JP2021151132A

JP2021151132A - 充電装置

Info

Publication number: JP2021151132A
Application number: JP2020050280A
Authority: JP
Inventors: 典行阿部; Noriyuki Abe; 喜夫小島; Yoshio Kojima
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-27
Also published as: DE102021106663A1; CN113492684A; US20210291685A1

Abstract

【課題】太陽電池が発電した電力をバッテリに効率よく充電することが可能な充電装置を提供する。【解決手段】複数のバッテリセルＣＥが直列に接続されたバッテリ１０１を充電する充電装置１は、太陽電池２と、太陽電池２が発電した電力を各バッテリセルユニットＣＵｎに対し選択的に供給可能な副電力回路３とを備える。副電力回路３は、太陽電池２が発電した電力を第１電力に調整して出力する第１電力調整部ＷＡｍと、第１電力調整部ＷＡｍが出力した第１電力を第２電力に調整してバッテリセルユニットＣＵｎに供給する第２電力調整部ＷＢｎと、第１電力調整部ＷＡｍと第２電力調整部ＷＢｎとの間に設けられ、第１電力調整部ＷＡｍが出力した第１電力を蓄電可能なバッファバッテリ５０とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池が発電した電力により蓄電器を充電する充電装置に関する。

近年、太陽電池が発電した電力により蓄電器を充電する太陽電池充電システムが種々提案されている。例えば、特許文献１には、走行用電動機に電力を供給する主バッテリと、太陽電池と、太陽電池が発電した電力を昇圧する昇圧コンバータとを備え、太陽電池が発電した電力を昇圧コンバータによって昇圧することで主バッテリを充電するようにした技術が記載されている。

特開２０１４−２１７１６７号公報

太陽電池による発電は、例えば、天候等の影響を受けやすく、出力電圧が不安定になる場合がある。太陽電池が発電した電力を変換するコンバータの制御は、バッテリへの充電電圧をターゲット電圧として制御されるが、太陽電池の出力電圧が不安定になるとバッテリへの充電電圧も不安定になりやすい。充電電圧が安定しないとバッテリへの充電制御が不安定になり充電効率が低下する。コンバータの制御範囲を広くすることによってバッテリへ充電される電圧を安定させることも可能であるが、その場合、コンバータの電力損失が増大するため充電効率を向上させることは難しい。特許文献１に記載の太陽電池充電システムは、この点に関しての対策が必ずしも十分ではなく、バッテリへの効率的な充電について改善の余地があった。

本発明は、太陽電池からバッテリへ供給される電圧を安定させて、太陽電池が発電した電力をバッテリに効率よく充電することが可能な充電装置を提供する。

本発明は、
複数のセルが直列に接続されたバッテリを搭載する車両において該バッテリを充電する充電装置であって、
前記複数のセルは、少なくとも一つのセルを含む複数のセルユニットを構成し、
前記充電装置は、
太陽電池と、
前記太陽電池が発電した電力を前記複数のセルユニットにおける各セルユニットに対し選択的に供給可能な充電回路と、
を備え、
前記充電回路は、
前記太陽電池が発電した電力を第１電力に調整し、前記調整された前記第１電力を出力する第１電力調整部と、
前記第１電力調整部が出力した前記第１電力をさらに第２電力に調整し、前記さらに調整された前記第２電力を前記各セルユニットに供給する第２電力調整部と、
前記第１電力調整部と前記第２電力調整部との間に設けられ、前記第１電力調整部が出力した前記第１電力を蓄電可能な蓄電部と、
を有する。

本発明の充電装置によれば、太陽電池からバッテリへ供給される電圧を安定させることができ、太陽電池が発電した電力をバッテリに効率よく充電することができる。

本発明の一実施形態の充電装置を示すブロック図である。

以下、本発明の充電装置の一実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態の充電装置１は、太陽電池２と、副電力回路３（充電回路の一例）と、制御部４と、を備える。充電装置１は、太陽電池２が発電した電力を後述のバッテリ１０１に充電する装置である。充電装置１は、例えば、太陽電池２をルーフやボンネット等に設けたＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）等の車両に搭載される。

バッテリ１０１は、主電力回路１００に接続され、主電力回路１００に設けられた車両の駆動用モータ１０３（電動機の一例）を駆動するためのバッテリである。バッテリ１０１は、複数のバッテリセルユニットＣＵｎ（ｎ＝１〜Ｎ）が電気的に直列に接続されるように隣り合うバッテリセルユニットの端子同士が接続されて構成される。本実施形態の各バッテリセルユニットＣＵｎは、例えば単一のバッテリセルＣＥで構成されている。バッテリ１０１は、例えば、複数のバッテリセル（バッテリセルユニット）と複数の絶縁プレートを交互に積層したセル積層体として構成されている。バッテリ１０１は、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の数［Ｖ］程度の出力電圧を有する各種バッテリセルが百〜数百個程度接続されてなる出力電圧が数百［Ｖ］程度の高出力バッテリである。本実施形態のバッテリ１０１は、３［Ｖ］程度のバッテリセル（バッテリセルユニット）が１００個程度接続されて、出力電圧が３００Ｖ程度となるように構成されている。各バッテリセルユニットＣＵｎの出力電圧（充電電圧）は、図示を省略するバッテリセンサにより検出されて制御部４に送られる。

太陽電池２は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する。太陽電池２は、太陽光を受光して発電する太陽電池セルを備え、例えば、パネル状に形成されている。太陽電池セルは、フォトダイオード等で構成されている。太陽電池セルは、必要な電圧を得るために複数の太陽電池セルが直列に接続されて太陽電池セルストリングを構成する。さらに、太陽電池セルは、必要な出力を得るために複数の太陽電池セルストリングが直列又は並列に接続されて太陽電池セルアレイとして構成されてもよい。太陽電池２は、複数設けられており、各太陽電池２が並列に接続されている。本実施形態では、１〜８個の太陽電池２が並列に接続されて一組の太陽電池ユニット２０が形成され、この太陽電池ユニット２０が３０枚程度設けられている。各太陽電池２の出力電圧は４８［Ｖ］程度となるように構成されている。

副電力回路３は、太陽電池２とバッテリ１０１との間に設けられている。副電力回路３は、太陽電池２が発電した電力によりバッテリ１０１を充電するための充電回路である。副電力回路３は、バッテリ１０１を構成する複数のバッテリセルユニットＣＵｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の各バッテリセルユニットＣＵｎに対して、太陽電池２の電力を選択的に供給することができるように構成されている。副電力回路３は、第１電力調整部ＷＡｍ（ｍ＝１〜Ｍ）と、第２電力調整部ＷＢｎ（ｎ＝１〜Ｎ）と、電圧センサ３１，３３と、電流センサ３２，３４と、バッファバッテリ５０（蓄電部の一例）と、を有する。

第１電力調整部ＷＡｍは、太陽電池２が発電した電力を第１電力に調整し、調整された第１電力を第２電力調整部ＷＢｎに出力する。具体的に説明すると、第１電力調整部ＷＡｍは、例えばＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）付きのＤＣ／ＤＣコンバータで構成されている。また、第１電力調整部ＷＡｍは、太陽電池ユニット２０ごとに設けられており、各第１電力調整部ＷＡｍはそれぞれ並列に接続されている。各第１電力調整部ＷＡｍの出力端子は、第２電力調整部ＷＢｎの入力端子に接続されている。

第１電力調整部ＷＡｍは、ＭＰＰＴ機能により、太陽電池２の出力電力を最大化させるように第１電力調整部ＷＡｍの電圧を制御する。すなわち、第１電力調整部ＷＡｍは、第２電力調整部ＷＢｎに出力する電力が最適動作点に追従するように、太陽電池２から出力された電力を調整する。また、第１電力調整部ＷＡｍは、太陽電池２から出力される電圧を第２電力調整部ＷＢｎで必要とする所定の電圧に調整する。本実施形態において、第１電力調整部ＷＡｍは、太陽電池２から出力される電圧（４８［Ｖ］程度）を２４［Ｖ］程度の電圧に降圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング素子及びダイオードなどにより構成されている。

第２電力調整部ＷＢｎは、第１電力調整部ＷＡｍが出力した第１電力をバッテリセルユニットＣＵｎの充電状態に応じて第２電力に調整し、調整された第２電力をバッテリセルユニットＣＵｎに供給する。

具体的に説明すると、第２電力調整部ＷＢｎは、ＤＣ／ＤＣコンバータで構成されている。そして、第２電力調整部ＷＢｎ（ｎ＝１〜Ｎ）は、バッテリ１０１を構成するバッテリセルユニットＣＵｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の各々に設けられている。また、第２電力調整部ＷＢｎは、バッテリセルユニットＣＵｎと同じ数設けられ、各第２電力調整部ＷＢｎの出力端子が各バッテリセルユニットＣＵｎの両端部にそれぞれ接続されている。

すなわち、第２電力調整部ＷＢ１はバッテリセルユニットＣＵ１に接続されており、第２電力調整部ＷＢ２はバッテリセルユニットＣＵ２に接続されており、第２電力調整部ＷＢｎはバッテリセルユニットＣＵｎに接続されている。第２電力調整部ＷＢ１は太陽電池２で発電された電力をバッテリセルユニットＣＵ１に供給し、第２電力調整部ＷＢ２は太陽電池２で発電された電力をバッテリセルユニットＣＵ２に供給し、第２電力調整部ＷＢｎは太陽電池２で発電された電力をバッテリセルユニットＣＵｎに供給する。各第２電力調整部と各バッテリセルユニットとの組み、例えば、第２電力調整部ＷＢ１とバッテリセルユニットＣＵ１の組み、第２電力調整部ＷＢ２とバッテリセルユニットＣＵ２との組み、および第２電力調整部ＷＢｎとバッテリセルユニットＣＵｎとの組みは、互いに独立した構成となっている。これにより、各第２電力調整部ＷＢｎ同士は、互いに絶縁された状態で設けられている。

第２電力調整部ＷＢｎは、第１電力調整部ＷＡｍから出力された電圧をバッテリセルユニットＣＵｎ側で必要とする所定の電圧に調整する。本実施形態において、第２電力調整部ＷＢｎは、第１電力調整部ＷＡｍから出力される電圧（２４［Ｖ］程度）を３［Ｖ］程度に降圧する。降圧ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング素子及びダイオードなどにより構成されている。

電圧センサ３１は、太陽電池２から第１電力調整部ＷＡｍに出力される電圧を検出する。検出された電圧の電圧情報は制御部４に送られる。電流センサ３２は、太陽電池２から第１電力調整部ＷＡｍに流れる電流を検出する。検出された電流の電流情報は制御部４に送られる。電圧センサ３３は、第１電力調整部ＷＡｍから第２電力調整部ＷＢｎに出力される電圧を検出する。検出された電圧の電圧情報は制御部４に送られる。電流センサ３４は、第１電力調整部ＷＡｍから第２電力調整部ＷＢｎに流れる電流を検出する。検出された電流の電流情報は制御部４に送られる。

バッファバッテリ５０は、第１電力調整部ＷＡｍと第２電力調整部ＷＢｎとの間、すなわち、ＭＰＰＴ付きのＤＣ／ＤＣコンバータと充電用（分配用）のＤＣ／ＤＣコンバータとの間に接続されている。バッファバッテリ５０は、第１電力調整部ＷＡｍの出力端子間、すなわち、第２電力調整部ＷＢｎの入力端子間に接続されている。バッファバッテリ５０は、第１電力調整部ＷＡｍから出力された電力を蓄電することができるように設けられている。バッファバッテリ５０は、コンデンサ、キャパシタ、あるいはリチウムイオン電池等で構成されている。また、バッファバッテリ５０は、例えば、第１電力調整部ＷＡｍから出力される電圧の変動幅を所定の範囲内に抑えられるような蓄電容量を有する。

制御部４は、第１電力調整部ＷＡｍ及び第２電力調整部ＷＢｎの動作を制御する。制御部４には、バッテリ１０１を構成する各バッテリセルユニットＣＵｎのバッテリセンサ、各第１電力調整部ＷＡｍ、各第２電力調整部ＷＢｎ、電圧センサ３１，３３、及び電流センサ３２，３４などが電気的に接続されている。制御部４は、例えば、電圧センサ３１，３３及び電流センサ３２，３４で検出される電圧値及び電流値に基づいて、第１電力調整部ＷＡｍを制御する。また、制御部４は、各バッテリセルユニットＣＵｎのバッテリセンサで検出される各バッテリセルユニットＣＵｎの出力電圧（充電電圧）に基づいて、各バッテリセルユニット同士の電圧が略等しくなるように、各バッテリセルユニットＣＵｎに対応する第２電力調整部ＷＢｎを制御する。例えば、制御部４は、全バッテリセルユニットＣＵｎの平均充電量を算出し、算出された平均充電量よりも少ない充電量のバッテリセルユニットＣＵｎを検出する。制御部４は、検出された充電量の少ないバッテリセルユニットＣＵｎに太陽電池２の電力を優先して供給するように、そのバッテリセルユニットＣＵｎに対応する第２電力調整部ＷＢｎを選択的に制御する。

主電力回路１００は、バッテリ１０１に接続され、電力変換部１０２と、駆動用モータ１０３と、を備える。バッテリ１０１の構成及び機能は上述した通りである。電力変換部１０２は、バッテリ１０１から出力された直流電流を交流電流（例えば３相電流）に変換して駆動用モータ１０３に供給する。駆動用モータ１０３は、車両を駆動するための駆動源として機能するモータである。

このような構成の充電装置１によれば、第１電力調整部ＷＡｍの出力部と第２電力調整部ＷＢｎの入力部との間にバッファバッテリ５０を設けることにより、第１電力調整部ＷＡｍから出力される電圧の変動をバッファバッテリ５０による蓄電によって吸収（抑制）することができる。これにより、第１電力調整部ＷＡｍから出力される電圧を安定させることができ、当該安定した電圧を第２電力調整部ＷＢｎに供給することができる。したがって、太陽電池２からバッテリ１０１へ供給される電圧を安定させることができ、太陽電池２が発電した電力をバッテリ１０１に効率よく充電することができる。また、安定した電圧が第２電力調整部ＷＢｎに供給されるので、第２電力調整部ＷＢｎによるバッテリセルユニットＣＵｎへの充電電圧の制御が安定するとともに、第２電力調整部ＷＢｎの制御対応領域を狭くすることが可能になる。これにより、第２電力調整部ＷＢｎの容量を抑制することができ、第２電力調整部ＷＢｎのコスト及びサイズを低減することができる。

また、第１電力調整部ＷＡｍのＭＰＰＴ機能により、太陽電池２が発電する電力を最大となるように制御することができるので、太陽電池２によって発電される電力量を増加させることができる。

また、バッファバッテリ５０としてコンデンサ、キャパシタ、及びリチウムイオン電池のいずれかを用いることにより、第１電力調整部ＷＡｍから出力される電力を安定させ、当該安定した電圧を第２電力調整部ＷＢｎに供給することができる。

また、バッテリ１０１は、該バッテリ１０１の電力を、車両を駆動する駆動用モータ１０３に供給可能な電力変換部１０２に接続されているので、バッテリ１０１の電力により車両の駆動用モータ１０３を駆動することができる。

なお、前述した実施形態は、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、前述した実施形態では、バッテリ１０１を構成する各バッテリセルユニットＣＵｎが単一のバッテリセルＣＥで形成されているが、複数のバッテリセルを積層して一体化したバッテリモジュールとして各バッテリセルユニットを形成するようにしてもよい。これにより、太陽電池２が発電した電力をバッテリモジュール単位で充電することができる。

また、例えば、前述した実施形態では、バッテリ１０１を構成する各バッテリセルユニットＣＵｎに対して、１つの第２電力調整部ＷＢｎを設けているが、２以上のｎ個（ただし、ｎ＜Ｎ。ここで、Ｎはバッテリ１０１を構成する全セルユニットの数）のバッテリセルユニットに対して、１つの第２電力調整部を設けるようにしてもよい。

本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。

（１）複数のセル（バッテリセルＣＥ）が直列に接続されたバッテリ（バッテリ１０１）を搭載する車両において該バッテリを充電する充電装置（充電装置１）であって、
前記複数のセルは、少なくとも一つのセルを含む複数のセルユニット（バッテリセルユニットＣＵｎ（ｎ＝１〜Ｎ））を構成し、
前記充電装置は、
太陽電池（太陽電池２）と、
前記太陽電池が発電した電力を前記複数のセルユニットにおける各セルユニットに対し選択的に供給可能な充電回路（副電力回路３）と、
を備え、
前記充電回路は、
前記太陽電池が発電した電力を第１電力に調整し、調整された前記第１電力を出力する第１電力調整部（第１電力調整部ＷＡｍ（ｍ＝１〜Ｍ））と、
前記第１電力調整部が出力した前記第１電力を第２電力に調整し、調整された前記第２電力を前記各セルユニットに供給する第２電力調整部（第２電力調整部ＷＢｎ（ｎ＝１〜Ｎ））と、
前記第１電力調整部と前記第２電力調整部との間に設けられ、前記第１電力調整部が出力した前記第１電力を蓄電可能な蓄電部（バッファバッテリ５０）と、
を有する、充電装置。

（１）によれば、太陽電池が発電した電力を各セルユニットに供給可能な充電回路において、第１電力調整部と第２電力調整部との間に、第１電力調整部から出力された電力を蓄電可能な蓄電部を有する。これにより、第１電力調整部から出力される電圧を蓄電部によって安定させることができ、当該安定した電圧を第２電力調整部に供給することができる。よって、太陽電池からバッテリへ供給される電圧を安定させることができ、太陽電池が発電した電力をバッテリに効率よく充電することができる。

（２）（１）に記載の充電装置であって、
前記第１電力調整部は、さらに、前記太陽電池が発電する電力が最大となるように制御する、充電装置。

（２）によれば、第１電力調整部が、太陽電池が発電する電力が最大となるように制御するので、太陽電池が発電する電力を増加させることができる。

（３）（１）又は（２）に記載の充電装置であって、
前記蓄電部は、少なくともコンデンサ、キャパシタ、及びリチウムイオン電池のいずれかである、充電装置。

（３）によれば、蓄電部としてコンデンサ、キャパシタ、及びリチウムイオン電池のいずれかを用いることにより、第１電力調整部から出力される電力を安定させることができる。

（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の充電装置であって、
前記バッテリは、該バッテリの電力を、前記車両を駆動する電動機（駆動用モータ１０３）に供給するための主電力回路（主電力回路１００）に接続される、充電装置。

（４）によれば、バッテリが、該バッテリの電力を、車両を駆動する電動機に供給するための主電力回路に接続されるので、バッテリの電力により電動機を駆動できる。

１充電装置
２太陽電池
３副電力回路（充電回路）
４制御部
５０バッファバッテリ（蓄電部）
１００主電力回路
１０１バッテリ
１０３駆動用モータ（電動機）
ＣＥバッテリセル
ＣＵｎバッテリセルユニット
ＷＡｍ第１電力調整部
ＷＢｎ第２電力調整部

Claims

複数のセルが直列に接続されたバッテリを搭載する車両において該バッテリを充電する充電装置であって、
前記複数のセルは、少なくとも一つのセルを含む複数のセルユニットを構成し、
前記充電装置は、
太陽電池と、
前記太陽電池が発電した電力を前記複数のセルユニットにおける各セルユニットに対し選択的に供給可能な充電回路と、
を備え、
前記充電回路は、
前記太陽電池が発電した電力を第１電力に調整し、調整された前記第１電力を出力する第１電力調整部と、
前記第１電力調整部が出力した前記第１電力を第２電力に調整し、調整された前記第２電力を前記各セルユニットに供給する第２電力調整部と、
前記第１電力調整部と前記第２電力調整部との間に設けられ、前記第１電力調整部が出力した前記第１電力を蓄電可能な蓄電部と、
を有する、充電装置。
請求項１に記載の充電装置であって、
前記第１電力調整部は、さらに、前記太陽電池が発電する電力が最大となるように制御する、充電装置。
請求項１又は２に記載の充電装置であって、
前記蓄電部は、少なくともコンデンサ、キャパシタ、及びリチウムイオン電池のいずれかである、充電装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の充電装置であって、
前記バッテリは、該バッテリの電力を、前記車両を駆動する電動機に供給するための主電力回路に接続される、充電装置。