JPH07241032A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気二重層コンデンサーの特性を最大限利用
して、蓄電エネルギーの利用率を理想的には１００
〔％〕まで高めることが可能で、且つ残存容量の把握も
容易で、しかも充電・放電のサイクル寿命の長い優れた
画期的な蓄電装置を提供すること。 【構成】 出力端子間に、電気エネルギーを蓄える電気
二重層コンデンサー１と、電気二重層コンデンサー１の
端子電圧信号に基づいて出力端子間電圧を一定電圧に制
御する電圧制御手段４とを設けて成り、該電圧制御手段
４により電気二重層コンデンサー１の端子電圧を一定電
圧でもって負荷へ電力を供給するように構成したことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気エネルギーを蓄え負
荷へ供給する蓄電装置に関し、より詳しくは、例えば商
用電源の利用困難な砂漠地帯，山間地，キャンプ場，海
岸，洋上等で電気機器を利用する場合に使用される蓄電
装置、電気自動車，太陽光発電等で使用される蓄電装
置、携帯機器に組み込まれる蓄電装置等に関し、特に充
電・放電が繰り返し行われるものに好適な蓄電装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】現在、この種の蓄電装置の研究開発が盛
んに行われており、以下に示すような要求を満足する優
れた蓄電装置が望まれている。例えば、蓄電装置を太陽
光発電システム等で利用する場合、不便な場所での利用
が一般的であるため、できるだけ保守点検が不要でしか
も装置寿命の長いものが要求される。したがって、蓄電
・放電能力よりもむしろ充放電のサイクル寿命の長いも
のが望まれる。

【０００３】また、蓄電装置の残存容量が容易に把握可
能ならば、例えば、僻地や山間部などの保守点検が大変
不便な場所で多用されているソーラーシステム（太陽光
発電システム）等では、天候不順な日が長く続いた場合
に、天候の回復を待つべきなのか、エネルギーを供給し
ている負荷を重要度の低い順に切り最小限のシステムで
稼働させるべきなのかを容易に判断できる。また、特に
動力源が蓄電池に蓄えられている電気自動車等では、あ
とどの程度走行出来るのかを正確に把握することは快適
走行を実現させるうえでも非常に重要なこととなる。し
たがって、蓄電装置の残存容量を容易に且つ正確に把握
できるものが望まれる。

【０００４】しかしながら、上述した要求を十分に満足
する理想的な蓄電装置はいまだかつて無かった。また、
蓄電装置の残存容量を計測する方法はこれまでに数多く
提案がなされており、例えば、蓄電装置の端子電圧を測
定し、その結果から残存容量を推定する方法や、アンペ
ア時メーター等があるが、これらの方法は、例えば充電
状態と放電状態がシステムの稼働時に頻繁かつ同時に発
生するような場合、それにより誤差が生ずるので、単に
蓄電池の端子電圧からは残存容量を正確に求めることは
できない。また、その他各種提案が数多くあるがけっし
て容易且つ正確に残存容量を測定できるものではなかっ
た。

【０００５】ところで近年、新しい原理で電気エネルギ
ーを蓄える蓄電手段が開発され日々目ざましい発展を遂
げてきている。そのなかで電気二重層コンデンサーが注
目されている。これは、従来のコンデンサーに比べ蓄電
能力が飛躍的に向上したものであり、従来は交流回路や
直流の平滑回路に使用が限られていたコンデンサーを蓄
電池として扱えるほど蓄電能力が高いものである。この
ため、従来の蓄電池から電気二重層コンデンサーに使用
が代わるものも出てきている。

【０００６】電気二重層コンデンサーは、充電状態と放
電状態とを化学反応によって蓄電している従来型の蓄電
池と異なり、一般にＱ＝Ｃ×Ｖの式で示されるように、
蓄えられる電荷Ｑは静電容量Ｃと電圧Ｖとの積であり、
静電容量Ｃが一定であれば、充電により電気二重層コン
デンサーにエネルギーが蓄えられるに従い電荷Ｑも増大
する。一方、Ｅ＝（１／２）×Ｃ×Ｖ² の式で示される
ように、充電により電気二重層コンデンサーの端子電圧
Ｖの二乗に比例したエネルギーＥが蓄積される。また、
蓄電された電気二重層コンデンサーを放電し、エネルギ
ーを取り出そうとすると、上述した場合とは逆に端子電
圧Ｖが取り出したエネルギーＥの平方根に比例して降下
することになる。

【０００７】したがって、このような電気二重層コンデ
ンサーの特性を利用すれば残存容量を端子電圧で正確に
把握できる。また、電気二重層コンデンサーはコンデン
サーであるために、原理的に充電・放電のサイクル寿命
が非常に長く、太陽光発電システムのように毎日必ず充
電・放電が発生する用途では大変好ましい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、残存容
量に比例して端子電圧が変化することは、直流負荷を接
続した場合に利用可能なエネルギーが僅かとなって効率
が悪い。すなわち、一般的な直流負荷には定格電圧が定
められており、例えば１２〔Ｖ〕定格の電気機器の場合
は、通常、１２〔Ｖ〕±１０〔％〕の範囲で使用可能で
ある。これは、この電気機器が１３．２〜１０．８
〔Ｖ〕の範囲でしか作動できないことを意味しており、
仮に１３．２〔Ｖ〕に充電した電気二重層コンデンサー
を使用して、この電気機器を作動させた場合でも、動作
可能な範囲も同様に１３．２〜１０．８〔Ｖ〕でしかな
い。したがって、電気二重層コンデンサーから取り出し
たエネルギー利用率は、（１３．２×１３．２−１０．
８．×１０．８）×１００／１３．２×１３．２＝３３
〔％〕となり、はなはだ効率が悪いことになるのであ
る。

【０００９】そこで、本発明は上述した諸問題を解決
し、電気二重層コンデンサーの特性を最大限利用して、
蓄電エネルギーの利用率を理想的には１００〔％〕まで
高めることが可能で、且つ残存容量の把握も容易で、し
かも充電・放電のサイクル寿命の長い優れた画期的な蓄
電装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の蓄電装置は、出力端子間に、電気エネルギ
ーを蓄える電気二重層コンデンサーと、該電気二重層コ
ンデンサーの端子電圧信号に基づいて出力端子間電圧を
一定電圧に制御する電圧制御手段とを設けて成り、該電
圧制御手段でもって電気二重層コンデンサーの端子電圧
を一定電圧で負荷へ供給するように成したことを特徴と
する蓄電装置。

【００１１】

【作用】上記構成によれば、本体の出力電圧を一定電圧
に制御する電圧制御手段により、電気二重層コンデンサ
ーの両端電圧が減少しても、出力が一定になるように制
御されるので電圧制御手段の電圧変換効率が１００
〔％〕であれば、電気二重層コンデンサーを最小０
〔Ｖ〕まで利用することが可能となり、電気二重層コン
デンサーの利用効率を大幅に向上させることが可能とな
る。また、電気二重層コンデンサーの端子電圧を検出す
ることにより、容易に電気二重層コンデンサーの残存容
量の演算が可能であり、蓄電装置の残存容量の把握が容
易であるうえ、充放電のサイクル寿命が長い優れた蓄電
装置を提供できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明に係る一実施例について詳細に
説明する。図１に示すように、蓄電装置Ｓ１の蓄電手段
として備えられた電気二重層コンデンサー１の両端子１
ａ，１ｂには、電圧計が内蔵された残存容量の表示手段
２が接続されており、電気二重層コンデンサー１の一方
の端子１ａは、回路スイッチ３を介して電圧制御手段４
（例えば昇圧チョッパー）の入力端子４ａに接続され、
さらに、電気二重層コンデンサー１を充電する際に、過
大な充電電流が流れ本体を破損させたり、電気二重層コ
ンデンサー１が過充電とならないように制御する充電制
御手段５（一般的な二次電池等の充電制御回路であっ
て、例えば出力電流制限機能を有する一般的な安定化電
源に入力電圧に応じて起動を制御するように構成したも
ので、入力電圧を一定の基準電圧に維持すべく、フィー
ドバック制御をかけられるようにしたもの）の出力端子
５ｂにも接続されている。また、電気二重層コンデンサ
ー１の他方の端子１ｂは電圧制御手段４の−端子４ｃ、
充電制御手段５の−端子５ｃ、及び本体の出力端子であ
る−端子に接続されている。なお、電気二重層コンデン
サー１は複数備えることもでき、複数の電気二重層コン
デンサー１を充電して、蓄電装置Ｓ１の過放電に対処す
ることも可能である。

【００１３】そして、このように構成された蓄電装置Ｓ
１は、その出力端子である＋端子及び−端子を負荷に接
続することにより負荷へ電力を供給することができるの
である。なお、表示手段２はこの蓄電装置Ｓ１の残存容
量（すなわち、電気二重層コンデンサー１の残存容量）
を％表示とすべく演算回路等が付加され、さらに％で直
接読み取れるように、表示目盛りを設けたものが付加さ
れているが、液晶画面等にデジタル表示がなされるよう
にしてもよい。

【００１４】上述したように、電気二重層コンデンサー
１の残存容量は、これに並列に接続されている電圧計内
蔵の表示手段２によって計測・表示され、その計測電圧
値がそのまま残存容量となり、蓄電装置Ｓ１の残存容量
を容易に把握が可能となる。すなわち、例えば電気二重
層コンデンサー１の最大定格電圧が５．５〔Ｖ〕であ
り、運用上限を５．０〔Ｖ〕とした場合に、仮に電圧計
の計測電圧値が２．５〔Ｖ〕である場合には残存容量は
２５〔％〕となる（２．５×２．５×１００／５．０×
５．０＝２５）。

【００１５】次に、蓄電装置Ｓ１の作動について説明す
る。まず、電気二重層コンデンサー１の充電の際には、
回路スイッチ３は開放状態でも閉成状態でもよく、本体
の出力端子間電圧が一定電圧、例えば１２．０〔Ｖ〕に
なるように電圧制御手段４が制御する場合、本体の出力
端子に例えば１２．５〔Ｖ〕以上の電圧が本体の出力端
子に印加されることにより、充電制御手段５が起動す
る。すなわち、充電制御手段５は本体の端子電圧が１
２．５〔Ｖ〕以上になった場合に起動する降圧チョッパ
ーであり、さらに充電制御手段５の出力電圧を５．０
〔Ｖ〕に維持する機能、及び出力電流を規定値に維持す
る機能を合わせ持つものである。本体の＋端子に１２．
５〔Ｖ〕以上の電圧が加わった場合、充電制御手段５は
動作を開始し、入力電流ｉ１により電気二重層コンデン
サー１を充電する。このとき、電気二重層コンデンサー
１が放電状態である場合は、電気二重層コンデンサー１
への充電電流が過大とならないように、充電制御手段５
からの出力電流ｉ２が適当な値となるように制御する。
すなわち、電気二重層コンデンサー１の端子電圧は充電
が進行にするにつれて上昇するが、これが運用上限値の
電圧（例えば５．０〔Ｖ〕）を越えた場合は、充電電流
を下げて５．０〔Ｖ〕に維持されるように、充電制御手
段５が作動して蓄電装置Ｓ１の充電は完了するのであ
る。

【００１６】なお、上記実施例において、充電制御手段
５のフィードバック制御に代えて、図２に示すようなツ
ェナーダイオード６や抵抗７で起動信号を与えることが
できるようにしてもよい。すなわち、本体の＋端子にツ
ェナーダイオード６のツェナー電圧（１２．５〔Ｖ〕）
以上の電圧が印加された場合、抵抗７に電流が流れ充電
制御手段５の起動入力端子５ｄに電圧が生じて、これに
より充電制御手段５を起動させるようにしてもよいので
ある。

【００１７】次に、蓄電装置Ｓ１の放電時の作動につい
て説明する。放電時には回路スイッチ３が閉ざされ電圧
制御手段４が動作する。ここで、電圧制御手段４は本体
の出力端子間電圧を所定電圧に一定に維持するためのも
のであって、例えば昇圧チョッパーを使用するが、出力
電圧を定電圧に制御するものであれば他のもので代替し
てもよい。この電圧制御手段４は、今仮に電気二重層コ
ンデンサー１が満充電状態で、例えば運用上限の５．０
〔Ｖ〕に充電されているとする。また、電圧制御手段４
は蓄電装置Ｓ１本体の出力端子間電圧を１２．０〔Ｖ〕
とするように制御するものである場合、電圧制御手段４
の動作は入力電圧５．０〔Ｖ〕を１２．０〔Ｖ〕に昇圧
することになる。そして、放電が進行して電気二重層コ
ンデンサー１の両端電圧が減少すれば、これに伴って電
圧制御手段４は出力電圧を１２．０〔Ｖ〕に維持し続け
るように制御され、電圧制御手段４の動作入力電圧の下
限まで動作し、蓄電装置Ｓ１の出力電圧は電気二重層コ
ンデンサー１の電圧が電圧制御手段４の動作入力電圧の
下限まで１２．０〔Ｖ〕に維持制御するのである。

【００１８】このように、電圧制御手段の入力電圧の下
限が０．５〔Ｖ〕であれば、５．０〔Ｖ〕が運用上限で
ある電気二重層コンデンサーでは、０．５×０．５×１
００／５．０×５．０＝１〔％〕の残存容量まで利用で
きることとなり、利用率は９９〔％〕となって、従来の
電圧制御手段４の無い場合の３３％に比して大幅に向上
させることができるのである。

【００１９】次に、図３に示す他の実施例について説明
する。蓄電装置Ｓ２は電気二重層コンデンサー２０の出
力側（＋端子側）に、スイッチ２５を介して電圧制御手
段として昇圧チョッパー２１を設け、これに並列に充電
制御手段２４（抵抗２２とツェナーダイオード２３との
直列回路）を設けたものである。この蓄電装置Ｓ２の場
合は、放電時にはスイッチ２５を閉成状態とし、例えば
電気二重層コンデンサー２０の運用電圧０〜５〔Ｖ〕を
昇圧チョッパー２１により１２〔Ｖ〕に昇圧するもので
あり、また充電時にはスイッチ２５を開放して、ツェナ
ーダイオード２３と抵抗２２を通じて充電電流を流し、
電気二重層コンデンサー２０を充電する。この場合、ツ
ェナーダイオード２３の仕様を出力端子間電圧＋αとす
ることで、充電時に５＋出力電圧＋αだけの電圧が必要
となるが、いたって構成が簡単となる。また、スイッチ
２５を設けることにより、負荷を使用するときだけ閉成
して昇圧チョッパー２１のロスを低減することができ
る。

【００２０】また、外部の充電回路に電流制限機能や電
圧制御機能がある場合には、抵抗２２を省略することも
可能でツェナーダイオード２３だけでもよい。さらに、
放電時に抵抗２２を通じて電流が流れ熱損失を生じる
が、この抵抗として充分大きな抵抗値を選定すれば、充
電制御手段２４は単に抵抗２２だけでもよい。特に、太
陽電池等で充電を行い、負荷の稼働時間が短い間歇負荷
システムの場合には、蓄電容量や昇圧チョッパー２１に
比較して太陽電池の出力が小さく、充電電流が負荷使用
時の出力電流に比較して充分小さい場合には、充電制御
手段２４は単に抵抗２２だけでよく、このような場合の
システム構成は非常に簡単なものとなる。

【００２１】また、図４に示すように電気二重層コンデ
ンサー３０に対する電圧制御手段として昇圧チョッパー
３１を設け、充電制御手段３４として充電器３２とツェ
ナーダイオード３３とを設けてもよい。これにより、充
電時の起動回路を有しない既存の充電器を充電制御手段
として使用することが可能となり、汎用性の高い充電手
段の構成をとることができる。なお、図中３５は電気二
重層コンデンサー３０の端子電圧信号に基づいて残存容
量を検出するようにした表示手段である。

【００２２】次に図５に示す他の実施例について説明す
る。蓄電装置Ｓ４は電気二重層コンデンサー４０の一方
の出力端は、回路スイッチ４３を介して＋端子に接続さ
れ、本体の出力端子間電圧を一定電圧に維持するための
電圧制御手段４４の入力端子４４ａと、電気二重層コン
デンサー４０を充電する際に、充電電流が過大になるの
を防止し安全に充電を行うために電気二重層コンデンサ
ー４０への電流制限を行う充電制御手段４５の出力端子
４５ｂに接続されている。また電気二重層コンデンサー
４０の他方の出力端は、電圧制御手段４４、充電制御手
段４５のそれぞれの接地側が−端子に接続されている。
そして、このように構成された蓄電装置Ｓ４は、その出
力端子である＋端子及び−端子を負荷に接続することに
より、負荷へ電力を供給することができるのである。

【００２３】次に蓄電装置Ｓ４の動作について説明す
る。まず、電気二重層コンデンサー４０を充電する場
合、充電制御手段４５の仕様は本体の出力端子間電圧＋
αとすることで、充電時に電気二重層コンデンサー４０
の運用上限電圧を仮に５〔Ｖ〕とした場合、５＋出力端
子間電圧＋αだけの電圧が必要となる。これは充電制御
手段４５の入力電圧が出力端子間電圧＋αに上昇した場
合に起動するように制御が行われる、例えば昇圧チョッ
パー回路等を使用するが、その出力電圧を昇圧し電流制
限機能を有し、出力電圧を５＋出力端子間電圧＋αに定
電圧制御するものであれば他のもので代替してもよい。
この充電制御手段４５は入力電圧が出力端子間電圧＋α
に上昇した場合に起動し、電気二重層コンデンサー４０
を流れる充電電流を制限しながら充電を行う。充電が進
み本体の出力端子間電圧が５＋出力電圧＋αに達したな
らば充電電流を下げ、５＋出力電圧＋αに維持するよう
に制御が行われる。すなわち、この状態が満充電状態で
ある。

【００２４】次に、蓄電装置Ｓ４の放電時の作動につい
て説明する。放電時には回路スイッチ４３が閉ざされ、
蓄電されている始動用コンデンサ４６によって電圧制御
手段４４が動作する。ここで、電圧制御手段４４は本体
の出力端子間電圧を一定に維持するためのものであっ
て、例えば降圧型チョッパーを使用するが、出力端子間
電圧を定電圧に制御するものであれば他のもので代替し
てもよい。この電圧制御手段４４は、今仮に電気二重層
コンデンサー４０が満充電状態で、例えば運用上限の５
〔Ｖ〕に充電されているとする。また、電圧制御手段４
４は蓄電装置Ｓ４本体の出力端子間電圧を１２〔Ｖ〕と
するように制御するものである場合、電圧制御手段４の
出力電圧は１２−５＝７〔Ｖ〕となる。そして、放電が
進行して電気二重層コンデンサー４０の両端電圧が減少
すれば、これに伴って電圧制御手段４４の出力電圧は上
昇して結果として、蓄電装置Ｓ４の出力電圧は１２Ｖに
維持されるのである。また、電圧制御手段４４の電力変
換効率が９０％であり、その出力電圧が７〔Ｖ〕の場合
で、例えば負荷へ１〔Ａ〕の出力電流を供給する場合
は、電圧制御手段４４の入力電流は約１．８〔Ａ〕とな
り、その出力電流は約２．８〔Ａ〕となる。

【００２５】次に、電気二重層コンデンサー４０の利用
率について説明する。電圧制御手段４４の変換効率が９
０％であれば、電気二重層コンデンサー４０の両端電圧
は、１２×０．１＝１．２〔Ｖ〕まで利用可能となり、
５Ｖが運用上限であるコンデンサーでは１．２×１．２
×１００／５×５≒６〔％〕の残存容量まで利用できる
こととなり、利用率は９４％ととなって、電圧制御手段
４４の無い場合の３３％に比して従来の３３％程度から
大幅に向上するのである。

【００２６】なお、上述の実施例においては、電圧制御
手段を一つ設けた例について説明したが、例えば異なる
電圧値に制御できる電圧制御手段を複数配設し、複数の
出力電圧を負荷へ供給するように構成してもよい。ま
た、電圧制御手段は電気二重層コンデンサーの運用上限
以下にも制御できるものとしてもよく、さらに、異なる
運用上限を有する電気二重層コンデンサーを複数並列接
続して、適宜必要な電気二重層コンデンサーを作動させ
るように制御する機構を備えた蓄電装置としてもよく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更し実施し得
る。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
気二重層コンデンサーの利用率を大幅に高めることが可
能であり、且つ残存容量の把握もきわめて容易かつ正確
であり、しかも充電・放電のサイクル寿命の大変長い理
想的な優れた蓄電装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る蓄電装置の一実施例を示す回路構
成図である。

【図２】本発明に係る蓄電装置の他の実施例を示す回路
構成図である。

【図３】本発明に係る蓄電装置の他の実施例を示す回路
構成図である。

【図４】本発明に係る蓄電装置の他の実施例を示す回路
構成図である。

【図５】本発明に係る蓄電装置の他の実施例を示す回路
構成図である。

【符号の説明】

１，２０，３０，４０ ・・・ 電気二重層コンデン
サー ４，２１，３１，４４ ・・・ 電圧制御手段 ５，２４，３４，４５ ・・・ 充電制御手段 Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ ・・・ 蓄電装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力端子間に、電気エネルギーを蓄える
   電気二重層コンデンサーと、該電気二重層コンデンサー
   の端子電圧信号に基づいて前記出力端子間電圧を一定電
   圧に制御する電圧制御手段とを設けて成り、該電圧制御
   手段でもって前記電気二重層コンデンサーの端子電圧を
   一定電圧で負荷へ供給するように成したことを特徴とす
   る蓄電装置。