KR20060047861A

KR20060047861A - 전원 장치 및 그 전원 장치에 이용되는 제어 방법

Info

Publication number: KR20060047861A
Application number: KR1020050040020A
Authority: KR
Inventors: 히로시 사사키
Original assignee: 엔이씨 도낀 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2006-05-18
Also published as: CN100384050C; CN1697282A; US7566828B2; JP2005328662A; TW200608666A; TWI273756B; DE102005021821A1; US20050252546A1; JP4133924B2

Abstract

태양전지로부터 발생한 전력이 일조 강도나 주위 온도의 변화에 의해 변동하는 상황하에서 2차 전지를 안정하게 충전하는 전원 장치를 제공한다. 태양전지 모듈로부터 발생하는 전력을 사용함으로써, 전기이중층 커패시터가 충전되고, 전기이중층 커패시터의 충전 전압을 사용함으로써, 승압형 DC-DC 컨버터가 구동된다. 충전 온/오프 제어 회로는 전기이중층 커패시터의 전압을 검출하고, 그 전압이 임계치 전압 이상으로 되었을 때, 충전 제어 신호(단자의 출력 신호)를 액티브 모드로 유지하여 충전 시작 동작을 행하고, 이 후, 그 전기이중층 커패시터의 전압이 임계치 전압으로 되었을 때, 그 충전 제어 신호를 논액티브 모드로 유지하여 충전 정지 동작을 행한다.

태양전지, 충전

Description

전원 장치 및 그 전원 장치에 이용되는 제어 방법{POWER SOURCE DEVICE AND CHARGE CONTROLLING METHOD TO BE USED IN SAME}

도 1은 본 발명의 제 1의 실시예인 전원 장치의 전기적 구성을 도시하는 개략적인 회로도.

도 2는 도 1의 태양전지 모듈에 가해지는 일조 강도에 대응하여 변화하는 출력 특성을 도시하는 그래프.

도 3은 도 1의 태양전지 모듈에 가해지는 일조 강도에 대응하여 변화하는 출력 임피던스 특성을 도시하는 그래프.

도 4는 도 1의 태양전지 모듈의 온도 특성을 도시하는 그래프.

도 5는 고정 설치한 도 1의 태양전지 모듈에 의한 1일의 발전량의 추이를 도시하는 그래프.

도 6은 충전 온/오프 제어 회로의 동작을 설명하는 도면.

도 7은 NOR형 RS-FF(리셋 플립플롭) 회로의 진리값을 도시하는 표.

도 8은 도 1의 전원 장치에 있어서의 리튬 이온 2차 전지의 충전시의 동작을 설명하는 타이밍도.

도 9는 도 1의 리튬 이온 2차 전지의 충전 특성을 도시하는 그래프.

도 10은 도 1에 도시된 전기이중층 커패시터의 충전 특성을 도시하는 그래 프.

도 11은 본 발명의 제 2의 실시예인 전원 장치의 전기적 구성을 도시하는 개략적인 회로도.

도 12는 본 발명의 제 3의 실시예인 전원 장치의 전기적 구성을 도시하는 개략적인 회로도.

도 13은 도 12의 전원 장치에 있어서의 리튬 이온 2차 전지의 충전시의 동작을 설명하는 타이밍도.

♠도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♠

1 : 태양전지 모듈

2 : 제 1 역류 방지 소자

3 : 전류 제한 소자

4 : 과전압 보호 소자

5 : 전기이중층 커패시터

6 : 승압형 DC-DC 컨버터

7 : 충전 온/오프 제어 회로

71 : LDO 레귤레이터

72 : 커패시터 전압 검출 회로

721 : 저전압 검출기

722 : 고전압 검출기

723, 724 : 기준 전압원

73 : 게이트 스위치 제어 회로

731 : 인버터(INV) 회로

732 : NOR형 RS-FF 회로

8 : 2차 전지 충전 제어 회로

81 : 충전 제어 스위치

82 : 게이트 스위치

83 : 충전 방식 선택 스위치

84 : 정전류 충전 제어 회로

85 : 정전압 충전 제어 회로

86 : 제 2 역류 방지 소자

87 : 충전 전류 검출 소자

88 : 충전 전압 검출 소자

9 : 2차 전지 팩

91 : 충방전 보호 회로

92 : 리튬 이온 2차 전지

11 : 메인 커패시터

12 : 서브 커패시터

13 : 메인 커패시터 과전압 보호 소자

14 : 서브 커패시터 과전압 보호 소자

15 : 메인 커패시터 역류 방지 소자

16 : 서브 커패시터 역류 방지 소자

17 : 충전 커패시터 선택 회로

171 : 선택 스위치 제어 회로

172 : 선택 스위치

18 : 커패시터 충전 전압 비교 회로

19 : 서브 커패시터 방전 제어 회로

191 : 방전 스위치

192 : 서브 커패시터 전압 검출 회로

193 : 방전 스위치 제어 회로

기술 분야

본 발명은 전원 장치 및 그 전원 장치에 이용되는 충전 제어 방법에 관한 것으로, 태양전지로부터 발생한 전력이 일시적으로 전기이중층 커패시터에 저장되고, 이 전기이중층 커패시터에 저장된 전력을 기초로 충전되는 2차 전지를 가지며, 예를 들면, 전력 인프라(infrastructure)가 갖추어지지 않은 장소 등에서 이용하는데 알맞은 전원 장치 및 이 전원 장치에 이용되는 충전 제어 방법에 관한 것이다.

배경 기술

태양광 에너지를 기초로 전력을 발생하는 태양전지에 의해 충전되는 2차 전 지를 구비한 전원 장치는, 전력 인프라가 갖추어지지 않은 장소나 지역에서 전자 기기 등의 전원으로서 사용되지만, 일조(日照) 강도나 주위 온도 등의 주위 환경의 변화에 의해, 그 태양전지의 발생 전력이 안정되지 않는다는 문제점이 있다. 이 때문에, 이와 같은 문제점을 개선한 전원 장치가 제안되어 있다.

종래, 이런 종류의 기술로서는, 예를 들면, 일본 특개2002-238182호 공보(제 1페이지, 도 1)에 기재된 것이 있는데, 여기서는, 태양전지와 전기이중층 커패시터가 병렬 접속되고, 그 태양전지의 동작점(動作点)을 정하기 위한 기준 전압을 발생하는 다이오드 어레이가 태양전지에 밀착되어 열(熱)결합되고, 그 결과 기준 전압치와 태양전지의 온도 특성이 일치하도록 되어 있다. 그리고, 태양전지의 동작점이 최대 효율을 얻을 수 있는 최적 동작점으로 되고, 그 태양전지의 온도 변화에 의한 최적 동작점의 변화에 대해, 동작점이 순서대로 수정되면서 스위치 수단 및 정전류 DC(직류)/DC 컨버터를 통하여 배터리의 충전이 행하여진다.

그러나, 상기 종래의 전원 장치에서는, 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 예를 들면, 태양전지를 전원 장치로부터 떨어진 장소에 설치하는 경우, 기준 전압을 발생하는 회로는 전원 장치로부터 분리되기 때문에, 그 기준 전압을 발생하는 회로와 그 전원 장치 사이의 전기 배선이 길어지고, 노이즈 혼입이나, 배선 저항에 의한 전압 강하 등이 발생하고, 기준 전압의 정밀도가 열화하여 태양전지의 동작점이 최적치로 되지 않는다는 문제점이 있다. 또한, 태양전지를 전원 장치와 일체화하여 배터리를 옥외에 설치하는 경우, 예를 들면, 한여름의 무풍 상태 등의 고온 환경하 에서는, 그 배터리의 사용 온도 범위의 상한을 초과함에 의해, 그 배터리가 발열이나 파열하는 등의 위험한 상태로 된다는 문제점이 있다. 또한, 저온 환경하에서의 정전류 충전에서는, 배터리의 내부 임피던스의 증가에 의한 충전 효율의 저하가 예상된다. 또한, 배터리만을 옥내 설치하고 온도 환경을 조절하는 경우에도, 배터리와 전원 장치를 접속하는 배선 저항의 증가에 의해, 정전류 충전에 있어서 충전 효율의 저하가 예상된다.

또한, 아침 저녁이나 흐린 날씨일 때 등의 일조 강도가 약한 상태에서의 태양전지의 발생 전력이 작은 때, 전기이중층 커패시터의 누설 전류나 전원 장치의 내부 회로가 정적(靜的) 상태에 있어서의 소비 전력에 의해, 최적의 동작점까지의 충전 전압의 상승에 장시간이 필요해지고, 스위치 수단을 온 상태로 하기까지의 주기(周期)가 길어지기 때문에, 충전 효율이 저하된다는 문제점이 있다.

상기의 관점에서, 일조(태양 조사) 강도 및/또는 주변 온도에서의 변화로 인해 태양전지에 의해 생성되는 전력이 변하는 상태에서도 안정하게 2차 전지를 충전할 수 있으며, 또한 2차 전지와 배선의 임피던스에 의해 영향을 받지 않고 높은 효율로 2차 전지를 충전할 수 있는 전원 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명의 제 1의 양상에 따르면, 전원 장치가 제공되는데, 상기 전원 장치는:

적어도 하나의 태양전지와;

상기 태양전지에 의해 생성된 기전력에 의해 충전되어 전력을 저장하는 전력 저장부와;

상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력에 의해 충전되는 2차 전지와;

상기 전력 저장부의 전압을 검출하고, 상기 전력 저장부의 전압이 고레벨 임계치 전압 이상으로 되었을 때, 상기 2차 전지를 충전하기 위해 사용되는 충전 제어 신호를 액티브 모드로 유지하여 충전 시작 동작을 행하고, 이 후, 상기 전력 저장부의 전압이 저레벨 임계치 전압으로 되었을 때, 상기 충전 제어 신호를 논액티브 모드로 유지하여 충전 정지 동작을 행하는 전압 검출부; 및

상기 충전 제어 신호가 액티브 모드인 때, 상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력에 기초하여 상기 2차 전지를 충전하는 충전 제어부를 포함한다.

상기에 있어서, 상기 전압 검출부는:

상기 전력 저장부의 전압을 상기 고레벨 임계치 전압과 비교하여 제 1의 비교 결과를 출력하는 제 1의 비교기와;

상기 전력 저장부의 전압을 상기 저레벨 임계치 전압과 비교하여 제 2의 비교 결과를 출력하는 제 2의 비교기; 및

상기 제 1의 비교 결과 또는 상기 제 2의 비교 결과에 의거하여 상기 충전 제어 신호를 상기 액티브 모드 또는 상기 논액티브 모드로 유지하는 유지 회로를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 충전 제어부는:

상기 충전 제어 신호가 상기 액티브 모드인 때에 온 상태로 되어 상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력에 기초하여 상기 2차 전지를 충전하는 스위칭 유닛 과;

상기 2차 전지의 전압이 소정의 임계치보다도 작은 때, 소정의 정전류로 상기 2차 전지를 충전하는 정전류 충전 제어 유닛; 및

상기 2차 전지의 전압이 상기 소정의 임계치 이상으로 되었을 때, 소정의 정전압으로 상기 2차 전지를 충전하는 정전압 충전 제어 유닛을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전력 저장부는:

전기이중층 커패시터를 포함하고,

상기 전기이중층 커패시터의 내부 임피던스는 상기 태양전지의 내부 임피던스보다 낮게 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 보조 전력 저장부; 및

상기 충전 제어 신호가 상기 액티브 모드인 때, 상기 태양전지의 기전력에 의해 상기 보조 전력 저장부를 충전하고, 상기 보조 전력 저장부의 전압이 상기 고레벨 임계치 전압보다도 높아진 때, 상기 전압 검출부에 대해, 상기 전력 저장부의 전압 대신 상기 보조 전력 저장부의 전압을 공급하여 상기 전압 검출부가 이 전압을 검출하도록 하는 보조 전압 검출부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 보조 전력 저장부는:

전기이중층 커패시터를 포함하고,

본 발명의 제 2의 양상에 따르면, 적어도 하나의 태양전지와, 상기 태양전지에 의해 생성된 기전력에 의해 충전되어 전력을 저장하는 전력 저장부, 및 상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력에 의해 충전되는 2차 전지를 포함하는 전원 장치에 이용되는 충전 제어 방법이 제공되는데, 상기 충전 제어 방법은:

상기 전력 저장부의 전압을 검출하고, 상기 전력 저장부의 전압이 고레벨 임계치 전압 이상으로 되었을 때, 상기 2차 전지를 충전하기 위해 사용되는 충전 제어 신호를 액티브 모드로 유지하여 충전 시작 동작을 행하고, 이 후, 상기 전력 저장부의 전압이 저레벨 임계치 전압으로 되었을 때, 상기 충전 제어 신호를 논액티브 모드로 유지하여 충전 정지 동작을 행하는 단계와;

상기 충전 제어 신호가 액티브 모드인 때, 상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력에 기초하여 상기 2차 전지를 충전하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제 3의 양상에 따르면, 전원 장치가 제공되는데, 상기 전원 장치는:

적어도 하나의 태양전지와;

상기 전력 저장부의 전압을 검출하고, 상기 전력 저장부의 전압이 고레벨 임계치 전압 이상으로 되었을 때, 상기 2차 전지를 충전하기 위해 사용되는 충전 제어 신호를 액티브 모드에서 논액티브 모드로 변경하고 유지하여 충전 시작 동작을 행하고, 이 후, 상기 전력 저장 수단의 전압이 저레벨 임계치 전압으로 되었을 때, 상기 충전 제어 신호를 액티브 모드에서 논액티브 모드로 변경하고 유지하여 충전 정지 동작을 행하는 전압 온/오프 제어부; 및

본 발명의 상기 및 다른 목적, 이점 및 특징은 첨부된 도면과 연계한 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태가 첨부된 도면과 연계한 여러가지 실시예를 사용하여 상세하 설명될 것이다. 본 발명에 따르면, 태양전지의 기전력에 의해 충전되는 전기이중층 커패시터의 전압을 검출하고, 이 전압이 고레벨 임계치 전압 이상으로 되었을 때, 2차 전지를 충전하기 위한 충전 제어 신호를 액티브 모드로 유지하여 충전 시작 동작을 행하고, 이 후, 그 전기이중층 커패시터의 전압이 저레벨 임계치 전압으로 되었을 때, 그 충전 제어 신호를 논액티브 모드로 유지하여 충전 정지 동작을 행하고, 그 충전 제어 신호가 액티브 모드인 때, 그 전기이중층 커패시터에 저장되어 있는 전력을 기초로 그 2차 전지를 충전하도록 구성된 전원 장치가 제공된다.

제 1의 실시예

도 1은, 본 발명의 제 1의 실시예인 전원 장치의 전기적 구성을 도시한 회로도이다. 이 예의 전원 장치는, 동 도면에 도시한 바와 같이 태양전지 모듈(1)과, 제 1 역류 방지 소자(장치)(2)와, 전류 제한 소자(3)와, 과전압 보호 소자(장치)(4)와, 전기이중층 커패시터(5)와, 승압형 DC-DC 컨버터(6)와, 충전 온/오프 제어 회로(7)와, 2차 전지 충전 제어 회로(8)와, 2차 전지 팩(9)으로 구성되어 있다. 태양전지 모듈(1)은 복수의 태양전지가 직렬 및/또는 병렬 접속되어 구성되고, 태양의 광 에너지를 전기 에너지로 직접 변환한다. 특히, 이 실시예에서는 태양전지 모듈(1)은 실리콘 반도체나 화합물 반도체의 기판상에 형성된 태양전지 셀을 조합시킨 것이고, 평면 형상으로 형성되고, 도 2에 도시한 출력 특성, 도 3에 도시한 출력 임피던스 특성 및 도 4에 도시한 온도 특성을 갖고 있다.

즉, 태양전지 모듈(1)은, 도 2에 도시한 바와 같이 태양광이 태양전지 셀을 조사하는 강도에 의해 출력 전류가 변화하고, 특히 일조 강도가 강할수록 출력 전류가 커지고, 일조 강도가 강하게 됨에 따라 출력 전압이 포화된다. 또한, 태양전지 모듈(1)은 도 3에 도시한 바와 같이 도 2에 도시한 출력 특성으로부터 도출되는 일조 강도와 상관이 있는 출력 임피던스 특성을 갖고 있다. 예를 들면, 0.8W급의 태양전지 모듈의 출력 임피던스는 일조 강도가 강한 경우에도 최소로 5Ω 정도의 출력 임피던스를 가지며, 일조 강도가 약한 경우에는 100Ω 이상의 출력 임피던스의 변동을 나타내고, 실용적인 출력 전압에서는 수십Ω의 정도로 된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 태양전지 모듈(1)은 태양전지 셀의 주위 온도의 변화에 대응하여 출력 전압이 변화하고, 특히 동일한 일조 강도의 조건하에서는 고온으로 될수록 출력 전압이 낮고, 또한, 저온으로 될수록 출력 전압이 높아진다. 또한, 평면 형상의 태양전지 모듈(1)이 한 방향으로 고정되어 지면이나 건물 등에 설치된 경우, 도 5 에 도시한 바와 같이, 지구의 자전에 의한 태양의 위치 변화에 의해 태양광이 태양전지 셀을 조사하는 강도가 시간 경과와 함께 변화하기 때문에, 도 2에 도시한 출력 특성에 의거하여 태양전지 모듈(1)의 발전량도 시간 경과와 함께 변화한다.

제 1 역류 방지 소자(2)는 예를 들면 순방향 전압이 낮은 쇼트키 다이오드 등으로 구성되고, 어두운 장소나 야간 등에서 태양전지 모듈(1)의 출력 전압이 저하한 때에 후단 회로(전기이중층 커패시터(5))로부터의 역류 전류에 의한 그 태양전지 모듈(1)의 파괴를 방지한다. 전류 제한 소자(3)는, 예를 들면 수Ω 정도의 저항기 등으로 구성되고, 태양전지 모듈(1)로서 매우 높은 발전 능력을 갖는 태양전지 모듈이나 일시적으로 직류 안정화 전원 등을 전원으로 한 경우에, 전기이중층 커패시터(5) 및 후단 회로에 대한 돌입 전류(in-rush current)를 제한한다. 과전압 보호 소자(4)는, 예를 들면 정전압 다이오드 등으로 구성되고, 태양전지 모듈(1)의 출력 전압이 전기이중층 커패시터(5)의 내전압 이상으로 되는 경우에, 그 전기이중층 커패시터(5)에 인가되는 전압을 소정의 정전압으로 제한하여, 과전압 스트레스에 의한 그 전기이중층 커패시터(5)의 ESR(등가 직렬 저항)의 증가나 체적 팽창 등과 같은 특성 열화나 소자 파괴에 대해 보호한다.

전기이중층 커패시터(5)는, 전해액으로서 묽은 황산을 사용한 수계(水系) 타입, 또는 유기 전해액을 사용한 유기계 타입으로 구성함에 의해, ESR을 낮게 한 것이고, 그 ESR(5b)이 "Rx"(저항치)이고 정전 용량(5a)이 "Cx"(용량치)라고 하면, 소자 면적이 예를 들면 20㎜×30㎜ 정도일 때 내전압이 5V 정도, Rx가 200mΩ 이하 및 Cx가 30mF 이상의 특성을 갖고 있다. 이로써, 태양전지 모듈(1)의 실용적인 출 력 전압에 있어서 수십Ω 정도의 높은 출력 임피던스는, 1Ω 이하의 mΩ 정도의 저임피던스로 변환되고, 또한, 용량치(Cx)와 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압과의 곱에 상당하는 전기량이 축전됨에 의해, 태양전지 모듈(1)로부터 발생한 전기 에너지가 저임피던스 전원으로서 변환된다.

승압형 DC-DC 컨버터(6)는, 스위칭 레귤레이터로 구성되고, 리튬 이온 2차 전지(92)를 충전하기 위한 2차 전지 충전 제어 회로(8)의 전원 및 충전 온/오프 제어 회로(7)의 LDO(Low Drop Out) 레귤레이터(71)의 전원으로서 사용된다. 전기이중층 커패시터(5)의 충전 에너지를 고효율로 방전시키기 위해서는, 승압형 DC-DC 컨버터(6)에는 높은 승압비가 요구된다. 구체적으로는, 입력 전압에 대한 3배 이상의 승압비에서도 전기이중층 커패시터(5)의 충전 에너지의 고효율 충전을 달성하기 위해서, 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM), 펄스 주파수 변조(Pulse Frequency Modulation, PFM), 이들의 조합 방식, 또는 동기 정류 방식 등에 의한 승압 동작이 행하여진다.

충전 온/오프 제어 회로(7)는, LDO 레귤레이터(71)와, 커패시터 전압 검출 회로(72)와, 게이트 스위치 제어 회로(73)로 구성되어 있다. LDO 레귤레이터(71)는, 커패시터 전압 검출 회로(72) 및 게이트 스위치 제어 회로(73)에 전원을 공급하기 위한 강압형의 전원 회로이다. 커패시터 전압 검출 회로(72)는, 저전압 검출기(721)와, 고전압 검출기(722)와, 기준 전압원(723)과, 기준 전압원(724)으로 구성되어 있다. 저전압 검출기(721)는 기준 전압원(723)에 의해 임계치 전압(VL)(저레벨 임계치 전압)이 설정되고, 도 6에 도시한 바와 같이, 전기이중층 커패시터(5) 의 충전 전압이 임계치 전압(VL)보다 낮은 경우, 저전압 검출기(721)의 출력 단자(VDL)로부터 Low 신호(저레벨)가 출력되고, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 임계치 전압(VL)보다 높은 경우에 고전압 검출기(722)의 출력 단자(VHL)로부터 High 신호(고레벨)가 출력된다. 이때, 임계치 전압(VL)은 VL-부터 VL+의 히스테리시스 폭을 갖고 있다. 또한, 고전압 검출기(722)는 기준 전압원(724)에 의해 임계치 전압(VH)(고레벨 임계치 전압)(VL<VH)이 설정되고, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 임계치 전압(VH)보다 낮은 경우에 저전압 검출기(721)의 출력 단자(VDL)로부터 Low 신호를 출력하고, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 임계치 전압(VH)보다 높은 경우에 고전압 검출기(722)의 출력 단자(VDH)로부터 High 신호를 출력한다. 이때, 임계치 전압(VH)은 VH-부터 VH+의 히스테리시스 폭을 갖고 있다. 출력 단자(VDL 및 VDH)로부터의 신호는 게이트 스위치 제어 회로(73)에 전달된다.

게이트 스위치 제어 회로(73)는 인버터(INV) 회로(731)와, NOR형 RS-FF 회로(732)로 구성되어 있다. VDL 출력 신호는 INV 회로(731)에 의해 반전되고, 반전된 신호는 플립플롭 회로 동작을 행하는 NOR형 RS-FF 회로(732)의 단자(R)(리셋 단자)에 신호 전달되고, VDH 출력 신호는 직접 NOR형 RS-FF 회로(732)의 단자(S)(세트 단자)에 전달된다. 이 회로 구성에 의해, 단자(R)에는 임계치 전압(VL)을 기준으로 하는 콤퍼레이터 동작을 반전한 신호 전달이 행하여지는데, 구체적으로는 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 임계치 전압(VL)보다도 낮은 때, High의 신호가 단자(R)에 전달되고, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 임계치 전압(VL)보다 높 을 때, Low의 신호가 단자(R)에 전달된다. 또한, 단자(S)에는 임계치 전압(VH)을 기준으로 하는 콤퍼레이터 동작에 의한 신호 전달이 행하여지는데, 구체적으로는 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 임계치 전압(VH)보다도 낮은 때, Low의 신호가 단자(S)에 전달되고, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 임계치 전압(VH)보다 높을 때, High의 신호가 단자(S)에 전달된다.

NOR형 RS-FF 회로(732)는, NOR 게이트형의 리셋·세트-플립플롭 회로 동작을 행하고, 단자(Q)에 접속된 게이트 스위치(82)의 제어 단자(3)를 통하여 전달되는 그 단자(Q)의 출력 신호에 의해 게이트 스위치(82)의 접점(1)과 접점(2)의 개폐 제어를 행한다. 이 경우, 초기 상태로서 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 임계치 전압(VL)과 임계치 전압(VH)의 중간 전압이고, 접점(1)과 접점(2)이 접속 상태인 때, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 저하하여 임계치 전압(VL)에 도달하면, 단자(Q)의 출력 신호가 L(저레벨)로 되고, 도 7에 도시한 바와 같이 게이트 스위치(82)의 접점(1)과 접점(2)이 개방(OFF)된다. 계속해서, 게이트 스위치(82)의 오프 상태가 유지된 채로 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 전압 상승을 시작하고, 임계치 전압(VH)에 도달하면, 단자(Q)의 출력 신호가 H(고레벨)로 되고, 재차 접점(1)과 접점(2)이 접속(ON)되고, 게이트 스위치(82)의 온 상태를 유지한 채로 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압이 재차 저하를 시작하여, 임계치 전압(VL)에 도달하면, 재차 접점(1)과 접점(2)이 개방(OFF)되고, 재차 임계치 전압(VH)으로 전압 상승할 때까지 게이트 스위치(82)의 오프 상태가 유지된다. 이와 같이, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압을 2종류의 임계치 전압으로 제어함에 의해 게이트 스위치(82)의 온 상태 또는 오프 상태의 유지 동작이 행하여진다.

2차 전지 충전 제어 회로(8)는 충전 제어 스위치(81)와, 게이트 스위치(82)와, 충전 방식 선택 스위치(83)와, 정전류(CC; Constant Current) 충전 제어 회로(84)와, 정전압(CV; Constant Voltage) 충전 제어 회로(85)와, 제 2 역류 방지 소자(86)와, 충전 전류 검출 소자(87)와, 충전 전압 검출 소자(88)로 구성되어 있다. 충전 제어 스위치(81)는 pMOS(p채널형 MOS 트랜지스터)로 구성되어 있다. 게이트 스위치(82)는 NOR형 RS-FF 회로(732)의 단자(Q)가 접속된 제어 단자와, 충전 제어 스위치(81)의 게이트가 접속된 접점(1)과, 충전 방식 선택 스위치(83)가 접속된 접점(2)을 갖고 있다. 충전 방식 선택 스위치(83)는 게이트 스위치(82)의 접점(2)이 접속된 접점(z)과, 정전류 충전 제어 회로(CC)(84)가 접속된 접점(x)과, 정전압 충전 제어 회로(CV)(85)가 접속된 접점(y)을 갖고 있다. 또한, 충전 방식 선택 스위치(83)는 충전 전압이 소정치보다도 작은 때, 접점(z)과 접점(x)을 접속하고, 그 충전 전압이 소정치 이상인 때, 접점(z)과 접점(y)을 접속하는 도시하지 않은 충전 전압 검출 수단을 갖고 있다.

정전류 충전 제어 회로(84)는 충전 전류 검출 소자(87)에서 검출되는 충전 전류가 소정의 정전류로 되도록 충전 제어 스위치(81)의 게이트의 레벨을 제어한다. 정전압 충전 제어 회로(85)는 충전 전압 검출 소자(88)에서 검출되는 충전 전압이 소정의 정전압이 되도록 충전 제어 스위치(81)의 게이트의 레벨을 제어한다. 제 2 역류 방지 소자(86)는 예를 들면 순방향 전압이 낮은 쇼트키 다이오드 등으로 구성되고, 2차 전지 팩(9)으로부터의 역류 전류에 의한 충전 제어 스위치(81)의 파 괴를 방지한다. 충전 전류 검출 소자(87)는 저항기로 구성되고, 충전 전류를 검출한다. 충전 전압 검출 소자(88)는 직렬 접속된 저항기(88a, 88b)로 구성되고, 충전 전압을 그 저항기(88a, 88b)에서 분압하여 검출한다.

게이트 스위치(82)는, 접점(1)과 접점(2)이 개방 또는 접속의 어느 하나의 상태로 되고, 충전 방식 선택 스위치(83)는 접점(z)을 공통 접점으로 하여 접점(x) 또는 접점(y)과 항상 접속하고 있는 상태로 되기 때문에, 2차 전지 충전 제어 회로(8)는 그 게이트 스위치(82) 및 그 충전 방식 선택 스위치(83)의 각 스위치의 상태에 의해 3종류의 동작 상태로 된다. 즉, 제 1의 스위치 동작으로서 게이트 스위치(82)의 접점(1)과 접점(2)이 오프 상태인 때, 충전 제어 스위치(81)의 게이트-소스 전압은 제로이기 때문에, 소스-드레인 전압이 제로가 되고, 2차 전지 팩(9)은 충전되지 않는다.

또한, 제 2의 스위치 동작으로서, 게이트 스위치(82)의 접점(1)과 접점(2)이 온 상태이고, 또한 충전 방식 선택 스위치(83)의 접점(z)과 접점(x)이 온 상태인 때, 충전 제어 스위치(81)의 게이트 전극이 정전류 충전 제어 회로(84)와 접속되고, 충전 전류 검출 소자(87)에 일정 전류가 흐르도록 미리 설정된 고정류로 2차 전지 팩(9)이 충전된다.

또한, 제 3의 스위치 동작으로서 게이트 스위치(82)의 접점(1)과 접점(2)이 온 상태이고, 또한 충전 방식 선택 스위치(83)의 접점(z)과 접점(y)이 온 상태인 때, 충전 제어 스위치(81)의 게이트 전극이 정전압 충전 제어 회로(85)와 접속되고, 충전 전압 검출 소자(88)에 일정 전압이 발생하도록, 미리 설정된 정전압으로 2차 전지 팩(9)이 충전된다.

2차 전지 팩(9)은 충방전 보호 회로(91)와 리튬 이온 2차 전지(92)로 구성되어 있다. 충방전 보호 회로(91)는 2차 전지 충전 제어 회로(8)로부터의 과충전, 부하로의 과잉한 전력 공급에 의한 과방전 및 부하 단락이나 제어 회로의 단락 이상 등에 의한 과전류 등에 대한 보호를 행하고, 리튬 이온 2차 전지(92)의 정극측의 접속을 차단함으로써, 그 리튬 이온 2차 전지(92)를 2차 전지 충전 제어 회로(8)나 부하로부터 분리하여 보호한다.

도 8은, 도 1의 전원 장치에 있어서의 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전시의 동작을 설명하는 타이밍도이다. 도 9는 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 특성을 도시하는 도면이다. 도 10은 전기이중층 커패시터(5)의 충전 특성을 도시하는 도면이다. 이들의 도면을 참조하여, 이 예의 전원 장치에 이용되는 제어 방법에 관해 설명한다. 태양전지 모듈(1)에 태양광이 조사되면, 예를 들면 도 2에 도시한 일조 강도에 대한 전압 출력 특성에 따라 그 태양전지 모듈(1)의 발전 동작에 의해, 제 1 역류 방지 소자(2) 및 전류 제한 소자(3)를 통하여 전기이중층 커패시터(5)에 대해 축전이 시작된다. 도 8에 도시한 바와 같이, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압(Vedlc)이 임계치 전압(VL)인 때, 게이트 스위치(82)의 접점(1 및 2)이 오프(OFF) 상태(비접속 상태)이므로, 리튬 이온 2차 전지(92)에의 충전 동작이 정지하고, 전기이중층 커패시터(5)보다도 후단의 회로는, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 대기 소비 전력을 제외한다면 무부하 상태이므로, 그 전기이중층 커패시터(5)는 충전 모드로 되고, 충전 전압(Vedlc)은 임계치 전압(VL)으로부터 임계치 전압(VH)으로 상승 한다. 이때, 도 7에 도시한 유지 동작에 의해, 게이트 스위치(82)는 오프 상태로 유지된다.

시각(t1)에서, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압(Vedlc)이 임계치 전압(VH)에 도달하면, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 커패시터 전압 검출 회로(72)의 동작에 의해, 저전압 검출기(721)의 출력 전압은 High가 되고 고전압 검출기(722)의 출력 전압은 High가 되며, 따라서, 도 6 및 도 7에 도시한 제어 동작에 의해 게이트 스위치 제어 회로(73)의 출력 전압은 High로 되고, 게이트 스위치(82)의 접점(1, 2)은 온(ON) 상태(접속 상태)로 된다. 이로써, 게이트 스위치(82)가 온 상태로 되어 리튬 이온 2차 전지(92)에 대한 충전 동작을 시작한다.

이때, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 전압에 의거하여, 충전 방식 선택 스위치(83)의 충전 전압 검출 수단 또는 장치(도시하지 않음)에 의해 정전류 또는 정전압의 충전 모드가 선택된다. 예를 들면, 충전 모드가 정전류 충전 모드인 경우, 충전 방식 선택 스위치(83)의 접점(z)과 접점(x)이 서로 접속되고, 미리 설정된 전류치(Icc)로 리튬 이온 2차 전지(92)가 충전된다. 이때, 리튬 이온 2차 전지(92)에 공급될 충전 전류(Ichg)는, 태양전지 모듈(1)의 출력 임피던스로는 공급할 수 없을 정도의 큰 전류치이므로, 전기이중층 커패시터(5)가 방전 모드로 되고, 방전 시간(Ton1)에 있어서, 그 전기이중층 커패시터(5)에 공급될 충전 전압(Vedlc)은 임계치 전압(VH)으로부터 임계치 전압(VL)으로 강하하여 간다. 이 동안, 도 7에 도시한 유지 동작에 의해 게이트 스위치(82)는 온 상태로 유지된다.

시각(t2)에서, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 전압(Vedlc)이 재차 임계치 전압(VL)에 도달하면, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 커패시터 전압 검출 회로(72)의 동작에 의해 저전압 검출기(721)의 출력 전압은 Low가 되고, 고전압 검출기(722)의 출력 전압은 Low가 되며, 도 6 및 도 7에 도시한 제어 동작에 의해, 게이트 스위치 제어 회로(73)의 출력 전압은 Low로 되고, 게이트 스위치(82)가 오프 상태로 된다. 이로써, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 동작이 정지하고, 전기이중층 커패시터(5)보다도 후단의 회로는 충전 온/오프 제어 회로(7)의 대기 소비 전력을 제외한다면 무부하 상태이며, 그 전기이중층 커패시터(5)는 재차 충전 모드로 되고, 충전 전압(Vedlc)은 임계치 전압(VL)으로부터 임계치 전압(VH)으로 상승한다. 이때, 도 7에 도시한 유지 동작에 의해 게이트 스위치(82)는 오프 상태로 유지된다.

이상의 동작이 반복됨에 의해 리튬 이온 2차 전지(92)가 주기적으로 충전된다. 리튬 이온 2차 전지(92)의 만충전이 가까워지고, 미리 결정된 충전 전압에 도달하면, 충전 방식 선택 스위치(83)의 충전 전압 검출 수단 또는 장치(도시하지 않음)에 의해 정전압 충전 모드가 선택된다. 이때, 충전 방식 선택 스위치(83)는 접점(z)과 접점(y)이 서로 접속되고, 미리 설정된 전압치로 리튬 이온 2차 전지(92)가 충전되기 때문에, 그 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 전류(Ichg)는, 시각(t3)에서, 설정된 전류치(Icc)보다 작은 값(예를 들면, Icv)으로 되고, 시각(t4)까지의 방전 시간(Ton2)에 있어서, 전기이중층 커패시터(5)는 방전되며, 그 방전 시간(Ton2)이 방전 시간(Ton1)보다도 길어진다.

리튬 이온 2차 전지(92)가 주기적으로 충전됨에 의해, 도 9에 도시한 바와 같이, 초기 전압 3V 정도의 아주 작은 충전 용량을 갖는 리튬 이온 2차 전지(92)는 최초에는 정전류 모드에 의해 주기적으로 충전되어, 리튬 이온 2차 전지(92)의 전압이 서서히 상승하고, 미리 설정된 전압치(예를 들면, 4.2V)에 도달하면, 정전압 모드에 의해 주기적으로 충전된다. 그리고, 정전류 모드인 때에 있어서의 리튬 이온 2차 전지(92)의 전압은, 주기적인 충전 동작에 동기하여, 리튬 이온 2차 전지(92)의 내부 임피던스에 의해 상승되고, 또한, 정전압 모드인 때의 주기적인 충전 전류는, 리튬 이온 2차 전지(92)의 만충전이 가까워짐에 따라, 전기이중층 커패시터(5)의 방전 시간의 장기화에 의해 통전시간이 길어진다.

태양전지 모듈(1)이 도 2의 출력 특성을 나타내기 때문에, 전기이중층 커패시터(5)는 도 10에 도시한 바와 같이 일조 강도가 강한 때(예를 들면, 도 10의 T3)에는 충전 전압(Vedlc)이 급격한 상승을 나타내지만, 일조가 약한 때(예를 들면, 도 10의 T1 및 T5)에는 충전 전압(Vedlc)의 상승이 완만하게 되고, 또한, 야간 등으로 일조가 없는 때(예를 들면, 도 10의 T2 및 T4)는 무부하 상태라도 그 전기이중층 커패시터(5)의 누설 전류나 충전 온/오프 제어 회로(7)의 대기 소비 전력에 의해 충전 전압(Vedlc)이 완만하게 강하한다. 이와 같이 하여 충전 전압(Vedlc)이 상승이나 강하를 거친 후 시각(tn)에서 임계치 전압(VH)에 달하면, 리튬 이온 2차 전지(92)에 대한 충전이 시작되고, 그 충전 전압(Vedlc)이 급격하게 강하한다. 이 경우, 리튬 이온 2차 전지(92)에 충전을 시작하기 위한 임계치 전압(VH)으로서, 태양전지 모듈(1)의 최대 출력 동작 전압이나 개방 전압을 설정하면, 실제로는, 날씨 변화, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 대기 소비 전력 등에 의해 충전 전압(Vedlc)이 임계치 전압(VH)에 도달하는 빈도가 적어지고, 태양전지 모듈(1)에 의해 발생되는 전기 에너지는 에너지가 저장되어 있는 상태에서만 장시간 유지되고, 이 결과로서, 리튬 이온 2차 전지(92)에의 충전 동작의 주기가 길어지고, 에너지 전송이 효율적으로 되지 않는다. 이 때문에, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 에너지를 순서대로 리튬 이온 2차 전지(92)에 에너지 전송하기 위한 전압 임계치(VH, VL)의 최적 설정 및 전기이중층 커패시터(5)의 ESR(5b(Rx))과 정전 용량(5a(Cx))의 최적 설정이 충전 효율을 향상시킨다.

또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 하루에 있어서의 발전량의 시간 추이가 일조 조건과 함께 변동하기 때문에, 하루에 있어서의 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 동작의 점유 시간을 길게 하기 위한 임계치 전압(VH)의 최적 설정 및 전기이중층 커패시터(5)의 ESR(5b(Rx))과 정전 용량(5a(Cx))의 최적 설정이 충전 효율을 향상시킨다. 또한, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전을 정지하기 위한 임계치 전압(VL)은 전기이중층 커패시터(5)의 충전 에너지를 보다 많이 취출하기 위해, 가능한한 낮은 전압치를 설정함으로써 충전 효율의 향상으로 이어진다.

이들로 부터, 날씨의 변화나 태양의 위치 또는 태양전지 모듈(1)의 설치 방법에 의한 일조 조건의 변동에 대해 효율적으로 리튬 이온 2차 전지(92)를 충전하기 위해서는, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 동작을 시작하는 임계치 전압(VH)의 설정으로서, 태양전지 모듈(1)의 최대 출력 동작 전압보다 낮은 전압치로 함에 의해 비교적 약한 일조 조건하에서나 태양전지 모듈(1)의 출력 전압이 저하하는 고온 환경하에서도 충전 동작을 시작할 수 있다. 구체적으로는 임계치 전압(VH)의 설정 은 태양전지 모듈(1)의 최대 출력 동작 전압의 9O% 이하이다. 한편, 리튬 이온 2차 전지(92)에의 충전 동작을 정지하는 임계치 전압(VL)의 설정으로서, 승압형 DC-DC 컨버터(6)의 입력 전압의 하한치로 함에 의해, 전기이중층 커패시터(5)의 충전 에너지를 보다 많이 취출할 수 있다. 구체적으로는, VL 설정은 2V 이하이다. 또한, 시시각각 변화하는 거친 날씨나, 일출 직후, 일몰 직전에도 리튬 이온 2차 전지(92)를 충전하기 위해서는, 일조 강도의 변화보다도 짧은 주기, 구체적으로는 수초로부터 수분의 동안으로 함으로써, 변화가 심한 일조 조건하에서도 리튬 이온 2차 전지(92)의 원활한 충전 동작을 수행하여 1일에 있어서의 충전 동작 비율을 향상시키게 된다.

예를 들면, 이하의 조건 설정을 (1)식에서부터 (5)식에 적용함에 의해, 이 실시예에 있어서의 대표적인 충전 주기가 계산된다.

동작 조건 :

전기이중층 커패시터(5)의 ESR(5b) ; Rx=100(mΩ)

전기이중층 커패시터(5)의 정전 용량(5a) ; Cx=40(mF)

충전 시작 임계치 전압 ; VH=5(V)

충전 정지 임계치 전압 ; VL=2(V)

리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 전류 ; 정전류(CC) 모드 Icc=0.1(A)

태양전지 모듈(1)의 발전 전류 ; Ip=O.05(A)

ESR 손실

Loss=0.1(A)×0.1(Ω)=0.01(V) … (1)

전기이중층 커패시터(5)의 충전 기간

Toff=0.04(F)×|2(V)+O.O1(V)-5(V)|/O.O5(A)=2.4(sec) … (2)

전기이중층 커패시터(5) 방전 기간(=리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 기간)

Ton=0.04(F)×|5(V)-O.O1(V)-2(V)|/0.1(A)=1.2(sec) … (3)

충전 주기

T=Ton+Toff=1.2+2,4=3.6(sec) … (4)

충전 듀티

D=Ton/T=1.2/3.6=33% … (5)

상기 (1)식 내지 (5)식의 계산 결과에 의해 전기이중층 커패시터(5)는, ESR(5b)로서 100mΩ, 정전 용량(5a)으로서 40mF를 적용하면, 발전 전류(Ip)가 0.05A의 태양전지 모듈(1)을 적용한 경우, 약 3.6초의 충전 주기로 된다. 이때, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 듀티비는 약 33%이다.

또한, 태양전지 모듈(1)과 전기이중층 커패시터(5)는 병렬 접속되어 있지만, 그 태양전지 모듈(1)의 임피던스는 10Ω 이상인 것을 상정하고 있고, 전기이중층 커패시터(5)의 ESR(5b)과 비교하여 100배 이상이기 때문에, 그 태양전지 모듈(1)로부터의 출력은 1% 이하로 되고, 거의 무시할 수 있는 값이기 때문에, 전기이중층 커패시터(5)의 방전 기간 계산에서는 등가적으로 태양전지 모듈(1)이 없는 것으로 하여 계산을 행하였다.

이상과 같이, 이 제 1의 실시예에서는 충전 온/오프 제어 회로(7)가 전기이중층 커패시터(5)의 전압을 검출하고, 그 전압이 임계치 전압(VH) 이상으로 되었을 때, 2차 전지 팩(9)을 충전하기 위한 충전 제어 신호(단자(Q)의 출력 신호)를 액티브 모드(고레벨)로 유지하여 충전 시작 동작을 행하고, 이 후, 그 전기이중층 커패시터(5)의 전압이 임계치 전압(VL)으로 되었을 때, 그 충전 제어 신호를 논액티브 모드(저레벨)로 유지하여 충전 정지 동작을 행하고, 2차 전지 충전 제어 회로(8)가, 그 충전 제어 신호가 액티브 모드인 때, 그 전기이중층 커패시터(5)에 저장되어 있는 전력을 기초로 그 2차 전지 팩(9)을 충전하기 때문에, 일조 강도의 변화나 주위 온도의 변화에 의해 태양전지의 발생 전력이 변동하는 상황하에서도, 그 2차 전지 팩(9)을 안정하게 충전할 수 있다. 또한, 커패시터 전압 검출 회로(72)는 태양전지 모듈(1)에 근접시킬 필요가 없기 때문에, 그 태양전지 모듈(1)의 주위 온도의 영향을 받는 일 없이, 고정밀도의 임계치 전압(VH) 및 임계치 전압(VL)의 발생에 의해 고정밀도의 전압 검출이 가능해진다. 또한, 2차 전지 팩(9)의 전압이 소정의 임계치보다도 작은 때, 정전류 충전 제어 회로(84)가 소정의 정전류로 그 2차 전지 팩(9)을 충전하고, 그 2차 전지 팩(9)의 전압이 그 소정의 임계치 이상으로 되었을 때, 정전압 충전 제어 회로(85)가 소정의 정전압으로 그 2차 전지 팩(9)을 충전하기 때문에, 그 2차 전지 팩(9) 및 선로의 임피던스의 영향을 받지 않고 그 2차 전지 팩(9)을 고효율로 충전할 수 있다.

제 2의 실시예

도 11은, 본 발명의 제 2의 실시예인 전원 장치의 전기적 구성을 도시하는 회로도이다. 도 11에 있어서, 도 1에 도시된 요소와 공통의 요소에는 공통의 부호가 병기되어 있다. 도 11의 제 2의 실시예의 전원 장치에서는, 2차 전지 팩(9)의 후단에 출력 컨버터(10)가 마련되어 있다. 출력 컨버터(10)는 DC-DC 컨버터(101)와 DC-DC 컨버터(102)로 구성되어 있다. DC-DC 컨버터(101) 및 DC-DC 컨버터(102)의 입력측은 2차 전지 팩(9)의 정극에 공통으로 접속되어 있다. DC-DC 컨버터(101)의 출력(A)에는 부하(L1)가 접속되고, DC-DC 컨버터(102)의 출력(B)에는 부하(L2)가 접속되어 있다. 나머지 구성은 도 1과 같다.

이 전원 장치에서는, 제 1의 실시예와 마찬가지로 태양광에 의해 태양전지 모듈(1)로부터 발생하는 전기 에너지가 전기이중층 커패시터(5)의 충전 에너지로서 축적되고, 주기적으로 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전이 행하여진다. 그리고, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 전압을 전원으로 하여, DC-DC 컨버터(101, 102)로부터 부하(L1, L2)에 안정화된 전원이 각각 공급된다.

실시예 3

도 12는, 본 발명의 제 3의 실시예인 전원 장치의 전기적 구성을 도시하는 회로도이다. 도 12에서, 도 1의 요소와 공통의 요소에는 공통의 도면부호가 병기되어 있다. 제 3의 실시예의 전원 장치는, 태양전지 모듈(1)과, 제 1 역류 방지 소자(2)와, 전류 제한 소자(3)와, 승압형 DC-DC 컨버터(6)와, 충전 온/오프 제어 회로(7)와, 2차 전지 충전 제어 회로(8)와, 2차 전지 팩(9)과, 메인 커패시터(11)와, 서브 커패시터(12)와, 메인 커패시터 과전압 보호 소자(장치)(13)와, 서브 커패시터 과전압 보호 소자(장치)(14)와, 메인 커패시터 역류 방지 소자(15)와, 서브 커패시터 역류 방지 소자(장치)(16)와, 충전 커패시터 선택 회로(17)와, 커패시터 충전 전압 비교 회로(18)와, 서브 커패시터 방전 제어 회로(19)로 구성되어 있다. 메 인 커패시터(11)는 ESR(11b)과, 정전 용량(11a)으로 구성되고, 서브 커패시터(12)는 ESR(12b)과, 정전 용량(12a)으로 구성되어 있다. 메인 커패시터(11) 및 서브 커패시터(12)는 전해액으로서 묽은 황산을 사용한 수계 타입, 또는 유기 전해액을 사용한 유기계 타입이 사용됨에 의해, 저ESR의 전기이중층 커패시터로 구성되고, 태양전지 모듈(1)의 실질적인 출력 전압에서의 수십Ω 정도의 높은 출력 임피던스는, 1Ω 이하의 밀리Ω 정도의 저임피던스로 변환되고, 또한, 정전 용량과 전기이중층 커패시터의 충전 전압의 곱에 상당하는 전기량이 축전됨에 의해 태양전지 모듈(1)의 발전 에너지가 저임피던스 전원으로서 변환된다.

충전 커패시터 선택 회로(17)는 선택 스위치 제어 회로(171)와, 선택 스위치(172)로 구성되어 있다. 선택 스위치 제어 회로(171)는 선택 스위치 제어 신호(w)(게이트 스위치 제어 회로(73)의 출력)에 의거하여 선택 스위치(172)를 제어한다. 선택 스위치(172)는 접점(c), 접점(a) 및 접점(b)을 갖고 있다. 커패시터 충전 전압 비교 회로(18)는 메인 커패시터(11)의 전압과 서브 커패시터(12)의 전압을 비교하여 스위치 제어 신호(VCMP)를 출력하는 비교기(CMP)로 구성되어 있다.

서브 커패시터 방전 제어 회로(19)는 방전 스위치(191)와, 서브 커패시터 전압 검출 회로(192)와, 방전 스위치 제어 회로(193)로 구성되어 있다. 방전 스위치(191)는 제어 단자, 접점(3) 및 접점(4)을 갖고 있다. 서브 커패시터 전압 검출 회로(192)는 서브 커패시터(12)의 전압을 기준 전압원(194)의 임계치 전압(VS)과 비교하여 스위치 제어 신호(VDS)를 출력하는 Vsub 검출기를 갖고 있다. 그 Vsub 검출기는 히스테리시스 특성을 갖고 있다. 방전 스위치 제어 회로(193)는 스위치 제어 신호(VDS) 또는 스위치 제어 신호(VCMP)에 의거하여 방전 스위치(191)를 제어한다.

도 13은, 도 12의 전원 장치에 있어서의 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전시의 동작을 설명하는 타이밍도이다. 도 13을 참조하여, 제 3의 실시예의 전원 장치에 이용되는 제어 방법에 관해 설명한다. 초기 조건으로서, 충전 커패시터 선택 스위치(17)를 구성하는 선택 스위치(172)의 접점(c)이 접점(a)과 접속되어 있는 경우, 태양전지 모듈(1)에 태양광이 조사되면, 일조 강도에 의해 도 2에 도시한 출력 특성에 의거한 그 태양전지 모듈(1)의 발전 동작에 의해 제 1 역류 방지 소자(2) 및 전류 제한 소자(3)를 통하여 메인 커패시터(11)가 축전을 시작한다.

도 13에 도시한 바와 같이, 메인 커패시터(11)의 충전 전압(Vmain)이 임계치 전압(VL)인 때, 게이트 스위치(82)가 오프 상태이고, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 동작이 정지되기 때문에, 메인 커패시터(11)의 후단은 충전 온/오프 제어 회로(7)의 대기 소비 전력을 제외한다면 무부하 상태에 있게 되어, 메인 커패시터(11)는 충전 모드로 되고, 충전 전압(Vmain)이 임계치 전압(VL)으로부터 임계치 전압(VH)으로 상승한다. 이 기간동안, 도 7에 도시한 유지 동작에 의해 게이트 스위치(82)는 오프 상태로 유지된다. 이때, 서브 커패시터(12)의 충전 전압(Vsub)은 서브 커패시터 방전 제어 회로(19)의 방전 스위치(191)가 오프 상태이기 때문에, 그 서브 커패시터(12)에 부수되는 제어 회로(커패시터 충전 전압 비교 회로(18) 및 서브 커패시터 방전 제어 회로(19))의 대기 소비 전력에 의해 초기 충전 전압치로부터 서서히 전압 강하를 나타내는 파형으로 된다.

시각 t1에서, 메인 커패시터(11)의 충전 전압(Vmain)이 임계치 전압(VH)에 도달하면, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 커패시터 전압 검출 회로(72)에 의해, 저전압 검출기(721)의 출력 전압은 High로 되고 고전압 검출기(722)의 출력 전압은 High로 되며, 따라서, 도 6 및 도 7에 도시한 제어 동작에 의해 게이트 스위치 제어 회로(73)의 출력은 High로 되고, 게이트 스위치(82)가 온 상태로 된다. 이로써, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 동작이 시작한다. 이 경우, 제 1의 실시예와 마찬가지로, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 전압에 의해 정전류 또는 정전압의 충전 모드가 선택된다. 예를 들면, 충전 모드가 정전류 충전 모드인 경우, 충전 방식 선택 스위치(83)는 z 접점과 x 접점이 서로 접속되고, 미리 설정된 전류치(Icc)로 리튬 이온 2차 전지(92)가 충전된다. 이때, 리튬 이온 2차 전지(92)로의 충전 전류(Ichg)는 태양전지 모듈(1)의 출력 임피던스로는 공급할 수 없을 정도의 큰 전류치이므로, 메인 커패시터(11)는 방전 모드로 되고, 충전 전압(Vmain)이 임계치 전압(VH)으로부터 임계치 전압(VL)으로 전압 강하하여 간다. 이 기간동안, 도 7에 도시한 유지 동작에 의해 게이트 스위치(82)는 온 상태로 유지된다.

리튬 이온 2차 전지(92)에의 충전 동작이 시작하면, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 출력 단자로부터의 선택 스위치 제어 신호(w)에 의해 충전 커패시터 선택 회로(17)의 선택 스위치 제어 회로(171)는 선택 스위치(172)의 접점(c)이 접점(b)과 서로 접속되도록 제어한다. 접점(c)과 접점(b)이 접속됨에 의해 서브 커패시터(12)가 충전을 시작하고, 충전 전압(Vsub)이 상승을 시작한다. 이 접점 상태는 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 동작 기간동안 유지된다.

시각 t2에서, 메인 커패시터(11)의 충전 전압(Vmain)이 재차 임계치 전압 (VL)에 도달하면, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 커패시터 전압 검출 회로(72)에 의해 저전압 검출기(721)의 출력 전압은 Low로 되고, 고전압 검출기(722)의 출력 전압은 Low로 되며, 따라서 도 6 및 도 7에 도시한 제어 동작에 의해 게이트 스위치 제어 회로(73)의 출력은 Low로 되고, 게이트 스위치(82)는 오프 상태로 된다. 이로써, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 동작은 정지한다. 그러면, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 출력 단자로부터의 선택 스위치 제어 신호(w)에 의해 충전 커패시터 선택 회로(17)의 선택 스위치 제어 회로(171)는 선택 스위치(172)의 접점(c)이 접점(a)과 접속되도록 제어한다. 접점(c)과 접점(a)이 접속됨에 의해 메인 커패시터(11)가 충전을 시작하고, 충전 전압(Vmain)이 전압 상승을 시작한다. 이때, 서브 커패시터(12)의 충전 전압(Vsub)은 서브 커패시터 방전 제어 회로(19)의 방전 스위치(191)가 오프 상태이기 때문에, 그 서브 커패시터(12)에 부수되는 커패시터 충전 전압 비교 회로(18) 및 서브 커패시터 방전 제어 회로(19)의 대기 소비 전력에 의해 초기 충전 전압치로부터 서서히 전압 강하를 나타내는 파형으로 된다.

시각 t3에서, 메인 커패시터(11)의 충전 전압(Vmain)이 재차 임계치 전압(VH)에 도달하면, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 커패시터 전압 검출 회로(72)에 의해 저전압 검출기(721)의 출력 전압은 High로 되고 고전압 검출기(722)의 출력 전압은 High로 되며,따라서 도 6 및 도 7에 도시한 제어 동작에 의해 게이트 스위치 제어 회로(73)의 출력은 High로 되고 게이트 스위치(82)은 온 상태로 된다. 이로써, 리튬 이온 2차 전지(92)에의 충전 동작이 재차 시작한다. 이때, 리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 전압에 의해 정전류 또는 정전압의 충전 모드가 선택된다. 예를 들면, 충전 모드가 정전류 충전 모드인 경우, 충전 방식 선택 스위치(83)는 접점(z)과 접점(x)이 접속되고, 미리 설정된 전류치(Icc)로 리튬 이온 2차 전지(92)가 충전된다. 이때, 리튬 이온 2차 전지(92)에의 충전 전류(Ichg)는 태양전지 모듈(1)의 출력 임피던스로는 공급할 수 없을 정도로 큰 전류치이므로, 메인 커패시터(11)는 방전 모드로 되고, 충전 전압(Vmain)이 임계치 전압(VH)으로부터 임계치 전압(VL)으로 전압 강하하여 간다. 이때, 도 7에 도시한 유지 동작에 의해 게이트 스위치(82)는 온 상태로 유지된다.

리튬 이온 2차 전지(92)의 충전 동작이 재차 시작하면, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 출력 단자로부터의 선택 스위치 제어 신호(w)에 의해 충전 커패시터 선택 회로(17)의 선택 스위치 제어 회로(171)는 선택 스위치(172)의 접점(c)이 접점(b)과 접속되도록 제어한다. 접점(c)과 접점(b)이 접속됨에 의해 서브 커패시터(12)의 충전이 시작되고, 충전 전압(Vsub)이 전압 상승을 시작한다. 시각 t4에서 충전 전압(Vsub)이 임계치 전압(VH)보다도 높은 미리 결정된 임계치 전압(VS)에 도달하면, 서브 커패시터 방전 제어 회로(19)를 구성하는 서브 커패시터 전압 검출 회로(192)가 방전 스위치 제어 회로(193)에 스위치 제어 신호(VDS)를 송출하고, 방전 스위치(191)를 온 상태로 한다. 이로써, 충전 온/오프 제어 회로(7)에 대해 메인 커패시터(11)의 전압을 대신하여 서브 커패시터(12)의 전압이 공급된다. 이 때문에, 리튬 이온 2차 전지(92)는 메인 커패시터(11)로부터의 충전 동작이 정지하고, 계속해서 서브 커패시터(12)로부터의 충전 동작을 시작한다. 이때, 메인 커패시터(11)의 충전 전압이 서브 커패시터(12)의 충전 전압보다 낮은 상태로 되지만, 메인 커패시터 역류 방지 소자(15)에 의해 서브 커패시터(12)의 방전 전류가 메인 커패시터(11)로 유입되는 일은 없고, 리튬 이온 2차 전지(92)가 충전된다.

태양전지 모듈(1)의 발전에 의한 메인 커패시터(11)의 충전 전압(Vmain)의 상승과, 리튬 이온 2차 전지(92)에의 충전에 의한 서브 커패시터(12)의 충전 전압(Vsub)의 강하에 의해 시각(t5)에서 이들의 충전 전압(Vmain, Vsub)이 전압 평형으로 되는 전압치(Vx)에 도달하면, 커패시터 충전 전압 비교 회로(18)가 방전 스위치 제어 회로(193)에 스위치 제어 신호(VCMP)를 송출하고, 방전 스위치(191)를 오프 상태로 한다. 서브 커패시터(12)의 충전 전압(Vsub)이 VS로부터 Vx로 강하하는 방전 동작에 의해 리튬 이온 2차 전지(92)가 충전되고, 기간 Tsub에 있어서의 보조 충전이 가능해진다. 이 때문에, 리튬 이온 2차 전지(92)가 보다 효율적으로 충전된다.

이상의 동작을 반복함에 의해 리튬 이온 2차 전지(92)는 메인 커패시터(11)의 방전 주기와 서브 커패시터(12)의 방전 주기의 2개의 주기에 의해 주기적으로 충전되어 간다. 리튬 이온 2차 전지(92)의 만충전이 가까워지고, 미리 결정된 충전 전압에 도달하면, 정전압 충전 모드가 선택된다. 이때, 충전 방식 선택 스위치(83)는 접점(z)과 접점(y)이 접속되고, 미리 설정된 전압치로 리튬 이온 2차 전지(92)가 충전되기 때문에, 충전 전류는 Icc보다 작은 값으로 되고, 메인 커패시터(11) 및 서브 커패시터(12)의 방전 시간이 길게 되어 간다.

이상과 같이, 이 제 3의 실시예에서는, 서브 커패시터(12)의 충전 전압(Vsub)이 VS로부터 Vx로 강하하는 방전 동작에 의해 리튬 이온 2차 전지(92)가 충 전되기 때문에, 기간(Tsub)에 있어서의 보조 충전이 가능해지고, 리튬 이온 2차 전지(92)가 제 1의 실시예보다도 더욱 효율적으로 충전된다.

본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않으며 본 발명의 취지와 범위 내에서 수정 및 변경될 수 있음은 자명할 것이다. 예를 들면, 충전 온/오프 제어 회로(7)의 회로 구성은, 동일한 기능을 갖는 것이라면, 다른 구성이라도 좋다. 또한, 충전 제어 스위치(81)는 pMOS 외에, 바이폴러 트랜지스터 등으로 구성하고, 각 대응하는 구동 회로를 부가하여도 좋다.

산업상의 이용 가능성

본 발명의 전원 장치는, 반영구적으로 공급되는 태양광 에너지에 의해 정보 단말기기 등에 사용되고 있는 리튬 이온 2차 전지 등의 2차 전지를 충전할 수 있기 때문에, 전력 인프라(infrastructure)가 갖추어지지 않은 장소나 지역에서도, 정보 단말 기기를 동작시킬 수 있다. 이 때문에, 예를 들면, 무선 네트워크 시스템, 유비쿼터스 단말, 무인 감시 시스템 등의 전원에 적용할 수 있다.

본 발명의 구성에 의하면, 전압 검출부가 전력 저장부의 전압을 검출하고, 그 전압이 고레벨 임계치 전압 이상으로 되었을 때, 2차 전지를 충전하기 위한 충전 제어 신호를 액티브 모드로 유지하여 충전 시작 동작을 행하고, 이 후, 그 전력 저장부의 전압이 저레벨 임계치 전압으로 되었을 때, 그 충전 제어 신호를 논액티브 모드로 유지하여 충전 정지 동작을 행하고, 충전 제어부가 그 충전 제어 신호가 액티브 모드인 때, 그 전력 저장부에 저장되어 있는 전력을 기초로 그 2차 전지를 충전하기 때문에, 일조 강도의 변화나 주위 온도의 변화에 의해 태양전지의 발생 전력이 변동하는 상황하에서도 2차 전지를 안정하게 충전할 수 있다. 또한, 전압 검출부의 제 1 및 제 2의 비교 회로는 태양전지에 근접시킬 필요가 없기 때문에, 그 태양전지의 주위 온도의 영향을 받는 일 없이, 고정밀도의 고레벨 임계치 전압 및 저레벨 임계치 전압의 발생에 의해 고정밀도의 전압 검출이 가능해진다. 또한, 2차 전지의 전압이 소정의 임계치보다도 작은 때, 정전류 충전 제어 수단이 소정의 정전류로 그 2차 전지를 충전하고, 그 2차 전지의 전압이 그 소정의 임계치 이상으로 되었을 때, 정전압 충전 제어 수단이 소정의 정전압으로 그 2차 전지를 충전하기 때문에, 그 2차 전지 및 선로의 임피던스의 영향을 받지 않고 그 2차 전지를 고효율로 충전할 수 있다. 또한, 충전 제어 신호가 액티브 모드인 때, 보조 전압 검출부가 태양전지의 기전력에 의해 보조 전력 저장부를 충전하고, 그 보조 전력 저장부의 전압이 고레벨 임계치 전압보다도 높아진 때, 전압 검출부에 대해 전력 저장부의 전압을 대신하여 그 보조 전력 저장부의 전압을 공급하여 검출시키기 때문에 또한 고효율로 2차 전지를 충전할 수 있다.

Claims

적어도 하나의 태양전지와;

상기 태양전지에 의해 생성된 기전력에 의해 충전되어 전력을 저장하는 전력 저장부와;

상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력에 의해 충전되는 2차 전지와;

상기 전력 저장부의 전압을 검출하고, 상기 전력 저장부의 전압이 고레벨 임계치 전압 이상으로 되었을 때, 상기 2차 전지를 충전하기 위해 사용되는 충전 제어 신호를 액티브 모드로 유지하여 충전 시작 동작을 행하고, 이 후, 상기 전력 저장부의 전압이 저레벨 임계치 전압으로 되었을 때, 상기 충전 제어 신호를 논액티브 모드로 유지하여 충전 정지 동작을 행하는 전압 검출부; 및

상기 충전 제어 신호가 액티브 모드인 때, 상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력에 기초하여 상기 2차 전지를 충전하는 충전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 1항에 있어서,

상기 전압 검출부는:

상기 전력 저장부의 전압을 상기 고레벨 임계치 전압과 비교하여 제 1의 비교 결과를 출력하는 제 1의 비교기와;

상기 전력 저장부의 전압을 상기 저레벨 임계치 전압과 비교하여 제 2의 비 교 결과를 출력하는 제 2의 비교기; 및

상기 제 1의 비교 결과 또는 상기 제 2의 비교 결과에 의거하여 상기 충전 제어 신호를 상기 액티브 모드 또는 상기 논액티브 모드로 유지하는 유지 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 1항에 있어서,

상기 충전 제어부는:

상기 충전 제어 신호가 상기 액티브 모드인 때에 온 상태로 되어 상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력에 기초하여 상기 2차 전지를 충전하는 스위칭 유닛과;

상기 2차 전지의 전압이 소정의 임계치보다도 작은 때, 소정의 정전류로 상기 2차 전지를 충전하는 정전류 충전 제어 유닛; 및

상기 2차 전지의 전압이 상기 소정의 임계치 이상으로 되었을 때, 소정의 정전압으로 상기 2차 전지를 충전하는 정전압 충전 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 1항에 있어서,

상기 전력 저장부는:

전기이중층 커패시터를 포함하고,

상기 전기이중층 커패시터의 내부 임피던스는 상기 태양전지의 내부 임피던 스보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 1항에 있어서,

보조 전력 저장부; 및

상기 충전 제어 신호가 상기 액티브 모드인 때, 상기 태양전지의 기전력에 의해 상기 보조 전력 저장부를 충전하고, 상기 보조 전력 저장부의 전압이 상기 고레벨 임계치 전압보다도 높아진 때, 상기 전압 검출부에 대해, 상기 전력 저장부의 전압 대신 상기 보조 전력 저장부의 전압을 공급하여 상기 전압 검출부가 이 전압을 검출하도록 하는 보조 전압 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 5항에 있어서,

상기 보조 전력 저장부는:

전기이중층 커패시터를 포함하고,

상기 전기이중층 커패시터의 내부 임피던스는 상기 태양전지의 내부 임피던스보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 전원 장치,
적어도 하나의 태양전지와, 상기 태양전지에 의해 생성된 기전력에 의해 충전되어 전력을 저장하는 전력 저장부, 및 상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력에 의해 충전되는 2차 전지를 포함하는 전원 장치에 이용되는 충전 제어 방법에 있 어서,

상기 전력 저장부의 전압을 검출하고, 상기 전력 저장부의 전압이 고레벨 임계치 전압 이상으로 되었을 때, 상기 2차 전지를 충전하기 위해 사용되는 충전 제어 신호를 액티브 모드로 유지하여 충전 시작 동작을 행하고, 이 후, 상기 전력 저장부의 전압이 저레벨 임계치 전압으로 되었을 때, 상기 충전 제어 신호를 논액티브 모드로 유지하여 충전 정지 동작을 행하는 단계와;

상기 충전 제어 신호가 액티브 모드인 때, 상기 전력 저장부에 저장되어 있는 전력에 기초하여 상기 2차 전지를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 제어 방법.
적어도 하나의 태양전지와;

상기 태양전지에 의해 생성된 기전력에 의해 충전되어 전력을 저장하는 전력 저장 수단과;

상기 전력 저장 수단에 저장되어 있는 전력에 의해 충전되는 2차 전지와;

상기 전력 저장 수단의 전압을 검출하고, 상기 전력 저장 수단의 전압이 고레벨 임계치 전압 이상으로 되었을 때, 상기 2차 전지를 충전하기 위해 사용되는 충전 제어 신호를 액티브 모드에서 논액티브 모드로 변경하고 유지하여 충전 시작 동작을 행하고, 이 후, 상기 전력 저장 수단의 전압이 저레벨 임계치 전압으로 되었을 때, 상기 충전 제어 신호를 액티브 모드에서 논액티브 모드로 변경하고 유지하여 충전 정지 동작을 행하는 전압 온/오프 제어 수단; 및

상기 충전 제어 신호가 액티브 모드인 때, 상기 전력 저장 수단에 저장되어 있는 전력에 기초하여 상기 2차 전지를 충전하는 충전 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 8항에 있어서,

상기 전압 검출 수단은:

상기 전력 저장 수단의 전압을 상기 고레벨 임계치 전압과 비교하여 제 1의 비교 결과를 출력하는 제 1의 비교 수단과;

상기 전력 저장 수단의 전압을 상기 저레벨 임계치 전압과 비교하여 제 2의 비교 결과를 출력하는 제 2의 비교 수단; 및

상기 제 1의 비교 결과 또는 상기 제 2의 비교 결과에 의거하여 상기 충전 제어 신호를 상기 액티브 모드 또는 상기 논액티브 모드로 유지하는 유지 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
제 8항에 있어서,

상기 충전 제어 수단은:

상기 충전 제어 신호가 상기 액티브 모드인 때에 온 상태로 되어 상기 전력 저장 수단에 저장되어 있는 전력에 기초하여 상기 2차 전지를 충전하는 스위칭 수단과;

상기 2차 전지의 전압이 소정의 임계치보다도 작은 때, 소정의 정전류로 상 기 2차 전지를 충전하는 정전류 충전 제어 수단; 및

상기 2차 전지의 전압이 상기 소정의 임계치 이상으로 되었을 때, 소정의 정전압으로 상기 2차 전지를 충전하는 정전압 충전 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.