JP2014023192A - キャパシタ充電装置及びこれを用いた車両用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリにより作動するシステムの突入電力を緩和するため、キャパシタとその充電装置とをバッテリに簡単に取り付けることができるようにする。
【解決手段】バッテリとキャパシタＣとを負荷を介さずに接続する第１回路と、バッテリとキャパシタＣとを負荷を介して接続し当該バッテリの電圧によりキャパシタＣを充電する第２回路と、キャパシタＣの充電状態を表示する電圧計Ｖを備えた第３回路とを筐体内に備える。当該筐体は、第１回路を接続／切断するブレーカＢと、第２回路を接続／切断する手動スイッチＳ１と、第３回路の電圧計Ｖの表示をバッテリ又はキャパシタＣの電圧表示と当該バッテリとキャパシタＣとの電圧差表示とに切り換える手動切換えスイッチＳ２と、バッテリを接続する端子Ｔ１，Ｔ２とを、外装に備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、キャパシタ充電装置に関する。

電気容量の限られたバッテリ（蓄電池、電源）に負荷を接続し作動させると、当該負荷の作動開始時に比較的大きな突入電力を生じる場合がある。突入電力は、負荷となる機器やバッテリに悪影響を与えるため、突入電力の緩和が必須である。この突入電力を緩和するため、バッテリにキャパシタを接続する技術が知られている（例えば、特許文献１の段落０００３、図５）。ここで、バッテリとキャパシタとを接続する場合、予めキャパシタを充電し、バッテリとの電圧差を少なくして接続時の突入電力を抑える必要がある。従来現場では、このキャパシタを充電するためにキャパシタに専用充電器を都度接続して充電しなければならない手間があった。また、特許文献１のようにキャパシタ及びその充電回路が予め搭載されている場合と異なり、既製品にキャパシタとその充電装置とを追加しようとする場合、なるべく簡単な作業により追加でき、かつ、なるべく安価に提供できることが望ましい。

特開２００３−２７４５０２号公報

本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、特に、電気容量を限られたバッテリにより作動するシステムに対し、当該システムに生ずる突入電力を緩和する目的でバッテリにキャパシタとその充電装置とを簡単に取り付けることができ、かつ、取り付けたままシステムを使用することができ、さらに、ユーザが視覚的に手動でキャパシタを充電できるようにして、キャパシタ充電装置の構造を簡単化し、装置のコスト低減を図ることを課題とする。

この課題を解決するため、本発明では、バッテリとキャパシタとを負荷を介さずに接続する第１回路と、バッテリとキャパシタとを負荷を介して接続し当該バッテリの電圧によりキャパシタを充電する第２回路と、キャパシタの充電状態を表示する電圧計を備えた第３回路とを筐体内に備える。当該筐体は、第１回路を接続／切断するブレーカと、第２回路を接続／切断する手動スイッチと、第３回路の電圧計の表示をバッテリ又はキャパシタの電圧表示と当該バッテリとキャパシタとの電圧差表示とに切り換える手動切換えスイッチと、電圧計と、バッテリを接続する端子とを、外装に備える。

このキャパシタ充電装置の使用方法は次のとおりである。第１回路及び第２回路の切断を手動スイッチとブレーカの位置により視覚で確認し、端子をバッテリに接続する。手動切換えスイッチにより、電圧計をキャパシタとバッテリとの電圧差表示に設定し、手動スイッチにより第２回路を接続してキャパシタの充電を開始する。キャパシタの充電により電圧計に表示された電圧差が下がってゆく。電圧差が数ボルトまで下がったことを電圧計の視認により確認したら、ブレーカを操作して第１回路を接続する。これにより、キャパシタの充電と、バッテリへのキャパシタの接続が完了する。手動切換えスイッチを操作して電圧計を電圧表示に切り換え、キャパシタの電圧を確認する。手動スイッチの操作により第２回路を切断する。

本発明によれば、電気容量を限られたバッテリにより作動するシステムに対し、当該システムに生ずる突入電力を緩和する目的でバッテリにキャパシタとその充電装置とを簡単に取り付けることができ、かつ、取り付けたままシステムを使用することができ、さらに、ユーザが視覚的に手動でキャパシタを充電できるようにしたことによって、キャパシタ充電装置の構造を簡単化し、コスト低減を図ることができる。

本発明の実施形態であるキャパシタ充電装置の外観構成図。 図１に示すキャパシタ充電装置の回路図。 図１に示すキャパシタ充電装置を搭載した車両用電源システムのブロック構成図。

＜キャパシタ充電装置の実施形態＞
以下、本発明の実施形態を説明する。
キャパシタ充電装置の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。

＜キャパシタ充電装置の構成＞
＜外観構成＞
キャパシタ充電装置の外観構成は図１（Ａ）に示すようになっている。キャパシタ充電装置１０は、筐体の内部に、キャパシタＣとその充電回路とを内蔵している。筐体のフロントパネルには、電圧計Ｖ、メータ切換えスイッチＳ２、キャパシタ充電用スイッチＳ１、ブレーカＢ及びターミナルＴ１，Ｔ２が配置されている。

電圧計Ｖはパネルに向かって左側に、ターミナルＴ１，Ｔ２はパネルの右側に、スイッチＳ１，Ｓ２はパネルの中央に配置されている。２つのスイッチＳ１，Ｓ２は上下に配置され、メータ切換えスイッチＳ２は上側に、キャパシタ充電用スイッチＳ１は下側に配置されている。ブレーカＢは２つのターミナルＴ１，Ｔ２の間に配置されている。

電圧計Ｖは、メータ切換えスイッチＳ２を切り換えることにより、バッテリの電圧（キャパシタＣの電圧）又はバッテリとキャパシタＣとの電圧差を選択的に表示する。メータ切換えスイッチＳ２は、スライドスイッチであり、スイッチを左にスライドすると電圧計Ｖがバッテリの電圧（キャパシタＣの電圧）を表示し、スイッチを右にスライドすると電圧計ＶがバッテリとキャパシタＣとの電圧差を表示するようになっている。キャパシタ充電用スイッチＳ１もスライドスイッチになっており、左にスライドするとキャパシタＣへの充電がオンになり、右にスライドするとキャパシタＣへの充電がオフになる。ブレーカＢは、スイッチが左に倒れているＯＦＦの状態でキャパシタＣ側とバッテリ側との直列配線を切断しており、ブレーカＢのスイッチを右に入れてＯＮにすると、キャパシタＣ側とバッテリ側との直列配線が接続される。ただし、キャパシタＣとバッテリとの電圧差が一定以下の場合だけブレーカＢのスイッチをＯＮにできるようになっている。ターミナルＴ１はプラスの極性を有し、バッテリのプラス端子に接続する。ターミナルＴ２はマイナスの極性を有し、バッテリのマイナス端子に接続する。

＜回路構成＞
キャパシタ充電装置１０の回路図は図２に示すようになっている。キャパシタ充電装置１０は、３系統の回路を含んでいる。第１回路は、バッテリ側とキャパシタＣ側との直列配線である（ブレーカＢを含む）。第２回路は、キャパシタＣを充電するために別途負荷をかける配線である（抵抗Ｒ、充電用スイッチＳ１、ヒューズＨを含む）。第３回路は、電圧計Ｖのメータを作動させ、キャパシタＣの充電状態を視覚で確認するための配線である（電圧計Ｖ、メータ切換えスイッチＳ２を含む）。

第１回路は、バッテリのプラス端子に接続されるターミナルＴ１と、キャパシタＣの正極との間にブレーカＢを備えている。キャパシタＣの負極は、バッテリのマイナス端子に接続されるターミナルＴ２に接続されている。

第２回路は、バッテリのプラス端子に接続されるターミナルＴ１に、ヒューズＨの一方の端子が接続されている。ヒューズＨの他方の端子は、キャパシタ充電用スイッチＳ１（単極単投スイッチ）の一方の接点に接続されている。キャパシタ充電用スイッチＳ１の他方の接点は、抵抗Ｒの一方の端子に接続されている。抵抗Ｒの他方の端子は、キャパシタＣの正極に接続されている。

第３回路は、バッテリのプラス端子に接続されるターミナルＴ１が、電圧計Ｖの正極に接続されている。電圧計Ｖの負極は、メータ切換えスイッチＳ２（単極双投スイッチ）のコモン接点に接続されている。メータ切換えスイッチＳ２の一方の接点は、キャパシタＣの正極に接続され、同スイッチＳ２の他方の接点は、バッテリのマイナス端子に接続されるターミナルＴ２に接続されている。

ここで、キャパシタＣは、電気二重層キャパシタ等の大容量コンデンサである。

＜キャパシタ充電装置の使用方法＞
＜充電開始＞
次に、上記のように構成されたキャパシタ充電装置の使用方法を説明する。
（１）まず、バッテリに接続している機器類の電源を全て切る（待機電力も含む）又は当該機器類の配線を外す。

（２）キャパシタ充電装置１０本体のブレーカＢをオフにすると共に、キャパシタ充電用スイッチＳ１をオフにし、バッテリと本体のターミナルＴ１，Ｔ２とを接続する。プラスターミナルＴ１をバッテリのプラス端子に、マイナスターミナルＴ２をバッテリのマイナス端子にそれぞれ接続する。

（３）メータ切換えスイッチＳ２を電圧差表示に設定する（ＶＯＬＴＡＧＥ ＤＩＦＦＥＲＥＮＴＩＡＬ）。図２の回路では、メータ切換えスイッチＳ２をキャパシタＣの正極に接続する。このとき、操作パネルは図１（Ａ）に示す状態となる。キャパシタＣが充電されていないため、比較的大きな電圧差が電圧計Ｖに表示される。

（４）続いて、キャパシタ充電用スイッチＳ１をオンにすると、キャパシタＣの充電が開始され、キャパシタＣとバッテリとの電圧差が徐々に減少する。この電圧差の減少の様子は、電圧計Ｖにより視覚的に確認することができる。電圧差が十分に減少すると、操作パネルは図１（Ｂ）に示す状態となる。試作品では、３０分〜１時間程度で、電圧差が２〜３ボルト程度まで下がった。

（５）電圧差が数ボルト程度まで下がった時点で、ブレーカＢをオンにする。このとき、キャパシタＣとバッテリとの電圧差が一定以下に下がっていない場合、ブレーカＢをオンにしても作動せずに落ちてしまうので、その場合はキャパシタＣをさらに充電してから再度ブレーカＢをオンにする。ブレーカＢがオンになると、キャパシタＣとバッテリとが負荷を介さずに直接接続され、電圧計Ｖの電圧差の表示は０になる。メータ切換えスイッチＳ２を電圧表示（ＢＡＴＴＥＲＹ ＶＯＬＴＡＧＥ）に切り換えると、電圧計ＶによりキャパシタＣの電圧を確認することができる。図２の回路図では、メータ切換えスイッチＳ２をキャパシタＣの負極に接続した状態となる。

（６）キャパシタＣの電圧を確認後、キャパシタ充電用スイッチＳ１をオフにする（図１（Ｃ）の状態）。その後、メータ切換えスイッチＳ２を、電圧差表示に設定する。以上でキャパシタＣの充電及びキャパシタＣとバッテリとの接続作業が終了する。

＜キャパシタ充電装置の効果＞
本実施形態のキャパシタ充電装置によれば、電気容量を限られたバッテリにより作動するシステムに対し、当該システムに生ずる突入電力を緩和する目的でバッテリにキャパシタとその充電装置とを簡単に取り付けることができる。かつ、キャパシタ充電装置を取り付けたままシステムを使用することができる。さらに、ユーザが視覚的に手動でキャパシタを充電できるようにしたことによって、キャパシタ充電装置の構造を簡単化し、コスト低減を図ることができる。

＜キャパシタ充電装置の搭載例＞
本実施形態のキャパシタ充電装置は、バッテリを使用する様々なシステムに搭載することができる。例えば、車両用電源システム、住宅用電源システム、機械設備用電源システム、電力設備用電源システム等に搭載することができる。

＜車両用電源システムの構成＞
以下では、本発明のキャパシタ充電装置を車両用電源システムに搭載した実施形態を説明する。本実施形態による車両用電源システムの構成を図３に示す。本実施形態の車両は、キャンピングカーに代表されるようにベース車両に架装を施した車両であって、もともとベース車両が装備している１次側バッテリ（メインバッテリ）１に加え、２次側バッテリ（サブバッテリ）２を備えている。

＜１次側バッテリに係る設備＞
１次側バッテリ１（メインバッテリ）は、イグニッションスイッチ（ＩＧ（ＡＣＣ））１１、セルモータ１２、ＥＣＵ及びセンサ１３及びトランスミッション１４に電力を供給する。また、１次側バッテリ１は、バッテリ電圧（例えばＤＣ２４Ｖ）で動作する機器類１５（ヒータ、照明、エアコン等）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６を介して変圧したＤＣ電圧（例えばＤＣ１２Ｖ）により動作する機器類１７（カーナビゲーションシステム、カーオーディオ等）とに電力を供給する。また、１次側バッテリ１は、バッテリ・リレー１８を介して２次側バッテリ２に接続されている。また、１次側バッテリ１は、オルタネータ１９によって充電される。イグニッションスイッチ１１の操作によりイグニッションがオンになると、セルモータ１２が作動し、また、バッテリ・リレー１８がオンになり、１次側バッテリ１と２次側バッテリ２との間が通電する。イグニッションがオフになると、バッテリ・リレー１８はオフとなり、１次側バッテリ１と２次側バッテリ２との間の通電が切断される。

＜２次側バッテリに係る設備＞
一方、２次側バッテリ２（サブバッテリ）には、上述したキャパシタ充電装置１０が接続されている。また、２次側バッテリ２は、バッテリ・リレー１８を介して１次側バッテリ１に接続されている。２次側バッテリ２は、バッテリ電圧（例えばＤＣ２４Ｖ）で動作する機器類２１と、インバータ２２を介して変換したＡＣ電圧（例えばＡＣ１００Ｖ）で動作する機器類２３と、コンバータ２４を介して変圧したＤＣ電圧（例えばＤＣ１２Ｖ）で動作する機器類２５とに電力を供給する。バッテリ電圧で動作する機器としては、冷蔵庫、ライト類、クーラ、ヒータ等がある。インバータ２２を介して動作する機器としては、ＡＣ（エアコンディショナ）用設備、空調設備、温水装置、給水装置、映像音響装置及び照明等がある。コンバータ２４を介して動作する機器としては、照明、ＵＳＢ電源装置、ＴＶチューナ等がある。

また、２次側バッテリ２は、多数の充電系統を備えている。まず、２次側バッテリ２は、トランスミッション１４に併設されたＰＴＯ（パワーテイクオフ）取付オルタネータ３１から出力されるＤＣ出力によって充電される。また、２次側バッテリ２は、エンジン３２に併設された別取付オルタネータ３３（クランクプーリ動作）から出力されるＤＣ出力によって充電される。さらに、２次側バッテリ２は、車外からのＡＣ入力を充電用のＤＣ電圧に変換する商用電源充電器３４によって充電される。これに加え、２次側バッテリ２は、ソーラパネルや風力発電機等の自然エネルギー発電機器３５を電源として、チャージコントローラ３６の制御により充電される。

＜車両用電源システムの動作＞
上記の車両用電源システムにおいて、イグニッションスイッチ１１をオンにすると（又はアクセサリモードをオンにすると）、バッテリ・リレー１８がオンになり、１次側バッテリ１と２次側バッテリ２とが通電する。１次側バッテリ１から電力を取り出し２次側で充放電するために、１次側バッテリ１と２次側バッテリ２とを通電する必要がある。しかし、これにより、２次側の電力の変動が１次側へ、また反対に、１次側の電力の変動が２次側へと流れ、バッテリ・リレー１８が繋がっている間は１次側と２次側との間で常時電力の移動が起こる。このため、システム内の突入電力の影響は、１次側（ベース車両側）と２次側（架装側）とで同時に生ずる。突入電力を生ずる原因としては、例えば、１次側では、エンジンスタータの作動、ＥＣＵの起動等、２次側では、インバータの作動、モータ類の起動等が挙げられる。

もし、２次側バッテリ２に、キャパシタ充電装置１０（キャパシタＣ）が接続されていない場合、この突入電力の大きさによっては、システム内の機器類が損傷する。例えば、ＥＣＵやインバータ等の電子機器類の破損が考えられる。また、機器類に生ずる突入電力は非常に短時間の間に生ずるため、バッテリの発電化学反応や電源機器の出力が変化に対応できない場合があり、瞬間的な出力不足及びバッテリの内部劣化を引き起こす。

これらの突入電力による不都合は、２次側バッテリ２に並列に接続したキャパシタＣにより軽減される。突入電力を埋めるための必要な容量は、キャパシタＣと２次側バッテリ２（電源機器）との内部抵抗の差で分配されるので、瞬間的な電力変化に対してバッテリや機器類の負荷を低減することができる。よって、バッテリの寿命延長を図ることができ、不安定な電源の安定化も図ることができる。電源の安定化により、電力で作動する機器類は安定して動作することができ、この結果、機器の作動音の減少と機器の振動の低減も図ることができる。

また、キャパシタＣにより、突入電力のピーク電力を緩和することができるので、過大なピーク電力により作動効率が低下する機器については、それが発電側の設備であるか電力消費側の設備であるかに関わらず、キャパシタＣの接続により作動効率の緩和を図ることができ、瞬間的な電力の変動に伴う不安定な動作も低減される。このように、１次側と２次側とが接続された状態において、システム（設備）全体の保護を図ることができる。

一方、以上のキャパシタＣの接続による効果は、バッテリ・リレー１８がオフの場合も２次側において有効である。２次側バッテリ２を備えるキャンピングカー等では、車両の停車中も２次側バッテリ２の充放電が行われる。２次側バッテリ２に接続され、その電力を使用する機器も、架装内容に応じて様々である。よって、バッテリ・リレー１８が切断された状態でも、キャパシタＣの接続は、２次側におけるバッテリの保護と寿命の観点から有効である。

＜車両用電源システムにおけるキャパシタＣ接続の効果＞
以上のように、本実施形態によれば、２次側バッテリにキャパシタＣを接続することにより、１次側、２次側のシステム全体における充放電時の突入電力を緩和することができる。例えば、１次側バッテリの発電側のオルタネータ、２次側バッテリの発電側のジェネレータ、オルタネータ、太陽光発電機器および商用電源充電器等が、充電時における瞬間的な電力変化を引き起こすが、バッテリへのキャパシタＣの接続によって、当該瞬間的な電力変化を緩和することができ、安定した充電を実現することができる。また、１次側バッテリの消費側および２次側バッテリの消費側においても突入電力の緩和を図ることができ、設備機器類を保護することができる。さらに、バッテリ（蓄電池）、蓄電設備およびこれに付随する部品設備類にかかる電気的負荷を低減することができ、各設備、機器類および部品の寿命延長及び保護を図ることができる。これに加え、システム内の各設備の騒音低減、振動低減および作動効率の向上を図ることができる。

ここで、本願発明の範囲は、特許請求の範囲に記載した発明の範囲であって、上記実施形態の範囲に限定されるものではない。

１ １次側バッテリ（メインバッテリ）
２ ２次側バッテリ（サブバッテリ）
１０ キャパシタ充電装置
Ｂ ブレーカ
Ｃ キャパシタ
Ｈ ヒューズ
Ｒ 抵抗
Ｓ１ キャパシタ充電用スイッチ
Ｓ２ メータ切換えスイッチ
Ｔ１，Ｔ２ ターミナル
Ｖ 電圧計

Claims (2)

1. バッテリとキャパシタとを負荷を介さずに接続する第１回路と、前記バッテリとキャパシタとを負荷を介して接続し当該バッテリの電圧により前記キャパシタを充電する第２回路と、前記キャパシタの充電状態を表示する電圧計を備えた第３回路とを筐体内に備え、
   当該筐体が、前記第１回路を接続／切断するブレーカと、前記第２回路を接続／切断する手動スイッチと、前記第３回路の電圧計の表示を前記バッテリ又はキャパシタの電圧表示と当該バッテリとキャパシタとの電圧差表示とに切り換える手動切換えスイッチと、前記電圧計と、前記バッテリを接続する端子とを、外装に備えたキャパシタ充電装置。
2. 発電側機器及び消費側機器を接続された１次側バッテリと、発電側機器と消費側機器とを接続された２次側バッテリとの間を接続装置により接続／切断する車両用電源システムにおいて、
   前記２次側バッテリに、請求項１に記載のキャパシタ充電装置を接続した車両用電源システム。

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