JP2005210776A - バッテリーチャージャー付ポータブル電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池セル、二次電池より構成されるポータブル電源の二次電池の破壊を防止する。
【解決手段】 太陽光を受光し、発電するセルの後段に電気二重層電池を配置し、該電気二重層電池からの電流を小出しにするため、該電気二重層電池の容量を次段定電圧電池の容量より充分なる容量となし、更にその次段にＤＣ−ＤＣコンバーターを接続して該電気二重層電池の出力電圧を次段接続の定電圧型二次電池の電圧よりも充分に小なる電位にても該定電圧型二次電池に充分なる充電をほどこし得るように構成せしめてなるバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置において、太陽電池セルと電気二重層コンデンサのハイブリッド結合構成部と二次電池との間に過電流防止回路を負荷と並列に接続し、電流制御回路を負荷と直列になるように設置することで二次電池に過電圧が印加される事態を回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池電源の製作に係るものである。特に太陽光を電気に変換し、変換された電気を蓄える二次電池を主体としたバッテリーチャージャー付ポータブル電源システムに関するものである。

従来の二次電池を主体としたバッテリーチャージャー付ポータブル電源システムには太陽光を受光し発電するセルの後段にＤＣ／ＤＣコンバータを介して定電流型の二次電池を配置する様式のハイブリッド電池電源システムがある。図４に当該電源システムの構成を示す。

図４で１は太陽光を電気に変換するセルで２はＤＣ−ＤＣコンバータで具体的には逆流防止並びに電圧制御用ダイオードを用いた。３はセル１と並列に接続し、セルより送られてくる電気を蓄える電気二重層コンデンサ、４は負荷である。負荷が小さい場合はこの電源回路で充分である。

電気容量（Ｆ）と電流（Ｉ）、電圧（Ｖ）、時間（ｔ）の間にはＦ＝Ｉ×ｔ／Ｖの関係が知られている。
ここで電気二重層コンデンサとして４Ｖ，０．０５Ｆを用い負荷（ＩＣ）に０．０００１Ａの電流を流してやるとすると０．０５＝０．０００１×ｔ／４よりｔ＝２０００（秒）であり、約３４（分）となる。電気二重層コンデンサへの１回の充電により３０分以上負荷を稼働することが出来る。従ってこの程度の負荷に対しては充分に対応出来る。

しかし乍、負荷にｍＡ乃至１０数ｍＡの電流を流す場合には上記ハイブリッド電源では負荷を数分乃至数十秒稼働出来るに過ぎず、実用上充分では無い。そこで上記ハイブリッド電源の後段に更にＤＣ−ＤＣコンバータを介して定電圧型の二次電池を配置する様式のハイブリッド電池電源システムがある（例えば、特許文献１参照。）。図５に当該電源システムの構成を示す。

図５で図４と共通する部分には同じ符合を付している。５はＤＣ−ＤＣコンバータ、６はリチウムイオン電池である。ＤＣ−ＤＣコンバータ５は電気二重層コンデンサ３の電圧が次段リチウムイオン電池６よりも低い電圧となっても作動するＤＣ−ＡＣ−ＤＣ変換のものを使用した。この電源構成に於いてリチウムイオン電池６の充電には太陽電池セル１の出力電圧は次段電気二重層コンデンサ３の入力電圧よりも高く保たなければならないし、電気二重層コンデンサ３の出力側電圧は次段リチウムイオン電池６の電圧よりも高く保たなければならない。そうしないと充電はなされないからである。

実際に５０ｍＡ、６Ｖのセルを用い、４Ｖ、０．０５Ｆの電気二重層コンデンサを用い４Ｖ、１１５ｍＡｈのリチウムイオン電池に充電をする際、毎日３０分間太陽又は電灯にあてた場合、１ヶ月以上に次電池に充電することなく機器を持続することが出来る。

太陽電池セルを介して電気二重層コンデンサに一旦エネルギーを蓄積し、しかる後二次電池に充電する際に気象条件に応じて以下の場合が考えられる。

（１）晴天下の場合：晴天下では１００，０００Ｌｘ〜１２０，０００Ｌｘの照度が得られる。図６に示すように電気二重層コンデンサの出力電圧は照射開始後上昇し、満充電電圧の６Ｖ程度となり、二次電池の定常電圧４Ｖとの差（２Ｖ）が充電パワーとしてはたらき充分な充電が可能となる。

（２）曇天下の場合：曇天下では７，０００Ｌｘ〜１５，０００Ｌｘの照度が得られる。図７に示すように電気二重層コンデンサの出力電圧は照射開始後上昇するが、満充電電圧には達せず、照度に応じて変動し、二次電池の定常電圧に対し所定の電圧差が得られた時のみ充電パワーが得られる。

（３）曇天又は雨天の場合：曇天又は雨天下では６，０００Ｌｘ以下の照度しか得られない。図８に示すように電気二重層コンデンサの出力電圧は照射開始後上昇するが、満充電電圧には達せず、二次電池の定常電圧と同等になるのがせいぜいであり殆ど充電はなされない。また夜間等光の無い状態では当然に充電はなされない。
上記図５の回路では前記のように３０分間太陽又は電灯にあてる事で曇天、夜間においても使用可能なよう充電することが出来ている。

ここで本明細書で用いる技術的語句については以下の意味で用いる。「二次電池」とは、何回も充電放電の繰り返しを可能とした電池をいう。

「定電流型二次電池」とは電圧が昇降変化しても電流値が比較的一定な二次電池をいい、電気二重層電池の如きコンデンサータイプの電池をいう。また、「定電圧型二次電池」とは、電圧は一定であるが電流が変化し得る電池で、普通二次電池はこのタイプをいい、鉛蓄電池、ニッカド二次電池、リチウム二次電池（リチウムイオン電池）はこれに属する。

特開平９−１４００７１号公報 （第３項、第４項、第１図）

電気二重層コンデンサはこれに与えられる電圧を定格の２５％以下に抑えないと破壊を起こす場合がある。これは過電離現象でイオンの再結合が行なわれないためである。例えば４Ｖ、０．０５Ｆの電気二重層コンデンサは５Ｖ以上の電圧を長時間与えると過電離現象のため内部破壊を起こしてしまう。

二次電池も電解コンデンサと近似の性質を有しているために、特に内部抵抗の低いもの、例えばリチウムイオン電池、ポリマー電池等も定格電圧を２５％越えた電圧で長時間充電するとこれまた過電離現象によって定格復帰が出来なくなってしまう。

更にリチウムイオン電池はポリマー電池と同様、その内部抵抗が０．０１Ωｍ内外とＮｉＣｄ二次電池、鉛電池の内部抵抗の１／１０以下であるために過飽和状態になると内部破壊の他、場合によっては火を吹いたり爆発する恐れもある。電気二重層コンデンサもそれに近い現象を起こし易い。即ち両者とも定格値電圧の２５％以上の印加電圧としないように求められている。

一方太陽電池セルに流れる電流量は二次電池の電流容量の１／１０以上なければならない（Ｃ／１０の法則）。（近頃は１Ｃ〜１Ｃ／２．５が適当とされている。）
そこでリチウムイオン電池の如く低内部抵抗電解質を用いた電池ではかならず過電流防止回路を附けなければならず、過電流防止回路は充電の際、二次電池の充電回路をオープンにするのが一般的である。

上記図５の電源構成に基づいて実際の回路を組み立て、ＤＣ／ＤＣコンバータとして電圧制御用且つ逆流防止用ダイオードを接続した構成を図９に示す。太陽電池セル１にＰｍ：０．２６Ｗ，ＶＰｍ：５．６Ｖ、ＩＰｍ：４７ｍＡの物を用い、電気二重層コンデンサ３に最大３．６Ｖ、０．０４７Ｆの物を用いリチウムイオン電池６に容量：１１５ｍＡｈ、Ｖｏ：３．８Ｖ、Ｖｉｍａｘ：４．２５Ｖ，Ｉｍａｘ：１１０ｍＡの物を用いてリチウムイオン電池６両端の電圧を測定した。

ちなみに第９図の構成に於いては、セルの電流（Ｉｐｍ）が５０ｍＡ程度、リチウムイオン電池の電流（Ｉｍａｘ）が１００ｍＡ内外であり１／２Ｃ程度となっている。また本回路ではこの電源により負荷４としてＣＰＵ基板１１、センサ１２、無線送信機１３を駆動してセンサで得られた情報を無線送信する自動送信機を構成している。

測定結果は図１０の如くなる。即ち測定を曇天下８，０００Ｌｘのもとで実測すると図９の構成では３０分以内に二次電池の飽和値４Ｖの９０％位に達する。而してこれが完全飽和値に達する迄はその後５時間程度かかっている。この時間は晴天下１００，０００Ｌｘのもとでは２時間以内になる。

図１０において充電開始直後の立上り部分２１、それに続く満充電に近い領域で漸次充電される部分２２に示す如く数時間でリチウムイオン電池６を満充電することが出来る。リチウムイオン電池６が満充電されると過電流を防止するためリチウムイオン電池６の充電回路が断たれる。そうすると太陽電池セル１と電気二重層コンデンサ３とのハイブリッド結合側からの電流は電池を介さないで直接負荷４に充当される。

この場合、先述の如くリチウムイオン電池６の充電電圧よりも高い電圧が負荷４にかかるようになり、場合によっては電気二重層コンデンサ３に打撃を与えることになる。この状態は図１０中、２３の部分に相当する。このまま放っておくと高い電位のままそのパワーが負荷４に注がれることになり、これでは負荷４及び電気二重層コンデンサ３が破壊されることになりかねない。図１０においては回路を室内に持ち込み照射を中止した。室内に入れた状態が２３の終わり部分であり平常状態２４のはじめの段階に戻ることを表している。

本発明は上記の欠陥を改良せんとするもので長時間太陽光等が照射されても電気二重層コンデンサ、リチウムイオン電池等の二次電池の破壊を防止し、太陽光下如何なる気象状況に於いても具合良く太陽電池セルにより二次電池を充電出来ることから電池切れのない電源装置を提案するものである。

本発明のバッテリーチャージャー付ポータブル電源は、高速で充電する二次電池、例えば活性炭を電極とする電気二重層電池などを太陽光を受光し発電するセルの後段に設置し、後段二次電池電圧より極めて低い電圧でも作動し、一旦この電圧を昇圧して次段にパワーを供給するＤＣ−ＤＣコンバータを設け、更に該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力により充電され、且つ後段の負荷に電力を供給する次段二次電池、例えばニッカドやリチウム等の二次電池に於いて、太陽電池セルと電気二重層コンデンサのハイブリッド結合構成部と二次電池との間に過電流防止回路を負荷と並列に接続し、電流制御回路を負荷と直列になるように設置したことを特徴とする。

本発明に係るバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置によれば長時間太陽光等が照射されても電気二重層コンデンサ、リチウムイオン電池等の二次電池の破壊を防止することが出来る。
更に負荷に過剰な電圧が印加される事態を回避し、負荷の破壊を防止することが出来る。

図１は本願発明のバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置のブロック図を示したものである。
この図において図５と共通する部分には同じ符合を付している。７は電流制限回路、８は過電流制御回路、９はＤＣ−ＤＣコンバータである。

太陽電池セル１に光が照射されると図１０に示すようにリチウムイオン電池６の端子両端の電圧が上昇して行き４Ｖで安定する。この間リチウムイオン電池６が充電され、飽和状態に達すると過電流防止回路８により二次電池６の充電回路がオープンされる。すると電気二重層コンデンサ３のアウトプットの電圧が上昇するが、電流制限回路７により電気二重層コンデンサに印加される電圧は制限され電気二重層コンデンサ３の破壊を招く電圧上昇が抑制される。

図２に電流制限回路のブロック図の一例を示す。図２に於いて電流制限回路は検出部３１、比較部３２、基準部３３、制御部３４より構成される。
検出部３２が出力電圧の上下変動を検知し、それを比較部３２において一定電圧である基準部３３と比較し、その結果に基づき制御部３４で電流を制御する。

当該回路の具体例を図３に示す。図３に於いて抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３が検出部３１を構成し、トランジスタＴｒ２が比較部３２を構成する。更にツエナーダイオードＺＤ１が基準部３３を構成し、抵抗Ｒ１及びトランジスタＴｒ１が制御部３４を構成する。

リチウムイオン電池６に満充電がなされると過電流防止回路８がオープンになる。すると電気二重層コンデンサ３のアウトプットの高電圧が電流制限回路７にかかる。このとき基準部を例えば４Ｖに設定しておけば例えば５Ｖに上がったとき検出部３１が上がった１Ｖを検知しこれと基準部の４ＶとをＴｒ２で比較する。而して、その上昇分をＴｒ１のベースに与えることによってＴｒ１の出力電流を一定に抑えるようにする。更に余剰な電流をＲ１、Ｔｒ２を介して消費し電気二重層コンデンサ３両端電圧の上昇を抑えるものである。

又モバイル機器用電源に於いてはセルのパワーが小さいため電流制限回路の如き制御回路は極めて簡単な構成にするのが必須条件である。

本発明のバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置の回路図である。 本発明の電流制限回路のブロック図である。 本発明の電流制限回路の回路図のである。 従来のバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置の回路図である。 従来のバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置の回路図である。 晴天時の電気二重層コンデンサの出力電圧と二次電池の定常電圧の関係図である。 曇天時の電気二重層コンデンサの出力電圧と二次電池の定常電圧の関係図である。 雨天時の電気二重層コンデンサの出力電圧と二次電池の定常電圧の関係図である。 従来のバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置の具体的な回路図である。 従来のバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置における二次電池両端の電圧変化図である。

符号の説明

１ 太陽電池セル
２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３ 定電流型二次電池（電気二重層コンデンサ）
４ 負荷
５ ＤＣ−ＤＣコンバータ
６ 定電圧型二次電池（リチウムイオン電池）
７ 電流制限回路
８ 過電流防止回路
９ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１ ＣＰＵ基板
１２ センサ
１３ 無線送信機
２１ 充電開始直後の立上り部分
２２ 満充電に近い領域で漸次充電される部分
２３ 過電圧部分
２４ 定常電圧部分
３１ 検出部
３２ 比較部
３３ 基準部
３４ 制御部
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗
Ｔｒ１ トランジスタ
Ｔｒ２ トランジスタ
ＺＤ１ ツェナーダイオード

Claims (3)

1. 太陽光を受光し発電する太陽電池セルの後段に定電流型二次電池を配置し、該定電流型二次電池の次段にＤＣ−ＤＣコンバーターを接続して該定電流型二次電池の出力電圧を次段接続の定電圧型二次電池の電圧よりも小なる電位にても該定電圧型二次電池に充電をほどこし得るバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置に於いて、
   太陽電池セルと定電流型二次電池のハイブリッド結合構成部と定電圧型二次電池との間に過電流防止回路を負荷と並列に配置し、電流制御回路を負荷と直列になるように設置したことを特徴とするバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置。
2. 定電流型二次電池が電気二重層コンデンサである請求項１のバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置。
3. 定電圧型二次電池がリチウムイオン電池である請求項１のバッテリーチャージャー付ポータブル電源装置。

Images