特許 5981777 充電システムおよび充電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5981777

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月31日

(54)【発明の名称】充電システムおよび充電方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20160818BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20160818BHJP

   H01M 10/46 20060101ALI20160818BHJP

   B60L 11/18 20060101ALI20160818BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/00 303C

   H02J7/00 P

   H01M10/44 Q

   H01M10/46

   B60L11/18 C

【請求項の数】18

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2012-132999(P2012-132999)

(22)【出願日】2012年6月12日

(65)【公開番号】特開2013-258828(P2013-258828A)

(43)【公開日】2013年12月26日

【審査請求日】2015年6月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000033

【氏名又は名称】旭化成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100109380

【弁理士】

【氏名又は名称】小西 恵

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(72)【発明者】

【氏名】岡田 宣宏

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 修

(72)【発明者】

【氏名】内山 隆平

【審査官】 緑川 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０３４５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００５６６００（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２６７５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１８６９４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１７６５２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｌ１／００−３／１２，

Ｂ６０Ｌ７／００−１３／００，

Ｂ６０Ｌ１５／００−１５／４２，

Ｈ０１Ｍ１０／４２−１０／４８，

Ｈ０２Ｊ７／００−７／１２，

Ｈ０２Ｊ７／３４−７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部電源からの供給により給電装置の蓄電池に充電された電力を、前記給電装置の給電端子から受電装置の受電端子を経由して前記受電装置の蓄電池を充電する充電システムにおいて、
前記給電装置に、
充放電可能な容量が大きい高エネルギー密度蓄電素子で構成された第１蓄電モジュールと、
単位時間当たりの充放電可能な電流が大きい高出力密度蓄電素子または複数並列接続された前記高出力密度蓄電素子で構成された蓄電ユニットが複数直列接続されてなる蓄電体を有する第２蓄電モジュールと、
前記第１蓄電モジュールを外部電源に接続し第２蓄電モジュールから切り離した第１接続状態と、第１蓄電モジュールを第２蓄電モジュールに接続し前記外部電源とは切り離した第２接続状態と、の切替が可能な第１スイッチと、
前記第１スイッチの切替を含めた制御が可能な制御部と、を備え、
前記受電装置に、
単位時間当たりの充放電可能な電流が大きい高出力密度蓄電素子または複数並列接続された前記高出力密度蓄電素子で構成された蓄電ユニットが複数直列接続されてなる蓄電体を有する第３蓄電モジュールと、
充放電可能な容量が大きい高エネルギー密度蓄電素子で構成された第４蓄電モジュールと、
前記第４蓄電モジュールを負荷に接続し第３蓄電モジュールから切り離した第３接続状態と、前記第４蓄電モジュールを前記第３蓄電モジュールに接続し負荷から切り離した第４接続状態と、の切替が可能な第２スイッチと、
前記第２スイッチを含めた制御が可能な制御部と、を備え、
さらに、前記給電装置に、前記第２蓄電モジュールと前記給電端子との間の給電経路に介挿され該給電経路をＯＮ／ＯＦＦする給電スイッチを備え、
前記制御部は、
前記第１スイッチが前記第２接続状態と、前記第２スイッチが前記第４接続状態と、のいずれかの時に前記給電スイッチをＯＦＦし、
前記第１スイッチが前記第２接続状態と、前記第２スイッチが前記第４接続状態と、のいずれでもない時に前記給電スイッチをＯＮすることを特徴とする充電システム。

【請求項2】

請求項１に記載の充電システムにおいて、
前記第３蓄電モジュールは、
前記蓄電ユニット毎に並列接続されスイッチがＯＮすることによりバイパス経路が導通されるバイパススイッチを含む複数のバイパス回路と、
前記蓄電ユニット毎の電圧値に基づいて前記バイパススイッチを制御するバイパス制御部と、を備えたことを特徴とする充電システム。

【請求項3】

請求項２に記載の充電システムにおいて、
前記第３蓄電モジュールは、
前記蓄電体の入出力経路に直列に介挿され該入出力経路をＯＮ／ＯＦＦするスイッチ回路を備え、
前記バイパス制御部は、さらに、該スイッチ回路を制御する機能を有することを特徴とする充電システム。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の充電システムにおいて、
前記第１スイッチは、
前記第１接続状態と、前記第２接続状態と、に加えて、
前記第２蓄電モジュールを前記外部電源に接続し前記第１蓄電モジュールから切り離した第５接続状態と、
前記第１スイッチに係る接点の少なくともいずれか２点を導通させた状態と、を選択可能であり、
前記第２スイッチは、
前記第３接続状態と、前記第４接続状態と、に加えて、
前記第３蓄電モジュールを前記負荷と接続し前記第４蓄電モジュールとは切り離した第６接続状態と、
前記第２スイッチに係る接点の少なくともいずれか２点を導通させた状態と、を選択可能であることを特徴とする充電システム。

【請求項5】

請求項４に記載の充電システムにおいて、
前記制御部は、
前記第２接続状態と、前記第５接続状態と、前記第４接続状態と、前記第６接続状態と、のいずれかの時に前記給電スイッチをＯＦＦし、
前記第２接続状態と、前記第５接続状態と、前記第４接続状態と、前記第６接続状態と、のいずれでもない時に前記給電スイッチをＯＮすることを特徴とする充電システム。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一項に記載の充電システムにおいて、
前記外部電源は、太陽電池または交流電源を含むことを特徴とする充電システム。

【請求項7】

請求項１から６のいずれかに記載の充電システムにおいて、
前記高出力密度蓄電素子は、
リチウムイオンキャパシタまたは電気二重層キャパシタにより構成されていることを特徴とする充電システム。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の充電システムにおいて、
前記受電装置は移動体に含まれて該移動体に駆動電力を供給することを特徴とする充電システム。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載の充電システムにおいて、
前記第２蓄電モジュールに含まれる蓄電ユニットの満充電時の電力量の合計は、前記第３蓄電モジュールに含まれる蓄電ユニットの満充電時の電力量の合計より多いことを特徴とする充電システム。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか一項に記載の充電システムを用いる充電方法であって、
前記第２蓄電モジュールに蓄電された電力により、前記第３蓄電モジュールを充電する第１充電工程を含むことを特徴とする充電方法。

【請求項11】

請求項２から９のいずれか一項に記載の充電システムを用いる充電方法であって、
前記第２蓄電モジュールに蓄電された電力により、前記第３蓄電モジュールを充電する第１充電工程には、
複数の前記蓄電ユニットの少なくとも１つの電圧値が充電目標電圧以上になるまで、すべてのバイパススイッチをＯＦＦして、前記蓄電体を充電する第１ステップと、
充電目標電圧に到達した蓄電ユニットに対応するバイパス回路のバイパススイッチをＯＮして、該蓄電ユニットに流れていた電流を該バイパス回路に迂回させる第２ステップと、
前記第２ステップによって電流を前記迂回された蓄電ユニットの電圧値が、充電再開電圧以下になった時、該蓄電ユニットに対応するバイパススイッチをＯＦＦして、前記迂回させていた電流を該蓄電ユニットに流す第３ステップと、を含むことを特徴とする充電方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の充電方法において、
少なくとも１つの蓄電ユニットの電圧値が充電目標電圧以上になった時から第１所定時間を経過した後、該蓄電体の入出力経路をＯＦＦして充電を中断または完了する第４ステップを含むことを特徴とする充電方法。

【請求項13】

請求項１１または１２に記載の充電方法において、
前記第１充電工程は、
前記第２ステップと前記第３ステップとが繰り返し実行され、
該第２ステップでは、
充電目標電圧に到達してから第２所定時間が経過した蓄電ユニットに対応するバイパススイッチをＯＮし、該蓄電ユニットに流れていた電流を該バイパス回路に迂回させることを特徴とする充電方法。

【請求項14】

請求項１０から１３のいずれか一項に記載の充電方法において、
前記給電端子と前記受電端子とが電気的に接続されていない状態で、前記第１蓄電モジュールに蓄電された電力により前記第２蓄電モジュールを充電する第２充電工程を含むことを特徴とする充電方法。

【請求項15】

請求項１０から１４のいずれか一項に記載の充電方法において、
前記給電端子と前記受電端子とが電気的に接続されていない状態で、前記第３蓄電モジュールに蓄電された電力により前記第４蓄電モジュールを充電する第３充電工程を含むことを特徴とする充電方法。

【請求項16】

請求項１０から１５のいずれか一項に記載の充電方法において、
前記外部電源の電力により前記第１蓄電モジュールを充電する第４充電工程を含むことを特徴とする充電方法。

【請求項17】

請求項１０から１６のいずれか一項に記載の充電方法において、
前記給電端子と前記受電端子とが電気的に接続されていない状態で、前記外部電源の電力により前記第２蓄電モジュールを充電する第５充電工程を含むことを特徴とする充電方法。

【請求項18】

請求項１７に記載の充電方法において、
前記外部電源の電力により前記第１蓄電モジュールを充電する第４充電工程を、前記第５充電工程と同時に行うことを特徴とする充電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、給電装置からの電力供給によって受電装置を充電する充電システムおよび方法に関し、特に急速充電に適した充電システムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

商用交流電源に電源プラグを接続した状態で使用される据置き型の電子機器とは異なり、自動搬送車、および電動カートなどの移動体、並びに携帯電話機、およびノートパソコンなどのモバイル電子機器においては、電源装置として蓄電池が使用されている。具体的な蓄電池としては、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、およびリチウムイオン電池が候補とされている。特に、リチウムイオン電池は、鉛やカドミウムなどの有害金属を含まず、体積あたりの重量が軽く、かつ放電容量が大きいことから、その使用が増加している。

【0003】

近年、上述の移動体の一種である電気自動車の開発が盛んになっている。電気自動車は動力源として蓄電池のセルを複数個含む蓄電モジュール１０を搭載している。使用により放電した各セルを再度使用できるように充電するためには、一般のガソリン自動車にガソリンを補給するガソリンスタンドと同様に、その蓄電モジュール１０への充電が可能な給電装置を設置した充電スタンドが必要である。

【0004】

このような電気自動車用の給電装置は、例えば１００Ｖまたは２００Ｖの家庭用交流電流、または６０００Ｖの高圧交流電流を、その蓄電モジュール１０の電圧に変換して整流し、その整流出力を電流量を制御しながらその蓄電モジュール１０に給電するものである。なお、蓄電モジュール１０の電圧は、使用するセルの種類と、直列に接続されたセル数によって定まり、例えば５０〜１００Ｖ程度に設計される。

【0005】

ここで、電気自動車は、その走行用モーターに必要な数１００ｋＷの電力供給能力と、１回の充電で数１００ｋｍの走行距離を保障できる放電容量と、を備えた蓄電モジュール１０を搭載する必要がある。この用途には、軽量かつ高容量のリチウムイオン電池を用いた蓄電モジュール１０が、現時点においては最適であると考えられる。
この蓄電モジュールは、複数のセルが直列接続された蓄電体を含んでおり、直列接続された各セル電圧の合計電圧で放電することができる。また、この蓄電体に含まれる個々のセルを、単数、または並列接続された複数のセルで構成される蓄電ユニットに置き換えれば、さらに容量を大きくして長時間使用することも可能である。

【0006】

そして、蓄電池の充電方法としては、ＣＣＣＶ（constant current constant voltage）充電が知られている。このＣＣＣＶ充電では、まず蓄電池を定電流Ｉで充電し、蓄電池の電圧が目標とする最大値Ｖに達したことを検知すると定電流充電を停止する。なお、蓄電池には、内部抵抗rがあることを考慮する必要がある。そのため、定電流充電を停止した時点で、蓄電池の電圧Ｅには、内部抵抗rによる電圧降下Ｉｒ（以下、「Ｉｒ電圧降下分」という）を含むため、実際のところ蓄電池内の電極に、Ｅ＝Ｖ−Ｉｒの電圧でしか充電されていない。すなわち、電流Ｉが大きいほど、実際に充電された電圧Ｅと目標とする充電上限電圧Ｖとの乖離が大きいことになる。

【0007】

そこで、ＣＣＣＶ充電では、定電流充電を完了した後、電流をＩから０に近いＩ´まで徐々に下げることによってＩｒ電圧降下分を減少させながら定電圧Ｖで充電を行い、満充電に近い状態Ｅ´＝Ｖ−Ｉ´rに到達させて定電圧充電を完了する。
上述したＣＣＣＶ充電によれば、内部抵抗rの高い蓄電池であっても満充電に近い充電が可能であるが、充電に長時間を要する欠点がある。例えば、携帯電話機に使用される５５０ｍＡｈのリチウムイオン電池をＣＣＣＶ充電する場合には、定電流充電に１時間と、定電圧充電に１時間との合計２時間を要する。さらに、電池容量が大きくなるにしたがって充電時間も増加する。

【0008】

同様に、電気自動車が、１回の充電で走行可能な距離を長くするには、搭載する蓄電池の容量を増加させることにより実現できるが、それに応じて充電に要する時間が長くなるという問題があった。このような、電池容量の大きさに応じて充電所要時間が長くなることの原因は、充電電流の最大値が、電気化学反応の速度による制限を受けるからである。
つまり、電気エネルギーを、電気化学反応によって、化学エネルギーに変換して蓄える蓄電池は、電気化学反応の速度で、充電電流の最大値が制限されるため、電池容量の大きさに比例した充電電流を加えられない。したがって、電池容量の大きさに応じて充電所要時間が長時間化することは、避けられないのである。

【0009】

これに対して、キャパシタは、電気エネルギーを、分極による静電エネルギーとして蓄えるので、電気化学反応を要さない。したがって、上述した電気化学反応の速度で決まる充電電流の上限のないキャパシタは、蓄電池の１００倍程度の電流による急速充放電が可能である。したがって、受電装置側の蓄電モジュールにキャパシタを用いれば、蓄電池では達成できない急速充電が可能となる。

【0010】

このような背景技術において、移動体の受電装置に短時間で充電するための方法として、受電装置側の蓄電モジュールに、電気二重層キャパシタ、またはその電気二重層キャパシタに補助エネルギー源として蓄電池を並列接続した装置を使用する方法が提案されている（特許文献１参照）。また、キャパシタと蓄電池とを並列接続した受電装置において、蓄電池の出力が低下した場合にキャパシタから充電する方法も提案されている（特許文献２参照）。

【0011】

一方、１００〜２００Ｖの商用交流電源を使用する給電装置において、急速放電を可能とするためには、大容量の受電設備および大型の電源回路が必要となり設置が困難である。特に、充電所要時間を短縮するための急速充電には、その電力需要が数１００ｋＶＡ程度となるので、受電設備を大容量のものに増強する必要が生じる。つまり、低圧電力線のみが敷設されている任意の個所に充電所を設置することは不可能である。

【0012】

そこで、このような状況下で給電装置から急速放電するための方法として、小型の電源回路と、蓄電池のセルを必要数だけ並列接続した蓄電モジュールと、を用いた給電装置により、その蓄電モジュールを小電流で充電することと、大電流で放電させること、の両立を可能とし、受電装置側の蓄電池を急速充電する方法が提案されている（特許文献３参照）。

【0013】

そして、交流電源から蓄電池または大容量コンデンサを充電する低速充電部と、その蓄電池または大容量コンデンサの大電流放電により負荷の蓄電池またはコンデンサを急速に充電する急速充電部とからなる急速給電装置が提案されている（特許文献４参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】特開平７−１６３０１６号公報

【特許文献2】特開２００８−１３７４５１号公報

【特許文献3】特開平６−２５３４６１号公報

【特許文献4】特開２０１１−３６１１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

特許文献１，２に記載された充電システムおよび方法により、受電装置側は急速充電に対応可能と考えられる。しかしながら、急速充電に給電装置側を対応可能にするためには、短縮した充放電時間に半比例させるように、電源装置の容量を大きくして、単位時間当たりの電力供給能力を高める必要がある。
また、受電装置側に急速充放電可能なキャパシタを使用した場合、その受電装置の内部で並列接続された蓄電池よりも、キャパシタの自己放電による電圧低下が速い。そのため、充電後の電源装置を、電力消費しない不使用状態で長時間、例えば数十日を経過すると、キャパシタが自己放電して空に近くなる。その電源装置を搭載した移動体等が稼働するための電力需要に応じて再稼働する場合、空に近いキャパシタに、並列接続した蓄電池から過大な突入電流が流れることがある。

【0016】

一方、特許文献３，４に記載された充電システムおよび方法においては、給電装置側は急速放電に対応可能と考えられるが、受電装置側の蓄電池は急速充電性が劣ると考えられる。
そこで、本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、小規模で低容量の外部電源に依存する給電装置、あるいは低圧電力線のみが敷設されている任意の個所に設置された給電装置から、受電装置への急速充電が可能な充電システムおよび方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

請求項１記載の発明は、外部電源からの供給により給電装置の蓄電池に充電された電力を、前記給電装置の給電端子から受電装置の受電端子を経由して前記受電装置の蓄電池を充電する充電システムにおいて、前記給電装置に、充放電可能な容量が大きい高エネルギー密度蓄電素子で構成された第１蓄電モジュールと、単位時間当たりの充放電可能な電流が大きい高出力密度蓄電素子、または複数並列接続された前記高出力密度蓄電素子で構成された蓄電ユニットが複数直列接続されてなる蓄電体を有する第２蓄電モジュールと、前記第１蓄電モジュールを外部電源に接続し第２蓄電モジュールから切り離した第１接続状態と、第１蓄電モジュールを第２蓄電モジュールに接続し前記外部電源とは切り離した第２接続状態と、の切替が可能な第１スイッチと、前記第１スイッチの切替を含めた制御が可能な制御部と、を備え、前記受電装置に、単位時間当たりの充放電可能な電流が大きい高出力密度蓄電素子、または複数並列接続された前記高出力密度蓄電素子で構成された蓄電ユニットが複数直列接続されてなる蓄電体を有する第３蓄電モジュールと、充放電可能な容量が大きい高エネルギー密度蓄電素子で構成された第４蓄電モジュールと、前記第４蓄電モジュールを負荷に接続し第３蓄電モジュールから切り離した第３接続状態と、前記第４蓄電モジュールを前記第３蓄電モジュールに接続し負荷から切り離した第４接続状態と、の切替が可能な第２スイッチと、前記第２スイッチを含めた制御が可能な制御部と、を備え、さらに、前記給電装置に、前記第２蓄電モジュールと前記給電端子との間の給電経路に介挿され該給電経路をＯＮ／ＯＦＦする給電スイッチを備え、前記制御部は、前記第１スイッチが前記第２接続状態と、前記第２スイッチが前記第４接続状態と、のいずれかの時に前記給電スイッチをＯＦＦし、前記第１スイッチが前記第２接続状態と、前記第２スイッチが前記第４接続状態と、のいずれでもない時に前記給電スイッチをＯＮすることを特徴とする。

【0018】

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の充電システムにおいて、前記第３蓄電モジュールは、前記蓄電ユニット毎に並列接続されスイッチがＯＮすることによりバイパス経路が導通されるバイパススイッチを含む複数のバイパス回路と、前記蓄電ユニット毎の電圧値に基づいて前記バイパススイッチを制御するバイパス制御部と、を備えたことを特徴とする。

【0019】

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の充電システムにおいて、前記第３蓄電モジュールは、前記蓄電体の入出力経路に直列に介挿され該入出力経路をＯＮ／ＯＦＦするスイッチ回路を備え、前記バイパス制御部は、さらに、該スイッチ回路を制御する機能を有することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の充電システムにおいて、前記第１スイッチは、前記第１接続状態と、前記第２接続状態と、に加えて、前記第２蓄電モジュールを前記外部電源に接続し前記第１蓄電モジュールから切り離した第５接続状態と、前記第１スイッチに係る接点の少なくともいずれか２点を導通させた状態と、を選択可能であり、前記第２スイッチは、前記第３接続状態と、前記第４接続状態と、に加えて、前記第３蓄電モジュールを前記負荷と接続し前記第４蓄電モジュールとは切り離した第６接続状態と、前記第２スイッチに係る接点の少なくともいずれか２点を導通させた状態と、を選択可能であることを特徴とする。

【0021】

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の充電システムにおいて、
前記制御部は、前記第２接続状態と、前記第５接続状態と、前記第４接続状態と、前記第６接続状態と、のいずれかの時に前記給電スイッチをＯＦＦし、前記第２接続状態と、前記第５接続状態と、前記第４接続状態と、前記第６接続状態と、のいずれでもない時に前記給電スイッチをＯＮすることを特徴とする。

【0022】

請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の充電システムにおいて、外部電源は、太陽電池または交流電源を含むことを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項１から６のいずれかに記載の充電システムにおいて、前記高出力密度蓄電素子は、リチウムイオンキャパシタまたは電気二重層キャパシタにより構成されていることを特徴とする。

【0023】

請求項８に係る発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の充電システムにおいて、前記受電装置は移動体に含まれて該移動体に駆動電力を供給することを特徴とする。
請求項９に係る発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載の充電システムにおいて、前記第２蓄電モジュールに含まれる蓄電ユニットの満充電時の電力量の合計は、前記第３蓄電モジュールに含まれる蓄電ユニットの満充電時の電力量の合計より多いことを特徴とする。

【0024】

請求項１０に係る発明は、請求項１から９のいずれか一項に記載の充電システムを用いる充電方法であって、前記第２蓄電モジュールに蓄電された電力により、前記第３蓄電モジュールを充電する第１充電工程を含むことを特徴とする。
請求項１１に係る発明は、請求項２から９のいずれか一項に記載の充電システムを用いる充電方法であって、前記第２蓄電モジュールに蓄電された電力により、前記第３蓄電モジュールを充電する第１充電工程には、複数の前記蓄電ユニットの少なくとも１つの電圧値が充電目標電圧以上になるまで、すべてのバイパススイッチをＯＦＦして、前記蓄電体を充電する第１ステップと、充電目標電圧に到達した蓄電ユニットに対応するバイパス回路のバイパススイッチをＯＮして、該蓄電ユニットに流れていた電流を該バイパス回路に迂回させる第２ステップと、前記第２ステップによって電流を前記迂回された蓄電ユニットの電圧値が、充電再開電圧以下になった時、該蓄電ユニットに対応するバイパススイッチをＯＦＦして、前記迂回させていた電流を該蓄電ユニットに流す第３ステップと、を含むことを特徴とする。

【0025】

請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載の充電方法において、少なくとも１つの蓄電ユニットの電圧値が充電目標電圧以上になった時から第１所定時間を経過した後、該蓄電体の入出力経路をＯＦＦして充電を中断または完了する第４ステップを含むことを特徴とする。
請求項１３に係る発明は、請求項１１または１２に記載の充電方法において、前記第１充電工程は、前記第２ステップと前記第３ステップとが繰り返し実行され、該第２ステップでは、充電目標電圧に到達してから第２所定時間が経過した蓄電ユニットに対応するバイパススイッチをＯＮし、該蓄電ユニットに流れていた電流を該バイパス回路に迂回させることを特徴とする。

【0026】

請求項１４に係る発明は、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の充電方法において、前記給電端子と前記受電端子とが電気的に接続されていない状態で、前記第１蓄電モジュールに蓄電された電力により前記第２蓄電モジュールを充電する第２充電工程を含むことを特徴とする。
請求項１５に係る発明は、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の充電方法において、前記給電端子と前記受電端子とが電気的に接続されていない状態で、前記第３蓄電モジュールに蓄電された電力により前記第４蓄電モジュールを充電する第３充電工程を含むことを特徴とする。

【0027】

請求項１６に係る発明は、請求項１０から１５のいずれか一項に記載の充電方法において、前記外部電源の電力により前記第１蓄電モジュールを充電する第４充電工程を含むことを特徴とする。

【0028】

請求項１７に係る発明は、請求項１０から１６のいずれか一項に記載の充電方法において、前記給電端子と前記受電端子とが電気的に接続されていない状態で、前記外部電源の電力により前記第２蓄電モジュールを充電する第５充電工程を含むことを特徴とする。
請求項１８に係る発明は、請求項１７に記載の充電方法において、前記外部電源の電力により前記第１蓄電モジュールを充電する第４充電工程を、前記第５充電工程と同時に行うことを特徴とする。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、低容量で小規模な外部電源に依存する給電装置、あるいは低圧電力線のみが敷設されている任意の個所に設置された給電装置から、反復利用される受電装置への急速充電が可能な充電システムおよび方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の実施形態に係る充電システムの基本形を示す概略回路図である。

【図2】本発明の実施形態に係る充電システムの発展形を示す概略回路図である。

【図3】本発明の実施形態に係る充電システムの第１，２スイッチの接続状態を示す概略回路図であり、（ａ）第１接続状態、（ｂ）第２接続状態、（ｃ）第３接続状態、（ｄ）第４接続状態、（ｅ）第５接続状態、（ｆ）第６接続状態、である。

【図4】本発明の実施形態に係る充電システムの各充電状態を示す概略回路図であり、（ａ）第１充電工程、（ｂ）第２充電工程、（ｃ）第３充電工程、（ｄ）第４充電工程、（ｅ）第１充電工程と第４充電工程との同時実行、（ｆ）第５充電工程、である。

【図5】本発明の充電システムに使用される蓄電モジュールの一例を示す概略回路図である。

【図6】本発明の第１実施形態に係る充電方法を示すフローチャートである。

【図7】本発明の第２実施形態に係る充電方法を示すフローチャートである。

【図8】本発明の第２実施形態に係る充電方法（図７）による蓄電ユニットの電圧と時間との関係を示した図である。

【図9】本発明の第３実施形態に係る充電方法を示すフローチャートである。

【図10】本発明の第３実施形態に係る充電方法（図９）による蓄電ユニットの電圧と時間との関係を示した図である。

【図11】本発明の第４実施形態に係る充電方法を示すフローチャートである。

【図12】本発明の第４実施形態に係る充電方法（図１１）による蓄電ユニットの電圧と時間との関係を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

（充電システム）
図１は本発明の実施形態に係る充電システムの基本形を示す概略回路図である。図１に示す充電システム１００は、商用電源などの外部電源Ｓと、外部電源Ｓから電力の供給を受けて、受電装置６０に対する電力の供給能力を有する給電装置５０と、給電装置５０に電気接続して適宜充電サービスを受ける受電装置６０と、を備えて構成されている。なお、図１，２に示す第１〜５充電工程は、図４に沿って後ほど詳細に説明する。

【0032】

また、給電装置５０に配置された給電端子Ａ１，Ａ１´（以下、単に給電端子Ａ１ともいう）と、受電装置６０に配置された受電端子Ａ２，Ａ２´（以下、単に給電端子Ａ２ともいう）と、を電気接続した状態で、受電装置６０は、給電装置５０から充電サービスを受ける。そして、受電装置６０が、満充電、または実用可能な充電状態に至れば、給電端子Ａ１と受電端子Ａ２とを切り離すことにより、受電装置６０は、給電装置５０から離れて本来の運搬機能などを実働させることが可能となる。

【0033】

（給電装置）
給電装置５０は、外部電源Ｓから電力の供給を受けることにより、受電装置６０をできるだけ短時間で満充電、または実用可能な充電状態にする電力供給体制を整えて待機する装置である。また、充電サービスを受ける受電装置６０は、電気自動車、構内搬送車、電動カートなど、充電式の移動体が想定されている。その充電式の移動体に、適切な充電サービスを行うための給電装置５０は、従来のガソリン車用のガソリンスタンドに代わる充電スタンド、あるいは充電ステーションを想定したものである。

【0034】

また、給電装置５０は、第１に多数の受電装置６０をできるだけ短時間で満充電にできること、第２に給電装置５０を、小規模な外部電源Ｓであっても、そこから電力の供給を受けて稼働できること、の２点に対する要望が強い。これらの要望を満足することにより、充電システム１００，１０１に関わる設備など利便性および稼働率の向上につながる。
給電装置５０は、第１蓄電モジュールＢ１と、第２蓄電モジュールＣ１と、第１スイッチＤ１と、給電スイッチＤ３と、制御部１と、給電端子Ａ，Ａ´と、を備えている。第１蓄電モジュールＢ１は、充放電可能な容量が大きい高エネルギー密度蓄電素子で構成されている。第２蓄電モジュールＣ１は、単位時間当たりに充放電可能な電流が大きい高出力密度蓄電素子で構成されている。

【0035】

第１スイッチＤ１は、第１蓄電モジュールＢ１を外部電源Ｓに接続し第２蓄電モジュールＣ１から切り離した第１接続状態と、第１蓄電モジュールＢ１を第２蓄電モジュールＣ１に接続し外部電源Ｓとは切り離した第２接続状態と、の切替が可能なスイッチである。 給電スイッチＤ３は、第２蓄電モジュールＣ１と給電端子Ａ１との間の給電経路に介挿され、その給電経路をＯＮ−ＯＦＦするスイッチである。

【0036】

制御部１は、受電装置６０側に配置された制御部２との通信により決定される制御パタンに基づいて、第１スイッチＤ１を含めた統合制御が可能であり、不図示のコンピュータと、それに実行させるプログラムを格納した記憶媒体等および通信手段を備えている。給電端子Ａ，Ａ´が、受電装置６０側に配置された受電端子Ｂ，Ｂ´に電気的接続された際、制御部１は、受電装置６０側に配置された制御部２と充電に関する情報通信を適宜実行する。また、制御部１は、必要に応じて、第１蓄電モジュールＢ１の出力電圧を昇圧させる手段、例えばＤＣ−ＤＣコンバータを有してもよい。

【0037】

（受電装置）
受電装置６０は、第３蓄電モジュールＣ２と、第４蓄電モジュールＢ２と、第２スイッチＤ２と、制御部２と、受電端子Ａ２，Ａ２´と、を備えている。第３蓄電モジュールＣ２は、高出力密度蓄電素子で構成されている。第４蓄電モジュールＢ２は、高エネルギー密度蓄電素子で構成されている。第２スイッチＤ２は、第４蓄電モジュールＢ２を負荷Ｌに接続し第３蓄電モジュールＣ２から切り離した第３接続状態と、第４蓄電モジュールＢ２を第３蓄電モジュールＣ２に接続し負荷Ｌから切り離した第４接続状態と、の切替が可能なスイッチである。

【0038】

制御部２は、給電装置５０に配置された制御部１との通信により決定される制御パタンに基づいて、第２スイッチＤ２を含めて総合制御が可能であり、不図示のコンピュータと、それに実行させるプログラムを格納した記憶媒体等および通信手段を備えている。受電端子Ａ２，Ａ２´が、給電装置５０側に配置された給電端子Ａ１，Ａ１´に電気的接続された際、制御部２は、給電装置５０側に配置された制御部１と充電に関する情報通信を適宜実行する。また、制御部２は、必要に応じて、第３蓄電モジュールＣ２の出力電圧を昇圧させる手段、例えばＤＣ−ＤＣコンバータを有してもよい。

【0039】

図２は、本発明の実施形態に係る充電システムの発展形を示す概略回路図である。図２に示す充電システム１０１と、図１に示した充電システム１００との相違点は、第１スイッチＤ１、第２スイッチＤ２、制御部１および制御部２（以下、両方をまとめて制御部１ともいう）が、それぞれ、第１スイッチＤ１０、第２スイッチＤ２０、制御部２１および制御部２２（以下、両方をまとめて制御部２１ともいう）に置き換えられた点である。

【0040】

第１スイッチＤ１０は、上述した第１接続状態と、第２接続状態と、に加えて、第２蓄電モジュールＣ１を外部電源Ｓに接続し第１蓄電モジュールＢ１から切り離した第５接続状態と、第１スイッチＤ１に係る接点の少なくともいずれか２点を導通させた状態と、を選択可能である。第２スイッチＤ２０は、第３接続状態と、第４接続状態と、に加えて、第３蓄電モジュールＣ２を負荷Ｌと接続し第４蓄電モジュールＢ２とは切り離した第６接続状態と、第２スイッチＤ２０に係る接点の少なくともいずれか２点を導通させた状態と、を選択可能である。

【0041】

図３は、本発明の実施形態に係る充電システムの第１，２スイッチの接続状態を示す概略回路図であり、（ａ）第１接続状態、（ｂ）第２接続状態、（ｃ）第３接続状態、（ｄ）第４接続状態、（ｅ）第５接続状態、及び（ｆ）第６接続状態である。
図３（ａ）に示す第１接続状態は、第１スイッチＤ１が、第１蓄電モジュールＢ１を外部電源Ｓに接続し、第２蓄電モジュールＣ１から切り離した状態である。
図３（ｂ）に示す第２接続状態は、第１スイッチＤ１が、第１蓄電モジュールＢ１を第２蓄電モジュールＣ１に接続し、外部電源Ｓとは切り離した状態である。このとき給電スイッチＤ３はＯＦＦしている。
図３（ｃ）に示す第３接続状態は、第２スイッチＤ２が、第４蓄電モジュールＢ２を負荷Ｌに接続し、第３蓄電モジュールＣ２から切り離した状態である。

【0042】

図３（ｄ）に示す第４接続状態は、第２スイッチＤ２が、第４蓄電モジュールＢ２を第３蓄電モジュールＣ２に接続し、負荷Ｌから切り離した状態である。このとき給電スイッチＤ３はＯＦＦしている。なお、過大な突入電流を防止するために、第３蓄電モジュールの電圧が所定の値より小さく、かつ第４蓄電モジュールの電圧が所定の値より大きい場合には、第４接続状態にならないように制御することが好ましい。
図３（ｅ）に示す第５接続状態は、第１スイッチＤ１０が、第２蓄電モジュールＣ１を外部電源Ｓに接続し、第１蓄電モジュールＢ１から切り離した状態である。このとき給電スイッチＤ３はＯＦＦしている。
図３（ｆ）に示す第６接続状態は、第２スイッチＤ２０が、第３蓄電モジュールＣ２を負荷Ｌと接続し、第４蓄電モジュールＢ２から切り離した状態である。このとき給電スイッチＤ３はＯＦＦしている。

【0043】

なお、制御部１，２１は、受電装置６０，６１側に配置された制御部２，２２との通信により決定される制御パタンに基づいて、第１，２スイッチＤ１，Ｄ１０，Ｄ２，Ｄ２０および、給電スイッチＤ３を含めた統合制御が可能である。制御パタンに基づいた統合制御は、不図示の記憶媒体に格納されたプログラムを、コンピュータが実行することにより実現する。制御部１，２は、第１，２スイッチＤ１，Ｄ２が、第２接続状態と、第４接続状態と、のいずれかの時に給電スイッチＤ３をＯＦＦする。そして、この第１スイッチＤ１が、第２接続状態と、第４接続状態と、のいずれでもない時に、給電スイッチＤ３をＯＮする。また、制御部２１、２２は、第１，２スイッチＤ１０，Ｄ２０が、第２接続状態と、第５接続状態と、第４接続状態と、第６接続状態と、のいずれかの時に給電スイッチＤ３をＯＦＦする。そして、制御部２１，２２は、第１，２スイッチＤ１０，Ｄ２０が、第２接続状態と、第５接続状態と、第４接続状態と、第６接続状態と、のいずれでもない時に給電スイッチをＯＮする。

【0044】

図４は、本発明の実施形態に係る充電システムの各充電状態を示す概略回路図であり、（ａ）第１充電工程、（ｂ）第２充電工程、（ｃ）第３充電工程、（ｄ）第４充電工程、（ｅ）第４充電工程と第５充電工程との同時実行、（ｆ）第５充電工程、である。これら第１〜５充電工程について、図１，２にも簡略に示したとおりである。なお、以下の説明において、大容量の第１、第４蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の容量は、高速充電可能な第２、第３蓄電モジュールＣ１，Ｃ２の容量に対し、一例として約５〜１０倍であるものとする。ただし、この倍数は、本発明を限定するものではない。

【0045】

（高速蓄電素子）
蓄電池やキャパシタの充電速度を表現する指標として、Ｃレートが用いられている。Ｃレートとは、蓄電池の有する全容量を１時間で充電する時の電流値を１Ｃとする単位である。
単位時間当たりの充放電可能な電流が大きい高出力密度蓄電素子とは、使用可能電圧の最小値まで放電した状態から１００Ｃの電流による充電後の容量が、前記放電した状態から１Ｃの電流による充電後の容量に対して、５０％以上となる性能の蓄電素子と定義する。なお、以下では、高出力密度蓄電素子のことを高速蓄電素子ともいう。具体的には、リチウムイオンキャパシタ（以下「ＬＩＣ」ともいう）や電気二重層キャパシタ（以下「ＥＤＬＣ」ともいう）やレドックスキャパシタが該当する。

【0046】

充放電可能な容量が大きい高エネルギー密度蓄電素子とは二次電池をいい、具体的には、リチウムイオン電池（以下、「ＬＩＢ」ともいう）、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、及び鉛蓄電池があげられる。
一般的なＬＩＢの最大の充電速度は１Ｃ程度であり、容量を犠牲にして充放電速度が向上するように最適化されたものであっても２０Ｃ程度である。この理由は、蓄電池の正極および負極における電気化学反応速度に由来するものであるので、それ以上の充電速度の高速化は原理的に困難である。これに対して、ＬＩＣやＥＤＬＣなどの高速蓄電素子は、数百Ｃで充電を行うことが可能である。

【0047】

（定格電圧）
なお、蓄電池では、安全性、および寿命などを考慮して充電電圧の最大値（以下、最大定格電圧または上限電圧ともいう）や放電電圧の最小値（以下、最小定格電圧または下限電圧ともいう）が定められている場合がある。放電電圧の最小値と充電電圧の最大電圧との間の電圧が、蓄電池の使用可能電圧となる。また、蓄電池では、最大定格電圧を超えた電圧まで充電することを過充電、最小定格電圧を超えた電圧まで放電することを過放電という。

【0048】

図４（ａ）に示す第１充電工程において、高速充電可能な第２蓄電モジュールＣ１に蓄電された電力を、高速充電可能な第３蓄電モジュールＣ２に、急速充電して緊急事態、例えば、完全放電状態に陥った移動体等を再び稼働させることができる。このとき、第１スイッチＤ１は第１接続状態であり、第２スイッチＤ２は第３接続状態である。なお、給電スイッチＤ３はＯＮしている。
図４（ｂ）に示す第２充電工程において、大容量の第１蓄電モジュールＢ１に蓄電された電力を、高速充電可能な第２蓄電モジュールＣ１に、急速充電して待機することができる。このとき、第１スイッチＤ１は第２接続状態であり、給電スイッチＤ３はＯＦＦ状態である。
図４（ｃ）に示す第３充電工程において、高速充電可能な第３蓄電モジュールＣ２に蓄電された電力を、大容量の第４蓄電モジュールＢ２に、急速充電して待機することができる。このとき、第２スイッチＤ２は第４接続状態であり、給電スイッチＤ３はＯＦＦ状態である。

【0049】

図４（ｄ）に示す第４充電工程において、外部電源Ｓの電力を、大容量の第１蓄電モジュールＢ１に、小電流で長時間充電する。このとき、第１スイッチＤ１は第１接続状態である。
図４（ｅ）に示す第４充電工程と第５充電工程とを同時に実行する状態において、外部電源Ｓの電力を、大容量の第１蓄電モジュールＢ１に小電流で長時間充電しながら、高速充電可能な第２蓄電モジュールＣ１に、急速充電して待機することができる。このとき、第１スイッチＤ１０に係る３つの接点を全て接続する第７接続状態である。なお、給電スイッチＤ３はＯＦＦしている。
図４（ｆ）に示す第５充電工程において、外部電源Ｓの電力を、高速充電可能な第２蓄電モジュールＣ１に、急速充電して待機することができる。このとき、第１スイッチＤ１０は第８接続状態である。なお、給電スイッチＤ３はＯＦＦしている。

【0050】

図１〜４に沿って示した本発明の実施形態に係る充電システム１００，１０１によれば、繁忙時に、給電装置５０，５１の蓄電池は、充電装置６０，６１への頻回の充電により、放電してしまい、給電能力を回復するための時間を要するところを、高速充電素子を用いた急速充電により、迅速に対応することが可能である。すなわち第１蓄電モジュールＢ１が放電状態となる頻度が高い場合、必要に応じて、外部電源から直接第２蓄電モジュールＣ１を充電することが可能なシステムとできる。そして、第２蓄電モジュールＣ１から第３蓄電モジュールＣ２へと急速充電することにより、1台の受電装置（移動体）が給電装置（ステーション）を占有する時間を短くすることが可能となる。また、第４蓄電モジュールＢ２が放電状態である場合、必要に応じて、直接第３蓄電モジュールＣ２からの放電で負荷を駆動することにより、第４蓄電モジュールＢ２への充電不足分を補うことが可能である。そのためには、第１スイッチＤ１，Ｄ１０、第２スイッチＤ２，Ｄ２０と、給電スイッチＤ３と、を適切に切替制御する。そうすることにより、急速充放電可能なキャパシタを蓄電素子とする第３蓄電モジュールＣ２に対して、短時間に充電可能な第２蓄電モジュールＣ１を、給電端子Ａ１と、受電端子Ａ２と、を介して接続する。その結果、給電装置に電力供給する外部電源は小規模で足りる。そして、受電装置が放電状態のために電力供給不能となる不稼働の時間を短縮することができる。以下、充電システム１０１の説明には、充電システム１００も含まれているものとする。

【0051】

（蓄電モジュール１０）
受電装置６０は、瞬間的な大電流での充放電を必要とする用途においては、図５に沿って高速蓄電素子の複数が直列に接続された蓄電体を含む蓄電モジュール１０を使用することが考えられる。図５は、本発明の充電システムに使用される蓄電モジュールの一例を示す概略回路図である。図５に示す蓄電モジュール１０は、図１，２に示した第３蓄電モジュールＣ２に適用した一例である。

【0052】

図１，２に示した第３蓄電モジュールＣ２は、図５に示す蓄電モジュール１０で構成されている。この蓄電モジュール１０は、蓄電体Ｋと、スイッチ回路１４と、バイパス回路Ｘｉ（ｉ＝１〜Ｎ）と、バイパス制御部Ｇと、第１〜３タイミング制御部７１〜７３と、を備えて構成されている。蓄電体Ｋは、複数の蓄電ユニットＥｉ（ｉ＝１〜Ｎ）で構成される。このことを蓄電ユニットＥｉとも示す。スイッチ回路１４は、蓄電体Ｋに直列に接続されている。蓄電ユニットＥｉ（ｉ＝１〜Ｎ）にはそれぞれバイパス回路Ｘｉ（ｉ＝１〜Ｎ）が、並列に接続されている。バイパス回路Ｘｉ（ｉ＝１〜Ｎ）には、それぞれバイパススイッチＦｉ（ｉ＝１〜Ｎ）と抵抗Ｒｉ（ｉ＝１〜Ｎ）とが、直列に介挿されている。バイパス制御部Ｇは、電圧検出器１３ａを有し、蓄電ユニットＥｉそれぞれの電圧を検出する。バイパス制御部Ｇは、電圧検出器１３ａが検出した検出値に基づいてバイパススイッチＦｉを、ＯＮ−ＯＦＦ制御する。蓄電ユニットＥｉ毎に並列接続されたスイッチＦｉがＯＮすることによりバイパス経路が導通される。また、バイパス制御部Ｇは、充電スイッチＪのＯＮ／ＯＦＦ制御も行う。

【0053】

図５に示す蓄電ユニットＥ１，Ｅ２は、それぞれ高速蓄電素子Ｃ２１，Ｃ２２と、で構成されている。なお、蓄電ユニットＥｉは、高速蓄電素子を各１個ずつ含むものに限定されず、複数の並列接続された高速蓄電素子を含むものであってもよい。さらに、給電装置５１側の第２蓄電モジュールＣ１に含まれる蓄電ユニットＥｉの満充電時の電力量の合計は、受電装置６１側の第３蓄電モジュールＣ２に含まれる蓄電ユニットの満充電時の電力量の合計より多いことが、高速充電には都合がよい。ここで、満充電時とは最大定格電圧まで充電した状態をいう。

【0054】

図５に示した蓄電モジュール１０は、蓄電体Ｋから出力される電流を外部に出力する時、図３（ｆ）に示した第２スイッチＤ２０の第６接続状態によって、端子１５ａ，１５ｂに負荷Ｌが接続される。一方、充電時には、端子１５ａ，１５ｂに、充電電圧が印加されるように、図１，２に示した給電スイッチＤ３がＯＮされる。そして、充電時には、蓄電モジュール１０の内部で、充電スイッチＪが、バイパス制御部ＧによってＯＮされることにより、端子１５ａ，１５ｂ間に充電電圧が印加されて蓄電体Ｋは充電される。また、充電スイッチＪがバイパス制御部ＧによってＯＦＦされると、蓄電体Ｋへの充電が停止する。このバイパス制御部Ｇは、蓄電ユニットＥｉそれぞれの電圧を電圧検出器１３ａが検出した検出値に基づいてバイパススイッチＦｉを、ＯＮ−ＯＦＦ制御されるように構成されている。

【0055】

充電スイッチＪと並列に接続されているダイオード１４１は、蓄電体Ｋの使用時、すなわち端子１５ａ，１５ｂ間に負荷Ｌが接続された状態で、充電スイッチＪのＯＮ、ＯＦＦに関わらず、ダイオード１４１に順方向電流が流れることにより、蓄電体Ｋは放電することができる。充電スイッチＪは、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、トライアックなどが好適であり、蓄電モジュール１０の使用条件となる電圧値や電流値に応じて選択することができる。

【0056】

特に、多くの蓄電ユニットＥｉを直列接続し、蓄電モジュール１０の電圧を高電圧にする場合、充電スイッチＪとして、ＩＧＢＴ素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＧＴＯ素子（ゲートターンオフサイリスタ）など、耐電圧性の高いスイッチ素子を使用することが好ましい。
好ましい態様の一例としては、充電スイッチＪには、ＭＯＳＦＥＴ（三洋半導体株式会社製ＢＢＳ３００２）を用いることができる。また、バイパススイッチＦｉには、ＭＯＳＦＥＴ素子（インフィニオンテクノロジーズ株式会社製ＢＳＣ０１６Ｎ０３ＭＳＧ）を用いて、抵抗Ｒｉの値＝８００ｍΩに設定することができる。

【0057】

図５に示す第１タイミング制御部７１は、電圧検出器１３ａが蓄電ユニットＥｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の電圧を検出し、そのうちの少なくとも１つの蓄電ユニットＥｊが、充電目標電圧Ｖ１以上となったことを検出してから、第１所定時間Ｔ１を経過した時に、充電スイッチＪをＯＮからＯＦＦにするように、タイミングを設定する（図９のＳ９０８および図１０参照）。
第２タイミング制御部７２は、電圧検出器１３ａが蓄電ユニットＥｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の電圧を検出し、そのうちの蓄電ユニットＥｊが、充電目標電圧Ｖ１以上となったことを検出してから、第２所定時間Ｔ２を経過した時に、バイパススイッチＦｊを、ＯＦＦからＯＮにするタイミングを設定する（図１１のＳ９４０および図１２参照）。

【0058】

また、第３タイミング制御部７３は、後述する第３所定時間Ｔ３（ダイムチャート不図示）を経過したタイミングを設定する。なお、タイミング制御部７１，７２，７３としては、例えば、タイマＩＣに抵抗とキャパシタとで時定数を設定した回路を使用することができる。ここで、これらの回路の少なくとも１つの抵抗として可変抵抗器を使用すると、設定時間を任意に可変できる。

【0059】

（バランシング）
蓄電モジュール１０を繰り返し充放電して使用するためには、バランシングを行うことが必須であると考えられる。以下、バランシングについて説明する。バランシングとは、複数の蓄電ユニットが直列接続された蓄電体を含む蓄電モジュール１０の充電方法において、上述のＣＣＣＶ充電時に蓄電ユニット間の電圧のばらつきがないように調整する制御を意味する。また、蓄電ユニット間の電圧にばらつきがある状態を、アンバランスともいう。蓄電モジュール１０では、その充放電時に、蓄電モジュール１０内の蓄電池間でアンバランスが発生する。このような電圧のアンバランスは、各蓄電池の製造ばらつきによる容量の違いや蓄電モジュール１０内における配置による環境温度の違いなどによって発生する。

【0060】

一般的に、リチウムイオン電池は、過充電および過放電を防止する機能も備えて蓄電モジュール１０を構成する。このため、複数の蓄電ユニットを用いた蓄電モジュール１０において電圧のアンバランスが発生すると、蓄電モジュール１０内の１つの蓄電池の電圧が上限電圧に達したことによって他の蓄電池は充電可能であってもそれ以上充電できなくなる。

【0061】

また、１つの蓄電池の電圧が放電電圧の最小値に達すると他の蓄電池は放電可能であってもそれ以上放電できなくなる。このような蓄電モジュール１０の構成は、蓄電モジュール１０を構成する各蓄電池の性能を十分に引き出すことができず、蓄電モジュール１０の全体の容量を低下させることになる。上述した電圧のアンバランスを解消するために、様々な電圧のバランシング方法が開発されてきた。従来の一般的なバランシング方法としては、抵抗とスイッチ素子とを直列接続したバイパス回路を各蓄電ユニットに並列接続する方法がある。

【0062】

（バイパス回路）
図５に示すように、第３蓄電モジュールＣ２を構成する蓄電モジュール１０は、蓄電ユニットＥ１に並列に接続されたバイパス回路Ｘ１、蓄電ユニットＥ２に並列に接続されたバイパス回路Ｘ２と、これらのバイパス回路Ｘｉを制御するバイパス制御部Ｇと、第１〜３タイミング制御部７１〜７３と、を備えている。また、バイパス制御部Ｇは、蓄電ユニットＥｉの電圧値を、個別に検出する電圧検出器１３ａを備えている。第１〜３タイミング制御部７１〜７３は、後述する発熱対策のために、第１〜３所定時間Ｔ１〜Ｔ３を設定する。

【0063】

バイパス回路Ｘ１は、直列接続された抵抗Ｒ１と、バイパススイッチＦ１とを備えている。それと同様に、バイパス回路Ｘ２は、直列接続された抵抗Ｒ２と、バイパススイッチＦ２とを備えている。充電時に、バイパス制御部Ｇが、バイパススイッチＦ１をＯＮにすると、蓄電ユニットＥ１への充電がバイパスされるので、充電されずに、このバイパス回路の抵抗Ｒ１により蓄電ユニットＥ１の電力が発熱消費される。また、バイパス制御部Ｇが、バイパススイッチＦ１をＯＦＦすると、蓄電ユニットＥ１への充電が行われる。逆に、蓄電モジュール１０の使用時には、バイパススイッチＦ１がＯＦＦされて、蓄電ユニットＥ１から無駄なく放電される。

【0064】

なお、図５に示すように、バイパス回路Ｘ１とバイパス回路Ｘ２とは、同様の構成であるため、バイパス回路Ｘ２は、バイパス制御部Ｇの制御により、上述したバイパス回路Ｘ１と同様の動作をする。ただし、バイパス制御部Ｇは、電圧検出部１３ａにより蓄電ユニットＥｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の電圧を個別に検出し、検出された電圧値に基づいて、バイパス回路Ｘｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を導通させるバイパススイッチＦｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を、個別にＯＮ／ＯＦＦ制御する。また、バイパス制御部Ｇは、充電状況に応じた制御パタンに基づいて、充電の開始時に充電スイッチＪをＯＮし、充電の終了時、または中断時に充電スイッチＪをＯＦＦするように制御する。

【0065】

蓄電モジュール１０の蓄電ユニットＥｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を構成する高速充電素子は、ＬＩＣ、ＥＤＬＣ、レドックスキャパシタの順に好適である。特に、内部抵抗が小さく、最大充電電流を１００Ｃ以上にできるＬＩＣまたはＥＤＬＣが好適である。さらに、ＬＩＣの方がＥＤＬＣよりも自己放電が少なく、より高エネルギー密度であるため、現時点では最適である。なお、以上の説明において、図５には説明を簡単にするため蓄電ユニットを２つ直列接続した例を示したが、蓄電ユニットの数は２つに限定されるものでなく、求める電圧に応じて適宜に数量を設定すれば良い。

【0066】

（第１実施形態：急速充電）
以下、図１，２，６を用いて本発明の第１実施形態を説明する。第１実施形態は、急速充電を目的としている。図６は、本発明の第１実施形態に係る充電方法を示すフローチャートである。図１，２，６に示すように、給電端子Ａ１と、受電端子Ａ２とを電気的接続する（ステップＳ６００）。つぎに、図１に示す制御部１に含まれる不図示の検出・演算手段により、第２蓄電モジュールＣ１の電圧を検出し、その放電可能容量を算出する（ステップＳ６０１）。そして、図１，２に示す制御部１，２１に含まれる不図示の検出・演算手段により、第３蓄電モジュールＣ２の電圧を検出し、その充電可能容量を算出する（ステップＳ６０２）。つぎに、制御部１，２１により充電時間を算出するとともに、充電することが可能か否かを判断する（ステップＳ６０３）。充電不可能（ステップＳ６０３：Ｎｏ）なら待機する（ステップＳ６０４）。ステップＳ６０５で待機時間が経過したら、ステップＳ６０１へ戻る。

【0067】

一方、充電可能（ステップＳ６０３：Ｙｅｓ）ならば、給電スイッチＤ３をＯＮする（ステップＳ６０５）。つぎに、第２蓄電モジュールＣ１の電圧が下限電圧以下であるか否かを、制御部１により判断する（ステップＳ６０６）。第２蓄電モジュールＣ１の電圧が下限電圧以下であれば（ステップＳ６０６：Ｙｅｓ）、給電スイッチＤ３をＯＦＦする（ステップＳ６０９）。そして、給電端子Ａ１と、受電端子Ａ２との電気的接続を解除する（ステップＳ６１０）。

【0068】

一方、第２蓄電モジュールＣ１の電圧が下限電圧以下でなければ（ステップＳ６０６：Ｎｏ）、第２蓄電モジュールＣ１の電圧が上限電圧以上であるか否かを、制御部１により判断する（ステップＳ６０７）。第２蓄電モジュールＣ１の電圧が上限電圧以上であれば（ステップＳ６０７：Ｎｏ）、給電スイッチＤ３をＯＦＦする（ステップＳ６０９）。そして、給電端子Ａ１と、受電端子Ａ２との電気的接続を解除する（ステップＳ６１０）。

【0069】

一方、第２蓄電モジュールＣ１の電圧が上限電圧以上でなければ（ステップＳ６０８：Ｎｏ）、給電スイッチＤ３のＯＮ時間が上限以上であるか否かを、制御部１に含まれる不図示の時間計測手段により判断する（ステップＳ６０８）。給電スイッチＤ３のＯＮ時間が上限以上であれば（ステップＳ６０８：Ｙｅｓ）、給電スイッチＤ３をＯＦＦする（ステップＳ６０９）。そして、給電端子Ａ１と、受電端子Ａ２との電気的接続を解除する（ステップＳ６１０）。一方、給電スイッチＤ３のＯＮ時間が上限以上でなければ（ステップＳ６０８：Ｎｏ）、ステップＳ６０６へ戻って、上述した工程を繰り返す。なお、上述した上限電圧と下限電圧とは、使用可能電圧として規定された値であり、既に説明したとおりである。また、制御部１が、給電スイッチＤ３のＯＮ時間を、ステップＳ６０８で適正範囲内に管理することは、蓄電池にとって安全な充電方法である。

【0070】

なお、本実施形態に係る「ステップＳ６０５〜Ｓ６０９」は、本発明に係る「第１ステップ」に該当する。
このように、第１実施形態で示した充電方法によれば、繁忙時における給電装置５１の第１蓄電モジュールＢ１が、放電状態となる頻度が高い場合、第１スイッチＤ１と、第２スイッチＤ２と、を適切に切替制御することにより、急速充放電可能なキャパシタを蓄電素子とする第３蓄電モジュールＣ２に対して、上述したスイッチ操作で短時間に充電可能な第２蓄電モジュールＣ１を、給電端子Ａ１と、受電端子Ａ２と、を介して接続して急速充電することにより、第４蓄電モジュールＢ２の充電不足分を補うことが可能である。その結果、給電装置に電力供給する外部電源は小規模で足りる。そして、受電装置が放電状態のために電力供給不能となる不稼働の時間を短縮することができる。

【0071】

（第２実施形態：急速充電＋バランシング）
以下、主に図５，７，８を用いて本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態は、急速充電およびバランシングを目的としている。図７は、本発明の第２実施形態に係る充電方法を示すフローチャートである。このフローチャートは、図５に示した蓄電モジュール１０の蓄電ユニットＥｉを、すべてのＥｉの電圧が所定の範囲内に入るようにバランシングさせて充電した例を示している。図８は、本発明の第２実施形態に係る充電方法（図７）による蓄電ユニットの電圧と時間との関係を示した図である。

【0072】

蓄電ユニットＥｉは、上述したＣＣＣＶ充電を行いつつ、高速蓄電素子Ｃ２１，Ｃ２２間のバランシングを行う。まず、充電時には、受電端子Ａ２，Ａ２´に、給電端子Ａ１，Ａ１´が接続される。それから、蓄電ユニットＥｉは、端子１５ａ，１５ｂ間の電圧が充電指標と定めた電圧値（以下、充電指標ともいう）Ｖ２０になるまで、定電流で充電される。その後、蓄電ユニットＥｉは、受電端子１５ａ，１５ｂ間の充電目標電圧Ｖ２０を維持するように、定電圧充電される。なお、図５で示した端子１５ａ，１５ｂは、図１，２で示した受電端子Ａ２，Ａ２´に常時接続されているため、実質同一であるが、図に沿った説明の都合により表記を適宜使い分ける。

【0073】

また、定電流充電により、端子１５ａ，１５ｂ間の電圧が充電目標電圧Ｖ２０になった時点では、蓄電ユニットＥｉの内部抵抗によるＩｒ電圧降下分だけ満充電状態には電圧不足であり未到達である。このＩｒ電圧降下分を充足するため、その原因となるＩｒ電圧降下を少なくするように、電流を徐々に小さくしながら時間をかけて定電圧充電することにより、ほぼ満充電近くまで充電することができる。

【0074】

蓄電モジュール１０の充電目標電圧Ｖ２０は、各蓄電ユニットＥｉの充電目標とする最大電圧値、すなわち充電目標電圧Ｖ１と蓄電ユニットＥｉの直列接続数Ｎから決定される。すなわち、充電目標電圧Ｖ２０は、下式（１）で決定される。
Ｖ２０ ＝Ｖ１×Ｎ …式（１）
蓄電ユニットＥｉにおいて、充電目標電圧Ｖ１は、高速蓄電素子Ｃ２１，Ｃ２２の充電上限電圧と、放電下限電圧と、の間に設定される。詳しくは、充電上限電圧と、放電下限電圧と、の中間値よりも、いくらか充電上限電圧に近寄せた値に設定される。

【0075】

また、蓄電ユニットＥｉの電圧が、充電目標電圧Ｖ１に到達したことに基づいて、バイパス制御部Ｇが、充電電流を充電スイッチＪにより一度ＯＦＦしたにもかかわらず、その直後、蓄電ユニットＥｉの電圧が、Ｉｒ電圧降下分だけ低めに検出されることによって、バイパス制御部Ｇが、再度ＯＮすることを繰り返すといった不安定な動作をすることがある。この不安定な動作を避けるため、蓄電ユニットＥｉの検出電圧と、充電電流のＯＮ／ＯＦＦ制御と、の関係には、ヒステリシスを持つように設定される。

【0076】

つまり、一度ＯＦＦするとＯＦＦを継続しやすく、逆に一度ＯＮするとＯＮを継続しやすくなるように、充電電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するための閾値に幅を持たせてある。そのため、充電目標電圧Ｖ１に対して所定幅だけ低く設定された充電再開電圧Ｖ２は、下式（２）に設定される。
Ｖ２＝Ｖ１−（Ｉｒ電圧降下分＋α） …式（２）
したがって、内部抵抗１３ｍΩのＬＩＣを、充電電流Ｉ＝３０Ａ、充電目標電圧Ｖ１＝４．０Ｖで充電する場合、充電再開電圧Ｖ２＝Ｖ１−Ｉｒ＝３．６１Ｖ未満、例えば３．５Ｖに設定される。

【0077】

図７に示すように、充電開始前、バイパス制御部Ｇは、充電スイッチＪをＯＮ、バイパススイッチＦｉはＯＦＦにする（ステップＳ７００）。そして、電圧検出器１３ａは、定電流充電中に、蓄電ユニットＥｉの電圧を検出する（ステップＳ７０１）。つぎに、バイパス制御部Ｇは、検出された蓄電ユニットＥｉの電圧が、充電目標電圧Ｖ１以上であるかどうかを判定（ステップＳ７０２）する。その結果、充電目標電圧Ｖ１以上でない場合（ステップＳ７０２：Ｎｏ）、電圧検出器１３ａは、再び蓄電ユニットＥｉの電圧検出を継続し、充電目標電圧Ｖ１に達するまで待機する。なお、図７，９では、多数のＥ１，Ｅ２，…，Ｅｉ，…，Ｅｎに対応するバイパス回路Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘｉ，…，Ｘｎ、バイパススイッチＦ１，Ｆ２，…，Ｆｉ，…，Ｆｎおよび抵抗Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｉ，…，Ｒｎ、を想定して記載している。

【0078】

また、バイパス制御部Ｇは、充電目標電圧Ｖ１以上に到達した蓄電ユニットＥｊがあれば（ステップＳ７０２：Ｙｅｓ）、蓄電ユニットＥｊと並列に接続されているバイパス回路ＸｉのバイパススイッチＦｊをＯＮにする。バイパススイッチＦｊがＯＮになれば、ＯＮされたバイパス回路Ｘｊの抵抗Ｒｊに充電電流が迂回する（ステップＳ７０３）。このように、バイパス回路がＯＮされた方のバイパススイッチをＦｊ、それに対応する抵抗をＲｊ、蓄電ユニットをＥｊと表記する。

【0079】

この時、抵抗Ｒｊと並列接続されている蓄電ユニットＥｊからも若干の電流が、抵抗Ｒｊへ流れるため、蓄電ユニットＥｊの電圧値が低下する。この電圧低下速度は、抵抗Ｒｊの抵抗値が小さいほど大きくなる。この現象は、図８の鋸歯状の区間において、電圧Ｖ１からＶ２へと下がる勾配により示すとおりである。ここで、電圧検出器１３ａは、ＯＮされた方のバイパススイッチＦｊに対応する蓄電ユニットＥｊの電圧検出を継続し、充電目標電圧Ｖ１に達するまで待機する（ステップＳ７０４）。

【0080】

つぎに、バイパス制御部Ｇは、バイパス回路がＯＮされた蓄電ユニットＥｊの電圧値が、充電再開電圧Ｖ２以下であるか否か判断する（ステップＳ７０５）。蓄電ユニットＥｊの電圧値が、充電再開電圧Ｖ２以上である場合、バイパススイッチＦｊをＯＮのまま維持し、ステップＳ７０４へ戻る（ステップＳ７０５：Ｎｏ）。一方、電圧値がＶ２以下の蓄電ユニットがある場合（ステップＳ７０５：Ｙｅｓ）、この蓄電ユニットＥｊに並列接続されているバイパススイッチＦｊをＯＦＦすることにより、充電再開電圧Ｖ２以下になった蓄電ユニットＥｊへ充電電流を流す（ステップＳ７０６）。さらに、電圧検出器１３ａは、すべての蓄電ユニットＥｉの電圧検出を継続（ステップＳ７０７）する。

【0081】

また、バイパス制御部Ｇは、すべての蓄電ユニットＥｉの電圧値が、充電目標電圧Ｖ１以下で充電再開電圧Ｖ２以上の範囲であるか否かを判断する（ステップＳ７０７）。電圧値が、Ｖ１〜Ｖ２の範囲内の蓄電ユニットＥｊは（ステップＳ７０７：Ｙｅｓ）、充電・電圧均等化を完了する（ステップＳ７０８）。一方、電圧値が、Ｖ１〜Ｖ２の範囲外の蓄電ユニットＥｉは（ステップＳ７０７：Ｎｏ）、ステップＳ７０１に戻って、蓄電ユニットＥｉの電圧を検出することを繰り返す。以下、蓄電モジュール１０では、上述した動作が繰り返される。

【0082】

充電の開始と終了は、端子１５ａ，１５ｂが、受電端子Ａ２，Ａ２´として接続された給電装置５０の制御部１によって制御される。給電装置５０で予め設定されている充電終了条件に到達すると、この給電装置５０は充電を終了する。この時、バイパス制御部Ｇは、図７に示したステップＳ７０１からステップＳ７０８のいずれかの状態で停止する。給電装置５０で予め設定されている充電終了条件には、以下の条件が該当し、このうちの少なくともいずれか１つが成立すると、給電装置５０が充電電流を停止する。給電装置５０では、制御部１に備えられた不図示のプログラムおよびそれを実行するコンピュータが、以下の条件のいずれかに該当したことを認識すれば、給電スイッチＤ３をＯＦＦすることにより、充電を停止する。

【0083】

・充電開始から所定の時間Ｔ１０が経過した場合（図８）。
・ＣＣＣＶ充電において、ＣＣ充電からＣＶ充電に切り替わってから所定の時間が経過した場合。
・ＣＣＣＶ充電において、ＣＶ充電中に流れる電流量が所定の値より小さくなった場合。
・ＣＣＣＶ充電において、ＣＶ充電中に流れる電流量の時間変化が所定の値より小さくなった場合。

【0084】

図８は、横軸に時間、縦軸に蓄電ユニットの充電電圧を示している。この図８に示すとおり、図７に示した第２実施形態に係る充電方法によれば、蓄電モジュール１０の１つの蓄電ユニットの電圧値をＶ２からＶ１の範囲に収めることができる。
しかし、図８に示した蓄電モジュール１０の充電を上述したように制御した場合、以下のような問題が発生する。すなわち、例えば、給電装置に設定された充電終了の条件が充電時間Ｔ１０の経過であるとすると、蓄電モジュール１０がバイパス動作を開始してから時間Ｔ１０が経過して充電が終了するまでの間、蓄電体に投入される電流のかなりの部分が抵抗Ｒｉに流れるため、熱として消費されてしまう。この熱によって蓄電モジュール１０内の温度が上昇し、強制冷却しないと動作不能な温度まで到達する場合がある。
以上説明した第２実施形態に係る充電方法では、充電終了後の充電スイッチＪはＯＦＦになっている。充電スイッチＪがＯＦＦからＯＮになるタイミングは、以下のいずれかの方法によって検出される。

【0085】

・バイパススイッチＦｉがそれぞれＯＮ、ＯＦＦ制御される信号を用い、バイパススイッチＦｉが全てＯＦＦであることを検知した時に充電スイッチＪをＯＮにする。
・蓄電ユニットＥｉの電圧が充電再開電圧Ｖ２以下である時に充電スイッチＪをＯＮにする。
・蓄電モジュール１０を使用する（放電する）時に、スイッチ回路１４のダイオード１４１に流れる電流を検知し、検知された電流が所定の電流値以上になった場合に充電スイッチＪをＯＮにする。

【0086】

なお、本実施形態に係る「ステップＳ７００」は、本発明に係る「第１ステップ」に該当する。また、本実施形態に係る「ステップＳ７０１〜Ｓ７０３」は、本発明に係る「第２ステップ」に該当する。本実施形態に係る「ステップＳ７０４〜Ｓ７０６」は、本発明に係る「第３ステップ」に該当する。
また、蓄電ユニットの電圧は充電目標電圧Ｖ１以上になる場合があるが、充電電圧の最大値、または図示しない過充電保護電圧を超えない範囲内で図８に示す時間Ｔ１０を設定することができる。時間Ｔ１０を設定する方法の他にも、充電目標電圧Ｖ１の値を本来所望とする電圧値よりも若干小さく設定することで、蓄電ユニットの電圧が充電上限電圧、または図示しない過充電保護電圧に到達しないように制御することができる。

【0087】

以上説明した抵抗に電流をバイパスさせる動作は、蓄電体に含まれる蓄電ユニット間の電圧バランシングを目的として行われる。しかし、上記のようにバイパスさせる回数を減少させ、一定時間経過後に充電電流を遮断させることは、蓄電ユニット間の電圧バランシングという目的達成を困難にする可能性がある。
しかしながら、第２実施形態の充電方法は、１度目の充電直後で多少電圧のアンバランスが残っていたとしても、充電終了後に負荷を接続して放電し、再度充電する作業を複数回繰り返すことによって、累積的に増加することはなく、よりバランスがとれた状態に近づく。つまり、蓄電モジュール１０を実際に移動機器や電子機器に搭載して使用する場合には、蓄電体の高速蓄電素子や蓄電ユニットを、電圧のばらつき無く動作させることができる。

【0088】

（発熱問題）
バイパス回路によるバランシングでは発熱する欠点がある。すなわち、蓄電モジュール１０において、バイパス回路Ｘｉ側に流れた電流は抵抗Ｒｉによって熱に変わる。この時に発生する熱量は電流の２乗に比例する。そして、蓄電池を高エネルギー密度蓄電素子から高出力密度蓄電素子に代えたことにより、高速充電するための大きな充電電流を流すと大量の熱が発生し、蓄電モジュール１０内の温度を大幅に上昇させ、蓄電モジュール１０内の高速蓄電素子Ｃ２１，Ｃ２２の寿命を短くしてしまう虞がある。
蓄電モジュール１０内の温度上昇は、電流によって発生した熱を放熱させるための放熱フィンや放熱ファンなどを設けることによって回避することができる。しかし、このような部材を設けることは、蓄電モジュール１０全体のサイズを大型化させてしまう。

【0089】

（発熱対策）
発熱対策として、蓄電モジュール１０は、充電スイッチＪをＯＮからＯＦＦにするタイミングを、電圧検出器１３ａによって蓄電ユニットＥｉのいずれかの電圧値が、充電目標電圧Ｖ１以上になったことが検出されてから、第１所定時間Ｔ１を経過したタイミングとする第１タイミング制御部（例えば図５に示した第１タイミング制御部７１）を備えている。詳しくは、後ほど図９，１０に沿って説明する。

【0090】

また、発熱対策として、蓄電モジュール１０は、第２バイパススイッチＦｉそれぞれを、ＯＦＦからＯＮにするタイミングを、その第２バイパススイッチＦｉが接続された蓄電ユニットＥｉの電圧値が、電圧検出器１３ａによって充電目標電圧Ｖ１以上となったことが検出されてから、第２所定時間Ｔ２を経過したタイミングとする第２タイミング制御部（例えば図５に示した第２タイミング制御部７２）を備えている。詳しくは、後ほど図１１，１２に沿って説明する。

【0091】

さらなる発熱対策として、蓄電モジュール１０は、第２バイパススイッチＦｉを、ＯＮからＯＦＦにするタイミングを、その第２バイパススイッチＦｉが接続された蓄電ユニット蓄電ユニットＥｉの電圧値が、電圧検出器１３ａによって充電再開電圧Ｖ２以下となったことが検出されてから、第３所定時間Ｔ３（タイムチャート不図示）を経過したタイミングとする、第３タイミング制御部（例えば図５に示した第３タイミング制御部７３）を備えている。

【0092】

（第３実施形態：急速充電＋急速セルバランス＋発熱抑制）
以下、図５，９，１０を用いて本発明の第３実施形態を説明する。この第３実施形態は、急速充電、急速セルバランスおよび、発熱抑制を目的としている。図９は本発明の第３実施形態に係る充電方法を示すフローチャートである。図１０は、本発明の第３実施形態に係る充電方法（図９）による蓄電ユニットの電圧と時間との関係を示した図である。図１０の横軸は時間を、縦軸は蓄電ユニットＥｉの充電電圧を示している。横軸に示した時間Ｔ１０は、給電装置５０に設定される充電時間である。また、図９のフローチャートのうち、ステップＳ９０２〜９０７までの処理は図７に示したフローチャートのステップＳ７０１〜Ｓ７０６までの処理と同様に行われる。

【0093】

図９に示すように、充電開始時、バイパス制御部Ｇは、充電スイッチＪをＯＦＦ、かつ、バイパススイッチＦｉもＯＦＦである（ステップＳ９００）。そして、充電スイッチＪをＯＮにすることにより、蓄電ユニットＥｉに充電電流を流す（ステップＳ９０１）。そして、充電開始時、バイパス制御部Ｇの電圧検出器１３ａは、定電流充電しながら蓄電ユニットＥｉの電圧を検出する（ステップＳ９０２）。バイパス制御部Ｇは、蓄電ユニットＥｉの電圧検出値が、充電目標電圧Ｖ１以上でない場合（ステップＳ９０３：Ｎｏ）、再び蓄電ユニットＥｉの電圧検出を継続しながら充電目標電圧Ｖ１に達するまで待機する。

【0094】

また、バイパス制御部Ｇは、電圧検出器１３ａによって蓄電ユニットＥｉの電圧を検出し、充電目標電圧Ｖ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ９０３）。蓄電ユニットＥｉのうち、充電目標電圧Ｖ１以上の蓄電ユニットＥｊがあれば（ステップＳ９０３：Ｙｅｓ）、充電目標電圧Ｖ１以上になっている蓄電ユニットＥｊと並列に接続されているバイパス回路ＸｊのバイパススイッチＦｊをＯＮにし、充電電流を抵抗Ｒｊに迂回させる（ステップＳ９０４）。そして、充電目標電圧Ｖ１以上に到達している蓄電ユニットＥｊの電圧検出を電圧検出器１３ａによって継続する（ステップＳ９０５）。

【0095】

上述した第１〜３実施形態の充電目標電圧Ｖ１は、蓄電ユニットに組み込まれる高速蓄電素子の充電上限電圧と放電下限電圧の間に設定される。一般的には、充電上限電圧と放電下限電圧の中間の値から、充電上限電圧の間に設定される。また、充電時の目標電圧の最小電圧値（充電再開電圧Ｖ２）は目標電圧の最大の出圧値Ｖ１の０．９倍から１．０倍の間の値に設定される。より好ましくは０．９５倍から１．０倍の間の値に設定され、さらに好ましくは０．９７倍から１．０倍の間の値に設定される。充電再開電圧Ｖ２の設定は、充電再開電圧Ｖ２を、チャタリングを起こさせないようにＶ２＝Ｖ１−（Ｉｒ＋α）と設定する従来技術とは大きく異なり、高速蓄電素子を大電流で短時間の間にバランスさせることを可能としている。

【0096】

図９に示すステップＳ９０４において、バイパススイッチＦｊがＯＮとなり、蓄電ユニットＥｊと、それに並列接続された抵抗Ｒｊと、のバイパス回路Ｘ１に流れて新たに電流が増加する。その増加した電流と、蓄電ユニットＥｊの内部抵抗ｒと、の積による電圧降下の影響が生じる。その電圧降下によって、蓄電ユニットＥｉそれぞれの電圧が、充電再開電圧Ｖ２以下にならないように、抵抗Ｒｉの値が決定される。具体的には、抵抗Ｒｉの抵抗値を蓄電ユニットＥｉの内部抵抗値ｒで除した値を、９．０から９３．６の範囲内に設定すれば良い。好ましくは、その値を、１８．５から９３．６の範囲内に設定すれば良い。さらに好ましくは、その値を３２．７から９３．６の範囲内に設定すれば良い。

【0097】

ステップＳ９０４で、バイパススイッチＦｊがＯＮとなった後、電圧検出器１３ａは、ＯＮされたバイパススイッチＦｊに対応する蓄電ユニットＥｊの電圧検出を継続する（ステップＳ９０５）。つぎに、バイパス制御部Ｇは、バイパス回路がＯＮされた蓄電ユニットＥｊの電圧値が、充電再開電圧Ｖ２以下であるか否か判断する（ステップＳ９０６）。蓄電ユニットＥｊの電圧値が、充電再開電圧Ｖ２以上である場合、バイパススイッチＦｊをＯＮのまま維持し、ステップＳ９０５へ戻る（ステップＳ９０６：Ｎｏ）。一方、電圧値がＶ２以下の蓄電ユニットがある場合（ステップＳ９０６：Ｙｅｓ）、この蓄電ユニットＥｊに並列接続されているバイパススイッチＦｊをＯＦＦすることにより、充電再開電圧Ｖ２以下になった蓄電ユニットＥｊへ充電電流を流す（ステップＳ９０７）。

【0098】

そして、図１０に示すように、バイパススイッチＦｊをＯＦＦしてから、第１所定時間Ｔ１以上が経過したか否か判断する（ステップＳ９０８）。時間Ｔ１以上経過している場合（ステップＳ９０８：Ｙｅｓ）は、充電スイッチＪをＯＦＦし（ステップＳ９０９）、充電電流を遮断して充電を終了させる（ステップＳ９１０）。なお、時間Ｔ１の計時開始Ｔ０は、バイパススイッチＦｉのうちの少なくとも１つ、すなわちバイパススイッチＦｊが最初に動作を開始する時間とする。一方、時間Ｔ１が経過していない場合（ステップＳ９０８：Ｎｏ）、ステップＳ９０２へ戻り、上述したとおり、定電流充電を継続中の全ての蓄電ユニットＥｉの電圧を、電圧検出器１３ａが、検出しながら待機する。

【0099】

なお、本実施形態に係る「ステップＳ９００〜Ｓ９０１」は、本発明に係る「第１ステップ」に該当する。また、本実施形態に係る「ステップＳ９０２〜Ｓ９０４」は、本発明に係る「第２ステップ」に該当する。そして、本実施形態に係る「ステップＳ９０５〜Ｓ９０７」は、本発明に係る「第３ステップ」に該当する。また、本実施形態に係る「ステップＳ９０８〜Ｓ９１０」は、本発明に係る「第４ステップ」に該当する。

【0100】

また、図１０に示すように、充電前には正確な充電開始の時間Ｔ０を把握することはできないので、時間Ｔ１０は想定されるＴ０に対して余裕を持って長めに設定する必要がある。第３実施形態の充電方法によると、時間Ｔ０＋Ｔ１にて充電電流がＯＦＦされるため、時間Ｔ１０が経過するのを待たずに充電が終了する。
以上のことから、第３実施形態の電流方法によれば、抵抗Ｒｉに電流が流れている時間を短くすることができるから、抵抗Ｒｉにおける発熱を抑制できる。また、第３実施形態において、図１０に点線で示す時間Ｔ０＋Ｔ１から時間Ｔ１０の間の期間は、充電が行われない。この第３実施形態によれば、蓄電ユニットＥｉの特性と上述した充電再開電圧Ｖ２の設定によりアンバランスに関する問題は生じない。

【0101】

（第４実施形態：急速充電＋急速セルバランス＋発熱抑制）
図１１，１２を用いて第４実施形態の説明をする。この第４実施形態は、急速充電、急速セルバランスおよび発熱抑制を目的としている。図１１は、本発明の第４実施形態の充電方法を説明するためのフローチャートである。図１２は、本発明の第４実施形態に係る充電方法による蓄電ユニットの電圧と時間との関係を示した図である。図１１に示すステップＳ９００〜Ｓ９１０のうち、ステップＳ９４０以外の処理は図９に示した第３実施形態ステップＳ９００〜Ｓ９０３およびステップＳ９０５〜Ｓ９１０の処理と同様に行われる。したがって、同一処理は同一ステップ番号で示し、説明を省略するとともに、相違点である、ステップＳ９４０を説明する。

【0102】

図１１に示したステップＳ９０３がＹｅｓの場合であっても、時間Ｔ２が経過するまで待機する。すなわち、充電目標電圧Ｖ１以上に到達した蓄電ユニットＥｊが検出されても、図１２に示す時間Ｔ２が経過するまで待機する。そして、時間Ｔ２が経過した後、バイパス制御部Ｇは、蓄電ユニットＥｊと並列に接続されているバイパス回路ＸｊのバイパススイッチＦｊをＯＮにし、充電電流を抵抗Ｒｊへ迂回させる（ステップＳ９４０）。

【0103】

バイパス制御部Ｇでは、図１２の横軸に示した時間Ｔ０において蓄電ユニットの電圧が充電目標電圧Ｖ１以上であることを電圧検出器１３ａが検出する。そして、第２所定時間Ｔ２が経過してからバイパススイッチＦｉをＯＮとする。このため、時間Ｔ０から充電が終了するまでの間に抵抗Ｒｉに電流が流れる時間が減少するので、抵抗Ｒｉにおける発熱を抑制できる。時間Ｔ１０は、給電装置５０にて設定される充電の時間を表している。時間Ｔ０＋Ｔ１から時間Ｔ１０の間の期間は蓄電ユニットＥｉに充電は行われない。

【0104】

図１２に示す時間Ｔ２は、蓄電ユニットの有する静電容量の値を充電電流値で除した値に、係数βを掛けた値で設定される。この時時間Ｔ２の単位は秒とする。係数βは、０．００５から１．５の範囲であって、より好ましくは０．０１から０．５の範囲であって、さらに好ましくは０．０２から０．３の範囲に設定される。
ステップＳ９４０で、バイパススイッチＦｊがＯＮとなった後、電圧検出器１３ａは、ＯＮされたバイパススイッチＦｊに対応する蓄電ユニットＥｊの電圧検出を継続する（ステップＳ９０５）。そして、ステップＳ９０５〜Ｓ９１０は、図９に沿って説明したとおりである。

【0105】

なお、本実施形態に係る「ステップＳ９００〜Ｓ９０１」は、本発明に係る「第１ステップ」に該当する。また、本実施形態に係る「ステップＳ９０２〜Ｓ９４０」は、本発明に係る「第２ステップ」に該当する。そして、本実施形態に係る「ステップＳ９０５〜Ｓ９０７」は、本発明に係る「第３ステップ」に該当する。また、本実施形態に係る「ステップＳ９０８〜Ｓ９１０」は、本発明に係る「第４ステップ」に該当する。これらのうち、第２ステップと第３ステップとが繰返し実行される。

【0106】

この第２ステップでは、蓄電ユニットＥｊに対し、電圧値が充電目標電圧Ｖ１以上になってから第２所定時間Ｔ２が経過した後、当該蓄電ユニットＥｊに対応するバイパス回路ＸｊのバイパススイッチＦｊをＯＮに切り替えて（ステップＳ９４０）、蓄電ユニットＥｊに流れる電流をバイパス回路Ｘｊに迂回させる。
以上、説明した第４実施形態に係る充電システムおよび充電方法によれば、高速蓄電素子Ｃ２１，Ｃ２２が直列接続されて構成されている蓄電体Ｋにおいて、充電時のバランシングによる発熱量を抑制し、しかもバランシング状態も良好に保つことが可能である。

【0107】

また、図示していないが、第２〜４実施形態では、過充電保護回路や過放電保護回路を蓄電モジュール１０とは別に設置しても良い。過放電保護回路の設定電圧は、高速蓄電素子の下限電圧によって決定される。また過充電保護回路の設定電圧は、高速蓄電素子の上限電圧、すなわち最大定格電圧と充電目標電圧Ｖ１との間に設けることが好ましい。
また、過充電保護回路における充電電流を遮断するスイッチ素子を、給電スイッチＤ３，充電スイッチＪで兼用して用いても良い。その場合は、バイパス制御部Ｇで過充電保護回路のスイッチ素子をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより実現できる。以上、本実施形態に係る充電システムおよび充電方法について説明した。本実施形態に係る充電システムおよび充電方法によれば、小規模で低容量の外部電源に依存する給電装置、あるいは低圧電力線のみが敷設されている任意の個所に設置された給電装置から、受電装置への急速充電が可能な充電システムおよび方法を提供することができる。

【符号の説明】

【0108】

１，２ 制御部
１０ 蓄電モジュール
１３ バイパス制御部
１３ａ 電圧検出器
Ａ１，Ａ１´ 給電端子（１５ａ，１５ｂ 端子）
Ａ２，Ａ２´ 受電端子
Ｂ１，Ｂ２ 第１，４蓄電モジュール（高エネルギー密度蓄電素子で構成）
Ｃ１，Ｃ２ 第２，３蓄電モジュール（高出力密度蓄電素子で構成）
Ｃ２１，Ｃ２２ 蓄電素子（高出力密度蓄電素子）
Ｄ１，Ｄ２ 第１，２スイッチ
Ｄ３ 給電スイッチ
Ｅ１，Ｅ２，Ｅｉ 蓄電ユニット（並列接続された複数の蓄電素子）
Ｆ１，Ｆ２，Ｆｉ バイパス回路
Ｊ 充電スイッチ
Ｋ 蓄電体
Ｒ１，Ｒ２，Ｒｉ 抵抗
Ｓ７００，Ｓ９００〜Ｓ９０１ 第１ステップ
Ｓ７０１〜Ｓ７０３，Ｓ９０２〜Ｓ９０４，Ｓ９０２〜Ｓ９４０ 第２ステップ
Ｓ７０４〜Ｓ７０６，Ｓ９０５〜Ｓ９０７ 第３ステップ
Ｓ９０８〜Ｓ９１０ 第４ステップ
Ｔ１ 第１所定時間
Ｔ２ 第２所定時間
Ｘ１，Ｘ２，Ｘｉ バイパス回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】