JP2021180604A

JP2021180604A - 協調充電システム

Info

Publication number: JP2021180604A
Application number: JP2020196429A
Authority: JP
Inventors: 拓岩佐; Hiroshi Iwasa
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-06
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2021-11-18

Abstract

【課題】主として蓄電池の寿命を延ばすことによる、蓄電池の費用（ランニングコスト）を抑えた充電システムを提供する。【解決手段】協調充電システムは、第一の制御回路５０１及び第二の制御回路５０２を有する。第一の制御回路５０１には、第一のＵＳＢ機器１０６を接続し、第二の制御回路５０２には第二のＵＳＢ機器１０９を接続し、第一の直流直流変換器の入力ノードの電位により制御し、第一のＵＳＢ機器１０６に用いられる充電対象機器には、太陽電池１０１と商用交流電源１０２から常に満充電に向けて充電し続け、第二のＵＳＢ機器１０９に用いられる充電対象機器には、余剰電力がある場合にのみ充電する。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池とＡＣアダプタといった複数の電力源からの電力により対象機器を協調して充電するシステムに関する。

近年、太陽光発電が注目を集めている。太陽光発電システムには、独立電源システムと系統連係システムがあり、前者は太陽電池パネルまたは太陽電池モジュールにより発電した電気を蓄電池に蓄え、必要な時にそのままあるいは１００Ｖの交流に変換して用いる。一方系統連係システムは、１００Ｖの交流に変換した上で、消費される電力より発電量が少なければ電力会社の系統から電力を購入し、消費される電力より発電量が多ければ電力会社の系統に売電する。蓄電池に蓄えられた電力が少なくなると瞬時停電を経て電力会社の系統から電力を供給するように切り替えるシステムも独立電源システムに含めるものとする。

太陽光発電システムには、系統連係システムより独立電源システムが適する。しかし、通常の独立電源システムで用いられる蓄電池は消耗品であり、通常の使用方法では３年程度しか用いることはできない。

ここで、独立電源システムのコスト感を検討してみることにする。一例であるが、太陽電池（１６０Ｗ）２０,０００円、鉛蓄電池（３３Ａｈ）１０,０００万円、チャージコントローラ５,０００円、商用電源切り替え器５，０００円、ＡＣインバータ５，０００円、ＵＳＢ充電器１，０００円とする。この場合、合計費用は４６，０００円である。しかし、鉛蓄電池は３年程度しかもたない。そのため、１２年間でかかるコストは、７６,０００円となる。すなわち、この例の場合、太陽電池の約４倍の費用がかかることがわかる。

そのため、太陽電池からの入力に加え、商用電源からの入力を組み合わせて使う方法が、特許文献１に示されている。

特開２０１３−９０５６０

しかしながら、特許文献１には、概念的な議論のみで、具体的な回路と制御方法が示されていない。

本発明は、以上を鑑み、費用（コスト）を抑えた充電システムを提供することを課題とする。ここで、費用を抑えるにあたり、特に、蓄電池の寿命を延ばすことにより、ランニングコストを抑えることにより、充電システムの費用を抑えることを課題とする。

この課題を解決するために、本発明においては、
第一の制御回路、第二の制御回路を持ち、
前記第一の制御回路は、第一の電圧判定回路、第一の直流直流変換器、第一のアナログスイッチ、第三のアナログスイッチを持ち、
前記第一の電圧判定回路は、前記第一の直流直流変換器の入力ノードの電圧を判定し、前記第一のアナログスイッチは、前記第一の直流直流変換器の出力ノードと前記第一の充電ノードの間に接続され、前記第三のアナログスイッチは、第三のノードと第一の充電ノードの間に接続され、前記第一の電圧判定回路は、前記第一の直流直流変換器の入力ノードの電圧が、第一の一定電圧値より大きいと判断した場合、前記第一のアナログスイッチをオンし前記第三のアナログスイッチをオフするように働き、前記第一の直流直流変換器の入力ノードの電圧が、前記第一の一定電圧値より小さいと判断した場合、前記第一のアナログスイッチをオフし前記第三のアナログスイッチをオンするように働き、
前記第二の制御回路は、第二の電圧判定回路、第二の直流直流変換器、第二のアナログスイッチ、第四のアナログスイッチを持ち、
前記第二の電圧判定回路は、第二の入力ノードの電圧を判定し、前記第二の入力ノードの入力ノードの電圧が、第二の一定電圧値より大きいと判断した場合、前記第二のアナログスイッチをオフするように働く。

ここで、前記第二の一定電圧値は前記第一の一定電圧値より大きく
前記第一の直流直流変換器の入力ノードが前記第一の一定電圧値より小さい場合、前記第三のノードからの供給電流により前記第一の充電ノードに電流を供給し、前記第二の充電ノードに電流は供給されず、
前記第一の直流直流変換器の入力ノードが前記第一の一定電圧値と等しい場合、前記第三のノードからの供給電流と前記第一の直流直流変換器の入力ノードからの供給電流により前記第一の充電ノードに電流を供給し、前記第二の充電ノードに電流は供給されず、
前記第一の直流直流変換器の入力ノードが前記第一の一定電圧値より大きく前記第二の一定電圧値より小さい場合、前記第一の直流直流変換器の入力ノードからの供給電流により前記第一の充電ノードに電流を供給し、前記第二の充電ノードに電流は供給されず、
前記第一の直流直流変換器の入力ノードが第二の一定電圧値と等しい場合および、前記第一の直流直流変換器の入力ノードが前記第二の一定電圧値より大きい場合、前記第一の直流直流変換器の入力ノードからの供給電流により前記第一の充電ノードに電流を供給し、また、前記第二の充電ノードに電流は供給される。

本発明により、発電された電力が不十分な場合に商用交流電源から電力が供給され、頻繁に蓄電池を充放電せずにすむ。そのため、主として蓄電池の寿命を延ばすことによる、費用（ランニングコスト）を抑えた充電システムを提供する。また、電力利用効率が良く、ノイズやリップルの小さな充電システムを提供する。

図１は、本発明の第１の実施の形態における協調充電システムである。図２は、図１におけるスイッチ記号の中身である。図３は、図１におけるインバータ記号の中身である。図４は、図１における直流直流変換器の接続の例である。図５は、ＵＳＢジャック部の中身である。図６は、協調充電モードにおける入力電流と、５Ｖに変換された入力電流、ＡＣアダプタからの電流の関係の実験結果である。図７は、入力電圧の検出結果と動作の関係を表した図である。図８は、直流直流変換器の原理を表した図である。図９は、本発明の第２の実施の形態における協調充電システムである。図１０は、太陽電池の出力端子両端の電圧と取り出せる電流、電力の関係である。

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態は、協調充電システムに関する。第１の実施の形態では、余剰電力はモバイルバッテリーに充電される。

図１に、第１の実施の形態の協調充電システムの図を示す。協調充電システムは、第一の制御回路５０１、第二の制御回路５０２、太陽電池１０１、商用交流電源１０２、ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６、１０９より構成される。

第一の制御回路５０１は、ＡＣアダプタ１０４、直流直流変換器１０３、ＵＳＢジャック１０５、アナログスイッチング素子１１０、１１１、キャパシタ（コンデンサ）１１２、１１３、１１４、抵抗器１１５、１１６、インバータ１１７、１１８、整流用ダイオード１１９、１２０、電流計１２１、１２２より構成される。

第二の制御回路５０２は、直流直流変換器１０７、ＵＳＢジャック１０８、アナログスイッチング素子１２３、キャパシタ（コンデンサ）１２４、１２５、１２６、抵抗器１２７、１２８、インバータ１２９、電流計１３０より構成される。

第一の制御回路５０１とその周辺部に関し、接続を説明する。太陽電池１０１のプラス端子は、直流直流変換器１０３のプラス入力端子、キャパシタ１１２のプラス端子、抵抗器１１５の一端、直流直流変換器１０７のプラス入力端子、キャパシタ１２４のプラス端子、抵抗器１２７の一端に接続される。太陽電池１０１のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。ＧＮＤ３１５に接続される素子は多いので、ＧＮＤ３１５に接続される素子・機器は、ＧＮＤ３１５に接続されるとだけ記す。

商用交流電源１０２のプラス端子は、ＡＣアダプタ１０４のプラス入力端子に接続される。商用交流電源１０２のマイナス端子は、ＡＣアダプタ１０４のマイナス入力端子に接続される。

直流直流変換器１０３のプラス入力端子は、太陽電池１０１のプラス端子、キャパシタ１１２のプラス端子、抵抗器１１５の一端、直流直流変換器１０７のプラス入力端子、キャパシタ１２４のプラス端子、抵抗器１２７の一端に接続される。直流直流変換器１０３のプラス出力端子は、キャパシタ１１３のプラス端子、電流計１２１のプラス端子に接続される。直流直流変換器１０３のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

ＡＣアダプタ１０４のプラス入力端子は、商用交流電源１０２のプラス端子に接続される。ＡＣアダプタ１０４のマイナス入力端子は、商用交流電源１０２のマイナス端子に接続される。ＡＣアダプタ１０４のプラス出力端子は、電流計１２２のプラス端子に接続される。ＡＣアダプタ１０４のマイナス出力端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

ＵＳＢジャック１０５のプラス入力端子は、アナログスイッチング素子１１０の一端、アナログスイッチング素子１１１の一端（出力側）、キャパシタ１１４のプラス端子に接続される。ＵＳＢジャック１０５のマイナス入力端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。ＵＳＢジャック１０５の電力プラス端子は、ＵＳＢ機器１０６の電力プラス出力端子に接続される。ＵＳＢジャック１０５のＵＳＢジャックの電力マイナス端子は、ＵＳＢ機器１０６の電力マイナス出力端子に接続される。ＵＳＢジャック１０５の信号プラス端子は、ＵＳＢ機器１０６の信号プラス出力端子に接続される。ＵＳＢジャック１０５の信号マイナス端子は、ＵＳＢ機器１０６の信号マイナス出力端子に接続される。

ＵＳＢ機器１０６の電力プラス端子は、ＵＳＢジャック１０５の電力プラス出力端子に接続される。ＵＳＢ機器１０６の電力マイナス端子は、ＵＳＢジャック１０５の電力マイナス出力端子に接続される。ＵＳＢ機器１０６の信号プラス端子は、ＵＳＢジャック１０５の信号プラス出力端子に接続される。ＵＳＢ機器１０６の信号マイナス端子は、ＵＳＢジャック１０５の信号マイナス出力端子に接続される。

アナログスイッチング素子１１０の一端は、電流計１２１のマイナス端子、整流用ダイオード１１９のアノードに接続される。アナログスイッチング素子１１０のもう一端は、アナログスイッチング素子１１１の一端（出力）、キャパシタ１１４のプラス端子、ＵＳＢジャック１０５のプラス入力端子に接続される。アナログスイッチング素子１１０のコントロール端子は、インバータ１１７の出力、インバータ１１８の入力に接続される。

アナログスイッチング素子１１１の一端（入力）は、電流計１２２のマイナス端子、整流用ダイオード１２０のアノードに接続される。アナログスイッチング素子１１１のもう一端（出力）は、アナログスイッチング素子１１０の一端、キャパシタ１１４のプラス端子、ＵＳＢジャック１０５のプラス入力端子に接続される。アナログスイッチング素子１１１のコントロール端子は、インバータ１１８の出力に接続される。

キャパシタ１１２のプラス端子は、太陽電池１０１のプラス端子、直流直流変換器１０３のプラス入力端子、抵抗器１１５の一端、直流直流変換器１０７のプラス入力端子、キャパシタ１２４のプラス端子、抵抗器１２７の一端に接続される。キャパシタ１１２のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

キャパシタ１１３のプラス端子は、直流直流変換器１０３のプラス出力端子、電流計１２１のプラス端子に接続される。キャパシタ１１３のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

キャパシタ１１４のプラス端子は、アナログスイッチング素子１１０の一端、アナログスイッチング素子１１１の一端（出力）、ＵＳＢジャック１０５のプラス入力端子に接続される。キャパシタ１１４のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

抵抗器１１５の一端は、太陽電池１０１のプラス端子、直流直流変換器１０３のプラス入力端子、キャパシタ１１２のプラス端子、直流直流変換器１０７のプラス入力端子、キャパシタ１２４のプラス端子、抵抗器１２７の一端に接続される。抵抗器１１５のもう一端は、抵抗器１１６の一端、インバータ１１７の入力に接続される。

抵抗器１１６の一端は、抵抗器１１５の一端、インバータ１１７の入力に接続される。抵抗器１１６のもう一端は、ＧＮＤ３１５に接続される。

インバータ１１７の入力は、抵抗器１１５の一端、抵抗器１１６の一端に接続される。インバータ１１７の出力は、インバータ１１８の入力、アナログスイッチング素子１１０のコントロール端子に接続される。インバータ１１７のＶＤＤ端子は、整流用ダイオード１１９のカソード、整流用ダイオード１２０のカソード、インバータ１１８のＶＤＤ端子に接続される。インバータ１１７のＶＳＳ端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

インバータ１１８の入力は、インバータ１１７の出力、アナログスイッチング素子１１
０のコントロール端子に接続される。インバータ１１８の出力は、アナログスイッチング素子１１１のコントロール端子に接続される。インバータ１１８のＶＤＤ端子は、整流用ダイオード１１９のカソード、整流用ダイオード１２０のカソード、インバータ１１７のＶＤＤ端子に接続される。インバータ１１８のＶＳＳ端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

整流ダイオード１１９のアノードは、電流計１２１のマイナス端子、アナログスイッチング素子１１０の一端に接続される。整流ダイオード１１９のカソードは、整流ダイオード１２０のカソード、インバータ１１７のＶＤＤ端子、インバータ１１８のＶＤＤ端子に接続される。

整流ダイオード１２０のアノードは、電流計１２２のマイナス端子、アナログスイッチング素子１１１の一端（入力）に接続される。整流ダイオード１２０のカソードは、整流ダイオード１１９のカソード、インバータ１１７のＶＤＤ端子、インバータ１１８のＶＤＤ端子に接続される。

電流計１２１のプラス端子は、直流直流変換器１０３のプラス出力端子、キャパシタ１１３のプラス端子に接続される。電流計１２１のマイナス端子は、アナログスイッチング素子１１０の一端、整流用ダイオード１１９のアノードに接続される。

電流計１２２のプラス端子は、ＡＣアダプタ１０４のプラス出力端子に接続される。電流計１２２のマイナス端子は、アナログスイッチング素子１１１の一端（入力）、整流用ダイオード１２０のアノードに接続される。

第二の制御回路５０２とその周辺部に関し、接続を説明する。直流直流変換器１０７のプラス入力端子は、太陽電池１０１のプラス端子、キャパシタ１１２のプラス端子、抵抗器１１５の一端、直流直流変換器１０３のプラス入力端子、キャパシタ１２４のプラス端子、抵抗器１２７の一端に接続される。直流直流変換器１０７のプラス出力端子は、キャパシタ１２５のプラス端子、電流計１３０のプラス端子に接続される。直流直流変換器１０７のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

ＵＳＢジャック１０８のプラス入力端子は、アナログスイッチング素子１２３の一端、キャパシタ１２６のプラス端子に接続される。ＵＳＢジャック１０８のマイナス入力端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。ＵＳＢジャック１０８の電力プラス端子は、ＵＳＢ機器１０９の電力プラス出力端子に接続される。ＵＳＢジャック１０８のＵＳＢジャックの電力マイナス端子は、ＵＳＢ機器１０９の電力マイナス出力端子に接続される。ＵＳＢジャック１０８の信号プラス端子は、ＵＳＢ機器１０９の信号プラス出力端子に接続される。ＵＳＢジャック１０８の信号マイナス端子は、ＵＳＢ機器１０９の信号マイナス出力端子に接続される。

ＵＳＢ機器１０９の電力プラス端子は、ＵＳＢジャック１０８の電力プラス出力端子に接続される。ＵＳＢ機器１０９の電力マイナス端子は、ＵＳＢジャック１０８の電力マイナス出力端子に接続される。ＵＳＢ機器１０９の信号プラス端子は、ＵＳＢジャック１０８の信号プラス出力端子に接続される。ＵＳＢ機器１０９の信号マイナス端子は、ＵＳＢジャック１０８の信号マイナス出力端子に接続される。

アナログスイッチング素子１２３の一端は、電流計１３０のマイナス端子、インバータ１２９のＶＤＤに続される。アナログスイッチング素子１２３のもう一端は、キャパシタ１２６のプラス端子、ＵＳＢジャック１０８のプラス入力端子に接続される。アナログスイッチング素子１２３のコントロール端子は、インバータ１２９の出力に接続される。

キャパシタ１２４のプラス端子は、太陽電池１０１のプラス端子、直流直流変換器１０３のプラス入力端子、抵抗器１１５の一端、直流直流変換器１０７のプラス入力端子、キャパシタ１１２のプラス端子、抵抗器１２７の一端に接続される。キャパシタ１２４のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

キャパシタ１２５のプラス端子は、直流直流変換器１０７のプラス出力端子、電流計１３０のプラス端子に接続される。キャパシタ１２５のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

キャパシタ１２６のプラス端子は、アナログスイッチング素子１２３の一端、ＵＳＢジャック１０８のプラス入力端子に接続される。キャパシタ１２６のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

抵抗器１２７の一端は、太陽電池１０１のプラス端子、直流直流変換器１０３のプラス入力端子、キャパシタ１１２のプラス端子、抵抗器１１５の一端、直流直流変換器１０７のプラス入力端子、キャパシタ１２４のプラス端子に接続される。抵抗器１２７のもう一端は、抵抗器１２８の一端、インバータ１２９の入力に接続される。

抵抗器１２８の一端は、抵抗器１２７の一端、インバータ１２９の入力に接続される。抵抗器１２８のもう一端は、ＧＮＤ３１５に接続される。

インバータ１２９の入力は、抵抗器１２７の一端、抵抗器１２８の一端に接続される。インバータ１２９の出力は、アナログスイッチング素子１２３のコントロール端子に接続される。インバータ１２９のＶＤＤ端子は、電流計１３０のマイナス端子、アナログスイッチング素子１２３の一端に接続される。インバータ１２９のＶＳＳ端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

電流計１３０のプラス端子は、直流直流変換器１０７のプラス出力端子、キャパシタ１２５のプラス端子に接続される。電流計１３０のマイナス端子は、アナログスイッチング素子１２３の一端、インバータ１２９のＶＤＤに接続される。

図２に、アナログスイッチング素子１１０、アナログスイッチング素子１１１、アナログスイッチング素子１２３の中身を示す。アナログスイッチング素子１１０、アナログスイッチング素子１２３の中身は、図２（ａ）に、アナログスイッチング素子１１１の中身は、図２（ｂ）に示すとおりである。図２（ａ）は、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０１、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２で構成される。図２（ｂ）は、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０３で構成される。

ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０１のソースは、ノード４０１に接続される。ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０１のドレインは、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のドレインに接続される。ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０１のゲートは、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のゲート、ノード４０３に接続される。

ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のソースは、ノード４０２に接続される。ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のドレインは、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０１のドレインに接続される。ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０２のゲートは、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０１のゲート、ノード４０３に接続される。

ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０３のソースは、ノード４０４に接続される。ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０３のドレインは、ノード４０５に接続される。ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２０３のゲートは、ノード４０６に接続される。

アナログスイッチング素子１１０の接続について説明する。図１におけるノード３１６は図２（ａ）のノード４０１に接続される。図１におけるノード３１８は図２（ａ）のノード４０２に接続される。図１におけるノード３１２は、図２（ａ）のノード４０３に接続される。

アナログスイッチング素子１２３の接続について説明する。図１におけるノード３２１は図２（ａ）のノード４０１に接続される。図１におけるノード３２２は図２（ａ）のノード４０２に接続される。図１におけるノード３２０は、図２（ａ）のノード４０３に接続される。

アナログスイッチング素子１１１の接続について説明する。図１におけるノード３１７は図２（ｂ）のノード４０４に接続される。図１におけるノード３１８は図２（ｂ）のノード４０５に接続される。図１におけるノード３１３は、図２（ｂ）のノード４０６に接続される。

図２（ｂ）のように、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ１つをアナログスイッチング素子として用いると、ノード４０４の電位の方がノード４０５の電位より高い場合、入力であるゲート４０６の電位により、ソースであるノード４０４とドレインであるノード４０５の間に流れる電流をアナログ的にコントロールできる。ソースであるノード４０４とゲートであるノード４０６の間の電圧が大きくなるほど、ソースであるノード４０４とドレインであるノード４０５の間に流れる電流が大きくなる。このようなアナログ的な動作は、フィードバックで電流量を調整するのに用いることができる。

ここで、図２（ｂ）のように、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ１つをアナログスイッチング素子として用いると、一方、ノード４０５の電位の方がノード４０４の電位より高い場合、電流を調整・制限することはできず、入力であるゲート４０６の電位にかかわらず大きな電流が流れる。

図２（ａ）のように、ソースを逆にして接続したＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２つを直列にしたものをアナログスイッチング素子として用いると、ノード４０１、ノード４０２のどちらの電位が高くても、入力であるゲート４０３の電位により、ノード４０１とノード４０２の間に流れる電流をアナログ的にコントロールできる。ソースであるノード４０１またはノード４０２とゲートであるノード４０３の間の電圧が大きくなるほど、ノード４０１とノード４０２の間に流れる電流が大きくなる。このようなアナログ的な動作は、フィードバックで電流量を調整するのに用いることができる。

図２（ａ）のように、ソースを逆にして接続したＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２つを直列にしたものをアナログスイッチング素子として用いる場合、ノード４０５の電位の方がノード４０４の電位より高い場合、ノード４０４の電位の方がノード４０５の電位より高い場合のどちらでも、入力であるゲート４０３の電位により、ノード４０１とノード４０２の間に流れる電流をアナログ的にコントロールできる。

アナログスイッチング素子１１０は、ノード３１８からノード３１６に流れる電流を阻止するために、図２（ａ）の回路を用いる。アナログスイッチング素子１２３は、ノード３２２からノード３２１に流れる電流を阻止するために、図２（ａ）の回路を用いる。

アナログスイッチング素子１１１のみではなく、アナログスイッチング素子１１０があることにより、太陽電池１０１のみでＵＳＢ機器１０６を充電するスタンドアロンモードで効率よく電力を利用できる。
多くのシステムでは、太陽電池１０１が発電していないときに電流が逆流しないように、逆電流防止ダイオードを直列に接続する。アナログスイッチング素子１１０、アナログスイッチング素子１２３がこれらの電流を阻止することにより、太陽電池１０１が発電していないときに、逆電流防止ダイオードがなく太陽電池１０１が発電していないときでも太陽電池１０１を通って電流が逆流しない。

逆電流防止ダイオードは順方向降下電圧が小さいものでも０．４Ｖある。そのため、逆電流防止ダイオードが必要ないことは、電圧の損失を抑え、システム全体のエネルギー利用効率向上につながる。

ただし、逆電流防止ダイオードが必要ないのは、太陽電池１０１が並列に複数存在しない場合であり、太陽電池１０１が並列に複数ある場合は、特定の太陽電池から別の太陽電池を経由して逆流しないために、逆電流防止ダイオードが必要である。言い方を変えると、太陽電池１０１が並列に複数存在しない場合に、逆電流防止ダイオードが必要ないことにより、エネルギーの損失を抑え、システム全体のエネルギー利用効率向上につながる。

一方、アナログスイッチング素子１１０は、ＡＣアダプタ１０４に逆流を防止する機構、通常は整流用ダイオードが含まれるため、通常は、ノード３１８からノード３１７に電流は逆流しない。そのため、アナログスイッチング素子１１０は、図２（ｂ）の回路を用いることができる。

図３に、インバータ１１７、インバータ１１８、インバータ１２９の中身の例を示す。図３は、ＮＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１、抵抗器２１２で構成される。

ＮＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１のソースは、ノード４１４に接続される。ＮＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１のドレインは、抵抗器２１２の一端、ノード４１２に接続される。ＮＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１のゲートは、ノード４１１に接続される。

抵抗器２１２の一端は、ノード４１３に接続される。抵抗器２１２のもう一端は、ＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１のドレイン、ノード４１２に接続される。

図１のインバータ１１７の接続について説明する。図１のノード３１１は、図３のノード４１１に接続される。図１のノード３１２は、図３のノード４１２に接続される。図１のノード３１４は図３のノード４１３に接続される。図１のノード３１５は、図３のノード４１４に接続される。

図１のインバータ１１８の接続について説明する。図１のノード３１２は、図３のノード４１１に接続される。図１のノード３１３は、図３のノード４１２に接続される。図１のノード３１４は、図３のノード４１３に接続される。図１のノード３１５は、図３のノード４１４に接続される。

図１のインバータ１２９の接続について説明する。図１のノード３１９は、図３のノード４１１に接続される。図１のノード３２０は、図３のノード４１２に接続される。図１のノード３２１は、図３のノード４１３に接続される。図１のノード３１５は、図３のノード４１４に接続される。

本実施例においては、インバータは、ＮＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１、抵抗器２１２で構成されるものとしたが、ＮＭＯＳ電界効果トランジスタとＰＭＯＳ電界効果トランジスタで構成されるものでもよく、ＮＭＯＳ電界効果トランジスタとＰＭＯＳ電界効果トランジスタとさらに抵抗器により構成されたものでもよい。また、ディスクリート素子の組み合わせでも、集積回路でもよい。

図４に、直流直流変換器の集積素子の接続例を示す。ここで、この例では、直流直流変換器は非絶縁・降圧型である。直流直流変換器の集積素子２２１が一部品として販売されている。

ノード４２１はプラス入力ノードであり、ノード４２２はプラス出力ノードであり、ノード４２３はマイナス入出力ノードである。入力ノード４２１とマイナス入出力ノード４２３間にキャパシタ２２２を接続し、入力ノード４２２とマイナス入出力ノード４２３間にキャパシタ２２３を接続して用いる。この直流直流変換器の集積素子の場合、抵抗器２２４を用いることにより、出力電圧を調整することができるが、抵抗器２２４がなく、直流直流変換器の集積素子２２１の７番ピンはオープンとすることもできる。

この例では、直流直流変換器の集積素子２２１に関し、以下のように接続される。１番ピンは、４番ピン、キャパシタ２２２のマイナス端子、抵抗器２２４の一端、ノード４２３に接続される。２番ピンはキャパシタ２２２のプラス端子、ノード４２１に接続される。３番ピンは、９番ピンに接続される。４番ピンは、１番ピン、キャパシタ２２２のマイナス端子、抵抗器２２４の一端、ノード４２３に接続される。５番ピンは、８番ピンに接続される。６番ピンは、キャパシタ２２３のプラス端子、ノード４２２に接続される。７番ピンは、抵抗器２２４の一端接続される。８番ピンは、５番ピンに接続される。９番ピンは、３番ピンに接続される。

キャパシタ２２２のプラス端子は、直流直流変換器の集積素子２２１の２番ピン、ノード４２１に接続される。キャパシタ２２２のマイナス端子は、直流直流変換器の集積素子２２１の１番ピンと４番ピン、キャパシタ２２３のマイナス端子、抵抗器２２４の一端、ノード４２３に接続される。

キャパシタ２２３のプラス端子は、直流直流変換器の集積素子２２１の６番ピン、ノード４２２に接続される。キャパシタ２２３のマイナス端子は、直流直流変換器の集積素子２２１の１番ピンと４番ピン、キャパシタ２２２のマイナス端子、抵抗器２２４の一端、ノード４２３に接続される。

抵抗器２２４の一端は、直流直流変換器の集積素子２２１の７番ピンに接続される。抵抗器２２４のもう一端は、キャパシタ２２２のマイナス端子、キャパシタ２２３のマイナス端子、直流直流変換器の集積素子２２１の１番ピンと４番ピン、ノード４２３に接続される。

キャパシタ２２２とキャパシタ２２３に関しては、重要なので図１にも重複して示してあるが図４にも示した。一方、抵抗器２２４は本発明においては本質的な部分ではないため、図１では省略している。

図１（ａ）の直流直流変換器１０３の接続について説明する。図１（ａ）のノード３２２はノード４２１に接続される。図１（ａ）のノード３２３は、ノード４２２に接続される。図１（ａ）のノード３１５はノード４２３に接続される。キャパシタ１１２はキャパシタ２２２に対応し、キャパシタ１１３はキャパシタ２２３に対応する。

図１（ａ）の直流直流変換器１０７の接続について説明する。図１（ａ）のノード３２２はノード４２１に接続される。図１（ａ）のノード３２４は、ノード４２２に接続される。図１（ａ）のノード３１５はノード４２３に接続される。キャパシタ１２４はキャパシタ２２２に対応し、キャパシタ１２５はキャパシタ２２３に対応する。

図４は、市販されている直流直流変換器の集積素子の例であるが、直流直流変換器は非絶縁・降圧型の場合の内部の構造は、図８のようになっている。簡単に原理を説明する。スイッチング素子６１１、インダクタ６１２、整流用ダイオード６１３が図８のように接続されている。

ＣＯＮＴによりスイッチング素子がオンしているときは、電流は、図８（ａ）のようにＩＮからスイッチング素子６１１、インダクタ６１２を経由してＯＵＴに流れる。ＣＯＮＴによりスイッチング素子６１１がオフしているときは、図８（ｂ）のように電流は、ＶＳＳからダイオード６１３、インダクタ６１２を経由してＯＵＴに流れる。

図８（ｂ）のようにＶＳＳからダイオード６１３、インダクタ６１２を経由して流れる電流があるため、降圧型の場合、入力に対し出力の方が電流が大きくなるが、入力に対し出力の方が電圧は小さくなる。

ＣＯＮＴによるスイッチング素子６１１のオンオフは、数百ｋＨｚ（キロヘルツ）で行われるため、インダクタ６１２は小型のものでよく、また、ＯＵＴ端子に接続されるキャパシタ（図８には図示せず）は、それほど大容量のものである必要はない。そのため、直流直流変換器は小型にできる。

図５に、ＵＳＢジャック部の詳細を示す。ＵＳＢジャック部は、ＵＳＢジャック２３１と抵抗器２３２より構成される。ＵＳＢジャック２３１には４つの端子４４１、４４２、４４３、４４４が存在する。４４１が電力プラス端子（＋５Ｖ端子）、４４２が信号マイナス端子（データ伝送用マイナス端子）、４４３が信号マイナス端子（データ転送用プラス端子）、４４４が電力マイナス端子（ＧＮＤ端子）である。

信号マイナス端子（データ伝送用マイナス端子）４４２と信号マイナス端子（データ転送用プラス端子）間は、抵抗器２３２を接続する。充電用ではない一般的なＵＳＢ２．０の充電電流は５００ｍＡ（ミリアンペア）であるが、抵抗器２３２を２００Ω（オーム）とすることにより、充電電流を１．５Ａ（アンペア）まで増大させることができる。尚、ＵＳＢジャック部２３１の構造は単純なので、接続の説明は省略する。

次に、本実施の形態における協調充電システムの動作について説明する。ノード３１５とノード３２２間の電圧によって動作が異なる。図７に、ノード３１５とノード３２２間の電圧による動作の違いを示す。尚、ここで挙げたモード名は、一般的な用語ではなく、本明細書独自の用語である。

ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より小さい場合、夜間モードとなる。ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値に等しい場合、協調充電モードとなる。ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より大きく、第二の一定電圧値より小さい場合、晴天第一モードとなる。ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値に等しい場合、晴天余剰充電第一モードとなる。ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より大きい場合、晴天余剰充電第二モードとなる。第一の一定電圧値は、例えば１４．５Ｖ、第二の一定電圧値は、例えば１７．５Ｖである。この他、図７には記載していないが、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値に等しく、商用交流電源１０２が得られない場合、スタンドアロンモードとなる。

夜間モードは、商用交流電源１０２からＡＣアダプタ１０４経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電されるモードである。このモードでは、ＵＳＢ機器１０９は充電されない。太陽電池１０１が発電していないときに夜間モードになる。協調充電モードは、商用交流電源が得られることを前提とし、商用交流電源１０２、ＡＣアダプタ１０４経由でと、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由で、という２つの経路で、ＵＳＢ機器１０６に充電されるモードである。このモードでは、ＵＳＢ機器１０９は充電されない。太陽電池１０１が発電しているが、ＵＳＢ機器１０６の要求電力が太陽電池１０１のみではまかないきれない場合は、協調充電モードとなる。

晴天第一モードは、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電されるモードである。このモードでは、ＵＳＢ機器１０９は充電されない。太陽電池１０１が発電していて、ＵＳＢ機器１０６の要求電力が太陽電池１０１のみでちょうどまかなうことができる場合は、晴天第一モードとなる。晴天余剰充電モード１は、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電され、太陽電池１０１、直流直流変換器１０７経由で、ＵＳＢ機器１０９が充電され、電力が余らないモードである。晴天余剰充電モード２は、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電され、太陽電池１０１、直流直流変換器１０７経由で、ＵＳＢ機器１０９が充電され、電力が余るモードである。スタンドアロンモードは、晴天第一モードと同じく太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電されるが、商用交流電源１０２からの電力供給がなく、太陽電池１０１が発電する電力でＵＳＢ機器１０６が要求する電力すべてをまかないきれていないモードである。このモードでは、ＵＳＢ機器１０９は充電されない。

まず、夜間モードに関し説明する。夜間モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より小さいので、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が低くなる。そのため、インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位はＨ（ハイ）となる。そして、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位はＬ（ロー）となる。そのため、アナログスイッチング素子１１０はオフ、アナログスイッチング素子１１１はオンする。この状態で、商用交流電源１０２からＡＣアダプタ１０４経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電される。一方、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由ではＵＳＢ機器１０６には充電されない。尚、インバータ１１７、インバータ１１８へは、ノード３１７から整流用ダイオード１２０経由で、電流が供給される。

夜間モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より小さいので、抵抗器１２７、抵抗器１２８で分割されてできるノード３１９の電位が低くなる。そのため、インバータ１２９の出力であるノード３２０の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１２３はオフする。このとき、太陽電池１０１、直流直流変換器１０７経由でＵＳＢ機器１０９には充電されない。

次に、協調充電モードに関し説明する。協調充電モードは、商用交流電源１０２から電力が供給され、ＡＣアダプタ１０４が接続されていることが前提である。協調充電モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値になるので、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が基準値近くになる。そのため、インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位はＨ（ハイ）でもＬ（ロー）でもない中間的な値となる。そのため、アナログスイッチング素子１１０、アナログスイッチング素子１１１は電流を制限しつつオンする。尚、インバータ１１７、１１８へは、ノード３１６、３１７のいずれかから整流用ダイオード１１９、整流用ダイオード１２０のいずれかを経由して電力が供給される。

協調充電モードでは、太陽電池１０１の発電量が増えると、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より大きくなるように働く。その結果、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が高くなる。インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位が下がり、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位が上がる。そのため、アナログスイッチング素子１１０は電流を増やし、アナログスイッチング素子１１１は電流を減らすよう働く。その結果、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第一の一定電圧値となる。協調充電モードでは、太陽電池１０１の発電量が増えると、アナログスイッチング素子１１１は電流を減らすよう働くため、ＡＣアダプタ出力電流が減る。別の言い方をすると、太陽光出力電流が増えると、ＡＣアダプタ出力電流が減る。

協調充電モードでは、太陽電池１０１の発電量が減ると、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より小さくなるように働く。その結果、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が低くなる。インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位が上がり、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位が下がる。そのため、アナログスイッチング素子１１０は電流を減らし、アナログスイッチング素子１１１は電流を増やすよう働く。その結果、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第一の一定電圧値となる。協調充電モードでは、太陽電池１０１の発電量が減ると、アナログスイッチング素子１１１は電流を増やすよう働くため、ＡＣアダプタ出力電流が増える。別の言い方をすると、太陽光出力電流が減ると、ＡＣアダプタ出力電流が増える。

以上により、太陽電池１０１が発電しており、商用交流電源１０２から電力が供給され、ＡＣアダプタ１０４が接続されている場合で、ＵＳＢ機器１０６の要求電力が太陽電池１０１のみではまかないきれない場合は、協調充電モードとなり、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第一の一定電圧値となる。

協調充電モードでは、太陽電池１０１が発電した電力の大半は、直流直流変換器１０３で変換され、ＵＳＢ機器１０６で消費される。ＵＳＢ機器１０６が消費する電力のうち、足りないものは、商用交流電源１０２から供給される。

図６に、模擬太陽光入力電流すなわち太陽電池１０１を模擬した直流電源の出力電流と、模擬太陽光出力電流すなわち電流計１２１の測定電流、ＡＣアダプタ出力電流すなわち電流計１２２の測定電流の関係を示す。模擬太陽光入力電流が０のときは、模擬太陽光出力電流がゼロで、模擬太陽光入力電流が増えるにつれ、模擬太陽光出力電流が増えていくのがわかる。また、模擬太陽光入力電流が０のときは、ＡＣアダプタ出力電流が大きく、模擬太陽光入力電流が増えるにつれ、ＡＣアダプタ出力電流が減っていくのがわかる。

尚、模擬太陽光入力電流が０．０２Ａ（アンペア）から０．４０Ａ（アンペア）までは、模擬太陽光入力電圧がすなわち、太陽電池１０１の電圧が、１４．４Ｖ（ボルト）〜１４．９Ｖ（ボルト）とほぼ一定なのに対し、模擬太陽光入力電流が０．４３Ａ（アンペア）の点は、模擬太陽光入力電圧がすなわち、太陽電池１０１の電圧が、１９．２Ｖ（ボルト）であるため、模擬太陽光出力電流が大幅に上昇している点に注意する必要がある。模擬太陽光入力電流が０．００Ａ（アンペア）、０．４３Ａ（アンペア）の点は、協調充電モードではない。１４．４Ｖ（ボルト）〜１４．９Ｖ（ボルト）とほぼ一定のこの電圧が、第一の一定電圧値である。尚、配線の抵抗等の影響により、多少の範囲の変化があっても、一定電圧値とみなすことにする。

協調充電モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より小さいので、抵抗器１２７、抵抗器１２８で分割されてできるノード３１９の電位が低くなる。そのため、インバータ１２９の出力であるノード３２０の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１２３はオフする。このとき、太陽電池１０１、直流直流変換器１０７経由でＵＳＢ機器１０９には充電されない。

次に、晴天第一モードに関し説明する。晴天第一モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より大きいので、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が高くなる。そのため、インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位はＬ（ロー）となる。そして、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１１０はオン、アナログスイッチング素子１１１はオフする。この状態で、商用交流電源１０２からＡＣアダプタ１０４経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電されない。一方、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由ではＵＳＢ機器１０６には充電される。尚、インバータ１１７、インバータ１１８へは、ノード３１６から整流用ダイオード１１９経由で、電流が供給される。

晴天第一モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より小さいので、抵抗器１２７、抵抗器１２８で分割されてできるノード３１９の電位が低くなる。そのため、インバータ１２９の出力であるノード３２０の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１２３はオフする。このとき、太陽電池１０１、直流直流変換器１０７経由でＵＳＢ機器１０９には充電されない。太陽電池１０１が発電していて、ＵＳＢ機器１０６の要求電力が太陽電池１０１のみでちょうどまかなうことができる場合は、晴天第一モードとなる。

次に、晴天余剰充電第一モードに関し説明する。晴天余剰充電第一モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より大きいので、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が高くなる。そのため、インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位はＬ（ロー）となる。そして、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１１０はオン、アナログスイッチング素子１１１はオフする。この状態で、商用交流電源１０２からＡＣアダプタ１０４経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電されない。一方、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由ではＵＳＢ機器１０６には充電される。尚、インバータ１１７、インバータ１１８へは、ノード３１６から整流用ダイオード１１９経由で、電流が供給される。

晴天余剰充電第一モードでは、太陽電池１０１の発電量が増えると、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より大きくなるように働く。その結果、抵抗器１２７、抵抗器１２８で分割されてできるノード３１９の電位が高くなる。インバータ１２９の出力であるノード３２０の電位が下がり、インバータ１２９の出力であるノード３２０の電位が上がる。そのため、アナログスイッチング素子１２３は電流を増やすよう働く。その結果、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第二の一定電圧値となる。

晴天余剰充電第一モードでは、太陽電池１０１の発電量が減ると、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より小さくなるように働く。その結果、抵抗器１２７、抵抗器１２８で分割されてできるノード３１９の電位が低くなる。インバータ１２９の出力であるノード３２０の電位が上がる。そのため、アナログスイッチング素子１２３は電流を減らすよう働く。その結果、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第二の一定電圧値となる。

晴天余剰充電第一モードでは、太陽電池１０１が発電した電力の大半は、直流直流変換器１０３および直流直流変換器１０７で変換され、ＵＳＢ機器１０６およびＵＳＢ機器１０９で消費される。晴天余剰充電第一モードでは、太陽電池１０１が発電した電力が、ＵＳＢ機器１０６で優先的に消費され、その残りが、ＵＳＢ機器１０９で消費される。このモードでは、ＵＳＢ機器１０９の要求電力は、すべては供給されない。

次に、晴天余剰充電第二モードに関し説明する。晴天余剰充電第二モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より大きいので、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が高くなる。そのため、インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位はＬ（ロー）となる。そして、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１１０はオン、アナログスイッチング素子１１１はオフする。この状態で、商用交流電源１０２からＡＣアダプタ１０４経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電されない。一方、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由ではＵＳＢ機器１０６には充電される。尚、インバータ１１７、インバータ１１８へは、ノード３１６から整流用ダイオード１１９経由で、電流が供給される。

ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より大きいので、抵抗器１２７、抵抗器１２８で分割されてできるノード３１９の電位が高くなる。そのため、インバータ１２９の出力であるノード３２０の電位はＬ（ロー）となる。そのため、アナログスイッチング素子１２３はオンする。太陽電池１０１、直流直流変換器１０７経由ではＵＳＢ機器１０９に充電される。

晴天余剰充電第二モードでは、太陽電池１０１が発電した電力の大半は、直流直流変換器１０３および直流直流変換器１０７で変換され、ＵＳＢ機器１０６およびＵＳＢ機器１０９で消費される。晴天余剰充電第二モードでは、太陽電池１０１が発電した電力が、ＵＳＢ機器１０６で優先的に消費され、その残りが、ＵＳＢ機器１０９で消費されるが、ＵＳＢ機器１０６もＵＳＢ機器１０９も必要な電力が十分供給されている状態である。

最後に、図７に示していないが、スタンドアロンモードについて説明する。スタンドアロンモードは、商用交流電源１０２から電力が供給されない、あるいはＡＣアダプタ１０４が接続されていない場合で、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値の場合である。スタンドアロンモードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値になるので、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が基準値近くになる。そのため、インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位はＨ（ハイ）でもＬ（ロー）でもない中間的な値となる。そのため、アナログスイッチング素子１１０は電流を制限しつつオンする。

スタンドアロンモードでは、太陽電池１０１の発電量が増えると、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より大きくなるように働く。その結果、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が高くなる。インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位が下がり、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位が上がる。そのため、アナログスイッチング素子１１０は電流を増やすよう働く。その結果、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第一の一定電圧値となる。

スタンドアロンモードでは、太陽電池１０１の発電量が減ると、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より小さくなるように働く。その結果、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が低くなる。インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位が上がり、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位が下がる。そのため、アナログスイッチング素子１１０は電流を減らすよう働く。その結果、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第一の一定電圧値となる。

以上により、太陽電池１０１が発電しており、商用交流電源１０２から電力が供給されない、あるいはＡＣアダプタ１０４が接続されていない場合で、ＵＳＢ機器１０６の要求電力が太陽電池１０１のみではまかないきれない場合は、スタンドアロンモードとなり、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第一の一定電圧値となる。ＵＳＢ機器１０６の要求電力が太陽電池１０１のみでまかないきれる場合、晴天第一モード以上となる。

スタンドアロンモードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より小さいので、抵抗器１２７、抵抗器１２８で分割されてできるノード３１９の電位が低くなる。そのため、インバータ１２９の出力であるノード３２０の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１２３はオフする。このとき、太陽電池１０１、直流直流変換器１０７経由でＵＳＢ機器１０９には充電されない。

スタンドアロンモードでは、太陽電池１０１が発電した電力の大半は、直流直流変換器１０３で変換され、ＵＳＢ機器１０６で消費される。スタンドアロンモードでは、ＵＳＢ機器１０６が必要とする電力が全部は供給されていない状態である。
スタンドアロンモードでは、アナログスイッチング素子１１０があることにより、ＵＳＢ機器１０６に充電する電流をあえて抑えることにより、ノード３１５、ノード３２２間の電圧をある程度高く維持し、その結果、ＵＳＢ機器１０６に充電する電流を一定量確保する。もし、アナログスイッチング素子１１０が無かったら、ＤＣＤＣコンバータ１０３は最大限ＵＳＢ機器１０６充電しようとし、ノード３１５、ノード３２２間の電圧が下がってしまい、かえってＵＳＢ機器１０６に充電する電流が減ってしまうことがある。
図１０に、太陽電池の両端の電圧と、取り出せる電流、電力の関係を示す。太陽電池の両端の電圧が１７Ｖ付近で最大の電力が取り出せる。もし、スタンドアロンモードで、アナログスイッチング素子１１０が無かったら、ＤＣＤＣコンバータ１０３は、太陽電池１０１の電圧が、出力電圧５Ｖより少し高い電圧、例えば６Ｖ程度になるように制御される。
一方、アナログスイッチング素子１１０があった場合、太陽電池１０１の電圧が、より高い電圧例えば１４．５Ｖ程度ないとアナログスイッチング素子１１０がオンしないので、フィードバック制御により、太陽電池１０１の電圧が、より高い電圧例えば１４．５Ｖ程度となる。図１０に示した通り、太陽電池１０１の電圧が、より高い電圧例えば１４．５Ｖ程度の方が、より大きな電力を取り出すことができる。尚、太陽電池１０１の電圧として最大の１７Ｖよりやや小さめの電圧が適するのは、温度上昇による電圧の低下、複数の太陽電池を接続する場合の逆流防止ダイオードによる電圧降下、配線による電圧降下を考慮してのことである。

次に第１の実施の形態における使用方法について述べる。ＵＳＢ機器１０６に用いられる充電対象機器には、スマートフォンやタブレットなどが挙げられる。ＵＳＢ機器１０６に用いられる充電対象機器には、充電可能なときは、常に満充電に向けて充電し続ける。ＵＳＢ機器１０６に用いられる充電対象機器は、商用交流電源１０２から電力が供給される場合、図７に挙げたすべてのモードにおいて充電されるからである。充電される電力を供給するのは、太陽電池１０１または商用交流電源１０２またはその両方である。図7で挙げたすべてのモードにおいて常に太陽電池１０１または商用交流電源１０２またはその両方から充電される。ただし、太陽電池１０１が発電しておらず、しかも商用交流電源１０２から電力が供給されない場合は、ＵＳＢ機器１０６には充電されない。

ＵＳＢ機器１０９に用いられる充電対象機器には、モバイルバッテリーなどが挙げられる。ＵＳＢ機器１０９に用いられる充電対象機器には、余剰電力がある場合に充電する。ＵＳＢ機器１０６に用いられる充電対象機器は、図７に挙げた晴天余剰充電第一モード、晴天余剰充電第二モードでのみ充電されるからである。ＵＳＢ機器１０９に充電される電力を供給するのは、太陽電池１０１のみである。

ＵＳＢ機器１０９に用いられるモバイルバッテリーは、停電や災害時に、商用交流電源１０２が電力を供給できなくなった際、手動で接続を変え、モバイルバッテリーからスマートフォンやタブレットに電力を供給することができる。

ＵＳＢ機器１０９にモバイルバッテリーを接続し、余剰電力がある場合にのみ充電するシステムは、通常の１２Ｖの鉛蓄電池を用いた独立電源システムと、以下の点で異なる。１．通常の１２Ｖの鉛蓄電池を用いた独立電源システムでは、電力が足りない場合、鉛蓄電池から供給されるが、本発明のシステムでは、商用交流電源から供給される。
２．通常の１２Ｖの鉛蓄電池を用いた独立電源システムでは、太陽電池で発電した電力は、いったん１２Ｖ等のバッテリーの電圧部に接続される。そのため、そこから直流直流変換される場合、１２Ｖから直流直流変換される。本発明のシステムでは、もっと大きい電圧から直流直流変換できる。

上記１により、通常の１２Ｖの鉛蓄電池を用いた独立電源システムでは、鉛蓄電池の充放電が頻発し、鉛蓄電池の寿命が短くなることにより、費用、ランニングコストがかかる。本発明のシステムでは、モバイルバッテリーは頻繁に充放電を繰り返すことはなく、寿命が長くなり、費用（ランニングコスト）が安くなる。また、上記２により電力利用効率が良くなる。なぜなら、太陽電池から１２Ｖ等のバッテリーの電圧部の電圧に降下せずに直流直流変換できるからである。また、鉛蓄電池は重い。一方、本発明のシステムで用いられるモバイルバッテリーは、小型低価格で、どこにでも持ち運ぶことができ、持ち運んだ先で、ＵＳＢ機器に充電できる。

本発明の協調充電システムで用いるキャパシタについて説明する。尚、キャパシタとコンデンサは同じ意味である。キャパシタを１１２、１１３、１１４，１２４、１２５、１２６に設置ずる。直流直流変換器には、通常、入力側と出力側にそれぞれキャパシタを接続するよう指示される。これは、スイッチングによるリップルを低減するためである。リップルとは、主にスイッチングなどのときに発生する電圧の周期的な振動のことである。通常、入力側には、電解コンデンサ＋セラミックコンデンサを、出力側には電解コンデンサを接続する。電解コンデンサは、容量当たりのコストに優れ、セラミックコンデンサは高周波応答に優れる。

直流直流変換器１０３の入力である１１２、出力である１１３にキャパシタを用い、同じく直流直流変換器１０７の入力である１２４、出力である１２５にキャパシタを用いる。尚、キャパシタ１１２とキャパシタ１２４は同じノードに接続されるため、直流直流変換器１０３と直流直流変換器１０７の距離が近ければ、片方省いてもよい。

また、ＵＳＢジャックの直前にもキャパシタを設置すると、充電されるＵＳＢ機器へ伝わるノイズを低減できる。ＵＳＢジャック１０５とキャパシタ１１３の間には、アナログスイッチング素子１１０等があるので、電圧安定のため、キャパシタ１１４を設置するのがよい。キャパシタ１１４は、ＡＣアダプタ１０４からのノイズを低減する効果もある。ＵＳＢジャック１０８とキャパシタ１２５の間には、アナログスイッチング素子１２３等があるので、電圧安定のため、キャパシタ１２６を設置するのがよい。

適切なキャパシタの例は、１１２と１２４に電解コンデンサ１０００ｕＦ（マイクロファラッド）＋セラミックコンデンサ０．１ｕＦ（マイクロファラッド）、１１３と１２５に電解コンデンサ４７０ｕＦ（マイクロファラッド）を２つずつ、１１４と１２６に電解コンデンサ４７０ｕＦ（マイクロファラッド）＋セラミックコンデンサ０．１ｕＦ（マイクロファラッド）である。尚、このようにキャパシタを接続しなくても動作するが、品質の良い出力のため。キャパシタにも配慮すべきである。このようにキャパシタを接続することにより、ノイズやリップルの小さな充電システムを提供する。

本発明より劣る例を示す。図４に示した直流直流変換器の集積素子２２１の例では、１番ピンが、スタンバイ端子となっており、Ｈ（ハイ）を与えると、直流直流変換器の集積素子２２１を停止することができる。このことを利用し、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より小さくなると、スタンバイ端子である１番ピンにＨ（ハイ）を与え、直流直流変換器１０３を停止するようなフィードバックを行うことができる。

しかし、この方法では、特にスタンドアロンモードにおいて、ノード３１５とノード３２２間の電圧変化に対し、直流直流変換器１０３が動作する期間、停止する期間が、ある程度長い時間連続する。ある程度長い時間とは、例えば１０ｍｓ（ミリ秒）くらいである。そのため、スタンドアロンモードにおいて、ＵＳＢジャック１０５経由でＵＳＢ機器１０６に供給される電圧には、大きなリップルを持つことになる。本発明による協調充電システムは、この劣る例よりも、ノイズやリップルの小さな充電システムを提供する。

既に述べている通り、アナログスイッチング素子１１０、１２３が、一つのＰＭＯＳ電界効果トランジスタのみで構成されている場合、ノード３１８からノード３１６の方向、ノード３２２からノード３２１の方向に流れる電流を阻止できず、太陽電池１０１に逆電流防ダイオードが必要になり、逆電流防ダイオードの電圧降下により電力利用効率が悪くなる。本発明は、電力利用効率が良い充電システムを提供する。

本発明により、主として蓄電池の寿命を延ばすことによる、蓄電池の費用（ランニングコスト）を抑えた充電システムを提供する。太陽電池から直接充電される経路に関しては、太陽光パネルから一度も交流に変換せずに充電対象に充電される直流給電であるとともに、電圧変換も１回だけで、無駄がない。また、電力利用効率が良く、ノイズやリップルの小さな充電システムを提供する。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、協調充電システムに関する。第１の実施の形態では、余剰電力はモバイルバッテリーに充電されるが、第２の実施の形態では、鉛蓄電池に充電される。

図９に、第１の実施の形態の協調充電システムの図を示す。協調充電システムは、第一の制御回路５０１、第二の制御回路５０３、太陽電池１０１、商用交流電源１０２、ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６、鉛蓄電池１４１より構成される。

第一の制御回路５０１に関しては、第１の実施の形態における第一の制御回路５０１と同じなので省略する。

第二の制御回路５０３は、アナログスイッチング素子１４２、アナログスイッチング素子１４３、抵抗器１４４、抵抗器１４５、抵抗器１４７、抵抗器１４８、インバータ１４６、インバータ１４９、インバータ１５０、電流計１５１より構成される。尚、第１の実施の形態における第二の制御回路５０２と、第２の実施の形態における第二の制御回路５０３は、回路構成は異なるが、広い意味において役割が近いため、同じ呼び方をする。

第二の制御回路５０３の接続について説明する。鉛蓄電池１４１のプラス端子は、電流計１５１のマイナス端子に接続される。鉛蓄電池１４１のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。ＧＮＤ３１５に接続される素子は多いので、ＧＮＤ３１５に接続される素子・機器は、ＧＮＤ３１５に接続されるとだけ記す。

アナログスイッチング素子１４２の一端は、太陽電池１０１のプラス端子、直流直流変換器１０３のプラス入力端子、キャパシタ１１２のプラス端子、抵抗器１１５の一端、抵抗器１４４の一端、インバータ１４６のＶＤＤ端子に接続される。アナログスイッチング素子１４２のもう一端は、アナログスイッチング素子１４３の一端（入力）、インバータ１４９のＶＤＤ端子、インバータ１５０のＶＤＤ端子に接続される。アナログスイッチング素子１４２のコントロール端子は、インバータ１４６の出力に接続される。

アナログスイッチング素子１４３の一端（入力）は、アナログスイッチング素子１４２の一端、インバータ１４９のＶＤＤ端子、インバータ１５０のＶＤＤ端子に接続される。アナログスイッチング素子１４３のもう一端（出力）は、電流計１５１のプラス端子に接続される。アナログスイッチング素子１４３のコントロール端子は、インバータ１５０の出力に接続される。

抵抗器１４４の一端は、太陽電池１０１のプラス端子、直流直流変換器１０３のプラス入力端子、キャパシタ１１２のプラス端子、抵抗器１１５の一端、インバータ１４６のＶＤＤ端子、アナログスイッチング素子１４２の一端に接続される。

抵抗器１４５の一端は、抵抗器１４４の一端、インバータ１４６の入力に接続される。抵抗器１４５のもう一端は、ＧＮＤ３１５に接続される。

インバータ１４６の入力は、抵抗器１４４の一端、抵抗器１４５の一端に接続される。インバータ１４６の出力は、アナログスイッチング素子１４２のコントロール端子に接続される。インバータ１４６のＶＤＤ端子は、太陽電池１０１のプラス端子、直流直流変換器１０３のプラス入力端子、キャパシタ１１２のプラス端子、抵抗器１１５の一端、抵抗器１４４の一端、アナログスイッチング素子１４２の一端に接続される。インバータ１４６のＶＳＳ端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

抵抗器１４７の一端は、アナログスイッチング素子１４３の一端、電流計１５１のプラス端子に接続される。抵抗器１４７のもう一端は、抵抗器１４８の一端、インバータ１４９の入力端子に接続される。

抵抗器１４８の一端は、抵抗器１４７の一端、インバータ１４９の入力端子に接続される。抵抗器１４８のもう一端は、ＧＮＤ３１５に接続される。

インバータ１４９の入力は、抵抗器１４７の一端、抵抗器１４８の一端に接続される。インバータ１４９の出力は、インバータ１５０の入力端子に接続される。インバータ１４９のＶＤＤ端子は、アナログスイッチング素子１４２の一端、アナログスイッチング素子１４３の一端（入力）、インバータ１５０のＶＤＤ端子に接続される。インバータ１４９のＶＳＳ端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

インバータ１５０の入力は、インバータ１４９の出力端子に接続される。インバータ１５０の出力は、アナログスイッチング素子１４３のコントロール端子に接続される。インバータ１５０のＶＤＤ端子は、アナログスイッチング素子１４２の一端、アナログスイッチング素子１４３の一端（入力側）、インバータ１４９のＶＤＤ端子に接続される。インバータ１５０のＶＳＳ端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。

電流計１５１のプラス端子は、アナログスイッチング素子１４３の一端（出力）、抵抗器１４７の一端に接続される。電流計１５１のマイナス端子は、鉛蓄電池１４１のプラス端子に接続される。

アナログスイッチング素子１４２は、図２（ａ）に示した通り、アナログスイッチング素子１４３、図２（ｂ）に示した通りである。

アナログスイッチング素子１４２の接続について説明する。図９におけるノード３２２は図２（ａ）のノード４０１に接続される。図９におけるノード３３６は図２（ａ）のノード４０２に接続される。図９におけるノード３３２は、図２（ａ）のノード４０３に接続される。

アナログスイッチング素子１４３の接続について説明する。図９におけるノード３３６は図２（ｂ）のノード４０１に接続される。図９におけるノード３３７は図２（ｂ）のノード４０２に接続される。図９におけるノード３３５は、図２（ｂ）のノード４０３に接続される。

ここで、図２（ｂ）のように、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ１つをアナログスイッチング素子として用いる場合、ノード４０５の電位の方がノード４０４の電位より高い場合、電流を調整・制限することはできず、入力であるゲート４０６の電位にかかわらず大きな電流が流れる。

図２（ａ）のように、ソースを逆にして接続したＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２つを直列にしたものをアナログスイッチング素子として用いると、ノード４０１、ノード４０２のどちらの電位が高くても、入力であるゲート４０３の電位により、ノード４０１とノード４０２の間に流れる電流をアナログ的にコントロールできる。ノード４０１またはノード４０２とゲートであるノード４０３の間の電圧が大きくなるほど、ノード４０１とノード４０２の間に流れる電流が大きくなる。このようなアナログ的な動作は、フィードバックで電流量を調整するのに用いることができる。

図２（ａ）のように、ソースを逆にして接続したＰＭＯＳ電界効果トランジスタ２つを直列にしたものをアナログスイッチング素子として用いる場合、ノード４０５の電位の方がノード４０４の電位より高い場合、ノード４０４の電位の方がノード４０５の電位より高い場合のどちらでも、入力であるゲート４０３の電位により、ソースであるノード４０１とドレインであるノード４０２の間に流れる電流をアナログ的にコントロールできる。

アナログスイッチング素子１４２は、ノード３３６からノード３２２に流れる電流を阻止するために、図２（ａ）の回路を用いる。アナログスイッチング素子１１１のみではなく、アナログスイッチング素子１１０があることにより、太陽電池１０１のみでＵＳＢ機器１０６を充電するスタンドアロンモードで効率よく電力を利用できる。

多くのシステムでは、太陽電池１０１が発電していないときに電流が逆流しないように、逆電流防止ダイオードを直列に接続する。アナログスイッチング素子１４２がこれらの電流を阻止することにより、太陽電池１０１が発電していないときに、逆電流防止ダイオードがなく太陽電池１０１が発電していないときでも太陽電池１０１を通って電流が逆流しない。

一方、アナログスイッチング素子１４３に関しては、以下が成り立つ。アナログスイッチング素子１４２がオンして電流を流すときは、必ずノード３１５、ノード３３７間に比べ、ノード３１５、ノード３２２間の方が電圧が大きくなるように制御するようにすれば、図２（ａ）のような双方向電流制限ではなく、図２（ｂ）のような単方向電流制限のもので十分である。

インバータ１４６、インバータ１４９、インバータ１５０の中身は、図３に示した通りである。図３は、ＮＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１、抵抗器２１２で構成される。

図９のインバータ１４６の接続について説明する。図９のノード３３１は、図３のノード４１１に接続される。図９のノード３３２は、図３のノード４１２に接続される。図９のノード３２２は図３のノード４１３に接続される。図１のノード３１５は、図３のノード４１４に接続される。

図９のインバータ１４９の接続について説明する。図９のノード３３３は、図３のノード４１１に接続される。図９のノード３３４は、図３のノード４１２に接続される。図９のノード３３６は、図３のノード４１３に接続される。図９のノード３１５は、図３のノード４１４に接続される。

図９のインバータ１５０の接続について説明する。図９のノード３３４は、図３のノード４１１に接続される。図９のノード３３５は、図３のノード４１２に接続される。図９のノード３３６は、図３のノード４１３に接続される。図９のノード３１５は、図３のノード４１４に接続される。

夜間モードは、商用交流電源１０２からＡＣアダプタ１０４経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電されるモードである。このモードでは、鉛蓄電池１４１は充電されない。太陽電池１０１が発電していないときに夜間モードになる。協調充電モードは、商用交流電源が得られることを前提とし、商用交流電源１０２、ＡＣアダプタ１０４経由でと、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由で、という２つの経路で、ＵＳＢ機器１０６に充電されるモードである。このモードでは、鉛蓄電池１４１は充電されない。太陽電池１０１が発電しているが、ＵＳＢ機器１０６の要求電力が太陽電池１０１のみではまかないきれない場合は、協調充電モードとなる。

晴天第一モードは、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電されるモードである。このモードでは、鉛蓄電池１４１は充電されない。太陽電池１０１が発電していて、ＵＳＢ機器１０６の要求電力が太陽電池１０１のみでちょうどまかなうことができる場合は、晴天第一モードとなる。晴天余剰充電モード１は、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電され、太陽電池１０１、アナログスイッチング素子１４２、アナログスイッチング素子１４３経由で、鉛蓄電池１４１が充電され、電力が余らないモードである。晴天余剰充電モード２は、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電され、太陽電池１０１、アナログスイッチング素子１４２、アナログスイッチング素子１４３経由で、鉛蓄電池１４１が充電され、電力が余るモードである。スタンドアロンモードは、晴天第一モードと同じく太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由で、ＵＳＢ機器１０６に充電されるが、商用交流電源１０２からの電力供給がなく、太陽電池１０１が発電する電力でＵＳＢ機器１０６が要求する電力すべてをまかないきれていないモードである。このモードでは、鉛蓄電池１４１は充電されない。

夜間モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より小さいので、抵抗器１４４、抵抗器１４５で分割されてできるノード３３１の電位が低くなる。そのため、インバータ１４６の出力であるノード３３２の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１４２はオフする。このとき、太陽電池１０１、アナログスイッチング素子１４２経由で鉛蓄電池１４１には充電されない。

協調充電モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より小さいので、抵抗器１４４、抵抗器１４５で分割されてできるノード３３１の電位が低くなる。そのため、インバータ１４６の出力であるノード３３２の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１４２はオフする。このとき、太陽電池１０１、アナログスイッチング素子１４２経由で鉛蓄電池１４１には充電されない。

晴天第一モードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より小さいので、抵抗器１４４、抵抗器１４５で分割されてできるノード３３１の電位が低くなる。そのため、インバータ１４６の出力であるノード３３２の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１４２はオフする。このとき、太陽電池１０１、アナログスイッチング素子１４２経由で鉛蓄電池１４１には充電されない。

晴天余剰充電第一モードでは、鉛蓄電池の両端の電圧すなわちノード３１５、ノード３３８間の電圧が低い場合、以下のように動作する。太陽電池１０１の発電量が増えると、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より大きくなるように働く。その結果、抵抗器１４４、抵抗器１４５で分割されてできるノード３３１の電位が高くなる。そして、インバータ1４６の出力であるノード３３２の電位が下がる。そのため、アナログスイッチング素子１４２は電流を増やすよう働く。その結果、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第二の一定電圧値となる。

晴天余剰充電第一モードでは、鉛蓄電池の両端の電圧すなわちノード３１５、ノード３３８間の電圧が低い場合、以下のように動作する。太陽電池１０１の発電量が減ると、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より小さくなるように働く。その結果、抵抗器１４４、抵抗器１４５で分割されてできるノード３３１の電位が低くなる。インバータ１４６の出力であるノード３３２の電位が上がる。そのため、アナログスイッチング素子１４２は電流を減らすよう働く。その結果、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第二の一定電圧値となる。

鉛蓄電池の両端の電圧すなわちノード３１５、ノード３３８間の電圧、ノード３１５、ノード３３７間の電圧が小さい場合、抵抗器１４７、抵抗器１４８で分割されてできるノード３３３の電位が低くなる。インバータ１４９の出力であるノード３３４の電位が上がり、インバータ１５０の出力であるノード３３５の電位がＬ（ロー）になる。そのため、アナログスイッチング素子１４３はオンする。

鉛蓄電池の両端の電圧すなわちノード３１５、ノード３３８間の電圧、ノード３１５、ノード３３７間の電圧が大きい場合、抵抗器１４７、抵抗器１４８で分割されてできるノード３３３の電位が高くなる。インバータ１４９の出力であるノード３３４の電位が下がり、インバータ１５０の出力であるノード３３５の電位がＨ（ハイ）になる。そのため、アナログスイッチング素子１４３はオフする。

上記制御により、鉛蓄電池の両端の電圧すなわちノード３１５、ノード３３８間の電圧は、鉛蓄電池の充電完了電圧である第三の一定電圧値を超えないように制御される。晴天余剰充電第一モードでは、鉛蓄電池の両端の電圧すなわちノード３１５、ノード３３８間の電圧が第三の一定電圧値に到達すると、アナログスイッチング素子１４３がオフし、アナログスイッチング素子１４２の状態にかかわらず、鉛蓄電池１４１が充電されない。この状態になると、ＵＳＢ機器１０６、鉛蓄電池１４１で電力が消費されても電流が余る、晴天余剰充電第二モードになる。第三の一定電圧値は、例えば１３．８Ｖ（ボルト）である。

晴天余剰充電第一モードでは、太陽電池１０１が発電した電力の大半は、直流直流変換器１０３で変換され、ＵＳＢ機器１０６で消費されるか、鉛蓄電池１４１に充電される。晴天余剰充電第一モードでは、太陽電池１０１が発電した電力が、ＵＳＢ機器１０６で優先的に消費され、その残りが、鉛蓄電池１４１に充電される。

ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より大きいので、抵抗器１４４、抵抗器１４５で分割されてできるノード３３１の電位が高くなる。そのため、インバータ１４６の出力であるノード３３２の電位はＬ（ロー）となる。そのため、アナログスイッチング素子１４２はオンする。

しかし、鉛蓄電池の両端の電圧すなわちノード３１５、ノード３３８間の電圧、ノード３１５、ノード３３７間の電圧が大きい場合、抵抗器１４７、抵抗器１４８で分割されてできるノード３３３の電位が高くなる。インバータ１４９の出力であるノード３３４の電位が下がり、インバータ１５０の出力であるノード３３５の電位がＨ（ハイ）になる。そのため、アナログスイッチング素子１４３はオフする。晴天余剰充電第二モードになるのは、通常、鉛蓄電池１４１が満充電、すなわちノード３１５、ノード３３８間の電圧が第三の一定電圧値に到達してアナログスイッチング素子１４３がオフの場合、あるいは鉛蓄電池１４１が満充電に近く、ノード３１５、ノード３３８間の電圧が第三の一定電圧値付近で、アナログスイッチング素子１４３で電流が制限される場合である。

晴天余剰充電第二モードでは、太陽電池１０１が発電した電力の大半は、直流直流変換器１０３で変換され、ＵＳＢ機器１０６で消費されるか、あるいは鉛蓄電池１４１に充電される。晴天余剰充電第二モードでは、太陽電池１０１が発電した電力が、ＵＳＢ機器１０６で優先的に消費され、その残りが、鉛蓄電池１４１に充電され、ＵＳＢ機器１０６にも鉛蓄電池１４１にも必要な電力が十分供給されている状態である。

最後に、図７に示していないが、スタンドアロンモードについて説明する。スタンドアロンモードは、商用交流電源１０２から電力が供給されない、あるいはＡＣアダプタ１０４が接続されていない場合である。スタンドアロンモードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値になるので、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が基準値近くになる。そのため、インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位はＨ（ハイ）でもＬ（ロー）でもない中間的な値となる。そのため、アナログスイッチング素子１１０は電流を制限しつつオンする。

スタンドアロンモードでは、太陽電池１０１の発電量が増えると、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より大きくなるように働く。その結果、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が高くなる。そして、インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位が下がり、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位が上がる。そのため、アナログスイッチング素子１１０は電流を増やすよう働く。その結果、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第一の一定電圧値となる。

スタンドアロンモードでは、太陽電池１０１の発電量が減ると、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第一の一定電圧値より小さくなるように働く。その結果、抵抗器１１５、抵抗器１１６で分割されてできるノード３１１の電位が低くなる。そして、インバータ１１７の出力であるノード３１２の電位が上がり、インバータ１１８の出力であるノード３１３の電位が下がる。そのため、アナログスイッチング素子１１０は電流を減らすよう働く。その結果、ノード３１５とノード３２２間の電圧は第一の一定電圧値となる。

スタンドアロンモードでは、ノード３１５とノード３２２間の電圧が第二の一定電圧値より小さいので、抵抗器１４４、抵抗器１４５で分割されてできるノード３３１の電位が低くなる。そのため、インバータ１４６の出力であるノード３３２の電位はＨ（ハイ）となる。そのため、アナログスイッチング素子１４２はオフする。このとき、太陽電池１０１、アナログスイッチング素子１４２経由で鉛蓄電池１４１には充電されない。

スタンドアロンモードでは、太陽電池１０１が発電した電力の大半は、直流直流変換器１０３で変換され、ＵＳＢ機器１０６で消費される。ＵＳＢ機器１０６が必要とする電力が全部は供給されていない状態である。

次に第２の実施の形態における使用方法について述べる。ＵＳＢ機器１０６に用いられる充電対象機器には、スマートフォンやタブレットなどが挙げられる。ＵＳＢ機器１０６に用いられる充電対象機器には、充電可能なときは、常に満充電に向けて充電し続ける。ＵＳＢ機器１０６に用いられる充電対象機器は、商用交流電源１０２から電力が供給される場合、図７に挙げたすべてのモードにおいて充電されるからである。充電される電力を供給するのは、太陽電池１０１または商用交流電源１０２またはその両方である。図７で挙げたすべてのモードにおいて常に太陽電池１０１または商用交流電源１０２またはその両方から充電される。ただし、太陽電池１０１が発電しておらず、しかも商用交流電源１０２から電力が供給されない場合は、ＵＳＢ機器１０６には充電されない。

図９の１４１は鉛蓄電池であり、停電や災害などの非常時に電力を使用する。停電や災害などの非常時は、手動で配線を組み替え、鉛蓄電池１４１からの電力で、ＵＳＢ機器、１２Ｖ機器、１００Ｖ機器などを利用する。ＵＳＢ機器を使用する際は、直流直流変換器を用いて５Ｖに変換し、充電する。尚、図９の太陽電池１０１を鉛蓄電池に置き換え、ＵＳＢジャック１０５にＵＳＢケーブルを接続することにより、１０６の位置のＵＳＢ機器を充電できる。また、１００Ｖ機器を使用する際は、ＡＣインバータを用意して用いる必要がある。

図９の協調充電システムは、商用交流電源１０２が得られない場合、太陽電池１０１からの電力のみでＵＳＢ機器１０６を充電するスタンドアロンモードを備える。そのため、日照が得られる昼間であれば、商用交流電源１０２が得られない場合でもＵＳＢ機器１０６を充電することができる。しかし、日照が得られない夜間に停電や災害などが発生した場合は、スタンドアロンモードではＵＳＢ機器１０６に充電することができない。そのため、夜間に停電や災害などが発生した場合は、手動で組み換え、鉛蓄電池１４１に蓄えられた電力を使用する。

１４１の位置に鉛蓄電池を接続し、余剰電力がある場合にのみ充電するシステムは、通常の１２Ｖの鉛蓄電池を用いた独立電源システムと、以下の点で異なる。
１．通常の１２Ｖの鉛蓄電池を用いた独立電源システムでは、電力が足りない場合、鉛蓄電池から供給されるが、本発明のシステムでは、商用交流電源から供給される。
２．通常の１２Ｖの鉛蓄電池を用いた独立電源システムでは、太陽電池で発電した電力は、いったん１２Ｖ等のバッテリーの電圧部に接続される。そのため、そこから直流直流変換される場合、１２Ｖから直流直流変換される。本発明のシステムでは、直流直流変換器１０３にはもっと大きい電圧から直流直流変換できる。

上記１により、通常の１２Ｖの鉛蓄電池を用いた独立電源システムでは、鉛蓄電池の充放電が頻発し、鉛蓄電池の寿命が短くなることにより、費用、ランニングコストがかかる。本発明のシステムでは、鉛蓄電池１４１は頻繁に充放電を繰り返すことはなく、寿命が長くなり、費用（ランニングコストコスト）が安くなる。上記２により電力利用効率が良くなる。なぜなら、太陽電池から１２Ｖ等のバッテリーの電圧部の電圧に降下せずに直流直流変換できるからである。

鉛蓄電池は、電力的に空の状態で長期間保存すると、劣化する。鉛蓄電池は、常に満充電付近の状態にしておくと長く使える。第１の実施の形態と異なり、第２の実施の形態では、鉛蓄電池１４１を用いるため、鉛蓄電池を満充電の状態にしておくため、晴天余剰第一モード、晴天余剰第二モードになりやすいようにするのがよい。そのためには、太陽電池１０１を大きなものしておくのがよい。第２の実施の形態における太陽電池１０１は、第１の実施の形態における太陽電池１０１より大きなものにする必要がある。

本発明により、主として蓄電池の寿命を延ばすことによる、蓄電池の費用（ランニングコスト）を抑えた充電システムを提供する。

家庭用充電システムに適する。

１０１太陽電池
１０２商用交流電源
１０３、１０７直流直流変換器
１０４ＡＣアダプタ
１０５、１０８ＵＳＢジャック
１０６、１０９ＵＳＢ機器（充電対象機器）
１１０、１２３アナログスイッチング素子（双方向制限）
１１１アナログスイッチング素子（単方向制限）
１１２、１１３、１１４，１２４、１２５、１２６キャパシタ（コンデンサ）
１１５、１１６、１２７、１２８抵抗器
１１７、１１８、１２９インバータ
１１９、１２０整流用ダイオード
１２１、１２２、１３０電流計

３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７、３１８、３１９、３２０，３２１、３２２、３２４ノード

５０１第一の制御回路
５０２第二の制御回路

２０１、２０２、２０３ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ
４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６ノード

２１１ＮＭＯＳ電界効果トランジスタ
２１２抵抗器
４１１、４１２、４１３、４１４ノード

２２１直流直流変換器機能を有する集積回路部品
２２２、２２３キャパシタ（コンデンサ）
２２４抵抗器
４２１、４２２、４２３ノード

２３１ＵＳＢジャック
２３２抵抗器
４３１、４３２ノード

６１１スイッチング素子
６１２インダクタ（コイル）
６１３整流用ダイオード

１４１鉛蓄電池
１４２アナログスイッチング素子（双方向制限）
１４３アナログスイッチング素子（単方向制限）
１４４、１４５、１４７、１４８抵抗器
１４６、１４９、１５０インバータ
１５１電流計

５０３第二の制御回路

Claims

第一の制御回路、第二の制御回路を持ち、
前記第一の制御回路は、第一の電圧判定回路、第一の直流直流変換器、第一のアナログスイッチ、第三のアナログスイッチを持ち、
前記第一の電圧判定回路は、前記第一の直流直流変換器の入力ノードの電圧を判定し、前記第一のアナログスイッチは、前記第一の直流直流変換器の出力ノードと前記第一の充電ノードの間に接続され、前記第三のアナログスイッチは、第三のノードと第一の充電ノードの間に接続され、前記第一の電圧判定回路は、前記第一の直流直流変換器の入力ノードの電圧が、第一の一定電圧値より大きいと判断した場合、前記第一のアナログスイッチをオンするように働き前記第三のアナログスイッチをオフするように働き、前記第一の直流直流変換器の入力ノードの電圧が、前記第一の一定電圧値より小さいと判断した場合、前記第一のアナログスイッチをオフし前記第三のアナログスイッチをオンするように働き、
前記第二の制御回路は、第二の電圧判定回路、第二のアナログスイッチを持ち、
前記第二の電圧判定回路は、第二の入力ノードの電圧を判定し、前記第二の入力ノードの入力ノードの電圧が、第二の一定電圧値より大きいと判断した場合、前記第二のアナログスイッチをオンするように働き、
前記第二の一定電圧値は前記第一の一定電圧値より大きく
前記第一の直流直流変換器の入力ノードが前記第一の一定電圧値より小さい場合、前記第三のノードからの供給電流により前記第一の充電ノードに電流を供給し、前記第二の充電ノードに電流は供給されず、
前記第一の直流直流変換器の入力ノードが前記第一の一定電圧値と等しい場合、前記第三のノードからの供給電流と前記第一の直流直流変換器の入力ノードからの供給電流により前記第一の充電ノードに電流を供給し、前記第二の充電ノードに電流は供給されず、
前記第一の直流直流変換器の入力ノードが前記第一の一定電圧値より大きく前記第二の一定電圧値より小さい場合、前記第一の直流直流変換器の入力ノードからの供給電流により前記第一の充電ノードに電流を供給し、前記第三のノードからの供給電流では、前記第一の充電ノードに電流を供給せず、前記第二の充電ノードに電流は供給されず、
前記第一の直流直流変換器の入力ノードが第二の一定電圧値と等しい場合および、前記第一の直流直流変換器の入力ノードが前記第二の一定電圧値より大きい場合、前記第一の直流直流変換器の入力ノードからの供給電流により前記第一の充電ノードに電流を供給し、前記第三のノードからの供給電流では、前記第一の充電ノードに電流を供給せず、また、前記第二の充電ノードに電流が供給される
ことを特徴とする充電システム。
前記第一のアナログスイッチは、お互いにソースを逆向きに接続した電界効果トランジスタを直列接続したものであり、前記第二のアナログスイッチは、お互いにソースを逆向きに接続した電界効果トランジスタを直列接続したものである
ことを特徴とする請求項１に記載の充電システム。
前記第一の制御回路は、さらに、第一のキャパシタ、第三のキャパシタ、第五のキャパシタを持ち、
前記第二の制御回路は、さらに、第二の直流直流変換器、第四のキャパシタ、第六のキャパシタを持ち、
前記第一のキャパシタは、前記第一の直流直流変換器の入力ノードに接続され、前記第三のキャパシタは、前記第一の直流直流変換器の出力ノードに接続され、前記第五のキャパシタは第一の充電ノードに接続され、
前記第四のキャパシタは、前記第二の直流直流変換器の出力ノードに接続され、前記第六のキャパシタは第二の充電ノードに接続される
ことを特徴とする請求項２に記載の充電システム。
前記第一の直流直流変換器の入力ノードは、太陽電池に接続され、前記第三のノードにはＡＣアダプタが接続可能であり、前記第一の充電ノードには第一の充電対象装置が接続され、前記第二の充電ノードには第二の充電対象装置が接続され、
前記第一の充電対象装置が前記第二の充電対象装置より優先的に充電され、
前記第一の充電対象装置が充電を必要とする状態で接続されていて、かつ、ＡＣアダプタが接続されていて商用電源と電気的につながっているときは、前記太陽電池または前記ＡＣアダプタまたはその両方からの電流により第一の充電対象装置が充電され、
前記第一の充電対象装置が充電を必要とする状態で接続されていて、かつ、ＡＣアダプタが接続されていないか商用電源とつながっておらず、前記太陽電池が発電しているときは、前記太陽電池により前記第一の充電対象装置が充電される
ことを特徴とする請求項３に記載の充電システム。