JP7140633B2 - 電力制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力制御装置に関する。
近年、ＣＯ２ゼロに向け太陽電池の開発が盛んである。その中で、電力の取り出し効率を高めるために最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御を利用した太陽電池システムがある（特許文献１、２）。上記ＭＰＰＴ制御は、太陽電池の出力電力が最大電力になるように太陽電池の出力電力を変換するインバータ、コンバータなどの電力変換器を動作させる制御である。これら太陽電池システムは、複数の太陽電池に対して一括にＭＰＰＴ制御をおこなうのではなく、個々の太陽電池に対して別々にＭＰＰＴ制御をおこなっている。
しかしながら、ＭＰＰＴ制御を太陽電池毎に行ったとしても、太陽電池毎の電力は最大であるが、それらの電力が合成されたときのことも考慮する必要がある。そこで、全ての太陽電池の発電量を把握する制御部を設け、制御部が各電力変換器からの出力電圧を制御して最大電力が維持されるようにすることが考えられる。
しかしながら、この場合、全ての太陽電池の発電量を把握する制御部が必要となり、装置が複雑になり、コスト的に問題があった。
特開平７－３０２１３０号公報 特開２０１２－１９９５１９号公報
本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、電力の取り出し効率の高い電力制御装置を安価に提供することを目的としている。
本発明の態様である電力制御装置は、複数の太陽電池から電力を取り出す電力制御装置であって、前記複数の太陽電池毎に設けられ、前記太陽電池の出力電力を変換する複数のコンバータと、前記複数のコンバータの出力が入力に接続され、充電時は入力電圧を基準電圧に保ちながら当該入力電力を変換する充電器と、前記複数のコンバータを各々独立して制御する複数の制御部と、を備え、前記複数の制御部は各々、前記コンバータの出力電圧を前記基準電圧から徐々に上げ、上げる毎に前記太陽電池の出力電力を測定して、測定した出力電力が最大となる出力電圧を探して維持するように前記制御を行うことを特徴とする。
また、前記複数の制御部は各々、前記コンバータの出力電流が上限電流以上になると定電流で動作するように制御し、前記基準電圧は、前記コンバータの出力電圧を下げて前記コンバータの出力電流を上げた結果、当該出力電流が前記上限電流に達したときの前記出力電圧以上に設定されていてもよい。
また、前記太陽電池の変換効率を記憶する記憶部と、前記変換効率から前記太陽電池の最大電力を演算する演算部と、を備え、前記複数の制御部は、前記測定した入力電力が前記演算部により演算した最大電力になったときの前記コンバータの出力電圧を維持するように制御するようにしてもよい。
以上説明したように上記態様によれば、制御部は、コンバータの出力電圧を基準電圧から徐々に上げて太陽電池の出力電力が最大となる点を探している。これにより、充電時においてコンバータの出力電圧を充電器の入力電圧（基準電圧）より高くすることができ、コンバータからの出力電流を充電器に入力することができる。また、制御部が各々独立してコンバータの制御を行うことにより、全ての太陽電池の発電量を把握する制御部が必要ないので、電力の取り出し効率の高い電力制御装置を安価に提供することができる。
本発明の電力制御装置の一実施形態を示すブロック図である。 図１に示すソーラパネルの設置例を示す図である。 図１に示すソーラパネルの照度ごとの出力特性を示すグラフである。 図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流－出力電圧特性を示すグラフである。 図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータの入出力特性を示すグラフである。 図１に示す制御部の動作を示すフローチャートである。
本発明の電力制御装置１について図面を参照して以下説明する。
図１に示す電力制御装置１は、複数のソーラパネル（太陽電池）２からの電力を制御して、補機バッテリ３や高圧バッテリ４に充電するための装置である。ソーラパネル２は、図２に示すように、車両のルーフ、ドア、ボンネットなどの車体の各部に配置されている。ソーラパネル２は、設置場所によって大きさも異なり、入射される光量も異なる。上記ソーラパネル２の出力特性を図３に示す。
同図に示すように、ソーラパネル２の発電量は、入射される光量にほぼ比例する。また、ソーラパネル２の出力電圧は、出力電流が小さいうちは出力電流が大きくなるに従ってゆっくりと減少するが、出力電流が大きくなると出力電流が大きくなるに従って急激に減少する。
補機バッテリ３は、例えば１２Ｖバッテリから構成されている。高圧バッテリ４は、補機バッテリ３よりも高圧のバッテリから構成されている。
図１に示すように、電力制御装置１は、複数のソーラパネル２毎に設けられ、ソーラパネル２の発電量を制御する複数のソーラ発電ユニット１１と、バッテリ３、４への充電を制御する充電器１２と、を備えている。
ソーラ発電ユニット１１は各々、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１と、計測回路１１２、１１３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１を制御する制御部１１４と、を有している。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１は、平滑コンデンサやスイッチ素子（図示せず）を有する周知のＤＣ／ＤＣコンバータであり、ソーラパネル２の出力電力（直流電力）を変換して出力する。
計測回路１１２は、ソーラパネル２の出力電圧、出力電流（＝ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の入力電圧、入力電流）を計測して、後述する制御部１１４に対して供給する。計測回路１１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧、出力電流を計測して後述する制御部１１４に対して供給する。
制御部１１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの周知のマイクロコンピュータから構成されている。制御部１１４は、ソーラパネル２の出力電力（出力電流×出力電圧）が最大電力点ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ（図３）となるように、パルス幅変調されたパルスをＤＣ／ＤＣコンバータ１１１のスイッチ素子に対して入力する。この制御部１１４により制御されるＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力特性を図４に示す。
同図に示すように、制御部１１４は、計測回路１１３により計測された出力電圧が予め定めた上限電圧Ｖ１に達するとＤＣ／ＤＣコンバータ１１１を定電圧で動作させる。また、制御部１１４は、計測回路１１３により計測された出力電流が予め定めた上限電流Ｉ１に達するとＤＣ／ＤＣコンバータ１１１を定電流で動作させる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電流は、制御部１１４の制御により、上限電圧Ｖ１から出力電圧を下げるに従って上昇する。
図１に示すように、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力はＤＣバスＢＤＣに接続され、後述する充電器１２に入力される。充電器１２の出力は、バッテリ３、４に接続され、バッテリ３、４を充電する。充電器１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１と、計測回路１２２、１２３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１を制御する制御部１２４と、を備えている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１は、平滑コンデンサやスイッチ素子（図示せず）を有する周知のＤＣ／ＤＣコンバータであり、ＤＣバスＢＤＣからの入力電力を変換して出力する。
計測回路１２２は、ＤＣバスＢＤＣからの入力電圧、入力電流を計測して、後述する制御部１２４に対して供給する。計測回路１２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２３の出力電圧、出力電流を計測して後述する制御部１２４に対して供給する。
制御部１２４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの周知のマイクロコンピュータから構成されている。この制御部１２４により制御されるＤＣ／ＤＣコンバータ１２１の入出力特性を図５に示す。
制御部１２４は、計測回路１２２により計測された入力電圧（ＤＣバス電圧ＶＤＣ）が下限電圧（基準電圧）Ｖ２以下のときはスイッチ素子をオフにして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１による電圧変換を行わない。制御部１２４は、充電時は入力電圧が下限電圧Ｖ２になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１２１を制御する。
制御部１２４は、バッテリ３、４が充電され出力電圧（バッテリ電圧）が満充電近くなると出力電圧を一定にするようにＤＣ／ＤＣコンバータ１２１を制御する。これにより、バッテリ３、４への充電が停止されるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１の出力電流が下がる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１の出力電流が下がると入力電圧が上がって上限電圧Ｖ１となる。この上限電圧Ｖ１は、図４に示す上限電圧Ｖ１と同じ値である。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１の入力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧よりも高くなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１から出力電流が流れなくなる。即ち、充電器１２が満充電近くになったことを制御部１１４に伝えなくても、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１からの出力電流が停止される。
なお、本実施形態では、図４に示すように、下限電圧Ｖ２は、定格光量ＡにおいてＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧を下げてＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電流を上げた結果、出力電流が上限電流Ｉ１に達した時の出力電圧ＶＡに予め設定されている。これにより、下限電圧Ｖ２は、定格光量Ａよりも小さい光量Ｂ、Ｃにおいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧を下げてＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電流を上げた結果、出力電流が上限電流Ｉ１に達した時の出力電圧ＶＢ、ＶＣ以上に設定される。
次に、上述した構成の電力制御装置１の動作について図６のフローチャートを参照して以下説明する。まず、充電時において制御部１１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧の目標値Ｖｇが下限電圧Ｖ２となるように制御する（ステップＳ１）。次に、制御部１１４は、計測回路１１２によって計測されたソーラパネル２の出力電圧Ｖ、出力電流Ｉを取り込み、取り込んだ出力電圧Ｖ、出力電流Ｉを乗じて今回の入力電力Ｐ１として求める（ステップＳ２）。
その後、制御部１１４は、今回の入力電力Ｐ１を前回の入力電力Ｐ２とする（ステップＳ３）。次に、制御部１１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧の目標値ＶｇがΔＶだけ上げるように制御する（ステップＳ３）。制御部１１４は、計測回路１１２によって計測されたソーラパネル２の出力電圧Ｖ、出力電流Ｉを取り込み、取り込んだ出力電圧Ｖ、出力電流を乗じて今回の入力電力Ｐ１として求める（ステップＳ５）。次に、制御部１１４は、今回の入力電力Ｐ１と前回の入力電力Ｐ２とを比較する（ステップＳ６）。
制御部１１４は、今回の入力電力Ｐ１が前回の入力電力Ｐ２よりも大きければ（ステップＳ６でＹ）、再びステップＳ３に戻る。一方、制御部１１４は、今回の入力電力Ｐ１が前回の入力電力Ｐ２以下であれば（ステップＳ６でＮ）、前回の入力電力Ｐ２が最大電力であると判定して目標値Ｖｇを前回の目標値Ｖｇに戻して（ステップＳ７）、処理を終了する。
上述した実施形態によれば、複数の制御部１１４は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１を各々独立して制御する。複数の制御部１１４は各々、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧の目標値Ｖｇを下限電圧Ｖ２から徐々に上げ、上げる毎に入力電力（＝ソーラパネル２の出力電力）を測定して、測定した出力電力が最大となる出力電圧の目標値Ｖｇを探して維持する。これにより、下限電圧Ｖ２から探していくので、ＤＣバス電圧ＶＤＣ以下になることがなく、各ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１からの出力電流を充電器１２に流すことができる。また、制御部１１４が独立して制御しているので、全てのソーラパネル２の発電量を把握する制御部が必要ないので、電力の取り出し効率の高い電力制御装置１を安価に提供することができる。
上述した実施形態によれば、下限電圧Ｖ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧を下げて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電流を上げた結果、当該出力電流が上限電流Ｉ１に達したときの出力電圧ＶＡ、ＶＢ、ＶＣ以上に設定されている。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１が定電流Ｉ１で動作しない、即ち電流制限しないように制御できるため、より一層、電力の取り出し効率を高くできる。
なお、上述した実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧を徐々に上げ、そのときのソーラパネル２の出力電力と、出力電圧を上げる前のソーラパネル２の出力電力と、を比較することによりソーラパネル２の出力電力を最大電力となるようにしていたが、これに限ったものではない。制御部１１４が、予めソーラパネル２の変換効率を記憶する記憶部を有し、演算部として機能し、変換効率から最大電力を演算し、Ｃ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧を徐々に上げ、そのときのソーラパネル２の出力電力と、演算した最大電力と、を比較することによりソーラパネル２の出力電力を最大電力となるようにしてもよい。
これにより、より一層最大電力となるＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力電圧を探しやすくなる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
１ 電力制御装置
２ ソーラパネル（太陽電池）
１２ 充電器
１１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）
１１４ 制御部（記憶部、演算部）
Ｖ２ 下限電圧（基準電圧）
Ｉ１ 上限電流

Claims (2)

  1. 複数の太陽電池から電力を取り出す電力制御装置であって、
    前記複数の太陽電池毎に設けられ、前記太陽電池の出力電力を変換する複数のコンバータと、
    前記複数のコンバータの出力がバスを介して入力に接続され、充電時は前記バスからの入力電圧を基準電圧に保ちながら当該入力電力を変換する充電器と、
    前記複数のコンバータを各々独立して制御する複数の制御部と、
    前記充電器を制御する第２の制御部と、を備え、
    前記複数のコンバータの各々の出力は、当該コンバータの出力電圧が前記バスの電圧より高いときに当該コンバータから前記バスに電流が流れるように、前記バスに接続されており、
    前記複数の制御部は各々、前記コンバータの出力電圧を前記基準電圧から徐々に上げ、上げる毎に前記太陽電池の出力電力を測定して、測定した出力電力が最大となる前記コンバータの出力電圧を探して維持するように前記制御を行い、
    前記第２の制御部は、前記充電器により充電されるバッテリの電圧が満充電近くになったときに、前記充電器の出力電圧が一定になるように前記充電器を制御することを特徴とする電力制御装置。
  2. 前記複数の制御部は各々、前記コンバータの出力電流が上限電流以上になると定電流で動作するように制御し、
    前記基準電圧は、前記太陽電池の定格光量において前記コンバータの出力電圧を下げて前記コンバータの出力電流を上げた結果、当該コンバータの出力電流が前記上限電流に達したときの前記コンバータの出力電圧以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
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