(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池と、
直列に接続された複数の蓄電素子から構成され、前記太陽電池と並列に接続される蓄電モジュールと、
前記蓄電モジュールの一部または全ての蓄電素子の両端から取り出される複数の中間タップ出力端子と、
前記太陽電池と各中間タップ出力端子との間に接続されたスイッチ手段と、
前記蓄電モジュールと並列に設けられたバランス回路をと備え、
予め把握されている前記太陽電池の電圧−電力特性と中間タップ出力端子の電圧とに基づいて、前記太陽電池の出力電力が制御目標電力に最も近くなるように、又は、前記太陽電池の最大出力電力に最も近い出力電力が得られるように、前記スイッチ手段によって前記太陽電池と前記蓄電モジュールとを接続する中間タップ出力端子を選択して太陽電池の出力制御を行うとともに、蓄電モジュールへの充電電力が最大となるように、前記スイッチ手段によって前記中間タップ出力端子を選択して蓄電モジュールへの充電電力を制御し、
前記蓄電モジュールへの充電電力を制御する際に、前記バランス回路によって各蓄電素子間でエネルギー交換を行って各蓄電素子の電圧のばらつきを抑えるようにし、
さらに、選択されている中間タップ端子よりも高電位側の蓄電素子群と低電位側の蓄電素子群との間で直接エネルギー交換を行って各蓄電素子の電圧のばらつきを抑えるようにしたＤＣ−ＤＣコンバータを備えたことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数個の中間タップ出力端子を有する蓄電モジュールを用いる電源装置において、太陽電池の電圧−電力特性および蓄電モジュールの中間タップ出力端子の電圧に応じて蓄電モジュールと太陽電池を接続する中間タップ出力端子を複数個の中間タップ出力端子から一つ選択することにより太陽電池の出力電力を制御する装置ならびに方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１（ａ）（ｂ）は、太陽電池の特性を表す曲線を示したグラフである。図１（ａ）（ｂ）に示すように、太陽電池は、図１（ａ）に示す電圧−電流特性、ならびに図１（ｂ)に示す電圧−電力特性が非線形であり、それらの特性が日射量や温度に大きく依存するため、任意の出力を取り出すためには、何らかの出力制御手段が必要となる。
【０００３】
また、太陽電池のエネルギーを最大限に引き出すためには、出力電力が最大のＰｍａｘとなる動作電圧ＶPmaxにて動作させる必要がある。仮にＶPmaxにおいて動作させることが不可能な場合においても、可能な限り出力電力がＰｍａｘに近くなるような動作電圧点において太陽電池を動作させることが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
太陽電池の出力制御手段及び出力を最大限に引き出す方法として、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた時比率制御が挙げられる。しかしＤＣ−ＤＣコンバータを用いることにより変換損失が発生し、スイッチング周波数に応じたスイッチングノイズも発生してしまう。また、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることによって回路構成が複雑化してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情のもとでなされたものであり、変換損失の発生及びスイッチングノイズの発生を防止するとともに、回路構成を複雑化する必要のない、太陽電池を用いた電源装置の及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明に係る電源装置の一つの態様は、太陽電池と、直列に接続された複数の蓄電素子から構成され、前記太陽電池と並列に接続される蓄電モジュールと、前記蓄電モジュールの各蓄電素子の両端から取り出される複数の中間タップ出力端子と、前記太陽電池と各中間タップ出力端子との間に接続されたスイッチ手段とを備え、前記太陽電池の電圧−電力特性と各中間タップ出力端子の電圧とに基づいて、前記太陽電池と前記蓄電モジュールとを接続する中間タップ出力端子を選択して太陽電池の出力制御を行うことを特徴とする。
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明に係る電源装置の別の態様は、太陽電池と、直列に接続された複数の蓄電素子から構成され、前記太陽電池と並列に接続される蓄電モジュールと、前記蓄電モジュールの各蓄電素子の両端から取り出される複数の中間タップ出力端子と、前記太陽電池と各中間タップ出力端子との間に接続されたスイッチ手段とを備え、前記太陽電池の電圧−電力特性と中間タップ出力端子の電圧とに基づいて、前記太陽電池と前記蓄電モジュールとを接続する中間タップ出力端子を選択して、太陽電池の出力制御を行うとともに、蓄電モジュールへの充電電力を制御することを特徴とする。
【０００８】
充電電力を制御する前記電源装置において、前記蓄電モジュールと並列に設けられたバランス回路を備え、前記蓄電モジュールへの充電電力を制御する際に、前記バランス回路によって各蓄電素子間でエネルギー交換を行って各蓄電素子の電圧のばらつきを抑えるようにすることができる。
【０００９】
充電電力を制御する前記電源装置において、選択されている中間タップ端子よりも高電位側の蓄電素子群と低電位側の蓄電素子群との間で直接エネルギー交換を行って各蓄電素子の充電電力のばらつきを抑えるようにしたＤＣ−ＤＣコンバータを備えることができる。
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明に係る電源装置の制御方法の一つの態様は、蓄電モジュールを構成する複数の蓄電素子の直列接続点より取り出された複数の中間タップ出力端子を有する蓄電モジュールと太陽電池から構成される電源装置を制御する方法であって、前記太陽電池の電圧−電力特性および各中間タップ出力端子の電圧に基づいて、前記太陽電池と蓄電モジュールを接続する複数の中間タップ出力端子のうちから一つを選択することによって、太陽電池の出力制御を行うことを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明に係る電源装置の制御方法の別の態様は、蓄電モジュールを構成する複数の蓄電素子の直列接続点より取り出された複数の中間タップ出力端子を有する蓄電モジュールと太陽電池から構成される電源装置を制御する方法であって、前記太陽電池の電圧−電力特性および各中間タップ出力端子の電圧に基づいて、前記太陽電池と蓄電モジュールを接続する複数の中間タップ出力端子のうちから一つを選択することによって、太陽電池の出力制御を行うとともに蓄電モジュールへの充電電力を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記のようにして太陽電池の出力を制御することにより、変換損失の発生及びスイッチングノイズの発生を防止するとともに、回路構成を複雑化する必要のない太陽電池を用いた電源装置及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施の一形態について説明する。図２は、本発明における、太陽電池の出力制御を行う方法の原理的な説明のための電源装置の回路図である。直列に接続された蓄電素子Ｃ１〜Ｃ４は蓄電モジュールを構成し、隣り合う蓄電モジュールの接続点は中間タップ出力端子１〜４となっている。各中間タップ出力端子１〜４は、それぞれ、スイッチＳ１〜Ｓ４介して太陽電池１０及び負荷１２と接続されている。太陽電池１０と負荷１２は直結されており、スイッチＳ１〜Ｓ４のうちのいずれか一つがオンとなって、蓄電モジュールと接続される。
【００１４】
前述のように、太陽電池の特性は日射量や温度などにより大きく変化するため、太陽電池から抽出する電力を適切に制御するためには、ある瞬間における太陽電池の特性を把握する必要がある。太陽電池の特性を推定する方法としては、過去の蓄積データに基づいて日射量から太陽電池特性を推定する方法、特性測定用のリファレンス太陽電池を別途設けることにより太陽電池特性を推定する方法などが知られているが、太陽電池の特性を推定する方法は、これらには限られない。以下においては、ある日射条件・温度条件下における太陽電池の特性が既知であると仮定して説明する。
【００１５】
図３は、図２の電源装置を用いて、制御目標電力が一定のときに、太陽電池の特性の変化に対してスイッチＳ1〜Ｓ4のうち、どれをオンにするかを説明するための図である。ここで、制御目標電力とは、負荷１２に供給すべき最適な電力を指す。
【００１６】
図３の（ａ）〜（ｄ）は日射量や温度の影響で太陽電池の特性が大きく異なる様子を表しており、グラフ中のＶC1〜ＶC4は図２の中間タップ端子１〜４における電圧に対応する。スイッチＳ1〜Ｓ4のうちいずれかがオンになると、太陽電池１０は、オンになったスイッチに対応する中間タップ出力端子の電圧と等しい電圧値で動作する。つまり太陽電池は、ＶC1〜ＶC4の４種類のいずれかの電圧値で動作することになる。
【００１７】
太陽電池の特性が図３（ａ）に示す曲線のようなときに、スイッチＳ1を選択すると太陽電池の動作電圧はＶC1となり、太陽電池は、やや制御目標電力より小さいものの制御目標電力に近い電力を出力する。このとき、スイッチＳ2やスイッチＳ3を選択すると、太陽電池の出力電力が制御目標電力よりも大幅にずれる（すなわち、大幅に過剰となる）。スイッチＳ4を選択した場合には、太陽電池の最大電圧よりもＶC4の方が高いため、太陽電池から電力を得ることはできない。よって、太陽電池の特性が図３（ａ）のような場合には、スイッチＳ1を選択することにより、太陽電池の出力電力を制御目標電力に最も近づけることができる。
【００１８】
以下同様に、太陽電池の特性が図３（ｂ）〜（ｄ）に示す曲線のような場合には、それぞれ、スイッチＳ2〜Ｓ4を選択することにより、太陽電池の出力電力を制御目標電力に最も近づけることができる。
【００１９】
図４は、図３とは異なり、図２の電源装置を用いて、太陽電池１０から最大電力に近い電力を取り出すためにスイッチＳ1〜Ｓ4のうちいどれをオンにするか説明するための図である。太陽電池の特性が図４（ａ）に示す曲線のようなときに、スイッチＳ1を選択した場合、太陽電池の動作電圧はＶC1となり、太陽電池は最大電力に近い電力を出力する。Ｓ2〜Ｓ4を選択した場合には、太陽電池の最大電圧よりもＶC2〜ＶC4の方が高いため、太陽電池から電力を得ることはできない。
【００２０】
太陽電池の特性が、図４（ｂ）に示す曲線のようなときに、スイッチＳ1を選択した場合には、太陽電池の電圧はＶC1となり、太陽電池からは最大電力よりも大幅に低い電力しか得ることができない。スイッチＳ2を選択した場合、太陽電池の電圧はＶC2となり、太陽電池は最大電力に近い電力を出力する。スイッチＳ3、Ｓ4を選択した場合には、太陽電池の最大電圧よりもＶC3やＶC4の方が高いため、太陽電池から電力を得ることはできない。よって、太陽電池の特性が図４（ｂ）に示す曲線のような場合は、スイッチＳ2を選択することにより太陽電池から最大電力に近い電力を引き出すことができる。
【００２１】
以下同様に、太陽電池の特性が図４（ｃ）〜（ｄ）のような場合、それぞれスイッチＳ3、Ｓ4を選択することにより太陽電池のから最大電力に近い電力を引き出すことができる。
【００２２】
上記で説明した動作において、太陽電池の出力電力が、負荷の必要とする電力よりも過剰な場合、過剰分の電力は選択されているスイッチを介して蓄電モジュールの充電電力に使用される。逆に、太陽電池の出力電力が負荷の必要とする電力よりも不足する場合、不足分の電力は選択されているスイッチを介して、蓄電モジュールより供給される。
【００２３】
上述のように、過不足分の電力は蓄電モジュールが受け持つことになるため、選択されている中間タップ出力端子よりも低電位側の蓄電素子のみが充電もしくは放電することになる。その結果、選択されている中間タップ端子の高電位側の蓄電素子群と低電位側の蓄電素子群の間で、充放電状態のばらつきが発生してしまう。
【００２４】
そこでこのような場合に、図５に示すように、蓄電モジュールと並列にバランス回路２０を設けて各蓄電素子間でエネルギー交換を行うことが考えられる。バランス回路２０としては、例えば、各蓄電素子の間に接続されたスイッチトキャパシタと、各スイッチトキャパシタと前記隣り合う二つの蓄電素子との間の接続を切り替えるスイッチ手段から構成したものや、隣り合う蓄電素子間に接続されたコイルと、各コイルと隣り合う二つの蓄電素子との間の接続を切り替えるスイッチ手段から構成したものなどを利用することができる。
【００２５】
図５のバランス回路２０を用いる代りに、図６に示すようにＤＣ−ＤＣコンバータ２２を用いることもできる。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、選択されている中間タップ端子よりも高電位側の蓄電素子群と低電位側の蓄電素子群との間で直接エネルギー交換を行う。かかる直接的なエネルギー交換によって、充放電状態のばらつきを防止することができる。
【００２６】
図７は、図５、図６に示した電源装置において、太陽電池１０が負荷１２に電力を供給しつつ蓄電モジュールの充電を行うことによって、各蓄電素子Ｃ1〜Ｃ4が均一に充電されてゆく様子を説明するための図である。各蓄電素子Ｃ1〜Ｃ4が均一に充電されてゆくと、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、各中間タップ端子１〜４における電圧ＶC1〜ＶC4は、均一に上昇していく。
【００２７】
ここでは、太陽電池１０からなるべく大きな電力を取り出して充電を行う場合について説明する。各中間タップ端子１〜４の電圧が図７（ａ）に示すような場合にスイッチＳ1を選択すると、太陽電池１０の動作電圧はＶC1となり、太陽電池１０からは最大電力よりも大幅に低い電力しか得ることができない。スイッチＳ2、Ｓ3を選択した場合も同様である。図７（ａ）に示す場合は、スイッチＳ4を選択したときに、太陽電池１０の電圧はＶC4となって、最大電力に近い電力を出力することができる。ここで太陽電池１０の電力と負荷１２の電力の差分が、充電電力となる。
【００２８】
充電の進行に伴い各蓄電素子の電圧が上昇し、各中間タップ出力端子の電圧が上昇してＶC1〜ＶC4が図７（ｂ）に示すようになると、スイッチＳ1およびＳ2を選択すると、太陽電池１０の動作電圧はＶC1およびＶC2となり、太陽電池からは最大電力よりも大幅に低い電力しか得ることができない。一方、スイッチＳ4を選択した場合は、太陽電池１０の動作電圧はＶC4と高くなるが、太陽電池１０からは最大電力よりも大幅に低い電力しか得られない。図７（ｂ）に示す場合には、スイッチＳ3を選択したときに、太陽電池１０の動作電圧はＶC3となり、最大電力に近い電力を出力することができる。ここで太陽電池１０電力と負荷１２の電力の差分が充電電力となる。
【００２９】
以下同様に、充電が進行して、各中間タップ端子の電圧が図７（ｃ）および（ｄ）のようになった場合には、それぞれスイッチＳ2、Ｓ1を選択することにより、太陽電池１０から最大電力に近い電力を引き出すことができ、大きな充電電力を得ることができる。
【００３０】
上記では、各蓄電素子Ｃ1〜Ｃ4が、バランス回路２０やＤＣ−ＤＣコンバータ２２によって均一に充電される場合について説明したが、バランス回路やＤＣ−ＤＣコンバータを有しておらず各蓄電素子の電圧が均一でない電源装置においても、太陽電池の電圧−電力特性や各中間タップ端子の電圧に応じて、太陽電池と接続する中間タップ端子を適切に選択することによっても、充電電力を制御することができる。
【００３１】
以上では、蓄電モジュールが４直列の蓄電素子を用いて太陽電池を４種類の動作電圧（ＶC1〜ＶC4）のみで動作させる場合について説明したが、直列数がもっと多い場合においても同じように動作可能である。直列数が多く、中間タップ出力端子を数多く有する蓄電モジュールにおいては、太陽電池の動作電圧の種類が増加するため（中間タップ出力端子と同じ数）、きめ細かな電力制御を行うことが可能となる。
【００３２】
また、中間タップ出力端子は、必ずしも蓄電素子毎に設ける必要はなく、意図的に配置するようにすれば、任意の出力制御を行うことができる。例えば、ＶPmax付近に多くの中間タップ端子の電圧が存在するように集中的に中間タップ出力端子を設けるようにすれば、太陽電池の最大電力付近の制御をきめ細かく行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、移動体用電源、家庭用電源、太陽光発電装置、僻地用電源などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】太陽電池の特性を表す曲線を示したグラフである。
【図２】太陽電池の出力制御を行う方法の原理的な説明のための電源装置の回路図である。
【図３】図２の電源装置を用いて、制御目標電力が一定のときに、太陽電池の特性の変化に対してスイッチＳ1〜Ｓ4のうちいどれをオンにするかを説明するための図である。
【図４】図２の電源装置を用いて、太陽電池１０から最大電力に近い電力を取り出すためにスイッチＳ1〜Ｓ4のうちいどれをオンにするか説明するための図である。
【図５】図２の電源装置にバランス回路を付加した回路の回路図である。
【図６】図２の電源装置にＤＣ−ＤＣコンバータを付加した回路の回路図である。
【図７】太陽電池１０が負荷１２に電力を供給しつつ蓄電モジュールの充電を行うことによって、各蓄電素子Ｃ1〜Ｃ4が均一に充電されてゆく様子を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  太陽電池
１２  負荷
２０  バランス回路
２２  ＤＣ−ＤＣコンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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