(57)【要約】【課題】従来の方式に比べ、より小型軽量化及び制御系の簡素化を図ることができる新たな方式の充電機能を備えた電源制御器を提供する。【解決手段】本発明に係る充電機能を備えた電源制御器は、蓄電池と、前記蓄電池に対して並列に接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の太陽電池と、前記各太陽電池と前記蓄電池との間に設けられたｎ個のスイッチ手段と、前記スイッチ手段の開閉動作を制御するスイッチ制御手段と、前記蓄電池の充電電圧を検出し、その検出電圧に基づく信号を前記ｎ個のスイッチ手段のそれぞれに供給する電圧検出手段とを備え、前記太陽電池の出力電力に基づいて前記蓄電池を充電するときに、前記電圧検出手段の検出電圧に基づいて前記蓄電池の充電電圧が所定の電圧を超えないよう、前記ｎ個のスイッチ手段を所定の順序で開くよう前記スイッチ制御手段が制御することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電池と、
前記蓄電池に対して並列に接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の太陽電池と、
前記各太陽電池と前記蓄電池との間に設けられたｎ個のスイッチ手段と、
前記スイッチ手段の開閉動作を制御するスイッチ制御手段と、
前記蓄電池の充電電圧を検出し、その検出電圧に基づく信号を前記ｎ個のスイッチ手段のそれぞれに供給する電圧検出手段とを備え、
前記太陽電池の出力電力に基づいて前記蓄電池を充電するときに、前記電圧検出手段の検出電圧に基づいて前記蓄電池の充電電圧が所定の電圧を超えないよう、前記ｎ個のスイッチ手段を所定の順序で開くよう前記スイッチ制御手段が制御することを特徴とする充電機能を備えた電源制御器。
【請求項２】
前記電圧検出手段は、各太陽電池ごとに設定されたｎ個の閾値を有し、蓄電池の充電電圧がそれぞれの閾値に達するごとにその旨の信号を前記スイッチ制御手段に出力し、前記スイッチ制御手段はその太陽電池に対応するスイッチ手段を開く動作を行うものである、請求項１に記載の充電機能を備えた電源制御器。
【請求項３】
前記電圧検出手段は単一の閾値を有し、蓄電池の充電電圧が当該閾値に達したときはその旨の信号を出力し、前記スイッチ制御手段はこの信号を受信したときに、所定の順番で前記ｎ個のスイッチ手段を開く動作を行うものである、請求項１に記載の充電機能を備えた電源制御器。
【請求項４】
前記ｎ個の太陽電池のうち少なくとも一つについてシャントスイッチを並列に接続した、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の充電機能を備えた電源制御器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の太陽電池によって発生する電力を蓄電池に充電するための充電機能を備えた電源制御器に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、太陽電池を用いた電力システムには大きく分けて２種類のタイプがあった。一つはシャント方式であり、他の一つはシリーズスイッチングレギュレータ方式である。
【０００３】
図４は、シャント方式の太陽光発電システムの一例を示した回路図である。図４の回路において、ＳＢ１は太陽電池であり、ここで発生した電力が、負荷Ｒ１への電力及び蓄電池Ｂ１への充電電流として供給される。シャント方式では、トランジスタＴｒ１をオンさせて太陽電池ストリングをショートさせることによって、バス電圧が安定化するよう制御する。なお、図４には示していないが、ＳＢ１と同様の太陽電池と、Ｔｒ１と同様のトランジスタが例えば合計５個ずつ設けられている。
【０００４】
図４のシャント方式の場合には、ＢＣＲ（Battery Charge Regulator）と呼ばれる充電器が必要となる。このＢＣＲは、定電流・定電圧充電を行う機能を有するものが一般的であり、この機能を有するものはバッテリの電圧が目標電圧に達するまでは定電流で充電を行い、目標電圧に到達したあとは定電圧充電に移行する。
【０００５】
図５は、スイッチングレギュレータ方式の太陽光発電システムの一例を示した回路図である。このスイッチングレギュレータ方式では、太陽電池ＳＢが発生した電力を、Ｔｒ２、Ｄ２、Ｌ２、Ｃ２などからなる制御回路を介して、負荷Ｒ２への電力又は蓄電池Ｂ２への充電電流を供給する。このスイッチングレギュレータ方式では、図４のようなＢＣＲは必要とされないが、Ｔｒ２、Ｄ２、Ｌ２、Ｃ２などからなる制御回路が充電器の役割を果たす。
【０００６】
また、他の充電方式として、充電電圧が基準電圧に達した場合に、電流をステップ状に減少するよう制御する方式が、特許文献１及び２において提案されており、これは定電流・定電圧充電の一部とも言える方式である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２３６４０２号公報
【特許文献２】特開平１１−８９１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、図４のシャント方式の場合は、ＢＣＲ回路が必要となり、しかも人工衛星のように大電力を扱うものの場合にはＢＣＲの回路規模も大きくなり、数十キログラム程度に達する場合もある。したがって、その分だけ全体の重量及び体積が増加する。
【０００９】
また、図５に示したスイッチングレギュレータ方式では、制御回路が太陽電池ＳＢ２とバス（負荷Ｒ２及びバッテリＢ２）の間に直列に挿入される形となる。この制御回路ではどんなに効率が高くてもある程度の損失は避けられないため、この損失分を補うために太陽電池ＳＢパネルそのものを大きくしなければならない。しかしながら、そのことが太陽電池パネル及び電力制御回路を含む電源システム全体の重量の増加につながる。
【００１０】
本発明は、従来の方式に比べ、より小型軽量化及び制御系の簡素化を図ることができる新たな方式の充電機能を備えた電源制御器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明に係る充電機能を備えた電源制御器は、蓄電池と、前記蓄電池に対して並列に接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の太陽電池と、前記各太陽電池と前記蓄電池との間に設けられたｎ個のスイッチ手段と、前記スイッチ手段の開閉動作を制御するスイッチ制御手段と、前記蓄電池の充電電圧を検出し、その検出電圧に基づく信号を前記ｎ個のスイッチ手段のそれぞれに供給する電圧検出手段とを備え、前記太陽電池の出力電力に基づいて前記蓄電池を充電するときに、前記電圧検出手段の検出電圧に基づいて前記蓄電池の充電電圧が所定の電圧を超えないよう、前記ｎ個のスイッチ手段を所定の順序で開くよう前記スイッチ制御手段が制御することを特徴とする。
【００１２】
前記電圧検出手段は、各太陽電池ごとに設定されたｎ個の閾値を有し、蓄電池の充電電圧がそれぞれの閾値に達するごとにその旨の信号を前記スイッチ制御手段に出力し、前記スイッチ制御手段はその太陽電池に対応するスイッチ手段を開く動作を行うものとすることができる。
【００１３】
あるいはまた、前記電圧検出手段は単一の閾値を有し、蓄電池の充電電圧が当該閾値に達したときはその旨の信号を出力し、前記スイッチ制御手段はこの信号を受信したときに、所定の順番で前記ｎ個のスイッチ手段を開く動作を行うものとすることもできる。
【００１４】
さらに、前記ｎ個の太陽電池のうち少なくとも一つについてシャントスイッチを並列に接続することもできる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、上記のように、各太陽電池と前記蓄電池との間に設けられたｎ個のスイッチ手段と、蓄電池の充電電圧を検出する電圧検出手段と、スイッチ制御手段とを設け、電圧検出手段の検出電圧に基づいて蓄電池の充電電圧が所定の電圧を超えないよう、ｎ個のスイッチ手段を所定の順序で開くようスイッチ制御手段が制御するようにしたことによって、シャント方式において必要とされるＢＣＲ、シリーズスイッチングレギュレータ方式で必要とされる制御回路が不要となる。このため、人工衛星などの宇宙用途に用いる場合には、全体の重量及び体積の大幅な削減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に図面を参照しながら、本発明の実施の一形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る充電機能を備えた電源制御器の回路図である。
【００１７】
図１において、ＳＡ１〜ＳＡ５は太陽電池であり、人工衛星などの宇宙機に搭載する場合には、これらは太陽電池パネルとして構成される。Ｂは蓄電池であり、太陽電池ＳＡ１〜ＳＡ５において発生した電力を充電するとともに、充電された電力を負荷Ｒ（ここでは宇宙機に搭載される各種機器）に供給する。それぞれの太陽電池ＳＡ１〜ＳＡ５は、対応するチャージスイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷ５を介して、蓄電池Ｂに並列に接続されている。各チャージスイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷ５を閉じた場合は、対応する太陽電池が蓄電池Ｂに接続され、開いた場合は対応する太陽電池が蓄電池Ｂから切り離される。また、各太陽電池ＳＡ１〜ＳＡ５には、必要に応じて短絡させるためのシャントスイッチＳＳＷ１〜ＳＳＷ５が並列に接続されている。
【００１８】
なお、図１には示されていないが、本実施形態の電源制御器には、蓄電池Ｂの両端電圧を検出する電圧検出手段と、後述する手順でチャージスイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷ５及びシャントスイッチＳＳＷ１〜ＳＳＷ５の開閉動作を制御するスイッチ制御手段が設けられている。
【００１９】
蓄電池に過大な電圧を印加すると故障の原因となることから、蓄電池を充電する場合には印加される電圧が所定の電圧を超えないよう制御する必要がある。その一方、充電を迅速に完了させるためには充電動作中により多くの電流を流すことが望ましい。従来は、かかる要請を満たすために、前述のシリーズスイッチングレギュレータ方式やシャント方式を用いて、充電時には、許容充電電流を超えない範囲で、なるべく多くの電流を流し、蓄電池の電圧が基準上限電圧に達した場合には、充電電流を減少させるよう制御していた。しかしながら、これらの方式では、前述のように、スイッチングレギュレータ方式の場合には効率低下を伴う降圧コンバータもしくは昇圧コンバータが必要となり、シャント方式の場合には充電器が必要とされ、重量や体積が増加するという難点があった。これに対して、本実施形態の充電機能を備えた電源制御器では、図１の回路に示すようにコンバータ回路や充電器が不要となる。
【００２０】
続いて、図１に示した本実施形態の蓄電池充電回路の動作について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、太陽電池ＳＡ１〜ＳＡ５によって蓄電池Ｂが充電されるときの蓄電池Ｂの両端における電圧Ｖ及び電流Ｉの関係を示したグラフであり、図３は、この電圧Ｖ（上）及び電流Ｉ（下）が時間とともにどのように変化するかを示したグラフである。なお、図２に示した５本の曲線のうち一番下の曲線は、５個の太陽電池のうちの１つが蓄電池Ｂに接続されている場合のＩ−Ｖ曲線であり、下から２番目の曲線は、２つの太陽電池が蓄電池に接続されている場合のＩ−Ｖ曲線であり、下から３番目の曲線は、３つの太陽電池が蓄電池に接続されている場合のＩ−Ｖ曲線であり、下から４番目の曲線は、４つの太陽電池が蓄電池に接続されている場合のＩ−Ｖ曲線であり、一番上の曲線は、５つすべての太陽電池が蓄電池に接続されている場合のＩ−Ｖ曲線である。
【００２１】
充電がなされていない状態の蓄電池Ｂに対して充電を開始する場合は、不図示のスイッチ制御手段がすべてのチャージスイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷ５を閉じ、すべての太陽電池ＳＡ１〜ＳＡ５を蓄電池Ｂに接続する。したがって、蓄電池Ｂは図２に矢印（ａ）で示すように一番上のＩ−Ｖ曲線に沿って最も多くの電流が流れる状態で迅速に充電が行われ、蓄電池Ｂの電圧が上昇する。
【００２２】
蓄電池Ｂの電圧がＶ１に達すると、電圧検出手段がこれを検出し、その旨の信号をスイッチ制御手段へ出力する。スイッチ制御手段は、この信号を受け取るとチャージスイッチＣＳＷ１を開くよう制御して、太陽電池ＳＡ１を蓄電池Ｂから切り離す。太陽電池ＳＡ１が蓄電池Ｂから切り離されると、蓄電池Ｂへ流れ込む電流が太陽電池ＳＡ１の発生電流だけ減少し、そして蓄電池Ｂの電圧も、蓄電池Ｂの内部インピーダンスとそこを流れる電流とによる電圧降下分だけ低下する。したがって、Ｉ−Ｖ曲線は図２の矢印（ｂ）で示すように、上から２番目の曲線上へ遷移する。すなわち、蓄電池Ｂに対して当初よりも少ない電流で充電が継続される。
【００２３】
さらに充電が進み、蓄電池Ｂの電圧が再びＶ１に達すると、電圧検出手段がこれを検出し、その旨の信号をスイッチ制御手段へ出力する。スイッチ制御手段は、この信号を受け取るとチャージスイッチＣＳＷ２を開くよう制御して、太陽電池ＳＡ２を蓄電池Ｂから切り離す。太陽電池ＳＡ２が蓄電池Ｂから切り離されると、蓄電池Ｂへ流れ込む電流はさらに太陽電池ＳＡ２の発生電流だけ減少し、蓄電池Ｂの電圧も蓄電池Ｂの内部インピーダンスとそこを流れる電流とによる電圧降下分だけ低下する。すなわち、Ｉ−Ｖ曲線は図２の上から３番目の曲線上へ遷移し、蓄電池Ｂに対してさらに少ない電流で充電が継続される。
【００２４】
以下同様に、蓄電池Ｂの電圧がＶ１に達するたびに、チャージスイッチＣＳＷ３、ＣＳＷ４を切り離してゆき、最終的に蓄電池Ｂの充電が完了した段階でチャージスイッチＣＳＷ５を切り離す。以上のような手順でチャージスイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷ５を切り離してゆくことによって、蓄電池Ｂの充電電圧がある一定値に達した段階から、充電が完了するまでの間は、充電電流が図３に示すように段階的に減少する。このように制御することによって、充電動作の迅速性を維持しつつ蓄電池Ｂに過大な電圧が印加されるのを防止することができる。
【００２５】
図１のシャントスイッチＳＳＷ１〜ＳＳＷ５は、余剰電力が発生している場合にこれをオンにすることによって、過剰な電力が負荷Ｒや蓄電池Ｂへ供給されるのを防ぐことができる。また、負荷Ｒに供給される電圧を制御するのにも用いることができる。
【００２６】
上記のように、本実施形態の充電機能を備えた電源制御器によれば、充電動作の迅速性を維持しつつ蓄電池に過大な電圧が印加されるのを防止することを、電力の損失を生じるコンバータや充電器を必要とせずに実現する。したがって、重量や体積に対する要求が厳しい人工衛星などの宇宙機に搭載される充電池に適用する場合に有効である。また、本実施形態の充電機能を備えた電源制御器では、電力源となる太陽電池がスイッチを介してすべて並列に蓄電池に接続されているので、いずれかの太陽電池やスイッチに故障が生じたとしても動作を継続させることができる。したがって、故障に対する信頼性を向上させることができる。
【００２７】
ところで、上記実施形態では、チャージスイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷ５を切り離す制御を行う電圧をすべて同じＶ１として説明した。このような制御は、スイッチ制御手段の中に、チャージスイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷ５を切り離す順番を制御するためのハードウェア的又はソフトウェア的な手段を備えることによって可能となる。しかも、このような制御論理は比較的単純なものですむ。これとは別に、たとえば電圧検出手段が各チャージスイッチに対応した異なる閾値電圧を検出したタイミングでその旨の信号を対応するチャージスイッチに供給するような構成とすることも可能であり、そのようにすれば、チャージスイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷ５を切り離す順番を制御するための手段は不要となる。
【００２８】
以上では太陽電池が５個の場合について説明したが、この数が５個に限らないことはいうまでもない。また、各太陽電池の仕様や特性は必ずしも同一のものである必要もない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る充電機能を備えた電源制御器の回路図である。
【図２】太陽電池ＳＡ１〜ＳＡ５によって蓄電池Ｂが充電されるときの蓄電池Ｂの両端における電圧Ｖ及び電流Ｉの関係を示したグラフである。
【図３】この電圧Ｖ（上）及び電流Ｉ（下）が時間とともにどのように変化するかを示したグラフである。
【図４】シャント方式の太陽光発電システムの一例を示した回路図である。
【図５】スイッチングレギュレータ方式の太陽光発電システムの一例を示した回路図である。
【符号の説明】
【００３０】
ＣＳＷ１〜ＣＳＷ５  チャージスイッチ
ＳＳＷ１〜ＳＳＷ５  シャントスイッチ
ＳＡ１〜ＳＡ５  太陽電池
ＳＢ，ＳＢ１，ＳＢ２  太陽電池
Ｂ，Ｂ１，Ｂ２  蓄電池
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２  負荷
Ｔｒ１，Ｔｒ２  トランジスタ
【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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