JP2006047283A - Determination method for degradation in capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極体間に電解液を配置したキャパシタの劣化判定方法に関する。 The present invention relates to a method for determining deterioration of a capacitor in which an electrolytic solution is disposed between electrode bodies.
一般的なキャパシタは、電極材料の比表面積が大きく、かつ、電気化学的に不活性の活性炭を用い、電解質と組み合わせて大きな電気二重層容量を利用するもので、充放電の際に電気化学反応を伴わず、大電流での急速充放電が可能であり、化学電池と比較して出力密度が大きいことなどが特徴として挙げられ、大電流発生回路、瞬時補償電源やロードレベリング回路などへの応用が期待されている。 A general capacitor uses an activated carbon that has a large specific surface area of electrode material and is electrochemically inert, and uses a large electric double layer capacity in combination with an electrolyte. It can be rapidly charged / discharged with a large current without being accompanied by a large current density, and its output density is higher than that of a chemical battery. It can be applied to large current generation circuits, instantaneous compensation power supplies, load leveling circuits, etc. Is expected.
この電気二重層キャパシタの構成は、メモリーバックアップ用のコイン型と、パワー用の円筒型とがある。コイン型は、上端を開口した高さの低い円筒形の金属ケースに、円板状の下部電極、セパレータ、上部電極を順次積層し、内部に電解液を注入し、かつ、前記金属ケースの内周縁部に、絶縁と封止のためのガスケットを収納し、上面に金属蓋を被せ、前記金属ケースと金属蓋とが直接接触しないようにしてカシメ加工した構成を有するものである。 The electric double layer capacitor has a coin type for memory backup and a cylindrical type for power. In the coin type, a disk-shaped lower electrode, separator, and upper electrode are sequentially laminated on a low-profile cylindrical metal case with an open upper end, and an electrolyte is injected into the inside. A gasket for insulation and sealing is housed in the peripheral portion, a metal lid is covered on the upper surface, and the metal case and the metal lid are not crimped directly so as to have a caulking process.
また、円筒型の電気二重層キャパシタの構成を図6に示すように、コンデンサ素子20は、細長帯状の金属箔、パンチングメタル、エキスパンドメタルなどを集電体とし、この集電体の両面又は片面に、活性炭とカーボンとバインダーからなる分極電極を塗布し、これを2枚用意し、これら集電体の間に、同様に細長帯状で絶縁と電解液保持のためのセパレータとを介在して、それぞれの集電体には、1本ずつ電極端子21を接続し、これを渦巻状に巻回して、最後に粘着テープ22で固定して構成されている。このコンデンサ素子20の電極端子21は、封口体24のはとめ金具27に接続され、有底筒状で、上端部付近に凹溝25を形成した金属ケース23に、リード端子26を外部に突出させて収納するとともに、電解液(図示せず)を注入し、金属ケース23の上端部を内側に折り曲げて密封して電気二重層キャパシタが構成されている。
Moreover, as shown in FIG. 6 for the configuration of the cylindrical electric double layer capacitor, the
このような電気二重層キャパシタは、長時間の使用により内部の電解液が蒸発して内部抵抗が増大し、静電容量が減少するというドライアップモードの劣化が進行し、いずれ寿命に達する。 In such an electric double layer capacitor, deterioration of the dry-up mode in which the internal electrolytic solution evaporates and the internal resistance increases and the electrostatic capacity decreases due to long-term use proceeds and eventually reaches the end of its life.
この寿命を測定する方法としては、測定信号として低周波の方形波信号を加えるとともに、その応答信号の所定部分を積分し、その積分値に基づいて電気二重層キャパシタの特性変化を検出する技術(例えば、特許文献1参照)、電気二重層キャパシタの通電制御を行い、その端子間電圧が所定値に達した時点から所定時間内に電気二重層キャパシタの端子間電圧が劣化技術電圧に達した場合に劣化状態にあると判定するようにした技術(例えば、特許文献2参照)、電気二重層キャパシタの表面温度の温度上昇を測定する技術(例えば、特許文献3参照)等がある。 As a method of measuring this lifetime, a technique of adding a low-frequency square wave signal as a measurement signal, integrating a predetermined portion of the response signal, and detecting a characteristic change of the electric double layer capacitor based on the integrated value ( For example, refer to Patent Document 1), when energization control of the electric double layer capacitor is performed, and the voltage between the terminals of the electric double layer capacitor reaches the deterioration technology voltage within a predetermined time from the time when the voltage between the terminals reaches a predetermined value. And a technique for determining that the surface temperature of the electric double layer capacitor is increased (for example, see Patent Document 3).
また、電気二重層キャパシタのインピーダンス特性に関する技術も非特許文献1に記載されている。
しかしながら、従来の電気二重層キャパシタの劣化測定方法では、測定信号源、A/D変換器等の回路部及びCPUによる信号処理が必要となり、測定する装置が高価になり、劣化検出の手法も複雑になるという問題があり、電気二重層コンデンサの表面温度を測定した技術では測定精度に問題がある。 However, the conventional method for measuring deterioration of an electric double layer capacitor requires signal processing by a measurement signal source, a circuit unit such as an A / D converter, and a CPU, and the measurement device becomes expensive and the method of detecting deterioration is complicated. In the technique of measuring the surface temperature of the electric double layer capacitor, there is a problem in measurement accuracy.
また、電解コンデンサの劣化測定技術でも、測定されたデータの蓄積が莫大になり、そのデータに基づいて劣化を判定する回路装置も高価で複雑になる問題がある。 Further, even in the electrolytic capacitor degradation measurement technique, there is a problem that the accumulation of measured data becomes enormous, and the circuit device for judging degradation based on the data becomes expensive and complicated.
さらに、電気二重層キャパシタのような電極体間に電解液を配置したキャパシタの劣化判定を行う場合、その容量成分と直流コンデンサ抵抗(以下、DCRと称す)成分を測定し、その測定結果を基に判断を行う方法も考えられるが、その容量成分とDCR成分を測定するにあたっては、キャパシタを充放電する際の直流電圧の挙動を基にその測定をする直流電圧法と、キャパシタに対して交流電圧を印加し、そのインピーダンス値から導き出す交流インピーダンス法があり、前者である直流電圧法を用いた場合、充放電における直流電圧から直接測定するため正確な測定結果が得られる反面、充放電のためにキャパシタ内の電荷の多くを使用するため、劣化判定に多くの電力が消費されてしまうという欠点がある。 Furthermore, when performing deterioration determination of a capacitor in which an electrolyte is disposed between electrode bodies such as an electric double layer capacitor, its capacitance component and DC capacitor resistance (hereinafter referred to as DCR) component are measured, and the measurement results are used as a basis. However, when measuring the capacitance component and the DCR component, the DC voltage method for measuring the capacitance component and the DCR component based on the behavior of the DC voltage when charging and discharging the capacitor, and the AC There is an AC impedance method in which voltage is applied and derived from the impedance value. When the former DC voltage method is used, accurate measurement results can be obtained because direct measurement is performed from the DC voltage in charge / discharge, but for charge / discharge. In addition, since most of the charge in the capacitor is used, a large amount of power is consumed for the deterioration determination.
また、後者である交流インピーダンス法においては交流電圧の周波数特性を利用するため消費電力は少なくてすむのであるが、キャパシタの劣化が進んだ状態において前記直流電圧法で求めた値よりも小さくなり、あたかも劣化していないものと判定してしまい、その信頼性が低くなるといった問題点を有していた。 In the AC impedance method, which is the latter, the power consumption can be reduced because the frequency characteristics of the AC voltage are used. However, in the state in which the capacitor has deteriorated, the value becomes smaller than the value obtained by the DC voltage method. It has been determined that it has not deteriorated, and its reliability is low.
本発明はこのような従来の課題を解決し、キャパシタの劣化判定を行うにあたって消費電力の少ない交流インピーダンス法の測定精度を高めることを目的とする。 An object of the present invention is to solve such a conventional problem and to improve the measurement accuracy of the AC impedance method with low power consumption when determining deterioration of a capacitor.
上記課題を解決するために本発明は、一対の電極体と、前記電極体間に配置された電解液とを備えたキャパシタに交流電圧を印加してその交流電圧の周波数によるインピーダンス特性を測定して劣化判定を行う方法であって、前記電解液の劣化によってインピーダンス特性に現れる変曲点を予め求め、この変曲点より低い周波数領域のインピーダンス値を比較して劣化判定を行うようにしたキャパシタの劣化判定方法とするものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention applies an AC voltage to a capacitor including a pair of electrode bodies and an electrolytic solution disposed between the electrode bodies, and measures impedance characteristics depending on the frequency of the AC voltage. In this method, the inflection point that appears in the impedance characteristics due to the deterioration of the electrolyte solution is obtained in advance, and the impedance value in a frequency region lower than the inflection point is compared to determine the deterioration. This is a method for determining the deterioration of
この劣化判定方法により、キャパシタの劣化判定における測定精度が高められるとともに、その判定に要する消費電力を抑制することができる。 With this deterioration determination method, the measurement accuracy in determining the deterioration of the capacitor can be increased, and the power consumption required for the determination can be suppressed.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1について図を用いて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は電気二重層キャパシタを使用する基本回路図である。同図は入力電源部より電圧を印加して負荷部を動作するようにしたものであり、その一部は電気二重層キャパシタを充電し、入力電源部が異常になった場合や高電力が必要になった場合などに電気二重層キャパシタより電力を供給するようになっている。そして、前記電気二重層キャパシタは長時間の使用や使用環境等により劣化するので、その劣化を劣化測定部により判定し、劣化と判定した場合は異常表示部で警報や表示等で判るようにしたものである。 FIG. 1 is a basic circuit diagram using an electric double layer capacitor. The figure shows that the load unit is operated by applying voltage from the input power supply unit, part of which charges the electric double layer capacitor and the input power supply unit becomes abnormal or requires high power In such a case, electric power is supplied from the electric double layer capacitor. And since the electric double layer capacitor deteriorates due to long-term use or usage environment, the deterioration is determined by the deterioration measuring unit, and when it is determined to be deteriorated, it can be detected by an alarm or display on the abnormality display unit. Is.
前記電気二重層キャパシタは、図2に示すように一対の電極体1と、この電極体1間に配置された電解液3を備えた構成からなるものであり、電解液3で満たされたハウジング4の内部に一対の電極体1と、電極体1間に配置されたセパレータ2と、各電極体1に接続されたリード端子5と、ハウジング4を密封する封口体6とから構成されている。なお、電極体1はアルミニウムなどの金属からなる集電体1aの表面に活性炭1bを被覆することで形成されている。また、電解液3をゲル状などの粘性の高いものを用いればセパレータ2を取り除くことは可能なものである。
As shown in FIG. 2, the electric double layer capacitor includes a pair of electrode bodies 1 and an
前記電気二重層キャパシタの劣化判定は、劣化測定部により交流インピーダンス法により測定して判定を行うものであるが、この交流インピーダンス法は非常に省電力な測定を行うことができるが、その測定結果の信憑性を高めることが重要になる。 The deterioration determination of the electric double layer capacitor is performed by measuring by an AC impedance method using a deterioration measuring unit, and this AC impedance method can perform a very power-saving measurement. It is important to improve the credibility of
前記電気二重層キャパシタに交流電圧を印加し、その交流電圧の周波数によるインピーダンス特性を測定すると図3のようになる。同図は縦軸にインピーダンス値を、横軸に一定の交流電圧を印加したときの周波数である。初期の電気二重層コンデンサのインピーダンス特性は軌跡7のようになり、電気二重層キャパシタを構成する電解液3、活性炭1b、集電体1aの構成要素自体の抵抗成分、いわゆる等価直列抵抗(ESR)9が使用されることにより増加し軌跡8になる。
When an AC voltage is applied to the electric double layer capacitor and impedance characteristics according to the frequency of the AC voltage are measured, the result is as shown in FIG. In the figure, the vertical axis represents the impedance value, and the horizontal axis represents the frequency when a constant AC voltage is applied. The impedance characteristic of the initial electric double layer capacitor is as shown by locus 7, and the resistance component of the
さらに電気二重層キャパシタが使用されていくと、その等価直列抵抗(ESR)がさらに増加するとともに、電解液3の劣化物が電解液3中に現れ出し、その劣化物が活性炭1bの表面やセパレータ2に付着するようになり、イオンの移動に対する抵抗成分、いわゆる拡散抵抗成分10が構成されるようになり、電解液の劣化によって発生する変曲点12を有した軌跡11のようになる。
As the electric double layer capacitor is further used, its equivalent series resistance (ESR) further increases, and a deteriorated product of the
本発明はこの変曲点12の存在を踏まえ、変曲点12より低い周波数領域13のインピーダンス値で判定することにより、直流電圧法から導き出される測定結果とほぼ一致した精度の高い結果を得ることができるとともに、交流インピーダンス法のメリットである省電力測定を実現することができるものである。
Based on the presence of the
より具体的には、前記図1において、劣化測定部による電気二重層キャパシタの劣化判定方法のフローチャートを図4に示す。 More specifically, FIG. 4 shows a flowchart of a method for determining the deterioration of the electric double layer capacitor by the deterioration measuring unit in FIG.
まず、使用される電気二重層キャパシタの劣化特性を調べる。この電気二重層キャパシタの劣化特性は、温度50℃で、負荷(2.0〜2.5V)を印加し、10000〜15000時間後のインピーダンス特性を測定する。この劣化特性は温度をさらに高くすることにより時間を短くすることもできる。 First, the deterioration characteristics of the electric double layer capacitor used are examined. As for the deterioration characteristics of the electric double layer capacitor, a load (2.0 to 2.5 V) is applied at a temperature of 50 ° C., and the impedance characteristics after 10,000 to 15000 hours are measured. This deterioration characteristic can be shortened by further increasing the temperature.
この劣化させたときのインピーダンス特性から、電解液の劣化によって発生する変曲点12を求め、この変曲点12よりも低い周波数を測定周波数として決定し、その周波数とインピーダンス値を劣化測定部に記憶させる。また、電気二重層キャパシタを組み込まれた回路の製品設計から電気二重層キャパシタの劣化限界インピーダンス値を決め、劣化測定部に記憶させる。
The
そして、前記電気二重層キャパシタを組み込んだ回路を動作させることにより、電気二重層キャパシタが徐々に劣化する。この回路の動作中に予め決めた所定時間ごとに交流電圧を印加して、予め設定した周波数でインピーダンス値を測定する。 And by operating the circuit incorporating the electric double layer capacitor, the electric double layer capacitor gradually deteriorates. An AC voltage is applied at predetermined intervals during the operation of this circuit, and the impedance value is measured at a preset frequency.
この測定されたインピーダンス値と前記予め設定した劣化限界のインピーダンス値とを比較して、それ以下であれば異常なしと判断して、電気二重層キャパシタを続けて使用することができる。もし、測定したインピーダンス値が劣化限界のインピーダンス値を超えた場合は、異常有りと判断して、警告ランプなどで表示させるようにする。 The measured impedance value is compared with the impedance value of the preset deterioration limit, and if it is less than that, it is determined that there is no abnormality, and the electric double layer capacitor can be used continuously. If the measured impedance value exceeds the deterioration limit impedance value, it is determined that there is an abnormality and displayed by a warning lamp or the like.
このように電気二重層キャパシタの劣化判定を、インピーダンス特性の変曲点12より低い周波数領域13におけるインピーダンス値で判定することにより、キャパシタの劣化を精度良く判定することができ、その測定に用いる電力も省電力にすることができる。
Thus, by determining the deterioration of the electric double layer capacitor based on the impedance value in the
なお、電気二重層キャパシタの劣化判定を交流インピーダンス特性の変曲点12よりも高い周波数で測定して判定すると、キャパシタが劣化していてもインピーダンス値は低い値を示すので、キャパシタの劣化判定に大きな誤差が生じ、劣化判定の精度が悪くなる。
In addition, if the deterioration determination of the electric double layer capacitor is measured and determined at a frequency higher than the
また、前記電気二重層キャパシタを使用する回路図はあくまでも基本回路であり、本発明はこの回路図に限定するものではない。 The circuit diagram using the electric double layer capacitor is a basic circuit to the last, and the present invention is not limited to this circuit diagram.
(実施の形態2)
前記実施の形態1において、まず、電気二重層キャパシタの劣化特性を直流電圧法により、そのDCRを測定する。次に、前記実施の形態1と同様にして交流インピーダンス特性を測定する。次に、前記DCRと交流インピーダンス特性の相関を求める。このときの相関関係を図5に示す。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, first, the DCR of the degradation characteristics of the electric double layer capacitor is measured by the DC voltage method. Next, the AC impedance characteristic is measured in the same manner as in the first embodiment. Next, a correlation between the DCR and the AC impedance characteristic is obtained. The correlation at this time is shown in FIG.
この図5より、電気二重層キャパシタを劣化させたときの変曲点15より低い周波数の交流インピーダンス値(以下、Zと称す)とDCR/Z比を劣化測定部に記憶させる。そして、前記実施の形態1と同じように電気二重層キャパシタを組み込んだ回路を動作させることにより、電気二重層キャパシタが徐々に劣化する。この回路の動作中に予め決めた所定時間ごとに交流電圧を印加して、予め設定した周波数によるZを測定し、同時にDCRを測定し、そのDCR/Z比を前記予め設定した劣化限界のDCR/Z比とを比較して、それ以下であれば異常なしと判断して、電気二重層キャパシタを続けて使用することができる。もし、測定したDCR/Zの比が劣化限界のDCR/Z比を超えた場合は、異常有りと判断して、警告ランプなどで表示させるようにする。
From FIG. 5, the deterioration measuring unit stores the AC impedance value (hereinafter referred to as Z) having a frequency lower than the
このような交流インピーダンス法により測定することにより、電気二重層キャパシタの劣化判定をより正確に行うことができる。 By measuring by such an AC impedance method, it is possible to more accurately determine the deterioration of the electric double layer capacitor.
(実施の形態3)
前記実施の形態1において、電気二重層キャパシタのインピーダンス特性を測定した結果(図3)の周波数0から急激にインピーダンス値が減少する低周波数領域14は電気二重層キャパシタの自己放電に伴う電力勾配の容量成分を現しており、この低周波数領域14から電気二重層キャパシタの劣化判定を行うこともできる。
(Embodiment 3)
In the first embodiment, the
このように自己放電を利用することで電気二重層キャパシタの劣化判定に要する電力消費を抑制できる。 Thus, by using self-discharge, it is possible to suppress power consumption required for determining the deterioration of the electric double layer capacitor.
なお、交流インピーダンス法を用いたインピーダンス値の測定や、キャパシタの自己放電を用いた容量成分の測定を用いる場合、その精度をより高めるためには電圧変動の少ないキャパシタの非使用時に測定することが望ましい。 When measuring impedance values using the AC impedance method or measuring capacitance components using capacitor self-discharge, it is necessary to measure when not using a capacitor with little voltage fluctuation in order to further improve the accuracy. desirable.
また、昨今提案されている燃料電池車などの車載用電源として、この電気二重層キャパシタを用いることが提案されているが、特にこの車載用の電源のように限られた車内電源の電力消費を極力抑制することが望まれるような分野において、先に述べた交流インピーダンス法を用いたインピーダンス値の測定や、キャパシタの自己放電を用いた容量成分の測定が有効となる。また、劣化判定の精度をより高めるためには電圧変動の少ない車載用電源の非使用時に測定することが望ましい。 In addition, it has been proposed to use this electric double layer capacitor as an on-vehicle power source for fuel cell vehicles, etc., which has been recently proposed. In fields where suppression is desired as much as possible, measurement of impedance values using the AC impedance method described above and measurement of capacitance components using capacitor self-discharge are effective. Further, in order to further improve the accuracy of the deterioration determination, it is desirable to perform measurement when the on-vehicle power source with little voltage fluctuation is not used.
さらに、本実施の形態においては電気二重層キャパシタを挙げて説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、一対の電極体1と、電極体1間に配置されたセパレータ2および電解液3とを備えたキャパシタとしては、他にレドックスキャパシタなどが挙げられ同様の効果を奏するものである。
Furthermore, although the electric double layer capacitor has been described in the present embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and a pair of electrode bodies 1 and a
本発明にかかる電極体間に電解液を配置したキャパシタの劣化判定方法は、省電力化できるという効果を有し、特に小型化が要望される車載用途において有用である。 The method for determining deterioration of a capacitor in which an electrolytic solution is disposed between electrode bodies according to the present invention has an effect that power can be saved, and is particularly useful in an in-vehicle application in which miniaturization is required.
1 電極体
1a 集電体
1b 活性炭
2 セパレータ
3 電解液
4 ハウジング
5 リード端子
6 封口体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記電解液の劣化によってインピーダンス特性に現れる変曲点を予め求め、この変曲点より低い周波数領域のインピーダンス値を比較して劣化判定を行うようにしたキャパシタの劣化判定方法。 A method for determining deterioration by applying an AC voltage to a capacitor including a pair of electrode bodies and an electrolyte disposed between the electrode bodies and measuring impedance characteristics depending on the frequency of the AC voltage,
A capacitor deterioration determination method in which an inflection point that appears in impedance characteristics due to deterioration of the electrolytic solution is obtained in advance, and deterioration determination is performed by comparing impedance values in a frequency region lower than the inflection point.
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