JP6224534B2

JP6224534B2 - 太陽電池制御装置

Info

Publication number: JP6224534B2
Application number: JP2014144265A
Authority: JP
Inventors: 英治尾形
Original assignee: 大井電気株式会社
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2034-07-14
Also published as: JP2016021808A

Description

本発明は、太陽電池制御装置に関し、特に、太陽電池から出力される電力を制御する装置に関する。

オフィス、工場、一般家庭等の電力需要者に電力を供給する設備として火力発電所、原子力発電所等の発電所がある。しかし、これらの設備を運用するに際しては様々な問題がある。例えば、火力発電所については、将来における石油の枯渇、二酸化炭素排出量の増加等の問題がある。また、原子力発電所については、安全性管理の強化等の問題がある。

このような背景の下、太陽電池に関する研究開発が広く行われている。例えば、太陽電池を電力需要者ごとに設けることで、各発電所で発電すべき電力を低減するという提案がなされている。

太陽電池については、出力電力の増大、高効率化等が課題となっている。一般に、太陽電池から最大の電力が得られるときの出力電圧、出力電流、負荷インピーダンス等の負荷状態は、太陽電池に照射される光の照度、温度等の環境条件の変化に応じて変化する。そこで、特許文献１および２に示されているように、太陽電池に対する負荷状態を制御する装置が考えられている。特許文献１に記載の装置では、太陽電池の出力電力が増大するように、太陽電池の動作電圧（出力電圧）が段階的に調整される。動作電圧が、増加方向または減少方向のいずれか一方の方向のみに、予め定められた回数だけ変化した場合に、動作電圧の変化幅が大きくなるように制御され、動作電圧が、増加方向と減少方向とを繰り返すように変化した場合に、動作電圧の変化幅が小さくなるように制御される。特許文献２に記載の装置では、太陽電池の出力電圧が、その出力電力を最大にする最大動作電圧に調整される。太陽電池の出力電圧が最大動作電圧から離れている程、太陽電池の出力電圧を調整する周期が短くされる。

特許文献３には、商用電源を用いた交流電源と、太陽電池とを組み合わせた無停電電源装置が記載されている。この装置は、太陽電池の出力電力を制御する最大電力追従制御部を備えている。最大電力追従制御部は、太陽電池の電力が消費される場合には、太陽電池から出力される電力が最大となるような電力制御を行い、太陽電池からの電力を負荷回路に出力する。最大電力追従制御部および交流電源は、それぞれに接続されたダイオードを介して接続されており、最大電力追従制御部および交流電源から出力される各電圧のうち、大きい方の電圧が負荷回路に印加される。

特開平８−４４４４５号公報特開２０１２−１１３６３９号公報特開平９−４６９２４号公報

太陽電池と、その太陽電池とは別の電力供給源とを組み合わせた電源装置では、それぞれの動作条件を考慮する必要があるため、最大の電力が得られるように出力電力を制御することが困難となる場合がある。例えば、特許文献３に記載されている無停電電源装置では、最大電力追従制御部が出力する電圧および交流電源から出力される電圧のうち、大きい方の電圧が負荷回路に印加される。一般に、電力供給源を有する電気回路では、出力電圧が最大となる動作条件において、必ずしも出力電力が最大となるとは限らない。そのため、特許文献３に記載されている無停電電源装置では、太陽電池がより大きい電力を負荷回路に出力することができるにも関わらず、太陽電池からの出力がダイオードによって遮断され、太陽電池の性能を十分に発揮できない場合がある。

本発明は、太陽電池、および、その太陽電池とは別に設けられた電力供給源のうち少なくとも一方から出力される電力を適切に制御することを目的とする。

本発明は、電源ユニットと負荷ユニットとの間に設けられ、前記電源ユニットから出力される電圧をスイッチングにより調整して前記負荷ユニット側に出力する負荷調整部と、前記負荷ユニットに備えられ、前記負荷調整部から出力される電力に基づいて充電されるバッテリと、を備え、前記電源ユニットは、太陽電池と、前記太陽電池とは別に設けられた電力供給源と、前記太陽電池および前記電力供給源のうち少なくとも一方の電力を、前記太陽電池および前記電力供給源が出力する各電圧に応じて前記負荷調整部に出力する選択回路と、を備え、前記負荷調整部は、前記バッテリに印加される充電電圧が基準値以下であるときに、スイッチング状態を調整して、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電圧を変化させて、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電力が極大となる目標条件を満たすときの目標スイッチング状態を探索する処理と、前記バッテリに印加される充電電圧が基準値以下であるときに、前記スイッチング状態を前記目標スイッチング状態に設定する処理と、前記充電電圧が基準値を超えたときに、前記目標スイッチング状態におけるよりも小さい値の前記出力電力が前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力されるように前記スイッチング状態を設定する処理と、を実行する制御部を備え、前記制御部は、複数の前記目標スイッチング状態が探索されたときは、その複数の目標スイッチング状態のうち、前記出力電圧が最大となる状態に前記スイッチング状態を設定することを特徴とする。また、本発明は、電源ユニットと負荷ユニットとの間に設けられ、前記電源ユニットから出力される電圧をスイッチングにより調整して前記負荷ユニット側に出力する負荷調整部と、前記負荷ユニットに備えられ、前記負荷調整部から出力される電力に基づいて充電されるバッテリと、を備え、前記電源ユニットは、太陽電池と、前記太陽電池とは別に設けられた電力供給源と、前記太陽電池および前記電力供給源のうち少なくとも一方の電力を、前記太陽電池および前記電力供給源が出力する各電圧に応じて前記負荷調整部に出力する選択回路と、を備え、前記負荷調整部は、前記バッテリに印加される充電電圧が基準値以下であるときに、スイッチング状態を調整して、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電圧を変化させて、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電力が極大となる目標条件を満たすときの目標スイッチング状態を探索する処理と、前記バッテリに印加される充電電圧が基準値以下であるときに、前記スイッチング状態を前記目標スイッチング状態に設定する処理と、前記充電電圧が基準値を超えたときに、前記目標スイッチング状態におけるよりも小さい値の前記出力電力が前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力されるように前記スイッチング状態を設定する処理と、を実行する制御部を備え、前記電力供給源は、商用電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する交流／直流コンバータを含むことを特徴とする。

本発明は、電源ユニットと負荷ユニットとの間に設けられ、前記電源ユニットから出力される電圧をスイッチングにより調整して前記負荷ユニット側に出力する負荷調整部を備え、前記電源ユニットは、太陽電池と、前記太陽電池とは別に設けられた電力供給源と、前記太陽電池および前記電力供給源のうち少なくとも一方の電力を、前記太陽電池および前記電力供給源が出力する各電圧に応じて前記負荷調整部に出力する選択回路と、を備え、前記負荷調整部は、スイッチング状態を調整して、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電圧を変化させながら、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電力を検出することで、前記出力電圧と前記出力電力とを対応付けた電圧電力特性を求める処理と、前記電圧電力特性に基づいて前記スイッチング状態を設定する処理であって、前記太陽電池からの電力が前記負荷調整部に出力される前記出力電圧の範囲と、前記電力供給源からの電力が前記負荷調整部に出力される前記出力電圧の範囲について、前記電圧電力特性に対して異なる重み付け係数が乗じられた重み付け電圧電力特性に基づいて、前記スイッチング状態を設定する処理と、を実行する制御部を備え、前記制御部は、前記重み付け電圧電力特性によって示される重み付け電力が極大となる目標スイッチング状態に、前記スイッチング状態を設定する処理を実行することを特徴とする。

望ましくは、前記電力供給源は、商用電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する交流／直流コンバータを含む。

望ましくは、前記選択回路は、前記太陽電池が出力する電圧および前記電力供給源が出力する電圧のうち、大きい方の電圧を前記負荷調整部に出力する回路である。

望ましくは、前記負荷調整部は、スイッチング素子を含む負荷調整用コンバータを備え、前記制御部は、前記スイッチング素子に対するデューティ比を設定する。

本発明によれば、太陽電池、および、その太陽電池とは別に設けられた電力供給源のうち少なくとも一方から出力される電力を適切に制御することができる。

本発明の実施形態に係る電源システムを示す図である。降圧コンバータを示す図である。太陽電池の電圧電流特性を示す図である。太陽電池の電圧電力特性を示す図である。照射される光の照度が異なる３つの場合について電圧電力特性を示す図である。電源ユニットの電圧電力特性を示す図である。電源ユニットの検出電力特性を示す図である。電源ユニットの重み付け検出電力特性を示す図である。本発明の応用例に係る電源システムを示す図である。電源ユニットの検出電力特性を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る電源システム１が示されている。電源システム１は、電源ユニット１０、負荷調整部３０、および負荷接続ユニット４８を備える。負荷調整部３０は、電源ユニット１０と負荷接続ユニット４８との間に設けられている。電源ユニット１０は、太陽電池１２および商用電源プラグ１４を備えており、太陽電池１２および商用電源の両方、太陽電池１２のみ、または商用電源のみから負荷調整部３０に電力を供給する。負荷調整部３０は、電源ユニット１０から出力される電圧をスイッチングにより調整して負荷接続ユニット４８に出力する。負荷接続ユニット４８には、電力供給先の装置として負荷ユニット５４が接続されている。負荷ユニット５４は、例えば、オフィス、工場、一般家庭等に設けられた電気機器である。負荷接続ユニット４８は、負荷調整部３０から出力された電力を調整して負荷ユニット５４に出力する。負荷調整部３０および負荷接続ユニット４８は、電源ユニット１０から負荷ユニット５４に供給される電力を制御し、太陽電池制御装置を構成する。

太陽電池１２の発電電力は、太陽電池１２に照射される光の照度、温度等の環境条件の変化に応じて変化する。そのため、環境条件によっては太陽電池１２からは十分な電力が出力されない場合がある。そこで、電源ユニット１０は、太陽電池１２から得られた電力と共に商用電源から得られた電力を太陽電池１２の動作状態に応じて出力する。

また、太陽電池１２から最大の電力が得られるときの太陽電池１２に対する負荷インピーダンスは、太陽電池１２の環境条件の変化に応じて変化する。そのため、電源ユニット１０から最大の電力が得られるときの電源ユニット１０に対する負荷インピーダンスもまた、太陽電池１２の環境条件に応じて変化する。そこで、電源システム１は、負荷調整部３０によって、電源ユニット１０に対する負荷インピーダンスを制御し、電源ユニット１０から出力される電力を適切に制御する。

電源システム１の具体的な構成および動作について説明する。電源ユニット１０は、太陽電池１２、電池側ダイオード１３、商用電源プラグ１４、交流／直流コンバータ１８、およびコンバータ側ダイオード２０を備える。負荷調整部３０は、負荷調整用コンバータ３２および制御部４２を備える。負荷接続ユニット４８は、バッテリ５２および電圧コンバータ５０を備える。

太陽電池１２の正極端子には、電池側ダイオード１３のアノード端子が接続されている。電池側ダイオード１３のカソード端子は電源ユニットプラス端子２２に接続され、電源ユニットプラス端子２２は、電流計２６を介して負荷調整用コンバータ３２のプラス入力端子３４に接続されている。太陽電池１２の負極端子は、電源ユニットマイナス端子２４に接続され、電源ユニットマイナス端子２４は負荷調整用コンバータ３２のマイナス入力端子３６に接続されている。負荷調整用コンバータ３２のプラス入力端子３４およびマイナス入力端子３６との間には、電圧計２８が接続されている。なお、電圧計２８は、電源ユニットプラス端子２２および電源ユニットマイナス端子２４の間に接続されてもよい。

商用電源プラグ１４は、商用電源アウトレット（コンセント）に差し込まれている。交流／直流コンバータ１８の正極端子には、コンバータ側ダイオード２０のアノード端子が接続され、コンバータ側ダイオード２０のカソード端子は、電源ユニットプラス端子２２に接続されている。交流／直流コンバータ１８の負極端子は、電源ユニットマイナス端子２４に接続されている。

負荷調整用コンバータ３２のプラス出力端子３８には、負荷側ダイオード４６のアノード端子が接続されている。負荷側ダイオード４６のカソード端子は、電圧コンバータ５０のプラス入力端子５６に接続されている。負荷調整用コンバータ３２のマイナス出力端子４０は、電圧コンバータ５０のマイナス入力端子５８に接続されている。電圧コンバータ５０のプラス入力端子５６とマイナス入力端子５８との間には、それぞれ、バッテリ５２の正極端子および負極端子が接続されている。電圧コンバータ５０のプラス負荷端子６０およびマイナス負荷端子６２との間には、負荷ユニット５４が接続されている。

次に、電源システム１の動作の概略について説明する。電源ユニット１０は、負荷調整用コンバータ３２のプラス入力端子３４とマイナス入力端子３６との間に電圧を出力する。制御部４２は、電圧計２８から出力された電圧検出値Ｖｄ、および電流計２６から出力された電流検出値Ｉｄに基づいて負荷調整用コンバータ３２を制御する。負荷調整用コンバータ３２は、制御部４２の制御に応じてスイッチングを行い、プラス入力端子３４とマイナス入力端子３６との間に印加された電圧を昇圧または降圧し、昇圧後または降圧後の電圧をプラス出力端子３８およびマイナス出力端子４０に出力する。

また、負荷調整用コンバータ３２は、昇圧または降圧の他、負荷インピーダンスを変換する機能を有する。負荷調整用コンバータ３２の動作によって、電源ユニット１０に対する負荷インピーダンスが制御される。なお、電源ユニット１０から流出する電流はリプル成分を含むものであるため、負荷インピーダンスは、例えば、電源ユニット１０の出力電圧の実効値の２乗を電源ユニット１０の出力電力で割ったものとして定義される。

負荷接続ユニット４８におけるバッテリ５２は、電源ユニット１０から十分な電力が出力されていない場合に負荷ユニット５４に電力を供給するためのバックアップ電源装置として機能する。プラス出力端子３８およびマイナス出力端子４０から出力された変換後電圧がバッテリ５２の端子間電圧よりも大きい場合には、負荷側ダイオード４６が順方向バイアス状態となり、変換後電圧がバッテリ５２および電圧コンバータ５０に出力される。バッテリ５２は、変換後電圧によって充電され、電圧コンバータ５０には、変換後電圧に基づく電力が供給される。変換後電圧が、バッテリ５２の端子間電圧以下である場合には、負荷側ダイオード４６が逆方向バイアス状態となり、変換後電圧はバッテリ５２および電圧コンバータ５０に出力されない。この場合、電圧コンバータ５０にはバッテリ５２から電力が供給される。

なお、負荷調整用コンバータ３２としては、電源ユニット１０の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ、または、電源ユニット１０の出力電圧を降圧する降圧コンバータが用いられる。図２には、負荷調整用コンバータ３２の例として降圧コンバータ３２Ａが示されている。プラス入力端子３４には、スイッチング素子６４の一端が接続されている。スイッチング素子６４の他端には、スイッチング素子６６の一端およびインダクタ６８の一端が接続されている。スイッチング素子６６の他端には、マイナス入力端子３６およびマイナス出力端子４０が接続されている。インダクタ６８の他端にはプラス出力端子３８が接続されている。プラス出力端子３８とマイナス出力端子４０との間には、コンデンサ７０が接続されている。

スイッチング素子６４およびスイッチング素子６６には、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等の半導体素子が用いられる。スイッチング素子６４およびスイッチング素子６６は、制御部４２によって交互にオン／オフされる。

スイッチング素子６４がオン、スイッチング素子６６がオフであるときは、プラス入力端子３４からインダクタ６８に電流が流れる。この状態で、スイッチング素子６４がオフとなり、スイッチング素子６６がオンとなると、インダクタ６８に誘導起電力が発生する。この誘導起電力によって、インダクタ６８、コンデンサ７０、およびスイッチング素子６６を流れてインダクタ６８に戻る誘導電流が流れ、コンデンサ７０が充電される。再び、スイッチング素子６４がオン、スイッチング素子６６がオフとなると、インダクタ６８には、スイッチング素子６４側を正とする誘導起電力が発生し、この誘導起電力とコンデンサ７０の充電電圧とを併せた電圧が、プラス入力端子３４およびマイナス入力端子３６に印加されているコンバータ入力電圧Ｖｉに等しくなる。スイッチング素子６４およびスイッチング素子６６が交互にオン／オフされることによって、コンデンサ７０には、コンバータ入力電圧Ｖｉより小さい電圧が充電され、その充電電圧が、プラス出力端子３８およびマイナス出力端子４０からコンバータ出力電圧Ｖｏとして出力される。スイッチング素子６４がオンになる時間をオン／オフの１周期で割ったデューティ比をαとすると、負荷調整用コンバータ出力電圧ＶｏはＶｏ＝α・Ｖｉである。スイッチング素子６４およびスイッチング素子６６は交互にオン／オフされるため、スイッチング素子６６のデューティ比βは、β＝１−αである。デューティ比αは、降圧コンバータ３２Ａのスイッチング状態を設定する値であるといえる。

プラス出力端子３８とマイナス出力端子４０との間の電圧が一定である場合には、デューティ比αを増加させる程、コンバータ入力電圧Ｖｉは減少し、プラス入力端子３４に流入する電流は増加する。これによって、プラス入力端子３４およびマイナス入力端子３６から降圧コンバータ３２Ａ側を見たインピーダンスは小さくなる。一方、デューティ比αを減少させる程、コンバータ入力電圧Ｖｉは増加し、プラス入力端子３４に流入する電流は減少する。これによって、プラス入力端子３４およびマイナス入力端子３６から降圧コンバータ３２Ａ側を見たインピーダンスは大きくなる。

なお、スイッチング素子６６の代わりにダイオードが用いられてもよい。この場合、マイナス入力端子３６およびマイナス出力端子４０の側にダイオードのアノード端子が接続される。

電源ユニット１０の出力電力の制御について説明するため、ここでは太陽電池単独の特性について説明する。図３には太陽電池の電圧電流特性が示されている。電圧電流特性は、太陽電池の出力電圧と、太陽電池の正極端子から流出する出力電流との関係を示す特性である。横軸は出力電圧を示し、縦軸は出力電流を示す。ここでは、太陽電池単独の特性を説明するため、交流／直流コンバータは用いられておらず、インピーダンスが変化する負荷装置が太陽電池に接続されているものとする。

点ＱＳで示されているように、太陽電池が開放状態とされ、太陽電池の出力電流が０であるときは太陽電池における電圧降下はなく、出力電圧は最大電圧ＶＳとなる。このとき、太陽電池の出力電力は０である。太陽電池に対する負荷インピーダンスが変化することによって出力電流が増加すると、太陽電池における電圧降下が大きくなり、矢印５１で示されているように出力電圧が小さくなる。太陽電池の出力電力は、電圧電流特性上の点Ｑにおける出力電圧と出力電流との積であり、ハッチングが施された長方形の面積で表される。この面積が最大となる電圧電流特性上の点では太陽電池の出力電力が最大になる。このような点は最大電力点ＭＰＰ（Maximum Power Point）と称される。出力電流が、最大電力点ＭＰＰにおける値よりもさらに大きくなると、点ＱＥで示されているように出力電圧は０まで減少し、太陽電池の出力電力は０となる。

このように、太陽電池には内部抵抗があり、太陽電池に電流が流れると電圧降下によって太陽電池の出力電圧が減少する。電圧電流特性上には出力電力が最大となる最大電力点ＭＰＰが存在し、出力電圧および出力電流が最大電力点ＭＰＰにおける値となるよう、太陽電池に対する負荷インピーダンスを調整することで、太陽電池から最大の出力電力が得られる。

図４には、負荷インピーダンスを変化させて、出力電圧を最大値ＶＳから０まで減少させた場合における、出力電圧に対する出力電力の特性（電圧電力特性）が示されている。横軸は出力電圧を示し、縦軸は出力電力を示す。出力電圧が最大値ＶＳから減少するに従って出力電力は増加し、最大電力点ＭＰＰにおいて最大値に達した後、減少して０に達する。図５には、照射される光の照度が異なる３つの場合について、電圧電力特性７２Ａ、７２Ｂおよび７２Ｃが例示されている。電圧電力特性７２Ａは、電圧電力特性７２Ｂよりも照度が大きい場合の特性であり、電圧電力特性７２Ｂは、電圧電力特性７２Ｃよりも照度が大きい場合の特性である。照度が大きい程、出力電力は大きくなり、照度の変化に応じて最大電力点ＭＰＰに対応する出力電圧および負荷インピーダンスが変化する。

次に、電源ユニット１０の負荷インピーダンスを変化させたときの、電源ユニット１０の電圧電力特性について図１および図６を参照して説明する。図１に示される交流／直流コンバータ１８は、商用電源アウトレットから出力された交流電圧を直流電圧ＶＫに変換する。

太陽電池１２の出力電圧Ｖ０がコンバータ出力電圧ＶＫを超える場合、電池側ダイオード１３が順方向バイアス状態となる一方で、コンバータ側ダイオード２０は逆方向バイアス状態となる。これによって、交流／直流コンバータ１８の電圧は遮断され、電源ユニットプラス端子２２および電源ユニットマイナス端子２４からは太陽電池１２の出力電圧Ｖ０が出力される。電源ユニット１０の負荷インピーダンスを変化させた場合、それに伴って太陽電池１２の負荷インピーダンスが変化し、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０が変化する。

したがって、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０がコンバータ出力電圧ＶＫを超えるときの電圧電力特性は、図６の一点鎖線７３−１および破線７３−２のようになる。ただし、図６においては、コンバータ出力電圧ＶＫは、交流／直流コンバータ１８に流れる電流に応じた電圧降下によって、Ｋ１からＫ２の範囲で変化するものとしている。一点鎖線で示された電圧電力特性７３−１は、破線で示された電圧電力特性７３−２に比べて発電のための条件が良好である場合の特性である。

図１に戻り、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０がコンバータ出力電圧ＶＫまで低下した場合、電池側ダイオード１３およびコンバータ側ダイオード２０の両方が順方向バイアス状態となると共に、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０はコンバータ出力電圧ＶＫに合わせられる。その理由は、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０がコンバータ出力電圧ＶＫ未満になって電池側ダイオード１３が逆方向バイアス状態に遷移すると太陽電池１２から流れ出る電流が減少し、出力電圧Ｖ０が増加してコンバータ出力電圧ＶＫに合わせられるためである。これによって、太陽電池１２および交流／直流コンバータ１８が並列接続された場合の出力電圧が、電源ユニットプラス端子２２および電源ユニットマイナス端子２４から出力される。

したがって、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０が低下してコンバータ出力電圧ＶＫに達したときの電圧電力特性は、図６の実線のようになる。この実線の範囲では、太陽電池１２から出力される電力の他、交流／直流コンバータ１８から出力される電力が併せて出力される。そのため、電源ユニット１０から出力される電力は太陽電池１２単独の場合に出力される電力よりも大きくなる。

このように、電池側ダイオード１３およびコンバータ側ダイオード２０は選択回路を構成する。商用電源アウトレットおよび交流／直流コンバータ１８は、太陽電池１２とは別に設けられた電力供給源であり、この選択回路は、太陽電池１２および商用電源のうちいずれか一方からの電力を、太陽電池１２および交流／直流コンバータ１８が出力する各電圧に応じて負荷調整部３０に出力する。すなわち、図１に示される選択回路は、太陽電池１２および交流／直流コンバータ１８のうち、出力電圧が大きい方の電力を負荷調整部３０に出力する。なお、電池側ダイオード１３およびコンバータ側ダイオード２０のそれぞれをスイッチに置き換え、太陽電池１２および交流／直流コンバータ１８が出力する各電圧に応じて各スイッチを制御する回路によって選択回路を構成してもよい。選択回路によって、いわゆるＵＰＳ（Uniterruptible Power Supply：無停電電源）が実現される。ＵＰＳは、商用電源が利用できない停電時に太陽電池１２またはバッテリ５２の電力を負荷ユニット５４に出力する。また、太陽電池１２が十分な電力を発電することができない場合に商用電源の電力を利用する。

制御部４２は、以下に説明する目標デューティ比探索処理を実行し、負荷調整用コンバータ３２の制御によって、電源ユニット１０に対する負荷インピーダンスを適切に制御する。ここでは、負荷調整用コンバータ３２として、図２に示されている降圧コンバータ３２Ａを用いた場合の制御について説明する。

最初に制御部４２は、スイッチング素子６４のデューティ比αを０とする。これによって電源ユニット１０は開放状態となり、電圧検出値Ｖｄは最大検出値ＶＳとなる。制御部４２は、電圧検出値Ｖｄが最大検出値ＶＳから最小値に達するまで、降圧コンバータ３２Ａを制御して電圧検出値Ｖｄを所定の粗動変化幅Δで減少させる。この際、制御部４２は、デューティ比αを増加させることで、電圧検出値Ｖｄを粗動変化幅Δで減少させる。

制御部４２は、電圧検出値Ｖｄを粗動変化幅Δで減少させるごとに、電圧検出値Ｖｄおよび電流検出値Ｉｄを取得して電力検出値Ｗ＝Ｉｄ・Ｖｄを求める。そして、電圧検出値Ｖｄを粗動変化幅Δで減少させるごとに、電圧検出値Ｖｄ、デューティ比αおよび電力検出値Ｗを対応付けて自らが備える記憶部４４に記憶する。

図７には、横軸を電圧検出値Ｖｄとし、縦軸を電力検出値Ｗとした検出電力特性が示されている。検出電力特性は、電圧検出値Ｖｄ、デューティ比αおよび電力検出値Ｗが対応付けられた情報として制御部４２における記憶部４４に記憶されている。

図７には、電圧検出値Ｖｄを最大検出値ＶＳから粗動変化幅Δで減少させる処理が、Ｖｄ軸上の矢印によって概念的に示されている。各電圧検出値Ｖｄに対しては電力検出値Ｗが求められ、電圧検出値Ｖｄ、デューティ比α、および電力検出値Ｗが対応付けられる。

なお、ここでは、最初にデューティ比αを０とし、デューティ比αを増加させながら電圧検出値Ｖｄを最大検出値から最小検出値まで粗動変化幅Δで減少させる処理について説明した。このような処理の他、最初にデューティ比αを１とし、デューティ比αを減少させながら電圧検出値Ｖｄを最小検出値から最大検出値まで粗動変化幅Δで増加させる処理を実行してもよい。

制御部４２は、記憶部４４に記憶された情報に基づいて、電圧検出値Ｖｄを粗動変化幅Δで変化させた範囲のうち、電力検出値Ｗが最大値となるときの電圧検出値Ｖｍａｘを求める。そして、電圧検出値Ｖｄが上限値Ｖｍａｘ＋Δから下限値Ｖｍａｘ−Δに至るまで、降圧コンバータ３２Ａを制御して電圧検出値Ｖｄを微動変化幅ｆで減少させる。ここで、微動変化幅ｆは、例えば、粗動変化幅Δの正の整数Ｎ分の１とする。制御部４２は、電圧検出値Ｖｄを微動変化幅ｆで減少させるごとに、電圧検出値Ｖｄ、デューティ比αおよび電力検出値Ｗを対応付けて記憶部４４に記憶する。図７には、電圧検出値Ｖｄを、上限値Ｖｍａｘ＋Δから下限値Ｖｍａｘ−Δに至るまで、微動変化幅ｆで減少させる処理が矢印によって概念的に示されている。

制御部４２は、記憶部４４に記憶された情報に基づいて、電圧検出値Ｖｄを上限値Ｖｍａｘ＋Δから下限値Ｖｍａｘ−Δに至るまで変化させた範囲のうち、電力検出値Ｗが最大値となるときの目標電圧値Ｖｔｇを求める。

制御部４２は、記憶部４４に記憶された情報に基づいて、目標電圧値Ｖｔｇに対応するデューティ比αを目標デューティ比αｔｇとして決定する。そして、降圧コンバータ３２Ａのスイッチング素子６４のデューティ比αを目標デューティ比αｔｇに設定し、スイッチング素子６６のデューティ比βを、β＝１−αｔｇに設定する。図７に示される例では、検出電力特性において検出電力が最大となる点ＴＧにおけるデューティ比が目標デューティ比αｔｇとして求められる。

なお、ここでは、電圧検出値Ｖｄを上限値Ｖｍａｘ＋Δから下限値Ｖｍａｘ−Δに至るまで変化させる処理について説明した。このような処理の他、電圧検出値Ｖｄを下限値Ｖｍａｘ−Δから上限値Ｖｍａｘ＋Δに至るまで変化させる処理を実行してもよい。また、ここでは、電圧検出値Ｖｄを粗動変化幅Δで変化させる処理を実行した後、電圧検出値Ｖｄを微動変化幅ｆで変化させて、電力検出値Ｗが最大値となるときの目標電圧値Ｖｔｇを探索する処理について説明した。このような処理の他、電圧検出値Ｖｄの全範囲に亘って電圧検出値Ｖｄを微動変化幅ｆで変化させる処理を実行してもよい。

各スイッチング素子のデューティ比が、目標デューティ比αｔｇに従って設定されることで、電力検出値Ｗが最大となるという目標条件が満たされ、電源ユニット１０からは最大の電力が出力される。

制御部４２は、上記の処理に従って目標デューティ比αｔｇを求め、目標デューティ比αｔｇに従って各スイッチング素子のデューティ比を設定する処理を所定の時間間隔で繰り返し実行する。なお、スイッチング素子６６の代わりにダイオードが用いられる場合には、デューティ比の設定は、スイッチング素子６４についてのみ行えばよい。

このように、制御部４２は、目標デューティ比探索処理によって、負荷調整用コンバータ３２のスイッチング状態を調整して、電源ユニット１０から負荷調整部３０に出力される出力電圧を変化させて、電源ユニット１０から負荷調整部３０に出力される出力電力が目標条件を満たすときの目標スイッチング状態を探索する。制御部４２は、さらに、負荷調整部３０のスイッチング状態を目標スイッチング状態に設定する。

なお、制御部４２は、目標デューティ比探索処理に基づいて、電力検出値Ｗが極大となるときの複数の極大時電圧値を求め、各極大時電圧値に対応するデューティ比を探索してもよい。この複数の極大時電圧値は、例えば、太陽電池１２の出力電圧に基づく極大時電圧値と、太陽電池１２および交流／直流コンバータ１８の各出力電圧に基づく極大時電圧値の２つである。制御部４２は、各極大時電圧値に対して求められた各デューティ比のうちいずれか１つを選択して目標デューティ比αｔｇとして設定する。例えば、太陽電池１２を優先的に使用する設定がユーザの操作によってなされている場合には、制御部４２は、太陽電池１２の出力電圧に基づく極大時電圧値に対応するデューティ比を目標デューティ比αｔｇとして設定する。すなわち、制御部４２は、２つの極大時電圧値のうち大きい方に対応するデューティ比を、目標デューティ比αｔｇとして設定する。

また、制御部４２は、検出電力値に重み付け係数を乗じた重み付け検出電力特性を求め、重み付け検出電力特性に対して上述の目標デューティ比探索処理を実行してもよい。図８には、重み付け検出電力特性の例が概念的に示されている。実線は重み付け検出電力特性７４を示し、破線は重み付け係数が乗ぜられる前の元の検出電力特性７６を示している。この特性では、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０がコンバータ出力電圧ＶＫを超える範囲では、１を超える重み付け係数が元の検出電力値に乗じられている。そして、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０がコンバータ電圧ＶＫに合わせられる範囲では、０よりも大きく１よりも小さい重み付け係数が元の検出電力値に乗ぜられている。

この場合、制御部４２は記憶部４４に記憶された検出電力特性７６に基づいて、重み付け検出電力特性７４を表す情報を生成する。具体的には、電圧検出値Ｖｄに応じて定められた重み付け係数を、その電圧検出値Ｖｄに対応する電力検出値Ｗに乗じて重み付け電力検出値を求め、重み付け電力検出値をその電圧検出値Ｖｄに対応付けることで重み付け検出電力特性７４を求める。

図８に示されるように、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０がコンバータ出力電圧ＶＫを超える範囲における重み付け係数を、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０がコンバータ出力電圧ＶＫと同一となる範囲における重み付け係数よりも大きくした場合には、太陽電池１２からの電力が消費される頻度が高くなることが多い。一方、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０がコンバータ出力電圧ＶＫを超える範囲における重み付け係数を、太陽電池１２の出力電圧Ｖ０がコンバータ出力電圧ＶＫ以下となる範囲における重み付け係数よりも小さくした場合には、商用電源からの電力が消費される頻度が高くなることが多い。重み付け係数は、ユーザの操作によって任意に設定されるようにしてもよい。

次に、負荷接続ユニット４８におけるバッテリ５２に対する制御について説明する。一般に、バッテリは、ある程度の電荷量を超えて充電が行われる過充電、過大な電流で放電が行われる過放電等、電気的に過酷な条件で使用すると寿命が短くなる。ここで、バッテリの寿命とは、バッテリが充電することができる電荷量が基準値を下回るまでの使用時間等によって定義される。そこで、次に説明する応用例に係る電源システムは、バッテリ５２に対する過充電および過充電を回避する処理を実行する。

図９には、本発明の応用例に係る電源システム２が示されている。負荷接続ユニット４８には、バッテリ５２の端子間電圧を検出するバッテリ電圧計８０およびバッテリ５２に流れる電流を検出するバッテリ電流計７８が備えられている。制御部４２は、バッテリ電圧計８０によって検出されたバッテリ電圧検出値Ｖｅを取得する。そして、バッテリ電圧検出値Ｖｅと予め定められた充電電圧基準値とを比較する。制御部４２は、バッテリ電圧検出値Ｖｅが充電電圧基準値を超えるときは、負荷調整用コンバータ３２をスイッチング制御する際のデューティ比αを、目標デューティ比αｔｇよりも小さい値、例えば０に設定する。一方、充電電圧検出値Ｖｅが、充電電圧基準値以下であるときは、デューティ比αを目標デューティ比αｔｇに設定する。これによって、バッテリ５２が充電電圧基準値を超えて充電されることが回避され、バッテリ５２の過充電が回避される。

また、制御部４２は、バッテリ電流計７８によって検出されたバッテリ電流検出値Ｉｅを取得する。そして、バッテリ電流検出値Ｉｅと予め定められた負荷電流基準値とを比較する。制御部４２は、バッテリ電流検出値Ｉｅが負荷電流基準値を超えるときは、電圧コンバータ５０に対し、プラス入力端子５６から流入する電流を減少させる制御を行う。一方、バッテリ電流検出値が、負荷電流基準値以下であるときは、負荷ユニット５４に通常の電力が供給されるように電圧コンバータ５０を制御する。これによって、バッテリ５２の過放電が回避される。

このように制御部４２が、電圧コンバータ５０に流入する電流を減少させる制御を行った場合、電源ユニット１０から負荷調整用コンバータ３２に流入する電流が制限されることがある。この場合、負荷調整用コンバータ３２に対するデューティ比αを変化させても、電源ユニットプラス端子２２と電源ユニットマイナス端子２４との間の電圧がある値よりも小さくならず、電圧検出値Ｖｄの下限値が増加する場合がある。図１０には、このような検出電力特性が示されている。この例では、電圧検出値Ｖｄの下限値ＶＬはコンバータ電圧ＶＫより大きい。破線は、負荷調整用コンバータ３２に流入する電流が仮に制限されないとした場合に得られる検出電力特性である。このような場合、制御部４２は、通常より狭い電圧検出値Ｖｄの範囲で目標デューティ比探索処理を実行する。

上述の各実施形態では、電源ユニット１０に太陽電池１２に加えて交流／直流コンバータ１８が設けられ、太陽電池１２とは別の電力供給源として商用電源が用いられている。このように商用電源を用いる他、一般的なバッテリや、太陽電池１２が配置された別の場所に設けられたもう一つの太陽電池を用いてもよい。

１，２電源システム、１０電源ユニット、１２太陽電池、１３電池側ダイオード、１４商用電源プラグ、１８交流／直流コンバータ、２０コンバータ側ダイオード、２２電源ユニットプラス端子、２４電源ユニットマイナス端子、２６電流計、２８電圧計、３０負荷調整部、３２負荷調整用コンバータ、３４，５６プラス入力端子、３６，５８マイナス入力端子、３８プラス出力端子、４０マイナス出力端子、４２制御部、４４記憶部、４６負荷側ダイオード、４８負荷接続ユニット、５０電圧コンバータ、５２バッテリ、５４負荷ユニット、６０プラス負荷端子、６２マイナス負荷端子、６４，６６スイッチング素子、６８インダクタ、７０コンデンサ、７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ，７３−１，７３−２電圧電力特性、７４重み付け検出電力特性、７６検出電力特性、７８バッテリ電流計、８０バッテリ電圧計。

Claims

電源ユニットと負荷ユニットとの間に設けられ、前記電源ユニットから出力される電圧をスイッチングにより調整して前記負荷ユニット側に出力する負荷調整部と、
前記負荷ユニットに備えられ、前記負荷調整部から出力される電力に基づいて充電されるバッテリと、を備え、
前記電源ユニットは、
太陽電池と、前記太陽電池とは別に設けられた電力供給源と、前記太陽電池および前記電力供給源のうち少なくとも一方の電力を、前記太陽電池および前記電力供給源が出力する各電圧に応じて前記負荷調整部に出力する選択回路と、を備え、
前記負荷調整部は、
前記バッテリに印加される充電電圧が基準値以下であるときに、スイッチング状態を調整して、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電圧を変化させて、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電力が極大となる目標条件を満たすときの目標スイッチング状態を探索する処理と、
前記バッテリに印加される充電電圧が基準値以下であるときに、前記スイッチング状態を前記目標スイッチング状態に設定する処理と、
前記充電電圧が基準値を超えたときに、前記目標スイッチング状態におけるよりも小さい値の前記出力電力が前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力されるように前記スイッチング状態を設定する処理と、を実行する制御部を備え、
前記制御部は、
複数の前記目標スイッチング状態が探索されたときは、その複数の目標スイッチング状態のうち、前記出力電圧が最大となる状態に前記スイッチング状態を設定することを特徴とする太陽電池制御装置。
電源ユニットと負荷ユニットとの間に設けられ、前記電源ユニットから出力される電圧をスイッチングにより調整して前記負荷ユニット側に出力する負荷調整部と、
前記負荷ユニットに備えられ、前記負荷調整部から出力される電力に基づいて充電されるバッテリと、を備え、
前記電源ユニットは、
太陽電池と、前記太陽電池とは別に設けられた電力供給源と、前記太陽電池および前記電力供給源のうち少なくとも一方の電力を、前記太陽電池および前記電力供給源が出力する各電圧に応じて前記負荷調整部に出力する選択回路と、を備え、
前記負荷調整部は、
前記バッテリに印加される充電電圧が基準値以下であるときに、スイッチング状態を調整して、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電圧を変化させて、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電力が極大となる目標条件を満たすときの目標スイッチング状態を探索する処理と、
前記バッテリに印加される充電電圧が基準値以下であるときに、前記スイッチング状態を前記目標スイッチング状態に設定する処理と、
前記充電電圧が基準値を超えたときに、前記目標スイッチング状態におけるよりも小さい値の前記出力電力が前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力されるように前記スイッチング状態を設定する処理と、を実行する制御部を備え、
前記電力供給源は、商用電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する交流／直流コンバータを含むことを特徴とする太陽電池制御装置。
電源ユニットと負荷ユニットとの間に設けられ、前記電源ユニットから出力される電圧をスイッチングにより調整して前記負荷ユニット側に出力する負荷調整部を備え、
前記電源ユニットは、
太陽電池と、前記太陽電池とは別に設けられた電力供給源と、前記太陽電池および前記電力供給源のうち少なくとも一方の電力を、前記太陽電池および前記電力供給源が出力する各電圧に応じて前記負荷調整部に出力する選択回路と、を備え、
前記負荷調整部は、
スイッチング状態を調整して、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電圧を変化させながら、前記電源ユニットから前記負荷調整部に出力される出力電力を検出することで、前記出力電圧と前記出力電力とを対応付けた電圧電力特性を求める処理と、
前記電圧電力特性に基づいて前記スイッチング状態を設定する処理であって、前記太陽電池からの電力が前記負荷調整部に出力される前記出力電圧の範囲と、前記電力供給源からの電力が前記負荷調整部に出力される前記出力電圧の範囲について、前記電圧電力特性に対して異なる重み付け係数が乗じられた重み付け電圧電力特性に基づいて、前記スイッチング状態を設定する処理と、を実行する制御部を備え、
前記制御部は、
前記重み付け電圧電力特性によって示される重み付け電力が極大となる目標スイッチング状態に、前記スイッチング状態を設定する処理を実行することを特徴とする太陽電池制御装置。
請求項３に記載の太陽電池制御装置において、
前記電力供給源は、商用電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する交流／直流コンバータを含むことを特徴とする太陽電池制御装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の太陽電池制御装置において、
前記選択回路は、
前記太陽電池が出力する電圧および前記電力供給源が出力する電圧のうち、大きい方の電圧を前記負荷調整部に出力する回路であることを特徴とする太陽電池制御装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の太陽電池制御装置において、
前記負荷調整部は、スイッチング素子を含む負荷調整用コンバータを備え、
前記制御部は、前記スイッチング素子に対するデューティ比を設定することを特徴とする太陽電池制御装置。