(57)【要約】【課題】ＤＣ−ＤＣコンバータの入出力電圧を低く抑えることにより、スイッチング損失やノイズの低減、及び変換効率の改善を可能とする電源システムを提供する。さらに、そのような電源システムを構成する各電源の動作状態決定方法等を提供する。【解決手段】直列接続された電源により構成される電源モジュールから電力を供給する電源システムにおいて、一部の電源のみをＤＣ−ＤＣコンバータの入力端子と接続することによりコンバータの入出力電圧を抑える。さらに、そのような電源システムを構成する各電源、及びコンバータの動作状態が満たすべき動作条件を決定し、当該動作条件と動作特性とから動作状態を決定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電源、第２の電源、該第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、該第１の電源の出力電圧と該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷を備えた電源システムにおいて、該ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することにより調整される負荷電圧及び負荷電流に応じて変化する、該第１の電源と該第２の電源との動作状態を決定する方法であって、
前記負荷電流、及び前記第１の電源の動作特性に基づいて、該第１の電源の動作状態を決定する段階と、
前記第２の電源の動作状態を決定する段階であって、
前記負荷電圧及び前記第１の電源の動作特性に基づいて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件を決定する工程と、
前記負荷電流及び前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件に基づいて、該ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を決定する工程と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態に基づいて、前記第２の電源の動作条件を決定する工程と、
前記第２の電源の動作条件及び前記第２の電源の動作特性に基づいて、前記第２の電源の動作状態を決定する工程と、
を含む段階と、
を備えた方法。
【請求項２】
第１の電源、第２の電源、該第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、該第１の電源の出力電圧と該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷を備えた電源システムにおいて、該ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することにより調整される負荷電圧及び負荷電流に応じて変化する、該第１の電源の動作状態を決定する方法であって、
前記負荷電流、及び前記第１の電源の動作特性に基づいて、該第１の電源の動作状態を決定する段階、
を備えた方法。
【請求項３】
第１の電源、第２の電源、該第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、該第１の電源の出力電圧と該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷を備えた電源システムにおいて、該ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することにより調整される負荷電圧及び負荷電流に応じて変化する、該第２の電源の動作状態を決定する方法であって、
前記負荷電圧及び前記第１の電源の動作特性に基づいて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件を決定する段階と、
前記負荷電流及び前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件に基づいて、該ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を決定する段階と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態に基づいて、前記第２の電源の動作条件を決定する段階と、
前記第２の電源の動作条件及び前記第２の電源の動作特性に基づいて、前記第２の電源の動作状態を決定する段階と、
を備えた方法。
【請求項４】
第１の電源、第２の電源、該第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、該第１の電源の出力電圧と該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷を備えた電源システムにおいて、該ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して負荷電圧及び負荷電流を調整することにより、該負荷電圧及び該負荷電流に応じて変化する該第１の電源と該第２の電源との動作状態を調整する方法であって、
前記負荷電流、及び前記第１の電源の動作特性から決定される、該第１の電源の動作状態、及び
前記第２の電源の動作状態であって、
前記負荷電圧及び前記第１の電源の動作特性から決定される前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件と、前記負荷電流と、から決定される該ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態、から決定される、前記第２の電源の動作条件と、
前記第２の電源の動作特性と、
から決定される動作状態、
として実現しうる前記第１及び第２の電源の各動作状態を、前記第１の電源の動作特性における第１の基準状態と、前記第２の電源の動作特性における第２の基準状態と、に基づき選択された、前記第１の電源の目標動作状態及び前記第２の電源の目標動作状態へと、調整する方法。
【請求項５】
前記第１の基準状態、及び前記第２の基準状態は、前記第１の電源の動作特性、及び前記第２の電源の動作特性において、それぞれ出力電力が最大となる動作状態である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の電源、及び前記第２の電源のうち少なくとも一方は、太陽電池、定電圧電源、熱伝変換素子、及び振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子のうちいずれかを含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
第１の電源、第２の電源、該第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、該第１の電源の出力電圧と該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷を備えた電源システムにおいて、該ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することにより所定の負荷電圧及び負荷電流を出力するために、該第１の電源と該第２の電源とを選択する方法であって、
前記負荷電流を出力することが可能な電源を、前記第１の電源として選択する段階と、
前記第２の電源を選択する段階であって、
前記負荷電圧及び前記選択された第１の電源の動作特性に基づいて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件を決定する工程と、
前記負荷電流及び前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件に基づいて、該ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を決定する工程と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態に基づき決定された電力を出力することが可能な電源を、前記第２の電源として選択する工程と、
を含む段階と、
を備えた方法。
【請求項８】
前記第１の電源としては、前記負荷電流を出力する動作状態での出力電力に基づいて選択された最大出力電力を有する電源が選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の電源としては、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態に基づき決定された前記電力に基づいて選択された最大出力電力を有する電源が選択される、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の電源、及び前記第２の電源のうち少なくとも一方は、太陽電池、定電圧電源、熱伝変換素子、及び振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子のうちいずれかを含む、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の方法に従って選択された第１の電源及び第２の電源を備えた、前記電源システム。
【請求項１２】
第１の電源と、
第２の電源と、
前記第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記第１の電源の出力電圧と前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷と、
を備えた電源システム。
【請求項１３】
前記第１の電源、及び前記第２の電源のうち少なくとも一方は、太陽電池、定電圧電源、熱伝変換素子、及び振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子のうちいずれかを含む、請求項１２に記載の電源システム。
【請求項１４】
１以上の電源素子を含んでなる、第１及び第２の端子を有する第１の電源と、
１以上の電源素子を含んでなる、第１及び第２の端子を有する第２の電源と、
前記第２の電源における第１及び第２の端子の間の電位差である入力電圧が供給されるＤＣ−ＤＣコンバータと、
を備え、
前記第１の電源における第１の端子と、前記第２の電源における第２の端子との間に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子と前記第２の電源における第２の端子との間の電位差である、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と、前記第１の電源の出力電圧と、の合計電圧を出力することを特徴とする、電源システム。
【請求項１５】
電源素子として、太陽電池素子、定電圧電源素子、熱伝変換素子、及び振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子のうちいずれかを含む素子を用いることを特徴とする、請求項１４に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電源システムに関する。特に、本発明は、動作特性に従って変動する太陽電池等の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより変換して出力するためのシステム、及びそのようなシステムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池のような、日照条件や温度に応じてその動作（電圧、電流）特性が変化する素子を電源として用いる際には、複数個の素子を直列接続してモジュールを構成し、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いて当該モジュールの出力電圧を安定化させた上で、負荷に対して電力供給を行うことがある。一般に、太陽電池は図１に示すような動作特性を示し、ある動作電圧にて最も大きな電力Ｐmaxを発生することができる。したがって、太陽電池の発生しうる電力を可能な限り有効活用するためには、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの制御等により、この最大電力Ｐmaxが得られる動作電圧Ｖmpにて当該太陽電池を動作させることが望ましい。
【０００３】
図２は、太陽電池セルＰＶ−ＬとＰＶ−Ｕとから構成される太陽電池モジュール１０１の出力電圧を、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２により変換した上で負荷１０３に供給するための、一例としての太陽電池システム１００を示している。コンバータ１０２は、コイルＬ、ダイオードＤ、スイッチＳｗ、入力キャパシタＣｉｎ、及び出力キャパシタＣｏｕｔから構成されており、スイッチＳｗのスイッチング周期に対するスイッチのオン期間の比率として定義される時比率（デューティー）により決定される変換比に応じて、太陽電池モジュール１０１の出力電圧を変換する。コンバータへの入力電圧（Ｃｉｎの電圧）をＶin、スイッチＳｗの時比率をｄ（０≦ｄ≦１）とした場合、出力電圧Ｖout（Ｃｏｕｔの電圧）はｄ×Ｖinとなり、負荷１０３に対しては入力電圧よりも低い電圧が出力される（ｄ＝０，１はコンバータの非動作に対応するため、考慮に入れない。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T. Mishima、“Experimental Evaluation of the EDLC-based Power Compensator for a Partially Shaded PV Array,” IEEE Industrial Electronics Society, 2003.  pp. 1308-1313
【非特許文献２】内海、他、“多段昇圧チョッパを適用した太陽光発電システムにおける最大出力制御”、2007年電気学会全国大会予稿集、第４分冊 pp.106．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記図２に示される電源システムにおいては、ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電圧を低く抑えるような構成がとられていないために、コンバータ内でのスイッチ切り替えに伴う損失、ノイズ、及びダイオードのリカバリ損失が大きくなるという問題があった。
【０００６】
図２に示す太陽電池システム１００において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の入力側には太陽電池モジュール１０１を構成する全ての太陽電池セルＰＶ−Ｕ，ＰＶ−Ｌが接続されている。したがって、太陽電池セルＰＶ−Ｕの電圧をＶU、太陽電池セルＰＶ−Ｌの電圧をＶLとすれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２への入力電圧Ｖin、すなわち入力端子１１１とコモン端子１１３との間の電位差は、Ｖin＝ＶU＋ＶLとなる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２からの出力電圧Ｖout、すなわち出力端子１１２とコモン端子１１３との間の電位差は、負荷１０３の電圧ＶLoadと等しい。
【０００７】
このような太陽電池システム１００中のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２における、スイッチ切り替えに伴うスイッチングノード１１４の電圧変動範囲は、０〜Ｖinである。この電圧変動範囲が大きいほど、スイッチ切り替えに伴う損失、ノイズ、及びダイオードのリカバリ損失が大きくなる。すなわち、これら損失及びノイズを抑えるためには、スイッチングノード１１４の電圧の変動範囲を定めているコンバータの入力電圧を小さくすることが好ましい。しかしながら、既に述べたとおり、従来の電源システムにおいては太陽電池セルＰＶ−Ｕ及びＰＶ−Ｌが全てコンバータの入力側に接続されており、全ての太陽電池セルの電圧がコンバータへの入力に寄与している。
【０００８】
さらに、上記スイッチングノード１１４の電圧変動範囲が大きい場合には、スイッチＳｗ及びダイオードＤとして高耐圧の素子を用いる必要がある。具体的に、上記図２の降圧型コンバータにおいてはＶin＝ＶU＋ＶLの電圧に対する耐圧性を、それぞれの素子が少なくとも有していなければならない（ただし、ダイオードＤにおける順方向降下電圧を無視している。）。
【０００９】
一般的に高耐圧のスイッチは低耐圧のスイッチと比較してオン抵抗が高く、スイッチング速度が遅いため、単位電流あたりの効率の観点からは低耐圧スイッチを使用することが望ましい。同様に、高耐圧のダイオードは低耐圧のダイオードと比較して順方向降下電圧が大きく逆回復時間が長いため、単位電流あたりの効率の観点からは低耐圧ダイオードを使用できることが望ましい。この点からも、スイッチングノード１１４の電圧変動範囲を抑えて低耐圧素子の使用を可能とするために、コンバータの入出力電圧を小さくすることが必要とされる。なお、図２の太陽電池システム１００は降圧型コンバータを用いた一例である。昇圧型コンバータを用いる場合には出力電圧を、昇降圧コンバータを用いる場合には入力電圧と出力電圧との両方を下げることが、単位電流あたりの効率改善や発生ノイズ抑制の観点からは望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本件第１発明は、第１の電源と、第２の電源と、第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、第１の電源の出力電圧とＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷と、を備えた電源システムを提供する。
【００１１】
上記構成によれば、負荷に対しては、第１の電源の出力電圧、及び、ＤＣ−ＤＣコンバータにより変換された第２の電源の出力電圧の両方が印加される一方で、ＤＣ−ＤＣコンバータが変換する電圧は第２の電源の出力電圧のみであるために、コンバータへの入力電圧を小さくすることが可能となる。
【００１２】
第１の電源、及び第２の電源は、太陽電池、定電圧電源、熱伝変換素子、振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子等を含むものであってよいが、各電源がこれらに限定されるわけではない。
【００１３】
本件第１発明の電源システムとしては、１以上の電源素子を含んでなる、第１及び第２の端子を有する第１の電源と、１以上の電源素子を含んでなる、第１及び第２の端子を有する第２の電源と、第２の電源における第１及び第２の端子の間の電位差である入力電圧が供給されるＤＣ−ＤＣコンバータと、を備え、第１の電源における第１の端子と、第２の電源における第２の端子との間に、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子と第２の電源における第２の端子との間の電位差である、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と、第１の電源の出力電圧と、の合計電圧を出力することを特徴とする、電源システムを用いることができる。
【００１４】
本発明の電源システムの一態様を、各構成要素の接続関係を具体的に特定することにより示したものである。ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力に寄与する電源は第２の電源のみであるために、コンバータへの入力電圧を小さくすることが可能となる。
【００１５】
電源素子としては、太陽電池、定電圧電源、熱伝変換素子、振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子等を用いることができるが、各電源素子がこれらに限定されるわけではない。
【００１６】
また、本件第２発明は、第１の電源、第２の電源、第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、第１の電源の出力電圧とＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷を備えた電源システムにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することにより調整される負荷電圧及び負荷電流に応じて変化する、第１の電源と第２の電源との動作状態を決定する方法であって、第１の電源の動作状態を決定する段階と、第２の電源の動作状態を決定する段階とを備えた方法を提供する。第１の電源の動作状態は、負荷電流、及び第１の電源の動作特性に基づいて決定され、また第２の電源の動作状態を決定する段階は、負荷電圧及び第１の電源の動作特性に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件を決定する工程と、負荷電流及びＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を決定する工程と、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態に基づいて、第２の電源の動作条件を決定する工程と、第２の電源の動作条件及び第２の電源の動作特性に基づいて、第２の電源の動作状態を決定する工程と、を含む。
【００１７】
上記本件第２発明によれば、本件第１発明の電源システムにおいて、第１の電源と第２の電源との動作状態を決定するための具体的手順が教示される。当該手順を用いれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの制御により調整される負荷電圧及び負荷電流に応じて変化する両電源の動作状態を、実際にコンバータを制御して各動作状態を測定する必要なしに決定することができる。
【００１８】
なお、上記手順に従って、第１の電源及び第２の電源の動作状態のいずれかのみを決定することも可能である。すなわち、本発明が教示する、第１の電源、第２の電源、第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、第１の電源の出力電圧とＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷を備えた電源システムにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することにより調整される負荷電圧及び負荷電流に応じて変化する、第１の電源の動作状態を決定する方法であって、負荷電流、及び第１の電源の動作特性に基づいて、第１の電源の動作状態を決定する段階、を備えた方法と、同じく本発明が教示する、第１の電源、第２の電源、第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、第１の電源の出力電圧とＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷を備えた電源システムにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することにより調整される負荷電圧及び負荷電流に応じて変化する、第２の電源の動作状態を決定する方法であって、負荷電圧及び第１の電源の動作特性に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件を決定する段階と、負荷電流及びＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を決定する段階と、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態に基づいて、第２の電源の動作条件を決定する段階と、第２の電源の動作条件及び第２の電源の動作特性に基づいて、第２の電源の動作状態を決定する段階と、を備えた方法とは、それぞれ別個に実施可能である。
【００１９】
また、本件第３発明は、第１の電源、第２の電源、第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、第１の電源の出力電圧とＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷を備えた電源システムにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して負荷電圧及び負荷電流を調整することにより、負荷電圧及び負荷電流に応じて変化する第１の電源と第２の電源との動作状態を調整する方法であって、負荷電流、及び第１の電源の動作特性から決定される、第１の電源の動作状態、及び第２の電源の動作状態であって、負荷電圧及び第１の電源の動作特性から決定されるＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件と、負荷電流と、から決定されるＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態、から決定される、第２の電源の動作条件と、第２の電源の動作特性と、から決定される動作状態、として実現しうる第１及び第２の電源の各動作状態を、第１の電源の動作特性における第１の基準状態と、第２の電源の動作特性における第２の基準状態と、に基づき選択された、第１の電源の目標動作状態及び第２の電源の目標動作状態へと、調整する方法を提供する。
【００２０】
上記本件第３発明によれば、上記本件第２発明に従って決定される第１及び第２の電源の動作状態を、各電源の動作特性における所望の基準状態に基づき選択された目標動作状態へと、それぞれ調整することが可能となる。後述の実施例において詳しく説明するとおり、本件第１発明に従って構成される、複数の太陽電池等を備えた電源システムにおいては、各電源の動作状態を独立には調整できない場合がある。このような場合であっても、本件第２及び第３発明が教示する動作状態決定手順を用いれば、コンバータの制御により実現される各負荷電圧、負荷電流に対応する各電源の動作状態はあらかじめ決定可能である。すなわち、コンバータの各制御状態により実現しうる各電源の動作状態もあらかじめ決定可能であって、言い換えれば、所望の目標動作状態へと当該動作状態を調整するために最適な、対応するコンバータの制御状態も、あらかじめ（実際にシステムを動作させて各電源の動作状態を測定することを必要とせずに）決定可能である。
【００２１】
第１の基準状態、及び第２の基準状態は、第１の電源の動作特性、及び第２の電源の動作特性において、それぞれ出力電力が最大となる動作状態であってよい。典型例としては、実現可能な第１及び第２の電源の動作状態ペアのうち、出力電力が最大となる第１及び第２の基準状態のペアに最も「近い」（例えば、出力電力の合計が最も近い）動作状態のペアを上記第１及び第２の電源の目標動作状態のペアとし、コンバータの制御により各電源の動作状態をこの目標動作状態へと近づけることが可能である。
【００２２】
動作状態を決定されるべき、あるいは動作状態が調整されるべき、第１の電源、及び第２の電源としては、太陽電池、定電圧電源、熱伝変換素子、振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子等を含む電源を用いることが可能であるが、各電源がこれらに限定されるわけではない。
【００２３】
また、本件第４発明は、第１の電源、第２の電源、第２の電源の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、及び、第１の電源の出力電圧とＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧とが印加される負荷を備えた電源システムにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御することにより所定の負荷電圧及び負荷電流を出力するために、第１の電源と第２の電源とを選択する方法を提供する。第１の電源としては、負荷電流を出力することが可能な電源が選択される。第２の電源を選択する段階は、負荷電圧及び選択された第１の電源の動作特性に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件を決定する工程と、負荷電流及びＤＣ−ＤＣコンバータの動作条件に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を決定する工程と、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態に基づき決定された電力を出力することが可能な電源を、第２の電源として選択する工程と、を含む。
【００２４】
所定の負荷電圧及び負荷電流を出力するために、第１及び第２の電源の動作状態が満たすべき条件は、本発明が教示する動作点決定手順により与えられる。言い換えれば、当該手順により与えられる条件を満たす動作状態を実現しうる電源を、上記負荷電圧及び負荷電流を出力するために選択することが可能である。
【００２５】
第１の電源としては、負荷電流を出力する動作状態での出力電力に基づいて選択された最大出力電力を有する電源を選択することができる。典型例としては、所定の負荷電流と等しい電流を出力する動作状態が最大電力出力状態であるような電源を、第１の電源として選択することができる。あるいは、特に太陽電池を用いる場合においては、日照条件の変化を考慮した上で、上記典型例における電源よりも大きな電力出力が可能な電源を選択することもできる。
【００２６】
第２の電源としては、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態に基づき決定された電力に基づいて選択された最大出力電力を有する電源を選択することができる。典型例としては、本発明が教示する手順に従って決定されるＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態における当該コンバータの出力電力と等しい電力を出力する動作状態が最大出力電力状態であるような電源を、第２の電源として選択することができる。あるいは、特に太陽電池を用いる場合においては、日照条件の変化を考慮した上で、上記典型例における電源よりも大きな電力出力が可能な電源を選択することもできる。
【００２７】
第１の電源、及び第２の電源として選択される電源は、太陽電池、定電圧電源、熱伝変換素子、振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子等を含むものであってよいが、各電源がこれらに限定されるわけではない。また本発明は、本件第４発明の方法に従って選択された電源を備える電源システムもその範囲に含むものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に従い、一部の電源がＤＣ−ＤＣコンバータと接続され、コンバータの出力電圧とその他の電源の出力電圧との合計電圧が負荷に印加されるようシステムを構成すれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの入出力電圧を従来構成よりも低圧化することが可能となり、結果として、スイッチングに伴い発生する損失やノイズを低減させることができる。また、従来構成よりもＤＣ−ＤＣコンバータ内の各デバイスに印加される電圧が低減されるため、低耐圧のデバイスを採用することが可能となる。これに伴い、ＤＣ−ＤＣコンバータのサイズ・重量において大きな割合を占める入出力キャパシタやコイルなどの部品を小型化することが可能となる。
【００２９】
併せて、同じく本発明に従い上記電源システムを制御することにより、太陽電池等、複数の電源の動作状態を、最大電力出力状態等、任意の動作状態に近づけるよう調整することが可能となる。また、所定の負荷電圧、負荷電流を出力するために要求される最小限の電力出力が可能な太陽電池を選択することにより、太陽電池の発生しうる電力を最大限に有効活用するシステムを構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】太陽電池の動作特性を示すグラフである。
【図２】降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを備えた従来の太陽電池システムを示す、回路図である。
【図３】本発明に係る電源システムの第１実施例である、太陽電池システムの回路図である。
【図４】第１実施例の太陽電池システムにおいて、太陽電池セルＰＶ−Ｌ，ＰＶ−Ｕ，及びＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を決定する手順を説明するための図である。
【図５】図３に従って構成した、一例としての太陽電池システムを動作させた際における、電圧、電流、電力についての実験結果を示す図である。
【図６】図２に示す従来のシステムと図３に示す本発明のシステムにおいて同一のコンバータを用いた場合の、電力変換効率の測定結果を示した図である。
【図７】本発明の電源システムにおいて用いられる負荷の一例である抵抗器について、その動作特性を示した図である。
【図８】図７に示す動作特性に従い抵抗器の動作状態が変化した場合の、太陽電池セルＰＶ−Ｌ，ＰＶ−Ｕ，及びＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態の変化を説明するための図である。
【図９】図７に示す動作特性に従い抵抗器の動作状態が変化した場合に、太陽電池セルＰＶ−Ｌ，及びＰＶ−Ｕがとりうる動作状態、及び、とりうる動作状態の範囲内で太陽電池セルの動作状態を調整する際に設定すべき基準状態と目標動作状態とを説明するための図である。
【図１０】所定の負荷電圧及び負荷電流を出力するに際し、特に太陽電池セルＰＶ−Ｕの発生しうる電力を有効活用するよう、図４の場合と比較して電流容量が低い太陽電池をＰＶ−Ｕとして選択した構成における特性を示す図である。
【図１１】図１０に対応する構成の太陽電池システムを動作させた際における、電圧、電流、電力についての実験結果を示す図である。
【図１２】図３の太陽電池システムにおいて、太陽電池セルＰＶ−Ｕを電源Ｖｉｎで置き換えた、第２実施例の構成を示す回路図である。
【図１３】第２実施例の太陽電池システムにおいて、太陽電池セルＰＶ−Ｌ，定電圧電源Ｖｉｎ，及びＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を決定する手順を説明するための図である。
【図１４】図１２に従って構成した、一例としての太陽電池システムを動作させた際における、電圧、電流、電力についての実験結果を示す図である。
【図１５】本発明に係る電源システムの第３実施例である、太陽電池システムの回路図である。
【図１６】図１５の太陽電池システムにおいて、太陽電池セルＰＶ−Ｌを電源Ｖｉｎで置き換えた構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図３〜図１６を参照しながら、本発明に係る電源システムの実施形態を説明する。なお、電源システムに用いるコンバータとしては特に非絶縁型の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを例として挙げているが、昇圧型、あるいは反転昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ、Ｃｕｋコンバータ、ＳＥＰＩＣコンバータ、ＺＥＴＡコンバータ等、他種のコンバータを用いることも可能である。また、フライバックコンバータ、フォワードコンバータ、プッシュプルコンバータ、ブリッジコンバータ等の絶縁型コンバータを用いることも可能である。
【実施例１】
【００３２】
太陽電池システム１の構成
図３は、本件第１発明として実施することが可能な太陽電池システム１を示したものである。ＰＶ−ＬとＰＶ−Ｕは、例えばｐ型半導体とｎ型半導体とを接合した構造を有する太陽電池セルであり、直列接続されることにより太陽電池モジュール１０１を構成している。なお、ＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕとしては、太陽電池セルを複数個直列又は並列に接続してなる太陽電池パネルを用いてもよいし、複数の太陽電池パネルからなるモジュールとして、それぞれを構成することもできる。その他の例としては、それぞれが複数の太陽電池セルよりなるＰＶ−ＬとＰＶ−Ｕとを用いて一枚の太陽電池パネル１０１を構成し、パネル内の任意のセル間接続点から後述の中間タップ等を取り出して、本発明のシステムを構成することも可能である。また上述のとおり、電源として太陽電池セルを用いることは必須ではなく、熱電変換素子、振動エネルギーを電力に変換する振動発電素子、あるいは実施例２として特に説明する定電圧電源等、任意の電源の組み合わせを、ＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕの代わりに用いることができる。この点については、後述する実施例２及び３においても同様である。
【００３３】
ＰＶ−ＬとＰＶ−Ｕの接続点からは中間タップが取り出され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２のコモン端子１１３と接続されている。コンバータ１０２は、コイルＬ、ダイオードＤ、スイッチＳｗ、太陽電池セルの電圧平滑化用キャパシタＣｉｎ−Ｕ及びＣｉｎ−Ｌ、及び出力キャパシタＣｏｕｔから構成されている。スイッチＳｗとしては、ＦＥＴ、サイリスタ、フォトＭＯＳ  ＦＥＴ等、高速での切り替えが可能な電子的スイッチ（半導体スイッチ）を用いると都合がよいが、本発明の電源システムに用いることのできるスイッチがこれらに限られるわけではない。またスイッチングは、スイッチ制御手段としての任意のスイッチドライバ（不図示）を用いて、例えばトランジスタのゲートに印加する電圧を高速で切り替えることによって行うことができる。
【００３４】
負荷１０３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力端子１１２と太陽電池モジュール１０１のリターン側の端子（太陽電池セルＰＶ−Ｌにおいて、隣接する太陽電池セルＰＶ−Ｕと接続されていない側の端子）に接続されている。負荷１０３としては、抵抗器、定電圧電源、あるいは抵抗器に対して並列に定電圧電源を接続してなるモジュール等、任意のデバイスを用いることができる。なお、上記リターン側の端子は接地されている。
【００３５】
太陽電池システム１の動作
次に、太陽電池システム１を動作させたときの、太陽電池セルＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕ，ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２，及び負荷１０３の各電圧、電流が満たす関係を説明する。
【００３６】
図３中、ＩLoadは負荷電流を示し、ＩL及びＩUは、それぞれ太陽電池セルＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕを流れる電流を示す。また、ＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕの電圧を、それぞれＶL及びＶUとする。
【００３７】
図３の構成では、中間タップがＤＣ−ＤＣコンバータ１０２のコモン端子１１３に接続されており、入力端子１１１とコモン端子１１３との間の電位差として定義されるコンバータへの入力電圧ＶinはＶUに等しい。すなわち、コンバータへの入力には太陽電池セルＰＶ−Ｕのみが寄与するのであって、図２に示される電源システムのコンバータ入力電圧（ＶU＋ＶL）よりも、コンバータ１０２への入力電圧を低く抑えることができる。
【００３８】
ここで、図３中のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は無損失で動作するものとする。コンバータの出力電圧Ｖoutを出力端子１１２とコモン端子１１３との間の電位差とし、コンバータの出力電流（出力端子１１２から流れ出す電流）をＩoutとすると、エネルギー保存則より下記（１）式が成立する。
ＩU×ＶU＝Ｖout×Ｉout＝Ｖout×ＩLoad      …（１）
なお、右側の等号は、コンバータ１０２の動作サイクルで時間平均した場合にＩoutとＩLoadとが等しいために成立するものである。
【００３９】
太陽電池システム１全体で考えた場合、太陽電池セルＰＶ−ＬとＰＶ−Ｕの発生電力をそれぞれＰL，ＰUとし、負荷電力をＰLoadすると、エネルギー保存則より下記（２）式が成立する。
ＰL＋ＰU＝ＩL×ＶL＋ＩU×ＶU＝ＩLoad×ＶLoad＝ＰLoad      …（２）
ここでＶLoadは負荷電圧である。
【００４０】
負荷電圧ＶLoadは太陽電池セルＰＶ−Ｌの電圧ＶLとコンバータの出力電圧Ｖoutの和と等しくなり、また、スイッチＳｗの時比率をｄとすれば出力電圧をＶout＝ｄ×ＶUと表せるため、下記（３）式が成立する。
ＶLoad＝ＶL＋Ｖout＝ＶL＋ｄ×ＶU      …（３）
また、負荷電流ＩLoadについては、下記（４）式が成立する。
ＩLoad＝ＩL＝Ｉout      …（４）
【００４１】
（１）式、（３）式、及び（４）式より、ＩUとＩLとの関係式として、下記（５）式が導かれる。
ＩU＝ｄ×ＩL＝ｄ×ＩLoad      …（５）
上記（５）式が示すとおり、ｄ＝１の場合を除き、ＩLとＩUは異なる値をとる。
【００４２】
また、（４）式と（５）式より、ＰL及びＰUはそれぞれ、下記（６）式及び（７）によって表すことができる。
ＰL＝ＶL×ＩLoad      …（６）
ＰU＝ＶU×ｄ×ＩLoad      …（７）
【００４３】
太陽電池セルの動作状態決定方法
次に、本件第２発明の一例として、太陽電池システム１における各太陽電池セル、及びＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態決定方法を説明する。なお、上記動作状態決定方法、後述の動作状態調整方法等、本発明に係る全ての方法は、適切な数値計算、及び描画処理プログラムを備えたコンピュータにより実施することが可能であるが、手作業により後述の各曲線の交点を作図する等、別の手段により行ってもよい。
【００４４】
図４は、本発明の動作状態決定方法の手順を、グラフを用いて図解的に表したものである。図４中、Ｖ−Ｌで示される曲線（以下、Ｖ−Ｌ曲線）は、例えば図１に表わされる特性と同様である、太陽電池セルＰＶ−Ｌの動作特性（電圧・電流特性）を表わし、Ｖ−Ｕで示される曲線（以下、Ｖ−Ｕ曲線）は太陽電池セルＰＶ−Ｕの動作特性を表わす。ただし、図４のＶ−Ｌ曲線は、電流を表わす縦軸に対して反転されている。また図４の例においては太陽電池それぞれの特性が等しいものとしているが、太陽電池システム１を構成するに際しては異なる特性の太陽電池セルＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕを用いてもよい。なお、ここにおける曲線とは直線を含んでよく、この点は後述する他の曲線においても同様である。
【００４５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の制御により、負荷電圧及び負荷電流が、それぞれＶLoad及びＩLoadへと調整されたとする。このとき、式（４）より、太陽電池セルＰＶ−Ｌを流れる電流ＩLはＩLoadとなる。したがって、太陽電池セルＰＶ−Ｌの動作状態を表す動作点は、電流Ｉ＝ＩLoadの直線上（図４における等電流線上）になければならない。また、既に述べたとおり、ＰＶ−Ｌの動作特性はＶ−Ｌ曲線で表されるため、ＰＶ−Ｌの動作点はＶ−Ｌ曲線上になければならない。これらの条件から、ＰＶ−Ｌの動作点が、等電流線とＶ−Ｌ曲線の交点として決定される。図４中の点Ａは、このようにして決定されるＰＶ−Ｌの動作点を表わしている。ただし、既に述べたとおりＶ−Ｌ曲線は縦軸に対して反転されているため、ＰＶ−Ｌの動作状態（電圧及び電流）を求めるためには、動作点Ａが示す電圧の符号を反転させる必要がある。
【００４６】
次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作状態（出力電圧Ｖout及び出力電流Ｉout）を決定する。まず、式（３）と式（４）から、Ｖout及びＩout対する条件（ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作条件）が以下のとおり導かれる。
Ｖout＝−（ＶL−ＶLoad）
Ｉout＝ＩL                        …（８）
【００４７】
上記（８）の２式中、ＶL及びＩLは、Ｖ−Ｌ曲線で表されるＰＶ−Ｌの動作特性に従う。したがって、Ｖout及びＩoutは、ＰＶ−Ｌの動作特性を表わす曲線を図４の縦軸に対して反転させ、さらに電圧を表わす横軸方向にＶLoadだけ平行移動させて得られる曲線（図４中、Ｖ−ＤＣで表わされる曲線であり、以下Ｖ−ＤＣ曲線とする。）により示される、動作条件に従うことがわかる。すなわち、負荷電圧ＶLoad及び太陽電池セルＰＶ−Ｌの動作特性より、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作条件が決定される。
【００４８】
また式（４）から、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作点は図４の等電流線上になければならないことがわかる。すなわち、負荷電流ＩLoadにより決定される等電流線と上記コンバータの動作条件を表わすＶ−ＤＣ曲線の交点として、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作点が決定される。図４中の点Ｃは、このようにして決定されるコンバータの動作点を示している。動作点Ｃの座標より、コンバータの動作状態（出力電圧Ｖout及び出力電流Ｉout）が決定される。
【００４９】
次に、上記コンバータの動作状態に基づいて決定される、太陽電池セルＰＶ−Ｕの動作条件を説明する。式（１）より、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力電力と太陽電池セルＰＶ−Ｕの出力電力とは互いに等しい。したがって、動作点Ｃにより決定されるコンバータの動作状態における出力電力、すなわちＶout×Ｉoutを、太陽電池セルＰＶ−Ｕは出力する。このことから、ＰＶ−Ｕの動作点は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作点Ｃを通る等電力曲線上になければならないことがわかる。図４中の等電力曲線は、このようにしてＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作状態から決定されるＰＶ−Ｕの動作条件を示している。
【００５０】
既に述べたとおり、ＰＶ−Ｕの動作特性はＶ−Ｕ曲線で表されるため、ＰＶ−Ｕの動作点はＶ−Ｕ曲線上になければならない。したがって、ＰＶ−Ｕの動作点は、上記等電力曲線とＶ−Ｕ曲線の交点として決定される。図４中の点Ｂは、このようにして決定されるＰＶ−Ｕの動作点を表わしている。なお、図４において等電力曲線とＶ−Ｕ曲線は２点で交わるが、式（５）からＩU≦ＩLoadであるため、ＰＶ−Ｕの動作点は一意に決定される。
【００５１】
以上の動作状態決定方法をまとめると、ＰＶ−Ｌの動作点は負荷電流ＩLoadにより直接決定され、ＰＶ−Ｕの動作点は負荷電流ＩLoadとコンバータの入出力電圧の関係から間接的に決定されることになる。
【００５２】
なお、各太陽電池セル及びＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を決定するために、図４に示す作図を実際に行ってその交点を求めることは必須ではない。適切なコンピュータ上で実行されるソフトウェア等を用いて各曲線に対応する数式を解析的、あるいは数値的に処理することにより、作図を行った場合と同様に動作状態を決定することができるからである。
【００５３】
また、太陽電池セルＰＶ−ＬとＰＶ−Ｕとの動作状態は、それぞれ別個に求めることができる。上記説明から明らかなとおり、まずＰＶ−Ｌの動作状態を求めるに際して、ＰＶ−Ｕの動作特性及び動作状態は一切用いられてはいないし、またＰＶ−Ｕの動作状態を求めるに際しても、ＰＶ−Ｌの動作状態を用いてはいないからである。
【００５４】
図４の下側のグラフは、各太陽電池セルＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕの動作特性、及び上述の方法により決定される各太陽電池セルとコンバータの動作点を、電圧‐電力の次元で描いたものである。言い換えれば、図４の下側のグラフは、図４の上側のグラフの横軸上の値と、同じく上側のグラフにおける横軸上の値と縦軸上の値の積と、の関係を描いたものである。動作点Ａ，Ｂ，Ｃで表わされる各動作状態（電圧、電流）における電圧と電力は、それぞれ動作点ａ，ｂ，ｃの座標として表わされる。ただし、Ｖ−Ｌ曲線が電流を表わす縦軸に対して反転されていることに対応して、太陽電池セルＰ−ＶＬの電圧−電力特性を表わす曲線（図４中、Ｐ−Ｌで表わされる曲線。以下Ｐ−Ｌ曲線。）は、図４下側のグラフにおいて、電圧を表わす横軸及び電力を表す縦軸の両方に対し反転されている。
【００５５】
図４で表わされる状態において、太陽電池セルＰＶ−ＬはＰ−Ｌ曲線上のａ点（動作電圧ＶL、電力ＰL）で動作しており、太陽電池セルＰＶ−ＵはＰ−Ｕで示される曲線（以下Ｐ−Ｕ曲線）上のｂ点（動作電圧ＶU、電力ＰU）で動作しており、そしてコンバータ１０２は、損失が無いと仮定すればｃ点（動作電圧Ｖout＝ｄ×ＶU、電力ＰU）で動作している。負荷電力ＰLoadは、式（２）が示すとおりＰLとＰUの和となる。
【００５６】
図５は図３のシステムを動作させた際の実験結果の例である。図４で示した特性と同様の特性が測定されていることが分かる。また図６は、図２に示される従来のシステムと図３に示される本発明のシステムにおいて、それぞれ同一のコンバータを用いた際の電力変換効率ＰLoad／（ＰL＋ＰU）の測定結果を示したものである。図３のシステムにより、従来構成よりも高効率を達成できることがわかる。
【００５７】
さて、図４の例において、太陽電池セルＰＶ−ＬとＰＶ−Ｕの出力電力は、それぞれ動作点ａ及びｂの縦軸上の座標により表わされる。図からわかるとおり、ＰＶ−Ｌの動作点ａは、動作特性を表わすＰ−Ｌ曲線上の最大電力点にほぼ一致している一方、ＰＶ−Ｕの動作点ｂは、Ｐ−Ｕ曲線上の最大電力点における電力に比べて、図４中のＸに相当する分だけ低い電力に対応している。よって、この場合、ＰＶ−Ｌからは発生しうる電力がほぼ最大限に抽出されている一方で、ＰＶ−Ｕが発生しうる電力のうちＸに相当する電力は有効活用されていない。
【００５８】
このような問題は、図３に示される本発明の太陽電池システム１において、太陽電池セルＰＶ−Ｌの動作状態とＰＶ−Ｕの動作状態とが独立には調整できないことに起因する。すなわち、所定の負荷電圧と負荷電流において、太陽電池セルＰＶ−ＬとＰＶ−Ｕとの動作状態は上述の動作状態決定方法により一意に決定されるのであり、一方の動作状態のみを独立に調整することはできない。したがって、所定の動作特性に従う太陽電池等の電源を本発明の電源システムにより動作させるにあたっては、それら各電源の発生しうる電力を最大限有効活用するという観点から、どのように当該電源システムを制御すればよいか（どのような負荷電圧、負荷電流を選択すればよいか）という課題が生じる。以下、そのような課題を解決するための手段として、本件第３発明の実施例を説明する。
【００５９】
太陽電池セルの動作状態調整方法
本件第３発明においては、負荷の動作状態に応じて変化する各太陽電位セルの動作状態が、本件第２発明の教示する動作状態決定方法を用いることによりあらかじめ（実際に測定することなく）決定可能であることを利用し、さまざまに変化する負荷の動作状態から、特に所望の太陽電池セル動作状態に対応する動作状態を選択するための方法が与えられる。以下、図７〜９を用いてこの方法を説明する。
【００６０】
太陽電池システム１内の負荷１０３として、図７に示すとおりの動作特性を有する抵抗器を用いることとする。ＤＣ−ＤＣコンバータの制御により、負荷１０３の動作状態（電圧、電流）に対応する動作点は、図７のグラフ上のいずれかの動作点へと調整される。図７中の動作点Ｄ1（電圧Ｖ1，電流Ｉ1の動作状態に対応）、及び動作点Ｄ2（電圧Ｖ2，電流Ｉ2の動作状態に対応）へと負荷１０３の動作点が調整された場合、それぞれの負荷電圧、負荷電流の大きさに応じて、上記本件第２発明に従い各太陽電池セルＰＶ−Ｌ，ＰＶ−ＵとＤＣ−ＤＣコンバータ１０２との動作状態が決定される。
【００６１】
Ｄ1及びＤ2に応じて各動作状態を決定するための手順を図８に示す。本件第２発明に従えば、まず電流Ｉ＝Ｉ1の等電流線１とＶ−Ｌ曲線の交点として、負荷１０３の動作点Ｄ1に対応する太陽電池セルＰＶ−Ｌの動作点Ａ1が決定され、同じく動作点Ｄ1に対応する負荷電圧Ｖ1だけＶ−Ｌ曲線を平行移動して得られるＶ−ＤＣ１曲線と等電流線１の交点として、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作点Ｃ1が決定され、Ｃ1により決定される等電力曲線１とＶ−Ｕ曲線の交点として、太陽電池セルＰＶ−Ｕの動作点Ｂ1が決定される。負荷１０３の動作点Ｄ2に対応する各太陽電池セルの動作点Ａ2，Ｂ2，及びＤＣ−ＤＣコンバータの動作点Ｃ2も同様に決定される。
【００６２】
図８が示すとおり、負荷１０３の動作点がその特性曲線上をＤ1からＤ2へと移動するに伴い、太陽電池セルＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕの動作点は、それぞれＶ−Ｌ曲線上、あるいはＶ−Ｕ曲線上を、Ａ1からＡ2へと、あるいはＢ1からＢ2へと移動する。ＤＣ−ＤＣコンバータの制御により負荷１０３の動作点を連続的に変化させた場合にＰＶ−Ｌの動作点とＰＶ−Ｕの動作点がそれぞれの動作特性曲線上で描く軌跡を、図９に示す。
【００６３】
図９中、Ａmin及びＢminは、コンバータの制御により実現可能な最小限の負荷電圧ＶLoad及びＩLoadへと負荷１０３の動作状態を調整したときの、太陽電池セルＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕの動作点である。同様に、Ａmax及びＢmaxは、コンバータの制御により実現可能な最大限の負荷電圧ＶLoad及びＩLoadへと負荷１０３の動作状態を調整したときの、太陽電池セルＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕの動作点である。コンバータの制御により、ＰＶ−Ｌの動作点を、Ｖ−Ｌ曲線上でＡminとＡmaxとにより囲まれる線要素上のいずれかの動作点へと調整することができる。同様に、ＰＶ−Ｕの動作点を、Ｖ−Ｕ曲線上でＢminとＢmaxとにより囲まれる線要素上のいずれかの動作点へと調整することができる。ただし、負荷１０３の動作状態に応じてＰＶ−Ｌの動作状態とＰＶ−Ｕの動作状態の両方が同時に決定されるのであり、それぞれの動作状態を独立に調整することはできない。
【００６４】
ここで、太陽電池セルＰＶ−Ｌを動作点Ａ3に対応する動作状態へと、そして太陽電池セルＰＶ−Ｕを動作点Ｂ3に対応する動作状態へと、それぞれ調整する必要があるとする。仮に動作点Ａ3及びＢ3が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の制御により達成可能な負荷１０３の特定の動作点Ｄ3（不図示）に対応して実現可能な動作点であるとすれば、実際にコンバータを制御して負荷１０３をＤ3に対応する動作状態へと調整することにより、目的の太陽電池セル動作状態が得られる。すなわち、本件第３発明における第１の基準状態として動作点Ａ3に対応する動作状態を設定し、第２の基準状態として動作点Ｂ3に対応する動作状態を設定し、太陽電池セルＰＶ−Ｌの目標動作状態としては第１の基準状態を選択し、太陽電池セルＰＶ−Ｕの目標動作状態としては第２の基準状態を選択すれば、それら目標動作状態へと各セルの動作状態をコンバータ制御により調整することができる。
【００６５】
太陽電池セルの発生しうる電力を最大限有効活用するという観点からは、第１の基準状態、及び第２の基準状態を、それぞれの太陽電池セルにおける最大電力出力状態とすることが考えられる。図９において、太陽電池セルＰＶ−Ｌの最大電力出力状態に対応する動作点は上述のＡ3であり、太陽電池セルＰＶ−Ｕの最大電力出力状態に対応する動作点は図９中のＢmaxであるとする。この場合、第１の基準状態はＡ3に対応する動作状態となり、第２の基準状態はＢmaxに対応する動作状態となる。
【００６６】
上述のとおり、負荷１０３の動作状態に応じて太陽電池セルＰＶ−ＬとＰＶ−Ｕの動作状態は同時に決定されるのであり、仮にＰＶ−Ｌの動作状態を動作点Ａ3に対応する動作状態に調整するとすれば、ＰＶ−Ｕの動作状態はＢ3に対応する動作状態となる。すなわち、上記のとおり最大電力利用の観点から設定された第１の基準状態と第２の基準状態とを同時に実現することはできない。したがってこの場合、そのような基準状態に最も「近い」動作状態のペアを、それぞれの太陽電池セルの目標動作状態のペアとして選択する必要がある。
【００６７】
基準状態に基づいた目標動作状態の選択としては、例えば、同時に実現可能な太陽電池セルの動作状態のうち、各セルの出力電圧の合計が最も高い動作状態のペアを、目標動作状態ペアとすることが可能である。あるいは、いずれか一方の太陽電池セルを最大限有効活用することを考えて目標動作状態を選択することもできる（ＰＶ−Ｌの目標動作状態をＡ3に対応する動作状態とし、ＰＶ−Ｕの目標動作状態をＢ3に対応する動作状態とすることが、これに対応する。）。
【００６８】
その他、例えば動作点Ａ4及びＢ4で表わされる動作状態を第１及び第２の基準状態とした場合には、太陽電池セルＰＶ−Ｌ及びＰＶ−Ｕの目標動作状態として、それぞれ動作点Ａmax及びＢmaxに対応する動作状態を選択することが可能である。いずれにしても、そのようにして決定された目標動作状態への調整は、本件第２発明の動作状態決定方法が教示する各条件を利用して求められる、当該目標動作状態に対応した特定の制御状態へと、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２を制御することにより行うことができる。
【００６９】
また、太陽電池セルの電力有効活用という観点からは、太陽電池システムを構成するにあたり、所定の負荷電圧、負荷電流において出力電力が最大となる（あるいは最大に近い電力を出力する）動作特性を有する太陽電池セルを選択することも有効である。以下、本件第４発明として、そのような選択方法の実施例を説明する。
【００７０】
太陽電池セルの選択方法
図１０は、太陽電池セルＰＶ−Ｕの発生しうる電力を有効活用するべく、図４のＶ−Ｕ曲線で表わされる動作特性の太陽電池セルＰＶ−Ｕよりも電流容量が低いセルを用いた場合の、各動作状態決定方法を説明するための図である。太陽電池セルＰＶ−Ｌの動作特性は図４のＶ−Ｌ曲線で表わされる動作特性と等しく、また負荷電圧ＶLoad及びＩLoadの大きさも、図４におけるそれぞれの大きさと等しいとする。各動作点（Ａ，Ｂ，Ｃ，及びａ，ｂ，ｃ）の電圧、電流、電力は、図４の場合と同様に本件第２発明の方法により決定される。
【００７１】
動作点Ａ，Ｃ及びａ，ｃの座標は、図４と図１０で示されるそれぞれの例において互いに等しい。また、等電力曲線とＶ−Ｕ曲線との交点として決定されるＰＶ−Ｕの動作点Ｂ，及び対応する動作点ｂも、ＰＶ−Ｕの動作特性が、それぞれの構成において図４及び図１０に示すとおりのものであるとした場合には、各図から読み取れるとおりほぼ等しい。一方で、図１０のＰ−Ｕ曲線で表わされる動作特性において、その最大出力電力は、図４のＰ−Ｕ曲線で表わされる動作特性の最大出力電力と比べて小さい。したがって、図１０の場合、動作点Ｂの動作状態において活用できない電力の大きさＸは、図４の場合と比較して小さくなっている。図１１は、図１０で示した特性を模擬した場合における実験結果の例である。
【００７２】
このように、ＰＶ−ＵとＰＶ−Ｌに異なる特性の太陽電池セルを用いることで、有効活用できない電力分Ｘを低減することが可能である。
【００７３】
また、本件第２発明が教示する、太陽電池セルの動作状態に対して課せられる条件を考慮すれば、各太陽電池の動作特性がそのような条件を満たす動作状態を実現しうる限りにおいて、任意の太陽電池セルを選択可能であることがわかる。
【００７４】
具体的に、本件第２発明に従えば、まず太陽電池セルＰＶ−Ｌの動作状態は、Ｖ−Ｌ曲線上の動作状態であって、電流が負荷電流ＩLoadに等しい動作状態として決定される。言い換えれば、Ｖ−Ｌ曲線が負荷電流ＩLoadに対応する等電流線と交点を持つような任意の太陽電池セル、すなわち負荷電流ＩLoadを出力することが可能な動作特性を有する任意の太陽電池セルを、ＰＶ−Ｌとして選択することができる。
【００７５】
また太陽電池セルＰＶ−Ｕの動作状態は、本件第２発明に従えば、負荷電圧ＶLoadに応じて平行移動（および反転）されたＰＶ−Ｌの動作特性とＩ＝ＩLoadの等電流線の交点として決定されるＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作点を通る等電力曲線と、ＰＶ−Ｕの特性曲線と、の交点に対応する動作状態として決定される。言い換えれば、Ｖ−Ｕ曲線が上記等電力曲線と交点を持つような任意の太陽電池セル、すなわち上記のとおり決定されるＤＣ−ＤＣコンバータの電力を出力することが可能な任意の太陽電池セルを、ＰＶ−Ｕとして選択することができる。
【００７６】
最小限の出力能力を備えた太陽電池セルを用いることによる省エネルギーの達成という観点からは、上記負荷電流ＩLoadを出力する動作状態において出力電力が最大となるような（あるいは、日照条件の変化等を考慮し、そのような出力電力よりも所定の値だけ大きい電力を出力することが可能な）太陽電池セルをＰＶ−Ｌとして選択し、また出力可能な最大電力が、上述の手順で決定されるＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力電力と等しい（あるいは、日照条件の変化等を考慮し、上記出力電力よりも所定の値だけ大きい電力を出力することが可能な）太陽電池セルをＰＶ−Ｕとして選択することが可能である。
【００７７】
なお、図３の構成を備えた太陽電池システム１においては、従来の方法を用いて太陽電池の出力電力最大化を図ることも可能である。すなわち、太陽電池モジュール１０１から最大限の電力を抽出するようコンバータ１０２を動作させる場合、太陽電池モジュールの発生電力もしくは負荷電力を測定し、その測定結果に基づいてコンバータ１０２の制御を行えばよい。負荷電圧が一定の場合は、負荷電力を測定せずとも負荷電流のみの測定結果からコンバータ１０２の制御を行ってよい。制御アルゴリズムに関しては従来の最大電力追尾制御（ＭＰＰＴ：Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）が適用可能である。また、図１０で示したとおり、ＰＶ−Ｕと比べてＰＶ−Ｌの電力容量が極端に大きい場合には、ＰＶ−Ｕの発生電力はＰＶ−Ｌの発生電力と比べて十分小さいため、ＰＶ−Ｌの電力のみを測定しつつコンバータ１０２の制御を行うことによって、太陽電池モジュール１０２からほぼ最大限の電力を抽出することが可能である。
【実施例２】
【００７８】
太陽電池システム１の構成
図１２は、本件第１発明として実施することが可能な太陽電池システム１の第２の実施例を示したものである。図３の太陽電池システムにおいて太陽電池セルＰＶ−Ｕを電源Ｖｉｎに置き換えたものであり、その他の構成については図３と同様である。太陽電池セルＰＶ−Ｌと電源Ｖｉｎが直列に接続されることにより、電源モジュール１１５を構成している。なお、ＩPSは電源Ｖｉｎに流れる電流である。
【００７９】
太陽電池システム１の動作
図１２の太陽電池システム１を動作させたときの、太陽電池セルＰＶ−Ｌ及び電源Ｖｉｎ，ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２，及び負荷１０３の各電圧、電流が満たす関係も、実施例１の場合と同様に求めることができる。具体的には、ＶU，ＩU，及びＰUを、それぞれ電源Ｖｉｎの電圧（ＶPSとする。）、電流（ＩPS）、電力（ＰPSとする。）で置き換えれば、上記実施例１において成立した式（１）〜（７）が全て同様に成立する。
【００８０】
太陽電池セル、及び電源の動作状態決定方法
本件第２発明の動作状態決定方法は、図１２のシステムに対しても同様に適用可能である。すなわち、図４のＶ−Ｕ曲線に代わってＶｉｎの動作特性を表わす特性曲線を用いれば、実施例１と同様に太陽電池セルＰＶ−Ｌ，電源Ｖｉｎ，及びＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作状態が本件第２発明の方法により決定される。
【００８１】
図１３は、図１２の太陽電池システムにおける動作点決定手順を図解的に表したものである。図４のＶ−Ｕ曲線に代わって等電圧線（以下、Ｖ−ＰＳ線）が用いられている。Ｖ−ＰＳ線が表すとおり、ここでは電源Ｖｉｎが定電圧電源であるとして動作特性を描いているが、電源Ｖｉｎが定電流源や定電圧−定電流源などであった場合においても、以下の原理に基づき同様に動作点を決定することができる。
【００８２】
図１３中、Ｖ−Ｌ曲線は、例えば図１に表わされる特性と同様であるような太陽電池セルＰＶ−Ｌの動作特性（電圧・電流特性）を表わし、上述のＶ−ＰＳ線は定電圧電源Ｖｉｎの動作特性を表わす。ただし、図１３のＶ−Ｌ曲線は、電流を表わす縦軸に対して反転されている。
【００８３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の制御により、負荷電圧及び負荷電流が、それぞれＶLoad及びＩLoadへと調整されたとする。このとき、式（４）より、太陽電池セルＰＶ−Ｌを流れる電流ＩLはＩLoadとなる。したがって、太陽電池セルＰＶ−Ｌの動作状態を表す動作点は、電流Ｉ＝ＩLoadの直線上（図１３における等電流線上）になければならない。また、既に述べたとおり、ＰＶ−Ｌの動作特性はＶ−Ｌ曲線で表されるため、ＰＶ−Ｌの動作点はＶ−Ｌ曲線上になければならない。これらの条件から、ＰＶ−Ｌの動作点が、等電流線とＶ−Ｌ曲線の交点として決定される。図１３中の点Ａは、このようにして決定されるＰＶ−Ｌの動作点を表わしている。ただし、既に述べたとおりＶ−Ｌ曲線は縦軸に対して反転されているため、ＰＶ−Ｌの動作状態（電圧及び電流）を求めるためには、動作点Ａが示す電圧の符号を反転させる必要がある。
【００８４】
次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作状態（出力電圧Ｖout及び出力電流Ｉout）を決定する。まず、式（３）と式（４）から、Ｖout及びＩout対する条件（ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作条件）が、実施例１と同様に式（８）として導かれる。
【００８５】
上記（８）の２式中、ＶL及びＩLは、Ｖ−Ｌ曲線で表されるＰＶ−Ｌの動作特性に従う。したがって、Ｖout及びＩoutは、ＰＶ−Ｌの動作特性を表わす曲線を図１３の縦軸に対して反転させ、さらに電圧を表わす横軸方向にＶLoadだけ平行移動させて得られるＶ−ＤＣ曲線により示される、動作条件に従うことがわかる。すなわち、負荷電圧ＶLoad及び太陽電池セルＰＶ−Ｌの動作特性より、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作条件が決定される。
【００８６】
また式（４）から、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作点は図１３の等電流線上になければならないことがわかる。すなわち、負荷電流ＩLoadにより決定される等電流線と上記コンバータの動作条件を表わすＶ−ＤＣ曲線の交点として、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作点が決定される。図１３中の点Ｃは、このようにして決定されるコンバータの動作点を示している。動作点Ｃの座標より、コンバータの動作状態（出力電圧Ｖout及び出力電流Ｉout）が決定される。
【００８７】
次に、上記コンバータの動作状態に基づいて決定される、定電圧電源Ｖｉｎの動作条件を説明する。実施例１において成立した式（１）と同様に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力電力と電源Ｖｉｎの出力電力とは互いに等しい。したがって、動作点Ｃにより決定されるコンバータの動作状態における出力電力、すなわちＶout×Ｉoutを、電源Ｖｉｎは出力する。すなわち、Ｖｉｎの動作点は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作点Ｃを通る等電力曲線上になければならないことがわかる。図１３中の等電力曲線は、このようにしてＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作状態から決定されるＶｉｎの動作条件を示している。
【００８８】
既に述べたとおり、Ｖｉｎの動作特性はＶ−ＰＳ線で表されるため、Ｖｉｎの動作点はＶ−ＰＳ線上になければならない。したがって、Ｖｉｎの動作点は、上記等電力曲線とＶ−ＰＳ線の交点として決定される。図１３中の点Ｂは、このようにして決定されるＶｉｎの動作点を表わしている。
【００８９】
以上の動作状態決定方法をまとめると、ＰＶ−Ｌの動作点は負荷電流ＩLoadにより直接決定され、Ｖｉｎの動作点は負荷電流ＩLoadとコンバータの入出力電圧の関係から間接的に決定されることになる。
【００９０】
実施例１と同様に、太陽電池セルＰＶ−Ｌと電源Ｖｉｎとの動作状態は、それぞれ別個に求めることができる。上記説明から明らかなとおり、まずＰＶ−Ｌの動作状態を求めるに際して、Ｖｉｎの動作特性及び動作状態は一切用いられてはいないし、またＶｉｎの動作状態を求めるに際しても、ＰＶ−Ｌの動作状態を用いてはいないからである。
【００９１】
図１３の下側のグラフは、太陽電池セルＰＶ−Ｌ，電源Ｖｉｎの動作特性、及び上述の方法により決定される太陽電池セル及び電源とコンバータの動作点を、電圧‐電力の次元で描いたものである。言い換えれば、図１３の下側のグラフは、図１３の上側のグラフの横軸上の値と、同じく上側のグラフにおける横軸上の値と縦軸上の値の積と、の関係を描いたものである。動作点Ａ，Ｂ，Ｃで表わされる各動作状態（電圧、電流）における電圧と電力は、それぞれ動作点ａ，ｂ，ｃの座標として表わされる。ただし、Ｖ−Ｌ曲線が電流を表わす縦軸に対して反転されていることに対応して、太陽電池セルＰ−ＶＬの電圧−電力特性を表わす曲線（図１３中のＰ−Ｌ曲線）は、図１３下側のグラフにおいて、電圧を表わす横軸及び電力を表す縦軸の両方に対し反転されている。
【００９２】
図１３で表わされる状態において、太陽電池セルＰＶ−ＬはＰ−Ｌ曲線上のａ点（動作電圧ＶL、電力ＰL）で動作しており、電源ＶｉｎはＰ−ＰＳで示される曲線（以下Ｐ−ＰＳ線）上のｂ点（動作電圧ＶPS、電力ＰPS）で動作しており、そしてコンバータ１０２は、損失が無いと仮定すればｃ点（動作電圧Ｖout＝ｄ×ＶPS、電力ＰPS）で動作している。負荷電力ＰLoadは、式（２）と同様にＰLとＰPSの和となる。
【００９３】
図１４は図１２のシステムを動作させた際の実験結果の例である。図１３で示した特性と同様の特性が測定されていることが分かる。なお、本件第３発明としての動作状態調整方法、及び本件第４発明としての太陽電池（及び電源）選択方法も、実施例１のシステムと同様に実施可能である。
【００９４】
図３及び図４を用いて説明した実施例１の太陽電池システムでは、太陽電池セルＰＶ−Ｕの発生しうる電力を有効活用できないという問題があった。しかし、上述のとおり図１２及び図１３を用いて説明した実施例２の太陽電池システムにおいてはＰＶ−Ｕが存在しないため、このような電力の有効活用の問題は生じない。すなわち実施例２のシステムにおいては、ＰＶ−Ｌのみに着目してコンバータの制御を行えばよい。ＰＶ−Ｌの発生電力が最大となるよう、ＰＶ−Ｌの電力を測定しつつコンバータ１０２の制御を行うことによって、太陽電池セルＰＶ−Ｌからほぼ最大限の電力を抽出することが可能である。また、ＰＶ−Ｌの電力を測定する代わりに負荷電力を測定しつつコンバータ１０２の制御を行ってもよい。あるいは、負荷電圧が一定の場合は、負荷電力を測定せずとも負荷電流のみの測定結果からコンバータ１０２の制御を行うことが可能である。
【実施例３】
【００９５】
図１５は、本件第１発明としての太陽電池システム２の第３実施例を示している。図３及び図１２の構成とは異なり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２が低電位側の太陽電池セルＰＶ−Ｌに接続されている。この構成において、ＰＶ−ＵとＰＶ−Ｌは直接に直列接続されてはおらず、ＰＶ−Ｕとコンバータの出力端子１１２、そしてコモン端子１１３が直列に接続されている。なお、Ｃｏｕｔ−ｄｃはコンバータの出力電圧平滑化用キャパシタである。この構成においても、図３に示した回路と同等の機能を得ることができる。具体的には、図３の太陽電池システムの動作に関する式（１）〜（７）において、ＩUとＩL，ＶUとＶL，及びＰUとＰLをそれぞれ交換することにより、図１５の太陽電池システム２の動作を表わす式が得られる。したがって、本件第２発明の動作点決定方法も、上記式と同様の置換を行うことにより、同様に適用可能である。本件第３発明、及び第４発明も同様に適用可能である。
【００９６】
図１６は、図１５の構成における太陽電池セルＰＶ−Ｌを電源Ｖｉｎに置き換えた構成である。この構成においても、図１２及び図１３を用いて説明したシステムと同等の機能を得ることができる。本件第２〜第４発明も、同様に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明を、太陽光発電、水力発電、風力発電等を電力源として用いる独立型電源システムとして利用することができる。本発明が教示する電源システムは低損失であり低価格化可能であるため、街灯や道路標識等、大量に生産消費される市場製品への応用に有利である。
【符号の説明】
【００９８】
１                      太陽電池システム
２                      太陽電池システム
１００                  太陽電池システム
１０１                  太陽電池モジュール
１０２                  ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０３                  負荷
１１１                  入力端子
１１２                  出力端子
１１３                  コモン端子
１１４                  スイッチングノード
１１５                  電源モジュール
ＰＶ−Ｌ，ＰＶ−Ｕ      太陽電池セル
Ｃｉｎ−Ｌ，Ｃｉｎ−Ｕ  電圧平滑化用キャパシタ
Ｃｏｕｔ                出力キャパシタ
Ｃｏｕｔ−ｄｃ          出力電圧平滑化用キャパシタ
Ｓｗ                    スイッチ
Ｌ                      コイル
Ｖｉｎ                  電源
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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