充電裝置及充電方法
充電裝置及充電方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及充電裝置及充電方法。將電容器元件C1～Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到電容器元件C1～Cn、Cr中電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh。并且，當(dāng)端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh時(shí)，將電容器元件C1～Cn、Cr并聯(lián)連接，使電容器元件Cr的電荷移動(dòng)至其他電容器元件C1～Cn。然后，反復(fù)進(jìn)行如下的串并聯(lián)切換動(dòng)作：由于電荷流出而電容器元件Cr的端子間電壓Vr降低至滿充電壓Va時(shí)，再次將電容器元件C1～Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，當(dāng)端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh時(shí)，將電容器元件C1～Cn、Cr并聯(lián)連接。
【專利說明】充電裝置及充電方法
[0001]本申請(qǐng)基于2012年9月3日提出的日本專利申請(qǐng)2012-193198并享受其優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過參照而包含于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及能夠進(jìn)行快速充電的充電裝置及充電方法。
【背景技術(shù)】
[0003]近年來，開發(fā)了各種具備雙電層電容的充電裝置。例如在日本專利第3738617號(hào)公報(bào)中公開了如下的充電裝置:對(duì)多個(gè)雙電層電容每隔一定周期進(jìn)行串并聯(lián)連接的切換控制，在多個(gè)雙電層電容串聯(lián)連接的情況下進(jìn)行充電，另一方面，在多個(gè)雙電層電容并聯(lián)連接的情況下，監(jiān)視充電電壓，當(dāng)充電電壓超過基準(zhǔn)電壓時(shí)使充電停止。
[0004]但是，在上述專利第3738617號(hào)公報(bào)所公開的技術(shù)中，對(duì)多個(gè)雙電層電容每隔一定周期進(jìn)行串并聯(lián)連接的切換控制，在多個(gè)雙電層電容串聯(lián)連接的情況下進(jìn)行充電，所以無法進(jìn)行連續(xù)的充電動(dòng)作，存在無法進(jìn)行快速充電的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明是鑒于上述情況而做出的，其目的在于提供一種能夠進(jìn)行快速充電的充電裝置及充電方法。
[0006]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的充電裝置的特征在于，具備:監(jiān)視單元，監(jiān)視多個(gè)電容器元件中的第I電容器元件的端子間電壓；串聯(lián)充電單元，將所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓；并聯(lián)放電單元，在由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓的情況下，將所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使該第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近；以及串并聯(lián)切換單元，反復(fù)進(jìn)行如下串并聯(lián)切換動(dòng)作:當(dāng)由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓降低至第2電壓時(shí)，通過所述串聯(lián)充電單元使所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，當(dāng)所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓時(shí)，通過所述并聯(lián)放電單元使所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使所述第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是表示一個(gè)實(shí)施方式的充電裝置10的概略構(gòu)成的電路圖。
[0008]圖2是表示在充電時(shí)形成的串聯(lián)電路的圖。
[0009]圖3是表示充電初期狀態(tài)下的各電容器元件的端子間電壓的上升特性的曲線圖。
[0010]圖4是表示在充電結(jié)束時(shí)形成的并聯(lián)電路的圖。
[0011]圖5是表示從串聯(lián)電路切換到并聯(lián)電路時(shí)的充放電特性的曲線圖。
[0012]圖6是表示圖5所示的充放電特性的放大圖。[0013]圖7A、圖7B是表示并聯(lián)電路的等價(jià)電路的圖。
[0014]圖8是表示隨著充電時(shí)的串并聯(lián)切換動(dòng)作而變化的電容器端子間電壓的曲線圖。
[0015]圖9是用于說明充電裝置10的具體構(gòu)成的整體電路圖。
[0016]圖10是表示對(duì)圖9的電路要素10-3進(jìn)行LSI化而成的構(gòu)成的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下參照【專利附圖】
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【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1是表示一個(gè)實(shí)施方式的充電裝置10的概略構(gòu)成的電路圖。充電裝置10具備設(shè)置于未圖示的電源側(cè)(電力輸入端側(cè))和負(fù)載側(cè)(積蓄電力供給側(cè))之間的開關(guān)元件SWll~SWln、開關(guān)元件SW21~SW2n、開關(guān)元件30、電容器元件Cl~Cn、Cr及電壓監(jiān)視部20。
[0018]開關(guān)元件SWl I~SWln在非充電時(shí)設(shè)定為斷開，在充電時(shí)設(shè)定為接通，使電容器元件Cl~Cn、Cr相對(duì)于電源串聯(lián)連接。開關(guān)元件SW21~SW2n在充電時(shí)設(shè)定為斷開，而在非充電時(shí)設(shè)定為接通，使電容器元件Cl~Cn、Cr相對(duì)于電源并聯(lián)連接。在向負(fù)載側(cè)(積蓄電力供給側(cè))供電的情況下開關(guān)元件30設(shè)定為接通。
[0019]使用雙電層電容的電容器元件Cl~Cn、Cr通過在充電時(shí)設(shè)定為接通的開關(guān)元件Sffll~SWln而被串聯(lián)連接的狀態(tài)下，如圖2所示，被供給恒定電流10。電壓監(jiān)視部20基于隨時(shí)監(jiān)測(cè)的電容器元件Cr的端子間電壓Vr，對(duì)開關(guān)元件SWll~SWln及開關(guān)元件SW21~SW2n進(jìn)行接通或斷開控制，由此反復(fù)進(jìn)行后述的串并聯(lián)切換動(dòng)作，從而能夠進(jìn)行快速充電。
[0020]如圖2所示，在充電時(shí)，通過設(shè)定為接通的開關(guān)元件SWll~SWln而使電容器元件Cl~Cn、Cr被串聯(lián)連接，形成串聯(lián)充電電路，從電源側(cè)向該串聯(lián)充電電路供給恒定電流IO。如果各電容器元件Cl~Cn、Cr的電容相同，則各自的端子間電壓相同，但是各電容器元件Cl~Cn、Cr的電容不同時(shí)，如下式(I)所示，產(chǎn)生與電容的倒數(shù)成正比的端子間電壓。
[0021]Q = ClVl = C2V2 =…CnVn = CrVr …(I)
[0022]若端子間電壓超過了一定的電壓(耐電壓)，則雙電層電容電解液劣化而壽命極度變短，所以需要將端子間電壓抑制為耐電壓以下。當(dāng)然，由于端子間電壓V=電荷Q/電容C，所以電容C的降低意味著端子間電壓V的增加。因此，在上述(I)式中，端子間電壓V最高的電容器是電容C最小的電容器，其他電容器不超過該值。即，換句話說，只需要監(jiān)視電容C最小的電容器的端子間電壓V，不需要監(jiān)視其他電容器的端子間電壓V。
[0023]在對(duì)圖2所示的串聯(lián)充電電路供給恒定電流IO而開始充電的過渡狀態(tài)下，如圖3所示，電容最小的電容器Cr的端子間電壓的上升最大。即，如果Cr < Cl < C3 < C2 < Cn,則其中電容最小的電容器Cr的端子間電壓達(dá)到規(guī)定電壓Va的時(shí)間最短。
[0024]在達(dá)到規(guī)定電壓Va的時(shí)刻，將開關(guān)元件SWll~SWln設(shè)定為斷開，并且將開關(guān)元件SW21~SW2n設(shè)定為接通，從而如圖4所示，全部電容器元件Cl~Cn、Cr被并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)了各電容器元件Cl~Cn、Cr的端子間電壓的均一化。這時(shí)，如圖3所示，電容器元件Cr的端子間電壓是最高的電位，所以如圖5所示，電容器元件Cr的電荷向其他電容器元件Cl~Cn移動(dòng)。 [0025]即，如果電容器元件Cr的端子間電壓是最高的電位Vh，則該電容器元件Cr的端子間電壓按照因電荷的流出而達(dá)到規(guī)定電壓Va的放電特性而變化，另一方面，在電容比電容器元件Cr更大的其他電容器元件Cl~Cn中，按照因電荷的流入而達(dá)到規(guī)定電壓Va的充電特性而變化。
[0026]例如電容為Cl > C3 > C2 > Cn... Cr時(shí)的過渡響應(yīng)如圖6的放大圖所示，成為電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vh在時(shí)刻tl收斂為規(guī)定電壓Va的放電特性，其他電容器元件Cl~Cn的各端子間電壓按照與各自的電容相對(duì)應(yīng)的充電特性而變化。將規(guī)定電壓Va設(shè)為了滿充電壓的情況下，根據(jù)圖7A所示的并聯(lián)電路可知，除了電容器元件Cr之外的其他電容器元件Cl~Cn中流動(dòng)的電流依賴于各電容器元件的端子間電壓及內(nèi)部電阻。
[0027]在將除了電容器元件Cr之外的其他電容器元件的合成電容設(shè)為Ca、將合成內(nèi)部電阻設(shè)為Ra的圖7B所示的等價(jià)電路中，由于電荷的移動(dòng)而各電容器元件的端子間電壓變?yōu)橄嗤?，因此在將移?dòng)電荷設(shè)為Δ Q時(shí)，下式(2 )的關(guān)系成立。
[0028]Va+ Δ Q/Ca = Vr - AQ/Cr …(2)
[0029]移動(dòng)電荷AQ由于電容器的時(shí)間常數(shù)而無法在短時(shí)間內(nèi)完全地實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。雙電層電容的時(shí)間常數(shù)為0.5秒左右，所以如果使用的電容器元件彼此的電容沒有較大差異，那么并聯(lián)電路中的移動(dòng)電荷AQ的放電時(shí)間常數(shù)t用下式(3)表示。
[0030]放電時(shí)間常數(shù)t = t0 (1 + 1/m -1)…(3)
[0031]其中，t0是最小電容的電容器元件Cr的放電時(shí)間常數(shù)，m是形成并聯(lián)電路的電容器元件的個(gè)數(shù)。因此，根據(jù)上述(3)式可知，如果表示形成并聯(lián)電路的電容器元件的個(gè)數(shù)的m多到一定程度，則能夠?qū)㈦娙萜鞑⒙?lián)電路的放電時(shí)間常數(shù)t看做最小電容的電容器元件Cr的放電時(shí)間常數(shù)t0。
[0032]在此，對(duì)于各電容器元件Cl~Cn的平均電容C，將電容最小的電容器元件Cr的電容設(shè)為0.8C時(shí)，各電容器元件Cl~Cn的端子間電壓成為0.8Vh。在此，例如，若設(shè)Vh =
3.8V，則各電容器元件Cl~Cn的平均端子間電壓成為3.04V,如果設(shè)滿充電壓Va = 3.7V,則通過基于電容器并聯(lián)的平均化，使得電容器元件Cr的端子間電壓達(dá)到Va的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于時(shí)間常數(shù)。
[0033]即，通過下式(4)所示的條件來表示。
[0034][― (Ca + Cr) / (Ra + Rr).Ca.Cr] < 1/t...(4)
[0035]其中，在上述(4)式中，Ca是電容器元件Cl~Cn的合成電容，Ra是電容器元件Cl~Cn的合成內(nèi)部電阻，Cr是電容器元件Cr的電容，Rr是電容器元件Cr的內(nèi)部電阻，t是放電時(shí)間常數(shù)。
[0036]并且，如果基于上述(4)式的條件而通過近似式來表現(xiàn)圖7B的等價(jià)電路中流動(dòng)的電流i，則能夠用下式(5)表示。
[0037]i = [(Vh — Va) / (Ra + Rr)] X
[0038]{l + [— (Ca + Cr)t] / (Ra + Rr).Ca.Cr}...(5)
[0039]接著，參照?qǐng)D8說明充電動(dòng)作。圖8是表示隨著充電時(shí)的串并聯(lián)切換動(dòng)作而變化的電容器端子間電壓的曲線圖。在該圖中，Vh是耐電壓，Va是滿充電壓，Vr是電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓，Vf是各電容器元件Cl~Cn的端子間電壓。
[0040]如前所述，若向串聯(lián)充電電路供給恒定電流IO而開始充電，則電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr最快地達(dá)到耐電壓Vh。若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl~Cn、Cr并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)電容器元件Cl~Cn的端子間電壓Vf的均一化。[0041 ] 達(dá)到耐電壓Vh的電容器元件Cr的端子間電壓Vr由于電荷流出而電位降低，另一方面，電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf由于電荷流入而電位升高。根據(jù)上述(5)式可知，由于耐電壓Vh及滿充電壓Va是固定值，所以通過該電荷移動(dòng)而在并聯(lián)電路(參照?qǐng)D7B)中產(chǎn)生的電流i直線地減少，該變化由放電時(shí)間常數(shù)t決定。
[0042]之后反復(fù)進(jìn)行如下的串并聯(lián)切換動(dòng)作:若電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr達(dá)到滿充電壓Va，則再次形成串聯(lián)電路，供給恒定電流IO而進(jìn)行充電，若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf的均一化。然后，如圖8所示，隨著通過反復(fù)進(jìn)行串并聯(lián)切換動(dòng)作而并聯(lián)動(dòng)作期間Tl?Tn推進(jìn)，電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf達(dá)到滿充電壓Va。
[0043]這樣，通過反復(fù)進(jìn)行如下的串并聯(lián)切換動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)快速充電:將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接，使電容器元件Cr的電荷移動(dòng)至其他電容器元件Cl?Cn，若由于電荷流出而電容器元件Cr的端子間電壓Vr降低至滿充電壓Va，則再次將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接。
[0044]實(shí)際上，將電容最小的電容器元件Cr設(shè)為其他電容器元件Cl?Cn的電容的80%的情況下，若將滿充電壓Va設(shè)為3.7V并將耐電壓Vh設(shè)為3.8V，則通過最初的串聯(lián)連接充電，電荷QO能夠一口氣充電至CrXVh = 0.8QX3.8/3.7 = 0.82QCQ:滿充時(shí)電荷)。能量與其平方存在相關(guān)性，所以成為滿充的67%左右。若將基于之后的并聯(lián)連接的端子間電壓的均一化時(shí)間設(shè)為與電容器的時(shí)間常數(shù)相同的時(shí)間，則串聯(lián)連接充電從3.73V充電至3.8V、也就是充電1.9%的電荷。
[0045]例如電容器元件Cl?Cn由9個(gè)構(gòu)成的情況下，僅充電(I — 0.82)QX9 = 1.62Q的電荷即可。因此，串并聯(lián)切換動(dòng)作的次數(shù)(充放電次數(shù))P根據(jù)1.62Q = 0.019QXP的算式而成為85次以上。若假設(shè)時(shí)間常數(shù)至多為0.5秒左右，則在43秒以下即滿充，所以能夠進(jìn)行快速充電。
[0046]另外，在本實(shí)施方式中，電壓監(jiān)視部20基于電容器元件Cr的端子間電壓Vr，對(duì)開關(guān)元件SWll?SWln及開關(guān)元件SW21?SW2n進(jìn)行接通或斷開控制而反復(fù)進(jìn)行串并聯(lián)切換動(dòng)作，但是不限于此，也可以采用如下的方式:在電壓監(jiān)視部20中設(shè)置對(duì)串并聯(lián)切換動(dòng)作的次數(shù)(充放電次數(shù))進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)單元，由該計(jì)數(shù)單元計(jì)數(shù)的串并聯(lián)切換動(dòng)作的次數(shù)(充放電次數(shù))若超過預(yù)先設(shè)定的次數(shù)，則視為電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf已達(dá)到滿充電壓Va，使串并聯(lián)切換動(dòng)作停止。
[0047]此外，也可以取代該方式而采用如下的方式:在電壓監(jiān)視部20中設(shè)置計(jì)時(shí)單元，該計(jì)時(shí)單元預(yù)先計(jì)測(cè)通過反復(fù)進(jìn)行串并聯(lián)切換動(dòng)作而電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf達(dá)到滿充電壓Va為止的均一化時(shí)間，并對(duì)從開始串并聯(lián)切換動(dòng)作起的經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，在由該電壓監(jiān)視部20具備的計(jì)時(shí)單元計(jì)時(shí)的經(jīng)過時(shí)間達(dá)到上述均一化時(shí)間的時(shí)刻，視為電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf已達(dá)到滿充電壓Va，使串并聯(lián)切換動(dòng)作停止。
[0048]接著，參照?qǐng)D9?圖10說明充電裝置10的具體構(gòu)成。圖9是用于說明充電裝置10的具體構(gòu)成的整體電路圖，圖10是表示對(duì)圖9的電路要素10-3進(jìn)行LSI化的情況下的一個(gè)構(gòu)成例的電路圖。圖9所示的充電裝置10的構(gòu)成與圖1所示的構(gòu)成基本相同，具備:開關(guān)元件SWll?SWln、開關(guān)元件SW21?SW2n、開關(guān)元件30、電容器元件Cl?Cn、Cr、電阻Rl?Rn及電壓監(jiān)視部20。
[0049]開關(guān)元件SWl I?SWln在非充電時(shí)設(shè)定為斷開，在充電時(shí)設(shè)定為接通，使電容器元件Cl?Cn、Cr相對(duì)于電源串聯(lián)連接。開關(guān)元件SW21?SW2n在充電時(shí)設(shè)定為斷開，而在非充電時(shí)設(shè)定為接通，使電容器元件Cl?Cn、Cr相對(duì)于電源并聯(lián)連接。在向負(fù)載側(cè)(積蓄電力供給側(cè))供電的情況下開關(guān)元件30設(shè)定為接通。
[0050]電壓監(jiān)視部20根據(jù)電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr，對(duì)開關(guān)元件Sffll?SWln及開關(guān)元件SW21?SW2n進(jìn)行接通或斷開控制，從而使電容器元件Cl?Cn、Cr相對(duì)于電源串聯(lián)或并聯(lián)地連接。具體地說，反復(fù)進(jìn)行如下串并聯(lián)切換動(dòng)作而進(jìn)行快速充電:將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到監(jiān)測(cè)中的端子電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，若端子電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接，使電容器元件Cr的電荷移動(dòng)至其電容器元件Cl?Cn，若由于電荷流出而電容器元件Cr的端子電壓Vr降低至滿充電壓Va，則再次將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，若端子電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接。
[0051]此外，電阻Rl?Rn用于在將電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接時(shí)進(jìn)行過電流保護(hù)，這些電阻的有無以及各電阻值能夠適當(dāng)設(shè)定。
[0052]上述構(gòu)成的充電裝置10可以LSI化，作為其中一例，在圖10中示出了對(duì)圖9的電路要素10-3進(jìn)行LSI化后的構(gòu)成。該圖所示的電路要素10-3具備:電容器元件C3、相當(dāng)于圖9中的開關(guān)元件SW13的晶體管元件Tr33、相當(dāng)于圖9中的開關(guān)元件SW24的晶體管元件Tr32及相當(dāng)于圖9中的開關(guān)元件SW25的晶體管元件Tr31,此外,還具有:對(duì)這些晶體管元件Tr31?Tr33進(jìn)行接通或斷開控制的晶體管元件Tr3a?Tr3c、用于向晶體管元件Tr31?Tr33的柵極施加規(guī)定電壓的分壓電阻R3、R31?R33及齊納二極管ZD31?ZD33。
[0053]此外，向該晶體管元件Tr3a?Tr3c的柵極供給切換串聯(lián)和并聯(lián)的信號(hào)，該信號(hào)向晶體管元件Tr3b的柵極是直接供給的，向晶體管元件Tr3a及Tr3c的柵極是經(jīng)由變換器Ina及Inc供給的。
[0054]根據(jù)上述構(gòu)成，將晶體管元件Tr3a?Tr3c的柵極設(shè)置為“L”時(shí)，晶體管元件Tr33接通，由此電容器元件C3與其他電容器元件(未圖示)串聯(lián)連接。另一方面，將晶體管元件Tr3a?Tr3c的柵極設(shè)置為“H”時(shí)，晶體管元件Tr31及晶體管元件Tr31接通，由此電容器元件C3與其他電容器元件(未圖示)并聯(lián)連接。
[0055]如以上說明，在本實(shí)施方式中，具備多個(gè)電容器兀件Cl?Cn、Cr、將多個(gè)電容器兀件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接的開關(guān)元件SWll?SWln、以及將多個(gè)電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接的開關(guān)元件SWll?SWln，并且通過反復(fù)執(zhí)行如下的串并聯(lián)切換動(dòng)作而能夠進(jìn)行快速充電:通過開關(guān)元件SWlI?SWln將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到這些多個(gè)電容器元件Cl?Cn、Cr中電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則通過開關(guān)元件SWll?SWln將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接，使電容器元件Cr的電荷移動(dòng)至其他電容器元件Cl?Cn，若由于電荷流出而電容器元件Cr的端子間電壓Vr降低至滿充電壓Va，則再次將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接。[0056]此外，根據(jù)上述實(shí)施方式，僅監(jiān)視多個(gè)電容器元件Cl?Cn、Cr中電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr而進(jìn)行串并聯(lián)切換動(dòng)作，所以不需要監(jiān)視并聯(lián)連接的每個(gè)各電容器元件的端子間電壓的并聯(lián)監(jiān)測(cè)或保護(hù)電路，結(jié)果抑制了熱損失，還能夠獲得有利于裝置小型化的效果。
[0057]此外，近年來，由于僅使用二次電池的情況下輸出密度較低，為了補(bǔ)充輸出而開發(fā)了在鋰離子電池或空氣電池中并設(shè)電容器的裝置，本實(shí)施方式當(dāng)然也可以應(yīng)用于這樣的裝置。
[0058]以上說明了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，但是本發(fā)明不限于此，而是包含在本申請(qǐng)的權(quán)利要求所記載的發(fā)明及其等同范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種充電裝置，其中，具備: 監(jiān)視單元，監(jiān)視多個(gè)電容器元件中的第I電容器元件的端子間電壓； 串聯(lián)充電單元，將所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓； 并聯(lián)放電單元，在由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓的情況下，將所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使該第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近；以及 串并聯(lián)切換單元，反復(fù)進(jìn)行如下串并聯(lián)切換動(dòng)作:當(dāng)由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓降低至第2電壓時(shí)，通過所述串聯(lián)充電單元使所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，當(dāng)所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓時(shí)，通過所述并聯(lián)放電單元使所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使所述第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近。
2.如權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中， 所述第I電容器元件是所述多個(gè)電容器元件中電容最小的電容器元件。
3.如權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中， 所述串并聯(lián)切換單元還具備: 計(jì)數(shù)單元，對(duì)串并聯(lián)切換動(dòng)作的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及 停止單元，在由該計(jì)數(shù)單元計(jì)數(shù)的串并聯(lián)切換動(dòng)作的次數(shù)超過了預(yù)先設(shè)定的規(guī)定次數(shù)的情況下，視為所述第I電容器元件以外的其他電容器元件的端子間電壓已達(dá)到所述第2電壓，使串并聯(lián)切換動(dòng)作停止。
4.如權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中， 所述串并聯(lián)切換單元還具備: 計(jì)時(shí)單元，對(duì)從開始串并聯(lián)切換動(dòng)作起的經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)；以及停止單元，在由該計(jì)時(shí)單元計(jì)時(shí)的經(jīng)過時(shí)間超過了預(yù)先設(shè)定的規(guī)定時(shí)間的情況下，視為所述第I電容器元件以外的其他電容器元件的端子間電壓已達(dá)到所述第2電壓，使串并聯(lián)切換動(dòng)作停止。
5.一種充電方法，其中， 監(jiān)視多個(gè)電容器元件中的電容最小的第I電容器元件的端子間電壓； 將所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到所述監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓； 在所述監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓的情況下，將所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使該第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近； 反復(fù)進(jìn)行如下串并聯(lián)切換動(dòng)作:當(dāng)所述監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓降低至第2電壓時(shí)，使所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，當(dāng)所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓時(shí)，使所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使所述第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近。
【文檔編號(hào)】H02M3/07GK103683911SQ201310367194
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月3日
【發(fā)明者】染谷薫 申請(qǐng)人:卡西歐計(jì)算機(jī)株式會(huì)社
【專利摘要】本發(fā)明涉及充電裝置及充電方法。將電容器元件C1～Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到電容器元件C1～Cn、Cr中電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh。并且，當(dāng)端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh時(shí)，將電容器元件C1～Cn、Cr并聯(lián)連接，使電容器元件Cr的電荷移動(dòng)至其他電容器元件C1～Cn。然后，反復(fù)進(jìn)行如下的串并聯(lián)切換動(dòng)作：由于電荷流出而電容器元件Cr的端子間電壓Vr降低至滿充電壓Va時(shí)，再次將電容器元件C1～Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，當(dāng)端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh時(shí)，將電容器元件C1～Cn、Cr并聯(lián)連接。
【專利說明】充電裝置及充電方法
[0001]本申請(qǐng)基于2012年9月3日提出的日本專利申請(qǐng)2012-193198并享受其優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過參照而包含于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及能夠進(jìn)行快速充電的充電裝置及充電方法。
【背景技術(shù)】
[0003]近年來，開發(fā)了各種具備雙電層電容的充電裝置。例如在日本專利第3738617號(hào)公報(bào)中公開了如下的充電裝置:對(duì)多個(gè)雙電層電容每隔一定周期進(jìn)行串并聯(lián)連接的切換控制，在多個(gè)雙電層電容串聯(lián)連接的情況下進(jìn)行充電，另一方面，在多個(gè)雙電層電容并聯(lián)連接的情況下，監(jiān)視充電電壓，當(dāng)充電電壓超過基準(zhǔn)電壓時(shí)使充電停止。
[0004]但是，在上述專利第3738617號(hào)公報(bào)所公開的技術(shù)中，對(duì)多個(gè)雙電層電容每隔一定周期進(jìn)行串并聯(lián)連接的切換控制，在多個(gè)雙電層電容串聯(lián)連接的情況下進(jìn)行充電，所以無法進(jìn)行連續(xù)的充電動(dòng)作，存在無法進(jìn)行快速充電的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明是鑒于上述情況而做出的，其目的在于提供一種能夠進(jìn)行快速充電的充電裝置及充電方法。
[0006]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的充電裝置的特征在于，具備:監(jiān)視單元，監(jiān)視多個(gè)電容器元件中的第I電容器元件的端子間電壓；串聯(lián)充電單元，將所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓；并聯(lián)放電單元，在由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓的情況下，將所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使該第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近；以及串并聯(lián)切換單元，反復(fù)進(jìn)行如下串并聯(lián)切換動(dòng)作:當(dāng)由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓降低至第2電壓時(shí)，通過所述串聯(lián)充電單元使所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，當(dāng)所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓時(shí)，通過所述并聯(lián)放電單元使所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使所述第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是表示一個(gè)實(shí)施方式的充電裝置10的概略構(gòu)成的電路圖。
[0008]圖2是表示在充電時(shí)形成的串聯(lián)電路的圖。
[0009]圖3是表示充電初期狀態(tài)下的各電容器元件的端子間電壓的上升特性的曲線圖。
[0010]圖4是表示在充電結(jié)束時(shí)形成的并聯(lián)電路的圖。
[0011]圖5是表示從串聯(lián)電路切換到并聯(lián)電路時(shí)的充放電特性的曲線圖。
[0012]圖6是表示圖5所示的充放電特性的放大圖。[0013]圖7A、圖7B是表示并聯(lián)電路的等價(jià)電路的圖。
[0014]圖8是表示隨著充電時(shí)的串并聯(lián)切換動(dòng)作而變化的電容器端子間電壓的曲線圖。
[0015]圖9是用于說明充電裝置10的具體構(gòu)成的整體電路圖。
[0016]圖10是表示對(duì)圖9的電路要素10-3進(jìn)行LSI化而成的構(gòu)成的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下參照【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1是表示一個(gè)實(shí)施方式的充電裝置10的概略構(gòu)成的電路圖。充電裝置10具備設(shè)置于未圖示的電源側(cè)(電力輸入端側(cè))和負(fù)載側(cè)(積蓄電力供給側(cè))之間的開關(guān)元件SWll~SWln、開關(guān)元件SW21~SW2n、開關(guān)元件30、電容器元件Cl~Cn、Cr及電壓監(jiān)視部20。
[0018]開關(guān)元件SWl I~SWln在非充電時(shí)設(shè)定為斷開，在充電時(shí)設(shè)定為接通，使電容器元件Cl~Cn、Cr相對(duì)于電源串聯(lián)連接。開關(guān)元件SW21~SW2n在充電時(shí)設(shè)定為斷開，而在非充電時(shí)設(shè)定為接通，使電容器元件Cl~Cn、Cr相對(duì)于電源并聯(lián)連接。在向負(fù)載側(cè)(積蓄電力供給側(cè))供電的情況下開關(guān)元件30設(shè)定為接通。
[0019]使用雙電層電容的電容器元件Cl~Cn、Cr通過在充電時(shí)設(shè)定為接通的開關(guān)元件Sffll~SWln而被串聯(lián)連接的狀態(tài)下，如圖2所示，被供給恒定電流10。電壓監(jiān)視部20基于隨時(shí)監(jiān)測(cè)的電容器元件Cr的端子間電壓Vr，對(duì)開關(guān)元件SWll~SWln及開關(guān)元件SW21~SW2n進(jìn)行接通或斷開控制，由此反復(fù)進(jìn)行后述的串并聯(lián)切換動(dòng)作，從而能夠進(jìn)行快速充電。
[0020]如圖2所示，在充電時(shí)，通過設(shè)定為接通的開關(guān)元件SWll~SWln而使電容器元件Cl~Cn、Cr被串聯(lián)連接，形成串聯(lián)充電電路，從電源側(cè)向該串聯(lián)充電電路供給恒定電流IO。如果各電容器元件Cl~Cn、Cr的電容相同，則各自的端子間電壓相同，但是各電容器元件Cl~Cn、Cr的電容不同時(shí)，如下式(I)所示，產(chǎn)生與電容的倒數(shù)成正比的端子間電壓。
[0021]Q = ClVl = C2V2 =…CnVn = CrVr …(I)
[0022]若端子間電壓超過了一定的電壓(耐電壓)，則雙電層電容電解液劣化而壽命極度變短，所以需要將端子間電壓抑制為耐電壓以下。當(dāng)然，由于端子間電壓V=電荷Q/電容C，所以電容C的降低意味著端子間電壓V的增加。因此，在上述(I)式中，端子間電壓V最高的電容器是電容C最小的電容器，其他電容器不超過該值。即，換句話說，只需要監(jiān)視電容C最小的電容器的端子間電壓V，不需要監(jiān)視其他電容器的端子間電壓V。
[0023]在對(duì)圖2所示的串聯(lián)充電電路供給恒定電流IO而開始充電的過渡狀態(tài)下，如圖3所示，電容最小的電容器Cr的端子間電壓的上升最大。即，如果Cr < Cl < C3 < C2 < Cn,則其中電容最小的電容器Cr的端子間電壓達(dá)到規(guī)定電壓Va的時(shí)間最短。
[0024]在達(dá)到規(guī)定電壓Va的時(shí)刻，將開關(guān)元件SWll~SWln設(shè)定為斷開，并且將開關(guān)元件SW21~SW2n設(shè)定為接通，從而如圖4所示，全部電容器元件Cl~Cn、Cr被并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)了各電容器元件Cl~Cn、Cr的端子間電壓的均一化。這時(shí)，如圖3所示，電容器元件Cr的端子間電壓是最高的電位，所以如圖5所示，電容器元件Cr的電荷向其他電容器元件Cl~Cn移動(dòng)。 [0025]即，如果電容器元件Cr的端子間電壓是最高的電位Vh，則該電容器元件Cr的端子間電壓按照因電荷的流出而達(dá)到規(guī)定電壓Va的放電特性而變化，另一方面，在電容比電容器元件Cr更大的其他電容器元件Cl~Cn中，按照因電荷的流入而達(dá)到規(guī)定電壓Va的充電特性而變化。
[0026]例如電容為Cl > C3 > C2 > Cn... Cr時(shí)的過渡響應(yīng)如圖6的放大圖所示，成為電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vh在時(shí)刻tl收斂為規(guī)定電壓Va的放電特性，其他電容器元件Cl~Cn的各端子間電壓按照與各自的電容相對(duì)應(yīng)的充電特性而變化。將規(guī)定電壓Va設(shè)為了滿充電壓的情況下，根據(jù)圖7A所示的并聯(lián)電路可知，除了電容器元件Cr之外的其他電容器元件Cl~Cn中流動(dòng)的電流依賴于各電容器元件的端子間電壓及內(nèi)部電阻。
[0027]在將除了電容器元件Cr之外的其他電容器元件的合成電容設(shè)為Ca、將合成內(nèi)部電阻設(shè)為Ra的圖7B所示的等價(jià)電路中，由于電荷的移動(dòng)而各電容器元件的端子間電壓變?yōu)橄嗤?，因此在將移?dòng)電荷設(shè)為Δ Q時(shí)，下式(2 )的關(guān)系成立。
[0028]Va+ Δ Q/Ca = Vr - AQ/Cr …(2)
[0029]移動(dòng)電荷AQ由于電容器的時(shí)間常數(shù)而無法在短時(shí)間內(nèi)完全地實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。雙電層電容的時(shí)間常數(shù)為0.5秒左右，所以如果使用的電容器元件彼此的電容沒有較大差異，那么并聯(lián)電路中的移動(dòng)電荷AQ的放電時(shí)間常數(shù)t用下式(3)表示。
[0030]放電時(shí)間常數(shù)t = t0 (1 + 1/m -1)…(3)
[0031]其中，t0是最小電容的電容器元件Cr的放電時(shí)間常數(shù)，m是形成并聯(lián)電路的電容器元件的個(gè)數(shù)。因此，根據(jù)上述(3)式可知，如果表示形成并聯(lián)電路的電容器元件的個(gè)數(shù)的m多到一定程度，則能夠?qū)㈦娙萜鞑⒙?lián)電路的放電時(shí)間常數(shù)t看做最小電容的電容器元件Cr的放電時(shí)間常數(shù)t0。
[0032]在此，對(duì)于各電容器元件Cl~Cn的平均電容C，將電容最小的電容器元件Cr的電容設(shè)為0.8C時(shí)，各電容器元件Cl~Cn的端子間電壓成為0.8Vh。在此，例如，若設(shè)Vh =
3.8V，則各電容器元件Cl~Cn的平均端子間電壓成為3.04V,如果設(shè)滿充電壓Va = 3.7V,則通過基于電容器并聯(lián)的平均化，使得電容器元件Cr的端子間電壓達(dá)到Va的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于時(shí)間常數(shù)。
[0033]即，通過下式(4)所示的條件來表示。
[0034][― (Ca + Cr) / (Ra + Rr).Ca.Cr] < 1/t...(4)
[0035]其中，在上述(4)式中，Ca是電容器元件Cl~Cn的合成電容，Ra是電容器元件Cl~Cn的合成內(nèi)部電阻，Cr是電容器元件Cr的電容，Rr是電容器元件Cr的內(nèi)部電阻，t是放電時(shí)間常數(shù)。
[0036]并且，如果基于上述(4)式的條件而通過近似式來表現(xiàn)圖7B的等價(jià)電路中流動(dòng)的電流i，則能夠用下式(5)表示。
[0037]i = [(Vh — Va) / (Ra + Rr)] X
[0038]{l + [— (Ca + Cr)t] / (Ra + Rr).Ca.Cr}...(5)
[0039]接著，參照?qǐng)D8說明充電動(dòng)作。圖8是表示隨著充電時(shí)的串并聯(lián)切換動(dòng)作而變化的電容器端子間電壓的曲線圖。在該圖中，Vh是耐電壓，Va是滿充電壓，Vr是電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓，Vf是各電容器元件Cl~Cn的端子間電壓。
[0040]如前所述，若向串聯(lián)充電電路供給恒定電流IO而開始充電，則電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr最快地達(dá)到耐電壓Vh。若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl~Cn、Cr并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)電容器元件Cl~Cn的端子間電壓Vf的均一化。[0041 ] 達(dá)到耐電壓Vh的電容器元件Cr的端子間電壓Vr由于電荷流出而電位降低，另一方面，電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf由于電荷流入而電位升高。根據(jù)上述(5)式可知，由于耐電壓Vh及滿充電壓Va是固定值，所以通過該電荷移動(dòng)而在并聯(lián)電路(參照?qǐng)D7B)中產(chǎn)生的電流i直線地減少，該變化由放電時(shí)間常數(shù)t決定。
[0042]之后反復(fù)進(jìn)行如下的串并聯(lián)切換動(dòng)作:若電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr達(dá)到滿充電壓Va，則再次形成串聯(lián)電路，供給恒定電流IO而進(jìn)行充電，若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf的均一化。然后，如圖8所示，隨著通過反復(fù)進(jìn)行串并聯(lián)切換動(dòng)作而并聯(lián)動(dòng)作期間Tl?Tn推進(jìn)，電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf達(dá)到滿充電壓Va。
[0043]這樣，通過反復(fù)進(jìn)行如下的串并聯(lián)切換動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)快速充電:將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接，使電容器元件Cr的電荷移動(dòng)至其他電容器元件Cl?Cn，若由于電荷流出而電容器元件Cr的端子間電壓Vr降低至滿充電壓Va，則再次將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接。
[0044]實(shí)際上，將電容最小的電容器元件Cr設(shè)為其他電容器元件Cl?Cn的電容的80%的情況下，若將滿充電壓Va設(shè)為3.7V并將耐電壓Vh設(shè)為3.8V，則通過最初的串聯(lián)連接充電，電荷QO能夠一口氣充電至CrXVh = 0.8QX3.8/3.7 = 0.82QCQ:滿充時(shí)電荷)。能量與其平方存在相關(guān)性，所以成為滿充的67%左右。若將基于之后的并聯(lián)連接的端子間電壓的均一化時(shí)間設(shè)為與電容器的時(shí)間常數(shù)相同的時(shí)間，則串聯(lián)連接充電從3.73V充電至3.8V、也就是充電1.9%的電荷。
[0045]例如電容器元件Cl?Cn由9個(gè)構(gòu)成的情況下，僅充電(I — 0.82)QX9 = 1.62Q的電荷即可。因此，串并聯(lián)切換動(dòng)作的次數(shù)(充放電次數(shù))P根據(jù)1.62Q = 0.019QXP的算式而成為85次以上。若假設(shè)時(shí)間常數(shù)至多為0.5秒左右，則在43秒以下即滿充，所以能夠進(jìn)行快速充電。
[0046]另外，在本實(shí)施方式中，電壓監(jiān)視部20基于電容器元件Cr的端子間電壓Vr，對(duì)開關(guān)元件SWll?SWln及開關(guān)元件SW21?SW2n進(jìn)行接通或斷開控制而反復(fù)進(jìn)行串并聯(lián)切換動(dòng)作，但是不限于此，也可以采用如下的方式:在電壓監(jiān)視部20中設(shè)置對(duì)串并聯(lián)切換動(dòng)作的次數(shù)(充放電次數(shù))進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)單元，由該計(jì)數(shù)單元計(jì)數(shù)的串并聯(lián)切換動(dòng)作的次數(shù)(充放電次數(shù))若超過預(yù)先設(shè)定的次數(shù)，則視為電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf已達(dá)到滿充電壓Va，使串并聯(lián)切換動(dòng)作停止。
[0047]此外，也可以取代該方式而采用如下的方式:在電壓監(jiān)視部20中設(shè)置計(jì)時(shí)單元，該計(jì)時(shí)單元預(yù)先計(jì)測(cè)通過反復(fù)進(jìn)行串并聯(lián)切換動(dòng)作而電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf達(dá)到滿充電壓Va為止的均一化時(shí)間，并對(duì)從開始串并聯(lián)切換動(dòng)作起的經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，在由該電壓監(jiān)視部20具備的計(jì)時(shí)單元計(jì)時(shí)的經(jīng)過時(shí)間達(dá)到上述均一化時(shí)間的時(shí)刻，視為電容器元件Cl?Cn的端子間電壓Vf已達(dá)到滿充電壓Va，使串并聯(lián)切換動(dòng)作停止。
[0048]接著，參照?qǐng)D9?圖10說明充電裝置10的具體構(gòu)成。圖9是用于說明充電裝置10的具體構(gòu)成的整體電路圖，圖10是表示對(duì)圖9的電路要素10-3進(jìn)行LSI化的情況下的一個(gè)構(gòu)成例的電路圖。圖9所示的充電裝置10的構(gòu)成與圖1所示的構(gòu)成基本相同，具備:開關(guān)元件SWll?SWln、開關(guān)元件SW21?SW2n、開關(guān)元件30、電容器元件Cl?Cn、Cr、電阻Rl?Rn及電壓監(jiān)視部20。
[0049]開關(guān)元件SWl I?SWln在非充電時(shí)設(shè)定為斷開，在充電時(shí)設(shè)定為接通，使電容器元件Cl?Cn、Cr相對(duì)于電源串聯(lián)連接。開關(guān)元件SW21?SW2n在充電時(shí)設(shè)定為斷開，而在非充電時(shí)設(shè)定為接通，使電容器元件Cl?Cn、Cr相對(duì)于電源并聯(lián)連接。在向負(fù)載側(cè)(積蓄電力供給側(cè))供電的情況下開關(guān)元件30設(shè)定為接通。
[0050]電壓監(jiān)視部20根據(jù)電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr，對(duì)開關(guān)元件Sffll?SWln及開關(guān)元件SW21?SW2n進(jìn)行接通或斷開控制，從而使電容器元件Cl?Cn、Cr相對(duì)于電源串聯(lián)或并聯(lián)地連接。具體地說，反復(fù)進(jìn)行如下串并聯(lián)切換動(dòng)作而進(jìn)行快速充電:將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到監(jiān)測(cè)中的端子電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，若端子電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接，使電容器元件Cr的電荷移動(dòng)至其電容器元件Cl?Cn，若由于電荷流出而電容器元件Cr的端子電壓Vr降低至滿充電壓Va，則再次將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，若端子電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接。
[0051]此外，電阻Rl?Rn用于在將電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接時(shí)進(jìn)行過電流保護(hù)，這些電阻的有無以及各電阻值能夠適當(dāng)設(shè)定。
[0052]上述構(gòu)成的充電裝置10可以LSI化，作為其中一例，在圖10中示出了對(duì)圖9的電路要素10-3進(jìn)行LSI化后的構(gòu)成。該圖所示的電路要素10-3具備:電容器元件C3、相當(dāng)于圖9中的開關(guān)元件SW13的晶體管元件Tr33、相當(dāng)于圖9中的開關(guān)元件SW24的晶體管元件Tr32及相當(dāng)于圖9中的開關(guān)元件SW25的晶體管元件Tr31,此外,還具有:對(duì)這些晶體管元件Tr31?Tr33進(jìn)行接通或斷開控制的晶體管元件Tr3a?Tr3c、用于向晶體管元件Tr31?Tr33的柵極施加規(guī)定電壓的分壓電阻R3、R31?R33及齊納二極管ZD31?ZD33。
[0053]此外，向該晶體管元件Tr3a?Tr3c的柵極供給切換串聯(lián)和并聯(lián)的信號(hào)，該信號(hào)向晶體管元件Tr3b的柵極是直接供給的，向晶體管元件Tr3a及Tr3c的柵極是經(jīng)由變換器Ina及Inc供給的。
[0054]根據(jù)上述構(gòu)成，將晶體管元件Tr3a?Tr3c的柵極設(shè)置為“L”時(shí)，晶體管元件Tr33接通，由此電容器元件C3與其他電容器元件(未圖示)串聯(lián)連接。另一方面，將晶體管元件Tr3a?Tr3c的柵極設(shè)置為“H”時(shí)，晶體管元件Tr31及晶體管元件Tr31接通，由此電容器元件C3與其他電容器元件(未圖示)并聯(lián)連接。
[0055]如以上說明，在本實(shí)施方式中，具備多個(gè)電容器兀件Cl?Cn、Cr、將多個(gè)電容器兀件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接的開關(guān)元件SWll?SWln、以及將多個(gè)電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接的開關(guān)元件SWll?SWln，并且通過反復(fù)執(zhí)行如下的串并聯(lián)切換動(dòng)作而能夠進(jìn)行快速充電:通過開關(guān)元件SWlI?SWln將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到這些多個(gè)電容器元件Cl?Cn、Cr中電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則通過開關(guān)元件SWll?SWln將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接，使電容器元件Cr的電荷移動(dòng)至其他電容器元件Cl?Cn，若由于電荷流出而電容器元件Cr的端子間電壓Vr降低至滿充電壓Va，則再次將全部電容器元件Cl?Cn、Cr串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，若端子間電壓Vr達(dá)到耐電壓Vh，則將全部電容器元件Cl?Cn、Cr并聯(lián)連接。[0056]此外，根據(jù)上述實(shí)施方式，僅監(jiān)視多個(gè)電容器元件Cl?Cn、Cr中電容最小的電容器元件Cr的端子間電壓Vr而進(jìn)行串并聯(lián)切換動(dòng)作，所以不需要監(jiān)視并聯(lián)連接的每個(gè)各電容器元件的端子間電壓的并聯(lián)監(jiān)測(cè)或保護(hù)電路，結(jié)果抑制了熱損失，還能夠獲得有利于裝置小型化的效果。
[0057]此外，近年來，由于僅使用二次電池的情況下輸出密度較低，為了補(bǔ)充輸出而開發(fā)了在鋰離子電池或空氣電池中并設(shè)電容器的裝置，本實(shí)施方式當(dāng)然也可以應(yīng)用于這樣的裝置。
[0058]以上說明了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，但是本發(fā)明不限于此，而是包含在本申請(qǐng)的權(quán)利要求所記載的發(fā)明及其等同范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種充電裝置，其中，具備: 監(jiān)視單元，監(jiān)視多個(gè)電容器元件中的第I電容器元件的端子間電壓； 串聯(lián)充電單元，將所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓； 并聯(lián)放電單元，在由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓的情況下，將所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使該第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近；以及 串并聯(lián)切換單元，反復(fù)進(jìn)行如下串并聯(lián)切換動(dòng)作:當(dāng)由所述監(jiān)視單元監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓降低至第2電壓時(shí)，通過所述串聯(lián)充電單元使所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，當(dāng)所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓時(shí)，通過所述并聯(lián)放電單元使所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使所述第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近。
2.如權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中， 所述第I電容器元件是所述多個(gè)電容器元件中電容最小的電容器元件。
3.如權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中， 所述串并聯(lián)切換單元還具備: 計(jì)數(shù)單元，對(duì)串并聯(lián)切換動(dòng)作的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及 停止單元，在由該計(jì)數(shù)單元計(jì)數(shù)的串并聯(lián)切換動(dòng)作的次數(shù)超過了預(yù)先設(shè)定的規(guī)定次數(shù)的情況下，視為所述第I電容器元件以外的其他電容器元件的端子間電壓已達(dá)到所述第2電壓，使串并聯(lián)切換動(dòng)作停止。
4.如權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中， 所述串并聯(lián)切換單元還具備: 計(jì)時(shí)單元，對(duì)從開始串并聯(lián)切換動(dòng)作起的經(jīng)過時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)；以及停止單元，在由該計(jì)時(shí)單元計(jì)時(shí)的經(jīng)過時(shí)間超過了預(yù)先設(shè)定的規(guī)定時(shí)間的情況下，視為所述第I電容器元件以外的其他電容器元件的端子間電壓已達(dá)到所述第2電壓，使串并聯(lián)切換動(dòng)作停止。
5.一種充電方法，其中， 監(jiān)視多個(gè)電容器元件中的電容最小的第I電容器元件的端子間電壓； 將所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，直到所述監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓； 在所述監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓的情況下，將所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使該第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近； 反復(fù)進(jìn)行如下串并聯(lián)切換動(dòng)作:當(dāng)所述監(jiān)視的所述第I電容器元件的端子間電壓降低至第2電壓時(shí)，使所述多個(gè)電容器元件串聯(lián)連接而進(jìn)行充電，當(dāng)所述第I電容器元件的端子間電壓達(dá)到第I電壓時(shí)，使所述多個(gè)電容器元件并聯(lián)連接，從而使所述第I電容器元件的端子間電壓向其他電容器元件的端子間電壓接近。
【文檔編號(hào)】H02M3/07GK103683911SQ201310367194
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月3日
【發(fā)明者】染谷薫 申請(qǐng)人:卡西歐計(jì)算機(jī)株式會(huì)社
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