JP2021087291A - ソーラー充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの充電が不可能な中間電圧の発生を抑制しつつシステム全体の充電効率を高めることができる、ソーラー充電システムを提供する。【解決手段】本ソーラー充電システムは、ソーラーパネルと、ソーラーパネルの出力電力を入力とする非絶縁型のＤＣＤＣコンバータ（ＤＤＣ）と、非絶縁型のＤＤＣの出力電力を入力とする絶縁型のＤＤＣと、ソーラーパネルの最大出力電圧よりも最小電圧が高く設定されており、絶縁型のＤＤＣの出力電力が供給されるバッテリと、非絶縁型のＤＤＣと絶縁型のＤＤＣとの間に接続されるキャパシタと、非絶縁型のＤＤＣ及び絶縁型のＤＤＣを制御する制御部と、を備え、制御部は、ソーラーパネルで発電された電力をバッテリに給電する場合、キャパシタの電圧が、バッテリの電圧に基づいて定まる絶縁型のＤＤＣの昇圧比が最大となる絶縁型のＤＤＣの入力電圧よりも高い第１電圧となるように、非絶縁型のＤＤＣを制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、ソーラーパネルの発電電力を用いたバッテリの充電を制御するソーラー充電システムに関する。

特許文献１に、ソーラーパネルで発電された電力をソーラーバッテリに一時的に蓄電し、一定量が蓄電されるとソーラーバッテリから補機バッテリなどへ電力を供給する、ソーラー充電システムが開示されている。この特許文献１に記載のソーラー充電システムでは、補機負荷での消費電流が大きい場合でも、補機出力の低下を防止することで充電効率の向上を図っている。

特開２０１５−１１６０６７号公報

システムコストを削減するために、ソーラーバッテリを一時的な蓄電が可能である安価な大容量のキャパシタに代えることが考えられる。しかしながら、キャパシタは、自己放電によって失われる電荷がバッテリと比べると多いため、充電されない期間が長ければ直ぐに電位がゼロの状態になってしまう。このため、ソーラーパネルからバッテリへ給電を行う前には、キャパシタをソーラーパネル電圧とバッテリ電圧との間の値をとる中間電圧にプリチャージさせて、ソーラーパネルからキャパシタへの突入電流の発生を防止している。

ところが、キャパシタにプリチャージさせる中間電圧の制御において、充電効率への関与が支配的である、中間電圧をバッテリ電圧に昇圧させる絶縁型のＤＣＤＣコンバータが低効率で動作したり動作が停止したりすると、ソーラー充電システム全体の充電効率が低下するおそれがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、バッテリの充電が不可能な中間電圧の発生を抑制しつつシステム全体の充電効率を高めることができる、ソーラー充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、ソーラーパネルと、ソーラーパネルの出力電力を入力とする非絶縁型のＤＣＤＣコンバータと、非絶縁型のＤＣＤＣコンバータの出力電力を入力とする絶縁型のＤＣＤＣコンバータと、ソーラーパネルの最大出力電圧よりも最小電圧が高く設定されており、絶縁型のＤＣＤＣコンバータの出力電力が供給されるバッテリと、非絶縁型のＤＣＤＣコンバータと絶縁型のＤＣＤＣコンバータとの間に接続されるキャパシタと、非絶縁型のＤＣＤＣコンバータ及び絶縁型のＤＣＤＣコンバータを制御する制御部と、を備え、制御部は、ソーラーパネルで発電された電力をバッテリに給電する場合、キャパシタの電圧が、バッテリの電圧に基づいて定まる絶縁型のＤＣＤＣコンバータの昇圧比が最大となる絶縁型のＤＣＤＣコンバータの入力電圧よりも高い第１電圧となるように、非絶縁型のＤＣＤＣコンバータを制御する、ソーラー充電システムである。

上記本発明のソーラー充電システムによれば、バッテリの充電が不可能な中間電圧の発生を抑制しつつシステム全体の充電効率を高めることができる。

本実施形態に係るソーラー充電システムの概略構成図 高圧ＤＣＤＣコンバータが最大効率となる入出力電圧の対応関係図 ソーラー充電制御装置が実行する充電制御の処理フローチャート 高圧ＤＣＤＣコンバータの最大効率点マップの一例 最大効率点マップの設定手法を説明する図 補機バッテリ給電モードにおける中間電圧の設定手法を説明する図 応用例のソーラー充電システムの概略構成図

［実施形態］
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るソーラー充電システムの概略構成を示すブロック図である。図１に例示したソーラー充電システム１は、ソーラーパネル１０と、ソーラー充電制御装置２０と、高圧バッテリ３０と、補機バッテリ４０と、を備えている。このソーラー充電システム１は、車両などに搭載することができる。

ソーラーパネル１０は、太陽光の照射を受けて発電する発電装置であり、典型的には太陽電池セルの集合体である太陽電池モジュールである。ソーラーパネル１０で発電される電力の量は、日射強度に依存する。ソーラーパネル１０で発生した電力は、ソーラー充電制御装置２０に出力される。このソーラーパネル１０は、例えば車両のルーフなどに設置することができる。

高圧バッテリ３０は、例えばリチウムイオン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二次電池である。この高圧バッテリ３０は、ソーラーパネル１０で発生した電力によって充電可能に、ソーラー充電制御装置２０と接続されている。典型的には、高圧バッテリ３０は、ソーラーパネル１０の最大出力電圧（例えば５５Ｖ）よりも最小電圧（例えば３６０Ｖ）が高く設定されている。車両に搭載される高圧バッテリ３０としては、スタータモーターや電動モーターなどの、車両を駆動させるための主機的な機器（図示せず）の動作に必要な電力を供給することができる、いわゆる駆動用バッテリを例示できる。

補機バッテリ４０は、例えばリチウムイオン電池や鉛蓄電池などの、充放電可能に構成された二次電池である。この補機バッテリ４０は、ソーラーパネル１０で発生した電力によって充電可能に、ソーラー充電制御装置２０と接続されている。車両に搭載される補機バッテリ４０は、ヘッドランプや室内灯などの灯火類、ヒーターやクーラーなどの空調類、及び自動運転や先進運転支援の装置などの、車両を駆動させるため以外の補機的な機器（図示せず）の動作に必要な電力を供給することができる、いわゆる１２Ｖ系バッテリである。

ソーラー充電制御装置２０は、ソーラーパネル１０と高圧バッテリ３０及び補機バッテリ４０とを接続する接続部であって、ソーラーパネル１０で発生した電力を高圧バッテリ３０や補機バッテリ４０へ供給することができる電子制御装置（ＥＣＵ）である。この電子制御装置（ＥＣＵ）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などを含んで構成され、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、様々な制御を実施する。本実施形態に係るソーラー充電制御装置２０は、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１、高圧ＤＣＤＣコンバータ２２、補機ＤＣＤＣコンバータ２３、制御部２５、及びキャパシタ２６を、構成に含んでいる。

ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１は、ソーラーパネル１０で発電された電力を、高圧ＤＣＤＣコンバータ２２及び補機ＤＣＤＣコンバータ２３に供給する。電力供給の際、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１は、入力電圧であるソーラーパネル１０の発電電圧を、後述する制御部２５からの指示に基づく所定の電圧に変換（昇圧／降圧）して、高圧ＤＣＤＣコンバータ２２及び補機ＤＣＤＣコンバータ２３に出力することができる。このソーラーＤＣＤＣコンバータ２１には、１次側と２次側とが絶縁されていない非絶縁型の昇圧／降圧ＤＣＤＣコンバータとすることができる。

高圧ＤＣＤＣコンバータ２２は、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１が出力する電力を、高圧バッテリ３０に供給する。電力供給の際、高圧ＤＣＤＣコンバータ２２は、入力電圧であるソーラーＤＣＤＣコンバータ２１の出力電圧を、後述する制御部２５からの指示に基づく所定の電圧に変換（昇圧）して、高圧バッテリ３０に出力することができる。この高圧ＤＣＤＣコンバータ２２は、トランスによって１次側と２次側とが絶縁されている絶縁型の昇圧ＤＣＤＣコンバータとすることができる。トランスを用いた絶縁型の昇圧ＤＣＤＣコンバータは、トランスの巻き数比（１次側コイルの巻き数と２次側コイルの巻き数との比率）によって効率が最大となる昇圧比（１次側電圧と２次側電圧との比率）が定まる。具体的には、昇圧比をトランスの巻き数比と一致させると、絶縁型の昇圧ＤＣＤＣコンバータの効率が最大となる。図２に、絶縁型の昇圧ＤＣＤＣコンバータが最大効率となる１次側電圧（入力電圧）と２次側電圧（出力電圧）との対応関係の一例を示す。

補機ＤＣＤＣコンバータ２３は、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１が出力する電力を、補機バッテリ４０に供給する。電力供給の際、補機ＤＣＤＣコンバータ２３は、入力電圧であるソーラーＤＣＤＣコンバータ２１の出力電圧を、後述する制御部２５からの指示に基づく所定の電圧に変換（降圧）して、補機バッテリ４０に出力することができる。この補機ＤＣＤＣコンバータ２３は、１次側と２次側とが絶縁されていない非絶縁型の降圧ＤＣＤＣコンバータとすることができる。

制御部２５は、例えばマイコンで構成され、ソーラーパネル１０で発電される電力（電圧、電流）や図示しない車載機器から取得する車両の走行状態などに基づいて、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１、高圧ＤＣＤＣコンバータ２２、及び補機ＤＣＤＣコンバータ２３に対して指示を行って動作を制御する。

キャパシタ２６は、ソーラーパネル１０で発生した電力を高圧バッテリ３０や補機バッテリ４０へ供給するにあたり、ソーラーパネル１０の発電電圧と高圧バッテリ３０の蓄電電圧や補機バッテリ４０の蓄電電圧との電位差を小さく抑えることを目的とする中間電圧Ｖmidを保持するための容量素子である。このキャパシタ２６は、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１と高圧ＤＣＤＣコンバータ２２及び補機ＤＣＤＣコンバータ２３とを接続する配線と、グラウンド電位との間に挿入されている。

＜制御＞
次に、図３をさらに参照して、本ソーラー充電システム１で行われる制御を説明する。図３は、本実施形態に係るソーラー充電システム１のソーラー充電制御装置２０が実行する充電制御の処理手順を説明するフローチャートである。

図３に示した充電制御は、高圧バッテリ３０や補機バッテリ４０に対して効率的な充電を実施できるほどにソーラーパネル１０が十分に発電している場合に開始される。ソーラーパネル１０が十分に発電しているか否かは、ソーラーパネル１０の発電電力（電圧、電流）が、高圧バッテリ３０や補機バッテリ４０の効率的な充電のために定められた閾値以上であるか否かによって判断することができる。

ステップＳ３０１：ソーラー充電制御装置２０は、車両が走行中の状態かそれ以外の状態かを判断する。この判断は、ソーラーパネル１０の発電電力の給電先を判断するために行われる。車両が走行中の状態である場合は（ステップＳ３０１、はい）、ステップＳ３０３に処理が進み、車両が走行中以外の状態である場合は（ステップＳ３０１、いいえ）、ステップＳ３０２に処理が進む。

ステップＳ３０２：ソーラー充電制御装置２０は、ソーラー充電システム１の給電モードを、ソーラーパネル１０の発電電力を高圧バッテリ３０及び補機バッテリ４０に並行して給電する「高圧バッテリ給電モード」に設定する。この高圧バッテリ給電モードでは、制御部２５の指示に従って、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１、高圧ＤＣＤＣコンバータ２２、及び補機ＤＣＤＣコンバータ２３の全てがそれぞれ所定の昇圧又は降圧の動作を行う。高圧バッテリ給電モードでは、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１の出力電力から補機ＤＣＤＣコンバータ２３への給電量を減じた電力が、高圧バッテリ３０に供給される。給電モードが設定されると、ステップＳ３０４に処理が進む。

ステップＳ３０３：ソーラー充電制御装置２０は、ソーラー充電システム１の給電モードを、ソーラーパネル１０の発電電力を補機バッテリ４０のみに給電する「補機バッテリ給電モード」に設定する。この補機バッテリ給電モードでは、制御部２５の指示に従って、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１及び補機ＤＣＤＣコンバータ２３がそれぞれ所定の動作を行い、高圧ＤＣＤＣコンバータ２２は動作を停止する。給電モードが設定されると、ステップＳ３０７に処理が進む。

ステップＳ３０４：ソーラー充電制御装置２０は、高圧バッテリ３０の電圧Ｖhighを取得する。高圧バッテリ３０は、予め定められた動作電圧範囲（例えば、３５０Ｖ〜４６０Ｖ）を有しており、充電率（ＳＯＣ）に応じて電圧Ｖhighが変動する。高圧バッテリ３０の電圧Ｖhighが取得されると、ステップＳ３０５に処理が進む。

ステップＳ３０５：ソーラー充電制御装置２０は、図４に例示する最大効率点マップを参照して、高圧バッテリ３０の電圧Ｖhighに応じた第１電圧Ｖ１を抽出する。例えば、高圧バッテリ３０の電圧Ｖhighが３９０Ｖであった場合には、第１電圧Ｖ１として２４．２Ｖが抽出される。この最大効率点マップとは、図５に例示するように、絶縁型の昇圧ＤＣＤＣコンバータの最大効率（図２）に基づいて定められ、１次側電圧を最大効率（実線）からオフセット分を上昇させた電圧を第１電圧Ｖ１としたマップである。オフセットは、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１の制御性能などに基づいて定められる所定の値である。高圧バッテリ３０の電圧Ｖhighに応じた第１電圧Ｖ１が抽出されると、ステップＳ３０６に処理が進む。

ステップＳ３０６：ソーラー充電制御装置２０は、抽出した第１電圧Ｖ１を中間電圧Ｖmidに設定する。このように、第１電圧Ｖ１を中間電圧Ｖmidに設定することによって、中間電圧Ｖmidにオフセット分だけ制御マージンを持たせることができる。つまり、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１の制御変動で中間電圧Ｖmidが低下したことによって、高圧ＤＣＤＣコンバータ２２の最大昇圧比を以ってしても中間電圧Ｖmidを高圧バッテリ３０の電圧Ｖhighまで上昇させることができず、高圧バッテリ３０を充電できない、といった事象の発生を抑制することができる。第１電圧Ｖ１が中間電圧Ｖmidに設定されると、ステップＳ３０８に処理が進む。

ステップＳ３０７：ソーラー充電制御装置２０は、第２電圧Ｖ２を中間電圧Ｖmidに設定する。第２電圧Ｖ２は、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１の効率と補機ＤＣＤＣコンバータ２３の効率とに基づいて定められる所定の値である。図６の例では、ソーラーＤＣＤＣコンバータ２１の効率曲線（ソーラーＤＤＣ）と補機ＤＣＤＣコンバータ２３の効率曲線（補機ＤＤＣ）とが交わるポイントの電圧＝２４Ｖを、第２電圧Ｖ２とすることができる。このように、互いＤＣＤＣコンバータの効率曲線が交わるポイントの電圧を第２電圧Ｖ２、すなわち中間電圧Ｖmidに設定することによって、特定のＤＣＤＣコンバータだけが発熱してしまうことが抑制され、ソーラー充電制御装置２０上の発熱源を分散させてホットスポットをなくすことができる。従って、ソーラー充電制御装置２０の熱設計が容易になる。

ステップＳ３０８：ソーラー充電制御装置２０は、ソーラーパネル１０に対する日射判定を行う。この日射判定は、高圧バッテリ３０や補機バッテリ４０に対して効率的な充電を実施できるほどにソーラーパネル１０が十分に発電しているかどうかを判断するために行われる。日射の影響を受けるソーラーパネル１０は、高圧バッテリ３０や補機バッテリ４０に対して効率的な充電を実施できる電力を安定して供給できない場合が考えられる。不十分な電力が高圧バッテリ３０に供給されてしまうと、効率的な充電ができないおそれがある。ソーラーパネル１０が十分に発電している日射判定「ＯＫ」である場合は、ステップＳ３１０に処理が進み、ソーラーパネル１０が十分に発電していない日射判定「ＮＧ」である場合は、本充電制御が終了する。

ステップＳ３０９：ソーラー充電制御装置２０は、ソーラーパネル１０に対する日射判定を行う。このステップＳ３０９の日射判定は、上記ステップＳ３０８の日射判定と同様である。ソーラーパネル１０が十分に発電している日射判定「ＯＫ」である場合は、ステップＳ３１１に処理が進み、ソーラーパネル１０が十分に発電していない日射判定「ＮＧ」である場合は、本充電制御が終了する。

ステップＳ３１０：ソーラー充電制御装置２０は、車両が走行中の状態かそれ以外の状態かを判断する。この判断は、ソーラーパネル１０の発電電力の給電先を再度判断するために行われる。車両が走行中の状態である場合は（ステップＳ３１０、はい）、ステップＳ３０３に処理が進み、ソーラー充電システム１の給電モードが高圧バッテリ給電モードから補機バッテリ給電モードに移行する。一方、車両が走行中以外の状態である場合は（ステップＳ３１０、いいえ）、ステップＳ３０４に処理が進み、ソーラー充電システム１の給電モードとして高圧バッテリ給電モードを継続する。

ステップＳ３１１：ソーラー充電制御装置２０は、車両が走行中の状態かそれ以外の状態かを判断する。この判断は、ソーラーパネル１０の発電電力の給電先を再度判断するために行われる。車両が走行中の状態である場合は（ステップＳ３１１、はい）、ステップＳ３０９に処理が進み、ソーラー充電システム１の給電モードとして補機バッテリ給電モードを継続する。一方、車両が走行中以外の状態である場合は（ステップＳ３１１、いいえ）、ステップＳ３０２に処理が進み、ソーラー充電システム１の給電モードが補機バッテリ給電モードから高圧バッテリ給電モードに移行する。

＜応用例＞
上記実施形態のソーラー充電システム１は、１つのソーラーパネル１０で発電された電力に基づいて、高圧バッテリ３０及び補機バッテリ４０への充電制御を行う場合を説明した。しかし、ソーラーパネル１０は２つ以上であっても構わない。

図７に、応用例のソーラー充電システム２の概略構成を示す。このソーラー充電システム２は、２つのソーラーパネル１０ａ（例えば、車両のフロント側）及びソーラーパネル１０ｂ（例えば、車両のリア側）を備えている。ソーラー充電制御装置２７には、ソーラーパネル１０ａに対してソーラーＤＣＤＣコンバータ２１ａが設けられ、ソーラーパネル１０ｂに対してソーラーＤＣＤＣコンバータ２１ｂが設けられている。ソーラー充電制御装置２７は、ソーラーパネル１０ａ及び１０ｂのそれぞれで発電された電力の合計に基づいて、高圧バッテリ３０及び補機バッテリ４０への充電制御を行う。

＜作用・効果＞
以上のように、本発明の一実施形態に係るソーラー充電システムによれば、高圧バッテリ給電モードでは、ソーラー充電制御装置が、充電効率への関与が支配的な絶縁型のＤＣＤＣコンバータである高圧ＤＣＤＣコンバータの出力によって充電される高圧バッテリの電圧に基づいて、高圧ＤＣＤＣコンバータが高効率で動作するようにキャパシタの中間電圧を動的に制御する。

この制御によって、ソーラー充電制御装置は、高圧ＤＣＤＣコンバータが低効率で動作することを抑制でき、ソーラー充電システム全体の充電効率を高めることができる。また、中間電圧は、オフセット電圧による制御マージンを設けて制御しているため、ソーラー充電制御装置は、高圧ＤＣＤＣコンバータの動作が停止することを抑制でき、ソーラー充電システム全体の充電効率をより高めることができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、ソーラー充電システムだけでなく、ソーラー充電システムが行う充電制御方法、その充電制御方法の制御プログラム、その制御プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な非一時的記憶媒体、ソーラー充電システムを含むソーラー充電システム、そのソーラー充電システムを備えた車両などとして捉えることが可能である。

本発明は、ソーラーパネルで発電された電力を利用してバッテリを充電する車両などに利用可能である。

１、２ ソーラー充電システム
１０、１０ａ、１０ｂ ソーラーパネル
２０、２７ ソーラー充電制御装置
２１、２１ａ、２１ｂ ソーラーＤＣＤＣコンバータ
２２ 高圧ＤＣＤＣコンバータ
２３ 補機ＤＣＤＣコンバータ
２５ 制御部
２６ キャパシタ
３０ 高圧バッテリ
４０ 補機バッテリ

Claims (1)

1. ソーラーパネルと、
   前記ソーラーパネルの出力電力を入力とする非絶縁型のＤＣＤＣコンバータと、
   前記非絶縁型のＤＣＤＣコンバータの出力電力を入力とする絶縁型のＤＣＤＣコンバータと、
   前記ソーラーパネルの最大出力電圧よりも最小電圧が高く設定されており、前記絶縁型のＤＣＤＣコンバータの出力電力が供給されるバッテリと、
   前記非絶縁型のＤＣＤＣコンバータと前記絶縁型のＤＣＤＣコンバータとの間に接続されるキャパシタと、
   前記非絶縁型のＤＣＤＣコンバータ及び前記絶縁型のＤＣＤＣコンバータを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記ソーラーパネルで発電された電力を前記バッテリに給電する場合、前記キャパシタの電圧が、前記バッテリの電圧に基づいて定まる前記絶縁型のＤＣＤＣコンバータの昇圧比が最大となる前記絶縁型のＤＣＤＣコンバータの入力電圧よりも高い第１電圧となるように、前記非絶縁型のＤＣＤＣコンバータを制御する、
   ソーラー充電システム。

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