JPH09121461A

JPH09121461A - 自己充電型電池およびそれを用いた電気用品

Info

Publication number: JPH09121461A
Application number: JP7274267A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Ketsusako; 光紀蕨迫; Ken Tsutsui; 謙筒井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-10-23
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 1997-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】二次電池（蓄電池）と太陽電池とを組み合わ
せ、二次電池を自己充電することにより、実質的に蓄電
池の単位容量と最大充放電回数との積に相当する放電容
量を継続的に得る方式を提供する。【解決手段】二次電池と太陽電池とからなる電池電源で
あって、二次電池は少なくとも２群以上からなり、二次
電池は、太陽電池からの出力電流を受けて充電状態にあ
る一群と、負荷への放電状態にある一群とによって構成
され、かつ二次電池のそれぞれの群を電気的に交互に切
り替える手段を少なくとも備えた自己充電型電池であっ
て、負荷へ接続して放電下限にまで放電状態を継続した
二次電池群と、太陽電池からの出力電流を受けて満充電
状態もしくは満充電の維持状態にある二次電池群とを、
電気的に交互に切り替える手段を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池による自己
充電型の二次電池およびそれを用いた電気用品に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池と化学二次電池とを組み合わ
せ、太陽電池の発電電力を二次電池に蓄えることは、こ
れまでにも行われている。例えば、図２に示すように、
太陽電池１により発生した電流は、逆流防止ダイオード
２を介して、いったん二次電池３に蓄えられ、外部負荷
４に供給される。太陽電池１が発電していない場合に
は、通常の二次電池による電力供給と同じ状態にあり、
二次電池３の端子間電圧よりも太陽電池１の出力電圧が
高い場合、さらに正確には、二次電池３の端子間電圧に
逆流防止ダイオード２の順方向の電圧降下分を加えた電
圧よりも太陽電池１の出力電圧が高い場合には、太陽電
池１からも電力が供給され、それが負荷４の消費電力よ
りも大きい場合には、太陽電池１からの電力が二次電池
３に蓄えられる。二次電池３としては鉛蓄電池が一般的
であり、小規模のシステムではニッケル−カドミウムあ
るいはニッケル−水素二次電池、最近ではリチウム二次
電池等が用いられている。しかし、上記のような従来の
構成において、太陽電池と二次電池の充放電特性との組
み合わせについて、次に示すような注意が必要である。
すなわち、鉛蓄電池において深放電は電池寿命を著しく
損なうので、満充電に近い状態で浅く充放電するのが好
ましい。したがって、太陽電池との組み合わせで使用す
る場合には太陽電池の発電電力に比べて二次電池容量を
大きめにとる必要があり、これが電池システムの低価格
化を妨げる一つの要因となっている。また、ニッケル−
カドミウム系電池では、浅い充放電を繰り返すと、メモ
リ効果により充電容量が著しく低減し、そのため電池寿
命が短くなるという問題がある。したがって、太陽電池
との相性が悪く、上記のような電池システムには向かな
い。また、ニッケル−水素系の二次電池についても同様
である。リチウム系二次電池は、浅い充放電の方が好ま
しく、この点では鉛蓄電池と同様であるが、鉛蓄電池に
比べると相当高価であり、太陽電池との組み合わせにお
いて鉛蓄電池以上にコスト高となる問題を抱えている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術における太陽
電池と二次電池との組み合わせにおいて、鉛蓄電池は深
放電すると電池寿命を著しく損なうので、満充電に近い
状態で浅く充放電するのが好ましく、そのため太陽電池
の発電電力に比べて二次電池容量を大きめにとる必要が
あるので低価格化が難しい。また、ニッケル−カドミウ
ム系、ニッケル−水素系の二次電池では、浅い充放電を
繰り返すと、メモリ効果により充電容量が著しく低減
し、そのため電池寿命が短くなるという問題がある。ま
た、リチウム系二次電池は、浅い充放電の方が好まし
く、この点では鉛蓄電池と同様であるが、鉛蓄電池に比
べると相当高価であり、太陽電池との組み合わせにおい
て鉛蓄電池以上にコスト高となる問題がある。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術における二
次電池と太陽電池との組み合わせの制限を解消し、二次
電池側から見ると太陽電池の付加による仮想的に大きな
充電容量を実現する手段を提供し、また、太陽電池側か
ら見ると安価で効率のよい蓄電システムを提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とする
ものである。すなわち、本発明は請求項１に記載のよう
に、二次電池と太陽電池とからなる電池電源であって、
二次電池は少なくとも２群以上からなり、該二次電池
は、太陽電池からの出力電流を受けて充電状態にある一
群と、負荷への放電状態にある一群とによって構成さ
れ、かつ上記二次電池のそれぞれの群を電気的に交互に
切り替える手段を少なくとも備えた構造の自己充電型電
池とするものである。このような構成とすることによ
り、負荷に接続されていない蓄電池（二次電池）は自己
的に充電されて待機しており、負荷に接続されている蓄
電池は放電下限に達すると、充電状態の蓄電池に切り替
えを行うので、負荷側からは、あたかも蓄電池の容量と
充放電の寿命回数との積に相当する大容量の蓄電池に接
続されているように見做される効果がある。また、本発
明は請求項２に記載のように、請求項１において、負荷
へ接続して放電下限（深放電）にまで放電状態を継続し
た二次電池群と、太陽電池からの出力電流を受けて満充
電状態もしくは満充電の維持状態にある二次電池群と
を、電気的に交互に切り替える手段を備えた自己充電型
電池とするものである。このような構成とすることによ
り、請求項１の共通の効果に加えて、二次電池の理想的
な使い方である深放電と満充電の繰返しを行うことがで
きるので、充放電効率が極めて高く、しかも電池寿命を
損なわない効果がある。また、本発明は請求項３に記載
のように、請求項１または請求項２において、太陽電池
の平均的な発電電力を、負荷の平均的な消費電力よりも
若干大きく設定した自己充電型電池であって、このよう
な構成とすることにより、請求項１の共通の効果に加
え、太陽電池の発電電力量よりもわずかに大きな容量の
蓄電池を必要とするだけで、しかも蓄電池を一対で使用
すれば、その単位容量は消費電力量のほぼ半分で済むこ
とになるという効果がある。さらに、本発明は請求項４
に記載のように、請求項１ないし請求項３のいずれか１
項に記載の自己充電型電池からなる電池電源を、電気機
器に搭載して電気用品を構成するものであって、携帯用
電子機器、例えば、携帯電話や個人用デジタル端末、携
帯用テレビやラジオ等の放送受信機器、テープレコーダ
やＣＤ、ＭＤ等の携帯音響機器に有効に用いることがで
き、少ない電池容量で、長時間使用できる効果がある。
ここで、本発明の代表的な自己充電型電池の構成および
動作について、図１を用いて説明する。太陽電池１は、
逆流防止ダイオード２を含む充放電制御器５を介して、
蓄電池（二次電池）３Ａおよび３Ｂに接続されており、
充放電制御器５は、蓄電池３Ａおよび３Ｂの電圧もしく
は充電残量を監視しながら太陽電池１および負荷４に接
続する蓄電池３Ａ、３Ｂを選択し、電気的に切り換える
働きを持つ。図３に、ニッケル−カドミウム二次電池の
典型的な充放電特性を示す。蓄電池３Ａは、太陽電池１
と非接続状態にあって負荷４と接続状態にあり、図３の
放電曲線の点３Ａにある。また、蓄電池３Ｂは負荷とは
非接続状態にあって太陽電池と接続状態にあり、図３の
充電曲線の点３Ｂにある。放電状態にある蓄電池３Ａの
端子間電圧は、充放電制御器５によって監視され、あら
かじめ設定された基準電圧３Ｃに達した段階で、負荷は
蓄電池３Ｂに切り替えられ、同時に太陽電池１が蓄電池
３Ａに接続される。この時、切り替えに伴う瞬間的な電
圧降下または電圧上昇を嫌う負荷の場合には、切り替え
動作をしても構わない状態にいったん切り替えた後、蓄
電池の切り替えを自動的に、もしくは手動で行ってもよ
い。一方、太陽電池１に接続されていた蓄電池３Ｂは、
点３Ｄ（二次電池の電圧）に達すると、無用な過充電を
防止し、太陽電池１の間欠的な出力変動による浅い充放
電の繰り返しを避けるため、太陽電池１は蓄電池３Ｂと
切り放された状態となり、その状態が保持される。しか
し、この状態が長く続くと蓄電池３Ｂは自己放電するた
め、満充電後にも小さな充電電流での補充電を繰り返す
ことが一般的に行われている。本発明の自己充電型電池
の場合にも上記の機能を付加しても差し支えない。以上
のような動作の繰り返しが連続的に行われた場合の状態
を図４に示す。説明を簡略化するため、初期状態の蓄電
池３Ａと蓄電池３Ｂとは満充電状態にあるものとする。
負荷は蓄電池３Ａに接続されており、時間とともに放電
する。この状況は、充放電制御器５によって監視され、
蓄電池３Ａの電圧が、３Ｃに達した時点（ｔ₁）で負荷
に接続される蓄電池が３Ａから３Ｂに切り替えられ、蓄
電池３Ｂの放電が開始する。蓄電池３Ａは、太陽電池に
接続され充電が開始する。この充電の初期あるいは充電
途上の電流制御は、一般の蓄電池の充電におけると同様
に制御されることが望ましい。蓄電池３Ａの電圧は、時
刻ｔ₂で蓄電池３Ｂの電圧と交差するが、この状態は蓄
電池３Ａが満充電に達する時点ｔ₃まで維持される。い
ったん満充電に達した以降は、蓄電池３Ａは満充電状態
を維持するように、適宜補充電が行われる。蓄電池３Ｂ
が放電下限に達する時点ｔ₄で、蓄電池３Ａと蓄電池３
Ｂは切り替わり、それぞれ時刻ｔ₁における蓄電池３Ｂ
と３Ａの状態に相当する状況となる。このように、蓄電
池３Ａと蓄電池３Ｂは、交互に深い充放電状態を繰り返
すが、負荷には常に放電電流が供給され続けることにな
る。充電、放電が間歇的に行われた場合にも、蓄電池の
切り替えは上記と同様の基準で行われる。すなわち、い
ったん放電状態となった蓄電池は放電下限に達するまで
負荷に接続された状態を保ち、充電状態にある蓄電池は
太陽電池側に接続された状態を保つ。以上のような動作
は、接続されていない蓄電池は自己的に充電し、満充電
状態となって待機しており、接続されていた蓄電池が放
電下限に達すると、満充電状態の蓄電池と自動的に交替
するため、負荷側からは、あたかも蓄電池の容量と充放
電の寿命回数との積に相当する大容量の蓄電池に接続さ
れているように見做される。本発明の自己充電型電池に
おいて、持続的な動作を行うためには、太陽電池の平均
的な発電電力は、負荷の平均的な消費電力よりも若干大
きくすることが必要条件となる。したがって、通常の場
合には片方の蓄電池が放電しきる前に、もう一方の蓄電
池は満充電の状態となる。浅い充放電を条件とする従来
の構成と比較すると、負荷の消費電力と太陽電池の発電
電力とは、ほぼ見合った大きさであることには変りがな
いが、従来の場合には、太陽電池の発電電力量の数倍の
蓄電池容量を必要とするのに対して、本発明の自己充電
型電池の場合には、太陽電池の発電電力量よりもわずか
に大きな容量の蓄電池を必要とするだけであり、しかも
蓄電池を一対で使用する場合には、その単位容量は消費
電力量のほぼ半分で済むことになる。すなわち、片方の
蓄電池を負荷に接続し連続的に使用している間に、消費
電力とほぼ同じ容量の平均発電電力を持つ太陽電池が、
もう一方の蓄電池を連続的に充電しているという状態を
実現することにより、電池の充放電寿命に相当する期
間、電力を取り出し続けることができる。これは（二次
電池の定格の充電容量）×（許容充放電回数）の仮想容
量を持つ大容量の一次電池と考えることができる。ま
た、二次電池を抱える太陽電池システムとしては、最も
少ない電池容量で所要システムを構成することができ
る。後者の場合、システム寿命は二次電池の充放電回数
に依存するので、必要な容量を確保する必要があるが、
それでも従来の方式と比較すれば数分の一の容量で済む
ことは上述の説明で明らかである。

【０００６】

【発明の実施の形態】図５は、本発明の自己充電型電池
の構成の一例を示す回路図である。図において、太陽電
池１は、単結晶シリコン太陽電池を、所望の充電電圧＋
１Ｖの電圧が得られるように直列に接続して構成してい
る。蓄電池（二次電池）３Ａおよび３Ｂは、単体容量７
００ｍＡｈのＣｄ−Ｎｉ二次電池であり、それぞれ３.
６Ｖ電源を構成する場合には、太陽電池の直列段数は９
段であり、１.２Ｖ電源の場合には５段で構成する。太
陽電池１から出力のない場合の逆流を防止するために、
太陽電池用の逆流防止ダイオード２が挿入されている。
５は充放電制御回路を示し、その詳細のブロック図を、
図６に示す。充放電制御回路５では、各蓄電池３Ａ、３
Ｂの端子電圧をＢ−を規準としてモニタすると共に、電
池の充放電電流は、接地ＧＮＤとセンス抵抗Ｒsensを介
したＢ−電位で監視する。例えば、３Ａが放電状態に接
続されている場合には、充放電制御回路５はＩout端子
とＩo_Bとを接続し、太陽電池１から蓄電池３Ｂに充電す
る。その制御は蓄電池３Ｂの端子電圧を監視しながら、
充電制御ＩＣ６により自動的に行われる。満充電された
後は、トリクル充電状態に切り替わり、補充電しながら
蓄電池３Ａと切り替わるまで待機する。機器の使用中
に、自動的に電源の切り替えが行われるのが不都合な場
合には、放電中の蓄電池が放電限界に近付いた時点で警
報を発し、電源の切り替えが可能な状態に手動もしくは
自動的に移行し、手動で電源の切り替えを行う方式が最
も簡単であるが、マイコンを搭載する情報端末等の場合
には、レジューム機能の中に電源の自動切り替え機能を
もたせることも可能である。また、電池電源の切り替え
動作において瞬断が問題となる場合には、さらに第３の
電源若しくは並列コンデンサを備えることを妨げない。
また、逆流防止ダイオード２を介して蓄電池がいったん
並列に接続された後、放電した蓄電池が回路系から切り
放されて、太陽電池からの充電回路に接続されるように
プログラムしても良い。なお、両方の蓄電池とも中間充
電状態の場合には、蓄電池３Ａが優先的に選択される。
また、片方の蓄電池が満充電に達しないうちに使用中の
蓄電池が放電し切った場合には、充電途上の蓄電池に切
り替わると共に、充電を促す警報が発せられる。放電が
終了した蓄電池は、充電を開始する前に放電し切ったほ
うが望ましく、この操作も充放電制御回路５で自動的に
行うことができる。

【０００７】

【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ、さらに詳細に
説明する。本発明の自己充電型電池は携帯用電子機器等
に有効に用いられる。通常、携帯電話や個人用デジタル
端末、携帯用テレビやラジオなどの放送受信機器、テー
プレコーダやＣＤ、ＭＤ等の携帯音響機器などでは乾電
池などの一次電池または充電式二次電池として搭載す
る。一次電池は、放電すれば新品と交換の必要がある
が、二次電池は充電し、再使用が可能である。二次電池
を充電する際、電池をいったん外部に取り出し、充電器
にて満充電したものを再度充填する場合と、二次電池を
機器に装填したままで、ＡＣ電源と接続することにより
充電する使用法とがある。いずれの場合も、機器に搭載
される二次電池は一系統のみであり、本発明の自己充電
型電池のような方式は採用されていない。また、搭載さ
れた状態で再充電する方式では、二次電池は放電途上で
再充電される。いずれの場合でもＡＣ電源系から切り
放された状態では、使用可能な電力は最大二次電池の容
量までである。これを越えて携帯電子機器に使いたい場
合には、充電された予備の電池を同時に携帯する必要が
ある。本発明の自己充電型電池によれば、充電の条件が
良い場合には、より少ない携帯電池容量で、極めて長時
間の使用が可能となる。例えば、１.２Ｖで５０ｍＷ消
費する携帯端末の場合、容量７００ｍＡｈのＣｄ−Ｎｉ
電池を２個搭載すると、使用可能時間は約２３時間であ
る。１日当りの使用時間を累計で４時間程度とすれば、
ほぼ１週間の使用量に相当する。充電電流は７０ｍＡ程
度であるので、充電には約１０時間を要する。したがっ
て、週末にＡＣ電源に接続して充電し、週日の間は携帯
して使用するというパターンになる。このような使用パ
ターンに対し、本発明の自己充電型電池を適用した場合
には以下のようになる。搭載する電池は同じように容量
７００ｍＡｈのＣｄ−Ｎｉ電池を２個とする。放電状態
にあるのは、そのうちの１個であり、放電しきるまでの
持続時間は約１１.７時間で、上記と同様の使用条件で
は約３日となる。この間、他の１個は充電状態にあり、
仮に放電し切った状態から始まるとしても、２４時間程
度の充電可能時間がある。仮に使用時間と同じ時間充電
できるとした場合には、充電電流として６０ｍＡ必要で
あり、そのために直射太陽光の場合には６平方センチメ
ートルの結晶シリコン太陽電池があればよい。明るい窓
辺程度の充電環境しか確保できない場合には、その１０
倍量の太陽電池が必要であるが、それでも６０平方セン
チメートルあればよいことになる。このような充電用太
陽電池を付加した状態では、週末に再充電するという手
間はなくなり、理論上は充放電可能な回数だけ連続して
使用することができる。これは、ほぼ５００週間に相当
し、携帯端末の耐用年数以上であるから、実用上は電池
について考える必要がないという状態が実現される。ま
た、例えば図２に示される従来方式の場合には、放電途
上での再充電が常態となるので、一般に電池の寿命は短
く、通常は毎年新しい二次電池と交換する必要が出てく
る。本発明の自己充電型電池の場合には、理想的な使い
方である深放電した後、充電の繰返しを行うので、最も
有効に電池寿命を活かすことができる。したがって、従
来方式に比べて、二次電池自体の消費量も数分の１に減
らすことが可能となり、環境負荷も軽減することができ
る。上記実施例では従来と同じ容量の二次電池を用いた
が、本発明の自己充電型電池によれば、搭載する二次電
池の容量を低減し、機器を軽量化することも可能であ
る。例えば、容量３５０ｍＡｈの電池を２個搭載した場
合に、充放電のサイクルが２倍になるだけで実用上の問
題は少ない。ただし、電池寿命は２５０週間と、ほぼ携
帯端末の耐用年数に近くなる。従来と同じくらいの頻度
で電池を新品と交換することを許容した場合には、機器
に搭載する電池の容量や重量は１／１０で済むことにな
り、携帯用電源方式としての優位性が保持される。な
お、上記実施例では、二次電池としてＣｄ−Ｎｉ電池を
例示したが、Ｎｉ−ＭＨ系電池であっても適用可能であ
り、また本発明の自己充電型電池の構成からいって二次
電池の種類に限定されるものではないことは明らかであ
る。

【０００８】

【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明の自
己充電型電池によれば、安価な二次電池を基本構成とし
て、その充放電特性を活かしながら自己充電する機能を
もたせることにより、負荷に接続されていない蓄電池
（二次電池）は自己的に充電されて待機しており、負荷
に接続されている蓄電池は放電下限に達すると、充電状
態の蓄電池に切り替えを行うので、負荷側からは、あた
かも蓄電池の容量と充放電の寿命回数との積に相当する
仮想的な大容量の蓄電池を実現できる効果がある。ま
た、負荷へ接続して放電下限（深放電）にまで放電状態
を継続した二次電池群と、太陽電池からの出力電流を受
けて満充電状態もしくは満充電の維持状態にある二次電
池群とを、電気的に交互に切り替える手段を備えた自己
充電型電池とすることにより、二次電池の理想的な使い
方である深放電と満充電の繰返しを行うので、充放電効
率が極めて良好で、しかも電池寿命を損なわない効果が
ある。さらに、本発明は自己充電型電池からなる電池電
源を、電気機器に搭載して電気用品を構成するものであ
って、携帯用電子機器、例えば、携帯電話や個人用デジ
タル端末、携帯用テレビやラジオ等の放送受信機器、テ
ープレコーダやＣＤ、ＭＤ等の携帯音響機器に有効に用
いることができ、少ない電池容量で、長時間使用できる
効果がある。また、本発明は電源として電池系単体で用
いても、仮想的な汎用大容量電源として用いることがで
きるが、携帯用独立電源として電源の軽量化に有効であ
り、また、小型の無停電電源として用いることも可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自己充電型電池の構成の一例を示す等
価回路図。

【図２】従来の二次電池付き太陽電池の構成を示す等価
回路図。

【図３】図１に示す自己充電型電池の二次電池の充放電
特性図。

【図４】図１に示す自己充電型電池の動作説明図。

【図５】本発明の実施の形態で例示した自己充電型電池
の等価回路図。

【図６】本発明の実施の形態で例示した自己充電型電池
の制御回路図。

【符号の説明】

１…太陽電池２…逆流防止ダイオード３…蓄電池（二次電池）３Ａ…蓄電池（二次電池）３Ｂ…蓄電池（二次電池）３Ｃ…基準電圧３Ｄ…二次電池の電圧４…負荷５…充放電制御器（充放電制御回路）６…充電制御ＩＣ７…切り替え制御回路Ｖcc…電源電圧Ｂ＋…電位Ｂ−…電位Ｉo_A…端子Ｉo_B…端子Ｒef…参照電圧ＧＮＤ…接地Ｒsens…センス抵抗ＣＣ…端子ＤＲＶ…ドライブノードＩout…端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次電池と太陽電池とからなる電池電源で
あって、二次電池は少なくとも２群以上からなり、該二
次電池は、太陽電池からの出力電流を受けて充電状態に
ある一群と、負荷への放電状態にある一群とによって構
成され、かつ上記二次電池のそれぞれの群を電気的に交
互に切り替える手段を少なくとも備えたことを特徴とす
る自己充電型電池。
【請求項２】請求項１において、負荷へ接続して放電下
限にまで放電状態を継続した二次電池群と、太陽電池か
らの出力電流を受けて満充電状態もしくは満充電の維持
状態にある二次電池群とを、電気的に交互に切り替える
手段を備えたことを特徴とする自己充電型電池。
【請求項３】請求項１または請求項２において、太陽電
池の平均的な発電電力を、負荷の平均的な消費電力より
も若干大きく設定してなることを特徴とする自己充電型
電池。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
記載の自己充電型電池からなる電池電源を、電気機器に
搭載して電気用品を構成してなることを特徴とする電気
用品。