JP2008118828A - 電気二重層キャパシタ充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気二重層キャパシタの初期充電時の過大電流防止を安価な構成で行うことが可能な電気二重層キャパシタ充電装置を提供する。
【解決手段】電気二重層キャパシタＣに直流電流を供給する直流電源ＤＣと、電気二重層キャパシタＣに直列接続されて直流電源ＤＣから電気二重層キャパシタＣに供給される直流電流の電流値を制限する電流制限手段としての抵抗器Ｒａと、抵抗器Ｒａに並列接続され、ＯＮ時は抵抗器Ｒａの両端を短絡し、ＯＦＦ時は抵抗器Ｒａに直流電流を流して電気二重層キャパシタＣに供給される直流電流の電流値を制御する短絡スイッチＳＷ２とを有し、短絡スイッチＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦを切り替えて、電気二重層キャパシタＣに供給される電流を抑制することが可能な電気二重層キャパシタ充電装置とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタ充電装置に関する。

電気二重層キャパシタ（Electric Double-Layer Capacitors：ＥＤＬＣ）は、活性炭と電解液との界面に形成される電気二重層に蓄積される電気エネルギーを利用するもので、ファラッドオーダの電気容量を瞬時に充放電できる大容量コンデンサである。用途としては、メモリバックアップ用の小容量品から、電気自動車のパワーアシスト用としての中容量品、そして電力貯蔵用蓄電池代替としての大容量品まで幅広く検討されている。

このような電気二重層キャパシタの単位キャパシタ（セルともいう）の耐電圧は、その構成要素である電解液、すなわち電解質及び溶媒等の電気分解電圧で決まり、例えば、水溶液系電解液の場合約１．２Ｖ、有機系電解液の場合２〜３Ｖである。なお、電気二重層キャパシタは、溶媒分解電圧以上の電圧を印加すると破損する虞があるため、高電圧を要求される用途においては、複数個の単位キャパシタを直列接続して用いる。

電気二重層キャパシタの構造としては、電極とセパレータを渦巻状に巻き円筒形ケースに収納する捲回型のほかに、電極及びセパレータが平板状に形成される平板型がある。平板型は電極とセパレータを交互に積層するバイポーラ構造をとることができ、高電圧用途に適する。例えば、有機系電解液を使用した平板型構造の電気二重層キャパシタでは、４０〜５０セル積層した耐電圧１００Ｖクラスのユニットが開発されている。なお、中容量、大容量の電力貯蓄用途では、ユニットを並列、直列に組み合わせたモジュールが適用される。

図３に電気二重層キャパシタを直流負荷へ適用した一例を示す。図中、１は負荷、ＤＣは直流電源（例えば、１１０Ｖ）、Ｃは電気二重層キャパシタ（例えば、定格電圧１１０Ｖ、静電容量２０Ｆ）、Ｒ１は線路抵抗、Ｒ２は電気二重層キャパシタの内部抵抗、ＳＷ１は操作スイッチを示す。具体的には、直流電源ＤＣに、操作スイッチＳＷ１を備えた負荷１と、電気二重層キャパシタＣとが並列に接続されている。操作スイッチＳＷ１は、負荷１を運転又は停止させる際に用いる。

電気二重層キャパシタＣは、急峻な充放電を得意としているため、短時間に大電流を必要とする直流負荷に利用されることが多い。図３に示すように、負荷１が、直流電源ＤＣから距離の離れた位置に設置された場合、線路抵抗Ｒ１の影響によるＩＲドロップに伴い、負荷１における電圧は降下する。従って、負荷１の近傍に電気二重層キャパシタＣを設置することは、線路抵抗Ｒ１の影響による電圧降下に対応する手段として好適な使用方法となる。

電気二重層キャパシタの充放電に関する技術としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。

特開２００４−２１５３３２号公報

ところが、据付時に電気二重層キャパシタＣの初期充電を行う際、図３に示すように直流電源ＤＣと電気二重層キャパシタＣを直接接続すると、大電流が流れ、電気二重層キャパシタＣの直流電流の許容電流値を超えてしまうことがあった。そのため従来は定電流制御機能を付加した充電回路（図示省略）を設けており、装置が高価なものになっていた。

このようなことから本発明は、電気二重層キャパシタの初期充電時の過大電流防止を安価な構成で行うことが可能な電気二重層キャパシタ充電装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の請求項１に係る電気二重層キャパシタ充電装置は、直流回路に用いられる電気二重層キャパシタの充電を行う電気二重層キャパシタ充電装置であって、前記電気二重層キャパシタに直流電流を供給する直流電源と、前記電気二重層キャパシタに直列接続されて前記直流電源から前記電気二重層キャパシタに供給される直流電流の電流値を制限する電流制限手段としての抵抗器と、前記抵抗器に並列接続され、ＯＮ時は前記抵抗器の両端を短絡し、ＯＦＦ時は前記抵抗器に前記直流電流を流して前記電気二重層キャパシタに供給される前記直流電流の電流値を制御する切換手段としての短絡スイッチとを有し、前記短絡スイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り替えて、前記電気二重層キャパシタに供給される電流を抑制することを特徴とする。

本発明の請求項２に係る電気二重層キャパシタ充電装置は、請求項１記載の電気二重層キャパシタ充電装置において、一端が前記抵抗器及び前記短絡スイッチを挟んで前記電気二重層キャパシタとは反対側に接続され、他端が、前記直流電源と接続した状態、又は前記抵抗器及び前記短絡スイッチ乃至前記電気二重層キャパシタを短絡する短絡回路と接続した状態、又は前記直流電源及び前記短絡回路に対して解放された状態のいずれかを選択可能に設けられた切換手段としての充放電スイッチを有し、前記抵抗器を、前記充放電スイッチを前記直流電源に接続した場合は前記電流制限手段として、前記充放電スイッチを前記短絡回路に接続した場合は前記電気二重層キャパシタの放電手段として用いることを特徴とする。

上述した本発明に係る電気二重層キャパシタ充電装置によれば、直流回路に適用する電気二重層キャパシタに過大電流防止用回路を直列接続したことにより、電気二重層キャパシタの初期充電時には、まず、短絡スイッチを解放した状態で充電を行う。これにより、直流電源から抵抗器、電気二重層キャパシタへと電流が流れることとなり、抵抗器によって電気二重層キャパシタへ流れる電流を抑制することができる。

そして、電気二重層キャパシタの充電電圧が設定値に達した時点で短絡スイッチを投入して初期充電を完了する。従って、定電流制御機能を付加した充電回路などの高価な装置を使用することなく電気二重層キャパシタの初期充電が行えるため、初期充電時に電気二重層キャパシタに流れ込む過大電流を安価な構成で防ぐことが可能になった。

また、充放電スイッチを設ければ、電気二重層キャパシタ及び過大電流防止用回路を、充電時には直流電源側に接続し、放電時には短絡回路側に接続するというように、過大電流防止用回路を完全放電用として共用することができるため、部品点数を削減し、コストを低減することが可能となる。

以下、本発明に係る電気二重層キャパシタ充電装置の好適な実施の形態について、以下に示す実施例により詳細に説明する。

本発明の第１の実施例を図１に基づいて説明する。図１は本実施例に係る電気二重層キャパシタ充電装置の概略を示す回路図である。

本実施例において、直流電源ＤＣ（例えば、１１０Ｖ）には、操作スイッチＳＷ１を備えた負荷１と、予備充電回路２とが並列に接続されている。予備充電回路２は、電気二重層キャパシタＣ（例えば、定格電圧１１０Ｖ、静電容量２０Ｆ）、補助抵抗回路２１、及び接続スイッチＳＷ３が直列に接続されて構成されている。補助抵抗回路２１は、抵抗器としての補助抵抗Ｒａ（例えば、１０Ω）と第一切換手段としての短絡スイッチＳＷ２が並列に接続されて構成されている。なお、Ｒ２は電気二重層キャパシタＣの内部抵抗を示している。

本実施例は、短絡スイッチＳＷ２と並列接続した補助抵抗Ｒａを電気二重層キャパシタＣと直列に接続することで、直流回路に適用する電気二重層キャパシタＣの初期充電時の過大電流を防止するものである。

図１に示す電気二重層キャパシタ充電装置において電気二重層キャパシタＣの初期充電を行う方法を説明する。まず、装置組込後に操作スイッチＳＷ１及び短絡スイッチＳＷ２を解放した（ＯＦＦ）状態で接続スイッチＳＷ３を投入する。これにより、直流電源ＤＣ、接続スイッチＳＷ３、補助抵抗Ｒａ、電気二重層キャパシタＣという経路で電流が流れ、充電を行う。この際、電気二重層キャパシタＣへ流れ込む電流は、補助抵抗Ｒａによって抑制されることとなり、電気二重層キャパシタＣへ過大電流が流れ込むことが防止される。

その後、電気二重層キャパシタＣの電圧が設定値（例えば定格電圧の９０％＝９９Ｖ）以上となった時点で短絡スイッチＳＷ２を投入する（ＯＮ）。直流電源ＤＣ、接続スイッチＳＷ３、短絡スイッチＳＷ２、電気二重層キャパシタＣという経路で電流が流れ、これにより初期充電が完了する。

上述した本実施例に係る電気二重層キャパシタ充電装置によれば、電気二重層キャパシタＣを直流回路に適用する際、電気二重層キャパシタＣに、補助抵抗Ｒａと短絡スイッチＳＷ２とを並列接続した補助抵抗回路２１を直列接続する構成としたことにより、電気二重層キャパシタＣの初期充電の際には、必要に応じて短絡スイッチＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで、電気二重層キャパシタＣへ過大電流が流れ込むことを防止することが可能となった。これにより、従来必要とした定電流制御機能を付加した充電回路が不要となり、安価な構成で電気二重層キャパシタＣの初期充電時の過大電流を防止することが可能となった。

本発明の第２の実施例を図２に基づいて説明する。図２は、本実施例に係る電気二重層キャパシタ充電装置の概略を示す回路図である。

本実施例において、直流電源ＤＣ（例えば、１１０Ｖ）には、操作スイッチＳＷ１を備えた負荷１と、予備充放電回路３とが並列に接続されている。予備充放電回路３は、電気二重層キャパシタＣ（例えば、定格電圧１１０Ｖ、静電容量２０Ｆ）、補助抵抗回路３１、第二切換手段としての充放電スイッチＳＷ４を順に直列接続し、更に、充放電スイッチＳＷ４と電気二重層キャパシタＣ及び補助抵抗回路３１を短絡する短絡回路３２を設けた構成となっている。なお、Ｒ２は電気二重層キャパシタＣの内部抵抗を示している。

補助抵抗回路３１は、抵抗器としての補助抵抗Ｒａ（例えば、１０Ω）と第一切換スイッチとしての短絡スイッチＳＷ２とを並列に接続した回路である。なお、充放電スイッチＳＷ４は、図２に示すＡ側に投入すると電気二重層キャパシタＣ及び補助抵抗回路３１を直流電源ＤＣと接続し、Ｂ側に投入すると電気二重層キャパシタＣ及び補助抵抗回路３１を短絡回路３２と接続する。

本実施例は、補助抵抗Ｒａを電気二重層キャパシタＣの初期充電時の電流制限用、及び、完全放電時の放電抵抗用の抵抗器として併用するものである。

以下、本実施例における作用効果を説明する。表１は図２に示す回路の動作モードを表すものである。

まず、電気二重層キャパシタＣの初期充電を行う際は、装置組込後に操作スイッチＳＷ１及び短絡スイッチＳＷ２を解放（ＯＦＦ）した状態で、充放電スイッチＳＷ４をＡ側又はＢ側のどちらにも接続されていないニュートラルからＡ側に投入する（モード１）。これにより、直流電源ＤＣ、充放電スイッチＳＷ４、補助抵抗Ｒａ、電気二重層キャパシタＣという経路で電流が流れ、初期充電を行う。この際、補助抵抗Ｒａによって電気二重層キャパシタＣへ流れ込む電流値が抑制されるため、電気二重層キャパシタＣへ直流電源ＤＣから過大電流が流れ込むことを防止することができる。

次に、電気二重層キャパシタＣの電圧が設定値（例えば定格電圧の９０％＝９９Ｖ）以上となった時点で、短絡スイッチＳＷ２を投入（ＯＮ）し、補助抵抗Ｒａを短絡する（モード２）。直流電源ＤＣ、充放電スイッチＳＷ４、短絡スイッチＳＷ２、電気二重層キャパシタＣという経路で電流が流れ、これにより初期充電が完了する。その後、操作スイッチＳＷ１を投入して通常運転を開始する。

ところで、電気二重層キャパシタＣを直流負荷へ適用する際等、安全上の観点からメンテナンスや部品交換時に電気二重層キャパシタＣを完全放電させる場合がある。このように電気二重層キャパシタＣの完全放電を行う際は、操作スイッチＳＷ１及び短絡スイッチＳＷ２を解放（ＯＦＦ）した状態で充放電スイッチＳＷ４をＢ側に投入する（モード３）。電気二重層キャパシタＣ、補助抵抗Ｒａ、短絡回路３２、電気二重層キャパシタＣと電流が流れ、電気二重層キャパシタＣの充電電圧が低下する。これにより抵抗放電を行う。

さらに、電気二重層キャパシタＣの電圧が設定電圧（例えば、定格電圧の１０％＝１１Ｖ）以下となった時点で、短絡スイッチＳＷ２を投入（ＯＮ）して完全放電を完了する（モード４）。

その後、短絡スイッチＳＷ２及び充放電スイッチＳＷ４を共に解放（ＯＦＦ）し、電気二重層キャパシタＣの切り離しが完了する（モード５）。

本実施例によれば、補助抵抗回路３１、充放電スイッチＳＷ４及び短絡回路３２を設けたことにより、電気二重層キャパシタＣの初期充電の際には、充放電スイッチＳＷ４をＡ側に投入することで補助抵抗Ｒａにより電気二重層キャパシタＣへ過大電流が流れ込むことを防止することが可能となるため、従来と比較して安価な構成で電気二重層キャパシタＣの初期充電時の過大電流を防止することが可能となった。更に、電気二重層キャパシタＣを完全放電させる際には、充放電スイッチＳＷ４をＢ側に投入することで、初期充電時に使用する補助抵抗Ｒａを完全放電抵抗器として併用することが可能となるため、部品点数を削減してコストを低減させることが可能となった。

本発明は、直流回路に適用される電気二重層キャパシタ充電装置に利用可能である。

本発明の実施例１に係る電気二重層キャパシタ充電装置の概略構成を示す回路図である。 本発明の実施例２に係る電気二重層キャパシタの充電及び放電方法の概略構成を示す回路図である。 電気二重層キャパシタを直流付加に適用した例の概略構成を示す回路図である。

符号の説明

ＤＣ 直流電源
Ｃ 電気二重層キャパシタ
Ｒａ 補助抵抗
ＳＷ１ 操作スイッチ
ＳＷ２ 短絡スイッチ
ＳＷ３ 接続スイッチ
ＳＷ４ 充放電スイッチ
１ 負荷
２ 予備充電回路
３ 予備充放電回路
２１，３１ 補助抵抗回路
３２ 短絡回路

Claims (2)

1. 直流回路に用いられる電気二重層キャパシタの充電を行う電気二重層キャパシタ充電装置であって、
   前記電気二重層キャパシタに直流電流を供給する直流電源と、
   前記電気二重層キャパシタに直列接続されて前記直流電源から前記電気二重層キャパシタに供給される直流電流の電流値を制限する抵抗器と、
   前記抵抗器に並列接続され、ＯＮ時は前記抵抗器の両端を短絡し、ＯＦＦ時は前記抵抗器に前記直流電流を流して前記電気二重層キャパシタに供給される前記直流電流の電流値を制御する第一切換手段とを有し、
   前記第一切換手段のＯＮ／ＯＦＦを切り替えて、前記電気二重層キャパシタに供給される電流を抑制する
   ことを特徴とする電気二重層キャパシタ充電装置。
2. 一端が前記抵抗器及び前記第一切換手段を挟んで前記電気二重層キャパシタの反対側に接続され、他端が、前記直流電源と接続した状態、又は前記抵抗器及び前記第一切換手段及び前記電気二重層キャパシタを短絡する短絡回路と接続した状態、又は前記直流電源及び前記短絡回路から解放された状態のいずれかを選択可能に設けられた第二切換手段を有し、
   前記第二切換手段の前記他端を前記直流電源に接続した場合は前記抵抗器を電流制限手段として用いる一方、前記第二切換手段の前記他端を前記短絡回路に接続した場合は前記抵抗器を前記電気二重層キャパシタの放電手段として用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の電気二重層キャパシタ充電装置。

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