(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコンデンサを直並列に接続して構成したコンデンサブロックに蓄電して負荷に給電する蓄電電源装置であって、
前記複数のコンデンサのそれぞれに並列に接続して当該コンデンサの端子電圧を検出し該端子電圧が所定値になったことを判定して前記所定値で充電電流をバイパスする複数の並列モニタと、
前記コンデンサブロックを充電する充電手段と、
前記複数の並列モニタのバイパス動作から前記コンデンサブロック全体の充電状態を判定して前記充電手段による前記コンデンサブロックの充電を終了する充電終了手段と
を備えたことを特徴とする蓄電電源装置。
【請求項２】
前記充電終了手段は、前記充電電流をバイパスしている複数の並列モニタの動作信号を論理処理して前記充電状態を判定することを特徴とする請求項１記載の蓄電電源装置。
【請求項３】
前記充電終了手段は、前記複数の並列モニタのうち特定の並列モニタの動作信号から前記充電状態を判定することを特徴とする請求項１記載の蓄電電源装置。
【請求項４】
前記充電手段は、前記充電電流に交流波形を重畳する手段を有し、前記充電終了手段は、前記交流波形の振幅を監視して前記各並列モニタのバイパス動作を検出することにより充電状態を判定することを特徴とする請求項１記載の蓄電電源装置。
【請求項５】
前記充電手段は、前記コンデンサブロック又は特定のコンデンサの端子電圧を取り出して二乗する乗算回路と定数倍する演算回路からなる残量検出回路を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の蓄電電源装置。
【請求項６】
前記充電手段は、前記コンデンサブロック又は特定のコンデンサの端子電圧を取り出して定電圧回路と検出素子との直列回路に印加し検出素子で残量に対応した電流を検出する残量検出回路を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の蓄電電源装置。
【請求項７】
前記充電手段は、前記コンデンサブロックに対して内部抵抗が大きくかつ電力容量の体積或いは重量に対する比が大きい第２のコンデンサブロックを前記コンデンサブロックの充電電源として有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の蓄電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数個の電気二重層コンデンサ等を直並列に接続して構成したコンデンサブロックに電力を蓄電して負荷に給電する蓄電電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球規模での環境問題からガソリンエンジンを搭載した自動車の排気ガスが規制の対象として議論されるようになって久しい。しかし、現実には、依然として自動車の生産台数の増加傾向は続いているが、自動車の排気ガスを低減できる見通しはたっていない。このような状況にあって、排気ガスのでない自動車としては、バッテリーや太陽電池を搭載した電気自動車が注目を集め、その早期実用化が緊急の課題となっている。
【０００３】
最近においては、さしあたって長い継続走行距離や高速走行を必要としない配達車や清掃車等の業務用の車両に一部電気自動車が実用化され採用されている。また、試作車としては、１００ｋｍ／ｈ以上の高速走行、２００ｋｍ程度の継続走行が可能な車両の報告もなされている。さらには、太陽電池を車上に搭載してバッテリーを充電しながら走行する車両やエンジンとモータによるハイブリッド駆動の車両等も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電気自動車は、エンジン自動車のような歯車機構をなくしホィールモータを使った独立４輪駆動が１つの方向としてある。この場合、駆動機構としては、簡素化されたものとなり、走行性、操舵性についても、各ホィールモータの協調制御により解決できる。電気自動車における技術的な最大の課題は、駆動動力源、つまりエンジン自動車に劣らない容量のバッテリーの実現である。まず、電気自動車として、十分実用に供するためには、エンジンと同程度の大きさ、重量で、ガソリンエンジンに匹敵する動力の確保を可能にする容量のバッテリーが必要である。しかも、充電が高速でできるかガソリンの補給と同じ程度に簡便に充電したバッテリーの交換が可能になることである。
【０００５】
しかし、従来のバッテリーには、上記の要求を満足するものがなく、特に、充電に長時間を要するだけでなく、その割にエンジンに比べて大型で重量があるのが問題となっている。
【０００６】
また、従来のコンデンサに比べて小型で大容量の電気二重層コンデンサが開発され、電源のバックアップ等に利用される傾向にある。この電気二重層コンデンサのような大容量コンデンサは、蓄電電源として考えた場合、鉛電池等と比べ、軽量で長寿命である点で有利であるが、加わる電圧が定格に対して過大になると、直ちにコンデンサの容量減少、漏れ電流増加などの損傷をもたらす。その他、内部抵抗や耐電圧のコントロールが不十分なため、積極的に利用されるには至っていない。
【０００７】
さらに、二次電池を充電するにあたって、その充電完了を正確に検出し、或いはその時点でその電池からあとどれくらいの電気量が使用できるかを計測するにはこれまで種々の困難があった。
【０００８】
例えば充電完了を検出する方法としては、終止電圧を一定値に定めたり、流入した電気量から推定したり、一定時間充電後に電池の温度特性により電圧が僅かにディップする瞬間を捕らえるなど、種々の工夫がなされているが、それにもかかわらず電池の新旧や経年変化の状態、充電電流、継続して使用もしくは充電したか否かなど、電池の状態によって充電特性は様々に変化する。
【０００９】
また、残量を計測する方法としては、一定負荷をかけて端子電圧を測ったり、充放電した電気量から計算したり、電解液の温度と比重から推定するなど、種々の工夫がなされているが、電池のできばえや新旧、使用履歴、負荷や充電時の条件などによって電池の特性は様々に変化する。
【００１０】
上記のように満充電の点を常に正確に検出する方法、電池の残量を常に正確に検出する方法は、ほとんど存在しないというべき状態にある。しかも、電池の容量を有効に使用するためには、一定量の過充電が行われるのが通常であり、また、電池の残量を知ることが不可欠な条件である。電気自動車などの実用化によって二次電池の使用が日常化する将来においては、過充電のために生じる電気エネルギーの浪費も無視できない問題になり、あとどれくらい走れるかがわかるか否かによって、その電池の実用性がかかるとさえ予測される。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するものであって、負荷への供給電圧が安定した急速充電が可能で長寿命、軽量な蓄電電源装置を提供することを目的とするものである。本発明の他の目的は、コンデンサを使って高効率で蓄電し負荷へ電力を供給することが可能な蓄電電源装置を提供することである。本発明のさらに他の目的は、満充電の点を正確に検出し、無駄な過充電や充電不足をなくすことができる蓄電電源装置を提供することである。本発明のさらに他の目的は、残量を正確に計測し、信頼できる動作限界を知ることができる蓄電電源装置を提供することである。
【００１２】
そのために本発明は、複数のコンデンサを直並列に接続して構成したコンデンサブロックに蓄電して負荷に給電する蓄電電源装置であって、前記複数のコンデンサのそれぞれに並列に接続して当該コンデンサの端子電圧を検出し該端子電圧が所定値になったことを判定して前記所定値で充電電流をバイパスする複数の並列モニタと、前記コンデンサブロックを充電する充電手段と、前記複数の並列モニタのバイパス動作から前記コンデンサブロック全体の充電状態を判定して前記充電手段による前記コンデンサブロックの充電を終了する充電終了手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
前記充電終了手段は、前記充電電流をバイパスしている複数の並列モニタの動作信号を論理処理して前記充電状態を判定し、前記複数の並列モニタのうち特定の並列モニタの動作信号から前記充電状態を判定し、前記充電手段は、前記充電電流に交流波形を重畳する手段を有し、前記充電終了手段は、前記交流波形の振幅を監視して前記各並列モニタのバイパス動作を検出することにより充電状態を判定することを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、前記充電手段は、前記コンデンサブロック又は特定のコンデンサの端子電圧を取り出して二乗する乗算回路と定数倍する演算回路からなる残量検出回路を有し、前記コンデンサブロック又は特定のコンデンサの端子電圧を取り出して定電圧回路と検出素子との直列回路に印加し検出素子で残量に対応した電流を検出する残量検出回路を有し、前記コンデンサブロックに対して内部抵抗が大きくかつ電力容量の体積或いは重量に対する比が大きい第２のコンデンサブロックを前記コンデンサブロックの充電電源として有することを特徴とするものである。
【００１５】
【作用】
本発明の蓄電電源装置では、負荷に接続され負荷に直接電力を供給するコンデンサブロック、該コンデンサブロックを充電する充電回路、コンデンサブロックに充電回路を通して接続される充電用電源に対し、各コンデンサの端子電圧を検出して、充電制限回路で端子電圧が所定値になったことを判別してコンデンの充電を制限するので、コンデンサブロックを設計された最高電圧まで使用することができ、電気エネルギーの蓄電効率を高めることができる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の蓄電電源装置の１実施例を示す図であり、１は充電用電源、２は充電回路、３は電圧検出回路、４は負荷、Ｃは大容量コンデンサ、Ｖｒ、Ｖｒ′は基準電圧、Ｓ１、Ｓ２はスイッチを示す。
【００１７】
図１において、大容量コンデンサＣは、スイッチＳ１、充電回路２を介して充電用電源１に接続されると共に負荷４に接続され、負荷４に直接電力を供給するものである。充電用電源１は、大容量コンデンサＣを充電するための、例えば商用電源であり、充電回路２は、インバータなどの電圧変換手段を備えたものである。電圧検出回路３は、基準電圧Ｖｒ、Ｖｒ′と比較して大容量コンデンサＣの端子電圧が満充電レベルか否かを検出するものであり、満充電レベルになるとスイッチＳ１をオフにすると共にスイッチＳ２をオンにする。したがって、基準電圧Ｖｒ＋Ｖｒ′を満充電レベルに設定することによって、大容量コンデンサＣの端子電圧が満充電レベルになるまで、スイッチＳ１をオンの状態のままにして充電回路２を介して充電用電源１から大容量コンデンサＣを充電し、満充電レベルに達するとスイッチＳ１をオフにして充電を停止させ、大容量コンデンサＣに加わる電圧が定格に対して過大となるのを防ぐ。また、このとき、スイッチＳ２をオンにして一部の基準電圧Ｖｒ′を短絡することによって、スイッチＳ１のオン／オフ制御に一定のデッドバンドを設定している。
【００１８】
先に述べたようにコンデンサを電源として使う場合には、加わる電圧がコンデンサの定格に対して過大になると、直ちにコンデンサの容量減少、漏れ電流増加などの損傷をもたらす。これに対処するため、コンデンサ側では、分解電圧、耐電圧等に余裕をもって設計製造するのが通常である。しかし、コンデンサに貯えられる電気エネルギーは、その電圧の２乗に比例するため、少しでも高い電圧まで使用するのが有利である。このような観点から、本発明では、コンデンサの端子電圧を常時監視してスイッチＳ１により制限するので、コンデンサをその最高電圧いっぱいまで使用でき、より大きな電気エネルギーを有効に貯えることができる。
【００１９】
図２は本発明の蓄電電源装置の他の実施例を示す図であり、ＺＤは定電圧素子、ＴＲはトランジスタ、Ｒ１、Ｒ２は抵抗を示す。
図２に示す実施例は、トランジスタＴＲと抵抗Ｒ２の直列回路を大容量コンデンサＣの充電電流のバイパス回路として接続し、大容量コンデンサＣの端子電圧を定電圧素子ＺＤの電圧に制限するように構成したものである。この構成により、大容量コンデンサＣが満充電レベルのときの電圧に定電圧素子ＺＤの電圧を選定すると、満充電レベルでトランジスタＴＲが導通し、大容量コンデンサＣの端子電圧が満充電レベルに維持されるようにトランジスタＴＲの導通度が変化する。つまり電圧リミッタを構成している。
【００２０】
図３は本発明の蓄電電源装置のさらに他の実施例を示す図であり、１１は充電用交流電源、１２は充電用直流電源、１３〜１５は充電回路、１６は充電制御回路、１７は負荷、Ａ、Ｂはコンデンサブロック、Ｖｒは基準電圧を示す。
【００２１】
図３において、コンデンサブロックＡは、負荷１７に接続され負荷１７に電力を直接供給する負荷給電用の電源であり、電力密度がそれほど高くないが、内部抵抗の低い大容量コンデンサが用いられる。コンデンサブロックＢは、コンデンサブロックＡを充電する電源であり、コンデンサブロックＡに比べて、内部抵抗はそれほど低くないが、電力容量の体積或いは重量に対する比が大きな大容量コンデンサが用いられる。充電回路１５は、コンデンサブロックＢからコンデンサブロックＡを充電する回路であり、インバータ等の電圧変換手段で構成したものである。充電制御回路１６は、コンデンサブロックＡの端子電圧、つまり負荷電圧を検出して基準電圧Ｖｒと比較し、基準電圧Ｖｒの場合には、コンデンサブロックＢからコンデンサブロックＡを充電するように充電回路１５を制御するものである。なお、基準電圧Ｖｒは、コンデンサブロックＡの満充電レベルに設定される。
【００２２】
充電用交流電源１１は、例えば通常の商用交流電源等であり、充電用直流電源１２は、例えば太陽電池等の直流電源である。充電回路１３、１４は、電圧変換・整流してコンデンサブロックＢを充電する回路である。勿論、充電回路１３、１４をインバータ等の電圧変換手段で構成してもよい。
【００２３】
上記のように、必要な電源容量をコンデンサブロックＡ、コンデンサブロックＢからなる２つの電源部に分け、負荷等の条件によって異なるが、例えばコンデンサブロックＡに全容量の１／４、コンデンサブロックＢに残り容量３／４を持たせる。そして、可能な限りコンデンサブロックＡを満充電レベルに保つことによって、負荷は常に内部抵抗の低い電源（コンデンサブロックＡ）から、比較的一定の電圧の供給を受けることが可能になり、しかも、製造の容易な、内部抵抗の大きな電源（コンデンサブロックＢ）を多用するので、全体の体積や重量を小さくすることができる。
【００２４】
図４は充電制御部の構成例を示す図であり、コンパレータ２１は、コンデンサブロックＡの端子電圧と基準電圧Ｖｒとを比較して基準電圧Ｖｒが大きいと充電回路１５をオンにする信号を出力するものであり、抵抗Ｒ１、Ｒ２でコンデンサブロックＡの端子電圧を分圧して検出し、抵抗Ｒ１３を介してコンパレータ２１に端子電圧の検出信号を入力している。後述するようにコンデンサブロックＡの各コンデンサに充電制限回路を設けて満充電を検出するようにしてもよい。また、抵抗ｒは、電流検出用の抵抗であり、充電回路１５でこの抵抗ｒによって充電電流を検出し充電電流を一定に制御する。すなわち、充電回路１５では、コンパレータ２１の出力信号によってオン／オフし、抵抗ｒによる電流の検出によって充電電流の制御を行う。コンデンサブロックＢは、内部抵抗の大きな電源であり、大電流で充電すると、損失が大きくなるので、充電電流を制限することによって、損失を少なくする。
【００２５】
次に、本発明で用いられる電気二重層コンデンサを説明する。
電気二重層コンデンサは、電極材料として比表面積が大きく且つ電気化学的に不活性の活性炭を用い、電解質と組み合わせて大きな電気二重層容量を利用するものであり、電極間に電圧をかけてゆくと、電解質の分解電圧に達するまでは、電気二重層ができて充電され、分解電圧を越えると電流が流れ始める。したがって、この電気二重層コンデンサの耐圧は、電解質の分解電圧で規制され、導電率の高い水溶液電解質の分解電圧は、約１．２３Ｖになる。電気二重層コンデンサには、数Ｖの耐圧で、数Ｆ（ファラド）の容量のものが市販されていて、内部抵抗は１００Ωから１０Ω程度まで様々のものがあるが、最近の試作品としては、２．５Ｖ、２４０Ｆ、０．１Ωのものが発表されている。
【００２６】
上記のように従来の電気二重層コンデンサでは、蓄電電源として使用しようとすると、耐圧が低く蓄電量が小さいのが難点である。しかも、鉛電池やニッケルカドミウム電池等の電気化学セルと比べると、電気二重層コンデンサでも、重量とエネルギーの関係で、後者が２０倍程度大きくなり、また、内部抵抗が大きいため、大電力には使用できない。そのため、電気二重層コンデンサが蓄電池と対抗できるようになるには、基本的に、エネルギー密度を上げ、内部抵抗を小さくすることである。
【００２７】
一般にコンデンサは、分解電圧以上の電圧を印加すると、容量減少、漏れ電流増加などの損傷をもたらす。そのため、分解電圧以下の電圧が耐圧として用いられている。この分解電圧は、水の場合で１．２３Ｖ、通常用いられている有機電解液の場合で１．５〜２．５Ｖ程度である。他方、化学材料の溶媒には、有機電解質の中で６Ｖ以上の分解電圧を有するものが多々存在している。しかし、現実に電気二重層コンデンサに使用すると、耐電圧は１．５〜２．５Ｖの定格になっている。これは、水を含む不純物のためであると考えられる。
【００２８】
他方、活性炭や活性炭繊維などの多孔質電極には、自然状態で各種の異物質が吸着しているので、これらをそのま電極として使用すると、電極を電解質に浸した際に各種の異物質が電解液中に溶出する。そのため、上記のようにして高純度の電解液を精製してもその純度が低下し分解電圧が低くなってしまう。そこで、例えば電極を予め真空容器中で高周波加熱しつつ排気し、そのまま冷却後電解液に真空含浸すると、異物質を除去することができ、電解液の純度の低下を防ぐことができる。
【００２９】
また、静電容量を大きく内部抵抗を低くするための電極の構造としては、例えば活性炭繊維をやや過度に賦活してやや大きなミクロボアを持った繊維を得る。そして、これらの繊維を整列させ、ほとんど密着して板状に並べ、その両端及び背面にアルミニウムなどの金属を蒸着又は熔射するか、導電性塗料などで接続して引き出し線を取り付ける。これにより電気抵抗が小さく、密度の高い電極を得ることができる。これらの電極に電解液を含浸させて間に絶縁性の多孔質セパレータを介して対立させ、正負の電極として用いる。
【００３０】
上記のようにして電解液の精製と共に活性炭電極の製造組立を行うことによって高い耐電圧の電気二重層コンデンサができ、内部抵抗も小さくすることができる。その結果、耐電圧を例えば２倍高くすると、その２乗の４倍に蓄電可能な電力量を増やすことができる。例えば先に述べた２．５Ｖ、２４０Ｆ、０．１Ωの電気二重層コンデンサの試作品は、体積が３５ｍｍφ×５０ｍｍであり、１Ｖまでに取り出せる電力が０．１７５ＷＨであるから、電気自動車の動力源に必要とされる２０ＫＷＨの電力を確保するには、約６ｍ3 の体積が必要になる。しかし、例えば耐電圧を２倍に上げるだけでも体積を１／４にすることができる。さらに実装効率（充填率）で２．５倍、充電制限回路と２つのコンデンサブロックを使う本発明で２倍程度の向上を図ると、静電容量の増大の可能性を含め、２０倍を越える電力量の増大が可能になる。本発明では、このような電気二重層コンデンサを使い分けるので、貯える電気エネルギーを大きくすると共に、内部抵抗を小さくし、電力損失を低減して電力の供給効率を高めることができる。
【００３１】
以上の説明では、コンデンサブロック毎に充電制御を行う構成について説明したが、電気二重層コンデンサは、その耐電圧が２．５〜５Ｖと低いので、電力用として供される用途では直列にして使用される。その際に、各コンデンサに負担される電圧が異なると、その中の最も小さなコンデンサから順に定格を越えて破損するか、それを避けるために定格より十分低い電圧範囲で使うような注意が必要となる。このような場合、充電制限回路が全てのコンデンサに設けられていれば、それらコンデンサを複数個直列に使用したとき、コンデンサが定格に達すると、そのコンデンサに接続された充電制限回路がバイパス回路をオンにし、どのコンデンサにも定格以上の電圧が加わることがなくなるから、定格一杯まで安心して使うことができる。電気二重層コンデンサを利用した本発明の蓄電電源装置は、上記のように各セルの電圧を監視し、均一化するため充電制限回路を各セルに挿入する。次に、その具体的な充電制限回路及び満充電検出回路の実施例を説明する。
【００３２】
図５は充電制限回路を挿入した満充電検出回路の１実施例を示す図、図６は図５に示す満充電検出回路のシミュレーションによる解析結果を示す図、図７は２段構成の充電制限回路の例を示す図、図８は２段構成の満充電検出回路の１実施例を示す図、図９は図８に示す満充電検出回路のシミュレーションによる解析結果を示す図である。
【００３３】
図５において、内部抵抗Ｒ１を有する電気二重層コンデンサＣ１には、並列に３端子シャントレギュレータＩＣＸ１、トランジスタＱ１、ショットキダイオードＤ１、抵抗Ｒ２〜Ｒ５からなる充電制限回路（以下、並列モニタともいう）、及びＣＴとＲＴからなる微分回路が接続され、充電電源Ｉ１から充電されると満充電に達した時、充電制限回路により電流がバイパスされ、微分回路により満充電が検出される。この満充電の検出は、充電電源Ｉ１に交流波形を重畳することによって行われる。
【００３４】
静電容量３００Ｆ、耐電圧５０Ｖ、電気容量１００Ｗｈの電力用電気二重層コンデンサを完全な放電状態から２Ａの充電電流で充電していく状態での端子電圧を示したのが図６のＶ（１）、充電制限回路の抵抗Ｒ５に流れる電流を示したのが図６のＩ（Ｒ５）、微分回路の抵抗ＲＴでの端子電圧を示したのが図６のＶ（９）であり、周波数１０ｍＨｚ、振幅０．５Ａの電流リップルを重畳したものである。この異常に低いリップル周波数は、解析結果の波形図上で見やすくするためであり、実際には、商用交流電源用整流回路からのリップル等を使用してもよい。図６によれば、充電時間７４００秒あたりで充電電圧は５０Ｖ近くに達し、充電制限回路がオンになると、抵抗Ｒ５に流れる電流Ｉ（５）及び抵抗ＲＴでの端子電圧Ｖ（９）はいずれも急激な変化を示している。したがって、これを検出することによって容易に満充電を知ることができる。
【００３５】
図７に示す構成は、電力用としての用途に供するため、電気二重層コンデンサＣ１とＣ１１を直列にして充電制限回路Ｒ２〜Ｒ５、Ｘ１、Ｑ１、Ｄ１１とＲ１２〜Ｒ１５、Ｘ１１、Ｑ１１、Ｄ１１を各コンデンサに設け、コンデンサが定格に達すると、そのコンデンサに接続された充電制限回路がバイパス回路をオンにし、どのコンデンサにも定格以上の電圧が加わることがなくなるようにしたものである。このようにすることにより、各セルの電圧を監視し、均一化することができ、定格一杯まで安心して使うことができる。しかも、図８に示すようにＣＴとＲＴからなる微分回路で直列に接続された全部の充電制限回路がオンになる状態を検出することによって、満充電を正確に捕らえることができる。
【００３６】
２つの電気二重層コンデンサＣ１とＣ１１を直列に接続した図８に示す構成において、これら２つの電気二重層コンデンサＣ１とＣ１１を共に２５Ｖ、６００Ｆとし、充電制限回路の設定値を故意にずらしてそれぞれ約２４Ｖと２３Ｖにしたシミュレーション解析結果の例を示したのが図９である。その結果によると、図９に示すように全体の充電電圧Ｖ（１）は、充電の末期に折れ曲がりを生じ、微分回路の抵抗ＲＴでの端子電圧Ｖ（９）、充電制限回路の抵抗Ｒ５に流れる電流Ｉ（５）を観測することによってまず１つが満充電に達し、その後もう１つも満充電に達することが明瞭に判る。
【００３７】
以上のことから、複数個の電気二重層コンデンサを直列にした蓄電電源装置の満充電を検出する方法には、次のようなものがある。まず、１つは、各コンデンサに取り付けた全ての充電制限回路から信号を取り出してそれらの論理和を取って全てが定格に達した状態を検出し、それをもって満充電とする。２つめは、各コンデンサに取り付けた全ての充電制限回路の動作点を予め試験検査や品質管理の手法を用いて一定の誤差例えば５％以内になるように構成しておき、コンデンサのうちから１個を選んでその充電制限回路の動作点をもって満充電とする。そして、３つめは、コンデンサの充電に用いられる定電流回路、あるいは疑似定電流回路に交流波形、或いはパルス波形を予め重畳させておき、その振幅を監視して満充電を検出する。この場合、振幅は、負荷として接続されている全てのコンデンサが満充電に達し、全ての充電制限回路がバイパス回路をオンにすると、急激に減少するので、この点を検出して満充電とする。
【００３８】
次に本発明の蓄電電源装置に適用される残量検出について説明する。電気二重層コンデンサを用いた本発明の蓄電電源装置において、通常１個の電気二重層コンデンサのみを使用して構成することはまれであり、図４で説明したように１個もしくは複数個の電気二重層コンデンサを直列、或いは直列にしたものをさらに並列にしたブロックで構成することになる。この場合、コンデンサブロックＡの容量をＣａ、その電圧をＶａ、コンデンサブロックＢの容量と電圧をそれぞれＣｂ、Ｖｂとすると、残量Ｗは、
Ｗ＝０．５・Ｃａ・Ｖａ・Ｖａ＋０．５・Ｃｂ・Ｖｂ・Ｖｂ  ……（１）
で求められる。したがって、コンデンサブロックＡ及びＢの電圧Ｖａ、Ｖｂを計測し、その値を上記演算を行う回路に導入すれば、精度の高い残量を求めることができる。
【００３９】
図１０は本発明の蓄電電源装置に適用される残量検出回路の１実施例を示す図、図１１は充放電特性のシミュレーションによる解析結果を示す図である。図１０（Ａ）は乗算器Ｘ１でＶの二乗を計算し、演算増幅器Ｕ２で定数倍することによって残量を知らせる信号を生成するものであり、複数の電気二重層コンデンサやコンデンサブロックの残量を検出する場合には、それぞれに乗算器Ｘ１と抵抗Ｒ２とを設けてノード３に接続すれば演算増幅器Ｕ２の出力から合計の残量信号を取り出すことができる。また、図１０（Ｂ）は電気二重層コンデンサＣ２とその内部抵抗Ｒ４に対し、抵抗Ｒ５と発光ダイオードＤ１とツエナーダイオードＤ２を直列接続して光度によっておよその残量を表示するように構成したものである。これは、抵抗Ｒ５を勾配つまり発光ダイオードＤ１の明るさを調節する電流制限抵抗としたものであるが、勿論、発光ダイオードＤ１の代わりに指示計を用いてもよいし、ツエナーダイオードは、定電圧回路を構成するものであれば、その他の定電圧素子や定電圧源を代用してもよい。
【００４０】
静電容量３００Ｆ、耐電圧５０Ｖ、電気容量約１００Ｗｈの電気二重層コンデンサにおいて、図１１のＡは完全な放電状態から２Ａの充電電流で充電していく状態での端子電圧を示し、同図のＢは上記の式から計算した残量を示し、０．５×３００×４９×４９、約３６０ｋＪ、つまり１００Ｗｈが残量計の指示値となる。また、図１１のＣはＢに直線を重ねたものであり、約１８Ｖのツェナーダイオードを端子電圧Ｖ（１）に直列にすればこの特性が得られ、満充電時から下に３／４程度の範囲でかなりよい精度で残量が得られることがわかる。
【００４１】
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記の実施例では、回路のオン／オフ手段を単にスイッチで示したが、サイリスタやトランジスタ等の半導体スイッチング素子、その他のスイッチング手段を用いてもよい。また、電気自動車の電源としてだけでなく、電気溶接器その他の電気動力装置の電源、懐中電灯、ノートブックパソコン等のような携帯用電気機器の電源として用いてもよいことはいうまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、コンデンサの充電を端子電圧で制御して満充電レベルに充電するので、電気エネルギーを有効に貯えることができ、蓄電電源装置としての供給効率を高めることができる。また、コンデンサに定格に対して過大となる電圧が加わるのを防ぐことができるので、蓄電電源として使う場合にも、コンデンサの容量減少や漏れ電流増加などの損傷を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の蓄電電源装置の１実施例を示す図である。
【図２】  本発明の蓄電電源装置の他の実施例を示す図である。
【図３】  本発明の蓄電電源装置のさらに他の実施例を示す図である。
【図４】  充電制御部の構成例を示す図である。
【図５】  充電制限回路を挿入した満充電検出回路の１実施例を示す図である。
【図６】  図５に示す満充電検出回路のシミュレーションによる解析結果を示す図である。
【図７】  ２段構成の充電制限回路の例を示す図である。
【図８】  ２段構成の満充電検出回路の１実施例を示す図である。
【図９】  図８に示す満充電検出回路のシミュレーションによる解析結果を示す図である。
【図１０】  本発明の蓄電電源装置に適用される残量検出回路の１実施例を示す図である。
【図１１】  充放電特性のシミュレーションによる解析結果を示す図である。
【符号の説明】
１…充電用電源、２…充電回路、３…電圧検出回路、４…負荷、Ｃ…大容量コンデンサ、Ｖｒ、Ｖｒ′…基準電圧、Ｓ１、Ｓ２…スイッチ
【図１】
0003764175.tif 000002
【図２】
0003764175.tif 000003
【図３】
0003764175.tif 000004
【図４】
0003764175.tif 000005
【図５】
0003764175.tif 000006
【図６】
0003764175.tif 000007
【図７】
0003764175.tif 000008
【図８】
0003764175.tif 000009
【図９】
0003764175.tif 000010
【図１０】
0003764175.tif 000011
【図１１】
0003764175.tif 000012