JP2010081711A - 充電回路、充電回路制御方法および充電回路制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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は、インダクタンス４から組電池２へ充電電流が流れるループ２と、組電池２を介さずにインダクタンス４から太陽電池１へ電流が戻るループ１とを切り替えるスイッチング素子５を備える。計算部８ａは、太陽電池１の開放電圧、短絡電流やインダクタンス４の性能などから、スイッチング素子５の切り替え時間を予め計算する。スイッチング制御部８ｂは、計算部８ａによって予め計算された切り替え時間から決定されるＰＷＭ信号を送信することで、スイッチング素子５をスイッチング制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、充電回路、充電回路制御方法および充電回路制御プログラムに関する。

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。

本発明は、上記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ぎ、効率よく充電することが可能な充電回路、充電回路制御方法および充電回路制御プログラム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、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は、前記太陽電池に接続されたインダクタンスと、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電路と、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電路とを切り替えるスイッチング素子と、予め計算された切り替え時間に従って前記スイッチング素子をスイッチング制御するスイッチング制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、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を制御する充電回路制御方法は、前記太陽電池に接続されたインダクタンスから前記蓄電池へ充電電流が流れる電路と、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電路とを切り替えるスイッチング素子の切り替え時間を、当該太陽電池および当該インダクタンスに関する情報から計算する計算工程と、前記計算工程によって予め計算された切り替え時間に従って前記スイッチング素子をスイッチング制御するスイッチング制御工程と、を含んだことを特徴とする。

また、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を制御する方法をコンピュータに実行させる充電回路制御プログラムは、コンピュータに、前記太陽電池に接続されたインダクタンスから前記蓄電池へ充電電流が流れる電路と、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電路とを切り替えるスイッチング素子の切り替え時間を、当該太陽電池および当該インダクタンスに関する情報から計算する計算手順を実行させ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。

また、本発明によれば、パルス状の充電電流を効率よく発生させ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、本発明に係る充電回路、充電回路制御方法および充電回路制御プログラムの実施例を説明する。なお、実施例１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する。

［実施例１に係る太陽電池システムの構成］
まず、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、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、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、実施例１における太陽電池１は、最大９０Ｗの発電能力を有し、開放電圧の最大値は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、実施例１における組電池２は、複数のＮｉ−ＭＨ蓄電池セルを１０セル直列に接続して構成される。ここで、各Ｎｉ−ＭＨ蓄電池セルは、例えば、定格電圧が１．２Ｖ、定格容量が１００Ａｈである。また、組電池２は、例えば、定格電圧が１２Ｖ、定格容量が１００Ａｈであり、１２００Ｗｈの蓄電能力がある。Ｎｉ−ＭＨ蓄電池セルには、充電可能な最低電流（例えば、１Ａ）があり、これを下回って充電を継続すると充電効率が著しく低下し、劣化を促進するため、この最低電流以上で充電されることが望ましい。

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。実施例１において、スイッチング素子５は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ、Field Effect Transistor）で実現される。スイッチング素子５がオン（短絡）に制御された場合には、太陽電池１の両端子はインダクタンス４の両端子に直接接続される。このとき、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に戻り（ループ１）、組電池２へは充電電流が流れない。このとき、ダイオード６があるため組電池２が短絡されることはない。一方、スイッチング素子５がオフ（開放）に制御された場合には、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に戻るように流れる（ループ２）。すなわち、スイッチング素子５がオフに制御された場合には、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。

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、実施例１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、図１に示すように、計算部８ａとスイッチング制御部８ｂとを備え、予め計算された切り替え時間に従っ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。以下では、まず、スイッチング制御部８ｂを説明する。

スイッチング制御部８ｂは、計算部８ａによって予め計算された切り替え時間に従ってスイッチング素子５のオン／オフを切り替える。具体的には、スイッチング制御部８ｂは、計算部８ａから通知された周期（周波数）とデューティー比とで決定されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号をスイッチング素子５へ送信することで、スイッチング素子５をスイッチング制御する。

ＰＷＭ信号とは、周期とデューティー比とで決まるオン／オフ繰り返し信号である。デューティー比とは、オン時間／（オン＋オフ時間）で決まるオン時間の割合で、デューティー比が大きいほど、オン時間（つながっている時間）が長くなる。例えば、周期５０μｓｅｃ、デューティー比５０％というＰＷＭ信号は、２５μｓｅｃの間はオン、２５μｓｅｃの間はオフという信号を繰り返すことになる。周期は５０μｓｅｃのままデューティー比を８０％に上げると、４０μｓｅｃの間はオン、１０μｓｅｃの間はオフという信号を繰り返すことになる。

ここで、スイッチング制御部８ｂ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。

図２において、スイッチング制御部８ｂがスイッチング素子５をオン（ＯＮ）に制御したとき、インダクタンス４があるためループ１の電流が飽和するまでに一定の時間が必要である。その後、スイッチング制御部８ｂがスイッチング素子５をオフ（ＯＦＦ）に制御することにより、飽和した電流が組電池２への充電電流となる。つまり、スイッチング制御部８ｂがスイッチング素子５のオン／オフを繰り返すことにより、パルス状の電流を連続して組電池２へ供給することができる。

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が経過するに伴い、同図の（ａ）に示すように、Ｉ_ｐが徐々に増加する。そして、計算部８ａによって計算されたオン時間が経過すると、スイッチング制御部８ｂがスイッチング素子５をオフに制御し、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がさらに経過するに伴い、同図の（ａ）に示すように、Ｉ_ｐが徐々に減少する。そして、計算部８ａによって計算されたオフ時間が経過すると、スイッチング制御部８ｂがスイッチング素子５をオンに制御し、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、スイッチング制御部８ｂが、計算部８ａによって計算されたオン時間とオフ時間とに従って充電電流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。

なお、実施例１において、スイッチング制御部８ｂは、上述したようなスイッチング制御を日射量が低下した場合にのみ行う。具体的には、スイッチング制御部８ｂは、電流計測部７によって計測された電流の大きさと閾値（例えば、１Ａ）とを比較し、電流の大きさが閾値（１Ａ）を下回ると判定すると、スイッチング制御を開始する。

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、電流計測部７によって計測された電流の大きさが１Ａを上回るので、スイッチング制御部８ｂは、スイッチング素子５をオフに制御する状態を継続する。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。一方、充電中に日射量が低下した場合には、電流計測部７によって計測された電流の大きさが１Ａを下回るので、スイッチング制御部８ｂは、スイッチング制御を開始する。

言い換えると、十分な日射量があり、太陽電池１の短絡電流が５Ａである（日射量の変化は短絡電流の変化となって表れる）とき、組電池２をそのまま接続して充電を行っても１Ａ（充電可能な最低電流）を超える充電電流が得られるが、日射量が低下すると、充電可能な最低電流を下回る場合がある。実施例１におけるスイッチング制御部８ｂは、このような場合、スイッチング制御により電流の経路を切り替え、パルス状の電流による充電を行う。

さて、ここで、スイッチング素子５をオンに制御してからループ１の電流が飽和する（正確には、太陽電池１の短絡電流近くまで電流が増える）までの時間（オン時間）と、スイッチング素子５をオフに制御してからループ２の電流を使い切るまでの時間（オフ時間）とが問題になる。オンに制御した状態を継続すれば電流は飽和し、その後オフに制御した状態を継続すれば電流がなくなるが、オン／オフの回数が充電電流量に直接関係するので、できるだけ短い周期でオン／オフを繰り返すことが望ましい。ただし、あまり切り替え時間を短くすると、電流が飽和する前にオフとなり短絡電流I_s近くまで電流を貯めることができない。オン時間中に十分に電流を貯めて、かつスイッチングの頻度を多く稼ぐような切り替え時間を設定する必要がある。実施例１においては、計算部８ａが、太陽電池１の開放電圧、短絡電流、インダクタンス４の性能、組電池２の電圧などから予めその切り替え時間を計算する。次に、計算部８ａを説明する。

計算部８ａは、太陽電池１やインダクタンス４に関する情報、組電池２の電圧から、スイッチング素子５の切り替え時間を計算する。具体的には、実施例１における計算部８ａは、スイッチング素子５の切り替え時間を計算する計算式を記憶し、太陽電池１の開放電圧、短絡電流、インダクタンス４の性能などを計算式に代入することで、切り替え時間を計算する。また、計算部８ａは、計算した切り替え時間からＰＷＭ信号の周期およびデューティー比を決定し、決定した周期およびデューティー比をスイッチング制御部８ｂに通知する。ここで、実施例１における計算部８ａは、温度や日射量の影響を考慮した上での切り替え時間を計算するので、例えば、一定周期ごと（１分ごとなど）に切り替え時間を計算し、スイッチング制御部８ｂに通知する。

すなわち、太陽電池１の開放電圧Ｖ_oは温度の影響を受けて変動し、短絡電流Ｉ_sは日射量の変動を受けて変動する。このため、計算部８ａは、開放電圧Ｖ_oや短絡電流Ｉ_sを計測もしくは推定し、計測もしくは推定した開放電圧Ｖ_oや短絡電流Ｉ_sを計算式に代入することで、温度や日射量の影響を考慮した上での切り替え時間を計算するのである。例えば、開放電圧Ｖ_oについては、太陽電池１の出力に別途スイッチを接続するなどして開放することで直接計測することができ、あるいは、太陽電池１の温度を計測することで推定することができる。また、短絡電流Ｉ_sについては、太陽電池１の短絡中（スイッチング素子５をオンに制御している間）に計測することができる（短絡電流Ｉ_sを計測する時には、短絡時間を長めに設定してもよい）。計算部８ａは、このように計測もしくは推定した開放電圧Ｖ_oや短絡電流Ｉ_sを計算式に代入する。

なお、実施例１においては、計算部８ａが計算式を記憶し、計測もしくは推定した開放電圧Ｖ_oや短絡電流Ｉ_sを計算式に代入することで切り替え時間を計算し、計算した切り替え時間からＰＷＭ信号の周期およびデューティー比を決定する手法を説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、計算部８ａが、開放電圧Ｖ_o、組電池２の電圧Ｖ_b、短絡電流Ｉ_s、およびインダクタンス４のインダクタンスの値Ｌと、計算結果とを対応づけた表を記憶する手法でもよい。

まず、切り替え時間を計算する計算式の導出過程を説明する。図３は、オン時間およびオフ時間の計算を説明するための図であり、図４は、スイッチング素子（ＦＥＴ）がオンに制御された場合を説明するための図であり、図５は、スイッチング素子（ＦＥＴ）がオフに制御された場合を説明するための図である。計算式を導出するにあたり、インダクタンス４のインダクタンスの値をＬとし、また、図３に示すように、太陽電池１を、電圧源（Ｖ_o）と抵抗Ｒ_p＝Ｖ_o/Ｉ_s（例えば、２０Ｖ÷５Ａ＝４Ω）との直列接続とみなす。また、スイッチング素子５がオンに制御された場合とオフに制御された場合とのそれぞれについてキルヒホッフの第２法則を適用する。

図４の（Ａ）に示すように、スイッチング素子５がオンに制御されているとき、キルヒホッフの第２法則により、以下の（１）式が成立する。

（１）式をｔ＝０のときｉ＝０として解くと、ｉは、以下の（２）式となる。

すると、ループ１を流れる電流が短絡電流Ｉ_sの９０％（図４の（Ｂ）を参照）に達する時間は、以下の（３）式として求められる。

一方、図５の（Ａ）に示すように、スイッチング素子５がオフに制御されているとき、キルヒホッフの第２法則により、以下の（４）式が成立する。

（４）式をｔ＝０のときｉ＝Ｉ_ｓとして解くと、すなわち、ｔ＝０でループ２にＩ_ｓ（短絡電流）が流れているとしてその電流推移を計算で求めると、ｉは、以下の（５）式となる。

Ｖ_o≧Ｖ_b（組電池２の電圧）の場合、ループ２に流れる電流は、図５の（Ｂ）および以下の（６）式に示すように収束する。

もっとも、収束するまで待つことはできないので、９０％の収束時間を求めると、ループ２を流れる電流の９０％収束値は、以下の（７）式となる。

この電流を与える時刻ｔを求めるために、以下の（８）式

を解くと、以下の（９）式となり、スイッチング素子５がオンに制御されている場合の９０％立ち上がり時間（（３）式）と同じ結果となる。

また、Ｖ_o＜Ｖ_b（組電池２の電圧）の場合、計算では（６）式に収束することになるが、この収束値はマイナスであり、実際にはダイオード６で逆流しないようにしているためマイナスとはならず、電流がゼロに達するのみである。このため、ループ２を流れる電流がゼロとなるまでの時間ｔを求めればよい。ｉ＝０を（５）式に代入すると、以下の（１０）式となる。

以上の計算で求めたオン、オフ時の電流の立ち上がりおよび立ち下りの時間をまとめると、スイッチング素子５がオンに制御されているとき、電流が飽和する（正確には、Ｉsの９０％まで電流が貯まる）のに要する時間は、以下の（１１）式となる。

また、スイッチング素子５がオフに制御されているとき、電流がなくなる（正確には、９０％収束または電流ゼロとなる）のに要する時間は、以下の（１２）式となる。

そこで、計算部８ａは、（１１）式および（１２）式を記憶し、太陽電池１の開放電圧、短絡電流、インダクタンス４の性能などを計算式に代入することで、切り替え時間を計算する。この時、組電池２の電圧Ｖ_bは充電されるに従って上昇する。実施例１における電圧Ｖ_bの変動範囲は、１６〜１０［Ｖ］であるとすると、例えば、実施例１において、計算部８ａが切り替え時間を計算する際に、Ｖ_o（２０Ｖ）≧Ｖ_b（１２Ｖ）となったとする。Ｖ_o＝２０［Ｖ］、Ｉ_s＝２［Ａ］、Ｌ＝６４［μＨ］、Ｖ_b＝１２[Ｖ]である。なお、短絡電流Ｉsを２［Ａ］としたのは、日射量が低下している場合を想定したものである。

計算部８ａが、これらの値を（１１）式および（１２）式に代入して計算すると、ｔ_{ON_90%}＝ｔ_{OFF_90%}＝１４．７［μｓ］となる。このため、計算部８ａは、１４．７［μｓ］ごとにオン／オフを切り替えればよいとの計算結果から、スイッチング素子５に対するＰＷＭ信号を、周期２９．５［μs]、デューティー比５０％（Ｖ_o≧Ｖ_bである限りデューティー比は５０％）と計算する。

［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］
次に、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６は、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。なお、実施例１の初期状態において、スイッチング素子５は、オフの状態に制御されており、インダクタンス４から組電池２へ充電電流が流れている。

図６に示すように、太陽電池システムでは、スイッチング制御部８ｂが、電流計測部７によって計測された電流の大きさと閾値Ｉ₁（例えば、１Ａ）とを比較し（ステップＳ１）、電流の大きさが閾値Ｉ₁（１Ａ）を上回っていると判定すると（ステップＳ１肯定）、スイッチング制御部８ｂは、電流の大きさと閾値Ｉ₁（１Ａ）とを判定する処理を繰り返す。

一方、電流の大きさが閾値Ｉ₁（１Ａ）を下回っていると判定すると（ステップＳ１否定）、スイッチング制御部８ｂは、スイッチング素子５へのＰＷＭ信号の送信を開始することで、スイッチング制御を開始する（ステップＳ２）。ここで、スイッチング制御部８ｂは、計算部８ａから通知された周期とデューティー比とで決定されるＰＷＭ信号をスイッチング素子５へ送信する。なお、実施例１における計算部８ａは、例えば、一定周期ごと（１分ごとなど）に切り替え時間を計算し、スイッチング制御部８ｂに通知するので、スイッチング制御部８ｂがスイッチング素子に送信するＰＷＭ信号も、温度や日射量の影響を考慮したものとなる。

そして、スイッチング制御部８ｂは、スイッチング素子５へのＰＷＭ信号の送信を開始してから一定時間経過（例えば、１分）すると（ステップＳ３）、ＰＷＭ信号の送信を停止する（ステップＳ４）。すると、スイッチング素子５は、オフに制御され、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、スイッチング制御部８ｂは、再び、電流の大きさと閾値Ｉ₁（１Ａ）とを判定する処理（ステップＳ１）に戻る。

［実施例１の効果］
上記してきたように、実施例１に係る太陽電池システムは、充電回路として、太陽電池１に接続されたインダクタンス４と、インダクタンス４から組電池２へ充電電流が流れる電路と、組電池２を介さずにインダクタンス４から太陽電池１へ電流が戻る電路とを切り替えるスイッチング素子５と、予め計算された切り替え時間に従ってスイッチング素子５をスイッチング制御する制御部８とを備える。また、実施例１において、スイッチング素子５がオン（短絡）のとき、太陽電池１は、インダクタンス４に直接接続され、スイッチング素子５がオフ（開放）のとき、太陽電池１は、インダクタンス４、ダイオード６、組電池２を含むループに接続される。また、実施例１に係る太陽電池システムは、スイッチング素子５へのＰＷＭ信号の周期およびデューティー比を、太陽電池１の開放電圧、短絡電流、インダクタンス４の性能などから求める。

このようなことから、実施例１によれば、最低充電電流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蓄電池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、効率よく充電することが可能になる。また、実施例１によれば、予め計算された切り替え時間に基づいてパルス状の充電電流を発生させるので、十分な電流を得ながらスイッチング頻度を稼ぐことができ、パルス状の充電電流を効率よく発生させることが可能になる。

また、実施例１によれば、スイッチング制御部８ｂは、予め計算された切り替え時間から決定されるＰＷＭ信号を送信することで、スイッチング素子５をスイッチング制御する。このようなことから、実施例１によれば、予め決定されたＰＷＭ信号を送信するだけでパルス状の充電電流を制御できるので、パルス状の充電電流を簡易かつ効率よく発生させることが可能になる。

また、実施例１によれば、充電回路は、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電流計測部７をさらに備え、スイッチング制御部８ｂは、電流計測部７によって計測された電流の大きさと閾値（例えば、１Ａ）とを比較し、電流の大きさが１Ａを下回ると判定したことを契機に、スイッチング制御を開始する。このようなことから、実施例１によれば、日射量が多い場合にはスイッチング制御を行わず、組電池２が充電され続けるので、充電効率の低下を防ぐとともに、日射量の変動に応じた適切な充電を行うことが可能になる。

また、実施例１によれば、スイッチング制御部８ｂは、スイッチング制御を開始した後に、所定の時間（例えば、１分）スイッチング制御を実行すると、スイッチング制御を停止し、電流計測部７によって計測された電流の大きさと閾値（１Ａ）とを再び比較する。このようなことから、実施例１によれば、日射量の変動に追従することも可能になる。

さて、これまで本発明の実施例１について説明してきたが、本発明は上述した実施例１以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。

［Ｎｉ−ＭＨ蓄電池以外の蓄電池］
実施例１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、実施例１と同様の効果を得ることが可能である。

［太陽電池の開放電圧が組電池の電圧よりも小さい場合］
また、実施例１では、太陽電池１の開放電圧Ｖ_Oが組電池２の電圧Ｖ_bよりも大きい場合を例として説明してきたが、本発明はこれに限られるものではなく、太陽電池１の開放電圧Ｖ_Oが組電池２の電圧Ｖ_bよりも小さい場合にも、本発明を同様に適用することができる。例えば、Ｖ_O＝８［Ｖ］、Ｉ_s＝２［Ａ］、Ｌ＝６４［μＨ］、Ｖ_b＝１２［Ｖ］とすると、計算部８ａは、ｔ_{ON_90%}＝３６．８［μｓ］、ｔ_{OFF_i=0}＝１７．６［μｓ］と計算する。よって、計算部８ａは、オン時間３６．８［μｓ］、オフ時間１７．６［μｓ］との計算結果から、ＰＷＭ信号でこれを実現するには、周期５４．４［μｓ］、デューティー比６８％と決定する。ただし、Ｖ_o＜Ｖ_bであるので、ＰＷＭ信号が送信されずスイッチング素子５がオフに制御されていると、太陽電池１から組電池２へ全く充電することができない。このため、スイッチング制御部８ｂは、最初から常時ＰＷＭ信号をスイッチング素子５に送信し、パルス状の電流による充電を行うようにする。

［スイッチング制御の停止］
また、実施例１では、所定の時間（例えば、１分）スイッチング制御を実行すると、スイッチング制御を停止する手法を説明してきたが、本発明はこれに限られるものではない。スイッチング制御部８ｂは、スイッチング制御を開始した後、ＰＷＭ信号のオン時間中のループ１の電流の大きさと閾値（例えば、２Ａ）とを比較し、電流の大きさが２Ａを上回ると判定すると、スイッチング制御を停止してもよい。なお、数十μｓ程度のオン時間では電流計測が困難である場合は、電流計測を行うときのみオン時間を長く取る（例えば、１ｍｓ）ようにすればよい。

［システム構成等］
また、実施例１では、スイッチング素子５の切り替え時間を予め計算する計算部８ａが、充電回路の制御部８に備えられる構成を説明したが、本発明はこれに限られるものではない。計算部８ａは、充電回路とは異なる別のコンピュータに備えられ、計算結果のみを充電回路のスイッチング制御部８ｂに送信してもよい。あるいは、充電回路とは異なる別のコンピュータに備えられた計算部８ａによって計算された計算結果を、太陽電池システムの運用者が入力することで、スイッチング制御部８ｂに通知してもよい。例えば、太陽電池１の開放電圧Ｖ_oや短絡電流Ｉ_sを固定的な値として扱う（温度の影響を受けたことによる開放電圧Ｖ_oの変動や、日射量の影響を受けたことによる短絡電流Ｉ_sの変動を考慮しないものとして扱う）場合などに有効である。

また、実施例１では、直列抵抗３、インダクタンス４、ダイオード６を一方の電路（プラス側）に接続しているが、本発明はこれに限られるものではなく、これらの回路素子を他方の電路（マイナス側）に接続することも可能である。この場合、他方の電路（マイナス側）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（アノードの端子が組電池２、カソードの端子がインダクタンス４に接続される。ダイオード６は、組電池２が充電される向きである。）がそれぞれ介挿される。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、プラス側の電路に接続される。

また、明細書や図面で示した処理手順（図６など）、具体的名称（図１〜図５など）、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。また、図示した充電回路の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。また、計算部８ａ、スイッチング制御部８ｂは、マイクロプロセッサ上で、ソフトウェア処理によって行ってもよい。

以上のように、本発明に係る充電回路、充電回路制御方法および充電回路制御プログラムは、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。

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。 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。 オン時間およびオフ時間の計算を説明するための図である。 スイッチング素子（ＦＥＴ）がオンに制御された場合を説明するための図である。 スイッチング素子（ＦＥＴ）がオフに制御された場合を説明するための図である。 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。

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
８ａ 計算部
８ｂ スイッチング制御部

Claims (16)

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、
   前記インダクタンスから前記蓄電池へ充電電流が流れる電路（ループ２）と、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電路（ループ１）とを切り替えるスイッチング素子と、
   予め計算された切り替え時間に従って前記スイッチング素子をスイッチング制御するスイッチング制御手段と、
   を備えたことを特徴とする充電回路。
2. 前記スイッチング制御手段は、予め計算された切り替え時間から決定されるＰＷＭ信号を送信することで前記スイッチング素子をスイッチング制御することを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
3. 前記予め計算された切り替え時間は、前記太陽電池の開放電圧を「Ｖ_o」、前記太陽電池の短絡電流を「Ｉ_s」、前記蓄電池の電圧を「Ｖ_b」、前記インダクタンスのインダクタンス値を「Ｌ」とし、「Ｖ_o≧Ｖ_b」である時、下記（１）式によって表され、前記ループ１と前記ループ２との切り替え時間が等しい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. 前記予め計算された切り替え時間は、前記太陽電池の開放電圧を「Ｖ_o」、前記太陽電池の短絡電流を「Ｉ_s」、前記蓄電池の電圧を「Ｖ_b」、前記インダクタンスのインダクタンス値を「Ｌ」とし、「Ｖ_o＜Ｖ_b」である時、上記（１）式および下記（２）式によって表され、
   前記スイッチング制御手段は、（１）式によって表される時間は、前記ループ１となるように、（２）式によって表される時間は、前記ループ２となるように、前記スイッチング素子をスイッチング制御す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。
   

   
5. 前記蓄電池への充電電流を計測する電流計測手段をさらに備え、
   前記スイッチング制御手段は、前記太陽電池の開放電圧が前記蓄電池の電圧よりも大きい場合には、前記電流計測手段によって計測された電流の大きさと第一の閾値とを比較し、当該電流の大きさが当該第一の閾値を下回ると判定したことを契機に、前記スイッチング制御を開始することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の充電回路。
6. 前記スイッチング制御手段は、前記スイッチング制御を開始した後に、所定の時間スイッチング制御を実行すると、当該スイッチング制御を停止し、前記電流計測手段によって計測された電流の大きさと第一の閾値とを再び比較することを特徴とする請求項５に記載の充電回路。
7. 前記スイッチング制御手段は、前記スイッチング制御を開始した後、前記電流計測手段によって計測された電流であって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戻る電流の大きさと第二の閾値とを比較し、当該電流の大きさが当該第二の閾値を上回ると判定すると、当該スイッチング制御を停止し、前記電流計測手段によって計測された電流の大きさと第一の閾値とを再び比較することを特徴とする請求項５に記載の充電回路。
8. 前記スイッチング制御手段は、前記太陽電池の開放電圧が前記蓄電池の電圧よりも小さい場合には、前記スイッチング制御を常時実行することを特徴とする請求項１、２、または４のいずれか一つに記載の充電回路。
9. 前記切り替え時間を前記太陽電池、前記蓄電池および前記インダクタンスに関する情報から計算する計算手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の充電回路。
10. 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を制御する充電回路制御方法であって、
    前記太陽電池に接続されたインダクタンスから前記蓄電池へ充電電流が流れる電路（ループ２）と、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電路（ループ１）とを切り替えるスイッチング素子の切り替え時間を、当該太陽電池、当該蓄電池および当該インダクタンスに関する情報から計算する計算工程と、
    前記計算工程によって予め計算された切り替え時間に従って前記スイッチング素子をスイッチング制御するスイッチング制御工程と、
    を含んだことを特徴とする充電回路制御方法。
11. 前記計算工程は、前記太陽電池の開放電圧を「Ｖ_o」、前記太陽電池の短絡電流を「Ｉ_s」、前記蓄電池の電圧を「Ｖ_b」、前記インダクタンスのインダクタンス値を「Ｌ」とし、「Ｖ_o≧Ｖ_b」である時、上記（１）式によって表され、前記ループ１と前記ループ２との切り替え時間が等しくなる切り替え時間を計算することを特徴とする請求項１０に記載の充電回路制御方法。
12. 前記計算工程は、前記太陽電池の開放電圧を「Ｖ_o」、前記太陽電池の短絡電流を「Ｉ_s」、前記蓄電池の電圧を「Ｖ_b」、前記インダクタンスのインダクタンス値を「Ｌ」とし、「Ｖ_o＜Ｖ_b」である時、上記（１）式および上記（２）式によって表される切り替え時間を計算し、
    前記スイッチング制御工程は、（１）式によって表される時間は、前記ループ１となるように、（２）式によって表される時間は、前記ループ２となるように、前記スイッチング素子をスイッチング制御することを特徴とする請求項１０に記載の充電回路制御方法。
13. 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を制御する方法をコンピュータに実行させる充電回路制御プログラムであって、
    コンピュータは、
    前記太陽電池に接続されたインダクタンスから前記蓄電池へ充電電流が流れる電路（ループ２）と、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電路（ループ１）とを切り替えるスイッチング素子の切り替え時間を、当該太陽電池、当該蓄電池および当該インダクタンスに関する情報から計算する計算手順を実行することを特徴とする充電回路制御プログラム。
14. 太陽電池によって発電された電力を蓄電池に充電する太陽電池システムであって、
    前記太陽電池と、
    前記太陽電池に接続されたインダクタンスと、
    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電路（ループ２）と、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電路（ループ１）とを切り替えるスイッチング素子と、
    予め計算された切り替え時間に従って前記スイッチング素子をスイッチング制御するスイッチング制御手段と、
    前記蓄電池と、
    を備えたことを特徴とする太陽電池システム。
15. 前記予め計算された切り替え時間は、前記太陽電池の開放電圧を「Ｖ_o」、前記太陽電池の短絡電流を「Ｉ_s」、前記蓄電池の電圧を「Ｖ_b」、前記インダクタンスのインダクタンス値を「Ｌ」とし、「Ｖ_o≧Ｖ_b」である時、上記（１）式によって表され、前記ループ１と前記ループ２との切り替え時間が等しいことを特徴とする請求項１４に記載の太陽電池システム。
16. 前記予め計算された切り替え時間は、前記太陽電池の開放電圧を「Ｖ_o」、前記太陽電池の短絡電流を「Ｉ_s」、前記蓄電池の電圧を「Ｖ_b」、前記インダクタンスのインダクタンス値を「Ｌ」とし、「Ｖ_o＜Ｖ_b」である時、上記（１）式および上記（２）式によって表され、
    前記スイッチング制御手段は、（１）式によって表される時間は、前記ループ１となるように、（２）式によって表される時間は、前記ループ２となるように、前記スイッチング素子をスイッチング制御することを特徴とする請求項１４に記載の太陽電池システム。

Images