JP5193897B2 - 電気二重層キャパシタを用いた無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源が非停電状態にあるときに充電装置により充電される蓄電手段として電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置に関するものである。

特開２００１−１９７６８６号公報（特許文献１）には、キャパシタ蓄電装置を、入力電源と負荷に充放電制御手段を介して切り換え接続し充放電を行うキャパシタ無停電電源装置が開示されている。この従来装置では、キャパシタ蓄電装置の電圧と出力電流を検出して残容量と消費電力を求め、動作可能時間の予測やキャパシタの劣化の判定を行う診断手段を備えている。

また特開２００５−１６８２６１号公報（特許文献２）には、コンバータを停止させて、電気二重層キャパシタから交流負荷に電力を放電させ、その時の電圧、電流を監視して、電気二重層キャパシタの劣化を判定することが。

特開２００１−１９７６８６号公報 特開２００５−１６８２６１号公報

しかしながら後者の装置では、交流負荷の状態により電気二重層キャパシタの放電条件（放電電流）が変化し、また交流負荷は一定電力負荷が多く、放電により電気二重層キャパシタ電圧が変化すると、放電電流が変化する。さらに電気二重層キャパシタの内部抵抗値は放電電流値により変化する問題がある。そのため従来の装置では、劣化の判定の精度を得るのが困難であった。

特に、交流負荷が小さい場合は精度が出せず、一定負荷以上の条件が必要となっていた。また、電気二重層キャパシタを放電させるため、寿命判定試験後に既定の電圧（バックアップ時間を保障する電圧）まで充電する期間はバックアップ時間が保証されないため、安全ではないという問題がある。

本発明の目的は、従来よりも判定精度を高めることができ、しかも寿命判定試験を終了した後にバックアップの時間を保証することができる電気二重層キャパシタを用いた無停電電源装置を提供することにある。

本発明は、電源が非停電状態にあるときに充電装置により充電される蓄電手段として電気二重層キャパシタを備え、しかも電気二重層キャパシタの寿命を静電容量及び内部抵抗に基づいて判定する寿命判定装置を備えている電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置を改良の対象とする。

寿命判定装置は、電源が非停電状態にあるときの予め定めた寿命判定用試験期間Ｔにおいて充電装置から一定の充電電流を流して、電気二重層キャパシタの寿命を判定する。そのために寿命判定装置は、電気二重層キャパシタの両端電圧を予め定めたシーケンスに従って測定する電圧検出器と、電圧検出器の出力、充電電流及び寿命判定用試験期間Ｔに基づいて、静電容量及び内部抵抗を演算する演算部と、演算部の演算結果に基づいて電気二重層キャパシタの寿命を判定する寿命判定部とを備えている。具体的に、電圧検出器は、寿命判定用試験期間において充電装置を用いて電気二重層キャパシタの充電を開始する直前に電気二重層キャパシタのキャパシタ電圧Ｖc0を測定し、充電開始直後の電気二重層キャパシタの電圧Ｖc1または充電終了直前の電気二重層キャパシタの電圧Ｖc1′を測定し、寿命判定用試験期間終了直後の電気二重層キャパシタのキャパシタ電圧Ｖc2を測定する。そして演算部は、キャパシタ電圧Ｖc0と、充電開始直後の電気二重層キャパシタの電圧Ｖc1または充電終了直前の二重層キャパシタの電圧Ｖc1′と電圧Ｖc2と、充電電流Ｉcとに基づいて内部抵抗を演算し、キャパシタ電圧Ｖc0と、充電電流Ｉcと、寿命判定用試験期間Ｔと、寿命判定用試験期間終了直後の電気二重層キャパシタのキャパシタ電圧Ｖc2とに基づいて静電容量を演算する。例えば、演算部は、寿命判定用試験期間開始直後の内部抵抗Ｒを、Ｒ＝（Ｖc1−Ｖc0）／ＩcまたはＲ＝（Ｖc1′−Ｖc2）／Ｉcの演算式で求め、静電容量Ｃ0を、Ｃ0＝Ｉc×Ｔ／（Ｖc2−Ｖc0）の演算式により求めることができる。

電気二重層キャパシタは寿命の観点より通常電圧を最大許容電圧以内で使用している。そこで本発明では、電気二重層キャパシタの充電方向で寿命判定試験をする。電気二重層キャパシタを充電する過程で得たキャパシタ電圧に基づいて内部抵抗と静電容量とを求めるため、交流負荷の状態には影響されることがない。また、一定の充電電流で充電することができるので、充電条件が変化することがなく、劣化判定の精度が向上する。寿命判定試験中に、電気二重層キャパシタを放電させないため、バックアップ時間に影響されず安全である。さらに本発明によれば、交流負荷が無負荷の場合でも寿命判定を行える。

なお寿命判定部において、内部抵抗と静電容量とから、寿命を判定する手法は任意である。例えば、演算部で求めた内部抵抗Ｒが予め定めた基準内部抵抗値差以上あり且つ静電容量Ｃ0が予め定めた基準静電容量以下になっていることを寿命の到来基準として判定するように寿命判定部を構成してもよい。

また当然のことながら、寿命判定部は、寿命の到来を判定すると、寿命の到来を知らせるアラーム信号を発生するのが好ましい。

本発明は、電源が非停電状態にあるときに充電装置により充電される蓄電手段として電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置における電気二重層キャパシタの寿命を静電容量及び内部抵抗に基づいて判定する方法として表現することができる。本発明の方法では、電源が非停電状態にあるときに、予め定めた寿命判定用試験期間Ｔ、充電装置から一定の充電電流Ｉcを電気二重層キャパシタに流す。この期間Ｔ内において、電気二重層キャパシタの両端電圧を電圧検出器により予め定めたシーケンスに従って測定する。そして電圧検出器の出力と、充電電流Ｉcと、寿命判定用試験期間Ｔとに基づいて、静電容量及び内部抵抗を演算し、演算結果に基づいて電気二重層キャパシタの寿命を判定する。

常時商用電源利用型の、電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置に本発明を適用した実施の形態の構成を示す図である。 電圧検出器の測定シーケンスを説明するために用いる図である。 本発明を適用することができる他の電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置の構成を示す図である。 本発明を適用することができるさらに他の電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置の構成を示す図である。 本発明を適用することができるさらに他の電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は，常時商用電源利用型の、電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置に本発明を適用した実施の形態の構成を示す図である。図１の無停電電源装置では、非停電時には、交流商用電源ＡＣからの出力は交流スイッチ回路ＳＷを介して交流負荷Ｌに供給される。双方向インバータＴＩＮＶは、非停電時には、ＡＣ／ＤＣコンバータからなる充電装置となって、制御部ＣＳからの制御信号に応じて電気二重層キャパシタＣを充電し、停電時には電気二重層キャパシタを直流電源として、双方向インバータＴＩＮＶがＤＣ／ＡＣインバータとなって、負荷Ｌに交流電力を供給する。

寿命判定装置１は、電圧検出器２と、演算部３と、寿命判定部４とを備えている。寿命判定装置１は、制御部ＣＳによって定期的に寿命判定試験を行うように制御されている。寿命判定試験の際には、図２に示すように、電源が非停電状態にあるときに、予め定めた長さの寿命判定用試験期間Ｔにおいて、充電装置としての双方向インバータＴＩＮＶから一定の充電電流Ｉcを電気二重層キャパシタＣに流す。

そして電圧検出器２は、電気二重層キャパシタＣの両端電圧（キャパシタ電圧）を予め定めたシーケンスに従って測定する。具体的には、電圧検出器２は、寿命判定用試験期間Ｔにおいて電気二重層キャパシタＣの充電を開始する直前に電気二重層キャパシタＣのキャパシタ電圧Ｖc0を測定し、充電開始直後の電気二重層キャパシタＣの電圧Ｖc1または充電終了直前の電気二重層キャパシタＣの電圧Ｖc1′を測定し、寿命判定用試験期間Ｔ終了直後の電気二重層キャパシタＣのキャパシタ電圧Ｖc2を測定する。

演算部３は、電圧検出器２の出力（Ｖc0，Ｖc1またはＶc1′，Ｖc2）と充電電流Ｉcと、寿命判定用試験期間Ｔとに基づいて、静電容量Ｃ0及び内部抵抗Ｒを演算する。演算部３は、例えば、内部抵抗Ｒを下記の式に基づいて演算することができる。

Ｒ＝（Ｖc1−Ｖc0）／ＩcまたはＲ＝（Ｖc1′−Ｖc2）／Ｉc
さらに演算部３は、静電容量Ｃ0を、下記の式に基づいて演算することができる。

Ｃ0＝Ｉc×Ｔ／（Ｖc2−Ｖc0）
そして寿命判定部４は、演算部３の演算結果に基づいて電気二重層キャパシタの寿命を判定する。寿命判定部４において、内部抵抗Ｒと静電容量Ｃ0とから、寿命を判定する手法は任意である。本実施の形態では、演算部３で求めた内部抵抗が予め定めた基準内部抵抗値差以上あり且つ静電容量Ｃ0が予め定めた基準静電容量以下になっていることを判定するように寿命判定部を構成することができる。なお内部抵抗及び静電容量の求め方は、演算のために想定する等価回路によって異なってくる。上記の演算式は、内部抵抗と静電容量とが直列に接続されているという単純な等価回路に基づくものである。また寿命の判定方法も等価回路に応じて適宜に定めることができる。

寿命判定部４は、寿命の到来を判定すると、寿命の到来を知らせるアラーム信号を発生する。電気二重層キャパシタＣは、寿命の観点より通常電圧を最大許容電圧以内で使用しているので、本実施の形態では、電気二重層キャパシタＣの充電方向で寿命判定試験を実施している。試験中に停電が発生すれば、当然にして制御部ＣＳからの切替指令に応じて電気二重層キャパシタを直流電源とし、双方向インバータをＤＣ／ＡＣインバータとして、負荷Ｌに交流電力を供給する。

図３は、本発明を適用することができる他の電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置の構成を示す。図１に示した構成部材と同じ構成部材には、図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この無停電電源装置は、双方向インバータＴＩＮＶを用いずに、充電装置ＣＨＧとインバータＩＮＶとをそれぞれ別個に設けている。

図４は、本発明を適用することができるさらに他の電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置の構成を示す。図１及び図３に示した構成部材と同じ構成部材には、図１及び図３に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この無停電電源装置は、非停電時には常時インバータが動作して負荷に交流電力を供給する常時インバータタイプの無停電電源装置である。交流電源ＡＣの出力は、コンバータＣＯＮＶによって直流電力に変換され、この直流電力によって電気二重層キャパシタＣが充電されるとともに、インバータＩＮＶはＤＣ／ＡＣ変換を行う。

さらに図５は、本発明を適用することができるさらに他の電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置の構成を示す。この例では、充電装置ＣＨＧが交流電源ＡＣから出力される交流電力を直流電力に整流する整流回路を備えて、電気二重層キャパシタＣを浮動充電する。そして負荷Ｌが直流負荷である。この例では、インバータは用いられていない。

図３乃至図５のいずれの無停電電源装置においても、電気二重層キャパシタＣの寿命判定に図１に示した寿命判定装置１を用いることができる。

本発明によれば、電気二重層キャパシタの充電方向で寿命判定試験をするので、電気二重層キャパシタを充電する過程で得たキャパシタ電圧に基づいて内部抵抗と静電容量とを求めることができ、交流負荷の状態には影響されることがない。また、一定の充電電流で充電するので、充電条件が変化することがなく、劣化判定の精度が向上する。さらに寿命判定試験中に、電気二重層キャパシタを放電させないため、バックアップ時間に影響されず安全である。

１ 寿命判定装置
２ 電圧検出器
３ 演算部
４ 寿命判定部

Claims (2)

1. 電源が非停電状態にあるときに充電装置により充電される蓄電手段として電気二重層キャパシタを備え、しかも前記電気二重層キャパシタの寿命を静電容量及び内部抵抗に基づいて判定する寿命判定装置を備えた電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置であって、
   前記寿命判定装置は、前記電源が非停電状態にあるときの予め定めた寿命判定用試験期間Ｔにおいて前記充電装置から一定の充電電流Ｉcを流しているときに、前記電気二重層キャパシタの寿命を判定するために、前記電気二重層キャパシタの両端電圧を測定する電圧検出器と、前記電圧検出器の出力、前記充電電流及び前記寿命判定用試験期間Ｔに基づいて、前記静電容量及び前記内部抵抗を演算する演算部と、前記演算部の演算結果に基づいて前記電気二重層キャパシタの寿命を判定する寿命判定部とを備え、
   前記電圧検出器は、前記寿命判定用試験期間において前記充電装置を用いて前記電気二重層キャパシタの充電を開始する直前に前記電気二重層キャパシタの電圧Ｖc0を測定し、充電開始直後の前記電気二重層キャパシタの電圧Ｖc1または充電終了直前の前記電気二重層キャパシタの電圧Ｖc1′を測定し、前記寿命判定用試験期間終了直後の前記電気二重層キャパシタのキャパシタ電圧Ｖc2を測定し、
   前記演算部は、前記電圧Ｖc0と前記電圧Ｖc1または前記電圧Ｖc1′と前記電圧Ｖc2と、前記充電電流Ｉcとに基づいて前記内部抵抗を演算し、前記電圧Ｖc0と、前記充電電流Ｉcと、前記寿命判定用試験期間Ｔと、前記電圧Ｖc2とに基づいて前記静電容量を演算することを特徴とする電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置。
2. 前記寿命判定部が寿命の到来を判定すると、寿命の到来を知らせるアラーム信号を発生する請求項１に記載の電気二重層キャパシタを備えた無停電電源装置。

Images