JP2009017686A - 太陽電池によるリチウムイオン電池充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 携帯用端末装置に搭載が容易なシンプルな回路であるとともに、低電圧出力の太陽電池を用いた場合でも電圧ロス及び電力ロスが少なく、効率よく充電を行うことができる、太陽電池によるリチウムイオン電池充電装置を提供する。
【解決手段】 電流入力端子と、充電電流出力端子と、前記充電電流出力端子の出力電流を制御するプログラム端子と、を有するリチウムイオン電池充電制御ＩＣと、前記電流入力端子に直接接続された太陽電池と、前記充電電流出力端子に接続されたリチウムイオン電池と、前記太陽電池及び前記プログラム端子に接続されたフィードバック回路と、を有し、前記フィードバック回路は、前記太陽電池の電圧を監視して、前記太陽電池の出力電圧が常に一定電圧になるように前記プログラム端子の電圧を制御することを特徴とする、太陽電池によるリチウムイオン電池充電装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池によるリチウムイオン電池充電装置、及び該充電装置を搭載した携帯用端末装置に関する。

近年、太陽電池はさまざまな産業分野で用いられている。太陽電池を利用した機器は、光さえあればどこでも使用できるという利点がある反面、十分な照度がある環境でないと使用できないという欠点がある。この欠点を補うために、充電用電池を併用することも従来から行われている。
太陽電池は照度により出力電圧及び出力電流の特性が異なるため、通常は、ＭＰＰＴ（最大電力点追従）回路を用いて常に出力電力が最大になるように、太陽電池の出力電圧及び出力電流を制御する。ＭＰＰＴ回路は出力電力を最大にするための回路であるので、出力電圧及び出力電流の両方を制御せねばならず、回路が比較的複雑で、回路による電力ロスも大きい。大規模なシステムならばこれでも良いが、携帯用端末装置などの小規模なシステムの場合、回路が複雑だと容積がかさむし、回路による電力ロスも可能な限り小さいほうが良い。特に、小型装置の場合、太陽電池パネルも小さいため、太陽電池の出力電圧も小さく（数ボルト程度）、制御回路による電圧ロスは致命的である。

従来技術としては特許文献１〜３が挙げられる。
特許文献１には、太陽電池の出力電圧が常に一定になるような制御回路を有する太陽電池を使用した電源装置が記載されている。定電圧制御であるので回路は比較的シンプルであるが、実施形態のいずれの回路も電力ロスが大きく低電圧駆動の太陽電池よる充電回路には向かない。例えば、図９〜１８の実施形態では、太陽電池と負荷との間に電力ロスを生じる素子（トランス、ダイオード、トランジスタなど）が直列的に挿入されており、低電圧出力の太陽電池においてはこれらの電力ロスは致命的になる。また、図５〜８の実施形態では、太陽電池と負荷とを直接接続しているものの、定電圧制御にツェナダイオードを用いているため電力ロスが非常に大きく、携帯端末用の回路としては効率が悪い。また、充電対象としてリチウムイオン電池を用いることが記載されているが（段落０００５）、単に列記されている二次電池の１つに過ぎず、リチウムイオン電池の充電のための特有の構成については記載されていない。さらに、リチウムイオン電池の充電に特有な構成を利用して太陽電池の出力電圧を制御することは記載も示唆もされていない。
特許文献２には、ＭＰＰＴ（最大電力点追従）回路を有する太陽電池を使用した電源装置が記載されている。最大電力点追従型のため電圧と電流の両方を制御せねばならず、回路も複雑で電力ロスも大きいため、低電圧出力の太陽電池を用いた携帯用端末装置には向かない。
特許文献３には、充電制御回路を有する太陽電池式モバイル機器用充電器が記載されている。充電制御回路が記載されているものの、太陽電池の出力電圧・電流制御の具体的構成については記載されていない。また、リチウムイオン電池の充電のための特有な構成についても記載されていない。
特開２００６−６７７５９号公報 特開２００２−２３８１８２号公報 特開２００３−２０９９３６号公報

本発明は上記従来技術の問題点を解決し、携帯用端末装置に搭載が容易なシンプルな回路であるとともに、低電圧出力の太陽電池を用いた場合でも電圧ロス及び電力ロスが少なく、効率よく充電を行うことができる、太陽電池によるリチウムイオン電池充電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を有する。
電流入力端子と、充電電流出力端子と、前記充電電流出力端子の出力電流を制御するプログラム端子と、を有するリチウムイオン電池充電制御ＩＣと、
前記電流入力端子に直接接続された太陽電池と、
前記充電電流出力端子に接続されたリチウムイオン電池と、
前記太陽電池及び前記プログラム端子に接続されたフィードバック回路と、を有し、
前記フィードバック回路は、前記太陽電池の電圧を監視して、前記太陽電池の出力電圧が常に一定電圧になるように前記プログラム端子の電圧を制御することを特徴とする、太陽電池によるリチウムイオン電池充電装置。

また、好ましくは以下の実施態様を有し得る。
前記プログラム端子は、前記プログラム端子の入力電圧によって前記充電電流出力端子の出力電流の最大値を制御するものである。
前記リチウムイオン電池充電装置を搭載した携帯用端末装置。

本発明の太陽電池によるリチウムイオン電池充電装置は、上記構成を採用したことにより、携帯用端末装置に搭載が容易なシンプルな回路であるとともに、低電圧出力の太陽電池を用いた場合でも電圧ロス及び電力ロスが少なく、効率よくリチウムイオン電池の充電を行うことができる。リチウムイオン電池用の充電制御ＩＣは、他の二次電池用の充電制御ＩＣに比べて充電電圧・電流の複雑な制御を必要とするため、他の二次電池用の充電制御ＩＣには無い、プログラム端子を有している。このプログラム端子は本来はリチウムイオン電池側の充電出力電流値を制御するものであるが、本発明者は、このプログラム端子を制御することにより充電制御ＩＣの電流入力端子の入力電流を制御できることを見出した。電流制御ＩＣへの入力電流を制御できるので、電流入力端子に太陽電池を接続した場合は、太陽電池の出力電圧を制御することができ、太陽電池出力の定電圧制御が可能となる。太陽電池を充電制御ＩＣに直接接続するので電圧ロスや電力ロスがほとんど無く、リチウムイオン電池用の充電制御ＩＣにもともと備わっているプログラム端子を利用するので回路もシンプルになる。

従来の太陽電池用のＭＰＰＴ（最大電力点追従）回路は、太陽電池への照度が変わっても最大電力出力を得られるようにするために、太陽電池の出力電圧と出力電流の両方を制御していた。このため回路も複雑であり、電力ロスも大きかった。本発明者は、太陽電池の照度ごとの出力電圧と出力電力の関係を実験により調べた結果、図２に示すごとく、出力電流を制御しなくても、出力電圧が照度に関係なく常に一定になるように制御すれば、ほぼ最大電力を得られることを見出した。電圧のみの制御により最大電力点からは少しずれてしまうため、従来のＭＰＰＴ回路に比べて効率は少し落ちるが、携帯用端末装置用としては十分である。定電圧制御のみで良いので回路はシンプルになり、制御回路による電力ロスも小さい。

以下、本発明の実施形態の一例について説明する。
まずは、太陽電池の特性について図２及び図３を用いて説明する。図２は照度ごとの太陽電池の電圧-電力特性、図３は電圧-電流特性のグラフである。図２からわかるように、太陽電池への照度が変化しても、出力電圧が４．５Ｖ付近で出力電力がほぼ最大になる。したがって、出力が最大電力になるように出力電圧を一定に制御すれば、照度に関わらず太陽電池を効率よく利用できる。また、図３からわかるように、太陽電池の出力電流値を増減させることで、太陽電池出力の定電圧制御が可能である。

図１に、本発明の充電制御回路の一例を示す。この例では、リチウムイオン電池用の充電制御ＩＣは、リニアテクノロジー（LINEAR TECHNOLOGY）社のLTC4054-4.2を用いている。前記充電制御ＩＣの電流入力端子(Vcc)には太陽電池が接続され、充電電流出力端子(BAT)にはリチウムイオン電池が接続されている。フィードバック回路は、太陽電池の出力電圧を監視し、前記出力電圧が一定になるように充電制御ＩＣのプログラム端子の電圧を制御する。このような回路構成により、太陽電池の出力電圧を常に最大出力電圧になるように制御することができる。充電制御ＩＣに最初から備わっているプログラム端子を用いて定電圧制御をするので回路構成がシンプルであるとともに、太陽電池を充電制御ＩＣの電流入力端子に直結できるので、電圧ロス・電力ロスが少ない。図４に、前記充電制御ＩＣのデータシートに記載されている、プログラム端子電圧と充電出力電流値との関係を示す。データシートにはプログラム端子電圧と電流入力端子の入力電流値との関係は記載されていないが、本発明者は実験の結果、プログラム端子電圧を制御することにより電流入力端子の入力電流値も制御でき、太陽電池の出力電圧を制御できることを見出した。

図５及び図６を用いて、本発明の充電制御回路の実験結果を示す。図５は、図１の回路を用いて太陽電池への照度を変化させた場合の、太陽電池の出力電圧と充電電力の結果である。図６は比較例で、逆流防止用ダイオードのみを介して太陽電池をリチウムイオン電池に接続した従来型回路による実験結果である。図５及び図６からわかるように、本発明の充電制御回路により、太陽電池の出力電圧を常に最大出力電圧に制御できる。またこれにより、図６の比較例に比べて充電電力も高くなっており、太陽電池の出力を効率よく利用できることがわかる。

本発明の充電装置は、各種携帯用端末装置に利用できる。例えば、携帯電話、ＰＤＡ、携帯用ＧＰＳ端末などに用いることができる。ＧＰＳ機能付き通信装置に応用すれば、幼児・老人の徘徊捕捉、流通品・パレット等の位置捕捉、レンタサイクルなどの位置捕捉などに応用することも可能である。図７に、本発明の充電装置を搭載した小型ＧＰＳ端末の応用例について示す。

以上、本発明の実施形態の一例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において各種の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の充電制御回路の一例 太陽電池の照度別Ｖ−Ｐ特性 太陽電池の照度別Ｖ−Ｉ特性 充電制御ＩＣのプログラム端子電圧と充電出力電流値との関係 本発明の充電装置による実験結果（太陽電池出力電圧、充電電力） 比較例の充電装置による実験結果（太陽電池出力電圧、充電電力） 本発明の充電装置を搭載した携帯用端末装置の応用例

Claims (3)

1. 電流入力端子と、充電電流出力端子と、前記充電電流出力端子の出力電流を制御するプログラム端子と、を有するリチウムイオン電池充電制御ＩＣと、
   前記電流入力端子に直接接続された太陽電池と、
   前記充電電流出力端子に接続されたリチウムイオン電池と、
   前記太陽電池及び前記プログラム端子に接続されたフィードバック回路と、を有し、
   前記フィードバック回路は、前記太陽電池の電圧を監視して、前記太陽電池の出力電圧が常に一定電圧になるように前記プログラム端子の電圧を制御することを特徴とする、太陽電池によるリチウムイオン電池充電装置。
2. 前記プログラム端子は、前記プログラム端子の入力電圧によって前記充電電流出力端子の出力電流の最大値を制御するものであることを特徴とする、請求項１記載の太陽電池によるリチウムイオン電池充電装置。
3. 請求項１または２記載のリチウムイオン電池充電装置を搭載した携帯用端末装置。