JP6896357B1 - 協調充電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】１２Ｖ系の蓄電池が不要で、減価償却費を抑えた充電システムを提供する。【解決手段】協調充電システムにおいて、制御回路５０１は、商用交流電源１０２、ＡＣアダプタ１０４経由又はモバイルバッテリ１２７経由のうち機械的スイッチ１２５で選択された方と、太陽電池１０１、直流直流変換器１０３経由の２つの経路で充電可能なとき、２つの経路で協調して、ＵＳＢ機器１０６に充電される。商用交流電源１０２、ＡＣアダプタ１０４経由又はモバイルバッテリ１２７経由のスイッチ１２５で選択された方が電力を供給しなくても、電流を絞ることにより、太陽電池１０１から効率よくＵＳＢ機器１０６に充電する。さらに、モバイルバッテリが一度電力を供給しなくなっても、ＵＳＢ機器１０６が接続されると、モバイルバッテリによってすぐに充電を開始する。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池とＡＣアダプタ、太陽電池とモバイルバッテリ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。
小規模な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短い場合で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、短い場合で鉛蓄電池は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、１２Ｖ系の鉛蓄電池を用いないことにより、ランニングコストを抑え充電システムの費用を抑えること、軽量化することを課題とする。
この課題を解決するために、本発明における充電システムは、
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、第五のスイッチ、第一の充電ノードを持ち、
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せず、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で、第三のノードに接続された電力供給源からの電力が得られる場合、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の両方により前記第一の充電ノードに電流を供給し、
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しない。
そして、本発明における充電システムは、
第五のスイッチは、第三のノードと、第十一ノードと第十二のノードのどちらか片方、を選択接続し、
第一の電圧判定回路は、第一のインバータ回路、第二のインバータ回路、第一の整流ダイオード、第二の整流ダイオード、第三の整流ダイオード、第十一のキャパシタを持ち、
第一のインバータ回路は、ｎチャネル電界効果トランジスタと抵抗器を含み、第二のインバータ回路は、ｎチャネル電界効果トランジスタと抵抗器とｐチャネル電界効果トランジスタを含み、第一のインバータ回路の電源ノードは、第十三のノードに接続され、第二のインバータ回路の電源ノードは、第十三のノードに接続され、第一の整流ダイオードのアノードは、前記第一の直流直流変換器の出力ノードに接続され、第一の整流ダイオードのカソードは、第十三のノードに接続され、第二の整流ダイオードのアノードは、第十一のノードに接続され、第二の整流ダイオードのカソードは、第十三のノードに接続され、第三の整流ダイオードのアノードは、第十二のノードに接続され、第二の整流ダイオードのカソードは、第十三のノードに接続され、第十一のキャパシタの一端は、第十三のノードに接続され、第一の電流を流す素子は、第十三のノードと第一の充電ノードの間に接続され、第十一のキャパシタの容量は、０．１Ｆ（ファラッド）以上である。
本発明の協調充電システムを用いることにより、鉛蓄電池等の１２Ｖ系のバッテリが必要ないので、減価償却費を抑えることができる。また、重い鉛蓄電池が無いことにより、軽量化する。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。そして、スタンドアロンモードを搭載し、太陽電池の系統にもアナログスイッチング素子を持ち、フィードバックするので、太陽電池のみからしか電力が供給されないときも、効率よく充電対象機器を充電できる。そして、太陽電池が発電していないときは、太陽電池と充電対象機器の間にある向きを互いに逆にし直列接続されたアナログスイッチング素子があることにより、太陽電池が一つの場合は、通常の独立電源システムでは必要な逆電流防止ダイオードが必要ない。そのため、逆電流防止ダイオードによる電圧降下がなく、電力効率が良い。さらに、ダイオード、大容量キャパシタ、省電力といった種々の工夫により、モバイルバッテリが一度電力を供給しなくなっても、充電対象機器が接続されると、モバイルバッテリによっては、すぐに充電を開始する。
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、入力電圧の検出結果と動作モードの関係を表した図である。 図７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８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。 図９は、各電源から電力が供給される条件、比較するインバータの回路構成、各回路構成における制御部分の消費電流である。 図１０は、直流直流変換器の原理を表した図である。 図１１は、電圧の変化によりモバイルバッテリが電力を供給し始める様子 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。
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、制御回路５０１、太陽電池１０１、商用交流電源１０２、ＡＣアダプタ１０４、モバイルバッテリ１２７、ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６、より構成される。
制御回路５０１は、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、１２３、電流計１２１、１２２、大容量コンデンサ１２４、機械的スイッチ１２５、抵抗器１２６より構成される。
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、ダイオード１１９のアノードに接続される。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、ジャック１０７のプラス入力端子に接続される。ＡＣアダプタ１０４のマイナス出力端子は、ジャック１０７のマイナス入力端子に接続される。
ジャック１０７のプラス入力端子は、ＡＣアダプタ１０４のプラス出力端子に接続される。ジャック１０７のマイナス入力端子は、ＡＣアダプタ１０４のマイナス出力端子に接続される。ジャック１０７のプラス出力端子は、機械的スイッチ１２５の選択側の一端、ダイオード１２０のアノードに接続される。ジャック１０７のマイナス出力端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。
モバイルバッテリ１２７のプラス端子は、ジャック１０８のプラス入力端子に接続される。モバイルバッテリ１２７のマイナス端子は、ジャック１０８のマイナス入力端子に接続される。
ジャック１０８のプラス入力端子は、モバイルバッテリ１２７のプラス端子に接続される。ジャック１０８のマイナス入力端子は、モバイルバッテリ１２７のマイナス端子に接続される。ジャック１０８のプラス出力端子は、機械的スイッチ１２５の選択側の一端、ダイオード１２３のアノードに接続される。ジャック１０８のマイナス出力端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。
ジャック１０７のプラス入力端子とプラス出力端子、ジャック１０７のマイナス入力端子とマイナス出力端子は別のノードとして説明したが、通常は内部で接続されている。同様に、ジャック１０８のプラス入力端子とプラス出力端子、ジャック１０８のマイナス入力端子とマイナス出力端子は別のノードとして説明したが、通常は内部で接続されている。
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、抵抗器１２６の一端に接続される。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、抵抗器１２６の一端に接続される。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、抵抗器１２６の一端に接続される。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、ダイオード１１９のアノードに接続される。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、抵抗器１２６の一端に接続される。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、整流用ダイオード１２３のカソード、インバータ１１８のＶＤＤ端子、大容量キャパシタ１２４のプラス端子、抵抗器１２６の一端に接続される。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、整流用ダイオード１２３のカソード、インバータ１１７のＶＤＤ端子、大容量キャパシタ１２４のプラス端子、抵抗器１２６の一端に接続される。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、直流直流変換器１０３のプラス出力端子、キャパシタ１１３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、整流ダイオード１２３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、大容量キャパシタ１２４のプラス端子、抵抗器１２６の一端に接続される。
整流ダイオード１２０のアノードは、機械的スイッチ１２５の選択側の一端、ジャック１０７のプラス出力端子に接続される。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、整流ダイオード１２３のカソード、インバータ１１７のＶＤＤ端子、インバータ１１８のＶＤＤ端、大容量キャパシタ１２４のプラス端子、抵抗器１２６の一端に接続される。
整流ダイオード１２３のアノードは、機械的スイッチ１２５の選択側の一端、ジャック１０８のプラス出力端子に接続される。整流ダイオード１２３のカソードは、整流ダイオード１１９のカソード、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、大容量キャパシタ１２４のプラス端子、抵抗器１２６の一端に接続される。
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、ダイオード１１９のアノードに接続される。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の一端に接続される。
電流計１２２のプラス端子は、機械的スイッチ１２５の選択側の一端に接続される。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）に接続される。
大容量キャパシタ１２４のプラス端子は、インバータ１１７のプラス端子、インバータ１１８のプラス端子、ダイオード１１９のカソード、ダイオード１２０のカソード、ダイオード１２３のカソード、抵抗器１２６の一端に接続される。大容量キャパシタ１２４のマイナス端子は、ＧＮＤ３１５に接続される。
機械的スイッチ１２５の選択側の端子の一つは、ジャック１０７のプラス出力端子、ダイオード１２０のアノードに接続される。機械的スイッチ１２５の選択側のもう端子の一つは、ジャック１０８のプラス出力端子、ダイオード１２３のアノードに接続される。機械的スイッチ１２５の共通側は、アナログ電流計１２２の一端に接続される。
抵抗器１２６の一端は、インバータ１１７のＶＤＤ端子、インバータ１１８のＶＤＤ端子、ダイオード１１９のカソード、ダイオード１２０のカソード、ダイオード１２３のカソード、大容量キャパシタ１２４のプラス端子に接続される。抵抗器１２６のもう一端は、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、ＵＳＢジャック１０５のプラス入力端子、キャパシタ１１４のプラス端子に接続される。
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３２４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１１１の接続について説明する。図１におけるノード３２０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３２４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、後述する、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。
また、独立電源システムの多くの場合では、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、太陽電池に対し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がノード３１８からノード３２４方向への逆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る。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。
図３に、インバータ１１７、インバータ１１８の中身の例を示す。図３（ａ）はインバータ１１７を表し、図３（ｂ）はインバータ１１８を表す。図３（ａ）は、ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１、抵抗器２１２で構成される。図３（ｂ）は、ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３、抵抗器２１４、ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５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。
ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３のソースは、ノード４１８に接続される。ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３のドレインは、抵抗器２１４の一端、ノード４１６に接続される。ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３のゲートは、ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５、ノード４１５に接続される。
抵抗器２１４の一端は、ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５のドレインに接続される。抵抗器２１４のもう一端は、ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３のドレイン、ノード４１６に接続される。
ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５のソースは、ノード４１７に接続される。ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５のドレインは、抵抗器２１４の一端に接続される。ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５のゲートは、ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３のゲート、ノード４１５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４１５に接続される。図１のノード３１３は、図３のノード４１６に接続される。図１のノード３１４は、図３のノード４１７に接続される。図１のノード３１５は、図３のノード４１８に接続される。
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、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。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、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。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。キャパシタ１１２はキャパシタ２２２と同じものを指し、キャパシタ１１３はキャパシタ２２３と同じものを指す。
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１０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１０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１０（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１０（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１０（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１０には図示せず、キャパシタ２２３に相当）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が信号プラス端子（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と信号プラス端子（データ転送用プラス端子）４４３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６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で、商用交流電源１０２またはモバイルバッテリ１２７から電力が得られる場合、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い場合、晴天モードとなる。この他、図６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またはモバイルバッテリ１２７から電力が得られない場合、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、または、モバイルバッテリ１２７から電力が得られる場合、商用交流電源１０２からＡＣアダプタ１０４経由で、または、モバイルバッテリ１２７から、ＵＳＢ機器１０６に充電されるモードである。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 または モバイルバッテリ１２７経由 のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」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。「商用交流電源１０２、ＡＣアダプタ１０４経由 または モバイルバッテリ１２７経由 のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」から電力が得られる場合で、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。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のみでまかなうことができる場合は、晴天モードとなる。スタンドアロンモードは、晴天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。
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、ＡＣアダプタ１０４経由 または モバイルバッテリ１２７経由 のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」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、または、ノード３１９から整流用ダイオード１２３経由で、電流が供給される。多くの独立電源システムで太陽電池に直列に接続する逆流防止ダイオードが必要であるが、夜間モードでは、アナログスイッチング素子１１０がオフし、ソースを逆にして直列に接続した電界効果トランジスタが電流の逆流を止めることにより、太陽電池が並列接続されていない場合は逆流防止ダイオードが不要となる。
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または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」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の電位がインバータ１１７の反転基準値近くになる。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、ノード３１７、ノード３１８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、整流用ダイオード１２３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。その結果、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、「商用交流電源１０２、ＡＣアダプタ１０４経由 または モバイルバッテリ１２７経由 のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」からの出力電流が減る。別の言い方をすると、太陽光出力電流が増えると、ＡＣアダプタまたはモバイルバッテリの出力電流が減る。
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。その結果、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１０４または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」の出力電流が増える。別の言い方をすると、太陽光出力電流が減ると、ＡＣアダプタまたはモバイルバッテリの出力電流が増える。
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の方が機械的スイッチ１２５で選択されている」または「モバイルバッテリ１２７から電力が供給され、モバイルバッテリの方が機械的スイッチ１２５で選択されている」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、「ＡＣアダプタ１０４または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」から供給される。
図７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１０４または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」の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１０４または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」の出力電流が大きくなり、模擬太陽光入力電流が増えるにつれ、「ＡＣアダプタ１０４または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」の出力電流が減っていくのがわかる。「ＡＣアダプタ１０４または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」がどちらであっても、特性はほぼ同じである。
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、１９．１Ｖ（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。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、それぞれ、夜間モード、晴天モードである。１４．２Ｖ（ボルト）〜１４．８Ｖ（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。
次に、晴天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 または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」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。
最後に、図６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、「機械的スイッチ１２５がＡＣアダプタを選択されていて、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、または、機械的スイッチ１２５がモバイルバッテリ１２７を選択していて、モバイルバッテリ１２７に残量がない場合等」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の電位がインバータ１１７の反転基準値近くになる。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。その結果、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。その結果、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、「機械的スイッチ１２５がＡＣアダプタを選択されていて、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」、「機械的スイッチ１２５がモバイルバッテリ１２７を選択していて、モバイルバッテリ１２７に残量がない場合等」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、晴天第一モードとなる。
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。しかし、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、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８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ことが多い。
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８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、温度上昇による太陽電池出力電圧の低下、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ＡＣアダプタ１０４経由 または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」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。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からＡＣアダプタ１０４経由 または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」またはその両方である。
図６で挙げたすべてのモードにおいて、ほとんどの場合、太陽電池１０１または「商用交流電源１０２からＡＣアダプタ１０４経由 または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」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ＡＣアダプタ１０４経由 または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」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。
一般的な独立電源システムには鉛蓄電池等の１２Ｖ系のバッテリが含まれるが、本発明の充電システムには、１２Ｖ系のバッテリは含まれない。そのため、１２Ｖ系のバッテリの減価償却費は必要ない。また、鉛蓄電池が無い分、システムが軽量になる。また、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。
本発明のシステムでは、機械的スイッチ１２５により、太陽電池１０１ともう一方の電源供給機器を選択することができる。太陽電池１０１ともう一方の電源供給機器として、ＡＣアダプタ１０４かモバイルバッテリ１２７を選択できる。機械的スイッチ１２５がＡＣアダプタ１０４を選択しているときは、太陽電池１０１とＡＣアダプタ１０４協調充電となり、機械的スイッチ１２５がモバイルバッテリ１２７を選択しているときは、太陽電池１０１とモバイルバッテリ１２７の協調充電となる。停電・災害時以外で、屋内にシステムがあるときで、ＡＣアダプタ１０４が商用電源１０２に接続し、機械的スイッチ１２５がＡＣアダプタ１０４を選択し、太陽電池１０１とＡＣアダプタ１０４の協調充電とし、停電・災害時、キャンプ等のときには、機械的スイッチ１２５がモバイルバッテリ１２７を選択し、太陽電池１０１とモバイルバッテリ１２７の協調充電とする といった使い方ができる。
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。大容量キャパシタ１２４に関しては、あとで述べる。キャパシタを１１２、１１３、１１４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る。 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、「商用交流電源１０２からＡＣアダプタ１０４経由 または モバイルバッテリ１２７ のうち機械的スイッチ１２５で選択された方」からのノイズを低減する効果もある。ただし、キャパシタ１１４の容量が大きすぎると、ＵＳＢジャック１０５からＵＳＢ機器１０６を抜いた状態で放置した後、ＵＳＢジャック１０５からＵＳＢ機器１０６を接続した場合、すぐに充電を開始しない場合がある。
適切なキャパシタの例は、１１２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に電解コンデンサ４７０ｕＦ（マイクロファラッド）を２つ、１１４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がないと、スタンドアロンモード時に電力効率が悪くなり、アナログスイッチング素子１１０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の方向に流れる電流を阻止できず、太陽電池１０１が１枚でも、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。
モバイルバッテリ１２７は、充電対象ＵＳＢ機器１０６がＵＳＢジャック１０５から抜かれた状態が続いた後、再度充電対象ＵＳＢ機器１０６をＵＳＢジャック１０５に接続した場合、モバイルバッテリ１２７から電力が供給されない場合がある。
まず、制御回路５０１が動作するためには、制御回路の電源ノード３１４に電源が供給されている必要がある。制御回路の電源ノード３１４に電源が供給されていないと、ＵＳＢ機器１０６をＵＳＢジャック１０５に接続しない状態からＵＳＢジャック１０５に接続する状態に変わったとしても、ＵＳＢ機器１０６に充電が開始されない。そのため、制御回路の電源ノード３１４に常に電源が供給されていることは重要である。
それに加えて、電源ノード３１４から充電ノード３１８に電流を流す素子として、抵抗器１２６などが必要である。まずは、ノード３１４に常に電源が供給されることについて説明する。
ノード３１４に常に電源が供給されるように、以下の３つの工夫を行う。これらの工夫は、本発明で、重要な部分である。
（１） 太陽電池からの供給される電源、ＡＣアダプタから供給される電源、モバイルバッテリから供給される電源、モバイルバッテリから供給される電源の３か所から、制御回路の電源ノードに電流が流れるようにダイオードを接続する。こうすることにより、太陽電池、ＡＣアダプタ、モバイルバッテリのどれかから電源が供給されていたら制御回路の電源が供給されるようにする。
（２） 制御回路の電源に電気二重層キャパシタ等の大容量のキャパシタを接続する。こうすることにより、（１）で電力が供給されないことがあってもある程度の時間制御回路の電源を保持する。
（３） インバータ１１７はｎＭＯＳ電界効果トランジスタ＋抵抗器の構成にし、インバータ１１８はｎＭＯＳ電界効果トランジスタ＋抵抗器＋ｐＭＯＳ電界効果トランジスタの構成にする。こうすることにより、（１）で電力が供給されない期間の制御回路の電源の消費量を抑える。
上記３つの工夫は、すべて行うと単純な足し算の効果ではなく、電源ノード３１４に電源が供給されている期間を１００％に非常に近くできるという非常に大きな効果が得られる。以下ではそれぞれに関し、詳しく述べる。
まず、（１）に関しての説明をする。
インバータ１１７、インバータ１１８の電源を供給するノードであるノード３１４を、制御回路の電源ノードと呼ぶことにする。
ダイオード１１９をノード３１６と制御回路の電源ノード３１４の間に接続する。ノード３１６には、晴天時には、太陽電池１０１から電源が供給される。ダイオード１１９のアノードは、ノード３１６に接続され、ダイオード１１９のカソードは、制御回路の電源ノード３１４に接続される。
ダイオード１２０をノード３１７と制御回路の電源ノード３１４の間に接続する。ノード３１７には、停電・災害時以外で、「ＡＣアダプタ１０４が商用電源１０２、ジャック１０７に接続されている」ときには、商用電源１０２から電源が供給される。ダイオード１２０のアノードは、ノード３１７に接続され、ダイオード１２０のカソードは、制御回路の電源ノード３１４に接続される。
ダイオード１２３をノード３１９と制御回路の電源ノード３１４の間に接続する。ノード３１９には、モバイルバッテリ１２７がジャック１０８に接続され、「モバイルバッテリ１２７に十分電力が残っており、モバイルバッテリから切断されていない」ときには、モバイルバッテリ１２７から電源が供給される。ダイオード１２３のアノードは、ノード３１９に接続され、ダイオード１２３のカソードは、制御回路の電源ノード３１４に接続される。
上記により、太陽電池１０１、ＡＣアダプタ１０４、モバイルバッテリ１２７のどれかから電源が供給されていたら制御回路の電源ノード３１４が供給されるようにする。太陽電池１０１、ＡＣアダプタ１０４、モバイルバッテリ１２７は、お互いに全く性格の異なる電力供給源である。図９（ａ）に、各電源から電力が供給される条件をまとめた。
まず、太陽電池１０１に関してである。太陽電池１０１から電力が供給される条件、つまり、太陽電池１０１が発電する条件は、日照があることである。日照があるのは、昼間である。夜間は、日照を得ることができない。昼間は、晴天時には当然発電するが、曇りや雨の場合でも、通常は制御回路で消費する電力くらいは供給することができる。すなわち、太陽電池１０１から電力が供給されるのは、昼間、太陽電池１０１から電力が供給されないのは夜間である。
次に、ＡＣアダプタ１０４である。ＡＣアダプタ１０４から電力が供給される条件は、家庭内で本システムを使っていてＡＣアダプタ１０４を商用電源１０２に接続されていて、停電・災害が起きていない通常時である。ＡＣアダプタ１０４から電力が供給されない条件は、停電・災害が起きていて、商用電源１０２まで電力が供給されていない場合、キャンプに本システムを持っていって商用電源１０２に接続できない場合などのように屋外で使用する場合である。
最後にモバイルバッテリ１２７に関してである。モバイルバッテリ１２７から電力が供給される条件は、モバイルバッテリに残容量が残っていて、モバイルバッテリから切断されていない場合（後述）である。モバイルバッテリ１２７から電力が供給されない条件は、モバイルバッテリが空の場合、モバイルバッテリから切断されている場合である。モバイルバッテリは、充電対象機器がはずされてしばらくすると、電力供給を中止してしまう。
上記の他に、太陽電池１０１、ＡＣアダプタ１０４、モバイルバッテリ１２７やその系統に障害が起きた場合、配線の接続作業時には、電力が供給されない。このように、太陽電池１０１、ＡＣアダプタ１０４、モバイルバッテリ１２７という、お互いに全く性格の異なる電力供給源を組み合わせ、どれかから電力が供給されれば、制御回路の電源ノード３１４に電源が供給できるようにすれば、制御回路の電源ノード３１４に電源が供給できる期間を１００％に近づけることができる。
次に、（２）に関しての説明をする。
制御回路の電源ノード３１４に電気二重層キャパシタ等の大容量のキャパシタ１２４を接続する。（１）により昼間は制御回路の電源ノード３１４が供給されていると推定する場合、夜間１２時間の間に必要な電力を供給できればよい。
（１）で電力が供給されていない期間の制御回路の消費電流を１μＡ（マイクロアンペア）とし、制御回路の電源ノード３１４の電圧が０．５Ｖまで下がっても動作すると仮定すると、１２時間システムを維持するのに必要なキャパシタ１２４の容量は、電荷（Ｃ、クーロン）＝容量（Ｆ、ファラッド）×電圧（Ｖ、ボルト）、 電荷（Ｃ、クーロン）＝電流（Ａ、アンペア）×時間（秒）より、容量（Ｆ、ファラッド）＝電流（Ａ、アンペア）×時間（秒）／電圧（Ｖ）となる。これを計算すると、（１×１０−６）（Ａ・アンペア）×（１２×６０×６０）(秒)／０．５（Ｖ・ボルト）＝０．０８６４（Ｆ・ファラッド）となる。すなわち、約０．１Ｆ（ファラッド）程度の容量のキャパシタがあればよいこととなる。
大容量のキャパシタ１２４としては、２０２０年時点では電気二重層キャパシタが適する。２０２０年時点で、１Ｆ（ファラッド）の電気二重層キャパシタは１個単位で購入しても、１００円程度の価格で入手することができる。将来、電気二重層キャパシタ以外に高性能のキャパシタが出現し、キャパシタ１２４を将来出現したキャパシタに置き換えたとしても、本発明の請求の範囲となる。
次に、（３）に関しての説明をする。
制御回路であるインバータ１１７、インバータ１１８の回路構成について説明する。尚、本発明におけるインバータは、論理反転機能を持つ素子であり、直流を交流に変える機能を持つ素子・機器であるインバータは、ここでは関係ない。
図３（ａ）に、インバータ１１７の中身を示す。図３（ｂ）に、インバータ１１８の中身の例を示す。図３（ａ）は、ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１、抵抗器２１２で構成される。図３（ｂ）は、ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３、抵抗器２１４、ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５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、ｎＭＯＳ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。
ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３のソースは、ノード４１８に接続される。ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３のドレインは、抵抗器２１４の一端、ノード４１６に接続される。ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３のゲートは、ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５のゲート、ノード４１５に接続される。
抵抗器２１４の一端は、ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５のドレインに接続される。抵抗器２１４のもう一端は、ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３のドレイン、ノード４１６に接続される。
ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５のソースは、ノード４１７に接続される。ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５のドレインは、抵抗器２１４の一端に接続される。ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ２１５のゲートは、ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ２１３のゲート、ノード４１５に接続される。
図１のインバータ１１７、インバータ１１８の接続について説明する。図１のノード３１１は、図３（ａ）のノード４１１に接続される。図１のノード３１２は、図３（ａ）のノード４１２、図３（ｂ）のノード４１５に接続される。図１のノード３１３は、図３（ｂ）のノード４１６に接続される。図１のノード３１４は、図３（ａ）のノード４１３、図３（ｂ）のノード４１７に接続される。図１のノード３１５は、図３（ａ）のノード４１４、図３（ｂ）のノード４１８に接続される。
アナログスイッチング素子１１１を制御する信号ノードである、インバータ１１８の出力ノードは、図３（ｂ）のように、ｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ２１３のドレインと、抵抗器２１４の間のノード４１６を出力する。ｐＭＯＳ型電界効果トランジスタ２１５のドレインと、抵抗器２１４の間のノードを出力するのではない。ｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ２１３のドレインと、抵抗器２１４の間のノードを出力する方が、協調充電モードにおいて充電電流、すなわち太陽電池１０１と「ＡＣアダプタ１０４またはモバイルバッテリ１２７のうち、スイッチ１２５で接続されている方」からの電流の合計 を多くできるからである。
インバータ１１７はｎＭＯＳ電界効果トランジスタ＋抵抗器の構成にし、インバータ１１８はｎＭＯＳ電界効果トランジスタ＋抵抗器＋ｐＭＯＳ電界効果トランジスタの構成にすることより、協調充電モードを含むすべてのモードで、インバータ１１７、インバータ１１８の消費電流を中程度以下に抑え、夜間モードでのインバータ１１７、インバータ１１８の消費電流を小さく抑えることができる。
このことを説明するために、図９（ｂ）のように、３通り、第一インバータ（インバータ１１７）、第二インバータ（インバータ１１８）の構成を仮定する。
ＣＭＯＳ型は、第一インバータ（インバータ１１７）はｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ＋ｐＭＯＳ型電界効果トランジスタで、第二インバータ（インバータ１１８）もｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ＋ｐＭＯＳ型電界効果トランジスタで構成される。この構成は、複数のインバータを集積してＩＣパッケージにまとめたものとして流通しており、広く手に入る。
ｎＭＯＳ型は、第一インバータ（インバータ１１７）はｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ＋抵抗器、第二インバータ（インバータ１１８）もｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ＋抵抗器で構成される。
本発明型は、第一インバータ（インバータ１１７）はｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ＋抵抗器、第二インバータ（インバータ１１８）はｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ＋抵抗器＋ｐＭＯＳ型電界効果トランジスタで構成される。
ｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ＋ｐＭＯＳ型電界効果トランジスタによるインバータは、入力電位がＶＳＳ付近では、消費電流は小さく、入力電位がＶＳＳとＶＤＤの中間的な状態では、消費電流は大きく、入力電位がＶＤＤ付近では、消費電流は小さくなる。ｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ＋抵抗器によるインバータは、入力電位がＶＳＳ付近では、消費電流は小さく、入力電位がＶＳＳとＶＤＤの中間的な状態では、消費電流は中程度で、入力電位がＶＤＤ付近では、消費電流は中程度になる。ｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ＋抵抗器＋ｐＭＯＳ電界効果トランジスタよるインバータは、入力電位がＶＳＳ付近では、消費電流は小さく、入力電位がＶＳＳとＶＤＤの中間的な状態では、消費電流は中程度で、入力電位がＶＤＤ付近では、消費電流は小さくなる。
イメージをわきやすくするため、具体的な数値例を挙げる。ここでは、消費電流が小さいとは、１μＡ（マイクロアンペア）程度、消費電流が中程度とは、３０μＡ（マイクロアンペア）程度、消費電流が大きいとは、２０ｍＡ（ミリアンペア）程度を指し示す。これは、あくまで例であり、素子選択により大きく異なる。また、この数値は、市場調査には基づくが、発明者が自身で評価したのではない。
それぞれの消費電流を議論する前に、夜間モード、協調充電モード、晴天モード、スタンドアロンモードの定義を再度軽く説明し、ノード３１１の電位を説明する。
夜間モードでは、太陽電池１０１が発電していないモードであり、ノード３２２の電位が低い（通常０Ｖ付近）ので、ノード３１１の電位も低くなる（通常０Ｖ）。
協調充電モードとは、「ＡＣアダプタまたはモバイルバッテリのうちスイッチ１２５が選択している側」から電力が供給されており、太陽電池１０１からの電力では、充電のための電力が足りず、太陽電池１０１と「ＡＣアダプタまたはモバイルバッテリのうちスイッチ１２５が選択している側」が協力してＵＳＢ機器１０６を充電するモードである。協調充電モードでは、フィードバックが働くので、ノード３２２の電位はある程度高くなり（例えば１４．５Ｖ）、ノード３１１の電位は中間的な電位となる。
晴天モードとは、太陽電池１０１からの電力で、ＵＳＢ機器１０６の充電のための電力をまかなうことができるため、太陽電池１０１のみで、ＵＳＢ機器１０６を充電するモードである。晴天モードでは、ノード３２２の電位は高くなり（例えば１９Ｖ）、ノード３１１の電位は高くなる（通常ＶＤＤ）。
スタンドアロンモードとは、「ＡＣアダプタまたはモバイルバッテリのうちスイッチ１２５が選択している側」から電力が供給されておらず、太陽電池１０１からの電力では、充電のための電力が足りないが、しかたなく太陽電池１０１からの電力のみでＵＳＢ機器１０６を充電するモードである。アナログスイッチング素子１１０があるため、ＤＣＤＣコンバータ１０３の適切な入力電圧（ノード３２２）を調整し、スタンドアロンモードでも効率よくＤＣＤＣコンバータ１０３が電力を変換し、ＵＳＢ機器１０６を充電することができる。スタンドアロンモードでは、協調充電モードと同様に、フィードバックが働くので、ノード３２２の電位はある程度高くなり（例えば１４．５Ｖ）、ノード３１１の電位は中間的な電位となる。
以上を踏まえ、図９（ｂ）で定義したそれぞれの方式で、消費電流を議論する。
ＣＭＯＳ型に関し議論する。夜間モードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が低い電位なので、消費電流は小さく、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が高い電位なので、消費電流は小さく、合計して、消費電流は小さい。協調充電モードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が中間電位なので、消費電流は大きく、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が中間電位なので、消費電流は大きく、合計して、消費電流は大きい。晴天モードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が高い電位なので、消費電流は小さく、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が低い電位なので、消費電流は小さく、合計して、消費電流は小さい。スタンドアロンモードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が中間電位なので、消費電流は大きく、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が中間電位なので、消費電流は大きく、合計して、消費電流は大きい。
ｎＭＯＳ型に関し議論する。夜間モードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が低い電位なので、消費電流は小さく、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が高い電位なので、消費電流は中程度、合計して、消費電流は中程度である。協調充電モードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が中間電位なので、消費電流は中程度であり、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が中間電位なので、消費電流は中程度であり、合計して、消費電流は中程度である。晴天モードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が高い電位なので、消費電流は中程度であり、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が低い電位なので、消費電流は小さく、合計して、消費電流は中程度である。スタンドアロンモードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が中間電位なので、消費電流は中程度であり、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が中間電位なので、消費電流は中程度である、合計して、消費電流は中程度である。
本発明型に関し議論する。夜間モードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が低い電位なので、消費電流は小さく、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が高い電位なので、消費電流は小さく、合計して、消費電流は小さい。協調充電モードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が中間電位なので、消費電流は中程度であり、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が中間電位なので、消費電流は中程度であり、合計して、消費電流は中程度である。晴天モードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が高い電位なので、消費電流は中程度であり、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が低い電位なので、消費電流は小さく、合計して、消費電流は中程度である。スタンドアロンモードでは、第一インバータ（インバータ１１７）は、入力が中間電位なので、消費電流は中程度であり、第二インバータ（インバータ１１８）は、入力が中間電位なので、消費電流は中程度である、合計して、消費電流は中程度である。
以上を、図９（ｃ）にまとめる。
本発明型は、協調充電モードを含むすべてのモードで、第一インバータ（インバータ１１７）、第二インバータ（インバータ１１８）の消費電流を中程度以下に抑えることができる。そのため、協調充電モードを含むすべてのモードで効率よく電力を用いることができる。夜間モード以外のモードでは、太陽電池が発電しているので、第一インバータ（インバータ１１７）、第二インバータ（インバータ１１８）の消費電流が中程度の電力消費であれば、電源ノード３１４に供給される電力に比べて、第一インバータ（インバータ１１７）、第二インバータ（インバータ１１８）の消費電流を小さく抑えることができる。
また、本発明型は、夜間モードでの第一インバータ（インバータ１１７）、第二インバータ（インバータ１１８）の消費電流を小さく抑えることができる。夜間モードでは、太陽電池が発電していない。そのため（１）で議論した、太陽電池からの供給される電源、ＡＣアダプタから供給される電源、モバイルバッテリから供給される電源、モバイルバッテリから供給される電源の３か所すべての電力供給が止まり、大容量キャパシタ１２４に頼る可能性がありうる。そのため、夜間モードでの第一インバータ（インバータ１１７）、第二インバータ（インバータ１１８）の消費電流を小さく抑えることは重要である。
上述の議論より、インバータ１１７はｎＭＯＳ電界効果トランジスタ＋抵抗器の構成にし、インバータ１１８はｎＭＯＳ電界効果トランジスタ＋抵抗器＋ｐＭＯＳ電界効果トランジスタの構成にするのが適切である。
図９（ｂ）に挙げなかった方法についても比較しておく。
本発明型で、第二インバータ（インバータ１１８）の構成からｎＭＯＳ型電界効果トランジスタをなくし、抵抗器＋ｐＭＯＳ型電界効果トランジスタのみの構成する場合を考える。この場合、もとの本発明型に比べ、協調充電モードにおける充電電流、すなわち太陽電池１０１と「ＡＣアダプタ１０４またはモバイルバッテリ１２７のうち、スイッチ１２５で接続されている方」からの電流の合計が減ってしまうので、適さない。
本発明型で、第一インバータ（インバータ１１７）の構成にｐＭＯＳ型電界効果トランジスタを加え、ｎＭＯＳ型電界効果トランジスタ＋抵抗器＋ｐＭＯＳ型電界効果トランジスタのみの構成する場合を考える。この場合、元の本発明型に比べ、晴天モード時に消費電流が小さくなるが、晴天モード時は、太陽電池１０１が発電しており、消費電流は中程度で十分なので、メリットはそれほど大きくない。この構成は、動作上特に問題ないが、ｐＭＯＳ型電界効果トランジスタ一つ分コストが上昇してしまう。
（１）（２）（３）の工夫は、すべて行うと単純な足し算の効果ではなく、電源ノード３１４に電源が供給されている期間を１００％に非常に近くできるという非常に大きな効果が得られる。（３）で夜間モードにおいて消費電流が小さくなるので、（１）で電力供給が得られない期間においても、（２）で接続した大容量キャパシタに充電された電力を使い、制御回路が動作する。
ただし、上記だけでは、ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６をＵＳＢジャック１０５から抜いた場合、一度モバイルバッテリが満充電と判断し切断した場合で、再度、ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６をＵＳＢジャック１０５に接続したとしても、再度充電を開始しないことがあることがわかっている。電流を流す素子として、抵抗器１２６を制御回路の電源と充電ノード３１８の間に接続することによって解決することがある。
発明者は、モバイルバッテリの中に、充電ノード３１８の電位が高いと、充電を継続すべきと判断するものがあること、充電ノード３１８に大きな電位変化があると、再度充電を開始すべきと判断するものがあることと考えている。ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６をＵＳＢジャック１０５から抜いた状態で充電ノード３１８の電位がある程度高いと、ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６をＵＳＢジャック１０５に接続したときに大きな電位変化が起きる。大きな電位変化を検出するモバイルバッテリの場合、キャパシタ１１４が大容量すぎると接続を検知できない可能性がある。図１１に、電圧の変化によりモバイルバッテリが電力を供給し始める様子を示すである。横軸は時刻であり、縦軸はノード３１８の電位である。これは、オシロスコープで取得した波形データである。
発明者は、市販されている３種類のモバイルバッテリで、ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６をＵＳＢジャック１０５から抜いてしばらく放置した場合で、再度ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６を接続した場合、モバイルバッテリ１２７から放電が開始されるかという実験を行った。ＵＳＢジャック１０５（１）（２）（３）の工夫に加え、電流を流す素子として、抵抗器１２６を導入することにより、抵抗器１２６が１ＭΩ（メガオーム）、キャパシタ１１４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）の場合で、３種類のモバイルバッテリのうち２種類で即座に充電を再開した。残りの１種類のモバイルバッテリは、抵抗器１２６が１０ｋΩ（キロオーム）、キャパシタ１１４に電解コンデンサ１０ｕＦ（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）としたら、即座に充電を再開する場合があった。
重要なことは、電流を流す素子として、抵抗器１２６を制御回路の電源ノード３１４と充電ノード３１８の間に接続すると、ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６をＵＳＢジャック１０５から抜いた場合で、再度、ＵＳＢ機器（充電対象機器）１０６をＵＳＢジャック１０５に接続したとしても、再度充電を開始することがある点である。抵抗器１２６の抵抗値、キャパシタ１１４の容量値は、モバイルバッテリに合わせて最適化すべきパラメータであり、設計事項であるため、抵抗器１２６の抵抗値、キャパシタ１１４の容量値がどうであっても、本発明の請求の範囲に影響はないと考える。電流を流す素子として、抵抗器以外の素子、例えば発光ダイオードやツェナーダイオードなどで代用できることもある。
これらにより、ＵＳＢ機器１０６をＵＳＢジャック１０５に接続しない状態からＵＳＢジャック１０５に接続する状態に変わったら、大半の場合すぐに太陽電池１０１またはＡＣアダプタ１０４またはモバイルバッテリ１２７からＵＳＢ機器１０６に電力供給が開始される。特にモバイルバッテリ１２７から電力供給されるのは、（１）（２）（３）と電流を流す素子（抵抗器）１２６の効果である。
本発明の協調充電システムを用いることにより、鉛蓄電池等の１２Ｖ系のバッテリが必要ないので、減価償却費を抑えることができる。また、重い鉛蓄電池が無いことにより、軽量化する。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。そして、スタンドアロンモードを搭載し、太陽電池の系統にもアナログスイッチング素子を持ち、フィードバックするので、太陽電池のみからしか電力が供給されないときも、効率よく充電対象機器を充電できる。そして、太陽電池が発電していないときは、太陽電池と充電対象機器の間にある向きを互いに逆にし直列接続されたアナログスイッチング素子があることにより、太陽電池が一つの場合は、通常の独立電源システムでは必要な逆電流防止ダイオードが必要ない。そのため、太陽電池が一つの場合は、逆電流防止ダイオードによる電圧降下がなく、電力効率が良い。さらに、ダイオード、大容量キャパシタ、省電力といった種々の工夫により、モバイルバッテリが一度電力を供給しなくなっても、充電対象機器が接続されると、モバイルバッテリによっては、すぐに充電を開始する。
第１の実施の形態の説明や、図面の名称、内容に関し、例であるという表現を用いていないが、実施の形態の説明や、図面の名称、内容は、例であり、本発明の請求の範囲内で、変えることができる。
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 直流直流変換器
１２７ モバイルバッテリ
１０４ ＡＣアダプタ
１０５ ＵＳＢジャック
１０６、ＵＳＢ機器（充電対象機器）
１０７、１０８ ジャック
１１０ 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 キャパシタ（コンデンサ）
１１５、１１６ 抵抗器
１１７、１１８ インバータ
１１９、１２０、１２３ 整流用ダイオード
１２１、１２２ 電流計
１２４ 大容量キャパシタ（コンデンサ）
１２５ 機械的スイッチ
１２６ 抵抗器（電流を流す素子）

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

５０１ 制御回路

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

２１１、２１３ ｎＭＯＳ電界効果トランジスタ
２１２、２１４ 抵抗器
２１５ ｐＭＯＳ電界効果トランジスタ
４１１、４１２、４１３、４１４、４１５、４１６、４１７、４１８ 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

２３１ ＵＳＢ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

Claims (5)

  1. 第一のインバータ回路、第二のインバータ回路、第一の整流ダイオード、第二の整流ダイオード、第三の整流ダイオード、第十一のキャパシタ、第一の電流を流す素子、第十一のノード、第十二のノード、第十三のノード、第十五のノード、第十六のノードを持ち、
    前記第一のインバータ回路は、ｎチャネル電界効果トランジスタと抵抗器を含み、前記第二のインバータ回路は、ｎチャネル電界効果トランジスタと抵抗器とｐチャネル電界効果トランジスタを含み、前記第一のインバータ回路の電源ノードは、前記第十三のノードに接続され、前記第二のインバータ回路の電源ノードは、前記第十三のノードに接続され、前記第一の整流ダイオードのアノードは、前記第十五のノードに接続され、前記第一の整流ダイオードのカソードは、前記第十三のノードに接続され、前記第二の整流ダイオードのアノードは、前記第十一のノードに接続され、前記第二の整流ダイオードのカソードは、前記第十三のノードに接続され、前記第三の整流ダイオードのアノードは、前記第十二のノードに接続され、前記第三の整流ダイオードのカソードは、前記第十三のノードに接続され、前記第十一のキャパシタの一端は、前記第十三のノードに接続され、前記第一の電流を流す素子は、前記第十三のノードと前記第十六のノードの間に接続され、前記第十一のキャパシタの容量は、０．１Ｆ（ファラッド）以上である
    ことを特徴とする制御回路。
  2. 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、第五のスイッチ、第一の充電ノード、第十三のノード、第十五のノード、第十六のノードを持ち、
    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せず、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で、第三のノードに接続された電力供給源からの電力が得られる場合、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、
    第五のスイッチは、第三のノードと、第十一ノードと第十二のノードのどちらか片方を選択接続し、
    第一の電圧判定回路は、第一のインバータ回路、第二のインバータ回路、第一の整流ダイオード、第二の整流ダイオード、第三の整流ダイオード、第十一のキャパシタ、第一の電流を流す素子を持ち、
    前記第一のインバータ回路は、ｎチャネル電界効果トランジスタと抵抗器を含み、前記第二のインバータ回路は、ｎチャネル電界効果トランジスタと抵抗器とｐチャネル電界効果トランジスタを含み、前記第一のインバータ回路の電源ノードは、前記第十三のノードに接続され、前記第二のインバータ回路の電源ノードは、前記第十三のノードに接続され、前記第一の整流ダイオードのアノードは、前記第十五のノードに接続され、前記第一の整流ダイオードのカソードは、前記第十三のノードに接続され、前記第二の整流ダイオードのアノードは、前記第十一のノードに接続され、前記第二の整流ダイオードのカソードは、前記第十三のノードに接続され、前記第三の整流ダイオードのアノードは、前記第十二のノードに接続され、前記第三の整流ダイオードのカソードは、前記第十三のノードに接続され、前記第十一のキャパシタの一端は、前記第十三のノードに接続され、前記第一の電流を流す素子は、前記第十三のノードと前記第十六のノードの間に接続され、前記第十一のキャパシタの容量は、０．１Ｆ（ファラッド）以上である
    ことを特徴とする充電システム。
  3. 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る
    ことを特徴とする請求項２に記載の充電システム。
  4. 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る
    ことを特徴とする請求項３に記載の充電システム。
  5. 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、前記第十一のノードにはＡＣアダプタが接続可能であり、前記第十二のノードには、モバイルバッテリが接続可能であり、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、「 「第五のスイッチでＡＣアダプタが選択されているときは、ＡＣアダプタが接続されており、商用電源と電気的につながっていて」、「第五のスイッチでモバイルバッテリが選択されているときは、モバイルバッテリが接続されており、モバイルバッテリから電力供給されている」 」場合は、前記太陽電池と、「ＡＣアダプタとモバイルバッテリのうち、第五のスイッチで選択された方」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、「 「第五のスイッチでＡＣアダプタが選択されているときは、ＡＣアダプタが接続されていないか、商用電源と電気的につながっていない状態で」、「第五のスイッチでモバイルバッテリが選択されているときは、モバイルバッテリが接続されていないか、モバイルバッテリから電力供給されていない」 」場合は、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４に記載の充電システム。

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