JP2005160290A - 独立電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】 多様な電気機器に対応でき、かつユーザの選択に応じて携帯可能な独立電源システムを提供する。
【解決手段】 小型の内蔵蓄電池３０と電源システム１０に着脱自在な外部蓄電池４０とは、スイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷ４を介して太陽電池２０とチャージコントローラ５０とにそれぞれ結合される。チャージコントローラ５０は、電気負荷６０に電力を供給する電力供給部と、各蓄電池を選択的に充放電する制御部とを含む。制御部は、スイッチ回路ＳＷ１をオン、ＳＷ２をオフして内蔵蓄電池３０を優先して充電する。内蔵蓄電池３０の充電後において、スイッチ回路ＳＷ１をオフ、ＳＷ２をオンして外部蓄電池４０を充電する。制御部は、スイッチ回路ＳＷ３をオフ、ＳＷ４をオンして外部蓄電池４０を優先して放電する。外部蓄電池４０の放電後において、スイッチ回路ＳＷ３をオン、ＳＷ４をオフして内蔵蓄電池３０を放電する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、独立電源システムに関し、より特定的には、電気機器に電力を供給する小規模独立電源システムに関する。

太陽電池は、太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、近年の地球環境問題に対する意識の高まりを背景に、地球温暖化の原因とされる二酸化炭素を排出しないクリーンな発電装置として注目されている。

しかしながら、太陽電池は、出力する電力が照度に依存して一定ではないことから、電力を安定供給するために、太陽電池と蓄電池とを組み合わせて、蓄電池に太陽電池の発電電力を蓄える構成とした独立電源システムが広く用いられている。

従来の独立電源システムは、図示は省略するが、太陽電池と、太陽電池から出力される直流電力を蓄積する蓄電池と、蓄電池から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータユニットとを備える。

本構成において、太陽電池で発生した電流は、蓄電池あるいは負荷へと流れる。蓄電池は、負荷が変動して太陽電池の出力で賄いきれないとき、あるいは夜間のように太陽電池が発電していないときには放電し、逆に負荷が小さく、太陽電池の出力に余裕ができたときには充電するというように、負荷に対する調整を行なうものである。なお、蓄電池には、消耗したときに容易に交換できるように、汎用の鉛蓄電池が用いられる。

インバータユニットには、交流電気負荷が並列に結合される。交流電気負荷は、インバータユニットの出力する交流電力により動作する。

このような構成とすることにより、従来の独立電源システムは、照度の変化に関わらず、負荷に対して安定的に電力を供給することができる。一方、システムに搭載される鉛蓄電池においては、天候不良による充電不足状態が続いたときなどに、負極板に不活性な硫酸鉛が蓄積する、いわゆるサルフェーションが発生し、容量が低下して寿命が短くなってしまうという問題が生じていた。

そこで、最近では、かかる問題を解決し、蓄電池の長寿命化を図った独立電源システムが多数提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

図７は、特許文献１に記載される独立電源システムの構成を示す構成ブロック図である。

図７を参照して、独立電源システムは、太陽電池１００と、鉛蓄電池１１０と、鉛蓄電池１１０の補助充電手段としての電気２重層コンデンサ１４０と、鉛蓄電池１１０と電気２重層コンデンサ１４０との間に配される双方向コンバータ１３０と、充放電制御回路１２０とを備える。

充放電制御回路１２０は、図７に示すように、太陽電池１００と鉛蓄電池１１０とを電気的に結合／分離する充電制御スイッチ回路ＳＷ１０と、鉛蓄電池１１０と負荷１５０とを電気的に結合／分離する放電制御スイッチ回路ＳＷ２０とを含む。充放電制御回路１２０は、昼間は、充電制御スイッチ回路ＳＷ１０をオンして太陽電池１００により鉛蓄電池１１０を充電する。鉛蓄電池１１０が満充電になると、充電制御スイッチ回路ＳＷ１０をオフして充電を停止する。また、夜間は、充放電制御回路１２０は、太陽電池１００の発電停止を検知すると、放電制御スイッチ回路ＳＷ２０をオンして鉛蓄電池１１０から負荷１５０への電力供給を開始する。なお、鉛蓄電池１１０の放電量が予め設定された値を超えたときには、放電制御スイッチ回路ＳＷ２０をオフして鉛蓄電池１１０の放電を停止し、鉛蓄電池１１０が過放電となるのを防止する。

ここで、前述の鉛蓄電池におけるサルフェーションの発生を抑える手段としては、適当なタイミングで鉛蓄電池を過充電することにより硫酸鉛の蓄積を防止することが有効である。一方、自然エネルギーを利用する独立電源システムにおいて、過充電したいときに必ず必要な電力が得られるという保証はない。

そこで、図７の独立電源システムでは、鉛蓄電池１１０に補助充電を行なうための電気２重層コンデンサ１４０を設け、双方向コンバータ１３０に配した充電制御手段によって、適当な時期に鉛蓄電池１１０の充電量が所定の充電量よりも多くなる補助充電を行なうこととする。

さらに、電気２重層コンデンサ１４０を常時満充電状態とするために、双方向コンバータ１３０を運転して電気２重層コンデンサ１４０を補充電しておくことで、電気２重層コンデンサ１４０の蓄電容量を小さく抑えることができる。

このような構成とすることにより、鉛蓄電池１１０は、定期的に補助充電されてサルフェーションの発生が抑えられることから、鉛蓄電池１１０の長寿命化を図ることができる。
特開２００２−５８１７５号公報 特開２０００−３４１８７５号公報 特開平９−１２１４６１号公報

上記のように、従来の独立電源システムによれば、商用電力系統が発達していない地域においても、一般の電気機器の安定した利用が可能となる。

しかしながら、従来の独立電源システムに搭載される蓄電池においては、照度が不安定なときであっても負荷を安定的に駆動させることができるだけの容量を持つことが必要とされる。例えば携帯用テレビやラジオのような放送受信機器であれば、負荷が小さいことから、蓄電池に求められる容量も比較的小さいもので足りる。一方、パーソナルコンピュータ（パソコン）のように負荷が大きいものを長時間安定的に駆動させるためには、蓄電池はさらに大容量のものが求められる。例えば、３０Ｗの負荷を５時間安定的に駆動させる場合では、１２Ａｈ程度の容量を持つ蓄電池が必要とされる。

このため、１つの独立電源システムで、電気機器の有する様々な負荷に対する電力供給をカバーしようとすれば、蓄電池は必然的に大型かつ重くならざるを得ず、独立電源システムの携帯化を阻む要因となっていた。

例えば、独立電源システムに対して、携帯用テレビを使用したいユーザは、携帯性を求める一方で、パソコンを使用したいユーザは、携帯できなくとも長時間安定して駆動できるだけの電力供給能力を求めることが予想される。しかしながら、現状では、ユーザのこのような要求に十分対応するには至っていない。

それゆえ、この発明の目的は、多様な電気機器に対応でき、かつユーザの選択に応じて携帯可能な独立電源システムを提供することである。

この発明のある局面によれば、自然エネルギーを受けて発電した電力で負荷を駆動する独立電源システムであって、発電した直流電圧を出力する直流電源と、直流電圧により充電され、第１の直流電力を放電する第１の蓄電池と、独立電源システムの外部に配されて任意に着脱でき、装着時において直流電圧により充電され、第２の直流電力を放電する第２の蓄電池と、第１の蓄電池および第２の蓄電池と負荷との間に配され、第１および第２の直流電力を選択的に負荷に供給する電力供給部と、直流電源から第１および第２の蓄電池への充電動作と第１および第２の蓄電池から電力供給部への放電動作とを制御する制御部とを備える。制御部は、充電動作において、直流電源と第１の蓄電池とを選択的に結合し、第１の蓄電池の充電完了後において、直流電源と第２の蓄電池とを選択的に結合し、放電動作において、電力供給部と第２の蓄電池とを選択的に結合し、第２の蓄電池の放電完了後において、電力供給部と第１の蓄電池とを選択的に結合する。

好ましくは、電力供給部は、第１および第２の直流電力を選択的に交流電力に変換して負荷に供給する電力変換部を含む。

好ましくは、制御部は、第１および第２の蓄電池の端子間電圧を検出する検出手段と、検出した端子間電圧に基づいて、対応する蓄電池が充電可能か否かを判定する第１の判定手段とを含み、第１の蓄電池が充電可能であるという判定結果に応じて、直流電源と第１の蓄電池とを選択的に結合し、第１の蓄電池が充電不可能であるという判定結果を受けて第２の蓄電池が充電可能か否かを判定し、第２の蓄電池が充電可能であるという判定結果に応じて、直流電源と第２の蓄電池とを選択的に結合する。

より好ましくは、制御部は、検出した端子間電圧に基づいて、対応する蓄電池が放電可能か否かを判定する第２の判定手段をさらに含み、第２の蓄電池が放電可能であるという判定結果に応じて、電力変換部と第２の蓄電池とを選択的に結合し、第２の蓄電池が放電不可能であるという判定結果を受けて第１の蓄電池が放電可能か否かを判定し、第１の蓄電池が放電可能であるという判定結果に応じて、電力変換部と第１の蓄電池とを選択的に結合する。

好ましくは、直流電源と第１の蓄電池との間を電気的に結合／分離する第１のスイッチ回路と、直流電源と第２の蓄電池との間を電気的に結合／分離する第２のスイッチ回路とをさらに備える。制御部は、第１のスイッチ回路を導通し、かつ第２のスイッチ回路を非導通として、直流電源と第１の蓄電池とを選択的に結合して直流電圧により第１の蓄電池を充電し、第１の蓄電池の充電完了後において、第１のスイッチ回路を非導通とし、かつ第２のスイッチ回路を導通して、直流電源と第２の蓄電池とを選択的に結合して直流電圧により第２の蓄電池を充電する。独立電源システムは、第１の蓄電池と電力変換部との間を電気的に結合／分離する第３のスイッチ回路と、第２の蓄電池と電力変換部とを電気的に結合／分離する第４のスイッチ回路とをさらに備える。制御部は、第３のスイッチ回路を非導通とし、かつ第４のスイッチ回路を導通して、第２の蓄電池と電力変換部とを選択的に結合して第２の直流電力を放電し、第２の蓄電池の放電完了後において、第３のスイッチ回路を導通し、かつ第４のスイッチ回路を非導通として、第１の蓄電池と電力変換部とを選択的に結合して第１の直流電力を放電する。

好ましくは、第１の蓄電池は、第２の蓄電池よりも容量が小さいとする。

好ましくは、第１の蓄電池は、ニッケル水素蓄電池を含み、第２の蓄電池は、鉛蓄電池を含む。

この発明によれば、外部蓄電池を着脱自在とすることにより、様々な負荷を持つ電気機器に対して電力を安定的に供給でき、かつユーザの用途に応じて携帯可能な独立電源システムを実現することができる。

さらに、内蔵蓄電池および外部蓄電池の充放電動作において、内蔵蓄電池の電力をできる限り保存させることにより、携帯型電源システムとして使用できる状態を維持し、ユーザの指定する任意のタイミングに対応することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、この発明の実施の形態に従う独立電源システムの構成を示すブロック図である。

図１を参照して、独立電源システム１０は、太陽電池２０と、システム内部に配される小型低容量の蓄電池（以下、内蔵蓄電池とも称する）３０と、システム外部に配される大容量の蓄電池（以下、外部蓄電池とも称する）４０と、各蓄電池から出力される直流電力を電気負荷６０に供給するチャージコントローラ５０と、逆流防止ダイオード７０とを備える。

太陽電池２０は、複数セルの太陽電池素子が直列に結合されたモジュール構造であり、定格電圧および定格電力をそれぞれ２５Ｖ，５５Ｗとする。本実施の形態では、携帯用テレビなどの民生機器を用途とすることを考慮して、例えば、薄膜基板上に形成される集積型アモルファスシリコン太陽電池が用いられる。

内蔵蓄電池３０は、太陽電池２０と並列に結合され、太陽電池２０の発電する直流電力を蓄積する。内蔵蓄電池３０は、例えば容量が５．４Ａｈであり、エネルギー密度が高く、軽量のリチウムイオン電池が用いられる。内蔵蓄電池３０の容量は、従来の独立電源システムに搭載される一般的な鉛蓄電池の容量の約１／５に相当する。したがって、本実施の形態の独立電源システムは、蓄電池が飛躍的に小形軽量化されることから、携帯することが可能となる。

外部蓄電池４０は、太陽電池２０と並列に結合され、太陽電池２０の発電する直流電力を蓄積する。外部蓄電池４０は、図１に示すように、独立電源システム１０の外部に配置され、コネクタ８０により、独立電源システム１０に自在に着脱することができる。外部蓄電池４０は、例えば容量を１２Ａｈとし、コスト面を鑑みて、比較的安価な鉛蓄電池が用いられる。なお、本実施の形態の外部蓄電池４０は、従来の独立電源システム１０に搭載される蓄電池の容量とほぼ同等の容量を有し、内蔵蓄電池３０に対して体積、重量ともに著しく大きい。

内蔵蓄電池３０および外部蓄電池４０は、図１に示すスイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２をオン／オフすることにより、それぞれ個別に、太陽電池２０と電気的に結合／分離される。スイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２は、相補的にオンすることから、２つの蓄電池のいずれか一方が太陽電池２０に選択的に結合される。かかるスイッチング動作の制御については、後に詳述する。

表１に、本実施の形態で使用する内蔵蓄電池３０および外部蓄電池４０の性能の一例を示す。

表１を参照して、内蔵蓄電池３０は、充電特性として、充電の可否の判定基準となる電圧値を１４．４Ｖとし、端子間電圧がこの電圧値を下回ったことに応じて充電動作を開始する。以下において、該電圧値を充電可能電圧とも称する。

さらに、内蔵蓄電池３０の充電が進んで満充電状態となると、端子間電圧１５．０Ｖが検出される。以下において、該電圧値を充電停止の判定基準とし、充電停止電圧とも称する。

外部蓄電池４０の充電特性についても同様に、表１に示すように、端子間電圧１４．２Ｖを充電可能電圧とし、端子間電圧１４．８Ｖを充電停止電圧とする。

一方、放電特性に関しては、内蔵蓄電池３０は、放電の可否の判定基準となる電圧値を１２．４Ｖとし、端子間電圧がこの電圧値を上回るときに放電動作を可能とする。以下において、該電圧値を放電開始電圧とも称する。

さらに、内蔵蓄電池３０の放電が進み、過放電状態となると、端子間電圧１０．０Ｖが検出される。以下において、該電圧値を放電停止の判定基準とし、放電停止電圧とも称する。

外部蓄電池４０についても同様に、端子間電圧１２．４Ｖを放電開始電圧とし、端子間電圧１０．０Ｖを放電停止電圧とする。

ここで、前述のように、ユーザは、コネクタ８０によって、外部蓄電池４０を独立電源システム１０から自在に着脱することができる。したがって、外部蓄電池４０が取り外された状態において、独立電源システム１０は、小型軽量化されて携帯可能となる。

詳細には、使用する電気機器の電気負荷６０が小さいときには、太陽電池２０と内蔵蓄電池３０とによって十分な電力を供給できることから、外部蓄電池４０を独立電源システム１０から取り外した状態とする。これによって、独立電源システム１０は、携帯することができる。独立電源システム１０は、携帯可能な状態において、例えば、屋外で用いられる携帯用テレビやラジオなどの放送受信機器の電源として、テープレコーダやミニディスクなどの携帯音響機器の電源として、あるいは携帯電話機の充電器として利用されうる。

一方、独立電源システム１０で、携帯型パソコンのように電気負荷６０が大きいものを駆動させたいときには、太陽電池２０と内蔵蓄電池３０とのみでは十分な電力を賄うことができない。したがって、この場合、ユーザは、コネクタ８０を介して容量の大きい外部蓄電池４０を独立電源システム１０に装着する。これにより、太陽電池２０と外部蓄電池４０と内蔵蓄電池３０とによって、電気負荷６０を十分に駆動させることができる。

さらに、電気負荷６０の大小に関わらず、気象条件が不良であって十分な照度を安定して得られないときには、太陽電池２０の発電能力が衰えることから、外部蓄電池４０を装着することで、安定した電力供給を維持することが可能となる。

このような構成とすることにより、様々な負荷を持つ電気機器に対して安定した電力供給を保証するとともに、ユーザの用途に合わせて携帯可能な独立電源システムを構築することができる。

ここで、独立電源システム１０を、ユーザによって指定される任意のタイミングにおいて携帯した状態での使用を可能とするためには、内蔵蓄電池３０が、負荷を駆動するのに最低限必要とされる所定の電力量を常に蓄えた状態であることが求められる。

そこで、本実施の形態では、以下に示す蓄電池の充放電動作の制御によって内蔵蓄電池の蓄える直流電力をできる限り保持することにより、携帯性に優れた独立電源システムを提案する。

図１を参照して、独立電源システム１０は、太陽電池２０から各蓄電池に対する充電動作と各蓄電池から電気負荷６０に対する放電動作とを制御する部位として、スイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷ４と、チャージコントローラ５０の内部に配される制御部（図示せず）とをさらに備える。

スイッチ回路ＳＷ１は、チャージコントローラ５０の制御部からの駆動信号ＳＧ１に応じてオン／オフし、太陽電池２０と内蔵蓄電池３０とを電気的に結合／分離する。スイッチ回路ＳＷ２は、チャージコントローラ５０からの駆動信号ＳＧ２に応じてオン／オフし、太陽電池２０と外部蓄電池４０とを電気的に結合／分離する。スイッチ回路ＳＷ３は、チャージコントローラ５０からの駆動信号ＳＧ３に応じてオン／オフし、内蔵蓄電池３０とチャージコントローラ５０とを電気的に結合／分離する。スイッチ回路ＳＷ４は、チャージコントローラ５０からの駆動信号ＳＧ４に応じてオン／オフし、外部蓄電池４０とチャージコントローラ５０とを電気的に結合／分離する。

本構成において、スイッチ回路ＳＷ１とスイッチ回路ＳＷ２とは、充電動作時に相補的にオン／オフし、内蔵蓄電池３０および外部蓄電池４０のいずれか一方と太陽電池２０とを選択的に結合する。また、スイッチ回路ＳＷ３とスイッチ回路ＳＷ４とは、放電動作時に相補的にオン／オフし、内蔵蓄電池３０および外部蓄電池４０のいずれか一方とチャージコントローラ５０とを選択的に結合する。これらのスイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷ４のオン／オフ制御は、チャージコントローラ５０内の制御部の発生する駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ４に応答して行なわれる。以下に、かかる充放電動作の制御について詳細に説明する。

図２は、図１の独立電源システム１０の詳細を説明するための回路構成図である。

図２を参照して、太陽電池２０の陽極と内蔵蓄電池３０の陽極との間には、スイッチ回路ＳＷ１として、ＮチャネルトランジスタＴｒ１が結合される。同様に、太陽電池２０の陽極と外部蓄電池４０の陽極との間には、図１のスイッチ回路ＳＷ２として、ＮチャネルトランジスタＴｒ２が結合される。これらのＮチャネルトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は、駆動信号ＳＧ１，ＳＧ２の活性化（「Ｈ（論理ハイ）」レベル）に応答してそれぞれオンし、対応する蓄電池と太陽電池２０とを電気的に結合する。

さらに、内部蓄電池３０の陽極とチャージコントローラ５０内の電力供給部５１との間には、図１のスイッチ回路ＳＷ３として、ＮチャネルトランジスタＴｒ３が結合される。同様に、外部蓄電池４０の陽極と電力供給部５１との間には、図１のスイッチ回路ＳＷ４として、ＮチャネルトランジスタＴｒ４が結合される。これらのＮチャネルトランジスタＴｒ３，Ｔｒ４は、駆動信号ＳＧ３，ＳＧ４の活性化（「Ｈ」レベル）に応じてそれぞれオンし、対応する蓄電池と電力供給部５１とを電気的に結合する。

なお、スイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷ４は、本実施の形態で例示するＮチャネルトランジスタに特定されず、電気的信号に応答して開閉するその他のスイッチング素子が適用可能である。

チャージコントローラ５０は、図２に示すように、放電状態にある蓄電池から出力される直流電力を電気負荷６０に供給する電力供給部５１と、駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ４を発生して前述の充放電動作を制御する制御部５２とを含む。

電力供給部５１は、一例として、図３に示すように、蓄電池から出力される直流電力を交流電力に変換して電気負荷６０に供給するインバータ部５１Ａで構成される。

図３は、図２の独立電源システム１０の一例を説明するための回路構成図である。なお、図３は、図２のチャージコントローラ５０における電力供給部５１を、インバータ部５１Ａに変更したものである。

図３を参照して、インバータ部５１Ａは、蓄電池の出力直流電圧を昇圧させるための昇圧トランスＴ１と、整流回路と、フィルタ回路と、自励式インバータと、出力フィルタ回路とに大別される。

昇圧トランスＴ１は、ＮチャネルトランジスタＴｒ５０のオン／オフ制御によって直流から交流に変換された電力を１次側に入力し、ピーク電圧が約１３５Ｖになるように昇圧された交流電力が２次側に出力される。

昇圧トランスＴ１にて生成された交流電力は、整流回路に入力される。整流回路は、変圧器Ｔ１の２次側のコイルに対して互いに逆方向に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２と、ダイオードＤ１のカソードとダイオードＤ２のアノードとの間に直列接続されたコンデンサＣ２，Ｃ３とを含む。

整流回路は、全波形であり、コンデンサＣ２，Ｃ３がそれぞれ交流電圧のピーク値にまで充電されることにより、入力される交流電圧のピーク値の約２倍に相当する約２７０Ｖの出力電圧が得られる。

さらに、コンデンサＣ２，Ｃ３と直列に接続されるコンデンサＣ４は、ダイオードＤ３を介して蓄電池の端子間電圧に充電される。したがって、コンデンサＣ２〜Ｃ４の端子間に出力される直流電圧は、約２８４Ｖとなる。

フィルタ回路は、インダクタＬ１とコンデンサＣ５とを含み、得られた直流電圧から高周波成分を除去して、後段の自励式インバータに伝達する。

自励式インバータは、ＮチャネルトランジスタＴｒ５１，Ｔｒ５４からなるスイッチ回路の組とＮチャネルトランジスタＴｒ５２，Ｔｒ５３からなるスイッチ回路の組とを交互に導通させることによって、入力される直流電力を周波数６０Ｈｚの交流電力に変換する。なお、スイッチ回路の開閉は、制御部５２からの制御信号によって制御される。得られた交流電力は、出力フィルタ回路を通して電気負荷６０に供給される。出力フィルタ回路は、チョークコイルＬ２と、コンデンサＣ６とから構成される。なお、直流電力を交流電力に変換する方式として、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御を用いることもできる。

また、図３において、図２の電力供給部５１をインバータ部５１Ａで構成する例について説明したが、他の一例として、電力供給部５１を、蓄電池の出力する直流電力を電力変換せずに電気負荷６０に供給する構成としてもよい。

図４は、図２の独立電源システム１０の他の例を説明するための回路構成図である。なお、図４は、図２のチャージコントローラ５０における電力供給部５１を、電力供給部５１Ｂに変更したものである。

図４を参照して、電力供給部５１Ｂは、インダクタＬ３，Ｌ４とコンデンサＣ７，Ｃ８とからなるフィルタ回路を含む。

フィルタ回路は、放電状態にある蓄電池から得られた直流電力を、高周波成分を除去して電気負荷６０へ出力する。このとき、図示は省略するが、電力供給部５１Ｂにおいて、さらに昇圧回路または降圧回路を設けることによって、直流電力の電圧を所望の電圧レベルに昇圧または降圧して電気負荷６０に供給する構成とすることができる。

また、電力供給部５１を、電気負荷６０に対して、交流電力と直流電力とのいずれ一方を選択的に供給できる構成とすれば、接続される電気負荷６０に適した電力を供給することが可能となる。

次に、チャージコントローラ５０の制御部５２が行なう各蓄電池の充放電制御について説明する。なお、以下の制御は、図２〜図４に示す独立電源システム１０のいずれの制御部５２においても共通して行なわれるものである。

図２を参照して、制御部５２は、内蔵蓄電池３０および外部蓄電池４０の端子間電圧を常時検出し、各蓄電池に対して充放電を実行／停止させるための駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ４を出力する。

詳細には、制御部５２は、内蔵蓄電池３０の端子間電圧を検出し、内蔵蓄電池３０が充電可能な状態にあるか否かを判定する。端子間電圧が表１に示す充電可能電圧１４．４Ｖ以下であるときには、内蔵蓄電池３０が充電可能であると判定し、制御部５２は、活性化（「Ｈ」レベル）した駆動信号ＳＧ１を出力する。その後、充電停止電圧１５．０Ｖに達して満充電状態であることを検出したときには、充電不可能であると判定して、非活性化（「Ｌ（論理ロー）」レベル）した駆動信号ＳＧ１を出力する。

制御部５２は、外部蓄電池４０についても同様に、端子間電圧を検出し、外部蓄電池４０が充電可能な状態にあるか否かを判定する。詳細には、制御部５２は、外部蓄電池４０の端子間電圧を検出し、外部蓄電池４０が充電可能な状態にあるか否かを判定する。端子間電圧が表１に示す充電可能電圧１４．２Ｖ以下であるときには、外部蓄電池４０が充電可能であると判定し、制御部５２は、活性化（「Ｈ」レベル）した駆動信号ＳＧ２を出力する。その後、端子間電圧が充電停止電圧１４．８Ｖに達して満充電状態であることを検出したときには、充電不可能であると判定して、非活性化（「Ｌ」レベル）した駆動信号ＳＧ２を出力する。なお、外部蓄電池４０が独立電源システム１０に装着されていないときには、駆動信号ＳＧ２は「Ｌ」レベルに固定される。

ここで、かかる内蔵蓄電池３０と外部蓄電池４０との充電動作は、同時に行なわれるものではなく、内蔵蓄電池３０が優先的に実行される。詳細には、制御部５２は、内蔵蓄電池３０が充電可能であると判定したときには、駆動信号ＳＧ１を活性化するとともに、相補的に駆動信号ＳＧ２を非活性化する。これにより、内蔵蓄電池３０は、太陽電池２０と結合されて充電動作が開始される一方で、外部蓄電池４０は、その充電状態に関わらず強制的に分離される。

さらに、制御部５２は、内蔵蓄電池３０が充電完了したことを検出すると、駆動信号ＳＧ１を非活性化するとともに、外部蓄電池４０の端子間電圧を検出し、充電可能であれば相補的に駆動信号ＳＧ２を活性化する。これにより、内蔵蓄電池３０は、太陽電池２０と分離される一方で、外部蓄電池４０は、太陽電池２０と結合されて充電動作が開始される。

図５は、図１の独立電源システム１０における充電動作を説明するためのフロー図である。

なお、以下に述べる充電動作の前提として、独立電源システム１０のユーザは、電気負荷６０の大きさ、使用時間および気象条件などに基づいて、外部蓄電池４０を装着するか否かを判断する。ユーザが外部蓄電池４０の装着が必要であると判断したときには、コネクタ８０を介して外部蓄電池４０が装着される。一方、ユーザが外部蓄電池４０が不要であると判断したときには、独立電源システム１０は、外部蓄電池４０が装着されず、携帯可能な状態となる。

最初に、内蔵蓄電池３０が充電可能か否かが判断される（ステップＳ０２）。詳細には、チャージコントローラ５０内の制御部５２は、内蔵蓄電池３０の端子間電圧を検出し、検出値が充電可能電圧１４．４Ｖよりも低いか否かを判定する。

ステップＳ０３において、内蔵蓄電池３０の端子間電圧が充電可能電圧よりも低いときには、制御部５２は、活性化した駆動信号ＳＧ１と非活性化した駆動信号ＳＧ２とを出力する。各駆動信号に応じてスイッチ回路ＳＷ１がオンし、スイッチ回路ＳＷ２がオフすることにより、内蔵蓄電池３０は、太陽電池２０と選択的に結合され、外部蓄電池４０に優先して太陽電池２０の発電した直流電力を蓄える（ステップＳ０３）。

かかる内蔵蓄電池３０の充電動作が完了すると、外部蓄電池４０の充電に移行する。詳細には、ステップＳ０４において外部蓄電池４０が装着されているときには、制御部５２は、外部蓄電池４０の端子間電圧を検出し、検出値が充電可能電圧１４．２Ｖよりも低いか否かを判定する（ステップＳ０５）。

ステップＳ０５において、外部蓄電池４０の端子間電圧が充電可能電圧よりも低いときには、制御部５２は、活性化した駆動信号ＳＧ２と非活性化した駆動信号ＳＧ１とを出力する。各駆動信号に応じてスイッチ回路ＳＷ２がオンし、スイッチ回路ＳＷ１がオフすることにより、外部蓄電池４０は太陽電池２０と選択的に結合され、発電した直流電力を蓄える（ステップＳ０６）。

外部蓄電池４０の充電は、端子間電圧が充電停止電圧１４．８Ｖに達するまで実行される。最後に、ステップＳ０５において、外部蓄電池４０の充電が完了したことが検出されると、制御部５２は、駆動信号ＳＧ１，ＳＧ２をともに非活性化する。これにより、スイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２はいずれもオフし、各蓄電池と太陽電池２０とが分離される（ステップＳ０７）。

以上のように、独立電源システム１０の充電動作においては、内蔵蓄電池３０が外部蓄電池４０よりも優先して充電され、内蔵蓄電池３０の充電が完了した後に外部蓄電池４０の充電に切換えられる。これにより、独立電源システム１０は、内蔵蓄電池３０に直流電力が早急に蓄えられ、携帯可能な状態に移行することができる
再び図２を参照して、制御部５２は、前述の充電動作に並行して、内蔵蓄電池３０の端子間電圧を検出し、内蔵蓄電池３０が放電可能な状態にあるか否かを判定する。制御部５２は、端子間電圧が表１に示す放電開始電圧１２．４Ｖ以上であるときには、内蔵蓄電池３０が放電可能であると判定し、活性化（「Ｈ」レベル）した駆動信号ＳＧ３を出力する。一方、端子間電圧が放電停止電圧１０．０Ｖに達して過放電状態にあるときには、放電不可能であると判定して、非活性化（「Ｌ」レベル）した駆動信号ＳＧ３を出力する。

制御部５２は、外部蓄電池４０についても同様に、端子間電圧を検出し、外部蓄電池４０が放電可能な状態にあるか否かを判定する。詳細には、端子間電圧が表１に示す放電開始電圧１２．４Ｖ以上であるときには、制御部５２は、外部蓄電池４０が放電可能であると判定し、活性化（「Ｈ」レベル）した駆動信号ＳＧ４を出力する。一方、端子間電圧が放電停止電圧１０．０Ｖに達して過放電状態にあるときには、放電不可能であると判定して、非活性化（「Ｌ」レベル）した駆動信号ＳＧ４を出力する。なお、外部蓄電池４０が装着されていないときには、駆動信号ＳＧ４は「Ｌ」レベルに固定される。

かかる内蔵蓄電池３０と外部蓄電池４０との放電動作は、先述の充電動作とは対照的に外部蓄電池４０が優先的に実行される。詳細には、制御部５２は、外部蓄電池４０が放電可能であると判定したときには、駆動信号ＳＧ４を活性化するとともに、相補的に駆動信号ＳＧ３を非活性化する。これにより、外部蓄電池４０は、チャージコントローラ５０のインバータ部５１と結合されて放電動作が開始される一方で、内蔵蓄電池３０は、強制的に分離される。

さらに、制御部５２は、外部蓄電池４０が過放電状態となったことを検出すると、駆動信号ＳＧ４を非活性化するとともに、内部蓄電池３０の端子間電圧を検出し、放電可能であれば相補的に駆動信号ＳＧ３を活性化する。これにより、外部蓄電池４０は、チャージコントローラ５０と分離される一方で、内蔵蓄電池３０は、チャージコントローラ５０と結合されて放電動作が開始される。

図６は、図１の独立電源システム１０における放電動作を説明するためのフロー図である。

放電動作の前提として、独立電源システム１０のユーザは、電気負荷６０の大きさ、使用時間および気象条件などに基づいて、外部蓄電池４０の要／不要を判断する。ユーザが外部蓄電池４０の装着が必要であると判断したときには、コネクタ８０を介して外部蓄電池４０が装着される。一方、ユーザが外部蓄電池４０が不要であると判断したときには、独立電源システム１０は、外部蓄電池４０が装着されず、携帯可能な状態となる。

最初に、独立電源システム１０に外部蓄電池４０が装着されているか否かが確認される（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２において、外部蓄電池４０が装着されていることが確認されると、外部蓄電池４０が放電可能か否かが判断される（ステップＳ１３）。詳細には、チャージコントローラ５０内の制御部５２は、外部蓄電池４０の端子間電圧を検出し、検出値が放電開始電圧１２．４Ｖよりも高いか否かを判定する。

ステップＳ１３において、外部蓄電池４０の端子間電圧が放電開始電圧よりも高いときには、制御部５２は、活性化した駆動信号ＳＧ４と非活性化した駆動信号ＳＧ３とを出力する。スイッチ回路ＳＷ４がオンするとともに、スイッチ回路ＳＷ３がオフすることにより、外部蓄電池４０は、チャージコントローラ５０と選択的に結合され、内蔵蓄電池３０に優先して電気負荷６０に電力を供給する（ステップＳ１４）。

一方、外部蓄電池４０が過放電状態となり、放電停止電圧１０．０Ｖに達したときには、内蔵蓄電池３０の放電動作に移行する。制御部５２は、内蔵蓄電池３０の端子間電圧を検出し、検出値が放電開始電圧１２．４Ｖよりも高いか否かを判定する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１５において、内蔵蓄電池３０の端子間電圧が放電開始電圧よりも高いときには、制御部５２は、活性化した駆動信号ＳＧ３と非活性化した駆動信号ＳＧ４とを出力する。スイッチ回路ＳＷ３がオンするとともに、スイッチ回路ＳＷ４がオフされることにより、内蔵蓄電池３０は、チャージコントローラ５０と選択的に結合され、電気負荷６０に電力を供給する（ステップＳ１６）。

最後に、ステップＳ１６において、内蔵蓄電池３０の過放電状態が検出されると、制御部５２は、駆動信号ＳＧ３，ＳＧ４をともに非活性化する。これにより、スイッチ回路ＳＷ３，ＳＷ４はいずれもオフし、各蓄電池とチャージコントローラ５０とが分離される（ステップＳ１７）。

以上のように、独立電源システム１０の放電動作においては、外部蓄電池４０が内蔵蓄電池３０よりも優先して放電され、外部蓄電池４０の放電完了後に内蔵蓄電池３０の放電に切換えられる。これにより、独立電源システム１０は、内蔵蓄電池３０の蓄える直流電力が可能な限り保持されることから、携帯可能な状態に素早く対応することができる。

なお、本実施の形態に従う独立電源システムにおいて、太陽電池は、例示したアモルファスシリコン太陽電池に特定されず、結晶シリコン、または化合物半導体型など任意の太陽電池にも適用することができる。さらには、太陽電池に限らず、燃料電池等の発電装置においても実現可能である。

以上のように、この発明の実施の形態によれば、外部蓄電池を着脱自在とすることにより、様々な負荷を持つ電気機器に対して電力を安定的に供給でき、かつユーザの用途に応じて携帯可能な独立電源システムを実現することができる。

さらに、内蔵蓄電池および外部蓄電池の充放電動作において、内蔵蓄電池の蓄える直流電力をできる限り保持させることにより、携帯型電源システムとして使用できる状態を維持し、ユーザの指定する任意のタイミングに対応することができる。

また、発電手段として太陽電池を利用することから、電力を発生するための燃料を携帯する必要がなく、携帯性がさらに向上する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に従う独立電源システムの構成を示すブロック図である。 図１の独立電源システムの詳細を説明するための回路構成図である。 図２の独立電源システムの一例を説明するための回路構成図である。 図２の独立電源システムの他の例を説明するための回路構成図である。 図１の独立電源システムにおける充電動作を説明するためのフロー図である。 図１の独立電源システムにおける放電動作を説明するためのフロー図である。 従来の独立電源システムの構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 独立電源システム、２０，１００ 太陽電池、３０ 内蔵蓄電池、４０ 外部蓄電池、５０ チャージコントローラ、５１，５１Ｂ 電力供給部、５１Ａ インバータ部、５２ 制御部、６０ 電気負荷、７０ 逆流防止ダイオード、８０ コネクタ、１１０ 鉛蓄電池、１２０ 充放電制御回路、１３０ 双方向コンバータ、１４０ 電気２重層コンデンサ、１５０ 負荷、ＳＷ１〜ＳＷ４，ＳＷ１０，ＳＷ２０ スイッチ回路、Ｔｒ１〜Ｔｒ４，Ｔｒ５０〜Ｔｒ５４ Ｎチャネルトランジスタ、Ｔ１ 変圧器、Ｄ１〜Ｄ３ ダイオード、Ｃ１〜Ｃ８ コンデンサ、Ｌ１，Ｌ３，Ｌ４ インダクタ、Ｌ２ チョークコイル、Ｒ１ 抵抗。

Claims (7)

1. 自然エネルギーを受けて発電した電力で負荷を駆動する独立電源システムであって、
   発電した直流電圧を出力する直流電源と、
   前記直流電圧により充電され、第１の直流電力を放電する第１の蓄電池と、
   前記独立電源システムの外部に配されて任意に着脱でき、装着時において前記直流電圧により充電され、第２の直流電力を放電する第２の蓄電池と、
   前記第１の蓄電池および前記第２の蓄電池と負荷との間に配され、前記第１および第２の直流電力を選択的に前記負荷に供給する電力供給部と、
   前記直流電源から前記第１および第２の蓄電池への充電動作と前記第１および第２の蓄電池から前記電力供給部への放電動作とを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記充電動作において、前記直流電源と前記第１の蓄電池とを選択的に結合し、前記第１の蓄電池の充電完了後において、前記直流電源と前記第２の蓄電池とを選択的に結合し、前記放電動作において、前記電力供給部と前記第２の蓄電池とを選択的に結合し、前記第２の蓄電池の放電完了後において、前記電力供給部と前記第１の蓄電池とを選択的に結合する、独立電源システム。
2. 前記電力供給部は、前記第１および第２の直流電力を選択的に交流電力に変換して前記負荷に供給する電力変換部を含む、請求項１に記載の独立電源システム。
3. 前記制御部は、
   前記第１および第２の蓄電池の端子間電圧を検出する検出手段と、
   検出した前記端子間電圧に基づいて、対応する蓄電池が充電可能か否かを判定する第１の判定手段とを含み、
   前記第１の蓄電池が充電可能であるという判定結果に応じて、前記直流電源と前記第１の蓄電池とを選択的に結合し、前記第１の蓄電池が充電不可能であるという判定結果を受けて前記第２の蓄電池が充電可能か否かを判定し、前記第２の蓄電池が充電可能であるという判定結果に応じて、前記直流電源と前記第２の蓄電池とを選択的に結合する、請求項２に記載の独立電源システム。
4. 前記制御部は、
   検出した前記端子間電圧に基づいて、対応する蓄電池が放電可能か否かを判定する第２の判定手段をさらに含み、
   前記第２の蓄電池が放電可能であるという判定結果に応じて、前記電力変換部と前記第２の蓄電池とを選択的に結合し、前記第２の蓄電池が放電不可能であるという判定結果を受けて前記第１の蓄電池が放電可能か否かを判定し、前記第１の蓄電池が放電可能であるという判定結果に応じて、前記電力変換部と前記第１の蓄電池とを選択的に結合する、請求項３に記載の独立電源システム。
5. 前記直流電源と前記第１の蓄電池との間を電気的に結合／分離する第１のスイッチ回路と、
   前記直流電源と前記第２の蓄電池との間を電気的に結合／分離する第２のスイッチ回路とをさらに備え、
   前記制御部は、
   前記第１のスイッチ回路を導通し、かつ前記第２のスイッチ回路を非導通として、前記直流電源と前記第１の蓄電池とを選択的に結合して前記直流電圧により前記第１の蓄電池を充電し、前記第１の蓄電池の充電完了後において、前記第１のスイッチ回路を非導通とし、かつ前記第２のスイッチ回路を導通して、前記直流電源と前記第２の蓄電池とを選択的に結合して前記直流電圧により前記第２の蓄電池を充電し、
   前記第１の蓄電池と前記電力変換部との間を電気的に結合／分離する第３のスイッチ回路と、
   前記第２の蓄電池と前記電力変換部とを電気的に結合／分離する第４のスイッチ回路とをさらに備え、
   前記制御部は、前記第３のスイッチ回路を非導通とし、かつ前記第４のスイッチ回路を導通して、前記第２の蓄電池と前記電力変換部とを選択的に結合して前記第２の直流電力を放電し、前記第２の蓄電池の放電完了後において、前記第３のスイッチ回路を導通し、かつ前記第４のスイッチ回路を非導通として、前記第１の蓄電池と前記電力変換部とを選択的に結合して前記第１の直流電力を放電する、請求項４に記載の独立電源システム。
6. 前記第１の蓄電池は、前記第２の蓄電池よりも容量が小さいとする、請求項５に記載の独立電源システム。
7. 前記第１の蓄電池は、ニッケル水素蓄電池を含み、前記第２の蓄電池は、鉛蓄電池を含む、請求項６に記載の独立電源システム。

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