JP2001309569A

JP2001309569A - 複数キャパシタの充放電方法及び装置

Info

Publication number: JP2001309569A
Application number: JP2000126179A
Authority: JP
Inventors: Masami Tachikawa; 正美太刀川; Takashi Nishioka; 孝西岡; Takeshi Yamada; 武山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2001-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】キャパシタに蓄電するために電力を供給する場
合、基本的には５０％を越えることが出来ず、効率向上
のためにＤＣ−ＤＣコンバータの使用も行われている
が、コンバータの効率で制限され、更に低電力時には効
率が低下していた。このため、太陽電池のように出力電
圧の変動が顕著な場合も含め、充放電効率を向上する方
法と装置の実現が必要であった。【解決手段】本発明においては、電源電圧に近いところ
で充電することにより高効率充電が可能となり、充放電
開始電圧を設定することにより効率低下することなく充
電するキャパシタの切り替え回数を低減することが出来
た。これにより、太陽電池のように電圧変動の大な電源
を使用する場合にも、電圧整合を容易にとることにより
高効率充電のみならず異なる電圧の複数の負荷に対して
も高効率電力供給が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】発電手段を有する電源に接続
されたキャパシタに高能率で充放電する電気エネルギー
貯蔵方法と、貯蔵された電荷を異なる電圧に変換する際
の電圧整合法に関する。

【０００２】

【従来の技術】キャパシタ充電方法として、従来の方法
における回路構成例を図２４（ａ）に、またこの等価回
路を図２４（ｂ）に示す。図２４（ｂ）において、Ｖ_０
（Ｖ）の電圧源を有する電源で、容量Ｃのキャパシタを
充電することを考える。実際の等価回路においては結線
等の抵抗成分ｒが必ず存在する。充電する電源電圧をＶ
_Ｏとすると、キャパシタを０ＶからＶ_Ｏ（Ｖ）に充電す
る間に電源が供給する電力は、∫ＶｄＱ＝ＣＶ_Ｏ ^２で与
えられる。他方、キャパシタＣに蓄積されたパワーは
（１／２）ＣＶ_Ｏ ^２であるから、充電効率は５０％とな
る。すなわち、供給電力の５０％は損失となっている。
この５０％の効率をさらに向上させる方法の１つとし
て、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いる方法がある。一定電
圧の電源から、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いて、キャパ
シタの電圧に近い電圧で充電することにより、上記損失
を下げることができる。その際、充電効率はＤＣ−ＤＣ
コンバータの効率に大きく依存するが、おおむね７０〜
９５％程度である。しかし一般的なＤＣ−ＤＣコンバー
タは、パワーの少ない時には効率が落ち、５０％以下と
なることもあるという欠点があった。従って、ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータを用いて、キャパシタを充電する方法も同
様に充電、あるいは放電するパワーが少ない時に、効率
が落ちるという欠点があった。また、太陽電池出力電
力の蓄電用としてキャパシタを使用する場合、太陽電池
からの電気エネルギーをキャパシタに貯蓄する際に、図
２３（ｂ）において電源１から抵抗成分ｒを介して充電
する従来の方法を用いると、同様に５０％以上の効率は
得られない。また、上記ＤＣ−ＤＣコンバータを用いる
従来の方法においては、特に照射光強度が弱い時に効率
が低下する。あるいは、ある照射光強度以下の場合には
充電を停止する必要があった。

【０００３】さらに、電圧変換素子としてキャパシタを
利用する場合、太陽電池等では、その動作電圧に最適値
が存在する。太陽電池から電力をより有効に取り出すた
めに、最高電力となる電圧を追跡する（以後、ＭＰＰＴ
と称す）装置などが使われている。また最高電力となる
電圧Ｖ_１は、入射光量によって変動している。エネルギ
ーを蓄積、平準化させるキャパシタ、２次電池等には、
最適電圧Ｖ_２（最大電圧）が存在する。また蓄積したエ
ネルギーを使用する際に、その使う装置の電圧Ｖ_３が存
在する。これら各種の電圧を整合させることにより、シ
ステムとしての効率が向上される。しかし電圧Ｖ_１が変
動するため、電圧Ｖ_１と電圧Ｖ_２には、何等かの電圧整
合が必要である。また、システムを作製した後に、使用
装置を変えるということもしばしば生じる。その場合、
電圧Ｖ_２と電圧Ｖ_３の整合が必要である。これらの電圧
整合（電圧変換）に、一般的に３端子レギュレータ、Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータ等が使われている。３端子レギュレ
ータは少ない使用電力量でも効率が落ちないが、そもそ
も電圧降下による効率低下を防ぐことはできない。ＤＣ
−ＤＣコンバータは先に述べたとおり、少ない電力使用
量では効率が低下するという問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来キ
ャパシタへ電力を供給する際に効率が低いという問題が
あった。また、これを解決する方法としてＤＣ−ＤＣコ
ンバータを用いる方法があるが、この場合、使用電力が
少ない時には効率が落ちるという問題があった。さら
に、異なる電圧間で給電、蓄積する際に、電圧を変換す
る必要があった。例えば、太陽電池からの電力を蓄積
し、負荷へ給電するような場合等で、変動する太陽電池
電圧、変動する蓄電池電圧と負荷電圧と整合させないと
効率が低下するという問題があった。この効率低下を改
善するために従来のＤＣ−ＤＣコンバータを利用する方
法では、上記のように使用電力が少ない時に効率が落ち
るという問題があった。本発明は、上記の問題を解決
し、キャパシタへの電力の供給及び蓄積を高効率で行う
方法及びその装置を提供することを目的としたものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明においては、以下の充放電方法及び充放電装
置について開示するものである。すなわち、総数ｍ個の
キャパシタに充電する際に、すべてのキャパシタの電圧
が測定でき、このｍ個のキャパシタから、ｍ≧ｎの範囲
で最大ｎ個を選び、それら最大ｎ個のキャパシタを直列
接続して充電する装置を用いてキャパシタに充電する方
法において、以下の方法で充電を行うことにより充電効
率の向上を実現している。すなわち、充電側の充電開始
電圧をＶ_Ｌ、充電終了電圧をＶ_Ｈとする（Ｖ_Ｌ≦
Ｖ_Ｈ）、また、各キャパシタの最大充電電圧をＶ
_ｃｍａｘとする。いまｉ番目のキャパシタをＣ_ｉとし、
キャパシタＣ_ｉの或る時点での電圧をＶ_ｉとする。ここ
で、直列充電するキャパシタは、充電電圧がＶ_ｉ≧Ｖ
_ｃｍａｘであるキャパシタを除く残りのキャパシタの
内、電圧の最も高いキャパシタの少なくとも一つを含む
ことを第１の条件として、直列接続した電圧がＶ_Ｌを超
えず、かつＶ_Ｌに最も近い組合せとなることを第２の条
件として上記ｎ個の直列接続して一度に充電するキャパ
シタを選ぶ。このようにして選んだキャパシタを直列接
続して充電を開始する。これら最大ｎ個のキャパシタの
直列接続電圧がＶ_Ｈに達した場合は充電を終了し、最大
電圧のキャパシタを含みかつ上記第２の条件を満足する
最大ｎ個のキャパシタを選ぶか、あるいは充電している
直列接続したキャパシタの内、少なくとも１個がＶ
_ｃｍａｘに達した場合には充電を終了し、該Ｖ_ｃｍａｘ
に達したキャパシタを除く残りのキャパシタの中から電
圧の最も高い少なくとも１つを含むｎ個のキャパシタを
選ぶかの何れかを行い、以下この繰り返しにより、順次
充電することにより、上記の課題を解決する。また、キ
ャパシタから電力を取り出す、すなわち放電に際して
は、上記の充電を放電と書き換えた充電と逆の方法で放
電を行う。すなわち、放電側の放電開始電圧Ｖ_Ｈは放電
終了電圧Ｖ_Ｌより大きく、キャパシタの放電終了電圧を
Ｖ_ＳＴＯ _Ｐとし、キャパシタｉのある時点での電圧をＶ
_ｉとする。直列接続された放電キャパシタは以下のよう
にして選ばれる。すなわち、Ｖ_ｉ≦Ｖ_ＳＴ０Ｐとなった
キャパシタを除く残りのキャパシタの内、電圧の最も低
いキャパシタの少なくとも一つを含み、キャパシタを直
列接続した全電圧が、放電開始電圧Ｖ_Ｈより大きく、か
つＶ_Ｈに最も近い組合せを選ぶ。このようにして選んだ
キャパシタを最大ｎ個直列接続状態で放電を開始する。
直列電圧がＶ_Ｌより低い電圧に達した時、あるいは放電
しているキャパシタの内、少なくとも１個がＶ_ＳＴＯＰ
に達したら放電を終了し、次の放電するキャパシタの組
合せを選ぶ動作に入り、この繰り返しにより、順次全キ
ャパシタの放電を行う方法である。

【０００６】また、上記の方法を実現する装置として充
放電する全キャパシタの電圧を測定する手段と、これら
全キャパシタの中から各キャパシタの電圧を測定してＶ
_ｉ≧Ｖ_ｃｍａｘを除くキャパシタのうち電圧の最も高い
キャパシタの少なくとも１つを含む最大ｎ個のキャパシ
タを選び、これら最大ｎ個のキャパシタを直列接続し、
この全電圧がＶ_Ｌを越えずかつＶ_Ｌに最も近い組合せと
なる最大ｎ個のキャパシタ上記ｍ個のキャパシタの中か
ら選ぶ手段を有している。ここで前記全電圧が充電開始
電圧Ｖ_Ｌよりも低くなったことを検出する手段を有し、
この検出結果により前記最大ｎ個のキャパシタに充電を
開始する手段と、これら直列接続した前記最大ｎ個のキ
ャパシタの全電圧を測定する手段と、この充電した直列
接続の前記最大ｎ個のキャパシタについて直列全電圧が
前記充電終了電圧Ｖ_Ｈに達するか、あるいはこれら最大
ｎ個のキャパシタの内少なくとも１個が前記Ｖ_ｃｍａｘ
に達するかの何れかの状態に達したことを検出する手段
とを有している。ここでキャパシタ電圧がＶ_ｃｍａｘに
達したことを検出したら現充電過程を終了し、次に充電
すべき最大ｎ個のキャパシタを選び出し、上記と同様の
充電過程を繰り返す制御手段を有し、更に全キャパシタ
が満充電されたことを検出して全充電過程を終了させる
制御手段を有する複数キャパシタの充放電装置について
開示している。また、放電系についても、上記充電系の
逆の構成で、放電開始電圧Ｖ_Ｈは放電終了電圧Ｖ_Ｌより
大きいとし、キャパシタ１個当たりの放電終了電圧をＶ
_ＳＴＯ _Ｐとしたとき、ｍ個のキャパシタ全ての電圧を測
定する手段と、このｍ個のキャパシタの中からｉ番目の
キャパシタの電圧Ｖ_ｉがＶ_ｉ≦Ｖ_ＳＴＯＰであるキャパ
シタを除くキャパシタのうち電圧が最も低いキャパシタ
の少なくとも１つを含む各キャパシタの電圧を測定し
て、その電圧がＶ_Ｈより大きくかつＶ_Ｈに最も近くなる
ように最大ｎ個（ｍ≧ｎ）のキャパシタを選び出す手段
とを有している。この構成にさらにこれら最大ｎ個のキ
ャパシタの直列接続した全電圧が放電開始電圧Ｖ_Ｈを越
えたことを比較し検出する手段と、この検出結果により
放電を開始する手段と、この放電した上記最大ｎ個のキ
ャパシタについて直列電圧が放電終了電圧Ｖ_Ｌ以下の電
圧に達するか、あるいはこれら最大ｎ個のキャパシタの
内少なくとも１個が前記の１個当たりの放電終了電圧Ｖ
_ＳＴＯＰに達するかの何れかの状態に達したことを検出
する手段とを有し、この状態の検出結果により現放電過
程を終了し、次に放電すべきキャパシタを選び出す手段
と、上記と同様の放電過程を繰り返す制御手段を有し、
更に全キャパシタが放電終了状態となったことを検出し
て全放電過程を終了させる制御手段を持たせた充放電装
置について開示している。

【０００７】更に本発明においては、キャパシタ充電用
電源として太陽電池を利用することに関しても開示して
いる。さらに、本発明において述べたキャパシタとして
は第７の実施の形態において述べたように各種２次電池
に対しても同様の効果を得ることが出来、これらも含む
ものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施の形
態について図により詳述する。〔第１の実施の形態〕本発明の第１の実施の形態は接続
するキャパシタの総数ｍと、一度に充電するキャパシタ
の最大数ｎとが等しい場合、すなわちｎ＝ｍの場合の例
である。図１は本実施の形態で用いられた複数の直列接
続されたキャパシタに充電する場合の基本構成を示して
おり、電源１から供給された電力は最大ｊ個のキャパシ
タＣ_１〜Ｃ_ｊを充電できる様になっている。図２（ａ）
〜（ｃ）は最初に充電を開始するキャパシタの数ｎがｎ
＝ｍ＝２、図３（ａ）〜（ｆ）においてはｎ＝ｍ＝３の
場合で、充電する電源電圧をＶ_Ｏ、充電開始目標電圧を
Ｖ_Ｌ、充電終了電圧をＶ _Ｈ、キャパシタの最大充電電圧
をＶ_ｃｍａｘとしてＶ_Ｏ＝Ｖ_Ｈ＝Ｖ_Ｌ＝Ｖ_ｃｍａ _ｘとし
て充電した場合の、充電のされ方と充電効率を示す。こ
こで、充電効率（放電効率も同様）は、キャパシタに蓄
積された電力を、充電に要した電力で除した値とする。
本来は、キャパシタの充電損失、回路の抵抗等による損
失を考慮しなければ成らないが、本実施の形態では、こ
れらの損失分を除き、充電方法の違いによる効率を用い
た。まず、ｎ＝ｍ＝２の例を示す。図２（ａ）〜図２
（ｃ）における接続図は、電源１を省略し直列接続され
たキャパシタＣ_１およびＣ_２のみを示しており、棒グラ
フは各キャパシタの充電状況を示すもので、縦軸は全キ
ャパシタに対する電圧を示す。充電開始前、２つのキャ
パシタＣ_１およびＣ_２は０Ｖで、かつ接続するキャパシ
タの数は最大２個であるので、先ず０Ｖのキャパシタ２
個を直列接続して充電する。図２（ａ）に示すようにＣ
_１、Ｃ_２がそれぞれＶ_Ｏ／２に達したときに、直列電圧
は充電終了電圧Ｖ_Ｈとなり、２個直列接続されたキャパ
シタの充電を終了する。なお、以下の各図では、各段階
における充電前の電圧を白柱で、充電により増加した電
圧を斜線の柱で示してある。この状態では各キャパシタ
の電圧は上記のようにＶ_Ｏ／２以上になり得ないから、
次に、一方のキャパシタＣ _１のみを電源に接続して更に
充電終了電圧Ｖ_Ｈまで充電する。図２（ｂ）はこの状態
を示す。この段階では残りのキャパシタＣ_２は未だＶ_Ｏ
／２であるので、このＣ_２のみを電源に接続して更にＶ
_Ｈまで充電する。図２（ｃ）はこの状態を示すもので、
全キャパシタを満充電するために２回スイッチを切り替
えたことになる。この際に充電に要する電力は、図２
（ａ）で充電電圧をＶとし、容量Ｃの直列接続であるか
ら、Ｖ（ＣＶ／２）＝（１／２）ＣＶ^２となり、図２
（ｂ）、図２（ｃ）のいずれの場合においても、ＶＣ
（Ｖ−Ｖ／２）＝（１／２）ＣＶ^２であるから、合計３
×（１／２）ＣＶ^２となる。他方、２個のキャパシタに
充電された電力は、２×（１／２）ＣＶ^２であるから効
率は、２／３＝６６．７％となり、前記「従来の技術」
の項で述べた効率５０％よりも向上している。

【０００９】次に一度に充電するキャパシタの数ｎがｎ
＝ｍ＝３の例を示す。図３（ａ）〜図３（ｇ）に、充電
するキャパシタＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３と、各段階での充電前
電圧（白柱）、充電によって増加した電圧（斜線の柱）
を前記図２に示したｎ＝ｍ＝２の時と同様に示す。この
場合も最初は全てのキャパシタの電圧がゼロであるか
ら、全キャパシタを直列接続して図３（ａ）に示すよう
に、先ず３個のキャパシタを直列に接続しても充電開始
電圧Ｖ_Ｌを超えることは無い。次に、最も電圧の高いキ
ャパシタのうちの一つ、例えばキャパシタＣ_１を含み、
充電開始電圧Ｖ_Ｌを超えない組合せは、図３（ｂ）に示
すキャパシタＣ_１と、Ｃ_２またはＣ_３の何れか一方との
直列接続であり、ここではＣ_１とＣ_２を直列接続して電
源に接続し充電する。ここで、キャパシタ２個の直列接
続であるから、各キャパシタの充電電圧はＶ_０／２を越
えることはなく、これでこの段階は終了する。次にキ
ャパシタＣ_１を含み、充電開始電圧Ｖ_Ｌを超えない組合
せは図３（ｃ）に示すキャパシタＣ_１とＣ_３である。こ
こで、Ｃ_１＋Ｃ_３の電圧がＶ_Ｈとなるように充電する。
キャパシタの容量は全て等しいとしているから、図３
（ｃ）に示すようにキャパシタＣ１の電圧はＶ_０／２を
越える。この状態となった所で図３（ｄ）に示すように
Ｃ_１を満充電する。ここで、キャパシタＣ_１は充電終了
電圧Ｖ_Ｈに達したので、キャパシタＣ_１を除いたＣ_２を
含み、充電開始電圧Ｖ_Ｌを超えない組合せ、すなわちＣ
_２およびＣ_３を接続し、図３（ｃ）と同様にＣ_２＋Ｃ_３
の電圧が図３（ｅ）に示すようにＶ_Ｈになるまで充電す
る。この段階でＣ_２はＶ_０／２を越える。図３（ｆ）に
示すようにＣ_２を満充電し、次いで図３（ｇ）に示すよ
うにＣ_３を満充電して全部の充電過程を終了する。この
場合の充電効率ηは７３．５％であった。

【００１０】ここでは、図を用いて説明しないが、ｍ＝
ｎでキャパシタの数が４以上の場合についても評価を行
った。図４に、得られた効率のキャパシタ数ｍ＝ｎの依
存性を示す。キャパシタ数が大きくなるに従って、効率
が１００％に近づく様子が伺える。例えば、ｍ＝ｎ≧５
において効率８０．５％以上が得られている。上記の例
で充電したキャパシタを、本発明による充電過程と逆の
方法、すなわち放電による電圧低下と共に負荷に接続す
るキャパシタを切り替えながら放電したところ、効率は
同じであった。〔第２の実施の形態〕次に本発明における第２の実施の
形態として、ｍ個のキャパシタに対しｎ個（この場合は
ｎ＝６）のキャパシタを予め異なった電圧に充電してお
き、これらを図５に示すように直列接続し順次充電する
ことにより、電圧整合を保ちながら、高効率で充電する
例を示す。いま各キャパシタ当たりの最大充電電圧をＶ
_ｃｍａｘとすれば、図６（ａ）に示すように第１のキャ
パシタＣ_１の電圧が（５／６）Ｖ_ｃｍａｘ、第２のキャ
パシタＣ_２が（４／６）Ｖ_ｃｍａｘ、、第ｉ番目のキャ
パシタが｛（６−ｉ）／６｝Ｖ_ｃｍａｘ、第５番目のキ
ャパシタが（１／６）Ｖ_ｃｍａｘ、第６番目以降のキャ
パシタの電圧が０Ｖと成っている状態を初期状態（ある
いは放電終了状態）とする。充電開始電圧Ｖ_Ｌを上記各
キャパシタの電圧を加算した（１５／６）Ｖ _ｃｍａｘ、
充電終了電圧Ｖ_Ｈをこの充電開始電圧Ｖ_Ｌに各キャパシ
タに（１／６）Ｖ_ｃｍａｘを加算した（２１／６）Ｖ
_ｃｍａｘとする。ここで、図６における縦軸は各キャパ
シタ個々の電圧を示しており、全キャパシタに対する電
圧ではない。図６（ａ）において最も電圧の高いキャパ
シタＣ_１を含み充電開始電圧Ｖ_Ｌを超えない直列接続
は、Ｃ_１〜Ｃ_６を直列に接続することになる。この状態
でこれら６個に充電を開始する。すべてのキャパシタの
容量が等しいので、電荷をＱとしてＱ＝ＣＶより、充電
によるキャパシタの電圧増加量は図６（ｂ）に示すよう
に等しい。第１番目の、キャパシタＣ_１の電圧がＶ
_ｃｍａｘになった時、直列電圧は、（２１／６）Ｖ
_ｃｍａｘとなり、充電終了電圧Ｖ_Ｈになる。このとき、
第２のキャパシタは（５／６）Ｖ_ｃｍａｘ、第３のキャ
パシタは（４／６）Ｖ_ｃ _ｍａｘ、第４のキャパシタは
（３／６）Ｖ_ｃｍａｘ、第５のキャパシタは（２／６）
Ｖ_ｃｍａｘ、第６のキャパシタは（１／６）
Ｖ_ｃｍａｘ、、となる。次の充電の組合せは、満充電で
あるＣ_１を除いて、最も電圧の高いＣ_２を含み、充電開
始目標電圧Ｖ_Ｌを超えない直列接続は、Ｃ_２〜Ｃ_７であ
る。ここで、ｉ＋１番目をｉ番目と読み替えると、図６
（ａ）、図６（ｂ）に示したように丁度初期状態と同じ
電圧分布になっている。２回目の充電を終了した時点で
も図６（ｃ）から知れるようにｉ番目をｉ＋１番目と読
み替えるという充電が繰り返される。このときの充電効
率は８６％であった。

【００１１】この方法の充電をキャパシタ総数ｍ（ｍ＞
ｎ）まで拡張することが出来、図６（ｄ）に示すよう
に、この８６％の効率で各キャパシタには順次、０Ｖか
ら満充電Ｖ_ｃｍａｘへと充電することが出来る。例えば
ｍ＞１２の場合、ｍ−１２回目の充電で、ｍ−６番目の
キャパシタの電圧が（５／６）Ｖ_ｃｍａｘ、ｍ−５番目
のキャパシタの電圧が（４／６）Ｖ_ｃｍａｘ、以下同様
にして順次キャパシタの電圧が減少し、ｍ番目のキャパ
シタの電圧が０Ｖの６個への充電された状態となる。こ
こではｎ＝６で充電が行われるが、これ以後は満充電さ
れたキャパシタの数の増加と共にｎの数は次第に減少
し、全キャパシタの充電が完了する。

【００１２】また、充電中に同じ直列キャパシタから放
電も行った。第１の実施の形態と同じく、放電プロセス
は充電プロセスを逆に進める事に相当し、可逆的に充
電、放電ができる。特に本実施の形態の場合、放電電圧
は、充電開始電圧Ｖ_Ｌと充電終了電圧Ｖ_Ｈとの間にあ
る。Ｖ_Ｌ＝（５／７）Ｖ_Ｈであり、電圧変動が少ない。
そのため放電により負荷に供給される装置の稼動可能電
圧範囲が狭くても良いという利点がある（第１の実施の
形態の場合、０ＶからＶ_Ｈまで）。また、より変動の少
ない電圧供給のために、ＤＣ−ＤＣコンバータに比較す
ると簡易な構造で安価な３端子レギュレータを用いるこ
とができる。その場合において出力電圧＝Ｖ_Ｌ−（３端子レギュレータのドロップ電
圧）に設定した。この場合において８５％の放電効率で、安
定した電圧を供給することができた。効率の内１％は、
ドロップ電圧によるものである。特に図を用いて説明し
ないが、ｍ＝ｎ＝６以外でも本評価を実施した。図７に
効率のキャパシタ数ｎの依存性を示す。充電するキャパ
シタの数ｎ個に対して、充電効率、放電効率ともにｎ／
（ｎ＋１）であった。〔第３の実施の形態〕本発明における第３の実施の形態
においては、キャパシタの総数ｍと一度に充電するキャ
パシタ数ｎとがｍ≠ｎ（ｍ＞ｎ）の場合であるが、ｎ個
のキャパシタに対し予め異なった電圧に充電しておき、
順次充電することに関しては、前記実施の形態２と同じ
である。本第３の実施の形態においては、予め充電する
電圧の配列、充電方法を変え、順次、電圧整合を保ちな
がら、高効率で充電を行うものである。図８はｍ＝７、
ｎ＝２の場合の例を示すもので、したがって一度に充電
するキャパシタの数は図８（ａ）のＣ_１Ｃ_２で示すよう
に２個である。今、初期状態が図８（ｂ）に示すよう
に、第１のキャパシタＣ_１の電圧が（５／１０）Ｖ
_ｃｍａ _ｘ、第２のキャパシタＣ_２が（４／１０）Ｖ
_ｍａｘ、、第ｉ番目のキャパシタＣ _ｉが（（６−ｉ）／
１０）Ｖ_ｃｍａｘ、以下同様にして第５番目のキャパシ
タＣ _５が（１／１０）Ｖ_ｃｍａｘ、第６番目以降のキャ
パシタの電圧が０Ｖと成っているものとする。１個あた
りの充電開始電圧Ｖ_Ｌを（９／１０）Ｖ_ｃｍａｘ、充電
の終了電圧Ｖ_Ｈを（１１／１０）Ｖ_ｃｍａｘとする。こ
こではｎ＝２としているから、Ｖ_ｃｍａｘを超えない
で、かつ最も高い電圧を有するキャパシタＣ_１を含み、
充電開始電圧Ｖ_Ｌを超えないで最もＶ_Ｌに近い組合せ
は、キャパシタＣ_１とＣ_２である。キャパシタＣ_１とＣ
_２を直列に接続し充電を開始する。この状態が図８
（ｃ）である。充電開始電圧は、Ｖ_Ｌ＝（９／１０）Ｖ
_ｃｍａｘである。直列接続のキャパシタＣ_１およびＣ_２
の両端の電圧がＶ_Ｈ＝Ｖ_ｃｍａｘなった時、両キャパシ
タの容量が等しく同量の電荷が蓄積されることになるか
ら、第１番目すなわちキャパシタＣ_１は（６／１０）Ｖ
_ｃｍａｘ、第２番目すなわちキャパシタＣ_２の電圧は
（５／１０）Ｖ_ｃｍａｘとなった。次に最も高い電圧を
有するキャパシタＣ_１を含み、充電開始電圧Ｖ_Ｌを超え
ないで、かつＶ_Ｌに最も近い電圧となる組合せは、キャ
パシタＣ_１とＣ_３である。直列接続のキャパシタ両端の
電圧（９／１０）Ｖ_ｃｍａｘであり、これをＶ_ｃｍａｘ
まで充電すると、キャパシタＣ_１の電圧Ｖ_１は（７／１
０）Ｖ_ｃｍａｘ、キャパシタＣ_３の電圧Ｖ_３は図８
（ｄ）に示すように（４／１０）Ｖ_ｃｍａｘとなる。こ
のようにして、最も電圧の高いキャパシタＣ_１を含み、
充電開始電圧Ｖ_Ｌを超えないで、かつＶ_Ｌに最も近い組
合せの相手の番号ｉは１づつ増加してゆく。以下図８
（ｅ）および図８（ｆ）に示す過程を経て、ｉ＝６、つ
まりキャパシタＣ_１とＣ_６の充電が終了した時点で、キ
ャパシタＣ_１の電圧Ｖ_１は図８（ｇ）に示すようにＶ
_ｃｍａｘとなっている。この過程においては、効率９１
％が達成されている。

【００１３】以上の過程終了後は、Ｖ_ｃｍａｘとなって
いるＣ_１を除く、最も高い電圧を有しているのはキャパ
シタＣ_２である。このキャパシタＣ_２からＣ_７の電圧
は、上記の過程前の図８（ａ）に示した第１番目のキャ
パシタＣ_１から第６番目のキャパシタＣ_６の電圧配列と
同じになっている（図８（ｇ）におけるＣ_２から
Ｃ_７）。つまり、ｉ＋１番目をｉ番目と読み替えると、
丁度初期状態と同じ電圧分布になる。したがって次の充
電を行うキャパシタを２番目キャパシタＣ_２から７番目
キャパシタＣ_７とすることにより、上記１回目の充電と
同じ充電過程を行うことが可能である。この過程をキャ
パシタの総数をｍとして、ｍまで繰り返すことによりこ
の９１％の効率で順次０Ｖから満充電Ｖ_ｃｍａｘへと充
電することができる。ここで例えばｍ＞１２、ｎ≦６と
して、ｍ−１２回目の過程で、ｍ−６番目のキャパシタ
の電圧が（５／１０）Ｖ_ｃｍａｘ、以下これを繰り返
し、ｍ番目のキャパシタＣ_ｍの電圧が０Ｖ、の６個への
充電が行われる。この間、充電効率は９０．９％で、キ
ャパシタの総数ｍと一度に充電するキャパシタの数ｎが
同じ第２の実施の形態に比べ、効率が高い。あるいは同
じ効率を得るのに一度に充電するキャパシタの数ｎが少
なくて済むという利点がある。

【００１４】また、充電中に同じ直列接続されたキャパ
シタから放電も行った。前の実施の形態と同じく、放電
プロセスは充電プロセスを逆に進める事に相当し、可逆
的に充電、放電ができる。本実施の形態の場合において
も、放電電圧は充電開始電圧Ｖ_Ｌと充電終了電圧Ｖ_Ｈの
間にある。Ｖ_Ｌ＝（９／１０）Ｖ_Ｈであり、同じｍ、ｎ
を有する第２の実施の形態に比べ、さらに電圧変動が少
ない。そのため放電により負荷に供給される装置の稼動
可能電圧範囲が狭くても良いという利点がある。また、
より変動の少ない電圧供給のために、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータに比較すると、より簡易な構造で安価な３端子レギ
ュレータを用いることができる等は、実施の形態２と同
様である。特に図を用いて説明しないが、一度に充電す
るキャパシタの数ｎ＝２以外でも上記と同様の評価を実
施した。この結果による充電効率、放電効率はともにｎ
＝１の場合は従来の場合と同じで５０％は得られるが、
ｎ≧２の場合は２（ｎ−１）／（２ｎ−１）となった。
図９に一度に充電するキャパシタの数ｎに対する充放電
効率を示す。〔第４の実施の形態〕次に、第４の実施の形態を示す。
前記実施の形態２および３では、キャパシタの電圧分布
が同じくなるように充電していた。本実施の形態では、
特定の分布を仮定しないでも、高効率で充電を行うこと
ができた。充電装置は、総数ｍ個のキャパシタに充電す
る際に、すべてのキャパシタの電圧を測定し、最大ｎ個
のキャパシタを直列接続して充電出来るようにしてい
る。ｍ個の中から、直列接続して充電するキャパシタを
選ぶ際に以下の方法で選ぶ。充電側の充電開始電圧をＶ
_Ｌ、充電終了電圧をＶ_Ｈとし（Ｖ_Ｌ≦Ｖ_Ｈ）、各キャパ
シタの充電終了電圧をＶ_ｃ _ｍａｘとする。ここで、測定
された現在のキャパシタＣ_ｉの電圧をＶ_ｉとする。直列
充電するキャパシタの選び方としては、Ｖ_ｉ≧Ｖ
_ｃｍａｘを除くキャパシタから、電圧の最も高いキャパ
シタＣ_ｉを含むことを第１の条件とした。Ｃ_ｉを含み直
列接続する最大ｎ個のすべての組合せの内、直列接続し
た電圧が、Ｖ_Ｌを超えず、かつＶ_Ｌに最も近い組合せを
選ぶ。この際、ｎ個以下のキャパシタが選ばれた場合
は、０Ｖのキャパシタがある場合これを含めることとし
た。この方法で選んだ直列接続で充電を開始する。直列
電圧が充電終了電圧Ｖ_Ｈに達した、あるいは充電してい
るキャパシタの内、少なくとも１個がＶ_ｃｍａｘに達し
たら、充電を終了する。充電が終了したキャパシタを含
めたｎ個のキャパシタから、上記の条件で次に充電すべ
き最大ｎ個のキャパシタを選択し、この繰り返しを実行
する。

【００１５】ｍ＝６４、ｎ＝４とした場合で、初期状態
を全てのキャパシタの電圧が０Ｖとし、上記充電の繰り
返しを順次行った結果を図１０（ａ）〜（ｄ）および図
１１に示す。図１０（ａ）は初期状態で、全てのキャパ
シタは０Ｖであり、直列充電はキャパシタＣ_１〜Ｃ_４と
なる。ここでは、一度に充電するキャパシタの数ｎ＝
４、キャシタ総数ｍ＝６４、Ｖ_Ｈ＝２Ｖ_ｃｍａｘ、Ｖ_Ｌ
＝０．９８×Ｖ_Ｈとした例を示す。この条件を本実施の
形態の基本条件とする。最初の充電により、キャパシタ
Ｃ_１〜Ｃ_４は（１／４）Ｖ_Ｈとなる。次は、これら４個
のキャパシタのうちから、例えばＣ_１を含み、直列接続
した電圧が充電開始電圧Ｖ_Ｌを超えず、Ｖ _Ｌに最も近い
電圧となるのは、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_５となる（図１
０（ｂ）参照）。以下途中の過程を省略するが、キャパ
シタＣ_ｉの電圧分布、充電されるキャパシタＣ_ｉ、充電
されたことによる電圧増加分の状況について、第４回目
を図１０（ｃ）に、第２２回目を図１０（ｄ）に、第５
５回目を図１１に示す。若い番号のキャパシタが順次満
充電にされて行く。図１２に標準状態でｎ＝３におい
て、全てのキャパシタが０Ｖから、本実施の形態に従っ
て、全てのキャパシタを満充電した際の充電効率の変化
を示す。横軸は、充電電流をＩとして充電量であるＶ_Ｈ
×Ｉ×時間（Ｗｈ）をとっている。初期、終了近傍で効
率が低下しているが、その他は９８％程度の効率が得ら
れている。初期、終了を含めた全ての領域での平均効率
は９５．１％である。ｎを変えた場合の効率を図１３に
示す。ｎ＝１の従来例から、ｎ＝２なっただけで、９０
％以上の効率が得られている。ｎ＝３で９５％で、その
後はほぼ９５％であった。これは、図１２から知れるよ
うに、初期と終了期近傍で効率が落ちていることが主な
原因であり、その部分を除くと９８％程度の高い効率で
充電されている。標準状態で、ｎ＝３として、Ｖ_Ｌ／Ｖ
_Ｈを変えて行った際の効率の変化を図１４に、充電する
キャパシタの切り替えの回数の変化を図１５に示す。Ｖ
_Ｌ／Ｖ_Ｈを１に近づけると効率が向上している。他方、
切り替え回数もそれ以上に上昇している。このことか
ら、充電の高効率のためには、Ｖ_Ｌ／Ｖ_Ｈが１に近い方
が良いが、切り替えに要するエネルギー損失を考慮する
と、そのシステムに最適なＶ_Ｌ／Ｖ_Ｈが存在することが
分かる。本システムの場合、最適値は０．９８であっ
た。

【００１６】次に、本実施の形態の基本条件に戻り、Ｖ
_Ｈ／Ｖ_ｃｍａｘの比を変えた場合の充電効率を示したも
のが、図１６である。ここでは、ｎ＝２〜５の場合を示
す。ｎ＝２では、Ｖ_Ｈ／Ｖ_ｃｍａｘ＝１（Ｖ_Ｈ＝Ｖ
_ｃｍａｘ）において、最高効率となる。その後、Ｖ_Ｈを
増してゆくと効率が低下する。ｎ＝３では、Ｖ_Ｈ／Ｖ
_ｍａ _ｘ＝１において、効率９０％以上で、Ｖ_Ｈを高くす
ると少し効率が良くなる。Ｖ _Ｈ／Ｖ_ｃｍａｘ〜１．５に
おいて、最高効率９５％となり、それ以降、減少する。
Ｖ_Ｈ／Ｖ_ｃｍａｘ＝１．０〜１．６の範囲で、９０％以
上の効率が得られている。この実施の形態では、Ｖ
_ｃｍａｘ＝１０Ｖのキャパシタを用いたので、充電電圧
が変動しても、１０Ｖ〜１６Ｖの広い霜囲で、高効率の
充電が実現されている。キャパシタを変えることによ
り、Ｖ_ｃｍａｘを変えることができるので、１０〜１６
Ｖ以外の電圧に適用する充電装置とすることが可能であ
ることは、言うまでも無い。これまで、充電について示
してきたが、放電も行った。充電の逆で、まったく同様
の結果が得られている。本実施の形態では、本発明によ
る充放電方法で充放電するキャパシタを選ぶことによ
り、効率よく放電できる。その際、初期状態が不要であ
る。また、高効率で充放電できる充電電圧、放電電圧の
範囲が広いという特徴があった。〔第５の実施の形態〕次に第５の実施の形態において
は、キャパシタ充電用電源として太陽電池を用いた。Ｖ
_Ｈ、Ｖ_Ｌ、Ｖ_ｃｍａｘ等の呼び方は、前記第４の実施の
形態と同じとする。図１７に太陽電池出力電力の出力電
圧依存性を示す。太線が、快晴時に太陽光が太陽電池に
垂直に入射した場合である。取り出せる電力は太陽電池
の出力電圧依存性がある。最大電力を与える電圧をＶ
_ｍａｘとする（図１７におけるＶ_ｍ _ａｘの点）。細線
は、太陽光の入射角度が異なる時の依存性で、最大電力
を与えるＶ_ｍａｘ’は上記Ｖ_ｍａｘとは異なっている。
本実施の形態では、各設定を次の様にした。与えられた
日照量に対して、最大電力量の９５％となる点が２点あ
る。その２点の内、低い方の電圧をＶ_Ｌ、高い方の電圧
をＶ_Ｈとした。第４の実施の形態以前で用いられた電源
１を太陽電池と置き換え、キャパシタＣ_ｉへの充電方法
は実施の形態４の基本条件と同じである。選ばれたキャ
パシタを直列に接続し、Ｖ_Ｌから充電を行うと図１７に
おけるＰ−Ｖ特性の曲線上をＶ_ＬからＶ_ｍ _ａｘを経由し
て、Ｖ_Ｈへと向かう。直列電圧が、Ｖ_Ｈに達するか、あ
るいはいずれかのキャパシタＣ_ｉがＶ_ｃｍａｘを超えた
ら、次に充電するキャパシタを選択する。ここで、現在
の日照量で最大電力を得る点を次の様にして求めた。キ
ャパシタヘの充電の場合、充電された電力はＰ＝ＩＶ、
Ｉ＝ｄＱ／ｄｔ、Ｑ＝ＣＶの関係があるから、Ｐ＝ＣＶ（ｄＶ／ｄｔ）すなわち、充電された電力は現在のキャパシタ電圧と、
このキャパシタ電圧の時間変化量を測定することにより
求められる。この様にして、求められれたＶ_ｍａ _ｘよ
り、次に充電するＶ_Ｈ、Ｖ_Ｌを決定し、変化する日照量
に対して、逐次、最大電力が得られるように追跡するこ
とを実現した。これにより充電効率として、９７％とい
う高い値が得られた。

【００１７】図１８に１日の最大電力を与える太陽電池
出力電圧Ｖ_ＰＶの時間変化の例を示す。日照量の変化に
伴い、太陽電池出力電圧は時間によって変化している。
快晴の場合の変化は、単調で緩やかではあるが、曇天の
場合では分程度の単位で変化している。ここでは、日照
量を測定し、その日照量に対応したＶ_Ｈ、Ｖ_Ｌを設定し
て、充電した。この場合でも９５％以上の効率が得られ
た。これは前記実施の形態４で示した様に、ｎ＝４で広
い電圧範囲で高効率となっているため、日射量の違いに
よりＰ_ｍａｘ、Ｖ_ｍａｘが変化しても、容易に追従でき
たことによる。キャパシタの１０％〜９０％の容量で充
放電するように、システムを設定しており、図１２に示
した充電初期および終了期での運用を行うことなく、高
効率となっている。

【００１８】図１９に充電効率の日照量依存性を示す。
実線が本実施の形態の場合であり、破線がＭＰＰＴを用
いた従来法による場合である。いずれも日照量が低下す
ると効率が低下しているが、本実施の形態の方が効率低
下の限界日照量が低くなっており、高効率を維持する日
照量範囲が広く、少ない日照量でもより高効率で充電さ
れていることが知れる。ＭＰＰＴ法を用いた場合では日
照量に関係なく、制御に電力を必要とするため、その損
失が低電力側で見えてくる。本実施の形態では制御の
内、ＳＷの切り替えが主な損失となる。しかし、日照量
が減少すると、充電によるキャパシタの電圧増加の割合
が減少し、ＳＷ切り替えの回数が減少するため、より低
日照量でも高い効率を保つことができるという大きな特
徴を有している。〔第６の実施の形態〕次に第６の実施の形態として、電
圧変換を行う場合について示す。図２０に示す様に、入
力電圧５Ｖに対して、実施の形態４の方法において、ｎ
＝３、Ｖ_Ｈ＝５ＶでＶ_ｉｎ＝５Ｖの電源１から充電し、
キャパシタ群３を逐次充電した。他方、充電中のキャパ
シタを除く、キャパシタ群３からｎ＝８、Ｖ_Ｈ＝１３
Ｖ、Ｖ_Ｌ＝１２．７４Ｖで、実施の形態４の方法で放電
した。充放電中のキャパシタを選ぶ際に充（放）電中の
キャパシタを除く残りのキャパシタの中から、充（放）
電するキャパシタを選ぶ方法を本実施の形態では行っ
た。電圧変動は約２％あるので、その後ろに１２Ｖの定
電圧用３端子レギュレータ２を接続し、この出力を負荷
５に印加する構成とした。この場合の電圧変動を１ｍＶ
以下とした。充電、放電は双方合わせて９５％であった
が、３端子レギュレータ２の効率が９６％で、全体で９
１．２％の効率が得られた。この場合の充放電方法は前
記第５の実施の形態と同じである。

【００１９】次に、図２１に示すように太陽電池モジュ
ール４を電源とし、異なる２つの電圧を供給した。図２
１に示す方法は、前記実施の形態５と同じ方法で、キャ
パシタ群３を逐次充電した。図２１の例では太陽電池モ
ジュール４として、１２Ｖ用を用いた。最大電力を与え
る電圧のＶ_ｍａｘは、８Ｖ〜１４Ｖに変化していたが、
一度に充電するキャパシタの数ｎ＝８としてこの電圧変
動のもとで効率９０％以上が保たれており、実際の運用
では、９５％が得られた。このキャパシタ群３から、５
Ｖと９Ｖの放電を行った。５Ｖではｎ＝３、９Ｖではｎ
＝６とした。この様に、充電側が１２Ｖ、放電側が５Ｖ
と９Ｖと、異なる電圧が混在していても、各効率は９５
％を超えており、全体としても９５％の効率が得られ
た。〔第７の実施の形態〕以上述べた実施の形態において
は、電力蓄積にキャパシタＣ_ｉを用いたが、他にＥＤＬ
Ｃ（電気二重層コンデンサ）、ＮｉＭＨ電池（ニッケル
メタル水素電池）、リチウムイオン電池、ＮｉＣｄ、鉛
蓄電池等の２次電池においても有効であった。キャパシ
タ、ＥＤＬＣの場合、放電終了電圧Ｖ_ＳＴ０Ｐ＝０Ｖで
あったが、他の２次電池の場合、電池保護のためそれぞ
れの電池に特徴的な、有限の放電終了電圧Ｖ_ＳＴ０Ｐを
設定する必要があった。また、スィッチとして通常のメ
カニカルリレーの他にトランジスタ、ＦＥＴ、サイリス
タ等のソリッドステート素子を用いても有効であった。〔第８の実施の形態〕以上述べた充放電方法に関し、充
電方法については以下の各手段を有する装置により実現
出来る。すなわち、（１）初期条件設定用として、接続するキャパシタの総
数ｍ、直列接続して一度に充電するキャパシタの数ｎ、
充電開始電圧Ｖ_Ｌ、充電終了電圧Ｖ_Ｈ、キャパシタの最
大充電電圧Ｖ_ｃｍａｘ、を入力する手段。（２）上記初期条件入力後、先ず全てのキャパシタの電
圧を測定する手段。

【００２０】（３）Ｖ_ｉ≧Ｖ_ｃｍａｘの状態にあるキャ
パシタを除き、Ｖ_ｉが最も高いキャパシタＣ_ｉをＣ_ｉ＝
Ｃ_１と設定する手段。（４）Ｖ_ｉ≧Ｖ_ｃｍａｘの状態にあるキャパシタを除
き、かつ上記（３）で設定されたＣ_１を含み最大ｎ個
（ｍ≧ｎ）のキャパシタを選定し、これらを直列接続す
る手段。

【００２１】（５）上記直列接続されたキャパシタ群の
内、電圧がＶ_Ｌを越えず、Ｖ_Ｌに最も近い組合せの群を
選定する手段。（６）これにより選定されたキャパシタ群を充電する手
段。

【００２２】（７）上記充電過程において、当該キャパ
シタ群の全電圧がＶ_Ｈに達したか否かを検出する手段。（８）上記当該キャパシタ群の内で少なくとも１個以上
のキャパシタがＶ_ｃｍ _ａｘに到達したか否かを検出する
手段。（９）上記ステップ（７）または（８）のいずれかの条
件を満たしていることにより充電を終了し、本装置の動
作システムを上記（２）のステップに戻る動作をさせる
手段。図２２に上記手段を有する充電制御系の機能ブロック図
を示す。図において初期条件設定部５は上記手段（１）
に相当するもので、初期設定された後、全キャパシタの
電圧測定部６を上記手段（２）により実行される。次い
でキャパシタｎ個選定部７において上記手段（３）乃至
（４）が実行され、その後、充電キャパシタ選定部８で
上記手段（５）を経て充電部９において電源部１０から
供給される電力により充電される（上記手段（６））。
この充電動作中、充電電圧判定部１１により直列接続さ
れたキャパシタ群の電圧をチェックし、充電終了電圧Ｖ
_Ｈに到達したか否かをチェックし（上記手段（７））、
未だこの電圧に到達しない状態では、キャパシタ群の中
のどれかがＶ_ｃｍａｘに到達したか否かをチェックし
（上記手段（８））、これらチェック結果の何れかの状
態に達した時に充電終了し、初期条件設定後の状態のス
テップに戻り次の充電動作への待機状態となる。以上述
べたこの動作のアルゴリズムを図２３にまとめて示す。

【００２３】また、放電装置についても、上記充電と逆
の動作を可逆的に行わせるもので、満充電のキャパシタ
を選定し、これらの中からｎ個のキャパシタを選定して
直列接続して順次放電させていくものである。したがっ
て、装置構成は上記と同じで、各ステップでのキャパシ
タの状態チェック基準が入れ替わる。

【発明の効果】本発明によれば、電源から多くのキャパ
シタに充電する際に、電源電圧を変動させることなく、
充電されるキャパシタの電圧を、電源電圧に近い値で充
電することが出来るため、高効率で充電することが出来
る。また、充電開始電圧を設定することにより、効率を
低下することなく充電するキャパシタの切り替え回数を
低減することができる。さらに太陽電池など電圧が変動
する電源から充電する際にも、充電されるキャパシタの
電圧をそれに整合させつつ充電できるため、高効率で充
電することが出来る。また、電圧が異なる複数の負荷に
電力を供給する際にも高効率で供給できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】複数の直列接続したキャパシタに充電する基本
構成回路図。

【図２】直列接続したキャパシタが２個の場合で、
（ａ）は初期充電の段階、（ｂ）は一方のキャパシタを
全充電する段階、（ｃ）は残りのキャパシタを満充電す
る段階を示す電圧レベル図。

【図３】直列接続したキャパシタの数が３個の場合で、
（ａ）は初期充電された状態、（ｂ）は３個のうちの２
個のキャパシタを等電荷量充電する段階、（ｃ）は
（ｂ）とは異なる組合せの２個を充電する段階、（ｄ）
は最初の１個を満充電する段階、（ｅ）は残りの２個の
キャパシタを等電荷量充電する段階、（ｆ）はこの２個
のうちの一方のキャパシタを満充電する段階、（ｇ）は
残りのキャパシタを満充電する段階を示す電圧レベル
図。

【図４】直列接続したキャパシタの数と一度に充電する
キャパシタの数が等しい場合の充電効率のキャパシタ数
依存性を示す効率−キャパシタ数の関係図。

【図５】図６の充電過程で使用される回路の基本構成を
示す回路図。

【図６】直列接続したキャパシタの数が６個以上で一度
に充電するキャパシタの数が６個の場合で、（ａ）は初
期充電された状態、（ｂ）は６個のキャパシタを等電荷
量充電する段階、（ｃ）は満充電されたキャパシタを除
く残りのキャパシタのうちから６個を選び充電する段
階、（ｄ）は以上の過程を繰り返して充電を進める状態
を示す電圧レベル図。

【図７】直列接続したキャパシタの数と一度に充電する
キャパシタの数が等しくない場合の充電効率のキャパシ
タ数依存性を示す効率−キャパシタ数の関係図。

【図８】直列接続したキャパシタの数が６個以上で一度
に充電するキャパシタの数が２個の場合で、（ａ）は２
個のキャパシタを直列に接続して充電する回路の基本構
成を示す回路図、（ｂ）は初期充電された状態、（ｃ）
は２個のキャパシタを等電荷量充電する段階、（ｄ）は
（ｃ）で充電されたキャパシタを１個含み充電されなか
った他のキャパシタから１個を選びこれら２個のキャパ
シタに等電荷量充電する段階、（ｅ）はさらに（ｃ）で
充電されたキャパシタを１個含み（ｃ）および（ｄ）の
段階で充電されなかった他のキャパシタから１個を選び
これら２個のキャパシタに等電荷量充電する段階、
（ｆ）は（ｃ）で充電されたキャパシタを１個含み
（ｃ）〜（ｅ）の段階で充電されなかった他のキャパシ
タから１個を選びこれら２個のキャパシタに等電荷量充
電する段階、（ｇ）は上記充電過程を繰り返し最も電荷
量の多いキャパシタが満充電された段階を示す電圧レベ
ル図。

【図９】上記図８の過程の場合の充電効率の充電キャパ
シタ数依存性を示す効率−キャパシタ数の関係図。

【図１０】本発明における他の実施の形態による充電過
程を示すもので１度に充電するキャパシタの数が４個の
場合であり、（ａ）は最初の４個のキャパタシタに等電
荷量充電する第１回目の充電段階、（ｂ）は最初に充電
されたキャパシタから３個選び更に未充電のキャパシタ
から１個を選びこれら４個のキャパシタに等電荷量充電
する段階、（ｃ）は順次この充電過程を繰り返し４回目
に達した場合の段階、（ｄ）は更にこの充電過程を繰り
返し２２回目に達した場合の段階を示す電圧レベル図。

【図１１】上記図１０の充電過程を５５回繰り返した場
合の電圧レベル図。

【図１２】一度に充電するキャパシタが３個の場合で全
てのキャパシタが０から満充電される迄の効率の推移を
示す効率変化図。

【図１３】上記図１０および図１１に示す充電過程で充
電効率の充電キャパシタ数依存性を示す効率−キャパシ
タ数の関係図。

【図１４】充電効率の充電開始電圧と充電終了電圧との
比の依存性を示す関係図。

【図１５】キャパシタの切替回数の充電開始電圧と充電
終了電圧との比の依存性を示す関係図。

【図１６】充電終了電圧とキャパシタの最大充電電圧と
の比と充電効率との関係が一度に充電するキャパシタの
数に依存する状況を示す関係図。

【図１７】太陽電池を用いた場合の太陽電池出力電力の
出力電圧依存性が太陽光の照射条件により変化する状況
を示す関係図。

【図１８】１日の最大電力を与える太陽電池出力電圧の
時間依存性を示す関係図。

【図１９】充電効率の日照量依存性を示す関係図。

【図２０】電圧変換を行うのに本発明を適用する場合の
説明図。

【図２１】太陽電池を電源として異なる２つの電圧を供
給する場合の説明図。

【図２２】本発明の充電過程を要約したフロー図。

【図２３】本発明における充電過程のアルゴリズムを示
すフロー図。

【図２４】（ａ）は従来のキャパシタに充電する際の回
路構成を示す回路図であり、（ｂ）はその等価回路図。

【符号の説明】

１：電源２：３端子レギュレータ３：キャパシタ群４：太陽電池モジュール５：負荷Ｃ_１…Ｃ_ｉ、Ｃ_ｊ：キャパシタ

フロントページの続き (72)発明者山田武東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5F051 JA17 5G003 AA06 BA03 CA14 DA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｍ個のキャパシタに充電する際に、全ての
キャパシタの電圧が測定出来る機能を有し、前記ｍ個の
キャパシタから最大ｎ個（ｍ≧ｎ）のキャパシタを選
び、これら最大ｎ個のキャパシタを直列接続して充電し
得る充電装置を用いて該ｍ個のキャパシタを充電する方
法において、充電側の充電開始電圧Ｖ_Ｌは充電終了電圧
Ｖ_Ｈより大きくないとし、１個当たりのキャパシタの最
大充電電圧をＶ_ｃｍａｘ、ｉ番目のキャパシタをＣ_ｉ、
キャパシタＣ_ｉの或る時点での電圧をＶ_ｉとして、Ｖ_ｉ
≧Ｖ_ｃｍａｘであるキャパシタを除くキャパシタの内、
電圧の最も高いキャパシタの少なくとも１つを含むこと
を第１の条件とし、上記最大ｎ個の直列接続した電圧が
Ｖ_Ｌを超えず、かつＶ_Ｌに最も近いことを第２の条件と
して上記最大ｎ個のキャパシタの組合せを選び、上記直
列接続された最大ｎ個のキャパシタの充電を開始し、こ
れら充電された全キャパシタの合計電圧がＶ_Ｈに達した
場合は充電を終了し、上記第１の条件に該当するキャパ
シタを除き、残りのキャパシタの中から最大電圧のキャ
パシタを含みかつ上記第２の条件を満足する最大ｎ個の
キャパシタを選ぶか、あるいはこれら充電しているキャ
パシタの内、少なくとも１個のキャパシタがＶ_ｃｍａｘ
に達した場合には充電を終了し、該Ｖ_ｃｍａｘに達した
キャパシタを除き、残りのキャパシタの中から最大電圧
を含む最大ｎ個のキャパシタを選ぶかの何れかの選択を
行い、以下この充電過程を繰り返し、全キャパシタを満
充電となるように充電動作を進めて行くことを特徴とす
る複数キャパシタの充放電方法。
【請求項２】放電側の放電開始電圧Ｖ_Ｈは放電終了電圧
Ｖ_Ｌより大きく、１個当たりのキャパシタの放電終了電
圧をＶ_ＳＴＯＰ、ｉ番目のキャパシタをＣ_ｉ、キャパシ
タＣ _ｉの或る時点での電圧をＶ_ｉとして、Ｖ_ｉ≦Ｖ
_ＳＴＯＰであるキャパシタを除くキャパシタのうち電圧
の最も低いキャパシタの少なくとも１つを含む最大ｎ個
（ｍ≧ｎ）の直列接続した電圧が、Ｖ_Ｈより大きくかつ
Ｖ_Ｈに最も近い組合せを選ぶこととし、このようにして
選んだ最大ｎ個のキャパシタを直列接続して放電を開始
し、この直列接続したキャパシタの両端の電圧がＶ_Ｌ以
下の電圧に達したとき、あるいは放電しているキャパシ
タの内少なくとも１個が前記Ｖ_ＳＴＯＰに達した時点で
放電を終了し、次に新たに上記と同じ手順で次に放電す
るキャパシタを選び、以下この手順を繰り返すことによ
り全キャパシタを放電することを特徴とする複数キャパ
シタの充放電方法。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の複数キャパ
シタの充放電方法において充電用電源が太陽電池である
ことを特徴とする複数キャパシタの充放電方法。
【請求項４】ｍ個のキャパシタに充電する装置におい
て、全ての各キャパシタの電圧及び全キャパシタに対す
る電圧を測定する手段と、前記ｍ個のキャパシタの中か
ら各キャパシタの電圧を測定してｉ番目のキャパシタの
電圧をＶ_ｉ、１個当たりのキャパシタの最大充電電圧を
Ｖ_ｃｍａｘとしてＶ_ｉ≧Ｖ_ｃｍａｘの条件を満たすキャ
パシタを除くキャパシタのうち電圧の最も高いキャパシ
タの少なくとも１つを含み、直列接続した全電圧がＶ_Ｌ
を越えずかつＶ_Ｌに最も近い組合せを選ぶ手段を有し、
前記ｍ個のキャパシタから最大ｎ個（ｍ≧ｎ）のキャパ
シタを選び出し直列接続する手段と、前記全電圧が充電
開始電圧Ｖ_Ｌよりも低くなったことを検出する手段を有
し、この検出結果により前記最大ｎ個のキャパシタに充
電を開始する手段と、これら直列接続した前記最大ｎ個
のキャパシタの全電圧を測定する手段と、この充電した
直列接続の前記最大ｎ個のキャパシタについて直列全電
圧が前記充電終了電圧Ｖ_Ｈに達するか、あるいは前記最
大ｎ個のキャパシタの内少なくとも１個が前記Ｖ
_ｃｍａｘに達するかの何れかの状態に達したことを検出
する手段と、この状態の検出結果により現充電過程を終
了し、次に充電すべきキャパシタを選び出し、上記と同
様の充電過程を繰り返す制御手段を有し、更に全キャパ
シタが満充電されたことを検出して全充電過程を終了さ
せる制御手段を有することを特徴とする複数キャパシタ
の充放電装置。
【請求項５】ｍ個のキャパシタを放電する装置におい
て、全ての各キャパシタの電圧及び全キャパシタに対す
る合計電圧を測定する手段と、前記ｍ個のキャパシタの
中から各キャパシタの電圧を測定してｉ番目のキャパシ
タの電圧をＶ_ｉ、キャパシタ１個当たりの放電終了電圧
Ｖ_ＳＴＯＰとしてＶ_ｉ≦Ｖ_ＳＴＯＰであるキャパシタを
除くキャパシタのうち電圧の最も低いキャパシタの少な
くとも１つを含み、直列接続した全電圧が放電開始電圧
Ｖ_Ｈより大きくかつＶ_Ｈに最も近い組合せを選ぶ手段を
有し、前記最大ｎ個（ｍ≧ｎ）のキャパシタの直列接続
した全電圧が放電開始電圧Ｖ_Ｈを越えたことを比較し検
出する手段と、この検出結果により放電を開始する手段
と、この放電した前記最大ｎ個のキャパシタについて直
列電圧が放電終了電圧Ｖ_Ｌ以下の電圧に達するか、ある
いはこれらｎ個のキャパシタの内少なくとも１個が前記
放電終了電圧Ｖ_ＳＴＯＰに達するかの何れかの状態に達
したことを検出する手段と、この状態の検出結果により
現放電過程を終了し、次に放電すべきキャパシタを選び
出す手段と、上記と同様の放電過程を繰り返す制御手段
を有し、更に全キャパシタが放電終了状態となったこと
を検出して全放電過程を終了させる制御手段を有するこ
とを特徴とする複数キャパシタの充放電装置。