JP3416461B2 - 太陽電池充電制御装置 - Google Patents

太陽電池充電制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池充電制御装置
に係る。より詳細には、太陽電池で発生した電力を蓄電
手段に適切に充電するとともに、使用方法が不適切な場
合にも、装置内の素子を保護できる太陽電池充電制御装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、地球温暖化、化石燃料の枯渇、原
発事故や放射性廃棄物による放射能汚染等が問題となっ
ており、地球環境とエネルギーに対する関心が急速に高
まっている。このような状況のもと、太陽電池等は無尽
蔵かつクリーンなエネルギー源として期待されている。
太陽電池を利用するためのシステム形態としては、数ワ
ットから数千キロワットまで種々の規模がある。また、
その種類も多岐にわたっており、例えば、電力を直接利
用するもの、バッテリに蓄電するもの、商用電源と連系
して利用するもの等が挙げられる。
【０００３】このうち、太陽電池の電力をバッテリに蓄
電するものでは、このバッテリの性能を長期間維持する
ために、充放電制御装置を接続して、バッテリの充放電
を制御することが多い。
【０００４】このような充放電制御装置を設けた充電回
路の一例としては、特開昭５５−１２７０７５号公報で
開示された図４に示す回路が挙げられる。図４におい
て、１は太陽電池、２は二次電池からなる蓄電手段、５
は電圧検出手段、７は基準電圧生成手段、９は比較手
段、１２は分流手段、１４は逆流防止手段である。
【０００５】太陽電池１で発生した電力は、蓄電手段２
に充電される。このとき、比較手段９を用いて、電圧検
出手段５により蓄電手段２の端子電圧を検出した信号
と、基準電圧生成手段７の発生する信号とを比較し、蓄
電手段２が所定の電圧を超えた場合、太陽電池１を短絡
させるように分流手段１２を動作させる。
【０００６】しかしながら、図４に示す充電回路には次
のような問題点がある。
【０００７】太陽電池１は、図５に示すような電圧−電
流特性があるため、図４の充電回路において、蓄電手段
２を交換したり、また蓄電手段２への配線が断線してい
た場合には、太陽電池１の開放電圧が電圧検出手段５に
印可され、所定の基準電圧より高いため、比較手段９に
より過充電状態と判定される。その結果、分流手段１２
により太陽電池１が短絡される。この瞬間、太陽電池１
の端子電圧は、ほぼ０Ｖとなるために、比較手段９は、
過充電状態が解除されたと判定し、分流手段１２は、短
絡状態を解除し、再度、電圧検出手段５には、開放電圧
がかかることになり、上記の動作が繰り返される発振状
態となる。このような発振状態を繰り返すと、分流手段
１２に用いられるトランジスタなどの構成部品が発熱
し、破損する恐れがあった。
【０００８】このような発振状態を回避し、素子の破損
を防ぐことのできる充電回路の一例としては、特公平６
−６７１３５号公報で開示された図６に示す回路が挙げ
られる。図６において、８は遅延手段であり、他の図番
は図４と同様である。
【０００９】図６の回路は、比較手段９である差動増幅
部と分流手段１２との間に遅延手段８を設け、差動増幅
部の差動と分流手段の制御との間に遅延時間を生じさせ
る点が特徴である。しかしながら、図６の回路では遅延
手段８から分流手段１２へ至るまでの回路の部品点数が
多く必要となる。
【００１０】また、図６に示すような回路では、一般
に、比較手段９である差動増幅部など装置内の素子の電
源と、基準電圧生成手段７の電源は共通になっているこ
とが多く、この部分にコンデンサが含まれていることが
ある。この場合、遅延手段８を設けたとしても、太陽電
池および蓄電池端子の電圧が完全に下がらず、図７に示
すように、分流手段１２に電圧と電流がかかることによ
り、スイッチング素子が発熱することもあり、十分な放
熱設計が必要であった。
【００１１】さらに、蓄電池の極性を誤ってつないだ場
合、制御回路や、素子に逆電圧がかかり、部品が破壊す
る恐れもあった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来技術の問題点に鑑み、蓄電手段が接続されない状態
や極性が逆に接続された場合にも装置の破壊を防止でき
る太陽電池充電制御装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決するために鋭意研究開発を重ねた結果、次のような
装置が最良であることを見いだした。
【００１４】本発明に係る太陽電池充電制御装置は、太
陽電池と、第１の逆流防止手段を介して前記太陽電池と
ループ状に接続された蓄電手段と、前記太陽電池と前記
第１の逆流防止手段との間に配され、前記太陽電池と並
列に接続された開閉手段と、前記第１の逆流防止手段と
前記蓄電手段との間に配され、前記蓄電手段と並列に接
続された電圧検出手段と、前記第１の逆流防止手段と前
記蓄電手段との間に接続され、基準電圧を生成する基準
電圧生成手段と、前記基準電圧生成手段から出力された
基準信号と前記電圧検出手段から出力された検出信号と
を比較する比較手段とを備え、前記比較手段から出力さ
れた比較信号に応じて前記開閉手段を制御する太陽電池
充放電制御装置において、前記電圧検出手段と前記比較
手段との間に遅延手段を具備し、前記比較回路の電源供
給手段が、前記太陽電池と前記第１の逆流防止手段との
間又は前記第１の逆流防止手段と前記蓄電手段との間に
配され、第２の逆流防止手段を介して、前記蓄電手段と
並列に接続されたことを特徴とする。
【００１５】上記の構成によれば、電圧検出手段の出力
を遅延手段に用いて、検出信号の変化を遅延させること
により、開閉手段が発振する周期を長くすることができ
るため、開閉手段を構成する素子のスイッチング動作を
遅くできるので太陽電池充電制御装置の破損が生じな
い。
【００１６】また上記特徴において、前記比較回路の電
源供給手段が、前記太陽電池と前記第１の逆流防止手段
との間又は前記第１の逆流防止手段と前記蓄電手段との
間に配され、第２の逆流防止手段を介して、前記蓄電手
段と並列に接続されたことにより、電源供給手段は、基
準電圧生成手段に影響を及ぼさないように第２の逆流防
止手段を介して接続された状態となる。その結果、電源
の安定化やノイズ除去を目的として電源供給手段に設け
られたコンデンサの影響で、基準電圧が太陽電池の短絡
後も残ってしまうことがなくなる。従って、開閉手段の
発熱が抑制できることから、太陽電池充電制御装置に設
ける放熱手段を極力小さくできる。
【００１７】さらに上記特徴において、前記第１の逆流
防止手段および前記第２の逆流防止手段より前記蓄電手
段に近い位置に、前記蓄電手段と並列に接続された逆電
流バイパス手段と、前記逆電流バイパス手段と前記蓄電
手段との間に限流手段とを具備することにより、使用者
が蓄電手段の極性を誤って接続しても、限流手段によっ
て回路を瞬時に切断できる。その結果、太陽電池や制御
回路などに逆電圧が長時間印加されないため、制御回路
等の装置の破壊を防ぐことができる。
【００１８】またさらに上記特徴において、前記開閉手
段としてＭＯＳＦＥＴを用いることにより開閉制御がで
きるので扱い易く好適である。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下では、図１乃至図３を参照し
て本発明に係る太陽電池充電制御装置を説明する。
【００２０】図１は、本発明に係る太陽電池充電制御装
置の一例を示す回路構成図である。図２及び図３は、本
発明に係る太陽電池充電制御装置の他の一例を示す回路
構成図である。
【００２１】図１乃至図３において、１は太陽電池、２
は蓄電手段、３は開閉手段、４は第２の逆流防止手段、
５は電圧検出手段、６は電源供給手段、７は基準電圧生
成手段、８は遅延手段、９は比較手段、１０は逆電流バ
イパス手段、１１は限流手段、１４は第１の逆流防止手
段、である。
【００２２】（太陽電池１）本発明に係る太陽電池１と
しては、例えばアモルファスシリコン、微結晶シリコ
ン、多結晶シリコン、単結晶シリコンあるいは化合物半
導体などを用いた太陽電池が挙げられる。通常、太陽電
池１は、複数の太陽電池モジュールを直並列に組み合わ
せ、所望の電圧および電力が得られるようにアレイを構
成している。
【００２３】（蓄電手段２）本発明に係る蓄電手段２は
二次電池であり、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素電池、
リチウム電池、電気二重層コンデンサなどが使用でき、
システムの規模と蓄電容量にあわせて選択される。特
に、鉛蓄電池は安価である点が、ニッケル水素電池は深
放電可能なため小型で長寿命である点が、電気二重層コ
ンデンサは寿命が半永久的であるという特性を有する点
が、それぞれ優れている。
【００２４】この蓄電手段の端子電圧は、おおむね太陽
電池１の最大出力点電圧に合わせておくとよい。
【００２５】（開閉手段３）本発明に係る開閉手段３と
しては、例えばリレーやソリッドステートリレーなど、
あるいはトランジスタやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング
素子など、外部信号により開閉動作ができ、電流容量や
耐電圧等が、太陽電池の容量や電圧、電流に耐え得るも
のなら何でも構わない。特に、ＭＯＳＦＥＴは、電圧制
御素子で扱いやすい。
【００２６】（逆流防止手段、逆電流バイパス手段）本
発明に係る第２の逆流防止手段４、第１の逆流防止手段
１４および逆電流バイパス手段１０は、蓄電手段２から
太陽電池１への逆流や、後述する電源供給手段６からの
電流の逆流、および蓄電手段２の端子の極性を逆に接続
した場合のみに電流を流すために用いられる。これらの
具体例としては、整流用ダイオード、ショットキーバリ
アダイオードなどが挙げられる。低圧のシステムでは順
方向電圧降下による損失を考慮してショットキーバリア
ダイオードが、高圧のシステムでは耐圧を考慮して整流
用ダイオードが、それぞれ好適である。特に逆電流バイ
パス手段１０としては、蓄電池の短絡電流が瞬間的に流
れることになるので、耐サージ電流の高いものが望まし
い。
【００２７】（電圧検出手段５）本発明に係る電圧検出
手段５としては、一般にオペアンプの入力電圧を考慮し
て、適切な抵抗値で分圧し、その電圧信号を出力信号と
して用いることが多い。この場合、抵抗値は、検出端の
端子電圧と、抵抗の定格電力を考慮して適切に選ぶこと
が必要である。
【００２８】（電源供給手段６）本発明に係る電源供給
手段６としては、１２Ｖの蓄電池に充電するような装置
の場合、後述する比較手段９の電源電圧範囲が適切なも
のを選べば、蓄電池の電源がそのまま使用できる。この
ような場合はコンデンサを用いて、ノイズを除去した
り、電源を安定化する。また、この電源供給手段の電源
入力部に整流回路が備えられている場合には、前述した
第２の逆流防止手段４を兼ねることができ、本発明の意
図は達成できる。
【００２９】（基準電圧生成手段７）本発明に係る基準
電圧生成手段７としては、例えばツェナーダイオードが
多用され、ツェナー電圧を基準電圧として使用する。複
数の比較手段を用い、これらの共通の基準電圧として利
用する場合には、さらにこの基準電圧を抵抗などで分圧
して、所望の電圧値としてもよい。
【００３０】（遅延手段８）本発明に係る遅延手段８と
しては、例えば抵抗およびコンデンサが使用できる。抵
抗値およびコンデンサの容量は、装置の規模や動作条件
によって適切なものを選ぶ必要がある。
【００３１】（比較手段９）本発明に係る比較手段９と
しては、例えばオペアンプが好適に用いられる。太陽電
池と１２Ｖ系の蓄電池からなる充電制御装置の場合、電
源供給手段を極力簡単にするために、＋１２Ｖの単電源
で動作するものが望ましい。
【００３２】
【実施例】以下に実施例をあげて本発明をより詳細に説
明するが、本発明がこれら実施例に限定されることはな
い。
【００３３】（参考例１） 本例では、図８に示した太陽電池充電制御装置の回路構
成図に基づき、詳細に説明する。
【００３４】図８の構成では、アモルファス太陽電池モ
ジュール（ＵＳＳＣ社製、商品名ＵＰＭ−８８０）１枚
からなる太陽電池１を、ダイオードからなる第１の逆流
防止手段１４を介して鉛蓄電池２に接続した。そして蓄
電池２の電圧信号を、コンデンサ８１からなる遅延手段
を介して、オペアンプ９１で構成される比較手段に入力
した。この比較手段の基準電圧として、ダイオードから
なる第１の逆流防止手段１４と蓄電池２との間にツェナ
ーダイオードを接続し、このツェナー電圧を所望の値に
なるよう抵抗分圧して用いた。抵抗７２は、ツェナーダ
イオードに流れる電流を制御する保護用抵抗である。ま
た、抵抗５２および抵抗９２は比較回路にヒステリシス
を持たせるために用いた。開閉手段としてはリレー３１
を接続して用い、蓄電池電圧が１４．６Ｖ以上になると
太陽電池１を短絡し、１３．６Ｖで短絡を解除するよう
にした。
【００３５】もし、この構成において、メンテナンス等
の関係で、蓄電池２がつながっていなかったとすると、
短絡された瞬間、電圧検出部で検出される電圧が急激に
低下すると太陽電池１の短絡状態が解除される。コンデ
ンサからなる遅延回路を備えなかった従来の装置では、
この周期が５ミリ秒程度であった。これに対して、コン
デンサからなる遅延回路を備えた本発明の装置は、この
周期が１秒程度まで長くできることから、リレー３１か
らなる開閉手段へかかる負担が軽減できた。例えば、年
１回、１０分間かかる電池交換やメンテナンスを行う場
合、本発明に係る装置で生じる開閉手段の開閉回数は６
００回であるのに対して、従来の装置では１２万回であ
ることから、開閉回数を著しく減らすことができので、
リレーの電気的寿命を大幅に伸ばすことができた。
【００３６】（実施例１） 本例では、図９に示した太陽電池充電制御装置の回路構
成図に基づき、詳細に説明する。
【００３７】図９の構成では、アモルファス太陽電池モ
ジュール（キヤノン製、商品名ＢＳ−０３）２枚を並列
接続して用いた太陽電池１を、ダイオードからなる第１
の逆流防止手段１４を介して鉛蓄電池２に接続した。
【００３８】電圧検出手段、比較手段、遅延手段、基準
電圧生成手段は、実施例１と同様の構成にした。電源供
給手段は、ダイオードからなる第２の逆流防止手段４を
介して、ダイオードからなる第１の逆流防止手段１４と
蓄電池２との間に接続した。また、蓄電池２には並列
に、整流用ダイオードからなる逆電流バイパス手段１０
を接続すると共に、交換可能なようにヒューズからなる
限流手段１１をヒューズホルダーにいれて接続した。さ
らに、開閉手段としてはＭＯＳＦＥＴ３２を設けた。ま
た、この装置では、ランプ等の負荷１３と放電制御回路
１６を接続し、蓄電池端子の電圧が下がると負荷への電
力供給を停止するようにした。
【００３９】もし、この構成において、メンテナンス等
の関係で、蓄電池２がつながっていなかったとすると、
短絡された瞬間、電圧検出部で検出される電圧が急激に
低下すると太陽電池１の短絡状態が解除される。しかし
ながら、本例の装置では、コンデンサからなる遅延回路
を備えたことにより、この周期を実施例１の装置と同様
に長くできることから、開閉手段を構成する素子にかか
る負担が軽減できた。
【００４０】ところで、図４に示すような従来の装置で
は、基準電圧を電源供給手段からとるようにした場合、
電圧および電流は図７のようになっており、ＭＯＳＦＥ
Ｔ３２に電圧が印加されている時にも電流が流れてい
た。この状態は、本例に係る装置（図９）に置き換える
と、電源供給手段のコンデンサ６１の電荷がすぐには放
電されず、基準電圧が残ってしまって、結果的にオペア
ンプ９１が太陽電池１を基準電圧に定電圧制御を行うた
めに生じてしまう現象である。
【００４１】しかしながら、本例では、電源供給手段を
第２の逆流防止手段４を介して接続し、ツェナーダイオ
ード７１からなる基準電圧生成手段に影響しないように
したので、蓄電池２が接続されていない場合、太陽電池
１が短絡されたのと同時に基準電圧がなくなるため、Ｍ
ＯＳＦＥＴ３２にかかる電圧と電流が図１０のようにな
り、発熱を抑えることができた。
【００４２】さらに、蓄電池端子に整流ダイオード１０
からなる逆電流バイパス手段とヒューズ１１からなる限
流手段とを入れたことにより、蓄電池２を逆接続した場
合にもヒューズが切れることにより、短時間の逆電圧の
印可で済む。使用者は、ヒューズの交換をすれば、即座
に装置の復旧が可能となる。
【００４３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
太陽電池充電制御装置において、電圧検出手段と比較手
段の間に遅延回路を設け、太陽電池と逆流防止手段との
間に基準電圧生成手段を設けて比較手段の供給電源と分
離し、蓄電池と並列に逆流防止手段を介挿し、この蓄電
池と逆流防止手段の間に限流手段を設けることにより、
以下のような効果がある。
【００４４】（１）遅延手段を用いて、電圧検出手段の
出力信号の変化を遅延させることにより、発振の周期を
長くすることができため、開閉手段を構成する素子のス
イッチング動作によって装置が破損することがなく、装
置の長寿命化が図れる。
【００４５】（２）電圧検出手段と比較手段との間に遅
延手段を設けた回路構成により、従来より必要となる部
品点数を減らすことができる。
【００４６】（３）太陽電池をはずすことなく、蓄電池
をはずすことが可能となり、蓄電池のメンテナンスが容
易になる。
【００４７】（４）電源供給手段が基準電圧生成手段に
影響を与えないように第２の逆流防止手段を介して接続
したため、電源の安定化やノイズ除去の目的から電源供
給手段に接続されたコンデンサの影響で、基準電圧が太
陽電池の短絡後も残ってしまうことがなくなる。その結
果、開閉手段が発熱するようなこともないため、放熱手
段を極力小さくできる。
【００４８】（５）逆接続保護手段として逆電流バイパ
ス手段と限流手段とを備えたことにより、使用者が蓄電
手段の極性を誤って接続しても、限流手段が切断される
だけで、制御回路等の装置の破壊を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽電池充電制御装置の一例を示
す回路構成図である。
【図２】本発明に係る太陽電池充電制御装置の他の一例
を示す回路構成図である。
【図３】本発明に係る太陽電池充電制御装置の他の一例
を示す回路構成図である。
【図４】従来の太陽電池充電制御装置の一例を示す回路
構成図である。
【図５】太陽電池の電圧と電流との関係を示すグラフで
ある。
【図６】従来の太陽電池充電制御装置の他の一例を示す
回路構成図である。
【図７】図６に示した従来の太陽電池充電制御装置にお
いて、分流手段の両端の電圧と分流手段に流れる電流と
の関係を示すグラフである。
【図８】実施例１に係る太陽電池充電制御装置を示す回
路構成図である。
【図９】実施例２に係る太陽電池充電制御装置を示す回
路構成図である。
【図１０】図９に示した太陽電池充電制御装置におい
て、開閉手段の両端の電圧と開閉手段に流れる電流との
関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 太陽電池、 ２ 蓄電手段、 ３ 開閉手段、 ４ 第２の逆流防止手段、 ５ 電圧検出手段、 ６ 電源供給手段、 ７ 基準電圧生成手段、 ８ 遅延手段、 ９ 比較手段、 １０ 逆電流バイパス手段、 １１ 限流手段、 １２ 分流手段、 １３ 負荷、 １４ 第１の逆流防止手段、 １５ 逆流防止手段、 １６ 放電制御回路、 ３１ リレー、 ３２、３３ ＭＯＳＦＥＴ、５１、５２、５３、５４、
７２、７３、７４、７５、７６、９２、９５ 抵抗、 ６１、８１、８２、９３ コンデンサ、 ７１ ツェナーダイオード、 ９１、９４ オペアンプ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 太陽電池と、 第１の逆流防止手段を介して前記太陽電池とループ状に
    接続された蓄電手段と、 前記太陽電池と前記第１の逆流防止手段との間に配さ
    れ、前記太陽電池と並列に接続された開閉手段と、 前記第１の逆流防止手段と前記蓄電手段との間に配さ
    れ、前記蓄電手段と並列に接続された電圧検出手段と、 前記第１の逆流防止手段と前記蓄電手段との間に接続さ
    れ、基準電圧を生成する基準電圧生成手段と、 前記基準電圧生成手段から出力された基準信号と前記電
    圧検出手段から出力された検出信号とを比較する比較手
    段とを備え、 前記比較手段から出力された比較信号に応じて前記開閉
    手段を制御する太陽電池充放電制御装置において、 前記電圧検出手段と前記比較手段との間に遅延手段を具
    備し、 前記比較回路の電源供給手段が、前記太陽電池と前記第
    １の逆流防止手段との間又は前記第１の逆流防止手段と
    前記蓄電手段との間に配され、第２の逆流防止手段を介
    して、前記蓄電手段と並列に接続された ことを特徴とす
    る太陽電池充電制御装置。
  2. 【請求項２】 前記第１の逆流防止手段および前記第２
    の逆流防止手段より前記蓄電手段に近い位置に、前記蓄
    電手段と並列に接続された逆電流バイパス手段と、前記
    逆電流バイパス手段と前記蓄電手段との間に限流手段と
    を具備することを特徴とする請求項１記載の太陽電池充
    電制御装置。
  3. 【請求項３】 前記開閉手段が、ＭＯＳＦＥＴであるこ
    とを特徴とする請求項１又は２記載の太陽電池充電制御
    装置。
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