JP2005080470A

JP2005080470A - 蓄電装置

Info

Publication number: JP2005080470A
Application number: JP2003310613A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Yamashita; 和郎山下
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】大エネルギーを蓄積することができるとともに大電力を瞬時に取り出すことができ、さらに小型化を実現できる蓄電装置を提供する。
【解決手段】複数の二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６が直列に接続されている二次電池Ｓ１００と、複数の電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６が直列に接続されている電気二重層キャパシタＣ１００と、が備えられている。二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６の両端子間の各々に電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６がそれぞれ接続されていることにより、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６には二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６からの電圧がそれぞれ印加される。
【選択図】図１

Description

本発明は、繰り返し充放電可能な蓄電装置に関する。

従来の蓄電装置の一例が特開平６−２６４８５１号公報（特許文献１）に開示されている。この装置は、自動車用の蓄電装置であり、始動用蓄電池と負荷用蓄電池の２つの蓄電池を備えている。そして、例えばエンジン始動用のスタータモータのような瞬時負荷は始動用蓄電池に分担させ、例えばランプ類のような定常負荷は負荷用蓄電池に分担させている。これによって、始動用蓄電池は効率放電用、負荷用蓄電池は低率放電用の設計を可能とし、蓄電池の長寿命化を図っている。その他にも、特許文献２に示す自動車用蓄電装置が開示されている。

特開平６−２６４８５１号公報特開平５−３４３１０３号公報

しかしながら、このような蓄電池は電気化学反応を用いて負荷に供給するためのエネルギーを蓄積しているため、瞬時に取り出せる電力及び長寿命化には限界がある。したがって、この従来の蓄電装置においては、大電力を瞬時に取り出すこと及び長寿命化が困難であるという問題点がある。

一方、繰り返し充放電可能な蓄電装置として、蓄電池以外に電気二重層キャパシタも利用されている。電気二重層キャパシタは電気化学反応を用いないため、大電力を瞬時に取り出すことが可能であり、かつ長寿命という特徴を有している。しかし、電気二重層キャパシタについては、蓄電エネルギーは電気化学反応を用いる蓄電池より劣り、大エネルギーを蓄積することが困難であるという問題点がある。

さらに、電気二重層キャパシタは、その耐電圧が一般的に２．５Ｖ程度と低く、特性を劣化させないためにも耐電圧以下の電圧範囲で用いる必要がある。そこで、電気二重層キャパシタを高電圧化するためには、直列に複数接続して用いる必要がある。直列に複数接続された電気二重層キャパシタの両端に充電用電源を接続して充電を行う場合は、その各々に容量のばらつきがあるため、充電電圧にもばらつきが発生する。劣化を防止するためにもすべてのキャパシタの充電電圧を耐電圧以下にする必要があるため、一部のキャパシタには十分に電気エネルギーを蓄積することができないという問題点がある。充電電圧のばらつきを補正するための回路を用いれば、すべてのキャパシタの充電電圧が均等になるように充電可能であり、キャパシタに電気エネルギーを効率よく蓄えることが可能であるが、その場合は装置の小型化が困難であるという問題点がある。

本発明は、大エネルギーを蓄積することができるとともに大電力を瞬時に取り出すことができ、さらに小型化を実現できる蓄電装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、第１の本発明に係る蓄電装置は、複数の二次電池セルが直列に接続されている二次電池と、複数の電気二重層キャパシタセルが直列または直並列に接続されている電気二重層キャパシタと、を備え、前記二次電池セルの両端子間の各々には、１つの電気二重層キャパシタセルまたは互いに並列接続された複数の電気二重層キャパシタセルが接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、大エネルギーを二次電池に蓄積することができるとともに大電力を電気二重層キャパシタから瞬時に取り出すことができる。さらに、電気二重層キャパシタセルの各々に二次電池セルからの均等の電圧を印加することができるので、各電気二重層キャパシタセルの電圧が均等になるように電気二重層キャパシタの充電を行うことができ、電気二重層キャパシタに電気エネルギーを効率よく蓄積することができる。そして、電気二重層キャパシタの充電のときに電圧のばらつきを補正するための回路を用いる必要がないため、蓄電装置の小型化を実現できる。

第２の本発明に係る蓄電装置は、前記二次電池セルと該二次電池セルの両端子間に接続されている電気二重層キャパシタセルとの間に流れる電流を制限するための電流制限手段をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、二次電池セルと該二次電池セルの両端子間に接続されている電気二重層キャパシタセルとの間に流れる電流を制限することができるので、二次電池の大電流放電に起因する電圧変動を抑制することができる。したがって、蓄電装置の長寿命化を実現できる。

第３の本発明に係る蓄電装置は、第１または第２の本発明に記載の装置であって、該蓄電装置は、第１の負荷と、該第１の負荷より駆動頻度が低くかつ駆動時の消費電力が大きい第２の負荷と、を駆動するための電力を供給可能であり、前記第１の負荷を駆動するための電力は前記二次電池から供給され、前記第２の負荷を駆動するための電力は前記電気二重層キャパシタから供給されることを特徴とする。

この構成によれば、駆動頻度が低いものの瞬時に大電力の供給を要求される負荷については、二次電池からではなく瞬時に大電力を取り出せる電気二重層キャパシタから電力が供給される。したがって、蓄電装置の長寿命化を実現できる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る蓄電装置を含む動力出力装置の構成の概略を示す図である。本実施形態に係る蓄電装置は、二次電池Ｓ１００及び電気二重層キャパシタＣ１００を備えている。なお、本実施形態に係る蓄電装置の適用例としては、内燃機関１８を動力源として備えた車両に用いた例が挙げられる。

電気化学反応を用いて電気エネルギーを蓄積可能な二次電池Ｓ１００においては、複数の二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６が直列に接続されている。電気化学反応を用いずに電気エネルギーを蓄積可能な電気二重層キャパシタＣ１００においては、複数の電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６が直列に接続されている。なお、二次電池Ｓ１００の端子ＴＭ１１７は接地されている。

本実施形態においては、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６は、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６にそれぞれ対応して設けられており、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６の両端子間の各々にそれぞれ接続されている。なお、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６の耐電圧は、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６の定格電圧より高くなっている。二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６の定格電圧については、電極材料及び電解質により決まり、例えば鉛蓄電池の場合は約２Ｖとなる。

二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６と電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６とをそれぞれ接続するための配線Ｌ１０１〜Ｌ１０６には、電流制限手段Ｒ１０１〜Ｒ１０６がそれぞれ設けられている。ここでの電流制限手段Ｒ１０１〜Ｒ１０６については、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６と電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６との間に流れる電流を制限するために設けられている。そして、電流制限手段Ｒ１０１〜Ｒ１０６の具体的な構成の一例については、抵抗のみによって本発明の電流制限手段Ｒ１０１〜Ｒ１０６を実現することができる。

動力出力用の内燃機関１８は、その出力軸に連結されている例えば車輪等の負荷（図示せず）に動力を出力可能である。また、内燃機関１８の運転時には、発電機１６が発電状態に駆動される。

二次電池Ｓ１００の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１７間には、発電機１６がスイッチ３２を介して接続されている。スイッチ３２が導通状態（イグニッションのオン時）にあり発電機１６が発電状態に運転されているときは、発電機１６によって二次電池Ｓ１００の充電を行うことができる。

電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６には、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６からの電圧がそれぞれ印加される。この二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６からの印加電圧によって、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６の充電をそれぞれ行うことができる。ただし、電流制限手段Ｒ１０１〜Ｒ１０６によって二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６から電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６へ流れる電流は制限される。この電流制限手段Ｒ１０１〜Ｒ１０６によって、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６の電圧変動が抑制される。

二次電池Ｓ１００の両端子ＴＭ１１１，ＴＭ１１７間には、さらに負荷２２がスイッチ３２を介して接続されている。二次電池Ｓ１００から供給される電力、あるいは二次電池Ｓ１００及び発電機１６から供給される電力によって負荷２２の駆動が可能である。ここでの負荷２２は、例えば空調装置、オーディオ、ランプ類、及び警告灯類等を含む車両電装品であり、スイッチ３２の導通時（イグニッションのオン時）には略常時駆動される負荷である。なお、電流制限手段Ｒ１０１によって電気二重層キャパシタＣ１００から負荷２２側へ流れる電流は制限される。

電気二重層キャパシタＣ１００の両端子ＴＭ１０１，ＴＭ１０７間には、電動機２０がスイッチ３４を介して接続されている。スイッチ３４の導通時に電気二重層キャパシタＣ１００から供給される電力によって電動機２０を駆動させることで、停止状態の内燃機関１８を始動させることができる。

ここで、本実施形態の蓄電装置を備えた車両においては、停止時には内燃機関１８を一時的に停止させ、発進時にはスイッチ３４を導通させて電動機２０により内燃機関１８を再始動させる制御を行う。内燃機関１８の始動時には、瞬時に大電力が電動機２０によって消費されることになる。このように、ここでの電動機２０は、消費電力が大きくかつ瞬時的に駆動される負荷であり、負荷２２より駆動頻度が低くかつ駆動時の消費電力が大きくなる。

なお、図１では直列に接続された二次電池セルの数が６である場合を示しているが、直列に接続する二次電池セルの数については、複数の範囲で任意に設定することができる。

次に、本実施形態に係る蓄電装置に用いられる電気二重層キャパシタＣ１００の構成の一例について説明する。

図２は、電気二重層キャパシタＣ１００の構成の概略を示す図であり、図２（Ａ）は上面から見た外観図を示し、図２（Ｂ）は側面から見た内部構造図を示す。電気二重層キャパシタＣ１００は、電気二重層が形成された複数の電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６が直列接続されるように積層されて構成されている。

容量を形成する電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６の各々は、一対の分極性電極４２，４４及びセパレータ４６を含んでいる。一対の分極性電極４２，４４はセパレータ４６を介して対向配置されている。分極性電極４２，４４及びセパレータ４６には電解液が含浸されている。

電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６の各々は、集電極Ｅ１０１〜Ｅ１０７間に挟まれた状態で直列接続されるように積層されている。また、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６の各々は、パッキン４８によって外部に対して封止されている。パッキン４８はモールド用樹脂５０によって覆われている。

本実施形態の電気二重層キャパシタＣ１００においては、集電極Ｅ１０１〜Ｅ１０７の各々が外部に露出している外部接続端子ＴＭ１０１〜ＴＭ１０７をそれぞれ有している。ここで、外部接続端子ＴＭ１０１は電流制限手段Ｒ１０１及びスイッチ３４に接続され、外部接続端子ＴＭ１０７は二次電池Ｓ１００の端子ＴＭ１１７及び電動機２０に接続される。そして、外部接続端子ＴＭ１０２〜ＴＭ１０６の各々は電流制限手段Ｒ１０２〜Ｒ１０６にそれぞれ接続される。なお、集電極Ｅ１０１〜Ｅ１０７の各々は互いに電気的に接続されていないため、外部接続端子ＴＭ１０１〜ＴＭ１０７の各々も互いに電気的に接続されていない。

以上説明したように、本実施形態の蓄電装置によれば、例えば内燃機関１８の始動に用いられる電動機２０のように駆動頻度が低いものの瞬時に大電力の供給を要求される負荷については、瞬時に大電力を取り出せる電気二重層キャパシタＣ１００から電力が供給される。一方、例えば車両電装品のように瞬時に大電力の供給を必要としないものの略常時駆動される負荷２２については、大エネルギーを蓄積できる二次電池Ｓ１００から電力が供給される。このように、本実施形態においては、大エネルギーを二次電池Ｓ１００に蓄積することができるとともに大電力を電気二重層キャパシタＣ１００から瞬時に取り出すことができる。また、瞬時に大電力の供給を要求される負荷である電動機２０については、二次電池Ｓ１００からではなく電気二重層キャパシタＣ１００から電力が供給されるので、蓄電装置の長寿命化を実現できる。

そして、電動機２０によって停止状態の内燃機関１８を始動させるときに、電気二重層キャパシタＣ１００から瞬時に大電力を供給することができるので、内燃機関１８の始動性を改善することができる。

さらに、本実施形態によれば、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６は、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６の両端子間にそれぞれ接続されている。ここで、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６の定格電圧は、電極材料及び電解質により決まり、定格電圧より大きくなるように二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６を充電したとしても、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６内の電気化学反応に消費されるため、定格電圧より大きくなり難い。したがって、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６間に容量のばらつきがあっても、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６の各々に二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６からの均等の電圧を印加することができるので、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６間の電圧のばらつきを抑制することができる。したがって、電圧が均等になるように電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６の各々の充電を行うことができ、電気二重層キャパシタＣ１００に電気エネルギーを効率よく蓄積することができる。また、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６間の電圧のばらつきを補正するための回路を用いることなく、電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６の各々の電圧が均等になるように充電を行うことができるので、蓄電装置の小型化を実現できる。

また、本実施形態によれば、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６と電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６との間に流れる電流を制限する電流制限手段Ｒ１０１〜Ｒ１０６が設けられている。この電流制限手段Ｒ１０１〜Ｒ１０６によって、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６から電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６へ流れる電流を制限することができ、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６の大電流放電に起因する電圧変動を抑制することができる。したがって、蓄電装置の更なる長寿命化を実現できる。

以上の説明においては、複数の電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６が直列に接続されている電気二重層キャパシタＣ１００の場合について説明した。ただし、本発明に係る蓄電装置に用いられる電気二重層キャパシタＣ１００については、例えば図３に示すように、複数の電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６が直並列に接続されていてもよい。図３に示す構成においては、二次電池セルＳ１０１〜Ｓ１０６の両端子間の各々には、互いに並列接続された複数の電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６がそれぞれ接続されることになる。図３に示す構成のように、複数の電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６を直並列に接続することにより、電気二重層キャパシタＣ１００の容量を増大させることができる。

図３に示すような複数の電気二重層キャパシタセルＣ１０１〜Ｃ１０６が直並列に接続されている電気二重層キャパシタＣ１００については、例えば図４に示す構成の電気二重層キャパシタＣ１００によって実現することができる。図４に示す構成においては、図２に示す構成の電気二重層キャパシタＣ１００が並列に複数接続されている。すなわち、電気二重層キャパシタＣ１００の各々について、外部接続端子ＴＭ１０１同士及び外部接続端子ＴＭ１０７同士がそれぞれ接続されている。そして、電気二重層キャパシタＣ１００の各々について、外部接続端子ＴＭ１０２同士、外部接続端子ＴＭ１０３同士、外部接続端子ＴＭ１０４同士、外部接続端子ＴＭ１０５同士、及び外部接続端子ＴＭ１０６同士もそれぞれ接続されている。なお、外部接続端子ＴＭ１０１〜ＴＭ１０７の接続先については図２に示す構成と同様であるため説明を省略する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る蓄電装置を含む動力出力装置の構成の概略を示す図である。本発明の実施形態に係る蓄電装置に用いられる電気二重層キャパシタの構成の概略を示す図である。本発明の実施形態に係る蓄電装置を含む動力出力装置の他の構成の概略を示す図である。本発明の実施形態に係る蓄電装置に用いられる電気二重層キャパシタの他の構成の概略を示す図である。

符号の説明

１６発電機、１８内燃機関、２０電動機、Ｃ１００電気二重層キャパシタ、Ｃ１０１〜Ｃ１０６電気二重層キャパシタセル、Ｒ１０１〜Ｒ１０６電流制限手段、Ｓ１００二次電池、Ｓ１０１〜Ｓ１０６二次電池セル。

Claims

複数の二次電池セルが直列に接続されている二次電池と、
複数の電気二重層キャパシタセルが直列または直並列に接続されている電気二重層キャパシタと、
を備え、
前記二次電池セルの両端子間の各々には、１つの電気二重層キャパシタセルまたは互いに並列接続された複数の電気二重層キャパシタセルが接続されていることを特徴とする蓄電装置。
請求項１に記載の蓄電装置であって、
前記二次電池セルと該二次電池セルの両端子間に接続されている電気二重層キャパシタセルとの間に流れる電流を制限するための電流制限手段をさらに備えることを特徴とする蓄電装置。
請求項１または２に記載の蓄電装置であって、
該蓄電装置は、第１の負荷と、該第１の負荷より駆動頻度が低くかつ駆動時の消費電力が大きい第２の負荷と、を駆動するための電力を供給可能であり、
前記第１の負荷を駆動するための電力は前記二次電池から供給され、前記第２の負荷を駆動するための電力は前記電気二重層キャパシタから供給されることを特徴とする蓄電装置。