JP4220660B2 - 太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法とリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法とリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、充電式の二次電池(バッテリ)としては、カドニウムなどの有害物質を含まず、また長時間の連続使用と軽量化に適している等の理由からリチウムイオン二次電池が、パソコンや、携帯電話を含む種々の携帯端末に広く使用されている。そして、リチウムイオン二次電池を充電する際には、出力エネルギーの大きい商用電源(AC100V)や車のバッテリーなどから充電する方法が一般的である。これは、リチウムイオン二次電池を充電するには、数百mAの大電流が必要だからである。
【0003】
一方、パソコンの中でもノート型パソコンや携帯端末は普段持ち歩いて使用する使用形態も多い。このため、商用電源が取れない場所でも、これら機器に内蔵されたリチウムイオン二次電池を充電したいという要望があり、商用電源(AC100V)や車のバッテリー以外から充電できる手段が望まれている。
そこで、小型・軽量であって持ち歩きも可能であり、しかもどこでも利用できる太陽光を電気エネルギーに手軽に変換することが可能な太陽電池を、リチウムイオン二次電池の充電手段として利用できないかという考えがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、太陽電池の素子一個あたりの出力は、電圧で約0.4ボルトから0.5ボルト、電流で1平方センチメートル当り約25ミリアンペアぐらいであり、出力電圧の比較的高い(3.6ボルト)リチウムイオン二次電池に数百mAの電流を流して充電するためには、多くのセルを直列に接続して電圧を確保すると共に、多くのセルを並列に接続して電流も併せて確保する必要があることから、太陽電池が大型化してしまい、携帯可能な寸法にすることが困難であるという課題がある。
【0005】
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、太陽電池の少ない出力電流でもリチウムイオン二次電池を充電できる、太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法とリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。すなわち、本発明に係る太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法は、太陽電池が出力する直流電流によって蓄電手段を充電させ、該蓄電手段とリチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合に前記蓄電手段と前記リチウムイオン二次電池を電気的に接続し、該蓄電手段から第1の直流電流を出力させるとともに、該第1の直流電流の出力により前記蓄電手段から第2の直流電流を出力させ、これらの第1の直流電流及び第2の直流電流によってリチウムイオン二次電池を充電することを特徴とする。
この場合、前記蓄電手段とリチウムイオン二次電池との電気的な接続は、接続制御手段とスイッチ手段からなる充電制御手段によって行われており、前記第1の直流電流は、前記充電制御手段の接続制御手段によって前記蓄電手段から出力され、前記第2の直流電流は、該充電制御手段のスイッチ手段によって該蓄電手段から出力される。
なお、前記接続制御手段は、第1のスイッチング素子を備えるとともに、バイアス手段、ダイオード、及び第2のスイッチング素子の少なくとも1つを備えて構成すればよく、前記スイッチ手段及び第2のスイッチング素子は、電界効果型トランジスタで構成すればよい。また、前記バイアス手段は、コンデンサを備えた構成とすることができる。
【0007】
また、本発明に係るリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置は、太陽電池と、該太陽電池が出力する直流電流によって充電される蓄電手段と、該蓄電手段とリチウムイオン二次電池との間に配置され、蓄電手段と該リチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合に蓄電手段とリチウムイオン二次電池を電気的に接続し、蓄電手段から出力させた直流電流によってリチウムイオン二次電池を充電する充電制御手段とを備え、前記充電制御手段は、少なくとも第1のスイッチング素子を含む接続制御手段とスイッチ手段とからなり、前記蓄電手段とリチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合において、前記接続制御手段の第1のスイッチング素子を介して蓄電手段からリチウムイオン二次電池に出力される第1の直流電流と、前記接続制御手段の第1のスイッチング素子に第1の直流電流が流れて該第1のスイッチング素子がオン状態となることにより、該接続制御手段にバイアス電圧を発生させ、該バイアス電圧によりスイッチ手段がオン状態となることで、該スイッチ手段を介して蓄電手段からリチウムイオン二次電池に出力される第2の直流電流によって、リチウムイオン二次電池が充電されることを特徴とする。
なお、前記接続制御手段は、バイアス手段、ダイオード、及び第2のスイッチング素子を備えて構成すればよく、前記スイッチ手段及び第2のスイッチング素子は、電界効果型トランジスタで構成すればよい。また、前記バイアス手段は、コンデンサを備えた構成とすることができる。
【0008】
これらによれば、太陽電池の出力電流を一旦蓄電手段に蓄え、リチウムイオン二次電池にはこの蓄電手段から充電するため、蓄電手段に電流供給能力の高いもの(例えば内部抵抗が小さいもの)を選べば、太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を十分に充電することが可能となる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法とリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、リチウムイオン二次電池以外の二次電池にも本発明を適用することができることは言うまでもない。
【0010】
まず、リチウムイオン二次電池を充電する方法の概要について図1を用いて説明する。
その方法は、太陽電池10が出力する直流電流によって蓄電手段12を充電しつつ、蓄電手段12とリチウムイオン二次電池14との間の電位差Vdefをチェックする。
そして、電位差Vdefが所定の電圧値Vref以上になった場合に、詳細には蓄電手段12が太陽電池10によって充電されてその電圧がリチウムイオン二次電池14の電圧よりも電圧値Vrefだけ高くなった場合に、蓄電手段12とリチウムイオン二次電池14とを電気的に接続する。この電圧値Vrefは、蓄電手段12やリチウムイオン二次電池14等、リチウムイオン二次電池14に充電する際に流れる電流の経路の内部抵抗を考慮し、当該経路にリチウムイオン二次電池14を充電できるだけの電流が流れるような値に設定する。
そして、蓄電手段12が出力する直流電流によってリチウムイオン二次電池14が充電する。
【0011】
この方法によれば、太陽電池10の出力電流を一旦蓄電手段12に蓄え、リチウムイオン二次電池14にはこの蓄電手段12から充電するため、蓄電手段12に電流供給能力の高いもの(例えば内部抵抗が小さいもの、さらには容量の大きなもの)を選べば、蓄電手段12からリチウムイオン二次電池14へリチウムイオン二次電池14を十分に充電できるだけの大きさの電流を流すことができる。容量を大きくすれば、それだけ長い時間電流を流せる。よって、結果として太陽電池10からリチウムイオン二次電池14を充電できることになる。
【0012】
次に、上記方法を実施するリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置5の一実施の形態について図1と図2を用いて説明する。
まず、構成について説明する。
蓄電手段12は、一例としてコンデンサC1を用いて実現している。コンデンサは安価で、また特に電解コンデンサを用いれば、小型で大容量の蓄電手段12を実現できる。なお、実際には約220μF程度で十分に本願の蓄電手段として機能する。またコンデンサは、内部抵抗も比較的小さいため、リチウムイオン二次電池14への充電電流を低い値に制限してしまうことがない。
【0013】
充電制御手段16は、蓄電手段12とリチウムイオン二次電池14との間に直列に介装されたスイッチ手段16aと、蓄電手段12とリチウムイオン二次電池14との間の電圧差Vdefが予め決められた電圧値Vref以上になったら、その間だけスイッチ手段16aをオン状態に移行させて蓄電手段12とリチウムイオン二次電池14を電気的に接続させる接続制御手段16bとで構成することができる。
そして図2におけるp型の電界効果型トランジスタFET(以下、単にFET)2がスイッチ手段16aに該当し、充電制御手段16のその他の回路素子が接続制御手段16bとして機能する。
【0014】
充電制御手段16の具体的な一回路例について図2を用いて説明する。なお、以下に説明する回路例以外にも同じ機能を、他の回路構成で実現できることはもちろんである。
蓄電手段12とリチウムイオン二次電池14との間には、抵抗R2とFET2とダイオードD2が、この順番で直列に介装されている。詳細にはFET2のソース端子は抵抗R2と接続され、FET2のドレイン端子はダイオードD2のアノードに接続されている。
また、FET2のソース端子とゲート端子との間にはバイアス用の抵抗R3が並列に接続されている。
【0015】
また、蓄電手段12には、トランジスタTr1(pnp型)のエミッタ端子が接続され、トランジスタTr1のコレクタ端子とグランド間にはバイアス用の抵抗R1が介装されている。また、抵抗R1にはコンデンサC2が並列に接続されている。
また、トランジスタTr1のコレクタ端子には、n型のFET1のゲート端子が接続されている。このFET1のドレイン端子は、FET2のゲート端子に接続され、またソース端子はグランドに直接接続されている。
また、トランジスタTr1のベース端子とFET2のドレイン端子との間には、ダイオードD1がそのアノードがトランジスタTr1のベース端子に接続された状態で介装されている。
【0016】
次に、リチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置5の動作を、充電制御手段16の動作を含めて説明する。
太陽電池10には、蓄電手段12が並列に直接接続されている。このため、太陽電池10が光を受けて発生した直流電流は、蓄電手段12に充電される。
そして蓄電手段12の電圧が次第に上昇し、リチウムイオン二次電池14との電位差Vdefが、トランジスタTr1のエミッタ−ベース端子間順方向電圧VebにダイオードD1、D2のそれぞれの順方向電圧Vd1、Vd2を加えた電圧Vref以上になると、トランジスタTr1のエミッタ端子→そのベース端子→D1→D2→リチウムイオン二次電池14という経路で電流が流れる。
【0017】
すると、これによりトランジスタTr1がオン状態となり、抵抗R1にグランドに向かう電流が流れて、抵抗R1間にバイアス電圧が発生し、これによりFET1のゲート端子に正電圧が引加される。
これによってn型のFET1がオン状態に移行し、抵抗R2→抵抗R3→FET1のドレイン端子→FET1のソース端子→グランドという経路で電流が流れる。そして抵抗R3間にバイアス電圧が発生し、このバイアス電圧によってp型のFET2がオン状態に移行する。
この結果、蓄電手段12からリチウムイオン二次電池14に向けて、抵抗R2→FET2のソース端子→そのドレイン端子→ダイオードD2→リチウムイオン二次電池14という経路で、リチウムイオン二次電池14への充電電流が流れる。
【0018】
トランジスタTr1のエミッタ−ベース端子間順方向電圧VebにダイオードD1、D2のそれぞれの順方向電圧Vd1、Vd2を加えた電圧Vrefは、トランジスタTr1やダイオードD1、D2がシリコンで構成されている場合にはそれぞれの順方向電圧が約0.6〜0.7ボルトであるから、全体として約2ボルト程度になる。
よって、抵抗R2を一例として約10オームに設定しておけば、充電開始当初の充電電流を約200ミリアンペア程度に設定することができ、リチウムイオン二次電池14を充電するに十分な電流を確保できる。
【0019】
リチウムイオン二次電池14に電流が流れ始めると、それに伴って蓄電手段12の電圧も降下し、双方の電圧差Vdefは短時間で電圧Vref未満になる。
すると、トランジスタTr1のエミッタ端子→そのベース端子→D1→D2→リチウムイオン二次電池14という経路で電流が流れなくなり、トランジスタTr1がオフ状態に移行する。その結果、FET1もオフ状態となって、FET2もオフ状態になり、充電動作が停止する。
これにより、蓄電手段12からリチウムイオン二次電池14への電流の流れが無くなり、蓄電手段12は再度太陽電池10から充電可能な状態になる。
以上の動作、つまり蓄電手段12への太陽電池10による充電動作と、リチウムイオン二次電池14への蓄電手段12からの充電動作は、リチウムイオン二次電池14の電圧が所定の電圧(約3.6〜4ボルト)に達するまで繰返し行われる。これによって、結果として太陽電池10によるリチウムイオン二次電池14の充電が可能となる。
【0020】
また、上記充電制御手段16の回路例においてトランジスタでは無くFETを使用する理由は、FET1やFET2に代えてトランジスタを用いるとリチウムイオン二次電池14への充電動作の際に、オン状態を維持するベース電流が必要となり、このベース電流はグランドに流れて無駄になってしまうからである。
FETを用いることによって、ベース電流に対応する電流は2μA程度に下がり、無視できる値になる。よって、効率の良い充電が可能となる。
また、ダイオードD2は、一旦充電されたリチウムイオン二次電池14から充電制御手段16側に放電するのを防止する機能もある。
また、コンデンサC2は、FET1のゲート電圧が、蓄電手段12からリチウムイオン二次電池14への充電動作の開始に伴って瞬時に低下してしまうことを防止し、一旦オン状態となったFET1がある程度の時間だけオン状態を維持できるようにバイアス電圧を保持するためのものである。
【0021】
そして、一例として図2に示す簡単な回路構成で蓄電手段12や充電制御手段16を構成することができるため、例えば携帯電話機にも十分に実装できる体積のリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置5が実現可能である。そして携帯電話機は、屋外での使用も頻繁に行われるため、太陽電池10を携帯電話機の表面に露出して搭載しておけば、この太陽電池10を用いて内蔵されたリチウムイオン二次電池14を充電でき、通話時間、待機時間も飛躍的に延び、非常に使い勝手が向上することが考えられる。
【0022】
【発明の効果】
本発明に係る太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法とリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置を用いると、太陽電池の出力電流を一旦蓄電手段に蓄え、リチウムイオン二次電池にはこの蓄電手段から充電するため、蓄電手段に電流供給能力の高いもの(例えば内部抵抗が小さいもの)を選べば、太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を十分に充電することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図2】図1の具体的な回路例を示す回路図である。
【符号の説明】
5 リチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置
10 太陽電池
12 蓄電手段
14 リチウムイオン二次電池
16 充電制御手段
Claims (9)
- 太陽電池が出力する直流電流によって蓄電手段を充電させ、該蓄電手段とリチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合に前記蓄電手段と前記リチウムイオン二次電池を電気的に接続し、該蓄電手段から第1の直流電流を出力させるとともに、該第1の直流電流の出力により前記蓄電手段から第2の直流電流を出力させ、これらの第1の直流電流及び第2の直流電流によってリチウムイオン二次電池を充電することを特徴とする太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法。
- 前記蓄電手段とリチウムイオン二次電池との電気的な接続は、接続制御手段とスイッチ手段からなる充電制御手段によって行われており、前記第1の直流電流は、前記充電制御手段の接続制御手段によって前記蓄電手段から出力され、前記第2の直流電流は、該充電制御手段のスイッチ手段によって該蓄電手段から出力されることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法。
- 前記接続制御手段は、第1のスイッチング素子を備えるとともに、バイアス手段、ダイオード、及び第2のスイッチング素子の少なくとも1つを備えて構成されていることを特徴とする請求項2に記載の太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法。
- 前記スイッチ手段及び第2のスイッチング素子は、電界効果型トランジスタでなることを特徴とする請求項2又は3記載の太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法。
- 前記バイアス手段は、コンデンサを備えて構成されていることを特徴とする請求項3に記載の太陽電池を用いてリチウムイオン二次電池を充電する方法。
- 太陽電池と、
該太陽電池が出力する直流電流によって充電される蓄電手段と、
該蓄電手段とリチウムイオン二次電池との間に配置され、蓄電手段と該リチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合に蓄電手段とリチウムイオン二次電池を電気的に接続し、蓄電手段から出力させた直流電流によってリチウムイオン二次電池を充電する充電制御手段とを備え、
前記充電制御手段は、少なくとも第1のスイッチング素子を含む接続制御手段とスイッチ手段とからなり、
前記蓄電手段とリチウムイオン二次電池の電位差が所定の電圧値以上になった場合において、前記接続制御手段の第1のスイッチング素子を介して蓄電手段からリチウムイオン二次電池に出力される第1の直流電流と、
前記接続制御手段の第1のスイッチング素子に第1の直流電流が流れて該第1のスイッチング素子がオン状態となることにより、該接続制御手段にバイアス電圧を発生させ、該バイアス電圧により前記スイッチ手段がオン状態となることで、該スイッチ手段を介して蓄電手段からリチウムイオン二次電池に出力される第2の直流電流によって、リチウムイオン二次電池が充電されることを特徴とするリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置。 - 前記接続制御手段は、バイアス手段、ダイオード、及び第2のスイッチング素子を備えて構成されていることを特徴とする請求項6に記載のリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置。
- 前記スイッチ手段及び第2のスイッチング素子は、電界効果型トランジスタでなることを特徴とする請求項6又は7に記載のリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置。
- 前記バイアス手段は、コンデンサを備えて構成されていることを特徴とする請求項7に記載のリチウムイオン二次電池用太陽電池式充電装置。
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