(57)【要約】【課題】エネルギー特性を損なうことなく出力特性を向上することが可能なコンデンサ装置を提供する。【解決手段】複数の電気二重層コンデンサセルで構成されるコンデンサバンク１１と、このコンデンサバンク１１に並列接続される電解コンデンサ１２とを具備するコンデンサ装置において、上記並列接続される電解コンデンサ１２の静電容量を、上記コンデンサバンク１１の静電容量の０．１％以上で１０％以下とする。容量比Ｘが０．１％以上で、補償時間率Ｙが１００％よりかなり大になり、電解コンデンサ１２と電気二重層コンデンサバンク１１との並列接続による補償時間増大効果が大となる。一方、容量比が１０％を超えると、電解コンデンサ１２の容量が大きくなるため、電解コンデンサ１２の体積が電気二重層コンデンサバンク１１に比して数倍以上になってしまう。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気二重層コンデンサセルで構成されるコンデンサバンク（１１）と、このコンデンサバンク（１１）に並列接続される電解コンデンサ（１２）とを具備するコンデンサ装置において、上記並列接続される電解コンデンサ（１２）の静電容量を、上記コンデンサバンク（１１）の静電容量の０．１％以上で１０％以下としたことを特徴とするコンデンサ装置。
【請求項２】
上記コンデンサバンク（１１）の静電容量と内部抵抗の積が、０．５ΩＦ〜３．５ΩＦであることを特徴とする請求項１のコンデンサ装置。
【請求項３】
上記コンデンサバンク（１１）を収納するケース内に、並列接続される電解コンデンサ（１２）を内蔵したことを特徴とする請求項１又は請求項２のコンデンサ装置。
【請求項４】
電解コンデンサ（１２）が予め設置された電源装置において、電解コンデンサ（１２）と並列に電気二重層コンデンサバンク（１１）を接続し、電解コンデンサ（ＥＣ）と電気二重層コンデンサ（ＥＤ）の容量比（ＥＣ／ＥＤ）を０．０５以上としたことを特徴とする電源装置。
【請求項５】
上記コンデンサバンク（１１）の静電容量と内部抵抗の積が、０．５ΩＦ〜３．５ΩＦであることを特徴とする請求項４の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気二重層コンデンサを有するコンデンサ装置及び電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層コンデンサは大容量であり、近年、無停電電源設備（ＵＰＳ）や瞬時電圧低下補償装置等の電力設備、自動車の駆動源等に使用されてきている（例えば、特許文献１参照）。電気二重層コンデンサを使用しエネルギーを充放電させる場合、コンデンサにはエネルギー特性と共に、優れた出力特性が要求される。すなわち、単位時間あたり所望の電力を出すこと（出力特性）と、必要な時間、電力を出力し続けること（エネルギー特性）とが要求される。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−３５１１５９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気二重層コンデンサにおいて、出力特性とエネルギー特性とは、一方を良くすれば他方が劣化するというトレードオフの関係にあり、優れた出力特性を得ようとすれば容量密度が低下し、エネルギー特性が相対的に低下するという問題がある。これは、コンデンサセルの出力特性を向上させようとすると、コンデンサセルの電極シートを薄くして内部抵抗を小さくする必要があり、このため、コンデンサセル（電極シート、セパレータ、集電極を含む）の単位体積あたりの容量（容量密度）が小さくなるからである。
【０００５】
エネルギー特性が良くても出力特性が劣ると、電気二重層コンデンサの大電力での充放電効率が劣化する。一方、出力特性の良い電気二重層コンデンサでは、コンデンサセル当たりのエネルギー（エネルギー密度）が小さく、十分なエネルギーが得られない。この場合、十分なエネルギーを得るためには、コンデンサセル数を増す必要があり、その分、コストが上昇し、経済的に不利なものとなってしまう。
【０００６】
この発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、エネルギー特性を損なうことなく出力特性を向上することが可能なコンデンサ装置及び電源装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１のコンデンサ装置は、複数の電気二重層コンデンサセルで構成されるコンデンサバンク１１と、このコンデンサバンク１１に並列接続される電解コンデンサ１２とを具備するコンデンサ装置において、上記並列接続される電解コンデンサ１２の静電容量を、上記コンデンサバンク１１の静電容量の０．１％以上で１０％以下としたことを特徴としている。
【０００８】
請求項１のコンデンサ装置では、容量比Ｘが０．１％以上で、補償時間率Ｙが１００％よりかなり大になり、電解コンデンサ１２と電気二重層コンデンサバンク１１との並列接続による補償時間増大効果が大となる。容量比Ｘが１０％を超えると補償時間率Ｙは、あまり増加せず飽和傾向を示す。また、容量比が０．１％より小のときは補償時間の増大効果が小さく実用上のメリットは期待できない。一方、容量比が１０％を超えると、電解コンデンサ１２の容量が大きくなるため、電解コンデンサ１２の体積が電気二重層コンデンサバンク１１に比して数倍以上になって、コンデンサ装置が大型化しコスト的にも実用上不利である。
【０００９】
請求項２のコンデンサ装置は、上記コンデンサバンク１１の静電容量と内部抵抗の積が、０．５ΩＦ〜３．５ΩＦであることを特徴としている。
【００１０】
請求項２のコンデンサ装置では、電解コンデンサ１２を並列に接続することによって出力のアップを図ることが可能である。コンデンサバンク１１の静電容量と内部抵抗の積が大きい場合には、低出力領域での放電可能エネルギーは大きいが、高出力域での放電可能エネルギーがかなり小さい（エネルギー蓄積用）ため、電解コンデンサ１２による出力アップの効果は乏しい。また、静電容量と内部抵抗の積が小さい場合には、放電可能エネルギーが小さく出力はもともと大きいので、出力アップを図る必要性に乏しい。
【００１１】
請求項３のコンデンサ装置は、上記コンデンサバンク１１を収納するケース内に、並列接続される電解コンデンサ１２を内蔵したことを特徴としている。
【００１２】
請求項３のコンデンサ装置では、付加部分を既存のケース内に収納するので、装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【００１３】
請求項４の電源装置は、電解コンデンサ１２が予め設置された電源装置において、電解コンデンサ１２と並列に電気二重層コンデンサバンク１１を接続し、電解コンデンサ（ＥＣ）と電気二重層コンデンサ（ＥＤ）の容量比（ＥＣ／ＥＤ）を０．０５以上としたことを特徴としている。
【００１４】
請求項４の電源装置では、電解コンデンサ１２に対して小型の電気二重層コンデンサバンク１１を並列接続して補償時間を増すことができ、既存の設備を利用して効果的に性能向上を図ることができる。静電容量の比（ＥＣ／ＥＤ）が０．０５より小さくなると、電気二重層コンデンサバンク１１のみによる効果が支配的で、電解コンデンサ１２を電気二重層コンデンサバンク１１と置き換えたのと効果が同等になり、電解コンデンサ１２と並列接続する意味がない。また、電気二重層コンデンサバンク１１の大きさが電解コンデンサ１２の大きさに匹敵するほどになるため、全体として、大型設備になりコスト的にも負担が大になる。
【００１５】
請求項５の電源装置は、上記コンデンサバンク１１の静電容量と内部抵抗の積が、０．５ΩＦ〜３．５ΩＦであることを特徴としている。
【００１６】
請求項５の電源装置では、コンデンサバンク１１を並列に接続することによって出力のアップを図ることが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、この発明のコンデンサ装置及び電源装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこの発明の実施形態を説明する図である。コンデンサ装置は、コンデンサバンク１１と電解コンデンサ１２とを備える。コンデンサバンク１１は、複数の電気二重層コンデンサセルＣ１〜ＣＮを直列接続して構成される。また、電解コンデンサ１２は、図２に示すように、複数個の単位電解コンデンサＣＳが並列に接続されたものであり、電解コンデンサ１２は、コンデンサバンク１１に並列接続される。一例として、各電気二重層コンデンサセルは、定格電圧２．７ＶＤＣ、静電容量１４００Ｆ、内部抵抗１．４ｍΩであり、図２に示す各単位電解コンデンサＣＳは定格電圧１０ＶＤＣ、静電容量は２．２Ｆである。
【００１８】
表１は、電気二重層コンデンサバンク１１と電解コンデンサ１２の容量比（ＥＣ／ＥＤ）を変えて補償時間率を求めた結果である。補償時間とは、例えば、電源電圧が何らかの原因で低下したときのように、電気二重層コンデンサバンク１１、又は電解コンデンサ１２を用いて負荷の消費電力を補償可能な時間のことである。ここでは、コンデンサの充電電圧が、エネルギーの放出により全充電電圧から一定電圧（ここでは５０％の電圧）に低下するまでの時間を補償時間としている。容量比Ｘ（％）は、Ｘ＝電解コンデンサ１２の静電容量（ＥＣ）／電気二重層コンデンサバンク１１の静電容量（ＥＤ）である。補償時間率Ｙ（％）は、Ｙ＝Ｙ１／Ｙ２である。ただし、Ｙ１は、電解コンデンサ１２と電気二重層コンデンサバンク１１との並列接続での補償時間の実測値であり、Ｙ２は、電解コンデンサ１２のみによる補償時間（Ｙ２１）と、電気二重層コンデンサバンク１１のみによる補償時間（Ｙ２２）の加算値である。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
上記表１から明らかなように、容量比Ｘが０．１％以上で、補償時間率Ｙが１００％よりかなり大になり、容量比Ｘが１０％を超えると補償時間率Ｙは、あまり増加せず飽和傾向を示す。補償時間率Ｙが１００％より大きいということは、上記Ｙ２１とＹ２２の合計値よりも実測の補償時間が大きいということであり、電解コンデンサ１２と電気二重層コンデンサバンク１１との並列接続による補償時間増大効果が大であることを示す。このように補償時間率が大であるということは、出力特性が改善されて効率が良くなり、取り出し得るエネルギーが増加するということであって、出力特性とエネルギー特性との両者が改善されたことになる。実際には、容量比が０．１％より小のときは補償時間の増大効果が小さく実用上のメリットは期待できない。容量比が１０％を超えると、電解コンデンサ１２の容量が大きくなるため、電解コンデンサ１２の体積が電気二重層コンデンサバンク１１に比して数倍以上になってコンデンサ装置が大型化しコスト的にも実用上不利である。
【００２１】
図３は、エネルギー特性と出力特性の関係を示すもので、□は、高エネルギー密度タイプの電気二重層コンデンサバンク１１の特性、△は、高出力密度タイプの電気二重層コンデンサバンク１１の特性であり、エネルギー特性または出力特性の一方が良いと他方が損なわれる。なおこの場合、電気二重層コンデンサバンク１１としては、定格電圧２．７Ｖ、容量１４００Ｆ、内部抵抗１．４ｍΩ、正規化内部抵抗２．０Ω・Ｆのものを用い、また電解コンデンサ１２としては、定格電圧１０ＶＤＣ、容量２．２Ｆのものを用いている。そして図３において、○は、高エネルギー密度タイプの電気二重層コンデンサバンク１１と電解コンデンサ１２を並列接続した構成の特性であり、電解コンデンサ１２を接続したことによって、高エネルギー密度タイプの電気二重層コンデンサバンク１１の出力特性が改善されている。
【００２２】
図４は、電気二重層コンデンサバンク１１の正規化内部抵抗値ＣＲをパラメータとしたときの、出力と放電可能エネルギーとの関係を示す図である。ここにおいて、正規化内部抵抗値ＣＲとは、コンデンサセルまたはコンデンサバンクの内部抵抗を正規化したもので、コンデンサ特性を表す指標であって、静電容量と内部抵抗との積で示される。高出力用途では正規化内部抵抗ＣＲを小にする必要がある。この実施形態のように、電気二重層コンデンサバンク１１に電解コンデンサ１２を付加することは、電気二重層コンデンサバンク１１のエネルギー密度を低下させずに、実質的に全体の正規化内部抵抗を下げる効果がある。そのためＣＲ＝３．５ΩＦ、及びＣＲ＝０．５Ω・Ｆでは、電解コンデンサ１２を並列に接続することによって出力のアップがはかられている。（点線で示す）。つまり出力アップすることにより、出力特性とエネルギー特性との両者が改善される。ＣＲ＝２０Ω・Ｆでは、低出力領域での放電可能エネルギーは大きいが、高出力域での放電可能エネルギーがかなり小さい（エネルギー蓄積用）ため、電解コンデンサ１２による出力アップの効果は乏しい。また、ＣＲ＝０．２Ω・Ｆでは、放電可能エネルギーが小さく出力はもともと大きいので、出力アップを図る必要性に乏しい。
【００２３】
ところで、電気二重層コンデンサバンク１１の放電可能なエネルギーは、図４に示すように、出力が大きくなるほど、内部抵抗による損失によって低下していく。上記実施形態のように、電気二重層コンデンサバンク１１に電解コンデンサ１２を付加する場合は、この高出力領域における補償時間（放電可能エネルギー）の低下をカバーする目的であるため、図４における曲線Ｂ、Ｃにおいて、放電可能エネルギーが一気に低下していく高い出力領域で効果を発揮する。これに対し、既存の電解コンデンサ１２に電気二重層コンデンサバンク１１を付加する場合には、既存の電解コンデンサ１２の内部抵抗が極めて小なため、高出力側でも内部損失は小さく、放電可能エネルギーはほとんど変化しない。しかしながら、電解コンデンサ１２自体の容量が小さいため、低出力領域でも電気二重層コンデンサバンク１１と比較すれば、放電可能エネルギーは、図５のように、小のままである。そこで、電解コンデンサ１２に電気二重層コンデンサバンク１１を付加することにより、主として、この低出力側での放電可能エネルギーを高め、補償時間をアップさせることができる。一般的には電気二重層コンデンサバンク１１のエネルギー密度（同定格電圧で比較した場合の容量）は、電解コンデンサ１２の１００倍程度もあるので、低出力側での補償時間アップは容易に行える。
【００２４】
表２は、既設の電解コンデンサ１２を備えた電源装置、例えば電解コンデンサ１２を内蔵した無停電電源設備に電気二重層コンデンサバンク１１を付加した場合の、補償時間率と体積比を示す。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
上記表２から明らかなように、静電容量の比が０．０５（５％）以上では、電解コンデンサ１２に対して小型の電気二重層コンデンサバンク１１を並列接続して補償時間を増すことができ、既存の設備を利用して効果的に性能向上を図ることができる。例えば、電解コンデンサ１２の５倍の容量（容量比（ＥＣ／ＥＤ）＝２０％）の電気二重層コンデンサバンク１１を接続した場合、体積は約１／８で補償時間率が電解コンデンサ単独の場合の３倍以上となる。このように既存の電解コンデンサ１２に電気二重層コンデンサバンク１１を付加する場合、より小型の電気二重層コンデンサバンク１１で対応できるので、既存の設備の空きスペースに電気二重層コンデンサバンク１１を設置することで設備の大型化を招くことなく、機能向上がはかれる等、効果が大きい。しかしながら、静電容量の比が０．０５より小さくなると、電気二重層コンデンサバンク１１のみによる効果が支配的で、電解コンデンサ１２を電気二重層コンデンサバンク１１と置き換えたのと効果が同等になり、電解コンデンサ１２と並列接続する意味がない。また、電気二重層コンデンサバンク１１の大きさが電解コンデンサ１２の大きさに匹敵するほどになるため、全体として、既存の設備の倍またはそれ以上の大型設備になりコスト的にも負担が大になり、採用するメリットがない。
【００２７】
なお上記コンデンサ装置、及び電源装置においても、既存の装置に電解コンデンサ１２または電気二重層コンデンサバンク１１を付加する場合、既存のケース（筐体、盤）内で付加するようにすれば、装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【００２８】
以上にこの発明の実施の形態について説明をしたが、この発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１のコンデンサ装置では、電解コンデンサと電気二重層コンデンサバンクとの並列接続による補償時間増大効果が大となる。しかもコンデンサ装置の大型化、高コスト化を抑制できる。
【００３０】
請求項２のコンデンサ装置では、電解コンデンサを並列に接続することによって、出力のアップを確実に図ることが可能である。
【００３１】
請求項３のコンデンサ装置では、付加部分を既存のケース内に収納するので、装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【００３２】
請求項４の電源装置では、電解コンデンサに対して小型の電気二重層コンデンサバンクを並列接続して補償時間を増すことができ、既存の設備を利用して効果的に性能向上を図ることができる。しかも電源装置の大型化、高コスト化を抑制できる。
【００３３】
請求項５の電源装置では、電気二重層コンデンサバンクを並列に接続することによって、出力のアップを確実に図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のコンデンサ装置の一実施形態における装置の概略回路図である。
【図２】上記実施形態における電解コンデンサの回路図である。
【図３】上記実施形態におけるエネルギー特性と出力特性の関係を示すグラフである。
【図４】上記実施形態におけるコンデンサバンクの正規化内部抵抗値をパラメータとしたときの、出力と放電可能エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図５】電解コンデンサと電気二重層コンデンサバンクとの出力特性を比較して示すグラフである。
【符号の説明】
１１  コンデンサバンク
１２  電解コンデンサ
【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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