(57)【要約】【課題】充電用電源によって電気二重層キャパシタを充電するためにそれら充電用電源と電気二重層キャパシタとに接続されて使用される充電装置において、充電用電源による電気二重層キャパシタの充電に必要な時間を短縮する。【解決手段】充電装置を、（ａ）充電用電源としての太陽電池１２の発電電圧より低い電圧が電気二重層キャパシタ（以下「キャパシタ」という）１４に印加される一方、太陽電池の発電電流より大きい電流がキャパシタに供給されるように、太陽電池からキャパシタに供給される電力を変換する機能を有するチョッパ式の降圧回路５０と、（ｂ）太陽電池の発電電圧に応答する応答電圧と基準電圧との関係に基づき、太陽電池によるキャパシタの充電によって太陽電池の発電電圧がそれの下限値より低下しないように降圧回路５０を制御する制御回路６０〜６６とを含むものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電用電源によって電気二重層キャパシタを充電するためにそれら充電用電源と電気二重層キャパシタとに接続されて使用される充電装置であって、
前記充電用電源の発電電圧より低い電圧が前記電気二重層キャパシタに印加される一方、前記充電用電源の発電電流より大きい電流が前記電気二重層キャパシタに供給されるように、前記充電用電源から前記電気二重層キャパシタに供給される電力を変換する機能を有するチョッパ式の降圧コンバータと、
前記発電電圧に応答する応答電圧と基準電圧との関係に基づき、前記充電用電源による前記電気二重層キャパシタの充電によって前記発電電圧がそれの下限値より低下しないように前記降圧コンバータを制御する制御回路と
を含む充電装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記応答電圧が前記基準電圧より低くなろうとすると、前記充電用電源から前記降圧コンバータに流れ込む流入電流が減少するように、前記降圧コンバータを制御する請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記応答電圧が前記基準電圧より高くなろうとすると、前記流入電流が増加するように、前記降圧コンバータを制御する請求項２に記載の充電装置。
【請求項４】
さらに、前記充電電圧がそれの上限値を超えようとすると、前記充電用電源による前記電気二重層キャパシタの充電を阻止する充電阻止回路を含む請求項３に記載の充電装置。
【請求項５】
前記降圧コンバータは、前記電気二重層キャパシタと共同してＬＣフィルタを構成するインダクタと、フライホイール・ダイオードと、前記発電電流が前記電気二重層キャパシタに供給されるライン上に設けられたスイッチング素子とを含む非絶縁型の降圧型スイッチング・レギュレータである請求項２ないし４のいずれかに記載の充電装置。
【請求項６】
前記制御回路は、前記応答電圧と前記基準電圧との差である電圧差に基づき、前記スイッチング素子のデューティ比を制御する請求項５に記載の充電装置。
【請求項７】
前記制御回路は、前記スイッチング素子がオンされている導通時間が、前記基準電圧に対する前記応答電圧の不足量に応じて減少するように、その不足量に応じて前記スイッチング素子のデューティ比を制御する請求項５または６に記載の充電装置。
【請求項８】
前記制御回路は、
前記電圧差を検出し、その検出された電圧差を反映する信号を出力する信号出力部と、
前記スイッチング素子のオンオフ制御を行うオンオフ制御部と
を含み、そのオンオフ制御部は、前記信号出力部から出力された信号に基づき、前記スイッチング素子のデューティ比を制御する請求項６または７に記載の充電装置。
【請求項９】
さらに、前記充電電圧がそれの上限値を超えようとすると、前記スイッチング素子を連続的にオフ状態に切り換える切換回路を含む請求項５ないし８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、充電用電源によって電気二重層キャパシタを充電するためにそれら充電用電源と電気二重層キャパシタとに接続されて使用される充電装置に関するものであり、特に、充電用電源による電気二重層キャパシタの充電に必要な時間を短縮する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーを蓄積するために二次電池や電気二重層キャパシタ（以下、単に「キャパシタ」という。）が使用される。二次電池は、化学物質の化学反応を利用し、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積する。そのため、二次電池の使用においては、充放電の反復回数の制限、化学物質の毒性による健康被害、消耗品の廃棄による地球環境の汚染等に関する問題に配慮することが要求される。
【０００３】
これに対し、キャパシタは、電気エネルギーをそのまま、すなわち、エネルギー変換を行うことなく蓄積する。そのため、このキャパシタには、消耗する要素がなく、充放電を無制限に繰り返すことが可能で製品としての寿命が理論上は半永久的であるうえに、たとえ廃棄しても地球環境を汚染してしまう心配もない。
【０００４】
そのため、資源の有効利用が可能で、かつ、人間にも地球環境にも優しい製品の提供が強く叫ばれるようになった近年、電気エネルギーをキャパシタに蓄積する技術に注目が集まっている。
【０００５】
このキャパシタを充電用電源によって充電するために充電装置が使用される。充電用電源としては、太陽電池、手回し式発電機、風力発電機等を使用することが可能である。太陽電池は直流発電機であり、手回し式発電機および風力発電機は通常、交流発電機である。太陽電池によってキャパシタを充電する一従来例が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特許第３４０１４８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
キャパシタの充電はできる限り短時間で完了することが望ましい。しかし、太陽電池、手回し式発電機、風力発電機等の如き充電用電源により、放電状態にあるキャパシタをそれら充電用電源によって充電し始める場合には、従来、充電用電源の電圧低下および電力減少が原因で、キャパシタの充電に長時間が必要であった。
【０００７】
このような事情を背景にして、本発明は、充電用電源によって電気二重層キャパシタを充電するためにそれら充電用電源と電気二重層キャパシタとに接続されて使用される充電装置において、充電用電源による電気二重層キャパシタの充電に必要な時間を短縮することを課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈すべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきなのである。
【０００９】
さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈すべきである。
【００１０】
（１）  充電用電源によって電気二重層キャパシタを充電するためにそれら充電用電源と電気二重層キャパシタとに接続されて使用される充電装置であって、
前記充電用電源の発電電圧より低い電圧が前記電気二重層キャパシタに印加される一方、前記充電用電源の発電電流より大きい電流が前記電気二重層キャパシタに供給されるように、前記充電用電源から前記電気二重層キャパシタに供給される電力を変換する機能を有するチョッパ式の降圧コンバータと、
前記発電電圧に応答する応答電圧と基準電圧との関係に基づき、前記充電用電源による前記電気二重層キャパシタの充電によって前記発電電圧がそれの下限値より低下しないように前記降圧コンバータを制御する制御回路と
を含む充電装置。
【００１１】
一般に、放電状態にある電気二重層キャパシタ（以下、単に「キャパシタ」という。）を充電用電源によって充電しようとする場合、その充電開始時には、キャパシタの電圧は０であるため、充電用電源の電圧も０となり、よって、その充電用電源によって発生させられる電力も０となる。とはいえ、放電状態にあるキャパシタに充電用電源を導通させ続ければ、充電用電源からキャパシタへ電流が供給し続けられるため、やがては充電用電源によるキャパシタの充電が完了する。しかしながら、充電用電源による発電電流をそのままキャパシタに供給するだけでは、キャパシタの充電に長い時間がかかってしまう。
【００１２】
これに対し、キャパシタの放電状態において、充電用電源の発電電流より大きな電流をキャパシタに供給すれば、充電用電源の発電電流をそのままキャパシタに供給する場合より、キャパシタの充電時間が短縮される。充電用電源の発電電流より大きな電流をキャパシタに供給すること、すなわち、大電流化のためには、それら充電用電源とキャパシタとの間に降圧コンバータを設ければよい。
【００１３】
しかしながら、その大電流化のためには、充電用電源の発電電力を確保することが必要である。そのためには、上述の降圧コンバータをチョッパ式とし、その降圧コンバータのスイッチング素子のチョッピングにより、充電用電源から降圧コンバータに流れ込む流入電流を減少させれればよい。
【００１４】
以上説明した知見に基づき、本項に係る充電装置においては、充電用電源とキャパシタとの間にチョッパ式の降圧コンバータが設けられ、この降圧コンバータにより、充電用電源の発電電流より大きい電流がキャパシタに供給される。したがって、この充電装置によれば、充電用電源の発電電流がそのままキャパシタに供給される場合より、キャパシタの充電に必要な充電時間（キャパシタを放電状態から満充電状態に移行させるために必要な時間）が短縮される。
【００１５】
さらに、この充電装置においては、制御回路により、充電用電源によるキャパシタの充電によって充電用電源の発電電圧がそれの下限値より低下しないようにチョッパ式の降圧コンバータが制御される。すなわち、その制御回路は、発電電圧低下防止機能を有するのである。
【００１６】
したがって、この充電装置によれば、その制御回路が上述の発電電圧低下防止機能を有しない場合に比較し、充電用電源の発電電圧が高く保持される。よって、この充電装置によれば、キャパシタの電圧が０に近い期間においても、充電用電源の発電電力を変換してキャパシタに供給する状態が確保され、このこととも相俟って、キャパシタの高速充電が可能となる。
【００１７】
なお付言するに、本項における「充電用電源」は、例えば、太陽電池、風力発電機等、自然エネルギーを利用して発電を行う電源としたり、人力によって発電を行う手回し発電機としたり、自動車および自転車を含む車両の運動エネルギーを利用して発電を行う発電機とすることが可能である。
【００１８】
さらに付言するに、本項における「応答電圧」は、一般に、充電用電源の分電圧を意味するように定義されるが、全電圧を意味するように定義される可能性を排除しない。
【００１９】
（２）  前記制御回路は、前記応答電圧が前記基準電圧より低くなろうとすると、前記充電用電源から前記降圧コンバータに流れ込む流入電流が減少するように、前記降圧コンバータを制御する（１）項に記載の充電装置。
【００２０】
この充電装置においては、応答電圧が基準電圧より低くなろうとすると、充電用電源から降圧コンバータに流れ込む流入電流が減少するように、降圧コンバータが制御される。したがって、この充電装置によれば、応答電圧が基準電圧より低下することが抑制され、ひいては、充電用電源による電気二重層キャパシタの充電によって充電用電源の発電電圧がそれの下限値より低下することが抑制される。
【００２１】
（３）  前記制御回路は、前記応答電圧が前記基準電圧より高くなろうとすると、前記流入電流が増加するように、前記降圧コンバータを制御する（２）項に記載の充電装置。
【００２２】
一般に、充電用電源がキャパシタを充電する能力の高さは、その充電用電源の電圧の高さに依存する傾向があるため、キャパシタへの充電能力を適正化するためには充電用電源の電圧を特定の値または範囲に保持することが望ましい。
【００２３】
このような知見に基づき、本項に係る充電装置においては、応答電圧が基準電圧より低くなろうとすると、充電用電源から降圧コンバータに流れ込む流入電流が減少し、一方、応答電圧が基準電圧より高くなろうとすると、その流入電流が増加するように、降圧コンバータが制御される。その流入電流が減少すれば、前述のように、充電用電源の電力および電圧が低下する傾向が抑制され、逆に、その流入電流が増加すれば、充電用電源の電力および電圧が増加する傾向が抑制される。
【００２４】
したがって、この充電装置によれば、充電用電源によるキャパシタの充電中、その充電用電源の電圧が上記基準電圧に対応する高さに保持される。
【００２５】
（４）  さらに、前記充電電圧がそれの上限値を超えようとすると、前記充電用電源による前記電気二重層キャパシタの充電を阻止する充電阻止回路を含む（３）項に記載の充電装置。
【００２６】
前記（３）項に係る充電装置においては、応答電圧が基準電圧より高くなろうとすると、その流入電流が増加するように、降圧コンバータが制御される。その流入電流が増加すれば、充電用電源の電力および電圧が増加する傾向が抑制されるとともに、充電用電源からキャパシタに供給される電力が増加する結果、キャパシタの充電電圧が上昇する傾向が強まる。一方、キャパシタにおいては、それの充電電圧がそれの上限値（例えば、耐電圧）を超えないようにすることが必要である。
【００２７】
このような知見に基づき、本項に係る充電装置においては、キャパシタの充電電圧がそれの上限値を超えようとすると、充電用電源による電気二重層キャパシタの充電が阻止される。
【００２８】
（５）  前記降圧コンバータは、前記電気二重層キャパシタと共同してＬＣフィルタを構成するインダクタと、フライホイール・ダイオードと、前記発電電流が前記電気二重層キャパシタに供給されるライン上に設けられたスイッチング素子とを含む非絶縁型の降圧型スイッチング・レギュレータである（２）ないし（４）項のいずれかに記載の充電装置。
【００２９】
（６）  前記制御回路は、前記応答電圧と前記基準電圧との差である電圧差に基づき、前記スイッチング素子のデューティ比を制御する（５）項に記載の充電装置。
【００３０】
本項における「制御回路」は、例えば、デューティ比を電圧差に応じて段階的に変更する態様で実施したり、連続的に変更する態様で実施することが可能である。後者の態様によれば、充電用電圧をきめ細かく制御することが容易である。
【００３１】
（７）  前記制御回路は、前記スイッチング素子がオンされている導通時間が、前記基準電圧に対する前記応答電圧の不足量に応じて減少するように、その不足量に応じて前記スイッチング素子のデューティ比を制御する（５）または（６）項に記載の充電装置。
【００３２】
この充電装置においては、スイッチング素子がオンされている導通時間が、基準電圧に対する応答電圧の不足量に応じて減少させられる。一方、スイッチング素子の導通時間が短いほど、充電用電源からキャパシタに流れ込む流入電流が減少し、その結果、その充電用電源の電圧低下が抑制される。したがって、この充電装置によれば、スイッチング素子の導通時間の制御により、発電電圧がそれの下限値より低下することが抑制される。
【００３３】
（８）  前記制御回路は、
前記電圧差を検出し、その検出された電圧差を反映する信号を出力する信号出力部と、
前記スイッチング素子のオンオフ制御を行うオンオフ制御部と
を含み、そのオンオフ制御部は、前記信号出力部から出力された信号に基づき、前記スイッチング素子のデューティ比を制御する（６）または（７）項に記載の充電装置。
【００３４】
（９）  さらに、前記充電電圧がそれの上限値を超えようとすると、前記スイッチング素子を連続的にオフ状態に切り換える切換回路を含む（５）ないし（８）項のいずれかに記載の充電装置。
【００３５】
この充電装置においては、キャパシタの充電電圧がそれの上限値を超えようとすると、スイッチング素子が連続的にオフ状態に切り換えられる。その切換後には、キャパシタが充電用電源から電気的に切り離される結果、充電用電源によるキャパシタの追加的な充電が阻止される。よって、この充電装置によれば、キャパシタの充電電圧がそれの上限値を超えようとすることが抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明のさらに具体的な実施の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明する。
【００３７】
図１には、本発明の一実施形態に従う充電装置が電気回路図で示されている。この充電装置１０は、充電用電源としての太陽電池１２によって電気二重層キャパシタ（以下、単に「キャパシタ」という。）１４を充電するためにそれら太陽電池１２と電気二重層キャパシタ１４とに接続されて使用される。太陽電池１２は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する形式の物理電池である。太陽電池１２は、光エネルギーを直流電力に変換する。
【００３８】
この充電装置１０は、それのプラス入力端子２０とマイナス入力端子２２とにおいて太陽電池１２のプラス側とマイナス側とにそれぞれ接続されている。この充電装置１０は、さらに、それのプラス出力端子３０とマイナス出力端子３２とにおいてキャパシタ１４のプラス側とマイナス側とにそれぞれ接続されている。
【００３９】
図１に示すように、この充電装置１０は、プラス入力端子２０とプラス出力端子３０とを互いに接続するプラス側ライン４０によって互いに接続され、一方、マイナス入力端子２２とマイナス出力端子３２とを互いに接続するマイナス側ライン４２によって互いに接続されている。プラス側ライン４０の途中には、それを順方向にバイアスするダイオード４４が接続されている。マイナス側ライン４２は接地されている。
【００４０】
プラス側ライン４０は、ダイオード４４とプラス出力端子３０との間において、電解コンデンサ４６の一端部に接続されている。その電解コンデンサ４６の他端部は接地されている。その電解コンデンサ４６は、太陽電池１２によってキャパシタ１４が充電される際に太陽電池１２の充電電圧Ｖｓが変動することを抑制するために設けられている。
【００４１】
この充電装置１０は、プラス側ライン４０とマイナス側ライン４２とに跨って降圧インバータ５０を備えている。この降圧インバータ５０は、非絶縁型の降圧型スイッチング・レギュレータとして構成されている。
【００４２】
この降圧インバータ５０は、具体的には、図１に示すように、プラス側ライン４０の途中に、互いに直列に接続されたチョッパ式のスイッチング回路５２とインダクタ５４とを備えている。そのインダクタ５４は、キャパシタ１４に接続されてＬＣフィルタを形成する。この降圧インバータ５０は、さらに、プラス側ライン４０のうちスイッチング回路５２とインダクタ５４との間の部分と、マイナス側ライン４２との間に接続されたフライホイール・ダイオード（以下、単に「ダイオード」という。）５６を備えている。
【００４３】
この降圧インバータ５０は、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓより低い電圧がキャパシタ１４に印加される一方、太陽電池１２の発電電流Ｉｓより大きい電流がキャパシタ１４に供給されるように、太陽電池１２からキャパシタ１４に供給される電力を変換する機能を有する。
【００４４】
この降圧インバータ５０は、よく知られているように、スイッチング回路５２のオンオフによって発生した方形波（断続波形）を上述のＬＣフィルタによって平滑化する方式である。この方式は、入力電圧、すなわち、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓより出力電圧、すなわち、キャパシタ１４の充電電圧Ｖｃが低い場合に採用される。
【００４５】
この降圧インバータ５０においては、スイッチング回路５２がオン（導通）状態にある期間に、太陽電池１２の電気エネルギーがスイッチング回路５２を経てインダクタ５４に蓄積される。その後、スイッチング回路５２がオフ（遮断）状態に切り換えられると、インダクタ５４、キャパシタ１４およびダイオード５６から成る閉回路により、インダクタ５４に蓄積された電気エネルギーがキャパシタ１４に供給される。スイッチング回路５２のオンオフを繰り返すことにより、太陽電池１２の電気エネルギーがキャパシタ１４に供給され、それにより、太陽電池１２によってキャパシタ１４が充電される。
【００４６】
この際、キャパシタ１４の充電電圧Ｖｃは、スイッチング回路５２のデューティ比、すなわち、スイッチング回路５２がオンしている導通時間ＴＯＮを、その導通時間ＴＯＮと非導通時間ＴＯＦＦとの和で割り算した値に基づいて太陽電池１２の発電電圧Ｖｓが降圧された高さを有する。発電電圧Ｖｓが降圧された電圧が充電電圧Ｖｃとなれば、それと引き換えに、太陽電池１２の発電電流Ｉｓが増加させられた電流がキャパシタ１４の充電電流Ｉｃとなる。
【００４７】
さらに、この降圧インバータ５０においては、太陽電池１２から降圧インバータ５０に流れ込む流入電流は、発電電圧Ｖｓから充電電圧Ｖｃを差し引いた値と流入時間ｔ（＝導通時間ＴＯＮの積分値）との積に基づいて決まる。この流入電流が多いほど、太陽電池１２からキャパシタ１４に供給される電力も多く、そのため、発電電圧Ｖｓが低下する原因となる。
【００４８】
図１に示すように、スイッチング回路５２は、ＰＷＭ回路６０に接続されている。このＰＷＭ回路６０は、スイッチング回路５２のデューティ比制御の一例であるパルス幅変調（ＰＷＭ）をスイッチング回路５２に対して行うように設計されている。
【００４９】
このＰＷＭ回路６０は、三角波発生回路６２に接続されている。この三角波発生回路６２は、図２（ａ）においてグラフで表すように、一定の周波数（例えば、１［ｋＨｚ］）で三角波を発生させる。その発生させられた三角波にしきい値Ｖｔｈを適用すれば、そのしきい値Ｖｔｈに応じて持続時間すなわちパルス幅が変調されるパルス波が発生させられる。このパルス波がスイッチング回路５２に供給されれば、その変調されたパルス幅に応じたデューティ比でスイッチング回路５２がオンオフされる。
【００５０】
図１に示すように、ＰＷＭ回路６０は、さらに、比較回路６４にも接続されている。この比較回路６４は、上述のしきい値ＶｔｈをＰＷＭ回路６０に入力するために設けられている。
【００５１】
この比較回路６４の第１入力端子（−）および第２入力端子（＋）はそれぞれ、プラス側ライン４０および基準電圧発生回路６６に接続されている。第１入力端子（−）には発電電圧Ｖｓの分電圧Ｖｓｄ（これについては後に詳述する。）が連続値として印加される。この比較回路６４は、それら分電圧Ｖｓｄと基準電圧Ｖｒｅｆとの差に応じて、より具体的には、基準電圧Ｖｒｅｆに対する分電圧Ｖｓｄの電圧差ΔＶに応じて連続的に変化するしきい値Ｖｔｈを表すしきい値信号を出力する。
【００５２】
具体的には、比較回路６４は、しきい値Ｖｔｈを、分電圧Ｖｓｄが基準電圧Ｖｒｅｆより低いレベルからその基準電圧Ｖｒｅｆに近づくにつれて、下降するように設定する一方、分電圧Ｖｓｄが基準電圧Ｖｒｅｆより高いレベルからその基準電圧Ｖｒｅｆに近づくにつれて、上昇するように設定する。
【００５３】
図２（ａ）には、この比較回路６４によって設定されるしきい値Ｖｔｈが、三角波発生回路６２によって発生させられる三角波との関係において、２つの代表的な場合を例にとり、グラフで表されている。この比較回路６４は、オペアンプ９６の直流ゲインが最大であるため、第１入力端子（−）の電圧と第２入力端子（＋）の電圧とが極限まで互いに接近するように、動作する。
【００５４】
キャパシタ１４の充電初期にＭＯＳＦＥＴ８０がオンすると、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓとキャパシタ１４の充電電圧Ｖｃとの電圧差が大きいため、太陽電池１２からキャパシタ１４に大電流が流れる。そのため、ＭＯＳＦＥＴ８０が短時間オンしただけで、発電電圧Ｖｓが大きく低下する。その結果、しきい値Ｖｔｈがしきい値ＶＢのレベルにある状態（図２（ｃ）参照）で、オペアンプ９６の第１入力端子（−）の電圧と第２入力端子（＋）の電圧とが互いに等しくなる。
【００５５】
これに対し、キャパシタ１４の充電後期にＭＯＳＦＥＴ８０がオンすると、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓとキャパシタ１４の充電電圧Ｖｃとの電圧差が小さいため、太陽電池１２からキャパシタ１４に小電流しか流れない。そのため、ＭＯＳＦＥＴ８０が長時間オンしても、発電電圧Ｖｓの低下量が少なくて済む。その結果、しきい値Ｖｔｈがしきい値ＶＡのレベルにある状態（図２（ｂ）参照）で、オペアンプ９６の第１入力端子（−）の電圧と第２入力端子（＋）の電圧とが互いに等しくなる。
【００５６】
よって、この比較回路６４によれば、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓが一定に保たれるため、図２（ｄ）および（ｅ）に示すように、太陽電池１２からキャパシタ１４に流れる電流の値と、ＭＯＳＦＥＴ８０のオン時間の長さとの積が、キャパシタ１４の充電電力に比例することになる。また、この比較回路６４においては、オペアンプ９６に積分コンデンサが取り付けられているため、降圧インバータ５０のスイッチング動作によって発生するリップルが十分吸収され、それにより、この比較回路６４は、安定したしきい値電圧Ｖｔｈを発生させる。
【００５７】
比較回路６４からＰＷＭ回路６０に出力されるしきい値Ｖｔｈがしきい値ＶＡである場合には、図２（ｂ）にグラフで表すように、導通時間ＴＯＮが非導通時間ＴＯＦＦより長いパルス波が発生させられ、このパルス波に従ってスイッチング回路５２がオンオフされる。これに対し、比較回路６４からＰＷＭ回路６０に出力されるしきい値Ｖｔｈがしきい値ＶＢである場合には、図２（ｃ）にグラフで表すように、導通時間ＴＯＮが非導通時間ＴＯＦＦより短いパルス波が発生させられ、このパルス波に従ってスイッチング回路５２がオンオフされる。
【００５８】
比較回路６４からＰＷＭ回路６０に出力されるしきい値Ｖｔｈが最高レベルを示す場合には、スイッチング回路５２が連続的に導通状態となり、太陽電池１２からキャパシタ１４への連続的な電力供給が可能となる。
【００５９】
キャパシタ１４が放電状態に近い場合には、キャパシタ１４の充電電圧Ｖｃが０に近く、そのため、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓとの電圧差が大きい。それにもかかわらず太陽電池１２をキャパシタ１４に導通させる導通時間を長くすると、太陽電池１２からキャパシタ１４に多くの電力が流出し、その結果、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓが低下し易い。
【００６０】
一方、降圧インバータ５０においては、スイッチング回路５２の導通時間ＴＯＮが短いほど、太陽電池１２からキャパシタ１４に流出する電流の量が制限され、その結果、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓが低下し難くなる。
【００６１】
これに対し、キャパシタ１４が満充電状態に近い場合には、キャパシタ１４の充電電圧Ｖｃがそれの上限値に近く、そのため、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓとの電圧差が小さい。よって、太陽電池１２をキャパシタ１４に導通させる導通時間を長くしても、太陽電池１２からキャパシタ１４に多くの電流が流出せずに済み、その結果、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓが低下せずに済む。
【００６２】
そこで、降圧インバータ５０は、キャパシタ１４の充電電圧Ｖｃの低電圧期間（充電期間の前半）においては、スイッチング回路５２の導通時間ＴＯＮが短くなるように動作させられる。その結果、太陽電池１２から降圧インバータ５０に流れ込む電流が減少し、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓを一定の電圧に保つことができる。
【００６３】
これに対し、降圧インバータ５０は、キャパシタ１４の充電電圧Ｖｃの高電圧期間（充電期間の後半）においては、スイッチング回路５２の導通時間ＴＯＮが長くなるように動作させられる。その結果、太陽電池１２によってキャパシタ１４が効率よく充電される。
【００６４】
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、分電圧Ｖｓｄと基準電圧Ｖｒｅｆとの関係としてそれらの電圧差が検出され、その結果がスイッチング回路５２のデューティ比に反映される。それにより、分電圧Ｖｓｄが基準電圧Ｖｒｅｆに保持されつつ、キャパシタ１４が放電状態に近い場合には低電圧大電流、満充電状態に近い場合には高電圧小電流がそれぞれキャパシタ１４に供給される。
【００６５】
このように、本実施形態においては、分電圧Ｖｓｄと基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係を監視することにより、キャパシタ１４の充電電圧Ｖｃの上昇につれて、降圧インバータ５０からキャパシタ１４に印加される電圧は次第に上昇する一方、降圧インバータ５０からキャパシタ１４に供給される電流は次第に減少するように、それら印加電圧および供給電流が適応的に制御される。
【００６６】
その結果、本実施形態によれば、放電状態にあるキャパシタ１４を太陽電池１２によって充電し始める場合であっても、太陽電池１２の発電電力を確保することにより、太陽電池１２によってキャパシタ１４を効率よく充電することが可能となる。
【００６７】
図１に示すように、この充電装置１０は、さらに、過充電防止回路７０を備えている。この過充電防止回路７０は、キャパシタ１４の充電電圧Ｖｃがそれの上限値を超えようとすると、スイッチング回路５２を連続的にオフさせることにより、キャパシタ１４から太陽電池１２を電気的に遮断するように動作させられる。
【００６８】
図３（ａ）には、この充電装置１０を使用する場合に、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓが示す時間的推移の一例が概念的にグラフで表されている。この例においては、発電電圧Ｖｓが保持される保持電圧が１２．０［Ｖ］に設定されている。図３（ｂ）には、この充電装置１０を使用する場合に、キャパシタ１４の充電電圧Ｖｃが示す時間的推移の一例が概念的にグラフで表されている。この例においては、充電電圧Ｖｃの上限値が１２．５［Ｖ］に設定されている。
【００６９】
図４には、この充電装置１０のさらに具体的な構成の一例が電気回路図で示されている。この例においては、キャパシタ１４が、５個の個別キャパシタの直列回路が２個、互いに並列に接続されて構成されている。各個別キャパシタの耐電圧は２．５［Ｖ］であるため、キャパシタ１４全体の耐電圧は１２．５［Ｖ］である。
【００７０】
図４に示すように、スイッチング回路５２は、ＭＯＳＦＥＴ８０を主体として構成されている。ＰＷＭ回路６０は、トランジスタ８２とコンパレータ８４とを備えている。
【００７１】
トランジスタ８２のコレクタはＭＯＳＦＥＴ８０のゲート電極に接続され、エミッタは接地されている。トランジスタ８２のベースは、コンパレータ８４の出力端子に接続されている。
【００７２】
コンパレータ８４は、第１入力端子（−）と第２入力端子（＋）とを有している。第１入力端子は、後述のオペアンプ９６の出力端子に接続される一方、第２入力端子は、三角波発生回路６２に接続されている。
【００７３】
このコンパレータ８４は、第１入力端子の電圧（しきい値Ｖｔｈを反映する）が第２入力端子の電圧（三角波を反映する）より高い場合にはローレベルとなり、そうではない場合にはハイレベルとなる信号を出力する。
【００７４】
比較回路６４は、減算と積分とを行うために、オペアンプ９６とキャパシタ９８とを含むように構成されている。オペアンプ９６の出力端子は、コンパレータ８４の第１入力端子に接続されている。そのオペアンプ９６は、第１入力端子（−）と第２入力端子（＋）とを有している。
【００７５】
オペアンプ９６の第１入力端子（−）には、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓがそのまま印加されるのではなく、分圧抵抗器１００，１０２，１０４によって太陽電池１２の全電圧が分圧された前述の分電圧Ｖｓｄが印加される。これに対し、オペアンプ９６の第２入力端子（＋）は、基準電圧発生回路６６に接続されており、固定値である基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。
【００７６】
その分電圧Ｖｓｄは、太陽電池１２の全電圧が前述の保持電圧である１２．０［Ｖ］に等しいときに、固定値である基準電圧Ｖｒｅｆと等しくなるように、可変抵抗器である分圧抵抗器１０２によって設定されている。すなわち、本実施形態においては、この分電圧Ｖｓｄが、前記（１）項における「応答電圧」の一例なのである。
【００７７】
そして、この比較回路６４は、応答電圧を表す入力アナログ信号を時間に関して積分した信号を、基準電圧Ｖｒｅｆを表す入力アナログ信号から減算することにより、出力アナログ信号を出力する。その出力アナログ信号は、連続値である。
【００７８】
図４に示すように、過充電防止回路７０は、キャパシタ１４の全電圧が分圧された分電圧Ｖｃｄを取り出すための分圧抵抗器１１０，１１２，１１４を備えている。この過充電防止回路７０は、さらに、その分電圧Ｖｃｄが印加される第１入力端子（−）と、基準電圧発生回路６６から基準電圧Ｖ０が印加される第２入力端子（＋）とを有するコンパレータ１２０とを備えている。
【００７９】
コンパレータ１２０の出力端子は、トランジスタ８２のベースに接続されている。コンパレータ１２０は、分電圧Ｖｃｄが基準電圧Ｖ０を超えると、トランジスタ８２をターンオフしてＭＯＳＦＥＴ８０もターンオフするための信号をトランジスタ８２のベースに出力する。その分電圧Ｖｃｄは、キャパシタ１４の全電圧がそれの耐電圧に等しいときに、固定値である基準電圧Ｖ０と等しくなるように、可変抵抗器である分圧抵抗器１１２によって設定されている。
【００８０】
コンパレータ１２０は、第１入力端子の電圧（分電圧Ｖｃｄを反映する）が第２入力端子の電圧（基準電圧Ｖ０を反映する）より高い場合にはハイレベルである信号を出力する一方、そうではない場合にはローレベルである信号を出力する。
【００８１】
すなわち、本実施形態においては、太陽電池１２の分電圧Ｖｓｄと基準電圧Ｖｒｅｆとの差がフィードバックされることにより、降圧インバータ５０のデューティ比に対して少なくとも比例制御が実行され、それにより、分電圧Ｖｓｄが基準電圧Ｖｒｅｆから外れないようにされつつ、太陽電池１２の発電電力が、キャパシタ１４の充電時間を短縮するのに好適な特性で変換されるのである。
【００８２】
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、降圧インバータ５０が前記（１）項における「チョッパ式の降圧コンバータ」の一例を構成し、ＰＷＭ回路６０、三角波発生回路６２、比較回路６４および基準電圧発生回路６６が互いに共同して同項、前記（２）項および前記（３）項における「制御回路」の一例を構成しているのである。
【００８３】
さらに、本実施形態においては、過充電防止回路７０が前記（４）項における「充電阻止回路」の一例を構成し、降圧インバータ５０が前記（５）項における「降圧型スイッチング・レギュレータ」の一例を構成し、スイッチング回路５２が同項における「スイッチング素子」の一例を構成し、ＰＷＭ回路６０、三角波発生回路６２、比較回路６４および基準電圧発生回路６６が互いに共同して前記（６）項における「制御回路」の一例を構成しているのである。
【００８４】
さらに、本実施形態においては、比較回路６４と基準電圧発生回路６６とが互いに共同して前記（７）項における「信号出力部」の一例を構成し、ＰＷＭ回路６０および三角波発生回路６２とが互いに共同して同項における「オンオフ制御部」の一例を構成し、過充電防止回路７０が前記（８）項における「切換回路」の一例を構成しているのである。
【００８５】
なお付言するに、本実施形態においては、充電用電源として太陽電池１２が使用されているが、他の形式の発電機を使用することが可能である。例えば、手回し式の発電機や風力発電機を使用することが可能である。
【００８６】
充電用電源として手回し式の発電機や風力発電機を使用する場合には、発電機の回転数に比例してその発電機に電圧が発生する。そのため、この種の発電機には、キャパシタ１４の放電状態においては、大電流・低電圧すなわち高トルク・低回転数が必要であるが、満充電状態に近づくにつれて、小電流・高電圧すなわち低トルク・高回転数が必要となる。このように、この種の発電機を使用する場合には、キャパシタ１４の充放電状態の推移に追従するように発電機を作動させることが、その発電機によってキャパシタ１４を安定的に充電するために重要であるが、そのように発電機を作動させることは困難である。
【００８７】
これに対し、この種の発電機によってキャパシタ１４を充電するためにこの充電装置１０を使用すれば、この充電装置１０が自動的に、キャパシタ１４の充放電状態の推移に追従した電流および電圧の変換を行うため、この種の発電機を一定のトルク・回転数で作動させるのみで、キャパシタ１４を有効に充電するのに必要な電力が発生させられる。よって、この充電装置１０によれば、この種の発電機によってキャパシタ１４を充電する場合であっても、キャパシタ１４を短時間で簡単に充電することが可能となる。
【００８８】
以上、本発明の実施の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明したが、これは例示であり、前記［発明の開示］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の一実施形態に従う充電装置１０の概略的構成を示す電気回路図である。
【図２】図１に示す充電装置１０の一使用例において、太陽電池１２の発電電圧Ｖｓが示す時間的推移とキャパシタ１４の充電電圧Ｖｃが示す時間的推移とを示すグラフである。
【図３】図１におけるＰＷＭ回路６０の動作原理を説明するためのグラフである。
【図４】図１に示す充電装置１０の具体的構成の一例を示す電気回路図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０  充電装置
１２  太陽電池
１４  電気二重層キャパシタ
５０  降圧インバータ
５２  スイッチング回路
５４  インダクタ
５６  フライホイール・ダイオード
６０  ＰＷＭ回路
６２  三角波発生回路
６４  比較回路
６６  基準電圧発生回路
７０  過充電防止回路
【図１】
2006203983.tif 000003
【図２】
2006203983.tif 000004
【図３】
2006203983.tif 000005
【図４】
2006203983.tif 000006