JP2008090672A - 電力変換装置および電力変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現し、もって太陽電池の発電量を最大化することのできる電力変換装置および電力変換方法を提供すること。
【解決手段】太陽電池モジュール２の発電によって得られた入力電圧を昇圧機能部１１が昇圧する場合に、出力電圧抑制部１３は入力電圧値と閾値とを比較し、入力電圧が閾値以上であれば二次電池３の満充電電圧まで昇圧させ、入力電圧が閾値未満であれば入力電圧と閾値との差電圧に比例して出力電圧を低下させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池を用いて発電した電力を二次電池に蓄える電力変換システムに使用する電力変換装置および電力変換方法に関し、特に使用する太陽電池モジュールの発電電力を最大化させる電力変換装置および電力変換方法に関するものである。

太陽電池で発電された電力を二次電池に蓄える場合、複数の太陽電池セルを直列接続して発電電圧が蓄電池の電圧よりも高くなるようにする方法や、昇圧回路を用いて充電電圧まで発電電圧を昇圧する方法などがある。

図６は、複数の太陽電池セルを直列接続して発電電圧が蓄電池の電圧よりも高くなるように構成した場合の充電回路の一例である。この構成では、太陽電池セルを直列接続した太陽電池モジュール２は、充電コントローラ１０１を介して二次電池３に接続している。充電コントローラ１０１は、二次電池３の過充電による劣化が発生することを防ぐため、過電圧を検出して充電を停止する機能を有する。

図７は、昇圧回路を用いた従来の電力変換システムの概要構成の一例である。この構成では、太陽電池モジュール２の出力電圧は、昇圧回路１０２によって昇圧され、充電制御回路１０３を介して二次電池３の充電に使用される。ここで、充電制御回路１０３は充電コントローラ１０１と同様に、二次電池３の過充電を防止する機能を有する。

ところで、電源装置類で一般的な出力電圧が一定となる制御を昇圧回路１０２において行なうと、二次電池３を過電圧から保護することができるが、太陽電池の発電電力に比べ負荷側の消費電力（充電電力）が大きくなった場合に、太陽電池のＩ−Ｖ特性から発電電圧が低下する。

昇圧回路は、その負性抵抗特性から、発電電圧が低下すると出力電圧を保持するためにより多くの発電電流を取り込もうとするため、更に発電電圧を低下していく悪循環に陥ってしまう。この結果、図８に示した太陽電池のＩ−Ｖ特性における最大電力点から大きく外れた動作をするため、効率よく電力を取り出せないという問題があった。

このように日照の変化や気温等の環境条件によって影響を受ける太陽電池の発電電力を常に最大化し続けるため、発電電圧、発電電流、発電電力などの測定データを元に逐次制御を行なう発電電力最大点追従制御（ＭＰＰＴ制御：Maximum Power Point Tracking）が考案されている。

例えば、特許文献１が開示する太陽電池の最大電力制御方法は、最大電力点を見つけるために動作点をアクティブに移動させて、その結果検検出される太陽電池セルのＩ−Ｖ特性とコンバータの出力電力などを検出し、動作点の移動方向により山登り方向を判断し、最適な動作点に近づけることにより実現しようとするものである。

特開平０６−０８３４６５号公報

上述の山登り法によって発電電力を最大化するＭＰＰＴ制御を、昇圧回路を用いた二次電池の充電システムに導入すると、発電電圧、発電電流、電圧と電流から電力を求めるための乗算機能、制御の前後で発電電力の大小を比較するメモリ機能と比較機能、更に比較結果から昇圧回路の制御を実行する判定・制御機能が必要になってくる。

例えば、図９に示した構成では、太陽電池モジュール２の発電電流を検出するために電流検出器１１１を、昇圧後の電流を検出するために電流検出器１１５をそれぞれ設け、さらに定電圧回路１１２、出力電圧（昇圧後の電圧）の低下を検出する電圧低下検出回路１１１３を設け、マイコン１１４がそれぞれの検出結果の保持と比較を行なって、比較結果に基づいて昇圧回路ブロック１１０をＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御している。

この方法では、多くの検出器や、検出量の計算処理などのための演算ユニットなど、必要なハードウェア量が多く、回路規模が増大する。回路規模の増大は消費電力の増加を引き起こすため、小規模な太陽電池システムでは、導入による発電電力の増加量と導入による消費電力の増加量とを比較すると、消費電力の増加量が支配的となるという問題があった。

そこで、簡素な構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御によって、太陽電池の発電量を最大化する技術の実現が重要な課題となっていた。

本発明は、上述した従来技術における問題点を解消し、課題を解決するためになされたものであり、昇圧回路の動作を最適化することで、簡素な構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現し、もって太陽電池の発電量を最大化することのできる電力変換装置および電力変換方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る電力変換装置は、太陽電池から入力された入力電圧を昇圧し負荷側に供給する電力変換装置であって、前記負荷側に供給する出力電圧が目標電圧となるように昇圧を制御する昇圧制御手段と、前記入力電圧を監視し、該入力電圧が所定の閾値を下回る場合に、前記目標電圧を低下させる出力電圧抑制手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の発明に係る電力変換装置は、請求項１に記載の発明において、前記負荷は二次電池であり、前記入力電圧が所定の閾値以上である場合の目標電圧は前記二次電池を満充電状態に充電するために必要な電圧であることを特徴とする。

また、請求項３の発明に係る電力変換装置は、請求項１または２に記載の発明において、前記所定の閾値は前記太陽電池の最大電力点電圧であることを特徴とする。

また、請求項４の発明に係る電力変換装置は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の発明において、前記出力電圧抑制手段は、前記入力電圧が所定の閾値未満である場合に、前記当該入力電圧と閾値との電圧差に比例して前記目標電圧を低下させることを特徴とする。

また、請求項５の発明に係る電力変換装置は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記所定の閾値および／または前記目標電圧の値を調節する調節手段をさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項６の発明に係る電力変換方法は、太陽電池から入力された入力電圧を昇圧し負荷側に供給する電力変換方法であって、前記負荷側に供給する出力電圧が目標電圧となるように昇圧を制御する昇圧制御工程と、前記入力電圧を監視し、該入力電圧が所定の閾値を下回る場合に、前記目標電圧を低下させる出力電圧抑制工程と、を含んだことを特徴とする。

請求項１の発明によれば電力変換装置は、太陽電池からの入力電圧を監視し、入力電圧が所定の閾値を下回る場合には目標電圧を低下させて出力電圧を抑制し、入力電圧を上昇させるので、簡素な構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現し、もって太陽電池の発電量を最大化する電力変換装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項２の発明によれば電力変換装置は、太陽電池の発電電圧が閾値以上であれば二次電池を満充電状態に充電するために必要な電圧まで昇圧して二次電池を充電し、閾値を下回る場合には昇圧を抑制して入力電圧を上昇させるので、太陽電池の発電量を最大化して二次電池を効率的に充電する電力変換装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項３の発明によれば電力変換装置は、太陽電池からの入力電圧が最大電力点電圧を下回る場合には目標電圧を低下させて出力電圧を抑制し、入力電圧を上昇させるので、簡素な構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現し、もって太陽電池の発電量を最大化する電力変換装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項４の発明によれば電力変換装置は、太陽電池からの入力電圧が所定の閾値を下回る場合には差電圧に比例して目標電圧を低下させて出力電圧を抑制し、入力電圧を上昇させるので、簡素な構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現し、もって太陽電池の発電量を最大化する電力変換装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項５の発明によれば電力変換装置は、太陽電池から入力電圧が所定の閾値を下回る場合には目標電圧を低下させて出力電圧を抑制するとともに、所定の閾値や目標電圧を調節可能としたので、簡素な構成で太陽電池の発電量を最大化し、かつ汎用性の高い電力変換装置を得ることができるという効果を奏する。

また、請求項６の発明によれば電力変換方法は、太陽電池からの入力電圧を監視し、入力電圧が所定の閾値を下回る場合には目標電圧を低下させて出力電圧を抑制し、入力電圧を上昇させるので、簡素な構成で低消費電力のＭＰＰＴ制御を実現し、もって太陽電池の発電量を最大化する電力変換方法を得ることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る電力変換装置および電力変換方法の好適な実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明における電力変換装置１の概要を説明する説明図である。同図に示すように、電力変換装置１は、太陽電池モジュール２からの入力電圧を昇圧して二次電池３に供給する昇圧機能部１１、昇圧機能部１１が出力する（二次電池３に供給する）電圧を監視して昇圧機能部１１の動作を制御する昇圧制御部１２に加え、出力電圧抑制部１３を有する。

昇圧制御部１２は、具体的には出力電圧を目標電圧と比較し、比較結果によってＰＷＭ制御やＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御を行なう。そして出力電圧抑制部１３は、入力電圧（太陽電池モジュール２の出力電圧）がある電圧閾値を超えた場合は昇圧回路の出力電圧を所定の目標電圧値に制御し、入力電圧が電圧閾値を下回った場合には、電圧閾値と入力電圧との差分電圧に比例した量の電圧値だけ、目標電圧値を下げる。

入力電圧が電圧閾値以上である場合の所定の目標電圧値は、二次電池３を満充電状態に充電するために必要な電圧値（満充電電圧）であり、昇圧制御部１２は、出力電圧がこの満充電電圧の値となるように昇圧機能部１１を制御する。

一方、入力電圧が電圧閾値未満である場合、目標電圧値は満充電電圧から下げられることとなる。このため、出力電圧値も目標電圧値に合わせて下がり、入力電圧（太陽電池モジュール２の発電電圧）が上がって電圧閾値に近づく。

したがって、電圧閾値を太陽電池モジュール２の最大電力点電圧とすれば、太陽電池モジュール２は、常に最大電力点近傍で動作するととなり、電力変換装置１が簡易なＭＰＰＴ制御を実現することとなる。

図２は、電力変換装置１の具体的な構成例を説明する構成図である。同図に示すように、太陽電池モジュール２の発電電圧（Ｖｉｎ）と昇圧回路ブロック２０の出力電圧（Ｖｏｕｔ）とを検出し、簡素な回路を用いて昇圧回路ブロック２０の出力電圧を制御することでＭＰＰＴ制御を実現している。

太陽電池モジュール２が最大電力点で動作しているときには、照度が変化しても発電電圧（Ｖｉｎ）はほぼ一定電圧になる特性を利用して、発電電圧（Ｖｉｎ）が最大電力点電圧（Ｖｒｅｆ１）になるように昇圧回路の動作を制御する。

発電電圧（Ｖｉｎ）が最大電力点電圧（Ｖｒｅｆ１）より大きい場合は、昇圧回路ブロック２０の出力電圧（Ｖｏｕｔ）が制御範囲で最大値である２次電池の満充電電圧になるように制御をかける。昇圧回路ブロック２０がより多くの発電電流を取り込む方向に動作していくので、発電電圧（Ｖｉｎ）は低下し、最大電力点電圧（Ｖｒｅ１）に近づいていき、発電電力が最大化する。

発電電圧（Ｖｉｎ）が最大電力点電圧（Ｖｒｅｆ１）より小さい場合は、昇圧回路ブロック２０の出力電圧（Ｖｏｕｔ）を減少させる制御を行なう。発電電流が減少するので、発電電圧（Ｖｉｎ）が上昇し最大電力点電圧（Ｖｒｅｆ１）に近づき、発電電力が最大化する。出力電圧（Ｖｏｕｔ）を低くする制御量は、２次電池への充電電力が発電電力より小さくなる量に制御すればよいが、電力を求めると回路規模が増大するので、簡易的には期待される発電可能な照度範囲内で最低照度に設定し、昇圧回路自体も太陽電池モジュール２の発電電圧（Ｖｉｎ）で動作しているので、発電電圧（Ｖｉｎ）は昇圧回路の動作下限電圧に設定したときに、出力電圧（Ｖｏｕｔ）の制御目標電圧値が二次電池の最低電圧である放電終止電圧値以下になるようにすればよい。この設定にすることで、制御可能な発電電圧範囲において発電電圧（Ｖｉｎ）を最大電力点電圧（Ｖｒｅｆ１）に制御することが可能となる。

回路構成としては、既存の昇圧回路に加えて、太陽電池の発電電圧（Ｖｉｎ）と最大電力点電圧（Ｖｒｅｆ１）との大小により制御の場合分けを行なう、発電電圧Ｖｉｎと最大電力点電圧Ｖｒｅｆ１とを比較する回路と、昇圧回路の出力電圧（Ｖｏｕｔ）を制御信号により可変するための参照電圧（Ｖｒｅｆ２）と差動増幅器からなる。

具体的には、太陽電池モジュール２の発電電圧Ｖｉｎを差動増幅器３１の反転入力部に、参照電圧Ｖｒｅｆ１を出力する電源２１を差動増幅器３１の非反転入力部に接続する。差動増幅器３１の出力（Ｖｒｅｆ１−Ｖｉｎ）を増幅器２２によってＮ倍し、ダイオード２３を介して差動増幅器３２の反転入力部へ接続する。

また、差動増幅器３２の非反転入力部には参照電圧Ｖｒｅｆ２を出力する電源２４を接続し、差動増幅器３２の出力を差動増幅器３３の非反転入力部に、昇圧回路ブロック２０の出力Ｖｏｕｔを差動増幅器３３の反転入力部に接続して、差動増幅器３３の出力を昇圧回路ブロック２０の制御電圧とする。

これにより、発電電圧Ｖｉｎが最大電力点電圧Ｖｒｅｆ１より大きい場合は、差動増幅器３１の出力は負電圧となるので、途中にあるダイオード２３で阻止されて差動増幅器３２には負電圧の信号は伝わらない。そのため昇圧回路ブロック２０は基準電圧Ｖｒｅｆ２に基づいて制御される。

一方、発電電圧Ｖｉｎが最大電力点電圧Ｖｒｅｆ１より小さい場合は、差動増幅器３１の出力は正電圧となるので、途中の増幅器２２（オペアンプ等）によりＮ倍に増幅されて差動増幅器３２の反転入力部（負側）に接続される。そのため昇圧回路ブロック２０の出力電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｒｅｆ２−Ｎ（Ｖｒｅｆ１−Ｖｉｎ）
に基づいて制御される。ここで倍率Ｎを上記記述の如く設定すれば、ＶｉｎをＶｒｅｆ１に近づける制御が可能となる。

上記動作をまとめると図３のような制御特性となる。すなわち、入力電圧が昇圧回路ブロック２０の起動電圧に達した後、Ｖｒｅｆ１に至るまではＶｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ２−Ｎ（Ｖｒｅｆ１−Ｖｉｎ）、入力電圧がＶｒｅｆ１以上である場合にはＶｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ２である。

つづいて、電力変換装置１の他の構成例について説明する。図４に示した構成では、太陽電池の最大電力点電圧が温度依存性を有することを考慮し、温度依存性を補正し、ＭＰＰＴ制御の制御エラーを防止するものであり、基本動作は図２に示した構成と同じである。

定電圧制御した昇圧回路の出力電圧を可変する方法は、昇圧回路の基準電圧Ｖｒｅｆ２を調整する方法と、出力電圧Ｖｏｕｔからのフィードバック信号に制御電圧を印加する方法があり、図４に示した構成ではフィードバック信号に制御信号を付加する構成を記した。勿論図２に示した構成のようにＶｒｅｆ２を調節してもよい。

この構成では、出力電圧Ｖｏｕｔを利用した定電圧電源４１を差動増幅器４４の動作電源として利用するとともに、抵抗４２、ダイオード４５によって参照電圧Ｖｒｅｆ１を生成している。そしてダイオード４５として、太陽電池とほぼ同じ温度係数を有する使用することで、電力最大点電圧Ｖｒｅｆ１に太陽電池と同等の温度依存性を持たせ、ＭＰＰＴ制御の温度特性を向上させることができる。

差動増幅器４４は、反転入力部にＶｉｎを、非反転入力部にＶｒｅｆ１を接続されたＮ倍の増幅器である。この差動増幅器３３の出力は、可変抵抗４５を介し、制御電圧としてＶｏｕｔからのフィードバック信号に印加される。

そして昇圧回路ＩＣ４０内部に設けた電圧比較用の差動増幅器４９に対し、反転入力部に制御電圧Ｎ（Ｖｒｅｆ１−Ｖｉｎ）を加えたＶｏｕｔが、非反転入力部に参照電圧Ｖｒｅｆ２を出力する電源４８が接続される。

ここで、可変抵抗４５の抵抗値を変化させると、Ｖｏｕｔに印加される制御電圧の倍率が変化するので、可変抵抗４５は、制御倍率の調整機構として機能する。

つづいて、図５に示した構成では、可変抵抗５１を介したＶｉｎを差動増幅器４４の反転入力部に接続している。また、可変抵抗４５の出力を差動増幅器５２の反転入力部に接続し、電源４８を非反転入力部に接続することで、差動増幅器５２の出力としてＶｒｅｆ２−Ｎ（Ｖｒｅｆ１−Ｖｉｎ）を得ている。

そして昇圧回路ＩＣ５０内部に設けた電圧比較用の差動増幅器５４の反転入力部に、可変抵抗５３を介したＶｏｕｔが、非反転入力部に差動増幅器５２の出力が接続されている。

そのため、可変抵抗５１の抵抗値を変更することで、太陽電池モジュール２の最適動作点を調整することができ、可変抵抗５３の抵抗値を変更することで出力電圧を調整することができる。

上述してきたように、本発明にかかる電力変換装置および電力変換方法は、太陽電池の発電電力が最大となる電圧値を閾値とし、発電電圧が閾値以上であれば二次電池の満充電電圧まで昇圧して出力電圧を生成し、発電電圧が閾値未満である場合には発電電圧と閾値との差電圧に比例して出力電圧を下げる。このように昇圧回路の昇圧回路の出力電圧制御機能を用いて太陽電池のＭＰＰＴ制御を実現することで、簡易な回路構成、低消費電力で太陽電池の発電量を最大化することができる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置および電力変換方法は、太陽電池の発電電力の最大化に有用であり、特に小規模なシステムにおける発電電力の最大化に適している。

本発明における電力変換装置の概要を説明する説明図である。 電力変換装置の具体的な構成例を説明する構成図である。 図２に示した電力変換装置の制御特性を説明する説明図である。 温度依存性を補正する電力変換装置の構成例について説明する説明図である。 最適動作点と出力電圧とを調整可能な構成例について説明する説明図である。 太陽電池セルを直列接続した従来の充電回路の構成例を説明する説明図である。 昇圧回路を用いた従来の電力変換システムの概要構成を説明する説明図である。 太陽電池のＩ−Ｖ特性について説明する説明図である。 従来のＭＰＰＴ制御を採用した充電システムの構成について説明する説明図である。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ 太陽電池モジュール
３ 二次電池
１１ 昇圧機能部
１２ 昇圧制御部
１３ 出力電圧抑制部
２０ 昇圧回路ブロック
２１，２４，４１ 電源
２２ 増幅器
２３，４３ ダイオード
３１〜３３，４４，４９，５２，５４ 差動増幅器
４０，５０ 昇圧回路ＩＣ
４２，４７，４８ 抵抗
４５，５１，５３ 可変抵抗
１０１ 充電コントローラ
１０２ 昇圧回路
１０３ 充電制御回路
１１０ 昇圧回路ブロック
１１１，１１５ 電流検出器
１１２ 定電圧回路
１１３ 電圧低下検出回路
１１４ マイコン

Claims (6)

1. 太陽電池から入力された入力電圧を昇圧し負荷側に供給する電力変換装置であって、
   前記負荷側に供給する出力電圧が目標電圧となるように昇圧を制御する昇圧制御手段と、
   前記入力電圧を監視し、該入力電圧が所定の閾値を下回る場合に、前記目標電圧を低下させる出力電圧抑制手段と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記負荷は二次電池であり、前記入力電圧が所定の閾値以上である場合の目標電圧は前記二次電池を満充電状態に充電するために必要な電圧であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記所定の閾値は前記太陽電池の最大電力点電圧であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記出力電圧抑制手段は、前記入力電圧が所定の閾値未満である場合に、前記当該入力電圧と閾値との電圧差に比例して前記目標電圧を低下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電力変換装置。
5. 前記所定の閾値および／または前記目標電圧の値を調節する調節手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の電力変換装置。
6. 太陽電池から入力された入力電圧を昇圧し負荷側に供給する電力変換方法であって、
   前記負荷側に供給する出力電圧が目標電圧となるように昇圧を制御する昇圧制御工程と、
   前記入力電圧を監視し、該入力電圧が所定の閾値を下回る場合に、前記目標電圧を低下させる出力電圧抑制工程と、
   を含んだことを特徴とする電力変換方法。

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