JP2021078236A - ソーラ充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ソーラパネルの発電量に応じたバッテリの充電制御が可能なソーラ充電システムを得る。【解決手段】ＥＣＵ１０は、電力センサ２８Ａ、２８Ｂの検出結果が所定の閾値発電量未満の場合には、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを並列に接続して複数のセル１４Ａ、１４Ｂ、１４ＣのうちＳＯＣセンサ５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃで検出したＳＯＣが最小のセルから順次充電する制御を行い、電力センサ２８Ａ、２８Ｂの検出結果が所定の閾値発電量以上の場合には、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを直列に接続して複数のセル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの全セルを充電する制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明はソーラ充電システムに関する。

特許文献１には、発電モジュールの内部抵抗と二次電池（以下、「バッテリ」と称する）の内部抵抗とが略等しくなるように制御することにより、発電モジュールの発電効率を向上させる発明が記載されている。

特開２０１３−１１０８６５号公報

発電モジュールが太陽電池（以下、「ソーラパネル」と称する）の場合、太陽光の強度に応じて発電量が変化する。また、ソーラパネルで発電して得た電力で充電されるバッテリは、充電に至適な電圧の範囲がある。

特許文献１に記載の技術は、発電モジュールで得た電力の電圧及び電流を考慮したバッテリの充電制御がなされていないという問題があった。例えば、発電モジュールから出力された電圧がバッテリの充電に至適な電圧よりも低い場合は、当該バッテリとは別に、低電圧での充電に適した補助バッテリ等を要する等の問題があった。

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、ソーラパネルの発電量に応じたバッテリの充電制御が可能なソーラ充電システムを得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係るソーラ充電システムは、複数のソーラパネルと、複数のセルによって構成されるバッテリと、前記複数のソーラパネルへの発電量を検出する発電量検出部と、前記複数のセルの各々の充電率を検出する充電率検出部と、前記複数のソーラパネルで発電された電力による前記バッテリの充電を制御すると共に、前記発電量検出部の検出結果が閾値発電量未満の場合には、前記複数のソーラパネルを並列に接続して前記複数のセルのうち充電率検出部で検出した充電率が最小のセルから順次充電する制御を行い、前記発電量検出部の検出結果が前記閾値発電量以上の場合には、前記複数のソーラパネルを直列に接続して前記複数のセルの全セルを充電する制御を行う制御部と、を含んでいる。

請求項１記載の発明では、複数のソーラパネルの発電量が十分でない場合は、複数のソーラパネルを並列に接続して複数のセルのうち充電率が最小のセルから順次に充電し、複数のソーラパネルの発電量が十分な場合は、複数のソーラパネルを直列に接続してバッテリの全セルを充電する。

本発明は、ソーラパネルの発電量に応じたバッテリの充電制御が可能なソーラ充電システムを得ることができる、という効果を有する。

本発明の実施形態に係るソーラ充電システムの構成を示すブロック図である。 （Ａ）は、日射量が小さくソーラパネルの発電量が小さい場合のバッテリの充電の態様を、（Ｂ）は、日射量が大きくソーラパネルの発電量が大きい場合のバッテリの充電の態様を各々示した説明図である。 ソーラパネルの並列接続の場合と直列接続の場合との各々の場合においてソーラパネルの発電量の電圧に対する電流の変化の一例を示した説明図である。 本実施形態に係るソーラ充電システムの充電制御の一例を示したフローチャートである。 図４のステップ４０６で示した個別セル充電の処理の一例を示したフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。図１には本実施形態に係るソーラ充電システム１００が示されている。本実施形態に係るソーラ充電システム１００は、太陽光の受光により発電する複数のソーラパネル１２Ａ、１２Ｂと、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂで発電して得た電力で充電されるバッテリ１４と、バッテリ１４の充電を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０と、を備える。

本実施形態では、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂに加えてより多くのソーラパネルを備えていてもよいが、以下、説明を簡略化するために、２つのソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを例示して本実施形態に係るソーラ充電システム１００について説明する。

バッテリ１４は、図１に示したように複数のセル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ等が直列に接続され、略５００Ｖ程度の高電圧を出力可能に構成されている。セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃがリチウムイオン二次電池の場合、セル１つの公称電圧は、３．２〜３．８Ｖ程度であるから、５００Ｖを出力するには、１３２〜１５６個のセルを直列で接続することを要する。また、バッテリ１４は、例えば、ＥＶ（Electric Vehicle）等の電動機を駆動する電源として用いられる場合、高電圧に加えて大電流が出力可能であることを要するので、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ等に加えて、多数のセルを並列で接続する。本実施形態では、以下、説明を簡略化するために、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃによりバッテリ１４が構成されているものとして、本実施形態に係るソーラ充電システム１００について説明する。

ＥＣＵ１０は、メモリ１８に記憶されたソフトウェアに基づいて動作するＣＰＵ（Central Processing Unit）１６により制御されるチャージコントローラの一種である。ＥＣＵ１０は、上述のＣＰＵ１６及びメモリ１８に加え、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂが出力した電力（以下、「発電量」と称する）に応じてソーラパネル１２Ａとソーラパネル１２Ｂとを直列又は並列に接続可能な電源接続部２０と、電源接続部２０を介して出力されるソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの電力をバッテリ１４の充電に至適な電圧に変更可能なＤＣＤＣコンバータ３０と、ＤＣＤＣコンバータ３０が発電量をバッテリ１４のセル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各々に分配可能に構成された電力分配部４０とを含む。

電源接続部２０は、ソーラパネル１２Ａの負極１２ＡＡとソーラパネル１２Ｂの負極１２ＢＡとの接続をオンオフ可能なスイッチング素子２２と、ソーラパネル１２Ａの負極１２ＡＡとソーラパネル１２Ｂの正極１２ＢＣとの接続をオンオフ可能なスイッチング素子２４と、ソーラパネル１２Ａの正極１２ＡＣとソーラパネル１２Ｂの正極１２ＢＣとの接続をオンオフ可能なスイッチング素子２６とを含む。

ソーラパネル１２Ａの正極１２ＡＣは電源接続部２０を介してＤＣＤＣコンバータ３０の正入力端子３２Ｐに接続されている。ソーラパネル１２Ａの負極１２ＡＡは、スイッチング素子２２を介して接地されると共にＤＣＤＣコンバータ３０の負入力端子３２Ｎに接続されている。また、ソーラパネル１２Ａの負極１２ＡＡは、スイッチング素子２４を介してソーラパネル１２Ｂの正極１２ＢＣに接続される。ソーラパネル１２Ｂの正極１２ＢＣは、スイッチング素子２６を介してＤＣＤＣコンバータ３０の正入力端子３２Ｐに接続される。また、ソーラパネル１２Ｂの負極１２ＢＡは接地されると共にＤＣＤＣコンバータ３０の負入力端子３２Ｎに接続されている。

スイッチング素子２２、２４、２６の各々は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子、又はリレー等である。ＩＧＢＴは、ＣＰＵ１６の制御に基づく正電荷の制御信号がゲートに印加されるとオンになる。例えば、スイッチング素子２２とスイッチング素子２６の各々がオンになると共に、スイッチング素子２４がオフの場合は、ソーラパネル１２Ａの負極１２ＡＡとソーラパネル１２Ｂの負極１２ＢＡとがＤＣＤＣコンバータ３０の負入力端子３２Ｎに、ソーラパネル１２Ａの正極１２ＡＣとソーラパネル１２Ｂの正極１２ＢＣとがＤＣＤＣコンバータ３０の正入力端子３２Ｐに各々接続され、ソーラパネル１２Ａ及びソーラパネル１２Ｂはいわゆる並列に接続される。

また、例えば、スイッチング素子２２とスイッチング素子２６の各々がオフになると共に、スイッチング素子２４がオンの場合は、ソーラパネル１２Ａの負極１２ＡＡとソーラパネル１２Ｂの正極１２ＢＣとが接続され、ソーラパネル１２Ａ及びソーラパネル１２Ｂはいわゆる直列に接続される。

電源接続部２０において、ソーラパネル１２Ａの正極１２ＡＣとＤＣＤＣコンバータ３０の正入力端子３２Ｐとの間には電力センサ２８Ａが、ソーラパネル１２Ｂの正極１２ＢＣとＤＣＤＣコンバータ３０の正入力端子３２Ｐとの間には電力センサ２８Ｂが、各々設けられている。電力センサ２８Ａは、ソーラパネル１２Ａの正極１２ＡＣと接地領域との電位差を検出する直流電圧計と、ソーラパネル１２Ａの正極１２ＡＣとＤＣＤＣコンバータ３０の正入力端子３２Ｐとの間の電流を検出する直流電流計とを備え、ソーラパネル１２Ａの発電量を検出するためのセンサである。電力センサ２８Ｂは、ソーラパネル１２Ｂの正極１２ＢＣと接地領域との電位差を検出する直流電圧計と、ソーラパネル１２Ｂの正極１２ＢＣとＤＣＤＣコンバータ３０の正入力端子３２Ｐとの間の電流を検出する直流電流計とを備え、ソーラパネル１２Ｂの発電量を検出するためのセンサである。後述するように、ＥＣＵ１０は、電力センサ２８Ａ、２８Ｂで検出した電力が閾値発電量以上の場合は、ソーラパネル１２Ａ及びソーラパネル１２Ｂを直列に接続してバッテリ１４の全セルを充電する。また、ＥＣＵ１０は、電力センサ２８Ａ、２８Ｂで検出した電力が閾値発電量未満の場合は、ソーラパネル１２Ａ及びソーラパネル１２Ｂを並列に接続してバッテリ１４のうち、ＳＯＣ（充電率：State Of Charge）が低いセルから順次個別に充電する。

ＤＣＤＣコンバータ３０は、一例として、スイッチングトランスを用いた絶縁型ＤＣＤＣコンバータである。ＤＣＤＣコンバータ３０は、内蔵するスイッチングトランス（図示せず）により、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂが発電量の電圧をバッテリ１４の充電に至適な電圧まで昇圧又は降圧して、バッテリ１４に供給する。また、ＤＣＤＣコンバータ３０は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂが出力した電圧と電流との積である電力が最大になる出力電圧でソーラパネル１２Ａ、１２Ｂから電流を取り出して、バッテリ１４に供給するＭＰＰＴ（最大電力点追従制御：Maximum power point tracking）を行う。

電力分配部４０は、ＤＣＤＣコンバータ３０の正出力端子３４Ｐ及び負出力端子３４Ｎから供給された電力をバッテリ１４のセル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各々に供給する。電力分配部４０は、ＤＣＤＣコンバータ３０の正出力端子３４Ｐとセル１４Ａの正極との間にスイッチング素子４２を、ＤＣＤＣコンバータ３０の正出力端子３４Ｐとセル１４Ｂの正極との間にスイッチング素子４４を、ＤＣＤＣコンバータ３０の負出力端子３４Ｎとセル１４Ａの負極との間にスイッチング素子５０を、ＤＣＤＣコンバータ３０の正出力端子３４Ｐとセル１４Ｃの正極との間にスイッチング素子４６を、ＤＣＤＣコンバータ３０の負出力端子３４Ｎとセル１４Ｂの負極との間にスイッチング素子５２を、ＤＣＤＣコンバータ３０の負出力端子３４Ｎとセル１４Ｃの負極との間にスイッチング素子４８を各々設けている。スイッチング素子４２、４４、４６、４８、５０、５２の各々は、ＩＧＢＴ等の半導体素子、又はリレー等である。

電力分配部４０において、スイッチング素子４２、５０がオンになると共に、スイッチング素子４４、４６、４８、５２がオフになると、セル１４Ａが充電される。スイッチング素子４４、５２がオンになると共に、スイッチング素子４２、４６、４８、５０がオフになると、セル１４Ｂが充電される。スイッチング素子４６、４８がオンになると共に、スイッチング素子４２、４４、５０、５２がオフになると、セル１４Ｃが充電される。そして、スイッチング素子４２、４８がオンになると共に、スイッチング素子４４、４６、５０、５２がオフになると、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの全セルが充電される。

セル１４Ａの正極と負極との間にはＳＯＣセンサ５４Ａが、セル１４Ｂの正極と負極との間にはＳＯＣセンサ５４Ｂが、セル１４Ｃの正極と負極との間にはＳＯＣセンサ５４Ｃが各々設けられている。ＳＯＣセンサ５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃは、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各々のＳＯＣを検出するためのセンサで、例えば、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各々の正極と負極との電位差を検出する。ＣＰＵ１６は、ＳＯＣセンサ５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃの各々が検出した電位差に基づいて、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各々のＳＯＣを推定する。

図２（Ａ）は、日射量が小さくソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量が小さい場合のバッテリ１４の充電の態様を、図２（Ｂ）は、日射量が大きくソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量が大きい場合のバッテリ１４の充電の態様を各々示した説明図である。

図２（Ａ）に示したように、日射量が小さい場合は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを並列接続し、バッテリ１４のセル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの中でＳＯＣが最も低いセルから充電していくことにより、小電力を各々のセルの充電に活かすことが可能となる。

図２（Ｂ）に示したように、日射量が大きい場合は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを直列接続し、バッテリ１４の全セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを充電する。日射量が大きい場合は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量が大きいので、直列に接続されたソーラパネル１２Ａ、１２Ｂと駆動用バッテリの電位差が小さくなり、ＤＣＤＣコンバータ３０の駆動効率が向上する。その結果、ＤＣＤＣコンバータ３０は、バッテリ１４の充電に至適な電圧を高効率で生成して、バッテリ１４の全セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを効率よく充電することが可能となる。

図３は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの並列接続の場合と直列接続の場合との各々の場合においてソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量の電圧に対する電流の変化の一例を示した説明図である。

図３において、曲線６０は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂのいずれか一方、すなわち１つのソーラパネルの発電量の電圧に対する電流の変化を示している。曲線６２は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの各々を並列に接続した場合にソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量の電圧に対する電流の変化を示している。そして、曲線６４は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの各々を直列に接続した場合にソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量の電圧に対する電流の変化を示している。

曲線６２が示すように、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを並列に接続すると、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量の電圧に対する電流は、１つのソーラパネルの発電量に対して、同じ電圧時に２倍近い値を示す。また、曲線６４が示すように、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを直列に接続すると、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量は、１つのソーラパネルの発電量と同じ電流を出力可能な電圧が大幅に向上する。

図４は、本実施形態に係るソーラ充電システム１００の充電制御の一例を示したフローチャートである。図４に示した処理は、バッテリ１４の充電開始と共に開始され、ステップ４００では、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量が所定の閾値発電量以上か否かを判定する。所定の閾値発電量は、主にはソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの仕様とバッテリ１４の仕様とＤＣＤＣコンバータ３０の仕様とに影響されるが、一例として、直列に接続されたソーラパネル１２Ａ、１２Ｂがバッテリ１４の全セルを充電可能な電力である。本実施形態では、電力センサ２８Ａにより検出したソーラパネル１２Ａの発電量の電圧及び電流と、電力センサ２８Ｂにより検出したソーラパネル１２Ｂの発電量の電圧及び電流とに基づいて算出したソーラパネル１２Ａ、１２Ｂが直列に接続された場合の電力が所定の閾値発電量以上か否かを判定する。

ステップ４００でソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量が所定の閾値発電量以上と判定した場合は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを直列に接続してステップ４０２でバッテリ１４の全セルを充電する。

ステップ４０４では、ＳＯＣセンサ５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃの各々が検出した電位差に基づいて、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各々のＳＯＣを推定し、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの全セルのＳＯＣが閾値充電率以上であるか否かを判定する。ＳＯＣの閾値充電率は、バッテリ１４のセルの種類によって異なるが、バッテリ１４がリチウムイオン二次電池のセルで構成されている場合、一例として、電池寿命を考慮して満充電状態のＳＯＣ１００％に対して略８０％とする。

ステップ４０４で全セルのＳＯＣが閾値充電率以上であると判定した場合は、処理を終了する。ステップ４０４で全セルのＳＯＣが閾値充電率以上ではないと判定した場合は、手順をステップ４０２に移行し、全セルの充電を継続する。

ステップ４００でソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量が所定の閾値発電量未満と判定した場合は、ステップ４０６で、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを並列に接続し、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各々を個別に充電する個別セル充電を行って手順をステップ４０４に移行する。

図５は、図４のステップ４０６で示した個別セル充電の処理の一例を示したフローチャートである。ステップ５００では、ソーラパネル１２Ａとソーラパネル１２Ｂとを並列に接続する。

ステップ５０２では、カウンタ値を初期値である「０」にリセットする。そして、ステップ５０４では、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃのうち、ＳＯＣが最小のセルを充電する。

ステップ５０６では、ステップ５０４で充電したセルのＳＯＣが所定の閾値充電率以上になったか否かを判定する。所定の閾値充電率は、セル１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃがリチウムイオン二次電池で構成されている場合、一例として、電池寿命を考慮して満充電状態のＳＯＣ１００％に対して略８０％とする。

ステップ５０６でセルのＳＯＣが所定の閾値充電率以上になった場合と判定した場合は、手順をステップ５０８に移行する。ステップ５０６でセルのＳＯＣが所定の閾値充電率未満と判定した場合は手順をステップ５０４に移行して充電を継続する。

ステップ５０８ではカウンタ値を１インクリメント（増加）する。そして、ステップ５１０では、カウンタ値がバッテリ１４を構成するセル数Ｎに等しくなったか否かを判定する。ステップ５１０でカウンタ値がセル数Ｎに等しくなった場合は処理をリターンする。ステップ５１０でカウンタ値がセル数Ｎ未満の場合は手順をステップ５０４に移行する。

以上説明したように、本実施形態に係るソーラ充電システム１００は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量が十分な場合は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを直列に接続してバッテリ１４の全セルを充電する。また、本実施形態に係るソーラ充電システム１００は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂの発電量が十分でない場合は、ソーラパネル１２Ａ、１２Ｂを並列に接続してバッテリ１４のセルのうちＳＯＣが最小のセルから順次個別に充電する。その結果、ソーラパネルの発電量に応じたバッテリの充電制御が可能なソーラ充電システムを得ることができる。

本実施形態では、ＥＣＵ１０に電源接続部２０、ＤＣＤＣコンバータ３０及び電力分配部４０を実装したがこれに限定されない。例えば、ＥＣＵ１０はＣＰＵ１６とメモリ１８とを含み、ＥＣＵ１０と別体で各々設けられた電源接続部２０、ＤＣＤＣコンバータ３０及び電力分配部４０を、ＥＣＵ１０が制御してもよい。

なお、特許請求の範囲における発電量検出部は、明細書の発明の詳細な説明の電力センサ２８Ａ、２８Ｂに、特許請求の範囲における充電率検出部は、明細書の発明の詳細な説明のＳＯＣセンサ５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃに、特許請求の範囲における制御部は、明細書の発明の詳細な説明のＥＣＵ１０に、各々相当する。

１０ ＥＣＵ
１２Ａ、１２Ｂ ソーラパネル
１４ バッテリ
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ セル
１６ ＣＰＵ
１８ メモリ
２０ 電源接続部
２２、２４、２６ スイッチング素子
２８Ａ、２８Ｂ 電力センサ
３０ ＤＣＤＣコンバータ
４０ 電力分配部
４２、４４、４６、４８、５０、５２ スイッチング素子
５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ ＳＯＣセンサ
１００ ソーラ充電システム

Claims (1)

1. 複数のソーラパネルと、
   複数のセルによって構成されるバッテリと、
   前記複数のソーラパネルへの発電量を検出する発電量検出部と、
   前記複数のセルの各々の充電率を検出する充電率検出部と、
   前記複数のソーラパネルで発電された電力による前記バッテリの充電を制御すると共に、前記発電量検出部の検出結果が閾値発電量未満の場合には、前記複数のソーラパネルを並列に接続して前記複数のセルのうち充電率検出部で検出した充電率が最小のセルから順次充電する制御を行い、前記発電量検出部の検出結果が前記閾値発電量以上の場合には、前記複数のソーラパネルを直列に接続して前記複数のセルの全セルを充電する制御を行う制御部と、
   を含むソーラ充電システム。

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