JP7842973B2 - Solar cell system - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池システムに係り、更に詳細には、駆動用の高電圧バッテリと電子機器用の低電圧バッテリとを備える車両に用いられる車載用太陽電池システムに関する。 This invention relates to a solar cell system, and more particularly to an on-board solar cell system used in a vehicle equipped with a high-voltage battery for propulsion and a low-voltage battery for electronic equipment.
太陽電池の発電電力を、電気自動車のモータ駆動用の高電圧バッテリや、車載電子機器用の低電圧バッテリ（補機バッテリ）に供給し、これらを充電することが行われている。 The electricity generated by solar panels is being supplied to high-voltage batteries for electric vehicle motors and low-voltage batteries (auxiliary batteries) for on-board electronic equipment, thereby charging them.
太陽電池の発電電力は日射量に応じて変動し、発電効率のよい最適動作点電圧が変わるので、そのときの最適動作点電圧に応じて充電先を発電効率よい電圧値のバッテリに変更するには、バッテリの充放電を制御する制御装置が必要であり、この制御装置は、通常、低電圧バッテリの電力を消費する。 The power generated by solar cells fluctuates depending on the amount of sunlight, and the optimal operating point voltage for efficient power generation changes accordingly. Therefore, to switch the charging destination to a battery with a voltage value that allows for efficient power generation according to the optimal operating point voltage at that time, a control device is required to control the charging and discharging of the battery. This control device typically consumes power from a low-voltage battery.
さらに、低電圧バッテリは、他の電子機器などにも電力を供給しており、太陽電池の発電電力を直接高電圧バッテリに充電していると、低電圧バッテリの電圧が下がり過ぎてしまうことがある。 Furthermore, low-voltage batteries also supply power to other electronic devices, and if the power generated by the solar panels is used to directly charge the high-voltage battery, the voltage of the low-voltage battery may drop too low.
特許文献１には、太陽電池の発電電力を降圧して低電圧バッテリに充電し、この低電圧バッテリの電力量が規定量以上になったら、低電圧バッテリの電圧を昇圧して高電圧バッテリに充電を行う車載充電制御装置が開示されている。この車載充電制御装置によれば、低電圧バッテリの電力量が下がり過ぎることを防止できる。 Patent Document 1 discloses an on-board charging control device that steps down the power generated by a solar cell to charge a low-voltage battery, and then, when the energy level of the low-voltage battery exceeds a specified amount, steps up the voltage of the low-voltage battery to charge a high-voltage battery. This on-board charging control device prevents the energy level of the low-voltage battery from dropping too low.
しかしながら、特許文献１に記載の車載充電制御装置にあっては、太陽電池と低電圧バッテリとの間、及び、低電圧バッテリと高電圧バッテリとの間に、それぞれコンバータが必要であり、低コスト化が困難である。 However, the in-vehicle charging control device described in Patent Document 1 requires converters between the solar cell and the low-voltage battery, and between the low-voltage battery and the high-voltage battery, making cost reduction difficult.
加えて、太陽電池の発電電力を高電圧バッテリに充電するには、電力変換に伴う損失が２段階で生じてしまう。 Furthermore, charging a high-voltage battery with electricity generated by solar panels involves two stages of power conversion losses.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、太陽電池からバッテリに充電する充電回路を簡素化し、発電電力損失の低減と低コスト化とが可能な車載用太陽電池システムを提供することにある。 This invention has been made in view of the problems of the prior art, and its objective is to provide an in-vehicle solar cell system that simplifies the charging circuit for charging a battery from a solar cell, thereby reducing power loss and lowering costs.
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、上記太陽電池の開放端電圧を低電圧バッテリ許容上限電圧よりも小さくして、太陽電池と低電圧バッテリとを直接接続し、この低電圧バッテリの電圧値に基づき、低電圧バッテリと高電圧バッテリとの間に設けた双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによって、これらバッテリの充放電を制御することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors, after diligent research to achieve the above objective, discovered that the objective can be achieved by making the open-circuit voltage of the solar cell lower than the allowable upper limit voltage of the low-voltage battery, directly connecting the solar cell and the low-voltage battery, and controlling the charging and discharging of these batteries using a bidirectional DC/DC converter installed between the low-voltage battery and the high-voltage battery based on the voltage value of the low-voltage battery. This led to the completion of the present invention.
即ち、本発明の太陽電池システムは、太陽電池と、低電圧バッテリと、上記低電圧バッテリの電圧値よりも電圧値が高い高電圧バッテリと、電力変換装置と、上記電力変換装置の動作を制御する制御装置と、を備える。
そして、上記太陽電池の開放端電圧が、上記低電圧バッテリの許容上限電圧以下であり、上記太陽電池と上記低電圧バッテリとが直接接続され、上記低電圧バッテリと上記高電圧バッテリとが上記電力変換装置を介して接続されており、上記電力変換装置が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、上記制御装置が、上記低電圧バッテリの電圧値に基づいて上記電力変換装置を制御することを特徴とする。
In other words, the solar cell system of the present invention comprises a solar cell, a low-voltage battery, a high-voltage battery with a voltage value higher than that of the low-voltage battery, a power conversion device, and a control device for controlling the operation of the power conversion device.
Furthermore, the open-circuit voltage of the solar cell is less than or equal to the allowable upper limit voltage of the low-voltage battery, the solar cell and the low-voltage battery are directly connected, the low-voltage battery and the high-voltage battery are connected via the power conversion device, the power conversion device is a bidirectional DC/DC converter, and the control device controls the power conversion device based on the voltage value of the low-voltage battery.
本発明によれば、太陽電池の開放端電圧を低電圧バッテリの許容上限電圧よりも小さくして太陽電池と上記低電圧バッテリとが直接接続し、低電圧バッテリの電圧値に基づいて、低電圧バッテリと高電圧バッテリとの間に設けた双方向ＤＣ／ＤＣコンバータにより、これらのバッテリの充放電を制御することとしたため、充電回路が簡素化されると共に、太陽電池―低電圧バッテリ間における電力損失が防止された、車載用太陽電池システムを提供することができる。 According to the present invention, by making the open-circuit voltage of the solar cell lower than the allowable upper limit voltage of the low-voltage battery and directly connecting the solar cell and the low-voltage battery, and by controlling the charging and discharging of these batteries using a bidirectional DC/DC converter installed between the low-voltage battery and the high-voltage battery based on the voltage value of the low-voltage battery, the charging circuit is simplified and power loss between the solar cell and the low-voltage battery is prevented, thereby providing an in-vehicle solar cell system.
本発明の太陽電池システムについて詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の太陽電池システムは、太陽電池と、低電圧バッテリと、高電圧バッテリと、電力変換装置と、制御装置と、を備える。
The solar cell system of the present invention will be described in detail.
As shown in Figure 1, the solar cell system of the present invention comprises a solar cell, a low-voltage battery, a high-voltage battery, a power conversion device, and a control device.
上記低電圧バッテリは、車載されている電子機器などに電力を供給するバッテリである。
上記高電圧バッテリは、上記低電圧バッテリの電圧値よりも電圧値が高いバッテリであり、駆動用モータなどに電力を供給する。
上記太陽電池と上記低電圧バッテリとは直接接続されており、上記低電圧バッテリと上記高電圧バッテリとは上記電力変換装置を介して接続されている。
The low-voltage battery mentioned above is a battery that supplies power to electronic devices and other equipment installed in a vehicle.
The high-voltage battery mentioned above is a battery with a higher voltage value than the low-voltage battery mentioned above, and supplies power to the drive motor and other components.
The solar cell and the low-voltage battery are directly connected, and the low-voltage battery and the high-voltage battery are connected via the power conversion device.
本発明の太陽電池システムは、太陽電池の開放端電圧が低電圧バッテリの許容上限電圧以下であるので、太陽電池の発電電力を降圧することなくそのまま低電圧バッテリに充電することが可能である。したがって、太陽電池－低電圧バッテリ間のコンバータが不要であり、充電回路が簡素化されて低コスト化できると共に、コンバータによる電力損失を防止できる。 In the solar cell system of the present invention, since the open-circuit voltage of the solar cell is below the allowable upper limit voltage of the low-voltage battery, the power generated by the solar cell can be used to charge the low-voltage battery directly without stepping down the voltage. Therefore, a converter between the solar cell and the low-voltage battery is unnecessary, simplifying the charging circuit, reducing costs, and preventing power loss due to the converter.
上記太陽電池の開放端電圧の下限値は、低電圧バッテリに充電可能な電圧を有していれば特に制限はないが、充電効率の観点から高い方が好ましい。 The lower limit of the open-circuit voltage of the above-mentioned solar cell is not particularly limited as long as it has a voltage sufficient to charge a low-voltage battery; however, a higher value is preferable from the viewpoint of charging efficiency.
なお、本発明において「許容上限電圧」とは、過充電によるバッテリの故障を防止するために予め設定された上限の電圧であって、バッテリが１００％充電されたときの電圧をいい、「許容下限電圧」とは、過放電によるバッテリの劣化を防止するために、予め設定されている電圧をいい、これらは制御装置に記憶されている。 In this invention, "allowable upper voltage limit" refers to the upper voltage limit set in advance to prevent battery failure due to overcharging, and is the voltage when the battery is 100% charged. "Allowable lower voltage limit" refers to the voltage set in advance to prevent battery degradation due to over-discharge. These limits are stored in the control device.
太陽電池は、日射量によるその発電出力電圧の変動が抑えられたものであることが好ましい。太陽電池の一部に影がかかった場合、太陽電池単セルや太陽電池モジュールが直列接続された太陽電池であると、発電出力電圧が低下してしまう。
太陽電池の構成を太陽電池単セルや太陽電池モジュールが主に並列接続された構成とすることで、発電出力電圧の変動が抑えられ、低電圧バッテリの電圧値により太陽電池の発電電圧値を最適動作電圧に制御することが可能である。
Solar cells are preferably designed to minimize fluctuations in their output voltage due to the amount of sunlight. If part of a solar cell is shaded, the output voltage will decrease, especially in the case of single solar cells or solar modules connected in series.
By configuring the solar cell system primarily with single solar cells or solar cell modules connected in parallel, fluctuations in the output voltage can be suppressed, and the output voltage of the solar cell can be controlled to the optimal operating voltage by the voltage value of the low-voltage battery.
また、低電圧バッテリと高電圧バッテリとの間に設けられた電力変換装置が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであるので、低電圧バッテリと高電圧バッテリとの間で相互に充電を行うことが可能であり、制御装置は低電圧バッテリの電圧値に基づいて電力変換装置を制御し、低電圧バッテリ－高電圧バッテリ間の電力供給を相互に行う。 Furthermore, since the power conversion device installed between the low-voltage battery and the high-voltage battery is a bidirectional DC/DC converter, mutual charging between the low-voltage and high-voltage batteries is possible. The control device controls the power conversion device based on the voltage value of the low-voltage battery, and mutual power supply between the low-voltage and high-voltage batteries is performed.
したがって、低電圧バッテリから高電圧バッテリに電力を供給して高電圧バッテリを充電するだけでなく、太陽電池から発電電力が供給されず、低電圧バッテリの電圧が下がったときには、高電圧バッテリから低電圧バッテリに電力を供給し充電することができる。 これにより、低電圧バッテリが過放電となって電圧が下がり過ぎることを防止でき、低電圧バッテリの劣化を抑止できる。 Therefore, in addition to supplying power from the low-voltage battery to the high-voltage battery to charge it, when the solar panel is not supplying power and the voltage of the low-voltage battery drops, power can be supplied from the high-voltage battery to charge it. This prevents the low-voltage battery from being over-discharged and dropping too low in voltage, thus suppressing its degradation.
上記制御装置は、太陽電池の最適動作点電圧に応じて、低電圧バッテリ－高電圧バッテリ間の充電制御を行う基準となる電圧値を設定し、低電圧バッテリの電圧値と、設定した基準となる電圧値とを比べて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、低電圧バッテリ－高電圧バッテリ間で相互に電力を供給する。 The control device described above sets a reference voltage value for controlling charging between the low-voltage and high-voltage batteries according to the optimal operating point voltage of the solar cell. It then compares the voltage value of the low-voltage battery with the set reference voltage value to control the bidirectional DC/DC converter, thereby supplying power to both the low-voltage and high-voltage batteries.
具体的には、制御装置は太陽電池の最適動作点電圧を得て、予め記憶された低電圧バッテリが正常に動作する電圧値の範囲内で、下記式（１）、式（２）及び式（３）の関係を同時に満たす、低電圧バッテリの電圧値を制御する基準となる電圧値を設定する。
（第１充電電圧上限値－最適動作点電圧）×２＜（最適動作点電圧－第１放電電圧下限値）・・・式（１）
許容上限電圧値≧第１充電電圧上限値＞第１放電電圧下限値＞第２放電電圧下限値≧許容下限電圧値 ・・・式（２）
許容上限電圧値≧第１充電電圧上限値＞第２充電電圧上限値＞第２放電電圧下限値≧許容下限電圧値 ・・・式（３）
但し、上記式（１）～（３）中、
許容上限電圧は、低電圧バッテリが過充電とならない上限の電圧値であり、許容下限電圧値低電圧バッテリが過放電とならない下限の電圧値である。
また、第１充電電圧上限値は、太陽電池から低電圧バッテリに充電が行われているときに低電圧バッテリを充電するときの上限電圧値であり、第１放電電圧下限値は、太陽電池から低電圧バッテリに充電が行われているときに低電圧バッテリを放電させるときの下限電圧値であり、
第２充電電圧上限値は、太陽電池から低電圧バッテリに電力の供給が行われていないときに低電圧バッテリを充電するときの上限電圧値であり、第２放電電圧下限値は太陽電池から低電圧バッテリに電力の供給が行われていないときに低電圧バッテリを放電させるときの下限電圧値である。
Specifically, the control device obtains the optimal operating point voltage of the solar cell and sets a reference voltage value for controlling the voltage of the low-voltage battery that simultaneously satisfies the relationships between equations (1), (2), and (3) below, within the range of voltage values in which the low-voltage battery operates normally, which has been stored in advance.
(First charging voltage upper limit - Optimal operating point voltage) × 2 < (Optimal operating point voltage - First discharge voltage lower limit) ... Equation (1)
Allowable upper voltage value ≥ First charging voltage upper limit > First discharge voltage lower limit > Second discharge voltage lower limit ≥ Allowable lower voltage value ... Equation (2)
Allowable upper voltage limit ≥ First charging voltage upper limit > Second charging voltage upper limit > Second discharge voltage lower limit ≥ Allowable lower voltage limit ... Equation (3)
However, in the above formulas (1) to (3),
The permissible upper voltage limit is the maximum voltage value at which a low-voltage battery will not be overcharged, and the permissible lower voltage limit is the minimum voltage value at which a low-voltage battery will not be over-discharged.
Furthermore, the first charging voltage upper limit is the upper voltage value when charging the low-voltage battery from the solar cell, and the first discharge voltage lower limit is the lower voltage value when discharging the low-voltage battery from the solar cell.
The second charging voltage upper limit is the upper voltage value when charging the low-voltage battery when no power is being supplied from the solar cell to the low-voltage battery, and the second discharge voltage lower limit is the lower voltage value when discharging the low-voltage battery when no power is being supplied from the solar cell to the low-voltage battery.
本発明の太陽電池システムは、太陽電池と低電圧バッテリとが直接接続されており、太陽電池と低電圧バッテリとの電圧が同じになるので、太陽電池の発電効率だけでなく、低電圧バッテリへの充電効率をも考慮する必要がある。 In the solar cell system of this invention, the solar cell and the low-voltage battery are directly connected, and since the voltages of the solar cell and the low-voltage battery are the same, it is necessary to consider not only the power generation efficiency of the solar cell but also the charging efficiency of the low-voltage battery.
このような太陽電池システムにおいては、低電圧バッテリとの電圧が最適動作点電圧から離れると、最適動作点電圧よりも高電圧側では低電圧側よりも急激に効率が低下するので、太陽電池から低電圧バッテリへの充電が行われているときの動作範囲を低電圧側が広くなるように設定する。 In such a solar cell system, as the voltage between the solar cell and the low-voltage battery deviates from the optimal operating point voltage, the efficiency decreases more rapidly at higher voltages than at lower voltages. Therefore, the operating range during charging from the solar cell to the low-voltage battery is set to be wider at lower voltages.
上記式（１）を満たす、第１充電電圧上限値と第１放電電圧下限値とを設定し、これらの間で太陽電池から低電圧バッテリに充電を行うことで、太陽電池の発電効率と太陽電池から低電圧バッテリへの充電効率とを両立させ、高効率な充電が可能である。 By setting a first charging voltage upper limit and a first discharge voltage lower limit that satisfy the above formula (1), and charging the low-voltage battery from the solar cell within these limits, it is possible to achieve both the power generation efficiency of the solar cell and the charging efficiency from the solar cell to the low-voltage battery, enabling highly efficient charging.
そして、上記低電圧バッテリの電圧値が、第１充電電圧上限値を超えたときに低電圧バッテリから高電圧バッテリに電力を供給し、第１放電電圧下限値以下になったときに低電圧バッテリから高電圧バッテリへの電力供給を停止する。
これにより、太陽電池の発電電力によって低電圧バッテリが過充電になることが防止される。
Then, when the voltage value of the low-voltage battery exceeds the first upper limit of the charging voltage, power is supplied from the low-voltage battery to the high-voltage battery, and when it falls below the first lower limit of the discharge voltage, the power supply from the low-voltage battery to the high-voltage battery is stopped.
This prevents the low-voltage battery from being overcharged by the power generated by the solar panels.
また、第２放電電圧下限値以下になったときに高電圧バッテリから低電圧バッテリに電力を供給し、第２充電電圧上限値を超えたときに高電圧バッテリから低電圧バッテリへの電力供給を停止する。
これにより、低電圧バッテリの電圧が下がり過ぎることを防止でき、低電圧バッテリの劣化を抑止できる。
Furthermore, when the second discharge voltage falls below the lower limit, power is supplied from the high-voltage battery to the low-voltage battery, and when the second charge voltage exceeds the upper limit, power supply from the high-voltage battery to the low-voltage battery is stopped.
This prevents the voltage of the low-voltage battery from dropping too low, thus suppressing its degradation.
上記最適動作点電圧は、図２に示すように、太陽電池の温度と日射量とによって変化する。最適動作点電圧は、予め制御装置に記憶しておいた、図２に示すような太陽電池の温度及び日射量と、最適動作点電圧との関係と、太陽電池に設けられた温度センサや日射量センサから得られた温度及び日射量と、から得ることができる。 The optimal operating point voltage, as shown in Figure 2, changes depending on the temperature and solar irradiance of the solar cell. The optimal operating point voltage can be obtained from the relationship between the solar cell temperature and solar irradiance (as shown in Figure 2), which is pre-stored in the control device, and the temperature and solar irradiance obtained from temperature sensors and solar irradiance sensors installed on the solar cell.
太陽電池の温度が得られないときは、予め設定された太陽電池の温度と日射量との関係のうち、最も高い太陽電池の温度における日射量と最適動作電圧との関係から求められる最適動作電圧を、最適動作電圧として設定してもよい。 If the solar cell temperature cannot be obtained, the optimal operating voltage may be set as the optimal operating voltage, which is determined from the relationship between the solar radiation at the highest solar cell temperature and the optimal operating voltage, based on a pre-set relationship between solar cell temperature and solar radiation.
上記制御装置は、低電圧バッテリから高電圧バッテリに電力を供給する際の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの通過電力を、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが連続動作状態で使用できる最大電力（以下、「定格電力」という。）の１０％以上に制御することが好ましい。 The control device described above preferably controls the power passing through the bidirectional DC/DC converter when supplying power from a low-voltage battery to a high-voltage battery to 10% or more of the maximum power that the bidirectional DC/DC converter can use in continuous operation (hereinafter referred to as "rated power").
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、通過電力が小さくなるとの変換効率が低下するので、低電圧バッテリから高電圧バッテリに電力を供給する際の通過電力はその定格電力になるように設定することが好ましく、定格電力の１０％以上の通過電力に制御することで、電力変換に伴う損失を低減することができる。なお、上記定格電力は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを通過させる電力の上限値として、予め制御装置に記憶されている。 In a bidirectional DC/DC converter, the conversion efficiency decreases as the transmitted power decreases. Therefore, it is preferable to set the transmitted power when supplying power from a low-voltage battery to a high-voltage battery to its rated power. By controlling the transmitted power to 10% or more of the rated power, losses associated with power conversion can be reduced. The above-mentioned rated power is stored in the control device in advance as the upper limit of the power transmitted through the bidirectional DC/DC converter.
また、高電圧バッテリから低電圧バッテリに電力を供給する際の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの通過電力は、上記コンバータの定格電力に設定してもよく、後述する低電圧バッテリの内部電圧が第２充電電圧上限値となるように制御してもよい。 Furthermore, the power passed through the bidirectional DC/DC converter when supplying power from the high-voltage battery to the low-voltage battery may be set to the rated power of the converter, or it may be controlled so that the internal voltage of the low-voltage battery, as described later, becomes the upper limit of the second charging voltage.
上記制御装置は、低電圧バッテリの外部電圧（端子間の電圧）を低電圧バッテリの電圧値としてもよいが、内部電圧を低電圧バッテリの電圧値とすることが好ましい。 The control device described above may use the external voltage (voltage between terminals) of the low-voltage battery as the low-voltage battery voltage value, but it is preferable to use the internal voltage as the low-voltage battery voltage value.
低電圧バッテリの内部電圧、外部電圧、内部抵抗及び充電電流の関係を図３に示す。
図３に示すように、バッテリの内部には抵抗成分があるため、低電圧バッテリを充電又は放電する際の電流の影響によって外部電圧の値が変動する。
Figure 3 shows the relationship between the internal voltage, external voltage, internal resistance, and charging current of a low-voltage battery.
As shown in Figure 3, because there is a resistive component inside the battery, the value of the external voltage fluctuates due to the influence of the current when charging or discharging a low-voltage battery.
つまり、充電時には外部電圧が内部電圧よりも高くなり、放電時には外部電圧が内部電圧よりも低くなる。したがって、図４，５に示すように、低電圧バッテリ－高電圧バッテリ間の電力の供給方向を切り替えることによって外部電圧が変動し、この変動によって外部電圧が切り替えたばかりの電力の供給方向とは逆方向に電力を供給するような電圧値を示してしてしまう。 In other words, during charging, the external voltage is higher than the internal voltage, and during discharge, the external voltage is lower than the internal voltage. Therefore, as shown in Figures 4 and 5, switching the power supply direction between the low-voltage and high-voltage batteries causes the external voltage to fluctuate. This fluctuation results in the external voltage showing a value that supplies power in the opposite direction to the power supply direction that was just switched.
制御装置が低電圧バッテリの内部電圧に基づいて、電力変換装置の制御を行うことにより、充放電の電流による外部電圧の変動の影響が排除され、電力変換装置の切り替え制御が頻繁に行われることを防止できる。 By having the control device control the power converter based on the internal voltage of the low-voltage battery, the influence of fluctuations in external voltage caused by charge/discharge currents is eliminated, preventing frequent switching of the power converter.
低電圧バッテリの内部電圧は、測定された低電圧バッテリの外部電圧及び低電圧バッテリの充電電流と、予め設定された低電圧バッテリの内部抵抗とから、下記式（４）により算出できる。
内部電圧＝外部電圧－内部抵抗×充電電流 ・・・式（４）
The internal voltage of a low-voltage battery can be calculated from the measured external voltage of the low-voltage battery, the charging current of the low-voltage battery, and the preset internal resistance of the low-voltage battery using the following formula (4).
Internal voltage = External voltage - Internal resistance × Charging current ...Equation (4)
また、電力変換装置の不要な切り替え制御は、充放電により変動した電圧値を考慮して第１放電電圧下限値、及び第２充電電圧上限値を設定することにより防止できる。 Furthermore, unnecessary switching control of the power converter can be prevented by setting a first discharge voltage lower limit and a second charge voltage upper limit, taking into account the voltage values that fluctuate due to charging and discharging.
低電圧バッテリを充電状態から放電状態に切り替えるときには、図４に示すよう電圧が低下するので、充放電の影響により低下した電圧よりも第１放電電圧下限値を低く設定する。 When switching a low-voltage battery from a charging state to a discharging state, the voltage drops as shown in Figure 4. Therefore, the first discharge voltage lower limit should be set lower than the voltage drop caused by the effects of charging and discharging.
具体的には、第１放電電圧下限値を、下記式（５）を満たすように設定することで、電力変換装置の不要な切り替え制御を防止できる。
第１放電電圧下限値＜［第１充電電圧上限値＋(第１充電電圧上限値２－４×第１目標電力＋太陽電池の定格出力×低電圧バッテリの内部抵抗)０．５］×０．５ ・・・式（５）
Specifically, by setting the first discharge voltage lower limit to satisfy the following equation (5), unnecessary switching control of the power converter can be prevented.
Lower limit of first discharge voltage < [Upper limit of first charge voltage + (Upper limit of first charge voltage 2 - 4 × first target power + rated output of solar cell × internal resistance of low-voltage battery) 0.5 ] × 0.5 ... Equation (5)
また、低電圧バッテリを放電状態から充電状態に切り替えるときには、図５に示すよう電圧が上昇するので、充放電の影響により上昇した電圧よりも第２充電電圧上限値を高く設定する。 Furthermore, when switching a low-voltage battery from a discharged state to a charging state, the voltage increases as shown in Figure 5. Therefore, the upper limit of the second charging voltage should be set higher than the voltage increase caused by the effects of charging and discharging.
具体的には、第２充電電圧上限値を、下記式（６）を満たすように設定することで、電力変換装置の不要な切り替え制御を防止できる。
第２充電電圧上限値＞第２放電電圧下限値＋（第２目標電力＋太陽電池の定格電力）／第２放電電圧下限値×低電圧バッテリの内部抵抗 ・・・式（６）
Specifically, by setting the upper limit of the second charging voltage to satisfy the following equation (6), unnecessary switching control of the power converter can be prevented.
Second charging voltage upper limit > Second discharge voltage lower limit + (Second target power + Rated power of solar cell) / Second discharge voltage lower limit × Internal resistance of low-voltage battery ... Equation (6)
但し、式（５）、式（６）中、第１目標電力は、太陽電池から低電圧バッテリに充電が行われているときに電力変換装置を通過する電力であり、第２目標電力は、第２目標電力は、太陽電池から低電圧バッテリに充電が行われているときに電力変換装置を通過する電力である。
また、太陽電池の定格電力は、ＪＩＳ Ｃ８９１８に規定される標準試験条件における電力であり、予め制御装置に記憶されている。
However, in equations (5) and (6), the first target power is the power that passes through the power converter when the solar cell is charging the low-voltage battery, and the second target power is the power that passes through the power converter when the solar cell is charging the low-voltage battery.
Furthermore, the rated power of the solar cell is the power under the standard test conditions specified in JIS C8918, and is pre-stored in the control device.
次に、制御装置の動作について説明する。
制御装置の動作を示すフローチャートを図６に示す。
Next, the operation of the control device will be explained.
Figure 6 shows a flowchart illustrating the operation of the control device.
制御装置は、先ず、温度センサより太陽電池の温度を取得し、日射センサより日射量を取得する（ステップＳ１）。 The control device first obtains the temperature of the solar cell from the temperature sensor and the amount of solar radiation from the solar radiation sensor (step S1).
ステップＳ１で取得した太陽電池温度と日射量とから、太陽電池の最適動作点電圧を取得する（ステップＳ２）。最適動作点電圧は、予め設定された太陽電池の温度と日射量との関係から設定される。
なお、日射量センサから日射量が得られない場合は日時から日射量を推定してもよい。
また、太陽電池の温度が得られないときは、予め設定された太陽電池の温度と日射量との関係のうち、最も高い太陽電池の温度と日射量との関係から求められた最適動作電圧を、最適動作電圧とする。
Step S2 obtains the optimal operating point voltage of the solar cell from the solar cell temperature and solar irradiance obtained in step S1. The optimal operating point voltage is set based on a predetermined relationship between the solar cell temperature and solar irradiance.
If solar radiation cannot be obtained from the solar radiation sensor, the solar radiation may be estimated from the date and time.
Furthermore, if the temperature of the solar cell cannot be obtained, the optimal operating voltage will be determined from the relationship between the solar cell temperature and solar irradiance that is highest among the pre-set relationships between solar cell temperature and solar irradiance.
ステップＳ２で取得した太陽電池の最適動作点電圧と、上記式（１）～（３）及び式（５）、式（６）とを用いて、制御の基準となる、第１充電電圧上限値、第１放電電圧下限値、第２充電電圧上限値及び第２放電電圧下限値を設定する（ステップＳ３）。 Using the optimal operating point voltage of the solar cell obtained in step S2, and equations (1) to (3) and equations (5) and (6) above, the first upper limit of the charging voltage, the first lower limit of the discharging voltage, the second upper limit of the charging voltage, and the second lower limit of the discharging voltage, which serve as the control reference, are set (step S3).
電圧センサより低電圧バッテリの外部電圧（端子電圧）を取得し、電流センサより低電圧バッテリ充電電流を取得する（ステップＳ４）。 The external voltage (terminal voltage) of the low-voltage battery is obtained from the voltage sensor, and the charging current of the low-voltage battery is obtained from the current sensor (step S4).
ステップＳ４で取得した外部電圧及び充電電流と、予め制御装置に記憶されている低電圧バッテリの内部抵抗とから、上記式（４）によって低電圧バッテリの内部電圧を取得する（ステップＳ５）。 In step S4, the internal voltage of the low-voltage battery is obtained from the external voltage and charging current acquired, and the internal resistance of the low-voltage battery, which is pre-stored in the control device, using the above formula (4) (step S5).
低電圧バッテリの内部電圧が、第１充電電圧上限値よりも大きいかどうかを判定する。
Ｙｅｓの場合はＳ７に進み。Ｎｏの場合はステップＳ１０に進む（ステップＳ６）。
Determine whether the internal voltage of the low-voltage battery is greater than the first upper limit of the charging voltage.
If the answer is Yes, proceed to step S7. If the answer is No, proceed to step S10 (step S6).
上記ステップＳ６での判定がＹｅｓの場合は、電力変換装置の電力供給方向を低電圧バッテリから高電圧バッテリに設定する（ステップＳ７）。 If the determination in step S6 is Yes, the power supply direction of the power converter is set from the low-voltage battery to the high-voltage battery (step S7).
再度、電圧センサより低電圧バッテリの外部電圧（端子電圧）を取得し、電流センサより低電圧バッテリ充電電流を取得し、上記式（４）によって低電圧バッテリの内部電圧を取得する（ステップＳ８）。 Again, the external voltage (terminal voltage) of the low-voltage battery is obtained from the voltage sensor, the charging current of the low-voltage battery is obtained from the current sensor, and the internal voltage of the low-voltage battery is obtained using the above formula (4) (step S8).
ステップＳ８で取得した低電圧バッテリ内部電圧が、第１放電電圧下限値以下かどうかを判定し、Ｎｏの場合はＹｅｓになるまでステップＳ６に戻って繰り返し、ＹｅｓになったらステップＳ１に戻る（ステップＳ９）。 In step S8, determine whether the low-voltage battery internal voltage obtained is below the first discharge voltage lower limit. If the result is No, return to step S6 and repeat until the result is Yes. Once the result is Yes, return to step S1 (step S9).
上記ステップＳ６での判定がＮｏの場合の場合は、低電圧バッテリ内部電圧が、第２放電電圧下限値以下かどうかを判定する。Ｙｅｓの場合はステップＳ１１に進み。Ｎｏの場合はステップＳ１に戻る（ステップＳ１０）。 If the determination in step S6 is No, then it is determined whether the internal voltage of the low-voltage battery is below the second discharge voltage lower limit. If Yes, proceed to step S11. If No, return to step S1 (step S10).
上記ステップＳ１０での判定がＹｅｓの場合は、電力変換装置の電力供給方向を高電圧バッテリから低電圧バッテリに設定する（ステップＳ１１）。 If the determination in step S10 is Yes, the power supply direction of the power converter is set from the high-voltage battery to the low-voltage battery (step S11).
再度、電圧センサより低電圧バッテリの外部電圧（端子電圧）を取得し、電流センサより低電圧バッテリ充電電流を取得し、上記式（４）によって低電圧バッテリの内部電圧を取得する（ステップＳ１２）。 Again, the external voltage (terminal voltage) of the low-voltage battery is obtained from the voltage sensor, the charging current of the low-voltage battery is obtained from the current sensor, and the internal voltage of the low-voltage battery is obtained using the above formula (4) (step S12).
ステップＳ１２で取得した低電圧バッテリ内部電圧が、第２充電電圧上限値よりも大きいかどうかを判定し、Ｎｏの場合はＹｅｓになるまでステップＳ１２に戻って繰り返し、ＹｅｓになったらステップＳ１に戻る（ステップＳ１３）。 In step S12, determine whether the low-voltage battery internal voltage obtained is greater than the second charging voltage upper limit. If the result is No, return to step S12 and repeat until the result is Yes. Once the result is Yes, return to step S1 (step S13).
このように、低電圧バッテリの電圧値に基づいて、低電圧バッテリ－高電圧バッテリ間の電力供給を行うことで、簡易な回路構成で太陽電池の出力電圧を最適動作点電圧に追従させることができると共に、太陽電池－低電圧バッテリ間における電力変換に伴う損失を防止できる。 In this way, by supplying power between the low-voltage battery and the high-voltage battery based on the voltage value of the low-voltage battery, the output voltage of the solar cell can be made to follow the optimal operating point voltage with a simple circuit configuration, and losses associated with power conversion between the solar cell and the low-voltage battery can be prevented.
Claims (8)
上記太陽電池の開放端電圧が、上記低電圧バッテリの許容上限電圧以下であり、
上記太陽電池と上記低電圧バッテリとが直接接続され、上記低電圧バッテリと上記高電圧バッテリとが上記電力変換装置を介して接続されており、
上記電力変換装置が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
上記制御装置が、上記低電圧バッテリの電圧値に基づいて上記電力変換装置を制御することを特徴とする太陽電池システム。
A solar cell system comprising a solar cell, a low-voltage battery, a high-voltage battery with a voltage value higher than that of the low-voltage battery, a power converter, and a control device for controlling the operation of the power converter,
The open-circuit voltage of the above solar cell is less than or equal to the allowable upper limit voltage of the above low-voltage battery.
The solar cell and the low-voltage battery are directly connected, and the low-voltage battery and the high-voltage battery are connected via the power conversion device.
The above power conversion device is a bidirectional DC/DC converter,
A solar cell system characterized in that the control device controls the power converter based on the voltage value of the low-voltage battery.
太陽電池の最適動作点電圧を得て、
下記式（１）、式（２）及び式（３）の関係を同時に満たす、低電圧バッテリの電圧値を制御する基準となる電圧値を設定し、
上記低電圧バッテリの電圧値が、
第１充電上限値を超えたときに低電圧バッテリから高電圧バッテリに電力を供給し、第１放電電圧下限値以下になったときに低電圧バッテリから高電圧バッテリへの電力供給を停止し、
第２放電電圧下限値以下になったときに高電圧バッテリから低電圧バッテリに電力を供給し、第２充電電圧上限値を超えたときに高電圧バッテリから低電圧バッテリへの電力供給を停止することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池システム。
（第１充電電圧上限値－最適動作点電圧）×２＜（最適動作点電圧－第１放電電圧下限値）・・・式（１）
許容上限電圧値≧第１充電電圧上限値＞第１放電電圧下限値＞第２放電電圧下限値≧許容下限電圧値 ・・・式（２）
許容上限電圧値≧第１充電電圧上限値＞第２充電電圧上限値＞第２放電電圧下限値≧許容下限電圧値 ・・・式（３）
但し、上記式（１）～（３）中、
許容上限電圧は、低電圧バッテリが過充電とならない上限の電圧値であり、許容下限電圧値低電圧バッテリが過放電とならない下限の電圧値である。
第１充電上限値は、電力変換装置が停止している際の電圧上限値であり、電力変換装置による低電圧バッテリの放電を開始するための閾値である。また、第１放電下限値は電力変換装置による低電圧バッテリの放電を停止するための閾値である。
第２放電電圧下限値は、電力変換装置が停止している際の電圧下限値であり、電力変換装置による低電圧バッテリの充電を開始するための閾値である。また、第１放電下限値は電力変換装置による低電圧バッテリの充電を停止するための閾値である。
The above control device is
Obtain the optimal operating point voltage of the solar cell,
Set a reference voltage value for controlling the voltage value of a low-voltage battery that simultaneously satisfies the relationships of equations (1), (2), and (3) below.
The voltage value of the above low-voltage battery is
When the first charge limit is exceeded, power is supplied from the low-voltage battery to the high-voltage battery, and when the discharge voltage falls below the first discharge limit, power supply from the low-voltage battery to the high-voltage battery is stopped.
The solar cell system according to claim 1, characterized in that power is supplied from the high-voltage battery to the low-voltage battery when the second discharge voltage falls below the lower limit, and power supply from the high-voltage battery to the low-voltage battery is stopped when the second charge voltage exceeds the upper limit.
(First charging voltage upper limit - Optimal operating point voltage) × 2 < (Optimal operating point voltage - First discharge voltage lower limit) ... Equation (1)
Allowable upper voltage value ≥ First charging voltage upper limit > First discharge voltage lower limit > Second discharge voltage lower limit ≥ Allowable lower voltage value ... Equation (2)
Allowable upper voltage limit ≥ First charging voltage upper limit > Second charging voltage upper limit > Second discharge voltage lower limit ≥ Allowable lower voltage limit ... Equation (3)
However, in the above formulas (1) to (3),
The permissible upper voltage limit is the maximum voltage value at which a low-voltage battery will not be overcharged, and the permissible lower voltage limit is the minimum voltage value at which a low-voltage battery will not be over-discharged.
The first upper charge limit is the upper voltage limit when the power converter is stopped, and is the threshold for the power converter to start discharging the low-voltage battery. The first lower discharge limit is the threshold for the power converter to stop discharging the low-voltage battery.
The second discharge voltage lower limit is the voltage lower limit when the power converter is stopped, and is the threshold for the power converter to start charging the low-voltage battery. The first discharge voltage lower limit is the threshold for the power converter to stop charging the low-voltage battery.
The solar cell system according to claim 2, characterized in that the above-mentioned optimal operating point voltage is set from a predetermined relationship between the temperature of the solar cell and the amount of solar radiation.
予め設定された太陽電池の温度と日射量との関係のうち、最も高い太陽電池の温度と日射量との関係から求められた最適動作電圧を、最適動作電圧とすることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池システム。
When the temperature of the solar cell cannot be obtained,
The solar cell system according to claim 2, characterized in that the optimal operating voltage is the optimal operating voltage determined from the relationship between the temperature and solar radiation of the solar cell with the highest temperature and solar radiation among the relationships between the temperature and solar radiation of the solar cell that are set in advance.
低電圧バッテリから高電圧バッテリに電力を供給する際、
上記電力変換装置の通過電力を、予め設定された連続動作状態で使用できる最大電力の１０％以上に制御することを特徴とする請求項２に記載の太陽電池システム。
The above control device is
When supplying power from a low-voltage battery to a high-voltage battery,
The solar cell system according to claim 2, characterized in that the power passing through the power converter is controlled to 10% or more of the maximum power that can be used in a preset continuous operation state.
The solar cell system according to claim 5, characterized in that the control device sets the internal voltage of the low-voltage battery to the voltage value of the low-voltage battery and controls the power conversion device.
低電圧バッテリから高電圧バッテリに電力を供給する際、
上記第１放電下限値を、下記式（５）を満たす値に設定することを特徴とする請求項６に記載の太陽電池システム。
第１放電下限値＜［第１充電電圧上限値＋(第１充電電圧上限値２－４×第１目標電力＋太陽電池の定格出力×低電圧バッテリの内部抵抗)０．５］×０．５ ・・・式（５）
但し、式（５）中、第１目標電力は、電力変換装置により低電圧バッテリを放電する際の電力変換装置を通過させる電力である。
The above control device is
When supplying power from a low-voltage battery to a high-voltage battery,
The solar cell system according to claim 6, characterized in that the above-mentioned first discharge lower limit is set to a value that satisfies the following formula (5).
First discharge lower limit < [First charging voltage upper limit + (First charging voltage upper limit 2 - 4 × First target power + Rated output of solar cell × Internal resistance of low-voltage battery) 0.5 ] × 0.5 ... Equation (5)
However, in equation (5), the first target power is the power that passes through the power converter when the low-voltage battery is discharged by the power converter.
高電圧バッテリから低電圧バッテリに電力を供給する際、
第２充電上限値を、下記式（６）を満たす値に設定することを特徴とする請求項６に記載の太陽電池システム。
第２充電上限値＞第２放電電圧下限値＋（第２目標電力＋太陽電池の定格電力）／第２放電電圧下限値×低電圧バッテリの内部抵抗 ・・・式（６）
但し、式（６）中、第２目標電力は、電力変換装置により低電圧バッテリを充電する際の電力変換装置を通過させる電力である。 The above control device is
When supplying power from a high-voltage battery to a low-voltage battery,
The solar cell system according to claim 6, characterized in that the second upper limit of charging is set to a value that satisfies the following formula (6).
Second charge limit > Second discharge voltage lower limit + (Second target power + Rated power of solar cell) / Second discharge voltage lower limit × Internal resistance of low-voltage battery ... Equation (6)
However, in equation (6), the second target power is the power that passes through the power converter when charging the low-voltage battery with the power converter.
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