(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池より得られる電気エネルギを電気二重層コンデンサに充電する充電方法において、
上記太陽電池と上記電気二重層コンデンサとの間に、上記太陽電池の最大出力点に相当する負荷として動作するパワートラック機能を有する電流出力型のスイッチング・レギュレータを介在させ、上記スイッチング・レギュレータの電流出力の電流設定値（充電電流値）を上記電気二重層コンデンサの電圧と充電電流との積が上記太陽電池の最大出力に可及的に等しくなるように制御して、上記スイッチング・レギュレータにより上記電気二重層コンデンサを充電することを特徴とする太陽電池による電気二重層コンデンサの充電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は太陽電池による電気二重層コンデンサの充電方法に関し、さらに詳しく言えば、電気二重層コンデンサをより効率良く充電する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば道路標識灯を例にして説明すると、一般的には電灯線などの商用電源が近傍にある場合にはそれから電源を得るようにしているが、商用電源からの配線距離が長くなる場合や、その配線が邪魔であったり、配線そのものが困難である場合には、太陽電池が使用され、二次電池との併用が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これによれば、太陽電池の出力を二次電池に貯えて使用するため、日照の有無に拘らず有効な電源として用いることができるが、最大の問題はサイクル寿命にある。
【０００４】
すなわち、通常の二次電池はその種類や定格、放電の深度によって異なるが、３００〜５００回程度の放電回数が公称の寿命とされている。また、個々の二次電池について言えば、もっとも多く用いられている鉛電池では放電深度が６０〜７０％を越えると、その寿命が極端に短くなる。これとは逆に、ニッケルカドミウム電池では放電を完了せずに充電を開始すると、顕著な容量低下を来すなどの問題があった。
【０００５】
ところで、コンデンサとりわけ電気二重層コンデンサは、二次電池と同等もしくはそれ以上の容量をもって電気エネルギを貯蔵し得るが、太陽電池と併用するにあたっては次の点を考慮する必要がある。
【０００６】
二次電池は放電しても電圧がそれほどまでは下がらない。無負荷状態で見ると、例えば鉛電池なら充電中やその直後の過渡的な状態を除くと、満充電で２．２Ｖの端子電圧が１．８Ｖになる程度である。ニッケルカドミウム電池でも０Ｖになるまで使用するのは本来の使い方ではない。
【０００７】
このような特性から判断されるように、電池は定電圧デバイスであり、満充電か放電が進んだ状態かは無負荷の端子電圧で区別するよりは、負荷をかけた際の電圧降下や内部抵抗の方が正確に区別することができる。
【０００８】
定電圧デバイスへの充電は定電圧源から殆ど損失なく行なうことができるが、キャパシタの場合にはそれがそのまま当てはまらない。
【０００９】
すなわち、キャパシタは放電すると電圧が極端に下がる。放電しきったキャパシタの端子電圧はゼロである。その途中での電圧Ｖと貯蔵エネルギＥｃの関係は良く知られているように、
Ｅｃ＝Ｃ×Ｖ２／２
で表される。つまり、キャパシタは電池と異なり、定電圧デバイスではない。キャパシタに定電圧電源から充電すると、充電器からの電力Ｅｐは、流れ出した電流の積分値Ｑと電圧Ｖの積であるから、
Ｅｐ＝Ｑ×Ｖ＝Ｃ×Ｖ２
となる。この両者の比、Ｅｃ／Ｅｐから定電圧電源にて充電した際の充電効率を求めると５０％となり、残りの電力は充電器とキャパシタの間に必ず存在する抵抗成分Ｒ（キャパシタの内部抵抗も含めて）の中で熱になってしまう。
【００１０】
このようなことから、キャパシタを定電圧電源から充電すると、介在する抵抗の値に関係なく、充電効率は５０％以上にはなり得ない。
【００１１】
キャパシタを太陽電池から充電するにあたって、まず、太陽電池の出力特性を図４を参照しながら説明する。同図には京セラ株式会社製の５０Ｗアレイに１００Ｗ／平方センチの日照があった場合の端子電圧（Ｖ２）−負荷電流（ＩＬ）特性が例示されている。
【００１２】
その出力電力Ｓ（＝Ｖ２×ＩＬ）を計算すると、図にプロットしたような軌跡を描き、その最大点を読み出すと、出力電流３．１３Ａのとき出力電力は５０．０８Ｗを示す。
【００１３】
この太陽電池に例えば定格電圧１２Ｖの鉛電池を接続して充電するとき、太陽電池からは出力電流３．２０Ａで、出力電力３８．５Ｗが得られる。そして、これに公知のパワートラッカを使用すれば、理想的な状態で出力電力５０．０８Ｗが得られる。これが太陽電池の最大出力である。
【００１４】
しかしながら、太陽電池に鉛電池に代えて電気二重層コンデンサを並列に接続して充電すると次のような問題が生ずる。ここで、図５に例示するように、上記太陽電池の各ソーラーセルをＤ１〜Ｄ３とし、これに内部抵抗Ｒ１が５０ｍΩで静電容量が２００Ｆの電気二重層コンデンサＣ１を接続したとして解析すると、太陽電池に上記の日照があたっている状態では、電気二重層コンデンサＣ１は図６のＶ９のような直線を描いて充電されて行く。そして、７３７秒で１２Ｖに達する。
【００１５】
図７の上段にこれに伴う充電電力ＳＣを示す。このときの電気二重層コンデンサＣ１への充電電流をＩＣとすると、その端子間電圧は上記のＶ９であるから、この充電電力ＳＣはＩＣ×Ｖ９で表され、ゼロから始まる右上がりの直線となっている。
【００１６】
これでは太陽電池が発電している電力を初めは殆ど使用せず、終りにいくほど有効に使用することになるが、平均するとおよそ充電電力の半分しか充電に寄与していないことになる。
【００１７】
図７の下段に電気二重層コンデンサＣ１への充電電流ＩＣを示すが、殆ど全域で３．２Ａを維持している。これは、図４の太陽電池の出力電圧Ｖ２の軌跡から見ても、はじめは出力が短絡状態で３．２Ａ流れ、そのままずっと同出力電圧Ｖ２が１２Ｖになるまで、３．２Ａあたりに止まっていることと符合している。
【００１８】
すなわち、太陽電池に電気二重層コンデンサを並列に接続すると、太陽電池が上記のように例えば３．２Ａの定電流源になってしまい、コンデンサの電圧の低いところでは太陽電池からの出力電力が少ししか利用できず、発電電力が無駄となってしまう、という問題が生ずる。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その構成上の特徴は、太陽電池より得られる電気エネルギを電気二重層コンデンサに充電する充電方法において、上記太陽電池と上記電気二重層コンデンサとの間に、上記太陽電池の最大出力点に相当する負荷として動作するパワートラック機能を有する電流出力型のスイッチング・レギュレータを介在させ、上記スイッチング・レギュレータの電流出力の電流設定値（充電電流値）を上記電気二重層コンデンサの電圧と充電電流との積が上記太陽電池の最大出力に可及的に等しくなるように制御して、上記スイッチング・レギュレータにより上記電気二重層コンデンサを充電するようにしたことにある。
【００２１】
スイッチング・レギュレータによる電流源を介することにより、電気二重層コンデンサの充電効率が飛躍的に向上し、太陽電池の出力電力を殆ど無駄なく使用することができる。
【００２２】
なお、同スイッチング・レギュレータには内部抵抗が低く、オーミック損を小さくして、出力特性だけを電流型としたものを用い、また、パワートラック特性を持たせることにより、常に太陽電池の最大出力点で充電が行なわれることになる。
【００２３】
【実施例】
図１に例示するように、本発明では太陽電池の各ソーラーセルＤ１〜Ｄ３により電気二重層コンデンサＣ１を充電するにあたって、電流出力型のスイッチング・レギュレータＳＲを介在させている。
【００２４】
同スイッチング・レギュレータＳＲの一例を図２に示す。この例は原理的には降圧型のスイッチング・レギュレータと同じであり、ここでダイオードＤ１はフライホイール・ダイオードと呼ばれ、スイッチング素子Ｓ１がオンのときにチョーク・コイルＬ１に蓄積されたエネルギをスイッチング素子Ｓ１がオフのときに流す電流経路を得るダイオードである。
【００２５】
この例において、図示左側のＶ１，Ｒ１が太陽電池の各ソーラーセルＤ１〜Ｄ３に対応する。なお、Ｃ２は内部抵抗が低く静電容量が０．２〜２μＦ程度のコンデンサであり、スイッチング素子Ｓ１のオンオフごとに太陽電池側に尖頭電流が流れ込むのを防止している。
【００２６】
動作としては、電流センサＶ２にて出力電流が検出され、同出力電流が一定値を越えると、制御回路Ｕ１が動作してスイッチング素子Ｓ１をオフにする。スイッチング素子Ｓ１がオフになってもチョーク・コイルＬ１に蓄積された電流がダイオードＤ１を介して流れるが、同電流値が一定値を割り込み、それが電流センサＶ２にて検出されると、制御回路Ｕ１が動作してスイッチング素子Ｓ１をオンにする。
【００２７】
参考までに、図２における各部の波形を図３に示す。同図において、ａは電流センサＶ２を流れる電流、ｂはコンデンサＣ１を流れる電流、ｃはチョーク・コイルＬ１を流れる電流、ｄは出力の端子間電圧、ｅは制御回路Ｕ１内部で使用されるクロックパルスである。
【００２８】
このスイッチング・レギュレータＳＲにより、電気二重層コンデンサＣ１がその電流にて充電されるのであるが、太陽電池の出力は日照や気温の変動に応じて変化するため、本発明においては、制御回路Ｕ１にパワートラック特性を持たせて太陽電池の出力特性を一定の条件に揃えるようにしている。
【００２９】
なお、電気二重層コンデンサＣ１の電圧がゼロ付近では出力電流が無限大になる計算なので、スイッチング・レギュレータＳＲの出力電流を１０Ａに制限した。図７下段のＩＣ１がスイッチング・レギュレータＳＲの出力電流、図６のＶ１９が端子電圧で、図７の上段にそれらを掛け合わせた充電電力ＳＣ１を示す。
【００３０】
これによると、充電電力ＳＣ１は１００秒以後は殆ど５０Ｗになっている。なお、この充電電力ＳＣ１において、０〜１００秒の削られている部分は、充電電流を電気二重層コンデンサＣ１の電流容量の制約から最大１０Ａに制限したことによる。
【００３１】
本発明の充電方法によると、図６のＶ１９に示すように端子間電圧が上昇し、３３６秒で満充電の１２Ｖに達する。これを同一条件で実施した比較例としての電圧Ｖ９と比較すると、その充電時間は７３７／３３６＝２．２倍の速さとなる。
【００３２】
要するに、本発明においては、スイッチング・レギュレータＳＲの電流出力を上記の例でいえば３．２Ａの一定とせずに、図７のＳＣ１，ＩＣ１のように電流の設定値を一定電力例えば３８．５Ｗになるように制御する。これにより、充電は図６のＶ１９のように進み、毎秒３８．５Ｗの電力を貯えることが可能となる。また、これにパワートラック機能を持たせ、太陽電池の負荷電流を調節してそのピーク点に追従させることにより、さらに増して５０Ｗ程度の充電電力が得られる。
【００３３】
電流制限の値、電子回路内の損失、充電電圧の設定法などにより、若干の相違はあるものの、本発明によると、太陽電池から電気二重層コンデンサへの充電効率はおよそ２倍程度改善される。
【００３４】
本発明は比較的小電力を長時間使用する電気機器、例えば太陽電池で動作するソーラー時計台、ソーラー計算機、ソーラーパソコン、ソーラー常夜灯／街灯／門灯／庭園灯や一般住宅用、キャンプ用などのソーラー汎用電源などに適用可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、太陽電池と電気二重層コンデンサとの間にパワートラック機能を有する電流出力型のスイッチング・レギュレータを介在させることにより、電気二重層コンデンサをきわめて効率良く充電することができる。
【００３６】
また、その場合スイッチング・レギュレータに、その電圧電流負荷が太陽電池の最大出力となるように制御するパワートラック特性を持たせることにより、太陽電池の全電力を電気二重層コンデンサに充電することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の充電方法の一実施例を説明するための概略的な回路図。
【図２】上記実施例に示されているスイッチング・レギュレータの具体的な構成例を示した回路図。
【図３】同スイッチング・レギュレータの各部の波形を示した波形図。
【図４】太陽電池の電流−電圧特性を示した特性図。
【図５】太陽電池により電気二重層コンデンサを直接接続して充電する状態を示した従来例としての回路図。
【図６】本発明による充電電圧と従来例による充電電圧とを対比的に示したグラフ。
【図７】本発明および従来例による充電電流および充電電力をそれぞれ対比的に示したグラフ。
【符号の説明】
Ｄ１〜Ｄ３  太陽電池のソーラーセル
ＳＲ  スイッチング・レギュレータ
Ｃ１  電気二重層コンデンサ
【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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