JP2009089495A - キャパシタ蓄電電源 - Google Patents

Abstract

【課題】２端子のキャパシタ蓄電電源を実現し、それにより、現在一般的な電池との互換性の面を改善することが可能なキャパシタ蓄電電源を提供する
【解決手段】直列接続された複数のキャパシタから成るキャパシタ接続体と、前記キャパシタ接続体を充電するための充電回路と、前記キャパシタ接続体に接続されキャパシタ接続体に蓄えられた電荷を取り出して電圧を制御して出力端子に出力するための変換回路とから構成されるキャパシタ蓄電電源において、前記出力端子からの直流電力を前記充電回路へ通電・遮断切り換え手段を介して供給するとともに、前記出力端子の電圧が前記変換回路の最大出力電圧よりも上昇したことを検出する充電開始検出回路を設け、該充電開始検出回路からの出力信号を前記通電・遮断切り換え手段に供給することにより、前記出力端子からの直流電力を前記充電回路へ供給するようにした。
【選択図】図３

Description

本発明はキャパシタを用いた蓄電電源に関し、特に２端子のキャパシタ蓄電電源に関する。

電気二重層キャパシタなどの大容量キャパシタを蓄電素子として用いたキャパシタ蓄電電源は、鉛やリチウムなどを用いる他の二次電池に比較して急速充放電が可能であること、長寿命であること、炭素が主成分であることから環境負荷が小さいことなど、多くの優れた特性を持つ。近年、無停電電源など一部の分野で実用化が始まり、更なる普及に向けて研究開発が進められている。

電気二重層キャパシタは、単セルの定格電圧が３ボルト程度のため、要求される出力電圧に応じて通常いくつかを直列に接続したものが用いられる。また、キャパシタの端子電圧は、満充電の時が最も高く、放電につれて低下し、全放電ではゼロとなるため、通常、ＤＣ−ＤＣコンバータ(昇圧型、降圧型)を用いて出力電圧を安定化することが行われる。

直列接続された複数のキャパシタを充電する際には、キャパシタ間の電圧バランスが問題となるため、充電回路にも工夫が施されている。図1は、従来のキャパシタ蓄電電源の回路構成を示している。図1に示されているように、たとえば２つのキャパシタＣ１、Ｃ２が直列に接続された接続体に、充電入力端子１、１´から直流電圧が加えられる。各キャパシタＣ１、Ｃ２には、充電バランス回路Ｂ１、Ｂ２がそれぞれ並列に接続されている。変換回路２は、キャパシタＣ１、Ｃ２の直列接続体の端子電圧を受け、一定電圧で出力端子３、３´に出力する。

図２は充電バランス回路の部分の具体例を示している。キャパシタＣ１、Ｃ２にはそれぞれ充電電流バイパストランジスタＱ１、Ｑ２が並列に接続されており、各トランジスタＱ１、Ｑ２のベースには、キャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧を満充電電圧に対応する参照電圧Ｖrと比較する比較回路Ｎ１、Ｎ２の出力信号が供給される。

充電が進んでキャパシタＣ１、Ｃ２のうちＣ２の端子電圧が満充電電圧に到達すると、比較回路Ｎ２の出力が反転し、バイパストランジスタＱ２がオンとなり、それまでキャパシタＣ２に流れていた充電電流ＩＣはトランジスタＱ２に流れてバイパスされる。これに
よりキャパシタＣ２の充電はストップし、キャパシタＣ２の端子間電圧は満充電電圧に維持されるが、満充電になっていないキャパシタＣ１の充電は継続され、やがてキャパシタＣ１の端子電圧が満充電電圧に到達すると、バイパストランジスタＱ１がオンと成り、キャパシタＣ１の充電もストップする。この充電バランス回路の働きにより、充電前はバランスが取れていなかったキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧は、充電終了時には等しく満充電電圧に揃うことになる。
特許第３２３８８４１号公報

上述のような従来のキャパシタ蓄電電源においては、図１に示されているように、放電側とは別に充電側端子を設けて充電を行っているが、このような構成では鉛電池のように現在一般的な電池との互換性の面で問題となり、例えば鉛電池が使用されている装置において鉛電池に代えてそのままキャパシタ蓄電電源を使うことが困難となっていた。

そこで本発明は、２端子のキャパシタ蓄電電源を実現し、それにより、現在一般的な電池との互換性を改善することが可能なキャパシタ蓄電電源を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のキャパシタ蓄電電源は、直列接続された複数のキャパシタから成るキャパシタ接続体と、前記キャパシタ接続体を充電するための充電回路と、前記キャパシタ接続体に接続されキャパシタ接続体に蓄えられた電荷を取り出して電圧を制御して出力端子に出力するための変換回路とから構成されるキャパシタ蓄電電源において、前記出力端子からの直流電力を前記充電回路へ通電・遮断切り換え手段を介して供給するとともに、前記出力端子の電圧が前記変換回路の最大出力電圧よりも上昇したことを検出する充電開始検出回路を設け、該充電開始検出回路からの出力信号を前記通電・遮断切り換え手段に供給することにより、前記出力端子からの直流電力を前記充電回路へ供給するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、２端子のキャパシタ蓄電電源が実現されるため、現在一般的な電池との互換性が改善される。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図３は本発明を実施したキャパシタ蓄電電源の例を示す回路図である。図３において、２つのキャパシタＣ１、Ｃ２が直列に接続された接続体及びキャパシタＣ１、Ｃ２の直列接続体の端子電圧を受け、一定電圧で出力端子に出力する変換回路２は、図1と全く同じ構成である。

異なるのは、キャパシタ蓄電電源は充電入力端子が出力端子と兼用された入出力端子４、４´となって２端子とされ、この入出力端子４、４´に図示しない充電用直流電源からの直流電圧が印加されると共に、負荷も接続されるとなっている点及び充電回路の部分である。

充電回路には、一次巻線とキャパシタの数と同数の二次巻線を備えたトランスＴ１が設けられる。本実施例の場合はキャパシタが２個であるので２つの二次巻線Ｌ21、Ｌ22を有し、これらの二次巻線は同一コアにまかれ電磁的に密結合している。各二次巻線Ｌ21、Ｌ22は整流ダイオードＤ１、Ｄ２を介して各キャパシタＣ１、Ｃ２の端子間に接続されている。そのため、各二次巻線Ｌ21、Ｌ22に発生した交流電圧は、整流ダイオードＤ１、Ｄ２により直流電圧に変換されて各キャパシタＣ１、Ｃ２の端子間に印加される。

トランスＴ１の一次巻線Ｌ１は、入出力端子４、４´間に接続されると共に、一次巻線Ｌ１に流れる電流を断続するためのスイッチングトランジスタＱが介挿される。さらに、入出力端子４、４´間の電圧に基づいて充電開始信号を発生するスタート回路５と、この充電開始信号を受けて断続信号を発生し前記スイッチングトランジスタＱに供給すると共に、キャパシタＣ１、Ｃ２の接続体の端子電圧を監視して満充電を検出して充電を制御する発振／制御回路６とが設けられている。

ここで、充電のために、入出力端子４、４´に充電用直流電源から変換回路２の出力電圧プラス０．５Ｖないし１Ｖ高い充電用直流電圧が印加される。出力電圧よりも高い電圧の印加で変換回路２は動作停止となり、一方スタート回路５は変換回路２の出力電圧プラス０．５Ｖないし１Ｖ高い充電用直流電圧の印加を検知して充電開始信号を発生し、発振／制御回路６に送る。

これを受けて発振／制御回路６は発振動作を開始し、所定の周波数の矩形波を発生してスイッチングトランジスタＱのベースに供給する。スイッチングトランジスタＱは矩形波に基づいて一次巻線Ｌ１に流れる直流電流を断続するが、二次巻線Ｌ21、Ｌ22には一次巻線への電流オン時に整流ダイオードＤ１、Ｄ２の整流方向と逆方向に電圧が発生するため、電圧が発生しても電流が流れない状態になる。その結果、電流オン時にはトランスの一次巻線の作るインダクタンスのみを励磁することになる。このようにして電流オン時に一次巻線とコアに磁束という形で蓄えられたエネルギーは、電流がオフになったとき、この蓄えられたエネルギーを放出するように二次巻線に逆起電力が発生し、整流ダイオードＤ１、Ｄ２にはその整流方向となる電圧が印加されるので電流が流れ、この電流によりキャパシタＣ１、Ｃ２の充電が行われる。

この時、二次巻線Ｌ21、Ｌ22の巻線比は１：１であることから同じ電圧が発生し、キャパシタＣ１、Ｃ２には同じ電流が供給される。充電開始時のキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧が等しい場合、充電電流は等しくなり同じ電流で充電されるが、２つのキャパシタの端子電圧に違いがあった場合、たとえばＣ１が高くＣ２が低い場合、巻線電圧は低い方の電圧でクランプされる。このため、端子電圧が高いキャパシタＣ１の方には充電電流が流れず充電が行われない。更に、１：１に分かれるはずの電流もＣ１の方に流れないため、全てＣ２に流れることになり、Ｃ２の端子電圧は急速にＣ１に近づく。やがて両者が一致するとクランプが終わってＣ１、Ｃ２に等しい充電電流が流れ、２つのキャパシタは同じ速度で充電されることになる。

この動作は、Ｃ１、Ｃ２の関係が逆になっても同じで、端子電圧が低いほうのキャパシタから充電が先に始まり、やがて両者の端子電圧がそろったところで、両者の充電がそろって行われる。そして、各キャパシタの端子電圧が二次巻線に発生する電圧で決まる値に到達すると電圧はそれ以上上昇せず、その値に維持される。このようにしてキャパシタＣ１、Ｃ２の接続体の端子電圧が満充電電圧に到達すると、キャパシタＣ１、Ｃ２の接続体の端子電圧を監視していた発振／制御回路６は満充電を検出し、矩形波の発振を停止しスイッチングトランジスタＱをオフ状態に維持する。

上記例では、２つのキャパシタを直列接続したものを例示したが、２つ以上直列接続した場合、端子間電圧が最も低いキャパシタだけが最初に充電され、２番目に低いキャパシタの端子間電圧まで上昇すると２番目に低いキャパシタの充電も開始され、以下全く同様に充電されるキャパシタが１つずつ増加し、やがて全てのキャパシタが一緒に充電され始めて満充電に到達する。

以上のように、本発明のキャパシタ蓄電電源は２端子の構成であるため、例えば定格電圧などの特性を鉛電池にあわせて設計することにより、鉛電池を使用していた用途にそのまま置き換えて使用できる。また、本実施例では、トランスのクランプ作用により、充電バランス回路を用いずにバランスをとった充電が可能となると共に、各二次巻線から各キャパシタを直接大電流で充電することができ、急速充電が可能となる。

図４は、本発明の別の実施例の構成を示す回路図である。本実施例は、図１のバランス回路を用いた４端子構成の従来例に本発明を適用して２端子の構成としたものである。図４において、２つのキャパシタＣ１、Ｃ２が直列に接続された接続体、各キャパシタに並列に接続される充電バランス回路Ｂ１、Ｂ２及びキャパシタＣ１、Ｃ２の直列接続体の端子電圧を受け、一定電圧で出力端子に出力する変換回路２は、図1と全く同じ構成である。

異なるのは、キャパシタ蓄電電源は充電入力端子が出力端子と兼用された入出力端子４、４´となって２端子とされ、この入出力端子４、４´に図示しない充電用直流電源からの直流電圧が印加されると共に負荷も接続される点と、入出力端子４、４´間の電圧に基づいて充電開始信号を発生するスタート回路５と入出力端子４に印加される充電電圧を前記充電開始信号によりオンオフされる通電・遮断切り換え手段であるスイッチ７を介してキャパシタＣ１、Ｃ２の接続体に供給できるようにした点と、キャパシタＣ１、Ｃ２の接続体の端子電圧を監視して満充電を検出して充電を停止する充電停止信号を発生し前記スイッチ７へ送る制御回路８が設けられている点である。

ここで、充電のために、入出力端子４、４´に図示しない充電用直流電源から変換回路２の出力電圧プラス０．５Ｖないし１Ｖ高い充電用直流電圧が印加される。出力電圧よりも高い電圧の印加で変換回路２は動作停止となり、一方スタート回路５は変換回路２の出力電圧プラス０．５Ｖないし１Ｖ高い充電用直流電圧の印加を検知して充電開始信号を発生し、前記スイッチ７に送る。スイッチ７は、充電開始信号によりオンとなるため、充電用直流電圧はキャパシタＣ１、Ｃ２の接続体に供給され、これにより、キャパシタＣ１、Ｃ２の充電が開始される。

充電動作は、上述した従来例と全く同様であり、開始時にキャパシタＣ１、Ｃ２の端子電圧にばらつきがあっても、バランス回路により充電終了時には等しくなっている。キャパシタＣ１、Ｃ２の接続体の端子電圧が満充電電圧に到達すると、キャパシタＣ１、Ｃ２の接続体の端子電圧を監視していた制御回路８は満充電を検出し、充電停止信号を発生し前記スイッチ７へ送る。これによりスイッチ７はオフとなり、充電用直流電圧のキャパシタＣ１、Ｃ２の接続体へ供給が遮断されるため、充電が停止される。

従来のキャパシタ蓄電電源の回路構成を示す図である。 図１の回路構成における充電バランス回路の部分の具体例を示す図である。 本発明を実施したキャパシタ蓄電電源の例を示す回路図である。 本発明を実施した他のキャパシタ蓄電電源の例を示す回路図である。

符号の説明

Ｃ１、Ｃ２：キャパシタ
２：変換回路
４、４´：入出力端子
５：スタート回路
６：発振／制御回路
７：スイッチ
８：制御回路

Claims (4)

1. 直列接続された複数のキャパシタから成るキャパシタ接続体と、前記キャパシタ接続体を充電するための充電回路と、前記キャパシタ接続体に接続されキャパシタ接続体に蓄えられた電荷を取り出して電圧を制御して出力端子に出力するための変換回路とから構成されるキャパシタ蓄電電源において、前記出力端子からの直流電力を前記充電回路へ通電・遮断切り換え手段を介して供給するとともに、前記出力端子の電圧が前記変換回路の最大出力電圧よりも上昇したことを検出する充電開始検出回路を設け、該充電開始検出回路からの出力信号を前記通電・遮断切り換え手段に供給することにより、前記出力端子からの直流電力を前記充電回路へ供給するようにしたことを特徴とするキャパシタ蓄電電源。
2. キャパシタ接続体の端子電圧を監視し、満充電を検出する満充電検出回路と、前記満充電検出回路の出力信号を前記通電・遮断切り換え手段に供給することにより、前記出力端子からの直流電力の前記充電回路への供給を遮断するようにしたことを特徴とする請求項１記載のキャパシタ蓄電電源。
3. 前記充電回路は、前記出力端子からの直流電力が断続的に入力される一次巻線と直列接続された複数のキャパシタのそれぞれに対応して設けられた二次巻線とを備えたトランスと、各二次巻線の出力電圧を整流して各キャパシタの両端に印加する整流回路とから構成されることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載のキャパシタ蓄電電源。
4. 前記充電回路は、前記直列接続された複数のキャパシタのそれぞれに並列接続され、各キャパシタが満充電になった時に充電電流をバイパスさせる充電バランス回路を備えたことを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載のキャパシタ蓄電電源。

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