(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-21
(54)【発明の名称】直流／直流コンバータおよびその制御方法
(51)【国際特許分類】
H02M 3/00 20060101AFI20231214BHJP
【ＦＩ】
H02M3/00 H
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023532185
(86)(22)【出願日】2021-08-31
(85)【翻訳文提出日】2023-05-25
(86)【国際出願番号】 KR2021011656
(87)【国際公開番号】W WO2022114464
(87)【国際公開日】2022-06-02
(31)【優先権主張番号】10-2020-0160979
(32)【優先日】2020-11-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】517099982
【氏名又は名称】エルジー イノテック カンパニー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100165191
【弁理士】
【氏名又は名称】河合 章
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100159259
【弁理士】
【氏名又は名称】竹本 実
(72)【発明者】
【氏名】パク ホ キョン
(72)【発明者】
【氏名】ナム ウォン ソク
(72)【発明者】
【氏名】イ チョン ヒョン
【テーマコード（参考）】
5H730
【Ｆターム（参考）】
5H730AA20
5H730AS08
5H730AS17
5H730BB57
5H730CC01
5H730EE59
5H730FD01
5H730FD31
5H730FG05
5H730XX03
5H730XX15
5H730XX23
5H730XX35
5H730XX42
(57)【要約】
実施例によると、インバータから要求電力値および基準電圧値が入力され、直流リンクキャパシタからリンク電圧値が入力される入力部と、上記基準電圧値および上記要求電力値によってドループ制御カーブの傾きを演算し、上記リンク電圧値と上記基準電圧値との差分を上記傾きに代入して出力電力値を演算し、上記出力電力値による目標電流値を演算する制御部と、を有することができる。
【選択図】図１１
【選択図】図１１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
インバータから要求電力値が入力される段階と、前記インバータから基準電圧値が入力される段階と、
前記基準電圧値および前記要求電力値によりドループ（ｄｒｏｏｐ）制御カーブの傾きを演算する段階と、
前記基準電圧値および前記要求電力値により充電、放電モードを判断する臨界電圧を演算する段階と、
直流リンクキャパシタからリンク電圧値が入力される段階と、
前記リンク電圧値と前記基準電圧値との差分を前記傾きに代入して出力電力値を演算する段階と、
前記出力電力値による目標電流値を演算する段階と、を有する、直流／直流コンバータ制御方法。
【請求項2】
前記ドループ制御カーブの傾きを演算する段階は、前記基準電圧値を基準として右側傾きを演算する段階と、
前記基準電圧値を基準として左側傾きを演算する段階と、を有する、請求項１に記載の直流／直流コンバータ制御方法。
【請求項3】
前記右側傾きを演算する段階は、下記の数式１により前記基準電圧値および前記要求電力値を動作点とするドループ制御カーブの右側傾きを演算し、＜数式１＞
【数1】
【請求項4】
前記左側傾きを演算する段階は、下記の数式２により前記基準電圧値および前記要求電力値を動作点とするドループ制御カーブの左側傾きを演算し、＜数式２＞
【数2】
【請求項5】
前記目標電流値を前記バッテリに出力する段階をさらに有する、請求項１に記載の直流／直流コンバータ制御方法。
【請求項6】
インバータから要求電力値および基準電圧値が入力され、直流リンクキャパシタからリンク電圧値が入力される入力部と、前記基準電圧値および前記要求電力値によってドループ制御カーブの傾きを演算し、前記リンク電圧値と前記基準電圧値との差分を前記傾きに代入して出力電力値を演算し、前記出力電力値による目標電流値を演算する制御部と、を有する、直流／直流コンバータ。
【請求項7】
前記制御部は、前記基準電圧値を基準として右側傾きを演算し、前記基準電圧値を基準として左側傾きを演算する、請求項６に記載の直流／直流コンバータ。
【請求項8】
前記制御部は、下記の数式３により前記基準電圧値および前記要求電力値を動作点とするドループ制御カーブの右側傾きを演算し、＜数式３＞
【数3】
【請求項9】
前記制御部は、下記の数式４により前記基準電圧値および前記要求電力値を動作点とするドループ制御カーブの左側傾きを演算し、＜数式４＞
【数4】
【請求項10】
前記制御部は、前記目標電流値を前記バッテリに出力する、請求項６に記載の直流／直流コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の一実施例は、直流／直流コンバータおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電気エネルギは、変換および伝送が容易であるため広く使われている。このような、電気エネルギを効率的に使うためにエネルギ貯蔵システム（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ、ＥＳＳ）を使う。エネルギ貯蔵システムは、電力が供給されてバッテリに充電する。また、エネルギ貯蔵システムは、電力が必要な場合、バッテリから充電された電力を放電して電力を供給する。これを通じて、エネルギ貯蔵システムは、電力を流動的に供給できるようにする。
【0003】
具体的には、電力供給システムがエネルギ貯蔵システムを含む場合、次のように動作する。エネルギ貯蔵システムは、負荷または系統が過負荷である場合、バッテリに貯蔵された電気エネルギを放電する。また、負荷または系統が軽負荷である場合、エネルギ貯蔵システムは、発電装置または系統から電力が供給されてバッテリに充電する。
【0004】
また、電力供給システムとは無関係にエネルギ貯蔵システムが独立して存在する場合、エネルギ貯蔵システムは、外部の電力供給源からアイドル電力が供給されてバッテリに充電する。また、系統または負荷が過負荷である場合、エネルギ貯蔵システムは、バッテリから充電された電力を放電して電力を供給する。
【0005】
このようなエネルギ貯蔵システムは、バッテリの充電または放電動作時の安定度を向上させるためにドループ制御を行う。特に、エネルギ貯蔵システムは、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）に応じてドループ制御を行った。しかしながら、既存のドループ制御方式は、充放電電圧およびドループカーブ（Ｄｒｏｏｐ ｃｕｒｖｅ）が固定されているため、定められたドループカーブに沿ってのみ直流／直流コンバータの動作点が変更されるという短所がある。また、アイドル（Ｉｄｌｅ）区間で電力の出力が０に固定されているため、電圧降下時または上昇時に未応答区間が発生するという問題がある。また、リンク電圧が充電電圧区間内に位置する場合には放電およびアイドル運転が不可であり、放電電圧区間内に位置する場合には充電およびアイドル運転が不可であり、アイドル区間では充電および放電が不可であるという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明が達成しようとする技術的課題は、ドループ制御カーブおよび動作点を能動的に変更することができる直流／直流コンバータおよびその制御方法を提供するところにある。
【0007】
また、動作領域が異なる多様なメーカのインバータとマッチングされて互換性および制御安全性が向上した直流／直流コンバータおよびその制御方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
実施例によると、インバータから要求電力値が入力される段階と、インバータから基準電圧値が入力される段階と、基準電圧値および要求電力値によってドループ制御カーブの傾きを演算する段階と、直流リンクキャパシタからリンク電圧値が入力される段階と、リンク電圧値と基準電圧値との差分を傾きに代入して出力電力値を演算する段階と、出力電力値による目標電流値を演算する段階と、を有する直流／直流コンバータ制御方法を提供する。
【0009】
ドループ制御カーブの傾きを演算する段階は、基準電圧値を基準として右側傾きを演算する段階と、基準電圧値を基準として左側傾きを演算する段階と、を有することができる。
【0010】
右側傾きを演算する段階は、下記の数式１により基準電圧値および要求電力値を動作点とするドループ制御カーブの右側傾きを演算することができ、
【0011】
＜数式１＞
【数1】
【0012】
数式１において、Ｓｌｏｐｅ1は基準電圧値を基準としたドループ制御カーブの右側傾きであり、ＰH,Limitは最大充電電力値であり、ＶH,Limitは最大充電電力開始電圧値であり、Ｐsetはインバータから入力された要求電力値であり、Ｖrefはインバータから入力された基準電圧値である。
【0013】
左側傾きを演算する段階は、下記の数式２により基準電圧値および要求電力値を動作点とするドループ制御カーブの左側傾きを演算することができ、
【0014】
＜数式２＞
【数2】
【0015】
数式２において、Ｓｌｏｐｅ2は基準電圧値を基準としたドループ制御カーブの左側傾きであり、ＰL,Limitは最大放電電力値であり、ＶL,Limitは最大放電電力開始電圧値であり、Ｐsetはインバータから入力された要求電力値であり、Ｖrefはインバータから入力された基準電圧値である。
【0016】
目標電流値をバッテリに出力する段階をさらに有することができる。
【0017】
実施例によると、インバータから要求電力値および基準電圧値が入力され、直流リンクキャパシタからリンク電圧値が入力される入力部と、基準電圧値および要求電力値によってドループ制御カーブの傾きを演算し、リンク電圧値と基準電圧値との差分を傾きに代入して出力電力値を演算し、出力電力値による目標電流値を演算する制御部と、を有することができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明である直流／直流コンバータおよびその制御方法は、直流／直流コンバータの動作点を変更することができる。
【0019】
また、モード変更時の物理的な電圧変動によるディレイ（遅延）を除去することができる。
【0020】
また、動作電圧の全区間で充電、放電、アイドル運転が可能である。
【0021】
また、動作電圧の全区間において電圧変動による応答安定性が向上し得る。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】実施例に係る電力供給システムの概略的な構成を説明する図である。
【図2】実施例に係るエネルギ貯蔵システムを説明する図である。
【図3】実施例に係る直流／直流コンバータを説明する図である。
【図4】実施例に係る制御システムブロックダイアグラムである。
【図5】実施例に係る制御部を説明する図である。
【図6】実施例に係るエネルギ貯蔵システムのドループ制御カーブを説明する図である。
【図7】実施例に係る制御部の動作領域を説明するための電圧－電力平面を示す図である。
【図8】実施例に係る制御部の動作領域を説明するための電圧－電力平面を示す図である。
【図9】実施例に係る制御部の動作領域を説明するための電圧－電力平面を示す図である。
【図10】実施例に係る制御部の動作領域を説明するための電圧－電力平面を示す図である。
【図11】実施例に係る直流／直流コンバータ制御方法の動作フローチャートである。
【図12】既存ドループ制御と対比される提案したドループ制御に関する動作領域拡大の利点を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【0024】
ただし、本発明の技術思想は、説明される一部の実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現され得、本発明の技術思想範囲内であれば、実施例間でその構成要素のうちの一つまたは複数を選択的に結合、置き換えて使うことができる。
【0025】
また、本発明の実施例で使われる用語（技術および科学的用語を含む）は、明白に特に定義されて記述されない限り、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に一般的に理解され得る意味で解釈され得、辞書に定義された用語のように一般的に使われる用語は関連技術の文脈上の意味を考慮してその意味を解釈できるであろう。
【0026】
また、本発明の実施例で使われた用語は、実施例を説明するためのものであり本発明を制限しようとするものではない。
【0027】
本明細書において、単数形は、文面で特に言及しない限り複数形も含むことができ、「Ａおよび（と）Ｂ、Ｃのうちの少なくとも一つ（または、一つまたは複数）」と記載される場合、Ａ、Ｂ、Ｃで組み合わせることができるすべての組み合わせのうちの一つまたは複数を含むことができる。
【0028】
また、本発明の実施例の構成要素の説明において、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使うことができる。
【0029】
このような用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものに過ぎず、その用語によって該当構成要素の本質や順番または順序などは限定されない。
【0030】
そして、或る構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」または「接続」されると記載された場合、その構成要素は、その他の構成要素に直接連結、結合または接続される場合だけでなく、その構成要素とその他の構成要素との間にあるさらに他の構成要素によって「連結」、「結合」または「接続」される場合も含むことができる。
【0031】
また、各構成要素の「上（うえ）または下（した）」に形成または配置されるものと記載される場合、上（うえ）または下（した）は、二つの構成要素が互いに直接接触する場合だけでなく、一つまたは複数のさらに他の構成要素が二つの構成要素の間に形成または配置される場合も含む。また、「上（うえ）または下（した）」で表現される場合、一つの構成要素を基準として上側方向だけでなく下側方向の意味も含むことができる。
【0032】
以下、添付された図面を参照して実施例を詳細に説明するものの、図面符号にかかわらず同一または対応する構成要素には同一の参照番号を付与し、これに対する重複する説明は省略することにする。
【0033】
図１は、実施例に係る電力供給システムの概略的な構成を説明する図である。図１を参照すると、実施例に係る電力供給システム１は、発電装置１０、エネルギ貯蔵システム２０、インバータ３０、交流フィルタ４０、交流／交流コンバータ５０、系統６０、システム制御部８０、負荷７０を含むことができる。
【0034】
発電装置１０は、電気エネルギを生産することができる。発電装置１０が太陽光発電システムである場合、発電装置１０は、太陽電池アレイであり得る。太陽電池アレイは、複数の太陽電池モジュールを結合したものである。太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルを直列または並列に連結（接続）して（connecting）太陽エネルギを電気エネルギに変換して所定の電圧および電流を発生させる装置であり得る。したがって、太陽電池アレイは、太陽エネルギを吸収して電気エネルギに変換することができる。
【0035】
また、発電装置１０が風力発電システムである場合、発電装置１０は、風力エネルギを電気エネルギに変換するファンであり得る。
【0036】
一方、上記発電装置１０は、これに限定されず、上記太陽光発電システムおよび風力発電システム以外にも潮力発電システムで構成され得る。しかしながら、これは例示的なものに過ぎず、上記発電装置１０は、上記言及した種類に限定されるものではなく、太陽熱や地熱など、新再生エネルギを利用して電気エネルギを生成する発電システムをすべて含むことができる。
【0037】
また、電力供給システム１は、発電装置１０なしでエネルギ貯蔵システム２０のみを通じて電力を供給することができる。
【0038】
この場合、電力供給システム１は、発電装置１０を含まなくてもよい。
【0039】
インバータ３０は、直流電力を交流電力に変換することができる。より具体的には、発電装置１０が供給した直流電力またはエネルギ貯蔵システム２０が放電した直流電力を交流電力に変換することができる。
【0040】
交流フィルタ４０は、交流電力に変換された電力のノイズをフィルタリングすることができる。また、実施例によって交流フィルタ４０は省略され得る。
【0041】
交流／交流コンバータ５０は、交流電力を系統６０または負荷７０に供給できるようにノイズがフィルタリングされた交流電力の電圧の大きさを変換し、変換された交流電力を系統６０または負荷７０に供給することができる。また、実施例によって、交流／交流コンバータ５０は省略され得る。
【0042】
系統６０とは、多くの発電所、変電所、送配電線および負荷が一体になって電力の発生および利用がなされるシステムである。
【0043】
負荷７０は、発電装置１０などの発電システムまたはエネルギ貯蔵システム２０から電気エネルギの供給を受けて電力を消費（消耗）することができる。
【0044】
エネルギ貯蔵システム（２０；ＥＳＳ；Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）は、発電装置１０から電気エネルギの供給を受けて充電し、系統６０または負荷７０の電力需給状況によって、充電された電気エネルギを放電することができる。より具体的には、系統６０または負荷７０が軽負荷である場合、エネルギ貯蔵システム２０は、発電装置１０からアイドル電力の供給を受けて充電することができる。系統６０または負荷７０が過負荷である場合、エネルギ貯蔵システム２０は、充電された電力を放電して系統６０または負荷７０に電力を供給することができる。また、エネルギ貯蔵システム２０は、発電装置１０と電気的に連結され、インバータ３０と電気的に連結され得るように、発電装置１０とインバータ３０との間に連結され得る。
【0045】
システム制御部８０は、エネルギ貯蔵システム２０、インバータ３０、交流／交流コンバータ５０の動作を制御することができる。より具体的には、システム制御部８０は、エネルギ貯蔵システム２０の充電および放電を制御することができる。系統６０または負荷７０が過負荷である場合、システム制御部８０は、エネルギ貯蔵システム２０が電力を供給して系統６０または負荷７０に電力を伝達できるように制御することができる。系統６０または負荷７０が軽負荷である場合、システム制御部８０は、外部の電力供給源または発電装置１０が電力を供給してエネルギ貯蔵システム２０に伝達できるように制御することができる。
【0046】
図２は、実施例に係るエネルギ貯蔵システムを説明する図である。
【0047】
図２を参照すると、実施例に係るエネルギ貯蔵システム２０は、直流／直流コンバータ１００、バッテリ２００および充電制御部３００を含むことができる。エネルギ貯蔵システム２０は、直流リンクキャパシタ９０を通じてインバータ３０と連結され得る。すなわち、直流リンクキャパシタ９０は、エネルギ貯蔵システム２０とインバータ３０との間に配置され得る。このため、エネルギ貯蔵システム２０は、充電モードで直流リンクキャパシタ９０の直流電圧Ｖｄｃ（の入力）を受け、放電モードで直流リンクキャパシタ９０に直流電圧Ｖｄｃを提供することができる。
【0048】
バッテリ２００は、充電モードで直流／直流コンバータ１００から充電電力を受信し、受信した電力によって充電動作を行うことができる。また、バッテリ２００は、放電モードで予め貯蔵された電力を直流／直流コンバータ１００に出力することができる。また、バッテリ２００は、充電動作および放電動作を行うために多数のバッテリセルを含むことができる。
【0049】
充電制御部３００は、バッテリ管理システム（ＢＭＳ；Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）を含むことができる。充電制御部３００は、バッテリ２００の状態に関するバッテリ状態情報をシステム制御部８０に提供することができる。例えば、充電制御部３００は、バッテリ２００の電圧、電流、温度、残余電力量、充電状態のうちの少なくとも一つをモニタリングし、モニタリングされたバッテリ２００の状態情報をシステム制御部８０に伝達することができる。また、充電制御部３００は、充電または放電しながら多数のバッテリセルが適切な電圧を維持できるようにすることができる。また、充電制御部３００は、システム制御部８０の制御信号に基づいて動作することができる。また、充電制御部３００は、モニタリングされたバッテリ２００の状態情報により直流／直流コンバータ１００を制御することができる。また、充電制御部３００は、充電モードまたは放電モードにより直流／直流コンバータ１００を制御することができる。より具体的には、充電制御部３００は、直流／直流コンバータ１００を制御するための充電制御信号または放電制御信号を直流／直流コンバータ１００のコンバータ制御部に提供し、直流／直流コンバータ１００のコンバータ制御部は、充電制御信号または放電制御信号に基づいてＰＷＭ信号を直流／直流コンバータ１００のスイッチに提供することができる。また、充電制御部３００は、バッテリ２００の放電モードで直流リンクキャパシタ９０の初期充電のために直流／直流コンバータ１００を制御することができる。すなわち、充電制御部３００は、直流／直流コンバータ１００を制御するための初期充電制御信号を直流／直流コンバータ１００のコンバータ制御部に提供し、直流／直流コンバータ１００のコンバータ制御部は、初期充電制御信号に基づいて初期充電スイッチ信号を直流／直流コンバータ１００のスイッチに提供することができる。また、充電制御部３００は、直流／直流コンバータ１００の電力変換効率を増加させるために、直流／直流コンバータ１００を制御することができる。より具体的には、充電制御部３００は、直流／直流コンバータ１００の電力変換効率を上げることができる電力変換効率制御信号を直流／直流コンバータ１００のコンバータ制御部に提供し、直流／直流コンバータ１００のコンバータ制御部は、電力変換効率制御信号に基づいてＰＷＭ信号を直流／直流コンバータ１００のスイッチに提供することができる。
【0050】
直流／直流コンバータ１００は、エネルギ貯蔵システム２０が充電モードで供給されたり放電モードで供給する直流電力の大きさを変換することができる。より具体的には、直流／直流コンバータ１００は、発電装置１０またはインバータ３０から直流リンクキャパシタ９０に提供される直流電力をバッテリ２００の充電のための電圧の大きさに変換してバッテリ２００に提供することができる。また、直流／直流コンバータ１００は、バッテリ２００で提供する直流電力をインバータ３０が利用できる電圧の大きさに変換して直流リンクキャパシタ９０に提供することができる。
【0051】
図３は、実施例に係る直流／直流コンバータを説明する図である。
【0052】
図３を参照すると、直流／直流コンバータ１００は、エネルギ貯蔵システム２０が充電モードで供給されたり放電モードで供給する直流電力の大きさを変換することができる。すなわち、直流／直流コンバータ１００は、両方向直流／直流コンバータであり得る。より具体的には、直流／直流コンバータ１００は、発電装置１０またはインバータ３０から直流リンクキャパシタ９０に提供される直流電力をバッテリ２００の充電のための電圧の大きさに変換してバッテリ２００に提供することができる。また、直流／直流コンバータ１００は、バッテリ２００で提供する直流電力をインバータ３０が利用できる電圧の大きさに変換して直流リンクキャパシタ９０に提供することができる。また、直流／直流コンバータ１００は、直流リンクキャパシタ９０で提供される電圧に基づいて、充電モード、アイドル動作モード、放電モードで動作することができる。すなわち、直流／直流コンバータ１００は、充電制御部３００の制御信号の提供がなくても、直流リンクキャパシタ９０で提供される電圧をモニタリングして、充電モード、アイドル動作モードおよび放電モードの動作の有無を決定し動作することができる。
【0053】
直流／直流コンバータ１００は、過電流保護回路部１１０、ブリッジ回路部１２０、制御部１３０、直流安定化回路部１４０およびセンシング部１５０を含むことができる。
【0054】
制御部１３０は、ブリッジ回路部１２０を制御することができる。一例として、制御部１３０は、充電制御部３００から提供された制御信号に基づいてＰＷＭ信号を生成してスイッチを含むブリッジ回路部１２０に提供することができる。他の例として、制御部１３０は、直流リンクキャパシタ９０で提供される電圧の大きさにより動作モードおよび出力電力を決定することができる。また、制御部１３０は、決定された出力電力に基づいてＰＷＭ信号を生成してスイッチを含むブリッジ回路部１２０に提供することができる。他の例に関する具体的な説明は後述する。
【0055】
過電流保護回路部１１０は、エネルギ貯蔵システム２０の内部に流入したり外部に流出されるＥＯＳまたは過電流を防止することができる。過電流保護回路部１１０は、直流リンクキャパシタ９０が連結された第１段Ｎａとブリッジ回路部１２０との間に配置され得る。また、過電流保護回路部１１０は、遮断器（Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ）を含むことができる。この場合、過電流保護回路部１１０は、エネルギ貯蔵システム２０の内部にＥＯＳまたは過電流が流入すると、第１段Ｎａとブリッジ回路部１２０との間をオープン（ｏｐｅｎ）させることができる。これにより、過電流保護回路部１１０は、エネルギ貯蔵システム２０への／からの外部電流の入出力を遮断することができる。
【0056】
ブリッジ回路部１２０は、過電流保護回路部１１０と直流安定化回路部１４０との間に配置されて各構成と電気的に連結され得る。ブリッジ回路部１２０は、ステップダウンモードで、過電流保護回路部１１０から入力された直流電力の直流電圧を電圧降下させて直流安定化回路部１４０に出力することができる。また、ブリッジ回路部１２０は、ステップアップモードで、直流安定化回路部１４０から入力された直流電力の直流電圧を電圧上昇させて過電流保護回路部１１０に出力することができる。ブリッジ回路部１２０は、一つまたは複数のスイッチを含むことができる。一例として、ブリッジ回路部１２０は、絶縁型フルブリッジ回路であり得る。他の例として、ブリッジ回路部１２０は、非絶縁型フルブリッジ回路であり得る。これに制限されるものではなく、ブリッジ回路部１２０は、ハーフブリッジ回路で構成され得る。ブリッジ回路部１２０は、制御部１３０のＰＷＭ信号に基づいて動作することができる。
【0057】
直流安定化回路部１４０は、ブリッジ回路部１２０のステップアップモードで直流電圧上昇となるように動作し、ステップダウンモードで直流電圧降下となるように動作することができる。また、直流安定化回路部１４０は、ＬＣフィルタであり得る。直流安定化回路部１４０は、第２段Ｎｂに連結され得る。
【0058】
センシング部１５０は、第１段Ｎａの電圧をセンシングして制御部１３０に提供することができる。第１段Ｎａの電圧は、直流リンクキャパシタ９０が提供する直流電圧であり得る。また、センシング部１５０は、制御部１３０により制御され得る。
【0059】
したがって、さらに他の実施例では、バッテリの充電または放電の動作モードを速かに決定することができる。また、さらに他の実施例では、バッテリの充電または放電時にドループ制御のために別途の通信線および通信部が不要である。また、さらに他の実施例では、バッテリの充電または放電時に迅速なドループ制御が可能である。
【0060】
図４および図５は、実施例に係る制御部を説明する図であり、図６は、実施例に係るエネルギ貯蔵システムのドループ制御カーブを説明する図であり、図７は、図５の目標電流決定部を説明する図であり、図８は、図５の電流制御部を説明する図である。
【0061】
図４および図５を参照すると、実施例に係る直流／直流コンバータ１００の制御部１３０は、入力部１３１、動作モード決定部１３２、傾き演算部１３３、出力電力値演算部１３４、目標電流演算部１３５、電流制御部１３６を含むことができる。
【0062】
入力部１３１は、インバータから要求電力値および基準電圧値が入力され、直流リンクキャパシタからリンク電圧値が入力され得る。
【0063】
動作モード決定部１３２は、インバータから入力された要求電力値および基準電圧値を基準として動作モードを決定することができる。より具体的には、制御部１３０は、要求電力値および基準電圧値が入力されると新しい動作点を設定することになり、動作モード決定部１３２は、新しく設定された動作点により動作モードを設定することができる。例えば、動作モード決定部１３２は、基準電圧値および要求電力値により充電、放電モードを判断する臨界（threshold、境界）電圧を演算し、臨界電圧により動作モードを決定することができる。動作モード決定部１３２は、動作点に対応する電圧値を臨界電圧に設定して、臨界電圧を基準として右側方向の領域を充電領域とし、左側方向は放電領域に決定することができる。すなわち、入力部１３１および動作モード決定部１３２は、インバータからインバータ動作領域を受信して動作範囲の設定および判断を行うことができる。また、リンク電圧およびインバータから要求電力値を受信し、これを通じて充電、放電動作モードを決定して出力することができる。
【0064】
例えば、制御部１３０は、新しく設定された動作点を基準としたドループ制御カーブの傾きを新しく演算し、動作モード決定部１３２は、以後に入力されるリンク電圧値と動作点とを比較して、充電モード、放電モードまたはアイドル動作モードを決定することができる。例えば、動作モード決定部１３２は、リンク電圧値が基準電圧値以上であれば、充電モードに決定することができる。または、動作モード決定部１３２は、リンク電圧値が基準電圧値以下であれば、放電モードに決定することができる。または、動作モード決定部１３２は、リンク電圧値が基準電圧値と同一であれば、アイドルモードに決定することができる。図６では、インバータの要求電力値が０［Ｗ］であり、それによる基準電圧値がデフォルトに設定されている場合を図示した。しかしながら、後述するように、実施例に係る直流／直流コンバータ１００は、インバータから要求電力値および基準電圧値が入力されると新しい動作点を設定することになり、動作モード決定部１３２は、新しく設定された動作点により動作モードを設定することになる。
【0065】
また、図６において、ドループ制御カーブは、最大電力を含んで出力電力が最大電力に制限され得る。具体的には、最大電力は、最大充電電力（ＰＣＭａｘ）および最大放電電力（ＰＤＭａｘ）を含むことができる。最大充電電力（ＰＣＭａｘ）は、動作モードが充電モードで出力電力が最大となり得る電力値であり得る。最大放電電力（ＰＤＭａｘ）は、動作モードが放電モードで出力電力が最大となり得る電力値であり得る。
【0066】
また、動作モード決定部１３２は、バッテリ２００の電圧状態により動作モードを決定することができる。より具体的には、動作モード決定部１３２は、バッテリ２００の電圧が所定の電圧以上であれば充電モードで動作することができる。
【0067】
さらに他の例として、動作モード決定部１３２は、使用者の制御により動作モードおよび出力電力を決定することができる。この場合、使用者は、直接または通信を利用して動作モードおよび出力電力を決定することができる。
【0068】
また、動作モード決定部１３２は、一例として、他の例およびさらに他の例のうちのいずれか一つの例を選択して動作モードおよび出力電力を決定することができる。
【0069】
傾き演算部１３３は、基準電圧値および要求電力値によってドループ制御カーブの傾きを演算することができる。傾き演算部１３３は、基準電圧値を基準として右側傾きを演算し、基準電圧値を基準として左側傾きを演算することができる。
【0070】
傾き演算部１３３は、下記の数式１により基準電圧値を動作点としたドループ制御カーブの右側傾きを演算することができる。
【0071】
＜数式１＞
【数3】
【0072】
数式１において、Ｓｌｏｐｅ1は基準電圧値を基準としたドループ制御カーブの右側傾きであり、ＰH,Limitは最大充電電力値であり、ＶH,Limitは最大充電電力開始電圧値であり、Ｐsetはインバータから入力された要求電力値であり、Ｖrefはインバータから入力された基準電圧値である。
【0073】
また、傾き演算部１３３は、下記の数式２により基準電圧値を動作点とした左側傾きを演算することができる。
【0074】
＜数式２＞
【数4】
【0075】
数式２において、Ｓｌｏｐｅ2は基準電圧値を基準としたドループ制御カーブの左側傾きであり、ＰL,Limitは最大放電電力値であり、ＶL,Limitは最大放電電力開始電圧値であり、Ｐsetはインバータから入力された要求電力値であり、Ｖrefはインバータから入力された基準電圧値である。
【0076】
実施例において、ドループ制御カーブの右側傾きは充電電力傾きであり得、左側傾きは放電電力傾きを意味し得る。充電電力傾きと放電電力傾きとは互いに異なり得、これに制限されるものではなく、互いに同一であってもよい。
【0077】
出力電力値演算部１３４は、リンク電圧値と基準電圧値との差分を傾きに代入して出力電力値を演算することができる。出力電力値演算部１３４は、目標電流生成値およびフィードバック電流を利用してデューティ値補償を行うことができる。出力電力値演算部１３４は、放電モードで、リンク電圧値から基準電圧値を差し引いた差分をドループ制御カーブの左側傾きに積算演算して出力電力値を演算することができる。または、出力電力値演算部１３４は、充電モードでは、基準電圧値からリンク電圧値を差し引いた差分をドループ制御カーブの右側傾きに積算演算して出力電力値を演算することができる。また、出力電力値演算部１３４は、演算された傾きによって新しく生成されたドループ制御カーブに目標電力値を反映して電流指令を生成することができる。すなわち、リンク電圧による電力指令を生成し、インバータの要求電力値および基準電圧値による電力指令値を互いに補償して電流指令を生成することができる。目標電流決定部１３５は、決定された動作モードおよび出力電力に基づいて目標電流を決定することができる。目標電流決定部１３５は、入出力電圧による基本デューティ値および電流補償デューティ値で最終デューティを決定することができる。目標電流決定部１３５は、動作モード出力を受信して電流指令をモードに従ってスイッチングすることができる。
【0078】
電流制御部１３６は、目標電流値をバッテリに出力することができる。電流制御部１３６は、充電電流制御部１３６１、放電電流制御部１３６３およびアイドル制御部１３６２を含み、出力された動作モードに従って各制御部１３６１～１３６３が動作することができる。電流制御部１３６は、決定された目標電流に基づいてスイッチング信号であるＰＷＭ信号を生成することができる。
【0079】
図７は、実施例に係る制御部の動作領域を説明するための電圧－電力平面を示す図である。図７を参照すると、実施例に係る制御部は、インバータから要求電力値および基準電圧値が入力されると新しい動作点を設定することになり、新しく設定した動作点によりドループ制御カーブの傾きを演算する。演算された傾きは、ドループ制御カーブに反映され、新しいドループ制御カーブを生成することになり、制御部は、リンク電圧値を新しいドループ制御カーブに代入して出力電力および目標電流を演算することができる。
【0080】
図８は、実施例に係る制御部の動作領域を説明するための電圧－電力平面を示す図である。
【0081】
図８を参照すると、制御部は、インバータから要求電力値０［Ｗ］が入力され得る。また、入力部は、直流リンクキャパシタからリンク電圧値４００［Ｖ］が入力され得る。
【0082】
制御部は、入力された要求電力値により基準電圧値を基準としてドループ制御カーブの右側傾きおよび左側傾きを演算することができる。実施例において、要求電力値が０［Ｗ］として入力されたので、ドループ制御カーブの傾きは、初期にセッティング（設定）された３５０として演算され得る。
【0083】
次に、制御部は、セッティング値である基準電圧値４１０［Ｖ］とリンク電圧値４００［Ｖ］との差分を演算し、演算された差分をその前に演算された傾きに代入して要求電力値と合算することによって出力電力値を演算することができる。制御部は、放電モードである場合には差分を左側傾きに代入して出力電力値を演算し、充電モードである場合には差分を右側傾きに代入して出力電力値を演算することができる。実施例において、制御部は、差分を演算された傾きに代入した値－３５００［Ｗ］と要求電力値０［Ｗ］とを合算して、出力電力値－３５００［Ｗ］を算出することができる。
【0084】
次に、制御部は、出力電力値をバッテリ電圧で割って目標電流値を演算することができる。実施例において、制御部は、出力電力値－３５００［Ｗ］をバッテリ電圧１００［Ｖ］で割って目標電流値－３５［Ａ］を算出することができる。
【0085】
図９は、実施例に係る制御部の動作領域を説明するための電圧－電力平面を示す図である。
【0086】
図９を参照すると、入力部は、インバータから要求電力値－４５００［Ｗ］が入力され得る。また、入力部は、直流リンクキャパシタからリンク電圧値４２５［Ｖ］が入力され得る。
【0087】
制御部は、入力された要求電力値により基準電圧値４２５［Ｖ］を基準としてドループ制御カーブの右側傾きおよび左側傾きを演算することができる。実施例において、要求電力値および基準電圧値により動作点が変更され、変更された動作点によりドループ制御カーブの左側傾きが初期セッティング値である３５０から７１．４２に変更されて反映され得る。
【0088】
次に、制御部は、セッティング値である基準電圧値４２５［Ｖ］とリンク電圧値４２５［Ｖ］との差分を演算し、演算された差分をその前に演算された傾きに代入して要求電力値と合算することによって出力電力値を演算することができる。制御部は、放電モードである場合には差分を左側傾きに代入して出力電力値を演算し、充電モードである場合には差分を右側傾きに代入して出力電力値を演算することができる。実施例において、制御部は、差分を演算された傾きに代入した値０［Ｗ］と要求電力値－４５００［Ｗ］とを合算して出力電力値－４５００［Ｗ］を算出することができる。
【0089】
次に、制御部は、出力電力値をバッテリ電圧で割って目標電流値を演算することができる。実施例において、制御部は、出力電力値－４５００［Ｗ］をバッテリ電圧１００［Ｖ］で割って目標電流値－４５［Ａ］を算出することができる。
【0090】
制御部は、演算された目標電流値をバッテリに出力することができる。
【0091】
このように、実施例に係る直流／直流コンバータは、インバータから要求電力値が入力されてドループ制御カーブの傾きを新しく算出し、新しく算出された傾きが反映されたドループ制御カーブによりバッテリに出力される電流を算出することによって、直流／直流コンバータの動作点を変更することができる。また、物理的電圧変動なしで速やかな応答が可能であり、全動作区間で充電、放電、アイドル区間運転を行うことが可能である。
【0092】
図１０は、実施例に係る制御部の動作領域を説明するための電圧－電力平面を示す図である。
【0093】
図１０を参照すると、入力部は、インバータから要求電力値－４５００［Ｗ］が入力され得る。また、入力部は、直流リンクキャパシタからリンク電圧値４２５［Ｖ］が入力され得る。
【0094】
制御部は、入力された要求電力値により基準電圧値３９５［Ｖ］を基準としてドループ制御カーブの右側傾きおよび左側傾きを演算することができる。実施例において、要求電力値および基準電圧値により動作点が変更され、変更された動作点によりドループ制御カーブの左側傾きが初期セッティング値である３５０から１００に変更されて反映され得る。
【0095】
次に、制御部は、セッティング値である基準電圧値３９５［Ｖ］とリンク電圧値４２５［Ｖ］との差分を演算し、演算された差分をその前に演算された傾きに代入して要求電力値と合算することによって出力電力値を演算することができる。制御部は、放電モードである場合には差分を左側傾きに代入して出力電力値を演算し、充電モードである場合には差分を右側傾きに代入して出力電力値を演算することができる。実施例において、制御部は、差分３０［Ｖ］を演算された傾き１００に代入した値３０００［Ｗ］と要求電力値－４５００［Ｗ］とを合算して出力電力値－１５００［Ｗ］を算出することができる。
【0096】
次に、制御部は、出力電力値をバッテリ電圧で割って目標電流値を演算することができる。実施例において、制御部は、出力電力値－１５００［Ｗ］をバッテリ電圧１００［Ｖ］で割って目標電流値－１５［Ａ］を算出することができる。
【0097】
制御部は、演算された目標電流値をバッテリに出力することができる。
【0098】
このように、実施例に係る直流／直流コンバータは、インバータから要求電力値が入力されてドループ制御カーブの傾きを新しく算出し、新しく算出された傾きが反映されたドループ制御カーブによりバッテリに出力される電流を算出することによって、直流／直流コンバータの動作点を変更することができる。また、物理的電圧変動なしで速やかな応答が可能であり、全動作区間で充電、放電、アイドル区間運転を行うことが可能である。
【0099】
【0100】
次に、入力部は、インバータから基準電圧値が入力され得る（Ｓ１１０２）。
【0101】
次に、動作モード決定部は、基準電圧値および要求電力値により充電、放電モードを判断する臨界電圧を演算することができる（Ｓ１１０３）。
【0102】
次に、制御部は、臨界電圧を中心に、基準電圧値および要求電力値によってドループ制御カーブの傾きを演算することができる（Ｓ１１０４）。
【0103】
次に、入力部は、直流リンクキャパシタからリンク電圧値が入力され得る（Ｓ１１０５）。
【0104】
次に、制御部は、リンク電圧値と基準電圧値との差分を傾きに代入して出力電力値を演算することができる（Ｓ１１０６）。
【0105】
次に、制御部は、出力電力値による目標電流値を演算することができる（Ｓ１１０７）。
【0106】
次に、制御部は、目標電流値をバッテリに出力することができる（Ｓ１１０８）。
【0107】
図１２は、既存ドループ制御と比較した提案したドループ制御に関する動作領域拡大の利点を説明する図である。
【0108】
図１２を参照すると、既存の直流／直流コンバータの場合、充電電圧、放電電圧がインバータ別に固定されており、これに伴い、充電動作領域と放電動作領域とが事前に定められた範囲内に限定されるという短所があった。これに比べて、実施例に係る直流／直流コンバータの場合、動作点によりリアルタイムでドループ制御カーブを新しく演算して適用することによって、動作領域が互いに異なる多様なメーカのインバータとマッチング可能であるので、互換性および制御安全性を向上させることができる。
【0109】
本実施例で使われる「～部」という用語は、ソフトウェアまたはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）もしくはＡＳＩＣなどのハードウェア構成要素を意味し、「～部」は、何らかの役割を行う。しかしながら、「～部」は、ソフトウェアまたはハードウェアに限定される意味ではない。「～部」は、アドレッシングできる記憶（保存）媒体にあるように構成されてもよく、一つまたは複数のプロセッサを再生させるように構成されてもよい。したがって、一例として「～部」は、ソフトウェア構成要素、オブジェクト（客体）指向ソフトウェア構成要素、クラス構成要素およびタスク構成要素などの構成要素と、プロセス、関数、属性、プロシージャ、サブルーチン、プログラムコードのセグメント、ドライバ、ファームウェア、マイクロコード、回路、データ、データベース、データ構造、テーブル、アレイ、および変数を含む。構成要素および「～部」内で提供される機能は、さらに小さい数の構成要素および「～部」に結合されたり、追加的な構成要素および「～部」にさらに分離され得る。それだけでなく、構成要素および「～部」は、デバイスまたはセキュリティマルチメディアカード内の一つまたは複数のＣＰＵを再生させるように具現されてもよい。
【0110】
上記では、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者は、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更できることを理解できるであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【手続補正書】
【提出日】2023-05-29
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0060】
図４および図５は、実施例に係る制御部を説明する図であり、図６は、実施例に係るエネルギ貯蔵システムのドループ制御カーブを説明する図であり、図７は、図５の目標電流演算部を説明する図であり、図８は、図５の電流制御部を説明する図である。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0077】
出力電力値演算部１３４は、リンク電圧値と基準電圧値との差分を傾きに代入して出力電力値を演算することができる。出力電力値演算部１３４は、目標電流生成値およびフィードバック電流を利用してデューティ値補償を行うことができる。出力電力値演算部１３４は、放電モードで、リンク電圧値から基準電圧値を差し引いた差分をドループ制御カーブの左側傾きに積算演算して出力電力値を演算することができる。または、出力電力値演算部１３４は、充電モードでは、基準電圧値からリンク電圧値を差し引いた差分をドループ制御カーブの右側傾きに積算演算して出力電力値を演算することができる。また、出力電力値演算部１３４は、演算された傾きによって新しく生成されたドループ制御カーブに目標電力値を反映して電流指令を生成することができる。すなわち、リンク電圧による電力指令を生成し、インバータの要求電力値および基準電圧値による電力指令値を互いに補償して電流指令を生成することができる。目標電流演算部１３５は、決定された動作モードおよび出力電力に基づいて目標電流を決定することができる。目標電流演算部１３５は、入出力電圧による基本デューティ値および電流補償デューティ値で最終デューティを決定することができる。目標電流演算部１３５は、動作モード出力を受信して電流指令をモードに従ってスイッチングすることができる。
【手続補正3】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
インバータから要求電力値が入力される段階と、前記インバータから基準電圧値が入力される段階と、
前記基準電圧値および前記要求電力値によりドループ（ｄｒｏｏｐ）制御カーブの傾きを演算する段階と、
前記基準電圧値および前記要求電力値により充電、放電モードを判断する臨界電圧を演算する段階と、
直流リンクキャパシタからリンク電圧値が入力される段階と、
前記リンク電圧値と前記基準電圧値との差分を前記傾きに代入して出力電力値を演算する段階と、
前記出力電力値による目標電流値を演算する段階と、を有する、直流／直流コンバータ制御方法。
【請求項2】
前記ドループ制御カーブの傾きを演算する段階は、前記基準電圧値を基準として右側傾きを演算する段階と、
前記基準電圧値を基準として左側傾きを演算する段階と、を有する、請求項１に記載の直流／直流コンバータ制御方法。
【請求項3】
前記右側傾きを演算する段階は、下記の数式１により前記基準電圧値および前記要求電力値を動作点とするドループ制御カーブの右側傾きを演算し、＜数式１＞
【数1】
【請求項4】
前記左側傾きを演算する段階は、下記の数式２により前記基準電圧値および前記要求電力値を動作点とするドループ制御カーブの左側傾きを演算し、＜数式２＞
【数2】
【請求項5】
前記目標電流値をバッテリに出力する段階をさらに有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の直流／直流コンバータ制御方法。
【請求項6】
インバータから要求電力値および基準電圧値が入力され、直流リンクキャパシタからリンク電圧値が入力される入力部と、前記基準電圧値および前記要求電力値によってドループ制御カーブの傾きを演算し、前記リンク電圧値と前記基準電圧値との差分を前記傾きに代入して出力電力値を演算し、前記出力電力値による目標電流値を演算する制御部と、を有する、直流／直流コンバータ。
【請求項7】
前記制御部は、前記基準電圧値を基準として右側傾きを演算し、前記基準電圧値を基準として左側傾きを演算する、請求項６に記載の直流／直流コンバータ。
【請求項8】
前記制御部は、下記の数式３により前記基準電圧値および前記要求電力値を動作点とするドループ制御カーブの右側傾きを演算し、＜数式３＞
【数3】
【請求項9】
前記制御部は、下記の数式４により前記基準電圧値および前記要求電力値を動作点とするドループ制御カーブの左側傾きを演算し、＜数式４＞
【数4】
【請求項10】
前記制御部は、前記目標電流値をバッテリに出力する、請求項６～９のいずれか一項に記載の直流／直流コンバータ。
【国際調査報告】