JP2015223046A

JP2015223046A - 充電式発電駆動システム

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Publication number: JP2015223046A
Application number: JP2014106866A
Authority: JP
Inventors: 美志夫林; Yoshio Hayashi
Original assignee: FUKEI SECOLO Inc; FUKEI-SECOLO Inc
Current assignee: FUKEI SECOLO Inc; FUKEI-SECOLO Inc
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2034-05-23
Also published as: JP6302742B2

Abstract

【課題】待機電流を大幅に低減し、電池能力の使用率が高い効率的なシステムとする。【解決手段】太陽電池２の発電で充電される電池３を電源として駆動されるＬＥＤ照明器具５と、太陽電池２の発電状態に応じてＬＥＤ照明器具５の駆動を制御するマイコン制御部６とを備えるソーラー照明システム１であって、マイコンを含まないハード回路で構成され、電池３の電圧上昇に応じて第１スイッチ部Ｓ１を開き、電池３の過充電を防止する第１スイッチ制御回路７と、マイコンを含まないハード回路で構成され、電池３の電圧降下に応じて第２スイッチ部Ｓ２を開き、電池３の過放電を防止する第２スイッチ制御回路８と、第２スイッチ部Ｓ２よりも下流側の駆動電流経路Ｋ２から取り出した電流でマイコン制御部６を動作させるマイコン電源経路Ｋ３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ソーラー照明システムなどの充電式発電駆動システムに関する。

従来より、所定のエネルギーを電気エネルギーに変換する発電部と、発電部の発電で充電される充電式の電池と、電池を電源として駆動される駆動部と、発電部の発電状態に応じて駆動部の駆動を制御するマイコン制御部とを備える充電式発電駆動システムが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

図４は、従来例に係る充電式発電駆動システムの概略構成を示すブロック回路図である。この図に示される充電式発電駆動システムは、太陽電池１０１の発電で充電される電池１０２を電源としてＬＥＤ照明器具１０３を発光駆動させるソーラー照明システムであり、太陽電池１０１、電池１０２及びＬＥＤ照明器具１０３の他に、昇圧電源１０４、電圧監視部１０５、ＬＥＤドライバ１０６、マイコン制御部１０７などを備えて構成されている。

昇圧電源１０４は、ＤＣ／ＤＣコンバータなどで構成され、例えば、入力電圧が１．８Ｖ以上ならば出力電圧を３．３Ｖに保つ。これにより、電圧降下時でもマイコン制御部１０７を安定に動作させる。
電圧監視部１０５は、電池電圧Ｖ_Ｂを監視し、例えば、電池電圧Ｖ_Ｂが２．３Ｖ以下になったらマイコン制御部１０７にリセット信号を出力する。

ＬＥＤドライバ１０６は、ＬＥＤ照明器具１０３を直接駆動するドライバであり、固定抵抗Ｒ_Ｒと可変抵抗Ｒ_Ｖの比にもとづいてコントロール電圧Ｖ_Ｃを変えることで、ＬＥＤ照明器具１０３の駆動電流Ｉ_Ｌを調整することができる。また、スイッチ部Ｓ２を閉じてコントロール電圧Ｖ_Ｃを０Ｖにすると、ＬＥＤドライバ１０６はシャットダウンされ、消費電流が僅かな待機電流（１００μＡ未満）のみとなる。また、スイッチ部Ｓ２においては、パルス幅変調によるスイッチ制御にもとづいてＬＥＤ照明器具１０３のパルス幅変調点灯も可能になる。

マイコン制御部１０７は、通常、１チップマイコンで構成され、発電部１０１の発電電圧Ｖ_Ｓにもとづいて日没を検出し、該日没検出に応じてＬＥＤ照明器具１０３の点灯方法や点灯時間を制御する機能や、電池１０２の過充電及び過放電を防止する機能を実現している。

過充電防止機能は、例えば、定格２．４Ｖの電池１０２では３．２Ｖが過充電限度値なので、マイコン制御部１０７で電池電圧Ｖ_Ｂを監視し、３．２Ｖ付近でスイッチ部Ｓ１を開いて充電を止める。また、過放電限度値は、１．８Ｖであるが、後述の理由により電池電圧Ｖ_Ｂが２．３Ｖになったら電圧監視部１０５からリセット信号を出力させ、マイコン制御部１０７をリセット状態に保つ。このとき、いずれのスイッチ部Ｓ１、Ｓ２も閉じる設定とし、マイコン制御部１０７の暴走を防止する。

特許第３６３４４３０号公報特開２００１−９２３９１号公報

ところで、この種の充電式発電駆動システムでは、天候の影響で発電できない状態が所定期間（例えば、２週間＝３３６ｈ）続いても電池が完全に放電することを防止するために、前記所定期間及び待機電流値にもとづいて過放電防止動作の基準となるシャットダウン電圧を設定している。例えば、図４に示す充電式発電駆動システムでは、待機電流が４ｍＡ程度であったため、定格出力２．４Ｖで能力４５００ｍＡｈの電池のときは、シャットダウン電圧を２．３Ｖとし、能力の３割程度（１３５０ｍＡｈ≒４ｍＡ×３３６ｈ）を残さなければならず、その結果、電池能力の７割程度しか使われず、非効率なシステムとなっていた。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、所定のエネルギーを電気エネルギーに変換する発電部と、前記発電部の発電で充電される充電式の電池と、前記電池を電源として駆動される駆動部と、マイコンを用いて構成され、前記発電部の発電状態に応じて前記駆動部の駆動を制御するマイコン制御部とを備える充電式発電駆動システムであって、前記発電部から前記電池に至る充電電流経路に介在する第１スイッチ部と、前記電池から前記駆動部に至る駆動電流経路に介在する第２スイッチ部と、マイコンを含まないハード回路で構成され、前記電池の電圧上昇に応じて前記第１スイッチ部を開き、前記電池の過充電を防止する第１スイッチ制御回路と、マイコンを含まないハード回路で構成され、前記電池の電圧降下に応じて前記第２スイッチ部を開き、前記電池の過放電を防止する第２スイッチ制御回路と、前記第２スイッチ部よりも下流側の前記駆動電流経路から取り出した電流で前記マイコン制御部を動作させるマイコン電源経路とを備え、前記第２スイッチ部が開かれた過放電防止状態では、前記マイコン制御部への電源供給が遮断されることを特徴とする。
また、前記発電部は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池であり、前記駆動部は、ＬＥＤドライバを介して発光駆動されるＬＥＤ機器であり、前記マイコン制御部は、前記太陽電池の発電電圧にもとづいて日没を検出する日没検出手段と、前記日没検出手段の検出に応じて前記ＬＥＤ機器の駆動を制御するＬＥＤ制御手段とを備えることを特徴とする。
また、前記第１スイッチ制御回路は、前記電池の電圧が第１の電圧閾値を超えて上昇したとき、前記第１スイッチ部を開く過充電防止手段と、前記マイコン制御部の日没検出動作時に前記第１スイッチ部を開く日没検出動作用スイッチ切換手段と、を備えることを特徴とする。
また、前記第２スイッチ制御回路は、前記電池の電圧が第２の電圧閾値を超えて降下したとき、前記第２スイッチ部を開く過放電防止手段と、製品出荷から前記太陽電池が発電を開始までのあいだ前記第２スイッチ部を開いた状態に保つ初期放電防止手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、過放電防止状態では、マイコン制御部への電源供給が遮断され、待機電流は、ハード回路で構成される第１及び第２スイッチ制御部（後述する実施形態の基準電圧部を含む）だけに関係するので、待機電流が大きいマイコン制御部を過放電防止時にリセット状態に保っていた従来システムに比べ、待機電流を大幅に低減することが可能になり、その結果、電池能力の使用率が高い効率的なシステムとすることができる。
また、請求項２の発明によれば、太陽電池の発電で充電される電池を電源としてＬＥＤ機器を駆動させるソーラー照明システムなどの充電式発電駆動システムにおいて本発明の適用が可能になる。
また、請求項３の発明によれば、太陽電池の発電で充電される電池を電源としてＬＥＤ機器を駆動させる充電式発電駆動システムに本発明を適用しても、マイコン制御部による精度の高い日没検出が可能になる。
また、請求項４の発明によれば、太陽電池の発電で充電される電池を電源としてＬＥＤ機器を駆動させる充電式発電駆動システムに本発明を適用しても、製品出荷から太陽電池が発電を開始までのあいだの初期放電を防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る充電式発電駆動システムの概略構成を示すブロック回路図である。本発明の第１実施形態に係る充電式発電駆動システムの構成を示す回路図である。本発明の第２実施形態に係る充電式発電駆動システムの構成を示す回路図である。従来例に係る充電式発電駆動システムの概略構成を示すブロック回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１において、１はソーラー照明システム（充電式発電駆動システム）であって、該ソーラー照明システム１は、基本的な構成として、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池（発電部）２と、太陽電池２の発電で充電される充電式の電池３と、電池３を電源とし、ＬＥＤドライバ４を介して駆動されるＬＥＤ照明器具５と、太陽電池２の発電状態に応じてＬＥＤ照明器具５の駆動を制御するマイコン制御部６とを備える。

ＬＥＤドライバ４は、ＬＥＤ照明器具５を直接駆動するドライバであり、固定抵抗Ｒ_Ｒと可変抵抗Ｒ_Ｖの比にもとづいてコントロール電圧Ｖ_Ｃを変えることで、ＬＥＤ照明器具５の駆動電流Ｉ_Ｌを調整する。また、ＬＥＤドライバ４は、第３スイッチ部Ｓ３を閉じてコントロール電圧Ｖ_Ｃを０Ｖにすると、シャットダウン状態となり、消費電流が僅かな待機電流（１００μＡ未満）のみとなる。また、第３スイッチ部Ｓ３においては、パルス幅変調によるスイッチ制御にもとづいてＬＥＤ照明器具５のパルス幅変調点灯も可能になる。

マイコン制御部６は、１チップマイコンで構成されており、ハードウェアとソフトウェアの協働により実現される機能的な手段として日没検出手段及びＬＥＤ制御手段を備える。日没検出手段は、太陽電池２の発電電圧Ｖ_Ｓにもとづいて日没を検出し、ＬＥＤ制御手段は、日没検出手段の検出結果に応じてＬＥＤ照明器具５の駆動を制御する。例えば、本実施形態のＬＥＤ制御手段は、前述した第３スイッチ部Ｓ３の開閉制御（パルス幅変調を含む）にもとづいて、ＬＥＤ照明器具５の点灯方法や点灯時間を制御している。

さらに、本発明の実施形態に係るソーラー照明システム１は、太陽電池２から電池３に至る充電電流経路Ｋ１に介在する第１スイッチ部Ｓ１と、電池３からＬＥＤ照明器具５に至る駆動電流経路Ｋ２に介在する第２スイッチ部Ｓ２と、第１スイッチ部Ｓ１を開閉制御する第１スイッチ制御回路７と、第２スイッチ部Ｓ２を開閉制御する第２スイッチ制御回路８と、第１スイッチ制御回路７及び第２スイッチ制御回路８に基準電圧（例えば、１．２Ｖ）を出力する基準電圧部９と、マイコン制御部６を動作させるマイコン電源経路Ｋ３とを備える。

第１スイッチ制御回路７は、マイコンを含まないハード回路で構成されており、ハードウェアのみで構成される機能的な手段として、電池電圧Ｖ_Ｂが第１の電圧閾値（例えば、３．２Ｖ）を超えて上昇したとき、第１スイッチ部Ｓ１を開く過充電防止手段７ａと、マイコン制御部６からの要求に応じて第１スイッチ部Ｓ１を開き、日没検出動作時における電池電圧Ｖ_Ｂの影響を排除する日没検出動作用スイッチ切換手段７ｂとを備える。

第２スイッチ制御回路８は、マイコンを含まないハード回路で構成されており、ハードウェアのみで構成される機能的な手段として、電池電圧Ｖ_Ｂが第２の電圧閾値（例えば、１．８Ｖ）を超えて降下したとき、第２スイッチ部Ｓ２を開く過放電防止手段８ａと、製品出荷から太陽電池２が発電を開始するまでのあいだ第２スイッチ部を開いた状態に保ち、製品使用開始までの初期放電を防止する初期放電防止手段８ｂとを備える。

マイコン電源経路Ｋ３は、第２スイッチ部Ｓ２よりも下流側の駆動電流経路Ｋ２から取り出した電流でマイコン制御部６を動作させる。これにより、第２スイッチ部Ｓ２が開かれた過放電防止状態では、マイコン制御部６への電源供給が遮断される。

つぎに、本発明の実施形態に係るソーラー照明システム１の具体的な回路構成について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、本実施形態において、第１スイッチ部Ｓ１及び第２スイッチ部Ｓ２は、それぞれ、１つのＦＥＴと１つの抵抗で構成され、基準電圧部９は、１つのツェナーダイオードと１つの抵抗で構成されている。

第１スイッチ制御回路７は、２つの電圧比較器（オペアンプ）と１つのＮＡＮＤゲートと２つの抵抗で構成されており、詳しくは、１つの電圧比較器と２つの抵抗で過充電防止手段７ａを構成するとともに、１つの電圧比較器で日没検出動作用スイッチ切換手段７ｂを構成し、両手段をＮＡＮＤゲートを介して第１スイッチ部Ｓ１に接続している。

第２スイッチ制御回路８は、２つの電圧比較器と３つのＮＡＮＤゲートと５つの抵抗と１つのコンデンサで構成されており、詳しくは、１つの電圧比較器と２つの抵抗で過放電防止手段８ａを構成するとともに、１つの電圧比較器と２つのＮＡＮＤゲートと３つの抵抗と１つのコンデンサで初期放電防止手段８ｂを構成し、両手段をＮＡＮＤゲートを介して第２スイッチ部Ｓ２に接続している。そして、これらのハード回路で消費される電流（待機電流）は、０．１５ｍＡ程度である。

つぎに、本発明の実施形態に係るソーラー照明システム１の動作について説明する。

ソーラー照明システム１の出荷時には、第２スイッチ制御回路８の初期放電防止手段８ｂによって第２スイッチ部Ｓ２が開き状態に保たれており、電池３の初期放電が防止される。ソーラー照明システム１を設置した後は、太陽電池２が発電を開始し、発電電圧Ｖ_Ｓが所定の電圧（例えば、２Ｖ）まで上昇したら、第２スイッチ制御回路８の初期放電防止手段８ｂが第２スイッチ部Ｓ２を閉じ、ソーラー照明システム１が使用可能となる。

第２スイッチ部Ｓ２が閉じた状態では、マイコン電源経路Ｋ３を介してマイコン制御部６に電流が供給される。マイコン制御部６は、動作中、定期的に日没検出動作を行う。この日没検出動作は、第１スイッチ制御回路７に第１スイッチ部Ｓ１の開放を要求しつつ、太陽電池２の発電電圧Ｖ_Ｓを入力し、それを日没検出用の閾値と比較することで行われる。

マイコン制御部６は、太陽電池２の発電電圧Ｖ_Ｓにもとづいて日没であると判断した場合、第３スイッチ部Ｓ３の開閉制御にもとづいてＬＥＤ照明器具５を点灯させる。このとき、第３スイッチ部Ｓ３のＯＮ比率（デューティー比）をパルス幅変調で変化させることにより、ＬＥＤ照明器具５の点灯状態を調整することができる。

第１スイッチ制御回路７は、電池電圧Ｖ_Ｂが第１の電圧閾値（例えば、３．２Ｖ）を超えて上昇したとき、第１スイッチ部Ｓ１を開き、電池３の過充電を防止する。

第２スイッチ制御回路８は、電池電圧Ｖ_Ｂが第２の電圧閾値（例えば、１．８Ｖ）を超えて降下したとき、第２スイッチ部Ｓ２を開き、電池３の過放電を防止する。このとき、ＬＥＤドライバ４及びＬＥＤ照明器具５だけでなく、マイコン制御部６への電源供給も遮断され、待機電流が大幅に減少する。例えば、本実施形態のソーラー照明システム１では、過放電防止状態で動作するハード回路の待機電流が０．１５ｍＡ程度であるため、定格出力２．４Ｖで能力４５００ｍＡｈの電池３の場合、電池３の完全な放電を２週間に亘って防止するための電池残量は、５０．４ｍＡｈ（＝０．１５ｍＡ×３３６ｈ）であり、これは電池３の能力の１．１２％（＝５０．４ｍＡｈ÷４５００ｍＡｈ×１００）なので、電池容量の９８．８８％（＝１００％−１．１２％）まで使用でき、その結果、電池能力の７割程度しか使用できなかった従来システムに比べ、電池３の使用効率を大幅に向上させることが可能になる。

叙述の如く構成された本実施形態によれば、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池２と、太陽電池２の発電で充電される充電式の電池３と、電池３を電源として駆動されるＬＥＤ照明器具５と、マイコンを用いて構成され、太陽電池２の発電状態に応じてＬＥＤ照明器具５の駆動を制御するマイコン制御部６とを備えるソーラー照明システム１であって、太陽電池２から電池３に至る充電電流経路Ｋ１に介在する第１スイッチ部Ｓ１と、電池３からＬＥＤ照明器具５に至る駆動電流経路Ｋ２に介在する第２スイッチ部Ｓ２と、マイコンを含まないハード回路で構成され、電池３の電圧上昇に応じて第１スイッチ部Ｓ１を開き、電池３の過充電を防止する第１スイッチ制御回路７と、マイコンを含まないハード回路で構成され、電池３の電圧降下に応じて第２スイッチ部Ｓ２を開き、電池３の過放電を防止する第２スイッチ制御回路８と、第２スイッチ部Ｓ２よりも下流側の駆動電流経路Ｋ２から取り出した電流でマイコン制御部６を動作させるマイコン電源経路Ｋ３とを備え、第２スイッチ部Ｓ２が開かれた過放電防止状態では、マイコン制御部６への電源供給が遮断されるので、過放電防止状態における待機電流は、主にハード回路で構成される第１スイッチ制御回路７と第２スイッチ制御回路８の消費電流となり、その結果、待機電流が大きいマイコン制御部６を過放電防止時にリセット状態に保っていた従来システムに比べ、待機電流を大幅に低減し、電池能力の使用率が高い効率的なシステムとすることができる。

また、第１スイッチ制御回路７は、電池３の電圧が第１の電圧閾値を超えて上昇したとき、第１スイッチ部Ｓ１を開く過充電防止手段７ａと、マイコン制御部６の日没検出動作時に第１スイッチ部Ｓ１を開く日没検出動作用スイッチ切換手段７ｂと、を備えるので、太陽電池２の発電で充電される電池３を電源としてＬＥＤ照明器具５を駆動させるシステムに本発明を適用しても、マイコン制御部６による精度の高い日没検出が可能になる。

また、第２スイッチ制御回路８は、電池３の電圧が第２の電圧閾値を超えて降下したとき、第２スイッチ部Ｓ２を開く過放電防止手段８ａと、製品出荷から太陽電池２が発電を開始するまでのあいだ第２スイッチ部Ｓ２を開いた状態に保つ初期放電防止手段８ｂと、を備えるので、太陽電池２の発電で充電される電池３を電源としてＬＥＤ照明器具５を駆動させるシステムに本発明を適用しても、製品出荷から太陽電池２が発電を開始までのあいだの初期放電を防止することができる。

つぎに、本発明の第２実施形態に係るソーラー照明システムについて、図３を参照して説明する。

図３に示すように、本発明の第２実施形態に係るソーラー照明システム１Ｂは、電池３からソーラー照明器具５に至る駆動電流経路Ｋ２に第２スイッチ部Ｓ２を介在させるにあたり、電池定格が小さく（例えば、２．４Ｖ）、第２スイッチ部Ｓ２を十分にＯＮ状態にできない場合（ＦＥＴのＯＮ抵抗が無視できない場合）に好適なものであり、多くの電流を必要とするＬＥＤドライバ４を第２スイッチ部Ｓ２の上流側に接続する点が前記実施形態と相違している。このため、ＬＥＤドライバ４をシャットダウンするための第４スイッチ部Ｓ４を追加するとともに、第２スイッチ制御回路８の過放電防止手段が第２スイッチ部Ｓ２を開くとき、第４スイッチ部Ｓ４を閉じてＬＥＤドライバ４をシャットダウンさせる。このような第２実施形態であっても、待機電流は、前記実施形態に比して０．２ｍＡ程度増えるだけなので、合計でも０．３５ｍＡ程度となり、従来のシステムに比べれば待機電流を大幅に減少させることが可能になる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されないことは勿論であって、特許請求の範囲内において様々な変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、前記実施形態では、発電部として太陽電池を用いているが、所定のエネルギーを電気エネルギーに変換するものであれば、任意の発電機（例えば、風力発電機）を用いることができる。
また、前記実施形態では、駆動部としてＬＥＤ照明器具を用いているが、電池を電源として駆動するものであれば、任意の駆動装置（例えば、電動モータ）を用いることができる。

１ソーラー照明システム
２太陽電池
３電池
４ＬＥＤドライバ
５ソーラー照明器具
６マイコン制御部
７第１スイッチ制御回路
７ａ過充電防止手段
７ｂ日没検出用スイッチ切換手段
８第２スイッチ制御回路
８ａ過放電防止手段
８ｂ初期放電防止手段
９基準電圧部
Ｋ１充電電流経路
Ｋ２駆動電流経路
Ｋ３マイコン電源経路
Ｓ１第１スイッチ部
Ｓ２第２スイッチ部

Claims

所定のエネルギーを電気エネルギーに変換する発電部と、
前記発電部の発電で充電される充電式の電池と、
前記電池を電源として駆動される駆動部と、
マイコンを用いて構成され、前記発電部の発電状態に応じて前記駆動部の駆動を制御するマイコン制御部とを備える充電式発電駆動システムであって、
前記発電部から前記電池に至る充電電流経路に介在する第１スイッチ部と、
前記電池から前記駆動部に至る駆動電流経路に介在する第２スイッチ部と、
マイコンを含まないハード回路で構成され、前記電池の電圧上昇に応じて前記第１スイッチ部を開き、前記電池の過充電を防止する第１スイッチ制御回路と、
マイコンを含まないハード回路で構成され、前記電池の電圧降下に応じて前記第２スイッチ部を開き、前記電池の過放電を防止する第２スイッチ制御回路と、
前記第２スイッチ部よりも下流側の前記駆動電流経路から取り出した電流で前記マイコン制御部を動作させるマイコン電源経路とを備え、
前記第２スイッチ部が開かれた過放電防止状態では、前記マイコン制御部への電源供給が遮断されることを特徴とする充電式発電駆動システム。
前記発電部は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池であり、
前記駆動部は、ＬＥＤドライバを介して発光駆動されるＬＥＤ機器であり、
前記マイコン制御部は、
前記太陽電池の発電電圧にもとづいて日没を検出する日没検出手段と、
前記日没検出手段の検出に応じて前記ＬＥＤ機器の駆動を制御するＬＥＤ制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の充電式発電駆動システム。
前記第１スイッチ制御回路は、
前記電池の電圧が第１の電圧閾値を超えて上昇したとき、前記第１スイッチ部を開く過充電防止手段と、
前記マイコン制御部の日没検出動作時に前記第１スイッチ部を開く日没検出動作用スイッチ切換手段と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の充電式発電駆動システム。
前記第２スイッチ制御回路は、
前記電池の電圧が第２の電圧閾値を超えて降下したとき、前記第２スイッチ部を開く過放電防止手段と、
製品出荷から前記太陽電池が発電を開始するまでのあいだ前記第２スイッチ部を開いた状態に保つ初期放電防止手段と、を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の充電式発電駆動システム。