JP4440406B2

JP4440406B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP4440406B2
Application number: JP2000016460A
Authority: JP
Inventors: 岩男相良; 宣夫芦立
Original assignee: 宣夫芦立
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2001209444A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大容量の電気二重層コンデンサを利用した電源装置に係り、特にコンデンサの充放電特性を利用して充放電の残り時間の表示と動作時間を延長することができる電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層コンデンサは、静電容量が極めて大きなコンデンサであり、既に５０〜５００Ｆ程度のものが実用化されつつあり注目を集めている。そして、このコンデンサは急速な充放電が可能であり、また、繰り返し放電回数も例えば１０００回以上が可能であるため、単なるコンデンサとしてよりも、バッテリに代替する電源装置として利用することも可能である。バッテリに代替する電源装置としての電気二重層コンデンサは、例えば鉛蓄電池と比較して小型軽量であり、また鉛等の重金属を使用しないため、環境への適合性も良好である。
【０００３】
一方で太陽電池は、シリコン等の半導体のｐｎ接合により光線を電気エネルギーに変換する変換素子である。この太陽電池もガラス等の基材上にアモルファスシリコンを蒸着等により形成し、その表面に透明電極膜を形成することにより製造でき、クリーンな電力源として普及しつつある。
【０００４】
従って、太陽電池や発電機や商用電源などと上記電気二重層コンデンサとを組み合わせることにより、小型軽量で且つクリーンなバッテリに代替する電源設備を構成することが可能となる。特に電池駆動の電気自動車等においては、大容量の蓄電池を設備する必要があるが、このような用途に好適である。
【０００５】
しかしながら、バッテリ等の蓄電装置においては、放電時の残り使用可能時間等を点検可能とすることが不可欠であり、通常、電圧計を備え、電圧を監視することにより充放電状況を確認することができる。ところが、電気二重層コンデンサを利用した電源装置は、蓄電がコンデンサで行われている故に、コンデンサの放電が進行すると端子電圧が急速に低下し、充放電の残り時間を確認することが困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、電圧が大きく変動する電気二重層コンデンサの充放電の残り時間を正確に表示することと延長して動作させることが可能で、又残り時間を更に延長して動作させることが可能な、電気二重層コンデンサを用いた電源装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電気二重層コンデンサを用いた充放電可能な電源装置において、第１の時間ｔ_１と第２の時間ｔ_２の時の電圧Ｅ_１とＥ_２との測定手段と、コンデンサの充放電特性、Ｅ＝Ｅｏ（１−ｅ^{−（ｔ／ＲＣ）}）、または、Ｅ＝Ｅｏｅ^{−（ｔ／ＲＣ）}、なる関係を利用して、時定数ＲＣを算定する手段と、該算定された時定数ＲＣを利用して、前記コンデンサの充放電特性から前記コンデンサの残り充放電時間を算定する手段と、該算定された残り充放電時間を表示する表示装置とを備えたことを特徴とする電源装置である。
【０００８】
これにより、静電容量の大きな電気二重層コンデンサの充放電特性、および充電または放電の残り時間を算定して表示できるので、充電時の電源の内部抵抗又は放電時の負荷抵抗が不明であっても、電気二重層コンデンサの残り充放電時間を正確に知ることが可能となる。即ち、放電時の負荷機器の負荷抵抗または充電時の充電電源である例えば太陽電池の内部抵抗が一般に存在するが、正確に時定数ＲＣを推定することができ、従って上記対数関数により正確に充電または放電の残り時間を検出することができる。従って、充電の際には電源側の内部抵抗の大小に係わらず、また放電時には負荷抵抗の大小に係わらず常に正確な残り時間が表示されるので、電気二重層コンデンサを用いた充放電装置を実用的に利用することが可能となる。
【０００９】
また、前記電気二重層コンデンサの充電には、太陽電池を用いることが好ましい。これにより、電気二重層コンデンサと太陽電池を用い、クリーンで且つ十分な電力容量を有する電源装置を構成することができる。
【００１０】
また、前記電気二重層コンデンサを複数個備え、該複数個のコンデンサを直列および並列に切換接続する切換回路と、前記電圧Ｅ_１とＥ_２との測定結果から切換時期を判定する手段とを更に備えることが好ましい。これにより、電気二重層コンデンサの放電が進行し負荷側の所要最低電圧を下回る場合に、並列接続していた電気二重層コンデンサを直列に接続することで、電気二重層コンデンサの有する端子電圧を上昇させ、放電可能残り時間を延長して使用することができる。このような場合にも時定数が変化するので、接続切替え後の充放電の残り時間を継続して算定することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態の電気二重層コンデンサを用いた電源装置を示す。この実施の形態例においては、充電電源装置として太陽電池１１が用いられ、これにより電気二重層コンデンサ１２が充電される。充電電源装置１１と電気二重層コンデンサ１２との間にはスイッチ１４が接続され、これが閉じると電力供給源である太陽電池１１側から電気二重層コンデンサ１２に電流が供給され、これにより電気二重層コンデンサ１２が充電される。ここで、電源装置１１はｐｎ接合一段当たり通常０．６〜０．７Ｖ程度の電圧が出力されるが、これを複数段直列に接続し、負荷装置の駆動に十分な程度の電圧出力が得られるようにしておくことが好ましい。
【００１３】
そして、電気二重層コンデンサ１２は、その電源としての使用時には、例えば自動車のモータや電子機器等の負荷装置１３に接続される。負荷装置１３と電気二重層コンデンサ１２との間には同様にスイッチ１５が配設され、このスイッチが閉じられることにより電気二重層コンデンサ１２側から電流が負荷装置１３に供給され、負荷装置１３が動作する。電気二重層コンデンサ１２は、単一のコンデンサを用いても、また複数のコンデンサを並列接続して用いてもよい。更に、後述するように複数個の電気二重層コンデンサを並列接続および直列接続に切り替え可能とすることが好ましい。
【００１４】
電気二重層コンデンサ１２の両端には電圧検出回路１６が接続され、電気二重層コンデンサ１２の両端に表れる電圧を検出する。そして、検出された電圧は演算装置１７により演算処理が施され、充放電の残り時間が演算される。その演算結果が表示装置１８により表示される。尚、表示装置１８はアナログ式の表示計でもよく、また残り充放電時間を例えば分単位で表示するデジタル式の表示装置でもよい。また、電圧検出回路１６、演算装置１７および表示装置１８の電源は、この電気二重層コンデンサ１２の端子から供給してもよく、また別途の電源回路を用いてもよい。
【００１５】
コンデンサの充電特性は、図２に示すように表される。即ち、充電電源電圧Ｅｏ、内部抵抗Ｒ、コンデンサＣを直列に接続した場合、コンデンサＣの両端の充電電圧Ｅは次の（１）式で表される。
Ｅ＝Ｅｏ（１−ｅ^{−（ｔ／ＲＣ）}）（１）
即ち、コンデンサ両端の電圧Ｅがゼロから一定の直流充電電源電圧Ｅｏで充電すると、コンデンサの両端の電圧Ｅは対数関数に従って上昇し、緩やかに一定値Ｅｏに漸近する。ここで、コンデンサ容量Ｃと内部抵抗Ｒの積ＣＲは時間の次元を有し、これを時定数τ（＝ＣＲ）と称し、ｔ＝τの時、
Ｅ＝Ｅｏ（１−ｅ^−１）
となる。即ち、この時定数τは対数関数曲線の立ち上がりまたは立ち下がりの緩やかさを示す指標である。例えば、Ｃ＝１００（Ｆ）、Ｒ＝１０（Ω）の場合、τ＝１００（Ｆ）×１０（Ω）＝１０００秒であり、ｔ＝τ（１０００秒）の場合、Ｅ＝０．６３２Ｅｏとなり、５τ（５０００秒）でほぼ充電電源電圧Ｅｏに近づく。
【００１６】
このようにコンデンサの充電特性は図２に示すような対数曲線に従って電圧が上昇していくので、時刻ｔ_１における電圧Ｅ_１と時刻ｔ_２における電圧Ｅ_２とを検出することで、これにより時定数τ＝ＣＲを演算し、これから例えば充電完了時（例えば５τ＝０．９９３Ｅｏまでの残り時間を算定することができる。
【００１７】
図３は、放電時の特性曲線を示す。即ち、放電時の特性は、次の（２）式で表され、
Ｅ＝Ｅｏｅ^{−（ｔ／ＲＣ）} （２）
ここで、抵抗Ｒは負荷装置１３の負荷抵抗であり、容量Ｃは電気二重層コンデンサ１２の静電容量である。この場合も、コンデンサ１２の両端の電圧Ｅは、初期電圧をＥｏとすると、時間ｔの経過と共に対数関数に従って下降し、緩やかに一定値ゼロに漸近する。時定数である時刻τ（＝ＣＲ）で電圧は０．３６８Ｅｏまで低下し、更に時刻５τでほぼゼロである０．００７Ｅｏまで低下する。
【００１８】
これにより上述と同様に、電圧検出回路１６にて時刻ｔ_１における電圧Ｅ_１を測定し、時刻ｔ_２における電圧Ｅ_２を測定する。そして、演算装置１７にて時定数τ＝ＣＲを求める。時定数τ（＝ＣＲ）は、以下の演算により求められる。
Ｅ_１＝Ｅｏｅ^{−（ｔ１／ＣＲ）}
Ｅ_２＝Ｅｏｅ^{−（ｔ２／ＣＲ）}
ここで、充電電源電圧Ｅｏを消去すると、
Ｅ_１ｅ^{−（ｔ２／ＣＲ）}＝Ｅ_２ｅ^{−（ｔ１／ＣＲ）}
両辺の底数ｅの対数を取ると、
ｌｏｇＥ_１―（ｔ_２／ＣＲ）＝ｌｏｇＥ_２―（ｔ_１／ＣＲ）
これにより、
ＣＲ＝（ｔ_２−ｔ_１）／（ｌｏｇＥ_１−ｌｏｇＥ_２）
が得られる。
【００１９】
更に時刻ｔ_２からほぼ放電終了時の時刻を例えば３τとすると、対数関数に従った時刻３τ（この時の電圧Ｅ＝０．０５Ｅｏ）までの放電残り時間を算定することができる。
【００２０】
このようにして電圧検出回路１６及び演算装置１７で検出された残り時間を表示装置１８で表示することにより、電源の内部抵抗または負荷装置の負荷抵抗Ｒを考慮することなく、電気二重層コンデンサ１２の残り充電時間または残り放電時間を表示することができる。そして、放電時の負荷抵抗、又は充電時の内部抵抗が変化した場合にも、その変化に対応した残り時間を直ちに表示することが出来る。尚、この実施の形態例においては、放電完了時を残り電圧約５％である時刻３τを基準としたが、負荷装置の最低動作可能電圧及び初期電圧Ｅｏの大きさを考慮して、負荷装置の特性に応じて適宜決定する必要がある。
【００２１】
上述したように電気二重層コンデンサを用いた電源装置では、放電特性が鉛電池などのようにほぼ直線的に低下するのでなく、放電開始後、対数的に電圧が急激に減少していく。このため、電圧がある程度低下すると、コンデンサ１２内に電荷が蓄積されているにもかかわらず負荷装置１３の所要最低動作電圧を割り込むことになり、負荷装置に電流の供給ができなくなる。この点を改良するためには、コンデンサ１２として複数のコンデンサＣａ，Ｃｂを備え、これらを直列および並列に接続する切替回路を備えるようにすればよい（例えば、特開平１１−３３２１１２号公報参照）。
【００２２】
図４（ａ）は、複数のコンデンサＣａ，Ｃｂが並列接続され、負荷装置１３に電力を供給する場合の等価回路を示す。これに対して、図４（ｂ）は、複数のコンデンサＣａ，Ｃｂが直列接続され、負荷装置（抵抗Ｒ）１３に電力を供給する場合の等価回路を示す。ここで、一例として、Ｃａ＝Ｃｂ＝Ｃｏとすると、並列接続時の時定数τは、
τ＝２ＣｏＲとなり、直列接続時の時定数τは、τ＝ＣｏＲ／２となる。
【００２３】
図５は、この切替回路を用いたときの電源装置の放電時の動作特性例を示す。この装置においても、充放電装置としての全体的な回路構成は図１に示したものと同様である。即ち、最初は図４（ａ）に示すように電気二重層コンデンサ１２としてコンデンサＣａ，Ｃｂを並列接続により運転し、電圧検出回路１６を用い、電気二重層コンデンサ１２の両端の電圧を監視し、この実施の形態例では初期電圧Ｅｏの１／２まで電圧が低下したら、コンデンサＣａ，Ｃｂの並列接続を図４（ｂ）に示すように直列接続に切り替える。これにより、電圧は初期電圧Ｅｏまで再度上昇し、その後再び対数曲線に沿って低減する。従って、コンデンサの放電可能時間を並列動作時の動作時間ｔ_Ａに対して、直列動作時の動作時間ｔ_Ｂ分を延長することができる。
【００２４】
この時、並列動作時の時定数がτ＝２ＣｏＲであるのに対して、直列動作時の時定数がτ＝ＣｏＲ／２であるので、ｔ_Ｂ＝ｔ_Ａ／４の関係にあり、その分だけ動作時間を延長することができる。この実施の形態例においても、第１の時刻ｔ_１とその時の電圧Ｅ_１及び第２の時刻ｔ_２とその時の電圧Ｅ_２との関係から時定数τ（＝２ＣｏＲ）を算定し、上述したように直列動作時の時定数も算定可能であるので、直列動作時ｔ_Ｂを含めた残り放電可能時間を算定して表示することができる。
【００２５】
尚、以上の説明は、電気二重層コンデンサの両端の端子電圧の計測から残り充放電時間を算定する例について説明したが、電気二重層コンデンサに流れる電流から残り充放電時間を算定するようにしてもよい。
【００２６】
【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を用いた電源装置において、充放電の残り時間の表示を行うことができる。これにより、電気二重層コンデンサを用いた電源装置の実用上の使い易さを改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の電源装置の充放電回路の構成を示す図である。
【図２】図１に示す電源装置の充電特性を示す図である。
【図３】図１に示す電源装置の放電特性を示す図である。
【図４】複数のコンデンサを備えた電源装置における、（ａ）は並列接続の等価回路図であり、（ｂ）は直列接続の等価回路図である。
【図５】図４の並列接続と直列接続の切替回路を用いた時の放電特性を示す図である。
【符号の説明】
１１充電電源装置（太陽電池）
１２電気二重層コンデンサ
１３負荷装置
１４、１５スイッチ
１６電圧検出回路
１７演算装置
１８表示装置

Claims

電気二重層コンデンサを用いた充放電可能な電源装置において、
第１の時間ｔ_１と第２の時間ｔ_２の時の電圧Ｅ_１とＥ_２との測定手段と、
コンデンサの充放電特性、
Ｅ＝Ｅｏ（１−ｅ^{−（ｔ／ＲＣ）}）、または、Ｅ＝Ｅｏｅ^{−（ｔ／ＲＣ）}、
なる関係を利用して、時定数ＲＣを算定する手段と、
該算定された時定数ＲＣを利用して、前記コンデンサの充放電特性から前記コンデンサの残り充放電時間を算定する手段と、
該算定された残り充放電時間を表示する表示装置と、
を備えたことを特徴とする電源装置。
前記電気二重層コンデンサの充電には、太陽電池を用いることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記電気二重層コンデンサを複数個備え、該複数個のコンデンサを直列および並列に切換接続する切換回路と、前記電圧Ｅ_１とＥ_２との測定結果から切換時期を判定する手段とを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。