JPH0715889A

JPH0715889A - 太陽電池用制御回路

Info

Publication number: JPH0715889A
Application number: JP5156514A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Ono; 雅晴大野; Shin Arakawa; 伸荒川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1995-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】太陽電池で二次電池を充電する電源システム
の制御回路において、スイッチの電圧損失や熱破損と充
放電電圧の温度補償値のばらつきを解決し、放熱板がな
く小型低コストで、回路調整が不要であり二次電池の押
し込み充電も可能な、充放電制御回路と昼夜判別出力制
御回路を備えた太陽電池用制御回路を得ることを目的と
する。【構成】制御用スイッチにリレー４を用い、太陽電池
１の出力をコイル５に供給しノーマルクローズ接点端子
７とノーマルオープン接点端子６により昼夜判別して二
次電池２からの出力を制御する構成と、複数のＬＥＤで
電圧検知し二次電池の充放電を制御する構成により、蓄
電池の過充電と過放電を防止できる小形で信頼性の高い
太陽電池用制御回路が得られる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は太陽電池で二次電池を充
電する太陽電池電源システムに用いる、充放電制御およ
び出力制御を行う太陽電池用制御回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池によって二次電池を充電する太
陽電池電源システムには、鉛蓄電池などの二次電池を保
護する過充電防止や過放電防止の制御回路が必要であ
り、さらに太陽電池の光センサ機能を応用した昼夜判別
出力の制御回路がよく用いられる。

【０００３】従来の昼夜判別出力回路は、太陽電池の出
力電圧をＩＣ回路で検知し、過放電防止回路とのロジッ
ク回路により出力部の半導体スイッチ素子を高速で開閉
する回路方式がよく用いられる。また従来の過充電防止
回路は、太陽電池と二次電池を逆流防止ダイオードを介
して接続し、二次電池の電圧上昇をＩＣ回路で検出して
半導体スイッチ素子を高速で動作させ太陽電池を短絡ま
たは開放する回路方式が用いられる。

【０００４】そして、特開平１−２３４７３７号公報
に、商用電源に直列に換気扇と双方向性制御素子とを接
続したスイッチ回路と、前記双方向性制御回路素子の一
方の極とゲート極の間に抵抗とリードスイッチを接続
し、前記双方向性制御素子の他方の極とゲート極の間に
他の抵抗を接続したゲート回路と、前記リードスイッチ
に並置して設けられた電磁コイルと、この電磁コイルに
接続された太陽電池とからなる換気装置が開示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
の問題点の１つは半導体スイッチ素子の許容電流が小さ
くまた熱破壊しやすい点である。過充電防止回路の場
合、たとえば６Ｖ用二次電池を充電する定格８Ｖで最大
出力４８Ｗの太陽電池を用いた場合に短絡電流は６Ａな
いし７Ａである。この時、十分にオンした場合にはパワ
ートランジスタやパワーＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体ス
イッチ素子の電圧降下は一般に０．１Ｖ以下で発熱は
０．７Ｗ以下であるが、スイッチする時間に太陽電池の
動作点を通過するため、スイッチ速度が遅い場合４８Ｗ
の電力が加わり、短い周期のチャタリングが発生すると
熱破壊を起こす。温度上昇を緩和する放熱フィンは大き
くなりまたコスト高である。さらに低価格で入手できる
スイッチ素子の許容電流は、一般に３Ａないし５Ａ以下
である。

【０００６】また、従来例の問題点の他の１つは昼夜判
別出力制御や充放電制御のために半導体スイッチ素子の
高速開閉によるチャタリング防止のヒステリシス回路と
ロジック回路が必要であり、昼夜判別出力制御では明る
さの不安定性に対するヒステリシス回路が、充放電制御
回路では電圧検出ＩＣまたは電圧検出の不安定性に対す
るヒステリシス回路が必要である。

【０００７】さらに、従来例では充電電圧の温度補正に
調整機構が必要であるという点である。温度補正回路に
サーミスタを用いた場合、抵抗のばらつきが大きく可変
抵抗による個別調整が必要である。

【０００８】本発明は上記の問題点を解決するもので、
本発明の第１の目的は、調整機構や特別なヒステリシス
回路がない単純な回路構成であり放熱もなく大電流を制
御でき、昼夜判別出力が可能な太陽電池用制御回路を提
供するものである。

【０００９】さらに、本発明の第２の目的は充放電電圧
の温度補正が容易な太陽電池用制御回路を提供すること
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、スイッチ素子としてリレーを用い、リレーのノーマ
ルオープンとノーマルクローズの接点端子を介して二次
電池と太陽電池の出力端子に接続し、コイル端子に光セ
ンサであり駆動電力源としての太陽電池を接続して昼夜
を判別し、リレーの昼間閉路、夜間開路となるノーマル
オープンと昼間開路、夜間閉路となるノーマルクローズ
の２種類の接点端子を応用してそれぞれ昼間と夜間動作
負荷に出力を供給するものである。

【００１１】また、発熱がほとんどなく高速スイッチの
必要性がないため、特性ばらつきが少なく負の温度特性
を持つＬＥＤを直列接続して二次電池の温度特性に近似
させ、アナログ的電圧検知手段として用い、順方向直列
接続した複数の発光ダイオード（以下ＬＥＤという）、
または順方向直列接続した複数のＬＥＤの電流信号によ
り動作するスイッチ素子を介してリレーのコイル端子に
接続し、充放電出力の制御を行うものである。

【００１２】リレーのコイル電流に対する開閉のヒステ
リシスによりチャタリングも少なく簡単な回路構成で、
充放電制御を実現するものである。

【００１３】

【作用】上記構成により、日照により太陽電池に発生し
た出力がリレーのコイルに印加されると接点端子が開閉
する。雨天でも昼間は０．０２ｋＷ／ｍ²〜０．１ｋＷ
／ｍ²の光量があるため、最大出力１０Ｗの太陽電池で
も２００ｍＷ〜１０００ｍＷの電力をコイルに供給で
き、直接駆動でも市販のほとんどのリレーが動作する。
昼間、ノーマルクローズ接点端子はオフ状態を、ノーマ
ルオープン接点端子はオン状態を保持し、日没後は反転
して昼夜判別の出力制御ができる。二次電池を電源とし
太陽電池の出力を増幅する半導体スイッチ素子によりコ
イルの励磁電流を制御する構成では数十ルックス以下の
照度で同様に機能する。

【００１４】また、過充電防止回路の場合、二次電池の
電圧が上昇すると直列接続した複数のＬＥＤが順方向に
バイアスされ、直接またはスイッチ素子を介してリレー
のコイルに励磁電流が流れる。コイルが感動電圧に達す
ると、ノーマルクローズ接点端子を介して接続された二
次電池と太陽電池は開放され充電を停止する。コイルの
抵抗による電流電圧特性の勾配と、リレーの開放電圧が
感動電圧より低い性質のため接点の開閉は自動的にヒス
テリシスを持ち、充電停止後の電池電圧の低下によるチ
ャタリングは緩和される。コイルに直列の調整抵抗を接
続するとさらにチャタリング周期は長くなる。

【００１５】接点に並列にバイパス抵抗を接続すると、
昼間は接点端子の開閉によらない定電流で二次電池が押
し込み充電され、充電停止による電池電圧の低下が緩慢
でチャタリングがほとんどなく、リレーの接点寿命と二
次電池寿命がともに長くなる。

【００１６】

【実施例】以下本発明の実施例の太陽電池用制御回路に
ついて図面を参照して説明する。

【００１７】（実施例１）本発明による昼夜判別出力機
能を持つ太陽電池用制御回路の代表的実施例を、図１と
図２に示す。図１において、太陽電池１が二次電池２を
充電するよう逆流防止ダイオード３を介して接続する。
リレー４のコイル５に太陽電池１を接続し、二次電池２
と接続した昼間閉路、夜間開路となるノーマルオープン
接点端子６の一方の端子と昼間開路、夜間閉路となるノ
ーマルクローズ接点端子７の他方の端子に、それぞれ昼
間動作負荷８と夜間動作負荷９を接続する。夜間はノー
マルクローズ接点端子７の他方の端子を介して照明やＬ
ＥＤ表示灯などの夜間動作負荷９が二次電池２と接続さ
れて動作し、昼間は太陽電池１の動作電圧が上昇する
と、太陽電池１の発電電力より十分少ない２００ｍＷ〜
１０００ｍＷの電力がコイル５に加わり、ノーマルオー
プン接点端子６の一方の端子を介して換気扇やポンプな
どの昼間動作負荷８が二次電池２と接続されて動作す
る。コイル５の抵抗値は一般にリレーの定格電圧の２乗
に比例するので自動的に電流制限されるが、電源部の定
格に比べて低い定格電圧のリレーを使用したりリレーの
感動電圧と開放電圧の差によって発生するヒステリシス
を大きくして接点のチャタリングをなくす目的で、コイ
ル５に直列に調整抵抗１０を接続する。コイル抵抗によ
る昼夜判別は低速であるが、接点抵抗が低く中間状態も
ないため大電流の制御による熱破損は発生しない。

【００１８】太陽電池１は、単結晶シリコン太陽電池や
多結晶シリコン太陽電池、またはＣｄＳ／ＣｄＴｅ化合
物薄膜太陽電池やアモルファスシリコン薄膜太陽電池を
用い、二次電池２が定格１２Ｖの場合、一般に３４セル
〜４０セルを直列接続した動作電圧約１６Ｖのモジュー
ルを用いる。二次電池２として容量が４Ａｈ以下の場合
には、過放電に比較的強い密閉形のニッケルカドミウム
蓄電池やニッケル水素蓄電池を複数個直列にしたパック
電池が低コストで使え、二次電池容量に対し１／４〜１
／１０Ｃの発電電流の太陽電池の場合、使用条件により
過充電防止回路なしでも使える。二次電池２の容量が大
きく鉛蓄電池を用いて低コスト化する場合、図１の実施
例で省略した過充電防止や過放電防止の制御回路が必要
である。また複数のノーマルオープン接点や複数のノー
マルクローズ接点を持ったリレーを用いて多くの出力負
荷制御が同時に可能であり、節電のためラッチング型の
使用も可能である。

【００１９】図２において、太陽電池２３の出力をトラ
ンジスタ２４によって増幅して感度を上げコイル２５の
励磁電流を制御した本発明による別の実施例を示す。図
２において抵抗２６、２７により昼夜判別の感度調整
を、調整抵抗２８により電圧ヒステリシスを調整する。
またリレー２９は複数の接点を持ち、２個のノーマルオ
ープン接点端子３０、３０ａにより換気扇やポンプなど
の昼間動作負荷３１、３１ａを制御し、ノーマルクロー
ズ接点端子３２により照明またはＬＥＤ表示灯などの夜
間動作負荷３３を制御する。太陽電池の出力が小さくて
もリレーの駆動が容易である。

【００２０】（実施例２）本発明の実施例２による二次
電池の充放電制御機能を持つ太陽電池用制御回路の過充
電防止機能を有する代表的実施例を図３に示す。図３に
おいて、逆流防止ダイオード４１とリレー４２のノーマ
ルクローズ接点端子４３を介して太陽電池４４と二次電
池４５を接続する。また過充電制御後に二次電池４５に
太陽電池４４から押し込み充電をするため比較的高抵抗
値のバイパス抵抗４６をノーマルクローズ接点端子４３
に並列接続した。リレー４２のコイル４７を介してコイ
ル４７の一方の端子に太陽電池４４の正極を接続し他方
の端子に調整抵抗４８とトランジスタ４９のコレクター
を直列に接続した。

【００２１】昼間、太陽電池４４からの充電により二次
電池４５が過充電となり電池電圧が設定値を越えて上昇
すると、電圧検出用に直列接続した複数の発光ダイオー
ド（以下ＬＥＤという）５０に急激に電流が流れ抵抗５
１からベース電流が供給されてトランジスタ４９がスイ
ッチオンし、コイル４７に励磁電流が流れ感動電圧に達
するとリレー４２のノーマルクローズ接点端子４３が開
放され、太陽電池４４からの通常の充電は停止する。

【００２２】なお、トランジスタ４９を用いずに複数個
順方向直列接続されたＬＥＤ５０だけを用いてもよい。

【００２３】二次電池が定格１２Ｖの鉛蓄電池の場合、
リレー４２は定格１２Ｖ以下が使用でき、電圧が高いほ
うが励磁電流が少なく、許容値を越えないよう調整抵抗
４８で調整した。抵抗５１、５２の抵抗値を大きくする
と電圧検出感度が小さくなりリレー４２の電圧ヒステリ
シスが大きくなって、電池電圧の降下によるチャタリン
グ周期も長くなった。また、充電制御電圧は常温で１
３．８Ｖ〜１４．７Ｖに設定し、複数のＬＥＤ５０は順
方向立ち上がり電圧が低くばらつきの少ない赤色のＬＥ
Ｄを８〜１０個直列接続した。遮光樹脂でモールドした
定電圧用ＬＥＤを使用することもできる。ＬＥＤは−２
ｍＶ／℃〜−３ｍＶ／℃の負の温度係数を持つため、定
格電圧１２Ｖの鉛蓄電池（６セル）の場合、ＬＥＤを８
〜１０セル直列接続して温度係数をほぼ補償することが
できる。

【００２４】図３の実施例において赤色ＬＥＤを９個直
列にした温度特性測定結果を図４に示す。図４において
蓄電池電圧に対するコイル４７の励磁電流が勾配を持
ち、２５℃の場合にリレー４２がオンする電圧１４．５
Ｖに対しオフする電圧は１４．０Ｖであり０．５Ｖの電
圧ヒステリシスがあった。５５℃〜−１５℃の温度特性
はトランジスタ４９が加算され−２５ｍＶ／℃であり１
２Ｖの蓄電池の温度特性−３０ｍＶ／℃にほぼ近い温度
補償ができ、ばらつきはほとんどなかった。

【００２５】図３の実施例において定格１２Ｖ・３０Ａ
ｈの鉛蓄電池を最大出力３０Ｗの多結晶太陽電池で充電
した場合のチャタリングによる蓄電池電圧の時間変化の
測定結果を図５に示す。図５においてバイパス抵抗４６
を１００オームにするとバイパス抵抗４６がない場合に
比べてチャタリング周期が約２．５倍に伸び、バイパス
抵抗５０オームを用いた場合にはチャタリングがなく１
４．７Ｖの一定電圧に収束し押し込み充電が継続され
た。ノーマルクローズ接点端子４３が過充電保護により
開放し、３６セルの多結晶太陽電池が開放電圧約２０．
５Ｖで動作する時、鉛蓄電池との電圧差６Ｖが加わり、
バイパス抵抗４６が５０オームの時１２０ｍＡの押し込
み充電電流が流れる。電力損失は０．７２Ｗであり合成
抵抗や小型の電力抵抗を回路基板に直接実装することが
容易にできる。

【００２６】次に、本発明による二次電池の充放電制御
機能を持つ太陽電池用制御回路の過放電機能を有する代
表的実施例を図６に示す。図６において逆流防止ダイオ
ード６１を介して太陽電池６２と二次電池６３とを接続
する。またリレー６４のコイル６５を介してコイル６５
の一方の端子に二次電池６３の正極を接続し他方の端子
に調整抵抗６６とトランジスタ６７のコレクターを直列
に接続する。トランジスタ６７のエミッタはアースされ
ベースはベース電流を制限する抵抗６８を介して電圧検
出用に複数個直列接続したＬＥＤ６９の負極およびベー
ス電流を逃がすための抵抗７０に接続する。複数個直列
接続したＬＥＤ６９の正極は二次電池６３の正極に接続
され二次電池６３の電圧を監視する。またリレー６４の
ノーマルオープン接点端子７１を介して二次電池６３の
正極と負荷７２とを接続する。通常は二次電池６３によ
りＬＥＤ６９と抵抗６８とを通ってベース電流が供給さ
れ、トランジスタ６７はオン状態にありコイル６５に定
格電流が流れてノーマルオープン接点端子７１もオン状
態にある。したがって負荷７２には二次電池６３より電
力が常時供給されている。

【００２７】負荷７２の電力消費により二次電池６３の
電圧が降下したとえば定格電圧１２Ｖが１０．５Ｖに低
下すると、ＬＥＤ６９の電圧検出機能によりベース電流
が急減してトランジスタ６７とコイル６５がオフになり
ノーマルオープン接点端子７１もオフ状態となって二次
電池６３の過放電が防止される。

【００２８】なお、トランジスタ６７を用いずに複数個
順方向直列接続されたＬＥＤ６９だけを用いてもよい。

【００２９】負荷７２はＬＥＤ標識灯、照明、換気扇、
ポンプなど太陽電池による独立電源を必要とする各種負
荷であり、負荷の種類により図１ないし図３の昼夜判別
出力回路または、過充電防止回路と過放電防止回路との
複合化が容易である。また複合化において温度補正の不
要な過放電防止の場合は電圧検出機能のＬＥＤ６９の代
わりに電圧検出ＩＣなどを用いて回路の簡略化も可能で
ある。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明により明らかなように、本発
明の太陽電池用制御回路によれば、スイッチ素子として
用いるリレーと二次電池と太陽電池の単純な構成により
特別な検知回路を用いないで昼夜を判別し、複数の出力
制御が可能である。スイッチ素子による電圧損失がな
く、放熱フィンなしでも発熱による破損がなく、ヒステ
リシスによるチャタリング防止が容易である。このため
小型低コストで信頼性の高い太陽電池用制御回路が容易
に得られる。また、スイッチ素子として用いるリレーと
二次電池と太陽電池と複数のＬＥＤなどの単純な構成に
より、鉛蓄電池などの二次電池の温度補償が容易にで
き、スイッチ素子のチャタリングや熱破損のない充放電
制御が可能な太陽電池用制御回路が容易に得られる。さ
らに二次電池の寿命を延ばす押し込み充電や、充電制御
の状態を電圧検知用のＬＥＤで表示することも可能であ
る。

【００３１】さらにリレーの接点抵抗が無視できるため
複数のリレーを直列接続し、本発明による過放電防止用
と昼夜判別出力用の２種類以上の機能を複合させること
が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の太陽電池用制御回路の回路
図

【図２】同実施例１の他の太陽電池用制御回路の回路図

【図３】同実施例２の太陽電池用制御回路の回路図

【図４】同電池電圧に対するリレーのコイル電流の温度
特性の実測データを示すグラフ

【図５】同過充電防止のスイッチ動作による電池電圧の
時間変動がバイパス抵抗により変化する実測データを示
すグラフ

【図６】同別の実施例の太陽電池用制御回路の回路図

【符号の説明】

１，２３，４４，６２太陽電池２，２１，４５，６３二次電池３，２２，４１，６１逆流防止ダイオード４，２９，４２，６４リレー５，２５，４７，６５コイル６，３０，３０ａ，７１ノーマルオープン接点端子７，３２，４３ノーマルクローズ接点端子８，３１，３１ａ昼間動作負荷９，３３夜間動作負荷１０，２８，４８，６６調整抵抗２４，４９，６７トランジスタ２６，２７，５１，５２，６８，７０抵抗４６バイパス抵抗５０，６９ＬＥＤ７２負荷

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】逆流防止ダイオードを介して太陽電池か
ら二次電池を充電する太陽電池電源システムにおいて、
昼間負荷が接続され、昼間閉路、夜間開路となるノーマ
ルオープン接点端子と、夜間負荷が接続され、昼間開
路、夜間閉路となるノーマルクローズ接点端子と、前記
両接点端子を開閉するコイルとを備えたリレーを備え、
前記コイルが日照による太陽電池の出力、または日照に
よる太陽電池の出力により動作する半導体素子により、
前記両接点端子を開閉する昼夜判別出力機能を備えた太
陽電池用制御回路。
【請求項２】逆流防止ダイオードを介して太陽電池か
ら二次電池を充電する太陽電池電源システムにおいて、
ノーマルクローズ接点端子と前記接点端子を開閉するコ
イルを有するリレーと、前記リレーを介して前記太陽電
池と二次電池に接続された順方向接続された発光ダイオ
ードまたは、順方向接続された発光ダイオードとそれに
より動作するスイッチ素子とを備え、二次電池の充電電
圧が設定値以上に上昇すると、前記順方向直列接続され
た発光ダイオード、または順方向接続された発光ダイオ
ードとスイッチ素子の電流が急増し、前記ノーマルクロ
ーズ接点端子を開路とし、前記太陽電池からの通常の充
電を停止させる過充電防止機能と、ノーマルオープン接
点端子と前記接点端子を開閉するコイルを有するリレー
と、前記リレーを介して前記太陽電池と二次電池に接続
された順方向接続された発光ダイオードまたは順方向接
続された発光ダイオードとそれにより動作するスイッチ
素子とを備え、二次電池の放電電圧が設定値以下に降下
すると、前記順方向接続した発光ダイオードまたは順方
向接続した発光ダイオードとスイッチ素子の電流が急減
し、前記ノーマルオープン接点端子を開路として、前記
二次電池の負荷への放電を停止する過放電防止機能とを
備えた太陽電池用制御回路。
【請求項３】リレーのノーマルクローズ接点端子に並
列に充電用のバイパス抵抗を接続した請求項２記載の太
陽電池用制御回路。