JP2015109796A - バッテリーシステム及びバッテリーの連結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリーが安定に連結される制御手段を含むバッテリーシステム及びバッテリーの連結方法を提供する。【解決手段】複数のバッテリートレイが並列に連結されて構成されるモジュールであるバッテリーラック２２０であって、第２バッテリートレイ２１１−２との間の経路上に具備される第１スイッチ２３１と、第１スイッチ２３１と並列に連結される第２スイッチ２３３と、第２スイッチ２３３と直列に連結される抵抗素子２３５と、第２バッテリートレイとモジュールとを連結するために第２スイッチ２３３をオンにし、第２バッテリーの電圧とモジュールとの電圧差が既設定された値に到逹する場合、第１スイッチ２３１をオンにするバッテリー管理部ＢＭＳと、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、バッテリーシステム及びバッテリーの連結方法に関する。

近年、環境破壊、資源枯渇などが深刻な問題として提起されながら、エネルギーを保存し、その保存されたエネルギーを效率的に活用することができるシステムについての関心が高まっている。また、これと共に発展過程で公害を誘発しないか、あるいは少なく誘発する新再生エネルギーについての関心も高まっている。エネルギー保存システムは、このような新再生エネルギー、電力を保存するバッテリーシステム、そして既存の系統を連携させるシステムとして今日の環境変化に合わせて多くの研究開発がなされている。

このうち、バッテリーシステムは、外部から電力の供給を受けて電力を保存することができ、保存されている電力を外部に供給することができる。バッテリーシステムの必要な容量を確保するためには、複数のバッテリーを並列に連結して構成するのが一般的である。この時、複数のバッテリーの中でいずれか一つのバッテリーが故障の発生によって停止したり、容量の拡張が必要な場合、追加的にバッテリーを連結しなければならないという問題があった。

したがって、本発明は、上記のような問題を解決するために案出されたもので、その目的は、バッテリーシステムにバッテリーが安定に連結されうるようにした制御手段を含むバッテリーシステム及びバッテリーの連結方法を提供することである。

上記の目的を果たすために本発明の好ましい一実施形態によれば、複数の第１バッテリーが並列に連結されて構成されるモジュールと第２バッテリーとの間の経路上に具備される第１スイッチと、前記第１スイッチと並列に連結される第２スイッチと、前記第２スイッチと直列に連結される抵抗素子と、前記第２バッテリーと前記モジュールとを連結するために前記第２スイッチをオンにし、前記第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹する場合、前記第１スイッチをオンにするバッテリー管理部ＢＭＳと、を含むバッテリーシステムが提供される。

また、前記バッテリー管理部は、前記第２バッテリーの電圧を測定して、前記第２バッテリーと隣接した前記第１バッテリーのバッテリー管理部から前記モジュールの電圧を受信することができる。

また、前記バッテリー管理部は、前記第２スイッチのデューティ比を制御して前記第２スイッチのオン／オフを制御することができる。

また、前記バッテリー管理部は、前記第２スイッチの最初動作時に既設定されたデューティ比で前記第２スイッチのオン／オフを制御し、前記デューティ比を漸次増加させることができる。

また、前記バッテリー管理部は、前記抵抗素子に流れる電流が既設定された臨界電流値に到逹する場合、前記デューティ比を増加させて、前記臨界電流値を下げて再設定することができる。

また、前記抵抗素子の温度を測定する温度測定部をさらに含むことができる。

また、前記バッテリー管理部は、前記温度測定部で測定される前記抵抗素子の温度が、既設定された危険温度以下を維持するように前記第２スイッチのデューティ比を制御することができる。

また、前記バッテリー管理部は、前記抵抗素子の温度が既設定された危険温度に到逹する場合、第２スイッチのデューティ比を最初に設定されたデューティ比より低く設定して、前記抵抗素子の温度が既設定された安全温度に到逹する場合、前記第２スイッチのデューティ比を前記最初に設定されたデューティ比よりも高く設定することができる。

また、前記抵抗素子は可変抵抗でありえる。

また、前記バッテリー管理部は、前記第２スイッチをオンにした後、時間の経過につれて前記可変抵抗の大きさを減少させることができる。

また、前記バッテリー管理部は、前記抵抗素子に流れる電流が臨界電流値以下に下がる場合、前記可変抵抗の大きさを減少させて、前記臨界電流値を既設定された値だけ下げて再設定することができる。

また、前記バッテリー管理部は、前記第１スイッチのオンと同時に前記第２スイッチをオフにすることができる。

また、前記モジュールは、エネルギー保存システムでエネルギーを保存する並列に連結された複数のバッテリートレイからなるバッテリーラックであり、前記第２バッテリーは、前記バッテリーラックに並列に連結されるバッテリートレイでありえる。

また、前記バッテリー管理部は、前記複数のバッテリートレイにそれぞれ連結されて、前記バッテリートレイの電圧、電流、及び温度をモニタリングするトレイＢＭＳでありえる。

さらに、本発明の他の実施形態によれば、複数の第１バッテリーが並列に連結されて構成されるモジュールと第２バッテリーとの間の経路上に、第１スイッチを連結する段階と、前記第１スイッチと並列に第２スイッチ及び抵抗素子を連結する段階と、前記第２バッテリーと前記モジュールとを連結するために前記第２スイッチを制御する段階と、前記第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹する場合、前記第１スイッチをオンにする段階と、を含むことができる。

また、前記第２スイッチを制御する段階は、既設定されたデューティ比で前記第２スイッチのオン／オフを制御する段階（ａ）と、前記抵抗素子に流れる電流が既設定された臨界電流値に到逹する場合、前記既設定されたデューティ比を増加させて再設定する段階（ｂ）と、前記臨界電流値を減少させて再設定する段階（ｃ）と、前記第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹するまで前記段階（ａ）ないし段階（ｃ）を繰り返して遂行する段階（ｄ）と、を含むことができる。

また、前記第２スイッチを制御する段階は、前記抵抗素子の温度が既設定された危険温度以下を維持するように前記第２スイッチのデューティ比を制御することができる。

また、前記抵抗素子は可変抵抗であり、前記第２スイッチを制御する段階は、
前記第２スイッチをオンにする段階（ａ）と、前記抵抗素子に流れる電流が臨界電流値に到逹する場合、前記可変抵抗の抵抗大きさを減少させる段階（ｂ）と、前記臨界電流値を減少させて再設定する段階（ｃ）と、前記第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹するまで前記段階（ｂ）ないし段階（ｃ）を繰り返して遂行する段階（ｄ）と、を含むことができる。

以上のように、本発明によれば、バッテリーシステムにバッテリーが安定的に連結されることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態によるエネルギー保存システムの構成を示した図面である。 本発明の一実施形態によるバッテリーシステムの構成を示した図面である。 本発明の一実施形態によるバッテリーラックの構成を示した図面である。 本発明の一実施形態によるバッテリーラックの構成を示した図面である。 本発明の一実施形態による新たに連結されるバッテリートレイとバッテリーラックとの間に流れる電流の大きさを示した図面である。 本発明の一実施形態による第２スイッチのデューティ比を制御する場合の新たに連結されるバッテリートレイとバッテリーラックとの間に流れる電流の大きさを示した図面である。 本発明の一実施形態によるバッテリーの連結過程を示したフローチャートである。 本発明の実施形態による第２スイッチを制御する段階を具体的に示したフローチャートである。 本発明の他の実施形態による第２スイッチを制御する段階を具体的に示したフローチャートである。

その他の実施形態等の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば明確になるだろう。しかし、本発明は、以下に開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に具現されることができ、以下の説明である部分が他の部分に連結されているとした時、これは直接的に連結されている場合のみならず、その中間に他の素子を間に置いて電気的に連結されている場合をも含む。また、図面で本発明と関係ない部分は、本発明の説明を明確にするために略しており、明細書全体を通じて類似した部分に対しては同一の図面符号を付けた。

以下、添付された図面を参考して本発明について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態によるエネルギー保存システムの構成を示した図面である。

エネルギー保存システム１は、発展システム２、系統３から供給を受けた電力を負荷４に供給する。発展システム２は、エネルギー源によって電力を生産する。発展システム２は、生産した電力をエネルギー保存システム１に供給する。さらに、発展システム２は、例えば、太陽光発展システム、風力発展システム、潮力発展システム、地熱発展システムなどでありえる。

また、発展システム２は、太陽熱や地熱など、エネルギー源を利用して電力を生産するすべての種類の発展システム等を含むことができる。特に、太陽光を利用して電気エネルギーを生産する太陽電池をエネルギー保存システム１として使用することができる。エネルギー保存システム１を使用して発展システム２の電力が家庭や工場に分配されることができる。発展システム２は、多数の発展モジュールを具備して発展モジュールごとに電力を生産する大容量エネルギーシステムを含むことができる。

系統３は、発電所、変電所、送電線などを具備することができる。系統３は正常状態の場合、エネルギー保存システム１へ電力を供給し、負荷４及び／またはバッテリーシステム２０に電力が供給されるようにする。また、系統３はエネルギー保存システム１から電力の供給を受ける。

系統３が非正常状態の場合、系統３からエネルギー保存システム１への電力供給は中断され、エネルギー保存システム１から系統３への電力供給も同様に中断される。

負荷４は、発展システム２から生産された電力、バッテリーシステム２０に保存された電力、及び／または系統３から供給された電力を消費する。家庭や工場などが選択的に負荷４に含まれることができる。

エネルギー保存システム１は、発展システム２から生産した電力をバッテリーシステム２０に保存し、生産した電力を系統３へ供給することができる。エネルギー保存システム１は、バッテリーシステム２０に保存された電力を系統３へ供給するか、系統３から供給された電力をバッテリーシステム２０に保存することもできる。

また、エネルギー保存システム１は、系統３が非正常状態の場合、例えば、停電が発生した場合にはＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）動作を遂行して負荷４へ電力を供給することができる。また、エネルギー保存システム１は、系統３が正常状態においても発展システム２が生産した電力やバッテリーシステム２０に保存されている電力を負荷４へ供給することができる。

本実施形態におけるエネルギー保存システム１は、電力変換を制御する電力変換システム（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ、以下「ＰＣＳ」という；１０）、バッテリーシステム２０、第１スイッチ３０及び第２スイッチ４０などを含む。

ＰＣＳ１０は、発展システム２、系統３、バッテリーシステム２０から供給を受けた電力を系統３、負荷４、バッテリーシステム２０に適切な形態に変換する。ＰＣＳ１０は、入力／出力端子への電力変換、及び入力／出力端子からの電力変換を遂行し、この時、前記電力変換は、ＤＣ／ＡＣ変換及び第１電圧と第２電圧との間の変換でありえる。ＰＣＳ１０は、変換された電力を統合制御器１５の制御によって動作モードにしたがって適切な目的地へ供給する。ＰＣＳ１０は、電力変換部１１、ＤＣリンク部１２、インバーター１３、コンバーター１４、統合制御器１５を含む。

電力変換部１１は、発展システム２とＤＣリンク部１２との間に連結される電力変換装置である。電力変換部１１は、発展システム２から生産した電力をＤＣリンク部１２へ伝達する。電力変換部１１からの出力電圧は、直流リンク電圧である。

さらに、電力変換部１１は、発展システム２の種類によってコンバーター、整流回路などの電力変換回路で構成されることができる。例えば、発展システム２が生産する電力が直流の場合、電力変換部１１は、発展システム２の直流電力の電圧レベルをＤＣリンク部１２の直流電力の電圧レベルに変換するためのコンバーターを含むことができる。

しかし、発展システム２が生産する電力が交流の場合、電力変換部１１は、交流を直流に変換するための整流回路でありえる。特に、発展システム２が太陽光発展システムの場合、電力変換部１１は、日射量、温度などの状態変化にしたがって発展システム２から生産する電力を最大に得ることができるように最大電力のポイント追跡（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）の制御を遂行するＭＰＰＴコンバーターを含むことができる。電力変換部１１は、発展システム２から生産される電力がない時には、消費電力を最小化させるために動作を中止することもあり得る。

直流リンク電圧は、発展システム２または系統３での瞬時電圧の降下、負荷４の急激な変化や高い負荷量の要求などによって不安定になる場合がある。しかし直流リンク電圧は、コンバーター１４及びインバーター１３の正常動作のために安定化されなければならない。

ＤＣリンク部１２は、電力変換部１１とインバーター１３との間に連結されて直流リンク電圧を一定に維持させる。ＤＣリンク部１２として例えば大容量キャパシタなどを含むことができる。

インバーター１３は、ＤＣリンク部１２と第１スイッチ３０との間に連結される電力変換装置である。インバーター１３は、放電モードでＤＣリンク部１２からの直流出力電圧を系統３の交流電圧に変換するインバーターを含むことができる。また、インバーター１３は、充電モードで系統３の電力をバッテリーシステム２０に保存するために、系統３の交流電圧を整流して直流リンク電圧に変換して出力する整流回路を含むことができる。すなわち、インバーター１３は、入力及び出力方向が変わることができる両方向インバーターであり得る。

インバーター１３は、系統３に出力される交流電圧から高周波を除去するためのフィルターを含むことができる。また、インバーター１３は、無效電力の損失を抑制するためにインバーター１３から出力される交流電圧の位相と系統３の交流電圧の位相を同期化させるための位相同期ルーフＰＬＬ回路を含むことができる。その他、インバーター１３は、電圧変動範囲の制限、力率改善、直流成分の除去、過渡現象（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ）に対する保護などのような機能を遂行することができる。インバーター１３は、使用しない時、電力消費を最小化するために動作を中止させることもありえる。

コンバーター１４は、ＤＣリンク部１２とバッテリーシステム２０との間に連結される電力変換装置である。コンバーター１４は、放電モードでバッテリーシステム２０から出力された電力の電圧をインバーター１３のための直流リンク電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバーターを含む。また、コンバーター１４は、充電モードで電力変換部１１やインバーター１３から出力される電力の電圧をバッテリーシステム２０用電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバーターを含むことができる。すなわち、コンバーター１４は入力及び出力方向が変わることがあり得る両方向コンバーターであり得る。コンバーター１４は、バッテリーシステム２０の充電または放電に使用しない場合には、動作を中止させて電力消費を最小化することもできる。

統合制御器１５は、発展システム２、系統３、バッテリーシステム２０及び負荷４の状態をモニタリングし、モニタリング結果に応じて電力変換部１１、インバーター１３、コンバーター１４、バッテリーシステム２０、第１スイッチ３０、第２スイッチ４０の動作を制御する。

統合制御器１５は、系統３に停電が発生したかどうか、発展システム２から電力が生産されるかどうか、発展システム２で電力を生産する場合、その生産量、バッテリーシステム２０の充電状態、負荷４の消費電力量、時間などをモニタリングできる。また、統合制御器１５は、例えば系統３に停電が発生するなど、負荷４へ供給すべき電力が十分でない場合には、負荷４内に含まれた電力使用器機等に対して優先順位を決めて、優先順位の高い電力使用機器によって電力を供給するように負荷４を制御することもできるだろう。

第１スイッチ３０及び第２スイッチ４０は、インバーター１３と系統３との間に直列に連結されて、統合制御器１５の制御によってオン／オフ動作を遂行して発展システム２と系統３との間の電流の流れを制御する。第１スイッチ３０と第２スイッチ４０は、発展システム２、系統３、及びバッテリーシステム２０の状態に応じてオン／オフが決められる。

具体的に、発展システム２及び／またはバッテリーシステム２０の電力を負荷４に供給するために、系統３の電力をバッテリーシステム２０に供給するために第１スイッチ３０をオン状態にする。発展システム２及び／またはバッテリーシステム２０の電力を系統３に供給するために、または系統３の電力を負荷４及び／またはバッテリーシステム２０に供給するために第２スイッチ４０をオン状態にする。第１スイッチ３０及び第２スイッチ４０では、大きい電流に耐えられるリレー（Ｒｅｌａｙ）などのスイッチング装置が使用されることができる。

系統３で停電が発生した場合には、第２スイッチ４０をオフさせて第１スイッチ３０をオン状態にする。すなわち、発展システム２及び／またはバッテリーシステム２０からの電力を負荷４に供給すると同時に、負荷４に供給される電力が系統３側に流れることを防止する。エネルギー保存システム１が停電が発生した系統３と断絶されて系統３に電力を供給することを防止する。これによって系統３の電力線などで作業する、例えば、系統３の停電を修理する作業者がエネルギー保存システム１からの電力によって感電するなどの事故を防止することができるようにする。

バッテリーシステム２０は、発展システム２及び／または系統３の電力の供給を受けて保存し、負荷４または系統３に保存している電力を供給する。バッテリーシステム２０は、電力を保存する部分と、これを制御及び保護する部分を含むことができる。以下、図２を参照してバッテリーシステム２０について具体的に調べて見る。

図２は、本発明の一実施形態によるバッテリーシステムの構成を示した図面である。図２を参照すれば、バッテリーシステム２０は、バッテリーラック、１１０、ラックＢＭＳ１２０、ラック保護回路１３０を含むことができる。

バッテリーラック１１０は、外部、すなわち発展システム２及び／または系統３から供給された電力を保存し、保存している電力を発展システム２及び／または系統３に供給する。バッテリーラック１１０は、複数のサブユニットを含むことができ、図３を参照して詳しく説明する。

図３は、本発明の一実施形態によるバッテリーラックの構成を示した図面である。図３を参照すれば、バッテリーラック１１０はサブユニットとして直列及び／または並列に連結された一つ以上のバッテリートレイ（１１１−１、・・・１１１−ｎ））を含むことができる。また、それぞれのバッテリートレイは、そのサブユニットとして複数のバッテリーセルを含むことができる。バッテリーセルとしては充電可能な多様な二次電池が使用されることができる。例えば、バッテリーセルに使用される二次電池は、一つ以上のニッケル−カドミウム電池（ｎｉｃｋｅｌ−ｃａＤＭｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ）、鉛蓄電池、ニッケル−水素電池（ＮＩＨＭ：ｎｉｃｋｅｌ ｍｅｔａｌ ｈｙｄｒｉｄｅ ｂａｔｔｅｒｙ）、リチウムイオン電池（ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ）、リチウムポリマー電池（ｌｉｔｈｉｕｍ ｐｏｌｙｍｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ）などを含むことができる。

バッテリーラック１１０は、複数のバッテリートレイ（１１１−１、・・・１１１−ｎ）の連結方法によって所望の出力を供給することができ、陽極出力端子（Ｒ＋）と陰極出力端子（Ｒ−）を介してラック保護回路１３０に電力を出力する。

また、バッテリーラック１１０は、一つ以上のバッテリートレイ（１１１−１、・・・１１１−ｎ）それぞれに対応する少なくとも一つのトレイＢＭＳ（１１２−１、・・・１１２−ｎ）を含むことができる。少なくとも一つのトレイＢＭＳ（１１２−１、・・・１１２−ｎ）それぞれは、対応するバッテリートレイ（１１１−１、・・・１１１−ｎ）の電圧、電流、温度などをモニタリングする。モニタリング結果は、隣り合うトレイＢＭＳへ伝送することができる。

トレイＢＭＳ（１１２−１、・・・１１２−ｎ）らのモニタリング結果は、一つのトレイＢＭＳ（１１２−１）に取り集めることができ、取り集められたモニタリングデータＤＭは、ラックＢＭＳ１２０へ伝送される。また、前記トレイＢＭＳ１１２−１は、ラックＢＭＳ１２０からバッテリーラック１１０の充電または放電を制御するための制御信号Ｓｃを受信することもできる。

本実施形態では、モニタリング結果を取り集めて制御信号Ｓｃを受信するトレイＢＭＳを最も上に位置したトレイＢＭＳ（１１２−１）に設定したが、他の構成も可能である。例えば、最後に位置したトレイＢＭＳ（１１２−ｎ）がモニタリング結果を取り集めて制御信号Ｓｃを受信することもできるだろう。また、他の実施形態として、モニタリング結果を 取り集めてモニタリングデータＤｍをラックＢＭＳ１２０へ伝送するトレイＢＭＳと制御信号を受信するトレイＢＭＳが異なるように設定することも可能であろう。

また、図２に戻り、ラックＢＭＳ１２０は、バッテリーラック１１０に連結され、バッテリーラック１１０の充電及び放電動作を制御する。また、ラックＢＭＳ１２０は、過充電保護機能、過放電保護機能、過電流保護機能、過電圧保護機能、過熱保護機能、セルバランシング（Ｃｅｌｌ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ）機能などを遂行することができる。このために、ラックＢＭＳ１２０は、バッテリーラック１１０から電圧、電流、温度、残余電力量、寿命、充電状態などに対するモニタリングデータＤｍを受信し、モニタリング結果に応じて制御信号Ｓｃを生成してラック保護回路１３０を制御することができる。また、ラックＢＭＳ１２０は、受信したモニタリングデータＤｍを統合制御器１５に印加することができ、統合制御器１５からバッテリーラック１１０の制御に係わる命令を受信することもできるだろう。

図４は、本発明の一実施形態によるバッテリーラックの構成を示した図面である。図４を参照すれば、バッテリーラック２２０は、サブユニットとして並列に連結された一つ以上のバッテリートレイ（２１１−１、・・・２１１−ｎ）を含む。また、それぞれのバッテリートレイは、そのサブユニットとして複数のバッテリーセルを含むことができる。

バッテリーラック２２０は、複数のバッテリートレイ（２１１−１、・・・２１１−ｎ）の陽極出力端子Ｒ＋と陰極出力端子Ｒ−を通じてラック保護回路１３０に電力を出力する。

バッテリーラック２２０は、複数のバッテリーシステム２０の容量を確張するためにバッテリートレイが並列に追加で連結されるか、故障したバッテリートレイを交替するためにバッテリーラック２２０にバッテリートレイが新たに連結されることができる。この場合、バッテリーラック２２０の電圧（Ｒ＋とＲ−との間の電圧）と新たに加えられるバッテリートレイの電圧差が大きい場合、いずれか一方へ大きい電流が流れるようになり、装備の故障をもたらす恐れがある。

これを防止するためには、バッテリートレイを新たに連結する時、バッテリートレイの電圧とバッテリーラック２２０のシステム電圧を同一に調整した後連結すれば良いが、この場合、別途の充電または放電設備を取り揃えなければならないという問題がある。

したがって、本発明では新しいバッテリートレイを、電源を有するモジュールであるバッテリーラック２２０に連結する時、バッテリートレイまたはバッテリーラック２２０へ過電流が流れることを防止するために、バッテリートレイとバッテリーラック２２０との間に連結制御回路を設置することを特徴とする。

以下では、説明の便宜のために複数のバッテリートレイの中で第２バッテリートレイ２１１−２がバッテリーラック２２０に新しく連結されることにして本発明について説明し、連結制御回路が第２バッテリートレイ２１１−２とバッテリーラック２２０との間の経路間に具備されるものと説明する。しかし、連結制御回路は、複数のバッテリートレイそれぞれとバッテリーラック２２０との間の経路間に具備されることができるだろう。

連結制御回路は、第２バッテリートレイ２１１−２と複数のバッテリートレイが並列連結されて構成されるモジュールであるバッテリーラック２２０の間の経路上に具備される第１スイッチ２３１、第２バッテリートレイ２１１−２とバッテリーラック２２０との間の経路上に具備され、前記第１スイッチ２３１と並列に連結される第２スイッチ２３３及び前記第２スイッチ２３３と直列に連結される電流制限用抵抗素子２３５を含むことができる。

第２トレイＢＭＳ２１２−２は、第２バッテリートレイ２１１−２の電圧、電流、温度などをモニタリングし、隣り合うトレイＢＭＳからバッテリーラック２２０全体のシステム電圧情報を受信することができる。または、ラックＢＭＳ１２０を通じてバッテリーラック２２０の電圧情報を受信することができる。

第２トレイＢＭＳ２１２−２は、第２バッテリートレイ２１１−２とバッテリーラック２２０との間を連結するために、まず第２スイッチ２３３をオンにする。第２スイッチ２３３には、電流制限用抵抗素子２３５が連結されているので、第１スイッチ２３１を通じて第２トレイＢＭＳ２１２−２とバッテリーラック２２０が直接連結した場合、流れる恐れのある過電流を防止することができる。

バッテリーラック２２０に連結された第２バッテリートレイ２１１−２は、バッテリーラック２２０との電圧差によって充電または放電が遂行され、これによって第２バッテリートレイ２１１−２とバッテリーラック２２０との間の電圧差は減少するようになる。

第２トレイＢＭＳ２１２−２は、第２バッテリートレイ２１１−２の電圧及びバッテリーラック２２０の電圧差が既設定された値に到逹する場合、第１スイッチ２３１をオンにする。すなわち、第２バッテリートレイ２１１−２の電圧とバッテリーラック２２０との間の電圧差によっていずれか一方向へ流れる電流の大きさが第２バッテリートレイ２１１−２またはバッテリーラック２２０の内部構成部品などに影響を及ぼさない条件以内であれば、第１スイッチ２３１を通じて第２バッテリートレイ２１１−２をバッテリーラック２２０に直接連結する。第２トレイＢＭＳ２１２−２は、第１スイッチのオンと同時に第２スイッチをオフにすることができる。

図５は、本発明の一実施形態による新たに連結されるバッテリートレイとバッテリーラックの間に流れる電流の大きさを示した図面である。図５を参照すれば、バッテリートレイとバッテリーラックとの間に流れる電流は、下記の数学式のように表現することができる。

ここで、Ｉは追加されるバッテリートレイとバッテリーラックとの間に流れる電流、Ｖ１は、第２バッテリートレイ２１１−２の電圧、Ｖ２はバッテリーラック２２０の電圧、Ｒは抵抗素子２３５の抵抗値をそれぞれ意味する。

図５から分かるように、第２バッテリートレイ２１１−２とバッテリーラック２２０との間に流れる電流は、第１スイッチ２３１をオンにする瞬間から始めて漸次減少する。しかし、Ｖ１とＶ２との間の電圧差が減少とすればするほど電流の減少する幅も同様に小さくなり、Ｖ１とＶ２との間の電圧差が既設定された範囲内になった場合、流れる目標電流に到逹するまで多くの時間が必要とされる。

前記目標電流に到逹する時間までの時間を短縮させるためには、低い抵抗値を有する抵抗素子２３５を使用することができる。しかし、この場合には、短い時間内に抵抗素子２３５に多くの電流が流れるようになって、過度な発熱による問題が発生しえる。

さらに、本発明の他の実施形態によれば、低い抵抗値を有する抵抗素子２３５が連結された第２スイッチ２３３のデューティ比を制御して第２スイッチ２３３のオン／オフを制御することで、抵抗素子２３５の発熱問題を解決しながら、Ｖ１とＶ２との間の電圧差が速い時間内に既設定された範囲以内になるように調整することができる。

より詳細には、第２トレイＢＭＳ２１２−２は、第２スイッチ２３３の最初動作時、既設定されたデューティ比で第２スイッチ２３３のオン／オフを制御する。この時、最初動作時に設定されるデューティ比は、抵抗素子２３５の抵抗値と発熱条件によってシステムに影響を及ぼさない範囲内でのデューティ比に決められる。以後、第２トレイＢＭＳ２１２−２は、抵抗素子２３５に流れる電流が臨界電流値に到逹する度に前記デューティ比を漸次増加させて第２スイッチ２３３のオン／オフを制御する。ここで、臨界電流値は、電流の大きさの減少速度が遅くなる時点の電流値を意味することができる。

Ｖ１とＶ２との間の電圧差が第２スイッチ２３３の最初動作時点より減った時点に、第２スイッチ２３３のデューティ比が増加することで、デューティ比の増加に伴う抵抗素子の発熱問題は発生しない。

本発明の一実施形態によれば、第２トレイＢＭＳ２１２−２は、デューティ比が増加する度に前記臨界電流値を既設定された値ほど下げて再設定することができる。時間の経過に伴ってデューティ比が増加すればするほどＶ１とＶ２との間の電圧差は漸次低くなるからである。

図６は、本発明の一実施形態による第２スイッチのデューティ比を制御する場合の新たに連結されるバッテリートレイとバッテリーラックとの間に流れる電流の大きさを示した図面である。図６を参照すれば、第２スイッチ２３３の最初動作時にデューティ比１０％で動作し、最初抵抗素子２３５に流れる電流は１０Ａであると想定して説明する。

第２スイッチ２３３がデューティ比１０％で動作する間、Ｖ１とＶ２との間の電圧差は減少することになる。第２トレイＢＭＳ２１２−２は、抵抗素子２３５に流れる電流が臨界電流である５Ａに到逹すると、デューティ比を４０％に再設定する。また、第２トレイＢＭＳ２１２−２は、次のデューティ比を変更するための基準点である臨界電流を３．５Ａに再設定する。デューティ比の増加に伴って電流の大きさの減少速度が遅くなる時点の電流値がより小さくなるからである。

図６ではデューティ比を１０％、４０％、７０％、１００％で増加させながら第２スイッチ２３３を制御するものと示したが、これはバッテリーラック２２０、第２バッテリートレイ２１１−２の容量及び抵抗素子２３５の抵抗値によって異なるように設定されることができるだろう。

本発明の他の実施形態によれば、抵抗素子の温度を測定する温度測定部（図示せず）がさらに具備されることができる。第２トレイＢＭＳ２１２−２は、前記温度測定部で測定される抵抗素子２３５の温度が既設定された危険温度以下を維持するように、第２スイッチ２３３のデューティ比を制御することができる。ここで、既設定された危険温度は、第２バッテリートレイ２１１−２またはバッテリーラック２２０に影響を及ぼさない最大温度を意味する。

一例として、第２トレイＢＭＳ２１２−２は、最初第２スイッチ２３３のデューティ比を５０％にして第２スイッチ２３３のオン／オフを制御することができ、抵抗素子２３５が既設定された温度に到逹する場合、第２スイッチ２３３のデューティ比を１０％で設定することができる。以後、抵抗素子２３５の温度が既設定された安全温度に到逹する場合、再び第２スイッチ２３３のデューティ比を７０％で設定することができ、抵抗素子２３５が既設定された危険温度に到逹する場合、第２スイッチ２３３のデューティ比を３０％で設定することができる。

再び、抵抗素子２３５の温度が既設定された安全温度に到逹する場合、第２スイッチ２３３のデューティ比を１００％で設定し、第２バッテリートレイ２１１−２の電圧とバッテリーラック２２０との間の電圧差が速い時間内に既設定された範囲内になるように調整することができる。Ｖ１とＶ２との間の電圧差は、時間の経過につれて減少されるので、既設定された危険温度及び安全温度に到達する時、設定されるデューティ比は以前設定されるデューティ比よりも大きい値を持つように設定される。

本発明の他の実施形態によれば、抵抗素子２３５は、可変抵抗でありえる。この場合、第２トレイＢＭＳ２１２−２は、第２スイッチ２３３をオンにした後、Ｖ１とＶ２との間の電圧差が小さくなるにもかかわらず、流れる電流が一定に維持されるように前記可変抵抗の大きさを減少させることができる。時間の経過につれて前記可変抵抗の大きさが減少されることで、速い時間内にＶ１とＶ２との間の差が既設定された範囲内になるように調整することができる。

以下、図７を参照して本実施形態によるバッテリーの連結方法について説明する。図７は、本発明の一実施形態によるバッテリーの連結過程を示したフローチャートである。

図７を参照すれば、段階Ｓ１００では、複数の第１バッテリーが並列に連結されて構成されるモジュールと第２バッテリー間の経路上に第１スイッチを連結する。ついでに、段階Ｓ１１０では、前記第１スイッチと並列に第２スイッチ及び抵抗素子を連結する。

段階Ｓ１２０では、第２バッテリーと前記モジュールを連結するために第２スイッチを制御し、前記第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹するかどうかを判断する。

前記第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹する場合、段階Ｓ１３０では第１スイッチをオンにして前記第２スイッチをオフにし、前記第２バッテリーと前記モジュールとの間を連結する。

図８は、本発明の実施形態による第２スイッチを制御する段階を具体的に示したフローチャートである。図８を参照すれば、段階Ｓ１２１で既設定されたデューティ比で第２スイッチのオン／オフを制御する。ついでに、段階Ｓ１２３で抵抗素子に流れる電流が臨界電流値に到達されたかどうかを判断する。

抵抗素子に流れる電流が臨界電流値に到逹する場合、前記既設定されたデューティ比を増加させて再設定（Ｓ１２５）し、前記臨界電流値を減少させて再設定（Ｓ１２７）する。

段階Ｓ１２９では第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹したかどうかを判断し、既設定された値に到逹した場合には、段階Ｓ１３０へ移動して第１スイッチをオンにして第２スイッチをオフにする。既設定された値に到逹していない場合、段階Ｓ１２１ないし段階Ｓ１２９を繰り返して遂行する。

図９は、本発明の他の実施形態による第２スイッチを制御する段階を具体的に示したフローチャートである。図９を参照すれば、段階Ｓ２２１で第２スイッチをオンにする。

段階Ｓ２２３では、抵抗素子に流れる電流が臨界電流値に到達されたかどうかを判断する。ここで、抵抗素子は可変抵抗であり、抵抗素子が流れる電流が臨界電流値に到逹した場合、段階Ｓ２２５で抵抗素子の抵抗大きさを減少させる。また、段階Ｓ２２７で臨界電流の大きさを減少させて再設定する。

段階Ｓ２２９では、第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹したかどうかを判断し、既設定された値に到逹した場合には段階Ｓ１３０へ移動して第１スイッチをオンにし、第２スイッチをオフにする。既設定された値に到逹していない場合、段階Ｓ２２３ないし段階Ｓ２２９を繰り返して遂行する。

以上、説明したように、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須的特徴を変更しなくとも他の具体的な形態で実施することができるということを理解できるだろう。よって、以上より記述した実施形態等はすべての面から例示的なもので、限定的ではないものとして理解しなければならない。また、本発明の範囲は、上記詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、そしてその均等概念から導出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれるものと解釈されなければならない。

１ エネルギー保存システム
２ 発展システム
３ 系統
４ 負荷
１０ 電力変換システム
１１ 電力変換部
１２ ＤＣリンク部
１３ インバーター
１４ コンバーター
１５ 統合制御器
２０ バッテリーシステム
３０ 第１スイッチ
３１ 第２スイッチ
１１０ バッテリーラック
１２０ ラックＢＭＳ
１３０ ラック保護回路
１１１−１〜ｎ、２１１−１〜ｎ バッテリートレイ
１１２−１〜ｎ、２１２−１〜ｎ トレイＢＭＳ
２３１ 第１スイッチ
２３３ 第２スイッチ
２３５ 抵抗素子

Claims (18)

1. 複数の第１バッテリーが並列に連結されて構成されるモジュールと第２バッテリーとの間の経路上に具備される第１スイッチと、
   前記第１スイッチと並列に連結される第２スイッチと、
   前記第２スイッチと直列に連結される抵抗素子と、
   前記第２バッテリーと前記モジュールとを連結するために前記第２スイッチをオンにし、
   前記第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹する場合、前記第１スイッチをオンにするバッテリー管理部ＢＭＳと、を含むことを特徴とするバッテリーシステム。
2. 前記バッテリー管理部は、前記第２バッテリーの電圧を測定して、前記第２バッテリーと隣接した前記第１バッテリーのバッテリー管理部から前記モジュールの電圧を受信することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーシステム。
3. 前記バッテリー管理部は、前記第２スイッチのデューティ比を制御して前記第２スイッチのオン／オフを制御することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーシステム。
4. 前記バッテリー管理部は、前記第２スイッチの最初動作時に既設定されたデューティ比で前記第２スイッチのオン／オフを制御し、前記デューティ比を漸次増加させることを特徴とする請求項３に記載のバッテリーシステム。
5. 前記バッテリー管理部は、前記抵抗素子に流れる電流が既設定された臨界電流値に到逹する場合、前記デューティ比を増加させて、前記臨界電流値を下げて再設定することを特徴とする請求項４に記載のバッテリーシステム。
6. 前記抵抗素子の温度を測定する温度測定部をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のバッテリーシステム。
7. 前記バッテリー管理部は、前記温度測定部で測定される前記抵抗素子の温度が、既設定された危険温度以下を維持するように前記第２スイッチのデューティ比を制御することを特徴とする請求項６に記載のバッテリーシステム。
8. 前記バッテリー管理部は、前記抵抗素子の温度が既設定された危険温度に到逹する場合、第２スイッチのデューティ比を最初に設定されたデューティ比よりも低く設定し、前記抵抗素子の温度が既設定された安全温度に到逹する場合、前記第２スイッチのデューティ比を前記最初に設定されたデューティ比よりも高く設定することを特徴とする請求項７に記載のバッテリーシステム。
9. 前記抵抗素子は、可変抵抗であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーシステム。
10. 前記バッテリー管理部は、前記第２スイッチをオンにした後、時間の経過につれて前記可変抵抗の大きさを減少させることを特徴とする請求項９に記載のバッテリーシステム。
11. 前記バッテリー管理部は、前記抵抗素子に流れる電流が臨界電流値以下に下がる場合、前記可変抵抗の大きさを減少させて、前記臨界電流値を既設定された値だけ下げて再設定することを特徴とする請求項１０に記載のバッテリーシステム。
12. 前記バッテリー管理部は、前記第１スイッチのオンと同時に前記第２スイッチをオフにすることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーシステム。
13. 前記モジュールは、エネルギー保存システムでエネルギーを保存する並列に連結された複数のバッテリートレイからなるバッテリーラックであり、
    前記第２バッテリーは、前記バッテリーラックに並列に連結されるバッテリートレイであることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーシステム。
14. 前記バッテリー管理部は、前記複数のバッテリートレイにそれぞれ連結されて、前記バッテリートレイの電圧、電流、及び温度をモニタリングするトレイＢＭＳであることを特徴とする請求項１３に記載のバッテリーシステム。
15. 複数の第１バッテリーが並列に連結されて構成されるモジュールと第２バッテリーとの間の経路上に、第１スイッチを連結する段階と、
    前記第１スイッチと並列に第２スイッチ及び抵抗素子を連結する段階と、
    前記第２バッテリーと前記モジュールとを連結するために前記第２スイッチを制御する段階と、
    前記第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹する場合、前記第１スイッチをオンにする段階と、
    を含むことを特徴とするバッテリーの連結方法。
16. 前記第２スイッチを制御する段階は、既設定されたデューティ比で前記第２スイッチのオン／オフを制御する段階（ａ）と、
    前記抵抗素子に流れる電流が既設定された臨界電流値に到逹する場合、前記既設定されたデューティ比を増加させて再設定する段階（ｂ）と、
    前記臨界電流値を減少させて再設定する段階（ｃ）と、
    前記第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹するまで前記段階（ａ）ないし段階（ｃ）を繰り返して遂行する段階（ｄ）と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載のバッテリーの連結方法。
17. 前記第２スイッチを制御する段階は、
    前記抵抗素子の温度が既設定された危険温度以下を維持するように前記第２スイッチのデューティ比を制御することを特徴とする請求項１５に記載のバッテリーの連結方法。
18. 前記抵抗素子は可変抵抗であり、
    前記第２スイッチを制御する段階は、
    前記第２スイッチをオンにする段階（ａ）と、
    前記抵抗素子に流れる電流が臨界電流値に到逹する場合、
    前記可変抵抗の抵抗大きさを減少させる段階（ｂ）と、
    前記臨界電流値を減少させて再設定する段階（ｃ）と、
    前記第２バッテリーの電圧と前記モジュールとの電圧差が既設定された値に到逹するまで前記段階（ｂ）ないし段階（ｃ）を繰り返して遂行する段階（ｄ）と、
    を含むことを特徴とする請求項１５に記載のバッテリーの連結方法。

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