JP2003533961A - 電 源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 パルス負荷（２）のための電源（１）は、スーパーキャパシタ（４）の形の第２のエネルギ蓄積装置と並列である電池（３）の形の第１のエネルギ蓄積装置を含む。電池（３）およびスーパーキャパシタ（４）はそれぞれ、内部抵抗（８）と直列の理想電池（７）として、等価直列抵抗（ＥＳＲ）（１０）と直列の理想キャパシタ（９）として、モデル化される。抵抗（８）に対して低いＥＳＲを有するスーパーキャパシタ（４）を用いることにより、電源（１）は、負荷（２）への供給の連続性を容易にする。つまり、ピーク需要の間、負荷電流のより多くの部分が、より低いＥＳＲのためにスーパーキャパシタ（４）によって供給される。さらに、より低い負荷電流需要の時間のあいだには、電池はスーパーキャパシタを充電する。これによって、電池が提供しなければならなかったピーク電流が減じられ、電池寿命が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】

この発明は電源に関する。

【０００２】 この発明は、主に携帯電話で用いられるために開発され、その応用に関して以
下で説明される。しかし、この発明は、この特定の用途分野に限定されているわ
けではなく、他の電子装置、特に、ノート型コンピュータ、パームトップコンピ
ュータ、電子手帳、双方向ページャ、遠隔電力供給式の電子装置等の持ち運び可
能な装置にも好適であることが理解される。

【０００３】

【発明の背景】

パルス負荷は、電池で動く多くの持ち運び可能な装置内で起こり、ピーク電流
は静止電流の何倍にもなり得る。電池がほぼ切れているか、または古い場合、そ
の実効内部抵抗は増大する傾向にあり、装置の停止なしにピーク電流需要を供給
できる可能性がより低くなる。重負荷パルスは一般に、それらが起こるときに大
きな電圧降下を生じさせ、これは電池にとって害となり得る。特に、リチウムイ
オン電池がこのような害の影響を受けやすい。

【０００４】 結果として、負荷は、常に必要とされる最小しきい値供給電圧を有するため、
パルス負荷によって必ず電池の実行時間が減じられる。負荷パルスおよびその電
圧が最小しきい値よりも下に降下すると、電圧調整回路は、主要な回路を動作さ
せるために必要な電圧を供給できないため、電子装置はシャットダウンされなけ
ればならない。しかし、このとき、電池内には有用なエネルギが残っている場合
もある。

【０００５】 さらに、いくつかの持ち運び可能な装置は、電池から引き出される電流が予め
定められたしきい値を超える場合に装置をシャットダウンする保護回路を含む。
この回路は電池保護のために設計されているが、これによって、ピーク電流がし
きい値を超えてはいるものの、短期間の間しかそうでなかった場合にも、結果と
して装置のシャットダウンが生じることになる。これにより、装置の再始動、時
には再構成が必要とされる。携帯電話およびパーソナル計算アプリケーションで
は、これは、ユーザにフラストレーションをもたらす種となる。

【０００６】 この明細書全体にわたる従来の技術のいずれの考察も、このような従来の技術
が公知であるか、またはこの分野での共通の一般的な知識の一部であるというこ
とを認めているものとして考えられるべきではない。

【０００７】

【発明の開示】

この発明の目的は、少なくとも好ましい実施例では、先行技術の不利な点のう
ちの少なくとも１つを克服または実質的に改善することであるか、または少なく
とも有用な代替例を提供することである。

【０００８】 この発明の第１の局面によると、エネルギ蓄積装置が提供されており、このエ
ネルギ蓄積装置は、 予め定められた内部抵抗Ｒと、電池への電気的接続を可能にするための２つの
端子とを有する電池と、 端子と並列に接続され、さらには予め定められた等価直列抵抗ＥＳＲを有する
スーパーキャパシタとを含み、ＥＳＲ＜０．５．Ｒである。

【０００９】 好ましくは、ＥＳＲ＜０．３５．Ｒである。より好ましくは、ＥＳＲ＜０．２
５．Ｒである。ＥＳＲがＲに比例して減少すると、スーパーキャパシタが提供す
るパルス負荷電流は増加する。したがって、スーパーキャパシタが提供するキャ
パシタンスは、パルス化された負荷プロファイルが電池電流を制限するのに十分
であることがまた好まれる。より好ましくは、放電中のスーパーキャパシタ電流
は、実質的に一定である。

【００１０】 この発明の第２の局面に従うと、上で説明されたエネルギ蓄積装置を含む持ち
運び可能な電子装置のための電源が提供される。

【００１１】 この発明の第３の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネルギ
蓄積装置は、 電池電流を提供し、さらには負荷への電気的接続のための２つの端子を有する
電池と、 端子と並列に接続され、さらには、使用時には、電池電流を予め定められたし
きい値に制限する予め定められたキャパシタンスを有するスーパーキャパシタと
を含む。

【００１２】 この発明の第４の局面に従うと、電源が提供され、この電源は、 電池電流を提供し、さらにはパルス電流を必要とする負荷への電気的接続のた
めの２つの端子を有する電池と、 電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値との比を約１．５よりも下で維持する
ための端子と並列に接続されたスーパーキャパシタとを含む。

【００１３】 好ましくは、スーパーキャパシタは、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値
との比を約１．３よりも下で維持する。より好ましくは、スーパーキャパシタは
、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値との比を１．１よりも下で維持する。

【００１４】 この発明の第５の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネルギ
蓄積装置は、 電池電流を提供し、さらにはパルス電流を必要とする負荷への電気的接続のた
めの２つの端子を有する電池と、 電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値との比を約１．５よりも下で維持する
ための端子と並列に接続されたスーパーキャパシタとを含む。

【００１５】 好ましくは、スーパーキャパシタは、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値
との比を約１．３よりも下で維持する。より好ましくは、スーパーキャパシタは
、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値との比を１．１よりも下で維持する。

【００１６】 この発明の第６の局面に従うと、電源が提供され、この電源は、 パルス電流を必要とする負荷との電気的接続のための２つの端子を有する電池
と、 電池が提供する瞬時電力の範囲と電池が提供する電力の平均値との比を予め定
められたしきい値よりも下に維持するための端子と並列に接続されたスーパーキ
ャパシタとを含む。

【００１７】 好ましくは、予め定められたしきい値は１．５である。より好ましくは、予め
定められたしきい値は１である。さらにより好ましくは、予め定められたしきい
値は０．３である。

【００１８】 この発明の第７の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネルギ
蓄積装置は、 パルス電流を必要とする負荷との電気的接続のための２つの端子を有する電池
と、 電池が提供する瞬時電力の範囲と電池が提供する電力の平均値との比を予め定
められたしきい値よりも下に維持するための端子と並列に接続されたスーパーキ
ャパシタとを含む。

【００１９】 好ましくは、予め定められたしきい値は１．５である。より好ましくは、予め
定められたしきい値は１である。さらにより好ましくは、予め定められたしきい
値は０．３である。

【００２０】 この発明の好ましい実施例は、添付の図を参照することによって例としてのみ
説明される。

【００２１】

【好ましい実施例の説明】 以下の用語は、この明細書中で以下の様態で用いられる。

【００２２】 １．「ラップトップコンピュータ」および「ノート型コンピュータ」は、置き
換え可能なように用いられ、持ち運び可能な計算装置、特に、ボード上の充電可
能なエネルギ蓄積装置と、 内部抵抗８と直列な理想電池７と、 等価直列抵抗（ＥＳＲ）１０と直列な理想キャパシタ９とを有する装置を含む
ことが意図される。

【００２３】 抵抗８に対して低いＥＳＲを有するスーパーキャパシタ４を用いることにより
、電源１は、負荷２への供給の連続性を促進する。つまり、ピーク需要の間、よ
り低いＥＳＲのために、より多くの負荷電流がスーパーキャパシタ４によって供
給される。さらに、より低い負荷電流需要の間は、電池によってスーパーキャパ
シタが充電される。これにより、電池が提供しなければならなかったピーク電流
が減じられ、電池の寿命が向上する。

【００２４】 つまり、スーパーキャパシタと電池との、この並列のハイブリッド組合せによ
って、負荷の下での電圧のエクスカーションを減じることができ、大部分の電池
エネルギが消費されるまで、負荷は確実に動作できる。これにより、電池が電圧
降下を損傷するおそれが少なくなり、これは、リチウムイオン電池にとって特に
有利である。

【００２５】 従来のキャパシタは通例、このような負荷を数ミリ秒よりも長くサポートでき
ない。しかし、この実施例で用いられるスーパーキャパシタは高いキャパシタン
スを有し、所与の負荷電流に対して、電池から引き出されるピーク電流は制限さ
れる。

【００２６】 この発明によって認識されるようなハイブリッド電池−スーパーキャパシタ電
源を用いることにより、電池のみを用いることによって達成され得るよりもずっ
と優れた性能が可能となる。これは、ある程度は、スーパーキャパシタが提供す
るずっと低い実効内部抵抗のためであるが、提供される大きなキャパシタンスの
ためでもある。

【００２７】 スーパーキャパシタの特性は、電池および負荷の特性によって一部、促進され
る。しかし、数ｍＦから何百ファラドもの非常に高いキャパシタンスと、１ｍΩ
からの低い等価直列抵抗（ＥＳＲ）と、わずか数μＡの低い漏れ電流とを提供す
るカーボン二重層スーパーキャパシタが用いられることが好ましい。このような
スーパーキャパシタによって、エネルギ蓄積の主な源として電池に依存する持ち
運び可能な装置のための、改良された電源が設計および実現され得る。

【００２８】 好ましい実施例で用いられるスーパーキャパシタの形状、サイズ、およびパッ
ケージングは、利用できるスペースに適するようにさまざまである。１つの特に
好ましい形は、薄いプリズム形である。このようなスーパーキャパシタの例は、
ＰＣＴ特許出願番号ＰＣＴ／ＡＵ９９／０１０８１で提供されており、その開示
は、ここで引用により援用される。

【００２９】 ハイブリッド電池−スーパーキャパシタによって、端子電圧が許容できるレベ
ルより下に降下することなしに、送信または他の大きな負荷の最中での延長され
た電流需要伝達が可能となる。

【００３０】 好ましい実施例は、いくつかの利点を提供する。これらは、 ・長くなった実行時間を提供する、負荷の下での減じられた電圧降下と、 ・リチウムイオン電池内での低電圧による電池損傷のおそれの低下と、 ・電池のみと比べて、減じられた等価内部抵抗と、 ・設計に関する柔軟性とを含み、これは、通常よりも小さな電池がより高い内
部抵抗とともに、コストが削減された状態で利用され得るためである。

【００３１】 リチウムイオン電池は、広く用いられており、上述のように、高い電流パルス
によって損傷しやすい。これらの高電流パルスは、大きな電圧降下を引き起こし
、これは、供給されている回路の早期シャットダウンにつながる。これらの効果
は両方とも、電池の寿命と電池の実行時間とを減じるため、望ましくない。しか
し、この発明の好ましい実施例は、スーパーキャパシタを用いて、電源組合せの
実効抵抗電圧降下を減じ、さらには容量電圧降下を減じる。したがって、持ち運
び可能な、電池で動く装置の実行時間は向上し、早期シャットダウンを防ぐこと
ができる。

【００３２】 例として、電池スーパーキャパシタ組合せの放電が図３で示される。電池は、
ノキア（Nokia）の携帯電話で用いられるような、かつ近似内部抵抗１００ｍΩ
を有するＬｉイオン電池であった。放電は、並列のスーパーキャパシタ「あり」
および「なし」の交互で２秒間の持続時間にわたる１Ａパルス放電中に行なわれ
、２０秒のオフがこれに続いた。電池は、それが残った電荷をほとんど有さない
状態まで、つまり、電位差が約２．６ボルトになるまで、放電された。次に、実
験の準備がされている間、電池は放置され、実質的により高い電圧にまで回復し
た。電池と並列なスーパーキャパシタの存在によって、抵抗電圧降下の現実的な
減少が提供されることが明らかである。

【００３３】 図４は、電圧降下の特性をより詳細に示す。 図３および図４の結果を提供するために用いられるスーパーキャパシタは、約
４０ファラドのキャパシタンスおよび約５ｍΩのＥＳＲを有した。

【００３４】 この発明の好ましい実施例は、時間とともに大きく変化する電流を引き出す電
池で動く装置で用いられるためのものである。多くの装置、特に携帯電話では、
電話の通常の動作中に、短い時間スケールで変化が起こる。

【００３５】 電源導体および電池内での損失は、これらの構成要素を流れる電流の２乗に比
例することが理解される。したがって、損失は高電流パルス中にかなり増大する
が、これは、たとえこれらのパルスの持続時間が短くてもかなり増大する。しか
し、好ましい実施例は、スーパーキャパシタの導入により、負荷から見た電源の
実効抵抗を減じることによって、これらの損失を減じる。つまり、この実施例で
用いられるようなスーパーキャパシタは、以下の特性を有する。すなわち、 １．電池の内部抵抗に対して低い等価直列抵抗（ＥＳＲ）、 ２．高キャパシタンス、および ３．高電流を伝える能力という特性を有する。

【００３６】 「低いＥＳＲ」とは、電池の内部抵抗よりもずっと低い値を意味する。ある実
施例では、ＥＳＲが、電池の内部抵抗のそれの半分であるときに利点が得られる
ことが認められた。しかし、さらに好ましい実施例では、ＥＳＲは好ましくは電
池の内部抵抗の約４分の１である。他の実施例では、ＥＳＲは電池の内部抵抗の
１０分の１よりも少ない。

【００３７】 キャパシタンスは、関連のピーク負荷電流に対して「高い」とみなされる。「
高い」とみなされるキャパシタンスの単独の値というものは存在しないが、それ
は典型的には、放電されることなしに、最大で数秒間ピーク負荷電流を供給でき
るのに十分なキャパシタンスであろう。しかし、これは負荷特性にも依存する。
負荷がこのような電流供給を必要としないならば、スーパーキャパシタは、それ
を提供するように構成されなくてもよい。

【００３８】 「高電流」スーパーキャパシタは、いかなる損傷も被ることなしに、少なくと
も電池のそれと同じぐらいの大きさの負荷、通常は何百ミリアンペア（ｍＡ）か
ら数アンペア、または何十アンペアもの負荷を供給できるものとして、ここでは
みなされる。

【００３９】 上述のように、抵抗損失は、電流の２乗とともに増加する。このように仮定す
ると、所与の平均値の電流は、電流ピークの間の増大した損失のために、電流内
のばらつきの大きさが大きいほど、より高い損失を作り出す。この発明は、電流
内のばらつきを平滑にしてその電流によって生じた損失を減じることのできるス
ーパーキャパシタを用いてこの原理を適用する。つまり、電池の内部抵抗が、電
流が電池から引き出されるときの損失の源であると考えられ、その電流内のばら
つきは、スーパーキャパシタによって減じられる。電流のばらつきは主に、スー
パーキャパシタによって生成されるが、それはずっと低い抵抗を有するため、発
生する損失もそれ相応により小さい。これを言換えると、スーパーキャパシタは
、スーパーキャパシタが負荷電流内の急峻な変化の大部分を伝えるように、電池
から見た電流波形をフィルタリングする。持ち運び可能な装置の動作中、電池は
、スーパーキャパシタがない場合よりも平均負荷電流にずっと近い値およびばら
つきが大きく減じられた波形を有する電流を伝える。したがって、電池によって
伝えられるピーク電流は大幅に減じられ、電源（導体およびスーパーキャパシタ
）内の損失が減じられ、電池に有害であり得る高電流パルスから電池が保護され
る。

【００４０】 この発明の利点および電流リプルをフィルタリングするようなスーパーキャパ
シタの用途を最適化するために、好ましい実施例は、持ち運び可能な装置からの
調整器回路、超伝導体、および電池の間で低い抵抗接続および導体を用いる。基
準として、接続抵抗は、トータルでスーパーキャパシタのＥＳＲのうちのごくわ
ずかであるべきである。スーパーキャパシタと負荷との間の導体は、経済的に達
成できるような低い抵抗を有するべきである。当業者には理解されるように、こ
れらのパラメータは、性能とコストとの間での必然的な妥協に対応するように変
化させられる。

【００４１】 −２０℃等の低温で動作しているとき、ある特定の一般的なリチウムイオン化
学物質を用いる電池等の多くの種類の電池は、それらの電圧が大幅に降下するこ
となしに、それらの負荷によって必要とされる電流ピークを供給することはでき
ない。これによって、電池が実際に消耗される前に、持ち運び可能な装置がオフ
になる。より極端な場合には、完全に充電された電池でさえもこれらの大きな電
圧降下の影響を受けることが確認された。しかし、この発明の好ましい実施例を
用いることにより、電池と並列に接続されるスーパーキャパシタを含む電源が提
供される。上述のスーパーキャパシタの低域フィルタ効果によって結果として、
電池が、減じられたピーク電流にさらされることになる。このようにして、電池
は、比較的一定であり、かつ負荷によって引き出される平均電流とほぼ等しい電
流を提供し、電池が完全に消耗されるまで、または低温でより低い平均電流を供
給できなくなるまで、電池は、持ち運び可能な装置を動作させ続けることができ
る。

【００４２】 多くの電池は、電池の充電を制御し、および／または、高電流から電池を保護
する電子保護および制御回路を含む。この回路は負荷の電子部品内に含まれてい
る場合もあり、別の場合には、それは電池のハウジング内に含まれているか、ま
たは電池のハウジングに装着されている。保護および制御回路は一般に、電池を
負荷から切断するために、または電池から引き出されるピーク電流を制限するた
めに、および／または、電池の供給電圧が予め定められた値よりも下に降下した
ときに電池を負荷から切断するために、設計されている。これを想定して、この
発明のいくつかの好ましい実施例は、スーパーキャパシタと並列な上述の種類の
電池を有する電源を含む。この組合せによって、予期しない大きな過渡電流が引
き出されたときに電池がシャットダウンするというリスクが減じられる。

【００４３】 上述のフィルタリング効果によって、装置の実行時間の延長も達成され得る。
つまり、電池は、システムがシャットダウンされなければならない前に、これ以
外の様態で可能であるよりもより低い電圧に達することができる。

【００４４】 いくつかの実施例では、電池と並列な低いＥＳＲのスーパーキャパシタの追加
によって、入力減結合コンデンサのための要件が未然に除去される。これによっ
て、供給のこの部分のコストが減じられる。

【００４５】 スーパーキャパシタの低インピーダンスによってまた、通常よりもより高いイ
ンピーダンスおよびより大きな容量を備えた電池が使用できる。これによって、
システムを実行するために利用できるエネルギが増加し、結果として、再び実行
時間が延長される。

【００４６】 好ましい実施例に従った電源の動作中、図１で示されるように、スーパーキャ
パシタは事実上、電池と並列に直接接続される。いくつかの実施例では、供給回
路内には１つ以上のスイッチが存在して電子装置がオンおよびオフで切り換えら
れ得る。これらのスイッチは好ましくは、スーパーキャパシタのＥＳＲに対して
低いオン抵抗を有することが理解される。好ましくはまた、スーパーキャパシタ
と電子装置との間にはスイッチは存在しない。なぜならば、これによって、スー
パーキャパシタから得られる利点が少なくなる場合もあるためである。

【００４７】 他の実施例では、電源は追加的な回路を含み、これは、異なる電圧を提供して
いる電池へのスーパーキャパシタの接続後、そのスーパーキャパシタを漸進的に
充電／放電する。つまり、その回路は、スーパーキャパシタおよび電池に流れる
充電／放電電流を制限するためのものである。

【００４８】 最大の損失が起こる導体は、最も高いピーク電流が流れ、他のすべての事柄は
同じ導体である。これらは、負荷とスーパーキャパシタとの間の導体である。し
たがって、これらの損失を最小にするためには、スーパーキャパシタを負荷にで
きるだけ近く置くことが有利である。電池とスーパーキャパシタとの間の導体は
、負荷電流よりもより安定した電流を伝え、したがって、これらの導体内での損
失は減じられる。一般的な電池で動く装置では、ピーク負荷電流は通常、少なく
とも短期間は、高い。これは特に、デジタル回路を用いるようなパルス負荷装置
に当てはまる。この発明に従った、電池と並列である好適な高電力スーパーキャ
パシタを用いることによって、電力システムおよび電池内での損失が減じられ、
有害であり得る電流パルスから電池が保護される。これは、高価な電子回路を用
いることなしに、さらには同時に追加的なエネルギ蓄積容量を装置に設けること
なしに、達成される。

【００４９】 低温では、この発明に従ったスーパーキャパシタによって、電池がそれ自体で
ピーク電流を供給できないときにも、持ち運び可能な電子装置が通常に機能する
ことが可能となる。つまり、スーパーキャパシタを用いることによって、装置の
供給端子で経験される電圧降下が減じられ、したがって、装置のシャットダウン
からの短い過渡ピーク負荷電流の効果が減じられる。

【００５０】 スーパーキャパシタは電池電圧を平滑にするため、好ましい実施例に従った電
源はまた、低電池状態の検出精度を向上させる。これによって、早期シャットダ
ウンが防がれ、電池の実行時間が延長される。

【００５１】 この発明のいくつかの実施例では、スーパーキャパシタは、シャットダウンす
る必要なしに、またはデータをディスクにセーブする必要なしに、電池の交換中
にノート型コンピュータのエネルギ要件をサポートする、ノート型コンピュータ
用の電源の一部である。この機能性は、エナジィ・ストーリッジ・システムズ（
Energy Storage Systems）Pty Ltd の名前で、ＰＣＴ／ＡＵ／０１...の番号が
付けられた、２００１年５月１５日にオーストラリア特許庁に提出された同時係
属のＰＣＴ出願でより深く考察されている。同時係属の出願の開示は、ここで引
用により援用される。

【００５２】 ノート型コンピュータの電源回路は、スーパーキャパシタに対応するために、
ＤＣ−ＤＣコンバータに対するいくつかの小さな変更を受けた。結果として、コ
ンバータの効率において５％の即座の増加が得られ、これは、８３分の全実行時
間のうち、１充電当り３分を超える実行時間の延長になった。測定は、スーパー
キャパシタと並列な７．２Ａｈ容量を備えたリチウムイオン電池を用いたインテ
ル（Ｒ）ウィドベイ（Widbey）プラットホーム上で行なわれた。ウィドベイプラ
ットホームは、直列の２つのリチウムイオン単電池と等しい供給電圧上で動作す
ることが理解される。これは一般に、大部分のノート型よりも低く、簡素化され
た電池保護および平衡回路でコストの節約を提供する。コストは、スーパーキャ
パシタの低インピーダンスの結果として、ＤＣ−ＤＣコンバータ内でも減じられ
る。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ内での減結合コンデンサの必要性が、なくな
るわけではないが、少なくなる。たとえば、いくつかのパワーボードは、６つも
の減結合コンデンサを用いる。

【００５３】 電池設計は、ノート型および他の持ち運び可能な装置の需要を供給するために
、主に出力密度を高める方向で進歩した。額面では、これは、電池による装置で
利用可能な実行時間に貢献しない。なぜならば、所与の体積に対して蓄積される
エネルギに関しては妥協があるためである。しかし、電池によって供給される通
常の負荷のパルスの性質のために、負荷の動作に貢献するようなこの電池の有効
性は、その内部抵抗に強く依存する。つまり、たとえ短期間でも高電力を供給す
るような電池の能力は、限られている。これは、たとえばノート型ＰＣ内のＤＣ
−ＤＣコンバータの効率および動作に影響を及ぼす。リチウムイオン電池パック
内で用いられる保護回路は、さらにそれらの実効内部抵抗を増大させる。しかし
、この発明の好ましい実施例は、電池と並列な、非常に低いＥＳＲを有する高電
力スーパーキャパシタを用いる。これによって、高エネルギ密度および低電源イ
ンピーダンスの組合された属性を利用することのできるハイブリッド供給が提供
される。

【００５４】 ノート型コンピュータ内で用いられるようなＤＣ−ＤＣコンバータの設計は、
エネルギ源および負荷の性質によって影響を及ぼされる。ＤＣ−ＤＣコンバータ
の出力負荷は、いくつかの事例では、平均電力消費を減じるためのクロックゲー
ト技術で制御されるマイクロプロセッサである。クロックゲートアーキテクチャ
によって、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力で大きな過渡電流が生成され、結果とし
て、コンバータの電力入力レール内で大きなリプル電流が生成される。ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータは局所的な減結合を有して過渡パルスをフィルタリングして排除す
るが、従来のキャパシタの限界、コストおよびＰＣＢスペース、不十分な、また
は不適切な局所的な減結合によって、多くの場合、大部分の過渡電流が電池およ
びその保護回路に達し得る。結果として、電池−保護回路は、システムを早期に
シャットダウンし、動作可能な電池の寿命の損失がもたらされる。

【００５５】 この実施例では、電池と並列に低インピーダンススーパーキャパシタを置くこ
とを含むこの発明を用いることによって、過渡電流は、電池およびその保護回路
に達する前に「フィルタリング」される。電池端子および保護回路での電圧は、
比較的一定なままであり、保護回路が早期の低電池警告を発することが妨げられ
る。これによって、電源が電池の利用可能な容量を最大にすることが可能となる
。この実施例では、全体的な改善は５％であると認識されたが、これによって結
果として、８３分の通常の実行時間で３分を超える電池実行時間の延長が得られ
る。しかし、より大きな容量のスーパーキャパシタを用いた別の実施例では、平
均の増加は、約１０％の追加的な実行時間であった。

【００５６】 ここでの教示から当業者によって理解されるように、スーパーキャパシタが提
供する実行時間の実際の向上は、電池、スーパーキャパシタ、および負荷の特性
を含むいくつかの要因に依存する。

【００５７】 電池と並列なスーパーキャパシタを含むことによって、特にＬｉイオンタイプ
の電池のための、修正された充電アルゴリズムが可能となる。つまり、電池は、
スーパーキャパシタの不在下で安全に達成され得たよりも、より速く全容量にま
で充電され得る。

【００５８】 上述のテストも、インテル（Ｒ）ウィドベイプラットホームを用いて行なわれ
た。プラットホームは、２組の４つのリチウムイオン単電池であって、各組内の
単電池は並列である、２組の４つのリチウムイオン単電池の供給電圧上で動作す
る。他のノート型コンピュータでは、直列接続されたリチウムイオン単電池の３
組または４組の並列な対が、より典型的に用いられる。この発明は、これらの電
池構成および他とともに用いられるのに好適である。

【００５９】 典型的なノートブック電池は、以下から構成される１００ｍΩを超える内部抵
抗を有する。すなわち、これらは、 １．典型的には直列の３つ以上の並列な対を備えた、単一の１８００ｍＡｈ単
電池に対して約５０ｍΩの単電池の内部抵抗と、 ２．１０ｍΩ電流センス抵抗器と、 ３．出力スイッチとして用いられる２０ｍΩオン抵抗ＦＥＴとである。

【００６０】 上述の測定で用いられるような電圧が減じられた電池の内部抵抗は、約６３ｍ
Ωである。これは、２組の並列な３つの単電池の直列組合せ、および上述のセン
ス抵抗器、ならびにＦＥＴから構成される。使用時には、電池は、保護回路とと
もに約８０ｍΩの全内部抵抗を提供する直列な２つの並列な対から構成される。

【００６１】 キャップ-ＸＸ（Cap-XX） Pty Ltdによって製造され、かつＭｋ ２ Ｓ／Ｃ
として示されるようなスーパーキャパシタを電池と並列に接続することによって
、電源インピーダンスがさらに減じられる。この実施例では、スーパーキャパシ
タの公称抵抗は５ｍΩよりも少なく、したがって、電池およびスーパーキャパシ
タの並列の組合せはさらにより低い。スーパーキャパシタのＥＳＲは電池の内部
抵抗の約６％のみであるため、すべての電流サージの責任(brunt)を負うのはス
ーパーキャパシタである。結果として、ＣＰＵ過渡状態の最中等に、負荷電流が
突然増大するたびに、スーパーキャパシタは、最初の電流サージの大部分を提供
することができる。これによって、電池電圧が平滑化され、電池のリプル電流が
減じられ、結果として低電池状態の検出の精度が上がる。

【００６２】 スーパーキャパシタのサージ電流能力はまた、電池内のものも含んだ、スーパ
ーキャパシタ自体と電池との間のすべての抵抗内のＩ²Ｒ損失を減じる。なぜな
らば、回路のその部分内の電流ピークが減じられるためである。

【００６３】 図６および図７は、それぞれこの発明に従ったスーパーキャパシタが存在しな
い場合と、存在する場合でのインテル（Ｒ）ウィドベイノートブックプラットホ
ームの電力システム内の電圧および電流波形の比較サンプルである。図６では、 １．上部のトレースは電池電圧である。

【００６４】 ２．方形波が負荷電流であり、２Ａ／ｄｉｖで示される。 ３．方形波上で重畳される波形は電池過渡電流であり、５００ｍＡ／ｄｉｖで
示される。

【００６５】 ４．底部のトレースは、電池から引き出される瞬時電力に比例した信号であっ
て、これは電池電圧と電流との積である。

【００６６】 図７では、 １．上部のトレースは電池電圧である。スーパーキャパシタを含むことによっ
て、図６で見られた大きなリプルが除去され、ＤＣ−ＤＣコンバータからの高周
波ノイズがわずかにしか残っていないことが注目される。

【００６７】 ２．方形波は、２Ａ／ｄｉｖで示される負荷電流である。 ３．方形波上で重畳される波形は、電池過渡電流であり、５００ｍＡ／ｄｉｖ
で示される。スーパーキャパシタの存在によって、図６内の対応するトレースで
見られた電池電流内の主なばらつきが除去され、ほぼ直線のラインが残されたこ
とが注目される。

【００６８】 ４．底部のトレースは、電池から引き出される瞬時電力に比例する信号であり
、電池電圧と電流との積である。スーパーキャパシタによって、図６で見られた
大きな電力のばらつきが除去された。

【００６９】 図８は、並列のスーパーキャパシタが存在する場合と、存在しない場合での、
電池から引き出される瞬時電力のグラフ比較である。垂直な線は、電池から引き
出される瞬時電力の範囲を示し、各々の上にある水平のマーカーは、テスト中に
引き出される平均電力を示す。

【００７０】 最も長い３本の垂直な線は、３つの別個のテストで電池のみから引き出される
電力である。電池と並列なスーパーキャパシタが存在しない場合での電力消費は
、８００ｍＷと９５００ｍＷとの間で変化する。最も短い３本の垂直の線は、ス
ーパーキャパシタが電池と並列であったときの電池それ自体からの電力消費の範
囲である。３つの異なるスーパーキャパシタが用いられ、スーパーキャパシタの
ＥＳＲの範囲にかかわらず、結果は非常に類似していた。これは、電池の内部抵
抗に対する、すべてのスーパーキャパシタの低いＥＳＲのためである。左から右
に向かって、名称Ｍｋ２ Ｓ／Ｃ♯１、Ｍｋ１ Ｓ／Ｃ♯１、およびＭｋ２ Ｓ
／Ｃ♯２によって識別されるスーパーキャパシタは、近似キャパシタンスおよび
ＥＳＲ、４０ファラドおよび４ｍΩ、５０ファラドおよび７．８ｍΩ、５０ファ
ラドおよび７．６ｍΩによって特徴付けられた。用いられている電池の近似８０
ｍΩ内部抵抗に基づくと、これによって結果として、ＥＳＲと内部抵抗とのそれ
ぞれの比が５．０％、９．８％、および９．５％となる。

【００７１】 他の実施例では、より低いコストのために、より高いＥＳＲのスーパーキャパ
シタが用いられる。それにもかかわらず、かなりの利得が得られる。

【００７２】 この発明の好ましい実施例で用いられるスーパーキャパシタは、応用に応じて
製造される。いくつかの実施例では、スーパーキャパシタは薄く、軽く、可変形
状因子を備えている。しかし、別の実施例では、スーパーキャパシタは剛性のハ
ウジング内に含まれる。単一のスーパーキャパシタ単電池は定格で、連続的な使
用では２．３ボルト、最大で２．５ボルトとなっているが、より高い電圧での短
い過渡電流も許容できる。より高い電圧で動作する実施例では、スーパーキャパ
シタは、スーパーキャパシタ単電池の直列組合せから構成される。

【００７３】 スーパーキャパシタの電流定格はまた、応用の性質によって決定される。いく
つかの実施例では、充電、放電、またはリプル電流はミリアンペアのオーダであ
るが、他の実施例では、これらの電流は２０アンペア以上のオーダである。

【００７４】 図９は、この発明に従った電源内での使用に適用可能であるスーパーキャパシ
タの２つのさらなる例を提供する表である。

【００７５】 電池が放電された後、放電が長すぎない場合、または深すぎない場合には、そ
れは最終的に電流が引き出される前の初期の電圧付近にまで回復することが以前
の研究によって示された。この効果は、放電中の電池内の電極面での電気的活性
種の集束空乏のために起こる。一旦放電が終了すると、分子が平衡化されて、放
電中に起こった電子の流れのために最初の集束よりもより低い均一な集束が再び
作られる。放電および平衡は、主に拡散的であり、したがって、時間の平方根に
依存しやすいと考えられる。

【００７６】 Ｐスパイス（Pspice）を用いたモデリング電池挙動によって、この現象のいく
つかの局面の考察が可能となる。本出願人は、このようなモデルの研究を依頼し
、これは、１９９９年７月１２日付のＪ．Ｇ．ラスメル博士（Dr J.G. Rathmell
）による「電池／スーパーキャパシタ放電のＰスパイスモデリング（PSPICE MOD
ELLING OF BATTERY/SUPERCAPACITOR DISCHARGE）」と題された公開されていない
論文のテーマであった。この論文のコピーは、この明細書の一部として組込まれ
、付録文書１として示される。付録文書１内で「図１」、「図２」（以下続く）
と呼ばれる図は、この明細書中で図の一部として含まれ、図１６、図１７（以下
続く）としてそれぞれ示される。

【００７７】 このモデリングは発明者によって適用されて、この発明の好ましい実施例が発
展した。特に、モデリングは、ＧＳＭ型の携帯電話内で用いられるようなパルス
負荷の場合に関して展開され、それに適合された。電池モデルでは、特徴のある
時定数を備えたＲＣ回路およびルックアップテーブルが用いられて効果が示され
ている。モデリング条件は、内部抵抗０．６オーム、容量１．２Ａｈ、時定数τ
１０秒を有するＲＭＳ定格損失モデルを備えたＡＡＡアルカリ電池の使用を含ん
だ。ＩＲＡＴＩＯ（Ｉ_RMS／Ｉ_average）の２つの値、実用で達成されるような電
池およびスーパーキャパシタの組合せをシミュレートするための値１．０２と、
平均電流がＧＳＭ波形に基づいた０．３アンペアに等しい、電池のみのための１
．６２とが用いられた。

【００７８】 図１０および図１５は、この発明の好ましい実施例の実用的な実現例に従った
上述のモデリングの結果を含む。つまり、電池と並列なスーパーキャパシタの存
在によって放電の深さが減じられるため、それが有利であることがはっきりと示
されている。加えて、放電サイクルを電池回復レートに一致させる効果が示され
る。使用できる容量は、放電が０．７Ｖに達するのにかかる時間から計算され、
トータルでの利用可能な時間は、定格容量および平均電流から得られる。結論と
して、エネルギの「大きな部分(bites)」をいくつかとるよりも、エネルギの「
小さな部分」を多くとる方が良いが、たとえ「大きな部分」がとられたとしても
、スーパーキャパシタを用いることからかなりの利点が得られる。

【００７９】 図１１から図１４は、電池性能上での、時定数の分数として表わされる、オン
タイム(on-time)効果を示す。再び、電池容量は、定格容量および平均電流から
計算され、電池の時定数は１０秒であり、内部抵抗は０．６オームである。これ
らのグラフはより明確に放電の深さを最小にする効果を示している。「スーパー
キャパシタの利点」は、「空乏」効果が明らかになる条件下では少なくなるが、
それでもかなりの利点が得られることも注目に値する。

【００８０】 上述のモデリングの研究のテーマである電池電流と、電池によって提供される
電力との間の関係を考慮に入れると、ここでの教示から、図８で示される電力消
費特性は、モデル電流特性と完全に一貫していることが明らかとなる。

【００８１】 この発明は具体的な例を参照しながら説明されたが、これは多くの他の形で具
体化され得ることが当業者によって理解されるであろう。

【００８２】

【付録文書】

【００８３】

【００８４】 要約 Ｐスパイス大規模モデルのライブラリが、スーパーキャパシタおよび電池のた
めに開発された。関連の電池は、鉛蓄、アルカリ、ニッカド、Ｎｉｍｈ、および
リチウムイオンである。これらのモデルは、速いパルス下で失われる容量を組込
むように変更された。スーパーキャパシタのインピーダンスおよび位相、スーパ
ーキャパシタを備えた電池寿命／容量の増大、および電池放電を示すシミュレー
ションが行なわれた。

【００８５】 概論／範囲 この報告書の範囲は、Ｐスパイス電池モデルのライブラリの開発および速いパ
ルス下での電池／スーパーキャパシタ放電のＰスパイスシミュレーションの研究
、特に、並列のスーパーキャパシタを用いることによる電池容量の増大を含む。
電池モデルは、鉛蓄、アルカリ（Ｎ，ＡＡＡ，ＡＡ，Ｃ，Ｄ＆９Ｖ）、ニッカド
、Ｎｉｍｈ、およびリチウムイオンである。これらのモデルは、変更例および訂
正例とともに、文献［１−３］から主に集められた。実現されるスーパーキャパ
シタのモデルは、キャップ−ＸＸ［４］が提供するＲＣＣＰＥモデルである。実
験によるモデルの検証は、なされなかった。

【００８６】 スーパーキャパシタモデル スーパーキャパシタが［４］で説明される。シミュレーションで用いられるス
ーパーキャパシタのモデルおよびパラメータは、［４］および対応のものの中で
キャップ−ＸＸによって提供されるようなものである。モデルは、単純なＲ、Ｃ
、プラス一定の位相項（ＲＣＣＰＥ）であり、周波数従属インピーダンスを示す
。

【００８７】

【数１】

【００８８】 Ｒは直列等価抵抗（ＳＥＲ）であり、Ｃはキャパシタンスであり、Ｔは絶対値
であり、Ｐは指数であり、

【００８９】

【数２】

【００９０】 である。 このモデルは、Ｐスパイスラプラスアナログ挙動モデリングの形を用いて実現
された。このモデルの３つの形が実現された。すなわち、これらは、式を直接特
定するＳＵＰＥＲ１、遅延項を組込むＳＵＰＥＲ２、および別個の実数項と虚数
項としてＣＰＥ項を分解するＳＵＰＥＲ３である。（付録７参照）。これらは、
実験のためのものであり、（遅延以外は）等しい。さらに、モデルＲＣＴＥＳＴ
も実現され、これは、スーパーキャパシタモデルと比較するための単純な直列Ｒ
Ｃ回路である。

【００９１】 ＣＰＥ項は、警告メッセージが与えられた時に、非因果インパルス応答を有す
るものとして、Ｐスパイスによって解釈されることが注目される。遅延項（ｅ^{-s a} ）は、Ｐスパイスによって提案されてこれを分解する。このような遅延は、実
験的検証を必要とするようなやり方でシミュレーションの結果を変更する。非因
果インパルス応答は、ここで行なわれるａｃおよび過渡分析にとって問題ではな
いため、この警告は無視される。結局、ＲＣＣＰＥモデルは、場合によっては好
適なフィルタ関数でｓモデルをたたみ込むことによって、Ｐスパイスが関連する
全周波数範囲にわたって適用可能となるように変更されるべきである。

【００９２】 図１は、３つのスーパーキャパシタモデルおよびＲＣＴＥＳＴモデルのための
周波数の関数としてのインピーダンスの大きさおよび位相を示す。モデルＳＵＰ
ＥＲ１および３は同一である。これらの結果は、キャップ−ＸＸが提供するプロ
ットに匹敵する。図２は、図１と同様の結果を備えた、上のモデルの過渡分析を
示す。これらのシミュレーションで用いられるＰスパイスソースファイルは、付
録１および２で与えられる。モデルは付録７に含まれる。

【００９３】 モデルの限界は、パラメータが静的インピーダンススペクトロスコピーから得
られることである。したがって、それらは、印加された電圧およびレート依存の
異常とともに非線形を組込まない。特に、モデルは、ここで扱われる速いパルス
負荷下で実験的に検証されなかった。それにもかかわらず、モデルは妥当である
と想定される。

【００９４】 電池モデル 付録７は、扱われる電池のモデルを与え、これらは、鉛蓄、アルカリ（Ｎ，Ａ
ＡＡ，ＡＡ，Ｃ，Ｄ，＆９Ｖ）、ニッカド、Ｎｉｍｈ、およびリチウムイオンで
ある。これらのモデルは、［１−３］から得られた。いくつかのデバッギング、
訂正、および変更がなされた。６つのアルカリスタイルが、わずかに異なるこれ
らの挙動のために行なわれた。

【００９５】 ［１］からの図３は、これらのモデルの一般的な形を示す。ニッカドおよびリ
チウムイオンのモデルは、温度のためのさらなる項を有する。ニッカドおよびＮ
ｉｍｈのモデルも、低レート放電のための訂正項を有する。

【００９６】 すべてのモデルは、電池電圧ソースおよび直列抵抗を含む出力回路（＋ＯＵＴ
ＰＵＴ、−ＯＵＴＰＵＴ）からなる。Ｖ＿Sense項は、電池電圧の訂正で用いる
ための電池電流をセンスする(sense)。モデルの残りの部分は、放電レート、温
度、および年数等に関する電池電圧の訂正に関する。すべては、ルックアップテ
ーブルを用いて電池電圧をこれらに関連させる。

【００９７】 ここで特に注目されるものは、大きな放電下での利用可能な電池容量の電気化
学的な減少をモデル化しようとするＥ＿Lost＿Rate項である。これは、ルックア
ップテーブルを用いて（ＲＣ遅延によって）遅延された放電レートの非線形関数
としてモデル化される。図４は、モデル化された電池のための損失レート対放電
レートを示す。

【００９８】 スーパーキャパシタの使用による電池容量の向上を研究するとき、関わってく
るものは、主に損失レートである。図４が示すように、放電レートを伴った電池
容量のこの減少は、電池の種類に応じて１０％から８０％で変化する。したがっ
て、スーパーキャパシタを電池に結合する有効性は、電池の種類および負荷に大
きく依存する。この損失容量は、負荷が除去されるとやがては回復するため、こ
こでは連続的な負荷が主に考察されることも注目される。

【００９９】 損失レートの遅延および回復時定数も電池の種類とともに、ニッカド、Ｎｉｍ
ｈおよびリチウムイオンの３ｓ、アルカリの１０ｓから、鉛蓄の６０ｓまで、大
きく変化する。

【０１００】 付録７の電池モデルは、（損失レート時定数よりもずっと大きな変動時間、つ
まり、１Ｈｚよりもずっと小さな周波数を有する）比較的一定の負荷の下での放
電をモデル化するために設計された。この研究は、１００Ｈｚよりも大きな周波
数のパルス電流負荷に関する。これらを用いると、損失レートはｒｍｓ負荷電流
の関数であるが、これは依然として遅延オンセット［１］を備えている。これら
の周波数では、損失容量の電気化学的な回復は、パルス間では起こらない。

【０１０１】 比較的一定である負荷電流では、平均値およびｒｍｓは比較できるため、現存
のモデルは、損失レートを平均電流に関連づけるのみである。この研究では、損
失容量テーブルルックアップで用いられる遅延および平均放電レートの変更を通
して、これらのモデルが変更されて損失レートがｒｍｓ負荷電流に関連づけられ
た。

【０１０２】 平均損失レートを与える回路素子は、以下の形である。

【０１０３】

【数３】

【０１０４】 これらは以下のように変更されてｒｍｓ損失レートが与えられた。

【０１０５】

【数４】

【０１０６】 付録７は、電池の種類の各々のために２つのモデル、ＭＯＤＥＬ＿ＲおよびＭ
ＯＤＥＬ＿Ａを含み、これらは、それぞれｒｍｓおよび平均放電レートを用いて
損失容量を計算する。以下で、＿Ｒモデルが用いられる。

【０１０７】 モデル内の温度効果は、既にｒｍｓ負荷電流を含む。 放電シミュレーション この研究で用いられるパルス負荷は、調整器またはＤＣ−ＤＣコンバータによ
って電池から引出されると考えられるようなパルス電流源である。パルスタイミ
ングは、ＧＳＭ電話ハンドセットにおいて予期され得るもの、４．６１５ｍｓフ
レーム［５］での送信のための０．５７７ｍｓタイムスロット、つまり、非常に
軽い放電が後に続く送信中の短くて重い放電を反映するように選ばれた。負荷電
流振幅は、損失レート効果を示すために選ばれた。これらは、実験的な検証を必
要とする。

【０１０８】 この研究の目的は、並列なスーパーキャパシタを用いることにより、高速パル
ス化によって電池容量の向上を示すことである。ここで注目される電池の効果は
、損失容量、温度、および電圧ドロップアウトである。ここでは損失容量のみが
研究されるが、３つすべてを取扱うことは、パルス電流のバルクを供給し、さら
にはパルス間で充電されるスーパーキャパシタを用いて電池パルス電流振幅（し
たがって、電圧降下）を減じることを含む。したがって、電池ｒｍｓ電流が減じ
られ、損失容量および内部電力消費（温度）が減じられる。

【０１０９】 図５は、３つの異なるスーパーキャパシタ抵抗Ｒ_supについての、ＧＳＭ負荷
期間のあいだのスーパーキャパシタを備えたＡＬＫ＿ＡＡ＿Ｒモデルを示す。付
録３は、Ｐスパイスソースファイルを示す。電池電流パルス振幅および電圧降下
の減少は、電池抵抗Ｒ_batと比較したＲ_supの相対的な大きさに関連する。降下を
決定するのは、Ｒ_bat／／Ｒ_supである。したがって、最も優れた結果のためには
、Ｒ_supは、Ｒ_batよりもずっと小さい。

【０１１０】 図６（および付録４）は、Ｃ_supの３つの異なる値を備えた同じシミュレーシ
ョンを示す。スーパーキャパシタの時定数Ｒ_supＣ_supは、パルスの持続時間の間
スーパーキャパシタの放電を実質的に維持し、かつ負荷期間にわたって充電を広
げるのに十分なほど大きくなければならない。したがって、スーパーキャパシタ
の時定数は、負荷期間よりも大きいか、またはそれと等しくあるべきである。

【０１１１】 図７（および付録５）は、スーパーキャパシタが存在する場合と、スーパーキ
ャパシタが存在しない場合での、ＡＬＫ＿ＡＡ＿Ｒ電池モデルのための１０秒シ
ミュレーションの最後のサイクルのパルス放電を示す。用いられるスーパーキャ
パシタは、キャップ−ＸＸ Ｅ/クレジットカード（Credit Card）である。

【０１１２】 スーパーキャパシタがない場合での電荷の状態（容量）および電池電圧のより
大きな減少が、ここでは注目される。

【０１１３】 ＡＬＫ＿ＡＡ＿電池モデルは、放電とともに大きな損失レートを有するものと
して、ここで用いられた。用いられたスーパーキャパシタは、この電池を補完す
るためにＲＣを有するものとして選ばれた。６０％の最大損失レートを与えるた
めに、負荷電源振幅（１Ａ_rms、０．４４Ａ_average）が選ばれた。

【０１１４】 図７から、スーパーキャパシタは電池負荷を０．４５Ａ_rmsまで減じる。この
レベルでは、損失レートは３６％である。電池ｒｍｓ電流の限界は、この場合で
は、負荷電流平均値０．４４Ａであろう。これによって、損失レート３５．４％
が与えられる。

【０１１５】 ここでは、シミュレーション時間が大きな問題である。上の１０秒のシミュレ
ーションは、ペンティアム（Ｒ）１００（ＨＰ Ｏｍｎｉ８００ｃｔ）上で約１
０００秒を要した。完全な電池放電（数時間）をシミュレートすると、１週間よ
り長くかかるだろう。問題は、シミュレーションの時間は、回路ノードの活動お
よび回路の複雑性と関連していることである。速いパルスでは、ノード状態（電
圧および電流）は、急速に変化する。このとき、シミュレーションのタイムステ
ップは、回路の時定数に対して非常に小さくなければならない。シミュレーショ
ンは、負荷期間当り約０．５秒を要し、完全な放電は、数百万負荷パルスを必要
とする。

【０１１６】 すべてが損失するわけではない。平均電流および損失レートの程度が注目され
る。後者は、図７から決定され得る。電池モデルは変更されてデフォルト１でパ
ラメータＩＲＡＴＩＯ＝Ｉ_rms／Ｉ_averageが組込まれた。これが用いられて、一
定の負荷電流Ｉ_average下でシミュレートされるときに、ある特定のｒｍｓ放電
レートに適用される損失レートが設定される。一定の電流下では、シミュレーシ
ョンは非常に速い。

【０１１７】 損失レートを与える上述の回路素子は、以下のように変更されて一定の電流下
で適切なｒｍｓ損失レートが与えられた。

【０１１８】

【数５】

【０１１９】 図８（および付録６）は、実行に４秒を要するようなシミュレーションを示す
。（スーパーキャパシタあり、スーパーキャパシタなしの）両方のケースは同じ
放電レートを有するが、スーパーキャパシタを備えない電池は、より大きな損失
レートを被ることが注目される。したがって、その放電寿命はかなり短くなる（
３６％と比較した６０％）。したがって、これによって、スーパーキャパシタが
存在する場合に延長される電池寿命が示される。

【０１２０】 考察／さらなる研究 ｒｍｓ放電損失レートのための変更を伴った電池モデルによって、短い持続時
間と長い持続時間との両方での速いパルス放電のシミュレーションが可能となる
。

【０１２１】 この研究の限界は、速いパルス負荷の下での電池モデルとスーパーキャパシタ
モデルとの両者の実験的検証の欠如である。

【０１２２】 以下がさらに必要とされる。 ・電池の速いパルス損失レートモデリングの検証、 ・測定およびモデルフィッティングによる、速いパルス下での電池モデルの改
善、 ・損失レートを表す区分的に線形な表関数の精度／細分性、および測定とモデ
ルフィッティングとによる、非線形とレート依存性との両者に関してのスーパー
キャパシタモデルの拡大、 ・電池および負荷（スーパーキャパシタＲ＆Ｃの選択）の範囲での、応用基準
およびスーパーキャパシタ設計の詳細、および ・実負荷電流の測定。

【０１２３】

【参考文献】

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に従った電源の概略図である。

【図２】 電池の内部抵抗およびスーパーキャパシタの等価直列抵抗を示す
、図１の電源の概略図である。

【図３】 並列のスーパーキャパシタが「存在する」場合と、存在しない場
合での電池の放電を示すチャートの図である。

【図４】 図３の放電サイクルのうちの１つのサンプルを示す図である。

【図５】 典型的なノート型コンピュータの電源内で発生する過渡電流の概
略図である。

【図６】 スーパーキャパシタを備えないインテル（Ｒ）ウイドベイノート
ブックプラットホームの電力システム内の電圧および電流波形のサンプルを示す
図である。

【図７】 電池と並列なスーパーキャパシタを備えたインテル（Ｒ）ウイド
ベイノートブックプラットホームの電力システム内の電圧および電流波形のサン
プルを示す図である。

【図８】 並列のスーパーキャパシタが存在する場合と、存在しない場合で
のノート型コンピュータの電池から引出される瞬時電力のグラフを示す図である
。

【図９】 この発明に従った電源内での使用に適用可能なスーパーキャパシ
タの２つの追加的な例を提供する表を示す図である。

【図１０】 ＧＳＭ携帯電話負荷および５０秒の呼出サイクルで用いられる
ためのこの発明に従った電源のモデル化されたパフォーマンスのグラフを示す図
である。

【図１１】 ＧＳＭ携帯電話負荷および５秒のオンタイムで用いられるため
のこの発明に従った電源のモデル化されたパフォーマンスのグラフを示す図であ
る。

【図１２】 ＧＳＭ携帯電話負荷および１０秒のオンタイムで用いられるた
めのこの発明に従った電源のモデル化されたパフォーマンスのグラフを示す図で
ある。

【図１３】 ＧＳＭ携帯電話負荷および２０秒のオンタイムで用いられるた
めのこの発明に従った電源のモデル化されたパフォーマンスのグラフを示す図で
ある。

【図１４】 ＧＳＭ携帯電話負荷および５０秒のオンタイムで用いられるた
めのこの発明に従った電源のモデル化されたパフォーマンスのグラフを示す図で
ある。

【図１５】 この発明の用途を示す表の図である。

【図１６】 付録文書１内で「図１」と呼ばれる図である。

【図１７】 付録文書１内で「図２」と呼ばれる図である。

【図１８】 付録文書１内で「図３」と呼ばれる図である。

【図１９】 付録文書１内で「図４」と呼ばれる図である。

【図２０】 付録文書１内で「図５」と呼ばれる図である。

【図２１】 付録文書１内で「図６」と呼ばれる図である。

【図２２】 付録文書１内で「図７」と呼ばれる図である。

【図２３】 付録文書１内で「図８」と呼ばれる図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１４年３月２０日（２００２．３．２０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の名称】 電源

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】 この発明は電源に関する。

【０００２】 この発明は、主に携帯電話で用いられるために開発され、その応用に関して以
下で説明される。しかし、この発明は、この特定の用途分野に限定されているわ
けではなく、他の電子装置、特に、ノート型コンピュータ、パームトップコンピ
ュータ、電子手帳、双方向ページャ、遠隔電力供給式の電子装置等の持ち運び可
能な装置にも好適であることが理解される。

【０００３】

【発明の背景】 パルス負荷は、電池で動く多くの持ち運び可能な装置内で起こり、ピーク電流
は静止電流の何倍にもなり得る。電池がほぼ切れているか、または古い場合、そ
の実効内部抵抗は増大する傾向にあり、装置の停止なしにピーク電流需要を供給
できる可能性がより低くなる。重負荷パルスは一般に、それらが起こるときに大
きな電圧降下を生じさせ、これは電池にとって害となり得る。特に、リチウムイ
オン電池がこのような害の影響を受けやすい。

【０００４】 結果として、負荷は、常に必要とされる最小しきい値供給電圧を有するため、
パルス負荷によって必ず電池の実行時間が減じられる。負荷パルスおよびその電
圧が最小しきい値よりも下に降下すると、電圧調整回路は、主要な回路を動作さ
せるために必要な電圧を供給できないため、電子装置はシャットダウンされなけ
ればならない。しかし、このとき、電池内には有用なエネルギが残っている場合
もある。

【０００５】 さらに、いくつかの持ち運び可能な装置は、電池から引き出される電流が予め
定められたしきい値を超える場合に装置をシャットダウンする保護回路を含む。
この回路は電池保護のために設計されているが、これによって、ピーク電流がし
きい値を超えてはいるものの、短期間の間しかそうでなかった場合にも、結果と
して装置のシャットダウンが生じることになる。これにより、装置の再始動、時
には再構成が必要とされる。携帯電話およびパーソナル計算アプリケーションで
は、これは、ユーザにフラストレーションをもたらす種となる。

【０００６】 この明細書全体にわたる従来の技術のいずれの考察も、このような従来の技術
が公知であるか、またはこの分野での共通の一般的な知識の一部であるというこ
とを認めているものとして考えられるべきではない。

【０００７】

【発明の開示】 この発明の目的は、少なくとも好ましい実施例では、先行技術の不利な点のう
ちの少なくとも１つを克服または実質的に改善することであるか、または少なく
とも有用な代替例を提供することである。

【０００８】 この発明の第１の局面によると、エネルギ蓄積装置が提供されており、このエ
ネルギ蓄積装置は、 予め定められた内部抵抗Ｒと、電池への電気的接続を可能にするための２つの
端子とを有する電池と、 端子と並列に接続され、さらには予め定められた等価直列抵抗ＥＳＲを有する
スーパーキャパシタとを含み、ＥＳＲ＜０．２５．Ｒである。

【０００９】 好ましくは、ＥＳＲ＜０．１．Ｒである。 好ましくはまた、装置は負荷にパルス化された負荷プロファイルを供給し、ス
ーパーキャパシタが提供するキャパシタンスは、電池電流を予め定められた最大
値に制限するのに十分である。より好ましくは、スーパーキャパシタは、エネル
ギ蓄積装置が放電するときに実質的に一定な電流を提供する。

【００１０】 好ましい形では、装置は、電池とスーパーキャパシタとの両者を含むためのハ
ウジングを含み、端子はハウジングの外側からアクセス可能であって負荷に接続
される。

【００１１】 この発明の第２の局面に従うと、持ち運び可能な電子装置のための電源が提供
され、電源は、第１の局面に従ったエネルギ蓄積装置と、エネルギ蓄積装置の端
子に係合するための供給レールとを含む。

【００１２】 好ましくは、供給レールは選択的に端子に係合する。より好ましくは、端子は
供給レールとの係合から外されて同様のエネルギ蓄積装置の同様の端子が供給レ
ールに係合されることが可能となる。

【００１３】 この発明の第３の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネルギ
蓄積装置は、 電池電流を提供し、さらには負荷への電気的接続のための２つの端子を有する
電池と、 端子と並列に接続され、さらには、使用時には、電池電流を予め定められたし
きい値に制限する予め定められたキャパシタンスを有するスーパーキャパシタと
を含む。

【００１４】 好ましくは、負荷はエネルギ蓄積装置からパルス電流を引出す。 この発明の第４の局面に従うと、電源が提供され、この電源は、 電池電流を提供し、さらにはパルス電流を必要とする負荷への電気的接続のた
めの２つの端子を有する電池と、 電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値との比を約１．５よりも下で維持する
ための端子と並列に接続されたスーパーキャパシタとを含む。

【００１５】 好ましくは、スーパーキャパシタは、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値
との比を約１．３よりも下で維持する。より好ましくは、スーパーキャパシタは
、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値との比を１．１よりも下で維持する。

【００１６】 この発明の第５の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネルギ
蓄積装置は、 電池電流を提供し、さらにはパルス電流を必要とする負荷への電気的接続のた
めの２つの端子を有する電池と、 電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値との比を約１．５よりも下で維持する
ための端子と並列に接続されたスーパーキャパシタとを含む。

【００１７】 好ましくは、スーパーキャパシタは、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値
との比を約１．３よりも下で維持する。より好ましくは、スーパーキャパシタは
、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値との比を１．１よりも下で維持する。

【００１８】 この発明の第６の局面に従うと、電源が提供され、この電源は、 パルス電流を必要とする負荷との電気的接続のための２つの端子を有する電池
と、 電池が提供する瞬時電力の範囲と電池が提供する電力の平均値との比を予め定
められたしきい値よりも下に維持するための端子と並列に接続されたスーパーキ
ャパシタとを含む。

【００１９】 好ましくは、予め定められたしきい値は、１．５、１、および０．３のうちの
いずれかである。

【００２０】 この発明の第７の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネルギ
蓄積装置は、 パルス電流を必要とする負荷との電気的接続のための２つの端子を有する電池
と、 電池が提供する瞬時電力の範囲と電池が提供する電力の平均値との比を予め定
められたしきい値よりも下に維持するための端子と並列に接続されたスーパーキ
ャパシタとを含む。

【００２１】 好ましくは、予め定められたしきい値は、１．５、１、０．３のうちのいずれ
かである。

【００２２】 この発明の第８の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネルギ
蓄積装置は、 予め定められた内部抵抗Ｒと、電池への電気的接続を可能にするための２つの
端子とを有する電池と、 端子と並列に接続され、さらには予め定められた等価直列抵抗ＥＳＲおよびキ
ャパシタンスＣを有するスーパーキャパシタとを含み、ＥＳＲ＜０．５．Ｒであ
り、Ｃは１ファラドよりも少ない。

【００２３】 この発明の第９の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネルギ
蓄積装置は、 予め定められた内部抵抗Ｒと、電池への電気的接続を可能にするための２つの
端子とを有する電池と、 端子と並列に接続され、さらには予め定められた等価直列抵抗ＥＳＲを有する
スーパーキャパシタとを含み、ＥＳＲ＜１１０ミリオーム＜Ｒである。

【００２４】 好ましくは、ＥＳＲは約５０ミリオームよりも少ない。より好ましくは、ＥＳ
Ｒは約３０ミリオームよりも少ない。

【００２５】 この発明の第１０の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネル
ギ蓄積装置は、 予め定められた内部抵抗Ｒと、電池への電気的接続を可能にするための２つの
端子とを有する電池と、 端子と並列に接続され、さらには予め定められた等価直列抵抗ＥＳＲ、予め定
められた体積Ｖ、および予め定められたキャパシタンスＣを有するスーパーキャ
パシタとを含み、ＥＳＲ＜０．５．Ｒであり、Ｖ＜１４ｃｍ³であり、Ｃ＞１フ
ァラドである。

【００２６】 この発明の第１１の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネル
ギ蓄積装置は、 電池への電気的接続を可能にするための２つの端子を有する電池と、 複数の直列接続のスーパーキャパシタ単電池を有して端子と並列に接続される
スーパーキャパシタとを含み、スーパーキャパシタ単電池の動作電圧は少なくと
も２．３ボルトであり、スーパーキャパシタは約２０ミリオームよりも少ない予
め定められた等価直列抵抗ＥＳＲを有する。

【００２７】 好ましくは、ＥＳＲは約１５ミリオームよりも少ない。 この発明の第１２の局面に従うと、エネルギ蓄積装置が提供され、このエネル
ギ蓄積装置は、 電池への電気的接続を可能にするための２つの端子を有する電池と、 複数の直列接続のスーパーキャパシタ単電池を有して端子と並列に接続される
スーパーキャパシタとを含み、スーパーキャパシタ単電池の動作電圧は少なくと
も２．３ボルトであり、スーパーキャパシタは、約１．９ファラドよりも大きな
予め定められたキャパシタンスを有する。

【００２８】 この発明の好ましい実施例は、添付の図を参照することによって例としてのみ
説明される。

【００２９】

【好ましい実施例の説明】 以下の用語は、この明細書中で以下の様態で用いられる。

【００３０】 １．「ラップトップコンピュータ」および「ノート型コンピュータ」は、置き
換え可能なように用いられ、持ち運び可能な計算装置、特に、ボード上の充電可
能なエネルギ蓄積装置を有する装置を含むと意図される。

【００３１】 ２．「スーパーキャパシタ」は、電解質と複数の電極との間のインターフェイ
スで確立される電界内にエネルギを蓄積するエネルギ蓄積装置を指すために用い
られる。

【００３２】 ３．「電池」は、エネルギを電気化学的に蓄積するエネルギ蓄積装置を指すた
めに用いられる。

【００３３】 図１を参照して、パルス負荷２のための電源１は、スーパーキャパシタ４の形
の第２のエネルギ蓄積装置と並列である電池３の形の第１のエネルギ蓄積装置を
含む。図２で最もよく表されるように、電池３およびスーパーキャパシタ４はそ
れぞれ、 内部抵抗８と直列な理想電池７と、 等価直列抵抗（ＥＳＲ）１０と直列な理想キャパシタ９としてモデル化される
。

【００３４】 抵抗８に対して低いＥＳＲを有するスーパーキャパシタ４を用いることにより
、電源１は、負荷２への供給の連続性を促進する。つまり、ピーク需要の間、よ
り低いＥＳＲのために、より多くの負荷電流がスーパーキャパシタ４によって供
給される。さらに、より低い負荷電流需要の間は、電池によってスーパーキャパ
シタが充電される。これにより、電池が提供しなければならなかったピーク電流
が減じられ、電池の寿命が向上する。

【００３５】 つまり、スーパーキャパシタと電池との、この並列のハイブリッド組合せによ
って、負荷の下での電圧のエクスカーションを減じることができ、大部分の電池
エネルギが消費されるまで、負荷は確実に動作できる。これにより、電池が電圧
降下を損傷するおそれが少なくなり、これは、リチウムイオン電池にとって特に
有利である。

【００３６】 従来のキャパシタは通例、このような負荷を数ミリ秒よりも長くサポートでき
ない。しかし、この実施例で用いられるスーパーキャパシタは高いキャパシタン
スを有し、所与の負荷電流に対して、電池から引き出されるピーク電流は制限さ
れる。

【００３７】 この発明によって認識されるようなハイブリッド電池−スーパーキャパシタ電
源を用いることにより、電池のみを用いることによって達成され得るよりもずっ
と優れた性能が可能となる。これは、ある程度は、スーパーキャパシタが提供す
るずっと低い実効内部抵抗のためであるが、提供される大きなキャパシタンスの
ためでもある。

【００３８】 スーパーキャパシタの特性は、電池および負荷の特性によって一部、促進され
る。しかし、数ｍＦから何百ファラドもの非常に高いキャパシタンスと、１ｍΩ
からの低い等価直列抵抗（ＥＳＲ）と、わずか数μＡの低い漏れ電流とを提供す
るカーボン二重層スーパーキャパシタが用いられることが好ましい。このような
スーパーキャパシタによって、エネルギ蓄積の主な源として電池に依存する持ち
運び可能な装置のための、改良された電源が設計および実現され得る。

【００３９】 好ましい実施例で用いられるスーパーキャパシタの形状、サイズ、およびパッ
ケージングは、利用できるスペースに適するようにさまざまである。１つの特に
好ましい形は、薄いプリズム形である。このようなスーパーキャパシタの例は、
ＰＣＴ特許出願番号ＰＣＴ／ＡＵ９９／０１０８１で提供されており、その開示
は、ここで引用により援用される。

【００４０】 ハイブリッド電池−スーパーキャパシタによって、端子電圧が許容できるレベ
ルより下に降下することなしに、送信または他の大きな負荷の最中での延長され
た電流需要伝達が可能となる。

【００４１】 好ましい実施例は、いくつかの利点を提供する。これらは、 ・長くなった実行時間を提供する、負荷の下での減じられた電圧降下と、 ・リチウムイオン電池内での低電圧による電池損傷のおそれの低下と、 ・電池のみと比べて、減じられた等価内部抵抗と、 ・設計に関する柔軟性とを含み、これは、通常よりも小さな電池がより高い内
部抵抗とともに、コストが削減された状態で利用され得るためである。

【００４２】 リチウムイオン電池は、広く用いられており、上述のように、高い電流パルス
によって損傷しやすい。これらの高電流パルスは、大きな電圧降下を引き起こし
、これは、供給されている回路の早期シャットダウンにつながる。これらの効果
は両方とも、電池の寿命と電池の実行時間とを減じるため、望ましくない。しか
し、この発明の好ましい実施例は、スーパーキャパシタを用いて、電源組合せの
実効抵抗電圧降下を減じ、さらには容量電圧降下を減じる。したがって、持ち運
び可能な、電池で動く装置の実行時間は向上し、早期シャットダウンを防ぐこと
ができる。

【００４３】 例として、電池スーパーキャパシタ組合せの放電が図３で示される。電池は、
ノキア（Nokia）の携帯電話で用いられるような、かつ近似内部抵抗１００ｍΩ
を有するＬｉイオン電池であった。放電は、並列のスーパーキャパシタ「あり」
および「なし」の交互で２秒間の持続時間にわたる１Ａパルス放電中に行なわれ
、２０秒のオフがこれに続いた。電池は、それが残った電荷をほとんど有さない
状態まで、つまり、電位差が約２．６ボルトになるまで、放電された。次に、実
験の準備がされている間、電池は放置され、実質的により高い電圧にまで回復し
た。電池と並列なスーパーキャパシタの存在によって、抵抗電圧降下の現実的な
減少が提供されることが明らかである。

【００４４】 図４は、電圧降下の特性をより詳細に示す。 図３および図４の結果を提供するために用いられるスーパーキャパシタは、約
４０ファラドのキャパシタンスおよび約５ｍΩのＥＳＲを有した。

【００４５】 この発明の好ましい実施例は、時間とともに大きく変化する電流を引き出す電
池で動く装置で用いられるためのものである。多くの装置、特に携帯電話では、
電話の通常の動作中に、短い時間スケールで変化が起こる。

【００４６】 電源導体および電池内での損失は、これらの構成要素を流れる電流の２乗に比
例することが理解される。したがって、損失は高電流パルス中にかなり増大する
が、これは、たとえこれらのパルスの持続時間が短くてもかなり増大する。しか
し、好ましい実施例は、スーパーキャパシタの導入により、負荷から見た電源の
実効抵抗を減じることによって、これらの損失を減じる。つまり、この実施例で
用いられるようなスーパーキャパシタは、以下の特性を有する。すなわち、 １．電池の内部抵抗に対して低い等価直列抵抗（ＥＳＲ）、 ２．高キャパシタンス、および ３．高電流を伝える能力という特性を有する。

【００４７】 「低いＥＳＲ」とは、電池の内部抵抗よりもずっと低い値を意味する。ある実
施例では、ＥＳＲが、電池の内部抵抗のそれの半分であるときに利点が得られる
ことが認められた。しかし、さらに好ましい実施例では、ＥＳＲは好ましくは電
池の内部抵抗の約４分の１である。他の実施例では、ＥＳＲは電池の内部抵抗の
１０分の１よりも少ない。

【００４８】 キャパシタンスは、関連のピーク負荷電流に対して「高い」とみなされる。「
高い」とみなされるキャパシタンスの単独の値というものは存在しないが、それ
は典型的には、放電されることなしに、最大で数秒間ピーク負荷電流を供給でき
るのに十分なキャパシタンスであろう。しかし、これは負荷特性にも依存する。
負荷がこのような電流供給を必要としないならば、スーパーキャパシタは、それ
を提供するように構成されなくてもよい。

【００４９】 「高電流」スーパーキャパシタは、いかなる損傷も被ることなしに、少なくと
も電池のそれと同じぐらいの大きさの負荷、通常は何百ミリアンペア（ｍＡ）か
ら数アンペア、または何十アンペアもの負荷を供給できるものとして、ここでは
みなされる。

【００５０】 上述のように、抵抗損失は、電流の２乗とともに増加する。このように仮定す
ると、所与の平均値の電流は、電流ピークの間の増大した損失のために、電流内
のばらつきの大きさが大きいほど、より高い損失を作り出す。この発明は、電流
内のばらつきを平滑にしてその電流によって生じた損失を減じることのできるス
ーパーキャパシタを用いてこの原理を適用する。つまり、電池の内部抵抗が、電
流が電池から引き出されるときの損失の源であると考えられ、その電流内のばら
つきは、スーパーキャパシタによって減じられる。電流のばらつきは主に、スー
パーキャパシタによって生成されるが、それはずっと低い抵抗を有するため、発
生する損失もそれ相応により小さい。これを言換えると、スーパーキャパシタは
、スーパーキャパシタが負荷電流内の急峻な変化の大部分を伝えるように、電池
から見た電流波形をフィルタリングする。持ち運び可能な装置の動作中、電池は
、スーパーキャパシタがない場合よりも平均負荷電流にずっと近い値およびばら
つきが大きく減じられた波形を有する電流を伝える。したがって、電池によって
伝えられるピーク電流は大幅に減じられ、電源（導体およびスーパーキャパシタ
）内の損失が減じられ、電池に有害であり得る高電流パルスから電池が保護され
る。

【００５１】 この発明の利点および電流リプルをフィルタリングするようなスーパーキャパ
シタの用途を最適化するために、好ましい実施例は、持ち運び可能な装置からの
調整器回路、超伝導体、および電池の間で低い抵抗接続および導体を用いる。基
準として、接続抵抗は、トータルでスーパーキャパシタのＥＳＲのうちのごくわ
ずかであるべきである。スーパーキャパシタと負荷との間の導体は、経済的に達
成できるような低い抵抗を有するべきである。当業者には理解されるように、こ
れらのパラメータは、性能とコストとの間での必然的な妥協に対応するように変
化させられる。

【００５２】 −２０℃等の低温で動作しているとき、ある特定の一般的なリチウムイオン化
学物質を用いる電池等の多くの種類の電池は、それらの電圧が大幅に降下するこ
となしに、それらの負荷によって必要とされる電流ピークを供給することはでき
ない。これによって、電池が実際に消耗される前に、持ち運び可能な装置がオフ
になる。より極端な場合には、完全に充電された電池でさえもこれらの大きな電
圧降下の影響を受けることが確認された。しかし、この発明の好ましい実施例を
用いることにより、電池と並列に接続されるスーパーキャパシタを含む電源が提
供される。上述のスーパーキャパシタの低域フィルタ効果によって結果として、
電池が、減じられたピーク電流にさらされることになる。このようにして、電池
は、比較的一定であり、かつ負荷によって引き出される平均電流とほぼ等しい電
流を提供し、電池が完全に消耗されるまで、または低温でより低い平均電流を供
給できなくなるまで、電池は、持ち運び可能な装置を動作させ続けることができ
る。

【００５３】 多くの電池は、電池の充電を制御し、および／または、高電流から電池を保護
する電子保護および制御回路を含む。この回路は負荷の電子部品内に含まれてい
る場合もあり、別の場合には、それは電池のハウジング内に含まれているか、ま
たは電池のハウジングに装着されている。保護および制御回路は一般に、電池を
負荷から切断するために、または電池から引き出されるピーク電流を制限するた
めに、および／または、電池の供給電圧が予め定められた値よりも下に降下した
ときに電池を負荷から切断するために、設計されている。これを想定して、この
発明のいくつかの好ましい実施例は、スーパーキャパシタと並列な上述の種類の
電池を有する電源を含む。この組合せによって、予期しない大きな過渡電流が引
き出されたときに電池がシャットダウンするというリスクが減じられる。

【００５４】 上述のフィルタリング効果によって、装置の実行時間の延長も達成され得る。
つまり、電池は、システムがシャットダウンされなければならない前に、これ以
外の様態で可能であるよりもより低い電圧に達することができる。

【００５５】 いくつかの実施例では、電池と並列な低いＥＳＲのスーパーキャパシタの追加
によって、入力減結合コンデンサのための要件が未然に除去される。これによっ
て、供給のこの部分のコストが減じられる。

【００５６】 スーパーキャパシタの低インピーダンスによってまた、通常よりもより高いイ
ンピーダンスおよびより大きな容量を備えた電池が使用できる。これによって、
システムを実行するために利用できるエネルギが増加し、結果として、再び実行
時間が延長される。

【００５７】 好ましい実施例に従った電源の動作中、図１で示されるように、スーパーキャ
パシタは事実上、電池と並列に直接接続される。いくつかの実施例では、供給回
路内には１つ以上のスイッチが存在して電子装置がオンおよびオフで切り換えら
れ得る。これらのスイッチは好ましくは、スーパーキャパシタのＥＳＲに対して
低いオン抵抗を有することが理解される。好ましくはまた、スーパーキャパシタ
と電子装置との間にはスイッチは存在しない。なぜならば、これによって、スー
パーキャパシタから得られる利点が少なくなる場合もあるためである。

【００５８】 他の実施例では、電源は追加的な回路を含み、これは、異なる電圧を提供して
いる電池へのスーパーキャパシタの接続後、そのスーパーキャパシタを漸進的に
充電／放電する。つまり、その回路は、スーパーキャパシタおよび電池に流れる
充電／放電電流を制限するためのものである。

【００５９】 最大の損失が起こる導体は、最も高いピーク電流が流れ、他のすべての事柄は
同じ導体である。これらは、負荷とスーパーキャパシタとの間の導体である。し
たがって、これらの損失を最小にするためには、スーパーキャパシタを負荷にで
きるだけ近く置くことが有利である。電池とスーパーキャパシタとの間の導体は
、負荷電流よりもより安定した電流を伝え、したがって、これらの導体内での損
失は減じられる。一般的な電池で動く装置では、ピーク負荷電流は通常、少なく
とも短期間は、高い。これは特に、デジタル回路を用いるようなパルス負荷装置
に当てはまる。この発明に従った、電池と並列である好適な高電力スーパーキャ
パシタを用いることによって、電力システムおよび電池内での損失が減じられ、
有害であり得る電流パルスから電池が保護される。これは、高価な電子回路を用
いることなしに、さらには同時に追加的なエネルギ蓄積容量を装置に設けること
なしに、達成される。

【００６０】 低温では、この発明に従ったスーパーキャパシタによって、電池がそれ自体で
ピーク電流を供給できないときにも、持ち運び可能な電子装置が通常に機能する
ことが可能となる。つまり、スーパーキャパシタを用いることによって、装置の
供給端子で経験される電圧降下が減じられ、したがって、装置のシャットダウン
からの短い過渡ピーク負荷電流の効果が減じられる。

【００６１】 スーパーキャパシタは電池電圧を平滑にするため、好ましい実施例に従った電
源はまた、低電池状態の検出精度を向上させる。これによって、早期シャットダ
ウンが防がれ、電池の実行時間が延長される。

【００６２】 この発明のいくつかの実施例では、スーパーキャパシタは、シャットダウンす
る必要なしに、またはデータをディスクにセーブする必要なしに、電池の交換中
にノート型コンピュータのエネルギ要件をサポートする、ノート型コンピュータ
用の電源の一部である。この機能性は、エナジィ・ストーリッジ・システムズ（
Energy Storage Systems）Pty Ltd の名前で、ＰＣＴ／ＡＵ／０１/００５５４
の番号が付けられた、２００１年５月１５日にオーストラリア特許庁に提出され
た同時係属のＰＣＴ出願でより深く考察されている。同時係属の出願の開示は、
ここで引用により援用される。

【００６３】 ノート型コンピュータの電源回路は、スーパーキャパシタに対応するために、
ＤＣ−ＤＣコンバータに対するいくつかの小さな変更を受けた。結果として、コ
ンバータの効率において５％の即座の増加が得られ、これは、８３分の全実行時
間のうち、１充電当り３分を超える実行時間の延長になった。測定は、スーパー
キャパシタと並列な７．２Ａｈ容量を備えたリチウムイオン電池を用いたインテ
ル（Ｒ）ウィドベイ（Widbey）プラットホーム上で行なわれた。ウィドベイプラ
ットホームは、直列の２つのリチウムイオン単電池と等しい供給電圧上で動作す
ることが理解される。これは一般に、大部分のノート型よりも低く、簡素化され
た電池保護および平衡回路でコストの節約を提供する。コストは、スーパーキャ
パシタの低インピーダンスの結果として、ＤＣ−ＤＣコンバータ内でも減じられ
る。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ内での減結合コンデンサの必要性が、なくな
るわけではないが、少なくなる。たとえば、いくつかのパワーボードは、６つも
の減結合コンデンサを用いる。

【００６４】 電池設計は、ノート型および他の持ち運び可能な装置の需要を供給するために
、主に出力密度を高める方向で進歩した。額面では、これは、電池による装置で
利用可能な実行時間に貢献しない。なぜならば、所与の体積に対して蓄積される
エネルギに関しては妥協があるためである。しかし、電池によって供給される通
常の負荷のパルスの性質のために、負荷の動作に貢献するようなこの電池の有効
性は、その内部抵抗に強く依存する。つまり、たとえ短期間でも高電力を供給す
るような電池の能力は、限られている。これは、たとえばノート型ＰＣ内のＤＣ
−ＤＣコンバータの効率および動作に影響を及ぼす。リチウムイオン電池パック
内で用いられる保護回路は、さらにそれらの実効内部抵抗を増大させる。しかし
、この発明の好ましい実施例は、電池と並列な、非常に低いＥＳＲを有する高電
力スーパーキャパシタを用いる。これによって、高エネルギ密度および低電源イ
ンピーダンスの組合された属性を利用することのできるハイブリッド供給が提供
される。

【００６５】 ノート型コンピュータ内で用いられるようなＤＣ−ＤＣコンバータの設計は、
エネルギ源および負荷の性質によって影響を及ぼされる。ＤＣ−ＤＣコンバータ
の出力負荷は、いくつかの事例では、平均電力消費を減じるためのクロックゲー
ト技術で制御されるマイクロプロセッサである。クロックゲートアーキテクチャ
によって、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力で大きな過渡電流が生成され、結果とし
て、コンバータの電力入力レール内で大きなリプル電流が生成される。ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータは局所的な減結合を有して過渡パルスをフィルタリングして排除す
るが、従来のキャパシタの限界、コストおよびＰＣＢスペース、不十分な、また
は不適切な局所的な減結合によって、多くの場合、大部分の過渡電流が電池およ
びその保護回路に達し得る。結果として、電池−保護回路は、システムを早期に
シャットダウンし、動作可能な電池の寿命の損失がもたらされる。

【００６６】 この実施例では、電池と並列に低インピーダンススーパーキャパシタを置くこ
とを含むこの発明を用いることによって、過渡電流は、電池およびその保護回路
に達する前に「フィルタリング」される。電池端子および保護回路での電圧は、
比較的一定なままであり、保護回路が早期の低電池警告を発することが妨げられ
る。これによって、電源が電池の利用可能な容量を最大にすることが可能となる
。この実施例では、全体的な改善は５％であると認識されたが、これによって結
果として、８３分の通常の実行時間で３分を超える電池実行時間の延長が得られ
る。しかし、より大きな容量のスーパーキャパシタを用いた別の実施例では、平
均の増加は、約１０％の追加的な実行時間であった。

【００６７】 ここでの教示から当業者によって理解されるように、スーパーキャパシタが提
供する実行時間の実際の向上は、電池、スーパーキャパシタ、および負荷の特性
を含むいくつかの要因に依存する。

【００６８】 電池と並列なスーパーキャパシタを含むことによって、特にＬｉイオンタイプ
の電池のための、修正された充電アルゴリズムが可能となる。つまり、電池は、
スーパーキャパシタの不在下で安全に達成され得たよりも、より速く全容量にま
で充電され得る。

【００６９】 上述のテストも、インテル（Ｒ）ウィドベイプラットホームを用いて行なわれ
た。プラットホームは、２組の４つのリチウムイオン単電池であって、各組内の
単電池は並列である、２組の４つのリチウムイオン単電池の供給電圧上で動作す
る。他のノート型コンピュータでは、直列接続されたリチウムイオン単電池の３
組または４組の並列な対が、より典型的に用いられる。この発明は、これらの電
池構成および他とともに用いられるのに好適である。

【００７０】 典型的なノートブック電池は、以下から構成される１００ｍΩを超える内部抵
抗を有する。すなわち、これらは、 １．典型的には直列の３つ以上の並列な対を備えた、単一の１８００ｍＡｈ単
電池に対して約５０ｍΩの単電池の内部抵抗と、 ２．１０ｍΩ電流センス抵抗器と、 ３．出力スイッチとして用いられる２０ｍΩオン抵抗ＦＥＴとである。

【００７１】 上述の測定で用いられるような電圧が減じられた電池の内部抵抗は、約６３ｍ
Ωである。これは、２組の並列な３つの単電池の直列組合せ、および上述のセン
ス抵抗器、ならびにＦＥＴから構成される。使用時には、電池は、保護回路とと
もに約８０ｍΩの全内部抵抗を提供する直列な２つの並列な対から構成される。

【００７２】 キャップ-ＸＸ（Cap-XX） Pty Ltdによって製造され、かつＭｋ ２ Ｓ／Ｃ
として示されるようなスーパーキャパシタを電池と並列に接続することによって
、電源インピーダンスがさらに減じられる。この実施例では、スーパーキャパシ
タの公称抵抗は５ｍΩよりも少なく、したがって、電池およびスーパーキャパシ
タの並列の組合せはさらにより低い。スーパーキャパシタのＥＳＲは電池の内部
抵抗の約６％のみであるため、すべての電流サージの責任(brunt)を負うのはス
ーパーキャパシタである。結果として、ＣＰＵ過渡状態の最中等に、負荷電流が
突然増大するたびに、スーパーキャパシタは、最初の電流サージの大部分を提供
することができる。これによって、電池電圧が平滑化され、電池のリプル電流が
減じられ、結果として低電池状態の検出の精度が上がる。

【００７３】 スーパーキャパシタのサージ電流能力はまた、電池内のものも含んだ、スーパ
ーキャパシタ自体と電池との間のすべての抵抗内のＩ²Ｒ損失を減じる。なぜな
らば、回路のその部分内の電流ピークが減じられるためである。

【００７４】 図６および図７は、それぞれこの発明に従ったスーパーキャパシタが存在しな
い場合と、存在する場合でのインテル（Ｒ）ウィドベイノートブックプラットホ
ームの電力システム内の電圧および電流波形の比較サンプルである。図６では、 １．上部のトレースは電池電圧である。

【００７５】 ２．方形波が負荷電流であり、２Ａ／ｄｉｖで示される。 ３．方形波上で重畳される波形は電池過渡電流であり、５００ｍＡ／ｄｉｖで
示される。

【００７６】 ４．底部のトレースは、電池から引き出される瞬時電力に比例した信号であっ
て、これは電池電圧と電流との積である。

【００７７】 図７では、 １．上部のトレースは電池電圧である。スーパーキャパシタを含むことによっ
て、図６で見られた大きなリプルが除去され、ＤＣ−ＤＣコンバータからの高周
波ノイズがわずかにしか残っていないことが注目される。

【００７８】 ２．方形波は、２Ａ／ｄｉｖで示される負荷電流である。 ３．方形波上で重畳される波形は、電池過渡電流であり、５００ｍＡ／ｄｉｖ
で示される。スーパーキャパシタの存在によって、図６内の対応するトレースで
見られた電池電流内の主なばらつきが除去され、ほぼ直線のラインが残されたこ
とが注目される。

【００７９】 ４．底部のトレースは、電池から引き出される瞬時電力に比例する信号であり
、電池電圧と電流との積である。スーパーキャパシタによって、図６で見られた
大きな電力のばらつきが除去された。

【００８０】 図８は、並列のスーパーキャパシタが存在する場合と、存在しない場合での、
電池から引き出される瞬時電力のグラフ比較である。垂直な線は、電池から引き
出される瞬時電力の範囲を示し、各々の上にある水平のマーカーは、テスト中に
引き出される平均電力を示す。

【００８１】 最も長い３本の垂直な線は、３つの別個のテストで電池のみから引き出される
電力である。電池と並列なスーパーキャパシタが存在しない場合での電力消費は
、８００ｍＷと９５００ｍＷとの間で変化する。最も短い３本の垂直の線は、ス
ーパーキャパシタが電池と並列であったときの電池それ自体からの電力消費の範
囲である。３つの異なるスーパーキャパシタが用いられ、スーパーキャパシタの
ＥＳＲの範囲にかかわらず、結果は非常に類似していた。これは、電池の内部抵
抗に対する、すべてのスーパーキャパシタの低いＥＳＲのためである。左から右
に向かって、名称Ｍｋ２ Ｓ／Ｃ♯１、Ｍｋ１ Ｓ／Ｃ♯１、およびＭｋ２ Ｓ
／Ｃ♯２によって識別されるスーパーキャパシタは、近似キャパシタンスおよび
ＥＳＲ、４０ファラドおよび４ｍΩ、５０ファラドおよび７．８ｍΩ、５０ファ
ラドおよび７．６ｍΩによって特徴付けられた。用いられている電池の近似８０
ｍΩ内部抵抗に基づくと、これによって結果として、ＥＳＲと内部抵抗とのそれ
ぞれの比が５．０％、９．８％、および９．５％となる。

【００８２】 他の実施例では、より低いコストのために、より高いＥＳＲのスーパーキャパ
シタが用いられる。それにもかかわらず、かなりの利得が得られる。

【００８３】 この発明の好ましい実施例で用いられるスーパーキャパシタは、応用に応じて
製造される。いくつかの実施例では、スーパーキャパシタは薄く、軽く、可変形
状因子を備えている。しかし、別の実施例では、スーパーキャパシタは剛性のハ
ウジング内に含まれる。単一のスーパーキャパシタ単電池は定格で、連続的な使
用では２．３ボルト、最大で２．５ボルトとなっているが、より高い電圧での短
い過渡電流も許容できる。より高い電圧で動作する実施例では、スーパーキャパ
シタは、スーパーキャパシタ単電池の直列組合せから構成される。

【００８４】 スーパーキャパシタの電流定格はまた、応用の性質によって決定される。いく
つかの実施例では、充電、放電、またはリプル電流はミリアンペアのオーダであ
るが、他の実施例では、これらの電流は２０アンペア以上のオーダである。

【００８５】 図９は、この発明に従った電源内での使用に適用可能であるスーパーキャパシ
タの２つのさらなる例を提供する表である。

【００８６】 電池が放電された後、放電が長すぎない場合、または深すぎない場合には、そ
れは最終的に電流が引き出される前の初期の電圧付近にまで回復することが以前
の研究によって示された。この効果は、放電中の電池内の電極面での電気的活性
種の集束空乏のために起こる。一旦放電が終了すると、分子が平衡化されて、放
電中に起こった電子の流れのために最初の集束よりもより低い均一な集束が再び
作られる。放電および平衡は、主に拡散的であり、したがって、時間の平方根に
依存しやすいと考えられる。

【００８７】 Ｐスパイス（Pspice）を用いたモデリング電池挙動によって、この現象のいく
つかの局面の考察が可能となる。本出願人は、このようなモデルの研究を依頼し
、これは、１９９９年７月１２日付のＪ．Ｇ．ラスメル博士（Dr J.G. Rathmell
）による「電池／スーパーキャパシタ放電のＰスパイスモデリング（PSPICE MOD
ELLING OF BATTERY/SUPERCAPACITOR DISCHARGE）」と題された公開されていない
論文のテーマであった。この論文のコピーは、この明細書の一部として組込まれ
、付録文書１として示される。付録文書１内で「図１」、「図２」（以下続く）
と呼ばれる図は、この明細書中で図の一部として含まれ、図１６、図１７（以下
続く）としてそれぞれ示される。

【００８８】 このモデリングは発明者によって適用されて、この発明の好ましい実施例が発
展した。特に、モデリングは、ＧＳＭ型の携帯電話内で用いられるようなパルス
負荷の場合に関して展開され、それに適合された。電池モデルでは、特徴のある
時定数を備えたＲＣ回路およびルックアップテーブルが用いられて効果が示され
ている。モデリング条件は、内部抵抗０．６オーム、容量１．２Ａｈ、時定数τ
１０秒を有するＲＭＳ定格損失モデルを備えたＡＡＡアルカリ電池の使用を含ん
だ。ＩＲＡＴＩＯ（Ｉ_RMS／Ｉ_average）の２つの値、実用で達成されるような電
池およびスーパーキャパシタの組合せをシミュレートするための値１．０２と、
平均電流がＧＳＭ波形に基づいた０．３アンペアに等しい、電池のみのための１
．６２とが用いられた。

【００８９】 図１０および図１５は、この発明の好ましい実施例の実用的な実現例に従った
上述のモデリングの結果を含む。つまり、電池と並列なスーパーキャパシタの存
在によって放電の深さが減じられるため、それが有利であることがはっきりと示
されている。加えて、放電サイクルを電池回復レートに一致させる効果が示され
る。使用できる容量は、放電が０．７Ｖに達するのにかかる時間から計算され、
トータルでの利用可能な時間は、定格容量および平均電流から得られる。結論と
して、エネルギの「大きな部分(bites)」をいくつかとるよりも、エネルギの「
小さな部分」を多くとる方が良いが、たとえ「大きな部分」がとられたとしても
、スーパーキャパシタを用いることからかなりの利点が得られる。

【００９０】 図１１から図１４は、電池性能上での、時定数の分数として表わされる、オン
タイム(on-time)効果を示す。再び、電池容量は、定格容量および平均電流から
計算され、電池の時定数は１０秒であり、内部抵抗は０．６オームである。これ
らのグラフはより明確に放電の深さを最小にする効果を示している。「スーパー
キャパシタの利点」は、「空乏」効果が明らかになる条件下では少なくなるが、
それでもかなりの利点が得られることも注目に値する。

【００９１】 上述のモデリングの研究のテーマである電池電流と、電池によって提供される
電力との間の関係を考慮に入れると、ここでの教示から、図８で示される電力消
費特性は、モデル電流特性と完全に一貫していることが明らかとなる。

【００９２】 この発明は具体的な例を参照しながら説明されたが、これは多くの他の形で具
体化され得ることが当業者によって理解されるであろう。

【００９３】

【付録文書】

【００９４】

【００９５】 要約 Ｐスパイス大規模モデルのライブラリが、スーパーキャパシタおよび電池のた
めに開発された。関連の電池は、鉛蓄、アルカリ、ニッカド、Ｎｉｍｈ、および
リチウムイオンである。これらのモデルは、速いパルス下で失われる容量を組込
むように変更された。スーパーキャパシタのインピーダンスおよび位相、スーパ
ーキャパシタを備えた電池寿命／容量の増大、および電池放電を示すシミュレー
ションが行なわれた。

【００９６】 概論／範囲 この報告書の範囲は、Ｐスパイス電池モデルのライブラリの開発および速いパ
ルス下での電池／スーパーキャパシタ放電のＰスパイスシミュレーションの研究
、特に、並列のスーパーキャパシタを用いることによる電池容量の増大を含む。
電池モデルは、鉛蓄、アルカリ（Ｎ，ＡＡＡ，ＡＡ，Ｃ，Ｄ＆９Ｖ）、ニッカド
、Ｎｉｍｈ、およびリチウムイオンである。これらのモデルは、変更例および訂
正例とともに、文献［１−３］から主に集められた。実現されるスーパーキャパ
シタのモデルは、キャップ−ＸＸ［４］が提供するＲＣＣＰＥモデルである。実
験によるモデルの検証は、なされなかった。

【００９７】 スーパーキャパシタモデル スーパーキャパシタが［４］で説明される。シミュレーションで用いられるス
ーパーキャパシタのモデルおよびパラメータは、［４］および対応のものの中で
キャップ−ＸＸによって提供されるようなものである。モデルは、単純なＲ、Ｃ
、プラス一定の位相項（ＲＣＣＰＥ）であり、周波数従属インピーダンスを示す
。

【００９８】

【数１】

【００９９】 Ｒは直列等価抵抗（ＳＥＲ）であり、Ｃはキャパシタンスであり、Ｔは絶対値
であり、Ｐは指数であり、

【０１００】

【数２】

【０１０１】 である。 このモデルは、Ｐスパイスラプラスアナログ挙動モデリングの形を用いて実現
された。このモデルの３つの形が実現された。すなわち、これらは、式を直接特
定するＳＵＰＥＲ１、遅延項を組込むＳＵＰＥＲ２、および別個の実数項と虚数
項としてＣＰＥ項を分解するＳＵＰＥＲ３である。（付録７参照）。これらは、
実験のためのものであり、（遅延以外は）等しい。さらに、モデルＲＣＴＥＳＴ
も実現され、これは、スーパーキャパシタモデルと比較するための単純な直列Ｒ
Ｃ回路である。

【０１０２】 ＣＰＥ項は、警告メッセージが与えられた時に、非因果インパルス応答を有す
るものとして、Ｐスパイスによって解釈されることが注目される。遅延項（ｅ^{-s a} ）は、Ｐスパイスによって提案されてこれを分解する。このような遅延は、実
験的検証を必要とするようなやり方でシミュレーションの結果を変更する。非因
果インパルス応答は、ここで行なわれるａｃおよび過渡分析にとって問題ではな
いため、この警告は無視される。結局、ＲＣＣＰＥモデルは、場合によっては好
適なフィルタ関数でｓモデルをたたみ込むことによって、Ｐスパイスが関連する
全周波数範囲にわたって適用可能となるように変更されるべきである。

【０１０３】 図１は、３つのスーパーキャパシタモデルおよびＲＣＴＥＳＴモデルのための
周波数の関数としてのインピーダンスの大きさおよび位相を示す。モデルＳＵＰ
ＥＲ１および３は同一である。これらの結果は、キャップ−ＸＸが提供するプロ
ットに匹敵する。図２は、図１と同様の結果を備えた、上のモデルの過渡分析を
示す。これらのシミュレーションで用いられるＰスパイスソースファイルは、付
録１および２で与えられる。モデルは付録７に含まれる。

【０１０４】 モデルの限界は、パラメータが静的インピーダンススペクトロスコピーから得
られることである。したがって、それらは、印加された電圧およびレート依存の
異常とともに非線形を組込まない。特に、モデルは、ここで扱われる速いパルス
負荷下で実験的に検証されなかった。それにもかかわらず、モデルは妥当である
と想定される。

【０１０５】 電池モデル 付録７は、扱われる電池のモデルを与え、これらは、鉛蓄、アルカリ（Ｎ，Ａ
ＡＡ，ＡＡ，Ｃ，Ｄ，＆９Ｖ）、ニッカド、Ｎｉｍｈ、およびリチウムイオンで
ある。これらのモデルは、［１−３］から得られた。いくつかのデバッギング、
訂正、および変更がなされた。６つのアルカリスタイルが、わずかに異なるこれ
らの挙動のために行なわれた。

【０１０６】 ［１］からの図３は、これらのモデルの一般的な形を示す。ニッカドおよびリ
チウムイオンのモデルは、温度のためのさらなる項を有する。ニッカドおよびＮ
ｉｍｈのモデルも、低レート放電のための訂正項を有する。

【０１０７】 すべてのモデルは、電池電圧ソースおよび直列抵抗を含む出力回路（＋ＯＵＴ
ＰＵＴ、−ＯＵＴＰＵＴ）からなる。Ｖ＿Sense項は、電池電圧の訂正で用いる
ための電池電流をセンスする(sense)。モデルの残りの部分は、放電レート、温
度、および年数等に関する電池電圧の訂正に関する。すべては、ルックアップテ
ーブルを用いて電池電圧をこれらに関連させる。

【０１０８】 ここで特に注目されるものは、大きな放電下での利用可能な電池容量の電気化
学的な減少をモデル化しようとするＥ＿Lost＿Rate項である。これは、ルックア
ップテーブルを用いて（ＲＣ遅延によって）遅延された放電レートの非線形関数
としてモデル化される。図４は、モデル化された電池のための損失レート対放電
レートを示す。

【０１０９】 スーパーキャパシタの使用による電池容量の向上を研究するとき、関わってく
るものは、主に損失レートである。図４が示すように、放電レートを伴った電池
容量のこの減少は、電池の種類に応じて１０％から８０％で変化する。したがっ
て、スーパーキャパシタを電池に結合する有効性は、電池の種類および負荷に大
きく依存する。この損失容量は、負荷が除去されるとやがては回復するため、こ
こでは連続的な負荷が主に考察されることも注目される。

【０１１０】 損失レートの遅延および回復時定数も電池の種類とともに、ニッカド、Ｎｉｍ
ｈおよびリチウムイオンの３ｓ、アルカリの１０ｓから、鉛蓄の６０ｓまで、大
きく変化する。

【０１１１】 付録７の電池モデルは、（損失レート時定数よりもずっと大きな変動時間、つ
まり、１Ｈｚよりもずっと小さな周波数を有する）比較的一定の負荷の下での放
電をモデル化するために設計された。この研究は、１００Ｈｚよりも大きな周波
数のパルス電流負荷に関する。これらを用いると、損失レートはｒｍｓ負荷電流
の関数であるが、これは依然として遅延オンセット［１］を備えている。これら
の周波数では、損失容量の電気化学的な回復は、パルス間では起こらない。

【０１１２】 比較的一定である負荷電流では、平均値およびｒｍｓは比較できるため、現存
のモデルは、損失レートを平均電流に関連づけるのみである。この研究では、損
失容量テーブルルックアップで用いられる遅延および平均放電レートの変更を通
して、これらのモデルが変更されて損失レートがｒｍｓ負荷電流に関連づけられ
た。

【０１１３】 平均損失レートを与える回路素子は、以下の形である。

【０１１４】

【数３】

【０１１５】 これらは以下のように変更されてｒｍｓ損失レートが与えられた。

【０１１６】

【数４】

【０１１７】 付録７は、電池の種類の各々のために２つのモデル、ＭＯＤＥＬ＿ＲおよびＭ
ＯＤＥＬ＿Ａを含み、これらは、それぞれｒｍｓおよび平均放電レートを用いて
損失容量を計算する。以下で、＿Ｒモデルが用いられる。

【０１１８】 モデル内の温度効果は、既にｒｍｓ負荷電流を含む。 放電シミュレーション この研究で用いられるパルス負荷は、調整器またはＤＣ−ＤＣコンバータによ
って電池から引出されると考えられるようなパルス電流源である。パルスタイミ
ングは、ＧＳＭ電話ハンドセットにおいて予期され得るもの、４．６１５ｍｓフ
レーム［５］での送信のための０．５７７ｍｓタイムスロット、つまり、非常に
軽い放電が後に続く送信中の短くて重い放電を反映するように選ばれた。負荷電
流振幅は、損失レート効果を示すために選ばれた。これらは、実験的な検証を必
要とする。

【０１１９】 この研究の目的は、並列なスーパーキャパシタを用いることにより、高速パル
ス化によって電池容量の向上を示すことである。ここで注目される電池の効果は
、損失容量、温度、および電圧ドロップアウトである。ここでは損失容量のみが
研究されるが、３つすべてを取扱うことは、パルス電流のバルクを供給し、さら
にはパルス間で充電されるスーパーキャパシタを用いて電池パルス電流振幅（し
たがって、電圧降下）を減じることを含む。したがって、電池ｒｍｓ電流が減じ
られ、損失容量および内部電力消費（温度）が減じられる。

【０１２０】 図５は、３つの異なるスーパーキャパシタ抵抗Ｒ_supについての、ＧＳＭ負荷
期間のあいだのスーパーキャパシタを備えたＡＬＫ＿ＡＡ＿Ｒモデルを示す。付
録３は、Ｐスパイスソースファイルを示す。電池電流パルス振幅および電圧降下
の減少は、電池抵抗Ｒ_batと比較したＲ_supの相対的な大きさに関連する。降下を
決定するのは、Ｒ_bat／／Ｒ_supである。したがって、最も優れた結果のためには
、Ｒ_supは、Ｒ_batよりもずっと小さい。

【０１２１】 図６（および付録４）は、Ｃ_supの３つの異なる値を備えた同じシミュレーシ
ョンを示す。スーパーキャパシタの時定数Ｒ_supＣ_supは、パルスの持続時間の間
スーパーキャパシタの放電を実質的に維持し、かつ負荷期間にわたって充電を広
げるのに十分なほど大きくなければならない。したがって、スーパーキャパシタ
の時定数は、負荷期間よりも大きいか、またはそれと等しくあるべきである。

【０１２２】 図７（および付録５）は、スーパーキャパシタが存在する場合と、スーパーキ
ャパシタが存在しない場合での、ＡＬＫ＿ＡＡ＿Ｒ電池モデルのための１０秒シ
ミュレーションの最後のサイクルのパルス放電を示す。用いられるスーパーキャ
パシタは、キャップ−ＸＸ Ｅ/クレジットカード（Credit Card）である。

【０１２３】 スーパーキャパシタがない場合での電荷の状態（容量）および電池電圧のより
大きな減少が、ここでは注目される。

【０１２４】 ＡＬＫ＿ＡＡ＿電池モデルは、放電とともに大きな損失レートを有するものと
して、ここで用いられた。用いられたスーパーキャパシタは、この電池を補完す
るためにＲＣを有するものとして選ばれた。６０％の最大損失レートを与えるた
めに、負荷電源振幅（１Ａ_rms、０．４４Ａ_average）が選ばれた。

【０１２５】 図７から、スーパーキャパシタは電池負荷を０．４５Ａ_rmsまで減じる。この
レベルでは、損失レートは３６％である。電池ｒｍｓ電流の限界は、この場合で
は、負荷電流平均値０．４４Ａであろう。これによって、損失レート３５．４％
が与えられる。

【０１２６】 ここでは、シミュレーション時間が大きな問題である。上の１０秒のシミュレ
ーションは、ペンティアム（Ｒ）１００（ＨＰ Ｏｍｎｉ８００ｃｔ）上で約１
０００秒を要した。完全な電池放電（数時間）をシミュレートすると、１週間よ
り長くかかるだろう。問題は、シミュレーションの時間は、回路ノードの活動お
よび回路の複雑性と関連していることである。速いパルスでは、ノード状態（電
圧および電流）は、急速に変化する。このとき、シミュレーションのタイムステ
ップは、回路の時定数に対して非常に小さくなければならない。シミュレーショ
ンは、負荷期間当り約０．５秒を要し、完全な放電は、数百万負荷パルスを必要
とする。

【０１２７】 すべてが損失するわけではない。平均電流および損失レートの程度が注目され
る。後者は、図７から決定され得る。電池モデルは変更されてデフォルト１でパ
ラメータＩＲＡＴＩＯ＝Ｉ_rms／Ｉ_averageが組込まれた。これが用いられて、一
定の負荷電流Ｉ_average下でシミュレートされるときに、ある特定のｒｍｓ放電
レートに適用される損失レートが設定される。一定の電流下では、シミュレーシ
ョンは非常に速い。

【０１２８】 損失レートを与える上述の回路素子は、以下のように変更されて一定の電流下
で適切なｒｍｓ損失レートが与えられた。

【０１２９】

【数５】

【０１３０】 図８（および付録６）は、実行に４秒を要するようなシミュレーションを示す
。（スーパーキャパシタあり、スーパーキャパシタなしの）両方のケースは同じ
放電レートを有するが、スーパーキャパシタを備えない電池は、より大きな損失
レートを被ることが注目される。したがって、その放電寿命はかなり短くなる（
３６％と比較した６０％）。したがって、これによって、スーパーキャパシタが
存在する場合に延長される電池寿命が示される。

【０１３１】 考察／さらなる研究 ｒｍｓ放電損失レートのための変更を伴った電池モデルによって、短い持続時
間と長い持続時間との両方での速いパルス放電のシミュレーションが可能となる
。

【０１３２】 この研究の限界は、速いパルス負荷の下での電池モデルとスーパーキャパシタ
モデルとの両者の実験的検証の欠如である。

【０１３３】 以下がさらに必要とされる。 ・電池の速いパルス損失レートモデリングの検証、 ・測定およびモデルフィッティングによる、速いパルス下での電池モデルの改
善、 ・損失レートを表す区分的に線形な表関数の精度／細分性、および測定とモデ
ルフィッティングとによる、非線形とレート依存性との両者に関してのスーパー
キャパシタモデルの拡大、 ・電池および負荷（スーパーキャパシタＲ＆Ｃの選択）の範囲での、応用基準
およびスーパーキャパシタ設計の詳細、および ・実負荷電流の測定。

【０１３４】

【参考文献】

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に従った電源の概略図である。

【図２】 電池の内部抵抗およびスーパーキャパシタの等価直列抵抗を示す
、図１の電源の概略図である。

【図３】 並列のスーパーキャパシタが「存在する」場合と、存在しない場
合での電池の放電を示すチャートの図である。

【図４】 図３の放電サイクルのうちの１つのサンプルを示す図である。

【図５】 典型的なノート型コンピュータの電源内で発生する過渡電流の概
略図である。

【図６】 スーパーキャパシタを備えないインテル（Ｒ）ウイドベイノート
ブックプラットホームの電力システム内の電圧および電流波形のサンプルを示す
図である。

【図７】 電池と並列なスーパーキャパシタを備えたインテル（Ｒ）ウイド
ベイノートブックプラットホームの電力システム内の電圧および電流波形のサン
プルを示す図である。

【図８】 並列のスーパーキャパシタが存在する場合と、存在しない場合で
のノート型コンピュータの電池から引出される瞬時電力のグラフを示す図である
。

【図９】 この発明に従った電源内での使用に適用可能なスーパーキャパシ
タの２つの追加的な例を提供する表を示す図である。

【図１０】 ＧＳＭ携帯電話負荷および５０秒の呼出サイクルで用いられる
ためのこの発明に従った電源のモデル化されたパフォーマンスのグラフを示す図
である。

【図１１】 ＧＳＭ携帯電話負荷および５秒のオンタイムで用いられるため
のこの発明に従った電源のモデル化されたパフォーマンスのグラフを示す図であ
る。

【図１２】 ＧＳＭ携帯電話負荷および１０秒のオンタイムで用いられるた
めのこの発明に従った電源のモデル化されたパフォーマンスのグラフを示す図で
ある。

【図１３】 ＧＳＭ携帯電話負荷および２０秒のオンタイムで用いられるた
めのこの発明に従った電源のモデル化されたパフォーマンスのグラフを示す図で
ある。

【図１４】 ＧＳＭ携帯電話負荷および５０秒のオンタイムで用いられるた
めのこの発明に従った電源のモデル化されたパフォーマンスのグラフを示す図で
ある。

【図１５】 この発明の用途を示す表の図である。

【図１６】 付録文書１内で「図１」と呼ばれる図である。

【図１７】 付録文書１内で「図２」と呼ばれる図である。

【図１８】 付録文書１内で「図３」と呼ばれる図である。

【図１９】 付録文書１内で「図４」と呼ばれる図である。

【図２０】 付録文書１内で「図５」と呼ばれる図である。

【図２１】 付録文書１内で「図６」と呼ばれる図である。

【図２２】 付録文書１内で「図７」と呼ばれる図である。

【図２３】 付録文書１内で「図８」と呼ばれる図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール，ジョージ・ロンギ オーストラリア、2067 ニュー・サウス・ ウェールズ州、チャッツウッド・ウェス ト、グレビル・ストリート、21・エイ (72)発明者 ケシシャン，サルキス オーストラリア、2115 ニュー・サウス・ ウェールズ州、アーミントン、ビクトリ ア・ロード、２／684−686 (72)発明者 マオン，ピーター・ジョン オーストラリア、2114 ニュー・サウス・ ウェールズ州、メドウバンク、メドウ・ク レセント、８／45 Ｆターム(参考） 5G003 BA04 DA04 DA18 GC05 5H029 AJ02 AJ05 AK01 AL01 AM02 BJ02 DJ05 HJ20 5H040 AA36 AA40 AS12 AT01 AY03 DD08 LL04 NN05

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エネルギ蓄積装置であって、前記エネルギ蓄積装置は、 予め定められた内部抵抗Ｒと、電池への電気的接続を可能にするための２つの
   端子とを有する電池と、 端子と並列に接続され、さらには予め定められた等価直列抵抗ＥＳＲを有する
   スーパーキャパシタとを含み、ＥＳＲ＜０．５．Ｒである、エネルギ蓄積装置。
2. 【請求項２】 ＥＳＲ＜０．３５．Ｒである、請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 ＥＳＲ＜０．２５．Ｒである、請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】 スーパーキャパシタが提供するキャパシタンスは、パルス化
   された負荷プロファイルが電池電流を予め定められた最大値に制限するのに十分
   である、請求項１に記載の装置。
5. 【請求項５】 スーパーキャパシタは、エネルギ蓄積装置が放電するとき実
   質的に一定の電流を提供する、請求項１に記載の装置。
6. 【請求項６】 電池とスーパーキャパシタとの両者を含むハウジングを含み
   、端子はハウジングの外側からアクセス可能であって負荷に接続される、請求項
   １に記載の装置。
7. 【請求項７】 持ち運び可能な電子装置のための電源であって、電源は、請
   求項１に記載のエネルギ蓄積装置と、エネルギ蓄積装置の端子に係合するための
   供給レールとを含む、電源。
8. 【請求項８】 供給レールは選択的に端子に係合する、請求項７に記載の電
   源。
9. 【請求項９】 端子は、供給レールとの係合から外されて同様のエネルギ蓄
   積装置の同様の端子が供給レールと係合されることが可能となる、請求項８に記
   載の電源。
10. 【請求項１０】 エネルギ蓄積装置であって、前記エネルギ蓄積装置は、 電池電流を提供し、さらには負荷に電気的に接続されるための２つの端子を有
    する電池と、 端子と並列に接続され、さらには使用中には電池電流を予め定められたしきい
    値に制限する予め定められたキャパシタンスを有するスーパーキャパシタとを含
    む、エネルギ蓄積装置。
11. 【請求項１１】 負荷はエネルギ蓄積装置からパルス電流を引出す、請求項
    １０に記載の装置。
12. 【請求項１２】 電源であって、 電池電流を提供し、さらにはパルス電流を要求する負荷と電気的に接続される
    ための２つの端子を有する電池と、 端子と並列に接続されて電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値との比を約１
    ．５よりも下に維持するスーパーキャパシタとを含む、電源。
13. 【請求項１３】 スーパーキャパシタは、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の
    平均値との比を約１．３よりも下に維持する、請求項１２に記載の電源。
14. 【請求項１４】 スーパーキャパシタは、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の
    平均値との比を１．１よりも下に維持する、請求項１２に記載の電源。
15. 【請求項１５】 エネルギ蓄積装置であって、 電池電流を提供し、さらにはパルス電流を要求する負荷に電気的に接続される
    ための２つの端子を有する電池と、 端子と並列に接続されて電池電流のＲＭＳ値と電池電流の平均値との比を約１
    ．５よりも下に維持するスーパーキャパシタとを含む、エネルギ蓄積装置。
16. 【請求項１６】 スーパーキャパシタは、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の
    平均値との比を約１．３よりも下に維持する、請求項１５に記載のエネルギ蓄積
    装置。
17. 【請求項１７】 スーパーキャパシタは、電池電流のＲＭＳ値と電池電流の
    平均値との比を１．１よりも下に維持する、請求項１５に記載のエネルギ蓄積装
    置。
18. 【請求項１８】 電源であって、 パルス電流を要求する負荷と電気的に接続されるための２つの端子を有する電
    池と、 端子と並列に接続されて電池が提供する瞬時電力の範囲と電池が提供する電力
    の平均値との比を予め定められたしきい値よりも下に維持するスーパーキャパシ
    タとを含む、電源。
19. 【請求項１９】 予め定められたしきい値は１．５である、請求項１８に記
    載の電源。
20. 【請求項２０】 予め定められたしきい値は１である、請求項１８に記載の
    電源。
21. 【請求項２１】 予め定められたしきい値は０．３である、請求項１８に記
    載の電源。
22. 【請求項２２】 エネルギ蓄積装置であって、 パルス電流を要求する負荷と電気的に接続されるための２つの端子を有する電
    池と、 端子と並列に接続されて電池が提供する瞬時電力の範囲と電池が提供する電力
    の平均値との比を予め定められたしきい値よりも下に維持するスーパーキャパシ
    タとを含む、エネルギ蓄積装置。
23. 【請求項２３】 予め定められたしきい値は１．５である、請求項２２に記
    載のエネルギ蓄積装置。
24. 【請求項２４】 予め定められたしきい値は１である、請求項２２に記載の
    エネルギ蓄積装置。
25. 【請求項２５】 予め定められたしきい値は０．３である、請求項２２に記
    載のエネルギ蓄積装置。