電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置
本発明は、第１の期間に直流電流を供給する電源の最大電力点の決定を可能にする情報を求める装置であって、少なくとも、キャパシタと、第２の期間中にキャパシタを充電する手段と、第３の期間にキャパシタを放電する手段と、キャパシタの電圧及び電流を監視する手段とを備える装置に関する。第１の期間中に、直流電流はキャパシタを充電する手段に流れない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、太陽電池又は太陽電池のアレイ又は燃料電池のような電源における最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。太陽電池によって生成される電気エネルギーを経時的に抽出し、電力の形態で使用することができる。太陽電池によって提供される直流電力は、ＤＣ−ＤＣアップ／ダウンコンバータ回路及び／又はＤＣ／ＡＣインバータ回路のような変換装置に供給される。
【０００３】
しかしながら、太陽電池の電流−電圧垂下特性（current-voltage drop characteristics）により、出力電力は太陽電池から引き出される電流とともに非線形に変化する。電力−電圧曲線は、光照射レベル及び動作温度等の気候変動に従って変化する。
【０００４】
太陽電池又は太陽電池のアレイを動作させる準最適点は、電力が最大となる電流−電圧曲線の領域又はその近傍である。この点は、最大電力点（ＭＰＰ：Maximum Power Point）と称される。
【０００５】
太陽電池をＭＰＰの周辺で動作させ、それらの発電効率を最適化することが重要である。
【０００６】
電力−電圧曲線が気候変動に従って変化する際、ＭＰＰもまた気候変動に従って変化する。
【０００７】
そのため、常にＭＰＰを特定することができる必要がある。
【０００８】
電源と負荷との間の電流路にコンポーネントを挿入すると、コンポーネントが完全でないために何らかの電力損失が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、電源のＭＰＰを決定するために、例えば電源の出力電流及び出力電圧の変動を表す情報を取得することができ、電力損失が可能な限り低減される装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのために、本発明は、第１の期間に直流電流を供給する電源の最大電力点の決定を可能にする情報を求める装置に関する。この装置は、少なくとも、キャパシタと、第２の期間中にキャパシタを充電する手段と、第３の期間にキャパシタを放電する手段と、キャパシタの電圧及び電流を監視する手段とを備え、第１の期間中に、直流電流はキャパシタを充電する手段を流れないことを特徴とする。
【００１１】
したがって、大きな電力損失なしに電源の出力電圧及び出力電流の変動を表す情報を取得することが可能となる。
【００１２】
さらに、大部分のＤＣ／ＤＣコンバータ及び／又はＤＣ／ＡＣコンバータ分では、キャパシタは、それらの入力におけるフィルタリングの目的ですでに利用可能である。このキャパシタを、少なくとも１つの特定の期間中に電圧変動及び電流変動を監視するために用いることもできる。監視される電圧変動及び電流変動により、電源の所望の電圧−電流／電圧−電力垂下特性のような情報をいつでも取得することが可能となる。本発明では、他の余計なキャパシタをシステムに追加することが回避される。
【００１３】
特定の特徴によれば、直流電流は、第１の期間中に負荷に向けられる。
【００１４】
特定の特徴によれば、キャパシタを放電する手段は、抵抗器及び第１のスイッチから構成され、抵抗器の第１の端子は、電源の第１の端子及び第１のスイッチの第１の端子に接続され、抵抗器の第２の端子は、キャパシタの第１の端子に接続され、キャパシタの第２の端子は、電源の第２の端子及び第１のスイッチの第２の端子に接続される。
【００１５】
したがって、このトポロジーにより、電源と負荷との間の電流路に追加のスイッチを必要とすることなく、キャパシタを放電することができ、電源に接続されたキャパシタの通常動作中、すなわち第１の期間中に第１のスイッチに現れる損失が回避される。したがって、ＭＰＰの決定を可能にする情報を取得するより効率的なトポロジーが得られる。
【００１６】
特定の特徴によれば、第２の期間中にキャパシタを充電する手段は、第２のスイッチを含む。
【００１７】
したがって、通常動作中、第２のスイッチにおける損失は、主路のスイッチと比較した場合に大きく低減される。
【００１８】
特定の特徴によれば、第２のスイッチは、抵抗器と並列に接続される。
【００１９】
したがって、通常動作中、すなわち第１の期間中、第２のスイッチが抵抗器と並列に短絡路を形成し、この状況下で抵抗器に電力損失がないため、入力フィルタとしても用いられるキャパシタは常に動作可能である。
【００２０】
さらに、通常動作の下でキャパシタを流れる電流は、当該キャパシタでの電圧リップルが非常に小さいことにより非常に小さいため、第２のスイッチにおける損失は、主路のスイッチと比較した場合に大きく低減される。
【００２１】
特定の特徴によれば、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、第２の期間及び第３の期間中に負荷を電源から切断する第３のスイッチをさらに備える。
【００２２】
したがって、最大電力点の決定を可能にする情報を得るために、すなわち電源の電圧−電流／電圧−電力垂下の特徴付けを実行するために、電源を負荷から定期的に切断することが可能となり、負荷はＤＣ／ＤＣコンバータ又はＤＣ／ＡＣコンバータとすることができる。通常、ＤＣ／ＤＣトポロジー又はＤＣ／ＡＣトポロジーでは、第３のスイッチが既に含まれている。
【００２３】
さらに、曲線の種々の点で動作するために遙かに長い時間を必要とし、発電効率の低下にもつながる、可変負荷を有する必要がない。
【００２４】
特定の特徴によれば、キャパシタの電圧及び電流を監視する手段は、第２の期間中に連続的な時間サンプルでキャパシタの電圧をサンプリングする。
【００２５】
したがって、電圧導関数の計算から電流変動を推定することが可能となり、追加の電力損失をもたらす高価な電流センサが不要となる。
【００２６】
コスト及び効率が改善される。
【００２７】
電源の電圧−電流／電圧−電力垂下特性の推定は、この第２の期間中に、推定された電流及び測定された電圧のすべての対を関連付けることによって行われる。
【００２８】
特定の特徴によれば、所与のサンプルの周囲の連続的なサンプルにおける測定された電圧は、所与のサンプルにおける処理された電圧を取得するために、連続的なサンプルにおける測定された電圧と数学関数との差の二乗和を最小化することによって得られる、当てはめられた数学関数を用いて処理される。
【００２９】
したがって、測定された電圧サンプルに現れる可能性がある雑音は、多項式関数によって既にフィルタリングされており、その結果、サンプルについての電圧推定が改善される。
【００３０】
特定の特徴によれば、数学関数は、実係数を有する所与の次数の多項式関数である。
【００３１】
特定の特徴によれば、所与のサンプルにおける電流は、キャパシタの静電容量値に、所与のサンプルにおける電圧導関数を乗じることによって求められ、電圧導関数は、所与のサンプルについての当てはめられた数学関数から得られる。
【００３２】
したがって、当てはめられた数学関数を用いることにより、同時に２つの有用な動作を実現する。すなわち、電圧サンプルをフィルタリングし、その電圧導関数を推定することが可能となる。
【００３３】
特定の特徴によれば、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、キャパシタの静電容量値を求めるために、第３の期間中にキャパシタの電圧をサンプリングする手段をさらに備える。
【００３４】
したがって、電源の最大電力点の決定を可能にする情報が得られるときには、実際の静電容量値を常に正確に求めることができ、キャパシタに対する温度の影響及び経年変化の影響により電流推定において現れる可能性がある誤差が回避される。
【００３５】
特定の特徴によれば、求められた静電容量値は、所与のサンプルにおける電流を求めるために用いられる。
【００３６】
したがって、電流センサをシステムに取り付ける必要は、まったく存在しない。
【００３７】
さらに、各サンプルにおける電圧導関数の計算から得られる結果及び対応する静電容量値により、電流推定が非常に正確になる。
【００３８】
特定の特徴によれば、キャパシタと、電圧及び電流を監視する手段と、第３のスイッチとは、降圧／昇圧併合コンバータ（merged buck/boost converter）のコンポーネントである。
【００３９】
したがって、降圧／昇圧コンバータに対して僅かなコンポーネントを追加することにより、電源の電圧−電流／電圧−電力垂下の特徴付けを行うことができ、その結果、低コストの変更により、電源からの電力の使用をはるかに効率的にすることができる。
【００４０】
本発明の特徴は、実施形態例の以下の説明を読むことからより明確になる。当該説明は、添付図面を参照して行われる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明を実施することができるエネルギー変換システムの一例の図である。
【図２】電源の出力電圧による電源の出力電流変動を表す曲線の一例の図である。
【図３】電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する、本発明によるキャパシタを備えた電気回路の一例の図である。
【図４】エネルギー変換装置及び本発明によるキャパシタを備えた電気回路を備えた装置の一例を表す図である。
【図５ａ】入力電圧を電圧の極性を反転させることなくステップダウン又はステップアップすることができる降圧／昇圧併合コンバータの一例の図である。
【図５ｂ】降圧／昇圧併合コンバータにおける本発明によるキャパシタを備えた電気回路の特定の実施態様の一例の図である。
【図６】（ａ）は、本発明によって測定されるキャパシタ電圧変動の一例の図であり、（ｂ）は、本発明によって取得される電源電流変動の一例の図である。
【図７】本発明の特定の実現モードによる、電源の最大電力点を決定するアルゴリズムの一例の図である。
【図８】本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる、（ａ）は第１の窓の一例の図であり、（ｂ）は第２の窓の一例であり、（ｃ）は第３の窓の一例である。
【図９】本発明の特定の実現モードによる、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得するために用いられるキャパシタの静電容量値を求めるアルゴリズムの一例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、本発明を実施することができるエネルギー変換システムの一例である。
【００４３】
エネルギー変換システムは、太陽電池又は太陽電池のアレイ又は燃料電池のような電源ＰＶを含み、電源ＰＶの出力は、負荷Ｌｏに電気エネルギーを供給する変換装置Ｃｏｎｖに接続されている。変換装置Ｃｏｎｖは、ＤＣ−ＤＣステップダウン／ステップアップコンバータ及び／又はインバータとも呼ばれるＤＣ／ＡＣコンバータである。
【００４４】
電源ＰＶは、負荷Ｌｏに電流を供給する。電流は、負荷Ｌｏによって使用される前に変換装置Ｃｏｎｖによって変換される。
【００４５】
図２は、電源の出力電圧による電源の出力電流変動を表す曲線の一例である。
【００４６】
図２の横軸には電圧値が示されている。電圧値は０と開回路電圧ＶOCとの間に含まれる。
【００４７】
図２の縦軸には電流値が示されている。電流値は０と短絡電流ＩSCとの間に含まれる。
【００４８】
任意の所与の光レベル及び太陽電池アレイ温度について、太陽電池アレイが動作可能な無数の電流−電圧の対、すなわち動作点が存在する。しかしながら、所与の光レベル及び太陽電池アレイ温度に対して存在するＭＰＰは、ただ一つである。
【００４９】
図３は、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する、本発明によるキャパシタを備えた電気回路の一例である。
【００５０】
この電気回路は、部分的に又は全体的に変換装置Ｃｏｎｖに含めることもできるし、変換装置Ｃｏｎｖに追加することもできる。
【００５１】
電源ＰＶの正極の端子は、スイッチＳUI1の第１の端子、抵抗器ＲUIの第１の端子、スイッチＳUI2の第１の端子、及びスイッチＳUI3の第１の端子に接続されている。
【００５２】
スイッチＳUI1の第２の端子は、キャパシタＣUIの正極の端子、及び抵抗器ＲUIの第２の端子に接続されている。
【００５３】
電源ＰＶの負極の端子は、スイッチＳUI2の第２の端子、及びキャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００５４】
Ｖ１はＣUIの電圧を表す。この電圧は、例えばアナログ／ディジタル変換器を用いて測定される。
【００５５】
電気回路はスイッチＳUI3も備え、その機能は負荷Ｌｏを電源ＰＶに接続するか又は電源ＰＶから切断することである。したがって、スイッチＳUI3の第２の端子は、図１に示されるような負荷Ｌｏに接続されるコンバータＣｏｎｖに接続されるか、又は当該コンバータの一部である。
【００５６】
図４は、エネルギー変換装置と本発明によるキャパシタを備えた電気回路とを備える装置の一例を表す。
【００５７】
装置４０は、例えば、バス４０１によって互いに接続されたコンポーネントと、図７及び図９に開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムによって制御されるプロセッサ４００とに基づくアーキテクチャを有している。
【００５８】
ここで、装置４０は、一変形では、後に開示されるようなプロセッサ４００によって実行されるものと同じ動作を実行する、１つ又は幾つかの専用集積回路の形態で実装されることに留意されたい。
【００５９】
バス４０１は、プロセッサ４００を、リードオンリーメモリＲＯＭ４０２と、ランダムアクセスメモリＲＡＭ４０３と、アナログ／ディジタル変換器ＡＤＣ４０６と、エネルギー変換装置と、本発明による電気回路とに接続する。
【００６０】
リードオンリーメモリＲＯＭ４０２は、図７及び図９に開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムの命令を含み、これらの命令は、装置４０に電源が投入されるとランダムアクセスメモリＲＡＭ４０３に転送される、
【００６１】
ＲＡＭメモリ４０３は、変数を受け取るように意図されたレジスタと、図７及び図９に開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムの命令とを含む。
【００６２】
アナログ／デジィタル変換器４０６は、電力段４０５を形成するエネルギー変換装置及び本発明による電気回路に接続され、必要であれば電圧及び電流を２値情報に変換する。
【００６３】
図５ａは、電圧極性を反転させることなく入力電圧をステップダウン又はステップアップすることができる降圧／昇圧併合コンバータの一例である。
【００６４】
降圧／昇圧併合コンバータは、スイッチの状態に従って、従来の降圧−昇圧コンバータで行われるように出力電圧の極性を反転させることなく、降圧モード（ステップダウンモード）又は昇圧モード（ステップアップモード）で動作することができる。
【００６５】
降圧／昇圧併合コンバータは、電源ＰＶに接続される入力フィルタキャパシタＣUIを備えている。電圧測定手段は、キャパシタＣUIにおける電圧を測定する。キャパシタＣUIの正極の端子は、スイッチＳ5の第１の端子に接続されている。スイッチＳ5は、例えばＩＧＢＴトランジスタである。その場合、キャパシタＣUIの正極の端子は、ＩＧＢＴトランジスタＳ5のコレクタに接続される。
【００６６】
スイッチＳ5の第２の端子は、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続されている。
【００６７】
スイッチＳ5がＩＧＢＴトランジスタである場合、ＩＧＢＴトランジスタＳ5のエミッタが、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続される。
【００６８】
ダイオードＤ５のアノードは、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００６９】
インダクタＬ１の第２の端子は、電流測定手段の第１の端子に接続されている。
【００７０】
電流測定手段Ａの第２の端子は、ダイオードＤOのアノード、及びスイッチＳ6の第１の端子に接続されている。スイッチＳ6の第２の端子は、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００７１】
例えば、スイッチＳ６はＮＭＯＳＦＥＴである。その場合、電流測定手段Ａの第２の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ6のドレインに接続される。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ6のソースは、キャパシタＣUIの負極の端子に接続される。
【００７２】
ダイオードＤOのカソードは、キャパシタＣOの正極の端子に接続され、キャパシタＣOの負極の端子は、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００７３】
降圧／昇圧併合コンバータが降圧モードで動作するとき、スイッチＳ6は常にＯＦＦ状態であり、ダイオードＤOは常に導通している。
【００７４】
スイッチＳ5は、ＰＷＭ導通期間中はＯＮであり、非導通期間中はＯＦＦである。
【００７５】
降圧／昇圧併合コンバータが昇圧モードで動作するとき、スイッチＳ5は常にＯＮ状態であり、ダイオードＤ5は決して導通しない。
【００７６】
スイッチＳ6は、ＰＷＭ導通期間中はＯＮであり、非導通期間中はＯＦＦである。
【００７７】
スイッチＳ5は、降圧モードと昇圧モードの切換えに寄与する。
【００７８】
図５ｂは、降圧／昇圧併合コンバータに本発明によるコンデンサを含めた電気回路の特定の実施態様の一例である。
【００７９】
特定の実現モードでは、降圧／昇圧併合コンバータに使用されるコンポーネントは、本発明による電気回路を実装するためにも使用される。
【００８０】
図５ａのスイッチＳ5は、最大電力点の決定を可能にする情報が得られるとき、図３のスイッチＳUI3と等価である。図５ａのキャパシタＣUIもまた、電源の特性付けが行われるとき、図３のキャパシタＣUIと等価である。電圧Ｖ１は、図５ａ及び図３のキャパシタＣUIの電圧と同じ電圧である。
【００８１】
図５ｂは、図５ａよりも３つ多いコンポーネント、すなわち図３で既に開示したスイッチＳUI1、抵抗器ＲUI、及びスイッチＳUI2を備えている。
【００８２】
特定の実施態様では、電源ＰＶの正極の端子は、スイッチＳUI1の第１の端子、抵抗器ＲUI、スイッチＳUI2の第１の端子、及びスイッチＳ5の第１の端子に接続されている。
【００８３】
スイッチＳUI1の第２の端子は、キャパシタＣUIの正極の端子、及び抵抗器ＲUIの第２の端子に接続されている。
【００８４】
スイッチＳUI2の第２の端子は、キャパシタＣUIの負極の端子、及び電源ＰＶの負極の端子に接続されている。
【００８５】
電圧測定手段は、キャパシタＣUIの電圧Ｖ１を測定する。
【００８６】
スイッチＳ5は、例えばＩＧＢＴトランジスタであり、スイッチＳUI1及びＳUI2は、例えばＮＭＯＳＦＥＴである。その場合、電源ＰＶの正極の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ ＳUI1のソース、ＮＭＯＳＦＥＴ ＳUI2のドレイン、及びＩＧＢＴ Ｓ5のコレクタに接続される。
【００８７】
スイッチＳUI1のドレインは、キャパシタＣUI1の正極の端子、及び抵抗器ＲUIの第２の端子に接続される。
【００８８】
スイッチＳUI2のソースは、キャパシタＣUIの負極の端子、及び電源ＰＶの負極の端子に接続される。
【００８９】
スイッチＳ5の第２の端子は、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続されている。
【００９０】
スイッチＳ5がＩＧＢＴトランジスタである場合、ＩＧＢＴトランジスタＳ5のエミッタは、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続される。
【００９１】
ダイオードＤ５のアノードは、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００９２】
インダクタＬ１の第２の端子は、電流測定手段の第１の端子に接続されている。
【００９３】
電流測定手段Ａの第２の端子は、ダイオードＤOのアノード、及びスイッチＳ6の第１の端子に接続されている。スイッチＳ6の第２の端子は、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００９４】
例えば、スイッチＳ6はＮＭＯＳＦＥＴである。その場合、電流測定手段Ａの第２の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ6のドレインに接続される。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ6のソースは、キャパシタＣUIの負極の端子に接続される。
【００９５】
ダイオードＤOのカソードは、キャパシタＣOの正極の端子に接続され、キャパシタＣOの負極の端子は、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００９６】
その特定の実施態様では、スイッチＳ５は、図５ａを参照して開示したように、かつ図３のスイッチＳUI3のように作用する。
【００９７】
図６（ａ）は、本発明によって測定されるキャパシタの電圧変動の一例である。
【００９８】
図６（ａ）の横軸には時間が表され、図６（ａ）の縦軸には電圧が表されている。
【００９９】
電圧Ｖ１はＣUIの電圧を表している。
【０１００】
最初、キャパシタＣUIは、事前に決定されたＭＰＰに対応する電圧ＶMPPまで充電されている。これは、図６（ａ）及び図６（ｂ）においてＰＨ１と示されている期間に対応する。
【０１０１】
図６（ｂ）は、本発明によって得られる電源電流変動の一例である。
【０１０２】
図６（ｂ）の横軸に時間が表されており、図６（ｂ）の縦軸には電流が表されている。
【０１０３】
電流は、電源ＰＶの出力電流を表す。第１の期間ＰＨ１中において、電源ＰＶの出力電流ＩMPPは事前に決定されたＭＰＰに対応する。
【０１０４】
第１の期間ＰＨ１中、降圧／昇圧併合コンバータがステップアップ（昇圧）構成で動作している場合、スイッチＳUI1及びＳUI3はＯＮ状態、すなわち導通状態であり、スイッチＳUI2はＯＦＦ状態、すなわち非導通状態である。
【０１０５】
ここで、第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、キャパシタＣUI1を充電するために使用されるスイッチＳUI1を流れないことに留意されたい。
【０１０６】
ここで、第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、キャパシタＣUI1の放電を可能にするスイッチＳUI2を流れず、スイッチＳUI2は第１の期間ＰＨ１中はＯＦＦ状態であることに留意されたい。
【０１０７】
第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、負荷ＬOに向けられる。第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、負荷ＬOによって使用される前に変換装置Ｃｏｎｖによって変換される。
【０１０８】
図６においてＰＨ２で示される第２の期間中、キャパシタＣUIは充電される。
【０１０９】
第２の期間ＰＨ２中、スイッチＳUI1はＯＮ状態であり、スイッチＳUI2及びＳUI3はＯＦＦ状態である。キャパシタＣUIは、短絡電流値ＩSCから０まで変化する電流によって充電される。
【０１１０】
キャパシタＣUIの電圧Ｖ１は、ＭＰＰを決定するために監視される。
【０１１１】
図７に開示される特定の実現モードによれば、電圧Ｖ１は、電源ＰＶによって出力される出力電流を求めるために監視される。
【０１１２】
別の実現モードでは、電源ＰＶによって出力される出力電流を求めるために、電気回路に従来の電流測定装置が設けられる。
【０１１３】
キャパシタＣUIは、０からＶOCまで充電される。
【０１１４】
電流センサ及び電圧センサがともに利用可能である場合、Ｖ１電圧は電流と組み合わせてサンプリングされ、或いは電流信号は電圧Ｖ１から求められる。
【０１１５】
図６においてＰＨ３で示される第３の期間中、キャパシタＣUIは放電される。
【０１１６】
第３の期間ＰＨ３中、スイッチＳUI1及びＳU13はＯＦＦ状態であり、スイッチＳUI2はＯＮ状態である。キャパシタＣUIは、抵抗器ＲUIを通じて放電される。スイッチＳ6のＰＷＭ動作は、期間ＰＨ３の開始時に停止され、スイッチＳ6は連続してＯＮ状態となる。インダクタＬ１は、ダイオードＤ５及びスイッチＳ6を通じて放電される。この構成は、第２の期間ＰＨ２中も維持される。
【０１１７】
図９に開示される特定の実現モードによれば、キャパシタ電圧Ｖ１は、第３の期間中にキャパシタ値ＣUIを求めるために監視される。
【０１１８】
キャパシタＣUIは０まで放電され、電源ＰＶの出力電流は、スイッチＳUI2がＯＮ状態になると短絡電流値ＩSCに達する。
【０１１９】
その結果、電源ＰＶによって出力される電圧は、ＩSC電流に対応して、期間ＰＨ３の間中ずっと０に維持される。
【０１２０】
図６においてＰＨ４で示される第４の期間中、スイッチＳUI1及びＳUI3はＯＮ状態である（後者がＯＮ状態であるのは、降圧／昇圧併合コンバータが昇圧モードで動作しているためである）、すなわち、それらのスイッチは導通しており、スイッチＳUI2はＯＦＦ状態、すなわち導通していない。
【０１２１】
第４の期間ＰＨ４中、電源ＰＶの出力電流及び電圧Ｖ１は、新たに決定されたＭＰＰに対応する。
【０１２２】
本発明によって測定されるキャパシタ電圧変動は、期間ＰＨ１、ＰＨ２、及びＰＨ４中における、電源ＰＶの出力電圧の電圧変動と同じである。
【０１２３】
図７は、本発明の特定の実現モードによる電源の最大電力点を決定するアルゴリズムの一例である。
【０１２４】
より正確には、本アルゴリズムはプロセッサ４００によって実行される。本発明の特定の実現モードによって電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得するアルゴリズムは、キャパシタＣUIを流れる電流を求めるために電圧Ｖ１を用いる。
【０１２５】
一般的見地から、本アルゴリズムにより、所与のサンプルにおける電流は、キャパシタＣUIの静電容量値に所与のサンプルにおける電圧導関数を乗じることによって求められ、電圧導関数は、当てはめられた数学関数、例えば実係数を有する多項式関数によって得られる。
【０１２６】
当てはめられる数学関数は、所与の時間サンプルにおける処理された電圧を取得するために、連続的な時間サンプルｘi（ｉ＝１〜Ｎ）において測定された電圧ｙiと数学関数ｆ（ｘi）との差の二乗和を最小化することによって得られる。これは、以下のように行われる。
【０１２７】
Ｎ個のサンプル（ｘ1，ｙ1），（ｘ2，ｙ2）．．．（ｘN，ｙN）が与えられると、必要な当てはめられる数学関数を、例えば以下の形に書くことができる。
【数１】
ただし、ｆj（ｘ）（ｊ＝１，２．．．Ｋ）はｘの数学関数であり、Ｃj（ｊ＝１，２．．．Ｋ）は当初は未知の定数である。
【０１２８】
ｆ（ｘ）とｙの実際の値との差の二乗和は、以下によって与えられる。
【数２】
【０１２９】
この誤差項は、定数Ｃj（ｊ＝１，２，．．．Ｋ）の各々に関してＥの１階偏導関数を取り、その結果をゼロにすることによって最小化される。したがって、対称なＫ元連立方程式が、Ｃ1、Ｃ2、…、ＣKに対して得られて解かれる。この手順は、最小平均二乗（ＬＭＳ）アルゴリズムとしても知られている。
【０１３０】
最大電力点の決定を可能にする情報は、電流−電圧垂下特性から直接得られる電源ＰＶの電力−電圧垂下特性である。
【０１３１】
Ｖ１の電圧サンプルを用いて、図８（ａ）〜図８（ｃ）に関して開示されるように各サンプルに対して移動する所定の窓において、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線が取得される。したがって、電圧はフィルタリングされ、その導関数を、窓の中心点すべてに対して非常に簡単かつ直接的な方法で同時に計算することができる。それにより、いかなる追加の電流センサも必要とすることなく電流が求められる。
【０１３２】
ステップＳ７００において、プロセッサ４００は、電圧Ｖ１のサンプリングを指示する。サンプリングは、図６の期間ＰＨ２中に実行される。
【０１３３】
次のステップＳ７０１において、プロセッサ４００は、期間ＰＨ３中にステップＳ７００において取得されたサンプルを取得する。各サンプルは２次元ベクトルであり、その係数は、電圧値と電圧を測定した時刻である。
【０１３４】
次のステップＳ７０２において、プロセッサ４００は、移動窓のサイズを決める。移動窓のサイズは、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるのに用いられるサンプルの数Ｎｐｔを示す。移動窓のサイズは奇数である。例えば、移動窓のサイズは７１に等しい。
【０１３５】
図８（ａ）は、本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる第１の窓の一例である。
【０１３６】
図８（ａ）において、横軸は時間を表し、縦軸は測定された電圧Ｖ１を表す。
【０１３７】
各×印はサンプルを表す。
【０１３８】
窓Ｗ１は移動窓であり、関数ｆ１は、本アルゴリズムによって求められる数学関数である。
【０１３９】
次のステップＳ７０３において、プロセッサ４００は、移動窓の中心点Ｎｃを求める。
【０１４０】
次のステップＳ７０４において、プロセッサ４００は、変数ｉを値Ｎｐｔに設定する。
【０１４１】
次のステップＳ７０５において、プロセッサ４００は、変数ｊをｉ−Ｎｃ＋１に設定する。
【０１４２】
次のステップＳ７０６において、プロセッサ４００は、変数ｋを１に設定する。
【０１４３】
次のステップＳ７０７において、プロセッサ４００は、ｘ（ｋ）の値をサンプルｊの時刻係数に設定する。
【０１４４】
次のステップＳ７０８において、プロセッサ４００は、ｙ（ｋ）の値をサンプルｊの電圧係数に設定する。
【０１４５】
次のステップＳ７０９において、プロセッサ４００は、変数ｋを１インクリメントする。
【０１４６】
次のステップＳ７１０において、プロセッサ４００は、変数ｊを１インクリメントする。
【０１４７】
次のステップＳ７１１において、プロセッサ４００は、変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。
【０１４８】
変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ７０７に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ７１２に移る。
【０１４９】
ステップＳ７１２において、プロセッサ４００は、最小平均二乗アルゴリズムと、Ｓ７１１の条件に達するまでステップＳ７０７及びＳ７０８においてサンプリングされたすべてのｘ（ｋ）値及びｙ（ｋ）値とを用いて、当てはめられる数学関数、例えば多項式関数ｙ（ｘ）＝ａｘ2＋ｂｘ＋ｃを求める。
【０１５０】
数学関数、例えば二次多項式関数は、図８（ａ）に示される関数ｆ１である。
【０１５１】
そして、プロセッサ４００は、二次多項式関数のａ、ｂ、及びｃの実係数
【数３】
を得る。
【０１５２】
次のステップＳ７１３において、プロセッサ４００は、以下の式に従ってフィルタリングされた電圧値及び電流を見積もる。
【数４】
【０１５３】
次のステップＳ７１４において、プロセッサ４００は、変数ｉを１単位インクリメントする。
【０１５４】
次のステップＳ７１５において、プロセッサ４００は、ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。ただし、ＮはステップＳ７０１において取得された電圧サンプルの総数である。
【０１５５】
ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ７０５に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ７１６に移る。
【０１５６】
ステップＳ７０５に移ることにより、プロセッサ４００は、図８（ｂ）に関して開示されるように移動窓を１サンプル変位させる。
【０１５７】
図８（ｂ）は、本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる第２の窓の一例である。
【０１５８】
図８（ｂ）において、横軸は時間を表し、縦軸は測定された電圧Ｖ１を表す。
【０１５９】
各×印はサンプルを表す。
【０１６０】
窓Ｗ２は、窓Ｗ１を１サンプル移動させたものであり、関数ｆ２は、Ｗ２において入手可能なサンプルからステップＳ７１２において本アルゴリズムによって求められた数学関数である。
【０１６１】
プロセッサ４００は、ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さい限り、ステップＳ７０５〜Ｓ７１５によって構成されるループを実行する。
【０１６２】
各ループにおいて、窓は１サンプル移動する。
【０１６３】
図８（ｃ）は、本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる第３の窓の一例である。
【０１６４】
図８（ｃ）において、横軸は時間を表し、縦軸は測定された電圧Ｖ１を表す。
【０１６５】
各×印はサンプルを表す。
【０１６６】
窓Ｗ３は、窓Ｗ３を１サンプル移動させたものであり、関数ｆ３は、Ｗ３において入手可能なサンプルからステップＳ７１２において本アルゴリズムによって求められた数学関数である。
【０１６７】
ステップＳ７１６において、プロセッサ４００は、これまでのステップで求められた電圧値及び電流値のすべてを取得し、図２に示されるような曲線を形成する。
【０１６８】
次のステップＳ７１７において、プロセッサ４００は、ステップＳ７１６において取得された電圧値及び電流値から、電圧値及び電流値より得られる最大電力を選択することによってＭＰＰを決定する。
【０１６９】
そして、新たなＭＰＰを、電源ＰＶの効率的な使用のために用いることができる。
【０１７０】
図９は、本発明の特定の実現モードによってキャパシタの静電容量値を求めるアルゴリズムの一例である。
【０１７１】
ＣUIのような降圧／昇圧コンバータにおける入力フィルタとしては、通常、電解キャパシタが選択される。
【０１７２】
電解キャパシタが最初に動作可能となる時の初期値を考慮すると、静電容量値は電解キャパシタの寿命の間に低下することがよく知られている。さらに、静電容量値は温度に依存する。
【０１７３】
ステップＳ７１３において求められる電流値はＣUIの静電容量値に依存するため、計算される電流の精度は、静電容量値の精度に大きく依存する。
【０１７４】
そのため、例えば、図７に開示されるアルゴリズムが実行される度に、静電容量値を正確に推定することが望ましい。
【０１７５】
図６の期間ＰＨ３中に、電圧Ｖ１が監視される。ＣUIはＲUIを通じて放電されるため、以下のようになる。
【数５】
ただし、Ｖ１（ｔ）は時刻ｔに測定される電圧Ｖ１である。
【０１７６】
したがって、図６（ａ）の例によれば、Ｖ１（ｔ＝０）＝ＶMPPであり、ｔ＝０はＰＨ３の開始である。ｔ＝τ＝ＲUIＣUIであるとき、以下の式が成り立つ。
【数６】
【０１７７】
Ｖ１（ｔ）は期間ＰＨ３中に連続的にサンプリングされるため、Ｖ１（ｔ）が上述した値に達すると、プロセッサ４００によって一定時間τ＝ＲUIＣUIを推定することができる。
【０１７８】
図９のアルゴリズムに示されるように、雑音によってもたらされる誤差を低減するために、測定値に何らかのフィルタリングを行うことが望まれる。最後に、τ及びＲUIからＣUI値が推定される。
【０１７９】
好ましくは、抵抗器ＲUIは高精度電力抵抗器である。例えば、抵抗器ＲUIの許容差は±０．０５％〜±１％である。
【０１８０】
ステップＳ９００において、プロセッサ４００は、電圧Ｖ１のサンプリングを指示する。サンプリングは、図６の期間ＰＨ３中に実行される。
【０１８１】
次のステップＳ９０１において、プロセッサ４００は、期間ＰＨ２中にステップＳ９００において取得されたサンプルを取得する。各サンプルは２次元ベクトルであり、その係数は電圧値と電圧が測定された時刻である。
【０１８２】
次のステップＳ９０２において、プロセッサ４００は、移動窓のサイズを決める。移動窓のサイズは、適切な多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるのに用いられるサンプルの数Ｎｐｔを示す。移動窓のサイズは奇数である。例えば、移動窓のサイズは２１に等しい。
【０１８３】
次のステップＳ９０３において、プロセッサ４００は、移動窓の中心点Ｎｃを求める。
【０１８４】
次のステップＳ９０４において、プロセッサ４００は、変数ｉを値Ｎｐｔに設定する。
【０１８５】
次のステップＳ９０５において、プロセッサ４００は、変数ｊをｉ−Ｎｃ＋１に設定する。
【０１８６】
次のステップＳ９０６において、プロセッサ４００は、変数ｋを１に設定する。
【０１８７】
次のステップＳ９０７において、プロセッサ４００は、ｘ（ｋ）の値をサンプルｊの時刻係数に設定する。
【０１８８】
次のステップＳ９０８において、プロセッサ４００は、ｙ（ｋ）の値をサンプルｊの電圧係数に設定する。
【０１８９】
次のステップＳ９０９において、プロセッサ４００は、変数ｋを１インクリメントする。
【０１９０】
次のステップＳ９１０において、プロセッサ４００は、変数ｊを１インクリメントする。
【０１９１】
次のステップＳ９１１において、プロセッサ４００は、変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。
【０１９２】
変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ７０７に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ９１２に移る。
【０１９３】
ステップＳ９１２において、プロセッサ４００は、処理中の値ｉについてステップＳ９０８が実行される度に累積されるｙ（ｋ）値の平均を求める。
【０１９４】
次のステップＳ９１３において、プロセッサ４００は、変数ｉを１単位インクリメントする。
【０１９５】
次のステップＳ９１４において、プロセッサ４００は、ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。ただし、ＮはステップＳ９０１において取得されたサンプルの総数である。
【０１９６】
ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ９０５に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ９１５に移る。
【０１９７】
ステップＳ９０５に移ることにより、プロセッサ４００は、移動窓を１サンプル変位させる。
【０１９８】
各ループにおいて、窓は１サンプル移動する。
【０１９９】
ステップＳ９１５において、プロセッサ４００は、ステップＳ９１２が実行される度に求められた電圧値を取得する。
【０２００】
次のステップＳ９１６において、プロセッサ４００は、ステップＳ９１５において求められたフィルタリングされた出力電圧と以下の式を用いて、キャパシタＣUI値を求める。
【数７】
【０２０１】
τは、ｔ＝０におけるＶMPPからｔ＝τ＝ＲUIＣUIにおける０．３６７８７９ＶMPPまでのサンプリング期間を累積することによって求められる。
【０２０２】
τ及びＲUIが既知となると、ＣUIを求めることができる。
【０２０３】
当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、太陽電池又は太陽電池のアレイ又は燃料電池のような電源における最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。太陽電池によって生成される電気エネルギーを経時的に抽出し、電力の形態で使用することができる。太陽電池によって提供される直流電力は、ＤＣ−ＤＣアップ／ダウンコンバータ回路及び／又はＤＣ／ＡＣインバータ回路のような変換装置に供給される。
【０００３】
しかしながら、太陽電池の電流−電圧垂下特性（current-voltage drop characteristics）により、出力電力は太陽電池から引き出される電流とともに非線形に変化する。電力−電圧曲線は、光照射レベル及び動作温度等の気候変動に従って変化する。
【０００４】
太陽電池又は太陽電池のアレイを動作させる準最適点は、電力が最大となる電流−電圧曲線の領域又はその近傍である。この点は、最大電力点（ＭＰＰ：Maximum Power Point）と称される。
【０００５】
太陽電池をＭＰＰの周辺で動作させ、それらの発電効率を最適化することが重要である。
【０００６】
電力−電圧曲線が気候変動に従って変化する際、ＭＰＰもまた気候変動に従って変化する。
【０００７】
そのため、常にＭＰＰを特定することができる必要がある。
【０００８】
電源と負荷との間の電流路にコンポーネントを挿入すると、コンポーネントが完全でないために何らかの電力損失が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、電源のＭＰＰを決定するために、例えば電源の出力電流及び出力電圧の変動を表す情報を取得することができ、電力損失が可能な限り低減される装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのために、本発明は、第１の期間に直流電流を供給する電源の最大電力点の決定を可能にする情報を求める装置に関する。この装置は、少なくとも、キャパシタと、第２の期間中にキャパシタを充電する手段と、第３の期間にキャパシタを放電する手段と、キャパシタの電圧及び電流を監視する手段とを備え、第１の期間中に、直流電流はキャパシタを充電する手段を流れないことを特徴とする。
【００１１】
したがって、大きな電力損失なしに電源の出力電圧及び出力電流の変動を表す情報を取得することが可能となる。
【００１２】
さらに、大部分のＤＣ／ＤＣコンバータ及び／又はＤＣ／ＡＣコンバータ分では、キャパシタは、それらの入力におけるフィルタリングの目的ですでに利用可能である。このキャパシタを、少なくとも１つの特定の期間中に電圧変動及び電流変動を監視するために用いることもできる。監視される電圧変動及び電流変動により、電源の所望の電圧−電流／電圧−電力垂下特性のような情報をいつでも取得することが可能となる。本発明では、他の余計なキャパシタをシステムに追加することが回避される。
【００１３】
特定の特徴によれば、直流電流は、第１の期間中に負荷に向けられる。
【００１４】
特定の特徴によれば、キャパシタを放電する手段は、抵抗器及び第１のスイッチから構成され、抵抗器の第１の端子は、電源の第１の端子及び第１のスイッチの第１の端子に接続され、抵抗器の第２の端子は、キャパシタの第１の端子に接続され、キャパシタの第２の端子は、電源の第２の端子及び第１のスイッチの第２の端子に接続される。
【００１５】
したがって、このトポロジーにより、電源と負荷との間の電流路に追加のスイッチを必要とすることなく、キャパシタを放電することができ、電源に接続されたキャパシタの通常動作中、すなわち第１の期間中に第１のスイッチに現れる損失が回避される。したがって、ＭＰＰの決定を可能にする情報を取得するより効率的なトポロジーが得られる。
【００１６】
特定の特徴によれば、第２の期間中にキャパシタを充電する手段は、第２のスイッチを含む。
【００１７】
したがって、通常動作中、第２のスイッチにおける損失は、主路のスイッチと比較した場合に大きく低減される。
【００１８】
特定の特徴によれば、第２のスイッチは、抵抗器と並列に接続される。
【００１９】
したがって、通常動作中、すなわち第１の期間中、第２のスイッチが抵抗器と並列に短絡路を形成し、この状況下で抵抗器に電力損失がないため、入力フィルタとしても用いられるキャパシタは常に動作可能である。
【００２０】
さらに、通常動作の下でキャパシタを流れる電流は、当該キャパシタでの電圧リップルが非常に小さいことにより非常に小さいため、第２のスイッチにおける損失は、主路のスイッチと比較した場合に大きく低減される。
【００２１】
特定の特徴によれば、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、第２の期間及び第３の期間中に負荷を電源から切断する第３のスイッチをさらに備える。
【００２２】
したがって、最大電力点の決定を可能にする情報を得るために、すなわち電源の電圧−電流／電圧−電力垂下の特徴付けを実行するために、電源を負荷から定期的に切断することが可能となり、負荷はＤＣ／ＤＣコンバータ又はＤＣ／ＡＣコンバータとすることができる。通常、ＤＣ／ＤＣトポロジー又はＤＣ／ＡＣトポロジーでは、第３のスイッチが既に含まれている。
【００２３】
さらに、曲線の種々の点で動作するために遙かに長い時間を必要とし、発電効率の低下にもつながる、可変負荷を有する必要がない。
【００２４】
特定の特徴によれば、キャパシタの電圧及び電流を監視する手段は、第２の期間中に連続的な時間サンプルでキャパシタの電圧をサンプリングする。
【００２５】
したがって、電圧導関数の計算から電流変動を推定することが可能となり、追加の電力損失をもたらす高価な電流センサが不要となる。
【００２６】
コスト及び効率が改善される。
【００２７】
電源の電圧−電流／電圧−電力垂下特性の推定は、この第２の期間中に、推定された電流及び測定された電圧のすべての対を関連付けることによって行われる。
【００２８】
特定の特徴によれば、所与のサンプルの周囲の連続的なサンプルにおける測定された電圧は、所与のサンプルにおける処理された電圧を取得するために、連続的なサンプルにおける測定された電圧と数学関数との差の二乗和を最小化することによって得られる、当てはめられた数学関数を用いて処理される。
【００２９】
したがって、測定された電圧サンプルに現れる可能性がある雑音は、多項式関数によって既にフィルタリングされており、その結果、サンプルについての電圧推定が改善される。
【００３０】
特定の特徴によれば、数学関数は、実係数を有する所与の次数の多項式関数である。
【００３１】
特定の特徴によれば、所与のサンプルにおける電流は、キャパシタの静電容量値に、所与のサンプルにおける電圧導関数を乗じることによって求められ、電圧導関数は、所与のサンプルについての当てはめられた数学関数から得られる。
【００３２】
したがって、当てはめられた数学関数を用いることにより、同時に２つの有用な動作を実現する。すなわち、電圧サンプルをフィルタリングし、その電圧導関数を推定することが可能となる。
【００３３】
特定の特徴によれば、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、キャパシタの静電容量値を求めるために、第３の期間中にキャパシタの電圧をサンプリングする手段をさらに備える。
【００３４】
したがって、電源の最大電力点の決定を可能にする情報が得られるときには、実際の静電容量値を常に正確に求めることができ、キャパシタに対する温度の影響及び経年変化の影響により電流推定において現れる可能性がある誤差が回避される。
【００３５】
特定の特徴によれば、求められた静電容量値は、所与のサンプルにおける電流を求めるために用いられる。
【００３６】
したがって、電流センサをシステムに取り付ける必要は、まったく存在しない。
【００３７】
さらに、各サンプルにおける電圧導関数の計算から得られる結果及び対応する静電容量値により、電流推定が非常に正確になる。
【００３８】
特定の特徴によれば、キャパシタと、電圧及び電流を監視する手段と、第３のスイッチとは、降圧／昇圧併合コンバータ（merged buck/boost converter）のコンポーネントである。
【００３９】
したがって、降圧／昇圧コンバータに対して僅かなコンポーネントを追加することにより、電源の電圧−電流／電圧−電力垂下の特徴付けを行うことができ、その結果、低コストの変更により、電源からの電力の使用をはるかに効率的にすることができる。
【００４０】
本発明の特徴は、実施形態例の以下の説明を読むことからより明確になる。当該説明は、添付図面を参照して行われる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明を実施することができるエネルギー変換システムの一例の図である。
【図２】電源の出力電圧による電源の出力電流変動を表す曲線の一例の図である。
【図３】電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する、本発明によるキャパシタを備えた電気回路の一例の図である。
【図４】エネルギー変換装置及び本発明によるキャパシタを備えた電気回路を備えた装置の一例を表す図である。
【図５ａ】入力電圧を電圧の極性を反転させることなくステップダウン又はステップアップすることができる降圧／昇圧併合コンバータの一例の図である。
【図５ｂ】降圧／昇圧併合コンバータにおける本発明によるキャパシタを備えた電気回路の特定の実施態様の一例の図である。
【図６】（ａ）は、本発明によって測定されるキャパシタ電圧変動の一例の図であり、（ｂ）は、本発明によって取得される電源電流変動の一例の図である。
【図７】本発明の特定の実現モードによる、電源の最大電力点を決定するアルゴリズムの一例の図である。
【図８】本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる、（ａ）は第１の窓の一例の図であり、（ｂ）は第２の窓の一例であり、（ｃ）は第３の窓の一例である。
【図９】本発明の特定の実現モードによる、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得するために用いられるキャパシタの静電容量値を求めるアルゴリズムの一例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、本発明を実施することができるエネルギー変換システムの一例である。
【００４３】
エネルギー変換システムは、太陽電池又は太陽電池のアレイ又は燃料電池のような電源ＰＶを含み、電源ＰＶの出力は、負荷Ｌｏに電気エネルギーを供給する変換装置Ｃｏｎｖに接続されている。変換装置Ｃｏｎｖは、ＤＣ−ＤＣステップダウン／ステップアップコンバータ及び／又はインバータとも呼ばれるＤＣ／ＡＣコンバータである。
【００４４】
電源ＰＶは、負荷Ｌｏに電流を供給する。電流は、負荷Ｌｏによって使用される前に変換装置Ｃｏｎｖによって変換される。
【００４５】
図２は、電源の出力電圧による電源の出力電流変動を表す曲線の一例である。
【００４６】
図２の横軸には電圧値が示されている。電圧値は０と開回路電圧ＶOCとの間に含まれる。
【００４７】
図２の縦軸には電流値が示されている。電流値は０と短絡電流ＩSCとの間に含まれる。
【００４８】
任意の所与の光レベル及び太陽電池アレイ温度について、太陽電池アレイが動作可能な無数の電流−電圧の対、すなわち動作点が存在する。しかしながら、所与の光レベル及び太陽電池アレイ温度に対して存在するＭＰＰは、ただ一つである。
【００４９】
図３は、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する、本発明によるキャパシタを備えた電気回路の一例である。
【００５０】
この電気回路は、部分的に又は全体的に変換装置Ｃｏｎｖに含めることもできるし、変換装置Ｃｏｎｖに追加することもできる。
【００５１】
電源ＰＶの正極の端子は、スイッチＳUI1の第１の端子、抵抗器ＲUIの第１の端子、スイッチＳUI2の第１の端子、及びスイッチＳUI3の第１の端子に接続されている。
【００５２】
スイッチＳUI1の第２の端子は、キャパシタＣUIの正極の端子、及び抵抗器ＲUIの第２の端子に接続されている。
【００５３】
電源ＰＶの負極の端子は、スイッチＳUI2の第２の端子、及びキャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００５４】
Ｖ１はＣUIの電圧を表す。この電圧は、例えばアナログ／ディジタル変換器を用いて測定される。
【００５５】
電気回路はスイッチＳUI3も備え、その機能は負荷Ｌｏを電源ＰＶに接続するか又は電源ＰＶから切断することである。したがって、スイッチＳUI3の第２の端子は、図１に示されるような負荷Ｌｏに接続されるコンバータＣｏｎｖに接続されるか、又は当該コンバータの一部である。
【００５６】
図４は、エネルギー変換装置と本発明によるキャパシタを備えた電気回路とを備える装置の一例を表す。
【００５７】
装置４０は、例えば、バス４０１によって互いに接続されたコンポーネントと、図７及び図９に開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムによって制御されるプロセッサ４００とに基づくアーキテクチャを有している。
【００５８】
ここで、装置４０は、一変形では、後に開示されるようなプロセッサ４００によって実行されるものと同じ動作を実行する、１つ又は幾つかの専用集積回路の形態で実装されることに留意されたい。
【００５９】
バス４０１は、プロセッサ４００を、リードオンリーメモリＲＯＭ４０２と、ランダムアクセスメモリＲＡＭ４０３と、アナログ／ディジタル変換器ＡＤＣ４０６と、エネルギー変換装置と、本発明による電気回路とに接続する。
【００６０】
リードオンリーメモリＲＯＭ４０２は、図７及び図９に開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムの命令を含み、これらの命令は、装置４０に電源が投入されるとランダムアクセスメモリＲＡＭ４０３に転送される、
【００６１】
ＲＡＭメモリ４０３は、変数を受け取るように意図されたレジスタと、図７及び図９に開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムの命令とを含む。
【００６２】
アナログ／デジィタル変換器４０６は、電力段４０５を形成するエネルギー変換装置及び本発明による電気回路に接続され、必要であれば電圧及び電流を２値情報に変換する。
【００６３】
図５ａは、電圧極性を反転させることなく入力電圧をステップダウン又はステップアップすることができる降圧／昇圧併合コンバータの一例である。
【００６４】
降圧／昇圧併合コンバータは、スイッチの状態に従って、従来の降圧−昇圧コンバータで行われるように出力電圧の極性を反転させることなく、降圧モード（ステップダウンモード）又は昇圧モード（ステップアップモード）で動作することができる。
【００６５】
降圧／昇圧併合コンバータは、電源ＰＶに接続される入力フィルタキャパシタＣUIを備えている。電圧測定手段は、キャパシタＣUIにおける電圧を測定する。キャパシタＣUIの正極の端子は、スイッチＳ5の第１の端子に接続されている。スイッチＳ5は、例えばＩＧＢＴトランジスタである。その場合、キャパシタＣUIの正極の端子は、ＩＧＢＴトランジスタＳ5のコレクタに接続される。
【００６６】
スイッチＳ5の第２の端子は、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続されている。
【００６７】
スイッチＳ5がＩＧＢＴトランジスタである場合、ＩＧＢＴトランジスタＳ5のエミッタが、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続される。
【００６８】
ダイオードＤ５のアノードは、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００６９】
インダクタＬ１の第２の端子は、電流測定手段の第１の端子に接続されている。
【００７０】
電流測定手段Ａの第２の端子は、ダイオードＤOのアノード、及びスイッチＳ6の第１の端子に接続されている。スイッチＳ6の第２の端子は、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００７１】
例えば、スイッチＳ６はＮＭＯＳＦＥＴである。その場合、電流測定手段Ａの第２の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ6のドレインに接続される。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ6のソースは、キャパシタＣUIの負極の端子に接続される。
【００７２】
ダイオードＤOのカソードは、キャパシタＣOの正極の端子に接続され、キャパシタＣOの負極の端子は、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００７３】
降圧／昇圧併合コンバータが降圧モードで動作するとき、スイッチＳ6は常にＯＦＦ状態であり、ダイオードＤOは常に導通している。
【００７４】
スイッチＳ5は、ＰＷＭ導通期間中はＯＮであり、非導通期間中はＯＦＦである。
【００７５】
降圧／昇圧併合コンバータが昇圧モードで動作するとき、スイッチＳ5は常にＯＮ状態であり、ダイオードＤ5は決して導通しない。
【００７６】
スイッチＳ6は、ＰＷＭ導通期間中はＯＮであり、非導通期間中はＯＦＦである。
【００７７】
スイッチＳ5は、降圧モードと昇圧モードの切換えに寄与する。
【００７８】
図５ｂは、降圧／昇圧併合コンバータに本発明によるコンデンサを含めた電気回路の特定の実施態様の一例である。
【００７９】
特定の実現モードでは、降圧／昇圧併合コンバータに使用されるコンポーネントは、本発明による電気回路を実装するためにも使用される。
【００８０】
図５ａのスイッチＳ5は、最大電力点の決定を可能にする情報が得られるとき、図３のスイッチＳUI3と等価である。図５ａのキャパシタＣUIもまた、電源の特性付けが行われるとき、図３のキャパシタＣUIと等価である。電圧Ｖ１は、図５ａ及び図３のキャパシタＣUIの電圧と同じ電圧である。
【００８１】
図５ｂは、図５ａよりも３つ多いコンポーネント、すなわち図３で既に開示したスイッチＳUI1、抵抗器ＲUI、及びスイッチＳUI2を備えている。
【００８２】
特定の実施態様では、電源ＰＶの正極の端子は、スイッチＳUI1の第１の端子、抵抗器ＲUI、スイッチＳUI2の第１の端子、及びスイッチＳ5の第１の端子に接続されている。
【００８３】
スイッチＳUI1の第２の端子は、キャパシタＣUIの正極の端子、及び抵抗器ＲUIの第２の端子に接続されている。
【００８４】
スイッチＳUI2の第２の端子は、キャパシタＣUIの負極の端子、及び電源ＰＶの負極の端子に接続されている。
【００８５】
電圧測定手段は、キャパシタＣUIの電圧Ｖ１を測定する。
【００８６】
スイッチＳ5は、例えばＩＧＢＴトランジスタであり、スイッチＳUI1及びＳUI2は、例えばＮＭＯＳＦＥＴである。その場合、電源ＰＶの正極の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ ＳUI1のソース、ＮＭＯＳＦＥＴ ＳUI2のドレイン、及びＩＧＢＴ Ｓ5のコレクタに接続される。
【００８７】
スイッチＳUI1のドレインは、キャパシタＣUI1の正極の端子、及び抵抗器ＲUIの第２の端子に接続される。
【００８８】
スイッチＳUI2のソースは、キャパシタＣUIの負極の端子、及び電源ＰＶの負極の端子に接続される。
【００８９】
スイッチＳ5の第２の端子は、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続されている。
【００９０】
スイッチＳ5がＩＧＢＴトランジスタである場合、ＩＧＢＴトランジスタＳ5のエミッタは、ダイオードＤ５のカソード、及びインダクタＬ１の第１の端子に接続される。
【００９１】
ダイオードＤ５のアノードは、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００９２】
インダクタＬ１の第２の端子は、電流測定手段の第１の端子に接続されている。
【００９３】
電流測定手段Ａの第２の端子は、ダイオードＤOのアノード、及びスイッチＳ6の第１の端子に接続されている。スイッチＳ6の第２の端子は、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００９４】
例えば、スイッチＳ6はＮＭＯＳＦＥＴである。その場合、電流測定手段Ａの第２の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ6のドレインに接続される。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｓ6のソースは、キャパシタＣUIの負極の端子に接続される。
【００９５】
ダイオードＤOのカソードは、キャパシタＣOの正極の端子に接続され、キャパシタＣOの負極の端子は、キャパシタＣUIの負極の端子に接続されている。
【００９６】
その特定の実施態様では、スイッチＳ５は、図５ａを参照して開示したように、かつ図３のスイッチＳUI3のように作用する。
【００９７】
図６（ａ）は、本発明によって測定されるキャパシタの電圧変動の一例である。
【００９８】
図６（ａ）の横軸には時間が表され、図６（ａ）の縦軸には電圧が表されている。
【００９９】
電圧Ｖ１はＣUIの電圧を表している。
【０１００】
最初、キャパシタＣUIは、事前に決定されたＭＰＰに対応する電圧ＶMPPまで充電されている。これは、図６（ａ）及び図６（ｂ）においてＰＨ１と示されている期間に対応する。
【０１０１】
図６（ｂ）は、本発明によって得られる電源電流変動の一例である。
【０１０２】
図６（ｂ）の横軸に時間が表されており、図６（ｂ）の縦軸には電流が表されている。
【０１０３】
電流は、電源ＰＶの出力電流を表す。第１の期間ＰＨ１中において、電源ＰＶの出力電流ＩMPPは事前に決定されたＭＰＰに対応する。
【０１０４】
第１の期間ＰＨ１中、降圧／昇圧併合コンバータがステップアップ（昇圧）構成で動作している場合、スイッチＳUI1及びＳUI3はＯＮ状態、すなわち導通状態であり、スイッチＳUI2はＯＦＦ状態、すなわち非導通状態である。
【０１０５】
ここで、第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、キャパシタＣUI1を充電するために使用されるスイッチＳUI1を流れないことに留意されたい。
【０１０６】
ここで、第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、キャパシタＣUI1の放電を可能にするスイッチＳUI2を流れず、スイッチＳUI2は第１の期間ＰＨ１中はＯＦＦ状態であることに留意されたい。
【０１０７】
第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、負荷ＬOに向けられる。第１の段階ＰＨ１中に電源ＰＶによって供給される直流電流は、負荷ＬOによって使用される前に変換装置Ｃｏｎｖによって変換される。
【０１０８】
図６においてＰＨ２で示される第２の期間中、キャパシタＣUIは充電される。
【０１０９】
第２の期間ＰＨ２中、スイッチＳUI1はＯＮ状態であり、スイッチＳUI2及びＳUI3はＯＦＦ状態である。キャパシタＣUIは、短絡電流値ＩSCから０まで変化する電流によって充電される。
【０１１０】
キャパシタＣUIの電圧Ｖ１は、ＭＰＰを決定するために監視される。
【０１１１】
図７に開示される特定の実現モードによれば、電圧Ｖ１は、電源ＰＶによって出力される出力電流を求めるために監視される。
【０１１２】
別の実現モードでは、電源ＰＶによって出力される出力電流を求めるために、電気回路に従来の電流測定装置が設けられる。
【０１１３】
キャパシタＣUIは、０からＶOCまで充電される。
【０１１４】
電流センサ及び電圧センサがともに利用可能である場合、Ｖ１電圧は電流と組み合わせてサンプリングされ、或いは電流信号は電圧Ｖ１から求められる。
【０１１５】
図６においてＰＨ３で示される第３の期間中、キャパシタＣUIは放電される。
【０１１６】
第３の期間ＰＨ３中、スイッチＳUI1及びＳU13はＯＦＦ状態であり、スイッチＳUI2はＯＮ状態である。キャパシタＣUIは、抵抗器ＲUIを通じて放電される。スイッチＳ6のＰＷＭ動作は、期間ＰＨ３の開始時に停止され、スイッチＳ6は連続してＯＮ状態となる。インダクタＬ１は、ダイオードＤ５及びスイッチＳ6を通じて放電される。この構成は、第２の期間ＰＨ２中も維持される。
【０１１７】
図９に開示される特定の実現モードによれば、キャパシタ電圧Ｖ１は、第３の期間中にキャパシタ値ＣUIを求めるために監視される。
【０１１８】
キャパシタＣUIは０まで放電され、電源ＰＶの出力電流は、スイッチＳUI2がＯＮ状態になると短絡電流値ＩSCに達する。
【０１１９】
その結果、電源ＰＶによって出力される電圧は、ＩSC電流に対応して、期間ＰＨ３の間中ずっと０に維持される。
【０１２０】
図６においてＰＨ４で示される第４の期間中、スイッチＳUI1及びＳUI3はＯＮ状態である（後者がＯＮ状態であるのは、降圧／昇圧併合コンバータが昇圧モードで動作しているためである）、すなわち、それらのスイッチは導通しており、スイッチＳUI2はＯＦＦ状態、すなわち導通していない。
【０１２１】
第４の期間ＰＨ４中、電源ＰＶの出力電流及び電圧Ｖ１は、新たに決定されたＭＰＰに対応する。
【０１２２】
本発明によって測定されるキャパシタ電圧変動は、期間ＰＨ１、ＰＨ２、及びＰＨ４中における、電源ＰＶの出力電圧の電圧変動と同じである。
【０１２３】
図７は、本発明の特定の実現モードによる電源の最大電力点を決定するアルゴリズムの一例である。
【０１２４】
より正確には、本アルゴリズムはプロセッサ４００によって実行される。本発明の特定の実現モードによって電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得するアルゴリズムは、キャパシタＣUIを流れる電流を求めるために電圧Ｖ１を用いる。
【０１２５】
一般的見地から、本アルゴリズムにより、所与のサンプルにおける電流は、キャパシタＣUIの静電容量値に所与のサンプルにおける電圧導関数を乗じることによって求められ、電圧導関数は、当てはめられた数学関数、例えば実係数を有する多項式関数によって得られる。
【０１２６】
当てはめられる数学関数は、所与の時間サンプルにおける処理された電圧を取得するために、連続的な時間サンプルｘi（ｉ＝１〜Ｎ）において測定された電圧ｙiと数学関数ｆ（ｘi）との差の二乗和を最小化することによって得られる。これは、以下のように行われる。
【０１２７】
Ｎ個のサンプル（ｘ1，ｙ1），（ｘ2，ｙ2）．．．（ｘN，ｙN）が与えられると、必要な当てはめられる数学関数を、例えば以下の形に書くことができる。
【数１】
ただし、ｆj（ｘ）（ｊ＝１，２．．．Ｋ）はｘの数学関数であり、Ｃj（ｊ＝１，２．．．Ｋ）は当初は未知の定数である。
【０１２８】
ｆ（ｘ）とｙの実際の値との差の二乗和は、以下によって与えられる。
【数２】
【０１２９】
この誤差項は、定数Ｃj（ｊ＝１，２，．．．Ｋ）の各々に関してＥの１階偏導関数を取り、その結果をゼロにすることによって最小化される。したがって、対称なＫ元連立方程式が、Ｃ1、Ｃ2、…、ＣKに対して得られて解かれる。この手順は、最小平均二乗（ＬＭＳ）アルゴリズムとしても知られている。
【０１３０】
最大電力点の決定を可能にする情報は、電流−電圧垂下特性から直接得られる電源ＰＶの電力−電圧垂下特性である。
【０１３１】
Ｖ１の電圧サンプルを用いて、図８（ａ）〜図８（ｃ）に関して開示されるように各サンプルに対して移動する所定の窓において、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線が取得される。したがって、電圧はフィルタリングされ、その導関数を、窓の中心点すべてに対して非常に簡単かつ直接的な方法で同時に計算することができる。それにより、いかなる追加の電流センサも必要とすることなく電流が求められる。
【０１３２】
ステップＳ７００において、プロセッサ４００は、電圧Ｖ１のサンプリングを指示する。サンプリングは、図６の期間ＰＨ２中に実行される。
【０１３３】
次のステップＳ７０１において、プロセッサ４００は、期間ＰＨ３中にステップＳ７００において取得されたサンプルを取得する。各サンプルは２次元ベクトルであり、その係数は、電圧値と電圧を測定した時刻である。
【０１３４】
次のステップＳ７０２において、プロセッサ４００は、移動窓のサイズを決める。移動窓のサイズは、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるのに用いられるサンプルの数Ｎｐｔを示す。移動窓のサイズは奇数である。例えば、移動窓のサイズは７１に等しい。
【０１３５】
図８（ａ）は、本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる第１の窓の一例である。
【０１３６】
図８（ａ）において、横軸は時間を表し、縦軸は測定された電圧Ｖ１を表す。
【０１３７】
各×印はサンプルを表す。
【０１３８】
窓Ｗ１は移動窓であり、関数ｆ１は、本アルゴリズムによって求められる数学関数である。
【０１３９】
次のステップＳ７０３において、プロセッサ４００は、移動窓の中心点Ｎｃを求める。
【０１４０】
次のステップＳ７０４において、プロセッサ４００は、変数ｉを値Ｎｐｔに設定する。
【０１４１】
次のステップＳ７０５において、プロセッサ４００は、変数ｊをｉ−Ｎｃ＋１に設定する。
【０１４２】
次のステップＳ７０６において、プロセッサ４００は、変数ｋを１に設定する。
【０１４３】
次のステップＳ７０７において、プロセッサ４００は、ｘ（ｋ）の値をサンプルｊの時刻係数に設定する。
【０１４４】
次のステップＳ７０８において、プロセッサ４００は、ｙ（ｋ）の値をサンプルｊの電圧係数に設定する。
【０１４５】
次のステップＳ７０９において、プロセッサ４００は、変数ｋを１インクリメントする。
【０１４６】
次のステップＳ７１０において、プロセッサ４００は、変数ｊを１インクリメントする。
【０１４７】
次のステップＳ７１１において、プロセッサ４００は、変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。
【０１４８】
変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ７０７に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ７１２に移る。
【０１４９】
ステップＳ７１２において、プロセッサ４００は、最小平均二乗アルゴリズムと、Ｓ７１１の条件に達するまでステップＳ７０７及びＳ７０８においてサンプリングされたすべてのｘ（ｋ）値及びｙ（ｋ）値とを用いて、当てはめられる数学関数、例えば多項式関数ｙ（ｘ）＝ａｘ2＋ｂｘ＋ｃを求める。
【０１５０】
数学関数、例えば二次多項式関数は、図８（ａ）に示される関数ｆ１である。
【０１５１】
そして、プロセッサ４００は、二次多項式関数のａ、ｂ、及びｃの実係数
【数３】
を得る。
【０１５２】
次のステップＳ７１３において、プロセッサ４００は、以下の式に従ってフィルタリングされた電圧値及び電流を見積もる。
【数４】
【０１５３】
次のステップＳ７１４において、プロセッサ４００は、変数ｉを１単位インクリメントする。
【０１５４】
次のステップＳ７１５において、プロセッサ４００は、ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。ただし、ＮはステップＳ７０１において取得された電圧サンプルの総数である。
【０１５５】
ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ７０５に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ７１６に移る。
【０１５６】
ステップＳ７０５に移ることにより、プロセッサ４００は、図８（ｂ）に関して開示されるように移動窓を１サンプル変位させる。
【０１５７】
図８（ｂ）は、本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる第２の窓の一例である。
【０１５８】
図８（ｂ）において、横軸は時間を表し、縦軸は測定された電圧Ｖ１を表す。
【０１５９】
各×印はサンプルを表す。
【０１６０】
窓Ｗ２は、窓Ｗ１を１サンプル移動させたものであり、関数ｆ２は、Ｗ２において入手可能なサンプルからステップＳ７１２において本アルゴリズムによって求められた数学関数である。
【０１６１】
プロセッサ４００は、ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さい限り、ステップＳ７０５〜Ｓ７１５によって構成されるループを実行する。
【０１６２】
各ループにおいて、窓は１サンプル移動する。
【０１６３】
図８（ｃ）は、本発明の特定の実現モードによる、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるために用いられる第３の窓の一例である。
【０１６４】
図８（ｃ）において、横軸は時間を表し、縦軸は測定された電圧Ｖ１を表す。
【０１６５】
各×印はサンプルを表す。
【０１６６】
窓Ｗ３は、窓Ｗ３を１サンプル移動させたものであり、関数ｆ３は、Ｗ３において入手可能なサンプルからステップＳ７１２において本アルゴリズムによって求められた数学関数である。
【０１６７】
ステップＳ７１６において、プロセッサ４００は、これまでのステップで求められた電圧値及び電流値のすべてを取得し、図２に示されるような曲線を形成する。
【０１６８】
次のステップＳ７１７において、プロセッサ４００は、ステップＳ７１６において取得された電圧値及び電流値から、電圧値及び電流値より得られる最大電力を選択することによってＭＰＰを決定する。
【０１６９】
そして、新たなＭＰＰを、電源ＰＶの効率的な使用のために用いることができる。
【０１７０】
図９は、本発明の特定の実現モードによってキャパシタの静電容量値を求めるアルゴリズムの一例である。
【０１７１】
ＣUIのような降圧／昇圧コンバータにおける入力フィルタとしては、通常、電解キャパシタが選択される。
【０１７２】
電解キャパシタが最初に動作可能となる時の初期値を考慮すると、静電容量値は電解キャパシタの寿命の間に低下することがよく知られている。さらに、静電容量値は温度に依存する。
【０１７３】
ステップＳ７１３において求められる電流値はＣUIの静電容量値に依存するため、計算される電流の精度は、静電容量値の精度に大きく依存する。
【０１７４】
そのため、例えば、図７に開示されるアルゴリズムが実行される度に、静電容量値を正確に推定することが望ましい。
【０１７５】
図６の期間ＰＨ３中に、電圧Ｖ１が監視される。ＣUIはＲUIを通じて放電されるため、以下のようになる。
【数５】
ただし、Ｖ１（ｔ）は時刻ｔに測定される電圧Ｖ１である。
【０１７６】
したがって、図６（ａ）の例によれば、Ｖ１（ｔ＝０）＝ＶMPPであり、ｔ＝０はＰＨ３の開始である。ｔ＝τ＝ＲUIＣUIであるとき、以下の式が成り立つ。
【数６】
【０１７７】
Ｖ１（ｔ）は期間ＰＨ３中に連続的にサンプリングされるため、Ｖ１（ｔ）が上述した値に達すると、プロセッサ４００によって一定時間τ＝ＲUIＣUIを推定することができる。
【０１７８】
図９のアルゴリズムに示されるように、雑音によってもたらされる誤差を低減するために、測定値に何らかのフィルタリングを行うことが望まれる。最後に、τ及びＲUIからＣUI値が推定される。
【０１７９】
好ましくは、抵抗器ＲUIは高精度電力抵抗器である。例えば、抵抗器ＲUIの許容差は±０．０５％〜±１％である。
【０１８０】
ステップＳ９００において、プロセッサ４００は、電圧Ｖ１のサンプリングを指示する。サンプリングは、図６の期間ＰＨ３中に実行される。
【０１８１】
次のステップＳ９０１において、プロセッサ４００は、期間ＰＨ２中にステップＳ９００において取得されたサンプルを取得する。各サンプルは２次元ベクトルであり、その係数は電圧値と電圧が測定された時刻である。
【０１８２】
次のステップＳ９０２において、プロセッサ４００は、移動窓のサイズを決める。移動窓のサイズは、適切な多項式関数の当てはめに基づいて曲線を求めるのに用いられるサンプルの数Ｎｐｔを示す。移動窓のサイズは奇数である。例えば、移動窓のサイズは２１に等しい。
【０１８３】
次のステップＳ９０３において、プロセッサ４００は、移動窓の中心点Ｎｃを求める。
【０１８４】
次のステップＳ９０４において、プロセッサ４００は、変数ｉを値Ｎｐｔに設定する。
【０１８５】
次のステップＳ９０５において、プロセッサ４００は、変数ｊをｉ−Ｎｃ＋１に設定する。
【０１８６】
次のステップＳ９０６において、プロセッサ４００は、変数ｋを１に設定する。
【０１８７】
次のステップＳ９０７において、プロセッサ４００は、ｘ（ｋ）の値をサンプルｊの時刻係数に設定する。
【０１８８】
次のステップＳ９０８において、プロセッサ４００は、ｙ（ｋ）の値をサンプルｊの電圧係数に設定する。
【０１８９】
次のステップＳ９０９において、プロセッサ４００は、変数ｋを１インクリメントする。
【０１９０】
次のステップＳ９１０において、プロセッサ４００は、変数ｊを１インクリメントする。
【０１９１】
次のステップＳ９１１において、プロセッサ４００は、変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。
【０１９２】
変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ７０７に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ９１２に移る。
【０１９３】
ステップＳ９１２において、プロセッサ４００は、処理中の値ｉについてステップＳ９０８が実行される度に累積されるｙ（ｋ）値の平均を求める。
【０１９４】
次のステップＳ９１３において、プロセッサ４００は、変数ｉを１単位インクリメントする。
【０１９５】
次のステップＳ９１４において、プロセッサ４００は、ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さいか否かを調べる。ただし、ＮはステップＳ９０１において取得されたサンプルの総数である。
【０１９６】
ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ４００はステップＳ９０５に戻る。そうでない場合、プロセッサ４００はステップＳ９１５に移る。
【０１９７】
ステップＳ９０５に移ることにより、プロセッサ４００は、移動窓を１サンプル変位させる。
【０１９８】
各ループにおいて、窓は１サンプル移動する。
【０１９９】
ステップＳ９１５において、プロセッサ４００は、ステップＳ９１２が実行される度に求められた電圧値を取得する。
【０２００】
次のステップＳ９１６において、プロセッサ４００は、ステップＳ９１５において求められたフィルタリングされた出力電圧と以下の式を用いて、キャパシタＣUI値を求める。
【数７】
【０２０１】
τは、ｔ＝０におけるＶMPPからｔ＝τ＝ＲUIＣUIにおける０．３６７８７９ＶMPPまでのサンプリング期間を累積することによって求められる。
【０２０２】
τ及びＲUIが既知となると、ＣUIを求めることができる。
【０２０３】
当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の期間に直流電流を供給する電源の最大電力点の決定を可能にする情報を求める装置であって、少なくとも、
キャパシタと、
第２の期間中に前記キャパシタを充電する手段と、
第３の期間に前記キャパシタを放電する手段と、
前記キャパシタの電圧及び電流を監視する手段と
を備え、
前記第１の期間中に、前記直流電流は前記キャパシタを充電する手段を流れないことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記直流電流は、前記第１の期間中に負荷に向けられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記キャパシタを放電する手段は、抵抗器及び第１のスイッチから構成され、
前記抵抗器の第１の端子は、前記電源の第１の端子及び前記第１のスイッチの第１の端子に接続され、
前記抵抗器の第２の端子は、前記キャパシタの第１の端子に接続され、
前記キャパシタの第２の端子は、前記電源の第２の端子及び前記第１のスイッチの第２の端子に接続されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の期間中に前記キャパシタを充電する手段は、第２のスイッチを含むことを特徴とする、請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記第２のスイッチは、前記抵抗器と並列に接続されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、前記第２の期間及び前記第３の期間中に前記負荷を前記電源から切断する第３のスイッチをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記キャパシタの電圧及び電流を監視する手段は、前記第２の期間中に連続的な時間サンプルで前記キャパシタの電圧をサンプリングすることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記キャパシタの電圧及び電流を監視する手段は、前記第２の期間中に連続的な時間サンプルで前記キャパシタの電流をサンプリングすることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
所与のサンプルの周囲の連続的なサンプルにおける前記測定された電圧は、前記所与のサンプルにおける処理された電圧を取得するために、連続的なサンプルにおける前記測定された電圧と数学関数との差の二乗和を最小化することによって得られる、当てはめられた数学関数を用いて処理されることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記数学関数は、実係数を有する所与の次数の多項式関数であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記所与のサンプルにおける電流は、前記キャパシタの静電容量値に、前記所与のサンプルにおける前記当てはめられた数学関数の導関数を乗じることにより求められることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、前記キャパシタの静電容量値を求めるために、前記第３の期間中に前記キャパシタの電圧をサンプリングする手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記求められた静電容量値は、前記所与のサンプルにおける電流を求めるために用いられることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記キャパシタと、前記電圧及び電流を監視する手段と、前記第３のスイッチとは、降圧／昇圧併合コンバータのコンポーネントであることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項１】
第１の期間に直流電流を供給する電源の最大電力点の決定を可能にする情報を求める装置であって、少なくとも、
キャパシタと、
第２の期間中に前記キャパシタを充電する手段と、
第３の期間に前記キャパシタを放電する手段と、
前記キャパシタの電圧及び電流を監視する手段と
を備え、
前記第１の期間中に、前記直流電流は前記キャパシタを充電する手段を流れないことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記直流電流は、前記第１の期間中に負荷に向けられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記キャパシタを放電する手段は、抵抗器及び第１のスイッチから構成され、
前記抵抗器の第１の端子は、前記電源の第１の端子及び前記第１のスイッチの第１の端子に接続され、
前記抵抗器の第２の端子は、前記キャパシタの第１の端子に接続され、
前記キャパシタの第２の端子は、前記電源の第２の端子及び前記第１のスイッチの第２の端子に接続されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の期間中に前記キャパシタを充電する手段は、第２のスイッチを含むことを特徴とする、請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記第２のスイッチは、前記抵抗器と並列に接続されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、前記第２の期間及び前記第３の期間中に前記負荷を前記電源から切断する第３のスイッチをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記キャパシタの電圧及び電流を監視する手段は、前記第２の期間中に連続的な時間サンプルで前記キャパシタの電圧をサンプリングすることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記キャパシタの電圧及び電流を監視する手段は、前記第２の期間中に連続的な時間サンプルで前記キャパシタの電流をサンプリングすることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
所与のサンプルの周囲の連続的なサンプルにおける前記測定された電圧は、前記所与のサンプルにおける処理された電圧を取得するために、連続的なサンプルにおける前記測定された電圧と数学関数との差の二乗和を最小化することによって得られる、当てはめられた数学関数を用いて処理されることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記数学関数は、実係数を有する所与の次数の多項式関数であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記所与のサンプルにおける電流は、前記キャパシタの静電容量値に、前記所与のサンプルにおける前記当てはめられた数学関数の導関数を乗じることにより求められることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置は、前記キャパシタの静電容量値を求めるために、前記第３の期間中に前記キャパシタの電圧をサンプリングする手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記求められた静電容量値は、前記所与のサンプルにおける電流を求めるために用いられることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記キャパシタと、前記電圧及び電流を監視する手段と、前記第３のスイッチとは、降圧／昇圧併合コンバータのコンポーネントであることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１２−５３３１０５（Ｐ２０１２−５３３１０５Ａ）
【公表日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１８９９１（Ｐ２０１２−５１８９９１）
【出願日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５９８０３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００３９７１
【国際公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５０３１６３５２７）ミツビシ・エレクトリック・アールアンドディー・センター・ヨーロッパ・ビーヴィ (175)
【氏名又は名称原語表記】ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｒ＆Ｄ ＣＥＮＴＲＥ ＥＵＲＯＰＥ Ｂ．Ｖ．
【住所又は居所原語表記】Ｃａｐｒｏｎｉｌａａｎ ４６， １１１９ ＮＳ Ｓｃｈｉｐｈｏｌ Ｒｉｊｋ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５９８０３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００３９７１
【国際公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５０３１６３５２７）ミツビシ・エレクトリック・アールアンドディー・センター・ヨーロッパ・ビーヴィ (175)
【氏名又は名称原語表記】ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｒ＆Ｄ ＣＥＮＴＲＥ ＥＵＲＯＰＥ Ｂ．Ｖ．
【住所又は居所原語表記】Ｃａｐｒｏｎｉｌａａｎ ４６， １１１９ ＮＳ Ｓｃｈｉｐｈｏｌ Ｒｉｊｋ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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