(57)【要約】【課題】太陽光発電装置を構成する蓄電池の充電回路あるいは保護回路を簡素化する。【解決手段】少なくとも複数の太陽電池セルを直列接続してなるパネルモジュール１と、該パネルモジュールに並列接続され前記パネルモジュールの出力により充電される電池モジュール５９と、電池モジュールの出力を断続して整流回路に供給する駆動回路１１，１５と、前記整流回路の出力電圧に応じて前記整流回路を駆動する前記駆動回路を制御する制御回路１８を備え、直列接続してなるパネルモジュールの出力電圧はリチウムイオン電池単体の充電電圧の上限値以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも複数の太陽電池セルを直列接続してなるパネルモジュールと、
該パネルモジュールに並列接続され前記パネルモジュールの出力により充電される電池モジュールと、
該電池モジュールの出力を断続して整流回路に供給する駆動回路と、
前記整流回路の出力電圧に応じて前記整流回路を駆動する前記駆動回路を制御する制御回路を備え、
複数の太陽電池セルを直列接続してなる前記パネルモジュールの出力電圧は電池単体の充電電圧の上限値以下であることを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の太陽光発電装置において、
前記電池モジュールは直列接続されないリチウムイオン電池の電池モジュールであり、前記直列接続された複数の太陽電池セルからなるパネルモジュールの出力電圧は前記電池モジュールの充電電圧の上限値以下であることを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項３】
請求項１記載の太陽光発電装置において、
前記整流回路は一方のコンデンサ列にリチウムイオンキャパシタを用いた多倍圧整流回路であり、前記リチウムイオンキャパシタの電圧を監視し、異常時に駆動回路を停止する電圧検出回路を備えたことを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項４】
請求項１記載の太陽光発電装置において、
前記駆動回路はリアクトルとスイッチング回路の直列接続回路からなり、前記リアクトルとスイッチング回路の接続点から昇圧出力を得る昇圧回路であることを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項５】
請求項２記載の太陽光発電装置において、
前記電池モジュールは電池セルとバランサからなる複数の直列回路を並列接続した電池モジュールであり、前記パネルモジュールは複数の太陽電池セルを直並列接続したパネルモジュールであることを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項６】
少なくとも複数の太陽電池セルを直列接続してなるパネルモジュールと、
該パネルモジュールに並列接続され前記パネルモジュールの出力により充電される、直列接続体を含まない電池モジュールと、
前記電池モジュールに並列接続したリアクトルとスイッチング回路からなる駆動回路と、
前記リアクトルとスイッチング回路の接続点に接続した多倍圧整流回路と、
前記スイッチング回路を制御する制御回路を備え、
前記直列接続された複数の太陽電池セルからなるパネルモジュールの出力電圧は前記電池モジュールの充電電圧の上限値以下であり、
前記制御回路は、前記多倍圧整流回路の出力電圧に応じて前記整流回路を駆動する駆動回路のデューティ比を可変制御することを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項７】
少なくとも複数の太陽電池セルを直列接続してなるパネルモジュールと、
該パネルモジュールに並列接続され前記パネルモジュールの出力により充電される、直列接続体を含まない電池モジュールと、
前記電池モジュールに並列接続した第１のスイッチング回路と第２のスイッチング回路直列体からなる駆動回路と、
前記第１のスイッチング回路と第２のスイッチング回路の接続点に接続した倍電圧整流回路と、
前記第１および第２のスイッチング回路を交互にオンオフ制御する制御回路を備え、
前記直列接続された複数の太陽電池セルからなるパネルモジュールの出力電圧は前記電池モジュールの充電電圧の上限値以下であることを特徴とする太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電装置に係り、特に、太陽光発電装置を構成する蓄電池の保護回路を簡素化することのできる太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電パネルで発電したエネルギはリチウムイオン電池などの蓄電池に蓄積する。この場合、リチウムイオン電池１セルの電圧より高い電圧を発生させ、この電圧で直列接続されたリチウムイオン電池を充電している（特許文献１）。
【０００３】
このような充電回路では、リチウムイオン電池の両極間には規格（上限電圧、例えば４．２Ｖ）より高い電圧がかかる可能性があり、このため複雑な充放電回路や保護回路等を設ける必要がある（特許文献２）
図８は、従来の太陽光発電装置を説明する図である。図８において、１は太陽光発電パネルモジュール、２〜８は太陽光発電パネルを構成するセル、５３はリチウムイオン電池セル、５０はリチウムイオン電池の電圧を検出する電圧検出回路、５１は抵抗、５２はスイッチ素子、５４〜５８は保護回路を含むリチウムイオン電池ユニット、５９はリチウムイオン電池モジュール、１１はコイル、１２，１５はパワーＭＯＳＦＥＴ、１３，１６はパワーＭＯＳＦＥＴ内の寄生ダイオード、１４，１７はドライブ回路、１８は制御回路、６０は整流回路、６１，６２はダイオード、６４，６５は検出抵抗、６７はコンデンサ、６６は出力端子を示している。
【０００４】
図８において、太陽光発電パネルモジュール１は、太陽光発電パネルを構成する複数のセルの直列回路で構成されており、リチウムイオン電池ユニット５４は、リチウムイオン電池セル５３、電圧検出回路５０、抵抗５１、スイッチ素子５２で構成されている。また、リチウムイオン電池モジュール５９は、複数のリチウムイオン電池ユニット５４〜５８を備え、整流回路６０はダイオード６１，６２、コンデンサ６７を備える。
【０００５】
図８において、太陽光発電パネルは太陽光が照射すると太陽光の強さによって定まる所定の電圧を発生する。一般的な太陽光発電パネルでは、最大で０．６Ｖ程度の電圧を発生する。太陽光発電パネルモジュール１は、太陽光発電パネルを構成するセルの直列数によって定まる所定の電圧を発生する。
【０００６】
パワーＭＯＳＦＥＴ１２がオンの時は、上記太陽光発電パネルモジュール１で発生する電圧は、リチウムイオン電池モジュール５９に印加される。また、リチウムイオン電池ユニット５４内のリチウムイオン電池セル５３に印加され、各リチウムイオン電池セルが充電される。
【０００７】
リチウムイオン電池ユニット５４内の電圧検出回路５０は、リチウムイオン電池セル５３にかかる電圧を検出し、検出した電圧情報を制御回路１８へ伝送する。リチウムイオン電池モジュール５９内の他のリチウムイオン電池ユニット５５〜５８においても、同様の動作がなされ、各リチウムイオン電池電極間の電圧情報を制御回路１８へ伝送する。
【０００８】
制御回路１８は、上記電圧検出回路５０によって検出された電圧を監視し、検出した電圧が所定の値を超えた場合には、パワーＭＯＳＦＥＴ１２をオフし、リチウムイオン電池５３への充電を停止する。
【０００９】
リチウムイオン電池５３と並列に接続された抵抗５１とスイッチ素子５２から成る直列回路は、リチウムイオン電池の充電容量を調整する。例えば他のリチウムイオン電池に比して過充電である場合は、スイッチ素子５２をオンして充電容量を下げ、充電量を調整する。
【００１０】
パワーＭＯＳＦＥＴ１５、コイル１１、整流回路６０はチョッパ型昇圧回路を構成している。パワーＭＯＳＦＥＴ１５がオンの期間にコイル１１に磁気エネルギを蓄積し、パワーＭＯＳＦＥＴ１５がオフの期間に前記蓄積された磁気エネルギーを整流回路６０内のコンデンサ６７に昇圧された静電エネルギーとして転送する。
【００１１】
制御回路１８は、抵抗６４、６５を介してコンデンサ６７の両端に発生する出力電圧Ｖoutを検出し、出力電圧Ｖoutが所望の電圧になるようにドライブ回路１７を介して、パワーＭＯＳＦＥＴ１５へ供給するドライブ電圧Ｖの波形を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−１５４３３４号公報
【特許文献２】特開２００９−８９４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前記従来技術においては、太陽光発電パネルモジュール１で発生する電圧は、リチウムイオン電池ユニット５４内の直列接続された複数のリチウムイオン電池セル５３に印加される。すなわち、前記太陽光発電パネルモジュール１で発生する電圧は、各リチウムイオン電池の電圧の複数倍の電圧であり、この電圧が複数のリチウムイオン電池に均等に印加されない場合、各リチウムイオン電池は均等に充電されないことになる。このため、直列接続されたリチウムイオン電池ユニット５４〜５８には、各ユニット毎に電圧検出回路、抵抗、スイッチ素子からなるセルの充電率を調整する回路を設ける必要がある。このため、回路部品点数が増加し、コストが増加する。
【００１４】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、太陽光発電パネルを用い蓄電池を充電する太陽光発電装置において、太陽光発電装置を構成する蓄電池の充電回路あるいは保護回路を簡素化することのできる太陽光発電装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１６】
少なくとも複数の太陽電池セルを直列接続してなるパネルモジュールと、該パネルモジュールに並列接続され前記パネルモジュールの出力により充電される電池モジュールと、電池モジュールの出力を断続して整流回路に供給する駆動回路と、前記整流回路の出力電圧に応じて前記整流回路を駆動する前記駆動回路を制御する制御回路を備え、直列接続してなるパネルモジュールの出力電圧は電池単体の充電電圧の上限値以下である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、以上の構成を備えるため、太陽光発電装置を構成する蓄電池の充電回路あるいは保護回路を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態を示す図である。
【図２】第２の実施形態を示す図である。
【図３】第３の実施形態を示す図である。
【図４】第４の実施形態を示す図である。
【図５】第５の実施形態を示す図である。
【図６】第６の実施形態を示す図である。
【図７】第７の実施形態を示す図である。
【図８】従来の太陽光発電装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す図である。図１において、１は太陽光発電パネルモジュール、２〜８は太陽光発電パネルのセル、５９はリチウムイオン電池モジュール、９は保護回路を含むリチウムイオン電池ユニット、１０はリチウムイオン電池セル、１１は昇圧用コイル、１２，１５はパワーＭＯＳＦＥＴ、１３，１６はパワーＭＯＳＦＥＴ内の寄生ダイオード、１４，１７はドライブ回路、１８は制御回路、１９は整流回路、２４〜３３はダイオード、４０，４１は検出抵抗、２０〜２３、３４〜３８はコンデンサ、３９は出力端子を示している。
【００２１】
図１において、太陽光発電パネルモジュール１は、太陽光発電パネルを構成するセルの直列回路を備える。また、リチウムイオン電池モジュール５９は、単一のリチウムイオン電池ユニット９により構成され、リチウムイオン電池ユニット９は、単一のリチウムイオン電池セル１０を用いて構成されている。
【００２２】
図１において、整流回路１９は、ダイオード２４〜３３、コンデンサ２０〜２３、３４〜３８を備え、この整流回路は多倍圧整流回路あるいはコック・クロフト・ウォルトン回路と呼ばれている。この回路は、コンデンサ３８の両端子間電圧を整数倍した電圧を発生し、この電圧は出力端子３９から出力電圧Voutとして出力する。
【００２３】
抵抗４０，４１は、出力端子３９から出力する出力電圧Voutを検出し、この検出電圧は制御回路１８へ供給される。
【００２４】
図１に示す太陽光発電装置においては、太陽光発電パネル２〜８により、リチウムイオン電池モジュール５９を充電するエネルギーを生成する。
【００２５】
太陽光発電パネルモジュール１のパネル当たりの発電電圧は最大で約０．６Ｖであり、図１に示すように７パネル直列接続した場合の発電電圧は約４．２Ｖとなる。この結果、リチウムイオン電池モジュール５９へ供給する最大電圧も約４．２Ｖとなる。
【００２６】
すなわち、図１に示す装置では、リチウムイオン電池モジュールへ供給する電圧は約４．２Ｖに制限される。この結果、リチウムイオン電池セル１０に供給される電圧は、リチウムイオン電池の充電電圧の上限値内に抑えることができる。すなわち、太陽光発電パネルを７枚直列接続した際に得られるエネルギーを、リチウムイオン電池の充電電圧の上限値を超えることなくリチウムイオン電池セル１０に蓄えることができる。
【００２７】
このため、従来の充電装置において、リチウムイオン電池を直列接続した際に必要とされる保護回路、すなわちリチウムイオン電池の電圧バラツキを低減するための回路（図８における抵抗５１、スイッチ素子５２）あるいはリチウムイオン電池の電圧を検出する電圧検出回路５０を削除することができる。
【００２８】
図１に示す回路において、ドライブ回路１４、パワーＭＯＳＦＥＴ１２は、太陽光発電パネルモジュール１が発電しているときはオン状態となり、リチウムイオン電池モジュール５９へ充電電流を供給する。また、太陽光発電パネルモジュール１が発電していないときはオフ状態となり、リチウムイオン電池モジュール５９から太陽光発電パネルへの逆流を防止する。
【００２９】
リチウムイオン電池モジュール５９に蓄積されたエネルギーは、コイル１１、パワーＭＯＳＦＥＴ１５、ドライブ回路１７から成る昇圧回路によって昇圧され、整流回路１９へ供給される。なお、制御回路１８は、前記整流回路１９の出力電圧Ｖｏｕｔに応じて前記整流回路１９を駆動する前記駆動回路のＭＯＳＦＥＴ１５の例えば、デューティ比を可変制御し出力電圧Ｖｏｕｔを所望値に制御する。
【００３０】
図１に示す整流回路１９は多倍圧整流回路であり、図８に示した整流回路に比べ、より高い電圧を発生させることができる。このため、リチウムイオン電池モジュール５９から出力される電圧が低い場合であっても、出力端子３９から所望の出力電圧Ｖｏｕｔを出力することができる。
【００３１】
このように、本実施形態によれば、リチウムイオン電池セルの電圧バラツキを低減する回路（抵抗５１、スイッチ素子５２）、及びリチウムイオン電池セルの電圧を検出する電圧検出回路５０を削除することができ、装置の簡略化をはかることができる。
【００３２】
図２は、本発明の第２の実施形態を示す図である。図２に示す例では、整流回路１９として多倍圧整流回路を用い、一方のコンデンサ列を構成するコンデンサ３４〜３８としてリチウムイオンキャパシタを用いる。
【００３３】
リチウムイオンキャパシタは、電解コンデンサに比して大容量である。また、同様に大容量である電気二重層コンデンサに比して電圧定格を高くとることができる。
【００３４】
リチウムイオンキャパシタの電圧定格は約３．８Ｖであり、前記リチウムイオン電池の単体セルからの出力電圧（約３．７Ｖ）とほぼ等しい。また、多倍圧整流回路のコンデンサとしてリチウムイオンキャパシタを用いることにより、出力電圧Ｖｏｕｔをより安定化することができる。
【００３５】
図２において、７０〜７４は電圧検出回路であり、リチウムイオンキャパシタ３４〜３８の両端子間電圧を検出している。リチウムイオンキャパシタは、定格以上の電圧をかけた場合、故障する可能性がある。このため、図２に示す装置では前記電圧検出回路７０〜７４によりリチウムイオンキャパシタの両端子間電圧を監視し、異常発生時にはパワーＭＯＳＦＥＴ１５をオフ状態にする等の方法により保護機能を持たせている。
【００３６】
図３は、本発明の第３の実施形態を示す図である。図３に示す例では、図２に示す例と同様に、整流回路１９として多倍圧整流回路を用い、一方のコンデンサ列を構成するコンデンサ３４〜３８としてリチウムイオンキャパシタを用いている。  制御回路１８に帰還する帰還電圧として、コンデンサ３８の両端に発生する電圧を抵抗４０、４１で分圧した電圧を用いている。このように本実施形態では、一つのリチウムイオンキャパシタに印加される電圧を抵抗４０、４１で分圧し、この分圧された電圧を監視する。これにより、リチウムイオンキャパシタ１個当りに印加される電圧を監視することができる。従って、抵抗４０、４１で分圧した電圧が所定値以上にならないように制御することにより、リチウムイオンキャパシタの両端間電圧が所定値以上にならないように制御することができる。このように、コンデンサ３８の両端間電圧を制御することにより、コンデンサ３８と同じ電圧が発生するコンデンサ３４〜３７の電圧も所定値以上にならないように制御できる。このように本発明の第３の実施形態によれば、図２に示す電圧検出回路７０〜７４を削除することができる。
【００３７】
図４は、本発明の第４の実施形態を示す図である。図４に示す例では、図３に示す昇圧用コイル１１に替えて、パワーＭＯＳＦＥＴ４４、パワーＭＯＳＦＥＴ内の寄生ダイオード４４、ドライブ回路４２から成るスイッチング回路を用いている。
【００３８】
図４に示す装置においては、パワーＭＯＳＦＥＴ４３とパワーＭＯＳＦＥＴ１５を交互にオンオフすることにより、整流回路１９へパルス電圧を供給することができる。整流回路１９は、多倍圧整流回路を構成しており、整流回路１９に入力される入力電圧の整数倍の電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとして出力することができる。
【００３９】
また、本実施例の装置では、図１〜３に示す装置において用いられている制御回路１８へ帰還電圧を供給するための回路、すなわち抵抗４０、４１を不要とすることができる。したがって、本実施形態によれば、より簡単な構成でリチウムイオン電池セル１０が発生する電圧をその整数倍の出力電圧Ｖｏｕｔに変換して出力することができる。
【００４０】
図５は、本発明の第５の実施形態を示す図である。図５に示す例では、リチウムイオン電池モジュール５９として、複数のリチウムイオン電池セル１０１ないし１０４の並列接続体を用いる。図５に示す例では、リチウムイオン電池セルを複数個並列接続して用いることにより、より多くの電荷を蓄えることができる。リチウムイオン電池セルを複数個並列接続した場合でも、リチウムイオン電池セルの両端にかかる電圧は、太陽光発電モジュール１で発生する最大電圧約４．２Ｖ以下となる。従って、図５に示す例においても、従来例で用いられてていたリチウムイオン電池の電圧バラツキを低減するための回路（抵抗５１、スイッチ素子５２）、及びリチウムイオン電池の電圧検出回路５０を削除することができる。
【００４１】
図６は、本発明の第６の実施形態を示す図である。図６に示す装置では、図５に示した第５の実施形態に比較して、電流バランス手段（バランサ）１０５ないし１０８を用いる点で異なる。図５に示す電流バランス手段は、リチウムイオン電池セル１０１ないし１０４に流れる電流が均等になるように調整する。電流バランス手段としては、抵抗、コイル、半導体素子等を用いることができる。特に電流バランス手段として用いる素子のパラメータ等を調整することにより、リチウムイオン電池セルの内部抵抗のバラツキ等によって生じる電流のアンバランスを低減することができる。
【００４２】
本実施形態によれば、電流バランス手段を用いることにより、リチウムイオン電池セルを並列接続した場合でも、各リチウムイオン電池セルに流す電流を均等に近づけ、リチウムイオン電池セルの寿命をより長くすることができる。
【００４３】
図７は、本発明の第７の実施形態を示す図である。図７に示した回路では、太陽光発電パネルを複数枚並列接続し、さらに各並列回路を７段直列接続している。このため、図７に示した装置においても、太陽光発電パネルモジュールから出力される電圧は最大約４．２Ｖとなる。このため、リチウムイオン電池モジュール５９としては、図６に示した回路と同様にリチウムイオン電池セル１０１〜１０４と電流バランス手段１０５〜１０８の直並列回路を用いることができる。本実施形態では、太陽光発電パネルを複数個並列に接続しているため、例え１つの太陽光発電パネルが木の葉等で出力電圧が低下した場合においても、太陽光発電パネルモジュール１から出力する電圧・電流の低下を最小限に抑えることができる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態によれば、太陽光発電パネルで発電する電圧をリチウムイオン電池１セルの充電電圧の上限値であるである４．２Ｖより低い電圧になるように設定し、すなわち太陽光発電パネルを７直列以下（０．６Ｖ×７）に設定するとともに、前記リチウムイオン電池から負荷に給電する給電路には昇圧回路あるいは多倍圧整流回路を用い、昇圧してから負荷に供給する。
【００４５】
このため、通常動作ではリチウムイオン電池に充電電圧の上限値より高い電圧がかかることがない。よって、リチウムイオン電池を直列接続した回路を充電する際に必要であった、リチウムイオン電池を過電圧から保護するための回路を簡略化することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  発電パネルモジュール
２〜８  セル
９  電池ユニット
１０  セル
１１  昇圧用コイル
１２  ＭＯＳＦＥＴ
１３  寄生ダイオード
１４  ドライブ回路
１５  ＭＯＳＦＥＴ
１６  寄生ダイオード
１７  ドライブ回路
１８  制御回路
１９  整流回路
２０〜２３  コンデンサ
２４〜３３  ダイオード
３４〜３８  コンデンサ
３９  出力端子
４０，４１  検出抵抗
【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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【図８】
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