CN101297458A - 使用电容器的蓄电装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的蓄电装置，在充电时，将蓄电单元的各电路组件的多个电容器串联连接并启动充电，蓄电单元的输出电压达到直流－交流变换单元的输入上限电压，就按组件电压高的顺序将j个电路组件的各电容器并联连接，在又达到输入上限电压前的期间，也按组件电压高的顺序将j个电路组件的各电容器并联连接；在放电时，将蓄电单元的各电路组件的多个电容器并联连接并启动放电，蓄电单元的输出电压达到直流－交流变换单元的输入下限电压，就按组件电压高的顺序将k个电路组件的各电容器串联连接，在又达到输入下限电压前的期间，也按组件电压高的顺序将k个电路组件的各电容器串联连接。因而，此蓄电装置难以受到电容器静电电容误差的影响，能提高充放电效率。

Description

使用电容器的蓄电装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及使用电双层电容器(Electric Double Layer Capacitor：EDLC)等电容器的蓄电装置及其控制方法。
背景技术
近年，电双层电容器(EDLC)由于其工作寿命期长、使用温度范围大等特征，作为代替二次电池的新蓄电器件，引人关注。然而，电容器的输出电压与其储蓄的电荷量成正比地变化、其单体的输出电压低，所以一般多以串联连接或串并联连接的方式使用。
将电容器串联连接或串并联连接时，在对负载供给稳定的电压中，有使用复杂的开关将多个EDLC切换成串联连接或并联连接的方法。
以串并联连接多个EDLC的方式构成的蓄电装置中，为了提高充放电效率，一般同时使用称为“组切换”和“电压均衡电路”的2种控制方法。下面，阐述这些控制方法的概要和同时使用这些控制方法时的问题。
<组切换>
以往已提出的“组切换”(例如参考专利文献1)是如图1(a)那样将多个EDLC和多个开关配置多级并通过对开关进行控制而如图1(b)、图1(C)、图1(D)那样依次切换EDLC的连接状态的系统。再者，下文说明中，将构成1级的电容器组称为“组件”。而且，图中示出的各电容器可以是串并联连接多个电容器而成的。
图1那样的已有蓄电装置在例如放电过程中，每次随着放电带来的各电容器(EDLC)电压降低而蓄电装置输出电压降低并接近逆变器的输入下限电压，按图1(a)→图1(b)→图(c)的顺序依次逐一组件对并联连接EDLC的组件将该组件内的EDLC切换成串联连接，从而控制成蓄电装置的输出电压纳入逆变器的输入范围，最终如图1(d)那样到达串联连接全部EDLC，从蓄电装置输出功率。但是，暂且将EDLC串联连接的组件的该EDLC并不返回并联连接。
又，充电过程中，按与上述放电时相反的顺序，每次随着放电带来的各电容器(EDLC)电压升高而蓄电装置输出电压升高并接近逆变器的输入上限电压，依次逐一组件对串联连接EDLC的组件将该组件内的EDLC切换成并联连接。但是，暂且将EDLC并联连接的组件的该EDLC并不返回串联连接。
此已有“组切换”对提高充放电特性或放电深度有效，但存在下列问题。
(1)组件之间的端子间电压不一致
例如，充电过程中，将串联连接EDLC的组件的该EDLC切换成并联连接时，并联连接EDLC的组件的各EDLC储蓄的电荷量为串联连接EDLC的组件的各EDLC储蓄的电荷量之半，每一组件在EDLC的端子间电压中产生不一致。EDLC的端子间电压中产生不一致时，将EDLC切换到并联连接的组件的该EDLC到达充满电前，如果不将串联连接EDLC的组件的各EDLC的端子间电压连续保持低于耐压，串联连接EDLC的组件的各EDLC就陷于过冲电。
(2)构成组件的EDLC的数量不同造成的充电特性不同
通常，应以构成组件的EDLC的数量相同的方式构成装置，但不得已也会产生每一组件的EDLC数量不同的情况。这种情况下，充电过程中，将EDLC数量多的组件的该EDLC的连接状态从串联连接切换到并联连接时，蓄电装置的输出电压Vt极端降低，往往在切换到该并联连接的各EDLC的充电进展并产生下一切换前，存在很长的时间。而且，最坏的情况下，蓄电装置的输出电压Vt有可能低于逆变器的输入电压范围。
又，即使蓄电装置的输出电压Vt不低于逆变器的输入电压范围，也由于每一组件EDLC的端子间电压散乱大，其后随着充电进展，不久到达充满电的EDLC超过耐压，有可能导致破坏。
(3)横向电流
如图2那样在充电过程中，1个组件的EDLC连接状态从图2(a)的串联连接转移到图2(b)的并联连接状态时，电容器(EDLC)C1的端子间电压V1和电容器(EDLC)C2的端子间电压V2存在不一致，则产生横向电流。因而，假设图2的开关中使用半导体开关的情况下，半导体开关的导通电阻为R欧(Ω)，则产生的横向电流为(V2-V1)/R安(A)，有些情况下可能破坏半导体开关。
为了防止产生此横向电流，需要抑制并联连接的EDLC的端子间电压不一致。
由于存在上述问题，难以仅用“组切换”构成蓄电装置。然而，通过采取下列措施能避免这些问题。
(1)添加控制成EDLC的端子间电压不超过耐压的控制电路。
(2)添加常抑制EDLC的端子间电压不一致的控制电路。
(3)尽量使构成各组件的EDLC的数量相同。
<电压均衡电路>
电压均衡电路是抑制各EDLC的端子间电压不一致的控制电路，起提高蓄电装置的安全性的作用。
组切换方式的蓄电装置中，作为EDLC的端子间电压中产生不一致的主要原因，可列举3个：“各EDLC的静电电容不同”、“各EDLC的自放电特性不同”和“组切换的各EDLC中流通的电荷量不同”。将这些原因合在一起，产生上述3个问题，即：(1)组件之间的端子间电压不一致、(2)构成组件的EDLC的数量造成的充电特性不同和(3)产生很大的横向电流。下面，阐述基于“电压均衡电路”的EDLC端子间电压抑制。
(1)防止过充电
通过如图3那样在各EDLC的端子间设置电阻和开关，实现基于电压均衡电路的防止EDLC过充电。即，监视各EDLC的端子间电压，使似乎就要超过耐压的EDLC上连接的开关接通，强制进行放电，防止过充电。通过使用此电压均衡电路，能把比其它EDLC快达到充满电的EDLC的端子间电压维持在低于耐压，安全地进行充电，不陷于过充电。下文把这样尽量将全部EDLC的端子间电压统一到相同的电压称为“电压均衡化”(简称为“均压化”)。而且，将因电压均衡电路把EDLC的端子间电压维持在低于耐压而产生的损耗称为“均压化损耗”。
(2)防止电容器(EDLC)的端子间电压不一致
电压均衡电路也用于抑制EDLC的端子间电压不一致。已有方式中，仅在进行串并联切换的电压附近进行使各电容器的端子间电压不一致减小用的均压化(文献中记为“初始化”)(例如参考专利文献2：日本国专利公开2003-111286号公报)。通过这样同时使用“电压均衡电路”和“组切换”，能使“组切换”安全地动作，反复进行EDLC的充放电。
专利文献1：日本国特开平11-215695号公报
专利文献2：日本国特开2003-111286号公报
然而，作为上述已有蓄电装置中同时使用“组切换”和“电压均衡电路”时产生的问题，有以下方面。
实际的EDLC的静电电容中存在误差。因而，前文所述只能按确定的组件顺序切换连接状态的“已有组切换方式”中，由于各组件的总计静电电容的误差，产生下列问题。
例如，在充电过程中，考虑存在并联连接状态的2个组件。一组件的总计静电电容大于另一组件的总计静电电容的情况下，总计静电电容大的组件到达充满电前的时间长。反之，总计静电电容小的组件到达充满电前的时间短。因而，总计静电电容大的组件到达充满电前的期间，必须将静电电容小的组件内的EDLC的端子间电压保持在低于耐压，所以“电压均衡电路”的防过充电期变长，从而无用地进行强制放电，产生均压化损耗增大的问题。
而且，各组件内就连存在1个静电电容小的EDLC的情况下，也以该EDLC的端子间电压为基准，抑制该组件所属的其它EDLC的端子间电压不一致，所以有时产生无用地进行强制放电从而充放电特性变差的问题。
又，在已有方式中，仅在进行串并联切换的电压附近进行使各电容器的端子间电压不一致减小用的均压化(文献中记为“初始化”)，但该时间点的端子间电压不一致过分大时，均压化花费时间，也存在均压化损耗变大的问题。
作为解决上述问题的一种方法，往往使用静电电容误差小的EDLC，但收集静电电容一致的EDLC以构建装置，由于牵连到浪费测量静电电容的时间和成本提高，并非现实。尤其是准确测量构建大容量蓄电装置时用的电容大的EDLC的静电电容，需要极多的时间。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种难以受电容器静电电容误差影响且充放电效率高的使用电容器的蓄电装置及其控制方法。
发明内容
为了达到上述目的，发明人专心研究的结果，得到下列实际知识。即，“已有组切换方式”的一个大问题在于，例如充电过程中，暂且将EDLC切换到并联连接的组件的该EDLC在完成充电前不能返回串联连接，必须连续维持并联连接状态，直到全部EDLC达到充满电。而且，放电过程中，暂且将EDLC切换到串联连接的组件的该EDLC也在完成放电前不能返回并联连接，必须连续维持串联连接状态，直到全部EDLC都放电。还可举出：各组件的串并联切换，在充电过程中，仅在蓄电装置的输出电压为逆变器的输入上限电压的情况下进行，在放电过程中，仅在蓄电装置的输出电压为逆变器的输入下限电压的情况下进行。
本申请发明人查明：由于这些问题，每一组件EDLC的端子间电压充放电模式散乱，这使均压化损耗增大，对充放电特性影响大。即，充电过程中，按组件电压(将1个电路组件内的EDLC串联连接的情况下，把各EDLC的端子间电压的总计电压Vb称为“组件电压”；将1个电路组件内的EDLC并联连接的情况下，把各EDLC的端子间电压的平均值电压Vb称为“组件电压”)大的顺序并联连接组件的电容器，并使EDLC暂且转移到并联连接的组件电压低的组件的该EDLC返回串联连接状态，则能较快地进行充电，从而能使均压化损耗降低。而且，放电过程中，按组件电压大的顺序串联连接组件的电容器，并使EDLC暂且转移到串联连接的组件电压低的组件的该EDLC返回并联连接状态，则能作较长时间的放电，从而能使放电深度提高。因此，终于在下文提出“新的组切换方式”，其中通过准备较多种连接模式并切换到最佳连接模式，减小构成蓄电装置的全部电容器的端子间电压不一致。以后，分别将“已有组切换方式”和“本发明的新组切换方式”适当记述为“已有方式”和“本方式”。
基于这种实际知识的本发明采取如下组成。
即，本发明第1方面中记载的本发明的使用电容器的蓄电装置，配备：具有串联连接n个(其中n为大于等于2的自然数)含有多个电容器的电路组件的电路组成的蓄电单元；将来自蓄电单元的直流输出电压变换成交流输出电压，并供给负载的直流一交流变换单元；切换将蓄电单元的每一电路组件的多个电容器并联连接的状态与将它们串联连接的状态的串并联切换单元；分别并联连接在蓄电单元的电容器上并且蓄电单元的电容器端子电压一变成耐压值，就强制使该电容器放电的多个防过充电单元；检测出蓄电单元的各电路组件的多个电容器的端子间电压的端子间电压检测单元；根据端子间电压检测单元检测出的各电容器的端子间电压，对每一电路组件求出作为电路组件电压的组件电压的组件电压求出单元；以及检测出蓄电单元的输出电压，并按照该电压的值控制串并联切换单元的控制单元，控制单元在对蓄电单元充电时的情况下，进行以下过程：启动对蓄电单元充电时，将串并联切换单元控制成把蓄电单元的各电路组件的多个电容器串联连接的第1过程；蓄电单元的输出电压达到直流-交流变换单元的输入上限电压时，将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把j个(其中j为1次充电时达到输入上限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器并联连接的第2过程；以及在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入上限电压前的期间，也将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把j个电路组件的多个电容器并联连接的第3过程，控制单元又在蓄电单元放电时的情况下，进行以下过程：启动蓄电单元放电时，将串并联切换单元控制成把蓄电单元的各电路组件的多个电容器并联连接的第4过程；蓄电单元的输出电压达到直流-交流变换单元的输入下限电压时，将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把k个(其中k为1次放电时达到输入下限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器串联连接的第5过程；以及在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入下限电压前的期间，也将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把k个电路组件的多个电容器串联连接的第6过程。
再者，本说明书中的“启动对蓄电单元充电时”是指蓄电单元内的各电容器中几乎不储蓄电荷时，但也包含蓄电单元内的各电容器中完全不储蓄电荷时或蓄电单元内的各电容器仅按未达到直流-交流变换单元的输入下限电压的程度储蓄电荷时。而且，本说明书中的“启动蓄电单元放电时”是指蓄电单元内的全部电容器大体上充满电时，但也包含蓄电单元内的全部电容器充满电时或全部电路组件的电容器并联连接时蓄电单元内的各电容器中将电荷储蓄到超过直流-交流变换单元的输入下限电压的程度时。
本发明的蓄电装置的作用、效果如下。
对蓄电单元充电的情况下，首先，在启动对蓄电单元充电时，把蓄电单元的各电路组件的多个电容器串联连接(第1过程)。其后，蓄电单元的输出电压达到直流-交流变换单元的输入上限电压时，按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把j个(其中j为1次充电时达到输入上限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器并联连接(第2过程)。又，在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入上限电压前的期间，也按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把j个电路组件的多个电容器并联连接(第3过程)。
因而，充电过程中，将蓄电单元的各电路组件的多个电容器串联连接，并启动对蓄电单元的充电，蓄电单元的输出电压一达到直流-交流变换单元的输入上限电压就将多个电路组件中组件电压最大的电路组件的电容器并联连接，也就是将总计静电电容小的电路组件的电容器并联连接，从而能减小该电路组件的均压化损耗，并能将总计静电电容大的电路组件的电容器原样维持串联连接，使对该电路组件的充电优先，可提高充电效率。又，在下一切换时，也就是蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入上限电压时，包括在该时间点使串联连接电容器的电路组件的电容器返回到并联连接，按组件电压最大的顺序将j个电路组件的电容器并联连接；在到达下一切换时前的期间，也就是蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入上限电压前的期间中，与上文所述相同，按组件电压最大的顺序将j个电路组件的电容器并联连接。所以，能减小该电路组件的均压化损耗，并能将总计静电电容大的电路组件的电容器原样维持串联连接，使对该电路组件的充电优先，可提高充电效率。
即，充电过程中，能实现多种对多个电路组件的电容器串并联连接模式，而且能进行从该多种串并联连接模式中切换到最佳串并联连接模式。又，在下一切换时，包括在该时间点使串联连接电容器的电路组件的电容器返回到并联连接，进行最佳串并联连接模式的选定并加以切换。又，在到达下一切换时前的期间，也就是蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入上限电压前的期间中，包括在该时间点使串联连接电容器的电路组件的电容器返回到并联连接，进行最佳串并联连接模式的选定并加以切换。
又，蓄电单元放电的情况下，首先，在启动蓄电单元放电时，把蓄电单元的各电路组件的多个电容器并联连接(第4过程)。其后，蓄电单元的输出电压达到直流-交流变换单元的输入下限电压时，按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把k个(其中k为1次充电时达到输入上限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器串联连接(第5过程)。又，在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入下限电压前的期间，也按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把k个电路组件的多个电容器串联连接(第6过程)。
因而，放电过程中，将蓄电单元的各电路组件的多个电容器并联连接，并启动蓄电单元的放电，蓄电单元的输出电压一达到直流-交流变换单元的输入下限电压，就从多个电路组件中组件电压最大的电路组件开始依次将该电路组件的电容器串联连接，也就是将总计静电电容大的电路组件的电容器串联连接。又，在下一切换时，也就是蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入下限电压时，包括在该时间点使串联连接电容器的电路组件的电容器返回到并联连接，按组件电压最大的顺序将k个电路组件的电容器串联连接；在到达下一切换时前的期间，也就是蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入下限电压前的期间中，与上文所述相同，按组件电压最大的顺序将k个电路组件的电容器并联连接。所以，能使各电路组件的电荷均等放电，可提高放电深度。即，放电过程中，能实现多种对多个电路组件的电容器串并联连接模式，而且能进行从该多种串并联连接模式中切换到最佳串并联连接模式。又，在下一切换时，包括在该时间点使串联连接电容器的电路组件的电容器返回到并联连接，进行最佳串并联连接模式的选定并加以切换。
其结果，能提供难以受电容器的静电电容误差影响并且充放电效率高的使用电容器的蓄电装置。
又，采用将蓄电单元的直流输出电压变换成规定的直流输出电压并供给负载的直流-直流变换单元以代替上述蓄电装置的直流-交流变换单元时，也具有与上文所述相同的作用效果。
再者，本说明书中的“启动对蓄电单元充电时”是指蓄电单元内的各电容器中几乎不储蓄电荷时，但也包含蓄电单元内的各电容器中完全不储蓄电荷时或蓄电单元内的各电容器仅按未达到直流-直流变换单元的输入下限电压的程度储蓄电荷时。而且，本说明书中的“启动蓄电单元放电时”是指蓄电单元内的全部电容器大体上充满电时，但也包含蓄电单元内的全部电容器充满电时或全部电路组件的电容器并联连接时蓄电单元内的各电容器中将电荷储蓄到超过直流-直流变换单元的输入下限电压的程度时。
又，可使控制单元每经历规定的间隔时间，进行第3过程和第6过程。此情况下，每经历间隔时间进行最佳串并联连接模式的选定并加以切换，所以能使到达下一切换时前的期间的充放电效率提高。
又，控制单元根据对蓄电单元的输入电流与蓄电单元的输出电流的比较，切换蓄电单元的充电和放电的控制，所以能提供即使随机重复充电和放电的情况下也难以受电容器的静电电容误差影响并且充放电效率高的使用电容器的蓄电装置。
又，蓄电单元的各电路组件之间配备切换通电/非通电的开关，控制单元使这些开关中位于将电容器并联连接的电路组件之间的开关为非通电，所以与不配备该开关的组成相比，充电时间可以短，能使充电效率提高。
又，控制单元在蓄电单元充电时和放电时，为了尽量统一各组件的电容器的端子间电压，进行第7过程，该第7过程控制防过充电单元，以便将端子间电压检测单元检测出的各电路组件的电容器端子间电压中端子间电压最小的电容器端子间电压作为基准，在该电路组件中其它电容器的端子间电压超过该最小端子间电压加上容许值后得到的电压值时，强制使该超过的电容器放电。所以，能校正各电容器的端子间电压不一致，使其纳入容许范围内(一定范围内)，可防止串并联切换的横向电流造成开关破坏。
又，控制单元每经历规定的间隔时间，进行第7过程，所以每一定间隔时间监视各电容器的端子间电压不一致，并能利用防过充电单元校正各电容器的端子间电压，使其常纳入容许范围内(一定范围内)，从而可防止串并联切换的横向电流造成开关破坏。而且，由于在端子间电压大散乱前，常作校正，能抑制均压化损耗。
又，使用电容器的蓄电装置的控制方法中，蓄电单元充电时的情况下，进行以下过程：启动对具有串联连接n个(其中n为大于等于2的自然数)含有多个电容器的电路组件的电路组成的蓄电单元充电时，将蓄电单元的各电路组件的多个电容器串联连接的第1过程；蓄电单元的输出电压达到将来自蓄电单元的直流输出电压变换成交流输出电压并供给负载的直流-交流变换单元的输入上限电压时，按求出的组件电压高的顺序把j个(其中j为1次充电时达到输入上限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器并联连接的第2过程；以及在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入上限电压前的期间，也按求出的组件电压高的顺序把j个电路组件的多个电容器并联连接的第3过程，又，在蓄电单元放电时的情况下，进行以下过程：启动蓄电单元放电时将蓄电单元的各电路组件的多个电容器并联连接的第4过程；蓄电单元的输出电压达到直流-交流变换单元的输入下限电压时，按求出的组件电压高的顺序把k个(其中k为1次放电时达到输入下限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器串联连接的第5过程；以及在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入下限电压前的期间，也按求出的组件电压高的顺序把k个电路组件的多个电容器串联连接的第6过程。此情况下，具有与上述本发明第1方面相同的作用效果。
又，上述控制方法中，将直流-交流变换单元换成直流-直流变换单元的情况下，也相同。
附图说明
图1是示出已有组切换的电路图。
图2是说明横向电流的电路图。
图3是已有电压均衡电路的组成图。
图4是示出对已有的各电容器的充放电在时间上的变化的模拟结果图。
图5是示出对已有蓄电装置的充放电在时间上的变化的模拟结果图。
图6是示出本发明蓄电装置实施方式的框图。
图7是示出实施例1的电容器组和串并联切换电路的组成的电路图。
图8是电压均衡电路组的电路图。
图9是示出实施例1的配备3个电路组件的电容器组的蓄电装置的例子的图。
图10是说明仅串联连接1个电路组件的EDLC的连接模式的图。
图11是说明仅并联连接1个电路组件的EDLC的连接模式的图。
图12是说明串联连接全部电路组件的EDLC的连接模式的图。
图13(a)是说明串联连接电路组件内的EDLC时的组件电压的图，(b)是说明并联连接电路组件内的EDLC时的组件电压的图。
图14(a)～(c)是示出一例连接n级电路组件时的连接模式的图。
图15是充电时的串并联切换流程图。
图16是放电时的串并联切换流程图。
图17是随机重复充电和放电的情况下的串并联切换的流程图。
图18是示出实施例1的情况下12个电容器各自的端子间电压在时间上的迁移的特性图。
图19是示出实施例1的蓄电装置输出电压在时间上的迁移的特性图。
图20(a)、(b)是说明电路组件之间不设置开关时与设置开关时的差别的图。
标号说明
10是蓄电装置主体，10A是蓄电部，10B是变电部，11是直流电流源，12是负载，13是电容器组，14是电压均衡电路组，14A是电压均衡电路，15是串并联切换电路，16是电容器端子间电压检测电路，17是控制电路，18是DC-AC变换器，19是组件电压求出部，20是电阻，21是场效应晶体管，22是放电控制电路，23是开关，24是开关。
具体实施方式
在使用电容器的蓄电装置中，控制单元在对蓄电单元充电时的情况下，进行启动对蓄电单元充电时将串并联切换单元控制成把蓄电单元的各电路组件的多个电容器串联连接的第1过程；蓄电单元的输出电压达到直流-交流变换单元的输入上限电压时，将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把j个(其中j为1次充电时达到输入上限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器并联连接的第2过程；以及在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入上限电压前的期间，也将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把j个电路组件的多个电容器并联连接的第3过程，控制单元又在蓄电单元放电时的情况下，进行启动蓄电单元放电时，将串并联切换单元控制成把蓄电单元的各电路组件的多个电容器并联连接的第4过程；蓄电单元的输出电压达到直流-交流变换单元的输入下限电压时，将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把k个(其中k为1次放电时达到输入下限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器串联连接的第5过程；以及在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入下限电压前的期间，也将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把k个电路组件的多个电容器串联连接的第6过程，从而实现提供难以受电容器的静电电容误差影响并且充放电效率高的使用电容器的蓄电装置的目的。
实施例1
下面，参照附图说明本发明的实施例。图6是示出一本发明的使用电容器(例如电双层电容器)的蓄电装置实施例的框图。
本实施例的蓄电装置，配备蓄电装置主体10。蓄电装置主体10储蓄直流电流源11供给的直流电，将其变换成交流电，供给负载12。
作为外部装置的直流电流源11，例如用太阳能电池、风力发电机、柴油机(驱动的)发动机等构成。
蓄电装置主体10大体上划分成包含蓄电部10A和将此蓄电部10A储蓄的直流电变换成交流电的变电部10B。
首先，说明蓄电部10A。蓄电部10A包含具有串联连接n个(其中n是大于等于2的自然数)含有多个(本实施例中为例如2个)作为电容器的电双层电容器(Electric Double Layer Capacitor：EDLC)的电路组件的电路组成的电容器组13、连接该组的电压均衡电路(也称为并联监视器电路)14、切换成将电容器组13的每一电路组件的2个电容器并联连接的状态和将它们串联连接的状态的串并联切换电路15、检测出电容器组13的各EDLC的端子间电压的电容器端子间电压检测电路16、以及检测出电容器组13的输出电压并按照该电压值控制串并联切换电路15的控制电路17。
用图7说明电容器组13。图7是示出电容器组13和串并联切换电路15的组成的电路图。具体而言，图7(a)示出将全部电路组件的EDLC并联连接的状态。图7(b)示出将第1级电路组件的EDLC串联连接且将其它电路组件的EDLC并联连接的状态。图7(c)示出将第1级和第2级的电路组件的EDLC串联连接且将其它电路组件的EDLC并联连接的状态。图7(d)示出将全部电路组件的EDLC串联连接的状态。
如图7所示，电容器组13所取电路组成将n个(其中n为大于等于2的自然数)具有2个例如静电电容3000法(F)、耐压2.3伏(V)的EDLC的电路组件串联连接。电容器组13相当于本发明的蓄电单元。
如图7所示，串并联切换电路15配备切换成将电容器组13的每一电路组件的2个电容器并联连接的状态和将它们并联连接的状态的开关24。串并联切换电路15相当于本发明的串并联切换单元。
电容器端子间电压检测电路16是检测出图7所示电容器组13的各EDLC的端子间电压的电路。电容器组端子间电压检测电路16相当于本发明的端子间电压检测单元。
控制电路17如图6所示，配备组件电压求出部19，该部根据电容器端子间电压检测电路16检测出的电容器组13的各EDLC的端子间电压，对每一电路组件求出作为电容器组13的电路组件的电压的组件电压。组件电压求出部19相当于本发明的组件电压求出单元。
控制电路17在对电容器组13充电时的情况下，进行以下过程：启动对电容器组13充电时，将串并联切换电路15控制成把电容器组13的各电路组件的2个电容器串联连接的第1过程；电容器组13的输出电压达到DC-AC变换器18的输入上限电压时，将串并联切换电路15控制成按组件电压求出部19求出的组件电压高的顺序把j个(其中j为1次充电时达到输入上限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的2个电容器并联连接的第2过程；以及在电容器组13的输出电压又达到DC-AC变换器18的输入上限电压前的期间，也将串并联切换电路15控制成按组件电压求出部19求出的组件电压高的顺序把j个电路组件的2个电容器并联连接的第3过程。
再者，启动对电容器组13充电时是指电容器组13内的各EDLC中几乎不储蓄电荷时，但也包含电容器组13内的各EDLC中完全不储蓄电荷时或电容器组13内的各EDLC仅按未达到DC-AC变换器18的输入下限电压的程度储蓄电荷时。
控制电路17又在电容器组13放电时的情况下，进行以下过程：启动电容器组13放电时，将串并联切换电路15控制成把电容器组13的各电路组件的2个电容器并联连接的第4过程；电容器组13的输出电压达到DC-AC变换器18的输入下限电压时，将串并联切换电路15控制成按组件电压求出部19求出的组件电压高的顺序把k个(其中k为1次放电时达到输入下限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的2个电容器串联连接的第5过程；以及在电容器组13的输出电压又达到DC-AC变换器18的输入下限电压前的期间，也将串并联切换电路15控制成按组件电压求出部19求出的组件电压高的顺序把k个电路组件的2个电容器串联连接的第6过程。
再者，启动电容器组13放电时是指电容器组13内的全部EDLC大体上充满电时，但也包含电容器组13内的全部EDLC充满电时或全部电路组件的EDLC并联连接时电容器组13内的各EDLC中将电荷储蓄到超过DC-AC变换器18的输入下限电压的程度时。
控制电路17每经历规定的间隔时间(例如5秒)，进行上述第3过程和第6过程。再者，也可使间隔时间为5秒以外的规定时间。最好考虑电容器(EDLC)的电容，将此间隔时间选定为规定的时间。
又，控制电路17在蓄电单元充电时和放电时，为了统一各电路组件的电容器的端子间电压，进行第7过程，该第7过程控制电压均衡电路14，以便将端子间电压检测电路16检测出的各电路组件的EDLC的端子间电压中端子间电压最小的EDLC的端子间电压作为基准，在该电路组件中其它EDLC的端子间电压超过该最小端子间电压加上容许值后得到的电压值时，强制使该超过的EDLC放电。
控制电路17每经历规定的间隔时间(例如5秒)，进行上述第7过程。再者，也可使间隔时间为5秒以外的规定时间。最好考虑电容器(EDLC)的电容，将此间隔时间选定为规定的时间。控制电路17相当于本发明的控制单元。
如图7所示，在电容器组13的各电路组件之间配备切换通电/非通电的开关23。控制电路17使这些开关23中位于将EDLC并联连接的电路组件之间的开关23为非通电。
电压均衡电路组(并联监视电路)14如图8所示，包含分别并联连接在过程电容器组13的各电双层电容器(EDLC)C1、C2、……上的多个电压均衡电路14A、14B、……。各电压均衡电路14A、14B、……的组成相同，所以下面取电压均衡电路14A为例进行说明。
电压均衡电路14A包含形成将电阻20和场效应晶体管(FET)21串联连接并将电容器C1的两个端子旁路的放电路径和控制该放电路径开闭的放电控制电路22。放电控制电路22监视电容器C1的端子电压，此端子电压超过规定电压(电双层电容器的耐压)时，对FET21供给控制信号，使其形成导通状态，从而放电路径为闭路状态，强制使电容器C1放电。各电压均衡电路14A、14B、……阻止各自对应的电双层电容器C1、C2、……陷入过充电。各电压均衡电路14A、14B、……相当于本发明的防过充电单元。
再者，也可构成控制电路17起放电控制电路22的作用。即，可构成电容器端子间电压检测电路16检测出的电容器C1的端子电压超过规定电压(电双层电容器的耐压)时，控制电路17对FET供给控制信号，使其为导通状态，从而使放电路径为闭路状态，强制使电容器C1放电。
进一步说明充电电阻时电压均衡电路14A、14B、……的功能。即便是规格上电容相同的EDLC，实际上该电容也存在偏差，所以判明每一EDLC充电时间不同。因而，存在即使1个EDLC充满电其它EDLC也未达到充满电的情况。因此，如上文所述，对全部EDLC设置电压均衡电路，从而在1个EDLC达到充满电的时间点不结束全部EDLC的充电，使全部EDLC能充满电。
接着，说明变电部10B的组成。如图6所示，变电部10B包含直流-交流(DC-AC)变换器18。DC-AC变换器18将直流电压变换成交流电压，供给负载12。DC-AC变换器相当于本发明的直流-交流变换单元。
这里，为了简化后面的说明，取配备包含图9(a)那样的3个电路组件(也简称为3个组件)的电容器组13的蓄电装置为例进行说明。即，取上述电容器组13和串并联切换电路15的各开关24由3个电路组件构成的组成为例进行说明。下文中，仅示出闭合的开关23和开关24，如图9(b)那样表现图9(a)
图9(a)的电路组成的情况下，仅串联连接1个电路组件的EDLC且并联连接2个电路组件的EDLC的模式存在3种连接模式，如图10所示。
而且，串联连接2个电路组件的EDLC且仅并联连接1个电路组件的EDLC的模式存在3种连接模式，如图11所示。又，把将全部EDLC串联连接的图12的连接模式和将全部电路组件的EDLC并联连接的上述图9的模式合在一起，共存在8种(＝23)连接模式，本实施例装置中，可从这8种连接模式中适当切换到最佳连接模式。
再者，下面的说明中，在图13(a)那样将1个电路组件内的EDLC串联连接的情况下，把各EDLC的端子间电压的总计电压Vb称为“组件电压”；在图13(b)那样将1个电路组件内的EDLC并联连接的情况下，把各EDLC的端子间电压的平均值电压Vb称为“组件电压”。
然后，连接n级上述电路组件的情况下，EDLC的连接模式总数为2n，电路组件数越增加，该模式的数量越增加。由于连接模式数增加，选择分支增多，通过从多种连接模式中选择最佳连接模式，能使EDLC转移到并联连接的组件内的该EDLC又返回到串联连接，且将其它电路组件内的EDLC切换到并联连接，从而能极力抑制全部电容器(EDLC)的端子间电压不一致。
图14示出一例连接n级电路组件时的连接模式。图14(a)、图14(b)和图14(c)分别是将全部EDLC串联连接时、仅将1个电路组件的EDLC并联连接时和仅将2个电路组件的EDLC并联连接时的例子。
图1所示的已有电路方式中，例如充电时EDLC从串联连接转移到并联连接的组件的转移后的组件电压往往极端低于串联连接时。反之，放电时EDLC从并联连接转移到串联连接的组件的转移后的组件电压往往极端高于并联连接时，往往蓄电装置的输出电压变动幅度变大。
然而，本方式中，每一定时间用电容器端子间电压检测电路16监视各电容器(EDLC)的端子间电压，在多种连接模式中，充电时使组件电压最高的电路组件转移到并联连接，放电时使组件电压最高的电路组件转移到串联连接。通过重复此动作，能抑制各组件电压的不一致，进而能极力抑制全部电容器(EDLC)的端子间电压不一致，并可抑制电压均衡电路组(并联监视器电路)14的均压化损耗。
这里，再略为详细说明控制电路17的电路组件串并联切换控制。
<电路组件串并联切换控制>
已有方式中，蓄电装置的输出电压接近逆变器的输入电压范围下限或上限的情况下，进行串并联切换，例如充电过程中，暂且并联连接的组件不返回到串联连接。另一方面，本方式中，配备控制电路17，所以能实现多种串并联连接模式，可进行最佳的电路组件的EDLC串并联切换。即，充电过程中，从组件电压最大的电路组件开始，将EDLC并联连接，并且在下一切换时，包括在该时间点使串联连接EDLC的电路组件的该EDLC返回到并联连接，进行最佳连接模式(串并联连接模式)的选定并加以切换。而且，放电时，也同样从组件电压最大的电路组件开始，将EDLC串联连接，并且在下一切换时，包括在该时间点使串联连接EDLC的电路组件的该EDLC返回到并联连接，进行最佳连接模式(串并联连接模式)的选定并加以切换。
再略为详细地记述。本蓄电装置中，根据控制电路17的指令，每一定间隔(例如5秒)测量全部电容器(EDLC)的端子间电压，进行最佳串并联切换。再者，也可不设置间隔，常连续测量全部电容器的端子间电压。
充电过程的切换控制在例如全部EDLC的电荷为“0”时，从串联连接全部EDLC的模式开始，启动充电。进行某种程度的充电，使蓄电装置的输出电压接近DC-AC逆变器18的输入电压范围的上限(例如15伏)时，即达到14.9伏时，并联连接组件电压最大的1个电路组件的EDLC，并继续进行充电，但以后每一定间隔(例如5秒)测量全部电容器(EDLC)的端子间电压，选定并联连接EDLC的1个最佳电路组件，进行串联连接切换，使各电路组件均等地储蓄电荷，从而组件电压的不一致最小。
全部电路组件均等地储蓄电荷后，又继续充电，使蓄电装置的输出电压又接近DC-AC逆变器18的输入电压范围的上限(例如15伏)时，即达到14.9伏时，仅并联连接1个电路组件的EDLC不能适应，所以接着并联连接2个电路组件的EDLC，继续进行充电。这时，组件电压大的2个电路组件的EDLC转移到并联连接。其后，同样地一面增多并联连接EDLC的组件，一面继续进行充电，直到全部组件的EDLC转移到并联连接。
又，放电过程中，在例如全部EDLC充满电时，从并联连接全部EDLC的连接模式开始，启动放电。进行某种程度的放电，使蓄电装置的输出电压接近DC-AC逆变器18的输入电压范围的下限(例如10.5伏)时，即达到10.6伏时，串联连接组件电压最大的1个电路组件的EDLC，并继续进行放电。
继续进行放电，但每一定间隔(例如5秒)测量全部电容器(EDLC)的端子间电压，进行串联连接EDLC的1个电路组件的选定和切换，使各电路组件的电荷均等地放电。
使全部电路组件电荷均等地放电后，又继续放电，使蓄电装置的输出电压又接近DC-AC逆变器18的输入电压范围的下限(例如10.5伏)时，即达到10.6伏时，仅串联连接1个电路组件的EDLC不能适应，所以接着串联连接2个电路组件的EDLC，继续进行放电。这时，组件电压大的2个电路组件的EDLC转移到串联连接。其后，同样地一面增多串联连接EDLC的组件，一面继续放电，直到全部组件的EDLC转移到串联连接。
图15和图16分别示出上述那样充电时的并联连接切换的流程和放电时的串联连接切换的流程。
如图15所示，步骤S1中，在使电容器组13的全部组件的EDLC串联连接的状态下启动充电。即，作为并联连接EDLC的电路组件数的并联组件数j为“0”。步骤S1相当于本发明的第1过程。步骤S2中，测量蓄电装置的输出电压Vt。步骤S3中，检测出蓄电装置的输出电压Vt是否达到DC-AC变换器18的输入上限电压Vtmax，未达到则进至步骤S3A，在该步骤S3A等待经历间隔时间(例如5秒)后，返回步骤S2；如果达到，进至步骤S4。
在步骤S4使并联组件数j加“1”。步骤S5中测量各电容器(EDLC)的端子间电压，求出组件电压。步骤S6中，按组件电压大的顺序将j个电路组件的EDLC切换到并联连接。步骤S7中，测量蓄电装置的输出电压Vt。步骤S8中，检测出蓄电装置的输出电压Vt是否达到DC-AC变换器18的输入上限电压Vtmax，未达到则进至步骤S10，在该步骤S10等待经历间隔时间(例如5秒)后，返回步骤S5；如果达到，进至步骤S9。
步骤S9中，判断并联组件数j是否达到电路组件的总数n。达到则进至步骤S11；如果未达到，返回步骤S4。再者，步骤S3～S9相当于本发明的第2过程，步骤S5～S8、S10相当于本发明的第3过程。
步骤S11中，停止对电容器组13供给电流，即停止对电容器组13的充电，并结束本充电过程。
接着，说明放电过程。如图16所示，步骤S21中，在使电容器组13的全部组件的EDLC并联连接的状态下启动放电。即，作为串联连接EDLC的电路组件数的串联组件数k为“0”。步骤S21相当于本发明的第4过程。步骤S22中，测量蓄电装置的输出电压Vt。步骤S23中，检测出蓄电装置的输出电压Vt是否达到DC-AC变换器18的输入下限电压Vtmin，未达到则进至步骤S23A，在该步骤S23A等待经历间隔时间(例如5秒)后，返回步骤S22；如果达到，进至步骤S24。
在步骤S24，使串联组件数k加“1”。步骤S25中测量各电容器(EDLC)的端子间电压，求出组件电压。步骤S26中，按组件电压大的顺序将k个电路组件的EDLC切换到串联连接。步骤S27中，测量蓄电装置的输出电压Vt。步骤S28中，检测出蓄电装置的输出电压Vt是否达到DC-AC变换器18的输入下限电压Vtmin，未达到则进至步骤S30，在该步骤S30等待经历间隔时间(例如5秒)后，返回步骤S25；如果达到，进至步骤S29。
步骤S29中，判断串联组件数k是否达到电路组件的总数n。达到则进至步骤S31；如果未达到，返回步骤S24。再者，步骤S23～S29相当于本发明的第5过程，步骤S25～S28、S30相当于本发明的第6过程。
步骤S31中，停止电容器组13的输出，即停止电容器组13的放电，并结束本放电过程。
再者，随机重复充电和放电的情况下，不断探测直流电流源11至蓄电装置的输入电流和蓄电装置至DC-AC变换器18的输出电流，判断充电模式与放电模式的切换，从而随机重复充电和放电的组成中也能合适地进行充电和放电。用图17说明此随机重复充电和放电时的串并联切换流程。
如图17所示，步骤S41中，在使电容器组13的全部组件的EDLC串联连接的状态下启动充电。即，这是蓄电装置的输出(放电)停止状态，作为并联连接EDLC的电路组件数的并联组件数j为“0”。步骤S41相当于本发明的第1过程。步骤S42中，测量蓄电装置的输出电压Vt。步骤S43中，检测出蓄电装置的输出电压Vt是否达到DC-AC变换器18的输入上限电压Vtmax，未达到则进至步骤S44，在该步骤S44等待经历间隔时间(例如5秒)后，返回步骤S42；如果达到，进至步骤S45。
在步骤S45，启动蓄电装置的输出(放电)。步骤S46中，使并联组件数j加“1”。步骤S47中测量各电容器(EDLC)的端子间电压，求出组件电压。步骤S48中，按组件电压大的顺序将j个电路组件的EDLC切换到并联连接。步骤S49中，在直流电流源11至蓄电装置的输入电流Iin大于或等于蓄电装置至DC-AC变换器18的输出电流Iout的情况下进至步骤S50，不是该情况则进至步骤S55。步骤S50中，测量蓄电装置的输出电压Vt。步骤S51中，检测出蓄电装置的输出电压Vt是否达到DC-AC变换器18的输入上限电压Vtmax，未达到则进至步骤S53，在该步骤S53等待经历间隔时间(例如5秒)后，返回步骤S47；如果达到，则进至步骤S52。
步骤S52中，判断并联组件数j是否达到电路组件的总数n。达到则进至步骤S54；如果未达到，则返回步骤S46。步骤S54中，停止对电容器组13供给电流，即停止对电容器组13的充电(输入停止)。再者，步骤S43～S48、S50～S52相当于本发明的第2过程，步骤S47、S48、S50、S51、S53相当于本发明的第3过程。步骤S54相当于本发明的第4过程。
步骤S55中，测量蓄电装置的输出电压Vt。步骤S56中，蓄电装置的输出电压Vt未达到DC-AC变换器18的输入下限电压Vtmin则进至步骤S57，在该步骤S57等待经历间隔时间(例如5秒)后，返回步骤S55；如果达到，进步骤S58。
步骤S58中，如果正在停止对电容器组13充电(对蓄电装置的输入停止期间)，重新启动对电容器组13的充电。步骤S59中，测量各电容器(EDLC)的端子间电压，求出组件电压。步骤S60中，按组件电压大的顺序将n+1-j个电路组件的EDLC切换成串联连接。
步骤S61中，在直流电流源11至蓄电装置的输入电流Iin大于或等于蓄电装置至DC-AC变换器18的输出电流Iout的情况下进至步骤S62，不是该情况则进至步骤S63。步骤S63中，测量蓄电装置的输出电压Vt。再者，步骤S62中，从并联组件数j减去“1”。然后，进至步骤S50。
步骤S64中，检测出蓄电装置的输出电压Vt是否达到DC-AC变换器18的输入下限电压Vtmin，未达到则进至步骤S67，在该步骤S67等待经历间隔时间(例如5秒)后，返回步骤S59；如果达到，进至步骤S65。步骤S65中，从并联组件数j减去“1”。然后，进至步骤S66。
步骤S66中，判断并联组件数j是否“0”。是“0”则进至步骤S68；如果不是“0”，则返回步骤S59。再者，步骤S56、S59、S60、S63～S66相当于本发明的第5过程，步骤S59、S60、S63、S64、S67相当于本发明的第6过程。
步骤S68中，停止电容器组13的放电(蓄电装置的输出停止)，并返回步骤S42。
接着，在下面说明本实施例的蓄电装置的电容器(EDLC)端子间电压的常校正。
本方式中，控制电路17每一定间隔时间(例如5秒)监视各EDLC的端子间电压的不一致，并控制电压均衡电路组(并联监视器电路)14，从而常校正各EDLC的端子间电压，使其纳入一定范围。通过这样处理，能防止串并联切换的横向电流造成开关24破坏。而且，由于在端子间电压大散乱前常作校正，能抑制均压化损耗。
此常校正是抑制各电路组件的电容器端子间电压不一致用的操作，每一电路组件都进行。即，以各电路组件的EDLC中端子间电压最低的EDLC的端子间电压Vcmin为基准，在该电路组件中的其它EDLC的端子间电压根据该Vcmin高得大于等于预先设定的校正值的情况下，对该EDLC强制进行放电。也就是说，1个电路组件包含2个电容器(EDLC)的情况下，端子间电压高的电容器的端子间电压大于等于端子间电压低的电容器的电压值加容许值X后得到的电压值时，进行端子间电压高的电容器的强制放电，使2个电容器的端子间电压一致。
又，图7等所示的各电容器(EDLC)分别是串并联连接多个电容器的器件的情况下，按下面的式(1)的条件进行强制放电。其中，N是电路组件内的电容器总数，i是组件内的电容器编号，VCi是电容器编号i的EDLC的端子间电压，X是容许值。进行满足此条件的电容器i的强制放电。
VCi＞VCmin+X
VCmin＝min(VC1、VC2、…、VCN)……(1)
这里，进行已有方式与本方式的比较。为了比较已有方式和本方式，研究使用12个电容器(EDLC)的蓄电装置。模拟将各电容器(EDLC)的耐压取为2.3伏、12个电容器中仅第1组件的1个EDLC具有10％电容误差(即11个电容器(EDLC)的静电电容为3000法，1个电容器(EDLC)为2700法)时蓄电装置的充放电过程。
使用2安(A)的恒流源进行充电，充满电后断开恒流源，将包含逆变器的负载取为36瓦(W)，并进行放电，直到逆变器的输入下限电压。图18、图19示出此情况下实施例装置充放电时间变化的模拟结果。又，图4示出与实施例装置相同的条件下对已有方式的各电容器的充放电时间变化的模拟结果，图5示出对已有方式蓄电装置输出电压的充放电时间变化的模拟结果。再者，将逆变器的输入电压范围取为10.5伏～15伏。又，每间隔时间(例如5秒)进行本方式的全部电容器端子电压测量以及将EDLC串并联连接成各组件的电荷受到均等充放电的组件的选择和切换。
图4、图5分别示出已有方式的情况下12个电容器各自的端子间电压在时间上的迁移和蓄电装置的输出电压在时间上的迁移。图18、图19分别示出使用本方式的情况下12个电容器各自的端子间电压在时间上的迁移和蓄电装置的输出电压在时间上的迁移。
观察以上结果，判明本方式的情况下，比已有方式充电时间缩短16％或更多(已有方式中充电时间为5015秒，本方式中充电时间为4210秒)。这意味着例如直流电流源11为太阳能电池的情况下，太阳能电池的面积可减小16％或更多，对整个太阳能发电、蓄电系统的成本降低具有不小的效果。
又，如图4所示，判明已有方式中，12个电容器各自的端子间电压不一致，因电压均衡电路的电阻而浪费达到耐压的电容器的电荷。即，判明均压化损耗大。与此相反，判明图18所示的本方式中，一面12个电容器各自的端子间电压常以实质上相同的电压迁移、一面进行充放电。此差别成为充电时间差异而显著暴露。根据这些结果，判明与已有的组切换方式相比，本方式的均压化损耗极小。又，已有方式的平均放电深度为81.8％，本方式的平均放电深度为85.7％，放电深度也本方式中显著提高。
再者，放电深度是表示EDLC储蓄的蓄电能量利用效率的指标之一，由下面的式(2)加以定义。这里，UMax是最大蓄电能量，Urem是残留蓄电能量。
放电深度[％]＝(1-Urem/UMax)×100……(2)
这里，EDLC的蓄电能量由式(3)加以定义。其中VC是EDLC的端子间电压。
U＝CVC 2/2……(3)
从式(2)和式(3)得到式(4)，其中VCmax是与最大蓄电能量对应的EDLC端子间电压(耐压)，VCrem是与残留蓄电能量对应的EDLC端子间电压。
放电深度[％]＝(1-VCrem 2/VCmax 2)×100……(4)
本实施例中，如图7所示，在串联连接电容器组13的各电路组件之间设置开关23，并且控制电路17使这些开关23中位于并联连接EDLC的电路组件之间的开关23为非通电，与不设置该开关23使相比，在下列方面优越。
说明例如图20那样包含3个组件的情况。图20(a)为图1的电路(即电路组件)之间无开关的方式，图20(b)为本方式。哪种方式都将第1级组件串联连接。这里，设各第2级组件的电容器分别为C1、C2，各第3级组件的电容器分别为C3、C4，则电路组件之间无开关的方式中，图20(a)所示虚线部分的合成电容Ca为式(5)。
Ca＝(C1C3+C1C4+C2C3+C2C4)/(C1+C2+C3+C4)……(5)
又，作为本方式的图20(b)所示虚线部分的合成电容Cb为式(6)。
Cb＝(C1C2C3+C1C3C4+C1C2C4+C2C3C4)/(C1C3+C1C4+C2C3+C2C4)……(6)
构成蓄电装置时，通常使用规格相同的电容器，所以这里设电容器的标准电容为C，并且各电容器的电容误差为Δi(i＝1、2、…4，Δi＜＜C)，则C1)＝C+Δ1，C2＝C+Δ2，C3)＝C+Δ3，C4)＝C+Δ4。
将这些代入式(5)、式(6)，将ΔiΔj(i＝1、2、…4，j＝1、2、…4，i≠j)、ΔiΔjΔk(i＝1、2、…4，j＝1、2、…4，k＝1、2、…4，i≠j，j≠k，k≠i)的项当作微小项忽略，使Δ1Δ2Δ3Δ4＝Δ，则形成下式。
Ca≈2C(2C+Δ)/4C+Δ
Cb≈C2(4C+3Δ)/2C(2C+Δ)
因而，Ca-Cb＝C2Δ2/2C(2C+Δ)(4C+Δ)≥0，判明作为电路组件之间无开关的方式的图20(a)所示虚线部分的合成电容Ca总大于作为本方式的图20(b)所示虚线部分的合成电容Cb。
一般而言，充电过程中，并联连接EDLC的电路组件的各EDLC中储蓄的电荷量为串联连接EDLC的电路组件的各EDLC中储蓄的电荷量之半，所以并联连接EDLC的电路组件的充电速度急剧降低。然而，作为本方式的图20(b)的虚线部分的合成电容Cb小于作为电路组件之间无开关的方式的图20(a)的虚线部分的合成电容Ca，因此与电路组件之间无开关的方式相比，本方式对并联连接EDLC的电路组件的EDLC充电所需的时间可以短。
再者，即使图1的电路中应用本方式的控制方法，也将充电时间缩短11％(将图1的电路中应用本方式的控制方法时的充电时间缩短到4465秒)，并且放电深度明显提高(图1的电路中应用本方式的控制方法时，放电深度为85.9％)，确认本方式控制方法在图1的电路中的有用性。
本发明不限于上述实施方式，也能变换实施如下。
(1)上述实施例中，采用DC-AC变换器18，但也可采用DC-DC变换器。
(2)上述实施例中，电容器组13的各电路组件配备2个电容器(EDLC)，但也可取为大于等于3个，还可用于部分电路组件的电容器(EDLC)的数量与其它电路组件的电容器(EDLC)数量不同的情况。
(3)上述实施例中，将EDLC用作电容器组13的各电路组件中的电容器，但也可采用其它类型的电容器等。
工业上的实用性
综上所述，能构建不依赖于各电容器的静电电容误差的蓄电装置，能构建充放电效率高且较价廉的系统。再者，在处理的功率规模变大时也有用。

Claims (9)

1、一种使用电容器的蓄电装置，其特征在于，包括：
具有串联连接n个(其中n为大于等于2的自然数)含有多个电容器的电路组件的电路组成的蓄电单元；
将来自蓄电单元的直流输出电压变换成交流输出电压，并供给负载的直流-交流变换单元；
切换将蓄电单元的每一电路组件的多个电容器并联连接的状态与将它们串联连接的状态的串并联切换单元；
分别并联连接在蓄电单元的电容器上，并且蓄电单元的电容器端子电压一变成耐压值，就强制使该电容器放电的多个防过充电单元；
检测出蓄电单元的各电路组件的多个电容器的端子间电压的端子间电压检测单元；
根据端子间电压检测单元检测出的各电容器的端子间电压，对每一电路组件求出作为电路组件电压的组件电压的组件电压求出单元；以及
检测出蓄电单元的输出电压，并按照该电压的值，控制串并联切换单元的控制单元，
控制单元在对蓄电单元充电时的情况下，进行以下过程：
启动对蓄电单元充电时，将串并联切换单元控制成把蓄电单元的各电路组件的多个电容器串联连接的第1过程；
蓄电单元的输出电压达到直流-交流变换单元的输入上限电压时，将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把j个(其中j为1次充电时达到输入上限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器并联连接的第2过程；以及
在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入上限电压前的期间，也将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把j个电路组件的多个电容器并联连接的第3过程，
而且，控制单元在蓄电单元放电时的情况下，进行以下过程：
启动蓄电单元放电时，将串并联切换单元控制成把蓄电单元的各电路组件的多个电容器并联连接的第4过程；
蓄电单元的输出电压达到直流-交流变换单元的输入下限电压时，将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把k个(其中k为1次放电时达到输入下限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器串联连接的第5过程；以及
在蓄电单元的输出电压又达到直流一交流变换单元的输入下限电压前的期间，也将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把k个电路组件的多个电容器串联连接的第6过程。
2、一种使用电容器的蓄电装置，其特征在于，包括：
具有串联连接n个(其中n为大于等于2的自然数)含有多个电容器的电路组件的电路组成的蓄电单元；
将来自蓄电单元的直流输出电压变换成规定的直流输出电压，并供给负载的直流-直流变换单元；
切换将蓄电单元的每一电路组件的多个电容器并联连接的状态与将它们串联连接的状态的串并联切换单元；
分别并联连接在蓄电单元的电容器上，并且蓄电单元的电容器端子电压一变成耐压值，就强制使该电容器放电的多个防过充电单元；
检测出蓄电单元的各电路组件的多个电容器的端子间电压的端子间电压检测单元；
根据端子间电压检测单元检测出的各电容器的端子间电压，对每一电路组件求出作为电路组件电压的组件电压的组件电压求出单元；以及
检测出蓄电单元的输出电压，并按照该电压的值，控制串并联切换单元的控制单元，
控制单元在对蓄电单元充电时的情况下，进行以下过程：
启动对蓄电单元充电时，将串并联切换单元控制成把蓄电单元的各电路组件的多个电容器串联连接的第1过程；
蓄电单元的输出电压达到直流-直流变换单元的输入上限电压时，将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把j个(其中j为1次充电时达到输入上限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器并联连接的第2过程；以及
在蓄电单元的输出电压又达到直流一直流变换单元的输入上限电压前的期间，也将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把j个电路组件的多个电容器并联连接的第3过程，
控制单元又在蓄电单元放电时的情况下，进行以下过程：
启动蓄电单元放电时，将串并联切换单元控制成把蓄电单元的各电路组件的多个电容器并联连接的第4过程；
蓄电单元的输出电压达到直流-直流变换单元的输入下限电压时，将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把k个(其中k为1次放电时达到输入下限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器串联连接的第5过程；以及
在蓄电单元的输出电压又达到直流-直流变换单元的输入下限电压前的期间，也将串并联切换单元控制成按组件电压求出单元求出的组件电压高的顺序把k个电路组件的多个电容器串联连接的第6过程。
3、如权利要求1或2中所述的使用电容器的蓄电装置，其特征在于，
控制单元每经历规定的间隔时间，进行第3过程和第6过程。
4、如权利要求1至3中任一项所述的使用电容器的蓄电装置，其特征在于，
控制单元根据对蓄电单元的输入电流与蓄电单元的输出电流的比较，切换蓄电单元的充电和放电的控制。
5、如权利要求1至4中任一项所述的使用电容器的蓄电装置，其特征在于，
蓄电单元的各电路组件之间配备切换通电/非通电的开关，
控制单元使这些开关中位于将电容器并联连接的电路组件之间的开关为非通电。
6、如权利要求1至5中任一项所述的使用电容器的蓄电装置，其特征在于，
控制单元在蓄电单元充电时和放电时，进行第7过程，该第7过程控制防过充电单元，以便将端子间电压检测单元检测出的各电路组件的电容器端子间电压中端子间电压最小的电容器端子间电压作为基准，在该电路组件中其它电容器的端子间电压超过该最小端子间电压加上容许值后得到的电压值时，强制使该超过的电容器放电。
7、如权利要求6中所述的使用电容器的蓄电装置，其特征在于，
控制单元每经历规定的间隔时间，进行第7过程。
8、一种使用电容器的蓄电装置的控制方法，其特征在于，
蓄电单元充电时的情况下，进行以下过程：
启动对具有串联连接n个(其中n为大于等于2的自然数)含有多个电容器的电路组件的电路组成的蓄电单元充电时，将蓄电单元的各电路组件的多个电容器串联连接的第1过程；
蓄电单元的输出电压达到将来自蓄电单元的直流输出电压变换成交流输出电压并供给负载的直流-交流变换单元的输入上限电压时，按求出的组件电压高的顺序把j个(其中j为1次充电时达到输入上限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器并联连接的第2过程；以及
在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入上限电压前的期间，也按求出的组件电压高的顺序把j个电路组件的多个电容器并联连接的第3过程，
又在蓄电单元放电时的情况下，进行以下过程：
启动蓄电单元放电时，将蓄电单元的各电路组件的多个电容器并联连接的第4过程；
蓄电单元的输出电压达到直流-交流变换单元的输入下限电压时，按求出的组件电压高的顺序把k个(其中k为1次放电时达到输入下限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器串联连接的第5过程；以及
在蓄电单元的输出电压又达到直流-交流变换单元的输入下限电压前的期间，也按求出的组件电压高的顺序把k个电路组件的多个电容器串联连接的第6过程。
9、一种使用电容器的蓄电装置的控制方法，其特征在于，
蓄电单元充电时的情况下，进行以下过程：
启动对具有串联连接n个(其中n为大于等于2的自然数)含有多个电容器的电路组件的电路组成的蓄电单元充电时，将蓄电单元的各电路组件的多个电容器串联连接的第1过程；
蓄电单元的输出电压达到将来自蓄电单元的直流输出电压变换成直流输出电压并供给负载的直流-直流变换单元的输入上限电压时，按求出的组件电压高的顺序把j个(其中j为1次充电时达到输入上限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器并联连接的第2过程；以及
在蓄电单元的输出电压又达到直流-直流变换单元的输入上限电压前的期间，也按求出的组件电压高的顺序把j个电路组件的多个电容器并联连接的第3过程，
又在蓄电单元放电时的情况下，进行以下过程：
启动蓄电单元放电时，将蓄电单元的各电路组件的多个电容器并联的第4过程；
蓄电单元的输出电压达到直流-直流变换单元的输入下限电压时，按求出的组件电压高的顺序把k个(其中k为1次放电时达到输入下限电压的次数，是最大为n的自然数)电路组件的多个电容器串联连接的第5过程；以及
在蓄电单元的输出电压又达到直流-直流变换单元的输入下限电压前的期间，也按求出的组件电压高的顺序把k个电路组件的多个电容器串联连接的第6过程。
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