(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池が出力する直流電流によって蓄電手段を充電させ、該蓄電手段とリチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合に前記蓄電手段と前記リチウムイオン二次電池を電気的に接続し、該蓄電手段から第１の直流電流を出力させるとともに、該第１の直流電流の出力により前記蓄電手段から第２の直流電流を出力させ、これらの第１の直流電流及び第２の直流電流によってリチウムイオン二次電池を充電することを特徴とする太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法。
【請求項２】
前記蓄電手段とリチウムイオン二次電池との電気的な接続は、接続制御手段とスイッチ手段からなる充電制御手段によって行われており、前記第１の直流電流は、前記充電制御手段の接続制御手段によって前記蓄電手段から出力され、前記第２の直流電流は、該充電制御手段のスイッチ手段によって該蓄電手段から出力されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法。
【請求項３】
前記接続制御手段は、第１のスイッチング素子を備えるとともに、バイアス手段、ダイオード、及び第２のスイッチング素子の少なくとも１つを備えて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法。
【請求項４】
前記スイッチ手段及び第２のスイッチング素子は、電界効果型トランジスタでなることを特徴とする請求項２又は３記載の太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法。
【請求項５】
前記バイアス手段は、コンデンサを備えて構成されていることを特徴とする請求項３に記載の太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法。
【請求項６】
太陽電池と、
該太陽電池が出力する直流電流によって充電される蓄電手段と、
該蓄電手段とリチウムイオン二次電池との間に配置され、蓄電手段と該リチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合に蓄電手段とリチウムイオン二次電池を電気的に接続し、蓄電手段から出力させた直流電流によってリチウムイオン二次電池を充電する充電制御手段とを備え、
前記充電制御手段は、少なくとも第１のスイッチング素子を含む接続制御手段とスイッチ手段とからなり、
前記蓄電手段とリチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合において、前記接続制御手段の第１のスイッチング素子を介して蓄電手段からリチウムイオン二次電池に出力される第１の直流電流と、
前記接続制御手段の第１のスイッチング素子に第１の直流電流が流れて該第１のスイッチング素子がオン状態となることにより、該接続制御手段にバイアス電圧を発生させ、該バイアス電圧により前記スイッチ手段がオン状態となることで、該スイッチ手段を介して蓄電手段からリチウムイオン二次電池に出力される第２の直流電流によって、リチウムイオン二次電池が充電されることを特徴とするリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置。
【請求項７】
前記接続制御手段は、バイアス手段、ダイオード、及び第２のスイッチング素子を備えて構成されていることを特徴とする請求項６に記載のリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置。
【請求項８】
前記スイッチ手段及び第２のスイッチング素子は、電界効果型トランジスタでなることを特徴とする請求項６又は７に記載のリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置。
【請求項９】
前記バイアス手段は、コンデンサを備えて構成されていることを特徴とする請求項７に記載のリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法とリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、充電式の二次電池（バッテリ）としては、カドニウムなどの有害物質を含まず、また長時間の連続使用と軽量化に適している等の理由からリチウムイオン二次電池が、パソコンや、携帯電話を含む種々の携帯端末に広く使用されている。そして、リチウムイオン二次電池を充電する際には、出力エネルギーの大きい商用電源（ＡＣ１００Ｖ）や車のバッテリーなどから充電する方法が一般的である。これは、リチウムイオン二次電池を充電するには、数百ｍＡの大電流が必要だからである。
【０００３】
一方、パソコンの中でもノート型パソコンや携帯端末は普段持ち歩いて使用する使用形態も多い。このため、商用電源が取れない場所でも、これら機器に内蔵されたリチウムイオン二次電池を充電したいという要望があり、商用電源（ＡＣ１００Ｖ）や車のバッテリー以外から充電できる手段が望まれている。
そこで、小型・軽量であって持ち歩きも可能であり、しかもどこでも利用できる太陽光を電気エネルギーに手軽に変換することが可能な太陽電池を、リチウムイオン二次電池の充電手段として利用できないかという考えがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、太陽電池の素子一個あたりの出力は、電圧で約0.4ボルトから0.5ボルト、電流で１平方センチメートル当り約25ミリアンペアぐらいであり、出力電圧の比較的高い（3.6ボルト）リチウムイオン二次電池に数百ｍＡの電流を流して充電するためには、多くのセルを直列に接続して電圧を確保すると共に、多くのセルを並列に接続して電流も併せて確保する必要があることから、太陽電池が大型化してしまい、携帯可能な寸法にすることが困難であるという課題がある。
【０００５】
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、太陽電池の少ない出力電流でもリチウムイオン二次電池を充電できる、太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法とリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。すなわち、本発明に係る太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法は、太陽電池が出力する直流電流によって蓄電手段を充電させ、該蓄電手段とリチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合に前記蓄電手段と前記リチウムイオン二次電池を電気的に接続し、該蓄電手段から第１の直流電流を出力させるとともに、該第１の直流電流の出力により前記蓄電手段から第２の直流電流を出力させ、これらの第１の直流電流及び第２の直流電流によってリチウムイオン二次電池を充電することを特徴とする。
この場合、前記蓄電手段とリチウムイオン二次電池との電気的な接続は、接続制御手段とスイッチ手段からなる充電制御手段によって行われており、前記第１の直流電流は、前記充電制御手段の接続制御手段によって前記蓄電手段から出力され、前記第２の直流電流は、該充電制御手段のスイッチ手段によって該蓄電手段から出力される。
なお、前記接続制御手段は、第１のスイッチング素子を備えるとともに、バイアス手段、ダイオード、及び第２のスイッチング素子の少なくとも１つを備えて構成すればよく、前記スイッチ手段及び第２のスイッチング素子は、電界効果型トランジスタで構成すればよい。また、前記バイアス手段は、コンデンサを備えた構成とすることができる。
【０００７】
また、本発明に係るリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置は、太陽電池と、該太陽電池が出力する直流電流によって充電される蓄電手段と、該蓄電手段とリチウムイオン二次電池との間に配置され、蓄電手段と該リチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合に蓄電手段とリチウムイオン二次電池を電気的に接続し、蓄電手段から出力させた直流電流によってリチウムイオン二次電池を充電する充電制御手段とを備え、前記充電制御手段は、少なくとも第１のスイッチング素子を含む接続制御手段とスイッチ手段とからなり、前記蓄電手段とリチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合において、前記接続制御手段の第１のスイッチング素子を介して蓄電手段からリチウムイオン二次電池に出力される第１の直流電流と、前記接続制御手段の第１のスイッチング素子に第１の直流電流が流れて該第１のスイッチング素子がオン状態となることにより、該接続制御手段にバイアス電圧を発生させ、該バイアス電圧によりスイッチ手段がオン状態となることで、該スイッチ手段を介して蓄電手段からリチウムイオン二次電池に出力される第２の直流電流によって、リチウムイオン二次電池が充電されることを特徴とする。
なお、前記接続制御手段は、バイアス手段、ダイオード、及び第２のスイッチング素子を備えて構成すればよく、前記スイッチ手段及び第２のスイッチング素子は、電界効果型トランジスタで構成すればよい。また、前記バイアス手段は、コンデンサを備えた構成とすることができる。
【０００８】
これらによれば、太陽電池の出力電流を一旦蓄電手段に蓄え、リチウムイオン二次電池にはこの蓄電手段から充電するため、蓄電手段に電流供給能力の高いもの（例えば内部抵抗が小さいもの）を選べば、太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を十分に充電することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法とリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、リチウムイオン二次電池以外の二次電池にも本発明を適用することができることは言うまでもない。
【００１０】
まず、リチウムイオン二次電池を充電する方法の概要について図１を用いて説明する。
その方法は、太陽電池１０が出力する直流電流によって蓄電手段１２を充電しつつ、蓄電手段１２とリチウムイオン二次電池１４との間の電位差Ｖdefをチェックする。
そして、電位差Ｖdefが所定の電圧値Ｖref以上になった場合に、詳細には蓄電手段１２が太陽電池１０によって充電されてその電圧がリチウムイオン二次電池１４の電圧よりも電圧値Ｖrefだけ高くなった場合に、蓄電手段１２とリチウムイオン二次電池１４とを電気的に接続する。この電圧値Ｖrefは、蓄電手段１２やリチウムイオン二次電池１４等、リチウムイオン二次電池１４に充電する際に流れる電流の経路の内部抵抗を考慮し、当該経路にリチウムイオン二次電池１４を充電できるだけの電流が流れるような値に設定する。
そして、蓄電手段１２が出力する直流電流によってリチウムイオン二次電池１４が充電する。
【００１１】
この方法によれば、太陽電池１０の出力電流を一旦蓄電手段１２に蓄え、リチウムイオン二次電池１４にはこの蓄電手段１２から充電するため、蓄電手段１２に電流供給能力の高いもの（例えば内部抵抗が小さいもの、さらには容量の大きなもの）を選べば、蓄電手段１２からリチウムイオン二次電池１４へリチウムイオン二次電池１４を十分に充電できるだけの大きさの電流を流すことができる。容量を大きくすれば、それだけ長い時間電流を流せる。よって、結果として太陽電池１０からリチウムイオン二次電池１４を充電できることになる。
【００１２】
次に、上記方法を実施するリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置５の一実施の形態について図１と図２を用いて説明する。
まず、構成について説明する。
蓄電手段１２は、一例としてコンデンサＣ１を用いて実現している。コンデンサは安価で、また特に電解コンデンサを用いれば、小型で大容量の蓄電手段１２を実現できる。なお、実際には約220μＦ程度で十分に本願の蓄電手段として機能する。またコンデンサは、内部抵抗も比較的小さいため、リチウムイオン二次電池１４への充電電流を低い値に制限してしまうことがない。
【００１３】
充電制御手段１６は、蓄電手段１２とリチウムイオン二次電池１４との間に直列に介装されたスイッチ手段１６ａと、蓄電手段１２とリチウムイオン二次電池１４との間の電圧差Ｖdefが予め決められた電圧値Ｖref以上になったら、その間だけスイッチ手段１６ａをオン状態に移行させて蓄電手段１２とリチウムイオン二次電池１４を電気的に接続させる接続制御手段１６ｂとで構成することができる。
そして図２におけるｐ型の電界効果型トランジスタＦＥＴ（以下、単にＦＥＴ）２がスイッチ手段１６ａに該当し、充電制御手段１６のその他の回路素子が接続制御手段１６ｂとして機能する。
【００１４】
充電制御手段１６の具体的な一回路例について図２を用いて説明する。なお、以下に説明する回路例以外にも同じ機能を、他の回路構成で実現できることはもちろんである。
蓄電手段１２とリチウムイオン二次電池１４との間には、抵抗Ｒ２とＦＥＴ２とダイオードＤ２が、この順番で直列に介装されている。詳細にはＦＥＴ２のソース端子は抵抗Ｒ２と接続され、ＦＥＴ２のドレイン端子はダイオードＤ２のアノードに接続されている。
また、ＦＥＴ２のソース端子とゲート端子との間にはバイアス用の抵抗Ｒ３が並列に接続されている。
【００１５】
また、蓄電手段１２には、トランジスタＴr1（pnp型）のエミッタ端子が接続され、トランジスタTr1のコレクタ端子とグランド間にはバイアス用の抵抗Ｒ１が介装されている。また、抵抗Ｒ１にはコンデンサＣ２が並列に接続されている。
また、トランジスタTr1のコレクタ端子には、ｎ型のＦＥＴ１のゲート端子が接続されている。このＦＥＴ１のドレイン端子は、ＦＥＴ２のゲート端子に接続され、またソース端子はグランドに直接接続されている。
また、トランジスタＴr1のベース端子とＦＥＴ２のドレイン端子との間には、ダイオードＤ１がそのアノードがトランジスタＴr1のベース端子に接続された状態で介装されている。
【００１６】
次に、リチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置５の動作を、充電制御手段１６の動作を含めて説明する。
太陽電池１０には、蓄電手段１２が並列に直接接続されている。このため、太陽電池１０が光を受けて発生した直流電流は、蓄電手段１２に充電される。
そして蓄電手段１２の電圧が次第に上昇し、リチウムイオン二次電池１４との電位差Ｖdefが、トランジスタＴr1のエミッタ−ベース端子間順方向電圧ＶebにダイオードＤ１、Ｄ２のそれぞれの順方向電圧Ｖd1、Ｖd2を加えた電圧Ｖref以上になると、トランジスタＴr1のエミッタ端子→そのベース端子→Ｄ１→Ｄ２→リチウムイオン二次電池１４という経路で電流が流れる。
【００１７】
すると、これによりトランジスタＴr1がオン状態となり、抵抗Ｒ１にグランドに向かう電流が流れて、抵抗Ｒ１間にバイアス電圧が発生し、これによりＦＥＴ１のゲート端子に正電圧が引加される。
これによってｎ型のＦＥＴ１がオン状態に移行し、抵抗Ｒ２→抵抗Ｒ３→ＦＥＴ１のドレイン端子→ＦＥＴ１のソース端子→グランドという経路で電流が流れる。そして抵抗Ｒ３間にバイアス電圧が発生し、このバイアス電圧によってｐ型のＦＥＴ２がオン状態に移行する。
この結果、蓄電手段１２からリチウムイオン二次電池１４に向けて、抵抗Ｒ２→ＦＥＴ２のソース端子→そのドレイン端子→ダイオードＤ２→リチウムイオン二次電池１４という経路で、リチウムイオン二次電池１４への充電電流が流れる。
【００１８】
トランジスタＴr1のエミッタ−ベース端子間順方向電圧ＶebにダイオードＤ１、Ｄ２のそれぞれの順方向電圧Ｖd1、Ｖd2を加えた電圧Ｖrefは、トランジスタＴr1やダイオードＤ１、Ｄ２がシリコンで構成されている場合にはそれぞれの順方向電圧が約0.6〜0.7ボルトであるから、全体として約2ボルト程度になる。
よって、抵抗Ｒ２を一例として約10オームに設定しておけば、充電開始当初の充電電流を約200ミリアンペア程度に設定することができ、リチウムイオン二次電池１４を充電するに十分な電流を確保できる。
【００１９】
リチウムイオン二次電池１４に電流が流れ始めると、それに伴って蓄電手段１２の電圧も降下し、双方の電圧差Ｖdefは短時間で電圧Ｖref未満になる。
すると、トランジスタＴr1のエミッタ端子→そのベース端子→Ｄ１→Ｄ２→リチウムイオン二次電池１４という経路で電流が流れなくなり、トランジスタＴr1がオフ状態に移行する。その結果、ＦＥＴ１もオフ状態となって、ＦＥＴ２もオフ状態になり、充電動作が停止する。
これにより、蓄電手段１２からリチウムイオン二次電池１４への電流の流れが無くなり、蓄電手段１２は再度太陽電池１０から充電可能な状態になる。
以上の動作、つまり蓄電手段１２への太陽電池１０による充電動作と、リチウムイオン二次電池１４への蓄電手段１２からの充電動作は、リチウムイオン二次電池１４の電圧が所定の電圧（約3.6〜4ボルト）に達するまで繰返し行われる。これによって、結果として太陽電池１０によるリチウムイオン二次電池１４の充電が可能となる。
【００２０】
また、上記充電制御手段１６の回路例においてトランジスタでは無くＦＥＴを使用する理由は、ＦＥＴ１やＦＥＴ２に代えてトランジスタを用いるとリチウムイオン二次電池１４への充電動作の際に、オン状態を維持するベース電流が必要となり、このベース電流はグランドに流れて無駄になってしまうからである。
ＦＥＴを用いることによって、ベース電流に対応する電流は２μＡ程度に下がり、無視できる値になる。よって、効率の良い充電が可能となる。
また、ダイオードＤ２は、一旦充電されたリチウムイオン二次電池１４から充電制御手段１６側に放電するのを防止する機能もある。
また、コンデンサＣ２は、ＦＥＴ１のゲート電圧が、蓄電手段１２からリチウムイオン二次電池１４への充電動作の開始に伴って瞬時に低下してしまうことを防止し、一旦オン状態となったＦＥＴ１がある程度の時間だけオン状態を維持できるようにバイアス電圧を保持するためのものである。
【００２１】
そして、一例として図２に示す簡単な回路構成で蓄電手段１２や充電制御手段１６を構成することができるため、例えば携帯電話機にも十分に実装できる体積のリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置５が実現可能である。そして携帯電話機は、屋外での使用も頻繁に行われるため、太陽電池１０を携帯電話機の表面に露出して搭載しておけば、この太陽電池１０を用いて内蔵されたリチウムイオン二次電池１４を充電でき、通話時間、待機時間も飛躍的に延び、非常に使い勝手が向上することが考えられる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法とリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置を用いると、太陽電池の出力電流を一旦蓄電手段に蓄え、リチウムイオン二次電池にはこの蓄電手段から充電するため、蓄電手段に電流供給能力の高いもの（例えば内部抵抗が小さいもの）を選べば、太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を十分に充電することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の具体的な回路例を示す回路図である。
【符号の説明】
５  リチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置
１０  太陽電池
１２  蓄電手段
１４  リチウムイオン二次電池
１６  充電制御手段
【図１】
0004220660.tif 000002
【図２】
0004220660.tif 000003