JP2023184332A - solar cell system - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a solar cell system, and more particularly to an on-vehicle solar cell system used in a vehicle that includes a high voltage battery for driving 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。 2. Description of the Related Art Power generated by solar cells is supplied to a high voltage battery for driving a motor of an electric vehicle and a low voltage battery (auxiliary battery) for in-vehicle electronic equipment to charge these batteries.
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 solar radiation, and the optimal operating point voltage with good power generation efficiency changes. Therefore, depending on the optimal operating point voltage at that time, you can change the charging destination to a battery with a voltage value that has good power generation efficiency. requires a controller to control charging and discharging of the battery, which typically consumes low voltage battery power.
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, the low-voltage battery also supplies power to other electronic devices, and if the power generated by the solar cell is directly charged to the high-voltage battery, the voltage of the low-voltage battery may drop too much. be.
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 states that the power generated by a solar cell is stepped down and charged into a low voltage battery, and when the amount of power in the low voltage battery exceeds a specified amount, the voltage of the low voltage battery is boosted to become a high voltage battery. An on-vehicle charging control device that performs charging is disclosed. According to this in-vehicle charging control device, it is possible to prevent the power amount of the low voltage battery from decreasing too much.
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, resulting in low cost. It is difficult to
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。 In addition, when charging a high-voltage battery with power generated by a solar cell, losses associated with power conversion occur in two stages.
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。 The present invention has been made in view of the problems faced by the prior art, and its purpose is to simplify the charging circuit that charges the battery from the solar cell, thereby reducing power generation loss and cost. The object of the present invention is to provide an in-vehicle solar cell system that is capable of
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。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventor of the present invention directly connects the solar cell and the low voltage battery by making the open circuit voltage of the solar cell lower than the allowable upper limit voltage of the low voltage battery, We have discovered that the above object can be achieved by controlling the charging and discharging of these batteries with a bidirectional DC/DC converter provided between the low voltage battery and the high voltage battery based on the voltage value of the low voltage battery, The present invention has now been completed.
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。
That is, the solar cell system of the present invention includes a solar cell, a low-voltage battery, a high-voltage battery whose voltage value is higher than the voltage value of the low-voltage battery, a power converter, and controls the operation of the power converter. and a control device.
The open end voltage of the solar cell is below the allowable upper limit voltage of the low voltage battery, the solar cell and the low voltage battery are directly connected, and the low voltage battery and the high voltage battery connected via a conversion device, the power conversion device being a bidirectional DC/DC converter, and the control device controlling the power conversion device based on the voltage value of the low voltage battery. do.
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, the solar cell and the low-voltage battery are directly connected by making the open-circuit voltage of the solar cell smaller than the allowable upper limit voltage of the low-voltage battery, and the low-voltage A bidirectional DC/DC converter installed between the battery and the high-voltage battery controls the charging and discharging of these batteries, which simplifies the charging circuit and reduces the amount of power between the solar cell and the low-voltage battery. It is possible to provide an on-vehicle solar cell system in which loss is prevented.
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 explained in detail.
As shown in FIG. 1, the solar cell system of the present invention includes a solar cell, a low voltage battery, a high voltage battery, a power converter, 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 is a battery that supplies power to electronic devices mounted on the vehicle.
The high voltage battery is a battery whose voltage value is higher than the voltage value of the low voltage battery, and supplies electric power to a drive motor and the like.
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, it is possible to directly charge the low-voltage battery with the power generated by the solar cell without reducing the voltage. Therefore, there is no need for a converter between the solar cell and the low voltage battery, the charging circuit can be simplified and costs can be reduced, and power loss due to the converter can be prevented.
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 solar cell is not particularly limited as long as it has a voltage that can charge a low voltage battery, but a higher one 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 addition, in the present invention, the "allowable upper limit voltage" refers to the upper limit voltage set in advance to prevent battery failure due to overcharging, and refers to the voltage when the battery is 100% charged. The term "lower limit voltage" refers to a voltage that is preset in order to prevent battery deterioration due to overdischarge, and these voltages 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。
It is preferable that the solar cell has suppressed fluctuations in its power generation output voltage due to the amount of solar radiation. If a part of the solar cell is shaded, the power output voltage will drop if the solar cell is a solar cell in which single solar cells or solar cell modules are connected in series.
By configuring the solar battery in a configuration in which solar battery single cells and solar battery modules are mainly connected in parallel, fluctuations in the power generation output voltage are suppressed, and the power generation voltage value of the solar battery is optimized based on the voltage value of the low-voltage battery. It is possible to control the operating voltage.
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, it is possible to mutually charge the low voltage battery and the high voltage battery. The control device controls the power conversion device based on the voltage value of the low voltage battery, and mutually supplies power between the low voltage battery and the high voltage battery.
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 the high-voltage battery, when power is not supplied from the solar cells and the voltage of the low-voltage battery drops, the high-voltage battery will supply power to the high-voltage battery. It can power and charge the voltage battery. Thereby, it is possible to prevent the low-voltage battery from being over-discharged and the voltage to drop too much, and it is possible to suppress deterioration of the low-voltage battery.
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 above control device sets a reference voltage value for controlling charging between the low voltage battery and the high voltage battery according to the optimal operating point voltage of the solar cell, and matches the voltage value of the low voltage battery with the set reference. The bidirectional DC/DC converter is controlled by comparing the voltage values, and power is mutually supplied between the low voltage battery and the high voltage battery.
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 calculates the following equations (1), (2), and equations within a pre-stored range of voltage values at which the low-voltage battery normally operates. A voltage value that simultaneously satisfies the relationship (3) and serves as a reference for controlling the voltage value of the low-voltage battery is set.
(First charging voltage upper limit - Optimum operating point voltage) x 2 < (Optimal operating point voltage - First discharge voltage lower limit)...Formula (1)
Allowable upper limit voltage value ≧ 1st charge voltage upper limit value > 1st discharge voltage lower limit value > 2nd discharge voltage lower limit value ≧ Allowable lower limit voltage value ... Formula (2)
Allowable upper limit voltage value ≧ 1st charge voltage upper limit value > 2nd charge voltage upper limit value > 2nd discharge voltage lower limit value ≧ Allowable lower limit voltage value ... Formula (3)
However, in the above formulas (1) to (3),
The allowable upper limit voltage is the upper limit voltage value at which the low voltage battery will not be overcharged, and the allowable lower limit voltage value is the lower limit voltage value at which the low voltage battery will not be over discharged.
Further, the first charging voltage upper limit value is the upper limit voltage value when charging the low voltage battery when the solar cell is charging the low voltage battery, and the first discharge voltage lower limit value is the upper limit voltage value when charging the low voltage battery from the solar cell. This is the lower limit voltage value when discharging a low voltage battery while it is being charged.
The second charging voltage upper limit value is the upper limit voltage value when charging the low voltage battery when power is not being supplied from the solar cell to the low voltage battery, and the second discharge voltage lower limit value is the upper limit voltage value when charging the low voltage battery when power is not being supplied from the solar cell to the low voltage battery. This is the lower limit voltage value when discharging the low voltage battery when power is not being supplied to the 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 the present invention, the solar cell and the low-voltage battery are directly connected, and the voltage of the solar cell and the low-voltage battery are the same, so not only the power generation efficiency of the solar cell but also the low-voltage battery It is also necessary to consider the charging efficiency.
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, if the voltage with the low-voltage battery deviates from the optimum operating point voltage, the efficiency will drop more rapidly on the higher voltage side than the optimum operating point voltage than on the lower voltage side. To set an operating range when a low voltage battery is being charged so that it becomes wider on the low voltage side.
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 the first charging voltage upper limit value and the first discharge voltage lower limit value that satisfy the above formula (1), and charging the low voltage battery from the solar cell between these, the power generation efficiency of the solar cell and the Highly efficient charging is possible by achieving both charging efficiency from a battery to a low-voltage battery.
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 charging voltage upper limit value, power is supplied from the low voltage battery to the high voltage battery, and when the voltage value of the low voltage battery becomes equal to or less than the first discharge voltage lower limit value, the low voltage battery The power supply to the high voltage battery is stopped.
This prevents the low voltage battery from being overcharged by the power generated by the solar cell.
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。
Also, when the second discharge voltage lower limit is below, the high voltage battery supplies power to the low voltage battery, and when the second charging voltage upper limit is exceeded, the high voltage battery supplies power to the low voltage battery. Stop.
Thereby, it is possible to prevent the voltage of the low voltage battery from dropping too much, and it is possible to suppress deterioration of the low voltage battery.
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。 As shown in FIG. 2, the optimum operating point voltage changes depending on the temperature of the solar cell and the amount of solar radiation. The optimal operating point voltage is determined based on the relationship between the temperature and solar radiation of the solar cell and the optimal operating point voltage as shown in Figure 2, which is stored in advance in the control device, and the temperature sensor installed on the solar cell and the solar radiation. It can be obtained from the temperature and the amount of solar radiation obtained from the amount sensor.
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 is determined from the relationship between the solar cell temperature and the optimal operating voltage at the highest solar cell temperature among the preset relationships between the solar cell temperature and the solar radiation amount. may be set as the optimum operating voltage.
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 above control device controls the power passing through the bidirectional DC/DC converter when supplying power from the low voltage battery to the high voltage battery to the maximum power that the bidirectional DC/DC converter can use in continuous operation (hereinafter referred to as "rated power"). It is preferable to control the power consumption to 10% or more of the electric 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。 Since the conversion efficiency of a bidirectional DC/DC converter decreases as the passing power decreases, it is preferable to set the passing power when supplying power from the low voltage battery to the high voltage battery so that it is the rated power. By controlling the passing power to be 10% or more of the rated power, it is possible to reduce the loss associated with power conversion. Note that the above rated power is stored in advance in the control device as an upper limit value of the power that passes 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。 Further, the passing power of the bidirectional DC/DC converter when power is supplied from the high voltage battery to the low voltage battery may be set to the rated power of the converter, and the internal voltage of the low voltage battery described later may be set to the second level. The charging voltage may be controlled to reach the upper limit value.
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。 Although the control device may use the external voltage (voltage between terminals) of the low-voltage battery as the voltage value of the low-voltage battery, it is preferable that the internal voltage be the voltage value of the low-voltage battery.
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。
FIG. 3 shows the relationship among the internal voltage, external voltage, internal resistance, and charging current of a low-voltage battery.
As shown in FIG. 3, since there is a resistance component inside the battery, the value of the external voltage fluctuates due to the influence of 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。 That is, during charging, the external voltage becomes higher than the internal voltage, and during discharging, the external voltage becomes lower than the internal voltage. Therefore, as shown in Figures 4 and 5, by switching the direction of power supply between the low-voltage battery and the high-voltage battery, the external voltage fluctuates, and this fluctuation causes the external voltage to change in the opposite direction to the direction of power supply that has just been switched. It will show a voltage value that supplies power in the direction.
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 controlling the power conversion device based on the internal voltage of the low-voltage battery, the control device eliminates the influence of external voltage fluctuations due to charging and discharging current, and allows frequent switching control of the power conversion device. can be prevented.
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 the low voltage battery can be calculated using the following formula (4) 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.
Internal voltage = external voltage - internal resistance x charging current ... Formula (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。 Further, unnecessary switching control of the power conversion device can be prevented by setting the first discharge voltage lower limit value and the second charge voltage upper limit value in consideration of the voltage value that fluctuates 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 decreases as shown in FIG. 4, so the first discharge voltage lower limit value is set lower than the voltage that has decreased due to the influence 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 formula (5), unnecessary switching control of the power conversion device can be prevented.
1st discharge voltage lower limit value < [1st charge voltage upper limit value + (1st charge voltage upper limit value 2 - 4 × 1st target power + rated output of solar cell × internal resistance of low voltage battery) 0.5 ] × 0 .5...Formula (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。 Further, when switching the low voltage battery from the discharging state to the charging state, the voltage increases as shown in FIG. 5, so the second charging voltage upper limit value is set higher than the voltage that has increased due to the influence 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 second charging voltage upper limit value to satisfy the following formula (6), unnecessary switching control of the power conversion device can be prevented.
2nd charge voltage upper limit value > 2nd discharge voltage lower limit value + (2nd target power + rated power of solar cell) / 2nd discharge voltage lower limit value × internal resistance of low voltage battery ... Formula (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 conversion device when the low voltage battery is being charged from the solar cell, and the second target power is: The second target power is the power that passes through the power conversion device when the low voltage battery is being charged from the solar cell.
Further, the rated power of the solar cell is the power under standard test conditions specified in JIS C8918, and is stored in the control device in advance.
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.
A flowchart showing the operation of the control device is shown in FIG.
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 obtains 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。
The optimum operating point voltage of the solar cell is obtained from the solar cell temperature and solar radiation obtained in step S1 (step S2). The optimum operating point voltage is set based on a preset relationship between the temperature of the solar cell and the amount of solar radiation.
Note that if the solar radiation cannot be obtained from the solar radiation sensor, the solar radiation may be estimated from the date and time.
In addition, if the temperature of the solar cell cannot be obtained, the optimal operating voltage determined from the relationship between the temperature of the solar cell and the amount of solar radiation that is the highest among the preset relationships between the temperature of the solar cell and the amount of solar radiation. , the optimum operating voltage.
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 the above equations (1) to (3), equations (5), and equations (6), the first charging voltage upper limit value is used as a reference for control. , a first discharge voltage lower limit value, a second charge voltage upper limit value, and a second discharge voltage lower limit value 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 acquired from the voltage sensor, and the low voltage battery charging current is acquired 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）。 The internal voltage of the low-voltage battery is obtained from the external voltage and charging current obtained in step S4 and the internal resistance of the low-voltage battery stored in advance in the control device using the above equation (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）。
It is determined whether the internal voltage of the low voltage battery is greater than a first charging voltage upper limit value.
If Yes, proceed to S7. If No, the process advances 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 conversion device 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 acquired from the voltage sensor, the low voltage battery charging current is acquired from the current sensor, and the internal voltage of the low voltage battery is acquired using the above equation (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）。 It is determined whether the low-voltage battery internal voltage acquired in step S8 is equal to or lower than the first discharge voltage lower limit. If No, the process returns to step S6 and is repeated until the result is Yes. If the result is Yes, the process returns 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, it is determined whether the low voltage battery internal voltage is equal to or lower than the second discharge voltage lower limit. If Yes, proceed to step S11. If No, the process returns 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 conversion device 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 acquired from the voltage sensor, the low voltage battery charging current is acquired from the current sensor, and the internal voltage of the low voltage battery is acquired using the above equation (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）。 Determine whether the low voltage battery internal voltage acquired in step S12 is greater than the second charging voltage upper limit value, and if No, return to step S12 and repeat until 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, it is possible to make the output voltage of the solar cell follow the optimal operating point voltage with a simple circuit configuration. At the same time, it is possible to prevent losses associated with power conversion between the solar cell and the low-voltage battery.
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 whose voltage value is higher than the voltage value of the low voltage battery, a power conversion device, and a control device that controls the operation of the power conversion device. And,
The open circuit voltage of the solar cell is below the allowable upper limit voltage of the 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 converter,
The power conversion device is a bidirectional DC/DC converter,
A solar cell system characterized in that the control device controls the power conversion device based on a 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,
Setting a reference voltage value for controlling the voltage value of the low-voltage battery that simultaneously satisfies the following equations (1), (2), and (3),
The voltage value of the above low voltage battery is
Supplying power from the low voltage battery to the high voltage battery when the first charging upper limit value is exceeded, and stopping power supply from the low voltage battery to the high voltage battery when the voltage falls below the first discharge voltage lower limit value;
Supply power from the high-voltage battery to the low-voltage battery when the second discharge voltage lower limit value is below, and stop supplying power from the high-voltage battery to the low-voltage battery when the second charge voltage upper limit value is exceeded. The solar cell system according to claim 1, characterized in that:
(First charging voltage upper limit - Optimum operating point voltage) x 2 < (Optimal operating point voltage - First discharge voltage lower limit)...Formula (1)
Allowable upper limit voltage value ≧ 1st charge voltage upper limit value > 1st discharge voltage lower limit value > 2nd discharge voltage lower limit value ≧ Allowable lower limit voltage value ... Formula (2)
Allowable upper limit voltage value ≧ 1st charge voltage upper limit value > 2nd charge voltage upper limit value > 2nd discharge voltage lower limit value ≧ Allowable lower limit voltage value ... Formula (3)
However, in the above formulas (1) to (3),
The allowable upper limit voltage is the upper limit voltage value at which the low voltage battery will not be overcharged, and the allowable lower limit voltage value is the lower limit voltage value at which the low voltage battery will not be over discharged.
The first charging upper limit is a voltage upper limit when the power converter is stopped, and is a threshold for starting discharging of the low voltage battery by the power converter. Further, the first lower discharge limit is a threshold for stopping the power converter from discharging the low voltage battery.
The second discharge voltage lower limit is a voltage lower limit when the power converter is stopped, and is a threshold for starting charging of the low voltage battery by the power converter. Further, the first lower discharge limit is a threshold for stopping charging of the low voltage battery by the power converter.
3. The solar cell system according to claim 2, wherein the optimum operating point voltage is set based on a preset 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,
A claim characterized in that the optimum operating voltage is determined from the relationship between the highest temperature of the solar cell and the amount of solar radiation among the preset relationships between the temperature of the solar cell and the amount of solar radiation. 2. The solar cell system according to 2.
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,
3. The solar cell system according to claim 2, wherein the power passing through the power conversion device is controlled to be 10% or more of the maximum power that can be used in a preset continuous operation state.
6. The solar cell system according to claim 5, wherein the control device controls the power conversion device by setting the internal voltage of the low-voltage battery to a voltage value of the low-voltage battery.
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,
7. The solar cell system according to claim 6, wherein the first discharge lower limit value is set to a value that satisfies the following formula (5).
1st discharge lower limit value < [1st charging voltage upper limit value + (1st charging voltage upper limit value 2 - 4 x 1st target power + rated output of solar cell x internal resistance of low voltage battery) 0.5 ] x 0. 5...Formula (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,
7. The solar cell system according to claim 6, wherein the second charging upper limit value is set to a value that satisfies the following formula (6).
2nd charge upper limit value > 2nd discharge voltage lower limit value + (2nd target power + rated power of solar cell) / 2nd discharge voltage lower limit value × internal resistance of low voltage battery ... Formula (6)
However, in equation (6), the second target power is the power that passes through the power converter when the low voltage battery is charged by the power converter.
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