JP3963342B2 - 低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温度になると静電容量が低下し内部抵抗が増大するキャパシタの低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の大容量のキャパシタを組み合わせて蓄電装置を構成する際に不可欠な条件として、キャパシタの直列接続時に生ずる、負担電圧の均等化の問題がある。本発明者らはかねてから、電気二重層キャパシタを用い電子回路を組み合わせたＥＣＳ（Energy Capacitor System)と称する蓄電システムを提案し（例えば岡村廸夫著「電気二重層キャパシタと蓄電システム」日刊工業新聞社１９９９年３月３１日初版第１刷発行 ｐ６〜１４、ｐ１４５〜１５９、特願平１１−３７１９９６号参照）、実用に供している。ＥＣＳでは、直列接続される個々のキャパシタに電圧監視制御装置としての並列モニタを接続して初期化レベル、満充電レベルの検出を行い、キャパシタの耐電圧の範囲で最大限の充電が可能となるようにしている。
【０００３】
図３は並列モニタを備えたキャパシタ蓄電装置の従来例を示す図、図４は電気二重層キャパシタの静電容量と内部抵抗の温度特性の例を示す図である。図３において、１１は充電器、１２、１３はコンパレータ、１４、１５はオアゲート、Ｃはキャパシタ、Ｒは抵抗、Ｔｒはトランジスタ、Ｓ１は初期化スイッチ、Ｖful は満充電設定電圧、Ｖini は初期化設定電圧を示す。
【０００４】
従来の並列モニタは、図３に示すように初期化レベル検出用と満充電レベル検出用に別々のコンパレータ１２、１３を有する。初期化レベル検出用のコンパレータ１２は、初期化設定電圧Ｖini と比較して初期化レベル到達を判定し、モニタ信号として初期化レベル検出信号Ｉを出力し、初期化動作時に、充電電流をバイパスするようにキャパシタＣに並列接続したトランジスタＴｒの動作を制御することにより、充電レベルの均等化を行う。
【０００５】
初期化スイッチＳ１は、初期化制御信号S によりキャパシタＣの初期化動作のオン／オフを行うものであり、初期化モードが選択されたときオンになる。トランジスタＴｒと抵抗Ｒは、キャパシタＣの初期化を行う際に、キャパシタＣの端子電圧が初期化設定電圧Ｖini 以上になると充電電流のバイパス回路を構成し、そのバイパス電流を制限する。つまり充電電流の一部をバイパスするものであり、その電流を設定するのが抵抗Ｒである。
【０００６】
満充電レベル検出用のコンパレータ１３は、満充電レベル到達を検出する電圧検出手段として用い、初期化設定電圧Ｖini より高い満充電設定電圧Ｖful と比較し、モニタ信号として満充電レベル検出信号Ｆを出力して、充電器１１により満充電レベル検出信号Ｆに基づき充電制御を行う。
【０００７】
オアゲート１４は、コンパレータ１２の初期化レベル検出信号Ｉをオア論理処理し、オアゲート１５は、コンパレータ１３の満充電レベル検出信号Ｆをオア論理処理するものである。充電器１１は、直列接続された複数のキャパシタＣに対する充電を行うものであり、これらオアゲート１４、１５の信号を入力して初期化の実行、充電の停止等の判断を行う。
【０００８】
例えば初期化充電を行う場合、充電器１１は、初期化制御信号Ｓにより初期化スイッチＳ１をオンにして充電を開始し、各キャパシタのコンパレータ１２の初期化レベル検出信号Ｉをオア論理処理して取り出すことにより、複数のキャパシタのうちのいずれかで充電電流のバイパス動作が開始したことを判定し、コンパレータ１３の満充電レベル検出信号Ｆをオア論理処理して取り出すことにより、複数のキャパシタのうちのいずれかが満充電に達したことを判定して、あらゆる充電を終了する。
【０００９】
電気二重層キャパシタの蓄電の原理は、二次電池のような化学反応を利用せず、単に電解液中のイオンが充電に伴って電極面へ移動するだけであるため、低温度でも二次電池ほど極端に蓄電容量が低下するという現象はない。しかし、それでも低温度になるにつれて電解液の粘性が高まり、イオンの易動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）が低下するため、電気二重層キャパシタの内部抵抗が増加し、静電容量が低下する傾向が見られ、逆に高温に曝されると劣化が大きくなる傾向が見られる。その具体的な数値や係数は電気二重層キャパシタの材料や構造によって一定ではないが、典型的なものは図４の傾向を示すことが知られている（例えば岡村廸夫著「電気二重層キャパシタと蓄電システム」日刊工業新聞社１９９９年３月３１日初版第１刷発行、特開閉１−１２２８１１号公報参照）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この現象に対する解決手段としては、これまで電気二重層キャパシタに用いる電解液に低温での粘性を改善する添加剤を入れる方法が知られている。しかし、低温での特性を改善しようとして混合溶媒にすると、高温での耐電圧や寿命が低下する傾向が見られ、完全な解決に至っていない。また、キャパシタに用いる活性炭の細孔分布を大きな細孔となる方向にすると効果があるとされるが、静電容量が低下する副作用があるため、これも完全な解決策とはいえない。
【００１１】
用途によっては、特にハイブリッド電気自動車のように大きな出力密度を必要とする場合、キャパシタ内部を大電流が流れるため、常温の何倍もの高抵抗になっている低温では自己発熱が大きい。このため、実際に使用を始めれば自動的に極端な低温からは脱出するという利点もある。
【００１２】
しかし、電力貯蔵のように夜間の数時間の電力を蓄え、それを昼間の数時間に放出して用いるといった用途では、蓄電用の電気二重層キャパシタは高効率で用いられるためほとんど発熱は生じず、環境温度が零度を大きく下回ると、蓄電量は減少させざるを得ないのが通例であった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、静電容量が低下し内部抵抗が増大する傾向を有する低温での蓄電量の低下を補うようにするものである。
【００１４】
そのために本発明は、低温度になると静電容量が低下し内部抵抗が増大するキャパシタの低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置であって、環境温度を検出する温度検出手段と、前記キャパシタの充放電を制御する充放電制御手段と前記温度検出手段により検出される温度信号により低温時に前記充放電制御手段の作動電圧範囲を段階的に上げる制御手段とを備え、温度の低い環境に応じて使用最高電圧を上げるようにしたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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は本発明に係る低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置の実施の形態を示す図であり、１はコンデンサ、２は並列モニタ、３、４は電流ポンプ、５は温度センサ、６は制御装置を示す。
【００１６】
図１において、コンデンサ１は、例えば直列に接続して１つのモジュールとして構成し、電源装置とする場合には、さらに複数のモジュールを直列接続して構成する電気二重層キャパシタである。並列モニタ２は、例えば１乃至複数のコンパレータを有し、コンデンサ１と並列に接続して電圧レベルを検出して各検出信号の送出、充電電流のバイパスなどの制御を行うものである。電流ポンプ３は、充電電源（図示省略）に接続されコンデンサ１を定電流充電する充電器であり、電流ポンプ４は、負荷に給電する放電電流を制御する出力コンバータである。温度センサ５は、環境温度を検出するセンサであり、制御装置６は、温度センサ５で検出される温度信号により低温時には使用最高電圧を上げるように並列モニタ２、電流ポンプ３、４の作動電圧範囲を制御するものである。
【００１７】
上記のように本発明に係る低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置は、低温度における電気二重層キャパシタの静電容量低下を補償するために、付属の電子回路の制限値変更も含めて使用最高電圧を上げて利用するものである。例えば図４で示した温度特性によると、−３０℃で静電容量は常温の７０％に低下しているが、キャパシタの充電電圧を２．５Ｖから３．０Ｖにすることにより、エネルギーで約１．４４倍となり、０．７×１．４４＝１．０、すなわち、常温とほとんど等しい蓄電量を確保することが可能となる。
【００１８】
本発明による作動電圧範囲の制御は、低温域を段階的に分けて制御を行えばよいので、精密な温度信号による制御である必要はない。例えば▲１▼０℃以上、▲２▼３〜−２０℃、▲３▼−２０℃以下の３段階を弁別可能なステップ状、もしくは温度との連続的な相関をもって変化するアナログ、あるいはデジタル信号でよい。
【００１９】
数１００Ｖの電位差のある並列モニタに、信頼性を損なうほど煩雑にならずに、温度信号を伝達する方法としては、例えば
（ａ）フォトカプラを介して光で温度の情報を伝達する方法
（ｂ）コンデンサを介してパルス波形、周期などで伝達する方法
（ｃ）ホール素子によって電流信号を電圧に変換する方法
（ｄ）各素子に個別に温度センサーを持って、電圧等の情報に変換する方法
（ｅ）温度信号によらず任意の電圧で動作する並列モニタを用いる方法
などを採用することができる。
【００２０】
図２は電圧２．５Ｖで寿命１０年間を基準にしたキャパシタ寿命の、電圧を変更した計算例を示す図である。温度の低い環境では電気二重層キャパシタの電圧をどれほど高めることができるか、その理論的根拠はアレニウスの定律になる。電気二重層キャパシタの充電電圧による劣化が、本来の電気二重層の損傷に基づくものではなく、副次的な化学反応によるものであることは従来の研究で認められている。副次的な化学反応の反応速度は、それぞれの反応がアレニウスの定律にほぼ従うので、工学的には図２に示すように１０℃の上昇に対して２倍の劣化を示すという前提のもとに、常温以上の温度については簡易計算図表が作られている。
【００２１】
従来、本発明のような考え方が流布していないので、図２に示すグラフは低温側を示していないが、アレニウスの定律の考え方から特異的な反応がない限り、この関係を低温側に延長すれば精度はともかく原理的には問題ないので、図示上部枠内に追加したように、３０℃から温度を２０℃、１０℃、……と下げていくと、−２０℃では３Ｖで運転しても１０年間の寿命が期待できる。つまり、図２に示す特性のように全てのキャパシタが数値的に同じになるのではなく多少異なるものがあるとしても、定性的にはキャパシタがこの性質を有するので、低温時にキャパシタの寿命特性を損なわずに高い電圧で使用することが可能となる。
【００２２】
特に、容量の低下は、例えば図４や過去のデータより１０℃以下になると大きく、−１０℃での容量は、１０℃のときの−８％〜−１０％程度低下し、−１０℃〜−２０℃ではさらに大きく低下する。この容量低下を補正するために使用最高電圧を上げて利用することにより、温度変化に対する容量低下分を補償することができ、例えば２．５Ｖを２．６５Ｖにすることによりエネルギーで約１１％の補償が可能になる。
【００２３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、低温で動作電圧を上げるようにしたが、高温では動作電圧を下げる方式と組み合わせてもよいことはいうまでもない。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、低温度になると静電容量が低下し内部抵抗が増大するキャパシタの低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置であって、環境温度を検出する温度検出手段と、前記キャパシタの充放電を制御する充放電制御手段と前記温度検出手段により検出される温度信号により低温時に前記充放電制御手段の作動電圧範囲を段階的に上げる制御手段とを備え、温度の低い環境に応じて使用最高電圧を上げるようにし、充放電制御手段は、キャパシタに並列に接続して電圧をモニタする並列モニタ、キャパシタの充電を制御する充電器、キャパシタの放電を制御する出力コンバータであるので、制御により低温時の容量の低下分を補うことができ、低温環境で使用される場合に少ない設備量に抑えることができる。また、厳寒地だけでなく、種々の温度使用環境の変化に対応して容量の低下による制約が生じるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置の実施の形態を示す図である。
【図２】 電圧２．５Ｖで寿命１０年間を基準にしたキャパシタ寿命の、電圧を変更した計算例を示す図である。
【図３】 並列モニタを備えたキャパシタ蓄電装置の従来例を示す図である。
【図４】 電気二重総キャパシタの静電容量と内部抵抗の温度特性の例を示す図である。
【符号の説明】
１…コンデンサ、２…並列モニタ、３、４…電流ポンプ、５…温度センサ、６…制御装置

Claims (4)

1. 低温度になると静電容量が低下し内部抵抗が増大するキャパシタの低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置であって、
   環境温度を検出する温度検出手段と、
   前記キャパシタの充放電を制御する充放電制御手段と
   前記温度検出手段により検出される温度信号により低温時に前記充放電制御手段の作動電圧範囲を段階的に上げる制御手段と
   を備え、温度の低い環境に応じて使用最高電圧を上げるようにしたことを特徴とする低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置。
2. 前記充放電制御手段は、前記キャパシタに並列に接続して電圧をモニタする並列モニタであることを特徴とする請求項１記載の低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置。
3. 前記充放電制御手段は、前記キャパシタの充電を制御する充電器であることを特徴とする請求項１記載の低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置。
4. 前記充放電制御手段は、前記キャパシタの放電を制御する出力コンバータであることを特徴とする請求項１記載の低温特性を補償したキャパシタ蓄電装置。

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