(57)【要約】【課題】キャパシタの形状が如何様であっても、キャパシタに別途温度センサー等を付与することなく、発熱による温度上昇からキャパシタを適切に保護することにある。【解決手段】キャパシタ２０の端子と充放電を行う電源装置３０の間にある導線に設けられた電流検出器４０により検出された充放電電流を時間の経過と共に記録する記録計５０と、記録計５０により記録された充放電電流と経過時間から実効電流を算出する実効電流算出部５１と、キャパシタ２０における使用限界の実効電流を予め記憶した上限実効電流記憶部５２と、実効電流算出部５１で算出された実効電流と上限実効電流記憶部５２に記憶された使用限界の実効電流を比較する比較部５３と、比較部５３により実効電流算出部５１で算出された実効電流と使用限界の実効電流を上回ったと判断された時に、電源装置３０を休止させる出力接点７０を設けた。【選択図】        図５
2012170205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタの端子と充放電を行う電源装置の間にある導線に設けられた電流検出器と、該電流検出器により検出された充放電電流を時間の経過と共に記録する記録計と、該記録計により記録された充放電電流と経過時間から実効電流を算出する実効電流算出部と、前記キャパシタにおける使用限界の実効電流を予め記憶した上限実効電流記憶部と、前記実効電流算出部で算出された実効電流と前記上限実効電流記憶部に記憶された使用限界の実効電流を比較する比較部と、前記比較部により前記実効電流算出部で算出された実効電流と前記上限実効電流記憶部に記憶された使用限界の実効電流を上回ったと判断された時に、前記電源装置を休止させる出力接点を設けたことを特徴とする実効電流によるキャパシタ用保護装置。
【請求項２】
前記出力接点は、前記比較部により前記実効電流算出部で算出された実効電流と前記上限実効電流記憶部に記憶された使用限界の実効電流を上回ったと判断された時に、前記電源装置を休止させることに代えて、前記キャパシタを冷却する冷却ファンを作動させることを特徴とする請求項１記載の実効電流によるキャパシタ用保護装置。
【請求項３】
前記キャパシタに入出力する実効電流を表示すると共に正常・異常を表示する表示器を付加したことを特徴とする請求項１記載の実効電流によるキャパシタ用保護装置。
【請求項４】
前記キャパシタは、電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項１記載の実効電流によるキャパシタ用保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実効電流によるキャパシタ用保護装置に関する。詳しくは、電気二重層キャパシタの信頼性向上に寄与するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層キャパシタ（以下、キャパシタという）は、主に対向する一対の活性炭電極とそれを電気的に分離するセパレータ、さらに容量発現を行う有機系電解液からなるセルを有し、セル間の電気的絶縁の確保と液漏れを防ぐためのゴム製パッキン、電気を外に取り出すための集電極とリード線からなる。
バイポーラ形キャパシタは、集電極をはさんだ２つの活性炭電極に極性の異なる電解液中の電解質イオンを吸着させることで積層したキャパシタの定格電圧を上げる効果がある。
【０００３】
バイポーラ形キャパシタは、図１に示すように、形状を保持するエンドプレート１と積層したセルを締め付けるネジ２、ネジ２とエンドプレート１を絶縁する絶縁スペーサ３で構成される。
バイポーラ形キャパシタを製作するときは、電気を取り出すキャパシタ終端の集電極４，５とエンドプレート１の間に電気的な絶縁をうけもつ樹脂シート６として厚さ０．５ｍｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を挿入している。
【０００４】
また、さらなる絶縁性能の向上のため、キャパシタ本体とアルミラミネートフィルム７の間に厚さ５０μｍのＰＥＴのフィルム８を巻き付けている。
そして最後にアルミ箔を基材とするラミネートフィルム７を用いて封上部を加熱されたヒートプレス装置を用いて密封することで大気中から水分侵入を防いでいる。尚、図中、９はパッキン、１０は集電極である。
【０００５】
キャパシタを自走する車両、物品搬送装置、昇降機といった用途に適用する場合、カ行・回生といった頻繁な充放電の繰り返しになる。
上記の頻繁な充放電の繰り返しをキャパシタに加えると、キャパシタはジュール熱によって発熱し温度が上昇する。
キャパシタの温度上昇は、（１）キャパシタの表面に配置する温度計やサーモスタットによって検出する（２）キャパシタをおおうアルミラミネートフィルムの膨張を検出する等の方法でキャパシタを保護することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６６５７７号
【特許文献２】特開２００９−２８９７６６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
（１）キャパシタが自己発熱する場合、平板形状を有するキャパシタ内部の温度分布は２次曲線分布を持つことがあり、末端のセルと中央のセルで異なる温度分布を持ち、中央のセル温度が異常に高くなる場合がある。
【０００８】
（２）問題点（１）を解決するためにはキャパシタ中央の温度を直接計測できるのが一番望ましく、ほとんどの場合、細身の熱電対をセル中央に挿入することになるが、パッキンによるセル間の液漏れ防止、ラミネートフィルムによる外気の遮断といった、キャパシタの寿命にとって重要な機能が損なわれることでキャパシタの信頼性が低下し、寿命が短くなるなどの悪影響が出てくる。
【０００９】
（３）キャパシタの温度を実測することは、キャパシタ用収納ボックスの形状、外部からのもらい熱、冷却ファンなどの要因を受けやすいため、正確な測定を行うのが困難な場合が多い。
【００１０】
（４）特許文献１には、「［請求項７］前記蓄電デバイスの表面温度を検出する温度センサと、該温度センサからの検出信号に基づいて前記蓄電デバイスの充電状態を検知し、検知した前記蓄電デバイスの充電状態に応じて充電電流の供給を制御する充電制御回路とを設けた請求項２〜６のいずれかに記載の電源装置。［請求項８］前記蓄電デバイスに供給される充電電流を検出する電流センサを設け、前記充電制御回路は、該電流センサからの検出信号に基づいて前記蓄電デバイスの充電状態を検知し、検知した前記蓄電デバイスの充電状態に応じて充電電流の供給を制御する請求項２〜７のいずれかに記載の電源装置。」と記載されている。
【００１１】
（５）特許文献２には、「（電気二重層キャパシタセルの放熱調査）前記のように製作し、収納ケースに配置した電気二重層キャパシタセル１０個について、積層体面の中央部に相当する位置に熱電対を設置し、室温下（２５℃）で０Ｖ−２．７Ｖの急速な充放電（充電開始３０秒後、３０秒かけて０Ｖまで放電）を１００回繰返した後の温度を測定した。その結果、平均温度は３２℃であった。また、電気二重層キャパシタセルの温度が２５℃まで低下した後、両端部のスペーサーに風を当てて空冷しながら前記と同様な温度測定を行なった。その結果、平均温度は２８℃であった。」と記載されている（段落［００３１］）。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る実効電流によるキャパシタ用保護装置は、キャパシタの端子と充放電を行う電源装置の間にある導線に設けられた電流検出器と、該電流検出器により検出された充放電電流を時間の経過と共に記録する記録計と、該記録計により記録された充放電電流と経過時間から実効電流を算出する実効電流算出部と、前記キャパシタにおける使用限界の実効電流を予め記憶した上限実効電流記憶部と、前記実効電流算出部で算出された実効電流と前記上限実効電流記憶部に記憶された使用限界の実効電流を比較する比較部と、前記比較部により前記実効電流算出部で算出された実効電流と前記上限実効電流記憶部に記憶された使用限界の実効電流を上回ったと判断された時に、前記電源装置を休止させる出力接点を設けたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る実効電流によるキャパシタ用保護装置は、請求項１において、前記出力接点は、前記比較部により前記実効電流算出部で算出された実効電流と前記上限実効電流記憶部に記憶された使用限界の実効電流を上回ったと判断された時に、前記電源装置を休止させることに代えて、前記キャパシタを冷却する冷却ファンを作動させることを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る実効電流によるキャパシタ用保護装置は、請求項１において、前記キャパシタに入出力する実効電流を表示すると共に正常・異常を表示する表示器を付加したことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る実効電流によるキャパシタ用保護装置は、請求項１において、前記キャパシタは、電気二重層キャパシタであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
（１）キャパシタに入出力する電流波形の形状に依存することなく、実効電流のみでキャパシタの発熱と、それに伴う温度上昇がわかることから、キャパシタの形状が如何様であってもキャパシタを適切に保護することができる。
【００１７】
（２）キャパシタに別途温度センサー等を付与することなく、キャパシタを充放電する電源装置にキャパシタの入出力電流から実効電流を得る機能と使用上限実効電流との比較機能を付与するだけでキャパシタの温度管理が可能になる。
【００１８】
（３）キャパシタの充放電用電源として使用する装置ならば、どんな電源装置にも対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】バイポーラ型キャパシタの概略構造図である。
【図２】キャパシタの熱伝導率測定装置の構造図である。
【図３】ヒータ加熱時の温度上昇曲線を示すグラフである。
【図４】実効電流とキャパシタ中心温度の上昇分を示すグラフである。
【図５】キャパシタと充放電電源、実効電流算出部と比較部の単線結線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態について、実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２１】
本実施例では、キャパシタ内部の温度分布を正確に把握するため、図２に示すように、実機キャパシタ１１に４つの熱電対１２を挿入し、キャパシタ内部の熱伝導率を求めた。
【００２２】
熱伝導率は発熱量が既知の平板ヒータ（ヒータブロック）１３，１４でキャパシタ１１を両側から挟み、平板ヒータ１３，１４に温度調節器１５，１６に接続して、２つのヒータ温度を異なる温度に設定し、キャパシタ１１と平行に熱伝導率が既知の樹脂板（例えば、ポリエチレンやポリプロピレン）１７を積層し、ヒータと温調器をＯＮにした状態で温度場が定常状態に達したときの温度分布から求めた。尚、キャパシタ１１、樹脂板１７の周囲には断熱材１８を配置した。キャパシタ１１としては、図１に示す電気二重層キャパシタを使用できる。
【００２３】
今回のキャパシタ１１の場合、図３に示す通り、熱伝導率は０．２８Ｗ／ｍＫであった。図３においては、の温度上昇曲線を示す符号は、図２中の各各熱電対の符号に対応する。
確認のために先端が絶縁された熱電対をキャパシタ１１の中心と、末端セルの電極中央に付与した状態でキャパシタ１１を充放電サイクル試験に供し、キャパシタ１１の温度場が定常状態になるまで発熱させ、キャパシタ１１の厚み方向への温度分布を測定し、既知の解析解と先に測定した熱伝導率を用いてキャパシタの発熱量を計算したところ、実効電流の２乗とキャパシタ１１の内部抵抗の積、すなわちジュール熱に相当することがわかった。
【００２４】
次に、図４に示すように、充放電電流の波形依存性を矩形波、三角波、正弦波で比較したところ、電流波形の形状によらず、実効電流によって発熱量が決まることがわかった。
以上の結果から、キャパシタの体格、今回の場合は積層数とキャパシタの実効電流によってキャパシタの中心温度が通常使用時の限界温度（例えば定格温度など、使用者との取り決めで設定される任意の温度）での内部抵抗から使用限界である実効電流が簡単に算出できる。
例えば、図４に示すΔＴ＝２０Ｋの場合は、上限実効電流Ｉrms＝１４Ａである。
【実施例２】
【００２５】
本実施例に係るキャパシタ用保護装置を図５に示す。
本実施例は、充放電電流による発熱をともなう用途にキャパシタを適用した場合において、キャパシタの充放電を制御する双方向電気回路を保護するものである。
【００２６】
即ち、本実施例では、実施例１の知見をふまえ、図５に示すように、キャパシタ２０の端子と充放電を行う電源装置（充放電電源）３０の間にある導線に電流検出器４０を設け、充放電の経過時間と充放電電流値を記録する記録計５０を用意した。キャパシタ２０としては、図１に示す電気二重層キャパシタを使用できる。
キャパシタ２０に対しては、図５中に示すように、電源装置３０と並列に放電抵抗３１が接続されている。従って、電源装置３０、放電抵抗３１とからキャパシタの充放電を制御する双方向電気回路が構成されることになる。
但し、放電抵抗３１は必ずしも必要ではなく、省略しても良い。
【００２７】
記録計５０には、電源装置の運転動作時に電流記録をとり、時間と電流値から実効電流を算出する演算装置である実効電流算出部５１と、使用限界の実効電流を予め記憶した外部記憶装置（ハードディスクやＲＯＭ等）よりなる上限実効電流記憶部５２と、上限実効電流記憶部５２に記憶しておいた使用限界の実効電流と実効電流算出部５１で算出された実効電流との比較を行う比較部５３とを設けた。
尚、実効電流算出部５１、上限実効電流記憶部５２、比較部５３は、記録計５０に内蔵せず、外部に設けても良い。
【００２８】
比較部５３において、電流記録から算出した実効電流が使用限界の実効電流を上回ったと判断されたとき、電源装置３０に休止、または、キャパシタ用冷却ファン６０を動作させるように出力する出力接点７０を用意した。
本実施例としては、保護装置として、電源装置３０を休止又はキャパシタ用冷却ファン６０を動作させるように出力する出力接点７０を設けたが、電源装置３０を休止すると同時にキャパシタ用冷却ファン６０を動作させるように双方への接点出力を行うようにしても良い。
【００２９】
更に、図５に示すように、電源装置３０からキャパシタ２０に入出力する実効電力を表示する表示器８０を記録計５０に付与した。表示器８０にはキャパシタ２０に入出力した実効電流が使用限界の実効電流以下のときには正常と表示し、また、キャパシタ２０に入出力した実効電流が使用限界の実効電流を上回るときには異常と表示させる。
このように説明したように、本実施例では、キャパシタの実効電流を計測する電流検出器４０及びこれを記録する記録計５０からなり、予め記録・記憶しておいた実効電流の使用上限と比較することで、キャパシタ２０の異常な温度上昇を防ぐことができる。
【００３０】
即ち、キャパシタ２０を充放電する電源装置３０からキャパシタ２０へ入出力する実効電流を算出し、上限実効電流と比較して算出した実効電流が上限実効値を上回ったときに電源装置の停止やキャパシタ用冷却ファンのＯＮといった制御が可能となる。
また、温度センサーを使用しないことから、どんな形状のキャパシタであっても、キャパシタの自己発熱による温度上昇を検出して、キャパシタを保護することができる。
【００３１】
上述した通り、本発明において、キャパシタに電流を入出力する電源装置は、実施例１で述べた通り、キャパシタの充放電電流波形に依存しないことから定電流・定電圧で制御する充放電装置や抵抗放電回路をなど、電源装置の充放電方法に依存しないことから、どんな電源装置にも適用可能なことはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、キャパシタ用保護装置として広く産業上利用可能なものであり、電気二重層キャパシタの信頼性向上に寄与する。
【符号の説明】
【００３３】
２０  キャパシタ
３０  電源装置
４０  電流検出部
５０  記録計
５１  実効電流算出部
５２  上限実効電流記憶部
５３  比較部
６０  冷却ファン
７０  出力接点
８０  表示器
【図１】
2012170205.tif 000003
【図２】
2012170205.tif 000004
【図３】
2012170205.tif 000005
【図４】
2012170205.tif 000006
【図５】
2012170205.tif 000007