JP7102839B2

JP7102839B2 - 車両用ソーラー発電システム

Info

Publication number: JP7102839B2
Application number: JP2018058274A
Authority: JP
Inventors: 陽章河村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: JP2019170130A

Description

本発明は、車両に搭載されるソーラー発電システムに関する。

特許文献１に、ソーラーパネルの発電電力をメインバッテリーや補機バッテリーに供給して有効活用する車両用ソーラー発電システムが開示されている。

特開２０１７－１２３７６５号公報

バッテリーに供給する発電電力の増加を図るために、ソーラーパネルとそのソーラーパネルを制御するＤＣＤＣコンバーターとを含む電池ユニットを、並列に複数設置する構成が考えられる。しかし、この複数の電池ユニットを並列に設置する構成の場合には、ＤＣＤＣコンバーター間で制御干渉が生じ、ソーラーパネルの発電効率に悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、複数の電池ユニットを並列に設置する構成において、ＤＣＤＣコンバーター間の制御干渉の発生を防止することができる、車両用ソーラー発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、本発明の一態様は、車両用ソーラー発電システムであって、並列に配置された複数のソーラーパネルと、複数のソーラーパネルをそれぞれ制御する複数のＤＣＤＣコンバーターと、複数のＤＣＤＣコンバーターから電力受給が可能なバッテリーと、所定の電力以上を発電しているソーラーパネルを特定し、特定したソーラーパネルを制御するＤＣＤＣコンバーターによるバッテリーへの電力出力期間が重複しないように、複数のＤＣＤＣコンバーターの動作を制御する動作制御部と、を備えることを特徴とする。

この一態様の車両用ソーラー発電システムでは、ＤＣＤＣコンバーターによるバッテリーへの電力出力期間が重複しないように複数のＤＣＤＣコンバーターの動作を制御している。これにより、任意のＤＣＤＣコンバーターによる制御が他のＤＣＤＣコンバーターの制御に影響を及ぼすことがなくなる。よって、ソーラーパネルの発電効率の向上が期待できる。

また、この一態様の車両用ソーラー発電システムでは、所定の電力以上を発電しているソーラーパネルを制御するＤＣＤＣコンバーターだけを対象に、その動作を制御している。これにより、例えば全く発電していないＤＣＤＣコンバーターなど、不要なＤＣＤＣコンバーターを動作させないので、消費電力を削減することができる。

上記本発明の車両用ソーラー発電システムによれば、複数の電池ユニットを並列に設置する構成において、ＤＣＤＣコンバーター間の制御干渉の発生を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用ソーラー発電システムの構成例を示す図車両用ソーラー発電システムで実施される制御フローチャート動作制御部が実施する充電制御を説明する図動作制御部が実施する充電制御を説明する図動作制御部が実施する充電制御を説明する図

［概要］
本実施形態は、複数の電池ユニットを並列に設置する構成による車両用ソーラー発電システムにおいて、ＤＣＤＣコンバーターによるバッテリーへの電力出力期間が重複しないように複数のＤＣＤＣコンバーターの動作を制御する。これにより、ＤＣＤＣコンバーター間の制御干渉の発生を防止することができる。

［構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用ソーラー発電システム１の構成例を示す図である。図１に例示した本実施形態の車両用ソーラー発電システム１は、複数のソーラーパネル（第１のソーラーパネル１１、第２のソーラーパネル１２）と、複数のＤＣＤＣコンバーター（第１のＤＣＤＣコンバーター２１、第２のＤＣＤＣコンバーター２２）と、並列接続回路３０と、蓄電用ソーラーバッテリー４０と、動作制御部５０と、を備えている。本実施形態では、説明を簡単にするため、２つのソーラーパネル及び２つのＤＣＤＣコンバーターをそれぞれ備えた構成を説明する。

第１のソーラーパネル１１及び第２のソーラーパネル１２は、それぞれ太陽光の照射を受けて発電を行う太陽電池モジュールである。第１のソーラーパネル１１で発電された電力Ｐ_１は、第１のＤＣＤＣコンバーター２１に出力される。第２のソーラーパネル１２で発電された電力Ｐ_２は、第２のＤＣＤＣコンバーター２２に出力される。

第１のＤＣＤＣコンバーター２１は、第１のソーラーパネル１１の発電電力Ｐ_１を制御して、蓄電用ソーラーバッテリー４０へ供給できるように構成されている。この第１のＤＣＤＣコンバーター２１は、周知の最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御を用いて、発電効率が常に最大となるように第１のソーラーパネル１１の動作点を設定することができる。第１のソーラーパネル１１及び第１のＤＣＤＣコンバーター２１は、電池ユニットを構成する。

第２のＤＣＤＣコンバーター２２は、第２のソーラーパネル１２の発電電力Ｐ_２を制御して、蓄電用ソーラーバッテリー４０へ供給できるように構成されている。この第２のＤＣＤＣコンバーター２２も、最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御を用いて、発電効率が常に最大となるように第２のソーラーパネル１２の動作点を設定することができる。第２のソーラーパネル１２及び第２のＤＣＤＣコンバーター２２は、電池ユニットを構成する。

並列接続回路３０は、第１のＤＣＤＣコンバーター２１及び第２のＤＣＤＣコンバーター２２を、蓄電用ソーラーバッテリー４０に並列接続するための構成である。この並列接続回路３０は、回路抵抗Ｒoutを有している。よって、第１のＤＣＤＣコンバーター２１の２次側端子は、回路抵抗Ｒoutを介して蓄電用ソーラーバッテリー４０に接続され、第２のＤＣＤＣコンバーター２２の２次側端子は、回路抵抗Ｒoutを介して蓄電用ソーラーバッテリー４０に接続される。

蓄電用ソーラーバッテリー４０は、例えばリチウム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電力貯蔵要素である。この蓄電用ソーラーバッテリー４０は、第１のＤＣＤＣコンバーター２１から供給される電力及び第２のＤＣＤＣコンバーター２２から供給される電力によって充電可能に、並列接続回路３０に接続されている。蓄電用ソーラーバッテリー４０は、内部抵抗Ｒbを有している。

動作制御部５０は、第１のソーラーパネル１１の発電電力Ｐ_１及び第２のソーラーパネル１２の発電電力Ｐ_２を第１のＤＣＤＣコンバーター２１及び第２のＤＣＤＣコンバーター２２から取得する。そして、動作制御部５０は、発電電力Ｐ_１及びＰ_２に基づいて、第１のＤＣＤＣコンバーター２１及び第２のＤＣＤＣコンバーター２２の動作をそれぞれ制御する。この制御については、後述する。

上述した動作制御部５０の全て又は一部は、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を含んだ電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）として構成される。電子制御ユニットでは、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、所定の機能が実現される。

［並列構成による課題］
本実施形態の車両用ソーラー発電システム１が実行する制御の説明に先立ち、図１を参照して、複数の電池ユニットを並列に構成したときの課題を説明する。なお、第１のＤＣＤＣコンバーター２１及び第２のＤＣＤＣコンバーター２２は、昇降圧型のＤＣＤＣコンバーターとしている。

ＭＰＰＴ制御では、下記の式（１）に従い、第１のＤＣＤＣコンバーター２１の２次側電圧Ｖoutに基づいて第１のＤＣＤＣコンバーター２１の１次側電圧Ｖs1を決定し、下記の式（２）に従い、第２のＤＣＤＣコンバーター２２の２次側電圧Ｖoutに基づいて第２のＤＣＤＣコンバーター２２の１次側電圧Ｖs2を決定する。ここで、ｄｕｔｙ１_ＢＵＣＫ_HI及びｄｕｔｙ１_{ＢＯＯＳＴ}_LOは、それぞれ第１のＤＣＤＣコンバーター２１に対する降圧用上側スイッチング素子のデューティー指令値及び昇圧用下側スイッチング素子のデューティー指令値である。また、ｄｕｔｙ２_ＢＵＣＫ_HI及びｄｕｔｙ２_{ＢＯＯＳＴ}_LOは、それぞれ第２のＤＣＤＣコンバーター２２に対する降圧用上側スイッチング素子のデューティー指令値及び昇圧用下側スイッチング素子のデューティー指令値である。これらのスイッチング素子には、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられる。

第１のソーラーパネル１１及び第１のＤＣＤＣコンバーター２１が動作している場合、第１のＤＣＤＣコンバーター２１の２次側端子から並列接続回路３０へ流れる充電電流Ｉ1out、蓄電用ソーラーバッテリー４０の電圧Ｖb、及び上述した回路抵抗Ｒoutと内部抵抗Ｒbを用いて、２次側電圧Ｖoutは下記の式（３）で算出できる。従って、第１のＤＣＤＣコンバーター２１は、１次側電圧Ｖs1をこの２次側電圧Ｖoutから求めることができるので、第１のソーラーパネル１１のＭＰＰＴ制御を安定して実行できる。

ここで、第２のソーラーパネル１２及び第２のＤＣＤＣコンバーター２２が動作した場合を考える。この場合、第２のＤＣＤＣコンバーター２２の１次側電圧Ｖs2は、第２のＤＣＤＣコンバーター２２の２次側端子から並列接続回路３０へ流れる充電電流Ｉ2outに加えて、第１のＤＣＤＣコンバーター２１の２次側端子から並列接続回路３０へ流れる充電電流Ｉ1outも加わって２次側電圧Ｖoutが上昇してしまうため、ＭＰＰＴ制御による最大電力点の追従が適切に実行されないおそれがある。

そこで、本実施形態の車両用ソーラー発電システム１では、上記課題に鑑みて以下の特徴的な充電制御を実施する。

［制御］
次に、図２をさらに参照して、本発明の一実施形態に係る車両用ソーラー発電システム１が実行する制御を説明する。図２は、制御部５０が実施する充電制御の処理手順を示すフローチャートである。

図２に示す充電制御は、例えば、車両の電源がオンされると開始され、車両の電源がオフされるまで繰り返して実行される。

ステップＳ２１：制御部５０は、車両用ソーラー発電システム１が備える複数のソーラーパネルの中に、発電しているソーラーパネルがあるかないかを判断する。ここで、発電しているとは、単純に電力を出力しているということではなく、例えばＤＣＤＣコンバーターの動作に必要な所定の電力以上を発電している、などと設定することができる。発電しているソーラーパネルが１つ以上ある場合には（ステップＳ２１、Ｙｅｓ）、ステップＳ２２に処理を進め、発電しているソーラーパネルが全くない場合には（ステップＳ２１、Ｎｏ）、ステップＳ２１の判断を繰り返し行う。

ステップＳ２２：制御部５０は、発電しているソーラーパネルを制御対象リストに登録する。例えば、第１のソーラーパネル１１も第２のソーラーパネル１２も発電している場合には、第１のソーラーパネル１１及び第２のソーラーパネル１２の両方が制御対象リストに登録され、第１のソーラーパネル１１のみ発電している場合には、第１のソーラーパネル１１だけが制御対象リストに登録される。制御対象リストへのソーラーパネルの登録が終了すると、ステップＳ２３に処理を進める。

ステップＳ２３：制御部５０は、所定の時間が経過したか否かを判断する。この所定の時間は、制御対象リストを更新する間隔を定めるための時間であり、例えば車両の状態（速度など）や車両周辺の状況（天気など）に基づいて、任意の時間に設定することが可能である。所定の時間が経過していない場合には（ステップＳ２３、Ｎｏ）、ステップＳ２４に処理を進め、所定の時間が経過した場合には（ステップＳ２３、Ｙｅｓ）、ステップＳ２５に処理を進める。

ステップＳ２４：制御部５０は、制御対象リストに登録された発電する１つ以上のソーラーパネルについて、各ソーラーパネルを所定の一定の時間間隔Ｔstで順に動作させ、各ＤＣＤＣコンバーターから蓄電用ソーラーバッテリー４０へ電力を出力する期間が重複しないように制御する。この一定の時間間隔Ｔstは、ソーラーパネルのＭＰＰＴ制御に伴うＤＣＤＣコンバーターの２次側電圧Ｖoutが十分に安定すると推定される期間に設定すればよい。つまり、直前のＤＣＤＣコンバーター制御により変動した２次側電圧Ｖoutが十分に安定するための時間とすることができる。

例えば、第１のソーラーパネル１１及び第２のソーラーパネル１２の両方が制御対象リストに登録されている場合、制御部５０は、図３に示すように、第１のＤＣＤＣコンバーター２１による第１のソーラーパネル１１のＭＰＰＴ制御と、第２のＤＣＤＣコンバーター２２による第２のソーラーパネル１２のＭＰＰＴ制御とを、一定時間間隔Ｔstの周期で交互に動作させて電力出力期間が重複しないように制御する。第１のソーラーパネル１１だけが制御対象リストに登録されている場合、制御部５０は、図４に示すように、第１のＤＣＤＣコンバーター２１による第１のソーラーパネル１１のＭＰＰＴ制御を、一定時間間隔Ｔstの周期で動作させる。つまり、この場合には、第１のＤＣＤＣコンバーター２１を常時動作させることになる。第２のソーラーパネル１２だけが制御対象リストに登録されている場合、制御部５０は、図５に示すように、第２のＤＣＤＣコンバーター２２による第２のソーラーパネル１２のＭＰＰＴ制御を、一定時間間隔Ｔstの周期で動作させる。つまり、この場合には、第２のＤＣＤＣコンバーター２２を常時動作させることになる。

この際、制御部５０は、ソーラーパネル及びＤＣＤＣコンバーターを一定時間間隔Ｔstで動作させるごとに、ステップＳ２３に処理を戻して、所定の時間が経過したか否かの判断を行う。

ステップＳ２５：制御部５０は、制御対象リストをリセットして、ステップＳ２１に処理を戻す。

［本実施形態における効果］
上述した本発明の一実施形態に係る車両用ソーラー発電システム１によれば、２次側電圧Ｖoutが十分に安定するための一定の時間間隔Ｔstを確保しつつ、ＤＣＤＣコンバーターによる蓄電用ソーラーバッテリー４０への電力出力期間が重複しないように複数の第１のＤＣＤＣコンバーター２１及び第２のＤＣＤＣコンバーター２２の動作を制御している。これにより、任意のＤＣＤＣコンバーターによる制御が他のＤＣＤＣコンバーターの制御に影響を及ぼすことがなくなる。よって、ソーラーパネルの発電効率の向上が期待できる。

また、本実施形態に係る車両用ソーラー発電システムによれば、所定の電力以上を発電しているソーラーパネルを制御するＤＣＤＣコンバーターだけを対象に、その動作を制御している。これにより、例えば全く発電していないソーラーパネルを制御するＤＣＤＣコンバーターなど、ＤＣＤＣコンバーターを不要に動作させないので、消費電力を削減することができる。

本発明の車両用ソーラー発電システムは、複数の電池ユニットを並列に設置したい車両などに利用可能である。

１車両用ソーラー発電システム
１１第１のソーラーパネル
１２第２のソーラーパネル
２１第１のＤＣＤＣコンバーター
２２第２のＤＣＤＣコンバーター
３０並列接続回路
４０蓄電用ソーラーバッテリー
５０動作制御部

Claims

並列に配置された複数のソーラーパネルと、
１次側に前記複数のソーラーパネルのいずれか１つを接続し、当該接続されたソーラーパネルをそれぞれ制御する複数のＤＣＤＣコンバーターと、
前記複数のＤＣＤＣコンバーターの２次側に共通接続され、前記複数のＤＣＤＣコンバーターから電力受給が可能なバッテリーと、
所定の電力以上を発電している前記ソーラーパネルを特定し、当該特定したソーラーパネルを制御する前記ＤＣＤＣコンバーターによる前記バッテリーへの電力出力期間が重複しないように、前記複数のＤＣＤＣコンバーターの動作を制御する動作制御部と、を備え、
前記動作制御部は、動作させる前記ＤＣＤＣコンバーターを切り替えた後に変動する前記複数のＤＣＤＣコンバーターの２次側電圧が安定するために必要な時間の間隔で、前記特定したソーラーパネルを制御する前記ＤＣＤＣコンバーターを順番に動作させる、
ことを特徴とする、車両用ソーラー発電システム。