(57)【要約】  簡潔に説明すると、本発明は、キャパシタアセンブリを部分的に充電する光電池アセンブリ出力を利用する装置を提供する。このキャパシタアセンブリは、それから、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータによって、光電池アセンブリからの出力が異なる光強度に対してピークになる、異なった範囲の電圧において部分的に放電させられる。
2009502107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのピーク出力値を有する出力を備える光電池アセンブリと、
調整可能な入力電圧を備え、部分的に放電されることが可能なキャパシタアセンブリと、
前記光電池アセンブリによって前記キャパシタアセンブリを充電し、その後、部分的に前記キャパシタアセンブリを放電させるための電子制御回路と、を含み、前記充電は、前記少なくとも１つのピーク出力値が現れる光電池アセンブリ出力電圧の範囲において起きる、光電池アセンブリ出力を利用する装置。
【請求項２】
前記放電は、前記少なくとも１つのピーク出力値が現れる光電池アセンブリ出力電圧の範囲において起きる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記出力電圧の範囲が複数の電圧範囲のうちの一つであり、前記電子制御回路が、
前記光電池アセンブリからの電流および電圧出力を時間の関数として監視する手段と、
前記キャパシタアセンブリが充電され、部分的に放電されることによって、前記光電池アセンブリからの出力をピーク値またはその付近で得る、電圧の範囲を変更する手段と、を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電子制御回路は、最大出力が発生したことを確定し、前記出力が続いて前記最大出力の一つの閾値パーセントに降下するとき、前記キャパシタアセンブリの前記放電を開始する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記電子制御回路は、前記出力が続いて前記最大出力の一つの閾値パーセントに降下するとき、前記キャパシタアセンブリの前記放電を停止する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記キャパシタアセンブリがスーパーキャパシタアセンブリである、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
キャパシタアセンブリ出力ＤＣ／ＤＣコンバータをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、少なくともいくらかの前記キャパシタアセンブリ放電電圧を所望の電圧レベルに変換するためのものである、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、少なくともいくらかのキャパシタアセンブリ放電電流を所望の電流レベルに変換するためのものである、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記制御回路は、プログラムされた電子制御回路を含む、請求項３に記載の装置。
【請求項１１】
前記電子回路は、命令セットおよびアルゴリズムから構成されるファームウェアを含む、請求項３に記載の装置。
【請求項１２】
前記電子回路は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイを含む、請求項３に記載の装置。
【請求項１３】
前記電子回路は、マイクロコントローラを含む、請求項３に記載の装置。
【請求項１４】
前記電子回路は、特定用途向け集積回路を含む、請求項３に記載の装置。
【請求項１５】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、スイッチングモードＤＣ／ＤＣコンバータである、請求項７に記載の装置。
【請求項１６】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、一方向オン／オフ直接充電スイッチである、請求項７に記載の装置。
【請求項１７】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、昇圧型（ブースト）ＤＣ／ＤＣコンバータである、請求項７に記載の装置。
【請求項１８】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、降圧型（バック）ＤＣ／ＤＣコンバータである、請求項７に記載の装置。
【請求項１９】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、バックブースト型ＤＣ／ＤＣコンバータである、請求項７に記載の装置。
【請求項２０】
前記装置は、電気エネルギー蓄積装置を充電するためのものであり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記キャパシタアセンブリの出力放電電圧を蓄積装置充電電圧まで増大させるためのものであり、前記装置は、さらにエネルギー蓄積装置への直接放電経路と、
ｉ）前記キャパシタアセンブリ放電電圧が増大される必要があるとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記エネルギー蓄積装置を充電する手段と、
ｉｉ）前記キャパシタアセンブリ放電電圧が、少なくとも前記充電電圧であるとき、前記直接放電経路によって前記エネルギー蓄積装置を直接的に充電する手段と、を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項２１】
キャパシタアセンブリを備える光電池アセンブリ装置からの出力を用いる方法であって、
ピーク値がいつ現れたかを確定するために、前記光電池アセンブリからの電圧出力を時間の関数として監視すること、
前記光電池アセンブリによって前記キャパシタアセンブリを充電し、その後、部分的に前記キャパシタアセンブリを放電することを含み、前記充電は、前記少なくとも１つのピーク出力値が現れる光電池アセンブリ出力電圧の範囲において起きる、方法。
【請求項２２】
前記放電は、前記少なくとも１つのピーク出力値が現れる光電池アセンブリ出力電圧の範囲において起きる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記出力電圧の範囲は、複数の電圧範囲のうちの１つであり、前記方法は、さらに、
前記キャパシタアセンブリが充電され、部分的に放電されることによって、前記光電池アセンブリからの出力をピーク値またはその付近で得る、電圧の範囲を変更することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
最大出力がいつ発生したかを確定し、前記出力が続いて前記最大出力の一つの閾値パーセントに降下するとき、前記キャパシタアセンブリの前記放電を開始することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記出力が続いて前記最大出力の一つの閾値パーセントに降下するとき、前記キャパシタアセンブリの前記放電を停止することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記確定する段階は、時間間隔ΔＴにおいて電圧の変化を計測することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記光電池アセンブリ装置からの出力電流の変化に応じてΔＴを変化させることをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電池出力を利用する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、１９７５年１１月１８日にジー・メラーズ（Ｇ．Ｍｅｌｌｏｒｓ）等に対して交付された米国特許第３，９２１，０４９号には、電池を充電する光電池アセンブリ（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）が説明されている。光電池アセンブリは、充電される電池に、光電池アセンブリと電池との間のダイオードで単に接続される。このダイオードは、光電池アセンブリ出力電圧が、電池の電圧にダイオードの順方向電圧を加えたものを上回るための十分な強さの光を光電池アセンブリが受けていないとき、逆方向電流の流れを阻止する。
【０００３】
ジー・メラーズ等の装置は実用的である一方、電池とダイオードを組み合わせた電圧を上回ることのできない強度の、光電池アセンブリが受ける光は、光電池アセンブリを作動させて充電電流を出力することはない。結果的に、これらの光強度での出力は利用されない。この状況は、充電され電池電圧が増大するにつれて状況を悪くする。
【０００４】
得られる光をより効率的に利用する、光電池アセンブリ出力を利用する装置が必要である。特に、光電池アセンブリが受ける広範囲の光強度にわたり出力する光電池アセンブリが望まれる。
【０００５】
２００２年４月９日にエム・ティム（Ｍ．Ｔｉｍｍ）に交付された米国特許第６，３６７，２５９号において、キャパシタおよび制御回路を介して光電池アセンブリからの電気エネルギーを蓄え、それから、電気モータが動作するのに十分なエネルギーがキャパシタに蓄えられるとすぐに、キャパシタを例えば、電気モータに対して直接放電させることもまた提案されている。
【０００６】
ティムの特許に説明されている装置は実用的である一方、キャパシタが放電される電圧の範囲が光電池アセンブリからの出力を確定し、電気モータの動作電圧の範囲が、この範囲を確定する。電圧のこの範囲は、光電池アセンブリが供給可能な最大出力を供給するものではない。
【０００７】
少なくとも一つの出力電圧範囲において、光電池アセンブリからの最大限のエネルギーの出力を得る、光電池アセンブリ出力を利用する装置が必要である。
【発明の開示】
【０００８】
簡潔に説明すると、本発明は、キャパシタアセンブリ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を部分的に充電する光電池アセンブリ出力（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｐｏｗｅｒ  ｏｕｔｐｕｔ）を利用する装置を提供する。このキャパシタアセンブリは、それから、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータ（ＤＣ／ＤＣ  ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）によって、異なる光強度に対して光電池アセンブリからの出力がピークになる、異なった範囲の電圧において部分的に放電させられる。
【０００９】
一つの実施の形態において、本発明は、光電池の出力（ｐｏｗｅｒ  ｏｕｔｐｕｔ）を利用する装置であって、
ａ）光電池アセンブリからの電気的なエネルギーを蓄えるために、並列に光電池アセンブリに接続し、部分的に放電可能で、入力電圧が調整可能なキャパシタアセンブリ、および、
ｂ）光電池アセンブリによりキャパシタアセンブリを充電し、それから、ピーク出力が起こる光電池アセンブリ出力電圧の範囲においてキャパシタアセンブリを部分的に放電させる電子制御回路を含む。
【００１０】
この実施の形態において、前記電圧の範囲は複数の電圧範囲のうちの一つである可能性があり、制御回路は光電池アセンブリからの電流および電圧出力を監視する手段、および光電池アセンブリから最大出力を得るためにキャパシタアセンブリが充電および部分的に放電される電圧範囲を変更するための手段を含む可能性がある。
【００１１】
本発明の追加の実施の形態において、キャパシタアセンブリ出力ＤＣ／ＤＣ出力コンバータが提供される可能性がある。ＤＣ／ＤＣ出力コンバータは、キャパシタ放電電圧の少なくとも一部を所望のレベルに変換するために用いられる。さらなる本発明の実施の形態において、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータは、キャパシタ放電電流の少なくとも一部を所望のレベルに変換するために用いられる。
【００１２】
さらにもう一つの本発明の実施の形態において、本装置は、電気エネルギー蓄積装置を充電するための装置である可能性がある。この実施の形態において、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータは、キャパシタアセンブリ出力放電電圧を蓄積装置の充電電圧まで増大することができ、そして本装置は、エネルギー蓄積装置への直接放電経路を含むことができる。特に、本装置は、キャパシタアセンブリ放電電圧が増大される必要があるとき、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータを通じてエネルギー蓄積装置を充電するための手段、およびキャパシタアセンブリ放電電圧が充電電圧より低くないとき、直接的な充電経路によってエネルギー蓄積装置を直接充電するための手段を含むことができる。
【００１３】
本発明のこれらおよび他の特徴は、以下の図面を参照することによってより完全に理解することができる。
【００１４】
図面の簡単な説明
図１は、アセンブリが受けた異なった光の強さにおいて、光電池アセンブリからの出力を示す試験結果を出力電圧に対してプロットしたグラフである。
【００１５】
図２は、図１と同様のグラフである。しかし、出力電圧に依存した最大出力に対する割合について光電池アセンブリからの出力を示している。
【００１６】
図３は、本発明の一つの実施の形態による光電池アセンブリ出力を利用する装置を通じて電池を充電するための光電池アセンブリの回路図である。
【００１７】
図４は、本発明の一実施の形態おいて、キャパシタの充電が起きているとき、光電池アセンブリからの出力を出力電圧に対してプロットして示したグラフである。
【００１８】
図５は、本発明の一実施の形態おいて、キャパシタの放電が起きているとき、光電池アセンブリからの出力を出力電圧に対してプロットして示したグラフである。
【００１９】
図６は、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータが用いられる本発明の追加の実施の形態の回路図である。
【００２０】
詳細な説明
本発明は、光電池（ＰＶ）アセンブリが受ける光強度について、光電池アセンブリの性能の最適化に関する。この発明を開発する中で、出願人は標準的な光電池アセンブリの出力が、光強度によってどのように影響を受けるのかを計測する試験を実行した。これらの試験は、出願人により、直列に接続された８つのセルを備えたＰＶパネル形状の光電池アセンブリを用いて実施された。異なった光強度に対するＰＶパネル出力（「出力（ｍＷ）」）が、ＰＶパネル出力電圧（「電圧（Ｖ）」）に対してプロットされている、これらの試験結果が図１に示される。
【００２１】
光強度が実質的に変化しないまま維持するとき、出力（ｍＷ）が、出力電圧（Ｖ）の増加とともに出力がピークになるまで増加することをグラフは示す。そこから、出力電圧（Ｖ）は、増加し続ける一方、出力（ｍＷ）は減少する。この現象を利用して、ＰＶパネル上の一定の光強度に対し、ＰＶアセンブリからの改善された出力が得られる本発明に出願人は到達した。特に、本発明は、最大出力が一旦得られた後に、キャパシタを部分的に放電し始めることを決定する。この放電操作は、電圧が終了電圧Ｖｆレベルに一旦降下すると終了する。一例として、この終了電圧Ｖｆはピーク電圧（Ｖｐ）の９０％である可能性がある。
【００２２】
試験結果のさらなる分析は、異なった光強度に対して、光電池アセンブリからの出力の最大利用のためには、ピーク電圧（Ｖｐ）およびピーク後の終了電圧（Ｖｆ）は異なることを示した。これは、特にＰＶパネル上の光強度が小さいときに明白になり、そして高い光強度で得られた結果と比較して低い電圧において最大出力が生じる。
【００２３】
図２は、異なった光強度に対して、その光強度において得られる最大出力のパーセンテージ出力（ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ  ｐｏｗｅｒ）（％）として電圧（Ｖ）に対する出力（ｍＷ）を表す。
【００２４】
出力が電池を充電するために使用される状況において、電池の電圧が約３Ｖであると仮定すると、光強度が約２０，０００ルクスより大きいとき、最大出力の約９０〜１００％の出力が電池を充電するのに使用されることを図２は表す。しかしながら、もし光強度が約２０，０００ルクスより小さければ、電池に充電されるパーセンテージ出力はもっと小さくなる。例えば、２，０００ルクスの光強度に対しては、電池を充電するパーセンテージ出力は、約４０〜５０％しかない。もし、光強度がさらに低いならば、ＰＶパネルが生成することができる最大電圧は電池電圧より低くなることさえありうる。これらの光強度の下では、ＰＶパネルは電池を充電することができないので、そのときの充電効率はゼロである。しかしながら、図２にさらに示されているように、もし、電池の電圧が２ボルト程度に小さければ、充電効率は低い光強度に対して優れている。しかし、高い光強度に対しては６０〜８０％にしかならない。
【００２５】
図２の分析から、従来の充電回路が使用されるとき、例えば、電池を充電する場合、充電回路はＰＶパネルによって生成された電気エネルギーの一部しか送ることができない。充電効率は、光強度レベルおよび電池電圧レベルの両方から大きく影響を受ける。したがって、従来回路の充電効率は低いだけではなく、最大ＰＶ電圧が電池電圧よりも低いとき、電気エネルギーを送ることを止める。例として電池を充電することを用いたが、従来回路を用いてＰＶパネルから利用される電気エネルギーについてのこれらの制約は、例えば過熱または冷却など電気エネルギーが他の目的で使用されるところでも適用する。
【００２６】
上記の分析は、以前に可能であったよりも、広範囲の光強度にわたり光電池アセンブリから出すことが可能な電気エネルギーの大きな割合に近づく、光電池アセンブリ出力を利用する装置が提供される本発明に出願人を導いた。
【００２７】
上記の試験結果および分析から、出願人は図３に示される本発明の実施の形態を提供した。図３は、出力が電池３５に供給される光電池アセンブリ出力を利用する装置３０である。装置３０は、部分的に放電可能で、入力電圧を調整可能なキャパシタアセンブリ３２を含む。それは、光電池アセンブリ３１によってキャパシタアセンブリ３２を充電するための電子制御回路３３をさらに含む。この配置は、少なくとも一つのピーク出力がある光電池アセンブリ出力電圧の範囲においてキャパシタ３２の部分的な放電を可能にする。
【００２８】
図３に示される本発明の実施の形態を用いて、図１および図２を参照して説明されるものについて、同様の試験が光電池アセンブリ３１に対して実施された。これらの試験結果から、光電池アセンブリ３１がさらされる光強度の範囲に対してピーク出力が得られるキャパシタアセンブリ３２の充電および放電電圧の範囲が確定される。図１のデータを例として用いると、この電圧の範囲は、約２．６〜３．２ボルトになる可能性がある。
【００２９】
制御回路３３は、キャパシタアセンブリ３２をこの電圧の範囲において充電および放電するために（ハードウェア装置のみを用いて）構成、または（ハードウェアとソフトウェアの組み合わせを用いて）プログラムされ、その結果、光電池アセンブリ上の光強度の特定の範囲に対する光電池アセンブリからの最大出力を得る。
【００３０】
図４は、キャパシタアセンブリ３２の充電が起こるときの、出力電圧に対してプロットされた光電池アセンブリ３１からの出力を示すグラフである。図４に説明されているとおり、ＰＶパネルがキャパシタアセンブリを充電するとき、電圧は上昇する。開始時間をＴ（１）と仮定する。本発明は、連続的なサンプルＴ（１）およびＴ（２）で出力が増大していると判断する。本発明は、サンプルを採り続け、その後Ｔ（Ｎ＋１）の時点で出力が下降し始めることを検出する。本発明の一つの実施の形態によれば、出力がＴ（Ｎ＋ｋ）の時点で、Ｔ（Ｎ）の点の出力のある割合（例えば９７％）に降下したとき、本発明は、その後キャパシタアセンブリを放電することを開始し、電圧は低下し始める。つまり、これらの構成要素が並列に接続されると、キャパシタアセンブリ３２および光電池アセンブリ３１の両方の電圧が低下する。
【００３１】
図５は、キャパシタアセンブリ３２の放電が起こるときの、出力電圧に対してプロットされた光電池アセンブリ３１からの出力を示すグラフである。キャパシタアセンブリが放電しているときは、電圧は低下する。図５に説明されているように、本発明は開始時間Ｓ（１）からサンプリングを開始する。Ｓ（１）からＳ（Ｎ）の時間の間、出力は増加している。Ｓ（Ｎ）の時点の後、出力は低下し始める。Ｓ（Ｎ＋ｊ）の時点で出力がＳ（Ｎ）時点における出力のある閾値パーセント（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ）（例えば９７％）まで降下したとき、本発明はその後キャパシタアセンブリを放電することを止める。電圧はその後再び増大し始め、そして次の充電および放電サイクルが始まる。
【００３２】
このことから、この基本的な本発明の実施の形態を用いてですら、光電池アセンブリ上の光強度の特定の範囲に対して光電池アセンブリからの出力が最大となる電圧の範囲において、光電池アセンブリ３１からの出力電圧が維持されることが分かる。したがって、光電池アセンブリからの出力を、他の既知の装置で可能であるよりも多く利用する光電池アセンブリ出力を利用する装置３０が提供される。
【００３３】
上で説明した実施の形態において、制御回路３３は、キャパシタアセンブリ３２を固定の充電および放電電圧で充電および放電することが理解される。これらの充電および放電電圧は、光電池アセンブリ３１上の限られた範囲の光強度に対して最大出力を得るために選択される。
【００３４】
しかしながら、ピーク出力に対する光電池アセンブリ出力電圧は、光電池アセンブリ上の異なる光強度に対して変化することが図１および図２から理解される。これから説明される本発明のより複雑な実施の形態において、この電圧変化が考慮される。この実施の形態は、例えば、特に光電池アセンブリ上の低い光強度で光電池アセンブリからの最大の出力を望む場合に特に有益である。
【００３５】
図６は、充電および放電電圧の範囲が複数の電圧範囲のうちの一つであり、それぞれが、光電池アセンブリ３１上の特定の光強度に対応する状況を扱う本発明のこのさらなる実施の形態を説明する。制御回路３３は、光電池アセンブリからの電流および電圧出力を監視する手段と、光電池アセンブリからピーク出力を得るためにキャパシタアセンブリ３２が充電および部分的に放電される電圧の範囲を変更する手段と、を含む。
【００３６】
この実施の形態において、キャパシタアセンブリ３２はスーパーキャパシタアセンブリ３２であるが、本発明の他の実施の形態は、部分的に放電可能で入力電圧が調整可能である種々の電気装置を利用することができる。図６に示される実施の形態は、例えば電池などのエネルギー蓄積装置を充電するのに有益である。図６において、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータ６３が提供され、その装置は、電池３５を充電するために示されている。
【００３７】
動作としては、光電池３１上の光強度に依存して異なる電圧の範囲において、キャパシタアセンブリ３２および制御回路３３は、光電池アセンブリからのピーク出力を受けるために上で説明したように動作する。光電池アセンブリ３１上の光強度が、電池３５を充電するために必要なものより小さいキャパシタアセンブリ３２からの電圧放電を生成するとき、制御回路３２は、充電しうる電圧に放電電圧を変換するためにＤＣ／ＤＣ出力コンバータ６２を用いる。
【００３８】
光電池アセンブリ３１上の光強度が、電池３５を充電しうるキャパシタアセンブリ３２から放電される電圧を生成するとき、制御回路は、スイッチ６４を用いてＤＣ／ＤＣコンバータ６２をバイパスし、それによって電池３５を直接充電する。
【００３９】
本発明の他の実施の形態において、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータ６２はキャパシタアセンブリ３２からの放電を所望の電流レベルに変換する。
【００４０】
本発明のさらなる実施例において、制御回路３２は、
ａ）プログラムされた電子制御回路、
ｂ）命令セットとアルゴリズムで構成されたファームウェアを含む回路、
ｃ）フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）、
ｄ）マイクロコントローラ、または、
ｅ）特定用途向け集積回路を含む可能性がある。
【００４１】
本発明のさらなる実施の形態においてＤＣ／ＤＣ出力コンバータ６２は、
ａ）スイッチングモードＤＣ／ＤＣコンバータ、
ｂ）一方向のオン／オフ直接充電スイッチ（したがって、図６に示される上述の別個の一方向スイッチ６４）、
ｃ）昇圧型（ｓｔｅｐ−ｕｐ）ＤＣ／ＤＣコンバータ、
ｄ）降圧型（ｓｔｅｐ−ｄｏｗｎ）ＤＣ／ＤＣコンバータ、
ｅ）バックブースト型（ｂｕｃｋ  ｂｏｏｓｔ）ＤＣ／ＤＣコンバータ、
ｆ）定出力電圧型（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｏｕｔｐｕｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）ＤＣ／ＤＣコンバータ、または、
ｇ）定出力電流型（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｏｕｔｐｕｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）ＤＣ／ＤＣコンバータを含む可能性がある。
【００４２】
本発明の特定の実施の形態において、光電池アセンブリ出力を利用する装置が設計され、直列に接続された８つのセルを有する小さな（８ｃｍ×５ｃｍ）ＰＶパネルの形をした光電池アセンブリに対して実装された。この装置は、
ａ）ＰＶパネルからエネルギーを受け取る３００ｍＦ、４．５Ｖのスーパーキャパシタと、スーパーキャパシタを充電および放電することを通じてＰＶパネルの出力電圧を調整すること。
【００４３】
ｂ）スーパーキャパシタを電池に放電するための、スーパーキャパシタと電池との間のＤＣ／ＤＣ出力コンバータ。前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、電池電圧が高いか低いかに関係なく定電流出力で９０〜９５％の電力変換効率（ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を有した。再充電可能な電池の電圧の範囲は、０．８〜４．５ボルトであった。ＤＣ／ＤＣコンバータに対して並列に、スーパーキャパシタから電池に直接充電する経路があった。スーパーキャパシタを放電するときになったら、スーパーキャパシタから電池へエネルギーを直接排出するために、制御回路は直接充電スイッチを作動させる。この直接充電は最大９８〜９９％の充電効率を有した。もし、スーパーキャパシタの電圧が電池の電圧よりも低ければ、制御回路は、スーパーキャパシタを電池へ放電させるために、ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させる。
【００４４】
ｃ）制御回路は、マイクロコントローラおよび周辺装置を含んだ。マイクロコントローラは、ＰＶパネルからの出力電圧および電流を計測するための内臓１０ビットアナログディジタルコンバータ（ＡＤＣ）を備える。ＰＶパネルの出力電圧を表わすアナログ信号は、マイクロコントローラのＡＤＣに入力される前に減衰され、バッファに格納された。ＰＶパネルからの出力電流を表すアナログ信号は、電流検出抵抗（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ）および増幅器を用いて得られた。ＰＶパネルからの出力電流は、検出抵抗に小さな電圧降下を生成した。小さな電圧降下は、その後、使用可能な電圧レベルまで増幅され、ＡＤＣに入力された。このアナログ信号は、ＰＶパネルからの電流に比例した。ＡＤＣは、これらの２つのアナログ信号をディジタル化し、マイクロコントローラが２つのディジタル化された値をＰＶパネルからの出力を計算するために用いた。
【００４５】
ｄ）本発明のこの実施の形態は、ＰＶパネルからの出力を計算する２つの選択的な方法を用いた。それぞれの方法はファームウェアの中に実装された。
・一つ目は、電力が電圧と電流の積であるという事実に基づく。
【００４６】
【数１】
2009502107.tif 000003
【００４７】
・もう一つの方法は、短い期間の電圧変化を計測することによって、ＰＶパネルからスーパーキャパシタへの平均出力を計算する方法である。この方法は、スーパーキャパシタに蓄えられているエネルギー（Ｅ）が、スーパーキャパシタの端子電圧（Ｖ）に比例することに基づく。エネルギーの式は、
【００４８】
【数２】
2009502107.tif 000004
【００４９】
ここで、Ｃは、スーパーキャパシタのキャパシタンスである。
【００５０】
もし、Ｔ１からＴ２のΔＴの期間に、電圧がＶ１からＶ２に変化すると、スーパーキャパシタ中のエネルギー変化（ΔＥ）は、
【００５１】
【数３】
2009502107.tif 000005
【００５２】
となる。
【００５３】
それゆえに、ΔＴの期間のＰＶパネルからスーパーキャパシタへの平均出力（Ｐ）は、
【００５４】
【数４】
2009502107.tif 000006
【００５５】
となる。
【００５６】
この式に基づき、ΔＴの期間のＰＶパネルからの平均電流は、次のように求めることができる。
【００５７】
【数５】
2009502107.tif 000007
【００５８】
ΔＴ値は、マイクロコントローラのタイマで正確に得られる。
【００５９】
これらの２つの方法は、理論的には同じである。どちらを用いるかを選択するのは、適用状況に依存する。
【００６０】
ｅ）ＰＶパネルからのピーク出力の発生を探すアルゴリズム。図１に示されるとおり、ＰＶパネルはつねに、それが受ける光の強度に関係なく出力のピークまたは最高点を有する。本発明は、いつピーク出力が起こったかを確定する。特に、マイクロコントローラの中を走行しているファームウェアが、ＰＶパネルからの出力電圧および電流を時間間隔ΔＴで読み、出力Ｐ（ｉ）を計算する。それは、それから、このＰ（ｉ）値を前の出力値Ｐ（ｉ−１）と比較する。もし、Ｐ（ｉ）がＰ（ｉ−１）よりも大きければ、ＰＶパネルからの出力は増大し、最高点に近づく。この時点では、ＰＶパネルからの出力電圧が増大している一方で、ファームウェアは、ＰＶパネルにスーパーキャパシタを充電し続けさせる。ある時点で、現在の出力Ｐ（ｃ＋１）は前の値Ｐ（ｃ）より小さくなる。出力が最高点に達し、今通過しつつあることを、ファームウェアが確定するとき、ファームウェアは、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータを作動させ、ファームウェアが出力と出力電圧とが同時に低下するのを見つけるまでスーパーキャパシタを放電させる。本発明の他の実施形態において、キャパシタの放電を止めるこの判断は、前に確定した最大のＰ（ｃ）値のある割合（例えば９０％）として決められた閾値を下回って下降する現在の出力に基づく。このように、ＰＶパネル用の最大出力を探索するアルゴリズムは、光強度が変化する状況においてでさえ、ＰＶパネルが最大電力を出力できるように、周期的にスーパーキャパシタを間欠的に放電させるためにＤＣ／ＤＣ出力コンバータを作動させたり止めたりする。
【００６１】
ｆ）上のｅ項で述べられた機能を実行するために、マイクロコントローラの中で走行しているファームウェア。
ｉ）ＰＶパネルからの出力電圧および電流を計測し、ＰＶパネルからの出力を計算する、
ｉｉ）ピーク出力点を探索し、
ｉｉｉ）スーパーキャパシタを放電するため、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータをオン／オフする。
【００６２】
加えて、もし、光強度が変化する場合に、時定数ΔＴが変化される、ピーク出力点を探索すること（すぐ上のｉｉ項）に関連するさらなる本発明の実施の形態を、このファームウェアは実装する。特に、システムの効率を改善するために、通常はΔＴの期間にＰＶ出力電圧の過大な変化が起きることがないようにΔＴは調整される。そのために、定数ΔＶｃがマイクロコントローラのメモリに格納される。このΔＶｃは、出力ピークでの電圧（例えばＰ（ｃ））より大きいか、または小さい、ＰＶ出力電圧に許される最大電位差である。もし、ファームウェアがＰＶパネルからの電流が変化していると確定すると、次式に基づいて新しい光強度用のΔＴを再計算する。
【００６３】
【数６】
2009502107.tif 000008
【００６４】
結果的に、より低い光強度用のΔＴの時間間隔は、より高い光強度のものより長くなる。特に、本発明の種々の例に対して、このΔＴは０．１ミリ秒から１６秒の範囲を有する可能性がある。
【００６５】
上述の機能に加えて、このファームウェアは次の機能を実行する。
ｉｖ）電池電圧を計測する、そして、
ｖ）マイクロコントローラが、「バースト（ｂｕｒｓｔ）」モードで稼動する方法でマイクロコントローラを制御する。マイクロコントローラおよびファームウェアは、ほとんどの時間眠っており、定められたとおりの確認と制御をするために３から５ミリ秒だけ起きる。ウェイクアップ（ｗａｋｅ−ｕｐ）時間間隔は、光強度レベルに依存し、低い光強度に対するよりも高い光強度に対する方がより頻繁に起きる。一つの実施の形態において、もしウェイクアップ時間間隔が例えば１秒より大きいとき、マイクロコントローラの稼働時間は０．５％より低い。マイクロコントローラの平均消費電力は、５ｕＷより小さい。システムの消費電力をさらに削減するために、マイクロコントローラが周辺機器を必要としないときは、すべての周辺装置は落とされる可能性がある。極端に低い消費電流のために、この制御システムは大きなＰＶパネルに対してだけではなく、非常に小さいＰＶパネルに対しても適している。
【００６６】
本発明は、構造的な特徴および／または方法的な行為に特有の言葉遣いで述べられてきたが、添付された請求項に定義された本発明は、説明された特定の特徴または行為に制限される必要性がないことは理解される。むしろ、特定の特徴および行為は、請求された発明を実施する例示的な形として開示されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】アセンブリが受ける異なった光の強さにおいて、光電池アセンブリからの出力を示す試験結果を出力電圧に対してプロットしたグラフである。
【図２】図１と同様のグラフである。しかし、出力電圧に依存した最大出力に対する割合について光電池アセンブリからの出力を示している。
【図３】本発明の一つの実施の形態による光電池アセンブリ出力を利用する装置を通じて電池を充電するための光電池アセンブリの回路図である。
【図４】本発明の一実施の形態おいて、キャパシタの充電が起きているとき、光電池アセンブリからの出力を出力電圧に対してプロットして示したグラフである。
【図５】本発明の一実施の形態おいて、キャパシタの放電が起きているとき、光電池アセンブリからの出力を出力電圧に対してプロットして示したグラフである。
【図６】ＤＣ／ＤＣ出力コンバータが用いられる本発明の追加の実施の形態の回路図である。
【図１】
2009502107.tif 000009
【図２】
2009502107.tif 000010
【図３】
2009502107.tif 000011
【図４】
2009502107.tif 000012
【図５】
2009502107.tif 000013
【図６】
2009502107.tif 000014
【国際調査報告】
2009502107.tif 000015
2009502107.tif 000016
2009502107.tif 000017