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電気二重層コンデンサを使うメリットと用途について
電気二重層コンデンサを使うメリットと用途について 電気的エネルギーを、一時的に貯蔵、放出できるデバイスとして一般的な電池に 対し、電気二重層コンデンサは絶対的な容量が小さくても、その抵抗値の低さ、寿命 の長さなどの優れた特性を生かした用途でメリットを持っています。 電気二重層コンデンサの特長を利用したアプリケーション例と、エルナーの電気二重層 コンデンサの特長について紹介します。 目次 ○ 用途 ［模式図］ 電気二重層コンデンサ用途と求められる特性域 GO ［模式図］ 電気二重層コンデンサの特長と用途 GO 電気二重層コンデンサ使用のポイント １．入力（電源）電力を平準化する GO キーワード： ゆっくり貯めて、急速に使う ２．出力（負荷）電力を平準化する GO キーワード： 急速に貯めて、ゆっくり（一定に）使う ３．捨てていた電力を回生する GO キーワード： 急速に貯めて、急速に使う ４．緊急時に信頼性の高い電源とする GO キーワード： メンテナンスフリーでいざという時の信頼性 ５．容量を選択することで必要な放電時間を設定する GO キーワード： 時間制御の手間いらず ２０11 ELNA CO.,LTD. 目次 Discharge time (sec) 電気二重層キャパシタ用途と求められる特性域 Med. cap. Small cap. Large cap. LED照明 3 to 12V 10000 発光道路鋲 2 to 24V 1000 ﾒﾓﾘｰﾊﾞｯｸｱｯﾌﾟ 3 to 5V 100 玩具 2 to 3V 10 ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾀ冷却ﾌｧﾝ 12V 車載緊急バックアップ ﾒﾓﾘｰﾗｲﾀｰ 1 3 to 12V ﾊﾞｯﾃﾘｰｱｼｽﾄ 0.1 0.1 1.4 to 12V 1 ｴﾈﾙｷﾞｰ回生 回生電車 50 to 400V 緊急遮断弁 500 to 1500V 5 to 24V コピー機ﾄﾞﾗﾑ瞬間加熱 3 to 12V 50V 小形風力発電ﾊﾞｯﾌｧ 分散発電ﾊﾞｯｸｱｯﾌﾟ 200 to 400V 50 to 100V 瞬停用UPS 小形燃料電池ｱｼｽﾄ 100 to 600V 3 to 5V 10000 1000 10 100 Capacitance (F) 5.5V 1F 12V 2F 15V 8F 2.5∼6.3V 0.047∼1.5F 2.5V 450F 2.5V 2.2F 2.5V 10F 2.5V 300F ２０１１ ELNA CO., LTD. 目次 用途例一覧 電気二重層コンデンサの（電池に対する）特長による用途分類 ２ 風力発電変動吸収 低抵抗 長寿命 ３ エレベータ ４ 鉄道車両 １ 建設重機 ＵＳＢバスパワーアシスト ＵＰＳ ＬＥＤ駆動 緊急時アクチュエータ駆動 緊急時回路・ドライブ駆動 電池負荷低減 メモリーバックアップ ＰＰＳ定着ドラム加熱 玩具 ５ プロジェクター冷却ファン リニアな充放電特性 １．入力（電源）電力を平準化する キーワード： ゆっくり貯めて、急速に使う ２．出力（負荷）電力を平準化する キーワード： 急速に貯めて、ゆっくり（一定に）使う ３．捨てていた電力を回生する キーワード： 急速に貯めて、急速に使う ４．緊急時に信頼性の高い電源とする キーワード： メンテナンスフリーでいざという時の信頼性 ５．容量を選択することで必要な放電時間を設定する。 キーワード： 時間制御の手間いらず 用途例一覧 ２０11 ELNA CO.,LTD. 目次 １．入力（電源）電力を平準化する 用途例一覧 用途分類一覧 ゆっくり貯めて、急速に使う 瞬間的な大電力を供給するためには、その最大出力に合わせて電源容量を 決める必要があります。ところが平常時それほど大きな電力を必要としないの であれば、大きな電源はむしろトータル効率を悪くすることになります。 この問題を解決するのに急速充放電が可能で充放電劣化が少ない電気二重層 コンデンサは最適です。 ○概念模式図 電気二重層コンデンサ使用なし 電源 電源 負荷 負荷電流波形例 同等 電気二重層コンデンサ使用あり EDLC充電上乗せ分 ピーク電流が下がり 電源を小さく出来る 電源 負荷 電源電流波形例 放電電流 EDLC 充電電流 EDLC電流波形例 ○この使い方の実用例 電池負荷変動軽減（DSC、通信機発信アシスト、HDオーディオetc） 玩具 USBバスパワーアシスト 用途例一覧 PPS定着ドラム加熱 用途分類一覧 ２０11 ELNA CO.,LTD. 目次 用途例一覧 用途分類一覧 負荷変動平準化の事例紹介 下記のグラフは、デジタルカメラの負荷変動を再現するためシャッター、フラッシュ、 ズーム等の動作時の負荷を再現して、電池のみの場合と電気二重層コンデンサ で負荷をアシストした場合でのシミュレーションです。 電池の電圧降下を抑制することにより、電池を寿命末期まで有効使用できます。 電圧（V) 3.5 3.0 2.5 電池 2.0 1.5 1.0 0.5 単３アルカリ電池×２直 ＋ DLC 0.7F （低抵抗） × ２直 単３アルカリ電池×２直 電 子 負 荷 装 置 ン電 デ気 ン二 サ重 層 コ 電子負荷入力 回路 0.0 3.0 2.8 2.6 460m 460m 230mA 230mA 2.4 A 2.2 2.0 1.8 A 400ms 200ms400ms200ms 単３ニッケル水素電池×２直＋ DLC 電子負荷装置 入力波形（１サイクル） 0.7F （低抵抗） 単３ニッケル水素電池×２直 1.6 時間 電池*とパラに使用することで電池の負荷変動を平準化 電池の長寿命化・電池の小型化が可能になる ＊燃料電池・リチウム電池・マンガン電池などと組み合わせ可能 用途例一覧 用途分類一覧 ２０11 ELNA CO.,LTD. 目次 急速に貯めて、ゆっくり（一定に）使う 用途例一覧 用途分類一覧 ２．出力（負荷）電力を平準化する 一般的にコンデンサの機能として電源平滑がありますが、電気二重層コンデンサ は桁違いの容量を持つため、普通の電源平滑よりもっと大きなスパンにおけるもっと 大きな電力の変動の吸収に使用することが出来ます。 （但し、容量が大きいため交流成分などの平滑には向きません。） また、電気二重層コンデンサは電池よりもフロート充電、過放電にも問題なく対応できる ので変動が激しい入力電力に対し最適です。 ○概念模式図 電気二重層コンデンサ使用なし これより上はロスとなる 電力 発生源 ｺﾝﾊﾞｰﾀ 入力電流波形例 一定した出力が得られない 出力電流波形例 放電電流 電気二重層コンデンサ使用あり 充電電流 電力 発生源 ｺﾝﾊﾞｰﾀ EDLC電流波形例 EDLC 出力電流波形例 ○この使い方の実用例 風力発電変動吸収 用途例一覧 用途分類一覧 ２０11 ELNA CO.,LTD. 目次 急速に貯めて、急速に使う 用途例一覧 用途分類一覧 ３．捨てていた電力を回生する 往復、上下運動、または発進∼停止を繰り返す用途において、本来必要な作業 の逆方向の動作時に発生するエネルギーは回生しない限り、無駄に捨てることに なります。 そのエネルギーを上手に回生できれば、次に順方向動作の補填として使用するこ とが可能です。 効率よく回生を行なうために、低抵抗で急速大電流充放電が可能な電気二重層 コンデンサは最適です。 ○概念模式図 エネルギー回生なし 回生できなければ この分はロスとなる 電源 負荷 回生できずロス 電流波形例 この分の効率UP エネルギー回生あり 充電（回生）電流 負荷 電源 電流波形例 回生 EDLC 放電電流 充電（回生）電流 EDLC電流波形例 ○この使い方の実用例 エレベータ（胴巻自走式） 建設重機 鉄道車両 用途例一覧 用途分類一覧 ２０11 ELNA CO.,LTD. 目次 メンテナンスフリーでいざという時の信頼性 用途例一覧 用途分類一覧 ４．信頼性の高い（長寿命）電源とする 電気二重層コンデンサは、一般的に電池と比較して、低抵抗である以外にも 次のような利点があります。 ①充放電の繰り返しに対する寿命が長い。 ②使用温度範囲が広い。 ③容量減少が急激に起きない。 ④劣化により耐圧が低下することが無いので、容量減少しても充電電圧に応じた 使用が可能。 これらの特長より、長期の信頼性を求められるバックアップ用電源として最適です。 ○この使い方の実用例 ＵＰＳ（短時間） 緊急（停電）時のアクチュエータ駆動 緊急（停電）時の回路駆動（ＩＣ、メモリーカードﾄﾞﾗｲﾌﾞ、ＨDﾄﾞﾗｲﾌﾞ etc.） ＬＥＤ駆動（太陽電池との組み合わせなど） RTCなどのメモリーバックアップ 時間制御の手間いらず ５．容量を選択することで必要な放電時間を設定する。 電気二重層コンデンサの放電特性として、放電に従い電圧が直線的に低下する 事を利用すると、容量を選択することで使用可能な電圧範囲で動作させる時間を 設定することが可能です。 つまり、スイッチを設けることなしに必要時間を駆動する電源となります。 放電時間、電圧、静電容量の関係は次式のようになります。 定電流放電の場合 ｔ ＝ Ｃ・（Ｖ0 − Ｖ1）／ Ｉ 定抵抗（負荷）放電の場合 ｔ ：放電時間（ｓ） Ｃ ：静電容量（Ｆ） Ｉ ：放電電流（Ａ） Ｒ ：負荷抵抗（Ω） ｔ ＝ − Ｃ・Ｒ・ln（Ｖ1／Ｖ0） Ｖ0 ：充電電圧（Ｖ） Ｖ1 ：放電後電圧（Ｖ） ○この使い方の実用例 玩具（ミニカー、飛行機など） プロジェクター冷却ファン 用途例一覧 用途分類一覧 ２０11 ELNA CO.,LTD.