JPH11329907A - 電気二重層コンデンサ - Google Patents
電気二重層コンデンサInfo
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Abstract
ンデンサを構成する際に、電力のロスを生じずに各単位
コンデンサ間の電圧のばらつきを低減できるようにす
る。 【解決手段】 複数個の単位電気二重層コンデンサ5を
直列接続するとともに、各単位電気二重層コンデンサ5
と並列にスイッチング素子6を接続し、電気二重層コン
デンサの放電時に各単位コンデンサ5をそれぞれ短絡で
きるように構成する。
Description
サに関し、さらに詳しくは直列接続された複数個の電気
二重層コンデンサに関するものである。
量のコンデンサである。電池のように化学反応を伴わな
いため、充放電の繰り返しによる劣化が極めて小さく、
メンテナンスフリーの蓄電素子として使用できる。ま
た、構成材料に重金属などの有害物質を含まないため、
環境に対しても無害である。このような特徴を生かし
て、電気二重層コンデンサはメモリーバックアップ用部
品として広く用いられている。一般には、電池または商
用交流電源を直流に変換した電源と並列に電気二重層コ
ンデンサを接続し、電源の瞬断時に電気二重層コンデン
サに蓄積された電荷により種々の部品のバックアップを
するという形で使用されている。また近年、容量が飛躍
的に大きい電気二重層コンデンサが開発され、これまで
のメモリーバックアップだけではなく、装置全体のバッ
クアップやモーター駆動など、バッテリーの代替部品あ
るいは補助部品として期待されるようになってきてい
る。特に、近年では電気自動車やハイブリッド自動車の
電源としての要求から、大電流特性に優れたパワー用途
向けの開発が進んでいる。
サの使用電圧は、使用している電解液の電気分解電圧以
下に制限される。大きく分けて、硫酸などの水溶液系の
電解液を用いると電圧の限界は約1V、プロピレンカー
ボネイトなどの有機系電解液を用いると約2.5Vであ
る。それぞれ、この限界電圧を越えた電圧が印加される
と、コンデンサの寿命は著しく低下するので、このよう
なコンデンサの限界電圧以上で使用する場合には、必要
数だけ直列に接続しなければない。図5は単位コンデン
サ12を直列に接続した例の回路図である。しかし、こ
のように直列に接続されたコンデンサに電圧を印加する
と、各単位コンデンサ12の容量や内部抵抗のばらつき
のために各単位コンデンサ12に印加される電圧にもば
らつきが生じる。さらに、このばらつきは充放電の繰り
返しによって、拡大することもある。その結果、単位コ
ンデンサ12に限界電圧以上の電圧が加わって、破壊を
起こすことがある。
間の電圧のばらつきを抑える方法として、特公昭62−
4848号公報(以下、文献1という)には、各単位コ
ンデンサに抵抗値の等しい複数の抵抗体を並列に接続し
て各単位コンデンサに印加される電圧のばらつきを小さ
くする方法が示されている。また、特開平6−3024
74号公報(以下、文献2という)には、各単位コンデ
ンサにツェナーダイオードと抵抗とを直列接続してなる
保護回路を並列に接続する方法が示されている。
献1に示されている方法では、この文献1にも記載され
ているように、各単位コンデンサの絶縁抵抗の1/5〜
1/10の抵抗をそれぞれ接続する必要があるため、コ
ンデンサ全体としての漏れ電流が抵抗体を接続しない場
合の5〜10倍に増大し、電力のロスが非常に大きくな
るという問題点があった。また、上記文献2に示されて
いる方法では、上記文献1に示された方法と同様に、常
時保護回路に電流が流れるため、電力消費が大きいとい
う問題点がある。また、これらの迂回電流によって電圧
を制御する方法は、充電時間が非常に長い場合は有効で
あるが、数秒オーダーの短時間で充電する場合には、迂
回電流が非常に大きくなる。このような大電流での保護
回路は、消費電力が大きいだけでなく、部品も非常に高
価であることから、実用的ではない。また、これらの充
電電圧を制御する方法では、全ての単位コンデンサの電
圧をモニターする必要があるため、保護回路が複雑でコ
ストがかかるという問題点もあった。
で、単位コンデンサを直列接続して電気二重層コンデン
サを構成する際に、電力のロスなく各単位コンデンサ間
の電圧のばらつきを低減できるようにすることを目的と
する。
に本発明の電気二重層コンデンサは、複数個の単位電気
二重層コンデンサを直列接続してなり、該各単位電気二
重層コンデンサをそれぞれ短絡する機構を備えているこ
とを特徴とする。単位電気二重層コンデンサをそれぞれ
短絡する機構は各種の構成とすることができるが、例え
ば各単位電気二重層コンデンサと並列にスイッチング素
子を接続させた構成が好ましい。あるいは各単位電気二
重層コンデンサと並列に、スイッチング素子と抵抗とを
直列に接続してなる制御回路を接続させた構成も好まし
い。
タ、トライアック、パワートランジスタ、パワーMOS
FETおよび絶縁ゲートバイポーラトランジスタから
なる群から選ばれるいずれか1種を好適に用いることが
できる。また前記抵抗を可変抵抗としてもよい。また前
記スイッチング素子の駆動を外部スイッチで制御できる
ように構成してもよい。具体的には前記単位二重層コン
デンサが、1対の集電体と、該集電体の間に配置された
1対の分極性電極と、該分極性電極の間に挟まれたセパ
レータと、前記分極性電極およびセパレータに充填され
た電解液と、前記分極性電極の周りに配置され前記集電
体と接着されたガスケットとを備えてなり、該単位二重
層コンデンサが前記集電体面で積層されることで直列に
接続されており、前記スイッチング素子あるいは制御回
路が前記ガスケットと一体化されている構成とすること
ができる。
放電時に各単位二重層コンデンサ(以下、単に単位コン
デンサということもある)をそれぞれ短絡することによ
って各単位コンデンサ間における電圧のばらつきを抑え
ることができる。特に本発明では電圧のばらつきが拡大
することを抑える効果がある。すなわち本発明におい
て、放電時に各単位コンデンサをそれぞれ短絡すること
で、各単位コンデンサの残存電荷をリセットする。その
結果、各単位コンデンサ間の電圧のばらつきは、初期の
ばらつきの範囲内に抑えることができる。上述した従来
の電圧のばらつきを抑える方法は、いずれも充電時に迂
回回路を通して電荷を捨てることで、電圧の上限を越え
ないようにする方法であった。本発明はこのような従来
の手段とは異なり、電力をロスすることなく、各単位コ
ンデンサ間の電圧のばらつきを抑えてコンデンサの長寿
命化を図ることができる。
れ電圧が0V付近のところで、各単位コンデンサを短絡
することによって、各単位コンデンサの電圧をモニター
したり、電圧の上限や下限を設定する必要がなく、簡単
な回路で制御することができる。また、各単位コンデン
サの短絡電流も小さく抑えることができる。そして制御
回路に可変抵抗を挿入することで、短絡電流を調節する
ことも可能である。また、この各単位コンデンサの短絡
は、充放電の度に行う必要はなく、適当なタイミングで
行うだけでも有効である。
を用いて説明する。図1は単位電気二重層コンデンサの
実施例の断面図である。本実施例の単位コンデンサは、
比表面積の大きい活性炭を用いた一対の分極性電極1
が、一対の集電体2の間に充填されている。各分極性電
極1の間には短絡を防止するセパレータ3が配置され、
これらの分極性電極1及びセパレータ3には電解液が含
浸されている。さらにガスケット4が分極性電極1の周
囲に配置され、集電体2の周端部と接着されることで、
内部の電解液が外部に漏れるのを防止している。本実施
例では、電解液には硫酸水溶液を用いている。
下、単にコンデンサということもある)の第1の実施例
を示したもので、図1の単位コンデンサ(図中符号5で
示す)を直列接続したものである。また図3は回路図で
ある。本実施例において、各単位コンデンサ5にそれぞ
れ並列にサイリスタ6が接続され、単位コンデンサ5と
サイリスタ6からなる各回路が直列に接続されている。
各サイリスタ6へのゲート信号は全て共通で外部スイッ
チ7で制御される。ここで、各単位コンデンサ5に並列
に接続される回路は、あらかじめガスケット4に埋め込
んで一体成型されている。また各単位コンデンサの容量
のばらつきはできるだけ小さいことが望ましい。
2の実施例を示した回路図である。各単位コンデンサ8
は上記第1の実施例と同様のものを用いた。本実施例に
おいて、各単位コンデンサ8にそれぞれ並列に、サイリ
スタ9と抵抗10を直列に接続された制御回路が接続さ
れ、単位コンデンサ8とサイリスタ9と抵抗10からな
る各回路が直列に接続されている。各サイリスタ9への
ゲート信号は全て共通で外部スイッチ11で制御され
る。各単位コンデンサ8に並列に接続される回路は、あ
らかじめガスケット4に埋め込んで一体成型されてい
る。また、各単位コンデンサ8の容量のばらつきはでき
るだけ小さいことが望ましい。
ンデンサを作製し、このコンデンサの内部抵抗および容
量の初期特性を測定した。電気二重層コンデンサを構成
する各単位コンデンサの容量のばらつきはできるだけ小
さいことが望ましいが、本実施例では発明の効果が顕著
に表れるように、直列接続された各単位コンデンサのう
ち、一つの単位コンデンサのみ他の単位コンデンサに比
べて容量が10%小さいものを用いた。また本実施例に
おいては15組の単位コンデンサを直列接続した。得ら
れたコンデンサ全体の内部抵抗および容量の初期特性を
下記表1に示す。
な充放電試験を行った。コンデンサ全体の両端の電圧が
6Vから12Vに上がるまで100Aの定電流充電を行
い、引き続き12Vから6Vまで100Aで定電流放電
を行った。このときの充電時間及び放電時間はそれぞれ
3秒で、さらに放電後24秒休止を行った。この1サイ
クルで30秒の充放電パターンを本実施例のコンデンサ
に繰り返した。この充放電サイクル試験を1万回繰り返
したところで充放電試験を中断し、コンデンサ全体の両
端を短絡した。次に両端の電圧が0.1V以下になった
ところで、外部スイッチ7をオンし、各単位コンデンサ
をそれぞれ短絡した。その後、再び充放電サイクル試験
を開始した。同様の短絡を充放電サイクル1万回に1回
の頻度で行った。充放電サイクル試験を10万回繰り返
した後の内部抵抗及び容量を下記表1に示す。
コンデンサを作製し、このコンデンサの内部抵抗および
容量の初期特性を測定した。電気二重層コンデンサを構
成する各単位コンデンサの容量のばらつきはできるだけ
小さいことが望ましいが、本実施例では発明の効果が顕
著に表れるように、直列接続された各単位コンデンサの
うち、一つの単位コンデンサのみ他の単位コンデンサに
比べて容量が10%小さいものを用いた。また本実施例
においては15組の単位コンデンサを直列接続した。得
られたコンデンサ全体の内部抵抗および容量の初期特性
を下記表1に示す。
な充放電サイクル試験を行った。すなわち、コンデンサ
全体の両端の電圧が6Vから12Vに上がるまで100
Aの定電流で充電を行い、引き続き12Vから6Vまで
100Aで放電を行った。このときの充電時間及び放電
時間はそれぞれ3秒であった。さらに放電後24秒休止
を行い、全体で30秒1サイクルの充放電を繰り返し
た。この充放電サイクルを1万回繰り返したところで充
放電試験を中断し、外部スイッチ11をオンし、各単位
コンデンサをそれぞれ短絡した。このとき、各単位コン
デンサに流れる短絡電流は並列に接続された制御回路の
可変抵抗の抵抗値とコンデンサの電圧によって制御する
ことができる。再び充放電サイクルを開始し、同様の短
絡を1万回に1回行った。この充放電サイクルを10万
回繰り返した後の内部抵抗及び容量を下記表1に示す。
に示す構成のコンデンサを作製した。各単位コンデンサ
12は上記実施例1と同様のものを用い、単位コンデン
サ12を直列に15個接続した。各単位コンデンサの容
量のばらつきはできるだけ小さいことが望ましいが、本
比較例では、発明の効果が顕著に表れるように、直列接
続された各単位コンデンサのうち、一つの単位コンデン
サのみ他の単位コンデンサに比べて容量が10%小さい
ものを用いた。得られたコンデンサ全体の内部抵抗およ
び容量の初期特性を下記表1に示す。
な充放電試験を行った。コンデンサ全体の両端の電圧が
6Vから12Vに上がるまで100Aの定電流で充電を
行い、引き続き12Vから6Vまで100Aで放電を行
った。このときの充電時間及び放電時間はそれぞれ3秒
であった。さらに放電後24秒休止を行い、全体で30
秒1サイクルの充放電を繰り返した。このような充放電
サイクルを10万回繰り返した後の内部抵抗及び容量を
下記表1に示す。
サに並列にスイッチング素子や制御回路が接続されてお
らず、充放電試験中に短絡を行うことができない比較例
のコンデンサは、充放電を10万回繰り返した後、内部
抵抗は初期の約2倍に増加し容量は約25%減少した。
しかし、実施例1及び実施例2のように、充放電1万回
に1回の割合で各単位コンデンサを短絡することで、1
0万回充放電後の内部抵抗の上昇は5%以内に抑えるこ
とができ、容量はほとんど変化しなかった。この結果
は、以下の理由による。
施例2および比較例のコンデンサを構成する15個の単
位コンデンサについて、充放電試験前、充放電試験後に
おける電圧をそれぞれ示したものである。各単位コンデ
ンサの電圧は100Aで充電を行った際のコンデンサ全
体の電圧が12Vに達した瞬間に測定した。このような
定電流充電中の電圧は各単位コンデンサの容量に依存す
るため、組立時に他の単位コンデンサに比べて容量を1
0%小さく設定した単位コンデンサの電圧が他に比べて
約10%高くなっている。充放電試験前のこの傾向は、
実施例1、実施例2及び比較例のどのコンデンサもほと
んど同様であった。ところが充放電試験後の各電圧は、
図6及び図7に示す実施例1及び実施例2のコンデンサ
においては、充放電試験前とほぼ同様であるが、図8の
従来例のコンデンサの場合、充放電試験後、容量が10
%小さい単位コンデンサと他の単位コンデンサとの電圧
差は充放電試験前に比べて大幅に増加した。その結果、
この容量の小さい単位コンデンサには1.0Vを越える
電圧が印加され、この単位コンデンサの内部抵抗も他に
比べて上昇した。そのため、コンデンサ全体の内部抵抗
が上昇し、内部抵抗分の損失による容量の低下が起こっ
た。このようにもともと他に比べて高い電圧がかかって
いた単位コンデンサは、本試験のような大電流でかつ短
時間の充放電を繰り返し行うと、電圧はさらに上昇して
いくことがある。したがって実施例1,2のように1万
回に1回短絡するということは、このような電圧差の拡
大をリセットする効果がある。
ンデンサにおいても、上記実施例1,2と同様の効果が
得られた。また、スイッチング素子としてサイリスタの
他にトライアック、パワートランジスタ、パワーMOS
FETあるいは絶縁ゲートバイポーラトランジスタの
いずれかを用いても同様の効果が得られた。
複数個の単位二重層コンデンサを直列接続してなる電気
二重層コンデンサの、各単位コンデンサ間の電圧のばら
つきの拡大を、コンデンサの放電時に各単位コンデンサ
をそれぞれ短絡することで防止することができる。本発
明によれば、各単位コンデンサに並列に、スイッチング
素子あるいはスイッチング素子と抵抗を直列に接続して
なる制御回路を接続した電圧のばらつきの小さい電気二
重層コンデンサが得られる。
サの例を示す断面図である。
す断面図である。
す回路図である。
す回路図である。
図である。
クル試験を行う前後の各単位コンデンサの電圧変化の説
明図である。
クル試験を行う前後の各単位コンデンサの電圧変化の説
明図である。
クル試験を行う前後の各単位コンデンサの電圧変化の説
明図である。
スケット 5…単位電気二重層コンデンサ、6…サイリスタ(スイ
ッチング素子)、7…外部スイッチ、8…単位電気二重
層コンデンサ、9…サイリスタ(スイッチング素子)、
10…抵抗、11…外部スイッチ
Claims (7)
- 【請求項1】 複数個の単位電気二重層コンデンサを直
列接続してなり、該各単位電気二重層コンデンサをそれ
ぞれ短絡する機構を備えていることを特徴とする電気二
重層コンデンサ。 - 【請求項2】 複数個の単位電気二重層コンデンサを直
列接続してなり、該各単位電気二重層コンデンサと並列
にスイッチング素子が接続されていることを特徴とする
電気二重層コンデンサ。 - 【請求項3】 複数個の単位電気二重層コンデンサを直
列接続してなり、該各単位電気二重層コンデンサと並列
に、スイッチング素子と抵抗とを直列に接続してなる制
御回路が接続されていることを特徴とする電気二重層コ
ンデンサ。 - 【請求項4】 前記スイッチング素子がサイリスタ、ト
ライアック、パワートランジスタ、パワーMOS FE
Tおよび絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなる群
から選ばれるいずれか1種であることを特徴とする請求
項2または3のいずれかに記載の電気二重層コンデン
サ。 - 【請求項5】 前記抵抗が可変抵抗であることを特徴と
する請求項3記載の電気二重層コンデンサ。 - 【請求項6】 前記スイッチング素子の駆動を制御する
外部スイッチを備えてなることを特徴とする請求項2〜
5のいずれかに記載の電気二重層コンデンサ。 - 【請求項7】 前記単位二重層コンデンサが、1対の集
電体と、該集電体の間に配置された1対の分極性電極
と、該分極性電極の間に挟まれたセパレータと、前記分
極性電極およびセパレータに充填された電解液と、前記
分極性電極の周りに配置され前記集電体と接着されたガ
スケットとを備えてなり、該単位二重層コンデンサが前
記集電体面で積層されることで直列に接続されており、
前記スイッチング素子あるいは制御回路が前記ガスケッ
トと一体化されていることを特徴とする請求項2〜5の
いずれかに記載の電気二重層コンデンサ。
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