JPH06261452A

JPH06261452A - 蓄電電源装置

Info

Publication number: JPH06261452A
Application number: JP5043467A
Authority: JP
Inventors: Michio Okamura; 岡村廸夫
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1993-03-04
Filing date: 1993-03-04
Publication date: 1994-09-16
Anticipated expiration: 2021-04-05
Also published as: JP3764175B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】コンデンサを使って高効率で蓄電し負荷へ電
力を供給することが可能で、無駄な過充電や充電不足を
なくし、動作限界がわかる蓄電電源装置を提供する。【構成】複数個のコンデンサを直並列に接続したコン
デンサブロックＣに蓄電して負荷４に給電する蓄電電源
装置であって、充電充電回路２と、充電用電源１と、各
コンデンサＣの端子電圧を検出して所定値になった時充
電を制限する充電制限回路３とを備える。また、各コン
デンサに並列に端子電圧が所定値以上になった時充電電
流をバイパスする充電制限回路、これが動作したことを
検出する満充電検出回路、コンデンサの端子電圧から残
量を求める残量検出回路を備える。さらに、第１のコン
デンサブロックの端子電圧を検出し所定の電圧に達する
まで第２のコンデンサブロックから充電を行い、第１の
コンデンサブロックから負荷に直接電力を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数個の電気二重層コ
ンデンサ等を直並列に接続して構成したコンデンサブロ
ックに電力を蓄電して負荷に給電する蓄電電源装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】地球規模での環境問題からガソリンエン
ジンを搭載した自動車の排気ガスが規制の対象として議
論されるようになって久しい。しかし、現実には、依然
として自動車の生産台数の増加傾向は続いているが、自
動車の排気ガスを低減できる見通しはたっていない。こ
のような状況にあって、排気ガスのでない自動車として
は、バッテリーや太陽電池を搭載した電気自動車が注目
を集め、その早期実用化が緊急の課題となっている。

【０００３】最近においては、さしあたって長い継続走
行距離や高速走行を必要としない配達車や清掃車等の業
務用の車両に一部電気自動車が実用化され採用されてい
る。また、試作車としては、１００ｋｍ／ｈ以上の高速
走行、２００ｋｍ程度の継続走行が可能な車両の報告も
なされている。さらには、太陽電池を車上に搭載してバ
ッテリーを充電しながら走行する車両やエンジンとモー
タによるハイブリッド駆動の車両等も提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電気自動車は、エンジ
ン自動車のような歯車機構をなくしホィールモータを使
った独立４輪駆動が１つの方向としてある。この場合、
駆動機構としては、簡素化されたものとなり、走行性、
操舵性についても、各ホィールモータの協調制御により
解決できる。電気自動車における技術的な最大の課題
は、駆動動力源、つまりエンジン自動車に劣らない容量
のバッテリーの実現である。まず、電気自動車として、
十分実用に供するためには、エンジンと同程度の大き
さ、重量で、ガソリンエンジンに匹敵する動力の確保を
可能にする容量のバッテリーが必要である。しかも、充
電が高速でできるかガソリンの補給と同じ程度に簡便に
充電したバッテリーの交換が可能になることである。

【０００５】しかし、従来のバッテリーには、上記の要
求を満足するものがなく、特に、充電に長時間を要する
だけでなく、その割にエンジンに比べて大型で重量があ
るのが問題となっている。

【０００６】また、従来のコンデンサに比べて小型で大
容量の電気二重層コンデンサが開発され、電源のバック
アップ等に利用される傾向にある。この電気二重層コン
デンサのような大容量コンデンサは、蓄電電源として考
えた場合、鉛電池等と比べ、軽量で長寿命である点で有
利であるが、加わる電圧が定格に対して過大になると、
直ちにコンデンサの容量減少、漏れ電流増加などの損傷
をもたらす。その他、内部抵抗や耐電圧のコントロール
が不十分なため、積極的に利用されるには至っていな
い。

【０００７】さらに、二次電池を充電するにあたって、
その充電完了を正確に検出し、或いはその時点でその電
池からあとどれくらいの電気量が使用できるかを計測す
るにはこれまで種々の困難があった。

【０００８】例えば充電完了を検出する方法としては、
終止電圧を一定値に定めたり、流入した電気量から推定
したり、一定時間充電後に電池の温度特性により電圧が
僅かにディップする瞬間を捕らえるなど、種々の工夫が
なされているが、それにもかかわらず電池の新旧や経年
変化の状態、充電電流、継続して使用もしくは充電した
か否かなど、電池の状態によって充電特性は様々に変化
する。

【０００９】また、残量を計測する方法としては、一定
負荷をかけて端子電圧を測ったり、充放電した電気量か
ら計算したり、電解液の温度と比重から推定するなど、
種々の工夫がなされているが、電池のできばえや新旧、
使用履歴、負荷や充電時の条件などによって電池の特性
は様々に変化する。

【００１０】上記のように満充電の点を常に正確に検出
する方法、電池の残量を常に正確に検出する方法は、ほ
とんど存在しないというべき状態にある。しかも、電池
の容量を有効に使用するためには、一定量の過充電が行
われるのが通常であり、また、電池の残量を知ることが
不可欠な条件である。電気自動車などの実用化によって
二次電池の使用が日常化する将来においては、過充電の
ために生じる電気エネルギーの浪費も無視できない問題
になり、あとどれくらい走れるかがわかるか否かによっ
て、その電池の実用性がかかるとさえ予測される。

【００１１】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、負荷への供給電圧が安定した急速充電が可能で長
寿命、軽量な蓄電電源装置を提供することを目的とする
ものである。本発明の他の目的は、コンデンサを使って
高効率で蓄電し負荷へ電力を供給することが可能な蓄電
電源装置を提供することである。本発明のさらに他の目
的は、満充電の点を正確に検出し、無駄な過充電や充電
不足をなくすことができる蓄電電源装置を提供すること
である。本発明のさらに他の目的は、残量を正確に計測
し、信頼できる動作限界を知ることができる蓄電電源装
置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そのために本発明は、複
数個のコンデンサを直並列に接続して構成したコンデン
サブロックに蓄電して負荷に給電する蓄電電源装置であ
って、負荷に接続され負荷に直接電力を供給するコンデ
ンサブロックと、該コンデンサブロックを充電する充電
回路と、コンデンサブロックに充電回路を通して接続さ
れる充電用電源と、各コンデンサの端子電圧を検出して
端子電圧が所定値になったことを判別してコンデンサの
充電を制限する充電制限回路とを備えたことを特徴とす
るものである。

【００１３】また、各コンデンサに並列に端子電圧が所
定値以上になったことを判別して充電電流をバイパスす
る充電制限回路と、該充電制限回路が動作したことを検
出して満充電を判定する満充電検出回路とを備え、コン
デンサの端子電圧を取り出して二乗する乗算回路と定数
倍する演算回路からなる残量検出回路やコンデンサの端
子電圧を取り出して抵抗と定電圧素子と検出素子との直
列回路に印加し検出素子で残量に対応した電流を検出す
る残量検出回路を備えたことを特徴とするものである。

【００１４】さらに、蓄電したコンデンサより負荷に給
電する蓄電電源装置であって、負荷に接続され負荷に直
接電力を供給する第１のコンデンサブロック、該第１の
コンデンサブロックを充電する充電回路、該充電回路を
通して接続され第１のコンデンサブロックの充電電源と
する第２のコンデンサブロック、第１のコンデンサブロ
ックの端子電圧を検出し所定の電圧に達するまで第２の
コンデンサブロックから充電を行うように充電回路を制
御する充電制御回路を備えたことを特徴とするものであ
る。

【００１５】

【作用】本発明の蓄電電源装置では、負荷に接続され負
荷に直接電力を供給するコンデンサブロック、該コンデ
ンサブロックを充電する充電回路、コンデンサブロック
に充電回路を通して接続される充電用電源に対し、各コ
ンデンサの端子電圧を検出して、充電制限回路で端子電
圧が所定値になったことを判別してコンデンの充電を制
限するので、コンデンサブロックを設計された最高電圧
まで使用することができ、電気エネルギーの蓄電効率を
高めることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は本発明の蓄電電源装置の１実施例を示す
図であり、１は充電用電源、２は充電回路、３は電圧検
出回路、４は負荷、Ｃは大容量コンデンサ、Ｖｒ、Ｖ
ｒ′は基準電圧、Ｓ１、Ｓ２はスイッチを示す。

【００１７】図１において、大容量コンデンサＣは、ス
イッチＳ１、充電回路２を介して充電用電源１に接続さ
れると共に負荷４に接続され、負荷４に直接電力を供給
するものである。充電用電源１は、大容量コンデンサＣ
を充電するための、例えば商用電源であり、充電回路２
は、インバータなどの電圧変換手段を備えたものであ
る。電圧検出回路３は、基準電圧Ｖｒ、Ｖｒ′と比較し
て大容量コンデンサＣの端子電圧が満充電レベルか否か
を検出するものであり、満充電レベルになるとスイッチ
Ｓ１をオフにすると共にスイッチＳ２をオンにする。し
たがって、基準電圧Ｖｒ＋Ｖｒ′を満充電レベルに設定
することによって、大容量コンデンサＣの端子電圧が満
充電レベルになるまで、スイッチＳ１をオンの状態のま
まにして充電回路２を介して充電用電源１から大容量コ
ンデンサＣを充電し、満充電レベルに達するとスイッチ
Ｓ１をオフにして充電を停止させ、大容量コンデンサＣ
に加わる電圧が定格に対して過大となるのを防ぐ。ま
た、このとき、スイッチＳ２をオンにして一部の基準電
圧Ｖｒ′を短絡することによって、スイッチＳ１のオン
／オフ制御に一定のデッドバンドを設定している。

【００１８】先に述べたようにコンデンサを電源として
使う場合には、加わる電圧がコンデンサの定格に対して
過大になると、直ちにコンデンサの容量減少、漏れ電流
増加などの損傷をもたらす。これに対処するため、コン
デンサ側では、分解電圧、耐電圧等に余裕をもって設計
製造するのが通常である。しかし、コンデンサに貯えら
れる電気エネルギーは、その電圧の２乗に比例するた
め、少しでも高い電圧まで使用するのが有利である。こ
のような観点から、本発明では、コンデンサの端子電圧
を常時監視してスイッチＳ１により制限するので、コン
デンサをその最高電圧いっぱいまで使用でき、より大き
な電気エネルギーを有効に貯えることができる。

【００１９】図２は本発明の蓄電電源装置の他の実施例
を示す図であり、ＺＤは定電圧素子、ＴＲはトランジス
タ、Ｒ１、Ｒ２は抵抗を示す。図２に示す実施例は、ト
ランジスタＴＲと抵抗Ｒ２の直列回路を大容量コンデン
サＣの充電電流のバイパス回路として接続し、大容量コ
ンデンサＣの端子電圧を定電圧素子ＺＤの電圧に制限す
るように構成したものである。この構成により、大容量
コンデンサＣが満充電レベルのときの電圧に定電圧素子
ＺＤの電圧を選定すると、満充電レベルでトランジスタ
ＴＲが導通し、大容量コンデンサＣの端子電圧が満充電
レベルに維持されるようにトランジスタＴＲの導通度が
変化する。つまり電圧リミッタを構成している。

【００２０】図３は本発明の蓄電電源装置のさらに他の
実施例を示す図であり、１１は充電用交流電源、１２は
充電用直流電源、１３〜１５は充電回路、１６は充電制
御回路、１７は負荷、Ａ、Ｂはコンデンサブロック、Ｖ
ｒは基準電圧を示す。

【００２１】図３において、コンデンサブロックＡは、
負荷１７に接続され負荷１７に電力を直接供給する負荷
給電用の電源であり、電力密度がそれほど高くないが、
内部抵抗の低い大容量コンデンサが用いられる。コンデ
ンサブロックＢは、コンデンサブロックＡを充電する電
源であり、コンデンサブロックＡに比べて、内部抵抗は
それほど低くないが、電力容量の体積或いは重量に対す
る比が大きな大容量コンデンサが用いられる。充電回路
１５は、コンデンサブロックＢからコンデンサブロック
Ａを充電する回路であり、インバータ等の電圧変換手段
で構成したものである。充電制御回路１６は、コンデン
サブロックＡの端子電圧、つまり負荷電圧を検出して基
準電圧Ｖｒと比較し、基準電圧Ｖｒの場合には、コンデ
ンサブロックＢからコンデンサブロックＡを充電するよ
うに充電回路１５を制御するものである。なお、基準電
圧Ｖｒは、コンデンサブロックＡの満充電レベルに設定
される。

【００２２】充電用交流電源１１は、例えば通常の商用
交流電源等であり、充電用直流電源１２は、例えば太陽
電池等の直流電源である。充電回路１３、１４は、電圧
変換・整流してコンデンサブロックＢを充電する回路で
ある。勿論、充電回路１３、１４をインバータ等の電圧
変換手段で構成してもよい。

【００２３】上記のように、必要な電源容量をコンデン
サブロックＡ、コンデンサブロックＢからなる２つの電
源部に分け、負荷等の条件によって異なるが、例えばコ
ンデンサブロックＡに全容量の１／４、コンデンサブロ
ックＢに残り容量３／４を持たせる。そして、可能な限
りコンデンサブロックＡを満充電レベルに保つことによ
って、負荷は常に内部抵抗の低い電源（コンデンサブロ
ックＡ）から、比較的一定の電圧の供給を受けることが
可能になり、しかも、製造の容易な、内部抵抗の大きな
電源（コンデンサブロックＢ）を多用するので、全体の
体積や重量を小さくすることができる。

【００２４】図４は充電制御部の構成例を示す図であ
り、コンパレータ２１は、コンデンサブロックＡの端子
電圧と基準電圧Ｖｒとを比較して基準電圧Ｖｒが大きい
と充電回路１５をオンにする信号を出力するものであ
り、抵抗Ｒ１、Ｒ２でコンデンサブロックＡの端子電圧
を分圧して検出し、抵抗Ｒ１３を介してコンパレータ２
１に端子電圧の検出信号を入力している。後述するよう
にコンデンサブロックＡの各コンデンサに充電制限回路
を設けて満充電を検出するようにしてもよい。また、抵
抗ｒは、電流検出用の抵抗であり、充電回路１５でこの
抵抗ｒによって充電電流を検出し充電電流を一定に制御
する。すなわち、充電回路１５では、コンパレータ２１
の出力信号によってオン／オフし、抵抗ｒによる電流の
検出によって充電電流の制御を行う。コンデンサブロッ
クＢは、内部抵抗の大きな電源であり、大電流で充電す
ると、損失が大きくなるので、充電電流を制限すること
によって、損失を少なくする。

【００２５】次に、本発明で用いられる電気二重層コン
デンサを説明する。電気二重層コンデンサは、電極材料
として比表面積が大きく且つ電気化学的に不活性の活性
炭を用い、電解質と組み合わせて大きな電気二重層容量
を利用するものであり、電極間に電圧をかけてゆくと、
電解質の分解電圧に達するまでは、電気二重層ができて
充電され、分解電圧を越えると電流が流れ始める。した
がって、この電気二重層コンデンサの耐圧は、電解質の
分解電圧で規制され、導電率の高い水溶液電解質の分解
電圧は、約１．２３Ｖになる。電気二重層コンデンサに
は、数Ｖの耐圧で、数Ｆ（ファラド）の容量のものが市
販されていて、内部抵抗は１００Ωから１０Ω程度まで
様々のものがあるが、最近の試作品としては、２．５
Ｖ、２４０Ｆ、０．１Ωのものが発表されている。

【００２６】上記のように従来の電気二重層コンデンサ
では、蓄電電源として使用しようとすると、耐圧が低く
蓄電量が小さいのが難点である。しかも、鉛電池やニッ
ケルカドミウム電池等の電気化学セルと比べると、電気
二重層コンデンサでも、重量とエネルギーの関係で、後
者が２０倍程度大きくなり、また、内部抵抗が大きいた
め、大電力には使用できない。そのため、電気二重層コ
ンデンサが蓄電池と対抗できるようになるには、基本的
に、エネルギー密度を上げ、内部抵抗を小さくすること
である。

【００２７】一般にコンデンサは、分解電圧以上の電圧
を印加すると、容量減少、漏れ電流増加などの損傷をも
たらす。そのため、分解電圧以下の電圧が耐圧として用
いられている。この分解電圧は、水の場合で１．２３
Ｖ、通常用いられている有機電解液の場合で１．５〜
２．５Ｖ程度である。他方、化学材料の溶媒には、有機
電解質の中で６Ｖ以上の分解電圧を有するものが多々存
在している。しかし、現実に電気二重層コンデンサに使
用すると、耐電圧は１．５〜２．５Ｖの定格になってい
る。これは、水を含む不純物のためであると考えられ
る。

【００２８】他方、活性炭や活性炭繊維などの多孔質電
極には、自然状態で各種の異物質が吸着しているので、
これらをそのま電極として使用すると、電極を電解質に
浸した際に各種の異物質が電解液中に溶出する。そのた
め、上記のようにして高純度の電解液を精製してもその
純度が低下し分解電圧が低くなってしまう。そこで、例
えば電極を予め真空容器中で高周波加熱しつつ排気し、
そのまま冷却後電解液に真空含浸すると、異物質を除去
することができ、電解液の純度の低下を防ぐことができ
る。

【００２９】また、静電容量を大きく内部抵抗を低くす
るための電極の構造としては、例えば活性炭繊維をやや
過度に賦活してやや大きなミクロボアを持った繊維を得
る。そして、これらの繊維を整列させ、ほとんど密着し
て板状に並べ、その両端及び背面にアルミニウムなどの
金属を蒸着又は熔射するか、導電性塗料などで接続して
引き出し線を取り付ける。これにより電気抵抗が小さ
く、密度の高い電極を得ることができる。これらの電極
に電解液を含浸させて間に絶縁性の多孔質セパレータを
介して対立させ、正負の電極として用いる。

【００３０】上記のようにして電解液の精製と共に活性
炭電極の製造組立を行うことによって高い耐電圧の電気
二重層コンデンサができ、内部抵抗も小さくすることが
できる。その結果、耐電圧を例えば２倍高くすると、そ
の２乗の４倍に蓄電可能な電力量を増やすことができ
る。例えば先に述べた２．５Ｖ、２４０Ｆ、０．１Ωの
電気二重層コンデンサの試作品は、体積が３５ｍｍφ×
５０ｍｍであり、１Ｖまでに取り出せる電力が０．１７
５ＷＨであるから、電気自動車の動力源に必要とされる
２０ＫＷＨの電力を確保するには、約６ｍ³の体積が必
要になる。しかし、例えば耐電圧を２倍に上げるだけで
も体積を１／４にすることができる。さらに実装効率
（充填率）で２．５倍、充電制限回路と２つのコンデン
サブロックを使う本発明で２倍程度の向上を図ると、静
電容量の増大の可能性を含め、２０倍を越える電力量の
増大が可能になる。本発明では、このような電気二重層
コンデンサを使い分けるので、貯える電気エネルギーを
大きくすると共に、内部抵抗を小さくし、電力損失を低
減して電力の供給効率を高めることができる。

【００３１】以上の説明では、コンデンサブロック毎に
充電制御を行う構成について説明したが、電気二重層コ
ンデンサは、その耐電圧が２．５〜５Ｖと低いので、電
力用として供される用途では直列にして使用される。そ
の際に、各コンデンサに負担される電圧が異なると、そ
の中の最も小さなコンデンサから順に定格を越えて破損
するか、それを避けるために定格より十分低い電圧範囲
で使うような注意が必要となる。このような場合、充電
制限回路が全てのコンデンサに設けられていれば、それ
らコンデンサを複数個直列に使用したとき、コンデンサ
が定格に達すると、そのコンデンサに接続された充電制
限回路がバイパス回路をオンにし、どのコンデンサにも
定格以上の電圧が加わることがなくなるから、定格一杯
まで安心して使うことができる。電気二重層コンデンサ
を利用した本発明の蓄電電源装置は、上記のように各セ
ルの電圧を監視し、均一化するため充電制限回路を各セ
ルに挿入する。次に、その具体的な充電制限回路及び満
充電検出回路の実施例を説明する。

【００３２】図５は充電制限回路を挿入した満充電検出
回路の１実施例を示す図、図６は図５に示す満充電検出
回路のシミュレーションによる解析結果を示す図、図７
は２段構成の充電制限回路の例を示す図、図８は２段構
成の満充電検出回路の１実施例を示す図、図９は図８に
示す満充電検出回路のシミュレーションによる解析結果
を示す図である。

【００３３】図５において、内部抵抗Ｒ１を有する電気
二重層コンデンサＣ１には、並列に３端子シャントレギ
ュレータＩＣＸ１、トランジスタＱ１、ショットキダイ
オードＤ１、抵抗Ｒ２〜Ｒ５からなる充電制限回路（以
下、並列モニタともいう）、及びＣＴとＲＴからなる微
分回路が接続され、充電電源Ｉ１から充電されると満充
電に達した時、充電制限回路により電流がバイパスさ
れ、微分回路により満充電が検出される。この満充電の
検出は、充電電源Ｉ１に交流波形を重畳することによっ
て行われる。

【００３４】静電容量３００Ｆ、耐電圧５０Ｖ、電気容
量１００Ｗｈの電力用電気二重層コンデンサを完全な放
電状態から２Ａの充電電流で充電していく状態での端子
電圧を示したのが図６のＶ（１）、充電制限回路の抵抗
Ｒ５に流れる電流を示したのが図６のＩ（Ｒ５）、微分
回路の抵抗ＲＴでの端子電圧を示したのが図６のＶ
（９）であり、周波数１０ｍＨｚ、振幅０．５Ａの電流
リップルを重畳したものである。この異常に低いリップ
ル周波数は、解析結果の波形図上で見やすくするためで
あり、実際には、商用交流電源用整流回路からのリップ
ル等を使用してもよい。図６によれば、充電時間７４０
０秒あたりで充電電圧は５０Ｖ近くに達し、充電制限回
路がオンになると、抵抗Ｒ５に流れる電流Ｉ（５）及び
抵抗ＲＴでの端子電圧Ｖ（９）はいずれも急激な変化を
示している。したがって、これを検出することによって
容易に満充電を知ることができる。

【００３５】図７に示す構成は、電力用としての用途に
供するため、電気二重層コンデンサＣ１とＣ１１を直列
にして充電制限回路Ｒ２〜Ｒ５、Ｘ１、Ｑ１、Ｄ１１と
Ｒ１２〜Ｒ１５、Ｘ１１、Ｑ１１、Ｄ１１を各コンデン
サに設け、コンデンサが定格に達すると、そのコンデン
サに接続された充電制限回路がバイパス回路をオンに
し、どのコンデンサにも定格以上の電圧が加わることが
なくなるようにしたものである。このようにすることに
より、各セルの電圧を監視し、均一化することができ、
定格一杯まで安心して使うことができる。しかも、図８
に示すようにＣＴとＲＴからなる微分回路で直列に接続
された全部の充電制限回路がオンになる状態を検出する
ことによって、満充電を正確に捕らえることができる。

【００３６】２つの電気二重層コンデンサＣ１とＣ１１
を直列に接続した図８に示す構成において、これら２つ
の電気二重層コンデンサＣ１とＣ１１を共に２５Ｖ、６
００Ｆとし、充電制限回路の設定値を故意にずらしてそ
れぞれ約２４Ｖと２３Ｖにしたシミュレーション解析結
果の例を示したのが図９である。その結果によると、図
９に示すように全体の充電電圧Ｖ（１）は、充電の末期
に折れ曲がりを生じ、微分回路の抵抗ＲＴでの端子電圧
Ｖ（９）、充電制限回路の抵抗Ｒ５に流れる電流Ｉ
（５）を観測することによってまず１つが満充電に達
し、その後もう１つも満充電に達することが明瞭に判
る。

【００３７】以上のことから、複数個の電気二重層コン
デンサを直列にした蓄電電源装置の満充電を検出する方
法には、次のようなものがある。まず、１つは、各コン
デンサに取り付けた全ての充電制限回路から信号を取り
出してそれらの論理和を取って全てが定格に達した状態
を検出し、それをもって満充電とする。２つめは、各コ
ンデンサに取り付けた全ての充電制限回路の動作点を予
め試験検査や品質管理の手法を用いて一定の誤差例えば
５％以内になるように構成しておき、コンデンサのうち
から１個を選んでその充電制限回路の動作点をもって満
充電とする。そして、３つめは、コンデンサの充電に用
いられる定電流回路、あるいは疑似定電流回路に交流波
形、或いはパルス波形を予め重畳させておき、その振幅
を監視して満充電を検出する。この場合、振幅は、負荷
として接続されている全てのコンデンサが満充電に達
し、全ての充電制限回路がバイパス回路をオンにする
と、急激に減少するので、この点を検出して満充電とす
る。

【００３８】次に本発明の蓄電電源装置に適用される残
量検出について説明する。電気二重層コンデンサを用い
た本発明の蓄電電源装置において、通常１個の電気二重
層コンデンサのみを使用して構成することはまれであ
り、図４で説明したように１個もしくは複数個の電気二
重層コンデンサを直列、或いは直列にしたものをさらに
並列にしたブロックで構成することになる。この場合、
コンデンサブロックＡの容量をＣａ、その電圧をＶａ、
コンデンサブロックＢの容量と電圧をそれぞれＣｂ、Ｖ
ｂとすると、残量Ｗは、Ｗ＝０．５・Ｃａ・Ｖａ・Ｖａ＋０．５・Ｃｂ・Ｖｂ・Ｖｂ ……（１）で求められる。したがって、コンデンサブロックＡ及び
Ｂの電圧Ｖａ、Ｖｂを計測し、その値を上記演算を行う
回路に導入すれば、精度の高い残量を求めることができ
る。

【００３９】図１０は本発明の蓄電電源装置に適用され
る残量検出回路の１実施例を示す図、図１１は充放電特
性のシミュレーションによる解析結果を示す図である。
図１０（Ａ）は乗算器Ｘ１でＶの二乗を計算し、演算増
幅器Ｕ２で定数倍することによって残量を知らせる信号
を生成するものであり、複数の電気二重層コンデンサや
コンデンサブロックの残量を検出する場合には、それぞ
れに乗算器Ｘ１と抵抗Ｒ２とを設けてノード３に接続す
れば演算増幅器Ｕ２の出力から合計の残量信号を取り出
すことができる。また、図１０（Ｂ）は電気二重層コン
デンサＣ２とその内部抵抗Ｒ４に対し、抵抗Ｒ５と発光
ダイオードＤ１とツエナーダイオードＤ２を直列接続し
て光度によっておよその残量を表示するように構成した
ものである。これは、抵抗Ｒ５を勾配つまり発光ダイオ
ードＤ１の明るさを調節する電流制限抵抗としたもので
あるが、勿論、発光ダイオードＤ１の代わりに指示計を
用いてもよいし、ツエナーダイオードは、定電圧回路を
構成するものであれば、その他の定電圧素子や定電圧源
を代用してもよい。

【００４０】静電容量３００Ｆ、耐電圧５０Ｖ、電気容
量約１００Ｗｈの電気二重層コンデンサにおいて、図１
１のＡは完全な放電状態から２Ａの充電電流で充電して
いく状態での端子電圧を示し、同図のＢは上記の式から
計算した残量を示し、０．５×３００×４９×４９、約
３６０ｋＪ、つまり１００Ｗｈが残量計の指示値とな
る。また、図１１のＣはＢに直線を重ねたものであり、
約１８Ｖのツェナーダイオードを端子電圧Ｖ（１）に直
列にすればこの特性が得られ、満充電時から下に３／４
程度の範囲でかなりよい精度で残量が得られることがわ
かる。

【００４１】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記
の実施例では、回路のオン／オフ手段を単にスイッチで
示したが、サイリスタやトランジスタ等の半導体スイッ
チング素子、その他のスイッチング手段を用いてもよ
い。また、電気自動車の電源としてだけでなく、電気溶
接器その他の電気動力装置の電源、懐中電灯、ノートブ
ックパソコン等のような携帯用電気機器の電源として用
いてもよいことはいうまでもない。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、コンデンサの充電を端子電圧で制御して満充
電レベルに充電するので、電気エネルギーを有効に貯え
ることができ、蓄電電源装置としての供給効率を高める
ことができる。また、コンデンサに定格に対して過大と
なる電圧が加わるのを防ぐことができるので、蓄電電源
として使う場合にも、コンデンサの容量減少や漏れ電流
増加などの損傷を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蓄電電源装置の１実施例を示す図で
ある。

【図２】本発明の蓄電電源装置の他の実施例を示す図
である。

【図３】本発明の蓄電電源装置のさらに他の実施例を
示す図である。

【図４】充電制御部の構成例を示す図である。

【図５】充電制限回路を挿入した満充電検出回路の１
実施例を示す図である。

【図６】図５に示す満充電検出回路のシミュレーショ
ンによる解析結果を示す図である。

【図７】２段構成の充電制限回路の例を示す図であ
る。

【図８】２段構成の満充電検出回路の１実施例を示す
図である。

【図９】図８に示す満充電検出回路のシミュレーショ
ンによる解析結果を示す図である。

【図１０】本発明の蓄電電源装置に適用される残量検
出回路の１実施例を示す図である。

【図１１】充放電特性のシミュレーションによる解析
結果を示す図である。

【符号の説明】

１…充電用電源、２…充電回路、３…電圧検出回路、４
…負荷、Ｃ…大容量コンデンサ、Ｖｒ、Ｖｒ′…基準電
圧、Ｓ１、Ｓ２…スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個のコンデンサを直並列に接続して
構成したコンデンサブロックに蓄電して負荷に給電する
蓄電電源装置であって、負荷に接続され負荷に直接電力
を供給するコンデンサブロック、該コンデンサブロック
を充電する充電回路、コンデンサブロックに充電回路を
通して接続される充電用電源、各コンデンサの端子電圧
を検出して端子電圧が所定値になったことを判別してコ
ンデンサの充電を制限する充電制限回路を備えたことを
特徴とする蓄電電源装置。
【請求項２】充電制限回路は、充電回路に直列に挿入
接続されたスイッチング手段を有し、端子電圧が所定値
になったことを判別して充電回路を遮断するように構成
したことを特徴とする請求項１記載の蓄電電源装置。
【請求項３】充電制限回路は、各コンデンサに並列に
バイパス回路を有し、端子電圧が所定値になったことを
判別して充電電流をバイパスするように構成したことを
特徴とする請求項１記載の蓄電電源装置。
【請求項４】複数個のコンデンサを直並列に接続して
構成したコンデンサブロックに蓄電して負荷に給電する
蓄電電源装置であって、各コンデンサに並列に端子電圧
が所定値以上になったことを判別して充電電流をバイパ
スする充電制限回路と、該充電制限回路が動作したこと
を検出して満充電を判定する満充電検出回路とを備えた
ことを特徴とする蓄電電源装置。
【請求項５】満充電検出回路は、各充電制限回路の動
作信号を論理処理するものであることを特徴とする請求
項４記載の蓄電電源装置。
【請求項６】満充電検出回路は、特定の充電制限回路
の動作信号で判定するものであることを特徴とする請求
項４記載の蓄電電源装置。
【請求項７】充電電流に交流波形を重畳する手段を付
加し、満充電検出回路は、交流波形の振幅を監視するも
のであることを特徴とする請求項４記載の蓄電電源装
置。
【請求項８】複数個のコンデンサを直並列に接続して
構成したコンデンサブロックに蓄電して負荷に給電する
蓄電電源装置であって、コンデンサの端子電圧を取り出
して二乗する乗算回路と定数倍する演算回路からなる残
量検出回路を備えたことを特徴とする蓄電電源装置。
【請求項９】複数個のコンデンサを直並列に接続して
構成したコンデンサブロックに蓄電して負荷に給電する
蓄電電源装置であって、コンデンサの端子電圧を取り出
して定電圧回路と検出素子との直列回路に印加し検出素
子で残量に対応した電流を検出する残量検出回路を備え
たことを特徴とする蓄電電源装置。
【請求項１０】蓄電したコンデンサより負荷に給電す
る蓄電電源装置であって、負荷に接続され負荷に直接電
力を供給する第１のコンデンサブロック、該第１のコン
デンサブロックを充電する充電回路、該充電回路を通し
て接続され第１のコンデンサブロックの充電電源とする
第２のコンデンサブロック、第１のコンデンサブロック
の端子電圧を検出し所定の電圧に達するまで第２のコン
デンサブロックから充電を行うように充電回路を制御す
る充電制御回路を備えたことを特徴とする蓄電電源装
置。
【請求項１１】第１のコンデンサブロックは、第２の
コンデンサブロックより内部抵抗が小さく、第２のコン
デンサブロックは、第１のコンデンサブロックより電力
容量の体積或いは重量に対する比が大きいものであるこ
とを特徴とする請求項１０記載の蓄電電源装置。