JP2013050351A - 電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法、インピーダンス測定装置、インピーダンス測定値による劣化診断方法およびその劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電状態の電気二重層キャパシタの測定に関し、電荷放電を抑制して省エネルギー化を実現する。微小電圧変化での測定を可能にし、ノイズの影響を回避する。
【解決手段】充電された電気二重層キャパシタ（キャパシタモジュール４）に正弦波負荷（正弦波負荷回路１２）を接続して放電回路（１０）を形成し、前記正弦波負荷を付与して前記電気二重層キャパシタ（キャパシタモジュール４）を放電させ、前記放電回路に流れる電流を電流検出手段（電流検出回路２０）で検出し、前記放電回路を介して放電中の前記電気二重層キャパシタの電圧を電圧検出手段（電圧検出回路２２）で検出し、前記電流検出手段の検出電流と前記電圧検出手段の検出電圧とを用いて前記電気二重層キャパシタのインピーダンスを算出手段（演算部２４、ＭＰＵ３２）により算出する。電気二重層キャパシタの劣化診断にはこのインピーダンスの算出結果を用いている。
【選択図】図１

Description

本発明は、瞬低補償装置（瞬時電圧低下補償装置）の他、バックアップ電源などに用いられる電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法、インピーダンス測定装置、インピーダンス測定値による劣化診断方法およびその劣化診断装置に関する。

電気二重層キャパシタは、静電容量が大きいなど、優れた特性を有しており、瞬低補償装置や無停電電源装置など、バックアップ電源に用いられている。バックアップ電源では、要求される電流容量、出力電圧などにより、複数個の電気二重層キャパシタを直列化、並列化または直並列化して用いられている。また、バックアップ電源には、停電時や瞬時電圧低下時、負荷への電力供給を保障するため、極めて高い信頼性が求められる。このため、搭載されている電気二重層キャパシタは、静電容量などの経時的変化を監視し、静電容量低下などの特性劣化を生じた場合には、可及的速やかに交換するなどの措置が取られる。

このようなバックアップ電源に搭載されたキャパシタについて、特許文献１には、電源から切り離したキャパシタの充電電荷を既知負荷により放電させ、その端子電圧を基準電圧と比較することによりキャパシタに異常があるか否かを判断することが記載されている。

特許文献２には、方形波、台形波、三角波、のこぎり波などの直線波形成分信号を加えた際に、電気二重層キャパシタに発生する応答信号を積分し、その積分結果に基づいて特性変化を検出することが記載されている。

また、特許文献３には、非電源システムに関し、蓄電池のインピーダンスの測定および劣化診断について記載されている。

特開平０５−３４６４４９号公報 特開平０６−３４２０２４号公報 特表２００６−５２４３３２号公報

ところで、キャパシタでは、定電流による充放電を行って電圧変化を検出し、この電圧変化によりキャパシタの持つ特性を算出する方法が一般的である。瞬低補償装置など、バックアップ電源は電気二重層キャパシタに電力を蓄積し、停電時や瞬時電圧低下時に負荷に供給するので、インピーダンス検出や劣化検出のために、駆動中に電気二重層キャパシタの蓄積電荷を放電することは好ましくない。検出中に停電が発生すると、電力供給ができない、供給電力が不足するなどの不都合を生じるので、瞬低補償待機中に放電を伴うインピーダンス検出や劣化検出は避けなければならない。

検出中の停電などの不測の事態を回避するには、予め電荷を蓄積するなど、バックアップ電源の電荷蓄積能力を高めておく方法がある。この方法は、電荷蓄積能力を拡大するので、より多くの電気二重層キャパシタが必要となり、設備の大型化や設置費用の高額化などを招来する。

ところで、電気二重層キャパシタの性能指標には、静電容量や、直流内部抵抗（Direct Current Internal Resistance：ＤＣＩＲ）がある。静電容量やＤＣＩＲを知れば、必要なエネルギーが供給できるか否かを判定することができる。静電容量やＤＣＩＲは経年により穏やかに劣化する。このため、バックアップ電源では、信頼性を維持するため、ＤＣＩＲを定期的に測定し、評価する必要がある。図１１はバックアップ電源の構成例であり、電気二重層キャパシタ６０２に蓄積された電力がＤＣ−ＤＣコンバータ６０４を介して負荷６０６に供給される。電気二重層キャパシタ６０２のＤＣＩＲ６０８の多寡は、図１２に示すように、ＤＣＩＲの大きさが出力電圧に影響を与える。図１２において、Ｖ_L はＤＣ−ＤＣコンバータ６０４の入力下限電圧を示している。ＤＣＩＲが大きい場合、小さい場合に比較して下限電圧に早く到達してしまう。このため、バックアップ電源など、大電力を出力する装置に用いられる電気二重層キャパシタは、ＤＣＩＲの監視が不可欠である。

このＤＣＩＲは、一般的に直流電流の充電または放電による電圧変化から算出できる。しかし、ＤＣＩＲは極めて低い値であるため、その値を正確に測定するには電気二重層キャパシタに大電流を流し、大きな電圧変化を生じさせ、それを測定することが必要である。図１３（ａ）は、ＤＣＩＲ測定時の放電による電圧変化を示している。充電中の電気二重層キャパシタについて、時点ｔ₁ で放電を開始し、この時点ｔ₁ から時間が経過した時点ｔ₂ における電圧降下ＤＣＩＲ・Ｖｄｒｏｐを示している。

図１３（ｂ）は、ＤＣＩＲ測定時の充電による電圧変化を示している。この場合、時点ｔ₁ で充電を開始し、この時点ｔ₁ から時間が経過した時点ｔ₂ で充電を停止し、この充電停止とともに電気二重層キャパシタを開放し、時点ｔ₂ から時間が経過した時点ｔ₃ の電圧降下ＤＣＩＲ・Ｖｄｒｏｐを示している。

このように、電気二重層キャパシタのＤＣＩＲは放電または充電により測定することができる。ところで、瞬低補償装置では、搭載されている電気二重層キャパシタが、充電中は定格電圧程度の電圧まで充電している。この電気二重層キャパシタに充電電流を流し込めば、充電がさらに進み、電気二重層キャパシタは定格電圧を超えて充電されることになる。定格電圧を超える充電は、電気二重層キャパシタの劣化を加速する恐れがあるため回避しなければならない。瞬低補償待機中の電気二重層キャパシタでは、充電電流を用いる場合には、定格電圧を超える充電を生じさせる恐れがあり、放電電流を用いる場合には、蓄電電力を放出させる不都合がある。ＤＣＩＲは電気二重層キャパシタのインピーダンスに含まれるので、インピーダンスを測定すれば、ＤＣＩＲやその変化を知ることができる。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、充電状態にある電気二重層キャパシタの電荷放電を抑制してインピーダンス測定や劣化診断を実現した電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法、インピーダンス測定装置、インピーダンス測定値による劣化診断方法およびその劣化診断装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、微小電圧変化での測定を可能にし、省エネルギー化やノイズの影響を回避することにある。

上記目的を達成するため、本発明の電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法は、充電された電気二重層キャパシタに正弦波負荷を接続して放電回路を形成し、正弦波負荷を付与して前記電気二重層キャパシタを放電させ、前記放電回路に流れる電流を電流検出手段で検出し、前記放電回路を介して放電中の前記電気二重層キャパシタの電圧を電圧検出手段で検出し、前記電流検出手段の検出電流と前記電圧検出手段の検出電圧とを用いて前記電気二重層キャパシタのインピーダンスを算出手段により算出する。

上記目的を達成するためには、上記電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法において、正弦波負荷は、電気二重層キャパシタの使用前のＤＣＩＲとインピーダンスを、各周波数で測定し、前記電気二重層キャパシタの経年劣化後のＤＣＩＲとインピーダンスを、各周波数で測定し、この各周波数で測定した値を比較し、一定の関係性が得られた周波数を測定周波数領域とし、この測定周波数領域の任意の周波数の正弦波電流であればよい。

また、上記目的を達成するため、本発明の電気二重層キャパシタの劣化診断方法は、既述のいずれかの電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法で算出されたインピーダンスの値が基準値未満であるかまたは所定の基準範囲内にあるかを判定する。

また、上記目的を達成するため、本発明の電気二重層キャパシタのインピーダンス測定装置は、充電された電気二重層キャパシタに正弦波負荷を接続し、正弦波負荷を付与して前記電気二重層キャパシタを放電させる放電回路と前記放電回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記放電回路を介して放電中の前記電気二重層キャパシタの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電流検出手段の検出電流と前記電圧検出手段の検出電圧とを用いて前記電気二重層キャパシタのインピーダンスを算出する算出手段とを備える。

上記目的を達成するためには、上記電気二重層キャパシタのインピーダンス測定装置において、正弦波負荷は、電気二重層キャパシタの使用前のＤＣＩＲとインピーダンスを、各周波数で測定し、前記電気二重層キャパシタの経年劣化後のＤＣＩＲとインピーダンスを、各周波数で測定し、この各周波数で測定した値を比較し、一定の関係性が得られた周波数を測定周波数領域とし、この測定周波数領域の任意の周波数の正弦波電流であればよい。

また、上記目的を達成するため、本発明の電気二重層キャパシタの劣化診断装置は、既述のいずれかの電気二重層キャパシタのインピーダンス測定装置で算出されたインピーダンスの値が基準値未満であるかまたは所定の基準範囲内にあるかを判定する判定手段を備える。

本発明の電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法、インピーダンス測定装置、インピーダンス測定値による劣化診断方法およびその劣化診断装置によれば、次のいずれかの効果が得られる。

(1) 充電された電気二重層キャパシタに正弦波負荷を付与して電気二重層キャパシタを放電することによりインピーダンスを測定するので、電気二重層キャパシタの蓄積電荷の放電量が少なく、エネルギー損失を最小限にできる。

(2) 瞬低補償装置などに搭載された電気二重層キャパシタのインピーダンスを稼働中に容易に測定できる。

(3) 充電中の電気二重層キャパシタの劣化診断を迅速にしかも高精度に行うことができ、信頼性のある診断結果を得ることができる。

(4) 正弦波負荷を付与して電気二重層キャパシタを放電させるので、微小電圧変化でのインピーダンス測定が可能となり、ノイズによる影響を回避でき、インピーダンスの測定精度が高められる。

本発明のインピーダンス測定回路を示す回路図である。 キャパシタモジュールの放電波形を示す図である。 本発明のインピーダンス測定回路により実現されるインピーダンス測定方法を示すフローチャートである。 本発明の電気二重層キャパシタの劣化診断装置を示す回路図である。 インピーダンス劣化診断装置の各部の動作波形を示す図である。 電圧波形のサンプリングの一例を示す図である。 劣化診断装置により実現される電気二重層キャパシタの劣化診断方法を示すフローチャートである。 インピーダンス算出の処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明のインピーダンス劣化診断装置を示す図である。 本発明のインピーダンス測定システムを示す図である。 瞬低補償装置を示す図である。 ＤＣＩＲの違いによるバックアップ電源の電圧変化特性を示す図である。 （ａ）は放電によるＤＣＩＲ測定を示す図で、（ｂ）は充電によるＤＣＩＲ測定を示す図である。

本発明の電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法、インピーダンス測定装置、インピーダンス測定値による劣化診断方法およびその劣化診断装置の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明に用いる電気二重層キャパシタのインピーダンス測定回路を示している。このインピーダンス測定回路では、インピーダンスの測定対象としてキャパシタモジュール４が備えられ、このキャパシタモジュール４は直列に接続された複数の電気二重層キャパシタ（以下単に「キャパシタ」と称する）８で構成されている。このキャパシタモジュール４には図示しない充電装置が接続され、常に充電状態に維持される。このキャパシタモジュール４には放電回路１０が接続され、この放電回路１０には正弦波負荷回路１２が接続されている。この正弦波負荷回路１２は、能動素子の一例である電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４が備えられ、このＦＥＴ１４のゲートには正弦波発振器１８が接続されている。この正弦波発振器１８は、ＦＥＴ１４を正弦波負荷として生成させる駆動源であり、インピーダンス測定時にＦＥＴ１４のゲートに駆動信号として正弦波信号Ｓｆを印加する。

このインピーダンス測定回路２について、キャパシタモジュール４が充電されている場合、その充電電圧をＶｃとする。正弦波発振器１８の正弦波信号ＳｆでＦＥＴ１４を駆動すると、ＦＥＴ１４にはゲートに印加された正弦波電圧の振幅に比例した電流ｉが流れる。この電流ｉは電流検出抵抗１６によって検出できる。

この電流ｉを図示すると、図２の（Ａ）に示すように、ＦＥＴ１４のゲートに加えられた正弦波電圧に比例した振幅を持つ電流波形、すなわち正弦波負荷を付与した電流波形となり、しかも、この電流ｉはキャパシタモジュール４の放電方向のみに生成される。

比較のため、図２の（Ｂ）に示すように、交流法測定電流は、放電方向と充電方向の双方に振幅を持つ電流波形となる。正弦波負荷を付与して生じた電流ｉは、キャパシタモジュール４の放電方向のみに振幅を生じている点で相違している。

このように正弦波負荷回路１２による正弦波負荷を接続してキャパシタモジュール４を放電する場合、キャパシタモジュール４の蓄積電荷や電力エネルギーの消費は極めて少なく、微少な電流および電圧の変化によりキャパシタモジュール４のインピーダンスを測定することができる。

また、キャパシタモジュール４を構成するキャパシタ８の耐電圧を超えることもないため、キャパシタ８に過大な負荷を加えることもない。このため、キャパシタ８の寿命特性の劣化を引き起こすこともない。

正弦波負荷回路１２を介して生じた放電電流や放電電圧は正弦波信号Ｓｆと同様に正弦波形であるから、インピーダンスの算出が容易であり、つまり、放電回路１０から検出された放電電流や放電電圧の実効値は放電電流や放電電圧の最大値の二乗の平均の平方根で容易に算出できる。したがって、インピーダンスすなわち、実効インピーダンスはこれらの値から容易に演算することができる。

また、正弦波負荷をキャパシタモジュール４に付与する方法では、交流電源は不要であり、低コストで試験信号である正弦波負荷を発生させればよい。しかも、キャパシタモジュール４に蓄積された電力エネルギーをインピーダンス測定回路２の電源に用いることができ、インピーダンス測定回路２のための外部電源は省略できる。

このインピーダンス測定回路は正弦波負荷を付与して、測定対象としてキャパシタモジュール４のインピーダンスを測定する。ＤＣＩＲは直流電流に対する抵抗であり、周波数特性を持たないのに対し、インピーダンスは周波数特性を持っている。

インピーダンスは、周波数特性を持っている点で既述のＤＣＩＲと異なり、測定する周波数によって値が異なるが、ＤＣＩＲを含んでいるので、ＤＣＩＲと相関性を持っている。したがって、インピーダンスを測定すれば、その値からＤＣＩＲを予測することができる。たとえば、周波数ｆ＝１〔ｋＨｚ〕で測定されたインピーダンスに特定の係数を乗算すれば、ＤＣＩＲが算出できる。この係数は、事前にＤＣＩＲとインピーダンスを測定することにより求められ、キャパシタの構造や特性に応じた値である。

ＤＣＩＲとインピーダンスの相関性は周波数領域によって異なり、直線的または同一となる周波数領域と異なる周波数領域とが存在する。つまり、ある周波数におけるインピーダンスの経年変化がたとえば、５０〔％〕である場合に、ＤＣＩＲも５０〔％〕だけ変化する周波数領域とそれ以外の周波数領域がある。そこで、インピーダンスは、ＤＣＩＲとの相関性が直線的または同一となる周波数領域で測定すればよい。この周波数領域で測定されたインピーダンスからＤＣＩＲを求めれば、その良否を評価することができる。この周波数領域は、劣化前後のＤＣＩＲとインピーダンスから事前に求め、測定周波数領域を設定すればよい。この測定周波数領域の中の一つ、あるいは複数の周波数の正弦波負荷を用いればよい。

より具体的に述べれば、周波数特性はキャパシタの仕様によって異なるので、同一仕様のキャパシタの使用前のＤＣＩＲとインピーダンスを、各周波数で測定する。そして、キャパシタの経年劣化後のＤＣＩＲとインピーダンスを同様に、各周波数で測定する。この各周波数で測定した値を比較し、一定の関係性、例えば、インピーダンスが５０〔％〕の変化が生じた場合に、ＤＣＩＲも５０〔％〕だけ変化する周波数を測定周波数領域と定義する。この測定周波数領域は、キャパシタの仕様によって異なり、一定の関係性が得られる周波数領域が広い場合も狭い場合もある。場合によっては、特定の周波数でのみ一定の関係性が得られることもある。

この測定周波数領域の中でも、キャパシタの蓄積電荷の放出量を抑制する観点からすれば、その周波数領域中のできるだけ高い周波数を用いて測定時間を短縮することが望ましい。

このインピーダンス測定回路２の測定対象であるキャパシタモジュール４は、例えば瞬低補償装置６に搭載され、電力蓄積手段を構成している。瞬低補償装置６は、停電時や瞬時電圧低下時に、キャパシタモジュール４に蓄積されている電荷すなわち、電力エネルギーを商用交流電源に代わって負荷に供給するバックアップ電源である。したがって、このキャパシタモジュール４には図示しない充電装置が接続され、瞬低時の給電要求に対応する電力が蓄積される。

このキャパシタモジュール４はキャパシタ８を備え、複数のキャパシタ８の直列回路で構成されている。キャパシタモジュール４は、複数のキャパシタ８の並列回路でもよいし、複数のキャパシタ８の直並列回路でもよい。インピーダンス測定回路２の測定対象はこのようなキャパシタモジュール４でもよいし、単一のキャパシタ８であってもよい。

このキャパシタモジュール４には放電回路１０が形成され、この放電回路１０に正弦波負荷回路１２が備えられている。この正弦波負荷回路１２は、キャパシタモジュール４に正弦波負荷を付与することにより、キャパシタモジュール４から正弦波で励振された僅かな放電電流を流す回路である。正弦波負荷回路１２は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１４を備えており、既述の放電回路１０はＦＥＴ１４と電流検出抵抗１６との直列回路で構成されている。ＦＥＴ１４は、入力交流によって交流出力動作を行う能動素子の一例である。

ＦＥＴ１４は、スイッチング素子の一例であって、このＦＥＴ１４のゲートには正弦波発振器１８が接続されている。正弦波発振器１８は正弦波信号Ｓｆを発生させればよい。この正弦波発振器１８は特定周波数ｆの正弦波信号を発振することが可能で、測定周波数領域にある、正弦波信号Ｓｆを発生する。この正弦波信号Ｓｆは、ＦＥＴ１４のゲートに入力され、ゲートを励振する。ＦＥＴ１４は正弦波信号Ｓｆの入力により駆動され、このＦＥＴ１４を含む正弦波負荷回路１２により、キャパシタモジュール４から電流検出抵抗１６およびＦＥＴ１４に正弦波で励振された、すなわち正弦波負荷を付与した電流ｉが流れる。この電流ｉは、キャパシタモジュール４の放電電流である。

電流検出抵抗１６には放電電流ｉによって電圧降下を生じ、この電圧降下は電流ｉと電流検出抵抗値ｒとの積で与えられる。この電圧降下は電流検出回路２０に加えられ、この電流検出回路２０は、放電回路１０に流れる電流ｉを検出する。また、電圧検出回路２２では、電流ｉによって変化する電圧ｖを検出する。

電流検出回路２０の検出電流ｉ、電圧検出回路２２の検出電圧ｖは、演算部２４に加えられる。演算部２４では、入力された検出電流ｉおよび検出電圧ｖからインピーダンスＺを演算する。このインピーダンスＺは、｜ｖ｜／｜ｉ｜（｜ｖ｜、｜ｉ｜はそれぞれ実効値）で求められ、キャパシタモジュール４における交流電流に対するＡＣＩＲ（交流内部インピーダンス）である。

次に、図３は、図１に示すインピーダンス測定回路を用いて実現される電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法を示している。

図３に示す測定方法では、正弦波信号Ｓｆにより正弦波負荷回路１２を駆動し（ステップＳ１１）、放電回路１０に流れる正弦波負荷を付与することにより流れる放電電流を検出するとともに、放電中のキャパシタモジュール４の電圧を検出する（ステップＳ１２）。

電流検出回路２０の検出電流、電圧検出回路２２の検出電圧を取り込み、インピーダンスを算出する（ステップＳ１３）。このインピーダンスの算出では、既述のインピーダンス算出の一般式を用いることにより、すなわち、検出電圧を検出電流により除すことにより、キャパシタモジュール４のインピーダンスが求められる。

本発明のインピーダンス測定方法の効果は以下の通りである。

(1) 充電中のキャパシタモジュール４に正弦波負荷を付与して放電させキャパシタモジュール４のインピーダンスを測定するので、蓄積された電荷の放電量を少なくし、エネルギー損失を抑制できる。

(2) 瞬低補償装置６などに搭載されて稼働中のキャパシタモジュール４のインピーダンスを容易に測定できる。

次に、図４は本発明の電気二重層キャパシタのインピーダンス測定装置とこの測定装置の結果に基づいて診断する劣化診断装置の全体図を示している。このインピーダンス測定回路３０は既述のインピーダンス測定回路２を包含している。

このインピーダンス測定回路３０は、キャパシタモジュール４、放電回路１０、正弦波負荷回路１２、電流検出回路２０、電圧検出回路２２およびＭＰＵ（Micro Processor Unit）３２を備えている。

電流検出回路２０は、差動増幅器３４を備え、電流検出抵抗１６の電圧降下から電流を算出する。電圧検出回路２２は、ハイパスフィルタ３６、非反転増幅器３８およびＤＣ加算回路４０を備えている。したがって、電圧検出回路２２では、放電回路１０で検出された電圧の直流成分がハイパスフィルタ部３６で除かれた（ＤＣカット）後、非反転増幅器３８で増幅された後、ＤＣ加算回路４０で直流電圧が加算され、検出電圧が出力される。

ＭＰＵ３２には、ＡＤ変換器４２、ＤＡ変換器４４、記憶部４６、タイマー４８、演算器５０および入出力部（Ｉ／Ｏ）５２が備えられている。

ＡＤ（アナログ・ディジタル）変換器４２では、アナログ信号である既述の検出電流および検出電圧がディジタル信号に変換され、記憶部４６および演算器５０に加えられ、記憶されるとともに、インピーダンスの算出などに用いられる。

ＤＡ（ディジタル・アナログ）変換器４４は、記憶部４６から提供されるディジタル信号より、既述の正弦波信号を生成する。したがって、このＤＡ変換器４４は、既述の正弦波発振器１８を構成している。

記憶部４６はプログラムやデータを記憶する手段の一例であって、ＲＯＭ（Read-Only Memory）およびＲＡＭ（Random-Access Memory）を備えている。ＲＯＭは本発明のインピーダンス測定、劣化診断プログラムを格納し、ＲＡＭは測定データや演算データを格納する。

タイマー４８は計時手段の一例であって、インピーダンス測定タイミングやアナログ正弦波信号のタイミング信号を生成する。

演算器５０は、プログラムの実行に基づき、既述の検出電流データ、検出電圧データの取り込み、各データから充電器などの周辺装置のノイズ除去、各データを用いてインピーダンスを演算し、またはその演算結果から劣化の有無や劣化状態の診断を行う。

入出力部（Ｉ／Ｏ）５２は、外部装置５４に接続され、外部装置５４からの制御入力の取り込み、演算結果を外部装置５４に提供する。外部装置５４には、パーソナルコンピュータ、表示装置、外部記憶装置などの外部機器が含まれる。

本発明のインピーダンス測定装置は、正弦波負荷回路１２の正弦波発振器をＤＡ変換器４４で構成し、ＭＰＵ３２のプログラム制御によって正弦波負荷を生成する構成であるが、これに限定されない。図４に示す構成において、正弦波発振器１８を独自に構成し、この正弦波発振器１８とＭＰＵ３２とを連係させ、上記実施の形態と同様の制御形態を実現してもよい。

図５は劣化診断装置３１の各部動作波形を示している。

ＤＡ変換器４４は、図５のＡに示す正弦波電圧波形つまり、ＦＥＴ１４のゲートドライブ信号を生成する。このゲートドライブ信号がＦＥＴ１４のゲートに加えられると、ＦＥＴ１４が動作し、放電回路１０には放電電流が生じる。この放電電流は、図５のＢに示す電流波形となる。

放電回路１０の電圧検出回路２２の接続点には、キャパシタ電圧として図５のＣに示す電圧波形が得られる。この電圧波形からハイパスフィルタ３６でＤＣカットが行われ、ハイパスフィルタ３６の出力側には図５のＤに示す電圧波形が得られる。

このハイパスフィルタ３６の出力は非反転増幅器３８で増幅され、非反転増幅器３８の出力側には図５のＥに示す電圧波形が得られる。この電圧波形にＤＣ加算回路４０でＤＣバイアス電圧が加算され、ＤＣ加算回路４０の出力側には図５のＦに示す電圧波形が得られる。図５のＦに示す電圧波形が検出電圧データとしてＡＤ変換器４２に加えられる。

また、電流検出抵抗１６には図５のＧに示す電圧波形が得られ、この電圧波形が差動増幅器３４で増幅され、この出力には図５のＨに示す電圧波形が得られる。この電圧波形が、放電電流を表し、電流検出データとしてＡＤ変換器４２に加えられる。

図６は電流検出抵抗１６から検出された電圧波形およびそのサンプリングの一例である。図６において、Ｍは電流検出抵抗１６の端子間電圧をオシロスコープで取得した電圧波形である。この電圧波形上に付された複数のポイントＰは、サンプリングポイントである。これらのサンプリングポイントから電圧波形をＭＰＵ３２のＡＤ変換器４２に取り込めば、検出電流や検出電圧を電流データや電圧データに変換し、既述のインピーダンス算出を行うことができる。

次に、本発明の劣化診断方法について、具体的に説明する。図７は既述のインピーダンスの算出処理を含む電気二重層キャパシタの劣化診断におけるインピーダンス算出の処理手順を示している。

このインピーダンス算出の処理手順はＭＰＵ３２を実行主体として同期処理される。インピーダンス測定では、ＭＰＵ３２のＤＡ変換器４４を用いて正弦波負荷波形の出力処理（ＤＡ変換）を実行し（ステップＳ３１）、この結果得られる既述の検出電圧および検出電流の各値の取り込みおよびそのＡＤ変換を実行する（ステップＳ３２）。各電圧データおよび電流データを記憶部４６のＲＡＭに格納し、保管する（ステップＳ３３）。

各データの取得の後、Ｎ周期の正弦波負荷の出力が完了したか否かを判断する（ステップＳ３４）。Ｎ周期は、１以上の所定値であればよく、タイマー４８のタイマー出力によって決定すればよい。つまり、Ｎ周期分の正弦波の入力期間において、電流検出および電圧検出が実行される。

このＮ周期の正弦波負荷の出力が完了していなければ（ステップＳ３４のＮＯ）、ステップＳ３１ないしＳ３４の処理を繰り返す。そして、Ｎ周期の正弦波負荷の出力が完了すれば（ステップＳ３４のＹＥＳ）、ＤＡ変換出力の停止および正弦波負荷の停止を行い（ステップＳ３５）、検出電流および検出電圧の振幅を算出し（ステップＳ３６）、これらを用いてインピーダンスＺを算出する（ステップＳ３７）。このインピーダンスＺは、Ｚ＝電圧振幅÷電流振幅によって求められる。

この算出結果は、インピーダンスＺを表すデータが外部装置へ出力される（ステップＳ３８）。

検出電流および検出電圧の取り込みや正弦波信号の生成を既述のＮ周期に同期させて処理し、また、検出電流および検出電圧の値はＮ周期間で平均化してもよく、また、各時点の値を以てインピーダンスを算出し、その値を平均化してもよい。各検出電流および検出電圧は平均値を用いてもよいし、最大値の二乗の平均の平方根である実効値を用いてもよい。

次に、図８も電気二重層キャパシタの劣化診断方法を示している。この劣化診断方法では、既述のキャパシタモジュール４にインピーダンス測定回路３０を接続する。ＦＥＴ１４を正弦波信号で駆動し、放電回路１０に正弦波負荷を付与し、正弦波負荷を付与した放電電流をｉとする。

図８に示す処理手順は、ＭＰＵ３２を実行主体として処理され、正弦波負荷回路１２の駆動を開始し（ステップＳ２１）、データ取込み処理（ステップＳ２２）の後、取り込まれたデータをフーリエ変換、ディジタルフィルタなどソフトウェアによるノイズ除去処理など、波形処理が実行される（ステップＳ２３）。

この波形処理の後、検出電圧データおよび検出電流データを用いてインピーダンスの算出処理が実行され（ステップＳ２４）、算出されたインピーダンスは劣化診断（ステップＳ２５）に用いられる。

この劣化診断では、インピーダンスの値が所定値以下か、所定範囲にあるかが診断される（ステップＳ２６）。インピーダンスの値が所定値以下または所定範囲にあれば（ステップＳ２６のＹＥＳ）、キャパシタモジュール４は正常状態にあることを表す出力が得られる（ステップＳ２７）。インピーダンスの値が所定値以下または所定範囲になければ（ステップＳ２６のＮＯ）、劣化状態を表す診断結果が得られる（ステップＳ２８）。これらの診断結果が外部装置５４に提供され、表示や記録に供される。

次に、本発明の劣化診断装置について具体的に説明する。図９は、キャパシタモジュールからの外部電源回路を備えた電気二重層キャパシタの劣化診断装置を示している。この劣化診断装置３１は、稼働中のキャパシタモジュールの蓄積電力を劣化診断装置の電源に利用している。

図４に示すインピーダンス測定回路３０では、電源を外部から供給する構成であるが、図９の劣化診断装置３１に示すように、瞬低補償装置６に搭載されたキャパシタモジュール４の蓄積電力を活用してもよい。図９に示す劣化診断装置３１では、キャパシタモジュール４から給電される電源回路５６が備えられ、この電源回路５６によって所望の電圧に変換し、かつ安定化出力を得ることにより、電流検出回路２０、電圧検出回路２２およびＭＰＵ３２に給電している。

斯かる構成とすれば、劣化診断装置３１にバッテリの搭載が不要であり、装備の軽量化を図ることができる。

図１０は、複数のキャパシタユニットを備える電源装置の各キャパシタユニットの劣化診断装置の構成例である。

この劣化診断装置３３は、複数のキャパシタユニットで構成された電源装置の劣化診断装置であるが、既述のインピーダンス測定回路２（図１）や劣化診断装置３１（図９）を用いているので、低コスト化や小型化を図ることができる。斯かる構成では、小規模な電源装置のキャパシタユニットのインピーダンス測定や劣化診断にも活用できる。

電源装置６０は、複数のキャパシタユニット４１、４２・・・４Ｎを備えた小規模な構成である。このようなキャパシタユニット４１、４２・・・４Ｎに対し、インピーダンス測定回路２０１、２０２を備え、これら測定回路２０１、２０２を測定対象に応じて接続を変更する構成であってもよい。各測定回路２０１、２０２には通信回路４０１、４０２を備え、測定結果をホストシステム５００に伝送し、その測定結果からインピーダンス値を評価し、劣化診断を行う構成であってもよい。

本発明の劣化診断装置では、測定したインピーダンスの値を用いてキャパシタの劣化診断を行っているが、算出したインピーダンスを用いて既述のＤＣＩＲを算出し、このＤＣＩＲを用いて劣化診断を行ってもよい。その場合、インピーダンスからＤＣＩＲに変換する際の係数は既述したとおり、予め測定し、ＭＰＵ３２のＲＡＭに格納し、キャパシタに応じて選択すればよい。

電流検出回路２０で検出された電流、電圧検出回路２２で検出された電圧を用いることにより、ＭＰＵ３２で電流や電圧を測定しているが、電流検出回路２０や電圧検出回路２２に測定機能を付与し、その測定結果をＭＰＵ３２に取り込み、インピーダンス演算や劣化診断を行う構成としてもよい。

正弦波負荷回路１２について、ＦＥＴ１４を例示しているがこれに限定されない。交流入力信号で交流出力動作すなわち、入力振幅によって内部抵抗が直線的または非直線的に変化する素子たとえば、バイポーラトランジスタなどの能動素子で構成してもよい。

電流検出抵抗１６を用いているが、電流検出手段としてたとえば、カレントトランスを用いてもよい。

本発明の劣化診断方法及びその装置によれば次のような効果が期待できる。

(1) ディジタル処理で演算を行えるので、周辺機器のノイズをディジタル処理によって排除でき、診断精度を高めることができる。

(2) 瞬低補償装置などのバックアップ電源からキャパシタモジュール４を切り離すことなく、しかも、稼働中のキャパシタモジュール４の劣化診断を行うことができる。

(3) 蓄積電荷の放出量を抑制し、迅速にしかも高精度に診断し、信頼性のある診断結果を得ることができる。

(4) ＭＰＵ３２を用いて正弦波信号の生成、電流および電圧の取り込み、インピーダンスの算出を同期して一元化処理することができ、劣化診断処理の迅速化を図ることができる。

本発明によれば、充電中の電気二重層キャパシタのインピーダンス測定や、その測定値を用いた電気二重層キャパシタの劣化診断を行うことができ、インピーダンス測定には正弦波負荷を付与した電流を用いているので、測定に要する電荷エネルギーの損失を抑えることができる。

また、本発明によれば、本発明のインピーダンス測定回路２や劣化診断装置３０の機能を活用でき、稼働中のキャパシタの充電電荷を放出させることなく、劣化診断を行うことができ、経済的であるとともにエネルギー損失を大幅に低減することができ、有益である。

２、３０ インピーダンス測定回路
４ キャパシタモジュール
６ 瞬低補償装置
８ 電気二重層キャパシタ
１０ 放電回路
１２ 正弦波負荷回路
１４ ＦＥＴ
１６ 電流検出抵抗
１８ 正弦波発振器
２０ 電流検出回路
２２ 電圧検出回路
２４ 演算部
３１、３３ 劣化診断装置
３２ ＭＰＵ
３４ 差動増幅器
３６ ハイパスフィルタ
３８ 非反転増幅器
４０ ＤＣ加算回路
４２ ＡＤ変換器
４４ ＤＡ変換器
４６ 記憶部
４８ タイマー
５０ 演算器
５２ 入出力部（Ｉ／Ｏ）
５４ 外部装置
５６ 電源回路
６０ 電源装置
４１、４２・・・４Ｎ キャパシタユニット
２０１、２０２ インピーダンス測定回路

Claims (6)

1. 充電された電気二重層キャパシタに正弦波負荷を接続して放電回路を形成し、正弦波負荷を付与して前記電気二重層キャパシタを放電させ、
   前記放電回路に流れる電流を電流検出手段で検出し、
   前記放電回路を介して放電中の前記電気二重層キャパシタの電圧を電圧検出手段で検出し、
   前記電流検出手段の検出電流と前記電圧検出手段の検出電圧とを用いて前記電気二重層キャパシタのインピーダンスを算出手段により算出する
   ことを特徴とする、電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法。
2. 前記正弦波負荷は、電気二重層キャパシタの使用前のＤＣＩＲとインピーダンスを、各周波数で測定し、前記電気二重層キャパシタの経年劣化後のＤＣＩＲとインピーダンスを、各周波数で測定し、この各周波数で測定した値を比較し、一定の関係性が得られた周波数を測定周波数領域とし、該測定周波数領域の任意の周波数の正弦波電流である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インピーダンス測定方法。
3. 請求項１または２の電気二重層キャパシタのインピーダンス測定方法で算出されたインピーダンスの値が基準値未満であるかまたは所定の基準範囲内にあるかを判定することを特徴とする、電気二重層キャパシタの劣化診断方法。
4. 充電された電気二重層キャパシタに正弦波負荷を接続し、正弦波負荷を付与して前記電気二重層キャパシタを放電させる放電回路と、
   前記放電回路に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記放電回路を介して放電中の前記電気二重層キャパシタの電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電流検出手段の検出電流と前記電圧検出手段の検出電圧とを用いて前記電気二重層キャパシタのインピーダンスを算出する算出手段と、
   を備えることを特徴とする、電気二重層キャパシタのインピーダンス測定装置。
5. 前記正弦波負荷は、電気二重層キャパシタの使用前のＤＣＩＲとインピーダンスを、各周波数で測定し、前記電気二重層キャパシタの経年劣化後のＤＣＩＲとインピーダンスを、各周波数で測定し、この各周波数で測定した値を比較し、一定の関係性が得られた周波数を測定周波数領域とし、該測定周波数領域の任意の周波数の正弦波電流であることを特徴とする請求項４に記載の電気二重層キャパシタのインピーダンス測定装置。
6. 請求項４または請求項５の電気二重層キャパシタのインピーダンス測定装置で算出されたインピーダンスの値が基準値未満であるかまたは所定の基準範囲内にあるかを判定する判定手段を備えることを特徴とする、電気二重層キャパシタの劣化診断装置。
   

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