KR20200049548A - 전원 장치 - Google Patents

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교스케 다네무라
시게아키 고토
준타 이즈미
겐지 기무라
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

이차 전지를 갖는 전지 모듈(102)을 복수 포함하고, 컨트롤러(104)로부터의 게이트 구동 신호에 따라서 전지 모듈(102)이 서로 직렬 접속되는 전원 장치(100)이며, 직렬 접속 가능한 전지 모듈(102)의 수에 따라서 전지 모듈(102)의 SOC의 목표값으로 되는 SOC 제어 목표값을 변경한다.

Description

전원 장치{POWER SUPPLY DEVICE}
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).
그러나, 종래의 전원 장치에서는, 직렬 접속되는 전지 모듈의 각각에 흐르는 전류는 동일해지므로, 전지 모듈의 성능에 변동이 있는 상황에 있어서 전지 용량이 작은 전지 모듈의 SOC가 다른 전지 모듈의 SOC보다 빠르게 저하되어 버린다는 문제가 있다. 또한, 전지 모듈의 SOC가 하한 역치에 도달하면, 그 전지 모듈은 사용 할 수 없게 된다는 문제가 있다. 또한, 사용할 수 없게 된 전지 모듈의 수가 증가하면 전원 장치 자체를 정지시키지 않으면 안되는 상황이 되는 경우가 있었다.
본 발명의 하나의 양태는,
각 전지 모듈이 각각 이차 전지를 갖는 복수의 전지 모듈과,
게이트 구동 신호에 따라서, 상기 전지 모듈이 서로 직렬 접속하며, 상기 직렬 접속 가능한 상기 전지 모듈의 수에 따라서 상기 전지 모듈의 SOC의 목표값으로 되는 SOC 제어 목표값을 변경하도록 구성된 컨트롤러를
구비하는 전원 장치에 관한 것이다.
여기서, 상기 컨트롤러는, 상기 직렬 접속 가능한 상기 전지 모듈의 수가 적어지는 것에 따라서 상기 SOC 제어 목표값을 보다 높게 하도록 구성되어 있어도 된다.
또한, 전원 장치는, 상기 게이트 구동 신호에 관계 없이 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리하는 절단 장치를 구비하고 있어도 된다. 상기 컨트롤러는, 상기 절단 장치에 의해 상기 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리된 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속 가능한 상기 전지 모듈로부터 제외하도록 구성되어 있어도 된다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 전지 모듈의 상태를 나타내는 상태 정보를 이용하여 상기 전지 모듈의 고장 상태를 판정하도록 구성되어 있어도 된다. 상기 절단 장치는, 상기 고장 상태라고 판정된 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리해도 된다.
또한, 상기 컨트롤러는, 상기 상태 정보에 기초하여 상기 전지 모듈의 각각에 있어서의 SOC를 추정하고, 상기 SOC가 역치 이하로 저하된 상기 전지 모듈을 고장 상태라고 판정하고, 상기 절단 장치에 의해 강제적으로 분리된 상기 전지 모듈을 제외한 상기 직렬 접속 가능한 상기 전지 모듈의 전압의 합계값이 출력 목표 전압값 이상이 되도록 상기 SOC 제어 목표값을 설정하도록 구성되어 있어도 된다.
또한, 상기 게이트 구동 신호를 상기 전지 모듈의 각각에 포함되는 게이트 구동 신호 처리 회로에 있어서 지연시키면서 상기 전지 모듈의 상류로부터 하류를 향해 전달시켜도 된다.
본 발명에 의하면, 전지 모듈을 직렬 접속하여 전력을 공급하는 전원 장치에 있어서, 접속 가능한 전지 모듈의 수에 따라서 전지 모듈의 목표로 되는 SOC 제어 목표값을 변경함으로써 전원 출력 전압을 유지하고, 동작을 계속할 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 작용을 나타내는 도면이다.
도 3b는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전지 모듈의 작용을 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 전원 장치의 제어를 설명하는 타임차트이다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 역행 상태에 있어서의 강제 절단 제어의 흐름도이다.
도 6은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 회생 상태에 있어서의 강제 절단 제어의 흐름도이다.
도 7은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 회생 상태에 있어서의 강제 접속 제어의 흐름도이다.
도 8은, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 역행 상태에 있어서의 강제 접속 제어의 흐름도이다.
도 9는, 본 발명의 실시 형태에 있어서의 SOC의 추정 방법의 흐름도이다.
도 10a는, 전지 모듈의 특성을 나타내는 도면이다.
도 10b는, 전지 모듈의 특성을 나타내는 도면이다.
도 11a는, SOC 제어 목표값을 설정하는 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11b는, SOC 제어 목표값을 설정하는 처리를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시 형태에 있어서의 전원 장치(100)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 전지 모듈(102) 및 컨트롤러(104)를 포함하여 구성된다. 전원 장치(100)는, 복수의 전지 모듈[102(102a, 102b, …102n)]을 포함하여 구성된다. 복수의 전지 모듈(102)은, 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), 게이트 구동 신호 처리 회로(20), AND 소자(22), OR 소자(24) 및 NOT 소자(26)를 포함하여 구성된다. 본 실시 형태에 있어서, 각 전지 모듈(102)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 구성이 아니며, 이들을 마련하지 않아도 된다.
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, 컨트롤러(104)로부터의 게이트 구동 신호에 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.
게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, 컨트롤러(104)의 신호 생성 회로(104a)로부터 전지 모듈(102)에 입력되는 게이트 구동 신호에 기초하여 전지 모듈(102)을 제어하는 회로이다. 게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, 게이트 구동 신호를 소정의 시간만큼 지연시키는 지연 회로를 포함한다. 전원 장치(100)에서는, 각 전지 모듈[102(102a, 102b, …102n)]에 각각 게이트 구동 신호 처리 회로(20)가 마련되어 있으며, 그것들이 직렬 접속되어 있다. 따라서, 컨트롤러(104)로부터 입력된 게이트 구동 신호는 소정 시간씩 지연되면서 각 전지 모듈[102(102a, 102b, …102n)]에 순차 입력되게 된다. 게이트 구동 신호에 기초하는 제어에 대해서는 후술한다.
AND 소자(22)는, 강제 절단 신호에 따라서 전지 모듈(102a)을 직렬 접속 상태로부터 강제적으로 분리하는 절단 장치를 구성한다. 또한, OR 소자(24)는, 강제 접속 신호에 따라서 전지 모듈(102a)을 직렬 접속 상태에 강제적으로 접속하는 접속부 장치를 구성한다. AND 소자(22) 및 OR 소자(24)는, 컨트롤러(104)로부터 강제 절단 신호 또는 강제 접속 신호를 받은 게이트 구동 신호 처리 회로(20)에 의해 제어된다. AND 소자(22)의 한쪽 입력 단자에는 게이트 구동 신호 처리 회로(20)로부터의 제어 신호가 입력되고, 다른 쪽 입력 단자에는 게이트 구동 신호 처리 회로(20)로부터의 게이트 구동 신호가 입력된다. 또한, OR 소자(24)의 한쪽 입력 단자에는 게이트 구동 신호 처리 회로(20)로부터의 제어 신호가 입력되고, 다른 쪽 입력 단자에는 게이트 구동 신호 처리 회로(20)로부터의 게이트 구동 신호가 입력된다. AND 소자(22) 및 OR 소자(24)로부터의 출력 신호는, 제2 스위치 소자(18)의 게이트 단자에 입력된다. 또한, AND 소자(22) 및 OR 소자(24)로부터의 출력 신호는, NOT 소자(26)를 통해 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에 입력된다.
통상 제어 시에 있어서, 컨트롤러(104)로부터 강제 절단 신호 또는 강제 접속 신호를 받지 않은 게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, AND 소자(22)에 대해서 하이(H) 레벨의 제어 신호를 입력하고, OR 소자(24)에 대해서 로(L) 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, 게이트 구동 신호가 하이(H) 레벨일 때 전지 모듈(102)은 다른 전지 모듈(102)과 직렬로 접속된 상태로 되고, 게이트 구동 신호가 로(L) 레벨일 때 전지 모듈(102)은 다른 전지 모듈(102)과 분리된 스루 상태로 된다.
강제 절단 시에 있어서는, 컨트롤러(104)는 강제적으로 분리하는 대상으로 되는 전지 모듈(102)의 게이트 구동 신호 처리 회로(20)에 대해서 강제 절단 신호를 송신한다. 컨트롤러(104)로부터 강제 절단 신호를 수취한 게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, AND 소자(22)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호를 입력하고, OR 소자(24)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호를 입력한다. 이에 의해, AND 소자(22)로부터는 로(L) 레벨이 출력되고, OR 소자(24)를 통해 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에는 NOT 소자(26)에 의해 하이(H) 레벨이 입력되고, 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 되며, 전지 모듈(102)은 게이트 구동 신호의 상태에 의하지 않고 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리된 상태(패스스루 상태)로 된다.
이와 같은 강제 절단 제어는, 전원 장치(100)에 있어서의 전지 모듈(102)의 SOC의 언밸런스를 억제하는 제어에 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 반하여, 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 반하여, 전지 모듈(102)을 강제 절단 상태로 함으로써 당해 전지 모듈(102)의 SOC를 유지할 수 있다.
강제 접속 시에는, 컨트롤러(104)는 강제적으로 접속하는 대상으로 되는 전지 모듈(102)의 게이트 구동 신호 처리 회로(20)에 대해서 강제 접속 신호를 송신한다. 컨트롤러(104)로부터 강제 접속 신호를 수취한 게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, 전지 모듈(102)의 OR 소자(24)에 하이(H) 레벨의 제어 신호를 입력한다. 이에 의해, OR 소자(24)로부터는 하이(H) 레벨이 출력되고, 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에는 NOT 소자(26)에 의해 로(L) 레벨이 입력되며, 제2 스위치 소자(18)의 게이트 단자에는 하이(H) 레벨이 입력된다. 따라서, 제1 스위치 소자(16)는 상시 오프 상태로 되고, 제2 스위치 소자(18)는 상시 온 상태로 되어, 전지 모듈(102)은 게이트 구동 신호의 상태에 의하지 않고 강제적으로 직렬 접속으로 연결된 상태로 된다.
이와 같은 강제 접속 제어는, 전원 장치(100)에 있어서의 전지 모듈(102)의 SOC의 언밸런스를 억제하는 제어에 이용할 수 있다. 즉, 전원 장치(100)가 방전 상태에 있는 경우, 게이트 구동 신호에 따라서 단속적으로 직렬 접속되는 전지 모듈(102)의 SOC의 저하에 대해서, 강제 접속 상태로 된 전지 모듈(102)의 SOC를 보다 빠르게 저하시킬 수 있다. 또한, 전원 장치(100)가 충전 상태에 있는 경우, 게이트 구동 신호에 따라서 단속적으로 직렬 접속되는 전지 모듈(102)의 SOC의 증가에 비해서, 강제 접속 상태로 된 전지 모듈(102)의 SOC를 보다 빠르게 증가시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서의 전원 장치(100)에서는, 게이트 구동 신호 처리 회로(20)에 의해 AND 소자(22) 및 OR 소자(24)를 제어하는 구성으로 하였지만, 컨트롤러(104)로부터 AND 소자(22) 및 OR 소자(24) 중 어느 하나 또는 양쪽을 직접 제어하는 구성으로 해도 된다.
[통상 제어]
이하, 전원 장치(100)의 제어에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다. 통상 제어 시에 있어서, 각 전지 모듈[102(102a, 102b, …102n)]의 AND 소자(22)에 대해서 게이트 구동 신호 처리 회로(20)로부터 하이(H) 레벨의 제어 신호가 입력된다. 또한, 각 전지 모듈[102(102a, 102b, …102n)]의 OR 소자(24)에 대해서 게이트 구동 신호 처리 회로(20)로부터 로(L) 레벨의 제어 신호가 입력된다. 따라서, 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에는 게이트 구동 신호 처리 회로(20)로부터의 출력 신호가 NOT 소자(26)를 통해 반전 신호로서 입력되고, 제2 스위치 소자(18)의 게이트 단자에는 게이트 구동 신호 처리 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 구동 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 구동 신호가 출력되지 않은 상태에서는, 제1 스위치 소자(16)는 온 상태, 제2 스위치 소자(18)는 오프 상태이다. 그리고, 컨트롤러(104)로부터 게이트 구동 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, 컨트롤러(104)로부터 게이트 구동 신호 D1이 출력되면, 이 게이트 구동 신호 D1에 따라서, 전지 모듈(102a)의 제1 스위치 소자(16) 및 제2 스위치 소자(18)가 구동된다. 제1 스위치 소자(16)는, 게이트 구동 신호 D1의 상승에 따른 NOT 소자(26)로부터의 신호의 하강에 의해, 온 상태로부터 오프 상태로 전환된다. 또한, 제1 스위치 소자(16)는, 게이트 구동 신호 D1의 하강으로부터 짧은 시간(데드 타임 dt) 지연되어, 오프 상태로부터 온 상태로 전환된다.
한편, 제2 스위치 소자(18)는, 게이트 구동 신호 D1의 상승으로부터 짧은 시간(데드 타임 dt) 지연되어, 오프 상태로부터 온 상태로 전환된다. 또한, 제2 스위치 소자(18)는, 게이트 구동 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 구동 신호 D1의 하강 시에 짧은 시간(데드 타임 dt) 지연되어 동작하는 것과, 제2 스위치 소자(18)가 게이트 구동 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 환류한 다이오드와 병렬로 있는 스위칭 소자가 온했을 때와 동일한 상태가 된다.
이와 같은 제어에 의해, 전지 모듈(102a)은, 게이트 구동 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 구동 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, 컨트롤러(104)에 의한 전원 장치(100)의 제어에 대하여 설명한다. 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.
컨트롤러(104)의 신호 생성 회로(104a)는, 각 전지 모듈(102)에 대해서 구형파의 게이트 구동 신호를 출력한다. 게이트 구동 신호는, 전지 모듈(102a)에 포함되는 게이트 구동 신호 처리 회로(20), 전지 모듈(102b)에 포함되는 게이트 구동 신호 처리 회로(20…)와 순차 후단의 전지 모듈(102)로 전달된다. 즉, 전원 장치(100)에 있어서 직렬로 접속되어 있는 전지 모듈(102)의 최상류측으로부터 순서대로 소정의 지연 시간씩 게이트 구동 신호가 지연되어 하류측으로 전달된다.
통상 제어 시에 있어서는, AND 소자(22)에 대해서 하이(H) 레벨의 제어 신호가 입력되고, OR 소자(24)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호가 입력되어 있으므로, 각 전지 모듈(102)의 게이트 구동 신호 처리 회로(20)로부터 출력된 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. 따라서, 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, 게이트 구동 신호가 하이(H) 레벨일 때 전지 모듈(102)은 다른 전지 모듈(102)과 직렬로 접속된 상태로 되고, 게이트 구동 신호가 로(L) 레벨일 때 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 구동 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 구동 신호나 지연 시간의 설정에 대하여 설명한다. 게이트 구동 신호의 주기 T는, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)의 지연 시간을 합계함으로써 설정된다. 이 때문에, 지연 시간을 길게 할수록 게이트 구동 신호의 주파수는 저주파로 된다. 반대로, 지연 시간을 짧게 할수록 게이트 구동 신호의 주파수는 고주파로 된다. 또한, 게이트 구동 신호를 지연하는 지연 시간은, 전원 장치(100)에 요구되는 사양에 따라서 적절히 설정하면 된다.
게이트 구동 신호의 주기 T에 있어서의 온일 때의 비율 D(온 듀티), 즉, 주기 T에 대한 게이트 구동 신호가 하이(H) 레벨에 있는 시간 TON의 비율은, 전원 장치(100)의 출력 전압/전지 모듈(102a, 102b, …102n)의 합계 전압(전지 모듈(102)의 전지 전압×전지 모듈수)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 피드 포워드로 온일 때의 비율의 보정을 행하는 것이 적합하다.
전원 장치(100)의 출력 전압은, 상술한 바와 같이, 전지 모듈(102)의 전지 전압에 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 구동 신호의 주기 T/전지 모듈(102)의 총수로 된다. 전지 모듈(102)의 총수를 많게 함으로써, 전원 장치(100) 전체의 기생 인덕턴스를 큰 값으로 할 수 있고, 이 전압 변동은 필터링되어 전원 장치(100)의 출력 전압을 안정화시킬 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) 수가 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 구동 신호의 주기 T는, 지연 시간×전지 모듈 총수에 의해 산출되므로 200㎱×40개=8㎲로 된다. 따라서, 게이트 구동 신호는 125㎑ 상당의 주파수의 구형파로 된다. 또한, 게이트 구동 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 구동 신호의 주기 T/전지 모듈 총수에 의해 산출되는 주기, 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 구동 신호를, 하류측의 전지 모듈(102b)에 일정 시간 지연하여 출력하고, 나아가, 이 게이트 구동 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 불필요해져서, 전원 회로의 구성을 간소화할 수 있다. 또한, 전원 장치(100)를, 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 전압에 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 구동 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 구동 신호를 지연하는 지연 시간을 길게 설정함으로써, 게이트 구동 신호의 주파수가 저주파로 되므로, 제1 스위치 소자(16) 및 제2 스위치 소자(18)의 스위칭 주파수도 낮아져서, 스위칭 손실을 저감할 수 있어, 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 반대로, 게이트 구동 신호를 지연하는 지연 시간을 짧게 함으로써, 게이트 구동 신호의 주파수가 고주파로 되므로, 전압 변동의 주파수가 높아지고, 필터링이 용이해져서, 안정된 전압을 얻을 수 있다. 또한, 전류 변동을 RLC 필터에 의해 평준화하는 것도 용이해진다. 이와 같이, 게이트 구동 신호를 지연하는 지연 시간을 조정함으로써, 요구되는 사양, 성능에 따른 전원 장치(100)를 제공할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 각 전지 모듈(102)에 게이트 구동 신호 처리 회로(20)를 마련하여 게이트 구동 신호를 지연시키면서 전송시키는 구성으로 하였지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 각 전지 모듈(102)에 게이트 구동 신호 처리 회로(20)를 마련하지 않는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 컨트롤러(104)로부터 각 전지 모듈(102)의 AND 소자(22) 및 OR 소자(24)에 대해서 게이트 구동 신호를 개별로 출력하면 된다. 즉, 컨트롤러(104)로부터 전지 모듈(102a, 102b, …102n)에 대해서 게이트 구동 신호를 일정 시간마다 각각 출력한다. 이때, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)에 대해서, 전지 모듈(102a, 102b, …102n)의 배치 위치에 의하지 않고, 임의의 순서로 전지 모듈(102a, 102b, …102n)을 일정 시간마다 게이트 구동 신호를 출력해서 접속 상태로 하는 전지 모듈(102)의 수를 제어한다. 예를 들어, 처음에 전지 모듈(102b)로 게이트 구동 신호를 출력해서 전지 모듈(102b)를 구동시키고, 그 일정 시간 후에, 전지 모듈(102a)로 게이트 구동 신호를 출력해서 전지 모듈(102a)을 구동시키도록 제어를 행하면 된다.
당해 구성으로 함으로써, 게이트 구동 신호 처리 회로(20)가 불필요하게 되어, 전원 장치(100)의 구성을 더욱 간소화할 수 있어, 제조 비용이나 소비 전력을 억제할 수 있다.
[강제 분리 제어]
다음으로, 복수의 전지 모듈[102(102a, 102b, …102n)] 중 선택된 것을 강제적으로 분리하는 제어에 대하여 설명한다. 컨트롤러(104)는, 강제적으로 분리하는 대상으로 하는 전지 모듈(102)의 게이트 구동 신호 처리 회로(20)에 대해서 강제 절단 신호를 출력한다. 강제 절단 신호를 수신한 게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, 자신의 전지 모듈(102)에 속하는 AND 소자(22)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호를 출력하고, OR 소자(24)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호를 출력한다. 이에 의해, AND 소자(22)로부터는 로(L) 레벨이 출력되고, OR 소자(24)를 통해 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에는 NOT 소자(26)에 의해 하이(H) 레벨이 입력되고, 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 되며, 해당하는 전지 모듈(102)은 게이트 구동 신호의 상태에 의하지 않고 강제적으로 분리된 상태(패스스루 상태)로 된다.
이와 같은 강제 분리 제어는, 전원 장치(100)에 있어서의 전지 모듈(102)의 SOC의 언밸런스를 억제하는 제어에 이용할 수 있다. 도 5는, SOC의 밸런스 조정 제어의 흐름도를 나타낸다. 이하, 도 5를 참조하면서, 역행 시에 있어서의 전지 모듈(102)의 SOC의 언밸런스를 억제하는 제어에 대하여 설명한다.
스텝 S10에서는, 전원 장치(100)에 포함되는 모든 전지 모듈(102)의 SOC를 추정한다. 컨트롤러(104)의 전지 동작 감시 회로(104c)는, 각 전지 모듈(102)에 마련되어 전지 모듈(102)의 출력 전압을 검출해서 출력하는 전압 센서(30), 전원 장치(100)의 출력 전류를 검출해서 출력하는 전류 센서(32) 및 전원 장치(100)의 출력 전압을 검출해서 출력하는 전압 센서(34)로부터의 출력을 수신한다. SOC 제어값 산출 회로(104b)는, 수신된 데이터에 기초하여 각 전지 모듈(102)의 SOC를 추정하는 처리를 행한다. SOC 제어값 산출 회로(104b)는, 추정된 각 전지 모듈(102)의 SOC에 기초하여 전원 장치(100)에 있어서의 SOC의 목표값인 SOC 제어 목표값을 설정한다. SOC의 추정 처리 및 SOC 제어 목표값의 설정 처리에 대해서는 후술한다.
스텝 S12에서는, 각 전지 모듈(102)의 SOC를 비교하고, 상대적으로 SOC가 낮은 전지 모듈(102)을 선택한다. 컨트롤러(104)는, 스텝 S10에서 추정된 각 전지 모듈(102)의 SOC를 비교하고, 모든 전지 모듈(102) 중에서 상대적으로 SOC가 낮은 전지 모듈(102)을 선택한다.
예를 들어, SOC 제어 목표값 이하의 SOC인 전지 모듈(102)을 선택하면 된다. 또한, 전원 장치(100)에 포함되는 모든 전지 모듈(102) 중 소정의 수만큼 SOC가 작은 순서대로 전지 모듈(102)을 선택하도록 해도 된다. 단, 전지 모듈(102)의 선택 방법은 이들로 한정되는 것이 아니라, SOC의 언밸런스를 억제하기 위해서 효과적인 것이면 된다.
스텝 S14에서는, 전원 장치(100)의 전원 출력이 역행 상태인지 회생 상태인지가 판정된다. 컨트롤러(104)는, 전류 센서(32)로 검출된 전류의 방향에서 전원 장치(100)로부터 부하로 전력이 공급되어 있는 역행 상태인지 외부 전원으로부터 전원 장치(100)로 전력이 입력되어 있는 회생 상태인지를 판정한다. 역행 상태이면 스텝 S16으로 처리를 이행시키고, 회생 상태이면 처리를 종료시킨다.
스텝 S16에서는, 선택된 전지 모듈(102)의 강제적인 분리 처리가 행해진다. 컨트롤러(104)는, 스텝 S12에서 선택된 전지 모듈(102)의 게이트 구동 신호 처리 회로(20)에 대해서 강제 절단 신호를 출력한다. 강제 절단 신호를 수신한 게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, 자신의 AND 소자(22)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호를 출력하고, OR 소자(24)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호를 출력한다. 이에 의해, 선택된 전지 모듈(102)은 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리되고, 전원 장치(100)의 출력에 기여하지 않게 된다.
이상의 제어에 의해, 전원 장치(100)에 포함되는 전지 모듈(102) 중에서 SOC가 상대적으로 낮은 전지 모듈(102)은 전력 소비량(단위 시간당 방전 전류 적산량)이 적어져서, SOC의 언밸런스를 해소할 수 있다. 그 결과, 전원 장치(100)에 포함되는 전지 모듈(102)의 SOC를 SOC 제어 목표값에 근접시킬 수 있다. 또한, 각 전지 모듈(102)의 충전 에너지를 효율적으로 다 써버리는 것이 가능해진다.
또한, 역행 상태가 아니라, 회생 상태일 때 SOC의 언밸런스를 해소하는 제어를 행할 수도 있다. 이 경우, SOC가 상대적으로 높은 전지 모듈(102)을 강제적으로 분리하는 제어를 행하고, SOC가 상대적으로 낮은 전지 모듈(102)로 우선적으로 전력을 회생시킴으로써 SOC의 언밸런스를 해소시킨다.
도 6은, SOC의 밸런스 조정 제어의 흐름도를 나타낸다. 이하, 도 6을 참조하면서, 회생 시에 있어서의 전지 모듈(102)의 SOC의 언밸런스를 억제하는 제어에 대하여 설명한다.
스텝 S20에서는, 전원 장치(100)에 포함되는 모든 전지 모듈(102)의 SOC를 추정한다. 당해 처리는, 상기 스텝 S10과 마찬가지로 행할 수 있다.
스텝 S22에서는, 각 전지 모듈(102)의 SOC를 비교하고, 상대적으로 SOC가 높은 전지 모듈(102)을 선택한다. 컨트롤러(104)는, 스텝 S20에서 추정된 각 전지 모듈(102)의 SOC를 비교하고, 모든 전지 모듈(102) 중에서 상대적으로 SOC가 높은 전지 모듈(102)을 선택한다.
예를 들어, SOC 제어 목표값 이상의 SOC인 전지 모듈(102)을 선택하면 된다. 또한, 전원 장치(100)에 포함되는 모든 전지 모듈(102) 중에서 소정의 수만큼 SOC가 높은 순서대로 전지 모듈(102)을 선택하면 된다. 단, 전지 모듈(102)의 선택 방법은 이들로 한정되는 것이 아니라, SOC의 언밸런스를 억제하기 위해 효과적인 것이면 된다.
스텝 S24에서는, 전원 장치(100)의 전원 출력이 역행 상태인지 회생 상태인지가 판정된다. 컨트롤러(104)는, 전류 센서(32)로 검출된 전류의 방향에서 전원 장치(100)로부터 부하로 전력이 공급되어 있는 역행 상태인지 외부 전원으로부터 전원 장치(100)로 전력이 입력되어 있는 회생 상태인지를 판정한다. 회생 상태이면 스텝 S26으로 처리를 이행시키고, 역행 상태이면 처리를 종료시킨다.
스텝 S26에서는, 선택된 전지 모듈(102)의 강제적인 분리 처리가 행해진다. 컨트롤러(104)는, 스텝 S22에서 선택된 전지 모듈(102)의 게이트 구동 신호 처리 회로(20)에 대해서 강제 절단 신호를 출력한다. 강제 절단 신호를 수신한 게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, 자신의 AND 소자(22)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호를 출력하고, OR 소자(24)에 대해서 로(L) 레벨의 제어 신호를 출력한다. 이에 의해, 선택된 전지 모듈(102)은 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리되고, 전원 장치(100)에 대한 회생 전력이 공급되지 않게 된다.
이상의 제어에 의해, 전원 장치(100)에 포함되는 전지 모듈(102) 중에서 SOC가 상대적으로 높은 전지 모듈(102)에 대한 전력 공급(단위 시간당 충전 전류 적산량)이 적어져서, SOC의 언밸런스를 해소할 수 있다. 그 결과, 전원 장치(100)에 포함되는 전지 모듈(102)의 SOC를 SOC 제어 목표값에 근접시킬 수 있다. 또한, 전원 장치(100)에 포함되는 모든 전지 모듈(102)에 대해서 밸런스 좋게 충전할 수 있다. 또한, 충전 용량이 작은 전지 모듈(102)의 과충전을 방지할 수 있다.
[강제 접속 제어]
다음으로, 복수의 전지 모듈[102(102a, 102b, …102n)] 중 선택된 것을 강제적으로 접속하는 제어에 대하여 설명한다. 컨트롤러(104)는, 강제적으로 접속하는 대상으로 하는 전지 모듈(102)의 게이트 구동 신호 처리 회로(20)에 강제 접속 신호를 출력한다. 강제 접속 신호를 수신한 게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, 자신의 전지 모듈(102)에 속하는 OR 소자(24)로 하이(H) 레벨의 제어 신호를 출력한다.
이에 의해, OR 소자(24)로부터는 하이(H) 레벨이 출력되고, 제1 스위치 소자(16)의 게이트 단자에는 NOT 소자(26)에 의해 로(L) 레벨이 입력되고, 제2 스위치 소자(18)의 게이트 단자에는 하이(H) 레벨이 입력된다. 따라서, 제1 스위치 소자(16)는 상시 오프 상태로 되고, 제2 스위치 소자(18)는 상시 온 상태로 되며, 전지 모듈(102)은 게이트 구동 신호의 상태에 의하지 않고 강제적으로 직렬 접속으로 연결된 상태로 된다.
이러한 강제 접속 제어는, 전원 장치(100)에 있어서의 전지 모듈(102)의 SOC의 언밸런스를 억제하는 제어에 이용할 수 있다. 도 7은, SOC의 밸런스 조정 제어의 흐름도를 나타낸다. 이하, 도 7을 참조하면서, 회생 시에 있어서의 전지 모듈(102)의 SOC의 언밸런스를 억제하는 제어에 대하여 설명한다.
스텝 S30에서는, 전원 장치(100)에 포함되는 모든 전지 모듈(102)의 SOC를 추정한다. 당해 처리는, 상기 스텝 S10과 마찬가지로 행할 수 있다.
스텝 S32에서는, 각 전지 모듈(102)의 SOC를 비교하여, 상대적으로 SOC가 낮은 전지 모듈(102)을 선택한다. 컨트롤러(104)는, 스텝 S30에서 추정된 각 전지 모듈(102)의 SOC를 비교하여, 모든 전지 모듈(102) 중에서 상대적으로 SOC가 낮은 전지 모듈(102)을 선택한다. 구체적으로는, 상기 스텝 S12의 처리와 마찬가지로 하면 된다.
스텝 S34에서는, 전원 장치(100)의 전원 출력이 역행 상태인지 회생 상태인지가 판정된다. 컨트롤러(104)는, 전류 센서(32)로 검출된 전류의 방향에서 전원 장치(100)로부터 부하로 전력이 공급되어 있는 역행 상태인지 외부 전원으로부터 전원 장치(100)로 전력이 입력되어 있는 회생 상태인지를 판정한다. 회생 상태이면 스텝 S36으로 처리를 이행시키고, 역행 상태이면 처리를 종료시킨다.
스텝 S36에서는, 선택된 전지 모듈(102)의 강제적인 접속 처리가 행해진다. 컨트롤러(104)는, 스텝 S32에서 선택된 전지 모듈(102)의 게이트 구동 신호 처리 회로(20)에 대해서 강제 접속 신호를 출력한다. 강제 접속 신호를 수신한 게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, 자신의 OR 소자(24)에 대해서 하이(H) 레벨의 제어 신호를 출력한다. 이에 의해, 선택된 전지 모듈(102)은 직렬 접속으로 강제적으로 접속되고, 전원 장치(100)에 대한 회생 전력에 의한 충전에 기여한다.
이상의 제어에 의해, 전원 장치(100)에 포함되는 전지 모듈(102) 중에서 SOC가 상대적으로 낮은 전지 모듈(102)에 대한 회생 전력에 의한 충전이 우선적으로 행해지고, 단위 시간당 충전 전류 적산량이 많아져서, SOC의 언밸런스를 해소할 수 있다. 그 결과, 전원 장치(100)에 포함되는 전지 모듈(102)의 SOC를 SOC 제어 목표값에 근접할 수 있다. 또한, 전원 장치(100)에 포함되는 모든 전지 모듈(102)에 대해서 밸런스 좋게 충전할 수 있다.
또한, 회생 상태가 아니라, 역행 상태일 때 SOC의 언밸런스를 해소하는 제어를 행할 수도 있다. 이 경우, SOC가 상대적으로 높은 전지 모듈(102)을 강제적으로 접속하는 제어를 행하여, SOC가 상대적으로 높은 전지 모듈(102)의 소비 전력량을 크게 함으로써 SOC의 언밸런스를 해소시킨다.
도 8은, SOC의 밸런스 조정 제어의 흐름도를 나타낸다. 이하, 도 8을 참조하면서, 역행 시에 있어서의 전지 모듈(102)의 SOC의 언밸런스를 억제하는 제어에 대하여 설명한다.
스텝 S40에서는, 전원 장치(100)에 포함되는 모든 전지 모듈(102)의 SOC를 추정한다. 구체적으로는, 상기 스텝 S12의 처리와 마찬가지로 하면 된다.
스텝 S42에서는, 각 전지 모듈(102)의 SOC를 비교하고, 상대적으로 SOC가 높은 전지 모듈(102)을 선택한다. 컨트롤러(104)는, 스텝 S40에서 추정된 각 전지 모듈(102)의 SOC를 비교하고, 모든 전지 모듈(102) 중에서 상대적으로 SOC가 높은 전지 모듈(102)을 선택한다. 구체적으로는, 상기 스텝 S22의 처리와 마찬가지로 하면 된다.
스텝 S44에서는, 전원 장치(100)의 전원 출력이 역행 상태인지 회생 상태인지가 판정된다. 컨트롤러(104)는, 전류 센서(32)로 검출된 전류의 방향에서 전원 장치(100)로부터 부하로 전력이 공급되어 있는 역행 상태인지 외부 전원으로부터 전원 장치(100)로 전력이 입력되어 있는 회생 상태인지를 판정한다. 역행 상태이면 스텝 S46으로 처리를 이행시키고, 회생 상태이면 처리를 종료시킨다.
스텝 S46에서는, 전지 모듈(102)의 강제적인 접속 처리가 행해진다. 컨트롤러(104)는, 스텝 S42에서 선택된 전지 모듈(102)의 게이트 구동 신호 처리 회로(20)에 대해서 강제 접속 신호를 출력한다. 강제 접속 신호를 수신한 게이트 구동 신호 처리 회로(20)는, 자신의 OR 소자(24)에 대해서 하이(H) 레벨의 제어 신호를 출력한다. 이에 의해, 선택된 전지 모듈(102)은 직렬 접속으로 강제적으로 접속되고, 전원 장치(100)의 출력에 기여한다.
이상의 제어에 의해, 전원 장치(100)에 포함되는 전지 모듈(102) 중에서 SOC가 상대적으로 높은 전지 모듈(102)로부터의 전력 공급(단위 시간당 방전 전류 적산량)이 커져서, SOC의 언밸런스를 해소할 수 있다. 그 결과, 전원 장치(100)에 포함되는 전지 모듈(102)의 SOC를 SOC 제어 목표값에 근접시킬 수 있다. 또한, 전원 장치(100)에 포함되는 모든 전지 모듈(102)의 충전 에너지를 효율적으로 다 써버리는 것이 가능해진다.
[SOC 추정 처리]
이하, 전원 장치(100)에 있어서의 SOC 추정 처리에 대하여 설명한다. 도 9는, 본 실시 형태에 있어서의 SOC 추정 처리의 흐름도를 나타낸다.
스텝 S50에서는, 전원 장치(100)의 출력 전류 Iout를 측정한다. 컨트롤러(104)의 전지 동작 감시 회로(104c)는, 전류 센서(32)에 의해 측정된 전원 장치(100)의 출력 전류 Iout를 취득한다.
스텝 S52에서는, 각 전지 모듈(102)의 모듈 전류 Imod를 추정하는 처리를 행한다. 전지 동작 감시 회로(104c)는, 현재 직렬 접속되어 있는 전지 모듈(102), 즉 현재 출력에 기여하고 있는 전지 모듈(102)의 각각에 대하여 전압 센서(30)로부터 출력 전압(모듈 전압) Vmod[i]를 취득한다. 여기서, i는, i번째의 전지 모듈(102)을 나타낸다. 컨트롤러(104)의 SOC 제어값 산출 회로(104b)는, 온 듀티 D에 기초하여, 현재 출력에 기여하고 있는 전지 모듈(102)의 각각으로부터의 전류(모듈 전류) Imod를 산출한다.
온 듀티 D는, 수식 (1)에 의해 산출할 수 있다. 그리고, 모듈 전류 Imod는, 수식 (2)에 의해 산출할 수 있다.
Figure pat00001
또한, 본 실시 형태에서는 온 듀티 D를 사용해서 모듈 전류 Imod를 산출하는 처리를 행하였지만, 각 전지 모듈(102)에 전류 센서(32)를 마련하여, 모듈 전류 Imod를 직접 측정하는 구성으로 해도 된다.
스텝 S54에서는, 각 전지 모듈(102)의 SOC를 산출하는 처리가 행해진다. 컨트롤러(104)는, 스텝 S52에서 얻어진 모듈 전류 Imod에 기초하여 수식 (3)을 이용하여 각 전지 모듈(102)의 SOC를 산출한다. 단, Q[i]는 i번째의 전지 모듈(102)의 전지 만충전 용량, SOCini[i]는 전류 적산 개시 시점에서의 초기 SOC(전원 장치(100)의 기동 시 또는 i번째의 전지 모듈(102)을 분리했을 때의 충방전 전류가 0인 상태에서 측정된 개방 전압을 기초로 얻어진 SOCv)이다.
Figure pat00002
또한, 전지 모듈(102)의 개방 전압과 SOC의 관계는, 도 10a, 도 10b에 도시한 바와 같은 일대일의 관계로 된다. 즉, i번째의 전지 모듈(102)의 개방 전압을 측정함으로써, 당해 개방 전압에 기초하여 SOCini[i]를 구할 수 있다.
이하, 전지 모듈(102)을 분리했을 때의 개방 전압의 측정 방법에 대하여 설명한다. 상기와 같이, 통상 제어 시에는, 모든 전지 모듈(102)의 강제 절단 신호를 로(L) 레벨로 설정하지만, 예를 들어 온 듀티 D가 낮은 상황(부하에 접속하는 전지 모듈(102)의 수가 적어도 되며, 상시 분리된 전지 모듈(102)이 있었다고 해도 요구하는 출력 전압을 출력 가능한 상황)에 있어서, 특정한 전지 모듈(102)에 대한 강제 절단 신호를 하이(H) 레벨로 한다. 이에 의해, 당해 특정한 전지 모듈(102)은 부하로부터 분리된 상태로 된다.
특정한 전지 모듈(102)이 부하로부터 분리되면, 당해 전지 모듈(102)의 모듈 전류 Imod는 0이 된다. 따라서, 컨트롤러(104)는, 당해 전지 모듈(102)의 전압 센서(30)로부터 개방 전압을 취득하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 컨트롤러(104)는, 도 10a의 개방 전압과 SOC의 관계에 기초하여 취득된 개방 전압에 대응하는 SOC를 구할 수 있다.
또한, 개방 전압의 측정은, 전지 모듈(102)을 부하로부터 분리한 후에 단자 전압이 안정되는 소정 시간 후에 측정하거나, 또는 종래 기술과 같이 충방전을 정지한 후의 전압 거동 모델을 사용해서 전압이 안정되기 전의 전압으로부터 개방 전압을 추정해도 된다.
이와 같이, 부하에 대해서 전력을 공급하고 있는 상태에 있어서도 전지 모듈(102)을 부하로부터 분리함으로써 개방 전압을 측정할 수 있다. 따라서, 측정된 개방 전압을 사용해서 특정한 전지 모듈(102)의 SOC를 구하고, 수식 (3)의 SOCini[i]를 치환할 수 있다. 또한, 이때, 수식 (3)의 전류 적산에 대해서도 0으로 리셋하는 것이 적합하다.
수식 (3)을 이용한 모듈 전류의 적산값에 기초하는 SOC의 추정에서는, 전류 센서(32)의 측정 오차의 영향 등에 의해 적산값에 있어서 오차가 축적되는 경향이 있지만, 개방 전압에 기초하여 초기값인 SOCini[i]를 적절히 갱신함으로써 오차의 영향을 억제할 수 있어, SOC의 추정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
[SOC 제어 목표값의 설정 처리]
본 실시 형태에 있어서의 전원 장치(100)에서는, 어떠한 요인으로 전지 모듈(102)의 이상이 검지된 경우(예를 들어, 전지 모듈(102)의 모듈 전압이 현저하게 저하되어진 경우 등), 컨트롤러(104)는, 당해 전지 모듈(102)을 강제적으로 분리한다. 구체적으로는, 컨트롤러(104)는, 전지 동작 감시 회로(104c)에 있어서 취득된 상태 정보에 기초하여 각 전지 모듈(102)이 고장나 있는지 여부를 판정한다. 예를 들어, 컨트롤러(104)는, 상태 정보에 기초하여 전지 모듈(102)의 각각에 있어서의 SOC를 추정하고, SOC가 역치 이하로 저하된 전지 모듈(102)을 고장 상태라고 판정한다. 그리고, 컨트롤러(104)는, 고장이 발생하였다고 판정된 전지 모듈(102)을 강제적으로 분리하는 처리를 한다.
이에 의해, 이상이 검지된 전지 모듈(102)을 제외한 나머지 전지 모듈(102)만으로 전원 장치(100)를 계속적으로 사용할 수 있다. 그러나, 이상이라고 판정되는 전지 모듈(102)의 수가 많아진 경우, 전원 장치(100)의 전류 제어를 할 수 없게 되어, 출력을 확보할 수 없게 될 우려가 있다.
각 전지 모듈(102)에 사용되고 있는 전지(10)가 리튬 이온 전지인 경우, 전지 모듈(102)의 SOC에 대해서 개방 전압이 변화한다. 이때, SOC가 높을수록 전지 모듈(102)의 개방 전압이 높아지는 특성을 나타낸다. 리튬 이온 전지가 단셀인 경우, 도 10a에 도시한 바와 같이, SOC가 0％일 때 개방 전압이 3.0V, SOC가 100％일 때 개방 전압이 4.1V로 된다. 즉, 전지(10)가 예를 들어 10셀 직렬로 연결된 리튬 이온 전지로 구성되는 경우, SOC가 0 내지 100％의 범위에 있어서 전지 모듈(102)의 개방 전압은 30V에서 41V까지 변화한다.
또한, 도 10b에 도시한 바와 같이, 전지 모듈(102)의 입출력 성능은 SOC에 의존하여, SOC가 높을수록 출력 성능이 높고, SOC가 낮을수록 입력 성능이 높아지는 특성을 나타낸다. 따라서, 출력 및 입력 모두 밸런스가 취해진 성능을 확보하기 위해서는, 일반적으로 SOC 제어 목표값을 50％ 부근에 설정하여 전원 장치(100)를 제어하는 것이 바람직하다.
전지(10)가 리튬 이온 전지인 경우, SOC가 50％에 있어서 셀 전압은 3.67V 정도로 된다. 따라서, 10셀 직렬의 전지 모듈(102)에서는 개방 전압이 36.7V로 된다.
여기서, 리튬 이온 전지 셀이 10셀 직렬된 전지 모듈(102)을 10개 직렬 접속한 전원 장치(100)가 300V의 부하(DC 버스)에 접속되어 있는 구성을 생각한다. 당해 구성에서는, 출력 전압이 300V가 되도록 전원 장치(100)의 전지 모듈(102)의 평균 접속수는 300V/36.7V≒8.174개로 된다. 그래서, 게이트 구동 신호의 온 듀티 D를 조정함으로써, 전지 모듈(102)의 접속수가 8개 또는 9개 중 어느 상태를 취하고, 평균 8.174개가 접속되어 있도록 제어한다.
이때, 10개의 전지 모듈(102) 중 1개가 고장나서 강제적으로 분리를 행했다고 하여도, 나머지 9개의 전지 모듈(102)을 사용해서 8개 또는 9개의 직렬 접속 상태로 할 수 있다. 따라서, 전원 장치(100)로부터 부하에 있어서 요구되는 출력 전압을 확보할 수 있다. 그러나, 가령 전지 모듈(102)이 2개 고장나 버린 경우, 나머지 8개의 전지 모듈(102)밖에 사용할 수 없게 된다. 이 경우, 모든 전지 모듈(102)을 접속해도 36.7V×8개=293.6V밖에 되지 않아, 부하가 요구하는 전압보다 낮아져 버리기 때문에 출력 전류를 제어할 수 없게 된다. 그 결과, 전원 장치(100)를 정지하지 않을 수 없게 되는 경우가 있다.
그래서, 본 실시 형태의 전원 장치(100)에서는, 직렬 접속 가능한 전지 모듈(102)의 수에 따라서 SOC 제어 목표값을 변경하는 처리를 행한다. 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리된 전지 모듈(102)을 직렬 접속 가능한 전지 모듈(102)로부터 제외하고, 직렬 접속 가능한 전지 모듈(102)의 수가 적어지는 것에 따라서 SOC 제어 목표값을 보다 높게 설정한다.
구체적으로는, 도 11a 와 도 11b에 도시한 바와 같이, 1개의 전지 모듈(102)의 고장이 판정된 경우, 다음에 다른 전지 모듈(102)이 고장날 경우에 대비해서 SOC 제어 목표값을 현재값보다 높게 설정한다. 예를 들어, SOC 제어 목표값을 75％(단셀의 출력 전압으로 3.84V, 전지 모듈(102)의 모듈 전압으로 38.4V)로 설정하고, 전원 장치(100)의 전지 모듈(102)의 SOC가 SOC 제어 목표값이 되도록 제어한다. 이에 의해, 전지 모듈(102)의 SOC가 SOC 제어 목표값이 되도록 상승한다. 이에 수반하여 전지 모듈(102)의 개방 전압이 38.4V에 근접하게 된다. 또한, SOC 제어 목표값을 이동시키는 제어는, 전원 장치(100)에 대해서 충전을 행해도 지장이 없는 경우에 행하는 것이 적합하다.
SOC가 75％의 상태로 된 경우, 300V의 출력 전압을 확보하기 위한 평균 접속수는, 300V/38.4V=7.81개로 된다. 따라서, 전지 모듈(102)을 7개 또는 8개 접속하면 된다. 그렇게 하면, 만약 가령 2개의 전지 모듈(102)을 강제적으로 분리하는 필요가 발생한 경우라도, 전원 장치(100)를 지속적으로 계속해서 사용할 수 있다.
이상과 같이, 직렬 접속 가능한 전지 모듈(102)의 전압 합계값이 출력 목표 전압값 이상이 되도록 SOC 제어 목표값을 설정함으로써, 전원 장치(100)를 지속적으로 계속해서 사용할 수 있다.
또한, 직렬 접속 가능한 전지 모듈(102)의 수가 증가한 경우, 증가에 따라서 SOC 제어 목표값을 보다 낮게 설정하도록 해도 된다. 예를 들어, 고장에 수반하여 강제적으로 분리되어 있던 전지 모듈(102)을 새로운 전지 모듈(102)로 교환하고, 직렬 접속 가능한 전지 모듈(102)로서 복귀시킨 경우, SOC 제어 목표값을 현재값보다 낮게 설정한다. 이에 의해, 입출력 특성에 있어서 밸런스가 취해지는 SOC의 값이 되도록 전지 모듈(102)의 충전 상태를 제어할 수 있다.

Claims (6)

  1. 전원 장치에 있어서,
    각 전지 모듈이 각각 이차 전지를 갖는 복수의 전지 모듈과,
    게이트 구동 신호에 따라서 상기 전지 모듈이 서로 직렬 접속하며, 상기 직렬 접속 가능한 상기 전지 모듈의 수에 따라서 상기 전지 모듈의 SOC의 목표값으로 되는 SOC 제어 목표값을 변경하도록 구성된 컨트롤러(104)를
    포함하는, 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러(104)는, 상기 직렬 접속 가능한 상기 전지 모듈의 수가 적어지는 것에 따라서 상기 SOC 제어 목표값을 보다 높게 하도록 구성되어 있는, 전원 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 게이트 구동 신호에 관계 없이 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리하는 절단 장치(22)를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러(104)는, 상기 절단 장치(22)에 의해 상기 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리된 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속 가능한 상기 전지 모듈로부터 제외하도록 구성되어 있는, 전원 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러(104)는, 상기 전지 모듈의 상태를 나타내는 상태 정보를 이용하여 상기 전지 모듈의 고장 상태를 판정하도록 구성되고,
    상기 절단 장치(22)는, 상기 고장 상태라고 판정된 상기 전지 모듈을 상기 직렬 접속으로부터 강제적으로 분리하는, 전원 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 컨트롤러(104)는, 상기 상태 정보에 기초하여 상기 전지 모듈의 각각에 있어서의 SOC를 추정하고, 상기 SOC가 역치 이하로 저하된 상기 전지 모듈을 고장 상태라고 판정하고, 상기 절단 장치(22)에 의해 강제적으로 분리된 상기 전지 모듈을 제외한 상기 직렬 접속 가능한 상기 전지 모듈의 전압의 합계값이 출력 목표 전압값 이상이 되도록 상기 SOC 제어 목표값을 설정하도록 구성되어 있는, 전원 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 게이트 구동 신호를 상기 전지 모듈의 각각에 포함되는 게이트 구동 신호 처리 회로에 있어서 지연시키면서 상기 전지 모듈의 상류로부터 하류를 향해서 전달시키는, 전원 장치.
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