JP5959433B2 - 電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、太陽電池又は太陽電池のアレイ又は燃料電池のような電源における最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置に関する。

太陽電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。太陽電池によって生成される電気エネルギーを経時的に抽出し、電力の形態で使用することができる。太陽電池によって提供される直流電力は、ＤＣ−ＤＣアップ／ダウンコンバータ回路及び／又はＤＣ／ＡＣインバータ回路のような変換装置に供給される。

しかしながら、太陽電池の電流−電圧垂下特性（current-voltage drop characteristics）により、出力電力は太陽電池から引き出される電流とともに非線形に変化する。電力−電圧曲線は、光照射レベル及び動作温度等の気候変動に従って変化する。

太陽電池又は太陽電池のアレイを動作させる準最適点は、電力が最大となる電流−電圧曲線の領域又はその近傍である。この点は、最大電力点（ＭＰＰ：Maximum Power Point）と称される。

太陽電池をＭＰＰの周辺で動作させ、それらの発電効率を最適化することが重要である。

電力−電圧曲線が気候変動に従って変化する際、ＭＰＰもまた気候変動に従って変化する。

そのため、常にＭＰＰを特定することができる必要がある。

電源と負荷との間の電流路にコンポーネントを挿入すると、コンポーネントが完全でないために何らかの電力損失が発生する。

本発明は、電源のＭＰＰを決定するために、例えば電源の出力電流及び出力電圧の変動を表す情報を取得することができ、電力損失が可能な限り低減される装置を提供することを目的とする。

そのために、本発明は、第１の期間に直流電流を供給する電源の最大電力点の決定を可能にする情報を求める装置に関する。この装置は、少なくとも、キャパシタと、第２の期間中にキャパシタを充電する手段と、第３の期間にキャパシタを放電する手段と、キャパシタの電圧及び電流を監視する手段とを備え、第１の期間中に、直流電流はキャパシタを充電する手段を流れないことを特徴とする。

したがって、大きな電力損失なしに電源の出力電圧及び出力電流の変動を表す情報を取得することが可能となる。

さらに、大部分のＤＣ／ＤＣコンバータ及び／又はＤＣ／ＡＣコンバータ分では、キャパシタは、それらの入力におけるフィルタリングの目的ですでに利用可能である。このキャパシタを、少なくとも１つの特定の期間中に電圧変動及び電流変動を監視するために用いることもできる。監視される電圧変動及び電流変動により、電源の所望の電圧−電流／電圧−電力垂下特性のような情報をいつでも取得することが可能となる。本発明では、他の余計なキャパシタをシステムに追加することが回避される。

特定の特徴によれば、直流電流は、第１の期間中に負荷に向けられる。

特定の特徴によれば、キャパシタを放電する手段は、抵抗器及び第１のスイッチから構成され、抵抗器の第１の端子は、電源の第１の端子及び第１のスイッチの第１の端子に接続され、抵抗器の第２の端子は、キャパシタの第１の端子に接続され、キャパシタの第２の端子は、電源の第２の端子及び第１のスイッチの第２の端子に接続される。

したがって、このトポロジーにより、電源と負荷との間の電流路に追加のスイッチを必要とすることなく、キャパシタを放電することができ、電源に接続されたキャパシタの通常動作中、すなわち第１の期間中に第１のスイッチに現れる損失が回避される。したがって、ＭＰＰの決定を可能にする情報を取得するより効率的なトポロジーが得られる。

特定の特徴によれば、第２の期間中にキャパシタを充電する手段は、第２のスイッチを含む。

したがって、通常動作中、第２のスイッチにおける損失は、主路のスイッチと比較した場合に大きく低減される。

特定の特徴によれば、第２のスイッチは、抵抗器と並列に接続される。

したがって、通常動作中、すなわち第１の期間中、第２のスイッチが抵抗器と並列に短絡路を形成し、この状況下で抵抗器に電力損失がないため、入力フィルタとしても用いられるキャパシタは常に動作可能である。

さらに、通常動作の下でキャパシタを流れる電流は、当該キャパシタでの電圧リップルが非常に小さいことにより非常に小さいため、第２のスイッチにおける損失は、主路のスイッチと比較した場合に大きく低減される。

特定の特徴によれば、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、第２の期間及び第３の期間中に負荷を電源から切断する第３のスイッチをさらに備える。

したがって、最大電力点の決定を可能にする情報を得るために、すなわち電源の電圧−電流／電圧−電力垂下の特徴付けを実行するために、電源を負荷から定期的に切断することが可能となり、負荷はＤＣ／ＤＣコンバータ又はＤＣ／ＡＣコンバータとすることができる。通常、ＤＣ／ＤＣトポロジー又はＤＣ／ＡＣトポロジーでは、第３のスイッチが既に含まれている。

さらに、曲線の種々の点で動作するために遙かに長い時間を必要とし、発電効率の低下にもつながる、可変負荷を有する必要がない。

特定の特徴によれば、キャパシタの電圧及び電流を監視する手段は、第２の期間中に連続的な時間サンプルでキャパシタの電圧をサンプリングする。

したがって、電圧導関数の計算から電流変動を推定することが可能となり、追加の電力損失をもたらす高価な電流センサが不要となる。

コスト及び効率が改善される。

電源の電圧−電流／電圧−電力垂下特性の推定は、この第２の期間中に、推定された電流及び測定された電圧のすべての対を関連付けることによって行われる。

特定の特徴によれば、所与のサンプルの周囲の連続的なサンプルにおける測定された電圧は、所与のサンプルにおける処理された電圧を取得するために、連続的なサンプルにおける測定された電圧と数学関数との差の二乗和を最小化することによって得られる、当てはめられた数学関数を用いて処理される。

したがって、測定された電圧サンプルに現れる可能性がある雑音は、多項式関数によって既にフィルタリングされており、その結果、サンプルについての電圧推定が改善される。

特定の特徴によれば、数学関数は、実係数を有する所与の次数の多項式関数である。

特定の特徴によれば、所与のサンプルにおける電流は、キャパシタの静電容量値に、所与のサンプルにおける電圧導関数を乗じることによって求められ、電圧導関数は、所与のサンプルについての当てはめられた数学関数から得られる。

したがって、当てはめられた数学関数を用いることにより、同時に２つの有用な動作を実現する。すなわち、電圧サンプルをフィルタリングし、その電圧導関数を推定することが可能となる。

特定の特徴によれば、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、キャパシタの静電容量値を求めるために、第３の期間中にキャパシタの電圧をサンプリングする手段をさらに備える。

したがって、電源の最大電力点の決定を可能にする情報が得られるときには、実際の静電容量値を常に正確に求めることができ、キャパシタに対する温度の影響及び経年変化の影響により電流推定において現れる可能性がある誤差が回避される。

特定の特徴によれば、求められた静電容量値は、所与のサンプルにおける電流を求めるために用いられる。

したがって、電流センサをシステムに取り付ける必要は、まったく存在しない。

さらに、各サンプルにおける電圧導関数の計算から得られる結果及び対応する静電容量値により、電流推定が非常に正確になる。

特定の特徴によれば、キャパシタと、電圧及び電流を監視する手段と、第３のスイッチとは、降圧／昇圧併合コンバータ（merged buck/boost converter）のコンポーネントである。

したがって、降圧／昇圧コンバータに対して僅かなコンポーネントを追加することにより、電源の電圧−電流／電圧−電力垂下の特徴付けを行うことができ、その結果、低コストの変更により、電源からの電力の使用をはるかに効率的にすることができる。

本発明の特徴は、実施形態例の以下の説明を読むことからより明確になる。当該説明は、添付図面を参照して行われる。

本発明を実施することができるエネルギー変換システムの一例の図である。 電源の出力電圧による電源の出力電流変動を表す曲線の一例の図である。 電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する、本発明によるキャパシタを備えた電気回路の一例の図である。 エネルギー変換装置及び本発明によるキャパシタを備えた電気回路を備えた装置の一例を表す図である。 入力電圧を電圧の極性を反転させることなくステップダウン又はステップアップすることができる降圧／昇圧併合コンバータの一例の図である。 降圧／昇圧併合コンバータにおける本発明によるキャパシタを備えた電気回路の特定の実施態様の一例の図である。 （ａ）は、本発明によって測定されるキャパシタ電圧変動の一例の図であり、（ｂ）は、本発明によって取得される電源電流変動の一例の図である。 本発明の特定の実現モードによる、電源の最大電力点を決定するアルゴリズムの一例の図である。 本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる、（ａ）は第１の窓の一例の図であり、（ｂ）は第２の窓の一例であり、（ｃ）は第３の窓の一例である。 本発明の特定の実現モードによる、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得するために用いられるキャパシタの静電容量値を求めるアルゴリズムの一例の図である。

図１は、本発明を実施することができるエネルギー変換システムの一例である。

エネルギー変換システムは、太陽電池又は太陽電池のアレイ又は燃料電池のような電源ＰＶを含み、電源ＰＶの出力は、負荷Ｌｏに電気エネルギーを供給する変換装置Ｃｏｎｖに接続されている。変換装置Ｃｏｎｖは、ＤＣ−ＤＣステップダウン／ステップアップコンバータ及び／又はインバータとも呼ばれるＤＣ／ＡＣコンバータである。

電源ＰＶは、負荷Ｌｏに電流を供給する。電流は、負荷Ｌｏによって使用される前に変換装置Ｃｏｎｖによって変換される。

図２は、電源の出力電圧による電源の出力電流変動を表す曲線の一例である。

図２の横軸には電圧値が示されている。電圧値は０と開回路電圧Ｖ_OCとの間に含まれる。

図２の縦軸には電流値が示されている。電流値は０と短絡電流Ｉ_SCとの間に含まれる。

任意の所与の光レベル及び太陽電池アレイ温度について、太陽電池アレイが動作可能な無数の電流−電圧の対、すなわち動作点が存在する。しかしながら、所与の光レベル及び太陽電池アレイ温度に対して存在するＭＰＰは、ただ一つである。

図３は、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する、本発明によるキャパシタを備えた電気回路の一例である。

この電気回路は、部分的に又は全体的に変換装置Ｃｏｎｖに含めることもできるし、変換装置Ｃｏｎｖに追加することもできる。

電源ＰＶの正極の端子は、スイッチＳ_UI1の第１の端子、抵抗器Ｒ_UIの第１の端子、スイッチＳ_UI2の第１の端子、及びスイッチＳ_UI3の第１の端子に接続されている。

スイッチＳ_UI1の第２の端子は、キャパシタＣ_UIの正極の端子、及び抵抗器Ｒ_UIの第２の端子に接続されている。

電源ＰＶの負極の端子は、スイッチＳ_UI2の第２の端子、及びキャパシタＣ_UIの負極の端子に接続されている。

Ｖ１はＣ_UIの電圧を表す。この電圧は、例えばアナログ／ディジタル変換器を用いて測定される。

電気回路はスイッチＳ_UI3も備え、その機能は負荷Ｌｏを電源ＰＶに接続するか又は電源ＰＶから切断することである。したがって、スイッチＳ_UI3の第２の端子は、図１に示されるような負荷Ｌｏに接続されるコンバータＣｏｎｖに接続されるか、又は当該コンバータの一部である。

図４は、エネルギー変換装置と本発明によるキャパシタを備えた電気回路とを備える装置の一例を表す。

装置４０は、例えば、バス４０１によって互いに接続されたコンポーネントと、図７及び図９に開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムによって制御されるプロセッサ４００とに基づくアーキテクチャを有している。

ここで、装置４０は、一変形では、後に開示されるようなプロセッサ４００によって実行されるものと同じ動作を実行する、１つ又は幾つかの専用集積回路の形態で実装されることに留意されたい。

バス４０１は、プロセッサ４００を、リードオンリーメモリＲＯＭ４０２と、ランダムアクセスメモリＲＡＭ４０３と、アナログ／ディジタル変換器ＡＤＣ４０６と、エネルギー変換装置と、本発明による電気回路とに接続する。

リードオンリーメモリＲＯＭ４０２は、図７及び図９に開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムの命令を含み、これらの命令は、装置４０に電源が投入されるとランダムアクセスメモリＲＡＭ４０３に転送される、

ＲＡＭメモリ４０３は、変数を受け取るように意図されたレジスタと、図７及び図９に開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムの命令とを含む。

アナログ／デジィタル変換器４０６は、電力段４０５を形成するエネルギー変換装置及び本発明による電気回路に接続され、必要であれば電圧及び電流を２値情報に変換する。

図５ａは、電圧極性を反転させることなく入力電圧をステップダウン又はステップアップすることができる降圧／昇圧併合コンバータの一例である。

降圧／昇圧併合コンバータは、スイッチの状態に従って、従来の降圧−昇圧コンバータで行われるように出力電圧の極性を反転させることなく、降圧モード（ステップダウンモード）又は昇圧モード（ステップアップモード）で動作することができる。

降圧／昇圧併合コンバータは、電源ＰＶに接続される入力フィルタキャパシタＣ_UIを備えている。電圧測定手段は、キャパシタＣ_UIにおける電圧を測定する。キャパシタＣ_UIの正極の端子は、スイッチＳ₅の第１の端子に接続されている。スイッチＳ₅は、例えばＩＧＢＴトランジスタである。その場合、キャパシタＣ_UIの正極の端子は、ＩＧＢＴトランジスタＳ₅のコレクタに接続される。

スイッチＳ₅の第２の端子は、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続されている。

スイッチＳ₅がＩＧＢＴトランジスタである場合、ＩＧＢＴトランジスタＳ₅のエミッタが、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続される。

ダイオードＤ５のアノードは、キャパシタＣ_UIの負極の端子に接続されている。

インダクタＬ１の第２の端子は、電流測定手段の第１の端子に接続されている。

電流測定手段Ａの第２の端子は、ダイオードＤ_Oのアノード、及びスイッチＳ₆の第１の端子に接続されている。スイッチＳ₆の第２の端子は、キャパシタＣ_UIの負極の端子に接続されている。

例えば、スイッチＳ６はＮＭＯＳＦＥＴである。その場合、電流測定手段Ａの第２の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ₆のドレインに接続される。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ₆のソースは、キャパシタＣ_UIの負極の端子に接続される。

ダイオードＤ_Oのカソードは、キャパシタＣ_Oの正極の端子に接続され、キャパシタＣ_Oの負極の端子は、キャパシタＣ_UIの負極の端子に接続されている。

降圧／昇圧併合コンバータが降圧モードで動作するとき、スイッチＳ₆は常にＯＦＦ状態であり、ダイオードＤ_Oは常に導通している。

スイッチＳ₅は、ＰＷＭ導通期間中はＯＮであり、非導通期間中はＯＦＦである。

降圧／昇圧併合コンバータが昇圧モードで動作するとき、スイッチＳ₅は常にＯＮ状態であり、ダイオードＤ₅は決して導通しない。

スイッチＳ₆は、ＰＷＭ導通期間中はＯＮであり、非導通期間中はＯＦＦである。

スイッチＳ₅は、降圧モードと昇圧モードの切換えに寄与する。

図５ｂは、降圧／昇圧併合コンバータに本発明によるコンデンサを含めた電気回路の特定の実施態様の一例である。

特定の実現モードでは、降圧／昇圧併合コンバータに使用されるコンポーネントは、本発明による電気回路を実装するためにも使用される。

図５ａのスイッチＳ₅は、最大電力点の決定を可能にする情報が得られるとき、図３のスイッチＳ_UI3と等価である。図５ａのキャパシタＣ_UIもまた、電源の特性付けが行われるとき、図３のキャパシタＣ_UIと等価である。電圧Ｖ１は、図５ａ及び図３のキャパシタＣ_UIの電圧と同じ電圧である。

図５ｂは、図５ａよりも３つ多いコンポーネント、すなわち図３で既に開示したスイッチＳ_UI1、抵抗器Ｒ_UI、及びスイッチＳ_UI2を備えている。

特定の実施態様では、電源ＰＶの正極の端子は、スイッチＳ_UI1の第１の端子、抵抗器Ｒ_UI、スイッチＳ_UI2の第１の端子、及びスイッチＳ₅の第１の端子に接続されている。

スイッチＳ_UI1の第２の端子は、キャパシタＣ_UIの正極の端子、及び抵抗器Ｒ_UIの第２の端子に接続されている。

スイッチＳ_UI2の第２の端子は、キャパシタＣ_UIの負極の端子、及び電源ＰＶの負極の端子に接続されている。

電圧測定手段は、キャパシタＣ_UIの電圧Ｖ１を測定する。

スイッチＳ₅は、例えばＩＧＢＴトランジスタであり、スイッチＳ_UI1及びＳ_UI2は、例えばＮＭＯＳＦＥＴである。その場合、電源ＰＶの正極の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ_UI1のソース、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ_UI2のドレイン、及びＩＧＢＴ Ｓ₅のコレクタに接続される。

スイッチＳ_UI1のドレインは、キャパシタＣ_UI1の正極の端子、及び抵抗器Ｒ_UIの第２の端子に接続される。

スイッチＳ_UI2のソースは、キャパシタＣ_UIの負極の端子、及び電源ＰＶの負極の端子に接続される。

スイッチＳ₅の第２の端子は、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続されている。

スイッチＳ₅がＩＧＢＴトランジスタである場合、ＩＧＢＴトランジスタＳ₅のエミッタは、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続される。

ダイオードＤ５のアノードは、キャパシタＣ_UIの負極の端子に接続されている。

インダクタＬ１の第２の端子は、電流測定手段の第１の端子に接続されている。

電流測定手段Ａの第２の端子は、ダイオードＤ_Oのアノード、及びスイッチＳ₆の第１の端子に接続されている。スイッチＳ₆の第２の端子は、キャパシタＣ_UIの負極の端子に接続されている。

例えば、スイッチＳ₆はＮＭＯＳＦＥＴである。その場合、電流測定手段Ａの第２の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ₆のドレインに接続される。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ₆のソースは、キャパシタＣ_UIの負極の端子に接続される。

ダイオードＤ_Oのカソードは、キャパシタＣ_Oの正極の端子に接続され、キャパシタＣ_Oの負極の端子は、キャパシタＣ_UIの負極の端子に接続されている。

その特定の実施態様では、スイッチＳ５は、図５ａを参照して開示したように、かつ図３のスイッチＳ_UI3のように作用する。

図６（ａ）は、本発明によって測定されるキャパシタの電圧変動の一例である。

図６（ａ）の横軸には時間が表され、図６（ａ）の縦軸には電圧が表されている。

電圧Ｖ１はＣ_UIの電圧を表している。

最初、キャパシタＣ_UIは、事前に決定されたＭＰＰに対応する電圧Ｖ_MPPまで充電されている。これは、図６（ａ）及び図６（ｂ）においてＰＨ１と示されている期間に対応する。

図６（ｂ）は、本発明によって得られる電源電流変動の一例である。

図６（ｂ）の横軸に時間が表されており、図６（ｂ）の縦軸には電流が表されている。

電流は、電源ＰＶの出力電流を表す。第１の期間ＰＨ１中において、電源ＰＶの出力電流Ｉ_MPPは事前に決定されたＭＰＰに対応する。

第１の期間ＰＨ１中、降圧／昇圧併合コンバータがステップアップ（昇圧）構成で動作している場合、スイッチＳ_UI1及びＳ_UI3はＯＮ状態、すなわち導通状態であり、スイッチＳ_UI2はＯＦＦ状態、すなわち非導通状態である。

ここで、第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、キャパシタＣ_UI1を充電するために使用されるスイッチＳ_UI1を流れないことに留意されたい。

ここで、第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、キャパシタＣ_UI1の放電を可能にするスイッチＳ_UI2を流れず、スイッチＳ_UI2は第１の期間ＰＨ１中はＯＦＦ状態であることに留意されたい。

第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、負荷Ｌ_Oに向けられる。第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、負荷Ｌ_Oによって使用される前に変換装置Ｃｏｎｖによって変換される。

図６においてＰＨ２で示される第２の期間中、キャパシタＣ_UIは充電される。

第２の期間ＰＨ２中、スイッチＳ_UI1はＯＮ状態であり、スイッチＳ_UI2及びＳ_UI3はＯＦＦ状態である。キャパシタＣ_UIは、短絡電流値Ｉ_SCから０まで変化する電流によって充電される。

キャパシタＣ_UIの電圧Ｖ１は、ＭＰＰを決定するために監視される。

図７に開示される特定の実現モードによれば、電圧Ｖ１は、電源ＰＶによって出力される出力電流を求めるために監視される。

別の実現モードでは、電源ＰＶによって出力される出力電流を求めるために、電気回路に従来の電流測定装置が設けられる。

キャパシタＣ_UIは、０からＶ_OCまで充電される。

電流センサ及び電圧センサがともに利用可能である場合、Ｖ１電圧は電流と組み合わせてサンプリングされ、或いは電流信号は電圧Ｖ１から求められる。

図６においてＰＨ３で示される第３の期間中、キャパシタＣ_UIは放電される。

第３の期間ＰＨ３中、スイッチＳ_UI1及びＳ_U13はＯＦＦ状態であり、スイッチＳ_UI2はＯＮ状態である。キャパシタＣ_UIは、抵抗器Ｒ_UIを通じて放電される。スイッチＳ₆のＰＷＭ動作は、期間ＰＨ３の開始時に停止され、スイッチＳ₆は連続してＯＮ状態となる。インダクタＬ１は、ダイオードＤ５及びスイッチＳ₆を通じて放電される。この構成は、第２の期間ＰＨ２中も維持される。

図９に開示される特定の実現モードによれば、キャパシタ電圧Ｖ１は、第３の期間中にキャパシタ値Ｃ_UIを求めるために監視される。

キャパシタＣ_UIは０まで放電され、電源ＰＶの出力電流は、スイッチＳ_UI2がＯＮ状態になると短絡電流値Ｉ_SCに達する。

その結果、電源ＰＶによって出力される電圧は、Ｉ_SC電流に対応して、期間ＰＨ３の間中ずっと０に維持される。

図６においてＰＨ４で示される第４の期間中、スイッチＳ_UI1及びＳ_UI3はＯＮ状態である（後者がＯＮ状態であるのは、降圧／昇圧併合コンバータが昇圧モードで動作しているためである）、すなわち、それらのスイッチは導通しており、スイッチＳ_UI2はＯＦＦ状態、すなわち導通していない。

第４の期間ＰＨ４中、電源ＰＶの出力電流及び電圧Ｖ１は、新たに決定されたＭＰＰに対応する。

本発明によって測定されるキャパシタ電圧変動は、期間ＰＨ１、ＰＨ２、及びＰＨ４中における、電源ＰＶの出力電圧の電圧変動と同じである。

図７は、本発明の特定の実現モードによる電源の最大電力点を決定するアルゴリズムの一例である。

より正確には、本アルゴリズムはプロセッサ４００によって実行される。本発明の特定の実現モードによって電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得するアルゴリズムは、キャパシタＣ_UIを流れる電流を求めるために電圧Ｖ１を用いる。

一般的見地から、本アルゴリズムにより、所与のサンプルにおける電流は、キャパシタＣ_UIの静電容量値に所与のサンプルにおける電圧導関数を乗じることによって求められ、電圧導関数は、当てはめられた数学関数、例えば実係数を有する多項式関数によって得られる。

当てはめられる数学関数は、所与の時間サンプルにおける処理された電圧を取得するために、連続的な時間サンプルｘ_i（ｉ＝１〜Ｎ）において測定された電圧ｙ_iと数学関数ｆ（ｘ_i）との差の二乗和を最小化することによって得られる。これは、以下のように行われる。

Ｎ個のサンプル（ｘ₁，ｙ₁），（ｘ₂，ｙ₂）．．．（ｘ_N，ｙ_N）が与えられると、必要な当てはめられる数学関数を、例えば以下の形に書くことができる。

ただし、ｆ_j（ｘ）（ｊ＝１，２．．．Ｋ）はｘの数学関数であり、Ｃ_j（ｊ＝１，２．．．Ｋ）は当初は未知の定数である。

ｆ（ｘ）とｙの実際の値との差の二乗和は、以下によって与えられる。

この誤差項は、定数Ｃ_j（ｊ＝１，２，．．．Ｋ）の各々に関してＥの１階偏導関数を取り、その結果をゼロにすることによって最小化される。したがって、対称なＫ元連立方程式が、Ｃ₁、Ｃ₂、…、Ｃ_Kに対して得られて解かれる。この手順は、最小平均二乗（ＬＭＳ）アルゴリズムとしても知られている。

最大電力点の決定を可能にする情報は、電流−電圧垂下特性から直接得られる電源ＰＶの電力−電圧垂下特性である。

Ｖ１の電圧サンプルを用いて、図８（ａ）〜図８（ｃ）に関して開示されるように各サンプルに対して移動する所定の窓において、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線が取得される。したがって、電圧はフィルタリングされ、その導関数を、窓の中心点すべてに対して非常に簡単かつ直接的な方法で同時に計算することができる。それにより、いかなる追加の電流センサも必要とすることなく電流が求められる。

ステップＳ７００において、プロセッサ４００は、電圧Ｖ１のサンプリングを指示する。サンプリングは、図６の期間ＰＨ２中に実行される。

次のステップＳ７０１において、プロセッサ４００は、期間ＰＨ３中にステップＳ７００において取得されたサンプルを取得する。各サンプルは２次元ベクトルであり、その係数は、電圧値と電圧を測定した時刻である。

次のステップＳ７０２において、プロセッサ４００は、移動窓のサイズを決める。移動窓のサイズは、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるのに用いられるサンプルの数Ｎｐｔを示す。移動窓のサイズは奇数である。例えば、移動窓のサイズは７１に等しい。

図８（ａ）は、本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる第１の窓の一例である。

図８（ａ）において、横軸は時間を表し、縦軸は測定された電圧Ｖ１を表す。

各×印はサンプルを表す。

窓Ｗ１は移動窓であり、関数ｆ１は、本アルゴリズムによって求められる数学関数である。

次のステップＳ７０３において、プロセッサ４００は、移動窓の中心点Ｎｃを求める。

次のステップＳ７０４において、プロセッサ４００は、変数ｉを値Ｎｐｔに設定する。

次のステップＳ７０５において、プロセッサ４００は、変数ｊをｉ−Ｎｃ＋１に設定する。

次のステップＳ７０６において、プロセッサ４００は、変数ｋを１に設定する。

次のステップＳ７０７において、プロセッサ４００は、ｘ（ｋ）の値をサンプルｊの時刻係数に設定する。

次のステップＳ７０８において、プロセッサ４００は、ｙ（ｋ）の値をサンプルｊの電圧係数に設定する。

次のステップＳ７０９において、プロセッサ４００は、変数ｋを１インクリメントする。

次のステップＳ７１０において、プロセッサ４００は、変数ｊを１インクリメントする。

次のステップＳ７１１において、プロセッサ４００は、変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。

変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ７０７に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ７１２に移る。

ステップＳ７１２において、プロセッサ４００は、最小平均二乗アルゴリズムと、Ｓ７１１の条件に達するまでステップＳ７０７及びＳ７０８においてサンプリングされたすべてのｘ（ｋ）値及びｙ（ｋ）値とを用いて、当てはめられる数学関数、例えば多項式関数ｙ（ｘ）＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃを求める。

数学関数、例えば二次多項式関数は、図８（ａ）に示される関数ｆ１である。

そして、プロセッサ４００は、二次多項式関数のａ、ｂ、及びｃの実係数

を得る。

次のステップＳ７１３において、プロセッサ４００は、以下の式に従ってフィルタリングされた電圧値及び電流を見積もる。

次のステップＳ７１４において、プロセッサ４００は、変数ｉを１単位インクリメントする。

次のステップＳ７１５において、プロセッサ４００は、ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。ただし、ＮはステップＳ７０１において取得された電圧サンプルの総数である。

ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ７０５に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ７１６に移る。

ステップＳ７０５に移ることにより、プロセッサ４００は、図８（ｂ）に関して開示されるように移動窓を１サンプル変位させる。

図８（ｂ）は、本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる第２の窓の一例である。

図８（ｂ）において、横軸は時間を表し、縦軸は測定された電圧Ｖ１を表す。

各×印はサンプルを表す。

窓Ｗ２は、窓Ｗ１を１サンプル移動させたものであり、関数ｆ２は、Ｗ２において入手可能なサンプルからステップＳ７１２において本アルゴリズムによって求められた数学関数である。

プロセッサ４００は、ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さい限り、ステップＳ７０５〜Ｓ７１５によって構成されるループを実行する。

各ループにおいて、窓は１サンプル移動する。

図８（ｃ）は、本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる第３の窓の一例である。

図８（ｃ）において、横軸は時間を表し、縦軸は測定された電圧Ｖ１を表す。

各×印はサンプルを表す。

窓Ｗ３は、窓Ｗ３を１サンプル移動させたものであり、関数ｆ３は、Ｗ３において入手可能なサンプルからステップＳ７１２において本アルゴリズムによって求められた数学関数である。

ステップＳ７１６において、プロセッサ４００は、これまでのステップで求められた電圧値及び電流値のすべてを取得し、図２に示されるような曲線を形成する。

次のステップＳ７１７において、プロセッサ４００は、ステップＳ７１６において取得された電圧値及び電流値から、電圧値及び電流値より得られる最大電力を選択することによってＭＰＰを決定する。

そして、新たなＭＰＰを、電源ＰＶの効率的な使用のために用いることができる。

図９は、本発明の特定の実現モードによってキャパシタの静電容量値を求めるアルゴリズムの一例である。

Ｃ_UIのような降圧／昇圧コンバータにおける入力フィルタとしては、通常、電解キャパシタが選択される。

電解キャパシタが最初に動作可能となる時の初期値を考慮すると、静電容量値は電解キャパシタの寿命の間に低下することがよく知られている。さらに、静電容量値は温度に依存する。

ステップＳ７１３において求められる電流値はＣ_UIの静電容量値に依存するため、計算される電流の精度は、静電容量値の精度に大きく依存する。

そのため、例えば、図７に開示されるアルゴリズムが実行される度に、静電容量値を正確に推定することが望ましい。

図６の期間ＰＨ３中に、電圧Ｖ１が監視される。Ｃ_UIはＲ_UIを通じて放電されるため、以下のようになる。

ただし、Ｖ１（ｔ）は時刻ｔに測定される電圧Ｖ１である。

したがって、図６（ａ）の例によれば、Ｖ１（ｔ＝０）＝Ｖ_MPPであり、ｔ＝０はＰＨ３の開始である。ｔ＝τ＝Ｒ_UIＣ_UIであるとき、以下の式が成り立つ。

Ｖ１（ｔ）は期間ＰＨ３中に連続的にサンプリングされるため、Ｖ１（ｔ）が上述した値に達すると、プロセッサ４００によって一定時間τ＝Ｒ_UIＣ_UIを推定することができる。

図９のアルゴリズムに示されるように、雑音によってもたらされる誤差を低減するために、測定値に何らかのフィルタリングを行うことが望まれる。最後に、τ及びＲ_UIからＣ_UI値が推定される。

好ましくは、抵抗器Ｒ_UIは高精度電力抵抗器である。例えば、抵抗器Ｒ_UIの許容差は±０．０５％〜±１％である。

ステップＳ９００において、プロセッサ４００は、電圧Ｖ１のサンプリングを指示する。サンプリングは、図６の期間ＰＨ３中に実行される。

次のステップＳ９０１において、プロセッサ４００は、期間ＰＨ２中にステップＳ９００において取得されたサンプルを取得する。各サンプルは２次元ベクトルであり、その係数は電圧値と電圧が測定された時刻である。

次のステップＳ９０２において、プロセッサ４００は、移動窓のサイズを決める。移動窓のサイズは、適切な多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるのに用いられるサンプルの数Ｎｐｔを示す。移動窓のサイズは奇数である。例えば、移動窓のサイズは２１に等しい。

次のステップＳ９０３において、プロセッサ４００は、移動窓の中心点Ｎｃを求める。

次のステップＳ９０４において、プロセッサ４００は、変数ｉを値Ｎｐｔに設定する。

次のステップＳ９０５において、プロセッサ４００は、変数ｊをｉ−Ｎｃ＋１に設定する。

次のステップＳ９０６において、プロセッサ４００は、変数ｋを１に設定する。

次のステップＳ９０７において、プロセッサ４００は、ｘ（ｋ）の値をサンプルｊの時刻係数に設定する。

次のステップＳ９０８において、プロセッサ４００は、ｙ（ｋ）の値をサンプルｊの電圧係数に設定する。

次のステップＳ９０９において、プロセッサ４００は、変数ｋを１インクリメントする。

次のステップＳ９１０において、プロセッサ４００は、変数ｊを１インクリメントする。

次のステップＳ９１１において、プロセッサ４００は、変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。

変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ７０７に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ９１２に移る。

ステップＳ９１２において、プロセッサ４００は、処理中の値ｉについてステップＳ９０８が実行される度に累積されるｙ（ｋ）値の平均を求める。

次のステップＳ９１３において、プロセッサ４００は、変数ｉを１単位インクリメントする。

次のステップＳ９１４において、プロセッサ４００は、ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。ただし、ＮはステップＳ９０１において取得されたサンプルの総数である。

ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ９０５に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ９１５に移る。

ステップＳ９０５に移ることにより、プロセッサ４００は、移動窓を１サンプル変位させる。

各ループにおいて、窓は１サンプル移動する。

ステップＳ９１５において、プロセッサ４００は、ステップＳ９１２が実行される度に求められた電圧値を取得する。

次のステップＳ９１６において、プロセッサ４００は、ステップＳ９１５において求められたフィルタリングされた出力電圧と以下の式を用いて、キャパシタＣ_UI値を求める。

τは、ｔ＝０におけるＶ_MPPからｔ＝τ＝Ｒ_UIＣ_UIにおける０．３６７８７９Ｖ_MPPまでのサンプリング期間を累積することによって求められる。

τ及びＲ_UIが既知となると、Ｃ_UIを求めることができる。

当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。

Claims (13)

1. 第１の期間に負荷に向けて輸送される電力を形成する直流電流及び直流電圧を供給する電源の最大電力点の決定を可能にする情報を求める装置であって、少なくとも、
   キャパシタと、
   第２の期間中に前記電源から供給されるエネルギーによって前記キャパシタを充電する手段と、
   第３の期間に前記キャパシタを放電する手段と、
   前記電源が前記負荷に電流を供給しない時に前記キャパシタの電圧及び電流を監視する手段と、
   前記キャパシタを充電する手段をオフにする手段と
   を備え、
   前記第１の期間中に、前記直流電流は前記キャパシタを充電する手段を流れないことを特徴とする装置。
2. 前記キャパシタを放電する手段は、抵抗器及び第１のスイッチから構成され、
   前記抵抗器の第１の端子は、前記電源の第１の端子及び前記第１のスイッチの第１の端子に接続され、
   前記抵抗器の第２の端子は、前記キャパシタの第１の端子に接続され、
   前記キャパシタの第２の端子は、前記電源の第２の端子及び前記第１のスイッチの第２の端子に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の期間中に前記キャパシタを充電する手段は、第２のスイッチを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記第２のスイッチは、前記抵抗器と並列に接続されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、前記第２の期間及び前記第３の期間中に前記負荷を前記電源から切断する第３のスイッチをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記キャパシタの電圧及び電流を監視する手段は、前記第２の期間中に連続的な時間サンプルで前記キャパシタの電圧をサンプリングすることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記キャパシタの電圧及び電流を監視する手段は、前記第２の期間中に連続的な時間サンプルで前記キャパシタの電流をサンプリングすることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 所与のサンプルの周囲の連続的なサンプルにおける前記測定された電圧は、前記所与のサンプルにおける処理された電圧を取得するために、連続的なサンプルにおける前記測定された電圧と数学関数との差の二乗和を最小化することによって得られる、当てはめられた数学関数を用いて処理されることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
9. 前記数学関数は、実係数を有する所与の次数の多項式関数であることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記所与のサンプルにおける電流は、前記キャパシタの静電容量値に、前記所与のサンプルにおける前記当てはめられた数学関数の導関数を乗じることにより求められることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 前記電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、前記キャパシタの静電容量値を求めるために、前記第３の期間中に前記キャパシタの電圧をサンプリングする手段をさらに備えることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の装置。
12. 前記求められた静電容量値は、前記所与のサンプルにおける電流を求めるために用いられることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記キャパシタと、前記電圧及び電流を監視する手段と、前記第３のスイッチとは、降圧／昇圧併合コンバータのコンポーネントであることを特徴とする、請求項５に記載の装置。

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