JP6034728B2 - 電力システム - Google Patents

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Description

本発明は、太陽光発電装置によって得られた電力を利用可能に構成された、電力システムに関する。
この種の装置として、特開2004−317279号公報に開示されたものが知られている。この装置は、ソーラーパネルの発電電力を蓄電池に充電するための充電回路における、無駄な電力消費を回避することができるものである。具体的には、この装置は、前記ソーラーパネルの出力電圧が所定の閾値よりも小さいときに、前記充電回路の駆動を停止させるようになっている。
特開2004−317279号公報
ところで、最大電力点追従(MPPT:Maximum Power Point Tracking)制御における動作点探索中に、たまたま出力が閾値を下回る瞬間が生じる場合があり得る。この場合、上述の従来技術においては、本来は太陽光発電によって充分な出力電力が得られる状況であるにもかかわらず、前記ソーラーパネルの発電電力を電力変換するための回路の駆動(動作)が停止されることで、電力が有効利用されなくなってしまう。本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、この種の電力システムにおいて、太陽光発電による発電電力をより効率的に利用可能な構成を提供することにある。
本発明の電力システムは、太陽光発電装置によって得られた電力を利用可能に構成されている。この電力システムは、太陽光発電変換部と、電力変換制御部と、を備えている。前記太陽光発電変換部は、前記太陽光発電装置で発生した発電電力を電力変換するとともに、電力変換後の電力を出力するように設けられている。前記電力変換制御部は、前記太陽光発電変換部を制御することで、前記太陽光発電装置をMPPT制御により運転するように設けられている。また、前記電力変換制御部は、前記発電電力が所定の閾値未満となった場合に、前記太陽光発電変換部の動作を停止させるようになっている。本発明の特徴は、前記電力変換制御部が、前記最大電力点追従制御における特定動作点の探索中である場合と探索中ではない場合とで、異なる前記閾値を有することにある。
かかる構成を備えた前記電力システムにおいては、前記電力変換制御部は、前記特定動作点(例えばフィードバック制御による精密なMPPT制御に先立つ暫定的な前記最大電力点)の探索中ではない場合は、前記発電電力が所定の閾値未満となると、前記太陽光発電変換部の動作を停止させる。また、前記電力変換制御部は、前記太陽光発電変換部の動作にあたって、前記太陽光発電装置をMPPT制御により運転するように前記太陽光発電変換部を制御する。前記太陽光発電変換部は、前記太陽光発電装置で発生した前記発電電力を電力変換するとともに、電力変換後の電力を出力する。
ところで、周知の通り、前記太陽光発電装置における出力特性は、当該太陽光発電装置に対する日射条件に応じて変化する。特に、前記太陽光発電装置における受光面に陰影が映り込んだり異物が付着したりすると、電力極大ピークが2個生じる。すると、充分な電力量の最大電力ピークが生じるような日射条件であるにもかかわらず、2つの極大ピークの間の極小値が、上述の閾値未満となる場合があり得る。このような場合に、前記特定動作点の探索中にたまたま前記発電電力が前記閾値未満となったことで、前記太陽光発電変換部の動作が停止されると、本来は利用可能であった電力が利用に供され得なくなってしまう。
そこで、本発明においては、前記電力変換制御部は、前記特定動作点の探索中である場合と探索中ではない場合とで、異なる前記閾値を用いる。具体的には、前記特定動作点の探索中である場合は、探索中ではない場合よりも、前記閾値が低く設定される。すると、前記特定動作点の探索中にたまたま前記発電電力が前記閾値未満となったことで、前記太陽光発電変換部の動作が停止されることが、効果的に抑制される。これにより、前記太陽光発電装置で発生した前記発電電力が、従来よりも効率的に利用可能となる。
本発明の適用対象の一例である電動車両の概略図。 図1に示されている車両電力システムの機能ブロック図。 図2に示されているソーラーECUの動作の一具体例を示すフローチャート。
以下、本発明を具体化した一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、変形例は、当該実施形態の説明中に挿入されると首尾一貫した一実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。
<構成>
図1を参照すると、電動車両10は、駆動輪11をモータージェネレータ12によって回転駆動することで走行可能に構成されている。本発明の「走行用電動機」としてのモータージェネレータ12は、三相交流の回転電機であって、図示しない動力伝達機構を介して駆動輪11に連結されている。このモータージェネレータ12は、電動車両10の加速時に駆動輪11を駆動する電動機として動作するようになっている。また、このモータージェネレータ12は、電動車両10の減速時に駆動輪11の回転を抑制する回生ブレーキ機能を奏する発電機としても動作するようになっている。また、電動車両10には、給電により動作する補機13が搭載されている。
さらに、電動車両10には、車両電力システム20が搭載されている。本発明の一実施形態である車両電力システム20は、本発明の「太陽光発電装置」としてのソーラーパネル21によって得られた電力を利用可能に構成されている。なお、本実施形態においては、ソーラーパネル21は、電動車両10におけるルーフ部分に搭載されている。
図2を参照すると、車両電力システム20には、蓄電池としてのメイン電池22、補機電池23、及びサブ電池24が設けられている。そして、ソーラーパネル21は、太陽光を受光することで、各蓄電池を充電するための電力を発生させるように設けられている。
メイン電池22は、モータージェネレータ12に電源電力を供給するとともに、上述の減速時にモータージェネレータ12にて発生する回生電力を蓄電するように設けられている。本実施形態においては、メイン電池22は、多数のニッケル水素電池等の蓄電池セルを直列及び並列に接続することで、高電圧(本実施形態においては約300V)を出力するように構成されている。
補機電池23は、鉛蓄電池(本実施形態においては約12V)であって、補機13等(後述する各種のコンバータにおける駆動制御部を含む)に電源電力を供給するように設けられている。サブ電池24は、メイン電池22及び補機電池23における充電残量に不足が生じた際の、これらの電池の充電用の電力を供給可能に設けられている。本実施形態においては、サブ電池24は、多数のニッケル水素電池等の蓄電池セルを直列及び並列に接続することで、メイン電池22よりも低い所定の高電圧(本実施形態においては約30V)を出力するように構成されている。
車両電力システム20は、上述の各蓄電池の他に、パワーコントロールユニット25(インバータ25a及び駆動制御部25bを含む)と、メイン電池出力コンバータ26(DC/DCコンバータ26a及び駆動制御部26bを含む)と、メイン電池ECU29と、ソーラーECU30と、を備えている。
メイン電池22は、パワーコントロールユニット25を介して、モータージェネレータ12に接続されている。パワーコントロールユニット25は、上述のように、インバータ25aと、このインバータ25aの動作を制御する駆動制御部25bと、を備えている。なお、本実施形態においては、駆動制御部25bは、動作に必要な電源を補機電池23によって供給されるようになっている。このパワーコントロールユニット25は、車両電力システム20(すなわち図1に示されている電動車両10)の運転状態に応じて、モータージェネレータ12とメイン電池22との間での電力授受を制御するようになっている。
メイン電池22は、メイン電池出力コンバータ26を介して、補機13及び補機電池23に接続されている。すなわち、メイン電池22は、メイン電池出力コンバータ26の電力入力側端子に接続されている。また、補機13及び補機電池23は、メイン電池出力コンバータ26の電力出力側端子に対して並列接続されている。メイン電池出力コンバータ26は、上述のように、DC/DCコンバータ26aと、このDC/DCコンバータ26aの動作を制御する駆動制御部26bと、を備えている。なお、本実施形態においては、駆動制御部26bは、動作に必要な電源を補機電池23によって供給されるようになっている。このメイン電池出力コンバータ26は、メイン電池22から出力された高電圧の電力を降圧して、低電圧(約12V)の電力を補機13及び補機電池23に向けて出力するように設けられている。
メイン電池ECU29は、メイン電池22の充電残量をモニターしつつパワーコントロールユニット25の駆動を制御することで、メイン電池22における電力授受を制御するように設けられている。なお、本実施形態においては、メイン電池ECU29は、動作に必要な電源を補機電池23によって供給されるようになっている。
ソーラーECU30は、ソーラーパネル21で発生した発電電力(ソーラーパネル21の出力端子間に発生する電力)を電力変換することで、この電力変換後の電力に基づいてサブ電池24を充電可能に構成されている。また、ソーラーECU30は、メイン電池出力コンバータ26の出力停止中に、補機電池23に対して給電可能に構成されている。以下、本実施形態におけるソーラーECU30について、より詳細に説明する。
ソーラーECU30は、マイクロコンピュータ31と、電力変換器32と、を備えている。本発明の「電力変換制御部」としてのマイクロコンピュータ31は、車両電力システム20の運転状態に応じて電力変換器32の動作を制御することで、ソーラーパネル21と上述の各蓄電池との間の電力の授受等を制御するように構成されている。
本実施形態においては、電力変換器32は、ソーラーパネル21で発生した発電電力を電力変換して電力変換後の電力をサブ電池24に一旦蓄電するとともに、サブ電池24から出力された電力によってメイン電池22及び補機電池23を充電可能に構成されている。具体的には、電力変換器32は、ソーラー発電コンバータ33(DC/DCコンバータ33a及び駆動制御部33bを含む)と、補機側コンバータ34(DC/DCコンバータ34a及び駆動制御部34bを含む)と、メイン電池側コンバータ35(DC/DCコンバータ35a及び駆動制御部35bを含む)と、を備えている。
本発明の「太陽光発電変換部」としてのソーラー発電コンバータ33は、ソーラーパネル21で発生した発電電力を電力変換するように、電力ラインを介してソーラーパネル21に接続されている。すなわち、ソーラーパネル21は、ソーラー発電コンバータ33の電力入力側端子に接続されている。ソーラー発電コンバータ33は、上述のように、DC/DCコンバータ33aと、このDC/DCコンバータ33aの動作を制御する駆動制御部33bと、を備えている。なお、本実施形態においては、駆動制御部33bは、動作に必要な電源を補機電池23によって供給されるようになっている。このソーラー発電コンバータ33は、ソーラーパネル21の動作点を、MPPT制御を用いて設定するようになっている。また、このソーラー発電コンバータ33は、MPPT制御によるソーラーパネル21の発電電力を所定電圧(約30V)の電力に変換して、かかる変換後の電力を出力するようになっている。
本発明の「補機電池充電出力部」としての補機側コンバータ34は、電力変換器32の内部の電力ラインを介して、ソーラー発電コンバータ33の電力出力側端子に接続されている。すなわち、補機側コンバータ34の電力入力側端子には、ソーラー発電コンバータ33が接続されている。一方、補機側コンバータ34の電力出力側端子には、補機13及び補機電池23が並列接続されている。
補機側コンバータ34は、上述のように、DC/DCコンバータ34aと、このDC/DCコンバータ34aの動作を制御する駆動制御部34bと、を備えている。なお、本実施形態においては、駆動制御部34bは、動作に必要な電源を補機電池23によって供給されるようになっている。この補機側コンバータ34は、ソーラー発電コンバータ33の出力を電力変換(具体的には降圧)して、補機電池23の充電のための低電圧(約12V)の電力を出力するように設けられている。
ソーラー発電コンバータ33の電力出力側端子と補機側コンバータ34の電力入力側端子との間の、電力変換器32の内部の電力ラインには、サブ電池24が接続されている。すなわち、サブ電池24は、ソーラー発電コンバータ33からの出力によって充電されるように、ソーラー発電コンバータ33に接続されている。また、かかる電力ラインには、メイン電池側コンバータ35の電力入力側端子が接続されている。すなわち、サブ電池24は、ソーラー発電コンバータ33に対して、補機側コンバータ34と並列に接続されている。また、サブ電池24には、補機側コンバータ34とメイン電池側コンバータ35とが並列接続されている。
本発明の「メイン電池充電出力部」としてのメイン電池側コンバータ35における、電力出力側端子は、電力ラインを介してメイン電池22に接続されている。すなわち、メイン電池22は、メイン電池側コンバータ35からの出力によって充電されるように、メイン電池側コンバータ35に接続されている。メイン電池側コンバータ35は、上述のように、DC/DCコンバータ35aと、このDC/DCコンバータ35aの動作を制御する駆動制御部35bと、を備えている。なお、本実施形態においては、駆動制御部35bは、動作に必要な電源を補機電池23によって供給されるようになっている。このメイン電池側コンバータ35は、サブ電池24の出力を電力変換(具体的には昇圧)して、メイン電池22の充電用の高電圧(約300V)の電力を出力するように設けられている。
ソーラーパネル21と電力変換器32(ソーラー発電コンバータ33の電力入力側端子)との間には、ソーラー電流センサ41a及びソーラー電圧センサ41bが設けられている。ソーラー電流センサ41aは、ソーラーパネル21で発生した発電電力における電流に対応する出力を生じるようになっている。ソーラー電圧センサ41bは、上述の発電電力における電圧に対応する出力を生じるようになっている。
補機電池23には、補機電池電流センサ43aと、補機電池電圧センサ43bと、補機電池温度センサ43cと、が設けられている。補機電池電流センサ43aは、補機電池23の端子電流に対応する出力を生じるようになっている。補機電池電圧センサ43bは、補機電池23の端子間電圧に対応する出力を生じるようになっている。補機電池温度センサ43cは、補機電池23の温度に対応する出力を生じるようになっている。
同様に、サブ電池24には、サブ電池電流センサ44aと、サブ電池電圧センサ44bと、サブ電池温度センサ44cと、が設けられている。サブ電池電流センサ44aは、サブ電池24の端子電流に対応する出力を生じるようになっている。サブ電池電圧センサ44bは、サブ電池24の端子間電圧に対応する出力を生じるようになっている。サブ電池温度センサ44cは、サブ電池24の温度に対応する出力を生じるようになっている。
マイクロコンピュータ31は、上述の各センサからの出力に基づいて、ソーラー発電コンバータ33、補機側コンバータ34、及びメイン電池側コンバータ35の動作を制御するように設けられている。ソーラー発電コンバータ33の動作制御について詳述すると、マイクロコンピュータ31は、ソーラーパネル21で発生した発電電力が所定の閾値未満となった場合に、ソーラーECU30における無駄な電力消費を抑制すべく、ソーラー発電コンバータ33の動作を停止させるようになっている(以下、かかる制御を「電力低下判定制御」と称する。)。
また、マイクロコンピュータ31は、ソーラーパネル21をMPPT制御によって最適な動作点で運転すべく、ソーラー発電コンバータ33の動作を制御するようになっている。具体的には、マイクロコンピュータ31は、比較的長い所定インターバル(例えば数〜10分程度)毎に、比較的広い所定動作範囲で、暫定最大電力点(本発明の「特定動作点」に対応する)を探索するようになっている。この暫定最大電力点は、フィードバック制御による精密なMPPT制御に先立つ、暫定的な最大電力点である。そして、マイクロコンピュータ31は、探索した上述の暫定最大電力点を基準として、動作点が最大電力点に可及的に近づけるべく動作点をフィードバック制御するようになっている。
さらに、本実施形態においては、マイクロコンピュータ31は、暫定最大電力点の探索中である場合と、探索中ではない場合とで、電力低下判定制御について異なる閾値を有している。具体的には、マイクロコンピュータ31は、暫定最大電力点の探索中である場合は、探索中ではない場合よりも、閾値を低く設定するようになっている。
<動作>
次に、本実施形態の構成における動作の概要、及び本実施形態の構成による作用・効果について説明する。
マイクロコンピュータ31は、メイン電池ECU29から、メイン電池22における充電容量を取得する。また、マイクロコンピュータ31は、上述の各センサからの出力に基づいて、補機電池23及びサブ電池24における充電残量を取得(推定)する。さらに、マイクロコンピュータ31は、ソーラー電流センサ41a及びソーラー電圧センサ41bの出力に基づいて、ソーラーパネル21の動作点をMPPT制御する。
かかるMPPT制御に関しては、まず、上述の通り、比較的長い所定インターバル毎に、暫定最大電力点が探索される。暫定最大電力点の探索が終了すると、かかる暫定最大電力点を基準として、動作点が最大電力点となるように、動作点がフィードバック制御される。このような、いわゆる2段階のMPPT制御手法については、本願の出願時点ですでに周知あるいは公知となっているので、これについてのより詳細な説明は本明細書においては省略する(必要に応じて、特開平9−230952号公報、特開平7−234733号公報、特開2009−117658号公報、等参照。)
そして、マイクロコンピュータ31は、メイン電池ECU29と協働することで、電力分配を適宜行う。かかる電力分配は、ソーラーパネル21における発電状況と、メイン電池22、補機電池23及びサブ電池24における充電残量と、モータージェネレータ12及び補機13における運転状態と、に応じて行われる。
上述の電力分配に際しては、電力変換器32内の各種のコンバータや、メイン電池ECU29が駆動される。ここで、これらのコンバータ等における各駆動制御部は、補機電池23からの電力供給によって動作する。このため、ソーラーパネル21で発生した発電電力が所定の閾値未満となった場合は、マイクロコンピュータ31は、ソーラー発電コンバータ33の動作による無駄な電力消費を抑制すべく、ソーラー発電コンバータ33の動作を停止させる。
ところで、周知の通り、ソーラーパネル21における出力特性は、ソーラーパネル21に対する日射条件に応じて変化する。特に、ソーラーパネル21の図示しない受光面に陰影が映り込んだり異物が付着したりすると、電力極大ピークが2個生じる。すると、充分な電力量の最大電力ピークが生じるような日射条件であるにもかかわらず、2つの極大ピークの間の極小値が、上述の閾値未満となる場合があり得る。このような場合に、暫定最大電力点の探索中にたまたま発電電力が閾値未満となったことで、ソーラー発電コンバータ33の動作が停止されると、本来は利用可能であった電力が利用に供され得なくなってしまう。
そこで、マイクロコンピュータ31は、暫定最大電力点の探索中である場合と探索中ではない場合とで、異なる閾値を用いる。具体的には、暫定最大電力点の探索中である場合は、探索中ではない場合よりも、閾値が低く設定される。すると、暫定最大電力点の探索中にたまたま発電電力が閾値未満となったことで、ソーラー発電コンバータ33の動作が停止されることが、効果的に抑制される。これにより、ソーラーパネル21で発生した発電電力が、従来よりも効率的に利用可能となる。
次に、本実施形態の構成における上述の動作の一例について、図3のフローチャートを用いて説明する。なお、図示されたフローチャートにおいては、「ステップ」は「S」と略記されている。また、暫定最大電力点は、単に「最大電力」と略記されている。
最初に、暫定最大電力点の探索中であるか否かが判定される(ステップ301)。暫定最大電力点の探索中である場合(ステップ301=YES)、上述の電力低下判定制御における閾値が所定値「A」に設定される(ステップ302)。一方、暫定最大電力点の探索中ではない場合(ステップ301=NO)、かかる閾値が所定値「B」に設定される(ステップ303)。ここで、A<Bである。
上述のようにして、暫定最大電力点の探索中であるか否かに応じて閾値が適宜設定されると、発電電力が閾値以上であるか否かが判定される(ステップ304)。発電電力が閾値未満である場合(ステップ304=NO)、ソーラー発電コンバータ33の動作が停止される(ステップ305)。一方、発電電力が閾値以上である場合(ステップ304=YES)、ソーラー発電コンバータ33の動作が継続される。
<変形例>
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部分に対しては、上述の実施形態と同様の符号が用いられ得るものとする。そして、かかる部分の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が適宜援用され得るものとする。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、上述の実施形態の一部、及び、複数の変形例の全部又は一部が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。
本発明は、上述した具体的な装置構成に限定されない。例えば、本発明は、電気自動車及びハイブリッド自動車のいずれに対しても好適に適用可能である。もっとも、本発明は、車載システムに限定されない。また、各電池やコンバータの出力電圧も、上述の具体例から適宜変更され得る。また、メイン電池ECU29、並びに駆動制御部25b,26b,33b,34b,及び35bのうちの一部は、補機電池23以外を電源としていてもよい。さらに、補機13への電源供給は、補機電池23のみから行われてもよい。あるいは、補機13への電源供給は、ソーラーECU30からも行われてもよい。
図2に示されている回路構成においては、メイン電池側コンバータ35は、電力変換器32の内部の電力ラインを介して、ソーラー発電コンバータ33の電力出力側端子に接続されている。すなわち、ソーラー発電コンバータ33の電力出力側端子には、補機側コンバータ34とメイン電池側コンバータ35とが並列接続されている。したがって、ソーラー発電コンバータ33の出力がメイン電池側コンバータ35に入力されることで、ソーラーパネル21からメイン電池22への直接充電が行われてもよい。
ソーラーパネル21(ソーラー発電コンバータ33)からサブ電池24への電力供給によるサブ電池24の充電動作中にも、補機電池23が、ソーラーパネル21からの電力(発電電力のうちのサブ電池24への充電分を差し引いた余剰分)によって充電されてもよい。
その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構成及びその均等物の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構成をも含む。
10…電動車両、12…モータージェネレータ、20…車両電力システム、21…ソーラーパネル、22…メイン電池、23…補機電池、24…サブ電池、30…ソーラーECU、31…マイクロコンピュータ、32…太陽光発電変換部、33…ソーラー発電コンバータ、34…補機側コンバータ、35…メイン電池側コンバータ。

Claims (4)

  1. 太陽光発電装置(21)によって得られた電力を利用可能に構成された、電力システム(20)であって、
    前記太陽光発電装置で発生した発電電力を電力変換するとともに電力変換後の電力を出力するように設けられた、太陽光発電変換部(33)と、
    前記太陽光発電変換部を制御することで前記太陽光発電装置を最大電力点追従制御により運転するとともに、前記発電電力が、前記最大電力点追従制御における特定動作点の探索中である場合と探索中ではない場合とで異なる所定の閾値未満となった場合に、前記太陽光発電変換部の動作を停止させるように設けられた、電力変換制御部(31)と、
    を備え
    前記特定動作点は、前記最大電力点追従制御に先立ち所定動作範囲にて前記太陽光発電装置の動作点を変化させた際に発電電力が最大となる暫定的な最大電力点であり、
    前記電力変換制御部は、前記特定動作点の探索中である場合、前記特定動作点の探索中ではない場合よりも前記所定の閾値を低く設定することを特徴とする、電力システム。
  2. 前記電力変換制御部は、所定動作範囲にて前記太陽光発電装置の動作点を変化させることで前記特定動作点を探索し、探索した前記特定動作点を基準として、前記動作点が最大電力点となるように前記動作点を制御することを特徴とする、請求項1に記載の電力システム。
  3. 電動車両の走行用電動機(12)に電源電力を供給するように設けられた蓄電池であるメイン電池(22)と、
    前記太陽光発電変換部の出力を電力変換して前記メイン電池の充電電力を出力するように設けられた、メイン電池充電出力部(35)と、
    前記電動車両の補機に電源電力を供給するように設けられた蓄電池である補機電池(23)と、
    前記太陽光発電変換部の出力を電力変換して前記補機電池の充電電力を出力するように設けられた、補機電池充電出力部(34)と、
    をさらに備えたことを特徴とする、請求項1又は2に記載の電力システム。
  4. 前記太陽光発電変換部の出力によって充電される蓄電池であるサブ電池(24)をさらに備え、
    前記サブ電池は、前記太陽光発電変換部に対して、前記補機電池充電出力部と並列に接続されたことを特徴とする、請求項3に記載の電力システム。
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