JP6745948B1 - 携帯端末用充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯端末の充電電流制限機能を利用することができ、小型の太陽電池を使用可能な携帯端末用充電器を実現する。【解決手段】太陽電池から供給された電力を被充電機器の電圧に変換する電力変換手段と、前記電力変換手段の入力電圧の変化分を検出する電圧変化検出手段と、前記電力変換手段の出力電圧を低下させる出力電圧低下手段とを備え、前記太陽電池の電圧が低下したことを検出し、前記電力変換手段の出力電圧を低下させる充電器とした。【選択図】図３

Description

本発明は充電器に関し、より詳細には、太陽電池から供給された電力によって携帯端末などの被充電機器を充電する携帯端末用充電器に関する。

従来、災害などで発生した停電時の携帯端末の充電、屋外での充電、山奥など商用電源網の無い場所での充電、電力料金の節約を目的とした充電等のために、太陽電池で携帯端末を充電する充電器があった。

近年、地震・台風・集中豪雨など自然災害時に、情報を入手するための携帯電話・スマートフォン・タブレット端末などの情報端末（以下「携帯端末」）の重要性が高まっている。しかし災害時には多くの場合停電が発生し、携帯端末のバッテリー残量不足が発生し、必要な時に使えない事態が発生している。

そのため停電時でも使用できる太陽光発電設備、蓄電池に電力を貯めておく蓄電システム、電気自動車から電力を給電するＶ２Ｈ(Vehicle to Home)システムなど、停電時に電気を使えるようなものが普及してきている。しかしそれらは家に備え付けた設備であり、洪水等での水没や家屋の倒壊などで使えなくなる。また自宅から避難所などに避難しても使えない。

携帯端末用の予備バッテリーも普及しているが、満充電された大容量の予備バッテリーでも数回の充電で貯蔵電力は底をつく。

そこで、自然エネルギーである太陽電池を使用した充電器が考えられるが、自然エネルギーの常として発電量の変動が大きいため、発電量に余裕を持った大型の太陽電池でないと使用できない。太陽電池は負荷電流が増えると出力電圧が低下してしまい、携帯端末の充電電力より小さな電力しか発生できない小型の太陽電池では、携帯端末を充電できなくなる。

太陽電池の発電電力に応じた出力電力を設定可能な充電器を使用すれば、この問題は解決できるが、日照量や気温による発電量の変化に出力電流の設定を対応させることは、操作の難しさや煩雑さなどの理由で困難である。また、出力電力を低めに設定した充電器では大きな太陽電池を接続しても、設定した低い電力でしか充電ができず、太陽電池の使用効率が悪い。

太陽電池でバッテリーを一旦充電し、その充電されたバッテリーで携帯端末を充電する方法も考えられ、実現されているが、バッテリーと太陽電池の両方が必要となり、重量が重くコストがかさみ、可搬性の課題も残る。

また、太陽電池とバッテリーを一体化した小型品などでは、バッテリーが太陽電池からの充電で温度上昇し、バッテリー寿命を著しく低下させてしまう欠点がある。Ｌｉ−ｉｏｎ(リチウムイオン)バッテリーを使用した場合は、氷点下などの極寒状態でのリチウムイオンの充電で、バッテリー内部の短絡などの危険もある。バッテリーを持たずに直接太陽電池から充電可能であれば、バッテリーの保守メンテナンスが不要になり、安全性・信頼性も向上する。

特開平１１−４６４５７号公報 特開２０１３−４８５３２号公報

しかしながら、図１に示すように、太陽電池の出力電圧Ｖ（図１横軸）は、出力電流Ｉ（図１左の縦軸）が０の時に最大電圧Ｖoc（開放電圧）であり、出力電流Ｉが増えるに従い電圧は低下して、出力電流Ｉscが短絡電流として上限となり、このとき出力電圧Ｖ＝０となる。

太陽電池の出力（発電量）は、出力電圧Ｖと出力電流Ｉの積の電力として、図１に示す右上がりの山形の出力特性ｐ（Ｉ，Ｖ）となり、出力電圧Ｖpmax、出力電流Ｉpmaxにおいて、最大電力ｐmax（図１右の縦軸）となるが、これは日照や温度により大幅に変化する。そのため、太陽電池をそのまま携帯端末の充電端子に接続することは出来ず、図２に示す従来の充電器１０では、太陽電池４の出力をＤＣＤＣコンバータなどの電力変換手段１を介して充電器の出力電圧を安定化し、携帯端末などの被充電機器５に接続して充電する。

このような従来の充電器では、日照や温度などの条件が良く太陽電池の発電量が十分あれば充電動作に問題はないが、条件が悪く携帯端末の最大充電電力を賄うだけの発電量を持たない場合や、小型の太陽電池では、発電量が不足して電圧が低下してしまう。前述のような太陽電池の特性上、最大発電電力は電圧が低下し始めたところにあるため、その点を越えると、一気に電圧が低下し、電力変換手段が動作できない電圧まで下がってしまい、充電できなくなってしまう。

このメカニズムを説明するために、充電開始からの電力変換手段１の動作を説明する。電力変換手段１は、電力変換手段１の入力電圧や電力変換手段１の出力負荷電流が変化しても、電力変換手段１の出力に一定の電圧を供給し続けるように動作（定電圧動作）をしている。電力変換手段１の入力電圧が下がると、出力を確保するため逆に電力変換手段１の入力電流が増える。

太陽電池４の側から見ると図１に示すように、電流が流れたので電圧が低下し、それによりさらに電流が増加するため、電圧低下は加速される。ここで正帰還動作となり、一気に電圧が低下してしまう。正帰還が働き始める点が最大電力発電量の点ｐmaxであるので、これよりも電圧が高い場所（Ｖ＞Ｖpmax）で動作させる必要があるが、前述のように条件が悪いとこれは実現できない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、太陽電池の発電量に応じた電力で充電できる充電器を提供することにある。

従来の充電器の構成では、上述のように、太陽電池の発電容量が十分でないと充電機能が起動しないという問題がある。

そこで、本発明では、携帯端末がもつ被充電機器としての以下の機能を利用する。すなわち、近年の携帯端末には、被充電機器として充電器の電力容量に見合った電力で携帯端末の電池を充電する充電電流制限機能がある。この充電電流制限機能の動作は、充電開始時に携帯端末が充電電流を徐々に上昇させてゆき、充電電流が充電器の定格電流まで達すると充電器の充電電圧が低下することを検出する。携帯端末は充電器の充電電圧が低下することを検出すると、その時の充電電流値以下に充電電流を制限して充電動作を継続するものである。

従来の充電器では、太陽電池から充電器への入力電圧が低下しても、充電器の電力変換手段は出力電圧を一定に保とうとするが、本発明の充電器は、充電器の電力変換手段への入力電圧の低下の変化を検出して、電力変換手段の出力電圧を低下させる。

このようにすると、上述の携帯端末が持っている充電電流制限機能が起動し、携帯端末が充電電流をそれ以上増やさないようにする。その結果、太陽電池の発電電力量が十分でない場合であっても電力変換手段が起動し、充電動作を行うことが可能となる。

本発明の一態様は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

（構成１）
太陽電池から供給された電力を被充電機器の電圧に変換する電力変換手段と、
前記電力変換手段の入力電圧の変化分を検出する電圧変化検出手段と、
前記電力変換手段の出力電圧を低下させる出力電圧低下手段とを備え、
前記出力電圧低下手段は、前記電圧変化検出手段により検出された入力電圧の変化分に応じて前記電力変換手段の出力電圧を低下させ、前記被充電機器の充電電流制限機能を起動させる
ことを特徴とする充電器。

（構成２）
前記電圧変化検出手段をコンデンサによる微分器で構成し、電圧変化検出信号を発生する
ことを特徴とする構成１に記載の充電器。

（構成３）
前記出力電圧低下手段を比較器で構成し、前記比較器が前記電力変換手段の出力電圧と比較する基準電圧を前記電圧変化検出信号により変化させる
ことを特徴とする構成２に記載の充電器。

（構成４）
前記出力電圧低下手段を比較器で構成し、前記比較器が基準電圧と比較する前記電力変換手段の出力電圧を前記電圧変化検出信号により変化させる
ことを特徴とする構成２に記載の充電器。

（構成５）
前記出力電圧低下手段が、スイッチング方式の前記電力変換手段のスイッチングパルス幅またはスイッチング周波数を変化させる
ことを特徴とする構成１に記載の充電器。

（構成６）
前記電圧変化検出手段を、前記太陽電池の電圧とあらかじめ設定しておいた太陽電池のＶ−Ｉ特性とを比較して、前記太陽電池の前記電圧が最大電力点になったことを検出し、該最大電力点からの電圧変化を検出する電圧変化検出手段とした
ことを特徴とする構成１に記載の充電器。

（構成７）
前記電圧変化検出手段を、前記太陽電池の電圧と日照または温度などの周囲状況により予測した太陽電池のＶ−Ｉ特性とを比較して、前記太陽電池の前記電圧が最大電力点になったことを検出し、該最大電力点からの電圧変化を検出する電圧変化検出手段とした
ことを特徴とする構成１に記載の充電器。

（構成８）
前記電圧変化検出手段を、前記太陽電池の電圧と発電電圧・電流の実績値から予測した太陽電池のＶ−Ｉ特性とを比較して、前記太陽電池の前記電圧が最大電力点になったことを検出し、該最大電力点からの電圧変化を検出する電圧変化検出手段とした
ことを特徴とする構成１に記載の充電器。

以上記載したように、本発明によれば、太陽電池から携帯端末へ充電するとき、発電量に余裕のある太陽電池が必要で、太陽電池が大型になり、コスト・設置場所・保管場所・移動・取り扱いなど困難があるという課題を解決できる。

そして、本発明によれば、太陽電池のＩ−Ｖ特性による電圧変化を検出し、携帯端末への供給電圧を一時的に低下させることで、携帯端末の充電器に応じた電流で充電する充電電流制限機能を利用することができ、小型の太陽電池を使用可能な携帯端末用充電器を実現することができる。

太陽電池のＶ−Ｉ特性および電力特性を説明する図である。 従来の充電器の構成を説明する図である。 本発明の充電器の第１の実施形態の構成を説明する図である。 本発明の充電器の第２の実施形態の構成を説明する図である。 本発明の充電器の第３の実施形態の構成を説明する図である。 本発明の充電器の第４の実施形態の構成を説明する図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図３は、本発明の第１の実施形態にかかる充電器１００の構成を説明する図である。図３の実施形態１は、太陽電池４から供給された電力を携帯端末（被充電機器）５への出力電圧に変換する電力変換手段１と、電力変換手段１の入力電圧の変化分を検出する電圧変化検出手段２と、電圧変化検出手段２からの検出信号に応じた制御信号により電力変換手段１の出力電圧を低下させる出力電圧低下手段３を持ち、太陽電池４の出力電圧が低下したことを検出し、電力変換手段１の出力電圧を低下させるようにした充電器１００である。

このような構成により、太陽電池４の出力電圧が低下した場合に電力変換手段１の出力電圧を低下させ、被充電機器である携帯端末５が持っている充電電流制限機能を起動させ、携帯端末５が充電電流をそれ以上増やさないようにする。その結果、太陽電池４の発電容量が十分でない場合であっても充電器の電力変換手段１が起動し、充電動作を行うことが可能となる。

（実施形態２）
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる充電器２００の構成を説明する図である。
図４の実施形態２は、図３の実施形態１において、電力変換手段１の入力電圧の変化分を検出する電圧変化検出手段２をコンデンサ６による微分器で構成した充電器である。コンデンサは電流の積分作用を有するから、電圧信号の変化を検出する微分器として使用して電圧変化検出信号を発生することができる。

（実施形態３）
図５は、本発明の第３の実施形態にかかる充電器３００の構成を説明する図である。
図５の実施形態３は、図４の実施形態２において、検出手段２からの検出信号に応じて電力変換手段１の出力電圧を低下させる出力電圧低下手段３を、電力変換手段１の出力電圧を制御する制御信号を発生する比較器７で構成した充電器である。比較器７の−側入力には電力変換手段１の出力電圧をフィードバック電圧として加え、比較器７の＋側入力には基準電圧とともにコンデンサ６による微分信号（電圧変化検出信号）を加えて比較し、電力変換手段１の出力電圧を制御する制御信号を発生する。電力変換手段１の出力電圧と比較する基準電圧を、電圧変化検出信号により変化させる出力電圧低下手段である。

図５において、制御信号を発生する比較器７の−側入力にコンデンサ６による微分信号の反転信号を加え、比較器が基準電圧と比較する電力変換手段のフィードバック出力電圧を電圧変化検出信号により変化させる出力電圧低下手段としてもよい。

あるいは、電力変換手段１をスイッチング方式の電力変換手段１として、スイッチングパルス幅またはスイッチング周波数を変化させる出力電圧低下手段３としてもよい。

さらに電圧変化検出手段２についても、太陽電池の出力電圧を、あらかじめ設定しておいた太陽電池のＶ−Ｉ特性と比較して、電圧が最大電力点になったことを検出し、該最大電力点からの電圧変化を検出する電圧変化検出手段とすることができる。

また、さらには日照または温度などの周囲状況により予測した太陽電池のＶ−Ｉ特性や、発電電圧・電流の実績値から予測した太陽電池のＶ−Ｉ特性と太陽電池の出力電圧とを比較して、太陽電池の出力電圧が最大電力点になったことを検出し、該最大電力点からの電圧変化を検出する電圧変化検出手段とすることもできる。

（実施形態４）
図６は、本発明の第４の実施形態にかかる充電器４００の構成を詳細に説明する図である。

図６の実施形態４の充電器の回路は、自励式の非絶縁コンバータであり、太陽電池４側の左上端の入力端子の＋極が、携帯端末（被充電機器）５側の、右上から２番目の出力端子の−極となっている。自励発振のスイッチング周波数を変化させることにより、充電器の出力電圧を制御する。

図６の図示しない左の太陽電池４側から入力電圧が印加されると、スイッチングトランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ１のゲートに起動抵抗Ｒ３を介して電圧が印加され、Ｑ１がＯＮしＱ１のドレインに接続されたトランスＴ１の上側巻線に電圧が印加される。そのときトランスＴ１の下側巻線にも電圧が発生し、電流制限抵抗Ｒ５を介してつながっているＱ１のゲートに電圧が加わり、Ｑ１のＯＮ状態は正帰還がかかって持続する。

Ｑ１のドレイン側のトランス巻線には電流が流れるが、巻線のインダクタンスにより電流は徐々に増える。この電流が電流検出抵抗Ｒ４に流れて、Ｒ４の両端に電圧が発生し、制御トランジスタＱ２のベースに電流制限抵抗Ｒ２を通して電圧が伝わり、Ｑ２がＯＮする電圧約０．６Ｖまで達すると、Ｑ２がＯＮしてＱ１のゲートが閾値以下に低下し、Ｑ１がＯＦＦする。

それまで流れていた電流はトランスＴ１にエネルギーとして蓄えられ、Ｑ１がＯＦＦすると、Ｑ１のドレインの巻線電圧が反転し整流ダイオードＣＲ１を通して平滑コンデンサＣ１を充電する。トランスに蓄えられたエネルギーが全てＣ１に移動すると、また最初の動作に戻り、Ｑ１がＯＮして自励発振が継続をする。

シャントレギュレータＩＣ：Ｕ１は、充電器の出力端子の電圧が電圧検出抵抗Ｒ７、Ｒ８で分圧されて、Ｕ１の制御端子に加わっている。Ｕ１は、この制御端子電圧がＵ１の内部基準値と同じになるように動作し、制御端子電圧が高い時は、Ｕ１のカソード側からアノード側に電流を流し、制御端子電圧が低い時は電流を流さない。

この結果、シャントレギュレータＵ１は、充電器の出力電圧が高い時はフォトカプラＰＣ１の一次側（発光側、図６の右側）に電流を流し、ＰＣ１の二次側（受光側、図６の左側）に電流が流れる。これにより制御トランジスタＱ２のベースに電流制限抵抗Ｒ４を介して電流が供給され、Ｑ２のベース電圧はＰＣ１からの電流と電流検出抵抗Ｒ１からの電流の加算となり、Ｑ２がＯＮするタイミングがＵ１によって制御される。これにより常態では、充電器の出力端子の電圧を一定に保つ動作をしている。

ここで、太陽電池４の電圧が低下し充電器の入力端子電圧が急激に低下した時を考える。すると、入力電圧変化検出コンデンサＣ２を介して、Ｕ１の制御端子電圧が上昇する。Ｕ１は電圧が上がりすぎたと判断し、フォトカプラＰＣ１に電流を流し、Ｑ２のベース電圧を上昇させる方向、すなわち電力変換手段１の出力電圧を下げる方向に動く。これにより電力変換手段１の出力電圧が低下するが、Ｃ２は微分コンデンサであるので、入力電圧の変化が無くなると、出力電圧の低下は回復する。

充電器の出力電圧の低下を検出した被充電機器(携帯端末)は、充電電流制限機能が起動し、それ以上充電電流を増やさずに、その時点の電流以下で充電を継続する。

このような構成により、太陽電池４の電圧が低下した場合に電力変換手段１の出力電圧を低下させ、被充電機器である携帯端末５が持っている充電電流制限機能を起動させ、携帯電話が充電電流をそれ以上増やさないようにする。その結果、太陽電池４の発電容量が十分でない場合であっても電力変換手段１が起動し、充電動作を行うことが可能となる。

本発明により必要最小限の発電量の太陽電池で携帯端末へ充電する充電器を実現でき、太陽電池の寸法・重量を抑えることができる。それにより未使用時の保管場所が少なくて済み、また災害時に避難するときや、屋外で使用するときなどの設置場所・移動・取り扱いが楽になる。太陽電池のコストも抑えることができる。

また、太陽電池の発電量に応じた電力で充電できるので、より大きな太陽電池が使える時はそれに見合った電力で充電でき、曇りなどの日射量が少ない時はそれに応じた電力で充電でき、充電器使用の自由度が増す。

本発明によれば、太陽電池のＩ−Ｖ特性による電圧変化を検出し、携帯端末への供給電圧を一時的に低下させることで、携帯端末の充電器に応じた電流で充電する機能を利用することができ、小型の太陽電池を使用可能な携帯端末用充電器を実現することができる。

１ 電力変換手段
２ 電圧変化検出手段
３ 出力電圧低下手段
４ 太陽電池
５ 携帯端末（被充電機器）
６ （微分）コンデンサ
７ 比較器１０，１００，２００，３００，４００ 充電器
Ｑ１：スイッチングトランジスタ（ＦＥＴ）
Ｑ２：制御トランジスタ
Ｒ１：電流検出抵抗
Ｒ２：ベース抵抗
Ｒ３：起動抵抗
Ｒ４〜Ｒ６：電流制限抵抗
Ｒ７、Ｒ８：電圧検出抵抗
ＣＲ１：整流ダイオード
Ｃ１：平滑コンデンサ
Ｃ２：入力電圧変化検出コンデンサ
Ｔ１：トランス
Ｕ１：シャントレギュレータＩＣ
ＰＣ１：フォトカプラ

Claims (8)

1. 太陽電池から供給された電力を被充電機器の電圧に変換する電力変換手段と、
   前記電力変換手段の入力電圧の変化分を検出する電圧変化検出手段と、
   前記電力変換手段の出力電圧を低下させる出力電圧低下手段とを備え、
   前記出力電圧低下手段は、前記電圧変化検出手段により検出された入力電圧の変化分に応じて前記電力変換手段の出力電圧を低下させ、前記被充電機器の充電電流制限機能を起動させる
   ことを特徴とする充電器。
2. 前記電圧変化検出手段をコンデンサによる微分器で構成し、電圧変化検出信号を発生する
   ことを特徴とする請求項１に記載の充電器。
3. 前記出力電圧低下手段を比較器で構成し、前記比較器が前記電力変換手段の出力電圧と比較する基準電圧を前記電圧変化検出信号により変化させる
   ことを特徴とする請求項２に記載の充電器。
4. 前記出力電圧低下手段を比較器で構成し、前記比較器が基準電圧と比較する前記電力変換手段の出力電圧を前記電圧変化検出信号により変化させる
   ことを特徴とする請求項２に記載の充電器。
5. 前記出力電圧低下手段が、スイッチング方式の前記電力変換手段のスイッチングパルス幅またはスイッチング周波数を変化させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の充電器。
6. 前記電圧変化検出手段を、前記太陽電池の電圧とあらかじめ設定しておいた太陽電池のＶ−Ｉ特性とを比較して、前記太陽電池の前記電圧が最大電力点になったことを検出し、該最大電力点からの電圧変化を検出する電圧変化検出手段とした
   ことを特徴とする請求項１に記載の充電器。
7. 前記電圧変化検出手段を、前記太陽電池の電圧と日照または温度などの周囲状況により予測した太陽電池のＶ−Ｉ特性とを比較して、前記太陽電池の前記電圧が最大電力点になったことを検出し、該最大電力点からの電圧変化を検出する電圧変化検出手段とした
   ことを特徴とする請求項１に記載の充電器。
8. 前記電圧変化検出手段を、前記太陽電池の電圧と発電電圧・電流の実績値から予測した太陽電池のＶ−Ｉ特性とを比較して、前記太陽電池の前記電圧が最大電力点になったことを検出し、該最大電力点からの電圧変化を検出する電圧変化検出手段とした
   ことを特徴とする請求項１に記載の充電器。

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