JP7477880B2 - キャパシタ電池及びキャパシタ電池の製造方法 - Google Patents

キャパシタ電池及びキャパシタ電池の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP7477880B2
JP7477880B2 JP2021025791A JP2021025791A JP7477880B2 JP 7477880 B2 JP7477880 B2 JP 7477880B2 JP 2021025791 A JP2021025791 A JP 2021025791A JP 2021025791 A JP2021025791 A JP 2021025791A JP 7477880 B2 JP7477880 B2 JP 7477880B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
capacitor
capacitor battery
battery
electrode material
circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021025791A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2022007986A (ja
JP2022007986A5 (ja
Inventor
智棟 陳
博 冨安
潤烈 朴
祐至 杉林
博司 高原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qualtec Co Ltd
Original Assignee
Qualtec Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qualtec Co Ltd filed Critical Qualtec Co Ltd
Publication of JP2022007986A publication Critical patent/JP2022007986A/ja
Publication of JP2022007986A5 publication Critical patent/JP2022007986A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7477880B2 publication Critical patent/JP7477880B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/10—Dynamic electric regenerative braking
    • B60L7/14—Dynamic electric regenerative braking for vehicles propelled by ac motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/16—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors
    • B60L9/18—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors fed from dc supply lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/08—Structural combinations, e.g. assembly or connection, of hybrid or EDL capacitors with other electric components, at least one hybrid or EDL capacitor being the main component
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/42—Powders or particles, e.g. composition thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/46—Metal oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/58—Liquid electrolytes
    • H01G11/60—Liquid electrolytes characterised by the solvent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/58—Liquid electrolytes
    • H01G11/62—Liquid electrolytes characterised by the solute, e.g. salts, anions or cations therein
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

本発明は、水溶液系の電解液を用いた、いわゆる水系の電気二重層キャパシタ(Electric Double Layer Capacitor：EDLC)及びレドックスキャパシタ（Redox capacitor）、二次電池の製造方法等に関するものである。
本発明は、キャパシタ、二次電池を有する充電器及び充電装置及び充電方法、キャパシタ、二次電池を搭載した回生制動装置及び回生制動方法、キャパシタ、二次電池を搭載する車及び車の駆動方法等に関するものである。
なお、本発明の車はモータを有するものであり、自転車、バイク、電車、自動車等が例示される。
以下、電気二重層キャパシタ及びレドックスキャパシタを「キャパシタ」あるいは「キャパシタ電池」という。
一般に、キャパシタ電池等の電解液としては、水溶液系と非水溶液系とがあることが知られている。水溶液系の電解液は、非水溶液系の電解液と比較して、導電性が高く、また、溶媒が水であることから安全性が高く、不揮発性で水分管理がしやすく、コストも低いという利点がある。
水溶液系の電解液を用いたキャパシタ電池等は数多く存在し、たとえば、特許文献１では水溶液系の電解液を用いたキャパシタ電池等が開示されている。
特許文献２では、燃費の向上のため、発電した電気あるいは減速時に電気を回生し、電池等の充電器に充電する事項が開示されている。
特開昭４８－４５８５７ 特開２０１０－３５３７６
水溶液系の電解液は、導電性とイオンの溶解性及び解離において、非水溶液系の電解液を用いた場合よりも有利である。しかし、印加可能な電圧が電気分解との関係による制約から低く、貯蔵エネルギーが印加電圧の２乗に比例することから、水溶液系の電解液を用いたキャパシタ電池は不利である。そのため、水溶液系の電解液を用いたキャパシタ電池の重量エネルギー密度には限界があった。
従来の二次電池は、リチウム等の活性金属および電解液に有機溶媒を使用するため、発火の危険性があった。また、充電に化学反応を伴うため、長い時間を要するという課題があった。
水溶液を用いた二次電池は、印加可能な電圧が水の電気分解との関係による制約から低く、大きな起電力には対応できないという課題があった。電気二重層キャパシタにおいては、印加電圧が低いと蓄電エネルギーが小さいという課題があった。
電動自転車や電気自動車等は、減速時には発電を行って、充電可能な電池に戻すという回生制動を実施する。しかし、電池が満充電の場合、電池が低温の場合には、回生制動時の充電電流（以下、回生電流とも呼ぶ）が制限され、回生制動がかけられないという課題があった。つまり回生エネルギーによって発生する電気容量を充電するには、電池あるいはキャパシタの容量は十分に大きくなければならない。
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るキャパシタ電池等は、焼結した酸化鉄（Fe2O3）等と導電性炭素材料とを有する正極及び負極と、正極と負極との間に介在されるセパレータと、過塩素酸ナトリウム等の飽和水溶液を有する電解液と、正極、負極、セパレータ及び電解液が収容される容器とを備えるものである。
本発明の電池は、導電性炭素材料と酸化物金属を有する正極及び負極と、前記正極及び負極間、または前記正極及び負極中に有する過塩素酸ナトリウム、過塩素酸リチウム、過塩素酸マグネシウム、過塩素酸カルシウム、過塩素酸バリウム、過塩素酸アルミニウムからなる群から選ばれる過塩素酸塩水溶液を有する電解液と、前記正極、前記負極、及び前記電解液が収容される容器とを具備し、前記正極と負極は、焼結されて形成されている。
本発明は、第１のキャパシタ電池に充電された電荷を、昇圧回路で昇圧して第２のキャパシタ電池あるいは二次電池に充電する。
水溶液系の電解液を用いるキャパシタ電池等において、焼結等した酸化鉄と導電性炭素材料を有する正極及び負極と、電解液に飽和過塩素酸ナトリウム水溶液を用いることにより、電位窓を３Ｖ以上にまで広げることができる。
酸化鉄（Fe2O3）は比容量が大きく、安価であり入手性が良く、また、電着することができるため、大容量、かつ低コストで容易にキャパシタ電池等を製造することができる。
酸化鉄（Fe2O3）と炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）を同時に電着させることにより、CQDsがFe2O3膜の中に存在によって、Fe2O3膜の導電性を高くすることができる。
本発明のキャパシタ電池等は充電及び放電が非常に高速である。充電した電荷量に対する電圧が線形であり、温度依存性は小さい。本発明のキャパシタ電池等を使用した電池が満充電の場合、放電回路で所定電荷を放電させることにより、回生電流を充電できる。
放電は、短時間で行えるため、回生電流の発生前の短時間で実施することができる。また、充電も高速であるため、大きな回生制動を実現することができる。
本発明は、第１のキャパシタ電池に充電された電荷を、昇圧回路で昇圧して第２のキャパシタ電池あるいは二次電池に充電する。第１のキャパシタ電池に回生電流等を充電する。回生電流の充電は高速に実施でき、また、昇圧した第２のキャパシタ電池あるいは二次電池から、モータ等に電流を供給するため、大きなモータのトルクを得ることができる。
本発明のキャパシタ電池の構成及び説明図である。 本発明のキャパシタ電池の構成及び説明図である。 本発明のキャパシタ電池の構成及び説明図である。 本発明のキャパシタ電池の動作の説明図である。 本発明のキャパシタ電池の特性を示すグラフである。 本発明のキャパシタ電池の特性を示すグラフである。 本発明のキャパシタ電池の特性を示すグラフである。 本発明のキャパシタ電池の特性を示すグラフである。 本発明のキャパシタ電池の電極の製造方法の説明図である。 本発明のキャパシタ電池のＳＥＭ写真である。 本発明のキャパシタ電池を用いた充電装置のブロック図及び説明図である。 本発明のキャパシタ電池を用いた充電装置のブロック図及び説明図である。 本発明のキャパシタ電池の説明図である。 本発明のキャパシタ電池の説明図である。 本発明のキャパシタ電池の説明図である。 本発明のキャパシタ電池を用いた回生制動装置を搭載する自転車の説明図である。 本発明のキャパシタ電池を用いた回生制動装置のブロック図及び説明図である。 本発明のキャパシタ電池を用いた回生制動装置の説明図である。 本発明のキャパシタ電池を用いた回生制動装置のブロック図及び説明図である。 本発明のキャパシタ電池、二次電池を用いた回生制動装置のブロック図及び説明図である。 本発明のキャパシタ電池、二次電池を具備する自動車の説明図である。ある。 本発明のキャパシタ電池の説明図およびブロック図である 本発明のキャパシタ電池の説明図およびブロック図である。 本発明のキャパシタ電池、二次電池を用いた機器、自転車、自動車の外観図及び説明図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
発明を実施するための形態を説明する各図面において、同一の機能を有する要素には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。また、本明細書、図面に記載する本発明の実施例は、各実施例を相互に組み合わせることができる。
本発明のキャパシタ電池等は、一例として、集電極としてチタン箔を使用し、活物質として黒鉛と活性炭の混合物を使用する。電解液として飽和過塩素酸ナトリウム水溶液を使用し、セパレータとして親水性高分子を使用する。
本発明の一実施形態としてのキャパシタ電池等の製造方法は、活物質に電解液とバインダーを加え、これを集電極に塗工して電極を作る。正極と負極は同じ電極材料を用いてもよい。セパレータを電解液で浸し、二つの電極により挟み、封止することによりキャパシタ電池等としての単一セルを構成する。
電気二重層は二つの電極の近傍におけるイオンの局在化によって発生する。二つの電極に電圧を負荷すると、負極の近傍にはプラスのイオンが局在化し、電気的中性を保つため、負極には電子が蓄積する。一方、正極では、マイナスのイオンが局在化するため、電極中には正に帯電した空孔が蓄積する。
負極と正極の間には電位が生じ、二次電池と同様にエネルギーとして取り出すことができる。充電と放電をすると言うことでは二次電池と同じであるが、二次電池と異なり、充放電は電極の極近傍でのイオンの動きだけに支配され、化学反応は伴わない。そのため高速の充放電が可能で、繰り返しても性能は低下しない。しかし、電極に含まれる酸化鉄（Fe2O3）が電子的に不動であるという証拠はない。もし、何らかの電子的な授受が起これば、電気二重層キャパシタとレドックスキャパシタとの違いは明らかでない。
電気二重層キャパシタは化学反応を伴わない。そのため、秒単位の充放電が可能で、反応熱はほとんど発生しない。電極の極近傍での現象であるため、温度依存性は僅かである。しかし、化学反応を伴わないが故に、一般的に、エネルギー密度は小さい。
回生エネルギーの回収には、短時間で発生するエネルギーを短時間で貯蔵するだけの容量が必要である。つまり、相応のエネルギー密度は必要である。この点、既存のキャパシタ電池は十分ではない。
従来のキャパシタに用いられている有機系電解液は電位窓（電気分解しない耐電圧）が広いという長所がある。しかし、電解質の溶解性が悪く、比誘電率が小さく、電気エネルギーの蓄積には不利である。
水は電解質の溶解性が良く、溶液中で電解質の電離度が高い。したがって、伝導率の大きい優れた電解液となる。また、不燃性である。しかし、水系電解液は、電位窓が狭いという欠点がある。
電気二重層キャパシタ電池等の蓄電エネルギーは印加電圧の二乗に比例する。水の電位窓は１．２３Ｖである。有機系電解液の電位窓は３Ｖを超える。
本発明のキャパシタ電池等で使用する過塩素酸ナトリウム水溶液の電位窓は３．２Ｖである。印加電圧が有機系電解液に匹敵すれば、安全性だけでなく、蓄電エネルギーも有機系キャパシタ電池等の性能を超える。
水は水素結合を介してクラスター状に大きな構造を形成している。このクラスター構造が水の結合を弱め、結果として電位窓を狭くしている。逆に、独立したＨ２Ｏなら、電位窓は広いことが推測される。
超濃厚水溶液である飽和過塩素酸ナトリウム水溶液の重量濃度は、２５℃において１７．１Mol/（水１ｋｇ）であり、水のクラスター構造はほぼ破壊されていると推測される。その結果、電位窓は３．２Ｖである。
飽和過塩素酸ナトリウム水溶液の短所は、過塩素酸ナトリウムの濃度が５Mol以上になると、伝導率が低下することである。これは粘性の増加と相関している。
飽和過塩素酸ナトリウム水溶液の伝導率は、２５℃で、伝導率は約１００mS/cmで、有機系電解液に比べると一桁大きい。この水溶液の長所は、－４０℃でも凍結しないことである。
有機系キャパシタ電池のエネルギー密度を大きくできない要因の一つは電解質のイオン対の生成にあると思われる。伝導率（抵抗の逆数）の小さなことは電気二重層キャパシタの内部抵抗を高める要因になる。
電解液としてＰＣ（プロピレンカーボネート）を使用する場合、電解液の導電率が悪いと、内部抵抗が大きくなり発熱する。電解液の伝導率は１０mS/cm前後である。本発明のキャパシタ電池に使用する水系電解液の伝導率は１００mA/cmであるから、けた違いに大きい。イオン液体は不燃性であるが、高価であり、粘性が高く、伝導率は低い。
自動車の回生エネルギーの回収では、短時間に大電流が流れるため、充放電による発熱は重大な問題となる。
二次電池には、鉛蓄電、ニッケル水素電池及びリチウムイオン電池が広く知られ、近年では全個体電池の開発が脚光を浴びている。
リチウムイオン電池は１００Wh/kgあるいはそれ以上の大きなエネルギー密度を持っている。二次電池の蓄電機構は化学反応（酸化還元反応）によって支配される。起電力が大きい程、充電の際、大きなポテンシャル障壁が立ち塞がる。
充電するということは印加電圧によりこのエネルギー障壁を乗り越えることであり、一般的には長時間を要する。自動車の回生エネルギーの回収は秒のレベルである。二次電池は、充電速度以上に、充放電の繰り返しも問題になる。それは化学反応の繰り返しを意味するからである。充放電の繰り返し頻度の大きな用途に二次電池を用いるのは合理的ではない。
本発明のキャパシタ電池は、温度０℃から６０℃の範囲で、充放電容量はほとんど変化しない。キャパシタ電池の充放電に伴う現象が電極の極近傍で起こっているからと推測される。
回生エネルギーの回収システムにおいて、回生協調ブレーキ技術は省エネルギー化を左右する上で最も重要である。回生制動が増加すれば、それだけ発電と充電の負荷が増加する。数秒間に大電流が発生し、それを充電する機能を備えることが要求される。水系キャパシタ電池は内部抵抗が小さく、その結果発熱量が少なく、しかも、不燃性であるから、回生制動に適する。
本発明のキャパシタ電池は、安価な材料（黒鉛と活性炭及びＳＵＳあるいはチタン箔）と安価な製造方法（大気中での作業が可能）により、安価な大型蓄電デバイスの製作が可能である。
図１（ａ）は本発明のキャパシタ電池等の構造を説明する説明図である。なお、本発明のキャパシタはキャパシタ電池と呼ぶ場合がある。
金属板１０１の表面に酸化金属と炭素からなる電極材料１０４が形成または配置されている。金属板１０１は、ステンレス、チタン、銅、亜鉛、ニッケル等の金属板あるいは導電板が例示される。
金属板１０１は、アルミニウム、銅、ステンレス、焼結合金，金網，発泡メタル、セラミック等で形成あるいは構成してもよい。また、表面に白金、金、銀、タングステン、チタン、銅、ニッケル、またはそれらを組合せた合金を形成または配置してもよい。
金属板１０１は金属フィルムあるいはフィルム箔であっても良いことは言うまでもない。また、金属板１０１の代わりに、導電性を有しない基板またはフィルム等の表面にチタン、白金、金、銀等の金属をめっき、蒸着あるいはスパッタリングしたものを用いてもよい。
金属板１０１として、ステンレスを採用する場合、フェライト系ステンレスを採用することが好ましい。たとえば、ＳＵＳ４３０が例示される。フェライト系ステンレスは、耐食性が高く、コストも安い。
金属板１０１の代わりに、カーボンクロス等のカーボンシートを電極１０１として使用し、カーボンシートの表面に酸化金属と炭素からなる電極材料１０４が形成または配置してもよい。カーボンシートを電極１０１として使用することにより、本発明のキャパシタ電池等の柔軟性が良好となり、曲面を有するキャパシタ電池等を構成できる。
以上のように、金属板１０１は、金属材料等のシートあるいは板に限定されるものではなく、カーボン等の非金属材料で形成あるいは構成しても良いことは言うまでもない。
図１等の図面において、金属板１０１に電極材料１０４を形成し、金属板１０１に端子電極１０６を接続するとしたが、これに限定するものではない。直接、電極材料１０４に端子電極１０６を接続して電極としても良い。
以上の事項は本発明の他の実施例にも適用できることは言うまでもない。なお、本明細書では、理解を容易にするために、主として金属板１０１として説明する。
金属板１０１の厚みを５０μｍ以下のシートとすることにより、本発明のキャパシタ電池等の柔軟性が良好となる。したがって、曲面を有するキャパシタ電池等を構成できる。
金属板１０１等がカーボンシートの場合は、シート抵抗が高い。シート抵抗が高いと、端子電極１０６に印加した電圧が、カーボンシートの遠端で電圧が降下する。この対策のため、カーボンシート１０１の裏面に、金属材料を蒸着等して、シート抵抗を小さくする。
正極・負極のそれぞれの導電性炭素材料は、充放電のため、端子電極１０６によって容器１０７の外側と電気的に接続される。
金属板１０１の表面には、電極材料１０４が配置される。電極材料１０４として、炭素を含む酸化鉄Fe2O3で構成あるいは形成したものが例示される。また、電極材料１０４として、燐（Ｐ）を添加したものを採用することが好ましい。
酸化鉄Fe2O3は化学的安定性が低い、導電性が悪いと言う欠点がある。燐（Ｐ）を酸化鉄Fe2O3の中に添加あるいは混合あるいは含有させると、酸化鉄Fe2O3が安定化する。
また、カーボン量子ドット(Carbon quantum dots：CQDs CQD,C-dots or CDs)を、酸化鉄Fe2O3の中に添加あるいは混合あるいは含有させると、酸化鉄Fe2O3が安定化する。カーボン量子ドット(CQDs)は、サイズが10nm未満のナノ粒子である。
電極材料１０４として、酸化鉄Fe2O3に限定するものではないが、酸化鉄Fe2O3は比容量が大きく、価格が安く、入手性が容易である。酸化鉄Fe2O3は電着工法で金属板１０１上等に容易に形成することができる。酸化鉄Fe2O3等は塗工工法、電着工法で形成するが、特に電着工法を採用することが好ましい。
酸化鉄への導電性カーボン、炭素量子ドット（CQDs）の混入の役割は酸化鉄の導電性を高めることで、含有量が多過ぎると、酸化鉄の表面積が大きく、電池吸着能が大きいという効果を減少させる。導電性カーボン等は0.01%以上を混合させると効果を発揮する。導電性カーボン、炭素量子ドット（CQDs）の含有量あるいは混合割合は、0.01％以上10％以下が好ましい。特に、0.05％以上5％以下が好ましい。
酸化鉄への燐（P）の混入の役割は酸化鉄の安定性を増すことで、含有量が多すぎると導電性を低下させる。特に燐（P）の含有量が0.5％超えると導電性の低下が大きくなる。燐（P）は0.001%以上の添加で効果を発揮する。燐（P）の含有量あるいは混合割合は0.001％以上0.5％以下が好ましい。さらに、0.01%以上0.2%以下が好ましい。
金属酸化物に燐（P）と導電性カーボンを混入させる本発明の技術的思想は、鉄以外でも、同様に適用できる。たとえば、塩化ルテニウム(III)（RuCl3）水溶液から集電極にめっきすると、ルテニウム（Ru）は集電極にめっきされる。これを焼結させると、酸化ルテニウム(IV)（RuO2）の薄膜が生成する。めっきの段階で、鉄と同様に、燐（P）と導電性カーボン等を混入させることができる。
ルテニウム（Ru）の場合も、導電性カーボン、炭素量子ドット（CQDs）の含有量あるいは混合割合は、0.01％以上10％以下が好ましい。特に、0.05％以上5％以下が好ましい。燐（P）の含有量あるいは混合割合は0.001％以上0.5％以下が好ましい。さらに、0.01%以上0.2%以下が好ましい。
本明細書では、酸化鉄Fe2O3を例示して説明するが、酸化鉄は、これに限定するものではない。酸化鉄は鉄の酸化物の総称であり、酸化数に応じて酸化鉄(II)(FeO)や酸化鉄(III)(Fe2O3)、酸化鉄(II,III)Fe3O4など組成が異なるものが知られている。
電極材料１０４として、酸化鉄Fe2O3の他、酸化バナジウム、酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化スズ及び炭化チタンからなる群から選ばれる金属化合物と導電性炭素材料との混合物を用いることができる。
酸化鉄Fe2O3中にカーボン量子ドット(CQDs)等のカーボンを一緒に電着すると、酸化鉄Fe2O3等からなる電極材料１０４の導電性を高くすることができる。なお、カーボン量子ドット(CQDs)以外のカーボンを混合させて形成してもよい。
焼結させた酸化鉄Fe2O3は硬い。特に、高温で焼結させると脆くなる。また、粒径が緻密になる傾向があり、酸化鉄Fe2O3から構成される電極材料１０４中に電解液１０５が浸透し難くなる。
カーボン量子ドット(CQDs)等のカーボンを電極材料１０４中に含有させることにより、酸化鉄等からなる電極が、柔軟性を有するようになる。焼成条件を適正にすることにより電極材料１０４に空隙が形成されて電荷量の蓄積量が増加する。
なお、カーボン量子ドット(CQDs)に限定するものではなく、カーボンあるいはカーボンを含有する物質を混合あるいは含有させることにより同様の効果が得られる。
カーボン量子ドット(CQDs)を採用することにより、電極材料１０４の柔軟性が良好となる。金属板１０１等を柔軟性があるように形成することにより、フレキシブルなキャパシタ電池を作製できる。
本明細書では、導電性炭素材料として、カーボン量子ドット(CQDs)を例示して説明するが、導電性炭素材料として、カーボン量子ドット(CQDs)に限定するものではない。
導電性炭素材料は、導電性を有する炭素材料であればどのようなものでもよい。たとえば、黒鉛を用いることができる。また、活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンフェルト、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェンの少なくとも１つか、これらを組み合わせたものを用いることができる。また、これらを含有するシート、固体あるいは液体を用いることができる。
正極、負極の電極材料１０４の形態としてはどのようなものでもよいが、たとえば、上記導電性炭素材料と酸化物金属を加圧成型して固形化したもの、容器に充填したもの、加圧して焼結あるいは焼成させたものも用いることができる。
主として、導電性炭素材料と酸化物金属、燐等を金属板１０１等に電着させた後、焼結させるとして説明する。導電性炭素材料と酸化物金属、燐等を金属板１０１等上に加圧成型して固体化し、その後、焼結させても良い。
また、導電性炭素材料と酸化物金属、燐等をペレット状に作製し、このペレットをスパッタリングして、導電性炭素材料と酸化物金属、燐等を、金属板１０１等の上に着膜させた後、焼結させてもよい。
また、炭素材料のペレット、酸化物金属等のペレットを作製し、これらペレットを順次あるいは同時にスパッタリングして、金属板１０１等上に着膜させても良い。最初に、炭素材料のペレットのみをスパッタリングする。次に、炭素材料のペレットと酸化物金属のペレットを同時にスパッタリングする。すると、金属板１０１上に炭素材料が形成され、次に炭素材料と酸化物金属が混合した層が形成される。酸化物金属と金属板１０１間に炭素材料の層が形成されて、密着性が良好となる。
セパレータ１０２は、正極と負極を隔てる膜あるいはシートであり、たとえば、陽イオン交換膜を用いることができる。両極での電解液が同じ場合、イオンを選択する必要がないことから、セパレータは両極の接触を防ぐ絶縁性能と水の透過性能を備えるものであればいずれの物であっても良い。
また、正極と負極の電極材料１０４を所定の距離を置いて配置または維持できる構成あるいは形態であれば、セパレータ１０２を省略することができる。
両極での電解液が同じで、セパレータ１０２でイオンを選択する必要がないことから、セパレータ１０２は両極の接触を防ぐ絶縁性能と水の透過性能を備えるだけで良い。すなわち、絶縁性を有するシート状のもので、水を透過する性質を備えていればどのようなものでもよく、たとえば、紙に代表されるようなセルロース不織シート、布、化学繊維シート、合成樹脂シートを用いることもできる。
合成樹脂シートを用いたセパレータとしては、たとえば、合成樹脂からなる多孔質シートを用いることができる。
なお、合成樹脂は、単体及び複合体のいずれでもよい。合成樹脂からなる多孔質シートとしては、たとえば、ポリフェニレンサルファイドからなる湿式不織布を挙げることができる。
ポリフェニレンサルファイドからなる湿式不織布は、水を透過し、耐薬品、耐熱に優れ、難燃性で電気特性も安定しており、高分子構造が単純で非常に安価である。そのため、セパレータとしてポリフェニレンサルファイドからなる湿式不織布を用いることにより、キャパシタ電池等製造の低コスト化を実現できる。
セパレータ１０２は、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂ間に配置することに限定するものではない。たとえば、電極材料１０４ａ上にスクリーン印刷工法、インクジェット工法、スピンナー工法等により、合成樹脂等からなるセパレータ１０２を形成し、セパレータ１０２と電極材料１０４ｂとを挟持あるいは貼り合せても良い。
図２（ｂ）に図示するように、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂ間に絶縁性のビーズ等を散布することにより、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂ間に一定の距離（空間）が維持できるように構成しても良いことは言うまでもない。
電解液１０５は電極材料１０４内、または／あるいは電極材料１０４とセパレータ１０２間に充填される。電解液１０５は一実施態様として過塩素酸ナトリウム（NaClO4）水溶液である。
水は水素結合を介してクラスター状に大きな構造を形成している。このクラスター構造が水の結合を弱め、電位窓を狭くしている。飽和過塩素酸ナトリウム水溶液の重量濃度は（２５℃において１７．１Mol/（水１ｋｇ））と超濃厚で、水のクラスター構造は、ほぼ破壊されていると推測される。そのため、電位窓は３．２Ｖと広い。
過塩素酸ナトリウム水溶液以外の水溶液も電解液として用いることができる。たとえば、過塩素酸リチウム（LiClO4）水溶液、過塩素酸マグネシウム（Mg(ClO4)2）、過塩素酸カルシウム（Ca(ClO4)2）、過塩素酸バリウム（Ba(ClO4)2）または過塩素酸アルミニウム（Al(ClO4)3）といった過塩素酸塩水溶液を用いることができる。
図６は本発明のキャパシタ電池の特性を示すグラフである。図６（ｂ）は、過塩素酸ナトリウム水溶液の飽和と、飽和に近い水溶液における充放電の結果を示す。
図６（ｂ）は２３℃で過塩素酸ナトリウムを飽和した水溶液を電解液に用いたキャパシタの充放電の結果である。このキャパシタの電極は、負極と正極は同じで、集電極（チタン箔）に黒鉛と活性炭の混合物を塗工したものである。
縦軸（左）は蓄電容量（mAh/cm2）（Charge Capacity／mAh・cm-2）、縦軸（右）はクーロン効率（％）（Coulomb efficency／%）である。横軸は充放電の回数（Cycle number）（各温度で５０回繰り返した）。充電容量（Charge Capacity／mAh・cm-2）、放電容量（Discharge Capacity／mAh・cm-2）は、温度の上昇に伴い、増加することが分かる。４０℃までは充放電容量は安定しているが、５０℃では、不安定になる。
電解液は２３℃で飽和状態にしたが、過塩素酸ナトリウムの飽和溶解度は、温度により変化する。水１００gに対して、２０℃では過塩素酸ナトリウム２０１g、３０℃では２２２g、４０℃では２４５g溶解する。このことは、２３℃以上の温度では、水溶液は飽和水溶液でなく、４０℃では８５％の飽和度である。それでも、キャパシタは正常に機能している。つまり、過塩素酸ナトリウムが飽和（１００％）でなくても、飽和に近い水溶液でも電位窓の広い電解液として機能する。実際に、８５％の飽和度においても電解液は飽和と同様に機能することが示された。
本発明において、過塩素酸塩水溶液はより飽和過塩素酸塩水溶液であることが好ましいが、飽和状態に近い水溶液でも実用上十分な性能、効率を実現できる。飽和度８５％以上であればよい。更に好ましくは、飽和度９５％以上であればよい。また、更には飽和度９８％以上とすることが好ましい。
起電力が３V以下のリチウムイオン電池において、電位窓が３V以上の飽和過塩素酸リチウム水溶液は、リチウムイオン電池の電解液に使用することができる。飽和でなくても、飽和に近い濃厚水溶液において、広い電位窓を有するため、二次電池の電解液に使用することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極と負極と、正極及び負極の間に配置されたセパレータ１０２とを備える。
正極材料１０４ａして、コバルトを使用する正極材料（LiCoO2）、マンガンを使用する正極材料（LiMn2O4）、ニッケルを使用する正極材料（LiNiO2）、リン酸鉄を使用する正極材料（LiFePO4）等が例示される。
負極材料１０４ｂとして、黒鉛(LiC6)、ハードカーボン(LiC6)、チタネイト(Li4Ti5O12)、チタン酸リチウム(LTO)が例示される。
正極材料１０４ａまたは負極材料１０４ｂのうち、少なくとも一方に、カーボン量子ドット(CQDs)、リン(P)を添加あるいは混合させる等の構成あるいは方法は本明細書、図面の実施例が適用できることは言うまでもない。
セパレータ１０４は、過塩素酸リチウム(LiClO4)等の飽和過塩素酸塩水溶液に含浸されている。
飽和過塩素酸塩水溶液を二次電池の電解液にするためには、電解液の電位窓は固有であるので、二次電池の起電力が電解液の電位窓よりも小さなものを選ばなければならない。
セパレータ１０２に固体電解質を用いてもよい。固体電解質は負極と正極の間のイオンの移動を抑えるため、個々の電極、即ち負極と正極には独立して印加されるため、充電において、負極における還元電位と正極における酸化電位を低く抑えることができる。
そのため、電位窓の狭い水溶液を電解液にすることが可能になる。飽和あるいは飽和に近い過塩素酸リチウム水溶液は、他の水溶液よりも電位窓が広い（25℃で3.2V）ため、当然、電解液として使用することができる。
過塩素酸塩水溶液以外では、たとえば、硫酸マグネシウム（MgSO4）水溶液、硫酸カリウム（K2SO4）水溶液または硫酸ナトリウム（Na2SO4）水溶液を用いることができる。
過塩素酸ナトリウム水溶液、飽和過塩素酸リチウム水溶液、飽和過塩素酸マグネシウム、飽和過塩素酸カルシウム、飽和過塩素酸バリウム、飽和過塩素酸アルミニウム、飽和硫酸マグネシウム水溶液、飽和硫酸カリウム水溶液及び飽和硫酸ナトリウム水溶液のうち、複数の飽和水溶液を混合した混合物を電解液として用いることもできる。
たとえば、過塩素酸ナトリウムの飽和水溶液と過塩素酸マグネシウムの飽和水溶液との混合物というような２種の飽和水溶液の組み合わせによる混合物に限定されない。たとえば、過塩素酸ナトリウムの飽和水溶液、過塩素酸マグネシウムの飽和水溶液及び過塩素酸バリウムの飽和水溶液の混合物というような３種以上の飽和水溶液の混合物であってもよい。かかる混合物には、必ずしも過塩素酸ナトリウムの飽和水溶液を含まなくともよく、様々な組み合わせによる混合物を電解液として用いることができる。また、飽和水溶液に限定されるものではない。
電解液１０５は電極材料１０４とセパレータ１０２間に配置される形態に限定されるものではない。電解液１０５は、電極材料１０４中に形成された孔あるいは隙間に浸透あるいは含有させてもよい。
図１（ｂ）に図示する本発明の一実施形態としてのキャパシタ電池は、電極材料１０４中に電解液１０５を浸透あるいは含有させた構成である。プラス電極あるいはマイナス電極としての電極材料１０４ａと、マイナス電極あるいはプラス電極としての電極材料１０４ｂ間にセパレータ１０２を配置または挟持させている。
正極と負極のうち、少なくとも一方に、焼結した酸化鉄（Fe2O3）等と導電性炭素材料を有する電極材料を使用し、セパレータ１０２として、固体電解質セパレータを用いてもよい。
本発明の一実施態様としての電池は、焼結した酸化鉄（Fe2O3）等と導電性炭素材料とを有する正極及び負極と、正極と負極との間に介在される固体電解質セパレータと、飽和過塩素酸リチウムの飽和水溶液を有する電解液と、正極、負極、固体電解質セパレータ及び電解液が収容される容器とを備える構成が例示される。
固体電解質を構成する酸化物焼結体は、例えば、ガーネット型、ペロブスカイト型、NASICON型、β''-Al2O3型、β''-Al2O3型の結晶構造を有する。特に、ガーネット型の結晶構造をもつものを採用することが好ましい。
以上の金属板１０１、電極材料１０４等は絶縁性のある容器１０７内に配置される。容器１０７の外部に、端子電極１０６が取り出される。なお、絶縁性は、電極材料１０４、端子電極１０６との絶縁性が必要であるという意味である。
電解液１０５、電極材料１０４は発火性がないため、容器１０７は電解液１０５が漏れ出ない密閉性のあるものであればいずれでもよい。なお、充電時あるいは放電時に発熱が発生することがあるため、放熱性が良好なセラミック、金属で構成することが好ましい。
図１（ａ）等に図示するように、容器１０７内には、金属板１０１ａ、金属板１０１ｂが配置される。金属板１０１ａには、電極材料１０４ａが電気的に接続される。また、金属板１０１ａには端子電極１０６ａが電気的に接続され、端子電極１０６ｂが容器１０７外に取り出されている。金属板１０１ｂには、電極材料１０４ｂが電気的に接続される。また、金属板１０１ｂには端子電極１０６ｂが電気的に接続され、端子電極１０６ｂが容器１０７外に取り出されている。
図１（ａ）等の本発明のキャパシタ電池あるいは二次電池は、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂ間にセパレータ１０２が配置されている。セパレータ１０２と電極材料１０４ａ間、セパレータ１０２と電極材料１０４ｂ間には、電解液１０５が充填されている。
一例として、本発明のキャパシタ電池としての単一セルの最大電圧は２．５Ｖである。電流密度５mA/cm２において、充放電容量は０．０３５Ah/cm２である。クーロン効率はほぼ１００％であるから、充電と放電容量はほぼ等しい。
電流密度が増えると充放電容量は減少する。たとえば、２０mA/cm２で０．０３Ah/cm２である。５０mA/cm２において、容量は０．０２Ah/cm２以下に減少するが、キャパシタ電池等は正常に機能する。
単一セルのサイズを、７cm ｘ１０cmとすると、２０mA/cm２の条件では、１．４Ａの電流が流れ、充放電容量は２．１ｍAhである。
充放電容量を増やすため、図３（ａ）に図示するように、単一セルを数枚積層する。両端を除き、集電極は両面塗工する。このように単一セルを積層したものを、以後、積層セルと呼ぶ。たとえば、５枚積層すると、電流は７Ａ流れ、充放電容量は１０．５ｍAhとなる。
積層セルを全て並列に繋いで充電する。最高電圧は２．５Ｖである。充放電容量は、電流が２８Ａにおいて、４２ｍAhである。電流が１００Ａ流れた場合、容量は減少するが、キャパシタ機能等に異常は生じない。
本発明では、水系電解液を使用するため、発熱による出火の恐れはない。その理由は電解液の伝導率にある。本発明の水系電解液の伝導率は市販のキャパシタ電池で用いられている有機系電解液より１０倍大きい。そのため、キャパシタ電池の内部抵抗は小さく、大電流においても発熱量は少なく、電解液は不燃性であるから発火しない。
図２（ａ）に図示する本発明の実施形態におけるキャパシタ電池等では、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂ間にセパレータ１０２が挟持されている。電解液１０５は電極材料１０４中に浸透、あるいは電極材料１０４に電解液１０５を含有するように構成されている。
図１０は、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡：Scanning Electron Microscope）写真である。図１０（ａ）は、電極の電極材料１０４を構成する酸化鉄Fe2O3にカーボン量子ドット(CQDs)、リン(P)を添加したものである。
図１０（ａ３）のＳＥＭ（走査電子顕微鏡：Scanning Electron Microscope）写真が示すように、酸化鉄Fe2O3にカーボン、リン(P)を添加することにより、電極の電極材料１０４に空隙が大きく形成されている。この空隙に電解液１０５が浸透し、良好な電荷の蓄電性能が実現される。
図１０（ａ３）等の構成に、電解液１０５として、過塩素酸リチウム（LiClO4）水溶液を使用すると、二次電池あるいは二次電池に匹敵する機能を発揮する。
図１（ａ）、図１（ｂ）の実施例のキャパシタ電池等は、金属板１０１を使用した実施例であった。あるいは金属板１０１を、カーボンクロス（Carbon cloth：CC）とした構成であった。以下、カーボンクロス（Carbon cloth)をCCとして表現する場合がある。
図２（ａ）は、ベースフィルムに導電膜１１１を形成または配置した構成である。導電膜１１１として、無電解あるいは電解めっきによるめっき膜、導電物質の蒸着による蒸着膜、金属材料のスパッタによるスパッタ膜が例示される。その他、金属を含有するペースト膜が例示される。導電膜１１１は焼結により構成してもよい。
導電膜１１１に電極材料１０４を形成あるいは配置しても良いし、電極材料１０４に、蒸着、スパッタ等の技術を用いて、導電膜１１１を形成してもよい。
ベースフィルム１０３として、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ／ＯＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ／ＯＰＳ）が例示される。中でも、ポリエチレン（ＰＥ）が、柔軟性があり、成形性が良好で好ましい。
本発明のキャパシタ電池等は、飽和過塩素酸ナトリウム水溶液等を電解液とし、炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）、黒鉛、活性炭を活物質とするものである。電極１０１として、たとえばチタン箔あるいはステンレス（ＳＵＳ）箔を用い、その表面に活物質を焼結し、セパレータ１０２を挟んで一つのセルが作られる。
図２（ａ）のキャパシタ電池等は、セパレータ１０２を具備する構成であった。しかし、本発明はこの構成に規定されるものではない。図２（ｂ）は、セパレータ１０２を具備しないキャパシタ電池等の説明図である。図２（ｂ）ではセパレータ１０２を有さず、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂは電解液１０５を挟持して配置されている。
本発明を構成するキャパシタ電池等に用いられるセパレータ１０２は、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂが電気的に接触しないように保持する機能を有するものであればよい。
電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂとを接触させずに挟持させる構成として、図２（ｂ）のように、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂ間に球状ビーズあるいは円筒形状物を散布する構成を例示する。その他、一方の電極材料１０４上に凸状の絶縁物からなる突起を形成し、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂとが接触しないように構成してもよい。絶縁物からなる突起の材料として、SiO2、SiNx、SiONが例示される。
セパレータ１０２は、絶縁性及び透水性を備えたシート状のものであればどのようなものでもよい。シート状でなくとも、５Ｖ以下で絶縁性を発揮するものであれば良い。たとえば、セルロース等からなる薄膜であってもよい。
図２（ｃ）の本発明のキャパシタ電池等は、容器１０７ａの底面に導電膜１１１ａが形成され、導電膜１１１ａに端子電極１０６ａが取り付けられている。端子電極１０６ａは、容器１０７ａに形成された穴（図示せず）から容器１０７ａの外部に取り出されている。
容器１０７ｂの底面に導電膜１１１ｂが形成され、導電膜１１１ｂに端子電極１０６ｂが取り付けられている。端子電極１０６ｂは、容器１０７ｂに形成された穴（図示せず）から容器１０７ｂの外部に取り出されている。
導電膜１１１ａに電極材料１０４ａが形成または配置されている。導電膜１１１ｂに電極材料１０４ｂが形成または配置されている。
容器１０７ａと容器１０７ｂ間にセパレータ１０２が挟持され、容器１０７内に電解液１０５が充填されている。
なお、容器１０７をステンレス等の金属材料で構成し、導電性がある容器とし、容器１０７ａに電極材料１０４ａを形成し、容器１０７ｂに電極材料１０４ｂを形成する。セパレータ１０２で容器１０７ａと容器１０７ｂとを電気的に絶縁した構成でも良い。容器１０７ａに端子電極１０６ａを電気的に接続し、容器１０７ｂに端子電極１０６ｂを電気的に接続する。
図１、図２は、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂの１組の電極材料１０４で構成される形態であった。
図３は本発明のキャパシタ電池等の断面図及び斜視図である。蓄積する電荷量を大きくするために、図３（ａ）に図示するように、複数の電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂを多層に構成している。金属板１０１、電極材料１０４は接続板１１４と電気的に接続される。
電極材料１０４ａは、金属板１０１ａに形成または配置される。電極材料１０４ｂは、金属板１０１ｂに形成または配置される。複数の金属板１０１ａは電気的に導電性のある接続板１１４ａと接続される。複数の金属板１０１ｂは電気的に導電性のある接続板１１４ｂと接続される。
接続板１１４ａには端子電極１０６ａが電気的に接続される。接続板１１４ｂには端子電極１０６ｂが電気的に接続される。
図３（ａ）のように複数の電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂを形成または配置することにより、電荷量が大きなキャパシタ電池等を作製することができる。
図３（ｂ）は、本発明のキャパシタ電池等を筒状に構成した実施態様である。なお、図示を容易にするため、金属板１０１等を省略している。筒状に構成することにより、充電できる電荷量を大きくすることができる。
図３（ｂ）に図示するように、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｂ間にはセパレータ１０２が配置されている。また、電極材料１０４ｂの下には、絶縁フィルム１０８が形成または配置されている。
電極材料１０４は、ロール状に巻かれて、容器１０７内に封入されている。電極材料１０４ａに面する金属板１０１ａ（図示せず）等の導電膜は端子電極１０６ａと電気的に接続される。電極材料１０４ｂに面する金属板１０１ｂ（図示せず）等の導電膜は、端子電極１０６ｂと電気的に接続される。
図４は本発明のキャパシタ電池等の動作の説明図である。電源１１０からの電流は、電流制限回路１１２を介して、金属板１０１に印加され、電極材料１０４に印加される。図４（ａ）は、充電状態での動作の説明図であり、図４（ｂ）は放電状態での動作の説明図である。金属板１０１はカーボンクロス等の非金属の導電材料でも良い。
図４（ａ）に図示するように、金属板１０１には端子電極１０６が接続されている。端子電極１０６に電圧あるいは電流を発生する電源１１０が配置され、本発明のキャパシタ電池は充電される。図４（ｂ）に図示するように、充電された電荷は、端子電極１０６に接続された負荷１０９に出力される。金属板１０１等がカーボンシートの場合は、カーボンシートに端子電極１０６を接続または配置する。
図４（ａ）に図示するように、充電時は帯電した電極材料１０４と逆の符号のイオンが電極材料１０４の表面に吸着することにより電荷を蓄積する。イオンは電解液１０５中を移動する。
図４（ｂ）に図示するように、放電時は電極材料１０４中に電荷を放出するとともに電極材料１０４の表面のイオンが離れる。
充電において、負極の近傍には＋イオンが局在化する。電気的中性を保つため、負極には電子が蓄積する。一方、正極では－イオンが局在化するため、電極中には正に帯電した空孔が蓄積する。
負極と正極の間には電位が生じ、二次電池と同様にエネルギーとして取り出すことができる。キャパシタの場合は、二次電池と異なり、充放電は電極近傍のイオンの動きだけで決定する。化学反応を伴わないため、高速の充放電が可能で、反応熱はほとんど発生せず、繰り返しにも強い。
図４（ａ）の充電は、化学反応がないため、極めて短時間に実現することができる。しかし、充電時にラッシュ電流が流れるため、電源１１０の出力は短絡状態となる。電源１１０の出力が短絡状態となると電源１１０等が破壊する。本発明のキャパシタ装置は、図示するように、電流経路に電流制限回路１１２を配置し、電源１１０等の破壊を防止している。
電流制限回路１１２は、キャパシタ電池等の端子電極１０６（端子電極１０６ａ、端子電極１０６ｂ）間の電圧を電圧コンパレータ（図示せず）で監視する。
端子電極１０６間の電圧が正常範囲では電圧コンパレータ（図示せず）の出力はＶＤＤレベルで、出力に配置されたNch-MOS-FETはＯＮして、充電可能状態となる。この際、充電電流を所定値以下とするため、Nch-MOS-FET（図示せず）のゲート端子電圧を制御する。
充電中に端子電極１０６間の電圧が過充電検出電圧を超えると、電圧コンパレータ（図示せず）の出力が反転し、Nch-MOS-FET（図示せず）がゲート端子電圧をＬＯＷレベルにして、Nch-MOS-FET（図示せず）をＯＦＦする。
以下、図面を参照しながら、本発明のキャパシタ電池等の製造方法について説明をする。まず、本発明の電極材料１０４に用いるCQDsの合成方法について説明をする。
１．０５ｇのクエン酸と３３５μｌのエチレンジアミンを１０ｍｌ水の中に溶かし、５０ｍｌの水熱反応釜の中に入れる。２００℃で５時間反応させることにより、黒色の溶液を得ることができる。
次に、この溶液を３６時間で透析する。次に、透析後、回転蒸留することにより、黒色粉末CQDsが得られる。
次に、アノードに使用する電着溶液、及びカソードに使用する電着溶液について説明をする。なお、キャパシタ電池等の場合、プラス側、マイナス側の概念はない。アノードとカソードは充電及び放電時で反対となる。電極材料１０４を電着で形成する場合、アノード及びカソードの概念は必要であるため、以下、説明を容易にするためアノード、カソードの用語を使用する。
図９は本発明のキャパシタ電池等の電極材料１０４を製造する製造方法の説明図である。溶液槽１２８には電着溶液１２７が充填される。対極（ＣＥ）１２０、参照電極（ＲＥ）１２１、作用電極（ＷＥ）１２２は電着溶液１２７内に配置される。
参照電極１２１と作用電極１２２間には可変電圧装置１２４が配置される。可変電圧装置１２４は作用電極１２２の電位を基準に、参照電極１２１に正電圧または負電圧を印加することができる。可変電圧装置１２４で印加する電圧は電圧計１２３で測定する。
対極１２０と作用電極１２２間には可変電圧装置１２５が配置される。電流計１２６は対極１２０と作用電極１２２間に流れる電流を測定する。可変電圧装置１２５は正電圧から負電圧を可変して印加することができる。可変電圧装置１２５で印加する電圧により、流れる電流方向は変化する。また、可変電圧装置１２５で印加する電圧により、流れる電流の大きさを変化あるいは調整することができる。
アノード電着溶液１２７は、０．０１Molの(NH4)2Fe(SO4)26H2O、０．０４MolのCH3COONa、０．０６MolのNaH2PO2とCQDsの濃度１g/Lで２５ｍｌ溶液を作る。
カソード電着溶液１２７は、FeCl3 ３０g/L、FeSO4 ２５０g/L、NH4Cl １０g/L、NaH2PO2１０g/LとCQDs １g/Lで２５ｍｌ溶液を作る。
カソードにおけるCQDs-P-Fe2O3/CCからなる電極材料１０４の電着は、カーボンクロス（Carbon cloth：CC）を作用電極１２２として使用した。対極１２０は白金棒を使用し、参照電極１２１はAg/AgClを使用した。室温（２５℃）で、可変電圧装置１２５で、－１．５Ｖの電位を印加した。電位印加時間は５０秒として電着を行った。
比較するために、Fe2O3/CC電極材料１０４とP-Fe2O3/CC電極材料１０４を電着方法で比較サンプルを作製した。Fe2O3/CC電極材料１０４は、CQDs-P-Fe2O3/CCに比較してCQDsとNaH2PO2を電着溶液中に添加せず、P-Fe2O3/CC電極材料１０４は、CQDs-P-Fe2O3/CCに比較してCQDsを電着溶液中に添加せず作製した。
アノードにおけるCQDs-P-Fe2O3/CCからなる電極材料１０４の電着は、カーボンクロス（CC）を作用電極１２２として使用した。対極１２０は白金棒を使用し、参照電極１２１はAg/AgClを使用した。温度７０℃で、可変電圧装置１２５で０．６５Ｖの電位を印加した。電位印加時間は１５０秒として電着を行った。
比較するために、Fe2O3/CC電極材料１０４とP-Fe2O3/CC電極材料１０４を電着方法で比較サンプルを作製した。Fe2O3/CC電極材料１０４は、CQDs-P-Fe2O3/CCに比較してCQDsとNaH2PO2を電着溶液中に添加せず、P-Fe2O3/CC電極材料１０４は、CQDs-P-Fe2O3/CCに比較してCQDsを電着溶液中に添加せず作製した。
可変電圧装置１２４により参照電極１２１に印加する電圧を調整することにより、作用電極１２２に電着される電極材料１０４の構造、組成を調整することができる。作用電極１２２に金属板１０１を使用する場合、最初はカーボン成分を多くすることが好ましい。カーボン成分を多くすることにより、金属板１０１と電極材料１０４との密着性が良好になる。
開始時のカーボン成分を多くする場合は、電着の開始からの所定時間１とその後の所定時間２とで、可変電圧装置１２４発生がする電圧を変更すればよい。電圧の変更により参照電極１２１に印加される電圧が変化し、作用電極１２２に電着される成分、電極材料１０４の構成が変化する。
以上の実施例では、電極材料１０４を電着方法で形成するとしたが、本発明はこれに限定するものではない。たとえば、上記導電性炭素材料と酸化物金属を加圧成型して固形化したもの、あるいは容器に充填したものも用いることができる。
以上の実施例では作用電極としてカーボンクロス（CC）を使用するとして説明した。カーボンクロスが導電板１０１となり、カーボンクロスに電極材料１０４が形成される。金属板１０１に電極材料１０４を形成する場合は、作用電極１２２に金属板１０１を使用すれば良いことは言うまでもない。なお、金属板１０１は非導電性のシートあるいは板に導電膜を形成したものを使用しても良いことは言うまでもない。
図９（ａ）において、参照電極１２１を省略しても良い。電極材料１０４の電着状態に応じて、可変電圧装置１２５で対極１２０に印加する電圧を調整する。
電極材料１０４の電着時に、電着溶液１２７の成分を調整してもよい。たとえば、最初は、CQDsの投入量を多くし、その後、CQDsの投入量を減少させる。
以上のように、導電板１０１あるいは電極材料１０４の形成時に、時間に応じて、電着溶液１２７の成分あるいは印加電圧を変化させることにより、時間的に、導電板１０１の表面、あるいは電極材料１０４中に含有させるカーボン量を変化させる。
本発明の電着による製造方法により、均一に燐（Ｐ）とCQDs等のカーボンを電極材料１０４中に混入させることができる。また、可変電圧装置１２４、可変電圧装置１２５の電圧を変化させることにより、CQDs等のカーボン濃度に傾斜をつけることができる。また、可変電圧装置１２４、可変電圧装置１２５の電圧を調整あるいは設定することにより、電極材料１０４の層構成、構造を調整あるいは設定することができる。添加剤（錯化剤）により、酸化鉄の形状を良好にすることができる。
本発明の製造方法により、本発明は図１０（ａ３）、図１０（ｂ３）のＳＥＭ写真に示すように、適切な空隙があり、電荷の蓄積を非常に大きくすることができる。
導電性炭素材料と酸化物金属、燐等をペレット状に作製し、このペレットをスパッタリングして、導電性炭素材料と酸化物金属、燐等を、金属板１０１等の上に着膜しても良い。あるいは、炭素材料のペレット、酸化物金属等のペレットを作製し、順次あるいは同時にスパッタリングして、金属板１０１等上に着膜させても良い。
この場合は、最初は炭素材料のペレットのみをスパッタリングする。次に炭素材料のペレットと酸化物金属のペレットを同時にスパッタリングする。すると、金属板１０１上に炭素材料が形成され、次に炭素材料と酸化物金属が混合した層が形成される。酸化物金属と金属板１０１間に炭素材料の層が形成されて、密着性が良好となる。
次に、作製した電極材料１０４を４００℃で２時間、加熱する。加熱により、酸化鉄膜電極CQDs-P-Fe2O3/CCが作製される。
焼結は、Ｎ２またはＡｒガスの不活性ガス雰囲気中で行う。図９（ｂ）に図示するように、焼結温度は３００℃以上５００℃以下が好ましい。昇温速度は２～５℃/minとする。前記温度で略２時間保持する。冷却は、自然に冷却する。
加熱温度は、３００℃以上５００℃以下が好ましい。温度５００℃を超えると、酸化物金属は緻密化する。特に、９００℃以上でほぼ完全に緻密化し、電極材料１０４中の空隙がなくなる。緻密化すると電極材料１０４中に電解液１０５が浸透しにくくなる。
酸化物金属を５００℃以下で焼結させることにより、電極材料１０４中に適度な空隙を発生させることができ、空隙に電解液１０５が浸透し、イオンの吸着量が増大する。したがって、キャパシタ電池等の容量を大きくすることができる。３００℃以下では、酸化鉄の錯体状態等が悪く、充電量が低下する。
図９（ｂ）のグラフに示すように、酸化鉄Fe2O3を５００℃以下で焼結させることにより、電極材料１０４中に適正な空隙を発生させることができ、空隙に電解液１０５が浸透し、イオンの吸着量が増大する。したがって、キャパシタ電池等の容量を大きくすることができる。
金属板１０１上にカーボン成分を電着することにより、酸化鉄がカーボン上に電着でき、酸化鉄はカーボンとの密着性が良好になる。なお、金属板１０１へのカーボン成分の電着量は、図９（ａ）に示す参照電極１２１に印加する可変電圧装置１２４の電圧の設定値により容易に実現あるいは調整することができる。
図９（ｂ）は焼結温度と効率（電荷の蓄積効率）との関係の説明図である。効率は、最大値を１とする規格値としている。焼結温度４００℃で効率は最大となる。３００℃以上５００℃以下の範囲では、最大値１．０に対して０．８と維持できる。この温度範囲では、電極材料１０４は図１０（ａ３）、図１０（ｂ３）のように形成され、電極材料１０４中に適度な空隙を発生させることができる。そのため、空隙に電解液１０５が浸透し、イオンの吸着量が増大させることができる。
温度が高くなると、酸化物金属の結晶粒径が細かくなる。結晶粒径が細かいと硬くなり、柔軟性がなくなる。５００℃以下で焼結させることにより、適度な空隙が発生し、結晶粒径も適切になり、柔軟性が良好となる。したたって、フレキシブルなキャパシタ電池等を作製できる。
燐（P）をFe2O3の中に一緒に電着すると、Fe2O3の安定させることができる。また、CQDsを同時に電着すると、CQDsがFe2O3膜の中に存在によって、Fe2O3膜の導電性を高くすることができる。
本発明は電極材料１０４として酸化鉄Fe2O3を使用する。酸化鉄Fe2O3は比容量が大きい。価格が安く、入手しやすい。酸化鉄は電着することができることから好ましい。
図５は、アノード電着で作製したCQDs-P-Fe2O3/CC電極材料１０４のサイクリックボルタンメトリー（cyclic voltammetry：CV）による特性を示すグラフである。図５（ａ）、図５（ｃ）は、CQDs-P-Fe2O3/CC電極材料の比較サンプルとして作製したP-Fe2O3/CC電極材料、Fe2O3/CC電極材料との特性比較を示したグラフである。
CQDs-P-Fe2O3/CCを作用電極１２２にし、対極１２０は白金棒、参照電極１２１はAg/AgClである。三電極を3MolのKOHの電着溶液１２７に入れ、CVと充放電の測定を行った。
図５（ａ）は３種類の電極のCV特性を示すグラフである。図５（ｂ）は異なる速度によるCV特性を示すグラフである。図５（ｃ）は３種類の電極材料の充放電を示すグラフである。図５（ｄ）は異なる電流密度による充放電特性を示すグラフである。
以上の結果から、電流密度１A/g、Ｖ＝１０mV/sの時、それぞれの比容量は、Fe2O3/CC ２４９．７F/g、P-Fe2O3/CC ５４９．２F/g、CQDs-P-Fe2O3/CC ７１４．２F/gであった。
電流密度１A/g、２A/g、５A/g、１０A/gの時，CQDs-P-Fe2O3/CC対応の比容量はそれぞれ７１４．２F/g、７０５．９F/g、６８６．８F/g、５１５．５F/gであった。
他の実施例の製造方法として、最初に、鉄イオンをカーボンクロス（ＣＣ）に電解メッキする。鉄の薄膜がカーボンクロス（CC）に生成するが、その際、燐（Ｐ）とCQDsが混入する。これを３００～５００℃で焼き付けて酸化物（Fe2O3）にする。
その結果、カーボンクロス上にFe2O3の薄膜が形成される。カーボンクロスにCQDs-P-Fe2O3 が形成された電極を負極と正極に用い、電解液として飽和過塩素酸ナトリウム水溶液を用いてキャパシタを作製した。
図６は本発明のキャパシタ電池の特性を示すグラフである。cut-off電圧３Ｖ、２０分間で満充電し、満充電の状態から１mAで放電試験を行った。結果を図６（ａ１）に示す。負極にCQDs-P-Fe2O3電極、正極にカーボンクロス（CC）のみを用いた結果を図６（ａ２）に示す。電解液は、NaClO4である。
明らかに、負極と正極にCQDs-P-Fe2O3を含む電極の方が蓄電容量（mAh/cm2）は大きく、0.2mAh/cm2に達した。
このことは、負極と正極を黒鉛と活性炭混合物を塗工したキャパシタで、同じ条件で得られた蓄電容量（0.05mAh/cm2）に比べて大きい。即ち、カーボンクロス（CC）にCQDs-P-Fe2O3 を形成した電極は、集電極に黒鉛と活性炭混合物を塗工した電極よりも静電容量が大きいことを意味する。
CQDs-P-Fe2O3の役割は、活性炭と同様に表面積が大きいため、静電容量が大きいと考えられる。しかし、鉄イオンが何らかの電子的な寄与を行うことを否定するものではない。その場合、キャパシタと二次電池の区別はつかない。
つまり、飽和過塩素酸ナトリウム水溶液は広い電位窓を持ち、キャパシタの塩加電圧を約３Ｖに上げることに成功したが、同じことは二次電池に対しても言える。つまり、飽和過塩素酸ナトリウム水溶液は二次電池の電解液にもなることを意味する。
飽和過塩素酸ナトリウム水溶液はだけでなく、同じように電位窓の広い、飽和過塩素酸リチウム水溶液、飽和過塩素酸マグネシウム水溶液および飽和過塩素酸バリウム水溶液は、ずれもキャパシタの電解液として有効であったが、同じように、二次電池の電解液としても有効であることを意味する。 図１０は、各電極材料１０４のＳＥＭ写真である。図１０（ａ１）はFe2O3、図１０（ａ２）はP-Fe2O3、図１０（ａ３）はCQDs-P-Fe2O3である。
図１０（ａ３）に示すように、CQDs-P-Fe2O3は、適度な空隙と微細は凹凸を有している。したがって、イオン吸着量が他の電極材料に比較して増大することから好ましい。
図７（ａ）は、Ｘ線回折（X‐ray diffraction、XRD）の結果を示す。強度（Intensity）は、CQDs-P-Fe2O3が高いが、CQDs-P-Fe2O3とFe2O3、P-Fe2O3との傾向は近似である。
図７（ｂ１）は、インピーダンスの測定を示すグラフである。CQDs-P-Fe2O3は、CQDs-P-Fe2O3、Fe2O3、P-Fe2O3に比較してインピーダンスが低い。したがって、キャパシタ電池等の充放電時の電圧降下が小さく、効率が良好である。なお、図７（ｂ２）は等価モデルである。
図８は、カソード電着で作製したCQDs-P-Fe2O3/CC電極材料１０４のサイクリックボルタンメトリー（cyclic voltammetry： CV）による特性を示すグラフである。
図８（ａ）、図８（ｄ）は、CQDs-P-Fe2O3/CC電極材料の比較サンプルとして作製したP-Fe2O3/CC電極材料、Fe2O3/CC電極材料との特性比較を示したグラフである。
CQDs-P-Fe2O3/CCを作用電極１２２にし、対極１２０は白金棒、参照電極１２１はAg/AgClである。三電極を３MolのKOHの電着溶液１２７に入れ、CVと充放電の測定を行った。
図８（ａ）は３種類の電極のCV特性を示すグラフである。図８（ｂ）は異なる速度によるCV特性を示すグラフである。図８（ｃ）は３種類の電極材料の充放電を示すグラフである。図８（ｄ）は異なる電流密度による充放電特性を示すグラフである。
以上の結果から、電流密度１A/g、１０mV/s時，比容量はFe2O3/CC ２２２．８F/g、P-Fe2O3/CC ３８３．８F/g、CQDs-P-Fe2O3/CC ６７０．３F/gであった。電流密度は１、２、３、５と１０A/gの時、CQDs-P-Fe2O3/CCの対応の比容量はそれぞれ６７０．３F/g、５１０．５F/g、４６０．３F/g、３８６．４F/gと２９４．５F/gであった。
図１０（ｂ）は、各電極材料１０４のＳＥＭ写真である。図１０（ｂ１）はFe2O3、図１０（ｂ２）はP-Fe2O3、図１０（ｂ３）はCQDs-P-Fe2O3である。
図１０（ｂ３）はCQDs-P-Fe2O3は、適度な空隙と微細な凹凸を有している。したがって、イオン吸着量が他の電極材料に比較して増大することから好ましい。
本発明のキャパシタ電池等は、たとえば、電流密度２０mAh/cm２ において、セルの機能を評価することとすると、充放電のクーロン効率はほぼ１００％であることから、充電と放電の間に電気的な損失は無い。
充放電容量は０．０３mAh/cm２であった。この値を基に、模擬的に、３０cm Ｘ ３０cmのセルを作ると、同じ電流密度で１８Ａの電流が流れる。
これを１００枚並列に重ねると、厚さは１cm程で、全容量は２．７Ahとなる。これを１０枚直列につなぐと、２５Ｖの出力になる。
充電に要する時間は５．４秒で、電動アシスト自転車なら１０ｋｍ走ることができる。ただし、全体で１８００Ａの電流が流れるので、専用の充電設備が必要である。リチウムイオン電池では、充電に４時間を要する。
図２４は、本発明のキャパシタ電池、二次電池を使用した機器、車等の外観図および説明図である。
図２４（ａ）は、本発明のキャパシタ電池を使用した充電器の斜視図及び外観図である。また、図１１、図１２等は本発明のキャパシタ電池を使用した充電器のブロック図及び説明図である。
図２４（ａ）において、充電器本体２５６内に、図１１あるいは図１２等に図示する本発明のキャパシタ電池２０１等、駆動制御回路２２２等が格納されている。
充電器本体２５６に回転部２５５が取り付けられ、回転ハンドル２５２に発電機２６１としての直流モータが取り付けられている。回転ハンドル２５２の取手２５３をつかみ、回転ハンドル２５２を矢印方向に回転することにより、発電機は発電する。
発電した電流は、キャパシタ電池２０１ａに蓄電される。回転ハンドル２５２は、正電圧を発生するように、回転方向は一方向（図１１では、右回転）にしか回転しないように機構が構成されている。
回転ハンドル２５２及び回転部２５５の回転は、回転検出センサ２６２により検出され、回転速度に比例した周波数の音が、スピーカ２５７から出力される。周波数の音を一定とすることにより、回転ハンドル２５２の回転速度を一定値に保つことができる。
なお、スピーカ２５７から出力される音を、回転検出センサ２６２が行う回転位置と同期するように構成してもよい。
回転検出センサ２６２の回転検出タイミングでスピーカ２５７を鳴らせることにより、同期を取って、発電機２６１を回転させることができる。したがって、昇圧回路２２６の昇圧速度あるいはキャパシタ電池２０１ａへの充電速度を、適正に手動で制御することできる。
昇圧回路２２６は、説明を容易にするため、電圧を昇圧するとして説明するが、これに限定するものではなく、電圧を降圧しても良い。昇圧回路２２６は電圧変換回路であり、または、電力変換回路であり、または、インピーダンス変換回路である。
回転ハンドル２５２を回転させると、動作ランプ２５１が点灯する。動作ランプ２５１の点灯制御は、駆動制御回路２２２により制御される。駆動制御回路２２２は、回転検出センサ２６２の出力信号により、動作ランプ２５１を点灯制御する。動作ランプ２５１により、充電が正常に行われていることを認識することができる。
キャパシタ電池２０１ａの充電量が所定値よりも高くなると、充電ランプ２５４が点灯する。ＡＤコンバータ回路２０５ａは、キャパシタ電池２０１ａの端子電圧を取得する、あるいは測定して、アナログ（Ａ）電圧をデジタル（Ｄ）電圧信号に変換する。充電ランプ２５４をレベルメータとし、充電容量を視覚的に把握できるように構成してもよい。
図１１（ａ）は、図２４（ａ）における本発明の充電装置の説明図及びブロック図である。図１１（ｂ）は本発明の構成において、内蔵するチャージポンプ回路を使用する場合のブロック図である。図１１（ｃ）は本発明の構成において、内蔵するコイル回路を使用する場合のブロック図である。
図１１（ｂ）は駆動制御回路２２２から出力されるスイッチ信号ＳＷにより、スイッチＳａ、スイッチＳｂが切替えられる。スイッチ信号ＳＷにより、スイッチＳａ１、スイッチＳａ２が組みで動作し、スイッチＳｂ１、スイッチＳａｂが組みで動作する。
ＶＩＮ電圧は、スイッチＳａ、スイッチＳｂにより切替えられ、コンデンサＣｆに電荷がチャージされるとともに、電圧が昇圧される。
なお、図１１（ｂ）では、昇圧するとして説明するがこれに限定するものではなく、降圧の回路動作を構成し、降圧動作とさせてもよい。
図１１（ｃ）はコイルＬ１とコイルＬ２とでトランスが構成されている。コイルＬ１にＶＩＮ電圧が印加され、信号ＳＷにより、コイルＬ１に流れる電流がパルス状にされ、コイルＬ２に電圧される。コイルＬ１に印加された電圧は、コイルＬ１とコイルＬ２の巻き数比により、コイルＬ２の昇圧電圧が決定される。
コイルＬ２は中間タップｂからも、電圧を取り出せるように構成されている。したがって、コイルＬ２のａ端子の電圧はスイッチＳＷＨをオンすることにより出力される。ｂ端子の電圧はスイッチＳＷＬをオンすることにより出力される。駆動制御回路２２２から出力されるスイッチ回路２０８ｃのスイッチＳＷ（スイッチＳＷＨ、スイッチＳＷＬ）が切替えられる。
図１１（ｃ）では、昇圧するとして説明するがこれに限定するものではなく、コイルＬ１とコイルＬ２の巻き数を変化させて降圧の回路動作を構成し、降圧動作とさせてもよい。
本発明は図１１（ｂ）、図１１（ｃ）を有する昇圧回路（降圧回路）に限定するものではなく、図１２（ｂ）に図示するように、コイルＬによる昇圧回路（降圧回路）であってもよい。
図１２（ｂ）において、トランジスタＴｒのゲート端子に印加するＳＷ信号でオン／オフさせる。トランジスタＴｒをオンさせることにより、コイルＬに電流が流れ、トランジスタＴｒをオフさせることによりコイルＬに電流が蓄積される。トランジスタＴｒのオン／オフ制御により、コイルＬにより昇圧（降圧）等を行い、電流（電圧）がダイオードＤに流れ、コンデンサＣに昇圧または降圧された電圧が出力される。
本発明の昇圧回路（降圧回路）２２６は、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）、図１２（ｂ）のいずれの構成、あるいは他の構成により、キャパシタ電池の電圧を変換する。
ＡＤ入力回路２１４は、デジタル電圧信号と、キャパシタ電池２０１ａの温度を測定する温度センサ２０４ａの温度データとを演算し、キャパシタ電池２０１ａの充電量データを求める。
本発明のキャパシタ電池は、温度依存性が小さいが、温度により充電容量の補正をすることにより、より正確な充電容量を求めることができる。求められた充電量データは駆動制御回路２２２に伝送する。
昇圧回路２２６は、キャパシタ電池２０１ａに充電された電圧を、充電ソケット２５９に出力する電圧値まで、昇圧する回路である。昇圧した電圧（電荷）はキャパシタ電池２０１ｂに充電される。入力電圧はＶＩＮ端子に入力され、出力電圧はＶＯＵＴ端子に出力される。
本発明において、昇圧回路２２６は一次側の入力電圧を昇圧して二次側に出力するとして説明するが、これに限定するものではない。昇圧回路２２６を降圧回路２２６に置き換えてもよい。降圧回路２２６の場合は、一次側の入力電圧を降圧して二次側に出力する。
キャパシタ電池２０１ａの電圧が規定値以上の電圧（たとえば、２．５Ｖ等）に充電されている場合は、コンデンサを用いたチャージポンプ回路（図１１（ｂ））で昇圧する。
キャパシタ電池２０１ａの電圧が半導体の閾値電圧よりも低い場合は、トランス（図１１（ｃ））で１００倍に昇圧する回路で昇圧する。たとえば、１次側の２０ｍＶが２次側では約２Ｖの出力になる。
コンデンサを用いたチャージポンプ回路（図１１（ｂ））を動作させるか、トランスで１００倍に昇圧するトランス回路（図１１（ｃ））を動作させるかは、駆動制御回路２２２から昇圧回路２２６のＳＬ端子に印加するロジック信号で選択する。
ＡＤコンバータ回路２０５ａは、キャパシタ電池２０１ａの端子電圧を測定する。測定した端子電圧により、チャージポンプ回路（図１１（ｂ））を動作させるか、トランス回路（図１１（ｃ））を動作させるかを判断する。
発電機２６１が回転を開始し、キャパシタ電池２０１ａの端子電圧が低い時は、図１１（ｃ）のトランス回路を動作させ、キャパシタ電池２０１ａの端子電圧が高くなると、図１１（ｂ）のチャージポンプ回路を動作させる。
なお、トランス回路とチャージポンプ回路の両方を動作させて、キャパシタ電池２０１ｂを充電しても良いことは言うまでもない。
以上の実施例では、ＡＤコンバータ回路２０５ａで、キャパシタ電池２０１ａの端子電圧（充電電圧）を測定するとしたが、図１１（ａ）に図示するように、電圧測定器２８０を使用してキャパシタ電池２０１ａの端子電圧を測定してもよい。また、電圧測定器２８０とＡＤコンバータ回路２０５の両方を使用しても良いことは言うまでもない。
昇圧回路２２６の動作は、駆動制御回路２２２からのＥＮ端子に入力するロジック信号で行う。ＥＮ端子がＨレベル信号の時に、昇圧回路が動作し、Ｌレベルの時は、昇圧回路２２６が停止するともに、ＶＯＵＴ端子はハイインピーダンスとなり、キャパシタ電池２０１ｂ等、出力側の電池等を切り離される。
なお、昇圧回路２２６とは、入力電圧を、入力電圧以外の出力電圧に変化させる回路であり、昇圧に限定するものではない。また、本発明の充電器における昇圧回路２２６は、入力電圧をそのままスルーで出力する回路動作の機能も有している。
昇圧回路２２６のＶＳ端子は、ＶＯＵＴの出力電圧を設定する。本発明の充電器における昇圧回路２２６はあらかじめ４種類の電圧がプリセットされている。４種類からキャパシタ電池２０１ｂに印加する電圧を選択する。
ＥＮ端子は、ＶＯＵＴの出力ピンで出力のオン／オフを駆動制御回路２２２でコントロールすることができる端子である。ＥＮ端子をＨレベルにするＶＯＵＴから電圧が出力される。ＥＮ端子をＬレベルあるいはオープンにすると、出力がオフされるとともに、ＶＯＵＴ端子が２次回路から切り離される。
昇圧回路２２６のＣＬＫ端子は、外部の発振回路（図示せず）から供給されるクロック信号の入力端子である。クロック信号ＣＬＫは、駆動制御回路２２２、昇圧回路２２６に入力される。昇圧回路２２６はクロック信号で内部回路が動作する。
ＡＤコンバータ回路２０５ａはキャパシタ電池２０１ａの端子電圧を測定する。ＡＤコンバータ回路２０５ｂはキャパシタ電池２０１ｂの端子電圧を測定する。測定した電圧はＡＤ入力回路２１４に印加され、駆動制御回路２２２に入力される。
駆動制御回路２２２は、入力されたキャパシタ電池２０１ａの端子電圧、キャパシタ電池２０１ｂの端子電圧から、スイッチ回路２０８ｂを制御する。
抵抗回路２０９は可変抵抗回路であり、駆動制御回路２２２からの制御データにより、抵抗値が設定される。
キャパシタ電池２０１は、温度依存性がリチウムイオン電池より温度依存性が小さい。したがって、低温になっても蓄電する電荷量は、高温時よりも大きく異ならない。しかし、充電時にキャパシタ電池２０１が高温で、かつ満充電状態に近い状態となっていた場合、その後に低温となると、充電できなくなる。更に充電すると、キャパシタ電池２０１の端子電圧が上昇して耐電圧をこえて、キャパシタ電池２０１が破壊する。
キャパシタ電池２０１が満充電状態の場合は、本発明はキャパシタ電池２０１の電荷を放電し、充電できる容量を確保する。本発明のキャパシタ電池２０１は、リチウムイオン等の二次電池に比較して、充電速度が非常に高速という特性がある。また、本発明のキャパシタ電池２０１は、二次電池に比較して、放電速度が非常に高速という特性がある。これは、本発明のキャパシタ電池２０１の特徴である。
図１１において、キャパシタ電池２０１ｂの端子電圧をＡＤコンバータ回路２０５で測定し、満充電状態の電圧、あるいは満充電状態に近い電圧の場合、駆動制御回路２２２はスイッチ回路２０８ｂをオンさせて、キャパシタ電池２０１ｂの電荷を放電して、蓄電できる容量を確保する。
駆動制御回路２２２は、放電の速度を設定する。抵抗回路（放電回路）２０９の抵抗値を可変あるいは設定し、決定する。急速に放電させる場合は、抵抗回路２０９の抵抗値を小さくし、緩やかに放電させる場合は、抵抗回路２０９の抵抗値を大きくする。
抵抗回路２０９の抵抗値は、昇圧回路２２６の動作状態、温度センサ２０４ｂが測定するキャパシタ電池２０１ｂの温度を加味して決定する。放電する電荷の量は、キャパシタ電池２０１ｂの端子電圧、スイッチ回路２０８ｂのオン時間で決定あるいは設定する。
スイッチ回路２０８ｂをオンさせることにより、キャパシタ電池２０１ｂの電荷は放電する。放電により、キャパシタ電池２０１ａの電圧を昇圧（降圧）して、キャパシタ電池２０１ｂを充電できるようになる。
図１１において、二次側のキャパシタ電池２０１ｂ側にスイッチ回路２０８ｂを配置するとしたが、これに限定するものではなく、一次側のキャパシタ電池２０１ａ側にスイッチ回路２０８ａ、放電抵抗２０９を配置してもよい。
放電抵抗２０９は放電させる機能を有するものであればよい。たとえば、電動自転車、自動車の場合は、図１８（ａ）に図示するように、ブレーキライト（バックライト）２８６、ヘッドライト（照明ライト）２８１で放電させてもよいことは言うまでもない。
充電ソケット２５９はスマートフォン等の充電端子に挿入され、キャパシタ電池２０１ｂの電荷がスマートフォン等に充電される。充電中も昇圧回路２２６を動作せることができ、充電ランプ２５４、動作ランプ２５１、スピーカ２５７を動作させることができる。
以上の事項は、図１１、図１２、図２４（ａ）で説明する本発明の充電装置だけでなく、ハイブリット自動車、電動自転車、電気自動車、電動バイク、電車等の回生制動にも有効である。
スピーカ２５７、動作ランプ２５１、充電ランプ２５４の電源は、キャパシタ電池２０１ｂの電圧を使用する。しかし、これに限定するものではない。別途、ボタン電池（図示せず）を使用し、ボタン電池の電源を使用しても良いことは言うまでもない。駆動制御回路２２２についても同様である。
駆動制御回路２２２からの制御信号により、スピーカ２５７、動作ランプ２５１、充電ランプ２５４が動作あるいは表示する。
図１２は、本発明の第２の実施例における充電装置のブロック図及び説明図である。図１１との差異は、二次側のキャパシタ電池２０１ｂがリチウムイオン電池等の二次電池２０３となっている点である。また、図１１でも説明したが、一次側に放電抵抗２０９が配置されている点である。他の点は、図１１と同様あるいは類似であるので説明を省略する。
なお、以下の実施例等において、異なる点を主として説明をする。説明がない場合は、本明細書、図面で説明した事項あるいは内容と同様あるいは類似である。また、本明細書、図面で説明あるいは例示した事項、内容は、相互に組み合わせることができる。また、一部を組み合わせること、複数の実施例を組み合せることができることは言うまでもない。
発電した電流は、キャパシタ電池２０１ａに蓄電される。キャパシタ電池２０１ａの端子電圧はＡＤコンバータ回路２０５ａで測定あるいは検出される。ＡＤコンバータ回路２０５ａはキャパシタ電池２０１ａの充電量を検出する機能を有する。
キャパシタ電池２０１ａのグランド電位と、二次電池２０３のグランド電池とは異なる。昇圧回路２２６により、キャパシタ電池２０１ａと二次電池２０３とはグランド電位を切り離すことができる。二次回路側を一次回路側に対して別電位とすることができる。
キャパシタ電池２０１ａの充電量が所定値よりも高くなると、充電ランプ２５４が点灯する。ＡＤコンバータ回路２０５ａは、キャパシタ電池２０１ａの端子電圧を取得し、あるいは測定して、アナログ（Ａ）電圧をデジタル（Ｄ）電圧信号に変換する。ＡＤ入力回路２１４ａは、温度センサ２０４ａが測定するキャパシタ電池２０１ａの温度により、ＡＤコンバータ回路２０５ａの電圧値を補正して、駆動制御回路２２２に出力する。
ＡＤコンバータ回路２０５ｂは、二次電池２０３の端子電圧を取得、あるいは測定して、アナログ（Ａ）電圧をデジタル（Ｄ）電圧信号に変換する。ＡＤ入力回路２１４ｂは、温度センサ２０４ｂが測定する二次電池２０３の温度により、ＡＤコンバータ回路２０５ｂの電圧値を補正して、駆動制御回路２２２に出力する。
昇圧回路２２６は、ＡＤコンバータ回路２０５ｂが測定した二次電池２０３の端子電圧に基づいて、チャージポンプ回路（図１１（ｂ））を動作させるか、トランス回路（図１１（ｃ））を動作させるか、コイル回路（図１２（ｂ）を動作させるかを判断あるいは判定して制御する。
なお、トランス回路（図１１（ｃ））、チャージポンプ回路（図１１（ｂ））、コイル回路（図１２（ｂ））のうち、いずれかの１回路、あるいはいずれかの２回路以上を動作させて、二次電池２０３を充電しても良いことは言うまでもない。
ＡＤコンバータ回路２０５ａはキャパシタ電池２０１ａの端子電圧を測定する。測定した電圧はＡＤ入力回路２１４ａに印加され、駆動制御回路２２２に入力される。
駆動制御回路２２２は、入力されたキャパシタ電池２０１ａの端子電圧、温度センサ２０４ａの情報から、スイッチ回路２０８ａを制御する。抵抗回路２０９は駆動制御回路２２２からの制御データにより、抵抗値が設定される。
充電時にキャパシタ電池２０１ａが高温で、かつ満充電状態に近い状態となっていた場合、その後に低温となると充電ができなくなる。更に充電すると、キャパシタ電池２０１ａの端子電圧が上昇して耐電圧を越え、キャパシタ電池２０１ａが破壊する。
本発明では、スイッチ回路２０８ａと動作させること、高速に充電／放電できるキャパシタ電池２０１ａを用いることにより、キャパシタ電池２０１ａが満充電状態であっても、短時間で、キャパシタ電池２０１ａの電荷量を放電させることができる。したがって、放電後、追加充電できる容量を確保することができる。
図１１等の本発明の充電装置では、キャパシタ電池２０１ａ、キャパシタ電池２０１ｂを独立して保有するように図示したが、これに限定するものでない。
図１３は、本発明のキャパシタ電池の説明図である。図１３に図示するように、本発明のキャパシタ電池は、容器１０７内にキャパシタ電池２０１ｂとキャパシタ電池２０１ｂが構成、または配置されている。各容量は、各単位をコンデンサＣとして図示している。コンデンサＣの容量は同一であることに限定されない。コンデンサＣの容量はそれぞれ異なっていても良い。
図１３において、キャパシタ電池２０１ａとキャパシタ電池２０１ｂが１個の容器１０７に構成されている。容器１０７には、電解液１０５が充填されている。
キャパシタ電池２０１ａは電極材料１０４ａと電極材料１０４ｃが対向して配置され、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｃ間に電荷蓄積手段としてのコンデンサＣが構成されている。
キャパシタ電池２０１ｂは電極材料１０４ｂと電極材料１０４ｃが対向して配置され、電極材料１０４ｂと電極材料１０４ｃ間に電荷蓄積手段としてのコンデンサＣが構成されている。
電極材料１０４ａには、端子電極１０６ａ１が接続され、電極材料１０４ｃには、端子電極１０６ｂが接続されている。電極材料１０４ｂには、端子電極１０６ａ２が接続され、電極材料１０４ｃには、端子電極１０６ｂが接続されている。
以上のように、図１３（ａ）の本発明のキャパシタ電池２０１では、１つの容器１０７内にキャパシタ電池２０１ａとキャパシタ電池２０１ｂが構成、あるいは形成されている。キャパシタ電池２０１ａとキャパシタ電池２０１ｂでは、端子電極１０６ｂが共通となっている。
図１３（ａ）のキャパシタ電池２０１を、図１１の実施例に適用する。一次側のキャパシタ電池２０１ａの端子電極１０６ａ２を昇圧回路２２６のＶＩＮ端子に接続し、二次側のキャパシタ電池２０１ｂの端子電極１０６ａ１を昇圧回路２２６のＶＯＵＴ端子に接続する。キャパシタ電池２０１ａの端子電極１０６ｂとキャパシタ電池２０１ｂの端子電極１０６ｂは共通であるから接地することにより実現できる。
図１３（ｂ）は本発明の他の実施例におけるキャパシタ電池２０１の説明図である。図１３（ｂ）において、キャパシタ電池２０１ａとキャパシタ電池２０１ｂが１個の容器１０７に構成されている。容器１０７には、電解液１０５が充填されている。
キャパシタ電池２０１ｂは電極材料１０４ａと電極材料１０４ｃ１が対向して配置され、電極材料１０４ａと電極材料１０４ｃ１間に電荷蓄積手段としてのコンデンサＣが構成されている。
キャパシタ電池２０１ｂは電極材料１０４ｂ１と電極材料１０４ｃ２が対向して配置され、また、電極材料１０４ｂ２と電極材料１０４ｃ２が対向して配置されている。電極材料１０４ｂ１と電極材料１０４ｃ２間に電荷蓄積手段としてのコンデンサＣが構成されている。電極材料１０４ｂ２と電極材料１０４ｃ２間に電荷蓄積手段としてのコンデンサＣが構成されている。
電極材料１０４ａには、端子電極１０６ａ１が接続され、電極材料１０４ｃ１には、端子電極１０６ｂ１が接続されている。電極材料１０４ｂ１には、端子電極１０６ａ２が接続され、電極材料１０４ｃ２には、端子電極１０６ｂ２が接続されている。電極材料１０４ｂ２には、端子電極１０６ａ３が接続されている。
以上のように、図１３（ｂ）の本発明のキャパシタ電池２０１では、１つの容器１０７内にキャパシタ電池２０１ａとキャパシタ電池２０１ｂが構成、あるいは形成されている。また、キャパシタ電池２０１ａは、端子電極１０６ａ２と端子電極１０６ａ３の２端子電極が構成または形成されている。キャパシタ電池２０１ａとキャパシタ電池２０１ｂでは、端子電極１０６ｂ１、端子電極１０６ｂ２で分離されている。
図１３のキャパシタ電池２０１では、１つの容器１０７内に複数のキャパシタ電池２０１が構成さている。また、端子電極１０６ｂ１と端子電極１０６ｂ２と分離されているため、キャパシタ電池２０１ａとキャパシタ電池２０１ｂを接地する電極を分離し、独立の接地電位とすることができる。
図１４は、本発明のキャパシタ電池２０１の説明図である。図１３に図示するように、本発明は複数の電極材料１０４を有し、等価回路図では、複数の容量（コンデンサ）Ｃが形成されている。
図１４（ａ）に図示する本発明のキャパシタ電池２０１では、複数のコンデンサＣは、スイッチＳ（図１４では、スイッチＳ１～スイッチＳ６）により、コンデンサＣを選択し、選択したコンデンサＣの数により、キャパシタ電池２０１の容量が決定されます。
図１４（ａ）の構成とすることにより、必要な電池容量に応じて、スイッチＳを選択することにおり、実現することができる。
図１４（ａ）では、スイッチＳ１～スイッチＳ５をクローズ（オン）させることにより、コンデンサＣ１～コンデンサＣ５を加算した容量が電池容量となる。スイッチＳ６はオープン（オフ）とすることにより、コンデンサＣ６は予備の容量となる。低温時等で電池容量が低下した場合は、スイッチＳ６をクローズさせることにより、電池容量としてコンデンサＣ６分を増加させることができる。
本発明のキャパシタ電池２０１は、急速充電ができることに特徴がある。図１４（ａ）において、スイッチＳ６をオンさせることにより、コンデンサＣ６の容量を急速に充電することができる。したがって、１つ以上のスイッチＳをオーブンしておき、充電余裕度を確保する。充電直前に、オープンしておいたスイッチＳをオンさせることにより、充電容量を増加させることができる。
図１４（ａ）に図示するように、コンデンサＣには、電荷Ｑが蓄電されている。本発明のキャパシタ電池２０１は放電速度も高速である。したがって、コンデンサＣ６の電荷が空”０”で、他のコンデンサ（コンデンサＣ１～コンデンサＣ５）の電荷が”Ｑ”が蓄積されているとする。その時の端子電極１０６ａの電圧が”Ｖ１”とする。
回生制動により発電した電力をキャパシタ電池２０１に蓄電するためには、発電した電力の電圧よりも、キャパシタ電池２０１の電圧が低い必要がある。
図１４（ａ）において、スイッチＳ６をクローズすると、コンデンサＣ６に他のコンデンサＣからの電荷が移動する。電荷の移動により、端子電極１０６ａの電圧”Ｖ１”が低下する。電圧”Ｖ１”の低下により、回生制動により発電した電極をキャパシタ電池２０１に蓄電できる。
本発明のキャパシタ電池２０１は、放電が高速である。したがって、スイッチＳのオン／オフより、コンデンサＣ間の電荷移動を高速に実施できるから、端子電極１０６ａの電圧を瞬時に変化させることができる。以上の事項は、リチウムイオン電池等の二次電池では実現は不可能である。
本発明のキャパシタ電池２０１は、オープンしておくスイッチＳの個数を、回生制動等により、発電する電力を予測して、あるいは事前に準備することにより、スイッチＳをクローズすることにより、端子電極１０６の電位を高速に変化することができる。したがって、回生制動等で発生した電力（電荷）を高速にキャパシタ電池２０１に蓄電することができる。
図１４（ａ）では、オープンしているコンデンサＣはコンデンサＣ６のみのように記載したが、これに限定するものではない。複数のコンデンサＣ、たとえば、奇数番目のコンデンサＣ（コンデンサＣ１、コンデンサＣ３、コンデンサＣ５）に接続されたスイッチＳ（スイッチＳ１、スイッチＳ３、スイッチＳ５）をオープンとし、回生制動等で蓄電する時に、スイッチＳ（スイッチＳ１、スイッチＳ３、スイッチＳ５）をクローズする。
オン／オフさせるスイッチＳの個数を複数とすることにより、蓄電余裕度が多くなり、また、端子電極１０６ａの電圧降下の割合も大きくすることができる。また、奇数番目あるいは偶数番目のスイッチをクローズまたはオープンとすることにより、端子電極１０６ａ１と端子電極１０６ａ２の電位差を少なくできるという効果も発揮する。
以上の事項は本発明の他のキャパシタ電池２０１（図１４（ｂ）、図１５等）あるいはキャパシタ電池２０１を有する装置あるいは方法にも適用できることは言うまでもない。
本発明のキャパシタ電池２０１のスイッチＳを制御することにより、回生制動等で発生する電荷を効率よく蓄電できる。電荷の蓄電は、回生制動だけでなく、図２４（ａ）の発電機による電力の蓄電、図２４（ｃ）の電動自転車の回生制動による蓄電できる。また、図２４（ｂ）の電気自動車等による回生制動による蓄電等にも適用できることは言うまでもない。
図１４（ｂ）は、キャパシタ電池２０１ａとキャパシタ電池２０１ｂとを容器１０７内に構成した実施例である。
キャパシタ電池２０１ｂ、キャパシタ電池２０１ａは、１つのスイッチＳに対して複数のコンデンサを形成または配置した構成である。たとえば、キャパシタ電池２０１ｂにおけるスイッチＳ１には、コンデンサＣ１ａ、コンデンサＣ１ｂが接続されている。スイッチＳ２には、コンデンサＣ２ａ、コンデンサｃ２ｂが接続されている。以下、同様である。
キャパシタ電池２０１ａにおけるスイッチＳ５には、コンデンサＣ５ａ、コンデンサｃ５ｂが接続されている。スイッチＳ６には、コンデンサＣ６ａ、コンデンサＣ６ｂが接続されている。
図１４（ｂ）では、キャパシタ電池２０１ｂのスイッチＳ１～スイッチＳ４をクローズ（オン）させることにより、コンデンサＣ１ａ～コンデンサＣ４ａと、コンデンサＣ１ｂ～コンデンサＣ４ｂを加算した容量が電池容量となる。スイッチＳ４はオープン（オフ）とすることにより、コンデンサＣ４ａ、コンデンサＣ４ｂは予備の容量となる。低温時等で電池容量が低下した場合は、スイッチＳ４をクローズさせることにより、電池容量としてコンデンサＣ４分を瞬時に増加させることができる。
図１４（ｂ）に図示するように、キャパシタ電池２０１ｂにおいて、コンデンサＣ（コンデンサＣ１ａ、コンデンサＣ１ｂ、コンデンサＣ２ａ、コンデンサＣ２ｂ、コンデンサＣ３ａ、コンデンサＣ３ｂ、コンデンサＣ４ａ、コンデンサＣ４ｂ）には、電荷Ｑが蓄電されている。本発明のキャパシタ電池２０１は放電速度も高速である。したがって、コンデンサＣ４ａ、コンデンサＣ４ｂの電荷が空”０”で、他のコンデンサ（コンデンサＣ１～コンデンサＣ４）の電荷が”Ｑ”が蓄積されているとする。その時の端子電極１０６ａの電圧が”Ｖ１”とする。
図１４（ｂ）において、キャパシタ電池２０１ａのスイッチＳ６がクローズすると、コンデンサＣ６ａ、コンデンサＣ６ｂにコンデンサＣ５ａ、コンデンサＣ５ｂから電荷が移動する。電荷の移動により、端子電極１０６ａ１の電圧”Ｖ２”が低下する。電圧”Ｖ２”の低下により、回生制動により発電した電極をキャパシタ電池２０１ａに蓄電できる。
本発明のキャパシタ電池２０１ａは、オープンしておくスイッチＳの個数を、ＧＰＳユニット２３６等で回生制動等により発電する電力を予測し、あるいは事前に決定する。
また、たとえば、図１４（ｂ）において、スイッチＳ６をクローズすることにより、キャパシタ容量を増加させることができ、端子電極１０６ａ１の電位を高速に変化することができる。したがって、回生制動等で発生した電力（電荷）を高速にキャパシタ電池２０１ａに蓄電することができる。
図１４（ｂ）に図示するように、キャパシタ電池２０１ａにおいて、コンデンサＣ（コンデンサＣ５ａ、コンデンサＣ５ｂ）には、電荷Ｑが蓄電されている。
コンデンサＣ６ａ、コンデンサＣ６ｂの電荷が空”０”で、コンデンサＣ５ａ、コンデンサＣ５ｂ）の電荷が”Ｑ”が蓄積されているとする。その時の端子電極１０６ａの電圧が”Ｖ２”とする。
図１４（ｂ）において、スイッチＳ６がクローズ（ＯＮ）すると、コンデンサＣ６に他のコンデンサＣからの電荷が移動する。電荷の移動により、端子電極１０６ａ２の電圧”Ｖ２”が低下する。電圧”Ｖ２”の低下により、回生制動により発電した電極をキャパシタ電池２０１ａに蓄電できる。
本発明のキャパシタ電池２０１は、放電が高速である。したがって、スイッチＳのオン／オフより、コンデンサＣ間の電荷移動を高速に実施できるから、端子電極１０６ａ２の電圧を瞬時に変化させることができる。
本発明のキャパシタ電池２０１ａは、回生制動等により発電する電力をＧＰＳユニット２３６等で予測し、オープン（ＯＦＦ）あるいはクローズ（ＯＮ）しておくスイッチＳの個数を決定する。スイッチＳをクローズすることにより、キャパシタ容量が増加し、端子電極１０６ａの電位を高速に変化することができる。したがって、回生制動等で発生した電力（電荷）を高速にキャパシタ電池２０１に蓄電することができる。
図１５はコンデンサＣの両端の端子電極間を短絡するスイッチＳ（スイッチＳ１ｂ、スイッチＳ２ｂ、スイッチＳ３ｂ、スイッチＳ４ｂ、スイッチＳ５ｂ、スイッチＳ６ｂ）を有している。スイッチＳ（スイッチＳ１ｂ、スイッチＳ２ｂ、スイッチＳ３ｂ、スイッチＳ４ｂ、スイッチＳ５ｂ、スイッチＳ６ｂ）をクローズすることにより、各コンデンサＣの電荷が放電する。
図１５（ａ）において、スイッチＳ６ａがオープンにし、スイッチＳ６ｂをクローズしている。スイッチＳ６ｂをクローズすることにより、コンデンサＣ６の電荷が放電する。次にスイッチＳ６ｂをクローズすることにより、他のコンデンサに蓄積された電荷がコンデンサＣ６に移動し、端子電極１０６ａの電圧が低下する。
図１５（ａ）の構成では、スイッチＳ（スイッチＳ１ｂ、スイッチＳ２ｂ、スイッチＳ３ｂ、スイッチＳ４ｂ、スイッチＳ５ｂ、スイッチＳ６ｂ）をクローズすることにより、コンデンサＣ（コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、コンデンサＣ３、コンデンサＣ４、コンデンサＣ５、コンデンサＣ６）の電荷を放電させる。放電時に、端子電極１０６ａの端子電圧は変化しない。したがって、本発明のキャパシタ電池２０１からモータ等に供給する電圧電位は変化しない。そのため、安定してモータ等を駆動することができる。
モータ等が回生制動モードの直前に、スイッチＳ６ａをクローズすることにより、端子電極１０６ａの端子電位を低下させることができる。したがって、回生制動で発生した電力を効率よく、キャパシタ電池２０１に蓄電することができる。
図１５（ｂ）において、キャパシタ電池２０１ｂのスイッチＳ４ａがオープンにし、スイッチＳ４ｂをクローズしている。スイッチＳ４ｂをクローズすることにより、コンデンサＣ４の電荷が放電する。次にスイッチＳ４ｂをクローズすることにより、他のコンデンサに蓄積された電荷がコンデンサＣ４に移動し、端子電極１０６ａ１の電圧Ｖ１が低下する。
キャパシタ電池２０１ａのスイッチＳ６ａがオープンにし、スイッチＳ６ｂをクローズしている。スイッチＳ６ｂをクローズすることにより、コンデンサＣ６の電荷が放電する。次にスイッチＳ６ｂをクローズすることにより、コンデンサＣ５に蓄積された電荷がコンデンサＣ６に移動し、端子電極１０６ａ２の電圧Ｖ２が低下する。
図１５（ｂ）の構成では、スイッチＳ（スイッチＳ１ｂ、スイッチＳ２ｂ、スイッチＳ３ｂ、スイッチＳ４ｂ、スイッチＳ５ｂ、スイッチＳ６ｂ）をクローズすることにより、コンデンサＣ（コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、コンデンサＣ３、コンデンサＣ４、コンデンサＣ５、コンデンサＣ６）の電荷を放電させる。放電時に、端子電極１０６ａ１あるいは端子電極１０６ａ２の端子電圧は変化しない。したがって、本発明のキャパシタ電池２０１ａまたはキャパシタ電池２０１ｂからモータ等に供給する電圧電位は変化しない。そのため、キャパシタ電池２０１に接続された安定してモータ等を駆動することができる。
モータ等が回生制動モードの直前に、スイッチＳ６ａ等をクローズすることにより、端子電極１０６ａの端子電位を低下させることができる。したがって、回生制動で発生した電力を効率よく、キャパシタ電池２０１ａまたはキャパシタ電池２０１ｂに蓄電することができる。
以上の事項は、図２２、図２３等の実施例にも適用できることは言うまでもない。
以下、本発明の実施の形態について、電動アシスト自転車を例示して説明する。しかしながら、本発明は、電動アシスト自転車だけに限定されない。電気自転車、電動バイク、電動車両等にも適応される。以下、これらのモータ２０７を有する移動車等をモータ付自転車と呼ぶことがある。
本発明の電動アシスト自転車は、本発明のキャパシタ電池２０１、キャパシタ電池２０２を搭載する。
本発明のキャパシタ電池２０１、キャパシタ電池２０２は、本明細書、本図面で説明された実施形態が例示される。また、当該実施形態及び当該実施形態の類似形態、組み合わせた形態を含む。
図１７は本発明のモータ付自転車である電動アシスト自転車の回路あるいは制御に関するブロック図及び説明図である。以下、電動アシスト自転車を例示して、本発明のモータ付自転車について説明をする。
図２４（ｃ）は、本発明の電動アシスト自転車の外観図である。図１６は、本発明の電動アシスト自転車のハンドル部（図１６（ａ））、操作部（図１６（ｂ））、操作パネル（図１６（ｃ）））の説明図である。
電動アシスト自転車は、モータ駆動装置を搭載している。モータ駆動回路は、駆動制御ユニット２８３、電池ユニット２２４等から構成される。
電池ユニット２２４は、二次電池２０３、キャパシタ電池２０１、平滑化機能を有するキャパシタ電池２０２等を保有している。駆動制御ユニット２８３は、駆動制御回路２２２、ペダルトルクセンサ２８４、ペダル回転センサ２８５、ブレーキセンサ２７２、ブレーキセンサ２７３等を保有する。
なお、本発明の電動アシスト自転車、自動車は、操作パネル２７１、フリーホイール（図示せず）及び変速機（図示せず）も有している。
二次電池２０３は、リチウムイオン二次電池が例示される。他種の電池、たとえば、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池等であっても良い。
ペダルトルクセンサ２８４は、クランク軸に取付けられたホイールに設けられており、運転者によるペダルの踏力を検出する。検出結果は、制御部２１０の駆動制御ユニット２８３に出力される。
ペダル回転センサ２８５は、ペダルトルクセンサ２８４と同様に、クランク軸に取付けられたホイールに設けられており、回転に応じたパルス信号を駆動制御ユニット２８３に出力する。
電動アシスト自転車は、図２４（ｃ）に示すように、ペダル２８８にかかる踏力を検出し、踏力に応じた補助動力をモータ２０７によって発生し、モータ２０７の補助動力により前車輪２８９を回転駆動させる。
モータ２０７は、三相ブラシレスモータであり、前車輪２８９に設けられている。なお、モータ２０７は三相ブラシレスモータに限定されるものではない。２極のＤＣモータ２０７等であってもよい。
フレーム２９０には、モータ２０７に駆動用の電力を供給する電池等を有する電池ユニット２２４、制御部２１０（駆動制御ユニット２８３）、前車輪２８９に機械的な制動力を付与する前部のブレーキ２９２（たとえばキャリパーブレーキ等）、後車輪２９１に機械的な制動力を付与する後部のブレーキ（図示せず）（たとえばローラーブレーキ等）等が配置されている。
ハンドル２７４には、前部のブレーキ２９２を作動させる一方のブレーキレバー２７５／ブレーキレバー２７６と、ブレーキレバー２７５／ブレーキレバー２７６に連動してオン／オフが切り換えられるブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３と、後部のブレーキ（図示せず）を作動させるブレーキレバー２７５／ブレーキレバー２７６と、ブレーキレバー２７５／ブレーキレバー２７６に連動してオン／オフが切り換えられるブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３とが設けられている。
前部のブレーキ２９２とブレーキレバー２７５／ブレーキレバー２７６とはブレーキワイヤ２７７／ブレーキワイヤ２７８を介して連動連結されている。後部のブレーキ（図示せず）とブレーキレバー２７５／ブレーキレバー２７６とはブレーキワイヤ２７７／ブレーキワイヤ２７８を介して連動連結されている。
電動アシスト自転車には、制動時にモータ２０７から発生した電気を電池ユニット２２４に充電する回生充電機能が備えられている。回生充電機能の作動及び停止はブレーキセンサ２７２またはブレーキセンサ２７３あるいは両方のブレーキセンサのオン／オフによって切換えられる。
図１６（ｂ）に図示するように、ブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３は、ブレーキレバー２７５／ブレーキレバー２７６の位置により、ブレーキの度合を検出する。
ブレーキレバーがＡ位置の場合は、ブレーキは動作しない。Ａ位置からＢ位置間（Ｌ１）までは、ブレーキレバー位置が変化したことは検出するが、ブレーキによる制動制御は実施されない。
ブレーキレバーの位置がＢ位置からＣ位置間（Ｌ２－Ｌ１）はブレーキレバー位置に応じて、ブレーキ制動力が増加するようにブレーキセンサの出力が増加する。
ブレーキレバーの位置がＣ位置からＤ位置間（Ｌ３－Ｌ２）はブレーキ制動力が急激に増加し、Ｄ位置では最大制動力が発生するように制御される。
図１６（ｂ）におけるブレーキレバーの位置Ｂ、Ｃ、Ｄ及び当該位置の変化割合／速度で、ブレーキ制動力の強弱を設定することができる。設定は、ブレーキセンサ（ブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３）とブレーキ入力回路２１５、駆動制御回路２２２で実現する。また、必要に応じてＧＰＳユニット２３６の出力データを使用する。ＧＰＳユニット２３６は、行先の道路の高低差、傾斜、距離情報を演算処理し、出力データを出力する。
ブレーキセンサ２７２とブレーキセンサ２７３は独立してデータ出力を行う。したがって、ブレーキセンサ２７２とブレーキセンサ２７３のいずれか一方の場合のブレーキ制動力と、ブレーキセンサ２７２とブレーキセンサ２７３との両方のブレーキを動作させた場合とのブレーキ制動力とを異ならせる。両方の場合は一方の場合よりも強い制動力で回生制動を実施する。回生制動によるブレーキのオンオフは、操作パネル２７１で設定できる。
本発明の自動車は、ブレーキペダルの踏込強さ、踏込速度にブレーキペダル備わったブレーキペダルのブレーキペダルセンサ２９３の出力が変化し、回生制御ブレーキ、機構制御ブレーキのブレーキ速度、ブレーキ強さが変化するように構成されている。
乗車者が電動アシスト自転車を走行させているとき、たとえば、一方のブレーキレバー２７５またはブレーキレバー２７６（もしくは両方のブレーキレバー）を操作して、ブレーキセンサ２７２またはブレーキセンサ２７３（もしくは両方のブレーキセンサ）をオフからオンに切り換る。切替えにより回生制動による充電機能が働き、モータ２０７から発生した電気が電池ユニット２２４に充電される。
ブレーキレバーの位置がＣ位置までは回生制動による充電機能はオフさせる。Ｂ位置、Ｃ位置は、変更が可能である。Ｂ位置、Ｃ位置はブレーキセンサ（ブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３）の設定により調整することができる。
ブレーキレバーのＡ位置からＢ位置で、キャパシタ電池２０１の電位を測定するとともに、キャパシタ電池２０１の充電量を調整する。充電量は、図１４、図１５のスイッチＳを制御することにより実施する。スイッチＳをオンまたはオフさせることにより、端子電極１０６の電位を変更あるいは可変させることができる。以上の事項は、図２３等でも同様である。
本発明は、ブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３を有し、ブレーキ入力回路２１５は、ブレーキレバーの変化速度を加味して、回生制動力を設定する。たとえば、ブレーキレバーが高速に変化するとき、回生制動力を大きくする。低速に変化する時、回生制動力を小さくする。
本発明は、本明細書、図面で記載する本発明のキャパシタ電池、二次電池を使用しているため、モータ２０７への電力供給が良好であり、また、回生制動による電力回収性能が良好である。
駆動制御回路２２２は、ペダルトルクセンサ２８４、ペダル回転センサ２８５の出力も加味して、回生制動によるブレーキを実施するかを判断する。たとえば、ペダルが動作し、ペダルトルクセンサ２８４が出力している時は、ブレーキを押されている力が小さいか、ブレーキは実施されていない。
以上の技術的思想は、図２４（ｂ）等の自動車に適用できることは言うまでもない。アクセルペダルに、図１６（ｂ）のＡ位置、Ｂ位置、Ｃ位置、Ｄ位置の機構と各位置における制動の技術的思想を適用する。アクセルペダルのアクセルペダルセンサ２９５が押圧（動作）されている時に、ブレーキペダルのブレーキペダルセンサ２９３が押圧（動作）されていることは少ないか、または、押圧（動作）されていない。図１６（ｂ）のブレーキレバーの動作あるいは制御を、アクセルペダル、ブレーキペダルに適応すればよい。
図２０に図示するように、アクセルペダルに取り付けられたアクセルペダルセンサ２９５の出力はアクセル入力回路２９４に入力される。ブレーキパダルに取り付けられたブレーキペダルセンサ２９３の出力はブレーキ入力回路２１５に入力される。
駆動制御回路２２２ａは、エンジン２３２の位置検出センサ２１８ｂ（回転状態の検出機能、回転速度の測定等を実施）が取り付けられる。または配置されている。動力分配統合機構２３３の位置検出センサ２１８ａ（回転状態の検出機能、回転速度の測定等を実施）が取り付けられる。または配置されている。位置検出センサ２１８の出力は、車速入力回路２２０に入力される。
回生制御力の大きさ、動作速度等は、たとえば、図１４、図１５に説明したように端子電極１０６ａの電位を調整することにより実現できる。たとえば、端子電極１０６ａの電位を低下させると、回生制動による電流値が大きくなり、回生制動力が大きくなる。また、スイッチ回路２０８ｂをクローズさせて、キャパシタ電池２０１の電荷を放電し、端子電極１０６ａの電位を低下させることにより、回生制動力が大きくなる。
同様に、両方のブレーキレバー２７５／ブレーキレバー２７６を操作して両方のブレーキセンサ２７２、ブレーキセンサ２７３が共にオフからオンに切り換ると、回生充電機能が働き、モータ２０７から発生した電気が電池ユニット２２４に充電される。
電動アシスト自転車が一定の車速で走行している際、前記一方のブレーキレバー２７５またはブレーキレバー２７６のみを操作した場合の回生量と、両方のブレーキレバー２７５、ブレーキレバー２７６を操作した場合の回生量とで、回生量を同一あるいは差異を設定する。
前部のブレーキ２９２の作動による機械式の制動力に加えて、前記のような回生充電によっても、前車輪２８９に対して電気式の制動力（以下、回生制動力と言う）が発生する。
本発明の電気アシスト自転車の制御部２１０は、いずれか片方のブレーキ操作手段が操作されていずれか片方のブレーキセンサのみが切り換えられたときの回生量を、両方のブレーキ操作手段が操作されて両方のブレーキセンサが切り換えられたときの回生量よりも小さくする。
図１６（ｂ）に示すように、ブレーキレバー２７５／ブレーキレバー２７６についてはそれぞれ、各ブレーキレバー２７５、ブレーキレバー２７６を操作していない開放位置Ａと、機械式のブレーキ２９２等が動作する作動開始位置Ｂ（Ｂ位置）と、ブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３が強く動作するスイッチ切換位置Ｃ（Ｃ位置）と、ブレーキレバー２７５、ブレーキレバー２７６を最大ストローク操作したときの最大操作位置Ｄ（Ｄ位置）とが設定することができる。
スイッチ切換位置の開放位置Ａ（Ａ位置）と作動開始位置Ｂ（Ｂ位置）との間は遊びの範囲内に設定されている。この期間内に、キャパシタ電池２０１の端子電圧を測定等し、充電容量があるか、回生制御によるブレーキを設定できるかを判断し、必要な場合、スイッチ回路２０８ｂを操作する。
ブレーキレバーのＡ位置（スイッチ切換位置Ａ（Ａ位置））からブレーキレバーＢ位置（スイッチ切換位置Ｂ（Ｂ位置））との間はブレーキセンサ２７２、ブレーキセンサ２７３がオフに保たれる。あるいはオフとなるように設定することができる。
スイッチ切換位置Ｂ（Ｂ位置）と最大操作位置Ｄ（Ｄ位置）との間は、ブレーキセンサ２７２、ブレーキセンサ２７３がオンに保たれる。特に、スイッチ切換位置Ｃ（Ｃ位置）と最大操作位置Ｄ（Ｄ位置）との間は、ブレーキセンサの出力は大きくなるように構成されている。
また、最大操作位置Ｄ（Ｄ位置）に近くなると、機構的なブレーキ２９２が動作する。スイッチ切換位置Ｂ（Ｂ位置）と最大操作位置Ｄ（Ｄ位置）との間は、回生制動によるブレーキが動作し、駆動制御回路２２２は、回生制動のブレーキは最大操作位置Ｄ（Ｄ位置）になるにしたがって、強くなるように制御する。
図１６（ｃ）に図示するように、操作パネル２７１には、回生制動機能をオン／オフする選択スイッチ２７９が設けられている。また、回生制動によるブレーキ動作とブレーキ２９２等による機構的なブレーキを設定するＡＵＴＯ位置が設けられている。
選択スイッチ２７９をＯＮ（オン）にすることにより、回生制動機能が動作するようになり、選択スイッチ２７９をＯＦＦ（オフ）にすることにより、回生制動機能が停止する。
ＡＵＴＯ位置は、学習機能を有する設定である。図１２（ｂ）に図示するブレーキレバーによる位置で、回生制動のよるブレーキ動作と、機構制動によるブレーキ２９２の動作との割合、動作位置を学習する。たとえば、位置Ａから位置Ｂでは、回生制動のブレーキを弱く動作するが、機構制動によるブレーキは動作させない。学習により位置Ｂを変化させる。位置Ｂから位置Ｃでは、回生制動のブレーキと機構制動によるブレーキを動作させる。学習により位置Ｃを変化させる。位置Ｃから位置Ｄでは、回生制動のブレーキは動作させず、機構制動によるブレーキのみを動作させる。
以上の操作パネル２７１に関する技術的思想は、図２４（ｂ）の自動車においても適用される。自動車では、ブレーキペダルセンサ２９３、アクセルペダルセンサ２９５等と連動させて、回生制動ブレーキと、機構制動によるブレーキの稼働位置を調整する。
自動車の場合は、アクセルペダルとブレーキペダルに取り付けられがセンサ（アクセルペダルセンサ２９５、ブレーキペダルセンサ２９３）の出力、車速入力回路２２０、温度入力回路２１１、ブレーキ入力回路２１５を加味して、回生制動によるブレーキを実施するか、あるいは機構制動によるブレーキを実施するか、あるいは両方のブレーキを実施するかを判断し、制御動作を実施する。
操作パネル２７１により、回生制動ブレーキを動作するか、ＡＵＴＯの学習機能による回生制動ブレーキ、機構制動ブレーキを動作させるかを選択する。
図１２（ｂ）で説明したように、位置Ａから位置Ｂにおいて、キャパシタ電池２０１の端子電極１０６ａの電位を調整する。たとえば、キャパシタ電池２０１の端子電極１０６ａの電位を低下させると、回生制動による電流値が大きくなり、回生制動力が大きくなる。また、スイッチ回路２０８ｂをクローズさせて、キャパシタ電池２０１の電荷を放電し、端子電極１０６ａの電位を低下させる。
本発明は、電池ユニット２２４が満充電状態の場合は、スイッチ回路２０８を動作させて、回生制動による発電量を充電できるように、電池ユニット２２４の電荷を放電させる。
ブレーキ入力回路２１５の出力により、また、キャパシタ電池２０１の端子電圧をＡＤコンバータ回路２０５等の電圧測定装置で測定し、また、温度センサ２０４ａでキャパシタ電池２０１の温度を測定して、キャパシタ電池２０１に充電できる容量があるかをモニターする。充電容量がない場合は、スイッチ回路２０８ｂ等を動作させて回生制動による発電電力を充電できるようにする。
なお、必要に応じて、図１４、図１５，図２２、図２３等で図示するスイッチＳをオンまたはクローズする。スイッチＳを操作することにより、キャパシタ電池２０１の端子電圧等を所定値あるいは目標値に設定する。
本発明のキャパシタ電池２０１等は、充放電が高速である。したがって、ブレーキレバー位置がＡ位置からＢ位置に変化する間に、キャパシタ電池２０１の充電容量を確認し、放電させることが可能であり、ブレーキレバー位置がＣ位置からＢ位置に変化した時に回生制動による電力を充電する準備が整わせることができる。ブレーキレバー位置がＣ位置からＤ位置に変化する時は、変化前にキャパシタ電池の端子電圧を低下させ、回生制動による電力をキャパシタ電池に高速に充電できるように準備をすることができる。
ブレーキレバーのＢ位置、Ｃ位置、Ｄ位置に対応して、また、ブレーキレバーの移動速度に対応して、回生制動によるブレーキ強弱を設定できる。
以上の事項は、本発明の技術的思想は、電気自動車、電車等のも同様に適用される。自転車のブレーキレバーの位置が、電気自動車等のブレーキペダルの踏込位置に対応する。あるいは類似と考えることができる。電気自動車等のブレーキペダルも図１２で説明したように、ブレーキセンサを配置し、ブレーキペダルのＡ位置、Ｂ位置、Ｃ位置、Ｄ位置を設ける。なお、Ａ位置～Ｄ位置は、固定な位置に限定されるものではなく、位置変換の伴い、線形等にブレーキペダルセンサ２９３の出力が変化するように構成してもよい。
ブレーキペダルの踏込を開始し、ブレーキ制動がかかる前に、キャパシタ電池２０１の端子電圧等を測定し、必要な場合は、所定量を放電させて、回生制動による電力を充電ずる準備を整わせることができる。また、ブレーキペダルの踏込速度に応じても、回生制動によるブレーキ強弱を設定する。
前記操作パネル２７１には、回生制動機能をオン／オフする選択スイッチ２７９が設けられている。選択スイッチ２７９をＯＮ（オン）にすることにより、回生制動機能が動作するようになり、選択スイッチ２７９をＯＦＦ（オフ）にすることにより、回生制動機能が停止する。
図１７に図示するように、電動アシスト自転車には、制動時に、モータ２０７（たとえば三相のブラシレスモータ）から発生した電気を電池ユニット２２４に充電する回生充電機能、ブレーキセンサ２７２、ブレーキセンサ２７３のオン／オフに基づいて回生充電機能の作動及び停止を切換える制御部２１０と、電動アシスト自転車の車速（走行速度）を検出する位置検出センサ２１８と、ペダル２８８に作用するトルクを検出するペダルトルクセンサ２８４とが備えられている。
制御部２１０は、インバータ回路２０６によりモータ２０７をＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）しており、両方のブレーキセンサ２７２、ブレーキセンサ２７３が共にオフであれば、回生充電を行なわない。ブレーキセンサ２７２またはブレーキセンサ２７３のいずれか一方がオンとなると、回生充電機能を働かせて回生充電を行なうように制御する。
モータ２０７は、電動アシスト自転車の前車輪２８９に装着されている。しかし、これに限定するものではない。モータ２０７部を後車輪２９１に配置し、ペダル２８８にかかる踏力をチェン（図示せず）で後車輪２９１に伝達してもよい。
モータ２０７は、前車輪２８９を回転させるとともに、前車輪２８９の回転に応じてローター（図示せず）が回転するように、ローターが前車輪２８９に直接または減速器等を介して連結されている。
モータ２０７はホール素子等の位置検出センサ２１８を備えてローターの回転情報（すなわちホール信号）を制御部２１０の駆動制御ユニット２８３に出力する。
電流センサ２２５はインバータ回路２０６に入力される入力電流、回生制動駆動によりインバータ回路２０６から出力される出力電流の有無、電流の大きさを測定または検出し、駆動制御回路２２２に伝達する機能を有する。
駆動制御回路２２２は、電流センサ２２５の情報から、スイッチ回路２０８ａを制御し、キャパシタ電池２０１に電荷を充電あるいは放電、二次電池２０３からインバータ回路２０６に電流を供給等の制御を実施する。
ブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３は、運転者のブレーキ（ブレーキレバー、ブレーキペダル）操作を検出して、ブレーキ操作に関する信号を制御部２１０の駆動制御ユニット２８３に出力する。駆動制御回路２２２は、電池ユニット２２４、ＰＷＭ変換回路２１２、インバータ回路２０６を制御する。
本発明の電動アシスト自転車の駆動制御ユニット２８３に関連する構成を図１７に示す。駆動制御ユニット２８３は、インバータ回路２０６と、スイッチ回路２０８ａと、キャパシタ２０２、二次電池２０３、キャパシタ電池２０１等を有する。
インバータ回路２０６には、モータ２０７のＵ相についてのスイッチングを行うＨサイドＦＥＴ（Ｓｓｕ）及びＬサイドＦＥＴ（Ｓｍｕ）と、モータ２０７のＶ相についてのスイッチングを行うＨサイドＦＥＴ（Ｓｓｖ）及びＬサイドＦＥＴ（Ｓｍｖ）と、モータ２０７のＷ相のスイッチングを行うＨサイドＦＥＴ（Ｓｓｗ）及びＬサイドＦＥＴ（Ｓｍｗ）とを含む。
Ｈサイドは上側、Ｌサイドは下側と呼ぶこともある。インバータ回路２０６には、温度センサ２０４ｃが設けられており、モータ２０７には、温度センサ２０４ｄが設けられており、それぞれ制御部２１０に接続されている。
インバータ回路２０６は、キャパシタ２０２の一端に接続されており、キャパシタ２０２の他端は接地されている。キャパシタ２０２の容量は、比較的大きなものである。
スイッチ回路２０８ａは、インバータ回路２０６と二次電池２０３との間に設けられており、制御部２１０からの指示に応じて、二次電池２０３をインバータ回路２０６から分離するように作動する。また、キャパシタ電池２０１とインバータ回路２０６とを電気的に接続する。
二次電池２０３には、温度センサ２０４ｂが設けられており、制御部２１０の駆動制御回路２２２に接続されている。また、キャパシタ電池２０１には、温度センサ２０４ａが設けられており、制御部２１０の駆動制御回路２２２に接続されている。
制御部２１０には、駆動制御回路２２２が配置され、駆動制御回路２２２は、演算部（図示せず）、メモリ（図示せず）等を保有している。
制御部２１０には、車速入力回路２２０、ブレーキ入力回路２１５、ペダル回転入力回路２１６、ペダルトルク入力回路２１７、温度入力回路２１１（温度入力回路２１１ａ、温度入力回路２１１ｂ）、ＡＤ入力回路２１４、ＰＷＭ変換回路２１２、ＡＤ（アナログ－デジタル）コンバータ回路２０５等を有する。
駆動制御回路２２２の演算部（図示せず）は、ペダル回転入力回路２１６からの入力、ペダルトルク入力回路２１７からの入力、車速入力回路２２０からの入力、ブレーキ入力回路２１５からの入力、ＡＤ入力回路２１４からの入力、温度入力回路２１１からの入力を用いて、演算を行いＰＷＭ変換回路２１２に対して信号を出力する。
ＰＷＭ変換回路２１２は、インバータ回路２０６のトランジスタＳｓ（ＳＳＵＳｓｖ、Ｓｓｗ、Ｓｍｕ、Ｓｍｖ、Ｓｍｗ）を制御し、３相交流信号を発生させる。３相交流信号はモータ２０７に印加される。モータ２０７の回転状態は位置検出センサ２１８で検出される。
回生制動でモータ２０７が発電する場合は逆動作が実施される。位置検出センサ２１８でモータ２０７の回転状態を検出し、回転状態の情報は車速入力回路２２０で処理されて、駆動制御回路２２２に送られる。駆動制御回路２２２はＰＷＭ変換回路２１２を制御する。また、ＧＰＳユニット２３６情報等を使用して行程（高低差、傾斜、距離）に必要な駆動電力または回生制動電力を予測する。
回生制動の発生と同時に、あるいはそれ以前に、キャパシタ電池２０１の端子電圧をＡＤコンバータ回路２０５ａで測定し、キャパシタ電池２０１に充電容量があるかを判定する。また、同時に温度センサ２０４ａによりキャパシタ電池２０１の温度を測定する。
キャパシタ電池２０１に、回生制動による発電した電力を充電できる容量がない場合、スイッチ回路２０８ｂをクローズさせて、所定量の電荷を抵抗回路（放電回路）２０９、ヘッドライト（照明ライト）２８１、ブレーキライト（バックライト）２８６、ヒータ線２２７等で放電する。または、図１４、図１５の本発明のキャパシタ電池のスイッチＳを制御してキャパシタ電池２０１の端子電極１０６ａの電圧、キャパシタ電池２０１の容量を制御する。
以上の事項は、図２０、図２２、図２４の実施例にも適用できることは言うまでもない。
回生制動で発電した電力は、スイッチ回路２０８ａのスイッチＳＷａをクローズすることによりキャパシタ電池２０１に充電される。
駆動制御回路２２２の演算部（図示せず）は、メモリ（図示せず）を有しており、メモリは、演算に用いる各種データ及び処理途中のデータ等を格納する。
演算部は、プログラムをプロセッサが実行することによって実現される場合もある。この場合には当該プログラムがメモリに記録されている場合もある。また、メモリ（図示せず）は、演算部とは別に設けられる場合もある。
ペダル回転入力回路２１６は、ペダル回転センサ２８５からの、ペダル回転位相角及び回転方向を表す信号を、デジタル化して演算部（図示せず）に出力する。
車速入力回路２２０は、モータ２０７の位置検出センサ２１８が出力するホール信号から現在の車速を算出して、演算部（図示せず）に出力する。
ペダルトルク入力回路２１７は、ペダルトルクセンサ２８４からの踏力に相当する信号をデジタル化して演算部（図示せず）に出力する。
ブレーキ入力回路２１５は、ブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３からの信号を駆動制御回路２２２の演算部（図示せず）に出力する。
温度入力回路２１１ａは、温度センサ２０４ａ、温度センサ２０４ｂからの温度情報をデジタル化して駆動制御回路２２２の演算部（図示せず）に出力する。
温度入力回路２１１ｂは、温度センサ２０４ｃ、温度センサ２０４ｄからの温度情報をデジタル化して駆動制御回路２２２の演算部（図示せず）に出力する。
ＡＤコンバータ回路２０５ａはキャパシタ電池２０１の端子電圧を取得する。ＡＤコンバータ回路２０５ｂは二次電池２０３の端子電圧を取得する。ＡＤ入力回路２１４は、ＡＤコンバータ回路２０５ａ、ＡＤコンバータ回路２０５ｂの電圧データ、すなわち、キャパシタ電池２０１、二次電池２０３の出力電圧をデジタル化して演算部（図示せず）に出力する。
電池ユニット２２４は、キャパシタ電池２０１、二次電池２０３からは、温度センサ２０４ａ、温度センサ２０４ｂからの温度情報だけではなく、満充電状態を含む充電レベルの情報、充電不可を表す情報を制御部２１０に伝達する場合もある。
本発明のモータ付自転車、たとえば電動アシスト自転車は、通常のアシスト走行状態では、二次電池２０３からインバータ回路２０６に電力を供給する。二次電池２０３の放電時は、温度センサ２０４ｂで二次電池２０３の温度を検出する。
スイッチ回路２０８ａは、二次電池２０３からインバータ回路２０６に電力を供給する時は、スイッチＳＷｂをクローズする。また、キャパシタ電池２０１からインバータ回路２０６に電力を供給する時は、スイッチＳＷａをクローズする。
なお、スイッチ回路２０８ａのスイッチＳＷａとスイッチＳＷｂの両方をクローズし、キャパシタ電池２０１と二次電池２０３の両方からインバータ回路２０６に電力を供給してもよい。
キャパシタ電池２０１は放電特性が高速であるため、瞬時にインバータ回路２０６に電力を供給でき、モータ２０７の動作開始が良好となる。
電動アシスト自転車でブレーキがかかり、モータ２０７が発電状態となると、スイッチ回路２０８ａは、スイッチＳＷａをクローズし、スイッチＳＷｂをオープンにする。回生制動で発電した電流は、キャパシタ電池２０１に充電される。本発明のキャパシタ電池２０１は高速な充電を実現できる。したがって、発電した電力を良好にキャパシタ電池２０１に充電できる。
キャパシタ電池２０１の端子電圧はＡＤコンバータ回路２０５ａで測定される。また、キャパシタ電池２０１の温度は、温度センサ２０４ａで測定される。
インバータ回路２０６に印加される電圧あるいはインバータ回路２０６から出力される電圧は、ＡＤコンバータ回路２０５ｃで取得し、ＡＤ入力回路２１４が収集して駆動制御回路２２２に伝達される。
回生制動により、キャパシタ電池２０１に充電する際、キャパシタ電池２０１が満充電あるいは回生制動で発生した電力を充電できない場合は、スイッチ回路２０８ｂをオンさせてキャパシタ電池２０１の電荷の所定量以下まで放電させる。この動作（スイッチ回路２０８ｂ、抵抗回路２０９の動作あるいは制御）等に関しては、図１１、図１２、図１８等で説明しているので省略する。
キャパシタ電池２０１を図１３、図１４、図１５、図２２、図２３に図示するように構成し、また、スイッチＳを制御することにより、キャパシタ電池２０１の容量を増加させること、電荷を放電すること、端子電極１０６の電圧を変化させることは、図１４、図１５で説明しているので説明を省略する。
端子電極１０６の電圧を変化させることにより、回生制動で発生した電力を、キャパシタ電池２０１に良好に充電できる方式についても説明しているので説明を省略する。
以上のように、本発明は、キャパシタ電池２０１に回生制動による発電電力を充電することができ、省電力化を実現でき、回生制動による良好なブレーキ性能を実現することができる。
ブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３のブレーキ出力をブレーキ入力回路２１５が取得して、駆動制御回路２２２がブレーキ出力情報を演算処理すること、位置検出センサ２１８のモータ２０７の位置データを車速入力回路２２０が取得して駆動制御回路２２２が位置データ情報を演算処理すること、ペダル回転センサ２８５がペダルの回転状態を検出してペダル回転入力回路２１６が取得して、駆動制御回路２２２が回転状態情報を演算処理すること、ペダルトルクセンサ２８４がペダルへのトルク印加状態を検出してペダルトルク入力回路２１７が取得して駆動制御回路２２２がトルク印加状態情報を演算処理すること等により、キャパシタ電池２０１の放電あるいは充電制御を最適に制御することができる。
本発明の電動アシスト自転車は、ＧＰＳユニット２３６を保有する。ＧＰＳユニット２３６は経路情報で、次に坂道を上る方向に移動するか、坂道を下る方向に移動するかの情報を得ることができる。この情報により、回生制動による発電量を駆動制御回路２２２が演算予測し、キャパシタ電池２０１の端子電圧を測定あるいは取得するとともに、必要であれば、キャパシタ電池２０１の電荷を放電制御する。
キャパシタ電池２０２を図１４、図１５に図示するように、容量を可変する機能を持たせることにより、インバータ回路２０６に突入電流が印加されることを緩和あるいは制御することができる。
図１７では、二次電池２０３からインバータ回路２０６に電力を供給するとしたが、これに限定するものではなく、キャパシタ電池２０１あるいはキャパシタ電池２０２からインバータ回路２０６に電力を供給しても良いことは言うまでもない。また、二次電池２０３に回生制動による発電電力を充電することを排除するものではない。
図１７では、抵抗回路（放電回路）２０９により、キャパシタ電池２０１の電荷を放電するとして説明した。しかし、本発明はこれに限定するものではない。図１８（ａ）に図示するように、ヘッドライト（照明ライト）２８１のランプ２８７、ブレーキランプ（バックライト）２８６のランプ２８７に電流を流すことにより放電させても良い。
図１８は、本発明の放電回路および放電回路の制御方法の説明図である。図１８（ａ）では、スイッチ回路２０８ｂをクローズ（オン）することにより、ヘッドライト（照明ライト）２８１のランプ２８７、ブレーキランプ（バックライト）２８６のランプ２８７のうち少なくとも一方に電流を流す。
電流を流すことにより、回生制動で発生した電流あるいはキャパシタ電池２０１の放電電流を放電することができる。抵抗Ｒは電流制限抵抗である。
ブレーキを操作することにより、回生制動による電流が発生する。発生した電流はキャパシタ電池２０１に充電し、一部はブレーキライト２８６のランプ２８７の発光電流として使用する。または、ヘッドライト２８１のランプ２８７の発光電流として使用する。
図１８（ｂ）は、回生制動で発生した電流あるいはキャパシタ電池２０１の放電電流で、キャパシタ電池２０１、二次電池２０３を加温する方式の説明図である。
図１８（ｂ１）はキャパシタ電池２０１にヒータ線２２７を巻きつけた構成である。スイッチ回路２０８ｂ１をクローズ（オン）させることにより、ヒータ線２２７に放電電流が流れ、ヒータ線２２７が発熱し、キャパシタ電池２０１が加温される。
キャパシタ電池２０１は加温により、充電電荷能力が大きくなる。なお、図１８（ｂ１）においてスイッチ回路２０８ａのスイッチＳＷａをクローズ（オン）させて、インバータ回路２０６からの回生制動による発電電流をヒータ線２２７に流すように構成してもよい。
図１８（ｂ２）は二次電池２０３にヒータ線２２７を巻きつけた構成である。スイッチ回路２０８ｂ２をクローズ（オン）させることにより、ヒータ線２２７に放電電流が流れ、ヒータ線２２７が発熱し、二次電池２０３が加温される。二次電池２０３は加温により、充電電荷能力が大きくなる。
なお、図１８（ｂ２）においてスイッチ回路２０８ａのスイッチＳＷｂをクローズ（オン）させて、インバータ回路２０６からの回生制動による発電電流をヒータ線２２７に流すように構成してもよい。
回生制動時に、キャパシタ電池２０１、二次電池２０３に充電容量がない場合は、図１８（ａ）で説明したように、ヘッドライト（照明ライト）２８１のランプ２８７、ブレーキランプ（バックライト）２８６のランプ２８７に直接に電流を流して、発電電流を放電して良いことは言うまでもない。
他の事項は、図１１、図１２等で説明しているため、説明を省略する。また、図１７、図２０、図２１、図２２、図２３に、図１１、図１２等で説明した事項が適用できることは言うまでもない。以上に記載あるいは説明した事項は、図２０、図２１、図２４（ｂ）等の自動車等にも適用できることは言うまでもない。
図１８（ａ）のヘッドライト（照明ライト）２８１のランプ２８７、ブレーキランプ（バックライト）２８６のランプ２８７に電流を流すことは、図２４（ｃ）のモータ付自転車だけでなく、図２４（ｂ）の自動車にも適用できることは言うまでもない。
図１８（ｂ）のにおけるヒータ線２２７等でキャパシタ電池２０１、二次電池２０３を加温する事項も、図２４（ｃ）のモータ付自転車だけでなく、図２４（ｂ）の自動車にも適用できることは言うまでもない。
以上の実施例では、一実施例として回生制動による発電電流はキャパシタ電池２０１に充電し、キャパシタ電池２０１に充電した電力は、回生制動が実施されていない場合に、インバータ回路２０６に供給するものであった。
図１９は、本発明の一実施例における電池ユニット２２４のブロック図及び説明図である。キャパシタ電池２０１に充電した電力を、昇圧回路（降圧回路）２２６により、二次電池２０３に充電する回路構成の説明図である。なお、図１９（ｂ）は図１９（ａ）の一点鎖線の部分のみを図示している。
なお、昇圧回路（降圧回路）２２６については、図１１、図１２等と同様である。また、図１９の構成あるいは方法は、図１７、図２０、図２１、図２３等の本発明の他の実施例においても適用できることは言うまでもない。
図１９（ａ）では、回生制動による回生電力は、スイッチ回路２０８ａのスイッチＳＷａをクローズすることによりキャパシタ電池２０１に充電される。二次電池２０３は、インバータ回路２０６に電力を供給する。昇圧回路２２６によりキャパシタ電池２０１に蓄電された電力（電荷）は、二次電池２０３の電圧に変換され、キャパシタ電池２０１の電力が二次電池２０３に移動する。
図１９（ｂ）は図１９（ａ）と同様に、キャパシタ電池２０１の電力を昇圧回路２２６により移動させる構成である。
図１９（ａ）では、二次側は二次電池２０３であるが、図１９（ｂ）では、キャパシタ電池２０１ｂである。以上のように、本発明は、二次電池２０３を保有することなく、キャパシタ電池２０１ａ、キャパシタ電池２０１ｂで構成しても良いことは言うまでもない。
図１９（ｂ）では、一次側のキャパシタ電池２０１ａにスイッチ回路２０８ｂ１を構成するとともに、二次側のキャパシタ電池２０１ｂにスイッチ回路２０８ｂ２を構成している。したがって、キャパシタ電池２０１ａに回生制動による発電電力を充電することができる。また、キャパシタ電池２０１ａの端子電圧を放電させることにより、低下させることもできる。
同様に、キャパシタ電池２０１ｂに回生制動による発電電力を充電することができる。また、キャパシタ電池２０１ｂの端子電圧を放電させることにより、低下させることもできる。
図１９（ｂ）は、キャパシタ電池２０１に充電した電力を、昇圧回路（降圧回路）２２６により、キャパシタ電池２０１ｂに充電する回路構成である。
回生制動による回生電力は、スイッチ回路２０８ａのスイッチＳＷａをクローズした場合は、キャパシタ電池２０１ａに充電する。スイッチ回路２０８ａのスイッチＳＷｂをクローズした場合は、キャパシタ電池２０１ｂに充電する。
図１９の技術的思想は、図１１、図１２、図２０、図２１、図２２、図２３等にも適用できることは言うまでもない。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図２０は本発明のハイブリッド自動車のブロック図及び説明図である。
なお、本明細書の実施例において、ハイブリッド自動車を例示して説明するが、これに限定するものではなく、電動バイク、電気自動車、燃料電池自動車、電車等であってもよい。本発明の技術的思想は、回生制動と充電電池を有する物であればいずれの物あるいは装置であっても適用される。また、他の図面等で説明した事項は、適時あるいは必要に応じて、図２０、図２１、図２４（ｂ）についても適用あるいは組み合わせることができる。
図２０を参照しながら、本実施形態の制御部２１０、電池ユニット２２４が搭載されるハイブリッド自動車について説明する。
自動車の場合は、アクセルペダルとブレーキペダルに取り付けられがセンサ（アクセルペダルセンサ２９５、ブレーキペダルセンサ２９３）の出力、車速入力回路２２０、温度入力回路２１１、ブレーキ入力回路２１５を加味して、回生制動によるブレーキを実施するかを判断する。また、機構制御によるブレーキを実施するかを判断する。
図２０に示すように、ハイブリッド自動車は、エンジン２３２と、モータジェネレータ２３４、モータジェネレータ２３５、キャパシタ電池２０１、リチウム二次電池等で構成された二次電池２０３、インバータ回路２０６ａ等を有する。
インバータ回路２０６は、二次電池２０３とキャパシタ電池２０１のうち少なくとも一方電池の直流電力を、モータジェネレータ２３４、モータジェネレータ２３５を駆動する交流電力に変換する機能、モータジェネレータ２３４、モータジェネレータ２３５が発電した交流電力を二次電池２０３またはキャパシタ電池２０１への充電用の直流電力に変換する機能を備えている。
エンジン２３２の出力軸とモータジェネレータ２３４、モータジェネレータ２３５の出力軸は、動力分配統合機構２３３に接続されている。動力分配統合機構２３３は、エンジン２３２の出力トルクを、駆動輪２３１を駆動するトルクと、モータジェネレータ２３４、モータジェネレータ２３５を発電機として機能させるためのトルクとに分配する。
動力分配統合機構２３３は、モータジェネレータ２３４、モータジェネレータ２３５の出力トルクとエンジン２３２の出力トルクとを統合して駆動輪２３１に伝達することができる。動力分配統合機構２３３には、温度センサ２０４ｄ３が配置され、動力分配統合機構２３３の温度を温度入力回路２１１が測定あるいは監視する。
二次電池２０３の出力端子には、二次電池２０３の電圧を検出するＡＤコンバータ回路２０５ｂが取り付けられている。キャパシタ電池２０１の出力端子との間には、二次電池２０３の電圧を検出するＡＤコンバータ回路２０５ａが取り付けられている。
インバータ回路２０６ａの入力側の電力ラインには二次電池２０３の充放電電流を検出する電流センサ２２５が取り付けられている。
二次電池２０３には、二次電池２０３の温度を検出する温度センサ２０４ｂが取り付けられている。キャパシタ電池２０１には、キャパシタ電池２０１の温度を検出する温度センサ２０４ａが取り付けられている。
モータジェネレータ２３５には、モータジェネレータ２３５の温度を検出する温度センサ２０４ｄ２が配置されている。モータジェネレータ２３４には、モータジェネレータ２３４の温度を検出する温度センサ２０４ｄ１が配置されている。インバータ回路２０６ａには、インバータ回路２０６ａの温度を検出する温度センサ２０４ｃが配置されている。
ＡＤコンバータ回路２０５、電流センサ２２５、温度センサ２０等の出力データの処理は、図１１、図１２、図１７等で説明し、同様あるいは類似であるので説明を省略する。
本明細書、図面等で説明する内容は、技術的思想は、図２０、図２１、図２３、図２４（ｂ）等の本発明にも適用できることは言うまでもない。
たとえば、図１７で説明したブレーキ入力回路２１５が、ブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３からの信号を駆動制御回路２２２の演算部（図示せず）に出力する構成あるいは方法が適用できる。
また、ＧＰＳユニット２３６で、回生制動の発生有無を予測する構成あるいは方法、ブレーキセンサ２７２／ブレーキセンサ２７３のブレーキ出力をブレーキ入力回路２１５が収集して駆動制御回路２２２が演算処理する構成あるいは方法が適用できる。
また、位置検出センサ２１８のモータ２０７の位置データを車速入力回路２２０が収集して駆動制御回路２２２が演算処理する構成あるいは方法が適用できる。
駆動制御回路２２２が演算処理することにより、キャパシタ電池２０１の放電あるいは充電制御を最適に制御する構成あるいは方法が適用できる。
モータ２０７のホール素子等の位置検出センサ２１８を備え、ローターの回転情報（すなわちホール信号）を制御部２１０の駆動制御ユニット２８３に出力する構成あるいは方法が適用できる。
電流センサ２２５はインバータ回路２０６に入力される入力電流、回生制動駆動によりインバータ回路２０６を制御する構成あるいは方法等が適用できることは言うまでもない。
ハイブリッド自動車のエンジン２３２、モータジェネレータ２３４、モータジェネレータ２３５は、制御部２１０、電池ユニット２２４によって回転数、トルク等が調整される。
エンジン２３２を始動する際には、モータジェネレータ２３４を電動機として機能させてエンジン２３２を駆動方向に回転させる。
逆にエンジン２３２を停止させる際には、モータジェネレータ２３４を発電機として機能させてエンジン２３２に回転方向と逆方向のトルクを加える。この際、モータジェネレータ２３４で発電された電力は、インバータ回路２０６ａを介して、キャパシタ電池２０１に充電される。
ＡＤコンバータ回路２０５ａはキャパシタ電池２０１の端子電圧を取得する。ＡＤコンバータ回路２０５ｂは二次電池２０３の端子電圧を取得する。ＡＤ入力回路２１４は、ＡＤコンバータ回路２０５ａ、ＡＤコンバータ回路２０５ｂの電圧データ、すなわち、キャパシタ電池２０１、二次電池２０３の出力電圧をデジタル化して演算部（図示せず）に出力する。
電池ユニット２２４は、キャパシタ電池２０１、二次電池２０３、温度センサ２０４ａ、温度センサ２０４ｂからの温度情報だけではなく、満充電状態を含む充電レベルの情報、他の理由から充電不可を表す信号を制御部２１０に伝達する。
本発明のハイブリッド自動車は、通常の走行状態では、二次電池２０３からインバータ回路２０６に電力を供給する。二次電池２０３の放電時は、温度センサ２０４ｂで二次電池２０３の温度を検出する。
スイッチ回路２０８ａは、二次電池２０３からインバータ回路２０６に電力を供給する時は、スイッチＳＷｂをクローズする。また、キャパシタ電池２０１からインバータ回路２０６に電力を供給する時は、スイッチＳＷａをクローズする。
スイッチ回路２０８ａのスイッチＳＷａとスイッチＳＷｂの両方をクローズし、キャパシタ電池２０１と二次電池２０３の両方からインバータ回路２０６に電力を供給してもよい。
キャパシタ電池２０１は放電特性が高速であるため、瞬時にインバータ回路２０６に電力を供給でき、モータ２０７の動作開始が良好となる。また、キャパシタ電池２０２からインバータ回路２０６に電力を供給することもできる。
ブレーキ動作のために回生制動が実施され、モータ２０７が発電状態となると、ＰＷＭ変換回路２１２が動作し、インバータ回路２０６ａを介して電力が出力される。また、スイッチ回路２０８ａは、スイッチＳＷａをクローズし、スイッチＳＷｂをオープンにする。回生制動で発電した電流は、キャパシタ電池２０１に充電される。
キャパシタ電池２０１の端子電圧はＡＤコンバータ回路２０５ａで測定される。また、キャパシタ電池２０１の温度は温度センサ２０４ａで測定される。
インバータ回路２０６に印加される電圧、あるいはインバータ回路２０６から出力される電圧は、ＡＤコンバータ回路２０５ｃで取得し、ＡＤ入力回路２１４が収集して、制御部２１０の駆動制御回路２２２に伝達される。
回生制動により、キャパシタ電池２０１に充電する際、キャパシタ電池２０１が満充電あるいは回生制動で発生した電力を充電できない場合は、スイッチ回路２０８ｂをオンさせてキャパシタ電池２０１の電荷の所定量を放電させる。
二次電池２０３の電極端子の電圧をＡＤコンバータ回路２０５ｂで測定し、また、二次電池２０３の温度を温度センサ２０４ｂで測定した結果、二次電池２０３に充電容量がある場合は、スイッチ回路２０８ａのスイッチＳＷａをクローズさせて、二次電池２０３に回生制動で発電した電力を充電してもよい。
スイッチ回路２０８ａのスイッチＳＷａ、スイッチ回路２０８ＳＷｂの両方をクローズさせて、キャパシタ電池２０１と二次電池２０３の両方に回生制動により発電した電力を充電してもよい。
キャパシタ電池２０１、キャパシタ電池２０２は図１３、１図１４、図１５、図２２、図２３に図示するように構成し、スイッチＳを制御することにより、キャパシタ電池２０１の容量を増加させること、電荷を放電すること、端子電極１０６の電圧を変化させることができる。
端子電極１０６の電圧を変化させることにより、回生制動で発生した電力を、キャパシタ電池２０１に良好に充電できる方式についても説明しているので説明を省略する。この機能を実施する場合は、スイッチ回路２０８ｂにより放電させる必要はない。
回生制動の発生と同時に、あるいはそれ以前に、キャパシタ電池２０１の端子電圧をＡＤコンバータ回路２０５ａで測定し、キャパシタ電池２０１に充電容量があるかを判定する。また、同時に温度センサ２０４ａによりキャパシタ電池２０１の温度を測定する。
キャパシタ電池２０１に回生制動による発電した電力を充電できる容量がない場合、スイッチ回路２０８ｂをクローズさせて、所定量の電荷を抵抗回路（放電回路）２０９、ヘッドライト（照明ライト）２８１、ブレーキライト（バックライト）２８６、ヒータ線２２７等で放電する。
または、図１４、図１５、図２２、図２３の本発明のキャパシタ電池のスイッチＳを制御してキャパシタ電池２０１の端子電極１０６ａの電圧、キャパシタ電池２０１の容量を制御する。
以上のように、本発明は、キャパシタ電池２０１に回生制動による発電電力を充電することができ、省電力化を実現でき、回生制動による良好なブレーキ性能を実現することができる。本発明のキャパシタ電池２０１は充電速度、放電速度が極めて速く、回生制動により発電した電力の充電制御に適する。また、高速にインバータ回路２０６にキャパシタ電池２０１からの電力を供給することができる。
本発明のハイブリット自動車は、ＧＰＳユニット２３６を保有する。ＧＰＳユニット２３６は経路情報で先に、坂道を上る方向に移動するか、坂道を下る方向に移動するかの情報を得ることができる。また、坂道の傾斜角度、傾斜区間の距離の情報を得ることができる。これら情報により、回生制動による発電量を駆動制御回路２２２が演算予測し、キャパシタ電池２０１の電荷を放電制御する。
回生制動による発電が発生していない通常の走行時は、図１９で説明したように、昇圧回路（降圧回路）２２６で、キャパシタ電池２０１の電荷は、昇圧等され、二次電池２０３に充電される。
図２０の本発明の実施例では、エンジン２３２を保有しているが、エンジン２３２を保有しない電気自動車であっても、本発明の技術的思想を適用できることは言うまでもない。また、別途、回生制動のよる電力を発生する専用のモータを保有して、このモータの電力をキャパシタ電池２０１等に充電できるように構成しても良い。
図１９（ａ）の本発明の実施例では、キャパシタ電池２０１ｂと二次電池２０３を保有する。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）の一点鎖線部を変更した実施例である。図１９（ｂ）の実施例では、キャパシタ電池２０１ａとキャパシタ電池２０１ｂを保有する。
本発明は、図１９等に図示するように、複数のキャパシタ電池２０１（キャパシタ電池２０１ａ、キャパシタ電池２０１ｂ）を保有するとして説明したが、これに限定するものではない。たとえば、１つのキャパシタ電池２０１を保有し、当該キャパシタ電池２０１に回生制動により発電した電力を充電する機能と、インバータ回路２０６に電力を供給する機能とを備えても良いことは言うまでもない。
図２１は本発明の電気自動車のブロック図である。本発明の電気自動車は本発明のキャパシタ電池２０１、電池ユニット２２４を保有する。
本発明の電気自動車は、電池ユニット２２４からの電力をインバータ回路２０６で交流信号に変換される。交流信号は３相交流モータ２０７に印加されて駆動輪２３１ａ、駆動輪２３１ｂを回転させる。
充電リッド２９７からの交流電力は、車載充電器２９６に直流電力に変換されて、電池ユニット２２４に供給される。充電リッド２９７は、急速充電と普通充電のポートを分けてある。急速充電での車両との通信は、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信を使用している。車両側の情報を急速充電器に送信し、車両に見合った充電を行い、また、家庭の電気系統への給電も可能である。
急速充電は充電電流が高いため、早い段階から上限電圧に達するため、電流を下げていく。普通充電は充電電流が低いため、フル充電付近で電流を下げていく。
電池は、外気温など環境により温度は変化する。他に過放電（急加速）や充電時にも発熱して温度が上昇する。温度は温度センサ２０４で測定して、温度上昇を監視する。本発明のキャパシタ電池２０１は、二次電池２０３と比較して、温度変化が小さい。
モータ２０７は、４５００～６５００回転で９６％のピーク効率を得ている。また、広い範囲の回転数で８８％以上の効率を確保している。モータ２０７の回転は位置検出センサ２１８で監視、検出する。電池ユニット２２４は、４０ＫＷｈ以上の容量を保有している。
図１６（ｂ）で説明したブレーキレバー２７６と同様に、本発明の自動車は、ブレーキペダルの踏込強さ、踏込速度にブレーキペダル備わったブレーキペダルのブレーキペダルセンサ２９３の出力が変化し、回生制御ブレーキ、機構制御ブレーキのブレーキ速度、ブレーキ強さが変化するように構成されている。また、ブレーキペダル位置の変化割合で回生制動の大きさが変化するように構成されている。
乗車者がブレーキペダルを踏みこむと、回生制動による充電機能が働き、モータ２０７から発生した電気が電池ユニット２２４に充電される。
ブレーキペダルは、図１６（ｂ）と同様に、Ｃ位置までは回生制動による充電機能はオフさせる。Ｂ位置、Ｃ位置はブレーキセンサの設定により調整することができる。また、Ｄ位置に近づくにしたがって、回生制動によるブレーキ力が大きくなる。
アクセルペダルのアクセルペダルセンサ２９５が押圧（動作）されている時に、ブレーキペダルのブレーキペダルセンサ２９３が押圧（動作）されていることは少ないか、または、押圧（動作）されていない。
図２０に図示するように、アクセルペダルに取り付けられたアクセルペダルセンサ２９５の出力はアクセル入力回路２９４に入力される。ブレーキパダルに取り付けられたブレーキペダルセンサ２９３の出力はブレーキ入力回路２１５に入力される。
駆動制御回路２２２は、エンジン２３２の位置検出センサ２１８（回転状態の検出機能、回転速度の測定等を実施）が取り付けられ、または配置されている。位置検出センサ２１８の出力は、車速入力回路２２０に入力される。
アクセルペダルとブレーキペダルに取り付けられがセンサ（アクセルペダルセンサ２９５、ブレーキペダルセンサ２９３）の出力、車速入力回路２２０、温度入力回路２１１、ブレーキ入力回路２１５を加味して、回生制動によるブレーキを実施するかを判断する。また、機構制御によるブレーキを実施するかを判断する。
シフトセンサ２９８は、アクティブＰＬＣＤ技術を使用して、自動マニュアル、トランスミッション(ＡＭＴ)のシフト位置を測定する。
本発明の自動車は、変速機（トランスミッション）と呼ばれる装置が搭載されている。トランスミッションとは、歯車（ギア）の組み合わせなどを利用してエンジンの回転数を適切な範囲に保つ装置である。ギアポジションセンサーは、運転者が操作した1速、２速といったギアの状態を検知し、電気信号として駆動制御回路２２２に伝える役割を担っている。
ジャンクションボックス３０１は異常時や衝突を検知した場合、電流を遮断する。サービスプラグ３０２は整備時や事故の際に高電圧を遮断するプラグである。
駆動制御回路２２２は電池（バッテリ）状態の把握（充電状態、出力、入力、温度等）、過電圧、過放電の防止、加熱の防止等の制御も行う。
電池ユニット２２４は強固な鉄製でできており、衝撃に耐えられるようになっている。また、完全密閉型で、浸水によるショートを防いでいる。各部に温度センサ２０４が配置されている。温度センサ２０４は電池の温度を監視し、異常過熱による事故を防止する。
図２２は、本発明の自動車において、充電リッド２９７から車載充電器２９６を介して、キャパシタ電池２０１ａに充電する状態を説明する説明図である。
充電リッド２９７からの交流電力は、車載充電器２９６に直流電力に変換されて、電池ユニット２２４のキャパシタ電池２０１ａに供給される。充電リッド２９７は、急速充電と普通充電のポートを分けてある。
急速充電での車両との通信は、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信を使用している。車両側の情報を急速充電器に送信し、車両に見合った充電を行い、また、家庭への給電も可能である。
ブリーダ抵抗３０８は、昇圧回路（ＤＣＤＣコンバータ）２２６とインバータ回路２０６間に配置される。ブリーダ抵抗３０８はキャパシタ電池２０１からモータ２０７への昇圧時はダンピング抵抗として機能し、モータ２０７からキャパシタ電池２０１への回生時はブリーダ抵抗として機能する。ブリーダ抵抗に関する事項は、本発明の他の実施例にも適用される。
本発明のキャパシタ電池２０１は、高速充電を実現できる。急速充電時は充電電流が大きい。最初は、スイッチＳｄ１をオンさせてキャパシタＣｃ１を充電する。キャパシタＣｃ１の端子電圧は、ＡＤコンバータ回路２０５ａで測定する。ＡＤコンバータ回路２０５ａが測定した電圧が設定値になるとキャパシタＣｃ１がフル充電されたと判断し、スイッチＳｄ１をオープンし、スイッチＳｄ２をクローズする。スイッチＳｄ２のクローズによりキャパシタＣｃ２の充電が開始される。ＡＤコンバータ回路２０５ａが測定した電圧が設定値になるとキャパシタＣｃ２がフル充電されたと判断し、スイッチＳｄ２をオープンし、スイッチＳｄ３をクローズする。
キャパシタ電池２０１ａのスイッチＳｄ１からＳｄｍを順次、オンさせることにより、充電リッド２９７からの交流電力は、車載充電器２９６を介して、充電電流が所定値以下となるように規制された状態で、キャパシタ電池２０１ａを充電することができる。
キャパシタ電池２０１の温度依存性は小さいが、外気温など環境により温度は変化する。他に過放電（急加速）や充電時にも発熱して温度が上昇する。温度は温度センサ２０４ａで測定して、温度上昇を監視する。
キャパシタ電池２０１ａの電圧（電力）は、昇圧回路２２６ａにより昇圧されて、キャパシタ電池２０１ｂに充電される。キャパシタ電池２０１ａの端子電圧は、昇圧回路２２６ｂの昇圧効率が良好な電圧に設定される。キャパシタ電池２０１ａのキャパシタＣｃのスイッチＳｄが順次オンして昇圧回路２２６ａに印加される。
キャパシタ電池２０１ａのキャパシタＣｃ（キャパシタＣｃ１～キャパシタＣｃｍ）が、全て所定の電圧値に充電されているとする。最初は、キャパシタ電池２０１ａのキャパシタＣｃ１のスイッチＳｄ１がオンして、電圧を昇圧回路２２６ａのＶＩＮ端子に印加する。
昇圧回路２２６ａは印加された電圧（電力）を昇圧して、クローズされたスイッチＳｂが接続されたキャパシタＣａ、キャパシタＣｂ（電池モジュール群Ｂｂ）に印加し、電池モジュール群Ｂｂを充電する。１つの電池モジュール群Ｂｂが充電されると、該当のスイッチＳｂをオープンし、次のスイッチＳｂをクローズして、電池モジュール群Ｂｂを充電する。
昇圧回路２２６ａは、キャパシタ電池２０１ａの電圧Ｖｃとし、２倍昇圧して２Ｖｃとする構成等の場合、キャパシタ電池２０１ｂを充電する昇圧効率は良好となる。２倍昇圧などの整数倍の昇圧は、昇圧回路２２６をチャージポンプ回路として構成することにより、効率が良い昇圧を実現できる。したがって、キャパシタ電池２０１ａの端子電圧と、キャパシタ電池２０１ｂの充電電圧は整数倍に設定することが好ましい。
キャパシタ電池２０１ｂの電池モジュール群Ｂｂの充電状態は、ＡＤコンバータ回路２０５ｂで、充電している各電池モジュール群Ｂｂの端子電圧を測定することにより実施する。
図１１（ｂ）、図１１（ｃ）、図１２（ｂ）で説明したように、昇圧回路２２６ａ、降圧回路２２６ｂは昇圧効率あるいは降圧効率が良好な昇圧（降圧）回路２２６を配置し、適正な回路を選択できるように構成する。
キャパシタ電池２０１ｂのスイッチを選択することにより、キャパシタ電池２０１ｂの容量を変化させることができる。また、図２３に図示するようにキャパシタ電池２０１をマトリックス状に接続した構成することにより、キャパシタ電池２０１からの出力電圧（電力）を平滑化する割合、程度、変化速度を変更することができる。
図２２において、キャパシタ電池２０１ｂのグランド端子をキャパシタ電池２０１ａの出力端子と共通にした構成でもよい。キャパシタ電池２０１ａの出力電圧によりキャパシタ電池２０１ｂのグランド電位が変化し、キャパシタ電池２０１ｂの端子電圧を変化させることができる。
スイッチ回路２０８ａは、インバータ回路２０６に接続されている。インバータ回路２０６への電力経路には、電流センサ２２５が配置され、インバータ回路２０６への入力電流、出力電流を計測することができる。
電流センサ２２５が測定した電流値により、キャパシタ電池２０１ｂのスイッチＳａの動作（オープン／クローズ）を可変あるいは設定する。
以上の実施例は、キャパシタ電池２０１ａとキャパシタ電池２０１ｂを有する構成である。本発明はこれに限定するものではない。
図２３は、マトリックス状に接続したキャパシタ電池２０１を用い、インバータ回路２０６なしにモータ２０７に印加する三相の交流電圧を発生する実施例である。
図２３において、キャパシタ電池２０１は、２ｘ２個を１組とするユニットで構成されている。ユニット間には、スイッチSが形成または配置されている。各スイッチSをオンオフさせることにより端子電極１０６の電位を調整または制御する。
モータ２０７に印加するＵ相にキャパシタ電池２０１Ｕを使用し、Ｖ相にキャパシタ電池２０１Ｖを使用し、Ｗ相にキャパシタ電池２０１Ｗを使用する。各相に流れる電流は電流センサ２２５で測定する。電流センサ２２５の出力値により、キャパシタ電池２０１（キャパシタ電池２０１Ｕ、キャパシタ電池２０１Ｖ、キャパシタ電池２０１Ｗ）のスイッチＳのオンオフ状態を制御する。モータ２０７の回転は、スイッチＳＵ、スイッチＳＶ、スイッチＳＷを順次オンさせる。
キャパシタ電池２０１のスイッチＳ、スイッチＳＵ、スイッチＳＶ、スイッチＳＷのオンオフ状態を制御することにより、電池モジュール群Ｂ（電池モジュール群Ｂ１～電池モジュール群Ｂｎ）の出力電圧を設定することができる。電池モジュール群ＢのスイッチＳａ（スイッチＳａ１～スイッチＳａｎ）を順次オンオフさせることにより、キャパシタ電池２０１から矩形の交流波形を出力することができる。また、スイッチＳａのオン時間を変化させることにより、モータ２０７に供給する電力を変化させることができ、モータ２０７のトルク、回転速度を可変することができる。
電動自転車や電気自動車等のモータを、減速時には発電を行い、その電力を充電可能な電池に戻すという回生制動に用いる場合がある。
しかし、電池が満充電の場合、電池が低温の場合、その他の電池異常等により回生電流が流せない場合には、回生制動時の充電電流（以下、回生電流とも呼ぶ）が制限される。または、全く回生電流を流せないため、回生制動がかけられない。また、充分な制動トルクが出せない。
本発明では、高速に充電／放電できるキャパシタ電池２０１を用いることにより、キャパシタ電池２０１が満充電状態であっても、短時間で、キャパシタ電池２０１の電荷量を放電させることができる。放電後、追加で充電できる容量を確保することができる。
モータ２０７が回生制動の場合は、逆の動作により、キャパシタ電池２０１に電力を充電させることができる。
なお、本発明の実施例において、キャパシタ電池２０２を二次電池２０３に置き換えても良いことは言うまでもない。
本発明の実施例において、キャパシタ電池２０１と二次電池２０３を保有する、あるいは図１９等に図示するように、複数のキャパシタ電池２０１（キャパシタ電池２０１ａ、キャパシタ電池２０１ｂ）を保有するとして説明したが、これに限定するものではない。たとえば、１つのキャパシタ電池２０１を保有し、当該キャパシタ電池２０１に回生制動により発電した電力を充電する機能と、インバータ回路２０６に電力を供給する機能とを備えても良いことは言うまでもない。
キャパシタ電池２０１ａは回生制動による電力の充電だけではなく、図１、図２で説明したように手動あるいは他の動力源による発電による電力を充電させても良いことは言うまでもない。
キャパシタ電池２０１ａは回生制動による電力の充電だけではなく、図１１、図１２で説明したように手動あるいは他の動力源による発電による電力を充電させても良いことは言うまでもない。
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものでは無く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えることができる。また、それぞれの実施例を組み合わせることができる。
たとえば、本発明を構成するキャパシタ電池、二次電池に用いられるセパレータは、上述の通り、絶縁性または／および透水性を備えたシート状のものであればどのようなものでもよい。
正電極、負電極間に、固体電解質のセパレータ１０２を配置し、電解質として過塩素酸リチウム水溶液を用いた本発明の二次電池を用いて、図２４の機器、車等を構成することができる。
本発明に係るキャパシタ電池等は、蓄電容量の大小も問わない。さらにまた、キャパシタ電池等の機構において、酸化・還元反応が生じているかどうかも問わない。
また、本発明のキャパシタ電池等及び当該制御方法は、自転車、自動車の回生制動装置に用いるとしたが、これに限定するものではなく、無停電電源装置の充電器、スマートフォンの充電電池、電気機器のバックアップ電池等、多種多様な装置あるいは機器、また、当該装置あるいは機器の駆動方法あるいは制御方法として適用できることは言うまでもない。
水溶液系の電解液を用いた、いわゆる水系のキャパシタ電池等は、導電性が高く、電解質の解離、イオンの移動度に優れ、また、溶媒が水であることから安全性が高く、不揮発性で水分管理がしやすく、コストも低い。本発明のキャパシタ電池等は、水の電気分解の制約を克服することができ、様々な分野での活用が期待できる。
たとえば、回生エネルギーの回収システムにおいて、回生協調ブレーキ技術は省エネルギー化を左右する上で最も重要である。回生協調ブレーキは、回生制動と摩擦制動のバランスを駆使する。つまり、制動エネルギーを、発電に利用するか摩擦ブレーキでロスするかのバランスである。
回生制動が増加すれば、それだけ発電と充電の負荷が増加する。結果として、数秒間に大電流が発生し、それを充電する機能を備えることが要求される。
本発明のキャパシタ電池２０１等は内部抵抗が小さく、その結果発熱量が少なく、しかも不燃性であるから上の要求に十分に応えられる。
本発明のキャパシタ電池２０１等は、回生エネルギーの回収だけではなく、安価な材料（黒鉛と活性炭及びＳＵＳあるいはチタン箔）と安価な製造コスト（大気中での作業が可能）により、安価な大型蓄電デバイスの製作が可能である。
たとえば、風力や太陽光発電用の蓄電デバイスが例示される。大型になるほど安価で、安全性に対する要求も強くなる。リチウムイオン電池は高品位であるが、希少金属を用いるため大型化には不向きである。他に、大型のバナジウムレドックスフロー電池やナトリウム硫黄電池は価格と安全性の課題がある。
本発明のキャパシタ電池等は、多様な回生電流の充電機器に使用することにより、省電力性が向上し、地球環境に寄与することができる。
１０１ 金属板（導電板）
１０２ セパレータ
１０３ ベースフィルム
１０４ 電極材料
１０５ 電解液
１０６ 電極端子
１０７ 容器
１０８ 絶縁フィルム
１０９ 負荷
１１０ 電源
１１１ 導電膜
１１４ 接続板
１１５ ビーズ
１２０ 対極
１２１ 参照電極
１２２ 作用電極
１２３ 電圧計
１２４ 可変電圧装置
１２５ 可変電圧装置
１２６ 電流計
１２７ 電着溶液
１２８ 溶液槽
２０１ キャパシタ電池
２０２ キャパシタ電池
２０３ 二次電池
２０４ 温度センサ
２０５ ＡＤ（アナログ－デジタル）コンバータ回路
２０６ インバータ回路
２０７ モータ
２０８ スイッチ回路
２０９ 抵抗回路（放電回路）
２１０ 制御部
２１１ 温度入力回路
２１２ ＰＷＭ変換回路
２１４ ＡＤ入力回路
２１５ ブレーキ入力回路
２１６ ペダル回転入力回路
２１７ ペダルトルク入力回路
２１８ 位置検出センサ
２２０ 車速入力回路
２２２ 駆動制御回路
２２４ 電池ユニット
２２５ 電流センサ
２２６ 昇圧回路（降圧回路）
２２７ ヒータ線（発熱手段、加温手段）
２３１ 駆動輪
２３２ エンジン
２３３ 動力分配統合機構
２３４ モータジェネレータ
２３５ モータジェネレータ
２３６ ＧＰＳユニット
２５１ 動作ランプ
２５２ 回転ハンドル
２５３ 取手
２５４ 充電ランプ
２５５ 回転部
２５６ 充電器本体
２５７ スピーカ
２５８ コード
２５９ 充電ソケット
２６１ 発電機
２６２ 回転検出センサ
２７１ 操作盤
２７２ ブレーキセンサ
２７３ ブレーキセンサ
２７４ ハンドル
２７５ ブレーキレバー
２７６ ブレーキレバー
２７７ ブレーキワイヤ
２７８ ブレーキワイヤ
２７９ 選択スイッチ
２８０ 電圧測定器
２８１ ヘッドライト（照明ライト）
２８２ 電池ユニット
２８３ 駆動制御ユニット
２８４ ペダルトルクセンサ
２８５ ペダル回転センサ
２８６ ブレーキライト（バックライト）
２８７ ランプ
２８８ ペダル
２８９ 前車輪
２９０ フレーム
２９１ 後車輪
２９２ ブレーキ
２９３ ブレーキペダルセンサ
２９４ アクセル入力回路
２９５ アクセルペダルセンサ

Claims (10)

  1. 容器と、
    前記容器内に配置された炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）と酸化鉄と燐を含有する第１の電極材料と、
    前記容器内に配置された炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）と酸化鉄と燐を含有する第２の電極材料と、
    前記第１の電極材料と前記第２の電極材料を浸透する過塩素酸塩水溶液からなる電解液を具備することを特徴とするキャパシタ電池。
  2. 第１の導電板と、
    第２の導電板と、
    前記第１の導電板上に形成された炭素材料からなる第１の炭素材料層と、
    前記第２の導電板上に形成された炭素材料からなる第２の炭素材料層と、
    前記第１の炭素材料層上に形成された炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）と酸化鉄と燐を含有する第１の電極材料と、
    前記第２の炭素材料層上に形成された炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）と酸化鉄と燐を含有する第２の電極材料と、
    前記第１の電極材料と前記第２の電極材料を浸透する過塩素酸塩水溶液からなる電解液を具備することを特徴とするキャパシタ電池。
  3. 容器と、
    前記容器内に配置された炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）と酸化鉄と燐を含有する第１の電極材料と、
    前記容器内に配置された炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）と酸化鉄と燐を含有する第２の電極材料と、
    前記第１の電極材料と前記第２の電極材料間に配置された球状ビーズあるいは円筒形状物と、
    前記第１の電極材料と前記第２の電極材料を浸透する過塩素酸塩水溶液からなる電解液を具備することを特徴とするキャパシタ電池。
  4. 前記電解液は、過塩素酸ナトリウム、過塩素酸リチウム、過塩素酸マグネシウム、過塩素酸カルシウム、過塩素酸バリウム、過塩素酸アルミニウムのいずれかであり、
    前記電解液の飽和度は、９５％以上であることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載のキャパシタ電池。
  5. 前記第１の電極材料と前記第２の電極材料間に、セパレータが配置または形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載のキャパシタ電池。
  6. 前記電極材料の炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）の混合割合は、０．０１％以上１０％以下であり、
    前記電極材料の燐（Ｐ）の混合割合は０．００１％以上０．５％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載のキャパシタ電池。
  7. 炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）、鉄および燐を含有する溶液に導電板を配置し、
    前記導電板に、炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）、燐、鉄を含む電極部材をメッキする第１の工程と、
    前記電極部材を焼結する第２の工程と、
    前記導電板、前記電極部材および過塩素酸塩水溶液からなる電解液を容器内に配置する第３の工程を有することを特徴とするキャパシタ電池の製造方法。
  8. 炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）、鉄および燐を含有する溶液に導電板を配置し、
    前記導電板に、炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）、燐、鉄を含む電極部材を電着する第１の工程と、
    前記電極部材を焼結し、前記鉄を酸化鉄にする第２の工程と、
    前記導電板、前記電極部材および過塩素酸塩水溶液からなる電解液を容器内に配置する第３の工程を有することを特徴とするキャパシタ電池の製造方法。
  9. 焼結する焼結温度は、３００℃以上５００℃以下であり、
    前記焼結した電極部材の炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）の混合割合は、０．０１％以上１０％以下であり、
    前記焼結した電極材料の燐（Ｐ）の混合割合は０．００１％以上０．５％以下であることを特徴とする請求項７または請求項８記載のキャパシタ電池の製造方法。
  10. 前記焼結した電極部材の炭素量子ドット（Carbon quantum dots：CQDs）の量が位置により異なることを特徴とする請求項７または請求項８記載のキャパシタ電池の製造方法。
JP2021025791A 2020-03-16 2021-02-22 キャパシタ電池及びキャパシタ電池の製造方法 Active JP7477880B2 (ja)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020044904 2020-03-16
JP2020044904 2020-03-16
JP2020052196 2020-03-24
JP2020052196 2020-03-24
JP2020171762 2020-10-12
JP2020171762 2020-10-12

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2022007986A JP2022007986A (ja) 2022-01-13
JP2022007986A5 JP2022007986A5 (ja) 2022-05-24
JP7477880B2 true JP7477880B2 (ja) 2024-05-02

Family

ID=77771997

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021025791A Active JP7477880B2 (ja) 2020-03-16 2021-02-22 キャパシタ電池及びキャパシタ電池の製造方法

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7477880B2 (ja)
WO (1) WO2021187019A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023004470A (ja) * 2021-06-25 2023-01-17 株式会社エフ・シー・シー キャパシタ用電極及びキャパシタ用電極の製造方法
CN115410838B (zh) * 2022-09-09 2023-11-24 三峡大学 磷、碳共修饰钴基氧化物的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013084521A (ja) 2011-10-12 2013-05-09 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 耐熱性リチウムイオン二次電池
JP2016503561A (ja) 2013-09-04 2016-02-04 エルジー・ケム・リミテッド 遷移金属−ピロリン酸化物負極活物質、この製造方法、及びこれを含むリチウム二次電池またはハイブリッドキャパシタ
JP2017050195A (ja) 2015-09-03 2017-03-09 国立大学法人長岡技術科学大学 蓄電デバイス用負極活物質
JP2017069535A (ja) 2015-10-01 2017-04-06 博 冨安 キャパシタ
JP2019510345A (ja) 2016-03-07 2019-04-11 イスクラ テクニカル プロダクツ，インク． セパレータ付き電極を製造するためのシステムおよび方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130143087A1 (en) * 2011-12-01 2013-06-06 Applied Nanostructured Solutions, Llc. Core/shell structured electrodes for energy storage devices
CN106876153B (zh) * 2015-12-13 2018-09-28 中国科学院大连化学物理研究所 一种自支撑结构的电极及其制备和应用
CN105948132B (zh) * 2016-05-06 2017-05-17 上海应用技术学院 一种三维γ‑Fe2O3纳米材料的制备方法及其应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013084521A (ja) 2011-10-12 2013-05-09 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 耐熱性リチウムイオン二次電池
JP2016503561A (ja) 2013-09-04 2016-02-04 エルジー・ケム・リミテッド 遷移金属−ピロリン酸化物負極活物質、この製造方法、及びこれを含むリチウム二次電池またはハイブリッドキャパシタ
JP2017050195A (ja) 2015-09-03 2017-03-09 国立大学法人長岡技術科学大学 蓄電デバイス用負極活物質
JP2017069535A (ja) 2015-10-01 2017-04-06 博 冨安 キャパシタ
JP2019510345A (ja) 2016-03-07 2019-04-11 イスクラ テクニカル プロダクツ，インク． セパレータ付き電極を製造するためのシステムおよび方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022007986A (ja) 2022-01-13
WO2021187019A1 (ja) 2021-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107204468B (zh) 二次电池、电池包及车辆
US10559854B2 (en) Secondary battery, battery pack, and vehicle
US10461375B2 (en) Secondary battery, battery pack, and vehicle
US8914176B2 (en) Surface-mediated cell-powered vehicles and methods of operating same
TWI487634B (zh) 電力系統
CN109524725B (zh) 二次电池、电池组以及车辆
JP6892358B2 (ja) 二次電池、電池パック及び車両
JP7477880B2 (ja) キャパシタ電池及びキャパシタ電池の製造方法
US20180277813A1 (en) Separator, secondary battery, battery pack, and vehicle
JP6759136B2 (ja) 複合電解質、二次電池、電池パック及び車両
CN111697209B (zh) 活性物质、电极、二次电池、电池包及车辆
JP7067985B2 (ja) 二次電池、電池パック、車両、及び定置用電源
EP3364491A1 (en) Secondary battery, battery module, battery pack, and vehicle
CN102770926B (zh) 具有纳米复合材料的电子电池
US10873080B2 (en) Secondary battery, battery pack, vehicle, and stationary power supply
US11456462B2 (en) Electrode, secondary battery, battery pack, and vehicle
Khalid et al. Advances in supercapacitor and supercapattery: innovations in energy storage devices
CN109196752A (zh) 蓄电系统、车辆以及机械设备
WO2014184861A1 (ja) 電池システム、その電池システムを備える移動体および電力貯蔵システム、および電池システムの制御方法
JP2022067641A (ja) キャパシタ、キャパシタ電池、キャパシタ電池を用いた回生制動装置及び回生制動方法、キャパシタ電池を用いた充電装置、自転車及び当該車の制御方法、自動車、電車及び当該自動車、電車の制御方法。
JP7226530B2 (ja) マグネシウムを含む電極およびその製造方法、ならびに電気化学デバイス
US11316153B2 (en) Lithium zinc secondary battery, battery pack, vehicle, and stationary power supply
JP7362581B2 (ja) 二次電池、電池パック及び車両
JP7269149B2 (ja) 二次電池、電池パック、車両、及び定置用電源
JP2023102771A (ja) 電池及び当該電池の製造方法、当該電池を用いた電池ユニットおよび自動車

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220516

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220516

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230711

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230725

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20231114

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231218

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240402

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240412