(57)【要約】【課題】キャパシタの内部抵抗が小さいと負荷が小さい場合には余寿命診断が難しくなる。【解決手段】キャパシタバンクで任意のキャパシタモジュールの任意の位置に計測用セルを配設する。計測用セルにキャパシタバンクに印加される直流電源電圧とは異なる直流電圧を出力する直流電源を接続する。この直流電源と計測用セル間に充電用の抵抗，切替えスイッチ，放電用の抵抗を接続する。切替えスイッチは制御回路によって切替える。この切替えは、計測用セルに対して常時若しくは充電時には直流電源を計測用セル側に、余寿命診断時又は瞬時電圧補償時には計測用セルに蓄積されたエネルギーを放電用の抵抗を介して放電する。【選択図】  図１
2016142673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のキャパシタモジュールからなるキャパシタバンクであって、
このキャパシタバンクを構成する蓄電媒体の余寿命診断を行うものにおいて、
前記キャパシタモジュールのうち、周囲温度が高くなるキャパシタモジュールで、且つ周囲温度が高くなる当該キャパシタモジュールの任意の位置に温度センサーを有する計測用セルを配設し、
前記キャパシタバンクに印加される直流電源電圧とは異なる直流電圧を出力する直流電源を設け、
直流電源を、充電用の抵抗，切替えスイッチ，放電用の抵抗を介して前記計測用セルに接続すると共に、
前記切替えスイッチを切替える制御回路を設け、
制御回路は、前記計測用セルに対して常時若しくは充電時に前記直流電源を計測用セル側に、余寿命診断時若しくは電圧の瞬時低下時には計測用セルに蓄積されたエネルギーを前記放電用の抵抗を介して放電するよう切替え制御することを特徴とした蓄電媒体の余寿命診断装置。
【請求項２】
前記直流電源から出力される電圧値は、前記キャパシタモジュール１セルに印加される電圧に相当する電圧値であることを特徴とした請求項１記載の蓄電媒体の余寿命診断装置。
【請求項３】
前記キャパシタバンクは電圧の瞬時補償装置に適用され、前記制御回路は電圧の瞬時低下時の補償時と余寿命診断時に、計測用セルに蓄積されたエネルギーを前記放電用の抵抗を介して放電するよう切替え制御することを特徴とした請求項１又は２記載の蓄電媒体の余寿命診断装置。
【請求項４】
前記放電用の抵抗の値を、前記計測用セルのキャパシタ内部抵抗の消費電力量と、放電用の抵抗を通して放電したときの計測用セルのキャパシタ内部抵抗による消費電力量とが略同一になるよう選定したことを特徴とした請求項１乃至３の何れか１項に記載の蓄電媒体の余寿命診断装置。
【請求項５】
前記制御回路は、予め計測用セルのキャパシタ内部抵抗値と容量値を規定値として記憶し、規定値と計測された計測用セルの電圧、電流に基づく消費電力量との比較によって余寿命診断を行うことを特徴とした請求項１乃至４の何れか１項に記載の蓄電媒体の余寿命診断装置。
【請求項６】
キャパシタバンクを複数のキャパシタモジュールで構成し、キャパシタモジュールのうち、周囲温度が高くなるキャパシタモジュールで、且つ周囲温度が高くなる当該キャパシタモジュールの任意の位置に温度センサーを有する計測用セルを配設し、
前記キャパシタバンクに印加される直流電源電圧とは異なる直流電圧に、充電用の抵抗，切替えスイッチ，放電用の抵抗を介して前記計測用セルを接続し、
前記計測用セルに対して常時若しくは充電時に前記直流電源を計測用セル側に、余寿命診断時には計測用セルに蓄積されたエネルギーを前記放電用の抵抗を介して放電するよう制御回路を介し切替え制御し、予め設定された計測用セルのキャパシタ内部抵抗値と容量値の規定値と、計測された計測用セルの電圧、電流に基づく消費電力量との比較によって余寿命診断を行うことを特徴とした蓄電媒体の余寿命診断方法。
【請求項７】
前記計測用セルに対し、計測用セルの常時の周囲温度、計測用セル放電時の温度上昇、計測用セルの充電時の温度上昇の温度責務を与えるよう前記充電用の抵抗と放電用の抵抗の値を選定したことを特徴とした請求項６記載の蓄電媒体の余寿命診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電媒体の余寿命診断装置とその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に電気二重層キャパシタなどの蓄電媒体の経年変化は、蓄電媒体の内部温度と印加電圧が条件であることが知られている。このため、充放電による温度上昇も特性劣化の要因になっている。
【０００３】
従来、充放電により特性変化が生じるキャパシタ、電解コンデンサおよび２次電池における寿命診断の技術としては数多く公知となっている。例えば、特許文献１では、単電池である蓄電池セルを複数積層して蓄電池を構成し、この蓄電池を複数並設した蓄電パックとしたものにおいて、各蓄電池の各蓄電池セルの電圧を測定する電圧測定器を設け、そのうちの特定の電池群を寿命事前検知用とし、他の電池群よりも過酷な条件で充放電させて寿命事前検知用の電池群の劣化を推定し、その推定結果に基づいて他の電池群の寿命を事前に検知している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１４２６３０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
キャパシタ特性の経年による劣化状態は、内部抵抗の増加と容量の低減で現れる。例えば、電気二重層キャパシタを電力系統に設けられる瞬時補償装置に使用した場合、瞬時補償装置の放電時の直流電圧・直流電流・温度から余寿命診断を実施すると、以下の問題が存在する。
（１）電気二重層キャパシタは内部抵抗が小さいため、負荷が小さい場合には余寿命診断が難しくなる。
（２）瞬時補償装置が動作しないと余寿命診断を実施できない。
（３）仮に強制的に実施したとしても、実施中に放電が終了するために瞬時補償装置による系統電圧の補償ができない。
（４）電力系統などのように大規模なシステムに余寿命診断を実施した場合、装置における温度分布が異なるため測定誤差が発生し、最悪条件に至るまで劣化が不明となる虞が生じる。
【０００６】
そこで、本発明が目的とするところは、瞬時補償装置の可動中でも使用できる蓄電媒体の余寿命診断装置とその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、複数のキャパシタモジュールからなるキャパシタバンクであって、
このキャパシタバンクを構成する蓄電媒体の余寿命診断を行うものにおいて、
前記キャパシタモジュールのうち、周囲温度が高くなるキャパシタモジュールで、且つ周囲温度が高くなる当該キャパシタモジュールの任意の位置に温度センサーを有する計測用セルを配設し、
前記キャパシタバンクに印加される直流電源電圧とは異なる直流電圧を出力する直流電源を設け、
直流電源を、充電用の抵抗，切替えスイッチ，放電用の抵抗を介して前記計測用セルに接続すると共に、
前記切替えスイッチを切替える制御回路を設け、
制御回路は、前記計測用セルに対して常時若しくは充電時に前記直流電源を計測用セル側に、余寿命診断時若しくは電圧の瞬時低下時には計測用セルに蓄積されたエネルギーを前記放電用の抵抗を介して放電するよう切替え制御することを特徴としたものである。
【０００８】
本発明の直流電源から出力される電圧値は、前記キャパシタモジュール１セルに印加される電圧に相当する電圧値であることを特徴としたものである。
【０００９】
本発明のキャパシタバンクは電圧の瞬時補償装置に適用され、前記制御回路は電圧の瞬時低下時の補償時と余寿命診断時に、計測用セルに蓄積されたエネルギーを前記放電用の抵抗を介して放電するよう切替え制御することを特徴としたものである。
【００１０】
本発明の放電用の抵抗の値を、前記計測用セルのキャパシタ内部抵抗の消費電力量と、放電用の抵抗を通して放電したときの計測用セルのキャパシタ内部抵抗による消費電力量とが略同一になるよう選定したことを特徴としたものである。
【００１１】
本発明の制御回路は、予め計測用セルのキャパシタ内部抵抗値と容量値を規定値として記憶し、規定値と計測された計測用セルの電圧、電流に基づく消費電力量との比較によって余寿命診断を行うことを特徴としたものである。
【００１２】
本発明は、キャパシタバンクを複数のキャパシタモジュールで構成し、キャパシタモジュールのうち、周囲温度が高くなるキャパシタモジュールで、且つ周囲温度が高くなる当該キャパシタモジュールの任意の位置に温度センサーを有する計測用セルを配設し、
前記キャパシタバンクに印加される直流電源電圧とは異なる直流電圧に、充電用の抵抗，切替えスイッチ，放電用の抵抗を介して前記計測用セルを接続し、
前記計測用セルに対して常時若しくは充電時に前記直流電源を計測用セル側に、余寿命診断時には計測用セルに蓄積されたエネルギーを前記放電用の抵抗を介して放電するよう制御回路を介し切替え制御し、予め設定された計測用セルのキャパシタ内部抵抗値と容量値の規定値と、計測された計測用セルの電圧、電流に基づく消費電力量との比較によって余寿命診断を行うことを特徴としたものである。
【００１３】
本発明は、計測用セルに対し、計測用セルの常時の周囲温度、計測用セル放電時の温度上昇、計測用セルの充電時の温度上昇の温度責務を与えるよう前記充電用の抵抗と放電用の抵抗の値を選定したことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上のとおり、本発明によれば、少ない部材構成で、システム全体の悪い条件を模擬できて確実な余寿命診断が可能となるものである。また、本発明を電気二重層キャパシタのような内部抵抗の小さいキャパシタを用いて瞬時補償装置を構成した場合でも、瞬時補償装置の稼働中でも余寿命が推定でき、且つ放電（抵抗）が一定であるため余寿命診断が行い易いなどの効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態を示すキャパシタバンクの構成図。
【図２】本発明の実施形態を示すキャパシタモジュールの構成図で、（ａ）は常時若しくは充電時の状態図、（ｂ）は余寿命診断若しくは電圧の瞬低補償時の状態図。
【図３】キャパシタモジュールの１セルのキャパシタ責務波形。
【図４】計測用セルの責務波形。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１はキャパシタバンクの接続状態を示したものである。図１では、キャパシタとして電気二重層キャパシタが用いられ、複数のキャパシタ（１キャパシタ＝１セル）を直列に接続して１つのキャパシタモジュール１を構成し、キャパシタモジュール１を複数（１-1〜１-４）並列接続してキャパシタバンク１０が構成される。
【００１７】
キャパシタバンク１０の任意のキャパシタモジュール１には、計側用セル２が組み込まれる。図１ではキャパシタモジュール１-3に計側用セル２が組み込まれてキャパシタバンク１０が接続される直流電源とは別の直流電源Ｅに接続されている。なお、組み込まれたキャパシタモジュール１-3では、他のキャパシタモジュールのキャパシタ数よりも計側用セル数分だけ多くのキャパシタが積層される。
【００１８】
図２は計側用セル２を有するキャパシタモジュール１-3の構成図で、Ｐは正極導体で積層されたキャパシタの正極端子が接続される。Ｎは負極導体で積層されたキャパシタの負極端子が接続される。計側用セル２は、このＰ，Ｎ極導体には接続されず、別途設けられた所定の電圧を有する直流電源Ｅに抵抗Ｒ0，切替えスイッチＳＷ，抵抗Ｒおよび電流計を介して接続される。切替えスイッチＳＷは、計側用セル２から直流電源Ｅと抵抗Ｒ0を切り離すための機能を備えている。また、Ｖは電圧計、Ａは電流計、Ｔsは温度センサーである。
【００１９】
計側用セル２に印加する責務は、温度、定常的な直流電圧、および充放電電流による温度の責務である。この温度責務については次のことが考慮されている。
【００２０】
計側用セル２の周囲温度は、他のキャパシタの周囲温度に比べて高くなる位置に配設される。キャパシタバンク１０内の位置としては、キャパシタモジュール１-2又はキャパシタモジュール１-3で他のキャパシタバンク１-1と１-4に囲まれたキャパシタモジュール位置あり、且つキャパシタモジュールの中心位置のように、計側用セル２の温度が一般的に最も影響を受けやすい中心位置に配設される。これにより、周囲の蓄電媒体と温度環境を同程度、若しくは厳しい環境になる。
【００２１】
定常的な電圧責務としては、直流電源Ｅの電圧値は各キャパシタモジュールの１セルに印加される電圧値に相当する値に設定され、計側用セル２には図２（ａ）で示すように切替えスイッチＳＷを接点ａ側に投入されて、抵抗Ｒ0，切替えスイッチＳＷの接点ａ，抵抗Ｒを介して印加される。
【００２２】
充放電責務としては、充放電によるキャパシタ内部温度の上昇分を印加するため、キャパシタバンク１０が動作した際、または動作後に指定の時間で切替えスイッチＳＷを接点ｂ側に投入し、抵抗Ｒを介して計側用セル２内のエネルギーを放電する。この時の放電電流は抵抗Ｒによって制限される。
【００２３】
キャパシタ特性の測定と余寿命診断については次のように行われる。
キャパシタモジュール１-3内に配設された計側用セル２の特定判定は、抵抗Ｒを介して短時間でキャパシタ内のエネルギーを放電させ、放電直前から放電終了後までの測定された電圧値と電流値を制御回路２０に取り込んで内部抵抗と容量を演算する。その結果からキャパシタバンク１０の余寿命診断を行う。なお、切替えスイッチＳＷの切替えも、予め決められたモードに基づいて制御回路２０により行われる。すなわち、常時状態と充電状態時には切替えスイッチＳＷは図２（ａ）となり、瞬時補償時と余寿命診断時には図２（ｂ）の状態に所定の時間制御が行われる。
【００２４】
次に作用を説明する。
図３はキャパシタ１個の動作波形図を示したものである。瞬時補償装置でのキャパシタは、内部抵抗と容量は経年と共に変化する。経年による特性の変化を考慮することで負荷へ所定の時間、所定の電力を供給することができる。また、この所定の時間後（放電後）に所定の直流電圧値であるようにキャパシタを選定する。
【００２５】
ここで、対象とするキャパシタは、常時リップル電流が流れてキャパシタ電圧が略一定の用途ではなく、瞬時補償装置のような放電→充電→キャパシタ電圧を維持する充電（漏れ電流の補充のみの充電）の繰返しで使用されるキャパシタである。
図２で示すように、計側用セル２には専用の直流電源Ｅから常時キャパシタバンク１０内の１キャパシタに印加される電圧に相当する電圧Ｖが印加される。キャパシタバンク１０内の各キャパシタに対する電圧分担に不平衡が生じる場合もあるので、印加電圧は不平衡電圧を考慮して過酷な条件で設定してもよい。
【００２６】
温度責務は常時の周囲温度、放電時の温度上昇、充電時の温度上昇の３つからなる。常時の周囲温度は前述のように使用されるキャパシタの中で最も温度の高い位置に温度センサーＴsが設置される。放電時の温度上昇については、図３で示すキャパシタの放電電力量と略同一の消費電力量を生じさせる抵抗値を以下のように選定する。なお、図４は計側用セル２責務の波形図を示したものである。
【００２７】
抵抗Ｒの選定
瞬時補償装置における指定の放電・充電責務で、キャパシタバンク１０内の一つのセル当たりのキャパシタ内部抵抗の消費電力量と、抵抗Ｒで放電したときのキャパシタ内部抵抗の消費電力量とを略同一になるよう選定する。例えば、実際に使用される波形が図３であるとすると、放電電力をＰ１，放電時間をＴ１とした電力量（＝Ｐ１×Ｔ１）が、抵抗での放電時間と同一のＴ１通電し、放電用の抵抗Ｒで消費される電力量を一致させるよう（１）式によって抵抗値を選定する。キャパシタ内部抵抗≪抵抗Ｒとすれば、
【００２８】
【数１】
2016142673.tif 000003
【００２９】
キャパシタバンク１０側のキャパシタの充電は定電流で行い、計側用セル２は抵抗Ｒ0を介して充電される。計側用セル２の充電用抵抗Ｒ0も放電用抵抗Ｒと同様にして選定される。
【００３０】
抵抗Ｒ0の選定
キャパシタバンク１０のキャパシタ充電電流Ｉ0と放電電流Ｉの関係は、キャパシタ充電電流Ｉ0≪放電電流Ｉの関係がある。このため、充電するには直流電源と直列に抵抗Ｒ0を設ける必要がある。この抵抗Ｒ0の抵抗値をＲ0とする。また、キャパシタ内部抵抗をＲi，キャパシタ充電電流Ｉ0，充電時間をＴ0とすると、キャパシタバンク１０側のキャパシタの内部抵抗の消費電力量はＲi・Ｉ02・Ｔ0となる。計側用セル２の充電開始時のキャパシタ電圧をＶ1とすると、計側用セル２の充電電流Ｉcは（２）式となる。
【００３１】
【数２】
2016142673.tif 000004
【００３２】
ここで、Ｒx＝Ｒ＋Ｒ0＋Ｒiである。充電時間をＴcとすると、計側用セル２の内部抵抗の消費電力量は（３）式となる。
【００３３】
【数３】
2016142673.tif 000005
【００３４】
キャパシタバンク１０のキャパシタ充電時の内部抵抗の消費電力量と、計側用セル２の充電時の消費電力量の同一から、（４）式で抵抗値Ｒxが求まる。これのより充電回路に追加する抵抗Ｒ0を求めることができる。
【００３５】
【数４】
2016142673.tif 000006
【００３６】
上記計算では３倍の時定数で計算しているが、本発明では瞬時補償装置への適用以外でも適用できるが、瞬時補償装置に適用した場合、瞬時補償動作に合わせる必要がないので、時定数は適宜決めればよい。また、計側用セル２の放電・充電動作は、瞬時補償装置の動作があった場合、その動作完了後に行えばよく、同時に特性を計測する。特性計測による寿命判断は、予め設定された内部抵抗値、容量値を制御回路２０に設定し、測定値が設定されたどちらかの値を超えたとき寿命とする判断機能を設けるか、若しくは測定値の目視によって判断する。
【００３７】
また、瞬時補償装置の負荷は常に装置の安定負荷であることの方が少ないので、充放電の温度上昇については一部過酷な条件で設定することで、余寿命診断における劣化推定を行う条件とすることが出来る。
【００３８】
以上本発明によれば、複数のキャパシタモジュールからなるキャパシタバンクにおいて、任意のキャパシタモジュールに計側用セルを組み込み、この計側用セルに対して所定の温度責務を与えるものである。これにより、少ない部材構成で、システム全体の悪い条件を模擬できて確実な余寿命診断が可能となるものである。また、本発明を電気二重層キャパシタのような内部抵抗の小さいキャパシタを用いて瞬時補償装置を構成した場合でも、瞬時補償装置の稼働中でも余寿命が推定でき、且つ放電（抵抗）が一定であるため余寿命診断が行い易いなどの効果を有するものである。
【符号の説明】
【００３９】
１（１-1〜１-4）…  キャパシタモジュール
２…  計測用セル
１０…  キャパシタバンク
２０…  制御回路
Ｅ…  直流電源
ＳＷ…  切替えスイッチ
Ｔs…  温度センサー
【図１】
2016142673.tif 000007
【図２】
2016142673.tif 000008
【図３】
2016142673.tif 000009
【図４】
2016142673.tif 000010