JP5465870B2 - 電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法及び電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法及び電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置に関する。
現在、蓄電要素には、電気化学反応を利用した２次電池、イオン吸着を利用した電気二重層キャパシタ、誘電現象を利用したコンデンサー等がある。中でも電気二重層キャパシタは、２次電池と比べると、エネルギー密度は低いものの、重金属を含まないため環境負荷が少ない点や、メンテナンスフリーである点、寿命が長い点などが着目されており、鉛蓄電池の代替を視野に入れた高容量化の開発が進められている。
鉛蓄電池の場合、一般的な使用では、放電時間が１ｈ以上である。この鉛蓄電池の放電エネルギーを評価する場合、電池の特性は放電電流の依存性が大きいため、使用例と同じ放電条件で行う必要があり、長時間を要する。
一方、電気二重層キャパシタの放電エネルギーは静電容量と内部抵抗に支配されているため、これら２つの特性を把握することが重要となる。
一方、電気二重層キャパシタの放電エネルギーは静電容量と内部抵抗に支配されているため、これら２つの特性を把握することが重要となる。
また、電気二重層キャパシタを鉛蓄電池の代替用途として長時間放電させて評価する場合、キャパシタの放電電流は微弱となるため内部抵抗による損失も無視することができる。したがって、長時間放電での電気二重層キャパシタの放電エネルギーは、静電容量のみで評価が可能である。また、従来の電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法の一例が下記特許文献１に開示されている。
しかしながら、上述した従来の電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法では、放電電流により静電容量が変化し、特に低温領域ではその依存性が著しく現れるため、鉛蓄電池と同様に使用例に合わせた長時間放電での評価が必要不可欠であるという問題があった。
以上のことから、本発明は、低電流放電時の静電容量や放電エネルギーを短い時間で評価することができる電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法及び電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決する第１の発明に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法は、
定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させて電気二重層キャパシタの静電容量を評価する電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法において、
所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させた後に放電電流を０とし、
放電電流を０とした後に、内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電圧の時間に対する変化量が収束した時間における電気二重層キャパシタの電圧を用い電気二重層キャパシタの静電容量を計算する
ことを特徴とする。
定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させて電気二重層キャパシタの静電容量を評価する電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法において、
所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させた後に放電電流を０とし、
放電電流を０とした後に、内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電圧の時間に対する変化量が収束した時間における電気二重層キャパシタの電圧を用い電気二重層キャパシタの静電容量を計算する
ことを特徴とする。
上記の課題を解決する第２の発明に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法は、
定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させて電気二重層キャパシタの静電容量を評価する電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法において、
所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させた後に放電電流を０とし、
放電電流を０とした後に記録した電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の前回の記録値と放電後収束電圧の現在の値とを用いて内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の変動値を計算し、変動値が所定値以下となったときの電気二重層キャパシタの放電後収束電圧を用いて電気二重層キャパシタの静電容量を計算する
ことを特徴とする。
定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させて電気二重層キャパシタの静電容量を評価する電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法において、
所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させた後に放電電流を０とし、
放電電流を０とした後に記録した電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の前回の記録値と放電後収束電圧の現在の値とを用いて内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の変動値を計算し、変動値が所定値以下となったときの電気二重層キャパシタの放電後収束電圧を用いて電気二重層キャパシタの静電容量を計算する
ことを特徴とする。
上記の課題を解決する第３の発明に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置は、
定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させる放電制御をし、電気二重層キャパシタの電圧及び放電電流を検出する充放電制御手段と、
放電電流を０とした後に、内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電圧の時間に対する変化量が収束した時間における電気二重層キャパシタの電圧を用い電気二重層キャパシタの静電容量を計算する計算手段と
を備える
ことを特徴とする。
定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させる放電制御をし、電気二重層キャパシタの電圧及び放電電流を検出する充放電制御手段と、
放電電流を０とした後に、内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電圧の時間に対する変化量が収束した時間における電気二重層キャパシタの電圧を用い電気二重層キャパシタの静電容量を計算する計算手段と
を備える
ことを特徴とする。
上記の課題を解決する第４の発明に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置は、
定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させる放電制御をし、電気二重層キャパシタの電圧及び放電電流を検出する充放電制御手段と、
検出した電気二重層キャパシタの電圧及び放電電流を記録する記録手段と、
放電電流を０とした後に記録手段に記録した電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の前回の記録値と放電後収束電圧の現在の値とを用いて内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の変動値を計算し、変動値が所定値以下となったときの電気二重層キャパシタの放電後収束電圧を用いて電気二重層キャパシタの静電容量を計算する計算手段と
を備える
ことを特徴とする。
定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させる放電制御をし、電気二重層キャパシタの電圧及び放電電流を検出する充放電制御手段と、
検出した電気二重層キャパシタの電圧及び放電電流を記録する記録手段と、
放電電流を０とした後に記録手段に記録した電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の前回の記録値と放電後収束電圧の現在の値とを用いて内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の変動値を計算し、変動値が所定値以下となったときの電気二重層キャパシタの放電後収束電圧を用いて電気二重層キャパシタの静電容量を計算する計算手段と
を備える
ことを特徴とする。
本発明によれば、低電流放電時の静電容量や放電エネルギーを短い時間で評価することができる電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法及び電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置を提供することが可能となる。
以下、本発明に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法及び電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置の実施形態について、図を参照しながら説明する。
電気二重層キャパシタは、一般的に、３０ｍＡ／ｃｍ2の放電電流で評価されており、その放電時間は３０秒程度である。一方、鉛蓄電池代替を視野に入れて放電時間を１ｈ以上とする場合の放電電流は、０．２５ｍＡ／ｃｍ2となる。そこで、通常の３０ｍＡ／ｃｍ2放電での試験から、低電流放電時の特性も把握できる電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法及び電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置について考案した。
はじめに、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置について説明する。
図１は、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置の構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置１は、静電容量の評価対象である電気二重層キャパシタ６の充放電の制御を行う充放電制御装置２と、電気二重層キャパシタ６の静電容量の評価データを記録する記録部３と、電気二重層キャパシタ６の静電容量の評価のための計算を行う計算部４と、電気二重層キャパシタ６の静電容量の評価結果の表示を行う表示部５と、電気二重層キャパシタ６の静電容量の評価を行うための負荷７と、充放電制御装置２と負荷７とを接続又は非接続とするスイッチ８とにより構成されている。
図１は、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置の構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置１は、静電容量の評価対象である電気二重層キャパシタ６の充放電の制御を行う充放電制御装置２と、電気二重層キャパシタ６の静電容量の評価データを記録する記録部３と、電気二重層キャパシタ６の静電容量の評価のための計算を行う計算部４と、電気二重層キャパシタ６の静電容量の評価結果の表示を行う表示部５と、電気二重層キャパシタ６の静電容量の評価を行うための負荷７と、充放電制御装置２と負荷７とを接続又は非接続とするスイッチ８とにより構成されている。
また、充放電制御装置２は、電気二重層キャパシタ６の電流を測定する電流測定端子２ａと、スイッチ８を制御するスイッチ制御信号端子２ｂと、充放電制御装置２に電気二重層キャパシタ６を接続し、電気二重層キャパシタ６の電圧を測定する電気二重層キャパシタ接続端子２ｃ，２ｄと、充放電制御装置２に負荷７を接続する負荷接続端子２ｅ，２ｆと、電気二重層キャパシタ６の電流値をデジタル値として出力する電流出力端子２ｇと、電気二重層キャパシタ６の電圧値をデジタル値として出力する電圧出力端子２ｈとを備えている。
ここで、上述した本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置１において、パソコンを用いた場合の構成例について説明する。
図２は、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置においてパソコンを用いた場合の構成例を示した図である。
図２は、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置においてパソコンを用いた場合の構成例を示した図である。
図２に示すように、充放電制御装置２には、アナログ・デジタル変換器１０（以下、Ａ／Ｄ変換器という）を介してパソコン１１が接続されている。なお、上述したように、充放電制御装置２の電流出力端子及び電圧出力端子であるデータ出力端子１２の出力がデジタル出力である場合にはＡ／Ｄ変換器１０を介さずにパソコン１１を直接接続するようにすることも可能である。また、充放電制御装置２には、静電容量の評価対象である電気二重層キャパシタ６が接続されている。
なお、充放電制御装置２は、電気二重層キャパシタ接続端子１４を備えており、電気二重層キャパシタ接続端子１４と電気二重層キャパシタ６の正極端子６ａ及び負極端子６ｂとの間に、それぞれ電流出力用のケーブル１５と電圧検出用のケーブル１６が配線されている。
そして、電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置１においてパソコン１１を用いた場合には、パソコン１１内部のハードディスクドライブや外部記憶装置を記録部３として用い、パソコン１１のＣＰＵを計算部４として用い、パソコン１１のモニタ１３を表示部５として用いるものとする。
次に、本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法について説明する。
ここで、まず、従来の電気二重層キャパシタの静電容量の一般的な算出方法について説明する。
図７は、従来の電気二重層キャパシタの静電容量の一般的な算出方法を示した図である。
図７に示すように、従来の電気二重層キャパシタ６の静電容量の一般的な算出方法は、放電時の電圧波形の直線が成り立つ部分である、図７中矢印Ａで示す直線部分の傾きを求める方法である。電気二重層キャパシタ６の放電波形と従来の電気二重層キャパシタ６の静電容量Ｃの一般的な算出方法を、下記式（１）に示す。なお、下記式（１）において、Ｉは放電電流、Ｖは電圧、ｔは時間を意味する。
ここで、まず、従来の電気二重層キャパシタの静電容量の一般的な算出方法について説明する。
図７は、従来の電気二重層キャパシタの静電容量の一般的な算出方法を示した図である。
図７に示すように、従来の電気二重層キャパシタ６の静電容量の一般的な算出方法は、放電時の電圧波形の直線が成り立つ部分である、図７中矢印Ａで示す直線部分の傾きを求める方法である。電気二重層キャパシタ６の放電波形と従来の電気二重層キャパシタ６の静電容量Ｃの一般的な算出方法を、下記式（１）に示す。なお、下記式（１）において、Ｉは放電電流、Ｖは電圧、ｔは時間を意味する。
次に、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法について説明する。
本実施形態に係る静電容量の算出方法は、放電後の電圧挙動に着目したことを特徴としている。
図３は、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法を示した図である。
図３に示すように、電気二重層キャパシタ６は、放電電流Ｉを流して放電終了電圧ＶEに達したときに放電完了となる。その後、電気二重層キャパシタ６の端子間電圧は、内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて、電圧が徐々に復帰する。この復帰する速度は電極により異なるので、電圧の時間に対する変化量が一定基準以下となった時点、すなわち放電後に電圧が収束した時間ＴC時における電圧を収束電圧ＶLとし、この値を用いて下記式（２）から静電容量ＣＬを算出した。なお、下記式（２）において、ＴEは放電完了時間、Ｖ0は充電電圧を意味する。
本実施形態に係る静電容量の算出方法は、放電後の電圧挙動に着目したことを特徴としている。
図３は、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法を示した図である。
図３に示すように、電気二重層キャパシタ６は、放電電流Ｉを流して放電終了電圧ＶEに達したときに放電完了となる。その後、電気二重層キャパシタ６の端子間電圧は、内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて、電圧が徐々に復帰する。この復帰する速度は電極により異なるので、電圧の時間に対する変化量が一定基準以下となった時点、すなわち放電後に電圧が収束した時間ＴC時における電圧を収束電圧ＶLとし、この値を用いて下記式（２）から静電容量ＣＬを算出した。なお、下記式（２）において、ＴEは放電完了時間、Ｖ0は充電電圧を意味する。
また、電圧の時間に対する変化量の基準は２０μＶ／ｓｅｃとした。これは、この値以外でも静電容量の算出は可能であるが、これよりも大きな値では静電容量に電流依存性があらわれ、これよりも小さい値とすると電流依存性は小さくなる反面、評価時間が長くなってしまうためである。
次に、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法の手順を説明する。
図４は、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法の手順を示したフローチャートである。
図４に示すように、はじめに、ステップＳ１において、計算部４（図１参照）は、電気二重層キャパシタ６の放電電流Ｉが０となった時点を放電完了とみなす。計算部４は、電気二重層キャパシタ６の放電電流Ｉが０となった場合、ステップＳ２を実行する。また、計算部４は、電気二重層キャパシタ６の放電電流Ｉが０となっていない場合、ステップＳ１を再度実行する。
図４は、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法の手順を示したフローチャートである。
図４に示すように、はじめに、ステップＳ１において、計算部４（図１参照）は、電気二重層キャパシタ６の放電電流Ｉが０となった時点を放電完了とみなす。計算部４は、電気二重層キャパシタ６の放電電流Ｉが０となった場合、ステップＳ２を実行する。また、計算部４は、電気二重層キャパシタ６の放電電流Ｉが０となっていない場合、ステップＳ１を再度実行する。
次に、ステップＳ２において、計算部４は、記録部３（図１参照）に記録した放電後収束電圧ＶLの前回の記録値（ＶLn-1）と、放電後収束電圧ＶLの現在の値ＶLnの差分又は差分の充電電圧に対する比率を計算する。計算部４は、ステップＳ２の実行後、ステップＳ３を実行する。
次に、ステップＳ３において、計算部４は、差分又は比率が所定値（Ｃｏｎｓｔ）より小さいかどうか判断する。計算部４は、差分又は比率が所定値（Ｃｏｎｓｔ）より小さい場合、ステップＳ４を実行する。また、計算部４は、差分又は比率が所定値（Ｃｏｎｓｔ）より小さくない場合、ステップＳ２を再度実行する。
最後に、ステップＳ４において、計算部４は、上記式（２）により、静電容量ＣＬを計算する。
このように、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法においては、放電電流を０とした後、記録部３に記録した前回の電気二重層キャパシタ６の電圧と現在の電気二重層キャパシタ６の電圧を用いて電気二重層キャパシタ６の電圧の変動値を計算し、変動値が所定値以下となったときの電気二重層キャパシタ６の電圧を用いて電気二重層キャパシタ６の静電容量を計算するものとする。
このように、本実施形態に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法においては、放電電流を０とした後、記録部３に記録した前回の電気二重層キャパシタ６の電圧と現在の電気二重層キャパシタ６の電圧を用いて電気二重層キャパシタ６の電圧の変動値を計算し、変動値が所定値以下となったときの電気二重層キャパシタ６の電圧を用いて電気二重層キャパシタ６の静電容量を計算するものとする。
図５は、本実施形態に係る３０ｍＡ／ｃｍ2放電で得た静電容量及び従来の０．２５ｍＡ／ｃｍ2放電で得た静電容量の温度依存性を示した図である。
図５に示すように、本実施形態に係る静電容量の算出方法によれば、評価時間の短い３０ｍＡ／ｃｍ2放電でも、鉛蓄電池代替を視野に入れた長時間を要する０．２５ｍＡ／ｃｍ2放電で得た静電容量と同じ値が得られることが分かる。
図５に示すように、本実施形態に係る静電容量の算出方法によれば、評価時間の短い３０ｍＡ／ｃｍ2放電でも、鉛蓄電池代替を視野に入れた長時間を要する０．２５ｍＡ／ｃｍ2放電で得た静電容量と同じ値が得られることが分かる。
図６は、本実施形態に係る静電容量の算出方法と他の静電容量の算出方法の電流密度依存性を示した図である。なお、図６中、Ｃは放電後半８０％の電圧曲線を直線回帰した結果、Ｃ’は放電終了から５秒後の電圧から算出した結果、ＣＳは放電中の電圧曲線の直線部分を回帰した結果、ＣＬは本実施形態に係る放電終了後に復帰する電圧の収束値から算出した結果、ＣＥは実測の放電エネルギー及び放電時間から算出した結果を示している。
図６に示すように、これらの挙動を比較すると、静電容量ＣＬは放電電流の依存性が極めて小さいことが分かる。この静電容量ＣＬであれば、短時間で評価可能な高電流放電の結果から、長時間を要する低電流放電時の静電容量を推測することが可能である。
以上のように、本発明に係る電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法及び電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置によれば、電気二重層キャパシタ６の静電容量を、放電終了後の収束した電圧から算出することにより、放電電流や温度に依存しない電気二重層キャパシタ６の静電容量を把握することができる。
これにより、従来は長時間を要した低電流放電時の静電容量や放電エネルギーを短い時間、例えば、従来に比べ１／１０以下の時間で評価することができる。
これにより、従来は長時間を要した低電流放電時の静電容量や放電エネルギーを短い時間、例えば、従来に比べ１／１０以下の時間で評価することができる。
本発明は、例えば、電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法及び電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置に利用することが可能である。
１ 電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置
２ 充放電制御装置
３ 記録部
４ 計算部
５ 表示部
６ 電気二重層キャパシタ
７ 負荷
８ スイッチ
１０ アナログ・デジタル変換器
１１ パソコン
１２ データ出力端子
１３ モニタ
１４ 電気二重層キャパシタ接続端子
１５ 電流出力用のケーブル
１６ 電圧検出用のケーブル
２ 充放電制御装置
３ 記録部
４ 計算部
５ 表示部
６ 電気二重層キャパシタ
７ 負荷
８ スイッチ
１０ アナログ・デジタル変換器
１１ パソコン
１２ データ出力端子
１３ モニタ
１４ 電気二重層キャパシタ接続端子
１５ 電流出力用のケーブル
１６ 電圧検出用のケーブル
Claims (4)
- 定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させて電気二重層キャパシタの静電容量を評価する電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法において、
所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させた後に放電電流を０とし、
放電電流を０とした後に、内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電圧の時間に対する変化量が収束した時間における電気二重層キャパシタの電圧を用い電気二重層キャパシタの静電容量を計算する
ことを特徴とする電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法。 - 定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させて電気二重層キャパシタの静電容量を評価する電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法において、
所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させた後に放電電流を０とし、
放電電流を０とした後に記録した電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の前回の記録値と放電後収束電圧の現在の値とを用いて内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の変動値を計算し、変動値が所定値以下となったときの電気二重層キャパシタの放電後収束電圧を用いて電気二重層キャパシタの静電容量を計算する
ことを特徴とする電気二重層キャパシタの静電容量の評価方法。 - 定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させる放電制御をし、電気二重層キャパシタの電圧及び放電電流を検出する充放電制御手段と、
放電電流を０とした後に、内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電圧の時間に対する変化量が収束した時間における電気二重層キャパシタの電圧を用い電気二重層キャパシタの静電容量を計算する計算手段と
を備える
ことを特徴とする電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置。 - 定電流で所定の電圧まで電気二重層キャパシタを放電させる放電制御をし、電気二重層キャパシタの電圧及び放電電流を検出する充放電制御手段と、
検出した電気二重層キャパシタの電圧及び放電電流を記録する記録手段と、
放電電流を０とした後に記録手段に記録した電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の前回の記録値と放電後収束電圧の現在の値とを用いて内部抵抗のために放電できなかったエネルギーに応じて徐々に復帰する電気二重層キャパシタの放電後収束電圧の変動値を計算し、変動値が所定値以下となったときの電気二重層キャパシタの放電後収束電圧を用いて電気二重層キャパシタの静電容量を計算する計算手段と
を備える
ことを特徴とする電気二重層キャパシタの静電容量の評価装置。
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2008
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