KR101452778B1

KR101452778B1 - 축전장치의 충전제어방법 및 방전제어방법

Info

Publication number: KR101452778B1
Application number: KR1020137004771A
Authority: KR
Inventors: 하루미 다케다; 요시후미 다케다
Original assignee: 요시후미 다케다
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-07-27
Also published as: US20130200860A1; EP2600486B1; EP2600486A1; KR20130084289A; JPWO2012014281A1; SG187574A1; CN103190056A; US9312703B2; CN103190056B; EP2600486A4; WO2012014281A1; MX2013001026A; JP4977804B2

Abstract

본 발명은, 병렬 모니터를 사용하지 않고 캐패시터의 단자간 전압의 불균일을 억제할 수 있는 축전장치의 충전제어방법 및 방전제어방법을 제공한다.
본 발명의 충전제어방법에서는, 축전수단으로서, 정전용량이 동일한 1번째로부터 2n번째의 2n개(n은 2 이상의 정수)의 전기 2중층 캐패시터를 포함하고 또한 인접하는 전기 2중층 캐패시터의 사이가 스위치에 의하여 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 접속할 수 있고, 또 2n번째의 전기 2중층 캐패시터와 1번째의 전기 2중층 캐패시터의 사이가 스위치에 의하여 병렬로 접속할 수 있도록 구성된 캐패시터군을 사용하고 있다. 그리고 축전부(21)를 구성하는 2n개의 캐패시터(Ci) 중에서 인접하는 캐패시터끼리를 순차적으로 직렬접속으로부터 병렬접속으로 절환하거나 혹은 2n번째의 캐패시터(C2n)와 1번째의 캐패시터(C1)를 병렬접속한 상태로 절환함으로써 각 캐패시터의 단자간 전압의 불균일을 억제하고 있다.

Description

축전장치의 충전제어방법 및 방전제어방법{CHARGING CONTROL METHOD AND DISCHARGING CONTROL METHOD FOR ELECTRICITY STORAGE DEVICE}

본 발명은, 전기 2중층 캐패시터(電氣二重層 Capacitor : Electric Double Layer Capacitor)를 축전 디바이스(蓄電 device)로서 사용한 축전장치(蓄電裝置)의 충전제어방법(充電制御方法) 및 방전제어방법(放電制御方法)에 관한 것이다.

전기 2중층 캐패시터는, 사이클 수명이 긴 것이나 사용온도의 범위가 넓은 등의 특징으로부터 이차전지를 대신하는 새로운 축전 디바이스로서 주목을 모으고 있다.

도23을 참조하여 축전 디바이스로서 전기 2중층 캐패시터(이후, 간단하게 「캐패시터」라고도 한다)를 사용한 전력공급시스템에 대하여 설명한다.

태양전지 등의 직류전원(直流電源)(1)으로부터 공급된 직류의 전력은 일단 복수의 캐패시터로 구성된 축전장치(2)의 축전부(蓄電部)(21)에 축적된다. 캐패시터는 이차전지와 달리 단자간 전압(端子間電壓)이 축적전하량에 비례하여 크게 변동되기 때문에, 축전부(21)에 축적된 전력을 직접 부하에 공급할 수 없다. 이 때문에 축전부(21)에 축적된 전력은 DC-DC 컨버터나 DC-AC 인버터 등의 전력변환기(電力變換器)(3)에 의하여 전압을 안정화 한 후에 부하(4)에 공급된다.

부하(4)가 직류전력에 의하여 구동되는 경우에는 전력변환기(3)로서 DC-DC 컨버터 등이 사용된다. 또 제어부(制御部)(22)는 축전부(21)에 있어서의 충방전(充放電)을 제어하는 것이다.

도23의 전력공급시스템에 있어서 전력변환기(3)에는 허용입력 전압범위(許容入力電壓範圍)가 있다. 따라서 부하에 안정된 전력을 계속적으로 공급하기 위해서는, 축전부(21)의 출력전압(이후, 「축전부 전압(蓄電部電壓)」이라고 한다)(Vt)을 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내로 유지할 필요가 있다.

또 캐패시터는, 단체(單體)에서는 출력전압이 낮기 때문에 축전부(21)는 복수 개의 캐패시터를 직렬로 접속하여 사용하는 경우가 많이 있다. 또한 필요한 축적전하량을 확보하기 위하여 복수 개의 캐패시터를 병렬로 접속하여 사용하는 경우도 많이 있다. 따라서 캐패시터를 사용한 축전장치(2)의 축전부(21)는 보통 복수 개의 캐패시터를 직렬 및 병렬로 접속하여 구성된다.

축전부(21)가 복수의 캐패시터로 구성된 종래의 축전장치(2)에서는, 충방전특성이나 방전심도(放電深度)를 향상시키기 위하여 「직병렬 절환제어(直竝列切換制御)」 및 「병렬 모니터(竝列 monitor)」의 2개의 방법을 병용한 충전제어방법이나 방전제어방법이 채용되고 있다. 이하, 이 2개의 방법을 채용한 특허문헌1에 기재된 축전장치(2)에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

먼저 직병렬 절환제어에 대하여 설명한다. 직병렬 절환제어는, 축전부(21)가 복수 개의 캐패시터를 직렬 또는 병렬로 접속시켜서 구성되는 축전장치(2)에 있어서, 충방전특성이나 방전심도의 향상을 위하여 이용되는 방법 중 하나이다.

특허문헌1에 기재된 직병렬 절환제어를 사용한 축전부(21)는 도24와 같이 구성되어 있다. 즉 정전용량이 동일한 한 쌍의 캐패시터(C, C)와, 이 한 쌍의 캐패시터(C, C)의 직렬접속과 병렬접속을 절환하는 복수의 스위치(S)에 의하여 1개의 회로블록(이후, 간단하게 「블록(block)」이라고 한다)이 구성되고, 그 블록이 n단(B1∼Bn) 직렬로 접속되어 있다.

직병렬 절환제어의 방법에 대하여 축전부(21)가 도25에 나타나 있는 바와 같이 3단의 블록(B1∼B3)으로 구성되어 있는 경우를 예로 하여 설명한다. 또 도26은, 도25의 축전부(21)의 스위치를 생략하여 캐패시터(C)의 접속상태만을 나타내는 도면이다.

도25의 축전부(21)를 구성하는 모든 캐패시터(C)가 완전방전상태로부터 충전을 시작하는 경우에, 우선 도25의 스위치(S12, S22 및 S32)를 온으로 하고(즉 닫는다), 스위치(S11, S13, S21, S23, S31 및 S33)를 오프로 함(즉 연다)으로써 도26(a)에 나타나 있는 바와 같이 모든 블록의 캐패시터(C)가 직렬로 접속되고, 이 상태에서 충전이 시작된다.

충전이 진행됨에 따라 각 캐패시터(C)에 전하가 축적되어 축전부 전압(Vt)이 상승한다. 축전부 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 상한값에 도달할 때마다, 도25에 있어서의 스위치(S11∼S33)를 적절하게 온 혹은 오프로 함으로써 축전부 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내에 들어가도록 각 블록의 캐패시터(C)를 미리 정해진 순서 예를 들면 도26(b) → 도26(c) → 도26(d)의 순서로 직렬접속으로부터 병렬접속으로 단계적으로 절환하여, 최종적으로 각 블록의 캐패시터(C)가 모두 병렬접속이 되도록 충전이 이루어진다.

또 방전 시에는, 축전부 전압(Vt)의 강하에 따라 축전부 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 하한값에 도달할 때마다, 도25에 있어서의 스위치(S11∼S13)를 적절하게 온 혹은 오프로 함으로써 충전 시와는 반대의 미리 정해진 순서 예를 들면 도26(d) → 도26(c) → 도26(b) → 도26(a)의 순서로 각 블록의 캐패시터(C)를 단계적으로 병렬접속으로부터 직렬접속으로 절환하여 방전이 이루어진다. 이상과 같이 직병렬 절환제어는, 축전부 전압(Vt)을 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위로 계속하여 유지함으로써 충방전특성이나 방전심도를 향상시키는 것이다.

도27은, 상기한 충전과정과 방전과정에 있어서의 축전부 전압(Vt)의 시간적 추이를 나타내는 모식도이다. 또 도27의 최하단에 기재된 (a)∼(d)의 기호는, 그 시간구간에 있어서의 축전부(21)의 캐패시터(C)의 접속상태가 도26(a)∼도26(d)인 것을 나타내고 있다.

다음에 「병렬 모니터」에 대하여 설명한다. 일반적으로 캐패시터의 정전용량은 불균일이 크다. 따라서 복수 개의 캐패시터를 직렬접속하여 충전하면, 정전용량이 작은 캐패시터로부터 만충전(滿充電) 상태가 된다. 또한 충전을 계속하면, 정전용량이 작은 캐패시터는 과충전(過充電)이 되고, 이것이 열화(劣化)의 원인이 되어, 최악의 경우에는 파괴에 이르게 된다.

그래서 축전 디바이스에 캐패시터를 사용한 축전장치에서는, 각 캐패시터(C)의 단자 사이에, 도28(a)에 나타나 있는 바와 같은 저항(R)과 스위치(S)로 구성되는 「병렬 모니터」라고 불리는 회로를 부가하는 경우가 많이 있다. 이 병렬 모니터는, 각 캐패시터(C)의 단자간 전압이 정격전압의 상한값(upper rated voltage, 캐패시터를 안전하게 사용할 수 있는 단자간 전압의 상한값)을 넘으면, 도28(b)에 나타나 있는 바와 같이 스위치(S)를 온으로 하여 충전전류(Ic)를 강제적으로 바이패스(bypass)시킴으로써 캐패시터(C)의 과충전을 방지하고 있다.

다음에 특허문헌1에 기재된 축전장치의 충전제어방법의 문제점에 대하여 설명한다. 축전부가 동일한 공칭정전용량(公稱靜電容量)의 복수의 캐패시터로 구성되어 있더라도 직병렬 절환제어에 의하여 병렬접속된 블록의 각 캐패시터(C)로 유입되는 전하량은, 직렬접속된 블록의 각 캐패시터(C)로 유입되는 전하량의 약 반 정도가 된다. 또한 실제의 캐패시터에는 정전용량 오차나 자기방전특성(自己放電特性)의 차이도 있기 때문에, 각 캐패시터의 단자간 전압에는 불균일이 발생한다.

이 불균일에 의하여 직렬접속상태에 있는 블록 중에서 어느 하나의 캐패시터(C)가 정격전압의 상한값(즉 만충전)이 되었을 경우에, 그 캐패시터(C)는 병렬접속상태에 있는 다른 블록 내의 캐패시터(C)가 만충전에 도달하기까지의 사이에 과충전이 되는 것을 피하기 위하여 병렬 모니터에 의하여 단자간 전압을 정격전압의 상한값 이하로 계속하여 유지하여야만 한다. 그 결과 병렬 모니터의 저항에 의한 열손실이 발생하여 충전효율이 저하된다.

즉 특허문헌1에 기재된 종래의 충전제어방법에서는, 블록 사이에서의 캐패시터의 단자간 전압의 불균일이 매우 커지게 되어, 과충전방지를 위하여 병렬 모니터의 동작시간도 길어지기 때문에 열손실이 증가되어, 결과로서 충전효율이 저하된다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명자들은, 축전부를 구성하는 모든 캐패시터의 단자간 전압의 불균일을 억제하는 직병렬 절환제어의 방법을 개발하였다(특허문헌2 참조).

발명자들이 개발한 축전장치의 충전제어방법은, 병렬 모니터를 과충전을 방지하기 위함뿐만 아니라 일정한 인터벌(interval)마다 병렬 모니터를 제어함으로써 각 캐패시터의 단자간 전압이 일정범위 내에 들어가도록 보정(「상시보정(常時補正)」이라고 한다)하기 위해서도 사용되고, 또한 각 블록의 캐패시터를 직렬접속으로부터 병렬접속으로 절환할 때에 발생하는, 소위 「크로스 전류(cross 電流)」 대책용으로서도 사용된다. 이것과 후술하는 직병렬 절환제어의 방법에 의하여 병렬 모니터의 동작시간과 그 동작에 따르는 발열을 특허문헌1에 기재된 방법보다 삭감할 수 있어 충전효율을 높일 수 있다.

특허문헌2에 기재된 각 블록의 직병렬 절환제어의 방법에 대하여 도29에 나타내는 3개의 블록(B1, B2, B3)으로 구성된 축전부(21)에 적용하는 경우를 예로 들어 설명한다. 또 도30은, 도29의 축전부의 스위치를 생략하여 캐패시터(C)의 접속상태를 간략화 하여 나타내는 도면이다.

충전과정에 있어서, 모든 캐패시터(C)가 완전방전상태인 경우에 스위치(S13, S01, S23, S02 및 S33)를 온으로 하고 스위치(S11, S12, S21, S22, S31 및 S32)를 오프로 함으로써 도30(a)에 나타나 있는 바와 같이 모든 캐패시터(C)를 직렬접속한 상태로부터 충전이 시작된다.

그리고 축전부 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 상한값에 도달한 시점에서 스위치(S01∼S33)를 적절하게 제어함으로써 축전부(21)의 3개 블록(B1∼B3) 중에서 어느 하나의 블록의 캐패시터(C)를 병렬접속으로 절환하여, 축전부 전압(Vt)을 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내로 강하시킨다.

이 때에 블록 내에 있어서의 2개의 캐패시터(C)의 단자간 전압의 합(이후, 「블록전압(block電壓)」이라고 한다)이 가장 높은 블록이 우선적으로 병렬접속된다. 즉 도30(a)의 상태로부터 도30(b), 도30(c) 또는 도30(d) 중에서 어느 하나의 상태로 절환되어 충전이 계속된다.

그리고 축전부 전압(Vt)이 다시 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 상한값에 도달하기까지의 사이에 일정한 인터벌마다 모든 캐패시터의 단자간 전압이 계측되어 블록전압이 가장 높은 1개의 블록이 선정되고, 그 블록의 캐패시터가 병렬접속되고 다른 블록의 캐패시터를 직렬접속으로 되돌리는 동작이 반복된다. 즉 예를 들면 도30(b)의 상태로부터 도30(c) 또는 도30(d)의 상태로 절환하는 동작이 반복된다.

또한 충전이 계속되어 축전부 전압(Vt)이 다시 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 상한값에 도달하면, 축전부 전압(Vt)을 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내로 강하시키기 위하여 병렬접속으로 하는 블록의 수를 2개로 증가시켜서 충전이 계속된다. 즉 도30(b), 도30(c) 또는 도30(d) 중 어느 하나의 상태로부터 도30(e), 도30(f) 또는 도30(g) 중 어느 하나의 상태로 절환되어 충전이 계속된다. 이 때에도 블록전압이 높은 순서로 2개의 블록이 선택되고, 그들의 블록의 캐패시터가 병렬접속된다.

그리고 다시 축전부 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 상한값에 도달하기까지의 사이에 일정한 인터벌마다 모든 캐패시터의 단자간 전압이 계측되어 블록전압이 높은 순서로 2개의 블록이 선정되고, 그들 2개 블록의 캐패시터가 병렬접속되고 다른 블록의 캐패시터는 직렬접속된다. 즉 예를 들면 도30(e)의 상태로부터 도30(f) 또는 도30(g)의 상태로 절환하는 동작이 반복된다.

충전이 더 진행되어 축전부 전압(Vt)이 다시 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 상한값에 도달하면, 축전부 전압(Vt)을 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내로 강하시키기 위하여 병렬접속으로 하는 블록의 수가 3개가 되도록 도30(h)의 상태로 절환되어, 어느 하나의 캐패시터의 단자간 전압이 정격전압에 도달할 때까지 충전이 계속된다.

또 도30(h)와 같이 모든 블록(B1∼B3)의 캐패시터(C)가 병렬접속되어 모든 캐패시터(C)가 거의 만충전 상태가 되었을 경우의 축전부 전압(Vt)은, 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내가 되도록 설정되어 있다.

한편 방전과정에 있어서는, 모든 캐패시터(C)가 만충전 상태인 경우에는, 도30(h)의 상태(모든 블록이 병렬의 상태)로부터 방전이 시작되어, 축전부 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 하한값까지 저하되었을 때에 어느 하나의 블록의 캐패시터(C)를 직렬접속으로 절환한다. 이에 따라 축전부 전압(Vt)을 승압시켜서 축전부 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내에 들어가도록 하여 방전을 유지한다. 이 때에 블록전압이 높은 블록으로부터 우선적으로 직렬접속된다. 즉 도30(h)의 상태로부터 도30(e), 도30(f) 또는 도30(g) 중 어느 하나의 상태로 절환되어 방전이 계속된다.

그리고 방전이 진행되어 축전부 전압(Vt)이 다시 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 하한값에 도달하기까지의 사이에 일정한 인터벌마다 모든 캐패시터의 단자간 전압이 계측되어 블록전압이 가장 높은 1개의 블록이 선정되고, 그 블록의 캐패시터가 직렬접속되고 다른 블록을 병렬접속으로 하는 동작이 반복되어 방전이 계속된다. 즉 예를 들면 도30(e)의 상태로부터 도30(f) 또는 도30(g)의 상태로 절환하는 동작이 반복되어 방전이 계속된다.

방전이 더 진행되어 축전부 전압(Vt)이 다시 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 하한값에 도달하면, 축전부 전압(Vt)을 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내로 상승시키기 위하여 직렬접속으로 하는 블록의 수를 2개로 증가시켜서 방전이 계속된다. 즉 도30(e), 도30(f) 또는 도30(g) 중 어느 하나의 상태로부터 도30(b), 도30(c) 또는 도30(d) 중 어느 하나의 상태로 절환되어 충전이 계속된다. 이 때에도 블록전압이 높은 순서로 2개의 블록이 선택되고, 그들 블록의 캐패시터가 직렬접속되어 방전이 계속된다.

그리고 방전이 진행되어 축전부 전압(Vt)이 다시 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 하한값에 도달하기까지의 사이에 일정한 인터벌마다 모든 캐패시터의 단자간 전압이 계측되어 블록전압이 가장 높은 2개의 블록이 선정되고, 그 블록의 캐패시터를 직렬접속하고 다른 블록을 병렬접속하는 동작이 반복되어 방전이 계속된다. 즉 예를 들면 도30(b)의 상태로부터 도30(c) 또는 도30(d)의 상태로 절환하는 동작이 반복되어 방전이 계속된다.

방전이 더 진행되어 축전부 전압(Vt)이 다시 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 하한값에 도달하면, 축전부 전압(Vt)을 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내로 상승시키기 위하여 모든 캐패시터가 직렬접속된 도30(a)의 상태로 절환되어 방전이 계속된다.

이상과 같이 각 블록의 직병렬의 접속상태를 절환함으로써 축전부 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위를 유지하도록 방전이 이루어진다.

상기한 바와 같이 특허문헌2에 기재된 직병렬 절환제어 방법의 특징은, 직병렬 절환되는 블록의 순서나 직병렬 절환의 패턴이 특허문헌1에 기재된 방법과 같이 고정되어 있지 않아, 일정한 인터벌마다 각 캐패시터의 단자간 전압의 불균일이 억제되도록 직병렬 절환이 이루어지는 점에 있다. 이와 같이 함으로써 각 블록 내의 캐패시터(C)의 단자간 전압을 정밀하게 제어할 수 있고 또한 축전부(21)를 구성하는 모든 캐패시터(C)의 단자간 전압의 불균일을 억제할 수 있다.

일본국 공개특허 특개평11-215695호 공보 국제공개 WO2007/046138

상기한 바와 같이 종래의 축전장치의 충전제어방법 및 방전제어방법은, 직병렬 절환제어와 병렬 모니터를 병용함으로써 효율이 좋은 충방전을 실현하고 있다. 그러나 특허문헌1에 기재된 제어방법은, 직병렬 절환되는 블록의 순서나 직병렬 절환의 패턴이 고정되어 있어, 병렬 모니터를 사용하지 않고 각 캐패시터의 단자간 전압의 불균일을 억제하는 것은 어렵다.

또한 특허문헌2에 기재된 제어방법에 있어서도 복수의 블록이 병렬화 되었을 경우로서, 도30(e), (g), (h)와 같이 병렬화 되는 블록이 인접하고 있는 경우에는 병렬화 되는 블록 내의 캐패시터는 직렬접속되기 때문에 캐패시터의 단자간 전압에 불균일이 발생한다. 또한 특히 충전의 최종과정에서 모든 블록 내의 캐패시터가 병렬화 된 도30(h)의 경우에는 직병렬의 절환을 할 수 없기 때문에 각 캐패시터의 단자간 전압의 불균일을 억제할 수 없고 또한 축전부를 구성하는 어느 하나의 캐패시터의 단자간 전압이 정격전압(즉 만충전)이 되면 충전이 정지되기 때문에 충전효율의 저하는 피할 수 없었다.

또한 특허문헌2에 기재된 직병렬 절환제어의 방법에 있어서는, 병렬 모니터를 과충전을 방지하기 위함뿐만 아니라 일정한 인터벌마다 병렬 모니터를 제어함으로써 각 캐패시터의 단자간 전압이 일정범위 내에 들어가도록 보정하는 상시보정이라고 불리는 조작에도 사용되었지만, 병렬 모니터의 동작에 따르는 발열은 피할 수 없어 충방전효율의 향상에 장벽이 되고 있었다. 이와 같이 종래의 축전장치의 제어방법에서는, 병렬 모니터를 완전히 배제하는 것은 곤란하여 병렬 모니터에 의한 전력손실을 피할 수는 없었다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 병렬 모니터를 사용하지 않고 충방전과정에 있어서의 캐패시터의 단자간 전압의 불균일을 억제할 수 있는 축전장치의 충전제어방법 및 방전제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 관한 축전장치(蓄電裝置)의 충전제어방법(充電制御方法)은, 축전수단(蓄電手段)으로서 정전용량(靜電容量)이 동일한 1번째로부터 2n번째의 2n개(n은 2 이상의 정수)의 전기 2중층 캐패시터(電氣二重層 capacitor)를 포함하고 또한 인접하는 전기 2중층 캐패시터의 사이가 스위치에 의하여 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 접속할 수 있고, 또 2n번째의 전기 2중층 캐패시터와 1번째의 전기 2중층 캐패시터의 사이가 스위치에 의하여 병렬접속할 수 있도록 구성된 캐패시터군(capacitor群)을 사용한 축전장치의 충전제어방법으로서,

병렬로 접속된 2개의 전기 2중층 캐패시터를 병렬부(竝列部)로 하였을 때에, 상기 전기 2중층 캐패시터가 모두 직렬로 접속된 상태로부터 충전(充電)을 시작하여, 상기 병렬부의 수(P)가 n이 되고 또한 2n개의 전기 2중층 캐패시터 중 적어도 어느 하나의 단자간 전압(端子間電壓)이 정격전압(定格電壓)의 상한값에 도달할 때까지 다음의 제1처리와 제2처리를 반복하는 것을 특징으로 한다.

(1)상기 병렬부의 수(P)가 1 이상인 경우에 i를 1에서부터 2n까지의 값을 순환하는 정수로 하고, k_j(j는 1 ≤ j ≤P의 정수)를 0 ≤ k_j ≤ 2n-2를 충족시키는 P개의 0 또는 임의의 짝수로 하고, 소정의 시간이 경과할 때마다 i의 수를 1씩 증가시키면서 (i+k_j)번째와 (i+k_j+1)번째의 전기 2중층 캐패시터의 접속상태를 상기 병렬부를 구성하도록 병렬로 함과 아울러, 다른 전기 2중층 캐패시터의 접속상태를 직렬로 한다. 여기에서 K를 정수로 하였을 때에 (2n+K)번째의 전기 2중층 캐패시터는 K번째의 전기 2중층 캐패시터가 된다.

(2)상기 축전수단의 전압이 미리 설정된 제1전압값에 이르렀을 때에 상기 병렬부의 수(P)를 1씩 증가시킨다.

본 발명의 충전제어방법에 있어서, 상기 제1전압값으로서, 상기 축전수단의 출력측에 접속된 전력변환기(電力變換器)의 허용입력 전압범위의 상한값을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 방전제어방법(放電制御方法)은, 축전수단으로서 정전용량이 동일한 1번째로부터 2n번째의 2n개(n은 2 이상의 정수)의 전기 2중층 캐패시터를 포함하고 또한 인접하는 전기 2중층 캐패시터의 사이가 스위치에 의하여 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 접속할 수 있고, 또 2n번째의 전기 2중층 캐패시터와 1번째의 전기 2중층 캐패시터의 사이가 스위치에 의하여 병렬접속할 수 있도록 구성된 캐패시터군을 사용한 축전장치의 방전제어방법으로서,

병렬로 접속된 2개의 전기 2중층 캐패시터를 병렬부로 하였을 때에, 상기 병렬부의 수(P)가 n의 상태로부터 전기 2중층 캐패시터가 모두 직렬로 접속된 상태가 되고, 또한 상기 축전수단의 전압이 미리 설정된 제2전압값에 이를 때까지 다음의 제1처리와 제2처리를 반복하는 것을 특징으로 한다.

(1)상기 병렬부의 수(P)가 1 이상인 경우에 i를 1에서부터 2n까지의 값을 순환하는 정수로 하고, k_j(j는 1 ≤ j ≤P의 정수)를 0 ≤ k_j ≤ 2n-2를 충족시키는 P개의 0 또는 임의의 짝수로 하고, 소정의 시간이 경과할 때마다 i의 수를 1씩 증가시키면서 (i+k_j)번째와 (i+k_j+1)번째의 전기 2중층 캐패시터의 접속상태를 상기 병렬부를 구성하도록 병렬로 함과 아울러, 그 이외의 전기 2중층 캐패시터의 접속상태를 직렬로 한다. 여기에서 K를 정수로 하였을 때에 (2n+K)번째의 전기 2중층 캐패시터는 K번째의 전기 2중층 캐패시터가 된다.

(2)상기 축전수단의 전압이 상기 제2전압값에 이르렀을 때에 상기 병렬부의 수(P)를 1개 감소시킨다.

본 발명의 방전제어방법에 있어서, 상기 제2전압값으로서, 상기 축전수단의 출력측에 접속된 전력변환기의 허용입력 전압범위의 하한값을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 전기 2중층 캐패시터로서, 정격전압의 하한값이 설정되어 있는 캐패시터를 사용한 경우에는, 상기 축전수단을 구성하는 어느 하나의 전기 2중층 캐패시터의 단자간 전압이 상기 정격전압의 하한값을 하회(下回)하였을 때에 방전을 정지하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 축전장치의 충전제어방법 및 방전제어방법에 의하면, 축전부를 구성하는 캐패시터 중에서 인접하는 캐패시터끼리를 순차적으로 병렬로 접속함으로써 캐패시터의 단자간 전압이 균압화 되어, 결과로서 캐패시터의 단자간 전압의 불균일을 억제할 수 있다. 이에 따라 충전 시에는 과충전을 방지하기 위한 병렬 모니터가 불필요가 되어 열손실이 없어지기 때문에 충전효율이 향상된다. 또한 방전 시에는 방전시간을 길게 할 수 있다.

도1은, 축전장치를 포함하는 전력공급시스템의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도2는, 도1의 축전부의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도3은, 병렬접속에 의한 균압화의 원리를 설명하는 도면이다.
도4는, 도2의 회로도에서 n=4로 하였을 때의 회로도이다.
도5는, 도4에 나타내는 축전부에 있어서의 캐패시터의 접속상태를 간략화 하여 나타내는 도면이다.
도6은, 병렬부의 이동에 의한 균압화를 설명하는 도면이다.
도7은, 병렬접속시간(ΔT)을 설명하는 도면이다.
도8은, 도7의 캐패시터에 있어서의 단자간 전압의 시간적인 변화를 나타내는 도면이다.
도9는, 도7의 캐패시터에 있어서의 단자간 전압의 시간적인 변화를 나타내는 도면이다.
도10은, 병렬접속시간(ΔT)을 산출하기 위한 설명도이다.
도11은, 10개의 캐패시터로 구성된 축전부에 있어서, 병렬부가 1개인 경우의 병렬화 패턴을 간략화 하여 나타내는 도면이다.
도12는, 10개의 캐패시터로 구성된 축전부에 있어서, 병렬부가 2개인 경우의 병렬화 패턴을 간략화 하여 나타내는 도면이다.
도13은, 10개의 캐패시터로 구성된 축전부에 있어서, 병렬부가 3개인 경우의 병렬화 패턴을 간략화 하여 나타내는 도면이다.
도14는, 10개의 캐패시터로 구성된 축전부에 있어서, 병렬부가 4개인 경우의 병렬화 패턴을 간략화 하여 나타내는 도면이다.
도15는, 10개의 캐패시터로 구성된 축전부에 있어서, 병렬부가 2개인 경우에 있어서의 도12와는 다른 병렬화 패턴의 예를 간략화 하여 나타내는 도면이다.
도16은, 10개의 캐패시터로 구성된 축전부에 있어서, 병렬부가 5개인 경우의 병렬화 패턴을 간략화 하여 나타내는 도면이다.
도17은, 본 발명의 충전제어방법을 실시할 때의 플로우 차트이다.
도18은, 본 발명의 방전제어방법을 실시할 때의 플로우 차트이다.
도19는, 본 발명의 충전제어방법과 방전제어방법을 조합시켰을 경우의 플로우 차트이다.
도20은, 정격전압의 상한값 및 하한값이 설정된 캐패시터를 사용한 축전장치에 대하여 본 발명의 충전제어방법과 방전제어방법을 실시하는 경우의 플로우 차트이다.
도21은, 본 발명의 방법에 의하여 충전제어를 한 후에 방전제어를 한 경우 및 종래의 방법에 의하여 충전제어를 한 후에 방전제어를 한 경우에 있어서의 각 캐패시터의 단자간 전압의 시간적 변화를 나타내는 그래프이다.
도22는, 본 발명의 방법 및 특허문헌2에 기재된 방법에 의하여 충전제어를 하고, 만충전이 된 시점에 있어서의 각 캐패시터의 단자간 전압을 나타내는 그래프이다.
도23은, 축전 디바이스로서 복수의 캐패시터를 사용한 전력공급시스템의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도24는, 특허문헌1에 기재된 축전부의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도25는, 3단의 블록으로 구성된 특허문헌1에 기재된 축전부의 회로도이다.
도26은, 도25에 나타내는 축전부에 있어서의 캐패시터의 접속상태를 간략화 하여 나타내는 도면이다.
도27은, 특허문헌1에 기재된 방법에 의하여 충전제어를 한 후에 방전제어를 한 경우에 있어서의 축전부 전압의 시간적 변화를 나타내는 그래프이다.
도28은, 「병렬 모니터」를 설명하는 회로도이다.
도29는, 특허문헌2에 기재된 축전부의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도30은, 도29에 나타내는 축전부에 있어서의 캐패시터(C)의 접속상태를 간략화 하여 나타내는 도면이다.

이하에서는 본 발명의 실시형태에 관한 축전장치(蓄電裝置)의 충전제어방법(充電制御方法) 및 방전제어방법(放電制御方法)(이후에는 간단하게 「충전제어방법」 및 「방전제어방법」이라고 한다)에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

(실시형태1)

도1에, 축전장치를 포함하는 전력공급시스템의 구성을 나타낸다. 본 실시형태에서는, 도1의 축전장치(2)에 의하여 실시되는 충전제어방법에 대하여 설명한다. 축전장치(2)는 직류전원(直流電源)(1)으로부터 공급된 직류전력을 축전(蓄電)하고, 이것을, 전력변환기(電力變換器)(3)에 있어서 교류전력으로 변환한 후 혹은 직류전력인 상태에서 부하(負荷)(4)에 공급한다.

직류전원(1)은 전류원(電流源)인 것이 바람직하다. 직류전원(1)으로서는 예를 들면 태양전지 등이 사용된다. 풍력발전기나 엔진발전기 등 다른 전력공급원을 이용할 수도 있지만, 이들의 경우에는 교류출력의 것이나 직류출력의 것이 있어, 전력공급원이 교류전원(交流電源)인 경우에는 직류화 하여 이용한다.

전력변환기(3)는 DC-AC 인버터 등으로 구성되어 축전장치(2)에 축적된 직류전력을 교류전력으로 변환함과 아울러, 출력전압을 안정화 한다. 또 부하(4)가 직류전력에 의하여 구동되는 경우에는 전력변환기(3)로서 DC-DC 컨버터 등이 사용된다.

<축전장치의 구성>

다음에 축전장치의 구성에 대하여 설명한다. 축전장치(2)는 축전부(蓄電部)(21) 및 제어부(制御部)(22)를 구비하고 있다. 축전부(21)는 직류전원(1)으로부터 공급된 직류의 전력을 축적한다. 제어부(22)는 축전부(21)에 있어서의 충방전(充放電)을 제어한다.

도2에 축전부(21)의 구성예를 나타낸다. 축전수단인 축전부(21)는 정전용량이 동일한 2n개(n은 2 이상의 정수)의 캐패시터(Ci)(i = 1, 2, … , 2n)를 포함한다. 축전부(21)의 인접하는 캐패시터의 사이에는, 스위치(Sa0, Sa1, … , Sa2n-1, Sa2n, Sb0, Sb1, … , Sb2n)에 의하여 직렬 또는 병렬 중에서 어느 하나로 접속할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 2n번째의 캐패시터(C2n)와 1번째의 캐패시터(C1)는 스위치(Sa2n+1, Sa2n+2)에 의하여 병렬접속할 수 있도록 구성되어 있다. 이후에 스위치(Sa0, Sa1, … , Sa2n-1, Sa2n, Sb0, Sb1, … , Sb2n, Sa2n+1, Sa2n+2)를 총칭하여 「S」라고도 한다. 스위치(S)의 절환동작에 대해서는 후에 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

상기한 바와 같이 캐패시터(Ci)에는 전기 2중층 캐패시터(電氣二重層 capacitor)가 사용된다. 또 협의(狹義)의 전기 2중층 캐패시터는, 전극의 정극(正極)과 부극(負極)의 양방에 전기 2중층 용량을 사용한 대칭형의 전기 2중층 캐패시터를 의미한다. 이에 대하여 광의(廣義)의 전기 2중층 캐패시터에는, 대칭형의 캐패시터 이외에 일방(一方)의 극이 산화환원반응을 따라 발생하는 산화환원 유사용량(레독스 유사용량(redox 類似容量))이고, 타방(他方)의 극이 전기 2중층 용량으로 되어 있는 비대칭형의 전기 2중층 캐패시터 등도 포함된다. 본 발명은 광의의 전기 2중층 캐패시터에 적용할 수 있다.

스위치(S)로서, FET 등으로 구성된 반도체 스위치가 보통 사용된다. 그러나 스위치(S)에 흐르는 전류량이 많은 경우에는 사이리스터(thyristor)나 IGBT 등을 사용하더라도 좋다.

도1의 설명으로 되돌아가서, 제어부(22)는 축전부(21)에 있어서의 충방전을 제어하는 것으로서, 직병렬 절환회로(直竝列切換回路)(23), 단자간 전압검출회로(端子間電壓檢出回路)(24), 축전부 전압검출회로(蓄電部電壓檢出回路)(25) 및 제어회로(制御回路)(26)를 구비하고 있다.

직병렬 절환회로(23)는, 축전부(21)의 스위치(S)의 각각을 절환함으로써 인접하는 캐패시터를 직렬접속한 상태와 병렬접속한 상태 중에서 어느 하나로 절환하고 또한 2n번째의 캐패시터(C2n)와 1번째의 캐패시터(C1)를 병렬접속한 상태로 절환한다.

단자간 전압검출회로(24)는 축전부(21)를 구성하는 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(端子間電壓)(Vci)을 검출한다. 축전부 전압검출회로(25)는 축전부(21)의 출력전압인 축전부 전압(蓄電部電壓)(Vt)을 검출한다. 단자간 전압검출회로(24)에 의하여 검출된 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci) 및 축전부 전압검출회로(25)에 의하여 검출된 축전부 전압(Vt)은 제어회로(26)에 입력된다.

제어회로(26)는, 단자간 전압검출회로(24)로부터 출력된 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci) 및 축전부 전압검출회로(25)로부터 출력된 축전부 전압(Vt)에 의거하여 직병렬 절환회로(23)의 제어를 한다. 또 제어회로(26)는, 도2의 충전용의 스위치(Si) 및 방전용의 스위치(So)의 온/오프를 제어한다.

제어회로(26)는 펄스생성회로(pulse生成回路)(27)를 포함한다. 펄스생성회로(27)는 클록신호(clock信號)로부터 후술하는 인터벌(interval) 기간마다 펄스를 생성하여, 직병렬 절환회로(23) 및 단자간 전압검출회로(24), 축전부 전압검출회로(25)의 타이밍 신호로서 출력한다.

또 제어회로(26)를 CPU(Central Processing Unit)를 포함하는 마이크로 컨트롤러(microcontroller) 등으로 구성하는 경우에, 제어회로(26) 및 펄스생성회로(27)의 각각의 기능은 ROM(Read Only Memory)에 저장된 소프트웨어(프로그램)를 CPU에서 읽어내어 실행함으로써 실현된다.

도면에 있어서 스위치(Si)는 충전용의 스위치로서, 제어회로(26)의 지시에 따라 스위치(Si)를 닫으면, 직류전원(1)과 축전부(21)가 다이오드(D1)를 통하여 접속된다. 또 스위치(So)는 방전용의 스위치로서, 제어회로(26)의 지시에 따라 스위치(So)를 닫으면, 축전부(21)와 부하(4)가 다이오드(D2) 및 전력변환기(3)를 통하여 접속된다. 또 다이오드(D1 및 D2)는 역류방지용(逆流防止用)의 다이오드이다.

제어부(22) 내의 각 회로 및 전력변환기(3)에는 도면에 나타내지 않은 축전지 등의 전원으로부터 동작용의 전력이 공급된다. 그러나 특별하게 전원을 설치하지 않고 동작용의 전력으로서 축전부(21)에 축적된 직류전력의 일부를 사용하여도 좋다. 이 경우에 제어회로(26)는, 축전부(21)에 축적된 전력량이 제어회로(26)에서 필요로 하는 전력량 이하가 되지 않도록 방전을 제어할 필요가 있다.

<캐패시터의 접속상태의 절환제어>

다음에 본 발명에 있어서의 캐패시터(Ci)의 접속상태의 절환제어에 대하여 설명한다.

본 발명에서는, 직병렬 절환제어방식의 축전부(21)를 구비하는 축전장치(2)에 있어서, 축전부(21)를 구성하는 2n개의 캐패시터(Ci)(i = 1, 2, … , 2n) 중에서 인접하는 캐패시터끼리를 순차적으로 직렬접속으로부터 병렬접속으로 절환하거나 혹은 2n번째의 캐패시터(C2n)와 1번째의 캐패시터(C1)를 병렬접속한 상태로 절환함으로써 각 캐패시터의 단자간 전압의 불균일을 억제(이후에 이것을 「균압화(均壓化)」라고 한다)하는 방법을 채용하고 있다.

구체적으로는, 본 발명에 관한 충전제어방법은, 인접하는 2개의 캐패시터(Ci)(i = 1, 2, … , 2n) 혹은 2n번째의 캐패시터(C2n)와 1번째의 캐패시터(C1)가 병렬접속된 것을 병렬부(竝列部)로 하였을 때에, 축전부를 구성하는 모든 캐패시터가 직렬접속된 상태(즉 병렬부의 수(P)가 0인 상태)로부터 충전을 시작하여, 병렬부의 수(P)가 1인 상태로부터 n이 되고 또한 2n개의 캐패시터 중에서 어느 하나의 단자간 전압이 정격전압의 상한값에 도달할 때까지 다음의 제1처리와 제2처리를 반복하는 것을 특징으로 하고 있다.

(1)상기 병렬부의 수(P)가 1 이상인 경우에 i를 1에서부터 2n까지의 값을 순환하는 정수(整數)로 하고, k_j(j는 1 ≤ j ≤P의 정수)를 0 ≤ k_j ≤ (2n-2)를 충족시키는 P개의 0 또는 임의의 짝수로 하고, 소정의 시간이 경과할 때마다 i의 수를 1씩 증가시키면서 (i+k_j)번째와 (i+k_j+1)번째의 캐패시터의 접속상태를, 상기 병렬부를 구성하도록 병렬로 함과 아울러, 그 이외의 캐패시터의 접속상태를 직렬로 한다. 여기에서 K를 정수로 하였을 때에 (2n+K)번째의 캐패시터는 K번째의 캐패시터가 된다.

(2)축전수단인 축전부(21)의 전압이 미리 설정된 제1전압값에 이르렀을 때에 상기 병렬부의 수(P)를 1씩 증가시킨다.

이하에서는 상기의 제1처리 및 제2처리에 대하여 구체적으로 설명한다. 먼저 제1처리에 대하여 설명한다. 도3(a)에 나타나 있는 바와 같이 2개의 캐패시터(C1과 C2)가 스위치(S)를 통하여 접속되어 있고, 시간(0)에 있어서의 캐패시터(C1, C2)의 단자간 전압이 각각 Vc1(0), Vc2(0)이고 또한 Vc1(0) > Vc2(0)이었다고 한다.

도3(b)에 나타나 있는 바와 같이 시간(0)에 있어서 스위치(S)를 닫아서 2개의 캐패시터(C1과 C2)를 병렬접속하면, 단자간 전압이 높은 캐패시터(C1)로부터 단자간 전압이 낮은 캐패시터(C2)로 전하가 이동하여(즉 캐패시터(C1)로부터 캐패시터(C2)로 전류(i)가 흘러서) 충분한 시간이 경과하면, 2개의 캐패시터(C1과 C2)의 단자간 전압은 동일하게 된다. 본 발명에서는, 이와 같이 2개의 캐패시터를 병렬접속함으로써 각 캐패시터의 단자간 전압이 균압화 되는 것을 적극적으로 이용하고 있다.

이하에서는 축전부(21)에 있어서의 캐패시터(Ci)의 접속상태의 절환제어에 대하여 도4 및 도5에 의거하여 구체적으로 설명한다. 도4는 도2에 있어서 n=4로 하였을 경우를 나타내고 있다. 또 도5는 도4에 나타내는 스위치(S)를 생략하고 축전부(21)의 각 캐패시터(Ci)의 접속상태만을 나타내는 도면이다. 또 도5(b)∼도5(g)는 병렬접속된 캐패시터가 1조만(즉 병렬부의 수(P)가 1)인 경우를 나타내고 있다.

도4에 있어서, 스위치(Sa1∼Sa10)를 개방하고 스위치(Sa0, Sb0∼Sb8)를 닫으면, 도5(a)와 같이 모든 캐패시터가 직렬접속된 상태가 된다. 또 도4의 Sa3∼Sa10, Sb1을 개방하고 Sb0, Sa0∼Sa2, Sb2∼Sb8을 닫으면, 도5(b)와 같이 캐패시터(C1)와 캐패시터(C2)가 병렬접속된 상태가 된다.

마찬가지로 스위치(Sa0∼Sa10)와 스위치(Sb0∼Sb8)를 적절하게 온(즉 닫고) 혹은 오프(즉 열고)로 함으로써 C2와 C3, C3과 C4, … , C7과 C8과, 서로 인접하는 2개의 캐패시터를 순차적으로 직렬접속으로부터 병렬접속으로 절환할 수 있고 또 C8과 C1을 병렬로 접속할 수 있다. 도5(c)는 C2와 C3이, 도5(d)는 C3과 C4가, 도5(e)는 C4와 C5가, 도5(f)는 C7과 C8이, 도5(g)는 C8과 C1이 병렬접속된 상태를 나타내고 있다.

원래 축전부(21)를 구성하는 캐패시터의 직병렬 절환제어는, 축전부 전압(Vt)을 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내로 유지하는 것을 목적으로 하여 이루어진다. 따라서 2개의 캐패시터가 병렬접속된 상태(병렬부)의 수가 가장 중요한 요소로서, 병렬부의 수(P)가 축전부 전압(Vt)을 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내에 들어갈 수 있도록 하는 값이면, 어떤 2개의 캐패시터를 병렬화 하여도 좋다.

그래서 본 실시형태에서는, 축전부 전압(Vt)을 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위 내로 유지하는데 필요한 병렬부의 수(P)를 유지하면서, 병렬부를 순차적으로 이동시켜서 균압화를 하고 있다. 즉 도6과 같이 스위치(S)를 통하여 서로 이웃하고 있는 캐패시터 및 2n번째의 캐패시터(C2n)와 1번째의 캐패시터(C1)를 순차적으로 병렬로 접속함으로써 서로 전하를 반송하여, 캐패시터의 단자간 전압을 균압화 하고 있다.

도2에 나타나 있는 바와 같이 축전부(21)가 2n개의 캐패시터로 구성되어 있는 경우로서 병렬부의 수가 1개인 경우에는, 도6(a)와 같이 우선 C1과 C2의 캐패시터가 ΔT[sec] 사이에 병렬접속된다. 이 때에 C1, C2의 단자간 전압에 차이가 발생하고 있으면, 전하의 이동이 시작되어 C1과 C2의 단자간 전압의 차이는 감소한다.

그리고 ΔT[sec] 후에 도6(b)와 같이 C2와 C3이 병렬접속되면, 이번에는 C2와 C3의 단자간 전압이 균압화 된다. 이후에 ΔT[sec]마다 동일한 동작이 반복되어 이윽고 C2n-1과 C2n이 병렬접속되고, 최후에 C2n과 C1이 병렬접속되어 1사이클이 종료된다. 도6(a)에서부터 도6(e)의 일련의 동작이 종료되면, 다시 도6(a)의 상태로부터 상기한 일련의 동작을 반복된다. 이후에 1조의 캐패시터가 병렬접속되는 일정한 시간(ΔT)을 「병렬접속시간(竝列接續時間)」이라고 한다.

따라서 도4와 같이 축전부가 8개의 캐패시터로 구성되어 있는 경우이고 병렬부의 수(P)가 1개인 경우에는, C1과 C2가 병렬접속상태인 도5(b)의 상태로부터, 이후에 ΔT[sec]마다 도5(b）→ 도5(c）→ 도5(d）→ 도5(e）→ … 도5(f）→ 도5(g）→ 도5(b）→ 도5(c）→ 도5(d）→ … 로 순차적으로 인접하는 캐패시터 및 C8과 C1을 병렬접속하여, 균압화를 하면서 충전을 한다. 이후에 이러한 캐패시터의 균압화의 방법을 「인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화」라고 한다.

상기한 바와 같이 병렬접속시간(ΔT)[sec]마다 병렬부의 절환제어를 하면서 각 캐패시터를 순차적으로 병렬접속하여 가면, 캐패시터의 단자간 전압에 불균일이 발생하더라도 단자간 전압이 큰 캐패시터로부터 단자간 전압이 작은 캐패시터로 전하가 반송된다. 따라서 적절한 병렬접속시간(ΔT)을 선택하면, 축전부(21)를 구성하는 모든 캐패시터의 단자간 전압은 항상 거의 동일하게 유지된다.

또한 상기와 같은 절환제어는, 병렬접속시간(ΔT)[sec]마다 스위치의 절환동작을 반복하는 것만으로 복잡한 연산을 필요로 하지 않기 때문에, 제어부(22)의 구성을 간단화 할 수 있다.

다음에 축전부(21)가 2n개의 캐패시터로 구성되는 경우에 있어서의 각 캐패시터의 균압화에 필요한 병렬접속시간(ΔT)에 대하여 설명한다. 캐패시터(Ci)와 Ci+1(i = 1, 2, … , 2n, 다만 이하에서는, i는 1에서부터 2n의 값을 순환하고, C2n+1은 C1인 것으로 한다)의 병렬접속시간을 ΔT[sec](일정)라고 하면, 캐패시터(C1과 C2)의 병렬접속으로부터 시작되어, C2와 C3, C3과 C4, … , C2n-1과 C2n, C2n과 C1까지를 순차적으로 병렬접속하는데 필요로 하는 시간(Tp)[sec]은

[수식1]

이 된다. 이 시간(Tp)[sec]을 「1사이클 시간」이라고 정의한다.

여기에서 어떠한 원인에 의하여 단자간 전압에 차이가 발생한 2개의 캐패시터(C1과 C2)를 도7(a)와 같이 스위치(S)를 통하여 병렬접속하였을 경우에 대하여 생각한다. 또 도7에서는 스위치나 캐패시터의 내부저항 등 병렬회로 내의 저항을 R[Ω]로 하고 있다.

우선 2개의 캐패시터(C1, C2)의 공칭정전용량(公稱靜電容量)을 각각 C[F]이라고 하고, 캐패시터(C1)의 실제의 정전용량을 aC[F], 캐패시터(C2)의 실제의 정전용량을 bC[F]이라고 한다. 또 시간(0)에 있어서 스위치(S)를 닫는 것으로 하고, 스위치(S)를 닫기 직전(시간(0))에 있어서의 캐패시터(C1)의 단자간 전압을 Vc1(0)[V], 캐패시터(C2)의 단자간 전압을 Vc2(0)[V]라고 한다. 또 이후에는 전압의 단위[V]를 생략하고 설명한다.

도8에 캐패시터(C1, C2)의 단자간 전압의 시간적인 변화를 나타낸다. 시간(0)에 있어서 스위치(S)를 닫음으로써 예를 들면 Vc1(0) > Vc2(0)인 경우에는, 도7(b)와 같이 캐패시터(C1)로부터 캐패시터(C2)로 횡류전류(橫流電流(크로스 전류))(i)가 흘러서, 시간(t)에 있어서의 2개의 캐패시터의 단자간 전압은 각각 다음의 (2)식 및 (3)식으로 주어진다.

[수식2]

[수식3]

다만

[수식4]

이 되고, (4)식으로 나타내는 시정수(時定數)(Tc)에서 균압화가 시작되어, 충분한 시간이 경과한 정상상태에서는 2개의 캐패시터의 단자간 전압은 동일하게 된다.

이하의 설명에서는, 이 정상상태에 있어서의 전압의 최종값을 Vinf라고 한다. 이 최종값(Vinf)은 다음의 (5)식으로 주어진다.

[수식5]

또 Vc1(0) < Vc2(0)인 경우에는, 도7(b)와는 전류의 방향이 반대이고 또 도8에 있어서 Vc1(0)과 Vc2(0)의 대소관계가 반대로 되는 것만에 의하여 상기와 마찬가지로 균압화가 이루어지기 때문에, 이하에서는 Vc1(0) > Vc2(0)의 경우만에 대하여 설명한다.

여기에서 일반적으로 (2)식 및 (3)식 중의 exp(-t/Tc)가 시간(t)의 값에 의하여 어느 정도 최종값에 근접하는가를 표1에 나타낸다.

[표1]

또 표1에 있어서, 단자간 전압이 최종값에 근접하는 비율이라는 것은, 시간(0)에 있어서 도7(a)의 스위치(S)를 닫았을 경우의 시간(t)에 있어서의 캐패시터(C1)의 단자간 전압을 Vc1(t)라고 하면,

[수식6]

을 의미하고 있다.

따라서 시간(0)에 있어서 도7(a)의 스위치(S)를 닫고 캐패시터(C1)와 캐패시터(C2)를 ΔT[sec]시간 만큼 병렬접속하는 경우에, 예를 들면 시간(ΔT)에 있어서의 C1의 단자간 전압(Vc1)(ΔT)과 Vinf의 차이의 절대값을, Vc1(0)과 Vinf의 차이의 절대값의 약 37％ 이내에 들어가게 한다, 즉 다음의 (6)식이 성립하도록 하기 위해서는, 표1과 도9로부터 다음의 (7)식이 성립하도록 설정하면 좋다는 것을 알 수 있다. 또 도9는, 도8과 마찬가지로 캐패시터(C1, C2)의 단자간 전압의 시간적인 변화를 나타내고 있다.

[수식7]

[수식8]

이 때에 시간(ΔT)에 있어서의 캐패시터(C2)의 단자간 전압(Vc2)(ΔT)과 Vinf의 차이의 절대값도 Vc2(0)과 Vinf의 차이의 절대값의 약 37％ 이내로 들어간다.

따라서 축전부(21)가 도2와 같이 2n개의 캐패시터로 구성되어 있는 경우에, 캐패시터(C1과 C2)의 병렬화부터 시작하여 C2와 C3, … , C2n-1과 C2n, C2n과 C1까지를 순차적으로 병렬접속하는데 필요로 하는 1사이클 시간(Tp)[sec]은 예를 들면 ΔT를 (7)식을 충족시키는 값으로 설정하였을 경우에는, 다음의 (8)식으로 주어진다.

[수식9]

또한 축전부(21)의 각 캐패시터에 정전용량 오차가 있는 경우에, 충방전과정에 있어서 2n개의 캐패시터의 단자간 전압의 불균일이 가장 커지게 되는 것은, 모든 캐패시터가 직렬접속된 상태로부터 충전이 시작되어 균압화가 이루어지지 않고, 축전부 전압(Vt)이 미리 설정된 제1전압값(Uv)에 도달하여 직병렬 절환이 이루어지기 직전 즉 1개의 병렬부가 구성되기 직전이다.

일반적으로 축전부(21)는 동일한 공칭정전용량이고 동일한 정전용량 오차범위에 있는 캐패시터로 구성된다. 그래서 이하의 설명에서는, 축전부(21)를 구성하는 2n개의 캐패시터의 공칭정전용량을 C[F], 정격에서 허용되고 있는 정전용량의 하한값을 aC[F], 정격에서 허용되고 있는 정전용량의 상한값을 bC[F](즉 a ≤ 1 ≤ b)이라고 하고, 또 도10과 같이 축전부(21)는, 캐패시터(C1)의 정전용량을 aC[F], 캐패시터(C2)의 정전용량을 bC[F], 나머지 2n-2개의 캐패시터의 정전용량을 C[F]이라고 한 2n개의 캐패시터로 구성되어 있는 것으로 한다.

또한 축전부(21)를 구성하는 2n개의 캐패시터(Ci)가 모두 완전방전상태이고 또한 도10과 같이 모든 캐패시터가 직렬접속된 상태로부터 충전전류(I)[A]에 의하여 충전을 시작한다. 또한 충전의 시작으로부터 충전이 진행되어 축전부 전압(Vt)이 미리 설정된 제1전압값(Uv)[V]에 도달하여, 최초의 직병렬 절환이 이루어지기 직전까지의 시간을 T[sec]라고 한다.

또 제1전압값(Uv)으로서 보통은 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 상한값으로 설정되지만, 전력변환기(3)의 변환효율이 가장 좋아지는 값 즉 허용입력 전압범위의 상한값보다도 낮은 값으로 설정되더라도 본 발명의 충전제어방법의 효과를 발휘한다.

시간(0)에 있어서, 축전부(21)를 구성하는 2n개의 캐패시터가 모두 완전방전상태이고 또한 모든 캐패시터가 직렬상태로부터 충전이 시작되고, 충전이 진행되어 시간(T)에 있어서 축전부 전압(Vt)이 미리 설정된 제1전압값(Uv)에 도달하였다고 하면, 최초의 직병렬 절환이 이루어지기 직전의 캐패시터(C1)의 단자간 전압(Vc1(T)), 캐패시터(C2)의 단자간 전압(Vc2(T)), 캐패시터(C3∼C2n)의 단자간 전압(Vc3(T)∼Vc2n(T))은 각각 아래와 같이 된다.

[수식10]

또한 이 때에 2n개의 캐패시터의 단자간 전압의 합(= 축전부 전압(Vt))은 미리 설정된 제1전압값(Uv)과 동일하기 때문에,

[수식11]

가 되고, 모든 캐패시터가 직렬접속상태로부터 충전 시작 후에 축전부 전압(Vt)이 제1전압값(Uv)에 도달할 때까지의 시간은,

[수식12]

가 된다.

따라서 2n개의 캐패시터 중에서 가장 정전용량이 작고 단자간 전압이 높은 캐패시터(C1)의 시간(T)에 있어서의 단자간 전압(Vc1(T))은,

[수식13]

가 되고, 가장 정전용량이 크고 단자간 전압이 낮은 캐패시터(C2)의 단자간 전압(Vc2(T))은,

[수식14]

가 되기 때문에, 2n개의 캐패시터의 단자간 전압 차이의 최대값(ΔVmax)은 다음의 (9)식으로 주어진다.

[수식15]

여기에서 시간(T)에 있어서 시간(ΔT)만큼 캐패시터(C1과 C2)를 병렬화 하여 균압화 하는 것을 생각한다. 시간(T) 이후에 캐패시터(C1과 C2)로 유입되는 충전전류(I)를 고려하지 않고, ΔT = Tc라고 하고, 캐패시터(C1)의 단자간 전압(Vc1(T + ΔT))과 Vinf의 차이의 절대값을, Vc1(T)와 Vinf의 차이의 절대값의 약 37％ 이내에 들어가도록 하면, (6)식에서 다음의 (10)식 및 (11)이 성립한다.

[수식16]

[수식17]

그러나 실제로는 시간(T) 이후에도 캐패시터(C1) 및 캐패시터(C2)의 충전은 계속되고 있기 때문에, 시간(T)으로부터 1사이클 시간(Tp = 2nΔT(= 2nTc))을 경과한 시간(T+2nΔT)에 있어서의 캐패시터(C1)의 단자간 전압(Vc1(T+2nΔT)) 및 캐패시터(C2)의 단자간 전압(Vc2(T+2nΔT))은, 다음의 (12)식 및 (13)식으로 주어진다.

[수식18]

[수식19]

다만 캐패시터(C1)와 캐패시터(C2)가 병렬화 되어 있는 ΔT 기간의 충전전류는 직렬접속상태에 있을 때의 약 1/2이 되지만, 계산을 간단화 하기 위하여 상기 (12)식 및 (13)식에서는 각각의 캐패시터에 대한 충전전류는 직렬접속상태에 있는 경우로 변경하지 않는 것으로 하여 계산하고 있다.

따라서 실제로는 Vc1(T+2nΔT)과 Vc2(T+2nΔT)의 값은 (12)식 및 (13)식의 값보다 작고 또 a < b이기 때문에, (12)식 및 (13)식에서 구한 Vc1(T+2nΔT)과 Vc2(T+2nΔT)의 차이는 실제보다 크게 표현되어 있다.

(12)식, (13)식 및 (9)식에서 다음의 (14)식이 성립한다.

[수식20]

따라서 시간(T)으로부터 1사이클 시간(Tp)(= 2nΔT) 후의, 시간(T+2nΔT)에 있어서의 캐패시터(C1)와 캐패시터(C2)의 단자간 전압의 차이가 감소하기 위해서는 즉 다음의 (15)식이 성립하기 위해서는, (14)식에서 다음의 (16)식이 성립하여야만 한다.

[수식21]

[수식22]

따라서 (16)식에서 충전전류(I)는 다음의 (17)식을 충족시키지 않으면 안 된다.

[수식23]

또한 충전전류(I)가 (17)식의 조건을 충족시키는 경우에, 시간(T)으로부터 m사이클 시간 후의 시간(T+2mnΔT)에 있어서의 캐패시터(C1)와 캐패시터(C2)의 단자간 전압의 차이는 다음의 (18)식으로 주어진다.

[수식24]

또 상기의 예에서는 ΔT = Tc로 하였지만, ΔT를 Tc보다 크게 설정할수록 (17)식으로 나타나 있는 충전전류의 상한값은 작아지게 되어 (18)식으로 나타나 있는, 시간(T)으로부터 m사이클 시간 후의 시간(T+2mnΔT)에 있어서의 캐패시터(C1)와 캐패시터(C2)의 단자간 전압 차이의 감소 비율도 작아지게 된다.

여기에서 예를 들면 축전부(21)를 공칭정전용량 C = 1700[F]의 캐패시터 10개로 구성하고, 모든 캐패시터를 직렬접속하였을 경우에 즉 n=5인 경우에 대하여 생각한다. 일반적으로 전기 2중층 캐패시터의 정전용량 오차는 ±20％ 정도이기 때문에 a = 0.8, b = 1.2로 하고, 충전전류(I = 1[A]), 스위치 등 병렬회로 내 저항(R = 10[mΩ])으로 한다. 그리고 1회의 병렬화에 의하여 캐패시터(C1과 C2)의 단자간 전압 차이를, 병렬화 직전의 단자간 전압 차이의 절대값의 약 37％ 이하로 억제하는 것으로 한다.

그래서 (4)식에서 시정수(Tc)를 구하면,

[수식25]

가 되기 때문에, 병렬접속시간(ΔT)[sec]을 Tc의 값과 동일한 경우를 생각하고 1사이클 시간(Tp)[sec]을 구하면, (7)식과 (8)식에서

[수식26]

가 된다.

또한 미리 설정된 제1전압값(Uv)을 14.5[V]라고 하면 (17)식에서

[수식27]

가 되기 때문에, 충전전류가 1[A]라는 조건은 위의 식을 충족시키는 것을 알 수 있다.

또한 최초의 직병렬 절환이 이루어지기 직전의 캐패시터(C1)의 단자간 전압(Vc1(T))과 캐패시터(C2)의 단자간 전압(Vc2(T))의 단자간 전압 차이의 최대값(ΔVmax)은 (9)식에서,

[수식28]

가 되지만, (14)식에서 제1회째의 병렬화 후의 캐패시터(C1)와 캐패시터(C2)의 단자간 전압 차이의 최대값은

[수식29]

가 되기 때문에 균압화가 이루어지는 것을 알 수 있다.

또한 m회째의 병렬화 후의 캐패시터(C1)와 캐패시터(C2)의 단자간 전압 차이의 최대값은 (18)식에서,

[수식30]

가 되기 때문에, 예를 들면 4회째의 병렬화 후의 캐패시터(C1)와 캐패시터(C2)의 단자간 전압 차이의 최대값은 약 0.015[V]가 된다.

또 실용상에서는 횡류전류의 값에 대해서도 고려하여야만 한다. 단자간 전압에 차이가 있는 2개의 캐패시터를 병렬접속하였을 경우에, 도7(b)에 나타나 있는 바와 같이 스위치(S)에 횡류전류(i)가 흐르고, 이 값이 과대하면 스위치(S)가 파괴될 가능성이 있다. 특히 스위치(S)를 반도체로 구성하는 경우에는, 이 횡류전류의 값을 조심하여야만 한다.

여기에서 횡류전류의 최대값(최대횡류전류)을 Ismax, 스위치(S)의 온 저항 등 병렬회로 내의 저항값을 R[Ω]이라고 하면, 병렬화 직전의 2개의 캐패시터의 단자간 전압 차이의 최대값은 ΔVmax이기 때문에, (9)식에서 다음의 (19)식이 성립하고, (20)식이 얻어진다.

[수식31]

[수식32]

여기에서 이전의 예와 같이 Uv = 14.5[V], a = 0.8, b = 1.2, n = 5, R = 10[mΩ] = 10 X 10^-3[Ω]이라고 하면, (20)식에서

[수식33]

가 된다. 따라서 도7의 스위치(S)로서 60[A] 이상의 횡류전류에 견디는 소자를 사용하여야만 한다.

다음에 본 발명에 관한 충전제어방법의 제2처리에 대하여 설명한다. 축전부(21)를 구성하는 모든 캐패시터가 완전방전상태에 있는 경우에 충전은 축전부(21)의 모든 캐패시터가 직렬접속된 상태로부터 시작되지만, 이 상태에서는 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화는 이루어지지 않는다.

도2와 같이 축전부(21)를 구성하는 캐패시터(Ci)가 2n개인 경우에는, 충전과정에서는 직병렬 절환에 의하여 축전부 전압(Vt)이 미리 설정된 제1전압값(Uv)에 도달할 때마다 병렬부의 수(P)를 1, 2, … , n으로 증가시켜서, 최종적으로 C1과 C2, C3과 C4, C5과 C6, … , C2n-1과 C2n, C2n과 C1이 병렬접속된다.

축전부(21)를 2n개의 캐패시터로 구성하였을 경우에 직병렬 절환에 의한 병렬부의 수(P)는 1∼n인 경우가 있지만, 병렬부의 수가 P = 1, 2, … , (n-1)인 경우의 각각에 대하여, 캐패시터의 직병렬 조합(이후에는 「병렬화 패턴(竝列化 pattern)」이라고 한다)은 최대 2n가지 존재한다. 또한 병렬부의 수(P)가 n일 때에는 병렬화 패턴은 2가지 존재한다.

예를 들면 10개(n = 5)의 캐패시터로 축전부를 구성하였을 경우에 직병렬 절환에 의한 병렬부의 수(P)는 최대 5(= 2n/2 = 10/2)가 되고, 병렬부의 수(P) = 1∼4인 각각의 경우의 병렬화 패턴은 도11∼도14와 같이 최대 10가지씩 존재한다. 또 도11∼도14에 있어서, 10가지의 병렬화 패턴을 Pb = 1, 2, … , 10으로 나타내고 있다.

병렬부의 수(P)가 2∼4인 경우에는 도12∼도14에 나타내는 병렬화 패턴 이외의 것이어도 좋으며, 예를 들면 P = 2인 경우에는 도12의 병렬화 패턴 대신에 도15에 나타나 있는 바와 같은 병렬화 패턴을 사용하여도 좋다.

또한 병렬부의 수(P)가 5인 경우에는, 도16과 같은 2가지의 병렬화 패턴이 있다. 또 도16에서는 2가지의 병렬화 패턴을 Pb = 1, 2로 나타내고 있다.

따라서 병렬부의 수(P)가 1∼4인 경우에는, 도11∼도14의 각각의 경우에 있어서, 도2의 축전부(21)의 스위치(Sa0∼Sa2n+2, Sb0∼Sb2n)를 적절하게 온 혹은 오프함으로써 Pb = 1의 상태로부터 균압화를 시작하여, Pb = 1 → Pb = 2 → Pb = 3 → … → Pb = 9 → Pb = 10 → Pb = 1 → Pb = 2 → … 로 병렬부를 일정시간(병렬접속시간(ΔT))마다 순차적으로 이동시킨다. 또한 병렬부의 수(P) = 5인 경우에도 스위치(Sa0∼Sa2n+2, Sb0∼Sb2n)를 적절하게 온 혹은 오프함으로써 도16의 Pb = 1인 상태와 Pb = 2인 상태를 일정시간(병렬접속시간(ΔT))마다 절환한다. 이러한 동작을 반복함으로써 병렬부가 P개(P = 1, 2, … , 5)인 각각의 경우에 대하여, 축전부(21)의 각 캐패시터의 단자간 전압의 차이를 억제하여 균압화 할 수 있다.

여기에서 캐패시터의 병렬화 패턴의 절환에 대하여 도12, 도15 및 도16을 참조하여 더 구체적으로 설명한다. n = 5 즉 축전부가 10개의 캐패시터로 구성되어 있는 경우에 대하여 생각한다. 병렬부의 수(P) = 2인 경우에 k_j(j는 1 ≤ j ≤ 2의 정수) 즉 k1과 k2는 0 ≤ k_j ≤ (2n-2) = 10-2 = 8을 충족시키는 P개의 0 또는 임의의 짝수이기 때문에 예를 들면 k1 = 0, k2 = 2라고 하면, 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화의 동작은 아래와 같이 된다.

우선 i = 1로 하여, 1번째와 2번째의 캐패시터를 병렬로 절환하고 또한 3번째와 4번째의 캐패시터를 병렬로 절환하고, 그 이외의 캐패시터의 접속상태를 직렬로 절환한다(도12의 Pb = 1인 경우에 상당한다).

소정의 시간이 경과한 후에 i = 2로 하여, 2번째와 3번째의 캐패시터를 병렬로 절환하고 또한 4번째와 5번째의 캐패시터를 병렬로 절환하고, 그 이외의 캐패시터의 접속상태를 직렬로 절환한다(도12의 Pb = 2인 경우에 상당한다).

이후에 소정의 시간이 경과할 때마다 i를 1씩 증가시켜서 동일한 절환을 한다. 그리고 i = 9가 되면, 9번째와 10번째의 캐패시터를 병렬로 절환하고 또한 11번째(즉 K = 1이 되므로 1번째)와 12번째(즉 K = 2가 되므로 2번째)의 캐패시터를 병렬로 절환하고, 그 이외의 캐패시터의 접속상태를 직렬로 절환한다(도12의 Pb = 9인 경우에 상당한다).

또한 소정의 시간이 경과한 후에 i = 10으로 하여, 10번째와 11번째(즉 K = 1이 되므로 1번째)의 캐패시터를 병렬로 절환하고 또한 12번째(즉 K = 2가 되므로 2번째)와 13번째(즉 K = 3이 되므로 3번째)의 캐패시터를 병렬로 절환하고, 그 이외의 캐패시터의 접속상태를 직렬로 절환한다(도12의 Pb = 10인 경우에 상당한다). 그리고 소정의 시간이 경과한 후에 다시 i = 1인 경우로 되돌아간다.

또 상기의 예와 같이 n = 5 즉 축전부가 10개의 캐패시터로 구성되어 있는 경우이고 병렬부의 수(P) = 2인 경우에는 예를 들면 k1 = 0, k2 = 4로 할 수도 있다. 이 경우에는 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화의 동작은 아래와 같이 된다.

우선 i = 1로 하여, 1번째와 2번째의 캐패시터를 병렬로 절환하고 또한 5번째와 6번째의 캐패시터를 병렬로 절환하고, 그 이외의 캐패시터의 접속상태를 직렬로 절환한다(도15의 Pb = 1인 경우에 상당한다).

소정의 시간이 경과한 후에 i = 2로 하여, 2번째와 3번째의 캐패시터를 병렬로 절환하고 또한 6번째와 7번째의 캐패시터를 병렬로 절환하고, 그 이외의 캐패시터의 접속상태를 직렬로 절환한다(도15의 Pb = 2인 경우에 상당한다).

이후에 소정의 시간이 경과할 때마다 i를 1씩 증가시켜서 동일한 절환을 한다. 그리고 i = 9가 되면, 9번째와 10번째의 캐패시터를 병렬로 절환하고 또한 13번째(즉 K = 3이 되므로 3번째)와 14번째(즉 K = 4가 되므로 4번째)의 캐패시터를 병렬로 절환하고, 그 이외의 캐패시터의 접속상태를 직렬로 절환한다(도15의 Pb = 9의 경우에 상당한다).

또한 소정의 시간이 경과한 후에 i = 10으로 하여, 10번째와 11번째(즉 K = 1이 되므로 1번째)의 캐패시터를 병렬로 절환하고 또한 14번째(즉 K = 4가 되므로 4번째)와 15번째(즉 K = 5가 되므로 5번째)의 캐패시터를 병렬로 절환하고, 그 이외의 캐패시터의 접속상태를 직렬로 절환한다(도15의 Pb = 10인 경우에 상당한다). 그리고 소정의 시간이 경과한 후에 다시 i = 1인 경우로 되돌아간다.

또 n = 5 즉 축전부가 10개의 캐패시터로 구성되어 있는 경우이고 병렬부의 수(P) = 5인 경우에 k_j(j는 1 ≤ j ≤ 5의 정수) 즉 k1, k2, k3, k4, k5는 0 ≤ k_j ≤ 8(즉 2n-2 = 10-2 = 8)을 충족시키는 P개의 0 또는 임의의 짝수이기 때문에, k1 = 0, k2 = 2, k3 = 4, k4 = 6, k5 = 8이라고 하면, 이 경우에는 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화의 동작은 아래와 같이 된다.

우선 i = 1로 하여, 1번째와 2번째, 3번째와 4번째, 5번째와 6번째, 7번째와 8번째, 9번째와 10번째의 캐패시터를 병렬로 절환한다(도16의 Pb = 1인 경우에 상당한다).

소정의 시간이 경과한 후에 i = 2로 하여, 2번째와 3번째, 4번째와 5번째, 6번째와 7번째, 8번째와 9번째, 10번째와 11번째(즉 1번째)의 캐패시터를 병렬로 절환한다(도16의 Pb = 2인 경우에 상당한다). 그리고 소정의 시간이 경과한 후에 i = 3으로 하여, 3번째와 4번째, 5번째와 6번째, 7번째와 8번째, 9번째와 10번째, 11번째(즉 1번째)와 12번째(즉 2번째)의 캐패시터를 병렬로 절환한다(즉 도16의 Pb = 1인 경우로 되돌아간다). 이후에 마찬가지로 소정의 시간이 경과할 때마다 i가 10이 될 때까지 i를 1씩 증가시켜서 동일한 절환을 한다. 그리고 i가 10이 되어 동일한 절환을 한 후 소정의 시간이 경과한 후에 다시 i = 1인 경우로 되돌아간다.

<충전제어의 흐름>

다음에 본 발명에 관한 충전제어방법에 대하여 충전제어의 흐름을 설명한다.

일반적으로 대칭형 캐패시터의 경우에는, 단자간 전압의 정격전압의 상한값만이 설정되어 있어, 정격전압의 상한값을 넘어서 충전을 계속하면 과충전이 되어 전해액이 전기분해를 일으켜서 열화(劣化)의 원인이 되어, 최악의 경우에는 파괴에 이른다. 여기에서 이하에서는, 축전부(21)의 캐패시터(Ci)가 단자간 전압의 정격전압의 상한값만이 설정되어 있는 2n개의 캐패시터(Ci)로 구성되는 경우에 있어서의 충전제어의 흐름을 설명한다.

도17에, 도2에 나타내는 구성의 축전부(21)를 사용하였을 경우에 있어서의 충전제어의 플로우 차트를 나타낸다.

충전제어를 시작하는 시점에서는, 축전부(21)의 각 캐패시터(Ci)(i = 1, 2, … , 2n)는 완전방전상태 즉 모든 캐패시터에는 전하가 축적되어 있지 않은 상태로 되어 있는 것으로 한다. 스텝S11에 있어서, 제어회로(26)는 도2에 나타내는 스위치(Si)와 스위치(So)를 오프(개방상태)로 설정하여 둔다.

다음에 스텝S12에 있어서, 제어회로(26)는 직병렬 절환회로(23)에 지시하여 병렬부의 수(P)를 0(제로)으로 하고, 모든 캐패시터(Ci)를 직렬로 접속한다. 그 후에 스텝S13에 있어서, 제어회로(26)는 스위치(Si)를 닫아서 충전을 시작한다.

스텝S14에 있어서, 제어회로(26)는 축전부 전압검출회로(25)가 측정한, 축전부(21)의 출력전압인 축전부 전압(Vt)을 취득하고 또 단자간 전압검출회로(24)가 측정한, 축전부(21)의 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)을 취득한다.

스텝S15에 있어서, 제어회로(26)는 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)이 정격전압의 상한값(Vcu) 이상인가 아닌가를 판단한다. 어느 하나의 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)이 정격전압의 상한값(Vcu) 이상인 경우(YES)에는 스텝S16의 처리로 진행하여 충전을 정지한다. 즉 제어회로(26)는 스위치(Si)를 오프(개방상태)로 한다. 한편 어느 쪽의 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)도 정격전압의 상한값(Vcu)을 넘지 않고 있는 경우(NO)에는 스텝S17의 처리로 진행한다.

스텝S17에 있어서, 제어회로(26)는 병렬부의 수(P)가 n인가 아닌가를 판단한다. 병렬부의 수(P)가 n인 경우(YES)에는 스텝S20의 처리로 진행하여 충전을 계속한다. 한편 병렬부의 수(P)가 n이 아닌 경우(NO)에는 스텝S18의 처리로 진행한다.

스텝S18에 있어서, 제어회로(26)는 축전부 전압(Vt)이 제1전압값(Uv) 이상인가 아닌가를 판단한다. 축전부 전압(Vt)이 제1전압값(Uv) 이상인 경우(YES)에는 스텝S19의 처리로 진행하여, 제어회로(26)는 직병렬 절환회로(23)에 지시하여 병렬부의 수(P)를 1씩 증가시킨다. 한편 축전부 전압(Vt)이 제1전압값(Uv) 미만인 경우(NO)에는 스텝S20의 처리로 진행하여 충전을 계속한다. 스텝S19 및 스텝S20의 처리 후에 스텝S21의 처리로 진행한다.

스텝S21에 있어서, 제어회로(26)는 병렬부의 수(P)가 0인가 아닌가를 판단한다. 병렬부의 수(P)가 0인 경우(YES)에는 스텝S23의 처리로 진행하여 타임 인터벌(time interval) 즉 병렬접속시간(ΔT)의 경과를 기다리고, 그 후에 스텝S14의 처리로 되돌아간다. 한편 병렬부의 수(P)가 0이 아닌 경우(NO)에는 스텝S22의 처리로 진행한다.

스텝S22에 있어서, 제어회로(26)는 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화를 시작 또는 계속하고, 이어서 스텝S23에 있어서 타임 인터벌 즉 병렬접속시간(ΔT)의 경과를 기다린다.

도17의 플로우 차트의 처리를 요약하면 다음과 같다. 모든 캐패시터(Ci)가 직렬로 접속된 상태로부터 충전이 진행되어 축전부 전압(Vt)이 미리 설정된 제1전압값(Uv)에 도달하면(스텝S18에서 YES), 직병렬의 절환을 하여 병렬부의 수(P)를 1로 한다(스텝S19). 동시에 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화를 시작한다(스텝S21, S22).

충전을 계속하면서 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화를 반복하여, 축전부 전압(Vt)이 미리 설정된 제1전압값(Uv)에 도달할 때마다 직병렬 절환을 하여 병렬부의 수(P)를 1 증가시킨다(스텝S18, S19, S21, S22, S23, S14).

병렬부의 수(P)가 n인 상태에서 충전이 진행되어 어느 하나의 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)이 정격전압의 상한값(Vcu) 이상에 도달하면, 충전을 정지한다(스텝S14, S15, S16).

또 모든 캐패시터(Ci)가 직렬접속되어 있는 과정에서는, 축전부 전압(Vt)이 제1전압값(Uv)에 도달하더라도 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)이 정격전압의 상한값(Vcu)에 도달하지 않는다.

(실시형태2)

본 실시형태에서는 본 발명에 관한 방전제어방법에 대하여 설명한다. 또 방전제어에 사용하는 축전장치(2) 및 축전부(21)의 구성은 실시형태1에서 설명한 구성과 같다.

본 발명에 관한 방전제어방법은, 2n개의 캐패시터로 구성된 축전부에 있어서, 인접하는 2개의 캐패시터가 병렬로 접속된 것을 병렬부로 하였을 때에 병렬부의 수(P)가 n의 상태로부터 모든 캐패시터가 직렬로 접속된 상태가 될 때까지 다음의 제1처리와 제2처리를 반복하는 것을 특징으로 하고 있다.

(1)상기 병렬부의 수(P)가 1 이상인 경우에 i를 1에서부터 2n까지의 값을 순환하는 정수로 하고, k_j(j는 1 ≤ j ≤P의 정수)를 0 ≤ k_j ≤ (2n-2)를 충족시키는 P개의 0 또는 임의의 짝수로 하고, 소정의 시간이 경과할 때마다 i의 수를 1씩 증가시키면서, (i+k_j)번째와 (i+k_j+1)번째의 전기 2중층 캐패시터의 접속상태를 상기 병렬부를 구성하도록 병렬로 함과 아울러, 다른 전기 2중층 캐패시터의 접속상태를 직렬로 한다. 여기에서 K를 정수로 하였을 때에 (2n+K)번째의 전기 2중층 캐패시터는 K번째의 전기 2중층 캐패시터가 된다.

(2)상기 축전수단의 전압이 미리 설정된 제2전압값에 이르렀을 때에 상기 병렬부의 수(P)를 1개 감소시킨다.

인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화는 방전과정에 있어서도 이루어진다. 정전용량 오차가 있는 캐패시터가 직렬접속되면, 정전용량이 작은 캐패시터의 단자간 전압쪽이 정전용량이 큰 캐패시터의 단자간 전압보다 빠르게 저하된다. 따라서 방전과정에 있어서도 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화를 하지 않으면, 축전부(21)의 단자간 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 하한값에 도달할 때까지의 시간이 빨라지게 되어, 결과로서 방전시간(전력변환기의 가동시간)이 짧아지게 된다.

그래서 방전과정에 있어서도 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화를 함으로써 축전부(21)의 방전시간(전력변환기(3)의 가동시간)을 길게 할 수 있다.

이하, 축전부(21)를 구성하는 모든 캐패시터가 거의 만충전(滿充電) 상태에 있고, 모든 캐패시터가 2개씩 병렬접속되어 있는 상태로부터 방전이 시작되는 경우에 대하여 설명한다. 방전이 진행됨에 따라 축전부 전압(Vt)이 저하되어, 축전부 전압(Vt)이 미리 설정된 제2전압값에 도달할 때마다 직병렬 절환이 이루어진다.

예를 들면 상기의 도4와 같이 축전부(21)를 구성하는 캐패시터의 수가 8개인 경우에는, 병렬부의 수(P)가 4, 3, 2, 1로 감소하여 최종적으로 모든 캐패시터가 직렬접속된다.

또 비대칭형 캐패시터의 경우에는, 단자간 전압의 정격전압의 상한값과 하한값(lower rated voltage)이 설정되어 있는 경우가 있다. 축전부(21)를 구성하는 캐패시터에, 이러한 단자간 전압의 정격전압의 상한값과 하한값이 설정되어 있는 캐패시터를 사용하는 경우에는, 정격전압의 상한값을 넘어서 충전을 계속하면 과충전(過充電)이 되어 전해액이 전기분해를 일으키고 또 과방전(過放電)에 의하여 정격전압의 하한값 이하가 되면 전극붕괴를 일으켜서 열화의 원인이 되어, 최악의 경우에는 파괴에 이르게 된다.

따라서 축전부(21)의 방전제어는, 축전부(21)를 구성하는 캐패시터(Ci)에 있어서의 단자간 전압(Vci)의 정격전압의 상한값만이 설정되어 있는 경우와, 정격전압의 상한값과 하한값이 설정되어 있는 경우로 나누어 생각하여야만 한다.

이하에서는, 축전부(21)가 단자간 전압의 정격전압의 상한값만이 설정되어 있는 2n개의 캐패시터(Ci)로 구성되는 경우에 있어서의 방전제어방법에 대하여 설명한다. 또 이하의 설명에서는 미리 설정된 제2전압값을 Lv로 하고 있다.

제2전압값(Lv)으로서, 보통은 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 하한값으로 설정하지만, 전력변환기(3)의 변환효율이 가장 좋아지는 값 즉 허용입력 전압범위의 하한값보다 높은 값으로 설정하더라도 본 발명의 충전제어방법의 효과를 발휘한다.

<방전제어의 흐름>

도18에, 축전부(21)가 도2와 같이 2n개의 캐패시터로 구성되는 경우에 있어서의 방전제어의 플로우 차트를 나타낸다. 또 도면에 있어서, 도17의 플로우 차트의 스텝과 동일한 처리를 하는 스텝에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다. 이하, 도1, 도2 및 도18의 플로우 차트를 사용하여 방전제어의 흐름을 설명한다.

방전제어를 시작하기 직전에 있어서, 도1에 있어서의 스위치(Si) 및 스위치(So)는 개방상태에 있고, 축전부(21)의 각 캐패시터(Ci)는 거의 만충전의 상태에 있고 또한 병렬부(P)의 수는 n이라고 한다.

우선 스텝S41에 있어서, 제어회로(26)는 스위치(So)를 닫고 방전을 시작한다.

제어회로(26)는, 스텝S42에 있어서 축전부 전압검출회로(25)가 측정한 축전부 전압(Vt)을 취득하고, 계속하여 스텝S43에 있어서 취득한 축전부 전압(Vt)이 미리 설정된 제2전압값(Lv) 이하인가 아닌가를 판단한다. 축전부 전압(Vt)이 제2전압값(Lv) 이하인 경우(YES)에는 스텝S45의 처리로 진행하고, 그렇지 않은 경우(NO)에는 스텝S44의 처리로 진행하여 방전을 계속한다.

스텝S45에 있어서, 제어회로(26)는 병렬부의 수(P)가 제로인가 아닌가를 판단하고, 병렬부의 수(P)가 제로인 경우(YES)에는 스텝S47의 처리로 진행하여 방전을 정지한다. 즉 제어회로(26)는 스위치(So)를 개방상태로 한다. 한편 병렬부의 수(P)가 제로가 아닌 경우(NO)에는 스텝S46의 처리로 진행하여 병렬부의 수(P)를 1개 감소시켜서 (P-1)로 한다. 스텝S44 및 스텝S46의 처리를 종료한 후에 스텝S21의 처리로 이동한다.

스텝S21에 있어서, 제어회로(26)는 다시 병렬부의 수(P)가 제로인가 아닌가를 판단하고, 병렬부의 수(P)가 0인 경우(YES)에는 스텝S48의 처리로 진행하여 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화를 정지하고, 스텝S23의 타임 인터벌 즉 병렬접속시간(ΔT)에 상당하는 시간경과를 기다리고, 그 후에 스텝S42의 처리로 되돌아간다. 한편 병렬부의 수(P)가 0이 아닌 경우(NO)에는 스텝S22의 처리로 진행한다.

스텝S22에 있어서, 제어회로(26)는 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화를 시작 또는 계속하고, 그 후에 스텝S23의 타임 인터벌에 있어서 병렬접속시간(ΔT)의 경과를 기다린 후에 스텝S42의 처리로 되돌아간다.

도18의 플로우 차트의 처리를 요약하면 다음과 같다. 병렬부의 수(P)가 n의 상태로부터 방전을 시작하여 방전이 진행되어, 축전부 전압(Vt)이 미리 설정된 제2전압값(Lv)에 도달하면(스텝S43에 있어서 YES), 직병렬 절환을 하여 병렬부의 수(P)를 1개 감소시킨다(스텝S45, S46). 동시에 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화를 시작한다(스텝S21, S22).

방전을 계속하면서 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화 동작을 반복하여(스텝S43, S45, S46, S21, S22, S23), 축전부 전압(Vt)이 미리 설정된 제2전압값(Lv)에 도달할 때마다 직병렬 절환을 하여 병렬부의 수(P)를 1개 감소시킨다(스텝S43, S45, S46).

병렬부의 수(P)가 0(즉 모든 캐패시터가 직렬로 접속된 상태)이 되면 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화를 정지하지만, 방전은 계속한다(스텝S21, S48, S23).

병렬부의 수(P)가 0인 상태에서 또 방전이 진행되어, 축전부 전압(Vt)이 감소하여 미리 설정된 제2전압값(Lv)에 도달하면 방전을 정지한다(스텝S43, S45, S47).

(실시형태3)

본 실시형태에서는, 본 발명에 관한 충전제어방법과 방전제어방법을 조합시켰을 경우 즉 충전하면서 방전을 하는 경우에 대하여 설명한다. 도19는, 본 발명의 충전제어방법과 방전제어방법을 조합시켜서 실시하는 경우의 플로우 차트를 나타낸다.

또 도19는 방전전력보다 충전전력쪽이 큰 경우의 플로우 차트이다. 도면에 있어서, 도17 및 도18의 스텝과 동일한 스텝에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 이하, 도17 및 도18의 플로우 차트와는 다른 스텝을 중심으로 하여 도19의 플로우 차트를 설명한다.

제어는 모든 캐패시터(Ci)(i = 1, 2, … , 2n)가 완전히 방전되어 있는 상태 즉 모든 캐패시터(Ci)가 직렬로 접속된 상태(병렬부의 수(P) = 0)로부터 시작되고(스텝S11, S12, S13), 계속하여 도17에서 설명한 충전제어(스텝S14∼S23)가 이루어진다.

축전부 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 상한값(Uv)에 도달할 때까지는 모든 캐패시터(Ci)가 직렬로 접속된 상태에서 충전이 이루어져서, 각 캐패시터(Ci)의 접속상태를 절환하는 처리(스텝S19)는 이루어지지 않는다. 따라서 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화의 처리(스텝S22)도 이루어지지 않는다. 또 방전은 축전부 전압(Vt)이 전력변환기(3)의 허용입력 전압범위의 하한값(Lv)을 넘으면 시작된다(스텝S43, S62).

도19에 있어서, 새롭게 추가한 스텝S60∼S62의 「충전 : ON(온)」은 스위치(Si)를 닫거나 닫힌 상태를 계속하는 것을, 「충전 : OFF(오프)」는 스위치(Si)를 개방하거나 개방한 상태를 계속하는 것을 의미하고 있다. 또 「방전 : ON」은 스위치(So)를 닫거나 닫힌 상태를 계속하는 것을, 「방전 : OFF」는 스위치(So)를 개방하거나 개방한 상태를 계속하는 것을 의미하고 있다.

다음에 축전부가 2n개의 캐패시터로 구성되는 경우로서, 축전부(21)의 캐패시터의 단자간 전압에 정격전압의 상한값과 하한값이 설정되어 있는 경우의 제어에 대하여 설명한다.

도20에, 정격전압의 상한값과 하한값이 설정된 캐패시터(Ci)를 축전부에 사용하여 충전제어방법과 방전제어방법을 조합시켰을 경우 즉 충전을 하면서 방전을 하는 경우의 플로우 차트를 나타낸다. 또 동(同) 도면에 있어서, 각 캐패시터에 있어서의 단자간 전압의 정격전압의 상한값을 Vcu, 정격전압의 하한값을 Vcl이라고 기재하고 있다.

스텝S71에 있어서, 제어회로(26)는 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)이 정격전압의 하한값(Vcl) 이하인가 아닌가를 판단하고, 어느 하나의 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)이 정격전압의 하한값(Vcl) 이하인 경우(YES)에는 스텝S72의 처리로 진행하여 충전을 온으로 함(즉 스위치(Si)를 닫는다)과 아울러, 방전을 오프로 한다(즉 스위치(So)를 개방한다). 한편 모든 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)이 정격전압의 하한값(Vcl)보다 높은 경우(NO)에는 스텝S15의 처리로 진행한다.

축전부의 캐패시터가 단자간 전압에 정격전압의 상한값과 하한값이 설정되어 있는 2n개의 캐패시터로 구성되는 경우로서, 충전제어방법과 방전제어방법을 조합시켰을 경우에 있어서도, 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화에 의하여 단자간 전압이 큰 캐패시터로부터 단자간 전압이 작은 캐패시터에 전하가 반송되기 때문에 적절한 병렬접속시간(ΔT)을 선택하면, 축전부를 구성하는 모든 캐패시터의 단자간 전압은 모든 캐패시터가 직렬접속되어 있는 경우를 제외하고 거의 동일하게 유지된다.

<본 발명의 제어방법과 종래의 제어방법의 효과 비교>

도21(a)에, 본 발명의 방법에 의하여 충전제어와 방전제어를 한 경우에 있어서의 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)의 시간적 변화를 나타낸다. 구체적으로는, 도21(a)는 공칭정전용량이 1700[F]인 캐패시터를 10개 사용하여 축전부(21)를 구성하고, 도17의 플로우 차트를 따라 충전제어를 하고, 모든 캐패시터가 만충전이 된 후에 전력변환기(3)를 통하여 부하(4)를 접속하여, 도18의 플로우 차트를 따라 방전제어를 한 경우에 있어서의 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)의 시간적 변화를 나타낸 그래프이다. 한편 도21(b)는 본 발명의 방법과 동일한 구성의 축전부를 사용하여, 특허문헌2의 방법에 의하여 충전제어와 방전제어를 한 경우에 있어서의 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)의 시간적 변화를 나타낸 그래프이다.

또 도22(a)는 본 발명의 방법에 의하여 충전제어를 하여, 충전정지(만충전)가 된 시점에 있어서의 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)을 나타내고, 도22(b)는 특허문헌2의 방법에 의하여 충전제어를 하여, 만충전이 된 시점에 있어서의 각 캐패시터(Ci)의 단자간 전압(Vci)을 나타내고 있다.

사용한 캐패시터는 단자간 전압의 정격전압의 상한값만이 2.7[V]로 설정되어 있고 또한 사용한 캐패시터의 정전용량 오차범위의 규격은 0∼+20％이었다. 10개의 캐패시터의 정전용량의 실측값을 표2에 나타낸다.

[표2]

또 충전전류는 2[A], 방전 시의 부하는 8[W], 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화에 있어서의 병렬접속시간(ΔT)은 10[sec]로 하였다. 따라서 1사이클 시간(Tp)은 100[sec]이다. 또한 전력변환기(DC-AC 인버터)(3)의 허용입력 전압범위는 10.7∼15.0[V]이었지만, 허용입력 전압범위의 상한 혹은 하한 부근에서는 변환효율이 저하되기 때문에 제1전압값(Uv)을 14.5[V], 제2전압값(Lv)를 11.5[V]로 하였다. 그리고 모든 캐패시터가 완전방전의 상태로부터 충전을 시작하여 만충전으로 한 후에 방전을 하였다.

도21(a)로부터 본 발명의 제어방법에 의하면, 병렬 모니터를 사용하지 않더라도 모든 캐패시터가 정격전압의 상한값 2.7[V]를 넘어서 과충전으로 되지 않고 균압화 되어 있다는 것을 알 수 있다. 또한 충전시작으로부터 만충전에 이를 때까지의 충전시간이나 도21(a)와 도21(b)의 비교로부터 충전시간은 거의 같다는 것을 알 수 있다.

정확한 충전시간은, 본 발명의 제어방법에 의한 경우가 1시간 6분 36초, 특허문헌2의 제어방법에 의한 경우가 1시간 6분 35초이었다. 본 발명의 제어방법에서는, 모든 블록의 캐패시터가 병렬접속의 상태(즉 도16의 상태)에 있어서도 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화를 하고 있어, 이 때문에 시간을 필요로 하고 있는 것에도 불구하고 충전시간은 거의 같았다.

또한 도21(a) 및 도21(b)에서, 본 발명의 제어방법쪽이 특허문헌2의 제어방법보다 단자간 전압의 불균일이 작은 것을 알았다. 이 점은, 충전종료(만충전)가 된 시점에서의 각 캐패시터의 단자간 전압의 불균일을 나타내는 도22(a)와 도22(b)를 비교하면 더 분명하다. 본 발명의 제어방법쪽이 특허문헌2의 제어방법보다 충전종료(만충전) 시에서의 각 캐패시터의 단자간 전압의 불균일이 작다.

구체적으로는, 만충전 시에 있어서의 각 캐패시터의 단자간 전압 차이의 최대값은, 본 발명의 제어방법에서는 0.017[V]이었던 것에 대하여 특허문헌2의 제어방법에서는 0.047[V]로서, 인접 캐패시터의 병렬화에 의한 균압화의 유효성이 확인되었다.

또 앞에서 설명한 바와 같이 축전부(21)를 구성하는 캐패시터 중에서 어느 쪽인가 1개의 캐패시터가 정격전압에 도달한 시점에서 충전과정이 종료된다. 따라서 이 시점에서 각 캐패시터의 단자간 전압의 불균일이 크다면 미축적 전력량이 증가하게 된다. 상기의 예에서는, 본 발명의 제어방법 경우의 미축적 전력량은 313.3[J]이었던 것에 대하여 특허문헌2의 제어방법 경우의 미축적 전력량은 761.9[J]로서, 충전효율의 관점으로부터도 본 발명의 제어방법이 유효한 것을 알 수 있다.

1 : 직류전원
2 : 축전장치
3 : 전력변환기
4 : 부하
21 : 축전부
22 : 제어부
23 : 직병렬 절환회로
24 : 단자간 전압검출회로
25 : 축전부 전압검출회로
26 : 제어회로
27 : 펄스생성회로
Ci(i = 1, 2, … , 2n) : 캐패시터
S : 스위치

Claims

축전수단(蓄電手段)으로서 정전용량(靜電容量)이 동일한 1번째로부터 2n번째의 2n개(n은 2 이상의 정수)의 전기 2중층 캐패시터(電氣二重層 capacitor)를 포함하고 또한 인접하는 전기 2중층 캐패시터의 사이가 스위치에 의하여 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 접속할 수 있고, 또 2n번째의 전기 2중층 캐패시터와 1번째의 전기 2중층 캐패시터의 사이가 스위치에 의하여 병렬접속할 수 있도록 구성된 캐패시터군(capacitor群)을 사용한 축전장치(蓄電裝置)의 충전제어방법(充電制御方法)으로서,
병렬로 접속된 2개의 전기 2중층 캐패시터를 병렬부(竝列部)로 하였을 때에, 상기 전기 2중층 캐패시터가 모두 직렬로 접속된 상태로부터 충전(充電)을 시작하여, 상기 병렬부의 수(P)가 n이 되고 또한 2n개의 전기 2중층 캐패시터 중 적어도 어느 하나의 단자간 전압(端子間電壓)이 정격전압(定格電壓)의 상한값에 도달할 때까지 다음의 제1처리와 제2처리를 반복하는 것을 특징으로 하는 축전장치의 충전제어방법.
(1)상기 병렬부의 수(P)가 1 이상인 경우에 i를 1에서부터 2n까지의 값을 순환하는 정수로 하고, k_j(j는 1 ≤ j ≤P의 정수)를 0 ≤ k_j ≤ 2n-2를 충족시키는 P개의 0 또는 임의의 짝수로 하고, 소정의 시간이 경과할 때마다 i의 수를 1씩 증가시키면서 (i+k_j)번째와 (i+k_j+1)번째의 전기 2중층 캐패시터의 접속상태를 상기 병렬부를 구성하도록 병렬로 함과 아울러, 다른 전기 2중층 캐패시터의 접속상태를 직렬로 한다. 여기에서 K를 정수로 하였을 때에 (2n+K)번째의 전기 2중층 캐패시터는 K번째의 전기 2중층 캐패시터가 된다.
(2)상기 축전수단의 전압이 미리 설정된 제1전압값에 이르렀을 때에 상기 병렬부의 수(P)를 1씩 증가시킨다.
제1항에 있어서,
상기 제1전압값으로서, 상기 축전수단의 출력측에 접속된 전력변환기(電力變換器)의 허용입력 전압범위의 상한값을 사용하는 것을 특징으로 하는 축전장치의 충전제어방법.
축전수단으로서 정전용량이 동일한 1번째로부터 2n번째의 2n개(n은 2 이상의 정수)의 전기 2중층 캐패시터를 포함하고 또한 인접하는 전기 2중층 캐패시터의 사이가 스위치에 의하여 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 접속할 수 있고, 또 2n번째의 전기 2중층 캐패시터와 1번째의 전기 2중층 캐패시터의 사이가 스위치에 의하여 병렬접속할 수 있도록 구성된 캐패시터군을 사용한 축전장치의 방전제어방법(放電制御方法)으로서,
병렬로 접속된 2개의 전기 2중층 캐패시터를 병렬부로 하였을 때에, 상기 병렬부의 수(P)가 n의 상태로부터 전기 2중층 캐패시터가 모두 직렬로 접속된 상태가 되고, 또한 상기 축전수단의 전압이 미리 설정된 제2전압값에 이를 때까지 다음의 제1처리와 제2처리를 반복하는 것을 특징으로 하는 축전장치의 방전제어방법.
(1)상기 병렬부의 수(P)가 1 이상인 경우에 i를 1에서부터 2n까지의 값을 순환하는 정수로 하고, k_j(j는 1 ≤ j ≤P의 정수)를 0 ≤ k_j ≤ 2n-2를 충족시키는 P개의 0 또는 임의의 짝수로 하고, 소정의 시간이 경과할 때마다 i의 수를 1씩 증가시키면서 (i+k_j)번째와 (i+k_j+1)번째의 전기 2중층 캐패시터의 접속상태를 상기 병렬부를 구성하도록 병렬로 함과 아울러, 그 이외의 전기 2중층 캐패시터의 접속상태를 직렬로 한다. 여기에서 K를 정수로 하였을 때에 (2n+K)번째의 전기 2중층 캐패시터는 K번째의 전기 2중층 캐패시터가 된다.
(2)상기 축전수단의 전압이 상기 제2전압값에 이르렀을 때에 상기 병렬부의 수(P)를 1개 감소시킨다.
제3항에 있어서,
상기 제2전압값으로서, 상기 축전수단의 출력측에 접속된 전력변환기의 허용입력 전압범위의 하한값을 사용하는 것을 특징으로 하는 축전장치의 방전제어방법.
제3항에 있어서,
상기 전기 2중층 캐패시터로서 정격전압의 하한값이 설정되어 있는 캐패시터를 사용한 경우에는, 상기 축전수단을 구성하는 어느 하나의 전기 2중층 캐패시터의 단자간 전압이 상기 정격전압의 하한값을 하회(下回)하였을 때에 방전을 정지하는 것을 특징으로 하는 축전장치의 방전제어방법.