KR102077026B1 - Apparatus for charging solar energy and control method thereof - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a solar energy charging device enabling high efficiency and miniaturization, and a control method thereof. The solar energy charging device comprises: an interleaved converter unit including a plurality of converter circuits having different phases to convert power generated by a solar cell module and output the power to a battery; a power measurement unit measuring the power generated by the solar cell module; and a control unit generating a PWM duty value based on the measured power that is measured by the power measurement unit and causing the interleaved converter unit to perform switching operation in accordance with the PWM duty value so as to charge the battery with the power outputted from the interleaved converter unit.

Description

태양 에너지 충전장치 및 그 제어방법{APPARATUS FOR CHARGING SOLAR ENERGY AND CONTROL METHOD THEREOF}Solar energy charging device and its control method {APPARATUS FOR CHARGING SOLAR ENERGY AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 태양 에너지 충전장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인터리브드 구조의 고용량 태양광 컨버터를 구현하여 배터리를 충전하는 태양 에너지 충전장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar energy charging device and a control method thereof, and more particularly, to a solar energy charging device for charging a battery by implementing a high-capacity solar converter having an interleaved structure and a control method thereof.

일반적으로 태양광 컨버터는 태양전지 모듈, 컨버터, 배터리로 구분된다. 여기서, 태양전지 모듈은 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환 및 생성하며, 컨버터는 태양전지 모듈에서 생성된 전기 에너지를 배터리에 저장하기 위해 적절한 전압으로 변환하여 배터리를 충전하는 기능을 수행한다. 여기서, 컨버터는 입/출력 전압에 따라 벅(강압) 컨버터 또는 부스터(승압) 컨버터로 구분되며, 주요소자로는 스위치 소자, 다이오드, 인덕터로 구성된다. In general, the solar converter is classified into a solar cell module, a converter, and a battery. Here, the solar cell module converts and generates solar energy into electrical energy, and the converter performs a function of charging the battery by converting electrical energy generated by the solar cell module into an appropriate voltage for storing in the battery. In this case, the converter is classified into a buck (step-down) converter or a booster (step-up) converter according to the input / output voltage, and main components include a switch element, a diode, and an inductor.

컨버터의 제어 동작을 위해 컨버터 입/출력단 전압은 전압센서로 센싱되며, 컨버터 인덕터의 전류는 전류센서를 통해 전류 센싱되어 제어기를 통해 적절한 PWM 스위칭 출력을 생성함으로써 배터리를 안정적으로 충전한다.The converter input / output voltage is sensed by the voltage sensor for the control operation of the converter, and the current of the converter inductor is sensed by the current sensor to reliably charge the battery by generating the appropriate PWM switching output through the controller.

한 예로, 태양전지 모듈에서 20V 전압이 생성되고, 저전압 배터리(12V)를 충전하는 경우 벅 컨버터는 태양전지 모듈에서 생성된 20V 전압을 스위치, 다이오드, 인덕터로 구성된 벅 컨버터를 통해 14V로 전력변환이 이루어지며 배터리 충전을 위해 CC-CV(정전압-정전류) 제어가 수행된다. For example, if a 20V voltage is generated in a solar cell module and a low voltage battery (12V) is charged, the buck converter converts the 20V voltage generated in the solar cell module to 14V through a buck converter composed of a switch, a diode, and an inductor. CC-CV (constant voltage-constant current) control is performed to charge the battery.

벅 컨버터 동작을 보다 자세하게 설명하면, 스위치 온(ON) 시, 태양전지 모듈 전류는 스위치와 인덕터를 통해 배터리에 저장되고, 스위치 오프(OFF) 시에는 인덕터에 저장된 에너지에 의해 배터리가 충전된다. 여기서, 태양전지 모듈은 전류원으로, 항상 전류 루프가 형성되어 있어야 한다. 즉, 스위치가 오프인 상태에서도 폐루프를 형성하여야 하므로, 컨버터 입력단에 충분한 커패시터가 필수적으로 필요하다. In more detail, the buck converter operation is performed. When switched on, the solar cell module current is stored in the battery through the switch and the inductor, and when switched off, the battery is charged by the energy stored in the inductor. Here, the solar cell module is a current source, and a current loop should always be formed. That is, since a closed loop must be formed even when the switch is turned off, sufficient capacitor is necessary at the converter input stage.

한편, 벅 컨버터의 경우 하이 사이드 스위치를 구동하기 위해서는 하이 사이드용 게이트 드라이버가 필요하며, 하이 사이드용 게이트 드라이버는 로우 사이드용 게이트 드라이버 보다 스위치 구동 및 독립 전원을 생성하기 위한 회로가 추가되어 가격이 비싸다는 단점이 있다. 또한, 태양전지 모듈은 전류원으로, 컨버터 입력단에 충분한 용량의 커패시터를 이용하여 폐루프 구조를 형성하게 되는데, 이는 태양광 컨버터의 사이즈 및 가격에 큰 영향을 미치는 부분이다. In the case of a buck converter, a high side gate driver is required to drive a high side switch, and a high side gate driver is more expensive than a low side gate driver due to an additional circuit for driving a switch and generating an independent power supply. Has its drawbacks. In addition, the solar cell module forms a closed loop structure using a capacitor having a sufficient capacity at the converter input terminal as a current source, which greatly affects the size and price of the solar converter.

즉, 태양전지 모듈 용량에 따라 출력되는 전류 크기가 결정되며, 이 전류 크기가 클수록 큰 입력 커패시터가 필요하며, 이러한 고용량의 커패시터를 사용함에 따라 가격이 비싸고, 크기가 커지는 문제가 있다. 따라서 가격 경쟁력 및 효율성이 떨어지며, 소형으로 구현하기 어렵다는 문제가 있다. That is, the magnitude of the output current is determined according to the capacity of the solar cell module, and the larger the magnitude of the current, the larger the input capacitor is required, and the higher the size, the more expensive the capacitor is used. Therefore, the price competitiveness and efficiency is low, there is a problem that it is difficult to implement small.

본 발명의 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1245647호(공고일 : 2013.03.20.공고)인 "태양광발전시스템과의 연계를 통한 배터리 급속 충전 시스템"이 있다.Background art of the present invention is the Republic of Korea Patent Publication No. 10-1245647 (announced: 2013.03.20.) Is a "battery rapid charging system through connection with the photovoltaic power generation system".

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 인터리브드 구조의 고용량 태양광 컨버터를 구현하여 배터리를 충전함으로써, 고효율화 및 소형화가 가능하도록 하는 태양 에너지 충전장치 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.According to an aspect of the present invention, the present invention was devised to improve the above problems, by implementing a high capacity solar converter of the interleaved structure to charge the battery, the solar energy charging device to enable high efficiency and miniaturization And a control method thereof.

본 발명의 일 측면에 따른 태양 에너지 충전장치는, 태양전지모듈에서 생성된 전력을 변환하여 배터리로 출력하기 위해 서로 다른 상을 갖는 복수의 컨버터 회로를 포함하는 인터리브드 컨버터부; 상기 태양전지모듈에서 생성된 전력을 측정하는 전력측정부; 및 상기 전력측정부에서 측정된 측정전력에 기초하여 PWM 듀티 값을 생성하고, 상기 PWM 듀티 값에 따라 상기 인터리브드 컨버터부가 스위칭 동작하도록 하여 상기 인터리브드 컨버터부에서 출력되는 전력으로 상기 배터리가 충전되도록 하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 함.According to an aspect of the present invention, there is provided a solar energy charging device including an interleaved converter unit including a plurality of converter circuits having different phases to convert power generated from a solar cell module to output to a battery; A power measuring unit measuring power generated by the solar cell module; And generate a PWM duty value based on the measured power measured by the power measurement unit, and cause the interleaved converter to switch according to the PWM duty value so that the battery is charged with the power output from the interleaved converter. The control unit; characterized in that it comprises a.

본 발명에서, 상기 전력측정부는, 상기 인터리브드 컨버터부의 입력단 전압을 측정하는 입력전압측정부와, 상기 인터리브드 컨버터부의 출력단 전압을 측정하는 출력전압측정부와, 상기 인터리브드 컨버터부의 각 단상 컨버터 회로의 전류를 측정하는 전류측정부를 포함하는 것을 특징으로 함.In the present invention, the power measuring unit, an input voltage measuring unit measuring an input terminal voltage of the interleaved converter unit, an output voltage measuring unit measuring an output terminal voltage of the interleaved converter unit, and each single phase converter circuit of the interleaved converter unit. Characterized in that it comprises a current measuring unit for measuring the current of.

본 발명에서, 상기 제어부는, 설정된 목표전압과 상기 전력측정부에서 센싱된 측정전압을 비교하여 전압 에러값을 산출하고, 상기 산출한 전압 에러값에 기초하여 목표전류를 연산하며, 상기 연산한 목표전류와 상기 전력측정부에서 센싱된 측정전류를 비교하여 PWM 듀티 값을 생성하는 정전압-정전류 제어를 수행하는 것을 특징으로 함.In the present invention, the controller compares the set target voltage with the measured voltage sensed by the power measuring unit, calculates a voltage error value, calculates a target current based on the calculated voltage error value, and calculates the target value. And performing constant voltage-constant current control to generate a PWM duty value by comparing the current and the measured current sensed by the power measurement unit.

본 발명에서, 상기 인터리브드 컨버터부의 각 단상 컨버터 회로는, 상기 태양전지모듈과 병렬로 연결된 입력 커패시터와, 상기 입력커패시터와 병렬로 연결되고 접지라인의 반대 방향으로 형성되는 다이오드와, 상기 다이오드와 상기 각 단상 컨버터 회로의 출력단 사이의 상기 접지라인에 구비되는 인덕터와, 상기 접지라인에 구비되며, 드레인(D)단이 상기 입력 커패시터와 연결되고 소스(S)단이 상기 인덕터와 연결되어 상기 각 단상 컨버터 회로를 활성화시키기 위한 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 함.In the present invention, each single-phase converter circuit of the interleaved converter unit, an input capacitor connected in parallel with the solar cell module, a diode connected in parallel with the input capacitor and formed in the opposite direction of the ground line, the diode and the An inductor provided in the ground line between the output stages of each single-phase converter circuit, and the ground line, wherein a drain (D) terminal is connected to the input capacitor and a source (S) terminal is connected to the inductor. And a switching element for activating the converter circuit.

본 발명에서, 상기 인터리브드 컨버터부는, 상기 배터리와 병렬로 연결되어 출력 전압을 일정하게 유지하는 출력 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 함.In the present invention, the interleaved converter unit, characterized in that it comprises an output capacitor connected in parallel with the battery to maintain a constant output voltage.

본 발명에서, 상기 인터리브드 컨버터부는, 2상 인터리브드 구조로 구현되며, 상기 2상 인터리브드 구조의 인터리브드 컨버터부의 각각의 인덕터는 서로 커플링되는 것을 특징으로 함.In the present invention, the interleaved converter unit is implemented in a two-phase interleaved structure, characterized in that each inductor of the interleaved converter unit of the two-phase interleaved structure is coupled to each other.

본 발명에서, 상기 제어부는, 180도의 위상차를 갖는 PWM 신호를 이용하여 상기 2상 인터리브드 구조의 인터리브드 컨버터부의 각각의 스위칭소자를 온오프 제어하는 것을 특징으로 함.In the present invention, the control unit, by using a PWM signal having a phase difference of 180 degrees, characterized in that the on-off control of each switching element of the interleaved converter of the two-phase interleaved structure.

본 발명의 다른 측면에 따른 태양 에너지 충전 제어방법은, 제어부가 전력측정부에서 측정된 태양전지모듈에서 생성된 전력의 측정전력을 입력받는 단계; 상기 제어부가 상기 측정전력에 기초하여 PWM 듀티 값을 생성하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 PWM 듀티 값에 따라 서로 다른 상을 갖는 복수의 컨버터 회로를 포함하는 인터리브드 컨버터부가 스위칭 동작하도록 하여 상기 인터리브드 컨버터부에서 출력되는 전력으로 배터리가 충전되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 함.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for controlling charging of solar energy, the control unit receiving a measurement power of power generated by a solar cell module measured by a power measuring unit; Generating, by the controller, a PWM duty value based on the measured power; And causing the controller to switch the interleaved converter unit including a plurality of converter circuits having different phases according to the PWM duty value to charge the battery with the power output from the interleaved converter unit. Characterized in that.

본 발명에서, 상기 전력측정부는, 상기 인터리브드 컨버터부의 입력단 전압을 측정하는 입력전압측정부와, 상기 인터리브드 컨버터부의 출력단 전압을 측정하는 출력전압측정부와, 상기 인터리브드 컨버터부의 각 단상 컨버터 회로의 전류를 측정하는 전류측정부를 포함하는 것을 특징으로 함.In the present invention, the power measuring unit, an input voltage measuring unit measuring an input terminal voltage of the interleaved converter unit, an output voltage measuring unit measuring an output terminal voltage of the interleaved converter unit, and each single phase converter circuit of the interleaved converter unit. Characterized in that it comprises a current measuring unit for measuring the current of.

본 발명의 상기 PWM 듀티 값을 생성하는 단계에서, 상기 제어부는, 설정된 목표전압과 상기 전력측정부에서 센싱된 측정전압을 비교하여 전압 에러값을 산출하고, 상기 산출한 전압 에러값에 기초하여 목표전류를 연산하며, 상기 연산한 목표전류와 상기 전력측정부에서 센싱된 측정전류를 비교하여 PWM 듀티 값을 생성하는 정전압-정전류 제어를 수행하는 것을 특징으로 함.In the step of generating the PWM duty value of the present invention, the controller compares the set target voltage with the measured voltage sensed by the power measuring unit to calculate a voltage error value, and based on the calculated voltage error value And calculating a current, and performing constant voltage-constant current control to generate a PWM duty value by comparing the calculated target current with the measured current sensed by the power measuring unit.

본 발명에서, 상기 인터리브드 컨버터부는, 2상 인터리브드 구조로 구현되며, 상기 제어부는, 180도의 위상차를 갖는 PWM 신호를 이용하여 상기 2상 인터리브드 구조의 인터리브드 컨버터부의 각각의 스위칭소자를 온오프 제어하는 것을 특징으로 함.In the present invention, the interleaved converter unit is implemented in a two-phase interleaved structure, and the control unit turns on each switching element of the interleaved converter unit of the two-phase interleaved structure using a PWM signal having a phase difference of 180 degrees. Off-controlled.

본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 충전장치 및 그 제어방법은, 인터리브드 구조의 고용량 태양광 컨버터를 구현하여 배터리를 충전함으로써, 고효율화 및 소형화가 가능하도록 한다. A solar energy charging device and a control method thereof according to an embodiment of the present invention implement a high capacity solar converter having an interleaved structure to charge a battery, thereby enabling high efficiency and miniaturization.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 충전장치 및 그 제어방법은, 로우 사이드용 게이트 드라이버 사용으로 가격 경쟁력을 확보할 수 있으며, 인터리브드 구조를 통해 전류가 분배되고, 커플 인덕터를 적용하여 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, the solar energy charging device and the control method according to an embodiment of the present invention, it is possible to secure the price competitiveness by using a low-side gate driver, the current is distributed through an interleaved structure, by applying a couple inductor There is an effect that can reduce the loss.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 충전장치를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 충전장치의 스위칭동작에 따른 에너지 흐름을 설명하기 위한 회로도이다.1 is a schematic circuit diagram illustrating a solar energy charging device according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are circuit diagrams for explaining the energy flow according to the switching operation of the solar energy charging apparatus according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 충전장치 및 그 제어방법을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. Hereinafter, a solar energy charging device and a control method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this process, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or convention of a user or an operator. Therefore, the definitions of these terms should be made based on the contents throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 충전장치를 설명하기 위한 개략적인 회로도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 충전장치의 스위칭동작에 따른 에너지 흐름을 설명하기 위한 회로도로서, 이를 참조하여 태양 에너지 충전장치를 설명하면 다음과 같다.1 is a schematic circuit diagram illustrating a solar energy charging apparatus according to an embodiment of the present invention, Figures 2 and 3 shows the energy flow according to the switching operation of the solar energy charging apparatus according to an embodiment of the present invention. As a circuit diagram for explaining, referring to the solar energy charging device as follows.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 충전장치는, 태양전지모듈(100), 배터리(200), 인터리브드 컨버터부(300), 전력측정부(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the solar energy charging device according to an embodiment of the present invention includes a solar cell module 100, a battery 200, an interleaved converter unit 300, a power measurement unit 400, and a controller. 500 may be included.

태양전지모듈(100)은 적어도 하나 이상의 솔라셀이 어레이 배열되어 구성될 수 있다. 한편, 태양전지모듈(100)은 전류원과 같이 동작하기 때문에 항상 전류 루프가 형성되어 있어야 한다.The solar cell module 100 may be configured by arranging at least one solar cell in an array. On the other hand, since the solar cell module 100 operates like a current source, a current loop should always be formed.

배터리(200)는 인터리브드 컨버터부(300)에서 출력되는 전력을 통해 충전된다. 본 실시예에서, 배터리(200)는 저압용 배터리일 수 있다. 예컨대, 12V 배터리일 수 있으며, 상기 배터리(200)가 12V의 저압용 배터리인 경우, 인터리브드 컨버터부(300)를 통해 14V로 전력변환이 이루어져 배터리(200)가 충전될 수 있다.The battery 200 is charged through the power output from the interleaved converter 300. In the present embodiment, the battery 200 may be a low voltage battery. For example, the battery 200 may be a 12V battery, and when the battery 200 is a low voltage battery of 12V, power conversion may be performed at 14V through the interleaved converter 300 to charge the battery 200.

인터리브드 컨버터부(300)는 제어부(500)의 PWM 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 태양전지모듈(100)에서 생성된 전력의 크기를 변환하여 출력하는데, 본 실시예에서는, 태양전지모듈(100)에서 생성된 전력을 변환하여 배터리(200)로 출력하기 위해 서로 다른 상을 갖는 복수의 컨버터 회로를 포함하는 인터리브드 구조로 구현될 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 2상 인터리브드 구조로 구현되는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The interleaved converter 300 performs a switching operation according to the PWM signal of the controller 500 to convert and output the power generated by the solar cell module 100. In this embodiment, the solar cell module 100 In order to convert the power generated in the output to the battery 200 may be implemented in an interleaved structure including a plurality of converter circuits having different phases. In addition, the embodiment is described as being implemented as a two-phase interleaved structure, but is not limited thereto.

즉, 인터리브드 컨버터부(300)는 2개의 단상 컨버터 회로가 포함되며, 상기 인터리브드 컨버터부(300)의 각 단상 컨버터 회로는, 제1, 2입력 커패시터(310, 311), 제1, 2스위칭소자(320, 321), 제1, 2다이오드(330, 331) 및 제1, 2인덕터(340, 341)를 각각 포함하며, 인터리브드 컨버터부(300)의 출력단에는 출력 커패시터(350)가 구비된다. 따라서, 인터리브드 컨버터부(300)는 제어부(500)에서 생성되는 180도의 위상차를 갖는 PWM 신호에 따라 각 단상 컨버터 회로의 제1, 2스위칭소자(320, 321)를 작동시켜 반복적으로 스위칭하여 상기 제1, 2입력 커패시터(310, 311), 제1, 2스위칭소자(320, 321), 제1, 2다이오드(330, 331) 및 제1, 2인덕터(340, 341)와, 출력 커패시터(350)를 통해 충전과 방전이 이루어지도록 함으로써 태양전지모듈(100)에서 생성된 출력전압을 배터리(200)의 충전전압으로 변환하여 출력할 수 있다. That is, the interleaved converter 300 includes two single-phase converter circuits, and each of the single-phase converter circuits of the interleaved converter 300 includes first and second input capacitors 310 and 311 and first and second input circuits. And switching elements 320 and 321, first and second diodes 330 and 331, and first and second inductors 340 and 341, respectively, and an output capacitor 350 is provided at an output terminal of the interleaved converter unit 300. It is provided. Therefore, the interleaved converter 300 operates the first and second switching elements 320 and 321 of each single-phase converter circuit repeatedly according to a PWM signal having a phase difference of 180 degrees generated by the controller 500 to repeatedly switch the above. First and second input capacitors 310 and 311, first and second switching elements 320 and 321, first and second diodes 330 and 331, and first and second inductors 340 and 341, and an output capacitor ( By charging and discharging through 350, the output voltage generated by the solar cell module 100 may be converted into a charging voltage of the battery 200 and output.

인터리브드 컨버터부(300)에서 각 단상 컨버터 회로의 제1, 2입력 커패시터(310, 311)는 태양전지모듈(100)과 병렬로 연결되고, 제1, 2다이오드(330, 331)는 상기 제1, 2입력 커패시터(310, 311)와 병렬로 연결되고 접지라인의 반대 방향으로 형성되며, 제1, 2인덕터(340, 341)는 상기 제1, 2다이오드(330, 331)와 상기 각 단상 컨버터 회로의 출력단 사이의 상기 접지라인에 구비된다. 또한, 제1, 2스위칭소자(320, 321)는 상기 접지라인에 구비되며, 드레인(D)단이 상기 제1, 2입력 커패시터(310, 311)와 연결되고 소스(S)단이 상기 제1, 2인덕터(340, 341)와 연결되어 상기 각 단상 컨버터 회로를 활성화시킬 수 있다. 그리고 인터리브드 컨버터부(300)에서 출력 커패시터(350)는 배터리(200)와 병렬로 연결되어 출력 전압이 일정하게 유지되도록 할 수 있다. In the interleaved converter unit 300, the first and second input capacitors 310 and 311 of each single-phase converter circuit are connected in parallel with the solar cell module 100, and the first and second diodes 330 and 331 may be connected to each other. The first and second inductors 340 and 341 are connected to the first and second input capacitors 310 and 311 in parallel and are formed in opposite directions to the ground line. The first and second inductors 340 and 341 are connected to the first and second diodes 330 and 331. The ground line between the output terminal of the converter circuit is provided. In addition, first and second switching elements 320 and 321 may be provided in the ground line, and the drain (D) terminal may be connected to the first and second input capacitors (310, 311), and the source (S) terminal may be provided. It is connected to the first and second inductors 340 and 341 to activate each of the single-phase converter circuits. In the interleaved converter 300, the output capacitor 350 may be connected in parallel with the battery 200 to maintain a constant output voltage.

이때, 2상 인터리브드 구조의 인터리브드 컨버터부(300)에서 각각의 제1, 2인덕터(340, 341)는 서로 커플링되며, 본 실시예에서 인터리브드 컨버터부(300)는 접지라인(회로 하단부)에 상기 제1, 2인덕터(340, 341)와 제1, 2스위칭소자(320, 321)가 구비되는 벅(Buck) 컨버터일 수 있다. 또한, 본 실시예에서 제1, 2스위칭소자(320, 321)는 MOSFET을 포함하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. At this time, each of the first and second inductors 340 and 341 are coupled to each other in the interleaved converter 300 having a two-phase interleaved structure, and in the present embodiment, the interleaved converter 300 is connected to a ground line (circuit). The lower part may be a buck converter having the first and second inductors 340 and 341 and the first and second switching elements 320 and 321. In addition, in the present embodiment, the first and second switching elements 320 and 321 may be formed to include a MOSFET, but is not limited thereto.

한편, 도 2 및 도 3에 도시된 바를 참조하여 상기와 같은 태양 에너지 충전장치의 구성에서, 스위칭 온오프에 따른 에너지 흐름을 설명하도록 한다.Meanwhile, in the configuration of the solar energy charging device as described above with reference to FIGS. 2 and 3, the energy flow according to switching on and off will be described.

먼저, 제어부(500)는 전력측정부(400)에서 측정된 측정전력에 기초하여 PWM 듀티 값을 생성하고, 상기 PWM 듀티 값에 따라 인터리브드 컨버터부(300)가 스위칭 동작하도록 하여 상기 인터리브드 컨버터부(300)에서 출력되는 전력으로 배터리(200)가 충전되도록 한다.First, the controller 500 generates a PWM duty value based on the measured power measured by the power measuring unit 400, and causes the interleaved converter 300 to switch according to the PWM duty value so as to operate the interleaved converter. The battery 200 is charged by the power output from the unit 300.

이때, 전력측정부(400)는 태양전지모듈(100)에서 생성된 전력을 측정하는 것으로, 입력전압측정부(410), 출력전압측정부(420) 및 각 단상 컨버터 회로에 구비된 제1, 2전류측정부(430, 431)를 포함할 수 있다. 즉, 전력측정부(400)는 태양전지모듈(100)에서 생성된 전원의 전압과 전류를 통해 태양전지모듈(100)에서 생성된 전력을 측정하여 제어부(500)에 제공한다. In this case, the power measuring unit 400 measures the power generated by the solar cell module 100, and includes the first and second voltages provided in the input voltage measuring unit 410, the output voltage measuring unit 420, and each single-phase converter circuit. It may include two current measuring unit (430, 431). That is, the power measuring unit 400 measures the power generated by the solar cell module 100 through the voltage and the current of the power generated by the solar cell module 100 and provides it to the controller 500.

이때, 입력전압측정부(410)는 인터리브드 컨버터(300)의 입력단에 구비되어 태양전지모듈(100)의 입력 전압을 측정할 수 있으며, 각각의 제1, 2입력커패시터(310, 311)의 양단에 걸리는 전압을 각각 측정할 수도 있으나, 이에 한정하지는 않는다.In this case, the input voltage measuring unit 410 may be provided at the input terminal of the interleaved converter 300 to measure the input voltage of the solar cell module 100, and the first and second input capacitors 310 and 311 of each of the first and second input capacitors may be used. The voltage across both ends may be measured, but is not limited thereto.

또한, 출력전압측정부(420)는 인터리브드 컨버터(300)의 출력단에 구비되어 배터리(200)로 출력되는 전압을 측정할 수 있다. 즉, 출력전압측정부(420)는 출력커패시터(350) 양단에 걸리는 전압을 측정할 수도 있다. In addition, the output voltage measuring unit 420 may be provided at the output terminal of the interleaved converter 300 to measure the voltage output to the battery 200. That is, the output voltage measuring unit 420 may measure the voltage across the output capacitor 350.

그리고 제1, 2전류측정부(430, 431)는 각 단상 컨버터 회로에 구비된 제1, 2인덕터(340, 341)의 전류를 측정하는 것으로, 제1전류측정부(430)는 제1인덕터(340)의 전류를 측정하고, 제2전류측정부(431)는 제2인덕터(341)의 전류를 측정하여 제어부(500)에 제공한다. The first and second current measuring units 430 and 431 measure the currents of the first and second inductors 340 and 341 provided in the single-phase converter circuits, and the first current measuring unit 430 measures the first inductor. The current of 340 is measured, and the second current measuring unit 431 measures the current of the second inductor 341 and provides it to the controller 500.

한편, 제어부(500)는 설정된 목표전압과 상기 전력측정부(400)에서 센싱된 측정전압을 비교하여 전압 에러값을 산출하고, 상기 산출한 전압 에러값에 기초하여 목표전류를 연산하며, 상기 연산한 목표전류와 상기 전력측정부에서 센싱된 측정전류를 비교하여 PWM 듀티 값을 생성하는 정전압-정전류 제어를 수행한다. 즉, 제어부(500)는 상기 생성된 PWM 듀티 값를 통해 제1, 2스위칭소자(320, 321)를 온오프하여 목표로 설정한 전압값에 안정적으로 도달하도록 제어할 수 있다. Meanwhile, the controller 500 compares the set target voltage with the measured voltage sensed by the power measuring unit 400 to calculate a voltage error value, and calculates a target current based on the calculated voltage error value. A constant voltage-constant current control is performed to generate a PWM duty value by comparing a target current with the measured current sensed by the power measuring unit. That is, the controller 500 may control the first and second switching elements 320 and 321 to be turned on and off to stably reach the target voltage value through the generated PWM duty value.

이때, 본 실시예에서는, 태양광 컨버터를 효율적으로 구동하기 위해 필요한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 구동하기 위해서는 목표전압과 상기 전력측정부(400)의 입력전압측정부(410)에서 측정된 측정전압을 비교하여 전압 에러값을 산출하고, 단순히 태양광 컨버터를 구동할 때에는 목표전압과 상기 전력측정부(400)의 출력전압측정부(420)에서 측정된 측정전압을 비교하여 전압 에러값을 산출하게 된다. At this time, in the present embodiment, in order to drive the maximum power point tracking (MPPT) algorithm required for efficiently driving the solar converter, the target voltage and the input voltage measurement unit 410 of the power measurement unit 400 are measured. The voltage error value is calculated by comparing the measured voltage, and when simply driving the solar converter, the voltage error value is obtained by comparing the target voltage with the measured voltage measured by the output voltage measuring unit 420 of the power measuring unit 400. Will be calculated.

한편, 제어부(500)는 180도의 위상차를 갖는 PWM 신호를 이용하여 상기 2상 인터리브드 구조의 인터리브드 컨버터부의 각각의 스위칭소자를 온오프 제어하기 때문에, 먼저 단상 컨버터 회로를 기준으로 스위칭 온오프에 따른 에너지 흐름을 설명하도록 한다.On the other hand, since the controller 500 controls ON / OFF of each switching element of the interleaved converter of the two-phase interleaved structure by using a PWM signal having a phase difference of 180 degrees, first, the control unit 500 switches on and off based on the single-phase converter circuit. Explain the energy flow that follows.

도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(500)가 제1스위칭소자(320)를 턴 온 되도록 한 경우, 태양전지모듈(100)의 (+)에서 에너지가 생성되어, 상기 에너지에 의해 제1입력커패시터(310)가 충전되고, 출력커패시터(350)가 충전되며, 상기 에너지가 배터리(200)를 통한 후, 제1인덕터(340), 제1전류측정부(430) 및 제1스위칭소자(320)를 통해 태양전지모듈(100)의 (-)에 도달하여 폐루프를 이루게 된다. 여기서, 제1인덕터(340)는 전류가 흐르면서 에너지를 충전하게 되며, 제1스위칭소자(320)가 턴 오프되는 경우 소스(source)로 동작하게 된다.As shown in FIG. 2, when the control unit 500 turns on the first switching device 320, energy is generated in the positive (+) of the solar cell module 100, and the first input is performed by the energy. After the capacitor 310 is charged, the output capacitor 350 is charged, and the energy passes through the battery 200, the first inductor 340, the first current measuring unit 430, and the first switching device 320 are used. ) To reach the negative (-) of the solar cell module 100 to form a closed loop. Here, the first inductor 340 charges energy as current flows, and operates as a source when the first switching device 320 is turned off.

그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(500)가 제1스위칭소자(320)를 턴 오프 되도록 한 경우, 태양전지모듈(100)의 (+)에서 생성된 에너지는 제1스위칭소자(320)의 턴 오프로 인해 제1입력커패시터(310)로 루프 형성이 된다. 그리고, 상술한 바와 같이, 제1인덕터(340)는 소스로 동작하여 제1스위칭소자(320) 턴 온 시, 저장된 에너지는 제1다이오드(330)를 통해 출력커패시터(350)와 배터리(200)를 충전하게 된다. 이때, 태양전지모듈(100)은 전류원으로 항상 전류가 폐루프 형성되어야 하므로, 제1스위칭소자(320)의 스위칭 동작과 관계없이 제1입력커패시터(310)가 구비되어야 한다. 여기서, 제1다이오드(330)는 프리휠링 다이오드로, 제1스위칭소자(320) 턴 오프 시 발생하는 제1인덕터(340)의 역기전력에 의한 제1스위칭소자(320)를 보호하는 역할을 하거나, 전류를 회생시켜 효율을 높이는 역할을 할 수 있다. As shown in FIG. 3, when the controller 500 turns off the first switching device 320, the energy generated from the (+) of the solar cell module 100 is the first switching device 320. ), A loop is formed in the first input capacitor 310 due to the turn off. As described above, when the first inductor 340 is operated as a source and the first switching device 320 is turned on, the stored energy is stored in the output capacitor 350 and the battery 200 through the first diode 330. Will charge. At this time, since the solar cell module 100 should always have a closed loop current as a current source, the first input capacitor 310 should be provided regardless of the switching operation of the first switching element 320. Here, the first diode 330 is a freewheeling diode and serves to protect the first switching device 320 due to the counter electromotive force of the first inductor 340 generated when the first switching device 320 is turned off. It can play a role of increasing efficiency by regenerating current.

상기와 같은 스위칭 온오프에 따른 에너지 흐름을 2상 인터리브드 컨버터부(300)를 기준으로 다시 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(500)가 전력측정부(400)에서 측정된 측정전력에 기초하여 제1스위칭소자(320)를 턴 온 되도록 하고, 제2스위칭소자(321)를 턴 오프 되도록 한 경우, 태양전지모듈(100)의 (+)에서 생성된 에너지에 의해 제1입력커패시터(310)가 충전되고, 출력커패시터(350)가 충전되며, 상기 에너지가 배터리(200)를 통한 후, 제1인덕터(340), 제1전류측정부(430) 및 제1스위칭소자(320)를 통해 태양전지모듈(100)의 (-)에 도달하여 폐루프를 이루게 되고, 제2스위칭소자(321)의 턴 오프로 인해 제2입력커패시터(311)로 루프 형성이 된다. 그리고 제2스위칭소자(321)의 턴 온 시 제2인덕터(341)에 충전된 에너지에 의해 제2인덕터(341)가 소스로 동작하여 상기 에너지가 제2다이오드(331)를 통해 출력커패시터(350)와 배터리(200)를 충전하게 된다. When the energy flow according to the switching on and off as described above with reference to the two-phase interleaved converter 300, as shown in Figure 2, the control unit 500 is measured by the power measuring unit 400 When the first switching device 320 is turned on based on the power and the second switching device 321 is turned off, the first input is generated by the energy generated by the positive of the solar cell module 100. After the capacitor 310 is charged, the output capacitor 350 is charged, and the energy passes through the battery 200, the first inductor 340, the first current measuring unit 430, and the first switching device 320 are used. The solar cell module 100 reaches to the negative polarity of the solar cell module 100 to form a closed loop, and due to the turn-off of the second switching element 321, a loop is formed into the second input capacitor 311. When the second switching element 321 is turned on, the second inductor 341 operates as a source by energy charged in the second inductor 341, and the energy is output through the second diode 331. ) And the battery 200 will be charged.

반대의 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(500)가 전력측정부(400)에서 측정된 측정전력에 기초하여 제1스위칭소자(320)를 턴 오프 되도록 하고, 제2스위칭소자(321)를 턴 온 되도록 한 경우, 태양전지모듈(100)의 (+)에서 생성된 에너지는 제1스위칭소자(320)의 턴 오프로 인해 제1입력커패시터(310)로 루프 형성이 되고, 제2입력커패시터(311), 출력커패시터(350) 및 배터리(200)를 충전하게 되고, 제2인덕터(341), 제2전류측정부(431) 및 제2스위칭소자(321)를 통해 태양전지모듈(100)의 (-)에 도달하여 폐루프를 이루게 된다. 이때, 제1스위칭소자(320)의 턴 온 시 제1인덕터(340)에 충전된 에너지에 의해 제1인덕터(340)가 소스로 동작하여 상기 에너지가 제1다이오드(330)를 통해 출력커패시터(350)와 배터리(200)를 충전하게 된다. 또한, 제2다이오드(331)도 프리휠링 다이오드로, 제2스위칭소자(321) 턴 오프 시 발생하는 제2인덕터(341)의 역기전력에 의한 제2스위칭소자(321)를 보호하는 역할을 하거나, 전류를 회생시켜 효율을 높이는 역할을 할 수 있다. On the contrary, as shown in FIG. 3, the control unit 500 turns off the first switching device 320 based on the measured power measured by the power measuring unit 400, and the second switching device 321. ) Is turned on, the energy generated from the (+) of the solar cell module 100 is looped to the first input capacitor 310 due to the turn-off of the first switching device 320, the second The input capacitor 311, the output capacitor 350, and the battery 200 are charged, and the solar cell module (2) is provided through the second inductor 341, the second current measuring unit 431, and the second switching element 321. A negative loop of 100) is reached to form a closed loop. In this case, when the first switching device 320 is turned on, the first inductor 340 is operated as a source by the energy charged in the first inductor 340, and the energy is output through the first diode 330. 350 and the battery 200 are charged. In addition, the second diode 331 is also a freewheeling diode and serves to protect the second switching device 321 due to the counter electromotive force of the second inductor 341 generated when the second switching device 321 is turned off. It can play a role of increasing efficiency by regenerating current.

따라서, 2상 인터리브드 컨버터부(300)의 제1, 2입력커패시터(310, 311)에 의해 전류가 분배되어 손실 감소로 고효율화 및 소형화가 가능하며, 제1, 2스위칭소자(320, 321)를 180도 위상차로 PWM 제어함으로써, 최종 출력 리플이 스위칭 주파수 2배가 되는 효과를 얻을 수 있다. Accordingly, the current is distributed by the first and second input capacitors 310 and 311 of the two-phase interleaved converter unit 300, so that the loss can be reduced and the efficiency can be reduced and the size can be reduced. The first and second switching elements 320 and 321 may be used. PWM control with a 180 degree phase difference allows the final output ripple to double the switching frequency.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 충전장치 및 그 제어방법은, 인터리브드 구조의 고용량 태양광 컨버터를 구현하여 배터리를 충전함으로써, 고효율화 및 소형화가 가능하도록 한다. As described above, the solar energy charging device and the control method according to an embodiment of the present invention, by implementing a high-capacity solar converter of the interleaved structure to charge the battery, high efficiency and miniaturization is possible.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 충전장치 및 그 제어방법은, 로우 사이드용 게이트 드라이버 사용으로 가격 경쟁력을 확보할 수 있으며, 인터리브드 구조를 통해 전류가 분배되고, 커플 인덕터를 적용하여 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, the solar energy charging device and the control method according to an embodiment of the present invention, it is possible to secure the price competitiveness by using a low-side gate driver, the current is distributed through an interleaved structure, by applying a couple inductor There is an effect that can reduce the loss.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art to which the art belongs can make various modifications and other equivalent embodiments therefrom. I will understand.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the claims below.

100 : 태양전지모듈 200 : 배터리
300 : 인터리브드 컨버터부 310, 311 : 제1, 2입력커패시터
320, 321 : 제1, 2스위칭소자 330, 331 : 제1, 2다이오드
340, 341 : 제1, 2인덕터 350 : 출력커패시터
400 : 전력측정부 410 : 입력전압측정부
420 : 출력전압측정부 430, 431 : 제1, 2전류측정부
500 : 제어부100: solar cell module 200: battery
300: interleaved converter 310, 311: first and second input capacitor
320, 321: first and second switching elements 330, 331: first and second diodes
340, 341: first and second inductors 350: output capacitor
400: power measuring unit 410: input voltage measuring unit
420: output voltage measuring unit 430, 431: first and second current measuring unit
500: control unit

Claims (1)

태양전지모듈에서 생성된 전력을 변환하여 배터리로 출력하기 위해 서로 다른 상을 갖는 복수의 컨버터 회로를 포함하는 인터리브드 컨버터부;
상기 태양전지모듈에서 생성된 전력을 측정하는 전력측정부; 및
상기 전력측정부에서 측정된 측정전력에 기초하여 PWM 듀티 값을 생성하고, 상기 PWM 듀티 값에 따라 상기 인터리브드 컨버터부가 스위칭 동작하도록 하여 상기 인터리브드 컨버터부에서 출력되는 전력으로 상기 배터리가 충전되도록 하는 제어부;를 포함하되,
상기 인터리브드 컨버터부의 각 단상 컨버터 회로는,
상기 태양전지모듈과 병렬로 연결된 입력 커패시터와, 상기 입력커패시터와 병렬로 연결되고 접지라인의 반대 방향으로 형성되는 다이오드와, 상기 다이오드와 상기 각 단상 컨버터 회로의 출력단 사이의 상기 접지라인에 구비되는 인덕터와, 상기 접지라인에 구비되며, 드레인(D)단이 상기 입력 커패시터와 연결되고 소스(S)단이 상기 인덕터와 연결되어 상기 각 단상 컨버터 회로를 활성화시키기 위한 스위칭소자를 포함하고,
상기 인터리브드 컨버터부는,
상기 배터리와 병렬로 연결되어 출력 전압을 일정하게 유지하는 출력 커패시터를 포함하고,
상기 인터리브드 컨버터부는,
2상 인터리브드 구조로 구현되며, 상기 2상 인터리브드 구조의 인터리브드 컨버터부의 각각의 인덕터는 서로 커플링되고,
상기 제어부는,
180도의 위상차를 갖는 PWM 신호를 이용하여 상기 2상 인터리브드 구조의 인터리브드 컨버터부의 각각의 스위칭소자를 온오프 제어하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 충전장치.
An interleaved converter unit including a plurality of converter circuits having different phases to convert power generated by the solar cell module and output the same to a battery;
A power measuring unit measuring power generated by the solar cell module; And
Generates a PWM duty value based on the measured power measured by the power measuring unit, and causes the interleaved converter to switch according to the PWM duty value so that the battery is charged with the power output from the interleaved converter. Control unit; including,
Each single-phase converter circuit of the interleaved converter section,
An inductor provided in an input capacitor connected in parallel with the solar cell module, a diode connected in parallel with the input capacitor and formed in a direction opposite to the ground line, and the ground line between the diode and an output terminal of each single-phase converter circuit. And a switching element provided in the ground line, the drain (D) terminal connected to the input capacitor and the source (S) terminal connected to the inductor to activate the respective single phase converter circuits.
The interleaved converter unit,
An output capacitor connected in parallel with the battery to keep the output voltage constant;
The interleaved converter unit,
Implemented in a two-phase interleaved structure, each inductor of the interleaved converter portion of the two-phase interleaved structure is coupled to each other,
The control unit,
And a switching device for each of the switching elements of the interleaved converter of the two-phase interleaved structure using a PWM signal having a phase difference of 180 degrees.
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