JP2009033075A - 電力貯蔵供給可変装置とその管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のスーパーキャパシターを使い、エレメントの組み合わせを使い、ピーク電力を供給、充電を同時に行い、回収した電力を貯蔵する。
【解決手段】スーパーキャパシターを複数使い効率の良いエネルギー貯蔵、送電装置である。リアルタイムにより需要電力を計算し、それに応じてスーパーキャパシターから成るシステムを再構成し需要に応える。構成は直列、並列、組み合わせを使い、常に最適の配置を行う。一貫した継続的な高電圧のエネルギーは更にＣＤスウィングとリバース・チャージの仕組みを利用してより一層の効率の高いエネルギーの貯蔵、送電をコンパクトなシステムとして行う。このエネルギー回収はスーパーキャパシター・エレメントの電極形成での無極性を利用し、イオンの表面吸着を利用する。電流民生から自動車、工業分野と応用は広い。
【選択図】図３

Description

本発明は電力を可変的に貯蔵および供給する装置に関する。本発明は複数のスーパーキャパシター・エレメントを使い、エレメントの構成を直列、並列、およびその組み合わせを使いリアル・タイムで次々と変更しながら常にピーク電力を供給し、かつ充電を同時に行い回収した電力を貯蔵するものである。

エネルギー効率、エネルギー密度、パワー密度、充電効率がエネルギーの使いやすさにおける４つの指標である。エネルギー効率、時間、コストの面からみてキャパシターのほうがインダクターやトランスよりもエネルギー密度を得られやすい。米国特許５，５８１，４５４ではＤＣ／ＤＣコンバーターが複数のキャパシターを使い、電力需要に応えるように開示されている。しかしこの例ではキャパシターの電気容量が小さいため０．５ワットの電力しか供給できない。“雲”の概念を使い、キャパシター・エレメントを多数使用したセットを提案し、巨大な電気エネルギーを提案した例もある（米国特許５，６２９，８２８）が、現実性は無い。キャパシターでも特に大容量を持つスーパーキャパシターを利用して、数万ワットを供給するＤＣ／ＤＣコンバーターも製造できる。このようなコンバーターは米国特許５，５５２，６８１，５，７１０，６９９，６，０７２，６９１，６，２１５，２７８，６，５３８，４１４及び７，２１８，４８９で見ることが出来る。スイッチによるこれらコンバーターで、数百個レベルのスーパーキャパシターが使用され、必要な電力を出力する。この方法は電力貯蔵装置の考えである。キャパシターは電圧が低く、２．５から３ボルト程度であるため大型の負荷装置を稼動させるためには数百ものスーパーキャパシターを直列につなぐ必要がある。各スーパーキャパシターは過充電防止の保護回路をつけなければならない。スーパーキャパシターが不良になったとき保護回路がそのキャパシターを装置全体の稼動要員から外す。スーパーキャパシターの数が増えると保護回路も増える。保護回路が増えるとコストが上がるだけでなく、システムが大型かつ複雑になる。一方、スーパーキャパシターが物理的に直列並列その他の接続で固定されると、システムは電力供給で一定の制限を受ける。しばしば電力は負荷装置の望む通りには供給できないことが多い。さらに多数のスーパーキャパシターを直列接続で固定しフル充電のために、システムのトータル電圧と同等の電圧を供給することのできる大型の電源も当然用意しなければならない。大型の主電源はシステム要件としてはコスト的にも利便性からも問題が多い。前述の米国特許６８１と４８９は他にも問題がある。これらは主に電力供給を目的としているが、エネルギーの効率使用と随時エネルギー回収に関しては言及がない。既存技術では電力貯蔵システムの貯蔵容量を超える充電エネルギーは熱として発散される。これは非生産的で無駄が多い。
エネルギーの回収と貯蔵に関して米国特許７，２３１，８７７があるが、ここでも電力供給とエネルギー保存に関してスーパーキャパシターのユニークな特徴を生かせていない。よってエネルギー保存の観点からスーパーキャパシター技術に基づいたコンパクトで高信頼性、経済的システムが、数々のエネルギー需要の応用において望まれる。
米国特許

本発明は電力をタンクのように貯蔵するもので、複数のスーパーキャパシターをタンク内部で複数の小部屋と階層に配置した一個の筐体にいれた構成物である。特別なキャパシターセルの製造法、セル組み立て、リアルタイム構成変更を取り入れて、本タンクはエネルギー密度、パワー密度、エネルギー効率、エネルギー回収のすべての点で最高の性能を持つ。よって本発明の目的の一つとして数百ボルトの稼動電圧を出力できるように、スーパーキャパシターを利用することにある。各スーパーキャパシター・エレメントは複数のバイポーラ（双極）電極をロール状或いは積み上げ式に組み立て、エレメント単位で高稼働電圧を達成する。当エレメントはセルの電圧を上げるため、シンプルだが効果的な方法で製造する。各エレメントには充電と放電用の電極を持つ。
もう一つの目的はすべてのスーパーキャパシター・エレメントを一つのケースに収納しパワー・タンクシステムの容積をコンパクトにすることである。このときエレメントをケースに密閉するが、“ｉｎｔｒａ−ｃａｓｉｎｇ”（ケース内）セル組み立てと呼ぶ方法を用いる。この方法によりすべての個別エレメントはケース内で同じ環境を共有し、エレメントに特に保護回路を必要とせず、お互いに同じレベルの充電と放電状態に維持できる。また密閉用材料と電気材料も少なくて済み、パワー・タンクのシステム製造コストは低くなる。
スーパーキャパシター・エレメントを複数の小部屋および階層に分けて配置し、各エレメント間には固定した接続関係を持たせないことも本発明の重要点である。各スーパーキャパシター・エレメントはパワー・タンク内では独立した部品である。エレメントの接続を直列、並列、或いはその組み合わせにするかはリアルタイムでマイコン、ドライバー・ソフト、データバスとスイッチを駆使して瞬時に判断される。システム内の所在に関わらず必要に応じて、充電或いはエネルギー回収に各エレメントはその役割を果たす。そしてその役割が終わると、それらエレメントは以前の独立した単体としての状態に戻る。独立、離脱状態のため、スーパーキャパシター・エレメントはいつでも瞬時に代替でき、パワータンクはシステムとしては非常に信頼性の高い作動を保証される。スイッチのオフでパワータンク・システムは一切のエネルギーを消費しないので、システムは主電源からみるとスタンバイ時は全く負担にならない。
スーパーキャパシター・エレメントは個別に充電でき、フル充電したエレメントは集合的に使用できる。この方法でパワータンクは主電源の大小規模と電圧の大小に関わらず、電源の選択は実に簡単である。主電源のサイズによりスーパーキャパシター・エレメントは単体別、グループ別に主電源電圧に合わせて充電を行う。複数の充電されたスーパーキャパシター・エレメントが直列で放電すると、主電源よりも何倍もの電圧で出力することができる。エネルギー回収の面ではトータルの回収電力をスーパーキャパシター・エレメントに分散して保存し、必要時に必要な電力をシステムの構成を変えて供給する。
本発明ではマイコンとそれを動かすドライバーにより瞬時にスーパーキャパシター・エレメントの構成を変化させ、電力供給あるいは電力回収の作業に取り掛かる。このマイコンは特定用途マイコンで各スーパーキャパシター・エレメントの充電状態、機能を監視し、それをデータとして記録し、システム構成の判断基準として利用する。マイコンからの命令を受けるとドライバーがリアルタイムでシステムの構成をデータバス経由で各スーパーキャパシター・エレメントに伝える。各スーパーキャパシター・エレメントはその指示でシステムから離脱したり参加したりするわけである。
スーパーキャパシターは放電率が急なのでエネルギーを一気に放電する可能性がある。放電とともにスーパーキャパシターは充電電圧からほぼゼロボルトまで落ちる。その後、放電準備が出来るまでは充電期間を経る。よって現在の一般的スーパーキャパシターの使用法では二つの問題がある。それらは非実用的エネルギーが繰り返し放電、充電されること、そしてエネルギー供給が需要に間に合わないことでる。本発明では“充電放電スウィング”（ＣＤ Ｓｗｉｎｇ）技術でこの問題を解決する。ＣＤスウィングで本発明のパワータンク・システムはスーパーキャパシター・エレメントの実用性のあるエネルギーのみを利用し、その結果、エネルギー使用効率は高い。さらに複雑なパワータンク・システムはコンスタントにピーク電力を大規模に供給し回収する。
本発明でのスーパーキャパシター応用技術ではいわゆる逆向き充電技術（ｒｅｖｅｒｓｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ）エネルギー回収を行う。スーパーキャパシター・エレメントの電極形成での無極性を利用し、イオンの表面吸着を利用する。負荷装置から電流が電源の負極に戻り一巡する。電流は回路の一部分であるスーパーキャパシター・エレメントを通るときに充電を行っている。スーパーキャパシター・エレメントが放電時には、逆の極で充電しているのである。これはエネルギー回収であり、保存してあとでの放電に利用できる。

図１は九つのスーパーキャパシターをＣ１からＣ９の通りパワー・タンク内に同条件で配置した。各スーパーキャパシターは２つのデータ・バスを持つ。Ｃ１にはＸ１，Ｙ１，Ｃ２にはＸ２，Ｙ１等で他のスーパーキャパシターと接続するが、ケース横のドライバーがそれを行う。エレメントが入る各小部屋内に更に箱がありそこにスイッチ、電気接点、電圧センサー、電流センサー、その他の電気デバイスを入れ、瞬時の構成に対処する。図ではこの箱の内部は省略している。実際のアプリケーションの大きさによってパワータンク・システムの寸法も決められる。部屋の大きさと部屋の数も電力需要によって決めればよい。図１のスーパーキャパシター・エレメントは丸型で端子が上下から出ているが、他の形状や配置方法も可能である。エレメントを選ぶにあたり出来るだけ同じキャパシタンス、稼動電圧、ＥＳＲ，リーク電流の特性を持つものから選ぶ。一つでも特性が極端に違うエレメントが混じるとセンサーが不良と判断しそのエレメントはシステムの稼動から除外される可能性がある。また、メンテ時にそのエレメントを交換することができる。図のとおり、即時にエレメントや他の部品を交換できるよう、それぞれはあらかじめ独立して接続から離れて配置されている。
容量を更に上げるために、複数層のシステムを図２で示す。３層の例である。Ｔ１からＴ３までがコントローラーに接続している。３本のデータバス、ＣＸ１／ＣＹ１からＣＸ３／ＣＹ３である。各層は９つ或いはそれ以上のスーパーキャパシターを持つ。すべてのエレメントは一つの蓋（ＣＡＰ）で密閉される。これはイントラ・ケーシング技術で行う。アルミ、ステンレス鋼、鋳鉄、ポリプロピレン、ポリエチレン等でケースを形づくる。レーザー溶接か熱溶接でパワータンク筐体を密閉する。筐体内は強制的空冷で稼動時の放熱を行うことも出来る。図２では送風機と送風管は省略してある。すべてのスーパーキャパシターは一つの筐体内で空冷されているので、同じ圧力と温度を共有している。コントロールされた電気特性ですべてのスーパーキャパシターは均等に充電と放電を行う。そのため各エレメント用の保護回路は必要がない。同様のメリットは米国特許６，７６２，９２６および６，９０９，５９５でも見られるが、スーパーキャパシターの直列接続による高電力モジュールである。
図２のシステムを構築するためのスーパーキャパシターはそれぞれ、電極とセパレーターを持つ円状あるいは箱状で製造し密閉する。イントラ・ケーシング式セル組み立てで複数のスーパーキャパシターをスイッチとデータバスを使いシステムにする。スイッチとデータバスでスーパーキャパシターを独立で操作でき、構成も変えることができる。既存技術のように何千ものスーパーキャパシターを固定して構成させるのに比べて、本発明の方法はスペースとコストが格段に小さくて済む。パワータンクの最大の稼動電圧は直列接続されたスーパーキャパシターの電圧の総和であり、同じく最大の容量は並列接続されたスーパーキャパシターの容量の総和である。目安として容量１ファラッドはスーパーキャパシターの出力電流１アンペアである。よって総和最高容量がパワータンクの供給できる最高出力である。最大電圧と最大電流以下であれば要求される出力はスーパーキャパシターの構成によって適正に出力される。必要に応じて供給するエネルギーと回収するエネルギーを効率よくコントロールできる。それはマイコン或いはＣＰＵによって制御する。
（１）各スーパーキャパシター充電状態、健康状態の計測
（２）上記の状態のデータを記録
（３）電力需要と電力回収にあたりスーパーキャパシターの構成を計算
（４）選択されたスーパーキャパシターの構成に必要な命令を指示
（５）不良スーパーキャパシターを発見し光、音、表示等で通知
（６）不良スーパーキャパシターを除外し別構成を指示
本発明で鍵になるのは再構成のためのスウィッチのメカニズムである。図３で望ましい形態を示した（３００）。六つのスーパーキャパシターＣ１からＣ６まであり、二つのブロックを構成（ＢＢ１とＢＢ２）。各ブロックは３本のエレメントからなるコラムを含む。もちろんこれ以外の構成も可能である。図２のように三次元の構成にして出力を上げることも出来る。各スーパーキャパシターは図では簡単化のために二本の同じ長さの横棒で表現している。各横棒は垂直のスイッチ端子を持つ。スーパーキャパシターの両側は同じ方法で製造し、充電前には両側端子は極性を持たない。電極は正負のいずれにもなる。スーパーキャパシターの端子スイッチには３つのコンタクトを持つ。２つのコンタクトはエレメントを電源（Ｖｉｎ）の正に接続（３００）と負（３３０）に接続する。３つのうち中央のコンタクトは他のエレメント、電源、負荷装置と隔離するため、或いはエレメントが他のブロックのエレメントと接続するためである。データバスとスイッチを介して行う（図３では表示していない）。例えば、エレメントＣ１の上部のスイッチ端子は三つのコンタクト、Ｐ１，Ｍ１とＮ４を持ち、Ｃ１の底部のスイッチ端子は別の３つのコンタクト、Ｄ１，Ｍ２そしてＰ２を持つ。Ｐ１とＰ２は正極のライン３１０に対するコンタクトであり、Ｎ４は負極のライン３３０に対し、Ｍ１とＭ２によりＣ１が他のエレメントと完全に隔離するかシステム内のどのエレメントと接続するかを決める。更にＭ２はＣ１の底部スイッチ端子経由でＮ３端子から正極電源ライン３１０へ接続する。Ｐ２／Ｎ３とＰ３／Ｎ２等の電源ラインへのすべてのブロック内接続と、ブロックからブロックへのスーパーキャパシターの接続は、ＸとＹデータバスとスイッチで行われる（図３では省略）。ＣＰＵにおける同様のデータバスを使うデータ保持の方法が米国特許７，０００，０４２で開示された。ここのアレンジが本発明のスーパーキャパシターエレメントの瞬時再構成で参考になる。リアルタイム再構成のため、本発明では十分な幅と速度を持つデータバスを使い、スーパーキャパシターの状態、エネルギー需要、命令、信号を伝える。

図３は本発明であるパワータンクの概念を単純化して示しており、原理を説明するためのものである。図３の左側に電源Ｖｉｎを置きスーパーキャパシターＣ１からＣ６を充電する。負荷装置（ＬＯＡＤ）は右側にある。二つの電圧センサーｖｉとｖｉｉはＶｉｎとＬＯＡＤをそれぞれモニターする。データバス３１と３３でマイコンがＬＯＡＤをモニターする。図３では省略しているが各スーパーキャパシターエレメントは電圧センサーと電流センサーを持ち、マイコンが制御する。図にはないが、ドライバーが実際は存在しマイコンからの命令や信号を実行する。マイコンはＶｉｎとスーパーキャパシターの接続をオンオフし充電と放電を行う。その際、データバス３１３と３１１、スイッチＳ１とＳ２を使う。同様にＬＯＡＤはスーパーキャパシターエレメントとの接続をオンオフされ電力を受けたり出したりする。マイコン経由でデータバス３２２／３２４，スイッチＳｘ／Ｓｙで行う。Ｓ３／Ｓ４とＳ５／Ｓ６のような対のスイッチもブロックＢＢ１とＢＢ２のエレメントをパワータンク３００の各部分との接続オンオフを行う。スーパーキャパシターエレメントとＶｉｎの稼動電圧の差により、エレメントは単体で或いは直列接続のグループとして充電される。単体でもグループでもどちらの場合も、主電源と並列で充電される。電源の種類は問わない。瞬時の再構成により、本発明パワータンクは様々な電力レベルの電源と組み合わせることが出来る。主電源からフルに充電を受けたエレメントは、直列でも並列でもその組み合わせでも接続出来、ＬＯＡＤの要求するエネルギーを供給する。もしＬＯＡＤが自動車のダイナモであれば、ブレーキ制動時に得られる運動エネルギーもスーパーキャパシターエレメントが充電し、エネルギー回収を行うことも可能である。同様のブレーキからの回収はエレベータ、クレーン、様々なエンジン、重機等のモーターの減速からすでに採用されている可能性がある。ブレーキ制動時、マイコンとドライバーが瞬時にエレメントの構成を実行し電力を回収する。そのためスーパーキャパシターエレメントの再構成は本発明の重要な部分である。例１はその再構成の方法を示す。

例１として、説明する。スーパーキャパシターエレメントの構成として、ブロック内接続、ブロック間接続がある。
１．ブロック内直列接続：
図３のＢＢ１で、Ｃ１からＣ３は直列接続で次のようになる。
▲″▼Ｐ１→Ｃ１上部のスイッチ端子→Ｃ１底部スイッチ端子→Ｄ１−Ｄ２→Ｃ２上部スイッチ端子
→Ｃ２底部スイッチ端子→Ｄ３−Ｄ４→Ｃ３上部スイッチ端子→Ｃ３底部スイッチ端子
→Ｎ１．″
ＢＢ１の三つのエレメントは直列でつながった。Ｓ１／Ｓ２が閉の場合、Ｓ３／Ｓ４，Ｓ５／Ｓ６，・・・、Ｓｘ／Ｓｙは開で、ＢＢ１はＶｉｎと直列接続。Ｓ３／Ｓ４，Ｓ５／Ｓ６・・・そしてＳｘ／Ｓｙが閉で、Ｓ１／Ｓ２が開で、ＬＯＡＤはＢＢ１と直列になり、ＢＢ１の各エレメントの総和である３倍の電圧のエネルギーを受け取る。
２．ブロック内並列接続：
ＢＢ１を使い説明する。スーパーキャパシターエレメントＣ１からＣ３を並列で接続する：
▲″▼Ｃ１上部端子→Ｐ１，Ｃ２上部端子→Ｍ３→Ｐ２，Ｃ３の上部端子→Ｍ５→Ｐ３；
Ｃ１底部端子→Ｍ２→Ｎ３，Ｃ２底部端子→Ｍ４→Ｎ２，Ｃ３底部端子→Ｎ１″
スーパーキャパシターエレメントからＰ２，Ｐ３，Ｎ３，Ｎ２へのリレーはＭ３，Ｍ５，Ｍ２そしてＭ４，Ｘ，Ｙデータバスとスイッチ等で行われる。図３では簡単化のためデータバスとスイッチは示していない。
全エレメントが並列でつながるとＢＢ１はＶｉｎと並列になり、Ｓ１／Ｓ２は閉で、或いはＬＯＡＤと並列でＳ３／Ｓ４，Ｓ５／Ｓ６，．．．そしてＳｘ／Ｓｙが閉となる。
３．ブロック間接続
ブロック内のスーパーキャパシターエレメントの直列あるいは並列接続は上記で説明した。実際のところブロック内のスーパーキャパシターエレメントの数にかかわらず直列、並列、その組み合わせの構成はスイッチ端子を適当な端子に直接、或いはデータバス、スイッチのリレー経由で実現される。ブロック内の配列が望む通り決まると、２つかそれ以上のブロックも以下のように違った構成でＶｉｎ或いはＬＯＡＤに接続される：
Ａ）ＢＢ１とＢＢ２をＶｉｎ或いはＬＯＡＤに直列接続
▲″▼Ｐ１→Ｃ１上部端子→Ｃ１底部端子→Ｄ１−Ｄ２→Ｃ２上部端子→Ｃ２底部端子→
Ｄ３−Ｄ４→Ｃ３上部端子→Ｃ３底部端子→Ｍ６−Ｍ７→Ｃ４上部端子→Ｃ４底部端子→
Ｄ５−Ｄ６→Ｃ５上部端子→Ｃ５底部端子→Ｄ７−Ｄ８→Ｃ６上部端子→Ｃ６底部端子→Ｎ５″
この接続はＢＢ１，ＢＢ２とその内部をすべて直列につないだ。Ｓ１／Ｓ２とＳ４（Ｓ３は開のまま）を閉にしてＢＢ１とＢＢ２はＶｉｎと直列。一方、ＢＢ１とＢＢ２は、Ｓ４を閉（Ｓ３は開）、Ｓ５／Ｓ６．．．Ｓｘ／Ｓｙを閉にしてＬＯＡＤと直列になる。ＬＯＡＤが受ける電力はＢＢ１とＢＢ２のスーパーキャパシターエレメントの総和の電圧である。
Ｂ）ＢＢ１とＢＢ２をＶｉｎ或いははＬＯＡＤと並列接続
もしＢＢ１とＢＢ２内のすべてのスーパーキャパシターエレメントを並列にする場合、上の例１のセクション″２″のように接続する。対のスイッチＳ１／Ｓ２とＳ３／Ｓ４を閉にして、ＢＢ１とＢＢ２はＶｉｎと並列になる。一方、ＢＢ１とＢＢ２はスイッチＳ３／Ｓ４，Ｓ５／Ｓ６．．．Ｓｘ／Ｓｙを閉にすることでＬＯＡＤと並列接続になる。これでＬＯＡＤはＢＢ１とＢＢ２のスーパーキャパシターエレメントのピーク電流の総和を出力として受ける。
スーパーキャパシターブロックを、それ以外の混合組み合わせにすることもパワーライン３１０と３３０のスイッチのオン、オフの計算により可能である。
もし本発明内でのマイコンの役割が頭脳なら、スーパーキャパシターエレメントはパワータンクの心臓である。パワータンクのエネルギー密度とパワー密度を決定するのはスーパーキャパシターエレメントの個々の電気特性である。スーパーキャパシターのエネルギー密度はその稼動電圧の二乗に比例するのでキャパシターは出来るだけ高い稼動電圧で製造するのが良い。図４は高稼働電圧のスーパーキャパシターエレメントを製造する望ましい方法である。図４で複数の中間電極Ｂ１からＢｎとそれと同じ枚数のセパレーター、Ｓ１からＳｎを先端電極Ｅ１とＥ２で挟む。このときセパレーターはパイポーラー電極の上に配置する。先端電極のみが電源と接続する端子を持ち、中間電極は電源とは接続されない。もしＥ１が正極だとすれば、Ｅ１に相対する側のＢ１は負極になり、Ｂ１の別の側は正極になる。バイポーラー電極の極性分布は図４の積み上げられた層で継続して繰り返し、Ｅ２に相対するＳｎの側が正極になる。Ｅ２はスーパーキャパシターエレメントの負電極である。スーパーキャパシターの電極は、それがＥ１，Ｅ２，或いはＢ１．．．Ｂｎであれ、集電体としてのアルミ箔に活性炭素やその他の材料をコーティングすることで一様に製造できる。セパレーター、Ｓ，はポリプロピレン、ポリエチレン等の絶縁体で多孔式のシートで作り電解液を収容する。最も一般的は電解液の材料はｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅに溶かしたｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ａｍｍｏｎｉｕｍ ｔｅｒａｆｌｕｏｒｏｂｏｒａｔｅ［（Ｃ_２Ｈ_５）_４ＮＢＦ_４］塩で、有機電解液を形成する。他の塩基（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ ａｍｍｏｎｉｕｍ ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｂｏｒａｔｅ、ｍｅｔｈｙｌｔｒｉｅｔｈｙｌ ａｍｍｏｎｉｕｍ ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｂｏｒａｔｅ）や他の有機溶剤（ａｃｅｔｏｎｉｔｒｉｌｅ ｏｒ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）も電解液の材料として使える。すべての有機電解液は稼動電圧２．３ボルトから２．７ボルトのスーパーキャパシターに使える。
更にスーパーキャパシターの電解液にポテンシャルをかけると、電気エネルギーが負極表面にカチオン［（Ｃ_２Ｈ_５）_４Ｎ^＋］が、そして正極表面にアニオン（ＢＦ_４ ⁻）が吸着する。そして吸着イオンが電極のモノポーラー（図４のＥ１とＥ２）かバイポーラー（Ｂ１からＢｎ）を決定する。モノポーラー電極表面には一種類だけのイオンが吸着する。一方、バイポーラー電極の電極表面にはカチオンとアニオンがそれぞれ吸着する。電極表面のイオンが多ければ、スーパーキャパシターのエネルギーが増える。イオンを最大に吸着したときの稼動電圧は２．５ボルトプラスマイナス０．２ボルトである。しかし、図４の電極構成ではスーパーキャパシターエレメントはそれ以上の電圧を持つことが出来る。お互いに相対する正極と負極の２表面の対で出来るセルが２．５ボルト電圧と仮定すると図４のエレメントの稼動電圧は ２．５ボルト ｘ（ｎ＋１）ボルトである。明らかにエレメントの電圧はｎの数に応じて直線的に上がり、バイポーラー電極の数とともに上がる。稼動電圧が十ボルトから数百ボルトのスーパーキャパシターを量産製造することは簡単である。

図４での端子のない三側面をのみエッジ（先端）シーリングする。そのときの材料はエポキシ、シリコン、ポリウレタン、そしてｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｄｉｅｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒのｔｅｒｐｏｌｙｍｅｒ（ＥＰＤＭ）を使い、歩留まりを安定させる。この方法は既存技術によるバイポーラー・プロセスよりコストメリットがある。有機電解液を入れてエッジシーリング（密閉）後、図２のように複数の長方形のエレメントを液に浸してパワータンクを形成する。エレメントを他の形状、例えば、巻き上げ式の円状のエレメントは米国特許６，５７９，３２７で例示されている。しかし、角型エレメントを積み上げる方法がより高い電圧を容易に実現できる。本システム用の高容量を作る為、高電圧スーパーキャパシターエレメントが必要である。高電圧スーパーキャパシターエレメントにより高出力のシステムのエレメント使用数が削減出来、システムのサイズも小さく出来る。パワータンクの電気容量に限れば、容量はスーパーキャパシターエレメントを並列接続するか、スーパーキャパシターの電極表面を大きくすることで可能になる。
図５では本発明のパワータンクをシステムとして示し、個々の要素がスーパーキャパシターエレメンし、電源、負荷装置、コントローラーであり、ブロック図として示されている。５５０はスーパーキャパシターエレメントを複数入れ、電源（５１０）から充電される。５３０は充電用回路、５７０は負荷装置である。パワータンク（５５０）と負荷（５７０）の状態は電圧センサーＶ_ＣとＶ_Ｌ，でモニターされる。電圧の計測はマイコン（５２０）で記録、管理される。電力需要とエネルギー回収の必要性に応じて、５５０内のエレメントはドライバー（５４０）経由で、必要なスイッチの切り替え（５６０で集合的に表現）で再構成される。図５のブロック図はスーパーキャパシターエレメント、接点、スイッチはすべて簡単化で示している。しかし図３および図５での論理構成は一貫している。慣例に従いＤＣ／ＤＣコンバーター、キャパシターで構成されるモジュール等はスイッチング技術で表現する。一層大きなエネルギー密度を持つスーパーキャパシターのため、本発明パワータンクに使われるスイッチ群はそれに耐えうるものである。本システムのパワー規模に合うならば、電子リレー、ＦＥＴ，ＣＭＯＳ半導体、絶縁ゲート式バイポーラー接合トランジスター（ＩＧＢＴ）を使用する。

スーパーキャパシターそのものは低電圧デバイスだが、図４のようなバイポーラー組み立てのものはその不利な点を解消できる。エネルギー効率の点から、キャパシターは更に２点の弱点がある。低エネルギー効率とエネルギー供給の不安定さである。スーパーキャパシターの放電は性質として急速に行われてしまう。放電エネルギーの６０％以上が負荷を稼動させるという観点からは無駄になっている。理由は急速放電時の電圧降下が早いため負荷稼動電圧以下になってしまうのである。スーパーキャパシターの再充電時、負荷を稼動させられないエネルギーが充電される。また、最悪の場合はスーパーキャパシターエレメントがフル充電されるまで負荷を稼動できない。それに使い物にならないエネルギーが繰り返し放電充電される。そして、再充電を待つ間、負荷は稼動しない。この問題解消のため、本発明で充電放電スイング（ＣＤスウィング）を使う。ＣＤスウィングは電力共有の一技術である。同一の２セットのスーパーキャパシターを使い、トータルでピーク電流を確保する。各キャパシターは効果のあるエネルギーのみを放電する。第一セットが効果のあるエネルギーを放電し終わると、第二セットがただちに放電の役割を引き継ぐ。一方、第一セットは充電を受けている。次のサイクルでは二つのセットはお互いの役割を交換し充電と放電をそれぞれ行う。この際、効果のあるエネルギーのみが消費される。また、キャパシターは設計上、放電を途中までしかしないので、残存電圧は常に負荷装置の要求電圧以上で、一貫したピーク電流は継続的に供給する。同様のＣＤスウィングの方法が米国特許６，３７０，０４６、６，７５３，６７３，６，１４４，１１５で開示されている。
ＣＤスウィングは実践上、メリットが高い。どんな電力需要も構成されるスーパーキャパシターセットの数で等しく分配される。セットの数が多ければ、個々のセットの電力需要は小さくて済む。そのため、電源から見るとセットへの供給負担が減り、セットへの充電時間も小さく済む。一方、スーパーキャパシターエレメントをローテーションンするのでシステムトータルの品質も上がる。電力を一貫して継続的に供給することはどんな応用器機に対しても重要な要素である。

二つ目の例として一つの主電源と二つのスーパーキャパシターセットを使ったＣＤスウィングを図６で紹介する。これは二つの電気式リレーＲＥＬ１とＲＥＬ２で二つのスーパーキャパシターセット（Ｓ／Ｃ１とＳ／Ｃ２をオンオフし、充電と放電を行う。それぞれのセットは二つの電気端子Ｓ１／Ｓ２とＳ３／Ｓ４を持ち、ＲＥＬ１とＲＥＬ２で操作される。それぞれのリレーは二極双投スイッチである。ＣＤスウィングの初めに、リレーＲＥＬ１とＲＥＬ２は閉であり、Ｓ／Ｃ１とＳ／Ｃ２はバッテリーＥＴＨと並列で充電される。スーパーキャパシターセットそれぞれの充電のフローは以下である。
Ｓ／Ｃ１：ＥＴＨ（＋）→Ｓ２ａ→Ｓ２→Ｓ１→Ｓ１ａ→ＥＴＨ（−）
Ｓ／Ｃ２：ＥＴＨ（＋）→Ｓ４ａ→Ｓ４→Ｓ３→Ｓ３ａ→ＥＴＨ（−）
Ｓ／Ｃ１のＳ２とＳ／Ｃ２のＳ４は電気的にＥＴＨの正極につながり，Ｓ２とＳ４ａｒｅプラスである。Ｓ１とＳ３はＳ／Ｃ１とＳ／Ｃ２の負極である。図６では見えないが、スイッチが押されると、ＲＥＬ１とＲＥＬ２は閉と開の間を行き来し、充電か放電が起きる。ＣＤスウィングのプロセスは以下の通り。
第一サイクル：
ＲＥＬ１はオンでＲＥＬ２はオフ。Ｓ１とＳ２はＳ１ｂとＳ２ｂ，にスイッチされる。Ｓ２ｂは負荷装置Ｍに接続されるのでＳ／Ｃ１は負荷装置に放電を行う。電力はＥＴＨ（＋）→Ｓ１ｂ→Ｓ１→Ｓ２→Ｓ２ｂ→Ｍ
その結果、Ｓ／Ｃ１は電池ＥＴＨに直列で放電し、パワーはキャパシターから供給される。一方、Ｓ／Ｃ２は電池と並列につながっている（ＲＦＬ２が閉）。Ｓ／Ｃ２はＳ／Ｃ１からＭへの供給でＥＴＨをサポートしている。
第二サイクル：
ＲＥＬ１はオフでＲＥＬ２オン。
Ｓ３とＳ４はＳ３ｂとＳ４ｂ，にスイッチされる。Ｓ４ｂは負荷Ｍにつながり、Ｓ／Ｃ２は負荷に放電する。電力はＥＴＨ（＋）→Ｓ３ｂ→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ４ｂ→Ｍ
その結果、Ｓ／Ｃ２はＥＴＨへ直列で放電。ＲＥＬ１は閉なので、Ｓ／Ｃ１は電池と並列でエネルギーを受ける。
第三のサイクル：
反復スイッチＲＥＬ１とＲＥＬ２からＭへ継続電力が送られ、Ｍが電力を必要としなくなるまで充電と放電をＳ／Ｃ１とＳ／Ｃ２で繰り返す。
上述の通り、ＣＤスウィングでは充電放電にかかわらず、電源ＥＴＨはスーパーキャパシターに常にエネルギーを供給している。よってＥＴＨは例２ではフル稼動である。それと比べて本発明パワータンク・システムの電源はスーパーキャパシターの放電プロセスからは免れている。スーパーキャパシターは電池よりパワー密度が高い。本発明では多数のスーパーキャパシターを使い電力供給を行う。ＣＤスウィングは異なった動きになる。ピーク電流はスーパーキャパシターから来る。一方、パワータンクの電源はスーパーキャパシターエレメントを“浅く”充電するので足りる。スーパーキャパシターエレメントを色々と構成することにより幅広い出力レンジを実現できる。ただし、電源はスーパーキャパシターを充電するにあたりゆっくりとした割合でエネルギーを消費するだけである。ＣＤスウィングの利点は図６の仕組みで説明できる。

ＣＤスウィングの能力をテストする為に電気車椅子を使用する。次の２モードでテスト。
パワーＡ：１２ボルトｘ１２アンペアの鉛電池を２個使う。直列に接続。
パワーＢ：同様の鉛電池を一個、図６の回路のＳ／Ｃ１とＳ／Ｃ２を使う。Ｓ／Ｃは１５ボルトｘ５ファラド
テスト走行で鉛電池はフル充電してあり、車椅子は体重８１キロのドライバーが運転し、車椅子が電力不足で止まる（カットオフ）まで動かし続ける。各モードとも３回ずつ行い、止まったときの走行時間を記録。結果の平均データは以下の通り。
１．モードＡは二つの電池のみであるが、カット・オフでは電圧のバラツキがある。これは直列接続の安全性からの大きな問題である。直列の電池パックでは電圧の高い電池からダメになっていき、結局、パック全体に影響を与える。
２．モードＢの平均走行はシステムＡと比べて７６．５％である。（Ｂ／Ａ＝７５／９８）。しかし、車椅子全体の重量は軽くなり、一つの電池が節約された。ＣＤスウィングの間、モーターの稼動電圧、２４ボルト、はスーパーキャパシターと一つの鉛電池の間で等しく分担された。ＣＤスウィングのおかげでそれぞれの負担を半分に減らすことができた。
３．モードＡの電池一個当たりの平均走行は４９分間なのでモードＢの走行時間は１．５３倍（７５／４９）。ＣＤスウィングが車椅子のエネルギー効率を５３％改善した。
４．モードＢのカット・オフ電圧はモードＡより高い。前者の方が有益なエネルギーがまだ残存しているといえる。カット・オフが高い理由は図６のリレーは１２ボルトの稼動電圧が必要で、この電圧は鉛電圧の１０．５ボルトより高い。もしリレーがこれより低い稼動電圧なら、ＣＤスウィングは車椅子のエネルギー効率をもっと改善する。
５．試験中、車椅子は３０アンペアという高いピーク電流を必要とし、このアンペアはスーパーキャパシターの充電に要する電流以上である。よって、スーパーキャパシターが電力を増幅したといえる。ＣＤスウィングがスーパーキャパシターの出力を７２０ワット（２４Ｖｘ３０Ａ）にしたといえる。
本テストで使用したスーパーキャパシターは直列につないだ六つのエレメントから成るパワーシステムといえる。米国特許６，７６２，９２６で開示されたイントラ・ハウジング直列接続があるが、本当の意味でのパワーシステムは本発明で初めて可能になった。何故なら本発明により５０ワットから数万ワットのシステムが簡単に出来るからである。

ＣＤスウィングが交流あるいは直流電力の効率を改善するように、“逆充電”という技術も電力の効率改善に効果がある。逆充電は基本的に米国特許５，９８６，４３６で開示したとおり電気エネルギーの回収に関する。残存電気エネルギーが電気機器等から回収されキャパシターに貯蔵され、あとで必要時に使用する。逆充電はＬＣＤシステムの輝度と維持するためにも応用できる（米国特許６，９８５，１４２）。米国特許７，０８５，１２３ではアルカリ電池からエネルギーを回収し、アルカリ電池の寿命を延ばし、結局、電池廃棄量を削減する。米国特許７，０８５，１２３では逆向き充電はスーパーキャパシターのユニークな特徴を生かした。それはキャパシターの二つの電極に極性を持たせないで、イオンの吸着で極性を決定することである。色々な民生機器は二本のアルカリ電池を使用するので、機器の電池使用を一本に減らし、もう一本をこのスーパーキャパシターで代用すれば、この組み合わせで２本の電池と同じ働きをする。まず、電池がスーパーキャパシターを電池のポテンシャルレベルまで充電し、電池とスーパーキャパシターが直列で放電し、負荷装置から見ると主電源の電池の倍の電圧を受けることになる。電流が電池の正極からスーパーキャパシターを経由して負荷装置に流れる。電流は当然、回路を一周して電池の負極に戻る。戻るとき、電流はスーパーキャパシターを通ってくるが、同時にスーパーキャパシターを（逆向きで）充電する。放電側と反対側で充電が起きるのでリバース・チャージと呼ぶ。更に放電とリバース・チャージは共存するだけでなく、シーソー式のパターンで進行する。放電時のキャパシターの電圧が段々減っていく間、反対の極の電圧がリバース・チャージで増えていく。電圧降下が早いほど、逆の電圧上昇も早い。放電が終わるとすぐに、リバース・チャージもフルになる。この逆サイドのフル充電を利用するために、キャパシター電極の極を反対に置き換える必要がある。
図７はＣＤスウィングとリバース・チャージ機能を本発明のパワータンクに組み込んだものである。図ではＳ／Ｃ１からＳ／Ｃ３まで三つのキャパシターしか例示していないが、実際にはもっと多くのキャパシターでＣＤスウィングとリバース・チャージを行うであろう。ＣＤスウィングのオペレーションはすでに説明したのでここでは、リバース・チャージを記述する。図７でリバース・チャージを説明する。電源Ｅ１の正極→負荷装置Ｍ→Ｓ／Ｃ３→Ｅ１の負極。
Ｓ／Ｃ３は放電中でないかもしれないが、戻りの電流がＳ／Ｃ３をそれでも充電する。Ｓ／Ｃ３のリバース・チャージは戻り電流によって必ず起こる。直流でも交流電源でも電流は回路を必ず一回りするのでその都度、キャパシターに直接エネルギーを貯蔵することが出来る。スーパーキャパシターエレメントを複数使う本パワータンクはエネルギーを効率よく貯蔵、消費するので省エネである。ブレーキ制動エネルギー回収よりも多くの応用でリバース・チャージを使うことが出来る。Ｓ／Ｃ３の電圧はリバーサーの使用を決断する電圧センサーがモニターする。Ｓ／Ｃ３内に貯められた電圧の極性が電源需要の極性と反対の時は、リバーサーがＳ／Ｃ３の極性を反転する。高電圧スーパーキャパシターエレメントの構成を瞬時に切り替え、ＣＤスウィングとリバース・チャージが、パワータンク・システムのエネルギーを効率よく貯蔵、消費することになる。更に本パワータンクは発電用のパワーリレーとしても使える。発電所での電力は即座にスーパーキャパシターエレメントに貯蔵できる。そしてパワータンクがエネルギーを配電盤等に送る。これにより昼間等の電気料金の高い時間帯に、貯めていた安価な電力を使うことも出来る。

九本のスーパーキャパシター・エレメントを九つの小部屋で一層のシステムに同一条件で配置。 三層から成るシステムをデータバスでコントローラーに接続。 複数のスーパーキャパシター・エレメントをシステム内に配置。各エレメントは二本の端子を持ち、各端子はスイッチを持つ。他のエレメントとの接続に三本の接点を持つ。 高い電圧を実現するためスーパーキャパシターを構成する二枚の先端電極と複数のバイポーラ電極を積み重ねた。 電源、種々の電気部品、負荷装置をつなげたシステムのブロック図。 ２セットのスーパーキャパシターにＣＤスウィングを稼動させる回路図。 システム用にＣＤスウィングと逆充電技術を併用しエネルギー効率の向上と保存を実現。

Claims (4)

1. 電力貯蔵供給可変装置の構成要件として：
   （１）一個の筐体内に複数のスーパーキャパシター・エレメントを縦横に並べ；
   （２）上記記載の筐体に上記のスーパーキャパシター・エレメントを密閉収納する蓋を付け；
   （３）上記各エレメントに最低一個のスウィッチと一個の接点を持たせる；
   （４）上記エレメントを様々な組み合わせに構成変更するマイクロコントローラ１個；
   （５）上記マイクロコントローラーからの命令を実行するドライバー；
   （６）データと命令を送る最低一本のデータ・バス；
   （７）上記エレメントを電源に接続するための最低二個のインプット用ポート；
   （８）上記エレメントを負荷装置に接続するための最低二個のアウトプット用ポート。
2. 請求項１記載の電力貯蔵供給可変装置における上記エレメントは直列、並列、及びその組み合わせで構成できる。
3. 請求項１記載の電力貯蔵供給可変装置における上記スーパーキャパシター各エレメントは、電解質に浸された最低二個の電極と二枚のセパレータを持つ。
4. 請求項１記載の電力貯蔵供給可変装置における上記電源として使えるものは、乾電池、燃料電池、太陽電池、風力発電、ジェネレーター、エンジン、一般電力等である。