| 【発明の名称】 |
太陽電池・キャパシタ電源装置及び充電方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】島山 八郎
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| 【要約】 |
【課題】簡単な回路構成により太陽光の変動に対応して太陽電池の最大出力電力でキャパシタ回路を充電できるようにする。
【解決手段】キャパシタ回路４の充電を制御するコンバータ２と、キャパシタ回路４の充電電流と電流設定値１０との誤差を検出する充電電流誤差増幅回路８と、太陽電池１の出力電圧と電圧設定値９との誤差を検出する電池出力電圧誤差増幅回路７とを備え、充電電流誤差増幅回路８の出力信号に電池出力電圧誤差増幅回路７の出力信号を合成して太陽電池１の出力電圧が電圧設定値９となるようにコンバータ２を制御し、キャパシタ回路４の許容電圧、許容電流の範囲内で太陽電池１の出力電力が最大となるようにキャパシタ回路４の充電電流を制御する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 太陽電池の出力により複数のキャパシタからなるキャパシタ回路の充電を行う太陽電池・キャパシタ電源装置であって、前記キャパシタ回路の充電を制御するコンバータと、前記キャパシタ回路の充電電流と電流設定値との誤差を検出する充電電流誤差増幅回路と、前記太陽電池の出力電圧と電圧設定値との誤差を検出する電池出力電圧誤差増幅回路とを備え、前記充電電流誤差増幅回路の出力信号に前記電池出力電圧誤差増幅回路の出力信号を合成して前記太陽電池の出力電圧が電圧設定値となるように前記コンバータを制御することを特徴とする太陽電池・キャパシタ電源装置。
【請求項２】 前記電池出力電圧誤差増幅回路は、前記キャパシタ回路の充電電流が大きくなる方に前記電圧設定値を変化させる手段を有することを特徴とする請求項１記載の太陽電池・キャパシタ電源装置。
【請求項３】 太陽電池の出力により複数のキャパシタからなるキャパシタ回路の充電を行う太陽電池・キャパシタ電源装置の充電方法であって、前記キャパシタ回路の充電電流を検出し、該充電電流が大きくなる方に前記太陽電池の出力電圧の設定値を変化させ、該設定値に基づきコンバータを制御し前記キャパシタ回路の充電を制御することを特徴とする太陽電池・キャパシタ電源装置の充電方法。
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【発明の詳細な説明】【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池の出力により複数のキャパシタからなるキャパシタ蓄電回路を充電する太陽電池・キャパシタ電源装置及び充電方法に関する。
【従来の技術】図７は従来の太陽電池・キャパシタ電源装置の構成例を示す図であり、１は太陽電池、２はＤＣ／ＤＣコンバータ、３は電流検出回路、４はキャパシタ回路、１３はインターフェース回路、１４はＣＰＵ、２１は電流検出回路を示す。電気二重層キャパシタなどのキャパシタは、２次電池（鉛蓄電池、リチウムイオン２次電池など）と異なり、電気エネルギー量Ｅ、キャパシタ静電容量Ｃ、端子電圧Ｖとすると、Ｅ＝ＣＶ2 ／２の関係により電気エネルギー量に応じて端子電圧が大きく変化する。また、太陽電池は、照度がかなり低くてもそこそこの無負荷電圧になるが、出力電力が少ないため、電流が流れると照度が低いほど端子電圧の低下が大きくなる。このような太陽電池の出力により複数のキャパシタからなるキャパシタ蓄電回路を充電するため、従来は、図７に示すように電流検出回路２１で太陽電池１の出力電流を検出し、電流検出回路３でキャパシタ回路４の充電電流を検出して、これらを太陽電池１の出力電圧とキャパシタ回路４の端子電圧と共にインターフェース回路１３を介してＣＰＵ１４に読み込み、太陽電池の出力を最大限有効に利用するため、ＣＰＵ１４により演算を行って最大出力でＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御する最大出力追従制御方式（ＭＰＰＴ）が採用されてきた。
【発明が解決しようとする課題】キャパシタを用いた蓄電電源装置の場合には、上記のように２次電池と異なるため従来の２次電池充電装置が利用できず、また、太陽電池の出力を最大限有効に利用する方式では、中央演算制御装置ＣＰＵなどを使用して演算を行いＤＣ／ＤＣコンバータ２の制御を行っているため、全体として装置が高価になる。さらに、太陽電池の出力を有効に利用する方式では、出力電力を求めるため、電圧と電流の乗算が必要であったり、制御のためのソフトウエアも複雑になるなどの問題があった。
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解決するものであって、簡単な回路構成により太陽光の変動に対応して太陽電池の最大出力電力でキャパシタ回路を充電できるようにする。そのために本発明は、太陽電池の出力により複数のキャパシタからなるキャパシタ回路の充電を行う太陽電池・キャパシタ電源装置であって、前記キャパシタ回路の充電を制御するコンバータと、前記キャパシタ回路の充電電流と電流設定値との誤差を検出する充電電流誤差増幅回路と、前記太陽電池の出力電圧と電圧設定値との誤差を検出する電池出力電圧誤差増幅回路とを備え、前記充電電流誤差増幅回路の出力信号に前記電池出力電圧誤差増幅回路の出力信号を合成して前記太陽電池の出力電圧が電圧設定値となるように前記コンバータを制御することを特徴とし、前記電池出力電圧誤差増幅回路は、前記キャパシタ回路の充電電流が大きくなる方に前記電圧設定値を変化させる手段を有することを特徴とするものである。また、太陽電池の出力により複数のキャパシタからなるキャパシタ回路の充電を行う太陽電池・キャパシタ電源装置の充電方法であって、前記キャパシタ回路の充電電流を検出し、該充電電流が大きくなる方に前記太陽電池の出力電圧の設定値を変化させ、該設定値に基づきコンバータを制御し前記キャパシタ回路の充電を制御することを特徴とするものである。
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る太陽電池・キャパシタ電源装置の実施の形態を示す図であり、１は太陽電池、２はＤＣ／ＤＣコンバータ、３は電流検出回路、４はキャパシタ回路、５は出力電圧調整回路、７、８は誤差増幅回路、９は太陽電池出力電圧設定器、１０はキャパシタ充電電流設定器、１１はダイオードを示す。図１において、キャパシタ回路４は、例えば複数個の電気二重層キャパシタを直並列に接続して充電し蓄電しつつ負荷に給電する回路であり、このキャパシタ回路４の充電用の電源として利用するのが太陽電池１である。この太陽電池１の出力によりキャパシタ回路４の充電を制御するため、太陽電池出力電圧設定器９は、太陽電池１の出力電圧の値を設定するものであり、キャパシタ充電電流設定器１０は、キャパシタ回路４の充電電流の値を設定するものである。誤差増幅回路７は、太陽電池１の出力電圧と太陽電池出力電圧設定器９の電圧設定値との誤差を検出して増幅する電池出力電圧誤差増幅回路であり、電流検出回路３は、キャパシタ回路４の充電電流を検出し、誤差増幅回路８は、電流検出回路３で検出したキャパシタ回路４の充電電流とキャパシタ充電電流設定器１０の電流設定値との誤差を検出して増幅する充電電流誤差増幅回路である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、キャパシタ回路４を０Ｖからキャパシタの制限電圧まで充電制御するものであり、誤差増幅回路７による太陽電池１の出力電圧の検出誤差と誤差増幅回路８によるキャパシタ回路４の充電電流の検出誤差を合成した信号により、キャパシタ回路４の充電電流を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２に制御信号として与えられる誤差増幅回路７の検出誤差は、ダイオード１１を介して誤差増幅回路８の検出誤差と接続されるので、太陽電池１の出力電圧が太陽電池出力電圧設定器９の電圧設定値以下になると、その検出誤差が合成される。したがって、それまでは、誤差増幅回路８の検出誤差に基づきＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御し、キャパシタ回路４の定電流充電を行う。すなわち、ダイオード１１は、誤差増幅回路８の検出誤差による定電流充電から、太陽電池１の出力電圧が低下したときに誤差増幅回路７の検出誤差による太陽電池１の出力電圧の低下抑制の制御に切り換える回路を構成するものである。次に、動作を説明する。まず、電流検出回路３により充電電流Ｉｃを検出し、誤差増幅回路８でキャパシタ充電電流設定器１０の電流設定値Ｉｓｃとの検出誤差ΔＩに基づきＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御することにより、充電電流Ｉｃをキャパシタ充電電流設定器１０の電流設定値Ｉｓｃになるように制御し定電流充電を行う。このとき、キャパシタ回路４の端子電圧Ｖｃがほとんど０の状態では、太陽電池１の出力電力Ｗｐは少ないので、太陽電池１の出力電圧Ｖｐは、太陽電池出力電圧設定器９の電圧設定値Ｖｓｐまでは低下しない。このとき誤差増幅回路７による検出誤差ΔＶは、ダイオード１１に対して逆方向の信号となるため、太陽電池１の出力電圧Ｖｐの制御系は切り離された状態となっている。しかし、キャパシタ回路４の充電と共に、その端子電圧Ｖｃが上昇しその充電電力Ｗｃ＝Ｖｃ×Ｉｃが増大すると、太陽電池１の出力電力Ｗｐが増大するので、太陽電池１の出力電圧Ｖｐが徐々に低下する。そして、太陽電池１の出力電圧Ｖｐが太陽電池出力電圧設定器９の電圧設定値Ｖｓｐよりさらに低下するようになると、誤差増幅回路７の検出誤差ΔＶがダイオード１１に対して順方向の信号となる。この誤差増幅回路７の検出誤差ΔＶが、誤差増幅回路８による検出誤差ΔＩと合成されるのでＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力を抑えるようになり、その結果、充電電流Ｉｃが電流設定値Ｉｓｃより小さくなる。つまり、太陽電池１の出力電圧Ｖｐが太陽電池出力電圧設定器９の電圧設定値ＶｓｐになるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２が制御される。図２は太陽電池の出力電圧と電流と出力電力及び太陽光の関係を示す図、図３は模擬的に太陽光を変動させてキャパシタ回路を０Ｖから充電した場合の太陽電池の出力とキャパシタ回路の電圧、電流、電力の関係を示す図である。太陽電池の出力電圧と電流及び太陽光の関係は、図２に示すように太陽電池の出力電圧を無負荷電圧（例えば３０〜３３Ｖ）の約８０〜８５％（約２５Ｖ）に相当する電圧にすると、最大出力電力にすることができる。さらに太陽電池の出力を最大にするには、キャパシタ回路４に対する充電電流を大きくする方に太陽電池出力電圧設定器９の電圧設定値を変化させればよい。すなわち、キャパシタ回路４の充電電流が大きくなることは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧が大きくなること、つまりＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電力が大きくなることであるから、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力である太陽電池の出力電力が大きくなったことになる。模擬的に太陽光を変動（脈動）させ、キャパシタ回路４を０Ｖから充電した場合の太陽電池１の出力とキャパシタ回路４の電圧、電流、電力の関係を示したのが図３である。ここで、太陽電池出力電圧設定器は２５Ｖに、キャパシタ充電電流設定器は４Ａに設定している。キャパシタ回路４の端子電圧が０からの充電開始当初■は、設定された４Ａの充電電流により定電流充電されても太陽電池１の出力電圧は、設定された２５Ｖより高いが、キャパシタ回路４の端子電圧が上昇してくるにしたがって、キャパシタ回路４の充電電力、つまり太陽電池１の出力電力が増大するので、太陽電池１の出力電圧が低下してくる。そして、太陽電池１の出力電圧が設定された２５Ｖまで低下すると、誤差増幅回路７による制御が働き２５Ｖに維持するようになるので、■に示すようにキャパシタ回路４の充電電流が４Ａ以下に減少する。さらにキャパシタ回路４の端子電圧が上昇すると、■に示すようにキャパシタ回路４の充電電流は、設定された４Ａ以下で変動するようになり、太陽電池１の出力電圧が設定された２５Ｖに維持される。図４乃至図６は本発明に係る太陽電池・キャパシタ電源装置の他の実施の形態を示す図であり、１３はインターフェース回路、１４はＣＰＵ、１５、１６はダイオード、１７は太陽電池、１８は照度センサ、１９は温度センサを示す。図４に示す実施の形態は、インターフェース回路１３を通して電流検出回路３により検出されるキャパシタ回路４の充電電流をＣＰＵ１４に読み込み、ＣＰＵ１４により充電電流が大きくなる方に、太陽電池１の出力電圧の設定信号を変化させる操作を行うものである。ダイオード１５、１６は、キャパシタ回路４の充電電圧が太陽電池１の出力電圧より低いときに、太陽電池１の出力を利用して出力電圧調整回路（図示省略、図１に示す５）を動作させるための回路を構成している。図５に示す実施の形態は、基準電源用として太陽電池１と特性の相似した太陽電池１７を設け、この出力電圧により太陽電池出力電圧設定器９の設定を行うようにしたものである。図６に示す実施の形態は、照度センサ１８、温度センサ１９を設けて、照度センサ１８により太陽電池１の入力照度を検出すると共に、温度センサ１９により太陽電池１の温度を検出して太陽電池１の出力電圧の設定信号を変化させるものである。すなわち、インターフェース回路１３を通して稼働状態における太陽電池１への放射照度と太陽電池１の温度をＣＰＵ１４に読み込み、ＣＰＵ１４の制御によりこれら放射照度と温度から太陽電池１の出力が最大となると予想される太陽電池１の出力電圧となるように太陽電池１の出力電圧の設定信号を変化させる。
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、キャパシタ回路の充電を制御するコンバータと、キャパシタ回路の充電電流と電流設定値との誤差を検出する充電電流誤差増幅回路と、太陽電池の出力電圧と電圧設定値との誤差を検出する電池出力電圧誤差増幅回路とを備え、充電電流誤差増幅回路の出力信号に電池出力電圧誤差増幅回路の出力信号を合成して太陽電池の出力電圧が電圧設定値となるようにコンバータを制御するので、キャパシタ回路の許容電圧、許容電流の範囲内で太陽電池の出力電力が最大となるようにキャパシタ回路の充電電流を制御することができる。しかも、充電電流誤差増幅回路の出力信号に電池出力電圧誤差増幅回路の出力信号を合成する簡単な回路構成により太陽光の変動に対応して太陽電池の最大出力電力でキャパシタ回路の充電が可能となる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２７１
【氏名又は名称】日本電子株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年３月５日（１９９９．３．５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８８０４１
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 龍吉 （外７名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２６１９７９（Ｐ２０００−２６１９７９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月２２日（２０００．９．２２） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−５８５０２ |
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