JP2017112689A

JP2017112689A - 充電装置

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Publication number: JP2017112689A
Application number: JP2015244349A
Authority: JP
Inventors: 利男平塚; Toshio Hiratsuka
Original assignee: Mirai Labo Co Ltd
Current assignee: Mirai Labo Co Ltd
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-15
Also published as: WO2017104681A1; EP3393005A1; US20190341800A1; US10693311B2; EP3393005B1; CN108370172A; EP3393005A4; CN108370172B; JP6031721B1

Abstract

【課題】二次電池が過放電状態であったとしても、別途電源を設けることなく制御回路を起動し、適切な充電動作を開始できる充電装置を提供する。【解決手段】太陽電池により発電した電力を二次電池に充電する充電装置であって、太陽電池が発電した電力を充電に適した電流値及び／又は電圧値に制御して二次電池に供給するための充電制御部と、充電開始時に太陽電池からの電力を昇圧して昇圧電源として充電制御部に供給し、充電制御部を起動する起動制御部とを備える充電装置。【選択図】図２

Description

本発明は、充電装置に関し、特に太陽電池で発電した電力をリチウムイオン電池に充電するための充電装置に関する。

従来から、太陽電池が発電した電力を二次電池に充電し、負荷に対して電流を供給するための太陽光充電装置が提案されている（特許文献１，２）。このような従来技術では、太陽電池が発電した電力を制御回路によって制御して、例えばＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｕｄｕｌａｔｉｏｎ）制御により二次電池の充電に適した電圧値及び／又は電流値の波形に変換して充電を行っている。

従来の太陽光充電装置を住宅用途や街灯などの固定設備に用いる場合には、二次電池として鉛蓄電池を採用し、制御回路の端子に鉛蓄電池を接続し続けて利用されていた。このような固定設備での利用では、二次電池の充電状態を適切に制御回路が管理し続けることができ、二次電池が過放電状態になることは防止される。

特開２０１４−１６３８０９号公報特開２０１４−２０９８２７号公報

しかし、太陽光充電装置に可搬性を持たせて、電力インフラの整っていない環境や被災地支援などの場面で用いる場合には、二次電池として鉛蓄電池よりも軽量なリチウムイオン電池を採用し、複数の二次電池を入れ替えて充電を行うことになる。このように、充電対象である二次電池を頻繁に交換するような利用を想定すると、二次電池が蓄えた電力を使い切って過放電状態となっている場合もありうる。

二次電池の適切な充電を行うためには、制御回路を起動しておく必要があるが、交換した二次電池が過放電状態では制御回路の起動に必要な電力を得られず、充電開始に必要な制御回路の起動が困難になってしまう。制御回路を起動するための別の電源を備えておくことは、太陽光充電装置の可搬性を損なうため好ましくない。

そこで本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、二次電池が過放電状態であったとしても、別途電源を設けることなく制御回路を起動し、適切な充電動作を開始できる充電装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の充電装置は、太陽電池により発電した電力を二次電池に充電する充電装置であって、前記太陽電池が発電した電力を充電に適した電流値及び／又は電圧値に制御して前記二次電池に供給するための充電制御部と、充電開始時に前記太陽電池からの電力を昇圧して昇圧電源として前記充電制御部に供給し、前記充電制御部を起動する起動制御部とを備えることを特徴とする。

このような充電装置では、二次電池が過放電状態であったとしても、別途電源を設けることなく充電制御部を起動し、適切な充電動作を開始できる。

また、本発明の一実施態様では、前記起動制御部は、前記二次電池の電圧が予め定めた値よりも低い場合には、前記充電制御部から前記二次電池への電流供給を停止し、前記昇圧電源を用いて前記二次電池をプリチャージする。

また、本発明の一実施態様では、前記充電制御部は、前記太陽電池が発電した電力をＰＷＭ制御したうえで平滑化して前記二次電池に供給する。

また、本発明の一実施態様では、前記二次電池はリチウムイオン電池である。

二次電池が過放電状態であったとしても、別途電源を設けることなく制御回路を起動し、適切な充電動作を開始できる充電装置を提供できる。

第一実施形態の充電装置を用いた太陽光発電システムを示す模式図である。第一実施形態の充電コントローラ２内部に収容されている回路構成を示す回路図である。第一実施形態における起動制御部６０の動作を示すフローチャートである。

（第一実施形態）
本発明に係る充電装置の第一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本実施形態の充電装置を用いた太陽光発電システムを示す模式図である。図１に示すように、太陽光発電システム１００は、太陽電池モジュール１と、充電コントローラ２と、充電クレードル３と、二次電池モジュール４とを備えている。

太陽電池モジュール１は、太陽光などの光が照射されることで起電力を得る太陽電池素子をパッケージ化した部材であり、端子を介して充電コントローラ２に接続されて電力を充電コントローラ２に供給する。太陽電池モジュール１を構成する太陽電池素子の材料は特に限定されず、必要に応じて複数の太陽電池素子を直列や並列に接続したものを用いる。太陽光発電システム１００の軽量化と可搬性の向上を図るためには、太陽電池モジュール１としてフレキシブルな薄膜太陽電池を用いることが好ましい。

充電コントローラ２は、太陽電池モジュール１と充電クレードル３とにそれぞれ電気的に接続された本発明における充電装置である。後述するように、充電コントローラ２は、内部に収容された回路によって、太陽電池モジュール１から供給された電力を充電に適した波形に変換して充電クレードル３に供給する。

充電クレードル３は、二次電池モジュール４を載置して充電を行うための部材であり、二次電池モジュール４を簡便に着脱できる構造を備え、二次電池モジュール４を装着した状態では充電に必要な電気的接続を確保する。ここでは、充電コントローラ２と充電クレードル３とを別体で構成して両者の端子をケーブルで接続した例を示したが、充電コントローラ２と充電クレードル３とを一体化して、充電クレードル３の内部に充電コントローラ２の回路を収容する構成としてもよい。

二次電池モジュール４は、太陽電池モジュール１で発電された電力を蓄えておく二次電池をパッケージ化した部材であり、充電クレードル３に着脱される構造と充電クレードル３から電力を供給されるための端子を備え、充電クレードル３に装着された状態では太陽電池モジュール１と充電コントローラ２と充電クレードル３との間で電気的接続が確保される。また、二次電池モジュール４には、負荷に対して電流を制御しながら供給するため、保護回路や放電制御回路などの回路を搭載しておく。また、満充電状態では充電クレードル３からの電力供給を遮断するとしてもよく、所定の電圧値を下回った場合には放電を停止するとしてもよい。

二次電池モジュール４に搭載される二次電池の材料は限定されないが、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などが挙げられ、太陽光発電システム１００の可搬性を向上させるためにはリチウムイオン電池を用いることが好ましい。本実施形態の太陽光発電システム１００では、複数の二次電池モジュール４を交換して充電クレードル３に装着して充電し、充電された二次電池モジュール４は充電クレードル３から取り外されて図示しない照明装置などの負荷機器の電源として用いられる。

図２は、本実施形態の充電コントローラ２内部に収容されている回路構成を示す回路図である。図２に示すように充電コントローラ２は、第一降圧部１０と、第二昇圧部２０と、充電制御部３０と、過電圧保護部４０と、平滑部５０と、起動制御部６０と、残量表示部７０と、ＬＥＤ１〜４と、ダイオードＤ１と、ツェナーダイオードＺＤと、抵抗Ｒ１〜Ｒ３と、端子部ＣＮ１〜ＣＮ３を備えている。ここで、ダイオードＤ１、第一降圧部１０、抵抗Ｒ１、ＬＥＤ１および第二昇圧部２０の入力側における接地電位は、その他の構成部分の接地電位からフローティングされている。

端子部ＣＮ１〜ＣＮ３は、充電コントローラ２の外部との電気的接続をするための端子である。端子部ＣＮ１は図中にＳＰで示した太陽電池モジュール１と接続され、端子部ＣＮ２は充電クレードル３を介して二次電池モジュール４に接続され、端子部ＣＮ３はスイッチＳＷに接続される。ここでは端子部ＣＮ３を設けてスイッチＳＷを外部に接続する例を示したが、スイッチＳＷを充電コントローラ２の回路に含めてもよい。

ダイオードＤ１は、端子部ＣＮ１の正極側と第一降圧部１０との間に順方向に接続されたダイオードであり、太陽電池モジュール１の正負極を逆にして端子部ＣＮ１に接続した場合に回路を保護するための逆接保護をする。

第一降圧部１０は、ダイオードＤ１と第二昇圧部２０との間に設けられた回路部であり、太陽電池モジュール１から供給された電圧を調整する降圧回路である。太陽電池モジュール１が発電した電力は、照射される光量が天候等によっては電圧が変動するため、第一降圧部１０で所定の電圧に調整して第二昇圧部２０に出力する。第一降圧部１０が出力する電圧としては例えば５Ｖ程度が好ましい。

ＬＥＤ１と抵抗Ｒ１は入力表示部であり、第一降圧部１０と第二昇圧部２０との間で直列接続されて接地されている。ＬＥＤ１は、第一降圧部１０の出力が所定電圧以上になると点灯し、太陽電池モジュール１からの電力が充電コントローラ２に入力されていることを示す。

第二昇圧部２０は、第一降圧部１０と抵抗Ｒ２との間に設けられた回路部であり、第一降圧部１０からの出力を昇圧する昇圧回路である。第一降圧部１０からの出力では、後述するように二次電池モジュール４をプリチャージすることや、充電制御部３０を起動するために起動動作にも電圧が不足する。よって第二昇圧部２０は、プリチャージと起動動作に必要な電圧まで昇圧し、例えば１２Ｖ程度まで昇圧した電力を出力する。

抵抗Ｒ２は、第二昇圧部２０と端子部ＣＮ２との間に接続された抵抗であり、第二昇圧部２０からの出力の電流値を所定値に制限する電流制限抵抗として機能する。ツェナーダイオードＺＤは、第二昇圧部２０の出力に接続されて設置されたツェナーダイオードであり、第二昇圧部２０からの出力の電圧値が所定値以上となった場合に通電して過電圧保護をする。

ここで、ダイオードＤ１、第一降圧部１０、第二昇圧部２０、抵抗Ｒ２で構成される回路は、太陽電池モジュール１が発電した電力を昇圧して出力する昇圧電源として機能する。

充電制御部３０は、端子部ＣＮ１と過電圧保護部４０とに接続された回路部であり、太陽電池モジュール１から供給された電力を二次電池モジュール４の充電に適した電流値及び／又は電圧値に制御して、過電圧保護部４０に出力する。具体的には、従来から用いられているＰＷＭ制御により、充電に適した電流値及び／又は電圧値のパルス状波形の出力をするものが挙げられる。充電制御部３０の具体的構成は限定されないが、各種ＩＣ等が搭載された公知である鉛蓄電池用の充放電回路を用いることもできる。

過電圧保護部４０は、充電制御部３０と平滑部５０との間に接続された回路部であり、充電制御部３０の出力が所定の電圧値以上である場合には、接地電位に電流を逃がす過電圧保護回路である。平滑部５０は、過電圧保護部４０と抵抗Ｒ３との間に接続された回路部であり、充電制御部３０からのパルス状波形の電流を平滑化して出力する。平滑部５０がパルス状波形を平滑化することで、二次電池モジュール４としてリチウムイオン電池を用いた場合に適した波形となる。

ここでは、充電制御部３０と過電圧保護部４０と平滑部５０とを別構成として示したが、過電圧保護部４０と平滑部５０とを充電制御部３０に含める構成としてもよい。その場合の充電制御部３０からの出力は、太陽電池モジュール１が発電した電力をＰＷＭ制御したうえで平滑化したものとなる。

抵抗Ｒ３は、平滑部５０と起動制御部６０との間に接続された抵抗であり、突入電流を防止する突入電流制限用抵抗である。ここでは抵抗Ｒ３として他の回路部から独立して表示しているが、平滑部５０の出力側に含めてもよく、起動制御部６０の入力側に含めるとしてもよい。

起動制御部６０は、抵抗Ｒ３と端子部ＣＮ２の間に接続された回路部であり、内部に各種ＩＣやトランジスタ等を備えた回路である。図２に示すように、抵抗Ｒ２の出力側が起動制御部６０と端子部ＣＮ２との間に接続されており、端子部ＣＮ２に対して起動制御部６０と抵抗Ｒ２は並列接続となっている。起動制御部６０は、充電制御部３０を起動させるために充電制御部に対して起動用の電圧を供給する起動動作と、二次電池モジュール４が過放電状態である場合のプリチャージ動作と、充電制御部３０を用いた通常充電動作とを切り替える働きをする。起動制御部６０の詳細な動作は後述する。

残量表示部７０は、端子部ＣＮ２と端子部ＣＮ３との間に接続された回路部であり、ＬＥＤ２〜４が並列接続されている。前述したように、端子部ＣＮ３にはスイッチＳＷが接続されており、スイッチＳＷがオンされると残量表示部７０は端子部ＣＮ２を介して二次電池モジュール４の電位を検出し、検出した電位に応じてＬＥＤ２〜４を点灯させて二次電池モジュール４の充電状態を表示する。例えば、二次電池モジュール４の電位が過放電状態に近い低電位の場合はＬＥＤ２のみを点灯させ、過放電状態と満充電状態との中間である場合はＬＥＤ２，３を点灯させ、満充電状態の場合にはＬＥＤ２〜４を点灯させる。ここではＬＥＤを３つ用いる例を示したがＬＥＤの数は限定されず、デジタル表示板や画像表示部への表示としてもよい。

次に図３を用いて本実施形態の充電装置の動作を説明する。図３は、本実施形態における起動制御部６０の動作を示すフローチャートである。初めにスタートステップとして、太陽電池モジュール１が端子部ＣＮ１に接続されて光が照射されて発電すると、第一降圧部１０、第二昇圧部２０を介して太陽電池モジュール１の電位Ｖ１が昇圧されて、抵抗Ｒ２の出力端に昇圧電位Ｖ２が供給される。前述したように、第一降圧部１０の出力電圧が所定値に達すると、ＬＥＤ１が点灯して太陽電池モジュール１が発電していることを表示する。また、充電制御部３０にも端子部ＣＮ１が接続されているため、充電制御部３０にも太陽電池モジュール１が発電した電力が供給される。

次にステップＳ１として、充電制御部３０を起動する起動動作ステップに移行する。最初に充電装置を起動する段階では、充電制御部３０には回路が動作するための電力が供給されていない。そこで、起動制御部６０は抵抗Ｒ２から出力端と抵抗Ｒ３とを接続する起動動作を行う。これにより、抵抗Ｒ３に昇圧電位Ｖ２が印加され、平滑部５０、過電圧保護部４０を介して充電制御部３０に対して起動用の電圧が供給される。この起動用の電圧は、太陽電池モジュール１が発電した電力の一部が昇圧されたものであるから、二次電池モジュール４の接続状態や充電状態に関わらずに充電制御部３０を起動することができる。

次にステップＳ２として、二次電池モジュール４が過放電状態であるかを判断する過放電診断ステップに移行する。このステップＳ２では、ステップＳ１で充電制御部３０の起動が完了しているため、起動制御部６０は抵抗Ｒ２の出力端と抵抗Ｒ３との間の接続を切断し、端子部ＣＮ２と抵抗Ｒ３の間の接続も切断される。これにより、充電制御部３０では二次電池モジュール４が接続されていない状態と判断し、ＰＷＭ制御を用いた充電動作を停止する。

同時に、起動制御部６０は端子部ＣＮ２を介して二次電池モジュール４の電位を測定し、充電状態を把握する。このとき、抵抗Ｒ２の出力端には昇圧電位Ｖ２が出力されて端子部ＣＮ２に接続されているが、二次電池モジュール４のインピーダンスが大きいため測定結果は二次電池モジュール４の充電状態が反映された結果となる。

ステップＳ２では、起動制御部６０が測定した二次電池モジュール４の電位が予め定めておいた電圧値よりも低い場合には、二次電池モジュール４が過放電状態であると判断しステップＳ３に移行し、予め定めておいた電圧値以上の場合にはステップＳ４に移行する。予め定めていた電圧値としては、二次電池モジュール４の材料や構造によって決まり、例えば約１０Ｖを設定しておく。

ステップＳ３では、過放電状態の二次電池モジュール４に対してプリチャージ動作を行う。プリチャージ動作では、起動制御部６０は抵抗Ｒ２の出力端と抵抗Ｒ３との間の接続を切断した状態を維持する。このとき、抵抗Ｒ２の出力端と端子部ＣＮ２とは接続されたままであるため、太陽電池モジュール１で発電した電力が第一降圧部１０、第二昇圧部２０、抵抗Ｒ２を介して二次電池モジュール４に供給されるプリチャージ動作となる。

ステップＳ３の次はステップＳ２の過放電診断ステップに戻り、二次電池モジュール４の充電状態が予め定めておいた電位に到達するまでステップＳ３のプリチャージ動作が繰り返される。二次電池モジュール４としてリチウムイオン電池を用いる場合には、過放電状態で長時間放置しておくと、リチウム金属が析出して内部がショートしている可能性がある。このショートした状態で大電流による充電を行うと、二次電池モジュール４が発熱してしまうため、発熱防止対策を講じる必要がある。リチウム金属が析出してショートしている状態では、二次電池モジュール４の電位は予め定めていた電圧値まで到達しないので、抵抗Ｒ２によって通常充電動作よりも小さい電流に制限された電流でプリチャージが継続し、大電流による充電を回避することができる。

ステップＳ４では、充電制御部３０から二次電池モジュール４に対して通常充電の電流が供給され通常充電動作が実行される。通常充電動作では、起動制御部６０は抵抗Ｒ２の出力端および端子部ＣＮ２と抵抗Ｒ３との間を電気的に接続して維持する。これにより充電制御部３０では二次電池モジュール４が接続された状態と判断し、ＰＷＭ制御を用いた充電動作を継続する。充電制御部３０の出力は過電圧保護部４０、平滑部５０、抵抗Ｒ３、起動制御部６０、端子部ＣＮ２を介して二次電池モジュール４に供給される。これにより、太陽電池モジュール１が発電した電力は、充電に適した電流値及び／又は電圧値に制御されて二次電池モジュール４に供給される。二次電池モジュール４は、搭載された制御回路によって内部の二次電池の充電状態を検知しており、満充電状態となった段階で通常充電動作を完了する。

前述したように、本実施形態の太陽光発電システム１００では、充電が完了した二次電池モジュール４は取り外して他の電気機器の電源として用いられる。また、他の電気機器で使用された二次電池モジュール４を新たに充電クレードル３に装着して充電する。このとき、新たな二次電池モジュール４を装着するたびにステップＳ１の起動動作から始めるとしてもよいし、充電制御部３０が起動している状態を維持してステップＳ２の過放電診断ステップから始めるとしてもよい。

以上述べたように、本発明の充電装置では、二次電池モジュール４が過放電状態であったとしても、別途電源を設けることなく充電制御部３０を起動し、適切な充電動作を開始できる。また、二次電池モジュール４が過放電状態では、起動制御部６０が充電制御部３０から二次電池モジュール４への電流供給を停止し、昇圧電源を用いて二次電池モジュール４をプリチャージし、リチウム金属が析出して内部ショートしている場合の大電流充電による発熱を防止して充電動作を行うことができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

Ｄ１…ダイオード
ＣＮ１〜３…端子部
Ｒ１〜Ｒ３…抵抗
ＺＤ…ツェナーダイオード
１…太陽電池モジュール
２…充電コントローラ
３…充電クレードル
４…二次電池モジュール
１０…第一降圧部
２０…第二昇圧部
３０…充電制御部
４０…過電圧保護部
５０…平滑部
６０…起動制御部
７０…残量表示部
１００…太陽光発電システム

上記の課題を解決するために、本発明の充電装置は、太陽電池により発電した電力を二次電池に充電する充電装置であって、前記太陽電池に接続されて前記太陽電池が発電した電力を充電に適した電流値及び／又は電圧値に制御して前記二次電池に供給するための充電制御部と、前記太陽電池に接続され且つ前記二次電池に端子部を介して接続され、前記太陽電池からの電力を昇圧する昇圧電源と、前記充電制御部に接続され且つ前記二次電池に前記端子部を介して接続された起動制御部とを備え、前記起動制御部は、充電開始時に前記昇圧電源と前記充電制御部とを接続して昇圧された電力を前記充電制御部に供給し、前記充電制御部を起動することを特徴とする。

Claims

太陽電池により発電した電力を二次電池に充電する充電装置であって、
前記太陽電池が発電した電力を充電に適した電流値及び／又は電圧値に制御して前記二次電池に供給するための充電制御部と、
充電開始時に前記太陽電池からの電力を昇圧して昇圧電源として前記充電制御部に供給し、前記充電制御部を起動する起動制御部とを備えることを特徴とする充電装置。
請求項１に記載の充電装置であって、
前記起動制御部は、前記二次電池の電圧が予め定めた値よりも低い場合には、前記充電制御部から前記二次電池への電流供給を停止し、前記昇圧電源を用いて前記二次電池をプリチャージすることを特徴とする充電装置。
請求項１または２に記載の充電装置であって、
前記充電制御部は、前記太陽電池が発電した電力をＰＷＭ制御したうえで平滑化して前記二次電池に供給することを特徴とする充電装置。
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の充電装置であって、
前記二次電池はリチウムイオン電池であることを特徴とする充電装置。