JP2011166918A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】設置される場所や環境に応じた変更が可能な電源システムを提供する。
【解決手段】スイッチング素子１７を有するメインユニット１０と、サブユニット２０とを備え、サブ逆阻止ダイオード２４の出力側を、メインユニット１０のメイン逆阻止ダイオード１４とスイッチング素子１７との間の接続点ＣＰに接続して、サブ電池パック２１からサブ逆阻止ダイオード２４とスイッチング素子１７を介して、光源３に電力を供給可能としており、メインユニット１０のメイン制御回路１３が、スイッチング素子１７をＯＮ／ＯＦＦに制御して、メインユニット１０のメイン電池パック１１と、サブユニット２０のサブ電池パック２１の両方の電力で光源３を点灯する。
【選択図】図３

Description

本発明は自然エネルギーで発電される電力を二次電池に蓄電して、夜間に二次電池で光源を点灯する電源システムに関する。

自然エネルギーで二次電池を充電し、充電された二次電池で夜間に光源を点灯する街路灯は開発されている（特許文献１参照）。

特開２００７−２６９６２号公報

この公報は、昼間に太陽電池の出力で二次電池を充電し、充電された二次電池で夜間に光源を点灯する街路灯を記載している。

この街路灯は、太陽電池で発電して夜間に光源を点灯するので、自然エネルギーを有効に利用して夜間に光源を点灯できる特徴がある。ただ、太陽電池などの自然エネルギーは、自然環境によって発電電力が変動するので、設置場所によっては光源を充分に点灯できなくなる等の弊害がある。たとえば、太陽電池で二次電池を充電する街路灯が日本海側に設置される場合、曇天の多い冬期において発電電力が相当に小さくなり、夜間に光源を所定の明るさで所定の時間点灯できなくなる欠点がある。この欠点は、大きな太陽電池を使用することで解消できる。ただ、太平洋側では冬期においても晴天が多く、大きな太陽電池を必要としない。さらに、街路灯は設置される場所によって、光源に要求される最適な明るさが変化する。

従来の街路灯は、太陽電池で二次電池を充電し、この二次電池で光源を点灯するので、光源を明るく点灯するためには、太陽電池を大きくして二次電池を大容量とする必要がある。このため、街路灯は、設置場所や使用される環境によって、太陽電池の大きさや二次電池の容量を変更する必要があって製造コストが高くなる欠点があった。

本発明は、従来のこのような問題に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、簡単かつ容易に、設置される場所や環境に最適な使用に変更できて、安価に多量生産できる電源システムを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記目的を達成するために、本発明の第１の電源システムによれば、負荷と、自然エネルギーで発電するメイン自然エネルギー発電器と、前記メイン自然エネルギー発電器と接続され、前記メイン自然エネルギー発電器の発電電力で充電される二次電池を複数直列または並列に接続したメイン電池パック１１と、前記メイン電池パック１１と前記負荷との間に接続され、前記メイン電池パック１１から前記負荷に電力を供給するためのスイッチング素子１７と、前記スイッチング素子１７のＯＮ／ＯＦＦを制御して、前記負荷の点灯を制御するメイン制御回路１３と、前記メイン電池パック１１の出力側であって前記スイッチング素子１７と直列に接続され、前記メイン電池パック１１から前記負荷への放電を許可する一方、前記負荷側から前記メイン電池パック１１への電流の流入を阻止するメイン逆阻止ダイオード１４と、を有するメインユニット１０と、前記メインユニット１０のメイン電池パック１１と並列に接続される、二次電池を直列または並列に接続したサブ電池パック２１と、前記サブ電池パック２１を充電するサブ自然エネルギー発電器と、前記サブ電池パック２１の出力側であって前記スイッチング素子１７と直列に接続され、前記サブ電池パック２１から前記負荷への放電を許可する一方、前記負荷側から前記サブ電池パック２１への電流の流入を阻止するサブ逆阻止ダイオード２４と、を有するサブユニット２０と、を備える電源システムであって、前記サブ逆阻止ダイオード２４の出力側を、前記メインユニット１０の前記メイン逆阻止ダイオード１４と前記スイッチング素子１７との間の接続点ＣＰに接続して、前記サブ電池パック２１からサブ逆阻止ダイオード２４とスイッチング素子１７を介して、前記負荷に電力を供給可能としており、前記メインユニット１０のメイン制御回路１３が、前記スイッチング素子１７をＯＮ／ＯＦＦに制御して、前記メインユニット１０のメイン電池パック１１と、前記サブユニット２０のサブ電池パック２１の両方の電力を前記負荷に供給するようにできる。これにより、自然エネルギー発電器と電池パックをセットしたメインユニットに、同様に自然エネルギー発電器と電池パックをセットしたサブユニットを接続し、同一の負荷（例えば光源）を駆動できるので、ユニット数を増やすことで電力を安定して供給できる利点が得られる。

また、第２の電源システムによれば、前記メインユニット１０はさらに、前記メイン自然エネルギー発電器の出力側とメイン電池パック１１との間に接続された、前記メイン電池パック１１への充電を制御するメイン充電スイッチ１５と、前記メイン電池パック１１の出力側と、前記スイッチング素子１７との間に接続された、前記メイン電池パック１１の放電を制御するメイン放電スイッチ１６と、を有しており、前記サブユニット２０はさらに、前記サブ自然エネルギー発電器の出力側とサブ電池パック２１との間に接続された、前記サブ電池パック２１への充電を制御するサブ充電スイッチ２５と、前記サブ電池パック２１の出力側と、前記スイッチング素子１７との間に接続された、前記サブ電池パック２１の放電を制御するサブ放電スイッチ２６と、を有することができる。これにより、各ユニットは充電スイッチと放電スイッチをそれぞれ備えており、各ユニット毎に電池パックへの充電と電池パックからの放電を独立して行うことができ、このようにして各ユニットから適宜電力を取り出して負荷を駆動できる利点が得られる。

さらに、第３の電源システムによれば、さらに商用電源からの電力を変換して供給するＡＣアダプタ３１と、前記ＡＣアダプタ３１の出力側に接続され、前記ＡＣアダプタ３１から出力側への通電を許可する一方、出力側から前記ＡＣアダプタ３１側への電流の流入を阻止するＡＣ逆阻止ダイオード３２と、を有するＡＣアダプタユニット３０を備え、前記ＡＣアダプタユニット３０のＡＣ出力ＯＡを、前記接続点ＣＰに接続することができる。これにより、さらに電源システムにＡＣアダプタユニットを追加することで、長期の雨天などで電力不足の際でも、商用電源からの電力供給により安定的に負荷を駆動でき、一層信頼性を高めると共に、通常時には商用電源からの電力を負荷の駆動には使用しない構成とすることで、自然エネルギーを極力利用する形態を維持できる利点が得られる。

さらにまた、第４の電源システムによれば、前記メイン制御回路１３が、前記接続点ＣＰの電圧を監視電圧として検出し、該監視電圧で前記スイッチング素子１７をＯＮ／ＯＦＦに切り換えるデューティをコントロールすると共に、該監視電圧が低い状態におけるデューティを、該監視電圧が高い状態におけるデューティよりも小さくして、前記負荷に電力を供給することができる。これにより、監視電圧をモニタしてメインユニット及びサブユニットからそれぞれ供給される電力の合計値をメイン制御回路が取得し、負荷の駆動状態を適切に制御できる。例えば負荷に光源を使用する場合は、デューティを調整してＰＷＭ制御によって、監視電圧の高低に依らず一定の明るさを得ることが可能となる。

さらにまた、第５の電源システムによれば、前記メイン電池パック１１及びサブ電池パック２１の電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく、前記スイッチング素子１７をＯＮ／ＯＦＦするデューティでコントロールされて前記負荷に供給することができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータによる変換ロスを無くし、自然エネルギーを高効率に利用できる利点が得られる。

さらにまた、第６の電源システムによれば、前記自然エネルギー発電器を、太陽電池、風力発電機、潮力発電機のいずれかを利用できる。これにより、用途や設置場所に応じて自然エネルギーを効果的に利用したスタンドアロンの電源システムが実現できる。

さらにまた、第７の電源システムによれば、前記二次電池として、リチウムイオン電池を利用できる。これにより、容積当たりの電力を高め、小型で高効率な電源を実現できる。

さらにまた、第８の電源システムによれば、前記負荷を光源とすることができる。

さらにまた、第９の電源システムによれば、前記光源として発光ダイオードを利用できる。これにより、低消費電力で耐久性に優れた電源システムを構築できる。

本発明の実施例１に係る電源システムを示す模式図である。 コンソール内部を示すブロック図である。 電源システムを示すブロック図である。 サブユニットを示すブロック図である。 実施例２に係る電源システムを正面側から見た外観斜視図である。 図５の電源システムを背面側から見た斜視図である。 図６の電源システムから電池カバーを外して電池ボックスを露出させた状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源システムを例示するものであって、本発明は電源システムを以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施例１）

図１〜図４に、本発明の実施例１に係る電源システム１００を示す。これらの図において、図１は電源システム１００を駐輪場の充電設備に適用した例を説明する模式図、図２はコンソール内部を示すブロック図、図３は電源システム１００のブロック図、図４はサブユニット２０のブロック図を、それぞれ示している。これらの図に示す電源システム１００は、自然エネルギー発電器として太陽電池パネルを使用し、負荷として街路灯の光源３を使用する例を示している。

図１の電源システム１００は、駐輪場の屋根ＲＦに備えられた太陽電池パネル２と、屋根ＲＦの下でユーザの手が届く高さに備えられたユニットボックス１と、街路灯として光源３を備える。ユニットボックス１内には、図２のブロック図に示すように、メインユニット１０とサブユニット２０が収納される。メインユニット１０とサブユニット２０は、互いにケーブルＣＢやコネクタなどを介して電気的に接続されている。またメインユニット１０とサブユニット２０は、それぞれ、電池パックを収納すると共に太陽電池パネルと個別に接続されている。

図３のブロック図に示すように、メインユニット１０はメイン電池パック１１を収納しており、メイン自然エネルギー発電器であるメイン太陽電池パネル１２で発電したエネルギーによりメイン電池パック１１を充電可能としている。またサブユニット２０は、サブ電池パック２１を収納しており、サブ自然エネルギー発電器であるサブ太陽電池パネル２２で発電したエネルギーによりサブ電池パック２１を充電可能としている。
（メインユニット１０）

図３のメインユニット１０は、メイン電池パック１１と、メイン制御回路１３と、スイッチング素子１７と、メイン逆阻止ダイオード１４と、メイン充電スイッチ１５と、メイン放電スイッチ１６とを備える。このメインユニット１０は、メイン電池パック１１と光源３との間にメイン逆阻止ダイオード１４とスイッチング素子１７との直列回路が接続されており、メイン電池パック１１の電力をメイン逆阻止ダイオード１４とスイッチング素子１７を介して光源３に出力すると共に、スイッチング素子１７をメイン制御回路１３でＯＮ／ＯＦＦに制御する。このメイン制御回路１３は、マイコンであるＣＰＵやＡＳＩＣなどで構成される。またメイン逆阻止ダイオード１４は、メイン電池パック１１の出力側であってスイッチング素子１７と直列に接続され、メイン電池パック１１から光源３への放電を許可する一方、光源３側からメイン電池パック１１への電流の流入を阻止する。
（スイッチング素子１７）

スイッチング素子１７は、メインユニット１０の負荷出力に接続されている。負荷出力は、複数設けることができる。また、図３の例ではスイッチング素子１７を複数設けているが、この構成に限られずスイッチング素子を一のみとしてもよい。図３の例では、メインユニット１０は負荷を接続するための、すなわち電力を取り出すための出力として負荷出力Ｏ１、負荷出力Ｏ２を備える。この例では、負荷出力Ｏ１に光源３を接続し、負荷出力Ｏ２にワイヤレスビデオカメラ４を接続している。スイッチング素子は各負荷出力にそれぞれ設けており、図３の例では、負荷出力Ｏ１にはスイッチング素子１７Ａ、負荷出力Ｏ２にはスイッチング素子１７Ｂを、それぞれ接続している。これらのスイッチング素子には、ＦＥＴ等が利用できる。これにより、負荷出力のＯＮ／ＯＦＦ制御が可能となり、パルス駆動を容易に実現できる。負荷出力Ｏ１、負荷出力Ｏ２の各々に、負荷としてＬＥＤ等の光源を接続するときは、負荷出力Ｏ１に対してはスイッチング素子１７Ａ、負荷出力Ｏ２に対してはスイッチング素子１７Ｂを、メイン制御回路１３が別々に制御する。これにより、発光パターンの個別制御や、所定時間が経過するとオフとするタイマーによる制御等を、別々に行うことができる。なお図３の例では、後述するように、センサ電源出力ＯＵＴにはスイッチング素子を設けていない。

またメインユニット１０は、外部機器と接続するインターフェースとして、出力部の他、入力部も設けている。図３の例では、サブユニット２０を接続するためのサブユニット入力部ＩＵを設けている。

さらにメイン充電スイッチ１５は、メイン太陽電池パネル１２の出力側とメイン電池パック１１との間に接続されており、メイン制御回路１３の制御により、メイン電池パック１１への充電を制御する。この充電は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介した電圧変換などを行わずに、メイン充電スイッチ１５のＯＮ／ＯＦＦを利用したパルス充電で行うことで、高効率化と回路の簡素化を図ることができる。

またメイン放電スイッチ１６は、メイン電池パック１１の出力側と、スイッチング素子１７との間に接続されており、マイコンである制御回路１３からの信号で、電池パック１１が過放電である所定電圧（例えば、３．１Ｖ／セル）以下となると、メイン電池パック１１の放電を停止するように、オフに制御する。これらメイン充電スイッチ１５、メイン放電スイッチ１６のＯＮ／ＯＦＦは、メイン制御回路１３によって行われる。すなわち、メイン太陽電池パネル１２の電圧が高くメイン電池パック１１の充電が可能な期間には、メイン電池パック１１の電圧を監視しながらメイン充電スイッチ１５をＯＮ／ＯＦＦしてメイン太陽電池パネル１２でメイン電池パック１１を充電する。一方、光源３等の負荷を駆動する際には、メイン放電スイッチ１６をＯＮ／ＯＦＦ駆動して、メイン電池パック１１の過放電を防止しながら電力を供給し、光源３等を点灯、駆動する。この例では、メイン太陽電池パネル１２の電圧すなわち発電量が高い場合は、日中と判定してメイン電池パック１１を充電モードとし、日没によりメイン太陽電池パネル１２の電圧が低下すると、日没と判定してメイン電池パック１１を放電モードに切り替え、光源３を点灯駆動する。これにより、日中／日没を検出する判定用の明暗センサ等を別途設ける必要が無く、太陽電池パネルをセンサとして利用できる。

メイン制御回路１３においては、例えば以下のように周知の制御を行っている。メイン制御回路１３においては、電池電圧を検出することにより、充電を停止して過充電を防止したり、放電を停止して過放電を防止する制御を行っている。また、温度センサ（図示せず）を介して電池温度を測定すると共に、温度上昇時には充電、放電を停止する保護制御を行ったり、電流値検出抵抗の発生電圧より電流値を計測すると共に、過電流時には、充電、放電を停止するなどの制御も行っている。

なお図３に示すメインユニット１０の回路例は一例であって、回路構成は適宜変更が可能である。例えば、メイン電池パック１１の正極側で、メイン充電スイッチ１５とメイン太陽電池パネル１２との間に、充電時の逆電流を阻止するダイオード１８を接続している。また、メイン太陽電池パネル１２と並列に、逆漏れ阻止用の抵抗を接続してもよい。さらにメイン充電スイッチ１５の放電側には、メイン逆阻止ダイオード１４、メイン放電スイッチ１６の順に接続されており、メイン放電スイッチ１６の出力側（図３の例ではＦＥＴのドレイン側）を接続点ＣＰとしているが、メイン逆阻止ダイオードとメイン放電スイッチを入れ換えてもよい。さらにまたメインユニット１０には必要に応じて保護回路を設けることができる。図３の例では、メイン制御回路１３に第１保護回路１９を接続しており、メイン電池パック１１の正極側には電池保護手段１９Ｂが接続され、この電池保護手段１９Ｂには第２保護回路１９Ｃが接続される。
（サブユニット２０）

一方サブユニット２０の構成例を図４に示す。この図に示すようにサブユニット２０は、メインユニット１０とほぼ同じ構成として、メインユニット１０と同じ部材については同様な構成、動作をし、「メイン」との始まりの名称を「サブ」の始まりの名称として記載し、詳細説明を省略する。図３に示すように、主としてメインユニット１０の内、スイッチング素子１７を省略した基本ユニット機構１０ａと、サブユニット２０とが、ほぼ同じ構成となっている。よって、共通の基本ユニット機構１０ａを利用することより、設計、製造、施工、メンテナンス等を容易に行え、コストを低減することができる。

図４のサブユニット２０は、メインユニット１０と異なり、負荷出力やセンサ入力などを省略している。このサブユニット２０は、メインユニット１０のメイン電池パック１１と並列に接続される、二次電池を直列または並列に接続したサブ電池パック２１と、サブ電池パック２１を充電するサブ自然エネルギー発電器であるサブ太陽電池パネル２２と、サブ太陽電池パネル２２の出力側とサブ電池パック２１との間に接続された、サブ電池パック２１への充電を制御するサブ充電スイッチ２５と、サブ電池パック２１の出力側と、スイッチング素子１７との間に接続された、サブ電池パック２１の放電を制御するサブ放電スイッチ２６と、これらサブ放電スイッチ２６やサブ充電スイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦを制御するサブ制御回路２３とを備えている。なお図３においては、サブユニット２０からサブ太陽電池パネル２２、サブ逆阻止ダイオード２４、サブ放電スイッチ２６を除いた部分を、サブユニット主体２０ｂとして図示している。

またサブユニット２０は、サブ電池パック２１の出力側にサブ逆阻止ダイオード２４が接続されており、このサブ逆阻止ダイオード２４の出力側を、メインユニット１０のメイン逆阻止ダイオード１４とメインスイッチング素子１７との接続点ＣＰに接続して、並列接続している。このため、光源３への電力供給は、メイン電池パック１１に加えて、サブ電池パック２１からもサブ逆阻止ダイオード２４とスイッチング素子１７を介して供給される。このように、メインユニット１０の電力供給に加えて、サブユニット２０からの電力供給も受けられるようにすることで、例えばメインユニット１０の電力が不足して十分な光量が確保できない場合でも、サブユニット２０からの電力供給を受けて不足電力を補い、より長期間の点灯が可能となる。このように、予備の電源を接続することで、負荷への電力供給の安定性、信頼性を向上できる。

またこの際、サブユニット２０、メインユニット１０の各電池出力が、逆阻止ダイオード１４、２４を介して、並列接続されていることより、サブユニット２０からの電力供給によって、メインユニット１０の出力電圧が低下した場合でもサブユニット２０から不足分の電力供給を受けて、出力電圧を維持できる利点が得られる。具体的には、メインユニット１０のメイン制御回路１３が、接続点ＣＰの電圧を監視電圧としてモニタしており、この監視電圧に従って、光源３の光量がほぼ一定を維持するようにスイッチング素子１７のＯＮ／ＯＦＦを制御する。ここで、監視電圧は、接続点ＣＰに接続されたユニットの各ユニットが並列接続された状態での出力電圧となる。

ここで、各電池出力が均等である場合は均等の電池出力を出力することになるが、各電池出力が均等でない場合であっても、サブユニット２０、メインユニット１０の各電池出力が、逆阻止ダイオード１４、２４を介して、並列接続されていることより、監視電圧は、接続点ＣＰに接続されたユニットの内、最も高い出力電圧が印加されることになる。そして、最も高い出力電圧のユニットから、最も多くの出力電流が出力され、他のユニットからの出力電流は小さくなる、またはゼロとなるため、結果的に各ユニットの出力電圧がほぼ等しい状態に維持される。このことは、複数のユニットを接続する場合に、各ユニットの出力電圧をほぼ一定に維持できるため、各ユニットの二次電池の特性を均質化できることにも繋がり、特定の二次電池のみの充放電時間が長くなる事態を回避して、ひいては二次電池の長寿命化にも寄与できる利点も得られる。

この電源システム１００は、各ユニットに設けられた太陽電池パネルで、電池パックをそれぞれ充電しておく。また各ユニットの出力については、負荷への電力供給として使用される。いいかえると、各ユニットはそれぞれに接続された太陽電池パネルでのみ充電可能としており、例えば相互接続された他のユニットの電池パックや太陽電池パネルでは充電されない。この構成を実現するため、接続点ＣＰで各ユニットを相互接続する一方、各ユニットはこの接続点ＣＰに対して各々逆阻止ダイオードを接続している。この結果、出力電圧の低いユニットに対して、出力電圧の高いユニットから、逆向きの電流が流れ込もうとしても、各ユニットに設けられた逆阻止ダイオードによって阻止される。このため、各ユニットの出力電流は負荷を駆動する方向にのみ許可されることとなって、複数ユニットを接続して共通の負荷を駆動する形態において、逆電流を効果的に阻止し、他のユニット間で二次電池によって他の二次電池が充電される事態を回避できる。

なお、上記のサブユニット２０の構成は一例であり、例えば図３のメインユニットをサブユニットとして利用することもできる。この場合は、サブユニットとして利用されるメインユニットの負荷出力やセンサ入力は、接続しない。いずれの場合も、一のメインユニットが光源３などの負荷に電力を供給する電力供給制御を司り、他のユニットは接続点ＣＰに電力を供給するために使用される。

また図３の例では、メインユニット１０にサブユニット２０を１台接続した例を説明したが、サブユニットを２台以上メインユニットに接続することも可能であることはいうまでもない。特に、サブユニットの接続数を多くすると、より多くの電力供給が可能となるため、信頼性や安定性を向上できる。一方で、必要な設置スペースやコストが増大するため、要求される仕様に応じて、接続するサブユニット数を適宜決定できる。
（駆動制御）

メイン制御回路１３は、上述の通り接続点ＣＰの監視電圧を検出し、この監視電圧に従ってスイッチング素子１７のＯＮ／ＯＦＦを制御する。具体的には、ＰＷＭ制御により、ＯＮデューティまたはＯＦＦデューティをコントロールするして、一定の光量が得られるように調整する。すなわち、監視電圧が低くなると、ＯＮデューティを大きくして通電時間を長くして電圧が低下しても消費電力が一定となるように調整し、また監視電圧が高くなると、ＯＮデューティを小さくして、通電時間を短くして電圧が上昇しても消費電力が一定となるように調整する。これにより、監視電圧の高低に依らず一定の明るさを得ることが可能となる。このように、パルス制御で光源３を点灯することにより、出力電圧を変換する必要が無く、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を不要とでき、高効率化が図られることに加え、ＤＣ／ＤＣコンバータの修理や交換などのメンテナンス作業を省力化し、メンテナンスフリー化に寄与できる。
（操作部４０）

このメイン制御回路１３は、操作部４０と接続されており、ユーザは操作部４０を操作して必要な設定を行う。例えば光源３の明るさを調整したり、点灯パターンを変更したりすることができる。操作部４０は、キーボードやマウス、タッチパネルやコンソールなどの入力デバイスが適宜利用できる。また、現在の瞬間発電量や一日の累積発電量、あるいは使用中の負荷の消費電力等を表示する表示パネルを設けてもよい。

さらにメイン制御回路１３は、外部機器と通信するための通信用出力を備えてもよい。通信用出力は既存の規格化された通信プロトコルに従って外部機器と通信を行う。図３の例ではＳＭＢｕｓ通信を採用している。
（電池パック）

電池パックには、複数の電池セルを直列または並列に接続した組電池を利用している。電池セルは、一方向に延在された円柱状又は円筒状の電池セルの他、角形の外装缶を利用したタイプが利用できる。この電池セルは、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の二次電池が好適に使用できる。特にリチウムイオン二次電池とすることが望ましい。リチウムイオン二次電池は容積密度が高いために、電池パックの小型化、軽量化に適している。またリチウムイオン二次電池は充放電可能な温度領域が鉛蓄電池やニッケル水素電池に比べて広く、１年を通じて効率よく充放電が可能になる。

また電池セルの正極材料にはリン酸鉄系材料を用いることが好ましい。これにより、安全性を高めることができ、充放電の温度依存性を抑制することができ、特に低温時にも比較的高い充放電効率を維持できるので、冬場でも効率よく充放電が可能になる。

さらにリチウムイオン二次電池の正極は、３成分正極とすることができる。このリチウムイオン二次電池は、正極に、従来のコバルト酸リチウムに代わって、Ｌｉ−Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ複合酸化物とコバルト酸リチウム混合を利用する。このリチウムイオン二次電池は、正極にリチウムに加えて、３成分からなるＮｉ−Ｍｎ−Ｃｏを使用することから、高電圧で充電して熱安定性が高く、充電最大電圧を４．３Ｖと高くして容量を大きくできる。

ただし、充電時の電圧は、使用する電池セルにおいて、満充電と判断される電圧よりも意図的に低い電圧に設定することが好ましい。例えば、リチウムイオン二次電池を使用する場合、一般的な条件下では４．２Ｖ付近で満充電と判断されるが、４Ｖで満充電と判定するよう設定する。これにより、電池セルの長寿命化が図れる。

さらにまた、電池セルからなる電池パック（電池ブロック）の公称電圧としての定格電圧（リチウムイオン二次電池であれば、約３．７〜４．０Ｖ／セルを直列数で掛けた電圧値となる）を、太陽電池パネルの最大出力動作電圧Ｖｏｐよりも低くなるように選択することが好ましい。より望ましくは、Ｖｏｐの７０〜９０％とする。これは、電池パックの電圧に太陽電池パネルの動作電圧が影響を受けるため、Ｖｏｐから離れた電圧では充電電力が少なくなるためである。さらに、電池パックの放電深度に比べて太陽電池パネルの電圧は高くなる。そのため、満充電を行うためには満充電状態に近いときにＶｏｐに近づくことがより望ましい。また、温度によって太陽電池パネルの電圧が変動することを考慮し、適切な電池パック電圧を選択する必要がある。そのために、上記の電圧範囲であることがより望ましい。

また、本実施例においては上記の電圧範囲とすることにより、電池セルの充電に際してＤＣ／ＤＣコンバータを不要とでき、ＤＣ／ＤＣコンバータ内での電力ロスを抑制できる。これによって高効率充電が可能になると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータの交換作業を無くすと共に部品点数を減らすことができるので、故障率低減による信頼性の向上や低コスト化、長期に渡るメンテナンスフリーの実現が見込まれる。そして、本実施例においては上記の電圧範囲であることがより、電池セル４１の充電に際してＤＣ／ＤＣコンバータを不要とできる。

また、電池セルの充電可能温度領域と放電可能温度領域とを異ならせるように設定し、放電可能領域を低温側に広くするように設定する。これにより、昼間の充電時に比べて低い温度になることが多い夜間においても効率よく放電することが可能になる。

以上のようにして、商用電源に接続することなく利用可能なスタンドアロン式の電源システムが実現できる。特に、災害時のような商用電源が利用できない場合にも電力を利用可能であることから、非常用の電源システムとして、例えば非常灯や非常電源装置として好適に利用できる。また、化石燃料を消費しない点から、クリーンでエコロジーな電源としても好ましい。
（ＡＣアダプタユニット３０）

さらに図３の電源システムは、商用電源を供給するＡＣアダプタユニット３０を備えている。このためメインユニット１０は、ＡＣアダプタユニット３０のＡＣ出力ＯＡと接続するためのＡＣ入力部ＩＡを設けている。ＡＣアダプタユニット３０は、商用電源ＡＣからの電圧を降圧するＡＣアダプタ３１と、ＡＣアダプタ３１の出力に接続された、ＡＣアダプタ３１から出力側への通電を許可する一方、出力側からＡＣアダプタ３１側への電流の流入を阻止するＡＣ逆阻止ダイオード３２とを備える。このＡＣアダプタユニット３０のＡＣ出力ＯＡが、メインユニット１０のＡＣ入力部ＩＡに接続される。ＡＣ入力部ＩＡは、接続点ＣＰに接続されている。

この構成により、長期の雨天などでユニットの電力が不足した場合でも、商用電源からの電力供給を一時的に受けることで街路灯を点灯でき、街路灯としての信頼性を高めることができる。また監視電圧が規定値以上を維持できる場合は、商用電源からの電力を街路灯の点灯には使用せず、もちろん二次電池の充電にも利用しない構成とすることで、通常時には商用電源を使用せずに、自然エネルギーを極力利用する形態とできる。

以上の例では、自然エネルギー発電器として、太陽電池パネルを使用した。すなわち、メインユニットはメイン自然エネルギー発電器としてメイン太陽電池パネル１２と接続し、サブユニット２０はサブ自然エネルギー発電器としてサブ太陽電池パネル２２と接続している。ただ、本発明は自然エネルギー発電器を太陽電池パネルに限定するものでなく、例えば風力発電機、潮力発電機、あるいは地熱発電器等を利用することもできる。あるいはまた、燃料電池、ガス発電器などの発電器を利用してもよい。本明細書においては、発電源としての自然エネルギー発電器を限定せず、その名称に拘わらず自然エネルギー発電器には燃料電池などの発電器も含む意味で使用する。
（光源３）

光源３としては、発光ダイオードが好適に利用できる。発光ダイオードは白熱電球や蛍光灯等と比べ消費電力が少なく、長寿命で機械的振動に強く信頼性に優れる利点が得られる。加えて球切れの心配が殆ど無く、交換作業を実質的に不要とでき、長期に渡るメンテナンスフリー化を実現できる。さらにＬＥＤは常時点灯又は連続点灯するのみならず、パルス点灯又は点滅とすることもできる。特に発光ダイオードは突入電流への耐性にも優れ、パルス点灯に好適である。例えば、組電池４０の残存容量が少なくなると、常時点灯からパルス点灯に切り替えて、点灯時間を長くすることができる。パルス点灯のＯＮ／ＯＦＦ周期は、人間が認識できない程度の高周波数に設定することが好ましく、例えば１０ｋＨｚ〜５０Ｈｚ程度とできる。このようにパルス点灯を利用すれば、さらに消費電力を抑えることができ、特に日照時間の短い冬場や、雨期等曇天が続く場合に、点灯時間を延ばすために利用できる。特に、電池セルに蓄電できる電力は太陽光のみであるため、雨天等の無日照が続いた場合に、電池セルに蓄電した電力が不足して夜間の照明が不可能となる事態を回避、抑制できる。

この電源システムは、山間部や無人島等、商用電源を利用できない、あるいは利用し難い環境において、夜間の照明として便利に使用できる。またこのような態様では、メンテナンスフリーとすることが好ましく、長寿命の電池セルや照明手段を利用することが好ましい。例えば、電池セルとしてリチウムイオン二次電池を使用することで、より少ない電池セル数で高い電力を充放電できる。また、二次電池の充電時の電流や電圧を定格以下に抑えることで、二次電池への負荷を低減して長寿命化を図ることができる。さらに、照明手段として発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用すれば、白熱電球や蛍光灯に比べ低消費電力で、素子の寿命も点灯時間１万時間以上と長く、メンテナンスフリー環境が実現できるので極めて好ましい。

また電源システムは、負荷として街路灯以外に、ビデオカメラや充電器などを接続することもできる。例えば図２の例では、出力Ｂにワイヤレスビデオカメラ４を接続しており、その駆動用の電源として、本電源システムを適用している。ワイヤレスビデオカメラ４は、所定の部位の画像を記録する監視カメラとして利用できる。またこの例では、出力Ａについては上述の通り光源３を接続してＰＷＭ制御に従いパルス駆動しているが、出力Ｂについては、連続駆動としている。すなわち、出力Ｂについては常時電力が供給される。このため、出力Ｂに例えば光源を接続すれば、光源の連続点灯が可能となる。

また他の負荷として、いわゆるアシスト自転車ＡＢ用の電池パックＢＰを充電する充電器を備えた駐輪場において、自転車用電池パックＢＰの充電器に電力を供給するための電源装置として利用することもできる。この電源システムにおいては、電池パック充電器が負荷となる。また、充電器として自転車用電池パックＢＰの充電器に限られず、他の充電器、例えば電動スクータ用の電池パックの充電器を自転車用電池パック充電器に代えて、あるいはこれに加えて接続することもできる。また、電動スクータに充電ケーブルを接続して、プラグイン式に充電するためのスクータ用電源ＳＢや、商用電源と同じくＡＣ１００Ｖのコンセント、あるいはＡＣ２００Ｖのコンセント等を設けてもよい。このように、負荷は、用途に応じて各種のものを適宜接続、追加できる。このように本発明はその名称に限らず、負荷を街路灯に限定するものでなく、他の負荷を適宜選択、接続する形態も含むものとする。
（センサ入力ＩＳ）

またメインユニット１０は、センサ入力ＩＳを備えてもよい。例えば光電センサ等の動きを検出するセンサを設け、このセンサの出力を、メインユニット１０のセンサ入力ＩＳに接続する。そしてセンサ入力ＩＳを、例えばメイン制御回路１３に接続することで、人の動きをセンサで感知してメイン制御回路１３に送出すると、光源を点灯させ、あるいは光源の明るさを明るく変化させる。さらに、センサ入力ＩＳが無くなった後、一定期間経過後に出力をＯＦＦさせてもよい。またメインユニット１０は、このセンサを駆動するため、センサ電源出力ＯＵＴにセンサの電源を接続する。このセンサは常時駆動させる必要があるため、センサ電源出力ＯＵＴはスイッチング素子１７を介在させず連続出力としている。
（実施例２）

以上の実施例１では、太陽電池パネルを利用し、駐輪場に電池パックの充電機能を付加する例を説明したが、電源システムを接続する負荷は、この例に限られず、種々の電気機器を接続できる。例えば、負荷として街路灯を接続した電源システムの例を実施例２として、図５〜図７に基づいて説明する。これらの図において、図５は電源システムを正面側から見た外観斜視図、図６は背面側から見た斜視図、図７は図６から電池カバーを外して電池ボックスを露出させた状態の斜視図を、それぞれ示している。これらの図に示す電源システム２００は、街路灯用の電源装置に適用する例を示している。このため電源システム２００は、支柱２０２の上端に固定されている。この街路灯は、図５及び図６に示すように、断面視矩形状の支柱２０２の上端に斜めに傾斜視した姿勢で固定されたベース部２０３と、このベース部２０３に固定された断面視矩形状の電源システム２００と、その下方で同じく支柱２０２に固定された照明手段２０４とを備えている。電源システム２００は、金属製の矩形板状のベース部２０３の表面側に太陽電池パネル２１０を露出させ、図７に示すように背面側に組電池を内蔵した電池ボックス２２０を固定している。また電池ボックス２２０は、図６に示すように、電池カバー２１２で外部を被覆して風雨雪等から電池セルを二重に保護する。この電源システム２００は、日中の太陽光を太陽電池パネル２１０に照射させて発電させ、その電力を組電池に充電しておき、夜間にこの電力で照明手段２０４であるＬＥＤを駆動する。これにより、商用電源を用いることなく夜間に街路灯を点灯でき、発電機能を備える自己完結式の街路灯を得ることができる。

太陽電池パネル２１０は、実施例１と同様、複数の太陽電池セルを平面上に多数配置し、この面を太陽光の受光面として表出させた平板状のパネル（ソーラーパネル）である。太陽電池パネル２１０の設置角度は、支柱２０２との角度によって決定される。太陽電池パネル２１０は、矩形板状のパネル部２１１と、その外周に取付けられたアルミニウム合金等からなる外枠１５とを備えている。パネル部２１１は、その表面の受光面側に透光性を有する強化ガラス、裏面にフィルムを用いて、太陽電池セルをその間に挟み、内部の隙間に透明樹脂を充填した構造である。一方、ベース部２０３は、概略矩形状の金属製（鉄等の材質）の平板２２４と、これのほぼ中心部に溶接等により固定された円筒状の連結部２１４とからなる。ベース部２０３の平板２２４は、太陽電池パネル２１０を搭載できるように、平板２２４の幅が決定される。また支柱２０２の上端には、連結部２１４の内部に挿入される円筒状連結部を備え、この円筒状連結部を連結部２１４に挿入して、外部からネジ止め等の周知の手段で固定される。平板２２４には開口が設けられており、ここが支柱２０２と連通している。電池ボックス２２０からの電気配線は、平板２２４の裏面側から、平板２２４の表面側すなわち太陽電池パネル２１０側に、他の開口を通じて配設された後、上記平板２２４の開口を通じて、支柱２０２の中に配設される。他の開口においては、太陽電池パネル２１０からの出力線が、電池ボックス２２０に配線される。

太陽電池パネル２１０の設置角度は、一般に設置される場所の緯度に応じて年間の最大発電量が得られる最適な角度が知られているが、本実施の形態においては、このような既知の最適角度よりも大きい設置角度とすることが好ましい。季節毎の太陽高度を想定する場合、冬場は設置角度が大きいことが望ましく、夏場は設置角度が小さいことが望ましい。本実施の形態では、設置角度を標準的な設置角度よりも大きくすることで、特に冬場の発電量を高めている。このような設置角度を採用することで、夏場の発電量は低下するものの、夏場においては日射時間が十分に確保されているため、夜間の照度や点灯時間等において問題が生じることは殆ど無い。逆に、冬場に適した設置とすることで、冬場に太陽電池パネル２１０で得られる太陽光からの熱量を大きくすることができる。太陽光からの熱量により電池セルの温度が上昇させることができ、発電電力を向上できるので、電池セルが低温であることに起因する充電量すなわち電力の低下を抑制できると共に、夏場に生じる熱量を抑制できるため、結果として冬場の発電量確保と夏場の温度上昇抑制という優れた効果が得られる。

太陽電池パネル２１０の背面には、電池ボックス２２０が固定される。電池ボックス２２０は、図７に示すように外形を平板状の箱形とし、太陽電池パネル２１０と固定する側の固定面を平面状としている。また背面側の角部を面取りして風の抵抗を低減している。この電池ボックス２２０は、外部を熱伝導性に優れた金属製の外ケースで構成される。また四隅に太陽電池パネル２１０と固定するための固定機構として、固定金具２３０を設けている。この電池ボックス２２０は、固定金具２３０によって太陽電池パネル２１０とほぼ平行に固定される。これによって、電池ボックス２２０を固定後も太陽電池パネル２１０と一体的に、板状を維持でき、電源システム２００の外形をスリム化できる。また、電池ボックス２２０に収納された組電池は、太陽電池パネル２１０とほぼ平行に離間して配置されることとなる。この結果、太陽電池パネル２１０を太陽光の熱によって電池セルを均等に加熱することができ、特に冬場での充電効率が向上する。このように、組電池の充電可能温度の上限を夏場に超えないように、また下限を冬場に超えないように構成することで、効率のよい二次電池の活用を図ることができる。

本発明に係る電源システムは、商用電源を必要としないスタンドアロン式の照明装置やアシスト自転車のバッテリの充電装置等に適宜利用できる。

１…ユニットボックス
２…太陽電池パネル
３…光源
４…ワイヤレスビデオカメラ
１０…メインユニット
１０ａ…基本ユニット機構
１１…メイン電池パック
１２…メイン太陽電池パネル
１３…メイン制御回路
１４…メイン逆阻止ダイオード
１５…メイン充電スイッチ
１６…メイン放電スイッチ
１７、１７Ａ、１７Ｂ…スイッチング素子
１８…ダイオード
１９…第１保護回路
１９Ｂ…電池保護手段
１９Ｃ…第２保護回路
２０…サブユニット
２０ｂ…サブユニット主体
２１…サブ電池パック
２２…サブ太陽電池パネル
２３…サブ制御回路
２４…サブ逆阻止ダイオード
２５…サブ充電スイッチ
２６…サブ放電スイッチ
３０…ＡＣアダプタユニット
３１…ＡＣアダプタ
３２…ＡＣ逆阻止ダイオード
４０…操作部
１００、２００…電源システム
２０２…支柱
２０３…ベース部
２０４…照明手段
２１０…太陽電池パネル
２１１…パネル部
２１２…電池カバー
２１４…連結部
２２０…電池ボックス
２２４…平板
２３０…固定金具
ＲＦ…屋根
ＡＢ…アシスト自転車
ＢＰ…電池パック
ＡＣ…商用電源
Ｏ１、Ｏ２…負荷出力
ＯＵＴ…センサ電源出力
ＩＵ…サブユニット入力部
ＩＳ…センサ入力
ＩＡ…ＡＣ入力部
ＣＰ…接続点
ＣＢ…ケーブル
ＯＡ…ＡＣ出力

Claims (9)

1. 負荷と、
   自然エネルギーで発電するメイン自然エネルギー発電器と、
   前記メイン自然エネルギー発電器と接続され、前記メイン自然エネルギー発電器の発電電力で充電される二次電池を複数直列または並列に接続したメイン電池パック(11)と、
   前記メイン電池パック(11)と前記負荷との間に接続され、前記メイン電池パック(11)から前記負荷に電力を供給するためのスイッチング素子(17)と、
   前記スイッチング素子(17)のＯＮ／ＯＦＦを制御して、前記負荷の点灯を制御するメイン制御回路(13)と、
   前記メイン電池パック(11)の出力側であって前記スイッチング素子(17)と直列に接続され、前記メイン電池パック(11)から前記負荷への放電を許可する一方、前記負荷側から前記メイン電池パック(11)への電流の流入を阻止するメイン逆阻止ダイオード(14)と、
   を有するメインユニット(10)と、
   前記メインユニット(10)のメイン電池パック(11)と並列に接続される、二次電池を直列または並列に接続したサブ電池パック(21)と、
   前記サブ電池パック(21)を充電するサブ自然エネルギー発電器と、
   前記サブ電池パック(21)の出力側であって前記スイッチング素子(17)と直列に接続され、前記サブ電池パック(21)から前記負荷への放電を許可する一方、前記負荷側から前記サブ電池パック(21)への電流の流入を阻止するサブ逆阻止ダイオード(24)と、
   を有するサブユニット(20)と、
   を備える電源システムであって、
   前記サブ逆阻止ダイオード(24)の出力側を、前記メインユニット(10)の前記メイン逆阻止ダイオード(14)と前記スイッチング素子(17)との間の接続点(CP)に接続して、前記サブ電池パック(21)からサブ逆阻止ダイオード(24)とスイッチング素子(17)を介して、前記負荷に電力を供給可能としており、
   前記メインユニット(10)のメイン制御回路(13)が、前記スイッチング素子(17)をＯＮ／ＯＦＦに制御して、前記メインユニット(10)のメイン電池パック(11)と、前記サブユニット(20)のサブ電池パック(21)の両方の電力を前記負荷に供給するようにしてなることを特徴とする電源システム。
2. 請求項１に記載の電源システムであって、
   前記メインユニット(10)はさらに、
   前記メイン自然エネルギー発電器の出力側とメイン電池パック(11)との間に接続された、前記メイン電池パック(11)への充電を制御するメイン充電スイッチ(15)と、
   前記メイン電池パック(11)の出力側と、前記スイッチング素子(17)との間に接続された、前記メイン電池パック(11)の放電を制御するメイン放電スイッチ(16)と、
   を有しており、
   前記サブユニット(20)はさらに、
   前記サブ自然エネルギー発電器の出力側とサブ電池パック(21)との間に接続された、前記サブ電池パック(21)への充電を制御するサブ充電スイッチ(25)と、
   前記サブ電池パック(21)の出力側と、前記スイッチング素子(17)との間に接続された、前記サブ電池パック(21)の放電を制御するサブ放電スイッチ(26)と、
   を有してなることを特徴とする電源システム。
3. 請求項１又は２に記載の電源システムであって、さらに、
   商用電源からの電力を変換して供給するＡＣアダプタ(31)と、
   前記ＡＣアダプタ(31)の出力側に接続され、前記ＡＣアダプタ(31)から出力側への通電を許可する一方、出力側から前記ＡＣアダプタ(31)側への電流の流入を阻止するＡＣ逆阻止ダイオード(32)と、
   を有するＡＣアダプタユニット(30)を備え、
   前記ＡＣアダプタユニット(30)のＡＣ出力(OA)を、前記接続点(CP)に接続してなることを特徴とする電源システム。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の電源システムであって、
   前記メイン制御回路(13)が、前記接続点(CP)の電圧を監視電圧として検出し、該監視電圧で前記スイッチング素子(17)をＯＮ／ＯＦＦに切り換えるデューティをコントロールすると共に、該監視電圧が低い状態におけるデューティを、該監視電圧が高い状態におけるデューティよりも小さくして、前記負荷に電力を供給することを特徴とする電源システム。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の電源システムであって、
   前記メイン電池パック(11)及びサブ電池パック(21)の電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく、前記スイッチング素子(17)をＯＮ／ＯＦＦするデューティでコントロールされて前記負荷に供給されてなることを特徴とする電源システム。
6. 請求項１から５のいずれか一に記載の電源システムであって、
   前記自然エネルギー発電器が、太陽電池、風力発電機、潮力発電機のいずれかであることを特徴とする電源システム。
7. 請求項１から６のいずれか一に記載の電源システムであって、
   前記二次電池が、リチウムイオン電池であることを特徴とする電源システム。
8. 請求項１から７のいずれか一に記載の電源システムであって、
   前記負荷が、光源であることを特徴とする電源システム。
9. 請求項８に記載の電源システムであって、
   前記光源が、発光ダイオードであることを特徴とする電源システム。

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