JP4653202B2 - 充電回路および充電方法 - Google Patents

Description

この発明は、太陽電池によって発電された電力を蓄電池に充電する充電回路および充電方法に関し、特に、微少な充電電流による蓄電池の劣化を防ぐことが可能な充電回路および充電方法に関するものである。

従来、電源インフラの確保が困難な場所において気象観測や監視を行う場合、データ収集や情報送信のための電源として、太陽電池と蓄電池とを組み合わせた太陽電池システムを利用することが可能である。太陽電池システムでは、例えば、昼間は、太陽電池によって発電された電力が負荷に供給されるとともに、余剰電力で蓄電池が充電され、夜間は、蓄電池からの放電で必要な電力が賄われる。

かかる太陽電池システムの例として、例えば、特許文献１、２には、蓄電池と太陽電池とを組み合わせた独立型太陽光発電システムが記載されている。具体的には、特許文献１には、太陽電池の出力に接続された第１のコンバータと、第１のコンバータの出力に接続された充電器により充電されるＮｉ−ＭＨ（ニッケル・水素）蓄電池と、第１のコンバータの出力と電気二重層コンデンサの出力に接続され、かつ、Ｎｉ−ＭＨ蓄電池に逆流阻止ダイオードを介して接続された第２のコンバータと、第２のコンバータの出力に接続された負荷とを備えた独立型太陽光発電システムが記載されている。

また、特許文献２には、太陽光により電力を発生する太陽電池と、太陽電池の出力に接続されるコンバータと、コンバータの出力に接続される電気二重層キャパシタと、コンバータの出力および電気二重層キャパシタに接続される複数の充電器と、充電器にそれぞれ対応して接続される複数のＮｉ−ＭＨ蓄電池と、複数のＮｉ−ＭＨ蓄電池の出力に接続される負荷とを備えた独立型太陽光発電システムが記載されている。

このように、太陽電池により蓄電池を充電する場合には、コンバータを介して充電を行うのが一般的である。コンバータは、太陽電池を入力として蓄電池に一定電圧を出力するものであり、出力電圧を蓄電池の充電電圧に一致させている。ここで、太陽電池の発電電力は日照によって大きく変動するが、その変動はコンバータの出力電流（充電電流）の増減となって表れる。つまり、発電量が低下しても、コンバータの出力電圧（充電電圧）は変化せず、出力電流（充電電流）が低下する。

特開２０００−２５０６４６号公報 特開２００１−０６９６８８号公報

しかしながら、通常、蓄電池の充電電流には最適値が設定されており、充電電流が微少になった場合には、充電効率が著しく低下して蓄電池が充電されなくなる。その場合、蓄電池に入力された電力のほとんどは熱に変換されるが、この発熱反応によって、蓄電池の劣化が進行してしまうという課題がある。

この発明は、上述した従来技術による課題を解決するためになされたものであり、微少な充電電流による蓄電池の劣化を防ぐことが可能な充電回路および充電方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、太陽電池によって発電された電力を蓄電池に充電する充電回路であって、前記太陽電池に接続されたインダクタンスと、前記太陽電池から前記インダクタンスへ流れる電流を計測する電流計測手段と、前記電流計測手段によって計測された電流の大きさが第一の閾値を超えた場合に、前記インダクタンスから前記蓄電池へ充電電流が流れるように制御し、前記計測された電流の大きさが前記第一の閾値より小さい第二の閾値以下となった場合に、前記蓄電池を介さずに前記インダクタンスから前記太陽電池へ電流が戻るように制御する充電制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、太陽電池によって発電された電力を蓄電池に充電する充電方法であって、前記太陽電池に接続されたインダクタンスへ当該太陽電池から流れる電流を計測するステップと、計測された電流の大きさが第一の閾値を超えた場合に、前記インダクタンスから前記蓄電池へ充電電流が流れるように制御し、前記計測された電流の大きさが前記第一の閾値より小さい第二の閾値以下となった場合に、前記蓄電池を介さずに前記インダクタンスから前記太陽電池へ電流が戻るように制御するステップと、を含んだことを特徴とする。

本発明によれば、微少な充電電流による蓄電池の劣化を防ぎ、効率よく充電することが可能になるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る充電回路および充電方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、本実施例では、太陽電池と蓄電池とを組み合わせた太陽電池システムに本発明を適用した場合について説明し、太陽電池によって発電された電力を蓄電池に充電する場合を中心に説明する。

まず、本実施例に係る太陽電池システムの構成について説明する。図１は、本実施例に係る太陽電池システムの構成を示すブロック図である。同図に示すように、この太陽電池システムは、太陽電池１と、組電池２と、直列抵抗３と、インダクタンス４と、スイッチング素子５と、ダイオード６と、電流計測部７と、制御部８とを備える。

太陽電池１と組電池２とを結ぶ２本の電路のうち、一方の電路には、太陽電池１の側から順に、直列抵抗３、インダクタンス４、ダイオード６がそれぞれ介挿されている。そして、インダクタンス４とダイオード６との間の電路は、スイッチング素子５を介して、太陽電池１と組電池２とを結ぶ他方の電路に接続されている。

ここで、直列抵抗３、インダクタンス４、スイッチング素子５、ダイオード６、電流計測部７および制御部８は、太陽電池１によって発電された電力を組電池２に充電する充電回路を構成している。

太陽電池１は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、電力を発電する。例えば、この太陽電池１は、最大９０Ｗの発電能力を有し、開放電圧は２０Ｖ、短絡電流の最大値は５Ａのものが用いられる。

組電池２は、太陽電池１によって発電された電力を蓄える。例えば、この組電池２は、複数のＮｉ−ＭＨ蓄電池を１０セル直列に接続して構成される。ここで、各Ｎｉ−ＭＨ蓄電池は、例えば、定格電圧が１．２Ｖ、定格容量が１００Ａｈであり、また、最高充電電圧が１．６Ｖ、放電終止電圧が１．０Ｖのものが用いられる。この場合には、組電池２の最高充電電圧（Ｖ_Ｈ）は１６Ｖとなり、放電終止電圧（Ｖ_Ｌ）は１０Ｖとなる。

直列抵抗３は、電流計測用に用いられ、その抵抗値は無視できるほど小さい。

インダクタンス４は、例えばコイルなどであり、太陽電池１から出力される電流を保持する性質を有する。

スイッチング素子５は、制御部８による制御のもと、組電池２への充電電流の供給を制御する。このスイッチング素子５がオフ（非導通状態）となった場合には、ダイオード６を経由してインダクタンス４から組電池２へ充電電流が流れる。一方、スイッチング素子５がオン（導通状態）となった場合には、スイッチング素子５を経由してインダクタンス４から太陽電池１へ電流が戻る。

ダイオード６は、アノードの端子がインダクタンス４に接続され、カソードの端子が組電池２に接続されている。このダイオード６によって、組電池２へ流れる電流の方向が、組電池２が充電される方向のみに制御される。

電流計測部７は、太陽電池１からインダクタンス４へ流れる電流を計測する。具体的には、この電流計測部７は、直列抵抗３の両端に発生する電圧を計測することで、太陽電池１からインダクタンス４へ流れる電流を計測する。

なお、本実施例では、直列抵抗３を用いて電流を計測する場合について説明するが、太陽電池１からインダクタンス４へ流れる電流を計測する方法はこれに限られるわけではない。例えば、電流のまわりに発生する磁界の大きさを計測し、計測した磁界の大きさに応じた電圧を出力することが可能な部品を用いてもよい。その場合には、太陽電池１とインダクタンス４との間に当該部品を接続して、太陽電池１からの出力電流を部品に導通させる。そして、電流計測部７が、部品から出力される電圧を計測することで、太陽電池１からインダクタンス４へ流れる電流を計測する。

制御部８は、電流計測部７によって計測された電流の大きさに基づいてスイッチング素子５のオン／オフを切り替えることにより、組電池２への充電電流の供給を制御する。この制御部８は、スイッチング素子５およびダイオード６と協働することによって充電制御手段を構成する。

具体的には、制御部８は、電流計測部７によって計測された電流の大きさが第一の閾値を超えた場合には、スイッチング素子５をオフにする。これにより、インダクタンス４から組電池２へ充電電流が流れる。すなわち、太陽電池１から出力される電流は、直列抵抗３、インダクタンス４、ダイオード６、組電池２を介して太陽電池１へ戻る（図１に示すループ２の流れ）。

一方、制御部８は、電流計測部７によって計測された電流の大きさが第一の閾値より小さい第二の閾値以下となった場合には、スイッチング素子５をオンにする。これにより、組電池２を介さずにインダクタンス４から太陽電池１へ電流が戻る。このとき、組電池２にはダイオード６が接続されているので、組電池２がスイッチング素子５によって短絡されることはない。すなわち、太陽電池１から出力される電流は、直列抵抗３、インダクタンス４、スイッチング素子５を介して太陽電池１に戻る（図１に示すループ１の流れ）。

ここで、上述した制御部８による制御の結果、太陽電池１からインダクタンス４へ流れる電流と組電池２に供給される充電電流との関係について説明する。図２は、太陽電池１からインダクタンス４へ流れる電流と組電池２に供給される充電電流との関係を説明するための図である。

同図において、（ａ）は、太陽電池１から出力される電流Ｉ_ｐの経時的な変化を示しており、縦軸が電流Ｉ_ｐの大きさを、横軸が時間ｔをそれぞれ示している。一方、（ｂ）は、組電池２に供給される充電電流Ｉ_Cの経時的な変化を示しており、縦軸が充電電流Ｉ_Cの大きさを、横軸が時間ｔをそれぞれ示している。

また、同図の（ａ）および（ｂ）において、Ｉ₁は第一の閾値を示しており、Ｉ₂は、第二の閾値を示している。これらＩ₁およびＩ₂は、Ｉ₁＞Ｉ₂の関係にあり、Ｉ₂は、組電池２を充電可能な最低電流以上となるように設定されている。例えば、第一の閾値Ｉ_１は１Ａ、第二の閾値Ｉ_２は０．５Ａに設定される。

まず、同図に示すように、ｔ＝０の時点で、Ｉ_ｐおよびＩ_Cはそれぞれ０であり、スイッチング素子５はオンになっていたとする。

時間ｔが経過すると、同図の（ａ）に示すように、Ｉ_ｐが徐々に増加する。そして、Ｉ_ｐがＩ₁を超えた時点で、制御部８がスイッチング素子５をオフ（ＯＦＦ）にする。これにより、同図の（ｂ）に示すように、組電池２に充電電流Ｉ_Cが流れるようになる。

その後、時間ｔがさらに経過すると、同図の（ａ）に示すように、Ｉ_ｐが徐々に減少する。そして、Ｉ_ｐがＩ₂以下となった時点で、制御部８がスイッチング素子５をオン（ＯＮ）にする。これにより、同図の（ｂ）に示すように、組電池２に流れる充電電流Ｉ_Cがゼロになる。

このように、制御部８が、太陽電池１から出力される電流Ｉ_ｐの変化に基づいて充電電流Ｉ_Cの制御を繰り返すことによって、パルス状の充電電流Ｉ_Cが組電池２に順次供給される。

例えば、日射量が多く、太陽電池１によって発電が十分に行われている場合には、Ｉ_ｐがＩ₂より大きい状態、すなわち、スイッチング素子５がオフである状態が継続する。そのため、この状態では、最低充電電流以上の大きさの充電電流Ｉ_Cで組電池２が充電され続ける。

そして、充電中に日射量が低下した場合には、太陽電池１からインダクタンス４へ流れる電流Ｉ_ｐがＩ₂以下となった時点でスイッチング素子５がオンになる。ここで、さらに日射量が低下した場合には、Ｉ_ｐがＩ₁に達しなくなり、スイッチング素子５がオンである状態が継続する。そのため、この状態では、組電池２の充電が完全に停止する。

次に、本実施例に係る太陽電池システムにおける充電方法の手順について説明する。図３は、本実施例に係る太陽電池システムにおける充電方法の手順を示すフローチャートである。

同図に示すように、この太陽電池システムでは、まず、制御部８が、スイッチング素子５をオンにする（ステップＳ１）。これにより、組電池２を介さずにインダクタンス４から太陽電池１へ電流が戻る。

その後、電流計測部７が、太陽電池１から出力される電流Ｉ_ｐを計測し（ステップＳ２）、制御部８が、計測された電流Ｉ_ｐが第一の閾値Ｉ_１を超えているか否かを判定する。

そして、電流Ｉ_ｐが第一の閾値Ｉ_１を超えていた場合には（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、制御部８は、スイッチング素子５をオフにする（ステップＳ４）。これにより、インダクタンス４から組電池２へ充電電流が流れる。

その後、電流計測部７は、電流Ｉ_ｐの計測を続け（ステップＳ５）、制御部８は、計測された電流Ｉ_ｐが第二の閾値Ｉ_２以下となったか否かを判定する。

そして、電流Ｉ_ｐが第二の閾値Ｉ_２以下となった場合には（ステップＳ６，Ｙｅｓ）、制御部８は、スイッチング素子５をオンにする（ステップＳ１）。これにより、組電池２を介さずにインダクタンス４から太陽電池１へ電流が戻る。

以上の手順を繰り返すことによって、太陽電池システムは、組電池２への充電を断続的に繰り返す。

上述してきたように、本実施例では、電流計測部７が、太陽電池１に接続されたインダクタンス４へ太陽電池１から流れる電流を計測する。そして、制御部８が、計測された電流の大きさが第一の閾値を超えた場合に、インダクタンス４から組電池２へ充電電流が流れるように制御する。一方、制御部８は、計測された電流の大きさが第一の閾値より小さい第二の閾値以下となった場合に、組電池２を介さずにインダクタンス４から太陽電池１へ電流が戻るように制御する。

これにより、第二の閾値を下回る充電電流は組電池２に流れないようになるので、微少な充電電流による組電池２の劣化を防ぐことが可能になる。また、微少な充電電流が組電池２に供給されることによる充電効率の低下を防ぐことができるので、効率よく組電池２の充電を行うことが可能になる。

また、本実施例では、第二の閾値の大きさは、組電池２を充電可能な最低電流以上となるように値が設定されているので、充電が不可能なほど微少な充電電流が組電池２に供給されるのを防ぐことができ、さらに効率よく組電池２の充電を行うことが可能になる。

なお、本実施例では、複数のＮｉ−ＭＨ蓄電池から構成される組電池２が用いられた場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、他の種類の蓄電池が用いられる場合でも同様に適用することができる。すなわち、Ｎｉ−ＭＨ蓄電池と同様に微少な充電電流によって劣化、あるいは充電効率が低下する蓄電池が用いられる場合であれば、本実施例と同様の効果を得ることが可能である。

以上のように、本発明に係る充電回路および充電方法は、太陽電池によって発電された電力を蓄電池に充電する場合に有用であり、特に、微少な充電電流による蓄電池の劣化や充電効率の低下を防ぐことが求められる場合に適している。

本実施例に係る太陽電池システムの構成を示すブロック図である。 太陽電池からインダクタンスへ流れる電流と組電池に供給される充電電流との関係を説明するための図である。 本実施例に係る太陽電池システムにおける充電方法の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 太陽電池
２ 組電池
３ 直列抵抗
４ インダクタンス
５ スイッチング素子
６ ダイオード
７ 電流計測部
８ 制御部

Claims (5)

1. 太陽電池によって発電された電力を蓄電池に充電する充電回路であって、
   前記太陽電池に接続されたインダクタンスと、
   前記太陽電池から前記インダクタンスへ流れる電流を計測する電流計測手段と、
   前記電流計測手段によって計測された電流の大きさが第一の閾値を超えた場合に、前記インダクタンスから前記蓄電池へ充電電流が流れるように制御し、前記計測された電流の大きさが前記第一の閾値より小さい第二の閾値以下となった場合に、前記蓄電池を介さずに前記インダクタンスから前記太陽電池へ電流が戻るように制御する充電制御手段と、
   を備えたことを特徴とする充電回路。
2. 前記充電制御手段は、
   非導通状態となった場合に、前記インダクタンスから前記蓄電池へ充電電流が流れるように制御し、導通状態となった場合に、前記蓄電池を介さずに前記インダクタンスから前記太陽電池へ電流が戻るように制御するスイッチ手段と、
   前記電流計測手段によって計測された電流の大きさが前記第一の閾値を超えた場合に、前記スイッチ手段を非導通状態とし、前記計測された電流の大きさが前記第二の閾値以下となった場合に、前記スイッチ手段を導通状態とするスイッチ制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
3. 前記第二の閾値は、前記蓄電池を充電可能な最低電流以上となるように値が設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の充電回路。
4. 前記第二の閾値は、前記蓄電池を充電可能な最低電流となるように値が設定されていることを特徴とする請求項３に記載の充電回路。
5. 太陽電池によって発電された電力を蓄電池に充電する充電方法であって、
   前記太陽電池に接続されたインダクタンスへ当該太陽電池から流れる電流を計測するステップと、
   計測された電流の大きさが第一の閾値を超えた場合に、前記インダクタンスから前記蓄電池へ充電電流が流れるように制御し、前記計測された電流の大きさが前記第一の閾値より小さい第二の閾値以下となった場合に、前記蓄電池を介さずに前記インダクタンスから前記太陽電池へ電流が戻るように制御するステップと、
   を含んだことを特徴とする充電方法。

Images