JP2006129621A

JP2006129621A - 電源装置

Info

Publication number: JP2006129621A
Application number: JP2004314988A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Kurita; 和哲栗田; Takuya Adachi; 卓也足立; Takashi Shoji; 孝庄司
Original assignee: Hitachi Omron Terminal Solutions Corp
Current assignee: Hitachi Omron Terminal Solutions Corp
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】電池を使用する全ての電気製品に即使用可能な、充電時間が短く、専用の充電器を必要としない、繰り返し使用可能な、電池を提供する。
【解決手段】本発明は、蓄電手段である電気二重層キャパシタと制御回路である出力調整回路，特性補償回路，電流検出回路を、円筒型の乾電池の寸法と互換性のあるケース内に設置し、発電手段である太陽電池をケース外装に設置することを最も主要な特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池による発電機能を内蔵する、繰り返し使用可能な電池であって、乾電池と同一形状，同一の出力電圧を持ち、専用の充電設備が不要な電池に関するものである。

電気を蓄え電源として用いる蓄電デバイスとしては、マンガン乾電池やアルカリ乾電池に代表される、放電のみの一次電池。ニッケル・カドミウム電池を始めとし、ニッケル水素電池やリチウム・イオン電池のような充放電可能な二次電池。電気二重層キャパシタに代表される、大容量キャパシタがある。

電池については、化学反応による化学エネルギーを電気エネルギーに変換する方式であり、一次電池については使いきり、二次電池については、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄える方式であることから、化学反応に要する時間により充電時間が長いこと、充電のサイクル寿命が短いため、度々電池の交換が必要になる等の欠点がある。また、多くの電池には有害物質が含まれており、寿命がきた電池の廃棄に伴う環境への影響も大きいため、回収やリサイクル推進等のインフラ整備が必須である。
このような電池に比べ、電気エネルギーを変換無しで電気を蓄えるキャパシタは、充電時間が極端に短くなること、サイクル寿命についても理論的には半永久的となる。また、構成材料に有害物質を含まないことから、廃棄に伴う環境への影響も著しく低いなどの利点がある。しかし、キャパシタの最大の弱点は、エネルギー密度が電池に比べて極めて低いことがあり、これまでは、半導体メモリのバックアップや腕時計の電源等の特定用途の電源として使用されるのみであったが、近年の技術改良の結果、電気二重層キャパシタにおいては、リチウム・イオン電池に迫る製品が開発されている。

大容量の電気二重層キャパシタが製品化されたことにより、二次電池にかわって、電気二重層キャパシタを蓄電手段として用いた電源装置や電気自動車やハイブリッドカーの電源としてが実用化されている。また、充電時間が非常に短いこから、太陽電池や発電機構等を組み合わせたハイブリッド型の電源装置が提案されている。

特開2003-092234号公報

上述のように、蓄電デバイスとして電気二重層キャパシタを使用した場合、エネルギー密度の低い用途では、半導体メモリのバックアップや腕時計の電源として使用される。二次電池に匹敵する大容量の電気二重層キャパシタでは、電源装置や電気自動車やハイブリッドカーの電源して使用されている。いづれの場合も、外部電源からの充電を必要とし、回路および装置に内蔵される固定の蓄電デバイスとなる。また、太陽電池や発電機構等を組み合わせたハイブリッド型の電源装置においては、携帯機器の電源として主流である、リチウム・イオン二次電池を意識しているため、蓄電デバイスとして可搬性を持たせることは可能ではあるが、出力特性，容量等の性能については、装置側に合わせた専用設計になり、汎用性は低い。
以上の問題点から、種々の電気製品に使用されている乾電池のように、可搬性，汎用性が低い。

本発明は、蓄電手段である電気二重層キャパシタと制御回路である出力調整回路，特性補償回路，電流検出回路を、円筒型の乾電池の寸法と互換性のあるケース内に設置し、発電手段である太陽電池をケース外装に設置することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、電池を使用する全ての電気製品に即使用可能な、充電時間が短く、専用の充電器を必要としない、繰り返し使用可能な、電池の提供が可能となる。

乾電池を使用する種々の電気製品に使用するため、物理的形状および出力電圧を一般的な乾電池と互換性を持つ。

以下、本発明の一実施例について、説明を行う。本発明の全体の構成を示すブロック図である図1において、ケース外装部に設置され、発電手段である太陽電池モジュール1は、並列に接続された複数の太陽電池101，逆流防止用ダイオード102より構成される。ケース内に内蔵される内部回路2は、発電手段である太陽電池モジュール1より供給される電力を蓄電手段である電気二重層キャパシタ202に適切な条件で充電を行う充電制御回路201，電気二重層キャパシタ202の出力電流を検出する電流検出回路203，電気二重層キャパシタ202の出力電圧の変動分を電池の出力電圧に合わせる特性補償回路204，電気二重層キャパシタ202の容量を電流検出回路203からの情報を元に一定の出力に保つ出力調整回路205，エネルギー出力用の外部端子である-端子206，+端子207より構成される。

太陽電池101は、厚み0.5mm以下で薄く，曲げられる特徴を持つ、プラスチックフィルム基板上に形成したアモルファスシリコン太陽電池等を使用する。太陽電池101は直列に複数の太陽電池セルを接続した物で構成される。

逆流防止ダイオード102は、並列に接続した太陽電池101間での充電を防止するため使用され、構成材料は太陽電池101と同じ半導体であることから、太陽電池101内に一体として組み込むことも可能である。また、太陽電池モジュール1は、前記太陽電池101を複数個並列に接続される構成となっているが、この理由は、図4の説明で後述する。

充電制御回路201は、トランジスタ，ダイオードに代表される複数個のスイッチング素子，コンデンサ等から構成される。
電気二重層キャパシタ202は、内部電極に活性炭を使用し、活性炭表面と電解液の間に生じる電気二重層現象を利用したコンデンサであり、構成材料により１セル当りの静電容量を数F〜数百F(ファラド)にすることができる小形で大容量のキャパシタである。キャパシタであるため、完全放電しても極めて短時間で再充電を行うことが可能である。さらに、繰り返し充放電による劣化がほとんど無く、半永久的に使用可能であることを主な特徴とする蓄電デバイスである。

電流検出回路203は、低抵抗器により構成される。

特性補償回路204は、トランジスタ，ダイオードに代表されるスイッチング素子およびコイル，コンデンサ等の受動部品を使用した、昇圧回路，降圧回路を構成する。

出力調整回路205は、トランジスタに代表される複数個のスイッチング素子，コンデンサ等から構成されるDC/DCコンバータであり、入力された直流電圧，電流を任意の直流出力に変換する。

図2は、図1により説明した、太陽電池モジュール1および内部回路2を設置した、乾電池と同一の物理形状をもった、蓄電デバイスの外観図である。ケース表面には、太陽電池101を設置し、出力用の外部端子である+端子207および-端子206より構成される。

次に上記構成における作用について説明する。

太陽電池モジュール1の太陽電池101で発電された電力は、太陽電池101に照射された照度によって大きく変動する。また、蓄電手段である電気二重層キャパシタ202の充電状態によっても変化し、放電状態からの充電では、大電流が流れることになる。このため、充電制御回路201は、複数並列接続された太陽電池101を接続および切断する動作を行い、電気二重層キャパシタ202の充電に必要な電流を確保する動作および充電初期の大電流を制限する動作を行う。
電気二重層キャパシタ202からの放電については、図3の放電特性グラフより説明を行う。縦軸には電圧，横軸は放電時間，電気二重層キャパシタの放電カーブ301，乾電池の放電カーブ302である。一般的な電池(一次電池，二次電池)の放電カーブ302と異なり、放電時間(残留電荷量)に対して電気二重層キャパシタの放電カーブ301は直線的に電圧が下がっていくまた、周囲温度の変化によっても放電時間は変化していくため、このままでは、電池としては使いにくい。電気二重層キャパシタ202からの出力を定電圧とするため、電圧の高い領域では降圧し、電圧の低い領域では昇圧し、一定の出力を保つ。
本発明では、上述の動作を特性補償回路204で行う。特性補償回路204からの定電圧出力は、実際の乾電池の電圧1.5Vより高い電圧で出力調整回路205に入力しされる。出力調整回路204では、電気二重層キャパシタ202の出力電流を電流検出回路203で検出した情報を元に電気二重層キャパシタ202の残容量を考慮しつつ、乾電池の出力電圧である1.0V〜1.5Vの範囲で出力電圧を調整し、出力端子である+端子207より出力を行う。

図4は、本発明の一実施例を示す、蓄電デバイスの外観図である。ケース表面には、太陽電池101を設置し、出力用の外部端子である+端子207および-端子206より構成される。発電手段である太陽電池101は、ケース表面に設置されることにより専用の充電器を必要をせず、光の照射される場所に、本蓄電デバイスを放置しておけば充電が可能となる。太陽電池101は、複数個の太陽電池セルを直列に接続されたものであるため、ケース表面全体に1個の太陽電池101を設置すると、光に照射されない影の部分は発電が行われず、直列に接続されているため、抵抗成分となってしまい発電の効率が極端に落ちてしまう。本発明では、乾電池と互換性を持つことを特徴とするため、一般的な円筒形の乾電池では、表面全体を1個の太陽電池101で覆うような構造とすると、乾電池を寝かした状態の放置では、必ず光が照射されない影の部分が発生する。この問題を解決するため、太陽電池101は、乾電池の円周方向に対し、複数個(3〜6)に分割した状態で設置し、それぞれを並列接続することにより、光の照射されていない部分の太陽電池101の影響を受けず、効率的な発電か可能となる。また、円筒形ではどうしても放置状態で転がって光の照射位置が移動していまうため、図4に示す通り、多角形の外接円を円筒形の乾電池直径を同一寸法とした形状にすることにより、寝かせた状態での安定性を確保し、より発電効率を上げることが可能となる。

図5は、本発明の一実施例を示す、蓄電デバイスの全体の構成を示すブロック図である。ケース外装部に設置され、発電手段である太陽電池モジュール1は、並列に接続された複数の太陽電池101，逆流防止用ダイオード102より構成される。ケース内に内蔵される内部回路2は、発電手段である太陽電池モジュール1より供給される電力を蓄電手段である電気二重層キャパシタ202に適切な条件で充電を行う充電制御回路201，電気二重層キャパシタ202の出力電流を検出する電流検出回路203，電気二重層キャパシタ202の出力電圧の変動分を電池の出力電圧に合わせる特性補償回路204，電気二重層キャパシタ202の容量を電流検出回路203からの情報を元に一定の出力に保つ出力調整回路205，エネルギー出力用の外部端子である-端子206，+端子207および電流検出回路203の情報を外部に出力する情報出力端子501，情報入力端子502より構成される。各部の構造，作用については、前述の実施例1と同一である。本実施例の最も特徴とする構成は、電気二重層202キャパシタの残容量を求めるのに必要な電流検出回路203の情報を取り出すための情報出力端子501，情報入力端子502を設けることである。

以下に情報出力端子501，情報入力端子502が必要となる理由を示す。

電気製品に使用される乾電池は、1個のみ単体で使用する場合もあるが、多くの電気製品においては、複数個の乾電池を直列接続することにより電池の電圧を上げて使用する。乾電池の直列接続時には、1個でも出力電圧の低い乾電池が混じることによって抵抗成分となり、直列接続した乾電池の全体の使用期間が短くなってしまう問題がある。

本発明である、太陽電池モジュール1を実装した乾電池互換の蓄電デバイスにおいては、各蓄電デバイスの太陽電池モジュール1への光の照射レベルが一定とならず、充電状態のばらつきが大きい。よって、複数個直列に接続した場合の問題を回避するため、接続された蓄電デバイスの電気二重層キャパシタ202の残容量を電流検出回路203の情報を情報出力端子501より出力し、別の蓄電デバイスが情報入力端子502より、接続された蓄電デバイスの電気二重層キャパシタ202の残容量を受け取ることにより、出力調整回路205へ情報を送ることによって出力調整回路205が接続された別の蓄電デバイスの電気二重層キャパシタ202の残容量と内蔵された電気二重層キャパシタ202の残量の二つの情報を考慮し、適切な蓄電デバイスの出力の調整を行う。情報出力端子501，502の設置方法ついては、以下の通りする。

図6は、本発明の一実施例である、蓄電デバイスの端子配置を示す構造図である。蓄電デバイス本体601の片側端面に、蓄積エネルギー出力用の+端子207および内蔵された電気二重層キャパシタ202の残容量の情報を出力する情報出力端子501を持ち、反対側の端面には、蓄積エネルギー出力用の-端子206および接続された蓄電デバイスの電気二重層キャパシタ202の残容量の情報を入力する情報入力端子502を持つ。蓄積エネルギー出力用の+端子207，-端子206は、中心部に設置し、それを囲む様に内蔵された電気二重層キャパシタ202の残容量の情報を出力する情報出力端子501および接続された蓄電デバイスの電気二重層キャパシタ202の残容量の情報を入力する情報入力端子502を設置する。

図7は、本発明の一実施例を示す、電池システムの全体の構成を示すブロック図である。第一の電池701のケース外装部に設置され、発電手段である太陽電池モジュール1は、並列に接続された複数の太陽電池101，逆流防止用ダイオード102より構成される。第一の電池701内に内蔵される内部回路2は、発電手段である太陽電池モジュール1より供給される電力を蓄電手段である電気二重層キャパシタ202に適切な条件で充電を行う充電制御回路201，エネルギー出力用の外部端子である+端子705，接地端子用接続端子703，接地端子705と第二の電池702内に内蔵される電流検出回路203，電気二重層キャパシタ202の出力電圧の変動分を電池の出力電圧に合わせる特性補償回路204，電気二重層キャパシタ202の容量を電流検出回路203からの情報を元に一定の出力に保つ出力調整回路205，第一の電池701の+端子704と接続される、エネルギー入力用の外部端子707，第一の電池701の接地端子用接続端子703に接続される、接地端子用接続端子703、電池システムとしてのエネルギー出力端子706より構成される。

第一の電池701および第二の電池702は共に、乾電池と物理的形状の互換性を持つことを特徴とし、本発明の発電手段および蓄電手段である、太陽電池モジュール1と電気二重層キャパシタ202を内蔵した電池と内部回路2に設置される電流検出回路203、特性補償回路204，出力調整回路205を内蔵した電池となる。

各部の構造，作用については、前述の実施例1，実施例3と同一である。本実施例においては、蓄電部である第一の電池701と内部制御回路部より構成される第二の電池702の二つの分割することにより、物理的容量の小さい、小型の乾電池（単三型〜単四型）にも本発明の機構を内臓することが可能となる。また、出力調整回路を持つ第二の電池702を1個と、蓄電部である第一の電池701を複数個を直列に接続した構成では、第二の電池702に内蔵される電流検出回路203がエネルギー入力用の外部端子707より入力された情報を元に出力調整回路205にて電池システムの出力を3V，4.5V，6V…と、通常の乾電池の電圧1.5V×本数の出力電圧で制御を行う。

乾電池と互換性を持つことにより、電池を使用する全ての電気製品に特別な変更なく使用可能である。

本発明の全体の構成を示すブロック図である。（実施例1）本発明の蓄電デバイスの外観図である。（実施例1）電気二重層キャパシタ，乾電池の放電特性グラフである。（実施例1）本発明の蓄電デバイスの外観図である。（実施例2）本発明の全体の構成を示すブロック図である。（実施例3）本発明の蓄電デバイスの端子配置を示す構造図である。（実施例3）本発明の電池システムの全体の構成を示すブロック図である。（実施例4）

符号の説明

1…太陽電池モジュール
101…太陽電池
102…逆流防止用ダイオード
2…内部回路
201…充電制御回路
202…電気二重層キャパシタ
203…電流検出回路
204…特性補償回路
205…出力調整回路
206…-端子
207…+端子
301…電気二重層キャパシタの放電カーブ
302…一般的な電池(一次電池，二次電池)の放電カーブ
501…情報出力端子
502…情報入力端子
601…蓄電デバイス本体
701…第一の電池
702…第ニの電池
703…接地端子用接続端子
704…エネルギー出力用の外部端子である+端子
705…接地端子
706…電池システムとしてのエネルギー出力端子
707…エネルギー入力用の外部端子

Claims

太陽電池と電気ニ重層キャパシタと制御部とからなる電源装置であって、
前記制御部は前記太陽電池から所定の電流が前記電気ニ重層キャパシタに供給されるよう制御するとともに、当該電気ニ重層キャパシタから所定の定電圧が外部に出力されるよう制御することを特徴とする電源装置。
汎用の乾電池と互換可能な外形寸法と出力電圧特性を有する請求項１に記載の電源装置。
太陽電池と電気ニ重層キャパシタと制御部とからなる電源システムであって、
前記制御部は前記太陽電池から所定の電流が前記電気ニ重層キャパシタに供給されるよう制御するとともに、当該電気ニ重層キャパシタから所定の定電圧が外部に出力されるよう制御するものであり、
汎用の乾電池と寸法に互換性のある形状を形成した第１のケースの外装に前記太陽電池を設置したケースと、該ケース内部に前記電気二重層キャパシタを構成した第１の電源装置と、
汎用の乾電池と同一形状を形成した第２のケース内部に前記制御部を内蔵する第２の電源装置と
から構成される電源システム。