JP4662862B2 - 太陽電池によるコンデンサ充電回路 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池によるコンデンサ充電回路に関し、特に太陽電池から得られる電力を効率よく大容量のコンデンサに充電する回路に関する。

日照の有無に拘わらず有効な電源として用いるために、太陽電池の出力を二次電池に貯えて太陽電池と併用することが行われる。しかし、二次電池のサイクル寿命は短いので、太陽電池の出力で大容量のコンデンサを充電して、二次電池に代って太陽電池と併用することがある。一方、二次電池が定電圧デバイスであるのに対して、コンデンサは放電されると電圧が極端に下がるため、充電効率が良くないという欠点がある。

太陽電池は定電流源のような特性を持つ発電素子であり、太陽電池から効率よく電力を得る方法として、様々な最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｅｒ）回路が提案されている。特に、太陽電池から得られる電力を電気二重層コンデンサなどの大容量コンデンサに効率よく充電する方法として、太陽電池と大容量コンデンサの間に電流出力型のスイッチング・レギュレータを介在させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、この方法によるコンデンサ充電回路の一例を示すブロック図である。図６において、太陽電池１から得られる電力を大容量コンデンサ５に効率よく充電するために、太陽電池１と大容量コンデンサ５の間に、逆流防止ダイオード２を介して、電流出力型のスイッチング・レギュレータ３０を介在させている。逆流防止ダイオード２はスイッチング・レギュレータ３０から太陽電池１に逆方向の電流が流れるのを防止する保護部品である。

スイッチング・レギュレータ３０は原理的に降圧型のスイッチング・レギュレータと同じであり、平滑コンデンサ３１，スイッチ３２，ダイオード３３，インダクタ３４および電流センサ３６から構成される。ダイオード３３はフライホイール・ダイオードと呼ばれ、スイッチ３２がオンのときにインダクタ３４に蓄積したエネルギーを、スイッチ３２がオフのときに流す電流経路を得るダイオードである。平滑コンデンサ３１は、スイッチ３２がオン・オフを繰り返すときにスイッチング・レギュレータ３０の入力電圧を安定化する小容量のコンデンサである。

電流センサ３６は大容量コンデンサ５への充電電流を検出し、制御回路４は、電流センサ３６の出力によりスイッチ３２のオン・オフを制御する。具体的には、スイッチ３２がオンのときに電流センサ３６に流れる電流値が一定値を超えるとスイッチ３２をオフとし、電流センサ３６に流れる電流が一定値を割り込んだら再びスイッチ３２をオンとするように動作する。このようにして、太陽電池の最大電力点を追従しながら効率よく大容量コンデンサ５に充電することができる。

特許第３５５９８０３号公報（第４頁−第５頁、図２）

しかしながら、上述した従来の太陽電池によるコンデンサ充電回路では、定格電力の小さな太陽電池との組み合わせが困難であるという第１の問題点がある。その理由は、定格電力の小さな太陽電池では充電電流も微小になる一方、電流センサ３６は充電電流が微小になるほど精度よく検出することが難しいためである。例えば、抵抗挿入型の電流センサを用いる場合には、充電電流が微小になると抵抗の両端に生じる電位差も微小になる。そのため、抵抗値を増加させて本来必要とする電位差を得る手法が用いられるが、この手法には、充電中に抵抗で消費する電力も増加するという欠点がある。また、増幅回路を用いて本来必要とする電位差を得る方法も用いられるが、この方法だと充電回路の消費電力が増加する欠点がある。

また、スイッチング・レギュレータ３０のスイッチング周波数を高速化することが困難であるという第２の問題点がある。その理由は、制御回路４がスイッチ３２のオン・オフを変化させる度に電流センサ３６を経由して充電電流を検出しているためである。例えば、電流センサ３６から電流値を得るためにＡ／Ｄコンバータを用いる場合には、Ａ／Ｄコンバータの変換速度でスイッチング周波数が制限される。高速なＡ／Ｄコンバータを用いてスイッチング周波数を高めることも可能だが、充電回路の消費電力が増加するという欠点がある。

そこで、本発明の第１の目的は、定格電力の小さい太陽電池との組合せにおいても、太陽電池から得られる電力を効率よく大容量コンデンサに充電することができる、太陽電池によるコンデンサ充電回路を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、容易に小型・軽量化できる、太陽電池によるコンデンサ充電回路を提供することにある。

さらに、本発明の第３の目的は、容易に低消費電力化できる、太陽電池によるコンデンサ充電回路を提供することにある。

本発明の太陽電池によるコンデンサ充電回路は、太陽電池（図１の１）から得られる電力をスイッチによりオン・オフして前記大容量コンデンサに供給するスイッチング・レギュレータ（図１の３）と、太陽電池に対するのと同じ日照量を電圧に変換して出力する日照条件検出回路（図１の６）と、日照条件検出回路の出力と前記充電期間中の大容量コンデンサの電圧を入力して、日照条件検出回路の出力に基づいた太陽電池の出力特性から最大電力点を求め、大容量コンデンサの電圧が低いときはスイッチング・レギュレータのオン・オフ比を低く設定し、大容量コンデンサの電圧が上昇するとともにオン・オフ比を増加させることにより、太陽電池の動作点が最大電力点を維持するようにスイッチング・レギュレータのオン・オフ比を制御する制御回路（図１の４）とを備えることを特徴とする。

より詳しくは、日照条件検出回路（図１の６）は、太陽電池１と同じ種類であって同一条件で発電する太陽電池セルを用いた小型の太陽電池（図２の６１）と、該小型の太陽電池の出力を電圧に変換する終端抵抗（図２の６２）とで構成され、小型の太陽電池の電圧電流特性グラフと、終端抵抗の値を比とする電圧電流直線との交点の電圧を小型の太陽電池の動作点として出力し、制御回路（図１の４）は、小型の太陽電池の動作点と大容量コンデンサの電圧を入力して、太陽電池の動作点が最大電力点に追従するように大容量コンデンサの電圧に応じてスイッチング・レギュレータにおけるスイッチのオン・オフ比を決定する制御条件決定部（図２の４１）と、制御条件決定部が決定したオン・オフ比に相当する、オン時間・オフ時間比を有するＰＷＭ信号を出力してスイッチを制御するＰＷＭ変調部（図２の４２）とで構成されることを特徴とする。

更に、制御条件決定部（図２の４１）はスイッチのオン・オフ比を決定する周期毎に間欠的に動作することを特徴とする。

また、ＰＷＭ変調部（図２の４２）は制御条件決定部が決定する周期と無関係の周期で上記のＰＷＭ信号を出力することを特徴とする。

本発明の第１の効果は、定格電力の小さい太陽電池との組合せにおいても、太陽電池から得られる電力を効率よく大容量コンデンサに充電できるということである。その理由は，制御回路４においてスイッチング・レギュレータの制御条件の決定に用いる、最大電力点推定回路の出力と大容量コンデンサの電圧は、太陽電池の定格電力や充電電流の大小に関わらずに、容易に精度よく検出できるためである。

本発明の第２の効果は，容易に小型・軽量化できるということである。その理由は、制御回路におけるスイッチング・レギュレータの制御条件を決定する周期と無関係の周期でＰＷＭ信号を出力するので、スイッチング・レギュレータのスイッチング周波数を高速化して、スイッチがオンのときにインダクタに蓄積されるエネルギーが小さくすることができ、定格容量の小さい部品で構成できるためである。

本発明の第３の効果は、容易に充電回路を低消費電力化できるということである。その理由は、制御回路におけるスイッチング・レギュレータの制御条件を決定する周期は、大容量コンデンサの電圧が０Ｖから終止電圧に達するまでの充電時間に対して十分に短ければよく、スイッチング周期と比べて十分に長くすることができる。また、大容量コンデンサの単位時間当たりの変化量に応じて、この周期を可変させることもできる。スイッチング・レギュレータの制御条件を決定する回路を、この周期毎に間欠的に動作させることからである。

本発明の太陽電池によるコンデンサ充電回路は，太陽電池１と大容量コンデンサ５の間にスイッチング・レギュレータ３を介在させ、太陽電池１に対するのと同じ日照量を検出する日照条件検出回路６と、日照条件検出回路６の出力と大容量コンデンサ５の充電電圧を用いてスイッチング・レギュレータ３を制御する制御回路４から構成される。このような構成を採用し、制御回路４によって太陽電池１の動作点が最大電力点に追従するようにスイッチング・レギュレータ３を制御しながら、太陽電池１から得られる電力を大容量コンデンサ５に充電することにより、本発明の目的を達成することができる。以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

[構成の説明]
図１は本発明の太陽電池によるコンデンサ充電回路の一実施の形態のブロック図である。図１において、この充電回路は、太陽電池１，大容量コンデンサ５，スイッチング・レギュレータ３，逆流防止ダイオード２，制御回路４および日照条件検出回路６から構成される。すなわち、図６に示した従来の充電回路に日照条件検出回路６を付加し、またスイッチング・レギュレータ３０に代ってスイッチング・レギュレータ３を備えた形態となっている。

太陽電池１から得られる電力を大容量コンデンサ５に効率よく充電するために、太陽電池１と大容量コンデンサ５の間にスイッチング・レギュレータ３を介在させている。逆流防止コンデンサ２は、スイッチング・レギュレータ３から太陽電池１に逆方向の電流が流れるのを防止する保護部品である。日照条件検出回路６は太陽電池１に対するのと同じ日照量を検出して制御回路４に出力する。制御回路４は日照条件検出回路６の出力と大容量コンデンサ５の電圧を入力して、太陽電池１の動作点が最大電力点に追従するようにスイッチング・レギュレータ３を制御する。

次に、図１における各部の詳細な構成について説明する。図２は図１に示した充電回路の具体的構成例を示すブロック図である。

図２において、スイッチング・レギュレータ３は降圧型のスイッチング・レギュレータとして知られる回路であり、平滑コンデンサ３１，スイッチ３２，ダイオード３３，インダクタ３４および平滑コンデンサ３５から構成される。すなわち、スイッチング・レギュレータ３は、図６に示した従来のスイッチング・レギュレータ３０における電流センサ３６に代って平滑コンデンサ３５を備えた形態となっている。

ダイオード３３はフライホイール・ダイオードと呼ばれ、スイッチ３２がオンのときにインダクタ３４に蓄積したエネルギーを、スイッチ３２がオフのときに流す電流経路を得るダイオードである。平滑コンデンサ３１はスイッチ３２がオン・オフを繰り返すときにスイッチング・レギュレータ３の入力電圧を安定化する小容量のコンデンサである。平滑コンデンサ３５は、スイッチ３２がオン・オフを繰り返すときにスイッチング・レギュレータ３の出力電圧を安定化する小容量のコンデンサである。

日照条件検出回路６は太陽電池６１と終端抵抗６２から構成される。太陽電池６１は太陽電池１と同じ種類の太陽電池セルを用いた小型の太陽電池であり、例えば太陽電池１と並べて実装するなど、太陽電池１と同一と見なせる条件で発電させる。終端抵抗６２は太陽電池６１の出力を電圧に変換する終端抵抗である。

制御回路４は制御条件決定部４１とＰＷＭ変調部４２から構成される。制御条件決定部４１は日照条件検出回路６の出力と大容量コンデンサ５の電圧を入力して，太陽電池１の動作点が最大電力点を追従するようにスイッチ３２のオン・オフ比を決定する。ＰＷＭ変調部４２は制御条件決定部４１が決定したオン・オフ比に相当する、オン時間・オフ時間比を有するＰＷＭ信号を出力してスイッチ３２を制御する。この場合、同一のオン時間・オフ時間比となるのであれば、ＰＷＭ信号は、周波数固定であってオン時間を可変としてもよいし、オン時間は固定であって周波数を可変としてもよい。また、ＰＷＭ信号は、制御条件決定部４１におけるオン・オフ比の決定周期とは無関係の周期で出力される。

[動作の説明]
次に、図２の充電回路の動作について詳細に説明する。図３は太陽電池６１の出力特性の一例を示すグラフである。図３において、横軸は太陽電池６１の出力電圧であり、縦軸は太陽電池６１の出力電流である。太陽電池は定電流源のような特性を持ち、最大電力点以下の電圧では略一定の電流となり、最大電力点以上の電圧では急速に電流が減少する。

太陽電池６１の動作点は、オームの法則によって出力電圧を出力電流で割った値が終端抵抗６２の抵抗値に等しくなる直線と、ある日照条件における太陽電池６１の出力特性との交点となる。この特性を利用して、日照条件検出回路６の出力電圧と日照条件の関係が得られる。また、太陽電池の最大電力点は出力特性における電圧と電流の積が最大となる点であり、日照条件を変化させたときの最大電力点をプロットすることにより、太陽電池の日照条件と最大電力点の関係が得られる。

以上の２つの関係を用いて、日照条件検出回路６の出力電圧から太陽電池６１の最大電力点を推定することができる。先に述べたように、太陽電池１と太陽電池６１は同じ種類の太陽電池セルを用いて同じ条件で発電させていることから，太陽電池６１の最大電力点の推定結果から、太陽電池１の最大電力点を容易に推定することができる。

図４はスイッチング・レギュレータ３の制御条件の一例を示すグラフである。図４において、横軸は大容量コンデンサ５の電圧であり、縦軸は太陽電池１が最大電力点となるスイッチ３２のオン・オフ比である。

大容量コンデンサ５の電圧は充電期間中に０Ｖから終止電圧まで変化するが、この電圧に応じて太陽電池１が最大電力点となるスイッチ３２のオン・オフ比は変化する。また、日照条件による最大電力点の変化によっても、太陽電池１が最大電力点となるスイッチ３２のオン・オフ比は変化する。

制御条件決定部４１はこれらの特性を踏まえ、日照条件検出回路６の出力と大容量コンデンサ５の電圧を入力して、太陽電池１の動作点が最大電力点に追従するようにスイッチ３２のオン・オフ比を決定する。すなわち、ある日照条件における最大電力点に追従するように、大容量コンデンサ５の電圧が低いときはスイッチ３２のオン・オフ比を低く設定し、大容量コンデンサ５の電圧上昇とともにスイッチ３２のオン・オフ比を増加させるように動作する。

なお、制御条件決定部４１はスイッチ３２のオン・オフ比を決定する周期毎に間欠的に動作させることもできる。スイッチ３２のオン・オフ比を決定する周期は、大容量コンデンサ５の電圧が０Ｖから終止電圧に達するまでの充電時間に対して十分に短ければよく、スイッチング周期に比べて十分に長くすることができる。また、大容量コンデンサ５の単位時間当たりの変化量に応じて、この周期を可変させることもできる。

図５は充電期間中の各部の動作を示すタイミング図である。図５では、大容量コンデンサ５の電圧を０Ｖから終止電圧まで充電するまでの期間を示しており、説明を簡略化するために充電期間中の日照条件が一定の場合を示している。制御条件決定部４１は大容量コンデンサ５の電圧上昇とともにスイッチ３２のオン・オフ比を増加させて太陽電池１の動作点を最大電力点に追従させる。これにより、充電期間中の太陽電池の発電量を最大に保ち、太陽電池１から得られる電力を大容量コンデンサ５に効率よく充電することができる。

本発明の一実施の形態である充電回路のブロック図 本発明の充電回路の具体的構成例を示すブロック図 太陽電池６１の出力特性の一例を示すグラフ スイッチング・レギュレータ３の制御条件の一例を示すグラフ 充電期間中の各部の動作を示すタイミング図 従来の充電回路のブロック図

符号の説明

１ 太陽電池
２ 逆流防止ダイオード
３ スイッチング・レギュレータ
４ 制御回路
５ 大容量コンデンサ
６ 日照条件検出回路
３１ 平滑コンデンサ
３２ スイッチ
３３ ダイオード，
３４ インダクタ
３５ 平滑コンデンサ
３６ 電流センサ
４１ 制御条件決定部
４２ ＰＷＭ変調部
６１ 太陽電池
６２ 終端抵抗

Claims (4)

1. 太陽電池から得られる電力を大容量コンデンサに充電するコンデンサ充電回路において
   、
   前記太陽電池から得られる電力をスイッチによりオン・オフして前記大容量コンデンサ
   に供給するスイッチング・レギュレータと、
   前記太陽電池に対するのと同じ日照量を電圧に変換して出力する日照条件検出回路と、
   前記日照条件検出回路の出力と前記充電期間中の前記大容量コンデンサの電圧を入力し
   て、前記日照条件検出回路の出力に基づいた太陽電池の出力特性から最大電力点を求め、前記大容量コンデンサの電圧が低いときは前記スイッチング・レギュレータのオン・オフ比を低く設定し、前記大容量コンデンサの電圧が上昇するとともに前記オン・オフ比を増加させることにより、前記太陽電池の動作点が最大電力点を維持するように前記スイッチング・レギュレータのオン・オフ比を制御する制御回路とを備えることを特徴とする太陽電池によるコンデンサ充電回路。
2. 前記日照条件検出回路は、前記太陽電池と同じ種類であって同一条件で発電する太陽電
   池セルを用いた小型の太陽電池と、
   該小型の太陽電池の出力を電圧に変換する終端抵抗とで構成され、
   前記小型の太陽電池の電圧電流特性曲線と、前記終端抵抗の値を比とする電圧電流直線
   との交点の電圧を前記日照量電圧として出力し、
   前記制御回路は、前記日照量電圧と前記大容量コンデンサの電圧を入力して、前記太陽
   電池の出力が前記最大電力点に追従するように前記スイッチング・レギュレータにおける
   スイッチの前記オン・オフ比を決定する制御条件決定部と、
   前記制御条件決定部が決定したオン・オフ比に相当する、オン時間・オフ時間比を有す
   るＰＷＭ信号を出力して前記スイッチを制御するＰＷＭ変調部とで構成されることを特徴
   とする請求項１記載の太陽電池によるコンデンサ充電回路。
3. 前記制御条件決定部は前記スイッチのオン・オフ比を決定する周期毎に間欠的に動作す
   ることを特徴とする請求項２記載の太陽電池によるコンデンサ充電回路。
4. 前記ＰＷＭ変調部は前記制御条件決定部が決定する周期と無関係の周期で前記ＰＷＭ信
   号を出力することを特徴とする請求項２または請求項３記載の太陽電池によるコンデンサ
   充電回路。

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