JP6268768B2 - 充電装置、充電システム及び充電方法並びに充電用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、充電装置、充電システム及び充電方法並びに充電用プログラムの技術分野に属する。より詳細には、例えば太陽光発電システムを用いて二次電池を充電する充電装置及び充電システム並びに充電方法、及び当該充電装置用のプログラムの技術分野に属する。

近年、いわゆる環境発電システムとして例えば太陽光発電システムが一般的になりつつある。このような環境発電システムは、二酸化炭素を排出しないといった特徴を有することから、環境保全が叫ばれている昨今では、益々一般化する傾向にある。

ここで、上記環境発電システムの中に、分極等により起電力が生じる発電素子を用いたシステムがあるが、このようなシステムはいわゆる電圧−電流特性を有しており、それに接続される負荷によって取り出せる電力が決定される。またその電圧−電流特性は、それが置かれている周囲の環境条件（例えば日照時間及びその強度等）により変化する。更に、このような環境発電システムの典型例である上記太陽光発電システムについては、その出力電力が最大となるように動的に動作電圧を制御して電圧コンバータ等により所望の電圧に変換して出力する、いわゆる最大電力点追従方式の制御（以下、単にＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御と称する）が知られている。

一方、上記環境発電システムの応用例として、環境発電システムから取り出される電力を用いて、例えばリチウムイオン電池等の二次電池を充電する充電システムが開発されている。そして、このような充電システムにおいても上記ＭＰＰＴ制御を用いることで、太陽光発電システムから、それが置かれている環境条件に依存せずに常に高い発電効率で二次電池へと電力を供給し、これに蓄電することができる。なお上記ＭＰＰＴ制御等についての先行技術文献としては、下記特許文献１乃至特許文献３がある。

このとき下記特許文献１には、太陽電池の発電量に応じてＭＰＰＴ制御のオン／オフを切り換えることで、当該発電量が少ない場合の電力を有効に利用する構成が開示されている。また下記特許文献２には、太陽電池に対するＭＰＰＴ制御の算出周期を、一定でなく粗密を有する周期とすることで、ＭＰＰＴ制御に係る演算による電力消費を抑える構成が開示されている。更に下記特許文献３には、比較的簡素な構成でＭＰＰＴ制御を実現する構成が開示されている。

特開２０１２−１２４９９１号公報 特開２０１２−１１３６３９号公報 特開２００８−０９０６７２号公報

しかしながら、上記各特許文献に開示されている技術を単に用いて二次電池を充電する場合には、以下のような問題点がある。

先ず第１に、充電対象たる二次電池側の充電状態や負荷により、環境発電システムから供給される電力に対して二次電池側の充電電流が大きくなってしまうと、その電圧変換部が出力電圧を必要値に維持できず、殆ど電力を取り出せない状態に陥ってしまうという問題点がある。

また第２に、上記したＭＰＰＴ制御は、あくまで環境発電システムにおける「発電効率」を高く維持するための制御であり、この発電効率と二次電池への充電効率とは必ずしも一致するものではなく、充電としての効率が十分でないという問題がある。この第２の問題点は、そもそも二次電池への蓄電を目的とするのであれば、二次電池に流れる電流量を最大化することこそが重要であるという事実に起因するものである。

更に第３に、例えば太陽光発電システムの場合、夜間など十分な日照量が得られないことにより太陽光発電システムから電力が取り出せない場合、二次電池からの漏れ電流が電圧変換部に逆流してしまい、結果として不要な電力損失が発生してしまうという問題点があった。

そこで本発明は、上記の各問題点に鑑みて為されたもので、その課題の一例は、電圧−電流特性が変化する環境発電システムを用いて二次電池を充電する場合に、安定的且つ効率的に当該充電を行うことが可能な充電装置及び充電システム並びに充電方法、及び当該充電装置用のプログラムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、外的要因により変化する電圧−電流特性を有する太陽電池等の発電手段に接続される入力端等の入力手段と、充電可能な蓄電手段に接続される出力端等の出力手段と、前記入力手段と前記出力手段との間に接続され、且つ前記入力手段を介して入力される前記発電手段の出力電圧を前記蓄電手段の充電用に変換し、前記出力手段を介して前記蓄電手段に出力する電圧変換部等の電圧変換手段と、前記蓄電手段に直列に接続され且つ抵抗値が可変である可変抵抗手段であって、直列に接続された前記蓄電手段と共に前記出力手段に接続される可変抵抗等の可変抵抗手段と、前記入力手段における入力電圧及び入力電流並びに前記出力手段における出力電圧及び出力電流に基づいて、前記出力電圧を予め設定された電圧とする定電圧出力方式により電力変換を行うように前記電圧変換手段を制御すると共に、前記蓄電手段に対する充電電力を最大化させるように前記可変抵抗手段を制御する演算部等の制御手段と、を備える。

上記の課題を解決するために、請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の充電装置と、前記発電手段と、前記蓄電手段と、を備える。

上記の課題を解決するために、請求項９に記載の発明は、外的要因により変化する電圧−電流特性を有する太陽電池等の発電手段に接続される入力端等の入力手段と、充電可能な蓄電手段に接続される出力端等の出力手段と、前記入力手段と前記出力手段との間に接続された電圧変換部等の電圧変換手段と、前記蓄電手段に直列に接続され且つ抵抗値が可変である可変抵抗手段であって、直列に接続された前記蓄電手段と共に前記出力手段に接続される可変抵抗等の可変抵抗手段と、制御手段と、を備える充電装置において実行される充電方法であって、前記電圧変換手段により、前記入力手段を介して入力される前記発電手段の出力電圧を前記蓄電手段の充電用に変換し、前記出力手段を介して前記蓄電手段に出力する電圧変換工程と、前記入力手段における入力電圧及び入力電流並びに前記出力手段における出力電圧及び出力電流に基づいて、前記出力電圧を予め設定された電圧とする定電圧出力方式により電力変換を行うように前記電圧変換手段を前記制御手段により制御すると共に、前記蓄電手段に対する充電電力を最大化させるように前記制御手段により前記可変抵抗手段を制御する制御工程と、を含む。

上記の課題を解決するために、請求項１０に記載の発明は、電圧−電流特性を有し且つ当該電圧−電流特性が外的要因により変化する太陽電池等の発電手段に接続される入力端等の入力手段と、充電可能な蓄電手段に接続される出力端等の出力手段と、前記入力手段と前記出力手段との間に接続された電圧変換部等の電圧変換手段と、前記蓄電手段に直列に接続され且つ抵抗値が可変である可変抵抗手段であって、直列に接続された前記蓄電手段と共に前記出力手段に接続される可変抵抗等の可変抵抗手段と、を備える充電装置に含まれるコンピュータを、前記入力手段を介して入力される前記発電手段の出力電圧を前記蓄電手段の充電用に変換し、前記出力手段を介して前記蓄電手段に出力するように前記電圧変換手段を制御する第１制御手段、及び、前記入力手段における入力電圧及び入力電流並びに前記出力手段における出力電圧及び出力電流に基づいて、前記出力電圧を予め設定された電圧とする定電圧出力方式により電力変換を行うように前記電圧変換手段を制御すると共に、前記蓄電手段に対する充電電力を最大化させるように前記可変抵抗手段を制御する第２制御手段、として機能させる。

請求項１又は請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の発明によれば、出力手段が接続される蓄電手段に直列に接続され、且つ当該直列に接続された蓄電手段と共に出力手段に接続される可変抵抗手段を備え、入力手段における入力電圧及び入力電流並びに出力手段における出力電圧及び出力電流に基づいて、定電圧出力方式による電力変換を行うように電圧変換手段を制御すると共に、蓄電手段に対する充電電力を最大化させるように可変抵抗手段を制御する。よって、電圧−電流特性が変化する発電手段を用いて蓄電手段を充電する場合に、安定的且つ効率的に当該充電を行うことができる。

上記の課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の充電装置において、前記制御手段は、前記入力電圧及び前記入力電流並びに前記出力電圧及び前記出力電流に基づいて、前記電圧変換手段により前記蓄電手段へ出力される充電電流を最大とするように前記可変抵抗手段及び当該電圧変換手段を制御するように構成される。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、入力手段における入力電圧及び入力電流並びに出力手段における出力電圧及び出力電流に基づいて蓄電手段への充電電流が最大となるように制御されるので、蓄電手段を安定的に且つ短時間で充電することができる。

上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の充電装置において、前記発電手段は、当該発電手段から出力される電力が最大となる最大電力点追従方式により制御されており、前記制御手段は、前記充電電流が出力でき且つ前記出力手段における出力電圧が最高となるように前記電圧変換手段を制御するように構成される。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の作用に加えて、発電手段が最大電力点追従方式により制御されており、蓄電手段への充電電流が出力でき且つ出力手段における出力電圧が最高となるように電圧変換手段が制御されるので、蓄電手段をより安定的且つ効率的に充電することができる。

上記の課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の充電装置において、前記発電手段は、当該発電手段から出力される電力が最大となる最大電力点追従方式により制御されており、前記制御手段は、前記出力電圧がゼロより大きく且つ前記抵抗値が最低となるように前記可変抵抗手段を制御するように構成される。

請求項４に記載の発明によれば、請求項２又は請求項３に記載の発明の作用に加えて、発電手段が最大電力点追従方式により制御されており、出力手段における出力電圧がゼロより大きく且つ可変抵抗手段の抵抗値が最低となるように可変抵抗手段が制御されるので、蓄電手段をより安定的且つ効率的に充電することができる。

上記の課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の充電装置において、前記制御手段は、前記蓄電手段への充電電流が出力されないとき、前記可変抵抗手段が絶縁状態となるように当該可変抵抗手段を制御するように構成される。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、電圧変換手段から蓄電手段への充電電流が出力されないとき、絶縁状態となるように可変抵抗手段が制御されるので、蓄電手段から電圧変換手段へ逆流する漏れ電流を防止してより効率的に蓄電手段を充電することができる。

上記の課題を解決するために、請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の充電装置において、前記制御手段は、前記入力電圧及び前記入力電流並びに前記出力電圧及び前記出力電流に基づく前記可変抵抗手段及び前記電圧変換手段の制御を繰り返すように構成される。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、入力手段における入力電圧及び入力電流並びに出力手段における出力電圧及び出力電流に基づく可変抵抗手段及び電圧変換手段に対する制御が繰り返されるので、発電手段における電圧−電流特性の変化に追随して、より安定的に且つ短時間で充電することができる。

上記の課題を解決するために、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の充電装置において、前記制御手段が、前記発電手段から出力される電力が最大となる最大電力点追従方式により当該発電手段を制御するように構成される。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、制御手段により発電手段における最大電力点追従方式による制御を兼ねるので、回路規模等を増大させることなく、安定的且つ効率的に蓄電手段を充電することができる。

本発明によれば、出力手段が接続される蓄電手段に直列に接続され、且つ当該直列に接続された蓄電手段と共に出力手段に接続される可変抵抗手段を備え、入力手段における入力電圧及び入力電流並びに出力手段における出力電圧及び出力電流に基づいて、定電圧出力方式により電力変換を行うように電圧変換手段を制御すると共に、蓄電手段に対する充電電力を最大化させるように可変抵抗手段を制御する。

従って、電圧−電流特性が変化する発電手段を用いて蓄電手段を充電する場合に、安定的且つ効率的に当該充電を行うことができる。

本発明の原理に係る電圧−電流特性を示す図（Ｉ）であり、（ａ）は太陽電池に対する照度が高い場合の電圧−電流特性を示す図であり、（ｂ）は太陽電池に対する照度が中程度の場合の電圧−電流特性を示す図であり、（ｃ）は太陽電池に対する照度が低い場合の電圧−電流特性を示す図である。 本発明の原理に係る二次電池の等価回路等を示す図であり、（ａ）は当該等価回路を示す図であり、（ｂ）は可変抵抗における抵抗値と電圧−電流特性を例示する図である。 本発明の原理に係る電圧−電流特性を示す図（II）であり、（ａ）は太陽電池に対する照度が高い場合の電圧−電流特性を示す図であり、（ｂ）は太陽電池に対する照度が低い場合の電圧−電流特性を示す図である。 本発明の原理に係る二次電池の内部抵抗の影響等を示す図であり、（ａ）は当該内部抵抗の影響を例示する図であり、（ｂ）は可変抵抗との関係を示す図である。 実施形態に係る充電システムの回路構成を示す図である。 実施形態に係る充電システムにおける充電制御処理を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、いわゆる環境発電システムの一例としての太陽電池により発電される電力を用いて、例えばリチウムイオン電池等の二次電池を充電する充電システムに対して本発明を適用した場合の実施の形態である。

（Ｉ）本発明の原理
初めに、実施形態について説明する前に、本発明の原理について図１乃至図４を用いて説明する。なお、図１は本発明の原理に係る電圧−電流特性を示す図（Ｉ）であり、図２は当該原理に係る二次電池の等価回路等を示す図であり、図３は当該原理に係る電圧−電流特性を示す図（II）であり、図４は当該原理に係る二次電池の内部抵抗の影響等を示す図である。

（Ａ）太陽電池としての一般的特性
一般に太陽電池は、例えば図１に例示するような電圧−電流特性を有しており、それに接続される負荷によって、出力される電力が決定される。この観点からも、当該負荷を駆動するに当たって上述したＭＰＰＴ制御を用いるのが望ましいことになる。そして図１に例示するように、太陽電池の電圧−電流特性と負荷特性との交点（図１において●で示す）が、その太陽電池にその負荷を接続した場合の「動作点」となる。

一方太陽電池は、それに対する太陽光の照度に応じて、その電圧−電流特性が変化し、よって最大電力となる動作点も、その照度に応じて変化する。そして上記ＭＰＰＴ制御では、出力される電力量を計算することで、最大電力点を追従して動作点を決める制御を行う。

他方太陽電池は、上述したように照度によって電圧−電流特性が変化しても、最大電力となる動作点における動作電圧はあまり変化せず、概ね開放端電圧に対して８割程度の値の動作電圧で最大電力となる特性を有する。この特性を利用して、予め動作点電圧を決めてしまう、いわゆるＰＷＭ（Pulse Width modulation）方式という太陽電池の制御方式もある。このＰＷＭ方式では、上記ＭＰＰＴ制御と比較して電力計算の必要がないため、回路規模が小さく、充電システムとして簡素な構成とできる場合が多いという利点がある。一方ＰＷＭ方式では、比較的高い効率での動作は見込めるが、厳密な意味での最大電力点とはならないことに留意する必要がある。

ここで、太陽電池による発電を上述したように最大電力となる動作点で行い、充電側の二次電池では別の動作点（電流−電圧）でその電力を取り出すためには、いわゆる「電力変換」を行う必要がある。

このとき、いわゆる定電流出力方式で電力変換を行う場合、太陽光の照度が十分にある場合は一定の充電電流を二次電池側において取り出すことが可能であり、充電に使われる電力も照度によらずほぼ一定となる。これに対して太陽光の照度が低いことで発電電力が不足して充電電力を確保できない場合、定電流で電池電圧以上の電圧を維持することができず、よって全く充電が行われない（即ち上記動作点が存在しない）ことになる。また定電流出力方式では、照度が十分に高くても、設定された定電流により充電電流（即ち充電電力）が決定されるため、太陽電池からの余剰の発電電力は無駄に消費されてしまう。またこれを防ぐため、上記設定される定電流を大きくすると、照度が十分な場合の充電電力が増加して上述したような電力の無駄を減らすことは可能だが、これに対して上記照度不足による充電が行われない状態が発生し易くなってしまう。更に、定電流出力方式の場合、充電される二次電池側の抵抗成分は低いほどよいことになる。

これに対して、いわゆる定電圧出力方式で上記電力変換を行う場合、太陽電池の内部抵抗が一定であれば、設定電圧と負荷特性によってその動作点が決定され、例えば図１（ａ）及び図１（ｂ）に例示されるように太陽光の照度が十分であれば、充電電力は当該照度によらずほぼ一定（即ち、動作点における電流値が変わらない）となる。これに対して図１（ｃ）に例示するように、太陽光の照度が低い場合、上記定電流出力方式による電力変換と同様に、負荷に対して出力電圧を維持することができず、基本的に充電が行われない（即ち上記動作点が存在しない）状態となる。

（Ｂ）二次電池としての特性
一般に、実施形態に係る充電システムにおける充電対象たる二次電池の負荷モデルは、図２（ａ）に例示されるように直流の「電池電圧」と「内部抵抗」によって表現することができる。そしてその負荷特性は、図２（ｂ）に例示するように、電池電圧に対応した電圧軸上の切片から、元々の内部抵抗による傾きを持つ電圧−電流特性モデルと考えることができる。一方図２に例示するように二次電池と直列に可変抵抗を挿入した場合は、上記内部抵抗に可変抵抗による可変な傾きが加わったものとなる。なお図２においては図示を省略するが、固定値の負荷抵抗を二次電池に直列に挿入した場合も同様にして、ある決まった傾きを持つ直線的な負荷特性となる。またこのとき、二次電池の充電を考慮する場合、当該充電のための電力は電流量で決まる（即ち、充電電力＝電池電圧×充電電流となる）ため、太陽電池に二次電池を直結して充電する場合は、二次電池側の抵抗成分は、原則として低い方が望ましい。

ここで、上記定電圧出力方式による充電において、太陽光の照度が低く、太陽電池としての出力電圧を維持できない場合、充電される二次電池側の負荷を大きくすることで電流量を下げ、これにより太陽電池側の出力電力が小さくても所定の電圧を維持することができる。即ち例えば、充電される二次電池と直列に抵抗を挿入して二次電池側の負荷を調整することで、太陽光の照度が低い場合でも、二次電池に流れる充電電流を抑制しつつ、継続して充電を行うことが可能となる。しかしながらこの場合、二次電池側に挿入する抵抗を固定値としてしまうと、今度は太陽光の照度が高い場合でも充電電流としての電流量が小さくなり、結果的に太陽電池側として提供可能な発電電力に対して無駄が大きくなってしまうことになる。

（Ｃ）二次電池としての特性を考慮した本発明の原理
そこで本発明では、上述した特性を有する二次電池に対して例えば定電圧出力方式による電力変換を考えるとき、充電される二次電池と直列に挿入する負荷を、図３に例示するように可変抵抗とする。そして太陽光の照度（即ち発電電力）に応じて負荷を可変に設定することで、照度が低い場合（図３（ｂ）参照）にも継続した充電が可能となり、一方照度が高い場合（図３（ａ）参照）でも無駄なく充電電力を確保することを可能とする。なおこの場合、二次電池側の負荷としての抵抗値の制御方法は種々考え得るが、特に発電側としての太陽電池がＭＰＰＴ制御されている場合、元々当該ＭＰＰＴ制御として発電電力量の計算を行っていることと兼ね合わせると、二次電池としての概ね最適な抵抗値を、比較的容易に設定することができる。

なお、図２（ａ）に示す内部抵抗の影響を無視できる場合、電力変換の出力電圧は、充電される二次電池の電圧に近ければ近いほど、高い充電電流を取り出すことが可能である。一方、図２（ａ）に示す可変抵抗を直列に接続しても、図４（ａ）に例示するように、充電される二次電池側の負荷の抵抗成分は、物理的に二次電池の内部抵抗以下にはなり得ない。そこで図４（ｂ）に例示するように内部抵抗の影響が無視できない場合に、電力変換の設定電圧を上げて動作点を設定することで、より大きな充電電力を取り出すことが可能となる。なお図４（ｂ）は、定電圧出力方式と可変負荷との組み合わせの場合を例示しているが、最大の充電効率は、負荷を最小とした場合において最適な電圧を設定した場合に得られる。

（II）実施形態
次に、上述した本発明の原理に基づいて本発明を実施するための形態について、図５及び図６を用いて説明する。なお、図５は実施形態に係る充電システムの回路構成を示す図であり、図６は当該充電システムにおける充電制御処理を示すフローチャートである。

図５に示すように実施形態に係る充電システムＳは、太陽ＳＮの日照を受ける太陽電池２と、充電システムＳにより充電される二次電池３と、を含み、演算部１０によりオン／オフが制御される電圧変換用のトランジスタＴ_０と、電圧変換用のインダクタＬ_０と、フィードバック電圧設定用の可変抵抗Ｒ_１及び抵抗Ｒ_２と、演算部１０と、により構成される電圧変換部１と、電圧安定化用のキャパシタＣ_０及びキャパシタＣ_１と、逆流防止用のダイオードＤ_０と、実施形態に係る出力電流制御用の可変抵抗Ｒ_０と、電圧変換部１の入力端ＩＮに接続された電圧検出部Ｖ_ｉｎ及び電流検出部Ｉ_ｉｎと、電圧変換部１の出力端ＯＵＴに接続された電圧検出部Ｖ_ｏｕｔ及び電流検出部Ｉ_ｏｕｔと、により構成されている。このとき、上記太陽電池２が本発明に係る「発電手段」の一例に相当し、入力端ＩＮが本発明に係る「入力手段」の一例に相当し、二次電池３が本発明に係る「蓄電手段」の一例に相当する。また出力端ＯＵＴが本発明に係る「出力手段」の一例に相当し、電圧変換部１が本発明に係る「電圧変換手段」の一例に相当する。更に可変抵抗Ｒ_０が本発明に係る「可変抵抗手段」の一例に相当し、演算部１０が本発明に係る「制御手段」の一例に相当する。

この構成において電圧検出部Ｖ_ｉｎは入力端ＩＮにおける電圧を検出してその結果を演算部１０に出力し、電流検出部Ｉ_ｉｎは入力端ＩＮにおける電流を検出してその結果を演算部１０に出力する。また電圧検出部Ｖ_ｏｕｔは出力端ＯＵＴにおける電圧を検出してその結果を演算部１０に出力し、電流検出部Ｉ_ｏｕｔは出力端ＯＵＴにおける電流を検出してその結果を演算部１０に出力する。そして演算部１０は、可変抵抗Ｒ_１と抵抗Ｒ_２との接続点の電圧に基づいてトランジスタＴ_０のオン／オフを制御し、上記ＭＰＰＴ制御に基づいた電圧変換を行う。これに加えて演算部１０は、電圧検出部Ｖ_ｉｎにおける電圧の検出結果、電流検出部Ｉ_ｉｎにおける電流の検出結果、電圧検出部Ｖ_ｏｕｔにおける電圧の検出結果、及び電流検出部Ｉ_ｏｕｔにおける電流の検出結果に基づき、可変抵抗Ｒ_０の抵抗値を制御して実施形態に係る充電制御処理を制御する。

次に、実施形態に係る充電制御処理について、図６を用いて説明する。なお図６に示す充電制御処理は、主として演算部１０により実行される。

実施形態に係る充電制御処理では、初めに、充電対象たる二次電池３が充電システムＳに装着されると（ステップＳ１）、演算部１０は入力端ＩＮの電圧を算出する（ステップＳ２）。次に演算部１０は、上記算出結果に基づいて太陽電池２が発電状態にあるか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３の判定において、太陽電池２が発電状態にない場合（ステップＳ３；ＮＯ）、演算部１０は、二次電池３からの漏れ電流の逆流による損失を防止すべく、可変抵抗Ｒ_０の抵抗値を制御して、二次電池３を含む負荷側を絶縁状態とする（ステップＳ４）。その後演算部１０は、二次電池３に対する充電を終了するか否かを、例えば二次電池３が満充電になったか否かを検出することにより判定する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７の判定において充電を終了する場合（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、演算部１０は実施形態に係る充電制御処理を終了する。一方ステップＳ１７の判定において二次電池３への充電を終了しない場合（ステップＳ１７；ＮＯ）、演算部１０は、上記ステップＳ２の処理に戻って引き続き実施形態に係る充電制御処理を継続する。

他方ステップＳ３の判定において、太陽電池２が発電状態にある場合（ステップＳ３；ＹＥＳ）、次に演算部１０は、太陽電池２が現在最大電力点で動作しているか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５の判定において、太陽電池２が最大電力点で動作していない場合（ステップＳ５；ＮＯ）、演算部１０は、太陽電池２をＭＰＰＴ制御し（ステップＳ６）、その後上記ステップＳ２の処理に移行する。

一方上記ステップＳ５の判定において、太陽電池２が最大電力点で動作している場合（ステップＳ５；ＹＥＳ）、演算部１０は、電圧検出部Ｖ_ｏｕｔにおける電圧の検出結果及び電流検出部Ｉ_ｏｕｔにおける電流の検出結果に基づいて（ステップＳ７）、出力端ＯＵＴにおける充電電流が二次電池３への充電方向で正常に流れているか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８の判定において当該充電電流が充電方向で正常に流れていない場合（ステップＳ８；ＮＯ）、演算部１０は当該充電方向への充電電流を確保すべく、出力端ＯＵＴの電圧を上げ（ステップＳ９）、その後上記ステップＳ２の処理に移行する。

このとき、上記ステップＳ９の処理における出力端ＯＵＴの電圧の上昇の態様（上げ具合）は、実施形態に係る充電制御処理をより精密に行う観点では、演算部１０の処理能力が高ければ、なるべく少ない上昇度で（即ち、一回のステップＳ９の処理における上昇度を小さくして）、細かく出力端ＯＵＴの電圧を上げるのが好ましい。また、それぞれのステップＳ９の処理における上昇度を全て同一とするのではなく、一回のステップＳ９の処理ごとの上昇度を変化させてもよい。この場合例えば、より迅速に充電電流を確保する必要がある場合は、一回のステップＳ９の処理における上昇度を大きくすることが考えられる。

他方、ステップＳ８の判定において充電電流が充電方向で正常に流れている場合（ステップＳ８；ＹＥＳ）、次に演算部１０は、二次電池３における負荷電圧（即ち、二次電池３と可変負荷Ｒ_０とを合わせた両端の負荷電圧）を検出し（ステップＳ１０）、その負荷電圧に基づいて、現在の出力端ＯＵＴの電圧が適切か否かを判定する（ステップＳ１１）。

ここで、ステップＳ１１の判定に係る「適切か否か」は、例えば、現在の出力端ＯＵＴの電圧が、図１乃至図４を用いて説明した動作点が存在する範囲で最も高い出力端ＯＵＴの電圧である場合に「適切」であると判定される。ステップＳ１１の判定において、現在の出力端ＯＵＴの電圧が適切でない場合（ステップＳ１１；ＮＯ）、演算部１０は、出力端ＯＵＴの電圧を更に上げて（ステップＳ１２）、上記ステップＳ２の処理に移行する。以上のステップＳ１０乃至ステップＳ１２の処理が繰り返されることにより、結果として演算部１０は、二次電池３へ充電電流を出力し得る範囲で、可能な限り高い電圧を出力端ＯＵＴの電圧とする。ここで、上記ステップＳ１２の処理における出力端ＯＵＴの電圧の上昇の態様（上げ具合）は、実施形態に係る充電制御処理をより精密に行う観点では、演算部１０の処理能力が高ければ、なるべく少ない上昇度で（即ち、一回のステップＳ１２の処理における上昇度を小さくして）、細かく出力端ＯＵＴの電圧を上げるのが好ましい。また、それぞれのステップＳ１２の処理における上昇度を全て同一とするのではなく、一回のステップＳ１２の処理ごとの上昇度を変化させてもよい。この場合例えば、より迅速に出力端ＯＵＴの電圧を上げる必要がある場合は、一回のステップＳ１２の処理における上昇度を大きくすることが考えられる。

一方ステップＳ１１の判定において、現在の出力端ＯＵＴの電圧が適切である場合（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、演算部１０は次に、現在の出力端ＯＵＴの電圧が安定しているか否かを判定する（ステップＳ１３）。

ここで、ステップＳ１３の判定に係る「安定しているか否か」は、例えば、現在の出力端ＯＵＴの電圧がゼロより大きいか否か、換言すれば、二次電池３の充電電流が実際に流れているか否かに基づいて判定され、当該出力端ＯＵＴの電圧がゼロでない場合に「安定している」と判定される。ステップＳ１３の判定において、現在の出力端ＯＵＴの電圧が安定していない場合（ステップＳ１３；ＮＯ）、演算部１０は、可変抵抗Ｒ_０の抵抗値を上げることで二次電池３の内部抵抗と可変抵抗Ｒ_０とを合わせた出力負荷としての抵抗値を上げ（ステップＳ１４）、その後上記ステップＳ２の処理に移行する。ここで、上記ステップＳ１４の処理における可変抵抗Ｒ_０の抵抗値の上昇の態様（上げ具合）は、実施形態に係る充電制御処理をより精密に行う観点では、上記ステップＳ９の場合と同様に、演算部１０の処理能力が高ければ、なるべく少ない上昇度で（即ち、一回のステップＳ１４の処理における上昇度を小さくして）、細かく可変抵抗Ｒ_０の抵抗値を上げるのが好ましい。また、それぞれのステップＳ１４の処理における上昇度を全て同一とするのではなく、一回のステップＳ１４の処理ごとの上昇度を変化させてもよい。この場合例えば、より迅速に出力端ＯＵＴの電圧を安定させる必要がある場合は、一回のステップＳ１４の処理における上昇度を大きくすることが考えられる。

他方、ステップＳ１３の判定において、現在の出力端ＯＵＴの電圧が安定している場合（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、演算部１０は次に、現在の上記出力負荷としての抵抗値が、当該抵抗値として取り得る最小値であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。なおこの場合の最小値は、具体的には二次電池３の内部抵抗自体に略等しいことになる。ステップＳ１５の判定において現在の出力負荷としての抵抗値がその最小値でない場合（ステップＳ１５；ＮＯ）、演算部１０は、上記出力負荷としての抵抗値を更に下げ（ステップＳ１６）、その後上記ステップＳ２の処理に移行する。以上のステップＳ１３乃至ステップＳ１６の処理が繰り返されることにより、結果として演算部１０は、現在の出力端ＯＵＴの電圧が安定し得る範囲で、上記出力負荷としての抵抗値を可能な限り低く設定することになる。ここで、上記ステップＳ１６の処理における可変抵抗Ｒ_０の抵抗値の下降の態様（下げ具合）は、実施形態に係る充電制御処理をより精密に行う観点では、上記ステップＳ１２の場合と同様に、演算部１０の処理能力が高ければ、なるべく少ない下降度で（即ち、一回のステップＳ１６の処理における下降度を小さくして）、細かく可変抵抗Ｒ_０の抵抗値を下げるのが好ましい。また、それぞれのステップＳ１６の処理における下降度を全て同一とするのではなく、一回のステップＳ１６の処理ごとの下降度を変化させてもよい。この場合例えば、より迅速に出力負荷としての抵抗値を下げる必要がある場合は、一回のステップＳ１６の処理における下降度を大きくすることが考えられる。

一方ステップＳ１５の判定において、現在の出力負荷としての抵抗値がその最小値である場合（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、演算部１０はその後上記ステップＳ１７の処理に移行し、二次電池３への充電を終了する場合（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、そのまま実施形態に係る充電制御処理を終了する。

以上のステップＳ２乃至ステップＳ１６の処理が二次電池３の充電が終了する（ステップＳ１７；ＹＥＳ）まで繰り返されることで、演算部１０は、太陽電池２へのＭＰＰＴ制御を行いつつ、二次電池３への充電電流をなるべく大きくして効率的にその充電を行う。

以上説明したように、実施形態に係る充電システムＳの動作によれば、電圧変換部１の出力端ＯＵＴが接続される二次電池３に直列に接続される可変抵抗Ｒ_０を備え、電圧変換部１の入力及び出力それぞれの電圧及び電流に基づき、定電圧出力方式による電力変換を行うように電圧変換部１が制御されると共に、二次電池３に対する充電電力を最大化させるように可変抵抗Ｒ_０ が制御される。よって、電圧−電流特性が変化する太陽電池２を用いて二次電池３を充電する場合に、安定的且つ効率的に当該充電を行うことができる。

また、電圧変換部１の入力及び出力それぞれの電圧及び電流に基づいて二次電池３への充電電流が最大となるように制御されるので、二次電池３を安定的に且つ短時間で充電することができる。

更に、太陽電池２がＭＰＰＴ制御されており、二次電池３への充電電流が出力でき且つ出力端ＯＵＴにおける電圧が最高となるように電圧変換部１が制御されるので（図６ステップＳ８乃至ステップＳ１２参照）、二次電池３をより安定的且つ効率的に充電することができる。

更にまた、太陽電池２がＭＰＰＴ制御されており、出力端ＯＵＴにおける電圧がゼロより大きく且つ可変抵抗Ｒ_０の抵抗値が最低となるように可変抵抗Ｒ_０が制御されるので（図６ステップＳ１３乃至ステップＳ１６参照）、二次電池３をより安定的且つ効率的に充電することができる。

また、電圧変換部１から二次電池３への充電電流が出力されないとき、絶縁状態となるように可変抵抗Ｒ_０が制御されるので（図６ステップ４参照）、二次電池３から電圧変換部１へ逆流する漏れ電流を防止してより効率的に二次電池３を充電することができる。

更に、電圧変換部１の入力及び出力それぞれの電圧及び電流に基づく可変抵抗Ｒ_０ 及び電圧変換部１に対する制御が繰り返されるので、太陽電池２における電圧−電流特性の変化に追随して、より安定的に且つ短時間で充電することができる。

更にまた、演算部１０により太陽電池２に対するＭＰＰＴ制御を兼ねるので、回路規模等を増大させることなく、安定的且つ効率的に二次電池３を充電することができる。

なお上述した実施形態は、太陽電池２を用いて二次電池３を充電する場合について説明したが、これ以外に、環境発電システムとしての例えばゼーベック素子（熱電素子）を用いた発電システム、地熱発電システム、風力発電システム、潮力発電システム等、電圧−電流特性を有し且つ当該電圧−電流特性が外的要因により変化する発電システムにより二次電池３を充電する場合に対して、本発明を広く適用することができる。

このとき、上記ゼーベック素子を用いる場合についてより具体的には、当該ゼーベック素子は、素子固有の内部抵抗の値と同じ値の負荷抵抗のときに最大電力効率で発電するという特性を持つ。また、動作点を決める負荷抵抗の値はほぼ素子ごとに一定値で固定されるが、動作点は周囲環境により異なり、よってその発電電力量も周囲環境により変化する。従って、ゼーベック素子における発電電力量に応じた可変負荷による充電電流の制御を、上述してきた実施形態に係る充電制御処理と同様に実行すれば、ゼーベック素子を用いた充電システムに対しても、実施形態に係る充電システムＳと同様の作用効果を奏することができる。

また、二次電池３として、上述したリチウムイオン電池の他、例えばニッケル−カドミュウム電池等、他の方式で充電可能な二次電池の充電に対して本発明を適用することも可能である。

更に、図６に示したフローチャートに対応するプログラムを、光ディスク等の記録媒体に記録しておき、或いはインターネット等のネットワークを介して取得して記録しておき、これらをマイクロコンピュータ等により読み出して実行することにより、当該マイクロコンピュータ等を、実施形態に係る演算部１０として機能させることも可能である。

以上それぞれ説明したように、本発明は充電システムの分野に利用することが可能であり、特に、太陽電池等のいわゆる環境発電システムを用いて二次電池を充電する充電システムの分野に適用すれば特に顕著な効果が得られる。

１ 電圧変換部
２ 太陽電池
３ 二次電池
１０ 演算部
Ｓ 充電システム
ＳＮ 太陽
Ｔ_０ トランジスタ
Ｌ_０ インダクタ
Ｒ_０、Ｒ_１ 可変抵抗
Ｒ_２ 抵抗
Ｃ_０、Ｃ_１ キャパシタ
Ｄ_０ ダイオード
Ｖ_ｉｎ、Ｖ_ｏｕｔ 電圧検出部
Ｉ_ｉｎ、Ｉ_ｏｕｔ 電流検出部

Claims (10)

1. 外的要因により変化する電圧−電流特性を有する発電手段に接続される入力手段と、
   充電可能な蓄電手段に接続される出力手段と、
   前記入力手段と前記出力手段との間に接続され、且つ前記入力手段を介して入力される前記発電手段の出力電圧を前記蓄電手段の充電用に変換し、前記出力手段を介して前記蓄電手段に出力する電圧変換手段と、
   前記蓄電手段に直列に接続され且つ抵抗値が可変である可変抵抗手段であって、直列に接続された前記蓄電手段と共に前記出力手段に接続される可変抵抗手段と、
   前記入力手段における入力電圧及び入力電流並びに前記出力手段における出力電圧及び出力電流に基づいて、前記出力電圧を予め設定された電圧とする定電圧出力方式により電力変換を行うように前記電圧変換手段を制御すると共に、前記蓄電手段に対する充電電力を最大化させるように前記可変抵抗手段を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする充電装置。
2. 請求項１に記載の充電装置において、
   前記制御手段は、前記入力電圧及び前記入力電流並びに前記出力電圧及び前記出力電流に基づいて、前記電圧変換手段により前記蓄電手段へ出力される充電電流を最大とするように前記可変抵抗手段及び当該電圧変換手段を制御することを特徴とする充電装置。
3. 請求項２に記載の充電装置において、
   前記発電手段は、当該発電手段から出力される電力が最大となる最大電力点追従方式により制御されており、
   前記制御手段は、前記充電電流が出力でき且つ前記出力手段における出力電圧が最高となるように前記電圧変換手段を制御することを特徴とする充電装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の充電装置において、
   前記発電手段は、当該発電手段から出力される電力が最大となる最大電力点追従方式により制御されており、
   前記制御手段は、前記出力電圧がゼロより大きく且つ前記抵抗値が最低となるように前記可変抵抗手段を制御することを特徴とする充電装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の充電装置において、
   前記制御手段は、前記蓄電手段への充電電流が出力されないとき、前記可変抵抗手段が絶縁状態となるように当該可変抵抗手段を制御することを特徴とする充電装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の充電装置において、
   前記制御手段は、前記入力電圧及び前記入力電流並びに前記出力電圧及び前記出力電流に基づく前記可変抵抗手段及び前記電圧変換手段の制御を繰り返すことを特徴とする充電装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の充電装置において、
   前記制御手段が、前記発電手段から出力される電力が最大となる最大電力点追従方式により当該発電手段を制御することを特徴とする充電装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の充電装置と、
   前記発電手段と、
   前記蓄電手段と、
   を備えることを特徴とする充電システム。
9. 外的要因により変化する電圧−電流特性を有する発電手段に接続される入力手段と、充電可能な蓄電手段に接続される出力手段と、前記入力手段と前記出力手段との間に接続された電圧変換手段と、前記蓄電手段に直列に接続され且つ抵抗値が可変である可変抵抗手段であって、直列に接続された前記蓄電手段と共に前記出力手段に接続される可変抵抗手段と、制御手段と、を備える充電装置において実行される充電方法であって、
   前記電圧変換手段により、前記入力手段を介して入力される前記発電手段の出力電圧を前記蓄電手段の充電用に変換し、前記出力手段を介して前記蓄電手段に出力する電圧変換工程と、
   前記入力手段における入力電圧及び入力電流並びに前記出力手段における出力電圧及び出力電流に基づいて、前記出力電圧を予め設定された電圧とする定電圧出力方式により電力変換を行うように前記電圧変換手段を前記制御手段により制御すると共に、前記蓄電手段に対する充電電力を最大化させるように前記制御手段により前記可変抵抗手段を制御する制御工程と、
   を含むことを特徴とする充電方法。
10. 外的要因により変化する電圧−電流特性を有する発電手段に接続される入力手段と、充電可能な蓄電手段に接続される出力手段と、前記入力手段と前記出力手段との間に接続された電圧変換手段と、前記蓄電手段に直列に接続され且つ抵抗値が可変である可変抵抗手段であって、直列に接続された前記蓄電手段と共に前記出力手段に接続される可変抵抗手段と、を備える充電装置に含まれるコンピュータを、
    前記入力手段を介して入力される前記発電手段の出力電圧を前記蓄電手段の充電用に変換し、前記出力手段を介して前記蓄電手段に出力するように前記電圧変換手段を制御する第１制御手段、及び、
    前記入力手段における入力電圧及び入力電流並びに前記出力手段における出力電圧及び出力電流に基づいて、前記出力電圧を予め設定された電圧とする定電圧出力方式により電力変換を行うように前記電圧変換手段を制御すると共に、前記蓄電手段に対する充電電力を最大化させるように前記可変抵抗手段を制御する第２制御手段、
    として機能させることを特徴とする充電用プログラム。