KR101344566B1

KR101344566B1 - 축전 시스템

Info

Publication number: KR101344566B1
Application number: KR1020127007617A
Authority: KR
Inventors: 다께시 나까시마; 다께히또 이께
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2013-12-26
Also published as: EP2670011A4; CN102577002A; KR20120085251A; JPWO2012050207A1; EP2670011A1; WO2012050207A1; US20120169290A1

Abstract

축전 시스템(10)은, 축전 장치(30)와, 축전 장치(30)에 접속 배치되는 충방전 스위치 장치(60)와 전원으로부터의 충전과 축전 장치(30)로부터 외부의 부하에의 방전을 제어하는 충방전 제어 장치인 제어 블록(80)과, 축전 장치(30)와 충방전 스위치 장치(60) 사이에 설치되는 축전 장치 브레이커(50)와, 축전 장치(30)와 축전 장치 브레이커(50)의 접속점에 있어서의 최근 상태 정보를 검지하는 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)와, 축전 장치 브레이커(50)와 충방전 스위치 장치(60)의 접속점에 있어서의 상류 상태 정보를 검지하는 상류 상태 검지부(62, 64, 66)를 구비한다.

Description

축전 시스템{ELECTRICITY STORAGE SYSTEM}

본 발명은 축전지가 브레이커를 통하여 접속되는 축전 시스템에 관한 것이다.

이차 전지 등의 축전 장치를 이용함으로써, 에너지의 유효 활용이 이루어지고 있다. 예를 들어, 최근 환경에 좋은 클린 에너지로서 태양광 발전 시스템의 개발이 활발히 행해지고 있지만, 태양광을 전력으로 변환하는 광전 변환 모듈은 축전 기능을 구비하고 있지 않기 때문에, 이차 전지와 조합하여 사용되는 경우가 있다. 예를 들어, 광전 변환 모듈에 의해 발전된 전력을 일단 이차 전지에 충전하고, 외부 부하의 요구 등에 따라 이차 전지로부터 방전하는 충방전 제어에 의해 에너지의 유효 활용이 행해지고 있다.

그와 같이, 이차 전지와 전원을 조합하여 충방전 제어를 행하는 축전 시스템을 구성할 때에 이차 전지인 축전 장치의 충전 상태를 감시하는 것이 필요하다.

예를 들어, 특허문헌 1에는, 태양광 전지를 사용한 독립형 전원의 제어 시스템으로서, 태양광 전지와, 승압 회로를 포함하는 효율 제어부와, 충방전 제어부와, 부하에 접속되는 축전지를 접속한 구성에 있어서, 태양광 전지와 효율 제어부 사이와, 축전지와 부하 사이에 각각 접점 브레이커를 설치하는 것이 개시되어 있다. 전자의 접점 브레이커는 태양광 발전의 발전 전력이 과잉일 때에 차단되고, 후자의 접점 브레이커는 축전지가 과방전이 될 우려가 있는 경우에 차단된다고 설명되어 있다. 여기에서는, 축전지 출력용 전력계/전압계가 충방전 제어부 중에 설치되어, 전류 제어 회로로부터 보내어지는 충전 전력에 있어서의 전압과 전류를 계측하지만, 전류 제어 회로로부터의 입력을 차단함으로써, 축전지의 출력 전압 및 출력 전류를 계측할 수 있다고 설명되어 있다.

일본 특허 공개 제2008-251612호 공보

축전지의 충전 상태는 축전지의 단자간 전압이나 입출력 전류에 기초하여 추정할 수 있으므로 축전지에는 전류·전압 검지부가 설치된다. 축전 장치가 복수의 축전지로 구성되어 있는 경우에도, 개개의 축전지에 전류·전압 검지부를 설치함으로써 각 축전지의 충방전 상태를 추정할 수 있다. 일반적으로는, 축전지를 보호하기 위하여 이상 발생 시에 반도체 스위치를 오프로 하여 축전지를 충방전 경로로부터 분리하는 것이 행해지고 있다. 그러나, 개개의 축전지에 설치된 전류·전압 검지부만으로는, 충방전 경로에 발생한 이상을 검지할 수 없기 때문에, 축전지를 적절하게 분리할 수 없다.

본 발명의 목적은, 축전 장치의 과충전이나 과방전을 방지하여 축전지를 보호하는 것을 가능하게 하는 축전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 관한 축전 시스템은, 축전지를 갖고, 전력원으로부터 공급되는 전력을 충전하고, 상기 충전된 전력을 외부 부하에 방전하는 축전 장치와, 충방전을 제어하는 충방전 제어부와, 충방전 상태를 감시하는 적정 충방전 감시부와, 축전 장치에 접속된 브레이커와, 브레이커보다도 전력원측으로부터 상류 상태 정보를 검지하는 상류 상태 검지부와, 브레이커보다도 축전지측으로부터 축전지 최근 상태 정보를 검지하는 축전지 최근 상태 검지부를 갖는다.

상기 구성에 의하면, 축전 장치의 과충전이나 과방전을 방지하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명에 관한 실시 형태의 축전 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 관한 실시 형태의 축전 시스템에 있어서, 제2 전압을 사용한 축전지 선택 제어를 설명하기 위해, 필요한 구성 요소를 추출하여 도시하는 도면이다.

이하에 도면을 사용하여, 본 발명에 관한 실시 형태를 상세하게 설명한다. 이하에서는, 축전지로서 리튬 이온 전지를 설명하지만, 이 이외의 이차 전지이어도 좋다. 예를 들어 니켈수소 전지, 니켈카드뮴 전지 등이어도 좋다.

또한, 이하에서, 전력원으로서, 태양광 발전 전력과 외부 상용 전력을 설명하지만, 이외의 전력원, 예를 들어 풍력 발전 전력 등이어도 좋다. 또한, 풍력 발전 전력 등을 사용하는 경우, 필요에 따라 축전 시스템 내에 직류 전력으로의 변환 장치를 설치해도 좋다. 또한, 이하에서 설명하는 축전 장치를 구성하는 축전지의 개수, 태양광 발전을 위한 광전 변환 어레이를 구성하는 태양광 발전 모듈(패널)의 개수, 전압값 등은 설명을 위한 예시이며, 축전 시스템의 사양 등에 따라 적절히 변경이 가능하다.

또한, 이하에서는, 모든 도면에 있어서 마찬가지의 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 본문 중의 설명에서는, 필요에 따라 그 이전에 설명한 부호를 사용하는 것으로 한다.

도 1은, 축전 시스템(10)의 구성을 설명하는 도면이다. 이 축전 시스템(10)은, 축전 장치(30)와, 부하측 브레이커(26)와, 축전 장치 브레이커(50)와, 충방전 스위치 장치(60)와, 제어 블록(80)을 포함하여 구성된다. 또한, 도 1에는, 축전 시스템(10)의 구성 요소는 아니지만, 전원으로서의 외부 상용 전원(12)과, 광전 변환 어레이(14)와, 외부 부하로서의 AC 부하(16), DC 부하(18), DC 부하(18)에 적합한 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터(28)가 도시되어 있다. 이하에서는, 경우에 따라, 교류를 AC, 직류를 DC로서 나타내기로 한다. 또한, 도 1에 있어서 굵은 실선은 전력의 흐름을 나타내고, 끝에 화살표가 있는 실선은 신호의 흐름을 나타낸다.

AC 부하(16)는, 교류 전력으로 구동되는 장치 등이며, 예를 들어 회전 전기, 공조 장치, 가공 기계, 조립 기계 등의 기계 장치이다. DC 부하(18)는, 직류 전력으로 구동되는 장치 등이며, 예를 들어 사무 기기, 조명 장치 등이다. DC/DC 컨버터(28)는, 예를 들어 축전 장치(30)로부터 공급되는 96V의 직류 전력을 약 12V의 직류 전력으로 하여, 사무 기기 등에 적합한 것으로 하는 전압 변환기이다.

전력원으로서의 외부 상용 전원(12)은, 단상 또는 3상의 교류 전력원이다. 전력원으로서의 광전 변환 어레이(14)는, 복수의 태양광 발전 모듈(패널)을 조합한 직류 전력원이며, 도 1의 예에서는, 복수의 태양광 발전 모듈(패널)을 배치한 태양광 발전 블록이 4조 사용되고 있다. 이 4조의 태양광 발전 블록은, 서로 병렬로 접속되어 있다. 각 태양광 발전 블록에 배치되어 있는 6개의 태양광 발전 모듈을 직렬로 접속하면 약 240V의 출력 동작 전압으로 할 수 있고, 각 태양광 발전 블록에 배치되어 있는 태양광 발전 모듈의 3개를 직렬로 접속하고, 이들을 병렬로 접속하면, 약 120V의 출력 동작 전압으로 할 수 있다.

전환 장치(20)는, 광전 변환 어레이(14)를 구성하는 복수의 태양광 발전 모듈(패널)의 접속 상태를 변경하여, 상기한 바와 같이 출력 동작 전압을 약 240V와 약 120V 사이에서 전환하는 기능을 갖는 접속 전환 장치이다. 전환에 의해 출력 동작 전압이 전환되므로, 그 관점에서는 전압 전환 장치라고 칭할 수 있다. 또한, 넓은 의미에서는, 전원의 형태를 변경하여, 태양광 발전을 240V 직류 전원 또는 120V 직류 전원으로 변환하는 것이므로, 전원 변환 장치의 1종이라고 생각할 수도 있다.

또한, 전환 장치(20)는, 광전 변환 어레이(14)의 발전 전력을 DC/AC 인버터(22)측 또는 충방전 스위치 장치(60)에 택일적으로 전환 가능하게 접속하는 기능을 갖는다.

광전 변환 어레이(14)를 DC/AC 인버터(22)측에 접속하는 경우에는 6개의 태양광 발전 모듈을 직렬로 접속(직렬 접속 형태)하고, 태양광 발전 모듈에 있어서 발전된 전력을 비교적 높은 전압으로 DC/AC 인버터(22)에 공급할 수 있다. 직렬 접속 형태에 있어서는 광전 변환 어레이(14)와 충방전 스위치 장치(60)는 전기적으로 절단되어 있다. 광전 변환 어레이(14)를 충방전 스위치 장치(60)에 접속하는 경우에는, 태양광 발전 모듈 3개를 직렬로 접속하고, 이들을 병렬로 접속(병렬 접속 형태)하여, 태양광 발전 모듈에 있어서 발전된 전력을 비교적 낮은 전압으로 충방전 스위치 장치(60)에 공급할 수 있다. 병렬 접속 형태에 있어서는, 광전 변환 어레이(14)와 DC/AC 인버터(22)는, 전기적으로 절단되어 있다.

전환 장치(20)와 제어 블록(80)은 도시되어 있지 않으나 통신선으로 연결되어, 제어 블록(80)으로부터의 명령에 의해 직렬 접속 형태와 병렬 접속 형태의 전환이 행하여지고, 또한 현재가 어느 접속 형태인지의 정보가 제어 블록(80)으로 전송된다. DC/AC 인버터(22)에 전력을 공급하는 경우는, 약 240V의 출력 동작 전압이 되는 직렬 접속 상태로 된다.

DC/AC 인버터(22)는, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환기이며, 넓은 의미의 전원 변환 장치의 1종이라고 생각할 수 있다. DC/AC 인버터(22)는 전환 장치(20)로부터의 약 240V의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, AC 부하(16)에 공급하는 기능을 갖는다. 경우에 따라서는 외부 상용 전원측으로 되돌리는, 소위 역상 또는 매전을 행할 수 있다.

AC/DC 컨버터(24)는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 전력 변환기이며, 넓은 의미의 전원 변환 장치의 1종이라고 생각할 수 있다. AC/DC 컨버터(24)는, 축전 장치(30)로부터 DC 부하(18)로 직류 전력이 공급되지 않을 때에 백업 전력으로서 외부 상용 전원(12)으로부터의 교류 전력 또는 DC/AC 인버터(22)에 의해 변환된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것이다. 예를 들어, 축전 장치(30)가 어떤 이유로 방전이 제한되었을 때 등에 AC/DC 컨버터(24)를 통하여 직류 전력이 DC 부하(18)에 공급된다.

AC/DC 컨버터(24)와 제어 블록(80)은, 도시되어 있지 않으나, 디지털 데이터를 교신할 수 있는 통신선으로 접속되어, 제어 블록(80)으로부터 동작 조건의 설정, 출력하는 직류 전력의 명령값 설정 등이 전송되고, AC/DC 컨버터(24)로부터는 동작 상태 데이터 등이 제어 블록(80)으로 전송된다.

부하측 브레이커(26)는 축전 시스템(10)과 DC 부하(18)의 측 사이에 설정되는 전력 차단 장치이다. 부하측 브레이커(26)는, 축전 장치(30) 등으로부터의 직류 전력을 DC/DC 컨버터(28)를 통하여 DC 부하(18)에 공급할 때에 미리 정해진 임계값 이상의 전류가 흐를 때에 전력의 흐름을 차단하는 기능을 갖는다.

부하측 브레이커(26)는 수동식이며, 접속 상태인 통전 상태로 하기 위해서는 유저가 수동으로 스위치 조작을 행한다. 부하측 브레이커(26)와 제어 블록(80)은, 도시되어 있지 않으나, 스테이터스 신호를 송신하는 통신선으로 접속되어, 제어 블록(80)에서는 부하측 브레이커(26)가 현재 접속 상태에 있는지 차단 상태에 있는지를 알 수 있다.

충방전 스위치 장치(60)는, 전원으로부터의 충전과 축전 장치(30)로부터 외부의 부하로의 방전을 행하기 위하여 축전 장치(30)에 접속되도록 배치되는 충방전 전환 장치이다. 구체적으로 충전 경로측으로서 전환 장치(20)와 축전 장치(30) 사이, 방전 경로측으로서, 부하측 브레이커(26)와 축전 장치(30) 사이에 배치된다.

충방전 스위치 장치(60)는, 충전 경로측의 충전 스위치(70)와, 방전 경로측의 방전 스위치(74)와, 복수의 축전지(32, 34, 36)의 충전 상태에 따라 충전 또는 방전하는 축전지를 선택할 수 있는 축전지 선택 회로(68)를 포함한다. 또한, 충방전 상태를 검지하기 위해, 축전 장치(30)측에 상류 상태 검지부(62, 64, 66)가 설치되고, 또한 충전 스위치(70)의 전환 장치(20)측에 충전측 전류·전압 검지부(72)가 설치되고, 방전 스위치(74)의 부하측 브레이커(26)측에 방전측 전류·전압 검지부(76)가 설치된다.

충전 스위치(70)와 방전 스위치(74)는 전기 신호로 온·오프하는 반도체 스위치 소자이며, 구체적으로는 전계 효과 트랜지스터(FET)를 사용할 수 있다. 상류 상태 검지부(62, 64, 66)와 충전측 전류·전압 검지부(72)와 방전측 전류·전압 검지부(76)는, 전압 검출 센서와 전류 검출 센서로 구성할 수 있다. 또한, 축전 장치(30)는, 도 1에 도시한 바와 같이 3개의 축전지(32, 34, 36)로 구성되어 있으므로, 각각의 축전지(32, 34, 36)에 대응하여, 상류 상태 검지부(62, 64, 66)가 각각 설치된다. 축전 장치(30)를 구성하는 축전지의 수는 3개에 한정되는 것이 아니라, 필요해진 전력에 기초하여 증감하면 되지만, 충전과 방전의 경로는, 충방전 스위치 장치(60)를 설치함으로써 축전 시스템(10)으로 하여, 마치 1개의 전지로서 거동하는 것이 중요하다.

충전 스위치(70)와 방전 스위치(74)는 제어 블록(80)과 충방전 명령이 전송되는 통신선으로 접속된다. 제어 블록(80)으로부터의 충방전 명령은, 스위치의 온·오프를 나타내는 0/1 신호로 행하여진다. 상류 상태 검지부(62, 64, 66)와 충전측 전류·전압 검지부(72)와 방전측 전류·전압 검지부(76)는, 각각 제어 블록(80)과, 검출된 정보를 송신할 수 있는 통신선으로 접속된다.

축전 장치 브레이커(50)는, 부하측 브레이커(26)와 마찬가지로, 미리 정해진 임계값 이상의 전류가 흐를 때에 전력의 흐름을 차단하는 기능을 갖는다. 축전 장치 브레이커(50)는 축전 장치(30)와 충방전 스위치 장치(60) 사이에 설치되고, 축전 장치(30)를 구성하는 3개의 축전지(32, 34, 36) 각각에 대응한, 3개의 브레이커(52, 54, 56)로 구성된다. 도 1에서는 브레이커(52)가 축전지(32), 브레이커(54)가 축전지(34), 브레이커(56)가 축전지(36)에 각각 대응하여 배치된다. 또한, 3개의 브레이커(52, 54, 56)는, 동일한 형상이고 또한 동일한 성능의 축전지 브레이커이지만, 개개의 축전지 브레이커와 3개의 축전지 브레이커의 집합체인 축전 장치 브레이커(50)를 구별하기 위해, 여기서는, 개개의 축전지 브레이커를, 간단히 브레이커(52, 54, 56)라고 칭하기로 한다.

축전 장치 브레이커(50)는, 제어 블록(80)와의 사이에서 디지털 데이터의 송수신을 행하는 기능을 갖고, 제어 블록(80)의 명령에 의해 접속 상태로부터 차단 상태로의 전환을 행할 수 있고, 또한 현재의 상태가 접속 상태인지 차단 상태인지를 스테이터스 신호로 제어 블록(80)으로 전송한다. 명령 신호와 스테이터스 신호는 모두 0/1 신호로 전송이 행하여진다. 또한, 도 1에서는, 스테이터스 신호를 송신하는 신호선의 도시를 생략하고 있다. 이들 신호의 전송은, 각 브레이커(52, 54, 56)마다 행하여진다. 또한, 축전 장치 브레이커(50)는 부하측 브레이커(26)와 마찬가지로, 유저의 수동에 의한 스위치 조작으로 차단 상태로부터 통전을 행하는 접속 상태로 전환할 수 있다.

축전 장치(30)는, 축전지(32, 34, 36)가 병렬로 접속됨으로써 구성된다. 축전지(32, 34, 36)는 복수의 리튬 이온 단전지를 조합한 조전지이며, 충방전 가능한 이차 전지이며, 각각 2개의 축전지 팩(92, 94, 96)이 직렬로 접속된 구성으로 되어 있다. 이 축전지 팩(92, 94, 96)은 복수의 리튬 이온 단전지가, 직렬 및 병렬로 조합되어, 1개의 조전지 케이스 내에 수용된 것이다.

축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)는, 축전지 팩(92, 94, 96)마다 그 조전지 케이스의 내부에 배치되어 설치되고, 축전지 팩의 내부 상태로서, 축전지 팩의 +- 사이의 전압, 축전지 팩에 흐르는 전류, 축전지 팩 내부의 습도 등을 검출하여 제어 블록(80)으로 전송하는 기능을 갖는 센서 군이다. 또한, 내부 상태로서, 과전류, 과방전, 과충전 등의 이상 상태를 검출하여 제어 블록(80)으로 전송하는 기능도 갖는다. 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)와 제어 블록(80) 사이는 축전지 팩의 내부 상태를 디지털 신호로서 전송할 수 있는 신호선으로 접속된다.

또한, 축전지(32, 34, 36)에는 축전지 팩이 2개씩 직렬 접속되어 있고, 축전지 최근 상태 검지부는 축전지 팩마다 설치되기 때문에, 합계 6개의 축전지 최근 상태 검지부가 축전 장치(30) 내에 설치되게 된다. 축전지 팩 내에 설치된 2개의 축전지 최근 상태 검지부의 신호선은, 제어 블록(80)과 접속되어 있다.

이와 같이, 각 축전지(32, 34, 36)는, 그 조전지 케이스 내에 각종 센서와, 그 검출 신호에 관한 송수신 회로를 갖고 있다. 또한, 이하 간단화를 위하여, 축전지(32, 34, 36) 각각에 설치된 2개의 축전지 최근 상태 검지부를 총칭하여, 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)라고 칭한다.

제어 블록(80)은, 축전 시스템(10)의 충방전에 관한 것이며, 각 구성 요소를 전체적으로 제어하는 기능을 갖는 제어 장치이다. 제어 블록(80)에 접속되는 표시부(82)는 자기 진단 기능 등을 실행할 때의 에러 내용 등을 표시할 수 있는 소형 디스플레이이다. 운전 램프(84)는 축전 시스템(10)이 운전 상태일 때에 점등하는 표시등이다. 에러 램프(86)는, 축전 시스템(10)에 이상이 발생했을 때에 점등하는 경고 표시등이다. 따라서 축전 시스템(10)이 정상적으로 운전되어 있을 때는, 운전 램프(84)는 점등되고, 에러 램프(86)는 소등된다.

제어 블록(80)은 상기와 같이 축전 시스템(10)의 동작을 전체적으로 제어하는 기능을 갖는다. 제어 블록(80)은, 충전 스위치(70)와 방전 스위치(74)의 온·오프 제어에 의해 축전 장치(30)의 충방전을 제어하는 충방전 제어부(160)와, 상류 상태 검지부(62, 64, 66)의 데이터에 기초하여 축전지(32, 34, 36) 중에서 충전 또는 방전하는 축전지를 선택하는 축전지 선택 제어부(200)와, 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)의 데이터에 기초하여, 축전지(32, 34, 36)가 과충전 또는 과방전이 되지 않도록 감시하는 적정 충방전 감시부(202)를 포함하여 구성된다.

이러한 기능은 소프트웨어를 실행함으로써 실현할 수 있고, 구체적으로는 축전 시스템 충방전 프로그램을 실행함으로써 실현할 수 있다. 이들 기능의 일부를 하드웨어로 실현하는 것으로 해도 좋다.

상기 구성의 작용, 특히 제어 블록(80)의 각 기능에 대하여 이하에 상세하게 설명한다. 상기와 같이, 축전 시스템(10)에 있어서, 축전 장치(30)에 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)가 설치되고 충방전 스위치 장치(60)에 상류 상태 검지부(62, 64, 66)가 설치된다. 즉, 축전 장치(30)와 축전 장치 브레이커(50)의 접속점에 있어서의, 예를 들어 전압 등의 축전지 최근 상태 정보가 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)에 의해 검지되고, 축전 장치 브레이커(50)와 충방전 스위치 장치(60)의 접속점에 있어서의, 예를 들어 전압 등의 상류 상태 정보가 상류 상태 검지부(62, 64, 66)에 의해 검지된다. 이에 의해, 축전 장치(30)에 관한 상태 정보가 2개소에서 검출되므로 이 2개를 구별하여 전자의 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)에 의해 검지되는 전압을 제1 전압, 후자의 상류 상태 검지부(62, 64, 66)에 의해 검지되는 전압을 제2 전압이라고 칭하기로 한다.

적정 충방전 감시부(202)는, 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)에 의해 검지되는 제1 전압을 포함하는 정보를 입력 데이터로 하여, 각 축전지(32, 34, 36)의 충전 상태 등을 추정하여, 적정 범위에 있는지의 여부를 감시하는 기능을 갖는다. 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)는, 각 축전지(32, 34, 36)에 관한 제1 전압, 전류, 온도를 검지 정보로서 전송해 오므로, 이들로부터 각 축전지(32, 34, 36)의 충방전 상태인 SOC(State Of Charge)를 추정하여 산출한다. 구체적으로는, 각 축전지(32, 34, 36)에 관한 충전 전류와 방전 전류를 누적 계산하여, 축전지 용량에 대한 충전량을 구하고, 온도 의존성을 고려하여 SOC로 할 수 있다. 또한, 적정 충방전 감시부(202)는, SOC와 전압의 관계를 미리 구해 두고, 특정한 상태일 때에는, 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)가 검지한 제1 전압을 사용하여 SOC를 산출하는 방법과 병용해도 좋다. 예를 들어, 완전 방전 상태, 만충전 상태, 과방전 상태, 과충전 상태에 해당하는 경우만 전압을 사용하는 방법으로 SOC 산출을 행하고, 그 이외는 상술한 전류를 누적 계산하는 방법으로 SOC를 구해도 좋다.

적정 충방전 감시부(202)에 의해 검지된 제1 전압은, 상기와 같이 특정한 상태일 때의 전압(임계값)과 비교하여, 각 축전지(32, 34, 36)가 과충전 또는 과방전이 되지 않도록 감시된다. 예를 들어, 만충전 시 전압 105V, 완전 방전 시 전압 80V, 과충전 전압 110V, 과방전 전압 65V로 한 시스템인 경우, 적정 충방전 감시부(202)는, 제1 전압이 105V 이상 110V 미만, 혹은 65V 초과 80V 이하는 과충전·과방전의 우려는 없지만 바람직하지 않은 상태라고 판단하여, 충전 스위치(70) 또는 방전 스위치(74)를 강제 오프로 한다. 제1 전압이 110V 이상 혹은 65V 이하인 경우는, 과충전 혹은 과방전의 우려가 있는 이상 상태라고 판단하여, 차단 명령을 당해 축전지에 대응하는 브레이커(52, 54, 56)에 출력함으로써, 당해 브레이커를 차단한다. 제1 전압이 80V 초과 105V 미만인 경우는 과충전도 아니고, 과방전도 아닌 적정 상태라고 판단하여, 충전 스위치(70)와 방전 스위치(74)의 온·오프 제어에 의해 충방전 제어를 행한다.

적정 충방전 감시부(202)의 감시 결과, 적정 상태라고 판단되어, 충전 스위치(70)와 방전 스위치(74)의 온·오프 제어를 행하는 상태일 때는, 그 정보가 충방전 제어부(160)에 전송되어, 충방전 제어부(160)는, 요구 충방전량에 따라, 충전 스위치(70)와 방전 스위치(74)의 온·오프 제어를 행할 수 있다. 또한, 축전 장치 브레이커(50)를 차단하는 이상 상태일 때는, 축전 장치 브레이커(50)에 대하여 차단 명령을 송신한다. 도 1에서는 적정 충방전 감시부(202)로부터 축전 장치 브레이커(50)로 차단 명령을 내리도록 도시되어 있지만, 차단 명령을 내리는 기능을 충방전 제어부(160)의 기능으로 해도 좋다. 이렇게 적정 충방전 감시부(202)는, 축전 장치(30) 그 자체의 전압인 제1 전압에 기초하여, 축전 장치(30)가 과충전 또는 과방전이 되지 않도록 감시를 행할 수 있다.

이어서, 축전지 선택 제어부(200)의 기능에 대하여 도 2를 사용하여 설명한다. 도 2는, 축전 시스템(10)의 구성 요소 중에서, 축전 장치(30), 축전 장치 브레이커(50), 방전 스위치 장치(60)를 추출하여 도시하는 도면이다.

축전지 선택이란, 각 축전지(32, 34, 36)에 있어서 충전 상태에 차가 있을 때에, 미리 정한 선택 기준에 따라, 충방전을 위하여 사용하는 축전지를 특정하여 선택하는 것이다. 각 축전지(32, 34, 36)의 충전 상태는 제1 전압으로 대용할 수 있지만, 이 제1 전압은, 실제로 충전 스위치(70), 방전 스위치(74)의 온·오프가 행하여지는 충방전 스위치 장치(60)로부터 보면, 축전 장치 브레이커(50)를 이격시키고 있다. 축전 장치 브레이커(50)를 구성하는 각 브레이커(52, 54, 56)는 내부 저항을 갖는데, 각각의 내부 저항값은 동일하다고는 할 수 없다. 또한, 축전 장치(30)의 설치 장소에 따라서는 축전 장치(30)와 충방전 스위치 장치(60)를 접속하는 배선이 길어져, 배선의 내부 저항값이 커진다. 따라서, 축전지 선택을 위하여 사용되는 충전 상태를 대용하는 축전지 전압으로서는, 축전 장치 브레이커(50)나 내부 저항에 의한 오차가 발생하지 않는 제2 전압을 사용한다.

도 2에 있어서, 충방전 스위치 장치(60) 중에 포함되는 축전지 선택 회로(68)는, 충전 스위치(70)와 각 상류 상태 검지부(62, 64, 66) 각각과의 사이에 저항 소자 R1, R2, R3이 각각 직렬 접속된다. 이 저항 소자 R1, R2, R3은, 각 축전지(32, 34, 36)의 충전 상태에 차가 있고, 각각에 대응하는 제2 전압에 차가 있을 때에 전류를 조금씩 흘려 시간을 들여 그 차를 작게 하는 기능을 갖는다.

또한, 축전지 선택 회로(68)는, 방전 스위치(74)와 각 상류 상태 검지부(62, 64, 66) 각각과의 사이에 스위칭 소자 TR1, TR2, TR3이 각각 직렬 접속된다. 스위칭 소자 TR1, TR2, TR3은 FET로 구성할 수 있다. 이 스위칭 소자 TR1, TR2, TR3은, 온함으로써 대응하는 축전지를 L1로서 나타나는 충방전 라인에 접속하고, 오프함으로써 대응하는 축전지를 충방전 라인 L1로부터 분리하는 기능을 갖는 선택 스위치이다.

TR4는, 충방전 라인 L1과 서브 라인 L2를 접속하여, 저항 소자 R1, R2, R3을 통하여 각 축전지(32, 34, 38)를 충방전 가능하게 하기 위한 스위치 소자이다.

리튬 이온 전지는, 내부 저항이 낮으므로, 도 2와 같이 충방전 라인 L1에 병렬 접속하면, 제2 전압이 높은 축전지 쪽으로부터 제2 전압이 낮은 축전지 쪽으로 큰 전류가 흐른다. 각각의 축전지에 대응하는 제2 전압의 차가 지나치게 크면, 흐르는 전류가 지나치게 커져, 축전지를 손상시키는 일이 발생한다.

따라서, 제2 전압이 미리 정해진 소정 범위에 들어가 있는 축전지만을 충방전 라인 L1에 접속하는 것으로 하고, 제2 전압이 소정 범위에 들어가 있지 않은 축전지는, 충방전 라인 L1에 접속하지 않는 것으로 한다. 이와 같이, 제2 전압의 값에 기초하여, 충방전에 사용하는 축전지를 특정하여 선택한다. 이것이 축전지 선택 제어의 내용이다.

이와 같이, 축전지 선택 제어에서는, 어느 축전지를 충방전에 사용할지를 1V 미만의 전압차에 의해 행할 필요가 있어, 축전 장치 브레이커(50)를 통한 제1 전압으로는 정확한 선택이 곤란하다. 따라서 제2 전압을 사용하여 축전지 선택이 행하여진다. 또한, 제2 전압으로 각 축전지(32, 34, 36)의 적정 충방전 감시를 행하는 것은, 역시 축전 장치 브레이커(50)를 통한 전압값으로 되기 때문에, 정확한 감시가 곤란하다. 또한 어떠한 원인으로, 예를 들어 축전지(34)에 이상이 발생하여, 브레이커(52, 54, 56) 중 브레이커(54)만이 차단된 경우, 브레이커(54)의 상류에 있어서의 제2 전압은, 브레이커(52, 56)의 상류에 있어서의 제2 전압에 가까운 값이 된다.

즉, 브레이커(54)가 차단된 후는 적어도 상류 상태 검지부(64)의 전압 출력은, 축전지(34)의 SOC를 측정하는 데이터로서는, 무시해야 한다. 따라서, 제2 전압으로 각 축전지(32, 34, 36)의 적정 충방전 감시를 행한 경우, 어느 한 브레이커만이 차단되었을 때에 그 브레이커에 대응하는 축전지의 SOC를 적절하게 인식할 수 없다.

한편, 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)의 값은, 브레이커(52, 54, 56) 중 어느 하나가 차단된 상태에서도 축전지의 전압으로 하여 정확한 값을 출력한다. 따라서, 제1 전압으로 적정 충방전 감시를 행하면, 고장난 축전지를 새로운 축전지로 교환한 시점에서 새로운 축전지의 적절한 SOC·전압 등을 파악할 수 있어, 브레이커를 재접속할 때에 전압이 상이한 축전지가 접속된 것에 기인하여 대전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.

이상의 이유로, 제1 전압과 제2 전압을 각각 적정 충방전 감시와 축전지 선택 제어로 구분지어 사용하는 것이 행하여진다. 이렇게 함으로써, 축전 장치(30)와 충방전 스위치 장치(60) 사이에 설치되는 축전 장치 브레이커(50)의 영향을 억제하여 충방전 제어를 행하여, 어느 한 브레이커만이 차단된 경우에도 축전지의 적절한 SOC를 인식할 수 있다.

또한, 통상은 제2 전압의 값에 기초하여 축전지 선택을 행하고 있지만, 브레이커(52, 54, 56) 중 어느 하나가 차단되어 있는 경우에는 제2 전압을 측정할 수 없게 된다. 이 경우, 제1 전압의 값을 대용함으로써 축전지 선택 제어를 행할 수 있다. 또한, 제2 전압을 측정하는 것은, 각 축전지(32, 34, 36) 내의 축전지 팩(92, 94, 96)이 다직렬인 경우에 각 축전지 팩(92, 94, 96)의 전압을 각각 합산 처리하지 않고, 측정된 값을 처리없이 이용할 수 있기 때문에, 축전 장치의 이상 판단에 사용하기에 적합하다.

제어 블록(80)은, 각 축전지(32, 34, 36)에 대응하는 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)로 검지된 축전지 최근 상태 정보와 상류 상태 검지부(62, 64, 66)로 검지된 상류 상태 정보를 비교하여 이들 사이의 차가 미리 정해진 값을 초과할 때는 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)와 상류 상태 검지부(62, 64, 66) 사이에 접촉 불량이나 누전, 검지부 에러 등의 이상이 있다고 판단하여, 축전 장치 브레이커(50)에 대하여 차단 명령을 송신하다. 또한, 미리 정해진 값은 고정값이어도 좋고, 전류값에 따라 변화하는 값이어도 좋다.

예를 들어, 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)와 상류 상태 검지부(62, 64, 66) 사이의 전류차를 측정하여 1A를 초과하는 경우는, 전류 누설이 발생할 가능성이 있다고 판단하여, 축전지 브레이커(50)에 대하여 차단 명령을 송신한다. 또한, 축전지 최근 상태 검지부(38, 40, 42)와 상류 상태 검지부(62, 64, 66) 사이의 전압차를 측정하여 3V를 초과하는 경우는 상정 이상의 접촉 불량 등에 의한 저항 부분이 있다고 판단하여, 축전지 브레이커(50)에 대하여 차단 명령을 송신한다. 또한, 고정값이 아니라, 전류값×(접촉 불량 발생에 수반하는 상정 저항 증가분)로 계산되는 전압으로 해도 좋다. 접촉 불량 발생에 수반하는 상정 저항 증가분은, 예를 들어 1Ω이다. 이 경우, 전술한 접촉 불량 이외에 검지부 자체의 에러도 생각할 수 있기 때문에 전압차가 3V 이상이면, 일단 충방전 스위치 장치(60)를 오프로 하여, 전류를 차단한 상태에서 또한 전압차가 있는 상태가 계속되면 검지부 에러라고 판단하고, 전압차가 해소되면, 접촉 불량의 발생이라고 판단하는 것 등을 생각할 수 있다.

<산업상 이용가능성>

본 발명에 관한 축전 시스템은, 복수의 축전지와 브레이커를 구비하는 시스템에 이용할 수 있다.

10: 축전 시스템
12: 외부 상용 전원
14: 광전 변환 어레이
16: AC 부하
18: DC 부하
20: 전환 장치
22: DC/AC 인버터
24: AC/DC 컨버터
26: 부하측 브레이커
28: DC/DC 컨버터
30: 축전 장치
32, 34, 36: 축전지
38, 40, 42: 축전지 최근 상태 검지부
50: 축전 장치 브레이커
52, 54, 56: 브레이커
60: 충방전 스위치 장치
62, 64, 66: 상류 상태 검지부
68: 축전지 선택 회로
70: 충전 스위치
72: 충전측 전류·전압 검지부
74: 방전 스위치
76: 방전측 전류·전압 검지부
80: 제어 블록
82: 표시부
84: 운전 램프
86: 에러 램프
92, 94, 96: 축전지 팩
160: 충방전 제어부
200: 축전지 선택 제어부
202: 적정 충방전 감시부

Claims

축전지를 갖고, 전력원으로부터 공급되는 전력을 충전하고, 상기 충전된 전력을 외부 부하에 방전하는 축전 장치와,
충방전을 제어하는 충방전 제어부와,
충방전 상태를 감시하는 적정 충방전 감시부와,
상기 축전 장치에 접속된 브레이커와,
상기 전력원과 상기 브레이커 사이에 접속되며, 상류 상태 정보를 검지하는 상류 상태 검지부와,
상기 브레이커와 상기 축전지 사이에 접속되며, 축전지 상태 정보를 검지하는 축전지 상태 검지부를 구비하고,
상기 충방전 제어부는, 상기 상류 상태 검지부에 의해 검지된 상기 상류 상태 정보와, 상기 축전지 상태 검지부에 의해 검지된 상기 축전지 상태 정보를 비교하여, 그 차가 미리 정해진 값을 초과하는 경우 상기 브레이커에 차단 명령을 출력하여 상기 축전지를 상기 전력원 또는 상기 외부 부하 중 적어도 한쪽으로부터 차단하는, 축전 시스템.
제1항에 있어서,
상기 상류 상태 검지부를 포함하고, 상기 축전 장치에 접속되는 충방전 스위치 장치를 더 포함하고,
상기 브레이커는 상기 축전 장치와 상기 충방전 스위치 장치 사이에 설치되는, 축전 시스템.
삭제