JP2007116787A - 電気二重層キャパシタの充放電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電に伴ってほぼ一定の電圧のところで偏曲点が現れる電気二重層キャパシタを有効に使用するための充放電制御装置を提供する。
【解決手段】定電流充電時および放電時において電圧変化率の傾きがほぼ直線的に変化する偏曲点を有する電気二重層キャパシタＣの充放電制御装置において、電気二重層キャパシタＣに対して充電回路１４と放電回路１５とを切り替える含む充放電切替手段１３と、電気二重層キャパシタＣの電圧を検出する電圧検出手段２１と、電圧検出手段２１の検出電圧に基づいて充放電切替手段１３を制御する制御手段１２とを備え、制御手段１２は、初回充電として電気二重層キャパシタＣを偏曲点が現れる偏曲点電圧以上の電圧にまで充電し、その後は電気二重層キャパシタＣの電圧が偏曲点電圧を下回らないことを条件として充放電切替手段１３を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタの充放電制御装置に関し、さらに詳しく言えば、定電流充電時および放電時において電圧変化率の傾きがほぼ直線的に変化する偏曲点を有する電気二重層キャパシタの充放電制御装置に関するものである。

電気二重層キャパシタは、基本的には、正極，負極ともに比表面積が大きな活性炭からなる分極性電極を用いる。使用可能な耐電圧は、使用する電解液による。すなわち、水系電解液の場合、使用可能な耐電圧は、水が電気分解を起こす１Ｖ程度であるが、非水系の有機電解液を用いると、その種類によっては、３Ｖ以上の耐電圧が得られるため、耐電圧の上昇によって静電エネルギーを電圧の２乗に比例して大きくすることができる。

このように、電気二重層キャパシタは、電池と異なり化学反応を伴わずに物理現象のみで電気を蓄えることができるノンファラデーデバイスであるため、化学電池では実現し得なかった９０％以上の充放電効率，１００万回を超えるサイクル寿命，１０年以上の長寿命，電池に比べて一桁低い内部抵抗と出力密度特性を兼ね備えた新型の物理電池と言え、電気自動車や無停電電源装置などの分野では、実用化の段階に入っており、将来的にも期待されるところが大きい。

このような状況の中で、静電容量の大容量化を図る研究・開発が盛んに行われており、例えば特許文献１には、分極性電極を構成する炭素材料として、アルカリ金属とアルカリ金属化合物の少なくとも１種とともに、アルカリ金属の蒸気が発生する温度以上で熱処理を行って製造される黒鉛類似の微結晶炭素を有する炭素材料を用いて電気二重層キャパシタを組み立てたのち、最初に定格電圧以上の電圧を分極性電極に印加することにより、微結晶炭素の層間に有機電解液内の溶質のイオンを挿入させて静電容量を発現させてるようにした電気二重層キャパシタが提案されており、これによれば、従来の活性炭を使用したものに比べて大きな静電容量を得ることができる。

本出願人も、従来の電気二重層キャパシタに比べて、容積あたりの静電容量が大きく，また高い耐電圧を有し、単位体積あたりの静電エネルギーが大きな電気二重層キャパシタの研究・開発を行っており、その成果を例えば特願２００４−１２１９８５や特願２００５−１２６６１８として先に出願している。

この電気二重層キャパシタ（以下、先願電気二重層キャパシタという）は、炭素質負電極と、１０ｍ^２／ｇ未満の比表面積を有する黒鉛を含む炭素質正電極とを非水系電解液中に浸漬してなる電気二重層キャパシタであり、図９（ａ）に示すような特異な充放電特性を備える。

すなわち、特異な充放電特性として、初回の定電流充電の初期においては時定数に基づく電圧変化率よりも電圧変化率が大きいが、電圧が上昇するに連れて時定数に基づく電圧変化率よりも電圧変化率が小さくなる偏曲点（屈曲点）Ｐ１を有し、第２回目以降の充電時にも、同様の挙動を示す偏曲点Ｐ２を有する。

この現象は、充電時ごとに所定の電圧に達すると、電解液中から黒鉛へのイオンの吸着が開始され、その結果、大きな静電容量が発現するものと考えられる。なお、放電時には黒鉛からイオンが脱着するため、放電時にも偏曲点Ｐ３が現れる。本明細書において、偏曲点が現れる電圧を偏曲点電圧という。

これに対して、上記特許文献１による電気二重層キャパシタでは、図９（ｂ）に示すように、初回の充電時には、その初期の電圧上昇率は時定数に基づく電圧変化率よりも大きく、したがって偏曲点Ｑ１を示すものの、第２回目の充電時には、時定数に基づく電圧変化率を示し、この点で上記先願電気二重層キャパシタと相違している。

上記特許文献１による電気二重層キャパシタにおいて、初回の充電時に見られる偏曲点Ｑ１は、電気二重層キャパシタ中の細部への電解液の浸入の駆動力および炭素中へのイオンの挿入による電流によるものと推測され、第２回目以降の定電流充電時には偏曲点Ｑ１は現れない。

特開２０００−７７２７３号公報

上記先願電気二重層キャパシタは、上記したように偏曲点電圧以上で大きな静電容量を発現する反面、偏曲点電圧未満の場合には、図９（ａ）からも分かるように、充放電時において電圧変化率の傾きが大きいため静電容量が小さく、無理して使用しても大した静電容量が得られないばかりでなく、キャパシタを劣化させることにもなりかねない。

したがって、本発明の課題は、上記先願電気二重層キャパシタのように、充放電に伴ってほぼ一定の電圧のところで偏曲点が現れる電気二重層キャパシタを有効に使用するための充放電制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載されているように、定電流充電時および放電時において電圧変化率の傾きがほぼ直線的に変化する偏曲点を有する電気二重層キャパシタの充放電制御装置において、上記電気二重層キャパシタに対して充電回路と放電回路とを切り替える含む充放電切替手段と、上記電気二重層キャパシタの電圧を検出する電圧検出手段と、上記電圧検出手段の検出電圧に基づいて上記充放電切替手段を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、初回充電として上記電気二重層キャパシタを上記偏曲点が現れる偏曲点電圧以上の電圧にまで充電し、その後は上記電気二重層キャパシタの電圧が上記偏曲点電圧を下回らないことを条件として上記充放電切替手段を制御することを特徴としている。

本発明には、請求項２に記載されているように、上記制御手段は、上記初回充電時もしくは放電時に検出される上記偏曲点電圧をメモリに記憶し、該記憶した偏曲点電圧を上記電気二重層キャパシタの放電停止電圧として用いる態様が含まれる。

本発明には、請求項３に記載されているように、上記初回充電時もしくは放電時に検出される上記偏曲点電圧を参照電圧として、放電時における上記電気二重層キャパシタの残存電圧を監視するコンパレータを含み、上記残存電圧が上記参照電圧よりも低くなった時点で、上記コンパレータから放電停止信号が出力される態様も含まれる。

また、本発明には、請求項４に記載されているように、上記制御手段は、放電時に上記電気二重層キャパシタの電圧を所定の時間間隔でサンプリングして上記メモリに記憶された偏曲点電圧と比較し、その差電圧が所定の閾値以下である場合にはサンプリング間隔を短くする態様も含まれる。

また、本発明には、請求項５に記載されているように、上記制御手段は、放電時に上記電気二重層キャパシタの電圧を所定の時間間隔でサンプリングし、その電圧変化率が所定の閾値より大きくなった時点で上記偏曲点電圧に達したと判断し放電を停止させる態様も含まれる。

また、本発明には、請求項６に記載されているように、上記電気二重層キャパシタの放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、上記制御手段は、放電時に上記電気二重層キャパシタの電圧と放電電流とを所定の時間間隔でサンプリングしてキャパシタ容量値を算出し、そのキャパシタ容量値の変化率が所定の閾値より大きくなった時点で上記偏曲点電圧に達したと判断し放電を停止させる態様も含まれる。

本発明が制御対象とする電気二重層キャパシタは、第一義的には、請求項７に記載されているように、炭素質負電極と、１０ｍ^２／ｇ未満の比表面積を有する黒鉛を含む炭素質正電極とを非水系電解液中に浸漬してなる電気二重層キャパシタであるが、この電気二重層キャパシタと同様な偏曲点を有する電気二重層キャパシタにも、本発明を適用することができる。

本発明によれば、定電流充電時および放電時において電圧変化率の傾きがほぼ直線的に変化する偏曲点を有する電気二重層キャパシタの充電および放電を制御するにあたって、基本的な構成として、請求項１に記載のように、初回充電として電気二重層キャパシタを偏曲点が現れる偏曲点電圧以上の電圧にまで充電し、その後は電気二重層キャパシタの電圧が偏曲点電圧を下回らないことを条件として充放電切替手段を制御するようにしたことにより、大きな静電容量を発現し得る範囲内で、キャパシタを劣化させることなく、上記電気二重層キャパシタを有効に使用することができる。

また、請求項２に記載のように、初回充電時もしくは放電時に検出される偏曲点電圧をメモリに記憶し、該記憶した偏曲点電圧を電気二重層キャパシタの放電停止電圧として用いることにより、放電時の電圧変化率を常時演算して監視する必要がなく、制御手段の負担を軽減することができる。

また、請求項３に記載のように、初回充電時もしくは放電時に検出される偏曲点電圧を参照電圧として、放電時における電気二重層キャパシタの残存電圧を監視するコンパレータを含み、その残存電圧が参照電圧よりも低くなった時点で、コンパレータから放電停止信号を出力させることにより、請求項２と同じく、放電時の電圧変化率を常時演算して監視する必要がなく、制御手段の負担を軽減することができる。

また、請求項４に記載のように、放電時に電気二重層キャパシタの電圧を所定の時間間隔でサンプリングしてメモリに記憶された偏曲点電圧と比較し、その差電圧が所定の閾値以下である場合にはサンプリング間隔を短くすることにより、偏曲点電圧（放電停止電圧）を高精度に検出することができる。

また、請求項５に記載のように、放電時に電気二重層キャパシタの電圧を所定の時間間隔でサンプリングし、その電圧変化率が所定の閾値より大きくなった時点で偏曲点電圧に達したと判断し放電を停止させることによって、偏曲点電圧（放電停止電圧）を高精度に検出することができる。

また、請求項６に記載のように、電気二重層キャパシタの放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、放電時に電気二重層キャパシタの電圧と放電電流とを所定の時間間隔でサンプリングしてキャパシタ容量値を算出し、そのキャパシタ容量値の変化率が所定の閾値より大きくなった時点で偏曲点電圧に達したと判断し放電を停止させることにより、負荷変動（放電電流の変動）に対しても安定した制御を行うことができる。

次に、図１ないし図８に基づいて、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明による電気二重層キャパシタの充放電制御装置の一例を示すブロック図，図２は本発明により制御される電気二重層キャパシタの充放電特性を示すグラフ，図３は上記充放電制御装置に含まれる電圧監視回路を示す概略的な回路図，図４ないし図８は本発明の動作説明用のフローチャートである。

図１には、本発明の充放電制御装置１０で、直列に接続された複数，この例では３つの電気二重層キャパシタＣ（Ｃ１〜Ｃ３）を含む電気二重層キャパシタ群（以下、キャパシタモジュールという）ＣＭを制御する場合が例示されているが、ここで用いられる電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３は、先の図９（ａ）で説明したように、充放電時におけるほぼ一定の電圧（偏曲点電圧）時点で電圧変化率の偏曲点Ｐが現れる充放電特性を有する電気二重層キャパシタである。

すなわち、電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３は、定電流充電時および放電時において電圧変化率の傾きがほぼ直線的に変化する偏曲点を有する電気二重層キャパシタで、このような電気二重層キャパシタには、本出願人の提案に係る上記先願電気二重層キャパシタのように、炭素質負電極と、１０ｍ^２／ｇ未満の比表面積を有する黒鉛を含む炭素質正電極とを非水系電解液中に浸漬してなる電気二重層キャパシタがある。

電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３が、先の図９（ａ）に示す特異な偏曲点を有する充放電特性を有することから、これらを直列に接続してなるキャパシタモジュールＣＭも同様な充放電特性を有する。本発明では、このようなキャパシタモジュールＣＭを図２の充放電特性に示すように、偏曲点電圧Ｖｐ以上の電圧範囲内で充放電させて使用する。

そのため、この充放電制御装置１０は、基本的な構成として、キャパシタモジュールＣＭに接続される充電回路１４と放電回路１５とを切り替える充放電切替回路１３と、キャパシタモジュールＣＭの電圧に応じて充放電切替回路１３に切替信号を与える制御手段１２とを備える。充電回路１４には、定電流電源が用いられる。また、制御手段１２には、メモリ１２ａを有する例えばマイクロコンピュータなどが用いられてよい。

この例では、好ましい態様として、電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３の各々に並列的に接続される並列モニタと呼ばれる電圧監視回路１１と、キャパシタモジュールＣＭの電圧を検出する電圧検出部２１およびキャパシタモジュールＣＭの放電電流を検出する電流検出部２２とを備え、これら電圧監視回路１１，電圧検出部２１および電流検出部２２から制御手段１２に充放電切替の判定に必要とされる信号が入力される。なお、少なくとも電圧検出部２１および電流検出部２２のアナログ信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して制御手段１２に入力される。

図３に示すように、電圧監視回路１１には、各電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３の両端に並列に接続されるトランジスタＴＲを含む電流バイパス回路１１ａと、各電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３に対する満充電電圧（例えば定格電圧）を参照電圧Ｖｒｅｆとして有する第１コンパレータＣＯＭ１からなる充電制御回路１１ｂと、各電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３の偏曲点電圧（放電停止電圧）を参照電圧Ｖｐとして有する第２コンパレータＣＯＭ２からなる放電制御回路１１ｃとが含まれている。

充電回路１４よりキャパシタモジュールＣＭを定電流充電する際、各電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３の電圧が上記参照電圧Ｖｒｅｆに達するまでの間、トランジスタＴＲはオフで充電が継続され、その充電電圧が上記参照電圧Ｖｒｅｆに達した時点で、第１コンパレータＣＯＭ１からトランジスタＴＲをオンとする制御信号が出力され、電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３に対する充電電流が電流バイパス回路１１ａに流れる。

制御手段１２は、各電圧監視回路１１からトランジスタＴＲをオンとする制御信号が出力されるまで充電を継続し、各電圧監視回路１１からトランジスタＴＲをオンとする制御信号が出揃った時点で、充放電切替回路１３に充電オフ信号を出力する。これにより、各電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３は、満充電電圧に揃えられた状態で初期化されることになる。

これに対して、キャパシタモジュールＣＭの放電時には、放電制御回路１１ｃの第２コンパレータＣＯＭ２により各電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３の残存電圧が監視され、その残存電圧が上記参照電圧Ｖｐ以下となった時点で、第２コンパレータＣＯＭ２から制御手段１２に放電停止信号が出される。これにより、制御手段１２は充放電切替回路１３に放電オフ信号を出力する。

以上の説明は、もっぱら電圧監視回路１１によるハード的な充放電制御機能についてのものであるが、本発明には、制御手段１２でのソフト的な充放電制御機能も含まれる。まず、図４のフローチャートにより、キャパシタモジュールＣＭの偏曲点電圧Ｖｐの検出について説明する。

偏曲点電圧Ｖｐの検出は、基本的にはキャパシタモジュールＣＭ（もしくは各電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃ３）の電圧ＶＭを所定の周波数でサンプリングして、今回値ＶＭ（ｎ）と前回値ＶＭ（ｎ−１）との差を見ることにより行う。これは、初回の充電時に行われるが、放電時に行われてもよい。キャパシタモジュールＣＭのモジュール電圧ＶＭは、電圧検出部２１より得る。

初回の充電時であるとして、まず、充電が開始されると、ステップＳＴ４１で、一定時間が経過したかの判定を行う。これは、偏曲点電圧Ｖｐに達するまでの立ち上がり時間を時定数により予測できるため、その立ち上がり時間に至るまでの時間を制御手段１２の他の処理に割り当てるためであるが、このステップＳＴ４１は省略されてもよい。

ステップＳＴ４１での一定時間が経過すると、ステップＳＴ４２で、モジュール電圧ＶＭをサンプリングし、次のステップＳＴ４３において、そのデータを今回値ＶＭ（ｎ）としてメモリ１２ａに記憶する（ｎはサンプリングの回数で初回サンプリング時は「１」）。

次に、ステップＳＴ４４、メモリ１２ａから前回値ＶＭ（ｎ−１）を読み出したのち、ステップＳＴ４５として、今回値ＶＭ（ｎ）と前回値ＶＭ（ｎ−１）の差ΔＶＭを次式（１）により求める。
ΔＶＭ＝｜ＶＭ（ｎ）−ＶＭ（ｎ−１）｜…式（１）

そして、次のステップＳＴ４６として、ΔＶＭとあらかじめ設定されている所定の閾値ＴＨａとの大小関係を判定する。この場合充電時であるから、ΔＶＭ＜ＴＨａ（もしくはΔＶＭ≦ＴＨａ）かどうかを判定する。なお、放電時の場合は別の閾値ＴＨｂを用い、反対にΔＶＭ＞ＴＨｂ（もしくはＶＭ≧ＴＨｂ）かどうかを判定する。すなわち、図２の充放電特性グラフを参照して、充電時（初回充電時）には、傾きが大→小に変化した点を偏曲点Ｐとし、放電時には、反対に傾きが小→大に変化した点を偏曲点Ｐとする。

ステップＳＴ４６の判定結果が、ＮＯすなわちΔＶＭ≧ＴＨａであれば、ステップＳＴ４６ａでｎ＝ｎ＋１として上記ステップＳＴ４１に戻りステップＳＴ４６までを繰り返し実行する。ステップＳＴ４６の判定結果が、ＹＥＳすなわちΔＶＭ＜ＴＨａであれば、次のステップＳＴ４７で、ＶＭ（ｎ）を偏曲点電圧Ｖｐとしてメモリ１２ａに記憶する。

上記のようにして、偏曲点電圧Ｖｐがメモリ１２ａに記憶されると、以後、制御手段１２はメモリ１２ａに記憶され偏曲点電圧Ｖｐを用いて、キャパシタモジュールＣＭの放電制御を行う。その第１実施形態を図５のフローチャートにより説明する。

キャパシタモジュールＣＭの放電が開始されると、まず、ステップＳＴ５１で、メモリ１２ａから偏曲点電圧Ｖｐを読み出す。そして、ステップＳＴ５２で、一定時間が経過したかどうかを判定するが、上記のステップＳＴ４１と同じく、このステップＳＴ５２は省略されてもよい。

その後、ステップＳＴ５３を実行してモジュール電圧ＶＭをサンプリングし、ステップＳＴ５４で、ＶＭ＝Ｖｐかを判定する。その判定結果が、ＮＯすなわちＶＭ≠Ｖｐであれば、ステップＳＴ５１に戻りステップＳＴ５４までを繰り返し実行する。

これに対して、ステップＳＴ５４での判定結果が、ＹＥＳすなわちＶＭ＝Ｖｐであれば、その時点でステップＳＴ５５を実行し、制御手段１２は充放電切替回路１３に放電オフ信号を出力し、キャパシタモジュールＣＭの放電を停止させる。

次に、図６のフローチャートにより、放電制御時の第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、上記第１実施形態の変形例に相当するもので、メモリ１２ａから偏曲点電圧Ｖｐを読み出すステップＳＴ６１からＶＭ＝Ｖｐかを判定するステップＳＴ６４までは、上記第１実施形態の図５のフローチャートに示されているステップＳＴ５１からステップＳＴ５４と同じである。

この第２実施形態では、ステップＳＴ６４での判定結果が、ＮＯすなわちＶＭ≠Ｖｐのときには、ステップＳＴ６４ａで、モジュール電圧ＶＭと偏曲点電圧Ｖｐとの差ΔＶを次式（２）により求める。
ΔＶ＝｜ＶＭ−Ｖｐ｜…式（２）

そして、次のステップＳＴ６４ｂとして、ΔＶとあらかじめ設定されている所定の閾値ＴＨｃとの大小関係（ΔＶ＜ＴＨｃ（もしくはΔＶ≦ＴＨｃ））を判定する。すなわち、モジュール電圧ＶＭが偏曲点電圧Ｖｐに近づいたかどうかを判定する。その判定結果が、ＮＯ（ΔＶ≧ＴＨｃ）であれば、ステップＳＴ６２に戻りステップＳＴ６４までを実行する。

これに対して、ステップＳＴ６４ｂでの判定結果が、ＹＥＳ（ΔＶ＜ＴＨｃ）の場合には、次のステップＳＴ６４ｃで、モジュール電圧ＶＭのサンプリング間隔を短い時間に設定し直して、ステップＳＴ６２に戻りステップＳＴ６４までを実行する。

そして、ステップＳＴ６４での判定結果が、ＹＥＳすなわちＶＭ＝Ｖｐとなった時点でステップＳＴ６５を実行し、制御手段１２は充放電切替回路１３に放電オフ信号を出力し、キャパシタモジュールＣＭの放電を停止させる。

この第２実施形態によれば、モジュール電圧ＶＭが閾値ＴＨｃだけ偏曲点電圧Ｖｐに近づいた時点で、サンプリング間隔が短くされるため、ＶＭ＝Ｖｐとなる時点をより高精度に検出することができる。

次に、図７のフローチャートにより、放電制御時の第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、あらかじめメモリ１２ａに偏曲点電圧Ｖｐを記憶させることなく、電圧変化率の傾きから偏曲点電圧Ｖｐになったかどうかを判定して、放電を停止させる。

キャパシタモジュールＣＭの放電が開始されると、ステップＳＴ７１で、上記第１，第２実施形態と同じく、一定時間が経過したかの判定を行うが、このステップＳＴ７１は省略されてもよい。

ステップＳＴ７１での一定時間が経過すると、ステップＳＴ７２で、モジュール電圧ＶＭをサンプリングし、次のステップＳＴ７３において、そのデータを今回値ＶＭ（ｎ）としてメモリ１２ａに記憶する（ｎはサンプリングの回数で初回サンプリング時は「１」）。

次のステップＳＴ７４で、メモリ１２ａから前回値ＶＭ（ｎ−１）を読み出したのち、ステップＳＴ７５として、今回値ＶＭ（ｎ）と前回値ＶＭ（ｎ−１）の差ΔＶＭを次式（３）により求める。
ΔＶＭ＝｜ＶＭ（ｎ）−ＶＭ（ｎ−１）｜…式（３）

そして、次のステップＳＴ７６として、ΔＶＭとあらかじめ設定されている所定の閾値ＴＨｂとの大小関係を判定する。この場合放電時であるから、ΔＶＭ＞ＴＨｂ（もしくはＶＭ≧ＴＨｂ）かどうかを判定する。

ステップＳＴ７６の判定結果が、ＮＯすなわちΔＶＭ≦ＴＨｂであれば、ステップＳＴ７６ａでｎ＝ｎ＋１として上記ステップＳＴ７１に戻りステップＳＴ７６までを繰り返し実行する。

ステップＳＴ７６の判定結果が、ＹＥＳすなわちΔＶＭ＞ＴＨｂであれば、偏曲点電圧Ｖｐに達したと判定し、次のステップＳＴ７７で、制御手段１２は充放電切替回路１３に放電オフ信号を出力し、キャパシタモジュールＣＭの放電を停止させる。

次に、図８のフローチャートにより、放電制御時の第４実施形態について説明する。この第４実施形態では、上記第３実施形態と同じく、あらかじめメモリ１２ａに偏曲点電圧Ｖｐを記憶させることなく偏曲点電圧Ｖｐを見つけ出すが、この第４実施形態では、キャパシタモジュールＣＭの静電容量変化率をパラメータとして用いる。

すなわち、サンプリング時間間隔をΔｔ，時間ｎのときのキャパシタモジュールＣＭの電圧変化をΔＶＭ（ｎ），放電電流をＩＭ（ｎ），静電容量をＣ（ｎ）とすると、
ΔＶＭ（ｎ）＝（ＩＭ（ｎ）／Ｃ（ｎ））×Δｔ
なる式が成り立ち、負荷で要求される放電電流ＩＭの変化によって電圧変化率、すなわち放電特性の傾きが変化する。そのため、制御手段１２は放電電流ＩＭ（ｎ）の変化点を偏曲点と誤認するおそれがある。

そこで、この第４実施形態では、電圧Ｖと電流Ｉの変化から算出できる静電容量Ｃをモニタするようにしている。ちなみに、静電容量Ｃの次式（４）で表される。
Ｃ（ｎ）＝ＩＭ（ｎ）／ＶＭ（ｎ）…（４）

なお、この第４実施形態において、制御手段１２はキャパシタモジュールＣＭの放電電流ＩＭを電流検出部２２から得る。電流検出部２２には、例えばクランプセンサを用いることが好ましい。

図８のフローチャートに示すように、キャパシタモジュールＣＭの放電が開始されると、ステップＳＴ８１で、上記各実施形態と同じく、一定時間が経過したかの判定を行うが、このステップＳＴ８１は省略されてもよい。

ステップＳＴ８１での一定時間が経過すると、ステップＳＴ８２で、モジュール電圧ＶＭ（ｎ）をサンプリングしたのち、ステップＳＴ８３で、今回のサンプリング値ＶＭ（ｎ）と前回のサンプリング値ＶＭ（ｎ−１）との差ΔＶＭ（ｎ）、
ΔＶＭ（ｎ）＝｜ＶＭ（ｎ）−ＶＭ（ｎ−１）｜
を求める（ｎはサンプリングの回数で初回サンプリング時は「１」）。

そして、ステップＳＴ８４で、放電電流ＩＭ（ｎ）をサンプリングしたのち、ステップＳＴ８５で、ＩＭ（ｎ）／ΔＶＭ（ｎ）を演算して、その演算値を静電容量の今回値Ｃ（ｎ）としてメモリ１２ａに記憶する。

次のステップＳＴ８６で、メモリ１２ａから前回値Ｃ（ｎ−１）を読み出したのち、ステップＳＴ８７で、今回値Ｃ（ｎ）と前回値Ｃ（ｎ−１）の差ΔＣを次式（５）により求める。
ΔＣ＝｜Ｃ（ｎ）−Ｃ（ｎ−１）｜…式（５）

そして、次のステップＳＴ８８として、ΔＣとあらかじめ設定されている所定の閾値ＴＨｄとの大小関係を判定する。すなわち、ΔＣ＞ＴＨｄ（もしくはＣ≧ＴＨｄ）かどうかを判定する。

ステップＳＴ８８の判定結果が、ＮＯすなわちΔＣ≦ＴＨｄであれば、ステップＳＴ８８ａでｎ＝ｎ＋１として上記ステップＳＴ８１に戻りステップＳＴ８８までを繰り返し実行する。

ステップＳＴ８８の判定結果が、ＹＥＳすなわちΔＣ＞ＴＨｄであれば、偏曲点電圧Ｖｐに達したと判定し、次のステップＳＴ８９で、制御手段１２は充放電切替回路１３に放電オフ信号を出力し、キャパシタモジュールＣＭの放電を停止させる。

以上説明したように、本発明によれば、図９（ａ）に示すように、充放電に伴って偏曲点が現れる特異な充放電特性を有する電気二重層キャパシタを、図２に示すように、大きな静電容量を発現する偏曲点電圧Ｖｐ以上の電圧で有効に使用することができる。また、本発明によれば、偏曲点電圧Ｖｐを下回る電圧での使用は禁止されることから、この種の電気二重層キャパシタを劣化させることもない。

なお、上記各実施形態では、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを含むキャパシタモジュールを制御対象としているが、制御対象の電気二重層キャパシタは１つであってもよい。

本発明による電気二重層キャパシタの充放電制御装置の一例を示すブロック図。 本発明で制御される電気二重層キャパシタの充放電特性を示すグラフ。 上記充放電制御装置に含まれる電圧監視回路を示す概略的な回路図。 本発明で電気二重層キャパシタの偏曲点電圧を検出する際の動作フローチャート。 放電制御時の第１実施形態を説明するための動作フローチャート。 放電制御時の第２実施形態を説明するための動作フローチャート。 放電制御時の第３実施形態を説明するための動作フローチャート。 放電制御時の第４実施形態を説明するための動作フローチャート。 （ａ）本発明の制御対象である電気二重層キャパシタの充放電特性を示すグラフ，（ｂ）従来の電気二重層キャパシタの充放電特性を示すグラフ。

符号の説明

１０ 充放電制御装置
１１ 電圧監視回路
１２ 制御手段
１２ａ メモリ
１３ 充放電制御回路
１４ 充電回路
１５ 放電回路
２１ 電圧検出部
２２ 電流検出部
Ｃ（Ｃ１〜Ｃ３） 電気二重層キャパシタ
ＣＭ キャパシタモジュール

Claims (7)

1. 定電流充電時および放電時において電圧変化率の傾きがほぼ直線的に変化する偏曲点を有する電気二重層キャパシタの充放電制御装置において、
   上記電気二重層キャパシタに対して充電回路と放電回路とを切り替える充放電切替手段と、上記電気二重層キャパシタの電圧を検出する電圧検出手段と、上記電圧検出手段の検出電圧に基づいて上記充放電切替手段を制御する制御手段とを備え、
   上記制御手段は、初回充電として上記電気二重層キャパシタを上記偏曲点が現れる偏曲点電圧以上の電圧にまで充電し、その後は上記電気二重層キャパシタの電圧が上記偏曲点電圧を下回らないことを条件として上記充放電切替手段を制御することを特徴とする電気二重層キャパシタの充放電制御装置。
2. 上記制御手段は、上記初回充電時もしくは放電時に検出される上記偏曲点電圧をメモリに記憶し、該記憶した偏曲点電圧を上記電気二重層キャパシタの放電停止電圧として用いることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタの充放電制御装置。
3. 上記初回充電時もしくは放電時に検出される上記偏曲点電圧を参照電圧として、放電時における上記電気二重層キャパシタの残存電圧を監視するコンパレータを含み、上記残存電圧が上記参照電圧よりも低くなった時点で、上記コンパレータから放電停止信号が出力されることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタの充放電制御装置。
4. 上記制御手段は、放電時に上記電気二重層キャパシタの電圧を所定の時間間隔でサンプリングして上記偏曲点電圧と比較し、その差電圧が所定の閾値以下である場合にはサンプリング間隔を短くすることを特徴とする請求項２または３に記載の電気二重層キャパシタの充放電制御装置。
5. 上記制御手段は、放電時に上記電気二重層キャパシタの電圧を所定の時間間隔でサンプリングし、その電圧変化率が所定の閾値より大きくなった時点で上記偏曲点電圧に達したと判断し放電を停止させることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタの充放電制御装置。
6. 上記電気二重層キャパシタの放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、上記制御手段は、放電時に上記電気二重層キャパシタの電圧と放電電流とを所定の時間間隔でサンプリングしてキャパシタ容量値を算出し、そのキャパシタ容量値の変化率が所定の閾値より大きくなった時点で上記偏曲点電圧に達したと判断し放電を停止させることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタの充放電制御装置。
7. 上記電気二重層キャパシタが、炭素質負電極と、１０ｍ^２／ｇ未満の比表面積を有する黒鉛を含む炭素質正電極とを非水系電解液中に浸漬してなる電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電気二重層キャパシタの充放電制御装置。
   

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