JP2008022605A - Battery with built-in capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一次電池と電気二重層キャパシタとを備えて構成されるキャパシタ一体型電池に関し、特に、高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池に関する。 The present invention relates to a capacitor-integrated battery comprising a primary battery and an electric double layer capacitor, and more particularly to a capacitor-integrated battery that has a high output and can be used for a long time with little self-discharge.
高容量かつ高出力であるとともに長期間使用可能な電源素子を実現すべく、非水電解液一次電池と電気二重層キャパシタとを並列に接続させた電源素子が開発されている。この電源素子は、高容量、長寿命だが瞬時的に大電流を放電することができない一次電池の弱点を、瞬時的な大電流放電が可能な電気二重層キャパシタで補おうとするものであって、定常的には小電流を要求するが、一時的に大電流を要求することがあるような負荷機器への利用が期待されている(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、電気二重層キャパシタに限らず、高出力のキャパシタは、一般的に自己放電しやすく、この傾向は、高容量であるほど顕著となる。そのため、非水電解液一次電池と電気二重層キャパシタとを並列に接続させておくと、非水電解液一次電池に蓄えられている電力が、電気二重層キャパシタの自己放電によって徐々に消費されてしまう。このため、電池の使用可能期間が短くなるため、電池の交換サイクルが短くなる。その上電池の長期保存もできない。この傾向は、高容量かつ高出力なキャパシタ、とくに電気二重層キャパシタを用いた場合に顕著に現れる。
そのため、高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池が求められている。
However, not only the electric double layer capacitor but also a high output capacitor generally tends to self-discharge, and this tendency becomes more prominent as the capacity increases. Therefore, if the nonaqueous electrolyte primary battery and the electric double layer capacitor are connected in parallel, the electric power stored in the nonaqueous electrolyte primary battery is gradually consumed by the self-discharge of the electric double layer capacitor. End up. For this reason, since the usable period of a battery becomes short, the replacement cycle of a battery becomes short. In addition, the battery cannot be stored for a long time. This tendency is conspicuous when a high-capacity and high-power capacitor, particularly an electric double layer capacitor is used.
Therefore, there is a demand for a capacitor-integrated battery that has high output and that can be used for a long time with little self-discharge.
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、一次電池と電気二重層キャパシタとを備えるキャパシタ一体型電池であって、高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池を提供することを主たる目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is a capacitor-integrated battery comprising a primary battery and an electric double layer capacitor, which has a high output and can be used for a long time with little self-discharge. The main purpose is to provide an integrated battery.
上記課題を解決するために、本発明に係るキャパシタ一体型電池は、一次電池と、電気二重層キャパシタと、外部回路に電力を供給するための第1、第2、第3の端子と、を備え、前記第1の端子は、前記一次電池の一方の電極に接続され、前記第2の端子は、前記電気二重層キャパシタの一方の電極に接続され、前記第3の端子は、前記一次電池の他方の電極及び前記電気二重層キャパシタの他方の電極に共通に接続されることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a capacitor integrated battery according to the present invention includes a primary battery, an electric double layer capacitor, and first, second, and third terminals for supplying power to an external circuit. The first terminal is connected to one electrode of the primary battery, the second terminal is connected to one electrode of the electric double layer capacitor, and the third terminal is connected to the primary battery. And the other electrode of the electric double layer capacitor are connected in common.
このような態様により、高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池を構成することが可能となる。例えば、外部回路の負荷が軽い場合には、本キャパシタ一体型電池の第1の端子と第3の端子とを外部回路に接続して、一次電池の起電力だけを外部回路に供給するようにする。また、外部回路の負荷が重い場合には、第2の端子と第3の端子とを外部回路に接続して、電気二重層キャパシタに充電しておいた電力を外部回路に供給するようにする。電気二重層キャパシタへの充電は、第1の端子と第2の端子とを接続することにより行なうことが可能である。また、第1の端子と第2の端子とが常時接続されているわけではないので、一次電池に蓄えられている電力が、電気二重層キャパシタの自己放電によって消費されてしまうこともないのである。このため、電池の長期保存が可能となると共に、電池の交換サイクルを伸ばすことも可能となる。つまり、等価的には高容量かつ高出力でありながら長期間使用可能な電池が得られる。これにより、電池で駆動される電子回路のメンテナンスの負担も軽減される。 With such an embodiment, it is possible to configure a capacitor-integrated battery that has a high output and that can be used for a long time with little self-discharge. For example, when the load on the external circuit is light, the first terminal and the third terminal of the capacitor-integrated battery are connected to the external circuit so that only the electromotive force of the primary battery is supplied to the external circuit. To do. When the load on the external circuit is heavy, the second terminal and the third terminal are connected to the external circuit so that the electric power charged in the electric double layer capacitor is supplied to the external circuit. . Charging the electric double layer capacitor can be performed by connecting the first terminal and the second terminal. Further, since the first terminal and the second terminal are not always connected, the power stored in the primary battery is not consumed by the self-discharge of the electric double layer capacitor. . For this reason, the battery can be stored for a long time, and the battery replacement cycle can be extended. That is, a battery that can be used for a long period of time while having high capacity and high output is obtained. Thereby, the burden of the maintenance of the electronic circuit driven by a battery is also reduced.
ここで、前記一次電池は、筒形の非水電解液一次電池であり、前記電気二重層キャパシタは、筒形の電気二重層キャパシタであるようにすることもできる。 Here, the primary battery may be a cylindrical non-aqueous electrolyte primary battery, and the electric double layer capacitor may be a cylindrical electric double layer capacitor.
筒形の非水電解液一次電池は、高出力ではないが、高容量である上、電圧の平坦性に優れ、放電末期までほとんど電圧低下を起こさないという特性をもつ。一方、筒形の電気二重層キャパシタは、自己放電は大きいが、高出力で大電流放電が可能であるという特性をもつ。そのため、これらを組み合わせたキャパシタ一体型電池とすることにより、高出力であり、かつ、自己放電が少なく、さらに高容量なキャパシタ一体型電池を提供することが可能となる。 A cylindrical non-aqueous electrolyte primary battery is not high in output, but has a high capacity, excellent voltage flatness, and hardly causes a voltage drop until the end of discharge. On the other hand, a cylindrical electric double layer capacitor has a characteristic that a large current can be discharged at a high output although self-discharge is large. Therefore, by using a capacitor-integrated battery that combines these, it is possible to provide a capacitor-integrated battery that has high output, less self-discharge, and higher capacity.
また前記電気二重層キャパシタは、単体での耐電圧がそれほど高くないので、必要に応じて複数の電気二重層キャパシタが直列に接続されてなるようにしてもよい。
このような態様によって、電気二重層キャパシタの耐電圧を高めることが可能となる。これにより、より信頼性の高いキャパシタ一体型電池を提供することができる。
Moreover, since the electric double layer capacitor has a single withstand voltage that is not so high, a plurality of electric double layer capacitors may be connected in series as necessary.
With such an embodiment, it is possible to increase the withstand voltage of the electric double layer capacitor. Thereby, a capacitor integrated battery with higher reliability can be provided.
また、前記外部回路は、前記第1の端子及び前記第3の端子に接続され、前記キャパシタ一体型電池から電力の供給を受けて稼動する負荷装置と、前記第1の端子と前記第2の端子間を開閉可能に接続するスイッチと、前記スイッチの開閉及び前記負荷装置の負荷を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記負荷装置の負荷を増大させる際に、前記スイッチを閉じて前記電気二重層キャパシタを充電してから前記負荷装置の負荷を増大させるようにすることもできる。 In addition, the external circuit is connected to the first terminal and the third terminal and operates by receiving power supplied from the capacitor-integrated battery, the first terminal, and the second terminal A switch that connects between the terminals so as to be openable and closable, and a control device that controls opening and closing of the switch and a load of the load device, and the control device controls the switch when increasing the load of the load device. It is also possible to increase the load of the load device after closing and charging the electric double layer capacitor.
このような態様によって、外部回路が必要とする電力を、外部回路に対して適切に供給することが可能となる。つまり、負荷装置を稼動させるために必要な電力が一次電池からの電力のみで足りるような軽負荷の場合には、制御装置によってスイッチが開放されることにより、外部回路に対して一次電池だけから電力を供給する。また、負荷装置を稼動させるために必要な電力が一次電池からの電力のみでは足りないような重負荷の場合には、制御装置によってスイッチが閉じられることにより、電気二重層キャパシタへ充電され電力を外部回路へ供給するようにする。その後、負荷装置の負荷が下がり消費電流が減少した場合には、制御装置はスイッチを再び開放して、一次電池からの電力供給に切り替える。スイッチが開放されていれば、一次電池から電気二重層キャパシタへの充電は行なわれないので、電気二重層キャパシタの自己放電による電力消耗も防止できる。 According to such an aspect, it is possible to appropriately supply power required by the external circuit to the external circuit. In other words, in the case of a light load where the power required to operate the load device is sufficient only from the primary battery, the switch is opened by the control device, so that only the primary battery is connected to the external circuit. Supply power. Also, in the case of a heavy load where the power required to operate the load device is not enough from the primary battery alone, the switch is closed by the control device, so that the electric double layer capacitor is charged and the power is supplied. Supply to external circuit. Thereafter, when the load of the load device decreases and the current consumption decreases, the control device opens the switch again and switches to power supply from the primary battery. If the switch is opened, charging from the primary battery to the electric double layer capacitor is not performed, so that power consumption due to self-discharge of the electric double layer capacitor can be prevented.
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための最良の形態の欄、及び図面により明らかにされる。 In addition, the problems disclosed by the present application and the solutions thereof will be clarified by the column of the best mode for carrying out the invention and the drawings.
高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池を提供することができる。 It is possible to provide a capacitor-integrated battery that has a high output and can be used for a long time with little self-discharge.
本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100の外観構成を図1及び図2に示す。本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100は、リチウム一次電池110と、電気二重層キャパシタ120と、コネクタ130と、を備えて構成される。
An external configuration of the capacitor-integrated
図1に示すキャパシタ一体型電池100は、電気二重層キャパシタ120を一つ備える構成であり、図2に示すキャパシタ一体型電池100は、直列に接続された二つの電気二重層キャパシタ120を備える構成である。
The capacitor integrated
リチウム一次電池110は、例えば、ボビン形(筒形)の二酸化マンガンリチウム一次電池や、塩化チオニルリチウム一次電池、フッ化黒鉛リチウム電池など、ボビン形の非水電解液リチウム一次電池により構成される。ボビン形の非水電解液リチウム一次電池は、高容量であり、また自己放電が少ないため保存特性に優れているが、内部抵抗が比較的高いため低出力である、という特性を持つ。
The lithium
もちろん、リチウム一次電池110は一例であり、負荷機器の要求により、電池を直列又は並列接続し、複数本使用しても良い。又マンガン乾電池やアルカリ乾電池、ニッケル乾電池等の広く一般的な一次電池を用いても良い。
Of course, the lithium
電気二重層キャパシタ120は、一般的に、高容量、かつ、高出力であるが、自己放電が大きいという特性を持つ。また自己放電は、電気二重層キャパシタ120が高容量であるほど大きいという特性を持つ。しかしながら詳細は後述するように、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100においては、電気二重層キャパシタ120からの自己放電は起きないため、高容量の電気二重層キャパシタ120を用いることが可能である。そのため例えば、ボビン形やラミネート形等の大容量の電気二重層キャパシタ120を用いることができる。図1及び図2には、ボビン形の電気二重層キャパシタ120を用いた場合の例が示されている。
The electric
コネクタ130は、外部回路に電力を供給するための端子を3つ備えている。第1の端子131は、リチウム一次電池110の正極111に接続されている。第2の端子132は、電気二重層キャパシタ120の一方の電極に接続されている。第3の端子133は、電気二重層キャパシタ120の他方の電極に接続されると共に、リチウム一次電池110の負極112に接続されている。
The
なお、図2に示すように2つの電気二重層キャパシタ120を直列に接続するようにすると、キャパシタの耐電圧を向上させることが可能となる。これにより、キャパシタ一体型電池100の信頼性を向上させることが可能となる。
As shown in FIG. 2, when two electric
なお、ボビン形の電気二重層キャパシタ120を複数用いる場合には、図2に示すように、それぞれの電気二重層キャパシタ120の平面部が対向した状態で配置するようにすると、スペースが有効利用できるため、キャパシタ一体型電池100を小型化することが可能となる。
When a plurality of bobbin-type electric
その他、複数の電気二重層キャパシタ120を、並列に接続する構成としても良い。この場合は、より大容量のキャパシタ一体型電池100を提供することが可能となる。
In addition, a plurality of electric
次に、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100を外部回路200に接続して、電子回路を構成する場合の回路図の一例を図3に示す。
外部回路200は、負荷装置210と、制御装置220と、スイッチ230と、を備えて構成される。
負荷装置210は、キャパシタ一体型電池100から電力の供給を受けて稼動する、例えばモータや照明、電熱器等の電力消費装置である。負荷装置210は、コネクタ130の第1の端子と第3の端子に接続されている。
Next, FIG. 3 shows an example of a circuit diagram when the capacitor integrated
The external circuit 200 includes a load device 210, a control device 220, and a switch 230.
The load device 210 is a power consuming device such as a motor, a lighting, or an electric heater that operates by receiving power supplied from the capacitor-integrated
制御装置220は、負荷装置210の負荷を制御する装置である。制御装置220は、例えば、負荷装置220たるモータの回転数や、照明の明るさ、電熱器からの発熱量を制御する。また制御装置220は、スイッチ230の開閉を制御する。なお、制御装置220を稼動させるための電力は、キャパシタ一体型電池100から供給しても良いし、他の電池などの他の電源から供給しても良い。
The control device 220 is a device that controls the load of the load device 210. The control device 220 controls, for example, the rotation speed of the motor that is the load device 220, the brightness of the illumination, and the amount of heat generated from the electric heater. The control device 220 controls opening and closing of the switch 230. Note that the power for operating the control device 220 may be supplied from the capacitor-integrated
スイッチ230は、コネクタ130の第1の端子と第2の端子とを開閉可能に接続する。スイッチ230は、例えばリレーやトランジスタ(MOS−FET)等により構成される。スイッチ230は、制御装置220から出力される制御信号に応じて開閉する。
The switch 230 connects the first terminal and the second terminal of the
以上のような構成の下で、制御装置220は負荷装置210の負荷を制御する。そして制御装置220は、スイッチ230の開閉を制御することにより、負荷装置210への電力源を切り替える制御を行なう。 Under the above configuration, the control device 220 controls the load of the load device 210. And the control apparatus 220 performs control which switches the electric power source to the load apparatus 210 by controlling opening and closing of the switch 230. FIG.
例えば、負荷装置210を軽負荷で稼動させる場合には、制御装置220は、スイッチ230を開放し、負荷装置210への電力源をリチウム一次電池110に切り替える。
For example, when operating the load device 210 with a light load, the control device 220 opens the switch 230 and switches the power source to the load device 210 to the lithium
一方、負荷装置210を重負荷で稼動させる場合には、制御装置220は、スイッチ230を閉じて、まず電気二重層キャパシタ120を充電する。充電を所定時間行なった後、制御装置220は、負荷装置210の負荷を上昇させる。そうすると、負荷装置210への電力供給は、リチウム一次電池110に加え、電気二重層キャパシタ120からも行なわれる。これにより、重負荷で稼動する負荷装置210に対して、高出力な電気二重層キャパシタ120から電力を供給することができる。なお、電気二重層キャパシタ120への充電時間を適宜調節することによって、キャパシタ一体型電池100から様々な電圧を出力することも可能である。
On the other hand, when operating the load device 210 with a heavy load, the control device 220 closes the switch 230 and charges the electric
その後、負荷装置210の負荷を下げる場合には、制御装置220は、再びスイッチ230を開放する。これにより、負荷装置210への電力供給源はリチウム一次電池110に切り替わる。また、電気二重層キャパシタ120とリチウム一次電池110とが、電気的に切り離されるので、電気二重層キャパシタ120への充電が停止する。そして、電気二重層キャパシタ120の自己放電によるリチウム一次電池110の電力消耗も起こさせないようにすることができる。
Thereafter, when the load of the load device 210 is reduced, the control device 220 opens the switch 230 again. Thereby, the power supply source to the load device 210 is switched to the lithium
なお、図3に示すキャパシタ一体型電池100の回路図について簡単に説明する。
図3において、リチウム一次電池110は、理想電池Vbと内部抵抗rbとが直列に接続されて構成されるものとして示される。リチウム一次電池110は内部抵抗rbが比較的大きいため、大電流を出力することが困難である。
A circuit diagram of the capacitor-integrated
In FIG. 3, the lithium
また電気二重層キャパシタ120は、等価的に、理想キャパシタC1に抵抗rsが並列に接続され、抵抗rcが直列に接続されて構成されるものとして示される。抵抗rcは、リチウム一次電池110の内部抵抗rbと比べると極めて小さい。そのため、電気二重層キャパシタ120からは、大電流を出力することが可能である。また抵抗rsは、通常大きな値を持つが、電気二重層キャパシタ120の自己放電に関わるものである。
In addition, the electric
次に、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100を、100mAで0.1秒間放電した場合の、第1の端子と第3の端子との間での出力電圧の測定結果を図4に示す。図4において、仕様Aとは、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100により構成される電池を表し、仕様Cとは、本実施形態に係るリチウム一次電池110により構成される電池を表す。
Next, FIG. 4 shows the measurement result of the output voltage between the first terminal and the third terminal when the capacitor-integrated
図4に示されるように、仕様C、つまりリチウム一次電池110のみでは、閉回路電圧が2.5Vまで低下してしまうところ、仕様A、つまり本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100では、30秒充電した場合では2.9Vの電圧が維持されている。また、充電時間を様々に変えることにより、キャパシタ一体型電池100からの出力電圧を様々に変化させることができることも示されている。このように、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100は、高出力の電源素子として使用可能であることが示される。また、充電時間を制御することによって、様々な電圧を出力させることも可能であることも示される。
As shown in FIG. 4, the specification C, that is, the lithium
次に、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100を、70℃の温度環境の下、40日間放置した後、100mAで0.1秒間放電した場合の、第1の端子と第3の端子との間での出力電圧の測定結果を図5に示す。図5において、仕様Aとは、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100により構成される電池を表し、仕様Bとは、リチウム一次電池110と電気二重層キャパシタ120とを常時並列に接続して構成したキャパシタ一体型電池を表す。なお仕様Bに係るキャパシタ一体型電池は、本実施形態にかかるキャパシタ一体型電池100の第1の端子131と第2の端子132とを常時接続しておくことにより構成できる。
Next, the capacitor-integrated
図5に示されるように、仕様B、つまりリチウム一次電池110と電気二重層キャパシタ120とを常時並列に接続した構成では、閉回路電圧が2.5Vまで低下してしまうところ、仕様A、つまり本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100では、2.8Vの電圧が維持されている。このように、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池100は、自己放電が少ないことが示される。
As shown in FIG. 5, the specification B, that is, in the configuration in which the lithium
以上発明を実施するための最良の形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。 Although the best mode for carrying out the invention has been described above, the above embodiment is intended to facilitate understanding of the present invention and is not intended to limit the present invention. The present invention can be changed and improved without departing from the gist thereof, and the present invention includes equivalents thereof.
高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池100を提供することができる。
It is possible to provide a capacitor-integrated
100 キャパシタ一体型電池
110 リチウム一次電池
111 正極
112 負極
120 電気二重層キャパシタ
130 コネクタ
131 第1端子
132 第2端子
133 第3端子
200 外部回路
210 負荷装置
220 制御装置
230 スイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
電気二重層キャパシタと、
外部回路に電力を供給するための第1、第2、第3の端子と、
を備え、
前記第1の端子は、前記一次電池の一方の電極に接続され、
前記第2の端子は、前記電気二重層キャパシタの一方の電極に接続され、
前記第3の端子は、前記一次電池の他方の電極及び前記電気二重層キャパシタの他方の電極に共通に接続される
ことを特徴とするキャパシタ一体型電池。 A primary battery,
An electric double layer capacitor;
First, second and third terminals for supplying power to an external circuit;
With
The first terminal is connected to one electrode of the primary battery;
The second terminal is connected to one electrode of the electric double layer capacitor;
The third terminal is commonly connected to the other electrode of the primary battery and the other electrode of the electric double layer capacitor.
前記一次電池は、筒形の非水電解液一次電池であり、
前記電気二重層キャパシタは、筒形の電気二重層キャパシタである
ことを特徴とするキャパシタ一体型電池。 The capacitor-integrated battery according to claim 1,
The primary battery is a cylindrical non-aqueous electrolyte primary battery,
The capacitor-integrated battery, wherein the electric double layer capacitor is a cylindrical electric double layer capacitor.
前記電気二重層キャパシタは、複数の電気二重層キャパシタが直列に接続されてなることを特徴とするキャパシタ一体型電池。 The capacitor-integrated battery according to claim 1,
The electric double layer capacitor comprises a plurality of electric double layer capacitors connected in series.
前記外部回路は、
前記第1の端子及び前記第3の端子に接続され、前記キャパシタ一体型電池から電力の供給を受けて稼動する負荷装置と、
前記第1の端子と前記第2の端子間を開閉可能に接続するスイッチと、
前記スイッチの開閉及び前記負荷装置の負荷を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記負荷装置の負荷を増大させる際に、前記スイッチを閉じて前記電気二重層キャパシタを充電してから前記負荷装置の負荷を増大させる
ことを特徴とするキャパシタ一体型電池。
The capacitor-integrated battery according to claim 1,
The external circuit is
A load device connected to the first terminal and the third terminal and operated by receiving power from the capacitor-integrated battery;
A switch that connects the first terminal and the second terminal so as to be openable and closable;
A control device for controlling opening and closing of the switch and a load of the load device;
With
When the load of the load device is increased, the control device increases the load of the load device after closing the switch and charging the electric double layer capacitor.
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