KR100338293B1 - 전원장치 - Google Patents

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KR100338293B1
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 전원장치, 특히 직렬로 접속된 복수의 이차전지를 구비한 전원장치의 개량에 관한 것으로, 전지의 가속도적인 열화를 억제함과 동시에, 전지의 능력을 충분히 끌어내기 위한 충방전 제어에 관한 것이다. 본 발명은, 충전시에 있어서 충전량이 설정치보다 커지면 충전을 정지하는 기능을 가진 제어부에, 더욱 충전중의 이차전지간의 충전용량 불균형이 소정치보다 커지면, 당초의 설정치보다 큰 값으로 변경하는 기능을 부여한다.

Description

전원장치
알카리 이차전지나 니켈·수소 이차전지 등의 이차전지의 다수를 직렬로 접속한 전원장치가 제안되어 있다. 이러한 전원장치는, 특히 전기자동차의 구동용 전원으로서 주목받고 있다. 전기자동차의 구동용 전원으로서는, 200∼300V의 고전압이 필요하기 때문에, 이차전지를 200개정도 직렬 접속하여 구성된 배터리부를 구비한 전원장치가 사용되고 있다. 이러한 전원장치에 있어서는, 외부전원에 의해서 배터리부를 충전하고, 모터 등의 외부 부하로 방전한다. 통상, 이차전지의 과충전 및 과방전을 방지하기 위해서, 전원장치에는 전지의 상황을 감시하기 위한 감시제어수단이 배치되어 있다. 감시제어수단은, 충전시에는 배터리부의 전압이 소정의 상한에 도달하면 충전을 정지하여 과충전을 막고, 방전시에는 배터리부의 전압이 소정의 하한까지 저하하면 방전을 정지하여 과방전을 막고 있다.
전지의 종류에 상관없이, 전지용량의 저하, 내부저항의 상승 등으로 보여지는 이차전지의 열화는, 충방전 사이클을 반복함에 따라서, 가속도적으로 진행한다.또한, 다수의 이차전지를 사용한 경우에, 전지의 열화는, 다른 전지에 대해서도 악영향을 미친다. 예컨대, 상기의 제어에 의하면, 열화하여 용량이 저하한 이차전지는, 과방전되기 쉽기 때문에, 더욱 열화가 진행한다. 또한, 내부저항의 상승에 의한 발열은, 다른 이차전지의 출력의 저하나 열화를 야기한다. 한편, 정상적인 이차전지는, 가득 충전되어 있어도, 주위의 이차전지의 충전효율이 저하하고 있으면 충전이 계속되기 때문에 과충전되기 쉬워지고, 자체의 열화가 촉진됨과 동시에, 발열하여 주위의 온도를 상승시킨다.
다수의 전지를 이용하는 경우에는, 예를 들면 전지간의 온도차가, 전지의 열화의 원인이 된다. 고온에 의해 열화가 촉진되는 것 외에, 온도차에 기인한 충전효율이나 자기방전특성에 있어서의 전지간의 격차가, 전지의 과충전이나 과방전을 일으킨다. 또한, 모든 이차전지가 같은 조건에서 사용되더라도, 용량, 충전효율, 자기방전특성 등의 여러 가지 특성에 있어서의 이차전지간의 개개의 차이가, 열화의 원인이 되기도 한다.
그 때문에, 종래로부터, 이러한 전지특성의 가속도적인 열화를 억제하는 수단이 많이 검토되고 있다. 예를 들면, 일본국 특개평6-231805호 공보에는, 복수의 전지를 직렬접속하여 구성되는 배터리부의 전압을 감시함과 동시에 각 전지의 전압을 감시하여, 전지전압의 불균형이 커지면, 충전 상한전압을 낮게 하고, 방전 하한전압을 높게 보정하는 방법이 제안되어 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 전원장치(30)는, 모터 등의 부하(33)에 전력을 공급하는 배터리부(32)와, 배터리부(32)를 감시제어하는 감시제어수단(34)을 구비한다.
상기 공보에 제안된 전원장치의 충전시의 동작을 도 5의 플로우차트를 사용하여 설명한다. 충전시에 있어서는, 감시제어수단(34)은, 배터리부(32)의 상황을 감시하면서, 배터리부(32)의 상황에 따라 전원(31)에 의한 배터리부(32)의 충전을 제어한다. 충전이 시작되면, 감시제어수단(34)은, 배터리부(32)를 구성하는 각 전지의 전압을 감시하면서, 전원(31)으로부터 배터리부(32)에 전류를 공급한다. 감시제어수단(34)은, 스텝 301에 있어서, 전지간의 전압 불균형(σ0)과 설정치(D0)를 비교한다. 여기서, σ0가 D0보다 작으면, 감시제어수단(34)은, 배터리부(32)가 정상이라고 판정하고, 전원(31)으로부터 배터리부(32)로의 전류 공급을, 배터리부(32)의 충전량(C)이 소정의 상한용량(Cu)에 도달할 때까지 계속시킨다(스텝 302). 한편, σ0가 D0이상이면, 감시제어수단(34)은, 충전을 정지하는 충전량을 Cu에서, Cu보다도 작은 보정상한용량(Cuc)으로 변경한다(스텝 303). 이 때, 배터리부(32)는, 용량이 Cuc에 도달할 때까지 충전되어, 충전이 종료한다.
이 방법에 의하면, 전지의 가속도적인 열화를 막을 수 있지만, 열화하지 않는 전지가 충분히 충전되지 않기 때문에, 전지의 능력을 충분히 끌어 낼 수 없다고 하는 문제점이 있었다.
마찬가지로, 이 전원장치의 방전시의 동작을 도 6의 플로우차트를 이용하여 설명한다. 방전이 시작되면, 감시제어수단(34)은, 각 전지의 전압을 감시하면서,배터리부(32)로부터 부하(33)에 전력을 공급한다. 이 때, 스텝401에 있어서 전지간의 전압 불균형(σ1)과 설정치(D1)를 비교한다. σ1가 D1보다 작으면, 감시제어수단(34)은, 배터리부(32)가 정상이라고 판정하고, 배터리부(32)를 원래의 방전하한인 하한용량(C1)까지 방전시키고(스텝402), 방전을 종료한다. 그러나, σ1가 D1이상이 되면, 감시제어수단(34)은, 방전을 정지하는 용량치를 C1에서, C1보다도 큰 보정하한용량(CIC)으로 변경한다(스텝403). 이에 따라, 배터리부(32)는 CIC까지 방전하고, 방전이 종료한다.
이 방법에 의하면, 충전시의 동작과 마찬가지로, 전지의 가속도적인 열화를 방지할 수 있으나, 전지의 능력을 충분히 끌어 낼 수 없다. 또한, 능력이 저하한 전지의 메모리 효과를 해소할 수 없기 때문에, 각 전지간의 용량 불균형을 본질적으로 해소할 수는 없다.
본 발명은, 전원장치, 특히 직렬접속된 복수의 이차전지를 구비한 전원장치에 관한 것이며, 상세하게는 동 전원장치에 있어서 전지간의 용량의 불균형 및 전지의 가속도적인 열화를 해소하기 위한 충방전제어에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명 일실시예의 전원장치 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는, 동 전원장치의 충전제어를 나타내는 플로우차트이다.
도 3은, 동 전원장치의 방전제어를 나타내는 플로우차트이다.
도 4는, 종래의 전원장치 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는, 동 전원장치의 충전제어를 나타내는 플로우차트이다.
도 6은, 동 전원장치의 충전제어를 나타내는 플로우차트이다.
본 발명은, 이상과 같은 문제점을 해결하는 것이며, 전지의 가속도적인 열화를 억제함과 동시에, 전지의 능력을 충분히 끌어 낼 수 있는 전원장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 전원장치는, 부하에 전력을 공급하기 위한 배터리부, 및 배터리부의 충전량이 설정치보다 커지면 충전을 정지하는 제어부를 구비하여, 배터리부가 직렬접속된 복수의 이차전지를 구비하고, 제어부가 충전중의 상기 이차전지간의 충전용량 불균형이 커지면 배터리부의 충전량의 설정치를 보다 큰 값으로 변경하는기능을 구비한다.
충전량을 많게 함으로써, 충전특성의 저하에 의해 충전반응의 진행이 불충분한 전지는, 더욱 충전되기 때문에, 만충전에 가까운 상태가 된다. 따라서, 전지간의 용량 불균형은 개선된다. 또한, 정상적인 전지는 충분히 충전되기 때문에, 배터리부의 용량을 충분히 끌어 낼 수 있다. 이에 따라, 각 전지의 충전량의 저하에 기인하는 전원장치의 출력전압 급강하도 막을 수 있다. 따라서, 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 신뢰성이 높은 전원장치를 제공할 수 있다.
여기서, 충전레이트를 0.3C 이하로 함으로써, 충전시에 있어서의 전지의 내압 상승을 억제할 수 있다. 특히 이차전지가 니켈·수소축전지인 경우에는, 전지의 상태 감시가 용이하게 되므로, 큰 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 전원장치는, 부하에 전력을 공급하기 위한 배터리부, 및 배터리부의 방전량이 설정치보다 커지면 방전을 정지하는 제어부를 구비하여, 배터리부가 직렬접속된 복수의 이차전지를 구비하고, 제어부가 방전중의 이차전지간의 잔존용량 불균형이 커지면 배터리부의 방전량의 설정치를 보다 큰 값으로 변경하는 기능을 구비한다.
방전시에 있어서는, 용량의 불균형이 커지면, 방전하한전압을 낮게 한다. 이에 따라, 용량이 저하한 전지는, 메모리효과가 해소되고, 용량이 회복한다. 따라서, 전지의 능력을 충분히 끌어내는 것이 가능하게 된다.
또, 충전용량 또는 방전용량의 불균형은, 예컨데, 제어부로서 감시하여, 그 불균형이 소정치보다도 커졌을 때, 설정치를 변경한다.
또한, 충방전 사이클이, 전지의 사이클 수명을 고려하여 미리 결정된 소정회수에 도달한 경우에, 상기와 같이 설정치를 변경하는 것도 효과적이다.
더욱, 배터리부가 충전 가득한 상태 또는 방전을 종료한 상태로 소정기간이상 경과한 경우에, 상기와 같이 설정치를 변경하는 것도 효과적이다.
상기의 충전용량 또는 잔존용량은, 직접 측정하지 않아도 전압을 측정함으로써 파악할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 전지의 용량 불균형을 억제할 수 있기 때문에, 충방전시의 전지의 발열이나 열화를 억제할 수 있다. 따라서, 전원장치의 신뢰성을 대폭적으로 향상시킬수 있다. 본 발명은, 특히 용량이 큰 출력을 필요로 하는 전기자동차 등에 사용하면 그 효과는 현저하다.
본 발명에 따른 전원장치의 바람직한 구체적인 예를 도 1에 나타낸다. 전원장치(20)는 출력원인 배터리부(2)와, 배터리부(2)의 충방전을 감시하고 제어하는제어부(4)를 구비한다. 배터리부(2)는 전원(1)으로부터 공급된 전력을 저장하고, 부하(3)에 공급한다. 예컨데 본 전원장치를 전기자동차의 구동용 전원에 사용하는 경우에는, 부하(3)는 모터이다.
배터리부(2)는, 직렬접속된 복수의 이차전지(5)와, 이차전지(5)의 충전 및 방전을 각각 제어하는 충전회로(12) 및 방전회로(13)를 구비한다. 이차전지(5)에는, 예컨데 니켈·수소 이차전지, 알카리 이차전지 또는 연산 이차전지를 사용한다. 배터리부(2)내의 이차전지(5)는, 직렬 접속된 일정개수마다 구분되어 복수의 유니트(16∼19)를 구성하고 있다.
제어부(4)는, 유니트(16∼19)의 전압을 각각 검출하는 전압검출회로(6∼9), 및 이차전지(5) 전체의 전압을 검출하는 만충전검출회로(11)를 구비한다. 제어부(4)는, 또한 전압검출회로(6∼9) 및 만충전검출회로(11)가 검지한 신호에 따라 충전회로(12) 및 방전회로(13)에 제어신호를 보내는 제어회로(10)를 구비한다.
이하, 본 발명의 실시예를, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예 1
본 실시예에서는, 상기 전원장치의 충전시 동작에 대하여 설명한다.
도 2의 플로우차트를 이용하여 충전제어 동작을 설명한다.
전원(1)으로부터 배터리부(2)에 전류가 공급되어 충전이 시작되면, 만충전검출회로(11)는 이차전지(5) 전체의 전압을 검출하고, 그 값으로부터 이차전지(5)가 통상의 만충전값인 상한용량까지 충전되었는지의 여부를 판단한다.
스텝 l01에 있어서, 만충전검출회로(11)는 이차전지(5) 전체의 충전량(C)을상한용량(CC)과 비교하여, C가 CC에 도달하고 있지 않으면 충전을 계속한다.
C가 CC에도달하면, 스텝 102에 있어서, 전압검출회로(6∼9)에 의해 각 유니트의 충전량이 검출된다.
전압검출회로(6∼9)는, 각 유니트의 전압을 각각 검출하여, 검출한 값에 해당하는 신호를 제어회로(10)에 발신한다. 제어회로(10)는, 전압검출회로(6∼9)로부터의 신호를 비교하여, 유니트간의 전압 불균형(예를 들면 표준편차)을 산출한다. 제어회로(10)는, 또한 얻어진 유니트(16∼19)의 전압 불균형(σC)을 미리 설정된 값(DC)과 비교한다. σC가 DC이내이면, 제어회로(10)는, 충전이 정상으로 행하여진 것으로 판단하여 충전회로(12)에 충전을 종료하는 신호를 발신한다. 이에 따라, 충전은 정상으로 종료한다. 그러나, σC가 DC를 넘으면, CC을 CC보다도 큰 보정상한용량(CCC)으로 치환하여, 더욱 충전을 계속한다. 스텝 103에 있어서 C가 CCC에 도달하였다고 판정하면, 충전을 종료한다.
즉, 충전효율이 낮아서 만충전되고 있지 않은 전지에 대해서는 더욱 충전하여, 만충전에 가까운 상태로 한다. 이에 따라, 용량이 큰 전지는 용량이 작은 전지와 비교해서 보다 과충전에 가까워지지만, 각 전지간의 용량 불균형을 작게할 수 있고, 전지의 용량을 충분히 끌어낼 수 있다.
또, 전지 내압의 상승을 억제하기 위해서는, 충전레이트는, 0.3C이하가 바람직하다.
상기 실시예에서는, 보정후의 상한용량(CCC)으로서 상한용량(CC)보다 30% 크게 한 값을 사용하였으나, 이보다 커지면, 과충전에 의한 폐해가 우려된다. 또한, 이보다도 작으면, 상기와 같은 효과가 적어진다.
실시예 2
본 실시예에서는, 마찬가지의 전원장치에 있어서의 방전제어에 대하여 설명한다.
도 3의 플로우차트를 이용하여 방전제어 동작을 설명한다. 방전이 시작되면, 제어부(4)는, 이차전지(5) 전체의 전압 검출을 시작한다.
스텝 201에 있어서, 제어부(4)는, 이차전지(5) 전체의 전압이 미리 설정된 컷오프 전압이 저하할 때까지 방전을 계속한다. 이 때의 이차전지(5) 충전량을 하한용량(Cd)으로 한다. 스텝 202에 있어서, 제어회로(10)는, 전압검출회로(6∼9)가 검출한 유니트(16∼19)의 전압값의 불균형(σd)을 미리 설정된 값(Dd)과 비교한다. σd가 Dd이내이면, 제어회로(10)는, 정상으로 방전이 행하여진 것으로 판단하여 방전회로(13)에 방전을 종료하는 신호를 발신한다. 이에 따라, 방전은 정상으로 종료한다. 그러나, σd가 Dd를 넘으면, 하한용량(Cc)을 보다 작은 보정하한용량(Cdc)으로 치환하여, 더욱 방전을 계속한다. 이차전지(5) 전체의 충전량이 Cdc로 저하할 때까지 방전되면 방전은 종료한다.
이상과 같이, 전지가 열화하였을 때에 컷오프 전압을 낮게 하여 방전함으로써, 메모리효과가 해소되어, 이차전지의 용량을 충분히 끌어 낼 수 있다.
상기 실시예에서는, 상한용량을 변경하여 충전하는 방법 및 방전시의 하한용량을 변경하는 방법을 각각 별개로 설명하였지만, 이들 방법을 조합하여도 좋다.
또, 상기와 같은 조작은, 반드시 계속적으로 행할 필요는 없다. 상기의 보정된 충방전을 한 번 행하면, 전지간의 용량 불균형은 거의 해소된다.
또한, 상기 실시예에서는, 전지간의 용량 불균형을 항상 감시하여, 불균형이 생겼을 때에, 설정된 상한용량 또는 하한용량을 변경하여 충방전하는 방법에 대하여 설명하였으나, 용량의 체크는 항상 행할 필요는 없고, 제어부에 충방전 사이클을 카운트하는 카운터 등을 배치하여, 일정 회수의 충방전 사이클이 이루어졌을 경우에, 상기와 같이 상한이나 하한을 변경하여도 좋다.
또한, 용량의 불균형이 커졌다고 추정되는 기간을 미리 제어회로에 기억시켜 두고, 그 기간이 경과한 경우에 상기한 바와 같이 설정치를 변경하여도 좋다. 이 때, 기억시키는 기간을, 예를 들면 전지의 온도를 가미하여 결정하면, 보다 효율적으로 용량의 불균형을 억제할 수 있다. 예를 들면, 배터리부가 고온하에 배치되어 있는 경우나, 배터리부내의 전지에 온도격차가 있는 경우에는, 설정기간을 짧게 한다.
상기 실시예에서는, 복수개의 전지로 구성되는 유니트마다 전압을 검출하였으나, 각 전지에 대하여 각각 전압검출회로를 배치하여도 좋다. 물론, 전압검출회로의 수나 각 유니트내의 전지 수는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명은, 전원장치의 신뢰성 향상을 도모할 수 있기 때문에, 모든 용도의 전원장치에 대하여 실시가능하다. 특히, 큰 용량을 필요로 하는 전기자동차의 구동용 전원에 사용하면 보다 유용하다.

Claims (8)

  1. 부하에 전력을 공급하기 위한 배터리부 및 상기 배터리부의 충전량이 설정치보다 커지면 충전을 정지하는 제어부를 구비하고, 상기 배터리부가 직렬 접속된 복수의 이차전지를 구비하며, 상기 제어부가 충전중의 상기 이차전지간의 충전용량 불균형이 커지면, 상기 배터리부의 충전량 설정치를 보다 큰 값으로 변경하는 기능과, 충전중의 상기 이차전지의 충전용량을 감시하는 기능을 구비하고, 검지된 충전용량의 불균형이 소정치보다 커졌을 때, 상기 배터리부의 충전량 설정치가 변경되는 전원장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 충전시의 충전레이트가 0.3C이하인 전원장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리부의 충전량 사이클이 소정 회수에 도달하였을 때, 상기 배터리부의 충전량 설정치가 변경되는 전원장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 앞의 방전으로부터 소정시간 경과후에 충전이 이루어지는 경우에, 상기 배터리부의 충전량 설정치가 변경되는 전원장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부가, 상기 배터리부의 방전량이 설정치보다 커지면 방전을 정지하는 기능, 및 방전중의 상기 이차전지간의 잔존용량의 불균형이커지면, 상기 배터리부의 방전량 설정치보다 큰 값으로 변경하는 기능을 더욱 구비한 전원장치.
  6. 부하에 전력을 공급하기 위한 배터리부 및 상기 배터리부의 방전량이 설정치보다 커지면 방전을 정지하는 제어부를 구비하고, 상기 배터리부가 직렬 접속된 복수의 이차전지를 구비하며, 상기 제어부가, 방전중의 상기 이차전지간의 잔존용량의 불균형이 커지면, 상기 배터리부의 방전량 설정치보다 큰 값으로 변경하는 기능과, 방전중의 상기 이차전지의 잔존용량을 감시하는 기능을 구비하고, 검지된 잔존용량의 불균형이 소정치보다 커졌을 때에, 상기 배터리부의 방전량 설정치가 변경되는 전원장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 배터리부의 충방전 사이클이 소정 회수에 도달하였을 때, 상시 배터리부의 방전량 설정치가 변경되는 전원장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 앞의 충전으로부터 소정시간 경과후에 방전이 이루어질 경우에, 상기 배터리부의 방전량 설정치가 변경되는 전원장치.
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