(57)【要約】【課題】  大電流や微弱電流でも充電可能であると共に、高容量特性を有する充放電可能な電源装置を提供する。【解決手段】  充放電可能な電源装置６０は、＋極及び−極を外部電源６４の＋極及び−極にそれぞれ接続する第一の電気二重層コンデンサ６１と、＋極を第一の電気二重層コンデンサ６１の−極に接続し−極をアース接続し、第一の電気二重層コンデンサ６１に直列接続する第二の電気二重層コンデンサ６２と、充放電可能な蓄電部６３と、外部電源６４から供給される電圧を検出する第一の電圧検出回路６５と、蓄電部６３の電圧を検出する第二の電圧検出回路６８と、第一の電気二重層コンデンサ６１と蓄電部６３との間に設け第一の電圧検出回路６５によりオンオフ制御するスイッチ６６と、第二の電気二重層コンデンサ６２と蓄電部６３との間に設け第一の電圧検出回路６５によりオンオフ制御するスイッチ６７と、を備える。【選択図】  図１
2005304300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
＋極及び−極が外部電源の＋極及び−極にそれぞれ接続される第一の電気二重層コンデンサと、
＋極が上記第一の電気二重層コンデンサの−極に接続され、−極がアース接続され、上記第一の電気二重層コンデンサに直列接続される第二の電気二重層コンデンサと、
充放電可能な蓄電部と、
上記外部電源から供給される電圧を検出するための第一の電圧検出回路と、
上記蓄電部の電圧を検出するための第二の電圧検出回路と、
上記第一の電気二重層コンデンサと上記蓄電部との間に設けられ、上記第一の電圧検出回路によりオンオフ制御されるスイッチと、
上記第二の電気二重層コンデンサと上記蓄電部との間に設けられ、上記第一の電圧検出回路によりオンオフ制御されるスイッチと、を備えた充放電可能な電源装置であって、
上記第一の電圧検出回路が、上記第一の電気二重層コンデンサと上記蓄電部との間のスイッチをオフとし、上記第二の電気二重層コンデンサと上記蓄電部との間のスイッチをオンとしたときには、上記外部電源から上記第一の電気二重層コンデンサへの充電が行なわれ、
上記第一の電圧検出回路には上記第二の電圧検出回路の検出出力が入力されており、上記第一の電気二重層コンデンサの電圧（Ｖ１）が上記蓄電部の電圧（Ｖ３）より大きくなった後に、上記第一の電圧検出回路が、上記第一の電気二重層コンデンサと上記蓄電部との間のスイッチをオンとし、上記第二の電気二重層コンデンサと上記蓄電部との間のスイッチをオフとすることにより、上記直列接続された第一の電気二重層コンデンサ及び第二の電気二重層コンデンサにより上記蓄電部が充電されることを特徴とする、充放電可能な電源装置。
【請求項２】
前記第一の電圧検出回路は、前記蓄電部の電圧（Ｖ３）が前記直列接続された第一及び第二の電気二重層コンデンサの電圧の和（Ｖ１＋Ｖ２）と同じになると前記蓄電部への充電を停止し、
さらに、前記直列接続された第一及び第二の電気二重層コンデンサの電圧の和（Ｖ１＋Ｖ２）が前記蓄電部の電圧（Ｖ３）以上になると、前記第一の電圧検出回路が、前記第一の電気二重層コンデンサと前記蓄電部との間のスイッチをオフとし、前記第二の電気二重層コンデンサと前記蓄電部との間のスイッチをオンとすることにより、前記直列接続された第一及び第二の電気二重層コンデンサが充電されることを特徴とする、請求項１に記載の充放電可能な電源装置。
【請求項３】
前記蓄電部は、二次電池又は電気化学キャパシタからなることを特徴とする、請求項１に記載の充放電可能な電源装置。
【請求項４】
前記外部電源が、太陽電池であることを特徴とする、請求項１に記載の充放電可能な電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充放電可能な電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、充放電可能な電源装置としては、例えば二次電池や電気二重層コンデンサがそれぞれ単独で使用されている。
二次電池は、例えば鉛蓄電池，ニッケルカドミウム電池，ニッケル水素電池，リチウムイオン電池等が知られており、充放電を繰返し行なうことができるものである。
また、電気二重層コンデンサは、蓄電機能を有するコンデンサとして知られており、二次電池とは異なり、充放電による化学変化が発生しないことから、例えば１０万回以上の充放電を繰返し行なうことができる。
【特許文献１】特開平１１−１６４４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した二次電池，電気化学キャパシタ及び電気二重層コンデンサを単独使用する場合、以下のような問題が発生する。
【０００４】
即ち、二次電池の場合には、二次電池に充電を行なうとき、充電のための電圧や電流が大き過ぎると、すべての電力を充電しきれずに、溢れた状態になってしまう。また、充電のための電圧や電流が小さ過ぎると、供給された電力を充電することができないことがある。
【０００５】
また、放電の際には、大電流放電には限界があることから、外部負荷に対して大電流を供給するためには、二次電池を並列に配置することにより、電源の体積が大幅に増大したり、二次電池の給電能力の上限付近で使用しなければならなくなってしまう。
このようにして、従来の二次電池の単独使用においては、充電及び放電の双方にて、二次電池の寿命を短くしてしまうことがあった。
【０００６】
これに対して、電気二重層コンデンサの場合には、二次電池と比較して体積エネルギー密度が低いことから、二次電池と同等の電力容量を充電する必要がある場合には、蓄電部分の体積や重量が増大したり、単位容量あたりのコストが高くなってしまう。
【０００７】
この発明は、以上の点にかんがみて、大電流や微弱電流でも充電可能であると共に、高容量特性を有する充放電可能な電源装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、本発明によれば、＋極及び−極が外部電源の＋極及び−極にそれぞれ接続される第一の電気二重層コンデンサと、＋極が第一の電気二重層コンデンサの−極に接続され、−極がアース接続され、第一の電気二重層コンデンサに直列接続される第二の電気二重層コンデンサと、充放電可能な蓄電部と、外部電源から供給される電圧を検出するための第一の電圧検出回路と、蓄電部の電圧を検出するための第二の電圧検出回路と、第一の電気二重層コンデンサと蓄電部との間に設けられ、第一の電圧検出回路によりオンオフ制御されるスイッチと、第二の電気二重層コンデンサと蓄電部との間に設けられ、第一の電圧検出回路によりオンオフ制御されるスイッチと、を備えた充放電可能な電源装置であって、第一の電圧検出回路が、第一の電気二重層コンデンサと蓄電部との間のスイッチをオフとし、第二の電気二重層コンデンサと蓄電部との間のスイッチをオンとしたときには、外部電源から第一の電気二重層コンデンサへの充電が行なわれ、第一の電圧検出回路には第二の電圧検出回路の検出出力が入力されており、第一の電気二重層コンデンサの電圧（Ｖ１）が蓄電部の電圧（Ｖ３）より大きくなった後に、第一の電圧検出回路が、第一の電気二重層コンデンサと蓄電部との間のスイッチをオンとし、第二の電気二重層コンデンサと蓄電部との間のスイッチをオフとすることにより、直列接続された第一の電気二重層コンデンサ及び第二の電気二重層コンデンサにより蓄電部が充電されることを特徴とする、充放電可能な電源装置により、達成される。
【０００９】
本発明による電源装置では好ましくは、第一の電圧検出回路は、蓄電部の電圧（Ｖ３）が直列接続された第一及び第二の電気二重層コンデンサの電圧の和（Ｖ１＋Ｖ２）と同じになると蓄電部への充電を停止し、さらに、直列接続された第一及び第二の電気二重層コンデンサの電圧の和（Ｖ１＋Ｖ２）が蓄電部の電圧（Ｖ３）以上になると、第一の電圧検出回路が、第一の電気二重層コンデンサと蓄電部との間のスイッチをオフとし、第二の電気二重層コンデンサと蓄電部との間のスイッチをオンとすることにより、直列接続された第一及び第二の電気二重層コンデンサが充電される。
【００１０】
好ましくは、蓄電部は、二次電池又は電気化学キャパシタからなる。
【００１１】
好ましくは、外部電源は、太陽電池である。
【００１２】
上記構成によれば、第一の電気二重層コンデンサに対して、充放電可能な蓄電部と同じ電圧となる第二の電気二重層コンデンサが直列に接続されている場合には、第一の電気二重層コンデンサの充電時に、第二の電気二重層コンデンサも充電され、また第一の電気二重層コンデンサの放電時には、第二の電気二重層コンデンサも放電されることになり、これら第一の電気二重層コンデンサ及び第二の電気二重層コンデンサの充放電の繰返しによって、充放電可能な蓄電部が充電され、その際第一の電気二重層コンデンサと充放電可能な蓄電部との間には確実に電圧差が生ずるので、電気二重層コンデンサの充放電効率が向上することになる。
【００１３】
このようにして、本発明による充放電可能な電源装置によれば、従来充放電可能な電源装置としてそれぞれ単独使用される二次電池及び電気二重層コンデンサにおける充電時及び放電時の問題が回避される。即ち、電気二重層コンデンサの使用により、微弱電流から大電流に亘って確実に充電が行なわれ得ると共に、放電時には充放電可能な蓄電部、即ち二次電池や電気化学キャパシタの寿命を短くすることなく大電流放電が可能になる。
また、充放電可能な蓄電部、即ち二次電池や電気化学キャパシタの使用により、充電容量の大きい電源装置を得ることができると共に、小型で軽量の電源装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、充電の際には、外部電源から供給される電力が、電気二重層コンデンサ及び充放電可能な蓄電部の双方に充電されることにより、電圧や電流が大き過ぎる場合や小さ過ぎる場合でも、電気二重層コンデンサに確実に充電されると共に、充放電可能な蓄電部に大電流が加えられ電力が溢れて充放電可能な蓄電部の寿命が短くなるようなことはない。また、充電容量の大きい充放電可能な蓄電部に充電が行なわれることにより、全体の体積及び重量が少なくて済むことになる。
また、放電の際には、大電流放電であっても、電気二重層コンデンサから比較的大電流が供給されることになるので、充放電可能な蓄電部に対する外部負荷が軽減され、充放電可能な蓄電部の寿命が短くなるようなことはない。
このようにして、本発明によれば、大電流や微弱電流でも充電可能であると共に、高容量特性を有する極めて優れた充放電可能な電源装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は本発明による充放電可能な電源装置の実施形態を示している。
図１において、充放電可能な電源装置６０は、互いに直列に接続された第一の電気二重層コンデンサ６１，第二の電気二重層コンデンサ６２と、充放電可能な蓄電部としての電気化学キャパシタ６３と、を含んでいる。上記第一の電気二重層コンデンサ６１は、＋側の電極が充電のための外部電源６４の＋極に接続されると共に、他側の電極が外部電源６４の−極に接続されている。また、上記第二の電気二重層コンデンサ６２は、＋側の電極が外部電源６４の−極に接続されると共に、他側の電極がアース接続されている。ここで、第二の電気二重層コンデンサ６２は、後述する電気化学キャパシタ６３と同じ電圧になる。
【００１６】
充放電可能な蓄電部としては、二次電池に限らず、例えばスードキャパシタ等の電気化学キャパシタを使用してもよい。二次電池は、公知の構成の充放電可能な二次電池、例えば鉛蓄電池，ニッケルカドミウム電池，ニッケル水素電池，リチウムイオン電池などが使用される。
上記電気化学キャパシタは、擬似容量キャパシタとも呼ばれており、例えば、白金系元素であるＲｕ（ルテニウム）やＩｒ（イリジウム）の酸化物であるＲｕＯ2 やＩｒＯ2 を電極として酸化還元反応による擬似容量を利用したキャパシタである。このような電気化学キャパシタは、その単位体積あたりの容量が電気二重層コンデンサの二倍以上のものが既に実用化されており、大電流の充放電能力は電気二重層コンデンサに匹敵する。従って、充放電可能な蓄電部として電気化学キャパシタを使用した場合には、電気二重層コンデンサから電気化学キャパシタへ急速充電が可能となり、充電効率が非常に高くなる。
【００１７】
上記電気化学キャパシタ６３は、上記第一及び第二の電気二重層コンデンサ６１，６２に対して並列に接続されている。
【００１８】
図示の場合、第一の電気二重層コンデンサ６１と電気化学キャパシタ６３との間には、外部電源６４から供給される電圧を検出するための第一の電圧検出回路６５によりオンオフ制御されるスイッチ６６が設けられている。また、第二の電気二重層コンデンサ６２と電気化学キャパシタ６３との間には、同様に第一の電圧検出回路６５によりオンオフ制御されるスイッチ６７が設けられている。さらに、上記電気化学キャパシタ６３には、その電圧を検出するための第二の電圧検出回路６８が設けられており、その検出出力が上記第一の電圧検出回路６５に入力されている。
【００１９】
これらのスイッチ６６，６７は、第一の電圧検出回路６５によって、以下のようにオンオフ制御されるようになっている。
即ち、第一の電圧検出回路６５が、スイッチ６６をオフ，スイッチ６７をオンにすると、外部電源６４から電気二重層コンデンサ６１への充電が行なわれる。このとき、第一の電気二重層コンデンサ６１と電気化学キャパシタ６３の電圧が、それぞれ電圧検出回路６５及び６８により監視される。
電気二重層コンデンサ６１の電圧Ｖ１が電気化学キャパシタ６３の電圧Ｖ３より大きくなった後、第一の電圧検出回路６５は、スイッチ６６をオン，スイッチ６７をオフにする。これにより、電気二重層コンデンサ６１，６２に充電された電荷が電気化学キャパシタ６３に移動して、電気化学キャパシタ６３の充電が行なわれる。
そして、電気化学キャパシタ６３の電圧Ｖ３が電気二重層コンデンサ６１，６２の電圧（Ｖ１＋Ｖ２）と同じになると、電気化学キャパシタ６３の充電が停止するが、（Ｖ１＋Ｖ２）≧Ｖ３の時点で、第一の電圧検出回路６５は、スイッチ６６をオフ，スイッチ６７をオンにする。これにより、再び電気二重層コンデンサ６１，６２の充電が行なわれる。  以上の動作を繰返し行なうことにより、電気化学キャパシタ６３が満充電されることになる。
【００２０】
なお、第一の電圧検出回路６５が再びスイッチ６６をオフ，スイッチ６７をオンにしたとき、電気化学キャパシタ６３の電圧は電気二重層コンデンサ６１，６２の電圧と同じかそれより低いので、電気化学キャパシタ６３から電気二重層コンデンサ６１，６２に対して電流が逆流することはない。従って、電気化学キャパシタ６３から電気二重層コンデンサ６１，６２への逆流防止のための制御を行なう必要はないが、確実を期すために逆流防止手段を備えてもよい。
【００２１】
このような構成の充放電可能な電源装置６０によれば、第一の電気二重層コンデンサ６１を介して電気化学キャパシタ６３が充電される。
【００２２】
なお、電気二重層コンデンサからの放電により二次電池が充電されるための条件としては、以下の三点が挙げられる。即ち、第一に、電気二重層コンデンサの容量が二次電池の容量より格段に大きい、第二に、電気二重層コンデンサの電圧が二次電池の電圧より大きい、第三に、電気二重層コンデンサのエネルギー量（１／２ＣＶ2 ）が二次電池のエネルギー量より大きい、ことが条件になる。
【００２３】
第二の電気二重層コンデンサ６２が電気化学キャパシタ６３と同じ電圧であることから、第一の電気二重層コンデンサ６１と電気化学キャパシタ６３には確実に電圧差が発生することになるので、電気二重層コンデンサ６１から電気化学キャパシタ６３への急速な電荷移動が発生することになり、電気二重層コンデンサによる充放電効率が向上する。
【００２４】
次に、上記充放電可能な電源装置６０において、外部電源として太陽電池２３を使用した場合の具体的な実験例について説明する。
図２は、図１の充放電可能な電源装置の具体的な実験例を示すブロック図である。先ず、図１に示した充放電可能な電源装置６０において、図２に示すように、外部電源として３．５Ｖ−４０ｍＡの太陽電池２３，電気二重層コンデンサ６１，６２として２．３Ｖ−１Ｆの電気二重層コンデンサ、電気化学キャパシタ６３として２．３Ｖ−５０Ｆのスードキャパシタを使用する。
【００２５】
このような電源装置６０によれば、第一の電気二重層コンデンサ６１から電気化学キャパシタ６３に電荷移動する直前には、この電気二重層コンデンサ６１は充電設定電圧２．３Ｖまで充電される。また、第二の電気二重層コンデンサ６２は電気化学キャパシタ６３と同じ電圧になる。従って、第一の電気二重層コンデンサ６１から電気化学キャパシタ６３への充電は、これらの間に確実に電圧差が発生することになるので、急速な電荷移動が行なわれる。これにより、第一の電気二重層コンデンサ６１の充放電効率が向上する。
【００２６】
図３は、図２の電源装置に対して第二の電気二重層コンデンサ６２がなく、ＤＣ−ＤＣコンバータを備えた場合の比較例を示すブロック図である。第二の電気二重層コンデンサ６２がない場合には、図３に示すように電気二重層コンデンサ６１と電気化学キャパシタ６３との間にＤＣ−ＤＣコンバータ６９が必要になる。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ６９によって、例えば２．３Ｖの電気二重層コンデンサ６１による充電電圧を、例えば二倍の４．６Ｖに昇圧することになるが、電流値に関しては特に制御せず、充電電流は例えば半分になってしまう。さらに、入力エネルギーが１００％出力されず、ＤＣ−ＤＣコンバータ６９内で熱等に変換されるロスが約３０％になる。このため、充電効率が低下することになる。
【００２７】
図４は、図２の電源装置に対して第二の電気二重層コンデンサがなく、二倍の太陽電池及び電気二重層コンデンサを備えた場合の比較例を示すブロック図である。
上述したＤＣ−ＤＣコンバータを使用しない場合には、電気二重層コンデンサ６１が電気化学キャパシタ６３の充電電圧よりも高い電圧に設定されなければならないので、図４に示すように、電気二重コンデンサ６１を二本直列に接続すると共に、太陽電池２３についても、互いに直列接続された二倍の太陽電池が必要となることから、太陽電池２３のコストが倍増してしまう。
【００２８】
従って、上述した充放電可能な電源装置６０によれば、第二の電気二重層コンデンサ６２を設けて、この第二の電気二重層コンデンサ６２を充放電可能な蓄電部としての電気化学キャパシタ６３と同じ電圧にしておくことにより、簡単な構成により低コストで、充放電効率の高い電源装置を構成することが可能になる。
【００２９】
このようにして、本発明による充放電可能な電源装置６０によれば、電気二重層コンデンサ６１の使用により、微弱電流から大電流に亘って確実に充電が行なわれると共に、放電時には充放電可能な蓄電部としての二次電池または電気化学キャパシタ６３の寿命を短くすることなく大電流放電が可能になる。また、充放電可能な蓄電部としての二次電池または電気化学キャパシタ６３の使用により、充電容量の大きい電源装置を得ることができると共に、小型で軽量の電源装置を構成することができる。
【００３０】
従って、外部電源に関して、常時低電流の場合、即ち回転式発電，振動発電またはダイナモ発電等のように発電流が小さく、外部電源からの電流供給が不足するため二次電池等のみでは充電効率が低くあるいはまったく充電できないような場合であっても、また常時大電流の場合、即ちガスタービン等のように、始動時や停止時の供給電圧平準化により外部電源から常時大電流が供給されるような場合でも、供給される電力を充電可能な蓄電部分部としての二次電池または電気化学キャパシタ６３の使用により高効率で確実に充電することができる。
【００３１】
さらに、不安定電流の場合、即ち太陽光発電，風力発電，地熱発電，波力発電等のように、例えば天候，風量，発熱量や波の大きさにより、供給される電流が微弱電流から大電流まで不規則に変化するような場合であっても、確実に二次電池等の充放電可能な蓄電部６３に対して充電することができる。
【００３２】
さらに、本発明による充放電可能な電源装置は、当然のことながら、従来一般的に使用されている電源装置の代わりに使用することも可能であり、携帯電話機やＰＤＡ，ノートパソコン等の各種携帯機器、ラジオ，ＣＤプレーヤ，ＭＤプレーヤ等の各種音響機器、さらには自動車，工作機械等のためのモータ回転用大型電源装置として対応することができる。
また、本発明による充放電可能な電源装置は、従来の電源装置に対して性能が向上していることから、従来対象とはならなかった新規市場をも開拓できることになり、特に使用・規格に関して、自由度が非常に大きく、従来の各種規格化された電源装置に対応することが可能であり、例えば自動車に搭載されている鉛バッテリに関しても、規格対応が十分に可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による充放電可能な電源装置の実施形態の要部を示すブロック図である。
【図２】図１の充放電可能な電源装置の具体的な実験例を示すブロック図である。
【図３】図２の電源装置に対して第二の電気二重層コンデンサがなく、ＤＣ−ＤＣコンバータを備えた場合の比較例を示すブロック図である。
【図４】図２の電源装置に対して第二の電気二重層コンデンサがなく、二倍の太陽電池及び電気二重層コンデンサを備えた場合の比較例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
６０：充放電可能な電源装置
６１：第一の電気二重層コンデンサ
６２：第二の電気二重層コンデンサ
６３：電気化学キャパシタ（充放電可能な蓄電部）
６４：外部電源
６５：第一の電圧検出回路
６６，６７：スイッチ
６８：第二の電圧検出回路
６９：ＤＣ−ＤＣコンバータ
【図１】
2005304300.tif 000003
【図２】
2005304300.tif 000004
【図３】
2005304300.tif 000005
【図４】
2005304300.tif 000006