CN100420123C - 使用了电化学电容器的电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用了电化学电容器的电子设备，具体而言是在使用通过电化学电容器进行动力辅助的电动机来驱动的汽车等电子设备中，恢复电化学电容器的静电容量。本发明的电子设备具有电气负载、电化学电容器及施加部。电化学电容器具有正极、负极及夹装于正极与负极之间的电解质，且对电气负载提供电力。施加部断开电化学电容器与电气负载间的电连接，并向正极施加负电位，向负极施加正电位。根据本发明，由于可以抑制电化学电容器的劣化，因此可以防止电子设备所期望的特性的劣化，从而可提高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及例如在使用通过电化学电容器进行动力辅助的电动机来驱动的汽车等电子设备中，恢复电化学电容器的静电容量的技术。
背景技术
近年来，出现利用电动机驱动的汽车，在减轻环境负担方面受到极大的关注。该汽车中，基本上由燃料电池对电动机进行电力供给，以此来驱动电动机。此时，燃料电池产生不含杂质的水，因此将其排放到大气中不会增加任何环境负担。因此，在当前的环境社会中受到大力支持。
利用燃料电池驱动电动机时，即便驱动开关，也无法立即从燃料电池向电动机提供最大的电力。因此，在这样的结构下，汽车的加速非常迟缓。因此，设计成将燃料电池与电化学电容器并联连接到电动机。即，在汽车加速时等，仅仅从燃料电池不足以提供电动机所需要的电力时，从电化学电容器提供电力。以此可改善加速性能。
然而，如此，为了弥补加速不足而使用电化学电容器时，由于长时间使用而导致电化学电容器的静电容量下降。如果长时间使用电化学电容器，则在正极与负极上，分别接近的离子会引起耐电压破坏。从而，在正极表面与负极表面产生反应生成物。如此，如果反应生成物附着于正负极，则正负极的表面积减少。因此，被吸引到正极与负极上的电解质的离子数减少，因此电化学电容器的静电容量下降。如果对这样的静电容量下降置之不理，则电化学电容器的静电容量会进一步变小。如此，如果电化学电容器的静电容量变小，则汽车的加速性能下降。
发明内容
本发明的电子设备具有电气负载、电化学电容器及施加部。电化学电容器具有正极、负极、及夹装于正极与负极之间的电解质，并对电气负载提供电力。施加部断开电化学电容器与电气负载间的电性连接，并向正极施加负电位，向负极施加正电位。以此可以抑制电化学电容器的静电容量下降。其结果是，可防止使用电化学电容器的电子设备的所期望的特性劣化。而且，如上所述，本发明是使电化学电容器的静电容量恢复的方法。
附图说明
图1A是作为本发明实施方式的用于汽车的电化学电容器的双电层电容器的剖面图。
图1B是表示图1A所示的双电层电容器的内部构造的分解立体图。
图2A是表示在与图1A所示的双电层电容器的静电容量的时效相关的加速测试中，电化学电容器的静电容量的时效的图。
图2B是表示图1A所示的双电层电容器的恒流放电的电压变化的图。
图3是表示向图1A所示电化学电容器施加反极性电压的时间与静电容量的关系的图。
图4是表示通过向图1A所示电化学电容器施加反极性电压而使静电容量恢复的图。
图5是表示本发明实施方式的汽车的概略结构的图。
图6是表示图5所示的汽车的驱动系统的概念图。
图7是表示图5所示的汽车的行驶模式、电动机所需要的电力、及由电化学电容器模块和燃料电池堆提供的电力的关系的图。
图8是表示图5所示的汽车的行驶模式、与电化学电容器的正负极间的电压变化的关系的图。
图9是在图5所示的汽车中将3个电化学电容器串联连接时用于实施恢复模式的电路图。
图10是表示图9所示的电路的恢复模式的详细情况的图。
图11是表示图10所示的恢复模式时的开关S1～S17的状态的图。
图12是在图5所示的汽车中由多个电化学电容器构成的子单元串联连接时用于实施恢复模式的电路图。
图13是在图5所示的汽车中3个电化学电容器并联连接时用于实施恢复模式的电路图。
图14是在图5所示的汽车中由多个电化学电容器构成的子单元并联连接时用于实施恢复模式的电路图。
附图标记的说明
1 导线
2 正极
3 负极
4 隔板
5 元件
6 外壳
7 密封橡胶
8 双电层电容器
9 点
10 汽车
11 电动机
12 燃料电池堆
13 车体
14 驾驶位
15 前轮
16 后轮
17 方向盘
18 控制电路
19 双电层电容器模块
20 供氢源
21 施加部
S1～S17、S21～S26 开关
SU1～SUn 子单元
具体实施方式
图1A是本发明实施方式的用于汽车的电化学电容器的剖面图，图1B是表示图1A所示电化学电容器的内部构造的分解立体图。本实施方式中使用双电层电容器作为电化学电容器。
双电层电容器(以下，称为电容器)8中，利用密封橡胶7将元件5封入外壳6内。元件5如图1B所示，包括带状的隔板4、带状的正极2及负极3，且正极2、负极3在隔板4的表里面上卷绕成螺旋状。而且，在正极2、负极3的与隔板4对置的面上分别设有活性炭。在正极2、负极3之间，夹装有填充于外壳6内的电解液。端子1分别连接于正极2、负极3。
考虑到重量与导电性，在外壳6、正极2的集电极、负极3的集电极中使用铝。重视强度时，外壳6也可以是不锈钢或镀镍的铁等。正极2、负极3的集电极也可以是镍等。密封橡胶7由乙烯丙烯橡胶(ethylene propylenegom)等不被电解液侵蚀的材料构成。而且隔板4由纤维素或聚乙烯、聚丙烯等的无纺布或微孔膜构成。
电容器8是如以下方法而制造的。即，将图1B所示的元件5以110℃真空干燥12小时之后，在露点为-40℃以下的气氛下将元件5装入外壳6内。接着，在外壳6内注入电解液后进行真空浸渍，并利用密封橡胶7进行密封。电解液是将0.69mol/L浓度的四乙基铵四氟硼酸盐(tetraethylammonium tetrafluoroborate)混合于碳酸丙烯酯(propylenecarbonate)溶剂中调制而成的。
在该结构下，通过经由端子1向正极2、负极3间施加电压而蓄积电荷。通过如此蓄积电荷，而在端子1间产生电压。接着，将电容器8产生的电力提供给电气负载。如上所述，使用了有机电解液作为电解质的双电层电容器，可以在2.0V至2.7V的电压范围内使用。
以下，说明电容器8被施加电压时静电容量的时效。图2A表示在2000小时期间，连续向正极2、负极3间施加2.5V的电压，并将气氛温度保持在60摄氏度的加速实验中静电容量的变化。
此处，静电容量可由下式(1)算出，即，如图2B所示，用恒流放电时正极2、负极3间电压的时效表示的放电曲线中，正负极间的电压从80％变成60％时的放电曲线近似于直线。
C＝I×(t0.6-t0.8)/(0.8V0-0.6V0)(1)
公式(1)中，C为静电容量，I为放电时的电流，V0为充电电压，t0.6为充电电压是0.6V0时的时间，t0.8为充电电压是0.8V0时的时间。
如图2A所示，静电容量随着时间的推移而下降，在2000小时后与测定开始时相此下降了大约20％。
使经过如上所述的静电容量下降的双电层电容器完全放电之后，向正极2施加负电位，向负极3施加正电位。此处，在通常的充放电中，相对呈正电位的电极为正极2，呈负电位的电极3为负极。以下，将“向正极2施加负电位，向负极3施加正电位”称为“施加反极性电压”。
图3表示向正极2、负极3间施加1.5V反极性电压的情况下、以及施加2.5V反极性电压的情况下的静电容量变化。由图3可知，在任一情况下，均可通过施加反极性电压，而恢复下降的静电容量。图4表示通过在图2A的结果上施加反极性电压而使静电容量恢复的状态，即点9。如此，通过对静电容量下降的双电层电容器施加反极性电压，可使静电容量最大恢复10％左右。
通过施加反极性电压，可使残留在正极2、负极3的活性炭内部的离子扩散。因此，可剥离附着于正极2与负极3的活性炭表面的反应生成物，使正极2与负极3的表面积恢复，从而使吸引到正极2与负极3上的离子数恢复，由此使静电容量得到恢复。
而且，静电容量的恢复量依赖于所施加的电压，电压越高则恢复量越大。这是由于，所施加的电压越高，使存在于电解液中的离子扩散的能量也就越增大，从而可以有效地剥离附着于正极2及负极3上的反应生成物。但是，当施加的反极性电压大于电容器8的额定电压时，反而有可能促使劣化，因此优选使反极性电压为电容器8的额定电压以下。
另外，本实施方式中将使用了有机电解液作为电解质的双电层电容器作为对象进行了说明。除此以外，对于使用了常温熔化盐等作为电解质的双电层电容器，在静电容量的下降机理相同的情况下，本静电容量恢复方法也有效。
而且如图3所示，本实施方式的静电容量恢复效果，即使应用1秒钟也能发挥作用而恢复到应用6分钟时的98％以上的程度，而在应用30秒后则可恢复到应用350秒时的99％以上的程度。而且，其效果在1分钟到2分钟内达到饱和。即本实施方式中，优选的是施加反极性电压1秒以上，更优选的是施加30秒以上。施加了反极性电压后静电容量立即急剧恢复，当恢复到某程度时，即便加长施加时间，静电容量也不再恢复。通过施加任意反极性电压而蓄积于电容器8中的能量，在经过一定的时间后达到饱和。因此，一般认为，离子的扩散逐渐减少，正极2、负极3的表面积的恢复量也饱和。因此，施加了反极性电压之后立即就有效果，且无须施加必要以上的较长时间。即无须施加反极性电压超过2分钟。
在例如日本专利特开2002-142369号公报中揭示了如此向双电层电容器施加反极性电压的技术。但是，该公报中的技术与本发明不同之处在于，其目的为，在将单体电池串联连接的电容器单元中，使备单体电池的电压均匀化。而且，该公报中揭示了与图2、图4中说明的实验相同的内容，但是，反极性电压被持续施加到电容器单元长达5天。如此，所述公报与本实施方式为了发挥该效果所需要的时间显著不同。
如上所示，通过向电容器8施加反极性电压，可使电容器8的静电容量恢复。在本实施方式中，将施加这样的反极性电压的施加部设置在如利用电动机驱动的汽车等电子设备中，以此防止该电子设备所期望的特性的劣化。
图5是利用作为电气负载的电动机11进行驱动的汽车10的概略图，图6是表示汽车10的驱动系统的概念图。汽车10具有车体13、作为配置于其中的电源的燃料电池堆(以下，称为燃料电池)12以及双电层电容器模块(以下，称为模块)19。模块19中连接有多个电容器8。模块19通过控制电路18而与燃料电池12并联连接。
从供氢源20将作为燃料的氢提供给燃料电池12，燃料电池12用该氢与空气中的氧进行发电。控制电路18监控燃料电池12与模块19的电压，并且控制对电动机11的电力提供。而且，控制电路18也进行控制，使得来自燃料电池12的电力充电到模块19中。
在由车体13形成的车内，配置有驾驶位14，在其前方配置有方向盘17。方向盘17与作为主动轮的前轮15连接。在作为从动轮的后轮16上连接有电动机11，在电动机11上电连接有控制电路18。
在汽车10减速时电动机11逆转而进行发电。此时所产生的电力经由控制电路18而对模块19充电。此外，可另行设置与电动机11的驱动体连接的发电机，将该发电机产生的电力，经由控制电路18而充电到模块19中。另外，控制电路18包括向电容器8施加反极性电压的施加部21。或者，施加部21也可以设在模块19中。
图7表示在汽车10的各种行驶模式中，电动机11所需要的电力、与由燃料电池12及模块19提供的电力之间的关系。为了方便说明，电动机11所需要的电力以如下方式进行表示，即，电动机11被电气驱动时表示为处于上侧，电动机11逆旋转而进行发电时则表示为处于下侧。而且，由燃料电池12及模块19提供的电力是以如下方式进行表示，即，在放电时(提供时)表示为处于上侧，而在充电时表示为处于下侧。
在加速时，由于燃料电池12提供的电力不足，因此由模块19对电动机11提供电力。当行驶模式转换成几乎不进行加速、减速的巡航状态时，开始由燃料电池12提供电力，因此主要是由燃料电池12对电动机11提供电力。在减速时电动机11作为发电机而发挥功能，因此，此时产生的电力蓄积到模块19中。
图8是表示对电动机11提供电力时，模块19内电容器8的正负极间的电压变化的图。通常的操作中，在加速时由模块19对电动机11提供电力，因此电容器8的电压下降。在减速时通过电动机11产生的电力而对模块19进行充电，因此电容器8的电压得到恢复。巡航时主要由燃料电池12对电动机11提供电力，因此电容器8的电压不会下降。在空转(idling)时，由于不从模块19提供电力，因此电容器8的电压无变化。但是，有时也存在这样的情况：电容器8的电压过低时，为了确保模块19具有加速时所需要的电力，由燃料电池12进行充电。
为了防止如汽车10等电子设备中所使用的电容器8的静电容量下降，期望经常地对电容器8施加反极性电压。优选的是，在电子设备驱动的过程中施加反极性电压。
然而，为了向正极2与负极3施加反极性电压，而同时向所搭载的所有电容器8施加反极性电压在使用上是不现实的。因此，在电子设备处于驱动状态时向电容器8施加反极性电压的情况下，需要将施加对象电容器8与连接于电气负载的主电路相分离。而且，使能够对电动机11提供加速时所需电力的数个电容器8保持为可执行通常的操作的状态。
以下，以串联连接有3个电容器8的双电层电容器模块为例，说明用于利用如上所述方式来实现反极性电压的施加的方法。
图9表示在串联连接有3个电容器8A、8B、8C时，用于向各双电层电容器施加反极性电压的电路结构图。图10是表示向电容器8A、8B、8C施加反极性电压的顺序的流程图。
作为向双电层电容器施加反极性电压的顺序，首先将从主电路分离的双电层电容器连接于负载R，对通常操作中所蓄积的电荷进行放电。例如，分离电容器8A时，如步骤(1)所示分别断开(OFF)开关S4、S7，断开电容器8A与连接于电动机11的主电路的电连接。与此同时，接通开关S1。接着，接通开关S5、S6、S17。
接着，对电容器8A的电荷进行放电之后，如步骤(2)所示，断开开关S17，接通开关S16而与电源E连接，且施加反极性电压使静电容量恢复。若施加反极性电压，则相对于通常的动作，电容器8A的正负极间的电压的极性逆转。为了返回主电路，需要将通过施加反极性电压而蓄积的电荷连接于负载R而进行放电。因此，如步骤(3)所示断开开关S16并接通开关S17。以下，将对双电层电容器进行如此的一系列处理而使静电容量恢复的操作称作恢复模式。而且，用于实现恢复模式的图9所示电路构成了施加部21。施加部21包含于例如控制电路18或模块19中。
本实施方式中，按照电容器8A、8B、8C的顺序依次实施恢复模式。即，如图10所示，在步骤(1)～(3)所示的电容器8A的恢复模式之后，同样实施步骤(4)～(6)所示的电容器8B的恢复模式，其后同样实施步骤(7)～(9)所示电容器8C的恢复模式。最后，如步骤(10)所示，将电容器8C连接于主电路。
图11是表示从图10中步骤(1)到步骤(10)的开关S1～S17的状态。ON表示开关接通的状态，OFF是表示开关断开的状态。另外，步骤(10)表示通常操作中开关的状态。
如上所述，在某双电层电容器实施恢复模式时，其他双电层电容器实施通常的操作。通过这样的电路结构，即使在电子设备驱动的过程中，也能够实施恢复模式。
通常，由于驱动汽车10的电动机11所需要的电压高达数百伏，因此必需数十个到数百个额定电压较低的电容器8。例如，当电动机11的驱动电压为250V时，且使用额定电压为2.5V的电容器8的情况下，必须串联连接至少100个电容器8。即便是在如此使用多个电容器8的情况下，也可以如上所述，对各个双电层电容器施加反极性电压。另一方面，如图12所示，也可以将所搭载的双电层电容器分割为子单元SU1～SUn，并依次对各子单元实施恢复模式。各子单元也如图中虚线包围所示，由两个以上双电层电容器构成。即便如此分割为子单元，实施恢复模式的顺序也与所述的连接三个电容器8时的顺序相同。
而且，图13是三个双电层电容器并联连接时的电路结构，图14是多个双电层电容器串联连接而成的子单元SU1～SUn并联连接时的电路结构。即使在如此并联连接的情况下，实施恢复模式的顺序也与串联连接的情况相同，可以利用如图13或图14的简单电路实现恢复模式。
以图13为例简单说明恢复电容器8A的开关操作。为了分离电容器8A，分别断开开关S21、S23。接着，接通开关S22、S24、S26，使电容器8A连接到负载R，对电容器8A的电荷进行放电。接着，在对电容器8A的电荷进行放电之后，断开开关S26，并接通开关S25而与电源E连接，施加反极性电压而使静电容量恢复。若施加反极性电压，则相对于通常的动作，电容器8A正负极间的电压的极性逆转。为了返回主电路，需要将通过施加反极性电压而蓄积的电荷连接于负载R而进行放电。因此，断开开关S25并接通开关S26。此后，将开关S25、S26都断开，断开S22、S24并接通S21、S23，以此可使电容器8A返回主电路。以下，对电容器8B、8C进行同样的操作。
如上所述，图9、图12、图13、图14所示的施加反极性电压的电路中的任一个均为施加部，且可不限定电子设备所搭载的双电层电容器的连接方式而进行设置。
另外，本发明并不限于双电层电容器，也可以应用于施加反极性电压而使静电容量恢复的电化学电容器中。例如也可以应用于在正极上使用活性炭、在负极上使用石墨的混合电容器中。
而且，本实施方式中，对搭载有燃料电池12作为电源的汽车进行了说明，但除此以外，也可以应用于搭载有二次电池作为电源的汽车，或将二次电池、燃料电池中的至少一种作为电源来驱动电动机11并且也搭载发动机来驱动驱动轮的混合汽车中。也可以应用于汽车以外的设备中。
产业适用性
设有对本发明的电化学电容器施加反极性电压的施加部的电子设备，由于可以抑制电化学电容器的劣化，因此可以防止电子设备所期望的特性的劣化，从而可提高可靠性。该结构适用于搭载有电化学电容器的电子设备。
Claims (11)
1. 一种电子设备，其中，包括：
电气负载；
电化学电容器，具有正极、负极及夹装于所述正极与所述负极之间的电解质，并对所述电气负载提供电力；以及
施加部，断开所述电化学电容器与所述电气负载间的电连接，并向所述正极施加负电位，向所述负极施加正电位，之后，施加所述负电位和所述正电位1秒钟以上2分钟以下。
2. 根据权利要求1所述的电子设备，其中，
所述电化学电容器是多个电化学电容器中的1个，
所述电子设备具备多个电化学电容器，
所述施加部向所述多个电化学电容器的各自的正极施加负电位，向所述负极施加正电位。
3. 根据权利要求2所述的电子设备，其中，
所述施加部依次向所述多个电化学电容器的各自的正极施加负电位，向所述负极施加正电位。
4. 根据权利要求1所述的电子设备，其中，
所述电化学电容器是多个电化学电容器中的1个，
所述电子设备具备多个电化学电容器，所述多个电化学电容器分割为包含两个以上电化学电容器的多个子单元，
所述施加部向所述多个子单元的各自的正极施加负电位，向所述负极施加正电位。
5. 根据权利要求4所述的电子设备，其中，
所述施加部依次向所述多个子单元的各自的正极施加负电位，向所述负极施加正电位。
6. 根据权利要求1所述的电子设备，其中，
所述施加部在向所述正极施加负电位、向所述负极施加正电位之前，使所述电化学电容器放电。
7. 根据权利要求1所述的电子设备，其中，
所述施加部在向所述正极施加负电位、向所述负极施加正电位之后，使所述电化学电容器放电。
8. 根据权利要求1所述的电子设备，其中，还包括：
电源，并联连接于所述电化学电容器，并对所述电气负载提供电力；以及
控制电路，控制从所述电化学电容器及所述电源向所述电气负载的电力提供，其中，
在仅仅来自所述电源的电力不足以提供所述电气负载所需要的电力的情况下，所述控制电路使所述电化学电容器向所述电气负载提供电力。
9. 根据权利要求8所述的电子设备，其中，
所述电气负载为电动机，且所述电源包含燃料电池与二次电池中的至少一种。
10. 根据权利要求9所述的电子设备，其中，
在所述电动机反转时，所述控制电路使所述电动机产生的电力充电到所述电化学电容器中。
11. 一种电化学电容器的静电容量恢复方法，其中，包括：
将电化学电容器从电气负载分离的步骤，所述电化学电容器具有正极、负极及夹装于所述正极与所述负极之间的电解质，并对所述电气负载提供电力；
向所述正极施加负电位，向所述负极施加正电位的步骤；以及
施加所述负电位和所述正电位1秒钟以上2分钟以下的步骤。
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