可能なｎ個の電池と、
   互いに直列に接続された（ｎ−１）個のキャパシタと、
   複数のスイッチ素子によって構成され、１個を除く（ｎ−１）個の電池を一斉に前記キャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを、前記１個を含む（ｎ−１）個の電池に一斉に並列接続する回路を、選択的に構成可能なスイッチ回路部と、
   構成する回路を逐次切り替えるように前記スイッチ回路部を動作させる制御部と
   を備えていることを特徴とする蓄電装置。
4. ｎ個の前記電池を、直列方向に第１から第ｎまでと定義すると、前記スイッチ回路部は、第１から第（ｎ−１）までの電池を一斉に前記キャパシタに並列接続する回路、及び、当該キャパシタを、第２から第ｎまでの電池に一斉に並列接続する回路を、選択的に構成可能である請求項３記載の蓄電装置。
5. 前記ｎより小さい所定数単位で前記電池の電圧をそれぞれ検知する複数の電圧センサを備え、
   前記制御部は、複数の前記電圧センサの検知した電圧の相互間に、閾値を超える差がある場合に前記スイッチ回路部に対して回路を逐次切り替える動作をさせ、それ以外は、前記スイッチ回路部の全てのスイッチ素子をオフ状態とする請求項３又は４に記載の蓄電装置。
6. 充電用の電源と、当該蓄電装置との接続をオン／オフするスイッチを備え、
   前記制御部は、前記スイッチ回路部に回路を逐次切り替える動作をさせるときは、前記スイッチをオフ状態とする請求項５記載の蓄電装置。
7. 前記制御部は、回路の切替を行う際に、一時的に、前記電池と前記キャパシタとの並列接続に関わる前記スイッチ素子を全てオフ状態とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の蓄電装置。
8. 充電可能な複数の電池の直列体の両端に所定の電圧を印加して充電を行う充電工程と、
   前記複数の電池のうちの一の電池をキャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第１工程、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第２工程を、交互に繰り返す電圧均一化工程と
   を有する充電方法。
9. 充電可能な複数の電池の直列体の両端から負荷に電力を供給する放電工程と、
   前記複数の電池のうちの一の電池をキャパシタに並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第１工程、及び、当該キャパシタを他の電池に並列接続して電圧の高い方から低い方へ電荷を移動させる第２工程を、交互に繰り返す電圧均一化工程と
   を有する放電方法。

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