WO2021186904A1

WO2021186904A1 - 電源装置

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Publication number: WO2021186904A1
Application number: PCT/JP2021/002795
Authority: WO
Inventors: 謙治北村; 康成溝口
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: JP2021151022A

Abstract

天候や時間帯に左右されずに安定して動作する太陽電池パネルを含む電源装置を提供する。電源装置１は、太陽光で発電する太陽電池パネル４と、太陽電池パネルの発電電力を蓄電するとともに負荷装置に放電可能な蓄電池２と、太陽電池パネル４から蓄電池２への充電と、蓄電池２から負荷装置３への放電とを制御する制御回路９と、を備える。制御回路９は、太陽電池パネル４による発電電力が所定電力以上のときは太陽電池パネル４からの給電により、発電電力が所定電力未満となるときは、蓄電池２からの給電により動作する。

Description

電源装置

　本発明は、電源装置に関する。

　太陽電池パネルで発電した電力により動作する装置が知られている。しかし、太陽電池パネルは、日射の確保できない夜間や曇天時には発電を行うことができないため装置を動作させることができない。そこで、発電した電力を蓄電するための蓄電池を備えた装置が提案されている（特許文献１）。

実用新案登録第３１７９６８７号

　上記装置は、蓄電池への充電及び蓄電池からの放電を制御するために、制御回路を備えている。制御回路は、昼間は太陽電池パネルからの出力により、夜間は蓄電池からの出力により動作するようになっている。しかし、太陽電池パネルからの出力は天候に左右されて不安定であるため、制御回路を安定して動作させるためにさらに別の電源が必要となっていた。

　本発明は、上記問題点に鑑みて、その目的は、太陽電池パネルが発電し、制御回路が天候に左右されずに安定して動作する電源装置を提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
　本発明の第１の態様の電源装置は、太陽光で発電する太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルで発電された電力を蓄電するとともに負荷装置に放電可能な蓄電池と、所定電力で動作し、前記太陽電池パネルから前記蓄電池への充電と、前記蓄電池から前記負荷装置への放電とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記太陽電池パネルによる発電電力が前記所定電力以上のときは前記太陽電池パネルから給電されて動作し、前記発電電力が前記所定電力未満となるときは、前記発電電力に加えて前記蓄電池から給電されて動作する。

　上記構成により、太陽電池パネルによる発電電力が所定電力より低下したときは、所定電力に対する発電電力の不足分は、蓄電池から制御部への放電によって補われるので、制御部は安定してその動作を継続できる。

＜本発明の第２の態様＞
　本発明の第２の態様の電源装置は、上記第１の態様において、前記太陽電池パネルから前記蓄電池への充電をオンオフする電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）をさらに有し、前記ＦＥＴは、寄生ダイオードのアノードが前記蓄電池の正極に接続されると共にカソードが前記太陽電池パネルの正極に接続されるように、前記太陽電池パネルと前記蓄電池との間に接続される。

　上記構成により、発電電力が制御部の動作電力未満となるとき、動作電力の不足分は、寄生ダイオードを介して蓄電池から制御部へ供給される。従って、制御部は動作を継続できる。寄生ダイオードは、太陽電池パネルから蓄電池への充電をオンオフするＦＥＴに含まれているので、蓄電池から制御部に給電するために別の部品を設けずに済むので、電源装置の構成を簡単にできる。

＜本発明の第３の態様＞
　本発明の第３の態様の電源装置は、上記第１又は第２の態様において、前記蓄電池から前記負荷装置への放電をオンオフするスイッチ素子をさらに有し、前記制御部は、前記スイッチ素子のオンオフを制御する。上記構成により、充電制御と放電制御とを単一の制御部で行うことができるので、電源装置の構成を簡単にして部品総数を削減できる。

　本開示によれば、蓄電池の充放電を制御する制御部が時間帯や天候に左右されずに安定して動作する電源装置を提供することができる。

第１の実施の形態に係る電源装置の回路図を示す。制御部の動作を示すフローチャートである。

　本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

　図１に示す電源装置１は、太陽光によって発電された電力を蓄電池２に蓄電し、負荷装置３が接続されると負荷装置３に対し蓄電池２からの電力を給電する。電源装置１は、太陽電池パネル４と、太陽電池パネル４の発電電力で充電される蓄電池２と、太陽電池パネル４から蓄電池２への充電をオンオフする充電スイッチ５と、蓄電池２から負荷装置３への放電をオンオフする放電スイッチ６と、充電電流検出器７と、放電電流検出器８と、蓄電池２の充放電を制御する制御回路９とを有する。負荷装置３は、例えば街灯であり、蓄電池２の電力により動作可能な装置である。

　太陽電池パネル４は、例えばシリコンなどの半導体で作製され、太陽光が入射すると直流電流を生成する。太陽電池パネル４の正極は、高電位ラインＬ１に接続され、負極は低電位ラインＬ２に接続される。

　蓄電池２は、ニッケル水素電池などの二次電池セルの複数個を直列に接続して構成され、太陽電池パネル４の発電電力を蓄電する。蓄電池２は、出力端子１０、１１に負荷装置３が接続され放電スイッチ６がオンになると、負荷装置３に向けて放電する。直列に接続される二次電池セルの個数は、負荷装置３が必要とする入力電圧に応じて決められる。

　ダイオード１２が、太陽電池パネル４への電流の逆流を防止するために、高電位ラインＬ１に挿入される。具体的には、ダイオード１２のアノードが太陽電池パネル４の正極に接続され、カソードが蓄電池２の正極側に接続される。

　充電スイッチ５は、例えばＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴからなる。ＭＯＳＦＥＴ５のソースが太陽電池パネル４の正極側に接続され、ドレインが蓄電池２の正極側に接続され、ゲートが制御回路９に接続される。さらに、ＭＯＳＦＥＴ５は、寄生ダイオードのアノードが蓄電池２の正極側に、カソードがダイオード１２のカソードに接続されるように高電位ラインＬ１に挿入される。充電スイッチ５は、制御回路９からＭＯＳＦＥＴのゲートへの信号によりオンオフを切替える。充電スイッチ５は、オンになると太陽電池パネル４からの電流を蓄電池２に向けて流し蓄電池２を充電する。

　放電スイッチ６は、蓄電池２の正極と高電位側の出力端子１０との間に接続され、制御回路９からの信号によりオンオフされる。放電スイッチ６がオンになると、蓄電池２から負荷装置３に向けて放電が開始される。なお、放電スイッチ６はスイッチ素子の一例である。

　充電電流検出器７は、低電位ラインＬ２に直列に接続された抵抗器からなり、蓄電池２を流れる充電電流ＩＢを検出する。放電電流検出器８は、蓄電池２の正極と出力端子１０との間に接続された抵抗器からなり、蓄電池２から流れる放電電流ＩＣを検出する。

　サーミスタ１４は、蓄電池２の電池温度Ｔを検出する。
　制御回路９は、マイコンからなり、高電位ラインＬ１と低電位ラインＬ２との間に接続された電源ＩＣ１３を介して、制御回路９を動作させる動作電力が供給される。通常は、太陽電池パネル４からの発電電力が動作電力として制御回路９に供給される。制御回路９には、蓄電池の電池電圧ＶＢ、充電電流検出器で検出された充電電流ＩＢ、サーミスタ１４にて検出された電池温度Ｔが入力される。制御回路９は、入力された蓄電池２の電池電圧ＶＢ、充電電流ＩＢ、及び電池温度Ｔに基づいて、蓄電池２の状態を判断し、充電スイッチ５のオンオフを制御する。制御回路９は、負荷装置３が接続された場合は、さらに、電池電圧ＶＢ、放電電流ＩＣ、電池温度Ｔに基づき、放電スイッチ６のオンオフを制御する。なお、制御回路９は制御部の一例である。

　次に、電源装置１の動作について図２を参照して説明する。

　太陽電池パネル４は、昼間は、太陽光の入射により発電して電力を出力する。太陽電池パネル４からの発電電力は、電源ＩＣ１３を介して制御回路９に供給される。制御回路９への供給電力が、制御回路９の動作に必要な電力（以下、動作電力と称す）を満たしていると、制御回路９は制御を開始する。次に、制御回路９は、電池電圧ＶＢに基づき蓄電池２の充電が必要と判断すると（ステップＳ１：ＹＥＳ）、充電スイッチ５をオンにして蓄電池２の充電を開始する（ステップＳ２）。なお、動作電力は、所定電力の一例である。

　蓄電池２を充電しているとき、制御回路９は、蓄電池２への充電量を積算し、蓄電池２の満充電を判断した場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、充電スイッチ５をオフにして蓄電池２の充電を停止し、蓄電池２の過充電を防止する（ステップＳ４）。このとき、制御回路９は、太陽電池パネル４の発電電力により動作を継続する。

　このように、ステップＳ１～Ｓ４では、制御回路９は、太陽電池パネル４の発電電力により安定した動作を継続する。

　一方、天候不良や日没により照度が低下して太陽電池パネル４の発電電力が動作電力未満になると（ステップＳ５：ＹＥＳ）、電源ＩＣ１３の入力側の電圧が蓄電池２の電池電圧ＶＢ以下であれば、動作電力の不足分が蓄電池２からの放電により寄生ダイオードを介して制御回路９に供給される。これにより、制御回路９は動作を継続することができる。
このとき、蓄電池２が満充電であれば、制御回路９は、充電スイッチ５をオフに維持して過充電を防止する（ステップＳ６）。

　発電電力が動作電力を下回っているときに、蓄電池２から制御回路９への放電により蓄電池２への充電が必要になったと判断される場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、制御回路９には、動作電力の不足分が蓄電池２より寄生ダイオードを介して供給されているので、制御回路９は動作を継続できる。従って、制御回路９は、充電スイッチ５をオンに切替えて蓄電池２の充電を開始する（ステップＳ８）。

　このとき、蓄電池２の充電電流と、制御回路９の動作電力の不足分を補うための蓄電池２からの放電電流との向きは、互いに逆方向になる。従って、制御回路９への放電電流が蓄電池２への充電電流よりも多くなる場合、充電電流検出器７は、逆電流を検出する。逆電流の検出は、蓄電池２への実質的な充電が行われていないことを示すため、制御回路９は、充電スイッチ５をオフに切替えて蓄電池２の見かけ上の充電を停止させる。このとき、充電スイッチ５がオフになっても寄生ダイオードを介して蓄電池２から制御回路９に対して給電が行われているので、制御回路９は動作を継続できる。

　次に、夜間のため太陽電池パネル４が発電できない場合、制御回路９には、蓄電池２から放電された電力が寄生ダイオードを介して供給されるので、制御回路９は動作を継続する。このとき、負荷装置３として街灯が接続された場合、制御回路９は、放電スイッチ６をオンにして、蓄電池２から街灯に向けて放電させる。そして、制御回路９は、電池電圧ＶＢが所定値以下になったときに放電スイッチ６をオフに切替えて蓄電池２の放電を停止し、蓄電池２の過放電を防止する。

　制御回路９の動作電力は、負荷装置３の消費電力に比較すると少量であるため、夜間、制御回路９の動作を継続させることができる。

　このように、ステップＳ５～Ｓ８では、発電電力が制御回路９の動作に不十分であっても、不足分の電力が蓄電池２より給電されるので、制御回路９は、安定した動作を継続できる。

　上記実施の形態では、太陽電池パネル４での発電電力が制御回路９の動作電力を下回る場合、不足分の電力を、充電スイッチ５を構成するＦＥＴの寄生ダイオードを介して蓄電池２から制御回路９へ供給しているので、制御回路９の動作を継続させることができる。
よって、制御回路の動作継続のために別に電源を設けずに済むので、電源装置１の構成を簡単にして、構成部品の数を減らすことができる。

　さらに、蓄電池２の充電と蓄電池２からの放電との制御を、単一の制御回路９を用いて行っているので、電源装置１の構成を簡単にして、構成部品の数を減らすことができる。

　なお、上記実施の形態において、充電スイッチ５としてＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴを用いたが、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴを用いても良い。この場合であっても、発電電力が制御回路９の動作電力に不足する場合に、蓄電池２から制御回路９に向けて電流を流すために、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードのアノードが蓄電池２の正極側、カソードが制御回路側に接続されるように、ＭＯＳＦＥＴを高電位ラインＬ１に接続すれば良い。

　　１　　電源装置
　　２　　蓄電池
　　３　　負荷装置
　　４　　太陽電池パネル
　　５　　充電スイッチ
　　９　　制御回路

Claims

　太陽光で発電する太陽電池パネルと、
　前記太陽電池パネルで発電された電力を蓄電するとともに負荷装置に放電可能な蓄電池と、
　所定電力で動作し、前記太陽電池パネルから前記蓄電池への充電と、前記蓄電池から前記負荷装置への放電とを制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、前記太陽電池パネルによる発電電力が前記所定電力以上のときは前記太陽電池パネルから給電されて動作し、
　前記発電電力が前記所定電力未満となるときは、前記発電電力に加えて前記蓄電池から給電されて動作する、電源装置。
　前記太陽電池パネルから前記蓄電池への充電をオンオフする電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）をさらに有し、
　前記ＦＥＴは、寄生ダイオードのアノードが前記蓄電池の正極に接続されると共にカソードが前記太陽電池パネルの正極に接続されるように、前記太陽電池パネルと前記蓄電池との間に接続される、請求項１記載の電源装置。
　前記蓄電池から前記負荷装置への放電をオンオフするスイッチ素子をさらに有し、
　前記制御部は、前記スイッチ素子のオンオフを制御する、請求項１または２に記載の電源装置。