電源の特性の決定を可能にする情報を取得する方法
本発明は、電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する装置に関する。当該装置は、少なくともインダクタ及びキャパシタを備え、電源の特性の決定を可能にする情報は、キャパシタの充電を監視することによって取得され、当該電源の特性の決定を可能にする情報を取得する装置は、キャパシタの充電の監視に先だってインダクタを通じてキャパシタを放電する手段を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、太陽電池若しくは太陽電池のアレイ又は燃料電池のような電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する装置及び方法に関する。
【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デバイスに供給される。
【０００３】
しかしながら、太陽電池の電流−電圧垂下特性（current-voltage droop 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、光照射レベルや動作温度のような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の周辺で動作させて、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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、例えば太陽電池セルのアレイである電源の最大電力点を決定するために、当該電源の出力電流変動及び出力電圧変動を表す情報を取得することを可能にす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】
【０００９】
この目的のために、本発明は、電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する装置に関する。当該装置は、少なくともインダクタ及びキャパシタを備え、電源の特性の決定を可能にする情報は、キャパシタの充電を監視することによって取得され、当該電源の特性の決定を可能にする情報を取得する装置は、キャパシタの充電の監視に先だってインダクタを通じてキャパシタを放電する手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、直流コンバータに接続される電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する方法にも関する。直流コンバータは、少なくともインダクタ及びキャパシタを備え、当該方法は、
− インダクタを通じてキャパシタを放電するステップと、
− 電源の特性の決定を可能にする情報を取得するためにキャパシタの充電を監視するステップと
を含むことを特徴とする。
【００１１】
これにより、例えば、ＭＰＰを決定するために、又は電源の障害を判断するために、又は電源のフィルファクターを求めるために、電源の出力電流変動及び出力電圧変動を表す情報を取得することができる。
【００１２】
さらに、大部分のＤＣ／ＤＣコンバータ及び／又はＤＣ／ＡＣコンバータでは、キャパシタ及びインダクタは、変換の目的ですでに利用可能である。キャパシタ及びインダクタを、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ができる。監視される電圧変動及び電流変動から、常に電源の所望の電圧−電流／電圧−電力垂下特性のような情報を取得することが可能になる。本発明は、システムに対して他のいかなる余分のキャパシタ又はインダクタも追加することを回避する。
【００１３】
特定の特徴によれば、装置は、キャパシタの放電中にインダクタを通って流れる電流を監視する手段を備え、キャパシタは、インダクタを通って流れる電流が第１の所定の電流値に達する限り、又は当該キャパシタが放電されない限り、インダクタにおいて放電される。
【００１４】
これにより、インダクタ及びキャパシタの両方において電流レベルを制限することができるため、インダクタ磁心の飽和を引き起こす可能性があり、またキャパシタの寿命を低減させる可能性もある、インダクタとキャパシタとの間の共振に起因する大きな電流ピークを避けることができる。
【００１５】
特定の特徴によれば、装置は、インダクタを通って流れる電流が第１の所定値に達するか、又はキャパシタが放電されると、インダクタを少なくとも別のデバイス中において放電する手段を備える。
【００１６】
特定の特徴によれば、他のデバイスは、エネルギー蓄積デバイス又は負荷である。
【００１７】
これにより、インダクタ内に蓄積されたエネルギーは、任意の抵抗性構成要素において散逸されるではなく、キャパシタのような他の蓄積デバイスと交換されるか、更には負荷に直接供給されることもあり、結果として非散逸的な手順となる。インダクタ放電中に電源は入力キャパシタ中に電力を蓄積し続けるので、電源側からの電源断は生じない。
【００１８】
特定の特徴によれば、装置は、キャパシタの充電の監視中に電源によって出力される電流を取得する手段を備える。
【００１９】
したがって、ゼロ電圧値から開回路電圧値までの、電源の全体的な電圧−電流／電圧−電力垂下特性を取得することができる。
【００２０】
特定の特徴によれば、電源によって出力される電流は、電流センサから取得されるか、又はキャパシタの充電の監視中に取得される電圧値から導出される。
【００２１】
これにより、電流センサを利用しなければ、実装コストは増加しない。最終的に、本技法を実施するのに追加の構成要素は全く不要である。
【００２２】
特定の特徴によれば、インダクタを通じたキャパシタの放電及びインダクタの放電は、キャパシタの電圧が第２の所定値に達する限り、繰返し実行される。
【００２３】
これにより、キャパシタ放電は非散逸的に起こることができる。これは、キャパシタ内に蓄積されたエネルギーが完全に負荷に与えられ、このエネルギーが例えば抵抗器において散逸されるときに、この短い期間中に電源供給が中断するという欠点が軽減されることを意味する。
【００２４】
また、本発明は、直流コンバータであって、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置を備えることを特徴とする、直流コンバータにも関する。
【００２５】
これにより、ＭＰＰを決定するために、例えば太陽電池セルのアレイである電源の出力電流変動及び出力電圧変動を表す情報を取得することができる。
【００２６】
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、キャパシタ及びインダクタは、変換目的ですでに利用可能である。キャパシタ及びインダクタを、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ができる。監視される電圧変動及び電流変動により、常に電源の所望の電圧−電流／電圧−電力垂下特性のような情報を取得することが可能になる。本発明は、システムに対して他のいかなる余分のキャパシタ又はインダクタも追加することを回避する。
【００２７】
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】
【００２８】
【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の変動を表す曲線の一例の図である。
【図３】本発明によるエネルギー変換デバイスを備えるデバイスの一例を表す図である。
【図４】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の、本発明によるインダクタ及びキャパシタを備えるエネルギー変換デバイスの一例の図である。
【図５】本発明による電気回路のスイッチの特定の実現形態を開示する一例の図である。
【図６】本発明による電源の最大電力点を決定するためのアルゴリズムの一例の図である。
【図７】（ａ）は、本発明によって取得される電源電圧変動の一例の図である。（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。（ｃ）は、本発明によるエネルギー変換デバイスの出力電圧変動の一例の図である。
【図８】（ａ）は、本発明による、交互に実施される幾つかの部分充電及び部分放電のサブフェーズから構成されるキャパシタ放電フェーズ中に、インダクタを通って流れる電流の変動の一例の図である。（ｂ）は、本発明による、交互に実施される幾つかの部分充電及び部分放電のサブフェーズから構成されるキャパシタ放電フェーズ中に、キャパシタを通って流れる電流の変動の一例の図である。
【図９】本発明の実現形態による、電源の最大電力点の決定を可能にするために電源の２つ１組の出力電流と出力電圧を求めるための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】
【００２９】
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。
【００３０】
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を含む。電源ＰＶの出力は、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コンバータのようなエネルギー変換デバイスＣｏｎｖに接続されている。エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、負荷Ｌｏに電気エネルギーを供給する。
【００３１】
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デバイスＣｏｎｖによって変換される。
【００３２】
図２は、電源の出力電圧に対する出力電流の変動を表す曲線の一例である。
【００３３】
図２の横軸には電圧値が示されている。電圧値は０値と開回路電圧ＶOCとの間にある。
【００３４】
図２の縦軸には電流値が示されている。電流値は０値と短絡電流ＩSCとの間にある。
【００３５】
任意の所与の光レベル及び太陽電池アレイ温度に対して、太陽電池アレイが動作可能な無限個の電流−電圧のペア、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、唯一つである。
【００３６】
図３は、本発明によるエネルギー変換デバイスを備えるデバイスの一例を表す。
【００３７】
エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、例えば、バス３０１によって互いに接続されるコンポーネントと、図６及び図９に開示す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３００とに基づくアーキテクチャを有している。
【００３８】
ここで、エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、一変形では、後に開示するようなプロセッサ３００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。
【００３９】
バス３０１は、プロセッサ３００を、リードオンリーメモリＲＯＭ３０２、ランダムアクセスメモリＲＡＭ３０３、アナログ／ディジタルコンバータＡＤＣ３０６、及び本発明による電気回路３０５に接続する。
【００４０】
リードオンリーメモリＲＯＭ３０２は、図６及び図９に開示す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、当該命令はエネルギー変換デバイスＣｏｎｖに電源が投入されるとランダムアクセスメモリＲＡＭ３０３に転送される。
【００４１】
ＲＡＭメモリ３０３は、変数を受け取るように意図されたレジスタと、図６及び図９に開示す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。
【００４２】
アナログ／ディジタルコンバータ３０６は、電力段３０５を形成する本発明による電気回路３０５に接続され、必要な場合に電圧及び電流を２値情報に変換する。
【００４３】
図４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ための、本発明によるインダクタ及びキャパシタを備える電気回路の一例である。
【００４４】
この電気回路は、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、スイッチの状態に従って、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）で動作可能な降圧／昇圧併合コンバータである。
【００４５】
本発明による電気回路は、入力フィルタキャパシタＣUIを備えており、その正端子は電源ＰＶの正端子に接続されている。キャパシタＣUIの負端子は、電源ＰＶの負端子に接続されている。電圧測定手段は、インダクタＬ１が電源と並列に接続される際に、キャパシタＣUI及びインダクタＬ１上の電圧Ｖ１を測定する。
【００４６】
キャパシタＣUIの正端子は、スイッチＳW14の第１の端子に接続されている。
【００４７】
スイッチＳW14の第２の端子は、スイッチＳW12の第１の端子とインダクタＬ１の第１の端子に接続されている。
【００４８】
スイッチＳW12の第２の端子は、電源ＰＶの負端子に接続されている。
【００４９】
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。
【００５０】
電流測定手段Ａの第２の端子は、ダイオードＤOのアノードとスイッチＳW13の第１の端子に接続されている。スイッチＳW13の第２の端子は、電源ＰＶの負端子に接続されている。
【００５１】
ダイオードＤOのカソードは、キャパシタＣOの正端子に接続されており、キャパシタＣOの負端子は、電源ＰＶの負端子に接続されている。
【００５２】
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ＳW13は常にＯＦＦ状態であり、ダイオードＤOは常に導通状態である。
【００５３】
スイッチＳW14は、所望の出力電圧ＶDCを得るために、デューティサイクルが調整された周期的パターンに従って導通状態になる。スイッチＳW14がハイである期間はＤと呼ばれる。スイッチＳW14の指令信号がローである期間は（１−Ｄ）と呼ばれる。
【００５４】
スイッチＳW12は、Ｄの間は非導通状態であり、（１−Ｄ）の間は導通状態である。
【００５５】
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ＳW14は常に導通状態であり、スイッチＳW12は決して導通状態にならない。
【００５６】
スイッチＳW13は、Ｄの間は導通状態であり、（１−Ｄ）の間は非導通状態である。
【００５７】
図５は、本発明による電気回路のスイッチの特定の実現形態を開示する一例である。
【００５８】
図５のスイッチＳW14は、例えばＩＧＢＴトランジスタＩＧ１である。スイッチＳW14の第１の端子は、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１のコレクタである。
【００５９】
ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１のエミッタは、スイッチＳW14の第２の端子である。
【００６０】
図５のスイッチＳW12は、ダイオードＤ５である。スイッチＳW12の第１の端子は、ダイオードＤ５のカソードであり、スイッチＳW12の第２の端子は、ダイオードＤ５のアノードである。
【００６１】
図５のスイッチＳW13は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３である。スイッチＳW13の第１の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３のドレインである。スイッチＳW13の第２の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３のソースである。
【００６２】
図６は、本発明による電源の最大電力点を決定するためのアルゴリズムの一例である。
【００６３】
より厳密には、本アルゴリズムは、プロセッサ３００によって実行される。
【００６４】
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のアルゴリズムは、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得するためにキャパシタＣUIの充電を監視するのに先だって、交互に実施される部分充電及び部分放電のサブフェーズを通じて、インダクタＬ１においてキャパシタＣUIを放電する。
【００６５】
ステップＳ６００において、フェーズＰＨ１が開始される。フェーズＰＨ１は、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示されている。
【００６６】
図７（ａ）は、本発明に従って取得される電源電圧変動の一例である。
【００６７】
図７（ａ）の横軸には時間が表示され、図７（ａ）の縦軸には電圧が表示されている。
【００６８】
図７（ｂ）は、本発明に従って取得される電源電流変動の一例である。
【００６９】
図７（ｂ）の横軸には時間が表示され、図７（ｂ）の縦軸には電流が表示されている。
【００７０】
図７（ｃ）は、本発明によるエネルギー変換デバイスの出力電圧変動の一例である。
【００７１】
図７（ｃ）の横軸には時間が表示され、図７（ｃ）の縦軸には電圧が表示されている。
【００７２】
フェーズＰＨ１の間、エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、昇圧コンバータとして動作する。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３とダイオードＤOは、所望の出力電圧を得るために、デューティサイクルが調整された周期的パターンに従って導通状態及び非導通状態に置かれる。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３の指令信号がハイである期間は、Ｄと呼ばれる。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３の指令信号がハイである期間は、（１−Ｄ）と呼ばれる。
【００７３】
フェーズＰＨ１の間、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１は常に導通状態であり、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３はＤの間は導通状態であり、ダイオードＤOは（１−Ｄ）の間は導通状態である。
【００７４】
フェーズＰＨ１の間、ダイオードＤ５は決して導通状態にならず、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は（１−Ｄ）の間は導通状態でなく、ダイオードＤOはＤの間は導通状態でない。
【００７５】
図７（ａ）に示される電源ＰＶによって与えられる電圧は、本アルゴリズムによって予め決定されたＭＰＰに対応する電圧に対応する。
【００７６】
図７（ｂ）に示される電源ＰＶによって供給される電流は、本アルゴリズムによって予め決定されたＭＰＰに対応する電流である。
【００７７】
図７（ｃ）に示される出力における電圧ＶDCは、電源ＰＶ出力電圧とデューティサイクルに基づいて得られる電圧である。
【００７８】
フェーズＰＨ１の間、負荷に電流が供給される。
【００７９】
次のステップＳ６０１において、プロセッサ３００は、別のＭＰＰを決定するために、昇圧変換モードの中断を決定し、フェーズＰＨ２に進む。
【００８０】
フェーズＰＨ２の間、キャパシタＣUIは、図７（ａ）に示されるように、交互に実施される部分充電及び部分放電のサブフェーズを通じて、インダクタＬ１を通じて放電される。
【００８１】
Ｌ１及び／又はＣUIを通って高い電流が流れるのを避けるために、フェーズＰＨ２は２つのサブフェーズＰＨ２ａとＰＨ２ｂに分割され、サブフェーズＰＨ２ａにおいて最大電流が設定される。
【００８２】
サブフェーズＰＨ２ａは、キャパシタＣUIがインダクタＬ１を通じて部分的に又は完全に放電される期間を表す。
【００８３】
サブフェーズＰＨ２ｂは、インダクタＬ１が蓄積デバイス又は負荷において部分的に又は完全に放電され、キャパシタＣUIが電源によって部分的に充電される期間を表す。
【００８４】
次のステップＳ６０２において、プロセッサ３００は、フェーズＰＨ２ａを開始する。
【００８５】
サブフェーズＰＨ２ａにおいて、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１とＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は導通状態に設定され、ダイオードＤ５とＤOは非導通状態である。
【００８６】
サブフェーズＰＨ２ａの間、キャパシタＣUIは、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるように共振しながら、自身のエネルギーをインダクタＬ１中に転送する。
【００８７】
図８（ａ）は、本発明による、交互に実施される幾つかの部分充電及び部分放電のサブフェーズから構成される、キャパシタ放電フェーズ中にインダクタを通って流れる電流の変動の一例である。
【００８８】
図８（ａ）の横軸には時間が表示され、図８（ａ）の縦軸には電流が表示されている。
【００８９】
図８（ｂ）は、本発明による、交互に実施される幾つかの部分充電及び部分放電のサブフェーズから構成される、キャパシタ放電フェーズ中にキャパシタを通って流れる電流の変動の一例である。
【００９０】
図８（ｂ）の横軸には時間が表示され、図８（ｂ）の縦軸には電流が表示されている。
【００９１】
次のステップＳ６０３において、プロセッサ３００は、インダクタＬ１を通って流れる電流ＩL1が、例えば２０アンペアの最大電流に等しい第１の所定値Ｔｈｒｅｓ１よりも大きいか否か、又はキャパシタＣUIが放電されているか否かを調べる。
【００９２】
電圧Ｖ１が、例えばゼロ値である第２の所定値Ｔｈｒｅｓ２に等しいとき、キャパシタＣUIは放電されているとみなされる。
【００９３】
インダクタＬ１を通って流れる電流ＩL1が第１の所定値Ｔｈｒｅｓ１以下である場合、又はキャパシタＣUIが放電されていない場合には、プロセッサ３００はステップＳ６０３に戻る。そうでない場合には、プロセッサ３００はステップＳ６０４に進む。
【００９４】
図８（ａ）から明らかであるように、時刻Ｔ１まで、インダクタＬ１を通って流れる電流ＩL1は、何度も２０アンペアの最大電流に達する。
【００９５】
Ｔ２において、キャパシタＣUIは放電される。
【００９６】
ステップＳ６０４において、プロセッサ３００は、サブフェーズＰＨ２ｂを開始する。
【００９７】
サブフェーズＰＨ２ｂにおいて、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１とＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は非導通状態に設定され、ダイオードＤ５とＤOは導通状態である。
【００９８】
図８（ａ）に示されるように、インダクタＬ１は自身のエネルギーをキャパシタＣO中に放電し、特定の特徴によれば負荷中にも放電する。
【００９９】
同時に、図８（ｂ）に示されるように、キャパシタＣUIは電源ＰＶによって充電される。
【０１００】
ここで、キャパシタＣOの静電容量値はキャパシタＣUIの静電容量値よりも大きい。すなわち、インダクタＬ１の放電はインダクタＬ１の充電よりもはるかに速い。これは、キャパシタＣUIの充電が常にその放電、すなわちインダクタＬ１の充電よりもはるかに遅いことを意味することに留意されたい。
【０１０１】
次のステップＳ６０５において、プロセッサ３００は、インダクタＬ１を通って流れる電流ＩL1が、例えばゼロ値である第３の所定値Ｔｈｒｅｓ３よりも小さいか否かを調べる。
【０１０２】
インダクタＬ１を通って流れる電流ＩL1が第３の所定値Ｔｈｒｅｓ３よりも大きい場合には、プロセッサ３００はステップＳ６０５に戻る。そうでない場合には、プロセッサ３００はステップＳ６０６に進む。
【０１０３】
次のステップＳ６０６において、プロセッサ３００は、電圧Ｖ１が、例えばゼロ値である第２の所定値Ｔｈｒｅｓ２よりも大きいか否かを調べる。
【０１０４】
電圧Ｖ１が第２の所定値Ｔｈｒｅｓ２よりも大きい場合には、プロセッサ３００はステップＳ６０３に戻り、電圧Ｖ１が所定値Ｔｈｒｅｓ２、例えばゼロ値よりも大きい限り、サブフェーズＰＨ２ａとＰＨ２ｂを連続して実行する。
【０１０５】
電圧Ｖ１が第２の所定値Ｔｈｒｅｓ２以下である場合には、プロセッサ３００は、ステップＳ６０７に進む。
【０１０６】
ステップＳ６０７において、プロセッサ３００は、フェーズＰＨ３を開始する。
【０１０７】
フェーズＰＨ３において、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１とＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は非導通状態に設定され、ダイオードＤ５とＤOは非導通状態である。
【０１０８】
図７（ａ）に示されるように、キャパシタＣUIはゼロ電圧から開回路電圧ＶOCまで充電され、図７（ｂ）に示されるように、電流は短絡電流からゼロ値に移行する。
【０１０９】
次のステップＳ６０８において、プロセッサ３００は、キャパシタＣUI上の電圧又は電源ＰＶの電圧に対応する電圧Ｖ１を、サンプリング周期Ｔｓａｍｐでサンプリングするように指示する。
【０１１０】
次のステップＳ６０９において、プロセッサ３００は、先行するステップにおいて求められて図９を参照しながら開示されるアルゴリズムに従って処理された全てのサンプルを取得し、図２に示されるような曲線を作成する。
【０１１１】
同じステップにおいて、プロセッサ３００は、図９のアルゴリズムに基づいて取得された電圧値と電流値から、電圧値と電流値から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。
【０１１２】
ステップＳ６１０において、フェーズＰＨ４が開始される。フェーズＰＨ４は、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示されている。
【０１１３】
ここで、所定の持続時間の後、又は電圧の導関数ｄＶ１／ｄｔが０に等しくなると、フェーズＰＨ３は終了し、それは開回路電圧ＶOCに達したことを意味することに留意されたい。
【０１１４】
フェーズＰＨ４の間、エネルギー変換デバイスは昇圧コンバータとして動作する。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３とダイオードＤOは、新たに決定されたＭＰＰを考慮した所望の出力電圧を得るために、デューティサイクルが調整された周期的パターンに従って導通状態及び非導通状態に置かれる。フェーズＰＨ４の間、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１は導通状態であり、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３はＤの間は導通状態であり、ダイオードＤOは（１−Ｄ）の間は導通状態である。
【０１１５】
フェーズＰＨ４の間、ダイオードＤ５は導通状態にならず、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は（１−Ｄ）の間は導通状態でなく、ダイオードＤOはＤの間は導通状態である。
【０１１６】
図９は本発明の実現形態による、電源の最大電力点の決定を可能にするために、電源の２つ１組の電流と出力電圧を求めるアルゴリズムの一例である。
【０１１７】
より正確には、本アルゴリズムは、プロセッサ３００によって実行される。
【０１１８】
本発明の特定の実現態様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ためのアルゴリズムは、フェーズＰＨ３の間にキャパシタＣUIを流れる電流を求めるために電圧Ｖ１を用いる。
【０１１９】
一般的見地から、本アルゴリズムによって、所与のサンプルに対する電流は、キャパシタＣUIの静電容量値に所与のサンプルの電圧導関数を乗じることによって求められる。電圧導関数は、サンプリングされた電圧をフィルタリングするために、フィッティング数学関数、例えば実係数を有する多項式関数によって得られる。
【０１２０】
フィッティング数学関数は、所与の時間サンプルについての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。
【０１２１】
Ｎ個のサンプル（ｘ1，ｙ1），（ｘ2，ｙ2）．．．（ｘN，ｙN）が与えられると、必要とされるフィッティング数学関数を、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。
【０１２２】
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】
【０１２３】
この誤差項は、定数Ｃj（ｊ＝１，２，．．．Ｋ）の各々について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元連立方程式が得られ、これがＣ1、Ｃ2、…、ＣKについて解かれる。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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
Ｖ１の電圧サンプルについて、各サンプルに対して移動する所定の窓における適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数のフィッティング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。これにより、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。
【０１２６】
次のステップＳ９００において、プロセッサ３００は、フェーズＰＨ３の間に取得されたサンプルを得る。各サンプルは２次元ベクトルであり、その係数は、電圧値とその電圧が測定された時刻である。
【０１２７】
次のステップＳ９０１において、プロセッサ３００は、移動窓のサイズを決定する。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フィッティングに基づいて曲線を求めるために用いられるサンプルの数Ｎｐｔを表す。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。
【０１２８】
次のステップＳ９０２において、プロセッサ３００は、移動窓の中心点Ｎｃを求める。
【０１２９】
次のステップＳ９０３において、プロセッサ３００は、変数ｉを値Ｎｐｔに設定する。
【０１３０】
次のステップＳ９０４において、プロセッサ３００は、変数ｊをｉ−Ｎｃ＋１に設定する。
【０１３１】
次のステップＳ９０５において、プロセッサ３００は、変数ｋを１に設定する。
【０１３２】
次のステップＳ９０６において、プロセッサ３００は、ｘ（ｋ）の値をサンプルｊの時刻係数に設定する。
【０１３３】
次のステップＳ９０７において、プロセッサ３００は、ｙ（ｋ）の値をサンプルｊの電圧係数に設定する。
【０１３４】
次のステップＳ９０８において、プロセッサ３００は、変数ｋを１つインクリメントする。
【０１３５】
次のステップＳ９０９において、プロセッサ３００は、変数ｊを１つインクリメントする。
【０１３６】
次のステップＳ９１０において、プロセッサ３００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。
【０１３７】
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３００はステップＳ９０６に戻る。そうでない場合、プロセッサ３００はステップＳ９１１に移る。
【０１３８】
ステップＳ９１１において、プロセッサ３００は、最小平均二乗アルゴリズムと、Ｓ９１０の条件に達するまでステップＳ９０６及びＳ９０７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、フィッティング数学関数、例えば多項式関数ｙ（ｘ）＝ａｘ2＋ｂｘ＋ｃを求める。
【０１３９】
そして、プロセッサ３００は、二次多項式関数のａ、ｂ、及びｃの実係数
【数３】
を取得する。
【０１４０】
次のステップＳ９１２において、プロセッサ３００は、以下の式に従ってフィルタリングされた電圧値と電流を評価する。
【数４】
【０１４１】
次のステップＳ９１３において、プロセッサ３００は、変数ｉを１単位インクリメントする。
【０１４２】
次のステップＳ９１４において、プロセッサ３００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。ここで、ＮはステップＳ９０１において取得された電圧サンプルの総数である。
【０１４３】
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３００はステップＳ９０４に戻る。そうでない場合、プロセッサ３００は、本アルゴリズムを中断し、図６のアルゴリズムのステップＳ６０９に戻る。
【０１４４】
ステップＳ９０４に移ることにより、プロセッサ３００は、移動窓を１サンプル分変位させる。
【０１４５】
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、太陽電池若しくは太陽電池のアレイ又は燃料電池のような電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する装置及び方法に関する。
【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デバイスに供給される。
【０００３】
しかしながら、太陽電池の電流−電圧垂下特性（current-voltage droop 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、光照射レベルや動作温度のような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の周辺で動作させて、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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、例えば太陽電池セルのアレイである電源の最大電力点を決定するために、当該電源の出力電流変動及び出力電圧変動を表す情報を取得することを可能にす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】
【０００９】
この目的のために、本発明は、電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する装置に関する。当該装置は、少なくともインダクタ及びキャパシタを備え、電源の特性の決定を可能にする情報は、キャパシタの充電を監視することによって取得され、当該電源の特性の決定を可能にする情報を取得する装置は、キャパシタの充電の監視に先だってインダクタを通じてキャパシタを放電する手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、直流コンバータに接続される電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する方法にも関する。直流コンバータは、少なくともインダクタ及びキャパシタを備え、当該方法は、
− インダクタを通じてキャパシタを放電するステップと、
− 電源の特性の決定を可能にする情報を取得するためにキャパシタの充電を監視するステップと
を含むことを特徴とする。
【００１１】
これにより、例えば、ＭＰＰを決定するために、又は電源の障害を判断するために、又は電源のフィルファクターを求めるために、電源の出力電流変動及び出力電圧変動を表す情報を取得することができる。
【００１２】
さらに、大部分のＤＣ／ＤＣコンバータ及び／又はＤＣ／ＡＣコンバータでは、キャパシタ及びインダクタは、変換の目的ですでに利用可能である。キャパシタ及びインダクタを、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ができる。監視される電圧変動及び電流変動から、常に電源の所望の電圧−電流／電圧−電力垂下特性のような情報を取得することが可能になる。本発明は、システムに対して他のいかなる余分のキャパシタ又はインダクタも追加することを回避する。
【００１３】
特定の特徴によれば、装置は、キャパシタの放電中にインダクタを通って流れる電流を監視する手段を備え、キャパシタは、インダクタを通って流れる電流が第１の所定の電流値に達する限り、又は当該キャパシタが放電されない限り、インダクタにおいて放電される。
【００１４】
これにより、インダクタ及びキャパシタの両方において電流レベルを制限することができるため、インダクタ磁心の飽和を引き起こす可能性があり、またキャパシタの寿命を低減させる可能性もある、インダクタとキャパシタとの間の共振に起因する大きな電流ピークを避けることができる。
【００１５】
特定の特徴によれば、装置は、インダクタを通って流れる電流が第１の所定値に達するか、又はキャパシタが放電されると、インダクタを少なくとも別のデバイス中において放電する手段を備える。
【００１６】
特定の特徴によれば、他のデバイスは、エネルギー蓄積デバイス又は負荷である。
【００１７】
これにより、インダクタ内に蓄積されたエネルギーは、任意の抵抗性構成要素において散逸されるではなく、キャパシタのような他の蓄積デバイスと交換されるか、更には負荷に直接供給されることもあり、結果として非散逸的な手順となる。インダクタ放電中に電源は入力キャパシタ中に電力を蓄積し続けるので、電源側からの電源断は生じない。
【００１８】
特定の特徴によれば、装置は、キャパシタの充電の監視中に電源によって出力される電流を取得する手段を備える。
【００１９】
したがって、ゼロ電圧値から開回路電圧値までの、電源の全体的な電圧−電流／電圧−電力垂下特性を取得することができる。
【００２０】
特定の特徴によれば、電源によって出力される電流は、電流センサから取得されるか、又はキャパシタの充電の監視中に取得される電圧値から導出される。
【００２１】
これにより、電流センサを利用しなければ、実装コストは増加しない。最終的に、本技法を実施するのに追加の構成要素は全く不要である。
【００２２】
特定の特徴によれば、インダクタを通じたキャパシタの放電及びインダクタの放電は、キャパシタの電圧が第２の所定値に達する限り、繰返し実行される。
【００２３】
これにより、キャパシタ放電は非散逸的に起こることができる。これは、キャパシタ内に蓄積されたエネルギーが完全に負荷に与えられ、このエネルギーが例えば抵抗器において散逸されるときに、この短い期間中に電源供給が中断するという欠点が軽減されることを意味する。
【００２４】
また、本発明は、直流コンバータであって、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得する装置を備えることを特徴とする、直流コンバータにも関する。
【００２５】
これにより、ＭＰＰを決定するために、例えば太陽電池セルのアレイである電源の出力電流変動及び出力電圧変動を表す情報を取得することができる。
【００２６】
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、キャパシタ及びインダクタは、変換目的ですでに利用可能である。キャパシタ及びインダクタを、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ができる。監視される電圧変動及び電流変動により、常に電源の所望の電圧−電流／電圧−電力垂下特性のような情報を取得することが可能になる。本発明は、システムに対して他のいかなる余分のキャパシタ又はインダクタも追加することを回避する。
【００２７】
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】
【００２８】
【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の変動を表す曲線の一例の図である。
【図３】本発明によるエネルギー変換デバイスを備えるデバイスの一例を表す図である。
【図４】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の、本発明によるインダクタ及びキャパシタを備えるエネルギー変換デバイスの一例の図である。
【図５】本発明による電気回路のスイッチの特定の実現形態を開示する一例の図である。
【図６】本発明による電源の最大電力点を決定するためのアルゴリズムの一例の図である。
【図７】（ａ）は、本発明によって取得される電源電圧変動の一例の図である。（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。（ｃ）は、本発明によるエネルギー変換デバイスの出力電圧変動の一例の図である。
【図８】（ａ）は、本発明による、交互に実施される幾つかの部分充電及び部分放電のサブフェーズから構成されるキャパシタ放電フェーズ中に、インダクタを通って流れる電流の変動の一例の図である。（ｂ）は、本発明による、交互に実施される幾つかの部分充電及び部分放電のサブフェーズから構成されるキャパシタ放電フェーズ中に、キャパシタを通って流れる電流の変動の一例の図である。
【図９】本発明の実現形態による、電源の最大電力点の決定を可能にするために電源の２つ１組の出力電流と出力電圧を求めるための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】
【００２９】
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。
【００３０】
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を含む。電源ＰＶの出力は、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コンバータのようなエネルギー変換デバイスＣｏｎｖに接続されている。エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、負荷Ｌｏに電気エネルギーを供給する。
【００３１】
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デバイスＣｏｎｖによって変換される。
【００３２】
図２は、電源の出力電圧に対する出力電流の変動を表す曲線の一例である。
【００３３】
図２の横軸には電圧値が示されている。電圧値は０値と開回路電圧ＶOCとの間にある。
【００３４】
図２の縦軸には電流値が示されている。電流値は０値と短絡電流ＩSCとの間にある。
【００３５】
任意の所与の光レベル及び太陽電池アレイ温度に対して、太陽電池アレイが動作可能な無限個の電流−電圧のペア、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、唯一つである。
【００３６】
図３は、本発明によるエネルギー変換デバイスを備えるデバイスの一例を表す。
【００３７】
エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、例えば、バス３０１によって互いに接続されるコンポーネントと、図６及び図９に開示す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３００とに基づくアーキテクチャを有している。
【００３８】
ここで、エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、一変形では、後に開示するようなプロセッサ３００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。
【００３９】
バス３０１は、プロセッサ３００を、リードオンリーメモリＲＯＭ３０２、ランダムアクセスメモリＲＡＭ３０３、アナログ／ディジタルコンバータＡＤＣ３０６、及び本発明による電気回路３０５に接続する。
【００４０】
リードオンリーメモリＲＯＭ３０２は、図６及び図９に開示す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、当該命令はエネルギー変換デバイスＣｏｎｖに電源が投入されるとランダムアクセスメモリＲＡＭ３０３に転送される。
【００４１】
ＲＡＭメモリ３０３は、変数を受け取るように意図されたレジスタと、図６及び図９に開示す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。
【００４２】
アナログ／ディジタルコンバータ３０６は、電力段３０５を形成する本発明による電気回路３０５に接続され、必要な場合に電圧及び電流を２値情報に変換する。
【００４３】
図４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ための、本発明によるインダクタ及びキャパシタを備える電気回路の一例である。
【００４４】
この電気回路は、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、スイッチの状態に従って、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）で動作可能な降圧／昇圧併合コンバータである。
【００４５】
本発明による電気回路は、入力フィルタキャパシタＣUIを備えており、その正端子は電源ＰＶの正端子に接続されている。キャパシタＣUIの負端子は、電源ＰＶの負端子に接続されている。電圧測定手段は、インダクタＬ１が電源と並列に接続される際に、キャパシタＣUI及びインダクタＬ１上の電圧Ｖ１を測定する。
【００４６】
キャパシタＣUIの正端子は、スイッチＳW14の第１の端子に接続されている。
【００４７】
スイッチＳW14の第２の端子は、スイッチＳW12の第１の端子とインダクタＬ１の第１の端子に接続されている。
【００４８】
スイッチＳW12の第２の端子は、電源ＰＶの負端子に接続されている。
【００４９】
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。
【００５０】
電流測定手段Ａの第２の端子は、ダイオードＤOのアノードとスイッチＳW13の第１の端子に接続されている。スイッチＳW13の第２の端子は、電源ＰＶの負端子に接続されている。
【００５１】
ダイオードＤOのカソードは、キャパシタＣOの正端子に接続されており、キャパシタＣOの負端子は、電源ＰＶの負端子に接続されている。
【００５２】
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ＳW13は常にＯＦＦ状態であり、ダイオードＤOは常に導通状態である。
【００５３】
スイッチＳW14は、所望の出力電圧ＶDCを得るために、デューティサイクルが調整された周期的パターンに従って導通状態になる。スイッチＳW14がハイである期間はＤと呼ばれる。スイッチＳW14の指令信号がローである期間は（１−Ｄ）と呼ばれる。
【００５４】
スイッチＳW12は、Ｄの間は非導通状態であり、（１−Ｄ）の間は導通状態である。
【００５５】
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ＳW14は常に導通状態であり、スイッチＳW12は決して導通状態にならない。
【００５６】
スイッチＳW13は、Ｄの間は導通状態であり、（１−Ｄ）の間は非導通状態である。
【００５７】
図５は、本発明による電気回路のスイッチの特定の実現形態を開示する一例である。
【００５８】
図５のスイッチＳW14は、例えばＩＧＢＴトランジスタＩＧ１である。スイッチＳW14の第１の端子は、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１のコレクタである。
【００５９】
ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１のエミッタは、スイッチＳW14の第２の端子である。
【００６０】
図５のスイッチＳW12は、ダイオードＤ５である。スイッチＳW12の第１の端子は、ダイオードＤ５のカソードであり、スイッチＳW12の第２の端子は、ダイオードＤ５のアノードである。
【００６１】
図５のスイッチＳW13は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３である。スイッチＳW13の第１の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３のドレインである。スイッチＳW13の第２の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３のソースである。
【００６２】
図６は、本発明による電源の最大電力点を決定するためのアルゴリズムの一例である。
【００６３】
より厳密には、本アルゴリズムは、プロセッサ３００によって実行される。
【００６４】
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のアルゴリズムは、電源の最大電力点の決定を可能にする情報を取得するためにキャパシタＣUIの充電を監視するのに先だって、交互に実施される部分充電及び部分放電のサブフェーズを通じて、インダクタＬ１においてキャパシタＣUIを放電する。
【００６５】
ステップＳ６００において、フェーズＰＨ１が開始される。フェーズＰＨ１は、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示されている。
【００６６】
図７（ａ）は、本発明に従って取得される電源電圧変動の一例である。
【００６７】
図７（ａ）の横軸には時間が表示され、図７（ａ）の縦軸には電圧が表示されている。
【００６８】
図７（ｂ）は、本発明に従って取得される電源電流変動の一例である。
【００６９】
図７（ｂ）の横軸には時間が表示され、図７（ｂ）の縦軸には電流が表示されている。
【００７０】
図７（ｃ）は、本発明によるエネルギー変換デバイスの出力電圧変動の一例である。
【００７１】
図７（ｃ）の横軸には時間が表示され、図７（ｃ）の縦軸には電圧が表示されている。
【００７２】
フェーズＰＨ１の間、エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、昇圧コンバータとして動作する。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３とダイオードＤOは、所望の出力電圧を得るために、デューティサイクルが調整された周期的パターンに従って導通状態及び非導通状態に置かれる。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３の指令信号がハイである期間は、Ｄと呼ばれる。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３の指令信号がハイである期間は、（１−Ｄ）と呼ばれる。
【００７３】
フェーズＰＨ１の間、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１は常に導通状態であり、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３はＤの間は導通状態であり、ダイオードＤOは（１−Ｄ）の間は導通状態である。
【００７４】
フェーズＰＨ１の間、ダイオードＤ５は決して導通状態にならず、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は（１−Ｄ）の間は導通状態でなく、ダイオードＤOはＤの間は導通状態でない。
【００７５】
図７（ａ）に示される電源ＰＶによって与えられる電圧は、本アルゴリズムによって予め決定されたＭＰＰに対応する電圧に対応する。
【００７６】
図７（ｂ）に示される電源ＰＶによって供給される電流は、本アルゴリズムによって予め決定されたＭＰＰに対応する電流である。
【００７７】
図７（ｃ）に示される出力における電圧ＶDCは、電源ＰＶ出力電圧とデューティサイクルに基づいて得られる電圧である。
【００７８】
フェーズＰＨ１の間、負荷に電流が供給される。
【００７９】
次のステップＳ６０１において、プロセッサ３００は、別のＭＰＰを決定するために、昇圧変換モードの中断を決定し、フェーズＰＨ２に進む。
【００８０】
フェーズＰＨ２の間、キャパシタＣUIは、図７（ａ）に示されるように、交互に実施される部分充電及び部分放電のサブフェーズを通じて、インダクタＬ１を通じて放電される。
【００８１】
Ｌ１及び／又はＣUIを通って高い電流が流れるのを避けるために、フェーズＰＨ２は２つのサブフェーズＰＨ２ａとＰＨ２ｂに分割され、サブフェーズＰＨ２ａにおいて最大電流が設定される。
【００８２】
サブフェーズＰＨ２ａは、キャパシタＣUIがインダクタＬ１を通じて部分的に又は完全に放電される期間を表す。
【００８３】
サブフェーズＰＨ２ｂは、インダクタＬ１が蓄積デバイス又は負荷において部分的に又は完全に放電され、キャパシタＣUIが電源によって部分的に充電される期間を表す。
【００８４】
次のステップＳ６０２において、プロセッサ３００は、フェーズＰＨ２ａを開始する。
【００８５】
サブフェーズＰＨ２ａにおいて、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１とＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は導通状態に設定され、ダイオードＤ５とＤOは非導通状態である。
【００８６】
サブフェーズＰＨ２ａの間、キャパシタＣUIは、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるように共振しながら、自身のエネルギーをインダクタＬ１中に転送する。
【００８７】
図８（ａ）は、本発明による、交互に実施される幾つかの部分充電及び部分放電のサブフェーズから構成される、キャパシタ放電フェーズ中にインダクタを通って流れる電流の変動の一例である。
【００８８】
図８（ａ）の横軸には時間が表示され、図８（ａ）の縦軸には電流が表示されている。
【００８９】
図８（ｂ）は、本発明による、交互に実施される幾つかの部分充電及び部分放電のサブフェーズから構成される、キャパシタ放電フェーズ中にキャパシタを通って流れる電流の変動の一例である。
【００９０】
図８（ｂ）の横軸には時間が表示され、図８（ｂ）の縦軸には電流が表示されている。
【００９１】
次のステップＳ６０３において、プロセッサ３００は、インダクタＬ１を通って流れる電流ＩL1が、例えば２０アンペアの最大電流に等しい第１の所定値Ｔｈｒｅｓ１よりも大きいか否か、又はキャパシタＣUIが放電されているか否かを調べる。
【００９２】
電圧Ｖ１が、例えばゼロ値である第２の所定値Ｔｈｒｅｓ２に等しいとき、キャパシタＣUIは放電されているとみなされる。
【００９３】
インダクタＬ１を通って流れる電流ＩL1が第１の所定値Ｔｈｒｅｓ１以下である場合、又はキャパシタＣUIが放電されていない場合には、プロセッサ３００はステップＳ６０３に戻る。そうでない場合には、プロセッサ３００はステップＳ６０４に進む。
【００９４】
図８（ａ）から明らかであるように、時刻Ｔ１まで、インダクタＬ１を通って流れる電流ＩL1は、何度も２０アンペアの最大電流に達する。
【００９５】
Ｔ２において、キャパシタＣUIは放電される。
【００９６】
ステップＳ６０４において、プロセッサ３００は、サブフェーズＰＨ２ｂを開始する。
【００９７】
サブフェーズＰＨ２ｂにおいて、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１とＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は非導通状態に設定され、ダイオードＤ５とＤOは導通状態である。
【００９８】
図８（ａ）に示されるように、インダクタＬ１は自身のエネルギーをキャパシタＣO中に放電し、特定の特徴によれば負荷中にも放電する。
【００９９】
同時に、図８（ｂ）に示されるように、キャパシタＣUIは電源ＰＶによって充電される。
【０１００】
ここで、キャパシタＣOの静電容量値はキャパシタＣUIの静電容量値よりも大きい。すなわち、インダクタＬ１の放電はインダクタＬ１の充電よりもはるかに速い。これは、キャパシタＣUIの充電が常にその放電、すなわちインダクタＬ１の充電よりもはるかに遅いことを意味することに留意されたい。
【０１０１】
次のステップＳ６０５において、プロセッサ３００は、インダクタＬ１を通って流れる電流ＩL1が、例えばゼロ値である第３の所定値Ｔｈｒｅｓ３よりも小さいか否かを調べる。
【０１０２】
インダクタＬ１を通って流れる電流ＩL1が第３の所定値Ｔｈｒｅｓ３よりも大きい場合には、プロセッサ３００はステップＳ６０５に戻る。そうでない場合には、プロセッサ３００はステップＳ６０６に進む。
【０１０３】
次のステップＳ６０６において、プロセッサ３００は、電圧Ｖ１が、例えばゼロ値である第２の所定値Ｔｈｒｅｓ２よりも大きいか否かを調べる。
【０１０４】
電圧Ｖ１が第２の所定値Ｔｈｒｅｓ２よりも大きい場合には、プロセッサ３００はステップＳ６０３に戻り、電圧Ｖ１が所定値Ｔｈｒｅｓ２、例えばゼロ値よりも大きい限り、サブフェーズＰＨ２ａとＰＨ２ｂを連続して実行する。
【０１０５】
電圧Ｖ１が第２の所定値Ｔｈｒｅｓ２以下である場合には、プロセッサ３００は、ステップＳ６０７に進む。
【０１０６】
ステップＳ６０７において、プロセッサ３００は、フェーズＰＨ３を開始する。
【０１０７】
フェーズＰＨ３において、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１とＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は非導通状態に設定され、ダイオードＤ５とＤOは非導通状態である。
【０１０８】
図７（ａ）に示されるように、キャパシタＣUIはゼロ電圧から開回路電圧ＶOCまで充電され、図７（ｂ）に示されるように、電流は短絡電流からゼロ値に移行する。
【０１０９】
次のステップＳ６０８において、プロセッサ３００は、キャパシタＣUI上の電圧又は電源ＰＶの電圧に対応する電圧Ｖ１を、サンプリング周期Ｔｓａｍｐでサンプリングするように指示する。
【０１１０】
次のステップＳ６０９において、プロセッサ３００は、先行するステップにおいて求められて図９を参照しながら開示されるアルゴリズムに従って処理された全てのサンプルを取得し、図２に示されるような曲線を作成する。
【０１１１】
同じステップにおいて、プロセッサ３００は、図９のアルゴリズムに基づいて取得された電圧値と電流値から、電圧値と電流値から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。
【０１１２】
ステップＳ６１０において、フェーズＰＨ４が開始される。フェーズＰＨ４は、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示されている。
【０１１３】
ここで、所定の持続時間の後、又は電圧の導関数ｄＶ１／ｄｔが０に等しくなると、フェーズＰＨ３は終了し、それは開回路電圧ＶOCに達したことを意味することに留意されたい。
【０１１４】
フェーズＰＨ４の間、エネルギー変換デバイスは昇圧コンバータとして動作する。ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３とダイオードＤOは、新たに決定されたＭＰＰを考慮した所望の出力電圧を得るために、デューティサイクルが調整された周期的パターンに従って導通状態及び非導通状態に置かれる。フェーズＰＨ４の間、ＩＧＢＴトランジスタＩＧ１は導通状態であり、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３はＤの間は導通状態であり、ダイオードＤOは（１−Ｄ）の間は導通状態である。
【０１１５】
フェーズＰＨ４の間、ダイオードＤ５は導通状態にならず、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ３は（１−Ｄ）の間は導通状態でなく、ダイオードＤOはＤの間は導通状態である。
【０１１６】
図９は本発明の実現形態による、電源の最大電力点の決定を可能にするために、電源の２つ１組の電流と出力電圧を求めるアルゴリズムの一例である。
【０１１７】
より正確には、本アルゴリズムは、プロセッサ３００によって実行される。
【０１１８】
本発明の特定の実現態様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ためのアルゴリズムは、フェーズＰＨ３の間にキャパシタＣUIを流れる電流を求めるために電圧Ｖ１を用いる。
【０１１９】
一般的見地から、本アルゴリズムによって、所与のサンプルに対する電流は、キャパシタＣUIの静電容量値に所与のサンプルの電圧導関数を乗じることによって求められる。電圧導関数は、サンプリングされた電圧をフィルタリングするために、フィッティング数学関数、例えば実係数を有する多項式関数によって得られる。
【０１２０】
フィッティング数学関数は、所与の時間サンプルについての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。
【０１２１】
Ｎ個のサンプル（ｘ1，ｙ1），（ｘ2，ｙ2）．．．（ｘN，ｙN）が与えられると、必要とされるフィッティング数学関数を、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。
【０１２２】
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】
【０１２３】
この誤差項は、定数Ｃj（ｊ＝１，２，．．．Ｋ）の各々について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元連立方程式が得られ、これがＣ1、Ｃ2、…、ＣKについて解かれる。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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
Ｖ１の電圧サンプルについて、各サンプルに対して移動する所定の窓における適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数のフィッティング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。これにより、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。
【０１２６】
次のステップＳ９００において、プロセッサ３００は、フェーズＰＨ３の間に取得されたサンプルを得る。各サンプルは２次元ベクトルであり、その係数は、電圧値とその電圧が測定された時刻である。
【０１２７】
次のステップＳ９０１において、プロセッサ３００は、移動窓のサイズを決定する。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フィッティングに基づいて曲線を求めるために用いられるサンプルの数Ｎｐｔを表す。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。
【０１２８】
次のステップＳ９０２において、プロセッサ３００は、移動窓の中心点Ｎｃを求める。
【０１２９】
次のステップＳ９０３において、プロセッサ３００は、変数ｉを値Ｎｐｔに設定する。
【０１３０】
次のステップＳ９０４において、プロセッサ３００は、変数ｊをｉ−Ｎｃ＋１に設定する。
【０１３１】
次のステップＳ９０５において、プロセッサ３００は、変数ｋを１に設定する。
【０１３２】
次のステップＳ９０６において、プロセッサ３００は、ｘ（ｋ）の値をサンプルｊの時刻係数に設定する。
【０１３３】
次のステップＳ９０７において、プロセッサ３００は、ｙ（ｋ）の値をサンプルｊの電圧係数に設定する。
【０１３４】
次のステップＳ９０８において、プロセッサ３００は、変数ｋを１つインクリメントする。
【０１３５】
次のステップＳ９０９において、プロセッサ３００は、変数ｊを１つインクリメントする。
【０１３６】
次のステップＳ９１０において、プロセッサ３００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。
【０１３７】
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３００はステップＳ９０６に戻る。そうでない場合、プロセッサ３００はステップＳ９１１に移る。
【０１３８】
ステップＳ９１１において、プロセッサ３００は、最小平均二乗アルゴリズムと、Ｓ９１０の条件に達するまでステップＳ９０６及びＳ９０７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、フィッティング数学関数、例えば多項式関数ｙ（ｘ）＝ａｘ2＋ｂｘ＋ｃを求める。
【０１３９】
そして、プロセッサ３００は、二次多項式関数のａ、ｂ、及びｃの実係数
【数３】
を取得する。
【０１４０】
次のステップＳ９１２において、プロセッサ３００は、以下の式に従ってフィルタリングされた電圧値と電流を評価する。
【数４】
【０１４１】
次のステップＳ９１３において、プロセッサ３００は、変数ｉを１単位インクリメントする。
【０１４２】
次のステップＳ９１４において、プロセッサ３００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。ここで、ＮはステップＳ９０１において取得された電圧サンプルの総数である。
【０１４３】
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３００はステップＳ９０４に戻る。そうでない場合、プロセッサ３００は、本アルゴリズムを中断し、図６のアルゴリズムのステップＳ６０９に戻る。
【０１４４】
ステップＳ９０４に移ることにより、プロセッサ３００は、移動窓を１サンプル分変位させる。
【０１４５】
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】
電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する装置であって、
該装置は、少なくともインダクタ及びキャパシタを備え、前記電源の特性の決定を可能にする情報は、前記キャパシタの充電を監視することによって取得され、
前記電源の特性の決定を可能にする情報を取得する装置は、前記キャパシタの充電の監視に先だって前記インダクタを通じて前記キャパシタを放電する手段を備えることを特徴とする、電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する装置。
【請求項２】
前記装置は、前記キャパシタの放電中に前記インダクタを通って流れる電流を監視する手段を備え、
前記キャパシタは、前記インダクタを通って流れる電流が第１の所定値に達する限り、又は該キャパシタが放電されない限り、前記インダクタにおいて放電されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置は、前記インダクタを通って流れる電流が前記第１の所定値に達するか、又は前記キャパシタが放電されると、前記インダクタを少なくとも１つのデバイス中において放電する手段を備えることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記他のデバイスは、エネルギー蓄積デバイス又は負荷であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記装置は、前記キャパシタの充電の監視中に前記電源によって出力される電流を取得する手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記電源によって出力される電流は、電流センサから取得されるか、又は前記キャパシタの充電の監視中に取得される電圧値から導出されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
直流コンバータであって、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置を備えることを特徴とする、直流コンバータ。
【請求項８】
直流コンバータに接続される電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する方法であって、前記直流コンバータは少なくともインダクタ及びキャパシタを備え、該方法は、
− 前記インダクタを通じて前記キャパシタを放電するステップと、
− 前記電源の特性の決定を可能にする情報を取得するために前記キャパシタの充電を監視するステップと
を含むことを特徴とする、直流コンバータに接続される電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する方法。
【請求項９】
前記方法は、前記キャパシタの放電中に前記インダクタを通って流れる電流を監視するステップを更に含み、
前記キャパシタは、前記インダクタを通って流れる電流が第１の所定値に達する限り、又は該キャパシタが放電されない限り、前記インダクタにおいて放電されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法は、前記インダクタを通って流れる電流が前記第１の所定値に達するか、又は前記キャパシタが放電されると、前記インダクタを少なくとも別のデバイス中において放電するステップを更に含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記インダクタを通じて前記キャパシタを放電するステップ及び前記インダクタを放電するステップは、前記キャパシタの電圧が第２の所定値に達する限り、繰返し実行されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１】
電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する装置であって、
該装置は、少なくともインダクタ及びキャパシタを備え、前記電源の特性の決定を可能にする情報は、前記キャパシタの充電を監視することによって取得され、
前記電源の特性の決定を可能にする情報を取得する装置は、前記キャパシタの充電の監視に先だって前記インダクタを通じて前記キャパシタを放電する手段を備えることを特徴とする、電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する装置。
【請求項２】
前記装置は、前記キャパシタの放電中に前記インダクタを通って流れる電流を監視する手段を備え、
前記キャパシタは、前記インダクタを通って流れる電流が第１の所定値に達する限り、又は該キャパシタが放電されない限り、前記インダクタにおいて放電されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置は、前記インダクタを通って流れる電流が前記第１の所定値に達するか、又は前記キャパシタが放電されると、前記インダクタを少なくとも１つのデバイス中において放電する手段を備えることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記他のデバイスは、エネルギー蓄積デバイス又は負荷であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記装置は、前記キャパシタの充電の監視中に前記電源によって出力される電流を取得する手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記電源によって出力される電流は、電流センサから取得されるか、又は前記キャパシタの充電の監視中に取得される電圧値から導出されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
直流コンバータであって、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置を備えることを特徴とする、直流コンバータ。
【請求項８】
直流コンバータに接続される電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する方法であって、前記直流コンバータは少なくともインダクタ及びキャパシタを備え、該方法は、
− 前記インダクタを通じて前記キャパシタを放電するステップと、
− 前記電源の特性の決定を可能にする情報を取得するために前記キャパシタの充電を監視するステップと
を含むことを特徴とする、直流コンバータに接続される電源の最大電力点のような特性の決定を可能にする情報を取得する方法。
【請求項９】
前記方法は、前記キャパシタの放電中に前記インダクタを通って流れる電流を監視するステップを更に含み、
前記キャパシタは、前記インダクタを通って流れる電流が第１の所定値に達する限り、又は該キャパシタが放電されない限り、前記インダクタにおいて放電されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法は、前記インダクタを通って流れる電流が前記第１の所定値に達するか、又は前記キャパシタが放電されると、前記インダクタを少なくとも別のデバイス中において放電するステップを更に含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記インダクタを通じて前記キャパシタを放電するステップ及び前記インダクタを放電するステップは、前記キャパシタの電圧が第２の所定値に達する限り、繰返し実行されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１３−５１３８７８（Ｐ２０１３−５１３８７８Ａ）
【公表日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４３６０５（Ｐ２０１２−５４３６０５）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６９２１０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７３０６９
【国際公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【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２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６９２１０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７３０６９
【国際公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【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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