JP2001255345A - Method and device for measuring capacitance of capacitor and equivalent series resistance - Google Patents
Method and device for measuring capacitance of capacitor and equivalent series resistanceInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は電気二重層キャパ
シタ(コンデンサ)などの大容量キャパシタの周波数依
存等価抵抗Rと周波数依存容量Cの測定方法および測定
装置に関する。コンデンサというのは2つの電極を持ち
電極間に電圧を掛けると、それに比例した電荷が蓄積さ
れる素子である。電圧Vと電荷Qの比が容量Cである。
CはC=εS/dによって与えられる。つまり電極面積
Sが広いほど、誘電率εが高いほど、電極間距離dが小
さいほど容量Cは大きい。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for measuring a frequency-dependent equivalent resistance R and a frequency-dependent capacitance C of a large-capacity capacitor such as an electric double-layer capacitor (capacitor). A capacitor is an element that has two electrodes and stores a proportional charge when a voltage is applied between the electrodes. The ratio of the voltage V to the charge Q is the capacitance C.
C is given by C = εS / d. That is, the larger the electrode area S, the higher the dielectric constant ε, and the smaller the distance d between the electrodes, the larger the capacitance C.
【0002】コンデンサ(キャパシタ)には多くの種類
がある。セラミックコンデンサ、マイラーコンデンサ、
タンタルコンデンサ、マイカコンデンサ、電解コンデン
サなど多くのものがある。名称の由来も誘電体の材質に
よるものが多いが、それだけでもない。容量の小さいも
のはpF(10−12F)によって表現する。その上は
μF(10−6F)で表す。nF(10−9F)やmF
(10−3F)という単位はあまり使わない。コンデン
サ(キャパシタ)の特性は容量、耐圧、周波数特性など
で表現する。高周波特性の良い小容量のコンデンサと、
周波数特性の良くない大容量のコンデンサは用途が異な
る。後者は電気回路の電源部の安定化のために使われ
る。電解コンデンサは概して耐圧は低く容量が大きく
(数十〜数百μF)電源部に好適である。電解コンデン
サは容量が大きいというものの100μFであっても1
0−4Fである。電解コンデンサは極性を持ち反対向き
に電圧を掛けると破壊される。それより容量の小さい高
周波用のコンデンサは極性がなく、そのような心配はな
い。There are many types of capacitors (capacitors). Ceramic capacitors, mylar capacitors,
There are many things such as tantalum capacitors, mica capacitors, and electrolytic capacitors. The origin of the name often depends on the material of the dielectric, but it is not the only one. Those having a small capacity are represented by pF (10 −12 F). Above it is expressed in μF (10 −6 F). nF (10 -9 F) and mF
The unit of (10 −3 F) is not used much. The characteristics of a capacitor (capacitor) are expressed by capacitance, withstand voltage, frequency characteristics, and the like. A small-capacity capacitor with good high-frequency characteristics,
Large-capacity capacitors with poor frequency characteristics have different applications. The latter is used for stabilizing the power supply section of the electric circuit. The electrolytic capacitor generally has a low withstand voltage and a large capacity (several tens to several hundreds of μF) and is suitable for a power supply unit. The electrolytic capacitor has a large capacitance,
0-4F . Electrolytic capacitors have polarity and are destroyed when voltage is applied in the opposite direction. Smaller capacitors for high frequency use have no polarity, so there is no such concern.
【0003】これらのコンデンサは周波数特性もよくて
使用周波数範囲内で容量Cの値はあまり変わらない。本
発明が問題にするのは電気二重層コンデンサ(DLC)
である。これは耐圧は低いが容量が極めて大きいコンデ
ンサである。容量は1F程度のものがあり容積を上げる
ことによって10F或いは100Fという大容量のコン
デンサを製作することができる。但し耐圧は低く2.5
V程度である。2段につないでやっと5Vといったとこ
ろである。活性炭の微小粒子を希硫酸などの溶液に分散
固定したような構造であり活性炭であるから実効面積S
が極めて広い。活性炭の表面層に二重層ができるが、そ
の層は極めて薄いからdが小さい。だから容量Cが大き
くなる。誘電率εを増やすことによってCを大きくする
というのでなく、dを小さくSを大きくして巨大な静電
容量Cを実現しようとするものである。[0003] These capacitors have good frequency characteristics, and the value of the capacitance C does not change much within the operating frequency range. The present invention is concerned with electric double layer capacitors (DLC)
It is. This is a capacitor having a low withstand voltage but an extremely large capacity. The capacity is about 1F. By increasing the capacity, a capacitor having a large capacity of 10F or 100F can be manufactured. However, the withstand voltage is low, 2.5
About V. It's just like 5V by connecting two stages. The structure is such that fine particles of activated carbon are dispersed and fixed in a solution such as dilute sulfuric acid.
Is extremely wide. Although a double layer is formed on the surface layer of the activated carbon, d is small because the layer is extremely thin. Therefore, the capacitance C increases. Instead of increasing C by increasing the dielectric constant ε, it is intended to realize a huge capacitance C by decreasing d and increasing S.
【0004】通常のコンデンサよりも容量がけた違いに
大きいので従来のコンデンサの技術が使えないというこ
とがある。また周波数特性が悪くて周波数が上がると容
量が極端に低下する。だから直流的な使用しかできない
ということもある。さらに直流抵抗Rというものが問題
になる。通常のコンデンサと様々に違うことがある。こ
こでは通常のコンデンサと区別するためキャパシタと呼
ぶことにする。In some cases, the conventional capacitor technology cannot be used because the capacitance is much larger than that of a normal capacitor. Further, when the frequency rises due to poor frequency characteristics, the capacity is extremely reduced. Therefore, there are times when only DC use is possible. Further, the DC resistance R becomes a problem. There are various differences from ordinary capacitors. Here, it is called a capacitor to distinguish it from a normal capacitor.
【0005】[0005]
【従来の技術】電気二重層キャパシタはコンデンサとバ
ッテリーの中間的な性質を持つ。エネルギーを蓄積する
という点では電池(バッテリー)に近い性質がある。そ
れに周波数特性が悪くて高速性がないという点でも電池
に似ている。前者は容量Cが大きいから蓄積エネルギー
E=0.5CV2が大きいということである。耐圧が低
いので直列に複数段連結する必要がある。後者は微小な
活性炭が溶液の中に分散しているということから来る。
電流の流れは電子だけでなく電解質の陽イオン、陰イオ
ンにもよる。これらイオンの動きは鈍い。速い交流には
追随できない。周波数が高くなると容量Cが極めて小さ
い値に減少する。だから電気二重層キャパシタは直流用
途にしか使えないと思われている。2. Description of the Related Art An electric double layer capacitor has an intermediate property between a capacitor and a battery. In terms of storing energy, it has properties similar to batteries. It is also similar to batteries in that it has poor frequency characteristics and lacks high speed. The former means that the stored energy E = 0.5 CV 2 is large because the capacitance C is large. Since the withstand voltage is low, it is necessary to connect a plurality of stages in series. The latter comes from the fact that the fine activated carbon is dispersed in the solution.
The current flow depends on not only electrons but also cations and anions of the electrolyte. The movement of these ions is slow. Can't follow fast exchange. As the frequency increases, the capacitance C decreases to a very small value. Therefore, it is thought that electric double layer capacitors can be used only for DC applications.
【0006】しかし一方、化学変化によって電荷を蓄積
するのでなく電極間の電圧によって電荷を保持するから
コンデンサとみなすこともできる。応答速度は遅いとい
ってもバッテリーよりは速い。このように電気二重層キ
ャパシタはコンデンサと電池の中間的なものである。[0006] On the other hand, however, the capacitor can be regarded as a capacitor because the charge is held by the voltage between the electrodes instead of storing the charge by a chemical change. Response speed is slower than battery. Thus, the electric double layer capacitor is intermediate between a capacitor and a battery.
【0007】電気二重層キャパシタ自体は新規でない。
20数年前から細々と実用化されてはいる。巨大な静電
容量Cを有する電気二重層キャパシタはコンピュータ、
電子機器のメモリバックアップ用に使われているものが
ある。停電時に緊急の電源として働く。停電でなくても
商用電圧が下降したときに役に立つ。しかしバックアッ
プならそれに適したバッテリーがいくらでもありバッテ
リーがなお主流である。バックアップであるから1年〜
数年に一度使用される程度で希に使われるだけである。
静的な使用である。その用途には耐圧が3Vとか5Vで
1F以下の小さいDLCキャパシタが用いられる。生産
規模は小さく、使用される素子数も少なかった。素子と
してはわき役で、しかも直流的な使用方法であった。直
流仕様なので周波数特性は問題にならない。The electric double layer capacitor itself is not new.
It has been practically used for more than 20 years. An electric double layer capacitor having a huge capacitance C is a computer,
Some are used for memory backup of electronic devices. Works as an emergency power source during a power outage. It is useful when the commercial voltage drops even if there is no power outage. However, there are many suitable batteries for backup, and batteries are still mainstream. One year since backup
It is used only once every few years and only rarely.
Static use. For this purpose, a small DLC capacitor having a withstand voltage of 3 V or 5 V and 1 F or less is used. The production scale was small and the number of elements used was small. The device was aside and used in a DC manner. Frequency characteristics do not matter because of DC specifications.
【0008】ところが近年、電気二重層キャパシタに新
しい用途が開けつつある。電気自動車や風力発電などの
エネルギー保持用のキャパシタとしての用途である。電
気自動車は充放電可能な電池をエネルギー源とする。電
池は化学反応を利用して電流を発生するものである。充
放電可能ということは化学反応が両側に可逆的に進むと
いうことである。化学反応には時間がかかるから充電に
しても放電にしても時間がかかる。電池によって電動器
を回すのであるが、急激な加速の場合電池では追随でき
ない。電池の性能を向上することによって急激な加速発
進などが可能になるようにという途が模索されている。However, in recent years, new applications are being opened for electric double layer capacitors. This is an application as a capacitor for retaining energy such as electric vehicles and wind power generation. Electric vehicles use rechargeable batteries as energy sources. Batteries generate electric current using a chemical reaction. Charging / discharging means that the chemical reaction proceeds reversibly to both sides. The chemical reaction takes time, so it takes time to charge or discharge. The battery is used to turn the motor, but in the case of rapid acceleration, the battery cannot follow. It is being sought to improve the performance of the battery to enable rapid acceleration and start.
【0009】しかし、もう一つの途がある。それはコン
デンサを電池と並列に用い、電池機能を補完するという
ことである。コンデンサは化学反応を含まないでQ=C
Vという関係によって電荷を蓄えているだけである。急
放電急充電可能である。だから急激な加速、発進などの
際にコンデンサから電流を取るようにすればよい、とい
うわけである。コンデンサは蓄える電荷は少なく蓄積エ
ネルギーは少ない。エネルギー蓄積は電池による。つま
り動的にはコンデンサ、静的には電池を利用する、とい
うわけである。電池は急激な放電充電をすると特性が著
しく劣化するので、それをさけるため並列にコンデンサ
を入れるというのは望ましいことである。However, there is another way. That is, a capacitor is used in parallel with the battery to supplement the battery function. The capacitor is Q = C without chemical reaction
Only the charge is stored by the relation of V. Rapid discharge and rapid charge are possible. Therefore, it is only necessary to draw current from the capacitor at the time of sudden acceleration, starting, etc. Capacitors store less charge and less stored energy. Energy storage depends on the battery. In other words, capacitors are used dynamically, and batteries are used statically. Since the characteristics of a battery are significantly deteriorated when it is rapidly discharged and charged, it is desirable to insert a capacitor in parallel in order to avoid this.
【0010】それに制動の際、電流が反対に流れるの
で、これをコンデンサによって吸収するとエネルギー損
失を減らすことができ有利である。そういうわけで電気
自動車のエネルギー源として、充放電可能な電池と大容
量のキャパシタの併用というものが検討されている。こ
れに大容量の電気二重層キャパシタを使いたいという要
望がある。In braking, a current flows in the opposite direction. If the current is absorbed by a capacitor, energy loss can be advantageously reduced. For this reason, a combination of a chargeable / dischargeable battery and a large-capacity capacitor has been studied as an energy source for an electric vehicle. There is a demand for using a large-capacity electric double layer capacitor.
【0011】もう一つの用途と目指されるものは、風力
発電のエネルギー保持装置である。風力発電は風が風車
を回し発電機を廻して電力を発生し送電し一部をバッテ
リーに溜めるものである。ところが風力というのは時事
刻々変動する。発電量も著しく変わる。電池というのは
本来静的なものである。激しい電流電圧変動には向かな
い。電池を充電する場合電流電圧が一定であることが望
ましい。電圧電流が変動するとバッテリーを痛め寿命を
縮める。Another application that is aimed at is an energy retention device for wind power generation. In wind power generation, the wind turns a windmill and turns a generator to generate and transmit electric power, and a portion is stored in a battery. However, wind power fluctuates every moment. The amount of power generation also changes significantly. Batteries are static in nature. Not suitable for severe current-voltage fluctuations. When charging a battery, it is desirable that the current and voltage are constant. Fluctuations in voltage and current damage the battery and shorten its life.
【0012】大容量のキャパシタを併用すると、早い電
圧電流変動を吸収することができる。これに電気二重層
キャパシタを使おうという要求が芽生えた。大容量コン
デンサがあれば電池には一定の電流電圧で充電すること
ができる。常時働いて電池を補完するという用途であ
る。いつも眠っているようなバックアップでない。連続
的に常にめざましく働いて電流電圧のゆらぎを吸収し電
池を保護するという重要な目的を持つ。これまでバック
アップなど細々と利用されてきたにすぎない電気二重層
キャパシタの全く新しい用途である。静電容量が大きい
というところで着目された訳である。When a large-capacity capacitor is used in combination, it is possible to absorb a rapid change in voltage and current. There has been a growing demand for using electric double layer capacitors. With a large-capacity capacitor, a battery can be charged with a constant current and voltage. Its purpose is to always work and complement the battery. It is not a backup that always sleeps. It has the important purpose of continuously working remarkably and absorbing the fluctuation of the current and voltage to protect the battery. This is a completely new use of an electric double layer capacitor that has been used only in small ways such as backup. That is why attention was paid to the point that the capacitance was large.
【0013】このように電気自動車、風力発電という魅
力的な2つの分野において電気二重層キャパシタが有望
視されている。しかし未だ実現しているわけでない。要
求を満たす電気二重層キャパシタが未だ存在しない。ま
た同じ目的はバッテリーの高性能化によっても達成され
るかも知れない。激しい電圧電流変化に耐えるバッテリ
ーがあればよいことだからである。電気二重層キャパシ
タの明るい将来が開けるか否かということはバッテリー
開発の速さとの競争ということになろう。As described above, the electric double layer capacitor is expected to be promising in two attractive fields such as electric vehicles and wind power generation. However, it has not yet been realized. There is not yet an electric double layer capacitor that meets the requirements. The same purpose may be achieved by improving the performance of the battery. This is because it is only necessary to have a battery that can withstand severe voltage and current changes. Whether the bright future of electric double layer capacitors will open or not will be a race against the speed of battery development.
【0014】いくつも克服しなければならない問題があ
る。一つは耐圧である。活性炭を希硫酸など電解質溶液
に分散しているから耐圧は低い。1Vとか2.5Vとい
った低いものである。電気自動車に使うとなれば300
Vの電源電圧が要求される。風力発電のエネルギー保存
用ならもっと高い電源電圧が必要である。そのような高
耐圧の電気二重層キャパシタは未だ存在しない。2.5
Vの素子を120段連結すれば300Vになるはずであ
るがコンデンサをそのように多数連結するというのは危
険である。素子間で電圧ばらつきが発生し不安定にな
る。なんらかの工夫が必要である。There are a number of problems that need to be overcome. One is the pressure resistance. Since the activated carbon is dispersed in an electrolyte solution such as dilute sulfuric acid, the pressure resistance is low. It is as low as 1V or 2.5V. 300 for electric vehicles
V power supply voltage is required. Higher power supply voltages are needed for energy storage for wind power. Such a high withstand voltage electric double layer capacitor does not yet exist. 2.5
If V elements are connected in 120 stages, the voltage should be 300 V. However, connecting such a large number of capacitors is dangerous. Voltage fluctuations occur between the elements, and become unstable. Some ingenuity is needed.
【0015】もう一つの問題は容量Cである。一つで1
Fの容量があっても100個直列に繋ぐと0.01Fに
低下してしまう。ところがエネルギーを蓄えるためのキ
ャパシタであるから1Fでは不足である。コンデンサの
保持エネルギーは0.5CV 2であるが、これを大きく
するには容量Cが大きくないといけない。だから10F
とか100Fというような容量の大きい電気二重層キャ
パシタが望まれる。並列に接続するとコンデンサ容量は
それだけ増える。先ほどの例で耐圧2.5V、容量1F
のキャパシタを100個直列にしたものを100個並列
にして(10000個)も耐圧が250Vで1Fにしか
ならない。10Fとするには100000個要るという
ことになる。このように大量の素子を直列並列に並べる
ものは高コストになり容積も大きく採用できない。耐
圧、容量の問題を克服する必要がある。Another problem is the capacitance C. One by one
Even if there is a capacity of F, it becomes 0.01F when 100 pieces are connected in series.
Will drop. However, the key for storing energy
Because it is a capita, it is not enough on the first floor. Capacitor
Holding energy is 0.5CV 2But this is greatly
To do so, the capacity C must be large. So 10F
Or electric double layer cap with a large capacity such as 100F
Pasita is desired. When connected in parallel, the capacitance of the capacitor
That increases. 2.5V breakdown voltage and 1F capacitance in the previous example
Of 100 capacitors in series and 100 in parallel
(10000 pieces) withstand voltage of 250V and only 1F
No. It takes 100,000 to make 10F
Will be. Such a large number of elements are arranged in series and parallel
They are expensive and cannot be used in large volumes. Endurance
It is necessary to overcome pressure and capacity problems.
【0016】それだけで話は尽きるのでない。電気二重
層キャパシタの周波数特性も問題になる。電気二重層キ
ャパシタは重いイオンが電荷を運ぶので応答速度は極度
に遅い。バッテリーより少しましといった程度である。
電気機器の停電時のバックアップという古い使い方なら
直流(f=0)であるから周波数特性は問題でない。と
ころが電気自動車、風力発電などのパワー蓄積に使うな
ら電流電圧変動に対応できないといけないから周波数特
性が問題になる。通常の電子流れを使うコンデンサと違
ってイオン流れを用いる電気二重層キャパシタはその点
甚だ不利である。電気二重層キャパシタの場合、直流で
1Fあるとしても交流になると容量は急激に落ちる。新
規な用途では交流fに対して、どの程度C(f)が落ち
るのかという評価をしなければならない。直流的な容量
Cが大きいというだけでは使えないのである。ある程度
の周波数まで所望の容量Cがあるというのでなければな
らない。周波数特性というのは電気二重層キャパシタに
とって新しい評価性能である。[0016] That alone is not the end of the story. The frequency characteristics of the electric double layer capacitor also become a problem. The response speed of an electric double layer capacitor is extremely slow because heavy ions carry charges. A little better than a battery.
In the case of an old usage such as a backup at the time of a power failure of an electric device, the frequency characteristic is not a problem because the direct current (f = 0) is used. However, if it is used for power storage such as electric vehicles and wind power generation, it must be able to cope with fluctuations in current and voltage, so frequency characteristics become a problem. An electric double layer capacitor using an ion flow, unlike a capacitor using a normal electron flow, is extremely disadvantageous in that respect. In the case of an electric double layer capacitor, even if it is 1F in direct current, the capacity drops sharply in the case of alternating current. In a new application, it is necessary to evaluate how much C (f) falls with respect to the alternating current f. It cannot be used just because the DC capacity C is large. There must be a desired capacitance C up to a certain frequency. The frequency characteristic is a new evaluation performance for the electric double layer capacitor.
【0017】直流の場合問題にならないが交流仕様の場
合もう一つ性能を左右する因子がある。それは直列抵抗
である。活性炭と溶液からなりイオンが電界の中を動く
のであるから時間遅れがあるとともに直流抵抗が現れ
る。一つ一つの活性炭の粒子kがCk+Rkの直列体と
考えられるが、その集合としての電気二重層キャパシタ
もC+Rの直列体と考えることができる。これは直列抵
抗であって並列の抵抗ではない。だから永久的な電力損
失にはつながらない。しかし極性が反転する時だけ僅か
に充電電流が流れる。つまり直流の場合は問題にならな
いが交流的な使用をする場合は問題である。直列抵抗が
大きく周波数も高いと直列抵抗による電力損失も無視で
きない。ということは直列抵抗Rも性能評価の対象にな
るということである。電気自動車、風力発電の蓄電の場
合交流的な使用をするので、このような直列抵抗Rも周
波数fに対する依存性を調べなければならない。だから
周波数の関数として、R(f)と書く事ができる。pF
オーダー、μFオーダーの通常のコンデンサの場合直列
抵抗Rはごく小さくてあまり問題にならないが電気二重
層キャパシタの場合は無視できない大きさを持つ事があ
る。だからRの測定はより重要であると言える。これは
等価直列抵抗ESR(Equivalent Series Resistance)
とも呼ばれる。There is no problem in the case of DC, but there is another factor that affects the performance in the case of AC specification. It is a series resistor. Since ions are made of activated carbon and a solution and move in an electric field, there is a time delay and a DC resistance appears. Although each activated carbon particle k is considered to be a series body of C k + R k , the electric double layer capacitor as a set thereof can also be considered to be a series body of C + R. This is a series resistance, not a parallel resistance. So it does not lead to permanent power loss. However, the charging current flows only slightly when the polarity is reversed. In other words, this is not a problem in the case of DC, but a problem in the case of AC use. If the series resistance is large and the frequency is high, the power loss due to the series resistance cannot be ignored. This means that the series resistance R is also subject to performance evaluation. In the case of electric vehicles and wind power storage, alternating current is used. Therefore, the dependence of the series resistance R on the frequency f must be examined. Thus, R (f) can be written as a function of frequency. pF
In the case of ordinary capacitors of the order and μF order, the series resistance R is very small and does not matter much, but in the case of an electric double layer capacitor, it may have a size that cannot be ignored. So it can be said that the measurement of R is more important. This is Equivalent Series Resistance (ESR)
Also called.
【0018】[0018]
【発明が解決しようとする課題】電気二重層キャパシタ
を電気自動車、風力発電に使用するには耐圧、容量を高
めるというキャパシタ自体の改善が不可欠である。それ
はそれとして重要なことである。が性能が改善されても
実際に良くなっているのか悪くなっているのか評価でき
なければならない。その評価も直流特性だけでなくて動
的特性つまり周波数依存性を調べることができるもので
なければならない。電気二重層キャパシタでは容量C、
耐圧V、直列抵抗Rなどが重要な因子であるが、このう
ち耐圧Vを除き、容量C、直列抵抗Rの動的特性(周波
数特性)の測定方法を提供する事が本発明の目的であ
る。In order to use an electric double layer capacitor for electric vehicles and wind power generation, it is essential to improve the capacitor itself by increasing the breakdown voltage and capacity. That's what matters. Must be able to evaluate whether the performance has improved or is actually getting better. The evaluation must be able to examine not only DC characteristics but also dynamic characteristics, that is, frequency dependence. In an electric double layer capacitor, the capacitance C,
The withstand voltage V, the series resistance R and the like are important factors. Among them, it is an object of the present invention to provide a method for measuring the dynamic characteristics (frequency characteristics) of the capacitance C and the series resistance R except for the withstand voltage V. .
【0019】コンデンサの容量C、等価直列抵抗ESR
を測定するにはインピーダンスメータというものが使用
される。ベクトルインピーダンスメータ、LCRメー
タ、インピーダンスアナライザーとも呼ばれる。いずれ
も同じ原理に基づいてコンデンサのC、ESRを周波数
fの関数として求めることができる。The capacitance C of the capacitor and the equivalent series resistance ESR
Is measured using an impedance meter. It is also called a vector impedance meter, LCR meter, or impedance analyzer. In each case, the C and ESR of the capacitor can be obtained as functions of the frequency f based on the same principle.
【0020】これは交流発振器を内蔵し対象となるコン
デンサに交流電圧Vを掛け電流Iとの関係を調べて電流
と電圧の比と、電流の位相遅れδからインピーダンスを
求めるものである。対象がコイルLでも抵抗Rでもコン
デンサCでも原理は同じである。電流はコンデンサと直
列に繋いだ小さい抵抗の電圧から求めることができる。
電圧はデジタルオッシロスコープで求めることができ
る。交流インピーダンス法という。電圧がV=Vpsi
nΩtであって、電流がI=Ipsin(Ωt+δ)で
あるとする。(Vp、Ipは振幅である。)δは位相遅
れである。インピーダンスの絶対値|Z|はVp/Ip
である。コンデンサに直流抵抗が無いと位相遅れδは丁
度90度であるが直流抵抗Rがあるので位相遅れδは9
0度でない。Z=R+1/jωCであるから、In this method, an AC oscillator is built in, an AC voltage V is applied to a target capacitor, and the relationship between the current I and the current is examined. The impedance is determined from the current-voltage ratio and the phase delay δ of the current. The principle is the same whether the object is the coil L, the resistor R, or the capacitor C. The current can be determined from the voltage of a small resistor connected in series with the capacitor.
The voltage can be determined with a digital oscilloscope. It is called the AC impedance method. Voltage V = V p si
A Enuomegati, current is assumed to be I = I p sin (Ωt + δ). (V p and I p are amplitudes.) Δ is a phase lag. The absolute value | Z | of the impedance is V p / I p
It is. If the capacitor has no DC resistance, the phase delay δ is just 90 degrees, but the phase delay δ is 9 because of the DC resistance R.
It is not 0 degrees. Since Z = R + 1 / jωC,
【0021】 Vp/Ip={R2+(1/ωC)2}1/2 (1) tanδ=1/ωCR (2) V p / I p = {R 2 + (1 / ωC) 2 } 1/2 (1) tan δ = 1 / ωCR (2)
【0022】これによって容量Cと直列抵抗Rを求める
方法を交流インピーダンス法という。原理原則に忠実な
方法である。これは一般的によく用いられる方法で、そ
れを装置に具体化したものはインピーダンスメータとし
て市販されている。周波数fは可変であるから容量、抵
抗の周波数特性も分かる。しかし周波数は1kHzで固
定し1kHzでのC、L、Rを求めるという簡易型のも
のもある。周波数依存性のない素子ならそれで充分な事
も多い。しかし一般に交流インピーダンス法は周波数を
変えて測定できる。The method for obtaining the capacitance C and the series resistance R in this manner is called an AC impedance method. It is a method that adheres to the principles. This is a commonly used method, and its implementation in the device is commercially available as an impedance meter. Since the frequency f is variable, the frequency characteristics of the capacitance and the resistance can be understood. However, there is a simplified type in which the frequency is fixed at 1 kHz and C, L, and R at 1 kHz are obtained. If the element has no frequency dependence, it is often sufficient. However, in general, the AC impedance method can be measured by changing the frequency.
【0023】この装置ではpFレベル、μFレベルのコ
ンデンサなら簡単に容量測定できる。しかし1Fともな
るとこれでは測定が難しい。CR積を時定数といい時間
の尺度になる。これは抵抗Rを通してCを充電放電する
ときに要する時間だと言える。Cが大きいので時定数が
極めて長くなり測定に時間が掛かる。電圧が低くても充
電に要する電荷量も多いから大電流を流す必要がある。
位相遅れδは90度に近いのでtanδは発散に近く精
密な測定をするには何周期分もの電流電圧位相差δを求
めて平均操作する必要がある。1周期が長いのに何回も
測定を繰り返す必要があるから時間はなおいっそう掛か
るようになる。In this apparatus, the capacitance can be easily measured with a pF level capacitor and a μF level capacitor. However, it is difficult to measure with 1F. The CR product is a time constant and is a good measure of time. This can be said to be the time required to charge and discharge C through the resistor R. Since C is large, the time constant becomes extremely long, and the measurement takes time. Even when the voltage is low, a large amount of charge is required for charging, so that a large current needs to flow.
Since the phase delay δ is close to 90 degrees, tan δ is close to divergence, and it is necessary to obtain the current-voltage phase difference δ for many cycles and perform an averaging operation for accurate measurement. Since one cycle is long, it is necessary to repeat the measurement many times, so that it takes more time.
【0024】だから現在よく使われている小型のメータ
ではとても測定できない。原理的には装置サイズを大き
くして流せる電流を増やして時間をかければ1Fのキャ
パシタを測定できるであろう。しかしそのような装置は
大型となり高額のものとなって簡単には購入できない。Therefore, it is difficult to measure with a small meter which is widely used at present. In principle, it would be possible to measure a 1F capacitor by increasing the size of the device, increasing the current that can be passed, and taking time. However, such devices are large and expensive and cannot be easily purchased.
【0025】電気自動車のバッテリー補完用のキャパシ
タとして使うのであれば自動車の所有者が簡単に購入で
き所有できるのが望ましい。たとえ買えても自動車ほど
も嵩がある装置をどこに置くのか?100Fともなると
もう交流インピーダンス法の思想に従って測定装置を作
ることは現実的でない。If used as a capacitor for supplementing the battery of an electric vehicle, it is desirable that the vehicle owner can easily purchase and own the battery. Where to put equipment that is as bulky as a car, even if you can buy it? At 100F, it is no longer practical to make a measuring device according to the concept of the AC impedance method.
【0026】交流インピーダンス法でなくて、大容量で
ある電気二重層キャパシタの容量を静的に測定する方法
はいくつか存在する。一つは図12に示す定電流放電法
という。5.5Vの直流電源によってキャパシタを5.
5Vまで充電する。充電の状態を30分維持する。電源
からキャパシタを切り放し1Fの場合は抵抗負荷を通じ
1mAで放電する。定電流放電して3.0V(V1)に
低下した時の時間をT 1、2.5V(V2)に低下した
時の時間をT2とする。容量CはIt is not an AC impedance method but a large capacity
A method for statically measuring the capacitance of an electric double layer capacitor
There are several. One is the constant current discharge method shown in FIG.
That. The capacitor is set to 5.
Charge up to 5V. Maintain the state of charge for 30 minutes. Power supply
From the capacitor and in the case of 1F through a resistive load
Discharge at 1 mA. 3.0 V (V1)
T is the time when it falls 1, 2.5V (V2Dropped to
Time of T2And The capacity C is
【0027】[0027]
【数1】 (Equation 1)
【0028】によって求める。1mAずつ放電して、5
00mV低下する時間(T2−T1)を測定するのであ
る。キャパシタは1Fであるから500秒掛かる測定で
ある。キャパシタに比例して定電流Iを増やすから時間
はいつも500秒程度である。これは1回の測定にすぎ
ず繰り返し測定すると時間がかかる。しかもこの測定方
法は直流特性を測定しているだけである。当然に容量C
の周波数依存性C(f)はわからないし、ESRもわか
らない。もう一つは図11に示す定抵抗充電法と言われ
るものである。コンデンサを短絡して30分以上放置し
て電位を0にして一定抵抗Rcを通してコンデンサを充
電し電源電圧の0.632倍まで充電するのに要した時
間τを求めその時間を一定抵抗Rcで割ったものがコン
デンサ容量Cとなる。[0028] Discharge by 1 mA
The time (T 2 −T 1 ) during which the voltage decreases by 00 mV is measured. Since the capacitor is at 1F, the measurement takes 500 seconds. Since the constant current I is increased in proportion to the capacitor, the time is always about 500 seconds. This is only one measurement, and it takes time to repeat the measurement. Moreover, this measuring method only measures DC characteristics. Naturally the capacity C
Is not known, and the ESR is not known. The other is a so-called constant resistance charging method shown in FIG. 0.632 constant resistance that time seek time τ taken to charge up times R c of shorting the capacitor was left for 30 minutes or longer to charge the capacitor through a constant resistance R c and the electric potential to the 0 power supply voltage Is the capacitor capacity C.
【0029】[0029]
【数2】 (Equation 2)
【0030】Rcは100Ω〜2000Ω程度の低い抵
抗である。これは大容量を測定できるが静的なもので
(f=0)交流特性は分からない。現在、電気二重層キ
ャパシタの容量は定電流放電法と定抵抗充電法によって
求められる。いずれも静特性しか分からない。交流特性
が全く分からない。ESRも不明である。さらにCの値
が電源電圧、V1(3V)、V2(2.5V)などに強
く依存しており条件によってCの値が変わってしまう。
信頼性に乏しいし時間がかかるし周波数特性が分からな
い。ESRも分からないという欠点がある。何れの場合
もESRは1kHzの10mAの定電流を流してコンデ
ンサ両端電圧を求め、それを100倍したものをESR
と決めている。いずれもCは直流(f=0)ではかりE
SRは1kHzで測定している。ESRは低い周波数で
大きく変動するし、CとESR測定条件が違うのであま
り意味のない測定と言える。[0030] R c is a low resistance of about 100Ω~2000Ω. This can measure a large capacity, but it is static (f = 0) and the AC characteristics are unknown. At present, the capacity of an electric double layer capacitor is determined by a constant current discharging method and a constant resistance charging method. In each case, only the static characteristics are known. I do not understand the AC characteristics at all. ESR is also unknown. Further, the value of C strongly depends on the power supply voltage, V 1 (3 V), V 2 (2.5 V), etc., and the value of C changes depending on conditions.
Poor reliability, time consuming, and unclear frequency characteristics. There is a disadvantage that ESR is not known. In either case, the ESR is determined by applying a constant current of 1 mA at 1 kHz to obtain the voltage across the capacitor, and multiplying the voltage by 100 times the ESR
I have decided. In each case, C is measured by direct current (f = 0) and E
SR is measured at 1 kHz. The ESR greatly fluctuates at a low frequency, and C and ESR measurement conditions are different.
【0031】大容量キャパシタについて一つの交流測定
法と二つの直流測定法を紹介した。それぞれに欠点があ
って良い方法とは言えない。One AC measurement method and two DC measurement methods have been introduced for large-capacity capacitors. Each has its own drawbacks and is not a good solution.
【0032】より小型でより安価で時間がかからず精度
よく大容量のキャパシタのCとESRを測定できる装置
を提供する事が本発明の第1の目的である。時間がかか
らず精度よく大容量のキャパシタのCとESRを測定で
きる方法を提供する事が本発明の第2の目的である。大
容量のキャパシタのCの周波数特性を測定できる方法を
提供することが本発明の第3の目的である。10F〜1
00Fでも正確にCを測定できる方法を提供することが
本発明の第4の目的である。大容量のキャパシタの等価
直列抵抗ESRの周波数特性を測定できる方法を提供す
ることが本発明の第5の目的である。It is a first object of the present invention to provide an apparatus which can measure the C and ESR of a large-capacity capacitor with a smaller size, a lower cost, a shorter time and a higher accuracy. It is a second object of the present invention to provide a method capable of measuring C and ESR of a large-capacity capacitor with high accuracy without taking time. It is a third object of the present invention to provide a method capable of measuring the frequency characteristic of C of a large-capacity capacitor. 10F-1
It is a fourth object of the present invention to provide a method capable of measuring C accurately even at 00F. It is a fifth object of the present invention to provide a method capable of measuring the frequency characteristic of the equivalent series resistance ESR of a large-capacity capacitor.
【0033】[0033]
【課題を解決するための手段】本発明の測定方法は、キ
ャパシタと抵抗の直列体をバイポーラ電源に繋ぎバイポ
ーラ電源から定電流正負±Icの矩形波(繰り返し周波
数f)を発生させてキャパシタの立ち上がり(充電)立
ち下がり(放電)電圧を観測し、立ち上がり(充電)立
ち下がり(放電)の勾配からキャパシタ容量Cを求め、
立ち上がりと立ち下がりの変化における不連続な電圧降
下上昇を定電流の値で割って等価直列抵抗ESRを求め
るようにした方法である。Measurement method [SUMMARY OF invention, capacitor and resistor connecting the serial body into bipolar power square wave constant current positive and negative ± I c from Bipolar Power (repetition frequency f) is allowed to capacitors generate The rise (charge) and fall (discharge) voltages are observed, and the capacitance C of the capacitor is calculated from the rise (charge) fall (discharge) gradient.
This is a method in which a discontinuous voltage drop rise and fall is divided by a constant current value to obtain an equivalent series resistance ESR.
【0034】さらにまた、矩形波周波数fを変更して繰
り返し測定することによってCとESRの周波数特性を
知ることができる。キャパシタに任意のバイアス電圧を
印加した状態でも容量Cと抵抗ESRを測定できる。も
う一つは経時変化をも知ることができるということであ
る。電気二重層キャパシタは経時的な変化もするので、
これをはっきりと把握する必要がある。Further, the frequency characteristics of C and ESR can be known by repeatedly measuring the rectangular wave frequency f. The capacitance C and the resistance ESR can be measured even when an arbitrary bias voltage is applied to the capacitor. Another is that we can know the changes over time. Since electric double layer capacitors change over time,
This needs to be clearly understood.
【0035】バイポーラ(BIPOLAR)電源の使用という
のが本発明では際だって特徴的な事である。バイポーラ
電源という言葉は電源の製造者の命名であって一般に通
用する名称でない。電気工学辞書やハンドブックには掲
載されていない特別な電源である。電流の流れが双方向
であるからバイポーラというのである。トランジスタの
バイポーラとは全く違うので混同してはならない。The use of a bipolar power supply is a distinctive feature of the present invention. The term bipolar power supply is the name of the power supply manufacturer and not a commonly used name. It is a special power source not listed in the electrical engineering dictionary or handbook. It is bipolar because the current flow is bidirectional. Don't be confused because it is completely different from a transistor bipolar.
【0036】電圧Vと電流Iの関係がいずれも正である
ものが通常の直流電源である。横軸に電圧Vを縦軸に電
流Iを取った座標系において(図1)、直流電源は第1
象限に電圧電流の関係がある。普通は抵抗負荷を繋ぐの
で、電圧の向きと電流の向きが同一であり負荷の抵抗に
よって電圧・電流が一点に決まる。それは電圧電流の座
標系において第1象限の1点だけに限定されるというこ
とである。An ordinary DC power supply has a positive relationship between the voltage V and the current I. In a coordinate system in which voltage V is plotted on the horizontal axis and current I is plotted on the vertical axis (FIG. 1), the DC power supply is
There is a voltage-current relationship in the quadrant. Normally, since a resistive load is connected, the direction of the voltage and the direction of the current are the same, and the voltage and current are determined at one point by the resistance of the load. That is, it is limited to only one point in the first quadrant in the voltage / current coordinate system.
【0037】交流電源なら第1象限、原点と第3象限を
とおる直線が電圧・電流関係を示すことになる。直線の
傾きが抵抗値の逆数である。電圧・電流の値はこの直線
の上を往復運動する。交流電源でも電圧、電流の関係は
固定的で、第1象限、第3象限の一部を動くだけであ
る。In the case of an AC power supply, a straight line passing through the first quadrant, the origin, and the third quadrant indicates the voltage-current relationship. The slope of the straight line is the reciprocal of the resistance value. The voltage and current values reciprocate on this straight line. Even in an AC power supply, the relationship between voltage and current is fixed, and only a part of the first and third quadrants moves.
【0038】ところがバイポーラ電源は正電流を流すだ
けでなく負電流を流すことができる。電圧が正であるの
に負電流を流し得るのである。ということはその時はエ
ネルギーを吸収しているのである。その時は電源でなく
積極的にエネルギーを負荷から奪っているということに
なる。そのような事が可能かどうかはもちろん負荷によ
る。However, a bipolar power supply can flow not only a positive current but also a negative current. Even though the voltage is positive, a negative current can flow. That means that it is absorbing energy at that time. At that time, it means that energy is being actively taken from the load, not the power supply. Whether this is possible depends, of course, on the load.
【0039】図1の第4象限において電圧は正であるが
電流は負である。第2象限においては電流が正で電圧が
負である。第2象限、第4象限ではエネルギーを吸収し
ている事になる。バイポーラ電源は第2象限とか第4象
限のような電流電圧関係を与えることができる特別の電
源である。しかも定電流を流すことができる。これは負
荷が負性抵抗を持つというのではなくて電源に仕掛があ
るのである。但し抵抗が負荷の場合はそのようなことは
不可能である。抵抗Rからエネルギーを搾り取るという
ような事は不可能である。抵抗での電力消費はRI2と
書く事ができ、これは常に正である。抵抗に関しエネル
ギー蓄積の表式はない。これに対してコンデンサのエネ
ルギー蓄積は0.5CV2と書くことが出来る。電力消
費はCV(dV/dt)であるが、これは正負交代し平
均値は0である。だから容量が負荷の場合は電源によっ
て負荷からエネルギーを吸収する事ができる。In the fourth quadrant of FIG. 1, the voltage is positive but the current is negative. In the second quadrant, the current is positive and the voltage is negative. In the second and fourth quadrants, energy is absorbed. A bipolar power supply is a special power supply capable of providing a current-voltage relationship as in the second quadrant or the fourth quadrant. Moreover, a constant current can flow. This is not because the load has negative resistance, but because the power supply has a mechanism. However, when the resistance is a load, such a thing is impossible. It is impossible to squeeze energy from the resistor R. Power consumption in the resistance can be written as RI 2, which is always positive. There is no formula for energy storage with respect to resistance. On the other hand the energy storage capacitor can be written as 0.5CV 2. The power consumption is CV (dV / dt), which alternates between positive and negative and has an average value of zero. Therefore, when the capacity is a load, the power can absorb energy from the load.
【0040】図1において負荷がコンデンサなら、通常
の交流電源でも、電流・電圧の値が円形のループを描く
ようにすることができる。I=C(dV/dt)だか
ら、V=sinωtなら、I=Cωcosωtである。
簡単のためCω=1と正規化すると、電流・電圧の軌跡
は、オ、ラ、ム、ウ、オというような円になる。その場
合でも第2象限、第4象限では交流電源はエネルギーを
吸収しているのである。In FIG. 1, if the load is a capacitor, the current and voltage values can draw a circular loop even with a normal AC power supply. Since I = C (dV / dt), if V = sinωt, then I = Cωcosωt.
If Cω = 1 is normalized for simplicity, the locus of the current / voltage becomes a circle such as o, la, mu, u, o. Even in that case, the AC power supply absorbs energy in the second and fourth quadrants.
【0041】バイポーラ電源は交流電源と違って電圧が
正であっても負の電流を流すことができる。図1におい
てノ、ミ、クというような正一定電流・正負電圧という
軌跡を描くような電流・電圧関係を与えることもできる
し、ケ、シ、ヤのような負一定電流・正負電圧というよ
うな軌跡を描かせることも可能である。そのような離れ
技は従来のありふれた電源ではとても出来ないことであ
る。Unlike the AC power supply, the bipolar power supply allows a negative current to flow even if the voltage is positive. In FIG. 1, a current-voltage relationship that draws a locus of positive constant current / positive / negative voltage such as "no", "mi" or "ku" can be given, and a negative constant current / positive / negative voltage such as "q", "shi" or "ya" can be given. It is also possible to draw a simple trajectory. Such a breakthrough is something that cannot be done with conventional ordinary power supplies.
【0042】バイポーラ電源によってどのような電圧、
電流を負荷に与えるかということは例えばファンクショ
ンジェネレータによって自在に指定することができる。
本発明の実施例ではファンクションジェネレータによっ
て電流矩形波をキャパシタに与えるようにする。ファン
クションジェネレータは融通性一般性があるから矩形波
電流Iと周波数fを自由に変えることができる。ファン
クションジェネレータの機能は専用の回路を持ったIC
や回路装置によって置き換えることができる。What voltage,
Whether to apply the current to the load can be freely specified by, for example, a function generator.
In the embodiment of the present invention, a current square wave is applied to the capacitor by the function generator. Since the function generator has flexibility and generality, the rectangular wave current I and the frequency f can be freely changed. Function generator function is an IC with a dedicated circuit
And circuit devices.
【0043】コンデンサが負荷であると抵抗負荷でない
から第2象限、第4象限のような電流電圧関係が許され
る。本発明はこのようなバイポーラ電源を使って図2
(1)に示すような正負の矩形電流波イロハニホヘトチ
…を負荷のキャパシタに印加する。電流が一定なのであ
って電圧が一定なのでない。定電流だということに注意
するべきである。しかも正負が反転する定電流である。If the capacitor is a load, it is not a resistive load, so that a current-voltage relationship as shown in the second and fourth quadrants is allowed. The present invention uses such a bipolar power supply as shown in FIG.
A positive / negative rectangular current wave, such as shown in (1), is applied to a load capacitor. The current is constant, not the voltage. Note that it is a constant current. In addition, it is a constant current whose polarity is reversed.
【0044】周期をTとする。fT=1である。定電流
の矩形波であり、周期Tの前半で+Ic、周期Tの後半
で−Icである。mを任意の整数として、 (a) mT≦t<(m+0.5)T I=+Ic (5) (b) (m+0.5)T≦t<(m+1)T I=−Ic (6) Let T be the period. fT = 1. A rectangular wave of a constant current, in the first half of the period T + I c, in the second half of the period T is -I c. When m is an arbitrary integer, (a) mT ≦ t <(m + 0.5) T I = + I c (5) (b) (m + 0.5) T ≦ t <(m + 1) T I = −I c (6 )
【0045】正負の切り替えは瞬時に行う。切り替えに
時間をとってはならない。後述するように切り替え点自
体も重要な測定を与えるのである。当然に1周期で電流
を積分すると0である。Switching between positive and negative is performed instantaneously. Don't take the time to switch. The switching points themselves also provide important measurements, as described below. Naturally, when the current is integrated in one cycle, it is zero.
【0046】[0046]
【数3】 (Equation 3)
【0047】(7)は必須であるが(5)、(6)は必
須でない。電流の1周期の積分は0であり矩形波であれ
ばよくて、(5)、(6)のようにきちんと半周期でな
くてもよいのである。矩形波であるのは定電流でキャパ
シタを充電し定電流でキャパシタを放電したいためであ
る。+Ic1と−Ic2としてそれぞれを流す時間を、
Ic2:Ic1としても良い。その場合、充電直線、放
電直線を割る電流値がIc1とIc2というように異な
ってくる。それだけのことである。(7) is essential, but (5) and (6) are not. The integral of one cycle of the current is 0 and may be a rectangular wave, and may not be a half cycle as in (5) and (6). The rectangular wave is used to charge the capacitor with a constant current and discharge the capacitor with a constant current. The time for flowing each as + I c1 and −I c2 is
I c2 : It may be I c1 . In that case, the current values dividing the charge straight line and the discharge straight line differ as Ic1 and Ic2 . That's it.
【0048】この矩形波電流をキャパシタに流して電圧
Vの変化を調べる。もしキャパシタが直列抵抗を持たな
いなら、図2(2)のe、f、g、h、iというように
不連続の無い三角波になるはずである。電圧は電流を積
分したものであり、電流は±Icだから電圧は三角波と
なる。The change in the voltage V is examined by passing this rectangular wave current through the capacitor. If the capacitor has no series resistance, it should be a triangular wave with no discontinuity, such as e, f, g, h, i in FIG. 2 (2). Voltage is obtained by integrating the current, current ± I c So voltage is a triangular wave.
【0049】しかし実際には等価直列抵抗ESRがある
から、電流切り替え時に抵抗を流れる電流が反転し、こ
れによる2倍の電圧降下が起こる。だから図2(2)の
ような電圧波形ル、ワ、カ、ヨ、タ、レ、ソ、ツ、ネ…
になる。切り替え時に電圧不連続がある。実際には切り
替え時に短い遷移領域があってその間で{1−exp
(−t/CR)}で変化する部分がある。この部分での
変化はCRを含む(RはESR)のでここからESRを
求めるということもありうるが、本発明はそれをとらな
い。遷移領域は短すぎ正しく電圧測定できない。それで
本発明は短い遷移領域を除外して線形の部分のみに着目
して線形部分からCとESRを求めるのである。However, in practice, since there is an equivalent series resistance ESR, the current flowing through the resistance at the time of switching the current is inverted, so that a double voltage drop occurs. Therefore, the voltage waveform as shown in FIG. 2 (2), W, C, Y, T, R, S, T, N ...
become. There is a voltage discontinuity during switching. Actually, there is a short transition area at the time of switching, and {1-exp
(−t / CR)}. Since the change in this part includes CR (R is ESR), it is possible to calculate ESR therefrom, but the present invention does not take it. The transition region is too short to measure the voltage correctly. Therefore, the present invention obtains C and ESR from the linear portion by focusing on only the linear portion excluding the short transition region.
【0050】本発明は最低1周期(ルワカヨタ)キャパ
シタ電圧変化を追跡する。好ましくは2周期分(ルワカ
ヨタレソツネ)の電圧変化を求める。充電の際(ワカ、
レソ)は電流が正(+Ic)だから電圧Vが増加する。
増加率は容量に反比例する。Q=CVであるからこれの
両辺を時間微分して、The present invention tracks the capacitor voltage change for at least one period (Luwayakayota). Preferably, a voltage change for two cycles (Luwayakayoteretsutsune) is obtained. When charging (Waka,
Since the current is positive (+ I c ), the voltage V increases.
The rate of increase is inversely proportional to capacity. Since Q = CV, both sides of this are differentiated with time,
【0051】 (dV/dt)=(I/C) (8) である。充電の半周期(a)においてはI=+Icであ
るから、(DV / dt) = (I / C) (8) Because it is I = + I c in the half cycle of the charge (a),
【0052】 (充電時) (dV/dt)=(+Ic/C) (9) 放電の半周期(b)においてはI=−Icであるから、 (放電時) (dV/dt)=(−Ic/C) (10) (During charging) (dV / dt) = (+ I c / C) (9) Since I = −I c in the half cycle (b) of discharging, (during discharging) (dV / dt) = (-I c / C) (10 )
【0053】である。つまり充電時(ワカ、レソ)のキ
ャパシタ電圧の勾配が+Ic/Cである。これは定数と
なる。つまり電圧変化は直線である。矩形波電流を与え
るから電圧勾配が直線になる。直線にするため矩形波を
与えるのである。Icを勾配で割ったものが容量Cであ
る。Is as follows. That charging (Waka, Lesotho) is the gradient of the capacitor voltage of a + I c / C. This is a constant. That is, the voltage change is a straight line. Since a rectangular wave current is applied, the voltage gradient becomes a straight line. It gives a rectangular wave to make it straight. The capacity C is obtained by dividing I c by the gradient.
【0054】同じことは放電時(ヨタ、ツネ)の電圧勾
配についても言える。放電時の勾配は−Ic/Cであ
る。電圧変化は直線である。電圧勾配が一定であり−I
cを勾配で割ったものが容量Cである。放電の勾配も充
電時の勾配も同じ程度になるはずである。1周期で放
電、充電があるので二つのデータを得る事ができる。2
周期分をとると4つのデータが求められる。これらの4
の値を平均してCの値とするのである。The same can be said for the voltage gradient at the time of discharge (spot, fox). Gradient during discharge is -I c / C. The voltage change is a straight line. The voltage gradient is constant and -I
The capacity C is obtained by dividing c by the gradient. The gradient of discharge and the gradient of charge should be about the same. Since there is discharge and charge in one cycle, two data can be obtained. 2
Taking the period, four data are obtained. These four
Are averaged to obtain the value of C.
【0055】ファンクションジェネレータによって正負
の矩形波を与えるが正負の変換時には瞬時に充電・放電
を切り替える。電気二重層キャパシタは等価直列抵抗を
含む。だから充電と放電の切り替え、放電と充電の切り
替えにおいて電圧が不連続に変化する。図2(2)にお
いてルワ、カヨ、タレ、ソツなどの不連続点である。こ
れは急に電流の向きが反転することから生ずる不連続で
ある。等価直列抵抗Rは、充電時に+Icの電流が流れ
+RIcの電圧を生ずる。放電時には反対に−Icの電
流が流れるので−RIcの電圧を発生する。だからル
ワ、カヨ、タレ、ソツの何れも 2RIcに等しい筈で
ある。2周期で4つの不連続があるが、この電圧降下、
上昇が2RIcなので、電圧不連続を2Icでわれば直
列抵抗ESRを求めることができる。A positive / negative rectangular wave is given by the function generator, but charge / discharge is instantaneously switched at the time of positive / negative conversion. The electric double layer capacitor includes an equivalent series resistance. Therefore, the voltage changes discontinuously in switching between charging and discharging and switching between discharging and charging. In FIG. 2 (2), it is a discontinuous point such as luwa, cayo, sauce and sotsu. This is a discontinuity resulting from a sudden reversal of the current direction. Equivalent series resistance R, the current of the charging + I c is generated a voltage of the flow + RI c. Current -I c Conversely generates a voltage of -RI c flows through during discharging. So Luwa, Cayo, Sauce, and Sotsu should all be equal to 2RI c . There are four discontinuities in two cycles, but this voltage drop,
Increase since 2RI c, can be calculated series resistance ESR if we voltage discontinuity at 2I c.
【0056】つまり図2(2)のキャパシタ電圧変化に
おいて連続部分の勾配から容量Cを、不連続の飛びから
ESRを求める、これが本発明の方法である。最低1周
期分の時間で測定ができる。2周期分の時間で精度の高
い測定ができる。That is, in the capacitor voltage change shown in FIG. 2B, the capacitance C is obtained from the gradient of the continuous portion, and the ESR is obtained from the discontinuous jump. This is the method of the present invention. Measurement can be performed in at least one cycle time. Highly accurate measurement can be performed in two cycles.
【0057】ある周波数fでこのような測定ができる
と、周波数を変えて同じC、ESRの測定を繰り返す。
任意の周波数fに対するC、ESRの測定値を得る事が
できる。重要な周波数帯は直流〜1Hzの極めて周波数
の低い領域である。矩形波によって測定するのであるか
ら、あまり低い周波数では時間が掛かりすぎる。だから
現実的な測定範囲は0.01Hz〜1Hzである。しか
し本発明の実施例では0.01Hz〜1000Hzまで
の測定結果を細かく示した。実際には、そのように細か
いデータは不要で、0.01Hz、0.1Hz、1H
z、10Hzの4つ程度の周波数のCとESRが測定で
きていれば良いことが多い。When such a measurement can be performed at a certain frequency f, the same C and ESR measurements are repeated while changing the frequency.
Measurement values of C and ESR for an arbitrary frequency f can be obtained. An important frequency band is a very low frequency region from DC to 1 Hz. Since the measurement is performed using a square wave, it takes too much time at a very low frequency. Therefore, a practical measurement range is 0.01 Hz to 1 Hz. However, in the examples of the present invention, the measurement results from 0.01 Hz to 1000 Hz are shown in detail. Actually, such detailed data is not necessary, and 0.01 Hz, 0.1 Hz, 1H
In many cases, it is sufficient if C and ESR at about four frequencies of 10 Hz can be measured.
【0058】このようにC、ESRの周波数特性を知る
事ができるという点で、前に述べた、大容量用直流(定
電流、定抵抗)測定法とは全然違う。交流インピーダン
ス法は装置が大型になり時間も掛かるが本発明は1周期
〜2周期程度のサンプリングで必要なデータを取ること
ができるから時間も短くてよい。例えば0.01Hzの
極低い周波数でも1周期で100秒、2周期で200秒
であるから、データを得るのに最小で100秒でよい
し、念を入れる場合でも200秒ですむ。In this way, the frequency characteristics of C and ESR can be known, which is completely different from the large-capacity direct current (constant current, constant resistance) measuring method described above. The AC impedance method requires a large device and takes a long time. However, the present invention can obtain necessary data by sampling in about one to two cycles, so that the time may be short. For example, even at an extremely low frequency of 0.01 Hz, one cycle is 100 seconds and two cycles are 200 seconds. Therefore, it is sufficient to obtain the data in a minimum of 100 seconds, and even in case of carefulness, 200 seconds is sufficient.
【0059】[0059]
【発明の実施の形態】図3は本発明の測定装置の概略の
構成を示す図である。ファンクションジェネレータ1の
端子が、バイポーラ電源2に接続される。バイポーラ電
源2は先述のように定電流矩形波を発生することができ
る。どのような電流波形を生ずるべきかということはフ
ァンクションジェネレータが規定する。ファンクション
ジェネレータによって任意の電流波形、電圧波形を生ず
ることができる。ここでは(オフセット)+(±Icの
矩形波)を発生するものとする。FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a measuring apparatus according to the present invention. A terminal of function generator 1 is connected to bipolar power supply 2. The bipolar power supply 2 can generate a constant current rectangular wave as described above. What kind of current waveform should be generated is defined by the function generator. Arbitrary current waveforms and voltage waveforms can be generated by the function generator. Here, it is assumed that generates (offset) + (rectangular wave of ± I c).
【0060】測定対象のキャパシタ3(電気二重層キャ
パシタ)と電流検出用抵抗4(r)が直列に接続されて
いる。バイポーラ電源2の+端子は測定目的のキャパシ
タ3の一端に接続される。バイポーラ電源の−端子は電
流検出用抵抗4に接続される。バイポーラ電源2の+端
子から電流iはキャパシタ3、抵抗4へと流れ−端子に
戻る。The capacitor 3 (electric double layer capacitor) to be measured and the current detecting resistor 4 (r) are connected in series. The + terminal of the bipolar power supply 2 is connected to one end of the capacitor 3 for measurement. The negative terminal of the bipolar power supply is connected to the current detection resistor 4. The current i flows from the + terminal of the bipolar power supply 2 to the capacitor 3 and the resistor 4 and returns to the − terminal.
【0061】デジタルオッシロスコープ5は複数のチャ
ンネルを持つ。例えば2〜10chのチャンネルを持
つ。2チャンネルあればこの測定に使える。CH1をキ
ャパシタの両端に接続する。CH1はキャパシタ電圧を
検出できる。CH2は抵抗での電圧riを検出するか
ら、これをrで割ってキャパシタを流れる電流iを知る
ことができる。つまりデジタルオッシロスコープ5はキ
ャパシタ3の電圧、電流を見ているという事である。The digital oscilloscope 5 has a plurality of channels. For example, it has 2 to 10 channels. Two channels can be used for this measurement. CH1 is connected to both ends of the capacitor. CH1 can detect the capacitor voltage. Since CH2 detects the voltage ri at the resistor, it can be divided by r to find the current i flowing through the capacitor. That is, the digital oscilloscope 5 monitors the voltage and current of the capacitor 3.
【0062】電流は図2(1)のような正負の交代する
矩形波である。ファンクションジェネレータによってバ
イポーラ電源にそのような波形を生じさせているのであ
る。バイポーラ電源はオフセットVofをも与えること
ができる。オフセットは抵抗には掛からないから全部キ
ャパシタに掛かっている。キャパシタの電流・電圧はThe current is a rectangular wave alternating between positive and negative as shown in FIG. Such a waveform is generated in the bipolar power supply by the function generator. Bipolar power supplies can also provide an offset V of . Since the offset does not affect the resistance, it is entirely applied to the capacitor. The current and voltage of the capacitor are
【0063】 i= +Ic (mT≦t(m+0.5)T) (11) −Ic ((m+0.5)T≦t<(m+1)T) (12) I = + I c (mT ≦ t (m + 0.5) T) (11) −I c ((m + 0.5) T ≦ t <(m + 1) T) (12)
【0064】[0064]
【数4】 である。電圧の表式において、irが電流検出抵抗の電
圧でCH2に現れる。それ以外の、(Vof + ∫i
dt + iR)がキャパシタの電圧である。RがESR
である。iRがESRの電圧で電流反転時に変化する。
変化量は±2RI cである。Vofはオフセットで、こ
れはファンクションジェネレータで指定しバイポーラ電
源が発生する。(Equation 4)It is. In the voltage expression, ir is the voltage of the current detection resistor.
Appears at pressure CH2. Otherwise, (Vof + ∫i
dt + iR) is the voltage of the capacitor. R is ESR
It is. iR changes at the time of current reversal at the voltage of ESR.
± 2 RI cIt is. VofIs the offset,
Are specified by the function generator
Source occurs.
【0065】図1においてバイポーラ電源によって、ノ
ミクケシヤというような変化をする電流電圧をキャパシ
タに与えることができる。オフセットがなくて電流が最
大の振幅の矩形波なら、ノミクケシヤノミクケシヤ…と
いうような変化をする。ノミクは耐圧以内に引いた線分
である。In FIG. 1, a bipolar power supply can apply a current and a voltage which change like a nocturnal voltage to a capacitor. If there is no offset and the current is a rectangular wave with the maximum amplitude, a change such as Nomike Keshiya Nomike Keshiya is made. Nomic is a line segment drawn within the pressure resistance.
【0066】バイアスを与えると電圧に関して非対称の
軌跡を指定できる。例えばエ、テの様なバイアス電圧を
与えると、電流電圧の軌跡はコエクケテセコエクケテセ
…というようなものになる。When a bias is applied, a locus that is asymmetric with respect to voltage can be designated. For example, when a bias voltage such as d and t is applied, the locus of the current and voltage becomes as follows.
【0067】[0067]
【実施例】[実施例1(1F、2.5V、f=1Hz、
2周期、1000サンプリングポイント)]実施例1は
1Fの電気二重層キャパシタのCとESRを1Hzの周
波数で測定したものである。使用したファンクションジ
ェネレータ、バイポーラ電源、デジタルオッシロスコー
プ、キャパシタなどを以下に示す。Example 1 Example 1 (1F, 2.5 V, f = 1 Hz,
Example 1 is a measurement of C and ESR of an electric double layer capacitor of 1F at a frequency of 1 Hz. The used function generator, bipolar power supply, digital oscilloscope, capacitors, etc. are shown below.
【0068】ファンクションジェネレータ…横川電機製
FG120(706012−M) バイポーラ電源…東方技研製分極ユニットPS−07
(ポテンショスタット/ガルバノスタット) デジタルオッシロスコープ…横川電機製デジタルスコー
プDL708E(701820、3.5インチFDDつ
き) 高分解能絶縁モジュール…高分解能絶縁モジュール70
1853(電圧感度5mV/div〜20V/div、
A/D変換分解能16bit、入力インピーダンス1M
Ω) 電流検出用抵抗…1Ω、2.5W、精度0.1% 被測定キャパシタ…電気二重層キャパシタ(2.5V、
1F)Function generator: FG120 (706012-M) manufactured by Yokogawa Electric Corporation Bipolar power supply: Polarized unit PS-07 manufactured by Toho Giken
(Potentiometer / galvanostat) Digital oscilloscope: Digital scope DL708E (701820, with 3.5-inch FDD) made by Yokogawa Electric High-resolution insulation module: High-resolution insulation module 70
1853 (voltage sensitivity 5 mV / div to 20 V / div,
A / D conversion resolution 16 bits, input impedance 1M
Ω) Current detection resistor: 1 Ω, 2.5 W, accuracy 0.1% Capacitor to be measured: Electric double layer capacitor (2.5 V,
1F)
【0069】図3に示すように被測定キャパシタの−端
子に抵抗(1Ω、2.5W、精度0.1%)を接続し
た。バイポーラ電源の+端子(+電流線と+電圧線)を
キャパシタの+端子に接続した。バイポーラ電源の−端
子(−電流線と−電圧線)を抵抗の他端に接続した。As shown in FIG. 3, a resistor (1Ω, 2.5 W, accuracy 0.1%) was connected to the negative terminal of the capacitor to be measured. The + terminal (+ current line and + voltage line) of the bipolar power supply was connected to the + terminal of the capacitor. The-terminal (-current line and-voltage line) of the bipolar power supply was connected to the other end of the resistor.
【0070】ファンクションジェネレータの出力とバイ
ポーラ電源の入力端子を同軸ケーブルによって接続し
た。デジタルオッシロスコープに高分解能絶縁モジュー
ルを2チャンネル取り付けた。図3に示すように、CH
1とキャパシタを、CH2と抵抗とを接続した。The output of the function generator and the input terminal of the bipolar power supply were connected by a coaxial cable. Two channels of high-resolution insulation module were attached to a digital oscilloscope. As shown in FIG.
1 and a capacitor, and CH2 and a resistor.
【0071】それぞれの機器を立ち上げ、次の通りに設
定した。 ○ファンクションジェネレータFG120 出力: off 出力モード:cont 出力波形: 矩形波 周波数: 1Hz 出力電圧: 2V (±1V) オフセット: 0mVEach device was started up and set as follows. ○ Function generator FG120 Output: off Output mode: cont Output waveform: Rectangular wave Frequency: 1 Hz Output voltage: 2 V (± 1 V) Offset: 0 mV
【0072】これはファンクションジェネレータが、バ
イポーラ電源で発生させる電流(電圧でない)の条件を
設定している。発生させる電流は矩形波で周波数は1H
zということを規定する。ファンクションジェネレータ
からの出力電圧は±1Vである。この値が分極ユニット
との関係で発生する充放電電流の値を決める。半周期で
+1Vであるから充電電流は1Aである。残る半周期で
−1Vであるから放電電流は1Aである。This sets the condition of current (not voltage) generated by the function generator by the bipolar power supply. The generated current is a square wave with a frequency of 1H
z is defined. The output voltage from the function generator is ± 1V. This value determines the value of the charge / discharge current generated in relation to the polarization unit. Since the voltage is +1 V in a half cycle, the charging current is 1A. Since the remaining half cycle is -1V, the discharge current is 1A.
【0073】ファンクションジェネレータのオフセット
値は正に設定すると、充電電流を増やし放電電流を減ら
す。これによってキャパシタにバイアス電圧を掛けるよ
うにすることができる。しかしオフセット値とバイアス
電圧の関係は予め分からない。ここでは初めにはバイア
ス電圧の無い(オフセットのない)場合を示している。
バイアスを掛けて性能を調べる必要があり、それを行う
が両者の関係が分からないので試行錯誤によってオフセ
ットとバイアスの関係を求める。When the offset value of the function generator is set to be positive, the charging current is increased and the discharging current is reduced. Thus, a bias voltage can be applied to the capacitor. However, the relationship between the offset value and the bias voltage is not known in advance. Here, the case where there is no bias voltage (there is no offset) is shown first.
It is necessary to check the performance by applying a bias, and this is done. However, since the relationship between the two is not known, the relationship between the offset and the bias is obtained by trial and error.
【0074】○分極ユニット・バイポーラ電源(ポテン
ショスタット/ガルバノスタット)PS−07 Function: off Input: on Current range: 1A 初期電圧(INIT): 0mVPolarizing unit / bipolar power supply (potentiometer / galvanostat) PS-07 Function: off Input: on Current range: 1A Initial voltage (INIT): 0 mV
【0075】初期電圧というのはファンクションジェネ
レータのオフセット値と同様に、正に設定すると、充電
電流を増やし放電電流を減らす。これによってキャパシ
タにバイアス電圧を掛けるようにすることができる。し
かしバイポーラ電源初期電圧とバイアス電圧の関係も予
め分からない。ここでは初めにはバイアス電圧の無い
(初期電圧が0V)場合を示している。バイアスを掛け
て性能を調べる必要があり実際にそれを行うが、両者の
関係が分からないので試行錯誤によってバイポーラ電源
初期電圧とバイアスの関係を求める。When the initial voltage is set to be positive, similarly to the offset value of the function generator, the charging current increases and the discharging current decreases. Thus, a bias voltage can be applied to the capacitor. However, the relationship between the bipolar power supply initial voltage and the bias voltage is not known in advance. Here, the case where there is no bias voltage (the initial voltage is 0 V) is shown first. It is necessary to check the performance by applying a bias and actually do it, but since the relationship between the two is not known, the relationship between the initial voltage of the bipolar power supply and the bias is obtained by trial and error.
【0076】 ○デジタルスコープDL708E Sampling: off ACQ Record Length: 1k ACQ Mode: Box Average 各チャンネル Display CH1,CH2:on、 CH3〜CH8:off Vertical V/DIV CH1,CH2: 500mV/div Position CH1: −2div, CH2:0div Coupling: DC Horizontal TIME/DIV: 200ms/div Trigger Simple: on Mode: Auto Source: CH2 Level: 0mV Slope: 立ち上がり Position/Delay Position: 0% Delay: 0.000s File Save Mode: ASCII File Name Auto Naming:on,file nam e:test Media: FD Digital Scope DL708E Sampling: off ACQ Record Length: 1k ACQ Mode: Box Average Channels Display CH1, CH2: on, CH3 to CH8: off Vertical V / Divich V1: DIVCH2 , CH2: 0 Div Coupling: DC Horizontal TIME / DIV: 200 ms / div Trigger Simple: on Mode: Auto Source: CH2 Level: 0 mV Slope: 0% V0 Auto Naming: on, file nam e: test Media: FD
【0077】サンプリングデータの量は、ACQのRe
cord Lengthによって決める。今回は100
0(1k)個のデータを一回の測定で得る事が出来る。
2周期分での電圧データを取るのであるから250個の
データ(時刻、電圧を表す点と考えて良い)が充電、放
電に対応する。1回目の充電250点、放電250点、
2回目の充電が250点、放電250点である。2周期
でデータ採取が完結するので測定時間が短いという利点
がある。The amount of sampling data is determined by the Re
Determined by cord Length. This time is 100
0 (1k) data can be obtained by one measurement.
Since voltage data is taken for two cycles, 250 data (which can be considered as points representing time and voltage) correspond to charging and discharging. First charge 250 points, discharge 250 points,
The second charge is 250 points and the discharge is 250 points. Since data collection is completed in two cycles, there is an advantage that the measurement time is short.
【0078】ここでは印加する電流変化の周波数fは1
Hzで、周期Tが1秒である(T=1/f)。2周期だ
から2秒である。測定時間が2秒になるよう、Hori
zontal TIME/DIVを200ms/div
に設定している。divというのはオッシロ画面の縦横
の格子の区画の間隔である。10divで2秒となる。
CH1はキャパシタ電圧を検出する。キャパシタ電圧は
−1〜+3Vの範囲にある。これを感知できるように、
Vertical V/DIVを500mV/divと
した。Position(原点の高さ)を−2divと
した。つまり−1V〜+3Vを見る事が出来る設定であ
る。Here, the frequency f of the applied current change is 1
In Hz, the period T is 1 second (T = 1 / f). Two seconds because of two cycles. Hori so that the measurement time is 2 seconds
200ms / div of zone TIME / DIV
Is set to The div is the interval between the vertical and horizontal grid sections of the oscilloscope screen. 10 seconds is 2 seconds.
CH1 detects the capacitor voltage. The capacitor voltage is in the range of -1 to + 3V. To be able to sense this,
Vertical V / DIV was set to 500 mV / div. Position (the height of the origin) was -2 div. In other words, the setting allows the user to see -1V to + 3V.
【0079】CH2は電流検出抵抗(1Ω)4の両端に
つながっているから、これはキャパシタに流れる電流を
調べているのである。電流は−1A〜+1Aであるか
ら、電圧に直すと−1V〜+1Vである。これを感知で
きるように、VerticalV/DIVを500mV
/div、Positionを0divとした。つまり
0Vから上下2Vを見ることのできる設定である。また
放電から充電に切り替わるときに測定を開始するように
Triggerの各値を設定した。Since CH 2 is connected to both ends of the current detection resistor (1Ω) 4, it checks the current flowing through the capacitor. Since the current is -1A to + 1A, it is -1V to + 1V in terms of voltage. VerticalV / DIV is set to 500 mV so that this can be detected.
/ Div and Position were set to 0 div. That is, the setting allows the user to see the upper and lower 2V from 0V. Each value of Trigger was set so that the measurement was started when switching from discharging to charging.
【0080】以上が初期の設定である。次に測定操作に
ついて述べる。デジタルオッシロスコープのSampl
ingをonにした。ついでファンクションジェネレー
タの出力をonにした。分極ユニットのFunctio
nのロータリスイッチをガルバノスタット(G−STA
T、電流制御)にした。つまり±1Aの定電流が流れる
様なモードにした。デジタルオッシロスコープ画面(C
H1、CH2)に波形が現れる。The above is the initial setting. Next, the measurement operation will be described. Digital oscilloscope Sampl
ing turned on. Next, the output of the function generator was turned on. Function of polarization unit
n rotary switch with a galvanostat (G-STA).
T, current control). That is, the mode was set such that a constant current of ± 1 A flows. Digital oscilloscope screen (C
H1, CH2).
【0081】CH1はキャパシタ電圧を示し、充電開始
直後に電圧が急激に上昇する。その後穏やかに上昇す
る。放電開始直後も電圧が急激に下降し、その後ゆっく
りと電圧が下降する。CH2はキャパシタ電流を示す。
充電時は+1A(+1V)となり、放電時は−1A(−
1V)となる。つまり電流は±1Aの2値しかとらな
い。CH1 indicates the capacitor voltage, and the voltage sharply rises immediately after the start of charging. Then rise gently. Immediately after the start of discharge, the voltage drops sharply, and then the voltage drops slowly. CH2 indicates a capacitor current.
It becomes + 1A (+ 1V) at the time of charge, and -1A (-) at the time of discharge.
1V). That is, the current takes only two values of ± 1A.
【0082】ファンクションジェネレータのオフセット
を上げていくとCH1(キャパシタ電圧)の波形が上昇
してゆく。この波形の平均電圧が2Vとなるようにファ
ンクションジェネレータのオフセットを調整した。As the offset of the function generator is increased, the waveform of CH1 (capacitor voltage) increases. The offset of the function generator was adjusted so that the average voltage of this waveform was 2V.
【0083】デジタルオッシロスコープのトリガモード
をnormalに変更して約3秒待つと、抵抗の電圧
(キャパシタ電流)に充放電2周期分の波形が現れる。
このデータをフロッピディスクFDに記録した。FDの
記録をパソコンに取り込んだ。得られたファイルの拡張
子を「csv」に変更した。それを表計算ソフトで読み
込んだ。このファイルは全部で約1000個のデータか
らなる。最初の約250点が1回目の充電、次の250
点が1回目の放電、次の250点が2回目の充電、さら
に次の250点が2回目の放電のデータである。When the trigger mode of the digital oscilloscope is changed to normal and waits for about 3 seconds, a waveform of two cycles of charging / discharging appears in the resistance voltage (capacitor current).
This data was recorded on the floppy disk FD. The FD record was imported to a personal computer. The extension of the obtained file was changed to “csv”. I read it with spreadsheet software. This file consists of about 1000 data in total. The first 250 points are the first charge, the next 250 points
The points are data of the first discharge, the next 250 points are data of the second charge, and the next 250 points are data of the second discharge.
【0084】一定電流で充電、放電を行うのでキャパシ
タ電圧はほぼ直線的に上昇し、直線的に下降する。上昇
線、下降線の勾配が1/Cに比例するので勾配から容量
Cを求める。上昇線、下降線は厳密には直線から外れて
いる。そこで上昇線および下降線を直線で近似する。直
線で近似するため最小二乗法を用いる。最小二乗近似し
た直線のことを「回帰直線」という。Since charging and discharging are performed with a constant current, the capacitor voltage rises almost linearly and falls linearly. Since the gradient of the rising line and the falling line is proportional to 1 / C, the capacitance C is obtained from the gradient. The ascending and descending lines are strictly out of line. Therefore, the ascending and descending lines are approximated by straight lines. The least squares method is used to approximate with a straight line. The straight line obtained by the least square approximation is called a “regression line”.
【0085】11点目から240点目までのCH1(キ
ャパシタ電圧)のデータを時間に対してプロットし(図
4)、直線近似して回帰直線を求めた。1回目の充電回
帰直線である。同様に261点目から490点目までの
キャパシタ電圧のデータを時間に対してプロットし回帰
直線を求めた。1回目放電回帰直線である。The data of CH1 (capacitor voltage) from the eleventh point to the 240th point was plotted against time (FIG. 4), and a regression line was obtained by linear approximation. It is the first charging regression line. Similarly, data of capacitor voltages from the 261st point to the 490th point were plotted against time to obtain a regression line. It is a 1st discharge regression line.
【0086】511点目〜740点目のキャパシタ電圧
データから2回目充電回帰直線を求めた。761点目〜
990点目のキャパシタ電圧データから2回目放電回帰
直線を求めた。これによって4本の回帰直線が得られ
る。放電について2本、充電について2本の回帰直線で
ある。A second charge regression line was determined from the capacitor voltage data at the 511-th to 740-th points. 761th ~
A second discharge regression line was determined from the capacitor voltage data at the 990th point. As a result, four regression lines are obtained. Two regression lines for discharging and two for charging.
【0087】先述のように、容量をC、充放電電流をI
(充電のときIは正、放電のときIは負)、回帰直線の
傾きをdV/dtとすると、これらの間に、C=I/
(dV/dt)という関係がある。As described above, the capacity is C and the charging / discharging current is I
(I is positive for charging and I is negative for discharging), and if the slope of the regression line is dV / dt, C = I /
(DV / dt).
【0088】充電時は電流は+1Aであるから、充電直
線傾きがCの逆数を与えることになる。1回目充電時の
11点目〜240点目までの直線を最小二乗法近似する
と 充電回帰直線 Va=+0.8428t+1.9310 (14) であった。250点ずつのデータで最初の10点を除く
のは、それが遷移の時で直線から著しくずれるからであ
る。データのばらつきが少なくなるので最初の10点を
除いた方が良いが、最初の10点を除かなくても良い場
合もある。tの比例定数が容量Cを、tによらない0次
の項がESRを与える。この例では容量Cは0.842
8の逆数であるから、1.186Fと計算される。At the time of charging, the current is +1 A, so that the charging linear slope gives the reciprocal of C. It was first and the linear up to 240 goal 11 goal during charging approximate least squares method charging regression line V a = + 0.8428t + 1.9310 ( 14). The reason for excluding the first 10 points in the data for each 250 points is that they deviate significantly from the straight line at the time of transition. It is better to remove the first 10 points because the variation in data is reduced. However, there are cases where it is not necessary to remove the first 10 points. The proportionality constant of t gives the capacitance C, and the zero-order term independent of t gives the ESR. In this example, the capacitance C is 0.842
Since it is the reciprocal of 8, it is calculated as 1.186F.
【0089】放電時は電流は−1Aであるから、放電直
線の傾きの逆数に−符号を付けたものが容量Cである。
1回目放電の261点目〜490点目までの放電直線を
最小自乗近似すると、Since the current is -1 A at the time of discharging, the capacity C is obtained by adding a minus sign to the reciprocal of the slope of the discharge line.
When the discharge straight lines from the 261st point to the 490th point of the first discharge are approximated by the least squares,
【0090】 放電回帰直線 Vb=−0.8475t+2.5218 (15) であった。前例と同じくtの比例定数が容量Cを、0次
がESRを与える。この例では0.8475の逆数で、
C=1.17Fと計算される。充電時と放電時での容量
Cは殆ど同じ値になる。実際には4本の回帰直線の逆数
の平均値によって容量Cを決める。平均値として C=1.182F (16) となる。The discharge regression line was V b = −0.8475 t + 2.5218 (15). As in the previous example, the proportionality constant of t gives the capacitance C, and the 0th order gives the ESR. In this example, the reciprocal of 0.8475,
C = 1.17F is calculated. The capacity C at the time of charging and at the time of discharging have almost the same value. Actually, the capacity C is determined by an average value of reciprocals of four regression lines. C = 1.182F (16) as an average value.
【0091】容量の算出に比べて直列抵抗ESRの算出
はより複雑である。図4によって説明する。先に充電か
ら放電に瞬時に切り替わるときの電圧の落ち込みが2I
cRであると述べた。Rに流れる電流Icの向きが反転
するので電圧降下が2IcRなのである。この時の落ち
込みの速さ自体がexp(−t/CR)であるから遷移
領域での電圧降下からRを求めるという事も可能であろ
う。そうするためには251点目から260点目とか、
501点目から510点目というような変化の著しいと
ころを測定の対象にしなければならない。The calculation of the series resistance ESR is more complicated than the calculation of the capacitance. This will be described with reference to FIG. The voltage drop when switching from charging to discharging first is 2I
cR . Since the direction of the current I c flowing through the R is inverted voltage drop is so 2I c R. Since the drop speed itself at this time is exp (-t / CR), it may be possible to obtain R from the voltage drop in the transition region. To do so, from 251 to 260
A remarkable change such as the 501st point to the 510th point must be measured.
【0092】しかし本発明はそのような途を取らない。
そうでなくて全体的な落ち込み量=2IcRという関係
からESRを求める。遷移領域は判断から除外するので
ある。充電回帰直線から放電回帰直線への落ち込み量を
正確に求められれば良いのである。250点目で電流が
+Icから−Icに切り替わる。一点の間隔は2msで
かなり長い。電圧の落ち込みは250点から251点の
間で起こるだろうと考えられる。そこで250点目と2
51点目でESRを求め平均値を取ろう。However, the present invention does not take such a step.
Otherwise, the ESR is obtained from the relationship that the total amount of dip = 2I c R. The transition region is excluded from the judgment. It suffices if the drop amount from the charge regression line to the discharge regression line can be accurately obtained. It switched to the -I c current from + I c at 250 goal. The distance between the points is 2 ms, which is quite long. It is believed that the voltage dip will occur between 250 and 251 points. So 250 points and 2
Find the ESR at the 51st point and take the average value.
【0093】250点(t=0.498s)での充電回
帰直線電圧はVa=2.3507Vであり、放電回帰直
線電圧はVb=2.0997Vであった。その差(2R
Icに該当)はΔV=0.251Vである。これを2A
(2Ic)で割って、ESR=0.1255Ωと計算さ
れる。The charge regression linear voltage at 250 points (t = 0.498 s) was V a = 2.3507 V, and the discharge regression linear voltage was V b = 2.0997 V. The difference (2R
Corresponding to I c) is ΔV = 0.251V. This is 2A
Dividing by (2I c ), ESR = 0.1255Ω is calculated.
【0094】251点(t=0.500s)での充電回
帰直線電圧はVa=2.3524Vであり、放電回帰直
線電圧はVb=2.0980Vであった。その差(2R
Icに該当)はΔV=0.2544Vである。これを2
A(2Ic)で割って、ESR=0.1272Ωと計算
される。充電から放電の切り替わりは250点と251
点の間にあろうからこの様な計算をする。At 251 points (t = 0.500 s), the charge regression linear voltage was V a = 2.3524 V, and the discharge regression linear voltage was V b = 2.0980 V. The difference (2R
Corresponding to I c) is ΔV = 0.2544V. This is 2
Dividing by A (2I c ), ESR = 0.1272Ω is calculated. Switching from charge to discharge is 250 points and 251
Do this calculation because it will be between the points.
【0095】今度は放電から充電への切り替え点500
点〜501点について反対の計算をする。放電回帰直線
は261点〜490点目のデータで既に求めてあり、新
たに充電回帰直線を求める(511〜740点目)。5
00点(t=0.998s)で放電回帰直線電圧と、充
電回帰直線の電圧差を求めて2で割りESR=0.12
19Ωと計算された。 となりの501点(t=1.0
00s)でも放電回帰直線電圧と、充電回帰直線の電圧
差を求めて2で割りESR=0.1236Ωと計算され
た。This time, the switching point 500 from discharge to charge is
Do the opposite calculation for points -501. The discharge regression line has already been obtained from the data at points 261 to 490, and a new charge regression line is obtained (points 511 to 740). 5
At the point 00 (t = 0.998 s), the voltage difference between the discharge regression straight line voltage and the charge regression straight line was calculated and divided by 2 ESR = 0.12
It was calculated to be 19Ω. Next 501 points (t = 1.0
00s), the voltage difference between the discharge regression line voltage and the charge regression line was calculated and divided by 2 to calculate ESR = 0.1236Ω.
【0096】これら4点でのESRの平均値を取って ESR=0.125Ω (17) とした。こうして電気二重層キャパシタのf=1Hzで
の容量C(1.182F)と直列抵抗ESR(0.12
5Ω)を求めることができた。The average value of the ESR at these four points was taken as ESR = 0.125Ω (17). Thus, the capacitance C (1.182F) at f = 1 Hz of the electric double layer capacitor and the series resistance ESR (0.12
5 Ω).
【0097】[実施例2(1F、2.5V、バイアス、
周波数特性、経時変化)]分極ユニットを、図11のよ
うなオペアンプを用いて定電流制御できるようにした高
砂製作所製のバイポーラ電源BWA25−1に変更し
た。設定時間経過後に自動的に計測を行うようにするた
めに、デジタルオッシロスコープDL708EのCH8
に測定用モジュールを取り付け、パソコンを使用して設
定時間経過後に1Vの信号を発生させるクロックを作成
し、CH8に接続した。Example 2 (1F, 2.5 V, bias,
(Frequency characteristics, change with time)] The polarization unit was changed to a bipolar power supply BWA25-1 manufactured by Takasago Seisakusho, which was capable of controlling a constant current using an operational amplifier as shown in FIG. In order to automatically perform measurement after the set time has passed, CH8 of the digital oscilloscope DL708E is used.
A clock for generating a 1 V signal after a lapse of a set time was created using a personal computer, and connected to CH8.
【0098】測定対象とする電気二重層キャパシタは耐
圧2.5V、1Fである。この電気二重層キャパシタを
60℃の恒温槽に入れた。これは温度特性を調べるため
である。任意の温度の恒温槽に収容して所望温度範囲で
の温度特性を調べることができる。ファンクションジェ
ネレータ、デジタルオッシロスコープは実施例1と同じ
ものを使用した。ただし実施例1と設定条件が違う。相
違する点だけを挙げる。The electric double layer capacitor to be measured has a withstand voltage of 2.5 V and 1F. This electric double layer capacitor was placed in a thermostat at 60 ° C. This is for examining the temperature characteristics. It can be housed in a thermostat at an arbitrary temperature to check temperature characteristics in a desired temperature range. The same function generator and digital oscilloscope as in Example 1 were used. However, the setting conditions are different from the first embodiment. Only the differences are listed.
【0099】○ファンクションジェネレータFG120 出力電圧:1.73V オフセット:60mV○ Function generator FG120 Output voltage: 1.73V Offset: 60mV
【0100】キャパシタの直流バイアス電圧とファンク
ションジェネレータオフセット電圧の関係は予め分から
ないと述べた。そこで対象キャパシタとは別のキャパシ
タを用いて平均電圧(キャパシタ直流バイアス)が2V
となるように目途を付けた60mVのオフセットを与え
ている。オフセットを与えたという点で実施例1(オフ
セットは0)と違う。耐圧が2.5Vのキャパシタであ
るので、その80%である2Vのオフセットを与える。
オフセットの上下に電圧を振ることになるので振幅は最
大でも0.5Vである。8割分のバイアスを与えて充放
電を繰り返すというのは実際の使用の条件にならったも
のである。キャパシタで2Vのオフセットを与えるため
にファンクションジェネレータのオフセットを60mV
とするのである。ファンクションジェネレータのオフセ
ットとキャパシタのオフセットを混同してはならない。It has been described that the relationship between the DC bias voltage of the capacitor and the function generator offset voltage is not known in advance. Therefore, the average voltage (capacitor DC bias) is 2 V using a capacitor different from the target capacitor.
An offset of 60 mV is provided so as to achieve the following. Example 2 differs from Example 1 (offset is 0) in that an offset is given. Since the withstand voltage of the capacitor is 2.5 V, an offset of 2 V, which is 80% thereof, is given.
Since a voltage is applied above and below the offset, the amplitude is 0.5 V at the maximum. Repeating charging and discharging by applying a bias of 80% is in accordance with the conditions of actual use. 60 mV offset of function generator to give 2 V offset with capacitor
That is. The offset of the function generator and the offset of the capacitor must not be confused.
【0101】○バイポーラ電源BWA25−1 電源: off ○デジタルスコープDL708E 各チャンネル Display CH8: on Vertical CH8: 500mV/div Position CH8: 0div Coupling: DC Trigger Enhanced Edge on A A: CH8 Mode:Auto Source:CH2 Level:0mV Slope:立ち上がり MISC Action on trigger Mode: on Set action: save to HD Sequence: cont File Media: HD○ Bipolar power supply BWA25-1 Power supply: off ○ Digital scope DL708E Each channel Display CH8: on Vertical CH8: 500mV / div Position CH8: 0div Coupling: DC Triggering: Enhanced Access Enhancement: DC Triggering : 0 mV Slope: Rise MISC Action on trigger Mode: on Set action: save to HD Sequence: cont File Media: HD
【0102】デジタルオッシロスコープのSampli
ngをonにし、ファンクションジェネレータの出力を
onにした。バイポーラ電源の電源スイッチをonにす
ると同時にクロックを動作させた。このクロックは設定
時間経過後にパルスを発生させる。Digital oscilloscope Sampli
ng was turned on, and the output of the function generator was turned on. The clock was operated simultaneously with turning on the power switch of the bipolar power supply. This clock generates a pulse after a lapse of a set time.
【0103】デジタルオッシロスコープで充電放電が正
常に行われている事を確認した後、デジタルオッシロス
コープのトリガをnormalにした。所定の時間がく
るとクロックが信号を発生し、デジタルオッシロスコー
プがデータを取り込む。そのデータはオッシロスコープ
のHDへ送られハードディスクに自動的に保存される。After confirming that the charging and discharging were normally performed by the digital oscilloscope, the trigger of the digital oscilloscope was set to normal. When a predetermined time comes, a clock generates a signal, and the digital oscilloscope takes in data. The data is sent to the oscilloscope's HD and automatically stored on the hard disk.
【0104】全ての測定が終了した後、これらのデータ
をフロッピディスクにコピーし、パソコンに取り込ん
だ。得られたファイルの拡張子を「csv」に変更し、
表計算ソフトで読み込み、実施例1と同様のデータ処理
をした。そして電気二重層キャパシタの容量Cと、等価
直列抵抗ESRを算出した。After all the measurements were completed, these data were copied to a floppy disk and taken into a personal computer. Change the extension of the obtained file to "csv",
The data was read by spreadsheet software and subjected to the same data processing as in Example 1. Then, the capacitance C of the electric double layer capacitor and the equivalent series resistance ESR were calculated.
【0105】充放電の周波数を0.01Hz〜1000
Hzの間で変えて同様の操作を行った。さらに経時的な
C、ESR変化をも周波数の関数として調べた。その時
の周波数は0.1Hz、1Hz、10Hzである。そう
すると周波数fの変化だけでなくて経時的な変化もわか
る。The charging / discharging frequency is 0.01 Hz to 1000
The same operation was performed while changing between Hz. Further, changes in C and ESR over time were also examined as a function of frequency. The frequencies at that time are 0.1 Hz, 1 Hz, and 10 Hz. Then, not only a change in the frequency f but also a change with time can be known.
【0106】図5は容量Cと抵抗ESRの周波数を変え
た測定の結果を示すグラフである。横軸は周波数fで
0.01Hz〜1000Hzである。縦軸は容量C(黒
菱点)と抵抗ESR(正方形点)である。容量Cは0.
01Hzで1.33Fであり周波数とともに低減する。
0.1Hzでは1.22Fに下がる。1Hzでは0.8
8Fであり、100Hzでは0.1Fにまで低下する。
1Fの容量のキャパシタといっても、それは直流的測定
についてのことで、実際には周波数とともに著しく容量
が低下するという事が分かる。FIG. 5 is a graph showing the measurement results obtained by changing the frequency of the capacitance C and the resistance ESR. The horizontal axis is 0.01 Hz to 1000 Hz in frequency f. The vertical axis represents the capacitance C (black diamond point) and the resistance ESR (square point). The capacity C is 0.
It is 1.33F at 01Hz and decreases with frequency.
At 0.1 Hz, it drops to 1.22F. 0.8 at 1 Hz
8F, which drops to 0.1F at 100 Hz.
Even if the capacitor has a capacity of 1F, it is a DC measurement, and it can be seen that the capacity actually decreases significantly with frequency.
【0107】ESRは0.01Hzで1.23Ωと大き
いが、周波数の増加とともに急減し1Hzでは0.29
Ωに下がる。1000Hzでは0.09Ω程度である。
図6は0.1Hz(黒菱点)、1Hz(正方形点)、1
0Hz(三角形点)での周波数測定をした場合の容量C
の経時変化を示す。横軸は充放電時間t(秒)、縦軸は
容量C(F)である。同じ条件で繰り返し測定したので
値の存在する範囲を棒によって表し平均値を点で示す。
同じように1Fと言われる電気二重層キャパシタである
が、測定周波数、測定時間によってその値が甚だしく異
なる。The ESR is as large as 1.23Ω at 0.01 Hz, but sharply decreases as the frequency increases, and becomes 0.29 at 1 Hz.
Drops to Ω. At 1000 Hz, it is about 0.09Ω.
FIG. 6 shows 0.1 Hz (black diamond point), 1 Hz (square point), 1 Hz.
Capacitance C when frequency is measured at 0 Hz (triangular point)
Shows the change over time. The horizontal axis is the charge / discharge time t (second), and the vertical axis is the capacity C (F). Since the measurement was repeated under the same conditions, the range in which the value exists was represented by a bar, and the average value was indicated by a point.
Similarly, the electric double layer capacitor referred to as 1F has a significantly different value depending on the measurement frequency and the measurement time.
【0108】0.1Hzの場合、100秒で1.45F
であるが1000秒経過時は1.37Fに落ちる。10
0000秒後では1.27Fである。時間の経過ととも
に容量が減少する。1Hzの場合200秒で1.36H
zであるが、1000秒後は1.32Hzである。10
0000秒後で1.19Hzである。同様に時間ととも
に容量が減少する。At 0.1 Hz, 1.45 F in 100 seconds
However, it drops to 1.37F after 1000 seconds. 10
After 0000 seconds, it is 1.27F. The capacity decreases over time. 1.36H at 200Hz for 1Hz
Although it is z, it is 1.32 Hz after 1000 seconds. 10
1.19 Hz after 0000 seconds. Similarly, the capacity decreases over time.
【0109】10Hzの場合100秒後で0.93Fで
ある。10000秒後で0.89Fである。時間ととも
に容量が下がるが、下がり方はより緩やかである。周波
数が高いほど容量は小さい。何れの周波数であっても時
間とともに容量が下がってゆく様子が良く分かる。つま
り本発明によれば周波数特性、その経時特性がハッキリ
とわかる。同じ電気二重層キャパシタであるのに、この
ように容量測定値が相違する。電気二重層キャパシタと
いうのはそのような容量の変化しやすいコンデンサなの
である。一般に周波数が大きいほど容量は小さい。時間
を経るほどに容量が減少する。使用目的によっては容量
の一定割合の減少によって寿命とする場合もある。その
場合この測定によってキャパシタの寿命を正確に評価す
ることができる。このような二重の時間変化は従来の直
流的な測定法ではとても分からない事である。At 10 Hz, it is 0.93F after 100 seconds. It is 0.89F after 10,000 seconds. The capacity decreases over time, but more slowly. The higher the frequency, the smaller the capacity. It can be clearly seen that the capacity decreases with time at any frequency. That is, according to the present invention, the frequency characteristics and the aging characteristics can be clearly understood. Although the same electric double layer capacitor is used, the capacitance measurement values differ in this way. An electric double layer capacitor is a capacitor whose capacity is easily changed. Generally, the higher the frequency, the smaller the capacity. The capacity decreases over time. Depending on the purpose of use, the life may be shortened by a certain reduction in capacity. In this case, the life of the capacitor can be accurately evaluated by this measurement. Such a double time change is very hard to understand by the conventional DC measurement method.
【0110】図7は同じキャパシタに関して直列抵抗E
SRの測定結果を示す。いちばん上が0.1Hzでの測
定のESRのグラフ、中が1HzでのESR測定結果、
下が10HzでのESR測定結果を示している。周波数
が低い程ESRも大きい。しかし時間とともに低下する
とは言えないようで経時変化は一様でない。このような
ことも本発明によって初めてわかることである。FIG. 7 shows the series resistance E for the same capacitor.
The measurement results of SR are shown. The top is a graph of ESR measurement at 0.1 Hz, the middle is the ESR measurement result at 1 Hz,
The lower part shows the result of ESR measurement at 10 Hz. The lower the frequency, the greater the ESR. However, it does not seem to decrease with time, and the change with time is not uniform. This can be understood for the first time by the present invention.
【0111】[実施例3(容量100F、耐圧2.5
V)]次に100Fの電気二重層キャパシタの測定例を
示す。既に述べたように従来の交流インピーダンス法に
よってはこのように大きい容量のコンデンサの容量を測
定することは殆ど不可能と言ってよい。直流法(定電流
法、定抵抗法)で測定できるが時間が掛かるし周波数特
性がわからない。ところが本発明はそのような大きい容
量のキャパシタのC、ESR、その周波数特性などをや
すやすと測定することができる。Example 3 (Capacity 100F, withstand voltage 2.5
V)] Next, a measurement example of an electric double layer capacitor of 100F will be described. As already described, it can be said that it is almost impossible to measure the capacitance of such a large-capacity capacitor by the conventional AC impedance method. It can be measured by the direct current method (constant current method, constant resistance method), but it takes time and the frequency characteristics are unknown. However, the present invention can easily measure the C, ESR, frequency characteristics, and the like of such a large-capacity capacitor.
【0112】市販されている電気二重層キャパシタ
(2.5V,100F)を本発明の方法によって測定し
た。実施例1と同様の装置を用いた。±Icの矩形波の
定電流をキャパシタに流し充電から放電へ、放電から充
電へと瞬間的に電流の向きを切り替えてキャパシタの電
圧変化を2周期分測定する。遷移領域のデータを除き直
線近似して充電回帰直線と放電回帰直線を求めて、その
傾きから容量Cを、切り替え時の電圧の飛びからESR
を求める。A commercially available electric double layer capacitor (2.5 V, 100 F) was measured by the method of the present invention. The same device as in Example 1 was used. A square wave of a constant current of ± I c to discharge from flowing charged in the capacitor, is switched to the charge from the discharge direction of the instantaneous current measuring two periods a voltage change of the capacitor. The charge regression line and the discharge regression line are obtained by linear approximation except for the data in the transition region, and the capacitance C is obtained from the slope, and the ESR is obtained from the voltage jump at the time of switching.
Ask for.
【0113】図8は100Fの電気二重層キャパシタ試
料の充電(0〜0.5s)時、放電時(0.5s〜1
s)キャパシタ電圧の2ms毎のデータを点によって示
すグラフである。充電電圧を直線近似したものが充電回
帰直線である。放電電圧の変化を直線近似したものが放
電回帰直線である。矩形波電流は±1A、周波数はf=
1Hzである。耐圧は2.5Vのキャパシタであるので
バイアス電圧として1.63Vを与えた。この条件でキ
ャパシタ容量、抵抗を測定した。FIG. 8 shows that the electric double layer capacitor sample of 100F is charged (0 to 0.5 s) and discharged (0.5 s to 1 s).
s) A graph showing data of the capacitor voltage every 2 ms by dots. The charge regression line is obtained by linearly approximating the charge voltage. The discharge regression line is obtained by linearly approximating the change in the discharge voltage. Square wave current is ± 1 A, frequency is f =
1 Hz. Since the withstand voltage is a 2.5 V capacitor, 1.63 V was applied as a bias voltage. Under these conditions, the capacitance and resistance of the capacitor were measured.
【0114】容量はC=62.55Fであった。等価直
列抵抗はESR=0.0093Ωであった。公称で10
0Fと言っているが、それは限られた条件下で測定され
た直流的な容量である。本発明の測定法でバイアス1.
63V、周波数1Hzのとき62.55Fなので6割程
度しかないことになる。電気二重層キャパシタというの
はそのように周波数、バイアス依存性が大きいものなの
である。従来法ではそのような事は分からない。であれ
ばこそ、周波数特性、経時特性、バイアス依存性のわか
る本発明が卓越していることが良く分かるのである。The capacity was C = 62.55F. The equivalent series resistance was ESR = 0.0093Ω. Nominally 10
Although it says OF, it is a DC capacity measured under limited conditions. Bias in the measurement method of the present invention
Since it is 62.55F when the frequency is 63V and the frequency is 1Hz, it is only about 60%. An electric double layer capacitor has such a large frequency and bias dependency. Such is not known by the conventional method. This clearly shows that the present invention, in which the frequency characteristics, the aging characteristics, and the bias dependency, are superior, is excellent.
【0115】同じ100F,2.5Vの電気二重層キャ
パシタについて±1Aの矩形波電流、バイアス2Vとい
う共通の条件で、周波数fを0.01Hz〜1000H
zに変えてCとESRとを測定した。その結果を図9に
示す。0.01Hzで100F、0.1Fで97F、1
Hzで69Fと下がる。これを越えると急激に容量が減
少し10Hzで22Fに下がり、100Hzで3Fであ
る。容量は周波数とともに著しく減退するということが
わかる。For the same electric double layer capacitor of 100 F and 2.5 V, the frequency f is set to 0.01 Hz to 1000 H under the common conditions of ± 1 A rectangular wave current and bias 2 V.
C and ESR were measured in place of z. FIG. 9 shows the result. 100F at 0.01Hz, 97F at 0.1F, 1
It drops to 69F at Hz. Beyond this, the capacity decreases rapidly and drops to 22F at 10Hz and 3F at 100Hz. It can be seen that the capacitance decreases significantly with frequency.
【0116】ESRは0.01Hzで0.0136Ω、
0.5Hzで0.01Ωである。500Hzで0.00
75Ωである。ESRも周波数とともに減少する。しか
し容量ほど著しくないということがわかる。100Fも
の大容量のキャパシタのC、ESRの周波数特性を測定
するなどということはこれまで全く不可能であった。さ
らにここではバイアスを与えているが、100F級大容
量キャパシタに対してはそのようなことは従来は想いも
よらない事である。The ESR is 0.0136Ω at 0.01 Hz,
It is 0.01Ω at 0.5 Hz. 0.00 at 500 Hz
75Ω. ESR also decreases with frequency. However, it turns out that it is not so remarkable as the capacity. It has never been possible to measure the frequency characteristics of C and ESR of a capacitor having a large capacity of 100F. Further, although a bias is applied here, such a thing cannot be imagined conventionally for a 100 F class large capacity capacitor.
【0117】[実施例4(鉛電池のC、ESRの測
定)]本発明の手法によってバッテリーの容量Cや等価
直列抵抗ESRを測定する事ができる。バッテリーは化
学反応によって電荷を一方向に運び電流を持続的に発生
することができる。化学反応によって電圧は決まる。充
電可能な電池は化学反応が可逆的だということである。
電流を流すと化学反応が進み物質の量が変化する。電極
に電荷が溜まるということでない。初めに述べたよう
に、バッテリーは応答速度が遅いので電気自動車や風力
発電の早い電流電圧変化に追随できない。ではどれほど
遅いのか?キャパシタとバッテリーを併用するなら、そ
の速度を具体的に比較できる事が望ましい。[Embodiment 4 (Measurement of C and ESR of Lead Battery)] By the method of the present invention, the capacity C and equivalent series resistance ESR of a battery can be measured. A battery can carry electric charge in one direction by a chemical reaction and continuously generate an electric current. The voltage is determined by the chemical reaction. Rechargeable batteries have a reversible chemical reaction.
When an electric current is applied, a chemical reaction proceeds to change the amount of the substance. This does not mean that charges are accumulated on the electrodes. As mentioned earlier, batteries have a slow response speed and cannot follow fast current-voltage changes in electric vehicles and wind power. So how slow? If a capacitor and a battery are used together, it is desirable that their speeds can be compared specifically.
【0118】さいわいなことに本発明の方法はバイアス
をかけながら周波数を変えながらCとESRと測定でき
る。バッテリーの電圧をバイアスとみなせばよいので本
発明の方法をそっくり使えばバッテリーのCやESRの
ようなものを測定することができるのである。その測定
の結果を図10に示す。横軸は周波数で0.01Hz〜
1000Hzである。この鉛電池の容量は0.01Hz
で222Fであるが、周波数とともに急減する。1Hz
では25Fに下がる。ESRは0.01Hzで0.08
Ωである。1Hzでは0.01Ωである。電池にも容量
が存在するからこれも設計時に考慮に入れなければなら
ない。インピーダンスという概念は電池にも存在する。
本発明の方法で求めたCとRを用いて次式のようにする
と、Z=R+1/(jωC) (18)インピ
ーダンスを複素平面上に表現することはCole−Co
le Plotと呼ばれ、電池などの特性を調べる方法
としてよく知られている。従って、この方法を用いて、
電池の特性を評価することもできる。今回得られた鉛蓄
電池の特性は測定した全領域において45度の傾きとな
っている。従って、この周波数領域では、拡散律速にな
っていることが推察できる。図12にこの電池のCol
e−Cole Plotを示す。Fortunately, the method of the present invention can measure C and ESR while changing the frequency while applying a bias. Since the voltage of the battery can be regarded as a bias, the method of the present invention can be used to measure a battery such as C or ESR. FIG. 10 shows the result of the measurement. The horizontal axis is frequency 0.01Hz ~
1000 Hz. The capacity of this lead battery is 0.01Hz
Is 222F, but decreases rapidly with frequency. 1 Hz
Then it drops to 25F. ESR is 0.08 at 0.01 Hz
Ω. At 1 Hz, it is 0.01Ω. Since batteries also have capacity, this must also be taken into account when designing. The concept of impedance also exists in batteries.
If C and R obtained by the method of the present invention are used as in the following equation, Z = R + 1 / (jωC) (18) Expressing the impedance on the complex plane is Cole−Co.
It is called le Plot and is well known as a method for examining characteristics of a battery or the like. Therefore, using this method,
The characteristics of the battery can also be evaluated. The characteristics of the lead storage battery obtained this time have an inclination of 45 degrees in all the measured regions. Therefore, it can be inferred that diffusion control is performed in this frequency region. FIG. 12 shows the Col of this battery.
Shows e-Cole Plot.
【0119】[0119]
【発明の効果】本発明は1Fを越える大容量のキャパシ
タの容量Cと等価直列抵抗ESRを周波数fの関数とし
て測定することができる。大容量キャパシタはこれまで
殆ど用途が無かったので生産量も少なかった。ところが
近年電気自動車や風力発電の蓄電用としての大容量キャ
パシタが期待されるようになってきた。バッテリーを補
完してエネルギーを蓄積するものとしてのキャパシタの
用途である。バッテリーは化学作用によってエネルギー
を保存するものだから大量のエネルギーを貯留できる
が、速い電圧、電流変化には追随しにくい。急激な充
電、放電はバッテリー寿命を著しく減殺する。速い電圧
電流変動を吸収しバッテリー作用を補完するために大容
量キャパシタに強い期待が寄せられる。According to the present invention, the capacitance C and the equivalent series resistance ESR of a large-capacity capacitor exceeding 1F can be measured as a function of the frequency f. Large-capacity capacitors have had little use so far, and therefore have low production volumes. However, in recent years, large-capacity capacitors for storage of electric vehicles and wind power have been expected. This is the use of a capacitor as a supplement to a battery to store energy. Batteries can store large amounts of energy because they store energy through chemical action, but they are difficult to keep up with fast voltage and current changes. Rapid charging and discharging significantly reduce battery life. There is a strong expectation for large-capacity capacitors to absorb fast voltage-current fluctuations and complement battery action.
【0120】大容量キャパシタを使用する装置を製造す
るにはキャパシタの特性を詳しく調べる必要がある。電
気二重層キャパシタは大容量のコンデンサで蓄電用には
向いているが通常のコンデンサにようにCが安定してお
らず強い周波数依存性を持ちしかも等価直列抵抗ESR
を持っている。そのようなものを利用しようとするとC
の周波数依存性、正確なESR測定が必要になる。本発
明はそのような目的によく応えることができる。To manufacture a device using a large-capacity capacitor, it is necessary to examine the characteristics of the capacitor in detail. The electric double layer capacitor is a large-capacity capacitor suitable for power storage, but C is not stable and has a strong frequency dependency like an ordinary capacitor, and has an equivalent series resistance ESR.
have. If you try to use such a thing, C
Frequency dependence and accurate ESR measurement. The present invention can meet such a purpose well.
【0121】また蓄電用の大容量キャパシタはバイアス
電圧(平均電圧)を掛けて使用することが多いが、本発
明は任意の高さのバイアスを掛けた状態でCやESRを
測定することができる。つまり本発明は、大容量コンデ
ンサの周波数特性、バイアス特性を測定できるというこ
とである。Although a large-capacity capacitor for power storage is often used by applying a bias voltage (average voltage), the present invention can measure C and ESR with a bias of an arbitrary height applied. . That is, the present invention can measure the frequency characteristics and bias characteristics of a large-capacity capacitor.
【0122】コンバータを使用する場合、キャパシタが
使用される電圧範囲は耐圧まで充電した場合とおよそ半
分まで充電した場合の中間の範囲である。この範囲のエ
ネルギー的中間は電圧に直すと大体耐圧の8割というこ
とになる。バイアス電圧が8割程度ということである。
かなり高い設定であるが電圧変動の幅が耐圧を越えず、
しかもキャパシタの容量を有効に利用するとなると、こ
のような厳しい条件で使用することになる。その場合は
静的な(直流的な)特性だけでは足らず、周波数特性や
経時変化も詳しく調べなければならない。従来の方法
は、そのような目的には全く役に立たない。本発明はそ
のような目的に初めて応えることができるものである。
その意味でも本発明の意義は大きい。When a converter is used, the voltage range in which the capacitor is used is an intermediate range between the case where the capacitor is charged to a withstand voltage and the case where the capacitor is charged to about half. The energy intermediate in this range is approximately 80% of the breakdown voltage when converted into voltage. This means that the bias voltage is about 80%.
Although the setting is quite high, the width of the voltage fluctuation does not exceed the withstand voltage,
Moreover, if the capacity of the capacitor is to be used effectively, the capacitor is used under such severe conditions. In such a case, it is necessary to examine not only the static (DC-like) characteristic but also the frequency characteristic and the change with time in detail. Conventional methods are completely useless for such purposes. The present invention can meet such an object for the first time.
In this sense, the present invention is significant.
【図1】本発明で用いるバイポーラ電源の電圧電流関係
を示す座標系図。FIG. 1 is a coordinate system diagram showing a voltage-current relationship of a bipolar power supply used in the present invention.
【図2】本発明においてキャパシタに印加する±Icの
矩形波定電流波形とそれによって生ずるキャパシタの電
圧波形を示すグラフ。図2(1)は電流波形であり、図
2(2)は電圧波形である。Graph showing the square wave constant current and voltage waveforms of the capacitor thereby resulting in ± I c is applied to the capacitor in the present invention; FIG. FIG. 2A shows a current waveform, and FIG. 2B shows a voltage waveform.
【図3】本発明のキャパシタの測定装置の概略構成図。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a capacitor measuring device according to the present invention.
【図4】実施例1に関し、1Fの電気二重層キャパシタ
に±1Aの矩形波電流を流したときの充電から放電に切
り替わる1周期分の一部の電圧波形を示す図。横軸は時
間(秒)、縦軸は電圧(V)である。FIG. 4 is a diagram showing a part of a voltage waveform for one cycle in which switching from charge to discharge is performed when a rectangular wave current of ± 1 A is supplied to the electric double layer capacitor on the 1F according to the first embodiment. The horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents voltage (V).
【図5】実施例2に関して、1Fの電気二重層キャパシ
タに±1A矩形波電流であって周波数を0.01Hz〜
1000Hzに変えて本発明の方法によって容量Cと等
価直列抵抗ESRを測定計算した結果を示すグラフ。横
軸は周波数(Hz)、縦軸は容量C(F)とESR
(Ω)。FIG. 5 shows a ± 1 A rectangular wave current in a 1F electric double layer capacitor with a frequency of 0.01 Hz to
9 is a graph showing the results of measurement and calculation of the capacitance C and the equivalent series resistance ESR according to the method of the present invention at 1000 Hz. The horizontal axis is frequency (Hz), and the vertical axis is capacitance C (F) and ESR
(Ω).
【図6】実施例2に関して、1Fの電気二重層キャパシ
タに周波数0.1Hz、1Hz、10Hzで±1Aの矩
形波電流を流した本発明の方法によって容量C(F)を
求め、その経時変化を調べた結果を示すグラフ。FIG. 6 shows a capacitance C (F) obtained by applying a rectangular wave current of ± 1 A at a frequency of 0.1 Hz, 1 Hz, and 10 Hz to a 1F electric double-layer capacitor in Example 2 to determine a capacitance C (F), and changes with time. The graph which shows the result of having investigated.
【図7】実施例2に関して、1Fの電気二重層キャパシ
タに周波数0.1Hz、1Hz、10Hzで±1Aの矩
形波電流を流した本発明の方法によって等価直列抵抗E
SR(Ω)を求め、その経時変化を調べた結果を示すグ
ラフ。FIG. 7 is a graph showing an equivalent series resistance E obtained by applying a rectangular wave current of ± 1 A at a frequency of 0.1 Hz, 1 Hz, and 10 Hz to a 1F electric double layer capacitor according to Example 2;
7 is a graph showing the result of determining SR (Ω) and examining the change over time.
【図8】実施例3に関し、100Fの電気二重層キャパ
シタに、1.63Vのバイアス電圧を与え、±1Aの矩
形波定電流(周波数1Hz)を流したときの2ms毎の
電圧点データの図。充電時の点列から充電回帰直線を、
放電時の点列から放電回帰直線を求める。FIG. 8 is a diagram showing voltage point data every 2 ms when a bias voltage of 1.63 V is applied to an electric double layer capacitor of 100 F and a rectangular wave constant current of ± 1 A (frequency 1 Hz) is applied to Example 3; . From the point sequence during charging,
A discharge regression line is obtained from the point sequence at the time of discharge.
【図9】実施例3に関し、100Fの電気二重層キャパ
シタに2Vのバイアスを与えて、周波数の異なる±1A
の矩形波電流を流して容量C(F)と等価直列抵抗ES
R(Ω)を測定した結果を示すグラフ。横軸は周波数
(Hz)、縦軸はC(F)、ESR(Ω)。FIG. 9 relates to Example 3 and applies a bias of 2 V to an electric double layer capacitor of 100 F to change ± 1 A at different frequencies.
, A capacitance C (F) and an equivalent series resistance ES
9 is a graph showing the result of measuring R (Ω). The horizontal axis represents frequency (Hz), and the vertical axis represents C (F) and ESR (Ω).
【図10】実施例4に関して、本発明の手法を電池に適
用したものを示す。FIG. 10 shows Example 4 in which the method of the present invention was applied to a battery.
【図11】オペアンプを使った分極ユニットの制御回路
例図。FIG. 11 is an example of a control circuit of a polarization unit using an operational amplifier.
【図12】鉛電池のCole−Cole Plot図。FIG. 12 is a Cole-Cole Plot diagram of a lead battery.
【図13】従来例にかかる大容量電気二重層キャパシタ
の容量を測定する定抵抗充電法を示し、図11(1)は
その概略回路図、図11(2)は直流電圧を印加した時
の電圧(V)の経時変化を示すグラフ。FIG. 13 shows a constant resistance charging method for measuring the capacitance of a large-capacity electric double layer capacitor according to a conventional example. FIG. 11 (1) is a schematic circuit diagram thereof, and FIG. 5 is a graph showing a change over time in voltage (V).
【図14】従来例にかかる大容量電気二重層キャパシタ
の容量を測定する定電流放電法を示し、図12(1)は
その概略回路図、図12(2)は直流電流で充電した時
の電圧(V)の経時変化を示すグラフ。FIG. 14 shows a constant current discharging method for measuring the capacitance of a large-capacity electric double layer capacitor according to a conventional example. FIG. 12 (1) is a schematic circuit diagram thereof, and FIG. 5 is a graph showing a change over time in voltage (V).
1 ファンクションジェネレータ 2 バイポーラ電源 3 キャパシタ 4 抵抗 5 デジタルオッシロスコープ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Function generator 2 Bipolar power supply 3 Capacitor 4 Resistance 5 Digital oscilloscope
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G028 AA01 BB06 CG01 CG02 CG07 CG20 DH06 DH10 DH11 DH13 EJ06 FK01 LR10 5E082 AB09 BC40 MM35 MM36 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2G028 AA01 BB06 CG01 CG02 CG07 CG20 DH06 DH10 DH11 DH13 EJ06 FK01 LR10 5E082 AB09 BC40 MM35 MM36
Claims (4)
±Icの矩形波定電流をキャパシタに流し1周期以上の
電圧データを調べ充電波形と放電波形を直線で近似して
充電回帰直線と放電回帰直線の勾配から容量を求め、回
帰直線の不連続点での上昇量、下降量から等価直列抵抗
ESRを求める事を特徴とするキャパシタの容量と等価
直列抵抗の測定方法。To 1. A subject of the capacitor, and ± I square wave constant current charging regression line approximated by a straight line charging waveform and discharging waveform examine more than one period of the voltage data flow in the capacitor of the c a frequency f A method for measuring a capacitance and an equivalent series resistance of a capacitor, wherein a capacitance is obtained from a gradient of a discharge regression line, and an equivalent series resistance ESR is obtained from a rising amount and a falling amount at a discontinuous point of the regression line.
態で、周波数fであって±Icの矩形波定電流をキャパ
シタに流し1周期以上の電圧データを調べ遷移部分を除
いて充電波形と放電波形を直線で近似して充電回帰直線
と放電回帰直線の勾配から容量を求め、回帰直線の不連
続点での上昇量、下降量から等価直列抵抗ESRを求め
る事を特徴とするキャパシタの容量と等価直列抵抗の測
定方法。In a state that wherein gave a bias to the target of the capacitor, the charging waveform except transition portion examine one or more periods of voltage data flow in the capacitor square wave constant current of ± I c a frequency f discharge Approximate the waveform with a straight line, find the capacitance from the gradient of the charge regression line and the discharge regression line, and find the equivalent series resistance ESR from the amount of rise and fall at the discontinuous point of the regression line. How to measure equivalent series resistance.
ESRの周波数特性を求めることを特徴とする請求項1
または2に記載のキャパシタの容量と等価直列抵抗の測
定方法。3. The frequency characteristic of the capacitance C and the equivalent series resistance ESR is obtained by changing the frequency f.
Or the measuring method of the capacitance and equivalent series resistance of the capacitor according to 2.
タに正負の定電流を流すことができるバイポーラ電源
と、周波数fで正負の定電流からなる矩形波定電流をバ
イポーラ電源に発生させる装置と、キャパシタの電圧変
化を測定記憶する装置と、充電時の電圧変化、放電時の
電圧変化を直線によって近似する装置とを含む事を特徴
とするキャパシタの容量と等価直列抵抗の測定装置。4. A bipolar power supply capable of generating a positive / negative constant current and allowing a positive / negative constant current to flow through a target capacitor, and a device for generating a rectangular wave constant current including a positive / negative constant current at a frequency f in the bipolar power supply. A device for measuring and storing a voltage change of a capacitor, and a device for approximating a voltage change at the time of charging and a voltage change at the time of discharging by a straight line.
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