JP2009050094A - 電気二重層キャパシタの出力補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気二重層キャパシタは、経年変化により内部抵抗の増大と容量の低下がある。このため、電気二重層キャパシタの容量設定はキャパシタの経年変化を事前に把握し、使用開始直後では補償時間の延長、過負荷に耐えるよう要望されている。
【解決手段】電気二重層キャパシタの経年変化特性と、実際の使用状況から、補償時間を定期的に計算し、経年に対する補償時間を設定する。この補償時間は、キャパシタ容量、内部抵抗の経年変化を考慮し、キャパシタ周囲温度と稼働時間を計測し、定期的に、定格容量に見合った補償時間とする。また、事前に、定格容量に見合った補償時間を計算してデータテーブルを作成して演算部に記憶させ、定期的にこのデータテーブルから実稼動状態に応じた補償時間を拾い出す。
【選択図】 図１

Description

本発明は電圧補償用のエネルギー源として使用される電気二重層キャパシタの出力補償装置に関するものである。

例えば、直流電圧監視方式の瞬時電圧低下補償装置のエネルギー貯蔵装置として電気二重層キャパシタ（以下キャパシタという）が使用されている。キャパシタは長期間使用すると特性上の経年変化を起こす。キャパシタの等価回路を図７に示し、経年変化を図８に示す。経年するほど内部抵抗Ｒが増大し、容量Ｃが減少する。また、この特性変化は周囲温度の依存性もあり、温度が高いほど変化の度合いも大きい。キャパシタ端の電圧Ｖは、充電電圧をV0、放電時間をt0、放電電流をｉとすれば

上式からわかるように、経年するほど、内部抵抗の増大、容量の減少で、第２項以降のマイナスの割合が大きくなり、キャパシタ端の電圧が新品時に比べ低くなる。充電時の蓄積エネルギーも１／２ＣV0²なので、経年するほど蓄積エネルギーも減少する。

キャパシタ１と充放電装置部２から構成される瞬時電圧補償装置は特許文献１で公知となっており、図９に示す。この場合では、補償対象装置３側電圧がキャパシタ１の電圧より高く、キャパシタ充電時は充放電装置２を降圧チョッパとして動作させ、キャパシタ放電時は昇圧チョッパとして動作させる。商用電源５の瞬低は、瞬時電圧低下補償対象装置３の直流側電圧を監視しているので、直流電圧低下となって現れ、この電圧を検出して瞬低と判断された時、交流・直流変換器６を切離すと同時に、充放電装置を昇圧チョッパ運転し、キャパシタ１に蓄えられたエネルギーで電圧低下分を補償する。
瞬低補償対象装置３側の要求される直流電圧をVH、充放電装置部２のキャパシタ１のエネルギーを放電する昇圧チョッパ部2aの最大昇圧比をα（>１）とすると、VHを確保するためのキャパシタ電圧の最小値はVH÷α（Ｖ２とする）である。キャパシタ電圧がこの値より低くなると、補償しなければならない直流電圧VHが確保できなくなる。
補償仕様は定格容量P0（Ｋｗ）と補償時間t1（秒）だけで規定され、キャパシタの初期容量の決定は、仕様の容量P0（Ｋｗ）と補償時間t1（秒）、昇圧チョッパ部２１の昇圧比と、装置寿命時のキャパシタ特性で決定される。
特開２００２−２１８６５３

瞬低でキャパシタ１からの放電が定格容量で行われた時のキャパシタ電圧の変化を図９に示す。キャパシタに充電されたエネルギーはエネルギー放出とともに電圧が低下し、昇圧チョッパ能力からキャパシタ電圧はＶ２までしか放電できず、この電圧Ｖ２以下では電圧の補償ができない。新品時には定格補償時間ｔ１を過ぎた時のキャパシタ電圧はＶ１であるが、実際にはＶ２の電圧まで使用できるので、保証できる時間は定格ｔ１より長いｔ２の時間である。しかし、キャパシタの経年変化特性で、装置寿命末期では定格ｔ１の時間しか保証できない。

新品時には定格の動作をした後にも、瞬低補償対象装置には、まだ電力を供給するエネルギーがキャパシタに残っているが、有効活用がされていない。また、実際に使用される容量は定格容量より少ないことが多く、キャパシタに蓄積されているエネルギー消費はさらに少なく、実際に補償できる時間はｔ２よりさらに長くなる。

本発明が目的とすることは、キャパシタの経年変化を考慮して、キャパシタに蓄積されたエネルギーを有効に活用するために、経年に対する出力容量と放電時間を決定する方法を提供することにある。

本発明の請求項１は、電圧補償用のエネルギー源として電気二重層キャパシタを用い、この電気二重層キャパシタに充放電装置部を介して電気エネルギーを充放電するもとにおいて、
前記電気二重層キャパシタの容量、内部抵抗の経年変化を補償するための補償時間演算部を設け、この補償時間演算部に電気二重層キャパシタの検出温度信号と稼動時間タイマからの時間信号を入力し、経年時間と検出温度から補償時間を生成し、この生成信号に基づいてキャパシタの充放電制御部を制御するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、前記補償時間演算部での補償時間は、予め電気二重層キャパシタの定格容量に見合った補償時間を計算したデータテーブルを記憶し、定期的にこのデータテーブルから実稼動状態に応じた補償時間を出力するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、前記補償時間演算部に入力される温度検出信号は、定期的にサンプリングされて算出された電気二重層キャパシタの平均温度信号であることを特徴としたものである。

本発明の請求項４は、電圧補償用のエネルギー源として電気二重層キャパシタを用い、この電気二重層キャパシタに充放電装置部を介して電気エネルギーを充放電するもとにおいて、
前記電気二重層キャパシタの容量、内部抵抗の経年変化を補償するための補償時間演算部を設け、この補償時間演算部は、電気二重層キャパシタの電圧、電流信号から出力容量を算出する出力容量演算部と、前記電圧、電流信号から内部抵抗を算出する内部抵抗演算部と、出力容量演算部から出力された電気二重層キャパシタの容量信号と稼動時間タイマからの時間信号から許容出力・追加補償時間を算出する許容出力・追加補償時間演算部を備え、この許容出力・追加補償時間演算部の出力信号で前記充放電装置部の充放電制御部を制御するよう構成したことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、瞬時電圧低下補償対象の装置に対し、キャパシタが新品の時は補償時間を従来に比べ長く取ることができ、キャパシタのエネルギーが最大限に生かされる。同時に使用開始時には、定格容量の拡大、補償時間の延長により、システムとしての強さを向上することができ、システムダウンの回避も向上できる。

また、キャパシタの経年に対する容量、内部抵抗を測定することで、キャパシタの経年変化の状態を知ることができる。

本発明は充放電装置部に補償時間演算部を設け、キャパシタの周囲温度と稼動時間を計測してキャパシタの経年変化特性を時間演算部に記憶し、定期的に定格容量に見合った補償時間を演算して補償時間を決定するものである。以下実施例に基づいて詳述する。

図１は、本発明を商用電源の瞬時電圧低下補償装置に適用した場合の実施例を示す構成図である。

１は電気二重層キャパシタ、２１はキャパシタの充放電エネルギーを調整するチョッパ部でスイッチング素子S1,S2、リアクトルＬ及び駆動回路Ｄ等を有している。２２は電圧検出部で高圧側の直流電圧を検出してキャパシタ充放電制御部２３に出力する。２３はキャパシタ充放電制御部で補償時間制御タイマ２４から補償時間の信号も入力され、瞬低時には検出された直流電圧から、電圧低下を補償するようにチョッパ部２１を制御する。７はキャパシタ１の温度検出器、２５は平均温度算出部、２６は補償時間演算部で、予めキャパシタ容量、キャパシタの内部抵抗の経年変化を考慮した補償時間を演算する。そのために、例えば、平均温度検出部２５により検出された検出温度と経過時間の関係から補償時間を計算して、データテーブルとして記憶されている。２７は稼働時間タイマである。充放電装置部２０は２１から２７で構成されている。以上のように構成されたものにおいて、その動作を説明する。

キャパシタ開発時に得られた、温度依存性を含む経年変化特性（以下予想の特性 と略す）を基に、定格容量における補償時間txを計算し、経年に対し補償時間を可変させるものである。与えられる条件は、キャパシタ容量Ｃと内部抵抗Ｒの温度依存性を考慮した経年変化特性、定格容量P0、キャパシタの放電末期時の最低電圧V2で、キャパシタの電圧、電流、補償時間の３変数あるので、独立した３式の（２）式、（３）式、及（４）式から演算部で求めた補償時間txで補償動作を行う。この計算は、常時計算するのではなく一定期間毎に行う。
キャパシタ端電圧Ｖ×キャパシタ電流ｉ＝定格容量 （２）

V(tx)＝Ｖ２ （４）
温度依存性については測定されたキャパシタの周囲温度を定期的にサンプリングし、累積の平均温度を使用する。

平均温度算出部２５は稼働時間タイマ２７の信号によりキャパシタ１の温度を定期的にサンプリングし、運用開始からの平均温度を算出し補償時間算出部に出力する。補償時間演算部２６ではタイマ２４からの時間信号により経年がわかることから、他に、キャパシタ経年変化特性、キャパシタ初期充電電圧、キャパシタ放電末期制限電圧、から 補償時間を演算して、補償時間を経年で変化させる。この計算は常時行うのではなく、一定期間毎に行い、この期間毎に補償時間のデータを更新する。
補償時間演算部２６は上述のように計算し補償時間を経年で変化させる他に、予めキャパシタの経年変化と温度依存性を考慮した、定格容量での補償時間を計算して補償時間のデータテーブルを作成して記憶させ、稼動時間と温度データで、このテーブルから補償時間を拾い出し補償時間の設定してもよい。そしてこの補償時間の設定は定期的に行い、更新する。

図２は、本発明の他の実施例を示す構成図である。
２８はキャパシタの電圧検出部２９はキャパシタの電流検出部、３０はキャパシタの出力容量演算部で２８と２９からの信号で出力容量を演算する。３１は内部抵抗演算部で2９と２９からの信号で内部抵抗R1を算出する。３２は既存の特性のデータテーブルで、キャパシタ容量と内部抵抗の特性が登録され、稼働時間タイマ２７からの稼働時間が入力されることで、予想の特性から内部抵抗R0が出力される。３３は内部抵抗判断部で、内部抵抗演算部３１によって求められた実際の内部抵抗Ｒ１と予想のR0特性とを比較し、実際の内部抵抗の方が予想の抵抗より大きい時、劣化判断部３４に信号を送る。３４は実際の内部抵抗が予想の特性より大きくなったことを表示する。３５はデータテーブルを有する許容出力・追加補償時間演算部で、演算された現在のキャパシタ出力容量と稼働時間タイマ２７からの信号とで、定格補償時間内での許容出力と定格補償時間後の追加補償時間を算出する。そして２１から３５によって充放電装置部２０’が構成される。以上のように構成されたものにおいて、その動作を説明する。
予め、定格補償時間内での、経年を考慮したキャパシタ能力の許容補償容量データテーブルを図３のように作成して、許容出力・追加補償時間演算部３５に記憶させる。現在のキャパシタ出力容量は演算部３０からわかるので、定格容量P0を越えても、許容範囲内であれば補償する。図３で、線P2は使用開始から５年間の補償範囲特性、線P1は５〜１０間の補償範囲特性で、使用開始から5年後のP2までは許容する。すなわち、使用開始から５年までは演算部３５により定格補償時間t1を確保しながら、定格容量P0より大きいP2まで補償を与え、また、５〜１０間間ではP1まで経年に対して許容の出力容量を変化させるものである。

なお、実際の負荷容量が定格P0より小さい場合には、定格補償時間ｔ１後においても、まだ、キャパシタに放電できるエネルギーが残存する。定格容量ｔ１で、どのくらいの時間補償できるか、事前に作成された放電可能なエネルギーに対する補償時間のデータテーブルを３５に記憶させ、３５で定格補償時間時に、放電可能なエネルギーを算出し、データテーブルから追加できる補償時間を拾い出して、補償時間を追加させる。
上述ではエネルギーから追加の補償時間を設定したが、他に、キャパシタ電圧
を測定しているので、予めキャパシタ電圧と定格容量での補償時間を算出しデータテーブルを作成して、３５に記憶させて、定格補償時間後のキャパシタ電圧から、追加の補償時間を拾い出し、補償時間を追加させる方法もある。

図４は、本発明の他の実施例を示す構成図である。
２６”は補償時間演算部の他の例で、予め図５で示すような経年変化に対する補償時間特性がデータテーブとして記憶され、タイマ２７からの信号に基づいて定格容量での経年変化を考慮した補償時間を算出する。他は、図１と同様にして制御され実際の稼動時間に対して補償時間を拾い出して設定する方法である。

本発明の実施形態を示す構成図 本発明の他の実施形態を示す構成図 補償容量と補償時間特性図 本発明の他の実施形態を示す構成図 経年に対する補償時間特性図 電気二重層キャパシタの等価回路 経年変化の特性図 現在の瞬時電圧低下補償装置 キャパシタ定電力放電 電圧特性図

符号の説明

１… キャパシタ
２… 充放電装置部
２ａ… チョッパ部
３… 瞬時電圧低下補償対象装置
４… 直流コンデンサ
５… 商用電源
６… 交流・直流変換機
７… 温度検出器
２０… 充放電装置部
２１… チョッパ部
２２… 電圧検出部
２３… キャパシタ充放電制御部
２４… 補償時間制御タイマ
２５… 平均温度算出部
２６… 補償時間演算部
２７… 稼働時間タイマ
２８… 電圧検出部
２９… 電流検出部
３０… 出力容量演算部
３１… 内部抵抗演算部
３２… 既存の特性データテーブル
３３… 内部抵抗判断部
３４… 特性変化大確認部
３５… 許容出力・追加補償時間演算部

Claims (4)

1. 電圧補償用のエネルギー源として電気二重層キャパシタを用い、この電気二重層キャパシタに充放電装置部を介して電気エネルギーを充放電するもとにおいて、
   前記電気二重層キャパシタの容量、内部抵抗の経年変化を補償するための補償時間演算部を設け、この補償時間演算部に電気二重層キャパシタの検出温度信号と稼動時間タイマからの時間信号を入力し、経年時間と検出温度から補償時間を生成し、この生成信号に基づいてキャパシタの充放電制御部を制御するよう構成したことを特徴とした電気二重層キャパシタの出力補償装置。
2. 前記補償時間演算部での補償時間は、予め電気二重層キャパシタの定格容量に見合った補償時間を計算したデータテーブルを記憶し、定期的にこのデータテーブルから実稼動状態に応じた補償時間を出力するよう構成したことを特徴とした請求項１記載の電気二重層キャパシタの出力補償装置。
3. 前記補償時間演算部に入力される温度検出信号は、定期的にサンプリングされて算出された電気二重層キャパシタの平均温度信号であることを特徴とした請求項１又は２記載の電気二重層キャパシタの出力補償装置。
4. 電圧補償用のエネルギー源として電気二重層キャパシタを用い、この電気二重層キャパシタに充放電装置部を介して電気エネルギーを充放電するもとにおいて、
   前記電気二重層キャパシタの容量、内部抵抗の経年変化を補償するための補償時間演算部を設け、この補償時間演算部は、電気二重層キャパシタの電圧、電流信号から出力容量を算出する出力容量演算部と、前記電圧、電流信号から内部抵抗を算出する内部抵抗演算部と、出力容量演算部から出力された電気二重層キャパシタの容量信号と稼動時間タイマからの時間信号から許容出力・追加補償時間を算出する許容出力・追加補償時間演算部を備え、この許容出力・追加補償時間演算部の出力信号で前記充放電装置部の充放電制御部を制御するよう構成したことを特徴とした電気二重層キャパシタの出力補償装置。

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