JPH10191576A - 電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クランキング時にスタータモータに大電流を
安定供給すると共に、電気二重層コンデンサの電圧降下
が他の電気的負荷に及ぶのを防止すること。 【解決手段】 電気二重層コンデンサ１４は、接続ライ
ン１２を介してオルタネータ１０及びスタータモータ１
６に接続されている。鉛蓄電池２０は、接続ライン２６
を介して電気的負荷３０に接続されている。電気二重層
コンデンサ１４と鉛蓄電池２０とは２本の接続ライン２
２，３２を介して接続されている。一方の接続ライン２
２の途中には補充電用の抵抗２４が設けられ、他方の接
続ライン３２には鉛蓄電池２０への順方向ダイオード３
４が設けられている。これにより、電気二重層コンデン
サ１４の電圧降下の影響を電気的負荷３０に及ぼすこと
なく、スタータモータ１６を駆動することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気二重層コンデン
サを用いた車両用電源装置、特に電気二重層コンデンサ
及び鉛蓄電池の双方を有し、双方から車両に搭載された
電気的負荷に電流供給を行う車両用電源装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来の自動車用エンジンでは、ファンや
ポンプ等の各種補機を駆動したり、あるいは始動時のク
ランキングを行うスタータモータを駆動したりするため
に、鉛蓄電池と車載発電機とから車両用電源装置を構成
している。この鉛蓄電池は、エネルギ密度が大きいため
比較的長時間の使用に耐え得る。しかし、鉛蓄電池は化
学変化を伴う二次電池であることから、最適な充電状態
となるように電圧を管理しても、充放電を繰り返すと劣
化が進み易く、また、充電時間も長く、電解液の補充を
要する等の欠点を有する。

【０００３】そこで、図２に示す如く、電気二重層コン
デンサ１００を鉛蓄電池１０２の補助的な電源として利
用するシステムが種々提案されている。この電気二重層
コンデンサ１００は、電極と電解液との界面に生成され
る絶縁膜を利用して飛躍的にキャパシタンスを増大させ
た化学変化を伴わない電池である。電気二重層コンデン
サ１００は、単一のセルで例えば約２．５Ｖの電圧を発
生する。従って、車両用の電源装置として利用する場合
には、所望の出力電圧を得ることができるように、複数
個のコンデンサセルを直列に接続して使用する。

【０００４】そして、車載発電機としてのオルタネータ
１０４は、エンジン回転力によって発電を行う。このオ
ルタネータ１０４が発電した電気エネルギは電気二重層
コンデンサ１００、鉛蓄電池１０２及び各種電気的負荷
に供給される。なお、オルタネータ１０４は、発電電圧
を安定化等するためのＩＣレギュレータを内蔵してお
り、常に鉛蓄電池１０２が最適充電状態（フロート充電
条件を満たす状態）になるように、その発電電圧が調整
されている。

【０００５】また、他の従来技術としては、図３に示す
ように、鉛蓄電池１０２に替えて電気二重層コンデンサ
１００を用いるものも知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような電気二重
層コンデンサ１００を用いる車両用電源装置では、電気
二重層コンデンサ１００が上述のように化学変化を伴わ
ない電池であるため、電解液補充等のメンテナンスが不
要であり、また、寿命も長いという特質を得ることがで
きる。しかし、電気二重層コンデンサ１００は、鉛蓄電
池１０２に比較してパワー密度は高いがエネルギ密度は
遥かに低いという性質も有する。

【０００７】図２に示すものでは、鉛蓄電池１０２に電
気二重層コンデンサ１００を並列に接続することによ
り、鉛蓄電池１０２の電気的な負担の軽減を図ってい
る。ここで、鉛蓄電池１０２の電気的な負担は、電気二
重層コンデンサ１００の内部抵抗と鉛蓄電池１０２の内
部抵抗との関係によって定まる。すなわち、鉛蓄電池１
０２と電気二重層コンデンサ１０とは、それぞれの内部
抵抗に反比例した電流を分担する。

【０００８】従って、鉛蓄電池１０２の内部抵抗を大き
くするか、あるいは電気二重層コンデンサ１００の内部
抵抗を鉛蓄電池１０２の内部抵抗よりも相対的に小さく
すれば、鉛蓄電池１０２の電気的負担、即ち、電流分担
が少なくなる。

【０００９】そこで、鉛蓄電池１０２の電気的負担を軽
減するために、鉛蓄電池１０２の内部抵抗を増大させる
ことが考えられるが、内部抵抗を大きくすると、鉛蓄電
池１０２の蓄電容量が低下する。しかしながら、鉛蓄電
池１０２から各種電気的負荷に給電を行う以上は、鉛蓄
電池１０２にも相応の蓄電容量が要求される。従って、
鉛蓄電池１０２の内部抵抗を極端に大きくすることはで
きず、鉛蓄電池１０２の電気的負担の軽減には限界があ
る。

【００１０】一方、電気的負荷であるエンジンのスター
タモータ等においてはスタータモータ駆動初期時のロッ
クアップ電流のような大電流を必要とする。従って、か
かる大きな電気的負荷を駆動するときには、鉛蓄電池１
０２からの放電電流が増大する。ここで、鉛蓄電池１０
２からの放電電流が増大すると、すなわち、深く放電す
ると、鉛蓄電池１０２の寿命が低下する。そして、鉛蓄
電池１０２の蓄電容量が小さくなるほど、深く放電する
確率が高まり、寿命低下の可能性も大きくなる。

【００１１】すなわち、図２に示す従来技術では、単に
電気二重層コンデンサ１００を鉛蓄電池１０２に対して
並列接続したに過ぎないので、鉛蓄電池１０２の電気的
負荷の軽減と鉛蓄電池１０２の寿命向上とをともに満足
させることは困難であった。

【００１２】図３に示すものでは、電気二重層コンデン
サ１００及びオルタネータ１０４のみで電源装置を構成
しているため、鉛蓄電池１０２の寿命等を考慮する必要
がない。しかし、電気二重層コンデンサ１００の自己放
電特性によって、自己放電電流が流れるため、車両を長
期間放置した場合には、実用的なレベルで電気エネルギ
を保持できない場合、すなわち、バッテリ上がりを生じ
る可能性がある。つまり、上述した通り、電気二重層コ
ンデンサ１００のエネルギ密度は鉛蓄電池１０２よりも
遥かに小さいため、僅かな自己放電電流によっても電気
二重層コンデンサ１００の端子電圧が大きく低下してし
まい、各種電気的負荷に対し必要な電流を供給するのが
難しくなる。

【００１３】また、電気二重層コンデンサ１００のエネ
ルギ密度が低いため、ある電気的負荷が多量の電流を消
費すると、これによって、電気二重層コンデンサ１００
の両端電圧（出力電圧）が急激に低下する可能性があ
る。すなわち、例えばスタータモータを駆動するために
電気二重層コンデンサ１００が大電流を供給すると、こ
れによって、電気二重層コンデンサ１００から他の電気
的負荷に対する供給電圧が急激に低下することとなる。

【００１４】従って、この電圧降下により、例えばエン
ジンコントロールユニットはリセット状態になってしま
い、燃料供給制御が停止して失火等が生じる等の可能性
がある。すなわち、電気二重層コンデンサ１００という
エネルギ密度の低い単一の電源から各種の電気的負荷に
対して一律に給電を行うと、スタータモータの駆動に伴
って生じる電気二重層コンデンサ１００の電圧降下が他
の電気的負荷に対して悪影響を与えるおそれがある。

【００１５】本発明は、上記のような種々の課題に鑑み
なされたものであり、その目的は、電気的負荷の種類に
適応した電源系統を構築でき、大電流を要求する大容量
の電気的負荷に対する安定した電流供給と供給電圧の変
動抑制とを両立できるようにした電気二重層コンデンサ
を用いた車両用電源装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装
置は、スタータモータ用の電源系統と他の電気的負荷用
の電源系統とを別系統のものとして構成し、電気二重層
コンデンサからのみスタータモータへの電流供給を行
い、他の電気的負荷には鉛蓄電池から電流供給を行うこ
ととしている。

【００１７】すなわち、大きなロックアップ電流が流れ
るスタータモータには専らパワー密度の高い電気二重層
コンデンサから給電を行い、他の電気的負荷に対しては
鉛蓄電池から給電を行う。鉛蓄電池と電気二重層コンデ
ンサとの間に介装された抵抗によって、鉛蓄電池による
電源系統と電気二重層コンデンサによる電源系統とは分
離される。

【００１８】これにより、スタータモータ駆動によって
電気二重層コンデンサの両端電圧が著しく低下しても、
この電圧変動が直接的に鉛蓄電池側の電源系統に影響を
与えることがない。また、エンジン停止時、即ち、発電
機の発電停止時には、鉛蓄電池からの補充電流が抵抗体
を介して電気二重層コンデンサに流れ込み、電気二重層
コンデンサの両端電圧が保持されるため、エンジン再始
動に備えることができる。

【００１９】また、請求項２に係る電気二重層コンデン
サを用いた車両用電源装置によれば、抵抗と並列に鉛蓄
電池への順方向ダイオードを接続している。これによ
り、発電機が発電した電流がダイオードを通して鉛蓄電
池に流れ込む。従って、発電機から鉛蓄電池に対して速
やかに補充電することができると共に、鉛蓄電池に接続
されたスタータモータ以外の他の電気的負荷への給電を
行うことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態について詳細に説明する。まず、図１には、本
発明の実施の形態に係る電気二重層コンデンサを用いた
車両用の電気二重層コンデンサ電源装置の回路構成が示
されている。

【００２１】エンジン回転力を利用して発電を行う「車
載発電機」としてのオルタネータ１０の出力端子は、接
続ライン１２を介して電気二重層コンデンサ１４の正極
側端子に接続されている。また、電気二重層コンデンサ
１４は、複数のコンデンサセルを直列接続することによ
り構成されている。

【００２２】スタータモータ１６の正極側端子は、常開
型のスタータスイッチ１８を介して接続ライン１２の途
中に接続されている。従って、スタータモータ１６の正
極側端子は、接続ライン１２を介してオルタネータ１０
及び電気二重層コンデンサ１４に接続されている。

【００２３】鉛蓄電池２０の正極側端子は、接続ライン
２２を介して接続ライン１２に接続されており、この接
続ライン２２の途中には、補充電用の抵抗２４が設けら
れている。従って、鉛蓄電池２０は、これら各接続ライ
ン１２，２２及び抵抗２４を介してオルタネータ１０の
出力端子及び電気二重層コンデンサ１４の正極側端子に
接続されている。

【００２４】また、鉛蓄電池２０の正極側端子は、他の
接続ライン２６及びキースイッチ２８を介して「スター
タモータ以外の電気的負荷」としての電気的負荷３０に
接続されている。この電気的負荷３０には、例えばエン
ジンコントロールユニットの如く、マイクロコンピュー
タシステム等の電源電圧変動に弱い小さな電気的負荷も
含まれる。これにより、キースイッチ２８が閉じてオン
状態となると、電気的負荷３０は、接続ライン２６を介
して鉛蓄電池２０に接続されると共に、接続ライン２
６，２２，１２を介してオルタネータ１０の出力端子に
も接続される。

【００２５】鉛蓄電池２０と接続ライン１２とを結ぶ接
続ライン２２には、他の接続ライン３２が並列に接続さ
れている。この接続ライン３２の途中には、ダイオード
３４が鉛蓄電池２０の正極側端子側を向いて設けられて
いる。すなわち、このダイオード３４は、カソードが鉛
蓄電池２０の正極側端子に接続され、アノードがオルタ
ネータ１０の正極側端子に接続されるようにして配置さ
れている。従って、オルタネータ１０が発電した電流は
ダイオード３４を通って鉛蓄電池２０側に流入すること
ができるが、逆に鉛蓄電池２０側から電気二重層コンデ
ンサ１４側に向かう電流はダイオード３４によって阻止
される。

【００２６】一方、上述のように、鉛蓄電池２０は接続
ライン２２を介して接続ライン１２に接続されている。
しかし、この接続ライン２２には補充電用の抵抗２４が
設けられているため、この抵抗２４の抵抗値によって鉛
蓄電池２０と接続ライン１２、すなわち、電気二重層コ
ンデンサ１４との電気的接続状態が定まる。

【００２７】すなわち、抵抗２４の抵抗値が小さくなれ
ば、鉛蓄電池２０と電気二重層コンデンサ１４との接続
性が向上し電流が流れやすくなる。従って、抵抗値を小
さく設定した場合は、車両の長期間放置時の自己放電に
よって電気二重層コンデンサ１４の両端電圧が低下した
ときに、鉛蓄電池２０から電気二重層コンデンサ１４に
補充電流を速やかに供給して電気二重層コンデンサ１４
の電圧を短時間に回復することができるが、電気二重層
コンデンサ１４の電圧降下の影響が電気的負荷３０にも
及ぶ。

【００２８】逆に、抵抗２４の抵抗値を大きく設定した
場合は、鉛蓄電池２０と電気二重層コンデンサ１４との
電気的な接続性が低下するため、電気二重層コンデンサ
１４の電圧回復時間が長くなるが、電気二重層コンデン
サ１４の電圧降下が電気的負荷３０に及ぼす影響を小さ
くすることができる。そこで、電気二重層コンデンサ１
４の両端電圧を保持しうる最低限の補充電流が電気二重
層コンデンサ１４に流れ込むように、抵抗２４の抵抗値
が決定される。

【００２９】次に、上記構成の回路について、その作用
を説明する。エンジン始動時には、まず、スタータスイ
ッチ１８が閉じてスタータモータ１６が接続ライン１２
側と接続される。これにより、電気二重層コンデンサ１
４からの放電電流が接続ライン１２及びスタータスイッ
チ１８を介してスタータモータ１６に供給され、クラン
キングが開始される。

【００３０】ここで、鉛蓄電池２０とスタータモータ１
６とを結ぶ経路の途中には、鉛蓄電池２０から接続ライ
ン１２側に向かう電流を阻止するダイオード３４と、最
低限の補充電流の通過のみを許容する補充電用の抵抗２
４とが介在している。従って、スタータモータ１６が必
要とする大電流は、専ら電気二重層コンデンサ１４から
の放電電流によって供給される。

【００３１】従って、電気二重層コンデンサ１４の両端
電圧は、著しく低下するが、ダイオード３４及び抵抗２
４によって電気二重層コンデンサ１４と鉛蓄電池２０と
の間は実質的に遮断されているので、電気二重層コンデ
ンサ１４の急激な電圧降下の影響は、鉛蓄電池２０によ
り電流供給される電気的負荷３０側には及ばない。

【００３２】次に、エンジンが始動すると、オルタネー
タ１０が発電を開始する。そして、オルタネータ１０が
発電した電流は、接続ライン１２を介して電気二重層コ
ンデンサ１４を充電すると共に、接続ライン３２を介し
て鉛蓄電池２０を充電し、さらに、接続ライン２６を介
して電気的負荷３０に供給される。

【００３３】エンジン停止時には、鉛蓄電池２０から電
気的負荷３０に対して給電が行われる。また、自己放電
によって電気二重層コンデンサ１４の両端電圧が低下す
ると、鉛蓄電池２０から接続ライン２２及び抵抗２４を
介して僅かな補充電流が電気二重層コンデンサ１４に流
れ込み、この微少な補充電流によって電気二重層コンデ
ンサ１４の両端電圧は回復し、維持される。

【００３４】このように本実施の形態によれば第１に、
大電流を要求するスタータモータ１６への電流供給は専
ら電気二重層コンデンサ１４が行い、他の電気的負荷３
０には鉛蓄電池２０から電流を供給するため、大電流を
消費するスタータモータ１６とは無関係に、鉛蓄電池２
０の蓄電容量を設定することができる。すなわち、鉛蓄
電池２０の蓄電容量を比較的電流消費の少ない電気的負
荷３０に合わせて設定することができる。

【００３５】また、容積比パワー密度が鉛蓄電池２０よ
りも大きい電気二重層コンデンサ１４によってスタータ
モータ１６に電流供給を行うので、鉛蓄電池２０のみで
スタータモータ１６に電流を供給する場合に比較して、
電気二重層コンデンサ１４の容積、重量を少なくするこ
とができる。これにより、車両用電源装置全体の小型
化、軽量化を実現でき、エンジンルーム内空間の効率的
使用や燃費の低減を図ることができる。

【００３６】第２に、上記補充電用の抵抗２４の作用に
より、スタータモータ１６に給電する電源系統と電気的
負荷３０に給電する電源系統とが実質的に別個独立のも
のとされており、これにより、スタータモータ１６の駆
動による電気二重層コンデンサ１４の両端電圧の低下の
影響が電気的負荷３０に及ぶのを回避することができ
る。これにより、クランキング時の瞬間的な電圧降下に
よってエンジンコントロールユニット等がリセット状態
になるのを防止することができる。また、この抵抗２４
を介しての、鉛蓄電池２０から電気二重層コンデンサ１
４への微少な補充電流供給により、車両が長期間放置さ
れた場合でも、電気二重層コンデンサ１４の両端電圧を
維持してエンジン再始動に備えることができる。

【００３７】第３に、補充電用の抵抗２４と並列に鉛蓄
電池２０への順方向ダイオード３４を設けた構成によ
り、電気二重層コンデンサ１４側と鉛蓄電池２０側との
独立状態を保持しつつ、オルタネータ１０からの発電電
流を速やかに鉛蓄電池２０及び電気的負荷３０に供給す
ることができる。

【００３８】なお、本発明は、上記各実施の形態に限定
されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変
形が可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る電気
二重層コンデンサを用いた車両用電源装置によれば、ス
タータモータへの電流供給を行う電気二重層コンデンサ
側の電源系統と他の電気的負荷への電流供給を行う鉛蓄
電池側の電源系統との２個の独立した電源系統を得るこ
とができる。これにより、大電流を消費するスタータモ
ータに十分な電流を保持しつつ、電気二重層コンデンサ
の電圧降下の影響が他の電気的負荷に及ぶのを防止する
ことができる。また、装置全体を小型化、軽量化して、
エンジンルーム内空間の有効利用や燃費の低減を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る電気二重層コンデン
サを用いた車両用電源装置の概略回路構成図である。

【図２】従来技術による鉛蓄電池及び電気二重層コンデ
ンサを用いた車両用電源装置の要部を示す概略回路構成
図である。

【図３】従来技術による電気二重層コンデンサのみを用
いた車両用電源装置の要部を示す概略回路構成図であ
る。

【符号の説明】

１０ オルタネータ １４ 電気二重層コンデンサ １６ スタータモータ ２０ 鉛蓄電池 ２４ 抵抗 ３０ 他の電気的負荷 ３４ ダイオード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車載発電機により充電される電気二重層
   コンデンサ及び鉛蓄電池を有し車両に搭載された種々の
   電気的負荷に対し電流供給を行う車両用電源装置におい
   て、 前記電気二重層コンデンサは、前記発電機の出力端子に
   直接的に接続され、 前記鉛蓄電池は、前記電気二重層コンデンサと発電機と
   の接続ラインに抵抗を介して接続され、 前記電気二重層コンデンサ及び鉛蓄電池から前記電気的
   負荷への電流供給のための接続は、前記電気二重層コン
   デンサからのみエンジンのスタータモータへの電流供給
   を行い、前記鉛蓄電池からは前記スタータモータ以外の
   他の電気的負荷に電流供給を行うようになされたことを
   特徴とする電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装
   置。
2. 【請求項２】 前記抵抗と並列に前記鉛蓄電池への順方
   向ダイオードを接続したことを特徴とする請求項１に記
   載の電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置。