JP4317442B2 - ソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイス及びそのコントロール方法 - Google Patents

Description

本発明は、ソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイスに係わり、特に複数個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールが異常を生じるかを検出することによってそれぞれのソーラー・エネルギー・モジュールを適当にコントロールして最大工率状態にならせるデバイスに関するものである。

ソーラー・エネルギー・バッテリは、一種のソーラー・エネルギーを電気エネルギーに転換するためのエネルギー蓄積手段であり、その応用は、しょっちゅうに複数個のソーラー・エネルギー・バッテリ同士を複数個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールになるように組立てると共に、直列的に接続する方式によってソーラー・エネルギー・モジュール・アレイを形成することによりその出力工率を向上する必要があり、最後に、ソーラー・エネルギー・バッテリ・コンバータによってソーラー・エネルギー・モジュール・アレイ全体の最大の工率出力の転換のオペレーションを提供する。

しかしながら、ソーラー・エネルギー・モジュール・アレイが使用される際に、一部の周りの環境の差異によって全体の出力工率が影響されることがあり、例えば、ソーラー・エネルギー・モジュール・アレイにおいては、一部のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールが遮蔽される場合、それらの遮蔽されるソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの出力工率が低下され、出力無し、またはマイナスのロードを形成する場合もあるため、ソーラー・エネルギー・モジュール・アレイ全体の出力工率に影響を与える場合がある。

従来技術の場面では、一般的には、数千ワット・レベル以上のソーラー・エネルギー・バッテリ・コンバータがすべてのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの工率を整合することによってソーラー・エネルギー・モジュール・アレイ全体の出力工率を提供するものであり、この種のソーラー・エネルギー・バッテリ・コンバータはそれぞれのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールにすべて最大の出力工率の状況でオペレーションさせることを確保出来ないので、それらの種のソーラー・エネルギー・バッテリ・コンバータの提供する出力工率が実は最大工率ではなくなってしまう。

従来では、前記の種のソーラー・エネルギー・バッテリ・コンバータを設計する際に、ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士間の相互の直列的接続の課題を考慮せず、多くのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士を直列的に接続してソーラー・エネルギー・モジュール・アレイを形成する場合では、それぞれのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールが外部環境の相違によってそれぞれ異なることがあり、それぞれのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールをすべて最大の出力工率でオペレーションすることを確保できず、もし、その中の一部のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールがローディングのモードでオペレーションする場合、工率を出力できないばかりか、他のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの効率を消費するようになり、それによってソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士が直列的に接続される後に、予期した効能を実現できないようになってしまう。

そのため、本発明は、既存のソーラー・エネルギー・モジュール・アレイにおいてそれぞれのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールをすべて最大工率モードでオペレーションさせることができない不便と欠陥に鑑みて、一種のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイスを提案した。これは、一個の検出及び補償機制を利用し相互に直列的に接続されるそれぞれのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士の間では異常点が存在するかを検出し、適当に両方向の直流コンバータのパワーの転換をコントロールすることによってそれぞれのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールにすべて最大の工率点でオペレーションさせることができるようにした。

本発明は、両方向直流コンバータによってすべてのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールを直列的に接続すると共に、検出及び補償機制によってそれぞれのソーラー・エネルギー・モジュールが異常状態でオペレーションしているかを検出し、且つ適時に前記両方向直流コンバータのパワーの転換をコントロールすることによってそれぞれのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールをすべて最大の工率点でオペレーションさせることが出来る、ソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイスを提供することをその主要な解決しようとする課題とする。

前記の目的を達成するために、本発明は一種のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイスを提供し、それには、複数個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールと、一つの両方向直流コンバータと、少なくとも一つの電圧検出デバイスと、一つのコントロール・ユニットとを有しており、前記両方向直流コンバータが前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールに電気的に対応接続され、それらの複数個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士を直列的に接続することによってソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイを形成し、前記電圧検出デバイスが前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールに電気的に接続され、前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの異常時に生じる異常電圧値を検出でき、前記コントロール・ユニットが前記電圧検出デバイスと前記両方向直流コンバータに電気的に接続され、前記異常電圧値を判断することによって前記両方向直流コンバータをコントロールするためのパルス幅調整信号を出力することによってその転換電流を補償し、前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの出力工率を向上する効果を取得する。

また、好ましくは、前記の本発明のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイスに、さらに最大工率追跡用のＡＣ／ＤＣコンバータを有し、それを両方向直流コンバータの出力端に電気的に接続し、それによって前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイの出力電源を交流電源に転換すると共に、市内電力に並列的に接続し、または単独で電源として使用する。

また、好ましくは、前記の本発明のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイスには、さらに前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの出力端に電気的に対応接続される逆走式変圧器を配置し、それによってすべてのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士を直列的に接続し、また、前記逆走式変圧器の入力端にそれぞれ複数の電子スイッチ同士を直列的に対応接続し、且つパルス幅調整入力端を設け、パルス幅調整信号を入力することによってソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの転換電流を補償することによって出力工率を向上する。

また、好ましくは、前記の本発明のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイスに、さらに前記両方向直流コンバータと前記コントロール・ユニットとの間に電気的に接続される駆動電気回路を有し、それによって前記パルス幅調整信号を拡大し、両方向直流コンバータを駆動することによってそのパルス幅を切り替えることでその転換電流を補償する。

本発明の達成しようとする目的とその採用する技術手段とその効果とをさらに解明させるために、以下に添付図面を参照しながら、好適な実施の形態を挙げて本発明のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイスの具体的な様子を詳細的で具体的に説明するが、それらの説明による具体的な構成は単に本発明の実施可能な実施例に過ぎず、本発明の主張範囲を狭義的に定義するものではないことは言うまでもない。

図１は本発明の実施の形態の構成を示す説明図である。その図面に示すように、本発明は、複数のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０を直列的に接続して形成されるソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ１において、すべてのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０をすべて最大の出力工率の状態でオペレーションさせ、且つそれぞれのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０を少なくとも一枚のソーラー・エネルギー・プレートと少なくとも一つの蓄電池によって構成し、それによってソーラー・エネルギーを電気エネルギーに転換して蓄電池に蓄積する。

また、本発明は、両方向直流コンバータ１１によってすべてのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０を直列的に接続し、両方向直流コンバータ１１として逆走式の変圧器１１１と複数の電子スイッチ同士１１２からなるものを使用でき、前記逆走式変圧器１１１のコイル巻回数レシオが１に設定され、ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０の出力端にそれぞれ対応接続される複数の入力端同士を有し、それらによってすべてのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士１０を直列的に接続し、また、電子スイッチ同士１１２として高工率のＭＯＳＦＥＴを使用でき、それらを逆走式変圧器１１１のそれぞれの出力端に直列的に対応接続し、電子スイッチ同士１１２にはパルス幅調整入力端（ＭＯＳＦＥＴのゲートなどを利用）を有し、パルス幅調整信号を入力でき、それによってソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールが異常時に生成する補償電流をコントロールでき、それによって出力工率を向上する。

両方向直流コンバータ１１の出力端には、最大工率追跡用のＡＣ／ＤＣコンバータ１２を電気的に接続してもよく、それによってソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ１の出力電源を交流電源に転換することによって市内電力に並列的に接続して利用することに利するようにし、または単独で電源として使用してもよいことはいうまでもない。

本発明は、ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０をすべて最大出力工率モードでオペレーションさせ、そのために、検出及び補償機制を提案し、それによってそれぞれのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの電圧値を検出することによって、ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールが異常状態でオペレーションしているかを検出し、例えばローディング状態であるかを検出することによって、異常発生と判断する場合、電力学による工率因数の向上技術によって電力転換のパルス幅調整技術を切り替えることによって、ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０の転換電流を補償することで全体工率因数を向上する目的を図る。

本発明において、検出及び補償機制として両方向直流コンバータ１１を使用するほか、他に、少なくとも一つの電圧検出デバイス１３と、コントロール・ユニット１４と、駆動電気回路１５とを備えており、その中では、電圧検出デバイス１３としてコンパレータを使用でき、それによって電気的に接続される任意二セットのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０の電圧値（Ｖｐｖｍ１，Ｖｐｖｍ２）をコンパレートし、それが予定値（Ｖｓｅｔ）を超えているかを判断し、それによってそのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０が異常状態でオペレーションしているかの判断依拠とし、もし、異常と判断される場合、異常電圧値（Ｖｅｒｒｏｒ）を生成し、コントロール・ユニット１４に出力する。

また、コントロール・ユニット１４が電圧検出デバイス１３と駆動電気回路１５に電気的に接続され、駆動電気回路１５がまた両方向直流コンバータ１１に電気的に接続され、コントロール・ユニット１４としてマイクロプロセッサーを使用でき、その内部で異常パルス幅調整操作を実行し、異常電圧値を判断することによって前記両方向直流コンバータをコントロールする前記パルス幅調整信号を駆動電気回路１５に出力し、駆動電気回路１５がそのパルス幅調整信号を拡大してから、両方向直流コンバータ１１における電子スイッチ１１２のパルス幅調整入力端（ＭＯＳＦＥＴのゲート）に入力し、電力転換パルス幅を切替、その転換電流を補償することによってそのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０の出力工率を向上する。

本発明の実施の形態における検出及び補償機制の動作のフローを詳しく説明するために、図２の本発明のコントロール・フローを参照して説明する。また、図３は本発明の相同効果の電気回路を示す説明図であり、図４は本発明のパルス幅調製信号とスイッチの切り替える状況を示す波形図であり、図５は本発明の実施の形態のソーラー・エネルギー・バッテリの電圧と電流の特性を示す説明図である。

前記の説明から分かるように、本発明は、両方向直流コンバータ１１が複数個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０を直列的に接続してなる構成に構築されるものであり（ステップ２００）、それによってソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイを形成し、本発明はまず第一個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０１と第二個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０２との電圧値Ｖ１とＶ２を読み取り（ステップ２０１）、それからその電圧値Ｖ１とＶ２の絶対差値｜Ｖ１−Ｖ２｜を計算し、予定値Ｖｓｅｔより大きいかを判断し（ステップ２０２）、大きい場合では異常電圧値Ｖｅｒｒｏｒ＞０を出力し、そうでないと前記異常電圧値をゼロに設定し、即ちＶｅｒｒｏｒ＝０にし、その場合では、第一個と第二個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０１，１０２がすべてノーマルに最大工率を出力している状態に処することを意味し、転換電流を補償する必要はない。

もし、第二個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０２が異常状態でオペレーションしていることを検出する場合、即ち、Ｖ１＞Ｖ２の場合では、例えば図５におけるＡ点の場合のようになる場合では、異常電圧値Ｖｅｒｒｏｒ＞０をコントロール・ユニット１４に出力し（ステップ２０３）、コントロール・ユニット１４がパルス幅調整信号を生成し、図４に示すように、そのパルス幅調整信号が所定の周波数のパルス信号であり、それが電子スイッチ同士Ｓ１，Ｓ２におけるパルス幅調整入力端（ＭＯＳＦＥＴのゲートＳｇ１，Ｓｇ２）に入力され（ステップ２０４）、この場合では、前記パルス幅調整信号によって電子スイッチＳ１，Ｓ２をコントロールして切替を実行させ、第二個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０２における電流Ｉ２＝第一個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０１における電流Ｉ１−トータル電流Ｉｃにならせることによって、第二個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０２の転換電流を補償し（ステップ２０５）、図５に示すＢ点のようであり、そこから第二個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール１０２が既にその出力工率が向上されていることを見分けられる。

そのため、本発明の前記に掲げられる技術手段による場合、一種の有効的なソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイスを提供でき、その中のすべてのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士をすべて最大の出力工率のモードでオペレーションさせることが出来るので、従来技術のデザインとが差異を有しており、その全体の使用価値を向上できる。

また、前記に詳細で具体的に開示した具体的な構造は単に本発明の好適な実施の形態に過ぎず、いずれの当該分野における技術者が本発明の前記のそれぞれの要旨に基づいて種々の改良を実施できるが、それらのものも依然として本発明の主張範囲内に帰すべきことは言うまでもない。

本発明の実施の形態の構成を示す説明図である。 本発明のコントロール・スローを示すフローチャートである。 本発明の相同効果の電気回路を示す説明図である。 本発明の相同効果の電気回路を示す説明図である。 本発明のパルス幅調整信号とスイッチ切り替えの波形を示す波形図である。 本発明のパルス幅調整信号とスイッチ切り替えの波形を示す波形図である。 本発明の実施の形態のソーラー・エネルギー・バッテリの電圧と電流の特性を示す曲線図である。

符号の説明

１ ソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ
１０ ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール
１１ 両方向直流コンバータ
１２ 最大工率追跡機能有ＡＣ／ＤＣコンバータ
１３ 電圧検出デバイス
１４ コントロール・ユニット
１５ 駆動電気回路
１０１ 第一個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール
１０２ 第二個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール
１１１ 逆走式変圧器
１１２、Ｓ１、Ｓ２ 電子スイッチ
Ｓｇ１、Ｓｇ２ ＭＯＳＦＥＴのゲート
Ｖ１、Ｖ２ 電圧値
Ｖｓｅｔ 予定値
Ｖｅｒｒｏｒ 異常電圧値

Claims (13)

1. ソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイを形成するように直列的に接続される複数個のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士と、
   前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの出力端に電気的に対応接続される複数個の入力端を有し、前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士を直列的に接続すると共に、前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールが異常を発生する場合に利用される補償電流をコントロールするためのパルス幅調整信号を入力できる両方向直流コンバータと、
   前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールにそれぞれ電気的に接続される複数個の入力端同士を設けており、前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士が異常を発生する場合にその異常を検出でき、且つその際に異常電圧値を生成できる少なくとも一つの電圧検出デバイスと、
   前記電圧検出デバイスと前記両方向直流コンバータに電気的に接続され、前記異常電圧値を判断することによって前記両方向直流コンバータをコントロールするための周波数幅調整信号を出力することによってその転換電流を補償することにより前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの出力工率を向上する、コントロール・ユニットとからなることを特徴とするソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイス。
2. 前記のそれぞれのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールが少なくとも一枚のソーラー・エネルギー・プレートと少なくとも一つの蓄電池によって構成されることを特徴とする請求項１に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイス。
3. さらに最大工率追跡用のＡＣ／ＤＣコンバータを有し、それを両方向直流コンバータの出力端に電気的に接続し、それによって前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイの出力電源を交流電源に転換すると共に、市内電力に並列的に接続し、または単独で電源として使用することを特徴とする請求項１に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイス。
4. 前記両方向直流コンバータに、さらに前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの出力端に電気的に対応接続される逆走式変圧器を配置し、それによってすべてのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士を直列的に接続し、また、前記逆走式変圧器の入力端にそれぞれ複数の電子スイッチ同士を直列的に対応接続し、且つパルス幅調整入力端を設け、パルス幅調整信号を入力することによってソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの転換電流を補償することによって出力工率を向上することを特徴とする請求項１に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイス。
5. 前記電子スイッチ同士として高工率のＭＯＳＦＥＴを使用することを特徴とする請求項４に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイス。
6. 前記電圧検出デバイスとしてコンパレータを使用でき、それによって電気的に接続される任意二セットのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの電圧値をコンパレートし、それが予定値を超えているかを判断し、それによってそのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールが異常状態でオペレーションしているかの判断依拠とし、もし、異常と判断される場合、異常電圧値を生成し、前記コントロール・ユニットに出力することを特徴とする請求項１に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイス。
7. 前記コントロール・ユニットとしてマイクロプロセッサーを使用し、その内部で異常パルス幅調整操作を実行し、ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールが異常を発生する際に、前記パルス幅調整信号を出力し、電力転換パルス幅を切替、転換電流を補償することによってそのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの出力工率を向上することを特徴とする請求項１に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイス。
8. さらに前記両方向直流コンバータと前記コントロール・ユニットとの間に電気的に接続される駆動電気回路を有し、それによって前記パルス幅調整信号を拡大し、両方向直流コンバータを駆動することでそのパルス幅を切り替えることによりその転換電流を補償することを特徴とする請求項１に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール・デバイス。
9. 両方向直流コンバータによって複数のソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士を直列的に接続することによってソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイを構築するステップ（ａ）と、
   少なくとも任意二つの前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュール同士の電圧値を読み取るステップ（ｂ）と、
   読み取った電圧値を計算しつつ、それが予定値より大きいかを判断し、それより大きい場合、異常電圧値を出力するステップ（ｃ）と、
   パルス幅調整信号を生成して前記両方向直流コンバータに入力することによってパルス幅を切り替えることにより前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの転換電流を切り替えることで出力工率を向上するステップ（ｄ）とを有することを特徴とするソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール方法。
10. 前記ステップ（ｂ）において、少なくとも一つの電圧検出デバイスによって前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの電圧値を読み取ることを特徴とする請求項９に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール方法。
11. 前記ステップ（ｃ）において、任意二セットのソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの電圧値の絶対差値を計算し、且つ予定値より大きいかを判断し、大きい場合では異常電圧値を出力することを特徴とする請求項９に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール方法。
12. 前記ステップ（ｃ）において、電圧値が予定値より小さい場合、前記異常電圧値をゼロに設定することを特徴とする請求項９に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール方法。
13. 前記ステップ（ｄ）において、前記パルス幅調整信号によって電子スイッチをコントロールして前記ソーラー・エネルギー・バッテリ・モジュールの出力パルス幅を切り替えることによってその転換電流を補償することを特徴とする請求項９に記載のソーラー・エネルギー・バッテリ・アレイ・コントロール方法。

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