JP6194205B2 - バッテリ温度制御システムとこれを備えた電力貯蔵システムおよびその制御方法 - Google Patents

バッテリ温度制御システムとこれを備えた電力貯蔵システムおよびその制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、バッテリ温度制御システムに関するものであって、特に、電力貯蔵システム（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）に備えられるバッテリ温度制御システムおよびその制御方法に関するものである。
環境破壊、資源枯渇などが問題化されるにつれ、電力を貯蔵し、貯蔵された電力を効率的に活用できるシステムに対する関心が高まっている。また、これと共に、太陽光、風力、潮力など、無限に供給される天然資源を利用し、発電過程で公害を誘発しない新再生エネルギーの重要性が増大している。
電力貯蔵システムは、このような新再生エネルギー、電力を貯蔵するバッテリ、そして、既存の系統電力を連係させるシステムであって、最近の環境変化に合わせて多くの研究開発が行われている。
前記電力貯蔵システムに備えられるバッテリは、充放電が可能な二次電池で実現されるが、このようなバッテリは、常温では正常な動作が可能であるが、低温（一例として、−２０℃以下）ではその出力が常温対比約１６％程度と非常に低い値を有する。
そこで、従来の場合、前記バッテリの温度上昇のためにヒータを用いたり、抵抗または電子負荷による発熱を用いる方法などが提案された。
しかし、このような従来の方法による場合、バッテリの電力を消費してしまい、バッテリ使用率が低下し、火災の危険性が高まるという欠点があった。
本発明は、電力貯蔵システムにスイッチを追加構成してバッテリ側への充放電電流経路を調整することにより、前記バッテリの温度を制御することができるバッテリ温度制御システムを提供することを目的とする。
また、本発明は、電力貯蔵システムの動作中、バッテリの低温状態の感知時に系統との連結を切り、出力端側インバータのインダクタを用いてバッテリ側に充放電電流を発生させることにより、バッテリの温度を上昇させるバッテリ温度制御方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明にかかるバッテリ温度制御システムは、複数のコンバータスイッチおよび１つのインダクタを含み、バッテリの電圧を昇圧または降圧するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を安定化させるキャパシタが備えられたＤＣリンク部と、複数のインバータスイッチおよび少なくとも１つのインダクタ、前記少なくとも１つのインダクタに連結されるインダクタスイッチを含み、前記コンバータの出力電圧を変換（ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ）するインバータとが含まれ、前記インダクタスイッチと少なくとも１つのインバータスイッチは、前記少なくとも１つのインダクタと前記バッテリとの間に流れる電流に対する電流経路を形成する。
また、前記インダクタスイッチの第１端子は、第１電流経路（放電経路）によって前記バッテリの第１端子（＋）と電気的に連結され、前記インダクタスイッチの第２端子は、第２電流経路（充電経路）によって前記バッテリの第２端子（−）と電気的に連結される。
さらに、前記コンバータに備えられたインダクタは、前記バッテリの第１端子に連結され、前記複数のコンバータスイッチは、前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と前記インダクタの第２端子との間に連結される第１スイッチと、前記インダクタの第２端子と前記バッテリの第２端子との間に連結される第２スイッチとを含む。
また、前記複数のコンバータスイッチは、インダクタと並列に連結されるか、前記バッテリの第１端子と前記キャパシタの第１端子との間に連結される第３スイッチをさらに含むことができる。
さらに、前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と前記コンバータの第１スイッチの第１端子との間に連結されるスイッチがさらに具備できる。
なお、前記入力される電圧を変換するために備えられる複数のインバータスイッチは、フルブリッジ（Ｆｕｌｌ Ｂｒｉｄｇｅ）構造で実現できる。
また、前記インバータに備えられる少なくとも１つのインダクタは、第１、第２インダクタから構成され、前記複数のインバータスイッチは、前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と第１インダクタの第１端子との間に連結される第１スイッチと、前記第１インダクタの第１端子と前記バッテリの第２端子との間に連結される第２スイッチと、前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と第２インダクタの第１端子との間に連結される第３スイッチと、前記第２インダクタの第１端子と前記バッテリの第２端子との間に連結される第４スイッチとから構成される。
さらに、前記第１インダクタは、前記第１スイッチおよび第２スイッチの間のノードと、バッテリ温度制御システムと負荷との間の連係を制御する負荷連係器の第１スイッチとの間に連結できる。
また、前記第２インダクタは、前記第３スイッチおよび第４スイッチの間のノードと、前記負荷連係器の第２スイッチとの間に連結できる。
さらに、前記第１インダクタの第２端子と前記第２インダクタの第２端子とを連結するインダクタスイッチが構成できる。
なお、前記第１インダクタの第２端子と前記第２インダクタの第１端子とを連結するか、前記第１インダクタの第１端子と前記第２インダクタの第２端子とを連結するインダクタスイッチが構成できる。
また、本発明にかかる電力貯蔵システムは、少なくとも１つの発電システムおよび系統に連係して外部負荷に電力を供給する電力貯蔵システムにおいて、第１端子および第２端子を備えたバッテリと、前記バッテリに連結されるバッテリ温度制御システムとが含まれ、前記バッテリ温度制御システムは、複数のコンバータスイッチおよび１つのインダクタを含み、バッテリの電圧を昇圧または降圧するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を安定化させるキャパシタが備えられたＤＣリンク部と、複数のインバータスイッチおよび少なくとも１つのインダクタ、前記少なくとも１つのインダクタに連結されるインダクタスイッチを含み、前記コンバータの出力電圧を変換（ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ）するインバータとが含まれ、前記インダクタスイッチと少なくとも１つのインバータスイッチは、前記少なくとも１つのインダクタと前記バッテリとの間に流れる電流に対する電流経路を形成する。
この時、前記インダクタスイッチと少なくとも１つのインバータスイッチによって形成される電流経路は、前記外部負荷を経由しない。
また、本発明にかかるバッテリ温度制御方法は、電力貯蔵システムに備えられるバッテリ温度制御方法において、前記バッテリの低温状態が一定期間維持されることが感知されるステップと、前記バッテリの低温状態が感知されると、前記電力貯蔵システムに連係された系統および負荷の連結が遮断されるステップと、前記電力貯蔵システム内のインバータに備えられた少なくとも１つのインダクタで生成された電流が前記バッテリ側に伝達される充放電電流経路が形成されるステップと、前記インバータに備えられた複数のスイッチが一対ずつ交番動作し、前記充放電電流経路を介して前記バッテリの充放電動作が繰り返し行われるステップとが含まれる。
さらに、前記バッテリの温度が正常温度範囲に到達した後、前記電力貯蔵システムが前記負荷および系統に連結され、前記形成された充放電電流経路が遮断されるステップがさらに含まれ得る。
このような本発明によれば、電力貯蔵システムにスイッチを追加構成してバッテリの充放電電流経路を調整することにより、バッテリの昇温のために複雑な回路を実現する必要なく、前記電力貯蔵システムに備えられたバッテリが低温状態で放置されるのを防止できるという利点がある。
また、基本的な電力貯蔵システムの運営動作とバッテリ温度制御のための動作の変換が容易に実現できるという利点がある。
本発明の実施形態にかかるバッテリ温度制御システムを含む電力貯蔵システムに関するブロック図である。 図１に示されたバッテリ温度制御システムの第１実施形態に関する回路図である。 図２に示されたバッテリ温度制御システムの動作を説明する図である。 図２に示されたバッテリ温度制御システムの動作を説明する図である。 図２に示されたバッテリ温度制御システムの動作を説明する図である。 図１に示されたバッテリ温度制御システムの第２実施形態に関する回路図である。 図１に示されたバッテリ温度制御システムの第３実施形態に関する回路図である。 図１に示されたバッテリ温度制御システムの第４実施形態に関する回路図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態をより詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかるバッテリ温度制御システムを含む電力貯蔵システムに関するブロック図である。
すなわち、図１に示されるように、本発明の実施形態にかかるバッテリ温度制御システムは、電力貯蔵システムに含まれる構成であって、前記電力貯蔵システムに備えられたバッテリが低温状態で放置されるのを防止し、低温状態のバッテリの温度を上昇させる動作を行うものである。
図１を参照すれば、本発明の実施形態にかかる電力貯蔵システム１００は、発電システム３、系統１に連係して負荷（一例として、外部負荷）２に電力を供給する。
発電システム３は、エネルギー源、一例として、再生可能なエネルギー源を利用して電力を生産するシステムである。発電システム３は、生産した電力を電力貯蔵システム１００に供給する。発電システム３は、太陽光発電システム、風力発電システム、潮力発電システムなどであり得、その他、太陽熱や地熱などの新再生エネルギーを利用して電力を生産する発電システムをすべて含むことができる。
一例として、太陽光を利用して電気エネルギーを生産する太陽電池は、各家庭または工場などへの設置が容易で、各家庭に分散した電力貯蔵システム１００に適用するに適している。発電システム３は、複数の発電モジュールを並列に備え、発電モジュールごとに電力を生産することにより、大容量エネルギーシステムを構成することができる。
系統１は、発電所、変電所、送電線などを備える。系統１は、正常状態の場合、電力貯蔵システム１００または負荷２に電力を供給し、電力貯蔵システム１００から供給された電力が入力される。系統１が異常状態の場合、系統１から電力貯蔵システム１００または負荷２への電力供給は中断され、電力貯蔵システム１００から系統１への電力供給も中断される。
負荷２は、発電システム３から生産された電力、電力貯蔵システム１００内のバッテリ６０に貯蔵された電力、または系統１から供給された電力を消費するものであって、例えば、家庭、工場などであり得る。
電力貯蔵システム１００は、発電システム３で発電した電力を内部のバッテリ６０に貯蔵し、発電した電力を系統１に送ることができる。また、電力貯蔵システム１００は、バッテリ６０に貯蔵された電力を系統１に伝達したり、系統１から供給された電力をバッテリ６０に貯蔵することができる。また、電力貯蔵システム１００は、異常状況、例えば、系統１の停電発生時には、ＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）動作を行って負荷２に電力を供給することができ、系統１が正常な状態においても、発電システム３が発電した電力やバッテリ６０に貯蔵されている電力を負荷２に供給することができる。
電力貯蔵システム１００は、電力変換部１０と、ＤＣリンク部２０と、インバータ３０と、コンバータ５０と、バッテリおよびバッテリ管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ：以下、ＢＭＳ）６０と、系統連係器４０と、負荷連係器７０と、制御器８０とを含み、前記インバータ３０およびコンバータ５０はそれぞれ、双方向インバータ３０および双方向コンバータ５０で実現できる。
前記電力変換部１０は、前記発電システム３と第１ノードＮ１との間に連結され、発電システム３で生産された電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ）を第１ノードＮ１のＤＣ電圧に変換する役割を果たす。電力変換部１０の動作は、発電システム３で発電する電力に応じて変化する。例えば、発電システム３がＡＣ電圧を発電する場合、電力変換部１０は、前記ＡＣ電圧を第１ノードＮ１のＤＣ電圧に変換する。さらに、発電システム３でＤＣ電圧を発電する場合、前記ＤＣ電圧を第１ノードＮ１のＤＣ電圧に昇圧または降圧する。
例えば、発電システム３が太陽発電システムの場合に、前記電力変換部１０は、太陽光による日射量の変化や太陽熱による温度の変化に応じて最大電力点を検出し、電力を生産するＭＰＰＴコンバータ（Ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）であり得る。これ以外にも、電力変換部１０として、多様な種類のコンバータ（ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）または整流器（ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）が使用可能である。
ＤＣリンク部２０は、第１ノードＮ１と双方向インバータ３０との間に連結され、第１ノードＮ１の直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋを一定に維持させる役割を果たす。発電システム３または系統１の瞬時電圧降下、負荷２におけるピーク負荷の発生などにより、第１ノードＮ１での電圧レベルが不安定になり得る。しかし、第１ノードＮ１の電圧は、双方向インバータ３０および双方向コンバータ５０の安定的な動作のために一定に維持される必要がある。このために、ＤＣリンク部２０は、例えば、アルミニウム電解キャパシタ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）、高圧用フィルムキャパシタ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）、高圧大電流用積層チップキャパシタ（Ｍｕｌｔｉ Ｌａｙｅｒ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ、ＭＬＣＣ）などのキャパシタが使用可能である。
バッテリ６０は、発電システム３で生産された電力または系統１の電力を受けて貯蔵し、負荷２または系統１に貯蔵している電力を供給する。バッテリ６０は、少なくとも１つ以上のバッテリセルからなり得、各バッテリセルは、複数のベアセルを含むことができる。このようなバッテリ６０は、多様な種類のバッテリセルで実現可能であり、例えば、ニッケル−カドミウム電池（ｎｉｋｅｌ−ｃａｄｍｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ）、鉛蓄電池、ニッケル−水素電池（ＮｉＭＨ：ｎｉｃｋｅｌ ｍｅｔａｌ ｈｙｄｒｉｄｅ ｂａｔｔｅｒｙ）、リチウム−イオン電池（ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ）、リチウムポリマー電池（ｌｉｔｈｉｕｍ ｐｏｌｙｍｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ）などであり得る。
また、ＢＭＳは、バッテリ６０に連結され、制御器８０の制御に応じてバッテリ６０の充電および放電動作を制御する。ＢＭＳは、バッテリ６０を保護するために、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）機能などを行うことができる。このために、ＢＭＳ６０は、バッテリ６０の電圧、電流、温度、残余電力量、寿命、充電状態などをモニタリングし、関連情報を制御器８０に送ることができる。図１の実施形態では、ＢＭＳが、バッテリ６０が一体となったバッテリパックとして構成されることを例として説明しているが、これは、分離されて具備できることはいうまでもない。
コンバータ５０は、バッテリ６０から出力された電力の電圧を、インバータ３０で要求する電圧レベル、すなわち、直流リンク電圧ＶｌｉｎｋにＤＣ−ＤＣ変換する。また、コンバータ５０は、第１ノードＮ１を介して流入する充電電力を、バッテリ６０で要求する電圧レベルにＤＣ−ＤＣ変換する。ここで、充電電力は、例えば、発電システム３で生産された電力または系統１からインバータ３０を介して供給される電力である。
インバータ３０は、第１ノードＮ１と、負荷２または系統連係器４０が連結された第２ノードＮ２との間に備えられる電力変換器である。インバータ３０は、発電システム３またはバッテリ６０から出力された直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋを、系統１の交流電圧に変換して出力する。また、インバータ３０は、系統１の電力をバッテリ６０に貯蔵するために、系統１の交流電圧を整流して直流リンク電圧Ｖｌｉｎｋに変換して出力する。インバータ３０は、系統１に出力される交流電圧から高調波を除去するためのフィルタを含むことができ、無効電力の発生を抑制または低減するために、インバータ３０から出力される交流電圧の位相と系統１の交流電圧の位相とを同期化させるための位相同期ループ（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路を含むことができる。その他、インバータ３０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）の保護などのような機能を果たすことができる。
系統連係器４０は、系統１とインバータ３０との間に連結される。系統連係器４０は、系統１に異常状況が発生した場合、制御器８０の制御下、電力貯蔵システム１００と系統１との連係を遮断する。系統連係器４０は、スイッチング素子で実現可能であり、これは、一例として、接合型トランジスタ（ＢＪＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などであり得る。
負荷連係器７０は、インバータ３０と負荷２との間に連結されるもので、前記系統連係器４０と直列に連結され、制御器８０の制御下、負荷２に流れる電力を遮断する。前記負荷連係器７０も、スイッチング素子で実現可能であり、これは、一例として、接合型トランジスタ（ＢＪＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などであり得る。
また、本発明の実施形態は、前記電力貯蔵システム１００の構成要素のうち、バッテリ６０、コンバータ５０、ＤＣリンク部２０、インバータ３０が前記バッテリ６０の温度を制御する動作を行うバッテリ温度制御システム２００を構成することを特徴とする。
すなわち、本発明の実施形態は、前記インバータ３０にスイッチを追加して前記バッテリ６０側への充放電電流経路を調整することにより、前記バッテリ６０の温度を制御することができる。
これにより、前記電力貯蔵システム１００の動作中、バッテリ６０の低温状態が一定期間維持されることが制御器８０によって感知されると、前記制御器８０は、系統１および負荷２との連結を切り、電力貯蔵システム１００の出力端側インバータ３０のインダクタ（図示せず）を用いて前記バッテリ６０側に充放電電流を発生させることにより、バッテリの温度を上昇させる動作を行うものである。
さらに、本発明の実施形態では、前記バッテリ温度制御動作を行うために、前記インバータ３０にスイッチを追加すること以外に、前記コンバータ５０および／またはＤＣリンク部２０にスイッチを追加することができ、前記追加されたスイッチの動作は前記制御器８０によって制御される。
このような本発明の実施形態にかかるバッテリ温度制御システム２００の具体的な構成および動作は、以降、図２ないし図６を通じてより詳細に説明する。
図２は、図１に示されたバッテリ温度制御システムの第１実施形態に関する回路図である。
図２を参照すれば、本発明の第１実施形態にかかるバッテリ温度制御システム２１０は、図１に示された電力貯蔵システムの構成要素のうち、バッテリ６０と、コンバータ５０と、ＤＣリンク部２０と、インバータ３０とから構成され、図２では、前記バッテリ温度制御システム２１０に連結される負荷連係器７０および負荷（一例として、外部負荷）２と、系統連係器４０および系統１とが示されている。
ただし、図２では、バッテリ６０のみが示されているが、これは、説明の便宜のためのものであり、前記バッテリ６０にはＢＭＳが含まれて実現できる。
前記コンバータ５０は、図２に示されるように、第１、第２スイッチ５２、５３および１つのインダクタ（Ｌ１）５１から構成され、双方向コンバーティング動作を行うだけでなく、前記インダクタ５１と並列に連結された第３スイッチ５４が追加的に構成されることにより、前記インダクタ５１を経由することなく直ちにバッテリ６０側への充放電電流経路を形成することを特徴とする。この時、前記第１、第２スイッチ５２、５３および第３スイッチ５４は、コンバータスイッチと称することができる。
前記インダクタ５１は、図２に示されるように、コイルで実現可能であり、これは、バッテリ６０の第１端子（＋）に連結される第１端子と、前記第１スイッチ５２および第２スイッチ５３の間のノードｎ１に連結される第２端子とを含む。
前記第１スイッチ５２は、ＤＣリンク部２０を構成するキャパシタＣ１の第１端子とインダクタ５１の第２端子とを連結する。すなわち、第１スイッチ５２の第１端子は、前記キャパシタＣ１の第１端子に連結され、第１スイッチ５２の第２端子は、前記インダクタ５１の第２端子に連結される。
また、前記第２スイッチ５３は、インダクタ５１の第２端子と、ＤＣリンク部２０を構成するキャパシタＣ１の第２端子およびバッテリ６０の第２端子（−）とを連結する。すなわち、第２スイッチ５３の第１端子は、前記インダクタ５１の第２端子に連結され、第２スイッチ５３の第２端子は、前記キャパシタＣ１の第２端子およびバッテリ６０の第２端子（−）に連結される。
このような前記第１、第２スイッチ５２、５３は、一例として、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＭＯＳＦＥＴスイッチで実現できるが、これ以外にも、スイッチング機能を果たすスイッチング素子であればすべて可能である。ただし、前記第１、第２スイッチ５２、５３がＭＯＳＦＥＴスイッチの場合であれば、前記スイッチ５２、５３の第１端子はソース端子であり、第２端子はドレイン端子であり得る。
このような構成を有するコンバータ５０は、入力される電力の電圧を昇圧する昇圧コンバータまたは降圧可能なバックコンバータとして作用する双方向コンバーティング動作を行うことができる。
また、本発明の実施形態にかかるコンバータ５０は、既存の一般的な双方向コンバーティング動作を行うだけでなく、前記インダクタ５１を経由することなく直ちにバッテリ６０側への充放電電流経路を形成できるように、前記インダクタ５１と並列に連結された第３スイッチ５４が追加的に構成されることを特徴とする。
すなわち、前記コンバータ５０には、図２に示されるように、前記バッテリ６０の第１端子（＋）と、前記第１スイッチ５２および第２スイッチ５３の間のノードｎ１とを連結する第３スイッチ５４がさらに含まれる。
したがって、前記第３スイッチ５４がターンオンされると、前記インダクタ５１を経由することなく直ちにバッテリ６０側への充放電電流経路が形成されるのである。
この時、前記第１ないし第３スイッチ５２、５３、５４のターンオン／オフの制御は、前記図１に示された制御器８０によって行われる。
次に、前記インバータ３０は、図２に示されるように、４個のスイッチ３１〜３４から構成されたフルブリッジ（Ｆｕｌｌ Ｂｒｉｄｇｅ）構造で実現されることを例として説明する。
ただし、本発明の実施形態にかかるインバータ３０はこれに限定されず、ハーフブリッジ、プッシュ−プル（Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ）構造でインバータを構成したり、４個以上のスイッチング素子から構成できることはいうまでもない。
より具体的には、前記インバータ３０は、図２に示されるように、第１ないし第４スイッチ３１〜３４および２つのインダクタ（Ｌ２、Ｌ３）３５、３６から構成され、双方向インバーティング動作を行うだけでなく、前記インダクタ３５、３６を直列に連結させる第５スイッチ３７が追加的に構成されることにより、前記インダクタ３５、３６を用いてバッテリ６０側に伝達される充放電電流を発生させることを特徴とする。
この時、前記第１ないし第４スイッチ３１〜３４はインバータスイッチ、前記第５スイッチはインダクタスイッチと称することができる。
前記第１、第２インダクタ３５、３６は、図２に示されるように、コイルで実現可能であり、前記第１インダクタ（Ｌ２）３５は、フルブリッジ構造のスイッチのうち、第１スイッチ３１および第２スイッチ３２の間のノードｎ２に連結される第１端子と、前記負荷連係器７０の第１スイッチ７１の第１端子に連結される第２端子とを含み、前記第２インダクタ（Ｌ３）３６は、フルブリッジ構造のスイッチのうち、第３スイッチ３３および第４スイッチ３４の間のノードｎ３に連結される第１端子と、前記負荷連係器７０の第２スイッチ７２の第１端子に連結される第２端子とを含む。
また、前記フルブリッジ構造のスイッチのうち、前記第１スイッチ３１は、ＤＣリンク部２０を構成するキャパシタＣ１の第１端子と第１インダクタ（Ｌ２）３５の第１端子とを連結する。すなわち、第１スイッチ３１の第１端子は、前記キャパシタＣ１の第１端子に連結され、第１スイッチ３１の第２端子は、前記第１インダクタ（Ｌ２）３５の第１端子に連結される。
前記第２スイッチ３２は、第１インダクタ（Ｌ２）３５の第１端子と、ＤＣリンク部２０を構成するキャパシタＣ１の第２端子およびバッテリ６０の第２端子（−）とを連結する。すなわち、第２スイッチ３２の第１端子は、前記第１インダクタ（Ｌ２）３５の第１端子に連結され、第２スイッチ３２の第２端子は、前記キャパシタＣ１の第２端子およびバッテリ６０の第２端子（−）に連結される。
さらに、前記フルブリッジ構造のスイッチのうち、前記第３スイッチ３３は、ＤＣリンク部２０を構成するキャパシタＣ１の第１端子と第２インダクタ（Ｌ３）３６の第１端子とを連結する。すなわち、第３スイッチ３３の第１端子は、前記キャパシタＣ１の第１端子に連結され、第３スイッチ３３の第２端子は、前記第２インダクタ（Ｌ３）３６の第１端子に連結される。
前記第４スイッチ３４は、第２インダクタ（Ｌ３）３６の第１端子と、ＤＣリンク部２０を構成するキャパシタＣ１の第２端子およびバッテリ６０の第２端子（−）とを連結する。すなわち、第４スイッチ３４の第１端子は、前記第２インダクタ（Ｌ３）３６の第１端子に連結され、第４スイッチ３４の第２端子は、前記キャパシタＣ１の第２端子およびバッテリ６０の第２端子（−）に連結される。
このような前記第１ないし第４スイッチ３１〜３４は、一例として、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＭＯＳＦＥＴスイッチで実現できるが、これ以外にも、スイッチング機能を果たすスイッチング素子であればすべて可能である。ただし、前記第１ないし第４スイッチ３１〜３４がＭＯＳＦＥＴスイッチの場合であれば、前記スイッチの第１端子はソース端子であり、第２端子はドレイン端子であり得る。
このような構成を有するインバータ３０は、直流電圧を交流電圧に変換するか、交流電圧を整流して直流電圧に変換する双方向インバーティング動作を行うことができる。
また、本発明の実施形態にかかるインバータ３０は、既存の一般的な双方向インバーティング動作を行うだけでなく、前記第１、第２インダクタ３５、３６を用いてバッテリ側に伝達される充放電電流を発生させるために、前記第１、第２インダクタ３５、３６を直列に連結させる第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７が追加的に構成されることを特徴とする。
この時、図２に示された実施形態の場合、前記第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７の第１端子は、前記第１インダクタ３５の第２端子に連結され、前記第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７の第２端子は、前記第２インダクタ３６の第２端子に連結される。すなわち、前記第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７は、第１インダクタ３５の第２端子と第２インダクタ３６の第２端子とを連結するように構成される。
したがって、前記第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７がターンオンされると、前記第１、第２インダクタ３５、３６で発生した電流が、負荷２または系統１でない、バッテリ６０側に伝達できるようになる。
ただし、このためには、前記負荷連係器７０に備えられたスイッチ７１、７２および系統連係器４０に備えられたスイッチ４１、４２がすべてターンオフされ、前記インバータ３０によって変換された電圧が前記負荷２または系統１に伝達されないように先に制御されなければならない。
この時、前記インバータ３０の第１ないし第５スイッチ３１、３２、３３、３４、３７および負荷連係器７０、系統連係器４０に備えられたスイッチに対するターンオン／オフの制御は、前記図１に示された制御器８０によって行われる。
図３Ａないし図３Ｃは、図２に示されたバッテリ温度制御システムの動作を説明する図である。
ただし、図２および図３を通じて説明するバッテリ温度制御システムの動作は、前記電力貯蔵システム１００の動作中、バッテリ６０の低温状態が一定期間維持されることが制御器８０によって感知された場合に対応する動作である。
すなわち、制御器８０は、バッテリ６０に連結されたＢＭＳを介して周期的にバッテリの情報を受信するため、バッテリ６０が、所定期間低温状態が維持されることを感知することができる。
前記制御器８０によってバッテリ６０の低温状態が感知されると、以降、前記制御器８０は、前記バッテリ６０の温度を上昇させるために、図２に示されたバッテリ温度制御システム２１０の動作を制御し、この場合、前記電力貯蔵システム１００の基本的な動作は前記バッテリ６０が正常温度を回復するまで保留される。
前記バッテリの温度を制御する期間の間、前記制御器８０は、系統１および負荷２との連結を切り、電力貯蔵システム１００の出力端側インバータ３０のインダクタ３５、３６を用いて前記バッテリ６０側に充放電電流を発生させることにより、バッテリの温度を上昇させる動作を行い、以下、図３Ａないし図３Ｃを通じてこれをより具体的に説明する。
まず、図１および図３Ａを参照すれば、制御器８０がバッテリ６０に備えられたＢＭＳを介してバッテリ６０の低温状態を感知すると、前記制御器８０は、負荷連係器７０のスイッチ７１、７２および系統連係器４０のスイッチ４１、４２をターンオフし、前記電力貯蔵システム１００と前記負荷２および系統１との連係を遮断する。
そして、インバータ３０に含まれた第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７をターンオンし、前記インバータ３０の第１、第２インダクタ３５、３６を直列に連結させる。
また、コンバータ５０に含まれた第３スイッチ５４およびＤＣリンク部に備えられたキャパシタＣ１の第１端子に連結された第１スイッチ５２をターンオンし、前記バッテリ６０がコンバータ５０のインダクタ５１を経由することなく前記インバータ３０に直接連結できるように、電流経路が形成される。
以降、前記インバータ３０に備えられたフルブリッジ構造で実現される４個のスイッチを２個ずつ交番動作し、前記バッテリ６０の充放電動作を繰り返し行うようにする。
すなわち、図３Ｂを参照すれば、これは、前記制御器８０が、前記インバータ３０に含まれたスイッチのうち、第１および第４スイッチ３１、３４をターンオンし、第２および第３スイッチ３２、３３をターンオフしたことを示す。
この場合、図示のように、前記バッテリ６０は、前記バッテリ６０の第１端子（＋）から、コンバータ５０の第３スイッチ５４および第１スイッチ５２と、ＤＣリンク部２０に備えられたキャパシタＣ１の第１端子と、インバータ３０の第１スイッチ３１および第４スイッチ３４と、インバータ３０の第１インダクタ３５および第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７、第２インダクタ３６を経て、バッテリ６０の第２端子（−）までの放電経路（第１電流経路）が形成される。
すなわち、前記図３Ｂによる場合、前記バッテリ６０には、前記放電経路（第１電流経路）を介して放電電流が流れるようになる。
この時、前記第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７の第１端子は、図３Ｂに示された第１電流経路を介してバッテリ６０の第１端子（＋）に連結される。
また、図３Ｃを参照すれば、これは、前記制御器８０が、前記インバータ３０に含まれたスイッチのうち、第２および第３スイッチ３２、３３をターンオンし、第１および第４スイッチ３１、３４をターンオフしたことを示す。
この場合、前記図３Ｂの放電経路（第１電流経路）と反対の方向を有する充電経路（第２電流経路）が形成され、これにより、前記インバータ３０の第１、第２インダクタ３５、３６に貯蔵された電力が前記バッテリに伝達され、前記バッテリ６０が充電できるようになる。
すなわち、前記図３Ｃによる場合、前記バッテリ６０には、前記充電経路（第２電流経路）を介して充電電流が流れるようになる。
前記充電経路（第２電流経路）は、図３Ｃに示されるように、バッテリ６０の第２端子（−）から、ＤＣリンク部２０に備えられたキャパシタＣ１の第２端子と、インバータ３０の第２スイッチ３２および第１イントックト３５、第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７、第２インダクタ３６と、インバータの第３スイッチ３３およびＤＣリンク部２０に備えられたキャパシタＣ１の第２端子と、コンバータ５０の第１スイッチ５２および第３スイッチ５４を経て、バッテリ６０の第１端子（＋）までの経路となる。
この時、前記第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７の第２端子は、図３Ｃに示された第２電流経路を介してバッテリ６０の第２端子（−）に連結される。
前記制御器８０は、図３Ｂおよび図３Ｃの動作を繰り返し行うことにより、バッテリ６０には、充電および放電電流が繰り返し流れ、この電流により、バッテリ６０の温度は上昇する。
以降、バッテリ６０の温度が正常温度範囲に到達すると、前記制御器８０は、本発明の実施形態にかかるバッテリ温度制御システムの動作を終了し、電力貯蔵システム１００の基本的な動作を行う。
すなわち、負荷連係器７０のスイッチ７１、７２および系統連係器４０のスイッチ４１、４２をターンオンし、前記電力貯蔵システム１００を前記負荷２および系統１に連結させる。
また、前記インバータ３０に含まれた第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７はターンオフし、インバータ３０が基本的な双方向インバーティング動作のみを行い、これと同様に、前記コンバータ５０に含まれた第３スイッチ５４もターンオフし、コンバータ５０が基本的な双方向コンバーティング動作のみを行う。すなわち、前記バッテリ温度制御システムの動作時に形成された充放電電流経路が遮断される。
図４は、図１に示されたバッテリ温度制御システムの第２実施形態に関する回路図である。
図４に示された実施形態は、図２に示された実施形態と比較する時、コンバータ５０に追加的に含まれる第３スイッチ５４’の連結関係が異なる点以外には、その構成および動作が実質的に同一であるので、同一の構成要素については同一の図面符号を使用し、具体的な説明は省略する。
すなわち、図４を参照すれば、本発明の第２実施形態にかかるバッテリ温度制御システム２２０は、コンバータ５０に追加される第３スイッチ５４’の第２端子が、前記第１スイッチ５２および第２スイッチ５３の間のノードｎ１でない、ＤＣリンク部に備えられたキャパシタＣ１の第１端子に連結される点で違いがある。
すなわち、前記第３スイッチ５４’がインダクタ５１を経由することなく直ちにバッテリ６０側への充放電電流経路を形成できるようにする役割は図２の実施形態と同一であるが、図２の実施形態の場合、前記充放電電流経路に前記コンバータ５０の第１スイッチ５２が含まれるが、図４の実施形態の場合、前記第３スイッチ５４’の第２端子が前記キャパシタＣ１の第１端子に直接連結されることにより、前記充放電電流経路から前記第１スイッチ５２を削除することができる。
このように、前記充放電電流経路からコンバータ５０の第１スイッチ５２を削除することにより、エネルギーの損失を低減することができ、制御器８０による前記第１スイッチ５２の制御の負担も低減させることができ、これにより、バッテリのエネルギー損失をより低減できるという利点がある。
図５は、図１に示されたバッテリ温度制御システムの第３実施形態に関する回路図である。
図５に示された実施形態は、図２および／または図４に示された実施形態と比較する時、ＤＣリンク部２０に備えられるキャパシタＣ１の第１端子と、コンバータ５０の第１スイッチ５２の第１端子との間にスイッチ２２が追加的にさらに備えられる点以外には、その構成および動作が実質的に同一であるので、同一の構成要素については同一の図面符号を使用し、具体的な説明は省略する。
すなわち、図５を参照すれば、本発明の第３実施形態にかかるバッテリ温度制御システム２３０は、ＤＣリンク部２０に備えられるキャパシタＣ１の第１端子と、コンバータ５０の第１スイッチ５２の第１端子との間にスイッチ２２が追加的にさらに備えられる点をその特徴とする。
先に説明した図２および図４の実施形態の場合、前記充放電電流によってＤＣリンク部２０のキャパシタＣ１にもリップル電流が発生し、キャパシタＣ１の寿命およびシステム全体の寿命が減少するという欠点があり得るが、図５の実施形態の場合、ＤＣリンク部２０に備えられるキャパシタＣ１の第１端子と、コンバータ５０の第１スイッチ５２の第１端子との間にスイッチ２２が追加的にさらに備えられ、前記バッテリ温度制御動作の実行時に前記スイッチ２２をターンオフすることにより、ＤＣリンク部２０のキャパシタＣ１のキャパシタンスの影響による問題を克服することができる。
図６は、図１に示されたバッテリ温度制御システムの第４実施形態に関する回路図である。
図６に示された実施形態は、図２ないし図５に示された第１ないし第３実施形態と比較する時、インバータ３０に追加的に含まれる第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７’の連結関係が異なる点以外は、その構成および動作が実質的に同一であるので、同一の構成要素については同一の図面符号を使用し、具体的な説明は省略する。
すなわち、図６を参照すれば、本発明の第４実施形態にかかるバッテリ温度制御システム２４０は、インバータ３０に追加される第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７’の第２端子が、前記第２インダクタ５６の第２端子でない、第２インダクタ３６の第１端子に連結される点で違いがある。つまり、前記第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７’は、前記第１インダクタ３５の第２端子と前記第２インダクタ３６の第１端子とを連結するように構成される。
この時、前記第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７’は、前記第２インダクタ３６の第２端子と前記第１インダクタ３５の第１端子とを連結するように構成する場合も、同様の効果を得ることができる。
先に説明した第１ないし第３実施形態の場合、第５スイッチ（インダクタスイッチ）３７がターンオンされると、前記第１、第２インダクタ（Ｌ１、Ｌ２）３５、３６が直列に連結されてインダクタンスが増加するのに対し、図６に示された第４実施形態の場合、前記第１および第２インダクタ３５、３６のうちの１つのみが充放電電流経路に連結される構造で実現され、インダクタンスが他の実施形態に比べて減少する点で違いがあり、前記インダクタンスが減少すると、バッテリの充放電電流の増加に伴うバッテリの温度上昇程度をさらに加速させることができるという点で利点がある。
以上の内容により、当業者であれば、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で多様な変更および修正が可能であることが分かる。したがって、本発明の技術的範囲は、明細書の詳細な説明に記載された内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定められなければならない。
２０：ＤＣリンク部
３０：インバータ
５０：コンバータ
６０：バッテリ
８０：制御器
１００：電力貯蔵システム
２００、２１０、２２０、２３０、２４０：バッテリ温度制御システム

Claims (24)

  1. 複数のコンバータスイッチおよび１つのインダクタを含み、バッテリの電圧を昇圧または降圧するコンバータと、
    前記コンバータの出力電圧を安定化させるキャパシタが備えられたＤＣリンク部と、
    複数のインバータスイッチおよび少なくとも１つのインダクタ、前記少なくとも１つのインダクタに連結されるインダクタスイッチを含み、前記コンバータの出力電圧を変換（ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ）するインバータとが含まれ、
    前記インダクタスイッチと少なくとも１つのインバータスイッチは、前記少なくとも１つのインダクタと前記バッテリとの間に流れる電流に対する電流経路を形成することを特徴とするバッテリ温度制御システム。
  2. 前記インダクタスイッチの第１端子は、第１電流経路（放電経路）によって前記バッテリの第１端子（＋）と電気的に連結され、前記インダクタスイッチの第２端子は、第２電流経路（充電経路）によって前記バッテリの第２端子（−）と電気的に連結されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ温度制御システム。
  3. 前記コンバータに備えられたインダクタは、前記バッテリの第１端子に連結され、
    前記複数のコンバータスイッチは、前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と前記インダクタの第２端子との間に連結される第１スイッチと、前記インダクタの第２端子と前記バッテリの第２端子との間に連結される第２スイッチとを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリ温度制御システム。
  4. 前記複数のコンバータスイッチは、インダクタと並列に連結されるか、前記バッテリの第１端子と前記キャパシタの第１端子との間に連結される第３スイッチをさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリ温度制御システム。
  5. 前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と前記コンバータの第１スイッチの第１端子との間にスイッチがさらに備えられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリ温度制御システム。
  6. 入力される電圧を変換するために備えられる前記複数のインバータスイッチは、フルブリッジ（Ｆｕｌｌ Ｂｒｉｄｇｅ）構造で実現されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリ温度制御システム。
  7. 前記インバータに備えられる少なくとも１つのインダクタは、第１、第２インダクタから構成され、
    前記複数のインバータスイッチは、
    前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と第１インダクタの第１端子との間に連結される第１スイッチと、
    前記第１インダクタの第１端子と前記バッテリの第２端子との間に連結される第２スイッチと、
    前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と第２インダクタの第１端子との間に連結される第３スイッチと、
    前記第２インダクタの第１端子と前記バッテリの第２端子との間に連結される第４スイッチとから構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリ温度制御システム。
  8. 前記第１インダクタは、前記第１スイッチおよび第２スイッチの間のノードと、バッテリ温度制御システムと負荷との間の連係を制御する負荷連係器の第１スイッチとの間に連結されることを特徴とする請求項７に記載のバッテリ温度制御システム。
  9. 前記第２インダクタは、前記第３スイッチおよび第４スイッチの間のノードと、前記負荷連係器の第２スイッチとの間に連結されることを特徴とする請求項８に記載のバッテリ温度制御システム。
  10. 前記第１インダクタの第２端子と前記第２インダクタの第２端子とを連結するインダクタスイッチが構成されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のバッテリ温度制御システム。
  11. 前記第１インダクタの第２端子と前記第２インダクタの第１端子とを連結するか、前記第１インダクタの第１端子と前記第２インダクタの第２端子とを連結するインダクタスイッチが構成されることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載のバッテリ温度制御システム。
  12. 少なくとも１つの発電システムおよび系統に連係して外部負荷に電力を供給する電力貯蔵システムにおいて、
    第１端子および第２端子を備えたバッテリと、
    前記バッテリに連結されるバッテリ温度制御システムとが含まれ、
    前記バッテリ温度制御システムは、
    複数のコンバータスイッチおよび１つのインダクタを含み、バッテリの電圧を昇圧または降圧するコンバータと、
    前記コンバータの出力電圧を安定化させるキャパシタが備えられたＤＣリンク部と、
    複数のインバータスイッチおよび少なくとも１つのインダクタ、前記少なくとも１つのインダクタに連結されるインダクタスイッチを含み、前記コンバータの出力電圧を変換（ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ）するインバータとが含まれ、
    前記インダクタスイッチと少なくとも１つのインバータスイッチは、前記少なくとも１つのインダクタと前記バッテリとの間に流れる電流に対する電流経路を形成することを特徴とする電力貯蔵システム。
  13. 前記インダクタスイッチと少なくとも１つのインバータスイッチによって形成される電流経路は、前記外部負荷を経由しないことを特徴とする請求項１２に記載の電力貯蔵システム。
  14. 前記コンバータに備えられたインダクタは、前記バッテリの第１端子に連結され、
    前記複数のコンバータスイッチは、前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と前記インダクタの第２端子との間に連結される第１スイッチと、前記インダクタの第２端子と前記バッテリの第２端子との間に連結される第２スイッチとを含むことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の電力貯蔵システム。
  15. 前記複数のコンバータスイッチは、インダクタと並列に連結されるか、前記バッテリの第１端子と前記キャパシタの第１端子との間に連結される第３スイッチをさらに含むことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の電力貯蔵システム。
  16. 前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と前記コンバータの第１スイッチの第１端子との間にスイッチがさらに備えられることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の電力貯蔵システム。
  17. 入力される電圧を変換するために備えられる前記複数のインバータスイッチは、フルブリッジ（Ｆｕｌｌ Ｂｒｉｄｇｅ）構造で実現されることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の電力貯蔵システム。
  18. 前記インバータに備えられる少なくとも１つのインダクタは、第１、第２インダクタから構成され、
    前記複数のインバータスイッチは、
    前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と第１インダクタの第１端子との間に連結される第１スイッチと、
    前記第１インダクタの第１端子と前記バッテリの第２端子との間に連結される第２スイッチと、
    前記ＤＣリンク部に備えられたキャパシタの第１端子と第２インダクタの第１端子との間に連結される第３スイッチと、
    前記第２インダクタの第１端子と前記バッテリの第２端子との間に連結される第４スイッチとから構成されることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の電力貯蔵システム。
  19. 前記バッテリ温度制御システムと負荷との間の連係を制御する負荷連係器がさらに含まれ、前記第１インダクタは、前記第１スイッチおよび第２スイッチの間のノードと、前記負荷連係器の第１スイッチとの間に連結されることを特徴とする請求項１８に記載の電力貯蔵システム。
  20. 前記第２インダクタは、前記第３スイッチおよび第４スイッチの間のノードと、前記負荷連係器の第２スイッチとの間に連結されることを特徴とする請求項１９に記載の電力貯蔵システム。
  21. 前記第１インダクタの第２端子と前記第２インダクタの第２端子とを連結するインダクタスイッチが構成されることを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の電力貯蔵システム。
  22. 前記第１インダクタの第２端子と前記第２インダクタの第１端子とを連結するか、前記第１インダクタの第１端子と前記第２インダクタの第２端子とを連結するインダクタスイッチが構成されることを特徴とする請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の電力貯蔵システム。
  23. 電力貯蔵システムに備えられるバッテリ温度制御方法において、
    バッテリの低温状態が一定期間維持されることが感知されるステップと、
    前記バッテリの低温状態が感知されると、前記電力貯蔵システムに連係された系統および負荷の連結が遮断されるステップと、
    前記電力貯蔵システム内のインバータに備えられた少なくとも１つのインダクタで生成された電流が前記バッテリ側に伝達される充放電電流経路が形成されるステップと、
    前記インバータに備えられた複数のスイッチが一対ずつ交番動作し、前記充放電電流経路を介して前記バッテリの充放電動作が繰り返し行われるステップとが含まれることを特徴とするバッテリ温度制御方法。
  24. 前記バッテリの温度が正常温度範囲に到達した後、前記電力貯蔵システムが前記負荷および系統に連結され、前記形成された充放電電流経路が遮断されるステップがさらに含まれることを特徴とする請求項２３に記載のバッテリ温度制御方法。
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