JP2016149876A - 充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】照度変化に伴う太陽電池の出力電圧に変動が生じた場合であっても、太陽電池からの電力を蓄電池により効率的に充電することができる充電器を提供する。【解決手段】充電器１Ａは、太陽電池モジュール１０と、太陽電池モジュールからの電力を蓄積する第１の蓄電池１５Ａおよび第２の蓄電池１５Ｂと、第１の蓄電池に電力を供給する第１の充電パス２０と第２の蓄電池に電力を供給する第２の充電パス２１とを切り替え可能な切替スイッチ１２Ａと、第２の充電パスに設けられた昇圧回路１３と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池を備えた充電器に関する。

近年、スマートフォンなどに代表されるモバイル電子機器を充電する、太陽電池を備えた充電器（「ソーラー充電器」と称される場合もある。）が知られている。充電器は、典型的には太陽電池（以下、「太陽電池モジュール」と称することがある。）と、１つまたは複数の蓄電池とを備えている。充電器の回路構成によって、太陽電池によって生成された電力を、蓄電池に一旦蓄積した後で充電器に接続されるモバイル電子機器に給電したり、モバイル電子機器に直接給電したりすることができる。例えば、そのような充電器として、特許文献１から３に開示されているようなものが提案されている。

特許文献１は、太陽電池の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の昇圧出力を蓄積する蓄電素子と、を備えた充電器を開示している。この充電器の構成によれば、発電効率の低下を抑制でき、曇天時にも効率の良い発電を実現できる。

特許文献２は、２つの蓄電池を備えた充電器を開示している。この充電器の構成によれば、一方の蓄電池を充電しているときに、他方の蓄電池を放電することにより蓄電池の単位容量と最大充放電回数との積に相当する放電容量を継続的に得ることができる。

特許文献３は、太陽電池の電力を外部負荷に直接給電するパスと太陽電池の電力を蓄電池に充電するパスとを太陽電池の出力状態に応じて切り替えるスイッチを備えた充電器を開示している。この充電器の構成によれば、太陽電池の出力が高いときは、負荷に電力を積極的に（直接）給電できる。また、その充電器は、太陽電池の電力を蓄電池に充電するパスに接続され、大電流によって瞬時に充電することが可能な大容量コンデンサを備えている。その大容量コンデンサによって、太陽電池の出力が低下した場合においても、連続的に蓄電池を充電することができる。

特開２００４−１２０９５０号公報 特開平９−１２１４６１号公報 特開平７−５９２７１号公報

しかしながら、充電器を使用する状況に応じて、太陽電池に照射される光量は異なるので、太陽電池からの出力電圧が変動する。例えば、曇天時と晴天時との間では、照射される光量は大きく異なり、その出力電圧が大きく変動する。

従来、太陽電池の分野においては、限られた設置面積で如何に高い発電量を得られるかが重視されてきた。このため、太陽電池の変換効率については、これまで多くの議論がなされている。これに対して、照度と太陽電池の出力電圧との関係については、これまで着目されていなかったと言える。本願発明者は、この関係に着目し、照度変化に伴う出力電圧の変動が充電器の回路に影響を与えるという課題を新たに見出した。

図１は、太陽電池の出力電圧（開放電圧）の照度依存性を示す。図１の横軸は対数軸であり、照度（ｍＷ／ｃｍ²）を示し、縦軸は開放電圧Ｖｏｃ（Ｖ）を示している。図中には、多結晶シリコン太陽電池および色素増感太陽電池を例に、ソーラーシミュレータを用いてＪＩＳ規格において規定されている標準状態（ＡＭ−１．５、１００ｍＷ／ｃｍ²の疑似太陽光、表面温度２５℃、光入射方向はセルに直交）、および、照射光を減光するフィルターを介して照射した状態で測定した結果を示している。多結晶シリコン太陽電池の測定結果を「◆」でプロットし、色素増感太陽電池の測定結果を「■」でプロットしている。この結果から、太陽電池は、照度が低下するにつれて、開放電圧は低下するという特性を有していることが分かる。また、照度が低下した場合においても、多結晶シリコン太陽電池と比べ、色素増感太陽電池モジュールの開放電圧はより高いことが分かる。

このように、照度の低下に伴い、出力電圧は大きく変動する。その結果、充電器を用いてモバイル電子機器に内蔵された蓄電池を直接充電しようとした場合、出力電圧がモバイル電子機器の待機電力またはモバイル電子機器側の充電トリガー（例えば、動作電圧）等を下回ると、実質的に充電できないという課題や、モバイル電子機器を実質的に動作できないという課題が生じ得る。

特許文献１の充電器では、太陽電池の出力電圧が低下した場合、確かに昇圧回路によってその低下を抑制できる。しかしながら、照度が高く、モバイル電子機器の内臓蓄電池を直接充電できる程に太陽電池の出力電圧が得られる場合であっても、電力は一律に昇圧回路を介してモバイル電子機器または蓄電池に給電される。そのため、昇圧回路を介さずに直接充電するときよりも、昇圧回路の消費電力により電力ロスが生じてしまう。

また、照度の低下に伴い、充電器の回路の変換効率も悪化する。後述するように、充電器には、太陽電池の出力を制御する制御回路（ＭＰＰＴ（Ｍａｘ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）回路）および昇圧回路などが設けられている。出力電圧の低下によって、これらの回路を駆動できなくなったり、正しく動作させることができなくなったりするおそれがある。

特許文献３の充電器では、太陽電池の出力が高いときは、負荷に電力を積極的に給電できる。しかしながら、その回路構成は、照度変化に伴う太陽電池の出力電圧の変動に応じて充電系統（充電パス）を切り替える構成とは異なるので、効率的に充電を行う観点からは十分とは言えない。

本発明の目的は、照度変化に伴う太陽電池の出力電圧に変動が生じた場合であっても、太陽電池からの電力を蓄電池により効率的に充電することである。

本発明の実施形態による充電器は、太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールからの電力を蓄積する第１および第２の蓄電池と、前記第１の蓄電池に電力を供給する第１の充電パスと前記第２の蓄電池に電力を供給する第２の充電パスとを切り替え可能な切替スイッチと、前記第２の充電パスに設けられた昇圧回路と、を備える。

ある実施形態において、前記切替スイッチは、前記太陽電池モジュールの出力電圧と基準電圧との大小関係に応じて前記第１の充電パスと前記第２の充電パスとを切り替える。

ある実施形態において、前記太陽電池モジュールの出力電圧は、最大出力動作電圧である。

ある実施形態において、前記充電器は、前記太陽電池モジュールの最適動作点を追従する制御回路をさらに備える。

ある実施形態において、前記充電器は、前記第１の充電パスに設けられ、前記第１の蓄電池の充電を制御する第１の充電制御回路と、前記第２の充電パスに設けられ、前記第２の蓄電池の充電を制御する第２の充電制御回路と、をさらに備える。

ある実施形態において、前記太陽電池モジュールは、色素増感太陽電池モジュールである。

ある実施形態において、前記太陽電池モジュールは、複数のセルが互いに直列に接続された構造を有する。

ある実施形態において、前記第１の蓄電池の充電時には、前記第２の蓄電池から外部接続されるモバイル電子機器に電力が供給され、前記第２の蓄電池の充電時には、前記第１の蓄電池から前記モバイル電子機器に電力が供給される。

ある実施形態において、前記基準電圧は、前記第１および第２の蓄電池の定格電圧であって、前記最大出力動作電圧が前記定格電圧以上のとき、前記切替スイッチは、前記第１の充電パスを選択し、前記最大出力動作電圧が前記定格電圧未満のとき、前記切替スイッチは、前記第２の充電パスを選択する。

ある実施形態において、前記第１の蓄電池の容量は前記第２の蓄電池の容量よりも大きい。

ある実施形態において、前記充電器は、前記太陽電池モジュールからの電力を蓄積する第３の蓄電池と、前記第３の蓄電池に電力を供給する第３の充電パスに設けられ、前記第３の蓄電池の充電を制御する第３の充電制御回路と、前記第３の充電制御回路の入力側に設けられたキャパシタと、をさらに備え、前記切替スイッチは、前記第１の充電パスと前記第２の充電パスと前記第３の充電パスとを、前記太陽電池モジュールの出力電圧と基準電圧との大小関係に応じて切り替える。

ある実施形態において、前記第１の充電パスが有効となる前記太陽電池モジュールの最大出力動作電圧は、前記第２の充電パスが有効となる前記太陽電池モジュールの最大出力動作電圧よりも大きく、前記第２の充電パスが有効となる前記太陽電池モジュールの最大出力動作電圧は、前記第３の充電パスが有効となる前記太陽電池モジュールの最大出力動作電圧よりも大きい。

ある実施形態において、前記充電器は、前記太陽電池モジュールからの電力を蓄積する第３の蓄電池と、前記第３の蓄電池に電力を供給する第３の充電パスに設けられ、前記第３の蓄電池の充電を制御する第３の充電制御回路と、前記第３の充電制御回路の入力側に設けられたキャパシタと、前記太陽電池モジュールと前記制御回路との間に設けられたさらなる切替スイッチであって、前記太陽電池モジュールの出力電圧が基準値未満であるとき、前記第３の充電パスを有効にするさらなる切替スイッチと、をさらに備える。

ある実施形態において、充電器付きモバイル電子機器カバーは、太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールからの電力を蓄積する第１および第２の蓄電池と、前記第１の蓄電池に電力を供給する第１の充電パスと前記第２の蓄電池に電力を供給する第２の充電パスとを切り替え可能な切替スイッチと、前記第２の充電パスに設けられた昇圧回路と、を有する充電器を備える。

本発明の一実施形態によれば、照度変化に伴う太陽電池の出力電圧に変動が生じた場合であっても、太陽電池からの電力を蓄電池により効率的に給電できる充電器が提供される。

太陽電池の出力電圧の照度依存性を示すグラフである。 第１の実施形態による充電器１Ａの回路構成を示す模式図である。 第１の実施形態による充電器１Ａの動作の一例を説明するための模式図である。 第２の実施形態による充電器１Ｂの回路構成を示す模式図である。 第３の実施形態による充電器１Ｃの回路構成を示す模式図である。 第３の実施形態の変形例による充電器１Ｃ’の回路構成を示す模式図である。

本発明の実施形態による充電器は、太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールからの電力を蓄積する第１および第２の蓄電池と、第１の蓄電池に電力を供給する第１の充電パスと第２の蓄電池に電力を供給する第２の充電パスとを切り替え可能な切替スイッチと、第２の充電パスに設けられた昇圧回路と、を備える。この充電器によれば、照度変化に伴う太陽電池の出力電圧の変動に応じて、太陽電池からの電力を蓄電池により効率的に給電できる。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態による充電器を説明する。以下の説明において、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。なお、本発明の実施形態による充電器は、以下で例示するものに限られない。例えば、一の実施形態と、他の実施形態とを組み合わせることも可能である。

（第１の実施形態）
図２および図３を参照しながら、本実施形態による充電器１Ａの回路構成および機能を説明する。

図２は、充電器１Ａの回路構成の一例を模式的に示している。図示するように、充電器１Ａには、充電の対象として、モバイル電子機器２を接続することができる。例えば、モバイル電子機器２は、タブレット端末、スマートフォンに代表される携帯電話、および電子書籍リーダなどである。充電器１Ａをモバイル電子機器２に接続した状態で、充電器１Ａからモバイル電子機器２に電力が供給される。

充電器１Ａは、太陽電池モジュール１０と、ＭＰＰＴ回路１１と、切替スイッチ１２Ａ、１２Ｂと、昇圧回路１３と、ダイオード１４Ａ、１４Ｂと、第１および第２の充電パス２０、２１と、第１および第２の蓄電池１５Ａ、１５Ｂと、コンパレータ１６とを備えている。

太陽電池モジュール１０として、種々の太陽電池を用いることができる。例えば、多結晶シリコン太陽電池やアモルファスシリコン太陽電池などのシリコン系の太陽電池、ＧａＡｓ系太陽電池などの化合物系の太陽電池、蛍光集光板を用いた太陽電池、および色素増感太陽電池などの有機系の太陽電池を広く用いることができる。太陽電池モジュール１０は、「ＰＶ」と称されることもある。

太陽電池モジュール１０は、複数のセルから構成される。例えば、色素増感太陽電池の集積構造として、様々な構成が提案されている。中でも、複数のセルを直列に接続することで、高密度な集積構造を簡単に実現できることが知られている。そのため、高集積化の観点からは、複数のセルが直列に接続された構造を有する色素増感太陽電池を用いることが好ましい。これにより、太陽電池モジュール１０の出力を大きくすることができる。

ＭＰＰＴ回路１１は、太陽電池モジュール１０の最適動作点を追従する制御を行う。最適動作点は、太陽電池モジュール１０の出力電力（電流と電圧の積）が最大になる動作点を指す。ＭＰＰＴ回路１１を用いることで、照度や温度が変化しても、その状況下での最大動作点において太陽電池モジュール１０を発電させることができ、そのときの最大電力を得ることができる。ＭＰＰＴ回路１１として、公知のものを広く用いることができる。

切替スイッチ１２Ａおよび１２Ｂは、例えばリレースイッチ、ロッカースイッチおよびトグルスイッチなどである。切替スイッチ１２Ａは、第１の蓄電池１５Ａが接続された第１の充電パス２０と第２の蓄電池１５Ｂが接続された第２の充電パス２１とを切り替える。第１の充電パス２０が選択されると、太陽電池モジュール１０からの電力を第１の蓄電池１５Ａに蓄積でき、第２の充電パス２１が選択されると、太陽電池モジュール１０からの電力を第２の蓄電池１５Ｂに蓄積できる。

切替スイッチ１２Ｂは、モバイル電子機器２への電力の給電パスとして、第１の充電パス２０と第２の充電パス２１とを切り替える。第１の充電パス２０が選択されると、第１の蓄電池１５Ａからモバイル電子機器２に、第１の蓄電池１５Ａに蓄積された電力が給電され、第２の充電パス２１が選択されると、第２の蓄電池１５Ｂからモバイル電子機器２に、第２の蓄電池１５Ｂに蓄積された電力が給電される。

なお、切替スイッチ１２Ａおよび１２Ｂがロッカースイッチなどである場合、それらのスイッチを手動で制御することにより、第１の充電パス２０と第２の充電パス２１とを切り替えることができる。

昇圧回路１３は、第２の充電パス２１のみに設けられている。昇圧回路１３は、太陽電池モジュール１０の出力電圧を昇圧する。具体的には、昇圧回路１３は、蓄電池を充電するための十分な電圧が得られない場合、蓄電池を充電できる電圧にまで太陽電池モジュール１０の出力電圧を昇圧する。昇圧回路１３として、例えばテキサスインスツルメンツ社製のＤＣ−ＤＣレギュレータ（型番：ＬＭ２７３５）を用いることができる。

ダイオード１４Ａおよび１４Ｂは、蓄電池から逆電流が流れることを防止する。ダイオード１４Ａおよび１４Ｂは、第１の充電パス２０および第２の充電パス２１にそれぞれ設けられている。

第１の蓄電池１５Ａおよび第２の蓄電池１５Ｂは、太陽電池モジュール１０で発電された電力を蓄積する。蓄電池としては、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル・水素電池などを用いることができ、充電する機器に供給するときの電圧などにより適宜選択することができる。各々の蓄電池の容量は、例えば３００ｍＡｈである。

コンパレータ１６は、太陽電池モジュール１０の最大出力動作電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する。ここで、基準電圧Ｖｒｅｆは、蓄電池の特性などにより適宜決定され得る。ただし、本実施形態のように、各蓄電池の充電を制御する充電制御回路（単に「充電回路」と称される場合もある。）を設けない場合、蓄電池への過電流を防止するために、基準電圧Ｖｒｅｆを蓄電池の定格電圧（平均電力）程度とすることが好ましい。以下、基準電圧Ｖｒｅｆを蓄電池の定格電圧として説明する。

本実施形態では、切替スイッチ１２Ａは、第１の充電パス２０と第２の充電パス２１とをコンパレータ１６の比較結果に応じて切り替える。具体的には、最大出力動作電圧が定格電圧以上であるとき、切替スイッチ１２Ａは、第１の充電パス２０を選択する。また、最大出力動作電圧が定格電圧未満であるとき、切替スイッチ１２Ａは、第２の充電パス２１を選択する。

このような構成によると、晴天時などの高照度のときは、第１の充電パス２０が有効になり、太陽電池モジュール１０からの電力は、第１の充電パス２０を通じて第１の蓄電池１５Ａに供給される。太陽電池モジュール１０の出力電圧が十分に高いときは、昇圧回路１３を介さず第１の蓄電池１５Ａに電力を直接蓄積することができ、その結果、昇圧回路１３の消費電力による電力ロスを防止できる。

一方、曇天時などの低照度のときは、第２の充電パス２１が有効になり、太陽電池モジュール１０からの電力は、第２の充電パス２１を通して第２の蓄電池１５Ｂに供給される。太陽電池モジュール１０の出力電圧が低いときは、充電できる電圧レベルにまで太陽電池モジュール１０の出力電圧を昇圧回路１３によって昇圧することにより、第２の蓄電池１５Ｂに電力を蓄積できる。

なお、切替スイッチ１２Ａの切り替え方法は、コンパレータ１６の出力による自動切り替えに限定されない。例えば、太陽電池モジュール１０の出力を表示する表示計などを設置してそれをユーザがモニタすることにより、上述したように手動で切替スイッチ１２Ａを操作することもできる。その場合には、コンパレータ１６を設けなくてもよい。

次に、図３を参照しながら、充電器１Ａの充電および給電の動作の一例を説明する。

図３は、充電器１Ａの動作の一例を説明するための模式図である。この一例においては、切替スイッチ１２Ａと切替スイッチ１２Ｂとを連動して動作させる。切替スイッチ１２Ａおよび１２Ｂは、第１の充電パス２０と第２の充電パス２１とをコンパレータ１６の比較結果に応じて排他的に選択する。

具体的には、最大出力動作電圧が定格電圧以上であるとき、切替スイッチ１２Ａは、第１の充電パス２０を選択し、切替スイッチ１２Ｂは、第２の充電パス２１を選択する（動作Ａ）。これにより、高照度のときは、太陽電池モジュール１０からの電力を第１の充電パス２０を通じて第１の蓄電池１５Ａに蓄電しながら、第２の蓄電池１５Ｂからモバイル電子機器２に電力を供給できる。

最大出力動作電圧が定格電圧未満であるとき、切替スイッチ１２Ａは、第２の充電パス２１を選択し、切替スイッチ１２Ｂは、第１の充電パス２０を選択する（動作Ｂ）。これにより、低照度のときは、太陽電池モジュール１０からの電力を第２の充電パス２１を通じて第２の蓄電池１５Ｂに蓄電しながら、第１の蓄電池１５Ａからモバイル電子機器２に電力を供給できる。この動作によると、ユーザは、充電器１Ａを充電しながらモバイル電子機器２を使用することができる。

本実施形態によると、太陽電池モジュール１０の出力に応じて充電パスを切り替えることにより、第１の蓄電池１５Ａおよび第２の蓄電池１５Ｂの一方を充電することができる。そのため、電力ロスを抑制しつつ、太陽電池モジュール１０からの電力を有効に活用することができる。

本願発明者は、本実施形態による充電器１Ａの試作品（実施例１）を作製し、その性能を評価した。実施例１において、蓄電池として、リチウムポリマー電池を用い、昇圧回路１３として、上述したテキサスインスツルメンツ社製のＤＣ−ＤＣレギュレータ（型番：ＬＭ２７３５）を用い、太陽電池モジュール１０として、色素増感太陽電池を用いた。リチウムポリマー電池の定格電圧は３．７Ｖであり、この電圧を基準電圧Ｖｒｅｆとした。また、リチウムポリマー電池の容量は、３００ｍＡｈである。

性能評価として、発電電力量に対する蓄電電力量の割合（％）を計測した。ここで、発電電力量は、太陽電池モジュール１０の出力電圧Ｖおよび出力電流Ｉを測定することにより得られる電力量（Ｐ＝ＩＶ）であり、蓄電電力量は、蓄電池の充電前後の電圧変動を測定することにより得られる電力量である。

高照度用の光源として、３００００Ｌｕｘの疑似太陽光を太陽電池モジュール１０に約１５分照射した後で、低照度用の光源として、１０００ＬｕｘのＬＥＤ光を太陽電池モジュール１０に約５時間照射した。以下、比較例１および２と対比しながら実施例１の測定結果を説明する。比較例１は、図２に示される回路から昇圧回路１３を除いた構成を有する充電器であり、比較例２は、図２に示される回路において第２の充電パス２１にも昇圧回路１３が設けられた構成を有する充電器である。表１にそれぞれの計測結果を示す。

比較例１では、いずれの充電パスにも昇圧回路が設けられていない。低照度のときに、太陽電池モジュール１０の出力電圧が低下して、第２の蓄電池１５Ｂに電力を十分供給できないので、蓄積電力量がその分低下する。その結果、発電電力量に対する蓄電電力量の割合は、実施例１と比較して低くなることが分かる。

比較例２では、いずれの充電パスにも昇圧回路が設けられているので、高照度のときに、昇圧回路１３において電力ロスが発生し、蓄電電力量がその分低下する。その結果、発電電力量に対する蓄電電力量の割合は、実施例１と比較して低くなることが分かる。

最後に、本実施形態による変形例を説明する。

低照度のときに蓄積できる電力量は、高照度のときに比べて小さい。従って、第２の蓄電池１５Ｂの容量は、第１の蓄電池１５Ａの容量よりも小さい方が好ましい。例えば、第１の蓄電池１５Ａの容量を１０００ｍＡｈとし、第２の蓄電池１５Ｂの容量を３００ｍＡｈとすることができる。これにより、蓄電池の容量を小さくした分だけ、充電器自体のサイズを小型化することができる。

また、第１の蓄電池１５Ａの容量を大きくすることにより、より高速な充電が求められる高照度側の蓄電池の充電量を大きくできるので、満充電時における充電できない電力ロスを低減することができる。それぞれの蓄電池の容量は、想定される使用シーンや製品コストに応じて適切に設定すればよい。

本実施形態において、第１の蓄電池１５Ａの容量を１０００ｍＡｈとし、第２の蓄電池１５Ｂの容量を３００ｍＡｈとした実施例２の性能評価として、発電電力量に対する蓄電電力量の割合（％）を計測した。

高照度用の光源として、３００００Ｌｕｘの疑似太陽光を太陽電池モジュール１０に約２時間照射した後で、低照度用の光源として、１０００ＬｕｘのＬＥＤ光を太陽電池モジュール１０に約３時間照射した。以下、比較例３および４と対比しながら実施例２の測定結果を説明する。比較例３は、図２に示される回路から昇圧回路１３を除いた構成を有する充電器であり、比較例４は、図２に示される回路において第２の充電パス２１にも昇圧回路１３が設けられた構成を有する充電器である。蓄電池のそれぞれの容量は、実施例２の容量と同じである。表２にそれぞれの計測結果を示す。

計測結果から、高照度によって太陽電池モジュール１０の発電量が多い場合でも、第１の蓄電池１５Ａの容量を大きくすることで、電力ロスを抑制して効率よく第１の蓄電池１５Ａを充電できることが分かる。

（第２の実施形態）
図４を参照しながら、本実施形態による充電器１Ｂの構造および機能を説明する。

図４は、充電器１Ｂの回路構成を模式的に示している。第２の実施形態による充電器１Ｂは、蓄電池の充電を制御する充電制御回路１７Ａおよび１７Ｂを備えている点で、第１の実施形態による充電器１Ａとは異なる。以下、共通する部分の説明は省略し、差異点を中心に説明する。

充電器１Ｂは、第１の充電パス２０に設けられ、第１の蓄電池１５Ａの充電を制御する充電制御回路１７Ａと、第２の充電パス２１に設けられ、第２の蓄電池１５Ｂの充電を制御する充電制御回路１７Ｂとをさらに備えている。第１の充電パス２０では、充電制御回路１７Ａは、ダイオード１４Ａの入力側に設けられている。第２の充電パス２１では、充電制御回路１７Ｂは昇圧回路１３とダイオード１４Ｂとの間に設けられている。充電制御回路１７Ａおよび１７Ｂとしては、公知のものを広く用いることができる。

充電制御回路１７Ａは、定電圧制御により第１の蓄電池１５Ａの充電を制御し、第１の蓄電池１５Ａの過電圧を抑制する。充電制御回路１７Ｂは、定電圧制御により第２の蓄電池１５Ｂの充電を制御し、第２の蓄電池１５Ｂの過電圧を抑制する。

このような構成によると、太陽電池モジュール１０からの電力をより安定的にそれぞれの蓄電池へ供給できる。

実施例１と同様に、本願発明者は、本実施形態による充電器１Ｂの試作品（実施例３）を作製し、その性能を評価した。実施例３において、充電制御回路１７Ａおよび１７Ｂとして、ＭＩＣＲＯＣＨＩＰ社のＭＣＰ７３８３１Ｔを用いた。他の構成要素は実施例１と同様である。実施例３では、充電制御回路１７Ａおよび１７Ｂの入力電圧を考慮して、コンパレータ１６の基準電圧を４．２Ｖとした。４．２Ｖは、充電制御回路１７Ａおよび１７Ｂの入力電圧に相当する。

性能評価として、発電電力量に対する蓄電電力量の割合（％）および充放電効率（％）を計測した。ここで、充放電効率は一般に、放電により得られる電気量と、充電に要した電気量との比で表される。本実施例では、充放電効率は１００回充放電を繰り返した後の充放電効率を意味する。

高照度用の光源として、３００００Ｌｕｘの疑似太陽光を太陽電池モジュール１０に約１５分照射した後で、低照度用の光源として、１０００ＬｕｘのＬＥＤ光を太陽電池モジュール１０に約５時間照射した。以下、実施例１、比較例５および６と対比しながら実施例３の測定結果を説明する。比較例５は、図４に示される回路から昇圧回路１３を除いた構成を有する充電器であり、比較例６は、図４に示される回路において第２の充電パス２１にも昇圧回路１３が設けられた構成を有する充電器である。表３にそれぞれの計測結果を示す。なお、充放電効率は、第１および第２の蓄電池１５Ａ、１５Ｂの平均値を示している。

実施例１と比較すると、実施例３では充電制御回路１７Ａおよび１７Ｂの消費電力により電力ロスが発生し、蓄電電力量が減少したことから、発電電力量に対する蓄電電力量の割合は低下している。しかし、蓄電池の充電が制御されることにより、蓄電池に対する負荷が抑制される。そのため、実施例３では、充放電効率は高くなっている。また、比較例５および６と比較しても、実施例３における発電電力量に対する蓄電電力量の割合および充放電効率はいずれも高いことが分かる。

（第３の実施形態）
図５を参照しながら、本実施形態による充電器１Ｃの構造および機能を説明する。

第３の実施形態による充電器１Ｃは、第３の蓄電池１５Ｃに接続された第３の充電パス２２を備えている点で、第１の実施形態による充電器１Ａおよび第２の実施形態による充電器１Ｂとは異なる。以下、共通する部分の説明は省略し、差異点を中心に説明する。

図５は、充電器１Ｃの回路構成を模式的に示している。充電器１Ｃは、第３の蓄電池１５Ｃと、第３の蓄電池１５Ｃに電力を供給する第３の充電パス２２と、第３の蓄電池の充電を制御する充電制御回路１７Ｃと、キャパシタ１８とをさらに備えている。

照度が極めて低いとき、太陽電池モジュール１０の発電量は小さくなる。そのため、充電制御回路１７Ｃの消費電力により発電のロスが大きくなるという課題が生じ得る。これを改善するために、本実施形態では、電力を一時的に蓄積するキャパシタ１８を第３の充電パス２２において充電制御回路１７Ｃの入力側に設けている。

キャパシタ１８として、例えば１００ｍＦのスーパーキャパシタを用いることができる。ただし、本願発明はこれに限定されず、回路内への設置に影響が出ない大きさであればよく、例えば４０ｍＦから１０００ｍＦまでの容量を有するキャパシタを広く用いることができる。

コンパレータ１６は、太陽電池モジュール１０の出力と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較する。本実施形態では、基準電圧Ｖｒｅｆとして、第１の基準電圧と第２の基準電圧とを設定する。第１の基準電圧は、第１および第２の実施形態と同様に、蓄電池の定格電圧である。また、第２の基準電圧は、太陽電池からの出力が低いときに切り替えるためのものであり、太陽電池の照度依存性などにより適宜決定され得る。ただし、第２の基準電圧の大きさは、第１の基準電圧の大きさよりも小さい。また、第二の基準電圧に代えて、第２の基準としては、電流値を用いることもできる。

切替スイッチ１２Ａは、第１の充電パス２０と第２の充電パス２１と第３の充電パス２２とをコンパレータ１６の比較結果に応じて切り替える。具体的には、最大出力動作電圧が定格電圧以上であるとき、切替スイッチ１２Ａは、第１の充電パス２０を選択する。また、最大出力動作電圧が定格電圧未満であって第２の基準電圧以上であるとき、切替スイッチ１２Ａは、第２の充電パス２１を選択する。さらに、最大出力動作電圧が定格電圧未満であって第２の基準電圧未満であるとき、切替スイッチ１２Ａは、第３の充電パス２２を選択する。

このような構成によると、晴天時などの高照度のときは、第１の充電パス２０が有効になり、太陽電池モジュール１０からの電力は、第１の充電パス２０を通じて第１の蓄電池１５Ａに供給される。曇天時などの低照度のときは、第２の基準電圧と太陽電池モジュール１０の出力電圧との大小関係により、第２の充電パス２１または第３の充電パス２２が有効になる。照度が極めて低いときは、太陽電池モジュール１０からの電力は、キャパシタ１８に一旦蓄積されてから第３の充電パス２２を通して第３の蓄電池１５Ｃに供給される。

本実施形態によると、太陽電池モジュール１０の出力に応じて充電パスをさらに精度よく切り替えることにより、第１の蓄電池１５Ａ、第２の蓄電池１５Ｂおよび第３の蓄電池１５Ｃのいずれかを充電することができる。特に、照度が極めて低いときであって、発電量が回路消費電力に対し無視できないような場合でも効率よく充電することができる。そのため、より広い照度範囲において、蓄電池を効率よく充電できる。

実施例１から３と同様に、本願発明者は、本実施形態による充電器１Ｃの試作品（実施例４）を作製し、その性能を評価した。実施例４において、キャパシタ１８として、１００ｍＦのスーパーキャパシタを用いた。他の構成要素は実施例１から３と同様である。実施例４では、第２の基準電圧を３．２Ｖとした。性能評価として、発電電力量に対する蓄電電力量の割合（％）および充放電効率（％）を計測した。

高照度用の光源として、３００００Ｌｕｘの疑似太陽光を太陽電池モジュール１０に約５分照射した後で、低照度用の光源として、１０００ＬｕｘのＬＥＤ光を太陽電池モジュール１０に約４時間照射し、さらに低照度用の光源として、２００ＬｕｘのＬＥＤ光を太陽電池モジュール１０に約６時間照射した。以下、比較例７と対比しながら実施例４の測定結果を説明する。比較例７は、図５に示される回路において全ての充電パスに昇圧回路１３が設けられた構成を有する充電器である。表４にそれぞれの計測結果を示す。なお、充放電効率は、第１、第２および第３の蓄電池１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃの平均値を示している。

比較例７と比較すると、実施例３における発電電力量に対する蓄電電力量の割合および充放電効率はいずれも高いことが分かる。比較例７では、第１および第３の充電パス２０、２２のそれぞれの昇圧回路１３における電力消費に起因して、蓄電電力量の低下および充放電効率が低下していることが分かる。

次に、図６を参照しながら、本実施形態の変形例による充電器１Ｃ’を説明する。

図６は、充電器１Ｃ’の回路構成を模式的に示している。充電器１Ｃ’は、太陽電池モジュール１０とＭＴＴＰ回路１１との間に設けられた切替スイッチ１２Ｃをさらに備えている。

コンパレータ１６は、切替スイッチ１２Ａおよび１２Ｃを制御する。最大出力動作電圧が定格電圧未満であって第２の基準電圧未満であるとき、切替スイッチ１２Ｃは、第３の充電パス２２を有効にする。最大出力動作電圧が定格電圧以上であるとき、切替スイッチ１２Ａは、第１の充電パス２０を選択する。また、最大出力動作電圧が定格電圧未満であって第２の基準電圧以上であるとき、切替スイッチ１２Ａは、第２の充電パス２１を選択する。

本実施形態の変形例によると、本実施形態と同様に、太陽電池モジュール１０の出力に応じて充電パスをさらに精度よく切り替えることにより、第１の蓄電池１５Ａ、第２の蓄電池１５Ｂおよび第３の蓄電池１５Ｃのいずれかを充電することができる。特に、照度が極めて低いときであって、発電量が回路消費電力に対し無視できないような場合でも効率よく充電することができる。そのため、より広い照度範囲において、蓄電池を効率よく充電できる。

第１から第３の実施形態において、２つまたは３つの充電パスおよび蓄電池を備えた充電器を説明した。しかしながら、本願発明はこれに限定されない。本願発明の充電器は、複数の充電パスおよび各充電パスに接続された複数の蓄電池を備えていてもよい。この構成によると、照度に応じて、太陽電池モジュールからの電力を蓄電池により効率的に給電できる。

本願発明は、太陽電池を備えた種々の充電器に好適に利用され得る。例えば、本願発明の充電器は、スマートフォンに代表されるモバイル電子機器を保護するカバー（ケース）に搭載され得る。その充電器付きカバーによると、照度変化に伴う太陽電池モジュールの出力電圧に変動が生じた場合であっても、太陽電池モジュールからの電力をモバイル電子機器に効率的に供給することができる。

本明細書は、以下の項目に記載の充電器を開示している。

〔項目１〕
太陽電池モジュールと、
前記太陽電池モジュールからの電力を蓄積する第１および第２の蓄電池と、
前記第１の蓄電池に電力を供給する第１の充電パスと前記第２の蓄電池に電力を供給する第２の充電パスとを切り替え可能な切替スイッチと、
前記第２の充電パスに設けられた昇圧回路と、
を備える、充電器。

項目１に記載の充電器によると、照度変化に伴う太陽電池モジュールの出力電圧に変動が生じた場合であっても、太陽電池モジュールからの電力を蓄電池により効率的に給電できる。

〔項目２〕
前記切替スイッチは、前記太陽電池モジュールの出力電圧と基準電圧との大小関係に応じて前記第１の充電パスと前記第２の充電パスとを切り替える、項目１に記載の充電器。

項目２に記載の充電器によると、太陽電池モジュールの出力電圧と基準電圧との大小関係により、第１および第２の充電パスを切り替えることができるので、低照度および高照度のそれぞれに対応じた充電パスを実現することができる。

〔項目３〕
前記太陽電池モジュールの出力電圧は、最大出力動作電圧である、項目２に記載の充電器。

項目３に記載の充電器によると、太陽電池モジュールを最大出力動作電圧で動作させることができるので、太陽電池モジュールから電力をより効率的に得ることができる。

〔項目４〕
前記太陽電池モジュールの最適動作点を追従する制御回路をさらに備える、項目３に記載の充電器。

項目４に記載の充電器によると、制御回路（ＭＰＰＴ回路）を用いて太陽電池モジュールを最大出力動作電圧で動作させることができるので、太陽電池モジュールから電力をより効率的に得ることができ、充電器を簡易に構築できる。

〔項目５〕
前記第１の充電パスに設けられ、前記第１の蓄電池の充電を制御する第１の充電制御回路と、
前記第２の充電パスに設けられ、前記第２の蓄電池の充電を制御する第２の充電制御回路と、
をさらに備える、項目４に記載の充電器。

項目５に記載の充電器によると、充電制御回路により安定的に蓄電池を充電できるので、充放電効率を向上させることができる。

〔項目６〕
前記太陽電池モジュールは、色素増感太陽電池モジュールである、項目１から５のいずれかに記載の充電器。

項目６に記載の充電器によると、照度が低下した場合においても、多結晶シリコン太陽電池などと比べ、太陽電池モジュールからより高い出力電圧を得ることができる。

〔項目７〕
前記太陽電池モジュールは、複数のセルが互いに直列に接続された構造を有する、項目１から６のいずれかに記載の充電器。

項目７に記載の充電器によると、太陽電池モジュールを高集積化できるので、太陽電池モジュールからより高い出力電圧を得ることができる。

〔項目８〕
前記第１の蓄電池の充電時には、前記第２の蓄電池から外部接続されるモバイル電子機器に電力が供給され、前記第２の蓄電池の充電時には、前記第１の蓄電池から前記モバイル電子機器に電力が供給される、項目１から７のいずれかに記載の充電器。

項目８に記載の充電器によると、モバイル電子機器を使用しながら、充電器を効率よく充電できる。

〔項目９〕
前記基準電圧は、前記第１および第２の蓄電池の定格電圧であって、
前記最大出力動作電圧が前記定格電圧以上のとき、前記切替スイッチは、前記第１の充電パスを選択し、前記最大出力動作電圧が前記定格電圧未満のとき、前記切替スイッチは、前記第２の充電パスを選択する、項目３から５のいずれかに記載の充電器。

項目９に記載の充電器によると、基準電圧を蓄電池の定格電圧とすることにより、蓄電池の入力電圧を考慮した充電パスの切り替えを実現できる。

〔項目１０〕
前記第１の蓄電池の容量は前記第２の蓄電池の容量よりも大きい、項目１から９のいずれかに記載の充電器。

項目１０に記載の充電器によると、蓄電池の容量を小さくした分だけ、充電器自体のサイズを小型化することができる。

〔項目１１〕
前記太陽電池モジュールからの電力を蓄積する第３の蓄電池と、
前記第３の蓄電池に電力を供給する第３の充電パスに設けられ、前記第３の蓄電池の充電を制御する第３の充電制御回路と、
前記第３の充電制御回路の入力側に設けられたキャパシタと、
をさらに備え、
前記切替スイッチは、前記第１の充電パスと前記第２の充電パスと前記第３の充電パスとを、前記太陽電池モジュールの出力電圧と基準電圧との大小関係に応じて切り替える、項目５に記載の充電器。

項目１１に記載の充電器によると、充電器のバリエーションを提供できる。また、照度が極めて低いときは、太陽電池モジュールからの電力は、キャパシタに一旦蓄積されてから第３の充電パスを通して第３の蓄電池に供給されるので、発電量が回路消費電力に対し無視できないような場合でも効率よく充電することができる。

〔項目１２〕
前記第１の充電パスが有効となる前記太陽電池モジュールの最大出力動作電圧は、前記第２の充電パスが有効となる前記太陽電池モジュールの最大出力動作電圧よりも大きく、前記第２の充電パスが有効となる前記太陽電池モジュールの最大出力動作電圧は、前記第３の充電パスが有効となる前記太陽電池モジュールの最大出力動作電圧よりも大きい、項目１１に記載の充電器。

項目１２に記載の充電器によると、極めて低照度、低照度および高照度のそれぞれに対応じた充電パスを実現することができる。

〔項目１３〕
前記太陽電池モジュールからの電力を蓄積する第３の蓄電池と、
前記第３の蓄電池に電力を供給する第３の充電パスに設けられ、前記第３の蓄電池の充電を制御する第３の充電制御回路と、
前記第３の充電制御回路の入力側に設けられたキャパシタと、
前記太陽電池モジュールと前記制御回路との間に設けられたさらなる切替スイッチであって、前記太陽電池モジュールの出力電圧が基準値未満であるとき、前記第３の充電パスを有効にするさらなる切替スイッチと、
をさらに備える、項目５に記載の充電器。

項目１３に記載の充電器によると、充電器のバリエーションを提供できる。また、照度が極めて低いときは、太陽電池モジュールからの電力は、キャパシタに一旦蓄積されてから第３の充電パスを通して第３の蓄電池に供給されるので、発電量が回路消費電力に対し無視できないような場合でも効率よく充電することができる。

〔項目１４〕
項目１から１３のいずれかに記載の充電器を備える、充電器付きモバイル電子機器カバー。

項目１４に記載の充電器付きモバイル電子機器カバーによると、太陽電池モジュールからの電力を効率的に供給する充電器を備えたモバイル電子機器カバーを提供できる。

本発明は、太陽電池を備えた充電器に用いることができる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｃ’ 充電器
２ モバイル電子機器
１０ 太陽電池モジュール
１１ ＭＰＰＴ回路
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 切替スイッチ
１３ 昇圧回路
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ ダイオード
１５Ａ 第１の蓄電池
１５Ｂ 第２の蓄電池
１５Ｃ 第３の蓄電池
１６ コンパレータ
１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ 充電制御回路
１８ キャパシタ
２０ 第１の充電パス
２１ 第２の充電パス
２２ 第３の充電パス

Claims (5)

1. 太陽電池モジュールと、
   前記太陽電池モジュールからの電力を蓄積する第１および第２の蓄電池と、
   前記第１の蓄電池に電力を供給する第１の充電パスと前記第２の蓄電池に電力を供給する第２の充電パスとを切り替え可能な切替スイッチと、
   前記第２の充電パスに設けられた昇圧回路と、
   を備える、充電器。
2. 前記切替スイッチは、前記太陽電池モジュールの出力電圧と基準電圧との大小関係に応じて前記第１の充電パスと前記第２の充電パスとを切り替える、請求項１に記載の充電器。
3. 前記太陽電池モジュールの最適動作点を追従する制御回路をさらに備える、請求項２に記載の充電器。
4. 前記第１の蓄電池の充電時には、前記第２の蓄電池から外部接続されるモバイル電子機器に電力が供給され、前記第２の蓄電池の充電時には、前記第１の蓄電池から前記モバイル電子機器に電力が供給される、請求項１から３のいずれかに記載の充電器。
5. 前記第１の蓄電池の容量は前記第２の蓄電池の容量よりも大きい、請求項１から４のいずれかに記載の充電器。

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