KR20140127858A

KR20140127858A - 병렬 축전 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20140127858A
Application number: KR1020147024794A
Authority: KR
Inventors: 도시히로 와다; 히사노리 야마사키; 게이타 하타나카
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2014-11-04
Also published as: US9543767B2; EP2814132B1; CN104094494B; EP2814132A1; CN104094494A; US20150002095A1; JPWO2013118271A1; JP5653542B2; WO2013118271A1; EP2814132A4; KR101599659B1

Abstract

복수의 모선(4A, 4B)과, 충방전 가능한 1 또는 복수 개의 전지 셀(12)을 직렬로 접속하여 이루어지고, 모선(4A, 4B)의 수보다도 다수 세트인 전지 뱅크(2)(2₁, 2₂, …, 2_n)와, 각 전지 뱅크(2)마다 마련되고, 전지 뱅크(2)에 직렬로 접속되어 전지 뱅크(2)와 직류 모선(4A, 4B) 사이의 접속을 전환하는 전환기(3)(3₁, 3₂, …, 3_n)와, 모선(4A, 4B)을 통해서 각 전지 뱅크(2)를 충전하거나, 또는 모선(A, 4B)를 통해서 수전한 각 전지 뱅크(2)로부터의 방전 전력을 부하 장치(9)에 공급하는 모선(4A, 4B)과 같은 수의 DCDC 컨버터(5A, 5B)와, 각 전지 뱅크(2)의 전압을 검출하는 전압 검출기(6)(6₁, 6₂, …, 6_n)와, 적어도 전압 검출기(6)의 검출 전압에 기초하여 전환기(3)를 제어하는 컨트롤러(7)를 구비한다.

Description

병렬 축전 시스템 및 그 제어 방법{PARALLEL ACCUMULATOR SYSTEM AND METHOD OF CONTROL THEREOF}

본 발명은 병렬 축전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

종래, 예를 들면 하기 특허 문헌 1에는, 충방전(充放電)이 가능한 축전(蓄電) 소자를 1 또는 복수 개 직렬로 접속하여 축전 소자열(素子列)로 하고, 복수의 축전 소자열을 병렬로 접속한 병렬 접속 축전 시스템에 있어서, 각 축전 소자열에 차단 스위치를 마련하여, 전압 감시 수단이 검출한 전압차가 소정치 이내인 축전 소자열이 1 또는 복수 개 존재할 때에 당해 축전 소자열에 대한 스위치만을 투입하도록 하여, 병렬 투입시가 큰 횡류(橫流) 전류에 기인한 과전류나 이상 발열 등의 부적합의 발생을 막는 기술이 개시되어 있다(예를 들면, 하기 특허 문헌 1).

또, 하기 특허 문헌 2에는, 단위 셀과 충방전 회로로 이루어진 유닛을 직렬 접속하여 구성되는 2차 전지에 있어서, 충방전 회로로서 동작하는 DC/DC 컨버터를 단위 셀 마다 마련하고, 방전시에는, SOC가 높은 단위 셀에 접속된 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 SOC가 낮은 단위 셀 보다도 높게 설정함으로써, SOC의 편차(variation)를 작게 하는 방향으로 방전을 행하고, 충전시에는, SOC가 높은 단위 셀에 접속된 DC/DC 컨버터의 출력 전류를 SOC가 낮은 단위 셀 보다도 낮게 설정함으로써, SOC의 편차를 작게 하는 방향으로 충전을 행하는 기술이 개시되어 있다.

특허 문헌 1: 일본국 특개 2009－33936호 공보 특허 문헌 2: 일본국 특개 2011－55592호 공보

그렇지만, 상기 특허 문헌 1의 기술은, 저출력의 병렬 축전 시스템이 적용 대상이며, 고출력의 병렬 축전 시스템에는 적합하지 않다고 하는 문제가 있었다. 왜냐하면, 특허 문헌 1의 시스템은, 스위치를 조작할 때에 전류를 차단할 필요가 있어, 비교적 큰 전류를 차단하는 경우에는, 스위치의 조작시에 시스템 전체를 정지할 필요가 있었다.

또, 상기 특허 문헌 2는, 단위 셀 마다 1대의 DC/DC 컨버터가 필수이기 때문에, 고출력화를 위해서 다수의 단위 셀을 병렬로 접속할 필요가 있는 고출력의 병렬 축전 시스템에 적용했을 경우에는, 시스템이 대규모 및 고비용이 된다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 고출력의 시스템에 적용하는 경우에도, 시스템이 대규모 및 고비용이 되는 것을 억제할 수 있는 병렬 축전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 복수의 직류 모선(母線)과, 충방전 가능한 1 또는 복수 개의 전지 셀을 직렬로 접속하여 이루어지고, 상기 직류 모선의 수보다도 다수 세트(組)인 전지 뱅크(battery bank)와, 상기 각 전지 뱅크마다 마련되고, 당해 전지 뱅크에 직렬로 접속되어 당해 전지 뱅크와 상기 각 직류 모선 사이의 접속을 전환하는 전환기와, 상기 직류 모선을 통해서 상기 각 전지 뱅크를 충전하거나, 또는 상기 직류 모선을 통해서 수전(受電)한 상기 각 전지 뱅크로부터의 방전 전력을 부하 장치에 공급하는 상기 직류 모선과 같은 수의 충방전 회로와, 상기 각 전지 뱅크의 전압을 검출하는 전압 검출기와, 적어도 상기 전압 검출기의 검출 전압에 기초하여, 상기 전환기를 제어하는 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 고출력의 시스템에 적용하는 경우에도, 시스템이 대규모 및 고비용이 되는 것을 억제할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 병렬 축전 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 제1 수법을 설명하기 위한 간략 구성도이다.
도 3은 제1 수법에 의한 각 뱅크의 상태를 나타내는 타임 차트이다.
도 4는 제2 수법에 의한 각 뱅크의 상태를 나타내는 타임 차트이다.
도 5는 제3 수법을 설명하기 위한 간략 구성도이다.
도 6은 제3 수법에 의한 각 뱅크의 상태를 나타내는 타임 차트이다.
도 7은 제4 수법에 의한 각 뱅크의 상태를 나타내는 타임 차트이다.
도 8은 제4 수법에 의한 각 모선의 전압 변화를 나타내는 타임 차트이다.

이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 병렬 축전 시스템 및 그 제어 방법에 대해 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 병렬 축전 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. 본 실시 형태에 따른 병렬 축전 시스템(1)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 충방전이 가능한 1 또는 복수 개의 전지 셀(12)을 직렬로 접속하여 이루어진 n세트의 전지 뱅크(2)(2₁, 2₂, …, 2_n)와, 각각이 제1, 제2 직류 모선을 이루는 모선(4A, 4B)과, 각 전지 뱅크(2)마다 마련되고, 각 전지 뱅크(2)에 직렬로 접속되어 각 전지 뱅크(2)와 모선(4A, 4B) 사이의 접속을 전환하는 1회로 2접점의 전환기(3)(3₁, 3₂, …, 3_n)와, 모선(4A)을 통해서 각 전환기(3)의 제1 접점 K측에 전기적으로 접속되어, 각 전지 뱅크(2)를 충전하거나, 또는 각 전지 뱅크(2)로부터의 방전 전력을 부하 장치(9)에 공급하는 제1 충방전 회로로서의 DCDC 컨버터(5A)와, 모선(4B)을 통해서 각 전환기(3)의 제2 접점 L측에 전기적으로 접속되어, 각 전지 뱅크(2)를 충전하거나, 또는 각 전지 뱅크(2)로부터의 방전 전력을 부하 장치(9)에 공급하는 제2 충방전 회로로서의 DCDC 컨버터(5B)와, 각 전지 뱅크(2)의 전압을 검출하는 전압 검출기(6)(6₁, 6₂, …, 6_n)와, 각 전압 검출기(6)의 검출치나, 소정의 신호(도 1에서는, 뱅크 교환 신호, 뱅크 이상 신호를 예시)에 기초하여 DCDC 컨버터(5A, 5B)의 동작을 제어하는 컨트롤러(7)를 구비하여 구성된다.

여기서, 본 실시 형태에 따른 병렬 축전 시스템의 구성에 대해 보충한다. 우선, DCDC 컨버터의 수와 모선의 수는 같은 수이다. 따라서 DCDC 컨버터의 수가 m개(m은 2 이상의 정수)인 경우, 모선의 수는 m개로 되고, 전환기(3)는 1회로 m접점의 전환 기능을 가지는 전환기가 된다. 한편, DCDC 컨버터의 수와 전지 뱅크의 세트수에서는, DCDC 컨버터의 수가 적게 된다. 즉, 전지 뱅크의 세트수 n과 DCDC 컨버터의 수m의 사이에는, m＜n의 관계가 있다. 예를 들면, 도 1과 같이 2개의 DCDC 컨버터를 가지는 경우, 2개의 직류 모선을 가지고 3세트 이상의 전지 뱅크가 접속되는 구성이 되고, 또, 3개의 DCDC 컨버터를 가지는 경우, 3개의 직류 모선을 가지고 4세트 이상의 전지 뱅크가 접속되는 구성이 된다.

또한, 부하 장치(9)의 구성요소는 도시하고 있지 않지만, 예를 들면, 직류 전력을 축적하는 평활 콘덴서, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치, 차량을 구동하는 전동기 등이 포함된다.

다음으로, 도 1과 같이 구성한 병렬 축전 시스템에 적용 가능한 뱅크 전환 제어의 일례인 제1 ~ 제5 수법에 대해서, 도 2 ~ 도 8의 도면을 참조하여 설명한다.

(제1 수법)

도 2는 본 실시 형태에 따른 제1 수법을 설명하기 위한 간략 구성도이고, 도 3은 제1 수법에 의한 각 전지 뱅크(이하 간단하게 「뱅크」라고 함)의 상태를 나타내는 타임 차트이다. 또한, 도 2는, 도 1의 구성에 있어서, 뱅크(2)의 세트수를 3세트로 하고, DCDC 컨버터의 수를 2개로 한 구성이며, 3개의 뱅크를 각각 뱅크 A, B, C라고 표기하고, 2개의 DCDC 컨버터(5A, 5B)를 각각 DCDC 1, DCDC 2로 표기하고, 모선(4A, 4B)을 각각 모선 1, 모선 2로 표기하고 있다.

(제1 수법)

우선, 각 뱅크의 초기 상태는, 도시와 같이,

·뱅크 A－모선 1(접점 K측)

·뱅크 B－모선 1(접점 K측)

·뱅크 C－모선 2(접점 L측)로 한다.

또, 각 뱅크의 목표 상태는, 뱅크 B를 모선 2 측으로 전환하는 것으로 한다(뱅크 A, C는 그대로). 또한, 뱅크 B의 모선 2측으로의 전환은, 예를 들면 뱅크 B 의 상태(충전 상태(SOC：State Of Charge), 사용시간, 열화 상태 등에 의해서 구분되는 상태, 이하 간단하게 「상태」라고 함)가 뱅크 A 보다도 뱅크 C에 가깝게 되어 있을 때, 마찬가지인 상태의 뱅크끼리를 모아 그룹화하여, 동일한 모선에 접속하려고 하려는 의도이다.

(1) 우선, DCDC 1을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 DCDC 2의 전류를 증가시킨다(시퀀스 11).

(2) 다음으로, 전환기(Ba)를 모선 2(접점 L)측으로 전환한다(시퀀스 12). 또한, 전류 차단 기능을 갖지 않는 전환기의 경우, 대전류의 차단은 곤란하지만, 투입은 가능하다. 본 예의 경우, DCDC 1은 정지해 있기 때문에, 전환기(Ba)를 접점 K로부터 절리(切離)하는 것은 가능하다. 또, DCDC 2는 동작하고 있지만, 모선 2로의 전환은 접점 L로의 투입 동작이 되므로, 실시 가능하다.

(3) 마지막으로, DCDC 2의 출력을 내림과 아울러, DCDC 1의 출력을 올려, 통상 상태로 복귀한다(시퀀스 13).

또한, 상기의 시퀀스 11에 있어서, DCDC 1의 동작을 정지하려면, 예를 들면 DCDC 1의 구성요소인 도시하지 않는 스위칭 소자에 대한 스위칭 신호의 듀티비를 영(零)에 근접시키는 제어를 행하면 좋다(정지 상태로 보여지면, 반드시 듀티비를 영으로 할 필요는 없다).

이 제1 수법에 의한 동작을, 도 3의 타임 차트를 이용하여 설명한다. 또한, 이후의 설명에 있어서도 마찬가지이지만, 파선으로 나타내는 눈금을 1단위라고 할 때, 출력 라인에 흐르는 전류의 총량은 6단위인 것으로 한다. 이 가정 하에, 시퀀스 11로 이행할 때까지의 동안 각 뱅크에는 균등한 전류(2단위의 전류)가 흐르고 있다.

시퀀스 11에서는, DCDC 1이 정지하므로, 뱅크 A, B의 전류는 영에 가까워진다. 대신에, 뱅크 C의 전류는 6단위의 라인을 향해 상승한다.

시퀀스 12에서는, 전환기(Ba)가 모선 2 측으로 전환되어, 뱅크 B가 모선 2에 접속되므로, 뱅크 B에는, 도시와 같이 급격한 전류가 흐른다. 또한, 도시의 예에서는, 뱅크 B에 9단위의 방전 전류가 흐르고, 뱅크 C에 3단위의 충전 전류가 흐르고 있다(합계에서는, 6단위의 방전 전류). 즉, 뱅크 B의 접속을 모선 1에서 모선 2로 전환할 때에, 이른바 횡류(橫流)라고 불리는 뱅크간 전류가 생겨 있다. 이 횡류는, 시간의 경과와 함께 작아져 소멸한다. 또한, 횡류가 소멸했을 때에는, 뱅크 B와 뱅크 C에서 전류를 쉐어하므로, 양쪽 모두 3단위의 방전 전류가 흐르게 된다. 따라서 뱅크 B의 접속 전환에 의해, 6단위의 횡류가 흐른 것이 된다.

시퀀스 13에서는, DCDC 2의 출력을 내리고, DCDC 1의 출력을 올리므로, 뱅크 A에 흐르는 전류가 증가하고, 뱅크 B, C에 흐르는 전류가 감소한다. 그 결과, 뱅크 A~C에서 전류를 쉐어하게 되어, 각 뱅크 모두 2단위의 방전 전류가 흐르게 된다.

상기와 같이, 제1 수법에 의하면, 뱅크의 상태에 따라 제어 대상이 되는 뱅크를 선택하여, DCDC 컨버터의 제어와 연동하면서, 뱅크 전환을 행하도록 하고 있으므로, 시스템을 정지시키는 일 없이, 뱅크간의 편차에 대응할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

또한, 상기 제1 수법에서는, 모선 및 DCDC 컨버터의 수가 2개인 경우의 시퀀스에 대해 설명해 왔지만, 3이상인 경우에 대해서도 마찬가지인 시퀀스로 실행하면 좋다. 예를 들면, 전환 대상이 되는 제1 전지 뱅크가 전기적으로 접속되어 있는 접속원의 DCDC 컨버터인 제1 DCDC 컨버터의 동작을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 제1 DCDC 컨버터 이외의 적어도 1개의 DCDC 컨버터의 동작 전류를 증가시키고, 제1 전지 뱅크가 접속되어 있는 제1 전환기를 제1 DCDC 컨버터 이외의 DCDC 컨버터에 전기적으로 접속되도록 전환하여, 제1 DCDC 컨버터를 포함하는 DCDC 컨버터의 동작 전류를 전환 전의 상태로 되돌리도록 하면 좋다.

(제2 수법)

도 4는 제2 수법에 의한 각 뱅크의 상태를 나타내는 타임 차트이다. 이 제2 수법에서는, 이하의 시퀀스에 의한 동작이 실행된다. 또한, 시스템 구성에 대해서는, 도 2와 동일하다.

(1) 우선, DCDC 1을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 DCDC 2의 전류를 증가시킨다.

(2) 다음으로, 전환기(Ba)를 중립 상태(어느 쪽의 접점에도 접속되지 않는 상태)로 전환한다(시퀀스 22).

(3) 다음으로, DCDC 2를 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 DCDC 1의 전류를 증가시킨다(시퀀스 23).

(4) 다음으로, 전환기(Ba)를 모선 2(접점 L) 측으로 전환하여, 뱅크(2)를 모선 2에 투입한다(시퀀스 24).

(5) 마지막으로, DCDC 2의 출력을 올림과 아울러, DCDC 1의 출력을 내려 통상 상태로 복귀한다(시퀀스 25).

이 제2 수법에 의한 동작을, 도 4의 타임 차트를 이용하여 설명한다. 우선, 시퀀스 21에서는, DCDC 1이 정지하므로, 뱅크 A, B의 전류는 영에 가까워진다. 대신에, 뱅크 C의 전류는 6단위의 라인을 향해 상승한다.

시퀀스 22에서는, 전환기(Ba)가 중립 상태로 제어되지만, DCDC 1이 정지하고 있으므로, 각 뱅크의 상태에는 변화가 없다.

시퀀스 23에서는, DCDC 2를 정지시키고, 반대로, DCDC 1의 출력을 올리므로, 뱅크 A에 흐르는 전류가 증가하고, 뱅크 C에 흐르는 전류가 감소한다. 그 결과, 뱅크 A에는 6단위의 전류가 흐르고, 뱅크 C에는 전류가 흐르지 않게 된다.

시퀀스 24에서는, 전환기(Ba)가 모선 2에 접속(투입)되므로, 뱅크 B에는, 도시와 같이 급격한 전류가 흐른다. 또한, 도시의 예에서는, 뱅크 B에 6단위의 방전 전류가 흐르고, 뱅크 C에 6단위의 충전 전류가 흐르고 있다(다만, 총 전류는 영). 즉, 제2 수법에서도 제1 수법일 때와 마찬가지로 6단위의 횡류가 생겨 있다. 그렇지만, 같은 6단위의 횡류에서도, 제2 수법의 경우, 중심 전류가 영이기 때문에, 9단위의 횡류를 생겨나게 하는 제1 수법과 비교하여 전류의 최대치는 억제되어 있다. 또한, 이 횡류는 시간의 경과와 함께 작아져 소멸한다.

시퀀스 25에서는, DCDC 2의 출력을 올림과 아울러, DCDC 1의 출력을 내리므로, 뱅크 A에 흐르는 전류가 감소하고, 뱅크 B, C에 흐르는 전류가 증가한다. 그 결과, 뱅크 A~C에서 전류를 쉐어하게 되어, 각 뱅크 모두 2단위의 방전 전류가 흐르게 된다.

상기와 같이, 제2 수법에 의하면, 제1 수법의 절차에 있어서, 뱅크 전환을 즉시 행하는 것이 아니라, 전환기를 중립 상태로 제어한 후에 뱅크 전환을 행하도록 하고 있으므로, 제1 수법에 의한 효과를 구비한 것에 더하여, 제1 수법보다도 횡류를 작게 할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

또한, 상기 제2 수법에서는, 모선 및 DCDC 컨버터의 수가 2개인 경우의 시퀀스에 대해 설명해 왔지만, 3이상인 경우에 대해서도 마찬가지인 시퀀스로 실행하면 된다. 예를 들면, 전환 대상이 되는 제1 전지 뱅크가 전기적으로 접속되어 있는 접속원의 DCDC 컨버터인 제1 DCDC 컨버터의 동작을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 제1 DCDC 컨버터 이외의 적어도 1개의 DCDC 컨버터의 동작 전류를 증가시키고, 제1 전지 뱅크가 접속되어 있는 제1 전환기를 중립 상태로 전환하고, 전환처의 DCDC 컨버터인 제2 DCDC 컨버터의 동작을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 제2 DCDC 컨버터 이외의 DCDC 컨버터 이외의 적어도 1개의 DCDC 컨버터의 동작 전류를 증가시키고, 제1 전환기를 제1 DCDC 컨버터 이외의 DCDC 컨버터에 전기적으로 접속되도록 전환하여, 제1 DCDC 컨버터를 포함하는 DCDC 컨버터의 동작 전류를 전환 전의 상태로 되돌리도록 하면 된다.

(제3 수법)

도 5는 본 실시 형태에 따른 제3 수법을 설명하기 위한 간략 구성도이다. 여기서, 도 5는, 도 2의 구성에 있어서, 각 뱅크와 각 전환기의 사이에 저항을 병렬 접속한 개폐기(Ab, Bb, Cb)를 삽입한 구성이다. 또한, 그 외의 구성에 대해서는, 도 2와 동일하다.

도 6은 제3 수법에 의한 각 뱅크의 상태를 나타내는 타임 차트이다. 이 제3 수법에서는, 이하의 시퀀스에 의한 동작이 실행된다.

(1) 우선, DCDC 1을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 DCDC 2의 전류를 증가시킨다(시퀀스 31).

(2) 다음으로, 전환기(Ba)를 중립 상태(어느 쪽의 접점에도 접속되지 않는 상태)로 전환한다(시퀀스 32).

(3) 다음으로, DCDC 2를 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 DCDC 1의 전류를 증가시킨다(시퀀스 33).

또한, 여기까지의 시퀀스는, 제2 수법과 동일하다.

(4) 다음으로, 개폐기(Bb)를 차단(개로(開路))하여, 뱅크 B와 전환기(Ba)를 밸런스 저항을 통해서 접속한다(시퀀스 34).

(5) 다음으로, 전환기(Ba)를 모선 2(접점 L) 측으로 전환하여, 뱅크(2)를 모선 2에 투입한다(시퀀스 35).

(6) 다음으로, 뱅크 B와 뱅크 C가 밸런스하는 것을 기다리고, 환언하면 뱅크 B의 전류가 안정화되는 것을 기다려 개폐기(Bb)를 투입(폐로)한다(시퀀스 36).

(7) 마지막으로, DCDC 2의 출력을 올림과 아울러, DCDC 1의 출력을 내려, 통상 상태로 복귀한다(시퀀스 37).

이 제3 수법에 의한 동작을, 도 6의 타임 차트를 이용하여 설명한다. 상술한 바와 같이 시퀀스 31 ~ 시퀀스 33는, 제2 수법의 경우와 동일하기 때문에, 설명을 생략한다. 또한, 시퀀스 33에 의한 제어 후는, 도 6에 도시된 바와 같이, 뱅크 A에만 6단위의 전류가 흐르고 있는 상태가 된다.

시퀀스 34는 시퀀스 35를 위한 준비 동작이며, 밸런스 저항을 통해서 뱅크 B와 전환기(Ba)가 접속된다. 시퀀스 35에서는, 전환기(Ba)가 모선 2에 접속(투입)되므로, 뱅크 B에는, 도시와 같은 전류가 흐른다. 도 6의 예에서는, 뱅크 B에 3단위의 방전 전류가 흐르고, 뱅크 C에 3단위의 충전 전류가 흐르고 있다. 또한, 이때 생긴 횡류는 밸런스 저항을 통해서 흐르므로, 제2 수법일 때보다도 전류는 작고, 완화 시간은 길어진다.

시퀀스 36에서는, 시퀀스 35에서 생긴 횡류가 감소하는 것을 기다려 개폐기(Bb)가 투입된다. 개폐기(Bb)가 투입되어도 이미 횡류는 완화되어 있으므로, 각 뱅크에 흐르는 전류의 변화는 거의 없다.

시퀀스 37에서는, DCDC 2의 출력을 올림과 아울러, DCDC 1의 출력을 내리므로, 뱅크 A에 흐르는 전류가 감소하고, 뱅크 B, C에 흐르는 전류가 증가한다. 그 결과, 뱅크 A~C에서 전류를 쉐어하게 되어, 각 뱅크 모두 2단위의 방전 전류가 흐르게 된다.

상기와 같이, 제3 수법에 의하면, 뱅크 투입시에 밸런스 저항을 통해서 모선에 투입하도록 하고 있으므로, 제1 및 제2 수법보다도 횡류를 작게 할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

또한, 상기 제3 수법에서는, 모선 및 DCDC 컨버터의 수가 2개인 경우의 시퀀스에 대해 설명해 왔지만, 3이상인 경우에 대해서도 마찬가지인 시퀀스로 실행하면 된다. 예를 들면, 전환 대상이 되는 제1 전지 뱅크가 전기적으로 접속되어 있는 접속원의 DCDC 컨버터인 제1 DCDC 컨버터의 동작을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 제1 DCDC 컨버터 이외의 적어도 1개의 DCDC 컨버터의 동작 전류를 증가시키고, 제1 전지 뱅크가 접속되어 있는 제1 전환기를 중립 상태로 전환하고, 전환처의 DCDC 컨버터인 제2 DCDC 컨버터의 동작을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 제2 DCDC 컨버터 이외의 DCDC 컨버터 이외의 적어도 1개의 DCDC 컨버터의 동작 전류를 증가시키고, 제1 전지 뱅크가 접속되는 제1 개폐기를 차단하여, 당해 제1 전지 뱅크와 제1 전환기를 밸런스 저항을 통해서 접속시키고, 제1 전환기를 제1 DCDC 컨버터 이외의 DCDC 컨버터에 전기적으로 접속되도록 전환하고, 제1 전지 뱅크에 흐르는 전류가 안정화되는 것을 기다려 제1 개폐기를 투입하여, 제1 및 제2 DCDC 컨버터를 포함하는 DCDC 컨버터의 동작 전류를 전환 전의 상태로 되돌리도록 하면 된다.

(제4 수법)

도 7은 제4 수법에 의한 각 뱅크의 상태를 나타내는 타임 차트이다. 이 제4 수법에서는, 이하의 시퀀스에 의한 동작이 실행된다. 또한, 시스템 구성에 대해서는, 도 2와 동일하다.

(1) 우선, DCDC 1의 출력을 올려, 모선 1에 연결되는 뱅크의 SOC를 저하시킨다(시퀀스 41).

(2) 다음으로, DCDC 1을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 DCDC 2의 전류를 증가시킨다(시퀀스 42).

(3) 다음으로, 전환기(Ba)를 중립 상태(어느 쪽의 접점에도 접속되지 않는 상태)로 전환한다(시퀀스 43).

(4) 다음으로, 뱅크 C의 정지시 전압이 뱅크 B의 전압과 동일해질 때까지 대기하여, 동일해진 순간에 DCDC 1의 출력을 올림과 아울러, DCDC 2를 정지시킨다(시퀀스 44).

(5) 다음으로, 전환기(Ba)를 모선 2(접점 L) 측으로 전환하여, 뱅크 B를 모선 2에 투입한다(시퀀스 45).

(6) 마지막으로, DCDC 2의 출력을 올림과 아울러, DCDC 1의 출력을 내리고, 통상 상태로 복귀한다(시퀀스 46).

이 제4 수법에 의한 동작을, 도 7의 타임 차트, 및 도 8을 이용하여 설명한다. 도 8은 제4 수법에 의한 각 모선의 전압 변화를 나타내는 타임 차트이다. 도 8에 있어서, 실선으로 나타내는 파형은 모선 1의 전압이고, 일점 쇄선으로 나타내는 파형은 모선 2의 전압이다. 우선, 시퀀스 41에서는, DCDC 1을 적극적으로 방전시켜 모선 1에 접속되는 뱅크 A, B의 SOC를 저하시킨다. 일반적으로 전지(電池)는 SOC가 저하되면 전압이 저하되기 때문에, 이 제어에 의해서 모선 1에 연결되는 뱅크 A, B의 전압이 모선 2에 연결되는 뱅크 C보다 낮아진다. 보다 적극적인 제어를 위해, DCDC 2를 충전 동작시키고, DCDC 1의 출력을 그만큼 증가시켜도 좋다. 도 7에서는 DCDC 2를 6단위의 충전 동작, DCDC 1을 12단위(뱅크 A, B 함께 각 6단위)의 방전 동작으로 하여, 시스템 전체의 방전 전류는 6단위를 유지하고 있다.

시퀀스 42에서는, DCDC 1을 정지시키고, 반대로, DCDC 2의 출력을 올리므로, 뱅크 C는 충전에서 방전으로 전환하는 반면에, 뱅크 A, B에 흐르는 전류는 감소한다. 그 결과, 뱅크 C에는 6단위의 전류가 흐르고, 뱅크 A, B에는 전류가 흐르지 않게 된다. 전지는 내부 저항을 가지기 때문에, 같은 SOC에 있어서도 방전시의 전압은 충전시의 전압보다 낮아진다. 이 때문에 시퀀스 42에 의해서 뱅크 C의 전압은 강하하고, 뱅크 A, B의 전압은 상승한다. 그러나 도 8에 도시된 바와 같이, 시퀀스 41에서 뱅크 C의 SOC에 대해 뱅크 A, B의 SOC를 충분히 저하시켜 두면, 시퀀스 42의 후에도 뱅크 C의 전압은 뱅크 A, B의 전압보다 높은 상태를 유지한다.

시퀀스 43에서는, 전환기(Ba)가 중립 상태로 제어되지만, DCDC 1이 정지되어 있으므로, 각 뱅크의 상태에는 변화가 없다. 이때, 뱅크 B의 전압을 계측한다. 이 전압을 V라고 한다.

시퀀스 44에서는, 우선 뱅크 C의 정지시 전압이 뱅크 B의 전압 V와 동일해질 때까지 대기한다. 뱅크 C는 방전 중이기 때문에 그 전압은 전지의 내부 저항에 의해서 저하되어 있지만, 이 전압저하분은 뱅크 C의 내부 저항과 방전 전류의 곱에 의해서 용이하게 구할 수 있다. 뱅크 C의 정지시 전압은 뱅크 C의 전압에 내부 저항에 의한 전압저하분을 더한 것이다. 뱅크 C의 정지시 전압이 뱅크 B의 전압과 동일해졌을 때, DCDC 1의 출력을 올림과 아울러, DCDC 2를 정지시키므로, 뱅크 A에 흐르는 전류는 증가하고, 뱅크 C에 흐르는 전류는 감소한다. 그 결과, 뱅크 A에는 6단위의 전류가 흐르고, 뱅크 B, C에는 전류가 흐르지 않게 된다. 추가로 이때 뱅크 B의 전압과 뱅크 C의 전압이 동일해져 있다.

시퀀스 45에서는, 전환기(Ba)가 모선 2에 접속(투입)된다. 모선 2에는 뱅크 C가 접속되어 있지만, 시퀀스 44의 결과 뱅크 B의 전압과 뱅크 C의 전압이 동일해져 있기 때문에, 뱅크 B와 뱅크 C의 사이에 횡류는 흐르지 않는다.

시퀀스 46에서는, DCDC 2의 출력을 올림과 아울러, DCDC 1의 출력을 내리므로, 뱅크 A에 흐르는 전류가 감소하고, 뱅크 B, C에 흐르는 전류가 증가한다. 그 결과, 뱅크 A~C에서 전류를 쉐어하게 되어, 각 뱅크 모두 2단위의 방전 전류가 흐르게 된다.

상기와 같이, 제4 수법에 의하면, 뱅크의 분리 및 투입시에 있어서의 횡류를 억제할 수 있으므로, 뱅크간의 밸런스를 위해서 전력을 소비하지 않는다고 하는 효과가 얻어진다.

도 8에 있어서 시퀀스 44의 실시 시점과 뱅크 B의 전압이 정지시 전압이 되는 시점 t의 사이에 그려져 있는 2점 쇄선은, 뱅크 B의 전압을 나타내고 있다. 상술한 바와 같이, 뱅크 B는 시퀀스 43에서 모선으로부터 절리되고, 시퀀스 44에서는, DCDC 1의 정지가 해제되므로, 뱅크 B의 전압과 모선 1의 전압은 서로 다른 상태가 된다.

그런데, 제4 수법에 관하여, 도 7을 이용하여 설명한 내용은, 방전시의 동작 설명이었지만, 충전시도 동일한 절차로 실시할 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 이하와 같다.

(1) 우선, DCDC 1의 충전 전류를 올려, 모선 1에 연결되는 뱅크의 SOC를 증가시킨다(시퀀스 41＇).

(2) 다음으로, DCDC 1을 정지시킴과 아울러, 정지 전의 상태를 유지하도록 DCDC 1의 전류분을 DCDC 2로 보충한다(시퀀스 42＇).

(3) 다음으로, 전환기(Ba)를 중립 상태(어느 쪽의 접점에도 접속되지 않는 상태)로 전환한다(시퀀스 43＇).

(4) 다음으로, 뱅크 C의 정지시 전압이 뱅크 B의 전압과 동일해질 때까지 대기하고, 동일해진 순간에 DCDC 1의 충전 전류를 올림과 아울러, DCDC 2를 정지시킨다(시퀀스 44＇).

(5) 다음으로, 전환기(Ba)를 모선 2(접점 L) 측으로 전환하여, 뱅크 B를 모선 2에 투입한다(시퀀스 45＇).

(6) 마지막으로, DCDC 2의 충전 전류를 올림과 아울러, DCDC 1의 충전 전류를 내리고, 통상 상태로 복귀한다(시퀀스 46＇).

상기와 같이, 제4 수법에 의한 충전 제어에서는, 전력 회생 등, 계속적으로 전력을 흡수해야 하는 용도에 있어서도, 편차를 억제한 병렬 축전 시스템을 실현할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

또한, 상기 제4 수법에서는, 모선 및 DCDC 컨버터의 수가 2개인 경우의 시퀀스에 대해 설명해 왔지만, 3 이상인 경우에 대해서도 마찬가지인 시퀀스로 실행하면 된다. 예를 들면, 전환 대상이 되는 제1 전지 뱅크가 전기적으로 접속되어 있는 접속원의 DCDC 컨버터인 제1 DCDC 컨버터의 출력을 올림과 아울러, 제1 DCDC 컨버터가 접속되어 있는 제1 직류 모선에 전기적으로 접속되어 있는 전지 뱅크의 SOC를 저하 또는 증가시켜, 제1 DCDC 컨버터의 동작을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 제1 DCDC 컨버터 이외의 적어도 1개의 DCDC 컨버터의 동작 전류를 증가시키고, 제1 전지 뱅크가 접속되어 있는 제1 전환기를 중립 상태로 전환하고, 제1 DCDC 컨버터의 출력을 올림과 아울러, 전환처의 DCDC 컨버터인 제2 DCDC 컨버터의 동작을 정지시키고, 제2 DCDC 컨버터가 접속되어 있는 제2 직류 모선의 정지시 전압이 제1 전지 뱅크의 전압과 동일해질 때까지 대기하며, 그 후, 제1 전환기를 제2 모선측으로 전환하여, 제1 전지 뱅크를 제2 모선에 투입하고, 제2 DCDC 컨버터의 출력을 올림과 아울러, 제1 DCDC 컨버터의 출력을 내리도록 하면 된다.

이상, 본 실시 형태에 따른 병렬 축전 시스템에 적용 가능한 뱅크 전환 제어의 일례로서 제1~ 제4 수법에 대해 설명해 왔다. 이들 제1~ 제4 수법은, 시스템을 정지하는 일 없이 실행할 수 있으므로, 뱅크 전환 제어를 적극적으로 실시하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 이하의 효과가 생겨난다.

우선, 특성이 유사한 뱅크끼리를 그룹화하고, 그룹화한 뱅크 그룹마다 모선을 분리하여 사용하는 것을 생각할 수 있다. 특성이 유사한 뱅크끼리를 1개의 모선으로 사용함으로써, 전지의 열화를 늦출 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

또, 교환하는 뱅크끼리를 그룹화하는 것도 유효하다. 교환하는 뱅크의 결정 후, 이들 뱅크를 그룹화하여 1개의 모선에 접속하고, 당해 모선을 통해서 적극적으로 방전시키는 제어를 행하도록 하면, 뱅크의 잔(殘)전력을 유효하게 활용할 수 있음과 아울러, 교환하지 않는 뱅크로의 영향도 작게 할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

또, 뱅크의 이상시에, 이상 뱅크를 모선으로부터 절리하도록 하면, 이상 뱅크의 동작에 의해서 정상 뱅크 성능이 열화하는 상황을 회피할 수 있어, 시스템의 신뢰성의 저하를 억제할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

[산업상의 이용 가능성]

이상과 같이, 본 발명에 따른 병렬 축전 시스템 및 그 제어 방법은, 고출력의 시스템에 적용하는 경우에도, 시스템이 대규모 및 고비용으로 되는 것을 억제할 수 있는 발명으로서 유용하다.

1: 병렬 축전 시스템
2(2₁, 2₂, …, 2_n): 전지 뱅크
3(3₁, 3₂, …, 3_n): 전환기
4A, 4B: 모선
5A, 5B: 컨버터
6: 전압 검출기
7: 컨트롤러
9: 부하 장치
12: 전지 셀

Claims

복수의 직류 모선과,
충방전(充放電) 가능한 1 또는 복수 개의 전지 셀을 직렬로 접속하여 이루어지고, 상기 직류 모선의 수보다도 다수 세트(組)인 전지 뱅크와,
상기 각 전지 뱅크마다 마련되고, 당해 전지 뱅크에 직렬로 접속되어 당해 전지 뱅크와 상기 각 직류 모선 사이의 접속을 전환하는 전환기와,
상기 직류 모선을 통해서 상기 각 전지 뱅크를 충전하거나, 또는 상기 직류 모선을 통해서 수전(受電)한 상기 각 전지 뱅크로부터의 방전 전력을 부하 장치에 공급하는 상기 직류 모선과 같은 수의 충방전 회로와,
상기 각 전지 뱅크의 전압을 검출하는 전압 검출기와,
적어도 상기 전압 검출기의 검출 전압에 기초하여, 상기 전환기를 제어하는 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 하는 병렬 축전 시스템.
청구항 1에 있어서,
밸런스 저항이 병렬로 접속되고, 상기 각 전지 뱅크와 상기 각 전환기의 사이에 삽입되는 개폐기를 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 병렬 축전 시스템.
충방전 가능한 1 또는 복수 개의 전지 셀을 직렬로 접속하여 이루어진 전지 뱅크와, 직류 모선을 통해서 상기 각 전지 뱅크를 충전하거나, 또는 상기 직류 모선을 통해서 수전한 상기 각 전지 뱅크로부터의 방전 전력을 부하 장치에 공급하는 충방전 회로를 구비한 병렬 축전 시스템의 제어 방법으로서,
상기 병렬 축전 시스템에 있어서의 상기 직류 모선은 복수이고, 또한, 상기 충방전 회로는 상기 직류 모선과 같은 수이고, 또한, 상기 전지 뱅크는 상기 직류 모선의 수보다도 다수 세트 마련되고, 추가로 상기 전지 뱅크에 직렬로 접속되어 당해 전지 뱅크와 상기 각 직류 모선 사이의 접속을 전환하는 전환기가 마련되는 구성에 대해,
전환 대상이 되는 제1 전지 뱅크가 전기적으로 접속되어 있는 접속원의 충방전 회로인 제1 충방전 회로의 동작을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 상기 제1 충방전 회로 이외의 적어도 1개의 충방전 회로의 동작 전류를 증가시키는 제1 스텝과,
상기 제1 전지 뱅크가 접속되어 있는 제1 전환기를 상기 제1 충방전 회로 이외의 충방전 회로에 전기적으로 접속되도록 전환하는 제2 스텝과,
상기 제1 충방전 회로를 포함하는 충방전 회로의 동작 전류를 전환 전의 상태로 되돌리는 제3 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 축전 시스템의 제어 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 스텝과 상기 제2 스텝의 사이에,
상기 제1 전환기를 중립 상태로 전환하는 제1 서브 스텝과,
전환처의 충방전 회로인 제2 충방전 회로의 동작을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 상기 제2 충방전 회로 이외의 충방전 회로 이외의 적어도 1개의 충방전 회로의 동작 전류를 증가시키는 제2 서브 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 축전 시스템의 제어 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 병렬 축전 시스템은, 밸런스 저항이 병렬로 접속되고, 상기 각 전지 뱅크와 상기 각 전환기의 사이에 삽입되는 개폐기를 추가로 가지는 구성이고,
상기 제2 서브 스텝과 상기 제2 스텝의 사이에, 상기 제1 전지 뱅크가 접속되는 제1 개폐기를 차단하고, 당해 제1 전지 뱅크와 상기 제1 전환기를 밸런스 저항을 통해서 접속시키는 제3 서브 스텝을 포함하고,
상기 제2 스텝과 상기 제3 스텝의 사이에, 상기 제1 전지 뱅크에 흐르는 전류가 안정화되는 것을 기다려 상기 제1 개폐기를 투입하는 제4 서브 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 축전 시스템의 제어 방법.
충방전 가능한 1 또는 복수 개의 전지 셀을 직렬로 접속하여 이루어진 전지 뱅크와, 직류 모선을 통해서 상기 각 전지 뱅크를 충전하거나, 또는 상기 직류 모선을 통해서 수전한 상기 각 전지 뱅크로부터의 방전 전력을 부하 장치에 공급하는 충방전 회로를 구비한 병렬 축전 시스템의 제어 방법으로서,
상기 병렬 축전 시스템에 있어서의 상기 직류 모선은 복수이고, 또한, 상기 충방전 회로는 상기 직류 모선과 같은 수이고, 또한, 상기 전지 뱅크는 상기 직류 모선의 수보다도 다수 세트 마련되고, 추가로 상기 전지 뱅크에 직렬로 접속되어 당해 전지 뱅크와 상기 각 직류 모선 사이의 접속을 전환하는 전환기가 마련되는 구성에 대해,
전환 대상이 되는 제1 전지 뱅크가 전기적으로 접속되어 있는 접속원의 충방전 회로인 제1 충방전 회로의 출력을 올려서, 제1 충방전 회로가 접속되어 있는 제1 직류 모선에 전기적으로 접속되어 있는 전지 뱅크의 SOC를 저하시키는 제1 스텝과,
상기 제1 충방전 회로의 동작을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 상기 제1 충방전 회로 이외의 적어도 1개의 충방전 회로의 동작 전류를 증가시키는 제2 스텝과,
상기 제1 전지 뱅크가 접속되어 있는 제1 전환기를 중립 상태로 전환하는 제3 스텝과,
상기 제2 충방전 회로가 접속되어 있는 제2 직류 모선의 정지시 전압이 상기 제1 전지 뱅크의 전압과 동일해질 때까지 대기하고, 그 후, 상기 제1 충방전 회로의 출력을 올림과 아울러, 전환처의 충방전 회로인 제2 충방전 회로의 동작을 정지하는 제4 스텝과,
상기 제1 전환기를 상기 제2 모선측으로 전환하여, 상기 제1 전지 뱅크를 상기 제2 모선에 투입하는 제5 스텝과,
상기 제2 충방전 회로의 출력을 올림과 아울러, 상기 제1 충방전 회로의 출력을 내리는 제6 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 축전 시스템의 제어 방법.
충방전 가능한 1 또는 복수 개의 전지 셀을 직렬로 접속하여 이루어진 전지 뱅크와, 직류 모선을 통해서 상기 각 전지 뱅크를 충전하거나, 또는 상기 직류 모선을 통해서 수전한 상기 각 전지 뱅크로부터의 방전 전력을 부하 장치에 공급하는 충방전 회로를 구비한 병렬 축전 시스템의 제어 방법으로서,
상기 병렬 축전 시스템에 있어서의 상기 직류 모선은 복수이고, 또한, 상기 충방전 회로는 상기 직류 모선과 같은 수이며, 또한, 상기 전지 뱅크는 상기 직류 모선의 수보다도 다수 세트 마련되고, 추가로 상기 전지 뱅크에 직렬로 접속되어서 당해 전지 뱅크와 상기 각 직류 모선 사이의 접속을 전환하는 전환기가 마련되는 구성에 대해,
전환 대상이 되는 제1 전지 뱅크가 전기적으로 접속되어 있는 접속원의 충방전 회로인 제1 충방전 회로의 출력을 올려서, 제1 충방전 회로가 접속되어 있는 제1 직류 모선에 전기적으로 접속되어 있는 전지 뱅크의 SOC를 증가시키는 제1 스텝과,
상기 제1 충방전 회로의 동작을 정지시킴과 아울러, 시스템의 출력을 유지하도록 상기 제1 충방전 회로 이외의 적어도 1개의 충방전 회로의 동작 전류를 증가시키는 제2 스텝과,
상기 제1 전지 뱅크가 접속되어 있는 제1 전환기를 중립 상태로 전환하는 제3 스텝과,
상기 제2 충방전 회로가 접속되어 있는 제2 직류 모선의 정지시 전압이 상기 제1 전지 뱅크의 전압과 동일해질 때까지 대기하고, 그 후, 상기 제1 충방전 회로의 출력을 올림과 아울러, 전환처의 충방전 회로인 제2 충방전 회로의 동작을 정지하는 제4 스텝과,
상기 제1 전환기를 상기 제2 모선측으로 전환하여, 상기 제1 전지 뱅크를 상기 제2 모선에 투입하는 제5 스텝과,
상기 제2 충방전 회로의 출력을 올림과 아울러, 상기 제1 충방전 회로의 출력을 내리는 제6 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 축전 시스템의 제어 방법.
청구항 3에 있어서,
특성이 유사한 전지 뱅크끼리를 그룹화하고, 당해 그룹화한 전지 뱅크 그룹마다 상기 직류 모선을 분리하여 사용하는 것을 특징으로 하는 병렬 축전 시스템의 제어 방법.
청구항 3에 있어서,
교환하는 전지 뱅크끼리를 그룹화하고, 당해 그룹화한 전지 뱅크 그룹마다 상기 직류 모선을 분리하여 사용하는 것을 특징으로 하는 병렬 축전 시스템의 제어 방법.