(57)【要約】【課題】キャパシタの広い温度変化にも十分な補償時間を確保でき、しかもキャパシタの寿命を延ばす。【解決手段】昇降圧チョッパ６により充電しておく電気二重層キャパシタ５をバックアップ電源とし、電源１に瞬時電圧低下が発生したときに、インバータ４から負荷２に短時間定格で電力供給する瞬低補償装置において、温度検出器９はキャパシタの現在温度を検出し、温度−電圧変換器１０は温度検出値に応じた電圧信号に変換し、関数発生器１１はキャパシタの温度検出値に応じて、短時間定格仕様の補償時間を満たす電圧設定値を得、充電制御部８は電圧設定値に従ってキャパシタの充電電圧を制御する。【選択図】図１
2008029064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電装置によって予め充電しておく電気二重層キャパシタをバックアップ電源とし、必要に応じて負荷に短時間定格で電力を供給する電源装置において、
前記充電装置は、
前記電気二重層キャパシタの現在温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段による前記電気二重層キャパシタの温度検出値に応じて、前記短時間定格仕様の補償時間を満たす電圧設定値を得る関数発生手段と、
前記関数発生手段に得る前記電圧設定値に従って前記電気二重層キャパシタの充電電圧を制御する充電制御手段と、
を備えたことを特徴とする電気二重層キャパシタの充電装置。
【請求項２】
前記関数発生手段は、前記電気二重層キャパシタの温度が低い場合にキャパシタの定格電圧を超える電圧設定値を得る手段を設け、
前記充電制御手段は、前記関数発生手段に得る前記電圧設定値に従って前記電気二重層キャパシタの充電電圧を制御する手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタの充電装置。
【請求項３】
充電装置によって予め充電しておく電気二重層キャパシタをバックアップ電源とし、必要に応じて負荷に短時間定格で電力を供給する電源装置において、
前記充電装置は、
前記電気二重層キャパシタの現在温度を検出する温度検出過程と、
前記温度検出過程による前記電気二重層キャパシタの温度検出値に応じて、前記短時間定格仕様の補償時間を満たす電圧設定値を得る関数発生過程と、
前記関数発生過程に得る前記電圧設定値に従って前記電気二重層キャパシタの充電電圧を制御する充電制御過程と、
を備えたことを特徴とする電気二重層キャパシタの充電方法。
【請求項４】
前記関数発生過程は、前記電気二重層キャパシタの温度が低い場合にキャパシタの定格電圧を超える電圧設定値を得る過程を設け、
前記充電制御過程は、前記関数発生過程に得る前記電圧設定値に従って前記電気二重層キャパシタの充電電圧を制御する過程を設けたことを特徴とする請求項３に記載の電気二重層キャパシタの充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電装置によって予め充電しておく電気二重層キャパシタをバックアップ電源とし、必要に応じて負荷に短時間定格で電力を供給する電源装置における電気二重層キャパシタの充電装置および充電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層キャパシタ（以下キャパシタ）は、活性炭と電解液との界面に形成される電気二重層に蓄積される電気エネルギーを利用するもので、ファラッドオーダの電気容量を瞬時に充放電できる大容量コンデンサである。用途としてはメモリバックアップ用の小容量品から、電気自動車のパワーアシスト用としての中容量品、そして電力貯蔵用蓄電池の代替電源としての大容量品まで幅広く検討されている。
【０００３】
単位キャパシタの耐電圧は、その構成要素である電解液（電解質、溶媒）の電気分解電圧で決まり、水溶液系電解液の場合は約１.２Ｖ、有機系電解液の場合は２〜３Ｖである。溶媒分解電圧以上の電圧を印加するとキャパシタは破壊されるため、高電圧を要求される用途には、単位キャパシタを複数個を直列接続した構成としている。
【０００４】
キャパシタは、構造的には、電極とセパレータを渦巻き状に巻き、円筒形ケースに収納する捲回型と、電極セパレータが平板状の平板型があり、平板型は電極、セパレータ、電極、セパレータ、…と交互に積層するバイポーラ構造をとることができ、高電圧用途に適する。
【０００５】
中容量、大容量の電力貯蔵用途では、ユニットを並列、直列に組み合わせたモジュールを適用させる。
【０００６】
一方、キャパシタは鉛蓄電池と比較すると、長寿命、無保守、高入出力特性を有しており、電解コンデンサと比較すると、大容量の蓄電が可能であるため、瞬時電圧低下だけでなく、短時間停電のバックアップ電源として利用可能なデバイスとなる。このため、キャパシタの適用製品の一つとして、キャパシタ式瞬時電圧低下補償装置（以下瞬低補償装置と呼ぶ）が検討されている。
【０００７】
図４に瞬低補償装置の概要を示す。同図では、常時は系統（商用電源）１から負荷２に高速遮断スイッチ３を通して電力供給（常時商用給電方式）が行われており、瞬時電圧低下・瞬時停電が検知されたときに、瞬時に高速遮断スイッチ３を解離し、インバータ４を通してキャパシタ５に蓄電された電気エネルギーを供給することで瞬低補償を行う。
【０００８】
この装置の補償時間はキャパシタ５の容量により、通常は１〜６０秒までが考えられるが、殆どの瞬低は補償時間２秒以内でまかなうことができる。２秒程度の短時間に大電流を流すため、ＩＲドロップを小さくすることが重要であり、内部抵抗は小さいことが望まれるが、実際の瞬低補償装置では複電後の同期引き入れ時間を含めた２〜３秒の放電能力をもつよう設計される。
【０００９】
キャパシタ５の充電制御は、従来は定電流、または定電力で定格電圧まで行い、その後一定電圧で充電を行っている。さらに、蓄電能力を高るために満充電に達した後も一定時間だけ充電を継続させる方法（例えば、特許文献１参照）、複数の直列接続したキャパシタセルを均等充電する方法なども提案されている。
【特許文献１】特開２００２−０１７０５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記のように、キャパシタの充電制御は、定電流、または定電力で定格電圧まで行い、その後一定電圧で充電を行っている。この一定電圧まで充電されたキャパシタをバックアップ電源として負荷に放電する場合、図５に瞬低補償時に定電力放電を行っているキャパシタの電圧および電流変化の例を示すように、キャパシタの電圧は充電時の一定電圧から、放電開始でそのＩＲ（放電電流Ｉ×キャパシタの内部抵抗Ｒ）ドロップ分だけ低下し、この電圧から放電時間の経過と共に電圧が低下していき、バックアップ終了時（放電電流が零）にＩＲドロップ分だけ戻る。
【００１１】
ところが、季節や昼夜の違いにより環境温度が変化し、これによってキャパシタに温度変化が生じると、低温時はキャパシタの内部抵抗が増大することにより、ＩＲドロップが増加し、使用電圧範囲まで低下する時間（放電可能時間）が短くなる。逆に、高温時はＩＲドロップが小さくなることで放電可能時間は長くなり、温度によって補償時間が変わってしまう。キャパシタの温度変化にも十分な補償時間を確保するには、キャパシタ容量に余裕を持たせることが必要になるが、キャパシタの大型化、コストアップなどの問題が残る。
【００１２】
また、キャパシタは、高温課電状態に置かれると、その劣化の進み度合いが大きくなり、期待寿命到達前に機能低下を起こす問題があった。
【００１３】
これらの対策として、キャパシタを温度管理、すなわち、低温時にはヒータにより加温し、高温時にはエアコンやクーラにより冷却することが考えられる。しかし、これら対策には、大掛かりなヒータやエアコン設備を必要とし、ランニングコスト（電力消費量）の増大、設備増設による装置のコストアップおよび設置スペースの確保が問題になる。
【００１４】
本発明の目的は、上記の課題を解決した電気二重層キャパシタの充電装置および充電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、前記の課題を解決するため、電気二重層キャパシタの温度を検出し、このキャパシタの温度検出値に応じて短時間定格の仕様の補償時間を満たす電圧設定値でキャパシタを充電しておくようにしたもので、以下の装置および方法を特徴とする。
【００１６】
（１）充電装置によって予め充電しておく電気二重層キャパシタをバックアップ電源とし、必要に応じて負荷に短時間定格で電力を供給する電源装置において、
前記充電装置は、
前記電気二重層キャパシタの現在温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段による前記電気二重層キャパシタの温度検出値に応じて、前記短時間定格仕様の補償時間を満たす電圧設定値を得る関数発生手段と、
前記関数発生手段に得る前記電圧設定値に従って前記電気二重層キャパシタの充電電圧を制御する充電制御手段と、
を備えたことを特徴とする電気二重層キャパシタの充電装置。
【００１７】
（２）前記関数発生手段は、前記電気二重層キャパシタの温度が低い場合にキャパシタの定格電圧を超える電圧設定値を得る手段を設け、
前記充電制御手段は、前記関数発生手段に得る前記電圧設定値に従って前記電気二重層キャパシタの充電電圧を制御する手段を設けたことを特徴とする電気二重層キャパシタの充電装置。
【００１８】
（３）充電装置によって予め充電しておく電気二重層キャパシタをバックアップ電源とし、必要に応じて負荷に短時間定格で電力を供給する電源装置において、
前記充電装置は、
前記電気二重層キャパシタの現在温度を検出する温度検出過程と、
前記温度検出過程による前記電気二重層キャパシタの温度検出値に応じて、前記短時間定格仕様の補償時間を満たす電圧設定値を得る関数発生過程と、
前記関数発生過程に得る前記電圧設定値に従って前記電気二重層キャパシタの充電電圧を制御する充電制御過程と、
を備えたことを特徴とする電気二重層キャパシタの充電方法。
【００１９】
（４）前記関数発生過程は、前記電気二重層キャパシタの温度が低い場合にキャパシタの定格電圧を超える電圧設定値を得る過程を設け、
前記充電制御過程は、前記関数発生過程に得る前記電圧設定値に従って前記電気二重層キャパシタの充電電圧を制御する過程を設けたことを特徴とする電気二重層キャパシタの充電方法。
【発明の効果】
【００２０】
以上のとおり、本発明によれば、電気二重層キャパシタの温度を検出し、このキャパシタの温度検出値に応じて短時間定格の仕様の補償時間を満たす電圧設定値でキャパシタを充電しておくようにしたため、以下の効果がある。
【００２１】
・キャパシタは、高温時に内部抵抗が下がり、ＩＲドロップが小さくなるため、印加電圧を下げることが可能になり、キャパシタの寿命が長くなり、瞬低補償装置の補償可能期間が延びる。
【００２２】
・キャパシタは、低温時にＩＲドロップが大きくなるが、劣化反応は抑えられることで印加電圧を上げることが可能になり、低温側の使用温度範囲が広がる。
【００２３】
・使用温度範囲が広がり、エアコン等の補機としてのキャパシタ温度制御装置が不要になり、装置の低コスト化、消費電力低減によるランニングコスト低減となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の実施形態を示す装置構成図である。本実施形態は、５０ｋＶＡ−２秒補償のキャパシタ式瞬低補償装置に適用した場合であり、図４と同等のものは同一符号で示す。
【００２５】
昇降圧チョッパ６は、その入出力端をインバータ４の直流側に接続し、キャパシタ５の低圧充電制御と高圧放電制御を可能にする。このうち、キャパシタ５の充電には、電源１からインバータ４の環流用ダイオードを通して充電される平滑コンデンサＣを直流電源として、スイッチＱ１のチョッピング制御によって、リアクトルＬを通した充電とダイオードＤ２を通したフライホイール充電によりキャパシタ５を充電する。キャパシタ５からの放電には、スイッチＱ２のチョッピング制御によって、キャパシタ５からリアクトルＬとダイオードＤ１を通して平滑コンデンサＣへの放電を得、インバータ４を通して負荷２への給電を可能にする。
【００２６】
キャパシタ５の放電制御は、瞬低補償制御部７が負荷電圧低下を検出したときに、高速遮断スイッチ３を解離すると共に、スイッチＱ２をチョッピング制御し、インバータ４に電源１と同期した周波数および同程度の電圧にした交流出力を得る。
【００２７】
キャパシタ５の充電制御は、充電制御部８によって、スイッチＱ１のチョッピング制御でなされる。この充電制御には、キャパシタ５の温度を検出する温度検出手段になる温度検出器９および温度−電圧信号変換器１０と、この温度検出値Ｔに応じた充電電圧設定値に変換する関数発生器１１を設け、関数発生器１１の出力とキャパシタ５の電圧検出値との比較によりキャパシタ５の充電を制御する。
【００２８】
温度検出器９は、温度センサをキャパシタ５のうちの代表的キャパシタユニットに貼り付けて温度信号Ｔを得る。温度−電圧信号変換器１０は、この温度信号Ｔに対応する電圧信号Ｖｔに変換する。関数発生器１１は、図２に示す関数演算またはテーブルデータを有して充電電圧設定値Ｖ＊を得る。
【００２９】
図２に示す充電設定電圧とキャパシタ温度の関数特性は、キャパシタ温度に応じた内部抵抗から、短時間定格仕様の電力で補償時間だけ放電したときの、電力変換装置（昇降圧チョッパ６とインバータ４）の使用可能下限電圧（例えば１６０Ｖ）を上回る最低充電設定電圧を予め求めておくもので、現在のキャパシタ５の温度が高いほどその充電設定電圧Ｖ＊を低くする。
【００３０】
なお、キャパシタ５の温度が昼夜間で大きく変化する場合など、その温度が閾値レベル以上に変化した場合には、その温度変化に応じて、充電制御部８が放電または充電制御を適宜実行し、現在の温度に応じた充電電圧にしておく。ただし、温度が高めに変化してキャパシタ５からの放電には、平滑コンデンサＣでの直流電圧が過電圧になることが予想される場合、平滑コンデンサＣに並列に放電抵抗の設置やインバータ４の運転で放電を行う。
【００３１】
図３は、キャパシタ５の温度が１０℃〜４０℃の場合の上記充電設定電圧による、瞬低補償時にキャパシタ５が定格電力で放電を行った際の電圧特性を示す。ここで、キャパシタの定格電圧は、４００Ｖであり、キャパシタ温度１０℃では定格電圧で負荷の同期引き入れ時間を含めた３秒放電が可能であるが、２０℃では充電設定電圧を３６１Ｖに、３０℃では３３２Ｖに、４０℃では３０５Ｖに低減させても仕様を満足することができた。
【００３２】
一般に、キャパシタは印加電圧が高いほど劣化が大きく、低いほど寿命は長くなり、温度に関しては高いほど劣化が大きく、低いほど寿命は長くなる。従来はどのような温度条件においてもキャパシタ５に定格電圧（上記の例では４００Ｖ）を印加していたが、本実施形態の充電方式では温度が高いときは充電電圧を下げることにより瞬低補償装置としての寿命を格段に延ばすことが可能になる。
【００３３】
また、従来では、瞬低補償装置の寿命を延ばすためにエアコンを取り付け、３０℃以下に制御している例もあったが、本実施形態では温度が高いときには充電電圧を下げることで劣化を抑えることが可能になり、温度制御が不要になり、結果として装置の価格が下がり、温度調節装置の運転に伴う電力損失が無くなることで、ランニングコスト低減を図ることができる。また、温度調節装置の設置スペースの確保も不要になる。
【００３４】
さらに、上記の瞬低補償装置は、キャパシタ温度１０℃以上で仕様を満たす装置であるが、本実施形態では、５℃の時に充電設定電圧を４３０Ｖにする制御を加えて装置を運転した。この結果、図３に示す５℃の放電電圧特性では、仕様の補償時間を満たすことができた。このときの充電設定電圧４３０Ｖはキャパシタ５の定格電圧を超える電圧ではあるが、キャパシタ温度が低いことによりその劣化が抑えられ、装置の寿命を短くさせることはないことが長期間の評価試験により確認された。本制御を採用することにより、キャパシタ式瞬低補償装置の使用温度範囲を低温側に拡大させることができる。
【００３５】
なお、以上の実施形態では、電気二重層キャパシタを瞬時電圧低下補償装置に適用した場合について説明したが、本発明の制御方式および方法は、瞬低補償装置に限られるものでなく、電気二重層キャパシタをバックアップ電源とし、必要に応じて負荷に短時間定格で電力を供給する電源装置、例えば充放電時間が１分以内の急速な動作を求められるハイブリッド自動車、電気鉄道分野におけるき電線の電圧低下対策や回生電車の回生失効を防止する回生電力吸収装置等にも適用して同等の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】瞬低補償装置へ適用した本発明の実施形態を示すキャパシタの充電装置の例。
【図２】実施形態における充電設定電圧とキャパシタ温度の関数特性。
【図３】各温度条件における設定電圧と瞬低補償時のキャパシタ電圧特性。
【図４】瞬低補償装置の概要を示す図。
【図５】瞬低補償時の電圧・電流特性の例。
【符号の説明】
【００３７】
１  商用電源
２  負荷
３  高速遮断スイッチ
４  インバータ
５  電気二重層キャパシタ
６  昇降圧チョッパ
７  瞬低補償制御部
８  充電制御部
９  温度検出器
１０  温度−電圧変換器
１１  関数発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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