KR101222090B1 - Maximum Power Point Tracking Power Conversion and Charging System - Google Patents
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Abstract
최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템이 개시된다. 본 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템은, 전압을 생성하는 연료 전지부, 생성된 전압을 저장하는 2차 전지부, 연료 전지부에서 생성되는 전압을 승압하여 2차 전지부에 제공하는 승압형 전력 변환기, 연료 전지부로 유입되는 전류 및 생성된 전압을 이용하여 최대전력점추종을 위한 충전전류 명령을 산출하는 최대전력점추종회로, 및 2차 전지부로 충전되는 전류가 충전전류 명령을 추종하도록 승압형 전력 변환기를 제어하는 충전전류제어회로를 포함한다. 이에 따라, 연료 전지부의 최대 전력점에서 2차 전지부를 충전할 수 있으므로, 에너지 변환 효율을 높여 에너지 이용률을 극대화할 수 있다.A maximum power point tracking power conversion and charging system is disclosed. The maximum power point tracking power conversion and charging system includes a fuel cell unit for generating a voltage, a secondary battery unit for storing the generated voltage, and a boosted type for boosting a voltage generated in the fuel cell unit and providing the secondary battery unit. A power converter, a maximum power point tracking circuit that calculates a charging current command for maximum power point tracking using the current flowing into the fuel cell unit and a generated voltage, and boosts the current charged to the secondary battery unit to follow the charging current command And a charging current control circuit for controlling the type power converter. Accordingly, since the secondary battery unit may be charged at the maximum power point of the fuel cell unit, the energy conversion efficiency may be increased to maximize the energy utilization rate.
Description
본 발명은 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료 전지, 태양전지와 같은 에너지원에서 발생하는 전력을 배터리에 충전할 때, 새롭게 고안된 최대전력점추종 회로를 적용하여 에너지 변환 효율 및 이용률을 극대화할 수 있는 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a maximum power point tracking power conversion and charging system, and more particularly, a newly designed maximum power point tracking circuit is applied when charging a battery with power generated from an energy source such as a fuel cell or a solar cell. The present invention relates to a maximum power point tracking power conversion and charging system capable of maximizing energy conversion efficiency and utilization rate.
최근 연료 전지, 태양전지 등 새로운 에너지원을 이용한 전력의 발생과 응용이 증가하고 있다.Recently, generation and application of electric power using new energy sources such as fuel cells and solar cells are increasing.
이와 같은, 에너지원에서 발생한 에너지를 지속적으로 사용하기 위해 배터리와 같은 에너지 저장장치가 사용되며, 전력변환 및 충전회로는 에너지원에서 발생하는 전력을 승압하여 배터리에 저장하는 회로이다.In order to continuously use the energy generated from the energy source, an energy storage device such as a battery is used, and the power conversion and charging circuit is a circuit for boosting the power generated from the energy source and storing it in the battery.
에너지원에서 발생하는 전력은 부하전류의 크기에 따라 전압의 크기가 달라지며, 이에 따라 발생하는 전력의 출력도 변화한다. 따라서 에너지 이용률을 극대화하기 위해서는 에너지원에서 발생하는 전력이 최대인 전류와 전압 값에서 배터리에 충전하는 기술이 필요하다.The power generated from the energy source varies in voltage depending on the load current, and the output of the generated power also changes. Therefore, in order to maximize energy utilization, a technique for charging a battery at a current and voltage value at which power generated from an energy source is maximum is required.
태양 전지 분야에서는 상술한 목적을 달성하기 위한 최대전력점추종 기술이 적용되고 있으나, 통상의 연료 전지의 분야에서는 에너지원으로서 정전압 전원이 사용될 뿐이며, 최대전력점추종 기술이 적용되지 않고 있다. 그러나, 생체 내의 생체 연료를 이용하는 연료 전지의 경우, 발생하는 전력의 간헐성이 크므로 에너지 이용률을 높이기 위해서는 최대전력점추종 기술이 필요하다.In the field of solar cells, the maximum power point tracking technology is applied to achieve the above-mentioned object. However, in the field of conventional fuel cells, only a constant voltage power source is used as the energy source, and the maximum power point tracking technology is not applied. However, in the case of fuel cells using biofuels in vivo, the maximum power point tracking technique is required to increase the energy utilization rate because of the intermittent power generated.
한편, 종래에 태양전지 분야에 사용되는 최대전력점추종 기술은 회로 및 시스템이 복잡하여 생체 연료 전지와 같이 소형화가 필요한 회로에는 적용이 불가능하다는 문제점이 있었다.On the other hand, the conventional maximum power point tracking technology used in the field of solar cells has a problem that it is impossible to apply to a circuit that requires miniaturization, such as a biofuel cell due to the complex circuit and system.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 생체 내의 생체 연료를 이용하는 연료 전지에서 발생하는 전력을 최대 전력점에서 배터리에 충전할 수 있는 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a maximum power point tracking power conversion and charging system capable of charging a battery at a maximum power point with power generated from a fuel cell using biofuel in vivo. There is a purpose.
본 발명의 일 실시 예에 따른 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템은, 전압을 생성하는 연료 전지부, 상기 생성된 전압을 저장하는 2차 전지부, 상기 연료 전지부에서 생성되는 전압을 승압하여 상기 2차 전지부에 제공하는 승압형 전력 변환기, 상기 연료 전지부로 유입되는 전류 및 상기 생성된 전압을 이용하여 최대전력점추종을 위한 충전전류 명령을 산출하는 최대전력점추종회로, 및 상기 2차 전지부로 충전되는 전류가 상기 충전전류 명령을 추종하도록 상기 승압형 전력 변환기를 제어하는 충전전류제어회로를 포함한다.Maximum power point tracking power conversion and charging system according to an embodiment of the present invention, the fuel cell unit for generating a voltage, the secondary battery unit for storing the generated voltage, by boosting the voltage generated in the fuel cell unit A boost type power converter provided to the secondary battery unit, a maximum power point tracking circuit for calculating a charging current command for maximum power point tracking using the current flowing into the fuel cell unit and the generated voltage, and the secondary And a charging current control circuit for controlling the boost type power converter so that the current charged by the battery unit follows the charging current command.
상기 승압형 전력 변환기는, 상기 연료 전지부에서 생성되는 에너지를 저장하는 제1 승압 인덕터, 상기 제1 승압 인덕터의 에너지 저장을 제어하는 제1 트랜지스터, 상기 제1 승압 인덕터에 저장된 에너지를 출력 커패시터로 전달하는 제2 트랜지스터, 및 상기 제1 승압 인덕터에 저장된 에너지를 전달받아 출력 전압을 생성하는 출력 커패시터를 포함할 수 있다.The boost type power converter may include a first boost inductor for storing energy generated by the fuel cell unit, a first transistor for controlling energy storage of the first boost inductor, and energy stored in the first boost inductor as an output capacitor. It may include a second transistor for transmitting and an output capacitor receiving the energy stored in the first boost inductor to generate an output voltage.
최대전력점추종회로는, 상기 연료 전지부에서 생성된 전압과 상기 연료 전지부로 유입되는 전류를 곱하여 전력을 산출하는 곱셈기, 상기 산출된 전력을 기설정된 시간 동안 지연시켜 지연 전력을 산출하는 지연회로, 상기 산출된 전력으로부터 상기 산출된 지연 전력를 감산하는 제1 뺄셈기, 최대전력점추종을 위하여 상기 제1 뺄셈기에서 출력되는 전력의 미소 변화량이 0이 되도록 전류 명령의 증분 값을 생성하는 제1 비례-적분 제어기, 상기 전류 명령의 증분 값과 상기 전류 명령의 초기 값을 더하는 덧셈기, 및 상기 덧셈기에서 출력되는 값을 기정의된 이득 값으로 스케일링하여, 최대전력점추종을 위한 충전전류 명령을 산출하는 증폭기를 포함할 수 있다.The maximum power point tracking circuit may include: a multiplier that calculates power by multiplying a voltage generated by the fuel cell unit and a current flowing into the fuel cell unit, a delay circuit that calculates a delay power by delaying the calculated power for a predetermined time period; A first subtractor that subtracts the calculated delay power from the calculated power, and a first proportional value that generates an increment value of the current command such that the amount of small change in power output from the first subtractor is zero for maximum power point tracking An integral controller, an adder that adds the incremental value of the current command and the initial value of the current command, and scales the value output from the adder to a predefined gain value to calculate a charge current command for maximum power point tracking; It may include an amplifier.
상기 충전전류제어회로는, 상기 2차 전지부로 충전되는 전류 및 상기 증폭기에서 출력되는 충전전류 명령 간의 오차를 산출하는 제2 뺄셈기, 상기 산출된 오차를 최소화하기 위한 전압 명령을 생성하여 출력하는 제2 비례-적분제어기, 및 상기 제2 비례-적분기에서 출력되는 전압 명령과 기설정된 형태의 톱니파를 비교하여, 상기 제1 트랜지스터의 듀티비(duty ratio)를 제어하는 펄스폭변조(PWM) 펄스를 생성하고, 상기 생성된 펄스폭변조 펄스를 상기 제1 트랜지스터로 제공하는 비교기를 포함할 수 있다.The charging current control circuit may include a second subtractor that calculates an error between a current charged in the secondary battery unit and a charging current command output from the amplifier, and generates and outputs a voltage command to minimize the calculated error. 2 a pulse width modulation (PWM) pulse for controlling a duty ratio of the first transistor by comparing a proportional-integration controller and a voltage command output from the second proportional-integrator with a preset sawtooth wave. And a comparator configured to generate the pulse width modulated pulse to the first transistor.
상기 제1 비례-적분 제어기 및 상기 제2 비례-적분 제어기 각각은, 진상-지상 보상기(Lead-Lag compensator) 및 비례-미분-적분(PID) 제어기 중 어느 하나일 수 있다.Each of the first proportional-integral controller and the second proportional-integral controller may be one of a lead-lag compensator and a proportional-integral-integral (PID) controller.
상기 제1 승압 인덕터는, 일단이 상기 연료 전지부와 연결되고, 타단이 제1 노드와 연결되며, 상기 제1 트랜지스터는, 드레인 단자가 상기 제1 노드와 연결되고, 게이트 단자가 상기 충전전류제어회로와 연결되고, 소스 단자가 접지 단자에 연결되며, 상기 제2 트랜지스터는, 소스 단자가 상기 제1 노드와 연결되고, 드레인 단자가 제2 노드와 연결되고, 게이트 단자가 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단자와 반대의 신호가 인가되며, 상기 출력 커패시터는, 일단이 상기 제2 노드와 연결되고, 타단이 접지 단자에 연결될 수 있다.The first boost inductor has one end connected to the fuel cell part, the other end connected to a first node, the first transistor, a drain terminal connected to the first node, and a gate terminal connected to the charging current control unit. A source terminal connected to the ground terminal, a source terminal connected to the first node, a drain terminal connected to a second node, and a gate terminal connected to a gate of the first transistor A signal opposite to a terminal is applied, and one end of the output capacitor is connected to the second node, and the other end thereof is connected to a ground terminal.
본 발명에 따르면, 연료 전지에서 발생하는 전력을 변환하고 충전하는 회로를 구성함에 있어, 새롭게 고안된 최대전력점추종회로 및 충전전류제어회로를 적용함으로서, 연료 전지에서 발생하는 최대 전력점에서 배터리의 충전이 이루어질 수 있도록 할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지, 태양전지와 같은 에너지원을 사용함에 있어, 에너지 변환 효율을 높여 에너지 이용률을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 종래에 사용하던 복잡한 최대전력점추종회로 및 시스템과 비교하여 간단한 아날로그 회로로 구현이 가능하여 전력변환 및 충전회로의 소형화가 가능한 장점이 있다.According to the present invention, in configuring a circuit for converting and charging power generated in a fuel cell, by applying a newly designed maximum power point tracking circuit and a charging current control circuit, the battery is charged at the maximum power point generated in the fuel cell. This can be done. Accordingly, in using energy sources such as fuel cells and solar cells, there is an effect of maximizing energy utilization by increasing energy conversion efficiency. In addition, compared with the conventional complex maximum power point tracking circuit and system that can be used as a simple analog circuit can be implemented, there is an advantage that can be miniaturized the power conversion and charging circuit.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 최대전력점추종의 동작 원리를 설명하기 위한 그래프.1 is a view showing a maximum power point tracking power conversion and charging system according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph for explaining the operation principle of the maximum power point tracking.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a maximum power point tracking power conversion and charging system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템(100)은 연료 전지부(1), 2차 전지부(2), 승압형 전력 변환기(3), 최대전력점추종회로(4), 및 충전전류제어회로(5)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the maximum power point tracking power conversion and
최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템(100)은 연료 전지부(1)와 2차 전지부(2)가 일체형으로 융합되며, 생체 또는 혈관에 삽입될 수 있다.In the maximum power point tracking power conversion and
연료 전지부(1)는 낮은 전압을 발생시키는 에너지원으로, 직류전압을 출력하는 배터리 또는 태양 전지를 포함할 수 있다. 일 예로서, 연료 전지부(1)는 혈액 속의 글루코오스와 같은 생체 내의 물질을 이용하여 전압을 발생시킬 수 있으며, 이 경우 발생되는 전압은 2차 전지부(2)에서 충전이 수행되기 어려울 정도로 낮은 전압 값을 가질 수 있다. The
2차 전지부(2)는 승압된 전압을 저장 또는 활용하기 위한 구성으로, 직류 에너지 저장기능을 갖는 전기화학적 저장장치 또는 직류 전압을 사용하는 전자기기 일 수 있다.The
승압형 전력 변환기(3)는 연료 전지부(1)에서 생성되는 전압을 승압하고, 승압된 전압을 2차 전지부(2)로 제공한다.The boost
최대전력점추종회로(4)는 연료 전지부(1)의 전압과 전류를 이용하여 최대전력점추종을 위한 충전전류 명령(command)(또는, 기준(reference))을 산출한다.The maximum power
충전전류제어회로(5)는 2차 전지부(2)에 충전되는 전류가 최대전력점추종회로(4)에서 산출된 충전전류 명령을 추종하도록 제어한다.The charging
본 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템(100)에 따르면, 최대전력점추종회로(4) 및 충전전류제어회로(5)를 이용함으로써, 연료 전지부(1)에서 발생하는 최대전력점에서 2차 전지부(2)의 충전이 이루어질 수 있도록 할 수 있으므로, 연료 전지, 태양 전지와 같은 에너지원을 사용함에 있어, 에너지 변환 효율을 높여 에너지 이용률을 극대화할 수 있다.According to the present maximum power point tracking power conversion and
본 발명의 일 실시 예에 따른 승압형 전력 변환기(3)는 제1 승압 인덕터(31), 제1 트랜지스터(32), 제2 트랜지스터(33), 및 출력 커패시터(35)를 포함한다.The boost
제1 승압 인덕터(31)는 연료 전지부(1)에서 생성된 에너지를 축적한다. 여기 또는 이하에서, 에너지의 축적은 에너지의 저장을 나타낸다.The
제1 트랜지스터(32)는 승압 동작을 제어한다. 구체적으로, 제1 승압 인덕터(31)의 에너지 축적을 제어한다.The
제2 트랜지스터(33)는 제1 승압 인덕터(31)에 저장된 에너지를 출력 커패시터(35)에 제공한다.The
출력 커패시터(35)는 제1 승압 인덕터(31)에 저장된 에너지를 전달받아 저장하고, 출력 전압을 생성한다.The
도 1을 참조하여, 승압형 전력 변환기(3)의 회로 구조에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.Referring to FIG. 1, the circuit structure of the boost
제1 승압 인덕터(31)는 일단이 연료 전지부(1)와 연결되고, 타단이 제1 노드(N1)와 연결되며, 제1 트랜지스터(32)는, 드레인 단자가 제1 노드(N1)와 연결되고, 게이트 단자가 후술할 충전전류제어회로(5)의 비교기(53)의 출력 단자와 연결되고, 소스 단자가 접지 단자에 연결된다.One end of the first boosted
제2 트랜지스터(33)는 소스 단자가 제1 노드(N1)와 연결되고, 드레인 단자가 제2 노드(N2)와 연결된다. 한편, 제2 트랜지스터(33)의 게이트 단자는 제1 트랜지스터(32)의 게이트 단자와 반대의 신호가 인가될 수 있다. 구체적으로, 충전전류제어회로(5)의 출력(즉, 비교기(53)의 출력)에 NOT 게이트(미도시)가 연결되어, 비교기(53)의 출력 신호가 NOT 게이트(미도시)에 의해 변환된 후, 변환된 신호가 제2 트랜지스터(33)의 게이트 단자로 인가될 수 있다.In the
출력 커패시터(35)는 일단이 제2 노드(N2)와 연결되고, 타단이 접지 단자에 연결된다.One end of the
다이오드(D)는 애노드가 제2 트랜지스터(33)의 소스 단자와 연결되고, 캐소드가 제2 트랜지스터(33)의 드레인 단자와 연결된다.The diode D has an anode connected to the source terminal of the
제1 트랜지스터(32) 및 제2 트랜지스터(33)는 N형 모스 트랜지스터로 도시되어 있지만, P형 모스 트랜지스터일 수도 있다. 또한, 제1 트랜지스터(32) 및 제2 트랜지스터(33)는 바이폴라형 트랜지스터일 수도 있다. 이와 같이 제1 트랜지스터(32) 및 제2 트랜지스터(33)가 변경되면, 도 1에서 도시된 회로 구조가 일부 변경될 수 있으며, 이러한 변경은 당업자에게 자명하다. 제1 트랜지스터(32) 및 제2 트랜지스터(33)는 모스형 트랜지스터인 것이 바람직하지만, 바이폴라형 트랜지스터일 수도 있다.The
도 1을 참조하여, 승압형 전력 변환기(3)의 동작 원리에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.Referring to FIG. 1, the operation principle of the boost
승압형 전력 변환기(3)의 출력 전압과 출력 전류는 제1 트랜지스터(32)에 의해 제어되며, 제1 트랜지스터가(32) 켜지면, 제1 승압 인덕터(31)에 흐르는 전류는 선형적으로 증가하게 되고 연료전지 셀(1)에서 발생한 에너지는 제1 승압 인덕터(31)에 축적된다. 이러한 조건에서 제1 트랜지스터(32)가 꺼지면, 제1 승압 인덕터(31)에 축적된 에너지는 제2 트랜지스터(33)에 부가된 다이오드(D)를 통해 출력 커패시터(35)로 에너지를 전달하게 된다. 이때, 제2 트랜지스터(33)에 부가된 다이오드(D)에서 발생하는 전압 강하를 줄이기 위해 제2 트랜지스터(33)를 턴온(turn-on)시킬 수도 있다.The output voltage and output current of the boost
승압형 전력 변환기(3)의 출력 전압(즉, 제2 노드의 전압)은 제1 트랜지스터(32)의 ON/OFF 시간 비(즉, 듀티비(duty ratio))에 의해서 제어된다. 구체적으로, 제1 트랜지스터(32)의 ON 시간이 길어지면, 승압형 전력 변환기(3)의 출력 전압은 높아진다. 이와 달리, 제1 트랜지스터(32)의 ON 시간이 줄어들면, 승압형 전력 변환기(3)의 출력 전압은 낮아진다.The output voltage of the boosted power converter 3 (ie, the voltage of the second node) is controlled by the ON / OFF time ratio (ie, duty ratio) of the
최대전력점추종회로(4)는 곱셈기(41), 지연회로(42), 제1 뺄셈기(43), 제1 비례-적분(PI) 제어기(44), 덧셈기(45), 및 증폭기(46)를 포함한다.The maximum power
곱셈기(41)는 연료 전지부(1)에서 발생된 전압과 연료 전지부(1)를 통해 흐르는 전류를 곱하여 전력(Pk)을 산출한다.The
지연회로(42)는 산출된 전력(Pk)을 기설정된 시간 동안 지연시켜 지연 전력지연 전력(Pk -1)을 산출한다.The
제1 뺄셈기(43)는 전력(Pk)과 지연 전력(Pk -1)의 차이(ΔP)를 산출한다.
제1 비례-적분(PI) 제어기(44)는 최대전력점추종을 위하여 전력의 미소 변화량(ΔP)이 0이 되도록 전류 명령의 증분 값(ΔI)을 생성한다.The first proportional-integral (PI)
덧셈기(45)는 전류 명령의 증분 값(ΔI)과 전류 명령의 초기 값(Iini)을 더하여 전류 명령을 생성한다.The
한편, 전류명령이 초기 값과 증분 값을 더한 것으로 구성되며, 증분 값은 초기에 영이므로, 초기에 임의의 전류명령을 인가하는데 이를 전류명령의 초기 값으로 기술하였다. 전류명령의 초기 값은 임의 값으로 주어지며, 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템(100)에서는, 후술할 도 2에서 도시된 것처럼, 전류명령의 초기 값에서 출발하여 최대전력점추종회로가 IMPP값을 찾아가도록 제어한다.On the other hand, since the current command is composed of the initial value plus the incremental value, and the increment value is initially zero, an arbitrary current command is initially applied, which is described as the initial value of the current command. The initial value of the current command is given as an arbitrary value, and in the maximum power point tracking power conversion and charging
증폭기(46)는 덧셈기에서 출력되는 값(즉, 생성된 전류 명령)을 기정의된 이득 값(k)으로 스케일링한다. 이에 따라, 증폭기(46)로부터 최대전력점추종을 위한 충전전류 명령이 산출될 수 있다.The
충전전류제어회로(5)는 제2 뺄셈기(51), 제2 비례-적분제어기(52), 및 비교기(53)를 포함한다.The charging
제2 뺄셈기(51)는 전류 오차를 계산한다. 구체적으로, 제2 뺄셈기(51)는 2차 전지부(2)로 충전되는 전류와 증폭기(46)로부터 출력되는 충전전류 사이의 오차(즉, 전류 오차)를 산출하여, 산출된 오차를 출력한다.The
제2 비례-적분제어기(52)는 제2 뺄셈기(51)에서 출력되는 전류 오차를 최소화하도록 충전전류를 제어한다.The second proportional-
비교기(53)는 제1 트랜지스터(32)의 구동 펄스를 발생한다. 구체적으로, 제2 비례-적분기(52)에서 출력되는 전압 명령과 기설정된 형태의 톱니파를 비교하여, 제1 트랜지스터(32)의 듀티비(duty ratio)를 제어하는 펄스폭변조(PWM) 펄스를 생성하고, 생성된 펄스폭변조 펄스를 제1 트랜지스터(32)로 제공한다.The
승압형 전력 변환기(3)의 제1 승압 인덕터(31)의 출력 전류, 즉 인덕터 전류는 연료 전지부(1)의 발생 전류와 동일하며, 이값을 제어하기 위해서는 비교기(53)에서 출력되는 펄스의 폭을 조절하게 된다. 펄스의 폭을 조절하는 것은 전압을 변동시키는 것과 동일하므로, 제2 비례-적분제어기(52)의 출력 값은 펄스 폭을 변화시키는 기준전압이 된다. 기준전압이 크면 펄스 폭이 커지며, 기준전압이 작으면 펄스 폭이 줄어들 수 있다. 이에 따라, 인덕터 전류도 증감할 수 있다. 따라서, 여기서는 기준전압 값을 전압명령이라고 기술하였다.The output current of the
도 2는 최대전력점추종의 동작 원리를 설명하기 위한 그래프이다.2 is a graph illustrating an operation principle of maximum power point tracking.
도 1 및 도 2를 참조하여, 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템(100)의 최대전력점추종회로(4) 및 충전전류제어회로(5)의 동작 원리를 보다 상세하게 설명하기로 한다.1 and 2, the operation principle of the maximum power
도 2를 참조하면, 최대전력점에서의 전력의 미소 변화량(ΔP)은 0이며, 이때 연료 전지부(1)에서 발생하는 전압과 전류는 각각 최대전력점 전압(VMPP)과 최대전력점 전류(IMPP)이다. 연료 전지부(1)에서 공급되는 전류가 최대전력점 전류(IMPP) 보다 작을 경우, 전류 증가에 따른 전력의 미소 변화량(ΔP)은 양의 값이 되며, 연료전지 전류가 최대전력점 전류(IMPP) 보다 클 경우, 전류 증가에 따른 전력의 미소 변화량(ΔP)은 음의 값이 된다.Referring to FIG. 2, the small change amount ΔP of power at the maximum power point is 0, and the voltage and the current generated in the
본 발명의 최대전력점추종 방법에 따르면, 전력의 미소 변화량(ΔP)을 계산하여 미소 변화량(ΔP)이 0이 될 수 있도록 충전전류량을 제어할 수 있다.According to the maximum power point tracking method of the present invention, the amount of charge current can be controlled so that the amount of change ΔP becomes zero by calculating the amount of change ΔP of power.
도 1에서 도시된 연료 전지부(1)의 전압과 전류를 검출함으로써, 곱셈기(41)에서 순시전력 값(Pk)을 산출할 수 있다. 산출된 순시전력 값(Pk)과 기설정된 시간 동안 지연된 순시전력 값(Pk -1)의 차를 제1 뺄셈기(43)에서 구하면, 전력의 미소 변화량(ΔP)을 아래 수학식 1과 같이 얻을 수 있다.By detecting the voltage and current of the
여기서, k는 1 이상의 크기를 갖는 자연수일 수 있다.Here, k may be a natural number having a size of 1 or more.
도 1에서 도시된 제1 비례-적분제어기(44)는 전력의 미소 변화량(ΔP)이 0이 되도록 전류 명령의 증분 값(ΔI)을 생성한다.The first proportional-
이때, 제1 비례-적분제어기(44)는 전력의 미소 변화량(ΔP)이 0이 되도록 하는 기능을 가진 것으로, 일 예로서, 진상-지상 보상기(Lead-Lag compensator) 및 비례-미분-적분(PID) 제어기 등과 같은 유사한 기능을 가진 제어기를 포함할 수도 있다.In this case, the first proportional-
덧셈기(45)는 전류 명령의 증분 값(ΔI)과 전류 명령의 초기 값(Iini)을 더하여 전류 명령을 발생하며, 증폭기(46)의 이득 k를 곱하여 최대전력점추종을 위한 충전전류 명령을 계산한다.The
여기서, 전류명령이란 최대전력점추종을 위한 기준전류를 나타낸다. 따라서, 본 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템(100)이 정상상태에 있는 경우, 전류명령은 IMPP와 동일한 값이 된다. 본 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템(100)에서는 처음부터 IMPP값을 산출하는 것이 아니라, 전력의 증분 값을 이용하여 연료전지부(1)의 전류 값을 제2 비례-적분제어기(52)에서 서서히 IMPP값에 수렴하도록 기준전류를 증가시키며(전류명령의 증분 값), 전류명령의 초기값(Iini)에 전류명령의 증분 값을 더하면 연료 전지부(1)에서 최대전력점추종을 위해서 발생되어야 하는 전류 값이 산출될 수 있다. 따라서, 제2 비례-적분제어기(52)가 정상적으로 동작한다면 연료 전지부(1)의 발생전류가 산출된 전류 값과 동일하게 될 수 있다.Here, the current command indicates a reference current for maximum power point tracking. Thus, when the present maximum power point tracking power conversion and charging
충전전류제어회로(5)는 2차 전지부(2)에 충전되는 전류가 증폭기(46)에서 출력되는 충전전류 명령을 추종하도록 제어하는 역할을 한다.The charging
여기서, 산출된 전류명령에 증폭기(46)의 이득(k)를 곱하면 실제 2차 전지부(2)에 충전되어야 하는 전류가 산출되며, 여기서 산출된 전류 값이 충전전류명령이다. 충전전류명령은 승압형 전력 변환기(3)에 의해 전압이 승압되면, 연료 전지부(1)에서 발생하는 전류와 2차 전지부(2)에 충전되는 전류는 그 크기가 다를 수 있다. 따라서, 제2 비례-적분제어기(52)가 정상적으로 동작한다면 2차 전지부(2)의 충전전류는 연료 전지부(1)에서 발생하는 전류와 동일하게 될 수 있다.Here, multiplying the calculated current command by the gain k of the
도 1에서 도시된 제2 뺄셈기(51)에서는 충전전류 명령과 배터리 충전전류 간의 오차를 계산하며, 제2 비례-적분제어기(52)에서는 오차가 최소가 되도록 하는 전압명령을 생성한다.The
이때, 상술한 제2 비례-적분제어기(52)는 충전전류 오차를 최소화하기 위한 기능을 가진 것으로, 일 예로서, 진상-지상보상기(Lead-lag compensator) 및 비례-미분-적분(PID)제어기 등과 같은 유사한 기능을 가진 제어기를 포함할 수도 있다.In this case, the above-described second proportional-
비교기(53)는 제2 비례-적분제어기(52)에서 생성되어 출력되는 전압명령을 이용하여, 고주파로 동작하는 제1 트랜지스터(32)의 ON/OFF 시간을 제어하는 펄스폭변조(PWM) 펄스를 생성하여 출력한다.The
본 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템(100)에 따르면, 상술한 방법에 따라 제1 트랜지스터(32)의 ON/OFF 시간을 제어할 수 있으므로, 연료 전지부(1)에서 발생하는 최대전력점에서 2차 전지부(2)의 충전이 이루어지게 된다. 이에 따라, 연료 전지, 태양 전지와 같은 에너지원을 사용함에 있어, 에너지 변환 효율을 높여 에너지 이용률을 극대화할 수 있다.According to the present maximum power point tracking power conversion and charging
또한, 종래에 사용하던 복잡한 최대전력점추종회로 및 시스템과 비교하여 간단한 아날로그 회로로 최대전력점추종회로(4) 및 충전전류제어회로(5)를 구현할 수 있으므로, 최대전력점추종회로(4) 및 충전전류제어회로(5)를 소형화할 수 있으며, 더 나아가, 본 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템(100)을 소형화할 수 있다.In addition, since the maximum power
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템은, 승압형 전력 변환기, 최대전력점추종회로, 및 충전전류제어회로를 포함한다.On the other hand, the maximum power point tracking power conversion and charging system according to another embodiment of the present invention, a boost type power converter, a maximum power point tracking circuit, and a charging current control circuit.
본 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템은 연료 전지부(1)에서 생성되는 전압을 승압하여 2차 전지부(2)에 제공하는 승압형 전력 변환기(3), 연료 전지부(1)로 유입되는 전류 및 연료 전지부(1)에서 생성된 전압을 이용하여 최대전력점추종을 위한 충전전류 명령을 산출하는 최대전력점추종회로(4), 및 2차 전지부(2)로 충전되는 전류가 충전전류 명령을 추종하도록 승압형 전력 변환기(3)를 제어하는 충전전류제어회로(5)를 포함한다.The maximum power point tracking power conversion and charging system flows into the booster
본 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템에 따르면, 연료 전지부(1)의 최대 전력점에서 2차 전지부(2)를 충전할 수 있다.According to the present maximum power point tracking power conversion and charging system, the
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.While the above has been shown and described with respect to preferred embodiments of the invention, the invention is not limited to the specific embodiments described above, it is usually in the technical field to which the invention belongs without departing from the spirit of the invention claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or the prospect of the present invention.
1 : 연료 전지부 2 : 2차 전지부
3 : 승압형 전력 변환기 4 : 최대전력점추종회로
5 : 충전전류제어회로 31 : 제1 승압 인덕터
32 : 제1 트랜지스터 33 : 제2 트랜지스터
35 : 출력 커패시터 41 : 곱셈기
42 : 지연회로 43 : 제1 뺄셈기
44 : 제1 비례-적분 제어기 45 : 덧셈기
46 : 증폭기 51 : 제2 뺄셈기
52 : 제2 비례-적분 제어기 53 : 비교기
100 : 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템1
3: boost type power converter 4: maximum power point tracking circuit
5: charging current control circuit 31: first boost inductor
32: first transistor 33: second transistor
35
42
44: first proportional-integral controller 45: adder
46
52: second proportional-integral controller 53: comparator
100: maximum power point tracking power conversion and charging system
Claims (6)
상기 생성된 전압을 저장하는 2차 전지부;
상기 연료 전지부에서 생성되는 전압을 승압하여 상기 2차 전지부에 제공하는 승압형 전력 변환기;
상기 연료 전지부로 유입되는 전류 및 상기 생성된 전압을 이용하여 최대전력점추종을 위한 충전전류 명령을 산출하는 최대전력점추종회로; 및
상기 2차 전지부로 충전되는 전류가 상기 충전전류 명령을 추종하도록 상기 승압형 전력 변환기의 턴온/턴오프 듀티비(duty ratio)를 조절하는 충전전류제어회로;를 포함하고,
상기 최대전력점추종회로는,
상기 연료 전지부에서 생성된 전압과 상기 연료 전지부로 유입되는 전류를 곱하여 전력을 산출하는 곱셈기;
상기 산출된 전력을 기설정된 시간 동안 지연시켜 지연 전력을 산출하는 지연회로;
상기 산출된 전력으로부터 상기 산출된 지연 전력를 감산하는 제1 뺄셈기;
최대전력점추종을 위하여 상기 제1 뺄셈기에서 출력되는 전력의 미소 변화량이 0이 되도록 전류 명령의 증분 값을 생성하는 제1 비례-적분 제어기;
상기 전류 명령의 증분 값과 상기 전류 명령의 초기 값을 더하는 덧셈기; 및
상기 덧셈기에서 출력되는 값을 기정의된 이득 값으로 스케일링하여, 최대전력점추종을 위한 충전전류 명령을 산출하는 증폭기;를 포함하는 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템.A fuel cell unit generating a voltage;
A secondary battery unit storing the generated voltage;
A boost type power converter which boosts the voltage generated by the fuel cell unit and provides the boosted voltage to the secondary battery unit;
A maximum power point tracking circuit configured to calculate a charging current command for maximum power point tracking using the current flowing into the fuel cell unit and the generated voltage; And
And a charge current control circuit configured to adjust a turn-on / turn-off duty ratio of the boost type power converter so that the current charged by the secondary battery unit follows the charge current command.
The maximum power point tracking circuit,
A multiplier for calculating electric power by multiplying the voltage generated by the fuel cell unit with a current flowing into the fuel cell unit;
A delay circuit for delaying the calculated power for a predetermined time to calculate delay power;
A first subtractor which subtracts the calculated delay power from the calculated power;
A first proportional-integral controller for generating an increment value of the current command such that the amount of change in power output from the first subtractor is zero for maximum power point tracking;
An adder for adding an increment value of the current command and an initial value of the current command; And
And an amplifier for scaling a value output from the adder to a predetermined gain value to calculate a charging current command for maximum power point tracking.
상기 승압형 전력 변환기는,
상기 연료 전지부에서 생성되는 에너지를 저장하는 제1 승압 인덕터;
상기 제1 승압 인덕터의 에너지 저장을 제어하는 제1 트랜지스터;
상기 제1 승압 인덕터에 저장된 에너지를 출력 커패시터로 전달하는 제2 트랜지스터; 및
상기 제1 승압 인덕터에 저장된 에너지를 전달받아 출력 전압을 생성하는 출력 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템.The method of claim 1,
The boost type power converter,
A first boost inductor storing energy generated by the fuel cell unit;
A first transistor for controlling energy storage of the first boost inductor;
A second transistor transferring energy stored in the first boost inductor to an output capacitor; And
And an output capacitor configured to receive the energy stored in the first boosted inductor to generate an output voltage.
상기 충전전류제어회로는,
상기 2차 전지부로 충전되는 전류 및 상기 증폭기에서 출력되는 충전전류 명령 간의 오차를 산출하는 제2 뺄셈기;
상기 산출된 오차를 최소화하기 위한 전압 명령을 생성하여 출력하는 제2 비례-적분제어기; 및
상기 제2 비례-적분기에서 출력되는 전압 명령과 기설정된 형태의 톱니파를 비교하여, 상기 제1 트랜지스터의 듀티비(duty ratio)를 제어하는 펄스폭변조(PWM) 펄스를 생성하고, 상기 생성된 펄스폭변조 펄스를 상기 제1 트랜지스터로 제공하는 비교기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템.The method of claim 1,
The charging current control circuit,
A second subtractor for calculating an error between a current charged by the secondary battery unit and a charging current command output from the amplifier;
A second proportional-integral controller for generating and outputting a voltage command for minimizing the calculated error; And
By comparing the voltage command output from the second proportional-integrator with a sawtooth wave of a predetermined type, generates a pulse width modulation (PWM) pulse for controlling the duty ratio of the first transistor, the generated pulse And a comparator for providing a width modulated pulse to the first transistor.
상기 제1 비례-적분 제어기 및 상기 제2 비례-적분 제어기 각각은,
진상-지상 보상기(Lead-Lag compensator) 및 비례-미분-적분(PID) 제어기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템.5. The method of claim 4,
Each of the first proportional-integral controller and the second proportional-integral controller,
A maximum power point tracking power conversion and charging system, characterized in that either one of a lead-Lag compensator and a proportional-differential-integral (PID) controller.
상기 제1 승압 인덕터는, 일단이 상기 연료 전지부와 연결되고, 타단이 제1 노드와 연결되며,
상기 제1 트랜지스터는, 드레인 단자가 상기 제1 노드와 연결되고, 게이트 단자가 상기 충전전류제어회로와 연결되고, 소스 단자가 접지 단자에 연결되며,
상기 제2 트랜지스터는, 소스 단자가 상기 제1 노드와 연결되고, 드레인 단자가 제2 노드와 연결되고, 게이트 단자가 상기 제1 트랜지스터의 게이트 단자와 반대의 신호가 인가되며,
상기 출력 커패시터는, 일단이 상기 제2 노드와 연결되고, 타단이 접지 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 최대전력점추종 전력변환 및 충전 시스템.The method of claim 2,
The first boosted inductor has one end connected to the fuel cell part and the other end connected to the first node.
In the first transistor, a drain terminal is connected to the first node, a gate terminal is connected to the charging current control circuit, a source terminal is connected to the ground terminal,
In the second transistor, a source terminal is connected with the first node, a drain terminal is connected with a second node, and a gate terminal is applied with a signal opposite to that of the first transistor,
The output capacitor, the maximum power point tracking power conversion and charging system, characterized in that one end is connected to the second node, the other end is connected to the ground terminal.
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