(57)【要約】【課題】蓄電池への負担を抑制しつつ、再生可能エネルギーにより発電された電力を効率的に充電する。【解決手段】コンデンサＣ２は、再生可能エネルギーを用いた発電機１０により発電された電力を一時蓄える。スイッチＳ１は、コンデンサＣ２と蓄電池３０との間の経路に挿入される。スイッチ制御回路２２は、コンデンサＣ２の電圧が上限閾値電圧に到達したときスイッチＳ１をオンし、コンデンサＣ２の電圧が下限閾値電圧に到達したときスイッチＳ１をオフする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギーを用いる発電機により発電された電力を一時蓄えるコンデンサと、
前記コンデンサと蓄電池との間の経路に挿入されるスイッチと、
前記コンデンサの電圧が上限閾値電圧に到達したとき前記スイッチをオンし、前記コンデンサの電圧が下限閾値電圧に到達したとき前記スイッチをオフするスイッチ制御回路と、
を備えることを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記スイッチ制御回路は、
前記コンデンサの電圧が前記上限閾値電圧以上のとき有意レベルの信号を出力する第１コンパレータと、
前記コンデンサの電圧が前記下限閾値以下のとき有意レベルの信号を出力する第２コンパレータと、
前記第１コンパレータおよび前記第２コンパレータの出力信号をもとに、前記スイッチに出力する制御信号のレベルを切り換えるラッチ回路と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記スイッチと前記蓄電池との間の経路に挿入される定電流回路を、さらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の充電装置。
【請求項４】
前記発電機と前記コンデンサとの間の経路に挿入される昇圧チョッパを、さらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の充電装置。
【請求項５】
前記蓄電池は鉛蓄電池であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機で発電された電力を蓄電池に充電するための充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
温室効果ガスの排出削減、化石燃料の高騰、原発事故などを背景に、再生可能エネルギーへの注目が高まっている。再生可能エネルギーの主なものには太陽光、太陽熱、風力、水力、地熱、バイオマス、波力などがある。
【０００３】
再生可能エネルギーにより発電された電力は、蓄電池に充電されて使用されることが一般的である（例えば、特許文献１参照）。再生可能エネルギーによる発電は発電量が時間的、環境的影響により不安定になり易いという性質がある。例えば、太陽光発電では暗くなると発電量が低下またはゼロになる。また再生可能エネルギーによる発電は、その不安定さもあり出力電流が微小になり易い傾向がある。ところで蓄電池は、適正範囲から外れた電流で充電されると寿命および信頼性に悪影響が及ぶ場合がある。特に鉛蓄電池ではその傾向がはっきりと現れる。
【０００４】
再生可能エネルギーを用いた小電力発電機で発電された電力を鉛蓄電池に充電する場合、微小電力は充電せずに捨てる制御が一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−８１７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら微小電力であっても捨てるのは不経済であり、本来的には充電されるべき電力である。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄電池への負担を抑制しつつ、再生可能エネルギーにより発電された電力を効率的に充電する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の充電装置は、再生可能エネルギーを用いた発電機により発電された電力を一時蓄えるコンデンサと、前記コンデンサと蓄電池との間の経路に挿入されるスイッチと、前記コンデンサの電圧が上限閾値電圧に到達したとき前記スイッチをオンし、前記コンデンサの電圧が下限閾値電圧に到達したとき前記スイッチをオフするスイッチ制御回路と、を備える。
【０００９】
この態様によると、発電電力が微弱であってもコンデンサに一時蓄えることにより、蓄電池の充電適正範囲内の電流で蓄電池に充電できるようになる。従って蓄電池への負担を抑制しつつ、発電電力を無駄なく効率的に充電できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、蓄電池への負担を抑制しつつ、再生可能エネルギーにより発電された電力を効率的に充電できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明と比較すべき充電装置を説明するための図である。
【図２】図１の充電装置を用いて蓄電池に充電する場合の充電電流を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る充電装置を説明するための図である。
【図４】図３の充電装置のスイッチ制御回路の構成例を説明するための図である。
【図５】図４の第２コンデンサの端子電圧の推移を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る充電装置を用いて蓄電池に充電する場合の充電電流を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る充電装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明と比較すべき充電装置２０を説明するための図である。当該充電装置２０は、再生可能エネルギーを用いた発電機１０により発電された電力を蓄電池３０に充電するための充電装置である。本明細書では発電機１０として小電力発電機を主に想定する。具体的には小規模ソーラー発電、マイクロ風力発電、マイクロ水力発電など自然環境変化の影響を強く受け、発電量Ｐ（Ｗ）が小さな発電機を主に想定する。
【００１３】
本明細書では蓄電池３０として鉛蓄電池を想定する。鉛蓄電池はリチウムイオン蓄電池やニッケル水素蓄電池などと比較して安価であり、エネルギー密度ではリチウムイオン蓄電池に劣るものの、設置スペースの制約が小さい用途では広く使用されている。鉛蓄電池には適正な充電電流範囲があり、その範囲外の電流で充電されると電池寿命の短縮、信頼性低下を招くことが知られている。
【００１４】
図１において発電機１０の両端は充電装置２０のプラス入力端子とマイナス入力端子にそれぞれ接続される。充電装置２０のプラス出力端子とマイナス出力端子は、蓄電池３０のプラス端子とマイナス端子にそれぞれ接続される。
【００１５】
充電装置２０はダイオードＤ１、第１定電流回路ＣＩ１を含む。ダイオードＤ１および第１定電流回路ＣＩ１は充電装置２０のプラス経路に直列に挿入される。ダイオードＤ１は蓄電池３０から発電機１０への逆流を防止する。また発電機１０が太陽光発電のように直流発電機ではなく、風力発電のように交流発電機である場合、整流作用も担う。
【００１６】
第１定電流回路ＣＩ１は出力電流を、設定された定電流値に維持するよう制御する。ここでは蓄電池３０の適正充電電流範囲の上限電流値（以下、適正上限電流値という）に維持するよう制御する。定電流回路にはレギュレータを用いるものや定電流ダイオードを用いるものなど様々なものがあり、任意のものを用いることができる。
【００１７】
蓄電池３０には第１定電流回路ＣＩ１の出力電流が入力される。即ち定電流充電（ＣＣ充電）される。
【００１８】
図２は、図１の充電装置２０を用いて蓄電池３０に充電する場合の充電電流を説明するための図である。充電不可領域は、発電電圧が蓄電池３０の充電可能電圧（開放電圧）に満たない領域であり、充電不可領域の発電電力は充電されずに捨てられる。
【００１９】
非適正充電領域は、発電電圧が蓄電池３０の充電可能電圧を超えているが、発電電流が蓄電池３０の適正充電電流範囲の下限電流値（以下、適正下限電流値という）に満たない領域である。非適正充電領域では蓄電池３０への充電は可能であるが、蓄電池３０の寿命および信頼性が損なわれる。従って蓄電池３０の保護を優先すれば、非適正充電領域においては充電が停止されるべきである。
【００２０】
適正充電領域は、蓄電池３０の適正充電電流範囲の電流で蓄電池３０に充電される領域である。なお発電機１０から、適正上限電流値を超える電流が出力される場合は第１定電流回路ＣＩ１がその電流を適正上限電流値に制限する。従って自然環境の変化により発電電流が適正上限電流値を超えた場合でも、蓄電池３０に負担は発生しない。
【００２１】
このように再生可能エネルギーを用いた小電力発電機の出力は不安定であるため、蓄電池３０の適正充電電流範囲外の電流が出力される期間が多く発生し、多くのエネルギーロスが発生する。非適正充電領域における発電電力を充電対象に含めても、図２の斜線領域の面積に相当する充電量にとどまり、空白領域の面積に相当するエネルギーロスが発生する。
【００２２】
図３は、本発明の実施の形態１に係る充電装置２０を説明するための図である。実施の形態１に係る充電装置２０は、ダイオードＤ１、第１コンデンサＣ１、昇圧チョッパ２１、第１定電流回路ＣＩ１、第２コンデンサＣ２、スイッチＳ１、スイッチ制御回路２２、第２定電流回路ＣＩ２を含む。
【００２３】
第１コンデンサＣ１はダイオードＤ１の後段において、充電装置２０のプラス経路とマイナス経路の間に接続される。第１コンデンサＣ１は発電機１０により発電された電力を一時蓄える。
【００２４】
昇圧チョッパ２１は第１コンデンサＣ１の後段に設けられ、第１コンデンサＣ１の電圧を、蓄電池３０の充電可能電圧以上に昇圧する。昇圧チョッパ２１にはインダクタ、スイッチ、ダイオードを用いた一般的なものを用いることができる。
【００２５】
第１定電流回路ＣＩ１は、昇圧チョッパ２１の後段のプラス経路に挿入される。第１定電流回路ＣＩ１は出力電流を、設定された定電流値に維持するよう制御する。
【００２６】
第２コンデンサＣ２は昇圧チョッパ２１の後段において、充電装置２０のプラス経路とマイナス経路の間に接続される。第２コンデンサＣ２は昇圧チョッパ２１および第１定電流回路ＣＩ１を介して入力される、発電機１０により発電された電力を一時蓄える。
【００２７】
スイッチＳ１は第２コンデンサＣ２の後段のプラス経路に挿入される。スイッチＳ１には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子またはリレーを用いることができる。
【００２８】
スイッチ制御回路２２は、第２コンデンサＣ２の電圧をもとにスイッチＳ１をオン／オフ制御する。具体的には第２コンデンサＣ２の電圧が上限閾値電圧Ｖｔｈ１に到達したときスイッチＳ１をオンし、第２コンデンサＣ２の電圧が下限閾値電圧Ｖｔｈ２に到達したときスイッチＳ１をオフする。
【００２９】
上限閾値電圧Ｖｔｈ１には例えば、第２コンデンサＣ２の充電終止電圧を用いることができる。下限閾値電圧Ｖｔｈ２は、蓄電池３０への充電電流が少なくとも適正下限電流値を維持できる電圧に設定する。
【００３０】
第２定電流回路ＣＩ２は、スイッチＳ１の後段のプラス経路に挿入される。第２定電流回路ＣＩ２は出力電流を、設定された定電流値に維持するよう制御する。本実施の形態では適正上限電流値に維持するよう制御する。なお定電流回路の代わりに他の電流制限回路（素子）を用いてもよい。例えば、蓄電池３０への充電電流を適正上限電流値以下に制限するための電流制限抵抗を用いてもよい。蓄電池３０への充電電流は、スイッチ制御回路２２により適正下限電流値未満に低下しないように制御される。従って定電流回路の代わりに、充電電流の上限を制限する電流制限抵抗を用いても、充電電流を適正充電電流範囲に収めることができる。
【００３１】
図４は、図３の充電装置２０のスイッチ制御回路２２の構成例を説明するための図である。スイッチ制御回路２２は、第１コンパレータＣＰ１、第２コンパレータＣＰ２、ラッチ回路２３を含む。
【００３２】
第１コンパレータＣＰ１は、第２コンデンサＣ２の端子電圧と上限閾値電圧Ｖｔｈ１を比較し、第２コンデンサＣ２の端子電圧が上限閾値電圧Ｖｔｈ１以上のとき有意レベルの信号をラッチ回路２３に出力する。第２コンパレータＣＰ２は、第２コンデンサＣ２の端子電圧と下限閾値電圧Ｖｔｈ２を比較し、第２コンデンサＣ２の端子電圧が下限閾値電圧Ｖｔｈ２以下のとき有意レベルの信号をラッチ回路２３に出力する。
【００３３】
なお有意レベルはハイレベルであってもよいし、ローレベルであってもよい。設計者が任意に選択できる。
【００３４】
ラッチ回路２３は、第１コンパレータＣＰ１および第２コンパレータＣＰ２の出力信号をもとに、スイッチＳ１に出力する制御信号のレベルを切り換える。具体的にはラッチ回路２３は、第１コンパレータＣＰ１から有意レベルの信号を受けると、スイッチＳ１をオンするための制御信号（ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いる場合、ハイレベル信号）を出力する。そして次に第２コンパレータＣＰ２から有意レベルの信号を受けるまでその出力レベルを維持する。
【００３５】
ラッチ回路２３は、次に第２コンパレータＣＰ２から有意レベルの信号を受けると、スイッチＳ１をオフするための制御信号（ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いる場合、ローレベル信号）を出力する。即ち、第２コンパレータＣＰ２からの有意レベルの信号の受信をトリガとして、出力レベルを反転させる。そして次に第１コンパレータＣＰ１から有意レベルの信号を受けるまでその出力レベルを維持する。
【００３６】
ラッチ回路２３は、次に第１コンパレータＣＰ１から有意レベルの信号を受けると、スイッチＳ１をオンするための制御信号を出力する。即ち、第１コンパレータＣＰ１からの有意レベルの信号の受信をトリガとして、出力レベルを反転させる。そして次に第２コンパレータＣＰ２から有意レベルの信号を受けるまでその出力レベルを維持する。
【００３７】
当業者はこのようなトグル動作をするラッチ回路を、複数の論理ゲートを組み合わせることにより容易に生成可能である。
【００３８】
図５は、図４の第２コンデンサＣ２の端子電圧の推移を示す図である。図５は、微小電力が発電されている状態、即ち適正下限電流値に満たない微小電流が充電装置２０に出力されている状態を前提とする。
【００３９】
スイッチＳ１がオフの状態では第２コンデンサＣ２が充電状態となり、その端子電圧が上昇する。第２コンデンサＣ２の端子電圧が上限閾値電圧Ｖｔｈ１まで到達するとスイッチＳ１がオンし、第２コンデンサＣ２が放電状態となる。それにより第２コンデンサＣ２の端子電圧が低下し、コンデンサＣ２の端子電圧が下限閾値電圧Ｖｔｈ２まで到達するとスイッチＳ１がオフする。それにより第２コンデンサＣ２が再び充電状態となる。
【００４０】
このような充放電サイクルを繰り返すことにより、発電電流が適正下限電流値に満たない微小電流であっても、その微小電流を第２コンデンサＣ２に蓄えることにより、適正下限電流値以上の電流で蓄電池３０を充電できるようになる。
【００４１】
第２コンデンサＣ２への充電時間は発電機１０の発電量に応じて変化する。例えば、発電量が低下した場合、第２コンデンサＣ２への充電時間が延びる（図５の充電周期ｔ、充電周期ｔ’参照）。蓄電池３０への充電時間（即ち、第２コンデンサＣ２の放電時間）は、発電量の変化により多少変動するが基本的に一定である。
【００４２】
このように発電量の変化に応じて蓄電池３０への充電周期を変化させることにより、各充電周期の電流時間積を一定にでき、蓄電池３０への充電電流が適正下限電流値を下回ることを防止できる。スイッチ制御回路２２は、各充電周期の電流時間積を一定にするために、発電量の変化に応じてスイッチＳ１のデューティ比を変化させる。具体的には発電量が低下するとデューティ比を下げ（オン幅を狭め）、発電量が上昇するとデューティ比を上げる（オン幅を広げる）。
【００４３】
図６は、実施の形態１に係る充電装置２０を用いて蓄電池３０に充電する場合の充電電流を説明するための図である。図６と図２を比較すると、図６では発電機１０の発電電圧が蓄電池３０の充電可能電圧に満たない場合でも、また発電電流が適正下限電流値に満たない場合でも、適正充電電流範囲の電流で充電できることが分かる。即ち、発電電流値の全範囲において適正充電が可能となる。
【００４４】
図６では蓄電池３０を適正上限電流値でＣＣ充電する例を示している。なお充電する際の定電流値は、適正上限電流値に限るものではなく、適正充電電流範囲内の値であれば任意の値に設定できる。
【００４５】
図６と図２を比較すると、図６のほうが充電量を示す斜線領域の面積が大きく、充電量が大きく改善されたことが分かる。また図６では適正下限電流値未満で充電される領域がなくなり、充電電流により蓄電池３０の寿命および信頼性が損なわれることを回避できる。
【００４６】
以上説明したように実施の形態１によれば、発電機１０により発電される電力が微弱であっても、蓄電池３０の充電可能電圧まで昇圧し、適正電流範囲の電流で蓄電池３０に充電できるように第２コンデンサＣ２に一時、発電電力を蓄える。これにより、発電電力を無駄なく効率的に充電できるとともに、充電電流により蓄電池３０の寿命および信頼性が損なわれることを回避できる。またスイッチ制御回路２２をマイコンを用いずに簡素に構成できるため、コスト増大を抑制できる。
【００４７】
このような充電方式は出力が不安定で、出力が微弱になる期間を多く含む再生可能エネルギーを用いた発電機に適している。特に太陽光、風力、水力などを用いたマイクロ発電機に適している。
【００４８】
図７は、本発明の実施の形態２に係る充電装置２０を説明するための図である。実施の形態２に係る充電装置２０は、図３に示した実施の形態１に係る充電装置２０から第１コンデンサＣ１および昇圧チョッパ２１を取り除いた構成である。昇圧チョッパ２１を動作させるには駆動電源が必要である。極めて微弱な発電期間または非発電期間が多く発生する発電機の場合、第１コンデンサＣ１に蓄えられる電力より、昇圧チョッパ２１で消費される電力のほうが大きくなってしまう場合がある。
【００４９】
このような発電機１０の場合、昇圧チョッパ２１を用いずに、蓄電池３０の充電可能電圧に満たない発電電力は捨ててしまうほうが効率的である。実施の形態２に係る充電装置２０は、このようなタイプの発電機１０に適している。実施の形態２に係る充電装置２０も実施の形態１と同様に、適正電流範囲の電流で蓄電池３０に充電できるように第２コンデンサＣ２に発電電力を蓄える。従って蓄電池３０に負担をかけずに、発電電力を無駄なく効率的に充電できる。
【００５０】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００５１】
１０  発電機、  ２０  充電装置、  ３０  蓄電池、  Ｄ１  ダイオード、  ＣＩ１  第１定電流回路、  Ｃ１  第１コンデンサ、  Ｃ２  第２コンデンサ、  Ｓ１  スイッチ、  ＣＩ２  第２定電流回路、  ２１  昇圧チョッパ、  ２２  スイッチ制御回路、  ＣＰ１  第１コンパレータ、  ＣＰ２  第２コンパレータ、  ２３  ラッチ回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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