KR20110044801A

KR20110044801A - 전력 변환 장치

Info

Publication number: KR20110044801A
Application number: KR1020117007068A
Authority: KR
Inventors: 히데토시 기타나카
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2011-04-29
Also published as: US8525486B2; US20110175577A1; RU2479090C2; CN102224652A; CN102224652B; EP2352216A4; EP2352216A1; CA2744302C; WO2010058468A1; EP2352216B1; JP4531113B2; KR101171603B1; CA2744302A1; RU2011124915A; ES2472119T3; JPWO2010058468A1

Abstract

전력 변환 제어부(40)는 제1 전압 검출기에 의해 검출된 전압값(BEFC)이 A／D 변환부(45)에서 디지털 신호로 변환된 전압 신호(BEFC)와, 제2 전압 검출기에 의해 검출된 직렬 합계 전압값(EBAT)으로부터 전압값(BEFC)을 보정하기 위한 보정값(DE2)을 산출하는 보정값 연산부(50)와, 전압값(BEFC)을 보정값(DE2)에 의해 보정한 보정 후 전압값으로서의 전압 신호(BEFC1)를 산출하는 보정 후 전압 연산부(60)와, 전압 신호(BEFC1)에 기초하여 전력 변환부의 제어를 행하는 게이트 제어부(44)를 구비한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERTER}

본 발명은 전기차로의 응용에 바람직한 전력 변환 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기차는 가선(架線)이나 제3 궤조(rail)도 등으로부터 집전 장치로 전력을 취입하고 집전한 전력을 사용하여 전동기를 구동하여 주행하는 구성으로 된다. 최근, 2차 전지나 전기 2중층 캐패시터 등의 전력 저장 소자의 성능이 향상되어 오고 있기 때문에, 이러한 전력 저장 소자를 전기차에 탑재하고, 전력 저장 소자의 전력을 병용하여 전동기를 구동하여 주행하는 시스템의 개발이 진행되고 있다.

이와 같은 시스템에서는 2차 전지나 전기 2중층 캐패시터 등의 셀 또는 모듈인 전력 저장 소자를 복수개 접속하여 소정의 전압을 얻도록 구성한 전력 저장 장치를 포함하고, 전력 저장 장치의 충방전을 행하기 위해 외부 전원과 전력 저장 장치 사이에 충방전의 제어를 행하기 위한 전력 변환 장치가 접속된다(예를 들어, 특허 문헌 1, 2 등).

전력 변환 장치를 구성하는 전력 변환부로서는 여러 가지의 회로 형태가 존재한다. 예를 들어, 직류 전원과 전력 저장부 사이의 전력을 소정값으로 제어하여 충방전을 행하는 기능을 가진 DC-DC 컨버터 회로나, 교류 전동기로부터의 회생 전력을 직류 전력으로 변환하여 전력 저장 장치에 충전하거나 또는 전력 저장 장치의 직류 전력을 교류로 변환하여 교류 전동기를 구동하는 기능을 가진 DC-AC 인버터 회로, 교류 전원과 전력 저장 장치 사이의 전력을 소정값으로 제어하여 충방전을 행하는 기능을 가진 AC-DC 컨버터 등이 주요한 형태로서 언급되고 있다.

상기한 전력 변환 장치는 전력 저장 장치와의 접속점의 전압을 검출하는 전압 검출기(이하 「제1 전압 검출기」라고 칭함)를 가지고, 이 제1 전압 검출기에 의해 검출된 전압에 기초하여, 전력 저장 장치에 대한 충방전 제어를 행하는 것이 일반적인 구성으로 되어 있다.

전력 저장 장치에 사용되는 전력 저장 소자는 충전량(SOC:State Of Charge)에 의존하여 그 단자 전압이 변화하는 특성이 있고, SOC가 높을수록 단자 전압이 높아진다고 하는 특성을 가지고 있다. 이 때문에, 전력 저장 장치를 구비하는 전력 변환 장치에서, 각 전력 저장 소자의 과방전, 과충전에 의한 손상을 방지하기 위해 전력 저장 소자의 단자 전압에는 상한이 되는 허용 최대 전압과 하한이 되는 허용 최소 전압이 설정되어 있고, 제1 전압 검출기가 검출한 전압이 허용 최대 전압을 초과하지 않도록 충전 전류를 감소시키는 제어가 행해지고, 검출한 전압이 허용 최저 전압 미만으로 되지 않도록 방전 전류를 감소시키는 제어가 행해진다.

한편, 전력 저장 장치에 내장된 각 전력 저장 소자에는 각 셀 또는 모듈 단위마다 전압 검출기가 마련되고, 전력 저장 소자를 구비하는 전력 저장 장치에는 각 전력 저장 소자의 전압을 검출하고 감시하고, 소정의 값을 초과하거나 그 값보다 미만인 경우에는 그 상태를 상위의 시스템에 출력하여 이상을 통지하는 기능이나, 셀 또는 모듈간의 전압 편차가 발생한 경우에는 이것을 검출하고 편차를 억제하도록 균등화를 도모하는 셀 모니터 등으로 호칭되는 감시 기능을 가지는 것이 일반적인 구성으로 되어 있다.

그런데 전력 저장 장치와의 접속점의 전압을 검출하는 제1 전압 검출기는 수백V ~ 천V 정도의 전압을 검출할 수 있도록 고전압에 견디는 성능이 필요하게 된다. 이 전압 검출기의 주된 목적은 전력 변환 장치의 전압을 고속으로 제어하는 것이며, 입출력의 응답 지연은 0.3ms로 작지만, 전압의 검출 정밀도는 ±3% 정도로 크다. 일반적으로, 고전압을 검출할 수 있는 전압 검출기는 내부의 절연 수단 등이 복잡하게 되어 검출 정밀도가 나빠지는 경향이 있다.

한편, 전력 저장 소자의 전압을 모니터하는 전압 검출기(이하 「제2 전압 검출기」라고 칭함)는 셀 전압이나 모듈의 전압인 수V ~ 수십V의 전압을 검출하는 것이다. 이 전압 검출기의 주된 목적은 각 셀 또는 모듈의 전압을 고정밀도로 감시함으로써, 각 셀 또는 모듈을 과충전이나 과방전으로부터 보호하는 것이기 때문에, 입출력의 응답 지연은 수십ms로 크지만, 전압의 검출 정밀도는 ±0.3% 전후로 고정밀도이다.

전력 변환 장치에 의해 전력 저장 소자를 충전하는 경우를 예로 설명하면, 전력 저장 소자의 SOC가 낮고, 단자 전압이 상한값으로부터 충분히 여유가 있는 경우는, 일정한 전류로 전력 저장 소자의 충전을 행하는 정전류 충전(CC(Constant Current) 충전)를 행한다. SOC가 증가하여, 단자 전압이 허용 최대 전압 부근까지 도달하면, 단자 전압이 상한값을 넘지 않도록 정전류 충전으로부터 정전압 충전(CV(Constant Voltage) 충전)으로 전환하고, 전력 저장 소자의 전압이 허용 최대 전압을 넘지 않는 소정값으로 유지하도록 전류를 감소시킨 충전을 계속해서 행한다.

특허 문헌 1 : 일본 특개 2007-274756호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특개 2006-176057호 공보

CV 충전을 행하는 경우, 제1 전압 검출기의 검출 전압값이 전력 저장 소자의 허용 최대 전압을 넘지 않는 최대 전압으로 되도록 목표 전압을 설정하여 전력 변환부를 제어하지만, 이 때의 목표 전압은 제1 전압 검출기의 검출 정밀도의 최대 공차(公差)를 고려하여 결정할 필요가 있다. 즉, 전력 저장 소자가 복수 접속되어 이루어지는 전력 저장 장치의 허용 최대 전압이 700V인 경우, 3%의 공차를 고려하면 700V×0.03=21V의 검출 오차가 존재하게 되므로, 이것을 예측하여 목표 전압을 700V-21V=679V 이하로 설정할 필요가 있다.

그렇지만 이 21V의 검출 오차는 만일 제1 전압 검출기의 공차가 제로인 경우에 고려할 필요가 없는 값이며, 검출 오차가 클수록 과잉으로 충전 전류를 감소시키게 되기 때문에, 충전 시간이 불필요하게 걸린다고 하는 불편이 생긴다.

상기의 불편함을 해소하기 위해서는 제1 전압 검출기의 검출 정밀도를 향상시킬 필요가 있지만, 상술한 바와 같이 고전압을 검출할 수 있는 전압 검출기는 검출 정밀도가 나빠지는 경향이 있어, 기술적으로 곤란하다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 전력 저장 장치와의 접속점의 전압을 검출하는 제1 전압 검출기로서, 검출 정밀도가 그다지 높지 않은 검출기를 사용한 경우에도, 전력 저장 소자에 대한 충전 시간을 단축할 수 있어, 효율적인 충방전을 가능하게 하는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하고 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는, 전력 저장 소자를 복수 접속한 전력 저장 장치에 접속되고, 상기 전력 저장 장치에 대한 충방전을 행하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부의 동작을 제어하는 전력 변환 제어부를 구비한 전력 변환 장치에 있어서, 상기 전력 변환 제어부는 상기 전력 변환부와 상기 전력 저장 장치의 접속 개소(箇所)의 전압을 검출하는 제1 전압 검출기에 의해 검출된 제1 전압값과, 상기 전력 저장 장치에 내장되고, 복수의 상기 전력 저장 소자의 전압을 검출하는 제2 전압 검출기에 의해 검출된 제2 전압값로부터 보정값 또는 보정 계수를 산출하는 보정값 연산부와; 상기 제1 전압값을 상기 보정값 또는 보정 계수에 의해 보정한 보정 후 전압값을 산출하는 보정 후 전압 연산부를 구비하고, 상기 보정 후 전압값에 기초하여 상기 전력 변환부의 제어를 행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전력 변환 장치에 의하면, 전력 저장 장치와의 접속점의 전압을 검출하는 제1 전압 검출기의 검출 전압을 보정한 보정 후의 전압 검출값에 기초하여 전력 변환부의 제어를 행하는 구성으로 했으므로, 전력 저장 소자의 충전 시간을 단축할 수 있어, 효율적인 충방전이 가능하게 된다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 있어서 전력 저장 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 있어서 전력 변환 제어부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 있어서 효과예를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 있어서 다른 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.

이하에 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서, 본 실시 형태의 전력 변환 장치(100)는 직류 전원이 되는 변전소(도시하지 않음)에 접속된 가선(1), 가선(1)으로부터 전력을 수전(受電)하는 집전 장치(2), 리턴 전류의 귀환 회로가 되는 차바퀴(3), 변전소에 접속된 레일(4)에 접속되어 있다. 또한, 가선(1)으로부터 공급되는 전압은 DC600V ~ 3000V이며 고전압이다.

전력 변환 장치(100)를 구성하는 주요한 회로 구성 요소는 고조파 전류가 변전소 측에 유출되는 것을 억제하기 위한 입력 리액터인 리액터(5)와 입력 컨덴서인 컨덴서(6)로 이루어지는 LC 필터 회로; 컨덴서(6)의 직류 전압(EFC)을 검출하는 전압 검출기(7); 컨덴서(6)에 병렬로 접속되고, 상암측 스위칭 소자(11)와 하암측 스위칭 소자(12)로 이루어지는 전력 변환부(105); 상암측 스위칭 소자(11)와 하암측 스위칭 소자(12)의 접속점에 일단(一端)이 접속되고, 전류 리플의 필터링을 행하는 평활 필터인 평활 리액터(20); 평활 리액터(20)의 전류값(ISL)을 검출하는 전류 검출기(21); 전력 변환 장치(100)와 전력 저장 장치(30)의 접속 개소의 주회로 도체 P-N간의 전압을 검출하는 제1 전압 검출기인 전압 검출기(23); 및 상기 각 검출기로부터의 전압값(EFC, BEFC) 또는 전류값(ISL) 또는 전력 저장 장치(30)에 내장된 제2 전압 검출기(32a ~ 32n)에서 검출된 전압값(EBAT)이 입력되고, 전력 변환부(105)로의 제어 신호를 출력하는 전력 변환 제어부(40)를 가지고 이루어지고, 전력 저장 장치(100)는 직류 전력을 저장하는 전력 저장 장치(30)에 접속되어 있다.

제1 전압 검출기(23)는 수백V ~ 천V 정도의 전압을 검출할 수 있도록 고전압에 견디는 사양의 검출기이며, 주회로 도체 P-N간의 전압을 도시하지 않은 절연 수단을 통하여 저압의 아날로그 신호 레벨로 변환하여 전압 검출값(BEFC)으로서 출력한다. 이 제1 전압 검출기(23)의 주된 목적은 주회로 도체 P―N간의 전압을 고속으로 제어하기 위해 최소의 지연 전압을 검출하는 것이다.

또한, 제1 전압 검출기(23)는 내부 구성의 대부분이 아날로그 신호 처리로 되므로 입출력의 응답 지연은 수백 마이크로 세컨드 전후로 적지만, 전압의 검출 정밀도는 ±3% 정도이며, 전압 검출 오차가 비교적 크다. 일반적으로, 고전압을 검출할 수 있는 전압 검출기는 내부의 절연 수단 등이 복잡하게 되어 검출 정밀도가 악화되는 경향이 있다.

도 2는 본 발명의 실시 형태에 있어서 전력 저장 장치(30)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 전력 변환 장치(100)로부터의 주회로 도체 P, N은 직렬 접속되어 있는 전력 저장 소자(31a ~ 31n)에 접속되어 있다. 또한, 도면 중에서는 전력 저장 소자(31)를 전지의 기호로 나타내고 있지만, 니켈 수소 2차 전지, 리튬 이온 2차 전지, 전기 2중층 캐패시터 등이 매우 적합한 반면, 이것들로 한정되지는 않으며 다른 전력 축적 수단이어도 좋다. 또, 도면 중에서는 전력 저장 소자(31)를 각각 전지의 기호로 나타내고 있지만, 그 형태는 단(單) 셀이어도 좋고, 복수 셀의 접속체인 모듈이어도 좋다.

각 전력 저장 소자(31a ~ 31n)의 양단 전압은 각각 제2 전압 검출기인 전압 검출기(32a ~ 32n)에서 검출되고, 각각이 전압 검출값(EB1 ~ EBn)으로서 전력 저장 제어부(33)에 입력된다.

전력 저장 제어부(33)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부(34), A/D 변환부(34)로부터 입력된 전압 검출값(EB1 ~ EBn)의 합을 생성 처리하는 가산부(35), 및 가산부(35)로부터 입력된 전압 검출값(EB1 ~ EBn)의 합인 직렬 합계 전압값(EBAT)에 시리얼 데이터 변환 등의 통신 처리를 실행한 후, 케이블, 광 파이버 등으로 구성된 디지털 신호의 전송 수단인 신호 전송로(37)에 출력하는 통신 처리부(36)를 구비하여 구성된다.

또한, 필요에 따라서, 전력 저장 제어부(33)의 내부에, 각 전력 저장 소자(31a ~ 31n)와 신호 전송로(37) 사이의 절연 처리를 행하는 절연부(도시 생략)를 마련한다.

전력 저장 제어부(33)와 전력 변환 장치(100) 내의 전력 변환 제어부(40)는 일정 주기에서 통신을 행하고, 전력 저장 제어부(33)로부터 전력 변환 제어부(40)에 상기의 직렬 합계 전압값(EBAT)의 값을 데이터 송신한다.

상기와 같이 구성함으로써, 각종 연산 처리(가산 처리, 통신 처리 등)가 디지털 처리되는 것이 가능하게 되어, 직렬 합계 전압값(EBAT)의 정밀도를 확보할 수 있다.

또한, 전력 저장 제어부(33)의 내부에 가산부(35)를 마련하지 않고, 통신 처리부(36)에서 전압 검출값(EB1 ~ EBn)을 각각 시리얼 데이터 변환 등의 통신 처리를 실행한 후, 케이블, 광 파이버 등으로 구성된 디지털 신호의 전송 수단인 신호 전송로(37)에 출력하는 구성으로 해도 좋다.

이 경우, 전력 저장 제어부(33)와 전력 변환 제어부(40)는 일정 주기에서 통신을 행하고, 전력 저장 제어부(33)로부터 전력 변환 제어부(40)에 상기의 전압 검출값(EB1 ~ EBn)의 값을 각각 데이터 송신하고, 전력 변환 제어부(40) 내에서, 전압 검출값(EB1 ~ EBn)의 합인 직렬 합계 전압값(EBAT)에 상당하는 값을 생성하는 구성이면 좋다.

제2 전압 검출기(32a ~ 32n)는 각 전력 저장 소자(31a ~ 31n)의 셀 전압이나 모듈의 전압인 수V ~ 수십V의 전압을 검출하는 것이다. 이 제2 전압 검출기(32a ~ 32n)의 주된 목적은 각 전력 저장 소자(31a ~ 31n)의 전압을 고정밀도로 감시함으로써 각 전력 저장 소자(31a ~ 31n)를 과충전(과전압)이나 과방전(저전압)으로부터 보호하는 것이다.

직렬 합계 전압값(EBAT)은 상술한 바와 같이, A/D 변환 처리, 절연 처리, 가산 처리, 통신 처리 등을 통하여 생성하는 신호이기 때문에, 응답 지연은 수십ms로 크지만, 전압값의 정밀도는 ±0.3% 전후로 고정밀도이다.

도 3은 본 발명의 실시 형태에 있어서 전력 변환 제어부(40)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 전력 변환 제어부(40)는 보정값 연산부(50), A/D 변환기(45)와 가산기(41)를 가지는 보정 후 전압값 연산부(60), 보호 처리부(42), 및 게이트 제어부(44)를 구비하여 이루어지고, 직렬 합계 전압값(EBAT)과, 전압값(BEFC), 전류값(ISL), 전압값(EFC)이 입력되고, 전력 변환부(105)로의 제어 신호(GSG)가 출력된다.

다음에, 보정값 연산부(50)의 구성, 동작 등에 대해 설명한다. 보정값 연산부(50)는 평균화 처리부(51, 52), 감산부(53), 리미터(54), 보정 선택부인 스위치(55), 데이터 감시부(56), 및 통신 처리부(57)를 구비하고 있다.

보정값 연산부(50)에는 전력 저장 장치(30)로부터 신호 전송로(37)를 경유하여 입력되는 직렬 합계 전압값(EBAT)과, 제1 전압 검출기(23)에서 검출된 전압(BEFC)을 A/D 변환기(45)에서 디지털 신호로 변환한 전압 신호(BEFCD)가 각각 입력된다.

보정값 연산부(50)에서는 신호 전송로(37)를 경유하여 입력된 직렬 합계 전압값(EBAT)이 통신 처리부(57)에서 시리얼 패러렐 변환 등의 데이터 변환 처리가 실행되고, 통신 처리부(57)로부터 출력된 직렬 합계 전압값(EBAT)과 A/D 변환부(45)로부터 출력된 전압 신호(BEFCD)가 각각 평균화 처리부(51, 52)에서 평균화 처리가 실행되고, 각각 평균화 후 전압값(EBATA, BEFCA)으로서 감산기(53)에 출력된다. 감산기(53)에서는 양쪽의 차를 연산한 전압 편차(DE0)가 연산된다.

전압 편차(DE0)는 리미터(54)에 입력되고, 리미터(54)에서, 그 상한값 및 하한값이 소정값으로 제한되는 처리가 실행된 후, 전압 편차(DE1)로서 출력된다. 또, 전압 편차(DE1)는 스위치(55)를 통하여 보정값(DE2)이 된다.

스위치(55)는 후술하는 데이터 감시부(56)로부터의 보정 허가 신호(OK)가 H(허가)인 경우, 전압 편차(DE1)를 보정값(DE2)로서 출력하고, 보정 허가 신호(OK)가 L(불허가)일 때는 보정값(DE2)을 제로로 하는 기능을 가지는 구성부이며, 보정 선택부로서 동작한다.

데이터 감시부(56)는 직렬 합계 전압값(EBAT)의 디지털 신호에 부정이 없는가를 감시하는 기능을 가지고 있고, 전력 저장 제어부(33)의 각 구성 요소, 신호 전송로(37), 통신 처리부(57) 등의 신호 전송로에서의 데이터 파괴가 없는지를 감시한다. 그 때, 디지털 신호가 정상적이면 보정 허가 신호(OK)를 H(허가)로 하고, 디지털 신호가 부정하면 보정 허가 신호(OK)를 L(불허가)로 한다.

리미터(54)를 마련한 것에 의해, 만일 상류의 처리에 있어서 비정상인 값이 연산된 경우에도, 보정값(DE2)이 정규의 값으로부터 크게 벗어나는 것을 회피할 수 있다.

또, 데이터 감시부(56)와 스위치(55)를 마련하는 것에 의해, 전력 저장 제어부(33)의 각 구성 요소, 신호 전송로(37), 통신 처리부(57) 등의 신호 전송로에서의 데이터 파괴가 있는 경우에는, 보정값(DE2)을 보정에 사용하지 않는 제어를 행함으로써, 전력 변환 장치(100)나 전력 저장 장치(30) 파손 등의 피해 발생을 방지할 수 있다.

상기와 같이 생성된 보정값(DE2)은 보정 후 전압값 연산부(60)에 입력되고, 가산기(41)에서 전압 신호(BEFCD)와 가산되고, 전압 신호(BEFC1)가 생성된다. 이 전압 신호(BEFC1)는 보정 후 전압값으로서 보호 처리부(42) 및 게이트 제어부(44)에 입력된다.

또한, 보정값(DE2)의 산출 수법은 상기의 내용으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 감산기(53) 대신에 제산기(도시하지 않음)를 마련하고, 평균화 후 전압값인 EBATA와 BEFCA의 비율(=EBATA/BEFCA)을 산출하여 오차 비율(보정 계수)로 하고, 이 오차 비율에 따라 보정값(DE2)을 생성하는 수법을 사용해도 좋다. 이 경우, 전압 신호(BEFCD)에 오차 비율을 곱하는 것에 의해 전압 신호(BEFC1)를 생성하는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 물론 리미터(54), 스위치(55)의 기능은 상기 설명한 내용과 동일하다.

이와 같이 하여 생성된 보정 후 전압값으로서의 전압 신호(BEFC1)는 제1 전압 검출기(23)에서 검출된 전압(BEFC)에 대해, 전압값(BEFC)과 직렬 합계 전압값(EBAT)의 평균적인 편차(즉 제1 전압 검출기(23)의 평균적인 오차)를 보정한 전압 신호가 된다. 전압(BEFC)에 기초하여 생성하고 있으므로, 전압 검출 지연은 작다. 따라서 전압 신호(BEFC1)는 전압 검출 지연이 작고, 또한 높은 전압 정밀도를 가지는 전압 신호가 된다.

이 전압 신호(BEFC1)가 입력된 보호 처리부(42)는 전압 신호(BEFC1)가 전력 저장 소자(31)의 허용 최대 전압 이하의 소정 값 이상이거나, 또는 허용 최소 전압 이상의 소정 값 이하인 경우에, 각각 정지 신호(STP)를 "H "로 하고, 게이트 제어부(44)에 출력한다.

또, 전압 신호(BEFC1)가 입력된 게이트 제어부(44)는 예를 들어, 전력 변환 장치(100)의 출력 전압(P-N간의 전압)이 제어 목표값인 소정의 값이 되도록 전력 변환부(105)의 스위칭 소자(11, 12)를 온 오프 제어하는 피드백 제어부(도시하지 않음)를 가지고 있고, 피드백 제어의 결과로서 출력되는 제어 신호(GSG; 스위칭 소자(11, 12)에 대한 온 오프 지령이 되는 제어 신호)를 생성한다.

또, 게이트 제어부(44)는 상술한 정지 신호(STP)가 "H"인 경우, 제어 신호(GSG)를 오프로 제어한다. 따라서 예를 들어 보호 검지 처리부(42)가 전력 저장 소자(31)의 전압 한계를 넘는 전압 신호(BEFC1)의 과전압 또는 저전압을 검지한 경우에, 전력 변환부(105)의 동작을 정지시킬 수 있다. 이 제어에 의해, 전력 저장 소자(31)의 과충전이나 과방전을 회피하는 것이 가능하게 된다.

또한, 도 3에서는 평활 리액터에 흐르는 전류값(ISL) 및 컨덴서(6)의 직류 전압인 전압값(EFC)이 모두 입력되는 구성을 도시하고 있지만, 이러한 구성으로 한정되는 것이 아니며, 이것들에 상당하는 전압값 및 전류값을 입력하는 구성이어도 상관없다. 예를 들어, 평활 리액터에 흐르는 전류값 대신에, 전력 저장 소자(31)로의 충전 전류를 검출하고 입력하도록 해도 좋다.

상기와 같이 구성된 실시 형태 1의 전력 변환 장치에서는 이하의 효과가 얻어진다.

도 4는 본 발명의 실시 형태에 있어서 효과예를 설명하는 도면이며, 보다 상세하게는 전력 변환 장치(100)에 의해 전력 저장 소자(31)를 충전하는 경우 전력 저장 소자(31)의 양단 전압과 전력 저장 소자(31)로의 충전 전류(=평활 리액터 전류 ISL)와 전력 저장 소자(31)에 대한 충전량(SOC)의 관계를 나타내는 도면이다.

도 4에 있어서, 실선으로 나타내는 특성은 본 발명을 적용한 경우의 각 특성이며, 일점 쇄선으로 나타내는 특성은 종래예의 경우의 각 특성이다.

우선, 충전 개시 직후의 정전류(CC) 충전의 영역에서는 일정 전류를 출력하도록 게이트 제어부(44)가 전력 변환부(105)를 제어하므로, 전력 저장 소자(31)의 충전량(SOC)은 직선 형상으로 증가해 간다. 또한, 이 영역에서는 본 발명을 적용한 경우와 종래예와 차이가 없다.

한편, 충전량(SOC)이 증가하여, 전력 저장 소자(31)의 양단 전압(총전압)이 규정의 허용 최대 전압에 도달하게 되면, 정전류(CC) 충전으로부터 정전압(CV) 충전으로 제어가 전환된다. 즉, 게이트 제어부(44)는 주회로 도체 P-N간의 전압이 소정의 제어 목표값에 일치하도록 전력 변환부(105)를 정전압 제어한다.

이 때, 종래예에서는 제1 전압 검출기(23)의 공차를 고려하여 정전압 제어의 제어 목표값을 낮게 결정할 필요가 있지만, 본 발명에서는 전압 검출 지연이 작고, 또한 높은 전압 정밀도를 가지는 전압 신호(BEFC1)가 얻어지므로, 전력 저장 소자(31)의 허용 최대 전압에 매우 가까운 값을 제어 목표값으로 하는 것이 가능하게 된다. 즉, 정전압(CV) 충전시 전력 변환부(105)의 제어 목표값을 종래예보다 높게 설정하는 것이 가능하게 된다.

이로 인해, 정전류 충전의 영역을 넓게 확보할 수 있어, 충전 전류를 최대로 하는 것이 가능하게 되어, 전력 저장 소자(31)의 충전 시간을 종래예보다 단축할 수 있다.

또한, 전력 변환 장치(100)의 주회로 도체 P-N간 전압으로서, 전압 검출 지연이 작고, 또한 높은 전압 정밀도를 가지는 전압 신호(BEFC1)가 얻어지므로, 이것을 보호 처리부(42)의 처리에 사용함으로써, 전력 저장 소자(31)의 허용 최대 전압 이하로 허용 최대 전압에 매우 가까운 소정의 값, 또는 허용 최소 전압 이상으로 허용 최소 전압에 매우 가까운 소정의 값에서 정밀도 좋게 전력 변환 장치(100) 내부의 전력 변환부(105)를 정지시키는 것이 가능하게 된다.

이로 인해, 전력 저장 소자(31)의 사용 가능 전압 범위를 최대한으로 할 수 있으므로, 보다 많은 전력의 충방전이 가능하게 됨과 아울러 전력 저장 소자(31)의 손상을 방지하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 실시 형태의 전력 변환 장치를 전기차에 적용하는 경우, 상기한 전력 변환 장치(100) 및 전력 저장 장치(30)의 쌍방 모두 상당한 대형의 장치로 되고, 각각이 다른 장소에 배치되는 일이 많기 때문에, 특히 신호 전송로(37)의 단선 등의 고장시에 대비한 구성인 것이 바람직하다.

한편, 본 실시 형태에서는 제1 전압 검출기(23)를 전력 변환 장치(100)의 내부에 마련하고, 제1 전압 검출기(23)로부터의 검출값(BEFC)을 전력 변환 장치(100)의 외부를 경유하지 않도록 직접적으로 전력 변환 제어부(40)에 입력하는 구성으로 했으므로, 전력 저장 제어부(33)의 각 구성 요소, 신호 전송로(37), 통신 처리부(57) 등의 신호 전송로가 고장나서 사용할 수 없게 되어도, 제1 전압 검출기(23)로부터의 검출값(BEFC)은 사용할 수 있으므로, 전력 변환부(105)의 운전을 정지하는 일 없이 제어를 계속하는 것이 가능하게 된다. 따라서 전력 변환 장치(100)의 용장성(冗長性), 신뢰성을 확보하는 것이 가능하게 된다.

또, 본 실시 형태에서는 제1 전압 검출기(23)를 전력 변환 장치(100) 내부에 마련함으로써, 제1 전압 검출기(23)로부터의 검출값(BEFC)을 통신 처리부를 통하여 시리얼 패러렐 변환 등의 데이터 변환을 행하는 일 없이, 신호 전송로(37)를 통하지 않고 직접적으로 전력 변환 제어부(40)에 입력하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 통신 처리부(57)에서의 데이터 변환에 수반하는 검출값의 지연 시간을 작게 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상술한 설명에서는 전력 변환부(105)로서, DC-DC 컨버터를 사용한 예로 설명했지만, 도 5에 나타내는 바와 같이, 외부 전원(200)인 교류 전원에 접속되고, 소정의 전류 또는 전압으로 조정된 직류 전력을 컨덴서(115)에 공급하는 AC-DC 컨버터(110)를 전력 저장 장치(30)에 접속하는 구성에도 적용 가능하다.

또, 도 5에 나타내는 바와 같이, 컨덴서(115)의 직류 전력으로부터 교류 전력을 생성하여 전동기(300)에 공급하는 구성이며, 직류측과 교류측 사이의 전력 플로우를 가역적(可逆的)으로 제어하는 DC-AC 인버터(120)의 직류측을 전력 저장 장치(30)에 접속하는 구성에도 적용 가능하다.

즉, 전력 변환부(105) 또는 전력 변환 장치(100)는 도 1, 도 5에 나타낸 형태로 한정되는 것이 아니며, 전력 변환을 행하는 모든 형태의 전력 변환 장치에 적용 가능하다.

또한, 본 실시 형태에 나타낸 구성은 본 발명 내용의 일례이며, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 일부를 생략하는 등, 변경하여 구성하는 것도 가능한 것은 물론이다.

또한, 본 명세서에서는 전철 분야로의 적용을 상정한 전력 변환 장치를 대상으로 하여 발명 내용의 설명을 실시하고 있지만, 적용 분야는 이것에 한정되는 것이 아니며, 여러 가지 산업 응용 분야로의 응용이 가능한 것도 물론이다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 전력 저장 소자를 복수 접속한 전력 저장 장치에 접속되고, 전력 저장 소자로의 충방전을 행하는 전력 변환부를 가지는 전력 변환 장치에 유용하다.

1 가선
2 집전 장치
3 차바퀴
4 레일
5 리액터
6 컨덴서
7 전압 검출기
11 상암측 스위칭 소자
12 하암측 스위칭 소자
20 평활 리액터
21 전류 검출기
23 제1 전압 검출기
30 전력 저장 장치
31a ~ 31n 전력 저장 소자
32a ~ 32n 제2 전압 검출기
33 전력 저장 제어부
34 A/D 변환부
35 가산부
36 통신 처리부
37 신호 전송로
40,40a 전력 변환 제어부
41 가산기
42 보호 처리부
44 게이트 제어부
45 A/D 변환기
50 보정값 연산부
51 평균화 처리부
52 평균화 처리부
53 감산부
54 리미터
55 스위치(보정 선택부)
56 데이터 감시부
57 통신 처리부
60 보정 후 전압값 연산부
100 전력 변환 장치
105 전력 변환부(DC-DC 컨버터)
110 전력 변환부(AC-DC 컨버터)
115 컨덴서
120 전력 변환부(DC-AC 인버터)
200 외부 전원
300 전동기

Claims

전력 저장 소자를 복수 접속한 전력 저장 장치에 접속되고, 상기 전력 저장 장치에 대한 충방전을 행하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부의 동작을 제어하는 전력 변환 제어부를 구비한 전력 변환 장치에 있어서,
상기 전력 변환 제어부는
상기 전력 변환부와 상기 전력 저장 장치의 접속 개소(箇所)의 전압을 검출하는 제1 전압 검출기에 의해 검출된 제1 전압값과, 상기 전력 저장 장치에 내장되고, 복수의 상기 전력 저장 소자의 전압을 검출하는 제2 전압 검출기에 의해 검출된 제2 전압값로부터 보정값 또는 보정 계수를 산출하는 보정값 연산부와,
상기 제1 전압값을 상기 보정값 또는 보정 계수에 의해 보정한 보정 후 전압값을 산출하는 보정 후 전압 연산부를 구비하고,
상기 보정 후 전압값에 기초하여 상기 전력 변환부의 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 보정값은 상기 제1 전압값을 평균화한 전압값과, 상기 제2 전압값을 평균화한 전압값의 차에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 보정 계수는 상기 제1 전압값을 평균화한 전압값과, 상기 제2 전압값을 평균화한 전압값의 비율에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환 제어부는
상기 제2 전압값이 정상적인 값인지의 여부를 감시하는 데이터 감시부와,
상기 데이터 감시부의 출력에 기초하여, 상기 제1 전압값을 상기 보정값으로 보정할지의 여부를 선택할 수 있는 보정 선택부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환 제어부는 상기 보정값의 상하한을 제한하는 리미터부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환 제어부는 상기 보정 후 전압값에 기초하여, 소정의 제어 목표값에 상기 보정 후 전압값을 일치시키는 제어를 행하는 게이트 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 보정 후 전압값을 상기 제어 목표값에 일치시키는 제어를 행할 때,
상기 게이트 제어부는 상기 전력 변환부로부터 상기 전력 저장 장치에 공급되는 전압이 일정 전압이 되는 게이트 신호를 출력하여 상기 전력 변환부를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환 제어부는 상기 보정 후 전압값에 기초하여, 상기 각 전력 저장 소자의 전압 이상을 검출한 경우에, 상기 전력 변환부의 동작을 정지시키는 제어 신호를 상기 게이트 제어부에 출력하는 보호 처리부를 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환부는 DC-AC 인버터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환부는 AC-DC 컨버터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환부는 DC-DC 컨버터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전압 검출기를 장치의 내부에 마련한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.