(57)【要約】【課題】  対称性を有するスーパーキャパシタの非極特性を使って電池およびスーパーキャパシタからなるハイブリッド電源の応用範囲を広げる電力供給方法及びその電力供給方法を使用する電力供給装置を提供する。【解決手段】  本発明の電力供給装置は、少なくとも１つの電圧電源と、前記電圧電源に直列に接続された少なくとも１つのキャパシタと、前記電圧電源および前記キャパシタ間の極接続を往復動的に切り替えることが可能な、前記電圧電源および前記キャパシタ間に接続された少なくとも１つの切り替え機構と、からなり、前記キャパシタとして用いるスーパーキャパシタの電極の非極性の特性の利点を使って、極接続を往復動型スイッチで行なうことにより電池のエネルギー利用効率を改善するものであり、その間、極反転を用いることによりスーパーキャパシタの電圧をほぼ一定レベルに維持することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電圧電源と、
前記電圧電源に直列に接続された少なくとも１つのキャパシタと、
前記電圧電源および前記キャパシタ間の極接続を往復動的に切り替えることが可能な、前記電圧電源および前記キャパシタ間に接続された少なくとも１つの切り替え機構と、からなることを特徴とする電力供給装置。
【請求項２】
前記切り替え機構が前記電圧電源側に設置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項３】
前記切り替え機構が二極双投（ＤＰＤＴ）切り替えからなることを特徴とする請求項２に記載の電力供給装置。
【請求項４】
前記切り替え機構が前記キャパシタ側に設置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項５】
前記切り替え機構が二極双投（ＤＰＤＴ）切り替えからなることを特徴とする請求項４に記載の電力供給装置。
【請求項６】
前記キャパシタへの電池の充電段階において電源供給装置に並列接続されたバイパス機構からなることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項７】
前記切り替え機構が、前記バイパス機構をも切り替える三極双投（ＴＰＴＤ）切り替えからなることを特徴とする請求項６に記載の電力供給装置。
【請求項８】
前記電圧電源が一次電池、二次電池、燃料電池、燃焼エンジン、ターボジェネレータ及び公共電力配送網の何れかから選ばれたものからなることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項９】
前記キャパシタがスーパーキャパシタ、ウルトラキャパシタ及び電気二重層キャパシタの何れかから選ばれたものからなることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項１０】
前記キャパシタが１．５Ｖ以上の作動電圧を持ち、０．５Ｆ以上のキャパシタンスを持つことを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項１１】
前記キャパシタが電圧電源に接続された２つの電極を有し、前記電極は化学成分が等しいものであることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項１２】
前記切り替え機構が機械的スイッチ、電磁リレー、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）、集積バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、及び知的な集積型電子回路（ＩＩＥＣ）の何れかから選ばれたものからなることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項１３】
前記切り替え機構の切り替え時間が６０秒以下であることを特徴とする請求項１２に記載の電力供給装置。
【請求項１４】
前記知的な集積型電子回路（ＩＩＥＣ）がキャパシタの電圧および電流を読み取り、それに応じてＩＩＥＣにおいて切り替えのトリガーを引くことができることを特徴とする請求項１２に記載の電力供給装置。
【請求項１５】
少なくとも１つの電圧電源および少なくとも１つのキャパシタを含む電力供給システムに応用される電力供給方法であって、
前記電圧電源および前記キャパシタに直列に接続され、
前記電圧電源および前記キャパシタ間に接続された切り替え機構を使用することによって、前記電圧電源と前記キャパシタ間の極接続を往復動的に切り替えることを特徴とする電力供給方法。
【請求項１６】
前記極接続の切り替えが前記電源電圧および前記キャパシタの合成電圧が実質的にゼロになる度に行われることを特徴とする請求項１５に記載の電力供給方法。
【請求項１７】
前記極接続を往復動的に切り替えるステップで、前記電圧電源および前記切り替え機構間の極接続の状態を変化させることを特徴とする請求項１５に記載の電力供給方法。
【請求項１８】
前記切り替え機構が二極双投（ＤＰＤＴ）切り替えからなることを特徴とする請求項１７に記載の電力供給方法。
【請求項１９】
前記極接続を往復動的に切り替えるステップで、前記キャパシタおよび前記切り替え機構間の極接続の状態を変化させることを特徴とする請求項１５に記載の電力供給方法。
【請求項２０】
前記切り替え機構が二極双投（ＤＰＤＴ）切り替えからなることを特徴とする請求項１９に記載の電力供給方法。
【請求項２１】
バイパス機構を使用して、キャパシタの充電段階において電力供給システムの負荷をバイパスすることを特徴とする請求項１５に記載の電力供給方法。
【請求項２２】
前記切り替え機構が、前記バイパス機構をも切り替える三極双投（ＴＰＴＤ）切り替えからなることを特徴とする請求項２１に記載の電力供給方法。
【請求項２３】
前記切り替え機構が機械的スイッチ、電磁リレー、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）、集積バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、及び知的な集積型電子回路（ＩＩＥＣ）の何れかから選ばれたものからなることを特徴とする請求項１５に記載の電力供給方法。
【請求項２４】
前記知的な集積型電子回路（ＩＩＥＣ）がキャパシタの電圧および電流を読み取り、それに応じてＩＩＥＣにおいて切り替えのトリガーを引くことができることを特徴とする請求項２３に記載の電力供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力供給装置に関するものであり、より具体的には、本発明は安定なパワー（電力）を供給する電池とキャパシタとを使用した電力供給装置および電力供給方法に関するものであり、電池およびキャパシタ間の極接続の往復動型切り替えを通してエネルギーを蓄えることができる。
【背景技術】
【０００２】
電池は現代生活で必需品になってきており、自動車から携帯電話、ラップトップパソコンや音楽プレイヤーなどの消費財まで、広い用途に毎日使用されている。電池は充電および放電のエネルギー変換の化学的反応を利用し、通常低電力用途用に考えられている。電池の化学反応はあるエネルギーバリヤを越えることが必要なため、電池は急速充放電が妨げられる。しかし鉛電池は自動車のスターターとして通常用いられているように高電力密度の電池としてよく知られているが、この電池をこのような高電流供給に使用する場合は短時間しか供給できない。理論的に、全ての電池は電池材料の新たな発見により高電力密度化ができ、その代わりに、電池の利用時間や寿命は短くなる。そして長寿命化しようとするとデバイスは大きくなりがちである。
【０００３】
一方、スーパーキャパシタはエネルギー変換に急速な表面吸脱着を利用する。このスーパーキャパシタの電極が充電によってエネルギーを与えられると、デバイスの中の電解質のイオンは電極と電解質との界面で急速に吸着させられる。蓄積したイオンはキャパシタの静電容量、又はキャパシタ中に蓄積されたエネルギーである。スーパーキャパシタが放電を制御された場合、イオンの脱着は同様に急速に進むことができる。それ故、スーパーキャパシタは電池より高いパワー密度を有する。
【０００４】
スーパーキャパシタは、又、ウルトラキャパシタや電気二重層キャパシタとしても知られている。スーパーキャパシタの製作用には活性炭が最もポピュラーな吸着材料である。活性炭の広い表面積によって、スーパーキャパシタは、アルミ電解コンデンサ等の従来のキャパシタより数オーダー大きなエネルギーを蓄積することができる。製造上の観点から、スーパーキャパシタの電極はしばしば同じ配合で同じ製造プロセスで造られた同じ活性炭で造られる。設計上、スーパーキャパシタの２つの電極はスーパーキャパシタが充電されるまでは極性を持たない対称型である。他方、電池と従来のキャパシタは各々異種材料でできた正極と負極を有する。極性については、電池の２つの電極は交換できない。
【０００５】
スーパーキャパシタの２つの電極の極性が決まるのは充電用にスーパーキャパシタが電源に接続されているときである。電源の正極に接続された電極は正に充電され、一方他の電極は負に充電される。つまり、スーパーキャパシタの電極の極性が充電により形成されることを示している。いったん充電されたスーパーキャパシタがその蓄積エネルギーを負荷に完全に放出すると、その電極は再び非極状態になる。次の充電時、前の充電時の極性に拘わらず、スーパーキャパシタの電極のいずれかを正極か負極に接続することができる。充電用電極を前述のように切り替えても、同じ化学特性を持つ対称型である電極用スーパーキャパシタにとってダメージとはならない。このような極接続の切り替えは、電極が固定されている電池や従来のキャパシタには許されない。後者の電極で、もし接続を誤ると、爆発等の事故が起こる可能性がある。
【０００６】
スーパーキャパシタはエネルギーを蓄えるのみで、エネルギーを発生させることはできない。従ってスーパーキャパシタは受動的デバイスの分類に属する。スーパーキャパシタを使用すると２つの欠点がすぐ判る。１つは使用時間が短い点で、他は放電でキャパシタの電圧が急速に落ちることである。実際、この２つの欠点はスーパーキャパシタのエネルギー容量が低いことに関係している。これらのハンディキャップを補うために、電力用途におけるスーパーキャパシタは電池、燃料電池、発電機や公共電力配送網等の電源のサポートを受けて使わなければならない。スーパーキャパシタの高い電力密度で早い充電というユニークな性質が前述の組合せによって利用でき、電源の電力レベルは著しく増強される。言い換えると、スーパーキャパシタは前述の電圧電源の負荷を平準化する役割を担い、寿命を延長し製品サイズをミニマム化する。
【０００７】
スーパーキャパシタと電池を組合せて用いるのは特に電気自動車で多くの研究がなされている。ほんの２，３の例として、Ｓｈｉｒａｔａに与えられた特許文献１、ＤｅＤｏｎｃｋｅｒへの特許文献２、Ｍａｔｓｕｉへの特許文献３、Ｅｓｓｅｒへの特許文献３、Ｅｓｓｅｒへの特許文献４、Ｎｏｚｕへの特許文献５等がある。これらの先行文献では、複数の電池およびスーパーキャパシタは、それぞれ電力供給を制御するプロセッサおよびコンバータを含む電子回路で処理するものと、スーパーキャパシタを再充電する電子回路で処理するものとの２つにグループ分けられる。
【０００８】
スーパーキャパシタと電池との組合せの使用は、Ｗａｎｇに与えられたパワーツール用の特許文献６のような低電力消費応用にも見られる。更にパワー出力を倍にする切り替えメカニズムと結合したスーパーキャパシタと電池とのハイブリッド構造のものがＢａｕｇｈｍａｎへの特許文献７およびＳｈｉｕｅへの特許文献８に見られる。特許文献７では、電池およびスーパーキャパシタは負荷への放電の直前に並列接続から直列接続への切り替えが行われる。一方特許文献８では、スーパーキャパシタのみが並列接続から直列接続への切り替えが行なわれる。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５，１５７，２６７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３７３，１９５号明細書
【特許文献３】米国特許第５，６４２，６９６号明細書
【特許文献４】米国特許第５，７３４，２５８号明細書
【特許文献５】米国特許第６，６１７，８３０号明細書
【特許文献６】米国特許第６，３７３，１５２号明細書
【特許文献７】米国特許第６，０１６，０４９号明細書
【特許文献８】米国特許第６，６５０，０９１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ハイブリッド電源を用いる先行の研究は全て、スーパーキャパシタが連続して安定したピーク電力を供給することができるように、スーパーキャパシタを急速再充電する電池群に頼るものである。しかしながら、スーパーキャパシタの電圧は放電時に急に低下する。一方、使い捨て又は一次アルカリ電池で動く多くの家庭用品において、電池寿命の終わりは電池のエネルギー容量の完全な費消を意味しない。実際、電池の残留電圧が製品の駆動電圧以下まで落ちたため、電池が廃棄された時、使用していないエネルギーは約６５％存在する。それゆえに、アルカリ電池を廃棄する時には、いつも多くのエネルギーが損失となる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述のように、スーパーキャパシタは、ＤＣ電源、ＡＣ電源のいずれにも有効な電力増幅器である。本発明は、スーパーキャパシタの高電力密度と同様に、高充放電効率および長寿命のユニークな特性に加え、スーパーキャパシタの２つの電極の対称性の構成がキャパシタの価値を上げることに用いることができる。
【００１２】
上記のことから、本発明は対称性を有するスーパーキャパシタの非極特性を使って電池およびスーパーキャパシタからなるハイブリッド電源の応用範囲を広げる電力供給方法を提供する。
【００１３】
本発明はまた、この電力供給方法を使用する電力供給装置を提供する。
【００１４】
本発明の電力供給方法において、キャパシタの電極の極性は、充電‐放電サイクルで繰り返し反転して電池のエネルギー利用効率を進歩させ、放電の間のキャパシタの出力電圧を安定させる。
【００１５】
本発明の電力供給装置は、少なくとも１つの電圧電源と、電圧電源に直列に接続された少なくとも１つのキャパシタと、電圧電源およびキャパシタ間に接続された少なくとも１つの切り替え機構とを含む。
【００１６】
本発明の実施例では、スーパーキャパシタの電圧が直接接続されている電池の電圧より低い限り、このスーパーキャパシタは電池からエネルギーを受けることができる。スーパーキャパシタが電池のポテンシャルで充電された後、開回路になり電池は放電を止める。スーパーキャパシタに配置したスイッチの切り替えにより、電池へのスーパーキャパシタの極接続は逆になる。その後、スーパーキャパシタと電池は直列になって合成された電圧で共に負荷を駆動する。スーパーキャパシタが放電を始め、その電圧が電池の電圧より下がると、スーパーキャパシタは逆の極性で電池により再充電される。逆極性で充電される速度はスーパーキャパシタと電池のポテンシャルとの差により決まる。
【００１７】
スーパーキャパシタの完全充電により電池の放電は再び止まる。そして、スーパーキャパシタおよび電池のハイブリッドパックが負荷を連続的に駆動するため、スーパーキャパシタと電池との極接続は元に戻る。スーパーキャパシタおよび電池からなるハイブリッド電源の極接続の往復動型スイッチならびに逆極性充電を用いて、電池が公称終止電圧に達するまで負荷を常に動かすことができる。
【００１８】
スーパーキャパシタと電池の極接続を反転する別の方法は、電池に切り替え機構を設置することによる。電池の接続する極を切り替える度に、スーパーキャパシタの極接続を反転し、２つのデバイスを直列にして負荷を全体で駆動する。しかし、このやり方では、負荷は切り替えの都度、運動方向が反転する。実際は、スーパーキャパシタの極接続を反対にすることは、スーパーキャパシタおよび電池を前の接続状態から反転した直列接続への切り替えである。電池によるスーパーキャパシタの充電が前の構成で行われている時、極接続の切り替えは両者の合成電圧で負荷を駆動するように２つのデバイスを直列接続にすることである。
本発明の第３の実施形態において、この接続の切り替えはスーパーキャパシタの急速充電の利点を加えた側路の安全機構として考えられる。
【００１９】
上記の３つの全てを実施すると、スーパーキャパシタおよび電池からなるハイブリッド電源によって供給される電力は、その高放電速度のため、始めはスーパーキャパシタから供給される。スーパーキャパシタのエネルギーが空になると、負荷へのエネルギー供給を電池が引き継ぐ。このようにして、電池はスーパーキャパシタと結合して用いることにより短時間の休息が得られる。比較する従来型の電池が電圧回復できないのに対し、ハイブリッドパックにある電池は電圧を回復することができるということは前述の休息によるものである。言い換えると、スーパーキャパシタの負荷平準化により、しばしばエネルギーロスを生じる電圧の早期老朽化の原因となる電池の過放電を避けることができる。従って、電池の利用効率は短時間の休息により改善され、一方、持続的電池の充電および往復動的極反転によりスーパーキャパシタの放電電圧は一定レベルに維持することが可能となる。
【００２０】
上記の各種引用文献や、スーパーキャパシタの電力応用のいずれの文献においても、スーパーキャパシタおよび充電電源の極接続に往復動型スイッチを利用するものはない。より単純な回路を使用した極接続の往復動型スイッチを通して、スーパーキャパシタから安定した電力出力が得られる。つまり、スーパーキャパシタの欠点の１つ、すなわち、放電での急激な電圧低下は、往復動型スイッチの使用により鈍化させることができる。一方、電池のエネルギー利用は、それらが使い捨てか再充電可能な（二次）電池かに拘わらず、本発明に開示されるように、往復運動的に極性反転することにしたスーパーキャパシタを使うことにより改善できる。
【００２１】
この発明の上記の目的、その他の目的、特徴および長所を明確に理解してもらうため、以下により好適な実施例ならびに図面を示し、詳細を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２３】
スーパーキャパシタおよび電池の両者はエネルギー蓄積デバイスであるが、電池の方がスーパーキャパシタより多くのエネルギーを蓄積できる。スーパーキャパシタおよび電池からなるハイブリッド電源においては、電池はスーパーキャパシタ用の電源であり、そして電池単独より両者は一緒になって強力に働くことができる。
【００２４】
図１はスーパーキャパシタを配置した電池の動作回路の回路図である。図１では、一対の同じ長さの平行線によりスーパーキャパシタ２０を表しており、非極性で対称型の電極をシンボル的に表した電池１０およびモーターや電球である負荷３０を有する回路内にスーパーキャパシタ２０を含んでいる。負荷３０の駆動用電池１０により、空のスーパーキャパシタ２０は電池１０により同時に充電される。最終的にスーパーキャパシタ２０は電池１０の電圧まで充電され、そしてスーパーキャパシタ２０が開回路になったときに充電が終わる。スーパーキャパシタ２０が開回路になったとき、スーパーキャパシタ２０および電池１０は同じポテンシャルを持っているだけでなく、並列接続となる。スーパーキャパシタ２０の電極が充電により分極化し、スーパーキャパシタ２０に接続されている電池１０の２つの極と同じ極性を持つ。電子的に、スーパーキャパシタ２０は電池１０のポテンシャルを無効にする負のポテンシャル状態にあり、負荷３０が止まる。
【００２５】
［第１実施形態］
図２は本発明の第１実施形態を示し、スーパーキャパシタ２０および電池１０の極接続は２つのスイッチからなる二極双投（double-pole double-throw；ＤＰＤＴ）コントローラによって制御される。図２に示すようにＳ１−Ｓ１ＡおよびＳ２−Ｓ２Ａの状態のＤＰＤＴで、負荷３０が電池１０により駆動されると同時にスーパーキャパシタ２０は電池１０によって充電される。電池１０の電圧が負荷３０を駆動するに不十分でも、充電電流はスーパーキャパシタ２０を充電するために負荷３０を通過することができる。充電電流の流れの経路は以下の通りである：電池１０の正極（長い線）、負荷３０、Ｓ２Ａ、Ｓ２、スーパーキャパシタ２０、Ｓ１、Ｓ１Ａ、電池１０の負極（短い線）。スーパーキャパシタ２０が電池１０のポテンシャルまで充電されると、すぐ、充電電流は流れなくなり、負荷３０がとまる。
【００２６】
続いて、ＤＰＤＴをＳ１−Ｓ１ＢおよびＳ２−Ｓ２Ｂの状態に切り替えることにより、スーパーキャパシタ２０は電池１０と直列接続になって電圧を合成して負荷３０を駆動する。電池１０のポテンシャルが１．５Ｖなら、ハイブリッドパワーは３．０Ｖで負荷３０を駆動する。合成電圧が１．５Ｖに落ちるまで駆動パワーはスーパーキャパシタ２０によって最初供給され、そしてその後電池１０が負荷３０へ電力を供給すると想定される。それ故、スーパーキャパシタ２０が作動中電池１０は短い休息の時間を持つ。スーパーキャパシタ２０および電池１０が直接接続されると、スーパーキャパシタ２０のポテンシャルが電池１０より低い場合に限り、電池１０はスーパーキャパシタ２０を充電する。こうしてスーパーキャパシタ２０が放電すると、両者間のポテンシャルを等しく維持するために、スーパーキャパシタ２０の失われたエネルギーは電池１０によって補償される。
【００２７】
充電速度はスーパーキャパシタ２０および電池１０のポテンシャル差に比例し、その充電はスーパーキャパシタ２０および電池１０の合成電圧が低下しなくなったところで完了する。充電のルートは次の通りである：電池１０の正極（長い線）、負荷３０、Ｓ２Ｂ、Ｓ２、スーパーキャパシタ２０、Ｓ１、Ｓ１Ｂ、電池１０の負極（短い線）。従ってスーパーキャパシタ２０の放電の最中に極反転されても、反対の極性にあるスーパーキャパシタ２０の電極に電界が形成される。この場合、スーパーキャパシタ２０は逆の極性に充電される。スーパーキャパシタ２０の電極の対称性の故に、反対の極性の充電が許される。
【００２８】
更に、スーパーキャパシタ２０の充放電は、２つの可逆的物理プロセス、即ち電極表面でのイオン吸着およびイオン脱着でなされる。イオンが脱着されると、すぐ、空孔箇所が吸着可能となる。負荷３０が必要とする大きな電力に適合するためにイオンを急速に脱着することができれば、スーパーキャパシタ２０は短時間に再充電できる。スーパーキャパシタ２０は電池１０の負のポテンシャルに再充電されるので、スーパーキャパシタ２０および電池１０の新合成電圧で負荷３０を駆動するためにスーパーキャパシタ２０に新たに蓄積されたエネルギーを使用するために、スーパーキャパシタ２０および電池１０の極接続を再び反転しなければならない。極接続の反転がなければ、負荷３０はスーパーキャパシタ２０又は電池１０から何の駆動力も受けない。スーパーキャパシタ２０および電池１０の接続の極性の往復動型スイッチの前述の操作はスーパーキャパシタ２０および電池１０の合成電圧が負荷３０の駆動電圧以下になるまで繰り返される。
【００２９】
スーパーキャパシタおよび電源との極接続を切り替える時期を決めるのに２つの手段がある。１つは、スーパーキャパシタの放電時間により切り替えるもの、即ち切り替え前にキャパシタが放電するための所定の時間を与えることにより切り替えるものである。もう１つは、スーパーキャパシタの残留電圧、即ち電圧センサにより所定のポテンシャルで切り替えのトリガーを引くことによるものである。実際、放電時間および残留電圧は同じ放電プロセスで関連しており、長い放電時間は低い残留電圧となる。
【００３０】
いずれにせよ、スーパーキャパシタと充電電源との極接続は用途の必要性に基づき選択した時点で反転することができる。極接続の往復動型スイッチによってスーパーキャパシタの電圧をある所定のポテンシャルレベルに維持するように注意深く設計することができる。スーパーキャパシタの放電電圧が急速にゼロに落ちるスーパーキャパシタの従来の放電と比較すると、往復動型スイッチはスーパーキャパシタを安定電圧で放電できるという利点がある。結果として、スーパーキャパシタは放電時電圧がゆっくりと一定に低下する電池のような挙動をする。放電時作動電圧のゆっくりとした低下は電池及びスーパーキャパシタ両者の効率的な使用にとって極めて重要である。
【００３１】
スーパーキャパシタの充電電源が豊富なエネルギーを有する一連の電池、燃料電池、燃焼エンジン、ターボ発電機、又は公共電力配送網の場合、往復動型スイッチはスーパーキャパシタをフルパワーまで急速充電することができ、その結果、スーパーキャパシタは常に遅れることもなく如何なる負荷に対してもリアルタイムで安定したピークパワーの供給を準備する。充電電源は過負荷の危険もなく火災も生じない。更に、同じ負荷を駆動するスーパーキャパシタや往復動型スイッチなしの他の物と比較すると、電源のサイズやコストを減少させることができる。
【００３２】
一次電池や二次電池のいずれに対しても、更にもう１つの次の利点がある。電池のエネルギー利用効率は往復動型スイッチによる短い休息により著しく改善される。その休息の間、電極の種々の場所に蓄積されている活性物質の再配列によって電池はその電圧を回復する。さもないと電池は連続放電のため早い不可逆の電圧降下を喫することとなる。それ故、往復動スイッチの稼動はエネルギーの節約のみならず、世界の廃棄電池の数を減らすことができる。
【００３３】
さらに、充電電源又は電圧発生電源へのスーパーキャパシタの極接続の切り替えは、機械的スイッチ、電磁リレー、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、集積型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）又は知的な集積型電子回路（ＩＩＥＣ）により行なうことができる。電磁リレー、ＦＥＴ又はＩＧＢＴと共に、切り替えのトリガー、例えばタイマー又は電圧計を用いることにより往復動型スイッチの作動は自動化でき、本構成切り替え制御に要するエネルギーは最小限消費するのに留まる。さらに、知的な集積型電子回路（Intelligent Integrated Electronic Circuit,ＩＩＥＣ）は、電圧および電流を読み取り、それに応じてＩＩＥＣにおいて切り替えのトリガーを引くことができる。
【００３４】
［第２実施形態］
図３は本発明の第２の実施形態で、二方向に動く負荷３０、例えばガレージの扉、電動式カーテンやエレベータ、に対して往復動型スイッチを用いるものである。図３に示す状態でＤＰＤＴをセットすることにより、電池１０は以下に示すような流路で電流を供給する：電池１０の正極（長い線）、Ｓ１、Ｓ１Ａ、スーパーキャパシタ２０、負荷３０、Ｓ２Ａ、Ｓ２、電池１０の負極（短い線）。電流は負荷３０を駆動するが、電池１０よりスーパーキャパシタ２０のポテンシャルが低い場合に限りスーパーキャパシタ２０を確実に充電する。スーパーキャパシタ２０が電池１０の負のポテンシャルまで充電されると、電流は流れなくなり、負荷３０は止まる。
【００３５】
反対に、電池１０の放電は負荷３０の運動と同期する、即ち負荷３０が止まる時、電池１０の放電も終了する。電池１０の駆動力がスーパーキャパシタ２０によって打ち消される場合、負荷３０を駆動するために電池１０およびスーパーキャパシタ２０の接続の極性を変えなければならない。ＤＰＤＴをＳ１−Ｓ１ＢおよびＳ２−Ｓ２Ｂの状態に切り替えると、電池１０およびスーパーキャパシタ２０は直列接続になる。切り替え後、電池１０およびスーパーキャパシタ２０は次の流路で電流を供給する：電池１０の正極（長い線）、Ｓ１、Ｓ１Ｂ、負荷３０、スーパーキャパシタ２０、Ｓ２Ｂ、Ｓ２、電池１０の負極（短い線）。そして電池１０とスーパーキャパシタ２０の合成電圧によって負荷３０は逆方向に駆動される。
【００３６】
スーパーキャパシタ２０が電池１０の負のポテンシャルに再び充電されると、電池１０が完全に費消されるまで電池１０およびスーパーキャパシタ２０の両者は負荷３０を連続して駆動するように極接続の反転を繰り返されなければならない。電池１０の放電が負荷３０の運動と同期する別の場合、即ち負荷３０がその２つの移動終端の間のどの点で止まっても、スーパーキャパシタ２０の再充電および電池１０の放電は共に中止する。負荷３０の電力消費に依存して、スーパーキャパシタ２０は止まった所で完全に再充電されたり、されなかったりする。スーパーキャパシタ２０が完全に再充電される時はいつも電池１０の駆動力はロックされ、ハイブリッドパワーが負荷３０を駆動するためにはスーパーキャパシタ２０と電池１０の極接続を反転しなければならない。
【００３７】
それにも拘らず、図３に示すような切り替えの形態によって、負荷３０は極性変換の前に以前の動きを続けるよりも反対方向に動くことしかできなくなるときがある。負荷３０がオペレータの望む方向に動くために、電池１０およびスーパーキャパシタ２０からなるハイブリッドパワーによって供給される電流は、別のスイッチのセットを経由して作られるインバータによる整流を必要とする。
【００３８】
［第３実施形態］
図４は本発明の第３の実施形態で、負荷３０を通さずに電池１０がスーパーキャパシタを急速充電するものである。普通の接点であるＳ１、Ｓ２、Ｓ３の３つのスイッチからなる三極双投（ＴＰＴＤ）付きトリガーがスーパーキャパシタ２０および電池１０の極接続を反転するのに利用される。図４に示すようにＴＰＤＴは通常閉状態（Ｓ１−Ｓ１Ａ、Ｓ２−Ｓ２Ａ及びＳ３−Ｓ３Ａ）なので、電池１０は次のルートでスーパーキャパシタ２０を充電する：電池１０の正極（長い線）、Ｓ３Ａ、Ｓ３、Ｓ２Ａ、Ｓ２、スーパーキャパシタ２０、Ｓ１、Ｓ１Ａ、電池１０の負極（短い線）。ラッチ付き押しボタン（図示されていない）はスーパーキャパシタ２０の充電の開始に使われる。
【００３９】
充電電流は負荷３０を通して流れないので、負荷３０は静止している。更に、電池１０およびスーパーキャパシタ２０は、本来電気的にショートの状態なので、電池１０はスーパーキャパシタ２０を急速充電できる。トリガーを引くと、ＴＰＴＤは通常開状態（Ｓ１−Ｓ１Ｂ、Ｓ２−Ｓ２Ｂ、Ｓ３−Ｓ３Ｂ）になり、電池１０およびスーパーキャパシタ２０は直列になって負荷３０を駆動する高電力パルスを供給する。通常開状態で、電流の流路は以下のようになる：電池１０の正極（長い線）、負荷３０、Ｓ１Ｂ、Ｓ１、スーパーキャパシタ２０、Ｓ２、Ｓ２Ｂ、電池１０の負極（短い線）。これにより、電池１０およびスーパーキャパシタ２０のハイブリッドパックを用いて負荷３０はエネルギーを与えられて、対象物へ急速な仕事をする。
【００４０】
電池１０およびスーパーキャパシタ２０間の極接続の前述の反転はコードレス砕岩機、地面付き固め機、ドリル、ハンマー、生垣ばさみ、釘打ち機、ニブラ、ピン打ち機、刈り込み機、ステプラー、鋲打ち機やトリマーなどの様々なパワーツールに利用できる。一度トリガーが外されると、ＴＰＴＤが通常閉の状態に戻ると共に、負荷３０は休息し、スーパーキャパシタ２０は電池１０により急速充電され、次の放電に備える。図４のスイッチＳ３は、スーパーキャパシタ２０に急速充電を行うと共に、負荷３０の突発的な暴走を防ぐことに対し、機能的に安全スイッチとしての役割を果たす。
【００４１】
上記実施形態から、スーパーキャパシタをリアルタイムに使用するため、本発明はスーパーキャパシタおよび充電電源の極接続変換を簡単で、経済的且つ容易に使える方法を提供し、そしてこのスーパーキャパシタは、安定で長続きする放電電流を供給する電池として振舞うことができる。
【実施例】
【００４２】
以下の実施例は、限定的なものではなく、放電時におけるスーパーキャパシタの作動電圧の安定化及び電池のエネルギー利用効率の改善に関する本発明の範囲の実施例の単なる提供である。
［実施例１］
図２のような回路配置で、１．５ＶのアルカリＡＡサイズ（単３形）の電池と、２．５Ｖｘ３Ｆとランク付けされる自家製のＡＡサイズのスーパーキャパシタと、おもちゃの車に使われるＤＣモーターとを接続する。比較例において、同じＤＣモーターを直列接続において２個の同一ブランドの１．５ＶアルカリＡＡ電池で駆動する。それにより、ＤＣモーターを電池／スーパーキャパシタおよび往復動型スイッチの組み合わせたもので駆動する場合と、又は電池のみによって駆動する場合となり、どちらの場合も電池がエネルギーを完全に費消するまでモーターを駆動して電池の使用状態を比較する。電池の費消とは、電池がノンストップの放電テストにおいてモーターを駆動させることができなくなった状態をいう。この電池は一晩休息後モーターを駆動できるかも知れないが、しかし、再利用時間は短く、テストには含めない。
【００４３】
図５Ａはスーパーキャパシタで測定されるハイブリッド電源の電圧変動サイクルを示す。電池は放電が始まるとすぐ電圧降下を生ずることが知られている。電圧降下は電池の内部抵抗および負荷電力に比例する。本テストにおいては、電圧降下は約０．３Ｖで、一方モーターは最大電流０．５Ａ消費する。往復動型スイッチにより、スーパーキャパシタの作動電圧は約２．４Ｖのポテンシャルの枠の中で振れる。即ち、スーパーキャパシタは１．２Ｖまたは−１．２Ｖの何れかに充電される。スーパーキャパシタが１．２Ｖから０Ｖに放電する時はいつも、このスーパーキャパシタはその後、逆の極性で０Ｖから−１．２Ｖに再充電される。そして、スーパーキャパシタは−１．２Ｖから０Ｖに放電し、再びそこから１．２Ｖに再充電される。このようにして、全てのサイクルは１．２Ｖと−１．２Ｖの間で２組の充放電を含む。往復動型スイッチは、逆極性の充電がない従来のスーパーキャパシタの応用の場合に生じる完全放電して０Ｖにロックすることを防ぐ。更に、スーパーキャパシタの公称放電電圧は切り替え時間を調整することによって、所定のポテンシャルレベルにセットすることができる。
【００４４】
図５Ｂはアルカリ電池およびスーパーキャパシタで駆動したモーターで測定される電圧降下のいくつかのサイクルを示す。実際問題、図５Ｂは電池およびスーパーキャパシタからなるハイブリッド電源の放電曲線で、とげ状の線はモーターからの干渉による。グラフに表現されているように、ハイブリッドの電力は３Ｖではなく約２．５Ｖから０Ｖまで完全に費消する。最初のハイブリッド電源の放電で、モーターへ供給される電力はスーパーキャパシタから来て、約１．２Ｖのエネルギーを消費する。そして、電池は電力供給を引き継ぎ、モーターを駆動し、スーパーキャパシタを合成電圧がゼロになるまで充電する。０Ｖになった時、スーパーキャパシタは完全に且つ負に充電される。それにも拘わらず、モーターは慣性で回り続ける。ほんの数秒で、スーパーキャパシタと電池の極接続は自動的に逆転し、それらは別のサイクルで再びモーターを全体として駆動する。
【００４５】
往復動型スイッチを通して、モーターは電池およびフリップフロップスーパーキャパシタのハイブリッドパックによって繰り返し駆動される。図５Ｂは合成電圧が周期的に０Ｖまで落ちたものを示すが、反転する点は、惰力、点火、加速、アクチュエーション、トルク、推進力、振幅、又は発光輝度などのような適切な力を負荷に与える電圧に設定することができる。特に、電池ないしは別電源が十分なエネルギーを有している時、スーパーキャパシタは急速に充電され、負荷は動きが鈍るような如何なる兆候もなくコンスタントに駆動される。実際、おもちゃの車のモーターの場合、負荷を駆動する電池を助けるためのスーパーキャパシタは、モーターを継続して駆動するために０．５Ｆのキャパシタンスしか必要としない。
【００４６】
図５Ｃはモーターをスーパーキャパシタと共にノンストップ推進に供給して働く電池の放電曲線を示す。この曲線から判るように、電池の電圧は約１１時間で０．７Ｖまでフラットでゆっくりと低下する。比較として、１．５Ｖのアルカリ電池を２つ使って直列に接続して同じテストをした放電曲線は図５Ｄに示す。２つの電池パックの電圧はほぼ３時間で１．４Ｖに急速に降下する。平均的に、各々の電池はハイブリッド電源の電池と同じ０．７Ｖの終止電圧を持つ。アルカリ電池が０．７Ｖに落ちたらいつも、その化学反応はもはや仕事に十分な電流を発生させないように見える。
【００４７】
電池のみを使う場合、モーター駆動は漸減的に減速する。ハイブリッド電源の場合は、ハイブリッド電源電圧がゼロに近づくに従い、モーターは顕著な減速を周期的に示す。ハイブリッドパックの電池はモーターおよびスーパーキャパシタの両者にエネルギーを供給することの２つの機能を行なう。本実施形態において電池の使用時間の差はここに示される程大きくはないが、全てのことを考慮すると、往復動型スイッチの採用によって、スーパーキャパシタによりサポートされる電池のエネルギー利用効率を著しく改善する。電池利用時間を１０％延長できた場合でも、世界で年間数百万個使われる電池に対する環境上のインパクトは重大である。
【００４８】
当業者に良く知られているように、特に電池の設計能力以上の高い電力を必要とする場合に、スーパーキャパシタは電池に負荷平準化効果を提供する。しかし、本発明では、スーパーキャパシタはまた極接続の往復動的な逆転を使って電池の短い休息を与える。従って、電池は電圧を回復し、電池使用時間を延長できる。
【００４９】
［実施例２］
ＡＡサイズのアルカリ電池の代わりにＡＡサイズの１８００ｍＡｈ容量のニッケル水素電池を使う以外は実施例１と同じにしてテストを行う。電池およびスーパーキャパシタからなるハイブリッドパックは７秒後毎に極接続を往復動的に逆転し、一方、２個のニッケル水素電池からなる電池のみのグループは、電池を直列に接続し、モーターが駆動するエネルギーが残っていない状態になるまで運転する。ハイブリッドパックおよび電池のみのものの使用時間はそれぞれ、６．８時間および４．２時間である。明らかに、極性の往復動的逆転は、ニッケル水素電池の使用時間を延長する。
【００５０】
本発明の多くの派生や修正が上記開示から可能であろう。添付の特許請求の範囲及びこの趣旨には、このような代替を含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】電池の動作回路に配置したスーパーキャパシタの回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態に基づき、スーパーキャパシタの電池への極接続を往復動的に反転する切り替え機構の回路の概要図である。
【図３】本発明の第２実施形態に基づき、電池とスーパーキャパシタ間の極接続を往復動的に反転する切り替え機構の回路の概要図である。
【図４】本発明の第３実施形態に基づき、負荷をバイパスしてスーパーキャパシタを急速充電する切り替え機構の回路の概要図である。
【図５Ａ】本発明の実施例１において、往復動型スイッチ操作を用いる場合、スーパーキャパシタで測定されるハイブリッド電源の電圧振動樣式を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の実施例１において、往復動型スイッチ操作を用いる場合、電池とスーパーキャパシタの合成電圧によって駆動されるモーターで測定される放電曲線を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の実施例１において、スーパーキャパシタと共に作動する電池の放電曲線を示す図である。
【図５Ｄ】比較例において、モーター駆動用に２つの電池を直列接続した場合の放電曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  電池
２０  スーパーキャパシタ
３０  負荷（モーター） 
Ｓ１，Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ  切り替え機構の接点
Ｓ２，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ  切り替え機構の接点
Ｓ３，Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ  切り替え機構の接点
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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