電気二重層キャパシタテクニカルノート No. C2M1CXS-053N 電気二重層キャパシタ (EDLC) テクニカルノート (DMT, DMF series / version 16 / 20th Dec. 2017) 目次 1. 電気二重層キャパシタの原理と構造 電気二重層キ

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1 電気二重層キャパシタ (EDLC) テクニカルノート (DMT, DMF series / version 16 / 20th Dec. 2017) 目次 1. 電気二重層キャパシタの原理と構造 電気二重層キャパシタの原理 ムラタの電気二重層キャパシタの構造 電気二重層キャパシタの等価回路 ムラタの電気二重層キャパシタの特長とメリット 主な特長と使用するメリット 高エネルギー 高出力 高信頼性 ムラタの電気二重層キャパシタのソリューション 高ピーク負荷平準化 ピーク出力用補助電源 高出力バックアップ エネルギーハーベスト向け蓄電素子 ムラタの電気二重層キャパシタのラインナップ 汎用タイプ : DMT シリーズ 高出力タイプ : DMF シリーズ ムラタの電気二重層キャパシタの電気的特性 公称容量 ESR 定電流放電 定出力放電 容量 ESR 厚みの温度依存性 充電電流と漏れ電流 ムラタの電気二重層キャパシタの信頼性 ( 故 障と劣化 ) ドライアップ故障 エイジング 充放電サイクル寿命 膨れ 信頼性を考慮するにあたって テクニカルサポート アプリケーションノート 劣化と性能に関するシミュレーション ツール 様々な使用条件下での容量と ESR 劣化 の例 信頼性レポート 電気回路モデルと 3D 図面 使用上の注意 用途の限定 極性 温度と自己発熱 / 38

2 8.4. はんだ付けと実装 製品の固定 航空危険物規則書に関して 電気二重層キャパシタの複数接続 電気二重層キャパシタの並列接続 電気二重層キャパシタの直列接続 長時間使用時のバランス回路 パッシブバランス制御 パッシブバランス制御とアクティブバ ランス制御の比較 はんだ付け方法 ムラタの電気二重層キャパシタの安全性 UL 認証 (UL810A) 万一ショートした場合には 使用時の発熱について よくある質問 (FAQ) アクティブバランス制御 / 38

3 1. 電気二重層キャパシタの原理と構造 1.1. 電気二重層キャパシタの原理電気二重層キャパシタには セラミックコンデンサや電解コンデンサのような誘電体を有していません その代わりに 固体 ( 電極 ) と液体 ( 電解液 ) の界面に形成される電気二重層という状態を誘電体の代わりに利用しています 容量の大きさは 界面に形成される電気二重層の面積に比例します このため 比表面積の大きい活性炭を電極に利用することで大きな容量を実現しています 基本的な構成は 対向する正負電極を電解液で満たした構成となっています ( 図 1) 電気二重層キャパシタの充放電は 電極表面への電解液中イオンの吸着 脱着を利用しています 対向する電極に 電解液の電気分解が発生しない程度の電圧を印加すると 電極表面に電解液中イオンが吸着され それと対になるように電荷 ( 電子や空孔 ) が蓄えられます このイオンと電子 / イオンと空孔が対に並んだ状態を電気二重層と言います 蓄えられた電荷を放電することでイオンは電気二重層から脱着します ( 図 2) セパレーター 負極 アルミ箔 活性炭 正極電解液 空孔電子プラスイオンマイナスイオン 図 1 電気二重層キャパシタ (EDLC) の原理 負極 負極 充電状態 放電状態 正極 空孔 電子 プラスイオン マイナスイオン 充電状態放電状態 正極 図 2 電気二重層キャパシタの充放電 1.2. ムラタの電気二重層キャパシタの構造 一般的に 電気二重層キャパシタは 正極電極 負極電極 電解液 ( および電解質塩 ) そして対向する電 極の接触による短絡を防止するためのセパレータから構成されています 電極は 集電体上に活性炭粉末を塗 布して構成されています ( 図 1) 3 / 38

4 図 3 図 4 図 5 はムラタの電気二重層キャパシタの構造を示しています パッケージは アルミラミネートフィルムでできています アルミは湿気などの外部環境の影響から 内部構造 ( 積層電極や電解液など ) を保護します また アルミラミネートフィルムは ショートを防ぐために内部 外部ともに絶縁樹脂層でコーティングされています また 内部の樹脂コーティング層はパッケージ封止の役割も兼ねています 電気二重層キャパシタは 熱封止処理により四隅を封止されており 引き出し電極も同様の処理で封止されています ムラタの電気二重層キャパシタは1つのパッケージに2つの電極積層体を搭載した構造になっており 絶縁体である隔壁フィルムが2つの積層体の間に置かれています 電極シートは集電体と活性炭層から構成されており 活性炭は 集電体の上に塗布されています 電極シートは セパレータと交互に積層することで 物理的 電気的に分離されています ( 図 5) 電解液 隔壁フィルム 金属ケース 外部絶縁コーティング 内部絶縁コーティング 封止樹脂 引き出し端子 外部端子 積層電極 図 3 ムラタの電気二重層キャパシタの構造 ( 縦方向横断面 ) 封止樹脂 金属ケース 外部絶縁コーティング 内部絶縁コーティング 隔壁フィルム 積層電極 電解液 図 4 ムラタの電気二重層キャパシタの構造 ( 横方向横断面 ) 4 / 38

5 集電体 電極 ( 活性炭 ) セパレーター 図 5 ムラタの電気二重層キャパシタの構造 ( 電極積層体 ) 1.3. 電気二重層キャパシタの等価回路一般的にキャパシタは キャパシタ (C) 直列抵抗(R s) そして絶縁抵抗(R i) の組み合わせで表されます ムラタの電気二重層キャパシタは 1つのパッケージに2 直列で接続された2つの単位セル ( 単位キャパシタ ) からなるので 図 6 のような簡易等価回路で表されます 2つの単位セルからなるこの簡易等価回路は 結合して図 7 のような より簡易な等価回路でも表されます この場合 総容量値は単位セルの容量値の 1/2 ESR は 2 倍となります 正極 R sunit 正極 バランス 単位セル R iunit C unit バランス 負極 R sunit C: コンデンサ R s : 直列抵抗 R i : 絶縁抵抗 単位セル R iunit C unit 負極 図 6 1 つのパッケージに 2 つの単位セルからなるムラタの電気二重層キャパシタ 正極 単位セル R sunit 正極 R iunit C unit R s =2*R sunit バランス R i =2*R iunit C=0.5*C unit 単位セル R sunit 負極 R iunit C unit 負極 C: コンデンサ R s : 直列抵抗 R i : 絶縁抵抗 図 7 簡易等価回路 5 / 38

6 しかしながら この等価回路は必ずしも実際の電気二重層キャパシタの電気的挙動を反映するものではありません これには 活性炭電極が表面に大小様々な孔をもつ構造であることが関係します 1.1 項 ( 図 2) で示したように 活性炭表面の孔にイオンが吸着することで電荷が蓄えられます イオンは浅い孔内では容易かつ素早く移動することができますが 深い孔内では 物理抵抗を受けるため素早く動くことができません つまり 浅い孔は素早く充放電することができますが 深い孔では充放電に非常に時間が掛かります ( 図 8) このため 詳細な等価回路では 図 8 のように複数の C と複数の R で示されることになります また 深い孔においては C と R の値がそれぞれ高くなります 正極 R i 浅い孔 ( 充電しやすい ) 正極 R s1 C 1 ion R s R s2 C 2 R i C 負極 R s3 C 3 活性炭 C: コンデンサ R s : 直列抵抗 R i : 絶縁抵抗 R sn C n 深い孔 ( 充電しにくい 負極 図 8 詳細等価回路 2. ムラタの電気二重層キャパシタの特長とメリット 2.1. 主な特長と使用するメリットムラタの電気二重層キャパシタは 数百 mf から1F までの大きな容量を蓄えられます また 4.2V から 5.5V の高い電圧を持つため 各種バッテリーや高エネルギーストレージ向けのピーク出力用補助電源としてお使い頂けます ( 図 9) 一般的に電気二重層キャパシタは 他のコンデンサと比較して高いエネルギー密度を有し 各種電池と比較して高出力です ( 図 10) 特に ムラタの電気二重層キャパシタは 従来の電気二重層キャパシタと比較してより高いパワー密度を有し ( 図 11) 50W まで放電可能です このためムラタの電気二重層キャパシタは ピーク出力用補助電源としての使用に加え 高ピーク負荷の平準化や 高出力バックアップ エネルギーハーベスト用の蓄電素子としてお使い頂けます また 製品厚みは 2.2mm~3.7mm と非常に薄いため 小型 薄型の機器にもお使い頂けます ムラタの電気二重層キャパシタのもう 1 つの特長は 外部水分による劣化を防ぐ優れた封止パッケージにより実現された 電気二重層キャパシタ市場において最も高い信頼性を有することです (2.4 項参照 ) 6 / 38

7 電流 パワー密度 (kw/l) 定格電圧 1kV セラミックコンデンサ 圧倒的に大容量!! 100V 10V 高分子アルミ電解コンデンサ EDLC 1pF 1uF 10uF 100uF 1mF 100mF 1F 容量 図 9 高い静電容量を持つムラタの電気二重層キャパシタ Murata 他のコンデンサと比べて高エネルギー 電池と比べてハイパワー エネルギー密度 (Wh/L) 図 10 パワー密度とエネルギー密度の比較 高ピーク電流 A ma ua 低電流 1ms 10ms 100ms 1s 10s 1month 放電時間 図 11 従来の電気二重層キャパシタとの比較 7 / 38

8 メリット 幅広い用途に使用可能です 高出力 ライン電圧を安定させます 高信頼性の補助電源として使用可能です メンテナンスフリーな蓄電デバイスとして使用可能です 上記メリットを薄型設計の機器で実現できます 従来のEDLCと比較して 高出力 薄型パッケージ 高信頼性 主な特徴 図 12 ムラタの電気二重層キャパシタの特長とメリット 2.2. 高エネルギームラタの電気二重層キャパシタは薄型パッケージに大きなエネルギーを蓄えられます 例えば 4.2 V 470 mf の製品は 初期状態で約 4,000 mj 50 C 5 年後においても 2,000 mj のエネルギーを蓄えられます (* 1) そのエネルギー量は タンタル電解コンデンサ (6.3 V, 1,500 uf(30mj)) の 70 倍 アルミ電解コンデンサ (16 V, 1,500 uf(200mj)) の 10 倍に相当します ( 図 13) つまり ムラタの電気二重層キャパシタを使うことで より大きなエネルギー設計や セットにおけるエネルギー素子部の小型化が可能になります * 1 電気二重層キャパシタのエネルギー量は E = 1 2 CV2 (E: 蓄積エネルギー [J] C: 容量 [F] V: 定格電圧 [V]) で求められます 電気二重層キャパシタの劣化は徐々に進むため 長期使用の間に性能は少しずつ劣化し ます ( 詳細は 6.2 項参照 ) 劣化後の性能予測については 7.2 項をご覧ください ムラタの電気二重層キャパシタ 4.2 V, 470 mf 1 個 (50 C, 5 年 ) タンタル電解コンデンサ 6.3 V, 1500 uf 70 個 アルミ電解コンデンサ 16 V, 1500 uf 10 個 図 13 タンタルコンデンサ及びアルミ電解コンデンサとのエネルギー量の比較 2.3. 高出力 ムラタの電気二重層キャパシタは薄型パッケージながら高出力です 長期寿命を持った機器においては リチウムコイン電池 (LiMnO 2) や塩化チオニルリチウム電池 (LiSOCl 2) などが広く使用されていますが 8 / 38

9 Max Power [W] これらの電池は非常に低出力です ( 図 14) このため これらの電池を用いた機器の機能は 低出力のものに限られてしまいます また アルカリ電池や小型リチウムイオン電池は比較的に高出力ですが 高出力で使用すると寿命が短くなります ムラタの電気二重層キャパシタは 高出力機能や長時間動作を行う際 これらの電池を補助することができます ( 図 14) /30 1/ / /100k LiMnO2 battery LiSOCl2 battery LiSO2 battery Alkaline battery murata EDLC 電池と比較して ,000 倍の出力 図 14 各種バッテリーとの出力の比較 2.4. 高信頼性一般的に 電気二重層キャパシタでは 外部からの水分によりエイジング劣化が生じます またドライアップ故障も起こります ムラタの電気二重層キャパシタはこうした問題を改善しています ( 詳細は 6 項 ) 水分は封止部からパッケージ内部に浸入します ムラタの電気二重層キャパシタは この水分の浸入を防ぐため封止部面積を小さく設計しています ( 図 15) したがって 水分の影響を大きく受けるシリンダー型の電気二重層キャパシタと異なり 水分によるダメージが少なく抑えられます ( 図 16) この最小設計された封止部は ドライアップ故障の原因となる電解液の蒸発を防止する役割も担っています ( 詳細は 6.1 項 ) 水分 水分 金属シリンダー 金属ラミネート 金属封止 シリンダー型 EDLC 大きな封止部面積 ムラタの EDLC 封止部面積を最小化 外部の水分の影響が大きい 電解液がドライアップしやすい 外部の水分の影響が少ない 電解液がドライアップしにくい 図 15 高信頼性を実現する優れたパッケージ ( 外部の水分浸入と電解液のドライアップ対策 ) 9 / 38

10 電圧 Capacitance (1A) ratio ESR (1kHz) ratio 100% 90% 80% 70% murata 200% 190% 180% 170% シリンダー 60% 160% 50% 40% 30% シリンダー 150% 140% 130% murata 20% 10% 0% Time [hours] 120% 110% 100% Time [hours] 容量 ESR シリンダー型 EDLC では劣化が大きい ムラタの EDLC では劣化が小さい 図 16 シリンダー型と比べて 優れた信頼性をもつムラタの電気二重層キャパシタ (40 C, 4.5V 試験 ) 3. ムラタの電気二重層キャパシタのソリューション 3.1. 高ピーク負荷平準化ムラタの電気二重層キャパシタは 電池の出力不足の問題を解決できます 電池と電気二重層キャパシタを並列に接続することで高い出力が実現できます ( 図 17) これにより 機器の性能や品質向上にも貢献できます 例えば 通信機器において通信距離を延ばしたり 音響機器での低音質を向上させることが可能です 電池の電圧が電気二重層キャパシタの定格電圧 (4.2 V~5.5V) より高い場合 複数の電気二重層キャパシタを直列接続にしてお使い頂けます ( 詳細は 9.2 項 ) 高ピーク負荷平準化用途の詳細につきましては 当社の WEB ページ掲載のアプリケーションノートをご覧ください 高ピーク負荷の平準化電池に掛かる負荷が大きすぎて 電池電圧が不安定になった場合 EDLC は電池をアシストし負荷低減が可能です 通信機器や音響機器において 品質向上も実現できます 高出力通信 (GPRS など ) 音響機器における音質の向上 電池 EDLC 電池のみ時間 電池 EDLC 負荷 図 17 電気二重層キャパシタによるピーク負荷平準化 10 / 38

11 出力 3.2. ピーク出力用補助電源 ムラタの電気二重層キャパシタは 機器において非常に高い出力が必要となった場合に補助電源としてお 使い頂けます ムラタの電気二重層キャパシタは ピーク負荷に対して 10A まで放電可能です 予め 電源か ら電気二重層キャパシタに充電しておき ピーク負荷時に放電させます ( 図 18) これにより 機器に高出力機能の追加も可能です 例えば スマートフォンに高輝度 LED フラッシュを搭 載したり 低出力の電池で駆動する機器に高ピーク負荷のモーター機能を追加することが可能になります 電池の電圧が電気二重層キャパシタの定格電圧 (4.2 V~5.5V) より高い場合 複数の電気二重層キャパシ タを直列接続にしてお使い頂けます ( 詳細は 9.2 項 ) ピーク出力用補助電源用途の詳細につきましては 当社の WEB ページ掲載のアプリケーションノートをご 覧ください ピーク出力用補助電源 機器において 電源からの供給では足りない高い出力が必要となった場合 EDLC がアシスト可能です 機器への高出力の機能を付加することが可能になります LED フラッシュ モーター機器 EDLC 電池 時間 電源 コンハ ーター EDLC 負荷 図 18 ピーク出力用補助電源としての電気二重層キャパシタ 3.3. 高出力バックアップムラタの電気二重層キャパシタは 機器において高出力のバックアップが必要となった場合にもお使い頂けます 電気二重層キャパシタは電源と負荷の間に並列に接続します 電気二重層キャパシタを電源から常時充電しておき 電源断が起こった際に放電させます ( 図 19) これにより 機器において高出力かつ長時間のバックアップが可能になります 例えば SSD (Solid State Drive) においては 薄型形状を実現しながらも 高出力かつ長時間のバックアップ機能を付加できます またポータブル機器のバッテリー交換時でも機器を動作させることができます 電池の電圧が電気二重層キャパシタの定格電圧 (4.2 V~5.5V) より高い場合 複数の電気二重層キャパシタを直列接続にしてお使い頂けます ( 詳細は 9.2 項 ) 高出力バックアップ用途の詳細につきましては 当社の WEB ページ掲載のアプリケーションノートをご覧ください 11 / 38

12 出力 出力 高出力バックアップ ムラタの EDLC は 電源断が生じた場合のデータバックアップ用の電源としてお使い頂けます 高エネルギーかつ高出力のバックアップ機能を 小型薄型の機器において実現できます データバックアップ (SSD など ) Last Gasp 電源 電源断 EDLC 電源断 PS EDLC 負荷 Time 図 19 電気二重層キャパシタによる高出力バックアップ 3.4. エネルギーハーベスト向け蓄電素子エネルギーハーベスティングシステムにおいては 太陽光 風力 熱などによる発電量が不安定です ムラタの電気二重層キャパシタは 容易に充放電が可能なため そうした不安定な発電への蓄電素子として利用するのにも適しています 電気二重層キャパシタはハーベスターと負荷の間に接続します 電気二重層キャパシタはハーベスターから十分に充電された後 負荷に対し安定した出力を放電することが可能です ( 図 20) エネルギーハーベスト用蓄電デバイス ムラタの EDLC は 不安定な入力でも充放電が可能です そのため 発電量が不安定なハーベスターの蓄電デバイスに適しています エネルギーハーベスト用の蓄電デバイス 不安定な入力 EDLC 負荷 時間 ハーヘ スター EDLC 図 20 エネルギーハーベスト向け蓄電素子としての電気二重層キャパシタ 4. ムラタの電気二重層キャパシタのラインナップ 4.1. 汎用タイプ : DMT シリーズ DMT シリーズは 高出力で 汎用的に様々な機器にお使い頂けます ( 表 1) 1Ω 以下の低 ESR と 40 ~85 という広い使用温度範囲を特徴としています そのため 10A までの高電流で放電可能で 民生機器のみなら ず FA 機器やスマートメーター SSD といった工業用 / エンタープライズ用の用途にもお使い頂けます また 基板上に実装可能な厚みなため ( リフロー非対応 ) 薄型の機器にもお使い頂けます さらに DMT シリーズは 従来の電気二重層キャパシタと比較し 優れた信頼性を有します 高温下におい てさえ 従来の電気二重層キャパシタと比較してずっと劣化が少なく 長い時間駆動できます そのため 信 頼性を懸念することなく電気二重層キャパシタをご使用頂けます 12 / 38

13 DMT シリーズの最新ラインナップについては 当社の WEB ページをご覧ください 表 1 電気二重層キャパシタのラインナップ ; DMT シリーズ ( 汎用タイプ ) P/N Rated Voltage Capacitance ESR (1 khz) Dimensions (Max) Operating temperature DMT3N4R2U224M3DTA0 4.2V 220 mf ±20% 300 mω (320 mω Max) 21 x 14 x 2.2 mm (21.5 x 14.5 x 2.5 mm Max) 40 to 85 C DMT334R2S474M3DTA0 4.2V 470 mf ±20% 130 mω (150 mω Max) 21 x 14 x 3.5 mm (21.5 x 14.5 x 3.8 mm Max) 40 to 85 C DMT3N4R2U224M3DTA0 DMT334R2S474M3DTA 高出力タイプ : DMF シリーズ DMF シリーズは 非常に高い出力の電気二重層キャパシタです ( 表 2) 0.1Ω 以下の非常に低い ESR と40 ~70 という使用温度範囲を特徴としています 低温下においても 低い ESR を保ちます そのため DMF シリーズは どのような温度下であっても 10A レベルの高レートで放電可能です よって 高輝度 LED フラッシュや高出力のオーディオ機器 スマートメーター ( 特に寒冷地 ) 用途等に最適です 基板上に実装可能な厚みなため ( リフロー非対応 ) 薄型の機器にもお使い頂けます また DMF シリーズは 従来の電気二重層キャパシタと比較して劣化が少なく 優れた信頼性を有しています ただし DMF シリーズには 駆動時間範囲があります ( 詳細に関しましては 第 6 項をご確認ください ) DMF シリーズの最新ラインナップについては 当社の WEB ページをご覧ください 表 2 電気二重層キャパシタのラインナップ : DMF シリーズ ( 高出力タイプ ) 定格電圧 : ピーク電圧として 5.5V であり 連続使用には温度に応じた制限があります 詳しくは 第 6.1 項ドライアップ故障 第 6.4 項膨れをご参照ください 13 / 38

14 5. ムラタの電気二重層キャパシタの電気的特性 5.1. 公称容量 ムラタの電気二重層キャパシタには 第 4 項のとおり 220mF から 1,000mF の公称容量のものがあります これら容量は 100mA での定電流放電の間の電圧降下速度によって定義されます ( 図 21) まず 電気二重層 キャパシタを定格電圧に到達するまで 500mA で充電し 30 分保持します そして 100mA(I=0.1A) で放電を行 います ムラタの電気二重層キャパシタの容量は 下記方程式を用いて V 1 から V 2 までの経過時間で算出します V 1 V 2 はそれぞれ 定格電圧の 80% 40% の値です 公称容量 = I T 2 T 1 V 1 V 2 電圧 [V] 定格電圧 =Vr V 1 = Vr x 0.8 V 2 = Vr x ma 充電 30 分 充電 T 1 T ma(i) 放電 時間 [ 秒 ] 図 21 容量の測定 5.2. ESR ムラタの電気二重層キャパシタの等価直列抵抗 (ESR) の範囲は 第 4 項のとおり 40mΩから 300mΩです ESR は抵抗計を用いて 1kHZ の交流法で測定しています ( 図 22) 測定電流は 10mArms 電圧バイアスはかけずに行います A ~ 1 khz, 10 ma オシレーター ~ V ~ 電気二重層キャパシタ 図 22 ESR の測定 14 / 38

15 Voltage [V] 電圧 5.3. 定電流放電電気二重層キャパシタを一定の電流で放電させた場合 時間の経過とともに電圧はほぼ直線的に低下します ( 図 23) 電気二重層キャパシタの内部抵抗 (ESR) のため 放電開始直後には初期電圧降下が見られます ( V I*ESR) 放電電流が大きいほど初期電圧降下も大きくなります また ESR が高い電気二重層キャパシタにおいても 初期電圧降下は大きくなります 初期電圧降下の後 時間の経過とともに電気二重層キャパシタの電圧は低下します 低下の速度は電流値と静電容量値によります ( V/ t I/C) 電流値が高いほど あるいは容量値が低いほど 電圧は早く低下します しかしながら V/ t I/C の関係は理想です ( 図 8 の左図参照 ) 非常に高い電流や非常に低い電流で放電した場合 低下速度はこの関係式では表せません その理由は 電気二重層キャパシタが複数に並列接続された C からなる複雑な等価回路構造をしているためです ( 図 8 の右図参照 ) 図 24 と図 25 は 定電流放電時の実際の電気二重層キャパシタの挙動を示したものです 10 A までの電流が電気二重層キャパシタから放電可能です 充電電圧 初期電圧降下 ΔV I ESR ΔV Δt I C 定放電電流 : I 時間 図 23 電気二重層キャパシタの定電流放電 A 2A 4A Time [msec] 図 24 定電流放電 ( 品番 : DMT334R2S474M3DTA0 4.2V C) 15 / 38

16 電圧 Voltage(V) A 2A 4A Time (msec.) 図 25 定電流放電 ( 品番 :DMF3Z5R5H474M3DTA0 5.5 V C) 5.4. 定出力放電電気二重層キャパシタを一定の出力で放電させた場合 時間の経過とともに電圧は低下します ( 図 26) 電気二重層キャパシタの内部抵抗 (ESR) のため 放電開始直後には初期電圧降下が見られます ( V P*ESR/V c) 放電出力が大きいほど 初期電圧降下も大きくなります また ESR が高い電気二重層キャパシタにおいても 初期電圧降下は大きくなります 初期電圧降下の後 時間の経過とともに電気二重層キャパシタの電圧は低下します 電圧低下の速度は放電出力と静電容量値 そのときどきの電圧レベルによります (dv/dt = P/CV n) 放電出力が高いほど あるいは容量値が低いほど 電圧は早く低下します また 時間とともに電圧レベルが下がるため 時間とともに電圧低下速度は大きくなります ( 図 26) しかしながら dv/dt = P/CV n の関係は理想です ( 図 8 の左図参照 ) 非常に大きい出力や非常に小さい出力で放電した場合 電圧低下速度はこの関係式では表せません その理由は 電気二重層キャパシタが複数に並列接続された C からなる複雑な等価回路構造をしているためです ( 図 8 の右図参照 ) 図 27 と図 28 は 定出力放電時の実際の電気二重層キャパシタの挙動を示したものです 30W 以上の出力で放電可能です 充電電流 V c V 1 初期電圧降下 P ESR ΔV i ESR V c dv i P dt C CV 1 dv i P dt C CV V 2 2 Constant discharge current: I 定放電出力 : P 時間図 26 電気二重層キャパシタの定出力放電 16 / 38

17 Voltage(V) Voltage [V] W 5W 10W Time [msec] 図 27 定出力放電 ( 品名 :DMT334R2S474M3DTA0 4.2 V C) W 5W 10W Time(msec.) 図 28 定出力放電 ( 品名 :DMF3Z5R5H474M3DTA0 5.5 V C) 5.5. 容量 ESR 厚みの温度依存性ムラタの電気二重層キャパシタの容量 ESR 厚みは温度に依存します( 図 29 図 30) DMT334R2S474M3DTA0 の場合 容量値は低温下で減少し 40 C 下では 25 C 時の 70% に減少します これには DMT シリーズは 特に低温下での内部抵抗が高く 電極表面の深い孔ではイオンが放電されにくいことが影響しています ( 図 8) つまり 低温下では 100% の電荷の放電はできません ESR も温度変化とともに変化します 高温になるにつれて減少し 低温になるにつれて増加します 85 下では 25 時の半分の値になる一方 40 C 下では 25 C 時の 9 倍になります これは電解液の粘性抵抗の温度依存性によるものです 一方 厚みは低温下 高温下においてもあまり変化しません DMF3Z5R5H474M3DTA0 の場合 容量値は40 C から 70 C の間ではほとんど変化しません ESR は温度が低くなるにつれ増加し 40 C 下では 25 C 時の 2.5 倍になります これは電解液の粘性抵抗の温度依存性によるものです 高温下では厚みが増加し 70 C では室温下に比べ 0.25mm とわずかではありますが増加します 17 / 38

18 Capacitance change ESR change Thickness increase [mm] Capacitance change ESR change Thickness increase [mm] 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Temperature [ o C] 1000% 900% 800% 700% 600% 500% 400% 300% 200% 100% 0% Temperature [ o C] Temperature [ ] 図 29 DMT334R2S474M3DTA0 の温度依存性 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Temperature [ o C] 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% Temperature [ o C] Temperature [ ] 図 30 DMF3Z5R5H474M3DTA0 の温度依存性 5.6. 充電電流と漏れ電流電気二重層キャパシタは 充電時の電流に特徴的な挙動を示します 図 31 と図 32 は 理想的なキャパシタと電気二重層キャパシタの充電電流の挙動を示したものです 理想的なキャパシタの場合 時間の経過とともに充電電流は急激に減少し 短時間で満充電されます 満充電後 漏れ電流は残ります ( 図 31) 一方 電気二重層キャパシタは 1.3 項で示したとおり 様々な大きさの孔を活性炭電極表面に有し 複雑な等価回路をしています ( 図 8, 図 32) 複数の並列接続の C と直列接続の R が充電電流に影響しています 電極表面の浅い孔では 一般的に小さな C と小さな R が存在するため 非常に短時間に大電流が流れます 一方 電極の深い孔では 大きな C と大きな R が存在するため 微弱な電流が長い持間をかけて流れます このため 電気二重層キャパシタは満充電に長い時間が掛かり 微弱な電流で長時間少しずつ充電されます 多くの用途において この微弱な充電電流を考慮する必要はありませんが エネルギーハーベスティングのような低出力での充電の用途に電気二重層キャパシタを使用される場合 考慮頂く必要があります 図 33 と図 34 は実際のムラタの電気二重層キャパシタの充電電流挙動を示したものです 微弱な電流が何百時間もの間見られます 実際の漏れ電流は 1 μa と考えられます 18 / 38

19 電流 [µa] Log ( 電流 ) Log ( 電流 ) i R i R s C 正極 負極 V t i i0exp C R s 1 lni t ln C R C: コンデンサ R s : 直列抵抗 R i : 絶縁抵抗 (>>R s ) s V R s V R s t exp C R s 1 V t ln C R s R s V R i 漏れ電流 Time 図 31 理想的なキャパシタの充電電流 R s1 R i C 1 i i 1 正極 i i i lni n lni n 1 2 n n 3 C i i 1 R R R R R R R R i 1 s1 1 n C R si n s2 t a s3 i 1 sn t ln s1 s2 V s3 sn R s2 C 2 i 2 V i 2 R s3 C 3 i 3 i 3 i i i i i n R sn C n i n 負極 C: コンデンサ R s : 直列抵抗 R i : 絶縁抵抗 i n Time V R i 漏れ電流 図 32 電気二重層キャパシタの充電電流 時間 [hrs] 図 33 DMT334R2S474M3DTA0 の充電電流 (4.2 V 25 C, n=10) 19 / 38

20 容量 /ESR 図 34 DMF3Z5R5H474M3DTA0 の充電電流 (5.5 V 25 C, n=10) 6. ムラタの電気二重層キャパシタの信頼性 ( 故障と劣化 ) 6.1. ドライアップ故障ドライアップ故障はオープン故障です ドライアップは 内部の電解液が外部へと蒸発することで起こります 蒸発は長い時間をかけ 少しずつ起こります 電気二重層キャパシタを動作させるために 電解液には限界最低量が存在します 最低量より多くの電解液が残っていれば 電気二重層キャパシタの性能に影響は出ません 蒸発により 最低量を下回った場合 イオン不足が起こり 使用可能な電極面積が減少します その結果 急激な容量低下 ESR 増加が起こり 最終的に電気二重層キャパシタは動作できなくなります ( 図 35) ドライアップ故障はオープンモードです ムラタの電気二重層キャパシタは ドライアップに至るまでの時間を長くするため 余分に電解液を入れて設計されています また パッケージもドライアップを抑制する設計になっています ( 図 36) 蒸発のスピードは温度条件に依存します 言い換えれば ドライアップ故障到達時間も温度条件に依存します このドライアップ到達時間は図 37 を参考にしてください 容量 ESR Time ドライアップ 図 35 ドライアップによる容量と ESR の変化 20 / 38

21 Average Tepmerature [ o C] 金属シリンダー 金属ラミネート 金属封止 シリンダー型 EDLC 大きな封止部面積 ムラタの EDLC 封止部面積を最小化 電解液がドライアップしやすい 電解液がドライアップしにくい 図 36 ドライアップ ( 電解液の蒸発 ) を減らすための優れたパッケージ設計 DMT 20 0 DMF Time [years] 図 37 ドライアップ時間 6.2. エイジングエイジング劣化は徐々に容量を低下させ ESR を増加させます ( 図 38) エイジングは内部の水分と電解液との電気化学反応により起こります こうした電気化学反応は電極表面に生成物を生じます この生成物が 電気二重層キャパシタの性能劣化 ( 容量低下や ESR 増加 図 38) を引き起こします キャパシタ内部への水分浸入は少しずつであって 劣化は徐々に進行するため 突然故障するわけではありません ( 図 38) 電気化学反応の量は 温度と電圧に依存し また水分の浸入も温度に依存します 従って エイジングのスピードは温度と電圧に依存します ムラタの電気二重層キャパシタは エイジング劣化に対して優れた耐久性を有しています ( 図 16) 材料の最適化と優れた水分浸入防止パッケージ設計により エイジング劣化を少なく抑えています ( 図 15) 21 / 38

22 Capacitance ratio ESR ratio Capacitance ratio ESR ratio 容量 /ESR 容量 ESR 時間 図 38 エイジングによる容量と ESR の変化 図 39 と図 40 は DMT334R2S474M3DTA0 の 4.2 V / 70 C / 12,000 時間の試験結果と DMF3Z5R5H474M3DTA0 の 4.2 V / 40 C / 9,000 時間の試験結果を示したもので エイジング劣化が観察されます 初期には劣化の度合いが大きいですが 次第に収束します なお エイジング劣化につきましては シミュレーションツールをご用意しております 詳細は第 7.2 項をご覧ください 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 図 39 Average MaxMin Test time [hours] 300% 250% Average MaxMin 200% 150% 100% 50% 0% Test time [hours] DMT334R2S474M3DTA0 の 4.2 V / 70 C / 12,000 時間の試験における容量と ESR の変化 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Average MaxMin Test time [hours] 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% Average MaxMin Test time [hours] 図 40 DMF3Z5R5H474M3DTA0 の 4.2 V / 40 C / 9,000 時間試験における容量と ESR の変化 22 / 38

23 容量 [%] ESR[%] 6.3. 充放電サイクル寿命ムラタの電気二重層キャパシタは 優れた充放電サイクル負荷耐性を有します これは 電池やリチウムイオンキャパシタ ( ハイブリッドキャパシタ ) とは異なり 大幅な劣化を引き起こす電気化学的な反応を 充放電に伴わないためです 図 41 は充放電サイクル試験の例を示したものです DMT334R2S474M3DTA0 を 0.5A 電流で 4.2V まで充電し 3.5 秒間保持させ その後 0.5A で 0V まで放電させ 3.5 秒間保持します この充放電サイクルを 100,000 サイクル繰り返します 図 41 で示されるとおり サイクル負荷後も容量と ESR にほとんど劣化は見られません 高速充放電を長期間繰り返す場合は 電気二重層キャパシタの自己発熱により劣化が進む場合がありますのでご注意下さい 自己発熱については第 12.3 項をご参照下さい 120% 100% 80% 120% 100% 80% 60% 60% 40% 40% 20% 20% 0% Before After 100 K cycles 0% Before After 100 K cycles 図 41 DMT334R2S474M3DTA0 における充放電サイクル試験 (4.2 V 0 V, 100,000 サイクル, 充放電電流 0.5 A) 6.4. 膨れ電気二重層キャパシタを長期間使用すると パッケージに膨れが生じます この膨れは 内部へ流入した水分が電解液と電気化学反応 ( 劣化 ) することによって起こります 図 42 は DMT334R2S474M3DTA0 における 様々な条件下でのパッケージ膨れと動作時間の関係を示した例です 40 と 55 で使用した場合 5 年後 (44,000 時間後 ) でもほとんど膨れはありません 一方 70 以上の場合 電圧が高くなるほど膨れは大きくなります 図 43 は DMF3Z5R5H474M3DTA0 の例です 40 下で継続的に 3.0V で使用した場合 5 年後 (44,000 時間後 ) でも膨れはほとんどありません 一方 継続的に 70 下で 4.2V 以上で使用した場合 1,000 時間後には 1mm の膨れが生じます 特に DMF3Z5R5H474M3DTA0 においては 1.25mm 以上の膨れが生じた場合 パッケージが損傷する恐れがありますのでご注意下さい ( 例 : 5V 60 の使用で 1,000 時間後の膨れは 1.25mm です ) 製品設計にあたっては この膨れを考慮の上設計して下さい 他の品番に関してはお問合せ下さい 23 / 38

24 図 42 パッケージの膨れと使用時間 (DMT334R2S474M3DTA0) 6.5. 信頼性を考慮するにあたって 図 43 パッケージの膨れと使用時間 (DMF3Z5R5H474M3DTA0) 電気二重層キャパシタの使用に当たっては エイジング劣化とドライアップ故障を考慮する必要がありま 24 / 38

25 容量 /ESR す しかし これら二つは実際には同時には起こりません ドライアップ故障が発生するまでは エイジング劣化のみが起こります ( 図 44) ご使用される温度条件下でドライアップ時間が十分かを確認するにあたり まず図 37 の指標をご確認ください 次に ご使用される電圧および温度条件下で電気二重層キャパシタの性能が十分かを確認するには 当社のシミュレーションツールをご利用下さい ( 詳しくは 7.2 項をご覧ください ) 容量 ESR エイジングのみ時間ドライアップ図 44 実際の容量と ESR の変化 7. テクニカルサポート 7.1. アプリケーションノート 当社の WEB ページにおきまして いくつかの特定用途向けにアプリケーションノートを掲載しております ぜひご活用ください 7.2. 劣化と性能に関するシミュレーションツール電気二重層キャパシタをご使用頂くにあたり 当社では設計時にお役立て頂けるシミュレーションツールをご用意しております ご使用の条件下において 電気二重層キャパシタがどのように劣化し または放電できるか 正確に見積もることができます ( 図 45) 例えば 電気二重層キャパシタを 3.6V 40 環境下で 5 年ご使用頂いた場合 シミュレーションツールは詳細の等価回路モデル (1.3 項 ) を用いてその条件でのエイジング劣化を割り出し 3.6V 40 5 年後の放電性能を示します さらに 複数の電気二重層キャパシタを直列 / 並列使いした場合 (9 項 ) の性能も ご希望により見積もることも可能です このシミュレーションツールでは 電圧と温度の加速係数を元に計算を行います 実際に加速試験を行ってこれらの加速係数を導き出しています 当社の WEB ページ内の会員登録制エンジニアポータルサイト my Murata の Supercapacitor site にて シミュレーションツール Murata Supercapacitor Discharge Time Simulator (SimSurfing) を公開しています ご登録の上ご活用下さい (URL: 25 / 38

26 Capacitance ratio ESR ratio 使用条件のパラメーター 電気二重層キャパシタの充電電圧 使用温度 期待寿命 放電電流や放電出力 許容可能な最低動作電圧 電気二重層キャパシタの品名 電気二重層キャパシタの接続数 ( 直列 / 並列 ) シミュレーション結果 使用条件 (1セル当たりの電圧や温度) 下での容量 /ESR の劣化 電気二重層キャパシタの初期と機器の寿命末期時の放電挙動 ( 電圧 vs. 時間 ) 図 45 使用条件ごとの性能予測のためのシミュレーションツール 7.3. 様々な使用条件下での容量と ESR 劣化の例 本項では いくつかの使用条件下での 予測される容量と ESR 劣化の例を紹介します 容量が初期値の 50% ESR が初期値の 2 倍になるまでの時間 ( 図 46) を例示します 100% 100% 300% 90% 80% 50% 50% of initial Cap value 200% 2 times of initial ESR value 70% 100% 60% 50% 0 Time to reach 50% Time [hours] 0% 0 Time to reach 2 times Time [hours] 図 46 容量が初期値の 50% ESR が初期値の 2 倍になるまでの時間 26 / 38

27 表 3 と表 4 は DMT シリーズ ( 品番 :DMT334R2S474M3DTA0) において容量が初期値の 50% ESR が初期値の 2 倍になるまでの予測時間を示しています 条件は電圧が 3.0 V から 4.2 V 温度が 40 C ~60 C です 表 3 DMT334R2S474M3DTA0 において容量が初期値の 50% になるまでの時間 DMT シリーズ 40 C 50 C 60 C 3.0 V 140,000 時間 88,000 時間 61,000 時間 (16 年 ) (10 年 ) (7 年 ) 3.6 V 88,000 時間 61,000 時間 41,000 時間 (10 年 ) (7 年 ) (4.7 年 ) 4.2 V 66,000 時間 44,000 時間 29,000 時間 (7.5 年 ) (5 年 ) (3.3 年 ) 表 4 DMT334R2S474M3DTA0 において ESR が初期値の 2 倍になるまでの時間 DMT シリーズ 40 C 50 C 60 C 3.0 V >175,000 時間 >175,000 時間 111,000 時間 (>20 年 ) (>20 年 ) (13 年 ) 3.6 V >175,000 時間 158,000 時間 88,000 時間 (>20 年 ) (18 年 ) (10 年 ) 4.2 V >175,000 時間 131,000 時間 70,000 時間 (>20 年 ) (15 年 ) (8 年 ) 表 5 と表 6 は DMF シリーズ ( 品番 :DMF3Z5R5H474M3DTA0) において容量が初期値の 50% ESR が初期値の 2 倍になるまでの予測時間を示しています 条件は電圧が 3.0 V から 5.5 V 温度が 20 C ~40 C です 表 5 DMF3Z5R5H474M3DTA0 において容量が初期値の 50% になるまでの時間 DMF シリーズ 20 C 30 C 40 C 3.0 V 3.6 V 4.2 V 5.0 V 5.5 V 175,000 時間 (20 年 ) 175,000 時間 (20 年 ) 158,000 時間 (18 年 ) 66,000 時間 (7.5 年 ) 44,000 時間 (5 年 ) 88,000 時間 (10 年 ) 88,000 時間 (10 年 ) 79,000 時間 (9 年 ) 35,000 時間 (4 年 ) 22,000 時間 (2.5 年 ) 44,000 時間 (5 年 ) 44,000 時間 (5 年 ) 44,000 時間 (5 年 ) 19,000 時間 (2.2 年 ) 12,000 時間 (1.4 年 ) 27 / 38

28 表 6 DMF3Z5R5H474M3DTA0 において ESR が初期値の 2 倍になるまでの時間 DMF シリーズ 20 C 30 C 40 C 3.0 V 3.6 V 4.2 V 5.0 V 5.5 V 175,000 時間 (20 年 ) 175,000 時間 (20 年 ) 175,000 時間 (20 年 ) 88,000 時間 (10 年 ) 53,000 時間 (6 年 ) 88,000 時間 (10 年 ) 88,000 時間 (10 年 ) 88,000 時間 (10 年 ) 44,000 時間 (5 年 ) 26,000 時間 (3 年 ) 44,000 時間 (5 年 ) 44,000 時間 (5 年 ) 44,000 時間 (5 年 ) 22,000 時間 (2.5 年 ) 13,000 時間 (1.5 年 ) 7.4. 信頼性レポート電気二重層キャパシタの信頼性について FIT データや MTTF データ 並びに加速試験 / 加速モデルを含めた信頼性レポートを準備しております 当レポートは 当社の WEB ページ内の会員登録制エンジニアポータルサイト my Murata の Supercapacitor site にて公開しております ご登録の上ご活用下さい (URL: 電気回路モデルと 3D 図面電気二重層キャパシタの電気回路モデル (SPICE モデル ) や 3D 図面も当社の WEB ページ内の会員登録制エンジニアポータルサイト my Murata の Supercapacitor site にて公開しております ご登録の上ご活用下さい (URL: 8. 使用上の注意 この項では 電気二重層キャパシタの使用上の注意について記載していますが ご使用前には各製品の納 入仕様書に記載の注意事項をご確認いただくようお願い致します 8.1. 用途の限定当製品について その故障や誤動作が人命または財産に危害を及ぼす恐れがあるなどの理由により 高信頼性が要求される以下の用途でのご使用をご検討の場合は 必ず事前に当社までご連絡下さい 1 航空機器 2 宇宙機器 3 海底機器 4 発電所制御機器 5 医療機器 6 輸送機器 ( 自動車 列車 船舶など ) 7 交通用信号機器 8 防災 / 防犯機器 9 情報処理機器 10その他上記機器と同等の機器また 以下の用途でのご使用は控えて下さい 1 軍事機器 28 / 38

29 8.2. 極性ご使用時には製品本体に表示された極性を確認してご使用ください 電気二重層キャパシタは原理的には極性はありませんが 製造時に決まった極性で安定化しており極性を間違えてご使用されると 容量劣化や電解液漏れが生じる恐れがあります 8.3. 温度と自己発熱 ご使用時にはキャパシタの自己発熱を含め保証温度以下になるようにしてください 詳細については 12.3 項をご参照ください 8.4. はんだ付けと実装ムラタの電気二重層キャパシタは フロー実装及びリフローはんだ実装には対応しておりません 実装の際には はんだこて付け実装等 当製品の本体部分に温度保証範囲を超える温度が印加されない方法で実装して下さい 電極端子や電気的特性の劣化を引き起こす恐れがありますので 実装の際はキャパシタに過度な機械的衝撃や振動 圧力が印加されない様にしてください こてはんだ付けの推奨条件については 11 項をご確認ください 実装後 洗浄は行わないで下さい 8.5. 製品の固定落下 振動など 製品に機械的ストレスがかかる懸念がある場合には 樹脂や両面テープで製品を固定して使用してください 製品固定方法の選定に関してご質問等がございましたら 当社営業または技術担当までお問い合わせください 当製品を樹脂コーティングされる場合 コーティング樹脂の種類によっては金属腐食を起こすものや 樹脂硬化時の収縮応力により端子や製品パッケージに変形が起こるリスクや加熱によるリスクがあります 樹脂は 製品を実装した状態で信頼性評価を実施し 選定してください 当製品をテープで基板に固定する場合 製品を強く押さえますと製品が変形する可能性があるのでご注意ください 一旦接着させた製品を位置修正のために剥がす場合 テープが製品から剥がれて基板側に残る場合や 製品が変形するリスクがあります 止むを得ず製品を剥がす場合は これらのリスクを避けるために 鋭利な冶具の使用は控えてください 8.6. 航空危険物規則書に関して 2013 年 1 月 1 日発行の航空危険物規則書 (IATADGR) 第 54 版に基づき 当製品は製品 1 個あたりの電気容量 が 0.3Wh 未満のため 当規則が規定する危険物には該当しません 29 / 38

30 9. 電気二重層キャパシタの複数接続 9.1. 電気二重層キャパシタの並列接続より大きなエネルギーや高出力が必要とされる場合には 複数の電気二重層キャパシタを並列に接続してご使用ください ( 図 47) N 個の電気二重層キャパシタを並列に接続した場合 総容量は N 倍に ESR は 1/N 倍になります これにより大きなエネルギー ( E = 1 2 CV2 ) と高い出力の両方を実現可能です 並列接続においては 品名の異なる電気二重層キャパシタを接続することもできます 並列接続時にも バランス回路設計を設けてくださるようお願い致します ( 詳細は 10 項を参照 ) DC/DC コンバータ 負荷 PS 図 47 電気二重層キャパシタ 複数の電気二重層キャパシタの並列接続 9.2. 電気二重層キャパシタの直列接続より高い電圧が必要とされる場合には 複数の電気二重層キャパシタを直列に接続してご使用ください ( 図 48) 例えば ご使用になられる機器の電源電圧が 5V である場合 定格電圧 4.2V の電気二重層キャパシタを 1つだけでは過電圧となり使用できません しかしもし 2 つのキャパシタを直列接続で使用した場合 8.4V まで許容できるようになるため 5V の電源でご使用頂けます N 個の電気二重層キャパシタを直列に接続した場合 総容量は 1/N 倍に ESR は N 倍になりますが 高電圧充電が可能となり大きなエネルギーを実現できます (E = 1 2 CV2 ) また 直列接続で使用することでエイジング劣化を減らすことができます エイジングは電圧に依存するため 電気二重層キャパシタ1つあたりに印加される電圧をディレーティングすることで 劣化の低減が可能となります 直列接続時においては 異なる品名 ( 異なる容量 シリーズ 新しい / 古いなど ) を接続せず 全く同じ品名のものを使用するようにしてください N 個の電気二重層キャパシタを直列に接続した場合 印加可能電圧は定格電圧の N 倍になります 直列接続時には バランス回路設計を設けてくださるようお願い致します 詳細は 10 項を参照 ) 4.2 V 以上 DC/DC コンバータ 負荷 PS 電気二重層キャパシタ 図 48 複数の電気二重層キャパシタの直列接続 30 / 38

31 10. 長時間使用時のバランス回路ムラタの電気二重層キャパシタは 電圧を上げるために 1つのパッケージ内に2つのキャパシタセルを直列接続して構成されています ( 図 49) 例えば DMF3Z5R5H474M3DTA0 (470mF) は 2 つの 940mF のセルを直列接続しています 従って それぞれのセルの容量や絶縁抵抗のバラツキの影響により 各セルに印加される電圧がアンバランスになることがあります 電気二重層キャパシタの使用時に このアンバランスが生じると 片方のセルに印加される電圧が高くなり この電圧が最大許容電圧を超えると 特性劣化を起こし故障の原因となります また セル間の電圧差はセル間での寿命差を生む為 製品寿命を縮める要因になります 電気二重層キャパシタにおいては こうしたセル間の電圧バランスを取るため 各印加電圧のバランスを制御することが必要です バランス制御の方法として パッシブバランス制御とアクティブバランスの 2 通りの方法があります bal C 1 C 2 bal 図 49 1 つのパッケージ内に 2 つのキャパシタセルを直列接続したムラタの電気二重層キャパシタ パッシブバランス制御パッシブバランス制御は 抵抗を使用した回路 ( 図 50) で 構成が簡単で低コストで実現できる点が特長です 電圧バランスの収束が早いため 低い抵抗値の使用をおすすめします 抵抗値が低いと電力ロスを生じますが 多くの場合 ロスは無視できるほどに少ないです 例えば 1kΩの抵抗を使用した場合でも 電力ロスはたった 8.8mW です ( 表 7) 図 50 パッシブバランス回路 表 7 バランス抵抗値とバランス電流 / 電力消費量 31 / 38

32 抵抗値バランス電流 ( 最大 ) 収束スピード消費電力 ( 抵抗のみ ) 回路損失 1kΩ 4.2 ma 速い 8.82 mw 大 10kΩ 420 ua 882 uw 100kΩ 42 ua 88.2 uw 1MΩ 4.2 ua 8.82 uw 10MΩ 420 na 遅い 882 nw 小 ( 注 ) 電気二重層キャパシタに 4.2V を印加した場合の値です ( 参考 ) 電気二重層キャパシタの絶縁抵抗は 1MΩ 以上です もし mw レベルでの電力ロスを懸念される場合は 高い抵抗値をご使用下さい しかし電圧バランスを保つためには許容される最大抵抗値があります ( 表 8) 高い電圧でキャパシタをご使用される場合 より厳密に電圧バランスの管理を行う必要があります つまり印加電圧が高いほど 最大抵抗値は低くなります 表 8 に示される抵抗値を超えないよう注意して下さい 表にない品名については当社までお問合せ下さい 表 8 抵抗の最大値 正極負極間の印加電圧 抵抗の最大値 P/N DMT334R2S474M3DTA0 DMF3Z5R5H474M3DTA0 ~2.7V 4.7 MΩ No need balance ~3.0V 4.7 MΩ 4.7 MΩ ~3.2V 2.2 MΩ 2.2 MΩ ~3.6V 1.0 MΩ 1.0 MΩ ~4.0V 220 kω 470 kω ~4.2V 4.7 kω 220 kω ~4.5V 47 kω ~5.0V 4.7 kω 5.0V 以上 1.0 kω アクティブバランス制御アクティブバランス制御は オペアンプを使用したバランス回路 ( 図 51) で 高抵抗を使用した場合でも電流増幅作用により 短時間で電圧バランスを収束させることが可能です オペアンプは Vcc にかかる電圧以上のものを選択する必要があります また異常発振防止の為 ダンピング抵抗が必要になる場合があります オペアンプは消費電力とドライブ電流で選択する必要があります ( 表 9) オペアンプを使用したバランス回路では 電圧差がある場合のみ動作し 電圧バランス収束後は無負荷時 32 / 38

33 の消費電力のみとなりますので パッシブバランスに比べてエネルギー効率に優れます オペアンプは一般的に スルーレートが高いほど高速動作が可能で駆動電流も高くなりますので 短時間での電圧バランス収束に有利です 半面 動作速度が速いと 消費電力が大きくなる傾向があります ( 表 9) 目的に合わせてご選択ください 他にも アクティブバランス制御の方法として 専用 IC を使用する方法があります 表 10 は IC の一例です IC の中には 充放電の電圧を制御する機能を持ったものもあります こうした IC による制御は電圧バランスの制御方式として最も優れています なお 電圧を変換する回路方式により部品構成が変わります チャージポンプ式では充電電流は少ないですが 外付け部品はセラミックコンデンサのみで済みます 一方 昇圧や昇降圧方式は比較的大きな電流出力が可能ですが 外付け部品は FET やパワーインダクタ等が必要になり部品点数は多くなります OPAMP Damping resistor 図 51 アクティブバランス回路 表 9 オペアンプの傾向 選定指標 一般的な傾向 スルーレート低い 高い 駆動電流低い 高い 消費電力低い 高い 帯域幅狭い 広い 用途汎用 特殊 コスト低い 高い 33 / 38

34 表 10 専用 IC の例 機能 IC 品番メーカー 最大充電 電流 入力電圧充電電圧その他 バランス制御 ALD9100xx ALD8100xx BD14000EFVC Advanced Linear Devices Rohm IC による制限なし IC による制限なし ~15V 8V~24V 1 セルあたり 1.8V~2.8V 1 セルあたり 2.4V~3.1V 2 直用 Gate 閾値電圧を選択可能 4 直用 Gate 閾値電圧を選択可能 4 直 ~6 直用 bq33100 Texas Instrument IC による制限なし 3.8V~25V 1 セルに対して ~5V 25 直用 OZ581 O2 Micro 3A 4V~36V 5V~20V リニア制御充電 バックアップ充電電流制御 SLG46533SLG Dialog Semiconductor 2.5A (using SLG59M1 563V load 1.9V~5.0V 入力電圧と同じ Configurable mixedsignal IC ( 機能の選択が可能 ) 詳細は IC メーカー様に switch) ご確認下さい Configurable バランス制御過電圧防止 SLG46116 Dialog Semiconductor IC による制限なし 1.7V~5.5V 入力電圧と同じ mixedsignal IC ( 機能の選択が可能 ) 詳細は IC メーカー様に ご確認下さい AS3630 AMS 1A 2.5V~4.8V 2 セルに対して 4.5V~6V LED フラッシュ向け 入力電圧を昇圧して充電 LTC3128 Linear Technology 3A 1.73V~ 5.5V 2 セルに対して 1.8V~5.5V 入力を昇降圧して充電 バランス制御 バックアップ 電圧レギュレーション LTC32251 LTC3350 Linear Technology Linear Technology 150mA IC による制限なし 2.8V5.5V 4.5V~35V 2 セルに対して 4.0V or 4.5V 1 セルに対して ~5V 入力を昇圧して充電 1~4 直用 入力電圧を降圧して充電 LTC36251 Linear Technology 1A 2.7V~5.5V 2 セルに対して 4.0V or 4.5V 入力を昇圧して充電 TPS61325 Texas Instruments 220mA 2.5V~5.5V 2セルに対して 3.825V~5.7V LED フラッシュ向け 入力電圧を昇圧して充電 パッシブバランス制御とアクティブバランス制御の比較表 11 は パッシブバランス制御とアクティブバランス制御の比較です 実装面積やコスト面ではパッシブ方式が有利です 一方 オペアンプや専用 IC は収束スピードが速く 収束後の電力消費は小さいです さらに専用 IC では充電電圧制御が可能で高機能ですがコストは高くなります ご選択にあたっては 機能及びコストとの兼ね合いでご選択ください 34 / 38

35 表 11 パッシブバランス制御とアクティブバランス制御の比較 方式 パッシブ ( 抵抗 ) アクティブ ( オペアンプ ) アクティブ ( 専用 IC) 実装面積 小 中 ~ 大 大 回路コスト 低 中 高 消費電力 大 (1kΩ)~ 小 (1MΩ) 中 中 収束スピード 遅い 速い 速い 使用電圧 制限なし 制限あり 制限あり 多直可否 可 可 一部の IC で可 電源 OFF 時動作 可 不可 不可 充電電圧制御 不可 不可 可 ( 注 ) 当社は 当文書に記載の IC に関する情報を使用されたことにより生じるいかなる損害についても 責任を負うものではありません また 当文書に記載される回路の相互接続が 第三者の特許権等の知 的財産権を侵害しないことを保証するものではありません 11. はんだ付け方法ムラタの電気二重層キャパシタ DMT/DMF シリーズは フロー実装及びリフローはんだ実装には対応しておりません 実装の際には はんだこて付け実装等 当製品の本体部分の温度が温度保証範囲を超えない方法で実装してください はんだこて付け実装の推奨条件 注意事項は以下の通りです (1) 前処理 1 基板のランドに予備はんだを供給してください < 供給方法例 > 糸はんだ はんだこて ハンダペースト リフロー 2 両面テープ等を使って 基板上への製品仮固定を推奨します (2) はんだ実装推奨条件はんだ : フラックス入り糸はんだはんだの種類 : 鉛フリーはんだ Sn3Ag0.5Cu はんだこて部温度 :350 /10 はんだこて部電力 :70W 以下 35 / 38

36 (3) はんだ付け推奨手順 1はんだこてを使い 製品端子と基板のランドの両方を加熱してください 2 端子上にφ1mm の 23mm のはんだを置き 以下の条件にて加熱してください (**). 2 端子上に糸半田を置き 以下の条件にて加熱してください (**). 1 はんだこて 2 ピンセット 3 製品端子 ランド ランド φ1mm の 23mm のはんだ 2 ランド 糸半田 図 52 こてはんだ付け工程 (**) はんだ付け時間はんだ付け時間 : 4 秒以内 / 端子はんだ付け回数 : 3 回以内 / 端子但し はんだ付け時間が製品 1 個あたり合計で 15 秒以内 (4) 推奨ランドパターン (5) 注意事項 はんだこてが直接製品本体部分に触れないようにしてください 電極端子や電気的特性の劣化を引き起こす恐れがありますので 実装の際は製品に過度な機械的衝撃や振動 圧力が印加されない様にしてください 実装後 洗浄は行わないでください 36 / 38

37 電流 Current [A] [A] 12. ムラタの電気二重層キャパシタの安全性 UL 認証 (UL810A) 第 4 項に記載された当社の全ての電気二重層キャパシタは 安全規格 UL810A 認証を取得しております 万一ショートした場合には電気二重層キャパシタが万一ショートした場合でも 液漏れ 発煙 発火 破裂は起こりません 電池と異なり 内部のエネルギー量が DMT/DMF シリーズは 5~10J と小さいためです また ESR が数 10mΩ~ 数 100m Ωと小さいため 発熱もほとんどありません 参考まで 5.5V で充電した DMF3Z5R5H474M3DTA0 がショートした場合 非常に短時間の間に 120A の電流が流れます ( 図 53) 最大電流は内部抵抗に依存します ESR 電流 DMF3Z5R5H474M3DTA0 DMT334R2S474M3DTA0 V 容量 Time [sec.] 図 53 外部ショート発生時の電流のシミュレーション 使用時の発熱について 電気二重層キャパシタは 充放電時に発熱します ただし 電気二重層キャパシタのエネルギー量は電池 に比べて小さいため発熱量は極わずかで 多くの場合問題となりません しかし 高出力かつ高周波で使用さ れる場合には注意が必要です 発熱量は電気二重層キャパシタの充放電時のエネルギー消費量に依存します 電気二重層キャパシタのエ ネルギー量は電池と比較し非常に少なく 例えば 4V 3,000 mah の電池は 40 kj のエネルギー量を持つのに 対し DMF3Z5R5H474M3DTA0 (5.5V 470mF) や DMT334R2S474M3DTA0 (4.2V 470mF) はおよそ 4~7J のエネル ギー量しかありません (E=1/2*CV 2 ) そのため 充放電時のエネルギーの発熱量は極めて小さくなります 大まかに推定すると ムラタの電気二重層キャパシタは 1 J/K の熱容量があります 例え全てのエネルギーが 瞬時に放電されたとしても ( ショート時 ) 温度上昇は 10 C 以下です またこの温度増加は瞬間的なもので 放熱によりすぐに下がります しかし 高周波のように充放電を頻繁に繰り返すと 電気二重層キャパシタに熱が蓄積され 温度が上昇 します この上昇は 充放電の電流値 頻度 デューティー比に依存し また 発熱と放熱のバランスに関係 します ( 図 54) 図 55 は 電気二重層キャパシタの実際の発熱の例です DMF4B5R5G105M3DTA0 (5.5V 1,000mF) に 1 秒当 たり 5A 30ms のピーク電流が繰り返し付加した場合 温度は次第に上昇し 300 秒後には 3 C の上昇で収束 します このように収束するのは 発熱量と放熱量が同じであることを意味しています 37 / 38

38 温度上昇 [ C] 電流 電流 発熱 R C I 放熱 R C 電流なし 発熱 発熱放熱 発熱放熱 発熱放熱 発熱放熱 発熱放熱 発熱放熱 頻度が高いほど 温度上昇は大きくなる 発熱放熱 放熱 時間 E=I 2 Rt 時間 : t 放熱 発熱 放熱 発熱 放熱 発熱 放熱 発熱 頻度が低いほど 温度上昇は小さくなる 図 54 発熱と放熱 品名 : DMF4B5R5G105M3DTA0 (1,000mF, 40mohm) 充電電圧 : 3.75V ピーク放電電流 / ピーク時間 : 5A30ms, 10A15ms, 20A7.5ms 時間 : 1sec. 増加発熱 > 放熱 収束発熱 = 放熱 Sweeping time [sec] 図 55 実際の発熱例 13. よくある質問 (FAQ) 当社 WEB ページに よくある質問 (FAQ) をまとめておりますのでご参照ください 38 / 38