JP5024420B2 - 太陽電池電源装置 - Google Patents
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そこで、例えば、特許文献1には、太陽電池の発電電力と負荷電力とを測定しつつ、太陽電池の最大出力電力点で稼働させるように電力変換制御する技術が開示されている。なお、この技術は、入射光量の急激な変動を考慮しており、動作点が最大出力電力点から短絡電流点に移行した場合、一定時間定電圧制御を行い、安定点に復帰させるようになっている。
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)を、図1乃至図7を参照して説明する。
図2は、発電素子である太陽電池11の等価回路図(図2(a))と太陽電池11の出力特性図(図2(b))とを示す。太陽電池11は、定電流源IphとダイオードDと抵抗器Rshとの並列回路と、抵抗器Rsとの直列回路で表現され、電流Iが流れるとき、電圧Eが発生する。太陽電池11は、定電流源IPhの電流値が光量(入射エネルギー)によって増減し、開放電圧VocがダイオードDの順方向電圧となり、十分な光量があるときはダイオードDのオン電圧が所定の開放電圧Vocとなる。また、太陽電池11は、等価回路で表される直列抵抗と並列抵抗などによって決まる、電流電圧値に応じた最大出力電力点(MPP)を持つ。なお、アモルファスSi太陽電池の場合、開放電圧Vocは、5V程度となるものが多く用いられている。
また、チャージポンプ回路13は、フライキャップコンデンサCf0の他端と半導体スイッチSWs0の一端と半導体スイッチSWg0の一端とが接続され、半導体スイッチSWg0の他端と共通接地端COMとが接続されている。
また、チャージポンプ回路13は、半導体スイッチSWs0の他端とフライキャップコンデンサCf1の一端と半導体スイッチSWo1の一端とが接続され、半導体スイッチSWo1の他端と出力端OUTPとが接続されている。
チャージポンプ回路13は、フライキャップコンデンサCf1の他端と半導体スイッチSWg1の一端と半導体スイッチSWs1の一端とが接続され、半導体スイッチSWg1の他端と共通接地端COMとが接続されている。
また、チャージポンプ回路13は、半導体スイッチSWs1の他端とフライキャップコンデンサCf2の一端と半導体スイッチSWo2の一端とが接続され、半導体スイッチSWo2の他端と出力端OUTPとが接続されている。
チャージポンプ回路13は、フライキャップコンデンサCf2の他端と共通接地端COMとが接続されている。
そして、出力側の半導体スイッチSWo(図3のSWo0、SWo1、SWo2)をONして、スーパーキャパシタCsc14に接続させる。
そして、この×3制御の放電時(S3d)の接続により、各フライキャップコンデンサに充電された電荷の総和(CE)の一部(ΔQ)は、スーパーキャパシタCsc14に移動し、スーパーキャパシタCsc14の電圧は遷移により上昇する。このときの平均充電電流Icは、クロック周期(電荷を転送する転送周期)をΔTとすると、Ic=ΔQ/ΔTとなる。
そして、チャージポンプ回路13において、×2制御の放電時(S2d)の接続では、半導体スイッチSWiをOFFに設定し、2つのフライキャップコンデンサCf0、Cf1を並列接続して、電圧を1/2(E/2)に降圧する。
そして、出力側の半導体スイッチSWo(図3のSWo0、SWo1)をONして、スーパーキャパシタCsc14に接続させる。
そして、この×2制御の放電時(S2d)の接続により、各フライキャップコンデンサに充電された電荷の一部(ΔQ)は、放電により低減したスーパーキャパシタCsc14の電荷を補充する。これにより、スーパーキャパシタCsc14の電圧が遷移する。このときの平均電流Icは、クロック周期をΔTとすると、Ic=ΔQ/ΔTとなる。
チャージポンプ回路13は、AD変換値Vadが1.5以下(Vad≦1.5V)の場合には、×3制御、すなわち、出力電流を入力電流の3倍に変換し、出力電圧を入力電圧の1/3に降圧する制御が行われる。この場合、チャージポンプ回路13の出力側の最大出力電力点MPP3近傍(図5中の楕円領域)で動作する。
チャージポンプ回路13は、AD変換値Vadが1.5を超え2.4以下(1.5V<Vad≦2.4V)の場合には、×2制御、すなわち、出力電流を入力電流の2倍に変換し、出力電圧を入力電圧の1/2に降圧する制御が行われる。この場合、チャージポンプ回路13の出力側の最大出力電力点MPP2近傍(図5中の楕円領域)で動作する。
チャージポンプ回路13は、AD変換値Vadが2.4を超え3.0以下(2.4V<Vad≦3.0V)の場合には、×1制御、すなわち、入力端INPと出力端OUTPとを直接接続する制御が行われる。
そして、チャージポンプ回路13は、AD変換値VadがスーパーキャパシタCsc14の耐電圧3.0Vを超える(3.0V<Vad)場合には、OFF制御、すなわち、入力と出力とを切断する制御が行われる。
例えば、超低消費電力のプログラマブルデバイスを使用することで容易に装置構成を実現可能であり、AD変換頻度も低くてよいため、省電力動作が可能となる。
2、3 太陽電池電源装置
4 SW−REG(スイッチング電源装置)
5 負荷
11 太陽電池
12 入力キャパシタCin(第3のコンデンサ)
13 チャージポンプ回路(チャージポンプ)
14 スーパーキャパシタCsc(第2のコンデンサ)
15 AD変換部(電圧検出部)
16 制御選択部
17 SW制御部
18 タイミング生成部
20 制御部
21 電源
100 太陽電池システム
MPP 太陽電池最大出力電力点、出力側最大出力電力点
MPP2、MPP3 出力側最大出力電力点
SWi(スイッチ素子)、SWs0、SWs1、SWg0、SWg1、SWo0、SWo1、SWo2、SWo 半導体スイッチ
Cf0、Cf1、Cf2 フライキャップコンデンサ(第1のコンデンサ)
T1 入力端
T2、T3、T4 出力端
INP 入力端
OUTP 出力端
COM 共通接地端
CONT 制御端
Claims (7)
- 直列接続されたN個の第1のコンデンサを前記N個並列接続することにより、入力側に接続された太陽電池の電圧を前記N分の1に降圧するチャージポンプと、
前記チャージポンプの出力電圧を充電する第2のコンデンサと、
前記第2のコンデンサの充電電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部が検出した検出電圧が高いときには、前記Nを小さな値に設定し、低いときには前記Nを大きな値に設定する制御部と
を備えることを特徴とする太陽電池電源装置。 - 前記チャージポンプは、前記太陽電池による充電時に前記N個の第1のコンデンサを直列に接続し、放電時に前記N個の第1のコンデンサを並列に接続することを特徴とする請求項1に記載の太陽電池電源装置。
- 前記第2のコンデンサは、定格電圧が前記太陽電池の開放電圧よりも低いスーパーキャパシタであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の太陽電池電源装置。
- 前記制御部は、前記検出電圧が、前記太陽電池の開放電圧と最大出力電力点の電圧との中間点の所定電圧に基づいた基準電圧を跨ぐときに前記Nを切り替えることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の太陽電池電源装置。
- 前記制御部は、起動時に前記Nを大きな値に設定し、前記第2のコンデンサの電圧の定常時に前記Nを小さな値に設定することを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の太陽電池電源装置。
- 前記太陽電池に第3のコンデンサが並列接続され、
前記チャージポンプは、前記N個の第1のコンデンサが前記直列接続された直列コンデンサの一端と前記第3のコンデンサの一端との間にスイッチ素子が挿入されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の太陽電池電源装置。 - 請求項1に記載の太陽電池電源装置と、
前記第2のコンデンサの出力電圧を安定化するスイッチング電源装置と
を備えることを特徴とする太陽電池電源装置。
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