CN100460879C - 电容器恶化的判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高检测精度以获得更高可靠性的判定电容器恶化的方法。在这种判定电容器恶化的方法中，电容器包括一对电极体并在电极体之间设有电解液，所述方法通过对电容器加给交流电压，检测在交流电压频率下的阻抗特性以判定电容器的恶化。预先计算因电解液的恶化而在阻抗特性中出现的拐点(12)，以与低于拐点(12)的频率区域(13)内的阻抗值相比较，从而判定恶化。

Description

电容器恶化的判定方法

技术领域

本发明涉及一种电容器恶化的判定方法，其中，在电极体之间提供有电解液。

背景技术

作为电解液提供于电极体之间的电容器，已知的例如双电层电容器(下称电容器)。这种双电层电容器通过组合活性炭和电解液使用大的双电层电容量，其中的活性炭是电化学非活性的，并具有大的电极材料比表面积。这种双电层电容器的特性在于不会因充放电而引起电化学反应，并在给出比化学电池更大功率密度的同时，能够以大电流提供快速充放电。这种双电层电容器可望用于比如大电流产生电路、瞬时补偿电源和负荷量电路(loadleveling circuit)中。

当长时间使用上述电容器时，会发生干涸型恶化，即由于内部电解液逐渐蒸发而引起内部电阻增大，电容量减小，从而造成使用寿命终结。

一种公知的判定电容器恶化的方法是，通过将低频方波信号作为检测信号加给目标电容器，积分回响信号(reply signal)的预定部分，根据积分值测定电容器的特性变化。这种判定恶化的方法公开于日本未审专利公开特开平6-342024中。另一种公知的电容器恶化判定方法是，当电容器的内部端子间电压在从内部端子间电压达到预定值时刻起的预定时间内到达恶化参考电压时，通过控制电容器的电量分布来判定电容器的恶化。这种判定恶化的方法公开于日本未审专利公开No.2001-297954中。

还有一种公知的通过检测电容器表面温度的升高判定电容器恶化的方法。上述判定恶化的方法公开于日本未审专利公开No.2001-85283中。与电容器阻抗特性修改的技术公开于“电化学电容器，基础材料应用”中(BrianE.Conway著，2001年6月5日NTS公司出版，P.393-P.401)。

但是，这些公知的判定电容器恶化的方法可能都需要电路部分(如检测信号源，A/D转换器)，并由CPU进行信号处理，从而提高了检测仪器的成本并使恶化的判定方法复杂化。上述通过电容器表面温度判定恶化还会造成检测精度方面的问题。

而且，这些已为大家公知的电解电容器恶化判定方法会造成大量的检测数据累积。因此，以种数据为基础来判定恶化的电路设备同样需要高成本和复杂的结构。

另外，当判定有关在电极体之间提供有电解液的电容器(如双电层电容器)的恶化时，可以考虑采用另一种方法，这种方法检测电容分量和直流电容器电阻(下称DCR)分量，并根据检测结果进行判定。对于电容分量和DCR分量的检测而言，直流电压方法和交流阻抗方法都是公知的。直流电压方法根据电容器充放电时直流电压的变化情况测量这种电容分量和DCR分量。交流阻抗方法对电容器加给交流电压，以便从阻抗值导出所述电容分量和DCR分量。

直流电压方法因为由充放电时的直流电压直接测量电容分量和DCR分量，所以给出精确的检测结果，但是会由于充放电而对电容器使用大量的电荷。因此，直流电压方法可能造成为判定恶化而消耗更多的电量。交流阻抗方法由于使用交流电压的频率特性而消耗较小的电量。但是在电容器恶化提升的情况下，交流阻抗方法会造成其值小于直流电压方法的值。这可能造成这种值被错误判定，而显示未恶化的情况，从而降低可靠性。

发明内容

本发明提供一种用交流阻抗法判定电容器恶化的方法，这种方法通过提高检测精度而提高可靠性。

按照本发明的电容器恶化判定方法，其中的电容器包含一对电极体并在电极体之间提供有电解液，通过对电容器施加交流电压，检测在交流电压频率下的阻抗特性，从而判定电容器的恶化。预先计算由于电解液恶化所致阻抗特性出现的拐点，将以低于拐点频率范围内的阻抗值为基础的特性值与预定的特性值进行比较，从而判定恶化。这种方法可以提高电容器恶化判定的检测精度，并用于判定的电量消耗受到抑止。

附图说明

图1为说明本发明第一实施例电容器恶化判定方法的电路图；

图2为说明本发明第一实施例电容器恶化判定方法的截面图；

图3表述所述电容器的阻抗特性；

图4为电容器恶化判定方法的流程图；

图5为说明电容器恶化极限DCR/Z的比值的特性图，用以解释本发明第二实施例电容器恶化的判定方法；

图6为双电层电容器的截面图，用以解释本发明实施例的电容器恶化判定方法。

图中的参考标记

1　　　　　　电极体

1a           集电材料

1b           活性炭

2            隔离部分

3            电解液

4            壳体

5和26        导线端

6和24        封装体

7，8和11     特性阻抗曲线

10           扩散阻力分量

12，15和16   拐点

13           DCR测量频率区域

14           电容率频率区域

20           电容器元件

21           电极端子

22           胶粘带

23           金属盒

25           凹槽

27           索环装置

28和52       双电层电容器

50           输入电源部分

51           负载部分

53　　恶化检测部分

54　　异常显示部分

具体实施方式

以下将参照附图描述本发明的具体实施方式。

(第一实施例)

图1为说明本发明第一实施例电容器恶化判定方法的电路图。图1中的输入电源部分50对负载部分51施加电压，使负载部分51工作。部分电压对双电层电容器52充电。当输入电源部50出现异常或者要求高电能时，电容器52向负载部分51提供电能。当电容器52长时间使用或用于特定环境下时会发生恶化。恶化检测部分53通过检测所述的恶化，判定电容器52的恶化。在确定恶化时，异常显示部分54通过报警、显示或类似方法报告恶化。

用于解释本发明各实施例判定电容器恶化方法的双电层电容器具有硬币状的存储器支撑(memory backup)和圆柱形电源。由顺序叠置于低圆柱状金属盒中的下部平圆形电极、隔离部分和上部电极给出所述硬币式双电层电容器(未图示)，所述低圆柱状金属盒的上端开口，用以将电解液注入盒中。在金属盒的内周边缘部分设置垫圈，用以绝缘和密封。金属盒的上表面用金属盖覆盖。金属盒和金属盖铆接，使两者之间没有直接接触。

图6示出圆柱形双电层电容器的结构，用以说明本发明一种实施例的电容器恶化判定方法。图6中双电层电容器28具有下述结构。电容器元件20中的集电材料包括比如长条形的金属箔、冲压金属、拉伸金属。所述集电材料的两面或一面涂覆有活性炭、碳以及粘合剂组成的极化电极。准备两枚按上述方式涂覆的集电材料。二集电材料之间也有长条形隔离部分，用以绝缘以及电解液的保持(retention)。每一集电材料与一电极端子21相连。然后，通过以螺旋形式卷绕集电材料，最终由胶粘带22固定集电材料而形成电容器元件20。电容器元件20的电极端子21与封装体24内设置的索环装置27(grommet fitting)相连。带有底部的金属盒23为圆柱形，其中上端部分的相邻处具有凹槽25。导线端26从存放电容器元件20的金属盒23向外突出。将电解液(未图示)注入金属盒23，并使金属盒23的上端部向里弯曲，从而封装金属盒23。

图2为说明本发明实施例电容器恶化判定方法的另一电容器的截面图。该电容器包括电极体1和在电极体1之间提供的电解液3。壳体4填充电解液3。壳体4包括电极体1、设在电极体1之间的隔离部分2、分别与电极体1相连的导线端子5，以及用以封装壳体4的封装体6。用活性炭1b覆盖比如铝等金属组成的集电材料1a的壁面，给出电极体1。当电解液3的浓度高(如电解液3具有凝胶状的质地)时，也可以省略隔离部分2。

本发明第一实施例利用恶化检测部分53，通过交流阻抗方法进行检测，实现电容器恶化的判定。虽然交流阻抗方法可以提供明显节省电能的检测，但是重要在于提高检测的精度，为的是提高检测结果的可靠性。

图3示出本发明第一实施例的电容器阻抗特性。给第一实施例的电容器加以交流电压，并测量在交流电压频率下的阻抗特性。图3中的纵轴表述阻抗值，而横轴表示给电容器加以固定交流电压时的频率。横轴和纵轴均为对数轴。使用第一实施例电容器的初始阶段的阻抗特性显示为特性阻抗曲线7。当使用电容器时，电容器自身各组成部分(如电解液3、活性炭1b、集电材料1a)的电阻分量，即公知为所谓等效串联电阻(ESR)9增大。结果，阻抗特性显示为曲线8。

当进一步使用电容器时，等效串联电阻进一步增大，使得电解液3中出现引起电解液3恶化的物质。接着，恶化物质附着到活性炭1b和/或隔离部分2的表面上。随后形成对应于离子运动的电阻分量，即所谓扩散阻力分量10，从而造成阻抗特性显示迹线11，该迹线11具有由于电解液恶化所致的拐点12。

鉴于拐点12的存在，本发明利用频率区域13，即高端侧低于凸起拐点12而低端侧高于另一凸起拐点16的区域内的阻抗值确定所述的恶化。但是，所述另一拐点16为从区域14转变为区域13的拐点16。在区域14中，阻抗值迅速从0频率处开始变化，在区域13中，阻抗值逐渐减小。由于这样，第一实施例的电容器恶化判定方法可以给出高精度的结果，所述精度与直流阻抗方法测得的结果大致相同，并可实现作为交流阻抗方法优点的节能检测。

图4为说明本发明第一实施例电容器恶化判定方法各步骤的流程图。

首先，得出与所要使用的电容器52相同类型的双电层电容器的恶化特性。按照第一实施例，在温度50℃时，对于所要得到恶化特性的电容器施加负载(2.0V～2.5V)。10000到15000小时以后，检测阻抗特性。也可以通过进一步提高温度以更短的时间检测这种恶化的特性。

根据导致恶化的阻抗特性，算出因电解液恶化所产生的拐点12。接着，把低于拐点12的频率作为检测频率。将这一频率和阻抗值存储于恶化检测部分53中。根据包含电容器52的电路的产品设计，确定电容器52的恶化极限阻抗值，并存储在恶化检测部分53中(S1)。

然后，当包含电容器52的电路工作时，电容器52逐渐恶化。在电路工作过程中，对电容器52加给交流电压，并且每到预定时间检测在预定频率下的阻抗值(S2)。

然后，将测得的阻抗值与之前存储在恶化检测部分53中的恶化极限阻抗值进行比较(S3)。当测得的阻抗值等于或者小于该恶化极限阻抗值时，确定无异常(S4：否)，并继续使用电容器52。另一方面，当测得的阻抗值超过恶化极限阻抗值时，确定电容器52发生恶化(S4：是)，并且异常显示部分54通过警示灯或类似方法显示更换电容器的要求(S5)。

如上所述，按照第一实施例的电容器恶化判定方法，根据低于阻抗特性的拐点12的频率区域13中的阻抗值，判定电容器的恶化。这样做，可以高精度地判定电容器恶化，提高判定的可靠性，并且节省检测所用的电能。

当通过测量高于交流阻抗特性的拐点12频率下的阻抗判定电容器的恶化时，即使当电容器恶化时，如图3所示，阻抗值是低的。这样，电容器恶化的判定可能会包含明显的错误，造成恶化判定的精度差。

需要注意的是，图1示出本发明第一实施例使用双电层电容器52，但本发明并不限于这种道路结构。

第二实施例

按照本发明第二实施例的电容器恶化判定方法，参照电容器恶化极限特性，首先通过直流电压方法检测DCR。接着，使用与第一实施例中类似的方法，检测恶化极限交流阻抗特性(下称Z)。之后，计算前面所得DCR和Z之间的相关性。图5示出本发明第二实施例电容器恶化极限的DCR/Z比值。图5中，纵轴和横轴均为对数轴。

根据图5，在低于拐点15的频率下得到电容器恶化极限的DCR/Z比值，并存储在恶化检测部分53中。接着，当像第一实施例的情况中那样，使包含电容器52的电路工作时，电容器52逐渐恶化。在电路工作期间，对电容器加给交流电压，每到预定的时间，检测预定频率下的Z，并检测DCR。当测得的DCR/Z比值等于或小于之前存储在恶化检测部分53中的恶化极限DCR/Z比值时，电容器被判定为未发生恶化，可以继续使用。当测得的DCR/Z比值超过恶化极限DCR/Z比值时，判定电容器发生恶化，并通过警示灯或类似方法显示恶化。

如上所述，第二实施例的电容器恶化判定方法可以使交流阻抗方法的检测精度得以提高，并提高判定的可靠性。

实施例3

下面参照图3描述本发明第三实施例的电容器恶化的判定方法。在图3中，电容器阻抗值从0频率下的值快速减小的区域14为电容率频率区域，这个区域表示伴随电容器自身放电所引起的功率梯度的容量分量(capacitycomponent)。电容率频率区域14可用以判定电容器的恶化。

根据实施例3，所述自身放电可用于抑止判定电容器恶化所需要消耗的电能。

为了提高精度，在不使用电容器时，本发明希望实行使用交流阻抗方法的阻抗值测量或使用电容器自身放电的容量分量检测，从而电压波动较小。

最近，双电层电容器已被建议应用于燃料电池车的车载电源。预期可使电源的功耗最大程度地得到抑止，特别是在内置车载电源的容量受到限制的情况下。在上述领域中，上述使用交流阻抗方法的阻抗值检测以及通过电容器自身放电的容量分量检测都是有效的。为了进一步提高判定恶化的精度，还希望在并使用电容器时实行上述对于内置车载电源的检测，从而电压波动较小。

尽管第三实施例描述了电容器为双电层电容器的情况，但是本发明并不限于第三实施例。当包含一对电极体并在其间提供有电解液的电容器为氧化还原电容器时，可以产生相同的效果。

工业实用性

按照本发明于电极体之间提供有电解液的电容器的恶化判定方法，具有节省电能的效果，特别是在比如适用于要求小尺寸汽车的情况下是有用的。

Claims (5)

1.一种判定电容器恶化的方法，所述电容器包含一对电极体并在电极体之间设有电解液，所述方法通过对电容器加给交流电压，用交流电压频率下的阻抗特性来检测电容器的恶化，其中，

预先计算阻抗特性中因电解液恶化而出现的拐点，将以低于所述拐点的频率区域中的阻抗值为基础的特性值与预定的特性值相比较，从而判定恶化。

2.根据权利要求1所述的判定电容器恶化的方法，其中，当显示所述阻抗特性为使得沿横轴向右移动时频率值较高并且沿纵轴向上移动时阻抗值较大时，所述拐点为具有向顶部凸起形状的第一拐点，并且与所述拐点不同的另一拐点为具有向底部凸起形状的第二拐点。

3.根据权利要求2所述的判定电容器恶化的方法，其中，所述特性值为低于所述第一拐点并高于所述第二拐点的频率下的阻抗值。

4.根据权利要求2所述的判定电容器恶化的方法，其中，所述特性值是在低于第一拐点并高于第二拐点的频率下，根据相同类型电容器预先发生的恶化算出的阻抗值和直流电容器电阻值之间的相关性计算的值。

5.根据权利要求2所述的判定电容器恶化的方法，其中，所述特性值为根据所述电容器在低于第一拐点并低于第二拐点的频率下的自身放电所致电压变化而得到的容量分量。

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