(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
比較的大電力を間欠的に消費する尖頭負荷型電気機器において、
内部抵抗が高い高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサと、内部抵抗が低い高出力密度型の第２電気二重層コンデンサとを電流出力型のスイッチング・レギュレータを介して接続してなる電源を有し、上記第１電気二重層コンデンサより上記電流出力型のスイッチング・レギュレータを介して上記第２電気二重層コンデンサを充電し、上記第２電気二重層コンデンサから短時間の大出力もしくは長時間の小出力を必要に応じて取り出せるようにしたことを特徴とする尖頭負荷型電気機器。
【請求項２】
運転時には比較的大電力を間欠的に消費するとともに、制動時にはそれに伴って回生制動電力を発生し得る尖頭負荷型電気機器において、その電源として高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサと高出力密度型の第２電気二重層コンデンサとを有し、それらの間には上記第１電気二重層コンデンサから上記第２電気二重層コンデンサを常時充電する電流出力型の第１スイッチング・レギュレータと、上記第２電気二重層コンデンサ側から余剰の回生制動電力を上記第１電気二重層コンデンサ側に戻す電流出力型の第２スイッチング・レギュレータとが接続されており、上記第１電気二重層コンデンサより上記第１スイッチング・レギュレータを介して上記第２電気二重層コンデンサを充電することにより、短時間の大出力もしくは長時間の小出力を必要に応じて取り出せるようにし、かつ、回生制動時にはその余剰の回生制動電力が上記第２スイッチング・レギュレータを介して上記第１電気二重層コンデンサ側に戻されるようにしたことを特徴とする尖頭負荷型電気機器。
【請求項３】
上記第１スイッチング・レギュレータおよび第２スイッチング・レギュレータを実質的に１つの双方向性スイッチング・レギュレータとして用いることを特徴とする請求項２に記載の尖頭負荷型電気機器。
【請求項４】
上記第１スイッチング・レギュレータおよび第２スイッチング・レギュレータに代えて、１つのスイッチング・レギュレータを用い、運転時にはその入力側を上記第１電気二重層コンデンサに接続するとともに、出力側を上記第２電気二重層コンデンサに接続し、回生制動時にはそれらを切り替えて上記入力側に上記第２電気二重層コンデンサを接続するとともに、出力側に上記第１電気二重層コンデンサを接続するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の尖頭負荷型電気機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はその使用状態において比較的大電力を間欠的に消費する尖頭負荷型の電気機器に関し、さらに詳しく言えば、その電源を電気二重層コンデンサとした尖頭負荷型電気機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、本明細書で言う尖頭負荷型電気機器とは、その使用状態において比較的大電力を間欠的に消費する、例えば電気ドライバ、電気ドリル、電気スポット溶接機および加速時がそれに相当する電気自動車や電気スクータなどのような電気機器であり、電力の消費が使用時の短時間だけ大きな尖頭負荷となるものがこれに属する。
【０００３】
これに対して、懐中電灯、卓上電気スタンドや携帯型コンピュータのような定常的にほぼ一定の電力を消費する定電力消費型電気機器は対象としない。
【０００４】
いずれにしても、この種の電気機器の電源には、電灯線などの商用交流電源、一次および二次電池もしくは太陽電池などが用いられている。稀には専用の発電機を使用する場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
商用交流電源から電力を得る場合には、その電気ケーブルを引き回すことになるため、行動範囲が制約されるという面で不便である。
【０００６】
これに対して、電池を電源とする場合には持ち運びが自由であり、特に二次電池は再生利用が可能であり、また、日照にも影響されないという点では有利である。
【０００７】
しかしながら、二次電池の最大の問題点は、その充電に時間がかかることにある。現在、実用に供されているものでは使用時間よりも充電に要する時間の方が長くかかるのが通例であり、しかも二次電池の性質上、その容量一杯、すなわち１００％の充放電は困難である。
【０００８】
また、その充放電の反復は寿命（いわゆるサイクル寿命）を大きく制約し、その制約は充電時間の短縮やエネルギあたりの重量を軽量化するほど顕著になる傾向を示す。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その構成上の特徴は、比較的大電力を間欠的に消費する尖頭負荷型電気機器において、内部抵抗が高い高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサと、内部抵抗が低い高出力密度型の第２電気二重層コンデンサとを電流出力型のスイッチング・レギュレータを介して接続してなる電源を有し、上記第１電気二重層コンデンサより上記電流出力型のスイッチング・レギュレータを介して上記第２電気二重層コンデンサを充電し、上記第２電気二重層コンデンサから短時間の大出力もしくは長時間の小出力を必要に応じて取り出せるようにしたことにある。
【００１０】
また、本発明はその負荷が回生制動電力を発生し得るものである場合には、上記の（第１）スイッチング・レギュレータに加えて、上記第２電気二重層コンデンサ側から余剰の回生制動電力を上記第１電気二重層コンデンサ側に戻す電流出力型の第２スイッチング・レギュレータを有し、回生制動時にはその余剰の回生制動電力が上記第２スイッチング・レギュレータを介して上記第１電気二重層コンデンサ側に戻されるようにしたことに特徴を有している。
【００１１】
この場合、第１スイッチング・レギュレータおよび第２スイッチング・レギュレータは、実質的に１つの双方向性スイッチング・レギュレータとして作用する。
【００１２】
また、スイッチング・レギュレータを１つとし、運転時と回生制動時とでその入力側と出力側とを切り替えるようにしてもよい。
【００１３】
【作用】
高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサと高出力密度型の第２電気二重層コンデンサとを組み合わせたことにより、短時間の大出力もしくは長時間の小出力を必要に応じて取り出すことができる。
【００１４】
また、電気二重層コンデンサであるため、二次電池に比べてきわめて短時間に充電することができる。さらには、第１電気二重層コンデンサより第２電気二重層コンデンサを充電するにあたって、電流出力型スイッチング・レギュレータを介在させているため、充電効率が高く、例えば同スイッチング・レギュレータを最大電圧の１／４まで動作するように設計した場合、キャパシタ部分だけでは充電電力の９４％まで利用することができる。
【００１５】
他方、負荷から回生制動電力が得られるような場合には、その余剰の電力が第２スイッチング・レギュレータを介して第１電気二重層コンデンサ側に戻されるため、エネルギのより有効利用が図られる。
【００１６】
【実施例】
図１にこの尖頭負荷型電気機器に適用される電源の一例を示す。これによると、同電源は静電容量が大であるが高内部抵抗の高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂと、静電容量は比較的小容量であるが低内部抵抗の高出力密度型の第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａとを有し、それらの間には、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂから第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａを充電する定電流出力型のスイッチング・レギュレータＳＲが接続されている。なお、ＩＮは充電端子、ＯＵＴは図示しない負荷に接続される外部端子である。
【００１７】
スイッチング・レギュレータＳＲは、その定電流出力にて第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂから第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａを充電し、同第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａを設定電圧に保つように動作する。その構成例を図２に示す。なお、電流容量は負荷に比べて尖頭電流を扱わないから小さな定格（例えば、１／３〜１／１０）のもので足りる。
【００１８】
この例は原理的には降圧型のスイッチング・レギュレータと同じであり、ここでダイオードＤ１はフライホイール・ダイオードと呼ばれ、スイッチング素子Ｓ１がオンのときにチョーク・コイルＬ１に蓄積されたエネルギをスイッチング素子Ｓ１がオフのときに流す電流経路を得るダイオードである。
【００１９】
この実施例において、図示左側のＶ１，Ｒ１が第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂであり、図示右側のＣ２，Ｒ２が負荷に接続される第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａに対応している。なお、Ｃ１は内部抵抗が低く、静電容量が０．２〜２μＦ程度のコンデンサであり、スイッチング素子Ｓ１のオンオフごとに第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂ側に尖頭電流が流れ込むのを防止するためのものである。
【００２０】
動作としては、電流センサＶ２にて出力電流（第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａに対する充電電流）が検出され、同出力電流が一定値を越えると、制御回路Ｕ１が動作してスイッチング素子Ｓ１をオフにする。この場合、スイッチング素子Ｓ１がオフになってもチョーク・コイルＬ１に蓄積された電流がダイオードＤ１を介して流れるが、同電流値が一定値を割り込み、それが電流センサＶ２にて検出されると、制御回路Ｕ１が動作してスイッチング素子Ｓ１をオンにする。
【００２１】
これが繰り返されることにより、第２の電気二重層コンデンサＰＳ−Ａが定電流にて充電される。参考までに、図２における各部の波形を図３に示す。同図において、ａは電流センサＶ２を流れる電流、ｂはコンデンサＣ１を流れる電流、ｃはチョーク・コイルＬ１を流れる電流、ｄは出力電圧（ＰＳ−Ａの端子間電圧）、ｅは制御回路Ｕ１内部で使用されるクロックパルスである。
【００２２】
次に、この装置を動作させたときの各部の状態を解析した。その結果を図４および図５に基づいて説明する。
【００２３】
まず、図４においてＶＢが第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂの電圧、ＶＡが第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａから図示しない負荷の要求に応じて供給される電圧である。
【００２４】
図５の下段に示されているのが使用した負荷電流ＩＬで、この例ではスタート後の１１〜４０秒までの間１０Ａ、５０１〜５３０秒までの間１５Ａ、１００１〜１０６０秒までの間８Ａなどとして異なる尖頭負荷を与えた。
【００２５】
図５の上段には、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂの出力電流ＩＣＢと、第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの出力電流ＩＣＡとがそれぞれ表示されている。これを辿ると、尖頭的な負荷電流は殆どＩＣＡとして第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａから供給され、同第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの電圧が低下すると、２Ａの定電流出力を有するスイッチング・レギュレータＳＲによって、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂより充電されるのが見られる。なお、キャパシタの電流方向は、流れ込む方向が正、したがってキャパシタから負荷に流れ出す電流は負の値で表現される。
【００２６】
このように解析したところによれば、尖頭負荷で放電した第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａは、図４に示すように３００〜５００秒後には満充電まで回復する。これに対して、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂは第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの充電に使用した電気量だけ、充電のたびに放電して電圧が徐々に下がっていく。なお、この装置が追加充電しないで使用できる範囲は、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂの負荷時の端子電圧がスイッチング・レギュレータＳＲを動作させ得る下限に達するまでである。
【００２７】
次に、負荷の駆動用電動機を制動時に発電機として兼用するか、もしくは専用の制動用発電機により回生制動電力が得られる場合、本発明では図６のようにしてその回生制動電力を有効に利用するようにしている。
【００２８】
基本的な構成は先に説明した図１とほぼ同じであるが、この例では第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂから第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａに対する充電用のスイッチング・レギュレータＳＲに加えて、回生制動時にその回生電力が第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａに貯えられ、その端子間電圧が上昇し過ぎたときに、いわばその余剰電力を第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂ側に送り返す第２のスイッチング・レギュレータＳＲ２を備えている。同スイッチング・レギュレータＳＲ２も電流出力型であり、回生制動電力は駆動電力よりも１／２〜１／１０などと小さいのが通常であるから、その定格出力電流は充電用のスイッチング・レギュレータＳＲよりもさらに１／２〜１／１０程度の小さなもので済む。
【００２９】
図６の装置を動作させ、主に回生制動電力が吸収される点について解析した。この場合、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂはその定格を５０Ｖ１００Ｆ（内部抵抗０．５Ω）、第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａには定格５０Ｖ２５Ｆ（内部抵抗０．１Ω）のものを用いた。
【００３０】
図７に負荷側から回生制動電力を受けた場合における第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂおよび第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの端子間電圧をそれぞれ示す。この場合、返送用の第２のスイッチング・レギュレータＳＲ２は第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの端子間電圧が４５Ｖを越えると作動し、その出力電流は０．５Ａとした。
【００３１】
図７に関連して、図８に第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａへの電流の出入りを示す。同図において、負が放電、正が充電方向である。０Ａラインから負方向に延びている最初のピークは負荷電流で、加速時の１００秒から１０秒間２０Ａ、その後７０秒間２Ａによるもので、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂからの充電電流１Ａ分だけ相殺されている。以後、８００秒、１５００秒にも加速による負荷が加えられている。
【００３２】
加速による電流のピークの直後に、例えば１８０〜４３０秒に見られるような電流値１Ａの台形は、第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａの放電を検知した充電用スイッチング・レギュレータＳＲによる第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂからの充電電流で、それが４３０秒で止まるのは同ＰＳ−Ａが満充電（設定値４５Ｖ）に達したことによる。以後の他の加速ピークでも、必ずその後にこのようなＰＳ−Ｂからの充電電流が流れ、ＰＳ−Ａの電圧が復帰する。
【００３３】
この図８において、ブレーキによる回生電力は５００秒から１０秒間６Ａが回収されるとともに、これに伴う返送用スイッチング・レギュレータＳＲ２の作用により、第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂが充電されることが分かる（図７参照）。すなわち、回生制動のピークの後、５２５秒から７００秒過ぎまで０．５Ａの放電が生じている。これは、ＰＳ−Ａの設定電圧が４５Ｖであり、それ以上に溜められた電力が返送用スイッチング・レギュレータＳＲ２の作用により、ＰＳ−Ｂ側に戻されているためである。その後も１０００秒に８Ａ、１８００秒に６Ａの回生電力のピークが観測され、それぞれ返送用スイッチング・レギュレータＳＲ２の作用により、その余剰電力が第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂ側に戻される。
【００３４】
このように、電源を電気二重層コンデンサとし、返送用スイッチング・レギュレータを用いることにより、回生制動の際の充電エネルギを種々の条件下で長時間にわたって効率良く吸収することが可能となる。
【００３５】
なお、図６の例では充電用スイッチング・レギュレータＳＲのブロックと、返送用スイッチング・レギュレータＳＲ２のブロックとが並列的に配置されているが、場合によっては、両スイッチング・レギュレータＳＲおよびＳＲ２を例えば同一の回路基板上で組み立てて１パッケージによる双方向性のスイッチング・レギュレータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）とすることもできる。
【００３６】
また、これとは別に１つのスイッチング・レギュレータで充電用と返送用とを兼用させることも可能であり、図９にその例が示されている。これによると、スイッチング・レギュレータＳＲの入力側ｉｎと出力側ｏｕｔにそれぞれ切替えスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂが設けられる。
【００３７】
この場合、切替えスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂは、ともに２つの切替え接点▲１▼，▲２▼を備え、切替えスイッチＳ１ａの切替え接点▲１▼は第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂ側に接続され、同スイッチＳ１ａの切替え接点▲２▼は第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａ側に接続される。
【００３８】
これに対して、切替えスイッチＳ１ｂの切替え接点▲１▼は第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａ側に接続され、同スイッチＳ１ｂの切替え接点▲２▼は第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂ側に接続される。
【００３９】
これらの切替えスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂは図示しない制御手段により切り替えられ、通常の運転時にはスイッチング・レギュレータＳＲの入力側ｉｎと出力側ｏｕｔはともに切替え接点▲１▼に接続される。これに対して、回生制動時にはスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂがともに切替え接点▲２▼側に切り替えられ、これにより同入力側ｉｎに第２電気二重層コンデンサＰＳ−Ａが接続され、出力側ｏｕｔに第１電気二重層コンデンサＰＳ−Ｂが接続されることになる。
【００４０】
このようにして１つのスイッチング・レギュレータＳＲで充電用と返送用とを兼用することができる。なお、説明の便宜上、切替えスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂを機械的スイッチとしたが、電子的なスイッチでもよいことはもちろんである。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高エネルギ密度型の第１電気二重層コンデンサと高出力密度型の第２電気二重層コンデンサとを電流出力型のスイッチング・レギュレータを介して接続してなる電源を用い、第１電気二重層コンデンサより第２電気二重層コンデンサを充電するようにしたことにより、比較的大電力を間欠的に消費する尖頭負荷型電気機器において、短時間の大出力もしくは長時間の小出力を必要に応じて取り出すことができる。
【００４２】
また、上記の第１スイッチング・レギュレータに加えて、第２電気二重層コンデンサ側から余剰の回生制動電力を第１電気二重層コンデンサ側に戻す電流出力型の第２スイッチング・レギュレータを設け、回生制動時にはその余剰の回生制動電力を同第２スイッチング・レギュレータを介して第１電気二重層コンデンサ側に戻されるようにしたことにより、回生制動電力までをもより有効に使用することができる、などの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の尖頭負荷型電気機器に適用される電源の一実施例を示した概略的な回路図。
【図２】図１の回路図に組み込まれているスイッチング・レギュレータの回路構成を例示した回路図。
【図３】図２の各部の波形を示した波形図。
【図４】図１の構成における第１電気二重層コンデンサと第２電気二重層コンデンサの各端子間電圧の変化状態を示した波形図。
【図５】加速時の負荷電流と、それに対応する第１電気二重層コンデンサと第２電気二重層コンデンサの各電流の変動状態を例示した波形図。
【図６】本発明の尖頭負荷型電気機器に適用される電源の他の実施例を示した概略的な回路図。
【図７】図６の他の実施例における第１電気二重層コンデンサと第２電気二重層コンデンサの各端子間電圧の変化状態を示した波形図。
【図８】同他の実施例において、第２電気二重層コンデンサへの電流の出入りを説明するための波形図。
【図９】本発明の尖頭負荷型電気機器に適用される電源のさらに別の実施例を示した概略的な回路図。
【符号の説明】
ＰＳ−Ｂ  第１電気二重層コンデンサ（高エネルギ密度型）
ＰＳ−Ａ  第２電気二重層コンデンサ（高出力密度型）
ＳＲ  スイッチング・レギュレータ（充電用）
ＳＲ２  スイッチング・レギュレータ（返送用）
ＩＮ  充電端子
ＯＵＴ  負荷接続用外部端子
【図１】
0003551324.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003551324.tif 000008
【図８】
0003551324.tif 000009
【図９】
0003551324.tif 000010