JP2021090266A - ソーラー充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ソーラーパネルの発電電力を有効に活用してシステムの充電効率を向上するソーラー充電システムを提供する。【解決手段】ソーラー充電システム１は、ソーラーパネル１０と、ソーラーパネルの発電電力を一時的に蓄積するための第１バッテリ（ソーラーバッテリ）３０と、第１バッテリと異なる第２バッテリ（補機系バッテリ）４０の電力で駆動し、第１バッテリを冷却するための冷却ファン６０と、第１バッテリの温度に基づいて、第１バッテリの充電制御及び冷却ファンの動作制御を行う制御装置（電源制御ＥＣＵ）２０と、を備える。制御装置は、第１バッテリの温度が第１閾値未満である場合、ソーラーパネルの発電電力で第１バッテリを充電可能に制御し、冷却ファンを停止させ、第１バッテリの温度が第１閾値以上である場合、ソーラーパネルの発電電力で第１バッテリを充電不可能、かつ、第２バッテリを充電可能に制御し、冷却ファンを動作させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ソーラーパネルの発電電力を用いたバッテリの充電を制御するソーラー充電システムに関する。

ソーラーパネルで発電された電力をソーラーバッテリに一時的に蓄電し、一定量が蓄電されるとソーラーバッテリから補機系バッテリなどへ電力を供給する、ソーラー充電システムが様々に開発されている。このようなソーラー充電システムは、太陽から日射を受けて高温となることが多いため、システムの安定な動作を確保するために適切な温度管理が要求される。

特許文献１に記載のソーラー充電システムでは、ソーラーバッテリの温度が所定値よりも高い場合に、ソーラーパネルの発電を禁止してソーラーバッテリの充電を停止し、高充電率（ＳＯＣ）状態によるソーラーバッテリの劣化促進を防止することで、ソーラーバッテリを保護する手法が開示されている。

また、特許文献２に記載のソーラー充電システムでは、充電制御用の電子制御装置（ＥＣＵ）の温度上昇を抑えるため、充電開始時の車室内温度が高いほどソーラーパネルからバッテリへの充電時間を短くして電子制御装置の発熱量を少なくすることで、電子制御装置の動作性能の低下を抑制する手法が開示されている。

特開２０１８−１１７４３６号公報 特開２０１７−１６５２７４号公報

特許文献１のように充電を停止してソーラーバッテリを保護する手法では、例えば夏季の高温となる車室内に設置されているなどソーラーバッテリの周囲温度が高い場合、充電を停止して発熱をなくした後でもソーラーバッテリの温度がなかなか低下せず、ソーラーバッテリが充電できる状態に回復するまでに時間が掛かるおそれがある。充電できる状態に回復するまでの時間が長ければ長いほど、ソーラーバッテリを充電する機会を逃すことになり、システムの充電効率が低下する。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ソーラーパネルの発電電力を有効に活用してシステムの充電効率を向上させることができるソーラー充電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様のソーラー充電システムは、ソーラーパネルと、ソーラーパネルの発電電力を一時的に蓄積するための第１バッテリと、第１バッテリと異なる第２バッテリの電力で駆動し、第１バッテリを冷却するための冷却ファンと、第１バッテリの温度に基づいて、第１バッテリの充電制御及び冷却ファンの動作制御を行う制御装置と、を備え、制御装置は、第１バッテリの温度が第１閾値未満である場合、ソーラーパネルの発電電力で第１バッテリを充電可能に制御し、冷却ファンを停止させ、第１バッテリの温度が第１閾値以上である場合、ソーラーパネルの発電電力で第１バッテリを充電不可能、かつ、第２バッテリを充電可能に制御し、冷却ファンを動作させる、ソーラー充電システムである。

上記本発明のソーラー充電システムによれば、ソーラーパネルの発電電力を有効に活用してシステムの充電効率を向上させることができる。

本実施形態に係るソーラー充電システムの概略構成図 電源制御ＥＣＵが実行する充電制御の処理フローチャート

［実施形態］
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るソーラー充電システム１の概略構成を示すブロック図である。図１に例示した本実施形態に係るソーラー充電システム１は、ソーラーパネル１０と、電源制御ＥＣＵ２０と、ソーラーバッテリ３０と、補機系バッテリ４０と、高圧系バッテリ５０と、冷却ファン６０と、を備えている。このソーラー充電システム１は、車両などに搭載することができる。以下、ソーラー充電システム１が車両に搭載された場合を一例に説明を行う。

ソーラーパネル１０は、太陽光の照射を受けて発電する発電装置であり、典型的には太陽電池セルの集合体である太陽電池モジュールである。ソーラーパネル１０で発電される電力の量は、日射強度に依存する。ソーラーパネル１０で発生した電力は、電源制御ＥＣＵ２０に出力される。このソーラーパネル１０は、例えば車両のルーフなどに設置することができる。

ソーラーバッテリ３０は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの、充放電可能に構成された二次電池である。このソーラーバッテリ３０は、ソーラーパネル１０で発生した電力を一時的に蓄電するための第１バッテリであり、日射強度に依存して大きさが変動しやすいソーラーパネル１０の発電電力を安定して高圧系バッテリ５０に給電できるようするバッファの役割を有している。ソーラーバッテリ３０は、ソーラーパネル１０で発生した電力によって充電可能に、また自らが蓄えている電力を補機系バッテリ４０や高圧系バッテリ５０へ供給可能に、電源制御ＥＣＵ２０と接続されている。

補機系バッテリ４０は、例えばリチウムイオン電池や鉛蓄電池などの、充放電可能に構成された二次電池である。この補機系バッテリ４０は、少なくとも車両の走行中においてソーラーパネル１０で発生した電力を充電するための第２バッテリである。補機系バッテリ４０は、ソーラーパネル１０で発生した電力によって充電可能に電源制御ＥＣＵ２０と接続されている。車両に搭載される補機系バッテリ４０としては、ヘッドランプや室内灯などの灯火類、ヒーターやクーラーなどの空調類、及び自動運転や先進運転支援の装置などの、車両を駆動させるため以外の補機的な機器（図示せず）の動作に必要な電力を供給することができる、いわゆる１２Ｖ系バッテリを例示できる。また、補機系バッテリ４０は、冷却ファン６０を駆動させる電力を供給する電源として機能する。

高圧系バッテリ５０は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの、充放電可能に構成された二次電池である。この高圧系バッテリ５０は、少なくとも車両の駐車中においてソーラーバッテリ３０に一時的に蓄えられた電力を充電するための第３バッテリである。高圧系バッテリ５０は、ソーラーバッテリ３０に蓄えられた電力によって充電可能に電源制御ＥＣＵ２０と接続されている。車両に搭載される高圧系バッテリ５０としては、スタータモーターや電動モーターなどの、車両を駆動させるための主機的な機器（図示せず）の動作に必要な電力を供給することができる、いわゆる駆動用バッテリを例示できる。

電源制御ＥＣＵ２０は、ソーラーパネル１０と、ソーラーバッテリ３０、補機系バッテリ４０、及び高圧系バッテリ５０とを接続し、ソーラーパネル１０、ソーラーバッテリ３０、補機系バッテリ４０、及び高圧系バッテリ５０の間で行われる充放電や冷却ファン６０の動作を制御することができる電子制御装置（Electronic Control Unit）である。この電子制御装置は、典型的にはプロセッサ、メモリ、及び入出力インタフェースなどを含んで構成され、メモリに格納されたプログラムをプロセッサが読み出して実行することによって様々な制御を実施する。

本実施形態に係る電源制御ＥＣＵ２０は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２、第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３、マイコン２４、電流モニタ回路２５、電圧モニタ回路２６、遮断スイッチ２７、及びバッテリ監視回路２８を、構成に含んでいる。

第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１は、ソーラーパネル１０で発電された電力を、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２、第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３、及びソーラーバッテリ３０に供給する。この第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１は、ソーラーＤＣ−ＤＣコンバータとも呼ばれる。電力供給の際、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１は、入力電圧であるソーラーパネル１０の発電電圧を、後述するマイコン２４からの指示（ＰＷＭ信号のデューティー比）に基づく所定の電圧に変換（昇圧／降圧）して、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２、第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３、及びソーラーバッテリ３０に出力することができる。

第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２は、ソーラーバッテリ３０に蓄えられた電力を、遮断スイッチ２７を介して高圧系バッテリ５０に供給する。この第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２は、高圧ＤＣ−ＤＣコンバータとも呼ばれる。電力供給の際、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２は、入力電圧であるソーラーバッテリ３０の出力電圧を、後述するマイコン２４からの指示（ＰＷＭ信号のデューティー比）に基づく所定の電圧に変換（昇圧）して、高圧系バッテリ５０に出力することができる。

第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１が出力する電力を、補機系バッテリ４０に供給する。この第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３は、補機ＤＣ−ＤＣコンバータとも呼ばれる。電力供給の際、第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３は、入力電圧である第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の出力電圧を、後述するマイコン２４からの指示（ＰＷＭ信号のデューティー比）に基づく所定の電圧に変換（降圧）して、補機系バッテリ４０に出力することができる。

電流モニタ回路２５は、発電によってソーラーパネル１０から第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１へ流れる電流を検出する。この電流モニタ回路２５には、例えば電流センサを用いることができる。電流モニタ回路２５で検出された電流値は、マイコン２４に出力される。

電圧モニタ回路２６は、発電によってソーラーパネル１０の出力端に現れる電圧（閉回路電圧、開回路電圧）を検出する。この電圧モニタ回路２６には、例えば電圧センサを用いることができる。電圧モニタ回路２６で検出された電圧値は、マイコン２４に出力される。

遮断スイッチ２７は、ソーラーバッテリ３０と、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２、及び第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３の接続点との間に設けられるスイッチである。この遮断スイッチ２７は、後述するマイコン２４からの指示に基づいて、ソーラーバッテリ３０と各ＤＣ−ＤＣコンバータ回路との導通／遮断の状態を切り替える。具体的には、ソーラーバッテリ３０の充放電制御が必要な場合に、遮断スイッチ２７がオンされて、ソーラーバッテリ３０が各ＤＣ−ＤＣコンバータ回路に電気的に接続され、ソーラーバッテリ３０の充放電制御が不要な場合に、遮断スイッチ２７がオフされて、ソーラーバッテリ３０が各ＤＣ−ＤＣコンバータ回路から切り離される。

バッテリ監視回路２８は、ソーラーバッテリ３０の状態を検出する。検出するソーラーバッテリ３０の状態としては、電圧、通電電流、温度、及び蓄電率（ＳＯＣ：State Of Charge）などが例示できる。ソーラーバッテリ３０の蓄電率は、電圧及び通電電流から導出することが可能である。バッテリ監視回路２８で検出したソーラーバッテリ３０の状態は、マイコン２４に出力される。

マイコン２４は、電源制御ＥＣＵ２０の各種制御を実施する。具体的には、マイコン２４は、電流モニタ回路２５から取得する電流値及び電圧モニタ回路２６から取得する電圧値によって導出されるソーラーパネル１０の発電電力に基づいて、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２、第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３、及び遮断スイッチ２７に対して動作の指示を行い、ソーラー充電システム１における電力供給を制御する。

冷却ファン６０は、ソーラーバッテリ３０を冷却するため送風装置である。冷却ファン６０は、好ましくはソーラーバッテリ３０の近傍に設けられる。この冷却ファン６０は、マイコン２４からの動作指示に基づいて内蔵するファンを回転させ、回転によって取り込んだ外気をソーラーバッテリ３０に当てることで、ソーラーバッテリ３０を強制的に冷却する。

＜制御＞
次に、図２をさらに参照して、本ソーラー充電システム１で行われる制御を説明する。図２は、本実施形態に係るソーラー充電システム１の電源制御ＥＣＵ２０が実行する充電制御の処理手順を説明するフローチャートである。

図２に示した充電制御処理は、ソーラー充電システム１が起動することによって開始され、ソーラー充電システム１が停止するまで繰り返し実行される。とりわけ、本ソーラー充電システム１は、車両に搭載されている場合においては、車両の状態（走行、停車、駐車など）を判断して、車両が駐車状態にある期間に本充電制御処理を実行すると好適である。なお、充電制御処理を開始した直後の初期状態は、遮断スイッチ２７がオン（導通）、かつ、冷却ファン６０がオフ（停止）とする。

ステップＳ２０１：電源制御ＥＣＵ２０は、ソーラーパネル１０で発電可能な日射があるか否かを判断する。この判断は、ソーラーバッテリ３０、補機系バッテリ４０、及び高圧系バッテリ５０に対して効率的な充電を実施できるほどにソーラーパネル１０が十分に発電を行うことができるか否かを判断するために行われる。ソーラーパネル１０で発電可能な日射があるか否かは、例えば、ソーラーパネル１０の出力電圧（開回路電圧）が、ソーラーバッテリ３０、補機系バッテリ４０、及び高圧系バッテリ５０の効率的な充電のために予め定められた電圧値以上であるか否かによって、判断することができる。

ソーラーパネル１０で発電可能な日射がある場合は（ステップＳ２０１、はい）、ステップＳ２０２に処理が進み、ソーラーパネル１０で発電可能な日射がない場合は（ステップＳ２０１、いいえ）、ステップＳ２０１の処理を繰り返す。

ステップＳ２０２：電源制御ＥＣＵ２０は、ソーラーバッテリ３０の温度が第１閾値以上であるか否かを判断する。この判断は、ソーラーバッテリ３０の温度が、充電制御によって劣化が促進されるおそれがある温度であるか否かを判断するために行われる。よって、第１閾値は、充電制御を継続して行うとソーラーバッテリ３０の劣化が促進してしまう温度（例えば４７℃）に設定される。

ソーラーバッテリ３０の温度が第１閾値以上である場合は（ステップＳ２０２、はい）、ステップＳ２０３に処理が進み、ソーラーバッテリ３０の温度が第１閾値未満である場合は（ステップＳ２０２、いいえ）、ステップＳ２０４に処理が進む。

ステップＳ２０３：電源制御ＥＣＵ２０は、ソーラーバッテリ３０の充放電制御を停止する。このソーラーバッテリ３０の充放電制御の停止では、マイコン２４の指示に従って、遮断スイッチ２７がオフ（遮断）に制御され、かつ、冷却ファン６０がオン（動作）に制御される。さらに、マイコン２４は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１を停止する制御を行ってもよい。このように、ソーラーバッテリ３０の充放電制御を停止することによって、ソーラーバッテリ３０の内部発熱がなくなると共に、冷却ファン６０による強制冷却によってソーラーバッテリ３０の温度低下が促進される。すなわち、ソーラーバッテリ３０が保護される。ソーラーバッテリ３０の充放電制御が停止されると、ステップＳ２０１に処理が戻って繰り返し判断が行われる。

なお、電源制御ＥＣＵ２０は、ソーラーバッテリ３０の充放電制御を停止している間、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１及び第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３を動作させて、ソーラーパネル１０の発電電力を補機系バッテリ４０に充電するように制御してもよい。このように制御することで、ソーラーパネル１０の発電電力を補機系バッテリ４０に充電することができるので、発電電力が無駄にならない。また、冷却ファン６０の動作電力を補機系バッテリ４０から供給している場合には、このように制御することで、駐車中における冷却ファン６０の電力消費によって、補機系バッテリ４０が上がってしまうことを抑制することができる。

ステップＳ２０４：電源制御ＥＣＵ２０は、ソーラーバッテリ３０の充放電制御を実施する。このソーラーバッテリ３０の充放電制御の実施では、マイコン２４の指示に従って、遮断スイッチ２７がオン（導通）に制御され、かつ、冷却ファン６０がオフ（停止）に制御される。ソーラーバッテリ３０の充放電制御が実施されると、ステップＳ２０１に処理が戻って繰り返し判断が行われる。このソーラーバッテリ３０の充放電制御の実施中では、マイコン２４によって、ソーラーバッテリ３０の蓄電率（ＳＯＣ）に基づく、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２、及び第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３の制御が、次のように実行される。

（１）充放電制御を開始したときのソーラーバッテリ３０の蓄電率が上限閾値以下の場合
この場合には、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１が動作し、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２及び第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３が停止するように制御され、ソーラーパネル１０の発電電力がソーラーバッテリ３０に供給される。これにより、ソーラーバッテリ３０が充電されて、ソーラーバッテリ３０の蓄電率が上昇してゆく。上限閾値は、一例として「７０％」とすることができる。

（２）充放電制御を開始したときのソーラーバッテリ３０の蓄電率が上限閾値を超えている場合、又は上記（１）の充電制御によってソーラーバッテリ３０の蓄電率が上限閾値に達した場合
この場合には、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２が動作し、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１及び第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３が停止するように制御され、ソーラーバッテリ３０に蓄えられた電力が高圧系バッテリ５０に供給される。これにより、ソーラーバッテリ３０が放電されて、ソーラーバッテリ３０の蓄電率が下降してゆく。なお、高圧系バッテリ５０へ電力を充電するために起動が必要なシステムへの電力を補機系バッテリ４０から供給している場合には、第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３を動作させて、ソーラーバッテリ３０に蓄えられた電力の一部を、補機系バッテリ４０に充電するように制御してもよい。

（３）上記（２）の放電制御によってソーラーバッテリ３０の蓄電率が下限閾値に達した場合
この場合には、上記（１）と同様に、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１が動作し、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２２及び第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２３が停止するように制御され、ソーラーパネル１０の発電電力がソーラーバッテリ３０に供給される。これにより、ソーラーバッテリ３０が充電されて、ソーラーバッテリ３０の蓄電率が再び上昇してゆく。下限閾値は、一例として「３０％」とすることができる。

以後、ステップＳ２０４のソーラーバッテリ３０の充放電制御においては、上記（２）で述べたソーラーバッテリ３０の放電制御と、上記（３）で述べたソーラーバッテリ３０の充電制御とが、繰り返し実行される。

＜作用・効果＞
以上のように、本発明の一実施形態に係るソーラー充電システム１によれば、ソーラーバッテリ３０を冷却するため冷却ファン６０を備え、ソーラーバッテリ３０の温度が第１閾値よりも高い場合に、冷却ファン６０を用いてソーラーバッテリ３０を強制的に冷却して、ソーラーバッテリ３０の温度低下を促進させる。

この制御によって、自然冷却に比べて、ソーラーバッテリ３０が充電できる状態に回復するまでの時間を短くできるので、ソーラーパネル１０の発電電力を有効に活用してシステムの充電効率を向上させることができる。また、ソーラーバッテリ３０の充電を停止している間も冷却ファン６０に電力を供給する補機系バッテリ４０を充電することができるので、ソーラーパネル１０の発電電力を有効に活用してシステムの充電効率を向上させることができる。

また、本実施形態に係るソーラー充電システム１は、夏季の猛暑日にソーラーバッテリ３０の温度が上昇し易くかつ下降し難い状況にあるような場合（例えば車両に搭載された場合）などに、好適である。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、ソーラー充電システムだけでなく、ソーラー充電システムが行う充電制御方法、その充電制御方法の制御プログラム、その制御プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な非一時的記憶媒体、ソーラー充電システムを含むソーラー充電システム、そのソーラー充電システムを備えた車両などとして捉えることが可能である。

本発明は、ソーラーパネルで発電された電力を利用してバッテリを充電する車両などに利用可能である。

１ ソーラー充電システム
１０ ソーラーパネル
２０ 電源制御ＥＣＵ
２１ 第１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路
２２ 第２のＤＣ−ＤＣコンバータ回路
２３ 第３のＤＣ−ＤＣコンバータ回路
２４ マイコン
２５ 電流モニタ回路
２６ 電圧モニタ回路
２７ 遮断スイッチ
２８ バッテリ監視回路
３０ ソーラーバッテリ
４０ 補機系バッテリ
５０ 高圧系バッテリ
６０ 冷却ファン

Claims (1)

1. ソーラーパネルと、
   前記ソーラーパネルの発電電力を一時的に蓄積するための第１バッテリと、
   前記第１バッテリと異なる第２バッテリの電力で駆動し、前記第１バッテリを冷却するための冷却ファンと、
   前記第１バッテリの温度に基づいて、前記第１バッテリの充電制御及び前記冷却ファンの動作制御を行う制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記第１バッテリの温度が第１閾値未満である場合、前記ソーラーパネルの発電電力で前記第１バッテリを充電可能に制御し、前記冷却ファンを停止させ、
   前記第１バッテリの温度が前記第１閾値以上である場合、前記ソーラーパネルの発電電力で前記第１バッテリを充電不可能、かつ、前記第２バッテリを充電可能に制御し、前記冷却ファンを動作させる、
   ソーラー充電システム。

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