JP2007014180A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 動作が確実で低消費電力の逆流防止手段を提供する。
【解決手段】 トランジスタあるいはリレーをスイッチとして用い、瞬時スイッチをオフとし、このオフの期間に充電する側と充電される側の電圧を比較し、充電する側の電圧が充電される側の電圧よりも高ければスイッチをオンにし、逆の場合はスイッチをオフとすることによって充電される側から充電する側に電流が流れるのを防止する。
【選択図】 図２

Description

発明の詳細な説明

本発明は、太陽電池や燃料電池等の直流電源からスイッチ手段を介して負荷に電力を供給する直流電源装置に関し、特に２次電池等を含む負荷側から直流電源側に電流が流れるのを防止する逆流防止回路を備えた直流電源装置に関する。

近年、クリーンなエネルギー源として太陽光発電、風力発電、燃料電池等が注目されている。特に自然エネルギーを利用する太陽光発電や風力発電は省資源対策に極めて有効である。しかしながら、太陽電池パネルを用いる太陽光発電では雨天の場合や夜間は発電出力が得られない。又、風力発電では凪の状態では発電出力が得られない。

そこで、太陽光発電装置や風力発電装置ではその発電エネルギーを蓄電池や大容量のキャパシタに蓄えておき、発電エネルギーが得られない状態では蓄電池、又は大容量のキャパシタから負荷にエネルギーを供給する構成としている。このような構成においては、太陽光発電器や風力発電器が発電を停止した時に、蓄電池や大容量キャパシタに蓄えられたエネルギーがこれらの発電器によって消費されないように対策を講じることが肝要である。

この対策として、発電器側から負荷側にのみ電流が流れ、負荷側から発電器側には電流が流れないようにする逆流防止手段を発電器と負荷の間に設けている。

この逆流防止手段として従来よりダイオードが用いられている。ダイオードを用いる方法は最も簡単であるが、通常のｐｎ接合ダイオードでは順方向電圧降下が約０．７Ｖあり、これによる電力損失が大きい。そこで、より順方向電圧降下の小さいショットキィダイオードが用いられるが、それでも順方向電圧降下は０．３〜０．４Ｖあり、発電能力の小さな太陽光発電や風力発電装置ではこの順方向電圧降下による電力損失は無視できない。

そこで、ショットキィダイオードよりも更に電力損失の低い逆流防止手段として、図８に示す構成が提案されている。図８において、１は直流電源、２は逆流防止手段、３は電圧検出手段、４は蓄電池あるいは大容量のキャパシタ、５は負荷、６は電流検出手段である。直流電源１には通常のバッテリーや太陽電池パネルあるいは風力発電装置の発電部等も含まれる。

図８の逆流防止手段２はダイオード２２と、ダイオード２２に並列接続されたスイッチ２１から成り、スイッチ２１としてダイオード２２よりも順方向電圧降下の低いトランジスタやリレーを用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３を参照）。又、ダイオード２２は用いずに、スイッチ２１のみを逆流防止手段とする方法も提案されている（例えば、特許文献４）。

特開平２−１６８８１９号公報 特開平７−１４７７３８号公報 特開平８−２５１８１８号公報 特開２００４−２５４３８６号公報

発明が解決しようとする課題

特許文献１では直流電源１が瞬断された時にスイッチ２１を開にして逆流を防止する手段が提案されているが、負荷側に蓄電池４があるため直流電源１の電圧が低下するとは限らず、誤動作を惹き起こす。これを防ぐため、特許文献２、特許文献３及び特許文献４では電流検出手段６を設け、蓄電池４から直流電源１に電流が流れようとするとスイッチを開にする手段を提案している。この手段によれば確実に逆流を防止できるが、電流検出手段６として最も簡単な抵抗を用いると、抵抗による電力損失が発生する。抵抗ではなくホール素子や磁気抵抗素子を電流検出手段６として用いる方法が、特許文献３に提案されているが、これらの素子の動作は磁界を必要とし、価格も上がってしまう。

本発明は、このような従来の逆流防止手段が有している問題を解決しようとしてなされたものであり、低消費電力で確実に逆流を防止でき、さらには、負荷側の２次電池の過充電を防止する手段を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

本発明に係る直流電源装置のブロック構成を図１に示す。図において、１は太陽電池や風力発電機あるいは燃料電池、更には通常の商用交流電源から直流電圧を作る直流電源であり、２は逆流防止手段、３は逆流防止手段２のスイッチを制御するスイッチ制御手段、４は２次電池又は大容量キャパシタ等のエネルギー蓄積素子、５は負荷である。エネルギー蓄積素子４も充電時は直流電源１の負荷となる。以下、図１に基づいて本発明を説明する。

本出願の請求項１に係る発明は、スイッチ制御手段３によって逆流防止手段２のスイッチ２１を瞬断し、その時の直流電源１の電圧とエネルギー蓄積端子４を含む負荷の電圧を検出し、直流電源１の電圧が負荷の電圧よりも高い時はスイッチ２１をオンにして直流電源１から効率よく負荷に電力を供給し、直流電源１の電圧が負荷の電圧よりも低い場合はスイッチ２１をオフにして負荷から直流電源１に電流が流れるのを防止するようにしたものである。ダイオード２２はスイッチ瞬断時にも直流電圧１から負荷に電力を供給できるようにするためであり、本発明のスイッチ動作には関係しない。

また、請求項２に係る発明は、スイッチ制御手段３によってスイッチ２１を瞬断し、その時の直流電源１の電圧を検出し、その電圧がある定められた電圧よりも高ければスイッチ２１をオンにして直流電源１から効率よく負荷に電力を供給し、低い場合はスイッチ２１をオフにして負荷から直接電源側に電流が流れないようにしたものである。ダイオード２２は上記動作には本質的に影響しない。

また、請求項３に係る発明は、スイッチ制御手段３によってスイッチ２１を瞬断し、その時の負荷電圧を検出し、その電圧がある定められた電圧よりも高い場合にはスイッチ２１をオフとすることによって蓄電池や大容量キャパシタ等のエネルギー蓄積素子４が過充電されるのを防ぐためのものである。

また、請求項４に係る発明は、スイッチ２１として、オン時の電圧降下がシリコンダイオードやショットキィダイオードの順方向電圧降下よりも低いバイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ、絶縁ゲート型トランジスタ、水銀リレー、あるいは電磁リレーを用い、直流電源１から負荷５に効率よく電力を送るようにしたものである。

以下、本発明の実施の形態として実施例を図２〜図７に基づいて説明する。なお各図において、図中の符号１〜５は図１に対応させてあり、１は直流電源、２は逆流防止手段、３はスイッチ制御手段、４はエネルギー蓄積素子、５は負荷である。

図２は本発明の第１の実施例を示す構成図であって、直流電源１として太陽電池を、逆流防止手段２のスイッチ２１としてｐＭＯＳトランジスタを、エネルギー蓄積素子４として２次電池を、それぞれ用いている。スイッチ制御手段３の中のクロック発生器３２は図３に示す波形のクロック信号を発生している、クロック信号の論理レベルが“１”の時フリップフロップ３３はセットされ、そのＱ出力が“１”となってｐＭＯＳトランジスタ２１をオフにする。抵抗３５〜３８は電圧分割用であり、比較器３１は分圧された直流電源１の電圧と２次電池４の電圧を比較する。この比較により直流電源１の電圧が２次電池４の電圧によりも高いと判断されると、クロック信号の論理レベルが“０”の時にゲート３４を開いてフリップフロップ３３をリセットする。これによってそのＱ出力は“０”となりｐＭＯＳトランジスタ２１はオンとなる。逆の場合はフリップフロップ３３はセット状態のままであり、ｐＭＯＳトランジスタ２１はオフの状態を続ける。抵抗３９とキャパシタ３１０は比較器３１の出力をゲート３４が開くまで保持するために用いられている。なお、ｐＭＯＳトランジスタのドレイン・基板間のダイオードを用いればダイオード２２は不用である。

図４は本発明の第２の実施例を示す構成図であって、逆流防止手段２のスイッチ２１としてラッチリレーが用いられている点だけが、図２に示す第１の実施例と異なっている。スイッチ制御手段３の各部の動作は図２と全く同じであり、制御手段３は、図３に示すクロック信号の論理レベルが“１”の時ラッチリレーを開いて太陽電池１と２次電池４の電圧を比較し、クロック信号の論理レベルが“０”の時にゲート３４を開いて比較器３１による電圧比較結果をフリップフロップ３３に送ることによってリレーの開閉を制御している。

図５は本発明の第３の実施例を示す構成図であって、逆流防止手段２のスイッチ２１としてｎＭＯＳトランジスタが用いられている。スイッチ制御手段３の構成と動作は図２に示す第１の実施例と全く同じである。ただし、スイッチ２１がｎＭＯＳトランジスタであるので、このスイッチをオン・オフする論理レベルが図２の場合とは逆になっている。又、ｎＭＯＳトランジスタのドレイン・基板間のダイオードを用いればダイオード２２は不用である。

図６は、請求項２に係る本発明の実施例である。基本動作は、図２に示す第１の実施例と同じである。ただ、比較器３１が、抵抗３５と３６によって分圧された直流電源１の電圧を基準電圧源３１１の電圧と比較する点だけが第１の実施例と異なっている。この基準電圧源３１１の電圧は、太陽電池１の起電圧が２次電池４の電圧よりも高い場合にのみ比較器３１の出力論理レベルが“０”となり、スイッチ２１がオンとなるように設定されている。

図７は、請求項３に係る発明の実施例である。基本動作は図２に示す第１の実施例と同じであるが、制御手段３の中の比較器３１は抵抗３７と３８によって分圧された２次電池４の電圧を基準電圧源３１１の電圧と比較している。基準電圧源３１１の電圧は、２次電池４の電圧が過充電に相当する電圧に達すると比較器の出力論理レベルが“１”となり、スイッチ２１をオフとするように設定されている。従って、この実施例によって２次電池の過充電を防ぐことができる。

以上の実施例では逆流防止手段２のスイッチとしてＭＯＳトランジスタやリレーが用いられているが、これらのスイッチはバイポーラトランジスタと置き換えられることは明らかである。

スイッチ制御手段３はその構成にＭＯＳトランジスタを用いれば極めて低消費電力とすることができる。従って本発明によれば、これまでのシリコンダイオードやショットキィダイオードよりも低消費電力で確実に動作する逆流防止手段を具現でき、直流電源装置、特に発電電力の小さな太陽光発電装置や風力発電装置には極めて有効である。

本発明の逆流防止手段を用いた直流電源装置のブロック図 ｐＭＯＳトランジスタをスイッチとして用いた本発明の実施形態の構成図 スイッチ制御に用いられるクロック信号のタイミング図 ラッチリレーをスイッチとして用いた本発明の実施形態の構成図 ｎＭＯＳトランジスタをスイッチとして用いた本発明の実施形態の構成図 直流電源の電圧を検出してスイッチの開閉を行う本発明の実施形態の構成図 負荷電圧を検出してスイッチの開閉を行う本発明の実施形態の構成図 これまでに提案されている逆流防止手段の模式図

符号の説明

１ 直流電源
２ 逆流防止手段
３ スイッチ制御手段
４ エネルギー蓄積素子で蓄電池あるいはキャパシタ
５ 負荷

Claims (4)

1. スイッチ手段を介して直流電源の電力を負荷に供給する直流電源装置において、スイッチを瞬時オフにする機能を備え、そのオフの期間に直流電源の電圧と負荷の電圧を検出し、直流電源の電圧が負荷の電圧よりも高い場合はスイッチをオン、逆の場合はスイッチをオフとすることを特徴とする直流電源装置。
2. スイッチ手段を介して直流電源の電力を負荷に供給する直流電源装置において、スイッチを瞬時オフにする機能を備え、そのオフの期間に直流電源の電圧を検出し、その電圧がある定められた電圧よりも高い場合はスイッチをオン、低い場合はスイッチをオフとすることを特徴とする直流電源装置。
3. スイッチ手段を介して直流電源の電力を負荷に供給する直流電源装置において、スイッチを瞬時オフにする機能を備え、そのオフの期間に負荷の電圧を検出し、その電圧がある定められた電圧よりも高い場合はスイッチをオフ、低い場合はスイッチをオンとすることを特徴とする直流電源装置。
4. 上記各項のスイッチとして、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ、絶縁ゲート型トランジスタ、水銀リレー、あるいは電磁リレーを用いた直流電源装置。

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