JP3907064B1

JP3907064B1 - 充放電ユニットモジュール

Info

Publication number: JP3907064B1
Application number: JP2006126048A
Authority: JP
Inventors: 徹中島; 真一山本; 敦清水; 敏明久保
Original assignee: 株式会社パワーシステム
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP2007299893A

Abstract

【課題】充放電に伴う電気二重層キャパシタセルの膨張収縮分の応力を複数の基板に対して分散させることができる充放電ユニットモジュールを提供する。
【解決手段】本発明の充放電ユニットモジュール３０は、複数の電気二重層キャパシタセル１０が直列接続されて構成される。いくつかの電気二重層キャパシタセル１０を一つの単位として、その単位毎に基板１５を設ける構成とし、充放電ユニットモジュール３０全体としては、複数の基板１５が用いられるようにする。
【選択図】図９

Description

本発明は、複数の電気二重層キャパシタセルを直列接続して構成される充放電ユニットモジュールであって、特に複数の電気二重層キャパシタセルに対しては基板が取り付けられるものであり、充放電に伴う電気二重層キャパシタセルの膨張収縮分の応力による電気接続部分の劣化が起こりにくい充放電ユニットモジュールに関する。

電気二重層キャパシタにおいては、一般に円筒型などその他の形態に比べて積層型はエネルギー密度が高い。積層型のキャパシタセルは、分極性電極をセパレータともに積層した積層体に引き出し電極を取り付け、さらに積層体に電解液を含浸させた後、ラミネートフィルムに入れられ、ラミネートの開口部から引き出し電極が引き出された状態で密封されてなる。

非特許文献１に記載されているように、電気二重層キャパシタは耐電圧が低いために、複数のキャパシタセルを直列接続してキャパシタモジュールを構成して利用される。キャパシタを直列接続する場合にはキャパシタの著しい劣化を防ぐためにキャパシタモジュール内に並列モニタなどが搭載された基板を設け、当該基板とキャパシタとを適当な方法で電気的に接続する。ここで、並列モニタは、複数の電気二重層キャパシタが直列に接続されたキャパシタバンクの各電気二重層キャパシタの端子間に接続され、キャパシタバンクの充電電圧が並列モニタの設定値を越えると充電電流をバイパスする装置である。
岡村廸夫著「電気二重層キャパシタと蓄電システム」日刊工業新聞社発行、２００５年９月３０日第３版第１刷、第８頁〜第９頁、第１５０頁〜第１５７頁特開２００３−２７２９６６号公報特開２００５−９３４９２号公報

電気二重層キャパシタ同士は接続部における抵抗がなるべく低くなるように接続しないとキャパシタの充放電に伴い、接続部で発熱量が大きくなってしまうので、（単位時間あたりの充放電電力が大きい）高エネルギータイプの積層型キャパシタモジュールでは特に引き出し電極の接続部に溶接を用いることが望ましい。溶接で引き出し電極を接続すると接続部がコンパクトになるので、キャパシタモジュールの容積を小さくすることができる。特許文献１（特開２００３−２７２９６６号公報）には、引き出し電極接続部の強度向上を目的とするもので、引き出し電極をリベット結合した上で溶接する技術が開示されている
積層型電気二重層キャパシタセルは充放電に伴って積層面に垂直な方向に膨張収縮することが知られている（例えば、特許文献２（特開２００５−９３４９２号公報））。つまり、せっかく溶接によって低抵抗に接続してもそのまま電子基板に接続したのでは、セルの膨張収縮による経時変化で溶接部はその強固さゆえにダメージを受けて結果として抵抗値が上昇してしまうという問題点があった。さらにダメージを受けると接続部の破断を引き起こすこともある。

本発明は、上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、いくつかの電気二重層キャパシタセルのうち両端の電気二重層キャパシタセルは一方の電極のみが接続されると共に、前記いくつかの電気二重層キャパシタセルのうち両端以外の電気二重層キャパシタセルは両方の電極が接続されるようにして、前記いくつかの電気二重層キャパシタセルを接続する基板を用いて電気二重層キャパシタセルを複数直列接続して構成される充放電ユニットモジュールにおいて、基板は互いの一つの辺を一部連結した２つの矩形の形状をしており、当該形状の基板は全て同形状のものが複数用いられると共に、複数用いられる基板は略同一平面上において互いに重なり合うことなく、一列に配置され、該基板と電気二重層キャパシタセルとの接続には、電気二重層キャパシタセル間の電気接続部分が利用されて取り付けられると共に、一つの基板に接続される前記いくつかの電気二重層キャパシタセルのうちの両端部の２つの電気二重層キャパシタセルが前記一つの基板と接続される電気接続部分としては互いに異なる極性の電極が用いられ、一列に配置されて用いられる複数の基板のうち両端部の２つのそれぞれの基板においては一方の電極のみで一つの基板のみと接続される電気二重層キャパシタセルがそれぞれ存在し、それぞれの電気二重層キャパシタが基板と接続される電気接続部分としては互いに異なる極性の電極が用いられることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の充放電ユニットモジュールにおいて、該基板には穴が形成されており、該穴に挿通したリベットによって該電気接続部分と該基板とを固着することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の充放電ユニットモジュールにおいて、該基板には穴が形成されており、該穴に挿通したネジによって該電気接続部分と該基板とを固着することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の充放電ユニットモジュールにおいて、該電気接続部分は、該電気二重層キャパシタセルの電極と補強用板材にて構成されることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の充放電ユニットモジュールにおいて、該基板上には、前記いくつかの電気二重層キャパシタセルのそれぞれの挙動を監視するためのモニタ回路が搭載されることを特徴とする。

本発明によれば、充放電ユニットモジュールを複数の電気二重層キャパシタセルで構成する際には、いくつかの電気二重層キャパシタセルを一つの単位として、その単位毎に基板を一つ、というようにして基板を複数設ける構成としてあるので、充放電に伴う電気二重層キャパシタセルの膨張収縮分の応力を複数の基板に対して分散させることができ、電気接続部分の劣化が起こり、該電気接続部分での電気抵抗が上昇してしまう、ということが発生しにくくなる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は積層型の電気二重層キャパシタセルの構造の断面を示す図であり、図２は積層型の電気二重層キャパシタセルの構造を斜視的に示す図であり、図３は積層型の電気二重層キャパシタセルの外観図である。図１乃至図３において、２は外装パッケージ、３は端子電極、４は集電体、５は分極性電極、６はセパレータ、７はガスケット、８は基本セル、１０は電気二重層キャパシタセルである。図１乃至図３を参照すると、電気二重層キャパシタセル１０は、積層構造体の基本セル８（必要であれば、この基本セル８を複数積層してなる積層体を形成してもよい）と、この積層構造体を積層方向両端から挟み込む端子電極３と、これらを覆う外装パッケージ２とを備えて構成されている。

図１に示されるように基本セル８では、非導電性およびイオン透過性を有する多孔質のセパレータ６を介して対向配置された一対の分極性電極４が中空のガスケット７に収容されている。枠状のガスケット７の上面および下面には開口部が形成されている。ガスケット７の上面および下面の開口部を覆うように、それぞれに集電体４が接合されて、ガスケット７の上面および下面のそれぞれの開口部が集電体４によって封止されている。これにより、ガスケット７の内部にセパレータ６および一対の分極性電極が封入されている。分極性電極５のセパレータ６と反対側の面には、集電体４が接している。また、ガスケット７の内部には、セパレータ６及び分極性電極４と共に電解質溶液が封入されており、この電解質溶液がセパレータ６および分極性電極４にしみ込んでいる。

分極性電極５の材質としては、活性炭粉末または活性炭繊維と、導電性付与剤などを主成分としたシート状の活性炭が用いられる。また、集電体４の材質としては、導電性カーボンを含有するゴムまたは、プラスチックが用いられている。この集電体４は、分極性電極５と接合されている。

電気二重層キャパシタの耐電圧は、電解質溶液の電気分解電圧によって制限される。従って、電気二重層キャパシタに要求される耐電圧に応じて所定の数の基本セル８が直列に接続されるように構成されている。基本セル８の積層方向における両端には端子電極３が取り付けられている。それぞれの端子電極３の、基本セル８と反対側の面には外装パッケージ２が取り付けられている。基本セル８の両端の端子電極３同士の距離が狭くなる方向にそれぞれの端子電極３に圧力がかけられて、その状態が外装パッケージ２により保持されている。このように外装パッケージ２によって一定の圧力が保持されることにより、複数の基本セル８が用いられている場合、隣り合う基本セル８同士の間や、基本セル８と端子電極３との間に圧力がかけられて、電気二重層キャパシタセル１０の各構成部品同士の接触面での接触抵抗が下げられている。図３に示すように、端子電極３は、外装パッケージ２から引き出されるようにしてなる引き出し電極構造となっている。

次に、本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセル１０の直列接続構造につき説明する。図４は、本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセル同士の接続方法を説明するための図であり、図５は本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続方法によって２つの電気二重層キャパシタセルを接続した状態を示す図である。図４、図５は電気二重層キャパシタセル１０を側面から見た図であり、また１１は金属製の補強用板材である。図４に示すように、電気二重層キャパシタセル１０の端子電極３同士を接続する際には、まずそれぞれのキャパシタの端子電極３を、（ａ）、（ｂ）に示すように、直角に折り曲げて、さらに、直角に曲げられた端子電極３の間に、（ｃ）に示すような補強用板材１１にて補強を行いつつ、溶接等で固定を行う。ここでは、この補強用板材１１は２つの端子電極３の間に挿入するようにして補強しているが、他の方法としては、補強用板材１１にスリットなどを形成しておいて、このスリットに端子電極３を挿入するようにして補強してもよい。このようにして端子電極３同士が接続された電気二重層キャパシタセル１０は図５に示すもののように、接続電極部分がコ字状となる。このコ字状部分を、接続電極部分１と称することとする。

次に、２つより多くの電気二重層キャパシタセル１０を直列に接続するときの構造について説明する。図６は本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続方法によって２つより多くの電気二重層キャパシタを接続した状態を示す図である。図６に示すように、電気二重層キャパシタを直列に接続していくと、コ字状の接続電極部分１が交互に配列されるようになる。

図６に示されるような電気二重層キャパシタセル１０を直列接続構造には、個々の電気二重層キャパシタセル１０の状態を監視するための回路等が搭載された基板がさらに取り付けられる。従来、このための基板は直列接続された複数の電気二重層キャパシタセルに対して一つのみ設けられるものであった。充放電に伴い電気二重層キャパシタセルが膨張収縮を繰り返すことにより発生する応力は基板や接続電極部分１にかかるが、従来の構造では、全ての電気二重層キャパシタセルの膨張収縮分の応力が一つの基板に集中してしまうこととなる。これにより、徐々に接続電極部分１の劣化が起こって、接続電極部分１での電気抵抗が上昇してしまう、というような問題が発生していた。本発明においては、このような課題に対応するために、基板を一つとせずに、いつかに分けることが対処する。すなわち、いくつかの電気二重層キャパシタセルを一つの単位として、その単位毎に基板を一つ、というようにして基板を複数設ける。

図７は、本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造用の基板を示すであり、図８は、本発明に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造用の基板の取り付け方法を示す図である。図７に示すように、いくつかの電気二重層キャパシタセル１０の単位に対応した基板１５には、交互に配列されるコ字状の接続電極部分１に対応する穴１６が設けられている。電気二重層キャパシタセル１０の接続電極部と基板１５とを取り付ける際には、この穴１６を利用して、図８に示すように、リベット１７を用いて留める。なお、留め具としては、リベット１７に代えてネジ等その他のものを用いてもよい。

複数の電気二重層キャパシタセル１０で構成される充放電ユニットモジュールに、上記のような基板を適用した例について説明する。図９は、本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造において基板を取り付けた状態を示す図である。３０は充放電ユニットモジュールであり、この例では、２１個の電気二重層キャパシタセル１０（Ｃ１〜Ｃ２１）が直列に接続されたものであり、これに対応して５枚の基板１５が取り付けられている。この直列接続された充放電ユニットモジュール３０自体端子は、Ｔ、Ｔ’であり、略４つごとの電気二重層キャパシタセル１０を一つの基板１５に、前記の要領で取り付けている。本発明によれば、複数の電気二重層キャパシタセル１０からなる充放電ユニット３０に対して、複数の基板１５が用いられているので、充放電に伴う電気二重層キャパシタセル１０の膨張収縮分の応力を複数の基板１５に対して分散させることができるので、接続電極部分１の劣化が起こり、接続電極部分１での電気抵抗が上昇してしまう、ということが発生しにくくなっている。

次に、基板上に設ける電気二重層キャパシタセル１０を監視する電気回路について説明する。このような電気回路は、電気二重層キャパシタセル１０に対して並列に介挿されることから並列モニタと呼ばれており、並列モニタは、所定の基準電圧で充電電流をバイパスすることにより、充電電圧を所定値（耐電圧の範囲内）に制限し、充電電圧のバラツキを低減するものであるが、充電電圧の上昇とともに各電気二重層キャパシタの並列モニタが順次バイパス動作していくと、並列モニタでの電力損失が大きくなってしまう。並列モニタには耐電流上限値があるので、大電流で長時間のバイパス動作を回避させることが必要である。

図１０は、電気二重層キャパシタのセルを直列接続して構成した充放電ユニットの要部回路構成を示す図である。図１０において、４０は充電器であり、充電初期においては低電流制御されるが、充電後期にかけては定電力制御、定電圧制御へと移行しながら、直列に接続された電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎを充電するものである。また、図１０において、点線で囲まれている部分が並列モニタの回路構成であり、図示するように並列モニタは各電気二重層キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎの端子間に接続される。それぞれの並列モニタにおいて、ＣＭＰ１〜ＣＭＰｎはコンパレータ、Ｒ１〜Ｒｎは電流制限用の抵抗、Ｔｒ１〜Ｔｒｎはトランジスタであり、Ｖｒ１〜Ｖｒｎは基準電圧を示し、この基準電圧Ｖｒ１〜Ｖｒｎには、共通のキャパシタ満充電電圧（一般には、キャパシタの定格電圧）のＶｒが用いられる。

並列モニタは、図１０に示すようにコンパレータＣＭＰ１〜ｎによってキャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎの各電圧を基準電圧Ｖｒと比較して監視し、キャパシタＣの電圧が基準電圧Ｖｒによる設定値を越えるとトランジスタＴｒをオンにして充電電流をバイパスする。この動作によって各キャパシタＣ１、Ｃ２、・・Ｃｎの充電電圧は、基準電圧による設定値に保たれ、直列に接続された他のキャパシタが満充電に達するまでの間、定電力、定電圧と移行する緩和充電モードとするものである。このように充放電ユニットでは、キャパシタの電圧配分が個々の容量のバラツキや抵抗成分のバラツキによる、各キャパシタの充放電カーブがばらつく問題を、充電電圧の上限に抑える方法、つまりキャパシタの電圧を上限で初期化（クランプ）し、そこを起点として充放電させることにより解決している。

次に、上記のような並列モニタを備えた基板１９及び基板２３について説明する。図１１は、本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造において基本となる並列モニタ付き基板を示す図であり、図１２は、本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造において端部用の並列モニタ付き基板を示す図である。図１１及び図１２において、はす向かいに対向する穴１６同士の間には、図１０において点線内で囲まれた並列モニタ回路に相当する回路構成２０が設けられており、充放電ユニット３０を構成する一つ一つの電気二重層キャパシタセル１０の監視・バイパスを行い得るようになっている。また、２２は接続用接点であり、次の基板等への電気接続のためにリード線２４を渡す際に用いられる。複数の電気二重層キャパシタセル１０で充放電ユニットモジュール３０を構成する際には、図１１に示す基本となる並列モニタ付き基板１９を主として用い、充放電ユニットモジュール３０としての電極部分には、図１２に示す端部用の並列モニタ付き基板２３を用いる。

複数の電気二重層キャパシタセル１０で構成される充放電ユニットモジュール３０に、上記のような並列モニタ付き基板を適用した例について説明する。図１３は、本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造において並列モニタ付き基板を取り付けた状態を示す図である。３０は充放電ユニットモジュールであり、この例では、２１個の電気二重層キャパシタセル１０（Ｃ１〜Ｃ２１）が直列に接続されたものであり、これに対応して順に一枚の並列モニタ付き基板２３（Ｂ１）、４枚の並列モニタ付き基板１９（Ｂ２〜Ｂ６）を取り付けている。前記の要領で、略４つごとの電気二重層キャパシタセル１０を一つの基板に対応させて取り付けがなされる。直列接続の両端の端子は、Ｔ、Ｔ’であり、充放電ユニットモジュール３０自体の端子となる。端子Ｔから略４つの電気二重層キャパシタセル１０に取り付ける基板（Ｂ１）としては、並列モニタ付き基板２３が用いられる。端子Ｔには、図１２で示す並列モニタ付き基板２３の上段の一番左側の穴１６によりリベット１７留めがなされる。並列モニタ付き基板Ｂ１の接続用接点２２から、リード線２４で、次の基板へと電気接続がなされる。Ｂ１以降に用いられる基板Ｂ２〜Ｂ５としては、並列モニタ付き基板１９が用いられる。

Ｂ１の接続用接点２２からＢ２への電気接続としては、図１１に示す並列モニタ付き基板１９の下段の左側の穴１６部のリベット１７が用いられる。リード線２４とリベット１７との接続は、ハンダ付けなど適当な方法が採られる。以降、これと同様の方法により、Ｂ２からＢ３へ、Ｂ３からＢ４へ、Ｂ４からＢ５へ、とリード線２４を用いた電気接続がなされる。Ｂ５から、充放電ユニットモジュール３０の端子Ｔ’への電気接続は、Ｂ５の接続用接点２２から、リード線２４で、端子Ｔ’まで渡すことによって成される。リード線２４と端子Ｔ’との接続は、ハンダ付けなど適当な方法が採られる。

以上のように、本発明によれば、複数の電気二重層キャパシタセル１０からなる充放電ユニットモジュール３０に対して、並列モニタ付き基板１９、２３が用いられているので、電気二重層キャパシタセル１０の膨張収縮分の応力を複数の基板１５に対して分散させることができるので、接続電極部分１の劣化が起こり、接続電極部分１での電気抵抗が上昇してしまう、ということが発生しにくくなっている。

なお、一つの基板に略４つの電気二重層キャパシタセル１０を対応させるような基板を例に説明したが、一つの基板にいくつの電気二重層キャパシタセル１０を対応させるようにするかは適宜設定し得るものであり、例えば、図１４に示すような、穴１６を６つ設けた、略６つの電気二重層キャパシタセル１０を対応させる基板２５とすることもできる。

積層型の電気二重層キャパシタセルの構造の断面を示す図である。積層型の電気二重層キャパシタセルの構造を斜視的に示す図である。積層型の電気二重層キャパシタセルの外観図である。本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタセル同士の接続方法を説明するための図である。本発明の実施形態に係る本発明に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続方法によって２つの電気二重層キャパシタを接続した状態を示す図である。本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタの接続方法によって２つより多くの電気二重層キャパシタを接続した状態を示す図である。本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造用の基板を示すである。本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造用の基板の取り付け方法を示す図である。本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造において基板を取り付けた状態を示す図である。電気二重層キャパシタのセルを直列接続して構成した充放電ユニットモジュールの要部回路構成を示す図である。本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造において基本となる並列モニタ付き基板を示す図である。本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造において端部用の並列モニタ付き基板を示す図である。本発明の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造において並列モニタ付き基板を取り付けた状態を示す図である。本発明の他の実施形態に係る充放電ユニットモジュールを構成する電気二重層キャパシタセルの接続構造用の基板を示すである。

符号の説明

１・・・接続電極部分、２・・・外装パッケージ、３・・・端子電極、４・・・分極性電極、５・・・集電体、６・・・セパレータ、７・・・ガスケット、８・・・基本セル、１０・・・電気二重層キャパシタセル、１１・・・補強用板材、１５・・・基板、１６・・・穴、１７・・・リベット、１９・・・並列モニタ付き基板、２０・・・並列モニタ回路、２２・・・接続用接点、２３・・・並列モニタ付き基板、２４・・・リード線、２５・・・基板、３０・・・充放電ユニットモジュール、４０・・・充電器

Claims

いくつかの電気二重層キャパシタセルのうち両端の電気二重層キャパシタセルは一方の電極のみが接続されると共に、前記いくつかの電気二重層キャパシタセルのうち両端以外の電気二重層キャパシタセルは両方の電極が接続されるようにして、前記いくつかの電気二重層キャパシタセルを接続する基板を用いて電気二重層キャパシタセルを複数直列接続して構成される充放電ユニットモジュールにおいて、
基板は互いの一つの辺を一部連結した２つの矩形の形状をしており、当該形状の基板は全て同形状のものが複数用いられると共に、複数用いられる基板は略同一平面上において互いに重なり合うことなく、一列に配置され、該基板と電気二重層キャパシタセルとの接続には、電気二重層キャパシタセル間の電気接続部分が利用されて取り付けられると共に、一つの基板に接続される前記いくつかの電気二重層キャパシタセルのうちの両端部の２つの電気二重層キャパシタセルが前記一つの基板と接続される電気接続部分としては互いに異なる極性の電極が用いられ、一列に配置されて用いられる複数の基板のうち両端部の２つのそれぞれの基板においては一方の電極のみで一つの基板のみと接続される電気二重層キャパシタセルがそれぞれ存在し、それぞれの電気二重層キャパシタセルが基板と接続される電気接続部分としては互いに異なる極性の電極が用いられることを特徴とする充放電ユニットモジュール。
該基板には穴が形成されており、該穴に挿通したリベットによって該電気接続部分と該基板とを固着することを特徴とする請求項１に記載の充放電ユニットモジュール。
該基板には穴が形成されており、該穴に挿通したネジによって該電気接続部分と該基板とを固着することを特徴とする請求項１に記載の充放電ユニットモジュール。
該電気接続部分は、該電気二重層キャパシタセルの電極と補強用板材にて構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の充放電ユニットモジュール。
該基板上には、前記いくつかの電気二重層キャパシタセルのそれぞれの挙動を監視するためのモニタ回路が搭載されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の充放電ユニットモジュール。