JP2003274566A

JP2003274566A - 電気二重層キャパシタの異常検出方法およびこれを用いた充放電回路

Info

Publication number: JP2003274566A
Application number: JP2002074312A
Authority: JP
Inventors: Kenji Morisada; 健二森貞; Takamasa Mitsuya; 高正三ツ矢; Norihiko Ninomiya; 紀彦二宮
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】直列に接続された複数の電気二重層キャパシ
タＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎの正常／異常を判定し、運転を
止めることなく、安全かつ継続的に状態管理できる異常
検出方法を提供する。【解決手段】直列に接続した電気二重層キャパシタ群
５を充電する回路において、１つまたは複数個をユニッ
ト化した電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎの
充電電流と充電電圧を計測する手段を備え、その値をも
とに上記電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎに
供給された電荷量および／または静電容量を演算し、予
め設定した電荷量および／または静電容量の基準値と比
較して正常／異常を判定することを特徴とする電気二重
層キャパシタの異常検出方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直列接続された電
気二重層キャパシタ群を充電する回路において、電気二
重層キャパシタの異常を検出する方法およびこれを用い
た充放電回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】昨今、電気二重層キャパシタの大容量化
が進み、エネルギー貯蔵装置として注目を集めはじめて
いる。現在、エネルギー貯蔵装置にはＳＭＥＳ（超電導
エネルギー蓄積装置）やフライホイル、そして身近なも
のでは電池を集合したものがある。これらの装置は夜間
電力の貯蔵や停電対策などに使用されている。電気二重
層キャパシタの特徴はコンデンサと同様に充電／放電の
繰返しに優れた特性を有していること、しかも小型静止
機器であるために電気的制御が容易であることから、既
存のエネルギー貯蔵装置を置換えようとの意欲的な試み
がなされている。しかし、電気二重層キャパシタは定格
電圧が２．５Ｖ程度と低い。そのためにエネルギー貯蔵
装置に使用するには複数個を直列接続して使用しなけれ
ばならない。例えば１００Ｖ用では４０個直列、４００
Ｖ用では１６０個直列に接続して使用することになる。
一方、この電気二重層キャパシタは同じ製法で製作して
も静電容量に±１０％程度のバラツキが生じるために、
単に直流電源から一括直列充電しても均等に充電されな
い。そのために各キャパシタを個別に定格電圧まで充電
する方法が試みられている。この種の従来例を図３に示
す。

【０００３】図３に示した回路はバック・ブースト型コ
ンバータによる多出力充電方法に関するもので、例えば
特開平８−２１４４５４に示されている。直流発生器１
と発振器２と変圧器Ｔｒの一次巻線が順次接続される。
変圧器Ｔｒの二次巻線は多出力にするために複数個設け
られて、それぞれの出力と整流器Ｓ_ｅが同極性になるよ
うに接続され、かつ、その出力側に各々平滑用コンデン
サＣ_０が接続される。一方、電気二重層キャパシタ
Ｃ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎは変圧器Ｔｒの二次巻線と同じ数
だけ直列に接続されている。そしてその各々の電気二重
層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎは各々の平滑用コン
デンサＣｏと並列に接続される。

【０００４】次に動作を説明する。発振器２は直流発生
器１よりエネルギーの供給を受け、スイッチング作用に
より高周波を変圧器Ｔｒに与える。その後、整流器Ｓ_ｅ
を介して平滑用コンデンサＣ_０には、バック・ブースト
型コンバータの動作原理によって所定の直流電圧が出力
し平滑後、電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ _ｎ
を所定の設定電圧に充電する。このバック・ブースト型
コンバータの良い点は前記特開平８−２１４４５４によ
ると、変圧器Ｔｒの二次巻線が同一コアに巻かれ電磁的
に密結合されて定電力動作をすることから、キャパシタ
の電流×電圧の値が一定であり、負荷となる電気二重層
キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎに容量差があっても均
等充電ができるとされている。

【０００５】しかし、この電気二重層キャパシタＣ_１、
Ｃ_２、…、Ｃ_ｎは通常直列数が多いためにキャパシタの
１つに異常が発生しても、全体の電圧変化率は小さく、
異常検出されないままに運転されたり、また、キャパシ
タのいくつかが劣化を生じてもそのまま運転され、キャ
パシタが焼損するなどの問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような問題を有
していたために、簡易な回路や計測手段を用いて個々の
電気二重層キャパシタの状態を監視し、異常を検出して
危険を未然に防ぐ手法が求められていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決したものであり、直列に接続した電気二重層キャパ
シタ群５を充電する回路において、１つまたは複数個を
ユニット化した電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、
Ｃ _ｎの充電電流と充電電圧を計測する手段を備え、その
値をもとに上記電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、
Ｃ_ｎに供給された電荷量および／または静電容量を演算
し、予め設定した電荷量および／または静電容量の基準
値と比較して正常／異常を判定することを特徴とする電
気二重層キャパシタの異常検出方法である。

【０００８】また、上記電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ
_２、…、Ｃ_ｎと並列に接続したバイパススイッチＳ
Ｗ_１、ＳＷ_２、…、ＳＷ_ｎを使用することを特徴とする
電気二重層キャパシタの異常検出方法およびこれを用い
た充放電回路である。

【０００９】さらに、上記計測する手段を直流電源の出
力端に設け、上記電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、
…、Ｃ_ｎを順次充電することを特徴とする電気二重層キ
ャパシタの異常検出方法およびこれを用いた充放電回路
である。

【００１０】そして、上記直流電源の出力端に充電電流
を計測する手段を設け、かつ、上記電気二重層キャパシ
タＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎ毎に充電電圧を計測する手段を
備え、該電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎを
順次または選択的に充電することを特徴とする電気二重
層キャパシタの異常検出方法およびこれを用いた充放電
回路である。

【００１１】また、上記充電電流が定電流であることを
特徴とする電気二重層キャパシタの異常検出方法および
これを用いた充放電回路である。

【００１２】

【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。図１は本発明による電気二重層キャパシタの
異常検出方法の実施例、図２は電気二重層キャパシタの
充放電特性を示す。図３と同一の回路部品については説
明を省略する。

【００１３】変圧器Ｔｒの二次巻線には整流器Ｓ_ｅとフ
ィルタ回路であるリアクトルＬ_１と平滑用コンデンサＣ
_０が接続され、該平滑用コンデンサＣ_０の両端には電流
検出器３を介して電圧検出器４が接続されて直流電源８
を構成する。一方、電気二重層キャパシタ群５は電気二
重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎが直列に接続さ
れ、かつ、電圧検出器４の両端、すなわち、直流電源８
の出力は充電スイッチＳＷ_１１と前記電気二重層キャパ
シタＣ_１と充電スイッチＳＷ_１２とが閉回路になるよう
に接続され、同様に直流電源８の出力は充電スイッチＳ
Ｗ_２１と電気二重層キャパシタＣ_２と充電スイッチＳＷ
_２２とも閉回路になるように接続され、同様にその直流
電源８の出力は充電スイッチＳＷ_ｎ１と電気二重層キャ
パシタＣ_ｎと充電スイッチＳＷ_ｎ２とも閉回路になるよ
うに接続される。すなわち、１つの直流電源８から各電
気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎをそれぞれの
充電スイッチＳＷ_１１とＳＷ_１２、…、ＳＷ_ｎ１とＳＷ
_ｎ２を介して充電出来るように接続されたことになる。

【００１４】また、各電気二重層キャパシタＣ_１、
Ｃ_２、…、Ｃ_ｎと並列にバイパススイッチＳＷ_１、ＳＷ
_２、…、ＳＷ_ｎが接続される。そして充電スイッチＳＷ
_１１、ＳＷ_１２、…、ＳＷ_ｎ１、ＳＷ_ｎ２とバイパスス
イッチＳＷ_１、ＳＷ_２、…、ＳＷ _ｎとは制御ユニット６
_１、６_２、…、６_ｎを有し、制御器７からの指令に基づ
きオン／オフ制御される。制御器７は、直流発生器１、
発振器２、電流検出器３、電圧検出器４と制御ユニット
６_１、６_２、…、６_ｎに接続されて、電流検出器３と電
圧検出器４とから送信される計測データの演算処理を行
うと共に、システム運転制御を行う。なお、制御器７は
図示しない中央制御盤に接続され、該中央制御盤による
プログラムに従って制御される場合もある。

【００１５】次に、動作を説明する。発振器２は直流発
生器１から電力の供給を受けて所定の周波数に変換し、
変圧器Ｔｒと整流器Ｓ_ｅによって直流に変換後、リアク
トルＬ_１、平滑用コンデンサＣ_０により平滑して所定の
直流を出力する。この直流電源８は図示しないが、公知
の方法によって定電流制御されている。

【００１６】次に、制御器７は電気二重層キャパシタＣ
_１を充電するため、制御ユニット６ _１に動作オン指令を
送り、該制御ユニット６_１は充電スイッチＳＷ_１１、Ｓ
Ｗ_１ _２をオン動作させる。その結果、直流電源８から定
電流に制御された充電電流Ｉが供給されて電気二重層キ
ャパシタＣ_１が充電され、その充電電流Ｉは電流検出器
３によって、また、その充電電圧Ｖは電圧検出器４で計
測され、制御器７に送信される。やがて所定の設定電圧
Ｖ_０に達すると、制御器７は制御ユニット６_１に動作オ
フ指令を送り、該制御ユニット６_１は充電スイッチＳＷ
_１１、ＳＷ_１２をオフ動作させ、電気二重層キャパシタ
Ｃ_１は充電を完了する。

【００１７】次に、制御器７は電気二重層キャパシタＣ
_２を充電するため制御ユニット６_２に動作オン指令を送
り、該制御ユニット６_２は充電スイッチＳＷ_２１、ＳＷ
_２２をオン動作させる。その結果、上記と同様に電気二
重層キャパシタＣ_２を充電させ、やがて所定の設定電圧
Ｖ_０に達すると、制御器７は制御ユニット６_２に動作オ
フ指令を送り、該制御ユニット６_２は充電スイッチＳＷ
_２１、ＳＷ_２２をオフ動作させ、電気二重層キャパシタ
Ｃ_２は充電を完了する。このようにして順次、電気二重
層キャパシタＣ_ｎまで充電を続け、１サイクルが終了す
る。

【００１８】このようにしてすべての電気二重層キャパ
シタ群５が充電完了すると、これ以降は回路構成上、該
電気二重層キャパシタ群５と並列に接続された放電要素
素子による自然放電によって充電電圧は低下する。そし
て、この低下した電圧を補充電するために、直ちに、ま
たは所定の時間後に２サイクル目の充電を開始させ、常
に所定の設定電圧を維持するように作用する。このよう
に個々の電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎを
順次繰返し充電する方法の利点は、直流電源８が１個の
電気二重層キャパシタを充電する容量を有すればよいの
で、小型化するのが容易となる。

【００１９】次に、制御器７の機能について説明する。
制御器７は全体の運転制御をする機能と電気二重層キャ
パシタ群５の状態監視をするために、電流検出器３と電
圧検出器４から送られてくる計測データを演算処理し
て、基準値と比較する判定機能を有している。前者の説
明は省略し後者の機能について説明する。

【００２０】図２に任意に選んだ電気二重層キャパシタ
１個の充放電特性を示す。縦軸は充電電圧Ｖと充電電流
Ｉを、横軸は時間ｔを示す。まず、所定の設定電圧Ｖ_０
に充電を完了した電気二重層キャパシタは、上記した自
然放電によって電圧は徐々に降下して行く。その後補充
電が開始するとその時間ｔ_１における充電電圧Ｖ_ｔ１を
制御器７が記憶する。その後定電流の充電電流Ｉによっ
て充電を続け、電圧は徐々に上昇しやがて所定の設定電
圧Ｖ_０に達すると、その時の時間ｔ_２を制御器７が記憶
し、充電を停止する。ここで、制御器７は補充電した電
荷量△Ｑ＝充電電流Ｉ×充電時間（ｔ_２−ｔ_１）、また
は電気二重層キャパシタの電荷量△Ｑと静電容量△Ｃ＝
電荷量△Ｑ／補充電した電圧（Ｖ_０−Ｖ_ｔ１）を計算す
る。そして予め設定した電荷量Ｑおよび／または静電容
量Ｃの基準となる許容値と比較して正常／異常の判定を
する。このデータをすべて記憶装置に蓄積する必要はな
いが、蓄積して行くことによって経時変化が分かり、こ
れを関数に置き換えると、将来の変化量を予測すること
も可能である。このようなデータ処理をすべての電気二
重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎについて順次実施
し判定をする。

【００２１】次に、電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ_２、
…、Ｃ_ｎの中で、例えば電気二重層キャパシタＣ_１が異
常と判定された場合は、制御器７から制御ユニット６_１
に動作指令を送り、該制御ユニット６_１は充電スイッチ
ＳＷ_１１、ＳＷ_１２をオフ動作、バイパススイッチＳＷ
_１をオン動作させて、運転を停止することなく、異常な
電気二重層キャパシタＣ_１を回路上バイパスさせて運転
を継続することができる。すなわち、電気二重層キャパ
シタ群５から電気二重層キャパシタＣ_１を取除いたのと
同じ効果を有することになる。

【００２２】なお、電気二重層キャパシタＣ_１に電荷が
残留した状態でバイパススイッチＳＷ_１をオン動作させ
ると過大な短絡電流が流れることがあるので、放電スイ
ッチと放電抵抗を直列接続した残留電荷放電回路を、電
気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ _２、…、Ｃ_ｎの各々と並列
接続することもできる。この場合は、まず該当する放電
スイッチをオン動作させて電気二重層キャパシタＣ_１の
電荷を放電させ、その後、上記のバイパススイッチＳＷ
_１をオン動作させることになる。

【００２３】その他の異常判定としては、補充電の充電
時間が長過ぎる、あるいは放電により電圧Ｖ_ｔ１が下が
り過ぎるなどの異常に対しても、上記のようにデータ処
理をすることによって、異常な電気二重層キャパシタを
早期に発見し、回路から除外するなどの適切な処置が可
能となる。上記した電気二重層キャパシタ群５がエネル
ギー貯蔵装置などのシステムに組み込まれる場合は、図
示しない中央制御盤と制御器７とを接続し、データ情報
の交換をしてシステムとしての安全を確保することがで
きる。

【００２４】図１の実施例は電圧検出器４を直流電源８
の出力端に１台設けたが、他の実施例として、制御ユニ
ット６_１、６_２、…、６_ｎにそれぞれ専用の電圧検出器
を内蔵して、それぞれの電気二重層キャパシタＣ_１、Ｃ
_２、…、Ｃ_ｎと並列に接続する。そしてその全数の測定
データを制御器７に送信し、全数の状態管理を連続的ま
たは断続的に行う。この方法によれば、自然放電中の電
圧変化を常に監視できることから、減衰時定数に変化が
生じたり、あるいは急激に電圧降下が生じるなどの特異
な現象が発生すると、異常と判定する基準を設けておく
ことにより早期に異常を発見できる。また、この方法の
他の利点として図１ではサイクル的に順番に補充電を行
っていたが、本実施例によれば、設定電圧Ｖ_０が予め設
定した電圧降下の許容値△Ｖを超えたものから選択的に
補充電を行うことが可能になり、非常に効率的である。

【００２５】また、この方法による演算は、電圧降下の
許容値△Ｖに達した時間ｔ_１と、定電流の充電電流Ｉに
より設定電圧Ｖ_０に達する時間ｔ_２を制御器７が記憶す
る。そして電気二重層キャパシタに供給された電荷量△
Ｑ＝充電電流Ｉ×充電時間（ｔ_２−ｔ_１）と静電容量Ｃ
＝電荷量△Ｑ／許容電圧△Ｖを計算して、前記同様に基
準となる許容値と比較して正常／異常の判定をする。

【００２６】さて、充電スイッチＳＷ_１１、ＳＷ_１２、
…、ＳＷ_ｎ１、ＳＷ_ｎ２とバイパススイッチＳＷ_１、Ｓ
Ｗ_２、…、ＳＷ_ｎは、単に回路をオン／オフするスイッ
チであるために、電磁開閉器やリレーでも良いし、ソリ
ッドステートリレーやサイリスタなどの半導体スイッチ
でも良く、汎用性に富んでいる。次に異常な電気二重層
キャパシタがバイパススイッチによってバイパスされる
と電気二重層キャパシタ群５の直列電圧が低下するが、
多くの場合、直列数が多く、キャパシタの欠損が１個で
あるため電圧変化率は小さく、システムの回路構成上あ
まり問題にならない。問題となりそうな場合は欠損を何
個まで許容するかを決めて制御器７にその情報を入力し
ておけば、運転停止の信号を内部、外部ともに出力して
システムを安全に停止させることができる。

【００２７】図１ではコストを考慮し、小容量の直流電
源１台を用いて順次運転をすることにしたが、本発明は
これに限定されるものではない。いくつかに分割したブ
ロック毎に直流電源を用いてもよいし、電気二重層キャ
パシタすべてに設けてもよい。電気二重層キャパシタの
自然放電は微弱であるので補充電は現実的に断続的で充
分である。従って、直流電源８の数は組み込まれるシス
テムとの協調から放電の具合を考慮してコストと対比し
ながら決めればよい。

【００２８】さて、以上の説明では定電流の充電電流Ｉ
を流すことを前提に考えたが、そのような定電流制御が
できない直流電源８の場合は、充電中の電流を連続的に
制御器７に取り込み、時間ｔ_１からｔ_２の時間中、単位
時間△ｔ毎の電流値Ｉ_１〜Ｉ _ｎを読み取り△Ｑ＝（Ｉ_１
＋Ｉ_２＋…＋Ｉ_ｎ）×△ｔを演算して補充電した電荷量
△Ｑを算出しても同様の効果を得ることができる。

【００２９】また、本発明による電気二重層キャパシタ
の正常／異常判定手段は、上記の直流電源を用いた個別
充電方法に限定されず、電気二重層キャパシタが直列に
接続されてその個々の充電電流と充電電圧が計測できる
手段を有する構成であれば、すべてに有効である。ま
た、個々の電気二重層キャパシタは２．５Ｖ程度と定格
電圧が低いために１台を単位として充電し、状態監視を
するのは回路上煩雑になり、コスト的にも不利となる場
合がある。このような場合は複数個の電気二重層キャパ
シタを、例えば４台を直列に接続してユニット化し、こ
れを１０Ｖの電気二重層キャパシタ１台とみなして状態
管理をしてもよい。但し、充電については４台の静電容
量のバラツキが大きいと均等充電が難しいので静電容量
の値を選別して合わせるなどの工夫をすることと、異常
と判定された場合には４台中のどのコンデンサが異常な
のかの区別がつかない問題もあるが、運転の安全上は同
様の効果を得ることができる。

【００３０】そして、上記実施例は交流を直流に変換し
た直流電源８を用いて電気二重層キャパシタを充電する
方法について説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではない。本発明の電気二重層キャパシタの異常検出
方法は、上記直流電源８が、例えば太陽光発電や風力発
電そして電池や他の手段により直流電圧が供給される直
流電源であれば、同じ効果があり、有効である。

【００３１】

【発明の効果】上記のように本発明は、電気二重層キャ
パシタＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎを定電流で充電し、それぞ
れの充電電圧を測定して、そのデータからコンデンサに
充電した電荷量又は静電容量を計算して電気二重層キャ
パシタの正常／異常の判定や劣化の現象あるいは将来を
定量的に予測することができる。しかも異常が発見され
ても該当する電気二重層キャパシタをバイパススイッチ
によって短絡することで運転を停止することなく、次回
メンテナンス時期まで安全に運転することも可能であ
る。また、1つの充電電源から複数の直列に接続された
電気二重層キャパシタを個々に充電する手法は、常に限
りなく所定の設定電圧、すなわち、最大充電エネルギー
状態を維持することができる利点もある。さらに小型、
軽量化が図れ、かつ、コストダウンも実現できるもの
で、工業的価値大なるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電気二重層キャパシタの異常検出
方法を示す実施例である。

【図２】本発明による電気二重層キャパシタの充放電特
性である。

【図３】従来例による電気二重層キャパシタの充電方法
である。

【符号の説明】

１直流発生器２発振器３電流検出器４電圧検出器５電気二重層キャパシタ群６_１〜６_ｎ制御ユニット７制御器８直流電源Ｔｒ変圧器Ｓ_ｅ整流器Ｌ_１リアクトルＣ_０平滑コンデンサＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_ｎ電気二重層キャパシタＳＷ_１、ＳＷ_２、…、ＳＷ_ｎバイパススイッチＳＷ_１１、ＳＷ_２１、…、ＳＷ_ｎ１充電スイッチＳＷ_１２、ＳＷ_２２、…、ＳＷ_ｎ２充電スイッチＶ充電電圧Ｖ_０設定電圧Ｖ_ｔ１時間ｔ_１の充電電圧 △Ｖ電圧降下した許容値Ｉ充電電流 △Ｑ電荷量Ｃ静電容量 △ｔ単位時間

フロントページの続き (72)発明者二宮紀彦京都府京都市中京区御池通烏丸東入一筋目仲保利町191番地の４上原ビル３階ニチコン株式会社内Ｆターム(参考） 2G028 AA02 BE04 CG07 DH03 FK01 FK02 FK08 HM07 MS05 2G036 AA24 AA27 BB02 BB08 CA06 CA10 5G003 AA01 BA03 CA02 CC02 DA07 EA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直列接続した電気二重層キャパシタ群を
充電する回路において、１つまたは複数個をユニット化した電気二重層キャパシ
タの充電電流と充電電圧を計測する手段を備え、その値
をもとに上記電気二重層キャパシタに供給された電荷量
および／または静電容量を演算し、予め設定した電荷量
および／または静電容量の基準値と比較して正常／異常
を判定することを特徴とする電気二重層キャパシタの異
常検出方法。
【請求項２】上記電気二重層キャパシタと並列に接続
したバイパススイッチを使用することを特徴とする請求
項１記載の電気二重層キャパシタの異常検出方法および
これを用いた充放電回路。
【請求項３】上記計測する手段を直流電源の出力端に
設け、上記電気二重層キャパシタを順次充電することを
特徴とする請求項１または請求項２記載の電気二重層キ
ャパシタの異常検出方法およびこれを用いた充放電回
路。
【請求項４】上記直流電源の出力端に充電電流を計測
する手段を設け、かつ、上記電気二重層キャパシタ毎に
充電電圧を計測する手段を備え、該電気二重層キャパシ
タを順次または選択的に充電することを特徴とする請求
項１または請求項２記載の電気二重層キャパシタの異常
検出方法およびこれを用いた充放電回路。
【請求項５】上記充電電流は定電流であることを特徴
とする請求項１〜４記載の電気二重層キャパシタの異常
検出方法およびこれを用いた充放電回路。