JP2001161036A - 電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置 - Google Patents

電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置

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JP2001161036A JP34138599A JP34138599A JP2001161036A JP 2001161036 A JP2001161036 A JP 2001161036A JP 34138599 A JP34138599 A JP 34138599A JP 34138599 A JP34138599 A JP 34138599A JP 2001161036 A JP2001161036 A JP 2001161036A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気二重層コンデンサ装置を構成する各電気
二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正
する電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置
を提供する。 【解決手段】 電気二重層コンデンサ装置30の端子間
電圧若しくは電流を増加させる通常充電中に、電気二重
層コンデンサ装置30の端子間電圧が目標充電電圧であ
る設定充電電圧値未満であるとき、電気二重層コンデン
サ装置30に対し緩和充電を少なくとも一回行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電気二重層コンデン
サ装置の充電方法及び充電装置に係わり、特に電気二重
層コンデンサ装置を構成する各電気二重層コンデンサセ
ルの充電電圧のアンバランスを補正する電気二重層コン
デンサ装置の充電方法及び充電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電極材料として比表面が大きくか
つ電気化学的に不活性の活性炭と電解質との組み合わせ
で、電子の電気二重層構造を利用して飛躍的に容量を増
大させた電気二重層コンデンサを利用することが種々提
案されている。
【0003】この電気二重層コンデンサは、単一のセル
では定格電圧がせいぜい3V程度までと小さいため、電
源装置として利用する場合には、図6に示すように複数
個の電気二重層コンデンサセル1を直列に接続して、電
気二重層コンデンサ装置10として使用される。
【0004】電気二重層コンデンサセル1の耐電圧は電
解質の電気分解に依存し、充電電圧がこの電圧を超える
と、電気二重層コンデンサセル1の劣化が進み、寿命が
急速に低下する性質がある。このため、各電気二重層コ
ンデンサセル1の定格電圧は上記の耐電圧以下に設定し
て使用する必要がある。ここで、定格電圧は、電気二重
層コンデンサセル1の使用最大電圧をいう。
【0005】しかし、各電気二重層コンデンサセル1
は、それぞれ静電容量や内部抵抗にばらつきをもってお
り、各電気二重層コンデンサセル1を直列に接続した状
態で単に充電を行うと、この静電容量や内部抵抗のばら
つきにより各電気二重層コンデンサセル1に加わるバイ
アス電圧に差が生じて、充電電圧に不均衡を生じる。従
って、この充電電圧の不均衡のため、電気二重層コンデ
ンサ装置10の充電時に電気二重層コンデンサセル1の
充電電圧が耐電圧を超えてしまうことがある。
【0006】かかる問題を解決する方策として、従来、
図7に示すように等しい抵抗値をもつ抵抗3(ブリーダ
抵抗)を電気二重層コンデンサセル1に並列に接続する
ことにより、各電気二重層コンデンサセル1に加わるバ
イアス電圧を等しくして充電電圧のアンバランスを補正
させる手段や、この抵抗3を電気二重層コンデンサセル
1の充電電圧が所定値以上になった場合に働くようにす
る技術が開示されている(実開平5−23527号公報
等)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の技術では充電電圧のアンバランスを補正するため
に、電気二重層コンデンサセル1に並列に回路を設ける
必要があり、製造コストの増加の問題や、回路から発生
する発熱の問題および部品点数の増加に伴う信頼性が低
下する等の問題が生じていた。
【0008】本発明はこのような従来の課題に鑑みてな
されたもので、電気二重層コンデンサ装置を構成する各
電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを
補正する電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電
装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】このため本発明(請求項
1)は、複数の電気二重層コンデンサセルを直列若しく
は直並列に接続して構成した電気二重層コンデンサ装置
の充電方法において、該電気二重層コンデンサ装置の端
子間電圧若しくは電流を増加させる通常充電中に、前記
電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が目標充電電圧
である設定充電電圧値未満であるとき、前記電気二重層
コンデンサ装置に対し緩和充電を少なくとも一回行うこ
とを特徴とする。
【0010】電気二重層コンデンサ装置は、複数の電気
二重層コンデンサセルを直列若しくは直並列に接続して
構成する。電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が目
標充電電圧である設定充電電圧値未満としたのは、この
設定充電電圧値若しくはこの電圧値付近で緩和充電を行
うと、電気二重層コンデンサセル間の品質のばらつき如
何によっては、電気二重層コンデンサセルのいずれかが
電気二重層コンデンサセルの耐電圧を超えるおそれを生
ずるためである。緩和充電は、自動又は手動により少な
くとも一回行う。
【0011】このことにより、電気二重層コンデンサセ
ルの充電電圧のアンバランスを補正することができる。
また、充電電圧のアンバランスを補正するために電気二
重層コンデンサセルに並列に設けた回路等が不要なた
め、製造コストの増加の問題や、回路から発生する発熱
の問題および部品点数の増加に伴う信頼性が低下する等
の問題を解消することができる。
【0012】また、本発明(請求項2)は、前記緩和充
電は、前記複数の電気二重層コンデンサセルの端子電圧
の内の少なくとも一つが、該電気二重層コンデンサセル
の定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧
値以上になったとき行われ、該緩和充電の開始後所定時
間を経過したとき又は該緩和充電により前記緩和充電開
始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定
電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させる。
【0013】緩和充電は、電気二重層コンデンサセルの
端子電圧の内の少なくとも一つが、この電気二重層コン
デンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開
始設定電圧値を超えたとき行う。この緩和充電開始設定
電圧値は、定格電圧に等しいか若しくは定格電圧以下で
あることが望ましい。電気二重層コンデンサセルが耐電
圧を超えるのを防止するためである。
【0014】そして、緩和充電は、緩和充電の開始後、
所定時間を経過したとき又はこの緩和充電により緩和充
電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止
設定電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させる。
緩和充電を行うにつれて、徐々に電気二重層コンデンサ
セルの電圧値は下がっていく。
【0015】緩和充電停止設定電圧値は、緩和充電が十
分に行われ、その効果を期待出来る電圧値である。緩和
充電開始設定電圧値を超えていた電気二重層コンデンサ
セルの電圧値が、緩和充電によりこの緩和充電停止設定
電圧値を下回ったとき、電気二重層コンデンサ装置に対
し通常充電を再開する。
【0016】このことにより、いずれの電気二重層コン
デンサセルをも耐電圧を超えさせずに、電気二重層コン
デンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することが
できる。
【0017】更に、本発明(請求項3)は、複数の電気
二重層コンデンサセルを直列若しくは直並列に接続して
構成した電気二重層コンデンサ装置と、該電気二重層コ
ンデンサ装置を充電する充電装置と、前記電気二重層コ
ンデンサセルの各セル端子電圧を前記充電装置に帰還さ
せるセル端子電圧帰還手段と、前記電気二重層コンデン
サ装置の端子間電圧若しくは電流を増加させる通常充電
中に、該端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧
値未満であり、かつ前記セル端子電圧帰還手段により帰
還されたセル端子電圧の内の少なくとも一つが、前記電
気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定し
た緩和充電開始設定電圧値以上になったとき、前記電気
二重層コンデンサ装置に対し少なくとも一回緩和充電を
行い、該緩和充電の開始後所定時間を経過したとき又は
該緩和充電により前記緩和充電開始設定電圧値より小さ
く予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき
前記通常充電を再開させる緩和充電制御手段とを備えて
構成した。
【0018】セル端子電圧帰還手段により、電気二重層
コンデンサセルの各セル端子電圧を充電装置に帰還させ
る。そして、このセル端子電圧の内の少なくとも一つ
が、電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め
設定した緩和充電開始設定電圧値を超えたとき、電気二
重層コンデンサ装置に対し少なくとも一回緩和充電を行
う。
【0019】少なくとも一回と記載した中には、一回は
必ず行うという意味の他に、緩和充電開始設定電圧値を
超えたときでも緩和充電を行わない場合も考慮してい
る。緩和充電制御手段は、緩和充電の開始後所定時間を
経過したとき又は緩和充電により緩和充電開始設定電圧
値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下
回ったとき通常充電を再開させる。
【0020】従って、緩和充電を十分行った後には、再
び通常充電を再開する。このことにより、電気二重層コ
ンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正すること
ができる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。本発明の実施形態の構成図を図1及び図2に
示す。図1は電気二重層コンデンサセル1A、1Bを直
列接続して電気二重層コンデンサ装置20を構成した場
合である。
【0022】電気二重層コンデンサセル1A、1Bは、
図1の左側に示されるような抵抗を介して連なる無数の
コンデンサ要素であると考えられている。従って、電気
二重層コンデンサ装置20を等価回路で表示すると図1
右側のように表現できる。
【0023】ここで、電気二重層コンデンサセル1Aの
r11からr1nの合成抵抗がr01であり、C11か
らC1nの合成容量がC01である。電気二重層コンデ
ンサセル1Bについても同様で、r21からr2nの合
成抵抗がr02であり、C21からC2nの合成容量が
C02である。
【0024】図2には、この電気二重層コンデンサ装置
20を充電装置5により充電しているときの様子を示
す。ここで、端子間電圧である充電電圧Eは電気二重層
コンデンサ装置20の充電電圧、Ioは充電電流、V
1,V2は電気二重層コンデンサセル1A、1Bの各セ
ル端子電圧を示す。
【0025】また、I11からI1nおよびI21から
I2nは充電電流Ioの分電流を現し、Q11からQ1
nはC11からC1nに蓄えられた電荷量、Q21から
Q2nはC21からC2nに蓄えられた電荷量である。
【0026】次に、本発明の実施形態の動作を説明す
る。充電中のV1およびV2とEの関係は、E=V1+
V2で現すことができる。ここで、V1およびV2は、
数1および数2のように示せる。
【0027】
【数1】
【0028】
【数2】
【0029】充電の途中で充電電圧Eを一定にする緩和
充電を行うと、充電電流Ioは減少し最終的に0に近く
なる。緩和充電は、このように充電電圧Eを一定にしつ
つ、微小の充電電流Ioにより充電を行うものである。
従って、Ioの分電流であるI11からI1nおよびI
21からI2nもほぼ0となる。このとき、V1および
V2は、
【0030】
【数3】
【0031】
【数4】
【0032】となる。ここでQ01およびQ02は、電
気二重層コンデンサ1Aおよび1Bに蓄えられた電荷量
であり、直列接続された電気二重層コンデンサセル1
A、1Bにおいては、Q01=Q02となる。
【0033】従って、充電中に緩和充電を行うことで電
気二重層コンデンサセル1A、1Bの内部抵抗のばらつ
きによる充電電圧のアンバランスは解消される。また、
このような原理の他に、電気二重層コンデンサセル1
A、1Bの漏れ抵抗が、図7の電気二重層コンデンサ装
置20に並列に設けられたブリーダ抵抗の役割をして、
充電電圧のアンバランスを補正する効果がある。
【0034】漏れ抵抗RLを考慮した電気二重層コンデ
ンサセル1の等価回路を図3に示す。図3において、内
部抵抗r、コンデンサCが端子7A、7Bに対し直列
に、漏れ抵抗RLが端子7A、7Bに対し並列に接続さ
れている。
【0035】ここに、漏れ抵抗RLは充電電圧が高いほ
ど小さくなる傾向があり、充電電圧の高い電気二重層コ
ンデンサセル1ほど電圧が下がり、充電電圧の低い電気
二重層コンデンサセル1はその電圧を維持する傾向とな
る。これにより充電電圧のアンバランスが補正される。
【0036】目的とする最終の充電電圧を設定充電電圧
と定義する。従って、通常は設定充電電圧は電気二重層
コンデンサ装置20の定格電圧となる。この設定充電電
圧以下の電圧で上記のように緩和充電を行えば、直列接
続された各電気二重層コンデンサセル1の電圧は充電途
中に均等化が進む。
【0037】そして、緩和充電後に再度充電が再開され
ても、充電電圧のアンバランスが補正されているため、
設定充電電圧値での各電気二重層コンデンサセル1の充
電電圧のばらつきを抑えることができる。
【0038】また、緩和充電を設定充電電圧値未満とし
たのは、いきなり設定充電電圧で充電し、この電圧で緩
和充電を行うと、電気二重層コンデンサセル1に加わる
バイアス電圧V1,V2のいずれかが電気二重層コンデ
ンサセル1の耐電圧を超える可能性があるためである。
【0039】緩和充電を行う電圧は、電気二重層コンデ
ンサセル1間の品質のばらつきを考慮し、緩和充電電圧
において電気二重層コンデンサセル1の耐電圧を超えな
い範囲で行う必要がある。
【0040】また、電気二重層コンデンサセル1間の品
質のばらつきが大きい場合には、緩和充電を行う回数を
増やし段階的に充電電圧を上げることで、電気二重層コ
ンデンサセル1に加わるバイアス電圧が耐電圧を超える
ことなく、設定充電電電圧値における電気二重層コンデ
ンサセル1間の充電電圧のアンバランスを効果的に補正
することができる。
【0041】次に、かかる緩和充電を自動的に行う方法
について説明する。図2中に記載は省略するが、各電気
二重層コンデンサセル1のセル端子電圧をそれぞれ充電
装置5に帰還させる。そして、このセル端子電圧の内の
少なくとも一つが、電気二重層コンデンサセル1の定格
電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値を超
えたとき、電気二重層コンデンサ装置に対し緩和充電を
行う。
【0042】但し、このときでも電気二重層コンデンサ
装置20の端子間電圧は設定充電電圧値未満とする。従
って、設定充電電圧値を超えた場合には充電装置5から
の充電を停止する。これは、電気二重層コンデンサセル
1間の品質のばらつき如何によっては、電気二重層コン
デンサセル1のいずれかが電気二重層コンデンサセル1
の耐電圧を超えるおそれを生ずるためである。
【0043】緩和充電開始設定電圧値は、例えば電気二
重層コンデンサセル1の定格電圧若しくはこの値以下の
定格電圧に近い電圧値である。この緩和充電は、緩和充
電開始設定電圧値を超えたとき必ず緩和充電を行っても
よいが、回数を制限したり、間欠的に行う等してもよ
い。
【0044】その後、緩和充電の開始後所定時間を経過
したとき通常充電を再開させる。但し、時間経過ではな
く、緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩
和充電停止設定電圧値を下回ったとき通常充電を再開さ
せるようにしてもよい。
【0045】この緩和充電停止設定電圧値は、緩和充電
による電気二重層コンデンサセル1間の充電電圧のアン
バランス効果を期待出来ると判断される電圧値である。
このことにより、電気二重層コンデンサセルの充電電圧
のアンバランスを自動的に補正することができる。
【0046】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
4のように5個の電気二重層コンデンサセル1A、1
B、1C、1D、1Eを直列に接続して構成した電気二
重層コンデンサ装置30を、本発明による充電方法によ
り充電したときの例を以下に示す。
【0047】図5に、充電中の各電気二重層コンデンサ
セル1の充電電圧および電気二重層コンデンサ装置30
に印加された充電電圧の変化の例を示す。図5の上段の
グラフが電気二重層コンデンサ装置30に印加した充電
電圧(縦軸)を、下段のグラフが図4の電気二重層コン
デンサセル1A、1B、1C、1D、1Eの充電電圧
(縦軸)を示している。
【0048】上下段のグラフとも横軸は充電開始からの
時間経過となる。経過時間軸に時間目盛りが記載されて
いないのは、グラフを見やすくするため尺度を拡大およ
び縮尺しているためである。概算として、この例では、
電気二重層コンデンサ装置30の印加電圧が昇圧されて
いる時間は、一回あたり3分間程度あり、緩和充電時間
は一回あたり1.5時間程度である。
【0049】この、緩和時間は、電気二重層コンデンサ
セル1の品質のばらつきに合わせて、緩和充電による充
電電圧のアンバランスの補正の効果とを勘案して決定す
る。また、上段のグラフにおいては、0Vから充電を開
始しているが、緩和充電部を拡大して表記している。電
気二重層コンデンサセル1A、1B、1C、1D、1E
の充電電圧の総和が電気二重層コンデンサ装置30に印
加した充電電圧となる。
【0050】この実施例での、目的とする電気二重層コ
ンデンサ装置30の充電電圧は12.6Vであり、これ
が設定充電電圧である。従って、電気二重層コンデンサ
装置30が12.6Vに充電された時には、各電気二重
層コンデンサセル1A、1B、1C、1D、1Eの充電
電圧がアンバランスでなくそろっていることが望まし
い。
【0051】これは、先に示したように、ある電気二重
層コンデンサセル1のみ充電電圧が高く、定格電圧を超
えてしまい劣化が進まないようにするためである。ま
た、電気エネルギーの貯蔵面からも各電気二重層コンデ
ンサセル1に均等に充電されているのが望ましい。
【0052】図5の例では、電気二重層コンデンサ装置
30の充電電圧9.4Vの時点で一回目の緩和充電をお
こなった。この緩和充電開始直前の電気二重層コンデン
サセル1の充電電圧のアンバランスδV(最大値―最小
値)は、0.57Vあった。
【0053】従って、緩和充電を行わない充電ではこの
程度の充電電圧のアンバランスが生じる。9.4Vでの
緩和充電後に、10.3Vと11.5Vで設定充電電圧
に達する前にさらに2回の緩和充電を行った。
【0054】その結果、設定充電電圧12.6Vに達し
たときには、電気二重層コンデンサセル1間の充電電圧
のアンバランスδV(最大値―最小値)は、0.06V
となり、アンバランスはほぼ解消され、使用上の問題は
なくなる。これにより、設定充電電圧に達する前に緩和
充電を行うことで、各電気二重層コンデンサセル1の充
電電圧のアンバランスが効果的に補正されていることが
わかる。
【0055】次に、請求項2に相当する実施例について
説明する。図5において、電気二重層コンデンサ装置3
0の充電電圧が11.5Vに達した時から、請求項2の
充電方法により電気二重層コンデンサ装置30を充電し
た。このとき、緩和充電開始設定電圧値を電気二重層コ
ンデンサセル1の定格電圧と等しい2.50Vに設定
し、緩和充電停止設定電圧値を2.49Vに設定してい
る。
【0056】電気二重層コンデンサ装置30の充電電圧
が11.5Vに達した時に、電気二重層コンデンサセル
1Aが2.50Vに達して、緩和充電を開始した。緩和
充電により電気二重層コンデンサセル1Aの電圧が2.
49Vに低下して、電気二重層コンデンサ装置30の電
圧を上げる通常充電を再開した。その後、電気二重層コ
ンデンサセル1Aが再び2.50Vに達したときに、電
気二重層コンデンサ装置30の設定充電電圧である1
2.6Vに達して充電が完了したものである。
【0057】なお、従来の技術では充電電圧のアンバラ
ンスを補正するために、電気二重層コンデンサセルに並
列に回路を設ける必要があったり、これに伴う製造コス
トの増加の問題や、回路から発生する発熱の問題および
部品点数の増加に伴う信頼性が低下する等の問題が生じ
ていたが、本発明によりこれらの問題は解決される。
【0058】また、本発明は、例えば、昼間は太陽電池
などで常時充電をこない、夜間に電気二重層コンデンサ
装置に蓄えたエネルギーを利用する場合や非常時のみ電
気二重層コンデンサ装置からエネルギーを取り出すよう
な充電時間に制約が少ない場合には、電気二重層コンデ
ンサセルの充電電圧を補正するための緩和充電を十分に
行えるため、有効に寄与する。
【0059】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、通
常充電中に、電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が
目標充電電圧である設定充電電圧値未満であるとき、電
気二重層コンデンサ装置に対し緩和充電を少なくとも一
回行うこととしたので、電気二重層コンデンサセルの充
電電圧のアンバランスを補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 電気二重層コンデンサセルを直列接続して電
気二重層コンデンサ装置を構成した図
【図2】 電気二重層コンデンサ装置を充電装置により
充電しているときの様子を示す図
【図3】 漏れ抵抗を考慮した電気二重層コンデンサセ
ルの等価回路
【図4】 5個の電気二重層コンデンサセルを直列に接
続して構成した電気二重層コンデンサ装置の実施例
【図5】 充電中の各電気二重層コンデンサセルの充電
電圧および電気二重層コンデンサ装置に印加された充電
電圧の変化を示す図
【図6】 従来の電気二重層コンデンサ装置の構成例
【図7】 ブリーダ抵抗が電気二重層コンデンサセルに
並列に接続された例
【符号の説明】
1(1A、1B、1C、1D、1E) 各電気二重層コ
ンデンサセル 5 充電装置 10、20、30 電気二重層コンデンサ装置

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の電気二重層コンデンサセルを直列
    若しくは直並列に接続して構成した電気二重層コンデン
    サ装置の充電方法において、該電気二重層コンデンサ装
    置の端子間電圧若しくは電流を増加させる通常充電中
    に、前記電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が目標
    充電電圧である設定充電電圧値未満であるとき、前記電
    気二重層コンデンサ装置に対し緩和充電を少なくとも一
    回行うことを特徴とする電気二重層コンデンサ装置の充
    電方法。
  2. 【請求項2】 前記緩和充電は、前記複数の電気二重層
    コンデンサセルのセル端子電圧の内の少なくとも一つ
    が、該電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予
    め設定した緩和充電開始設定電圧値以上になったとき行
    われ、該緩和充電の開始後所定時間を経過したとき又は
    該緩和充電により前記緩和充電開始設定電圧値より小さ
    く予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき
    前記通常充電を再開させる電気二重層コンデンサ装置の
    充電方法。
  3. 【請求項3】 複数の電気二重層コンデンサセルを直列
    若しくは直並列に接続して構成した電気二重層コンデン
    サ装置と、該電気二重層コンデンサ装置を充電する充電
    装置と、前記電気二重層コンデンサセルの各セル端子電
    圧を前記充電装置に帰還させるセル端子電圧帰還手段
    と、前記電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧若しく
    は電流を増加させる通常充電中に、該端子間電圧が目標
    充電電圧である設定充電電圧値未満であり、かつ前記セ
    ル端子電圧帰還手段により帰還されたセル端子電圧の内
    の少なくとも一つが、前記電気二重層コンデンサセルの
    定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値
    以上になったとき、前記電気二重層コンデンサ装置に対
    し少なくとも一回緩和充電を行い、該緩和充電の開始後
    所定時間を経過したとき又は該緩和充電により前記緩和
    充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停
    止設定電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させる
    緩和充電制御手段とを備えたことを特徴とする電気二重
    層コンデンサ装置の充電装置。
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