(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電源に接続される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、
上記電気二重層コンデンサから供給される電圧を検出するための第二の電圧検出回路と、
上記外部電源と上記電気二重層コンデンサとの間に設けられ、上記第一の電圧検出回路により切換え制御される切換えスイッチと、
上記電気二重層コンデンサと上記蓄電部との間に設けられ、上記第二の電圧検出回路により切換え制御されるスイッチと、
該スイッチと上記蓄電部との間に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、
上記切換えスイッチに接続される短絡線と、
該短絡線を介して上記蓄電部に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、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、上記外部電源の電圧が所定電圧範囲内にあるときには、上記切換えスイッチを上記蓄電部側に切り換え、上記外部電源からの電力が短絡線を介して上記ＤＣ−ＤＣコンバータにより電圧が調整されて上記蓄電部に供給され、上記蓄電部を充電し、
上記外部電源からの電圧が所定電圧範囲外にあるときには、上記切換えスイッチが上記電気二重層コンデンサ側に切り換えられ、上記外部電源からの電力が上記電気二重層コンデンサに供給され、上記電気二重層コンデンサを充電し、
上記電気二重層コンデンサが所定の充電電圧以上になると、上記第二の電圧検出回路で上記スイッチをオンとし、上記電気二重層コンデンサの電圧が上記スイッチに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータにより調整されて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】
前記充放電可能な蓄電部が、二次電池又は電気化学キャパシタ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。
【請求項３】
前記電気二重層コンデンサが複数個の電気二重層コンデンサの並列接続からなり、それぞれ交互に切り換えられることにより、上記電気二重層コンデンサの一部が前記外部電源により充電され、既にフル充電されている上記電気二重層コンデンサの他部が、前記蓄電池の充電を行なうことを特徴とする、請求項１又は２に記載の充放電可能な電源装置。
【請求項４】
前記電気二重層コンデンサからの放電を前記蓄電部に充電する際に、蓄電部に対して定電流またはパルス電流で充電が行なわれることを特徴とする、請求項１又は２に記載の充放電可能な電源装置。
【請求項５】
さらに、前記蓄電部にスイッチを介して、少なくとも一つの第二の電気二重層コンデンサが並列に接続され、上記スイッチを制御する第三の電圧検出回路が上記スイッチに接続されており、前記蓄電部と上記並列に接続される電気二重層コンデンサとが上記第三の電圧検出回路により制御されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の充放電可能な電源装置。
【請求項６】
前記第二の電気二重層コンデンサが、前記蓄電部が放電状態になる直前にて、フル充電状態に保持されていることを特徴とする、請求項５に記載の充放電可能な電源装置。
【請求項７】
前記蓄電部の後段に、少なくとも一つの第三の電気二重層コンデンサが並列に接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の充放電可能な電源装置。
【請求項８】
前記第三の電気二重層コンデンサが前記蓄電部により充電されることを特徴とする、請求項７に記載の充放電可能な電源装置。
【請求項９】
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又は２に記載の充放電可能な電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充放電可能な電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明によれば、外部電源に接続される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第一の電圧検出回路と、電気二重層コンデンサから供給される電圧を検出する第二の電圧検出回路と、外部電源と上記電気二重層コンデンサとの間に設けられ、第一の電圧検出回路により切換え制御される切換えスイッチと、電気二重層コンデンサと蓄電部との間に設けられ、第二の電圧検出回路により切換え制御されるスイッチと、このスイッチと蓄電部との間に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、切換えスイッチに接続される短絡線と、この短絡線を介して蓄電部に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、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、上記外部電源の電圧が所定電圧範囲内にあるときには、切換えスイッチを蓄電部側に切り換え、外部電源からの電力が短絡線を介してＤＣ−ＤＣコンバータにより電圧が調整されて蓄電部に供給され、蓄電部を充電し、外部電源からの電圧が所定電圧範囲外にあるときには、切換えスイッチが電気二重層コンデンサ側に切り換えられ、外部電源からの電力が電気二重層コンデンサに供給され、電気二重層コンデンサを充電し、電気二重層コンデンサが所定の充電電圧以上になると、第二の電圧検出回路が、スイッチをオンとし、電気二重層コンデンサの電圧がスイッチに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータにより調整されて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は、好ましくは、前記充放電可能な蓄電部が、二次電池又は電気化学キャパシタである。
【００１０】
本発明による電源装置は、好ましくは、前記電気二重層コンデンサが複数個の電気二重層コンデンサの並列接続からなり、それぞれ交互に切り換えられることにより、電気二重層コンデンサの一部が外部電源により充電され、既にフル充電されている電気二重層コンデンサの他部が、蓄電池の充電を行なう。
【００１２】
本発明による電源装置は、好ましくは、電気二重層コンデンサからの放電を蓄電部に充電する際に、蓄電部に対して定電流またはパルス電流で充電が行なわれる。
【００１３】
本発明による電源装置は、好ましくは、さらに、前記蓄電池にスイッチを介して、少なくとも一つの第二の電気二重層コンデンサが並列に接続され、スイッチを制御する第三の電圧検出回路がスイッチに接続されており、蓄電部と並列に接続される電気二重層コンデンサとが第三の電圧検出回路により制御される。
【００１４】
本発明による電源装置は、好ましくは、前記第二の電気二重層コンデンサが、前記蓄電池が放電状態になる直前にてフル充電状態に保持されている。
【００１５】
本発明による電源装置は、好ましくは、前記蓄電部の後段に、少なくとも一つの第三の電気二重層コンデンサが並列に接続されている。好ましくは、第三の電気二重層コンデンサは前記蓄電部により充電される。前記外部電源は、好ましくは、太陽電池である。
【００２４】
上記構成によれば、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て電力が溢れて、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。
【００２５】
この場合、電気二重層コンデンサの電圧調整は、種々の手段により可能であるが、好ましくは、電気二重層コンデンサを二つ以上直列接続したり、ＤＣ／ＤＣコンバータを使用することにより行なわれる。
これに対して、充放電可能な蓄電部の電圧調整は同様に種々の手段により可能であるが、好ましくは、充放電可能な蓄電部を二つ以上直列接続したり、ＤＣ／ＤＣコンバータを使用することにより行なわれ得る。また、充放電可能な蓄電部の電流調整は種々の手段により可能であるが、好ましくは、制御回路により電流制御を行なったり、充放電可能な蓄電部を二つ以上並列接続することにより行なわれ得る。
【００２６】
上記充放電可能な蓄電部が二次電池である場合には、容易に入手可能な二次電池を利用することにより、容易に且つ低コストで電源装置を構成することができる。
上記充放電可能な蓄電部が電気化学キャパシタである場合には、電気二重層コンデンサと比較して二倍以上の容量を有する電気化学キャパシタを利用することにより、電気二重層コンデンサの充放電効率を向上させることができる。
【００２７】
上記電気二重層コンデンサが前段で外部電源に接続されており、上記蓄電部が後段で外部負荷に接続されている場合には、外部電源から蓄電部で対応し得ないような大電力が急激に供給されるとき、先ず、電気二重層コンデンサがこの大電力を受けて充電される。その後、電気二重層コンデンサから蓄電部に対して二次電池の負担とならないような電力が供給され、蓄電部の充電が行なわれる。
また、外部電源から蓄電部に充電され得ないような、例えば太陽電池からの小電力が供給されるときは、先ず、電気二重層コンデンサがこの小電力を受けて充電される。その後、電気二重層コンデンサから蓄電部に対して蓄電部が充電され得るような電力が供給され、蓄電部の充電が行なわれる。
【００２８】
この場合、二つ以上の電気二重層コンデンサが互いに並列に且つ切換え可能に接続されていると、少なくとも一つの電気二重層コンデンサが外部電源から充電されると共に、同時に他の既にフル充電された電気二重層コンデンサが二次電池の充電を行なうことにより、電気二重層コンデンサの充電と電気二重層コンデンサによる二次電池の充電を切換える時間損失が低減され、二次電池の充電が効率的に行なわれ得ることになる。
【００２９】
外部電源からの給電を電気二重層コンデンサに充電すると共に、電気二重層コンデンサからの放電を二次電池に充電させる第一の経路と、外部電源からの給電を直接に二次電池に充電させる第二の経路と含んでいる場合には、外部電源から供給される電力が二次電池で十分に対応できる電力であるときには、第二の経路を経由して外部電源から直接に二次電池に電力が供給され、二次電池が充電される。
これに対して、外部電源から供給される電力が大き過ぎたり小さ過ぎたりするときには、第一の経路を経由して、上述したように、電気二重層コンデンサを介して二次電池に確実に充電が行なわれる。
【００３０】
電気二重層コンデンサからの放電を二次電池に充電する際に、二次電池に対して定電流またはパルス電流で充電が行なわれる場合には、二次電池の充電条件に適合した電流値を与える定電流またはパルス電流により、二次電池の充電が行なわれる。
ここで、二次電池に対する充電電流は、電気二重層コンデンサの充電及び放電の周期のパルス電流となり、また二つ以上の電気二重層コンデンサの切換え使用の際には、各電気二重層コンデンサが順次に切換えられ放電することにより、定電流により二次電池の充電を行なうことになる。
【００３１】
上記蓄電部にスイッチを介して、少なくとも一つの第二の電気二重層コンデンサが並列に接続され、このスイッチを制御する第三の電圧検出回路がスイッチに接続されており、蓄電部と並列に接続される電気二重層コンデンサとが第三の電圧検出回路により制御されている場合には、蓄電部の外部負荷が大き過ぎて、この蓄電部の放電電圧が所定電圧以下になったとき、第二の電気二重層コンデンサを放電させることにより、蓄電部の放電による外部負荷の駆動を補助して、放電電圧の低下を回避することができる。
【００３２】
上記第二の電気二重層コンデンサが、上記蓄電部が放電状態になる直前にてフル充電状態に保持されている場合には、蓄電部の放電による放電電圧低下時に、確実に蓄電部の放電補助を行なうことができる。
この場合、第二の電気二重層コンデンサは、外部電源，第一の電気二重層コンデンサまたは蓄電部の何れかから充電される。
なお、第二の電気二重層コンデンサは、蓄電部の放電補助として、大きな放電電流及び長い放電時間を確保するために、大きな容量を有していることが好ましい。
【００３３】
上記蓄電部の後段に、少なくとも一つの第三の電気二重層コンデンサが並列に接続されている場合には、蓄電部からの放電電力が第三の電気二重層コンデンサに供給されることにより、第三の電気二重層コンデンサが常にフル充電される。これにより、蓄電部に接続される外部負荷に対する給電は第三の電気二重層コンデンサから行なわれ、大電流放電に対応することができる。
なお、第三の電気二重層コンデンサは、大電流放電に対応するためには大きな容量を有していることが好ましい。
【００３４】
上記充放電可能な蓄電部が電気化学キャパシタである場合には、電気二重層コンデンサと比較して二倍以上の容量を有する電気化学キャパシタを利用することにより、電気二重層コンデンサの充放電効率を向上させることができる。
【００３７】
また、外部電源から蓄電部に充電され得ないような、例えば太陽電池からの小電力が供給されるときは、先ず、電気二重層コンデンサがこの小電力を受けて充電される。その後、電気二重層コンデンサから蓄電部に対して蓄電部が充電され得るような電力が供給され、蓄電部の充電が行なわれる。
【００４３】
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蓄電部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。
【００４４】
【発明の実施の形態】
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第一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１０は、電気二重層コンデンサ１１と、充放電可能な蓄電部としての二次電池１２とを含んでいる。
上記電気二重層コンデンサ１１は、＋側の電極が充電のための外部電源１３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、上記電気二重層コンデンサ１１は、例えば活性炭と有機溶剤の異種二相を接触させることにより構成されており、化学反応に伴う電子の移動を伴うことなく、コンデンサと同様に電荷を蓄積することにより充電され、大電流によっても微小電流によっても充電可能である。
【００４５】
なお、図示の場合、外部電源１３と電気二重層コンデンサ１１との間には、外部電源１３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１４により切換え制御される切換えスイッチ１５が設けられている。この切換えスイッチ１５は、外部電源１３から電気二重層コンデンサ１１への充電電圧が、二次電池１２が対応できない大電力または微小電力となるような所定電圧範囲外である場合には電気二重層コンデンサ１１に、所定電圧範囲内である場合には短絡線１６を介して二次電池１２に、切換え接続されるようになっている。
【００４６】
上記二次電池１２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、＋極が上記電気二重層コンデンサ１１の＋側の電極に、−極がアース接続されている。
【００４７】
ここで、充放電可能な蓄電部としては、上記二次電池１２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。
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１１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。
【００４８】
なお、図示の場合、電気二重層コンデンサ１１と二次電池１２との間には、電気二重層コンデンサ１１から供給される電圧を検出するための第二の電圧検出回路１７により切換え制御されるスイッチ１８が設けられている。このスイッチ１８は、電気二重層コンデンサ１１からの放電電圧が所定電圧以上になったとき、オンされるようになっている。
ここで、スイッチ１８を切換え制御する第二の電圧検出回路１７は、絶対値を検出し制御する回路構成として電流ロスの発生しない回路である。このような第二の電圧検出回路１７とすることにより、例えばコンパレータによる電圧検出回路で必要となる基準電圧を発生させる外部電源が不要になり、消費電力を低減化することができる。
【００４９】
上記電気二重層コンデンサ１１と二次電池１２との間には、スイッチ１８より二次電池１２側にＤＣ−ＤＣコンバータ１９が接続されている。また、上記短絡線１６には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が接続されている。これらのＤＣ−ＤＣコンバータ１９，２０は、電気二重層コンデンサ１１または外部電源１３から供給される電圧を適宜の電圧に調整するためのものである。
【００５０】
さらに、上記二次電池１２の＋極は、電源スイッチ２１を介して、外部負荷２２に接続されている。
【００５１】
なお、電気二重層コンデンサ１１からの放電により二次電池１２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１１の容量が二次電池１２の容量より格段に大きい、第二に、電気二重層コンデンサ１１の電圧が二次電池１２の電圧より大きい、第三に、電気二重層コンデンサ１１のエネルギー量（１／２ＣＶ2 ）が二次電池１２のエネルギー量より大きい、ことが条件になる。
【００５２】
本発明による充放電可能な電源装置１０は以上のように構成されており、以下のように動作する。
先ず、充電時には、外部電源１３から切換えスイッチ１５を介して電力が供給される。その際、第一の電圧検出回路１４により外部電源１３からの電圧が検出され、この電圧が所定電圧範囲内にあるときには、切換えスイッチ１５が二次電池１２側に切り換えられ、外部電源１３からの電力が短絡線１６を介して、そしてＤＣ−ＤＣコンバータ２０により電圧調整された後、直接に二次電池１２に供給される。このとき、外部電源１３からの電圧が所定電圧範囲内にあるので、二次電池１２に大電力や微小電力となるような大電流や微小電流が流れて、二次電池１２の充電が行なわれなくなってしまうことはない。
【００５３】
これに対して、外部電源１３からの電圧が所定電圧範囲外にあるときには、切換えスイッチ１５が電気二重層コンデンサ１１側に切り換えられ、外部電源１３からの電力が電気二重層コンデンサ１１に供給される。これにより、外部電源１３からの大電力が急激に供給されるような場合でも、電気二重層コンデンサ１１がこの大電力を受け取って充電される。また外部電源１３からの微小電力が供給されるような場合も、電気二重層コンデンサ１１がこの微小電力を受け取って充電される。
そして、このように電気二重層コンデンサ１１が充電された後、電気二重層コンデンサ１１が放電して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９を介して電圧調整された後、二次電池１２を充電する。その際、外部電源１３による電気二重層コンデンサ１１の充電電圧、即ち放電電圧が所定電圧以上になると、スイッチ１８がオンとなり、電気二重層コンデンサ１１からの放電により二次電池１２が充電されるようになっている。
【００５４】
このようにして、本発明実施形態による充放電可能な電源装置１０によれば、外部電源１３から供給される電流が、微弱電流から大電流に広い範囲に亘って、電気二重層コンデンサ１１を介してまたは直接に二次電池１２が充電されることになる。そして、電気二重層コンデンサ１１が外部電源１３から供給される電力をすべて受け取って充電されると共に、電気二重層コンデンサ１１から二次電池１２に対して、二次電池１２に最適な充電条件、即ち最適な電流値で充電が行なわれることになるので、二次電池１２の寿命が短くなるようなことはない。
この場合、電気二重層コンデンサ１１の充電中は、電気二重層コンデンサ１１から二次電池１１への充電は行なわれないので、二次電池１１は、電気二重層コンデンサ１１からの充電が休止状態となり、電気二重層コンデンサ１１の充電及び放電により、二次電池１１は電気二重層コンデンサ１１からのパルス電流により充電されることになる。
【００５５】
なお、電気二重層コンデンサ１１からの放電により二次電池１２が充電される際に、電圧調整は上述したＤＣ−ＤＣコンバータ１９で行なわれるようになっているが、これに限らず、他の手段、例えば電気二重層コンデンサ１１を二つ以上直列に接続して行なわれることができる。
また、電気二重層コンデンサ１１からの放電により二次電池１２が充電される際の電流調整は、電気二重層コンデンサ１１と二次電池１２との間に電流制御回路を接続したり、電気二重層コンデンサ１１や二次電池１２を二つ以上直列に接続することにより行なわれ得る。
【００５６】
図２は、本発明による充放電可能な電源装置の第二の実施形態を示している。図２において、充放電可能な電源装置３０は、図１に示した充放電可能な電源装置１０とほぼ同様の構成を有しており、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
充放電可能な電源装置３０は、図１に示した充放電可能な電源装置１０と比較して、唯一つの電気二重層コンデンサ１１の代わりに、互いに並列接続された複数個の電気二重層コンデンサ３１ａ，３１ｂ，・・・，３１ｎを備えている点でのみ異なる構成である。
【００５７】
これらの電気二重層コンデンサ３１ａ，３１ｂ，・・・，３１ｎは、それぞれ交互に切り換えられることにより、一部の電気二重層コンデンサが外部電源１３により充電され、既にフル充電されている他の電気二重層コンデンサが二次電池１２の充電を行なうようになっている。
【００５８】
このような構成の充放電可能な電源装置３０によれば、図１に示した充放電可能な電源装置１０と同様に作用すると共に、二次電池１２は、電気二重層コンデンサが外部電源１３から充電される間、その充電が休止状態となるようなことがなく、フル充電されている電気二重層コンデンサにより充電されるので、各電気二重層コンデンサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，・・・，３１ｎの交互切換えによって、二次電池１２は電気二重層コンデンサ３１ａ，３１ｂ，・・・，３１ｎにより定電流にて常時充電されることになる。
【００５９】
図３は本発明による充放電可能な電源装置の第三の実施形態を示している。図３において、充放電可能な電源装置４０は、図１に示した充放電可能な電源装置１０とほぼ同様の構成を有しており、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
充放電可能な電源装置４０は、図１に示した充放電可能な電源装置１０と比較して、二次電池１２に対して、第二の電気二重層コンデンサ４１（図示の場合、複数個の第二の電気二重層コンデンサ４１ａ，４１ｂ，・・・，４１ｎ）がスイッチ４２を介して並列接続されており、このスイッチ４２が二次電池１２の放電電圧を検出するための第三の電圧検出回路４３により制御される点でのみ異なる構成である。
【００６０】
これらの第二の電気二重層コンデンサ４１ａ，４１ｂ，・・・，４１ｎは、二次電池１２の放電時に、二次電池１２の負荷により放電電圧が所定電圧より低下したとき、第三の電圧検出回路４３によりスイッチ４２がオンされて、第二の電気二重層コンデンサ４１ａ，４１ｂ，・・・，４１ｎからの電流供給により放電補助が行なわれるようになっている。
そして、第二の電気二重層コンデンサ４１ａ，４１ｂ，・・・，４１ｎは、いつでも二次電池の放電補助を行なうことができるように、常時フル充電されている。この第二の電気二重層コンデンサ４１ａ，４１ｂ，・・・，４１ｎの充電は、外部電源１３，電気二重層コンデンサ１１または二次電池１２の何れかから行なわれ得る。
ここで、第二の電気二重層コンデンサ４１ａ，４１ｂ，・・・，４１ｎは、放電時の大電流を取り出すことができ、長い放電時間を確保するために、容量が大きいほうが好ましい。
【００６１】
このような構成の充放電可能な電源装置４０によれば、図１に示した充放電可能な電源装置１０と同様に作用すると共に、二次電池１２の放電の際に、二次電池１２の放電電圧が第三の電圧検出回路４３により検出されている。そして、二次電池１２の放電電圧が所定電圧より高い場合には、スイッチ４２はオフされており、二次電池１２からの放電電圧が外部負荷２２に供給されることになる。ここで、二次電池１２に負荷がかかり過ぎると、大電流放電となることから、二次電池１２の放電電圧が低下する。そして、二次電池１２の放電電圧が所定電圧以下になると、スイッチ４２がオンされることにより、第二の電気二重層コンデンサ４１ａ，４１ｂ，・・・，４１ｎから放電が行なわれ、二次電池１２の放電補助が行なわれ、大電流放電に対応することができる。
【００６２】
図４は本発明による充放電可能な電源装置の第四の実施形態を示している。図４において、充放電可能な電源装置５０は、図１に示した充放電可能な電源装置１０とほぼ同様の構成を有しており、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
充放電可能な電源装置５０は、図１に示した充放電可能な電源装置１０と比較して、二次電池１２の後段に、第三の電気二重層コンデンサ５１（図示の場合、複数個の第三の電気二重層コンデンサ５１ａ，５１ｂ，・・・，５１ｎ）が直接に並列接続されている点でのみ異なる構成である。
これらの第三の電気二重層コンデンサ５１ａ，５１ｂ，・・・，５１ｎは、二次電池１２により常時フル充電されており、外部負荷２２に対する放電は、第三の電気二重層コンデンサ５１ａ，５１ｂ，・・・，５１ｎにより行なわれるようになっている。ここで、第三の電気二重層コンデンサ５１ａ，５１ｂ，・・・，５１ｎは、大電流放電のためには容量が大きいほうが好ましい。
【００６３】
このような構成の充放電可能な電源装置５０によれば、図１に示した充放電可能な電源装置１０と同様に作用すると共に、二次電池１２の放電により、第三の電気二重層コンデンサ５１ａ，５１ｂ，・・・，５１ｎが常時フル充電されており、外部負荷２２に対しては、第三の電気二重層コンデンサ５１ａ，５１ｂ，・・・，５１ｎからの放電により給電が行なわれる。従って、微弱電流から大電流に至るまでの幅広い放電に対応することができる。
【００６４】
次に、本発明による各実施形態による充放電可能な電源装置１０，３０，４０，５０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。
先ず、図１に示した充放電可能な電源装置１０において、図５に示すように、外部電源として３Ｖ−３０ｍＡの太陽電池２３、電気二重層コンデンサ１１として２．３Ｖ−３Ｆの電気二重層コンデンサを１個、二次電池１２として１．２Ｖ−２７０ｍＡｈのＮｉ−ＭＨ電池を二個直列接続したものを使用する。
【００６５】
このような電源装置１０によれば、二次電池１２への充電効率が悪い電流値領域では、切換えスイッチ１５により、電気二重層コンデンサ１１を介して二次電池１２への充電を行なう。即ち、太陽電池２３により電気二重層コンデンサ１１を充電する。これにより電気二重層コンデンサ１１の電圧が所定電圧を超えるとスイッチ１８がオンとなり、電気二重層コンデンサ１１の放電により二次電池１２が充電される。ここで、電気二重層コンデンサ１１の電圧が所定電圧以下になると、スイッチ１８がオフとなり、再び電気二重層コンデンサ１１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、二次電池１２に対する充電は、電気二重層コンデンサ１１の充電時には休止状態となり、図６に示すように、二次電池１２はパルス電流により充電されることになる。
【００６６】
これに対して、二次電池１２への充電効率が十分である電流値領域では、切換えスイッチ１５が二次電池１２側に切り換えられ、太陽電池２３から短絡線１６を介して直接に二次電池１２への充電が行なわれる。
【００６７】
図７は、図２に示した充放電可能な電源装置３０を使用した実験例を示している。この場合、図５の実験例と同様にして、外部電源として３Ｖ−３０ｍＡの太陽電池２３、電気二重層コンデンサ１１として２．３Ｖ−３Ｆの電気二重層コンデンサを２個、二次電池１２として１．２Ｖ−２７０ｍＡｈのＮｉ−ＭＨ電池を二個直列接続したものを使用する。
【００６８】
このような電源回路３０によれば、二次電池１２への充電効率が悪い電流値領域では、切換えスイッチ１５により、電気二重層コンデンサ３１を介して二次電池１２への充電を行なう。即ち、太陽電池２３により一つ目の電気二重層コンデンサ３１ａを充電する。これにより電気二重層コンデンサ１１の電圧が所定電圧を超えると、電気二重層コンデンサ３１ａ，３１ｂが切り換えられ、二つ目の電気二重層コンデンサ３１ｂの充電を開始すると共に、スイッチ１８がオンとなり、電気二重層コンデンサ３１ａの放電により二次電池１２が充電される。
【００６９】
ここで、電気二重層コンデンサ３１ａの電圧が所定電圧以下になると、電気二重層コンデンサ３１ａ，３１ｂが切り換えられ、再び電気二重層コンデンサ３１ａの充電が行なわれると共に、二つ目の電気二重層コンデンサ３１ｂの放電により二次電池１２が充電される。
以上の動作を繰返し行なうことにより、二次電池１２に対する充電は、電気二重層コンデンサ３１ａ，３１ｂにより図８（Ａ），（Ｂ）に示すように交互に行なわれることになり、二次電池１２は、図８（Ｃ）に示すように定電流により充電されることになる。
【００７０】
これに対して、二次電池１２への充電効率が十分である電流値領域では、切換えスイッチ１５が二次電池１２側に切り換えられ、太陽電池２３から短絡線１６を介して直接に二次電池１２への充電が行なわれる。
【００７１】
図９は、図３に示した充放電可能な電源装置４０を使用した実験例を示している。この場合、外部電源として３Ｖ−３０ｍＡの太陽電池２３、電気二重層コンデンサ１１として２．３Ｖ−３Ｆの電気二重層コンデンサを１個、二次電池１２として１．２Ｖ−２７０ｍＡｈのＮｉ−ＭＨ電池を二個直列接続したもの、第二の電気二重層コンデンサ４１として２．３Ｖ−１２０Ｆの電気二重層コンデンサを１個を使用し、さらに第二の電気二重層コンデンサ４１とスイッチ４２との間に電圧調整のためのＤＣ−ＤＣコンバータ４４を接続する。
【００７２】
このような電源回路４０によれば、二次電池１２の放電の際に、二次電池１２の放電電圧が所定電圧より高い場合には、スイッチ４２はオフされており、二次電池１２からの放電電圧が外部負荷２２へ供給される。ここで、二次電池１２に負荷がかかり過ぎると、二次電池１２の放電電圧が低下し、二次電池１２の放電電圧が所定電圧以下になると、スイッチ４２がオンされることにより、第二の電気二重層コンデンサ４１から放電がＤＣ−ＤＣコンバータ４４を介して行なわれ、二次電池１２の放電補助が行なわれ大電流放電に対応することができる。これにより、第二の電気二重層コンデンサ４１がない場合には、図１０（Ａ）に示すように、二次電池１２に対する過負荷によって大きく放電電圧が低下するが、第二の電気二重層コンデンサ４１が設けられていることから、第二の電気二重層コンデンサ４１による二次電池１２の放電補助によって、図１０（Ｂ）に示すように、外部負荷２２に対する放電電圧の急激な低下を回避することができる。
【００７３】
図１１は図４に示した充放電可能な電源装置５０を使用した実験例を示している。この場合、外部電源として３Ｖ−３０ｍＡの太陽電池２３、電気二重層コンデンサ１１として２．３Ｖ−３Ｆの電気二重層コンデンサを１個、二次電池１２として１．２Ｖ−２７０ｍＡｈのＮｉ−ＭＨ電池を二個直列接続したもの、第三の電気二重層コンデンサ５１として２．３Ｖ−１２０Ｆの電気二重層コンデンサを１個を使用し、さらに第三の電気二重層コンデンサ５１と二次電池１２及びスイッチ４２との間に電圧調整のためのＤＣ−ＤＣコンバータ５２を接続する。
【００７４】
このような電源回路５０によれば、外部負荷２２への放電は、二次電池１２により常にフル充電された第三の電気二重層コンデンサ５１によってＤＣ−ＤＣコンバータ５２を介して行なわれることになる。従って、電気二重層コンデンサの特性に基づいて、外部負荷２２に対する放電は微弱電流から大電流に至るまで行なうことができる。
【００７５】
図１２は本発明による充放電可能な電源装置の第五の実施形態を示している。図１２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。
【００７６】
上記電気化学キャパシタ６３は、上記第一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。
【００７７】
なお図示の場合、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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
このような構成の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を介して電気化学キャパシタ６３が充電されることにより、図１に示した充放電可能な電源装置１０と同様に作用すると共に、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、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。
【００８１】
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。
先ず、図１２に示した充放電可能な電源装置６０において、図１３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。
【００８２】
このような電源装置６０によれば、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、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、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、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、電気二重層コンデンサ６１の充放電効率が向上する。
【００８３】
これに対して、第二の二重層コンデンサ６２がない場合には、図１４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。
【００８４】
また、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１５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。
【００８５】
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。
【００８６】
このようにして、本発明による充放電可能な電源装置１０，３０，４０，５０，６０によれば、電気二重層コンデンサ１１，６１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１２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１２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。
【００８７】
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１２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１２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。
【００８８】
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１２等の充放電可能な蓄電部に対して充電することができる。
【００８９】
また、外部負荷に関して、一時的に大電流が必要な場合、即ち一般モータにおいては、始動時に定格の３乃至４倍程度の大電流が必要となり、例えば燃料電池車，蓄電池車及びハイブリッド車等のパワーアシストにおいては、電気自動車等の急加速・登り坂走行時に大電流が必要となり、またエネルギー回生においては、電気自動車等のブレーキング時に大電流が必要となるが、このような場合であっても、充電可能な蓄電部として二次電池１２等に対して、第二の電気二重層コンデンサ４１または第三の電気二重層コンデンサ５１を接続することにより、外部負荷に対して一時的に大電流を供給することができる。
【００９０】
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。
【００９１】
上述した実施形態においては、何れの充放電可能な電源装置１０，３０，４０，５０においても、二次電池１２の充電効率が十分である電力の場合には、切換えスイッチ１５を切り換えて、電気二重層コンデンサ１１を介さずに、直接に二次電池１２を充電するようになっているが、これに限らず、切換えスイッチ１５及び第一の電圧検出回路１４を省略して、外部電源１３から常時電気二重層コンデンサ１１を充電するようにしてもよいことは明らかである。
また、上述した実施形態においては、電圧調整のためにＤＣ−ＤＣコンバータ１９，２０，４４，５２，６９を使用しているが、これに限らず、電気二重層コンデンサを複数個直列接続する等、他の手段を採用することもできる。
【００９２】
【発明の効果】
以上述べたように、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による充放電可能な電源装置の第一の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明による充放電可能な電源装置の第二の実施形態の要部を示すブロック図である。
【図３】本発明による充放電可能な電源装置の第三の実施形態の要部を示すブロック図である。
【図４】本発明による充放電可能な電源装置の第四の実施形態の要部を示すブロック図である。
【図５】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６】図５の実験例における二次電池への充電電流値を示すグラフである。
【図７】図２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８】図７の実験例におけるグラフであり、（Ａ）は一つ目の電気二重層コンデンサの放電電流値，（Ｂ）は二つ目の電気二重層コンデンサの放電電流値、（Ｃ）は二次電池へ充電電流値を示している。
【図９】図３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１０】図９の実験例における二次電池の放電電圧値を示すグラフである。
【図１１】図４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１２】本発明による充放電可能な電源装置の第五の実施形態の要部を示すブロック図である。
【図１３】図１２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１４】図１３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１５】図１３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】
１０    充放電可能な電源装置
１１    電気二重層コンデンサ
１２    二次電池（充放電可能な蓄電部）
１３    外部電源
１４，１７，４３    電圧検出回路
１５    切換えスイッチ
１６    短絡線
１８，４２    スイッチ
１９，２０    ＤＣ−ＤＣコンバータ
２１    電源スイッチ
２２    外部負荷
２３    太陽電池
３０    充放電可能な電源装置
３１，３１ａ，３１ｂ，・・・，３１ｎ    電気二重層コンデンサ
４０    充放電可能な電源装置
４１    第二の電気二重層コンデンサ
５０    充放電可能な電源装置
５１    第三の電気二重層コンデンサ
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（第四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】
0003755043.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003755043.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003755043.tif 000006
【図６】
0003755043.tif 000007
【図７】
0003755043.tif 000008
【図８】
0003755043.tif 000009
【図９】
0003755043.tif 000010
【図１０】
0003755043.tif 000011
【図１１】
0003755043.tif 000012
【図１２】
0003755043.tif 000013
【図１３】
0003755043.tif 000014
【図１４】
0003755043.tif 000015
【図１５】
0003755043.tif 000016