WO2012001810A1 - 薄膜キャパシタ充電装置 - Google Patents

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高梨 一彦
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Definitions

  • the present invention relates to a thin film capacitor charging device.
  • a thin film capacitor uses electric energy accumulated in a current collector formed at an interface between an electrode material and a dielectric, and is a large capacity capacitor that can instantaneously charge and discharge an electric capacity of several thousand farads. It can be used in a wide range of applications, from small-capacity products for memory backup, to medium-capacity products for power assist for electric vehicles, and large-capacity products for replacing power storage batteries such as power supply for electric vehicles.
  • the withstand voltage of a unit capacitor (also referred to as a cell) of such a thin film capacitor is determined by the withstand voltage of a dielectric that is a constituent element thereof, that is, an insulator that separates electrons and holes, and material, thin film thickness, uniformity, etc.
  • a dielectric that is a constituent element thereof, that is, an insulator that separates electrons and holes, and material, thin film thickness, uniformity, etc.
  • a barium titanate dielectric it is about 200V.
  • a thin film capacitor may be damaged when a voltage higher than the withstand voltage of the dielectric is applied, a plurality of unit capacitors are connected in series in an application requiring a high voltage.
  • the structure of a thin film capacitor is a flat plate type in which electrodes, current collectors and dielectrics are formed in a flat plate shape.
  • a bipolar structure in which electrodes and dielectrics are alternately stacked can be used for high voltage applications. Suitable for.
  • a unit having a withstand voltage of 400 V class in which 40 to 50 cells are stacked has been developed.
  • modules in which units are combined in parallel and in series are applied.
  • the thin film capacitor C Since the thin film capacitor C is good at steep charge and discharge, it is often used for a DC load that requires a large current in a short time. On the other hand, at the time of charging, a large current is supplied to each single capacitor, and rapid charging becomes possible. At the time of charging, a resistor R1 suitable for the characteristics is attached to each thin film capacitor to adjust it to an optimum voltage, and charging is performed in a form in which destruction due to overvoltage is suppressed.
  • Patent Document 1 JP 2004-215332 A
  • an object of the present invention is to provide a thin film capacitor charging apparatus capable of preventing an excessive current at the time of initial charging of a thin film capacitor with an inexpensive configuration.
  • a thin film capacitor charging device for charging a thin film capacitor used in a direct current circuit, the direct current power source supplying a direct current to the thin film capacitor, and being connected in series to the thin film capacitor and supplied from the direct current power source to the thin film capacitor.
  • the direct current power source supplying a direct current to the thin film capacitor, and being connected in series to the thin film capacitor and supplied from the direct current power source to the thin film capacitor.
  • a resistor as a current limiting means for limiting the current value of the direct current and a system selection switch provided in series with each thin film capacitor.
  • Resistors that suppress excessive current and individual thin film capacitors are connected during charging, and charging can be performed in parallel with individual capacitors.
  • each thin film capacitor is connected in series to obtain the required voltage and current. It is characterized by.
  • the present invention is based on the point that the thin film capacitor can be optimally charged, and is optimally controlled by each system at the time of discharging.
  • the thin film capacitor charging device by connecting an overcurrent prevention circuit in series to a thin film capacitor applied to a DC circuit, when the thin film capacitor is initially charged, first, a resistor, a thin film The current flows to the capacitor, and the current flowing to the thin film capacitor can be suppressed by the resistor.
  • the operation switch is turned off to complete the initial charging. Accordingly, the initial charging of the thin film capacitor can be performed without using an expensive device such as a charging circuit to which a constant current control function is added. Therefore, an excessive current flowing into the thin film capacitor during the initial charging can be prevented with an inexpensive configuration. It was.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration of a thin film capacitor charging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration of a thin film capacitor charging device according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing an outline of a charging apparatus using three thin film capacitors according to this embodiment.
  • charging is started and stopped by switching the operation switch SW1 from a DC power source DC (for example, 100 V).
  • a DC power source DC for example, 100 V.
  • First to third resistors R1 to R3 for limiting currents are directly connected to the first to third thin film capacitors C1 to C3, respectively.
  • the system changeover switches SW11 to SW16 directly connected to the first to third thin film capacitors C1 to C3 are connected in parallel by selection on the contact A side, and are connected in series by selection on the contact B side.
  • the operation switch SW2 which is a discharge side switch is turned off, the first to third thin film capacitors C1 to C3 are selected in parallel connection, and the operation switch SW1 which is a charging switch is turned on.
  • the first to third thin film capacitors C1 to C3 are auxiliary resistors, and the first to third resistors R1 to R3 are connected in series with the first to third thin film capacitors C1 to C3. This prevents an excessive current during the initial charging of the thin film capacitors C1 to C3.
  • the operation switch SW1 at the time of charging is turned off, and the B switch side, that is, the first to third thin film capacitors C1 to C3 are selected to the discharge side for series connection by the system changeover switches SW11 to SW16.
  • the operation switch SW2 is turned on, the first to third thin film capacitors C1 to C3 are joined in series and can operate as a capacitor power source.
  • the present invention can be used for a thin film capacitor charging device applied to a DC circuit.

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Abstract

 薄膜キャパシタの充電時の過大電流防止を安価な構成で行うことを可能とする。 複数の薄膜キャパシタに直流電流を供給する直流電源DCと、それぞれの薄膜キャパシタに直列接続されて直流電源DCから薄膜キャパシタに供給される直流電流の電流値を制限する抵抗器と、キャパシタに直列接続され、一方の接点の選択時は薄膜キャパシタの両端を短絡し直列接続を行い、他方の接点選択時は並列接続として直流電流を抵抗器に通して薄膜キャパシタCに供給する直列と並列の系統切替スイッチSWとを有し、充電時操作スイッチSW1と放電時操作スイッチSW2を切り替えて、充電時には並列で薄膜キャパシタCに供給される電流を抵抗により抑制し、放電時には直列接続で抵抗器に関係なく放電可能とした。

Description

薄膜キャパシタ充電装置
 本発明は、薄膜キャパシタ充電装置に関する。
 薄膜キャパシタは、電極材と誘電体との界面に形成される集電体に蓄積される電気エネルギーを利用するもので、数千ファラッドオーダの電気容量を瞬時に充放電できる大容量コンデンサである。
 用途としては、メモリバックアップ用の小容量品から、電気自動車のパワーアシスト用としての中容量品、そして電気自動車のパワー供給などの電力貯蔵用蓄電池代替としての大容量品まで幅広く利用可能である。
 このような薄膜キャパシタの単位キャパシタ(セルともいう)の耐電圧は、その構成要素である誘電体、すなわち電子とホールを分離する絶縁体の耐電圧で決まり、材質、薄膜厚さ、均一度等に依存し、例えば、チタン酸バリウム系誘電体の場合約200Vである。
 なお、薄膜キャパシタは、誘電体の耐電圧以上の電圧を印加すると破損する虞があるため、高電圧を要求される用途においては、複数個の単位キャパシタを直列接続して用いる。
 薄膜キャパシタの構造としては、電極と集電体及び誘電体が平板状に形成される平板型となっているが、電極と誘電体を交互に積層するバイポーラ構造をとることができ、高電圧用途に適する。
 例えば、平板型構造の薄膜キャパシタでは、40~50セル積層した耐電圧400Vクラスのユニットが開発されている。
 なお、中容量、大容量の電力貯蓄用途では、ユニットを並列、直列に組み合わせたモジュールが適用される。
 薄膜キャパシタCは、急峻な充放電を得意としているため、短時間に大電流を必要とする直流負荷に利用されることが多い。
 一方充電時には単体キャパシタにそれぞれ大電流が供給され急速な充電が可能となる。
 充電時には個々の薄膜キャパシタに特性に合わせた抵抗R1を付設し最適な電圧に調整して過電圧による破壊を抑えた形態で充電を行う。
 一般ではキャパシタの充放電に関する技術としては、例えば特許文献1に開示されたものがある。
特開2004-215332号公報
 ところが、薄膜キャパシタCの初期充電を行う際、直流電源DCと薄膜キャパシタCを直接接続すると、大電流が流れ、薄膜キャパシタCの直流電流の許容電流値を超えてしまうことがあった。
 そのため従来は定電流制御機能を付加した充電回路(図示省略)を設けており、装置が高価なものになっていた。
 このようなことから本発明は、薄膜キャパシタの初期充電時の過大電流防止を安価な構成で行うことが可能な薄膜キャパシタ充電装置を提供することを目的とする。
 上記の課題を解決するため請求項1に係る発明では、
 直流回路に用いられる薄膜キャパシタの充電を行う薄膜キャパシタ充電装置であって、前記薄膜キャパシタに直流電流を供給する直流電源と、前記薄膜キャパシタに直列接続されて前記直流電源から前記薄膜キャパシタに供給される直流電流の電流値を制限する電流制限手段としての抵抗器と、各薄膜キャパシタに直列に付設した系統選択スイッチにより充電時の並列接続か放電時の直列接続かの選択を行える回路とした。
 充電時には過大電流を抑制する抵抗器と個々の薄膜キャパシタが接続され、個々のキャパシタに並列に充電が行え、放電時には抵抗とは関係なく各薄膜キャパシタが直列接続され必要な電圧、電流を得ることを特徴とする。
 なお本発明は薄膜キャパシタの充電を最適に行えることを要綱とし、放電時は各システムにより最適な制御が必要となるが、そのための初期キャパシタ電源として提供するものである。
 上述した本発明に係る薄膜キャパシタ充電装置によれば、直流回路に適用する薄膜キャパシタに過大電流防止用回路を直列接続したことにより、薄膜キャパシタの初期充電時には、まず、直流電源から抵抗器、薄膜キャパシタへと電流が流れることとなり、抵抗器によって薄膜キャパシタへ流れる電流を抑制することができる。
 そして、薄膜キャパシタの充電電圧が設定値に達した時点で操作スイッチをOFFして初期充電を完了する。
 従って、定電流制御機能を付加した充電回路などの高価な装置を使用することなく薄膜キャパシタの初期充電が行えるため、初期充電時に薄膜キャパシタに流れ込む過大電流を安価な構成で防ぐことが可能になった。
実施例1に係る薄膜キャパシタ充電装置の概略構成を示す回路図である。
 1  薄膜キャパシタ充電装置の回路図
 2  電流計
 3  電圧計
 C1~C3 第1~第3薄膜キャパシタ
 DC 直流電源
 R1~R3 第1~第3抵抗器
 SW1、SW2 操作スイッチ
 SW11~SW16 系統切替スイッチ
 以下、本発明に係る薄膜キャパシタ充電装置の好適な実施の形態について、以下に示す実施例により詳細に説明する。
 本発明の第1の実施例を図1に基づいて説明する。
 図1は本実施例に係る薄膜キャパシタを3個使用した充電装置の概略を示す回路図である。
 本実施例において、直流電源DC(例えば、100V)から、操作スイッチSW1の切り替えにより充電の開始および停止を行うこととした。
 各第1~第3薄膜キャパシタC1~C3にはそれぞれの電流を制限する第1~第3抵抗器R1~R3が直接接続されている。
 また各第1~第3薄膜キャパシタC1~C3に直接接続された系統切替スイッチSW11~SW16により、接点A側の選択で各並列接続し、接点B側の選択で直列接続を行う回路とした。
 本実施例は、放電側スイッチである操作スイッチSW2をOFFし、各第1~第3薄膜キャパシタC1~C3を並列接続で選択し、充電用スイッチである操作スイッチSW1をONすれば、それぞれの第1~第3薄膜キャパシタC1~C3が補助抵抗である第1~第3抵抗器R1~R3を第1~第3薄膜キャパシタC1~C3と直列に接続することになり、第1~第3薄膜キャパシタC1~C3の初期充電時の過大電流を防止するものである。
 充電が完了すれば充電時の操作スイッチSW1をOFFとし、各系統切替スイッチSW11~SW16でB接点側つまり第1~第3薄膜キャパシタC1~C3を直列接続を行う放電側に選択し、放電時の操作スイッチSW2をONすれば各第1~第3薄膜キャパシタC1~C3は直列に接合されキャパシタ電源として動作を行える。
 本発明は、直流回路に適用される薄膜キャパシタ充電装置に利用可能である。

Claims (1)

  1.  直流回路に用いられる薄膜キャパシタの充電を行う薄膜キャパシタ充電装置であって、
     前記薄膜キャパシタに直流電流を供給する直流電源と、
     前記薄膜キャパシタに直列接続されて前記直流電源から前記薄膜キャパシタに供給される直流電流の電流値を制限する抵抗器と、
     薄膜キャパシタに接続され、並列と直列の選択を行う系統切替スイッチにより全薄膜キャパシタを充電時の電流を制限する抵抗に接続し並列で充電を可能とし、放電時には全薄膜キャパシタが直列に接続して放電を行えることを特徴とする薄膜キャパシタ充電装置。
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