JP2011234486A - 太陽電池電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第２のコンデンサの端子電圧が変動していても太陽電池の最大出力電力点近傍で充電することができる太陽電池電源装置を提供する。
【解決手段】直列接続されたＮ個の第１のコンデンサを前記Ｎ個並列接続することにより、入力側に接続された太陽電池１１の電圧を前記Ｎ分の１に降圧するチャージポンプ回路１３と、チャージポンプ回路の出力電圧を充電するスーパーキャパシタＣｓｃ１４と、スーパーキャパシタＣｓｃの充電電圧を検出するＡＤ変換部１５と、ＡＤ変換部が検出した検出電圧が高いときには、Ｎを小さな値に設定し、低いときにはＮを大きな値に設定する制御部２０とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、太陽電池電源装置に関し、特に、太陽電池の発電電力を効率良く充電させるための装置に関する。

ユビキタス社会においては、小型の太陽電池パネルで、室内光などの低い照明による微弱なエネルギー環境でも急速に蓄電する小型の電源装置が有用である。そして、蓄電池としては、充放電を繰り返すため、スーパーキャパシタなどのコンデンサが最適であり、これらに効率よく充電することが必要である。また、太陽電池パネルは、Ｉ-Ｖ特性と称する非線形の特性を有しているため、動作点の設定が重要となる。
そこで、例えば、特許文献１には、太陽電池の発電電力と負荷電力とを測定しつつ、太陽電池の最大出力電力点で稼働させるように電力変換制御する技術が開示されている。なお、この技術は、入射光量の急激な変動を考慮しており、動作点が最大出力電力点から短絡電流点に移行した場合、一定時間定電圧制御を行い、安定点に復帰させるようになっている。

特開２００５−０７３３２１号公報（図３及び段落００１２）

ところで、特許文献１に開示されている技術は、入出力の電圧や電流の測定を頻繁に行い、動作点を定めており、これにかかる制御用電力が大きく、小さい電力を取り扱う用途では使用できない。また、スーパーキャパシタ（第２のコンデンサ）を充電するためには、負荷インピーダンスが低いため、端子電圧が低い場合には電流制限機能が働くため、効率の良い充電ができなかった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、第２のコンデンサの端子電圧が変動していても太陽電池の最大出力電力点近傍で充電することができる太陽電池電源装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、第１の発明の太陽電池電源装置は、直列接続されたＮ個の第１のコンデンサを前記Ｎ個並列接続することにより、入力側に接続された太陽電池の電圧を前記Ｎ分の１に降圧するチャージポンプと、前記チャージポンプの出力電圧を充電する第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサの充電電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が検出した検出電圧が高いときには、前記Ｎを小さな値に設定し、低いときには前記Ｎを大きな値に設定する制御部とを備えることを特徴とする。

これによれば、太陽電池が発電した発電電圧で直列接続されたＮ個の第１のコンデンサが充電される。そして、第１のコンデンサが並列接続されると共に、第２のコンデンサに並列接続される。これにより、各第１のコンデンサに充電された電荷の一部がＮ個重ね合わさり、第２のコンデンサに電荷を補充する。このため、第２のコンデンサの端子電圧は上昇する。したがって、起動時や負荷変動が大きいとき等、第２のコンデンサの端子電圧が安定しない変動時や低いとき等には、Ｎを大きな値に設定することにより、充電を速めることができる。前記第２のコンデンサは、定格電圧が前記太陽電池の開放電圧よりも低いスーパーキャパシタであることが好ましい。

第２の発明の太陽電池電源装置は、前記した太陽電池電源装置と、前記第２のコンデンサ出力電圧を安定化するスイッチング電源装置とを備えることを特徴とする。このようにすることで、第２のコンデンサの端子電圧が変動しても、太陽電池の最大出力電力点を通る動作点を推移して充電することができる。

本発明によれば、第２のコンデンサの端子電圧が変動していても太陽電池の最大出力電力点近傍で充電することができる太陽電池電源装置を提供することができる。

本実施形態の太陽電池電源装置の構成図である。 本実施形態の太陽電池の等価回路図（図２（ａ））と出力特性図（図２（ｂ））である。 本実施形態のチャージポンプ回路の回路図である。 本実施形態のチャージポンプ回路のコンデンサ接続図である。 本実施形態のＩ−Ｖ出力特性図である。 本実施形態のタイミング生成部における制御シーケンス図である。 本実施形態のＳＷ制御フローチャートである。

（実施形態）
以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という。）を、図１乃至図７を参照して説明する。

図1は、太陽電池システム１００における本実施形態の太陽電池電源装置、及び太陽電池充電装置を説明するための構成図である。太陽電池電源装置２は、太陽電池充電装置１と、太陽電池充電装置１の出力端Ｔ２と接地端との間に接続されたスーパーキャパシタＣｓｃ１４（第２のコンデンサ）とを備え、入力端Ｔ１と接地端とに間に太陽電池１１が接続され、出力端Ｔ３に負荷５が外部に接続されるようになっている。これにより、太陽電池電源装置２は、太陽電池１１が発電した発電電力を、太陽電池充電装置１を介してスーパーキャパシタＣｓｃ１４に蓄電し、この蓄積された電力を負荷５に供給することができる。

また、太陽電池電源装置３は、破線のように太陽電池電源装置２の出力端Ｔ３と負荷５との間にスイッチング電源装置（ＳＷ−ＲＥＧ）４が挿入されている。これにより、スーパーキャパシタＣｓｃ１４の広い端子電圧範囲において、出力端Ｔ４を介して負荷５に安定な電圧が印加される。

太陽電池１１は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、アモルファスＳｉ太陽電池を使用している。
図２は、発電素子である太陽電池１１の等価回路図（図２（ａ））と太陽電池１１の出力特性図（図２（ｂ））とを示す。太陽電池１１は、定電流源Ｉ_phとダイオードＤと抵抗器Ｒ_shとの並列回路と、抵抗器Ｒ_sとの直列回路で表現され、電流Ｉが流れるとき、電圧Ｅが発生する。太陽電池１１は、定電流源Ｉ_Phの電流値が光量（入射エネルギー）によって増減し、開放電圧ＶｏｃがダイオードＤの順方向電圧となり、十分な光量があるときはダイオードＤのオン電圧が所定の開放電圧Ｖｏｃとなる。また、太陽電池１１は、等価回路で表される直列抵抗と並列抵抗などによって決まる、電流電圧値に応じた最大出力電力点（ＭＰＰ）を持つ。なお、アモルファスＳｉ太陽電池の場合、開放電圧Ｖｏｃは、５Ｖ程度となるものが多く用いられている。

スーパーキャパシタＣｓｃ１４は、太陽電池充電装置１の出力電力を蓄電するものであり、例えば、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）により構成される。スーパーキャパシタＣｓｃ１４は、３．０Ｖ程度の定格電圧を有し、この定格電圧（３．０Ｖ）は、太陽電池の開放電圧Ｖｏｃ（５Ｖ）よりも低い。スイッチング電源装置（ＳＷ−ＲＥＧ）４は、幅が広い入力電圧（例えば、０．８Ｖ〜３．０Ｖ）に対して、出力電圧を安定にするものであり、効率がよければ、入力電力と出力電力とがほぼ等しい。

太陽電池充電装置１は、図１に示すように、入力キャパシタＣｉｎ１２（第３のコンデンサ）、チャージポンプ回路１３、ＡＤ変換部１５（電圧検出部）、制御部２０および電源２１を備え、制御部２０は、制御選択部１６、スイッチング（以後、ＳＷと記載する。）制御部１７およびタイミング生成部１８を備えて構成される。

入力キャパシタＣｉｎ１２は、太陽電池１１の発電電力を一時的に蓄積するコンデンサであり、チャージポンプ回路１３に安定した電力を供給することができる。

チャージポンプ回路１３は、太陽電池１１および入力キャパシタＣｉｎ１２から供給される入力電力を、適切な電圧の出力電力に変換する回路であり、ＳＷ制御部１７からの信号によって制御され、スーパーキャパシタＣｓｃ１４に接続されている。

そして、チャージポンプ回路１３は、入力電圧の１／３の電圧を出力し、入力電流の３倍の出力電流を流すモード（以後、×３制御と称する。）と、入力電圧の１／２の電圧を出力し、入力電流の２倍の出力電流を流すモード（以後、×２制御と称する。）と、入力電圧を変更せずに出力するモード（以後、×１制御と称する。）と、入出力共にＯＦＦ状態とするモード（以後、ＯＦＦ制御と称する。）とを備えている。そして、チャージポンプ回路１３は、これらのモードが出力電圧の高低に応じて切り替えられる。

ＡＤ変換部１５（電圧検出部）は、スーパーキャパシタＣｓｃ１４の端子電圧をデジタルデータとなるＡＤ変換値Ｖａｄに変換し、変換信号を制御選択部１６に出力するものである。このＡＤ変換部１５は、タイミング生成部１８から出力される制御信号により制御される。

制御選択部１６は、ＡＤ変換部１５で変換されたスーパーキャパシタＣｓｃ１４の端子電圧のＡＤ変換値Ｖａｄに応じて制御方法を決定し、その情報をＳＷ制御部１７に出力する。

ＳＷ制御部１７は、制御選択部１６からの情報およびタイミング生成部１８からの制御信号からＳＷ制御信号を生成して、生成されたＳＷ制御信号をチャージポンプ回路１３の制御端ＣＯＮＴに供給する。

そして、タイミング生成部１８は、システム制御を行うタイミング信号を生成し、ＡＤ変換部１５およびＳＷ制御部１７に供給する。

電源２１は、ＡＤ変換部１５および制御部２０に駆動電圧Ｖｃｃを印加するための電源である。この電源２１は、入力端Ｔ１を介して太陽電池１１の発電電力の一部が供給されるが、駆動電圧Ｖｃｃがキャパシタ１４の充電電圧よりも速く立ち上がるようになっている。

次いで、図３を参照してチャージポンプ回路１３の構成を説明する。チャージポンプ回路１３は、等しい容量値を持つ３つの第１のコンデンサとしてのフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１、Ｃｆ２および８つの半導体スイッチＳＷｉ（スイッチ素子）、ＳＷｓ０、ＳＷｓ１、ＳＷｇ０、ＳＷｇ１、ＳＷｏ０、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２を備えて構成される。そして、それぞれの半導体スイッチは、ＳＷ制御部１７からの制御信号によりＯＮ／ＯＦＦ制御され、チャージポンプ回路１３のチャージポンプ機能が実現される。なお、チャージポンプ回路１３のクロック周波数ｆは、太陽電池１１が大光量を受けたときの最大出力電力点（ＭＰＰ）での出力電力をフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１、Ｃｆ２（の直列回路）に蓄えることができる周波数以上の値に定められる。

チャージポンプ回路１３は、入力端ＩＮＰと半導体スイッチＳＷｉの一端とが接続され、半導体スイッチＳＷｉの他端と半導体スイッチＳＷｏ０の一端とフライキャップコンデンサＣｆ０の一端とが接続され、半導体スイッチＳＷｏ０の他端と出力端ＯＵＴＰとが接続されている。
また、チャージポンプ回路１３は、フライキャップコンデンサＣｆ０の他端と半導体スイッチＳＷｓ０の一端と半導体スイッチＳＷｇ０の一端とが接続され、半導体スイッチＳＷｇ０の他端と共通接地端ＣＯＭとが接続されている。
また、チャージポンプ回路１３は、半導体スイッチＳＷｓ０の他端とフライキャップコンデンサＣｆ１の一端と半導体スイッチＳＷｏ１の一端とが接続され、半導体スイッチＳＷｏ１の他端と出力端ＯＵＴＰとが接続されている。
チャージポンプ回路１３は、フライキャップコンデンサＣｆ１の他端と半導体スイッチＳＷｇ１の一端と半導体スイッチＳＷｓ１の一端とが接続され、半導体スイッチＳＷｇ１の他端と共通接地端ＣＯＭとが接続されている。
また、チャージポンプ回路１３は、半導体スイッチＳＷｓ１の他端とフライキャップコンデンサＣｆ２の一端と半導体スイッチＳＷｏ２の一端とが接続され、半導体スイッチＳＷｏ２の他端と出力端ＯＵＴＰとが接続されている。
チャージポンプ回路１３は、フライキャップコンデンサＣｆ２の他端と共通接地端ＣＯＭとが接続されている。

ここで、図４を参照して、チャージポンプ回路１３の動作について説明する。図４（ａ）は、チャージポンプ回路１３の×３制御における充電時と放電時の動作を示し、図４（ｂ）は、チャージポンプ回路１３の×２制御における充電時と放電時の動作を示す。

チャージポンプ回路１３において、図４（ａ）に示すように、×３制御の充電時（Ｓ３ｃ）の接続では、半導体スイッチＳＷｉをＯＮに設定し、太陽電池１１の発電電圧Ｅを、入力キャパシタＣｉｎ１２から等しい容量値（Ｃ）を有する３つの直列接続のフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１、Ｃｆ２に充電させる。

そして、チャージポンプ回路１３において、×３制御の放電時（Ｓ３ｄ）の接続では、半導体スイッチＳＷｉをＯＦＦに設定し、３つのフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１、Ｃｆ２を並列接続して、電圧を１／３（Ｅ／３）に降圧する。
そして、出力側の半導体スイッチＳＷｏ（図３のＳＷｏ０、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２）をＯＮして、スーパーキャパシタＣｓｃ１４に接続させる。

この×３制御の放電時（Ｓ３ｄ）の接続により、各フライキャップコンデンサに充電された電力がスーパーキャパシタＣｓｃ１４を充電し端子電圧を上昇させる。
そして、この×３制御の放電時（Ｓ３ｄ）の接続により、各フライキャップコンデンサに充電された電荷の総和（ＣＥ）の一部（ΔＱ）は、スーパーキャパシタＣｓｃ１４に移動し、スーパーキャパシタＣｓｃ１４の電圧は遷移により上昇する。このときの平均充電電流Ｉｃは、クロック周期（電荷を転送する転送周期）をΔＴとすると、Ｉｃ＝ΔＱ／ΔＴとなる。

次に、放電時（Ｓ３ｄ）から充電時（Ｓ３ｃ）に戻るとき、電荷（ΔＱ）の移動により低減した各フライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１、Ｃｆ２の電圧がＥ／３に戻る。このときの各フライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１、Ｃｆ２に太陽電池１１から移動する電荷量は、ΔＱ／３に等しい。したがって、クロック周期ΔＴよりも短い所定時間の間に直列コンデンサに流れる電流Ｉ₁は、スーパーキャパシタＣｓｃ１４を充電する平均充電電流Ｉｃの１／３に等しくなる。

また、スーパーキャパシタＣｓｃ１４においては、移動した電荷の直流成分が定常値まで充電される。また、等価直列抵抗（クロック周波数ｆにおいては、等価並列抵抗に対応する）により、交流成分が消費される。そして、定常状態においては、太陽電池１１の発電電流とスーパーキャパシタＣｓｃ１４の等価直列抵抗による消費電流とが釣り合うことがある。また、釣り合わないまでも、太陽電池１１が最大電力点でなく、開放電圧近辺で動作する。

また、チャージポンプ回路１３において、図４（ｂ）に示すように、×２制御の充電時（Ｓ２ｃ）の接続では、半導体スイッチＳＷｉをＯＮに設定し、太陽電池１１の発電電圧Ｅを、入力キャパシタＣｉｎ１２から等しい容量値（Ｃ）を有する２つの直列接続のフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１に充電させる。このとき、各フライキャップコンデンサには、それぞれ、等しい電荷（ＣＥ／２）が充電される。
そして、チャージポンプ回路１３において、×２制御の放電時（Ｓ２ｄ）の接続では、半導体スイッチＳＷｉをＯＦＦに設定し、２つのフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１を並列接続して、電圧を１／２（Ｅ／２）に降圧する。
そして、出力側の半導体スイッチＳＷｏ（図３のＳＷｏ０、ＳＷｏ１）をＯＮして、スーパーキャパシタＣｓｃ１４に接続させる。

この×２制御の放電時（Ｓ２ｄ）の接続により、各フライキャップコンデンサに充電された電力の一部がスーパーキャパシタＣｓｃ１４を充電し端子電圧を上昇させる。
そして、この×２制御の放電時（Ｓ２ｄ）の接続により、各フライキャップコンデンサに充電された電荷の一部（ΔＱ）は、放電により低減したスーパーキャパシタＣｓｃ１４の電荷を補充する。これにより、スーパーキャパシタＣｓｃ１４の電圧が遷移する。このときの平均電流Ｉｃは、クロック周期をΔＴとすると、Ｉｃ＝ΔＱ／ΔＴとなる。

そして、表１は、制御選択部１６で用いる制御テーブルを示す。この制御テーブルは、ＡＤ変換部１５で検出されたスーパーキャパシタＣｓｃ１４の端子電圧であるＡＤ変換値Ｖａｄに対するチャージポンプ回路１３の制御方法を示すものである。

図５を参照して、表１に示した制御テーブルによるチャージポンプ回路１３のＩ−Ｖ出力特性を説明する。なお、図５は、制御テーブルによるＩ−Ｖ特性曲線を太実線で示し、細実線は、制御テーブルのＯＦＦ制御が行われる領域のＩ−Ｖ特性曲線を示している。
チャージポンプ回路１３は、ＡＤ変換値Ｖａｄが１．５以下（Ｖａｄ≦１．５Ｖ）の場合には、×３制御、すなわち、出力電流を入力電流の３倍に変換し、出力電圧を入力電圧の１／３に降圧する制御が行われる。この場合、チャージポンプ回路１３の出力側の最大出力電力点ＭＰＰ３近傍（図５中の楕円領域）で動作する。
チャージポンプ回路１３は、ＡＤ変換値Ｖａｄが１．５を超え２．４以下（１．５Ｖ＜Ｖａｄ≦２．４Ｖ）の場合には、×２制御、すなわち、出力電流を入力電流の２倍に変換し、出力電圧を入力電圧の１／２に降圧する制御が行われる。この場合、チャージポンプ回路１３の出力側の最大出力電力点ＭＰＰ２近傍（図５中の楕円領域）で動作する。
チャージポンプ回路１３は、ＡＤ変換値Ｖａｄが２．４を超え３．０以下（２．４Ｖ＜Ｖａｄ≦３．０Ｖ）の場合には、×１制御、すなわち、入力端ＩＮＰと出力端ＯＵＴＰとを直接接続する制御が行われる。
そして、チャージポンプ回路１３は、ＡＤ変換値ＶａｄがスーパーキャパシタＣｓｃ１４の耐電圧３．０Ｖを超える（３．０Ｖ＜Ｖａｄ）場合には、ＯＦＦ制御、すなわち、入力と出力とを切断する制御が行われる。

なお、この制御を切り替えるときのＡＤ変換値Ｖａｄの値１．５、２．４、３．０は、実際に使用する太陽電池１１の開放電圧ＶｏｃやスーパーキャパシタＣｓｃ１４の定格電圧により決定される。太陽電池１１の最大出力電力点ＭＰＰは開放電圧Ｖｏｃの０．７倍程度なので、２分割や３分割するときの第２のコンデンサの電圧閾値が、太陽電池１１の開放電圧Ｖｏｃ（の近傍の値（開放電圧Ｖｏｃと最大出力電力点の電圧との間の電圧））に応じて定められれば、太陽電池１１を最大出力電力点近傍で動作させることができる。また、ＡＤ変換値Ｖａｄの値３．０は、スーパーキャパシタＣｓｃ１４の定格電圧により決定される。

そして、表２は、ＳＷ制御部１７からのＳＷ制御信号（充電および放電）の制御状態に対するチャージポンプ回路１３の８つの半導体ＳＷである各ＳＷの具体的なＳＷ制御状況（ＯＮ／ＯＦＦ）を示すテーブルである。

表２は、×３制御での充電状態Ｓ３ｃおよび放電状態Ｓ３ｄにおけるチャージポンプ回路１３の各ＳＷのＳＷ制御状況（ＯＮ／ＯＦＦ）と、×２制御での充電状態Ｓ２ｃおよび放電状態Ｓ２ｄにおけるチャージポンプ回路１３の各ＳＷのＳＷ制御状況（ＯＮ／ＯＦＦ）とを示す。さらに、表２は、×１制御での制御状態Ｓ１およびＯＦＦ制御での制御状態Ｓ０におけるチャージポンプ回路１３の各ＳＷのＳＷ制御状況（ＯＮ／ＯＦＦ）も同様に示す。

表２において、×３制御での充電状態Ｓ３ｃおよび放電状態Ｓ３ｄを実行するために、充電状態Ｓ３ｃでは、半導体スイッチＳＷｉ、ＳＷｓ０、ＳＷｓ１がＯＮに設定され、半導体スイッチＳＷｇ０、ＳＷｇ１、ＳＷｏ０、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２がＯＦＦに設定される。放電状態Ｓ３ｄでは、半導体スイッチＳＷｉ、ＳＷｓ０、ＳＷｓ１がＯＦＦに設定され、半導体スイッチＳＷｇ０、ＳＷｇ１、ＳＷｏ０、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２はＯＮに設定される。

また、×２制御での充電状態Ｓ２ｃおよび放電状態Ｓ２ｄを実行するために、充電状態Ｓ２ｃでは、半導体スイッチＳＷｉ、ＳＷｓ０、ＳＷｇ１がＯＮに設定され、半導体スイッチＳＷｓ１、ＳＷｇ０、ＳＷｏ０、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２がＯＦＦに設定される。放電状態Ｓ２ｄでは、半導体スイッチＳＷｉ、ＳＷｓ０、ＳＷｓ１、ＳＷｏ２がＯＦＦに設定され、半導体スイッチＳＷｇ０、ＳＷｇ１、ＳＷｏ０、ＳＷｏ１がＯＮに設定される。

そして、×１制御での制御状態Ｓ１では、半導体スイッチＳＷｉおよびＳＷｏ０がＯＮに設定され、半導体スイッチＳＷｓ０、ＳＷｓ１、ＳＷｇ０、ＳＷｇ１、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２がＯＦＦに設定される。さらに、ＯＦＦ制御での制御状態Ｓ０では、８つの半導体スイッチすべてがＯＦＦに設定される。

さらに、図６は、タイミング生成部１８が行う制御シーケンス図であり、ＡＤ変換部１５およびＳＷ制御部１７における制御状態を示している。タイミング生成部１８により、ＡＤ変換部１５における制御周期が決定され、制御周期内の先頭でＡＤ変換が行われ、残りの周期内においては、ＳＷ制御部１７による所定のＳＷ制御が行われる。

ＳＷ制御部１７におけるＳＷ制御は、制御周期の先頭のＡＤ変換においてＳ０制御が行われ、残りの周期内において所定のＳＷ制御である×３制御、×２制御、×１制御およびＯＦＦ制御を行うことができるシーケンスとなっている。

所定のＳＷ制御パターンは、×３制御では、充電状態Ｓ３ｃ、ＯＦＦ制御Ｓ０、放電状態Ｓ３ｄおよびＯＦＦ制御Ｓ０を１サイクル（クロック周期ΔＴ）としたサイクルの繰り返しであり、×２制御では、充電状態Ｓ２ｃ、ＯＦＦ制御Ｓ０、放電状態Ｓ２ｄおよびＯＦＦ制御Ｓ０を１サイクル（クロック周期ΔＴ）としたサイクルの繰り返しである。また、×１制御では、Ｓ１制御と制御周期の最後にＯＦＦ制御Ｓ０が行われるＳＷ制御パターンであり、ＯＦＦ制御では、制御周期内がＯＦＦ制御Ｓ０のＳＷ制御パターンである。

そして、本実施形態の制御部２０によるチャージポンプ回路１３のＳＷ制御フローを、図７を参照して説明する。

まず、ＳＷ制御が開始されると、制御部２０は、ＳＷ制御部１７をＯＦＦ制御状態Ｓ０とし、チャージポンプ回路１３において、すべてのＳＷをＯＦＦに設定する。そして、ＡＤ変換部１５においてＡＤ変換を実行してＡＤ変換値Ｖａｄを取得する（ステップＳ１０１）。

そして、取得したＡＤ変換値Ｖａｄが１．５以下か否かを判定し（ステップＳ１０２）、以下であれば（Ｙｅｓ）、×３制御を行う（ステップＳ１１１）。

×３制御においては、まず、制御部２０は、ＳＷ制御部１７を×３制御の充電状態Ｓ３ｃとし、チャージポンプ回路１３を、半導体スイッチＳＷｉ、ＳＷｓ０、ＳＷｓ１をＯＮに設定し、半導体スイッチＳＷｇ０、ＳＷｇ１、ＳＷｏ０、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２をＯＦＦに設定する。この設定により、図４（ａ）×３制御の充電時（Ｓ３ｃ）に示すように、チャージポンプ回路１３では、入力キャパシタＣｉｎ１２の蓄積電荷の一部が半導体スイッチＳＷｉを介して３つの直列接続のフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１、Ｃｆ２に充電される、×３制御の充電時の接続となる。この状態を所定時間（入力キャパシタＣｉｎ１２と３つの直列接続のフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１、Ｃｆ２とがほぼ等電位となるまでの時間）保持（ステップＳ１１１）した後、次ステップ（ステップＳ１１２）へ進む。

つぎに、制御部２０は、ＳＷ制御部１７をＯＦＦ制御状態Ｓ０とし、チャージポンプ回路１３を、すべてのＳＷをＯＦＦに設定し、この状態を所定時間（スイッチング遅延を吸収するための微少時間）保持（ステップＳ１１２）した後、次ステップ（ステップＳ１１３）へ進む。

そして、制御部２０は、ＳＷ制御部１７を×３制御の放電状態Ｓ３ｄとし、チャージポンプ回路１３を、半導体スイッチＳＷｉ、ＳＷｓ０、ＳＷｓ１をＯＦＦに設定し、半導体スイッチＳＷｇ０、ＳＷｇ１、ＳＷｏ０、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２をＯＮに設定する。この設定により、チャージポンプ回路１３は、図４（ａ）×３制御の放電時（Ｓ３ｄ）に示す接続となり、３つのフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１、Ｃｆ２は並列接続となり、電圧が１／３に降圧されてスーパーキャパシタＣｓｃ１４に出力される。この状態を所定時間（それぞれのフライキャップコンデンサとスーパーキャパシタＣｓｃ１４とがほぼ同電位と成るまでの時間）保持（ステップＳ１１３）した後、次ステップ（ステップＳ１１４）へ進む。

制御部２０は、ＳＷ制御部１７をＯＦＦ制御状態Ｓ０とし、チャージポンプ回路１３を、すべてのＳＷをＯＦＦに設定し、この状態を所定時間（スイッチング遅延を吸収するための微少時間）保持（ステップＳ１１４）した後、次ステップ（ステップＳ１１５）へ進む。

そして、タイミング生成部１８は、ＳＷ制御部１７のＳＷ制御が終了か否かを判定し（ステップＳ１１５）、継続する場合（Ｎｏ）は、再度×３制御が行われ（ステップＳ１１１の戻り）、所定の時間が経過して終了する場合には（Ｙｅｓ）、開始（ステップＳ１０１）へ戻る。

タイミング制御部１８は、以上のステップＳ１１１乃至ステップＳ１１５を繰り返し実行することで×３制御を行う。

一方、制御部２０は、取得したＡＤ変換値Ｖａｄの判定（ステップＳ１０２）においてＡＤ変換値Ｖａｄが１．５を超えている場合には（Ｎｏ）、次ステップ（ステップＳ１０３）へ進む。

そして、取得したＡＤ変換値Ｖａｄが２．４以下か否かを判定（ステップＳ１０３）し、以下であれば（Ｙｅｓ）、×２制御を行う（ステップＳ１２１）。

×２制御では、先ず、制御部２０は、ＳＷ制御部１７を×２制御の充電状態Ｓ２ｃとし、チャージポンプ回路１３を、半導体スイッチＳＷｉ、ＳＷｓ０、ＳＷｇ１をＯＮに設定し、半導体スイッチＳＷｓ１、ＳＷｇ０、ＳＷｏ０、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２をＯＦＦに設定する。この設定により、図４（ｂ）×２制御の充電時（Ｓ２ｃ）に示すように、チャージポンプ回路１３では、入力キャパシタＣｉｎ１２の蓄積電荷の一部が半導体スイッチＳＷｉを介して２つの直列接続のフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１に充電される、×２制御の充電時の接続となる。この状態を所定時間（入力キャパシタＣｉｎ１２と２つの直列接続のフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１とがほぼ等電位となるまでの時間）保持（ステップＳ１２１）した後、次ステップ（ステップＳ１２２）へ進む。

制御部２０は、ＳＷ制御部１７をＯＦＦ制御状態Ｓ０とし、チャージポンプ回路１３を、すべてのＳＷをＯＦＦに設定し、この状態を所定時間（スイッチング遅延を吸収するための微少時間）保持（ステップＳ１２２）した後、次ステップ（ステップＳ１２３）へ進む。

そして、制御部２０は、ＳＷ制御部１７を×２制御の放電状態Ｓ２ｄとし、チャージポンプ回路１３を、半導体スイッチＳＷｉ、ＳＷｓ０、ＳＷｓ１、ＳＷｏ２をＯＦＦに設定し、半導体スイッチＳＷｇ０、ＳＷｇ１、ＳＷｏ０、ＳＷｏ１をＯＮに設定する。この設定により、チャージポンプ回路１３は、図４（ｂ）×２制御の放電時（Ｓ２ｄ）に示す接続となり、２つのフライキャップコンデンサＣｆ０、Ｃｆ１は並列接続となり、電圧が１／２に降圧されてスーパーキャパシタＣｓｃ１４に出力される。この状態を所定時間（それぞれのフライキャップコンデンサとスーパーキャパシタＣｓｃ１４とがほぼ同電位と成るまでの時間）保持（ステップＳ１２３）した後、次ステップ（ステップＳ１２４）へ進む。

制御部２０は、ＳＷ制御部１７をＯＦＦ制御状態Ｓ０とし、チャージポンプ回路１３を、すべてのＳＷをＯＦＦに設定し、この状態を所定時間（スイッチング遅延を吸収するための微少時間）保持（ステップＳ１２４）した後、次ステップ（ステップＳ１２５）へ進む。

そして、制御部２０は、タイミング生成部１８によりＳＷ制御部１７のＳＷ制御が終了か否かを判定（ステップＳ１２５）し、継続する場合（Ｎｏ）は、再度×２制御が行われ（ステップＳ１２１に戻り）、所定の時間が経過して終了する場合には（Ｙｅｓ）、開始（ステップＳ１０１）へ戻る。

タイミング制御部１８は、以上のステップＳ１２１乃至ステップＳ１２５を繰り返し実行することで×２制御を行う。

一方、制御部２０は、取得したＡＤ変換値Ｖａｄの判定（ステップＳ１０３）において、取得したＡＤ変換値Ｖａｄが２．４を超えている場合には（Ｎｏ）、次ステップ（ステップＳ１０４）へ進む。

そして、取得したＡＤ変換値Ｖａｄが３．０以下か否かを判定（ステップＳ１０４）し、以下であれば（Ｙｅｓ）、×１制御を行う（ステップＳ１３１）。

×１制御では、制御部２０は、ＳＷ制御部１７を×１制御の状態Ｓ１とし、チャージポンプ回路１３を、半導体スイッチＳＷｉおよびＳＷｏ０をＯＮに設定し、半導体スイッチＳＷｓ０、ＳＷｓ１、ＳＷｇ０、ＳＷｇ１、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２をＯＦＦに設定する。この設定により、チャージポンプ回路１３は、入出力が直接接続された状態となる。この状態を所定時間（スイッチング遅延を吸収するための微少時間）保持（ステップＳ１３１）した後、次ステップ（ステップＳ１３２）へ進む。

タイミング制御部１８は、このステップＳ１３１により、×１制御を行う。

そして、制御部２０は、ＳＷ制御部１７をＯＦＦ制御状態Ｓ０とし、チャージポンプ回路１３を、すべてのＳＷをＯＦＦに設定し、この状態を所定時間（スイッチング遅延を吸収するための微少時間）保持（ステップＳ１３２）した後、次ステップ（ステップＳ１０１）へ戻る。

一方、制御部２０は、取得したＡＤ変換値Ｖａｄの判定（ステップＳ１０４）において、取得したＡＤ変換値Ｖａｄが３．０を超えている場合には（Ｎｏ）、次ステップ（ステップＳ１０５）へ進む。

ＯＦＦ制御では、制御部２０は、ＳＷ制御部１７をＯＦＦ制御の状態Ｓ０とし、チャージポンプ回路１３を、すべてのＳＷをＯＦＦに設定し、この状態を所定時間保持（ステップＳ１０５）した後、開始（ステップＳ１０１）へ戻る。

このステップＳ１０５により、ＯＦＦ制御が行われる。一連の制御プログラムが終了する。

以上の×３制御、×２制御、×１制御、およびＯＦＦ制御により、スーパーキャパシタＣｓｃ１４は、その端子電圧の上昇に伴い、図５に示した太実線をトレースするチャージポンプ１３からの放電電流で充電される。このため、本実施形態においては、本実施形態でない図５に示した太破線をトレースする場合と比較して、低電圧側ほど大きな充電電流、すなわち、大きな充電電力による充電が可能となり、高効率な充電を行うことができる。

また、本実施形態の太陽電池電源装置３のスイッチング電源装置４は、出力電圧を一定に保つため、入力電圧（＝キャパシタ電圧）が低下した場合には、それを補うため入力電流（＝キャパシタの出力電流）が増加するように動作するので、正帰還となり急激にキャパシタの放電が進む。したがって、太陽電池電源装置３は、負荷が重くて、キャパシタの放電が激しく電圧が低下した場合でも、チャージポンプ回路１３からキャパシタに流れる平均電流が増加するので、キャパシタの充電電圧が速く復帰する。

本発明によれば、簡単な装置構成により太陽電池による充電を高効率に実現することが可能な太陽電池電源装置を得ることができる。
例えば、超低消費電力のプログラマブルデバイスを使用することで容易に装置構成を実現可能であり、ＡＤ変換頻度も低くてよいため、省電力動作が可能となる。

また、更に効率の向上を図るためには、太陽電池充電装置１のチャージポンプ回路１３の構成に、フライキャップコンデンサＣｆ３、半導体スイッチＳＷｓ２、ＳＷｇ２、ＳＷｏ３を追加することにより×４制御や、また更に、フライキャップコンデンサＣｆ４、半導体スイッチＳＷｓ３、ＳＷｇ３、ＳＷｏ４を追加することにより×５制御も容易に実現することが可能である。

１ 太陽電池充電装置
２、３ 太陽電池電源装置
４ ＳＷ−ＲＥＧ（スイッチング電源装置）
５ 負荷
１１ 太陽電池
１２ 入力キャパシタＣｉｎ（第３のコンデンサ）
１３ チャージポンプ回路（チャージポンプ）
１４ スーパーキャパシタＣｓｃ（第２のコンデンサ）
１５ ＡＤ変換部（電圧検出部）
１６ 制御選択部
１７ ＳＷ制御部
１８ タイミング生成部
２０ 制御部
２１ 電源
１００ 太陽電池システム
ＭＰＰ 太陽電池最大出力電力点、出力側最大出力電力点
ＭＰＰ２、ＭＰＰ３ 出力側最大出力電力点
ＳＷｉ（スイッチ素子）、ＳＷｓ０、ＳＷｓ１、ＳＷｇ０、ＳＷｇ１、ＳＷｏ０、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２、ＳＷｏ 半導体スイッチ
Ｃｆ０、Ｃｆ１、Ｃｆ２ フライキャップコンデンサ（第1のコンデンサ）
Ｔ１ 入力端
Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４ 出力端
ＩＮＰ 入力端
ＯＵＴＰ 出力端
ＣＯＭ 共通接地端
ＣＯＮＴ 制御端

Claims (7)

1. 直列接続されたＮ個の第１のコンデンサを前記Ｎ個並列接続することにより、入力側に接続された太陽電池の電圧を前記Ｎ分の１に降圧するチャージポンプと、
   前記チャージポンプの出力電圧を充電する第２のコンデンサと、
   前記第２のコンデンサの充電電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部が検出した検出電圧が高いときには、前記Ｎを小さな値に設定し、低いときには前記Ｎを大きな値に設定する制御部と
   を備えることを特徴とする太陽電池電源装置。
2. 前記チャージポンプは、前記太陽電池による充電時に前記Ｎ個の第１のコンデンサを直列に接続し、放電時に前記Ｎ個の第１のコンデンサを並列に接続することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池電源装置。
3. 前記第２のコンデンサは、定格電圧が前記太陽電池の開放電圧よりも低いスーパーキャパシタであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽電池電源装置。
4. 前記制御部は、前記検出電圧が、前記太陽電池の開放電圧と最大出力電力点の電圧との中間点の所定電圧に基づいた基準電圧を跨ぐときに前記Ｎを切り替えることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の太陽電池電源装置。
5. 前記制御部は、起動時に前記Ｎを大きな値に設定し、前記第２のコンデンサの電圧の定常時に前記Ｎを小さな値に設定することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の太陽電池電源装置。
6. 前記太陽電池に第３のコンデンサが並列接続され、
   前記チャージポンプは、前記Ｎ個の第１のコンデンサが前記直列接続された直列コンデンサの一端と前記第３のコンデンサの一端との間にスイッチ素子が挿入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の太陽電池電源装置。
7. 請求項１に記載の太陽電池電源装置と、
   前記第２のコンデンサの出力電圧を安定化するスイッチング電源装置と
   を備えることを特徴とする太陽電池電源装置。

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