KR101859799B1 - 태양광 어레이 재구성 방법 및 차량용 태양광 시스템 - Google Patents

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Abstract

태양광 어레이의 재구성에 따른 오버헤드에 기초하여 상기 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하고, 재구성 기간에 따라 재구성 알고리즘을 수행하는, 태양광 어레이 재구성 방법 및 차량용 태양광 시스템을 제공할 수 있다.

Description

태양광 어레이 재구성 방법 및 차량용 태양광 시스템{RECONFIGURABLE METHOD OF PHOTOVOLTAIC ARRAY AND VEHICULAR PHOTOVOLTAIC SYSTEM}
아래의 실시예들은 태양광 어레이 재구성 방법 및 차량용 태양광 시스템에 관한 것이다.
태양광 셀은 깨끗하고, 경량이며, 조용하고, 내구성을 가지므로 전기 자동차를 위한 최적의 전원일 수 있다. 하지만, 태양광 전력만으로 전기 자동차 전체를 구동하기에는 충분하지 않다. 하루의 가장 높은 일사량은 대략 1000 W/m2 이고, 30 % 효율의 태양 광 모듈은 1m2 면적에서 300 W의 피크 전력을 생산한다. 예를 들어, 승용차의 천장, 후드, 트렁크 등과 같은 통상의 수평 패널 영역은 대략 4-5 m2이기 때문에 승용차의 수평 패널에만 태양광 셀을 부착한다면 1.2kW~1.5kW의 전력을 얻을 수 있다. 한편 승용차의 수직 패널 영역은 대략 3-4 m2 이상이기 때문에 효율적으로 수직 패널을 컨트롤 한다면, 수평 패널에 위치한 태양광 셀보다는 적은 양이지만 상당한 양의 추가적인 전력(예를 들어, 600 W 이상)을 얻을 수 있다.
물론 전기 자동차의 견인 모터(traction motor)의 정격 전력(power rating)은 일반적으로 100 kW 이상이고, 태양광 셀로부터 얻어지는 전력만으로는 차량의 주행을 온전히 책임질 수 없으므로 태양광 셀은 배터리와 결합하여 차량 주행의 보조적인 동력원으로 사용되는 것이 보통이다. 하지만 차량의 주행 중에는 정격 전력의 일부(예를 들어, 도심 주행 시에는 10 kW 이하)만이 사용되고, 견인 모터에서 소비되는 정격 전력은 주로 가속 및 오르막 구동을 위한 것이기 때문에, 주행 중 이렇게 얻을 수 있는 추가적인 전력의 양은 무시할 수 없는 수준이다.
이렇게 수직 패널에 위치한 태양광 셀은 수평 패널에 위치한 태양광 셀에 비해 반대 방향에서 오는 차량 등에 의한 부분 그늘짐 현상이 자주 일어나고, 차량의 진행 방향이 빠르게 자주 바뀌기 때문에 수평 패널에 위치한 태양광 셀에 비해 적극적이고 자세한 제어가 필요하다.
일 실시예에 따르면, 태양광 어레이를 실시간으로 재구성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 차량용 태양광 어레이를 위한 최적의 재구성 기간을 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 태양광 어레이를 구성하는 태양광 셀의 최적 크기를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 부분 음영(partial shading)에 의한 태양광 어레이의 성능 저하를 해소할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 차량에서 태양광 셀들이 장착되는 최적의 장착 위치들을 결정할 수 있다.
일 측에 따르면, 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 방법은 태양광 어레이(photovoltaic array)의 재구성에 따른 오버헤드(overhead)에 기초하여 상기 태양광 어레이의 재구성 기간(reconfiguration period)을 결정하는 단계; 및 상기 재구성 기간에 따라 재구성 알고리즘을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 오버헤드는 상기 태양광 어레이의 재구성에 따른 타이밍 오버헤드; 및 상기 태양광 어레이의 재구성에 따른 에너지 오버 헤드를 포함할 수 있다.
상기 타이밍 오버헤드는 상기 태양광 어레이에 수집되는 일사량을 감지하는 센서 어레이의 일사량 감지 지연, 상기 센서 어레이의 전송 지연, 상기 태양광 어레이의 구성 산출을 위한 계산 오버헤드, 상기 태양광 어레이의 재구성 지연, 상기 태양광 어레이에 포함된 태양광 셀의 최대 전력점 추적(MPPT)을 위한 제어 오버헤드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 에너지 오버헤드는 상기 태양광 어레이를 재구성하는 동안의 출력 전력에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 재구성 기간을 결정하는 단계는 상기 오버헤드를 고려한 성능에 기초하여 상기 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 오버헤드를 고려한 성능은 상기 태양광 어레이에 수집되는 일사량(solar irradiance) 및 차량의 주행 패턴(driving profile) 중 적어도 하나에 기초하여 계산될 수 있다.
상기 재구성 기간을 결정하는 단계는 다수의 후보 재구성 기간들에 따른 성능 평가에 기초하는 적응적 학습 방법을 이용하여 상기 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적응적 학습 방법을 이용하여 상기 재구성 기간을 결정하는 단계는 다수의 후보 재구성 기간들을 설정하는 단계; 상기 오버헤드의 분석 결과에 기초하여 상기 다수의 후보 재구성 기간들을 평가하는 단계; 지수 가중 함수를 이용하여 상기 다수의 후보 재구성 기간들에 따른 성능을 갱신하는 단계; 및 상기 갱신된 다수의 후보 재구성 기간들 중 갱신된 성능이 가장 높은 후보 재구성 기간을 상기 재구성 기간으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 태양광 셀의 크기를 결정하는 방법은 태양광 어레이의 비용에 기초하여, 서로 다른 셀 크기를 가지는 태양광 셀 후보들을 결정하는 단계; 상기 태양광 어레이의 재구성 복잡도에 기초하여, 상기 태양광 셀 후보들 각각에 의해 구성된 후보 태양광 어레이들의 성능을 평가하는 단계; 및 상기 성능 평가에 기초하여 상기 태양광 셀의 크기를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 성능을 평가하는 단계는 상기 후보 태양광 어레이들의 재구성에 따른 타이밍 오버헤드 및 에너지 오버헤드를 고려하여 상기 후보 태양광 어레이들의 성능을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 태양광 어레이를 재구성하는 방법은 태양광 어레이- 상기 태양광 어레이는 복수 개의 태양광 셀들을 포함하는 태양광 모듈들로 구성됨 -에서 수집되는 일사량을 포함하는 조도 프로파일(irradiation profile)을 수신하는 단계; 상기 조도 프로파일 및 차량의 주행 패턴(driving profile) 중 적어도 하나에 기초하여 상기 태양광 모듈들을 재구성하기 위한 재구성 정보를 결정하는 단계; 및 상기 재구성 정보에 기초하여, 상기 태양광 모듈들에 포함된 스위치들의 연결 상태를 제어함으로써 상기 태양광 어레이를 재구성하는 단계를 포함한다.
상기 재구성 정보를 결정하는 단계는 재구성 알고리즘을 이용하여 상기 태양광 어레이에 포함된 태양광 셀들이 최대치의 출력 전력을 갖는 최대 전력점(MPP) 또는 상기 최대 전력점의 부근에서 동작하도록 제어하는 재구성 정보를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 재구성 알고리즘은 상기 태양광 어레이를 구성할 그룹의 개수를 찾기 위한 외부 루프 및 상기 그룹 개수에 기초하여 상기 태양광 어레이에 포함된 태양광 셀들이 최대치의 출력 전력을 갖는 최대 전력점(MPP)에서 동작하도록 하는 커널 알고리즘을 포함할 수 있다.
상기 태양광 어레이를 재구성하는 방법은 일사량의 변화에 따라 변화하는 상기 태양광 셀들의 최대 전력점을 추적하여 상기 재구성 정보를 갱신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 태양광 셀은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 및 게이트 드라이버로 구성된 한 쌍의 병렬 스위치 및 하나의 직렬 스위치를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 차량용 태양광 시스템은 차량의 적어도 일부에 장착되어 태양광을 수집하는 복수 개의 태양광 셀들을 포함하는 태양광 모듈들로 구성된 태양광 어레이(PV Array); 상기 태양광 어레이에 수집되는 일사량을 감지하는 센서 어레이; 및 상기 감지된 일사량에 기초하여 상기 태양광 모듈들을 재구성하기 위한 재구성 정보를 결정하고, 상기 재구성 정보에 기초하여 상기 태양광 모듈들에 포함된 스위치들의 연결 상태를 제어함으로써 상기 태양광 어레이를 재구성하는 제어부를 포함한다.
상기 차량용 태양광 시스템은 에너지를 저장하고, 차량의 모터를 구동하는 배터리 팩(battery pack); 및 상기 태양광 어레이를 상기 배터리 팩들에 연결하고, 상기 태양광 어레이의 동작점을 조절함으로써 상기 태양광 모듈들의 출력 전압 및 전력을 제어하여 상기 배터리 팩을 충전하는 전력 변환기(Power converters)를 더 포함할 수 있다.
상기 태양광 어레이는 직렬로 연결된 복수의 태양광 그룹들을 포함하고, 상기 태양광 그룹 각각은 한 쌍의 병렬 스위치에 의해 서로 병렬로 연결된 복수의 태양광 셀들을 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 감지된 일사량 및 재구성 알고리즘에 기초하여 상기 재구성 정보를 결정할 수 있다.
상기 재구성 알고리즘은 상기 태양광 어레이를 구성할 그룹의 개수를 찾기 위한 외부 루프 및 상기 그룹 개수에 기초하여 상기 태양광 어레이에 포함된 태양광 셀들이 최대치의 출력 전력을 갖는 최대 전력점(MPP)에서 동작하도록 하는 커널 알고리즘을 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 태양광 셀의 장착 위치를 결정하는 방법은 사용자의 주행 패턴을 수집하는 단계;
상기 주행 패턴에 기초하여, 태양광 어레이- 상기 태양광 어레이는 복수 개의 태양광 셀들을 포함함 -를 차량에 장착하기 위한 후보 장착 위치들 각각에서 비용 대비 성능을 평가하는 단계; 및 상기 평가 결과에 기초하여, 태양광 셀들의 장착 위치들을 결정하는 단계를 포함한다.
일 측에 따르면, 조도 프로파일(irradiation profile) 및 차량의 주행 패턴(driving profile) 등에 기초하여 태양광 어레이를 실시간으로 재구성할 수 있다.
일 측에 따르면, 오버헤드 분석에 기초하여 차량용 태양광 어레이를 위한 최적의 재구성 기간을 결정할 수 있다.
일 측에 따르면, 태양광 어레이의 비용 및 재구성 복잡도에 기초하여 태양광 어레이를 구성하는 태양광 셀의 최적 크기를 결정할 수 있다.
일 측에 따르면, 실시간으로 재구성되는 태양광 어레이에 의해 부분 음영(partial shading)에 의한 효율 저하를 해소할 수 있다.
일 측에 따르면, 사용자의 주행 패턴에 기초하여 차량에 태양광 셀들이 장착되는 최적의 장착 위치들을 결정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 태양광 셀의 전압-전류 및 전압-전력의 관계를 나타낸 그래프.
도 2는 일 실시예에 따른 차량용 태양광 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 3은 일 실시예에 따른 태양광 어레이의 구조를 나타낸 도면.
도 4는 일 실시예에 따른 태양광 어레이에 포함된 스위치들의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 5는 일 실시예에 따른 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 방법을 나타낸 흐름도.
도 6은 일 실시예에 따라 재구성된 태양광 어레이의 성능 비교 결과를 나타낸 도면.
도 7은 일 실시예에 따른 서로 다른 재구성 기간을 가지는 재구성 태양광 시스템들의 성능을 비교한 결과를 나타낸 도면.
도 8은 일 실시예에 따른 태양광 셀의 최적의 크기를 결정하는 방법을 나타낸 흐름도.
도 9는 일 실시예에 따른 태양광 어레이를 재구성하는 방법을 나타낸 흐름도.
도 10은 다른 실시예에 따른 차량용 태양광 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 11은 일 실시예에 따른 태양광 셀의 최적 장착 위치를 결정하는 방법을 나타낸 흐름도.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
태양광 셀은 전기 자동차가 주차할 때 전기 자동차의 배터리를 충전할 수 있고, 이로서 그리드(grid)로부터의 충전 요구를 완화할 수 있다. 전기 자동차를 충전하는 전력의 대부분은 화석 연료로부터 생산되므로 태양광 전력은 많은 장점을 갖는다.
태양광 전력을 사용하는 전기 자동차는 후드 및 루프 탑과 같은 최소한의 태양 입사각(incidence angle)을 가지는 차량 패널들에 태양광 셀을 구비한다. 도어 패널들 및 쿼터 패널들과 같은 보다 많은 차량 표면적을 사용하는 온 보드 태양광 셀 어레이의 확대는 의미가 있다. 예를 들어, 후드, 루프 탑, 도어 패널들, 쿼터 패널들 등을 포함하는 전체 태양광 셀 어레이의 양단에 단일 전력 변환기가 연결되는 스트링 충전기 구조는 저항에 따른 전류 손실(IR drop)을 줄이기 위해 장착된 고전압 배터리를 충전시킬 수 있는, 비용을 고려한 실용적인 방법이다.
또한, 전기 자동차에는 저항에 따른 전류 손실(IR drop)을 낮추기 위해 고전압 배터리가 장착된다. 후드(hood), 루프 탑(roof top), 도어 패널(door panel), 및 쿼터 패널(quarter panel) 등에 장착된 태양광 모듈 각각에 여러 개의 전력 변환기가 연결되는 마이크로 충전기 구조는 비쌀 뿐만 아니라 태양광 전압의 단계적인 상승에도 비효율적이다.
하지만, 도어 패널들 및 쿼터 패널들에 있는 태양광 셀에 대한 일사량은 후드 및 루프 탑에 있는 패널들에 대한 일사량과 다르기 때문에, 태양광 전력 출력을 증가시키는 데에 도움이 되지 않거나 심지어 태양광 전력 출력을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 운전자 측 쿼터, 도어 패널, 및 조수석 패널들에 대한 일사량 프로파일은 구동 방향 및 하루 중의 시간에 의해 사실상 반대가 될 수 있다. 이러한 문제점을 해결 하기 위해 후드(hood), 루프 탑(roof top), 도어 패널(door panel), 및 쿼터 패널(quarter panel) 등에 장착된 태양광 모듈 각각에 여러 개의 전력 변환기가 연결되는 마이크로 충전기 구조를 사용할 수 있으나 이 구조는 비쌀 뿐만 아니라 태양광 전압의 단계적인 상승에도 비효율적이다.
도 1은 일 실시예에 따른 태양광 셀의 전압-전류 및 전압-전력의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, 서로 다른 일사량 레벨(G) 하에서 태양광 셀의 전류(I)-전압(V) 특성(a) 및 전력(P)-전압(V) 특성(b)이 비선형임을 나타내는 그래프가 도시된다.
도 1에서 GSTC는 표준 테스트 조건에서의 조도(irradiance)(1000 W/㎡)를 나타내고, 점은 최대 전력점(Maximum Power Point; MPP)을 나타낸다. 최대 전력점은 임의의 일사량 레벨 하에서 태양광 셀의 출력 전력의 최대치를 나타낸다.
변화하는 일사량 하에서 태양광 시스템의 출력 전력을 최대화하기 위해 최대 전력 점 추적(Maximum Power Point Tracking; MPPT) 기법 및 최대 전력 전송 트래킹(maximum power transfer tracking; MPTT) 기법이 사용될 수 있다. 일 실시예에서는 태양광 셀들이 모두 그들의 최대 전력점 또는 최대 전력점 부근에서 동작하도록 함으로써 태양광 시스템의 출력 전력을 향상시킬 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 차량용 태양광 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2(a)를 참조하면, 일 실시예에 따른 차량용 태양광 시스템은 태양광 어레이(photovoltaic(PV) array)(210), 태양광 충전기(PV charger)(220), 발전기 충전기(Generator charger)(230), 배터리 팩(Battery pack)(240) 및 견인 모터(traction motor)(250)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 차량용 태양광 시스템은 도 2와 같이 스트링 충전기 구조(string charger structure)에 기초할 수 있다.
태양광 어레이(210)는 예를 들어, 자동차의 후드(hood), 루프 탑(rooftop), 트렁크(trunk), 도어 패널들(door panels), 쿼터 패널들(quarter panels) 등에 장착된 다수의 태양광 모듈들로 구성될 수 있다. 태양광 모듈들은 서로 다른 영역들을 가지고, 따라서, 서로 다른 개수의 태양광 셀들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서는 태양광 어레이(210)의 동작점(operating point)을 적절하게 조정하기 위해 배터리 팩(240)과 전체 태양광 어레이(210) 간에 태양광 충전기(220)를 사용할 수 있다. 태양광 충전기(220)는 예를 들어, 벅 부스트(buck-boost) 충전기 전력 모델을 사용할 수 있다. 태양광 충전기(220)는 입력 전압과 출력 전압들이 서로 근접하고, 출력 전류가 소정 범위 내에 있을 때에 충전 효율은 최대가 될 수 있다.
도 2(b)를 참조하면, 태양광 어레이(210)는 예를 들어, n 개의 직렬로 연결된 태양광 그룹들(211, 213, 215)로 구성되고, 각 태양광 그룹(211, 213, 215)은 서로 다른 개수의 병렬로 연결된 태양광 셀들로 구성될 수 있다. 태양광 어레이(210) 및 각 태양광 그룹(211, 213, 215)의 구성에 대하여는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
태양광 어레이(210)에서 서로 다른 태양광 셀들에 의해 수신되는 일사량 레벨은 서로 다르며, 이러한 현상은 차량이 빌딩 및 장애물 주변에서 이동함에 따라 발생하는 부분 음영(partial shading)에 따른 것이다. 방향 변경이 자동차의 다른 쪽에서의 일사량 레벨의 변화를 발생시키기 때문에, 자동차에 설치된 태양광 어레이(210)는 심각한 부분 음영을 경험할 수 있다.
부분 음영은 빌딩 및 장애물 등에 의해 가려진 태양광 셀의 최대 출력 전력을 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 부분 음영은 음영된 부분과 직렬로 연결된 태양광 셀들을 최대 전력점(MPP)으로부터 벗어나도록 만들므로 태양광 어레이(210)의 출력 전력을 저하시킬 수 있다. 일 실시예에서는 태양광 어레이(210)를 동적으로 재구성함으로써 부분 음영을 방지할 수 있다.
태양광 충전기(220)는 태양광 어레이(210)에 포함된 태양광 모듈들의 출력 전압 및 전력을 제어할 수 있다. 태양광 충전기(220)는 전력 변환기(Power converters)일 수 있다.
배터리 팩(240)은 에너지를 저장하고, 발전기 충전기(230)를 통해 차량의 견인 모터(250)에 연결될 수 있다.
견인 모터(250)는 발전기 충전기(230)를 통해 배터리 팩(240)에 저장된 에너지를 수신하여 자동차를 구동시킬 수 있다.
일 실시예에서는 태양광 어레이(210)를 차량에 부분적으로 설치할 수 있다. 태양광 모듈들이 여전히 비싸기 때문에 저효율 태양광 모듈의 설치는 낭비이다. 예를 들어, 운전자가 아침에 북쪽으로 통근하고, 오후에 남쪽으로 통근할 때 조수석 측 쿼터 및 도어 패널들은 의미있는 일사량을 가지지만, 그 반대의 경우 낭비가 될 수 있다.
일 실시예에서는 태양광 일사량을 모니터링하는 센서 어레이를 구현하고, 운행 위치 및 시간에 따른 다양한 조도 프로파일을 수집한 다음, 운전 패턴에 따라 적절하게 태양광 모듈을 설치할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 태양광 어레이의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 태양광 셀의 구조(a) 및 N 개의 태양광 셀들을 포함하는 재구성 태양광 어레이의 구조(b)가 도시된다.
일 실시예에 따른 태양광 셀은 세 개의 반도체 스위치들(solid-state switch)을 포함하는 스위치 셋(Switch-Set)을 포함할 수 있다. 태양광 셀은 도 3(a)에 도시된 것과 같이 하나의 직렬 스위치(Ss,i) 및 한 쌍의 병렬 스위치(SpT , i, SpB, i)를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 태양광 어레이는 도 3(b)에 도시된 것과 같이, 맨 마지막 N번째 태양광 셀을 제외한 모든 셀들이 스위치들과 집적(integrate)될 수 있다. 태양광 어레이는 차량의 후드, 루프 탑, 도어 패널들, 쿼터 패널들 등에 장착된 모든 태양광 모듈들로부터 모든 태양광 셀들을 연결할 수 있다.
일 실시예에서는 태양광 어레이를 구성하는 스위치들의 온/오프 상태를 제어함으로써 태양광 어레이를 재구성할 수 있다.
태양광 셀의 한 쌍의 병렬 스위치들(SpT,i, SpB,i)은 항상 동일한 상태에 있고, 태양광 셀의 직렬 스위치(Ss,i)는 병렬 스위치들(SpT,i, SpB,i)과 반대 상태에 있어야 한다. 예를 들어, 병렬 스위치들(SpT,i, SpB,i)이 온(ON) 상태에 있다면, 직렬 스위치(Ss,i)는 오프(OFF) 상태에 있어야 한다.
병렬 스위치들은 태양광 그룹을 형성하기 위해 태양광 셀들을 병렬로 연결하고, 직렬 스위치들은 태양광 그룹들을 직렬로 연결할 수 있다.
N 개의 태양광 셀들을 가진 태양광 어레이는 N 이하인 임의의 개수의 태양광 그룹들을 가질 수 있다. 이때, 임의의 개수의 태양광 셀들 각각은 순차적으로 연속한 식별자(ID)를 가질 수 있다.
이하에서는 태양광 어레이의 구성을 위한 직관적 개념(formal definition)을 설명한다.
N 개의 태양광 셀들로 구성된 태양광 어레이는 임의의 개수(N 이하)의 태양광 그룹들을 가질 수 있다. 예를 들어, j 번째 태양광 그룹에 있는 병렬 연결된 태양광 셀의 숫자 rj (> 0)는 다음의 <수학식 1>을 만족할 수 있다.
Figure 112015076850411-pat00001
여기서,
Figure 112015076850411-pat00002
는 태양광 그룹들의 개수이다.
이 구성은 태양광 셀의 인덱스 집합 A = {1, 2, 3, … , N}의 분할(partitioning)로 볼 수 있다. 여기서, 태양광 셀의 인덱스 집합 A에 있는 구성 요소는 태양광 어레이에서 태양광 셀들의 인덱스를 나타낼 수 있다. 이러한 분할은 인덱스 집합 A의 서브 셋들(B1, B2, … , 및 Bg)에 의해 표현되고, 태양광 셀들(r1, r2, …, 및 rg) 각각을 포함하는
Figure 112015076850411-pat00003
태양광 그룹들에 대응될 수 있다. 서브 셋들(B1, B2, …, 및 Bg)은 아래의 <수학식 2> 및 <수학식 3>을 만족할 수 있다.
Figure 112015076850411-pat00004
[수학식 3]
Figure 112015076850411-pat00005
예를 들어, 1 ≤ j < k ≤ g를 만족하는 i1 < i2 for ∀i1 ∈ Bj 및 ∀i2 ∈ Bk 와 같은 태양광 어레이의 구조적인 특성으로 인해, 1 ≤ j < k ≤ g 인 그룹 j의 태양광 셀들의 인덱스는 그룹 k의 태양광 셀들의 인덱스 보다 작아야 한다. 이러한 특성을 만족하는 분할을 알파벳 순의 분할(alphabetical partitioning)이라 부를 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 태양광 어레이에 포함된 스위치들의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 재구성을 위해 서로 다르게 설정된 태양광 어레이의 스위치들의 상태가 도시된다.
그룹 1(group #1)은 병렬로 연결된 5개의 태양광 셀들의 그룹을 형성하기 위해 Sp,1 부터 Sp,4 까지 4개의 병렬 스위치들을 온(ON) 시킴으로써 구성될 수 있다. 그룹 1(group #1)부터 그룹 3(group #3)은 직렬 스위치 Ss,5 및 Ss,8 의 2개의 직렬 스위치들을 온(ON) 시킴으로써 서로 직렬로 연결될 수 있다.
일 실시예에서는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)와 제어부를 포함하는 고속, 고압의 스위치 네트워크에 의해 태양광 어레이를 구현할 수 있다.
주행 중 자동차의 각 측면에서의 조도 레벨의 급격한 변화 하에서, 재구성과 관련된 에너지 오버헤드 및 타이밍 오버헤드에 기인한 일부 조도 레벨이 변화하는 한 최적의 재구성을 수행하는 것은 불가능하다.
따라서, 일 실시예에서는 오버헤드 분석에 기초하여 차량용 태양광 어레이를 위한 최적 재구성 기간(또는 정책(policy))을 결정할 수 있다. 긴 재구성 기간은 일사량 레벨에서 빠른 변화를 포착할 수 없다. 반면에, 짧은 재구성 기간은 높은 타이밍 오버헤드 및 에너지 오버헤드를 유도하고, 궁극적으로 태양광 시스템의 성능을 저하시킬 수 있다.
일 실시예에서는 주행 중에 자동차의 각 측면에서 실제 태양 복사 프로파일을 획득하기 위한 지그비(Zigbee) 기반의 센서 어레이(도 9의 920 참조) 및 로거 프로그램(logger program)을 구축할 수 있다. 지그비는 저전력, 낮은 데이터 레이트(data rate), 및 긴 배터리 수명을 요구하는 개인 영역 네트워크(PAN)를 생성하기 위한 무선 네트워크 프로토콜이다. 지그비 프로토콜의 물리적 송수신 범위는 최대 120m까지 이지만, 전력 소비를 줄이기 위해서 부스트 모드(Boost mode)를 해제할 수 있다. 일 실시예에서는 전력 손실을 최소화하기 위해 DC-DC 컨버터 없이 센서 어레이에 포함된 각 센서 노드에 전력을 공급하는 듀얼 AAA 사이즈 배터리를 사용할 수 있다.
지그비 트랜시버 모듈 및 센서 어레이에 포함된 센서 노드들은 듀얼 알카라인 배터리들에 대한 충분한 동작 마진을 갖는 2.4 V~ 3.3 V 공급 전압 레벨에서 동작할 수 있다. 듀얼 AAA 사이즈 배터리들의 수명은 하루의 운행에 대한 일사량 프로파일을 기록하기에 충분한 12시간 이상이다.
지그비 트랜시버 모듈은 내부 ADC(Analog Digital Converter)를 가지고 센서 노드들로부터 자동적으로 값을 판독하고, 판독한 값을 매 50 ms 마다 250 kbits/s 데이터 전송 속도로 전송할 수 있다.
특별히 디자인된 로거 프로그램은 GPS(Global Positioning System)로부터 수신한 차량 속도 및 위치 정보에 의해 센서 노드들로부터 일사량 데이터를 수집할 수 있다. 위치 정보는 예를 들어, 위도, 경도, 고도 및 시간을 포함할 수 있다. 자동차에 쉽고 단단하게 고정될 수 있도록 센서 노드들의 각 모서리에는 자석이 설치될 수 있다.
센서 노드들은 매우 짧은 시간에 어떠한 차량에도 부착될 수 있고, 다양한 차량들 및 위치들을 테스트하며, 벤치마크 일사량 프로파일을 수집할 수 있다.
일 실시예에서는 벤치마크 일사량 프로파일을 수집하기 위해 예를 들어, 5개의 센서 노드들을 자동차의 후드, 루프탑, 트렁크, 왼쪽 및 오른쪽에 부착할 수 있다. 또한, 실제 벤치마크 차량 운행 프로파일을 수집하기 위해 6개의 서로 다른 경로들을 따라 차량을 운전할 수 있다.
6개 경로들은 [표 1]에서 볼 수 있듯이 서울에서 인천 공항, 온타리오에서 리버사이드까지, 웨스트 로스앤젤레스에서 인디오까지, 웨스트 로스앤젤레스에서 카슨, 리버사이드, 웨스트 로스앤젤레스부터 리버사이드까지의 경로일 수 있다.
Figure 112015076850411-pat00006
도 5는 일 실시예에 따른 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 차량용 태양광 시스템(이하, '태양광 시스템')은 태양광 어레이의 재구성에 따른 오버헤드(overhead)에 기초하여 태양광 어레이의 재구성 기간(reconfiguration period)을 결정한다(510). 태양광 어레이의 재구성에 따른 오버헤드는 예를 들어, 태양광 어레이의 재구성에 따른 타이밍 오버헤드, 및 태양광 어레이의 재구성에 따른 에너지 오버 헤드를 포함할 수 있다.
타이밍 오버헤드는 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 온/오프 지연, 태양광 어레이에 수집되는 일사량을 감지하는 센서 어레이의 일사량 감지 지연(Sensing delay), 센서 어레이의 전송 지연(Network delay), 태양광 어레이의 최적 구성 산출을 위한 계산 오버헤드(Computation overhead), 태양광 어레이의 재구성 지연(Reconfiguration delay), 및 태양광 어레이에 포함된 태양광 셀의 최대 전력점 추적(MPPT)을 위한 제어 오버헤드 등을 포함할 수 있다.
전류 변화를 감지하는 센서 어레이의 설정과 함께, 각 센서 노드는 일사량의 값을 감시 기간(sensing period)인 매 50 ms 마다 감지 및 변환할 수 있다. 일사량 감지 지연은 센서 ADC 설정에 기초하여 10 us 미만일 수 있다.
CAN(control-area network) 전송 프로토콜을 이용한 센서 어레이의 전송 지연은 1 ms 이하일 수 있다.
예를 들어, 60 개의 태양광 셀들을 가진 적절한 스케일의 태양광 어레이의 경우, 재구성 알고리즘에 의해 태양광 어레이의 최적 구성을 산출하는 데에 3.0 GHz 데스크탑 컴퓨터로 3-4 ms가 걸리고, ARM 기반의 임베디드 프로세서와 같은 재구성 프로세서에서는 10 ms 이하가 걸릴 수 있다. 이때, 계산 오버헤드는 3-4 ms 또는 10 ms 일 수 있다.
일 실시예에서 게이트 드라이버 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)가 10us 이내 파형들의 작은 왜곡만으로도 재구성될 수 있다. 따라서, 1 ms 는 안전한 재구성 지연이 될 수 있다.
최대 전력점 추적(MPPT)을 위한 제어 오버헤드는 예를 들어, 교란 및 관찰(perturb & observe; P&O) 지연에 기반할 수 있으며, 예를 들어, 2.5 ms 이하일 수 있다.
총 타이밍 오버헤드는 전술한 지연 성분들의 합일 수 있다. 최적의 재구성 기간(reconfiguration period)을 유도하기 위해 일 실시예에서는 총 타이밍 오버헤드로 15 ms를 사용할 수 있다. 이때, 최소 재구성 기간은 검출 주파수에 의해 한정되는 50 밀리 초(ms)일 수 있다.
또한, 에너지 오버헤드는 태양광 어레이를 재구성하는 동안의 출력 전력에 기초하여 결정될 수 있다. 에너지 오버헤드를 위해, 태양광 시스템은 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)의 온/오프 상태의 변경과 같은 재구성 동안에 제로 출력 전력을 가질 수 있다. 또한, 태양광 시스템은 교란 및 관찰(perturb & observe; P&O) 기반의 최대 전력점 추적(MPPT)을 제어하는 동안에 차선의 출력 전력을 가질 수 있다. 일 실시예에서는 최대 전력점 추적(MPPT)을 제어하는 기간 동안 출력 전력이 제로일 수 있다는 보수적인 추정치를 사용할 수 있다.
단계(510)에서 태양광 시스템은 오버헤드를 고려한 성능에 기초하여 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정할 수 있다. 여기서, 오버헤드를 고려한 성능은 태양광 어레이에 수집되는 일사량(solar irradiance) 및 차량의 주행 패턴(driving profile) 중 적어도 하나에 기초하여 계산될 수 있다.
또한, 단계(510)에서 태양광 시스템은 다수의 후보 재구성 기간들에 따른 성능 평가에 기초한 적응적 학습 방법을 이용하여 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정할 수 있다.
일 실시예에서는 온라인에서 최적의 재구성 시간을 도출하도록 하는 적응적인 학습 방법을 사용할 수 있다. 적응적 학습 방법을 이용하여 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 방법은 예를 들어, 다음과 같다. 태양광 시스템은 다수의 후보 재구성 기간들을 설정하고, 오버헤드의 분석 결과에 기초하여 다수의 후보 재구성 기간들을 평가할 수 있다. 이후, 태양광 시스템은 지수 가중 함수(exponential weighting function)를 이용하여 다수의 후보 재구성 기간들에 따른 성능을 갱신할 수 있다. 태양광 시스템은 갱신된 다수의 후보 재구성 기간들 중 갱신된 성능이 가장 높은 후보 재구성 기간을 재구성 기간으로 결정할 수 있다.
태양광 시스템은 재구성 기간에 따라 재구성 알고리즘을 수행한다(520).
일 실시예에서는 성능, 재구성 복잡도와 오버헤드 간의 바람직한 균형을 달성하기 위해 태양광 어레이를 재구성하기 위한 태양광 셀의 최적의 입도(크기)를 유도하여 설계 시간을 최적화할 수 있다. 태양광 셀의 최적의 크기를 결정하는 방법은 도 8을 참조하여 설명한다.
도 6은 일 실시예에 따라 재구성된 태양광 어레이의 성능 비교 결과를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 2개의 기본 설정 시스템들과 일 실시예에 따라 재구성된 태양광 어레이를 포함하는 태양광 시스템 간의 성능 비교 결과가 도시된다.
일 실시예에서 재구성된 태양광 어레이는 차량의 루프 탑, 후드, 트렁크, 왼쪽 패널 및 오른쪽 패널들에 설치될 수 있다. 태양광 어레이가 설치되는 각 영역들은 잠재적인 태양 에너지 수확을 위한 최대 영역일 수 있다.
일 실시예에서는 두 개의 기본 설정 시스템들을 고려할 수 있다.
기본 설정 시스템 1(Baseline 1)은 태양광 모듈을 루프 탑, 후드, 및 트렁크 패널들에 설치한 것이다. 기본 설정 시스템(Baseline 2)은 태양광 모듈을 루프 탑, 후드, 트렁크, 쿼터, 및 도어 패널들에 설치한 것이다. 기본 설정 시스템들은 태양광 어레이의 재구성을 수행하지 않는다.
일 실시예에서는 예를 들어, 아래와 같이 중간 크기를 가지는 패밀리 세단 차량에 대한 시스템의 각 성능을 측정하고, 아래와 같이 실제 차에서 측정된 영역 매개 변수(area parameter)들을 관찰할 수 있다.
- 후드 (보닛): 1.6 평방 미터(m2)
- 왼쪽 문, 오른쪽 문: 각 1.7 평방 미터
- 지붕: 1.99 평방 미터
- 트렁크: 0.63 평방 미터
또한, 일 실시예에서는 G = 1000 W/m2에서 2.25 MPP 전류, 20 V MPP 전압, 및 0.15 평방 미터(m2) 영역의 고정된 크기의 태양열 셀들을 가정한다. 또한, 차량의 배터리 팩은 200 V 단자 전압을 가지는 것으로 가정한다.
일 실시예에서는 효율성 변화를 가지는 현실적인 태양열 충전기 모델을 고려할 수 있다. 일 실시예에서는 우선, 0.5초의 고정된 재구성 기간을 고려하고, 6개의 벤치 마크 일사량 프로파일들에 대한 재구성 어레이를 포함하는 태양광 시스템 및 기본 설정 시스템들 간의 성능(예를 들어, 평균 출력 전력 등)을 아래의 [표 2]와 같이 비교할 수 있다.
Figure 112015076850411-pat00007
[표 2]에서 일 실시예에 따라 제안된 재구성 어레이를 포함하는 태양광 시스템이 기본 설정 시스템들(B1, B2)에 비해 평균 출력 전력에서 최대 423.0W의 개선을 보이는 것을 관찰할 수 있다.
두 기본 설정 시스템들(B1, B2)을 비교하면, B1이 자주 B2를 능가하는 것을 관찰할 수 있다. 이는 차량의 외쪽 측면과 오른쪽 측면의 일사량이 자주 변하기 때문이다.
도 7은 일 실시예에 따른 서로 다른 재구성 기간을 가지는 재구성 태양광 시스템들의 성능을 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 "온타리오에서 리버사이드까지(Ontario to Riverside)" 및 "리버사이드(Riverside)"의 두 경로들에서 서로 다른 재구성 기간 값을 가지는 재구성 가능한 태양광 시스템의 평균 출력 전력을 나타낸다. 감지 기간(sensing period)이 50 ms이기 때문에, 50 ms가 가장 낮은 가능한 재구성 기간일 수 있다.
도 7을 참조하면, 낮은 시간/에너지 오버헤드 및 빠른 재구성 능력 간의 트레이드-오프를 달성하기 위해, 벤치마크 프로파일들의 최적의 재구성 기간이 대략 일반적으로 0.5초 ~1초(s)임을 관찰할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 태양광 셀의 최적의 크기를 결정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
태양광 셀은 태양광 어레이의 재구성을 위한 기본 단위이고, 그 크기는 필수적으로 낮은 추가 자본 비용과 재구성 복잡도, 및 성능 향상 간의 트레이드-오프이다.
재구성에 적은 개수의 스위치들을 사용하는 경우, 최적 어레이 구성을 위한 계산 오버헤드를 감소시키므로 큰 태양광 셀 크기는 재구성 태양광 어레이 구조의 비용을 절감할 수 있다. 반면에, 작은 태양광 셀 크기는 더 나은 유연성 및 부분 음영에 대한 더 높은 성능을 달성할 수 있다. 이와 같은 태양광 셀 크기의 최적화는 시스템 설계 시에 실행될 수 있다.
일 실시예에서는 태양광 시스템의 비용 및 재구성 오버헤드 간의 바람직한 트레이드-오프를 달성하고, 부분 음영에 대한 향상된 성능을 달성하기 위해 한정된 비용으로 최적의 태양광 셀 크기를 발견할 수 있다.
도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 태양광 시스템은 태양광 어레이의 비용에 기초하여, 서로 다른 셀 크기를 가지는 태양광 셀 후보들을 결정한다(810). 이때, 태양광 시스템은 태양광 어레이의 비용 및 태양광 어레이의 재구성에 필요한 스위치 수에 따른 비용에 기초하여 태양광 셀 후보들을 결정할 수도 있다.
태양광 시스템은 태양광 어레이의 재구성 복잡도에 기초하여, 태양광 셀 후보들 각각에 의해 구성된 후보 태양광 어레이들의 성능을 평가한다(820). 여기서, 태양광 어레이의 재구성 복잡도는 태양광 셀의 크기가 작을수록 높아질 수 있다. 재구성 오버헤드는 태양광 셀의 크기가 작을수록 커질 수 있다. 단계(820)에서, 태양광 시스템은 후보 태양광 어레이들의 재구성에 따른 타이밍 오버헤드 및 에너지 오버헤드를 고려하여 후보 태양광 어레이들의 성능을 평가할 수 있다.
태양광 시스템은 단계(820)의 성능 평가에 기초하여 태양광 셀의 최적 크기를 결정한다(830).
비용의 제약에 따라 일 실시예에서는 가장 바람직한 태양광 셀 크기를 찾기 위해 재구성 알고리즘의 외부 루프에서 이진 검색을 사용할 수 있다. 외부 루프에서 주어진 각 태양광 셀 크기에 대해, 태양광 시스템은 대응하는 최적 재구성 정책(기간)을 이용한 6개의 일사량 벤치마크들을 사용하여 태양광 시스템의 성능을 평가할 수 있다.
일 실시예에서는 태양광 셀의 하한(lower limit)을 0.1m2 로 설정하고, 6개의 일사량 프로파일들에 있는 서로 다른 태양광 셀 크기들과 태양광 어레이의 성능을 비교할 수 있다. 일 실시예에서는 예를 들어, 0.5 초의 고정된 재구성 기간(reconfiguration period)을 채택할 수 있다.
Figure 112015076850411-pat00008
[표 3]은 0.1 m2, 0.15 m2, 0.25 m2, 및 0.5 m2의 네 가지의 태양광 셀 크기를 가지는 후보 태양광 어레이들에 대한 비교 결과를 나타낸다. [표 3]에서 태양광 셀 크기가 0.1 m2 인 후보 태양광 어레이와 태양광 셀 크기가 0.5 m2 인 후보 태양광 어레이를 비교할 때, 태양광 셀 크기가 0.1 m2 인 후보 태양광 어레이가 0.5 m2 인 후보 태양광 어레이에 비해 최대 26.3% 높은 평균 출력 전력을 가짐을 알 수 있다.
재구성에 있어서 높은 유연성으로 인해 태양광 셀 크기가 0.1 m2 인 후보 태양광 어레이가 태양광 셀 크기가 0.5 m2 인 후보 태양광 어레이에 비해 더 높은 평균 출력 전력을 가질 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 태양광 어레이를 재구성하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 태양광 시스템은 태양광 어레이에서 수집되는 일사량을 포함하는 조도 프로파일(irradiation profile)을 수신한다(910). 이때, 태양광 어레이는 복수 개의 태양광 셀들을 포함하는 태양광 모듈들로 구성될 수 있다. 태양광 셀은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 및 게이트 드라이버로 구성된 한 쌍의 병렬 스위치 및 하나의 직렬 스위치를 포함할 수 있다.
태양광 시스템은 조도 프로파일 및 차량의 주행 패턴(driving profile) 중 적어도 하나에 기초하여 태양광 모듈들을 재구성하기 위한 재구성 정보(또는 재구성 정책)를 결정한다(920).
단계(920)에서, 태양광 시스템은 재구성 알고리즘을 이용하여 태양광 어레이에 포함된 태양광 셀들이 최대치의 출력 전력을 갖는 최대 전력점(MPP) 또는 최대 전력점의 부근에서 동작하도록 제어하는 재구성 정보를 결정할 수 있다. 일 실시예에서는 부분 음영에 의해 가려진 태양광 셀(들) 및 그 외의 태양광 셀(들) 모두가 동시에 그들의 최대 전력점(MPP) 또는 그 부근에서 동작하도록 함으로써 태양광 시스템의 출력 전력을 향상시킬 수 있다.
재구성 알고리즘은 예를 들어, 태양광 어레이에서 최적의 그룹 개수를 찾기 위한 외부 루프(outer loop) 및 최적의 그룹 개수에 기초하여 태양광 어레이에 포함된 태양광 셀들이 최대치의 출력 전력을 갖는 최대 전력점(MPP)에서 동작하도록 하는 커널 알고리즘(kernel function)을 포함할 수 있다.
태양광 시스템은 단계(920)에서 결정된 재구성 정보에 기초하여, 태양광 모듈들에 포함된 스위치들의 연결 상태를 제어함으로써 태양광 어레이를 재구성한다(930).
이후, 태양광 시스템은 일사량의 변화에 따라 변화하는 태양광 셀들의 최대 전력점을 추적하여 재구성 정보를 갱신할 수 있다. 태양광 시스템은 예를 들어, 최대 전력점 추적(MPPT) 기법을 이용하여 최대 전력점을 추적할 수 있다.
일 실시예에서는 도 8 및 도 9를 참조하여 태양광 셀의 크기를 최적화하는 것과 같은 태양광 어레이 재구성의 최적 입도를 유도하고, 부분 태양광 어레이의 설치를 포함하는, 차량 태양광 어레이의 설계 시간 최적화를 설명하였다. 이러한 최적화는 설계 시에 통계적으로 수행될 수 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 차량용 태양광 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 차량용 태양광 시스템은 태양광 어레이(1010), 센서 어레이(1020), 제어부(1030)를 포함한다. 일 실시예에 따른 차량용 태양광 시스템은 배터리 팩(1040) 및 전력 변환기(1050)를 더 포함할 수 있다.
태양광 어레이(1010)는 차량의 적어도 일부에 장착되어 태양광을 수집하는 복수 개의 태양광 셀들을 포함하는 태양광 모듈들로 구성된다. 태양광 어레이(1010)는 직렬로 연결된 복수의 태양광 그룹들을 포함하고, 태양광 그룹 각각은 두 개의 병렬 스위치들에 의해 서로 병렬로 연결된 복수의 태양광 셀들을 포함할 수 있다. 이때, 태양광 셀들은 직전 태양광 셀이 포함된 그룹 혹은 그 그룹에 직렬로 연결된 그룹 둘 중 하나에 소속되거나, 혹은 연결에서 제외될 수 있다.
운행 중인 차량에서 재구성을 위한 태양광 어레이(1010)는 정지 상태와는 서로 다른 요구 사항들을 가질 수 있다.
첫째, 태양광 어레이(1010)의 재구성 스피드가 매우 빨라야 한다.
예를 들어, 반대편에서 4 미터 길이의 차량이 접근함에 따라 음영이 생기고, 두 자동차들의 속도가 80 km/hour 라면, 음영은 최대 180 ms 동안 존재할 수 있다. 또한, 차량의 급격한 방향 변화는 차량의 각 측면에서 일사량 레벨의 급격한 변화를 발생시킬 수 있다. 따라서, 차량의 운행 중에 동적인 재구성 능력의 잠재적인 이점을 이용하기 위해 수 밀리 초의 빠른 재구성이 요구된다.
둘째, 태양광 어레이(1010)의 재구성을 위해 높은 전압 또는 높은 전류 게이트 제어가 필요하다.
일 실시예에서는 이러한 두 가지 요구 사항들을 충족시키기 위하여 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 기반의 재구성 태양광 어레이(1010)를 구현할 수 있다.
일 실시예에서는 태양광 어레이(1010)를 구성하는 스위치들에 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 게이트 드라이버들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)인 IXXK200N65B4는 차량용 태양광 어레이에 충분한 레벨인 650 V의 전압 및 370 A의 전류 레벨을 각각 처리할 수 있다.
또한, 일 실시예에서는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 제어하기 위해 수 백 나노 초의 전파 지연을 가지는 게이트 드라이버 MC33153를 사용할 수 있다. 또한, 파워 서지(power surge)로 인한 손상을 방지하기 위해 고전압 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 측 및 제어 로직 측 간에 포토-커플러 절연(photo-coupler isolation)을 사용할 수 있다.
일 실시예에서는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 65V/5A의 전원 공급 장치와 연결하고, 게이트 드라이버에게 사각파(square-wave) 입력 전압을 인가할 수 있다. 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 게이트 드라이버의 안정성에 의해 입력 주파수가 수십 kHz에 도달 할 때까지 출력 전압의 응답 파형은 왜곡되지 않는다.
이 밖에도, 일 실시예에서는 CAN 으로 알려진 제어기 영역 네트워크에 기초한 통신 시스템을 구현할 수 있다. CAN 표준은 높은 안정성을 요구하는 차량을 위해 특별히 설정될 수 있다. CAN 네트워크 토폴로지는 센서 노드들(센서 어레이)을 통신 네트워크에 부착 할 수 있도록 버스 구조일 수 있다.
제어 프로세서인 LM3S2965를 가진 이격된 CAN 물리 계층 트랜시버로서 ADM3053을 이용할 수 있다. 전송에서 1 Mbps의 통신 속도는 1 밀리 초 미만의 전송 지연을 발생시킬 수 있다.
센서 어레이(1020)는 태양광 어레이(1010)에 수집되는 일사량을 감지한다.
센서 어레이(1020)는 예를 들어, 자동차의 후드, 루프탑, 트렁크, 왼쪽 및 오른쪽에 장착된 태양광 셀의 조도 레벨 또는 일사량 프로파일을 측정(감지)할 수 있다.
일 실시예에서는 조도 레벨을 기초로, 다항식-시간 재구성 알고리즘(polynomial-time reconfiguration algorithm)을 이용하여 태양광 패널의 최적의 구성을 유도할 수 있다.
제어부(1030)는 센서 어레이(1020)에서 감지된 일사량 프로파일에 기초하여 태양광 모듈들을 재구성하기 위한 재구성 정보를 결정하고, 재구성 정보에 기초하여 태양광 모듈들에 포함된 스위치들의 온/오프 연결 상태를 제어함으로써 태양광 어레이(1010)를 재구성할 수 있다.
제어부(1030)는 센서 어레이(1020)에서 감지된 일사량 및 재구성 알고리즘에 기초하여 재구성 정보를 결정할 수 있다. 재구성 알고리즘은 태양광 어레이에서 최적의 그룹 개수를 찾기 위한 외부 루프 및 최적의 그룹 개수에 기초하여 태양광 어레이에 포함된 태양광 셀들이 최대치의 출력 전력을 갖는 최대 전력점(MPP)에서 동작하도록 하는 커널 알고리즘을 포함할 수 있다. 재구성 알고리즘은 예를 들어, 다항식-시간 재구성 알고리즘(polynomial-time reconfiguration algorithm)일 수 있다.
배터리 팩(들)(1040)은 에너지를 저장하고, 차량의 모터를 구동할 수 있다.
전력 변환기(1050)는 태양광 어레이(1010)를 배터리 팩(1040)에 연결하고, 태양광 어레이(1010)의 동작점을 조절함으로써 태양광 모듈들의 출력 전압 및 전력을 제어하여 배터리 팩(1040)을 충전할 수 있다. 전력 변환기(1050)는 태양광 충전기(PV Charger)일 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 태양광 셀의 최적 장착 위치를 결정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 태양광 시스템은 사용자의 주행 패턴을 수집한다(1110).
태양광 시스템은 단계(1110)에서 수집한 주행 패턴에 기초하여, 태양광 어레이를 차량에 장착하기 위한 후보 장착 위치들 각각에서 비용 대비 성능을 평가한다(1120). 태양광 어레이는 복수 개의 태양광 셀들을 포함할 수 있다.
태양광 시스템은 단계(1120)의 평가 결과에 기초하여, 태양광 셀들의 최적 장착 위치들을 결정한다(1130).
태양광 모듈들이 여전히 고가이므로, 저효율의 태양광 모듈의 설치하는 것은 낭비가 될 수 있다. 예를 들어, 운전자 측의 쿼터 및 도어 패널들은 운전자가 아침에 북쪽으로 통근할 때와 오후에 남쪽으로 통근할 때, 의미 있는 일사량을 가지지 못한다. 일 실시예에서는 센서 어레이를 이용하여 수집한 태양광 일사량 프로파일들을 기초로, 서로 다른 운전 패턴에 따라 태양광 셀들(태양광 모듈)을 최적의 위치에 장착할 수 있다.
일 실시예에서는 태양광 어레이를 차량에 부분적으로 설치할 수 있다. 예를 들어, 차량의 루프탑, 후드, 및 트렁크에 태양광 셀들이 장착되고, 차량의 왼쪽 또는 오른쪽 측면에 태양광 셀들이 장착될 수 있다.
일 실시예에서는 아래의 [표 4]와 같이, 최적의 재구성된 차량용 태양광 시스템과 두 개의 맞춤화된 태양광 어레이들 간의 성능(출력 전력)을 비교할 수 있다. [표 4]에서 0.15 m2의 고정된 크기의 태양광 셀들을 가정하고, 0.5 초의 고정된 재구성 기간 채택하였다.
Figure 112015076850411-pat00009
[표 4]를 참조하면, 예를 들어, "온타리오에서 리버사이드까지(Ontario to Riverside)"와 같은 벤치마크 프로파일들에 대해, 부분 태양광 설치가 상당한 출력 전력의 저하를 초래함을 관찰할 수 있다.
차량의 왼쪽 또는 오른쪽 (또는 양쪽)의 일사량 레벨은 전체 벤치마크 프로파일들에서 상대적으로 낮기 때문에, "온타리오에서 리버사이드까지(Ontario to Riverside)"와 같은 벤치마크 프로파일의 결과는 예를 들어, "리버사이드(Riverside)" 또는 "인천 공항(Incheon Airport)"와 같은 일부 벤치마크 프로파일들에 반대될 수 있다.
태양광 어레이의 맞춤형 설치는 차량용 태양광 시스템의 자본 비용을 감소시키기 때문에, 이러한 경우들에서, 맞춤형 설치가 유익할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 대중 교통 시스템인 버스와 같이 “Riverside"를 따라 매일 통해 통근한다면, 출력 전력은 5.6% 만이 감소함에 비해 그 설치 비용은 22.3%를 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1010: 태양광 어레이
1020: 센서 어레디
1030: 제어부
1040: 배터리 팩
1050: 전력 변환기

Claims (21)

  1. 태양광 어레이(photovoltaic array)의 재구성에 따른 오버헤드(overhead)에 기초하여 다수의 후보 재구성 기간들에 따른 성능 평가에 기초하는 적응적 학습 방법을 이용하여 상기 태양광 어레이의 재구성 기간(reconfiguration period)을 결정하는 단계; 및
    상기 재구성 기간에 따라 재구성 알고리즘을 수행하는 단계
    를 포함하고,
    상기 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 단계는
    상기 오버헤드에 기초하여 다수의 후보 재구성 기간들의 성능을 평가하는 단계; 및
    상기 다수의 후보 재구성 기간들 중 성능이 가장 높은 후보 재구성 기간을 상기 재구성 기간으로 결정하는 단계
    를 포함하며,
    상기 재구성 알고리즘을 수행하는 단계는
    태양광 어레이에 포함된 태양광 셀의 제1 단과 인접 태양광 셀의 제1 단 사이에 배치된 제1 병렬 스위치, 상기 태양광 셀의 제2 단과 상기 인접 태양광 셀의 제2 단 사이에 배치된 제2 병렬 스위치, 및 상기 태양광 셀의 제2 단과 상기 인접 태양광 셀의 제1 단 사이에 배치된 제1 직렬 스위치를 제어하는 단계
    를 포함하는, 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오버헤드는
    상기 태양광 어레이의 재구성에 따른 타이밍 오버헤드; 및
    상기 태양광 어레이의 재구성에 따른 에너지 오버 헤드
    를 포함하는, 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 타이밍 오버헤드는
    상기 태양광 어레이에 수집되는 일사량을 감지하는 센서 어레이의 일사량 감지 지연, 상기 센서 어레이의 전송 지연, 상기 태양광 어레이의 구성 산출을 위한 계산 오버헤드, 상기 태양광 어레이의 재구성 지연, 상기 태양광 어레이에 포함된 태양광 셀의 최대 전력점 추적(MPPT)을 위한 제어 오버헤드 중 적어도 하나를 포함하는, 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 에너지 오버헤드는
    상기 태양광 어레이를 재구성하는 동안의 출력 전력에 기초하여 결정되는, 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재구성 기간을 결정하는 단계는
    상기 오버헤드를 고려한 성능에 기초하여 상기 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 단계
    를 포함하는, 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 오버헤드를 고려한 성능은
    상기 태양광 어레이에 수집되는 일사량(solar irradiance) 및 차량의 주행 패턴(driving profile) 중 적어도 하나에 기초하여 계산되는, 태양광 어레이의 재구성 기간을 결정하는 방법.
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  16. 차량의 적어도 일부에 장착되어 태양광을 수집하는 복수 개의 태양광 셀들을 포함하는 태양광 모듈들로 구성된 태양광 어레이(PV Array);
    상기 태양광 어레이에 수집되는 일사량을 감지하는 센서 어레이; 및
    상기 감지된 일사량에 기초하여 상기 태양광 모듈들을 재구성하기 위한 재구성 정보를 결정하고, 상기 재구성 정보에 기초하여 상기 태양광 모듈들에 포함된 스위치들의 연결 상태를 제어함으로써 상기 태양광 어레이를 재구성하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 태양광 어레이의 재구성에 따른 오버헤드에 기초하여 다수의 후보 재구성 기간들에 따른 성능 평가에 기초하는 적응적 학습 방법을 이용하여 상기 태양광 모듈들을 재구성하기 위한 재구성 기간을 결정하고, 상기 재구성 기간마다 상기 재구성 정보를 결정하며,
    상기 태양광 셀들 각각은
    해당하는 태양광 셀의 제1 단과 인접 태양광 셀의 제1 단 사이에 배치된 제1 병렬 스위치, 상기 해당하는 태양광 셀의 제2 단과 상기 인접 태양광 셀의 제2 단 사이에 배치된 제2 병렬 스위치, 및 상기 해당하는 태양광 셀의 제2 단과 상기 인접 태양광 셀의 제1 단 사이에 배치된 제1 직렬 스위치를 포함하는 스위치 셋을 포함하는, 차량용 태양광 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    에너지를 저장하고, 차량의 모터를 구동하는 배터리 팩(battery pack);
    상기 태양광 어레이를 상기 배터리 팩들에 연결하고, 상기 태양광 어레이의 동작점을 조절함으로써 상기 태양광 모듈들의 출력 전압 및 전력을 제어하여 상기 배터리 팩을 충전하는 전력 변환기(Power converters)
    를 더 포함하는, 차량용 태양광 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 태양광 어레이는
    직렬로 연결된 복수의 태양광 그룹들을 포함하고,
    상기 태양광 그룹 각각은
    상기 한 쌍의 병렬 스위치에 의해 서로 병렬로 연결된 복수의 태양광 셀들을 포함하는, 차량용 태양광 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 감지된 일사량 및 재구성 알고리즘에 기초하여 상기 재구성 정보를 결정하는, 차량용 태양광 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 재구성 알고리즘은
    상기 태양광 어레이를 구성할 그룹의 개수를 찾기 위한 외부 루프 및 상기 그룹 개수에 기초하여 상기 태양광 어레이에 포함된 태양광 셀들이 최대치의 출력 전력을 갖는 최대 전력점(MPP)에서 동작하도록 하는 커널 알고리즘을 포함하는, 차량용 태양광 시스템.
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