JP2019110638A - 充電装置、充電システム、及び充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充電完了時に２次キャパシタセルの充電率を高めた充電装置、充電システム、及び充電方法を提供する。【解決手段】充電装置１００は、１次キャパシタセル１０を有する１次蓄電部１と、２次キャパシタセル２０を有する２次蓄電部２に接続するためのコネクタ５０と、１次蓄電部１とコネクタ５０との間に接続されるスイッチ４０と、１次蓄電部１とコネクタ５０との間を、スイッチ４０を介して接続する配線３０と、スイッチ４０を制御する制御部６０とを備え、１次蓄電部１の静電容量は２次蓄電部２の静電容量の２倍以上であり、制御部６０は、スイッチ４０をオン状態にすることで１次蓄電部１と２次蓄電部２との間を短絡状態とし、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間の電圧差により１次蓄電部１から２次蓄電部２に電流を流して２次蓄電部２を充電する。【選択図】図１

Description

本発明は、キャパシタを充電する充電装置、キャパシタを充電する充電システム、及びキャパシタの充電方法に関するものである。

蓄電装置を搭載した物流用搬送車と、物流量搬送車の充電装置で構成された充電システムが知られている（例えば特許文献１を参照）。蓄電装置は、電気二重層キャパシタを有しており、この電気二重層キャパシタは車両側接続電極を介して直流電力が供給されると、この直流電力を蓄電する。充電装置はスイッチング電源の後段に接続された電気二重層キャパシタを有しており、この電気二重層キャパシタはスイッチング電源から出力された直流電力により充電される。充電装置は、車両側接続電極と地上側接続電極との接続を確認した後、スイッチをオン状態にて、充電装置側の電気二重層キャパシタから、接続電極を介して、搬送車側の電気二重キャパシタへの給電を開始する。

特開２０１０−４５８７号公報

上記の充電システムにおいて、充電装置側（１次側）の電気二重層キャパシタと搬送車側の電気二重層キャパシタを同じキャパシタの構成にした場合には、１次側の電気二重層キャパシタを満充電の状態（充電率（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ оｆ Ｃｈａｒｇｅ））を１００％にした状態）とし、２次側の電気二重層キャパシタを空の状態（ＳＯＣを０％にした状態）で充電を実施しても、充電完了後の２次側の電気二重層キャパシタのＳＯＣは最大でも５０％までにしかならない。

本発明が解決しようとする課題は、充電完了時に２次キャパシタセルの充電率を高めた充電装置、充電システム、及び充電方法を提供することである。

［１］本発明に係る充電装置は、１次キャパシタセルを有する１次蓄電部と、２次キャパシタセルを有する２次蓄電部に接続するためのコネクタと、前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されるスイッチと、前記１次蓄電部と前記コネクタとの間を、前記スイッチを介して接続する配線と、前記スイッチを制御する制御部とを備え、前記１次蓄電部の静電容量は前記２次蓄電部の静電容量の２倍以上であり、前記制御部は、前記スイッチをオン状態にすることで前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とし、前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して前記２次蓄電部を充電する充電装置である。

［２］上記発明において、１次蓄電部は、複数の前記１次キャパシタセルを並列に接続し、前記１次キャパシタセルの並列数は、前記２次キャパシタセルの並列数より多くしてもよい。

［３］上記発明において、前記１次蓄電部は、複数の前記１次キャパシタセルを直列に接続し、直列に接続された前記複数の１次キャパシタセルを並列に接続し、前記２次蓄電部は、複数の前記２次キャパシタセルを直列に接続し、直列に接続された前記複数の２次キャパシタセルを並列に接続し、前記１次キャパシタセルの直列数は、前記２次キャパシタセルの直列数と同一であり、前記１次キャパシタセルの並列数は、前記２次キャパシタセルの並列数に対して１０倍以上としてもよい。

［４］本発明に係る充電システムは、１次キャパシタセルを有する１次蓄電部と、２次キャパシタセルを有する２次蓄電部と、前記２次蓄電部に接続するためのコネクタと、前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されるスイッチと、前記１次蓄電部と前記コネクタとの間を、前記スイッチを介して接続する配線と、前記スイッチを制御する制御部とを備え、前記１次蓄電部の静電容量は前記２次蓄電部の静電容量の２倍以上であり、前記制御部は、前記スイッチをオン状態にすることで前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とし、前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して、前記２次蓄電部を充電する。

［５］本発明に係る充電方法は、配線の先端に設けられたコネクタを、２次キャパシタセルを有する２次蓄電部に接続して、１次キャパシタセルを有する１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を、前記配線を介して電気的に接続させる工程と、前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されたスイッチをオン状態にして、前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とする工程と、前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して、前記２次蓄電部を充電する工程と、を備える。前記１次蓄電部の静電容量は前記２次蓄電部の静電容量の２倍以上である。

本発明では、１次蓄電部の静電容量を２次蓄電部の静電容量の２倍以上とし、１次蓄電部とコネクタとの間を、スイッチを介して配線で接続し、スイッチをオン状態にすることで１次蓄電部と２次キャパシタセルとの間を短絡状態とし、１次蓄電部と２次蓄電部との間の電圧差により、１次蓄電部から２次蓄電部に電流を流して２次蓄電部を充電する。このため、充電完了時に２次キャパシタセルの充電率を高めることができる。

図１は、本発明の実施形態における充電システムのブロック図である。 図２は、図１に示す充電システムの回路図である。 図３は、ＣＣＣＶ充電方式で充電した場合のキャパシタの電圧特性と電流特性を示すグラフである。 図４は、ＣＣ充電方式で充電した場合のキャパシタの電圧特性と電流特性を示すグラフである。 図５は、図１に示す充電システムの等価回路を示している。 図６は、１次側セルの電圧特性、２次側セルの電圧特性、及び充電電流の特性を示す。 図７は、比較例１及び実施例１で使用した検証回路の回路図である。 図８は、比較例１の充電システムにおける、電圧特性及び電流特性を示すグラフである。 図９は、比較例１の充電システムにおける、２次側キャパシタの充電率の特性を示すグラフである。 図１０は、実施例１の充電システムにおける、電圧特性及び電流特性を示すグラフである。 図１１は、実施例１の充電システムにおける、２次側キャパシタの充電率の特性を示すグラフである。 図１２は、実施例２の充電システムにおける、電圧特性及び電流特性を示すグラフである。 図１３は、実施例２の充電システムにおける、２次側キャパシタの充電率の特性を示すグラフである。 図１４は、実施例の充電システムにおける、セルの並列数に対する充電率（ＳＯＣ）の特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る充電システムのブロック図である。図２は、本実施形態に係る充電システムの回路図である。本実施形態における充電システム１０００は、図１に示すように、１次蓄電部１、２次蓄電部２、配線３０、スイッチ（ＳＷ）４０、コネクタ５０、及び制御部６０を備えている。１次蓄電部１、配線３０、スイッチ４０、及び制御部６０を含む装置が、充電装置１００に相当する。

図２に示すように、１次蓄電部１は、複数の１次キャパシタセル１０を直列に接続したセル群１１（１）〜１１（ｎ）（ｎは自然数とする）を複数備えており、複数のセル群１１ｎは並列に接続されている。なお図２において、セル群１１（１）〜１１（ｎ）のうち最も左側に配置されるセル群をセル群１１（１）とし、左側から２番目のセル群を１１（２）とし、最も右側に配置されるセル群をセル群１１（ｎ）とし、右側から２番目のセル群を１１（ｎ−１）とする。２次蓄電部２は、複数の２次キャパシタセル２０を直列に接続したセル群２１を備えている。１次側のセル群１１（１）〜１１（ｎ）は１０個（ｎ＝１０）あり、２次側のセル群は１つである。１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセル１０と、２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０は同一性能のキャパシタである。また１つのセル群１１（１）〜１１（ｎ）に含まれる１次キャパシタセル１０の数は、セル群２１に含まれる２次キャパシタセル２０の数と同数である。また、１次蓄電部１は、セル群１１（１）〜１１（ｎ）毎に、同数の１次キャパシタセル１０を有している。すなわち、１次キャパシタセル１０の直列数と２次キャパシタセル２０の直列数は同一であり、１次キャパシタセル１０の並列数は、２次キャパシタセル２０の並列数よりも多い。セル群１１（１）〜１１（ｎ）に含まれる１次キャパシタセル１０のセル数とセル群２１に含まれる２次キャパシタセルのセル数を同数にし、セル群１１（１）〜１１（ｎ）の並列数（１次キャパシタセル１０の並列数）をセル群２１の並列数の２倍以上とする。なお、セル群２１は１つのため、２次側のキャパシタの並列数は１である。すなわち、１次蓄電部１の静電容量は２次蓄電部２の静電容量の２倍以上である。

図２の例では、１次蓄電部１は複数のセル群１１（１）〜１１（ｎ）を１０個並列し、１次キャパシタセル１０の並列数は２次キャパシタセル２０の並列数の１０倍になっている。そのため、１次蓄電部１の静電容量は２次蓄電部２の静電容量に対して１０倍となり、１次蓄電部１の内部抵抗は２次蓄電部２の内部抵抗に対して１／１０となる。なお、１次側で、並列に接続されるセル群の数は、１０個に限らず１１個以上でもよい。並列数が増えるほど、１次蓄電部１の静電容量は大きくなり、内部抵抗は低くなる。

１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセル１０及び２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０について説明する。

１次キャパシタセル１０は、扁平型のラミネートタイプのリチウムイオンキャパシタである。この１次キャパシタセル１０は、正極板、負極板と、セパレータとを交互の積層した電極積層体と、電極積層体を封止するラミネートフィルム、及び、リードを備えている。正極板は、正極活物質、導電助剤、バインダ、及び分散剤を溶媒中に分散させた塗料を正極集電体上に塗布し、付着させることで形成されている。正極活物質としては黒鉛や活性炭等を例示でき、導電助剤はカーボンブラックなどを例示でき、バインダはＳＢＲ等を例示でき、分散剤はカルボキシメチルセルロース等を例示できる。

負極板は、負極活物質、導電助剤、バインダ、及び分散剤を溶媒中に分散させた塗料を負極集電体上に塗布し、付着させることで形成されている。負極活物質としては黒鉛や活性炭等、リチウムを吸蔵、放出可能な活物質を例示できる。導電助剤はカーボンブラックなどを例示でき、バインダはＳＢＲ等を例示でき、分散剤はカルボキシメチルセルロース等を例示できる。負極は、プレドープとして、負極とリチウム極との間を電源で接続した状態とし所定の条件下で電流を流し、その後にエージング等を行い、リチウムイオンをドープさせる。

セパレータは、電解液、正極活物質、及び負極活物質等に対して耐久性があり、連通孔を有する一方で電子導電性は有しない多孔体から構成されている。このセパレータは、具体的には、セルロース、ポリエチレン等から形成される不織布や微多孔膜から構成されている。このセパレータには電解液が含浸されている。電解液の具体例としては、リチウム塩の非プロトン性有機溶媒電解質溶液を例示することができる。リチウム塩としては、特に限定されないが、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＦＳＩ、ＬｉＴＦＳＩを用いることができる。また、非プロトン性有機溶媒の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどのカーボネートを例示することができる。なお、これら非プロトン性有機溶媒の二種以上を混合した混合液を用いてもよい。

リードは、正極板及び負極板にそれぞれ接続され、板状の金属板であり端子として機能する。ラミネートフィルムは、矩形状のフィルムであって、電極積層体を内部に収容しつつ、外縁部分を熱融着することで、電極集電体、電解液等を封止する。

２次キャパシタセル２０は、１次キャパシタセル１０と同様なリチウムイオンキャパシタである。２次キャパシタセルの構成は、１次キャパシタセル１０と同様である。なお、１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０は、リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）に限定されず、例えば電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）等のキャパシタであってもよい。すなわち、１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０は、少なくとも、電気二重層を形成して物理的な作用により充放電可能な構造になっていればよい。

次に、配線３０、スイッチ４０、コネクタ５０、及び制御部６０について説明する。

配線３０は、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間を電気的に接続するための導線である。配線３０は正極側の電源ラインと負極側の電源ラインを有している。正極側の電源ラインには、スイッチ４０が接続されている。配線３０の一端には１次蓄電部１が接続されており、配線３０の他端にはコネクタ５０が設けられている。

スイッチ４０は、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間で、配線３０に接続されている。スイッチ４０は、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間の電気的な導通及び遮断を切り替える。

コネクタ５０は、２次キャパシタセル２０を充電装置１００に接続させるための部品である。制御部６０は、充電装置１００を制御するコントローラである。制御部６０は、スイッチ４０のオン、オフを切り換えることで、１次キャパシタセルから２次キャパシタセルへの充電を制御する。

次に、本実施形態における充電システムの充電方法について説明する。

まず、２次キャパシタセル２０を充電するために、２次蓄電部２がコネクタ５０に接続される。１次蓄電部１と２次蓄電部２との間には、配線３０、スイッチ４０、及びコネクタ５０が接続されているが、配線３０の配線抵抗、スイッチ４０の接点部分の抵抗、コネクタ５０の抵抗は十分に小さい。１次キャパシタセル１０の電極と２次キャパシタセル２０との間には、固定抵抗など、抵抗値の高い素子が接続されていない。そのため、スイッチ４０がオン状態に切り替えると、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間は短絡状態になる。

本実施形態における充電システムは、１次キャパシタセル１０に蓄えられている電気を２次キャパシタセル２０に供給して、２次キャパシタセル２０を充電する。そのため、充電の前提条件として、１次キャパシタセル１０の電圧が２次キャパシタセル２０よりも高くなっている。通常、２次キャパシタセル２０の残容量が少ない状態で２次キャパシタセル２０の充電は行われる。そのため、１次キャパシタセル１０の電圧は、２次キャパシタセルの電圧よりも高くなっている。

上記の充電の前提条件が満たされている状態で、制御部６０は、スイッチ４０をオフ状態からオン状態に切り替える。１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間が電気的に導通すると、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間の電圧差により、１次蓄電部１から２次蓄電部２に電流が流れ、２次キャパシタセル２０が充電される。

１次蓄電部１及び２次蓄電部２は複数のキャパシタを接続しているため、蓄電部の内部抵抗は、複数の電池を接続した電池群と比べて低くなっている。また、１次蓄電部１と２次蓄電部２の間は短絡状態である。そのため、２次キャパシタセル２０を充電する際には、１次蓄電部１から２次蓄電部２に大電流が流れる。

２次蓄電部２の充電が開始すると、１次キャパシタセル１０の電圧は降下し、２次キャパシタセルの２０の電圧は充電と共に上昇する。そして、１次蓄電部１の電圧と２次蓄電部２０の電圧が同じ大きさになったときに、２次蓄電部２の充電が終了する。制御部６０は、２次蓄電部２の充電完了後に、スイッチ４０をオフ状態に切り替える。なお、制御部６０は、２次蓄電部２の充電完了のタイミングを充電時間で管理してもよい。

次に、キャパシタの一般的な充電方法として、定電圧−定電流（ＣＣＣＶ）充電方式と、定電流（ＣＣ）充電方式について説明する。図３は、ＣＣＣＶ充電方式で充電した場合のキャパシタの電圧特性と電流特性を示すグラフである。横軸は時間（秒）を表しており、縦軸は電圧（ボルト）又は電流（アンペア）を示している。

図３に示すように、ＣＣＣＶ充電では、時間（ｔ_１）の時点から、一定電流でキャパシタの充電を開始する。一定電流で充電中、キャパシタ電圧は徐々に上昇し、時間（ｔ_２）の時点で、キャパシタ電圧は目標終止電圧に到達する。時間（ｔ_２）の時点で、定電流から定電圧に切り換わり、時間（ｔ_２）以降、充電電流を徐々に絞る。そして、充電電流はほぼゼロとなり、充電は終了する。図３の例では、充電終了時点から所定の休止期間を経過した時間（ｔ_３）で、キャパシタの放電を開始する。キャパシタは一定の放電電流を出力し、キャパシタ電圧は徐々に下降する。そして、キャパシタ電圧が下限電圧に達した時点（ｔ_４）で、放電が終了する。

ＣＣＣＶ充電方式による充電及びＣＣＣＶ充電方式による充電後のキャパシタの放電では、充放電電流を切り替える際に以下のような電圧変化が発生する。まず時間（ｔ_１）では、キャパシタへの充電電流の印加とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ_１）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ_１）分上昇する。時間（ｔ_３）では、キャパシタの放電電流の印加とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ_３）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ_３）分下降する。また、時間（ｔ_４）では、キャパシタの放電電流の停止とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ_４）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ_４）分上昇する。各時点における電圧変化は、電流の変化量と内部抵抗とを乗じた値に相当する。

定電流（ＣＣ）充電方式について説明する。図４は、ＣＣ充電方式で充電した場合のキャパシタの電圧特性と電流特性を示すグラフである。横軸は時間（秒）を表しており、縦軸は電圧（ボルト）又は電流（アンペア）を示している。

ＣＣ充電は、急速充電でよく用いられる。ＣＣ充電では、時間（ｔ_１）の時点から、一定電流でキャパシタの充電を開始する。一定電流で充電中、キャパシタ電圧は徐々に上昇し、時間（ｔ_２）の時点で、キャパシタ電圧は目標終止電圧に到達し、充電が終了する。図４の例では、充電終了時点から所定の休止期間を経過した時間（ｔ_３）で、キャパシタの放電を開始する。キャパシタは一定の放電電流を出力し、キャパシタ電圧は徐々に下降する。そして、キャパシタ電圧が下限電圧に達した時点（ｔ_４）で、放電が終了する。

ＣＣ充電方式による充電及びＣＣ充電方式による充電後のキャパシタの放電では、充放電電流を切り替える際に以下のような電圧変化が発生する。まず時間（ｔ_１）では、キャパシタへの充電電流の印加とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ_１）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ_１）分上昇する。時間（ｔ_２）では、キャパシタへの充電電流の停止とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ_２）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ_２）分下降する。時間（ｔ_３）では、キャパシタの放電電流の印加とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ_３）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ_３）分下降する。また、時間（ｔ_４）では、キャパシタの放電電流の停止とキャパシタの内部抵抗により電圧変化（ΔＶ_４）が発生し、キャパシタ電圧が電圧変化（ΔＶ_４）分上昇する。各時点における電圧変化は、電流の変化量と内部抵抗との積に相当する。

上記のとおりＣＣＣＶ充電方式では、キャパシタの充電完了時の充電電流がほぼゼロとなるため、キャパシタ充電完了時の電圧変化はほぼゼロとなり、充電完了後のＳＯＣを高く保つことができる。一方、ＣＣＣＶ充電方式では、キャパシタ電圧が目標終止電圧に到達した後に、ＣＶ充電を行うため、充電時間が長くなってしまう。

ＣＣ方式では、キャパシタの充電完了時（図４の時刻ｔ_２）の充電電流が高いため、充電完了時の電圧変化（ΔＶ_２）が大きくなる。すなわち、充電完了時に、充電電流とキャパシタの内部抵抗との積に相当する電圧降下が生じるため、充電完了後にキャパシタのＳＯＣが低下する。その一方で、ＣＣ充電方式の充電時間は、ＣＣＣＶ充電方式の充電時間よりも短くなる。

電圧変化は充電電流と内部抵抗との積で表されるため、充電完了時の電圧降下を小さくするには、充電電流を小さくする、又は、内部抵抗の低い蓄電デバイスを用いればよい。しかしながら、充電電流を小さくした場合には充電時間が長くなってしまう。

１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０は、リチウムイオン電池などの電池に比べて内部抵抗が低いという特徴を有している。本実施形態では、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間を短絡状態とできるような配線系が形成されているため、２次キャパシタセル２０を充電する際には、１次蓄電部１から２次蓄電部２に大電流を流すことができ、２次キャパシタセル２０を短時間で充電できる。また、内部抵抗が低いため、充電完了後の電圧降下が小さくなるため、充電効率も高い。

ここで、図２に示すような充電システムにおいて、１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０の代わりに、リチウムイオン電池等の電池を１次側と２次側に接続したときのシステムを、比較例として説明する。電池は、キャパシタと比較して内部抵抗が高い。そのため、電池間を配線で接続したとしても、電池間に大電流を流すことが難しい。また、電池のような内部抵抗の高いデバイスでは、過剰に電流が流れると、電池自体の発熱が問題となる。さらに、電池はキャパシタと比較して、レート特性がよくない。そのため、比較例に係るシステムを用いて、短時間で電池を充電した場合には、電池の容量劣化又はサイクル劣化が促進される可能性が高い。一方、本実施形態では、キャパシタの特性として、大電流で充電したときの容量特性（レート特性）が優れているため、本実施形態のような充電システムは、キャパシタの充電に特に適している。

次に、図５及び図６を用いて、２次側蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２１を充電するときの電圧特性と電流特性について説明する。図５は、図１に示す充電システムの等価回路を示している。抵抗Ｒｘはコネクタ５０の抵抗及び配線抵抗に相当する。Ｃ１は１次側のセル（１次キャパシタセル１０に相当）を示しており、Ｃ２は２次側のセル（２次キャパシタセル２０に相当）を示している。またＲ１は１次側のセルの内部抵抗を示し、Ｒ２は２次側のセルの内部抵抗を示す。ｉは１次側のセルから出力される充電電流を示す。

図６は、１次側セルの電圧特性、２次側セルの電圧特性、及び充電電流（ｉ）の特性を示す。なお、図６に示すグラフの横軸は時間を表し、縦軸は電圧及び電流を表す。

時間（ｔ_１）の時点で充電が開始したとき、１次側セルの電圧は電圧変化量（ΔＶ_１а）分降下し、２次側セルの電圧は電圧変化量（ΔＶ_２а）分上昇する。そして、時間（ｔ_２）の時点で充電が終了したとき、充電完了後の１次側セルの電圧は電圧変化量（ΔＶ_１ｂ）分上昇し、２次側セルの電圧は電圧変化量（ΔＶ_２ｂ）分下降する。各電圧変化量（ΔＶ_１а、ΔＶ_１ｂ、ΔＶ_２а、ΔＶ_２ｂ）は下記式（１）〜（４）で示される。

ただし、ｉ_１は充電開始時の充電電流を示し、ｉ_２は充電完了時の充電電流を示す。

上記のとおり、キャパシタ間で充電を行う場合に、１次側のキャパシタ電圧は、充電開始時の電圧低下により低くなり、２次側のキャパシタ電圧は、充電開始時の電圧上昇により高くなる。すなわち、充電開始時の１次側と２次側の電圧差は、初期電圧の電圧差よりも小さくなるため、充電完了時に２次キャパシタセルの充電率を高くするには、初期電圧の電圧差を大きく、あるいは、充電開始時の電圧降下を低くすることが考えられる。

本実施形態では、１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセル１０の並列数を、２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０の並列数よりも多くしている。１次側の並列数を多くすることで、１次キャパシタセルの合成抵抗は低くなり、充電開始時の電圧変化が小さくなるため、充電完了時の２次キャパシタセルの充電率を高くすることができる。

以上のように、本実施形態では、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間が、スイッチ４０及びコネクタ５０を介しつつ、配線３０で接続されている。また、１次蓄電部１の静電容量が２次蓄電部２の静電容量の２倍以上である。そして、制御部６０は、スイッチ４０をオン状態にすることで１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間を短絡状態とし、１次キャパシタセル１０と２次キャパシタセル２０との間の電圧差により、１次キャパシタセル１０から２次キャパシタセル２０に電流を流して２次キャパシタセル２０を充電させる。これにより、本実施形態では、短く規定された充電時間でキャパシタを高ＳＯＣで充電できる。

本実施形態では、１次蓄電部１と２次蓄電部２との間に、変圧器のような大きなデバイスを接続する必要がないため、装置又はシステムの小型化を実現できる。また、例えば特許文献１のような充電システムでは、キャパシタ間で流れる大電流を、キャパシタ間に接続されたスイッチング素子をチョッパ動作（スイッチング素子のオン、オフ動作）により、制限をかけて、２次側キャパシタを充電している。しかしながら、スイッチング素子のチョッパ動作によりキャパシタ間で電流が制限されるため、キャパシタの充電時間が長くなる。一方、本実施形態では、キャパシタ間で大電流を流しているため、短時間で２次キャパシタセル２０を充電できる。

本実施形態では、１次蓄電部１に含まれる１次キャパシタセル１０の並列数を、２次蓄電部２に含まれる２次キャパシタセル２０の並列より多い。これにより、充電電流が大きくなり、充電時間が短くなる。また、充電完了時の２次キャパシタセル２０の充電率（ＳＯＣ）を高くすることができる。

本実施形態では、１次キャパシタセル１０の並列数が２次キャパシタセル２０の並列数の１０倍以上になっている。これにより、１次蓄電部１が満充電に近い状態から充電を行う場合に、充電完了時の２次キャパシタセル２０の充電率（ＳＯＣ）を約８５％以上にすることができる。

以下に、実施例を挙げて、本発明についてより具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

＜キャパシタ＞
１次キャパシタセル１０及び２次キャパシタセル２０には、扁平型のリチウムイオンキャパシタを用いた。静電容量は３６００Ｆとし、内部抵抗は１ｍΩとした。

＜シミュレーション＞
以下の比較例１及び各実施例では、１次側及び２次側で使用するセルの接続形態が実施例毎に異なっている。１次のキャパシタを満充電として、２次キャパシタセルを空の状態とした上で、本実施形態に係る充電システムを用いて、２次キャパシタセルを充電した。図７は検証回路を示しており、本実施形態に係る充電システムの等価回路に相当する。図７の回路では、スイッチ４０がオンになった状態を表している。Ｒｘは、１次側のキャパシタと２次側のキャパシタとの間を接続する配線部の配線抵抗を示している。配線部には、配線３０、スイッチ４０及びコネクタ５０が含まれる。Ｃ１は１次側のセル（１次キャパシタセル１０又は１次蓄電部１に相当）を示しており、Ｃ２は２次側のセル（２次キャパシタセル２０又は２次蓄電部２に相当）を示している。

<<比較例１>>
１次側と２次側には、同一性能の大型セルをそれぞれ８個直列に接続した。つまり、１次側のキャパシタの接続形態及び２次側のキャパシタの接続形態は、それぞれ８直１並とした。１次側のキャパシタの初期電圧を３０．４Ｖとし、２次側のキャパシタの初期電圧を１７．６Ｖとした。配線抵抗（Ｒｘ）は３ｍΩとした。スイッチ４０のオン時間は１０秒とした。

図８は、１次側のキャパシタの電圧特性、２次側のキャパシタの電圧特性、及び充電電流特性を示すグラフである。図９は、２次側のキャパシタのＳＯＣ特性を示すグラフである。図８において、点線はキャパシタの上限電圧（Ｖｍａｘ）である。図８に示すように、充電開始時に１次側の電圧が初期電圧（３０．４Ｖ）から２５Ｖ以下まで低下しさらに時間の経過とともに低下し、２次側の電圧は、充電完了時に２５Ｖ以下となった。図９に示すように、充電完了時（充電開始時から１０秒経過後）に、２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）は約５０％となった。

１次側の電圧は、充電開始時、電圧降下により低くなる。そして、１次側と２次側で初期電圧の差が小さい時には、充電開始後の電圧差がさらに小さくなるため、比較例１では、キャパシタの静電容量の半分程度した充電できないことが確認できた。

<<実施例１>>
１次側には、大型セルを８直１並で接続したセル群を２個並列に接続した。２次側には大型セルを８個直列に接続した。つまり、１次側のキャパシタの接続形態は８直２並とし、２次側のキャパシタの接続形態は８直１並とした。１次側のキャパシタの初期電圧を３０．４Ｖとし、２次側のキャパシタの初期電圧を１７．６Ｖとした。配線抵抗（Ｒｘ）は３ｍΩとした。スイッチ４０のオン時間は１０秒とした。

図１０は、１次側のキャパシタの電圧特性、２次側のキャパシタの電圧特性、及び充電電流特性を示すグラフである。図１１は、２次側のキャパシタのＳＯＣ特性を示すグラフである。図１０において、点線はキャパシタの上限電圧（Ｖｍａｘ）である。図９に示すように、充電開始時に１次側の電圧が初期電圧（３０．４Ｖ）から２７Ｖ程度に低下し、さらに時間の経過とともに低下し、２次側の電圧は充電完了時に約２６Ｖとなった。図１１に示すように、充電完了時に、２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）は約６６％となった。実施例１では、比較例１と比較して、１次側のキャパシタの並列数が１つ増えているため、充電開始時の１次側の電圧降下が実施例２より小さくなり、１次側の充電電流、充電完了時の２次側の電圧、及び充電完了時の２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）は、比較例１と比較してそれぞれ高くなることが確認できた。

<<実施例２>>
１次側には、大型セルを８直１並で接続したセル群を１０個並列に接続した。２次側には大型セルを８個直列に接続した。つまり、１次側のキャパシタの接続形態は８直１０並とし、２次側のキャパシタの接続形態は８直１並とした。１次側のキャパシタの初期電圧を３０．４Ｖとし、２次側のキャパシタの初期電圧を１７．６Ｖとした。配線抵抗（Ｒｘ）は３ｍΩとした。スイッチ４０のオン時間は１０秒とした。

図１２は、１次側のキャパシタの電圧特性、２次側のキャパシタの電圧特性、及び充電電流特性を示すグラフである。図１３は、２次側のキャパシタのＳＯＣ特性を示すグラフである。図１２において、点線はキャパシタの上限電圧（Ｖｍａｘ）である。図１２に示すように、充電開始時に１次側の電圧が初期電圧（３０．４Ｖ）から２９Ｖ程度に低下し、さらに時間の経過とともに低下し、２次側の電圧は充電完了時に約２９Ｖとなった。図１３に示すように、充電完了時に、２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）は約９０％となった。実施例２では、実施例１と比較して、１次側のキャパシタの並列数が７個増えているため、充電開始時の１次側の電圧降下が実施例１より小さくなり、１次側の充電電流、充電完了時の２次側の電圧、及び充電完了時の２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）は、実施例１と比較してそれぞれ高くなることが確認できた。

図１４は、１次側に並列接続されるセル群を１個ずつ増やしたときの２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）の特性を示している。横軸は並列数を、縦軸は充電率（ＳＯＣ）を示す。図１４に示すように、１次側のセル群の並列数を増やすごとに、２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）が増えることが確認できた。また、１次側に並列接続されるセル群を１０個にすることで、２次側のキャパシタの充電率（ＳＯＣ）が約９０％になることが確認できた。実施例１、２の結果から、１次側のキャパシタの並列数を増やすことで、１次側の電圧降下が抑制されるため、充電電流が増加し充電率が向上することが確認できた。

１…１次蓄電部
２…２次蓄電部
１０…１次キャパシタセル
２０…２次キャパシタセル
３０…配線
４０…スイッチ
５０…コネクタ
６０…制御部
１００…充電装置
１０００…充電システム

Claims (5)

1. １次キャパシタセルを有する１次蓄電部と、
   ２次キャパシタセルを有する２次蓄電部に接続するためのコネクタと、
   前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されるスイッチと、
   前記１次蓄電部と前記コネクタとの間を、前記スイッチを介して接続する配線と、
   前記スイッチを制御する制御部とを備え、
   前記１次蓄電部の静電容量は前記２次蓄電部の静電容量の２倍以上であり、
   前記制御部は、
   前記スイッチをオン状態にすることで前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とし、
   前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して前記２次蓄電部を充電する充電装置。
2. 請求項１記載の充電装置であって、
   前記１次蓄電部は、複数の前記１次キャパシタセルを並列に接続し、
   前記１次キャパシタセルの並列数は、前記２次キャパシタセルの並列数より多い充電装置。
3. 請求項１記載の充電装置であって、
   前記１次蓄電部は、複数の前記１次キャパシタセルを直列に接続し、直列に接続された前記複数の１次キャパシタセルを並列に接続し、
   前記２次蓄電部は、複数の前記２次キャパシタセルを直列に接続し、直列に接続された前記複数の２次キャパシタセルを並列に接続し、
   前記１次キャパシタセルの直列数は、前記２次キャパシタセルの直列数と同一であり、
   前記１次キャパシタセルの並列数は、前記２次キャパシタセルの並列数に対して１０倍以上である充電装置。
4. １次キャパシタセルを有する１次蓄電部と、
   ２次キャパシタセルを有する２次蓄電部と、
   前記２次蓄電部に接続するためのコネクタと、
   前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されるスイッチと、
   前記１次蓄電部と前記コネクタとの間を、前記スイッチを介して接続する配線と、
   前記スイッチを制御する制御部とを備え、
   前記１次蓄電部の静電容量は前記２次蓄電部の静電容量の２倍以上であり、
   前記制御部は、
   前記スイッチをオン状態にすることで前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とし、
   前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して、前記２次蓄電部を充電する充電システム。
5. 配線の先端に設けられたコネクタを、２次キャパシタセルを有する２次蓄電部に接続して、１次キャパシタセルを有する１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を、前記配線を介して電気的に接続させる工程と、
   前記１次蓄電部と前記コネクタとの間に接続されたスイッチをオン状態にして、前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間を短絡状態とする工程と、
   前記１次蓄電部と前記２次蓄電部との間の電圧差により、前記１次蓄電部から前記２次蓄電部に電流を流して、前記２次蓄電部を充電する工程と、を備え、
   前記１次蓄電部の静電容量は前記２次蓄電部の静電容量の２倍以上である充電方法。

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