(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池が発生する出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで電圧変換され、バスを介して負荷に供給されると共に、充電回路を介してバッテリに充電し、前記太陽電池から出力電圧が得られないとき、前記バッテリから放電回路を介して前記負荷に電圧を供給する太陽電池発電システムにおいて、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータを、前記バス電圧および前記バッテリ電圧を入力とする電位差検出回路と、該電位差検出回路の出力および基準電圧を入力とする誤差増幅器と、該誤差増幅器の出力が供給されるパルス幅変調回路とを備える制御回路により制御することを特徴とする太陽電池発電システム。
【請求項２】
前記制御回路は、前記バッテリ電圧が前記バス電圧よりもある電圧以上低いとき、前記バス電圧を前記バッテリ電圧と規定電圧の和に等しい電圧に制御し、前記バッテリ電圧が前記電圧以上のときは、一定電圧に制御することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池発電システムに関し、特に太陽電池パネルを使用し、その出力をＤＣ／ＤＣコンバータで電圧変換すると共にバッテリに充電する通信衛星等の電源装置に好適な太陽電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信衛星等の宇宙空間で長時間動作する電子機器又は電子通信機器の駆動電力は、太陽電池発電システムに依存する場合が殆どである。斯かる太陽電池発電システムでは、バッテリと組み合わせて使用する。即ち、太陽電池パネルにより発生した電力を、必要とする電圧に変換して負荷に供給すると共に余剰電力をバッテリに充電し、太陽電池パネルが太陽光を受けない期間には、負荷への電力をバッテリから供給するように構成している。
【０００３】
斯かる技術分野の従来技術は、例えば実開昭６１−１４７５５１号公報の「バッテリ充電制御方式」および特開平３−２５０２０４号公報の「太陽電池のバス電圧制御方式」等に開示されている。図４は、一般的な従来の太陽電池発電システムの構成を示すブロック図である。この太陽電池発電システムは、太陽電池１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２、負荷３、充電回路４、放電回路（ダイオード）５およびバッテリ６により構成される。
【０００４】
図４に示す太陽電池発電システムでは、太陽電池１で発生された起電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ２で負荷３が必要とする直流電圧に変換して、バス７に供給する。このバス７の電圧は、負荷３に供給されると共に、余剰電力は定電流制御回路である充電回路４を介してバッテリ６に充電される。バッテリ６に充電された電力は、太陽電池が出力を発生しない期間中に放電回路（ダイオード）５を介して負荷３に供給される。
【０００５】
次に、図５は、図４に示す従来の太陽電池発電システムの特性を示す。横軸にバッテリ６の電圧（又はバッテリ電圧）を、縦軸にバス７の電圧（又はバス電圧）である。図４に示す従来技術では、直線ａで示す如くバッテリ電圧に関係なくバス電圧は略一定値に維持される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
斯かる太陽電池発電システムは、通信衛星等の宇宙システムで使用する場合に、ロケットの打ち上げ能力の制約、打ち上げ後の軌道上での熱環境の制約等がある。そこで充電回路の質量、寸法および発熱が何れも小さいことが要求される。従来の充電方式の充電回路は、一般的にスイッチングレギュレータ又はシリーズレギュレータで構成される。スイッチングレギュレータは、電力変換効率が高く発熱は少ないが、質量および寸法が大きい。一方、シリーズレギュレータは、電力変換効率が低く且つ発熱は大きいが、質量および寸法は小さいという特徴がある。そこで、これらスイッチングレギュレータ又はシリーズレギュレータの何れを使用しても、質量、寸法および発熱の全てを小さくすることは困難であった。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、充電回路の質量、寸法および発熱の全てを小さくすることが可能な太陽電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）太陽電池が発生する出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで電圧変換され、バスを介して負荷に供給されると共に、充電回路を介してバッテリに充電し、前記太陽電池から出力電圧が得られないとき、前記バッテリから放電回路を介して前記負荷に電圧を供給する太陽電池発電システムにおいて、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータを、前記バス電圧および前記バッテリ電圧を入力とする電位差検出回路と、該電位差検出回路の出力および基準電圧を入力とする誤差増幅器と、該誤差増幅器の出力が供給されるパルス幅変調回路とを備える制御回路により制御する太陽電池発電システム。
【０００９】
また、本発明による太陽電池発電システムの好適実施形態によると、制御回路は、バッテリ電圧がバス電圧よりもある電圧以上低いとき、バス電圧をバッテリ電圧と規定電圧の和に等しい電圧に制御し、バッテリ電圧が前記電圧以上のときは、一定電圧に制御する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による太陽電池発電システムの好適実施形態の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
先ず、図１は、本発明による太陽電池発電システムの第１実施形態の構成を示すブロック図である。尚、説明の便宜上、上述した従来技術の構成要素に対応する構成要素には、同様の参照符号を使用することとする。この太陽電池発電システムは、太陽電池１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２、負荷３、固定抵抗である充電回路４、ダイオードを含む放電回路５、バッテリ６、電位差検出回路１１、誤差増幅器１２、基準電圧１３およびデユーティ制御回路１４により構成される。従って、上述した図４に示す従来の太陽電池発電システムに対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の制御回路である、電位差検出回路１１、誤差増幅器１２、基準電圧１３およびデユーティ制御回路１４を付加した。
【００１２】
太陽電池１の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２に供給され、その出力はバス７を介して負荷３に供給される。また、バス７の余剰電力は、充電回路４の固定抵抗を介してバッテリ６を充電し、太陽電池１からの出力がないとき、バッテリ６の充電電圧は、放電回路５を介して負荷に供給される。以上の構成は、図４を参照して上述した従来回路と同様である。本発明の太陽電池発電システムでは、バス７のバス電圧およびバッテリ６のバッテリ電圧の電位差を、電位差検出回路１１で検出し、この検出出力と基準電圧１３との差を誤差増幅器１２により増幅して、デユーティ制御回路１４を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２に入力される。
【００１３】
次に、図２は、図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータ２およびその制御回路の詳細構成を示すブロック図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、トランジスタ等により構成されるスイッチング素子２１、フィルタ２２、バス７のバス電圧Ｖ0の基準電圧２５との差を増幅する誤差増幅器２４を備える。この誤差増幅器２４の出力は、デユーティ制御回路１４を介してスイッチング素子２１に入力される。このデユーティ制御回路１４は、パルス幅変調回路２３、このパルス幅変調回路２３と誤差増幅器２４間に接続されるダイオード２６およびパルス幅変調回路２３と誤差増幅器１２間に接続されたダイオード２７により構成される。
【００１４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の制御は、次のように行われる。誤差増幅器２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチング素子２１からフィルタ２２を介してバス７に出力されるバス電圧Ｖ0と基準電圧２５の基準電圧Ｖe2の誤差を、誤差増幅器２４のゲインＧ２４で増幅した出力を、ダイオード２６を介してパルス幅変調回路２３に入力する。パルス幅変調回路２３は、誤差増幅器２４の出力電圧が高いときには、スイッチング素子２１のＯＮデユーティが小さくなるように制御する。一方、誤差増幅器２４の出力電圧が低いときには、スイッチング素子２１のＯＮデユーティが大きくなるように制御する。フィルタ２２は、スイッチング素子２１によりＯＮ／ＯＦＦされた太陽電池出力Ｖiを平滑して出力する。
【００１５】
一方、本発明の太陽電池発電システムにおいて追加された制御回路の動作は、次の通りである。電位差検出回路１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（バス電圧Ｖo）とバッテリ６からのバッテリ電圧Ｖbとの電位差を電位差検出回路１１のゲインＧ１１倍して出力する。誤差増幅器１２は、電位差検出回路１１の出力と基準電圧１３の電圧Ｖeとの誤差をゲインＧ１２倍して出力する。デューティ制御回路１４は、誤差増幅器１２の出力と誤差増幅器２４の出力のダイオード２６および２７によるＯＲ（論理和）をとってパルス幅変調回路２３に入力する。そして、パルス幅変調回路２３の出力でＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチング素子２１のＯＮデューティを制御する。
【００１６】
以下、本発明による太陽電池発電システムの好適実施形態の動作を詳細に説明する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧制御の特性は、図２に示された各部の電圧およびゲインを使用して、次の（式１）ように表現される。
Ｖo＝｛Ｖosc＋Ve2×（Ｇ24−１）｝／｛Ｇ24＋Ｖosc／Ｖi｝…（式１）
ここで、Ｖoscは、パルス幅変調回路２３の３角波の振幅で一定値である。通常は、Ｇ24≫1およびＶｉ≫Ｖoscとなるように設計され、このとき、
Ｖo≒Ve2…（式２）
となって、従来のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（バス電圧Ｖo）は略一定電圧に制御される。
【００１７】
一方、本発明の太陽電池発電システムにおいて追加された制御回路により行なわれる制御特性は、同様に図２に示された各部の電圧およびゲインを用いて次の（式３）ように表現される。
Ｖo＝｛Ｖosc＋Ｇ12×Ｇ11×Ｖb＋（Ｇ12−１）×Ｖe｝／｛Ｇ12×Ｇ11＋Ｖosc／Ｖi｝…（式３）
Ｇ１１≫１、Ｇ１２≫１およびＶｉ≫Ｖoscとなるように設計すれば、
Ｖo≒Ｖb＋ｋ×Ｖe…（式４）
ここで、ｋは定数である。そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（バス電圧Ｖo）は、バッテリ６からのバッテリ電圧Ｖbに対して「一定電圧」（ｋ×Ｖe）を加えた電圧に制御される。「一定電圧」は、目的とする用途に応じて設定可能である。
【００１８】
上述した従来のＤＣ／ＤＣコンバータの制御特性に対して、本発明により追加された制御回路の制御特性を、デューティ制御回路１４においてダイオード２６、２７によるＯＲをとってパルス幅変調回路２３に入力する。これにより、それぞれのダイオード２６、２７のアノード電圧、即ち誤差増幅器２４および誤差増幅器１２の出力電圧の高い方の特性でＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖoが制御されることになる。誤差増幅器２４および誤差増幅器１２の出力電圧は、それぞれのＶｏ制御特性に対して実際のＶoが高いほど高くなるので、Ｖｏの制御特性ではＶｏが低い方の制御特性が有効となる。従って、バッテリ電圧Ｖbが低いときは、Ｖo≒Ｖb＋ｋ×Ｖeで制御され、バッテリ電圧Ｖbがある値よりも高くなるとＶo≒Ve2で制御されるようになる。
【００１９】
従って、図５中に特性ｂで示すバス電圧に制御されることになる。尚、特性ｃは、バッテリ電圧Ｖｂを示す。即ち、バス電圧Ｖ0は、バッテリ電圧Ｖｂに一定電圧（規定電圧）を加算した電圧となる。バス電圧Ｖoがこのように制御されれば、充電回路４を固定抵抗値Ｒの抵抗器のみで構成しても、バッテリ６への充電電流Ｉchgは、次の（式５）で表される。
Ｉchg＝ｋ×Ｖe／Ｒ＝一定…（式５）
バッテリ６を定電流充電する場合に、充電回路４は複雑な定電流制御を行なう必要はなく、固定抵抗器のみで定電流充電を行なうことが可能である。
【００２０】
次に、本発明による太陽電池発電システムの他の実施形態を説明する。その基本的構成は、上述の通りであるが、図3に示す如き充電回路４’を使用している。図３に示す変形した充電回路４’は、固定抵抗ＲにトランジスタＴｒを直列接続している。このトランジスタＴｒは、充電ＯＮ／ＯＦＦの機能およびバッテリ６を過充電によるストレスがかからないように、満充電状態まで充電するために充電末期に定電流充電制御から定電圧充電制御に切り換える機能（テーパ充電機能）を実現するためのものである。従来の技術で制御している方法と同じ方法でこのトランジスタＴｒを制御することで、従来の技術で有している充電ＯＮ／ＯＦＦ機能およびテーパ充電機能を得ることが可能である。
【００２１】
また、本発明における制御特性（式４）において、「一定電圧」（ｋ×Ｖe）」は、目的とする用途に応じて適宜設定すればよい。しかし、この値を（一定電圧に制御されているときのバス電圧）−（バッテリ６の運用上の最低電圧）以上に設定すると、誤差増幅器２４の出力電圧に対して誤差増幅器１２の出力電圧が常に低くなり、（式４）の制御（ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（バス電圧Ｖo）は、バッテリ６の電圧Ｖbに対して「一定電圧」（ｋ×Ｖe）を加えた電圧に保たれる制御）は無効となる。即ち、ｋ×Ｖe（又はＶe）の値を可変にすることで、「一定電圧」を可変にすることができるだけでなく、（式４）の制御を無効にすることができる。（式４）の制御を無効にした場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（バス電圧Ｖo）は、従来の方式と同じように一定電圧に制御される。
【００２２】
以上、本発明による太陽電池発電システムの好適実施形態の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではない。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、本発明の太陽電池発電システムのバッテリ充電方式によると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。先ず、充電回路を従来の如く定電流制御回路にする必要がなく、固定抵抗のみで簡単に構成可能である。その理由は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路のスイッチング素子を、バス電圧およびバッテリ電圧により制御する制御回路を備えるからである。
【００２４】
また、質量、寸法および発熱量を全て小さくすることが可能である。例えば、バス電圧＝５０Ｖ、充電電流＝５Ａ、バッテリ電圧＝４０Ｖおよび充電電力＝２００Ｗの場合について比較する。スイッチングレギュレータを使用すると、電力変換効率＝９０％として、充電回路の質量＝約１Ｋｇ（大きい）。寸法＝約２００ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍ＝１０００ｃｃ（大きい）。発熱＝２２Ｗ（小さい）。シリーズレギュレータを使用すると、充電回路の質量＝約１００ｇ（小さい）。寸法＝約５０ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍ＝１２５ｃｃ（小さい）。発熱＝５０Ｗ（大きい）。本発明の太陽電池発電システムによると、バッテリ電圧＝４０Ｖ、一定電圧＝２Ｖおよび充電回路の固定抵抗＝０．４Ωとすると、バス電圧＝４２Ｖ、充電電流＝５Ａおよび充電電力＝２００Ｗとなり、上述と略同一条件となる。この場合には、質量＝約５０ｇ（小さい）。寸法＝約３０ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍ＝９０ｃｃ（小さい）。発熱＝１０Ｗ（小さい）。従って、上述の如く、質量、寸法および発熱の全てにおいて小さくすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による太陽電池発電システムの好適実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す太陽電池発電システムのＤＣ／ＤＣコンバータおよびそのデユーティ制御回路の詳細構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の太陽電池発電システムの第２実施形態の主要部の構成図である。
【図４】従来の太陽電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明によるおよび従来の太陽電池発電システムのバッテリ電圧対バス電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
１    太陽電池
２    ＤＣ／ＤＣコンバータ
３    負荷
４    充電回路
５    放電回路
６    バッテリ
７    バス
１１  電位差検出回路
１２、２４  誤差増幅器
１３、２５  基準電圧
１４    デユーティ制御回路
２３    パルス幅変調回路
【図１】
0004108313.tif 000002
【図２】
0004108313.tif 000003
【図３】
0004108313.tif 000004
【図４】
0004108313.tif 000005
【図５】
0004108313.tif 000006