JP5612196B2 - バッテリ電源供給装置及びその電力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ電源供給装置及びその電力制御方法に関する。

従来のＵＰＳ（ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）等バッテリ電源供給装置は、負荷がかかるか、またはバッテリに貯蔵されたエネルギーが全て消費された場合、負荷側に供給する電力供給源をバッテリから外部電源に切替える。

この時、バッテリ電源供給装置を負荷に連結する場合、スタティックスイッチ（ｓｔａｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈ）等の電力切替スイッチを利用して、負荷に供給する電力をバッテリ電力または外部電力のうちの必要な電源を選択して使用する。

ところが、バッテリ電源供給装置がバッテリインバータ（ｉｎｖｅｒｔｅｒ）の出力限界によって、バッテリ電源供給装置が負荷に供給可能な電力に限界がある。

また、電力切替スイッチが動作して、電源を切替える瞬間、数マイクロセカンド（ｍｉｃｒｏ−ｓｅｃｏｎｄ）から数百マイクロセカンド（ｍｉｃｒｏ−ｓｅｃｏｎｄ）の間に負荷に供給される電力が瞬間的に切れる現象が発生する。つまり、切替える時点に瞬間的な停電が発生して、電力品質の問題が発生する。

また、電力切替スイッチを使用することで、回路が複雑であるだけでなく、これらスイッチは消耗品であるため、定期的に維持補修を行わなければならない面倒さがある。

そこで、本発明の目的は、電力切替スイッチを使用せずに、外部電源とバッテリ電力を用いることができる、バッテリ電源供給装置及びその電力制御方法を提供することにある。

本発明の一つの特徴によれば、バッテリ電源供給装置が提供される。この装置は、外部電力の供給を受けるように構成された入力部；前記入力部と連結されて、前記外部電力でバッテリを充電するバッテリ電源部；負荷に供給される電流を感知して、前記バッテリ電源部に提供する電流感知部；及び前記外部電力とバッテリ電力を一つのノードから負荷に提供し、前記バッテリ電源部から負荷電流を受信して、バッテリ電力の出力を調整する出力部を含み、前記出力部は、前記外部電力の出力端と前記バッテリ電力の出力端が一つのノードで合って、前記外部電力及び前記バッテリ電力を前記負荷に提供する出力端子；及び前記バッテリ電源部が供給する直流バッテリ電力を交流バッテリ電力に変換して前記出力端子に供給し、前記負荷電流により前記バッテリ電力の出力を調整するインバータ部を含み、前記インバータ部は、前記直流バッテリ電力を交流バッテリ電力に変換して、前記出力端子に出力するインバータ；及び前記インバータを通して前記バッテリ電源部から負荷電流を受信して、前記負荷の消費電力を計算し、前記消費電力により前記インバータのバッテリ出力電力を調整するインバータ出力制御モジュールを含み、前記電流感知部は、前記出力端子と前記負荷との間に連結されて、前記負荷に供給される電流を感知して前記バッテリ電源部に供給する。

本発明の他の特徴によれば、電力制御方法が提供される。この方法は、外部電源から入力電力の供給を受けてバッテリを充電するバッテリ電源供給装置の電力制御方法において、前記入力電力およびバッテリ電力が一つのノードで合って、前記一つのノードを通して前記入力電力および前記バッテリ電力を負荷に提供する段階；前記負荷の電流を感知する段階；前記負荷の電流に基づいて前記負荷の消費電力を計算する段階；及び前記消費電力により前記負荷に出力する前記バッテリ電力を調整する段階を含み、前記負荷の電流を感知する段階は、前記一つのノードと前記負荷との間に位置した電流感知部が前記負荷の電流を感知する。

本発明の実施例によれば、電力切替スイッチを設けず、バッテリ電源供給装置を直ちに外部電源に連結することによって、回路が簡単で、費用を節減することができる。

また、電流感知センサーを利用して負荷に供給される電流を感知して、インバータ（ｉｎｖｅｒｔｅｒ）の出力を制御することによって、負荷が必要とする電力の一部だけをバッテリ電源供給装置で提供し、それ以外の電力は外部電源で供給する。したがって、インバータ容量の限界による問題点を解決することができ、過負荷がかかっても瞬間的な停電が起こることなく、バッテリに貯蔵されたエネルギーを負荷に供給することができ、バッテリエネルギーが外部電源に逆流するのを防止することができる。

また、バッテリに貯蔵されたエネルギーの大きさまたはインバータの容量に関係なく、バッテリに貯蔵されているエネルギーを外部電源に供給して使用することができる方法で、特に、太陽光、風力など新再生エネルギーをバッテリに保存して、外部電源に連結して電力ピーク（ｐｅａｋ）を管理することに効果的である。

本発明の実施例によるバッテリ電源供給装置の回路図である。 本発明の実施例によるバッテリ電源供給装置を詳細に示すブロック図である。 本発明の実施例を適用したＬＣＤ表示装置（Ｄｉｓｐｌａｙ）を示す。 本発明の実施例による充電放電時刻表の実施例を示す。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態に実現でき、ここで説明する実施例に限られない。そして、図面において、本発明を明確に説明するために、説明上不必要な部分は省略し、明細書の全体にわたって類似する部分に対しては、類似する図面符号を付けた。

明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素をさらに含むことを意味する。

また、明細書に記載された「・・・部」の用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を意味し、これはハードウェアやソフトウェア、またはハードウェア及びソフトウェアの結合で実現できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例によるバッテリ電源供給装置及びその電力制御方法について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例によるバッテリ電源供給装置の回路図である。

図１を参照すれば、バッテリ電源供給装置は、入力部１００、バッテリ電源部２００、出力部３００、及び電流感知部４００を含む。

ここで、入力部１００は、外部電源を受信して、バッテリ電源部２００に提供するように構成される。このような入力部１００は、第１スイッチ（ＳＷ１、１１０）、第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）、及びＡＣ／ＤＣコンバータ（Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１５０を含む。

この時、第１スイッチ（ＳＷ１、１１０）は外部電源と連結され、第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）は第１スイッチ（ＳＷ１、１１０）及びＡＣ／ＤＣコンバータ１５０と連結され、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５０はバッテリ電源部２００と連結されるように構成される。

ここで、第１スイッチ（ＳＷ１、１１０）がオフ（ＯＦＦ）されると、外部電源が遮断される。

第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）がオン（ＯＮ）されると、外部電源がバッテリ電源部２００に充電し、オフ（ＯＦＦ）されると、充電しない。このように、第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）はバッテリ電源部２００のバッテリ充電を制御するために使用される。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１５０は、外部電源によって獲得した外部交流電力（ＡＣ）を直流電力（ＤＣ）に変換して、バッテリ部２００に提供する。

また、バッテリ電源部２００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５０と連結されて、外部電力でバッテリを充電する。

また、出力部３００は、外部電源を負荷に出力し、バッテリ電源部２００からバッテリ電力を受信して負荷に出力するように構成される。このような出力部３００は、出力端子３１０、ＤＣ／ＡＣインバータ部３３０、及び第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）を含む。

ここで、出力端子３１０は、外部電源から得られる外部電力と、バッテリ電源部２００が提供するバッテリ電力が、一つのノード（Ｎｏｄｅ Ａ）を通して負荷に出力されるように構成される。

ＤＣ／ＡＣインバータ部３３０は、バッテリ部２００と出力端子３１０との間に連結されて、バッテリ電源部２００が出力するＤＣ電力をＡＣ電力に変換して出力端子３１０に供給する。また、電流感知部４００から伝達された負荷電流によりバッテリ電力の出力を調整する。

第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）は、バッテリ電源部２００とＤＣ／ＡＣインバータ部３３０との間に連結されて、バッテリ電源部２００のバッテリ放電を制御するために使用される。

電流感知部４００は、出力部３００の出力端子３１０と負荷との間に連結されて、負荷に供給される電流を感知してバッテリ電源部２００に提供する。

このように、バッテリ電源を負荷に連結する時、従来のように切替スイッチ（ｓｔａｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈ）を使わないで、負荷と外部電源との間に直ちに連結する。

図２は、本発明の実施例によるバッテリ電源供給装置を詳細に示すブロック図である。

図２を参照すれば、バッテリ電源供給装置は、第１スイッチ（ＳＷ１、１１０）、第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）、ＡＣ／ＤＣコンバータ１５０、外部電源遮断モジュール２１０、バッテリ充電モジュール２３０、バッテリ出力モジュール２５０、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）モジュール２７０、バッテリ２９０、出力端子３１０、ＤＣ／ＡＣインバータ３３１、ＤＣ／ＡＣインバータ出力制御モジュール３３３、第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）、及び電流感知部４００を含む。

ここで、外部電源遮断モジュール２１０は第１スイッチ（ＳＷ１、１１０）の開閉を調整する。

バッテリ充電モジュール２３０は第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）の開閉を調整する。

バッテリ出力モジュール２５０は第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）の開閉を調整する。

この時、ＢＭＳモジュール２７０はバッテリ２９０を管理する構成である。

ＢＭＳモジュール２７０は、停電時に外部電源遮断モジュール２１０を通じて第１スイッチ（ＳＷ１、１１０）をオフ（ＯＦＦ）させて、バッテリ電力が外部電源側に逆流しないようにする。

また、第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）及び第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）は、バッテリ電源部２００によって開閉時間が調節されて、バッテリ電力の保存及び使用を調整するために使用される。

ＢＭＳモジュール２７０は、バッテリ充電モジュール２３０を通じて第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）のオン（ＯＮ）／オフ（ＯＦＦ）を制御して、外部電源がバッテリ２９０に過充電しないようにする。また、バッテリ出力モジュール２５０を通じて第３スイッチ（ＳＷ３、３０５）のオン（ＯＮ）／オフ（ＯＦＦ）を制御して、バッテリ２９０が過放電しないようにする。

ＢＭＳモジュール２７０は、第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）及び第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）を切替えて、バッテリ充電電力を外部電源またはＰＶ（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ、太陽光電池）の中から選択し、どのような場合でもバッテリ２９０が過充電または過放電にならないように制御する。

ここで、ＢＭＳモジュール２７０は、ＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）カレンダー（ｃａｌｅｎｄａｒ）を含んで現在時間を分かることができ、外部に出力することができる。そして、第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）及び第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）の開閉時間を既定義の時刻表に合わせて設定して動作させることができる。この時、既定義の時刻表は、使用者がバッテリ２９０の充電時刻と放電時刻を予め入力して生成された時刻表である。

ＢＭＳモジュール２７０は、時刻表により第２スイッチ（ＳＷ１、１３０）及び第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）の開閉を調節して、バッテリ電力の保存と使用を自由にすることができる。例えば、深夜には外部電力でバッテリ２９０を充電し、昼間にはバッテリ２９０に保存しておいたエネルギーをＤＣ／ＡＣインバータ部３３０を使用して交流（ＡＣ）に変換して使用すれば、電力需給の不均衡を改善することができる。

この時、バッテリ２９０を過放電から保護する方法は、第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）及び第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）を制御する方法に限定せず、別途の回路を駆動してバッテリ２９０の充電を制御することができる。つまり、他の方法によってもバッテリの充電放電を制御することができ、例えば、太陽光発電電力でバッテリ２０９を充電する場合、または外部装備と通信して外部装備の要求に応じて充電または放電を行う場合である。

この時、ＢＭＳモジュール２７０は、ＡＣ外部電源でバッテリ２９０を充電して、必要とする時、ＤＣ／ＡＣインバータ部３３０にバッテリ電力を供給して、ＤＣ／ＡＣインバータ部３３０がＤＣをＡＣに変換するようにする。

ここで、ＢＭＳモジュール２７０は、電流感知部４００を通じて負荷電流を感知して、ＤＣ／ＡＣインバータ部３３０に伝達する。

この時、ＤＣ／ＡＣインバータ部３３０は、ＤＣ／ＡＣインバータ３３１及びＤＣ／ＡＣインバータ出力制御モジュール３３３を含む。

ＤＣ／ＡＣインバータ３３１は、ＤＣバッテリ電力をＡＣバッテリ電力に変換して、出力端子３１０に供給する。

この時、ＤＣ／ＡＣインバータ３３１は、伝達された負荷電流をＤＣ／ＡＣインバータ出力制御モジュール３３３に提供する。

ＤＣ／ＡＣインバータ出力制御モジュール３３３は、ＤＣ／ＡＣインバータ３３１を制御して負荷に供給する電力を制御する。

また、ＤＣ／ＡＣインバータ出力制御モジュール３３３は、ＤＣ／ＡＣインバータ３３１が供給可能な電力を負荷に供給するようにするが、このようなバッテリ電力が負荷が消費する電力より低い電力を負荷に供給するようにして、バッテリ電力が外部電源側に逆流しないようにする。

ＤＣ／ＡＣインバータ出力制御モジュール３３３は、電流感知部４００が感知した負荷に供給される電流に基づいて負荷が使用する電力、つまり、消費電力を計算する。そして消費電力の中でＤＣ／ＡＣインバータ３３１が供給可能な電力だけを負荷に供給するように制御する。

この時、供給電力が負荷の消費電力の９０％程度を超えないように供給する。

ここで、インバータ出力を負荷で必要な電力より１０％程度少なく供給する理由は、ＤＣ／ＡＣインバータ３３１の出力が外部電源に逆流することを防止するためである。ノードＡ（ｎｏｄｅ Ａ）にキルヒホフの法則（Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ’ｓ ｌａｗ）を適用すれば、ＤＣ／ＡＣインバータ３３１で負荷より少ない出力電力を供給すれば、ＤＣ／ＡＣインバータ３３１の出力電力が外部電源に流れて行くことができないということが分かる。

上述したことによれば、バッテリ電力は、負荷の消費電力の９０％程度が供給され、負荷で必要とするそれ以外の電力は、自然に外部電源から供給されるようにするため、負荷が突然大きくなっても、既存の方式における瞬間停電が発生しない。

また、このような方式でバッテリ電力を負荷に供給すれば、バッテリに貯蔵されているエネルギーをインバータの出力容量と無関係に負荷に中断なく供給することができるだけでなく、インバータ出力の限界によって負荷が使用可能な電力が制限されない。したがって、インバータの出力容量も突入電流（ｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ）を考慮する必要がなく、経済的にインバータの出力を最適化して設計することができるので、インバータの値段を節減することができる。

一方、図３は、本発明の実施例を適用したＬＣＤ表示装置（Ｄｉｓｐｌａｙ）を示す。

図３を参照すれば、ＢＭＳ（図２の２７０）は、ＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）を含んでいて、現在時間を外部に表し、現在時間は２０１０年７月２日、午前２時２０分を示す。

この時、使用されたインバータの最大出力は１．５ｋＷである。ここで、インバータは最大出力で負荷に電力を供給する状態である。

この時、負荷は、２．７ｋＷを消費しており、この中で１．５ｋＷはバッテリ電源から供給され、残りの１．２ｋＷは外部電源が供給することを示す。

また、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）３．０ｋＷｈは、現在、バッテリに貯蔵されたエネルギーが３．０ｋＷであることを示す。

また、ＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）は、バッテリの健康状態を示す。

図４は、本発明の実施例による充電放電時刻表の実施例を示す。

図４を参照すれば、ＢＭＳ（図２の２７０）のＲＴＣカレンダーが保有する充電放電時刻表を示す。つまり、ＢＭＳ（図２の２７０）は、ＲＴＣカレンダーが提供する時計を利用して、充電放電時刻表により第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）と第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）の動作時間を制御することができる。

充電放電時刻表は、バッテリ充電時間とバッテリ放電時間で構成され、第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）と第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）のオン／オフ時間が設定されている。

つまり、午前０時（２４：００）から午前７時までは、第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）はオンに設定され、第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）はオフに設定されていて、バッテリ充電時間は午前０時〜午前７時と設定されていることが分かる。また、午前７時から夜の１２時までは第２スイッチ（ＳＷ２、１３０）はオフに設定され、第３スイッチ（ＳＷ３、３５０）はオンに設定されていて、午前７時から夜の１２時までは放電するように設定されていることが分かる。

したがって、夜に充電して、昼間に電力ピーク（ｐｅａｋ）を管理する場合と設定されている。

このような充電放電時刻表は、使用者が入力した時刻表とすることができ、使用者が入力した時刻表によりバッテリを充電したり放電することができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、次の請求範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の種々の変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属するものである。

１００ 入力部
１５０ ＡＣ／ＤＣコンバータ
２００ バッテリ電源部
２１０ 外部電源遮断モジュール
２３０ バッテリ充電モジュール
２５０ バッテリ出力モジュール
２７０ ＢＭＳモジュール
２９０ バッテリ
３００ 出力部
３１０ 出力端子
３３０ ＤＣ／ＡＣインバータ部
３３３ ＤＣ／ＡＣインバータ出力制御モジュール
４００ 電流感知部
ＳＷ１、１１０ 第１スイッチ
ＳＷ２、１３０ 第２スイッチ
ＳＷ３、３５０ 第３スイッチ

Claims (7)

1. 外部電力の供給を受けるように構成された入力部；
   前記入力部と連結されて、前記外部電力でバッテリを充電するバッテリ電源部；
   負荷に供給される電流を感知して、前記バッテリ電源部に提供する電流感知部；及び
   前記外部電力とバッテリ電力を一つのノードから負荷に提供し、前記バッテリ電源部から負荷電流を受信して、バッテリ電力の出力を調整する出力部を含み、
   前記出力部は、
   前記外部電力の出力端と前記バッテリ電力の出力端が一つのノードで合って、前記外部電力及び前記バッテリ電力を前記負荷に提供する出力端子；及び
   前記バッテリ電源部が供給する直流バッテリ電力を交流バッテリ電力に変換して前記出力端子に供給し、前記負荷電流により前記バッテリ電力の出力を調整するインバータ部を含み、
   前記インバータ部は、
   前記直流バッテリ電力を交流バッテリ電力に変換して、前記出力端子に出力するインバータ；及び
   前記インバータを通して前記バッテリ電源部から負荷電流を受信して、前記負荷の消費電力を計算し、前記消費電力により前記インバータのバッテリ出力電力を調整するインバータ出力制御モジュールを含み、
   前記電流感知部は、
   前記出力端子と前記負荷との間に連結されて、前記負荷に供給される電流を感知して前記バッテリ電源部に供給するバッテリ電源供給装置。
2. 前記インバータ出力制御モジュールは、
   前記インバータが出力可能な最大電力限界内で、前記負荷の消費電力より低い電力を前記バッテリ出力電力と決定する、請求項１に記載のバッテリ電源供給装置。
3. 前記インバータ出力制御モジュールは、
   前記インバータが出力可能な最大電力限界内で、前記負荷の消費電力の既定義の比率以内の電力を前記バッテリ出力電力と決定する、請求項２に記載のバッテリ電源供給装置。
4. 前記入力部は、
   前記外部電源と連結される第１スイッチ；及び
   前記外部電源が供給する交流外部電力を直流外部電力に変換して、前記バッテリ電源部に出力するコンバータを含み、
   前記バッテリ電源部は、
   前記コンバータが出力する直流外部電力で充電するバッテリ；
   前記電流感知部及び前記インバータと連結されて、前記電流感知部を通して負荷電流を受信して前記インバータに提供するバッテリ管理システムモジュール；及び
   前記第１スイッチ及び前記バッテリ管理システムモジュールと連結されて、前記バッテリ管理システムモジュールの制御により前記第１スイッチのオン／オフを決定して、外部電源の供給の要否を制御する外部電源遮断モジュール
   を含む、請求項１に記載のバッテリ電源供給装置。
5. 前記入力部は、
   前記第１スイッチ及び前記コンバータと連結される第２スイッチをさらに含み、
   前記出力部は、
   前記バッテリ及び前記インバータと連結される第３スイッチをさらに含み、
   前記バッテリ電源部は、
   前記第２スイッチ、前記コンバータ、及び前記バッテリ管理システムモジュールと連結され、前記バッテリ管理システムモジュールの制御により前記第２スイッチのオン／オフを決定して、前記外部電源の前記コンバータへの供給の要否を制御するバッテリ充電モジュール；及び
   前記バッテリ管理システムモジュール及び前記第３スイッチと連結されて、前記バッテリ管理システムモジュールの制御により前記第３スイッチのオン／オフを決定して、前記バッテリに充電されたバッテリ電力の放電の要否を制御するバッテリ出力モジュール
   をさらに含む、請求項４に記載のバッテリ電源供給装置。
6. 前記バッテリ管理システムモジュールは、
   ＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）チップを備えて、既定義の時刻表により前記第２スイッチ及び前記第３スイッチのオン／オフを決定して、前記バッテリ充電モジュール及び前記バッテリ出力モジュールに提供し、
   前記既定義の時刻表は、バッテリ充電時間及びバッテリ放電時間を含み、前記バッテリ充電時間及び前記バッテリ放電時間により前記第２スイッチ及び前記第３スイッチのオン／オフが設定されている、請求項５に記載のバッテリ電源供給装置。
7. 前記バッテリ管理システムモジュールは、
   外部装備と通信して、前記外部装備の要請に応じたバッテリ充電時間及びバッテリ放電時間により前記第２スイッチ及び前記第３スイッチのオン／オフを制御する、請求項６に記載のバッテリ電源供給装置。

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