(57)【要約】【課題】二次電池が過放電してしまっても二次電池の充電を行うことのできる二次電池充電回路を提供する。【解決手段】二次電池充電回路は、太陽電池１と二次電池２と制御回路７とを備えている。太陽電池１と二次電池２との間にはオン抵抗が小さいＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴであるＱ１、Ｑ２が接続されている。制御回路７はＱ１、Ｑ２をオンオフ制御する。制御回路７は、ＶＡ＞ＶＢになる毎に最初に必ずＱ１、Ｑ２を一定の周期でオンオフ制御する二次電池補充電モードを繰り返し実行する。二次電池補充電モードにおいて二次電池電圧が一定電圧以上になればＱ１、Ｑ２をオン状態に維持する急速充電モードに移行する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池にスイッチ素子を介して二次電池を接続し、前記太陽電池及び二次電池を電源として前記スイッチ素子を制御する制御回路を備え、前記制御回路により前記スイッチ素子をオンオフ制御することにより、太陽電池から二次電池への充電制御を行う、太陽電池による二次電池充電回路において、
前記制御回路は、二次電池電圧が一定電圧以下のときに、次の（１）（２）の制御を行うことを特徴とする太陽電池による二次電池充電回路。
（１）前記スイッチ素子を一定の周期でオンオフ制御するパルス信号を形成し、オン期間に充電を行う二次電池補充電モードを繰り返し実行する。
（２）前記二次電池補充電モードにおいて、二次電池電圧が一定電圧以上になれば、前記スイッチ素子をオン状態に維持する急速充電モードに移行する。
【請求項２】
充電電流方向に接続されたダイオードを介して前記太陽電池と前記二次電池に接続されるコンデンサを備えることを特徴とする、請求項１記載の太陽電池による二次電池充電回路。
【請求項３】
前記スイッチ素子は、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴで構成される請求項１又は２記載の太陽電池による二次電池充電回路。
【請求項４】
前記制御部は、前記急速充電モードでは、前記二次電池電圧が第２の所定時間が経過するまでに充電停止電圧に上昇すると前記スイッチ素子をオフし、さらに、その後、第２の所定時間が経過するまでに充電可能電圧に下降すると前記スイッチ素子をオンするように制御する請求項２又は３記載の二次電池充電回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽電池により蓄電池を充電する、太陽電池による蓄電池充電回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池の電力を二次電池に充電するには、一般的には、ショットキーバリアダイオード等のダイオードと電流制限用の抵抗とを、太陽電池と二次電池との間に接続している（特許文献１参照）。図１は、このような二次電池充電回路の基本的な回路構成図を示している。同図において、太陽電池１と二次電池２との間には、ショットキーバリアダイオード３と電流制限用の抵抗４との直列回路が接続されている。太陽電池１の出力電圧（太陽電池電圧）が二次電池２の充電電圧（二次電池電圧）よりも高い場合は、太陽電池電圧に基づいて二次電池２が充電される。ダイオード３は、二次電池電圧が太陽電池電圧よりも高い場合に、二次電池２から太陽電池１に対して電流が逆流しないように機能する。
【０００３】
しかし、図１に示すように回路構成では、ダイオード３及び抵抗４による損失が大きく、充電効率が極めて悪い不都合がある。
【０００４】
そこで、ダイオード３及び抵抗４に代えて、オン抵抗が数ｍΩであるＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴを使用し、このＭＯＳＦＥＴをオンオフ制御することによって二次電池を充電する回路が提案されている。
【０００５】
図２は、このＭＯＳＦＥＴを使用した二次電池充電回路の基本的な回路構成図である。太陽電池１と二次電池２との間にはＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ５が接続されており、このＭＯＳＦＥＴ５をドライブ回路６を介して制御部７によりオンオフ制御する。すなわち、太陽電池電圧が二次電池電圧以上であればＭＯＳＦＥＴ５をオンして二次電池を急速充電するとともに、二次電池電圧が太陽電池電圧以上になるとＭＯＳＦＥＴをオフすることによって二次電池２から太陽電池１に電流が逆流するのを防止する。制御部７の電源電圧は、太陽電池電圧と二次電池電圧のいずれかから得るようにする。このようにＭＯＳＦＥＴ５を用いることによって、太陽電池１から二次電池２に充電電流が流れている時の損失を小さくし、全体として充電効率を上げるようにする。
【特許文献１】特開平７−１６３０６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記図２に示すＭＯＳＦＥＴを使用する充電回路では、図１に示すような充電効率の低下の問題が解消されるが、自己放電等を原因とする過放電によって二次電池電圧が０Ｖ付近に下がってしまうと、ＭＯＳＦＥＴ５がオンした時には制御部７に対して電源電圧が供給できない不具合が生じてくる。すなわち、二次電池２の内部インピーダンスは太陽電池１のインピーダンスよりも低いために、二次電池電圧が０Ｖ付近に低下してしまうと、ＭＯＳＦＥＴ５がオンした時には太陽電池電圧も０Ｖに低下してしまう。このように、二次電池電圧が０Ｖ付近に低下してしまうと、制御部７に供給する電源電圧も０Ｖ付近に低下してしまうことになり、その結果ＭＯＳＦＥＴ５をオンオフ制御ができなくなり、充電不能の状態に陥ってしまう不都合があった。
【０００７】
この発明の目的は、二次電池が過放電してしまっても二次電池の充電を行うことのできる二次電池充電回路を提供することにある。
【０００８】
また、この発明は、ＭＯＳＦＥＴのようなスイッチ素子を使用した回路構成で二次電池電圧が０Ｖ付近にまで低下した場合であっても、上記補充電によって二次電池に対する充電が可能となる二次電池充電回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の太陽電池による二次電池充電回路は、太陽電池と二次電池との間にＭＯＳＦＥＴ等のようなスイッチ素子を接続している。また、太陽電池及び二次電池を電源として前記スイッチ素子を制御する制御回路を備えている。この制御回路によってスイッチ素子をオンオフ制御することで、太陽電池から二次電池への充電制御を行う。
【００１０】
制御回路は、太陽電池電圧が二次電池電圧以上の時に次の（１）（２）の制御を行う。
【００１１】
（１）前記スイッチ素子を一定の周期でオンオフ制御するパルス信号を形成し、オン期間に充電を行う二次電池補充電モードを繰り返し実行する。
【００１２】
（２）前記二次電池補充電モードにおいて、二次電池電圧が一定電圧以上になれば、前記スイッチ素子をオン状態に維持する急速充電モードに移行する。
【００１３】
上記補充電モードにおいて、二次電池電圧が一定電圧以上にならない場合は二次電池が異常であると判断する。
【００１４】
上記の制御によって、太陽電池電圧が二次電池電圧以下になると、制御回路から出力されるパルス信号によってスイッチ素子がオンオフ制御される。すなわち、パルス信号のＯＮ期間においては、太陽電池電圧により二次電池の充電が行われる。このように、太陽電池電圧が二次電池電圧以上になると、すなわち、二次電池電圧が低下してくると、二次電池補充電モードが繰り返し実行されるために、過放電状態になった二次電池に対しても充電することが可能になる。
【００１５】
そして、上記二次電池補充電モードにおいて、二次電池電圧が一定電圧以上になれば、スイッチ素子をオン状態に維持して急速充電モードに移行する。この急速充電モードでは、スイッチ素子のＯＮ期間が、上記パルス信号によるＯＮ期間に比べて十分に長いために、太陽電池電圧により二次電池に対する充電が急速に行われる。この発明では、上記補充電モードにおいて、二次電池電圧が一定電圧以上にならない場合は二次電池が異常であると判断し、充電を停止する。
【００１６】
この発明では、さらに二次電池電圧を充電するコンデンサを備えている。このコンデンサは、制御回路の電源を確保するために設けられる。たとえ、二次電池電圧が０Ｖ付近に低下しても補充電制御によりコンデンサの充電電圧の低下が防がれる。その結果、二次電池電圧が一定以上の電圧となる。スイッチ素子のオン期間が長い急速充電モードに移行しても制御回路の電源電圧を確保できる。
【００１７】
この発明では、スイッチ素子は、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴで構成される。これにより、充電時のＭＯＳＦＥＴによる損失が極めて小さくなり、全体として二次電池充電回路の充電効率を上げることができる。
【００１８】
また、この発明の制御部は、急速充電モードにおいて、二次電池電圧が第２の所定時間が経過するまでに充電停止電圧に上昇するとスイッチ素子をオフし、さらに、その後、第２の所定時間が経過するまでに充電可能電圧に下降するとスイッチ素子をオンするように制御する。
【００１９】
上記の構成により、急速充電モードにおいて、二次電池を急速に充電することができるとともに、一定電圧以上に充電しないように制御することが可能である。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、二次電池補充電モードによって、二次電池電圧が０Ｖ付近にまで低下した場合にも二次電池に対する充電を可能にする。また、二次電池電圧を充電するコンデンサを設けたことによって、二次電池電圧がかなり低下した状態でも二次電池補充電モードを実行することができ、結果として、二次電池電圧が過放電等によって０Ｖ付近に限りなく低下しても充電が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図３は、この発明の実施形態である太陽電池による二次電池充電回路の回路構成図を示している。
【００２２】
太陽電池１と二次電池２との間には充電制御部８が接続されている。充電制御部８は、制御部７によって制御され、この制御部７に対しては、太陽電池１の太陽電池電圧と二次電池２の二次電池電圧が電源として供給されている。
【００２３】
二次電池２には、順方向のダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１が接続されており（順方向とは、コンデンサＣ１に対して充電電流が流れる方向）、このコンデンサＣ１に対しダイオードＤ１を介して二次電池電圧が充電され、且つ、順方向のダイオードＤ２を介してもこのコンデンサＣ１に対し太陽電池電圧が充電されるようになっている。また、制御部７に対しては、このコンデンサＣ１の充電電圧が順方向に接続されたダイオードＤ３を介して供給され、また、太陽電池電圧が順方向に接続されたダイオードＤ４を介して供給されるようなっている。
【００２４】
太陽電池１の出力端子には、抵抗分圧回路からなる太陽電池電圧検出回路９が接続され、太陽電池電圧の検出電圧ＶＡが制御部７に出力される。また、二次電池２の出力側に、抵抗分圧回路からなる二次電池電圧検出回路１０が接続され、検出電圧ＶＢが制御部７に出力される。
【００２５】
充電制御部８は、直列に接続された２つのＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２を含み、これらのＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２は、ドライブ回路８０によってドライブされる。ドライブ回路８０は、制御部７からのドライブ信号ＤＳを受け、この信号ＤＳに基づいてＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２をオンオフ駆動する。
【００２６】
制御部７は、ＣＰＵ７０、ＣＰＵ電源回路７１、制御系電源回路７２を備えている。ＣＰＵ電源回路７１には、太陽電池電圧及び二次電池電圧が入力し、この電圧に基づいてＣＰＵ７０を駆動するための電源電圧（５Ｖ）を生成する。制御系電源回路７２は、太陽電池電圧及び二次電池電圧を入力として、ドライブ回路８０の電源電圧と後述のＤＣ−ＤＣコンバータの制御用ＩＣに必要な入力電圧を生成する。
【００２７】
ＣＰＵ７０は、ＣＰＵ電源回路７１で生成されたＣＰＵ電源電圧（５Ｖ）の供給を受けて、充電制御部８のドライブ回路８０に対してドライブ信号ＤＳを出力するとともに、太陽電池電圧検出電圧ＶＡと二次電池電圧検出電圧ＶＢを所定のタイミングごとに検出する。後述のように、ＣＰＵ７０は、上記電圧ＶＡ、ＶＢを検出して、ＶＡ＞ＶＢの場合に、パルス信号としてドライブ信号ＤＳをドライブ回路８０に対して出力する。ドライブ回路８０は、このパルス信号のドライブ信号ＤＳを受けると、パルス信号のＯＮ期間においてはＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２をオンし、ＯＦＦ期間においてはＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２をオフする。したがって、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２がオンする上記ＯＮ期間においては、太陽電池電圧により二次電池２が充電され、ＯＦＦ期間においては充電が停止される。ドライブ回路８０に対してパルス信号であるドライブ信号ＤＳが出力されるために、上記の充電が、繰り返し行われることになる。この動作モードは、二次電池補充電モードという。
【００２８】
前記制御系電源回路７２で生成された電源電圧は、ドライブ回路８０の電源電圧として供給されるとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１に入力し、このコンバータ１１において１００Ｖ以上の電圧に変換される。さらにこの変換された電圧は、疑似正弦波回路１２に入力され、ここで１００Ｖの疑似正弦波に変換される。この変換された疑似正弦波は、（疑似正弦波の）ＡＣ１００Ｖの電源電圧１３として外部機器に出力される。
【００２９】
上記実施形態に係る二次電池充電回路は、太陽電池パネルを備えたポータブルな充電回路であって、ＡＣ１００Ｖの出力端子を備えている。したがって、この充電回路を室外に持ち出すことによって、入力電源電圧がＡＣ１００Ｖの電子機器等を駆動することが可能になる。
【００３０】
次に、上記の二次電池充電回路の動作を説明する。
【００３１】
図４は、上記二次電池充電回路の充電制御動作を示すフローチャートである。
【００３２】
制御部７のＣＰＵ７０は、充電開始時において、ドライブ信号ＤＳを第１のパルス信号で形成する。第１のパルス信号は、ＯＮ期間が３秒間であり、ＯＦＦ期間が０．２秒間である。この第１のパルス信号からなるドライブ信号ＤＳでＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２をオンオフ制御していくことによって、太陽電池電圧検出電圧ＶＡ＞二次電池電圧検出電圧ＶＢとなれば、ＳＴ１→ＳＴ２と進む。ＳＴ１においてＶＢ＞＝ＶＡであれば、二次電池の充電が不可能であるとみなして、ＳＴ６に進む。ＳＴ６では充電制御を停止する。
【００３３】
上記ＳＴ２においては、ＶＢをチェックし、二次電池電圧が一定電圧８Ｖ以下であるかどうかの判定を行う。８Ｖ以下でなければ二次電池電圧で制御部７の電源電圧を保証できるためにＳＴ７に進んで急速充電モードに入る。急速充電モードは、後述するように、３０秒間隔でドライブ信号をＤＳをオンオフするモードである。したがって、３０秒ごとに、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２がオンし、このＯＮ期間において太陽電池電圧によって二次電池に急速充電が行われる。
【００３４】
上記ＳＴ２において、二次電池電圧が８ボルト以下であれば、ＳＴ３に進み、二次電池補充電モード（以下、補充電モードと称する）に入る。補充電モードでは、補充電タイマカウントを開始する。タイマカウントによって１分間経過するとＳＴ４に進み、二次電池電圧検出電圧ＶＢをチェックする。この時、ドライブ信号ＤＳはオフにする。そして、二次電池電圧が８Ｖ以下であれば、ＳＴ５に進み、８Ｖを超えていれば、ＳＴ８に進む。ＳＴ８では、ＳＴ７と同様に急速充電モードを実行する。ＳＴ５では、補充電タイマカウント値の積算値が２０分に達しているかどうかを判定し、達していなければＳＴ２に戻り、ＳＴ２以下の処理を繰り返す。補充電タイマカウント値の積算値が２０分を超えていればＳＴ９に進む。ＳＴ９では、補充電モードが２０分間継続されたが、二次電池電圧が充分に上昇しなかったとみなし、二次電池の異常処理（エラー処理）を行う。このエラー処理では、たとえば、図外の表示器に、二次電池が異常であることを表示する。なお、エラー処理では、ドライブ信号ＤＳをＯＦＦ状態に固定する。
【００３５】
図５は、補充電モード時のドライブ信号ＤＳの波形を示している。
【００３６】
ドライブ信号ＤＳの全体のオンオフ制御サイクルは、ＳＴ１に示すように、３秒間のＯＮ期間と０．２秒間のＯＦＦ期間の繰り返しサイクルである。
【００３７】
図５に示すように、補充電モードでは、３秒間のＯＮ期間に図示するパルス信号をドライブ信号ＤＳとして出力する。すなわち、補充電モードの時のドライブ信号ＤＳは、５ｍｓを１周期とするパルス信号で構成される。このパルス信号のデューティ比は１０％に設定され、周波数は２００Ｈｚに設定される。したがって、ＯＮ期間は、０．５ｍｓとなる。補充電モードでは、上記のパルス信号からなるドライブ信号ＤＳをドライブ回路８０に対して３秒間供給し、０．２秒間待つ。このサイクルを繰り返す。したがって、補充電モードにおいては、０．５ｍｓの非常に短いＯＮ期間が繰り返され、これにより二次電池２が少しづつ充電されていく。なお、この補充電モードが実行されている時に、４．５ｍｓのＯＦＦ期間において、二次電池２に並列に接続されているコンデンサＣ１が太陽電池電圧によって充電される。したがって、仮に、この補充電モードの時に二次電池２の充電電圧が０Ｖに限りなく近い状態であったとしても、コンデンサＣ１の充電電圧によって次のサイクルのＯＮ期間において制御部７を駆動することができる。このコンデンサＣ１は、このコンデンサＣ１に対する充電電流方向（順方向）のダイオードＤ２を介して太陽電池１に接続され、また、同じく充電電流方向（順方向）のダイオードＤ１を介して二次電池２に接続されているために、仮に二次電池電圧が０Ｖになったとしても、コンデンサＣ１の充電電圧が０Ｖとはならない（ダイオードＤ１、Ｄ２を介してコンデンサＣ１の充電電圧が逆流しない）。したがって、このコンデンサＣ１の充電電圧によって制御部７に対する電源電圧を確実に供給することができる。
【００３８】
上記補充電モードが実行されることによって、二次電池電圧が仮に何らかの原因で０Ｖ付近に低下したとしても上記コンデンサＣ１の充電電圧によって制御部７の動作が保証できるから、その後の補充電モードの実行によって二次電池電圧を０Ｖから上昇させることが可能になる。
【００３９】
図６は急速充電モードの時の制御方法を示している。
【００４０】
図示のように、急速充電モードでは、二次電池電圧が３０秒を経過するまでに充電停止電圧に上昇するとＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２をオフする。３０秒経過後に充電可能電圧以下になっていれば、再びＦＥＴＱ１、Ｑ２をオンする。
【００４１】
このような制御によって、二次電池充電電圧を、常時適正な充電電圧にすることができる。
【００４２】
急速充電モードにおいて、３０秒経過しても二次電池電圧が充電停止電圧に上昇しない場合には、一旦、ドライブ信号ＤＳをオフし（約０．２ｓ）、その時充電可能電圧以下であるなら（図７のＢ点）、再び、ドライブ信号ＤＳを３０秒間を最長としてオンする。また、上記０．２ｓ後の二次電池電圧が充電可能の電圧以上である場合にはさらにドライブ信号ＤＳをオフ状態にするが、３０ｓ以内に充電可能電圧まで低下すると（図８のＣ点）、充電を再開する。
【００４３】
急速充電モードにおいて満充電になると充電を停止する。この検出は、ドライブ信号ＤＳをオフにしてから３０秒が経過しても二次電池電圧が充電可能電圧にまで降下しない場合に、満充電になったものと判断する。満充電になると、ドライブ信号ＤＳをオフ状態に維持して待機状態とする。そして、二次電池電圧が充電再開電圧にまで下降すると再び充電を開始しする（図９参照）。
【００４４】
また、ドライブ信号ＤＳをオン状態にして３０秒が経過しても二次電池電圧が充電停止電圧にまで上昇しない場合に、ドライブ信号ＤＳを一端オフ状態とし（図１０のＡ点）、その後３０秒後に二次電池電圧が充電可能電圧に降下しない場合（図１０のＢ点）、満充電になったものと判断する。
【００４５】
なお、上記の急速充電モードの動作は、二次電池２の容量や太陽電池１の大きさ等に基づいて、適切に変更することが可能である。
【００４６】
図３に示す二次電池充電回路では、疑似正弦波を出力する回路を備えている。すなわち制御系電源回路７２の出力電圧に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ１１の制御用ＩＣが二次電池電圧を１３０Ｖ付近のＤＣ電圧に昇圧し、疑似正弦波回路１２で疑似正弦波を生成する。この疑似正弦波は疑似正弦波ＡＣ１００Ｖ１３として出力端子に導かれ、外部の電気機器に電源として入力される。
【００４７】
本実施形態の二次電池充電回路では、スイッチ素子としてＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２を用いているためにオン抵抗が極めて小さく、このため充電時の損失が従来に比べて極めて小さい。また、二次電池電圧が一定電圧以下（図４では８Ｖ以下）になると補充電モードが実行されて二次電池電圧が８Ｖ以上になるように制御される。８Ｖ以上になると急速充電モードに切り換わり二次電池２の充電が充分に行われるようになる。これにより、二次電池２が過放電状態になった場合でも補充電モードが繰り返し実行されることによって一定電圧以上にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来の二次電池充電回路の概略構成図
【図２】従来の二次電池充電回路の概略構成図
【図３】この発明の実施形態に係る二次電池充電回路の回路構成図
【図４】充電制御動作を示す概略のフローチャート
【図５】補充電モード時のドライブ信号波形図
【図６】急速充電モード時の制御方法を示す図
【図７】急速充電モード時の制御方法を示す図
【図８】急速充電モード時の制御方法を示す図
【図９】急速充電モード時の制御方法を示す図
【図１０】急速充電モード時の制御方法を示す図
【符号の説明】
【００４９】
１−太陽電池
２−二次電池
７−制御部
８−充電制御部
Ｑ１、Ｑ２−Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ
【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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【図９】
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【図１０】
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