JP2005080466A

JP2005080466A - 蓄電装置及びそれを備えた動力出力装置

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Publication number: JP2005080466A
Application number: JP2003310594A
Authority: JP
Inventors: Yoji Azuma; 陽二東; Kazuo Yamashita; 和郎山下; Satoru Masho; 哲間正; Ryutaro Nozu; 龍太郎野津
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nisshinbo Industries Inc; Nisshin Spinning Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc; Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP4170177B2

Abstract

【課題】大エネルギーを蓄積することができるとともに大電力を瞬時に取り出すことができ、さらに長寿命化を実現できる蓄電装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１８の始動に用いられる電動機２０のように駆動頻度が低いものの瞬時に大電力の供給を要求される負荷については、瞬時に大電力を取り出せる電気二重層キャパシタＣ１００から電力が供給される。一方、車両電装品のように瞬時に大電力の供給を必要としないものの略常時駆動される負荷２２については、大エネルギーを蓄積できる二次電池Ｓ１０１から電力が供給される。また、二次電池Ｓ１０１から電動機２０側へ流れる電流及び電気二重層キャパシタＣ１００から負荷２２側へ流れる電流が電流制限手段１４によって制限される。
【選択図】図１

Description

本発明は、繰り返し充放電可能な蓄電装置及びそれを備えた動力出力装置に関する。

従来の蓄電装置の一例が特開平６−２６４８５１号公報（特許文献１）に開示されている。この装置は、自動車用の蓄電装置であり、始動用蓄電池と負荷用蓄電池の２つの蓄電池を備えている。そして、例えばエンジン始動用のスタータモータのような瞬時負荷は始動用蓄電池に分担させ、例えばランプ類のような定常負荷は負荷用蓄電池に分担させている。これによって、始動用蓄電池は効率放電用、負荷用蓄電池は低率放電用の設計を可能とし、蓄電池の長寿命化を図っている。その他にも、特許文献２に示す自動車用蓄電装置が開示されている。

特開平６−２６４８５１号公報特開平５−３４３１０３号公報

しかし、このような蓄電池は電気化学反応を用いて負荷に供給するためのエネルギーを蓄積しているため、瞬時に取り出せる電力及び長寿命化には限界がある。したがって、この従来の蓄電装置においては、大電力を瞬時に取り出すこと及び長寿命化が困難であるという問題点がある。

一方、繰り返し充放電可能な蓄電装置として、蓄電池以外に電気二重層キャパシタも利用されている。電気二重層キャパシタは電気化学反応を用いないため、大電力を瞬時に取り出すことが可能であり、かつ長寿命という特徴を有している。しかし、電気二重層キャパシタについては、蓄電エネルギーは電気化学反応を用いる蓄電池より劣り、大エネルギーを蓄積することが困難であるという問題点がある。

本発明は、大エネルギーを蓄積することができるとともに大電力を瞬時に取り出すことができ、さらに長寿命化を実現できる蓄電装置及びそれを備えた動力出力装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、第１の本発明に係る蓄電装置は、第１の負荷と、該第１の負荷より駆動頻度が低くかつ駆動時の消費電力が大きい第２の負荷と、を駆動するための電力を供給可能な蓄電装置であって、二次電池、該二次電池の両端子間に接続された電気二重層キャパシタ、及び該二次電池と該電気二重層キャパシタとの間に流れる電流を制限するための電流制限手段を備え、前記第１の負荷を駆動するための電力は二次電池から供給され、前記第２の負荷を駆動するための電力は電気二重層キャパシタから供給されることを特徴とする。

第１の本発明によれば、二次電池に大エネルギーを蓄積することができるとともに電気二重層キャパシタから大電力を瞬時に取り出すことができる。さらに、第１の本発明によれば、駆動頻度が低いものの瞬時に大電力の供給を要求される負荷については二次電池からではなく瞬時に大電力を取り出せる電気二重層キャパシタから電力が供給され、電流制限手段により二次電池と電気二重層キャパシタとの間に流れる電流が制限される。したがって、二次電池の大電流放電に起因した電圧変動を抑制することができるので、蓄電装置の長寿命化を実現できる。

第２の本発明に係る蓄電装置は、第１の本発明に記載の装置であって、前記二次電池の電圧を昇圧して前記電気二重層キャパシタへ供給する昇圧回路を備えることを特徴とする。

第２の本発明によれば、二次電池の電圧を昇圧して電気二重層キャパシタへ供給する昇圧回路を備えることにより、電気二重層キャパシタに蓄積できる電気エネルギーを増大させることができ、かつ第２の負荷を駆動する際の電流を低減させることができる。

第３の本発明に係る蓄電装置は、第１の負荷と、該第１の負荷より駆動頻度が低くかつ駆動時の消費電力が大きい第２の負荷と、を駆動するための電力を供給可能な蓄電装置であって、二次電池と、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタと、各電気二重層キャパシタの両端子間を磁気的に結合し、各電気二重層キャパシタの両端子間に略同一の誘起電圧を印加可能な充電用トランスと、該誘起電圧が各電気二重層キャパシタの両端子間に印加されるように、各電気二重層キャパシタと充電用トランスとの間の接続状態を切り換え可能な切換手段と、各電気二重層キャパシタと充電用トランスとの間の接続状態の切り換え制御を行う制御手段と、を備え、複数の電気二重層キャパシタは、二次電池の両端子間に接続された電気二重層キャパシタ及び二次電池の両端子間に接続されない電気二重層キャパシタによって構成され、二次電池の両端子間に接続されない電気二重層キャパシタについては、前記制御手段により各電気二重層キャパシタと充電用トランスとの間の接続状態を切り換えることで、充電用トランスに発生する誘起電圧が印加されて充電が行われ、前記第１の負荷を駆動するための電力は二次電池から供給され、前記第２の負荷を駆動するための電力は複数の電気二重層キャパシタから供給されることを特徴とする。

第３の本発明によれば、各電気二重層キャパシタの両端子間に略同一の誘起電圧を印加することができるので、各電気二重層キャパシタの電圧が均等になるように充電を行うことができる。さらに、二次電池の両端子間に接続されない電気二重層キャパシタについても、充電用トランスに発生する誘起電圧が印加されることにより充電が行われるので、例えばＤＣ−ＤＣコンバータのような昇圧用の回路を用いることなく二次電池からの電圧を昇圧させて電気二重層キャパシタの充電を行うことができる。したがって、電気二重層キャパシタに蓄積できる電気エネルギーを増大させることができ、かつ第２の負荷を駆動する際の電流を低減させることができる。

第４の本発明に係る蓄電装置は、第３の本発明に記載の装置であって、前記二次電池と該二次電池の両端子間に接続された電気二重層キャパシタとの間に流れる電流を制限するための電流制限手段を備えることを特徴とする。

第４の本発明によれば、二次電池と電気二重層キャパシタとの間に流れる電流が制限されるので、二次電池の大電流放電に起因した電圧変動を抑制することができる。したがって、蓄電装置の長寿命化を実現できる。

第５の本発明に係る動力出力装置は、第１〜４の本発明のいずれか１に記載の蓄電装置及び動力出力用の内燃機関を備えた動力出力装置であって、前記第２の負荷は内燃機関を始動可能な電動機であり、前記電気二重層キャパシタから供給される電力は、電動機が内燃機関を始動させるために消費されることを特徴とする。

第５の本発明によれば、瞬時に大電力を取り出すことのできる電気二重層キャパシタから供給される電力によって内燃機関を始動させることができるので、内燃機関の始動性を改善することができる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る蓄電装置を含む動力出力装置の構成の概略を示す図である。本実施形態に係る動力出力装置は、二次電池Ｓ１０１、電気二重層キャパシタＣ１００、電流制限手段１４、発電機１６、内燃機関１８及び電動機２０を備えている。また、本実施形態に係る動力出力装置の適用例としては、内燃機関１８を動力源として備えた車両用に用いた例が挙げられる。

二次電池Ｓ１０１は、電気化学反応を用いて電気エネルギーを蓄積することができる。電気二重層キャパシタＣ１００は、電気化学反応を用いずに電気エネルギーを蓄積することができ、二次電池Ｓ１０１の両端子間ＴＭ１１１，ＴＭ１１２に接続されている。なお、図示は省略しているが、電気二重層キャパシタＣ１００は複数のキャパシタが直列あるいは直並列に接続されて構成されており、キャパシタ全体の耐電圧が二次電池Ｓ１０１の定格電圧より高くなっている。また、二次電池Ｓ１０１の端子ＴＭ１１２は接地されている。

電流制限手段１４は、二次電池Ｓ１０１と電気二重層キャパシタＣ１００との間に流れる電流を制限するために、二次電池Ｓ１０１と電気二重層キャパシタＣ１００との間に設けられている。電流制限手段１４の具体的な構成の一例については、抵抗のみによって本発明の電流制限手段１４を実現することができる。

動力出力用の内燃機関１８は、その出力軸に連結されている例えば車輪等の負荷（図示せず）に動力を出力可能である。また、内燃機関１８の運転時には、発電機１６が発電状態に駆動される。

二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間には、発電機１６がスイッチ３２を介して接続されている。スイッチ３２が導通状態（イグニッションのオン時）にあり発電機１６が発電状態に運転されているときは、発電機１６によって二次電池Ｓ１０１の充電を行うことができる。

電気二重層キャパシタＣ１００には二次電池Ｓ１０１からの電圧が印加される。この二次電池Ｓ１０１からの印加電圧によって、電気二重層キャパシタＣ１００の充電を行うことができる。ただし、電流制限手段１４によって二次電池Ｓ１０１から電気二重層キャパシタＣ１００側へ流れる電流は制限される。この電流制限手段１４によって、二次電池Ｓ１０１の電圧変動が抑制される。

二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間には、さらに負荷２２がスイッチ３２を介して接続されている。二次電池Ｓ１０１から供給される電力、あるいは二次電池Ｓ１０１及び発電機１６から供給される電力によって負荷２２の駆動が可能である。ここでの負荷２２は、例えば空調装置、オーディオ、ランプ類、及び警告灯類等を含む車両電装品であり、スイッチ３２の導通時（イグニッションのオン時）には略常時駆動される負荷である。なお、電流制限手段１４によって電気二重層キャパシタＣ１００から負荷２２側へ流れる電流は制限される。

電気二重層キャパシタＣ１００の両端子ＴＭ１０１，ＴＭ１０２間には、電動機２０がスイッチ３４を介して接続されている。スイッチ３４の導通時に電気二重層キャパシタＣ１００から供給される電力によって電動機２０を駆動させることで、停止状態の内燃機関１８を始動させることができる。

ここで、本実施形態の動力出力装置を備えた車両においては、停止時には内燃機関１８を一時的に停止させ、発進時にはスイッチ３４を導通させて電動機２０により内燃機関１８を再始動させる制御を行う。内燃機関１８の始動時には、瞬時に大電力が電動機２０によって消費されることになる。このように、ここでの電動機２０は、消費電力が大きくかつ瞬時的に駆動される負荷であり、負荷２２より駆動頻度が低くかつ駆動時の消費電力が大きくなる。

以上説明したように、本実施形態によれば、例えば内燃機関１８の始動に用いられる電動機２０のように駆動頻度が低いものの瞬時に大電力の供給を要求される負荷については、瞬時に大電力を取り出せる電気二重層キャパシタＣ１００から電力が供給される。一方、例えば車両電装品のように瞬時に大電力の供給を必要としないものの略常時駆動される負荷２２については、大エネルギーを蓄積できる二次電池Ｓ１０１から電力が供給される。このように、本実施形態の蓄電装置においては、大エネルギーを二次電池Ｓ１０１に蓄積することができるとともに大電力を電気二重層キャパシタＣ１００から瞬時に取り出すことができる。また、瞬時に大電力の供給を要求される負荷である電動機２０については、二次電池Ｓ１０１からではなく電気二重層キャパシタＣ１００から電力が供給されるので、蓄電装置の長寿命化を実現できる。

そして、電動機２０によって停止状態の内燃機関１８を始動させるときに、電気二重層キャパシタＣ１００から瞬時に大電力を供給することができるので、内燃機関１８の始動性を改善することができる。

さらに、本実施形態によれば、二次電池Ｓ１０１と電気二重層キャパシタＣ１００との間に流れる電流を制限する電流制限手段１４が設けられている。この電流制限手段１４によって、二次電池Ｓ１０１から電動機２０側へ流れる電流及び電気二重層キャパシタＣ１００から負荷２２側へ流れる電流を制限することができる。したがって、蓄電装置の更なる長寿命化を実現できる。

（２）第２実施形態
図２は、本発明の第２実施形態に係る蓄電装置を含む動力出力装置の構成の概略を示す図である。本実施形態においては、二次電池Ｓ１０１の電圧を昇圧して電気二重層キャパシタＣ１００へ供給する昇圧回路３０が電流制限手段１４と電気二重層キャパシタＣ１００との間に設けられている。昇圧回路３０については、例えばＤＣ−ＤＣコンバータによって構成され、その出力電圧が電気二重層キャパシタＣ１００の耐電圧を超えないように制御される。他の構成については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、大エネルギーを蓄積することができるとともに大電力を瞬時に取り出すことができ、かつ長寿命化を実現できる。さらに、本実施形態によれば、二次電池Ｓ１０１の電圧を昇圧して電気二重層キャパシタＣ１００へ供給する昇圧回路３０を設けることにより、電気二重層キャパシタＣ１００の電圧を二次電池Ｓ１０１の電圧より高くすることができるので、電気二重層キャパシタＣ１００に蓄積できる電気エネルギーを増大させることができる。さらに、内燃機関１８を始動させるときに電気二重層キャパシタＣ１００から電動機２０へ流れる電流を低減させることができる。

なお、上記の説明では、昇圧回路３０が電流制限手段１４と電気二重層キャパシタＣ１００との間に設けられている場合について説明したが、昇圧回路３０は二次電池Ｓ１０１と電流制限手段１４との間に設けられていてもよい。

（３）第３実施形態
図３は、本発明の第３実施形態に係る蓄電装置の構成の概略を示す図である。図３においては、発電機１６、内燃機関１８、電動機２０及び負荷２２の図示を省略しているが、それらの構成については第１実施形態と同様である。本実施形態においては、充電用トランスＴ１０１、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６及びスイッチ制御回路Ｂ１０１がさらに備えられている。

電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６は互いに直列に接続されている。直列接続された電気二重層キャパシタの各々については、電気二重層キャパシタセル単体であってもよいし、複数の電気二重層キャパシタセルが並列接続されたものであってもよい。

二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間には、電流制限手段１４を介して電気二重層キャパシタＣ１０４〜Ｃ１０６が接続されている。一方、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３については、二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間に接続されていない。このように、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６は、二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間に接続される電気二重層キャパシタＣ１０４〜Ｃ１０６、及び二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間に接続されない電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３によって構成されることになる。なお、電気二重層キャパシタＣ１０４〜Ｃ１０６全体の耐電圧が二次電池Ｓ１０１の定格電圧より高くなっている。

充電用トランスＴ１０１は、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６及び回収用巻線Ｌ１４１を含んでいる。充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６は、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６にそれぞれ対応して設けられており、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子間にそれぞれ接続されている。そして、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６は、互いに磁気的に結合されており、その巻数が略等しく設定されていることにより、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の各々の両端子間に略同一の誘起電圧を印加可能となっている。

回収用巻線Ｌ１４１は、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子ＴＭ１０１，ＴＭ１０２間に接続されている。回収用巻線Ｌ１４１の巻数と充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６の巻数の比は、直列接続された電気二重層キャパシタの数に略等しく設定されている。そして、回収用巻線Ｌ１４１は、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６と磁気的に結合されていることにより、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６全体に誘起電圧を印加可能となっている。また、回収用巻線Ｌ１４１と電気二重層キャパシタＣ１０１との間には、回収用巻線Ｌ１４１から電気二重層キャパシタＣ１０１への電流の流れのみを許容する整流ダイオードＣＤ１０１が設けられている。

切換手段としてのスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６は、キャパシタＣ１０１と巻線Ｌ１０１との間、キャパシタＣ１０２と巻線Ｌ１０２との間、キャパシタＣ１０３と巻線Ｌ１０３との間、キャパシタＣ１０４と巻線Ｌ１０４との間、キャパシタＣ１０５と巻線Ｌ１０５との間、及びキャパシタＣ１０６と巻線Ｌ１０６との間における導通／非導通の切り換えがそれぞれ可能である。スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の一例としては、ＦＥＴを用いることができる。

制御手段としてのスイッチ制御回路Ｂ１０１は、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通／非導通を同期させて交互に切り換える制御を行う。

なお、直列に接続する電気二重層キャパシタの数ｎ１、及び二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間に接続する電気二重層キャパシタの数ｎ２については、ｎ１＞ｎ２の条件で任意に設定することができる。

他の構成については第１実施形態と同様であるため説明を省略し、以下、本実施形態の動作について説明する。

電気二重層キャパシタＣ１０４〜Ｃ１０６には、二次電池Ｓ１０１からの電圧が印加される。一方、スイッチ制御回路Ｂ１０１は、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通／非導通を同期させながら交互に切り換える制御を行う。

ここで、互いに磁気的に結合された充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６の巻数は略等しいため、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通時における充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６に発生する誘起電圧は略同一となる。充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６は電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子間にそれぞれ接続されるため、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６に発生する誘起電圧は、ほぼ電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の平均電圧となり、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通時には、この電圧が電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の各々に印加される。このように、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３については、二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間に接続されていないものの、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０３に発生する誘起電圧をそれぞれ印加することができるので、充電を行うことができる。

スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の導通時に、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧にばらつきが発生している場合、誘起電圧より電圧の高いキャパシタについては該キャパシタの両端子間に接続された充電用巻線へ放電電流が流れ、誘起電圧より電圧の低いキャパシタについては該キャパシタの両端子間に接続された充電用巻線からの充電電流が流れる。したがって、各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧が均等になるように充電が行われる。

スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の非導通時には、充電用トランスＴ１０１に蓄えられた磁気エネルギーにより、回収用巻線Ｌ１４１に誘起電圧が発生する。この電圧が電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６全体に印加され、充電電流が整流ダイオードＣＤ１０１を介して電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６へ流れることにより、エネルギー回収が行われ、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６全体の充電が行われる。このように、二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間に接続されていない電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３については、回収用巻線Ｌ１４１によっても充電が行われる。なお、他の動作については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、大エネルギーを蓄積することができるとともに大電力を瞬時に取り出すことができ、かつ長寿命化を実現できる。さらに、本実施形態によれば、充電用トランスＴ１０１の充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６により各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子間に略同一の誘起電圧を印加することができるので、各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧が均等になるように充電を行うことができる。したがって、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６に効率よく電気エネルギーを蓄積することができる。

さらに、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３については、二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間に接続されていなくても充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０３に発生する誘起電圧がそれぞれ印加されることにより充電を行うことができるので、二次電池Ｓ１０１からの電圧を昇圧させて電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６を充電することができ、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６全体の充電電圧は二次電池Ｓ１０１の出力電圧よりも高くなる。したがって、二次電池Ｓ１０１の出力電圧を増加させることなく、電気二重層キャパシタ全体の充電電圧を増大させることができるので、内燃機関１８を始動させるときに電気二重層キャパシタＣ１００から電動機２０へ流れる電流を低減させることができる。また、二次電池Ｓ１０１からの電圧を昇圧させて電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の充電を行う際に、例えばＤＣ−ＤＣコンバータのような昇圧用の回路を用いる必要がないため、装置の小型化を実現できる。

（４）第４実施形態
図４は、本発明の第４実施形態に係る蓄電装置の構成の概略を示す図である。図４においても、発電機１６、内燃機関１８、電動機２０及び負荷２２の図示を省略しているが、それらの構成については第１実施形態と同様である。本実施形態における充電用トランスＴ１０１は、互いに磁気的に結合された中点タップ付き巻線Ｌ１５１〜Ｌ１５３を含んでいる。

中点タップ付き巻線Ｌ１５１については、その中点が電気二重層キャパシタＣ１０１と電気二重層キャパシタＣ１０２との間に接続され、その両端子が電気二重層キャパシタＣ１０１，Ｃ１０２の両端子と接続される。ただし、中点タップ付き巻線Ｌ１５１の電気二重層キャパシタＣ１０１，Ｃ１０２の正負端子に対する接続方向がスイッチＳＷ１０１，ＳＷ１０２によって切り換え可能である。具体的には、スイッチＳＷ１０１，ＳＷ１０２は、電気二重層キャパシタＣ１０１の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５１の一端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０２の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５１の他端子とを接続する第１の状態（図４に示す状態）と、電気二重層キャパシタＣ１０１の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５１の他端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０２の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５１の一端子とを接続する第２の状態と、の切り換えが可能である。

同様に、中点タップ付き巻線Ｌ１５２については、その中点が電気二重層キャパシタＣ１０３と電気二重層キャパシタＣ１０４との間に接続され、その両端子が電気二重層キャパシタＣ１０３，Ｃ１０４の両端子と接続される。スイッチＳＷ１０３，ＳＷ１０４は、電気二重層キャパシタＣ１０３の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５２の一端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０４の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５２の他端子とを接続する第１の状態（図４に示す状態）と、電気二重層キャパシタＣ１０３の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５２の他端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０４の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５２の一端子とを接続する第２の状態と、の切り換えが可能である。そして、中点タップ付き巻線Ｌ１５３については、その中点が電気二重層キャパシタＣ１０５と電気二重層キャパシタＣ１０６との間に接続され、その両端子が電気二重層キャパシタＣ１０５，Ｃ１０６の両端子と接続される。スイッチＳＷ１０５，ＳＷ１０６は、電気二重層キャパシタＣ１０５の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５３の一端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０６の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５３の他端子とを接続する第１の状態（図４に示す状態）と、電気二重層キャパシタＣ１０５の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５３の他端子とを接続し、電気二重層キャパシタＣ１０６の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１５３の一端子とを接続する第２の状態と、の切り換えが可能である。

このように、本実施形態においては、電気二重層キャパシタＣ１０１，Ｃ１０２に誘起電圧を印加するための充電用巻線Ｌ１０１，Ｌ１０２が中点タップ付き巻線Ｌ１５１によって構成されている。同様に、電気二重層キャパシタＣ１０３，Ｃ１０４に誘起電圧を印加するための充電用巻線Ｌ１０３，Ｌ１０４が中点タップ付き巻線Ｌ１５２によって構成され、電気二重層キャパシタＣ１０５，Ｃ１０６に誘起電圧を印加するための充電用巻線Ｌ１０５，Ｌ１０６が中点タップ付き巻線Ｌ１５３によって構成されている。そして、上記に説明したスイッチＳＷ１０１，ＳＷ１０２の第１の状態と第２の状態とを交互に切り換えることで、充電用巻線Ｌ１０１，Ｌ１０２の電気二重層キャパシタＣ１０１，Ｃ１０２の正負端子に対する接続方向の切り換えが可能である。同様に、スイッチＳＷ１０３，ＳＷ１０４の第１の状態と第２の状態とを交互に切り換えることで、充電用巻線Ｌ１０３，Ｌ１０４の電気二重層キャパシタＣ１０３，Ｃ１０４の正負端子に対する接続方向の切り換えが可能であり、スイッチＳＷ１０５，ＳＷ１０６の第１の状態と第２の状態とを交互に切り換えることで、充電用巻線Ｌ１０５，Ｌ１０６の電気二重層キャパシタＣ１０５，Ｃ１０６の正負端子に対する接続方向の切り換えが可能である。

スイッチ制御回路Ｂ１０１は、上記に説明したスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の第１の状態と第２の状態とをそれらの状態の時間配分が略等しくなるように同期させながら交互に切り換える制御を行う。

他の構成については第３実施形態と同様であるため説明を省略し、以下、本実施形態の動作について説明する。

電気二重層キャパシタＣ１０４〜Ｃ１０６には、二次電池Ｓ１０１からの電圧が印加される。一方、スイッチ制御回路Ｂ１０１は、上記に説明したスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の第１の状態と第２の状態とを同期させながら交互に切り換える制御を行う。

ここで、互いに磁気的に結合された充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６の巻数は略等しいため、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の第１の状態時において充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６に発生する誘起電圧は略同一となる。充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６は電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の両端子間にそれぞれ接続されるため、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６に発生する誘起電圧は、ほぼ電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の平均電圧となり、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６の第１の状態時に、この電圧が電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の各々に印加される。

本実施形態においては、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１０６を第２の状態に切り換えても、ほぼ電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の平均電圧となる誘起電圧が充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６の各々に発生し、この電圧が電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の各々に印加される。

第１実施形態と同様に、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧にばらつきが発生している場合、誘起電圧より電圧の高いキャパシタについては該キャパシタの両端子間に接続された充電用巻線へ放電電流が流れ、誘起電圧より電圧の低いキャパシタについては該キャパシタの両端子間に接続された充電用巻線からの充電電流が流れる。したがって、各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧が均等になるように充電が行われる。また、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０３については、二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間に接続されていないものの、充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０３に発生する誘起電圧をそれぞれ印加することができるので、充電を行うことができる。なお、他の動作については第３実施形態と同様であるため説明を省略する。

本実施形態においても、第３実施形態と同様に、各電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６の電圧が均等になるように充電を行うことができるとともに、例えばＤＣ−ＤＣコンバータのような昇圧用の回路を用いることなく二次電池Ｓ１０１からの電圧を昇圧させて電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６を充電することができる。

さらに、本実施形態においては、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６と充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６との接続動作はプッシュプル動作となるため、電圧のばらつきを補正するための誘起電圧を常に印加することが可能となり、均等充電動作を効率よく行うことができる。また、充電用トランスＴ１０１に蓄えられた磁気エネルギーは逆の半サイクルで電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０６へ回収可能なため、第３実施形態における回収用巻線Ｌ１４１及び整流ダイオードＣＤ１０１を省略することができる。

（５）第５実施形態
図５は、本発明の第５実施形態に係る蓄電装置の構成の概略を示す図である。図５においても、発電機１６、内燃機関１８、電動機２０及び負荷２２の図示を省略しているが、それらの構成については第１実施形態と同様である。本実施形態においては、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１１８が直列接続され、二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間に電流制限手段１４を介して電気二重層キャパシタＣ１１３〜Ｃ１１８が接続されている。そして、充電用トランスＴ１０１が３つのトランスＴ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３に分割されて設けられている。トランスＴ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３は巻線Ｌ１７１，Ｌ１７２，Ｌ１７３をそれぞれ含んでいる。巻線Ｌ１７１は充電用巻線Ｌ１０１〜Ｌ１０６と磁気的に結合され、巻線Ｌ１７２は充電用巻線Ｌ１０７〜Ｌ１１２と磁気的に結合され、巻線Ｌ１７３は充電用巻線Ｌ１１３〜Ｌ１１８と磁気的に結合されている。また、巻線Ｌ１７１，Ｌ１７２，Ｌ１７３は互いに並列接続されていることにより、トランスＴ１１１，Ｔ１１２，Ｔ１１３間の電気的接続が行われている。他の構成は第４実施形態と同様であるため説明を省略する。

なお、図５では充電用トランスＴ１０１を３つに分割した例を示しているが、充電用トランスＴ１０１の分割数については任意に設定することができる。また、第３実施形態においても、充電用トランスＴ１０１を複数に分割して設けることができる。

ここで、直列接続される電気二重層キャパシタの数が多くなるにつれて、１つに共有化された充電用トランスＴ１０１では充電用巻線の巻数の確保が難しくなる。しかし、本実施形態によれば、多数の電気二重層キャパシタを直列接続することができ、全体の耐電圧をさらに増加させることができ、負荷である電動機２０への放電電流をさらに減少させることができる。

さらに、充電用トランスＴ１０１を分割したときのトランス間の電気的接続については、電気二重層キャパシタの両端子間を介して接続してもよい。その一例として、トランスＴ１１１とトランスＴ１１２とを電気二重層キャパシタＣ１０６，Ｃ１０７の両端子間を介して接続した場合を図６に示す。図６においても、発電機１６、内燃機関１８、電動機２０及び負荷２２の図示を省略しているが、それらの構成については第１実施形態と同様である。

図６に示す構成においては、電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１１２が直列接続され、二次電池Ｓ１０１の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１２間に電気二重層キャパシタＣ１０７〜Ｃ１１２が接続されている。そして、トランスＴ１１１は中点タップ付き巻線Ｌ１５１〜Ｌ１５３と磁気的に結合された中点タップ付き巻線Ｌ１６１をさらに含み、トランスＴ１１２は中点タップ付き巻線Ｌ１５４〜Ｌ１５６と磁気的に結合された中点タップ付き巻線Ｌ１６２をさらに含む。

中点タップ付き巻線Ｌ１６１については、その中点が電気二重層キャパシタＣ１０７の負側端子に接続され、その両端子のいずれかがスイッチＳＷ１２１を介して電気二重層キャパシタＣ１０７の正側端子に接続される。スイッチＳＷ１２１は、電気二重層キャパシタＣ１０７の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１６１の一端子とを接続する第１の状態（図６に示す状態）と、電気二重層キャパシタＣ１０７の正側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１６１の他端子とを接続する第２の状態と、の切り換えが可能である。

同様に、中点タップ付き巻線Ｌ１６２については、その中点が電気二重層キャパシタＣ１０６の正側端子に接続され、その両端子のいずれかがスイッチＳＷ１２４を介して電気二重層キャパシタＣ１０６の負側端子に接続される。スイッチＳＷ１２４は、電気二重層キャパシタＣ１０６の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１６２の他端子とを接続する第１の状態（図６に示す状態）と、電気二重層キャパシタＣ１０６の負側端子と中点タップ付き巻線Ｌ１６２の一端子とを接続する第２の状態と、の切り換えが可能である。

スイッチＳＷ１２１，ＳＷ１２４が第１の状態（図６に示す状態）のときは、トランスＴ１１１の充電用巻線Ｌ１２１とトランスＴ１１２の充電用巻線Ｌ１０７とが電気二重層キャパシタＣ１０７の両端子間を介して接続され、トランスＴ１１１の充電用巻線Ｌ１０６とトランスＴ１１２の充電用巻線Ｌ１２４とが電気二重層キャパシタＣ１０６の両端子間を介して接続される。一方、スイッチＳＷ１２１，ＳＷ１２４が第２の状態のときは、トランスＴ１１１の充電用巻線Ｌ１２２とトランスＴ１１２の充電用巻線Ｌ１０８とが電気二重層キャパシタＣ１０７の両端子間を介して接続され、トランスＴ１１１の充電用巻線Ｌ１０５とトランスＴ１１２の充電用巻線Ｌ１２３とが電気二重層キャパシタＣ１０６の両端子間を介して接続される。

図６において、電圧のばらつきの一例として、電気二重層キャパシタＣ１０１の電圧が誘起電圧より高く、電気二重層キャパシタＣ１１２の電圧が誘起電圧より低い場合を考える。この場合、電気二重層キャパシタＣ１１２はトランスＴ１１２を介して電気二重層キャパシタＣ１０６〜Ｃ１１１から充電電流を受ける。一方、電気二重層キャパシタＣ１０１はトランスＴ１１１を介して電気二重層キャパシタＣ１０２〜Ｃ１０７へ充電電流を流す。したがって、電気二重層キャパシタＣ１０１から電気二重層キャパシタＣ１０６，Ｃ１０７を介して電気二重層キャパシタＣ１１２へ充電電流が流れることになり、電圧が均等になるように充電が行われる。

そして、トランスＴ１１４がさらに備えられている場合を図７に示す。図７に示す構成においては、トランスＴ１１１とトランスＴ１１４とが電気二重層キャパシタＣ１０１〜Ｃ１０４の両端子間のそれぞれを介して接続されており、トランスＴ１１２とトランスＴ１１４とが電気二重層キャパシタＣ１０９〜Ｃ１１２の両端子間のそれぞれを介して接続されている。図７に示す構成によれば、電圧のばらつきを補正するための充電経路が多重化されるので、電気二重層キャパシタへ流す電流を増大させることができ、充電時間を短縮することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の第１実施形態に係る蓄電装置を含む動力出力装置の構成の概略を示す図である。本発明の第２実施形態に係る蓄電装置を含む動力出力装置の構成の概略を示す図である。本発明の第３実施形態に係る蓄電装置の構成の概略を示す図である。本発明の第４実施形態に係る蓄電装置の構成の概略を示す図である。本発明の第５実施形態に係る蓄電装置の構成の概略を示す図である。本発明の第５実施形態の変形例に係る蓄電装置の構成の概略を示す図である。本発明の第５実施形態の変形例に係る蓄電装置の構成の概略を示す図である。

符号の説明

１４電流制限手段、１６発電機、１８内燃機関、２０電動機、３０昇圧回路、Ｂ１０１スイッチ制御回路、Ｃ１００〜Ｃ１１８電気二重層キャパシタ、Ｓ１０１二次電池、ＳＷ１０１〜ＳＷ１１８スイッチ、Ｔ１０１充電用トランス。

Claims

第１の負荷と、該第１の負荷より駆動頻度が低くかつ駆動時の消費電力が大きい第２の負荷と、を駆動するための電力を供給可能な蓄電装置であって、
二次電池、該二次電池の両端子間に接続された電気二重層キャパシタ、及び該二次電池と該電気二重層キャパシタとの間に流れる電流を制限するための電流制限手段を備え、
前記第１の負荷を駆動するための電力は二次電池から供給され、前記第２の負荷を駆動するための電力は電気二重層キャパシタから供給されることを特徴とする蓄電装置。
請求項１に記載の蓄電装置であって、
前記二次電池の電圧を昇圧して前記電気二重層キャパシタへ供給する昇圧回路を備えることを特徴とする蓄電装置。
第１の負荷と、該第１の負荷より駆動頻度が低くかつ駆動時の消費電力が大きい第２の負荷と、を駆動するための電力を供給可能な蓄電装置であって、
二次電池と、
直列に接続された複数の電気二重層キャパシタと、
各電気二重層キャパシタの両端子間を磁気的に結合し、各電気二重層キャパシタの両端子間に略同一の誘起電圧を印加可能な充電用トランスと、
該誘起電圧が各電気二重層キャパシタの両端子間に印加されるように、各電気二重層キャパシタと充電用トランスとの間の接続状態を切り換え可能な切換手段と、
各電気二重層キャパシタと充電用トランスとの間の接続状態の切り換え制御を行う制御手段と、
を備え、
複数の電気二重層キャパシタは、二次電池の両端子間に接続された電気二重層キャパシタ及び二次電池の両端子間に接続されない電気二重層キャパシタによって構成され、
二次電池の両端子間に接続されない電気二重層キャパシタについては、前記制御手段により各電気二重層キャパシタと充電用トランスとの間の接続状態を切り換えることで、充電用トランスに発生する誘起電圧が印加されて充電が行われ、
前記第１の負荷を駆動するための電力は二次電池から供給され、前記第２の負荷を駆動するための電力は複数の電気二重層キャパシタから供給されることを特徴とする蓄電装置。
請求項３に記載の蓄電装置であって、
前記二次電池と該二次電池の両端子間に接続された電気二重層キャパシタとの間に流れる電流を制限するための電流制限手段を備えることを特徴とする蓄電装置。
請求項１〜４のいずれか１に記載の蓄電装置及び動力出力用の内燃機関を備えた動力出力装置であって、
前記第２の負荷は内燃機関を始動可能な電動機であり、前記電気二重層キャパシタから供給される電力は、電動機が内燃機関を始動させるために消費されることを特徴とする動力出力装置。