(57)【要約】【課題】ハイブリッドキャパシタは通常の電気２重層キャパシタに比べて急速充放電が難しいという弱点が有った。また、充放電時に過放電・過充電および過電流に対する充分な対策が必要であった。（通常の電気２重層キャパシタでも過充電保護は必要）さらにキャパシタを蓄電素子として使う場合、その電圧は充放電により大きく変動し、顧客側で充電回路・出力安定化回路および保護回路を組む必要があり、システム全体の体積を大きくしていた。【解決手段】２．ハイブリッドキャパシタ単セルに対して急速充電が可能となり、また５．保護回路により過放電・過充電・過電流の対策が可能となる。さらに１．昇降圧コンバータ、３．出力コントローラ、４．充電コントローラにより、入力が不安定な場合にも対応でき、安定した出力が可能となる。さらにこれらすべてを一体化することにより機器の小型化がはかれる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッドキャパシタセルにリチウムイオン電池の１次保護と同等な回路を埋め込む。（図１）ここで、回路を遮断するためのスイッチ素子ＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲート駆動電圧をキャパシタセルから供給すると、キャパシタセルの電圧が低下していったときにスイッチ素子のゲート電圧が不足し、ＦＥＴ１，ＦＥＴ２のＯＮ抵抗が増加していく。この抵抗値増加によって電圧降下および発熱を招き、さらなるＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲート電圧低下を引き起こし、回路は不完全動作となってしまう。これを解決し、充電回路の逆流防止素子を兼用させ、全体の損失を減らすことを目的とし、図２のように、充電回路側に過充電保護＋電流検出および過電流保護＋逆流防止を兼ねたものがＦＥＴ３，ＦＥＴ４である。電流検出は、ＦＥＴ３，ＦＥＴ４のＶｄｓをセンシングすることで、電流検出抵抗も削減し損失を低減する。また、ＦＥＴ３，ＦＥＴ４は図２のように双方向に組み合わせることで、ＦＥＴ３，ＦＥＴ４の両方をＯＦＦすることで、双方向で電流が流れるのを防止するスイッチとして機能する。この為、充電時はキャパシタ電圧や電流あるいはその他の異常検出時にＦＥＴ３，ＦＥＴ４をＯＦＦにすることで、キャパシタと充電回路を開放状態にし、保護することができるものである。また、ＦＥＴ３，ＦＥＴ４がＯＮしている状態では、そのＶｄｓをセンシングし、充電コンバータにフィードバックして急速充電プログラムに沿って充電電流を制御する役目をする。
【請求項２】
ここで、充電コンバータおよびＦＥＴ３，ＦＥＴ４のゲート駆動回路について、その駆動は全て充電電源から供給されるものとし、キャパシタの電圧に関係なく、充電電源が接続された時のみ動作させるものとする。当然ＦＥＴ３，ＦＥＴ４は充電電源がつながれていないときはＯＦＦしており、キャパシタからの逆流（モレ電流）は防止される。充電コンバータは降圧型電流コンバータとし、キャパシタ電圧のｎ倍の充電電源からキャパシタを充電することで、おおむねキャパシタに流れる電流の１／ｎ倍の電流しか流れず、キャパシタと降圧電流コンバータの出力を最短で接続することで、配線による電圧降下＝電力ロスを低減でき充電電源出力線は大電流を流さなくて良いので汎用ＡＣアダプターなどがそのまま利用可能となる。例えば４Ｖ〜２Ｖのハイブリッドキャパシタの１２Ｖの充電電源を用意する場合、キャパシタ電圧が最少の２Ｖ時はｎ＝６、４Ｖ時はｎ＝３の倍率となる。よって、キャパシタに１０Ａで定電流充電したい場合、４Ｖ×１０Ａ＝４０Ｗの充電電源を用意すれば良いことになり、４０Ｗ÷１２Ｖ＝３．４ＡのＡＣアダプターで良いことになる。また、３．５Ｖ以上では定電流を段階的に低下させるようにプログラムしたり定電力充電させることで、ＡＣアダプターは３０Ｗなどのより小型のもので動作できるようになる。ここで重要なことは、キャパシタへの充電電力を満足する電源ならば、その出力電圧はキャパシタ定格電圧＋α以上、充電回路の最大動作電圧以下の範囲であれば出力電圧を問わない点にある。実際には＋４．５Ｖ〜＋３０Ｖの範囲＝５〜２４Ｖまでの汎用電源を想定した重電コンバータを用意し、定格３０Ｗ以上の汎用電源で動作するとし、顧客の選択の自由度を大幅に上げ且つ専用充電器を必要としない柔軟な急速充電回路を供給できるものである。当然、自動車のシガーライター電源にも対応し、急速充電プログラムを変更することで、太陽電池などの不安定な電源にも対応が可能なものである。
【請求項３】
次に上記自由度を持たせた急速充電回路の他に、ハイブリッドキャパシタの出力電圧を安定化して出力するための出力安定化コンバータ（図２）については、常時キャパシタの電圧を監視する目的より、コントローラにはキャパシタの全動作電圧に対応したＩＣあるいはマイコンを埋め込み、過放電検出された場合は、出力コンバータをシャットダウンし、放電ロスを最小限にする。また、キャパシタセルの端子が露出しないことと、入出力端子（充電電源入力端子および出力コンバータ出力端子）は共に外部での短絡などの不具合が生じても充電コンバータおよび出力コンバータによって保護される為、キャパシタの１次保護と２次保護を兼用でき小型化と大電流経路および素子を最小限に留め、損失を低減できる。
【請求項４】
各回路とキャパシタとの接続はキャパシタ端子間に直接接続するものであり、ケース一体型とし、内部電極はケースによって保護されるものである。外部へ出る端子は計４点であるが、充電コンバータへの入力端子は汎用ＡＣアダプターにあわせてジャック端子とし、安定化電源出力は５Ｖ出力ではＵＳＢ端子とする。（ただし、１２Ｖ出力やその他の要求がある場合は、必要な電圧および端子に変更できるものとする。）
【発明の詳細な説明】
【技術の分野】
【０００１】  この発明は、ハイブリッドキャパシタの充電方法および充電回路に関する。
【背景技術】
【０００２】  ハイブリッドキャパシタは、リチウムイオン電池などの２次電池と電気２重層キャパシタの両方の特徴を兼ね備える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  ハイブリッドキャパシタは、電気２重層キャパシタに比べて内部抵抗が大きいため、充電効率を上げるためには、充電電流を制限する必要があった。また、リチウムイオンなどの２次電池と同様に最低動作電圧が存在し、充放電時には、過充電・過電流の他に過放電の対策が必要である。さらに電気２重層キャパシタ同様に充電容量によってキャパシタの電圧が大きく変化するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】（１）ハイブリッドキャパシタの特性に合わせて、キャパシタセル単体で急速充電でき、かつ入力電流を少なくして導体ロスを最小限にとどめる為に、降圧コンバータを埋め込み一体化する。
（２）過放電・過充電・過電流防止回路をキャパシタ端子間に埋め込み一体化する。
（３）充電容量によって電圧が変化してしまうキャパシタの出力について、安定した電圧を供給するためのコンバータを埋め込み一体化する。
（４）上記、（１）、（２）、（３）をキャパシタ端子間に集約統合することで急速充電機能付きキャパシタ内蔵電源として、安全で誰もが使いやすく、小型で長寿命な電源を提供できる。
【発明の効果】
【０００５】  本発明により、ハイブリッドキャパシタに対して急速充電が可能となり、過放電・過充電・および過電流の十分な対策が可能となるため安全性が確保できる。また入力が不安定な場合でも充電回路は正常に機能し、且つ出力電圧は安定した出力が可能となる。さらにこれらすべてを一体化することにより機器の小型化がはかれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】  この発明の一実施形態を図２に示す。
ハイブリッドキャパシタのセル単体に対して、過充電・過電流および逆流防止と電流制御を兼ねた保護回路と、急速充電用充電コンバータ及び出力を安定化させる昇降圧コンバータ、そしてこれらを制御する出力コントローラと充電コントローラをキャパシタ端子間及びその直近に埋め込み一体化する。【０００７】「実施形態の効果」
この実施形態によれば、入力電圧が不安定でもハイブリッドキャパシタに急速充電が可能となる。また充電コンバータは過充電・過電流保護機能を内蔵し、出力コンバータは過放電機能を内蔵することで充電制御と放電制御を分離し、且つ充電電源がつながれていない時には充電回路にキャパシタからの逆流の防止している。よって、太陽電池のような不安定且つ不規則な電源であっても充電コントローラのプログラム変更にて対応できる。また、出力コンバータにより、その出力電圧はハイブリッドキャパシタの動作電圧範囲内であれば、安定した定格出力電圧を供給でき、出力側の機器で短絡が発生しても出力コンバータにて保護回路が動作し、キャパシタを損傷から守る。さらに集約一体化によって機器の小型化がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】リチウムイオン２次電池の１次保護回路例を示す回路図である。
【図２】この発明の一実施形態を示す回路図である。
【符号の説明】
【０００９】１．昇降圧コンバータ
２．ハイブリッドキャパシタ単セル
３．出力コントローラ
４．充電コントローラ
５．保護回路
６．降圧コンバータ
ＦＥＴ１．電界効果トランジスタ
ＦＥＴ２．電界効果トランジスタ
ＦＥＴ３．電界効果トランジスタ
ＦＥＴ４．電界効果トランジスタ
【図１】
2010075032.tif 000003
【図２】
2010075032.tif 000004