JP3245330U - 充電制御ユニット、充電システム、直流電源供給ユニット及び直流電源駆動システム - Google Patents
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Abstract
【課題】機能を絞った充電制御回路を用いた場合であっても太陽光エネルギーに基づく電力を無駄なく取り出して電池充電を行える充電制御ユニットを提供する。【解決手段】充電制御ユニット1は、ソーラーパネル80から取り出すパネル電圧Vpvの制御目標として設定された「みなし最大電力点電圧Vset」を維持すべくパネル電流Ipvを調整する充電制御回路10を備える。また、充電制御ユニット1は、Vsetの目標値を設定する目標電圧設定部20と充電電力検出部30とを備える。目標電圧設定部20で目標値を第1電圧に設定して充電電力を検出し、これと共に、目標値を第1電圧よりも高い第2電圧に設定して充電電力を検出し、第1電圧のときの充電電力と第2電圧のときの充電電力とを比較し、より大きな電力を呈した場合に対応する電圧を、より最適なみなし最大電力点電圧Vsetとして目標電圧設定部20で再設定する。【選択図】図1
Description
本考案は、ソーラーパネルが発電した電力を用いて電池の充電を行う充電制御ユニット、並びに、該充電制御ユニットを用いた充電システム、直流電源供給ユニット及び直流電源駆動システムに関する。
ソーラーパネルの電気的な出力特性を表すものとしてI-V曲線が知られている。
図9は、ソーラーパネルの出力特性を表すI-V曲線を説明するために示す図である。I-V曲線は、図9に示すように、一方の軸をソーラーパネルからの出力電流とし、他方の軸をソーラーパネルからの出力電圧として特性を表したものである。ソーラーパネルからの出力電流(パネル電流Ipv)の取り出し方を変えると出力電圧(パネル電圧Vpv)がI-V曲線に沿って変わる。逆に、出力電圧が変わると出力電流もI-V曲線に沿って変わると言うこともできる。ソーラーパネルが動作しているその時点での電流及び電圧の組合せは、I-V曲線上の点として表され、この点を「動作点」と呼んでいる。
図9は、ソーラーパネルの出力特性を表すI-V曲線を説明するために示す図である。I-V曲線は、図9に示すように、一方の軸をソーラーパネルからの出力電流とし、他方の軸をソーラーパネルからの出力電圧として特性を表したものである。ソーラーパネルからの出力電流(パネル電流Ipv)の取り出し方を変えると出力電圧(パネル電圧Vpv)がI-V曲線に沿って変わる。逆に、出力電圧が変わると出力電流もI-V曲線に沿って変わると言うこともできる。ソーラーパネルが動作しているその時点での電流及び電圧の組合せは、I-V曲線上の点として表され、この点を「動作点」と呼んでいる。
ソーラーパネルが出力する電力は、その時点における動作点から各軸に対し直角にそれぞれ結ぶ2つの補助線と、2つの各軸とによって囲まれた方形の面積で表される。上記した面積が最大となるI-V曲線上の点は「最大電力点(MPP:Maximum Power Point)」と呼ばれる。最大電力点MPPにおける電流値(最大電力点電流Ipm)及び電圧値(最大電力点電圧Vpm)をもって電力を取り出すことで、ソーラーパネルから最大のエネルギーを得ることができる。
ただ、ソーラーパネルは、置かれている環境の条件(例えば日射の強さ,温度等)によってその出力特性が変動する。環境条件が変わるとI-V曲線の形状も変動し、これに伴って最大電力点も変動する。
刻々と変化する環境条件の中で、ソーラーパネルから最大限の電力を引き出し続ける技術として、最大電力点追従方式(MPPT: Maximum Power Point Tracking)が知られている。最大電力点追従方式の1つとして山登り法も知られている(例えば非特許文献1参照)。
IC(Integrated Circuit)市場では、最大電力点追従方式によってソーラーパネルから電力を取り出して電池充電を行わせる充電制御ICが各種提供されている。充電制御ICのうち比較的高機能なICは、降圧回路だけでなく昇圧回路も備え、微弱な光であっても太陽光エネルギーを無駄なく電力化して電池充電を行うものとなっている。
他方、充電制御ICのうち機能を絞った充電制御ICも提案されている(例えば非特許文献2参照)。非特許文献2に記載された充電制御ICは、第1頁「代表的なアプリケーション」として示された外付け回路で示されるように、ソーラーパネルに接続されると共に電池に接続されるICであり、MPPSET端子なる端子が準備されている。そして、外付け回路として、ソーラーパネルの出力端子と低電位(GND)側との間に分割抵抗回路(R3,R4)を配置したうえで分割抵抗回路の中間ノードをMPPSET端子に接続するよう推奨している。
このときの分割抵抗回路の設計としては、分割抵抗回路の中間ノードにおける電圧が、ユーザーの所望する最大電力点電圧(本明細書では仮に「みなし最大電力点電圧」の語を用いる)の目標値から逆算して所定電位(1.2V)となるよう分割抵抗回路の分圧比を設定すべきものとして想定されている。
この充電制御ICには、MPPSET端子への入力電圧に関し入力電圧レギュレーション機能が実装されている。この充電制御ICは、ソーラーパネルから取り出すパネル電圧の制御目標として設定された「みなし最大電力点電圧」を維持しようとすべく、ソーラーパネルから取り出すパネル電流を調整する動作を行う仕様となっている(非特許文献2の1章 特長、3章 概要、8.3.2章Input Voltage Regulation等を参照)。
例えば、みなし最大電力点電圧を、外付けの分割抵抗の設計により図10(a)のVsetラインで示す電圧として設定したものと仮定する。ここで、何等かの環境条件等の変動により、MPPSET端子に入力される電圧が設定値(Vsetライン)を下回ったとすると《図10(a)の符号Bh1参照》、充電制御ICは、HIDRV端子やLODRV端子から出力するPWM制御信号を抑制して、ソーラーパネルからの電流の引き出し度合いを抑制しパネル電流Ipvを減少させることで、I-V曲線に沿ってパネル電圧Vpvを上昇させてVsetライン付近まで引き戻す《図10(a)の符号Bh2参照》。逆にMPPSET端子に入力される電圧が設定値(Vsetライン)を上回った場合には、上記とは逆の動作をしてパネル電流Ipvを増加させることで、I-V曲線に沿ってパネル電圧Vpvを下降させてVsetライン付近まで引き戻す《図10(a)の符号Bh3参照》。
このように、充電制御ICは、少々環境条件等の変動があったとしても、ユーザーが所望した「みなし最大電力点電圧点」にてソーラーパネルから電力を取り出し続けるよう(維持しよう)と動作する仕様になっている(入力電圧レギュレーション機能)。
このように、充電制御ICは、少々環境条件等の変動があったとしても、ユーザーが所望した「みなし最大電力点電圧点」にてソーラーパネルから電力を取り出し続けるよう(維持しよう)と動作する仕様になっている(入力電圧レギュレーション機能)。
上記した充電制御ICは、理想的な環境条件下での動作を念頭として比較的シンプルな機能を提供するものとなっており、昇圧回路が省略されていることもあり全体的に低価格となっているため、各種充電システムにも採用しやすいという長所がある。
なお、図10は、機能を絞った充電制御ICによる入力電圧レギュレーションを説明するために示すI-V曲線を使った図である。図10(a)は理想的な環境条件下での、図10(b)は理想からやや外れた環境条件の下での入力電圧レギュレーションをそれぞれ示し、図10(c)は太陽光が微弱な場合のI-V曲線を示す。
「(用語解説)最大電力点追従制御(MPPT)」、[online]、日本電気工業会HP、[令和5年9月21日検索]、インターネット(URL: https://www.jema-net.or.jp/Japanese/res/dispersed/data/s01.pdf)
「BQ24650最大電力点追従機能付き、太陽光発電用、スタンドアロン同期整流降圧バッテリ充電コントローラ データシート(Rev.B翻訳版)」、[online]、2020年、Texas Instruments Incorporated、[令和5年9月21日検索]、インターネット(URL:https://www.ti.com/jp/lit/gpn/bq24650)
しかし、この充電制御ICを推奨どおり普通に用いて充電制御ユニットを構成すると、急に日が陰るなど環境条件が変動してI-V曲線が図10(b)に示すような形に変化した場合(図は変形の一例である)、実際の最大電力点MPPが移動しているのにも拘わらず、ICは引き続き固定的に設定されたVsetラインに合わせ込むように入力電圧レギュレーションを行うこととなる(符号Bh4,Bh5参照)。この場合には、その時点でソーラーパネルが出力可能な最大電力までは取り出すことができず、ソーラーパネルが受光した太陽光エネルギーの一部を無駄にしてしまう。
また、例えば夕方や朝方など太陽光の強さが微弱になることでI-V曲線が図10(c)に示すような形に変化した場合には、固定的に設定されたVsetラインは、もはやI-V曲線とは交わらないため、ICは入力電圧レギュレーション機能を発揮することができない。この場合、ソーラーパネルは微弱ながら発電しており電力供給が可能であるのにも拘わらず、結局、電池への充電が満足に行われず太陽光エネルギーを無駄にしてしまう。
ところで、昨今では、IoT(Internet Of Things)技術の進展により外環境でセンサや通信回路等を動作させるといったアプリケーションも増えてきた。外環境のうち、商用電源の供給が無い環境では、太陽光発電で得た電力を蓄えながら自律的にシステムを動作させることも行われている。こういったシステムでは、太陽光を無駄にすることなく太陽光エネルギーを最大限に拾い上げて電池充電することが重要となる。
そこで本考案は上記した事情に鑑みてなされたものであり、機能を絞った充電制御回路(ICは充電制御回路の一態様)を用いた場合であっても太陽光エネルギーに基づく電力を無駄なく取り出して電池充電を行える充電制御ユニットを提供することを目的とする。また、そのような充電制御ユニットを用いた充電システム、直流電源供給ユニット及び直流電源駆動システムを提供することを目的とする。
[1]本考案の一態様によれば、ソーラーパネルから電力を取り出し、取り出した電力に基づいて電池を充電する充電制御ユニットが提供される。
充電制御ユニットは、ソーラーパネルに接続されると共に電池にも接続され、ソーラーパネルから取り出すパネル電圧の制御目標として設定された「みなし最大電力点電圧Vset」を維持しようとすべく、ソーラーパネルから取り出すパネル電流を調整する動作仕様となっている充電制御回路と、みなし最大電力点電圧の目標値を設定する目標電圧設定部と、電池に供給される充電電力を検出する充電電力検出部と、を備える。
充電制御ユニットは、目標電圧設定部により目標値を第1電圧に設定したうえで、充電電力検出部により、目標値を第1電圧に設定した場合の充電電力を検出し、これと共に、目標電圧設定部により目標値を第1電圧よりも高い第2電圧に設定したうえで、充電電力検出部により、目標値を第2電圧に設定した場合の充電電力を検出する。そして、目標値を第1電圧に設定した場合の充電電力と目標値を第2電圧に設定した場合の充電電力とを比較する。このとき、より大きな充電電力を呈した場合に対応する電圧(第1電圧又は第2電圧)をより最適なみなし最大電力点電圧として目標電圧設定部で再設定を行うよう構成されている。
充電制御ユニットは、ソーラーパネルに接続されると共に電池にも接続され、ソーラーパネルから取り出すパネル電圧の制御目標として設定された「みなし最大電力点電圧Vset」を維持しようとすべく、ソーラーパネルから取り出すパネル電流を調整する動作仕様となっている充電制御回路と、みなし最大電力点電圧の目標値を設定する目標電圧設定部と、電池に供給される充電電力を検出する充電電力検出部と、を備える。
充電制御ユニットは、目標電圧設定部により目標値を第1電圧に設定したうえで、充電電力検出部により、目標値を第1電圧に設定した場合の充電電力を検出し、これと共に、目標電圧設定部により目標値を第1電圧よりも高い第2電圧に設定したうえで、充電電力検出部により、目標値を第2電圧に設定した場合の充電電力を検出する。そして、目標値を第1電圧に設定した場合の充電電力と目標値を第2電圧に設定した場合の充電電力とを比較する。このとき、より大きな充電電力を呈した場合に対応する電圧(第1電圧又は第2電圧)をより最適なみなし最大電力点電圧として目標電圧設定部で再設定を行うよう構成されている。
このような充電制御ユニットによれば、機能を絞った充電制御回路を用いた場合であっても太陽光エネルギーに基づく電力を無駄なく取り出して電池充電を行うことができる。
[2]本考案の別の一態様によれば、上記[1]に記載の充電制御ユニットと、ソーラーパネルと、電池と、を備えた充電システムが提供される。
[3]本考案の更に別の一態様によれば、直流電源供給ユニットが提供される。
直流電源供給ユニットは、ソーラーパネル及び前記電池が接続され、少なくとも電池を含む電力源から供給される電力に基づいて所定電位のDC電圧を生成し、外部に接続される負荷に対し直流による電源を供給する。
直流電源供給ユニットは、ソーラーパネルから電力を取り出し、取り出した前記電力に基づいて電池を充電する上記[1]に記載の充電制御ユニットと、電力源からのDC電圧を昇圧又は降圧して所定電位のDC電圧を出力する複数のDC/DC変換部と、各々のDC/DC変換部と電力源との間にそれぞれ配置され、当該DC/DC変換部と電力源との間の回路の開閉をそれぞれ行う複数の開閉スイッチと、を備える。開閉スイッチは、外部からの入力信号に基づいて開閉制御される、又は、当該直流電源供給ユニットに設けられたハードウェアスイッチの状態に基づいて開閉制御される。
直流電源供給ユニットは、ソーラーパネル及び前記電池が接続され、少なくとも電池を含む電力源から供給される電力に基づいて所定電位のDC電圧を生成し、外部に接続される負荷に対し直流による電源を供給する。
直流電源供給ユニットは、ソーラーパネルから電力を取り出し、取り出した前記電力に基づいて電池を充電する上記[1]に記載の充電制御ユニットと、電力源からのDC電圧を昇圧又は降圧して所定電位のDC電圧を出力する複数のDC/DC変換部と、各々のDC/DC変換部と電力源との間にそれぞれ配置され、当該DC/DC変換部と電力源との間の回路の開閉をそれぞれ行う複数の開閉スイッチと、を備える。開閉スイッチは、外部からの入力信号に基づいて開閉制御される、又は、当該直流電源供給ユニットに設けられたハードウェアスイッチの状態に基づいて開閉制御される。
[4]本考案の更にまた別の一態様によれば、負荷が直流電源で駆動される直流電源駆動システムが提供される。
直流電源駆動システムは、上記[3]に記載の直流電源供給ユニットと、直流電源供給ユニットに接続された電池及びソーラーパネルと、直流電源供給ユニットのDC/DC変換部に接続された負荷と、直流電源供給ユニットのI/O端子と負荷とに接続され当該直流電源駆動システムの全体制御を行う全体制御部と、を備える。
全体制御部は、負荷が駆動を必要としないとき、当該負荷が接続されている当該DC/DC変換部に対応した開閉スイッチに対し、直流電源供給ユニットのI/O端子を通じてスイッチを開とする制御信号を出力する。
直流電源駆動システムは、上記[3]に記載の直流電源供給ユニットと、直流電源供給ユニットに接続された電池及びソーラーパネルと、直流電源供給ユニットのDC/DC変換部に接続された負荷と、直流電源供給ユニットのI/O端子と負荷とに接続され当該直流電源駆動システムの全体制御を行う全体制御部と、を備える。
全体制御部は、負荷が駆動を必要としないとき、当該負荷が接続されている当該DC/DC変換部に対応した開閉スイッチに対し、直流電源供給ユニットのI/O端子を通じてスイッチを開とする制御信号を出力する。
以下、本考案に係る充電制御ユニット、充電システム、直流電源供給ユニット及び直流電源駆動システムについて図面を参照して説明する。各図に共通する符号については当該符号について既に説明した内容を他の図の説明においても援用できることから、他の図における説明を省略する。
[実施形態1]
1.実施形態1に係る充電制御ユニット1のハードウェア構成
図1は、実施形態1に係る充電制御ユニット1及び実施形態2に係る充電システム100のハードウェア構成を示す図である。
1.実施形態1に係る充電制御ユニット1のハードウェア構成
図1は、実施形態1に係る充電制御ユニット1及び実施形態2に係る充電システム100のハードウェア構成を示す図である。
(1)概要
実施形態1に係る充電制御ユニット1は、ソーラーパネル80から電力を取り出し、取り出した電力に基づいて電池90を充電するユニットである。図1に示すように、充電制御ユニット1は、少なくとも充電制御回路10と目標電圧設定部20と充電電力検出部30とを備える。加えて、充電制御ユニット1は、パネル電圧検出部40、電力変換部50、制御部60等を備える。また、充電制御ユニット1、ソーラーパネル80及び電池90によって充電システム100を構成している。
実施形態1に係る充電制御ユニット1は、ソーラーパネル80から電力を取り出し、取り出した電力に基づいて電池90を充電するユニットである。図1に示すように、充電制御ユニット1は、少なくとも充電制御回路10と目標電圧設定部20と充電電力検出部30とを備える。加えて、充電制御ユニット1は、パネル電圧検出部40、電力変換部50、制御部60等を備える。また、充電制御ユニット1、ソーラーパネル80及び電池90によって充電システム100を構成している。
(2)充電制御回路10/充電制御IC18の仕様
充電制御回路10は、ソーラーパネル80に接続されると共に電池90にも接続されている。ここでの「接続される」というのは、電気的・システム的に接続されていることをいい、直接的に接続されるか又は間接的に接続されるかは問わない。ソーラーパネル80は電気的な出力端子82を備えているものとする。電池90は充電及び放電が可能な二次電池であるものとする。
充電制御回路10は、ソーラーパネル80に接続されると共に電池90にも接続されている。ここでの「接続される」というのは、電気的・システム的に接続されていることをいい、直接的に接続されるか又は間接的に接続されるかは問わない。ソーラーパネル80は電気的な出力端子82を備えているものとする。電池90は充電及び放電が可能な二次電池であるものとする。
充電制御回路10は、ソーラーパネル80から取り出すパネル電圧Vpvの制御目標として設定されている「みなし最大電力点電圧Vset」を維持しようとすべく、ソーラーパネルから取り出すパネル電流Ipvを調整する動作仕様となっている。
[背景技術]でも触れたように、ソーラーパネル80が置かれている環境の条件が変動するとI-V曲線も変形・変動することがあり、I-V曲線が変形・変動すると実際の最大電力点MPPも移動している可能性がある。これに対応するため、充電制御回路10は、制御目標として設定されたみなし最大電力点電圧Vsetを維持しようと、変形・変動したソーラーパネルのI-V曲線に沿いながら、ソーラーパネル80から取り出すパネル電流Ipvを調整する仕様となっている(入力電圧レギュレーション機能)。
[背景技術]でも触れたように、ソーラーパネル80が置かれている環境の条件が変動するとI-V曲線も変形・変動することがあり、I-V曲線が変形・変動すると実際の最大電力点MPPも移動している可能性がある。これに対応するため、充電制御回路10は、制御目標として設定されたみなし最大電力点電圧Vsetを維持しようと、変形・変動したソーラーパネルのI-V曲線に沿いながら、ソーラーパネル80から取り出すパネル電流Ipvを調整する仕様となっている(入力電圧レギュレーション機能)。
充電制御回路10は、標準的に使い回される標準回路、回路IP等の汎用的に用いられる回路であってもよい。また、充電制御回路10はIC(Integrated Circuit)化された充電制御ICであってもよい。以下、実施形態1では、充電制御回路10が充電制御IC18であるものとして、すなわち、充電制御回路10が充電制御を行うIC(例えば非特許文献2)として具現化されたものであるとして説明を続ける。
充電制御IC18は、仕様の上では標準的な外付け回路が想定されている(非特許文献2の第1頁代表的なアプリケーションを参照)。充電制御IC18の外付け回路としては、ソーラーパネル80の出力端子82と低電位側GNDとの間に配置される分割抵抗回路が想定されており、且つまた、分割抵抗回路の中間ノードにおける中間ノード電圧が「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値から逆算して所定電位(非特許文献2では1.2V)となるよう分割抵抗回路の分圧比を設定すべきものとされている。充電制御IC18は、MPP設定用端子10a(具体的にはMPPSET端子)を有しており、該MPP設定用端子10aには分割抵抗回路の中間ノードが接続されるものとなっている。MPP設定用端子にはパネル電圧Vpvに基づいて分圧された電圧が供給される。
また、充電制御IC18は、PWM駆動出力端子HIDRV,LODRVを有する。PWM駆動出力端子HIDRV,LODRVには、当該充電制御ユニット1の後段に配置された電力変換部50を駆動するためのPWM駆動出力信号(以下、単に「駆動信号」という)が出力される。
パネル電圧Vpvが一時的に減少して、これに伴いMPP設定用端子10aに入力される電圧が一時的に下がった場合《図10(a)のBh1参照》、入力電圧レギュレーション機能は、これに呼応するようにして、電力変換部50(後述)における電力変換を控えめにする方向にPWM駆動出力端子HIDRV,LODRVから出力する駆動出力信号を調整し、ソーラーパネル80から引き出すパネル電流Ipvを減少させる。この制御により、パネル電圧VpvはI-V曲線に沿って上がる方向に修正される《図10(a)のBh2参照》。
逆に、パネル電圧Vpvが一時的に上がり、これに伴いMPP設定用端子10aに入力される電圧が一時的に増加した場合、入力電圧レギュレーション機能は、これに呼応するようにして、電力変換部50における電力変換を加勢する方向にPWM駆動出力端子HIDRV,LODRVから出力する駆動信号を調整し、ソーラーパネル80から引き出すパネル電流Ipvを増加させる。この制御により、パネル電圧VpvはI-V曲線に沿って下がる方向に修正される《図10(a)のBh3参照》。
逆に、パネル電圧Vpvが一時的に上がり、これに伴いMPP設定用端子10aに入力される電圧が一時的に増加した場合、入力電圧レギュレーション機能は、これに呼応するようにして、電力変換部50における電力変換を加勢する方向にPWM駆動出力端子HIDRV,LODRVから出力する駆動信号を調整し、ソーラーパネル80から引き出すパネル電流Ipvを増加させる。この制御により、パネル電圧VpvはI-V曲線に沿って下がる方向に修正される《図10(a)のBh3参照》。
このように、入力電圧レギュレーション機能は、パネル電圧Vpvが変動してMPP設定用端子10aに入力される中間ノード電圧に変動があったとしても、PWM駆動出力端子HIDRV,LODRVから出力する駆動信号を調整することでパネル電流Ipvを調整しパネル電圧Vpvを維持する。
なお、ここでの「維持する」というのは、常に厳密な一定電圧を保つ必要はなく、システムの仕様の許す範囲で可能な限り一定電圧とすることを目指すもので足りる。
(3)電力変換部50
電力変換部50は、ソーラーパネル80の出力端子82と電池90の入出力端子92との間に配置され、ソーラーパネル80が出力する電力を変換して電池90に供給する。具体的には、ソーラーパネル80の直流によるパネル電圧Vpvを降圧して電池90への充電電圧を作成する。
電力変換部50は、ソーラーパネル80の出力端子82と電池90の入出力端子92との間に配置され、ソーラーパネル80が出力する電力を変換して電池90に供給する。具体的には、ソーラーパネル80の直流によるパネル電圧Vpvを降圧して電池90への充電電圧を作成する。
電力変換部50は、少なくともコイルL1とコンデンサC1とからなるLCローパスフィルタ回路(符号を省略)を有する。LCローパスフィルタ回路の入力側には、高電位側スイッチQ1及び低電位側スイッチQ2の一端側の出力端子がそれぞれ接続されている。高電位側スイッチQ1は、その制御端子がPWM駆動出力端子HIDRVに接続され、その他端側の出力端子がソーラーパネル80の出力端子82へと接続されている。低電位側スイッチQ2は、その制御端子がPWM駆動出力端子LODRVに接続され、その他端側の出力端子がGNDに接続されている。LCローパスフィルタ回路(L1,C1)の出力側は、電池90の入出力端子92へと接続されている。なお、高電位側スイッチQ1及び低電位側スイッチQ2としてはFET(Field Effect Transistor)を採用することができる。
電力変換部50は、いわゆる降圧チョッパ回路を構成しており、ソーラーパネル80が出力する直流によるパネル電圧Vpvを、PWM駆動出力端子HIDRV,LODRVから出力される駆動信号に基づいてスイッチQ1,Q2でチョッピングし、チョッピングされた波形をLCローパスフィルタ回路(L1,C1)で平滑化して直流化する。PWM駆動出力端子HIDRV,LODRVから出力する駆動信号に対し適宜パルス幅変調(PWM: Pulse Width Modulation)を掛けることにより、電力変換部50が出力する電圧を調整することができる。
(4)制御部60
制御部60は充電制御ユニット1の制御を行う。制御部60は、当該制御部60を具現化する構成要素として、プロセッサ、メモリ等の一般的な組み込み型の情報処理装置に実装されているハードウェアと、上記メモリに保持され充電制御ユニット1に関連する制御をプロセッサ上で実行するためのプログラム等でなるソフトウエアと、を含んでいる。
制御部60は充電制御ユニット1の制御を行う。制御部60は、当該制御部60を具現化する構成要素として、プロセッサ、メモリ等の一般的な組み込み型の情報処理装置に実装されているハードウェアと、上記メモリに保持され充電制御ユニット1に関連する制御をプロセッサ上で実行するためのプログラム等でなるソフトウエアと、を含んでいる。
制御部60は、後述する目標電圧設定部20(より詳しくは電位差変更手段26)の一部、充電電力検出部30の一部、パネル電圧検出部40の一部を構成しており、後の[2.実施形態1に係る充電制御ユニット1による制御]の章で述べる制御を行う。
制御部60は、目標電圧設定部20の一部を構成するD/A変換部27、充電電力検出部30の一部を構成するA/D変換器33,35、パネル電圧検出部40の一部を構成するA/D変換器42を内包した集積回路IC2として構成してもよい。
(5)充電電力検出部30
充電電力検出部30は、電池90に供給される充電電力Pchgを検出する。充電電力検出部30は、図1の例のように、充電電流検出部32で検出した充電電流Ichgと、充電電圧検出部34で検出した充電電圧(電池電圧)Vbatとをそれぞれ別個に把握し、これら充電電流Ichg及び充電電圧(電池電圧)Vbatを掛け合わせることで充電電力Pchgを検出してもよい。
充電電力検出部30は、電池90に供給される充電電力Pchgを検出する。充電電力検出部30は、図1の例のように、充電電流検出部32で検出した充電電流Ichgと、充電電圧検出部34で検出した充電電圧(電池電圧)Vbatとをそれぞれ別個に把握し、これら充電電流Ichg及び充電電圧(電池電圧)Vbatを掛け合わせることで充電電力Pchgを検出してもよい。
充電電流検出部32は、電力変換部50の出力側と電池90の入出力端子92との間にそれぞれ入力端子が接続された電流センサS1と、電流センサS1の検出出力端子に接続されたA/D変換器33と、A/D変換器33のデジタル出力を取込んで充電電流Ichgを算出する制御部60とで構成されている。
充電電圧検出部34は、電池90の入出力端子92及び低電位側(GND)の間に直列に接続された抵抗R3,R4と、抵抗R3及び抵抗R4の間の中間ノードに接続されたA/D変換器35と、A/D変換器35のデジタル出力を取込んで充電電圧Vbatを算出する制御部60とで構成されている。
制御部60では、上記のように検出した充電電流Ichg及び充電電圧Vbatを掛け合わせて充電電力Pchgを検出する。
充電電圧検出部34は、電池90の入出力端子92及び低電位側(GND)の間に直列に接続された抵抗R3,R4と、抵抗R3及び抵抗R4の間の中間ノードに接続されたA/D変換器35と、A/D変換器35のデジタル出力を取込んで充電電圧Vbatを算出する制御部60とで構成されている。
制御部60では、上記のように検出した充電電流Ichg及び充電電圧Vbatを掛け合わせて充電電力Pchgを検出する。
(6)パネル電圧検出部40
パネル電圧検出部40は、ソーラーパネル80が出力するパネル電圧Vpvを検出する。
パネル電圧検出部40は、ソーラーパネル80の出力端子82及び低電位側(GND)の間に直列に接続された抵抗R5,R6と、抵抗R5及び抵抗R6の間の中間ノードに接続されたA/D変換器42と、A/D変換器42のデジタル出力を取込んでパネル電圧Vpvを算出する制御部60とで構成されている。
パネル電圧検出部40は、ソーラーパネル80が出力するパネル電圧Vpvを検出する。
パネル電圧検出部40は、ソーラーパネル80の出力端子82及び低電位側(GND)の間に直列に接続された抵抗R5,R6と、抵抗R5及び抵抗R6の間の中間ノードに接続されたA/D変換器42と、A/D変換器42のデジタル出力を取込んでパネル電圧Vpvを算出する制御部60とで構成されている。
(7)目標電圧設定部20
目標電圧設定部20は、みなし最大電力点電圧Vsetの目標値を設定する。目標電圧設定部20は、図10の「みなし最大電力点電圧Vset」を示すラインについて、横軸上の位置を設定するものと言うこともできる。
目標電圧設定部20は、みなし最大電力点電圧Vsetの目標値を設定する。目標電圧設定部20は、図10の「みなし最大電力点電圧Vset」を示すラインについて、横軸上の位置を設定するものと言うこともできる。
(7-1)目標電圧設定部20のハードウェア構成
目標電圧設定部20は分割抵抗回路24を備えている。分割抵抗回路24は、ソーラーパネル80の出力端子82及び低電位側(GND)の間に直接に接続された抵抗R1,R21を有している。これら抵抗R1及び抵抗R21の間の中間ノードNmは、充電制御回路10(充電制御IC18)のMPP設定用端子10a(MPPSET端子)に接続されている。
目標電圧設定部20は分割抵抗回路24を備えている。分割抵抗回路24は、ソーラーパネル80の出力端子82及び低電位側(GND)の間に直接に接続された抵抗R1,R21を有している。これら抵抗R1及び抵抗R21の間の中間ノードNmは、充電制御回路10(充電制御IC18)のMPP設定用端子10a(MPPSET端子)に接続されている。
加えて、目標電圧設定部20は電位差変更手段26を備えている。電位差変更手段26は、分割抵抗回路24に並列するようにして中間ノードNmに接続されている。電位差変更手段26は、ソーラーパネル80の出力端子82と中間ノードNmとの間の電位差を強制的に変更する。
電位差変更手段26は、一端が中間ノードNmに接続され他端がD/A変換部27の出力端子に接続された調整抵抗R22と、出力端子27aが該調整抵抗R22の他端に接続され、入力側が制御部60の所定のバス(デジタルデータが供給される)に接続されたD/A変換部27とを含んでいる。電位差変更手段26は、D/A変換部27に対して入力されるデジタルデータ(DAC値)を変更することでソーラーパネル80の出力端子82と中間ノードNmとの間の電位差を変更するよう構成されている(詳細は後述)。
図2は、実施形態1のD/A変換部27の一例を示す図である。D/A変換部27は一般的なものを採用することができる。例えば図2に示すような構成であってもよい。制御部60から示されたデジタル値のデータをデコーダがデコードし、スイッチSW1が該データの大小に応じて適宜切り替わることにより、システム電圧Vsと低電位側GNDとの間に設けられた分割抵抗R7の選択位置が切り替わることで、D/A変換部27の出力端子27aに出力される電位が切り替わる。
(7-2)みなし最大電力点電圧Vsetの目標値の設定の詳細
目標電圧設定部20(特に電位差変更手段26)を用いた「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値の設定変更は、例えば次のように行うことができる。
(a)D/A変換部27に入力するDAC値を直前の値よりも小さく変更する。すると、スイッチSW1の接続がGND側に寄るので、これに伴い出力端子27aの電位が急激に下がる。(b)出力端子27aの電位が下がると、出力端子27a~中間ノードNm間(調整抵抗R22の両端)の電位差が一時的に大きくなる(電位差の変更)。(c)調整抵抗R22の両端の電位差が大きくなると当該抵抗を流れる電流I22が増加する。(d)このとき抵抗R21を流れるI21は変動がない一方で、調整抵抗R22を流れるI22が増加するため、キルヒホッフの第1法則により、抵抗R1を流れるI1もその分増加する。(e)抵抗R1を流れるI1が増加すると、抵抗R1の両端(ソーラーパネル80の出力端子82~中間ノードNm間)の電位差が一時的に大きくなる。
(f)このときまで抵抗R21を流れるI21は変動がないため、抵抗R21の一端側(GND)基準でみた他端側の中間ノードNmの電位も所定電位(1.2V)に維持されており、MPP設定用端子10aの電位も所定電位(1.2V)となっている。(g)一方で、(d)で抵抗R1を流れるI1が増加することから、抵抗R1の両端の電位差が拡大し、その結果として、入力電圧レギュレーション機能により、所定電位(1.2V)に維持された中間ノードNmを基準として、パネル電圧Vpv側のノードの電位が引っ張り上げられ、パネル電圧Vpvが上昇する。(h)パネル電圧Vpvが上昇して大きくなるため、I-V曲線上ではVpvが大きくなる右方向に動作点が移動することとなる。こうして、みなし最大電力点電圧Vsetの目標値を大きくすることができる。
目標電圧設定部20(特に電位差変更手段26)を用いた「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値の設定変更は、例えば次のように行うことができる。
(a)D/A変換部27に入力するDAC値を直前の値よりも小さく変更する。すると、スイッチSW1の接続がGND側に寄るので、これに伴い出力端子27aの電位が急激に下がる。(b)出力端子27aの電位が下がると、出力端子27a~中間ノードNm間(調整抵抗R22の両端)の電位差が一時的に大きくなる(電位差の変更)。(c)調整抵抗R22の両端の電位差が大きくなると当該抵抗を流れる電流I22が増加する。(d)このとき抵抗R21を流れるI21は変動がない一方で、調整抵抗R22を流れるI22が増加するため、キルヒホッフの第1法則により、抵抗R1を流れるI1もその分増加する。(e)抵抗R1を流れるI1が増加すると、抵抗R1の両端(ソーラーパネル80の出力端子82~中間ノードNm間)の電位差が一時的に大きくなる。
(f)このときまで抵抗R21を流れるI21は変動がないため、抵抗R21の一端側(GND)基準でみた他端側の中間ノードNmの電位も所定電位(1.2V)に維持されており、MPP設定用端子10aの電位も所定電位(1.2V)となっている。(g)一方で、(d)で抵抗R1を流れるI1が増加することから、抵抗R1の両端の電位差が拡大し、その結果として、入力電圧レギュレーション機能により、所定電位(1.2V)に維持された中間ノードNmを基準として、パネル電圧Vpv側のノードの電位が引っ張り上げられ、パネル電圧Vpvが上昇する。(h)パネル電圧Vpvが上昇して大きくなるため、I-V曲線上ではVpvが大きくなる右方向に動作点が移動することとなる。こうして、みなし最大電力点電圧Vsetの目標値を大きくすることができる。
みなし最大電力点電圧Vsetの目標値を小さくする場合には、上記とは逆にDAC出力の操作を行うことで実現できる。
以上のように、充電制御IC18の外側ではソーラーパネル80の出力端子82と低電位側GNDとの間に分割抵抗回路24が配置され、且つ、分割抵抗回路24の中間ノードNmがMPP設定用端子10a(MPPSET端子)に接続されており、目標電圧設定部20には、ソーラーパネル80の出力端子82と中間ノードNmとの間の電位差を強制的に変更する電位差変更手段26が含まれている。
2.実施形態1に係る充電制御ユニット1による制御
(1)充電制御ユニット1の動作モード
図3は、実施形態1に係る充電制御ユニット1による制御を説明するために示す状態遷移図である。図3に示すように、充電制御ユニット1は、動作モードとしてアイドルモードST0、最大電力点維持モードST1及び最大電力点アプローチモードST2を備えている。これらの動作モードは、所定の条件T1,T2,T3,T4を満たしたときにそれぞれの条件に対応した先の動作モードに状態遷移する。なお、ここではこれら3つの動作モードを紹介したが、実施形態1を実施する際には何らこれに限定されるものではない。
(1)充電制御ユニット1の動作モード
図3は、実施形態1に係る充電制御ユニット1による制御を説明するために示す状態遷移図である。図3に示すように、充電制御ユニット1は、動作モードとしてアイドルモードST0、最大電力点維持モードST1及び最大電力点アプローチモードST2を備えている。これらの動作モードは、所定の条件T1,T2,T3,T4を満たしたときにそれぞれの条件に対応した先の動作モードに状態遷移する。なお、ここではこれら3つの動作モードを紹介したが、実施形態1を実施する際には何らこれに限定されるものではない。
(2)最大電力点維持モードST1における制御
図4は、最大電力点維持モードST1における最適な動作点の追求を説明するために示すI-V曲線を使った図である。図5は、実施形態1に係る充電制御ユニット1の最大電力点維持モードST1における制御の一例を示すフローチャートである。
図4は、最大電力点維持モードST1における最適な動作点の追求を説明するために示すI-V曲線を使った図である。図5は、実施形態1に係る充電制御ユニット1の最大電力点維持モードST1における制御の一例を示すフローチャートである。
最大電力点維持モードST1においては、電池90を含む負荷が変動したり環境条件が変動するなどしたためにパネル電流Ipvやパネル電圧Vpvが変動し、動作点が最大電力点MPPからずれてしまったとき、ずれた動作点を最大電力点MPPに引き戻す制御を継続的に行う。以下、具体例を示して説明する。
図5に示すように、最大電力点維持モードST1においては、大きく分けて、みなし最大電力点電圧Vsetを第1電圧で試行して電力を調べるステップS10、同じく第2電圧で試行して電力を調べるステップS20、第1電圧の場合と第2電圧の場合とによる電力の比較S30、及び、より最適なみなし最大電力点電圧Vsetの再設定S40のステップを含んでいる。
(2-1)領域Aにおける動作
図4(a)に示すように、充電制御ユニット1の動作点が例えば破線で囲まれた領域Aや領域Bにシフトし、最大電力点MPPから離れてしまったときを想定する。参考までに、領域A内の動作点では最大電力点MPPに対して、パネル電圧Vpvは大きいもののパネルから取り出される電力は小さくなっている。また、領域B内の動作点では最大電力点MPPに対して、パネル電圧Vpvは小さく且つパネルから取り出される電力も小さくなっている。
図4(a)に示すように、充電制御ユニット1の動作点が例えば破線で囲まれた領域Aや領域Bにシフトし、最大電力点MPPから離れてしまったときを想定する。参考までに、領域A内の動作点では最大電力点MPPに対して、パネル電圧Vpvは大きいもののパネルから取り出される電力は小さくなっている。また、領域B内の動作点では最大電力点MPPに対して、パネル電圧Vpvは小さく且つパネルから取り出される電力も小さくなっている。
まず、動作点が領域A内にずれた場合の制御について以下説明する。本明細書において「ベース電圧Vbase」とは直前に設定されたみなし最大電力点電圧Vsetの目標値を変数として表すものであり、ΔVは所定の電位差の絶対値を表すものである。
(ア)直前の状態について
図4(b)に示すように、(イ)以降に説明する動作(制御)を行う直前において、充電システム100は動作点84で動作しているものと仮定する。その時点では、「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値は、Vbaseの値そのものであり、動作点84における電圧と同じになっている。代入式で表すと、「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値=Vbase=動作点84におけるパネル電圧Vpvの関係となっている。
図4(b)に示すように、(イ)以降に説明する動作(制御)を行う直前において、充電システム100は動作点84で動作しているものと仮定する。その時点では、「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値は、Vbaseの値そのものであり、動作点84における電圧と同じになっている。代入式で表すと、「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値=Vbase=動作点84におけるパネル電圧Vpvの関係となっている。
(イ)第1電圧による充電電力の検出S10
まず、充電制御ユニット1は、目標電圧設定部20により「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値を第1電圧に設定したうえで、充電電力検出部30により目標値を第1電圧に設定した場合の充電電力Pchgを検出する。
図4(b)に即して説明すると、充電制御ユニット1の制御部60は、動作点84に対応したベース電圧VbaseからΔVを減じた電圧である(Vbase-ΔV)を、第1電圧とする。このときの第1電圧は、動作点83における電圧と同じになっている。そのうえで、目標電圧設定部20を動作させ、「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値を第1電圧に設定する。これを代入式で表現すると Vset=第1電圧=Vbase-ΔV となる(図5のS12参照。以下、ステップ番号のみの表示とする)。
まず、充電制御ユニット1は、目標電圧設定部20により「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値を第1電圧に設定したうえで、充電電力検出部30により目標値を第1電圧に設定した場合の充電電力Pchgを検出する。
図4(b)に即して説明すると、充電制御ユニット1の制御部60は、動作点84に対応したベース電圧VbaseからΔVを減じた電圧である(Vbase-ΔV)を、第1電圧とする。このときの第1電圧は、動作点83における電圧と同じになっている。そのうえで、目標電圧設定部20を動作させ、「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値を第1電圧に設定する。これを代入式で表現すると Vset=第1電圧=Vbase-ΔV となる(図5のS12参照。以下、ステップ番号のみの表示とする)。
次いで、充電電力検出部30を動作させ、この動作点83における充電電力Pchgを検出し、目標値を第1電圧に設定した場合の充電電力P-ΔVを得る(S16)。
(ウ)第2電圧による充電電力の検出S20
次に、充電制御ユニット1は、目標電圧設定部20により「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値を第1電圧よりも高い第2電圧に設定したうえで、充電電力検出部30により、目標値を第2電圧に設定した場合の充電電力Pchgを検出する。
図4(b)に即して説明すると、充電制御ユニット1の制御部60は、動作点84に対応したベース電圧VbaseからΔVを加えた電圧である(Vbase+ΔV)を、第2電圧とする。このときの第2電圧は、動作点85における電圧と同じになっている。そのうえで、目標電圧設定部20を動作させ、「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値を第2電圧に設定する。これを代入式で表現すると Vset=第2電圧=Vbase+ΔV となる(S22)。
次に、充電制御ユニット1は、目標電圧設定部20により「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値を第1電圧よりも高い第2電圧に設定したうえで、充電電力検出部30により、目標値を第2電圧に設定した場合の充電電力Pchgを検出する。
図4(b)に即して説明すると、充電制御ユニット1の制御部60は、動作点84に対応したベース電圧VbaseからΔVを加えた電圧である(Vbase+ΔV)を、第2電圧とする。このときの第2電圧は、動作点85における電圧と同じになっている。そのうえで、目標電圧設定部20を動作させ、「みなし最大電力点電圧Vset」の目標値を第2電圧に設定する。これを代入式で表現すると Vset=第2電圧=Vbase+ΔV となる(S22)。
次いで、充電電力検出部30を動作させ、この動作点85における充電電力Pchgを検出し、目標値を第2電圧に設定した場合の充電電力P+ΔVを得る(S26)。
なお、目標電圧設定部20で目標値を所定の電圧(第1電圧又は第2電圧)に設定してから充電電力を検出するまでの間に所定時間が置かれることが好ましい(S14,S24)。具体的な動作としては、目標電圧設定部20で目標値を第1電圧又は第2電圧に設定し、その後、所定時間が経過したら、第1電圧又は第2電圧に設定した場合の充電電力Pchgを検出する。
ソーラーパネル80の応答性の問題として、目標電圧を設定してから、ソーラーパネル80が反応しI-V曲線に沿ってパネル電流Ipvが変化し、その結果として充電電力Pchgが確定するまでの間、タイムラグが生じることがある。充電制御ユニット1は、ステップS12とステップS16との間や、ステップS22とステップS26との間に所定時間のタイマーを挿入することで上記タイムラグの間をやり過ごし、その後に充電電力の検出を行う。このため、過渡期間の不定要素が排除された安定した状態で充電電力Pchgを評価することができる。最大電力点の追従・維持をより的確に行うことができる。
(エ)第1電圧の場合と第2電圧の場合とによる充電電力の比較
次いで、充電制御ユニット1の制御部60は、目標値を第1電圧に設定した場合の充電電力P-ΔVと、目標値を第2電圧に設定した場合の充電電力P+ΔVとを比較する(S30)。
次いで、充電制御ユニット1の制御部60は、目標値を第1電圧に設定した場合の充電電力P-ΔVと、目標値を第2電圧に設定した場合の充電電力P+ΔVとを比較する(S30)。
(オ)より最適なみなし最大電力点電圧Vsetの再設定S40
上記ステップS30による比較の結果を踏まえ、充電制御ユニット1の制御部60は、より大きな充電電力を呈した場合に対応する電圧(第1電圧又は第2電圧)を、より最適なみなし最大電力点電圧Vsetとして目標電圧設定部20で再設定する(S42,S44)。
上記ステップS30による比較の結果を踏まえ、充電制御ユニット1の制御部60は、より大きな充電電力を呈した場合に対応する電圧(第1電圧又は第2電圧)を、より最適なみなし最大電力点電圧Vsetとして目標電圧設定部20で再設定する(S42,S44)。
図4(b)及び図4(c)に即して説明すると、ステップS30による比較の結果、
第1電圧に設定したとき充電電力P-ΔVの方が、第2電圧に設定したときの充電電力P+ΔVよりも大きくなっている。したがって、より大きな電力を呈したP-ΔVに対応する電圧であるVbase-ΔVを、より最適なみなし最大電力点電圧Vsetとして再設定する。これをプログラムの代入式で表現すると、Vset=Vbase=Vbase-ΔV となる(S42)。こうすることで、次のサイクルにおいては、直前まで第1電圧であった値が基準電圧たるVbaseになる。これにより、動作点が最大電力点MPPに近づくこととなる《図4(c)参照》。
第1電圧に設定したとき充電電力P-ΔVの方が、第2電圧に設定したときの充電電力P+ΔVよりも大きくなっている。したがって、より大きな電力を呈したP-ΔVに対応する電圧であるVbase-ΔVを、より最適なみなし最大電力点電圧Vsetとして再設定する。これをプログラムの代入式で表現すると、Vset=Vbase=Vbase-ΔV となる(S42)。こうすることで、次のサイクルにおいては、直前まで第1電圧であった値が基準電圧たるVbaseになる。これにより、動作点が最大電力点MPPに近づくこととなる《図4(c)参照》。
その後、充電制御ユニット1は、上記した(ア)~(オ)の動作を繰り返し実行する。
なお、動作点が最大電力点MPP付近にある場合も、定期的に上記動作を実行して充電電力の評価を行うことで最適な動作点を維持することができる《図6(a)のふるまいBh7,Bh8も併せて参照》。
なお、動作点が最大電力点MPP付近にある場合も、定期的に上記動作を実行して充電電力の評価を行うことで最適な動作点を維持することができる《図6(a)のふるまいBh7,Bh8も併せて参照》。
(2-2)領域Bにおける動作
図4(d)は、動作点が領域Bにずれた場合の制御を示す図である。この場合であっても、充電制御ユニット1では、上記(2-1)の(ア)~(オ)で示した基本的なアルゴリズムを動作させて共通的に扱うことができる。以下、上記した領域A内に動作点がある場合との差異を中心に説明する。
図4(d)は、動作点が領域Bにずれた場合の制御を示す図である。この場合であっても、充電制御ユニット1では、上記(2-1)の(ア)~(オ)で示した基本的なアルゴリズムを動作させて共通的に扱うことができる。以下、上記した領域A内に動作点がある場合との差異を中心に説明する。
上記した(2-1)(イ)以降の制御を行う直前では、充電システム100は動作点87で動作していたものとする。このとき、ベース電圧Vbaseは動作点87における電圧と同じになっている。第1電圧は、図の動作点86におけるパネル電圧(Vbase-ΔV)で設定され、第2電圧は、図の動作点88におけるパネル電圧(Vbase+ΔV)で設定されたうえで上記(2-1)(イ)以降の動作が実行される。
領域Bからみると最大電力点MPPが向かって右側に位置しているため、目標値を第2電圧に設定したときの充電電力P+ΔVの方が、目標値を第1電圧に設定したときの充電電力P-ΔVよりも大きくなっている。したがって、P+ΔVに対応する電圧である第2電圧(Vbase+ΔV)の方を、より最適なみなし最大電力点電圧Vsetとして再設定する。これをプログラムの代入式で表現すると、Vset=Vbase=Vbase+ΔV となる(S44)。こうすることで、次のサイクルでは、直前まで第2電圧であった値が基準電圧たるVbaseになる。これを繰り返すことにより、動作点が最大電力点MPPに順次近づく《図4(d)参照》。
なお、厳密に言うと、I-V曲線上で電力評価を行う場合には実際にソーラーパネル80から出力された電力Ppvを直接検出することも考えられる。ただ、実施形態1に係る充電制御ユニット1では、実用上問題ない範囲で、電池に供給される充電電力Pchgはソーラーパネル80から出力された電力Ppvと正の相関関係にあるものとして扱い、充電電力Pchgを評価することにより間接的にソーラーパネル80から出力された電力Ppvを評価している。
(3)最大電力点アプローチモードST2における制御
図6は、最大電力点アプローチモードST2における動作点のシフトを説明するために示すI-V曲線を使った図である。図6(a)に示すように、最大電力点維持モードST1で最大電力点MPP1における動作を維持している最中であったとしても、例えば急激に日が陰る等の原因により、図6(b)に示すようにI-V曲線が大きく変形してしまうことがある。そうすると、結果的に、現在設定されているみなし最大電力点電圧Vsetは、変形後のI-V曲線CV2における最大電力点MPP2からずれてしまう。こうした場合、充電電力Pchgも急激に減少する場合が多い。
図6は、最大電力点アプローチモードST2における動作点のシフトを説明するために示すI-V曲線を使った図である。図6(a)に示すように、最大電力点維持モードST1で最大電力点MPP1における動作を維持している最中であったとしても、例えば急激に日が陰る等の原因により、図6(b)に示すようにI-V曲線が大きく変形してしまうことがある。そうすると、結果的に、現在設定されているみなし最大電力点電圧Vsetは、変形後のI-V曲線CV2における最大電力点MPP2からずれてしまう。こうした場合、充電電力Pchgも急激に減少する場合が多い。
そこで、目標値を第1電圧に設定した場合の充電電力P-ΔV又は目標値を第2電圧に設定した場合の充電電力P+ΔVが、所定の閾値よりも小さかった場合には、上記したI-V曲線の急激な変形があったものと見做して、充電制御ユニット1は、動作モードを最大電力点アプローチモードST2に遷移させる(図3のT3参照)。最大電力点アプローチモードST2に入ると、目標電圧設定部20では、上記したベース電圧Vbaseの左右における充電電力Pchgの評価は行わず、現在設定されているみなし最大電力点電圧Vsetの目標値に対し所定の電位差ずつ電圧の値を下げる動作を順次行う《図6(b)参照》。
充電制御ユニット1はこのような構成を採っているため、急に日が陰るなどしてI-V曲線が小さく変形した場合においても、みなし最大電力点電圧Vsetの目標値として、その時点での最大電力点MPP2まで一方的に加速的に追い込むことができる。
なお、最大電力点MPP2付近までみなし最大電力点電圧Vsetの目標値を追い込んだ結果、充電電力が回復して閾値を上回ったときには、充電制御ユニット1は、動作モードを、最大電力点アプローチモードST2から最大電力点維持モードST1に復帰させる(図3のT4参照)。
なお、最大電力点MPP2付近までみなし最大電力点電圧Vsetの目標値を追い込んだ結果、充電電力が回復して閾値を上回ったときには、充電制御ユニット1は、動作モードを、最大電力点アプローチモードST2から最大電力点維持モードST1に復帰させる(図3のT4参照)。
(4)アイドルモードST0(アイドル状態)
図7は、ソーラーパネル80から出力可能な電力について、1日を通した推移を説明するために一例として示すグラフである。図7に示すように、ソーラーパネル80からは昼間は相応の電力を出力するものの、夕方からは出力が低下し、夜間から朝にかけては出力が低迷する。
図7は、ソーラーパネル80から出力可能な電力について、1日を通した推移を説明するために一例として示すグラフである。図7に示すように、ソーラーパネル80からは昼間は相応の電力を出力するものの、夕方からは出力が低下し、夜間から朝にかけては出力が低迷する。
充電制御ユニット1はパネル電圧Vpvを検出するパネル電圧検出部40を具備しており、該パネル電圧検出部40が検出したパネル電圧Vpvが所定の電位以下になった場合には、例えば夜間になったものと見做してアイドルモードST0に移行する(図3のT2参照)。アイドルモードST0では、電池90への充電動作をとり止めるなどして、アイドル状態を維持する。これにより、システム自体が動作する電力消費を抑えることができる。そして、再び朝となり、パネル電圧Vpvが所定の電位を超えたら最大電力点維持モードに復帰させる(図3のT1参照)。
3.実施形態1に係る充電制御ユニット1の効果
従来では、[考案が解決しようとする課題]で触れたように、I-V曲線が変化して最大電力点MPP(に対応したパネル電圧)が移動しているのにも拘わらず、ICは引き続き固定的に設定されたVsetに合わせて入力電圧レギュレーションを行うため、その時点でソーラーパネル80が出力可能な最大電力までは取り出すことができず、ソーラーパネル80が受光した太陽光エネルギーの一部を無駄にしてしまっていた。
従来では、[考案が解決しようとする課題]で触れたように、I-V曲線が変化して最大電力点MPP(に対応したパネル電圧)が移動しているのにも拘わらず、ICは引き続き固定的に設定されたVsetに合わせて入力電圧レギュレーションを行うため、その時点でソーラーパネル80が出力可能な最大電力までは取り出すことができず、ソーラーパネル80が受光した太陽光エネルギーの一部を無駄にしてしまっていた。
一方、実施形態1に係る充電制御ユニット1は、目標電圧設定部20と充電電力検出部30とを備え、目標電圧設定部20でみなし最大電力点電圧Vsetの目標値を第1電圧に設定したうえで充電電力検出部30で充電電力P-ΔVを検出し、これと共に、目標電圧設定部20でみなし最大電力点電圧Vsetの目標値を第1電圧よりも高い第2電圧に設定したうえで充電電力検出部30で充電電力P+ΔVを検出し、それらを踏まえ充電電力P-ΔVと充電電力P+ΔVとを比較し、より大きな充電電力を呈した場合に対応する電圧(第1電圧又は第2電圧)をより最適なみなし最大電力点電圧Vsetとして目標電圧設定部20で再設定するよう構成されている。
このため、仮にソーラーパネル80の状態が変わりI-V曲線が変形して最大電力点MPPの位置が変わったとしても、自動的にその時々におけるI-V曲線の最適な動作点(最大電力点MPP)を追求することができる。よって、機能を絞った充電制御回路(ICは充電制御回路の一態様)を用いた場合であっても太陽光エネルギーに基づく電力を無駄なく取り出して電池充電を行うことができる。
[実施形態2]
図1に戻って実施形態2に係る充電システム100について説明する。
上記した実施形態1に係る充電制御ユニット1については、ソーラーパネル80と、電池90とを組み合わせて充電システム100を構成することができる。充電システム100は、充電制御ユニット1と、出力端子82が充電制御ユニット1の入力側に接続されたソーラーパネル80と、入出力端子92が充電制御ユニット1の出力側に接続された電池90とを備える。
図1に戻って実施形態2に係る充電システム100について説明する。
上記した実施形態1に係る充電制御ユニット1については、ソーラーパネル80と、電池90とを組み合わせて充電システム100を構成することができる。充電システム100は、充電制御ユニット1と、出力端子82が充電制御ユニット1の入力側に接続されたソーラーパネル80と、入出力端子92が充電制御ユニット1の出力側に接続された電池90とを備える。
充電システム100は、実施形態1に係る充電制御ユニット1を構成要素としてそのまま包含していることから、実施形態1に係る充電制御ユニット1が奏する効果をそのまま享受することができる。
[実施形態3,実施形態4]
図8は、実施形態3に係る直流電源供給ユニット200及び実施形態4に係る直流電源駆動システム500を説明するために示すブロック図である。
図8は、実施形態3に係る直流電源供給ユニット200及び実施形態4に係る直流電源駆動システム500を説明するために示すブロック図である。
上記した実施形態1に係る充電制御ユニット1は、電池90、ソーラーパネル80等の電力源を基にDC電圧を作成する直流電源供給ユニット200においても、構成要素の一部として採用することができる。
図8に示すように、直流電源供給ユニット200は、ソーラーパネル80及び電池90が接続され、少なくとも電池90を含む電力源から供給される電力に基づいて所定電位のDC電圧を生成し、外部に接続される負荷300に対し直流による電源を供給するユニットである(実施形態3)。
直流電源供給ユニット200は、ソーラーパネル80から電力を取り出し、取り出した電力に基づいて電池90を充電する実施形態1に係る充電制御ユニット1と、電力源からのDC電圧を昇圧又は降圧して所定電位のDC電圧を出力する複数のDC/DC変換部210と、各々のDC/DC変換部210-1~210-4と電力源との間にそれぞれ配置され、当該DC/DC変換部210-1~210-4と電力源との間の回路の開閉をそれぞれ行う複数の開閉スイッチ220-1~220-4と、を備える。開閉スイッチ220は、外部からの入力信号に基づいて開閉制御される、又は、当該直流電源供給ユニット200に設けられたハードウェアスイッチ240の状態に基づいて開閉制御されるようになっている。
直流電源供給ユニット200は、ソーラーパネル80から電力を取り出し、取り出した電力に基づいて電池90を充電する実施形態1に係る充電制御ユニット1と、電力源からのDC電圧を昇圧又は降圧して所定電位のDC電圧を出力する複数のDC/DC変換部210と、各々のDC/DC変換部210-1~210-4と電力源との間にそれぞれ配置され、当該DC/DC変換部210-1~210-4と電力源との間の回路の開閉をそれぞれ行う複数の開閉スイッチ220-1~220-4と、を備える。開閉スイッチ220は、外部からの入力信号に基づいて開閉制御される、又は、当該直流電源供給ユニット200に設けられたハードウェアスイッチ240の状態に基づいて開閉制御されるようになっている。
また、上記した直流電源供給ユニット200は、負荷300や全体制御部としての情報処理装置400と共に、負荷300が直流電源で駆動される直流電源駆動システム500を構成することができる。
直流電源駆動システム500は、実施形態3に係る直流電源供給ユニット200と、直流電源供給ユニット200に接続された電池90及びソーラーパネル80と、直流電源供給ユニット200のDC/DC変換部210に接続された負荷300と、直流電源供給ユニット200のI/O端子230と負荷300とに接続され当該直流電源駆動システム500の全体制御を行う全体制御部(情報処理装置400)と、を備える。
全体制御部(情報処理装置400)は、負荷300が駆動を必要としないとき、当該負荷300が接続されている当該DC/DC変換部210に対応した開閉スイッチ220に対し、直流電源供給ユニット200のI/O端子230を通じて開閉スイッチ220を開とする制御信号を出力するよう構成されている(実施形態4)。
全体制御部(情報処理装置400)は、負荷300が駆動を必要としないとき、当該負荷300が接続されている当該DC/DC変換部210に対応した開閉スイッチ220に対し、直流電源供給ユニット200のI/O端子230を通じて開閉スイッチ220を開とする制御信号を出力するよう構成されている(実施形態4)。
なお、本出願と同一の出願人による実用新案登録出願(実願2023-226)に記載された直流電源供給ユニット及び直流電源駆動システムの記載内容、特に図6に関連する部分は、符号を適宜変換しながら、実施形態3に係る直流電源供給ユニット200及び実施形態4に係る直流電源駆動システム500の詳細な説明及び図面として援用することができる。
以上、本考案を上記の実施形態に基づいて説明したが、本考案は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
(1)実施形態1では、直前に設定されていたみなし最大電力点電圧VsetであるVbaseを基準として、その両脇に当たるVbase-ΔVを第1電圧とし、Vbase+ΔVを第2電圧として、それぞれの充電電力Pchgを評価した。この方法によれば比較的早い段階で最大電力点MPPに到達できる。
しかしながら本考案はこれに限定されるものではない。例えば、充電電力Pchgの評価を行う直前において、パネル電圧Vpvと充電電力Pchgとが正の相関関係(右肩上がり)になっている場合には、現在設定されている「みなし最大電力点電圧Vset」を第1電圧とし、それよりも高い電圧を第2電圧としたうえで、より大きな電力を呈した方の電圧を「みなし最大電力点電圧Vset」として再設定する。逆に、充電電力Pchgの評価を行う直前において、パネル電圧Vpvと充電電力Pchgとが負の相関関係(右肩下がり)になっている場合には、現在設定されている「みなし最大電力点電圧Vset」を第2電圧とし、それよりも低い電圧を第1電圧としたうえで、より大きな電力を呈した方の電圧を「みなし最大電力点電圧Vset」として再設定する。このようなアルゴリズムを採用することもできる。
しかしながら本考案はこれに限定されるものではない。例えば、充電電力Pchgの評価を行う直前において、パネル電圧Vpvと充電電力Pchgとが正の相関関係(右肩上がり)になっている場合には、現在設定されている「みなし最大電力点電圧Vset」を第1電圧とし、それよりも高い電圧を第2電圧としたうえで、より大きな電力を呈した方の電圧を「みなし最大電力点電圧Vset」として再設定する。逆に、充電電力Pchgの評価を行う直前において、パネル電圧Vpvと充電電力Pchgとが負の相関関係(右肩下がり)になっている場合には、現在設定されている「みなし最大電力点電圧Vset」を第2電圧とし、それよりも低い電圧を第1電圧としたうえで、より大きな電力を呈した方の電圧を「みなし最大電力点電圧Vset」として再設定する。このようなアルゴリズムを採用することもできる。
(2)各実施形態の説明では、充電制御IC18として、TI社製型式BQ24650を例として検討を行ってきた。しかしながら本考案はこれに限定されるものではない。所定の入力端子へ入力される電圧を一定電圧にレギュレーションしようとする機能を有するIC全般に対し本考案を適用する余地がある。
1…充電制御ユニット、10…充電制御回路、10a…MPP設定用端子、20…目標電圧設定部、24…分割抵抗回路、26…電位差変更手段、27…D/A変換部、27a…(D/A変換部の)出力端子、30…充電電力検出部、32…充電電流検出部、33,35,42…A/D変換器、34…充電電圧検出部、40…パネル電圧検出部、50…電力変換部、60…制御部、80…ソーラーパネル、82…(ソーラーパネルの)出力端子、83,84,85,86,87、88…動作点、90…電池、92…(電池の)入出力端子、100…充電システム、200…直流電源供給ユニット、210…DC/DC変換部、220…開閉スイッチ、230…I/O端子、240…ハードウェアスイッチ、300…負荷、400…情報処理装置、500…直流電源駆動システム
Claims (11)
- ソーラーパネルから電力を取り出し、取り出した前記電力に基づいて電池を充電する充電制御ユニットであって、
前記ソーラーパネルに接続されると共に前記電池にも接続され、前記ソーラーパネルから取り出すパネル電圧の制御目標として設定された「みなし最大電力点電圧」を維持しようとすべく、前記ソーラーパネルから取り出すパネル電流を調整する動作仕様となっている充電制御回路と、
前記みなし最大電力点電圧の目標値を設定する目標電圧設定部と、
前記電池に供給される充電電力を検出する充電電力検出部と、を備え、
前記目標電圧設定部により前記目標値を第1電圧に設定したうえで、前記充電電力検出部により、前記目標値を前記第1電圧に設定した場合の前記充電電力を検出し、これと共に、前記目標電圧設定部により前記目標値を前記第1電圧よりも高い第2電圧に設定したうえで、前記充電電力検出部により、前記目標値を前記第2電圧に設定した場合の前記充電電力を検出し、
前記目標値を前記第1電圧に設定した場合の前記充電電力と前記目標値を前記第2電圧に設定した場合の前記充電電力とを比較し、より大きな前記充電電力を呈した場合に対応する電圧をより最適なみなし最大電力点電圧として前記目標電圧設定部で再設定する、
ことを特徴とする充電制御ユニット。 - 請求項1に記載の充電制御ユニットにおいて、
前記目標電圧設定部で前記目標値を所定の電圧に設定してから前記充電電力を検出するまでの間に所定時間が置かれるよう構成された充電制御ユニット。 - 請求項2に記載の充電制御ユニットにおいて、
直前の前記再設定で設定されたみなし最大電力点電圧の目標値をベース電圧とし、所定の電位差の絶対値をΔVとしたときに、
前記第1電圧は前記ベース電圧からΔVを減じた電圧として設定され、且つ、前記第2電圧は前記ベース電圧にΔVを加えた電圧として設定されるよう構成された充電制御ユニット。 - 請求項1~3のいずれか一項に記載の充電制御ユニットにおいて、
前記目標値を前記第1電圧に設定した場合の前記充電電力、又は、前記目標値を前記第2電圧に設定した場合の前記充電電力が所定の閾値よりも小さかった場合には、
前記目標電圧設定部では、前記より最適なみなし最大電力点電圧としての再設定を行わず、現在設定されているみなし最大電力点電圧の目標値に対し所定の電位差ずつ電圧の値を下げていくよう構成された充電制御ユニット。 - 請求項1~3のいずれか一項に記載の充電制御ユニットにおいて、
前記パネル電圧を検出するパネル電圧検出部を更に備え、
該パネル電圧検出部が検出した前記パネル電圧が所定の電位以下になった場合には、当該充電制御ユニットをアイドル状態とする充電制御ユニット。 - 前記充電制御回路は充電制御ICであることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の充電制御ユニット。
- 請求項6に記載の充電制御ユニットにおいて、
前記充電制御ICは、
当該充電制御ICの外付け回路として、前記ソーラーパネルの出力端子と低電位側との間に配置される分割抵抗回路が想定され、且つ、前記分割抵抗回路の中間ノードにおける中間ノード電圧が前記みなし最大電力点電圧の目標値から逆算して所定電位となるよう前記分割抵抗回路の分圧比を設定すべきものとして想定され、
前記分割抵抗回路の中間ノードが接続されるMPP設定用端子を有し、
前記MPP設定用端子に供給された前記中間ノード電圧が前記所定電位を維持するよう、前記ソーラーパネルから取り出す前記パネル電流を調整する機能が実装されたものであり、
当該充電制御ICの外側では前記ソーラーパネルの出力端子と低電位側との間に分割抵抗回路が配置され、且つ、前記分割抵抗回路の中間ノードが前記MPP設定用端子に接続されており、
前記目標電圧設定部には、前記ソーラーパネルの出力端子と前記中間ノードとの間の電位差を強制的に変更する電位差変更手段が含まれている、
ことを特徴とする充電制御ユニット。 - 請求項7に記載の充電制御ユニットにおいて、
前記電位差変更手段は、
一端が前記中間ノードに接続され、他端がD/A変換部に接続された調整抵抗と、
出力が前記調整抵抗の前記他端に接続された前記D/A変換部と、を有し、
前記D/A変換部に対して入力されるデジタルデータを変更することで前記ソーラーパネルの出力端子と前記中間ノードとの間の電位差を変更するよう構成されている、
ことを特徴とする充電制御ユニット。 - 請求項1~3のいずれか一項に記載の充電制御ユニットと、前記ソーラーパネルと、前記電池と、を備えた充電システム。
- 前記ソーラーパネル及び前記電池が接続され、少なくとも前記電池を含む電力源から供給される電力に基づいて所定電位のDC電圧を生成し、外部に接続される負荷に対し直流による電源を供給する直流電源供給ユニットであって、
前記ソーラーパネルから電力を取り出し、取り出した前記電力に基づいて前記電池を充電する請求項1~3のいずれか一項に記載の充電制御ユニットと、
前記電力源からのDC電圧を昇圧又は降圧して前記所定電位のDC電圧を出力する複数のDC/DC変換部と、
各々の前記DC/DC変換部と前記電力源との間にそれぞれ配置され、当該DC/DC変換部と前記電力源との間の回路の開閉をそれぞれ行う複数の開閉スイッチと、を備え、
前記開閉スイッチは、外部からの入力信号に基づいて開閉制御される、又は、当該直流電源供給ユニットに設けられたハードウェアスイッチの状態に基づいて開閉制御される、
ことを特徴とする直流電源供給ユニット。 - 負荷が直流電源で駆動される直流電源駆動システムであって、
請求項10に記載の直流電源供給ユニットと、
前記直流電源供給ユニットに接続された前記ソーラーパネル及び前記電池と、
前記直流電源供給ユニットの前記DC/DC変換部に接続された前記負荷と、
前記直流電源供給ユニットのI/O端子と前記負荷とに接続され当該直流電源駆動システムの全体制御を行う全体制御部と、を備え、
前記全体制御部は、前記負荷が駆動を必要としないとき、当該負荷が接続されている当該DC/DC変換部に対応した前記開閉スイッチに対し、前記直流電源供給ユニットの前記I/O端子を通じてスイッチを開とする制御信号を出力する直流電源駆動システム。
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