JP2005094893A - Method and apparatus for charge judging electric double layer capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単一又は複数の電気二重層コンデンサを備える電気二重層コンデンサの充電に関し、特に、電気二重層コンデンサの満充電等の所定充電への到達を電流の変化により判定する電気二重層コンデンサの充電判定方法及びその装置に関する。
The present invention relates to charging of an electric double layer capacitor including a single or a plurality of electric double layer capacitors, and in particular, an electric double layer capacitor that determines whether a predetermined charge such as a full charge of the electric double layer capacitor has reached a predetermined charge by changing a current. The present invention relates to a charging determination method and apparatus therefor.
電気二重層コンデンサは、小型で大容量であるが、耐電圧が低いため、直列化して電気二重層コンデンサ装置とすることにより、高耐圧化を図っている。これは、電気二重層コンデンサ装置としての高耐圧化であって、直列化された各電気二重層コンデンサの耐圧が高まるわけではない。そのため、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の充電電圧は、耐圧を超えないように制御し、その充電状況を監視することが必要である。 The electric double layer capacitor is small and has a large capacity, but has a low withstand voltage. Therefore, an electric double layer capacitor device is serialized to form an electric double layer capacitor device, thereby increasing the withstand voltage. This is a high breakdown voltage as an electric double layer capacitor device, and does not increase the breakdown voltage of each electric double layer capacitor in series. Therefore, it is necessary to control the charging voltage of each electric double layer capacitor constituting the electric double layer capacitor device so as not to exceed the withstand voltage and to monitor the charging state.
このような電気二重層コンデンサ装置に関する先行技術には、次のような特許文献が存在している。
ところで、このような電気二重層コンデンサ装置において、電気二重層コンデンサを一定電流で充電すると、電気二重層コンデンサの定格電圧の付近まで、充電電圧が上昇すると、電圧上昇が緩慢になり、充電電圧が定格電圧に到達するには相当な時間を要する。これは、電気二重層コンデンサに充電電流が流れているが、定格電圧の到達直近の充電状態では電圧上昇が鈍くなり、充電効率が低下する。この場合、電気二重層コンデンサに蓄積される電気エネルギーは、電気二重層コンデンサに加えられる電圧の2乗に比例するため、充電電圧が高いほど、蓄積される電気エネルギーは大きくなる。そこで、電気二重層コンデンサを電源として利用するには、その電気二重層コンデンサを定格電圧により近い値まで充電することが望まれるが、その場合、その充電状況を端子間電圧で監視することが必要となる。その充電電圧が定格電圧に近くなると、その上昇値が鈍くなり、電圧変化を測定して満充電等の所定充電への到達の判定をしようとすれば、電圧計の測定精度を高くする等の対策が必要である。このため、電気二重層コンデンサの満充電等の充電電圧の監視を容易かつ高精度に行うことが望まれている。このような課題は上記特許文献に開示も示唆もされておらず、それを解決する手段も開示されていない。 By the way, in such an electric double layer capacitor device, when the electric double layer capacitor is charged with a constant current, when the charging voltage rises to the vicinity of the rated voltage of the electric double layer capacitor, the voltage rise becomes slow, and the charging voltage is reduced. It takes considerable time to reach the rated voltage. This is because a charging current flows through the electric double layer capacitor, but the voltage rise becomes dull in the charged state immediately before the rated voltage is reached, and the charging efficiency is lowered. In this case, since the electric energy stored in the electric double layer capacitor is proportional to the square of the voltage applied to the electric double layer capacitor, the higher the charging voltage, the larger the stored electric energy. Therefore, in order to use an electric double layer capacitor as a power source, it is desirable to charge the electric double layer capacitor to a value closer to the rated voltage. In this case, it is necessary to monitor the charging status with the voltage between terminals. It becomes. When the charging voltage becomes close to the rated voltage, the increase value becomes dull, and if the voltage change is measured to determine whether to reach a predetermined charge such as full charge, the measurement accuracy of the voltmeter is increased. Countermeasures are necessary. For this reason, it is desired to easily and accurately monitor the charging voltage such as full charge of the electric double layer capacitor. Such a problem is neither disclosed nor suggested in the above patent document, and means for solving it is not disclosed.
そこで、本発明は、電気二重層コンデンサの充電について、満充電等の所定充電への到達の判定を容易かつ高精度に行うことを目的とする。 In view of this, an object of the present invention is to easily and accurately determine whether or not an electric double layer capacitor has been charged, such as full charge.
斯かる目的を詳述すれば、電気二重層コンデンサの充電電圧が定格電圧の近傍に推移した場合、その充電電流の変化が充電電圧に比較して大きいことに着目し、満充電等の所定充電への到達の検出ないし判定を容易かつ高精度に行えるようにしたものである。
In detail, when the charging voltage of the electric double layer capacitor changes in the vicinity of the rated voltage, paying attention to the fact that the change in the charging current is larger than the charging voltage, the predetermined charging such as full charging is performed. This makes it possible to detect and determine the arrival at the position easily and with high accuracy.
上記目的を達成するため、本発明の電気二重層コンデンサの充電判定方法は、電気二重層コンデンサ(12、121〜12N)の充電電圧を監視して定電流充電から定電圧充電に切り換えるとともに、前記定電圧充電の場合に前記電気二重層コンデンサに流れる充電電流の急激な変化を検出し、この変化により前記電気二重層コンデンサが所定充電に到達したと判定する構成としたものである。 To achieve the above object, the electric double layer capacitor charging determination method of the present invention monitors the charging voltage of the electric double layer capacitor (12, 121 to 12N) and switches from constant current charging to constant voltage charging. In the case of constant voltage charging, a rapid change in the charging current flowing through the electric double layer capacitor is detected, and it is determined that the electric double layer capacitor has reached a predetermined charge due to this change.
電気二重層コンデンサの充電を定電流充電の後、定電圧充電に切り換えて行うと、定電流充電及び定電圧充電の双方の利点を活かすことができる。即ち、充電電圧が低い場合には定電流によって急速充電が可能となり、充電電圧が高くなると、充電電流が低下するので、定電圧充電に切り換え、充電に必要な電流を供給する。このような充電は、電気二重層コンデンサに適する。そこで、本発明においては、充電初期で定電流充電を行い、充電電圧を監視して定電圧充電に切り換え、所定の充電電圧を実現する。このような充電において、定電圧充電では、電気二重層コンデンサが所定電圧に到達すると、充電電流が急激に減少する。充電電圧の増加に対し、充電電流の変化は顕著となり、この充電電流の変化を検出すれば、満充電等の所定充電への到達を容易にしかも、高精度に判定することができる。その電流の変化を電圧に変換して取り出す場合でも、充電電流が極端な減少傾向を呈するので、高精度な電圧計は不要であり、高精度に満充電等の所定充電への到達の判定が可能である。 If the electric double layer capacitor is charged by switching to constant voltage charging after constant current charging, the advantages of both constant current charging and constant voltage charging can be utilized. That is, when the charging voltage is low, rapid charging can be performed with a constant current, and when the charging voltage increases, the charging current decreases. Therefore, switching to constant voltage charging is performed, and a current necessary for charging is supplied. Such charging is suitable for an electric double layer capacitor. Therefore, in the present invention, constant current charging is performed at the beginning of charging, the charging voltage is monitored and switched to constant voltage charging, and a predetermined charging voltage is realized. In such charging, in constant voltage charging, when the electric double layer capacitor reaches a predetermined voltage, the charging current rapidly decreases. As the charging voltage increases, the change in the charging current becomes conspicuous. By detecting this change in the charging current, it is possible to easily reach the predetermined charging such as full charging and to determine with high accuracy. Even when the change in current is converted into voltage and taken out, the charging current shows an extremely decreasing tendency, so a high-precision voltmeter is not necessary, and the determination of reaching a predetermined charge such as full charge can be made with high accuracy. Is possible.
上記目的を達成するため、本発明の電気二重層コンデンサの充電判定装置は、電気二重層コンデンサの充電初期で定電流充電とし、前記電気二重層コンデンサの充電電圧に応じて前記定電流充電から定電圧充電に切り換える充電手段(充電回路4)と、前記定電圧充電の際、前記電気二重層コンデンサに流れる充電電流の急激な変化を検出し、この変化により前記電気二重層コンデンサが所定充電に到達したと判定する判定手段(電圧比較器50)とを備えた構成である。 In order to achieve the above object, the electric double layer capacitor charging determination apparatus of the present invention performs constant current charging at the initial stage of charging of the electric double layer capacitor, and determines from the constant current charging according to the charging voltage of the electric double layer capacitor. Charging means (charging circuit 4) for switching to voltage charging and a rapid change in the charging current flowing through the electric double layer capacitor during the constant voltage charging are detected, and the electric double layer capacitor reaches a predetermined charge due to this change. It is the structure provided with the determination means (voltage comparator 50) which determines with having carried out.
斯かる構成によれば、電気二重層コンデンサの充電状況を充電電流の急激な変化として捉えることができ、満充電等の所定充電への到達を高精度且つ容易に判定することができる。 According to such a configuration, the charging state of the electric double layer capacitor can be grasped as a sudden change in the charging current, and arrival at a predetermined charging such as full charging can be determined with high accuracy and ease.
上記目的を達成するためには、前記電気二重層コンデンサに直列に抵抗14を接続し、この抵抗に流れる前記充電電流による電圧降下により前記充電電流の急激な減少値を検出する構成としてもよい。
In order to achieve the above object, a
斯かる構成とすれば、電気二重層コンデンサの満充電等の所定充電における充電電流の急激な減少値を抵抗により電圧に変換して取り出すことができ、その電圧を測定することにより、満充電等の所定充電への到達を高精度且つ容易に判定することができる。
With such a configuration, it is possible to take out the sudden decrease value of the charging current in the predetermined charging such as full charging of the electric double layer capacitor by converting it into a voltage with a resistor, and by measuring the voltage, the full charging etc. Can be determined with high accuracy and easily.
以上説明したように、本発明によれば、次のような効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
(1) 定電流充電から定電圧充電への切換えの後、定電圧充電における電気二重層コンデンサの急激な充電電流の変化を捉えて満充電等の充電状況を容易かつ高精度に知ることができ、従前の高精度な電圧計等が不要であるとともに、例えば、その判定結果を利用して充電回路の制御精度を高めることができる。 (1) After switching from constant current charging to constant voltage charging, it is possible to easily and accurately know the charging status such as full charge by capturing the sudden change in charging current of the electric double layer capacitor during constant voltage charging. The conventional high-accuracy voltmeter or the like is not necessary, and the control accuracy of the charging circuit can be increased by using the determination result, for example.
(2) 満充電等の所定充電の検出精度、判定精度を高めることができ、電気二重層コンデンサの充電効率を向上させることができる。 (2) The detection accuracy and determination accuracy of predetermined charge such as full charge can be improved, and the charging efficiency of the electric double layer capacitor can be improved.
(3) 充電電流を抵抗により電圧に変換して取り出せば、急激な充電電流の変化を電圧降下として取り出すことができ、容易かつ高精度に満充電等の所定充電への到達を判定することができる。
(3) If charging current is converted into voltage by a resistor and taken out, a sudden change in charging current can be taken out as a voltage drop, and it is possible to easily and accurately determine the arrival of a predetermined charge such as full charge. it can.
本発明の第1の実施形態について、図1を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係る電気二重層コンデンサ装置とともに電気二重層コンデンサの充電判定方法を示している。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a method for determining the charge of an electric double layer capacitor together with the electric double layer capacitor device according to the first embodiment of the present invention.
この電気二重層コンデンサ装置2において、充電回路4は例えば、商用交流電源6の交流入力を整流して一定の直流電圧又は一定電流を発生することにより、定電流充電又は定電圧充電が可能である。この充電回路4の出力端子8、10の間に電気二重層コンデンサ12が抵抗14を介して接続されている。抵抗14は、電気二重層コンデンサ12に流れる充電電流icを検出する電流検出手段を構成する。この場合、電気二重層コンデンサ12の端子間電圧をV1 〔V〕、抵抗14に発生する端子間電圧をV2 とし、抵抗14の抵抗値をRとすれば、電圧V2 は、
V2 =ic×R〔V〕 ・・・(1)
である。
In the electric double
V 2 = ic × R [V] (1)
It is.
斯かる構成において、電気二重層コンデンサ12の静電容量Cを600〔F〕、その定格電圧VT を2.5〔V〕、抵抗14の抵抗値Rを0.1〔Ω〕とし、充電回路4から電気二重層コンデンサ12の充電電流icを定電流例えば、1〔A〕で充電すると、その充電時間tは、
t=VT ×C/ic=2.5×600/1=1500〔sec〕
=25〔分〕 ・・・(2)
となる。
In such a configuration, the capacitance C of the electric
t = V T × C / ic = 2.5 × 600/1 = 1500 [sec]
= 25 [minutes] (2)
It becomes.
ところで、充電回路4は、例えば、図2に示すように構成される。図2は、充電回路4の具体的な回路構成例を示している。
Incidentally, the
この充電回路4には、商用交流電源6からの交流入力を整流する整流回路16が設置され、この整流回路16は、4本のダイオード18のダイオードブリッジからなる全波整流回路で構成されている。この整流回路16の出力側には平滑用のコンデンサ20が接続され、整流出力のリップル成分等の変動成分が除去される。この整流回路16の直流出力側には、コンデンサ20と並列にトランス22の一次コイル22P、スイッチング素子として電界効果トランジスタ(FET)24及び電流検出回路26が接続されている。電流検出回路26の検出出力は制御部28に加えられ、この制御部28の制御出力がトランジスタ24のゲートに加えられている。斯かる構成により、チョッパー回路30が構成されており、トランジスタ24の発振により、トランス22の一次コイル22Pにはスイッチング電流が流れる。この一次側のスイッチング電流により、トランス22の二次側にはスイッチング電圧が誘起する。そして、トランジスタ24の制御により、定電流充電時には定電流出力、定電圧充電時には定電圧出力が得られる構成である。
The charging
また、トランス22の二次コイル22Sにはダイオード32、34からなる整流回路36が接続され、スイッチング電圧はこの整流回路36で整流され、チョークコイル38及びコンデンサ40でその変動成分が除去される。抵抗42は、電流検出抵抗であって、充電電流icを電圧に変換する手段であり、充電電流icの急激な変化を電圧変化として取り出す。また、コンデンサ40の両端子間に発生した直流出力電圧はダイオード44を介して既述の電気二重層コンデンサ12に加えられ、これらの充電に供される。
A
また、電気二重層コンデンサ12の端子間電圧Vcは第1の電圧比較器46に加えられ、基準電圧源48の基準電圧VREF と比較される。電圧比較器46は、両者の電圧差に応じた出力を発生する。
The inter-terminal voltage Vc of the electric
また、抵抗42の端子間には電気二重層コンデンサ12に流れる充電電流icにより、電圧Vsが発生するので、この端子間電圧Vsが第2の電圧比較器50に加えられている。抵抗42の抵抗値をRとすると、端子間電圧Vsは、既述した通り、式(1)に示す関係から、充電電流icと抵抗値Rとの積で与えられ、充電電流icに比例する端子間電圧Vsが電圧比較器50に加えられる。この結果、電圧比較器50は、定電流充電から定電圧充電に切り換えるための契機として、電気二重層コンデンサ12が所定電圧に移行したことを判定する判定手段であって、充電電流icの減少を表す端子間電圧Vsが所定電圧に低下したことを判定し、その判定結果を出力する。
In addition, since the voltage Vs is generated between the terminals of the
これら電圧比較器46、50の出力は制御部28の制御入力となっており、電圧比較器46、50の出力により、制御部28の制御出力が変化し、トランジスタ24のゲートに加えられる電圧が調整される。この結果、トランジスタ24のスイッチング周波数の導通期間が調整される結果、パルス幅制御が行われ、充電すべき電気二重層コンデンサ12に加えられる出力電流の制御として定電流出力から定電圧出力に切り換えられる。この場合、例えば、100kHzでトランジスタ24がON・OFFするものとすれば、そのON期間が二次電流の帰還と、充電電圧の帰還との総合帰還により、制御されて一定の出力電流、即ち、充電電流iC が得られる構成である。この実施形態では、電圧、電流の双方の帰還を利用しているが、何れか一方でもよい。
The outputs of the
このような充電初期には定電流充電、所定電圧に到達した後は定電圧充電に切り換えられる充電回路4を用いることにより、電気二重層コンデンサ12を充電した場合において、電気二重層コンデンサ12の充電特性について、図3を参照して説明すると、図3は、端子間電圧V1 (=Vc)及び端子間電圧V2 の推移を示している。端子間電圧V1 は、時間の経過とともに緩やかに増加するのに対し、端子間電圧V2 は、充電電流icに依存し、定電圧充電に移行した際に急激に減少する。この場合、端子間電圧V1 は、2.25〔V〕程度までは直線的に上昇し、2.25〔V〕を超える電圧では電圧上昇が緩慢になる。一方、充電電流icは、充電率CAが92〔%〕に到達すると、定電圧電源である充電回路4が定電流(CC:Constant Current)モードから、定電圧(CV:Constant Voltage)モードに切り換わり、充電電流icが大幅に低減する。これは、充電により電気二重層コンデンサ12の端子間電圧V1 が定格電圧VT に近づくと、電気二重層コンデンサ12の充電電流icが抑制される。
When the electric
このように、電気二重層コンデンサ12が満充電等の所定充電に近づくと、端子間電圧V1 の変化率ΔV1 は微少となり、この変化から電気二重層コンデンサ12の満充電等の所定充電への到達を判定するのは困難であるが、充電電流icの変化率Δicは大きく、この変化率Δicを観測すれば、電気二重層コンデンサ12の所定充電への到達を容易かつ高精度に判定することができる。この実施形態では、充電電流icの変化率Δicを電圧に変換することにより、抵抗14の端子間電圧V2 の変化率ΔV2 を観測し、電気二重層コンデンサ12の満充電等の所定充電への到達を検出し、判定している。
Thus, when the electric
そして、充電電流icの変化を検知する抵抗14の抵抗値Rを小さい値、例えば、R=0.1〔Ω〕程度に設定すれば、電気二重層コンデンサ12の満充電等、所定充電への移行を大きい変化率Δic、ΔV2 で検出し、取り出すことができるとともに、端子間電圧V2 を端子間電圧V1 に比較して小さくできるので、抵抗14での電力損失を低減できる。
If the resistance value R of the
ところで、図2に示す充電回路4において、電圧比較器50の出力は、電気二重層コンデンサ12の所定充電への到達を表す到達情報の提示手段である提示部52に加えられ、電気二重層コンデンサ12が満充電等の所定充電に到達したことを提示される。この提示部52は、LCD表示器やLEDインジケータ等で構成することができ、その満充電等、所定充電への到達を視覚的に表示することができる。この提示部52をブザー等で構成してもよく、斯かる構成とすれば、聴覚的表示も可能である。また、提示部52を判定出力部として構成し、その判定出力を情報機器等の給電制御の制御情報として用いることにより、充電完了の告知手段として構成することもできる。
By the way, in the charging
次に、本発明の第2の実施形態について、図4を参照して説明する。図4は本発明の第2の実施形態に係る電気二重層コンデンサ装置を示している。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows an electric double layer capacitor device according to a second embodiment of the present invention.
この電気二重層コンデンサ装置54には、同一容量の複数の電気二重層コンデンサ121、122、123・・・12Nが直列に接続されており、これら電気二重層コンデンサ121〜12Nの直列回路には充電回路56が接続されている。充電回路56は、例えば、商用交流電源6から加えられる交流ACを整流し、一定の直流電圧VDCを得ており、その構成は図2に示した回路によって構成されている。
A plurality of electric
各電気二重層コンデンサ121〜12Nには個別にバランス回路81、82、83・・・8Nが接続され、各バランス回路81〜8Nは充電電流icを平衡化して各電気二重層コンデンサ121〜12Nの充電電圧を一定化させている。
Each of the electric
斯かる構成とすれば、図3とともに既述した通り、各電気二重層コンデンサ121〜12Nに流れる充電電流icの急激な変化を直接的に又は電圧変換して間接的に検出することにより、満充電等の所定充電への到達を判定することができ、無駄な充電を防止し、効率的な充電処理を実現することができる。
With such a configuration, as already described with reference to FIG. 3, the rapid change of the charging current ic flowing in each of the electric
上記実施形態では、電流検出手段として抵抗14を設置し、急激な電流変化を電圧に変換して取り出す構成について説明したが、トランジスタ等の検出回路を用いてその電流変化を直接取り出し、電気二重層コンデンサの満充電等の所定電圧への到達の判定を行うようにしてもよい。
In the above embodiment, the configuration has been described in which the
以上述べたように、本発明のも最も好ましい実施形態等について説明したが、本発明は上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は、発明を実施するための最良の形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。
As described above, the most preferable embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the above description, and is described in the claims or the best for carrying out the invention. It goes without saying that various modifications and changes can be made by those skilled in the art based on the gist of the invention disclosed in the embodiments, and such modifications and changes are included in the scope of the present invention.
本発明によれば、電気二重層コンデンサの満充電等の所定充電への到達の検出及び判定を容易かつ高精度化することができ、電気二重層コンデンサの充電電圧の均一化や、安全性の高い電気二重層コンデンサ装置の提供に寄与し、有用である。
According to the present invention, it is possible to easily and highly accurately detect and determine the arrival of a predetermined charge such as a full charge of the electric double layer capacitor, to equalize the charging voltage of the electric double layer capacitor, and to improve safety. This contributes to the provision of a high electric double layer capacitor device and is useful.
2 電気二重層コンデンサ装置
4 充電回路(充電手段)
12、121、122・・・12N 電気二重層コンデンサ
14 抵抗
50 電圧比較器(判定手段)
2 Electric double
12, 121, 122... 12N Electric
Claims (3)
前記定電圧充電の際、前記電気二重層コンデンサに流れる充電電流の急激な変化を検出し、この変化により前記電気二重層コンデンサが所定充電に到達したと判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする電気二重層コンデンサの充電判定装置。 Charging means for switching from constant current charging to constant voltage charging according to the charging voltage of the electric double layer capacitor, constant current charging at the beginning of charging of the electric double layer capacitor,
A determination unit that detects a sudden change in a charging current flowing through the electric double layer capacitor during the constant voltage charging, and determines that the electric double layer capacitor has reached a predetermined charge due to the change;
An electric double layer capacitor charge determination device comprising:
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