JP4006458B2

JP4006458B2 - キャパシタの特性検査装置

Info

Publication number: JP4006458B2
Application number: JP2006092910A
Authority: JP
Inventors: 正明清水; 克司三井; 克哉有本; 敦清水
Original assignee: 株式会社パワーシステム
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP2007267564A

Description

本発明は、キャパシタを所定の電圧にまで充電し、その後にキャパシタの特性を測定する特性検査装置に関し、さらに詳しく言えば、多数のキャパシタを短時間で充電する技術に関するものである。

ほとんどの場合、製品出荷前に全品検査が行われる。キャパシタ（特には、電気二重層キャパシタ）の場合は、１品ごとに例えば満充電電圧にまで充電し、所定時間放置した後にどれくらい静電容量を保持しているか、また、内部抵抗はどれだけかを測定する検査が行われ、放置前後の静電容量の比率から減少分である自己放電率が求められる。

このキャパシタの特性検査において、測定に要する放置時間は、所定の一定時間と決められているため、量産ラインのキャパシタの特性検査では、量産されるキャパシタを生産タクトに合わせて短時間で効率よく充電することが求められる。

電気二重層キャパシタは定電流充電すると効率のよい充電が行え、充電電流が大きいほど急速充電が可能となるので、特性検査装置の充電電源には、通常、定格出力電流の大きな定電流電源（例えば６０Ａ程度）が用いられている。

また、充電電源を有効に使用するため、複数のキャパシタを同時充電することが行われている。その場合、複数のキャパシタを電気的に接続する方法として直列と並列とがあるが、並列接続の場合にはキャパシタの数に比例して電流量を増やす必要があるので、直列接続の方が好ましい。

ただし、キャパシタには静電容量（蓄電電力量）のバラツキがあるため、直列に接続したキャパシタを同時に充電するにあたっては、各キャパシタに並列モニタ回路と呼ばれる電圧監視回路を接続することが行われている。

並列モニタ回路とは、例えば特許文献１に記載されているように、キャパシタの端子間に並列に接続される電流バイパス路と、この電流バイパス路をオンオフするコンパレータとを含み、キャパシタの端子間電圧が所定の充電電圧（例えば、満充電電圧）になった時点で電流バイパス路を導通させて、それ以上の充電を回避する電圧監視回路である。

ところで、並列モニタ回路の電流バイパス路にも、通常の電流路と同じく耐電流上限値（定格電流値）があるが、その耐電流上限値は充電電源の定格出力電流に比べてはるかに小さい（例えば、数Ａ程度）。そのため、いずれかの並列モニタ回路が動作して電流バイパス路に充電電流が流れ始めたら、充電電流を並列モニタ回路の耐電流上限値にまで低下させるようにしている。

特許第３３０６３２５号公報

しかしながら、図３に示すように、キャパシタ内にはキャパシタ成分Ｃのほかに内部抵抗成分Ｒが存在するため、キャパシタの端子間電圧には、キャパシタ成分Ｃでの電圧降下Ｖｃと内部抵抗成分Ｒでの電圧降下Ｖｒとが含まれ、別途に内部抵抗測定を行わないかぎり、内部抵抗成分Ｒでの電圧降下Ｖｒがどれだけであるかは分からない。

このように、キャパシタの端子間電圧が満充電電圧なったとしても、それには内部抵抗成分Ｒによる電圧降下Ｖｒが含まれていることになり、充電電流が大きいほど内部抵抗成分Ｒによる電圧降下Ｖｒも大きくなる。

そのため、各キャパシタに接続されている並列モニタ回路のいずれかが動作状態となった時点で、充電電流を並列モニタ回路の耐電流上限値にまで下げると、他のキャパシタに対しては小さい電流で充電し続けることになり、すべてのキャパシタが満充電されるまでにかなりの時間がかかる、という問題がある。

したがって、本発明の課題は、キャパシタを所定の電圧にまで充電し、その後に自己放電率を測定するキャパシタの特性検査装置において、複数のキャパシタを直列接続とし、その各キャパシタに並列モニタ回路を接続して充電するにあたって、当該特性検査装置を量産ラインに適用可能とするため、各キャパシタを短時間で効率よく充電することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、複数のキャパシタを直列に接続してキャパシタバンクとし、上記各キャパシタの端子間にキャパシタ電圧が所定の充電電圧に達した時点で導通する電流バイパス路を含む並列モニタ回路を接続した状態で、定電流電源より上記電流バイパス路のすべてが導通状態となるまで上記キャパシタバンクを充電し、充電完了後に上記各キャパシタの特性を測定するキャパシタの特性検査装置において、上記キャパシタバンクの充電時に、上記各並列モニタ回路から上記電流バイパス路の導通時に出力される動作信号に基づいて、上記定電流電源を制御して充電電流を可変とする制御手段を備え、上記制御手段は、上記定電流電源より上記電流バイパス路の耐電流上限値よりも大きな所定電流値の第１充電電流を出力させて上記キャパシタバンクの充電を開始し、上記各並列モニタ回路のいずれかから上記動作信号が出力された時点で、上記動作信号が上記各並列モニタ回路のすべてから同時に出力された場合でも、上記定電流電源より出力される充電電流を、上記電流バイパス路の耐電流上限値よりも大きいが上記第１充電電流よりも小さな第２充電電流に少なくとも１回切り替えて充電を継続することを特徴としている。

本発明において、上記各並列モニタ回路のいずれかから上記動作信号が出力されるたびに、上記動作信号が上記各並列モニタ回路のすべてから同時に出力される場合でも、第１充電電流から上記電流バイパス路の耐電流上限値に至るまでの間で、充電電流を数回にわたって段階的に小さくして充電を継続することが好ましい。また、本発明は、特に電気二重層キャパシタの特性検査に好適である。

本発明によれば、定電流電源より所定電流値の第１充電電流を出力させてキャパシタバンクの充電を開始し、各並列モニタ回路のいずれかから動作信号が出力された時点で、定電流電源より出力される充電電流を、電流バイパス路の耐電流上限値よりも大きいが第１充電電流よりも小さな第２充電電流に少なくとも１回切り替えるようにしたことにより、充電電流を第１充電電流から電流バイパス路の耐電流上限値にまで一気に落とす従来例に比べて、充電時間を大幅に短縮することができる。

次に、図１および図２により、本発明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は本発明によるキャパシタの特性検査装置を構成を概略的に示す模式図，図２は並列モニタ回路を示す回路図である。

本発明によるキャパシタの特性検査装置には、キャパシタに対する充電ステップと、キャパシタの特性（例えば、静電容量と内部抵抗）を測定する放電ステップとが含まれる。充電ステップでは、図１に示すように、被検査部品であるキャパシタ（この例では、電気二重層キャパシタ）１１の複数個を直列に接続してキャパシタバンク１０として、充電電源である定電流電源４１により充電が行われる。

この場合、キャパシタ１１の各々に並列モニタ回路２０が接続される。並列モニタ回路２０は、図２に示すように、キャパシタ１１の端子間に並列に接続される電流バイパス路２１と、キャパシタ１１の端子間電圧（充電電圧）を監視して電流バイパス路２１をオン（導通），オフ（非導通）するコンパレータ２２とを備える。

電流バイパス路２１には、開閉素子としての例えばスイッチングトランジスタ２１１と、電流制限抵抗２１２とが含まれる。この電流バイパス路２１の耐電流上限値（定格電流値）は数Ａ（アンペア）程度である。

コンパレータ２２には所定の参照電圧、この例ではキャパシタ１１の満充電電圧を意味する参照電圧Ｖｆｕｌｌが設定されている。コンパレータ２２は、キャパシタ１１の端子間電圧が参照電圧Ｖｆｕｌｌに達すると、スイッチングトランジスタ２１１をオンとして電流バイパス路２１を導通状態とする。

電流バイパス路２１が導通状態になると、充電電流がキャパシタ１１に流れないため、キャパシタ１１はそれ以上充電されない。このような並列モニタ回路１１の電圧監視機能により、各キャパシタ１１は同じ電圧（この例では満充電電圧）に揃った状態に充電される。なお、並列モニタ回路２０の動作状態とは、電流バイパス路２１が導通しているときの状態をいう。

再び図１を参照して、並列モニタ回路２０が動作状態にあるとき、並列モニタ回路２０からその動作信号が制御手段３０に与えられる。制御手段３０は、並列モニタ回路２０からの動作信号に基づいて、定電流電源４１を制御してキャパシタバンク１０に対する充電電流を段階的に小さくする。

これについて説明すると、制御手段３０は定電流電源４１より例えば６０Ａの充電電流を出力させてキャパシタバンク１０の充電を開始する。キャパシタバンク１０内のいずれかのキャパシタ１１が満充電電圧に達すると、それに接続されている並列モニタ回路２０から制御手段３０に動作信号が出力される。すると、制御手段３０は、定電流電源４１を制御してキャパシタバンク１０に対する充電電流を６０Ａから例えば３０Ａに落とす。

図３で説明し、また、図２に示すように、キャパシタ１１の端子間電圧には、キャパシタ成分Ｃでの電圧降下Ｖｃと内部抵抗成分Ｒでの電圧降下Ｖｒとが含まれるが、そのうちの内部抵抗成分Ｒが例えば１ｍΩであるとすると、充電電流を６０Ａから例えば３０Ａに落とすことにより、キャパシタ１１の端子間電圧は３０ｍΩ下がる。

これにより、並列モニタ回路２０は動作を一旦停止し、電流バイパス路２１を非導通とするため、次にいずれかの並列モニタ回路２０から動作信号が出力されるまで、３０Ａの充電電流にてキャパシタバンク１０が充電されることになる。

そして、いずれかの並列モニタ回路２０から動作信号が出力されると、制御手段３０は、定電流電源４１を制御してキャパシタバンク１０に対する充電電流を３０Ａから例えば１５Ａにさらに落とす。

以後、同様にして、並列モニタ回路２０から動作信号が出力されるたびに、充電電流を段階的に落とし、最終的には電流バイパス路２１の耐電流上限値にまで下げ、すべての並列モニタ回路２０から動作信号が出揃った時点で、制御手段３０は、各キャパシタ１１が満充電電圧にまで充電されたと判断して充電を停止する。

なお、各キャパシタ１１には静電容量（蓄電電力量）にバラツキがあるため、大電流での充電時に各キャパシタ１１が同時に満充電状態となり、各並列モニタ回路２０から同時に動作信号が出力されることはほとんどないが、本発明では、仮にそのようなことが起こっても、そこで充電を停止することなく、充電電流を最終的に電流バイパス路２１の耐電流上限値にまで下げる。

充電完了後に放電ステップに入るが、放電ステップでは、キャパシタバンク１０がスイッチ４２ａを介して放電回路４２と接続される。ここでの放電は定電流放電で行われ、放電電力量を測定してキャパシタの静電容量を求める。また、定電流放電切り替わり時のキャパシタ電圧を測定してキャパシタの内部抵抗を求める。

放電ステップでの放電時間は所定の一定時間と決められているため、むやみに短縮することができないが、本発明によれば、充電ステップでの充電時間が大幅に短縮されるため、量産されるキャパシタの特性検査を生産タクトに合わせて行うことができ、キャパシタ（特に電気二重層キャパシタ）を量産するうえできわめて有用である。

本発明によるキャパシタの特性検査装置を構成を概略的に示す模式図。並列モニタ回路を示す回路図。キャパシタの内部抵抗を説明するための模式図。

符号の説明

１０キャパシタバンク
１１キャパシタ
２０並列モニタ回路
２１電流バイパス路
２２コンパレータ
３０制御手段
４１定電流電源（充電電源）
４２放電回路

Claims

複数のキャパシタを直列に接続してキャパシタバンクとし、上記各キャパシタの端子間にキャパシタ電圧が所定の充電電圧に達した時点で導通する電流バイパス路を含む並列モニタ回路を接続した状態で、定電流電源より上記電流バイパス路のすべてが導通状態となるまで上記キャパシタバンクを充電し、充電完了後に上記各キャパシタの特性を測定するキャパシタの特性検査装置において、
上記キャパシタバンクの充電時に、上記各並列モニタ回路から上記電流バイパス路の導通時に出力される動作信号に基づいて、上記定電流電源を制御して充電電流を可変とする制御手段を備え、
上記制御手段は、上記定電流電源より上記電流バイパス路の耐電流上限値よりも大きな所定電流値の第１充電電流を出力させて上記キャパシタバンクの充電を開始し、上記各並列モニタ回路のいずれかから上記動作信号が出力された時点で、上記動作信号が上記各並列モニタ回路のすべてから同時に出力された場合でも、上記定電流電源より出力される充電電流を、上記電流バイパス路の耐電流上限値よりも大きいが上記第１充電電流よりも小さな第２充電電流に少なくとも１回切り替えて充電を継続することを特徴とするキャパシタの特性検査装置。
上記各並列モニタ回路のいずれかから上記動作信号が出力されるたびに、上記動作信号が上記各並列モニタ回路のすべてから同時に出力される場合でも、第１充電電流から上記電流バイパス路の耐電流上限値に至るまでの間で、充電電流を数回にわたって段階的に小さくして充電を継続することを特徴とする請求項１に記載のキャパシタの特性検査装置。
上記キャパシタが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または２に記載のキャパシタの特性検査装置。