JP4950145B2 - 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、前記蓄電池と並列に接続されたスイッチ手段と、前記太陽電池と、前記蓄電池及び前記スイッチ手段との間に直列に接続され、当該太陽電池から供給される電流の大きさに応じた磁界を発生させるインダクタンスとを備え、前記インダクタンスによって発生した磁界の磁束密度が第一の閾値を超えた場合に、前記スイッチ手段が非導通状態になることで、前記太陽電池からの充電電流が前記蓄電池へ流れるように制御し、前記磁束密度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、前記スイッチ手段が導通状態になることで、前記太陽電池からの充電電流が前記蓄電池へ流れないように制御し、前記磁束密度が前記第二の閾値に一致する際に前記インダクタンスに流れている電流の大きさは、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。

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、前記蓄電池と並列に接続されたスイッチ手段が、前記太陽電池からの充電電流を制御するステップと、前記太陽電池と、前記蓄電池及び前記スイッチ手段との間に直列に接続されたインダクタンスが、当該太陽電池から供給される電流の大きさに応じた磁界を発生させるステップとを含み、前記スイッチ手段が前記太陽電池からの充電電流を制御するステップでは、前記インダクタンスによって発生した磁界の磁束密度が第一の閾値を超えた場合に、前記スイッチ手段が非導通状態になることで、前記太陽電池からの充電電流が前記蓄電池へ流れるように制御し、前記磁束密度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、前記スイッチ手段が導通状態になることで、前記太陽電池からの充電電流が前記蓄電池へ流れないように制御し、前記磁束密度が前記第二の閾値に一致する際に前記インダクタンスに流れている電流の大きさは、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。

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ぐ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１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１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、蓄電池２と、コイル（インダクタンス）３と、ダイオード４と、ホールＩＣ５とを備える。ここで、コイル３、ダイオード４およびホールＩＣ５は、太陽電池１によって発電された電力を蓄電池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。

蓄電池２は、太陽電池１によって発電された電力を蓄える。この蓄電池２としては、例えば、Ｎｉ−ＭＨ蓄電池などが用いられる。

コイル３は、一方の端子が太陽電池１に接続され、他方の端子がダイオード４に接続されている。このコイル３は、太陽電池１から供給される電流の大きさに応じた磁界Ｈを発生させる。

ダイオード４は、アノードの端子がコイル３に接続され、カソードの端子が蓄電池２に接続されている。このダイオード４は、蓄電池２から太陽電池１への電流の逆流を阻止する。

ホールＩＣ５は、接点のプラス側端子がコイル３とダイオード４との間に接続され、接点のマイナス側端子が蓄電池２と太陽電池１との間に接続されたスイッチ手段である。このホールＩＣ５は、コイル３によって発生した磁界Ｈを検出するホール素子と、ホール素子によって検出された磁界Ｈの磁束密度Ｂの大きさに基づいて、両端子間の接続のオン／オフを切り替える切替スイッチとを有している。

そして、本実施例１では、かかるホールＩＣ５が、コイル３によって発生した磁界Ｈを検出し、検出した磁界Ｈの磁束密度Ｂの大きさに基づいて蓄電池２へ流れる充電電流を制御することによって、微少な充電電流による蓄電池の劣化を防ぐことを可能にしている。

具体的には、ホールＩＣ５は、ホール素子によって検出された磁界Ｈの磁束密度Ｂが第一の閾値であるＢ₁を超えた場合には、切替スイッチをオフにする。これにより、ホールＩＣ５を介して流れる電流が遮断され、その結果、ダイオード４を介して、コイル３から蓄電池２へ充電電流が流れるようになる。

一方、ホールＩＣ５は、ホール素子によって検出された磁束密度ＢがＢ₁より小さい第二の閾値であるＢ₂以下となった場合には、切替スイッチをオンにする。ここで、太陽電池１から供給される電流は蓄電池２へ流れずに、コイル３を経由してホールＩＣ５へ流れるようになる。このとき、蓄電池２にはダイオード４が接続されているので、蓄電池２がホールＩＣによって短絡されることはない。

ここで、コイル３に流れる電流と蓄電池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、コイル３に流れる電流と蓄電池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、コイル３に流れる電流Ｉ_Lの経時的な変化を示しており、縦軸が電流Ｉ_L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、蓄電池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、示すＩ₁は、磁束密度ＢがＢ₁となる際にコイル３に流れている電流の大きさであり、Ｉ₂は、磁束密度ＢがＢ₂となる際にコイル３に流れている電流の大きさである。これらＩ₁およびＩ₂は、Ｉ₁＞Ｉ₂の関係にあり、Ｉ₂は、蓄電池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。

まず、同図に示すように、ｔ＝０の時点で、Ｉ_LおよびＩ_Cはそれぞれ０であり、ホールＩＣ５の切替スイッチ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_Lが徐々に増加する。そして、Ｉ_LがＩ₁を超えた時点、すなわち、コイル３によって発生した磁界Ｈの磁束密度ＢがＢ₁を超えた時点で、ホールＩＣ５の切替スイッチがオフ（ＯＦＦ）になる。これにより、同図の（ｂ）に示すように、蓄電池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_Lが徐々に減少する。そして、Ｉ_LがＩ₂以下となった時点、すなわち、コイル３によって発生した磁界Ｈの磁束密度ＢがＢ₂以下となった時点で、ホールＩＣ５が切替スイッチをオン（ＯＮ）にする。これにより、同図の（ｂ）に示すように、蓄電池２に流れる充電電流Ｉ_Cがゼロになる。

このように、ホールＩＣ５が、コイル３に流れる電流Ｉ_Lの変化、すなわち、コイル３によって発生した磁界Ｈの磁束密度Ｂ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、蓄電池２にパルス状の充電電流Ｉ_Cが順次供給される。

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_LがＩ₂より大きい状態、すなわち、ホールＩＣ５の切替スイッチがオフである状態が継続する。そのため、この場合には、最低充電電流以上の大きさの充電電流Ｉ_Cで蓄電池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、コイル３に流れる電流Ｉ_LがＩ₂以下となった時点でホールＩＣ５の切替スイッチがオンになる。ここで、さらに日射量が低下した場合には、コイル３に流れる電流Ｉ_LがＩ₁に達しなくなり、ホールＩＣ５の切替スイッチがオンである状態が継続する。そのため、この場合には、蓄電池２の充電が完全に停止する。

次に、本実施例１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１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、ホールＩＣ５が、切替スイッチをオンにする（ステップＳ１）。これにより、太陽電池１から供給される電流が、蓄電池２へ流れずに、コイル３を経由してホールＩＣ５へ流れるようになる。

その後、コイル３が、太陽電池１から供給される電流の大きさに応じた磁界Ｈを発生させる（ステップＳ２）。

続いて、ホールＩＣ５が、コイル３によって発生した磁界Ｈを検出し、検出した磁束密度ＢがＢ₁を越えた場合には（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、切替スイッチをオフにする（ステップＳ４）。これにより、コイル３から蓄電池２へ充電電流が流れるようになる。

その後、磁束密度ＢがＢ₂以下となった場合には（ステップＳ５，Ｙｅｓ）、ホールＩＣ５は、再度、切替スイッチをオンにする（ステップＳ１）。これによりコイル３から蓄電池２へ充電電流が流れないようになる。

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、蓄電池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１では、太陽電池１に接続されたコイル３が、太陽電池１から供給される電流の大きさに応じた磁界を発生させる。そして、ホールＩＣ５が、コイル３によって発生した磁界Ｈの磁束密度ＢがＢ₁を超えた場合に、コイル３から蓄電池２へ充電電流が流れるように制御する。一方、磁束密度ＢがＢ₁より小さいＢ₂以下となった場合には、ホールＩＣ５は、コイル３から蓄電池２へ充電電流が流れないように制御する。

これにより、磁束密度がＢ₂となった際にコイル３に流れている電流Ｉ₂を下回る充電電流は蓄電池２に流れないようになるので、微少な充電電流による蓄電池２の劣化を防ぐことが可能になる。また、微少な充電電流が蓄電池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、効率よく蓄電池２の充電を行うことが可能になる。

また、本実施例１では、磁束密度Ｂが第二の閾値であるＢ₂に一致する際にコイル３に流れている電流Ｉ_Lの大きさは、蓄電池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蓄電池２に供給されるのを防ぐことができ、さらに効率よく蓄電池２の充電を行うことが可能になる。

なお、上記実施例１では、蓄電池２に供給される充電電流を制御するスイッチ手段としてホールＩＣ５を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られるわけではなく、例えば、コイルと、スイッチ手段として動作する接点とを有するリレーを用いることも可能である。

そこで、以下では、実施例２として、リレーを用いた場合について説明する。図４は、本実施例２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、本実施例２に係る太陽電池システムは、実施例１におけるコイル３およびホールＩＣ５の代わりに、リレー１０を備えている。ここで、リレー１０およびダイオード４は、太陽電池１によって発電された電力を蓄電池２に充電する充電回路を構成している。

リレー１０は、コイル１１と、スイッチ手段として動作する接点１２とを有している。ここで、コイル１１は、一方の端子が太陽電池１に接続され、他方の端子がダイオード４に接続されている。このコイル１１は、実施例１におけるコイル３と同様に、太陽電池１から供給される電流の大きさに応じた磁界Ｈを発生させる。

また、接点１２は、一方の端子が、コイル１１とダイオード４との間に接続され、他方の端子が、蓄電池２と太陽電池１との間に接続されている。この接点１２は、コイル１１によって発生した磁界Ｈの磁束密度Ｂの大きさに基づいて、両端子間の接続のオン／オフを切り替える。

そして、本実施例２では、かかるリレー１０が、コイル１１によって発生した磁界Ｈの磁束密度Ｂの大きさに基づいて蓄電池２へ流れる充電電流を制御することによって、微少な充電電流による蓄電池の劣化を防ぐことを可能にしている。

具体的には、リレー１０は、コイル１１によって発生した磁界Ｈの磁束密度Ｂが第一の閾値であるＢ₁を超えた場合には、接点１２をオフにする。これにより、接点１２を介して流れる電流が遮断され、ダイオード４を介して、コイル１１から蓄電池２へ充電電流が流れるようになる。

一方、リレー１０は、コイル１１によって発生した磁束密度ＢがＢ₁より小さい第二の閾値であるＢ₂以下となった場合には、接点１２をオンにする。ここで、太陽電池１から供給される電流は蓄電池２へ流れずに、コイル３を経由して接点１２へ流れるようになる。このとき、蓄電池２にはダイオード４が接続されているので、蓄電池２が接点１２によって短絡されることはない。

このように、リレー１０が、磁束密度ＢがＢ₁となった場合に、切替スイッチをオフにし、磁束密度ＢがＢ₁より小さい第二の閾値であるＢ₂以下となった場合に、切替スイッチをオンにすることができるのは、コイル３がヒステリシス性を有するからである。ここでいうヒステリシス性とは、磁界の中に置かれた磁性体が磁化する際に、外部の磁界と磁性体の磁化との関係において、磁化を示す磁束密度が増加する際の曲線と、減少する際の曲線とが一致しないことである。

言い換えると、ヒステリシス性とは、磁化が負から正に切り替わるタイミングと、正から負に切り替わるタイミングとで、外部の磁界の大きさが一致しないことであり、磁化が負から正に切り替わる際の磁界の大きさは、正から負に切り替わる際の磁界の大きさよりも大きい。そのため、リレー１０において、コイル１１によって発生した磁界Ｈの磁束密度ＢがＢ₁を超えた場合に、接点１２がオフになり、磁束密度ＢがＢ₁より小さいＢ₂以下となった場合に、接点１２がオンになる。

以上、リレー１０について具体的に説明したが、かかるリレー１０としては、一般的に普及しているリレーを適宜に用いることができる。すなわち、コイルにおいて磁束密度がＢ₁となる際の電流の大きさをＩ₁、磁束密度がＢ₂となる際の電流の大きさをＩ₂とした場合に、コイルの入力電流がＩ₁になった時点で接点がオンからオフに切り替わり、入力電流がＩ₂になった時点で接点がオフからオンに切り替わる仕様のリレーを選択すればよい。その際、Ｉ₂の値は、蓄電池２を充電可能な最低充電電流以上であることが望ましい。

上述してきたように、本実施例２では、コイル１１と接点１２とを有するリレー１０が用いられ、太陽電池１に接続されたコイル１１が、太陽電池１から供給される電流の大きさに応じた磁界を発生させる。そして、接点１２が、コイル１１によって発生した磁界Ｈの磁束密度ＢがＢ₁を超えた場合に、コイル１１から蓄電池２へ充電電流が流れるように制御する。一方、磁束密度ＢがＢ₁より小さいＢ₂以下となった場合には、接点１２は、コイル１１から蓄電池２へ充電電流が流れないように制御する。

これにより、実施例１と同様に、磁束密度がＢ₂となった際にコイル１１に流れている電流Ｉ₂を下回る充電電流は蓄電池２に流れないようになるので、微少な充電電流による蓄電池２の劣化を防ぐことが可能になる。また、微少な充電電流が蓄電池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、効率よく蓄電池２の充電を行うことが可能になる。

さらに、実施例２では、一般的に普及しているリレーを用いるので、蓄電池２に供給される充電電流を制御するための特別な制御装置を用意する必要がない。したがって、簡易に回路を構成することができ、コストの低減や故障発生率の低下を実現することが可能になる。

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を防ぐことが求められる場合に適している。

本実施例１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。 コイル３に流れる電流と蓄電池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。 本実施例１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。 本実施例２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。

符号の説明

１ 太陽電池
２ 蓄電池
３ コイル
４ ダイオード
５ ホールＩＣ
１０ リレー
１１ コイル
１２ 接点

Claims (4)

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、
   前記蓄電池と並列に接続されたスイッチ手段と、
   前記太陽電池と、前記蓄電池及び前記スイッチ手段との間に直列に接続され、当該太陽電池から供給される電流の大きさに応じた磁界を発生させるインダクタンスとを備え、
   前記インダクタンスによって発生した磁界の磁束密度が第一の閾値を超えた場合に、前記スイッチ手段が非導通状態になることで、前記太陽電池からの充電電流が前記蓄電池へ流れるように制御し、前記磁束密度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、前記スイッチ手段が導通状態になることで、前記太陽電池からの充電電流が前記蓄電池へ流れないように制御し、
   前記磁束密度が前記第二の閾値に一致する際に前記インダクタンスに流れている電流の大きさは、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充電回路。
2. 前記スイッチ手段は、前記インダクタンスによって発生した磁界を検出し、検出した磁界の磁束密度の大きさに基づいて前記充電電流の流れを制御するホールＩＣであることを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
3. 前記インダクタンスと、前記スイッチ手段として動作する接点とを有するリレーを備えたことを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
4. 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、
   前記蓄電池と並列に接続されたスイッチ手段が、前記太陽電池からの充電電流を制御するステップと、
   前記太陽電池と、前記蓄電池及び前記スイッチ手段との間に直列に接続されたインダクタンスが、当該太陽電池から供給される電流の大きさに応じた磁界を発生させるステップとを含み、
   前記スイッチ手段が前記太陽電池からの充電電流を制御するステップでは、
   前記インダクタンスによって発生した磁界の磁束密度が第一の閾値を超えた場合に、前記スイッチ手段が非導通状態になることで、前記太陽電池からの充電電流が前記蓄電池へ流れるように制御し、前記磁束密度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、前記スイッチ手段が導通状態になることで、前記太陽電池からの充電電流が前記蓄電池へ流れないように制御し、
   前記磁束密度が前記第二の閾値に一致する際に前記インダクタンスに流れている電流の大きさは、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充電方法。

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