(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スーパーキャパシタを充電する方法であって、
ａ）前記スーパーキャパシタを第１の電流により充電するステップと、
ｂ）前記スーパーキャパシタの電圧を測定するステップと、
ｃ）前記測定された電圧が予め規定された電圧値に達する場合、前記第１の電流の供給を止めるステップと、
ｄ）前記スーパーキャパシタの電圧変動をモニタするステップと、
ｅ）前記モニタされた電圧変動が、予め規定された期間内に予め規定された閾値を越える場合、前記スーパーキャパシタを前記第１の電流より小さい第２の電流により充電するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
ｆ）前記測定された電圧が、前記予め規定された電圧値に達する場合、前記第２の電流の供給を止めるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記予め規定された期間は、０．１秒−１０秒のレンジにある、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記予め規定された期間は、１秒である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の電流に対する前記第１の電流の比は、５乃至１５のレンジにある、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の電流に対する前記第１の電流の比は、１０である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記予め規定された電圧値に対する前記予め規定された閾値の比は、４％乃至２０％のレンジにある、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記予め規定された電圧値に対する前記予め規定された閾値の比は、８％である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法によって、スーパーキャパシタを充電する充電器であって、
前記スーパーキャパシタを第１の電流により充電するための第１の充電モジュールと、
前記スーパーキャパシタを前記第１の電流より小さい第２の電流により充電するための第２の充電モジュールと、
前記スーパーキャパシタの電圧を測定する電圧計と、
前記スーパーキャパシタを充電するために前記第１の充電モジュール及び前記第２の充電モジュールの一方を選択するプロセッサと、
を有する充電器。
【請求項１０】
前記スーパーキャパシタに対する単一のインタフェースを提供するために、前記第１の充電モジュール及び前記第２の充電モジュールのインタフェースを多重化するマルチプレクサを更に有する、請求項９に記載の充電器。
【請求項１１】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法によって、スーパーキャパシタを充電する充電器であって、
前記スーパーキャパシタを充電するために、受け取られる制御信号に依存して、充電電流を適応させる充電モジュールと、
前記スーパーキャパシタの電圧を測定する電圧計と、
前記充電電流を選択するように前記充電モジュールを制御するための制御信号を出力する、コントローラと、
を有する充電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スーパーキャパシタを充電する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の日常生活において、電池は、消費者製品、特に携帯可能な製品、にエネルギーを供給するために広く使用されている。とりわけ、ＮｉＣｄ、ＮｉＭＨ、Ｌｉイオン及び鉛酸蓄電池を含む再充電可能電池は、再充電可能性のそれらの利点のため、普及している。しかしながら、これらの再充電可能電池は、なおいくつかの不利益を有する。第１に、再充電サイクルが制限されている。例えば、ＮｉＣｄ電池は、通常、記憶効果を伴う１０００再充電サイクルを有し、ＮｉＭＨ電池は、５００再充電サイクル及び高い自己放電レートを有し、Ｌｉイオン電池は、３００−５００再充電サイクルを有する。第２に、必要とされる充電時間がかなり長い。通常、１乃至数時間が、電池を完全に充電するために必要である。これは、電池と固定のエネルギー源との間の接続の必要により、特に携帯可能な装置の移動性を制限する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
別の種類のエネルギー貯蔵、すなわちスーパーキャパシタ、が開発されており、それらは、特にほぼ無制限の数の再充電サイクル及び即時の充電能力のような顕著な利点を有する。例えば、スーパーキャパシタは、５００，０００以上の再充電サイクルを有し、充電の都度、ほんの数秒乃至数分しか必要とされない。
【０００４】
しかしながら、スーパーキャパシタは、充電器からそれらを分離すると、即座に、急速な電圧降下を被る。スーパーキャパシタは、通常、複数のキャパシタの並列接続である。図１は、スーパーキャパシタの例示の充電モデルを示す。図１において、Ｃ０、Ｃ１、…及びＣｎは、キャパシタであり、Ｒ０、Ｒ１、…、Ｒｎ及びＲｐは、スーパーキャパシタの主直列抵抗であり、Ｒｓは、充電器とスーパーキャパシタとの間の接触抵抗であり、Ｖは、電圧計によりスーパーキャパシタの両端で測定される電圧である。スーパーキャパシタの両端電圧は、以下のように計算されることができる：
Ｖｓ−ｃ  ＝  Ｖ  −ｉ＊Ｒｓ  （１）  
【０００５】
例えばＣ０のような内部キャパシタの両端電圧は、以下のように計算されることができる：
Ｖｃ０  ＝  Ｖ  −ｉ＊Ｒｓ  −  ｉ１＊Ｒ０  （２）
【０００６】
式（１）及び（２）から、スーパーキャパシタ及び内部キャパシタの両端の実際の電圧は、Ｖｓ−ｃ、Ｖｃ０等であるべきであることが容易に分かる。更に、実際の蓄積されるエネルギー（Ｅ＝１／２Ｃ＊Ｖ２）は、Ｃ０、Ｃ１、...、Ｃｎ及び対応する電圧Ｖｃ０、Ｖｃ１、...、Ｖｃｎのキャパシタンスによって決定される。
【０００７】
通常、スーパーキャパシタは、一定の電流又は一定の電力によって充電されることができる。測定された電圧Ｖが定格電圧Ｖｒａｔｅｄに達すると、充電がストップする。図２は、電圧降下現象を示す。第１に、充電中の接触抵抗Ｒｓの存在により、充電がストップすると、第１の電圧降下Ｖｆが発生する。第２に、過剰なイオン濃度の平衡化のような拡散プロセスにより、充電がストップしたのち、第２の急速な電圧降下Ｖｄが、短期間に発生する。より良好な理解のために、拡散プロセスが、以下に記述される。スーパーキャパシタが充電されているとき、少なくとも２つのプロセスが、炭素の表面近傍に生じる。第１のプロセスは、炭素表面に二重層を形成するイオンの数の増加である。第２のプロセスは、炭素表面又はその近傍における、イオン濃度の局所的な増加であり、これは、二重層に直接関連しない。スーパーキャパシタが、充電回路から分離し、自己放電を受けるとき、二層層の不完全さ及び不純物による充電リークは別として、二重層の電荷は適当な場所にとどまるが、炭素表面の近傍における過剰なイオン濃度は、平衡状態に拡散する。イオンのいくつかは、電解液に拡散し、他のものは、炭素表面に拡散し、そこで、それらは、炭素の過剰電荷の数を低減し、それゆえ、キャパシタの開路電圧を減少させる。
【０００８】
Ｖｆ及びＶｄの存在のため、スーパーキャパシタ及びその内部キャパシタの両端の実際の電圧は、定格電圧Ｖｒａｔｅｄに到達することができず、これは更に、スーパーキャパシタの定格エネルギーＥｒａｔｅｄ  ＝  １／２Ｃ＊Ｖ２より小さい実際の蓄積されるエネルギーに寄与する。全体の電圧が約１０％下がる場合、定格電圧より約１９％少ないエネルギーが蓄積される。
【０００９】
従って、スーパーキャパシタを充電するための充電効率を改善するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明の目的は、本発明の一実施形態により、スーパーキャパシタを充電するための充電効率を改善することである。
【００１１】
一実施形態により、スーパーキャパシタを充電する方法が提供される。方法は、第１の電流によりスーパーキャパシタに充電するステップと、スーパーキャパシタの電圧を測定するステップと、測定された電圧が予め規定された電圧値に達する場合、第１の電流の供給を止めるステップと、スーパーキャパシタの電圧変動をモニタするステップと、モニタされた電圧変動が、予め規定された期間内に予め規定された閾値を越える場合、第２の電流によりスーパーキャパシタを充電するステップと、を含む。
【００１２】
方法の背景にある基本的な考えは、２つの異なる段階においてスーパーキャパシタを充電するために、２つの異なる電流を使用することである。具体的には、第２の電流は、第１の電流より小さい。本願発明者は、充電電流が大きいほど、或る時間期間内において、第１の電圧降下Ｖｆが大きくなり、第２の電圧降下Ｖｄが大きくなることを見いだした。スーパーキャパシタの「即時充電容量」の利点を維持するために、より大きい第１の電流が、定格電圧のような予め規定された電圧値に達するための充電時間を短縮するために使用される。スーパーキャパシタの両端の電圧変動が、予め規定された期間内に予め規定された閾値を越える場合、より小さい第２の電流が、予め規定された電圧値に達するようにスーパーキャパシタを再充電するために使用される。第２の電流は非常に小さいので、第１の電圧降下Ｖｆとして後に現れる接触抵抗Ｒｓの両端の電圧は、非常に制限され、拡散プロセスの拡散スピードは非常に遅くなり、これは更に、非常に制限された第２の電圧降下Ｖｄをもたらす。同時に、モニタされる電圧変動が、予め規定された電圧値より非常に小さいという事実により、第２の電流を使用して要求される充電時間は非常に短い。こうして、２フェーズ充電方法を使用することによって、スーパーキャパシタは、特に充電される電圧及び蓄積されるエネルギーに関して、効果的且つ効率的に充電されることができる。
【００１３】
一実施形態において、予め規定された閾値は、予め規定された電圧値の４％乃至２０％のレンジにあり、好適には８％である。
【００１４】
一実施形態において、予め規定された期間は、０．１秒乃至５秒のレンジにあり、好適には１秒である。
【００１５】
一実施形態において、第１及び第２の電流の比は、５乃至１５のレンジにあり、好適には１０である。
【００１６】
本発明のこれら及び他の見地、特徴及び／又は利点は、以下に記述される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明される。
【００１７】
本発明及びその利点のより完全な理解のために、添付の図面に関して与えられる以下の記述を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】スーパーキャパシタの充電モデルを示す図。
【図２】電圧降下の現象を示す図。
【図３】本発明の一実施形態による、提案された方法のフローチャート。
【図４】本発明の一実施形態による、提案された充電器のブロック図。
【図５】本発明の一実施形態による、提案された充電器のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
充電効率を改善するために、一実施形態により、２フェーズ充電ストラテジと呼ばれる充電方法が提供される。方法３００は、スーパーキャパシタの第１の電流による充電が行われる第１のステップＳ３１０を含む。充電プロセスの間、スーパーキャパシタの両端の電圧が、測定される。更なるステップＳ３２０において、測定された電圧が予め規定された電圧値に達するかどうかが判断される。予め規定された電圧値は、スーパーキャパシタの定格電圧でありえ、又は代替として、スーパーキャパシタの寿命を短縮するリスクを伴う定格電圧より大きい電圧でありえ、又は寿命を延ばす利点を伴う定格電圧より低い電圧でありうる。測定された電圧が、予め規定された電圧値より低い場合、第１の電流による充電が続く。ステップＳ３３０において、測定された電圧が、予め規定された電圧値に達し又はそれより大きい場合、充電がストップし、スーパーキャパシタの両端の電圧を測定することが、予め規定された期間中、続行される。予め規定された期間を決定する要因は、第１の電流、スーパーキャパシタのキャパシタンス、許容される電圧降下等の値でありうる。ステップＳ３４０において、測定された電圧変動が、予め規定された期間内に予め規定された閾値を越えるかどうかが判断される。測定された電圧変動は、予め規定された電圧値と、スーパーキャパシタの両端の現在測定された電圧との間の変動である。予め規定された閾値及び予め規定された期間は、スーパーキャパシタの不十分な充電に対するユーザの許容度及び充電に費やされる時間によって影響される。ユーザが、スーパーキャパシタの充電状態にさほど敏感でない場合、予め規定された閾値は、より大きくなりえ、そうでない場合、予め規定された閾値は、より小さくなるべきである。一実施形態において、予め規定された閾値は、予め規定された電圧値の４％乃至２０％のレンジでありえ、好適には８％でありうる。例えば、予め規定された電圧値が２．５Ｖである場合、予め規定された閾値は、好適には０．２Ｖでありうる。予め規定されたモニタリング期間は、０．１秒乃至１０秒のレンジにありえ、好適には１秒でありえ、これは、スーパーキャパシタの「即時充電能力」の利点を維持する。モニタされた電圧変動が、予め規定された期間内に予め規定された閾値を越える場合、方法は、第２の電流によりスーパーキャパシタを再充電するために、ステップＳ３５０に進む。第２の電流に対する第１の電流の比は、５−１５のレンジにありえ、好適には１０でありうる。予め規定された期間内において、モニタされた電圧変動が、予め規定された閾値に達しない場合、ステップＳ３６０において充電プロセスがストップする。第２の充電フェーズにおいて、スーパーキャパシタの両端の電圧もまた測定される。ステップＳ３５５において、スーパーキャパシタが再充電され、予め規定された電圧値に達すると、充電プロセスがストップする。
【００２０】
２フェーズ充電ストラテジは、３フェーズ又は４フェーズ充電ストラテジに拡張されることができる。例えば、スーパーキャパシタが、それを充電するためにかなり大きい電流を必要とする非常に大きいキャパシタンスを有する場合、３フェーズ充電方法を使用することが可能である。その場合、第２の充電フェーズにおいて、かなり大きい第２の電流が、対応する高速拡散プロセスを生じさせ、更にその結果、大きい電圧降下Ｖｄを生じさせる。従って、スーパーキャパシタが、予め規定された電圧値に達するように再充電される場合、モニタされた電圧変動が予め規定された期間内に予め規定された閾値を越えるかどうか判断するために、Ｓ３３０及びＳ３４０と同様のステップが、なお必要とされる。その場合、第３の充電フェーズが、第２の充電電流より小さい第３の電流により開始される。
【００２１】
図４は、一実施形態による、スーパーキャパシタを充電する充電器のブロック図を示している。充電器４００は、第１の充電モジュール４１０、第２の充電モジュール４２０、電圧計４３０及びプロセッサ４４０を有する。この実施形態において、第１の充電モジュール４１０は、スーパーキャパシタ４８０を第１の電流により充電するように構成され、第２の充電モジュール４２０は、スーパーキャパシタ４８０を第２の電流により充電するように構成され、電圧計４３０は、スーパーキャパシタ４８０の電圧を測定するように構成され、プロセッサ４４０は、予め規定された期間内のスーパーキャパシタ４８０の電圧変動を、予め規定された電圧閾値と比較するとともに、スーパーキャパシタ４８０を充電するために第１の充電モジュール４１０及び第２の充電モジュール４２０の一方を選択するように構成される。任意には、充電器４００は、マルチプレクサ４５０を更に有することができ、マルチプレクサ４５０は、スーパーキャパシタ４８０に対する単一インタフェースを提供するために、第１の充電モジュール４１０及び第２の充電モジュール４２０のインタフェースを多重化するように構成される。２つの充電モジュールとスーパーキャパシタ４８０との間のインタフェースによって、電圧計４３０とスーパーキャパシタ４８０との間のインタフェースを多重化することも可能である。
【００２２】
図５は、一実施形態による、スーパーキャパシタを充電する充電器のブロック図を示している。充電器５００は、充電モジュール５１０、電圧計５２０及びコントローラ５３０を有する。この実施形態において、充電モジュール５１０は、スーパーキャパシタ５８０を充電するために、受け取られた制御信号に依存して充電電流を適応させるように構成され、電圧計５２０は、スーパーキャパシタ５８０の電圧を測定するように構成され、コントローラ５３０は、予め規定された期間内のスーパーキャパシタ５８０の電圧変動を、予め規定された電圧閾値と比較し、対応する充電電流を選択するように充電モジュール５１０を制御するための制御信号を出力するように構成される。第１の充電ステージにおいて、コントローラ５３０は、スーパーキャパシタ５８０を第１の電流により充電するように充電モジュール５１０に知らせるための制御信号を出力することができる。第２の充電ステージにおいて、すなわち、測定された電圧変動が、予め規定された期間内に予め規定された閾値を越える間、コントローラ５３０は、スーパーキャパシタを第２の電流により充電するように充電モジュール５１０に知らせるために、別の制御信号を送信する。
【００２３】
さまざまな変形が、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく、本発明のさまざまな実施形態において提供されるその方法及び装置において可能であることが当業者によって理解される。従って、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ制限される。
【００２４】
上述の説明は、図面に関する詳細な説明が、本発明を制限するものではなく、説明するものであることを示す。添付の請求項の範囲内にある多数の代替形態がある。請求項における任意の参照符号は、請求項を制限するものとして解釈されるべきでない。「含む、有する」という語は、請求項に列挙されるもの以外の構成要素又はステップの存在を除外しない。構成要素又はステップに先行する「a」又は「an」という語は、このような構成要素又はステップの複数の存在を除外しない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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