JP7439874B1

JP7439874B1 - 電源システム

Info

Publication number: JP7439874B1
Application number: JP2022148031A
Authority: JP
Inventors: 佳美高橋; 誠小川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2024-02-28
Anticipated expiration: 2042-09-16
Also published as: JP2024043051A

Abstract

【課題】太陽電池の発電電力を無駄なく充電できる電源システムを提供すること。【解決手段】電源システムは、太陽電池と、太陽電池と電気的に接続された負荷と、太陽電池と負荷との間に設けられ、太陽電池および負荷のそれぞれと電気的に接続された第１蓄電器と、を有する電源システムであって、太陽電池と負荷との間において第１蓄電器と並列に設けられ、太陽電池および負荷のそれぞれと電気的に接続された第１ＤＣＤＣコンバータと、第１ＤＣＤＣコンバータに着脱される交換用の第２蓄電器と、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、電源システムに関する。

従来、太陽光発電を利用した電源システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、太陽電池と負荷との間に蓄電器が接続された（換言すると、負荷に対して太陽電池と蓄電器とが並列に接続された）電源システムでは、太陽電池の発電量が負荷の消費電力量よりも大きい場合には、太陽電池で発電された電力（以下、発電電力という）を負荷へ供給するとともに蓄電器に充電し、太陽電池の発電量が負荷の消費電力量よりも小さい場合には、太陽電池の発電電力に加えて、蓄電器に充電されている電力も負荷へ供給する。

特開２０１４－２０６７８１号公報

上述した従来の電源システムでは、以下の課題がある。

太陽電池の発電量が負荷の消費電力量よりも大きい場合において、蓄電器が高ＳＯＣ（State Of Charge）状態であると、太陽電池の発電電力を十分に蓄電器に充電することができない（換言すると、太陽電池の稼働率が低下する）。

本開示の一態様の目的は、太陽電池の発電電力を無駄なく充電できる電源システムを提供することである。

本開示の一態様に係る電源システムは、太陽電池と、前記太陽電池と電気的に接続された負荷と、前記太陽電池と前記負荷との間に設けられ、前記太陽電池および前記負荷のそれぞれと電気的に接続された第１蓄電器と、を有する電源システムであって、前記太陽電池と前記負荷との間において前記第１蓄電器と並列に設けられ、前記太陽電池および前記負荷のそれぞれと電気的に接続された第１ＤＣＤＣコンバータと、前記第１ＤＣＤＣコンバータに着脱される交換用の第２蓄電器と、を有し、前記第１ＤＣＤＣコンバータは、前記第１蓄電器のＳＯＣ（State Of Charge）が予め設定された入出力制限がかからないＳＯＣ範囲の上限値を上回り、かつ、前記太陽電池の発電量が前記負荷の消費電力量よりも多い場合、前記太陽電池の電力が前記第１ＤＣＤＣコンバータを介して前記第２蓄電器へ供給されるように、前記第１ＤＣＤＣコンバータの前記第２蓄電器側の電圧を調整する。

本開示によれば、太陽電池の発電電力を無駄なく充電できる。

本開示の実施の形態に係る電源システムの構成例を模式的に示す図本開示の変形例１～３に係る制御装置の構成例を模式的に示す図本開示の変形例２に係る電源システムの構成例を模式的に示す図本開示の変形例３に係る電源システムの構成例を模式的に示す図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。

図１を用いて、本実施の形態の電源システム１の構成について説明する。図１は、本実施の形態の電源システム１の構成例を模式的に示す図である。

図１に示す電源システム１は、太陽光発電を利用した電源システムである。なお、電源システム１は、定置用として用いられてもよいし、移動体（例えば、自動車）搭載用として用いられてもよい。

図１に示すように、電源システム１は、太陽電池１０と、負荷２０と、固定用蓄電器３０と、ＤＣＤＣコンバータ４０と、交換用蓄電器５０と、を有する。

太陽電池１０は、太陽光の照射を受けて電力（直流電力）を発生させる装置である。太陽電池１０としては、公知の装置を適用できるので、ここでの詳細な説明は省略する。

負荷２０は、供給された電力を用いて所定の動作を行う装置である。負荷２０は、例えば、車載機器であってもよいし、ＤＣＤＣコンバータとＵＳＢ（Universal Serial Bus）機器の組み合わせであってもよいし、ＤＣＡＣコンバータと家電品の組み合わせであってもよい。

図１に示すように、負荷２０に対しては、太陽電池１０と、固定蓄電器３０と、ＤＣＤＣコンバータ４０とが互いに並列に接続されている。

固定蓄電器３０は、電源システム１に固定的に設けられ、交換されない蓄電器である。固定蓄電器３０としては、例えば、バッテリが挙げられるが、これに限定されない。

図１に示すように、固定蓄電器３０は、太陽電池１０と負荷２０との間に設けられ、太陽電池１０および負荷２０のそれぞれと電気的に接続されている。固定蓄電器３０は、太陽電池１０の発電電力を充電し、充電した電力を負荷２０へ供給する。

交換用蓄電器５０は、ＤＣＤＣコンバータ４０に対して着脱自在に設けられ、交換可能な蓄電器である。交換用蓄電器５０としては、例えば、バッテリが挙げられるが、これに限定されない。

図１に示すように、交換用蓄電器５０は、ＤＣＤＣコンバータ４０に対して直列に接続されている。交換用蓄電器５０は、太陽電池１０の発電電力を充電し、充電した電力を負荷２０へ供給する。

ＤＣＤＣコンバータ４０は、電圧の調整を行う装置である。

図１に示すように、ＤＣＤＣコンバータ４０は、太陽電池１０と負荷２０との間において固定蓄電器３０と並列に設けられ、太陽電池１０および負荷２０のそれぞれと電気的に接続されている。また、ＤＣＤＣコンバータ４０は、交換用蓄電器５０と電気的に接続されている。

例えば、固定蓄電器３０が低ＳＯＣ状態（ＳＯＣが０％である完全放電状態を含んでもよい）であり、かつ、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量よりも少ない場合、ＤＣＤＣコンバータ４０は、交換用蓄電器５０の電力がＤＣＤＣコンバータ４０を介して負荷２０へ供給されるように、ＤＣＤＣコンバータ４０の負荷２０側の電圧を調整する。このとき、電圧は、固定蓄電器３０の必要充電量に合わせて調整される（具体的には、電圧は、固定蓄電器３０の充電許容電流量以上にならないように調整される）。

例えば、固定蓄電器３０が高ＳＯＣ状態（ＳＯＣが１００％である満充電状態を含んでもよい）であり、かつ、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量よりも多い場合、ＤＣＤＣコンバータ４０は、太陽電池１０の電力がＤＣＤＣコンバータ４０を介して交換用蓄電器５０へ供給されるように、ＤＣＤＣコンバータ４０の交換用蓄電器５０側の電圧を調整する。このとき、電圧は、交換用蓄電器５０の必要充電量に合わせて調整される（具体的には、電圧は、交換用蓄電器５０の充電許容電流量以上にならないように調整される）。

なお、ＤＣＤＣコンバータ４０の動作は、図示しない制御装置（例えば、後述する図２の制御装置１００でもよい）により制御されてもよい。

以上、電源システム１の構成について説明した。

以上説明したように、本実施の形態の電源システム１は、太陽電池１０と、太陽電池１０と電気的に接続された負荷２０と、太陽電池１０と負荷２０との間に設けられ、太陽電池１０および負荷２０のそれぞれと電気的に接続された第１蓄電器（例えば、固定蓄電器３０）と、を有する電源システムであって、太陽電池１０と負荷２０との間において第１蓄電器と並列に設けられ、太陽電池１０および負荷の２０それぞれと電気的に接続された第１ＤＣＤＣコンバータ（ＤＣＤＣコンバータ４０）と、第１ＤＣＤＣコンバータに着脱される交換用の第２蓄電器（例えば、交換用蓄電器５０）と、を有することを特徴とする。

この特徴により、固定蓄電器３０が低ＳＯＣ状態であり、かつ、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量よりも少ない場合には、高ＳＯＣ状態の交換用蓄電器５０を用いることにより、交換用蓄電器５０の発電電力がＤＣＤＣコンバータ４０を介して負荷２０へ供給される。その一方で、固定蓄電器３０が高ＳＯＣ状態であり、かつ、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量よりも多い場合には、低ＳＯＣ状態の交換用蓄電器５０を用いることにより、太陽電池１０の発電電力がＤＣＤＣコンバータ４０を介して交換用蓄電器５０へ供給される。したがって、太陽電池１０の発電電力を無駄なく充電できる

また、一般的に、太陽電池の発電量が負荷の消費電力量よりも小さい場合において、蓄電器が低ＳＯＣ状態であると、負荷の稼働率が低下する。この場合、負荷の稼働率を上げようとすれば、外部からの電力供給が必要となる（換言すると、外部の電力供給回路を用いる必要が出てくる）。これに対し、電源システム１は、上記特徴により、外部からの電力供給を必要とせずに負荷２０の稼働率を確保できる。

なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。以下、変形例について説明する。

［変形例１］
交換用蓄電器５０は、例えば、人手によって交換されてもよい。この場合、電源システム１は、ユーザに対して視覚的な通知および聴覚的な通知のうちの少なくとも一方を行う通知装置と、固定蓄電器３０の充電状態に基づいて、交換用蓄電器５０の交換を促す旨の通知を行うように通知装置を制御する制御装置と、を有してもよい。

通知装置としては、例えば、ランプ、ディスプレイ、スピーカ等が挙げられる。なお、通知装置は、ランプまたはディスプレイと、スピーカとの組み合わせでもよい。視覚的な通知としては、例えば、ランプの点灯（点滅を含む）、ディスプレイにおける所定の画像の表示が挙げられる。聴覚的な通知としては、例えば、スピーカからの音声（警告音を含む）の出力が挙げられる。

ここで、図２を用いて、制御装置１００の構成について説明する。図２は、制御装置１００の構成例を模式的に示す図である。

なお、図示は省略するが、制御装置１００は、ハードウェアとして、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの主記憶装置、コンピュータプログラムを格納したハードディスク、フラッシュメモリなどの補助記憶装置、それらを接続するバス等を有する。以下に説明する制御装置１００の機能は、ＣＰＵが補助記憶装置から読み出したコンピュータプログラムを主記憶装置のＲＡＭに展開して実行することにより実現される。

制御装置１００は、監視部１１０と、制御部１２０とを有する。

監視部１１０は、固定蓄電器３０のＳＯＣを検知するバッテリセンサ（図示略）の検知結果の通知を随時受け取り、その通知に基づいて、固定蓄電器３０のＳＯＣが第１閾値以上であり、かつ、第２閾値以下であるか否かを監視する。

第１閾値および第２閾値は、予め設定された値である。第２閾値は、第１閾値よりも大きい。例えば、第１閾値は、入出力制限がかからないＳＯＣ範囲の下限値よりも少し大きい値である。また、例えば、第２閾値は、入出力制限がかからないＳＯＣ範囲の上限値よりも少し小さい値である。なお、第１閾値は、上記ＳＯＣ範囲の下限値であってもよいし、第２閾値は、上記ＳＯＣ範囲の上限値であってもよい。

また、監視部１１０は、太陽電池１０の発電量および負荷２０の消費電力量を監視し、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量より多いか否かを監視する。

制御部１２０は、固定蓄電器３０のＳＯＣが第１閾値を下回り（すなわち固定蓄電器３０が低ＳＯＣ状態となり）、かつ、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量よりも少ない場合、高ＳＯＣ状態の交換用蓄電器５０への交換を促す旨の通知を実行するように、上述した通知装置（図示略）を制御する。

一方、制御部１２０は、固定蓄電器３０のＳＯＣが第２閾値を上回り（すなわち固定蓄電器３０が高ＳＯＣ状態となり）、かつ、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量よりも多い場合、低ＳＯＣ状態の交換用蓄電器５０への交換を促す旨の通知を実行するように、上述した通知装置を制御する。

本変形例では、ユーザ（例えば、作業者）は、交換用蓄電器５０の交換時期が到来したことを知ることができる。また、ユーザは、交換すべき交換用蓄電器５０の種類（高ＳＯＣ状態の交換用蓄電器５０または低ＳＯＣ状態の交換用蓄電器５０）も知ることができる。よって、ユーザは、容易に交換用蓄電器５０の交換作業を行うことができる。

なお、実施の形態で述べたとおり、制御装置１００は、固定蓄電器３０のＳＯＣ、太陽電池１０の発電量、および負荷２０の消費電力量の監視結果に基づいて、上述した電圧調整を実行するようにＤＣＤＣコンバータ４０を制御してもよい。

［変形例２］
交換用蓄電器５０は、例えば、装置（機械）によって交換されてもよい。この場合、電源システム１は、交換用蓄電器５０の交換を行う交換装置と、固定蓄電器３０の充電状態に基づいて、交換用蓄電器５０の交換を行うように交換装置を制御する制御装置と、を有してもよい。

交換装置は、ＤＣＤＣコンバータ４０に接続されている交換用蓄電器５０を取り外し、予め用意された複数の交換用蓄電器５０（例えば、少なくとも１つの高ＳＯＣ状態の交換用蓄電器５０と、少なくとも１つの低ＳＯＣ状態の交換用蓄電器５０とを含む）のうちの１つをＤＣＤＣコンバータ４０へ接続する装置である。交換装置としては、公知の装置を適用できるので、ここでの詳細な説明は省略する。

本変形例の制御装置としては、図２に示した制御装置１００を用いることができる。

監視部１１０の動作は、変形例１と同様であるので、ここでの説明は省略する。

制御部１２０は、固定蓄電器３０のＳＯＣが第１閾値を下回り（すなわち固定蓄電器３０が低ＳＯＣ状態となり）、かつ、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量よりも少ない場合、高ＳＯＣ状態の交換用蓄電器５０への交換を実行するように、上述した交換装置（図示略）を制御する。

一方、制御部１２０は、固定蓄電器３０のＳＯＣが第２閾値を上回り（すなわち固定蓄電器３０が高ＳＯＣ状態となり）、かつ、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量よりも多い場合、低ＳＯＣ状態の交換用蓄電器５０への交換を実行するように、上述した交換装置を制御する。

なお、本変形例では、予め用意された複数の交換用蓄電器５０それぞれのＳＯＣは、制御部１２０にとって既知である。これにより、制御部１２０は、交換すべき交換用蓄電器５０の種類を交換装置に指示することができるので、交換装置は、予め用意された複数の交換用蓄電器５０の中から、適切な交換用蓄電器５０を選択することができる。

本変形例では、人手によらず、適切なタイミングで適切なＳＯＣの交換用蓄電器５０に交換することができる。

［変形例３］
交換用蓄電器５０は、例えば、スイッチの切り替えによって交換されてもよい。この場合、電源システム１は、並列に設けられた複数の交換用蓄電器５０と、交換用蓄電器５０のそれぞれとＤＣＤＣコンバータ４０との間の電力供給路毎に設けられた複数のスイッチと、固定蓄電器３０の充電状態に基づいて、複数のスイッチのそれぞれのオン／オフを切り替える制御装置と、を有してもよい。

ここで、図３を用いて、本変形例の電源システム１の構成について説明する。図３は、本変形例の電源システム１の構成例を模式的に示す図である。

図３に示すように、１つのＤＣＤＣコンバータ４０に対して、３つの交換用蓄電器５０が並列に設けられている。以下では、最左方に図示された交換用蓄電器５０を「第１交換用蓄電器５０」といい、中央に図示された交換用蓄電器５０を「第２交換用蓄電器５０」といい、最右方に図示された交換用蓄電器５０を「第３交換用蓄電器５０」という

また、図３に示すように、第１交換用蓄電器５０とＤＣＤＣコンバータ４０との間の電力供給路（符号略）にはスイッチＳＷ１が設けられている。第２交換用蓄電器５０とＤＣＤＣコンバータ４０との間の電力供給路（符号略）にはスイッチＳＷ２が設けられている。第３交換用蓄電器５０とＤＣＤＣコンバータ４０との間の電力供給路（符号略）にはスイッチＳＷ３が設けられている。

制御部１２０は、例えば図示しないバッテリセンサからの通知により、第１～第３交換用蓄電器５０それぞれのＳＯＣを認識している。ここでは例として、第２交換用蓄電器５０は高ＳＯＣ状態であり、第３交換用蓄電器５０は低ＳＯＣ状態であるとする。また、例えば、第１交換用蓄電器５０のＳＯＣは、第２交換用蓄電器５０のＳＯＣと第３交換用蓄電器５０のＳＯＣとの中間程度であるとする。

また、ここでは例として、第１交換用蓄電器５０がＤＣＤＣコンバータ４０に接続中（スイッチＳＷ１がオン）であり、第２、第３交換用蓄電器５０がＤＣＤＣコンバータ４０に接続されていない（スイッチＳＷ２、３がオフ）とする。

制御部１２０は、固定蓄電器３０のＳＯＣが第１閾値を下回り（すなわち固定蓄電器３０が低ＳＯＣ状態となり）、かつ、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量よりも少ない場合、高ＳＯＣ状態である第２交換用蓄電器５０への交換が行われるように、スイッチＳＷ１、ＳＷ３をオフにし、スイッチＳＷ２をオンにする。

一方、制御部１２０は、固定蓄電器３０のＳＯＣが第２閾値を上回り（すなわち固定蓄電器３０が高ＳＯＣ状態となり）、かつ、太陽電池１０の発電量が負荷２０の消費電力量よりも多い場合、
低ＳＯＣ状態である第３交換用蓄電器５０への交換が行われるように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフにし、スイッチＳＷ３をオンにする。

［変形例４］
実施の形態では、電源システム１は、固定蓄電器３０を備える場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。固定蓄電器３０を備えない場合の構成例について、図４を用いて以下に説明する。図４は、本変形例の電源システム１の構成例を模式的に示す図である。

図４に示すように、本変形例の電源システム１では、図１に示した固定蓄電器３０の代わりに、ＤＣＤＣコンバータ４０と交換用蓄電器５０の組がもう１つ設けられている。

図１に示した電源システム１では、固定蓄電器３０側の充放電効率が高い、固定蓄電器３０のＳＯＣにより負荷系統の電圧が変化する、という特性がある。これに対して、図４に示した電源システム１では、交換用蓄電器５０側の充放電効率が低い、ＤＣＤＣコンバータ４０により負荷系統の電圧が安定する（交換用蓄電器５０の電圧の影響がない）という特性がある。

なお、本変形例では、２つの交換用蓄電器５０のうち、いずれか一方が「第１蓄電器」の一例に相当し、いずれか他方が「第２蓄電器」に相当する。また、２つのＤＣＤＣコンバータ４０のうち、第２蓄電器が着脱される方が「第１ＤＣＤＣコンバータ」に相当し、第１蓄電器が着脱される方が「第２ＤＣＤＣコンバータ」に相当する。

以上、変形例について説明した。なお、上述した変形例は適宜組み合わせることが可能である。

本開示の電源システムは、太陽電池と負荷と蓄電器とを備えた電源システムに有用である。

１電源システム
１０太陽電池
２０負荷
３０固定蓄電器
４０ＤＣＤＣコンバータ
５０交換用蓄電器
１００制御装置
１１０監視部
１２０制御部

Claims

太陽電池と、前記太陽電池と電気的に接続された負荷と、前記太陽電池と前記負荷との間に設けられ、前記太陽電池および前記負荷のそれぞれと電気的に接続された第１蓄電器と、を有する電源システムであって、
前記太陽電池と前記負荷との間において前記第１蓄電器と並列に設けられ、前記太陽電池および前記負荷のそれぞれと電気的に接続された第１ＤＣＤＣコンバータと、
前記第１ＤＣＤＣコンバータに着脱される交換用の第２蓄電器と、を有し、
前記第１ＤＣＤＣコンバータは、
前記第１蓄電器のＳＯＣ（State Of Charge）が予め設定された入出力制限がかからないＳＯＣ範囲の上限値を上回り、かつ、前記太陽電池の発電量が前記負荷の消費電力量よりも多い場合、前記太陽電池の電力が前記第１ＤＣＤＣコンバータを介して前記第２蓄電器へ供給されるように、前記第１ＤＣＤＣコンバータの前記第２蓄電器側の電圧を調整する、
電源システム。
ユーザに対して視覚的な通知および聴覚的な通知のうちの少なくとも一方を行う通知装置と、
前記第１蓄電器のＳＯＣが前記上限値を上回り、かつ、前記太陽電池の発電量が前記負荷の消費電力量よりも多い場合、予め設定された前記ＳＯＣ範囲の下限値を下回ったＳＯＣである前記第２蓄電器への交換を促す旨の通知を行うように前記通知装置を制御する制御装置と、をさらに有する、
請求項１に記載の電源システム。
前記第２蓄電器の交換を行う交換装置と、
前記第１蓄電器のＳＯＣが前記上限値を上回り、かつ、前記太陽電池の発電量が前記負荷の消費電力量よりも多い場合、予め設定された前記ＳＯＣ範囲の下限値を下回ったＳＯＣである前記第２蓄電器への交換を行うように前記交換装置を制御する制御装置と、をさらに有する、
請求項１に記載の電源システム。
前記第２蓄電器は、複数個が並列に設けられており、
前記第２蓄電器のそれぞれと前記第１ＤＣＤＣコンバータとの間の電力供給路毎に設けられた複数のスイッチと、
前記複数のスイッチのそれぞれのオン／オフを切り替える制御装置と、をさらに有し、
前記第１蓄電器のＳＯＣが前記上限値を上回り、かつ、前記太陽電池の発電量が前記負荷の消費電力量よりも多い場合、予め設定された前記ＳＯＣ範囲の下限値を下回ったＳＯＣである前記第２蓄電器への交換が行われるように前記複数のスイッチのそれぞれのオン／オフを切り替える、
請求項１に記載の電源システム。
前記第１蓄電器は、固定蓄電器である、
請求項１に記載の電源システム。
前記太陽電池と前記負荷との間において前記第１ＤＣＤＣコンバータと並列に設けられ、前記太陽電池および前記負荷のそれぞれと電気的に接続された第２ＤＣＤＣコンバータをさらに有し、
前記第１蓄電器は、前記第２ＤＣＤＣコンバータに着脱される交換用の蓄電器である、
請求項１に記載の電源システム。