JP7142673B2 - 電源供給装置およびその電源供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関するものであり、特に、電源供給装置およびその電源供給方法に関するものである。

一般的なオフライン型エネルギー貯蔵製品、例えば、無停電電源システム（Uninterruptible Power Supply, UPS）／ＰＶインバータ（PV inverter）は、ハードウェアの制約により、入力／出力電力を上げたい場合に、ハードウェア回路の中のパワー素子がさらに高い定格電力を選択しなければならないため、コストが上がる。一時的に過負荷出力する方法で電力を提供する場合、温度が上昇して短時間しか電気を提供できなくなるため、負荷に必要な電気を長時間出力することができない。

本発明は、ハードウェアコストを有効に節約し、且つ電力使用効率を上げることのできる電源供給装置およびその電源供給方法を提供する。

本発明の電源供給装置は、電池モジュールと、充電回路と、制御回路とを含む。充電回路は、電池モジュールおよび交流電源に接続される。交流電源は、充電電力を充電回路に提供して負荷電力を負荷に提供し、充電回路は、電池モジュールを充電する。制御回路は、充電回路に接続され、制御回路は、交流電源が負荷に提供した負荷電力に基づいて、充電回路を制御し、交流電源が充電回路に提供した充電電力を調整して、交流電源の総出力電力を所定の総電力以下に維持する。ここで、交流電源の総出力電力は、負荷電力と充電電力の和に等しい。

本発明の１つの実施形態において、上述した制御回路は、交流電源の最近の半周期時間内においてサンプリング周波数により負荷電力をサンプリングして得られた複数のサンプリング負荷リアルタイム電力に基づいて、負荷平均電力を計算するとともに、負荷平均電力と所定の電力の比較結果に基づいて、充電電力を調整する。

本発明の１つの実施形態において、負荷平均電力が所定の電力よりも大きい時、制御回路は、充電電力を下げて、交流電源の総出力電力を所定の総電力以下に維持する。

本発明の１つの実施形態において、上述した負荷平均電力の更新周波数は、サンプリング周波数に等しい。

本発明の１つの実施形態において、上述した制御回路は、充電電力において所定の充電電力よりも低い時に、充電電力を所定の充電電力に設定する。

本発明の１つの実施形態において、上述した電源供給装置は、さらに、電池モジュールに接続された電源変換回路を含み、交流電源が異常の時に、電池モジュールが提供した直流電圧を交流電圧に変換して、負荷に電源を供給する。第１スイッチ回路は、制御回路、電源変換回路、および負荷に接続される。第２スイッチ回路は、制御回路、交流電源、および負荷に接続される。制御回路は、負荷電力において所定の総電力よりも大きい時に、第１スイッチ回路および第２スイッチ回路を切断する。

本発明は、さらに、下記のステップを含む電源供給装置の電源供給方法を提供する。交流電源が負荷に提供した負荷電力および充電回路に提供した充電電力を検出する。交流電源が負荷に提供した前記負荷電力に基づいて、交流電源が充電回路に提供した充電電力を調整して、交流電源の総出力電力を所定の総電力以下に維持し、且つ交流電源の総出力電力は、負荷電力と充電電力の和に等しい。充電回路は、電池モジュールを充電するために使用される。

本発明の１つの実施形態において、上述した電源供給装置の電源供給方法は、下記のステップを含む。交流電源の最近の半周期時間内においてサンプリング周波数により負荷電力をサンプリングして、複数のサンプリング負荷リアルタイム電力を取得する。上述した複数のサンプリング負荷リアルタイム電力に基づいて、負荷平均電力を計算する。負荷平均電力と所定の電力の比較結果に基づいて、充電電力を調整する。

本発明の１つの実施形態において、上述した電源供給装置の電源供給方法は、負荷平均電力が所定の電力よりも大きい時に、充電電力を下げて、交流電源の総出力電力を所定の総電力以下に維持することを含む。

本発明の１つの実施形態において、上述した負荷平均電力の更新周波数は、サンプリング周波数に等しい。

本発明の１つの実施形態において、上述した電源供給装置の電源供給方法は、充電電力において所定の充電電力よりも低い時に、充電電力を所定の充電電力に設定することを含む。

本発明の１つの実施形態において、上述した交流電源は、スイッチ回路により負荷に電源を供給し、電源供給装置の電源供給方法は、負荷電力において所定の総電力よりも大きい時に、スイッチ回路を切断することを含む。

以上のように、本発明の実施形態は、交流電源が負荷に提供した負荷電力に基づいて、交流電源が充電回路に提供した充電電力を調整し、交流電源の総出力電力を所定の総電力以下に維持する。このようにして、ハードウェアコストを上げない状況で、負荷に必要な負荷電力を満たし、電力使用効率を上げるとともに、過負荷出力の方法で電力を提供することによって温度が上昇するのを防ぐことができ、さらには、負荷に必要な電気をさらに長い時間出力することができる。

添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれ、且つその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。

本発明の実施形態に係る電源供給装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る負荷電力と充電電力の概略図である。 本発明の実施形態に係る交流電源が負荷に出力した電圧および電流をサンプリングした時の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る電源供給装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る電源供給装置の電源供給方法のフロー図である。 本発明の別の実施形態に係る電源供給装置の電源供給方法のフロー図である。 本発明の別の実施形態に係る電源供給装置の電源供給方法のフロー図である。

図１は、本発明の実施形態に係る電源供給装置の概略図である。図１を参照されたい。電源供給装置１００は、電池モジュール１０２と、充電回路１０４と、制御回路１０６とを含むことができる。電池モジュール１０２は、充電回路１０４および制御回路１０６に接続され、充電回路１０４は、制御回路１０６および交流電源１０８に接続され、交流電源１０８は、負荷１１０に接続される。交流電源１０８は、充電電力ＰＣＨを充電回路１０４に提供して、負荷電力ＰＬを負荷１１０に提供する。充電回路１０４は、電池モジュール１０２を充電する。制御回路１０６は、交流電源１０８が負荷１１０に提供した負荷電力ＰＬに基づいて、充電回路１０４を制御し、交流電源１０８が充電回路１０４に提供した充電電力ＰＣＨを調整して、例えば、交流電源１０８の総出力電力を所定の総電力以下に維持することができる。例を挙げて説明すると、図２に示すように、交流電源１０８の総出力電力が負荷電力ＰＬと充電電力ＰＣＨの和に等しい状況において、負荷電力ＰＬが所定の電力ＰＬＲよりも大きくなるまで上がった時、制御回路１０６は、充電電力ＰＣＨを下げることができる。例えば、負荷電力ＰＬが負荷電力ＰＬＭＡＸまで上がった時、負荷電力ＰＬＭＡＸと所定の電力ＰＬＲの間の電力差分値がＰＤであり、この時、充電電力ＰＣＨは、それに応じて、制御回路１０６によって所定の充電電力ＰＣＭＩＮまで下がり、最大充電電力ＰＣＭＡＸとの電力差分値がＰＤになり、すなわち、下がった充電電力ＰＣＨを負荷電力ＰＬとして提供して使用する。このようにして、負荷電力ＰＬと充電電力ＰＣＨの和を固定値（例えば、所定の総電力）で維持することができ、それにより、負荷１１０の負荷電力ＰＬに対する要求を満たすことができるとともに、交流電源１０８の総出力電力が所定の総電力を超えないようにすることによって、ハードウェアコストを節約し、電力使用効率を上げる目的を達成することができる。

ここで、所定の充電電力ＰＣＭＩＮは、充電回路１０４を正常運転するのに必要な最小電力値であり、一部の実施形態において、所定の充電電力ＰＣＭＩＮは、０であってもよく、負荷電力ＰＬＭＡＸは、交流電源１０８の総出力電力から所定の充電電力ＰＣＭＩＮを差し引いた後、過負荷出力しない状況で負荷１１０を提供することのできる最大負荷電力である。つまり、制御回路１０６が充電電力ＰＣＨを所定の充電電力ＰＣＭＩＮよりも低くなるまで下げた時、制御回路１０６は、充電電力ＰＣＨを所定の充電電力ＰＣＭＩＮに設定して、充電回路１０４が正常運転できるよう確保し、電池モジュール１０２の充電速度への影響を防ぐ。

さらに説明すると、制御回路１０６は、交流電源１０８の最近の半周期時間内においてサンプリング周波数により負荷電力ＰＬをサンプリングして得られた複数のサンプリング負荷リアルタイム電力に基づいて、負荷平均電力を計算するとともに、負荷平均電力と所定の電力ＰＬＲの比較結果に基づいて、充電電力ＰＣＨを調整する。つまり、制御回路１０６は、最長でたった半周期時間で充電電力ＰＣＨの調整を行うことができ、交流電源１０８の総出力電力を効率よく安定させることができる。例を挙げて説明すると、図３は、本発明の実施形態に係る交流電源が負荷に出力した電圧および電流をサンプリングした時の概略図である。図３を参照されたい。制御回路１０６は、固定周波数（例えば、１０ｋＨｚ）で交流電源１０８が負荷に出力した電圧ｖ（ｔ）および電流ｉ（ｔ）をサンプリングすることができ、例えば、周期時間Ｔ１において固定周波数で電圧ｖ（ｔ）および電流ｉ（ｔ）をサンプリングして複数のサンプリング電圧ｖ０～ｖｈ－１および複数のサンプリング電流ｉ０～ｉｈ－１を取得し、周期時間Ｔ１における負荷平均電力ＰＡＶ１は、下記の式（１）で計算することができる。ここで、周期時間Ｔ１は、電圧ｖ（ｔ）および電流ｉ（ｔ）の周期長の１／２である。

式中、ｈは、交流電源の半周期長におけるサンプリング数である。制御回路１０６は、負荷平均電力ＰＡＶ１と所定の電力ＰＬＲの比較結果に基づいて、充電電力ＰＣＨを調整することができる。例えば、負荷平均電力ＰＡＶ１が所定の電力ＰＬＲよりも大きい時、制御回路１０６は、充電電力ＰＣＨを下げて、交流電源１０８の総出力電力を所定の総電力以下に維持することができる。充電電力ＰＣＨの詳しい調整方法については、上述した実施形態において既に説明してあるため、ここでは説明を省略する。注意すべきこととして、制御回路１０６は、電圧ｖ（ｔ）および電流ｉ（ｔ）のサンプリング周波数と同じ周波数で負荷平均電力を更新することができ、更新後の負荷平均電力と所定の電力ＰＬＲの比較結果に基づいて、充電電力ＰＣＨを調整することができる。このようにして、負荷電力ＰＬの変化に迅速に反応して充電電力ＰＣＨを調整し、電力使用効率を大幅に上げることができる。

例を挙げて説明すると、図３の実施形態において、制御回路１０６は、周期時間Ｔ２において固定周波数（例えば、１０ｋＨｚ）で電圧ｖ（ｔ）および電流ｉ（ｔ）をサンプリングして複数のサンプリング電圧ｖ１～ｖｈおよび複数のサンプリング電流ｉ１～ｉｈを取得することができる。ここで、周期時間Ｔ２は、時間軸上で、周期時間Ｔ１に相対して時間Δｔ移動し、時間Δｔは、サンプリング周波数（例えば、１０ｋＨｚ）の逆数に等しい。同様に、周期時間Ｔ２における負荷平均電力ＰＡＶ２は、下記の式（２）で計算することができる。ここで、周期時間Ｔ２は、電圧ｖ（ｔ）および電流ｉ（ｔ）の周期長の１／２である。

制御回路１０６は、負荷平均電力ＰＡＶ２と所定の電力ＰＬＲの比較結果に基づいて、充電電力ＰＣＨを調整することができる。このようにして、時間Δｔおきに充電電力ＰＣＨの調整を行うことにより、負荷電力ＰＬが短時間で急速に変化することによって制御回路１０６による充電電力ＰＣＨの調整が間に合わなくなる状況を防ぐことができるため、高い電力使用効率を有することができる。

図４は、本発明の別の実施形態に係る電源供給装置の概略図である。図４を参照されたい。本実施形態において、電源供給装置１００は、さらに、電源変換回路４０２と、スイッチ回路４０４、４０６とを含む。電源変換回路４０２は、電池モジュール１０２、制御回路１０６、およびスイッチ回路４０４に接続され、スイッチ回路４０４は、制御回路１０６および負荷１１０に接続され、スイッチ回路４０６は、交流電源１０８、制御回路１０６および負荷１１０に接続される。電源変換回路４０２は、交流電源１０８が異常の時に、電池モジュール１０２が提供した直流電圧を交流電圧に変換して、負荷１１０に電源を供給することができ、制御回路１０６は、負荷電力ＰＬが所定の総電力よりも大きい時に、スイッチ回路４０４およびスイッチ４０６を切断して、過負荷保護を行うことができる。本実施形態の制御回路１０６も、上述した実施形態のように、交流電源１０８が負荷１１０に提供した負荷電力ＰＬに基づいて、充電回路１０４を制御し、交流電源１０８が充電回路１０４に提供した充電電力ＰＣＨを調整することができる。詳しい実施方式については、上述した実施形態と類似するため、ここでは説明を省略する。

図５は、本発明の実施形態に係る電源供給装置の電源供給方法のフロー図である。図５を参照されたい。上述した実施形態からわかるように、電源供給装置の電源供給方法は、下記のステップを含む。まず、交流電源が負荷に提供した負荷電力および充電回路に提供した充電電力を検出する（ステップＳ５０２）。続いて、交流電源が負荷に提供した負荷電力に基づいて、交流電源が充電回路に提供した充電電力を調整し、交流電源の総出力電力を所定の総電力以下に維持する（ステップＳ５０４）。ここで、交流電源の総出力電力は、負荷電力と充電電力の和に等しくてもよく、充電回路は、電池モジュールを充電するために使用される。一部の実施形態において、充電電力を所定の総電力以上に維持して、充電回路の正常運転を維持しなければならない。つまり、充電電力が所定の充電電力よりも小さくなるまで下がった時、充電電力を所定の充電電力に設定する。また、その他の実施形態において、電源供給装置は、負荷に電源を供給する経路において、さらに、スイッチ回路を設置してもよく、負荷電力が所定の総電力よりも大きい時に、スイッチ回路を切断することによって負荷に電源を供給するのを停止し、過負荷保護を行うことができる。

図６は、本発明の別の実施形態に係る電源供給装置の電源供給方法のフロー図である。図６を参照されたい。本実施形態において、交流電源の最近の半周期時間内の負荷平均電力に基づいて、充電電力を調整することができ、本実施形態の電源供給装置の電源供給方法は、下記のステップを含むことができる。まず、交流電源の最近の半周期時間内においてサンプリング周波数により負荷電力をサンプリングして、複数のサンプリング負荷リアルタイム電力を取得する（ステップＳ６０２）。続いて、前記複数のサンプリング負荷リアルタイム電力に基づいて、負荷平均電力を計算する（ステップＳ６０４）。そして、負荷平均電力と所定の電力の比較結果に基づいて、充電電力を調整する（ステップＳ６０６）。負荷平均電力が所定の電力よりも大きい時、充電電力を下げて、交流電源の総出力電力を所定の総電力以下に維持することができる。ここで、負荷平均電力の更新周波数は、サンプリング周波数に等しい。このようにして、負荷電力の変化に迅速に反応して充電電力を調整し、電力使用効率を大幅に上げることができる。

図７は、本発明の別の実施形態に係る電源供給装置の電源供給方法のフロー図である。図７を参照されたい。本実施形態の電源供給装置の電源供給方法は、下記のステップを含むことができる。まず、交流電源が負荷に提供した負荷電力が所定の総電力よりも大きいかどうかを判断し（ステップＳ７０２）、負荷電力が所定の総電力よりも大きい時に、過負荷保護を実行し（ステップＳ７０４）、例えば、負荷に電源を供給するのを停止することができる。負荷電力が所定の総電力よりも大きくない時は、引き続き交流電源が負荷に提供した負荷電力が所定の電力よりも大きいかどうかを判断する（ステップＳ７０６）。負荷電力が所定の電力よりも大きくない時、交流電源が充電回路に提供する充電電力を最大充電電力に設定して（ステップＳ７０８）、充電回路が最も効率のよい方法で電池モジュールを充電できるようにする。ここで、最大充電電力は、所定の電力よりも小さい。負荷電力が所定の電力よりも大きい時は、交流電源が充電回路に提供する充電電力を下げて（ステップＳ７１０）、交流電源が負荷に提供する負荷電力を上げられるようにし、交流電源の総出力電力が所定の総電力を超えない状況で負荷に必要な電気を提供する。そして、交流電源が充電回路に提供する充電電力が所定の充電電力よりも小さいかどうかを判断する（ステップＳ７１２）。充電電力が所定の充電電力よりも小さくない時、電源供給方法のフローを終了する。充電電力が所定の充電電力よりも小さい時は、充電電力を所定の充電電力に設定して（ステップＳ７１４）、充電回路が正常運転するのに必要な電気を提供する。

以上のように、本発明の実施形態は、交流電源が負荷に提供した負荷電力に基づいて、交流電源が充電回路に提供した充電電力を調整することにより、交流電源の総出力電力を所定の総電力以下に維持する。このようにして、ハードウェアコストを上げない状況で、負荷に必要な負荷電力を満たし、電力使用効率を上げるとともに、過負荷出力の方法で電力を提供して、温度が上昇するのを防ぐことができ、さらには、負荷に必要な電気をさらに長い時間出力することができる。一部の実施形態において、交流電源の最近の半周期時間内において固定のサンプリング周波数により負荷電力をサンプリングして得られた複数のサンプリング負荷リアルタイム電力に基づいて、負荷平均電力を計算するとともに、負荷平均電力と所定の電力の比較結果に基づいて、充電電力を調整し、交流電源の総出力電力を迅速に効率よく安定させることができる。

本発明の電源供給装置およびその電源供給方法は、エネルギー貯蔵製品に応用することができる。

１００ 電源供給装置
１０２ 電池モジュール
１０４ 充電回路
１０６ 制御回路
１０８ 交流電源
１１０ 負荷
４０２ 電源変換回路
４０４、４０６ スイッチ回路
ＰＣＨ 充電電力
ＰＬ 負荷電力
ＰＬＲ 所定の電力
ＰＬＭＡＸ 負荷電力
ＰＤ 電力差分値
ＰＣＭＩＮ 所定の充電電力
ＰＣＭＡＸ 最大充電電力
ｖ（ｔ） 電圧
ｉ（ｔ） 電流
Ｔ１、Ｔ２ 周期時間
ｖ０～ｖｈ サンプリング電圧
ｉ０～ｉｈ サンプリング電流
ＰＡＶ１、ＰＡＶ２ 負荷平均電力
Δｔ 時間
Ｓ５０２～Ｓ５０４、Ｓ６０２～Ｓ６０６、Ｓ７０２～Ｓ７１４ 電源供給装置の電源供給方法のステップ

Claims (8)

1. 電池モジュールと、
   前記電池モジュールおよび交流電源に接続された充電回路と、
   前記充電回路に接続された制御回路と、
   を含み、前記交流電源が、充電電力を前記充電回路に提供して、負荷平均電力を負荷に提供し、前記充電回路が、前記電池モジュールを充電し、
   前記制御回路が、前記交流電源が前記負荷に提供した前記負荷平均電力に基づいて、前記充電回路を制御し、前記交流電源が前記充電回路に提供した前記充電電力を調整して、前記交流電源の総出力電力を所定の総電力以下に維持し、前記交流電源の総出力電力が、前記負荷平均電力と前記充電電力の和に等しく、
   前記制御回路が、前記交流電源の最近の半周期時間内においてサンプリング周波数により前記交流電源の現在のリアルタイムの電圧及び電流をサンプリングして得られた複数のサンプリング負荷リアルタイム電力に基づいて、負荷平均電力を計算するとともに、前記負荷平均電力と所定の電力の比較結果に基づいて、前記充電電力を調整し、
   前記負荷平均電力の更新周波数が、前記サンプリング周波数に等しい電源供給装置。
2. 前記負荷平均電力が前記所定の電力よりも大きい時、前記制御回路が、前記充電電力を下げて、前記交流電源の総出力電力を前記所定の総電力以下に維持する請求項１に記載の電源供給装置。
3. 前記制御回路が、前記充電電力において所定の充電電力よりも低い時に、前記充電電力を前記所定の充電電力に設定する請求項１又は２に記載の電源供給装置。
4. 前記電池モジュールに接続され、前記交流電源が異常の時に、前記電池モジュールが提供した直流電圧を交流電圧に変換して、前記負荷に電源を供給する電源変換回路と、
   前記制御回路、前記電源変換回路、および前記負荷に接続された第１スイッチ回路と、
   前記制御回路、前記交流電源、および前記負荷に接続された第２スイッチ回路と、
   をさらに含み、前記制御回路が、前記負荷電力において前記所定の総電力よりも大きい時に、前記第１スイッチ回路および前記第２スイッチ回路を切断する請求項１～３のいずれか１項に記載の電源供給装置。
5. 交流電源の最近の半周期時間内においてサンプリング周波数により前記交流電源の現在のリアルタイムの電圧及び電流をサンプリングして、複数のサンプリング負荷リアルタイム電力を取得することと、
   前記複数のサンプリング負荷リアルタイム電力に基づいて、負荷平均電力を計算し、前記負荷平均電力の更新周波数が、前記サンプリング周波数に等しいことと、
   を含む交流電源が負荷に提供した負荷平均電力を検出するステップと、
   前記交流電源が充電回路に提供した充電電力を検出するステップと、
   前記負荷平均電力と所定の電力の比較結果に基づいて、前記交流電源が前記充電回路に提供した前記充電電力を調整して、前記交流電源の総出力電力を所定の総電力以下に維持し、且つ前記交流電源の総出力電力が、前記負荷平均電力と前記充電電力の和に等しく、前記充電回路が、電池モジュールを充電するために使用されるステップと、
   を含む電源供給装置の電源供給方法。
6. 前記負荷平均電力が前記所定の電力よりも大きい時に、前記充電電力を下げて、前記交流電源の総出力電力を前記所定の総電力以下に維持することを含む請求項５に記載の電源供給装置の電源供給方法。
7. 前記充電電力において所定の充電電力よりも低い時に、前記充電電力を前記所定の充電電力に設定することを含む請求項５又は６に記載の電源供給装置の電源供給方法。
8. 前記交流電源が、スイッチ回路により前記負荷に電源を供給し、前記電源供給装置の電源供給方法が、
   前記負荷平均電力において前記所定の総電力よりも大きい時に、前記スイッチ回路を切断することを含む請求項５又は６に記載の電源供給装置の電源供給方法。

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