KR102271514B1 - 전원 장치 - Google Patents

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슈지 도무라
나오키 야나기자와
가즈오 오츠카
준타 이즈미
겐지 기무라
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

전원 장치는, 제어 컨트롤러(104)와, 복수의 전지 모듈(102)이며, 상기 제어 컨트롤러(104)로부터의 게이트 구동 신호에 따라서 상기 복수의 전지 모듈(102)이 서로 직렬 접속되는 직렬 접속을 구성하고, 상기 전지 모듈을 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리하도록 구성되는 절단 장치(22)를 갖는 복수의 전지 모듈(102)을 구비한다. 상기 제어 컨트롤러(104)는, 상기 절단 장치(22)에 의해 전지 모듈을 직렬 접속으로부터 분리하기 전과 직후의 상기 전지 모듈의 모듈 전압과, 상기 전지 모듈로부터 출력되는 모듈 전류로부터 상기 직렬 접속으로부터 분리된 상기 전지 모듈의 내부 저항을 추정하도록 구성된다.

Description

전원 장치{POWER SUPPLY SYSTEM}
본 발명은, 전지 모듈을 직렬 접속하여 전력을 공급하는 전원 장치에 관한 것이다.
복수의 전지 모듈을 직렬로 접속하여, 부하에 전력을 공급(역행)하는 전원 장치가 이용되고 있다. 전지 모듈에 포함되는 전지를 이차 전지로 한 경우, 부하측으로부터 전지로 충전(회생)을 행할 수도 있다.
이러한 전원 장치에 있어서, 게이트 구동 신호에 기초하여 각 전지 모듈을 부하에 접속하거나, 분리하거나 하는 스위칭 회로를 구비한 구성이 제안되어 있다. 이러한 회로 구성에 있어서, 지연 회로를 통한 게이트 구동 신호로 각 전지 모듈의 스위칭 회로를 구동시킴으로써 전압 제어를 행하고 있다(일본 특허공개 제2018-074709).
또한, 이차 전지의 전지 전압과 전류를 반복해서 측정하는 제1 단계와, 충전 시 또는 방전 시에 있어서의 전류의 절댓값이 점차적으로 감소한 후에 방전 시 또는 충전 시에 있어서의 전류의 절댓값이 점차적으로 증대하는 경우에 이차 전지의 충전과 방전의 전환 시점을 기준으로 하여 동일한 시간이라고 추정되는 시점에 있어서의 충전 시의 전지 전압 및 전류값, 및 방전 시의 전지 전압 및 전류값을 이용하여 이차 전지의 내부 저항을 계산하는 제2 단계로부터 이차 전지의 내부 저항을 연산하는 방법이 개시되어 있다(일본 특허공개 제2010-249770).
전원 장치에서는, 전지 모듈에 포함되는 전지의 열화 상황 등을 알기 위해서 전지의 내부 저항을 고정밀도로 측정할 수 있는 것이 바람직하다. 그러나, 전지의 내부 저항을 측정하기 위해서 각 전지 모듈에 전류 센서를 마련하면 전원 장치의 제조 비용의 증대로 이어진다.
본 발명의 제1 양태는, 전원 장치를 제공한다. 이 전원 장치는, 제어 컨트롤러와, 이차 전지를 갖는 복수의 전지 모듈이며, 상기 제어 컨트롤러로부터의 게이트 구동 신호에 따라서 상기 복수의 전지 모듈이 서로 직렬 접속되는 직렬 접속을 구성하고, 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리하도록 구성된 절단 장치를 갖는 복수의 전지 모듈을 구비한다. 상기 제어 컨트롤러는, 상기 절단 장치에 의해 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 분리하기 전과 직후의 상기 전지 모듈의 모듈 전압과, 당해 전지 모듈로부터 출력되는 모듈 전류로부터 상기 직렬 접속으로부터 분리된 상기 전지 모듈의 내부 저항을 추정하도록 구성된다.
본 발명의 제2 양태는, 다른 전원 장치를 제공한다. 이 전원 장치는, 제어 컨트롤러와, 이차 전지를 갖는 복수의 전지 모듈이며, 상기 제어 컨트롤러로부터의 게이트 구동 신호에 따라서 상기 복수의 전지 모듈이 서로 직렬 접속되는 직렬 접속을 구성하고, 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리하도록 구성된 절단 장치를 갖는 복수의 전지 모듈을 구비한다. 상기 제어 컨트롤러는, 상기 절단 장치에 의해 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 분리한 상태로부터 상기 직렬 접속으로 접속하기 전과 직후의 상기 전지 모듈의 모듈 전압과, 당해 전지 모듈로부터 출력되는 모듈 전류로부터 상기 직렬 접속으로 접속된 상기 전지 모듈의 내부 저항을 추정하도록 구성된다.
상기 제1 및 제2 양태 전원 장치에 있어서, 상기 제어 컨트롤러는, 상기 전원 장치로부터 출력되는 출력 전류와 상기 전지 모듈에 대한 온 듀티로부터 상기 모듈 전류를 추정하도록 구성되어도 된다.
상기 제1 양태의 전원 장치에 있어서, 상기 제어 컨트롤러는, 상기 절단 장치에 의해 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 분리하기 전과 직후의 상기 모듈 전압의 차분의 절댓값과, 상기 모듈 전류로부터 상기 내부 저항을 추정하도록 구성되어도 된다.
상기 제2 양태의 전원 장치에 있어서, 상기 제어 컨트롤러는, 상기 절단 장치에 의해 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 분리한 상태로부터 상기 직렬 접속으로 접속하기 전과 직후의 상기 모듈 전압의 차분의 절댓값과, 상기 모듈 전류로부터 상기 내부 저항을 추정하도록 구성되어도 된다.
본 발명에 따르면, 각 전지 모듈에 전류 센서를 마련하지 않고, 각 전지 모듈에 포함되는 전지의 내부 저항을 높은 정밀도로 측정할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시 양태의 특징, 이점과, 기술적 및 산업적 의의는 첨부된 도면을 참조로 하기에 기술되며, 도면에서의 유사 번호는 유사 요소를 나타내는 것이고, 여기서:
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전원 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전지 모듈의 제어를 설명하는 타임차트이다.
도 3a는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전지 모듈의 작용의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3b는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전지 모듈의 작용의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전원 장치의 제어를 설명하는 타임차트이다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 내부 저항의 추정 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 6은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 모듈 전류를 설명하는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 모듈 전압을 설명하는 도면이다.
본 실시 형태에 있어서의 전원 장치(100)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 복수의 전지 모듈[102(102a, 102b, …102n)] 및 제어 컨트롤러(104)를 구비한다. 복수의 전지 모듈(102)은, 제어 컨트롤러(104)에 의한 제어에 의해 서로 직렬로 접속 가능하다. 전원 장치(100)에 포함되는 복수의 전지 모듈(102)은, 단자 T1 및 T2에 접속되는 부하(도시생략)에 대해서 전력을 공급(역행)하거나, 또는 단자 T1 및 T2에 접속되는 전원(도시생략)으로부터 전력을 충전(회생)할 수 있다.
전지 모듈(102)은 전지(10), 초크 코일(12), 콘덴서(14), 제1 스위치 소자(16), 제2 스위치 소자(18), 지연 회로(20), AND 소자(22) 및 NOT 소자(24)를 포함하여 구성된다. 본 실시 형태에 있어서, 각 전지 모듈(102a, 102b, …102n)은 동일한 구성을 구비한다.
전지(10)는, 적어도 하나의 이차 전지를 포함한다. 전지(10)는, 예를 들어 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지 등을 복수 직렬 또는/및 병렬 접속한 구성으로 할 수 있다. 초크 코일(12) 및 콘덴서(14)는, 전지(10)로부터의 출력을 평활화하여 출력하는 평활 회로(로 패스 필터 회로)를 구성한다. 즉, 전지(10)로서 이차 전지를 사용하고 있으므로, 내부 저항 손실의 증가에 의한 전지(10)의 열화를 억제하기 위해서, 전지(10), 초크 코일(12) 및 콘덴서(14)에 의해 RLC 필터를 형성하여 전류의 평준화를 도모하고 있다.
또한, 초크 코일(12) 및 콘덴서(14)는 필수적인 구성은 아니며, 이들을 마련하지 않아도 된다. 또한, 전지 모듈(102)에 있어서 초크 코일(12)과 전지(10)의 배치 위치(접속 위치)를 교체해도 된다. 또한, 제2 스위치 소자(18)를, 제1 스위치 소자(16)에 대해서 출력 단자의 반대측에 배치해도 된다. 즉, 제1 스위치 소자(16)와 제2 스위치 소자(18)의 스위칭 동작에 의해 전지(10)(콘덴서(14))의 전압을 출력 단자로 출력할 수 있는 구성이면 되며, 각 소자, 전기 부품의 배치를 적절히 변경할 수 있다.
제1 스위치 소자(16)는, 전지(10)의 출력단을 단락하기 위한 스위칭 소자를 포함한다. 본 실시 형태에서는, 제1 스위치 소자(16)는, 스위칭 소자인 전계 효과 트랜지스터에 대해서 병렬로 환류 다이오드를 접속한 구성으로 하고 있다. 제2 스위치 소자(18)는, 전지(10)와 제1 스위치 소자(16)의 사이에 있어서 전지(10)에 직렬 접속된다. 본 실시 형태에서는, 제2 스위치 소자(18)는, 스위칭 소자인 전계 효과 트랜지스터에 대해서 병렬로 환류 다이오드를 접속한 구성으로 하고 있다. 제1 스위치 소자(16) 및 제2 스위치 소자(18)는, 제어 컨트롤러(104)로부터의 게이트 신호(게이트 구동 신호)에 의해 스위칭 제어된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제1 스위치 소자(16) 및 제2 스위치 소자(18)는, 전계 효과 트랜지스터로 하였지만, 이 이외의 스위칭 소자를 적용해도 된다.
지연 회로(20)는, 제어 컨트롤러(104)로부터 전지 모듈(102)에 입력되는 게이트 신호를 소정의 시간만큼 지연시키는 회로이다. 전원 장치(100)에서는, 각 전지 모듈(102a, 102b, …102n)에 각각 지연 회로(20)가 마련되어 있으며, 그들 지연 회로(20)가 직렬 접속되어 있다. 따라서, 제어 컨트롤러(104)로부터 입력된 게이트 신호는 소정 시간씩 지연되면서 각 전지 모듈(102a, 102b, …102n)에 순차 입력되게 된다.
AND 소자(22)는, 강제 절단 신호에 따라서 전지 모듈(102)을 직렬 접속 상태로부터 강제적으로 분리하는 절단 장치를 구성한다. AND 소자(22)는, 제어 컨트롤러(104)로부터 강제 절단 신호를 받아서 제어된다. AND 소자(22)의 한쪽 입력 단자에는 제어 컨트롤러(104)로부터의 제어 신호가 입력되고, 다른 쪽 입력 단자에는 지연 회로(20)로부터의 게이트 구동 신호가 입력된다. AND 소자(22)로부터의 출력 신호는, 제2 스위치 소자(18)의 게이트 단자에 입력된다. 또한, AND 소자(22)로부터의 출력 신호는, NOT 소자(24)를 통해 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에 입력된다.
통상 제어 시에 있어서, 제어 컨트롤러(104)는 AND 소자(22)에 대해서 하이(H) 레벨의 제어 신호를 입력한다. 따라서, 게이트 구동 신호가 그대로 제2 스위치 소자(18)의 게이트 단자에 입력되고, 게이트 구동 신호를 반전한 신호가 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에 입력된다. 이에 의해, 게이트 구동 신호가 하이(H) 레벨일 때 제1 스위치 소자(16)가 오프 상태 및 제2 스위치 소자(18)가 온 상태로 되고, 게이트 구동 신호가 로(L) 레벨일 때 제1 스위치 소자(16)가 온 상태 및 제2 스위치 소자(18)가 오프 상태로 된다. 즉, 하이(H) 레벨의 게이트 구동 신호가 입력된 전지 모듈(102)은 다른 전지 모듈(102)과 직렬로 접속된 상태로 되고, 로(L) 레벨의 게이트 구동 신호가 입력된 전지 모듈(102)은 다른 전지 모듈(102)과 분리된 스루 상태로 된다.
강제 절단 시에 있어서는, 제어 컨트롤러(104)는 AND 소자(22)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호를 입력한다. 이에 의해, AND 소자(22)로부터는 로(L) 레벨이 출력되고, 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에는 NOT 소자(24)에 의해 하이(H) 레벨이 입력되며, 제2 스위치 소자(18)의 게이트 단자에는 로(L) 레벨이 입력된다. 따라서, 제1 스위치 소자(16)는 상시 온 상태로 되고, 제2 스위치 소자(18)는 상시 오프 상태로 되어, 전지 모듈(102)은 게이트 구동 신호의 상태에 의하지 않고 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리된 상태(패스스루 상태)가 된다.
이와 같은 강제 절단 제어는, 전원 장치(100)에 있어서의 전지 모듈(102)의 SOC의 언밸런스를 억제하는 제어나 전지 모듈 고장 시의 분리에 이용할 수 있다. 즉, 전원 장치(100)가 방전 상태에 있는 경우, 전원 장치(100)의 출력에 관여하고 있는 전지 모듈(102)의 SOC가 저하되는 데 비하여, 전지 모듈(102)을 강제 절단 상태로 함으로써 당해 전지 모듈(102)의 SOC를 유지할 수 있다. 또한, 전원 장치(100)가 충전 상태에 있는 경우, 전원 장치(100)의 충전에 관여하고 있는 전지 모듈(102)의 SOC가 증가하는 데 비하여, 전지 모듈(102)을 강제 절단 상태로 함으로써 당해 전지 모듈(102)의 SOC를 유지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 지연 회로(20)를 AND 소자(22)의 전단에 배치하였지만, AND 소자(22)의 후단에 배치해도 된다. 즉, 각 전지 모듈(102)의 지연 회로(20)에 대해서 게이트 신호가 소정 시간만큼 지연되어 순서대로 전송되는 구성이면 된다.
[통상 제어]
이하, 전원 장치(100)의 제어에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다. 통상 제어 시에 있어서, 각 전지 모듈(102a, 102b, …102n)의 AND 소자(22)에 대해서 제어 컨트롤러(104)로부터 하이(H) 레벨의 제어 신호가 입력된다. 따라서, 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에는 지연 회로(20)로부터의 출력 신호가 NOT 소자(24)를 통해 반전 신호로서 입력되고, 제2 스위치 소자(18)의 게이트 단자에는 지연 회로(20)로부터의 출력 신호가 그대로 입력된다.
도 2는, 전지 모듈(102a)의 동작에 관한 타임차트를 나타낸다. 또한, 도 2에서는, 전지 모듈(102a)을 구동하는 게이트 신호 D1의 펄스 파형, 제1 스위치 소자(16)의 스위칭 상태를 나타내는 구형파 D2, 제2 스위치 소자(18)의 스위칭 상태를 나타내는 구형파 D3, 및 전지 모듈(102a)에 의해 출력되는 전압 Vmod의 파형 D4를 나타내고 있다.
전지 모듈(102a)의 초기 상태, 즉, 게이트 신호가 출력되지 않은 상태에서는, 제1 스위치 소자(16)는 온 상태, 제2 스위치 소자(18)는 오프 상태이다. 그리고, 제어 컨트롤러(104)로부터 게이트 신호가 전지 모듈(102a)에 입력되면, 전지 모듈(102a)은 PWM 제어에 의해 스위칭 제어된다. 이 스위칭 제어에서는, 제1 스위치 소자(16)와 제2 스위치 소자(18)가 교대로 온 상태/오프 상태로 스위칭된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제어 컨트롤러(104)로부터 게이트 신호 D1이 출력되면, 이 게이트 신호 D1에 따라서, 전지 모듈(102a)의 제1 스위치 소자(16) 및 제2 스위치 소자(18)가 구동된다. 제1 스위치 소자(16)는, 게이트 신호 D1의 상승에 따른 NOT 소자(24)로부터의 신호의 하강에 의해, 온 상태로부터 오프 상태로 전환된다. 또한, 제1 스위치 소자(16)는, 게이트 신호 D1의 하강으로부터 짧은 시간(데드 타임 dt) 지연되어, 오프 상태로부터 온 상태로 전환된다.
한편, 제2 스위치 소자(18)는, 게이트 신호 D1의 상승으로부터 짧은 시간(데드 타임 dt) 지연되어, 오프 상태로부터 온 상태로 전환된다. 또한, 제2 스위치 소자(18)는, 게이트 신호 D1의 하강과 동시에, 온 상태로부터 오프 상태로 전환된다. 이와 같이, 제1 스위치 소자(16)와 제2 스위치 소자(18)는 교대로 온 상태/오프 상태가 전환되도록 스위칭 제어된다.
또한, 제1 스위치 소자(16)가 게이트 신호 D1의 하강 시에 짧은 시간(데드 타임 dt) 지연되어 동작하는 것과, 제2 스위치 소자(18)가 게이트 신호 D1의 상승 시에 짧은 시간(데드 타임 dt) 지연되어 동작하는 것은, 제1 스위치 소자(16)와 제2 스위치 소자(18)가 동시에 동작하는 것을 방지하기 위해서이다. 즉, 제1 스위치 소자(16)와 제2 스위치 소자(18)가 동시에 온하여 단락하는 것을 방지하고 있다. 이 동작을 지연시키고 있는 데드 타임 dt는, 예를 들어 100㎱로 설정하고 있지만, 적절히 설정할 수 있다. 또한, 데드 타임 dt 중에는 다이오드를 환류하고, 그 환류된 다이오드와 병렬로 있는 스위칭 소자가 온했을 때와 동일한 상태가 된다.
이와 같은 제어에 의해, 전지 모듈(102a)은, 게이트 신호 D1이 오프일 때(즉, 제1 스위치 소자(16)가 온, 제2 스위치 소자(18)가 오프)에는, 콘덴서(14)가 전지 모듈(102a)의 출력 단자로부터 분리된다. 따라서, 출력 단자에는 전지 모듈(102a)로부터 전압이 출력되지 않는다. 이 상태에서는, 도 3a에 도시한 바와 같이, 전지 모듈(102a)의 전지(10)(콘덴서(14))가 바이패스된 스루 상태로 되어 있다.
또한, 게이트 신호 D1이 온일 때(즉, 제1 스위치 소자(16)가 오프, 제2 스위치 소자(18)가 온)에는, 콘덴서(14)가 전지 모듈(102a)의 출력 단자에 접속된다. 따라서, 출력 단자에는 전지 모듈(102a)로부터 전압이 출력된다. 이 상태에서는, 도 3b에 도시한 바와 같이, 전지 모듈(102a)에 있어서의 콘덴서(14)를 통해 전압 Vmod가 출력 단자로 출력되고 있다.
도 1로 되돌아가서, 제어 컨트롤러(104)에 의한 전원 장치(100)의 제어에 대하여 설명한다. 제어 컨트롤러(104)는, 전지 모듈(102)의 전체를 제어한다. 즉, 복수의 전지 모듈(102a, 102b, …102n)을 제어하여 전원 장치(100)로서의 출력 전압을 제어한다.
제어 컨트롤러(104)는, 각 전지 모듈(102)에 대해서 구형파의 게이트 신호를 출력하는 게이트 회로를 구비한다. 게이트 신호는, 전지 모듈(102a)에 포함되는 지연 회로(20), 전지 모듈(102b)에 포함되는 지연 회로(20…)와 순차 후단의 전지 모듈(102)로 전달된다. 즉, 전원 장치(100)에 있어서 직렬로 접속되어 있는 전지 모듈(102)의 최상류측부터 순서대로 소정의 지연 시간씩 게이트 신호가 지연되어 하류측으로 전달된다.
통상 제어 시에 있어서는, AND 소자(22)에 대해서 제어 컨트롤러(104)로부터 하이(H) 레벨의 제어 신호가 입력되어 있으므로, 각 전지 모듈(102)의 지연 회로(20)로부터 출력된 게이트 신호가 그대로 제2 스위치 소자(18)의 게이트 단자에 입력되고, 게이트 신호를 반전한 신호가 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에 입력된다. 따라서, 게이트 신호가 하이(H) 레벨일 때 제1 스위치 소자(16)가 오프 상태 및 제2 스위치 소자(18)가 온 상태로 되고, 게이트 신호가 로(L) 레벨일 때 제1 스위치 소자(16)가 온 상태 및 제2 스위치 소자(18)가 오프 상태로 된다.
즉, 하이(H) 레벨의 게이트 신호가 입력된 전지 모듈(102)은 다른 전지 모듈(102)과 직렬로 접속된 상태로 되고, 로(L) 레벨의 게이트 신호가 입력된 전지 모듈(102)은 다른 전지 모듈(102)과 분리된 스루 상태로 된다.
도 4는, 전지 모듈(102a, 102b, …102n) 중 소정의 개수를 순차 직렬로 접속하여 전력을 출력하는 제어 시퀀스를 나타낸다. 도 4에 도시한 바와 같이, 게이트 신호에 따라서, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)이, 일정한 지연 시간을 갖고 상류측으로부터 하류측으로 차례차례로 구동된다. 도 4에 있어서, 기간 E1은, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)의 제1 스위치 소자(16)가 오프, 제2 스위치 소자(18)가 온하여, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)이 출력 단자로부터 전압을 출력하고 있는 상태(접속 상태)를 나타내고 있다. 또한, 기간 E2는, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)의 제1 스위치 소자(16)가 온, 제2 스위치 소자(18)가 오프하여, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)이 출력 단자로부터 전압을 출력하지 않은 상태(스루 상태)를 나타낸다. 이와 같이, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)은, 일정한 지연 시간을 갖고 순차 구동된다.
도 4를 참조하여, 게이트 신호나 게이트 신호의 지연 시간 설정에 대하여 설명한다. 게이트 신호의 주기 T는, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)의 지연 시간을 합계함으로써 설정된다. 이 때문에, 지연 시간을 길게 할수록 게이트 신호의 주파수를 저주파로 한다. 반대로, 지연 시간을 짧게 할수록 게이트 신호의 주파수를 고주파로 한다. 또한, 게이트 신호를 지연하는 지연 시간은, 전원 장치(100)에 요구되는 사양에 따라서 적절히 설정된다.
게이트 신호의 주기 T에 있어서의 온일 때의 비율 D(온 듀티 D), 즉, 주기 T 중 게이트 신호가 하이(H) 레벨에 있는 시간 TON의 비율은, (전원 장치(100)의 출력 전압)/(전지 모듈(102a, 102b, …102n)의 합계 전압)에 의해 산출된다. 즉, 온일 때의 비율 D=(전원 장치(100)의 출력 전압)/(전지 모듈(102)의 전지 전압×전지 모듈(102)의 총수)로 된다. 또한, 엄밀하게는 데드 타임 dt만큼 온일 때의 비율이 어긋나버리므로, 초퍼 회로에서 일반적으로 행해지고 있는 바와 같이 피드백 또는 피드포워드로 온일 때의 비율의 보정을 행하는 것이 적합하다.
전원 장치(100)의 출력 전압은, 상술한 바와 같이, 전지 모듈(102)의 전지 전압이 접속 상태에 있는 전지 모듈(102)의 수를 승산한 값에 의해 표시된다. 전원 장치(100)의 출력 전압이, 하나의 전지 모듈(102)의 전지 전압으로 나누어 떨어지는 값이면, 전지 모듈(102)이 스루 상태로부터 접속 상태로 전환되는 순간에, 다른 전지 모듈(102)이 접속 상태로부터 스루 상태로 전환되므로, 전지 모듈(102)의 전체의 출력 전압에 변동은 없다.
그러나, 전원 장치(100)의 출력 전압이, 각 전지 모듈(102)의 전지 전압으로 나누어 떨어지지 않는 값이면, 전원 장치(100)의 출력 전압(전체의 출력 전압)이 변동한다. 단, 이때의 변동 진폭은 1개의 전지 모듈분의 전압이며, 또한, 이 변동 주기는, 게이트 신호의 주기 T/전지 모듈(102)의 총수로 된다. 수십 개의 전지 모듈(102)을 직렬 접속하면, 전원 장치(100) 전체의 기생 인덕턴스는 큰 값으로 되어 있으며, 이 전압 변동은 필터링되어 결과적으로는 안정된 전원 장치(100)의 출력 전압을 얻을 수 있다.
다음으로, 구체예에 대하여 설명한다. 도 4에 있어서, 예를 들어 전원 장치(100)로서의 원하는 출력 전압이 400V, 각 전지 모듈(102)의 전지 전압이 15V, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)의 총수가 40개, 지연 시간이 200㎱인 것으로 한다. 또한, 이 경우에는, 전원 장치(100)의 출력 전압(400V)이, 전지 모듈(102)의 전지 전압(15V)으로 나누어 떨어지지 않는 경우에 상당한다.
이들 수치에 기초하면, 게이트 신호의 주기 T는, 지연 시간×전지 모듈(102)의 총수에 의해 산출되므로 200㎱×40개=8㎲로 된다. 따라서, 게이트 신호는 125㎑ 상당의 주파수의 구형파로 된다. 또한, 게이트 신호의 온일 때의 비율 D는, 전원 장치(100)의 출력 전압/(전지 모듈(102)의 전지 전압×전지 모듈(102)의 총수)에 의해 산출되므로, 온일 때의 비율 D는, 400V/(15V×40개)≒0.67로 된다.
이들 수치에 기초하여, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)을 순차 구동하면, 전원 장치(100)로서, 도 4 중, 구형파 형상의 출력 전압 H1이 얻어진다. 이 출력 전압 H1은, 390V와 405V의 사이에서 변동한다. 즉, 출력 전압 H1은, 게이트 신호의 주기 T/전지 모듈의 총수에 의해 산출되는 주기 T, 즉 8㎲/40개=200㎱(5㎒ 상당)로 변동한다. 이 변동은, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)의 배선에 의한 기생 인덕턴스로 필터링되고, 전원 장치(100) 전체로서는 약 400V의 출력 전압 H2로서 출력된다.
또한, 각 전지 모듈(102)의 콘덴서(14)에는, 접속 상태의 경우에 전류가 흐르고, 도 4에 도시한 바와 같이, 콘덴서 전류 파형 J1은 구형파로 된다. 또한, 전지(10)와 콘덴서(14)는 RLC 필터를 형성하고 있으므로, 전원 장치(100)에는 필터링되어 평준화된 전류 J2가 흐른다. 이와 같이, 모든 전지 모듈(102a, 102b, …102n)에 있어서 전류 파형은 균일하며, 또한, 모든 전지 모듈(102a, 102b, …102n)로부터 균등하게 전류를 출력할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 전원 장치(100)를 제어할 때, 최상류측의 전지 모듈(102a)로 출력한 게이트 신호를, 하류측의 전지 모듈(102b)로 일정 시간 지연하여 출력하고, 나아가, 이 게이트 신호를 일정 시간 지연하여 하류측의 전지 모듈(102)에 순차 전달하므로, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)은, 일정 시간 지연하면서 순차 전압을 각각 출력한다. 그리고, 이들 전압이 합계됨으로써, 전원 장치(100)로서의 전압이 출력된다. 이에 의해, 전원 장치(100)로부터 원하는 전압을 출력시킬 수 있다.
전원 장치(100)에 의하면, 승압 회로가 불필요해져 회로 구성을 간소화할 수 있어, 소형화, 저비용화할 수 있다. 또한, 전력 손실을 발생시키는 밸런스 회로 등도 불필요하여, 전원 장치(100)의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 복수의 전지 모듈(102a, 102b, …102n)로부터 대략 균등하게 전압을 출력하고 있으므로, 특정한 전지 모듈(102)에 구동이 집중되지 않아, 전원 장치(100)의 내부 저항 손실을 저감할 수 있다.
또한, 온일 때의 비율 D를 조정함으로써, 원하는 전압으로 용이하게 대응할 수 있어, 전원 장치(100)로서의 범용성을 향상시킬 수 있다. 특히, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)에 고장이 발생하여, 사용 곤란한 전지 모듈(102)이 발생한 경우에도, 그 고장난 전지 모듈(102)을 제외하고, 정상적인 전지 모듈(102)을 사용하여, 게이트 신호의 주기 T, 온일 때의 비율 D, 지연 시간을 재설정함으로써, 원하는 전압을 얻을 수 있다. 즉, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)에 고장이 발생해도 원하는 전압의 출력을 계속할 수 있다.
또한, 게이트 신호를 지연하는 지연 시간을 길게 설정함으로써, 게이트 신호의 주파수가 저주파로 되므로, 제1 스위치 소자(16) 및 제2 스위치 소자(18)의 스위칭 주파수도 낮아지게 되어, 스위칭 손실을 저감할 수 있어, 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 반대로, 게이트 신호를 지연하는 지연 시간을 짧게 함으로써, 게이트 신호의 주파수가 고주파로 되므로, 전압 변동의 주파수가 높아지게 되어, 필터링이 용이해져서, 안정된 전압을 얻을 수 있다. 또한, 전류 변동을 RLC 필터에 의해 평준화하는 것도 용이해진다. 이와 같이, 게이트 신호를 지연하는 지연 시간을 조정함으로써, 요구되는 사양, 성능에 따른 전원 장치(100)를 제공할 수 있다.
[내부 저항 측정 처리]
도 5는, 본 실시 형태에 있어서의 전지 모듈(102)의 내부 저항 측정 처리의 흐름도를 나타낸다. 이하, 도 5를 참조하여, 전지 모듈(102)의 내부 저항 측정 처리에 대하여 설명한다.
스텝 S10에서는, 전원 장치(100)로부터의 출력 전류 Iout가 측정된다. 제어 컨트롤러(104)는, 전원 장치(100)의 출력 라인에 마련된 전류 센서(32)로부터 출력 전류 Iout의 측정값을 취득한다.
스텝 S12에서는, 전지 모듈(102)의 모듈 전류 Imod가 산출된다. 도 6에 도시한 바와 같이, 각 전지 모듈(102)에 있어서의 모듈 전류 Imod는, 직렬 접속된 전지 모듈(102)에 의해 출력 전류 Iout를 출력하기 때문에 온일 때의 비율 D(온 듀티 D)의 사이에 출력되는 전류값과 동등해지므로, 수식 (1)에 나타내는 바와 같이, 출력 전류 Iout에 온일 때의 비율 D(온 듀티 D)를 승산한 값으로 된다.
Ｉｍｏｄ＝Ｉｏｕｔ×Ｄ …（１）
전원 장치(100)에서는, 전원 장치(100)의 출력 전류 Iout와 온일 때의 비율D(온 듀티 D)의 관계에 있어서 모듈 전류 Imod를 산출한다. 따라서, 각 전지 모듈(102)에 전류 센서를 마련할 필요가 없어, 전원 장치(100)의 제조 비용을 억제 할 수 있다.
스텝 S14에서는, 전지 모듈(102)의 모듈 전압 Vmod가 측정된다. 제어 컨트롤러(104)는, 전원 장치(100)의 각 전지 모듈(102)에 마련된 전압 센서(30)로부터 모듈 전압 Vmod의 측정값을 취득한다. 여기에서는, 각 전지 모듈(102)을 강제적으로 분리하지 않은 상태에 있어서의 모듈 전압 Vmod(접속 전압 CCV)를 측정한다.
스텝 S16에서는, 전지 모듈(102)의 분리 처리 및 분리 판정 처리가 행해진다. 제어 컨트롤러(104)는, 내부 저항 Rmod를 측정하는 대상으로 되는 전지 모듈(102)을 강제 절단 상태로 한다. 구체적으로는, 제어 컨트롤러(104)는, 강제 분리의 대상으로 되는 전지 모듈(102)의 AND 소자(22)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호를 입력한다. 이에 의해, 강제 분리가 대상으로 된 전지 모듈(102)이 직렬 접속으로부터 분리된다. 제어 컨트롤러(104)는, 전지 모듈(102)이 분리되었으면 스텝 S18로 처리를 이행시키고, 그렇지 않으면 스텝 S14로 처리를 되돌린다.
스텝 S18에서는, 전지 모듈(102)의 모듈 전압 Vmod가 측정된다. 제어 컨트롤러(104)는, 전원 장치(100)의 각 전지 모듈(102)에 마련된 전압 센서(30)로부터 모듈 전압 Vmod의 측정값을 취득한다. 여기에서는, 강제적으로 분리된 직후의 각 전지 모듈(102)에 있어서의 모듈 전압 Vmod(개방 전압 OCV)를 측정한다. 분리 전과 분리 직후의 시간차는, 예를 들어 10㎲ 정도로 하면 된다.
스텝 S20에서는, 전위차 ΔV가 산출된다. 도 7에 도시한 바와 같이, 전지 모듈(102)의 모듈 전압 Vmod에는, 분리 전의 접속 전압 CCV와 분리 직후의 개방 전압 OCV의 사이에 전위차 ΔV가 발생한다. 제어 컨트롤러(104)는, 수식 (2)를 이용하여, 스텝 S18에서 측정된 모듈 전압 Vmod(개방 전압 OCV)와 스텝 S14에서 측정된 모듈 전압 Vmod(접속 전압 CCV)의 차분의 절댓값을 전위차 ΔV로서 산출한다.
ΔＶ＝｜Ｖｍｏｄ(ＯＣＶ)-Ｖｍｏｄ(ＣＣＶ)｜ …（２）
스텝 S22에서는, 전지 모듈(102)의 내부 저항 Rmod가 산출된다. 전위차 ΔV는, 전지 모듈(102)에 포함되는 전지(10)의 내부 저항 Rmod에 의해 발생하는 전압 강하를 나타내고 있다. 따라서, 전위차 ΔV는, 수식 (3)으로 표시된다.
ΔＶ＝Ｉｍｏｄ×Ｒｍｏｄ …(３）
수식 (3)을 변형하면 수식 (4)가 얻어진다. 제어 컨트롤러(104)는, 수식 (4)에 의해 전지 모듈(102)의 내부 저항 Rmod를 산출한다.
Ｒｍｏｄ＝ΔＶ／Ｉｍｏｄ …（４）
이상과 같이, 전지 모듈(102)의 내부 저항 Rmod를 구할 수 있다. 또한, 전원 장치(100)의 동작 중이라도 내부 저항 Rmod를 추정할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 의하면, 전류를 스텝 형상으로 0으로 할 수 있고, 전지(10)의 내부 저항 Rmod에 의한 전위차 ΔV를 정확하게 측정할 수 있으므로, 내부 저항 Rmod도 고정밀도로 추정하는 것이 가능해진다.
또한, 나아가, 본 실시 형태의 전원 장치(100)에 의하면, 전지 모듈(102)의 각각에 전류 센서를 마련하지 않고, 전지 모듈(102)의 내부 저항 Rmod를 구할 수 있다.
또한, 모듈 전류 Imod와 전위차 ΔV의 조합과 내부 저항 Rmod의 관계를 미리 조사해 두고, 제어 컨트롤러(104)로부터 액세스 가능한 기억부에 기억시켜 둠으로써 모듈 전류 Imod와 전위차 ΔV를 측정함으로써 내부 저항 Rmod를 구할 수도 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 도 5의 스텝 S14에서 모듈 전압 Vmod(접속 전압CCV)를 측정하고, 스텝 S18에서 모듈 전압 Vmod(개방 전압 OCV)를 측정하도록 하였지만, 이들을 반대로 해도 된다. 즉, 전지 모듈(102)을 강제적으로 분리한 상태로부터 접속한 상태로 할 때, 그 전과 직후의 전위차 ΔV를 구하도록 해도 된다. 이러한 방법에 의해서도, 마찬가지로 내부 저항 Rmod를 추정할 수 있다.

Claims (5)

  1. 전원 장치(100)에 있어서,
    제어 컨트롤러(104)와,
    이차 전지(10)를 갖는 복수의 전지 모듈(102)이며, 상기 제어 컨트롤러(104)로부터의 게이트 구동 신호에 따라서 상기 복수의 전지 모듈(102)이 서로 직렬 접속되는 직렬 접속을 구성하고, 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리하도록 구성된 절단 장치(22)를 갖는 복수의 전지 모듈(102)을
    포함하고,
    상기 제어 컨트롤러(104)는, 상기 절단 장치(22)에 의해 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 분리하기 전과 직후의 상기 전지 모듈의 모듈 전압과, 당해 전지 모듈로부터 출력되는 모듈 전류로부터 상기 직렬 접속으로부터 분리된 상기 전지 모듈의 내부 저항을 추정하도록 구성되고,
    상기 제어 컨트롤러(104)는, 상기 전원 장치(100)의 직렬 접속된 상기 복수의 전지 모듈(102)로부터 출력되는 출력 전류와 상기 전지 모듈에 대한 온 듀티로부터 상기 모듈 전류를 추정하도록 구성되는, 전원 장치(100).
  2. 전원 장치(100)에 있어서,
    제어 컨트롤러(104)와,
    이차 전지(10)를 갖는 복수의 전지 모듈(102)이며, 상기 제어 컨트롤러(104)로부터의 게이트 구동 신호에 따라서 상기 복수의 전지 모듈(102)이 서로 직렬 접속되는 직렬 접속을 구성하고, 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리하도록 구성된 절단 장치(22)를 갖는 복수의 전지 모듈(102)을
    포함하고,
    상기 제어 컨트롤러(104)는, 상기 절단 장치(22)에 의해 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 분리한 상태로부터 상기 직렬 접속으로 접속하기 전과 직후의 상기 전지 모듈의 모듈 전압과, 당해 전지 모듈로부터 출력되는 모듈 전류로부터 상기 직렬 접속으로 접속된 상기 전지 모듈의 내부 저항을 추정하도록 구성되고,
    상기 제어 컨트롤러(104)는, 상기 전원 장치(100)의 직렬 접속된 상기 복수의 전지 모듈(102)로부터 출력되는 출력 전류와 상기 전지 모듈에 대한 온 듀티로부터 상기 모듈 전류를 추정하도록 구성되는, 전원 장치(100).
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 컨트롤러(104)는, 상기 절단 장치(22)에 의해 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 분리하기 전과 직후의 상기 모듈 전압의 차분의 절댓값과, 상기 모듈 전류로부터 상기 내부 저항을 추정하도록 구성되는, 전원 장치(100).
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어 컨트롤러(104)는, 상기 절단 장치(22)에 의해 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 분리한 상태로부터 상기 직렬 접속으로 접속하기 전과 직후의 상기 모듈 전압의 차분의 절댓값과, 상기 모듈 전류로부터 상기 내부 저항을 추정하도록 구성되는, 전원 장치(100).
KR1020190131063A 2018-10-31 2019-10-22 전원 장치 KR102271514B1 (ko)

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JP2018204647A JP7077204B2 (ja) 2018-10-31 2018-10-31 電源装置
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