(57)【要約】【課題】構成が簡単で、複数の出力特性の異なる太陽電池を入力電源として接続可能な二次電池を充電するための充電装置を提供することにある。【解決手段】  充電装置４０は、異なる出力特性の複数の太陽電池Ａ、Ｂ、Ｃを入力電源として接続可能であり、スイッチング電源回路８、入力電圧フィードバック回路７、充電電圧フィードバック回路９および充電電流フィードバック回路１０を具備し、前記３つのフィードバック回路７、９および１０の誤差検出信号の合成信号に基づいてスイッチング電源回路８を制御することによって、接続された太陽電池１の出力特性の最適出力動作点に対応する充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃで二次電池３ａを充電する。【選択図】図２
2010206912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池の出力電力により入力電源として二次電池を充電するための充電制御回路を具備する充電装置であって、前記充電制御回路は、異なる特性を持つ複数の太陽電池を着脱できる電源接続部を有し、該電源接続部に接続された太陽電池の出力電圧に対応して充電電流および充電電圧を制御するように構成したことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記充電制御回路は、前記電源接続部に接続された太陽電池の出力電圧に基づいて前記二次電池を充電するための充電電圧および充電電流を制御するためのスイッチング制御回路と、前記二次電池の充電電圧に基づいて前記充電電圧を設定電圧値に制御するための制御信号を前記スイッチング制御回路へフィードバックするための充電電圧フィードバック回路と、前記二次電池の充電電流に基づいて前記充電電流を設定電流値に制御するための制御信号を前記スイッチング制御回路へフィードバックするための充電電流フィードバック回路と、前記太陽電池の出力電圧に基づいて前記スイッチング制御回路の入力電圧を設定入力電圧値に制御するための制御信号をスイッチング制御回路へフィードバックするための入力電圧フィードバック回路と、を具備し、前記入力電圧フィードバック回路は、複数の設定入力電圧値を設定できる入力電圧設定手段を有し、前記充電電流フィードバック回路からの制御信号に基づいて前記スイッチング制御回路によって制御される充電電流の値を、前記スイッチング制御回路の入力電圧が前記入力電圧フィードバック回路の前記入力電圧設定手段からの信号に基づき選択した所定の電圧値になるように、制御するように構成したことを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
【請求項３】
前記入力電圧設定手段は、前記複数の太陽電池の特性に対応する入力電圧値を選択できる入力電圧設定回路を有することを特徴とする請求項２に記載された充電装置。
【請求項４】
前記入力電圧設定手段は、前記二次電池を充電する前の前記太陽電池の出力電圧に基づいて所定の入力電圧設定値を選択するように構成したことを特徴とする請求項３に記載された充電装置。
【請求項５】
前記充電制御回路は前記太陽電池の特性を判別するための太陽電池種判別手段を有し、前記入力電圧設定手段は、前記太陽電池種判別手段において判別された太陽電池の種類に基づいて所定の入力電圧設定値を選択するように構成したことを特徴とする請求項３に記載された充電装置。
【請求項６】
前記充電電圧フィードバック回路と、充電電流フィードバック回路と、入力電圧フィードバック回路とはそれぞれオペアンプを具備し、各フィードバック回路の制御信号は前記  各オペアンプを介して合成されて前記スイッチング制御回路へフィードバックされるように構成したことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一つに記載された充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動工具の電源として用いられるリチウムイオン電池、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を、太陽電池を電力源として充電するための充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドライバドリル等のコードレスタイプの電動工具では、電動工具の駆動電源としてニッケルカドミウム電池（ニカド電池）やリチウムイオン電池等の二次電池から構成された電池パックが一般に使用されている。
【０００３】
従来、ニカド電池やリチウムイオン電池等の二次電池を充電するための充電装置は、商用電源を入力電源として使用している。しかしながら、コードレス電動工具を商用電源の設備がない場所で使用する場合、作業量が多いときは多数の予備の二次電池を準備する必要があり、二次電池の設備費用が嵩み、また作業現場への二次電池の運搬作業が困難となる場合がある。
【０００４】
そこで、二次電池を充電する充電装置の入力電源として商用電源以外の別の電源から充電できる充電装置が提案されている。例えば、下記特許文献１には商用電源以外の別電源を使用した充電装置が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５―２４５１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
充電装置の入力電源として商用電源以外の電源として、様々な電源が考えられるが、本願発明者等は、特に、作業現場で商用電源等の既存の給電設備を不要とし、また発電の過程で環境汚染を防止できる太陽電池を入力電源とした充電装置に着目した。
太陽電池の電圧−電流特性（出力特性）では、図４に示されるように、光照射時において、出力端子を開放した時の出力電圧Ｖｏｃと短絡した時の開放電流Ｉｓｃを有し、また、最大出力電力Ｐｍａｘを与える最大出力動作点Ａｍａｘを有する。太陽電池から効率よく電力を得るには、太陽電池を最大出力動作点Ａｍａｘ付近（以下、動作点Ａｍａｘまたはその付近の動作点を「最適出力動作点」と称する場合がある）で動作させる必要がある。このため太陽電池に負荷を接続した場合、太陽電池側からみた負荷を常に最適出力動作点Ａｍａｘ付近に保持することが要求される。
【０００７】
太陽電池に接続される負荷を最適出力動作点（Ａｍａｘ付近）に保持する理由について、図４を参照してさらに説明する。例えば、「照射量大」における最大出力動作点Ａｍａｘで太陽電池を使用した場合、電力は電圧×電流であるので、この点における電圧値をＶｍａｘ、電流値をＩｍａｘとすると、取り出せる電力は、Ｖｍａｘ×Ｉｍａｘとなる。一方、負荷の動作点Ａｈで太陽電池を使用した場合を考える。動作点Ａｈにおける電流値Ｉｈが、例えば、最大出力点Ａｍａｘの電流値Ｉｍａｘおける電圧Ｖｍａｘの半分の値に相当する電流とすると、動作点Ａｈにおける電圧値は１／２Ｖｍａｘとなる。この時、出力特性から明らかのように、電流値Ｉｍａｘと電流値Ｉｈでは、殆ど電流値に変化がない。すなわち、動作点Ａｈにおける電流値Ｉｈは、最大出力点Ａｍａｘにおける電流値Ｉｍａｘとほぼ同じ電流値（Ｉｈ≒Ｉｍａｘ）となる。したがって、動作点Ａｈで取り出せる電力Ｐｈは、１／２Ｖｍａｘ×Ｉｈとなり、最大出力点Ａｍａｘで取り出せる電力Ｐｍａｘの約１／２となる。
【０００８】
同様に、太陽電池の出力特性における「照射量中」および「照射量小」の場合においても、最大出力動作点の約半分の出力電力となる。このように、ある照射量において取出せる電力が最大となる動作点（例えば、Ａｍａｘ）は、図中における横軸である電圧Ｖのライン（例えば、Ｖｍａｘ）から縦線を引いて出力特性にぶつかる動作点（Ａｍａｘ）と、その点から縦軸である電流Ｉのライン（例えば、Ｉｍａｘ）へ横線を引いた場合の横軸、縦軸、横線、縦線で囲まれた長方形の面積が最大になる場所である。すなわち、出力特性上の特定の動作点（例えば、Ａｍａｘ）における電圧（Ｖ）×電流（Ｉ）の出力電力（Ｐ）が、他の如何なる動作点（例えば、Ａｈ）よりも最大となれば、最大出力動作点Ａｍａｘとなり、その時の電圧Ｖｍａｘおよび電流Ｉｍａｘが最大出力動作点となる。太陽電池の最大出力電力Ｐｍａｘを与える最大出力動作点Ａｍａｘにおける動作電圧Ｖは、図４に示した「照射量中」または「照射量小」のような照射量の大小とは無関係に概ね一定の電圧値（Ｖｍａｘ）となる。
【０００９】
ここで、太陽電池の出力電圧で二次電池を充電するために、二次電池を太陽電池に直結して充電を行う場合を考えてみると、この場合、太陽電池の出力電圧は、二次電池の充電電圧まで低下することになる。例えば、図４の特性を有する太陽電池に、１／２Ｖｍａｘの電圧を有する二次電池を直結すると、太陽電池の電圧も１／２Ｖｍａｘまで低下する。「照射量大」であるとすると、流れる充電電流はＩｍａｘとなる。よって、取り出せる電力の最大値Ｐｍａｘは、先に述べたようにＶｍａｘ×Ｉｍａｘであるのに、二次電池を直結すると、１／２Ｖｍａｘ×Ｉｍａｘの電力しか取り出せないことになる。この出力電力の効率低下に鑑み、もし、太陽電池と二次電池の間に、太陽電池の出力電圧を最大出力動作点（Ｖｍａｘ）付近の所定値になるような充電制御回路を設ければ、太陽電池の出力電力を最大出力電力Ｐｍａｘに近づけることができ、太陽電池による二次電池の充電を効率よく行うことができる。
【００１０】
さらに、充電装置の入力電源として複数種類の太陽電池を接続可能にする場合は、複数種の各太陽電池に対して最適出力動作点に設定することが要求される。すなわち、入力電源である太陽電池と充電装置を互いに取り外し可能な接続部で構成して出力特性の異なる複数の太陽電池を入力電源として使用可能に構成した場合、当該充電装置に複数の太陽電池から入力される入力電圧を所定値に制御しただけでは、充電すべき二次電池の充電効率を向上させることができない。
【００１１】
太陽電池のセル枚数（パネル枚数）が異なり出力電圧の異なる特性を持つ複数の太陽電池から充電しようとした場合、例えば、セル１枚当たり（パネル１枚当り）の最適動作電圧Ｖｍａｘを、２枚直列接続した太陽電池Ａと６枚直列接続した太陽電池Ｃとを入力電源として使用する場合、上記太陽電池Ａは２枚とセル枚数が少ないので取出せる電力が少なく、二次電池の充電に多くの時間を要するが、価格が安価であるというメリットがある。また、上記太陽電池Ｃはセル枚数が６枚と多いので価格は高価だが、取出せる電力が多いので、同じ二次電池への充電が短いというメリットがある。さらに、上記太陽電池Ａと上記太陽電池Ｃの中間の充電時間および価格上のメリット、デメリットを考慮すれば、入力電源とする太陽電池のセル枚数を４枚に選択することもできる。従って、ユーザーは自分のニーズに応じて太陽電池の種類を複数種類に選択することができる。
【００１２】
しかしながら、上記太陽電池Ａ〜Ｃにおける各最適出力動作点における電圧を考えると、太陽電池ＡはＶｍａｘ×２枚＝２Ｖｍａｘ、太陽電池ＢはＶｍａｘ×４枚＝４Ｖｍａｘ、太陽電池ＣはＶｍａｘ×６枚＝６Ｖｍａｘとなり、それぞれ最適出力動作点における電圧が異なる。従って、このように出力特性の異なる太陽電池を入力電源とする場合、充電装置の入力電圧を単純に所定電圧値に制御しただけでは、太陽電池による充電効率を接続する太陽電池の種類によって著しく低下させることになる。
したがって、本発明の主目的は、入力電源として太陽電池を最適出力動作点で動作させる充電制御回路を具備し、これによって太陽電池から効率よく二次電池を充電することができる充電装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、複数の特性の異なる太陽電池を入力電源として接続可能な充電制御回路を具備する、二次電池を充電するための充電装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、入力電源として太陽電池を最適出力動作点で動作させるための構成が簡単で安価な充電制御回路を具備する充電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本願において開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次のとおりである。
【００１５】
本発明の一つの特徴によれば、太陽電池の出力電力により入力電源として二次電池を充電するための充電制御回路を具備する充電装置であって、前記充電制御回路は、異なる特性を持つ複数の太陽電池を着脱できる電源接続部を有し、該電源接続部に接続された太陽電池の出力電圧に対応して充電電流および充電電圧を制御するように構成する。
【００１６】
本発明の他の特徴によれば、前記充電制御回路は、前記電源接続部に接続された太陽電池の出力電圧に基づいて前記二次電池を充電するための充電電圧および充電電流を制御するためのスイッチング制御回路と、前記二次電池の充電電圧に基づいて前記充電電圧を設定電圧値に制御するための制御信号を前記スイッチング制御回路へフィードバックするための充電電圧フィードバック回路と、前記二次電池の充電電流に基づいて前記充電電流を設定電流値に制御するための制御信号を前記スイッチング制御回路へフィードバックするための充電電流フィードバック回路と、前記太陽電池の出力電圧に基づいて前記スイッチング制御回路の入力電圧を設定入力電圧値に制御するための制御信号をスイッチング制御回路へフィードバックするための入力電圧フィードバック回路と、を具備し、前記入力電圧フィードバック回路は、複数の設定入力電圧値を設定できる入力電圧設定手段を有し、前記充電電流フィードバック回路からの制御信号に基づいて前記スイッチング制御回路によって制御される充電電流の値を、前記スイッチング制御回路の入力電圧が前記入力電圧フィードバック回路の前記入力電圧設定手段からの信号に基づき選択した所定の電圧値になるように、制御するように構成する。
【００１７】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記入力電圧設定手段は、前記複数の太陽電池の特性に対応する入力電圧値を選択できる入力電圧設定回路を有することを特徴とする請求項２に記載された充電装置。
【００１８】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記入力電圧設定手段は、前記二次電池を充電する前の前記太陽電池の出力電圧に基づいて所定の入力電圧設定値を選択するように構成する。
本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電制御回路は前記太陽電池の特性を判別するための太陽電池種判別手段を有し、前記入力電圧設定手段は、前記太陽電池種判別手段において判別された太陽電池の種類に基づいて所定の入力電圧設定値を選択するように構成する。
【００１９】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電電圧フィードバック回路と、充電電流フィードバック回路と、入力電圧フィードバック回路とはそれぞれオペアンプを具備し、各フィードバック回路の制御信号は前記各オペアンプを介して合成されて前記スイッチング制御回路へフィードバックされるように構成する。
【発明の効果】
【００２０】
上記本発明の特徴に従えば、充電制御回路は、異なる特性を持つ複数の太陽電池を着脱できる電源接続部を有し、該電源接続部に接続された太陽電池の出力電圧に対応して充電電流および充電電圧を制御するように構成するので、複数の太陽電池の各特性に最適な出力動作点を設定することができ、太陽電池から効率よく充電電力を得ることができる。
【００２１】
例えば、図４の出力特性図を参照して説明するならば、「照射量大」の状態で１／２Ｖｍａｘの電圧を二次電池に充電する場合、上記充電制御回路によって、充電電流Ｉは、（二次電池の充電電力Ｐ＝効率×太陽電池の最大電力Ｐｍａｘ）＝（二次電池の充電電圧１／２Ｖｍａｘ×二次電池の充電電流Ｉ＝効率×太陽電池の出力電圧Ｖｍａｘ×太陽電池の出力電流Ｉｍａｘ）＝（１／２Ｖｍａｘ×二次電池の充電電流Ｉ＝効率×太陽電池の出力電圧Ｖｍａｘ×太陽電池の出力電流Ｉｍａｘ）から、充電制御回路の効率を、例えば、８５％とすると、二次電池の充電電流Ｉは、Ｉ＝２×０．８５Ｉｍａｘ＝１．７Ｉｍａｘとなり、二次電池を太陽電池に直結接続する場合の充電電流Ｉｍａｘに比較して、約１．７倍の充電電流で充電を行なうことができ、これによって、充電効率を向上させることができる。
【００２２】
上記本発明の特徴によれば、充電制御回路は、スイッチング制御回路と、充電電圧フィードバック回路と、充電電流フィードバック回路と、入力電圧フィードバック回路と、を具備し、前記入力電圧フィードバック回路は、複数の設定入力電圧値を設定できる入力電圧設定手段を有し、前記充電電流フィードバック回路からの制御信号に基づいて前記スイッチング制御回路によって制御される充電電流の値を、前記スイッチング制御回路の入力電圧が前記入力電圧フィードバック回路の前記入力電圧設定手段からの信号に基づき選択した所定の電圧値になるように制御するので、複数の太陽電池の各特性に最適な出力動作点を設定することができ、太陽電池から効率よく充電電力を得ることができる。
【００２３】
また、充電電圧フィードバック回路と、充電電流フィードバック回路と、入力電圧フィードバック回路とは、オペアンプによって構成することができるので、構成が簡単で安価な充電制御回路を達成することができる。
【００２４】
本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴は、以下の本明細書の記述および添付図面から更に明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態に係る充電装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る充電装置の構成図、図２は本発明の実施形態に係る充電装置の回路図をそれぞれ示す。なお、実施形態を説明するための図面において、同一の機能または要素を示す部材には同一の符号を付し、その繰返しの説明を省略する。
【００２６】
＜充電装置の構成について＞
入力電源となる太陽電池モジュール１は、例えば結晶シリコンのＰＮ接合から構成された太陽電池（セル）１ａと、太陽電池の種類または特性を表す判別素子（例えば、抵抗素子）１ｂとから構成される。図１に示されるように、太陽電池モジュール１は、接続部４１を介して充電装置４０の本体に着脱自在に接続される。接続部４１は、太陽電池モジュール１の複数種が接続可能に共通の着脱機構を有する。図１に示される例では、最適出力動作点の電圧がＶｍａｘ（図４参照）である太陽電池を２枚直列に接続した太陽電池Ａと、最適出力動作点の電圧がＶｍａｘである太陽電池を４枚直列に接続した太陽電池Ｂと、最適出力動作点の電圧がＶｍａｘである太陽電池を６枚直列に接続した太陽電池Ｃとが接続可能に共通の着脱機構を有する。
【００２７】
補助電源部２は、太陽電池１ａの電圧Ｖｉを降圧して、後述するマイコン１１やオペアンプ７ｇ、９ｅ、１０ｇ、１０ｈ等の電源電圧Ｖｃｃを供給するための電源部である。この補助電源部２は、ＤＣコンバータ（スイッチング電源回路）２ａと、Ｐチャンネルの絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（以下、「ＰチャンネルＦＥＴ」と称する）２ｂと、整流ダイオード２ｃと、コイル２ｄと、平滑コンデンサ２ｅと、抵抗２ｆおよび２ｇとから降圧型のスイッチ電源回路を構成し、太陽電池の電圧Ｖｉを降圧して、マイコン１１等の電源電圧Ｖｃｃを生成する。
【００２８】
すなわち、ＤＣコンバータ２ａは、降圧型コンバータを構成し、出力電圧を抵抗２ｆおよび２ｇのポテンショメータによって分圧した値が、ＤＣコンバータ２ａの内部において設定されている所定値になるようにＰチャンネルＦＥＴ２ｂをスイッチングさせることによって、所望の電源電圧Ｖｃｃを出力するものである。所望の電源電圧Ｖｃｃを抵抗２ｆ、２ｇによって分圧した値がＤＣコンバータ２ａの比較回路（図示なし）において設定されている比較値になるように、抵抗２ｆ、２ｇの抵抗値が設定される。
【００２９】
電池パック３は、充電対象となる電池パックで、１セル以上の二次電池が接続された電池組３ａと、電池組３ａの種類またはセル数等を判別するための判別抵抗から成る電池種判別素子３ｂと、電池組３ａの近傍に設定され電池温度を監視するためのサーミスタ等の感温素子３ｃとから構成される。電池組３ａは、例えば、リチウムイオン二次電池によって構成される。
【００３０】
電池種判別手段４は、電池パック３の電池種判別素子３ｂより電池組３ａの二次電池の種類を判別する機能を有し、抵抗４ａから構成される。二次電池３ａの電池種は、抵抗４ａと、電池パック３内に設定された電池種判別抵抗３ｂとで電源電圧Ｖｃｃを分圧した値を、後述するマイコン１１のＡ／Ｄポート（アナログ−デジタル変換ポート）１１ｅに入力することによって判別する。ここで電池種とは、例えば、リチウムイオン二次電池、ニカド二次電池、ニッケル水素二次電池といった二次電池自体の種類の違い、または、リチウムイオン電池等の同種の二次電池におけるセル数の違い（例えば、４セル、５セル等の違い）を指すものである。電池種を判別する必要があるのは、電池種によって充電制御方法が異なるため、電池種によってそれぞれ適した充電を行う必要があるためである。
電池温度検出手段５は、抵抗５ａ、５ｂより構成される電池温度検出手段である。電池温度は、抵抗５ａと、抵抗５ｂおよび電池パック３内感温素子３ｃの抵抗値の並列抵抗とにより電源電圧Ｖｃｃを分圧した値を、後述するマイコン１１のＡ／Ｄポート１１ｅに入力することによって検出する。
【００３１】
平滑コンデンサ６は、太陽電池１ａに並列接続された平滑用コンデンサである。
入力電圧フィードバック回路７は、オペアンプ７ｇと、オペアンプ７ｇの非反転入力部（＋）に接続された分圧抵抗７ａ、７ｂと、オペアンプ７ｇの反転入力部（−）に接続された分圧抵抗７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆとから構成される。分圧抵抗７ａ、７ｂは、入力電源となる太陽電池の出力電圧Ｖｉを分圧し、分圧された値はオペアンプ７ｇの非反転入力部（＋）に入力される。また、分圧抵抗７ｃ、７ｄは、電源電圧Ｖｃｃを分圧し、太陽電池の出力電圧Ｖｉ、すなわち充電制御回路への入力電圧Ｖｉを所定の電圧値に保持するための設定電圧（以下、分圧抵抗７ｃ、７ｄによって設定される電圧値を「第１入力電圧設定値」と称する）をオペアンプ７ｇの反転入力部（−）に供給する機能を有する。ここで、抵抗７ｅまたは抵抗７ｆのマイコン１１側端子は、通常はハイ信号にクランプされているが、太陽電池１ａの種類に対応して、抵抗７ｅまたは抵抗７ｆのマイコン側端子はロー信号に選択される。
【００３２】
すなわち、後述するマイコン１１の出力ポート１１ｄから抵抗７ｅにロー信号を出力することにより、オペアンプ７ｇの反転入力部（−）に入力される入力電圧の設定値を、電源電圧Ｖｃｃを抵抗７ｃと、抵抗７ｄおよび抵抗７ｅの並列抵抗との分圧値（以下、「第２入力電圧設定値」と称する）に設定することができる。この第２入力電圧設定値は、例えば、抵抗７ｃおよび抵抗７ｄのみによって設定した上記第１入力電圧設定値より小さな値に設定される。
【００３３】
同様に、マイコン１１の出力ポート１１ｄから抵抗７ｆにロー信号を出力することにより、電源電圧Ｖｃｃを抵抗７ｃと、抵抗７ｄおよび抵抗７ｆの並列抵抗との分圧値（以下、「第３入力電圧設定値」と称する）に設定することができる。この第３入力電圧設定値は、例えば、上記第２入力電圧設定値より小さな値に設定される。このようにして、第１入力電圧設定値、第２入力電圧設定値および第３入力電圧設定値は、図１に示した入力電源として接続される太陽電池１の種類Ａ、ＢおよびＣに対応する最適動作電圧を得るために設定される。上記設定例では、太陽電池Ａを接続する場合は、第３入力電圧設定値に設定され、また太陽電池Ｂを接続する場合は、第２入力電圧設定値に、太陽電池Ｃを接続する場合は、第１入力電圧設定値にそれぞれ設定される。
【００３４】
太陽電池１の出力電圧Ｖｉは、検出抵抗７ａおよび７ｂによって分圧されてオペアンプ７ｇの非反転入力部（＋）に入力され、反転入力部（−）に入力される上記第１入力電圧設定値、第２入力電圧設定値または第３入力電圧設定値の所望の一つと比較され、太陽電池１の種類に対応する最大電力Ｐｍａｘが出力できるような最適出力動作電圧（例えば、Ｖｍａｘ）に制御される。これによって、太陽電池１の出力電圧Ｖｉは、概ね太陽電池１の最大電力Ｐｍａｘを取り出すことができる電圧値に制御される。
【００３５】
スイッチング電源回路８は、充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃを制御するための電源を構成する。このスイッチング電源回路８は、ＤＣコンバータ８ａと、ＰチャンネルＦＥＴ８ｂと、整流ダイオード８ｃと、コイル８ｄと、平滑コンデンサ８ｅとから構成される。本実施形態では、太陽電池１の出力電圧Ｖｉを降圧して、充電電圧Ｖｃを生成する降圧型のスイッチング電源回路を使用する。ＤＣコンバータ８ａは、後述する充電電圧フィードバック回路９および入力電圧フィードバック回路７の誤差制御信号が合成される充電電流フィードバック回路１０からのフィードバック制御信号に基づき、充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃの制御を行う。
【００３６】
充電電圧フィードバック回路９は、抵抗９ａ、９ｂ、９ｃおよび９ｄと、オペアンプ９ｅと、ダイオード９ｆとから構成される。電池の充電電圧Ｖｃは、抵抗９ａおよび９ｂによって分圧され、オペアンプ９ｅの非反転入力部（＋）に入力される。また、充電電圧の設定値Ｖｓｃは、抵抗９ｃおよび９ｄによって電源電圧Ｖｃｃを分圧することによって生成され、オペアンプ３ｅの反転入力部（−）に入力される。
【００３７】
抵抗９ａおよび９ｂによって分圧された充電電圧が、抵抗９ｃおよび９ｄによって設定された充電電圧設定値Ｖｓｃになるように、ＤＣコンバータ８ａは、オペアンプ９ｅの出力制御信号に基づき、スイッチング用ＦＥＴ８ｂをスイッチング制御する。抵抗９ｃおよび９ｄによって設定される充電電圧設定値Ｖｓｃは、二次電池電圧Ｖｃをこの設定値以上の電圧に上昇させないためのリミット電圧値となるように、オペアンプ９ｅの出力制御信号に基づき、ＤＣコンバータ８ａによってスイッチング用ＦＥＴ８ｂの駆動信号をスイッチング制御する。すなわち、二次電池電圧Ｖｃが設定値Ｖｓｃより低下した場合、電池電圧Ｖｃを上昇させるようにスイッチング制御を行い、逆に、二次電池電圧Ｖｃが設定値Ｖｓｃより上昇した場合、二次電池電圧Ｖｃを低下させるようにスイッチング制御を行う。これによって、設定値Ｖｓｃ以下の所定の二次電池電圧Ｖｃを維持することができる。また、この二次電池電圧Ｖｃは、太陽電池１からスイッチング電源回路８へ出力される電圧Ｖｉ以下の電圧に制御される。
【００３８】
充電電流フィードバック回路１０は、初段オペアンプ１０ｇおよび後段オペアンプ１０ｈを具備する。初段オペアンプ１０ｇは、充電電流Ｉｃを検出するためのシャント抵抗１０ａと、入力用抵抗１０ｂおよび１０ｃと、帰還用抵抗１０ｄと共に、反転増幅回路を構成し、比較的小さい充電電流を検出することができる高感度の電流増幅器を構成する。また、後段オペアンプ１０ｈは比較増幅回路を構成し、後段オペアンプ１０ｈの非反転入力部（＋）には初段オペアンプ１０ｇの出力が入力用抵抗１０ｅを介して入力され、その反転入力部（−）には入力電圧フィードバック回路７からのフィードバック信号（オペアンプ７ｇの出力）が入力抵抗１０ｆを介して入力される。後段オペアンプ１０ｈの出力は、ダイオード１０ｉを介して、スイッチング電源回路８のＤＣコンバータ８ａにフィードバックされる。
【００３９】
本実施態様によれば、後段オペアンプ１０ｈのダイオード１０ｉを介する出力は、上述した充電電圧フィードバック回路９を構成するオペアンプ９ｅのダイオード９ｆを介する出力と共通接続される。すなわち、オペアンプ９ｅの出力とオペアンプ１０ｈの出力とは、ワイヤードＯＲ形式に共通接続される。これによって、充電電圧Ｖｃを所定電圧値Ｖｓｃ以下の電圧に抑えながら、太陽電池１による入力電圧Ｖｉが充電電流Ｉｃの大きさに対応して制御される。各段に使用されるオペアンプ１０ｇ、１０ｈは、一般に、半導体集積回路技術により一つのパッケージ（ＤＩＰやＳＯＰパッケージ）内に組み込まれたものが使用される。一つのパッケージ内に組み込まれたオペアンプは、さらに多段接続されたオペアンプ回路を含む場合があるので、そのような多段接続されたオペアンプ回路を前段オペアンプ１０ｇとして採用すれば、充電電流の検出感度をさらに改善することができる。
【００４０】
このようなフィードバック回路１０によれば、シャント抵抗１０ａに充電電流Ｉｃが流れることにより、充電電流（Ｉｃ）×シャント抵抗（１０ａ）×（−１）というマイナス電位がオペアンプ１０ｇの非反転入力部（−）に入力される。オペアンプ１０ｇは抵抗１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと共に反転増幅回路を構成しているので、オペアンプ１０ｇの非反転入力部（−）に入力された充電電流Ｉｃに比例したマイナス電圧値の１０ｄ／１０ｃ倍の電圧値がオペアンプ１０ｇから出力され、比較的少ない充電電流でも感度よく検出できる。オペアンプ１０ｇの出力は、オペアンプ１０ｈの非反転入力部（＋）に入力される。一方、オペアンプ１０ｈの反転入力部（−）には、入力電圧フィードバック回路７からのフィードバック信号が入力されるので、オペアンプ１０ｈは、充電電流Ｉｃの検出信号出力と、入力電圧（太陽電池の出力電圧）Ｖｉとを比較する比較増幅回路として動作する。
【００４１】
ここで、充電装置４０の入力電圧（太陽電池１の出力電圧）Ｖｉが入力電圧フィードバック回路７において設定した入力電圧設定Ｖｓｉより上昇または下降した場合、オペアンプ７ｇからのフィードバック出力に基づいてスイッチング電源回路８において充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃが制御される。すなわち、充電電圧Ｖｃが所定の設定電圧Ｖｓｃを超えない範囲内において、オペアンプ１０ｈにおける非反転入力部（＋）と反転入力部（−）の入力電位差が零である仮想短絡（イマジナリーショート）となるように、スイッチング電源回路８によってスイッチング制御が行われる。
【００４２】
このようなスイッチング制御では、もし入力電圧Ｖｉが入力電圧設定Ｖｓｉより上昇した場合、入力電圧Ｖｉが上昇することにより、入力電圧フィードバック回路７におけるオペアンプ７ｇの両入力部（＋）（−）間の釣り合いが取れなくなる。また、オペアンプ７ｇの出力は、充電電流フィードバック回路１０のオペアンプ１０ｈの非反転入力部（＋）および反転入力部（−）に入力されているので、オペアンプ１０ｈの両入力部（＋）（−）間の釣り合いも取れなくなる。すると、スイッチング電源回路８は、オペアンプ１０ｈからのフィードバック信号に基づきオペアンプ７ｇおよび１０ｈの入力部間の釣り合いが取れるようにスイッチングを行う。このスイッチングを行うことにより充電電流Ｉｃを、入力電圧Ｖｉが入力電圧設定値Ｖｓｉまで低下するように上昇させる。
【００４３】
逆に、入力電圧（太陽電池の電圧）Ｖｉが入力電圧フィードバック回路７において設定した入力電圧設定値Ｖｓｉより低下した場合は、スイッチング電源回路８は、充電電流Ｉｃを、入力電圧Ｖｉが入力電圧設定Ｖｓｉまで上昇するような値にまで低下させる。このようにして、照射量が増し、太陽電池１の電圧が上昇してきた場合は、充電電流Ｉｃを上昇させ、逆に、照射量が減り、太陽電池１の電圧が低下してきた場合は、充電電流Ｉｃを低下させるようにスイッチング電源回路８の制御を行う。これによって、太陽電池１の出力電圧Ｖｉを充電電圧Ｖｃより高い電圧値を持つ、ある所定の設定値Ｖｓｉ（最適出力動作点Ｖｍａｘ付近の電圧）に制御する。
【００４４】
マイコン１１は、ＣＰＵ１１ａと、出力ポート１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、Ａ／Ｄポート１１ｅ、１１ｆと、図示されていないＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ部とから構成され、各種の検出入力信号に基づいて各種の制御信号を出力する。なお、マイコン１１のメモリ部（図示なし）には、電池パック３の電池種判別データ、電池温度データ、充電電圧データ等を記憶保持し、かつ太陽電池モジュール１の電池種に関するデータを記憶保持する。
電池電圧検出回路１２は、充電出力回路を横切って直列接続された抵抗１２ａ、１２ｂから構成され、両者の抵抗１２ａ、１２ｂによって分圧された電圧をマイコン１１のＡ／Ｄポート１１ｆに入力することにより、電池電圧を判別する。
【００４５】
充電オン・オフ回路１３は、充電経路をオン・オフ（ＯＮ・ＯＦＦ）するための回路で、ＰＮＰトランジスタ１３ｅおよびＮＰＮトランジスタ１３ｆから成る２つの半導体スイッチング素子を含み、ＮＰＮトランジスタ１３ｆのバイアス抵抗１３ａ、１３ｂ、およびＰＮＰトランジスタ１３ｅのバイアス抵抗１３ｃおよび１３ｄから構成される。
【００４６】
充電を行う場合は、マイコン１１の抵抗１３ａに連なる出力ポート１１ｂからハイ信号（Ｈ信号）を出力することにより、ＮＰＮトランジスタ１３ｆをＯＮさせる。ＮＰＮトランジスタ１３ｆをＯＮさせるとＰＮＰトランジスタ１３ｅもＯＮすることによって、スイッチング電源回路８を含む充電回路が電池パック（二次電池）３に電気的接続されて、電池パック３が充電される。逆に、充電を終了する場合は、マイコン１１の抵抗１３ａに連なる出力ポート１１ｂからロー信号（Ｌ信号）を出力することにより、ＮＰＮトランジスタ１３ｆをＯＦＦさせる。ＮＰＮトランジスタ１３ｆをＯＦＦさせることによってＰＮＰトランジスタ１３ｅもＯＦＦさせて充電回路と電池パック３との間の充電経路を遮断し、充電を終了させる。
【００４７】
充電状態表示回路１４は、充電中か否かをユーザーに報知するための充電状態表示回路である。抵抗１４ａ、１４ｂ、１４ｃと、ＬＥＤ１４ｄと、ＮチャンネルＦＥＴ１４ｅとから構成される。充電中において、マイコン１１の抵抗１４ｂに連なる出力ポート１１ｃからハイ信号を出力することにより、ＮチャンネルＦＥＴ１４ｅをＯＮさせ、ＬＥＤ１４ｄを点灯させる。逆に、充電していない時は、マイコン１１の抵抗１４ｂに連なる出力ポート１１ｃからロー信号を出力することにより、ＮチャンネルＦＥＴ１４ｅをＯＦＦさせてＬＥＤ１４ｄを消灯させる。
【００４８】
入力電圧検出回路１５は、太陽電池１から充電装置４０に入力される入力電圧Ｖｉを検出するための検出回路であり、抵抗１５ａおよび１５ｂの分圧抵抗から成る。入力電圧は抵抗１５ａと１５ｂによって分圧され、その分圧値をマイコン１１のＡ／Ｄポート１１ｆに入力することによって、マイコン１１によって入力電圧を判別する。
【００４９】
太陽電池種判別手段１６は、接続部４１に接続される太陽電池１ａの特性を判別するための太陽電池種判別手段であり、抵抗１６ａから構成される。太陽電池モジュール１の太陽電池種（１ａ）は、抵抗１６ａと、太陽電池モジュール１内に設定された太陽電池種判別素子を構成する抵抗１ｂとで、定電源電圧Ｖｃｃを分圧した値を、マイコン１１のＡ／Ｄポート１１ｆに入力することによって、マイコン内のメモリに記憶されたデータと比較し、判別する。ここでいう太陽電池種とは、先に図１を参照して説明したように、動作点の異なる複数の太陽電池Ａ、ＢおよびＣを指すものとする。太陽電池１で効率良く充電を行うには、最適出力動作点付近で太陽電池の電圧を制御する必要があり、太陽電池種を判別するのは、この動作点を判断するためである。
【００５０】
＜充電装置の動作について＞
次に、図２の回路ブロック図、図３の制御フローチャートを参照して本発明の実施形態に係る充電装置４０の動作について説明する。
まず、入力電源である太陽電池１が充電装置４０に接続されると、充電装置４０が太陽電池１を電源として動作状態になる。
【００５１】
電池パック３の二次電池３ａが実装される前において充電が行われていない状態をユーザーに報知するために、充電状態表示回路１４のＬＥＤ１４ｄは消灯状態となっている（ステップ４０１）。この場合、ＬＥＤ１４ｄを消灯するために、マイコン１１の抵抗１４ｂと連なる出力ポート１１ｃからロー信号を出力し、ＦＥＴ１４ｅをＯＦＦさせる。
【００５２】
次に、電池パック３が充電装置４０に実装されたか否かを判別する。電池パック３の接続は、例えば、マイコン１１のＡ／Ｄポート１１ｅに入力される電池温度検出手段４の検出信号の変化によって判別する（ステップ４０２）。
【００５３】
次に、電池種検出手段４からの検出信号に基づき、電池パック３の電池種を判別する（ステップ４０３）。電池パック３の電池種は電池パック３内の電池種判別素子３ｂの抵抗値に対応して設定されており、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニカド電池等の構造上における種類の違いや、同じ構造の電池パック３でも、リチウムイオン二次電池のように、１４．４Ｖまたは１８Ｖ等のように電圧範囲の違い、または電池パック３内の電池の組数に基づいて電池種判別素子３ｂの抵抗値が設定される。
【００５４】
次に、太陽電池種判別手段１６からの検出信号に基づき、太陽電池１の電池種を判別する（ステップ４０４）。例えば、図１に示めした複数種の太陽電池Ａ、Ｂ、Ｃの判別例について説明すれば、上述したように、セルが２枚直列接続された太陽電池Ａは、セル１枚の最適出力動作点をＶｍａｘとすれば、最適動作電圧が２Ｖｍａｘとなり、同様に、太陽電池ＢおよびＣは、それぞれ４枚、６枚が直列接続されたものであり、それらの最適出力動作点は、４Ｖｍａｘおよび６Ｖｍａｘとなる。したがって、太陽電池種判別手段１６からの検出信号に基づき太陽電池１の電池種を判別する必要があり、上記太陽電池Ａ、Ｂ、Ｃにおいては、太陽電池種判別素子として機能する抵抗１ｂの抵抗値を互いに異なる抵抗値ａ、ｂ、ｃに設定することにより、太陽電池種を判別する。
【００５５】
このような太陽電池モジュール１に設置された太陽電池種判別素子１ｂに基づく太陽電池種の検出法は一例として例示すものであり、他の判別法に従ってもよい。例えば、入力電圧検出手段１５によって太陽電池モジュール１の太陽電池１ａの電圧Ｖｉを検出し、検出された太陽電池の電圧Ｖｉに基づき太陽電池種類を判別する方法がある。例えば、充電前の太陽電池電圧が、Ｖ１〜Ｖ２（ただし、Ｖ１＜Ｖ２）の範囲にある場合は太陽電池Ａと判断し、Ｖ２〜Ｖ３（ただし、Ｖ２＜Ｖ３）の範囲にある場合は太陽電池Ｂと判断し、Ｖ３〜Ｖ４（ただし、Ｖ３＜Ｖ４）の範囲にある場合は太陽電池Ｃと判断することができる。
【００５６】
次に、ステップ４０４において検出された太陽電池モジュール１の太陽電池種に基づいて、制御すべき充電装置４０の入力電圧Ｖｉの設定値Ｖｓｉを設定する（ステップ４０５）。例えば、ステップ４０４において太陽電池種判別手段１６によって接続された太陽電池が太陽電池Ａであると判別した場合、入力電圧Ｖｉの設定値Ｖｓｉを上述した第３入力電圧設定値Ｖｓｉ＝２Ｖｍａｘに設定するために、マイコン１１の抵抗７ｅに連なる出力ポート１１ｄからロー信号を出力する。同様に、接続された太陽電池モジュール１の電池種が太陽電池Ｂであると判別した場合、入力電圧Ｖｉの設定値Ｖｓｉを上述した第２入力電圧設定値Ｖｓｉ＝４Ｖｍａｘに設定するためにマイコン１１の抵抗７ｆに連なる出力ポート１１ｄからロー信号を出力する。また、同様にして太陽電池Ｃであると判別した場合、入力電圧Ｖｉの設定値Ｖｓｉを上述した第１入力電圧設定値Ｖｓｉ＝６Ｖｍａｘに設定するために、マイコン１１の抵抗７ｅおよび７ｆに連なる出力ポート１１ｄから信号を出力しないようにハイ信号（オープン状態）に保持する。
【００５７】
次に、充電を開始する（ステップ４０６）。充電の開始は、マイコン１１の抵抗１３ａに連なる出力ポート１１ｂからハイ信号を出力することにより、ＮＰＮトランジスタ１３ｆおよびＰＮＰトランジスタ１３ｅをＯＮさせ、スイッチング電源回路８と電池パック３を接続する充電経路を導通状態とすることによって行われる。
【００５８】
充電を開始したら、充電の開始をユーザーに報知するために、充電状態表示回路１４のＬＥＤ１４ｄを、例えば、赤色に点灯させる（ステップ４０７）。ＬＥＤ１４ｄを点灯させるには、マイコン１１の抵抗１４ｂに連なる出力ポート１１ｃからハイ信号を出力し、ＦＥＴ１４ｅをＯＮさせる。
【００５９】
充電開始後は、満充電か否かを判別する（ステップ４０８）。満充電の判別方法は周知の方法が採用できる。本実施形態における満充電判別方法の一例では、例えば、電池パック３がリチウムイオン二次電池３ａを充電する場合、電池電圧検出回路１２において検出される電池電圧が所定値に達した場合に満充電と判別する。
【００６０】
この際の満充電と判別する電池電圧の所定値は、ステップ４０３において検出した電池種に基づき、例えば、４セルのリチウムイオン二次電池３ａであれば、４セル×４．２Ｖ＝１６．８Ｖ、５セルのリチウムイオン二次電池３ａであれば、５セル×４．２Ｖ＝２１Ｖのように、１セル当り４．２Ｖに設定すればよい。なお、設定する所定値は、このような電圧値に限られるものではない。また、ニカド電池の場合は、例えば、電池温度検出手段５において検出される電池温度が、充電中において所定温度以上に達したら充電を満充電と判別する方法が採用できる。
【００６１】
ステップ４０８において、満充電と判別した場合は、充電を終了する（ステップ４０９）。充電の終了は、マイコン１１の抵抗１３ａと連なる出力ポート１１ｂからロー信号を出力することにより、ＮＰＮトランジスタ１３ｆおよびＰＮＰトランジスタ１３ｅをＯＦＦさせ、スイッチング電源回路８と電池パック３との充電経路を遮断するとによって行われる。ステップ４０９において充電を終了させたら、充電が終了したことをユーザーの報知するために充電状態表示回路１４のＬＥＤ１４ｄを消灯させる（ステップ４１０）。ＬＥＤ１４ｄを消灯するにはマイコン１１の抵抗１４ｂに連なる出力ポート１１ｃからロー信号を出力し、ＦＥＴ１４ｅをＯＦＦさせる。
【００６２】
次に、電池パック３が充電装置４０から抜かれたか否かを判別し（ステップ４１１）、抜かれた場合はステップ４０１に戻る。
【００６３】
以上の実施形態の説明から明らかにされるように、本発明によれば、複数の太陽電池（Ａ、Ｂ、Ｃ）から選択された一つを入力電源とした充電装置（４０）を提供することができ、かつ入力電源となる複数の太陽電池（１）の出力特性に応じて太陽電池の出力特性における動作点（出力電圧Ｖｉおよび出力電流Ｉｉ）を最適出力動作点に制御することができる。これによって、太陽電池による充電効率を向上させることができる。
【００６４】
また、太陽電池の最適出力動作点を得るための電圧設定（Ｖｓｉ）および電流設定（Ｉｓｉ）は、オペアンプで構成する入力電圧フィードバック回路（７）、およびオペアンプで構成する充電電流フィードバック回路（１０）を採用するので、比較的簡単な回路構成により充電効率を向上させることができる。
【００６５】
さらに、充電電流フィードバック回路（１０）は、充電電流を検出して増幅するための初段オペアンプ（１０ｇ）を使用する反転増幅器と、充電電流（Ｉｉ）の設定誤差信号と入力電圧（Ｖｉ）の設定誤差信号とを比較する、後段オペアンプ（１０ｈ）を使用する比較増幅器とを多段接続しているので、充電電流（Ｉｉ）の設定誤差信号と入力電圧（Ｖｉ）の設定誤差信号の合成回路を比較的簡単に構成することができる。また、特に、充電電流が小電流でも、充電電流の検出は前段オペアンプによって検出され、後段オペアンプによって入力電圧設定の誤差信号と合成されるので、太陽電池による充電方式として最適である。
【００６６】
なお、上記実施形態の説明では、電池パックの二次電池としてリチウムイオン二次電池を充電する例について述べたが、ニカド電池のような他の二次電池で構成される電池パックの充電装置にも適用しても同様な効果を得ることができる。
【００６７】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施形態に係る充電装置の構成図。
【図２】図１に示した充電装置の回路図。
【図３】図２に示した充電装置の制御フローチャート。
【図４】太陽電池の出力特性図。
【符号の説明】
【００６９】
１：太陽電池モジュール      １ｂ：太陽電池種判別素子      ２：補助電源
２ａ：ＤＣコンバータ      ２ｂ：ＰチャンネルＦＥＴ      ２ｃ：整流ダイオード
２ｄ：コイル      ２ｅ：平滑コンデンサ      ２ｆ、２ｇ：抵抗      ３：電池パック
３ａ：電池組（二次電池）      ３ｂ：電池種判別素子（抵抗）
３ｃ：感温素子（サーミスタ）      ４：電池種判別手段      ４ａ：抵抗
５：電池温度検出手段      ５ａ、５ｂ：抵抗      ６：平滑コンデンサ
７：入力電圧フィードバック回路      ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ：抵抗
７ｇ：オペアンプ      ８：スイッチング電源回路      ８ａ：ＤＣコンバータ
８ｂ：ＰチャンネルＦＥＴ      ８ｃ：整流ダイオード      ８ｄ：コイル
８ｅ：平滑コンデンサ      ９：充電電圧フィードバック回路
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ：抵抗      ９ｅ：オペアンプ      ９ｆ：ダイオード
１０：充電電流フィードバック回路      １０ａ：シャント抵抗
１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｆ：抵抗      １０ｇ、１０ｈ：オペアンプ
１０ｉ：ダイオード      １１：マイコン      １１ａ：ＣＰＵ
１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ：出力ポート      １１ｅ、１１ｆ：Ａ／Ｄポート
１２：電池電圧検出回路      １２ａ、１２ｂ：抵抗      １３：充電ＯＮ・ＯＦＦ回路
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ：抵抗      １３ｅ：ＰＮＰトランジスタ
１３ｆ：ＮＰＮトランジスタ      １４：充電状態表示回路
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ：抵抗      １４ｄ：ＬＥＤ      １４ｅ：ＮチャンネルＦＥＴ
１５：入力電圧検出回路      １５ａ、１５ｂ：抵抗      １６：太陽電池種判別手段
１６ａ：抵抗      ４０：充電装置      ４１、４２：接続部
【図１】
2010206912.tif 000003
【図２】
2010206912.tif 000004
【図３】
2010206912.tif 000005
【図４】
2010206912.tif 000006