JP2011155820A - 太陽電池電源装置及び太陽電池を用いた二次電池の充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池と二次電池を組み合わせた電源装置において、二次電池を適切に充電可能とする。
【解決手段】複数の充電可能な電池セルを、直列又は並列に接続した組電池４４０と、組電池４４０を充電する電力を発生可能な、複数の太陽電池セルを備える太陽電池パネルと、太陽電池パネルで発電した電力で組電池４４０を充電する際の充電電流又は充電電圧を制御可能な充電制御部と、組電池４４０の充電電流を検出するための電流検出手段４５６と、組電池４４０の電池電圧を検出するための電圧検出手段４５５と、を備える太陽電池電源装置であって、充電制御部が、組電池４４０が満充電に近付いた際に、所定のタイミングで充電電流を遮断する充電休止期間を設けて、組電池４４０の電池電圧と所定電圧値である再開電圧値とを比較し、該電池電圧が所定電圧値である再開電圧値以上の場合に、組電池４４０が満充電されたと判定して、充電電流を遮断する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、太陽光で発電した電力を二次電池に貯えて利用可能とした太陽電池電源装置及び太陽電池を用いた二次電池の充電方法に関し、特にＤＣ／ＤＣコンバータを介在させることなく、太陽電池と二次電池とを直接接続して、太陽電池から二次電池への充電を安定的に行える太陽電池電源装置及び太陽電池を用いた二次電池の充電方法に関する。

ＣＯ₂削減等の環境問題に配慮し、化石燃料によらない自然エネルギーを用いて発電した電力を蓄電して利用する電源システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。この電源システムでは、図３５に示すように、太陽電池と二次電池をスイッチ素子を介して接続し、制御回路でスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを制御し、太陽電池から二次電池への充電制御を行っている。これにより、日中の太陽光で得られた電力を二次電池に貯えておき、必要時に二次電池を放電して電力を利用することができる。

特開２００８−１４１８０６号公報

このような電源システムにおいては、通常の商用電源のような安定した出力が得られる電力でもって二次電池を充電するのでなく、太陽光によって出力が大きく変動する不安定な電力で二次電池を充電しなければならない。太陽電池では常時安定した発電を得ることが困難であり、天候や一日の時刻、季節等によって得られる電力が異なり、特に時間毎の変化が極めて大きい。一方で、二次電池を長期にわたって安定的に使用するためには、使用する二次電池の種別に応じた適切な電流値、電圧値などの条件に従い、過充電を避けつつ、満充電となるように充電することが肝要となる。

このため、不安定な電力源である太陽電池でもって、二次電池を正確に満充電まで充電することは容易でない。また充電の終了に際しては、二次電池が満充電されたことを適切に検出して、充電電流を遮断しなければならず、このタイミングの判定も困難となる。特に満充電の判定は、充電電流や電圧等に基づいて行われているが、太陽電池で得られる充電電流自体が時間と共に大きく変動するため、電流値が小さくなった原因が、二次電池の満充電にあるのか、太陽電池の発電量にあるのかを区別できない。このため、満充電の検出が極めて難しく、誤検出の可能性が高いという問題があった。

充電電流を遮断するタイミングが遅いと、過充電となって二次電池の寿命を短くすることとなる。二次電池の種類によっては、満充電によって二次電池が受ける影響も大きくなる。かといって充電電流を遮断するタイミングが早すぎると、未だ満充電されない状態で充電が終了されることとなり、二次電池から取り出せる電気容量が少なくなって本来の容量を発揮できない。このように、従来の太陽電池と二次電池を組み合わせた電源装置においては、二次電池の性能を十分に発揮するための充電が困難であった。

本発明は、従来のこのような問題に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、太陽電池と二次電池を組み合わせた電源装置において、二次電池を適切に充電可能な太陽電池電源装置及び太陽電池を用いた二次電池の充電方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記目的を達成するために、本発明の第１の太陽電池電源装置によれば、複数の充電可能な電池セルを、直列又は並列に接続した組電池と、前記組電池を充電する電力を発生可能な、複数の太陽電池セルを備える太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルで発電した電力で組電池を充電する際の充電電流又は充電電圧を制御可能な充電制御部と、前記組電池の電池電圧を検出するための電圧検出手段と、を備える太陽電池電源装置であって、前記充電制御部が、前記組電池が満充電に近付いた際に、所定のタイミングで充電電流を遮断する充電休止期間を設けて、前記組電池の電池電圧と所定電圧値である再開電圧値とを比較し、該電池電圧が所定電圧値である再開電圧値以上の場合に、前記組電池が満充電されたと判定して、充電電流を遮断するよう構成できる。これにより、満充電を確実に検出して、充電電流のふらつきによる満充電の誤判定を解消、低減し、二次電池を安全にかつ最大限に利用できる利点が得られる。

また第２の太陽電池電源装置によれば、さらに、前記組電池及び充電制御部を内部に収納する電池ボックスを備えることができる。これにより、ユニット型の電池ボックスに必要な部材を内蔵し、これを太陽電池パネルと接続して、充放電可能な電源システムを構築できる。

さらに第３の太陽電池電源装置によれば、前記太陽電池パネル及び電池ボックスを複数備えており、太陽電池パネル毎に、各々電池ボックスを接続できる。これにより、複数の太陽電池パネルを接続して発電量を大きくでき、且つ複数のユニットを接続可能とすることで、要求される電力や規模に応じた電源システムを柔軟に構築できる利点が得られる。

さらにまた第４の太陽電池電源装置によれば、さらに、前記太陽電池パネルと組電池との間に接続され、前記太陽電池パネルから組電池への充電を許容すると共に、前記組電池から太陽電池パネルへの電流を阻止する逆電流阻止手段として、相互に逆向きに、直列に接続されたデプレッション型及びエンハンスメント型の一対のＦＥＴを備えることができる。これにより、従来の逆電流阻止用のショットキーダイオード等に比べ、ＯＮ抵抗を大幅に低減した、損失の少ない電源装置を実現できる。

さらにまた第５の太陽電池電源装置によれば、前記充電制御部が、前記組電池の充電電流に加え、放電電流も制御する充放電制御部であり、前記充放電制御部は、前記組電池の放電時に、該組電池の電圧が第二カットオフ電圧値以下になると出力電流をＰＷＭ制御に切り替えることができる。これにより、組電池の容量が低下しても、ＰＷＭによって出力電流を抑制できるため、駆動可能時間を実質的に延長できる。このため、例えば電源装置の負荷に照明を使用する場合は、照明の点灯時間を延長できる利点が得られる。

さらにまた第６の太陽電池電源装置によれば、さらに、前記組電池で駆動する負荷として、アシスト自転車用の電池パックの充電器を備えることができる。これによって、発電機能を備えたスタンドアロン式の自転車用電池パック充電機能を駐輪場等に付加できる。

さらにまた第７の太陽電池電源装置によれば、さらに、前記組電池で駆動される照明手段を備えることができる。これによって、発電機能を備えたスタンドアロン式の照明装置を得ることができる。

さらにまた第８の太陽電池電源装置によれば、前記照明手段を発光ダイオードで構成できる。これにより、低消費電力の照明として、夜間の照明時間の長時間化に有利となる。

さらにまた第９の太陽電池電源装置によれば、前記照明手段を街路灯とできる。これにより、日中に太陽光で発電して蓄電し、夜間にこの電力を利用して照明するクリーンな街路灯が実現できる。

さらにまた第１０の太陽電池電源装置によれば、前記電池セルへの充電電圧を、該電池セルの特性上満充電と判定されるべき電圧よりも低い電圧に設定できる。これにより、電池セルへの充電時の負担を低減して、長寿命化を図ることができ、メンテナンスフリーの電源装置が実現される。

さらにまた第１１の太陽電池電源装置によれば、電池セルをリチウムイオン二次電池とできる。これにより、容積密度を高め、組電池のサイズや重量を抑制して、特に高所設置型の電源装置において有利となる。加えて、充電時が吸熱反応となるため、電池セルの過熱を回避できる。

さらにまた第１２の太陽電池電源装置によれば、前記組電池の定格電圧が、前記太陽電池パネルの２５℃における最大出力動作電圧の０．７〜０．９倍とできる。これにより、電池セルのセル電圧に太陽電池セルの動作電圧が影響を受ける事態を考慮して、適切な太陽電池パネルの一セルの定格電圧を選択できる。

さらにまた第１３の太陽電池電源装置によれば、前記電池セルの充電可能温度領域が、放電可能温度領域と異なるように設定し、該放電可能領域を該充電可能領域よりも低温側に拡大できる。これにより、昼間の充電時に比べて低い温度になることが多い夜間においても効率よく放電することが可能になる。

さらにまた第１４の太陽電池を用いた二次電池の充電方法によれば、複数の太陽電池セルを備える太陽電池パネルで発電した電力でもって、充電可能な電池セルを複数、直列又は並列に接続した組電池に充電電流を供給して充電する、太陽電池を用いた二次電池の充電方法であって、充電電圧を測定しながら、前記組電池が満充電に近付いたことを検出すると、所定のタイミングで充電電流を遮断する充電休止期間を設ける工程と、該充電休止期間に、前記組電池の電池電圧を測定する工程と、該電池電圧が所定電圧値である再開電圧値以上の場合に、前記組電池が満充電されたと判定して、充電電流を遮断する工程と、を含むことができる。これにより、満充電を確実に検出して、充電電流のふらつきによる満充電の誤判定を解消、低減し、二次電池を安全にかつ最大限に利用できる利点が得られる。

実施例１に係る太陽電池電源装置を駐輪場の充電設備に適用した例を説明する模式図である。 図１の駐輪場の屋根を下方から見た模式図である。 図１の太陽電池電源装置の構成を示すブロック図である。 コンソールの正面を示す模式図である。 電池ボックスの外観を上面から見た斜視図である。 図５の電池ボックスを下面から見た斜視図である。 図５から上ケースを外した状態を示す分解斜視図である。 図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における断面図である。 図７においてさらに下ケースから組電池を外した状態を示す分解斜視図である。 図９の電池ホルダを示す拡大斜視図である。 組電池を分解した分解斜視図である。 リード板の折曲を示す斜視図である。 充電電流の変化の一例を示すグラフである。 太陽電池電源装置の充電制御手段を示す回路図である。 充放電制御部を示す回路図である。 太陽電池パネルで組電池を充電する充電方法を示すフローチャートである。 従来の充電方法に従い太陽電池パネルで充電する際の充放電電流の時間変化を示すグラフである。 実施例１に係る充電方法に従い太陽電池パネルで充電する際の充放電電流の時間変化を示すグラフである。 変形例に係る充放電制御部を示す回路図である。 変形例に係る商用電源と接続可能な太陽電池電源装置を示すブロック図である。 実施例２に係る太陽電池電源装置を正面側から見た外観斜視図である。 図２１の太陽電池電源装置を背面側から見た斜視図である。 図２２の太陽電池電源装置から電池カバーを外して電池ボックスを露出させた状態を示す斜視図である。 電池ボックスを背面側の斜め上方から見た外観斜視図である。 図２４の電池ボックスを斜め下方から見た斜視図である。 図２４の電池ボックスを正面側の斜め下方から見た斜視図である。 図２４の電池ボックスのＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ線における水平断面図である。 図２４の電池ボックスから外ケースを外した状態を示す分解斜視図である。 図２８の状態からさらに内ケースから組電池を抜いた状態を示す分解斜視図である。 組電池を正面から見た斜視図である。 図３０の上段について、電池ホルダから電池セルを抜いた状態を示す分解斜視図である。 変形例に係る太陽電池電源装置を背面から見た斜視図である。 別の変形例に係る太陽電池電源装置を背面から見た斜視図である。 充電時の電池セルの電圧波形を示すグラフである。 従来の太陽電池で二次電池を充電する回路を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための太陽電池電源装置及び太陽電池を用いた二次電池の充電方法を例示するものであって、本発明は太陽電池電源装置及び太陽電池を用いた二次電池の充電方法を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施例１）

図１〜図２０に、本発明の実施例１に係る太陽電池電源装置４００を示す。これらの図において、図１は太陽電池電源装置を駐輪場の充電設備に適用した例を説明する模式図、図２は駐輪場の屋根を下方から見た模式図、図３は図１の太陽電池電源装置の構成を示すブロック図、図４はコンソールの正面の模式図、図５は電池ボックスの外観を上面から見た斜視図、図６は図５の電池ボックスを下面から見た斜視図、図７は図５から上ケースを外した状態の分解斜視図、図８は図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における断面図、図９はさらに下ケースから組電池を外した状態を示す分解斜視図、図１０は図９の電池ホルダを示す拡大斜視図、図１１は組電池を分解した分解斜視図、図１２はリード板の折曲を示す斜視図、図１３は充電電流の変化の一例を示すグラフ、図１４は太陽電池電源装置の充電制御手段を示す回路図、図１５は充放電制御部を示す回路図、図１６は太陽電池パネルで組電池を充電する充電方法のフローチャート、図１７は従来の充電方法に従い太陽電池パネルで充電する際の充放電電流の時間変化を示すグラフ、図１８は実施例１に係る充電方法に従い太陽電池パネルで充電する際の充放電電流の時間変化を示すグラフ、図１９は変形例に係る充放電制御部を示す回路図、図２０は変形例に係る商用電源を接続可能な太陽電池電源装置のブロック図を、それぞれ示している。

これらの図に示す太陽電池電源装置４００は、いわゆるアシスト自転車ＡＢ用の電池パックＢＰを充電する充電器ＢＣを備えた駐輪場において、自転車用電池パックＢＰの充電器ＢＣに電力を供給するための電源装置として適用している。この電源システムにおいては、電池パック充電器ＢＣが負荷となる。また、負荷はこれに限らず、例えば駐輪場の照明灯４０４も負荷として駆動させることができる。あるいは、充電器として自転車用電池パックＢＰの充電器ＢＣに限られず、他の充電器、例えば電動スクータ用の電池パックの充電器を自転車用電池パック充電器に代えて、あるいはこれに加えて接続することもできる。また、電動スクータに充電ケーブルを接続して、プラグイン式に充電するためのスクータ用電源ＳＢや、商用電源と同じくＡＣ１００Ｖのコンセント、あるいはＡＣ２００Ｖのコンセント等を設けてもよい。このように、負荷は、用途に応じて各種のものを適宜接続、追加できる。以下の例では、アシスト自転車用の電池パック充電器ＢＣと照明灯４０４の駆動について説明する。

図１の電源システムは、駐輪場の屋根ＲＦに備えられた太陽電池パネル４１０と、屋根ＲＦの下でユーザの手が届く高さに備えられたコンソール４６０と、照明灯４０４を備える。屋根ＲＦの裏側には、図２の斜視図及び図３の模式断面図に示すように、電池ボックス４２０が備えられる。コンソール４６０は、例えば屋根ＲＦを支持する支柱４０２に設けられる。電池ボックス４２０は、屋根ＲＦの下面に固定されて雨風を避けると共に、金属製のメッシュＭＳで表面を保護することにより通気性を確保し、放熱を図ることができる。
（コンソール４６０）

電池ボックス４２０の内部には、組電池４４０と充放電制御部４５０が収納される。この電池ボックス４２０は、太陽電池パネル４１０及びコンソール４６０と接続されている。コンソール４６０の内部には、電池ボックス４２０からの出力電圧を変換するインバータ４６２と、インバータ４６２と負荷との間に介在されるスイッチ回路４６４と、負荷となるアシスト自転車用電池パックの充電器ＢＣと、電動スクータに充電ケーブルを介して給電するためのスクータ用電源ＳＢとを備えている。

このコンソール４６０は、図４の正面図に示すように、開閉式の扉４６１を備えており、扉４６１を開けると、電池パックＢＰをセット可能な電池パック充電器ＢＣ（図１の例ではアシスト自転車用）が備えられている。コンソール４６０の扉４６１はマイクロスイッチ等を介してスイッチ回路４６４と連動されており、扉４６１を開くと、スイッチ回路４６４が切り替えられて、充電器がＯＮとなる。

またコンソール４６０には、現在の瞬間発電量や一日の累積発電量、あるいは使用中の負荷の消費電力等を表示する表示パネルを設けてもよい。

なお、この例では電池パック充電器ＢＣを１台のみ接続しているが、２台以上接続することもできることはいうまでもない。また異なる種類の電池パック充電器を接続することも可能である。特に図１の例では、インバータ４６２によって電池ボックス４２０からの出力を商用電源と同じＡＣ１００Ｖに一旦変換しているため、各種の電気機器を接続でき、汎用性が極めて高い。ただ、インバータに代えてＤＣ／ＤＣコンバータを接続することもでき、これによりＡＣ１００Ｖに変換することなく、負荷となる各種電気機器を駆動できるＤＣ（又はＡＣ）電圧に直接変換して、変換効率を高めることもできる。
（照明灯４０４）

照明灯４０４にはＬＥＤが好適に利用できる。この照明灯４０４は、夜間に自動的に点灯し、日中は自動的に消灯する。その切り替えには、太陽電池パネル４１０の発電量を利用できる。すなわち、太陽電池パネル４１０の発電量が一定値以下になると、日没と判断して点灯し、逆に発電量が一定値以上になると夜明けと判断して消灯できる。このため、照度センサ等を不要とできる。

またこの照明灯４０４は、常時点灯させる他、人の動きを感知して点灯するセンサーライトとしてもよい。これにより防犯効果を高めると共に、非使用時には消灯できるので節電効果も高く、容量の限られている電源装置においては特に好ましい。加えて、この照明灯４０４は商用電源を要しないため、停電時や災害時にも点灯できるので、非常灯としても機能できる。

この構造の太陽電池電源装置４００は、既存の駐輪場の屋根ＲＦに設置できるので、既存の設備を有効利用しつつ、アシスト自転車の充電機能や照明灯４０４の電源を付加できるので、設備投資を抑制でき好ましい。特にアシスト自転車の充電機能を付加することで、アシスト自転車の普及促進に繋がり、ひいては自動車や自動二輪車の利用機会の低減にも繋がって、ＣＯ₂削減効果の拡大が期待できる。

なお図１の例では、太陽電池パネル４１０として定格電力２１０Ｗクラスのパネルを３枚使用し、これらを並列に接続して計６３０Ｗの定格出力としている。また太陽電池パネル４１０を３つ、並列に接続して一台の電池ボックス４２０に接続している。このため、図２、図３に示すように屋根ＲＦの裏側に電池ボックス４２０を一台固定している。そして、３枚の太陽電池パネル４１０の出力を電池ボックス４２０を介して、一台のコンソール４６０に接続し、一台のインバータ４６２で電圧変換している。ここでは、インバータ４６２の入力電圧をＤＣ４２Ｖ〜６０Ｖの可変とし、出力電圧をＡＣ１００Ｖに変換している。
（電池ボックス４２０）

図５及び図６に、電池ボックス４２０の外形を示す。電池ボックス４２０は、薄型の平板状で、周囲に固定部を備えている。固定部は、ねじ穴を開口した固定片を四隅及び中間に突出させており、ねじ穴にねじを挿入するなどして電池ボックス４２０を所望の部位、例えば図２に示すように駐輪場の屋根ＲＦの裏側に固定できる。

また図７及び図８に示すように、電池ボックス４２０は上ケース４２１Ａと下ケース４２１Ｂに二分割され、内部に組電池４４０や充放電制御部４５０を内蔵できる。上ケース４２１Ａ及び下ケース４２１Ｂは放熱性、剛性に優れた金属製とし、ねじ止めにより固定される。また上ケース４２１Ａと下ケース４２１Ｂとを固定する際、界面にパッキン等の弾性体４２４を狭持させることで、電池ボックス４２０の防水を図ることもできる。また電池ボックス４２０の内部には、図７に示すように電池セル４４１を縦横に並べた組電池４４０を２組、配置すると共に、組電池４４０と下ケース４２１Ｂとの隙間に、充放電制御部４５０が配置される。組電池４４０は、図８の断面図に示すように、一列に配置されており、電池ボックス４２０内の収納空間は、電池セル４４１を一列に並べた組電池４４０を収納できる大きさに設計される。
（組電池４４０）

組電池４４０は、図９及び図１０に示すように、電池セル４４１を収納した電池ホルダ４４２を接続して構成される。電池セル４４１は外形を円筒形とし、複数の電池セル４４１を平行に並べた状態で電池ホルダ４４２に保持される。電池ホルダ４４２は、内部に電池セル４４１を挿入できる円筒状に開口した筒状を多数並べた状態に成型される。この電池ホルダ４４２は、絶縁性、耐熱性に優れた樹脂製とする。また電池セル４４１を挿入した電池ホルダ４４２は、電池セル４４１の端面にリード板４４３を固定する。
（リード板４４３）

リード板４４３は、図１１及び図１２に示すように、電池ホルダ４４２同士を電気的及び機械的に接続する。このリード板４４３は、２枚の金属プレート片を折曲した形状としており、図１２に示すように各金属プレート片に電池ホルダ４４２の端面を固定した状態で、折り返して電池ホルダ４４２同士を同一平面上に並べた状態に固定する。このリード板４４３は、最初に展開した状態で、二段に並べた電池ホルダ４４２の端面に、各金属プレート片をスポット溶接などでそれぞれの電池ホルダ４４２に固定できる。この構成であれば、同一の端面から２つの電池ホルダ４４２の溶接を行うことができ、作業効率がよい。そして溶接後には金属プレート片同士の中間でＵ字状に折曲して、図１２に示すように二段に並べた状態から図１１に示すように一段に展開した状態とでき、これによって同一平面上に電池ホルダ４４２を、対向面で相互に接続した状態に固定できる。さらにリード板４４３の端面には必要に応じて絶縁板を介在させ、意図しない導通から保護する。

このようにして電池ホルダ４４２に挿入した１０個の電池セル４４１を並列に電気接続した状態で、図８に示すように横方向に隣接させた２つの電池ホルダ４４２の電池セル４４１を並列接続し、図９に示すように４つの電池ホルダ４４２を縦方向に隣接させて、電池セル４４１を直列接続した電池ブロックを構成している。よって、電池ボックス４２０に収納される電池ブロックは、１０並列の電池ホルダ４４２を４直列として組電池４４０を構成し、この組電池４４０を２組並列に接続することで、４直列２０並列に電池セル４４１を電気接続して電池ブロックとし、この電池ブロックを充電し、又は電池ブロックから電力を出力している。
（電池セル４４１）

電池セル４４１は、一方向に延在された円柱状又は円筒状の電池セルを使用している。この電池は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の二次電池が好適に使用できる。特にリチウムイオン二次電池とすることが望ましい。リチウムイオン二次電池は容積密度が高いために、組電池４４０の小型化、軽量化に適している。またリチウムイオン二次電池は充放電可能な温度領域が鉛蓄電池やニッケル水素電池に比べて広く、１年を通じて効率よく充放電が可能になる。

また電池セル４４１の正極材料にはリン酸鉄系材料を用いることが好ましい。これにより、安全性を高めることができ、充放電の温度依存性を抑制することができ、特に低温時にも比較的高い充放電効率を維持できるので、冬場でも効率よく充放電が可能になる。

さらにリチウムイオン二次電池の正極は、３成分正極とすることができる。このリチウムイオン二次電池は、正極に、従来のコバルト酸リチウムに代わって、Ｌｉ−Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ複合酸化物とコバルト酸リチウム混合を利用する。このリチウムイオン二次電池は、正極にリチウムに加えて、３成分からなるＮｉ−Ｍｎ−Ｃｏを使用することから、高電圧で充電して熱安定性が高く、充電最大電圧を４．３Ｖと高くして容量を大きくできる。

ただし、充電時の電圧は、使用する電池セル４４１において、満充電と判断される電圧よりも意図的に低い電圧に設定することが好ましい。例えば、リチウムイオン二次電池を使用する場合、一般的な条件下では４．２Ｖ付近で満充電と判断されるが、４Ｖで満充電と判定するよう設定する。これにより、電池セル４４１の長寿命化が図れる。

さらにまた、電池セル４４１からなる組電池４４０（電池ブロック）の公称電圧としての定格電圧（リチウムイオン二次電池であれば、約３．７〜４．０Ｖ／セルを直列数で掛けた電圧値となる）を、太陽電池パネル４１０の最大出力動作電圧Ｖｏｐよりも低くなるように選択することが好ましい。より望ましくは、Ｖｏｐの７０〜９０％とする。これは、組電池４４０の電圧に太陽電池パネル４１０の動作電圧が影響を受けるため、Ｖｏｐから離れた電圧では充電電力が少なくなるためである。さらに、組電池４４０の放電深度に比べて太陽電池パネル４１０の電圧は高くなる。そのため、満充電を行うためには満充電状態に近いときにＶｏｐに近づくことがより望ましい。また、温度によって太陽電池パネル４１０の電圧が変動することを考慮し、適切な組電池４４０電圧を選択する必要がある。そのために、上記の電圧範囲であることがより望ましい。

また、本実施例においては上記の電圧範囲とすることにより、電池セル４４１の充電に際してＤＣ／ＤＣコンバータを不要とでき、ＤＣ／ＤＣコンバータ内での電力ロスを抑制できる。これによって高効率充電が可能になると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータの交換作業を無くすと共に部品点数を減らすことができるので、故障率低減による信頼性の向上や低コスト化、長期に渡るメンテナンスフリーの実現が見込まれる。そして、本実施例においては上記の電圧範囲であることがより、電池セル４１の充電に際してＤＣ／ＤＣコンバータを不要とできる。

また、電池セル４４１の充電可能温度領域と放電可能温度領域とを異ならせるように設定し、放電可能領域を低温側に広くするように設定する。これにより、昼間の充電時に比べて低い温度になることが多い夜間においても効率よく放電することが可能になる。
（充放電制御部４５０）

充放電制御部４５０は、太陽電池パネル４１０で発電された電力で組電池４４０を充放電する充電電流、充電電圧を適切に制御する。特に太陽電池パネル４１０の発電量は天候や季節、時間等によって大きく変動する。このような常時変動する発電量を安定化させて、電池セル４４１を適切に充電する。

また、充電された電力エネルギーを放電する際の、出力電流、電圧の制御も担う。充放電方式も、既知の方式が適宜利用でき、例えば過充電を防止するためパルス充電とすることができる。さらに電池セルへの充電電圧は、使用する直列接続された電池セル数に応じて設定される。この際、電池セルの特性上満充電と判定されるべき電圧よりも低い電圧に設定することが好ましい。これにより、電池セルへの充電時の負担を低減して、電池セルの寿命を長期化でき、メンテナンスフリーの電源装置実現に貢献できる。例えば、電池セルとしてリチウムイオン二次電池を使用する場合は、充電電圧を通常の４．２Ｖ／セルでなく、４．０Ｖ／セルに抑えることで長寿命化が図られ、組電池の交換の頻度を少なくできる。

また放電時の制御は、ＰＷＭ方式が利用できる。これによって放電時のパルス幅、デューティ比を調整することで、点灯時の明るさ制御と消費電力の調整を行える。特にＬＥＤの照度調整をＰＷＭ方式により制御することで、電池セルの放電深度によって変化する電池電圧による照度変化をＰＷＭのデューティ比を調整することにより簡単に抑制できる。またトランス等を利用した制御に比べて、高効率での電力供給が可能になり、長時間の照明ＯＮ時間を確保できる。

またこの充放電制御部４５０は、電池セル４４１の充電と放電の切り替えを、太陽電池パネル４１０の電圧によって判定することができる。すなわち、日が昇り太陽電池パネル４１０の電圧が上昇すると、電池セル４４１の充電を開始し、逆に日が沈み電圧が低下すると、充電モードから放電モードに切り替え、照明手段４の駆動を開始する。

電池ボックス４２０内に、充放電制御部４５０を収納する構成とすることで、電池セル４４１の温度管理等が容易になるだけでなく、電池セル４４１の充放電をコントロールするための信号線等が外部に露出することを回避できる。特に主配線となる太陽電池パネル４１０と電池セル４４１とを接続する配線距離を最短にできるため、風等による擦れに起因する摩耗や接触不良、断線等の故障を抑制できる。このようにして、耐候性に優れた安定性、信頼性の高い構成が得られる。

この太陽電池電源装置４００は、昼間は太陽電池パネル４１０によって発電された電力を組電池４４０に蓄電し、夜間は蓄電された電力で、照明手段であるＬＥＤの照明灯４０４を点灯する。ＬＥＤ照明灯４０４には、電流制限抵抗とＬＥＤ素子が直列に接続されており、印加される電圧と制限抵抗の値によって決定される電流が通電される。従来の電源システムでは、点灯時には、電池の電圧がＬＥＤ照明器具に直接印加されるため、照明器具内の制限抵抗と、電池の電圧により決定される電流が流れていた。一般に電池残量が高いほど電池電圧も高く、またＬＥＤは流れる電流が大きくなるほど明るく点灯するため、従来のシステムでは、点灯直後、すなわち日没後の夕方ほどＬＥＤが明るく点灯し、時間経過と共に暗くなっていた。また、無日照等により電池電圧が低下した場合にも、暗くなっていた。

これに対し本実施例では、昼間にＬＥＤが点灯しないようにスイッチ回路４６４で制御すると共に、ＰＷＭ制御を追加することによって、電池電圧に反比例してＰＷＭのＯＮデューティ比を制御することにより、明るさを一定に維持できる。具体的なＰＷＭのデューティ比の決定方法の一例として、予め電池電圧を何段階かに区分して、その各電圧に応じたデューティ比を記憶しておき、測定された電池電圧に応じて記憶値に基づいてデューティ比を決定する方法が挙げられる。あるいは、測定された電流から平均電流を求め、期待する平均電流値に近づけるようにデューティ比を制御する方法も採用できる。また、組電池の放電時に、組電池の電圧が所定の電圧値（第二カットオフ電圧値）以下になると出力電流をＰＷＭ制御に切り替えることもできる。

このような太陽電池電源装置においては、昼夜間のＯＮ／ＯＦＦ切り替えや組電池保護の目的で、マイコンを利用した制御システムを有していることが多い。また、多くの汎用型マイコンデバイスは、ＰＷＭ制御端子やＡ／Ｄ変換ポートを有している。一方、電池電圧の測定機能を有していない場合でも、簡単な回路の追加で電池電圧を測定可能とできる。また、リチウムイオン電池では、電圧や電流を検出する保護回路制御マイコンを有していることが多いため、このような場合はソフトウェアの変更のみで、回路を追加することなく上記の制御を実現できる。さらに、上記と同様のＰＷＭ制御を利用して、組電池の状態や経過時間に応じて照明の明るさを変化させることもできる。例えば、無日照が続いて組電池の残容量が低下した場合に明るさを暗くしたり、あるいは宵の口は明るめに点灯し、深夜には逆に少し照明光を落として暗くすることもできる。このような制御も、上述の通りマイコンのソフトウェアの変更のみで、コストをかけることなく実現可能である。
（太陽電池パネル４１０）

一方、太陽電池パネル４１０は、複数の太陽電池セルを平面上に多数配置し、この面を太陽光の受光面として表出させた平板状のパネル（ソーラーパネル）である。太陽電池セルには、アモルファスシリコン系や結晶シリコン系、或いはこれらのハイブリッド（ＨＩＴ）型の太陽電池セルや、ＧａＡｓ、ＣＩＳ系等の化合物系太陽電池、有機系太陽電池を用いることができる。これらの太陽電池は温度係数が少ないため、太陽電池パネル４１０の最大出力電力時の電圧すなわち最大出力動作電圧Ｖｏｐの季節変動が小さいという利点が得られる。そのため、季節を通して高効率に充電をするための電圧設計が容易になる利点がある。また太陽電池パネル４１０は、温度に応じて発電可能な電流−電圧特性が変化する。この一例として、晴天時のＡＭ−１．５ １０００Ｗ／ｍ2の照射状態の出力を図１３に示す。この図に示すように、太陽電池パネルの温度が高くなる程、利用可能な領域が狭くなる。また、選択する電池セルの充電電圧によっても、利用可能な領域が変化する。

上述のように、電池ボックス４２０内の電池ブロックはリチウムイオン電池である電池セル４４１を、４直列２０並列に電気接続して、充電、出力している。電池セルは、３．２Ｖ〜４．２Ｖ程度の範囲で変動するが、比較的電池容量の大きい３．７Ｖ〜４．０Ｖの電池電圧範囲で使用するとき、４直列した電池ブロックの電池電圧は、１４．８Ｖ〜１６．０Ｖの範囲となる。一般に鉛電池の充電電圧が１４Ｖ以下程度であることと比較すれば、リチウムイオン電池で構成した電池ブロックを太陽電池パネルで直接充電する場合は、鉛電池の充電電圧よりも大きな電圧で充電されることになる。このため図１３に示すように、大きな電力（電流×電圧）で充電されることとなって、太陽電池パネルの出力を効率よく利用できる利点が得られる。
（充電回路の動作）

次に図１４に基づいて、太陽電池パネル４１０で組電池４４０を充電する充電回路の動作を説明する。図１４に示す太陽電池電源装置４００は、太陽電池パネル４１０と、電池ボックス４２０を接続している。この電池ボックス４２０は、逆電流阻止手段４５２と、充電スイッチ４５３と、組電池４４０と、電圧検出手段４５５と、電流検出手段４５６と、充電制御手段４５１とを内蔵している。この充電回路は、太陽電池パネル４１０で発生された電力を、充電制御手段４５１で充電スイッチ４５３を制御し、適切な電流、電圧として、組電池４４０に供給して充電する。

逆電流阻止手段４５２は、充電された組電池４４０から太陽電池パネル４１０側に電流が逆流する事態を阻止する。例えばショットキーダイオードが使用される。電圧検出手段４５５は、組電池４４０の充電電圧や電池電圧を検出する。また電流検出手段４５６は、組電池４４０の充電電流を検出する。これらの情報は、充電制御手段４５１に送られ、充電制御手段４５１は充電電圧、充電電流に基づいて、充電スイッチ４５３を制御する。充電スイッチ４５３には、トランジスタなどのスイッチング素子が利用できる。これにより、放電制御手段で充電スイッチ４５３を制御し、太陽電池パネル４１０で発電した電力を組電池４４０に充電する充電回路が構成される。

また組電池４４０には、図１５の変形例に示すように、必要に応じて太陽電池パネル４１０との間に保護回路４５７を接続し、過充電等、異常な充電の際に充電電流を遮断して組電池４４０を保護してもよい。例えば、組電池の温度が高くなりすぎた場合に通電を阻止するＰＴＣ素子や、充電電流が高い場合に回路を遮断する温度ヒューズ等が利用できる。

さらに、電池ボックス４２０に、充電回路のみならず、放電回路を含めてもよい。このような例を図１５に基づいて説明する。この例では、電池ボックス４２０は充電制御手段４５１に代えて、充電のみならず放電も制御可能な充放電制御部４５０を備えている。充放電制御部４５０は、組電池４４０の放電時には放電スイッチ４５４を制御して、負荷ＬＤに応じた出力電流や出力電圧を制御する。

なお図１５の回路例は一例であって、同等の機能を備える他の回路構成も適宜採用できることはいうまでもない。例えば、図１５の例では太陽電池パネル４１０と組電池４４０との間に充電スイッチ４５３及び放電スイッチ４５４を配置しているが、太陽電池パネルと充電スイッチ及び放電スイッチとの間に、組電池を配置する構成としても同様の機能を果たすことができる。
（満充電の判定）

電池ブロックの充電方法は、使用する電池セルの種類によって異なる。さらに満充電の検出方法も、電池セルの種類や充電方法によって異なる。例えばニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池を使用する場合は、定電流充電を行い、満充電近傍で電池セルの電圧が低下するΔＶを検出することで満充電と判定する。一方、リチウムイオン電池を使用する場合は、最大の電流、電圧を規制した定電流（ＭＡＸ電流０．５〜１Ｃ程度）・定電圧（ＭＡＸ４．２Ｖ／セル程度)充電を利用し、電流が所定値以下の条件のとき、満充電とする。

しかしながら、太陽電池パネルで電池ブロックを充電する場合は、太陽光の状態によって発電の状態が変化するため、充電電流が一定とならない。このため、特にリチウムイオン電池を太陽電池パネルで充電する場合は、充電電流の時間変化が激しいため、満充電の判定に充電電流を利用しようとすれば、充電電流の低下の原因が、リチウムイオン電池の満充電のためか、あるいは太陽電池パネルの発電量不足のためかが区別できず、満充電の誤判定が生じるおそれがあった。

そこで本実施例では、所定のタイミングで充電電流を遮断する充電休止期間を設け、電池ブロック（組電池）の電池電圧を測定することで、このような誤判定を回避している。以下、本実施例に係る太陽電池パネルを用いた電池ブロックの充電及び満充電判定方法を、図３４の電池セルの電圧波形を示すグラフ及び図１６のフローチャートに基づいて説明する。ここでは、電池ブロックが特性上満充電より容量が小さい所定容量に達したとき、満充電と判定している。また、充電スイッチはＯＮ状態にあるものとする。

まず、ステップＳ１で、充電中かどうかを判定する。このステップでは、充電電流の有無を検出することにより、充電中かどうかを判定している。充電が係属中の場合は、ステップＳ２に進み、充電中でない場合はステップＳ１を繰り返す。なお、充電中の判定ステップにおいて、電池ブロックが満充電にある程度近付いたかどうかを検出してもよい。例えば、リチウムイオン二次電池を最初に定電流で充電し、セル電圧が所定の電圧値以上となって、定電流充電から定電圧充電に切り替わったタイミングを検出する。そして定電流充電から定電圧充電への切り替えを検出すると、充電電流を一定値とするのでなく、所定のタイミングで充電電流を遮断（カットオフ）する充電休止期間を設けた断続充電モードに切り替える。充電休止期間は、例えば充電電流を遮断する充電休止期間を５秒間設ける。また、各充電休止期間に入る前には、充電電流を充電電流検出手段４５６で測定しておく。

次にステップＳ２で、電池ブロックの電池電圧を測定し、この電池電圧を所定の電圧（＝カットオフ電圧値）と比較する。カットオフ電圧値よりも電池電圧が低い場合は、未だ満充電に至っていないと判定し、ステップＳ１に戻って上記工程をループする。

電池電圧は電圧検出手段４５５で測定される。または、電池ブロックを構成する電池セルの電池電圧をセル電圧検出手段で測定して代用することもできる。カットオフ電圧値は、例えばリチウムイオン電池の場合は、１セルあたり３．５Ｖ〜４．２０Ｖ程度、望ましくは、３．９５〜４．１５Ｖ程度に設定される。電池電圧は、充電時の電圧よりも若干低下するため、この低下分も加味して設定される。図３４の例では、カットオフ電圧値を４．０５Ｖ（電池容量約８０％程度）に設定している。

一方、電池電圧がカットオフ電圧値以上の場合は、ステップＳ３に進み、充電スイッチ４５３をＯＦＦする。この結果、充電が中止され、図３４に示すよう電池セルの電圧が徐々に低下する。次にステップＳ４に進み、充電スイッチ４５３のＯＦＦから所定時間が経過したかどうかを判定する。未だ経過していない場合はステップＳ４のループを繰り返し、経過した場合は、ステップＳ５に進む。所定時間は、電圧が十分降下する時間が選択され、例えば、３ｓ〜２０ｓ程度が利用でき、図３４の例では所定時間Ｔ＝５ｓに設定されている。

次にステップＳ５では、電池ブロックの電池セル電圧が所定電圧値である再開電圧値を超えているかどうかを判定する。すなわち、電池セルが満充電に近付く程、セル電圧の降下が少なくなるため、所定時間Ｔ経過後に再開電圧値よりも低い値にまで電池セル電圧が低下したかどうかで満充電を判定している。再開電圧値より高い場合、すなわちセル電圧の低下が少ない場合はステップＳ６−１に進んで満充電と判定し、処理を終了する。再開電圧値は、カットオフ電圧よりも、０．３〜２．０Ｖ程度低い値に設定でき、例えば、０．５Ｖ低い、４．０Ｖ／ｃｅｌｌに設定される。

一方、再開電圧値よりも低い場合は、未だ満充電に至っていないと判定され、ステップＳ６−２に進み、充電スイッチ４５３をＯＮに切り替え、次いでステップＳ１に戻って、上記工程を繰り返す。このようにして、電池ブロックの満充電が判定される。

なお本来は電池ブロックや電池セルの電池電圧として、開放電圧を利用することが好ましいが、図１５の回路例においては、負荷ＬＤが放電回路に常時接続されており、負荷ＬＤを駆動する放電スイッチ４５４は常時ＯＮであるため、開放電圧を測定できない。このため本実施例では、電池電圧で開放電圧を代用している。ただ、負荷が常時電力供給を要求しないようなものであるなど、負荷の利用形態によっては、負荷と放電回路とを一時的に遮断する等して、電池電圧として開放電圧を測定することも可能であることはいうまでもない。

図１７、図１８に、太陽電池パネルで電池ブロックを充電する際の充放電電流の時間変化の一例のグラフを示す。これらの図において、図１７は従来の満充電判定方法に基づく電池の容量ＲＳＯＣ（Relative State Of Charge：相対容量）、電池電圧、電流、ＦＣＣ（Full Charge Capacity：満充電容量）、ＲＣ（Remaining Capacity：残容量）、温度等の変化を示すグラフを、図１８は本実施例に係る満充電判定方法に基づくこれらの変化を示すグラフを、それぞれ示している。また図において、正の充電電流は電池ブロックが充電されていることを示し、負の充電電流は放電されていることを示す。これらの図に示すように、電池ブロックの電流値は時間によって大きく変動しており、太陽電池パネルの発電量すなわち充電電流が時間によって激しく変化していることが判る。このような不安定な充電電流のため、従来の充電電流の低下で満充電を検出する方法では、図１７に示すように電池の容量ＲＳＯＣが小さくても、いいかえると未だ満充電に充電されていなくても、満充電と誤って判定されることがあった。

これに対して、本実施例に係る満充電判定方法であれば、従来のように電池セルの充電電流が低下したことのみで満充電と判定されないため、太陽電池パネルの出力低下による充電電流の低下を満充電と誤検出する事態を回避できる。すなわち、このような不安定な充電電流であっても、充電休止期間の電池電圧によって、電池ブロックの充電状態を大まかに把握できる。すなわち、充電がある程度進んでおれば電池電圧は高くなっているはずであり、逆に充電が未だ不十分であれば電池電圧は低いはずである。そこで、充電電流のみならず、この電池電圧も利用することで、確実な満充電の検出を実現できる。

以上のようにして、充電制御手段４５１は太陽電池パネルで電池ブロックが満充電されたことを判定できる。また満充電の誤判定を回避することで、電池ブロックの充電量を確保し、その性能を最大限に発揮できるようになる。
（逆電流素子手段）

なお図１４、図１５の例では、逆電流素子手段としてショットキーダイオードを使用しているため、駆動時に常時通電して電圧降下（約０．６Ｖ）による損失が生じる。すなわち、ダイオードの順方向電圧×電流が損失分となり、充電効率を低下させる。また、発熱によって充電回路に影響を与えることも考えられる。特に太陽電池パネルが高出力となり、充電電流が大きくなると、これに伴って発熱量も大きくなり、放熱板を設けるためのスペースも必要となる上、部材の増加や大型化によるコスト増にも繋がる。またダイオードが大型になると漏れ電流も大きくなる。

そこで、このような問題を回避するため、ダイオードに代えてトランジスタ等の素子を使用することができる。トランジスタが１個では、ＯＦＦ時に逆電流が流れるおそれがあるため、逆向きの特性を有するトランジスタを２個直列に接続することで、逆電流を阻止する。このような変形例を図１９に示す。この図に示す太陽電池電源装置５００は、図１５の回路例におけるショットキーダイオードに代えて、逆電流素子手段４５２Ｂとして、エンハンスメント型ＦＥＴとデプレッション型ＦＥＴを使用している。これらのＦＥＴはＯＮ抵抗が数ｍＶと極めて小さいため、損失を抑制できる。

なおＦＥＴを２個直列に接続しても、日没時にＯＮ状態が持続されると、電池ブロックからの電圧で逆電流が流れるおそれがある。このため、所定のタイミングでＦＥＴをＯＦＦさせ、太陽電池パネル４１０の出力電圧を測定して日没と判定する閾値電圧と比較し、日没かどうかを判定する。例えばＦＥＴを１分毎に１秒間ＯＦＦさせ、太陽電池パネル４１０の出力電圧を確認する。また日没閾値電圧に低下したことを検出した後も、誤検出防止のため、１０秒間連続で電圧検出を行って、連続して日没閾値電圧以下であることが確認できれば、日没であるとの判定を確定する。同様に、日の出を検出するための日の出閾値電圧を設定し、この閾値電圧以上であるかどうか、また一旦日の出閾値電圧を検出した場合も、連続して１０秒間の確認を行う。

図１の電源システムは、日中の太陽光を太陽電池パネル４１０に照射させて発電させ、その電力を電池ブロックに充電しておき、この貯えられた電力で負荷を駆動する。すなわち、アシスト自転車用の電池パック充電器ＢＣに電池パックＢＰが接続されたことを検出して、この電池パックを充電し、充電が完了すると充電を停止する。一方で夜間になると自動的に照明灯４０４を点灯し、夜が明けると自動的に消灯する。これらは、商用電源を利用することなく、太陽電池パネル４１０で得られた電力によって駆動され、ＣＯ₂排出削減に貢献できるクリーンなエネルギーを利用した自己完結型の電力供給が可能な電源システムである。

なお、この例では商用電源を接続しない、発電機能を備えた自己完結式（スタンドアロン式）の太陽電池電源装置を説明したが、用途に応じて、商用電源を併用することもできることはいうまでもない。例えば、図２０に示すように太陽電池電源装置６００を商用電源ＡＣとも接続しておき、無日照が数日続く等して電池ブロックの容量が不足した場合には、商用電源ＡＣから電力を得て負荷に電力を供給可能なシステムとすることで、電力供給が不能となる事態を回避しバックアップを備えた電源装置とでき、信頼性を向上できる。
（スイッチ回路４６４Ｂ）

図２０の回路例では、スイッチ回路４６４Ｂは商用電源の供給を切り替える機能を果たす。このスイッチ回路４６４Ｂは、電池ブロックの出力電圧をモニタし、出力電圧が所定の値（第三カットオフ電圧値）以下になると、商用電源を太陽電池電源装置６００に接続して、商用電源からの供給に切り替える。そして、商用電源で負荷を駆動する。なお、商用電源で負荷を駆動する一方で、電池ブロックを商用電源で充電してもよい。あるいは、商用電源で負荷を駆動することに代えて、電池ブロックを商用電源で一旦充電した上で、充電された電池ブロックから負荷が電力供給を受けるように構成することもできる。いずれの場合も、電池ブロックの出力電圧が第三カットオフ電圧値以上に回復すると、スイッチ回路４６４Ｂは商用電源を切り離す。
（実施例２ 街路灯）

以上の実施例１では、太陽電池電源装置４００を利用し、駐輪場に電池パックの充電機能を付加する例を説明したが、太陽電池電源装置を接続する負荷は、この例に限られず、種々の電気機器を接続できる。以下、街路灯を負荷として利用する太陽電池電源装置１００の例を実施例２として、図２１〜図３１に基づいて説明する。これらの図において、図２１は太陽電池電源装置を正面側から見た外観斜視図、図２２は背面側から見た斜視図、図２３は図２２から電池カバーを外して電池ボックスを露出させた状態の斜視図、図２４は電池ボックスを背面側の斜め上方から見た外観斜視図、図２５は斜め下方から見た斜視図、図２６は正面側の斜め下方から見た斜視図、図２７は図２４のＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ線から見た水平断面図、図２８は図２４から外ケースを外した状態の分解斜視図、図２９は図２８からさらに内ケースから組電池を抜いた状態の分解斜視図、図３０は組電池を正面から見た斜視図、図３１は図３０の上段について、電池ホルダから電池セルを抜いた状態の分解斜視図を、それぞれ示している。

これらの図に示す太陽電池電源装置１００は、街路灯用の電源装置に適用する例を示している。このため太陽電池電源装置１００は、支柱の上端に固定されている。この街路灯は、図２１及び図２２に示すように、断面視矩形状の支柱２の上端に斜めに傾斜視した姿勢で固定されたベース部３と、このベース部３に固定された断面視矩形状の太陽電池電源装置１００と、その下方で同じく支柱２に固定された照明手段４とを備えている。太陽電池電源装置１００は、金属製の矩形板状のベース部３の表面側に太陽電池パネル１０を露出させ、図２３に示すように背面側に組電池を内蔵した電池ボックス２０を固定している。また電池ボックス２０は、図２２に示すように、電池カバー１２で外部を被覆して風雨雪等から電池セル４１を二重に保護する。この太陽電池電源装置１００は、日中の太陽光を太陽電池パネル１０に照射させて発電させ、その電力を組電池に充電しておき、夜間にこの電力で照明手段４を駆動する。これにより、商用電源を用いることなく夜間に街路灯を点灯でき、発電機能を備える自己完結式の街路灯を得ることができる。
（太陽電池パネル１０）

太陽電池パネル１０は、実施例１と同様、複数の太陽電池セルを平面上に多数配置し、この面を太陽光の受光面として表出させた平板状のパネル（ソーラーパネル）である。太陽電池パネル１０の設置角度は、支柱２との角度によって決定される。

太陽電池パネル１０は、矩形板状のパネル部１１と、その外周に取付けられたアルミニウム合金等からなる外枠１５とを備えている。パネル部１１は、その表面の受光面側に透光性を有する強化ガラス、裏面にフィルムを用いて、太陽電池セルをその間に挟み、内部の隙間に透明樹脂を充填した構造である。また、外枠１５は、長辺の４辺において、断面視略Ｌの字形状の突出部１３を備えている。突出部１３をベース部３に固定するために、突出部１３の面部分に、周知の部材を利用して雌ネジ部を設ける。これにより、ベース部３の裏面側より、ボルトを用いて、突出部１３を固定している。

一方、ベース部３は、概略矩形状の金属製（鉄等の材質）の平板２４と、これのほぼ中心部に溶接等により固定された円筒状の連結部１４とからなる。ベース部３の平板２４は、太陽電池パネル１０を搭載できるように、平板２４の幅が決定される。また支柱２の上端には、連結部１４の内部に挿入される円筒状連結部を備え、この円筒状連結部を連結部１４に挿入して、外部からネジ止め等の周知の手段で固定される。

平板２４には開口が設けられており、ここが支柱２と連通している。電池ボックス２０からの電気配線は、平板２４の裏面側から、平板２４の表面側すなわち太陽電池パネル１０側に、他の開口を通じて配設された後、上記平板２４の開口を通じて、支柱２の中に配設される。他の開口においては、太陽電池パネル１０からの出力線が、電池ボックス２０に配線される。

太陽電池パネル１０の設置角度は、一般に設置される場所の緯度に応じて年間の最大発電量が得られる最適な角度が知られているが、本実施の形態においては、このような既知の最適角度よりも大きい設置角度とすることが好ましい。季節毎の太陽高度を想定する場合、冬場は設置角度が大きいことが望ましく、夏場は設置角度が小さいことが望ましい。本実施の形態では、設置角度を標準的な設置角度よりも大きくすることで、特に冬場の発電量を高めている。このような設置角度を採用することで、夏場の発電量は低下するものの、夏場においては日射時間が十分に確保されているため、夜間の照度や点灯時間等において問題が生じることは殆ど無い。逆に、冬場に適した設置とすることで、冬場に太陽電池パネル１０で得られる太陽光からの熱量を大きくすることができる。太陽光からの熱量により電池セルの温度が上昇させることができ、発電電力を向上できるので、電池セルが低温であることに起因する充電量すなわち電力の低下を抑制できると共に、夏場に生じる熱量を抑制できるため、結果として冬場の発電量確保と夏場の温度上昇抑制という優れた効果が得られる。
（電池ボックス２０）

太陽電池パネル１０の背面には、電池ボックス２０が固定される。電池ボックス２０は、図２４〜図２７等に示すように外形を平板状の箱形とし、太陽電池パネル１０と固定する側の固定面を平面状としている。また図２４に示すように背面側の角部を面取りして風の抵抗を低減している。この電池ボックス２０は、外部を熱伝導性に優れた金属製の外ケース２１で構成される。また四隅に太陽電池パネル１０と固定するための固定機構として、固定金具３０を設けている。この電池ボックス２０は、固定金具３０によって太陽電池パネル１０とほぼ平行に固定される。これによって、電池ボックス２０を固定後も太陽電池パネル１０と一体的に、板状を維持でき、太陽電池電源装置１００の外形をスリム化できる。また、電池ボックス２０に収納された組電池は、太陽電池パネル１０とほぼ平行に離間して配置されることとなる。この結果、太陽電池パネル１０を太陽光の熱によって電池セル４１を均等に加熱することができ、特に冬場での充電効率が向上する。このように、組電池４０の充電可能温度の上限を夏場に超えないように、また下限を冬場に超えないように構成することで、効率のよい二次電池の活用を図ることができる。

なお電池ボックス２０は、図２３に示すように、太陽電池パネル１０の背面において、支柱２の固定部分よりも上方に設置することが好ましい。これにより、風が支柱２で遮られることが少なくなり、風に直接晒されるようにして、特に夏場における電池ボックス２０の温度上昇を抑制できる。
（組電池４０）

電池ボックス２０内には、複数の充電可能な円筒形の電池セル４１が配置される。これらの電池セル４１は、図２８〜図３１等に示すように、円筒形の延長方向に沿って直列に接続されて電池モジュールを構成する。組電池４０は、複数の電池モジュールを複数本平行に配置して構成される。電池モジュールは、垂直姿勢となるように、すなわち図３１に示すように円筒形の電池セル４１が縦置きとなるように保持される。これによって後述するように熱の自然対流によって電池ボックス２０内の空気が循環され、夏場においても過度の加熱が回避され、一年を通じて電池セル４１を効率よく駆動できる利点が得られる。また、電池セルの形状については、円柱状又は円筒状以外に、厚みのある矩形の板状である角型電池とすることもできる。

図２７の例では、８本の電池セルをオフセット状に２列に並べて、計１６セルを並列接続し、さらに図１３に示すように上下方向に４つの電池ホルダ４２を直列に接続して、４セルの直列接続としている。図３１の状態の組電池４０を２個用意し、電気的に並列に接続して、図２７、図３１に示す電池ボックス２０、組電池４０とする。この構成によって、電池セル４１が、４直列３２並列に電気接続されて、充電、放電することになる。また、電池ホルダ４２を変更する等により、並列する数（例えば、２６並列）、直列接続する数を適宜変更することも可能である。
（電池セル４１）

電池セル４１は、一方向に延在された円柱状又は円筒状の電池セルを使用している。この電池も、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の二次電池が好適に使用できる。特にリチウムイオン二次電池とすることが望ましい。リチウムイオン二次電池は容積密度が高いために、太陽電池パネル１０の背面に設置することが可能なサイズや重量に抑えることができる。加えて、充電時が吸熱反応となる特性を有する。特に充電速度が速いときに吸熱作用が顕著になる。この結果、充電速度が速い夏場において、電池温度が高くなりすぎることを抑制できると共に、充電速度が遅い冬場においては電池温度の低下を抑制することができる。さらに、リチウムイオン二次電池は充放電可能な温度領域が鉛蓄電池やニッケル水素電池に比べて広く、１年を通じて効率よく充放電が可能になる。

組電池４０は、図２９に示すように内ケース２２に収納された状態で、さらに外ケース２１に収納される。内ケース２２は、組電池４０を内部に収納するよう一方を開口した箱形としており、放熱性に優れた金属板等で構成される。また内ケース２２を外ケース２１内部に固定するために、ねじの螺合等が用いられる。図２９の例では、ねじを通すねじ溝を内面に切った金属製パイプ２３を縦方向に複数配置して、このパイプ２３をねじで外ケース２１の内部に固定することで、内ケース２２を外ケースの内面に押圧状態として固定している。パイプ２３は、外ケース２２の内面の縦方向長さとほぼ同じ大きさに形成される。また内ケース２２の外面には、パイプ２３を挿入するＶ字状の溝が形成されている。さらに外ケース２１は、上ケース２１Ａ及び下ケース２１Ｂに二分割されて内部に内ケース２２を収納すると共に、図２８〜図２９に示すように内ケース２２の下部に電池セル４１の充放電を制御する充放電制御部５０を収納する。
（電池ホルダ４２）

各電池セル４１は、図２９〜図３１に示すように電池ホルダ４２に収納される。電池ホルダ４２は、２分割されて円筒形の電池セル４１を上下から挟み込むようにして外部を完全に被覆する。さらに電池ホルダ４２の端面で、電池セル４１の端面同士をリード板４３により接続する。また電池ホルダ４２同士は、ねじの螺合等によって固定される。電池ボックス２０内に設置する電池セル４１は、厚み方向に１列あるいは２列以下となるように配置することが望ましい。このように設置することで、太陽電池パネル１０の背面の熱が組電池４０の全体に渡って伝搬され易くできる。図２７の例では、２列の電池セル４１をオフセット状に配置することで、電池セル４１を約１．５列として電池ボックス２０の厚さを薄くしている。
（電池カバー１２）

また電池ボックス２０は、図２２に示すように電池カバー１２で外部を被覆する。電池カバー１２で電池ボックス２０を被覆することにより、電池ボックス２０を風雪雨や鳥等から保護すると共に、デザイン上も太陽電池パネル１０との一体感を高めることができる。特に電池カバー１２は、支柱２を部分的に被覆するように配置することが好ましい。特に、支柱２の被覆部分を傾斜面とすることで、下方から吹き上げる風の抵抗を低減して、太陽電池パネル１０を安定的に支持する構造に寄与できる。この電池カバー１２は板金等、放熱性と耐久性に優れた金属板で構成する。この例では、電池ボックス２０と電池カバー１２を共に金属板とすることで、金属板表面を放熱板としても利用でき、内部に収納する組電池４０の空冷に有利となる。特に太陽電池パネル１０は高所に設置されることが多いため、風通しのよい高所に配置された電池カバー１２を外気に晒して、夏場の温度上昇を抑制できる。これにより、自然の風を利用した空冷式の太陽電池電源装置とでき、化石燃料を消費しないクリーンな完結型のシステムを実現できる。
（固定機構）

さらにこの電池ボックス２０は、太陽電池パネル１０と別部材で構成し、太陽電池パネル１０の背面で着脱自在に固定するための固定機構を備えている。図２３〜図２６の例では、固定機構として電池ボックス２０の上端及び下端でそれぞれ左右２箇所に固定金具３０を設けている。上端の固定金具３１は、図２４に示すように先端部分を折曲し、断面視コ字状に折り返したコ字状片３７としている。また下端はこのコ字状片３７の該コ字状と逆方向に、断面視Ｌ字状に折曲して、電池ボックス２０と固定している。さらに中間部分には、係止環として、丸穴３３と、丸穴３３から上方に延びた、丸穴３３の直径よりも幅を狭くしたスリット３４を開口している。

一方ベース部３の背面では、図２３に示すように上端固定金具３１と対応する位置に、固定金具３１のコ字状を係止可能な矩形状のコ字状片係止口３８を開口している。さらに係止突起として固定ねじ３６を固定し、丸穴３３から挿入した固定ねじ３６をスリット３４に通して、固定ねじ３６のねじ頭を螺合して固定できる。このようにコ字状片３７をコ字状片係止口３８に係止すると共に、係止突起に係止環を挿入する懸吊式とすることで、連結機構を極めて簡素化して、故障や不具合を極減して長期使用に耐え得るメンテナンスフリー構造又は信頼性の高い構造とすることができる。さらに電池セルを取り替える際の高所作業に際して、懸吊式として一時的に引っ掛けて保持できるため、固定作業中に電池セルの落下等を阻止でき、作業性も向上する。

また下端の固定金具３２は、図２５〜図２６に示すように第二スリット３５を開口しており、同じく太陽電池パネル１０の背面に挿入されたねじを第二スリット３５に通して、ねじ頭を螺合して固定する。この固定機構によれば、簡単に電池ボックス２０を太陽電池パネル１０の背面に固定し、また分解することができるので、電池ボックス２０の交換やメンテナンス等の作業が容易となる。特に街路灯のような電池ボックス２０が高所に配置される用途においては、このような簡易な着脱機構は装着、交換作業をスムーズに行う上で有効となる。

なお上記の固定機構は一例であって、他の構成も適宜利用できることはいうまでもない。例えば電池ボックス２０を太陽電池パネル１０の背面にツメ状等の突起や係止片によって引っ掛ける構造や、同様にフックとループの組み合わせ、あるいはＬ字金具、ねじ止め等、既知の脱着可能な固定機構が適宜利用できる。さらに上述の例では、電池ボックスを平板状としてベース部の背面に固定する構造を説明したが、電池ボックスをベース部と離間させて配置する構成としてもよい。

従来の太陽電池電源装置では、太陽電池パネルの筐体内に蓄電池を配置した構成のため、蓄電池の交換作業が容易でなかった。蓄電池は寿命があり、特に従来のニッケルカドミウム電池の寿命は比較的短く、交換作業が必要となるが、その作業に要する手間や費用が負担となっていた。これに対して実施例２では、電池セル４１を内蔵した電池ボックス２０をユニット式として、太陽電池パネルに着脱自在とすることで、このような交換作業をスムーズに行えるようにして、メンテナンス時の作業性を高めている。
（照明手段４）

図２１に示す照明手段４は、太陽電池パネル１０で発電されたエネルギーを一旦組電池４０に充電して、この組電池４０を放電することで駆動される。この照明手段４は低消費電力であることが好ましく、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用する。ＬＥＤは蛍光灯等に比べ消費電力が低く、少ない電力でも長時間に渡って点灯できる。また白熱電球等と比べ球切れの心配が殆ど無く交換作業を実質的に不要とでき、長期に渡るメンテナンスフリーを実現できる。さらにＬＥＤは常時点灯又は連続点灯するのみならず、パルス点灯又は点滅とすることもできる。例えば、組電池４０の残存容量が少なくなると、常時点灯からパルス点灯に切り替えて、点灯時間を長くすることができる。パルス点灯のＯＮ／ＯＦＦ周期は、人間が認識できない程度の高周波数に設定することが好ましく、例えば１０ｋＨｚ〜５０Ｈｚ程度とできる。このようにパルス点灯を利用すれば、さらに消費電力を抑えることができ、特に日照時間の短い冬場や、雨期等曇天が続く場合に、点灯時間を延ばすために利用できる。特に、電池セルに蓄電できる電力は太陽光のみであるため、雨天等の無日照が続いた場合に、電池セルに蓄電した電力が不足して夜間の照明が不可能となる事態を回避、抑制できる。

この街路灯は、山間部や無人島等、商用電源を利用できない、あるいは利用し難い環境において、夜間の照明として便利に使用できる。またこのような態様では、メンテナンスフリーとすることが好ましく、長寿命の電池セルや照明手段を利用することが好ましい。例えば、電池セルとしてリチウムイオン二次電池を使用することで、より少ない電池セル数で高い電力を充放電できる。また、二次電池の充電時の電流や電圧を定格以下に抑えることで、二次電池への負荷を低減して長寿命化を図ることができる。さらに、照明手段として発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用すれば、白熱電球や蛍光灯に比べ低消費電力で、素子の寿命も点灯時間１万時間以上と長く、メンテナンスフリー環境が実現できるので極めて好ましい。

また上記の実施例では、図２３に示すように太陽電池パネル１０の背面に、１つの電池ボックス２０を固定した構成を説明したが、この構成に限らず、例えば図３２に示す太陽電池電源装置２００のように、２つの電池ボックス２０を、支柱２を中心として上下に縦型に配置した構成したり、３以上の電池ボックスを配置したり、あるいは電池ボックスを横置きに配置したりすることもできる。図３３に変形例として、電池カバー１２に２つの電池ボックスを縦置きに配置し、さらに２つの電池カバー３１２を横置きにした太陽電池電源装置３００の例を示す。この例では、支柱２を中心として左右に水平に、２つの電池カバー３１２を並べている。

以上のようにして、商用電源に接続することなく利用可能なスタンドアロン式の電源装置が実現できる。特に、災害時のような商用電源が利用できない場合にも電力を利用可能であることから、非常用の電源装置として、例えば非常灯や非常電源装置として好適に利用できる。また、化石燃料を消費しない点から、クリーンでエコロジーな電源としても好ましい。

本発明に係る太陽電池電源装置及び太陽電池を用いた二次電池の充電方法は、商用電源を必要としないスタンドアロン式の照明装置やアシスト自転車のバッテリの充電装置等に適宜利用できる。

１００、２００、３００、４００、５００、６００…太陽電池電源装置
２…支柱
３…ベース部
４…照明手段
１０、４１０…太陽電池パネル
１１…パネル部
１２、３１２…電池カバー
１４…連結部
１５…外枠
２０…電池ボックス
２１…外ケース
２１Ａ…上ケース
２１Ｂ…下ケース
２２…内ケース
２３…パイプ
２４…平板
３０…固定金具
３１…上端固定金具
３２…下端固定金具
３３…丸穴
３４…スリット
３５…第二スリット
３６…固定ねじ
３７…コ字状片
３８…コ字状片係止口
４０…組電池
４１…電池セル
４２…電池ホルダ
４３…リード板
５０…充放電制御部
４０２…支柱
４０４…照明灯
４２０…電池ボックス
４２１Ａ…上ケース
４２１Ｂ…下ケース
４２４…弾性体
４４０…組電池
４４１…電池セル
４４２…電池ホルダ
４４３…リード板
４５０…充放電制御部
４５１…充電制御手段
４５２、４５２Ｂ…逆電流阻止手段
４５３…充電スイッチ
４５４…放電スイッチ
４５５…電圧検出手段
４５６…電流検出手段
４５７…保護回路
４６０…コンソール
４６１…扉
４６２…インバータ
４６４、４６４Ｂ…スイッチ回路
ＲＦ…屋根
ＡＢ…アシスト自転車
ＢＰ…電池パック
ＢＣ…電池パック充電器
ＳＢ…スクータ用電源
ＭＳ…メッシュ
ＬＤ…負荷
ＡＣ…商用電源

Claims (14)

1. 複数の充電可能な電池セルを、直列又は並列に接続した組電池と、
   前記組電池を充電する電力を発生可能な、複数の太陽電池セルを備える太陽電池パネルと、
   前記太陽電池パネルで発電した電力で組電池を充電する際の充電電流又は充電電圧を制御可能な充電制御部と、
   前記組電池の電池電圧を検出するための電圧検出手段と、
   を備える太陽電池電源装置であって、
   前記充電制御部が、前記組電池が満充電に近付いた際に、所定のタイミングで充電電流を遮断する充電休止期間を設けて、前記組電池の電池電圧と所定電圧値である再開電圧値とを比較し、該電池電圧が所定電圧値である再開電圧値以上の場合に、前記組電池が満充電されたと判定して、充電電流を遮断するよう構成してなることを特徴とする太陽電池電源装置。
2. 請求項１に記載の太陽電池電源装置であって、さらに、
   前記組電池及び充電制御部を内部に収納する電池ボックスを備えることを特徴とする太陽電池電源装置。
3. 請求項２に記載の太陽電池電源装置であって、
   前記太陽電池パネル及び電池ボックスを複数備えており、
   太陽電池パネル毎に、各々電池ボックスを接続してなることを特徴とする太陽電池電源装置。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の太陽電池電源装置であって、さらに、
   前記太陽電池パネルと組電池との間に接続され、前記太陽電池パネルから組電池への充電を許容すると共に、前記組電池から太陽電池パネルへの電流を阻止する逆電流阻止手段として、相互に逆向きに、直列に接続された一対のＦＥＴを備えることを特徴とする太陽電池電源装置。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の太陽電池電源装置であって、
   前記充電制御部が、前記組電池の充電電流に加え、放電電流も制御する充放電制御部であり、
   前記充放電制御部は、前記組電池の放電時に、該組電池の電圧が第二カットオフ電圧値以下になると出力電流をＰＷＭ制御に切り替えてなることを特徴とする太陽電池電源装置。
6. 請求項１から５のいずれか一に記載の太陽電池電源装置であって、さらに、
   前記組電池で駆動する負荷として、アシスト自転車用の電池パックの充電器を備えてなることを特徴とする太陽電池電源装置。
7. 請求項１から６のいずれか一に記載の太陽電池電源装置であって、さらに、
   前記組電池で駆動される照明手段を備えてなることを特徴とする太陽電池電源装置。
8. 請求項９に記載の太陽電池電源装置であって、
   前記照明手段が発光ダイオードで構成されてなることを特徴とする太陽電池電源装置。
9. 請求項１０に記載の太陽電池電源装置であって、
   前記照明手段が街路灯であることを特徴とする太陽電池電源装置。
10. 請求項１から９のいずれか一に記載の太陽電池電源装置であって、
    前記電池セルへの充電電圧を、該電池セルの特性上満充電と判定されるべき電圧よりも低い電圧に設定してなることを特徴とする太陽電池電源装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一に記載の太陽電池電源装置であって、
    前記電池セルがリチウムイオン二次電池であることを特徴とする太陽電池電源装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一に記載の太陽電池電源装置であって、
    前記組電池の定格電圧が、前記太陽電池パネルの２５℃における最大出力動作電圧の０．７〜０．９倍であることを特徴とする太陽電池電源装置。
13. 請求項１から１２のいずれか一に記載の太陽電池電源装置であって、
    前記電池セルの充電可能温度領域が、放電可能温度領域と異なるように設定し、該放電可能領域は該充電可能領域よりも低温側に拡大してなることを特徴とする太陽電池電源装置。
14. 複数の太陽電池セルを備える太陽電池パネルで発電した電力でもって、充電可能な電池セルを複数、直列又は並列に接続した組電池に充電電流を供給して充電する、太陽電池を用いた二次電池の充電方法であって、
    充電電圧を測定しながら、前記組電池が満充電に近付いたことを検出すると、所定のタイミングで充電電流を遮断する充電休止期間を設ける工程と、
    該充電休止期間に、前記組電池の電池電圧を測定する工程と、
    該電池電圧が所定電圧値である再開電圧値以上の場合に、前記組電池が満充電されたと判定して、充電電流を遮断する工程と、
    を含むことを特徴とする太陽電池を用いた二次電池の充電方法。