(57)【要約】【課題】特に瞬低補償装置などのようにキャパシタを長期間にわたって高い電圧で使用する場合に、そのキャパシタの使用寿命を可及的に延ばす。【解決手段】充電電源により適宜充電されるキャパシタを含み、そのキャパシタより所定の負荷に電力を供給するキャパシタ蓄電装置の制御方法において、キャパシタの定格電圧をＶｒ（例えば２．７Ｖ），負荷側で要求されるキャパシタの最小蓄電電力量をＥｌ（初期蓄電電力量の例えば８０％）として、まず、キャパシタを定格電圧Ｖｒよりも低く設定された第１使用電圧Ｖ１（例えば２．３Ｖ）で充電して使用を開始するとともに、その第１使用電圧Ｖ１での満充電電圧における蓄電電力量を監視し、満充電状態であっても蓄電電力量が最小蓄電電力量Ｅｌにまで達しない場合には、キャパシタの充電電圧を定格電圧Ｖｒを超えない範囲で第１使用電圧Ｖ１よりも高く設定された第２使用電圧Ｖ２（例えば２．５Ｖ）にまで高める。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電電源により適宜充電されるキャパシタを含み、上記キャパシタより所定の負荷に電力を供給するキャパシタ蓄電装置の制御方法において、
上記キャパシタの定格電圧をＶｒ，上記負荷側で要求される上記キャパシタの最小蓄電電力量をＥｌとして、まず、上記キャパシタを上記定格電圧Ｖｒよりも低く設定された第１使用電圧Ｖ１で充電して使用を開始するとともに、上記第１使用電圧Ｖ１での満充電電圧における蓄電電力量を監視し、満充電状態であっても蓄電電力量が上記最小蓄電電力量Ｅｌにまで達しない場合には、上記キャパシタの充電電圧を上記定格電圧Ｖｒを超えない範囲で上記第１使用電圧Ｖ１よりも高く設定された第２使用電圧Ｖ２にまで高めることを特徴とするキャパシタ蓄電装置の制御方法。
【請求項２】
上記第２使用電圧Ｖ２が上記定格電圧Ｖｒよりも低い電圧である場合、上記キャパシタの充電電圧を上記定格電圧Ｖｒに達するまで段階的に高めることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ蓄電装置の制御方法。
【請求項３】
充電電源により適宜充電されるキャパシタを含み、上記キャパシタより所定の負荷に電力を供給するキャパシタ蓄電装置において、
上記キャパシタの電圧Ｖを検出する電圧検出手段と、上記キャパシタから上記負荷に流れる電流Ｉを検出する電流検出手段と、上記電圧Ｖと上記電流Ｉとから上記キャパシタの放電電力量を算出して上記キャパシタの蓄電電力量を監視するとともに、上記充電電源の上記キャパシタに対する充電電圧を制御する制御手段とを含み、
上記キャパシタの定格電圧をＶｒ，上記負荷側で要求される上記キャパシタの最小蓄電電力量をＥｌとして、
上記制御手段に、上記定格電圧Ｖｒよりも低い電圧の第１使用電圧Ｖ１と、上記定格電圧Ｖｒを超えない範囲で上記第１使用電圧Ｖ１よりも高い電圧の第２使用電圧Ｖ２の少なくとも２つの使用電圧が設定され、
上記制御手段は、上記充電電源の充電電圧を上記第１使用電圧Ｖ１として上記キャパシタを充電して使用を開始するとともに、上記第１使用電圧Ｖ１での満充電電圧における蓄電電力量を監視し、満充電状態であっても蓄電電力量が上記最小蓄電電力量Ｅｌにまで達しない場合には、上記充電電源の充電電圧を上記第２使用電圧Ｖ２として上記キャパシタを充電することを特徴とするキャパシタ蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタ蓄電装置およびその制御方法に関し、さらに詳しく言えば、キャパシタ（特には電気二重層キャパシタ）の使用寿命を延ばす技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
キャパシタの蓄電電力量Ｅは、静電容量をＣ，電圧をＶとして１／２（Ｃ×Ｖ２）で表せるように、電圧Ｖの２乗に比例して増減する。キャパシタは、化学反応により蓄電する例えば二次電池などの他の蓄電素子に比べて格段に劣化しにくい蓄電素子として知られているが、それでも使い方によっては早期に劣化することがあり、また、徐々にではあるが経時的にも劣化が進行する。ちなみに、キャパシタは使用電圧が高い方が劣化が早まる。
【０００３】
ところで、特に長寿命が要求される製品には、長期間にわたって初期値から一定の変化率の範囲で製品特性を保つことが要求される。キャパシタの中でも電気二重層キャパシタは静電容量が大きいことから、例えば電気自動車の駆動電源や瞬間電圧低下補償装置（いわゆる瞬低補償装置）などの電力系統に用いられるが、特に瞬低補償装置などの分野では、突発的に起こる瞬低に対応できるようにするため、キャパシタに蓄電される電力量をなるべく長期間にわたって初期値から一定の変化率の範囲内に保つ必要がある。
【０００４】
また、電気二重層キャパシタは、例えば複写機のドラムヒータの補助電源としても用いられるが、このような用途においても突発的な起動に対応できるようにするため、キャパシタに蓄電される電力量をなるべく長期間にわたって初期値から一定の変化率の範囲内に保つことが要求される。
【０００５】
そのため、瞬低補償装置や複写機のドラムヒータなどでは、長期間にわたってキャパシタをフローティング（満充電）の状態で常に待機させることになるが、このような使い方をすると、充放電を繰り返す場合に比べてキャパシタが早期に劣化してしまうという問題がある。
【０００６】
なお、上記した瞬低補償装置での問題を解決するものではないが、特許文献１には、キャパシタの劣化を防止するため、使用環境（特には周囲温度）に応じてキャパシタの満充電電圧（使用電圧）を可変とする技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１４２３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の課題は、特に瞬低補償装置などのようにキャパシタを長期間にわたって高い電圧で使用する場合に、そのキャパシタの使用寿命を可及的に延ばすことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、充電電源により適宜充電されるキャパシタを含み、上記キャパシタより所定の負荷に電力を供給するキャパシタ蓄電装置の制御方法において、上記キャパシタの定格電圧をＶｒ，上記負荷側で要求される上記キャパシタの最小蓄電電力量をＥｌとして、まず、上記キャパシタを上記定格電圧Ｖｒよりも低く設定された第１使用電圧Ｖ１で充電して使用を開始するとともに、上記第１使用電圧Ｖ１での満充電電圧における蓄電電力量を監視し、満充電状態であっても蓄電電力量が上記最小蓄電電力量Ｅｌにまで達しない場合には、上記キャパシタの充電電圧を上記定格電圧Ｖｒを超えない範囲で上記第１使用電圧Ｖ１よりも高く設定された第２使用電圧Ｖ２にまで高めることを特徴としている。
【００１０】
上記キャパシタ蓄電装置の制御方法において、上記第２使用電圧Ｖ２が上記定格電圧Ｖｒよりも低い電圧である場合、上記キャパシタの充電電圧を上記定格電圧Ｖｒに達するまで段階的に高めることもできる。
【００１１】
また、本発明には物の発明としてのキャパシタ蓄電装置も含まれる。すなわち、本発明のキャパシタ蓄電装置は、充電電源により適宜充電されるキャパシタを含み、上記キャパシタより所定の負荷に電力を供給するキャパシタ蓄電装置において、上記キャパシタの電圧Ｖを検出する電圧検出手段と、上記キャパシタから上記負荷に流れる電流Ｉを検出する電流検出手段と、上記電圧Ｖと上記電流Ｉとから上記キャパシタの放電電力量を算出して上記キャパシタの蓄電電力量を監視するとともに、上記充電電源の上記キャパシタに対する充電電圧を制御する制御手段とを含み、上記キャパシタの定格電圧をＶｒ，上記負荷側で要求される上記キャパシタの最小蓄電電力量をＥｌとして、上記制御手段に、上記定格電圧Ｖｒよりも低い電圧の第１使用電圧Ｖ１と、上記定格電圧Ｖｒを超えない範囲で上記第１使用電圧Ｖ１よりも高い電圧の第２使用電圧Ｖ２の少なくとも２つの使用電圧が設定され、上記制御手段は、上記充電電源の充電電圧を上記第１使用電圧Ｖ１として上記キャパシタを充電して使用を開始するとともに、上記第１使用電圧Ｖ１での満充電電圧における蓄電電力量を監視し、満充電状態であっても蓄電電力量が上記最小蓄電電力量Ｅｌにまで達しない場合には、上記充電電源の充電電圧を上記第２使用電圧Ｖ２として上記キャパシタを充電することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、まず、キャパシタを定格電圧Ｖｒ（例えば２．７Ｖ）よりも低く設定された第１使用電圧Ｖ１（例えば２．３Ｖ）にまで充電して使用を開始するとともに、第１使用電圧Ｖ１での満充電電圧における蓄電電力量を監視し、満充電状態であっても蓄電電力量が負荷側で要求される最小蓄電電力量Ｅｌ（例えば初期値の８０％）にまで達しない場合には、キャパシタの充電電圧を定格電圧Ｖｒを超えない範囲で第１使用電圧Ｖ１よりも高く設定された第２使用電圧Ｖ２（例えば２．５Ｖ）にまで高めるようにしたことにより、キャパシタの蓄電電力量が増え、第２使用電圧Ｖ２での蓄電電力量が再び最小蓄電電力量Ｅｌになるまで、キャパシタの使用寿命を延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、図１ないし図４により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明によるキャパシタ蓄電装置の構成を概略的に示す模式図，図２は本発明の効果を示すグラフ，図３はキャパシタの蓄電電力量を求める方法の一例を説明するためのタイミングチャート，図４はこの実施形態での動作説明用のフローチャートである。
【００１４】
まず、図１に示すように、本発明によるキャパシタ蓄電装置１０は、基本的な構成として、キャパシタ１１と、キャパシタ１１を充電する充電電源１２と、キャパシタ１１の電圧Ｖを検出する電圧検出手段１５と、キャパシタ１１から負荷１４に流れる電流（放電電流）Ｉを検出する電流検出手段１６と、充電電源１２を制御する制御手段１７とを備えている。この実施形態において、負荷１４は瞬低補償装置である。
【００１５】
キャパシタ１１には、好ましくは電気二重層キャパシタが用いられる。キャパシタ１１は、制御手段１７にて制御されるスイッチ１８を介して充電電源１２に接続される。充電電源１２は、直流定電流電源であることが好ましい。また、キャパシタ１１は、放電回路１３を介して負荷１４に接続される。放電回路１３には、インバータやコンバータが用いられてよい。
【００１６】
制御手段１７は例えばマイクロコンピュータからなり、電圧検出手段１５にて検出されたキャパシタ１１の電圧Ｖと、例えばクランプ式電流計などの電流検出手段１６にて検出されたキャパシタ１１の放電電流Ｉとから負荷１４に供給される放電電力量を算出し、この放電電力量からキャパシタ１１の蓄電電力量Ｅを求める演算機能を備える。
【００１７】
これとは別の方法でキャパシタ１１の蓄電電力量Ｅを求めることもできる。図３のタイミングチャートを参照して説明すると、この方法においては、待機状態の途中で一定時間ごとに容量検査サイクルを入れる。
【００１８】
キャパシタ１１の定格電圧をＶｒ，使用電圧をＶ１（＜Ｖｒ），その中間電圧をＶｍ（Ｖ１＜Ｖｍ≦Ｖｒ），キャパシタ１１の使用下限電圧をＶｕとして、この容量検査サイクルでは、まず、キャパシタ１１を定電流Ｉで充電し、キャパシタ１１の電圧がＶ１からＶｍにまで上昇するまでの時間Δｔを測定する。このときの容量Ｃ（ｔ１）は、次式（１）により求められる。
Ｃ（ｔ１）＝Ｉ×Δｔ／（Ｖｍ−Ｖ１）…（１）
Ｃ（ｔ１）を求めたら、キャパシタ１１を使用電圧Ｖ１まで放電し待機状態に戻る。
【００１９】
一方、本来の使用目的とする瞬低時の放電時間をｔ２，そのときの容量をＣ（ｔ２）とすると、キャパシタ１１の蓄電電力量Ｅは、次式（２）により求められる。
Ｅ＝Ｃ（ｔ２）×（Ｖ１−Ｖｕ）２／２…（２）
【００２０】
待機中に上記容量検査サイクルを一定時間ごとに入れておけば、Ｃ（ｔ１）≒Ｃ（ｔ２）であるため、キャパシタ１１の電圧がＶ１からＶｍにまで上昇するまでの時間Δｔを測定することにより、キャパシタ１１を放電させるまでもなく、上記式（２）によりキャパシタ１１の蓄電電力量Ｅを求めることができる。
【００２１】
キャパシタ１１の静電容量をＣ，電圧をＶとすると、キャパシタ１１の蓄電電力量Ｅは、Ｅ＝１／２（Ｃ×Ｖ２）で表せるが、経時的な劣化による静電容量Ｃの低下にともなって蓄電電力量Ｅも次第に小さくなる。本明細書において、満充電状態としても蓄電電力量Ｅが所定の蓄電電力量に達しない場合、キャパシタの寿命がつきたと判定する。
【００２２】
ここで、キャパシタ１１の定格電圧（公称耐電圧）をＶｒ，負荷（瞬低補償装置）１４側で稼働上要求されるキャパシタ１１の最小蓄電電力量（寿命蓄電電力量）をＥｌとすると、制御手段１７は、次のようにキャパシタ１１の充電を制御する。
【００２３】
キャパシタ１１の定格電圧Ｖｒが例えば２．７Ｖで、寿命と判定される最小蓄電電力量Ｅｌが定格電圧Ｖｒでの充電時における初期蓄電電力量の８０％であるとすると、制御手段１７は、まず、満充電電圧を定格電圧Ｖｒよりも低い例えば２．３Ｖの第１使用電圧としてキャパシタ１１を充電して使用を開始する。
【００２４】
この使用過程で、放電にともなってキャパシタ１１の蓄電容量が最小蓄電電力量Ｅｌにまで低下したら、再度第１使用電圧の２．３Ｖでの充電が行われ、以後、この充放電が繰り返される。
【００２５】
しかしながら、２．３Ｖで充電（満充電）してもキャパシタ１１の蓄電容量が最小蓄電電力量Ｅｌである初期蓄電電力量の８０％に達しない場合、制御手段１７は、満充電電圧を２．３Ｖの第１使用電圧から、それよりも高い２．５Ｖの第２使用電圧に切り替えてキャパシタ１１を充電して使用を継続する。
【００２６】
この使用過程においても、放電にともなってキャパシタ１１の蓄電容量が最小蓄電電力量Ｅｌにまで低下したら、再度第２使用電圧の２．５Ｖでの充電が行われ、以後、この充放電が繰り返される。
【００２７】
しかしながら、２．５Ｖで充電（満充電）してもキャパシタ１１の蓄電容量が最小蓄電電力量Ｅｌである初期蓄電電力量の８０％に達しない場合、制御手段１７は、満充電電圧を２．５Ｖの第２使用電圧から定格電圧である２．７Ｖの第３使用電圧にまでさらに高めてキャパシタ１１を充電して使用を継続する。
【００２８】
そして、定格電圧の２．７Ｖで満充電してもキャパシタ１１の蓄電容量が最小蓄電電力量Ｅｌである初期蓄電電力量の８０％に達しない場合には、図示しないランプやブザーなどの報知手段を動作させてユーザーにキャパシタの交換を促す。
【００２９】
図２に、上記したように、寿命と判定される最小蓄電電力量Ｅｌを定格電圧Ｖｒでの充電時における初期蓄電電力量の８０％として、使用電圧を２．３Ｖ→２．５Ｖ→２．７Ｖへと段階的に高めてキャパシタを使用した場合の寿命特性グラフを示す。また、図４に上記実施形態での動作フローチャートを示す。
【００３０】
このグラフから分かるように、上記実施形態での使い方によれば、第１使用電圧２．３Ｖで１００００時間使用でき、その後使用電圧を第２使用電圧の２．５Ｖ，第３使用電圧の２．７Ｖに段階的に高めることにより、使用時間をさらに１００００時間延ばすことができる。
【００３１】
上記実施形態では、キャパシタの使用電圧を２．３Ｖ→２．５Ｖ→２．７Ｖへと段階的に高めているが、第１使用電圧が定格電圧よりも低いことを条件として、使用電圧の高め方は任意であってよく、例えば第１使用電圧から定格電圧に至るまでの範囲を０．１Ｖ刻みで段階的に高めてもよく、また場合によっては、第１使用電圧から定格電圧にまで一気に高めてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明によるキャパシタ蓄電装置の構成を概略的に示す模式図。
【図２】本発明の効果を示すキャパシタの寿命特性グラフ。
【図３】キャパシタの蓄電電力量を求める方法を説明するためのタイミングチャート。
【図４】本発明の動作の一例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００３３】
１０  キャパシタ蓄電装置
１１  キャパシタ
１２  充電電源
１３  放電回路
１４  負荷
１５  電圧検出手段
１６  電流検出手段
１７  制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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