JP7119118B2 - 電力変換装置の制御方法および電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置の制御方法および電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、電力変換装置の制御方法および電力変換装置に関するものである。
太陽光発電装置からの出力電力を電力変換し、その電力変換後の電力を出力する第１の電力変換手段と、第１の電力変換手段からの出力電力を蓄電可能な第１の蓄電池と、第１の蓄電池の放電による当該第１の蓄電池からの出力電力を電力変換し、その電力変換後の電力を出力する第２の電力変換手段と、第２の電力変換手段からの出力電力を蓄電可能な第２の蓄電池と、第１の蓄電池の充電残量を当該第１の蓄電池に対する閾値と比較して第２の電力変換手段の駆動を制御する制御手段と、を備える電力変換システムが知られている（特許文献１）。この電力変換システムでは、第２の蓄電池は、動作電力を補機に供給する補機電池、及び動作電力を車両の走行駆動源に供給する主電池のうち少なくとも何れかを含んでいる。
特開２０１５－１５４５２６号公報
従来技術では、補機などに電力を供給する第２の蓄電池とは別に第１の蓄電池を設けており、電力変換システムが大型化する、という問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、大型化することを防ぐことが可能な電力変換装置の制御方法および電力変換装置を提供することである。
本発明は、太陽電池モジュールの出力電圧に基づいて、蓄電器との接続端の電圧を変換する第２電力変換回路の動作を制御することで、第２電力変換回路の出力電力を蓄電器への充電に用いることによって上記課題を解決する。
本発明によれば、大型化することを防ぐことができる。
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置を含む電力変換システムの回路図である。 図２は、昇圧比に対する出力電力及び変換効率の特性を説明するための図である。 図３は、制御回路の動作を説明するための図である。 図４は、第１実施形態に係る電力変換装置の変形例を含む電力変換システムの回路図である。 図５は、第２実施形態に係る電力変換装置を含む電力変換システムの回路図である。 図６は、第３実施形態に係る電力変換装置を含む電力変換システムの回路図である。 図７は、第４実施形態に係る電力変換装置を含む電力変換システムの回路図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
本実施形態に係る電力変換装置および電力変換装置の制御方法を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る電力変換装置１０を含む電力変換システム１００の回路図である。本実施形態に係る電力変換システム１００は、太陽電池モジュール１と、バッテリ２と、電力変換装置１０を備えている。電力変換システム１００は、太陽電池モジュール１から出力される電力を電力変換装置１０により変換し、変換された電力をバッテリ２に供給するシステムである。電力変換システム１００は、例えば、車両に搭載された充電システムに用いられる。なお、電力変換システム１００は、必ずしも車両に搭載される必要はなく、車両以外の他の装置に搭載されていてもよい。
太陽電池モジュール１は、複数の太陽電池セルから構成されるモジュールである。太陽電池セルは、太陽光の光エネルギーを吸収し、太陽光の光エネルギーを電気に変えるエネルギー変換素子である。太陽電池モジュール１としては、例えば、ソーラーパネルが挙げられる。シリコン素子の太陽電池セルを用いた場合、太陽電池セルの出力電圧は１Ｖ以下となる。太陽電池モジュール１の出力電圧を高くするために、太陽電池モジュール１は、複数の太陽電池セルの直列接続で構成される。
また、太陽電池モジュール１の出力可能な電力（発電電力）は、太陽電池モジュール１に照射される光の強さ（日照量）によって異なる。太陽電池モジュール１に影がかかった際に、太陽電池モジュール１が出力する電圧の大きさについては、後述する。
太陽電池モジュール１は、出力端子１ａ、１ｂを有している。太陽電池モジュール１により発電された電力は、出力端子１ａ、１ｂから出力される。出力端子１ａは、第１コンバータ１１の入力端子１１ａと接続され、出力端子１ｂは、第１コンバータ１１の入力端子１１ｂに接続されている。これにより、太陽電池モジュール１で発電された電力は、第１コンバータ１１に出力される。図１では、太陽電池モジュール１の出力電圧Ｖｐｖは、出力端子１ａと出力端子１ｂの間の電圧、太陽電池モジュール１の出力電流Ｉｐｖは、出力端子１ａから第１コンバータ１１の入力端子１１ａに流れ込む電流を示す。なお、説明の便宜上、出力端子１ａは、出力端子１ｂよりも高電位側の端子とする。
バッテリ２には、電力変換装置１０から電力が供給される。バッテリ２は、電力変換装置１０の出力電力により充電される。バッテリ２としては、例えば、リチウムイオン二次電池が挙げられる。バッテリ２は、バッテリ２以外の装置や機器等と接続可能な端子として、接続端子２ａ、２ｂを有している。接続端子２ａは、第１コンバータ１１の出力端子１１ｃ及び第２コンバータ１２の入力端子１２ａと接続され、接続端子２ｂは、第２コンバータの基準端子１２ｂと接続されている。これにより、接続端子２ａには、第１コンバータ１１の出力端子１１ｃから電流が入力され、バッテリ２は充電される。また、第２コンバータ１２には、バッテリ２の電圧が入力される。バッテリ２の電圧に基づく第２コンバータ１２の動作については、後述する。図１では、第１コンバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔは、第１コンバータ１１の出力端子１１ｃから接続端子２ａに流れ込む電流、バッテリ２の電圧Ｖｂａｔは、接続端子２ａと接続端子２ｂの間の電圧を示す。なお、説明の便宜上、接続端子２ａは、接続端子２ｂよりも高電位側の端子とする。また、接続端子２ａは、バッテリ２の正極と接続され、接続端子２ｂは、バッテリ２の負極と接続されているものとする。
本実施形態では、バッテリ２の電圧（Ｖｂａｔ）は、太陽電池モジュール１の出力電圧（Ｖｐｖ）よりも高い。例えば、太陽電池モジュール１の出力電圧の最大値は、６０Ｖ以下であり、バッテリ２の電圧は、太陽電池モジュール１の最大電圧に対して４倍以上高い。このため、後述する電力変換装置１０は、入力電圧を昇圧する機能を有している。太陽電池モジュール１の出力電圧は、電力変換装置１０により昇圧され、昇圧された電圧はバッテリ２に出力される。
次に、電力変換装置１０について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１０は、第１コンバータ１１と、第２コンバータ１２と、制御回路１３を備えている。
第１コンバータ１１は、太陽電池モジュール１の出力電力を変換し、変換した電力をバッテリ２に出力する。第１コンバータ１１は、入力される直流電圧を変圧し、変圧した電圧を直流電圧として出力する回路、いわゆるＤＣ－ＤＣコンバータである。また、本実施形態では、第１コンバータ１１は、絶縁トランス１４を有しており、絶縁型のＤＣ－ＤＣコンバータである。絶縁トランス１４は、入力側に設けられた１次巻線１４ａと、出力側に設けられた２次巻線１４ｂを有している。さらに、第１コンバータ１１は、入力電圧を昇圧する機能を有しており、いわゆる昇圧型コンバータである。第１コンバータ１１は、例えば、１次巻線１４ａと接続されるインバータ回路と、２次巻線１４ｂと接続される整流回路で構成される。
第１コンバータ１１は、入力端子１１ａ、１１ｂと、出力端子１１ｃ、１１ｄを有している。入力端子１１ａは、太陽電池モジュール１の出力端子１ａと接続され、入力端子１１ｂは、太陽電池モジュール１の出力端子１ｂと接続されている。出力端子１１ｃは、バッテリ２の接続端子２ａと接続され、出力端子１１ｄは、第２コンバータ１２の出力端子１２ｃと接続されている。なお、説明の便宜上、入力端子１１ａは、入力端子１１ｂよりも高電位側の端子とし、また出力端子１１ｃは、出力端子１１ｄよりも高電位側の端子とする。
第１コンバータ１１の入力電圧及び出力電圧について、説明する。第１コンバータ１１の入力電圧とは、入力端子１１ｂの電位に対する入力端子１１ａの電位の大きさである。言い換えると、第１コンバータ１１の入力電圧とは、入力端子１１ｂの電位を基準電位としたときの入力端子１１ａの電圧である。本実施形態では、第１コンバータ１１の入力電圧は、太陽電池モジュール１の出力電圧（Ｖｐｖ）に相当する。また第１コンバータ１１の出力電圧とは、出力端子１１ｄの電位に対する出力端子１１ｃの電位の大きさである。言い換えると、第１コンバータ１１の出力電圧とは、出力端子１１ｄの電位を基準電位としたときの出力端子１１ｃの電圧である。
本実施形態では、入力端子１１ａ、１１ｂと出力端子１１ｃ、１１ｄは、絶縁トランス１４により、絶縁されている。このため、第１コンバータ１１では、入力側の基準電位と、出力側の基準電位は異なる電位とすることができる。これにより、基準電位に応じて、第１コンバータ１１の出力電圧を制御することができる。
例えば、第１コンバータ１１が入力電圧を４倍に昇圧できる機能を有しており、第１コンバータ１１に３Ｖが入力されているとする。ただし、入力端子１１ｂの電圧はゼロ電圧とする。出力端子１１ｄの電圧がゼロ電圧の場合、第１コンバータ１１の出力電圧（出力端子１１ｃの電圧）は１２Ｖとなる。この状態から、出力端子１１ｄの電圧がゼロ電圧から１Ｖに上昇すると、第１コンバータ１１の出力電圧（出力端子１１ｃの電圧）は、第１コンバータ１１が昇圧した１２Ｖに１Ｖが加算されて１３Ｖに上昇する。出力端子１１ｄの電圧を制御して、第１コンバータ１１の出力電圧を制御する方法については、後述する。
第１コンバータ１１には、後述する制御回路１３から制御信号が入力される。第１コンバータ１１は、制御信号に応じて、入力電圧である太陽電池モジュール１の出力電力を昇圧する。制御信号としては、例えば、インバータ回路を構成するスイッチング素子がオン及びオフするための信号が挙げられる。第１コンバータ１１は、スイッチング素子のスイッチング周波数、及びデューティ比（単位時間あたりのオン期間を示す値）に応じて、太陽電池モジュール１の出力電圧を昇圧する。例えば、スイッチング周波数に応じて、第１コンバータ１１が昇圧する電圧は変化する。
第１コンバータ１１が昇圧する電圧の大きさは、昇圧比により定められる。本実施形態では、昇圧比とは、入力端子１１ｂ及び出力端子１１ｄの電位が同電位とした場合の入力電圧に対する出力電圧の比率である。制御回路１３は、制御信号を制御することで、特定の範囲内において、第１コンバータ１１の昇圧比を変更することができる。昇圧比には、上限値と下限値がある。昇圧比の上限値は、絶縁トランス１４の特性等に応じて定められる。本実施形態では、昇圧比の上限値（Ｎｍａｘ）は、２次巻線１４ｂの巻線数（Ｎｓ）を１次巻線１４ａの巻線数（Ｎｐ）で除算することで算出される（Ｎｍａｘ＝Ｎｓ／Ｎｐ）。以降の説明では、説明の便宜上、昇圧比の上限値を、最大昇圧比（Ｎｍａｘ）ともいう。
次に、図２を用いて、第１コンバータ１１が有する昇圧比に対する出力電力及び変換効率の特性について説明する。図２は、昇圧比に対する出力電力及び変換効率の特性を説明するための図である。図２では、横軸は第１コンバータ１１の出力電力、縦軸は第１コンバータ１１の変換効率（入力電力に対する出力電力の比率）を示す。
図２において、曲線Ａは、最大昇圧比（Ｎｍａｘ）で動作したときの第１コンバータ１１の特性、曲線Ｂは、最小昇圧比（Ｎｍｉｎ）で動作したときの第１コンバータ１１の特性、曲線Ｃは、最大昇圧比よりも小さく、かつ、最小昇圧比よりも大きい昇圧比で動作したときの第１コンバータ１１の特性を示す。なお、図２は、第１コンバータ１１の出力電力と変換効率との関係性を示す一例であって、曲線Ａ、Ｂ、Ｃに対応するそれぞれの昇圧比は、上述した昇圧比に限られるものではない。
図２に示すように、昇圧比が大きいほど、変換効率は大きくなり出力可能な電力の最大値（以降、最大出力電力という）は小さくなる。反対に、昇圧比が小さいほど、最大出力電力は大きくなり変換効率は小さくなる。このため、変換効率を向上させる観点からは、昇圧比が大きくなるように、第１コンバータ１１を動作させるのが好ましい。一方で、出力電力を高くする観点からは、昇圧比が小さくなるように、第１コンバータ１１を動作させるのが好ましい。このように、昇圧比に対して、出力電力及び変換効率は、いわゆるトレードオフの関係にある。一般的には、第１コンバータ１１の定格電圧は、最大出力電力を出力するときの電圧（最大出力電圧ともいう）よりも低い。このため、第１コンバータ１１が定格電圧を出力するときの昇圧比（Ｎｏｐｔ）は、最大昇圧比（Ｎｍａｘ）未満となる。以降の説明では、説明の便宜上、第１コンバータ１１が定格電圧を出力するときの昇圧比を、定格昇圧比（Ｎｏｐｔ）ともいう。また、定格昇圧比で動作したときの最大出力電力及び変換効率の関係は、他の昇圧比で動作したときの最大出力電力及び変換効率の関係と比べて最もバランスが取れており最適なものとする。図２の例を用いると、定格昇圧比（Ｎｏｐｔ）は、曲線Ｂに該当する。
次に、第２コンバータ１２について説明する。第２コンバータ１２は、バッテリ２の電圧を変換し、変換した電圧を第１コンバータ１１に出力する。第２コンバータ１２も、第１コンバータ１１と同様に、いわゆるＤＣ－ＤＣコンバータである。また、第２コンバータ１２は、入力電圧を降圧する機能を有しており、いわゆる降圧型コンバータである。第２コンバータ１２は、例えば、チャージポンプ方式の降圧コンバータで構成される。なお、第２コンバータ１２は、入力側と出力側が絶縁されているか否かは特に限定されず、絶縁型のＤＣ－ＤＣコンバータであってもよいし、非絶縁型のＤＣ－ＤＣコンバータであってもよい。
第２コンバータ１２は、入力端子１２ａと、基準端子１２ｂと、出力端子１２ｃを有している。入力端子１２ａは、バッテリ２の接続端子２ａと接続され、基準端子１２ｂは、バッテリ２の接続端子２ｂと接続されている。また出力端子１２ｃは、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄと接続されている。なお、説明の便宜上、基準端子１２ｂは、第２コンバータ１２の基準電位を定める端子とする。また、入力端子１２ａは、基準端子１２ｂよりも高電位側の端子、出力端子１２ｃは、基準端子１２ｂよりも高電位側の端子とする。
第２コンバータ１２の入力電圧及び出力電圧について、説明する。第２コンバータ１２の入力電圧とは、基準端子１２ｂの電位に対する入力端子１２ａの電位の大きさである。言い換えると、第２コンバータ１２の入力電圧とは、基準端子１２ｂの電位を基準電位としたときの入力端子１２ａの電圧である。本実施形態では、第２コンバータ１２の入力電圧は、バッテリ２の電圧（Ｖｂａｔ）に相当する。また第２コンバータ１２の出力電圧とは、基準端子１２ｂの電位に対する出力端子１２ｃの電位の大きさである。言い換えると、第２コンバータ１２の出力電圧とは、基準端子１２ｂの電位を基準として場合の出力端子１２ｃの電圧である。本実施形態では、第２コンバータ１２は、入力電圧及び出力電圧それぞれに共通の基準電位となる基準端子１２ｂを有している。このため、第２コンバータでは、入力電圧と出力電圧は、共通した電位に基づく電圧となる。
第２コンバータ１２の出力端子１２ｃは、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄと接続されているため、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄの電圧は、第２コンバータ１２の出力電圧に応じて変動する。例えば、第２コンバータ１２がバッテリ２の電圧を降圧し、降圧した電圧を出力すると、出力端子１１ｄの電圧は、第２コンバータ１２の出力電圧となる。この場合、第１コンバータ１１の出力電圧（出力端子１１ｃの電圧）は、第１コンバータ１１が昇圧した電圧に、第２コンバータ１２の出力電圧を重畳した（加えた）電圧となる。図１では、第２コンバータ１２の出力電圧Ｖｓｃは、出力端子１２ｃと基準端子１２ｂの間の電圧を示す。
第２コンバータ１２には、後述する制御回路１３から制御信号が入力される。第２コンバータ１２は、制御信号に応じて、入力電圧であるバッテリ２の電圧を降圧する。制御信号としては、例えば、チャージポンプを構成するスイッチング素子がオン及びオフするための信号が挙げられる。第２コンバータ１２は、スイッチング素子のスイッチング周波数、及びデューティ比に応じて、バッテリ２の電圧を降圧する。例えば、スイッチング周波数に応じて、第２コンバータ１２が降圧する電圧は変化する。
また、第２コンバータ１２は、出力側にダイオード１５を有している。ダイオード１５のアノード端子は、基準端子１２ｂと接続され、ダイオード１５のカソード端子は、出力端子１２ｃと接続されている。本実施形態では、第２コンバータ１２の動作が停止した場合、出力端子１２ｃと基準端子１２ｂは、ダイオード１５を介して導通する。これにより、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄの電位は、バッテリ２の接続端子２ｂの電位と同電位となる。この場合、第１コンバータ１１の出力電圧は、バッテリ２の接続端子２ｂの電位を基準電位としたときの出力端子１１ｃの電圧となる。
ここで、本実施形態とは異なる比較例に係る電力変換装置および電力変換装置の制御方法を用いて、太陽電池モジュール１の出力電圧を昇圧するときに発生するコンバータの問題点について説明する。比較例に係る電力変換装置は、本実施形態に係る電力変換装置と比べて、第２コンバータ１２を備えていない点以外は、同様の構成を有しているものとする。すなわち、比較例に係る電力変換装置は、太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧し、昇圧した電圧をバッテリに出力する。
一般的には、太陽電池モジュールは、上述のとおり、複数の太陽電池セルの直列接続で構成されている。このため、例えば、太陽電池モジュールに影がかかり、一部の太陽電池セルに太陽光が照射されない場合（部分影ともいう）、太陽光が照射されていない太陽電池セルが高抵抗の素子として機能してしまい、太陽電池モジュールの出力電圧は大幅に低減してしまう。このような問題を解決するために、太陽電池モジュールには、太陽電池セルに並列接続され、太陽電池セルにより発電される電圧が所定値よりも低い場合に、太陽電池セルに流れる電流をバイパスするためのダイオードが設けられている。太陽光が照射されていない太陽電池セルを流れる電流は、ダイオードによりバイパスされるため、太陽光が照射されている太陽電池セルにより発電された電圧が、太陽電池モジュールの出力電圧として出力される。しかし、太陽電池モジュール内では、ダイオードを流れる電流によって電圧降下が発生しているため、太陽電池モジュールの出力電圧は低下してしまう。
太陽電池モジュールは、太陽光の影響を受けるため、太陽光の影響を受けない直流定電圧源と異なり、出力電圧の範囲が広範囲に及ぶ。一方で、バッテリの電圧は、太陽光の影響を受けない。言い換えると、コンバータに入力される電圧は、太陽光の影響による変動があるのに対して、コンバータが出力しなければならない電圧は、太陽光の影響による変動はない。このため、例えば、太陽モジュールの一部に影がかかり、太陽電池モジュールの出力電圧が低下した場合、比較例に係る電力変換装置では、昇圧比を大きくするように、コンバータを動作させなければならない。しかし、太陽電池モジュールの出力電圧が極めて低く、コンバータを最大昇圧比（Ｎｍａｘ）で動作させても、コンバータが太陽電池モジュールの出力電圧を、バッテリの電圧まで昇圧できない場合もある。この場合、太陽電池モジュールが発電していても、バッテリを充電ができない、という問題がある。
これに対して、本実施形態に係る電力変換装置１０は、太陽電池モジュール１の出力電圧が変動しても、バッテリ２の電圧に対応する電圧を出力するために、第２コンバータ１２を備えている。第２コンバータ１２が第１コンバータ１１の出力端子１１ｄに所定の電圧を出力することで、第１コンバータ１１のみで動作したときに比べて、第１コンバータ１１の出力電圧（出力端子１１ｃの電圧）を高くすることができる。これにより、太陽電池モジュール１の出力電圧が極めて低く、第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できない場合であっても、バッテリ２を充電することができる。また、第１コンバータ１１に要求される最大昇圧比（Ｎｍａｘ）を低減することができるとともに、第１コンバータ１１が最大昇圧比未満で動作することができ、最大出力電力を大きくすることができる。
また、本実施形態では、第２コンバータ１２は、バッテリ２の電圧を降圧するため、第２コンバータ１２が動作することで、バッテリ２の充電量が減少することも考えられる。しかし、本実施形態では、第２コンバータ１２は少なくともバッテリ２の電圧に基づいて所定の電圧を出力する機能を有していればよく、第２コンバータ１２の消費電力を第１コンバータ１１の消費電力よりも少なくすることができる。また、第２コンバータ１２の出力電力は、第１コンバータ１１の出力電力と合算されて、バッテリ２に供給される。ここで、第１コンバータ１１の出力電力と第２コンバータ１２の出力電力を比較すると、第１コンバータ１１の出力電力は、太陽電池モジュール１の発電電力であるため、第１コンバータ１１の出力電力は第２コンバータ１２の出力電力よりも極めて大きい。このような電力の大きさの関係性により、第２コンバータ１２が消費するバッテリ２の電力は、バッテリ２に供給される電力に対して極めて少ない。つまり、第２コンバータ１２が動作せずに、バッテリ２に電力を供給できない場合と、第２コンバータ１２を動作させて、バッテリ２に電力を供給する場合とを比べると、第２コンバータ１２の動作のためにバッテリ２の電力を消費したとしても、結果的には第２コンバータ１２を動作させた場合の方がバッテリ２への充電量を増やすことができる。
再び、図１に示す電力変換装置１０について説明する。制御回路１３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えるマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）で構成される。
制御回路１３には、太陽電池モジュール１の出力電圧（Ｖｐｖ）及び出力電流（Ｉｐｖ）の情報と、バッテリ２の電圧（Ｖｂａｔ）の情報が入力される。例えば、太陽電池モジュール１の出力端子１ａ及び出力端子１ｂに対して電圧センサ（図示しない）を並列接続し、太陽電池モジュール１の出力端子１ａと第１コンバータ１１の入力端子１１ａとの間に電流センサ（図示しない）を直列挿入し、バッテリ２の接続端子２ａ及び接続端子２ｂに対して電圧センサ（図示しない）を並列接続する。そして、各電圧センサと制御回路１３を接続することで、制御回路１３には、各電圧センサの検出結果が入力される。
また、制御回路１３は、ＲＯＭ等のメモリに、予め第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の特性を記憶させておくことで、第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の特性の情報を取得することができる。第１コンバータ１１の特性としては、回路構成及び制御方法、昇圧比に対する出力電力及び変換効率の特性、最大昇圧比（Ｎｍａｘ）、定格昇圧比（Ｎｏｐｔ）、出力可能な電圧範囲などが挙げられる。同様に、第２コンバータ１２の特性としては、回路構成及び制御方法、降圧比に対する出力電力及び変換効率の特性、降圧比の上限値、定格電圧を出力するときの降圧比、出力可能な電圧範囲などが挙げられる。
制御回路１３は、第１コンバータ１１の動作を制御して、太陽電池モジュール１の発電電力に基づく電力を、バッテリ２に出力する。また、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧に基づいて、第２コンバータ１２を動作させるか否かを判定し、第２コンバータ１２を動作させる場合には、第２コンバータ１２の出力電力を、バッテリ２への充電に用いるように、第２コンバータ１２の動作を制御する。なお、第２コンバータ１２を動作させる場合には、第１コンバータ１１がバッテリ２の電圧まで昇圧できず、第２コンバータ１２を動作させなければならない場合と、第１コンバータ１１はバッテリ２の電圧まで昇圧できるが、第１コンバータ１１の変換効率を向上させるために、第２コンバータ１２を動作させる場合が含まれる。
図３を用いながら、制御回路１３の具体的な動作について説明する。図３は、制御回路１３の動作を説明するための図である。図３の縦軸は電圧を示す。また、図３の左側には、太陽電池モジュール１の出力電圧（一転鎖線）、定格昇圧比（Ｎｏｐｔ）で動作したときの第１コンバータ１１の出力電圧（二点鎖線）、最大昇圧比（Ｎｍａｘ）で動作したときの第１コンバータ１１の出力電圧（破線）を示す。図３の右側には、バッテリ２の電圧を示す。バッテリ２としてリチウムイオンバッテリを用いた場合、バッテリ２の電圧は、充電状態に応じて変化する。図３では、バッテリ２の電圧が変化する範囲の上限値及び下限値として、バッテリ２の上限電圧及び下限電圧を示す。なお、図３に示す太陽電池モジュール１及び第１コンバータ１１の出力電圧は、それぞれの基準電位が同電位（例えば、ゼロ電圧）の場合の特性である。
本実施形態では、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の発電電力と、第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２が動作する際に消費される電力（以降、消費電力ともいう）を比較し、比較結果に応じて、第２コンバータ１２を動作させるか否かの判定をする。
具体的には、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧（Ｖｐｖ）及び出力電流（Ｉｐｖ）から太陽電池モジュール１による発電電力を演算し、演算した発電電力と第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の消費電力を比較する。制御回路１３は、太陽電池モジュール１の発電電力が第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の消費電力よりも小さい場合、第２コンバータ１２を動作させないと判定する。反対に、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の発電電力が第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の消費電力よりも大きい場合、第２コンバータ１２を動作させると判定する。このような判定を行うことで、太陽電池モジュール１の発電電力が不足しているにもかかわらず、第２コンバータ１２を不要に動作させることを防ぎ、電力変換システム１００の消費電力の低減を図ることができる。なお、第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の消費電力は、特定の条件における消費電力であり、予めＲＯＭ等のメモリに記憶されているものとする。
図３では、破線Ｄは、太陽電池モジュール１の発電電力と第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の消費電力が一致したときを示す。破線Ｄよりも右側の範囲では、太陽電池モジュール１の発電電力が第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の消費電力よりも小さいため、制御回路１３は、第２コンバータ１２を動作させない。破線Ｄよりも左側の範囲では、太陽電池モジュール１の発電電力が第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の消費電力よりも大きいため、制御回路１３は、第２コンバータ１２を動作させる。以降、この範囲（破線Ｄの左側範囲）における制御回路１３の動作について説明する。
制御回路１３は、第２コンバータ１２を動作させるか否かを判断するにあたり、まず、第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できるか否かを判定する。制御回路１３は、第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できないと判定した場合、第２コンバータ１２を動作させる。
具体的には、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧（Ｖｐｖ）と第１コンバータ１１の最大昇圧比（Ｎｍａｘ）の積と、バッテリ２の電圧（Ｖｂａｔ）を比較する。制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧と第１コンバータ１１の最大昇圧比の積がバッテリ２の電圧よりも小さい場合、第１コンバータ１１のみでは、バッテリ２の電圧まで昇圧させることができないと判断し、第２コンバータ１２を動作させる。図３では、領域Ｅは、第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できない範囲を示す。
制御回路１３は、バッテリ２の電圧（Ｖｂａｔ）を降圧させて、第２コンバータ１２から所定の電圧が出力されるように、第２コンバータ１２の動作を制御する。例えば、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧と第１コンバータ１１の最大昇圧比の積と、バッテリ２の電圧の差分を演算する。そして、制御回路１３は、第２コンバータ１２の出力電圧が演算した差分の電圧となるように、第２コンバータの動作を制御する。これにより、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄの電圧は、第２コンバータ１２の出力電圧となるため、第１コンバータ１１の出力電圧は、太陽電池モジュール１の出力電圧を最大昇圧比で昇圧した電圧に、第２コンバータ１２の出力電圧を重畳した電圧となる。例えば、部分影の影響により太陽電池モジュール１の出力電圧が低下し、第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できない場合であっても、第２コンバータ１２を動作させることで、第１コンバータ１１はバッテリ２の電圧に対応する電圧を出力することができる。この際に、制御回路１３は、最大昇圧比又はその周辺の昇圧比で動作するように、第１コンバータ１１の動作を制御する。
また、制御回路１３は、第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できる場合でも、第１コンバータ１１の出力電力及び変換効率と、バッテリ２の充電に必要な電力との関係に基づいて、第２コンバータ１２を動作させる。
例えば、最大昇圧比で動作することで、第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できたとする。この場合、制御回路１３は、バッテリ２の充電に必要な電力と、最大昇圧比で動作したときの第１コンバータ１１の最大出力電力を演算し、演算した２つの電力を比較する。そして、制御回路１３は、第１コンバータ１１の最大出力電力がバッテリ２の充電に必要な電力よりも小さい場合、第２コンバータ１２を動作させる。
昇圧比と最大出力電力の関係は、図２に示すように、昇圧比が大きいほど最大出力電力は小さくなる。そのため、最大昇圧比付近で第１コンバータ１１を動作させた場合、最大出力電力が小さくなり、第１コンバータ１１は、バッテリ２の充電に必要な電力を供給できなくなるおそれがある。本実施形態では、制御回路１３は、第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧ができる場合であっても、バッテリ２の充電に必要な電力を出力できない場合には、第２コンバータ１２を動作させる。
制御回路１３は、第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できる場合、定格昇圧比で動作したときの第１コンバータ１１の出力電圧に基づいて、第２コンバータ１２を動作させるか否かを判定する。
具体的には、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧（Ｖｐｖ）と第１コンバータ１１の定格昇圧比（Ｎｏｐｔ）の積が、バッテリ２の電圧（Ｖｂａｔ）よりも大きい場合、第２コンバータ１２を停止させる。この場合、第２コンバータ１２の出力端子１２ｃと基準端子１２ｂは、ダイオード１５を介して導通するため、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄとバッテリ２の接続端子２ｂが導通する。これにより、第２コンバータ１２の出力電力はバッテリ２の充電に用いられず、バッテリ２は第１コンバータ１１の出力電力により充電される。また、制御回路１３は、定格昇圧比で動作するように、第１コンバータ１１を動作させる。これにより、第１コンバータ１１の変換効率が最適になるとともに、第２コンバータ１２の消費電力を抑制できるため、電力変換装置１０の電力変換効率を向上させることができる。このような場面としては、太陽電池モジュール１の全体に対して太陽光が照射され、太陽電池モジュール１の出力電圧が比較的高い場面が想定される。
一方、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧（Ｖｐｖ）と第１コンバータ１１の定格昇圧比（Ｎｏｐｔ）の積が、バッテリ２の電圧（Ｖｂａｔ）よりも小さく、かつ、太陽電池モジュール１の出力電圧（Ｖｐｖ）と第１コンバータ１１の最大昇圧比（Ｎｍａｘ）の積がバッテリ２の電圧（Ｖｂａｔ）よりも大きい場合、第２コンバータ１２を動作させる。このような場面としては、太陽電池モジュール１の一部に影がかかり、太陽電池モジュール１の出力電圧が低下した場面が想定される。図３では、領域Ｆは、第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できるが、第２コンバータ１２を動作させる範囲を示す。
次に、図３に示す領域Ｆにおいての第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の制御の一例について説明する。例えば、制御回路１３は、第１コンバータ１１の入力電力、すなわち、太陽電池モジュール１の発電電力が最大となるように、第１コンバータ１１の動作を制御する。このような技術としては、例えば、最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）が挙げられる。ＭＰＰＴ方式を用いた場合、気象条件等の変化により、太陽電池モジュール１の発電電力が変動する場合でも、その時点における第１コンバータ１１の入力電力を最大にすることができる。例えば、第１コンバータ１１の内部に、ＭＰＰＴ制御回路（図示しない）を設けることで、第１コンバータ１１の入力電力を最大化することができる。
また、制御回路１３は、第２コンバータ１２の出力電流が最大、かつ、第２コンバータ１２の出力電圧が最小となるように、第２コンバータ１２の動作を制御する。例えば、制御回路１３は、出力電流を出力電圧で除算した値が最大となるように、第２コンバータ１２の動作を制御する。言い換えると、制御回路１３は、電力変換装置１０がバッテリ２に出力する電圧に対して第２コンバータ１２が負担する割合を低くしつつ、電力変換装置１０がバッテリ２に供給する電力に対しては第２コンバータ１２が負担する割合を高くなるように、第２コンバータ１２の動作を制御する。電力変換装置１０がバッテリ２に供給する電力には、第１コンバータ１１の出力電力と第２コンバータ１２の出力電力が含まれる。第２コンバータ１２が負担する電力の割合を高くなることで、第１コンバータ１１が負担する電力の割合は相対的に低くなり、第１コンバータ１１が出力可能な電力の範囲は拡大される。すなわち、第１コンバータ１１が動作可能な昇圧比の範囲を拡大させることができるため、第１コンバータ１１は変換効率が高い昇圧比で動作することができる。
上述した第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２に対しての制御の一例では、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の発電電力を最大化するように、第１コンバータ１１を動作させつつ、第１コンバータ１１の変換効率が高くなるように、第２コンバータ１２を動作させる。すなわち、制御回路１３は、その時点において、第１コンバータ１１の出力電力が最大化するとともに、第１コンバータ１１の変換効率が高くなるように、第１コンバータ１１及び第２コンバータ１２の動作を制御する。これにより、太陽電池モジュール１の発電電力が変動する場合であっても、第１コンバータ１１の電力変換効率を向上させながら、バッテリ２に供給する電力を大きくすることができる。
以上のように、本実施形態に係る電力変換装置１０又は電力変換装置１０の制御方法において、第１コンバータ１１は、太陽電池モジュール１及びバッテリ２に接続され、太陽電池モジュール１の出力電力を変換し、変換した電力をバッテリ２に出力する。また、第２コンバータ１２は、バッテリ２に接続され、バッテリ２の接続端子２ａ及び接続端子２ｂの間の電圧を変換する。そして、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧に基づいて、第２コンバータ１２の動作を制御することで、第２コンバータ１２の出力電力をバッテリ２への充電に用いる。これにより、気象条件等により、第１コンバータ１１の入力電圧が変動する場合でも、バッテリ２を充電するための別のバッテリを設けることなく、バッテリ２を充電させることができ、電力変換システム１００が大型化することを防ぐことができる。
また、本実施形態では、第２コンバータ１２の入力端子１２ａは、接続端子２ａを介してバッテリ２に接続され、第２コンバータ１２の出力端子１２ｃは、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄに接続されている。制御回路１３は、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄの電圧に、第２コンバータ１２の出力電圧を重畳させる。これにより、太陽電池モジュール１の出力電圧が低下し、第１コンバータ１１ではバッテリ２の電圧まで昇圧できない場合でも、第１コンバータ１１はバッテリ２の電圧に対応する電圧を出力することができる。
さらに、本実施形態では、制御回路１３は、第１コンバータ１１の入力電力が最大になるように、第１コンバータ１１の動作を制御し、第２コンバータ１２の出力電流を第２コンバータ１２の出力電圧で除算した値が最大になるように、第２コンバータ１２の動作を制御する。これにより、第１コンバータ１１の変換効率を向上させつつ、バッテリ２に供給する電力を大きくすることができる。
加えて、本実施形態では、第２コンバータ１２は、出力端子１２ｃに流れる電流の方向を一方向に制限する素子として、ダイオード１５を有している。第２コンバータ１２の出力端子１２ｃは、ダイオード１５を介してバッテリ２の接続端子２ｂと導通する。これにより、太陽電池モジュール１の出力電圧が比較的高い場合、第２コンバータ１２を停止させて、第１コンバータ１１のみでバッテリ２を充電することができる。その結果、第２コンバータ１２の消費電力を抑制することができ、電力変換装置１０の電力変換効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、太陽電池モジュール１の出力電圧の最大値は、６０Ｖ以下であり、バッテリ２の電圧は、太陽電池モジュール１の最大電圧の４倍以上である。また、第１コンバータ１１は、入力端子１１ａ、１１ｂと出力端子１１ｃ、１１ｄを絶縁する絶縁トランス１４を有している。これにより、電力変換装置１０を車両に搭載することができる。一例としては、太陽電池モジュールを車両の外装部に設け、電力変換装置１０をキャビンまたは床下に設けることが挙げられる。
さらに、本実施形態では、第１コンバータ１１は、昇圧比に応じて、太陽電池モジュール１の出力電圧を昇圧する。制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧と第１コンバータ１１の最大昇圧比の積が、バッテリ２の電圧よりも小さい場合、最大昇圧比で動作するように、第１コンバータ１１の動作を制御する。これにより、太陽電池モジュール１の出力電圧が低下し、第１コンバータ１１ではバッテリ２の電圧まで昇圧できない場合でも、第１コンバータ１１の変換効率を向上させつつ、バッテリ２に充電をすることができる。
加えて、本実施形態では、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧と第１コンバータ１１の定格昇圧比の積が、バッテリ２の電圧よりも大きい場合、第２コンバータ１２の出力電力をバッテリ２への充電に用いないように、第２コンバータ１２を停止させる。これにより、太陽電池モジュール１の出力電圧が比較的高い場合、第２コンバータ１２の消費電力を抑制することができ、電力変換装置１０の電力変換効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、制御回路１３は、太陽電池モジュール１の出力電圧と第１コンバータ１１の定格昇圧比の積が、バッテリ２の電圧よりも小さく、かつ、太陽電池モジュール１の出力電圧と第１コンバータ１１の最大定格比の積がバッテリ２の電圧よりも大きい場合、第２コンバータ１２の出力電流を第２コンバータ１２の出力電圧で除算した値が最大になるように、第２コンバータ１２の動作を制御する。これにより、第１コンバータ１１が変換効率の高い昇圧比で動作することができるとともに、バッテリ２に供給する電力を大きくすることができる。
なお、本実施形態では、第２コンバータ１２がダイオード１５を有することで、第２コンバータ１２が停止したときに、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄとバッテリ２の接続端子２ｂとが導通する構成を例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、図４に示すように、ダイオード１５の代わりに、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄとバッテリ２の接続端子２ｂの間に、導通又は遮断可能なリレー１６を設けてもよい。リレー１６を設けることで、ダイオード１５を流れる電流による電圧降下が発生せず、リレー１６がオンした際に、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄと、バッテリ２の接続端子２ｂの電位差を低減することができる。なお、図４は、第１実施形態に係る電力変換装置１０’の変形例を含む電力変換システム１００’の回路図である。
≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る電力変換装置について説明する。図５は、第２実施形態に係る電力変換装置２０を含む電力変換システム２００の回路図である。本実施形態に係る電力変換システム２００は、複数の太陽電池モジュール（３１１～３１４、３２１～３２４、３３１～３３４、３４１～３４４）と、バッテリ２と、電力変換装置２０を備えている。なお、上述した第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態での説明に用いた符号と同様の符号を付している。このため、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態においてした説明を適宜援用する。
上述した第１実施形態において説明したように、太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルの直列接続で構成することができるが、直列接続する太陽電池セルの数が増加するほど、太陽電池セルに影がかかる確率が上昇してしまい、太陽電池モジュールの発電電力が大幅に低減する確率が上昇する。すなわち、影がかかっていない太陽電池セルが多数存在していても、これらの太陽電池セルが発電する機会が失われる可能性が高くなる。また、太陽電池モジュールに影がかかっていない場合でも、太陽電池セルごとに日照量の差が生じると、太陽電池モジュールは、太陽電池モジュール全体として最適な電力を出力するため、太陽電池セルごとに観ると、最適な動作点で動作できておらず、太陽電池セルが最適な条件で発電する機会が失われる可能性が高くなる。このような場合に備えた一例として、電力変換システム２００では、太陽電池モジュールに含まれる太陽電池セルの数を減らす代わりに、複数の太陽電池モジュールを設け、それぞれの太陽電池モジュールの発電電力を合算する構成になっている。図５に示す各太陽電池モジュールに含まれる太陽電池セルの数は、上述した第１実施形態に係る太陽電池モジュール１に含まれる太陽電池セルの数よりも少ないものとする。このため、図５に示す各太陽電池モジュールの出力電圧は、第１実施形態における太陽電池モジュール１の出力電圧よりも低い。
本実施形態に係る電力変換装置２０は、複数の太陽電池モジュール（３１１～３１４、３２１～３２４、３３１～３３４、３４１～３４４）に対して、各太陽電池モジュールに対応する複数の第１コンバータ（２１１～２１４、２２１～２２４、２３１～２３４、２４１～２４４）を含む複数の第１コンバータ群２１～２４と、第２コンバータ１２と、制御回路４３を備えている。なお、本実施形態では、第１コンバータ群２１～２４は、全て同じ構成である。このため、第１コンバータ群２１について説明を行い、第１コンバータ群２２～２４については、第１コンバータ群２１においてした説明を適宜援用する。
第１コンバータ群２１は、複数の太陽電池モジュール３１１～３１４に対応する複数の第１コンバータ２１１～２１４を有している。各第１コンバータ２１１～２１４には、制御回路４３から制御信号が入力され、各第１コンバータ２１１～２１４は、制御信号に応じて、第１実施形態に係る第１コンバータ１１と同様に、太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧する。すなわち、第１コンバータ２１１は、太陽電池モジュール３１１の発電電力を変換し、第１コンバータ２１２は、太陽電池モジュール３１２の発電電力を変換し、第１コンバータ２１３は、太陽電池モジュール３１３の発電電力を変換し、第１コンバータ２１４は、太陽電池モジュール３１４の発電電力を変換する。
また、図５に示すように、第１コンバータ２１１～２１４の出力端子同士は、順次直列に接続されている。すなわち、第１コンバータ２１１の出力端子２１１ｄは、第１コンバータ２１２の出力端子２１２ｃと接続され、第１コンバータ２１２の出力端子２１２ｄは、第１コンバータ２１３の出力端子２１３ｃと接続され、第１コンバータ２１３の出力端子２１３ｄは、第１コンバータ２１４の出力端子２１４ｃと接続されている。また、第１コンバータ２１１の出力端子２１１ｃは、バッテリ２と接続され、第１コンバータ２１４の出力端子２１４ｄは、第２コンバータ１２の出力端子１２ｃと接続されている。
第１コンバータ２１１～２１４の出力端子を順次直列に接続することで、第１コンバータ２１４は、第１コンバータ２１３の出力端子２１３ｄに対して、第２コンバータ１２の出力端子１２ｃの電位に対する電圧を出力する。また、第１コンバータ２１３は、第１コンバータ２１２の出力端子２１２ｄに対して、出力端子２１４ｄの電位に対する電圧を出力する。また、第１コンバータ２１２は、第１コンバータ２１１の出力端子２１１ｄに対して、出力端子２１３ｄの電位に対する電圧を出力する。また、第１コンバータ２１１は、バッテリ２の接続端子２ａに対して、出力端子２１２ｄの電位に対する電圧を出力する。これにより、本実施形態では、第１コンバータ群２１は、第１コンバータ２１１～２１４それぞれの出力電圧が重畳された電圧を、バッテリ２に出力する。また、第１コンバータ群２１は、第１コンバータ２１１～２１４それぞれの出力電力が合算された電力を、バッテリ２に出力する。この際に、第２コンバータ１２が動作している場合には、第１コンバータ群２１は、さらに第２コンバータ１２の出力電力を加えた電力を、バッテリ２に出力する。
図５に示すように、第１コンバータ群２１の出力端子２１１ｃは、バッテリ２の接続端子２ａに接続されるとともに、第１コンバータ群２２の出力端子２２１ｃ、第１コンバータ群２３の出力端子２３１ｃ、及び第１コンバータ群２４の出力端子２４１ｃと接続されている。すなわち、各第１コンバータ群２１～２４のそれぞれの出力端子同士は、並列接続されている。バッテリ２には、第１コンバータ群２１の出力電力、第１コンバータ群２２の出力電力、第１コンバータ群２３の出力電力、及び第１コンバータ群２４の出力電力が合算された電力が入力される。例えば、太陽電池モジュール３１１～３１４には影がかかり、それ以外の太陽電池モジュールには影がかかっていない場合、第１コンバータ群２１の出力電力は低下するが、それ以外の第１コンバータ群２２～２４の出力電力は低下しない。このため、第１コンバータ群２１の出力電力を補うように、影がかかっていない太陽電池モジュールに対応する第１コンバータの動作を制御することで、一部の太陽電池モジュールに影がかかっていても、バッテリ２の充電量を維持することができる。
制御回路４３は、上述した第１実施形態に係る制御回路１３と比べて、第２コンバータ１２を動作させるか否かを判定する機能が異なる以外は、制御回路１３と同様の機能を有する。このため、制御回路１３においてした説明を適宜援用する。
制御回路４３は、第１コンバータ群ごとに、太陽電池モジュールの出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できるか否かを判定する。制御回路４３は、いずれかの第１コンバータ群２１～２４において、太陽電池モジュールの出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できないと判定した場合、第２コンバータ１２を動作させる。
また、制御回路４３は、いずれの第１コンバータ群２１～２４においても、定格昇圧比で第１コンバータが動作することができると判定した場合、第２コンバータ１２を停止する。
また、制御回路４３は、いずれの第１コンバータ群２１～２４においても、太陽電池モジュールの出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧はできるが、定格昇圧比では第１コンバータを動作させることができない場合、第１コンバータの入力電力を最大化するように、第１コンバータの動作を制御しつつ、出力電流を出力電圧で除算した値が最大となるように、第２コンバータ１２の動作を制御する。制御回路４３は、第１コンバータ群ごとに、同様の演算及び制御を行うため、以降では、第１コンバータ群２１を例に挙げて説明する。
制御回路４３は、第１コンバータ２１１～２１４ごとに、太陽電池モジュールの出力電圧と第１コンバータの最大昇圧比の積を演算する。例えば、制御回路４３は、太陽電池モジュール３１１の出力電圧と第１コンバータ２１１の最大昇圧比の積を演算する。
また、制御回路４３は、第１コンバータ群２１としてバッテリ２の電圧を出力するために、各第１コンバータ２１１～２１４が出力しなければならない電圧を演算する。図５の例の場合、第１コンバータ群２１は、太陽電池モジュール及び第１コンバータがそれぞれ４個から構成されている。制御回路４３は、バッテリ２の電圧を４で除算することで、各第１コンバータ２１１～２１４に必要な最低限の電圧（以降、必要電圧ともいう）を演算する。そして、制御回路４３は、第１コンバータごとに、太陽電池モジュールの出力電圧と最大昇圧比の積と、演算した必要電圧を比較し、いずれかの比較結果において、最大昇圧比の積が必要電圧よりも小さい場合、第２コンバータ１２を動作させる。
また、制御回路４３は、第１コンバータ群２１～２４に含まれるいずれかの第１コンバータにおいて、最大昇圧比の積が必要電圧よりも小さい場合、対象の第１コンバータが含まれる第１コンバータ群を対象第１コンバータ群として特定する。そして、制御回路４３は、対象第１コンバータ群については、第１実施形態と同様に、最大昇圧比又はその周辺の昇圧比で動作するように、第１コンバータの動作を制御する。
また、制御回路４３は、第１コンバータ群２１に含まれる各第１コンバータ２１１～２１４について、太陽電池モジュールの出力電圧と第１コンバータの定格昇圧比の積を演算する。制御回路４３は、いずれの第１コンバータにおいても、太陽電池モジュールの出力電圧と定格昇圧比の積が必要電圧よりも小さい場合、第２コンバータ１２を停止させる。
また、制御回路４３は、第１コンバータごとに、太陽電池の出力電圧と第１コンバータの定格昇圧比の積が必要電圧よりも小さく、かつ、太陽電池の出力電圧と第１コンバータの最大昇圧比の積が必要電圧よりも大きい場合、第２コンバータ１２を動作させる。この場合において、制御回路４３は、第１実施形態と同様に、第１コンバータの入力電力が最大化するように、第１コンバータの動作を制御しながら、出力電流を出力電圧で除算した値が最大となるように、第２コンバータ１２の動作を制御する。
以上のように、本実施形態に係る電力変換装置２０又は電力変換装置２０の制御方法において、電力変換装置２０は、複数の太陽電池モジュール３１１～３１４に対して、各太陽電池モジュールに対応する第１コンバータ２１１～２１４を含む第１コンバータ群２１を備えている。第１コンバータ２１１～２１４それぞれの出力端子同士は、順次直列に接続されている。これにより、部分影が発生しても、影がかかっていない太陽電池セルが発電する機会が失われる可能性を低減することができる。また、太陽電池セルが最適な条件で発電する機会が失われる可能性を低減することができる。
また、本実施形態に係る電力変換装置２０及び電力変換装置２０の制御方法において、電力変換装置２０は、複数の第１コンバータ群２１～２４を備えている。第１コンバータ群２１～２４それぞれの出力端子同士は、並列に接続されている。これにより、上述した効果と同様の効果を奏する。
さらに、本実施形態では、制御回路４３は、バッテリ２の電圧に基づいて１つの第１コンバータあたり必要な電圧を必要電圧として演算し、第１コンバータごとに、太陽電池モジュールの出力電圧と最大昇圧比の積を演算し、演算結果と必要電圧とを比較する。制御回路４３は、いずれかの比較結果において、太陽電池モジュールの出力電圧と最大昇圧比の積が必要電圧よりも小さい場合、対象の第１コンバータが含まれる第１コンバータ群を対象第１コンバータ群として特定する。制御回路４３は、対象第１コンバータ群について、最大昇圧比又はその周辺の昇圧比で動作するように、第１コンバータの動作を制御する。これにより、複数の太陽電池モジュールのうちいずれかの太陽電池モジュールの出力電圧が低下し、第１コンバータ群ではバッテリ２の電圧まで昇圧できない場合でも、第１コンバータの変換効率を向上させつつ、バッテリ２に充電をすることができる。
加えて、本実施形態では、制御回路４３は、第１コンバータごとに、太陽電池モジュールの出力電圧と定格昇圧比の積を演算し、演算結果と必要電圧とを比較する。制御回路４３は、いずれの比較結果においても、太陽電池モジュールの出力電圧と定格昇圧比の積が必要電圧よりも大きい場合、第２コンバータ１２の出力電力をバッテリ２への充電に用いないように、第２コンバータ１２を停止させる。これにより、太陽電池モジュール１の出力電圧が比較的高い場合、第２コンバータ１２の消費電力を抑制することができ、電力変換装置２０の電力変換効率を向上させることができる。
加えて、本実施形態では、制御回路４３は、第１コンバータごとに、太陽電池モジュールの出力電圧と最大昇圧比の積を演算し、演算結果と必要電圧を比較する。また、制御回路４３は、太陽電池モジュールの出力電圧と定格昇圧比の積を演算し、演算結果と必要電圧を比較する。そして、制御回路４３は、いずれの比較結果においても、太陽電池モジュールの出力電圧と最大昇圧比の積が必要電圧よりも小さく、かつ、太陽電池モジュールの出力電圧と定格昇圧比の積が必要電圧よりも大きい場合、出力電流を出力電圧で除算した値が最大となるように、第２コンバータの動作を制御する。これにより、第１コンバータが変換効率の高い昇圧比で動作することができるとともに、バッテリ２に供給する電力を大きくすることができる。
≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る電力変換装置について説明する。図６は、第３実施形態に係る電力変換装置３０を含む電力変換システム３００の回路図である。本実施形態に係る電力変換装置３０は、上述した第２実施形態に係る電力変換装置２０と比べて、第２コンバータの数が異なる点以外は、同様の構成である。このため、同様の構成については、第２実施形態においてした説明を適宜援用する。
電力変換装置３０は、第１コンバータ群２１～２４ごとに、第２コンバータ１１２～１１４を備えている。具体的には、第２コンバータ１１２は、第１コンバータ群２１に対応して設けられ、第２コンバータ１１３は、第１コンバータ群２２に対応して設けられ、第２コンバータ１１４は、第１コンバータ群２３に対応して設けられ、第２コンバータ１１５は、第１コンバータ群２４に対応して設けられている。第１コンバータ群と第２コンバータとの接続関係については、上述した第１実施形態における第１コンバータ１１と第２コンバータ１２との接続関係と同様である。
以上のように、本実施形態に係る電力変換装置３０又は電力変換装置３０の制御方法において、電力変換装置３０は、第１コンバータ群２１～２４ごとに、第２コンバータ１１２～１１４を備えている。これにより、第１コンバータ群ごとに、第２コンバータの制御を行うことができるため、第１コンバータ群ごとに最適な動作をさせることができ、その結果、電力変換システム３００の電力変換効率を向上させるとともに、バッテリ２に供給する電力を大きくすることができる。
≪第４実施形態≫
次に、第４実施形態に係る電力変換装置について説明する。図７は、第４実施形態に係る電力変換装置４０を含む電力変換システム４００の回路図である。本実施形態に係る電力変換装置４０は、上述した第１実施形態に係る電力変換装置１０と比べて、第２コンバータ１７の回路構成及び制御回路６３による第２コンバータ１７への制御が異なる点以外は、同様の構成である。このため、同様の構成については、第１実施形態においてした説明を適宜援用する。
第２コンバータ１７は、第１実施形態における第２コンバータ１２と同様に、降圧型のＤＣ－ＤＣコンバータである。第２コンバータ１７は、入力端子１７ａ、１７ｂと、出力端子１７ｃ、１７ｄを有している。入力端子１７ａは、バッテリ２の接続端子２ａと接続され、入力端子１７ｂ及び出力端子１７ｃは、バッテリ２の接続端子２ｂと接続されている。また出力端子１７ｄは、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄと接続されている。なお、説明の便宜上、入力端子１７ａは、入力端子１７ｂよりも高電位側の端子、出力端子１７ｄは、出力端子１７ｃよりも高電位側の端子とする。
また、第２コンバータ１７は、絶縁トランス１８を有しており、絶縁型のＤＣ－ＤＣコンバータである。絶縁トランス１８は、入力側に設けられた１次巻線１８ａと、出力側に設けられた２次巻線１８ｂを有している。第２コンバータ１７は、例えば、１次巻線１８ａと接続されるインバータ回路と、２次巻線１８ｂと接続される整流回路で構成される。
制御回路６３は、入力電圧に対する出力電圧の割合が一定となるように、第２コンバータ１７の動作を制御する。図７では、第２コンバータ１７の出力電圧（Ｖｓｃ）は、バッテリ２の電圧（Ｖｂａｔ）に対する割合が一定であることを示す。
また、制御回路６３は、第２コンバータ１７におけるインバータ回路がソフトスイッチングするように、第２コンバータ１７の動作を制御する。例えば、制御回路６３は、スイッチング素子のスイッチング周波数、及びデューティ比を制御することで、第２コンバータ１７をソフトスイッチングさせつつ、入力電圧に対する出力電圧の割合を一定にさせる。このような回路構成及び制御を行うことで、第２コンバータ１７が常にソフトスイッチング動作をするため、第２コンバータ１７の消費電力を大幅に低減することができる。
以上のように、本実施形態に係る電力変換装置４０又は電力変換装置４０の制御方法において、制御回路６３は、第２コンバータ１７に含まれるスイッチング素子がソフトスイッチングしつつ、入力電圧に対する出力電圧の割合が一定となるように、第２コンバータ１７の動作を制御する。第１コンバータ１１が太陽電池モジュール１の出力電圧をバッテリ２の電圧まで昇圧できない場合、第２コンバータ１７が出力しなければならない電圧は、バッテリ２の電圧に比例する。すなわち、バッテリ２の電圧が高ければ高くなり、低ければ低くなる。例えば、バッテリ２の電圧が比較的高い場合、バッテリ２の電圧に応じて第２コンバータ１７の出力電圧は高くなる。この場合、高い電圧を出力しながらも、ソフトスイッチングで動作するため、第２コンバータ１７の消費電力を効果的に抑制することができる。同様に、例えば、バッテリ２の電圧が比較的低い場合でも、低い電圧を出力しながらも、ソフトスイッチングで動作するため、第２コンバータ１７の消費電力を効果的に抑制することができる。
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
例えば、上述した第１実施形態において、第２コンバータの出力端子１２ｃは、第１コンバータ１１の出力端子１１ｄと接続されることで、第２コンバータ１２の出力電圧を第１コンバータ１１の出力端子１１ｄの電圧に重畳させる構成を例に挙げたが、第２コンバータ１２の出力端子１２ｃを、第１コンバータ１１の入力端子１１ｂに接続させてもよい。この場合、第２コンバータ１２の出力電圧が、第１コンバータ１１の入力端子１１ｂの電圧に重畳するため、第１コンバータ１１が昇圧する対象の電圧は、バッテリ２の出力電圧に、第２コンバータ１２の出力電圧が重畳した（加算した）電圧となる。これにより、バッテリ２の出力電圧が低下し、第１コンバータ１１ではバッテリ２の電圧まで昇圧できない場合でも、第１コンバータ１１はバッテリ２の電圧に対応する電圧を出力することができる。
例えば、本明細書では、本発明に係る電力変換装置又は電力変換装置の制御方法における電力変換装置を、電力変換装置１０、２０、３０、４０を例に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本明細書では、本発明に係る第１電力変換回路を、第１コンバータ１１を例に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本明細書では、本発明に係る第２電力変換回路を、第２コンバータ１２、１７を例に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
１００…電力変換システム
１…太陽電池モジュール
１ａ…出力端子
１ｂ…出力端子
２…バッテリ
２ａ…接続端子
２ｂ…接続端子
１０…電力変換装置
１１…第１コンバータ
１１ａ…入力端子
１１ｂ…入力端子
１１ｃ…出力端子
１１ｄ…出力端子
１４…絶縁トランス
１４ａ…１次巻線
１４ｂ…２次巻線
１２…第２コンバータ
１２ａ…入力端子
１２ｂ…基準端子
１２ｃ…出力端子
１３…制御回路

Claims (16)

  1. 制御回路を用いて、第１電力変換回路と第２電力変換回路を備える電力変換装置を制御する制御方法であって、
    前記第１電力変換回路は、太陽電池モジュール及び蓄電器に接続され、入力された前記太陽電池モジュールの出力電力の電圧を変換し、電圧変換した電力を前記蓄電器に出力し、
    前記第２電力変換回路は、前記蓄電器に接続され、入力された前記蓄電器の出力電力の電圧を変換し、
    前記制御方法は、
    前記太陽電池モジュールの出力電圧に基づいて、前記第２電力変換回路の動作を制御することで、前記第１電力変換回路の出力電力と、前記第２電力変換回路の出力電力とを合算した電力を前記蓄電器へ供給させる制御方法。
  2. 請求項１記載の制御方法であって、
    前記制御方法は、
    前記第１電力変換回路の入力端子の電圧又は出力端子の電圧に、前記第２電力変換回路の出力電圧を重畳させる制御方法。
  3. 請求項１又は２記載の制御方法であって、
    前記第２電力変換回路の入力端子は、前記蓄電器に接続され、
    前記第２電力変換回路の出力端子は、前記第１電力変換回路の出力端子のうち低電位側の前記出力端子に接続され、
    前記制御方法は、
    前記第１電力変換回路の低電位側の前記出力端子の電圧に、前記第２電力変換回路の出力電圧を重畳させる制御方法。
  4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の制御方法であって、
    前記制御方法は、
    前記第１電力変換回路の入力電力が最大になるように、前記第１電力変換回路の動作を制御し、
    前記第２電力変換回路の出力電流を前記第２電力変換回路の出力電圧で除算した値が最大になるように、前記第２電力変換回路の動作を制御する制御方法。
  5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の制御方法であって、
    前記第２電力変換回路は、出力端子に流れる電流の方向を一方向に制限する素子を有し、
    前記第２電力変換回路の出力端子は、前記素子を介して前記蓄電器の低電位側の接続端と導通する制御方法。
  6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の制御方法であって、
    前記制御方法は、
    前記第２電力変換回路に含まれるスイッチング素子がソフトスイッチングしつつ、前記第２電力変換回路の入力電圧に対する出力電圧の割合が一定となるように、前記第２電力変換回路の動作を制御する制御方法。
  7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の制御方法であって、
    前記太陽電池モジュールの出力電圧の最大値は、６０Ｖ以下であり、
    前記蓄電器の電圧は、前記最大値の４倍以上であり、
    前記第１電力変換回路において、入力端子と出力端子は絶縁する素子を介して接続されている制御方法。
  8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の制御方法であって、
    前記第１電力変換回路は、昇圧比に応じて、前記太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧し、
    前記制御方法は、
    前記太陽電池モジュールの出力電圧と第１昇圧比の積が、前記蓄電器の電圧よりも小さい場合、前記第１昇圧比で動作するように、前記第１電力変換回路の動作を制御し、
    前記第１昇圧比は、前記第１電力変換回路の最大昇圧比である制御方法。
  9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の制御方法であって、
    前記第１電力変換回路は、昇圧比に応じて、前記太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧し、
    前記制御方法は、
    前記太陽電池モジュールの出力電圧と第２昇圧比との積が、前記蓄電器の電圧よりも大きい場合、前記第２電力変換回路の出力電力を前記蓄電器への充電に用いないように、前記第２電力変換回路の動作を制御し、
    前記第２昇圧比は、前記第１電力変換回路の定格昇圧比である制御方法。
  10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の制御方法であって、
    前記第１電力変換回路は、昇圧比に応じて、前記太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧し、
    前記制御方法は、
    前記太陽電池モジュールの出力電圧と第２昇圧比の積が、前記蓄電器の電圧よりも小さく、かつ、前記太陽電池モジュールの出力電圧と第１昇圧比の積が、前記蓄電器の電圧よりも大きい場合、前記第２電力変換回路の出力電流を前記第２電力変換回路の出力電圧で除算した値が最大となるように、前記第２電力変換回路の動作を制御し、
    前記第１昇圧比は、前記第１電力変換回路の最大昇圧比であり、
    前記第２昇圧比は、前記第１電力変換回路の定格昇圧比である制御方法。
  11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の制御方法であって、
    前記電力変換装置は、複数の太陽電池モジュールに対して、各前記太陽電池モジュールに対応する複数の前記第１電力変換回路を含む第１電力変換回路群を備え、
    前記第１電力変換回路それぞれの出力端子同士は、順次直列に接続されている制御方法。
  12. 請求項１１に記載の制御方法であって、
    前記電力変換装置は、複数の前記第１電力変換回路群を備え、
    前記第１電力変換回路群それぞれの出力端子同士は、並列に接続されている制御方法。
  13. 請求項１２に記載の制御方法であって、
    前記第１電力変換回路は、昇圧比に応じて、前記太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧し、
    前記制御方法は、
    前記蓄電器の電圧に基づいて一の前記第１電力変換回路あたり必要な電圧を必要電圧として演算し、前記第１電力変換回路ごとに、前記太陽電池モジュールの出力電圧と第１昇圧比の積と前記必要電圧とを比較し、
    いずれかの比較結果において、前記第１昇圧比との前記積が前記必要電圧よりも小さい場合、前記第１昇圧比との前記積が前記必要電圧よりも小さい前記第１電力変換回路が含まれる前記第１電力変換回路群を、対象回路群として特定し、
    前記第１昇圧比で動作するように、前記対象回路群に含まれる複数の前記第１電力変換回路の動作を制御し、
    前記第１昇圧比は、前記第１電力変換回路の最大昇圧比である制御方法。
  14. 請求項１２又は１３に記載の制御方法であって、
    前記第１電力変換回路は、昇圧比に応じて、前記太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧し、
    前記制御方法は、
    前記蓄電器の電圧に基づいて一の前記第１電力変換回路あたり必要な電圧を必要電圧として演算し、前記第１電力変換回路ごとに、前記太陽電池モジュールの出力電圧と第２昇圧比の積と前記必要電圧とを比較し、
    いずれの比較結果においても、前記第２昇圧比との前記積が前記必要電圧よりも大きい場合、前記第２電力変換回路の出力電力を前記蓄電器への充電に用いないように、前記第２電力変換回路の動作を制御し、
    前記第２昇圧比は、前記第１電力変換回路の定格昇圧比である制御方法。
  15. 請求項１２～１４の何れか一項に記載の制御方法であって、
    前記第１電力変換回路は、昇圧比に応じて、前記太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧し、
    前記制御方法は、
    前記蓄電器の電圧に基づいて一の前記第１電力変換回路あたり必要な電圧を必要電圧として演算し、前記第１電力変換回路ごとに、前記太陽電池モジュールの出力電圧と第１昇圧比の積と前記必要電圧とを比較し、前記太陽電池モジュールの出力電圧と第２昇圧比の積と前記必要電圧とを比較し、
    いずれの比較結果においても、前記第１昇圧比との前記積が前記必要電圧よりも小さく、かつ、前記第２昇圧比との前記積が前記必要電圧よりも大きい場合、前記第２電力変換回路の出力電流を前記第２電力変換回路の出力電圧で除算した値が最大となるように、前記第２電力変換回路の動作を制御し、
    前記第１昇圧比は、前記第１電力変換回路の最大昇圧比であり、
    前記第２昇圧比は、前記第１電力変換回路の定格昇圧比である制御方法。
  16. 太陽電池モジュール及び蓄電器に接続され、入力された前記太陽電池モジュールの出力電力の電圧を変換し、電圧変換した電力を前記蓄電器に出力する第１電力変換回路と、
    前記蓄電器に接続され、入力された前記蓄電器の出力電力の電圧を変換する第２電力変換回路と、
    前記第１電力変換回路及び第２電力変換回路の動作を制御する制御回路と、を備え、
    前記制御回路は、前記太陽電池モジュールの出力電圧に基づいて、前記第２電力変換回路の動作を制御することで、前記第１電力変換回路の出力電力と、前記第２電力変換回路の出力電力とを合算した電力を前記蓄電器へ供給させる電力変換装置。
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