(57)【要約】【課題】負荷の要求に応じて使用されるキャパシタ電源の温度上昇から寿命を推定しキャパシタ電源の容量評価を簡便に行えるようにする。【解決手段】少なくとも基準とする温度Ｔr 、該温度Ｔr に対応するキャパシタの劣化係数αTr又は劣化時間ｔTrr 、劣化度Ｄr 、劣化度Ｄr における所定の温度差Ｔint 、該所定の温度差に対応する各温度における劣化時間の倍率λからなる寿命推定用のデータ、キャパシタ電源の使用温度Ｔx のデータを保持し、    ｔTxr ＝λ(Tr-Tx)/Tint×ｔTrr 、αTx＝Ｄr ／√ｔTxr 、ｔTx＝（Ｄs ／αTx）2 により使用温度Ｔx における劣化係数αTx、劣化度Ｄs までの推定寿命ｔTxを求める。【選択図】図１
2008070296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷パターンに応じて設計されるキャパシタ電源の使用温度に応じた寿命の推定、評価を行うキャパシタ電源の寿命推定評価システムであって、
少なくとも基準とする温度Ｔr 、該温度Ｔr に対応するキャパシタの劣化係数αTr又は劣化時間ｔTrr 、劣化度Ｄr 、劣化度Ｄr における所定の温度差Ｔint 、該所定の温度差に対応する各温度における劣化時間の倍率λを寿命推定用のデータとして保持する寿命推定用データ保持手段と、
キャパシタ電源の使用温度Ｔx のデータを保持する温度データ保持手段と、
前記寿命推定用のデータに基づいて
ｔTxr ＝λ(Tr-Tx)/Tint×ｔTrr 
αTx＝Ｄr ／√ｔTxr 
により前記使用温度Ｔx における劣化係数αTxを求める劣化係数演算手段と、
前記劣化係数演算手段により求めた劣化係数αTxに基づき推定寿命とする劣化度Ｄs までの時間ｔTxを
ｔTx＝（Ｄs ／αTx）2 
により求め寿命ＬTx＝ｔTxとして推定する寿命推定演算手段と
を備えたことを特徴とするキャパシタ電源の寿命推定評価システム。
【請求項２】
負荷パターンに応じて設計されるキャパシタ電源の使用温度に応じた寿命の推定、評価を行うキャパシタ電源の寿命推定評価システムであって、
２つの異なる温度とそれぞれの温度における使用時間と静電容量による劣化度を測定したデータを保持する測定データ保持手段と、
前記測定した前記各温度におけるデータに基づき前記使用時間の平方根と前記劣化度が比例する関係にある劣化係数を求め、前記一方の温度におけるデータを基準データとして、該温度Ｔr に対応するキャパシタの劣化係数αTr又は劣化時間ｔTrr 、劣化度Ｄr 、劣化度Ｄr における所定の温度差Ｔint 、該所定の温度差に対応する各温度における劣化時間の倍率λを寿命推定用のデータとして保持する寿命推定用データ保持手段と、
キャパシタ電源の使用温度Ｔx のデータを保持する温度データ保持手段と、
前記寿命推定用のデータに基づいて
ｔTxr ＝λ(Tr-Tx)/Tint×ｔTrr 
αTx＝Ｄr ／√ｔTxr 
により前記使用温度Ｔx における劣化係数αTxを求める劣化係数演算手段と、
前記劣化係数演算手段により求めた劣化係数αTxに基づき推定寿命とする劣化度Ｄs までの時間ｔTxを
ｔTx＝（Ｄs ／αTx）2 
により求め寿命ＬTx＝ｔTxとして推定する寿命推定演算手段と
を備えたことを特徴とするキャパシタ電源の寿命推定評価システム。
【請求項３】
前記温度Ｔr は、７０℃であることを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ電源の寿命推定評価システム。
【請求項４】
前記温度データ保持手段は、
時系列に要求される電力のパターン情報を有する負荷パターンのデータ及びキャパシタ電源の定格仕様を含む設計データを保持し、
前記時系列にしたがい前記記憶手段から読み出されるデータのキャパシタ電圧、静電容量、内部抵抗と時系列の負荷パターンに基づいて前記キャパシタ電源の電流を求め、
前記時系列にしたがい前記キャパシタ電圧、内部抵抗と前記電流に基づいて前記キャパシタ電源の出力電圧及び充放電量を求めて該充放電後の前記キャパシタ電源の蓄電容量を求め該蓄電容量と前記静電容量に基づいて前記キャパシタ電圧を更新する処理を繰り返すことにより、負荷パターンに対応した前記キャパシタ電源の充放電によるキャパシタ電圧及び蓄電容量の変動を含む充放電特性のシミュレーションを行い、
前記電流と前記内部抵抗に基づく前記内部抵抗による総電力損失から前記キャパシタ電源の温度上昇を求め使用温度Ｔx のデータとして保持することを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ電源の寿命推定評価システム。
【請求項５】
前記温度データ保持手段は、前記電力損失に応じた温度を保持し、前記劣化係数演算手段は、前記温度における劣化係数を求め、前記寿命推定演算手段は、前記劣化係数の平均値に基づき寿命を推定することを特徴とする請求項４記載のキャパシタ電源の寿命推定評価システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷パターンに応じて設計されるキャパシタ電源の使用温度に応じた寿命の評価、判定を行うキャパシタ電源の寿命推定評価システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器の高周波化、高速デジタル化に伴って電子回路が複雑化し、回路図の作成段階で電子回路の電気的特性を予測することが困難になった。そのため、回路を設計試作して電気的特性を測定し、その結果に基づきさらに設計試作のやり直しの試行錯誤を繰り返すことが多くなった。
【０００３】
また、回路シミュレータも利用されるようになったが、特にコンデンサが使用される回路については、予測が難しく電子回路の設計効率化の障害となっていた。そこで、このようなコンデンサ使用回路に対しては、周波数特性の入力、等価回路モデル形成、その評価関数の合成、評価関数を最小化する回路定数の決定を行う各ステップによりコンデンサの等価回路モデルを導出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
１次電池や２次電池、コンデンサなどの蓄電装置に対しては、充電／放電させながら電圧特性の測定、所定周波数領域に対する特性インピーダンススペクトルを測定それぞれ行って、非線形等価回路モデルの特定因子を数値化する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−２５９４８２号公報
【特許文献２】特許第３１９０３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数のキャパシタを直並列接続して構成するキャパシタ電源装置は、蓄電密度や性能の向上、大量供給環境の整備に伴い、産業機器や電力貯蔵など様々な用途に普及、拡大をしつつある。しかし、これまでの代表的な蓄電手段である二次電池は、充放電で電圧があまり変動しないのに対し、キャパシタは、充放電に応じて電圧が大きく上下に変動するので、所望の電力量を確保するためにどれだけのキャパシタが必要かが分かりにくい。ゆえに設計が難しいという問題がある。しかも、キャパシタは、二次電池に比べて出力密度が高く、短時間に大電力を充放電する用途への適用が期待されているが、現状においてはどのくらい発熱するかは実際に使用してみないとわからないという問題もあった。
【０００６】
コンデンサの等価回路モデルを導出する従来の方法や、非線形等価回路モデルの特定因子を数値化する従来の方法は、いずれも複雑、煩雑な回路モデルを用いるものであり、キャパシタ電源装置の設計の支援には向いたものとはなっていない。すなわち、前者の方法は、サンプル周波数毎のインピーダンス（Ｚ）を入力し、ＲＣ回路及びＲＬ回路とＲＣＬ回路のいずれかを等価回路モデルとして形成し、その等価回路モデルの表すインピーダンス（ＺM ）を定義し、評価関数（Ｑ）を合成して最小化し回路ベクトル（Ｐ）を決定するというステップを備え、また、後者の方法は、非線形抵抗器、非線形キャパシタ、及び非線形コイルのうち２個以上の回路素子と定電圧器からなる非線形伝送線モデル、また、伝送線を対置する有限な個数の梯形非線形２端子電池回路のモデルを用いるものである。
【０００７】
しかし、キャパシタ電源の設計では、負荷の電力要求に対して蓄電容量が十分であるか、熱的に許容範囲内で使用できるのか、寿命としてどの程度に考えてよいのかなどの検討、評価が必要であるが、上記従来の方法ではその検討、評価に利用することが難しい。キャパシタ電源の設計としては、負荷に電力を供給し放電するのに伴い、また、負荷からの回生電力で充電するのに伴って、電圧がどのように変動し、充電残量がどの程度になるのか、温度上昇がどの程度になるのか、終止電圧、蓄電残容量、温度上昇の判定評価を行うことが必要である。また、キャパシタの寿命は、使用温度が高温になる（温度上昇が大きい）ほど短くなるので、その面からも評価を行うことが必要になる。このように負荷の要求（負荷条件）に応じ無駄のない効率的なキャパシタ電源を設計しようとする場合には、キャパシタ電源特有の検討を行うことが要求される。
【０００８】
例えばプレス機械、ＮＣ機械等、製造ラインの工作機械では、所定の工程の加工動作を反復繰り返し実行する。このような機械を駆動するモータ負荷への電力供給に主電源とキャパシタ電源とを併用し、ピークカット電力をキャパシタ電源から給電する場合、一般に蓄電容量は十分足りていても、温度上昇が大きいことがあったり、そのようなことがないように大容量に設計して無駄が大きいことがある。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するものであって、負荷の要求に応じて使用されるキャパシタ電源の温度上昇から寿命を推定しキャパシタ電源の容量評価を簡便に行えるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのために本発明は、負荷パターンに応じて設計されるキャパシタ電源の使用温度に応じた寿命の推定、評価を行うキャパシタ電源の寿命推定評価システムであって、
少なくとも基準とする温度Ｔr 、該温度Ｔr に対応するキャパシタの劣化係数αTr又は劣化時間ｔTrr 、劣化度Ｄr 、劣化度Ｄr における所定の温度差Ｔint 、該所定の温度差に対応する各温度における劣化時間の倍率λを寿命推定用のデータとして保持する寿命推定用データ保持手段と、
キャパシタ電源の使用温度Ｔx のデータを保持する温度データ保持手段と、
前記寿命推定用のデータに基づいて
ｔTxr ＝λ(Tr-Tx)/Tint×ｔTrr 
αTx＝Ｄr ／√ｔTxr 
により前記使用温度Ｔx における劣化係数αTxを求める劣化係数演算手段と、
前記劣化係数演算手段により求めた劣化係数αTxに基づき推定寿命とする劣化度Ｄs までの時間ｔTxを
ｔTx＝（Ｄs ／αTx）2 
により求め寿命ＬTx＝ｔTxとして推定する寿命推定演算手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
さらに、２つの異なる温度とそれぞれの温度における使用時間と静電容量による劣化度を測定したデータを保持する測定データ保持手段、前記測定した前記各温度におけるデータに基づき前記使用時間の平方根と前記劣化度が比例する関係にある劣化係数を求め、前記一方の温度におけるデータを基準データとして、該温度Ｔr に対応するキャパシタの劣化係数αTr又は劣化時間ｔTrr 、劣化度Ｄr 、劣化度Ｄr における所定の温度差Ｔint 、該所定の温度差に対応する各温度における劣化時間の倍率λを寿命推定用のデータとして保持する寿命推定用データ保持手段をを備えたことを特徴とする。
【００１２】
前記温度Ｔr は、７０℃であることを特徴とし、また、前記温度データ保持手段は、
時系列に要求される電力のパターン情報を有する負荷パターンのデータ及びキャパシタ電源の定格仕様を含む設計データを保持し、
前記時系列にしたがい前記記憶手段から読み出されるデータのキャパシタ電圧、静電容量、内部抵抗と時系列の負荷パターンに基づいて前記キャパシタ電源の電流を求め、
前記時系列にしたがい前記キャパシタ電圧、内部抵抗と前記電流に基づいて前記キャパシタ電源の出力電圧及び充放電量を求めて該充放電後の前記キャパシタ電源の蓄電容量を求め該蓄電容量と前記静電容量に基づいて前記キャパシタ電圧を更新する処理を繰り返すことにより、負荷パターンに対応した前記キャパシタ電源の充放電によるキャパシタ電圧及び蓄電容量の変動を含む充放電特性のシミュレーションを行い、
前記電流と前記内部抵抗に基づく前記内部抵抗による総電力損失から前記キャパシタ電源の温度上昇を求め使用温度Ｔx のデータとして保持することを特徴とする。
【００１３】
前記温度データ保持手段は、前記電力損失に応じた温度を保持し、前記劣化係数演算手段は、前記温度における劣化係数を求め、前記寿命推定演算手段は、前記劣化係数の平均値に基づき寿命を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、使用温度により寿命が大きく変動するキャパシタ電源に対し、負荷パターンに対応する温度上昇に見合った寿命の推定値を提示することができる。したがって、寿命推定に基づいてキャパシタ電源の設計データの見直し、再設計を簡便に行うことができる。本発明によれば、負荷データ、キャパシタデータ、条件設定に応じて充放電シミュレーションデータ、温度上昇値、寿命推定値を出力できるので、それぞれの負荷とキャパシタ電源との組み合わせが適合するか否かを評価、判定することができ、負荷データ、キャパシタデータ、条件設定を変数として更新しながら繰り返し、最適なキャパシタ電源の設計、解を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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は本発明に係るキャパシタ電源の寿命推定評価システムの実施の形態を説明する図、図２はキャパシタ電源と負荷回路の概要を説明する図、図３は温度と寿命との関係を説明する図、図４はキャパシタ設計データ及び負荷データの構成例を示す図である。図１において、１は温度劣化度測定データ、２は温度別劣化係数演算部、３はパラメータ生成処理部、４は寿命推定用パラメータ、５はキャパシタ設計データ、６は負荷データ、７は充放電シミュレーション部、８は温度上昇演算処理部、９は寿命推定評価処理部、１１はキャパシタ電源、１２は充放電制御回路、１３はモータ駆動回路、１４はモータを示す。
【００１６】
本発明に係るキャパシタ電源の寿命推定評価システムでは、図１に示すようにキャパシタの使用温度、時間、劣化度等のデータを寿命推定用測定データ１に記憶保持し、温度別劣化係数演算部２により温度別にキャパシタの劣化係数を求め、パラメータ生成処理部３により寿命推定に必要なパラメータを生成してそれらのデータを寿命推定用パラメータ４に記憶保持することにより、キャパシタ電源の寿命推定、評価に必要なデータを用意する。また、キャパシタ電源の定格仕様に関するキャパシタ設計データ５及び時系列の動作パターンや負荷パターン等の負荷データ６が設計データとして与えられると、これらの設計データに基づき時系列に充放電シミュレーション部７によりキャパシタ電源の充放電電流を求め、続けて電圧（キャパシタ電圧及び端子電圧）を求めて充放電のシミュレーションを行い、さらにキャパシタ温度上昇演算処理部８で上昇温度を求め、寿命推定評価処理部９によりキャパシタ電源の寿命を推定する。
【００１７】
設計支援対象のキャパシタ電源と負荷回路は、例えば図２に示すようにキャパシタ電源１１から電流ポンプや電圧変換回路を含む充放電制御回路１２を通して所定の負荷パターンを有するモータ駆動回路１３、モータ１４に給電するモータ負荷回路からなる構成概要であり、キャパシタ電源の設計支援システムとしては、それぞれキャパシタ電源１１とその負荷回路（充放電制御回路１２、モータ駆動回路１３、モータ１４）に関するデータに基づき、例えばキャパシタ電源１１が許容範囲内の終止電圧や蓄電容量、温度上昇、推定寿命となるキャパシタの直並列数の判定を行えるようにするものである。
【００１８】
図２において、キャパシタ電源１１に関するデータが、例えばｔi 時にバンク電圧（キャパシタ電圧、原電圧）ｖBi、静電容量ＣB 、内部抵抗ｒB 、蓄電量ｗBiであるとすると、キャパシタ電源１１から必要電力ｗli（回生電力の場合には負）を給電するには、出力電圧ｖtiに対応した所定の電流ｉi が流れるように充放電制御をしなければならない。このとき、キャパシタ電源内に発生する電力損失は、内部抵抗ｒB と電流ｉi より（ｉi 2 ×ｒB ）として求められ、また、キャパシタ電源のバンク電圧ｖBiは、内部抵抗ｒB に電流ｉi が流れて生じる電圧降下分を出力電圧ｖtiに加算した（ｖti＋ｉi ×ｒB ）、キャパシタ電源での蓄電量ｗBiは、ＣB ×ｖBi2 ／２、充放電量Δｗciは、（ｗBi-1−ｗBi）としてそれぞれ求められる。さらに、発熱量や放熱量は、電力損失に応じた関数に基づき求められ、これら各時ｔi の値として充放電シミュレーションデータが求められる。キャパシタ電源の蓄電容量ＷBmaxは、バンクを満充電電圧ｖBfまで充電したときの（ＣB ×ｖBf2 ／２）となる。
【００１９】
温度劣化度測定データ１は、ある温度Ｔa における時間ｔTa（ｈｒ）での劣化度ＤTa（％）の測定データを記憶保持するメモリ等のデータ記憶部である。キャパシタは、静電容量Ｃが使用により当初の１００％から経時的に何％の劣化があるか、その劣化度を指標とすると、図３（ａ）に示すように時間の平方根に比例することが判っている。しかも、その劣化の程度は、温度Ｔa 、Ｔr （＞Ｔa ）によって化学反応の速度が大きく変化し、同じ劣化度の劣化に要する時間は温度差に比例して温度が低くなるほど長くなることも判っている。温度別劣化係数演算部２は、温度劣化度測定データ１の時間ｔTaと劣化度ＤTaに基づき劣化係数αTaを求めるものであり、ここで、キャパシタの劣化度ＤTaは時間ｔTaの平方根に比例して進行することから、劣化係数αTaは、
〔数１〕
αTa＝ＤTa／√ｔTa
により求められる。これは、温度Ｔa において劣化度ＤTaの劣化に時間ｔTaを要するという係数になる。
【００２０】
パラメータ生成処理部３は、温度Ｔa とＴr での劣化係数αTa、αTrから任意の温度Ｔx における劣化係数αTxを求めるためのパラメータを生成するものである。いま、劣化度Ｄr を固定値に設定すると、それぞれの温度Ｔa 、Ｔr においてその劣化度Ｄr の劣化に要する時間ｔTar 、ｔTrr は、それぞれの劣化係数αTa、αTrから
〔数２〕
ｔTar ＝（Ｄr ／αTa）2 
ｔTrr ＝（Ｄr ／αTr）2 
となり、同じ劣化度の劣化に要する時間は温度差に比例することから、劣化度Ｄr の劣化に要する時間ｔTxr は、
〔数３〕
ｔTxr ＝λ(Tr-Tx)/Tint×ｔTrr 
ここで、λ＝ｔTar ／ｔTrr ：劣化時間の倍率
Ｔint ＝Ｔr −Ｔa ：温度差
となる。その結果、温度Ｔx における劣化係数αTxは、
〔数４〕
αTx＝Ｄr ／√ｔTxr 
により求めることができる。
【００２１】
したがって、パラメータ生成処理部３では、温度Ｔa とＴr におけるそれぞれの劣化係数αTa、αTrから劣化度Ｄr を固定値に設定したときのｔTrr 、λ、Ｔint をパラメータとして求める。これに対し、寿命推定用パラメータ４は、任意の温度Ｔx における劣化係数αTxを求めて寿命を推定し評価できるパラメータとして、図３（ｂ）に示すようなパラメータ生成処理部３により求められた少なくともｔTrr 、λ、Ｔint にＴr 、Ｄr が付加されたデータを記憶保持するメモリ等のデータ記憶部である。これらのパラメータを寿命推定用として用いると、例えば静電容量が２０％の劣化に要する時間を寿命Ｌ20として、或いは５０％の劣化に要する時間を寿命Ｌ50として、それぞれの劣化度をＤ20＝２０、Ｄ50＝５０とすると、〔数２〕の計算を行うことにより、劣化係数αTi＝０．５００の場合には、Ｌ20＝１６００時間、Ｌ50＝１００００時間となる。
【００２２】
キャパシタ設計データ５は、例えば図４（ａ）に示すモジュール電圧ｖM 、セル直列数ＮS 、モジュール静電容量ＣM 、モジュール内部抵抗ｒM 、許容温度Ｔref 、モジュール直列数ＮMS、並列数ＮMP、バンク電圧ｖB （満充電時の電圧ｖBf）、バンク静電容量ＣB 、バンク内部抵抗ｒB 、モジュール数ＮM 、さらには発熱・放熱係数、温度上昇関数、熱許容量等の定格仕様を含む、所謂キャパシタ電源の設計データを記憶保持するメモリ等のデータ記憶部である。モジュールは、所定数のセルを直列接続したキャパシタ電源の基本構成単位であり、バンクは、複数個のモジュールを直列接続し、さらにそれらを並列接続してキャパシタ電源を構成するものである。
【００２３】
例えば２．５（Ｖ）のセルを２５個直列接続してモジュール電圧ｖM が５０（Ｖ）のモジュールが構成される。このモジュールを基本構成単位とすると、負荷の使用（開始）電圧ｖL が６５０（Ｖ）である場合には、１３個のモジュールを直列接続するものとして並列数１のバンクが選択、設定される。つまり、モジュール直列数ＮMSが１３、満充電時のバンク電圧（ｖBf）が６５０（Ｖ）のバンク構成にすることで、バンク静電容量ＣB はＣM ／１３、バンク内部抵抗ｒB は１３×ｒM により求められる。並列数ＮMPが１から２にになれば、それに応じて新たなバンク静電容量ＣB が２倍、バンク内部抵抗ｒB が２分の１、モジュール数ＮM が２倍になる。このようにバンクに関する定格仕様の値は、まず、バンク電圧が決まると共に他の値も決まる。
【００２４】
負荷データ６は、例えば図４（ｂ）に示す使用電圧ｖL 、キャパシタ電源に対して時系列ｔi に要求される電力（必要電力）ｗliを有する負荷パターンのデータを記憶保持するメモリ等のデータ記録部である。単位時間Δｔ毎の負荷容量ｗliでもよいし、経時的に変化する負荷容量の関数でもよい。例えばあるモータ選定ソフトでは、入力される動作パターンからトルクが算出され、その動作パターンの回転数トルクの乗算により負荷パターン（＝回転数×トルク）が得られる。さらに、主電源があってキャパシタ電源をピークカットの補助電源とする場合には、この負荷パターンに対して供給電力の条件を入力することにより、負荷パターンが主電源からの供給電力を越える部分としてキャパシタ電源よりピークカットして供給する電力が求められる。このピークカット電力が本実施形態では、必要な負荷データとなる。
【００２５】
充放電シミュレーション部７は、まず、キャパシタ設計データ５及び負荷データ６に基づきキャパシタ電源１１から必要電力に見合って充放電される電流ｉi を求めるものであり、時系列更新されたキャパシタ電圧が次のデータとして使用される。負荷データの各時ｔi における必要電力ｗli（＝ｖti×ｉi ）に見合ったキャパシタ電流ｉi は、
〔数５〕
ｉi ＝｛ｖBi±√（ｖBi2 −４×ｒB ×ｗli）｝／（２×ｒB ）
ここで、ｉi ×ｖBi＝ｗli＋ｉi 2 ×ｒB ＝Δｗci
により求められる。さらに、充放電シミュレーション部７は、求めたキャパシタ電源１１の電流ｉi と各データに基づきバンク電圧（キャパシタ電圧、原電圧）、端子電圧を求め時刻更新するものでありり、ｔi 時におけるキャパシタ電源１１の端子（出力）電圧ｖtiは、
〔数６〕
ｖti＝ｖBi−ｉi ×ｒB 
電流ｉi による放電の後（ｔi+1 時）のキャパシタ電源１１のバンク電圧ｖBi+1は、
〔数７〕
ｖBi+1＝√（ｖBi2 −２×ｉi ×ｖBi／ＣB ）
ここで、ＣB ×ｖBi+12 ／２＝（ＣB ×ｖBi2 ／２）−（ｉi ×ｖBi）
ｗBi+1＝ｗBi−Δｗci
により求められる。そして、この〔数７〕により更新したバンク電圧ｖBi+1を用い、次に続くｔi+1 時における負荷データの必要電力ｗli+1に見合ったキャパシタ電流ｉi+1 が同様にして〔数５〕により、出力電圧ｖti+1が〔数６〕により求められ、同様にして演算処理が繰り返し実行される。
【００２６】
温度上昇演算処理部８は、キャパシタ電源の温度を内部抵抗ｒB での電力損失ｉi 2 ×ｒB と発熱・放熱係数や温度上昇関数との演算により求めるものである。例えば温度上昇値を電力損失の関数として、総電力損失Σｉi 2 ｒB ×Ｋ＋Ｔ0 で求める。この温度上昇値の許容温度に対する割合を求めれば余裕率として利用できる。ここで、Ｋは１〜３、Ｔ0 は１〜５で実験値として求められるものである。温度上昇の値は、積算値である総電力損失Σｉi 2 ×ｒB と温度上昇係数（実験値として求まる値、例えば１〜３）との演算により求めてもよいし、総電力損失をジュール熱に変換し、モジュールの比熱を用いて求めてもよい。
【００２７】
上記の充放電シミュレーション及び温度上昇演算処理の結果として、例えばキャパシタ電圧（バンク電圧）ｖBi、電流ｉi 、充放電量Δｗci、電力損失ｉi 2 ×ｒB 、発熱・放熱量Ｑti、内部抵抗ｒB による電圧降下を除いた出力電圧ｖti、総電力損失Σｉi 2 ×ｒB （＝∫ｉ2 ×ｒB ｄｉ）などの充放電シミュレーションデータが得られる。
【００２８】
寿命推定評価処理部９は、温度上昇演算処理部８により算出された温度上昇の値Ｔx と寿命推定用パラメータ４に記憶保持されているデータｔTrr 、λ、Ｔint 、Ｔr 、Ｄr に基づき〔数３〕、〔数４〕を用いて劣化係数αTxを求め、その劣化係数αTxを用いて推定寿命とする所定の劣化度Ｄs の劣化に要する時間Ｌs ＝（Ｄs ／αTx）2 を寿命推定値として、その推定した寿命を出力するものである。
【００２９】
図５は寿命推定用パラメータの演算処理の例を説明する図、図６は時系列の温度データに基づく寿命推定処理の例を説明する図、図７は温度データから求められる劣化係数、劣化度、推定寿命のデータの例を説明する図である。
【００３０】
温度劣化度測定データに基づき寿命推定用パラメータを求める演算処理では、例えば図５に示すようにまず、温度、例えばＴa を選択して（ステップＳ１１）、選択した温度での使用時間ｔTaとその劣化度ＤTaの測定データを取得し（ステップＳ１２）、使用時間ｔTaと劣化度ＤTaから劣化係数αTaを求める（ステップＳ１３）。他の測定データがあるか否かを判断して（ステップＳ１４）、あればステップＳ１２に戻って同様の処理を繰り返して平均劣化係数を求める（ステップＳ１５）。さらに他の温度におけるデータがあるか否かを判断して（ステップＳ１６）、あればステップＳ１１に戻って同様の処理を繰り返してから、２つの温度における測定データ、平均劣化係数に基づき寿命推定用のパラメータ（ｔTrr 、λ、Ｔint 、Ｔr 、Ｄr ）を生成する（ステップＳ１７）。各温度における測定データは、少なくとも１つあればよい。その場合にはステップＳ１４、Ｓ１５は省かれる。
【００３１】
時系列の温度データに基づく寿命推定処理では、例えば図６に示すように寿命推定用パラメータを読み込んでから（ステップＳ２１）、時系列ｔi にしたがって温度Ｔi を読み込み（ステップＳ２２）、基準とする劣化度Ｄr までの劣化時間ｔTir から、劣化係数αTiを求める（ステップＳ２３）。全時系列の温度データについてステップＳ２２、Ｓ２３の処理を繰り返し行って、全データの処理が終了すると（ステップＳ２４）、平均劣化係数を求め（ステップＳ２５）、その劣化係数に基づき寿命推定値Ｌs を求める（ステップＳ２６）。また、このような処理ではなく、単に時系列の各温度の平均値を求め、その温度における寿命推定値を求めるようにしてもよいし、時系列にしたがってそれぞれの温度における劣化度Ｄi を求め、その劣化度の積算値に基づき最終的な寿命推定値を求めるようにしてもよい。その生成データの例を示したのが図７であり、αi 、Ｌi は、それぞれΣＤi に対応する値である。
【００３２】
図８は充放電シミュレーション処理の例を説明する図、図９は充放電シミュレーションデータの構成例を示す図である。キャパシタ電源の１基本構成単位であるモジュールのキャパシタデータはデータファイルに既に格納されているとする。図８に示すようにまず、負荷データを入力することにより（ステップＳ３１）、所望の電圧（ｖL 、ｖB ）の得られるモジュール直列数ＮMSを求める（ステップＳ３２）。次に、並列数ＮMPを入力することにより（ステップＳ３３）、キャパシタ電源の各定格値（バンク電圧ｖB 、バンク静電容量ＣB 、バンク内部抵抗ｒB 、モジュール数ＮM ）を求める（ステップＳ３４）。
【００３３】
負荷データの各時ｔi における必要電力ｗliに見合ったキャパシタ電流ｉi を求め（ステップＳ３５）、さらにバンク電圧ｖBi、出力電圧ｖti、充放電量Δｗci、電力損失ｉi 2 ×ｒB 、発熱・放熱量Ｑti等を求めてキャパシタデータを格納する（ステップＳ３６）。そして、時刻を更新（ｔi ←ｔi+1 ）して（ステップＳ３７）、全時刻について処理を終了したか否かを判定し（ステップＳ３８）、全時刻について処理を終了するまで、ステップＳ３５に戻って同様の処理を繰り返し実行する。このような処理により得られる充放電シミュレーションデータの構成例を示したのが図９である。
【００３４】
全時刻について処理を終了すると、バンク電圧の最小値ｖBminを抽出し（ステップＳ３９）、必要電力量の最大値Ｗmax （＝ＣB ×ｖBf2 ／２−ＣB ×ｖBmin2 ／２）を求める（ステップＳ４０）。さらに、発熱・放熱に基づき求められる各時の上昇温度から最大値を抽出し、或いは電力損失から温度上昇値求めて（ステップＳ４１）、キャパシタ電源の利用率η、余裕率γを含めた各処理データを出力する（ステップＳ４２）。さらに、キャパシタ電源の容量増加等の条件変更があるか否かを判定し（ステップＳ４３）、条件変更であれば、ステップＳ３３に戻り新たな並列数を入力して以下同様の処理を繰り返して実行する。また、条件変更では、図８（ｂ）に示すように負荷データやモジュールデータ等を新たに入力し設定し直すようにしてもよい（ステップＳ３１→Ｓ３２′）。
【００３５】
キャパシタ電源は、モジュールの直列数を増やすと使用開始電圧が高くなると共に電流損失を減らすことができる。また、並列数を増やすと蓄電容量が増加すると共に内部抵抗を減らすことができる。つまり、モータ又は出力側の電力変換装置の耐電圧が許容される範囲で直列数を増やすことができ、体積、重量、コストが許容される範囲で直並列数を増やすことができる。上記の処理によれば、所定の負荷データに対してモジューの直列数、それらの並列数を増減させながら繰り返すことにより、許容範囲内の最適なキャパシタ電源を見いだすことができる。また、初期値を１とし順次増やして上記処理による解析を行えば、許容範囲内におさまったところを最適な設計値とすることもできる。
【００３６】
次に、実測データに基づきキャパシタの劣化特性、その温度依存性について説明する。図１０は温度７０℃におけるキャパシタ電源の実測データの例を示す図、図１１は実測データに基づき求めた劣化特性を示す図、図１２は各温度における劣化特性の計算例を示す図である。
【００３７】
図１０において、ア、イ、ウ、エはそれぞれ別個のキャパシタであり、７０℃において当初の静電容量Ｃを１００％として、５０、１００、３００、５００、１０００時間の使用時間ｔ（ｈｒ）が経過した段階で静電容量Ｃが何％まで劣化したかを測定したデータ及びそれらの平均値を示している。例えば１００時間では、静電容量Ｃが平均９４．９％まで劣化し、劣化度が５．１％になるので、劣化係数αは０．５１になり、また、１０００時間では、静電容量Ｃが平均８４．３９％まで劣化し、劣化度が１５．６１％になるので、劣化係数αは０．４９３になる。この平均値のデータについて、縦軸を静電容量（％）、横軸を時間の平方根（√ｔ）として表したのが図１１であり、横軸において√ｔ＝１００まで延長すると、縦軸の静電容量（％）が５０％まで劣化し、つまり、Ｄ′＝５０になるので、劣化度Ｄ70＝５０になる。したがって、劣化係数α70は〔数１〕によれば０．５００になり、劣化度Ｄs ＝５０％とする寿命推定値Ｌ50は１００００時間となる。
【００３８】
温度を高めて行う加速試験の理論的根拠としてアレニウスの式がよく引用される。電界コンデンサの分野では、３０℃〜１２５℃程度の温度範囲にわたって１０℃の上昇ごとに２倍という割合が認められ、広く工業生産に用いられている。そこで、先に説明した〔数３〕、〔数４〕において、基準の温度Ｔr を７０℃とすると、劣化時間の倍率λ＝２、温度差Ｔint ＝１０になる。そして、７０℃から１０℃ずつ温度を下げ、６５℃の温度も合わせて劣化特性を求めて示したのが図１２である。
【００３９】
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、寿命推定値を求めてキャパシタ電源が電源容量として充分か否かを評価できるようにしたが、充放電シミュレーションデータをあわせて出力し、キャパシタ電源の設計支援データとして提供できるようにしてもよい。例えばキャパシタ電源の利用率、温度上昇値、温度上昇値のそれら温度上昇値、上限値に対する割合や温度上昇値と上限値との差のそれら温度上昇値、上限値に対する割合などを余裕率等を求め、キャパシタ電源の温度に関しては、温度上昇値が温度上昇許容範囲又は上限値に納まるか否かを判定してもよい。また、総電力損失Σｉi 2 ×ｒB （＝∫ｉ2 ×ｒB ｄｉ）、バンク電圧の最小値ｖBmin、必要電力量の最大値Ｗmax 、キャパシタ電源の利用率η、温度上昇値Ｔmax 、余裕率γを含むデータを、表やリスト、波形図、グラフなどに編集して出力してもよい。
【００４０】
モータ負荷回路においては、負荷パターンを入力したが、モータ負荷回路に限らず複合負荷の給電系統における給電履歴データやシミュレーションデータによる動作パターンや負荷パターン入力し、ピークカットする電力をキャパシタ電源から給電する場合等に適用してもよい。また、例えば加速域Ａ、定速域Ｂ、減速域Ｃからなる動作パターンを与え、負荷特性にしたがってトルクτ、さらにそのトルクτに見合った負荷電力Ｐを求めるようにしてもよい。このとき、負荷電力Ｐは、減速域Ｃで負になり回生電力としてキャパシタ電源の充電に使用され、必要電力ｗliを供給するために放電することにより電圧が降下するが、回生電力を充電に使用して蓄電量が増えることにより電圧が上昇し回復するので、充放電に応じて電圧は上下に変動する。動作パターンを速度で与える場合には速度の単位時間の変化率（微分）で加速度が求められる。複数の異なる種別の負荷を有する場合に、負荷の種別により所望の加速度を得るために必要なトルク、そのトルクを得るために必要な電力も異なってくるので、設定するトルク・電力変換関数のデータを持たせ、負荷の種別を指定しそれに対応して必要な電力を求めることができるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係るキャパシタ電源の寿命推定評価システムの実施の形態を説明する図
【図２】キャパシタ電源と負荷回路の概要を説明する図
【図３】温度と寿命との関係を説明する図
【図４】キャパシタ設計データ及び負荷データの構成例を示す図
【図５】寿命推定用パラメータの演算処理の例を説明する図
【図６】時系列の温度データに基づく寿命推定処理の例を説明する図
【図７】温度データから求められる劣化係数、劣化度、推定寿命のデータの例を説明する図
【図８】充放電シミュレーション処理の例を説明する図
【図９】充放電シミュレーションデータの構成例を示す図
【図１０】温度７０℃におけるキャパシタ電源の実測データの例を示す図
【図１１】実測データに基づき求めた劣化特性を示す図
【図１２】各温度における劣化特性の計算例を示す図
【符号の説明】
【００４２】
１…温度劣化度測定データ、２…温度別劣化係数演算部、３…パラメータ生成処理部、４…寿命推定用パラメータ、５…キャパシタ設計データ、６…負荷データ、７…充放電シミュレーション部、８…温度上昇演算処理部、９…寿命推定評価処理部、１１…キャパシタ電源、１２…充放電制御回路、１３…モータ駆動回路、１４…モータ
【図１】
2008070296.tif 000003
【図２】
2008070296.tif 000004
【図３】
2008070296.tif 000005
【図４】
2008070296.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2008070296.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月15日(2007.1.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷パターンに応じて設計されるキャパシタ電源の使用温度に応じた寿命の推定、評価を行うキャパシタ電源の寿命推定評価システムであって、
少なくとも基準とする温度Ｔr 、キャパシタの静電容量が当初の値に対して劣化する割合を劣化度とし所定の劣化度まで劣化するのに要する時間を劣化時間として前記温度Ｔr における劣化度Ｄr とその劣化度Ｄr まで劣化するのに要する劣化時間ｔTrr 、基準温度差Ｔint 、前記温度Ｔr に対し前記基準温度差Ｔint を有する温度Ｔa において前記劣化度Ｄr まで劣化するのに要する劣化時間ｔTar の前記劣化時間ｔTrr に対する倍率λを寿命推定用のデータとして保持する寿命推定用データ保持手段と、
キャパシタ電源の使用温度Ｔx のデータを保持する温度データ保持手段と、
前記寿命推定用のデータの温度Ｔr 、劣化度Ｄr 、劣化時間ｔTrr 、基準温度差Ｔint 、倍率λに基づき、前記使用温度Ｔx における劣化係数αTxを、
ｔTxr ＝λ(Tr-Tx)/Tint×ｔTrr 
αTx＝Ｄr ／√ｔTxr 
により求める劣化係数演算手段と、
前記劣化係数演算手段により求めた劣化係数αTxに基づき、キャパシタの静電容量が当初の値から推定寿命とする劣化度Ｄs まで劣化するのに要する時間ｔTxを、
ｔTx＝（Ｄs ／αTx）2 
により求め寿命ＬTx＝ｔTxとして推定する寿命推定演算手段と
を備えたことを特徴とするキャパシタ電源の寿命推定評価システム。
【請求項２】
負荷パターンに応じて設計されるキャパシタ電源の使用温度に応じた寿命の推定、評価を行うキャパシタ電源の寿命推定評価システムであって、
キャパシタの静電容量が当初の値に対して劣化する割合を劣化度とし所定の劣化度まで劣化するのに要する時間を劣化時間として、２つの異なる温度Ｔr 、Ｔa のそれぞれにおける劣化度Ｄr 、ＤTaとその劣化度Ｄr 、ＤTaまで劣化するのに要した劣化時間ｔTrr 、ｔTaの測定データを保持する温度劣化度測定データ保持手段と、
前記劣化度Ｄr 、ＤTa及び前記劣化時間ｔTaに基づき、前記温度Ｔa において前記劣化度Ｄr まで劣化するのに要する劣化時間ｔTar を、
αTa＝ＤTa／√ｔTa
ｔTar ＝（Ｄr ／αTa）2 
により求め、劣化時間の倍率λ及び温度差Ｔint を、
λ＝ｔTar ／ｔTrr 
Ｔint ＝Ｔr −Ｔa 
により求めるパラメータ生成処理手段と、
キャパシタ電源の使用温度Ｔx のデータを保持する温度データ保持手段と、
前記温度Ｔr 、劣化度Ｄr 、劣化時間ｔTrr 、倍率λ、温度差Ｔint に基づき、前記使用温度Ｔx における劣化係数αTxを、
ｔTxr ＝λ(Tr-Tx)/Tint×ｔTrr 
αTx＝Ｄr ／√ｔTxr 
により求める劣化係数演算手段と、
前記劣化係数演算手段により求めた劣化係数αTxに基づき、キャパシタの静電容量が当初の値から推定寿命とする劣化度Ｄs まで劣化するのに要する時間ｔTxを、
ｔTx＝（Ｄs ／αTx）2 
により求め寿命ＬTx＝ｔTxとして推定する寿命推定演算手段と
を備えたことを特徴とするキャパシタ電源の寿命推定評価システム。
【請求項３】
前記温度Ｔr は、７０℃であることを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ電源の寿命推定評価システム。
【請求項４】
前記温度データ保持手段は、
時系列に要求される電力のパターン情報を有する負荷パターンのデータ及びキャパシタ電源の定格仕様を含む設計データを保持し、
前記時系列にしたがい前記記憶手段から読み出されるデータのキャパシタ電圧、静電容量、内部抵抗と時系列の負荷パターンに基づいて前記キャパシタ電源の電流を求め、
前記時系列にしたがい前記キャパシタ電圧、内部抵抗と前記電流に基づいて前記キャパシタ電源の出力電圧及び充放電量を求めて該充放電後の前記キャパシタ電源の蓄電容量を求め該蓄電容量と前記静電容量に基づいて前記キャパシタ電圧を更新する処理を繰り返すことにより、負荷パターンに対応した前記キャパシタ電源の充放電によるキャパシタ電圧及び蓄電容量の変動を含む充放電特性のシミュレーションを行い、
前記電流と前記内部抵抗に基づく前記内部抵抗による総電力損失から前記キャパシタ電源の温度上昇を求め使用温度Ｔx のデータとして保持することを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ電源の寿命推定評価システム。
【請求項５】
前記温度データ保持手段は、
時系列に要求される電力のパターン情報を有する負荷パターンのデータ及びキャパシタ電源の定格仕様を含む設計データを保持し、
前記時系列にしたがい前記記憶手段から読み出されるデータのキャパシタ電圧、静電容量、内部抵抗と時系列の負荷パターンに基づいて前記キャパシタ電源の電流を求め、
前記時系列にしたがい前記キャパシタ電圧、内部抵抗と前記電流に基づいて前記キャパシタ電源の出力電圧及び充放電量を求めて該充放電後の前記キャパシタ電源の蓄電容量を求め該蓄電容量と前記静電容量に基づいて前記キャパシタ電圧を更新する処理を繰り返すことにより、負荷パターンに対応した前記キャパシタ電源の充放電によるキャパシタ電圧及び蓄電容量の変動を含む充放電特性のシミュレーションを行い、
時系列にしたがい前記電流と前記内部抵抗に基づく前記内部抵抗による電力損失から各時刻の前記キャパシタ電源の温度を求めて使用温度Ｔx のデータとして保持し、
劣化係数演算手段は、前記各温度の平均値を求めてその温度における劣化係数又は前記各温度における劣化係数による平均劣化係数を前記劣化係数αTxとして求めることを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ電源の寿命推定評価システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
そのために本発明は、負荷パターンに応じて設計されるキャパシタ電源の使用温度に応じた寿命の推定、評価を行うキャパシタ電源の寿命推定評価システムであって、
少なくとも基準とする温度Ｔr 、キャパシタの静電容量が当初の値に対して劣化する割合を劣化度とし所定の劣化度まで劣化するのに要する時間を劣化時間として前記温度Ｔr における劣化度Ｄr とその劣化度Ｄr まで劣化するのに要する劣化時間ｔTrr 、基準温度差Ｔint 、前記温度Ｔr に対し前記基準温度差Ｔint を有する温度Ｔa において前記劣化度Ｄr まで劣化するのに要する劣化時間ｔTar の前記劣化時間ｔTrr に対する倍率λを寿命推定用のデータとして保持する寿命推定用データ保持手段と、
キャパシタ電源の使用温度Ｔx のデータを保持する温度データ保持手段と、
前記寿命推定用のデータの温度Ｔr 、劣化度Ｄr 、劣化時間ｔTrr 、基準温度差Ｔint 、倍率λに基づき、前記使用温度Ｔx における劣化係数αTxを、
ｔTxr ＝λ(Tr-Tx)/Tint×ｔTrr 
αTx＝Ｄr ／√ｔTxr 
により求める劣化係数演算手段と、
前記劣化係数演算手段により求めた劣化係数αTxに基づき、キャパシタの静電容量が当初の値から推定寿命とする劣化度Ｄs まで劣化するのに要する時間ｔTxを、
ｔTx＝（Ｄs ／αTx）2 
により求め寿命ＬTx＝ｔTxとして推定する寿命推定演算手段と
を備えたことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、キャパシタの静電容量が当初の値に対して劣化する割合を劣化度とし所定の劣化度まで劣化するのに要する時間を劣化時間として、２つの異なる温度Ｔr 、Ｔa のそれぞれにおける劣化度Ｄr 、ＤTaとその劣化度Ｄr 、ＤTaまで劣化するのに要した劣化時間ｔTrr 、ｔTaの測定データを保持する温度劣化度測定データ保持手段と、
前記劣化度Ｄr 、ＤTa及び前記劣化時間ｔTaに基づき、前記温度Ｔa において前記劣化度Ｄr まで劣化するのに要する劣化時間ｔTar を、
αTa＝ＤTa／√ｔTa
ｔTar ＝（Ｄr ／αTa）2 
により求め、劣化時間の倍率λ及び温度差Ｔint を、
λ＝ｔTar ／ｔTrr 
Ｔint ＝Ｔr −Ｔa 
により求めるパラメータ生成処理手段と、
キャパシタ電源の使用温度Ｔx のデータを保持する温度データ保持手段と、
前記温度Ｔr 、劣化度Ｄr 、劣化時間ｔTrr 、倍率λ、温度差Ｔint に基づき、前記使用温度Ｔx における劣化係数αTxを、
ｔTxr ＝λ(Tr-Tx)/Tint×ｔTrr 
αTx＝Ｄr ／√ｔTxr 
により求める劣化係数演算手段と、
前記劣化係数演算手段により求めた劣化係数αTxに基づき、キャパシタの静電容量が当初の値から推定寿命とする劣化度Ｄs まで劣化するのに要する時間ｔTxを、
ｔTx＝（Ｄs ／αTx）2 
により求め寿命ＬTx＝ｔTxとして推定する寿命推定演算手段と
を備えたことを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
前記温度データ保持手段は、時系列に要求される電力のパターン情報を有する負荷パターンのデータ及びキャパシタ電源の定格仕様を含む設計データを保持し、前記時系列にしたがい前記記憶手段から読み出されるデータのキャパシタ電圧、静電容量、内部抵抗と時系列の負荷パターンに基づいて前記キャパシタ電源の電流を求め、前記時系列にしたがい前記キャパシタ電圧、内部抵抗と前記電流に基づいて前記キャパシタ電源の出力電圧及び充放電量を求めて該充放電後の前記キャパシタ電源の蓄電容量を求め該蓄電容量と前記静電容量に基づいて前記キャパシタ電圧を更新する処理を繰り返すことにより、負荷パターンに対応した前記キャパシタ電源の充放電によるキャパシタ電圧及び蓄電容量の変動を含む充放電特性のシミュレーションを行い、時系列にしたがい前記電流と前記内部抵抗に基づく前記内部抵抗による電力損失から各時刻の前記キャパシタ電源の温度を求めて使用温度Ｔx のデータとして保持し、劣化係数演算手段は、前記各温度の平均値を求めてその温度における劣化係数又は前記各温度における劣化係数による平均劣化係数を前記劣化係数αTxとして求めることを特徴とする。