JP4136235B2 - 電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置 - Google Patents
電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置に係わり、特に電気二重層コンデンサ装置を構成する各電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正する電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電極材料として比表面が大きくかつ電気化学的に不活性の活性炭と電解質との組み合わせで、電子の電気二重層構造を利用して飛躍的に容量を増大させた電気二重層コンデンサを利用することが種々提案されている。
【０００３】
この電気二重層コンデンサは、単一のセルでは定格電圧がせいぜい３Ｖ程度までと小さいため、電源装置として利用する場合には、図６に示すように複数個の電気二重層コンデンサセル１を直列に接続して、電気二重層コンデンサ装置１０として使用される。
【０００４】
電気二重層コンデンサセル１の耐電圧は電解質の電気分解に依存し、充電電圧がこの電圧を超えると、電気二重層コンデンサセル１の劣化が進み、寿命が急速に低下する性質がある。このため、各電気二重層コンデンサセル１の定格電圧は上記の耐電圧以下に設定して使用する必要がある。ここで、定格電圧は、電気二重層コンデンサセル１の使用最大電圧をいう。
【０００５】
しかし、各電気二重層コンデンサセル１は、それぞれ静電容量や内部抵抗にばらつきをもっており、各電気二重層コンデンサセル１を直列に接続した状態で単に充電を行うと、この静電容量や内部抵抗のばらつきにより各電気二重層コンデンサセル１に加わるバイアス電圧に差が生じて、充電電圧に不均衡を生じる。従って、この充電電圧の不均衡のため、電気二重層コンデンサ装置１０の充電時に電気二重層コンデンサセル１の充電電圧が耐電圧を超えてしまうことがある。
【０００６】
かかる問題を解決する方策として、従来、図７に示すように等しい抵抗値をもつ抵抗３（ブリーダ抵抗）を電気二重層コンデンサセル１に並列に接続することにより、各電気二重層コンデンサセル１に加わるバイアス電圧を等しくして充電電圧のアンバランスを補正させる手段や、この抵抗３を電気二重層コンデンサセル１の充電電圧が所定値以上になった場合に働くようにする技術が開示されている（実開平５−２３５２７号公報等）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の技術では充電電圧のアンバランスを補正するために、電気二重層コンデンサセル１に並列に回路を設ける必要があり、製造コストの増加の問題や、回路から発生する発熱の問題および部品点数の増加に伴う信頼性が低下する等の問題が生じていた。
【０００８】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、電気二重層コンデンサ装置を構成する各電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正する電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため本発明（請求項１）は、複数の電気二重層コンデンサセルを直列若しくは直並列に接続して構成し、該電気二重層コンデンサセルに対し並列回路を設けることなく該電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正する電気二重層コンデンサ装置の充電方法であって、該電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧若しくは電流を増加させる通常充電中に、前記電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧値未満であり、かつ前記複数の電気二重層コンデンサセルのセル端子電圧の内の少なくとも一つが、該電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値以上になったとき、前記電気二重層コンデンサ装置に対し異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて緩和充電を行い、該緩和充電の開始後所定時間を経過したとき又は該緩和充電により前記緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させることを特徴とする。
【００１０】
電気二重層コンデンサ装置は、複数の電気二重層コンデンサセルを直列若しくは直並列に接続して構成する。電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧値未満としたのは、この設定充電電圧値若しくはこの電圧値付近で緩和充電を行うと、電気二重層コンデンサセル間の品質のばらつき如何によっては、電気二重層コンデンサセルのいずれかが電気二重層コンデンサセルの耐電圧を超えるおそれを生ずるためである。緩和充電は、自動又は手動により異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて行う。
【００１１】
このことにより、電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することができる。また、充電電圧のアンバランスを補正するために電気二重層コンデンサセルに並列に設けた回路等が不要なため、製造コストの増加の問題や、回路から発生する発熱の問題および部品点数の増加に伴う信頼性が低下する等の問題を解消することができる。
【００１３】
緩和充電は、電気二重層コンデンサセルの端子電圧の内の少なくとも一つが、この電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値を超えたとき行う。この緩和充電開始設定電圧値は、定格電圧に等しいか若しくは定格電圧以下であることが望ましい。電気二重層コンデンサセルが耐電圧を超えるのを防止するためである。
【００１４】
そして、緩和充電は、緩和充電の開始後、所定時間を経過したとき又はこの緩和充電により緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させる。緩和充電を行うにつれて、徐々に電気二重層コンデンサセルの電圧値は下がっていく。
【００１５】
緩和充電停止設定電圧値は、緩和充電が十分に行われ、その効果を期待出来る電圧値である。緩和充電開始設定電圧値を超えていた電気二重層コンデンサセルの電圧値が、緩和充電によりこの緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき、電気二重層コンデンサ装置に対し通常充電を再開する。
【００１６】
このことにより、いずれの電気二重層コンデンサセルをも耐電圧を超えさせずに、電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することができる。
【００１７】
更に、本発明（請求項２）は、複数の電気二重層コンデンサセルを直列若しくは直並列に接続して構成した電気二重層コンデンサ装置と、該電気二重層コンデンサ装置を充電する充電装置と、前記電気二重層コンデンサセルの各セル端子電圧を前記充電装置に帰還させるセル端子電圧帰還手段と、前記電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧若しくは電流を増加させる通常充電中に、該端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧値未満であり、かつ前記セル端子電圧帰還手段により帰還されたセル端子電圧の内の少なくとも一つが、前記電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値以上になったとき、前記電気二重層コンデンサ装置に対し異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて緩和充電を行い、該それぞれの緩和充電の開始後所定時間を経過したとき又は該緩和充電により前記緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させる緩和充電制御手段とを備え、前記電気二重層コンデンサセルに対し並列回路を設けることなく該電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することを特徴とする。
【００１８】
セル端子電圧帰還手段により、電気二重層コンデンサセルの各セル端子電圧を充電装置に帰還させる。そして、このセル端子電圧の内の少なくとも一つが、電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値を超えたとき、電気二重層コンデンサ装置に対し異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて緩和充電を行う。
【００１９】
異なる充電電圧について段階的に複数回と記載した中には、複数回は必ず行うという意味の他に、緩和充電開始設定電圧値を超えたときでも緩和充電を行わない場合も考慮している。緩和充電制御手段は、緩和充電の開始後所定時間を経過したとき又は緩和充電により緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき通常充電を再開させる。
【００２０】
従って、緩和充電を十分行った後には、再び通常充電を再開する。
このことにより、電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の構成図を図１及び図２に示す。図１は電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂを直列接続して電気二重層コンデンサ装置２０を構成した場合である。
【００２２】
電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂは、図１の左側に示されるような抵抗を介して連なる無数のコンデンサ要素であると考えられている。従って、電気二重層コンデンサ装置２０を等価回路で表示すると図１右側のように表現できる。
【００２３】
ここで、電気二重層コンデンサセル１Ａのｒ１１からｒ１ｎの合成抵抗がｒ０１であり、Ｃ１１からＣ１ｎの合成容量がＣ０１である。電気二重層コンデンサセル１Ｂについても同様で、ｒ２１からｒ２ｎの合成抵抗がｒ０２であり、Ｃ２１からＣ２ｎの合成容量がＣ０２である。
【００２４】
図２には、この電気二重層コンデンサ装置２０を充電装置５により充電しているときの様子を示す。ここで、端子間電圧である充電電圧Ｅは電気二重層コンデンサ装置２０の充電電圧、Ｉｏは充電電流、Ｖ１，Ｖ２は電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂの各セル端子電圧を示す。
【００２５】
また、Ｉ１１からＩ１ｎおよびＩ２１からＩ２ｎは充電電流Ｉｏの分電流を現し、Ｑ１１からＱ１ｎはＣ１１からＣ１ｎに蓄えられた電荷量、Ｑ２１からＱ２ｎはＣ２１からＣ２ｎに蓄えられた電荷量である。
【００２６】
次に、本発明の実施形態の動作を説明する。
充電中のＶ１およびＶ２とＥの関係は、Ｅ＝Ｖ１＋Ｖ２で現すことができる。ここで、Ｖ１およびＶ２は、数１および数２のように示せる。
【００２７】
【数１】
【００２８】
【数２】
【００２９】
充電の途中で充電電圧Ｅを一定にする緩和充電を行うと、充電電流Ｉｏは減少し最終的に０に近くなる。緩和充電は、このように充電電圧Ｅを一定にしつつ、微小の充電電流Ｉｏにより充電を行うものである。従って、Ｉｏの分電流であるＩ１１からＩ１ｎおよびＩ２１からＩ２ｎもほぼ０となる。
このとき、Ｖ１およびＶ２は、
【００３０】
【数３】
【００３１】
【数４】
【００３２】
となる。ここでＱ０１およびＱ０２は、電気二重層コンデンサ１Ａおよび１Ｂに蓄えられた電荷量であり、直列接続された電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂにおいては、Ｑ０１＝Ｑ０２となる。
【００３３】
従って、充電中に緩和充電を行うことで電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂの内部抵抗のばらつきによる充電電圧のアンバランスは解消される。また、このような原理の他に、電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂの漏れ抵抗が、図７の電気二重層コンデンサ装置２０に並列に設けられたブリーダ抵抗の役割をして、充電電圧のアンバランスを補正する効果がある。
【００３４】
漏れ抵抗ＲＬを考慮した電気二重層コンデンサセル１の等価回路を図３に示す。図３において、内部抵抗ｒ、コンデンサＣが端子７Ａ、７Ｂに対し直列に、漏れ抵抗ＲＬが端子７Ａ、７Ｂに対し並列に接続されている。
【００３５】
ここに、漏れ抵抗ＲＬは充電電圧が高いほど小さくなる傾向があり、充電電圧の高い電気二重層コンデンサセル１ほど電圧が下がり、充電電圧の低い電気二重層コンデンサセル１はその電圧を維持する傾向となる。これにより充電電圧のアンバランスが補正される。
【００３６】
目的とする最終の充電電圧を設定充電電圧と定義する。従って、通常は設定充電電圧は電気二重層コンデンサ装置２０の定格電圧となる。この設定充電電圧以下の電圧で上記のように緩和充電を行えば、直列接続された各電気二重層コンデンサセル１の電圧は充電途中に均等化が進む。
【００３７】
そして、緩和充電後に再度充電が再開されても、充電電圧のアンバランスが補正されているため、設定充電電圧値での各電気二重層コンデンサセル１の充電電圧のばらつきを抑えることができる。
【００３８】
また、緩和充電を設定充電電圧値未満としたのは、いきなり設定充電電圧で充電し、この電圧で緩和充電を行うと、電気二重層コンデンサセル１に加わるバイアス電圧Ｖ１，Ｖ２のいずれかが電気二重層コンデンサセル１の耐電圧を超える可能性があるためである。
【００３９】
緩和充電を行う電圧は、電気二重層コンデンサセル１間の品質のばらつきを考慮し、緩和充電電圧において電気二重層コンデンサセル１の耐電圧を超えない範囲で行う必要がある。
【００４０】
また、電気二重層コンデンサセル１間の品質のばらつきが大きい場合には、緩和充電を行う回数を増やし段階的に充電電圧を上げることで、電気二重層コンデンサセル１に加わるバイアス電圧が耐電圧を超えることなく、設定充電電電圧値における電気二重層コンデンサセル１間の充電電圧のアンバランスを効果的に補正することができる。
【００４１】
次に、かかる緩和充電を自動的に行う方法について説明する。
図２中に記載は省略するが、各電気二重層コンデンサセル１のセル端子電圧をそれぞれ充電装置５に帰還させる。そして、このセル端子電圧の内の少なくとも一つが、電気二重層コンデンサセル１の定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値を超えたとき、電気二重層コンデンサ装置に対し緩和充電を行う。
【００４２】
但し、このときでも電気二重層コンデンサ装置２０の端子間電圧は設定充電電圧値未満とする。従って、設定充電電圧値を超えた場合には充電装置５からの充電を停止する。これは、電気二重層コンデンサセル１間の品質のばらつき如何によっては、電気二重層コンデンサセル１のいずれかが電気二重層コンデンサセル１の耐電圧を超えるおそれを生ずるためである。
【００４３】
緩和充電開始設定電圧値は、例えば電気二重層コンデンサセル１の定格電圧若しくはこの値以下の定格電圧に近い電圧値である。この緩和充電は、緩和充電開始設定電圧値を超えたとき必ず緩和充電を行ってもよいが、回数を制限したり、間欠的に行う等してもよい。
【００４４】
その後、緩和充電の開始後所定時間を経過したとき通常充電を再開させる。但し、時間経過ではなく、緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき通常充電を再開させるようにしてもよい。
【００４５】
この緩和充電停止設定電圧値は、緩和充電による電気二重層コンデンサセル１間の充電電圧のアンバランス効果を期待出来ると判断される電圧値である。
このことにより、電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを自動的に補正することができる。
【００４６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
図４のように５個の電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅを直列に接続して構成した電気二重層コンデンサ装置３０を、本発明による充電方法により充電したときの例を以下に示す。
【００４７】
図５に、充電中の各電気二重層コンデンサセル１の充電電圧および電気二重層コンデンサ装置３０に印加された充電電圧の変化の例を示す。図５の上段のグラフが電気二重層コンデンサ装置３０に印加した充電電圧（縦軸）を、下段のグラフが図４の電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの充電電圧（縦軸）を示している。
【００４８】
上下段のグラフとも横軸は充電開始からの時間経過となる。経過時間軸に時間目盛りが記載されていないのは、グラフを見やすくするため尺度を拡大および縮尺しているためである。概算として、この例では、電気二重層コンデンサ装置３０の印加電圧が昇圧されている時間は、一回あたり３分間程度あり、緩和充電時間は一回あたり１．５時間程度である。
【００４９】
この、緩和時間は、電気二重層コンデンサセル１の品質のばらつきに合わせて、緩和充電による充電電圧のアンバランスの補正の効果とを勘案して決定する。また、上段のグラフにおいては、０Ｖから充電を開始しているが、緩和充電部を拡大して表記している。電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの充電電圧の総和が電気二重層コンデンサ装置３０に印加した充電電圧となる。
【００５０】
この実施例での、目的とする電気二重層コンデンサ装置３０の充電電圧は１２．６Ｖであり、これが設定充電電圧である。従って、電気二重層コンデンサ装置３０が１２．６Ｖに充電された時には、各電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの充電電圧がアンバランスでなくそろっていることが望ましい。
【００５１】
これは、先に示したように、ある電気二重層コンデンサセル１のみ充電電圧が高く、定格電圧を超えてしまい劣化が進まないようにするためである。また、電気エネルギーの貯蔵面からも各電気二重層コンデンサセル１に均等に充電されているのが望ましい。
【００５２】
図５の例では、電気二重層コンデンサ装置３０の充電電圧９．４Ｖの時点で一回目の緩和充電をおこなった。この緩和充電開始直前の電気二重層コンデンサセル１の充電電圧のアンバランスδＶ（最大値―最小値）は、０．５７Ｖあった。
【００５３】
従って、緩和充電を行わない充電ではこの程度の充電電圧のアンバランスが生じる。９．４Ｖでの緩和充電後に、１０．３Ｖと１１．５Ｖで設定充電電圧に達する前にさらに２回の緩和充電を行った。
【００５４】
その結果、設定充電電圧１２．６Ｖに達したときには、電気二重層コンデンサセル１間の充電電圧のアンバランスδＶ（最大値―最小値）は、０．０６Ｖとなり、アンバランスはほぼ解消され、使用上の問題はなくなる。これにより、設定充電電圧に達する前に緩和充電を行うことで、各電気二重層コンデンサセル１の充電電圧のアンバランスが効果的に補正されていることがわかる。
【００５５】
次に、請求項１に相当する実施例について説明する。図５において、電気二重層コンデンサ装置３０の充電電圧が１１．５Ｖに達した時から、請求項１の充電方法により電気二重層コンデンサ装置３０を充電した。このとき、緩和充電開始設定電圧値を電気二重層コンデンサセル１の定格電圧と等しい２．５０Ｖに設定し、緩和充電停止設定電圧値を２．４９Ｖに設定している。
【００５６】
電気二重層コンデンサ装置３０の充電電圧が１１．５Ｖに達した時に、電気二重層コンデンサセル１Ａが２．５０Ｖに達して、緩和充電を開始した。緩和充電により電気二重層コンデンサセル１Ａの電圧が２．４９Ｖに低下して、電気二重層コンデンサ装置３０の電圧を上げる通常充電を再開した。その後、電気二重層コンデンサセル１Ａが再び２．５０Ｖに達したときに、電気二重層コンデンサ装置３０の設定充電電圧である１２．６Ｖに達して充電が完了したものである。
【００５７】
なお、従来の技術では充電電圧のアンバランスを補正するために、電気二重層コンデンサセルに並列に回路を設ける必要があったり、これに伴う製造コストの増加の問題や、回路から発生する発熱の問題および部品点数の増加に伴う信頼性が低下する等の問題が生じていたが、本発明によりこれらの問題は解決される。
【００５８】
また、本発明は、例えば、昼間は太陽電池などで常時充電をこない、夜間に電気二重層コンデンサ装置に蓄えたエネルギーを利用する場合や非常時のみ電気二重層コンデンサ装置からエネルギーを取り出すような充電時間に制約が少ない場合には、電気二重層コンデンサセルの充電電圧を補正するための緩和充電を十分に行えるため、有効に寄与する。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、通常充電中に、電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧値未満であるとき、電気二重層コンデンサ装置に対し緩和充電を異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて行うこととしたので、電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電気二重層コンデンサセルを直列接続して電気二重層コンデンサ装置を構成した図
【図２】 電気二重層コンデンサ装置を充電装置により充電しているときの様子を示す図
【図３】 漏れ抵抗を考慮した電気二重層コンデンサセルの等価回路
【図４】 ５個の電気二重層コンデンサセルを直列に接続して構成した電気二重層コンデンサ装置の実施例
【図５】 充電中の各電気二重層コンデンサセルの充電電圧および電気二重層コンデンサ装置に印加された充電電圧の変化を示す図
【図６】 従来の電気二重層コンデンサ装置の構成例
【図７】 ブリーダ抵抗が電気二重層コンデンサセルに並列に接続された例
【符号の説明】
１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ） 各電気二重層コンデンサセル
５ 充電装置
１０、２０、３０ 電気二重層コンデンサ装置
【発明の属する技術分野】
本発明は電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置に係わり、特に電気二重層コンデンサ装置を構成する各電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正する電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電極材料として比表面が大きくかつ電気化学的に不活性の活性炭と電解質との組み合わせで、電子の電気二重層構造を利用して飛躍的に容量を増大させた電気二重層コンデンサを利用することが種々提案されている。
【０００３】
この電気二重層コンデンサは、単一のセルでは定格電圧がせいぜい３Ｖ程度までと小さいため、電源装置として利用する場合には、図６に示すように複数個の電気二重層コンデンサセル１を直列に接続して、電気二重層コンデンサ装置１０として使用される。
【０００４】
電気二重層コンデンサセル１の耐電圧は電解質の電気分解に依存し、充電電圧がこの電圧を超えると、電気二重層コンデンサセル１の劣化が進み、寿命が急速に低下する性質がある。このため、各電気二重層コンデンサセル１の定格電圧は上記の耐電圧以下に設定して使用する必要がある。ここで、定格電圧は、電気二重層コンデンサセル１の使用最大電圧をいう。
【０００５】
しかし、各電気二重層コンデンサセル１は、それぞれ静電容量や内部抵抗にばらつきをもっており、各電気二重層コンデンサセル１を直列に接続した状態で単に充電を行うと、この静電容量や内部抵抗のばらつきにより各電気二重層コンデンサセル１に加わるバイアス電圧に差が生じて、充電電圧に不均衡を生じる。従って、この充電電圧の不均衡のため、電気二重層コンデンサ装置１０の充電時に電気二重層コンデンサセル１の充電電圧が耐電圧を超えてしまうことがある。
【０００６】
かかる問題を解決する方策として、従来、図７に示すように等しい抵抗値をもつ抵抗３（ブリーダ抵抗）を電気二重層コンデンサセル１に並列に接続することにより、各電気二重層コンデンサセル１に加わるバイアス電圧を等しくして充電電圧のアンバランスを補正させる手段や、この抵抗３を電気二重層コンデンサセル１の充電電圧が所定値以上になった場合に働くようにする技術が開示されている（実開平５−２３５２７号公報等）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の技術では充電電圧のアンバランスを補正するために、電気二重層コンデンサセル１に並列に回路を設ける必要があり、製造コストの増加の問題や、回路から発生する発熱の問題および部品点数の増加に伴う信頼性が低下する等の問題が生じていた。
【０００８】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、電気二重層コンデンサ装置を構成する各電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正する電気二重層コンデンサ装置の充電方法及び充電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため本発明（請求項１）は、複数の電気二重層コンデンサセルを直列若しくは直並列に接続して構成し、該電気二重層コンデンサセルに対し並列回路を設けることなく該電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正する電気二重層コンデンサ装置の充電方法であって、該電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧若しくは電流を増加させる通常充電中に、前記電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧値未満であり、かつ前記複数の電気二重層コンデンサセルのセル端子電圧の内の少なくとも一つが、該電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値以上になったとき、前記電気二重層コンデンサ装置に対し異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて緩和充電を行い、該緩和充電の開始後所定時間を経過したとき又は該緩和充電により前記緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させることを特徴とする。
【００１０】
電気二重層コンデンサ装置は、複数の電気二重層コンデンサセルを直列若しくは直並列に接続して構成する。電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧値未満としたのは、この設定充電電圧値若しくはこの電圧値付近で緩和充電を行うと、電気二重層コンデンサセル間の品質のばらつき如何によっては、電気二重層コンデンサセルのいずれかが電気二重層コンデンサセルの耐電圧を超えるおそれを生ずるためである。緩和充電は、自動又は手動により異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて行う。
【００１１】
このことにより、電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することができる。また、充電電圧のアンバランスを補正するために電気二重層コンデンサセルに並列に設けた回路等が不要なため、製造コストの増加の問題や、回路から発生する発熱の問題および部品点数の増加に伴う信頼性が低下する等の問題を解消することができる。
【００１３】
緩和充電は、電気二重層コンデンサセルの端子電圧の内の少なくとも一つが、この電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値を超えたとき行う。この緩和充電開始設定電圧値は、定格電圧に等しいか若しくは定格電圧以下であることが望ましい。電気二重層コンデンサセルが耐電圧を超えるのを防止するためである。
【００１４】
そして、緩和充電は、緩和充電の開始後、所定時間を経過したとき又はこの緩和充電により緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させる。緩和充電を行うにつれて、徐々に電気二重層コンデンサセルの電圧値は下がっていく。
【００１５】
緩和充電停止設定電圧値は、緩和充電が十分に行われ、その効果を期待出来る電圧値である。緩和充電開始設定電圧値を超えていた電気二重層コンデンサセルの電圧値が、緩和充電によりこの緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき、電気二重層コンデンサ装置に対し通常充電を再開する。
【００１６】
このことにより、いずれの電気二重層コンデンサセルをも耐電圧を超えさせずに、電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することができる。
【００１７】
更に、本発明（請求項２）は、複数の電気二重層コンデンサセルを直列若しくは直並列に接続して構成した電気二重層コンデンサ装置と、該電気二重層コンデンサ装置を充電する充電装置と、前記電気二重層コンデンサセルの各セル端子電圧を前記充電装置に帰還させるセル端子電圧帰還手段と、前記電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧若しくは電流を増加させる通常充電中に、該端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧値未満であり、かつ前記セル端子電圧帰還手段により帰還されたセル端子電圧の内の少なくとも一つが、前記電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値以上になったとき、前記電気二重層コンデンサ装置に対し異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて緩和充電を行い、該それぞれの緩和充電の開始後所定時間を経過したとき又は該緩和充電により前記緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させる緩和充電制御手段とを備え、前記電気二重層コンデンサセルに対し並列回路を設けることなく該電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することを特徴とする。
【００１８】
セル端子電圧帰還手段により、電気二重層コンデンサセルの各セル端子電圧を充電装置に帰還させる。そして、このセル端子電圧の内の少なくとも一つが、電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値を超えたとき、電気二重層コンデンサ装置に対し異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて緩和充電を行う。
【００１９】
異なる充電電圧について段階的に複数回と記載した中には、複数回は必ず行うという意味の他に、緩和充電開始設定電圧値を超えたときでも緩和充電を行わない場合も考慮している。緩和充電制御手段は、緩和充電の開始後所定時間を経過したとき又は緩和充電により緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき通常充電を再開させる。
【００２０】
従って、緩和充電を十分行った後には、再び通常充電を再開する。
このことにより、電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の構成図を図１及び図２に示す。図１は電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂを直列接続して電気二重層コンデンサ装置２０を構成した場合である。
【００２２】
電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂは、図１の左側に示されるような抵抗を介して連なる無数のコンデンサ要素であると考えられている。従って、電気二重層コンデンサ装置２０を等価回路で表示すると図１右側のように表現できる。
【００２３】
ここで、電気二重層コンデンサセル１Ａのｒ１１からｒ１ｎの合成抵抗がｒ０１であり、Ｃ１１からＣ１ｎの合成容量がＣ０１である。電気二重層コンデンサセル１Ｂについても同様で、ｒ２１からｒ２ｎの合成抵抗がｒ０２であり、Ｃ２１からＣ２ｎの合成容量がＣ０２である。
【００２４】
図２には、この電気二重層コンデンサ装置２０を充電装置５により充電しているときの様子を示す。ここで、端子間電圧である充電電圧Ｅは電気二重層コンデンサ装置２０の充電電圧、Ｉｏは充電電流、Ｖ１，Ｖ２は電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂの各セル端子電圧を示す。
【００２５】
また、Ｉ１１からＩ１ｎおよびＩ２１からＩ２ｎは充電電流Ｉｏの分電流を現し、Ｑ１１からＱ１ｎはＣ１１からＣ１ｎに蓄えられた電荷量、Ｑ２１からＱ２ｎはＣ２１からＣ２ｎに蓄えられた電荷量である。
【００２６】
次に、本発明の実施形態の動作を説明する。
充電中のＶ１およびＶ２とＥの関係は、Ｅ＝Ｖ１＋Ｖ２で現すことができる。ここで、Ｖ１およびＶ２は、数１および数２のように示せる。
【００２７】
【数１】
【数２】
充電の途中で充電電圧Ｅを一定にする緩和充電を行うと、充電電流Ｉｏは減少し最終的に０に近くなる。緩和充電は、このように充電電圧Ｅを一定にしつつ、微小の充電電流Ｉｏにより充電を行うものである。従って、Ｉｏの分電流であるＩ１１からＩ１ｎおよびＩ２１からＩ２ｎもほぼ０となる。
このとき、Ｖ１およびＶ２は、
【００３０】
【数３】
【数４】
となる。ここでＱ０１およびＱ０２は、電気二重層コンデンサ１Ａおよび１Ｂに蓄えられた電荷量であり、直列接続された電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂにおいては、Ｑ０１＝Ｑ０２となる。
【００３３】
従って、充電中に緩和充電を行うことで電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂの内部抵抗のばらつきによる充電電圧のアンバランスは解消される。また、このような原理の他に、電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂの漏れ抵抗が、図７の電気二重層コンデンサ装置２０に並列に設けられたブリーダ抵抗の役割をして、充電電圧のアンバランスを補正する効果がある。
【００３４】
漏れ抵抗ＲＬを考慮した電気二重層コンデンサセル１の等価回路を図３に示す。図３において、内部抵抗ｒ、コンデンサＣが端子７Ａ、７Ｂに対し直列に、漏れ抵抗ＲＬが端子７Ａ、７Ｂに対し並列に接続されている。
【００３５】
ここに、漏れ抵抗ＲＬは充電電圧が高いほど小さくなる傾向があり、充電電圧の高い電気二重層コンデンサセル１ほど電圧が下がり、充電電圧の低い電気二重層コンデンサセル１はその電圧を維持する傾向となる。これにより充電電圧のアンバランスが補正される。
【００３６】
目的とする最終の充電電圧を設定充電電圧と定義する。従って、通常は設定充電電圧は電気二重層コンデンサ装置２０の定格電圧となる。この設定充電電圧以下の電圧で上記のように緩和充電を行えば、直列接続された各電気二重層コンデンサセル１の電圧は充電途中に均等化が進む。
【００３７】
そして、緩和充電後に再度充電が再開されても、充電電圧のアンバランスが補正されているため、設定充電電圧値での各電気二重層コンデンサセル１の充電電圧のばらつきを抑えることができる。
【００３８】
また、緩和充電を設定充電電圧値未満としたのは、いきなり設定充電電圧で充電し、この電圧で緩和充電を行うと、電気二重層コンデンサセル１に加わるバイアス電圧Ｖ１，Ｖ２のいずれかが電気二重層コンデンサセル１の耐電圧を超える可能性があるためである。
【００３９】
緩和充電を行う電圧は、電気二重層コンデンサセル１間の品質のばらつきを考慮し、緩和充電電圧において電気二重層コンデンサセル１の耐電圧を超えない範囲で行う必要がある。
【００４０】
また、電気二重層コンデンサセル１間の品質のばらつきが大きい場合には、緩和充電を行う回数を増やし段階的に充電電圧を上げることで、電気二重層コンデンサセル１に加わるバイアス電圧が耐電圧を超えることなく、設定充電電電圧値における電気二重層コンデンサセル１間の充電電圧のアンバランスを効果的に補正することができる。
【００４１】
次に、かかる緩和充電を自動的に行う方法について説明する。
図２中に記載は省略するが、各電気二重層コンデンサセル１のセル端子電圧をそれぞれ充電装置５に帰還させる。そして、このセル端子電圧の内の少なくとも一つが、電気二重層コンデンサセル１の定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値を超えたとき、電気二重層コンデンサ装置に対し緩和充電を行う。
【００４２】
但し、このときでも電気二重層コンデンサ装置２０の端子間電圧は設定充電電圧値未満とする。従って、設定充電電圧値を超えた場合には充電装置５からの充電を停止する。これは、電気二重層コンデンサセル１間の品質のばらつき如何によっては、電気二重層コンデンサセル１のいずれかが電気二重層コンデンサセル１の耐電圧を超えるおそれを生ずるためである。
【００４３】
緩和充電開始設定電圧値は、例えば電気二重層コンデンサセル１の定格電圧若しくはこの値以下の定格電圧に近い電圧値である。この緩和充電は、緩和充電開始設定電圧値を超えたとき必ず緩和充電を行ってもよいが、回数を制限したり、間欠的に行う等してもよい。
【００４４】
その後、緩和充電の開始後所定時間を経過したとき通常充電を再開させる。但し、時間経過ではなく、緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき通常充電を再開させるようにしてもよい。
【００４５】
この緩和充電停止設定電圧値は、緩和充電による電気二重層コンデンサセル１間の充電電圧のアンバランス効果を期待出来ると判断される電圧値である。
このことにより、電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを自動的に補正することができる。
【００４６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
図４のように５個の電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅを直列に接続して構成した電気二重層コンデンサ装置３０を、本発明による充電方法により充電したときの例を以下に示す。
【００４７】
図５に、充電中の各電気二重層コンデンサセル１の充電電圧および電気二重層コンデンサ装置３０に印加された充電電圧の変化の例を示す。図５の上段のグラフが電気二重層コンデンサ装置３０に印加した充電電圧（縦軸）を、下段のグラフが図４の電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの充電電圧（縦軸）を示している。
【００４８】
上下段のグラフとも横軸は充電開始からの時間経過となる。経過時間軸に時間目盛りが記載されていないのは、グラフを見やすくするため尺度を拡大および縮尺しているためである。概算として、この例では、電気二重層コンデンサ装置３０の印加電圧が昇圧されている時間は、一回あたり３分間程度あり、緩和充電時間は一回あたり１．５時間程度である。
【００４９】
この、緩和時間は、電気二重層コンデンサセル１の品質のばらつきに合わせて、緩和充電による充電電圧のアンバランスの補正の効果とを勘案して決定する。また、上段のグラフにおいては、０Ｖから充電を開始しているが、緩和充電部を拡大して表記している。電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの充電電圧の総和が電気二重層コンデンサ装置３０に印加した充電電圧となる。
【００５０】
この実施例での、目的とする電気二重層コンデンサ装置３０の充電電圧は１２．６Ｖであり、これが設定充電電圧である。従って、電気二重層コンデンサ装置３０が１２．６Ｖに充電された時には、各電気二重層コンデンサセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの充電電圧がアンバランスでなくそろっていることが望ましい。
【００５１】
これは、先に示したように、ある電気二重層コンデンサセル１のみ充電電圧が高く、定格電圧を超えてしまい劣化が進まないようにするためである。また、電気エネルギーの貯蔵面からも各電気二重層コンデンサセル１に均等に充電されているのが望ましい。
【００５２】
図５の例では、電気二重層コンデンサ装置３０の充電電圧９．４Ｖの時点で一回目の緩和充電をおこなった。この緩和充電開始直前の電気二重層コンデンサセル１の充電電圧のアンバランスδＶ（最大値―最小値）は、０．５７Ｖあった。
【００５３】
従って、緩和充電を行わない充電ではこの程度の充電電圧のアンバランスが生じる。９．４Ｖでの緩和充電後に、１０．３Ｖと１１．５Ｖで設定充電電圧に達する前にさらに２回の緩和充電を行った。
【００５４】
その結果、設定充電電圧１２．６Ｖに達したときには、電気二重層コンデンサセル１間の充電電圧のアンバランスδＶ（最大値―最小値）は、０．０６Ｖとなり、アンバランスはほぼ解消され、使用上の問題はなくなる。これにより、設定充電電圧に達する前に緩和充電を行うことで、各電気二重層コンデンサセル１の充電電圧のアンバランスが効果的に補正されていることがわかる。
【００５５】
次に、請求項１に相当する実施例について説明する。図５において、電気二重層コンデンサ装置３０の充電電圧が１１．５Ｖに達した時から、請求項１の充電方法により電気二重層コンデンサ装置３０を充電した。このとき、緩和充電開始設定電圧値を電気二重層コンデンサセル１の定格電圧と等しい２．５０Ｖに設定し、緩和充電停止設定電圧値を２．４９Ｖに設定している。
【００５６】
電気二重層コンデンサ装置３０の充電電圧が１１．５Ｖに達した時に、電気二重層コンデンサセル１Ａが２．５０Ｖに達して、緩和充電を開始した。緩和充電により電気二重層コンデンサセル１Ａの電圧が２．４９Ｖに低下して、電気二重層コンデンサ装置３０の電圧を上げる通常充電を再開した。その後、電気二重層コンデンサセル１Ａが再び２．５０Ｖに達したときに、電気二重層コンデンサ装置３０の設定充電電圧である１２．６Ｖに達して充電が完了したものである。
【００５７】
なお、従来の技術では充電電圧のアンバランスを補正するために、電気二重層コンデンサセルに並列に回路を設ける必要があったり、これに伴う製造コストの増加の問題や、回路から発生する発熱の問題および部品点数の増加に伴う信頼性が低下する等の問題が生じていたが、本発明によりこれらの問題は解決される。
【００５８】
また、本発明は、例えば、昼間は太陽電池などで常時充電をこない、夜間に電気二重層コンデンサ装置に蓄えたエネルギーを利用する場合や非常時のみ電気二重層コンデンサ装置からエネルギーを取り出すような充電時間に制約が少ない場合には、電気二重層コンデンサセルの充電電圧を補正するための緩和充電を十分に行えるため、有効に寄与する。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、通常充電中に、電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧値未満であるとき、電気二重層コンデンサ装置に対し緩和充電を異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて行うこととしたので、電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電気二重層コンデンサセルを直列接続して電気二重層コンデンサ装置を構成した図
【図２】 電気二重層コンデンサ装置を充電装置により充電しているときの様子を示す図
【図３】 漏れ抵抗を考慮した電気二重層コンデンサセルの等価回路
【図４】 ５個の電気二重層コンデンサセルを直列に接続して構成した電気二重層コンデンサ装置の実施例
【図５】 充電中の各電気二重層コンデンサセルの充電電圧および電気二重層コンデンサ装置に印加された充電電圧の変化を示す図
【図６】 従来の電気二重層コンデンサ装置の構成例
【図７】 ブリーダ抵抗が電気二重層コンデンサセルに並列に接続された例
【符号の説明】
１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ） 各電気二重層コンデンサセル
５ 充電装置
１０、２０、３０ 電気二重層コンデンサ装置
Claims (2)
- 複数の電気二重層コンデンサセルを直列若しくは直並列に接続して構成し、該電気二重層コンデンサセルに対し並列回路を設けることなく該電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正する電気二重層コンデンサ装置の充電方法であって、
該電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧若しくは電流を増加させる通常充電中に、前記電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧値未満であり、かつ前記複数の電気二重層コンデンサセルのセル端子電圧の内の少なくとも一つが、該電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値以上になったとき、
前記電気二重層コンデンサ装置に対し異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて緩和充電を行い、
該緩和充電の開始後所定時間を経過したとき又は該緩和充電により前記緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させることを特徴とする電気二重層コンデンサ装置の充電方法。 - 複数の電気二重層コンデンサセルを直列若しくは直並列に接続して構成した電気二重層コンデンサ装置と、
該電気二重層コンデンサ装置を充電する充電装置と、
前記電気二重層コンデンサセルの各セル端子電圧を前記充電装置に帰還させるセル端子電圧帰還手段と、
前記電気二重層コンデンサ装置の端子間電圧若しくは電流を増加させる通常充電中に、該端子間電圧が目標充電電圧である設定充電電圧値未満であり、かつ前記セル端子電圧帰還手段により帰還されたセル端子電圧の内の少なくとも一つが、前記電気二重層コンデンサセルの定格電圧を基準に予め設定した緩和充電開始設定電圧値以上になったとき、前記電気二重層コンデンサ装置に対し異なる充電電圧について段階的に複数回に分けて緩和充電を行い、該それぞれの緩和充電の開始後所定時間を経過したとき又は該緩和充電により前記緩和充電開始設定電圧値より小さく予め設定した緩和充電停止設定電圧値を下回ったとき前記通常充電を再開させる緩和充電制御手段とを備え、
前記電気二重層コンデンサセルに対し並列回路を設けることなく該電気二重層コンデンサセルの充電電圧のアンバランスを補正することを特徴とする電気二重層コンデンサ装置の充電装置。
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