JP2009207239A

JP2009207239A - 太陽電池用充電制御装置

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Publication number: JP2009207239A
Application number: JP2008045077A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Goto; 康雄後藤; Kazuhide Nanba; 和秀難波
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2009-09-10

Abstract

【課題】最大電力点追尾制御方式を太陽電池の発電電力によって切り替えることで、太陽電池の発電電力を高効率に蓄電装置に充電可能な太陽電池用充電制御装置を提供する。
【解決手段】太陽電池２の出力電圧を電圧変換して蓄電装置３に出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０、太陽電池２の発電電力の低下を検出する発電電力検出部２０、発電電力検出部２０の検出出力に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電力の時間微分を示す第１微分と、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧と出力電流の何れか一方の時間微分を示す第２微分の少なくとも何れか一方を算出し、第１微分と第２微分の何れか一方を選択的に出力する微分選択回路３０、及び、第１微分または第２微分に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０を構成するスイッチング素子に対して、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧を制御する制御信号を出力する電圧変換制御回路４０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池が発電した電力を蓄電装置に充電するために、太陽電池の出力電圧を電圧変換して前記太陽電池の発電電力が最大電力点での発電電力となるように、電圧変換後の電圧を制御する太陽電池用充電制御装置に関する。

太陽電池の発電電力を２次電池（蓄電池）やコンデンサ等の蓄電装置に充電する太陽電池用充電装置は広く一般的に知られている。このタイプの充電装置は、街路灯等の大型装置向けから携帯機器等の小型・モバイル装置向けまで広く応用されているが、何れも太陽光がエネルギ源であることから充電は日中しか実行できず、太陽電池の発電電力を効率良く蓄電装置に蓄電することが求められる。

太陽電池は、図９に示すように発電電圧に依存せず出力電流能力はほぼ一定であるが、発電電圧が或る値（図９の動作点Ａ１〜Ａ３)を超えると急激にその出力電流が減少する特性を有している。従って、太陽電池の発電電力は、図１０に示すように動作点Ａ１〜Ａ３をピークとする電力特性曲線になり、動作点Ａ１〜Ａ３において発電電力量が最大となる。また、照射される太陽光の強度（放射照度）や太陽電池の温度にもその発電電圧が依存し、放射照度が増すと発電電圧が増加する、温度が上がると発電電圧が低下するという特性がある。夫々動作点Ａ１〜Ａ３を含む実線は、放射照度や温度が異なる場合の電圧・電力特性である。

上記の電圧・電力特性から、太陽電池の発電電力を蓄電池等の蓄電装置に充電するときは、太陽電池の動作点が図１０の動作点Ａ１〜Ａ３になるように制御すれば、最も効率良く蓄電装置に電力を供給できる。

上述の如く、放射照度や温度が変化すると最大発電電力が得られる動作点も変化するので、太陽電池の出力電力を常に最大に保持するためには、放射照度や温度の変化に対して常に動作点を最大電力点に追従させてやる必要があり、そのための最大電力点追尾制御装置が各種提案されている。

下記の特許文献１及び２に開示されている従来技術では、最大電力点追尾制御のためにマイコン等の複雑な回路を用いずに簡単な構成で最大電力点追尾を実現している。該従来技術は、太陽電池と蓄電池の間に電圧変換のためのＤＣ−ＤＣコンバータを接続し、蓄電池への充電電流や蓄電池の端子電圧の時間的な変化率を検出し、その変化率に応じてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することで最大電力点追尾制御を実現している。これらは、最大電力点である図１０の動作点Ａ１〜Ａ３は電力特性曲線の頂点であり、電力変化率がゼロであることを利用している。

特開平７−３３６９１０号公報特開平１１−９８７１５号公報

特許文献１では、最大電力点追尾制御の一例として、太陽電池の発電電圧と発電電流のアナログ信号をＡ／Ｄコンバータによりディジタル信号に変換し、Ａ／Ｄ変換した電圧出力と電流出力とが乗算器により乗算され、その乗算器の出力が最大値制御回路に入力され、乗算器の出力（太陽電池の発電電力）が最大値になるような制御出力が最大値制御回路から出力され、最大値制御回路の出力であるディジタル信号がＤ／Ａコンバータによりアナログ信号に変換され、ＰＷＭ回路を介してパルス幅変調された制御信号として出力され、この制御信号によって乗算器の出力が最大値になるように制御される最大電力点追尾制御が開示されている（特許文献１の図１２参照）。しかし、特許文献１では、当該ディジタル信号による制御では、乗算器、最大値制御回路、Ｄ／Ａコンバータはマイクロコンピュータで構成されているため、回路構成が複雑化するともに、コスト高、消費電流が大きくなるという問題から、蓄電池の充電電流の時間変化率を検出することで、簡略的に最大電力点追尾制御を実現して、回路構成の簡素化を図っている。

また、特許文献２では、最大電力点追尾制御において、電流検出方式或いは電力検出方式での電流検出に要する抵抗による電圧降下に起因する電力損失の問題を回避するために、使用する２次電池（蓄電池）の内部インピーダンスが純抵抗特性に近い周波数範囲で動作させることで、電流検出を行わずに蓄電池の充電電圧の時間変化率を検出することで、最大電力点追尾制御を実現している。

ここで、太陽電池の出力電力をＰｉｎ、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力、出力電圧、出力電流を夫々Ｐｏ、Ｖｏ、Ｉｏとすると、夫々の関係は以下の数１に示すようになる。また、数１の各辺を時間微分すると、以下の数２に示すようになる。

［数１］
Ｐｉｎ∝Ｐｏ＝Ｖｏ×Ｉｏ

［数２］
Ｐｉｎ’∝Ｐｏ’＝Ｖｏ’×Ｉｏ＋Ｖｏ×Ｉｏ’

数２において、最大電力点追尾制御では、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏまたは出力電流Ｉｏは一定値となるように制御されるわけではないので、各時間微分Ｖｏ’、Ｉｏ’は０ではない。

更に、特許文献２に開示された、ＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータの出力電圧値の時間変化率だけを利用する制御では、蓄電池の内部インピーダンスが抵抗成分主体でありオームの法則に従うときは、数２における各時間微分Ｖｏ’、Ｉｏ’が相互に比例関係となって、ＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータの出力電力の変化率Ｐｏ’が出力電圧の変化率Ｖｏ’と相似することを利用している。しかしながら、蓄電池の内部インピーダンスが抵抗成分だけでない場合は、必ずしも電力の変化率Ｐｏ’が出力電圧の変化率Ｖｏ’とは相似ではなくなるので、最大電力点を正確に追尾できない欠点がある。

従って、太陽電池の出力電力Ｐｉｎの最大電力点を追尾するには、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏまたは出力電流Ｉｏの何れか一方だけの時間変化を検出するのではなく、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力Ｐｏの時間変化、或いは、出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏの各時間変化を検出することで、より精度良い最大電力点追尾制御が可能となる。

しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力Ｐｏの時間変化、或いは、出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏの各時間変化を検出する場合、出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏの何れか一方だけの時間変化を検出する従来技術と対比して、時間変化の検出に要する消費電力が大きくなるという問題がある。

最大電力点追尾制御によって太陽電池の発電電力を蓄電池等の蓄電装置に充電する場合、最大電力点追尾制御に伴う消費電力の増分より、最大電力点追尾制御によって、蓄電装置に充電できる電力の増分が大きい場合に、最大電力点追尾制御を行う意義が生じる。つまり、日照強度（太陽光の放射照度）や太陽電池の周囲温度の変化により、太陽電池の発電電力が低下してきた場合、蓄電装置に充電できる電力は、太陽電池の発電電力から最大電力点追尾制御の消費電力を差し引いた電力であるので、最大電力点追尾制御の精度を落として蓄電装置に充電できる電力の低下を招いても、電力点追尾制御の消費電力を抑制した方が充電効率は高くなる。このことは、図１０に示す電力特性曲線より、太陽電池の発電電力が低下すると、太陽電池の出力電圧の最大電力点からの同じ変位に対する太陽電池の発電電力の減少分も低下していることからも裏付けられる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、最大電力点追尾制御方式を太陽電池の発電電力によって切り替えることで、太陽電池の発電電力を高効率に蓄電装置に充電可能な太陽電池用充電制御装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明に係る太陽電池用充電制御装置は、太陽電池が発電した電力を蓄電装置に充電するために、前記太陽電池の出力電圧を電圧変換して前記太陽電池の発電電力が最大電力点での発電電力となるように、前記電圧変換後の電圧を制御する太陽電池用充電制御装置であって、前記太陽電池の出力電圧を電圧変換して前記蓄電装置に出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、前記太陽電池の発電電力の低下を検出する発電電力検出部と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電力の時間微分を示す第１微分と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧と出力電流の何れか一方の時間微分を示す第２微分の少なくとも何れか一方を算出し、前記第１微分と前記第２微分の何れか一方を、前記発電電力検出部の検出出力に基づいて選択して出力する微分選択回路と、前記微分選択回路から出力された前記第１微分または前記第２微分に基づいて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を構成するスイッチング素子に対して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧を制御する制御信号を出力する電圧変換制御回路と、を備えてなることを第１の特徴とする。尚、本発明では、蓄電装置には、化学変化によって電気エネルギを蓄える２次電池（蓄電池）に限らず、電気エネルギを電荷として蓄えるコンデンサも含まれる。

上記第１の特徴の太陽電池用充電制御装置は、更に、前記電圧変換制御回路は、前記制御信号として、前記スイッチング素子のオンオフのデューティ比をＰＷＭ制御する制御パルス信号を出力することを第２の特徴とする。

上記第１または第２の特徴の太陽電池用充電制御装置によれば、太陽電池の発電電力が大きい場合には、高精度に最大電力点追尾制御可能な第１微分を用い、太陽電池の発電電力が低下した場合には、第１微分を使用する場合に比べて制御精度は低下するが消費電力が抑制される第２微分を用いて、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路に対して最大電力点追尾制御を行うことができるため、太陽電池の発電電力が大きい場合と低下した場合の何れにおいても、太陽電池の発電電力を高効率に蓄電装置に充電できるようになる。

尚、上記第１または第２の特徴の太陽電池用充電制御装置が行う最大電力点追尾制御では、上記数２に示すように、太陽電池の発電電力Ｐｉｎの時間微分Ｐｉｎ’とＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電力Ｐｏの時間微分Ｐｏ’が比例関係にあることを利用するので、微分選択回路から出力される時点での第１微分は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電力の時間微分に比例する値であれば十分である。同様に、微分選択回路から出力される時点での第２微分も、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧または出力電流の時間微分に比例する値であれば十分である。従って、第１微分には、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電力の時間微分に比例する値も含まれ、第２微分には、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧または出力電流の時間微分に比例する値も含まれる。

また、上記第１または第２の特徴の太陽電池用充電制御装置は、更に、前記微分選択回路が、前記発電電力検出部の検出出力に基づいて前記第２微分を選択的に算出して出力する場合に、前記第２微分として、所定の選択信号に基づいて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧と出力電流の何れか一方を選択して、その時間微分を算出することを第３の特徴とする。

上記第３の特徴の太陽電池用充電制御装置によれば、使用する蓄電装置の電流電圧特性に適したＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧と出力電流の何れか一方の時間的変化を第２微分として利用することで、高精度な最大電力点追尾制御が可能となる。尚、所定の選択信号は、太陽電池用充電制御装置の外部から入力する方式、或いは、太陽電池用充電制御装置内で信号レベルを設定して発生する方式等、種々の使用方式が考えられる。

また、上記何れかの特徴の太陽電池用充電制御装置は、更に、前記発電電力検出部が、温度センサの出力電圧に基づいて判定電圧を発生する判定電圧発生回路と、照度センサまたは前記太陽電池の出力電圧と前記判定電圧を比較して、前記太陽電池の発電電力の低下を検出する比較回路を備えてなることを第４の特徴とする。

上記第４の特徴の太陽電池用充電制御装置によれば、判定電圧を最大電力点追尾制御の切り替えに適した太陽電池の出力電圧に設定し、更に、太陽電池或いは太陽電池を模擬した照度センサの出力電圧の温度依存性を温度センサの出力電圧に基づいて補正することで、発電電力検出部が、太陽電池の発電電力が最大電力点追尾制御を切り替えるべき出力電力以下に低下したことを適切に検知することができ、上記第１乃至第３の特徴の太陽電池用充電制御装置の作用効果を確実に奏することができる。

次に、本発明に係る太陽電池用充電制御装置の実施形態（以下、適宜「本発明装置」と略称する）について、図面を参照して説明する。

図１に、本発明装置１を備えた太陽光発電システム（以下、適宜「本システム」と略称する）の概略のシステム構成を示す。本システムは、本発明装置１、太陽電池２、蓄電装置３、及び、負荷４を備え、太陽電池２が発電した電力を、本発明装置１によって最大電力点追尾制御による電圧変換を行い、蓄電装置３に蓄電し、蓄電装置３に蓄電された電力が負荷４に供給される構成となっている。

本発明装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０、発電電力検出部２０、微分選択回路３０、電圧変換制御回路４０、及び、抵抗Ｒを備えて構成される。また、本実施形態では、蓄電装置３は蓄電池（２次電池）或いはコンデンサ（例えば、電気２重層コンデンサ等）を想定する。負荷４は、蓄電装置３に蓄えられた直流電力を消費する直流負荷を想定しているが、間にインバータ装置（直流交流変換装置）を介在させることで交流負荷も接続可能である。以下、本発明装置１を構成する各部の回路構成及び動作について、図２に示す本発明装置１の回路図を参照して説明する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０は、スイッチング素子１１、コイル１２、ダイオード１３、コンデンサ１４を備えてなる昇圧チョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータ回路として構成され、太陽電池２の出力電圧を電圧変換して蓄電装置３に出力する。本実施形態では、スイッチング素子１１は、太陽電池２の最大出力電圧以上の耐圧を有するＮ型ＭＯＳＦＥＴで構成される。

発電電力検出部２０は、太陽電池２の発電電力の低下を検出する回路であって、照度センサ２１、温度センサ２２、温度センサ２２の出力電圧に基づいて判定電圧Ｖｄを発生する判定電圧発生回路２３、及び、照度センサ２１の出力電圧と判定電圧Ｖｄを比較して太陽電池２の発電電力の低下を検出するコンパレータ２４を備えて構成される。照度センサ２１は、太陽光の放射照度を検出するセンサで、太陽電池２の発電電力の低下を模擬的に検出する。太陽電池２の発電電力及び照度センサ２１の出力電圧は、異なる温度依存性を有するので、判定電圧発生回路２３は、温度変化による太陽電池２の発電電力及び照度センサ２１の出力電圧の誤差を、判定電圧を温度センサ２２の出力電圧に基づいて温度補正することで是正する。発電電力検出部２０は、太陽電池２の発電電力の低下を検出すると、微分選択回路３０に対して発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷを出力する。

微分選択回路３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電力Ｐｏの時間微分Ｐｏ’を示す第１微分Δ１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏの何れか一方の時間微分Ｖｏ’またはＩｏ’を示す第２微分Δ２の少なくとも何れか一方を算出し、第１微分Δ１と第２微分Δ２の何れか一方を発電電力検出部２０から出力される発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷに基づいて選択して出力する。尚、本実施形態では、第２微分Δ２の算出の基礎として、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏの何れを使用するかは、選択信号Ｓ_ＳＥＬの外部入力を受け付け、該選択信号Ｓ_ＳＥＬによって選択する。尚、該選択信号Ｓ_ＳＥＬの信号レベルは、後述するように、本システムで使用する蓄電装置３の特性に応じて設定される。

微分選択回路３０は、抵抗Ｒの両端の各電圧を差動入力とする差動増幅器３１、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏ（抵抗Ｒの一方端の電圧）と差動増幅器３１の出力電圧を乗算するアナログ乗算器３２、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏ（抵抗Ｒの一方端の電圧）と差動増幅器３１の出力の何れか一方を選択信号Ｓ_ＳＥＬに基づいて選択する第１スイッチ３３、第１スイッチ３３の出力と乗算器３２の出力の何れか一方を発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷに基づいて選択する第２スイッチ３４、及び、第２スイッチ３４の出力側の電圧値の時間微分を算出する微分器３５を備えて構成される。

差動増幅器３１は、抵抗Ｒの両端の電位差を増幅するので、その出力値（アナログ値）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電流Ｉｏに比例する。従って、アナログ乗算器３２の出力値（アナログ値）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電力Ｐｏに比例する。

発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷが太陽電池２の発電電力の低下を検出していない状態（高出力状態）では、第２スイッチ３４は、乗算器３２の出力を選択するので、出力電力Ｐｏの時間微分Ｐｏ’に比例し、出力電力Ｐｏの時間微分Ｐｏ’を示す第１微分Δ１を出力する。また、発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷが太陽電池２の発電電力の低下を検出している状態（低出力状態）では、第２スイッチ３４は、第１スイッチ３３の出力を選択しているので、第１スイッチ３３が選択信号Ｓ_ＳＥＬに基づいて出力電圧Ｖｏを選択している場合（電圧選択状態）には、出力電圧Ｖｏの時間微分Ｖｏ’を示す第２微分Δ２を出力し、第１スイッチ３３が選択信号Ｓ_ＳＥＬに基づいて差動増幅器３１の出力を選択している場合（電流選択状態）には、出力電流Ｉｏの時間微分Ｉｏ’に比例し、出力電流Ｉｏの時間微分Ｉｏ’を示す第２微分Δ２を出力する。

発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷによる第１微分Δ１と第２微分Δ２の選択によって、本発明装置１の消費電力が太陽電池２の最大電力点での発電電力と比較して十分低い場合は、第１微分Δ１、つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電力Ｐｏの時間微分Ｐｏ’を用いて高精度に最大電力点追尾制御を行い、逆に、太陽電池２の最大電力点での発電電力が低下して本発明装置１の消費電力を無視できない状態では、太陽電池２の発電電力を本発明装置１が消費して蓄電装置３の蓄電に充当できる電力が、高精度に最大電力点追尾制御を行うことで得られる電力増分以上に低下するので、第２微分Δ２、つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏの何れか一方の時間微分Ｖｏ’またはＩｏ’を用いて最大電力点追尾制御を行い、本発明装置１の消費電力を下げることで、蓄電装置３の蓄電に充当できる電力を増加させる。

図３に模式的に示すように、太陽電池２の最大電力点での発電電力が高い場合には、第１微分Δ１を用いた最大電力点追尾制御により、本発明装置１の消費電力は高くなっており（Ｐｏ１）、一方、太陽電池２の最大電力点での発電電力が低い場合（図３中のｔ０期間）には、第２微分Δ２を用いた最大電力点追尾制御により、本発明装置１の消費電力をＰｏ２まで低下させる。以上にように、太陽電池２の最大電力点での発電電力に応じて、最大電力点追尾制御の精度を切り替えて本発明装置１の消費電力を制御することで、太陽電池２の発電電力を高効率に蓄電することができる。

また、本実施形態では、選択信号Ｓ_ＳＥＬを電圧選択状態と電流選択状態の何れに設定するかは、本システムで使用する蓄電装置３の電流電圧特性に応じて決定される。具体的には、蓄電装置３が、２次電池（蓄電池）の場合には、選択信号Ｓ_ＳＥＬを電流選択状態にして、出力電流Ｉｏの時間微分Ｉｏ’を示す第２微分Δ２を出力する。２次電池（蓄電池）の内部の等価回路は、図４に示すように、内部抵抗Ｒｂと起電力Ｅの直列回路に近似できる。２次電池（蓄電池）は、図４に模式的に示すような電流電圧特性を示すので、内部抵抗Ｒ０が低いと特性の傾きが急峻になり、電力が変化しても電圧の変化が少なくなるので、第２微分Δ２には、出力電圧Ｖｏの時間微分Ｖｏ’ではなく、出力電流Ｉｏの時間微分Ｉｏ’が適している。また、蓄電装置３が、電気２重層コンデンサの場合には、選択信号Ｓ_ＳＥＬを電圧選択状態にして、出力電圧Ｖｏの時間微分Ｖｏ’を示す第２微分Δ２を出力する。電気２重層コンデンサ内部の等価回路は、図５に示すように、内部抵抗ＲｃとキャパシタＣの直列回路で表わされる。電気２重層コンデンサは、図５に模式的に示すような電流電圧特性を示し、出力電流Ｉｏが一定でもコンデンサＣが充電されるため、出力電圧Ｖｏは増加するので、第２微分Δ２には、出力電流Ｉｏの時間微分Ｉｏ’ではなく、出力電圧Ｖｏの時間微分Ｖｏ’が適している。

差動増幅器３１は、発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷが高出力状態の場合と、発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷが低出力状態で、且つ、選択信号Ｓ_ＳＥＬが電流選択状態の場合に、つまり、出力電流Ｉｏを検出する必要がある場合に活性化される必要があり、それ以外の発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷが低出力状態で、且つ、選択信号Ｓ_ＳＥＬが電圧選択状態の場合には、活性化される必要がないので、発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷと選択信号Ｓ_ＳＥＬによって差動増幅器３１の活性化・非活性化が制御される。

乗算器３２は、発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷが第１状態の場合に、つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電力Ｐｏを検出する必要がある場合に活性化される必要があり、発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷが第２状態の場合には、活性化される必要がないので、発電電力低下検出信号Ｓ_ＬＯＷによって乗算器３２の活性化・非活性化が制御される。

電圧変換制御回路４０は、微分選択回路３０から出力された第１微分Δ１または第２微分Δ２に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０を構成するスイッチング素子１１のオンオフのデューティ比をＰＷＭ制御する制御パルス信号Ｓ_ＰＷＭを出力する。具体的には、電圧変換制御回路４０は、微分選択回路３０から出力された第１微分Δ１または第２微分Δ２の電圧値Ｖ１に対する基準電圧Ｖｒｅｆを発生する基準電圧発生回路４１と、電圧値Ｖ１と基準電圧Ｖｒｅｆの差電圧を増幅する差動増幅器４２と、一定周期の鋸波パルスを発生する基準パルス発生回路４３と、差動増幅器４２の出力電圧Ｖ２と基準パルス発生回路４３の出力パルスの電圧値Ｖ３を比較してその大小判定結果を制御パルス信号Ｓ_ＰＷＭとして出力するコンパレータ４４を備えて構成され、コンパレータ４４から出力される制御パルス信号Ｓ_ＰＷＭがスイッチング素子１１のゲートに入力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電力Ｐｏが最大電力状態において安定的に昇圧動作を行っているときに、日照条件や温度条件の変化等によって太陽電池２の発電電力Ｐｉｎが増加した場合を想定する。この場合、図１０に示すように、最大電力点は高電圧側に移動するので、電圧変換制御回路４０は、制御パルス信号Ｓ_ＰＷＭのデューティ比を制御して、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏを上昇させることで、最大電力点追従させる。太陽電池２の発電電力Ｐｉｎが増加する直前は、太陽電池２の発電電力Ｐｉｎ及びＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏは一定であるので、微分選択回路３０から出力される第１微分Δ１または第２微分Δ２の電圧値Ｖ１は０である。コンパレータ４４からは、差動増幅器４２は基準電圧Ｖｒｅｆを増幅した出力電圧Ｖ２と基準パルス発生回路４３の出力パルスの電圧値Ｖ３で定まるデューティ比の制御パルス信号Ｓ_ＰＷＭが出力する。太陽電池２の発電電力Ｐｉｎが増加すると、微分選択回路３０の出力電圧Ｖ１が増加するので、図６に示すように、差動増幅器４２の出力電圧Ｖ２が低下して、制御パルス信号Ｓ_ＰＷＭのパルス幅が長くなってスイッチング素子１１のオン期間が長くなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏは上昇するように制御される。つまり、最大電力点追従制御が実行される。逆に、太陽電池２の発電電力Ｐｉｎが低下した場合は、最大電力点は低電圧側に移動するので、電圧変換制御回路４０は、制御パルス信号Ｓ_ＰＷＭのデューティ比を制御して、出力電圧Ｖｏを低下させる。太陽電池２の発電電力Ｐｉｎが低下すると、微分選択回路３０の出力電圧Ｖ１が低下するので、図６に示すように、差動増幅器４２の出力電圧Ｖ２が上昇して、制御パルス信号Ｓ_ＰＷＭのパルス幅が短くなってスイッチング素子１１のオン期間が短くなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏは低下するように制御される。つまり、最大電力点追従制御が実行される。

次に、本発明装置の別実施形態について説明する。

〈１〉上記実施形態において、本発明装置１を構成する微分選択回路３０は、必ずしも図２に示す回路構成に限定されるものではない。上記数２に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電力Ｐｏの時間微分Ｐｏ’は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電圧Ｖｏの時間微分Ｖｏ’と出力電流Ｉｏの積と、出力電流Ｉｏの時間微分Ｉｏ’と出力電圧Ｖｏの積の和となるので、微分選択回路３０は、例えば、図７に示すように構成することができる。第１スイッチ３３と第２スイッチ３４に対するスイッチの切り替え制御は、図２に示す回路構成の微分選択回路３０と同様である。

また、上記実施形態において、微分選択回路３０は、第２微分Δ２の基礎として、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏの何れを使用するかは、本システムで使用する蓄電装置３の特性に応じて選択する選択信号Ｓ_ＳＥＬの外部入力を受け付け、該選択信号Ｓ_ＳＥＬによって選択する可能な構成としたが、使用する蓄電装置３が決まっている場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏの何れか一方を固定的に使用するようにして、第１スイッチ３３を設けない構成であっても構わない。

更に、上記実施形態において、微分選択回路３０は、抵抗Ｒの蓄電装置３側の端子電圧をＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏとしたが、抵抗ＲのＤＣ−ＤＣコンバータ１０側の端子電圧をＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏとして用いても構わない。

〈２〉上記実施形態において、発電電力検出部２０は、照度センサ２１、温度センサ２２、判定電圧発生回路２３、及び、コンパレータ２４を備え、照度センサ２１の出力電圧と判定電圧Ｖｄに基づいて、太陽電池２の発電電力の低下を検出する回路構成であったが、図８に示すように、照度センサ２１を設ける代わりに、太陽電池２の出力電圧を直接用いて、コンパレータ２４が太陽電池２の出力電圧と判定電圧Ｖｄを比較して太陽電池２の発電電力の低下を検出する回路構成としても構わない。

〈３〉上記実施形態において、電圧変換制御回路４０は、仮に、最大電力点追従が不十分な状態でＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏが最大電力点に至る前に安定し、太陽電池２の発電電力Ｐｉｎの変化も停止した場合は、当該安定した出力電圧Ｖｏに停滞してしまう可能性がある。当該可能性に対処するために、例えば、蓄電装置３と抵抗Ｒの接続点等に微小電流負荷を追加して、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の出力電圧Ｖｏが最大電力点以外の動作点で安定するのを防止する構成とするのも好ましい実施の形態である。例えば、高抵抗素子とスイッチング素子からなる微小電流負荷を、蓄電装置３と抵抗Ｒの接続点と接地電位の間に挿入する。当該微小電流負荷は、太陽電池の発電電力を損なわないよう、太陽電池の発電電力に比べて無視できる電流量に設定する。例えば、デューティ比の小さいパルスにて微小電流負荷のオンオフ制御を行い、電流量を調整する。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０の動作点が最大電力点以外で安定しても、微小電流負荷を介して微小電流を流すことで微分選択回路３０に入力する電力が変化し、微分選択回路３０がその変化量を検出することにより、最大電力点追従できるようになる。

本発明は、太陽電池が発電した電力を蓄電装置に蓄えて負荷に供給する太陽光発電システム利用可能で、特に、太陽電池の発電電力を蓄電装置に充電するために、太陽電池の出力電圧を電圧変換して太陽電池の発電電力が最大電力点での発電電力となるように、電圧変換後の電圧を制御する太陽電池用充電制御装置に有用である。

本発明に係る太陽電池用充電制御装置を備えた太陽光発電システムの概略のシステム構成例を示すブロック図本発明に係る太陽電池用充電制御装置の一実施形態における概略の回路構成を示す回路図本発明に係る太陽電池用充電制御装置の消費電力と太陽電池の最大電力点での出力電力との関係を示す説明図蓄電池内部の等価回路と電流電圧特性を示す図電気２重層コンデンサの等価回路と電流電圧特性を示す図本発明に係る太陽電池用充電制御装置に使用する電圧変換制御回路の動作を説明する電圧波形図本発明に係る太陽電池用充電制御装置に使用する微分選択回路の別の回路構成例を示す回路図本発明に係る太陽電池用充電制御装置に使用する発電電力検出部の別の回路構成例を示す回路図太陽電池の電流電圧特性を示す特性図太陽電池の電力電圧特性を示す特性図

符号の説明

１：太陽電池用充電制御装置
２：太陽電池
３：蓄電装置
４：負荷
１０：ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
１１：スイッチング素子（Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ）
１２：コイル
１３：ダイオード
１４：コンデンサ
２０：発電電力検出部
２１：照度センサ
２２：温度センサ
２３：判定電圧発生回路
２４：コンパレータ
３０：微分選択回路
３１：差動増幅器
３２：アナログ乗算器
３３：第１スイッチ
３４：第２スイッチ
３５：微分器
４０：電圧変換制御回路
４１：基準電圧発生回路
４２：差動増幅器
４３：基準パルス発生回路
４４：コンパレータ
Ｒ：抵抗
Ｓ_ＬＯＷ：発電電力低下検出信号
Ｓ_ＰＷＭ：制御パルス信号
Ｓ_ＳＥＬ：選択信号
Ｖ１：第１微分または第２微分の電圧値
Ｖ２：差動増幅器の出力電圧
Ｖ３：基準パルス発生回路の出力パルスの電圧値
Ｖｄ：判定電圧
Ｖｒｅｆ：基準電圧

Claims

太陽電池が発電した電力を蓄電装置に充電するために、前記太陽電池の出力電圧を電圧変換して前記太陽電池の発電電力が最大電力点での発電電力となるように、前記電圧変換後の電圧を制御する太陽電池用充電制御装置であって、
前記太陽電池の出力電圧を電圧変換して前記蓄電装置に出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、
前記太陽電池の発電電力の低下を検出する発電電力検出部と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電力の時間微分を示す第１微分と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧と出力電流の何れか一方の時間微分を示す第２微分の少なくとも何れか一方を算出し、前記第１微分と前記第２微分の何れか一方を、前記発電電力検出部の検出出力に基づいて選択して出力する微分選択回路と、
前記微分選択回路から出力された前記第１微分または前記第２微分に基づいて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を構成するスイッチング素子に対して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧を制御する制御信号を出力する電圧変換制御回路と、
を備えてなることを特徴とする太陽電池用充電制御装置。
前記電圧変換制御回路は、前記制御信号として、前記スイッチング素子のオンオフのデューティ比をＰＷＭ制御する制御パルス信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池用充電制御装置。
前記微分選択回路が、前記発電電力検出部の検出出力に基づいて前記第２微分を選択的に算出して出力する場合に、前記第２微分として、所定の選択信号に基づいて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の出力電圧と出力電流の何れか一方を選択して、その時間微分を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池用充電制御装置。
前記発電電力検出部が、温度センサの出力電圧に基づいて判定電圧を発生する判定電圧発生回路と、照度センサまたは前記太陽電池の出力電圧と前記判定電圧を比較して、前記太陽電池の発電電力の低下を検出する比較回路を備えてなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽電池用充電制御装置。