(57)【要約】      （修正有）【課題】充電完了時に２次キャパシタセルの充電率を高めた充電装置、充電システム及び充電方法を提供する。【解決手段】充電装置１００は、１次蓄電部１と、２次蓄電部２に接続するためのコネクタ５０と、１次キャパシタセルとコネクタ５０との間に接続されるスイッチ４０と、スイッチ４０を制御する制御部６０とを備える。１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセルの直列数は、２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセルの直列数より多い。制御部６０は、スイッチ４０をオン状態にすることで１次キャパシタセルと２次キャパシタセルとの間を短絡状態とし、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間の電圧差により２次蓄電部２を充電し、２次蓄電部２の充電中に、２次蓄電部２の充電状態を検知する。２次蓄電部２の充電状態が目標値に達したことを検知した場合に、制御部６０は、スイッチ４０をオフ状態にして、２次蓄電部２の充電を停止させる。【選択図】図１
2019110637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の１次キャパシタセルを直列に接続した１次蓄電部と、
複数の２次キャパシタセルを直列に接続した２次蓄電部に接続するためのコネクタと、
前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されるスイッチと、
前記１次蓄電部と前記コネクタとの間を、前記スイッチを介して接続する配線と、
前記スイッチを制御する制御部とを備え、
前記１次キャパシタセルの直列数は前記２次キャパシタセルの直列数より多く、
前記制御部は、
前記スイッチをオン状態にすることで前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とし、
前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して前記２次蓄電部を充電し、
前記２次蓄電部の充電中に、前記２次蓄電部の充電状態を検知し、
前記２次蓄電部の充電状態が目標値に達したことを検知した場合に、前記スイッチをオフ状態にして、前記２次蓄電部の充電を停止させる充電装置。
【請求項２】
請求項１記載の充電装置であって、
前記１次キャパシタセルと前記２次キャパシタセルは同一性能のキャパシタである充電装置。
【請求項３】
複数の１次キャパシタセルを直列に接続した１次蓄電部と、
複数の２次キャパシタセルを直列に接続した２次蓄電部と、
前記２次蓄電部に接続するためのコネクタと、
前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されるスイッチと、
前記１次蓄電部と前記コネクタとの間を、前記スイッチを介して接続する配線と、
前記スイッチを制御する制御部とを備え、
前記１次キャパシタセルの直列数は前記２次キャパシタセルの直列数より多く、
前記制御部は、
前記スイッチをオン状態にすることで前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とし、
前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して、前記２次蓄電部を充電し、
前記２次蓄電部の充電中に、前記２次蓄電部の充電状態を検知し、
前記２次蓄電部の充電状態が目標値に達したことを検知した場合に、前記スイッチをオフ状態にして、前記２次蓄電部の充電を停止させる充電システム。
【請求項４】
配線の先端に設けられたコネクタを、複数の２次キャパシタセルを直列に接続した２次蓄電部に接続して、複数の１次キャパシタセルを直列に接続した１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を、前記配線を介して電気的に接続させる工程と、
前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されたスイッチをオン状態にして、前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とする工程と、
前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して、前記２次蓄電部を充電する工程と、
前記２次蓄電部の充電中に、前記２次蓄電部の充電状態を検知する工程と、
前記２次蓄電部の充電状態が目標値に達したことを検知した場合に、前記スイッチをオフ状態にして、前記２次蓄電部の充電を停止させる工程とを備え、
前記１次キャパシタセルの直列数は前記２次キャパシタセルの直列数より多い充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタを充電する充電装置、キャパシタを充電する充電システム、及びキャパシタの充電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蓄電装置を搭載した物流用搬送車と、物流量搬送車の充電装置で構成された充電システムが知られている（例えば特許文献１を参照）。蓄電装置は、電気二重層キャパシタを有しており、この電気二重層キャパシタは車両側接続電極を介して直流電力が供給されると、この直流電力を蓄電する。充電装置はスイッチング電源の後段に接続された電気二重層キャパシタを有しており、この電気二重層キャパシタはスイッチング電源から出力された直流電力により充電される。充電装置は、車両側接続電極と地上側接続電極との接続を確認した後、スイッチをオン状態にて、充電装置側の電気二重層キャパシタから、接続電極を介して、搬送車側の電気二重キャパシタへの給電を開始する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−４５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の充電システムにおいて、充電装置側（１次側）の電気二重層キャパシタと搬送車側の電気二重層キャパシタを同じキャパシタの構成にした場合には、１次側の電気二重層キャパシタを満充電の状態（充電率（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  оｆ  Ｃｈａｒｇｅ））を１００％にした状態）とし、２次側の電気二重層キャパシタを空の状態（ＳＯＣを０％にした状態）で充電を実施しても、充電完了後の２次側の電気二重層キャパシタのＳＯＣは最大でも５０％までにしかならない。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、充電完了時に２次キャパシタセルの充電率を高めた充電装置、充電システム、及び充電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］本発明に係る充電装置は、複数の１次キャパシタセルを直列に接続した１次蓄電部と、複数の２次キャパシタセルを直列に接続した２次蓄電部に接続するためのコネクタと、前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されるスイッチと、前記１次蓄電部と前記コネクタとの間を、前記スイッチを介して接続する配線と、前記スイッチを制御する制御部とを備え、前記１次キャパシタセルの直列数は前記２次キャパシタセルの直列数より多く、前記制御部は、前記スイッチをオン状態にすることで前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とし、前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して前記２次蓄電部を充電するし、前記２次蓄電部の充電中に、前記２次蓄電部の充電状態を検知し、前記２次蓄電部の充電状態が目標値に達したことを検知した場合に、前記スイッチをオフ状態にして、前記２次蓄電部の充電を停止させる充電装置である。
【０００７】
［２］上記発明において、前記１次キャパシタセルと前記２次キャパシタセルは同一性能のキャパシタとしてもよい。
【０００８】
［３］本発明に係る充電システムは、複数の１次キャパシタセルを直列に接続した１次蓄電部と、複数の２次キャパシタセルを直列に接続した２次蓄電部と、前記２次蓄電部に接続するためのコネクタと、前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されるスイッチと、前記１次蓄電部と前記コネクタとの間を、前記スイッチを介して接続する配線と、前記スイッチを制御する制御部とを備え、前記１次キャパシタセルの直列数は前記２次キャパシタセルの直列数より多く、前記制御部は、前記スイッチをオン状態にすることで前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とし、前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して、前記２次蓄電部を充電し、前記２次蓄電部の充電中に、前記２次蓄電部の充電状態を検知し、前記２次蓄電部の充電状態が目標値に達したことを検知した場合に、前記スイッチをオフ状態にして、前記２次蓄電部の充電を停止させる。
【０００９】
［４］本発明に係る充電方法は、配線の先端に設けられたコネクタを、複数の２次キャパシタセルを直列に接続した２次蓄電部に接続して、複数の１次キャパシタセルを直列に接続した１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を、前記配線を介して電気的に接続させる工程と、前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されたスイッチをオン状態にして、前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とする工程と、前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して、前記２次蓄電部を充電する工程と、前記２次蓄電部の充電中に、前記２次蓄電部の充電状態を検知する工程、前記２次蓄電部の充電状態が目標値に達したことを検知した場合に、前記スイッチをオフ状態にして、前記２次蓄電部の充電を停止させる工程とを備える。１次キャパシタセルの直列数は２次キャパシタセルの直列数より多い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、１次蓄電部に含まれる１次キャパシタセルの直列数を２次蓄電部に含まれる２次キャパシタセルの直列数を多くして、１次蓄電部とコネクタとの間を、スイッチを介して配線で接続し、スイッチをオン状態にすることで１次蓄電部と２次蓄電部との間を短絡状態とし、１次蓄電部と２次蓄電部との間の電圧差により、１次蓄電部から２次蓄電部に電流を流して２次蓄電部を充電する。このため、大型なコンバータを用いることなくキャパシタを充電することができ、装置の大型化又はシステムの大型化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施形態における充電システムのブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す充電システムの回路図である。
【図３】図３は、ＣＣＣＶ充電方式で充電した場合のキャパシタの電圧特性と電流特性を示すグラフである。
【図４】図４は、ＣＣ充電方式で充電した場合のキャパシタの電圧特性と電流特性を示すグラフである。
【図５】図５は、図１に示す充電システムの等価回路を示している。
【図６】図６は、１次側セルの電圧特性、２次側セルの電圧特性、及び充電電流の特性を示す。
【図７】図７は、本発明の実施形態における充電システムの回路図である。
【図８】図８は、比較例１及び実施例１、２で使用した検証回路の回路図である。
【図９】図９は、比較例１の充電システムにおける、電圧特性及び電流特性を示すグラフである。
【図１０】図１０は、比較例１の充電システムにおける、２次側キャパシタの充電率の特性を示すグラフである。
【図１１】図１１は、実施例１の充電システムにおける、電圧特性及び電流特性を示すグラフである。
【図１２】図１２は、実施例１の充電システムにおける、２次側キャパシタの充電率の特性を示すグラフである。
【図１３】図１３は、実施例２の充電システムにおける、電圧特性及び電流特性を示すグラフである。
【図１４】図１４は、実施例２の充電システムにおける、２次側キャパシタの充電率の特性を示すグラフである。
【図１５】図１５は、実施例における充電システムにおいて、セルの直列数に対する充電率（ＳＯＣ）の特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る充電システムのブロック図である。図２は、本実施形態に係る充電システムの回路図である。本実施形態における充電システム１０００は、図１に示すように、１次蓄電部１、２次蓄電部２、配線３０、スイッチ（ＳＷ）４０、コネクタ５０、及び制御部６０を備えている。１次蓄電部１、配線３０、スイッチ４０、及び制御部６０を含む装置が、充電装置１００に相当する。
【００１３】
図２に示すように、１次蓄電部１は、複数の１次キャパシタセル１０を直列に接続した蓄電デバイスである。２次蓄電部２は、複数の２次キャパシタセル２０を直列に接続した蓄電デバイスである。１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセル１０と、２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０は、電池容量、定格電圧等を同じとした同一性能のキャパシタである。１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセル１０の直列数は、２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０の直列数より多い。例えば、２次キャパシタセル２０の直列数が４個である場合には、１次キャパシタセル１０の直列数は５個以上とする。すなわち、１次キャパシタセル１０の直列数は、２次キャパシタセル２０の直列数より多い。
【００１４】
１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセル１０及び２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０について説明する。
【００１５】
１次キャパシタセル１０は、扁平型のラミネートタイプのリチウムイオンキャパシタである。この１次キャパシタセル１０は、正極板、負極板と、セパレータとを交互の積層した電極積層体と、電極積層体を封止するラミネートフィルム、及び、リードを備えている。正極板は、正極活物質、導電助剤、バインダ、及び分散剤を溶媒中に分散させた塗料を正極集電体上に塗布し、付着させることで形成されている。正極活物質としては黒鉛や活性炭等を例示でき、導電助剤はカーボンブラックなどを例示でき、バインダはＳＢＲ等を例示でき、分散剤はカルボキシメチルセルロース等を例示できる。
【００１６】
負極板は、負極活物質、導電助剤、バインダ、及び分散剤を溶媒中に分散させた塗料を負極集電体上に塗布し、付着させることで形成されている。負極活物質としては黒鉛や活性炭等、リチウムを吸蔵、放出可能な活物質を例示できる。導電助剤はカーボンブラックなどを例示でき、バインダはＳＢＲ等を例示でき、分散剤はカルボキシメチルセルロース等を例示できる。負極は、プレドープとして、負極とリチウム極との間を電源で接続した状態とし所定の条件下で電流を流し、その後にエージング等を行い、リチウムイオンをドープさせる。
【００１７】
セパレータは、電解液、正極活物質、及び負極活物質等に対して耐久性があり、連通孔を有する一方で電子導電性は有しない多孔体から構成されている。このセパレータは、具体的には、セルロース、ポリエチレン等から形成される不織布や微多孔膜から構成されている。このセパレータには電解液が含浸されている。電解液の具体例としては、リチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液を例示することができる。リチウム塩としては、特に限定されないが、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＦＳＩ、ＬｉＴＦＳＩを用いることができる。また、非プロトン性有機溶媒の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどのカーボネートを例示することができる。なお、これら非プロトン性有機溶媒の二種以上を混合した混合液を用いてもよい。
【００１８】
リードは、正極板及び負極板にそれぞれ接続され、板状の金属板であり端子として機能する。ラミネートフィルムは、矩形状のフィルムであって、電極積層体を内部に収容しつつ、外縁部分を熱融着することで、電極集電体、電解液等を封止する。
【００１９】
２次キャパシタセル２０は、１次キャパシタセル１０と同様なリチウムイオンキャパシタである。２次キャパシタセルの構成は、１次キャパシタセル１０と同様である。なお、１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０は、リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）に限定されず、例えば電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）等のキャパシタであってもよい。すなわち、１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０は、少なくとも、電気二重層を形成して物理的な作用により充放電可能な構造になっていればよい。
【００２０】
次に、配線３０、スイッチ４０、コネクタ５０、及び制御部６０について説明する。
【００２１】
配線３０は、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間を電気的に接続するための導線である。配線３０は正極側の電源ラインと負極側の電源ラインを有している。正極側の電源ラインには、スイッチ４０が接続されている。配線３０の一端には１次蓄電部１が接続されており、配線３０の他端にはコネクタ５０が設けられている。
【００２２】
スイッチ４０は、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間で、配線３０に接続されている。スイッチ４０は、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間の電気的な導通及び遮断を切り替える。
【００２３】
コネクタ５０は、２次キャパシタセル２０を充電装置１００に接続させるための部品である。制御部６０は、充電装置１００を制御するコントローラである。制御部６０は、スイッチ４０のオン、オフを切り換えることで、１次キャパシタセルから２次キャパシタセルへの充電を制御する。制御部６０は、２次蓄電部２の充電中、２次蓄電部２の充電状態を検知する。制御部６０は、図示しないセンサにより２次蓄電部２の電圧を検出し、検出電圧に基づき２次蓄電部２の充電状態を検知する。制御部６０は、検知された２次蓄電部２の充電状態が目標値に達したか否かを判定する。目標値は、２次蓄電部２を充電する際に目標となる充電状態であり、予め設定されている。目標値は、例えば、２次蓄電部２の満充電を示す値に設定されている。なお、制御部６０は、１次蓄電部１から２次蓄電部２に流れる充電電流又は充電時間から、２次蓄電部２の充電状態を検知してもよい。
【００２４】
次に、本実施形態における充電システムの充電方法について説明する。
【００２５】
まず、２次キャパシタセル２０を充電するために、２次蓄電部２がコネクタ５０に接続される。１次蓄電部１と２次蓄電部２との間には、配線３０、スイッチ４０、及びコネクタ５０が接続されているが、配線３０の配線抵抗、スイッチ４０の接点部分の抵抗、コネクタ５０の抵抗は十分に小さい。１次キャパシタセル１０の電極と２次キャパシタセル２０との間には、固定抵抗など、抵抗値の高い素子が接続されていない。そのため、スイッチ４０がオン状態に切り替えると、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間は短絡状態になる。
【００２６】
本実施形態では、直列に接続された１次キャパシタセル１０の直列数が、直列に接続された２次キャパシタセル２０の直列数よりも多い。そのため、充電を開始する際に、１次蓄電部１の電圧は２次蓄電部２の電圧よりも高くなっている。
【００２７】
次に、制御部６０は、スイッチ４０をオン状態にして、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間を短絡状態とする。１次蓄電部１と２次蓄電部２との間の電圧差により、１次蓄電部１から２次蓄電部２に電流が流れ、２次キャパシタセル２０が充電される。
【００２８】
１次蓄電部１及び２次蓄電部２は複数のキャパシタを接続しているため、蓄電部の内部抵抗は、複数の電池を接続した電池群と比べて低くなっている。また、１次蓄電部１と２次蓄電部２の間は短絡状態である。そのため、２次キャパシタセル２０を充電する際には、１次蓄電部１から２次蓄電部２に大電流が流れる。
【００２９】
２次蓄電部２の充電が開始すると、１次キャパシタセル１０の電圧は降下し、２次キャパシタセル２０の電圧は充電と共に上昇する。制御部６０は、２次蓄電部２の充電中、２次蓄電部２の充電状態を検知している。制御部６０は、２次蓄電部２の充電率と目標値とを比較し、２次蓄電部２の充電状態が目標値に達したか否かを検知する。２次蓄電部２の充電率が目標値に達したと検知された場合に、制御部６０は、スイッチ４０をオフ状態にして、２次蓄電部２の充電を停止させる。なお、制御部６０は、２次蓄電部２の充電完了のタイミングを充電時間で管理してもよい。
【００３０】
次に、キャパシタの一般的な充電方法として、定電圧−定電流（ＣＣＣＶ）充電方式と、定電流（ＣＣ）充電方式について説明する。図３は、ＣＣＣＶ充電方式で充電した場合のキャパシタの電圧特性と電流特性を示すグラフである。横軸は時間（秒）を表しており、縦軸は電圧（ボルト）又は電流（アンペア）を示している。
【００３１】
図３に示すように、ＣＣＣＶ充電では、時間（ｔ１）の時点から、一定電流でキャパシタの充電を開始する。一定電流で充電中、キャパシタ電圧は徐々に上昇し、時間（ｔ２）の時点で、キャパシタ電圧は目標終止電圧に到達する。時間（ｔ２）の時点で、定電流から定電圧に切り換わり、時間（ｔ２）以降、充電電流を徐々に絞る。そして、充電電流はほぼゼロとなり、充電は終了する。図３の例では、充電終了時点から所定の休止期間を経過した時間（ｔ３）で、キャパシタの放電を開始する。キャパシタは一定の放電電流を出力し、キャパシタ電圧は徐々に下降する。そして、キャパシタ電圧が下限電圧に達した時点（ｔ４）で、放電が終了する。
【００３２】
ＣＣＣＶ充電方式による充電及びＣＣＣＶ充電方式による充電後のキャパシタの放電では、充放電電流を切り替える際に以下のような電圧変化が発生する。まず時間（ｔ１）では、キャパシタへの充電電流の印加とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ１）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ１）分上昇する。時間（ｔ３）では、キャパシタの放電電流の印加とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ３）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ３）分下降する。また、時間（ｔ４）では、キャパシタの放電電流の停止とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ４）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ４）分上昇する。各時点における電圧変化は、電流の変化量と内部抵抗とを乗じた値に相当する。
【００３３】
定電流（ＣＣ）充電方式について説明する。図４は、ＣＣ充電方式で充電した場合のキャパシタの電圧特性と電流特性を示すグラフである。横軸は時間（秒）を表しており、縦軸は電圧（ボルト）又は電流（アンペア）を示している。
【００３４】
ＣＣ充電は、急速充電でよく用いられる。ＣＣ充電では、時間（ｔ１）の時点から、一定電流でキャパシタの充電を開始する。一定電流で充電中、キャパシタ電圧は徐々に上昇し、時間（ｔ２）の時点で、キャパシタ電圧は目標終止電圧に到達し、充電が終了する。図４の例では、充電終了時点から所定の休止期間を経過した時間（ｔ３）で、キャパシタの放電を開始する。キャパシタは一定の放電電流を出力し、キャパシタ電圧は徐々に下降する。そして、キャパシタ電圧が下限電圧に達した時点（ｔ４）で、放電が終了する。
【００３５】
ＣＣ充電方式による充電及びＣＣ充電方式による充電後のキャパシタの放電では、充放電電流を切り替える際に以下のような電圧変化が発生する。まず時間（ｔ１）では、キャパシタへの充電電流の印加とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ１）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ１）分上昇する。時間（ｔ２）では、キャパシタへの充電電流の停止とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ２）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ２）分下降する。時間（ｔ３）では、キャパシタの放電電流の印加とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ３）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ３）分下降する。また、時間（ｔ４）では、キャパシタの放電電流の停止とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ４）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ４）分上昇する。各時点における電圧変化は、電流の変化量と内部抵抗との積に相当する。
【００３６】
上記のとおりＣＣＣＶ充電方式では、キャパシタの充電完了時の充電電流がほぼゼロとなるため、キャパシタ充電完了時の電圧変化はほぼゼロとなり、充電完了後のＳＯＣを高く保つことができる。一方、ＣＣＣＶ充電方式では、キャパシタ電圧が目標終止電圧に到達した後に、ＣＶ充電を行うため、充電時間が長くなってしまう。
【００３７】
ＣＣ方式では、キャパシタの充電完了時（図４の時刻ｔ２）の充電電流が高いため、充電完了時の電圧変化（ΔＶ２）が大きくなる。すなわち、充電完了時に、充電電流とキャパシタの内部抵抗との積に相当する電圧降下が生じるため、充電完了後にキャパシタのＳＯＣが低下する。その一方で、ＣＣ充電方式の充電時間は、ＣＣＣＶ充電方式の充電時間よりも短くなる。
【００３８】
電圧変化は充電電流と内部抵抗との積で表されるため、充電完了時の電圧降下を小さくするには、充電電流を小さくする、又は、内部抵抗の低い蓄電デバイスを用いればよい。しかしながら、充電電流を小さくした場合には充電時間が長くなってしまう。
【００３９】
１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０は、リチウムイオン電池などの電池に比べて内部抵抗が低いという特徴を有している。本実施形態では、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間を短絡状態とできるような配線系が形成されているため、２次キャパシタセル２０を充電する際には、１次蓄電部１から２次蓄電部２に大電流を流すことができ、２次キャパシタセル２０を短時間で充電できる。
【００４０】
ここで、図２に示すような充電システムにおいて、１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０の代わりに、リチウムイオン電池等の電池を１次側と２次側に接続したときのシステムを、比較例として説明する。電池は、キャパシタと比較して内部抵抗が高い。そのため、電池間を配線で接続したとしても、電池間に大電流を流すことが難しい。また、電池のような内部抵抗の高いデバイスでは、過剰に電流が流れると、電池自体の発熱が問題となる。さらに、電池はキャパシタと比較して、レート特性がよくない。そのため、比較例に係るシステムを用いて、短時間で電池を充電した場合には、電池の容量劣化又はサイクル劣化が促進される可能性が高い。一方、本実施形態では、キャパシタの特性として、大電流で充電したときの容量特性（レート特性）が優れているため、本実施形態のような充電システムは、キャパシタの充電に特に適している。
【００４１】
次に、図５及び図６を用いて、２次側蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０を充電するときの電圧特性と電流特性について説明する。図５は、図１に示す充電システムの等価回路を示している。抵抗Ｒｘはコネクタ５０の抵抗及び配線抵抗に相当する。Ｃ１は１次側のセル（１次キャパシタセル１０に相当）を示しており、Ｃ２は２次側のセル（２次キャパシタセル２０に相当）を示している。またＲ１は１次側のセルの内部抵抗を示し、Ｒ２は２次側のセルの内部抵抗を示す。ｉは１次側のセルから出力される充電電流を示す。
【００４２】
図６は、１次側セルの電圧特性、２次側セルの電圧特性、及び充電電流（ｉ）の特性を示す。なお、図６に示すグラフの横軸は時間を表し、縦軸は電圧及び電流を表す。
【００４３】
時間（ｔ１）の時点で充電が開始したとき、１次側セルの電圧は電圧変化量（ΔＶ１а）分降下し、２次側セルの電圧は電圧変化量（ΔＶ２а）分上昇する。そして、時間（ｔ２）の時点で充電が終了したとき、充電完了後の１次側セルの電圧は電圧変化量（ΔＶ１ｂ）分上昇し、２次側セルの電圧は電圧変化量（ΔＶ２ｂ）分下降する。各電圧変化量（ΔＶ１а、ΔＶ１ｂ、ΔＶ２а、ΔＶ２ｂ）は下記式（１）〜（４）で示される。
【００４４】
【数１】
2019110637.tif 000003
【数２】
2019110637.tif 000004
【数３】
2019110637.tif 000005
【数４】
2019110637.tif 000006
ただし、ｉ１は充電開始時の充電電流を示し、ｉ２は充電完了時の充電電流を示す。
【００４５】
上記のとおり、キャパシタ間で充電を行う場合に、１次側のキャパシタ電圧は、充電開始時の電圧低下により低くなり、２次側のキャパシタ電圧は、充電開始時の電圧上昇により高くなる。すなわち、充電開始時の１次側と２次側の電圧差は、初期電圧の電圧差よりも小さくなるため、充電完了時に２次キャパシタセルの充電率を高くするには、初期電圧の電圧差を大きく、あるいは、充電開始時の電圧降下を低くすることが考えられる。
【００４６】
本実施形態では、１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセル１０の直列数を、２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０の直列数よりも多くしている。１次側の直列数を多くすることで、１次キャパシタセルの充電開始時の電圧が高くなるため、初期電圧の電圧差が大きくなり、充電完了時の２次キャパシタセルの充電率を高くすることができる。
【００４７】
以上のように、本実施形態では、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間が、スイッチ４０及びコネクタ５０を介しつつ、配線３０で接続されている。また、１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセルの直列数が２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセルの直列数より多い。そして、制御部６０は、スイッチ４０をオン状態にすることで１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間を短絡状態とし、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間の電圧差により、１次キャパシタセル１０から２次キャパシタセル２０に電流を流して２次キャパシタセル２０を充電させる。これにより、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間に、変圧器のような大きなデバイスを接続する必要がないため、装置又はシステムの小型化を実現できる。また、本実施形態では、短時間でキャパシタを充電できる。
【００４８】
本実施形態では、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０は同一性能のキャパシタであり、１次キャパシタセル１０の直列数は２次キャパシタセル２０の直列数より多い。これにより、充電電流が大きくなり、充電時間が短くなる。また、充電終了時の２次キャパシタセル２０の充電率（ＳＯＣ）を高くすることができる。
【００４９】
なお、本実施形態において、２次側のキャパシタの数は複数に限らず、１つでもよい。１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０を複数接続する場合に、キャパシタの接続形態は並列と直列とを組み合わせた形態でもよい。
【００５０】
＜第２実施形態＞
以下、図７に基づいて、第２実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係る充電システムの回路図である。本実施形態に係る充電システムは、１次側に１次蓄電部１を接続し、２次側に２次蓄電部２を接続する。配線３０、スイッチ４０、コネクタ５０、及び制御部６０の各構成は、第１実施形態において説明した充電システムの各構成と共通するので、同じ符号を付して説明する。各構成については、第１実施形態の記載及び第２次氏形態の記載を適宜、援用する。
【００５１】
図７に示すように、１次蓄電部１は、複数の１次キャパシタセル１０を直列に接続したセル群１１を複数備えており、複数のセル群１１は並列に接続されている。２次蓄電部２は、複数の２次キャパシタセル２０を直列に接続したセル群２１を備えている。１次側のセル群１１は１０個あり、２次側のセル群は２個である。１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセル１０と、２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０は同一性能のキャパシタである。また１つのセル群１１に含まれる１次キャパシタセル１０の数は、セル群２１に含まれる２次キャパシタセル２０の数より多い。また、１次蓄電部１は、セル群１１毎に、同数の１次キャパシタセル１０を有している。すなわち、１次キャパシタセル１０の直列数と２次キャパシタセル２０の直列数は多く、１次キャパシタセル１０の並列数は２次キャパシタセル２０の並列数よりも多い。
【００５２】
２次キャパシタセル２０を充電する際には、制御部６０はスイッチ４０をオン状態にして、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間を短絡状態とする。１次蓄電部１と２次蓄電部２との間の電圧差により、１次蓄電部１から２次蓄電部２に電流が流れ、２次キャパシタセル２０が充電される。１次蓄電部１の内部抵抗が低くなっているため、充電初期の１次蓄電部１の電圧降下が小さくなり、充電開始直後の１次蓄電部１の電圧を高くすることができる。そして、制御部６０は、２次蓄電部２の充電状態が目標値に達した時点で、スイッチ４０をオフ状態にして、２次蓄電部２の充電を停止させる。これにより、充電終了時の２次キャパシタセル２０の充電率（ＳＯＣ）を高くすることができる。
【００５３】
以上のように、本実施形態では、１次蓄電部１は並列に接続された複数の１次キャパシタセル１０を有し、２次蓄電部２は並列に接続された複数の２次キャパシタセル２０を有している。１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセル１０の直列数は、２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０の直列数よりも多い。そして、１次蓄電部１から２次蓄電部２に電流を流して、２次キャパシタセル２０を充電する。これにより変圧器等を有したシステム又は装置を用いることなく、２次キャパシタセル２０を短時間で充電できる。
【００５４】
なお、本実施形態において、１次キャパシタセル１０の並列数は、必ずしも２次キャパシタセル２０の並列数より多くする必要はなく、同数、あるいは、２次キャパシタセル２０の並列数より少なくともよい。また２次蓄電部２は、１つのセル群２１でもよい。
【実施例】
【００５５】
以下に、実施例を挙げて、本発明についてより具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
【００５６】
＜キャパシタ＞
１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０には、扁平型のリチウムイオンキャパシタを用いた。キャパシタの静電容量は３６００Ｆとし、内部抵抗は１ｍΩとした。
【００５７】
＜シミュレーション＞
以下の比較例１及び各実施例では、１次側及び２次側で使用するセル又はセルの接続形態が実施例毎に異なっている。１次のキャパシタを満充電として、２次キャパシタセルを空の状態とした上で、本実施形態に係る充電システムを用いて、２次キャパシタセルを充電した。図８は検証回路を示しており、本実施形態に係る充電システムの等価回路に相当する。図８の回路では、スイッチ４０がオンになった状態を表している。Ｒｘは、１次側のキャパシタと２次側のキャパシタとの間を接続する配線部の配線抵抗を示している。配線部には、配線３０、スイッチ４０及びコネクタ５０が含まれる。Ｃ１は１次側のセル（１次キャパシタセル１０又は１次蓄電部１に相当）を示しており、Ｃ２は２次側のセル（２次キャパシタセル２０又は２次蓄電部２に相当）を示している。
【００５８】
<<比較例１>>
１次側と２次側には、同一性能の大型セルをそれぞれ８個直列に接続した。つまり、１次側のキャパシタの接続形態及び２次側のキャパシタの接続形態は、それぞれ８直１並とした。１次側のキャパシタの初期電圧を３０．４Ｖとし、２次側のキャパシタの初期電圧を１７．６Ｖとした。配線抵抗（Ｒ１）は３ｍΩとした。スイッチ４０のオン時間は１０秒とした。
【００５９】
図９は、１次側のキャパシタの電圧特性、２次側のキャパシタの電圧特性、及び充電電流特性を示すグラフである。図９において、点線はキャパシタの上限電圧（Ｖｍａｘ）である。図１０は、２次側のキャパシタのＳＯＣ特性を示すグラフである。図９に示すように、充電開始時に１次側の電圧が初期電圧（３０．４Ｖ）から２５Ｖ以下まで低下しさらに時間の経過とともに低下し、２次側の電圧は、充電終了時に２５Ｖ以下となった。図１０に示すように、充電完了時に、２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）は約５０％未満となった。
【００６０】
１次側の電圧は、充電開始時、電圧降下により低くなる。そして、１次側と２次側で初期電圧の差が小さい時には、充電開始後の電圧差がさらに小さくなるため、比較例では、キャパシタの静電容量の半分程度した充電できないことが確認できた。
【００６１】
<<実施例１>>
１次側には、大型セルを９個直列に接続した。２次側には、大型セルを８個直列に接続した。つまり、１次側のキャパシタの接続形態は９直１並とし、２次側のキャパシタの接続形態は８直１並とした。１次側のキャパシタの初期電圧を３４．２Ｖとし、２次側のキャパシタの初期電圧を１７．６Ｖとした。１次側のキャパシタと２次側のキャパシタとの間で、内部抵抗及び静電容量は同じである。配線抵抗（Ｒ１）は３ｍΩとした。スイッチ４０のオン時間は１０秒とした。
【００６２】
図１１は、１次側のキャパシタの電圧特性、２次側のキャパシタの電圧特性、及び充電電流特性を示すグラフである。図１１において、点線はキャパシタの上限電圧（Ｖｍａｘ）である。図１２は、２次側のキャパシタのＳＯＣ特性を示すグラフである。図１１に示すように、充電終了時の２次側の電圧は２５Ｖ以上になり、図１２に示すように、充電完了時の２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）は約６１％となった。実施例１では、１次側のキャパシタの直列数が１つ増えているため、１次側の初期電圧、充電電流、充電終了時の２次側の電圧、及び充電終了の２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）は、高くなることが確認できた。
【００６３】
<<実施例２>>
１次側には、大型セルを１３個直列に接続した。２次側には、大型セルを８個直列に接続した。つまり、１次側のキャパシタの接続形態は１３直１並とし、２次側のキャパシタの接続形態は８直１並とした。１次側のキャパシタの初期電圧を４９．７Ｖとし、２次側のキャパシタの初期電圧を１７．６Ｖとした。１次側のキャパシタと２次側のキャパシタとの間で、内部抵抗及び静電容量は同じである。配線抵抗（Ｒ１）は３ｍΩとした。スイッチ４０のオン時間は１０秒とした。
【００６４】
図１３は、１次側のキャパシタの電圧特性、２次側のキャパシタの電圧特性、及び充電電流特性を示すグラフである。図１３において、点線はキャパシタの上限電圧（Ｖｍａｘ）である。図１４は、２次側のキャパシタのＳＯＣ特性を示すグラフである。図１３に示すように、充電終了時の２次側の電圧は３０Ｖ程度になり、図１４に示すように、充電完了時の２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）は約９３％となった。実施例２では、１次側のキャパシタの直列数が実施例１よりも４個増えているため、１次側の初期電圧、充電電流、充電終了時の２次側の電圧、及び充電終了の２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）は、さらに高くなることが確認できた。
【００６５】
図１５は、１次側に直列接続されるセル数を９個から順に１個ずつ増やしたときの２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）の特性を示している。つまり、１次側の直列数が８個の時は２次側の直列数と同数となり、１次側の直列数は９個から１個ずつ増やすことで、１次側の直列数と２次側の直列数との差は、１個から順に増えることになる。横軸はセル数を、縦軸は充電率（ＳＯＣ）を示す。図１５に示すように、１次側のセルの直列数を１個増やすごとに、２次側のキャパシタセルの充電率（ＳＯＣ）が約１０％ずつ増えることが確認できた。また、１次側に直列接続される直列数を１４個（１次側と２次側の直列数の差は６個）にすることで、２次側のキャパシタセルの充電率（ＳＯＣ）が約１００％になることが確認できた。実施例１の結果から、１次側のキャパシタの直列数を増やすことで、１次側の初期電圧が向上するため、充電電流が増加し充電率が向上することが確認できた。
【符号の説明】
【００６６】
１…１次蓄電部
２…２次蓄電部
１０…１次キャパシタセル
２０…２次キャパシタセル
３０…配線
４０…スイッチ
５０…コネクタ
６０…制御部
１００…充電装置
１０００…充電システム
【図１】
2019110637.tif 000007
【図２】
2019110637.tif 000008
【図３】
2019110637.tif 000009
【図４】
2019110637.tif 000010
【図５】
2019110637.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図８】
2019110637.tif 000014
【図９】
2019110637.tif 000015
【図１０】
2019110637.tif 000016
【図１１】
2019110637.tif 000017
【図１２】
2019110637.tif 000018
【図１３】
2019110637.tif 000019
【図１４】
2019110637.tif 000020
【図１５】
2019110637.tif 000021