JP2006174579A

JP2006174579A - 電源装置

Info

Publication number: JP2006174579A
Application number: JP2004362620A
Authority: JP
Inventors: Yasusuke Mitani; 庸介三谷; Toshihiko Ohashi; 敏彦大橋; Kazuki Morita; 一樹森田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】キャパシタユニットの劣化状態を高精度に検出する電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】電気二重層キャパシタからなるキャパシタユニット１５に定電流充電を行う充電制御部１６もしくは定電流放電を行う放電制御部１７と、前記キャパシタユニット１５の電圧を検知する電圧検知部１０と、この電圧検知部１０からの信号を処理する処理部１４とを備え、キャパシタユニット１５への定電流充電中もしくは定電流放電中の複数区間において単位時間あたりの電圧上昇率もしくは電圧下降率を求めることにより、キャパシタユニット１５の劣化状態を検出するようにした電源装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタを用いた電源装置に関する。

一般に車のバッテリー故障時における車載電子デバイスに対する非常用バックアップシステムの電源として用いられる電気二重層キャパシタからなるキャパシタユニットは、その長寿命特性のメリットを生かしメンテナンスフリーで使われることが多いため、電気二重層キャパシタの劣化状態を常に検知し、劣化が進行してキャパシタユニットが使用不能になった場合には、交換を促す通知を外部に対して行う必要がある。

車載用途における電気二重層キャパシタの劣化状態の検出は、内部容量と内部抵抗の二つの項目を測定して判定される。これは内部容量の減少だけでキャパシタの劣化を判断すると、実際にキャパシタから電荷を出力する際には内部抵抗分により電圧が下がってしまうため、もし内部容量だけで十分に使用可能であると判断していても内部抵抗が上昇していては必要な電圧を確保できない恐れがあるためである。

従来の電気二重層キャパシタの劣化状態の検知方法としては、充電時の立ち上がり電圧差から内部抵抗値を測定し、充電時の電圧上昇率（充電曲線）から内部容量を計算し、電気二重層キャパシタの劣化を常時監視する方法が提案されていた。なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００４−３２２９８７号公報

しかしながら、電気二重層キャパシタの内部抵抗は非常に微小であるため、充電時の立ち上がり時におけるステップ電圧の電圧差から内部抵抗を測定する上記の方法では、誤差の影響を無視できないという課題がある。

そこで本発明では、このような課題を解決して高精度なキャパシタユニットの劣化状態を検出する電源装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、電気二重層キャパシタからなるキャパシタユニットに定電流充電を行う充電制御部もしくは定電流放電を行う放電制御部と、前記キャパシタユニットの電圧を検知する電圧検知部と、この電圧検知部からの信号を処理する処理部とを備え、キャパシタユニットへの定電流充電中もしくは定電流放電中の複数区間において単位時間あたりの電圧上昇率もしくは電圧下降率を求めることにより、キャパシタユニットの劣化状態を検出するようにしたものである。

本発明の電気二重層キャパシタを用いた電源装置は、電気二重層キャパシタの劣化による充電特性の変化を利用することにより、キャパシタユニットの劣化状態を高精度に検出することができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。図１は電気二重層キャパシタからなるキャパシタユニットを用いた電源装置の構成図である。

まず、充電時における電気二重層キャパシタからなるキャパシタユニット１５の劣化状態を検出するアルゴリズムについて説明する。

電気二重層キャパシタからなるキャパシタユニット１５は、未使用時には寿命を延ばすために電荷を抜いておく必要があり、使用時にはその度ごとにバッテリー１から充電が行われる。また使用時には再充電が行われるが、この時には充電制御部１６を通じて定電流充電で充電を行う。非常時にはキャパシタユニット１５よりバックアップ用出力端子９から車載電子デバイス３にエネルギーを供給する。

このキャパシタユニット１５への充電時において、電圧検知部１０により充電電圧を監視し処理部１４に電圧値を通知する。処理部１４は充電開始後のある区間の単位時間あたりの電圧上昇率を計算する。その後、ある程度キャパシタユニット１５に電荷の溜まったタイミングで、さらに２回目の区間における単位時間あたりの電圧上昇率を計算する。

図２（ａ）に示すように、キャパシタユニット１５に劣化が起こっていなければ、この２点間の電圧上昇率に差は生じない。しかし、もしキャパシタユニット１５に劣化が起こっている時には、図２（ｂ）に示すように、１回目の電圧上昇率は大きくなり（内部容量は小さく測定される）、２回目の計算時には電圧上昇率は小さくなる（内部容量は大きく設定される）。この２点間の電圧上昇率の傾きの差を用いて、処理部１４はあらかじめその内部に保持している閾値と比較することによりキャパシタユニット１５が使用可能かどうかを判定する。もし既にキャパシタユニット１５が使用不能なほど劣化が進んでいると処理部１４が判断した時には、通信出力端子１１を通じて車載電子デバイス３に通知する。

複数区間における電圧上昇率の変化は、単位時間あたりの電圧上昇率の差または比、またはあらかじめ処理部内で保持している参考データと比較して判定してもよい。

次に、放電時におけるキャパシタユニット１５の劣化状態を検出するアルゴリズムについて説明する。

こちらも充電時と同様に満充電の時に放電制御部１７による定電流放電を行い、ある特定の区間で電圧検知部１０からの電圧値を得た処理部１４は、１回目の単位時間あたりの電圧下降率を計算する。その後さらに電圧降下が進んだあるタイミングで２回目の電圧下降率を測定して、先ほどの１回目の結果と比較して、その差または比からキャパシタユニット１５の劣化状態を判定する。

このように充電電圧もしくは放電電圧の波形変化を観測することで、充電立ち上がり時の微小電圧差から内部抵抗を観測する場合に比べて、キャパシタユニットの劣化状態を判定するにあたり、誤差の要因を少なくして高精度に劣化判定を行うことができる。

次に、充電電圧の波形変化がキャパシタの劣化と密接な関係があることの理由を示す。

図３にキャパシタユニット１５を構成する電気二重層キャパシタの等価回路を示す。劣化の起きていないキャパシタにおいては、等価回路は内部容量１８と等価直列抵抗１９とが直列につながった形で表される。この時点では充電開始直後も充電終了直前も、見かけ上の内部容量に変化はない。

しかし、長期の電圧印加等により電解液が電気分解され分解生成物（不純物）が生成されてくると、これがキャパシタの電極をふさぎ、電極の表面積を減らすことにより内部容量が減少する。さらに電解液中の不純物が電子の移動を妨げ、電解液分解による抵抗増加分２０が、図３に示すように等価回路に加わることになる。これにより各段のキャパシタを充電するときの時定数が変化する。充電開始直後は１段目のキャパシタに主に充電されるが、時間が経つにつれて徐々に２段目、３段目のキャパシタを充電していくため、時間が経つほど見かけ上の内部容量は増えていき、キャパシタの充電曲線の傾きが徐々に寝てくるような形となる。

このように、充電曲線の傾きの変化と電気二重層キャパシタの劣化とは密接な関係があるといえる。

本発明にかかる電気二重層キャパシタを用いた電源装置は、キャパシタユニットの劣化状態を検出をキャパシタの劣化による充電特性の変化を利用したもので、高精度にキャパシタユニットの劣化状態を検出する電源装置として有用である。

本発明の一実施の形態における電気二重層キャパシタからなるキャパシタユニットを用いた電源装置の構成図（ａ）キャパシタユニットの劣化前の充電及び放電波形図、（ｂ）キャパシタユニットの劣化後の充電及び放電波形図電気二重層キャパシタの劣化メカニズムを表わす等価回路図

符号の説明

１バッテリー
３車載電子デバイス
９バックアップ用出力端子
１０電圧検知部
１１通信出力端子
１４処理部
１５キャパシタユニット
１６充電制御部
１７放電制御部
１８内部容量
１９等価直列抵抗
２０電解液分解による抵抗増加分

Claims

電気二重層キャパシタからなるキャパシタユニットと、このキャパシタユニットに定電流充電を行う充電制御部と、前記キャパシタユニットの電圧を検知する電圧検知部と、この電圧検知部からの信号を処理する処理部とを備え、キャパシタユニットへの定電流充電中の複数区間において単位時間あたりの電圧上昇率を求めることにより、キャパシタユニットの劣化状態を検出するようにした電源装置。
電気二重層キャパシタからなるキャパシタユニットと、このキャパシタユニットに定電流放電を行う放電制御部と、前記キャパシタユニットの電圧を検知する電圧検知部と、この電圧検知部からの情報を処理する処理部とを備え、キャパシタユニットへの定電流放電中の複数区間において単位時間あたりの電圧降下率を求めることにより、キャパシタユニットの劣化状態を検出するようにした電源装置。
複数区間における電圧上昇率の変化を、あらかじめ処理部内で保持している参考データと比較して、キャパシタユニットの劣化状態を判定するようにした請求項１に記載の電源装置。
複数区間における電圧降下率の変化を、あらかじめ処理部内で保持している参考データと比較して、キャパシタユニットの劣化状態を判定するようにした請求項１に記載の電源装置。
電圧上昇率の変化を２区間で測定された単位時間あたりの電圧上昇率の比とした請求項３に記載の電源装置。
電圧上昇率の変化を２区間で測定された単位時間あたりの電圧上昇率の差とした請求項３に記載の電源装置。