JP2020522221A - バッテリ制御システム、並びに前記制御システムを使用するバッテリシステム及び太陽光発電システム - Google Patents

バッテリ制御システム、並びに前記制御システムを使用するバッテリシステム及び太陽光発電システム Download PDF

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Abstract

バッテリ制御システムは、バッテリと共に使用され、前記バッテリを充電及び／又は放電する変換器を有する。前記変換器は前記バッテリに熱的に結合され、前記バッテリの温度は検知される。前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じて前記変換器の効率又は電力損失を制御し、それによって、発熱レベルを変更し、ひいては前記変換器から前記バッテリへの熱伝達を変更するために、制御回路が設けられる。このやり方においては、前記バッテリの温度が、前記バッテリの寿命が延ばされ得るように、制御される。それは、熱エネルギを供給するために既存の変換器を使用し、故に、別個のヒーターは避けられる。

Description

本発明は、再充電可能バッテリの充電及び放電を制御する回路などのバッテリ制御システムに関する。
再充電可能なバッテリは多くの用途で使用されている。それらは、例えば、時間変化する電力出力及び時間変化するエネルギ入力を持つシステムの一時的なエネルギ蓄積デバイスとして使用される。例えば、照明器具には、ますます内蔵バッテリが設けられるようになっている。これらは太陽エネルギによって充電され、一般に、太陽エネルギは、照明が必要とされないときに入手可能であるのに対して、照明は、太陽エネルギが入手可能ではないときに必要とされる。従って、それらは、充電のためのエネルギの入手可能性と出力電力の要求との間の時間遅延を考慮するためにエネルギ蓄積要素として機能する。
特には屋外照明器具の場合、より広くは屋外システムの場合、バッテリは一般に周囲温度にさらされる。
リチウムイオン（ＬｉＦｅＰｏ４）バッテリなどの再充電可能なバッテリの性能は、セル当たりの最大充電電圧、充電及び放電電流、放電深度（ＤＯＤ）、その使用過程中のバッテリ動作温度などのストレスパラメータに依存する。バッテリのサイクル寿命は、充電及び放電電流、ＤＯＤ、並びにセル当たりの最大充電電圧が増加するにつれて、減少する。バッテリが室温以外で動作している場合には、バッテリの動作温度も寿命にかなりの影響を示す。
例えば、（例えば摂氏１０度未満の）低温バッテリ充電は、バッテリのサイクル寿命に著しく影響を及ぼす。ＬｉＦｅＰｏ４が、２５℃でサイクルし（cycle）、５５００サイクルの寿命を供給する場合には、同じバッテリが、１０℃でサイクルされる場合、３７５０サイクルの寿命を供給し、摂氏ー１０度でサイクルされる場合、１４６サイクルの寿命しか供給しないことが実験から分かっている。
下の表は、（１００％の充電深度での）様々な温度におけるバッテリ寿命のサイクル数Ｎｆ示している。
Figure 2020522221
内蔵バッテリを備える屋外照明器具の場合には、バッテリは多くの地域において極めて低い温度を経験する。例えばオフィススペースのための室内照明器具の場合でも、バッテリは、照明器具の上に、従って、建物の断熱性の低い部分に配置される。この場合もやはり、バッテリは極めて低い温度を経験し得る。
バッテリを所望の温度に保つことを可能にするためにヒーターを設けることは可能である。しかしながら、これは、電力を浪費し、追加のハードウェアを必要とする。それ故、追加の電力を浪費することなく、低温にさらされる再充電可能なバッテリのバッテリ寿命を改善する必要がある。
電気自動車の分野には、バッテリを加熱するようバッテリの変換器によって発生される熱を循環させる技術がある。
US 20100050676A1は、インバータデバイスが、電力損失を増大させ、冷却水を加熱するよう、スイッチング要素におけるそのスイッチング動作を変更することができる冷却システムを開示している。
既知のシステムの不利な点は、バッテリの変換器の発熱が能動的に制御されないことである。従って、バッテリの温度を柔軟に微調整／調節することは容易ではない。
本発明は、請求項によって規定される。
本発明の概念は、バッテリの変換器の発熱を能動的に調整するよう前記変換器の効率又は電力損失を変更することによって、前記バッテリの温度を前記バッテリの充電／放電に適した範囲内に維持することである。この変更は、更に、前記バッテリの必要な電気入力又は出力電力は維持されるという前提の下にあり得る。前記変換器の効率又は電力損失の変更は、例えば、前記変換器の設定を変更することによって、実施され得る。これらの設定は、例えば、周波数、電圧変換比、又はバッテリ構成を更に含み得る。
本発明の或る態様による例によれば、バッテリと共に使用されるバッテリ制御システムであり、
前記バッテリを充電及び／又は放電する変換器であって、前記バッテリに熱的に結合するよう適合される変換器と、
前記バッテリの温度を検知するセンサとを有するバッテリ制御システムであって、
前記システムが、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じて前記変換器の効率又は電力損失を制御し、それによって、発熱レベルを変更し、ひいては前記変換器から前記バッテリへの熱伝達を変更する制御回路を更に有するバッテリ制御システムが提供される。
このシステムは、発熱を能動的に制御し、ひいては変換器からの熱伝達を能動的に制御することによって、バッテリの温度を制御する。従って、前記変換器を、選択的に、より効率的なモード又はより効率的ではないモードで動作させることによって、発熱、ひいては前記バッテリーへの熱伝達が調整され得る。とりわけ充電中に前記バッテリを適切な温度に維持することによって、（充電サイクルの数の観点での）寿命が改善され得る。
前記バッテリの寿命は、例えば、摂氏１０度乃至摂氏３５度、又は摂氏１５度乃至摂氏３５度などの所望の帯域内に温度を維持することによって、延ばされる。或る特定のリチウムイオンバッテリのためのバッテリ充電に最適な温度は、例えば、摂氏２３乃至２５度である。
好ましくは、前記制御回路は、前記バッテリを充電するときには前記変換器の入力電力を維持する、又は前記バッテリを放電するときには前記変換器の出力電力を維持するという前提で、前記変換器の効率又は電力損失を制御するために使用される。例えば、太陽電池パネルから前記バッテリを充電するときには、前記変換器の入力電力は前記太陽電池パネルの最大電力点に維持され、従って、太陽エネルギは最大限利用される。負荷へ前記バッテリを放電するときには、前記負荷への前記変換器の出力電力は、前記負荷が安定したやり方で駆動されるように維持される。
前記変換器は、電源スイッチを有してもよく、前記制御回路は、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じて、前記スイッチの導電率を調節するか、又は前記変換器への入力電圧の振幅と前記変換器の出力電圧の振幅との間の差を調節するよう適合される。
これらの手段は、前記電源スイッチからの熱放散を制御し、それによって、前記発熱を制御し、ひいては前記変換器から前記バッテリへの熱伝達を制御するために使用され得る。前記変換器の入力電圧と出力電圧との間の大きな差は、低い効率をもたらし、従って、大きな電力損失をもたらすことが知られている。従来、この大きな差は、効率を改善するために回避されるべきものである。しかしながら、本発明の実施例は、より多くの発熱をもたらすように、前記変換器の最適効率よりも意図的に低くし得る効率を得るよう、この差を能動的に調節する。
前記バッテリは、複数のセルを有してもよく、前記変換器は、前記バッテリを充電するよう適合されてもよく、前記制御回路は、前記変換器の入力電圧又は出力電圧を調整するように前記セルの直列接続又は並列接続を選択するよう適合される。
前記セルの直列接続又は並列接続は、前記変換器の（前記バッテリを放電するときの）入力電圧又は（前記バッテリを充電するときの）出力電圧において大きな変化をもたらし、従って、前記変換器の効率を変更する簡単なやり方を提供する。
前記変換器は、例えば、電源スイッチを備えるスイッチモード電源を有し、前記制御回路は、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じて前記変換器のスイッチング動作を制御するよう適合される。
スイッチモード変換器は、バッテリ充電システムの一般的に使用される構成要素であり、スイッチング動作は、前記変換器の効率に影響を及ぼす。前記スイッチモード変換器のスイッチング動作を調整することによって、変換器の発熱は調整され得る。
前記制御回路は、例えば、前記変換器のスイッチング周波数を調整するよう適合される。
前記スイッチング周波数は、電源スイッチの熱損失に影響を及ぼし、これは、入力又は出力電圧を変更する必要なしに変更され得る。例えば、通常、前記電源スイッチは、或る周波数範囲内では最適な効率で動作することが可能であるが、前記電源スイッチが前記範囲外のより高い周波数で操作される場合には、その効率は低下する。この実施例は、前記バッテリを加熱するための発熱を増加させるために、前記スイッチを、その最適な周波数範囲を超えて動作するよう意図的に設定する。
前記制御回路は、例えば、
前記センサによって検知される前記バッテリの温度が第１しきい値未満である場合には、前記変換器のスイッチング周波数を上げ、
前記センサによって検知される前記バッテリの温度が第２しきい値より高い場合には、前記変換器のスイッチング周波数を下げるよう適合される。
このやり方においては、前記検知される温度が上限又は下限しきい値に到達するときに、前記発熱を能動的に制御するよう、前記スイッチング周波数が変更される。
前記下限及び上限は、例えば、摂氏１０度及び摂氏３５度、又は任意のより小さい範囲である。前記下限しきい値は、例えば、１０度と２３度との間であり、前記上限しきい値は、例えば、２５度と３５度との間である。
前記制御回路は、前記バッテリの温度を維持するように前記入力電圧の振幅の変化に応じて前記変換器のスイッチング周波数を調整するよう適合され得る。このやり方においては、太陽光パネルにおける雲の影などで前記変換器の入力電圧が変動する場合には、前記変換器の変換率及び前記変換器の効率が変化する。その場合、前記スイッチのスイッチング動作は、前記バッテリの温度が安定したままであるように、変換率の変化による効率の変化を補償し、一定の熱エネルギの生成を供給し、ひいては前記バッテリに伝達するよう制御される。
前記制御回路は、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じてソフトスイッチングモード又はハードスイッチングモードで動作するよう前記スイッチモード電源を制御するよう適合され得る。
スイッチモード電源の異なるソフトスイッチングモード及びハードスイッチングモードの動作は、異なる効率を有する。共振モードとしても知られている、前記スイッチにかかる電流／電圧がない又は小さいときに前記スイッチがオン及びオフにされるソフトスイッチングモードは、高い効率を有するのに対して、前記スイッチを通る電流又は前記スイッチにかかる電圧がかなりあるときに前記スイッチがオン及びオフにされるハードスイッチングモードは、より低い効率及びより大きな熱損失をもたらす。
例えば、前記制御回路は、
前記センサによって検知される前記バッテリの温度が第１しきい値未満である場合には、ハードスイッチングモードで動作し、
前記センサによって検知される前記バッテリの温度が第２しきい値より高い場合には、ソフトスイッチングモードで動作するよう前記スイッチモード電源を制御するよう適合され得る。
このやり方においては、検知される前記バッテリの温度が上限又は下限しきい値に到達するときに、前記変換器の異なる発熱を前記バッテリに供給するよう、前記スイッチングモードが変更される。
前記制御回路は、更に、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じて前記変換器の前記電源スイッチへのスイッチ電流の振幅を制御し、それによって、発熱レベルを変更し、ひいては前記変換器から前記バッテリへの熱伝達を変更するよう適合され得る。
前記電力損失は、前記電源スイッチにおける電流と電圧との積に基づいて決定される。従って、前記スイッチ電流を増加させることは、前記電力損失も増加させ得る。
例えば、前記制御回路は、前記変換器のスイッチング周波数を制御する前に、前記変換器に供給する供給源の最大電力点追跡のピーク電力に到達するよう前記変換器を制御するよう適合され、前記制御回路は、前記変換器が前記ピーク電力に到達した後に、発熱レベルを上げ、ひいては前記変換器から前記バッテリへの熱伝達を増大させるよう、前記変換器のスイッチング周波数を制御するよう適合される。
最大電力点追跡は、例えば、太陽電池パネルの電力出力を処理するために使用される。電流が最大電力点電流のところにない場合には、この電力出力は低下する。それ故、まず、最大電力点に到達し、加熱がまだ所望のレベルにない場合には、次に、前記スイッチング周波数を上げるのが好ましい。
前記変換器及び前記バッテリは、前記変換器から前記バッテリへの伝達が保証されるように、熱的に絶縁されたチャンバー内に配置され得る。前記変換器と前記バッテリとの間で空気を再循環させるために前記熱的に絶縁されたチャンバ内には空気再循環デバイスもあってもよい。これは、同じチャンバ内の前記変換器から前記バッテリへのより良い熱分配を提供することができる。
本発明は、バッテリと、上で規定されているようなバッテリ制御システムとを有するバッテリシステムも提供する。
本発明は、
太陽電池にセットと、
前記太陽電池のセットによって供給されるエネルギを前記バッテリ内へ蓄積するための、上で規定されているようなバッテリシステムとを有する太陽光発電システムも提供する。
本発明は、
変換器を使用してバッテリを充電又は放電するステップであって、前記変換器及び前記バッテリが熱的に結合されているステップと、
前記バッテリの温度を検知するステップと、
検知される前記バッテリの温度に応じて前記変換器の効率又は電力損失を制御し、それによって、発熱レベルを変更し、ひいては前記変換器から前記バッテリへの熱伝達を変更するステップとを有するバッテリ充電制御方法も提供する。
前記充電又は放電するステップは、例えば、電源スイッチを含む変換器を利用し、前記方法は、
前記スイッチの導電率、
前記変換器への入力電圧の振幅、
前記変換器の出力電圧の振幅、
前記変換器のスイッチング周波数、又は
出力電圧と入力電圧との間の比率を調節するステップを有する。
前記充電又は放電するステップは、例えば、スイッチモード電源を利用し、前記方法は、前記変換器を（低発熱のための）ソフトスイッチングモード又は（高発熱のための）ハードスイッチングモードで動作させるステップを有する。
前記バッテリは、複数のセルを有してもよく、前記方法は、前記変換器の出力電圧を調整するように、前記バッテリの充電中、前記セルの直列接続又は並列接続を選択するステップを有する。
下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を説明し、明らかにする。
ここで、添付図面を参照して、本発明の例を詳細に説明する。
太陽エネルギ充電を備える照明器具内で使用されるバッテリ制御システムを示す。 図１のシステムにおいて使用される変換器の或る可能な例を示す。 変換器の周波数増加が増加する場合には、スイッチング損失が増加することを示す。 入力電圧の変化が変換効率に及ぼす影響を示している。 最大電力点追跡機能を説明するために電流対電圧及び電力対電圧のグラフを示す。
本発明は、バッテリと共に使用され、バッテリを充電及び／又は放電するために変換器を有するバッテリ制御システムを提供する。変換器はバッテリに熱的に結合され、バッテリの温度は検知される。センサによって検知されるバッテリの温度に応じて変換器の効率又は電力損失を制御し、それによって、発熱レベルを変更し、ひいては変換器からバッテリへの熱伝達を変更するために、制御回路が設けられる。このやり方においては、バッテリ温度が、バッテリの寿命が延ばされ得るように、制御される。それは、熱エネルギを供給するために既存の変換器を使用し、故に、別個のヒーターは避けられる。制御回路は、好ましくは、バッテリを充電するときには変換器の入力電力を維持する、又はバッテリを放電するときには変換器の出力電力を維持するという前提で、変換器の効率又は電力損失を制御するためのものである。前記前提は、バッテリを充電するときには、変換器の発熱の変化は、入力電力の変化に起因するのではなく、変換器の効率に起因し、バッテリを放電するときには、変換器の発熱の変化は、出力電力の変化に起因するのではなく、変換器の効率に起因することを意味する。
図１は、バッテリ１２と共に使用されるバッテリ制御システム１０を示している。システム１０は、バッテリ１２を充電又は放電するために変換器１４を有し、充電は（「電気エネルギ伝達」のための）参照符号Ｅを備える矢印で示されており、変換器はバッテリに熱的に結合される。従って、電気変換プロセスの非効率性の結果として変換器によって発生される熱は、（「熱伝達」のための）参照符号Ｈを備える矢印で示されているように、少なくとも部分的にバッテリ１２に伝達される。
バッテリ１２の温度を検知するために温度センサ１６が設けられ、図示されているような温度Ｔが取得される。
制御回路１８は、センサ１６によって検知されるバッテリの温度に応じて変換器１４の効率又は電力損失を制御し、それによって、発熱レベルを変更し、ひいては変換器１４からバッテリへの熱伝達を変更するために使用される。
このやり方においては、バッテリの温度は、発熱を制御し、ひいては変換器からの熱伝達を制御することによって、制御され得る。変換器は、例えば、異なる効率を持ち、従って、異なる過剰発熱を伴う異なる動作モードを有する。効率における変化は、供給源電力の変換又は負荷の駆動における変換器の主な変換目的又は目標を変更しない。換言すれば、（バッテリが充電されるときの）バッテリへの変換器への供給源電力出力は変わらず、（バッテリが放電するときの）変換器から負荷への電力出力は変わらない。従って、太陽電池パネルは依然としてその最大電力を出力することができ、従って、太陽光発電は最大限に利用される、又は負荷は依然として所望の電力において駆動され、ユーザーエクスペリエンスへの影響はない。モードを制御することにより、バッテリは、適切な温度に、又は特定の温度範囲内に維持されることができ、このことは充電中にとりわけ重要である。このやり方においては、バッテリの（充電サイクル数の観点での）寿命が改善され得る。
バッテリ温度は、例えば、摂氏１０度より上に、例えば、摂氏１０度と摂氏３５度との間に、又は摂氏１５度と摂氏３５度との間に維持され得る。バッテリ充電に最適な温度は、例えば、摂氏２３乃至２５度である。
図１は、変換器１４とバッテリとの間の熱伝達が最適化されるように、バッテリ制御システム１０及びバッテリ１２が筐体２０内に設けられることを示している。
或る例においては、バッテリ１２及びそのバッテリ制御システム１０は、光源２２にエネルギを供給するためのものであると共に、太陽電池アレイ２４からエネルギを受け取るためのものである。バッテリ制御システム１０、バッテリ１２及び光源２２は、内蔵バッテリを備える照明器具を共に規定する。街路照明用途においては、制御システム１０及びバッテリ１２は単一システムであり得るのに対して、光源２２及び太陽電池アレイ２４は別々のシステムであり得る。太陽エネルギは、制御回路１８の制御下で、変換器１４を介してバッテリを充電し、好ましくは再び制御回路１８の制御下で、同じ変換器１４を介して光源２２に向けてバッテリを放電するために使用される。この場合、変換器１４は、バッテリの充電及び放電の両方をする双方向変換器であり得る。他の例においては、２つの変換器が、各々、バッテリを充電及び放電するために使用されることができ、２つの変換器のうちの少なくとも１つが、変換器の効率を変更するよう制御回路１８によって制御されることができる。
随意に、バッテリが完全に充電され、過剰な太陽エネルギが受け取られるときは、エネルギは、既知のやり方でエネルギ供給網に戻されてもよい。バッテリは、太陽エネルギが受け取られないときに照明が供給され得るように、エネルギを蓄積する。
図２は、バックコンバータバッテリ充電器の形態の変換器１４の或る可能な例を示している。
バックコンバータは、その入力（電源）からその出力（バッテリ）への電流を上昇させながら、電圧を下げるＤＣ／ＤＣ電力変換器である前記回路は、ダイオードと、トランジスタと、この例においてはインダクタＬの形態のエネルギ蓄積要素とを有するスイッチモード電源である。他のタイプの変換器も適用可能であることに留意されたい。
変換器は、例えば、２４Ｖ電源３０から１２Ｖバッテリを充電するよう設計される。この回路は、電源３０とインダクタＬの接続を制御する主電源スイッチＳｗを有する。電流ｉＬは、インダクタを通って流れ、バッテリ１２と並列の平滑コンデンサＣの形態の負荷を充電する。フリーホイーリングダイオードＤは、電源スイッチがオフにされるときに電流が流れ続けることを可能にする。充電電流ｉＢはバッテリに供給される。
電源スイッチは、例えばｋＨｚ範囲内のスイッチング周波数で動作される。サイクルの或る部分においては、エネルギはインダクタに蓄積され、サイクルの他の部分においては、エネルギはバッテリへ放散される。
電源スイッチは、例えば、バッテリ充電のための電圧及び電流を調整するために、ほぼ５０％のＰＷＭデューティサイクルで動作する。ハードスイッチング方式のため、スイッチング電圧及び電流間の幾らかの重なりがあり、これが変換器におけるスイッチング損失をもたらす。
変換器が制御される方法を変更して、変換効率を変更し、従って、熱エネルギの生成を変更する様々なやり方がある。
第１アプローチは、周波数制御に基づいている。この目的のために、制御回路１８は制御信号１９ａを変換器１４に供給する。
周波数が増加する場合には、（単位時間当たりに）より多くのスイッチング電圧及び電流波形が重なり合うことから、スイッチングモード電源におけるスイッチング損失は増加する。スイッチのデューティサイクルは実質的に一定である。これは図３において示されており、図３は、スイッチング周波数の関数としてスイッチング電力損失をプロットしている。異なるバックコンバータ技術、即ち、ＭＯＳ電源スイッチをベースにしたもの（プロット３２）、ＩＧＢＴ電源スイッチをベースにしたもの（プロット３４）及びＧａＮ電源スイッチをベースにしたもの（プロット３６）のための３つのプロットが示されている。
寒い季節の間は、バッテリ温度が、例えば、摂氏１５度未満に低下し得るときには、変換器は、バッテリを加熱するための熱を発生させるよう、より高い周波数において動作することができる。
発熱は電源スイッチＳｗから生じ、電源スイッチは、通常、ヒートシンクに接続される。その場合、ヒートシンクは、変換器１４の外へ（変換器１４がハウジングを有する場合には変換器１４のハウジングの外へ）且つ筐体２０内へ熱を放散し、故に、熱は、近接配置されるバッテリ１２に到達することができ、バッテリ１２によって直接利用されることができる。実際の製品においては、バッテリは変換器１４のハウジングに取り付けられ得る。熱をバッテリに伝達する任意の受動的な又は能動的な方法が適用可能である。
変換器のスイッチング周波数は、センサによって検知されるバッテリの温度が第１しきい値未満である場合には、上げられてもよく、センサによって検知されるバッテリの温度が第２しきい値より高い場合には、下げられてもよい。
このやり方においては、検知される温度が上限又は下限しきい値に達するときに、スイッチング周波数が変更される。これは、温度を所望の範囲内に保ちながら、スイッチング周波数に必要な調節量を制限する。
上記の条件下では、入力電圧が変化し得るとき（従って、必要とされる変換比が変化し得るとき）、一定の温度を維持しようとすることが望ましいかもしれない。例えば、空において雲が移動するので、太陽電池パネルは、時々、日陰になることがあり、又は日陰にならないことがあり、従って、太陽電池パネルの電圧は変動する。バッテリの温度を維持するためには、変換器の発熱を維持することが必要とされる。変換器のスイッチング周波数は、バッテリの温度を維持するように、入力電圧の振幅の変化に応じて、調節されてもよい。このやり方においては、入力電圧の変動が、発熱及びバッテリの温度が安定したままになるように変換器の動作を制御するために使用される。これらの入力電圧の変動は、太陽エネルギなどの入力エネルギ源の特性であり得る。
第２アプローチは、変換率制御に基づいている。この場合もやはり、これは制御信号１９ｂによって管理され得る。
例えば、コントローラは、センサによって検知されるバッテリの温度に応じて、変換器への入力電圧の振幅と、変換器の出力電圧の振幅との間の差を調節してもよい。この電圧の変化は、異なる変換比をもたらし、異なるパルス幅変調信号をもたらす。これは、ひいては変換効率に影響を及ぼす。
図４は、変換器の入力電圧の変化の影響を示している。５つの異なる入力電圧の変換効率（％）が、出力電流に対してプロットされている。入力と出力との間により大きな電圧差があるときには、電圧と電流との間の重なりの増大のために、変換器においてより大きなスイッチング損失が生じる。ここで、菱形で示されている曲線は、１８Ｖの入力電圧のためのものあり、正方形で示されている曲線は、２２Ｖの入力電圧のためのものであり、三角形で示されている曲線は、２６Ｖの入力電圧のためのものであり、ｘで示されている曲線は、３０Ｖの入力電圧のためのものであり、アスタリスクで示されている曲線は、３６Ｖの入力電圧のためのものである。
多段カスケード接続電力変換器の場合には、後続変換器に入力される、前の変換器の出力が変化し得る。
別の例においては、バッテリを放電する際、変換器１４への入力電圧は、バッテリの出力電圧であり、出力電圧は、ＬＥＤの順方向電圧である。バッテリの直列／並列接続を切り替えることによって、変換器の入力電圧が調整され得る。
入力電圧が太陽電池システムから得られるときには、太陽電圧（solar voltage）は日射に応じて変動する。通常、太陽電圧は、朝から午後まで上昇し、次いで低下し始める。これは、一般に、温度がより低いときに（日射がより少ないときに）、電力損失がより大きく、故に、日中は、部分的な自己調整が行われることを意味する。太陽電流（solar current）も変動する。従って、太陽をベースにしたバッテリ充電の電流調整も、発熱を調整することができる。
第３アプローチは、電源スイッチの導電率の制御に基づいている。この場合もやはり、これは制御信号１９ａによって管理され得る。より低い導電率は、スイッチにわたる損失の増大をもたらす。
バイポーラ接合トランジスタの電源スイッチにおいては、異なるバイアス電流（Ｉｂ）を印加することによって、導電率が変更され得る。ＭＯＳＦＥＴの電源スイッチの場合は、異なるゲート電圧でオン状態の抵抗も変化する。
第４アプローチは、負荷の制御に基づいている。この目的のために、制御信号１９ｂが供給される。バッテリは設定動作電圧を有する。しかしながら、（図１において概略的に示されているように）バッテリが複数のセルを含む場合には、制御回路１４は、変換器の出力電圧を調整するようにセルの直列接続又は並列接続を選択し得る。従って、設定バッテリ電圧は、セルの直列・並列の組み合わせに基づいて変更され得る。２つの設定（全て並列若しくは全て直列）、又は直列分岐と並列分岐とを組み合わせる複数の設定がある。
セルの直列接続又は並列接続は、変換器の出力電圧において大きな変化をもたらし、従って、大きな入力及び出力電圧差をもたらすことによって、変換器の効率を変更する簡単なやり方を提供する。
第５アプローチは、センサによって検出されるバッテリの温度に応じて、変換器の電源スイッチへのスイッチ電流の振幅を制御することに基づいている。この場合もやはり、これは制御信号１９ａによって管理され得る。電力損失は、電源スイッチにかかる電流と電圧との積に基づいて決定される。従って、スイッチ電流を増加させることは、電力損失も増加させ得る。
スイッチ電流制御は、例えば、太陽最大電力点動作、又は入力電源がほぼ一定の電圧を有するが、電流が時間と共に変化する他の任意の動作に適している。
この実施例に基づいてスイッチを通る電流を制御することは、発熱の制御に寄与し得る。
図５は、最大電力点追跡機能を説明するために電流対電圧（「Ｉ−Ｖ」）及び電力対電圧（「Ｐ−Ｖ」）のグラフを示している。
Ｖｍｐ及びＩｍｐは、最大電力点Ｐｍａｘにおけるソーラーシステムの電圧及び太陽電池の電流を表している。Ｖｏｃは開回路電圧,であり、Ｉｓｃは短絡電流である。最大電力点追跡においては、ソーラーシステムの出力電圧が増加し、それ故、最大電力点Ｐｍａｘに到達するまで、太陽電池の出力電力を増加させる。ソーラーシステムの電圧が、最大電力Ｐｍａｘに対応するＶｍｐを超えると、コントローラは出力電力が低下するのを検出し、コントローラは各変換ユニットにその電圧を下げるよう指示する。最後に、システムはＶｍｐ及びＰｍａｘあたりで安定する。
太陽の入射強度は、１日を通して時間と共に、又は雲量のために変化するので、最大電力点Ｐｍａｘは変化し、システムは新しいＶｍｐ及びＰｍａｘの点に動的に移る。
太陽エネルギを最大限に活用するためには、まず、変換器を太陽電池パネルの最大電力点に到達させ、その時に、変換器の熱がまだ所望のレベルにない場合には、次に、スイッチング周波数を上げるのが好ましい。より具体的には、スイッチング周波数を調整し始める前に、熱を発生させるために最大電力点追跡変換器を使用するとき、制御回路は、例えば、変換器のスイッチング周波数を制御する前に、太陽電池パネルのピーク電力に到達するよう変換器の入力電流及び入力電圧を調整するよう変換器を制御するよう適合される。ピーク電力における変換器が、必要とされる熱を変換器に発生させる（及び伝達させる）のに既に十分である場合には、スイッチング周波数を最適範囲外へ調整する必要はない。供給源（即ち、太陽電池アレイ）のピーク電力点動作が既に存在するが、バッテリの温度がまだ十分に高くないときには、制御回路は、発熱レベルを上げ、ひいては変換器からバッテリへの熱伝達を増大させるよう変換器のスイッチング周波数を制御するように適合される。
第６アプローチは、スイッチングモードの選択に基づいている。この場合もやはり、これは制御信号１９ａによって管理され得る。
スイッチモード電源は、ハードスイッチングモード又はソフトスイッチングモードで動作し得る。ハードスイッチングは、トランジスタをオン又はオフに切り替えるときに電圧と電流との間に重なりがあるときに生じる。この重なりは、上で説明したようにエネルギ損失を生じさせる。
ソフトスイッチングは、スイッチがオン又はオフにされる前に、１つの電気パラメータ（電流又は電圧）がゼロに設定されることから始まる。これには、低損失という観点で利点がある。滑らかな共振スイッチング波形はＥＭＩも最小限に抑える。
従って、これら２つのスイッチングモードは異なる電力損失を有する。従って、制御回路は、センサによって検知されるバッテリの温度に応じて、ソフトスイッチングモード又はハードスイッチングモードで動作するようスイッチモード電源を制御し得る。
例えば、制御回路は、センサによって検知されるバッテリの温度が第１しきい値未満である場合にはハードスイッチングモードで動作し、センサによって検知されるバッテリの温度が第２しきい値より高い場合にはソフトスイッチングモードで動作するようスイッチモード電源を制御するよう適合され得る。
共振ソフトスイッチングモードは、バッテリ充電だけのための最高電力効率のために使用され得るのに対して、ハードスイッチングモードは、発熱だけのために（高速加熱のために）、又は同時の発熱及びバッテリ充電のために使用され得る。従って、システムは、加熱のニーズ及びバッテリの充電のニーズに応じて、これらの異なるモードを切り替えることができる。
スイッチングモードは、検知される温度が上限又は下限しきい値に達するときに、変更され得る。これは、温度を所望の範囲内に保ちながら、スイッチングモードに必要な調節量を制限する。ハードスイッチングモードにあるときでも更なる熱が必要とされる場合には、大電流での、高い周波数においての、更に入力電圧及び出力電圧における差が大きい状態での、ハードスイッチングのように、上記の他の手段が更に用いられ得る。
本発明は、バッテリが組み込まれる屋内及び屋外照明システム又はソーラー街路照明用途にとりわけ興味深いものである。しかしながら、本発明は、バッテリが極端な温度にさらされ得る、内蔵バッテリとバッテリ充電及び放電回路とを備えるシステムにより広く適用されるものである。
上記ではバックコンバータの例が与えられている。しかしながら、変換器は、ブーストコンバータ、バックブーストコンバータ、プッシュプルコンバータ、フォワードコンバータ、又はハーフブリッジ若しくはフルブリッジインバータであってもよい。
密閉チャンバ内のバッテリ及び変換器は、バッテリ及び変換器の周囲のより良い熱分布ためのファンを更に備えていてもよい。従って、発生される熱は、閉じたチャンバ内にあるので、環境へ失われない。
当業者は、請求項に記載の発明を実施する際に、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する他の変形を、理解し、達成し得る。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。単に、特定の手段が、互いに異なる従属請求項において挙げられているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように用いられることができないことを示すものではない。請求項における如何なる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (14)

  1. バッテリと共に使用されるバッテリ制御システムであり、
    前記バッテリを充電及び／又は放電する変換器であって、前記バッテリに熱的に結合するよう適合される変換器と、
    前記バッテリの温度を検知するセンサとを有するバッテリ制御システムであって、
    前記システムが、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じて前記変換器の効率又は電力損失を制御し、それによって、発熱レベルを変更し、ひいては前記変換器から前記バッテリへの熱伝達を変更する制御回路を更に有し、
    前記変換器が、電源スイッチを備えるスイッチモード電源を有し、前記制御回路が、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じて前記変換器のスイッチング動作を制御するよう適合され、前記制御回路が、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じてソフトスイッチングモード又はハードスイッチングモードで動作するよう前記スイッチモード電源を制御するよう適合され、前記ソフトスイッチングモード中に前記スイッチにかかる電流及び／又は電圧が、前記ハードスイッチングモード中に前記スイッチにかかる電流及び／又は電圧よりも低いバッテリ制御システム。
  2. 前記制御回路が、
    前記バッテリを充電するときには前記変換器の入力電力を維持する、又は
    前記バッテリを放電するときには前記変換器の出力電力を維持するという前提で、前記変換器の効率又は電力損失を制御するためのものである請求項１に記載のバッテリ制御システム。
  3. 前記制御回路が、更に、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じて、前記スイッチの導電率を調節するか、又は前記変換器への入力電圧の振幅と前記変換器の出力電圧の振幅との間の差を調節するよう適合される請求項１又は２に記載のバッテリ制御システム。
  4. 前記バッテリが、複数のセルを有し、前記変換器が、前記バッテリを充電するよう適合され、前記制御回路が、前記変換器の入力電圧又は出力電圧を調整するように前記セルの直列接続又は並列接続を選択するよう適合される請求項３に記載のバッテリ制御システム。
  5. 前記制御回路が、前記変換器のスイッチング周波数を調整するよう適合される請求項１に記載のバッテリ制御システム。
  6. 前記制御回路が、
    前記センサによって検知される前記バッテリの温度が第１しきい値未満である場合には、前記変換器のスイッチング周波数を上げ、
    前記センサによって検知される前記バッテリの温度が第２しきい値より高い場合には、前記変換器のスイッチング周波数を下げるよう適合される請求項５に記載のバッテリ制御システム。
  7. 前記制御回路が、前記バッテリの温度を維持するように前記入力電圧の振幅の変化に応じて前記変換器のスイッチング周波数を調整するよう適合される請求項５に記載のバッテリ制御システム。
  8. 前記制御回路が、
    前記センサによって検知される前記バッテリの温度が第１しきい値未満である場合には、ハードスイッチングモードで動作し、
    前記センサによって検知される前記バッテリの温度が第２しきい値より高い場合には、ソフトスイッチングモードで動作するよう前記スイッチモード電源を制御するよう適合される請求項１に記載のバッテリ制御システム。
  9. 前記制御回路が、更に、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じて前記変換器の前記電源スイッチへのスイッチ電流の振幅を制御し、それによって、発熱レベルを変更し、ひいては前記変換器から前記バッテリへの熱伝達を変更するよう適合される請求項１に記載のバッテリ制御システム。
  10. 前記制御回路が、前記変換器のスイッチング周波数を制御する前に、前記変換器に供給する供給源の最大電力点追跡においてピーク電力に到達するよう前記変換器を制御するよう適合され、
    前記制御回路が、前記変換器が前記ピーク電力に到達した後に、発熱レベルを上げ、ひいては前記変換器から前記バッテリへの熱伝達を増大させるよう、前記変換器のスイッチング周波数を制御するよう適合される請求項５に記載のバッテリ制御システム。
  11. 前記変換器及び前記バッテリが、熱的に絶縁されたチャンバ内に配置され、前記システムが、前記変換器と前記バッテリとの間で空気を再循環させるために前記熱的に絶縁されたチャンバ内に空気再循環デバイスを更に有する請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のバッテリ制御システム。
  12. バッテリと、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のバッテリ制御システムとを有するバッテリシステム。
  13. 太陽電池にセットと、
    前記太陽電池のセットによって供給されるエネルギを前記バッテリ内へ蓄積するための、請求項１２に記載のバッテリシステムとを有する太陽光発電システム。
  14. 変換器を使用してバッテリを充電又は放電するステップであって、前記変換器及び前記バッテリが熱的に結合されているステップと、
    前記バッテリの温度を検知するステップと、
    発熱レベルを変更し、ひいては前記変換器から前記バッテリへの熱伝達を変更するよう、検知される前記バッテリの温度に応じて前記変換器の効率又は電力損失を制御するステップとを有するバッテリ充電制御方法であって、
    前記変換器が、電源スイッチを備えるスイッチモード電源を有し、前記変換器の効率又は電力損失を制御するステップが、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じて前記変換器のスイッチング動作を制御するステップを含み、前記変換器のスイッチング動作を制御するステップが、前記センサによって検知される前記バッテリの温度に応じてソフトスイッチングモード又はハードスイッチングモードで動作するよう前記スイッチモード電源を制御するステップを含み、前記ソフトスイッチングモード中に前記スイッチにかかる電流及び／又は電圧が、前記ハードスイッチングモード中に前記スイッチにかかる電流及び／又は電圧よりも低いバッテリ充電制御方法。
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