KR20070070685A

KR20070070685A - 디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양 전지 시스템 및 그제어 방법

Info

Publication number: KR20070070685A
Application number: KR1020050133502A
Authority: KR
Inventors: 장영근; 김동운
Original assignee: 학교법인 정석학원
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-07-04
Also published as: KR100755954B1

Abstract

본 발명은 인공위성 등에서 사용되는 태양 전지 시스템에 관한 것으로 태양 전지판의 최대 전력점 추적을 더 효율적으로 수행하기 위한 것이다. 본 발명에 의한 최대 전력 추적기는 태양 전지판의 전압, 전류 측정부와 DC-DC 변환기, 마이콤을 포함한 펄스폭 변조(PWM) 제어부로 구성되어 간단한 회로와 소프트웨어 알고리즘으로 최대 전력점을 추적함으로써 복잡한 회로 구성 없이도 효율적으로 최대전력점을 추적할 수 있는 디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양전지 시스템 및 그 제어방법을 제공한다.

인공위성, 태양전지, 전력계, 최대 전력 추적기, 마이콤

Description

디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양 전지 시스템 및 그 제어 방법{Solar cell System with digital peak power tracker and controlling method thereof}

도 1은 태양 전지판의 I-V 특성 곡선을 나타낸 그래프,

도 2는 본 발명에 의한 태양전지 시스템의 구성을 나타낸 블록도,

도 3은 도 2의 측정부의 일 실시예를 나타낸 회로도,

도 4는 도 2의 DC-DC 변환기의 일 실시예를 나타낸 회로도,

도 5는 도 2의 제어부의 일 실시예를 나타낸 회로도, 그리고

도 6은 도 2의 태양전지 시스템의 최대 전력 추적 방법을 나타낸 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10; 태양전지판 20; 측정부

21; 전압측정기 22; 전류측정기

30; DC-DC 변환기 40; 제어부

41; 마이콤 42; A/D 변환기

43; D/A 변환기 44; PWM 제어기

본 발명은 태양전지 시스템에 관한 것으로, 특히 간단한 구성으로 초소형 인공위성에 사용되는 태양전지의 발전효율을 극대화 할 수 있는 태양전지의 디지털 최대 전력 추적기(Peak Power Tracker: 이하, 최대 전력 추적기라 한다)를 구비한 태양전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 태양전지는 지상에서는 지상용 발전으로 사용되고 인공위성 등 우주 공간에서는 우주용 발전에 이용되는데, 태양전지는 정전압, 정전류원이 아니라 생산전압에 따라 비선형적인 전류 특성을 보이는 전력원이다. 도 1은 태양전지의 I-V, P-V 특성 곡선을 나타낸 도면으로 태양전지를 최대한 효율적으로 사용하기 위해서는 최대전력점(Peak Power Point)에서 태양전지가 동작할 수 있도록 해야한다.

최대 전력 추적기(Peak Power Tracker)는 인공위성에서 태양 전지판이 최대 전력을 생산할 수 있도록 그 동작점을 조절해 주는 장치이다.

종래 태양전지가 최대 전력을 발생하도록 하는 방법으로는, 첫째 태양전지 어레이의 출력전압을 변화시키면서 전류와 전압을 측정하고 이를 통해 전력을 계산하여 전력이 가장 크게 발생하는 전압을 추적하는 방법이 있고, 둘째 태양전지의 최대 전압 출력은 주로 온도에 따라 변화하는 원리를 이용하여 온도에 대한 변화만을 고려하여 최대 전압이 발생되도록 설정하는 방법이 있다. 그리고, 세 번째로는 태양전지의 최대 전압과 개방회로의 전압이 항상 일정한 비율로 유지된다는 원리를 이용하여 주기적으로 개방회로 전압을 측정하여 이를 근거로 최대 전압이 발생되도록 설정하는 방법 등이 있다.

그런데, 첫 번째 방법은 최대 전력점을 추적하기 위해서는 태양 전지판의 시간에 따른 전압, 전류의 변화를 알아야 한다. 아날로그 최대 전력 추적기에서는 이러한 메모리 기능을 구현하기 위해 샘플/홀드 회로를 사용하거나 태양 전지판의 동작점에 강제로 일정한 주파수의 떨림(Dither)을 가한다. 즉, 이처럼 여러 가지 복잡한 전자 회로들을 포함해야 하는데 이러한 회로들은 최대 전력 추적기 전체 회로를 복잡하게 하고 많은 전자 소자가 사용됨으로써 최대 전력 추적기의 효율을 떨어뜨린다. 또한, 복잡한 회로는 최대 전력 추적기의 전체 질량을 상승시키므로 질량에 제한이 큰 소형 인공위성에서는 상당한 단점으로 작용한다.

온도에 대한 변화만을 고려하여 최대 전압이 발생되도록 설정하는 두 번째 방법은 최대 전력이 온도이외의 다른 외부환경에 따라서도 변화되기 때문에 태양전지의 최대 출력 전력을 정확하게 설정하지 못하는 문제점이 있다.

그리고, 세 번째 개방회로 전압을 이용할 경우 낭비되는 전력이 발생함과 아울러 일부 태양전지의 개방상태의 전압을 이용하여 전체 태양전지 어레이의 최대출력전압을 유추하기 때문에 정확한 최대 출력전압의 설정이 불가능하다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 아날로그 최대 전력 추적기의 낮은 효율, 복잡한 회로, 높은 질량이라는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 변환 효율과 회로의 구성에서 장점을 갖는 디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양 전지 시스템과 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명에 의한 태양전지 시스템은 PWM 신호의 시비율을 태양 전지의 현재 동작점과 최대 전력점간의 차이에 따라 두 가지 수준으로 조절함으로써, 신속하고 정밀한 최대 전력점 추적을 가능하게 함에 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 태양전지에 있어서, 태양 전지판, 상기 태양전지판에서 출력되는 전압과 전류를 측정하는 측정부, 태양 전지에 의해 공급된 전력을 변환하여 변환된 전력을 부하에 공급하며 태양전지의 동작점을 조절하는 DC-DC 변환기, 상기 DC-DC 변환기의 펄스폭을 변조하는 PWM 제어기, 상기 측정부의 전압값과 전류값을 이용하여 전압 변화에 따른 전력 변화가 '-'인 경우 PWM 시비율이 증가되고, '+'인 경우 PWM 시비율이 감소되도록 상기 PWM 제어기에 제어신호를 인가하는 마이콤을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양전지 시스템을 제공한다.

상기 마이콤은 상기 측정부에서 입력되는 전류와 전압을 이용하여 전력, 전압 변화량, 및 전력 변화량을 산출하고, 전압 변화에 따른 전력 변화가 '0'보다 크면 PWM 신호의 시비율을 감소시키고, 전압에 따른 전력변화가 '0'보다 작으면 PWM 신호의 시비율을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마이콤은 상기 전력 변화량을 상기 전압 변화량으로 나눈 값이 설정 범위 이내일 경우 시비율 변화가 최소가 되도록 상기 PWM 제어기에 제어신호를 인가하고, 상기 전력 변화량을 상기 전압변화량으로 나눈 값이 설정 범위 이외일 경우 시비율 변화가 설정값이 되도록 상기 PWM 제어기에 제어신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 태양전지 시스템 제어방법은. a)측정부로부터 전압과 전류를 읽어오는 단계; b)상기 전압과 상기 전류의 곱으로 전력을 연산하는 단계; c)상기 전압의 변화량을 연산하는 단계; d)상기 b)단계의 전력의 변화량을 연산하는 단계; e) 상기 c)단계의 전압 변화량에 대한 상기 d) 단계의 전력 변화량의 비가 '+'일 경우 PWM 신호의 시비율을 감소시키는 단계; f) 상기 c)단계의 전압변화량에 대한 상기 d)단계의 전력변화량의 비가 '-'일 경우 PWM 신호의 시비율을 증가시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 e) 단계와 상기 f) 단계에서 전압 변화량에 대한 전력 변화량의 비가 설정 범위 이내일 경우 상기 시비율 변화가 최소가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

상기 e) 단계와 상기 f) 단계에서 전압 변화량에 대한 전력 변화량의 비가 설정 범위 이외일 경우 상기 시비율 변화가 설정값이 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시 예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면 을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점 들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명에 의한 태양전지 시스템의 일 실시예를 나타낸 블록도이고, 도 3은 도 2의 측정부의 구성을 나타낸 회로도, 도 4는 DC-DC 변환기의 구성을 나타낸 회로도, 도 5는 제어부의 구성을 나타낸 회로도이며, 도 6은 본 발명에 의한 최대 전력 추적 방법의 동작 흐름을 나타낸 흐름도이다. 도 3 내지 도 5의 회로도는 한국항공대학교 우주시스템연구실에서 국가지저연구실 사업으로 개발중인 25kg급 소형인공위성 HAUSAT-2에 적합하도록 설계된 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 태양전지 시스템은, 태양전지판(10), 측정부(20), DC-DC 변환기(30), 및 PWM 제어기(44)와 DA 변환기(43) 및 마이콤(41)으로 구성된 제어부(40)를 포함하여 태양전지판(10)의 최대 전력점을 추적하고 DC-DC 변환기(30)에 의해 정류한 후 부하(도면 중 미도시)에 인가하는 것이다.

부하는 인공위성의 충전 배터리, 전열시스템, 전기 모터, 상용 AC 시스템 등 또는 이들 부하의 결합체일 수 있다

태양전지판(10)은 아몰퍼스 실리콘, 미결정 실리콘, 결정 실리콘, 단결정 실리콘 등의 반도체, 화합물 반도체 등을 포함하는 태양전지로 구성될 수 있다. 일반적으로, 복수의 태양전지를 직/병렬 형태로 조합하여 설정 전압 및 전류를 얻을 수 있도록 어레이 또는 스트링 형태로 배열한다.

측정부(20)는, 태양 전지판(10)의 전압과 전류를 측정하는 것으로 전압 측정 기(21)와 전류 측정기(22)로 구성된다. 측정부(20)의 회로 구성을 나타낸 도3에 도시된 바와 같이 전압 측정기(21)는 두 개의 저항(R1,R2)을 사용한 전압 분배기(Voltage Divider)로 구성되고, 전류 측정기(22)는 낮은 저항치를 가지는 측정 저항(R3~R7)과 연산증폭기, 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transister, BJT)로 구성된다.

HAUSAT-2 인공위성이 궤도 상에서 운용될 때, 태양 전지판(10)에서 공급되는 최대 전압이 약 24.5V일 경우 전압 측정기(21)의 출력은 5V 이내로 제한하는 것이 바람직하므로, 전압 측정기(21)의 저항 R1과 R2는 저항값 비를 1:4로 구성한다. 도3에 도시된 실시예에서 R1은 1.2MΩ이고, R2는 300kΩ으로 구성된다. 전압 분배장치인 전압 측정기(21)에 의한 전력 손실을 줄이기 위하여 큰 저항치를 사용한다.

전류 측정기(22)를 구성하는 측정 저항(R3~R7)은 전력 손실을 줄이기 위해 전압 측정기(21)와는 반대로 가능한 한 작은 값으로 구성하는 것이 바람직하다. 도 3의 실시예에서는 측정 저항을 0.1Ω으로 설정하여, 저항치가 각각 0.5Ω인 R3~R7을 측정저항으로 구성한 것이다. 연산 증폭기(U1A)와 저항 R8에 의해 태양전지판(10)에서 생성된 전류에 비례하는 출력 전류가 PNP BJT(Q4)에 흐르게 되고, 이 출력 전류를 출력 저항 R9로 전압으로 변환시킨다. 측정할 전류와 전류 측정기(22)의 출력 전압 간의 비는 측정 저항(R3~R7)과 R8, R9에 의해 결정된다. 인공위성이 궤도상에서 운용될 때에 태양 전지판으로부터 생성되는 최대 전류는 1A로 예상되므로 측정할 전류와 출력 전압간의 비를 4(R8=100Ω, R9=4kΩ)로 설정하여 최대 출력이 5V를 넘지 않도록 한다.

전압 측정기(21)와 전류 측정기(22)의 출력은 A/D 변환기(A/D converter;U2)의 아날로그 입력 핀(AIN.D, AIN.C)으로 연결된다. A/D 변환기(U2)는 마이콤(41)의 제어를 받아 아날로그 입력을 디지털로 변환하며 1-Wire 인터페이스를 가진다.

DC-DC 변환기(30)는 태양전지판(10)의 직류전원을 전력 변환하여 부하로 공급하는 것으로 자기 소거형 스위칭 장치로 구성되고, DC-DC 변환기(DC-DC Converter;30)의 전력흐름, 입출력 전압, 출력 주파수는 게이트 펄스의 시비율 또는 온/오프 속도 조정으로 제어할 수 있다. DC-DC 변환기(30)는 여러 가지 형태가 있지만 인공위성의 배터리 충전 전압과 태양 전지판의 최대 전력점 전압을 고려하였을 때 강압형인 Buck Topology를 적용하는 것이 바람직하다.

일반적인 DC-DC 변환기는 일정 범위의 입력 전력을 고정된 출력 전력으로 변환하는 것을 목적으로 하지만, 본 발명의 DC-DC 변환기(30)는 태양전지와 연결된 입력 전력을 제어하는데 목적을 둔다. DC-DC 변환기(30)는 펄스폭 변조신호의 시비율이 증가하면 단락 시간이 증가하여 출력 전류가 증가하고, 시비율이 감소하면 단락시간이 감소하여 출력 전류가 감소한다. P=VI이므로 출력 전류가 증가하면 전압이 낮아지고, 출력 전류가 감소하면 전압이 증가한다.

따라서, 태양전지판(10)의 출력 전압이 최대 전력점 전압보다 높으면 마이콤은 펄스폭 변조신호의 시비율을 증가시키므로, DC-DC 변환기(30)는 단락시간이 증가하여 태양전지판(10)에서 부하로 제공되는 출력 전류가 증가하고, 태양전지판(10)의 출력 전압은 낮아진다. 태양전지판(10)의 출력 전압이 최대 전력점 전압보다 낮으면 마이콤은 펄스폭 변조신호의 시비율을 감소시키므로, DC-DC 변환기(30) 는 내부스위치 단락시간이 감소하면서 태양전지판(10)에서 부하로 제공되는 출력 전류가 감소하므로 태양전지판(10)의 출력 전압은 높아진다.

DC-DC 변환기(30)의 구성은 도 4에 도시된 바와 같이 주 스위치(Q1)는 IRF3805 N-채널 MOSFET으로 구성하고 스위치가 On 되어있는 동안 에너지를 축적하는 인덕터(L1)는 용량을 150μH로 구성하여 DC-DC 변환기(30)가 동작하는 동안 연속 도통(Continuous Conduction) 상태를 유지하게 된다. 인덕터(L1)와 함께 필터를 구성하는 캐패시터(C1)는 과도 특성을 고려하여 220μF으로 구성한다. 스위치가 Off 되어있는 동안 인덕터(L1)에 축적된 에너지를 방출하는 환류 다이오드(D1)에는 충분한 출력 전류를 보장하기 위해 3A의 최대 허용 전류값을 가지는 1N5822를 사용하는 것이 바람직하다. 스위칭 주파수는 100kHz로 설정하여 스위칭에 의한 전력 손실을 가능한 한 감소시키고 MOSFET 드라이브 회로는 Q2(2N2222), Q3(2N2907)로 푸쉬-풀 방식으로 구현하는 것이 바람직하다.

도 5는 제어부(40)를 나타내는 회로도로서, 도시하는 바와 같이 제어부(40)는 마이콤(41), D/A 변환기(43), PWM 제어기(44)로 구성된다.

태양 전지판이 최대 전력점에서 동작하고 있지 않은 경우, 마이콤(41)을 포함한 제어부(40)는 DC-DC 변환기(30)의 시비율을 조절하는데 마이콤(41)에 탑재되는 소프트웨어의 구동에 의해 태양 전지판(10)의 전압, 전류 데이터를 이용하여 최대 전력점(PPT)을 추적한다. 즉, 소프트웨어가 구동하여 최대 전력점을 추적할 수 있도록 8 비트 디지털 신호를 제어한다.

PWM 제어기(44)는 PWM 펄스를 발생시키는 게이트 구동회로로서 이에 따라 DC-DC변환기(30)의 온/오프 듀티 속도가 제어되어 태양 전지 시스템의 출력 전압이 제어된다. 시비율을 조절하면 DC-DC 변환기(30)의 입력전압과 출력전압의 비율을 변화시키기 때문에 이것을 통해 태양전지판이 최대 전력점에서 동작할 수 있도록 동작 전압을 최대 전력점을 향해 변화시킨다.

마이콤(U3,41)은 측정부(20)에서 입력되는 전류, 전압데이터를 이용하여 전력, 전압변화량, 전력변화량을 산출하고, 전압변화에 따른 전력변화 값에 따라 최대전력점을 추적하여 PWM 제어기(44)의 PWM 시비율을 조절한다.

마이콤(U3)은 D/A 변환기(U4)로 입력될 병렬 8비트 디지털 신호와 A/D변환기(U2)로 입력되는 1-Wire 인터페이스를 위한 핀까지 모두 9개의 핀이 필요하므로, 8051 계열에서 가장 작은 15개의 입출력 핀을 가지는 AT89C2051을 사용하는 것이 바람직하다. D/A 변환기(U4)는 일반적으로 많이 사용되는 DAC0800, PWM 제어기(U5)는 전압 모드를 지원하는 TL494를 사용할 수 있다. 측정부(20)에서 A/D 변환된 전류, 전압 데이터는 마이콤(41)의 6번핀으로 1-Wire 인터페이스를 통해 입력된다. 마이콤(41)은 최대 전력점을 추적하여 PWM 제어기(44)에서 출력되는 PWM 신호의 시비율을 조절하기 위해 입출력 포트 1의 8개 핀(P1.0~P1.7)을 통해 병렬 8 비트 디지털 신호를 출력한다. 출력된 병렬 8 비트 신호는 D/A 변환기(U4)에 입력되어 아날로그 전류로 변환된다.

PWM 제어기(U5)에서 PWM 신호의 시비율을 결정하기 위해서는 비교 전압(Reference Voltage)이 필요하므로, D/A 변환기(U4)의 출력단에 저항을 삽입하여 출력 전류로 인한 전압 강하를 유도함으로써 D/A 변환기(U4)의 출력 전류를 전압으 로 변환한다. D/A 변환기(43)의 출력 전류는 D/A 변환기(43) 쪽으로 흘러들어오기 때문에 저항의 출력핀 방향단에는 음(-)전압이 나타난다. 이 전압을 이득이 1인 반전 증폭기를 이용하여 양(+)전압으로 바꾸어 PWM 제어기(44)의 비교 전압으로 입력한다. PWM 제어기(44)는 비교 전압의 크기에 따라 PWM 신호의 시비율을 조절하게 된다.

상기와 같이 구성되는 마이콤(41)과 D/A 변환기(43), A/D 변환기(42)는 구동 전원으로 +5V의 전압이 필요하다. 각 소자에 공급되는 전류가 크지 않으므로 선형 레귤레이터(MC7805)를 이용하여 +5V 전압을 공급하고, LM2660으로 +5V를 음(-)전압으로 변환하여 D/A 변환기(43)에사용되는 -5V 전압을 공급한다.

도 6을 참조하여 최대 전력점 추적 방법을 자세히 설명한다.

도 1의 I-V,P-V 특성 곡선을 참조하면, 태양 전지판의 최대 전력점은 태양 전지판의 전압 변화(∇V)에 따른 전력 변화(∇P)가 0인 지점이다. 최대 전력점보다 동작점의 전압이 낮으면 전압에 대한 전력 변화량은 양(+)이 되고 최대 전력점 보다 동작점의 전압이 높으면 전압에 대한 전력 변화량은 음(-)이 되므로, 이를 이용하여 마이콤(41)는 동작점 전압이 최대 전력점보다 높은지 낮은지를 판단한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 먼저 마이콤(41)는 1-Wire 통신을 통해 전압(Vnew), 전류(I) 데이터를 A/D 변환기(42)로부터 읽어들인다(S10). 입력된 전압(Vnew), 전류(I) 데이터를 곱하여 전력(Pnew)를 산출하고(S20), 현재의 전압값(Vnew)과 이전의 전압값(Vold)을 비교하여 전압 변화량 ∇V를 산출하고(S30), 이전 에 연산한 전력(Pold)과 S20에서 산출한 전력(Pnew)을 비교하여 전력 변화량 ∇P를 산출한다(S40). S40의 ∇P를 S30의 ∇V로 나누어 전압 변화에 따른 전력 변화의 정도를 구하여(S50), ∇P/∇V가 양수인 경우 PWM 제어기(44)가 PWM의 시비율을 감소시키도록 제어하고(S53-3), ∇P/∇V가 음수인 경우 PWM 제어기(44)가 PWM의 시비율을 증가시키도록 제어한다(S52-3). S10 단계에서 읽어들인 전압 데이터 Vnew와 S20단계의 전력 Pnew를 old 값 Vold, Pold 로 설정하고 S10단계로 리턴하여 상기 과정을 반복한다(S54).

S53-3, 또는 S52-3 과 같이 PWM 시비율이 증가 또는 감소되도록 제어할 때 변화의 수준을 나누어 태양전지판 출력전압(V)이 최대 전력점에 가까운 경우 변화량을 최소 수준으로 제어하고, 최대 전력점에서 떨어져 있는 경우 변화량이 설정 수준 이상이 되도록 제어하여 최대 전력점 부근에선 정밀하게 제어되고, 최대 전력점에서 이격되어 있는 경우 빠르게 최대 전력점으로 접근할 수 있도록 한다.

즉, ∇P/∇V 가 '0'보다 작은 경우 ∇P/∇V가 설정 범위 이내인지 판단하여(S52), 설정범위 이내이면 시비율 증가 수준을 최소 수준으로 설정하고(S52-1), 설정범위 이외이면 시비율 증가 수준을 설정값으로 하여(S52-2) 시비율을 증가시키는 것이 바람직하다(S52-3). 설정값은 시비율 최대 변화값의 1/2 이상이 바람직하다.

또한, ∇P/∇V가 '0'보다 큰 경우 ∇P/∇V 값이 설정 범위 이내인지 판단하여(S53), 설정범위 이내이면 시비율 감소량을 최소 값으로 설정하고(S53-1), 설정 범위 이상이면 시비율 감소 수준을 설정값으로 하여(S53-2) 시비율을 감소시키는 것이 바람직하다(S53-3). 설정값은 시비율 최대 변화값의 1/2 이상이 바람직하다.

시비율 증가 수준은 태양전지의 동작점이 최대 전력점에 있지 않을 경우 최대 전력점을 찾아가기 위한 PWM 신호의 시비율 증가 및 감소의 단위 변화량이다. 도 6의 알고리즘이 한 번 수행될 때 시비율은 태양전지의 동작점이 최대 전력점을 향하도록 한 번 변화하게 된다. 이때, PWM 신호의 시비율이 증가하고 감소하는 변화의 정도를 두 개의 수준으로 나누어 태양 전지판의 동작점이 최대 전력점에서 멀리 떨어져 있는 경우에 신속하게 최대 전력점으로 접근하고 최대 전력점 근방에서는 정밀하게 최대 전력점을 찾을 수 있도록 한다.

도 6의 S52-1, S52-2, S52-3, S53-1, S53-2, S53-3 에서는 시비율의 변화 수준을 D로 표시하고 그 값을 상수로 설정하였다. 이와 같이 표시한 이유는 PWM 신호의 시비율 변화가 마이콤(41)에서 출력되는 8 비트 신호의 변화에 의한 것이기 때문이다. 따라서 D에 치환되는 상수는 8비트 병렬 신호의 변화 수준이다.

일반적인 태양 전지의 I-V 특성 곡선인 도 1에 도시된 바와 실시예에서 사용한 태양전지의 특성을 고려하여 ∇P/∇V가 양수일 때는 ∇P/∇V의 값이 0.1 이하일 때, ∇P/∇V가 음수일 때는 ∇P/∇V의 값이 -1 이상일 때 태양 전지판의 동작점이 최대 전력점 근방에 있다고 판단할 수 있다

8 비트 병렬 신호의 변화 수준은 ∇P/∇V의 경계값을 기준으로 결정한다. 최대 전력점 근방에서는 최대한 정밀하게 추적하기 위해 8비트 병렬 신호의 변화 수준을 최소값인 1로 한다. 태양전지의 동작점이 최대 전력점 근방이 아닌 경우 8비트 병렬 신호의 변화 수준은 인공위성의 궤도 환경과 최대 전력 추적기의 특성, 태양전지의 I-V 특성 등을 고려하여 적절히 선택되어야 한다.

본 실시예에서는 그 값을 5로 설정하였다. 즉, ∇P/∇V가 양수일 때는 ∇P/∇V의 값이 0.1 이하일 때, ∇P/∇V가 음수일 때는 ∇P/∇V의 값이 -1 이상일 때 8비트 신호의 최소 변화 값인 1로 설정하고 그 외의 경우에는 5로 설정하여 본 발명에 의한 태양 전지 시스템이 최대 전력점을 추적하여 동작할 수 있도록 한다.

위와 같은 과정을 모두 거친 후 이전의 전력, 전압값을 현재의 전력, 전압값으로 치환한 후 처음으로 되돌아가서 알고리즘을 반복한다(S54).

이와 같이 시비율을 조절하면 DC-DC 변환기(30)의 입력전압과 출력전압의 비율이 변화되어 태양전지판이 최대 전력점에서 동작할 수 있도록 동작 전압을 최대 전력점을 향해 변화시킨다.

도 3 내지 5의 실시예에서는 Commercial 또는 Industrial Grade의 전자 소자를 사용하였으나 긴 임무 기간을 가지는 인공위성인 경우에는 MIL Grade나 Space Grade의 전자 소자를 사용하여 우주환경에서 충분한 신뢰성을 확보할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 태양전지의 디지털 최대 전력 추적기는 복잡한 회로 구성 없이도 효율적으로 최대 전력점을 추적함으로써 소형화, 경량화가 가능하므로 HAUSAT-2와 같은 초소형 인공위성에 적용할 수 있게 되고 그로 인한 변환 효율을 종래 80%에서 90% 이상으로 향상시키고, 고장 시 소프트웨어의 변경을 통해 신속한 대응이 가능하게 된다.

또한, PWM 신호의 시비율 변화 수준을 두 단계로 나누어 빠르고 정밀한 최대 전력점 추적이 가능하게 된다.

Claims

태양 전지판,

상기 태양 전지판에서 출력되는 전압과 전류를 측정하는 측정부;

상기 태양 전지판에 의해 공급된 전력을 변환하여 변환된 전력을 부하에 공급하며 태양전지의 동작점을 조절하는 DC-DC 변환기;

상기 DC-DC 변환기의 펄스폭을 변조하는 PWM 제어기; 및

상기 측정부의 전압값과 전류값을 이용하여 전압 변화에 따른 전력 변화가 '-'인 경우 PWM 시비율이 증가되고, '+'인 경우 PWM 시비율이 감소되도록 상기 PWM 제어기에 제어신호를 인가하는 마이콤;을 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양 전지 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 마이콤은,

상기 측정부에서 입력되는 전류와 전압을 이용하여 전력, 전압 변화량, 및 전력 변화량을 산출하고, 상기 전력 변화량을 상기 전압 변화량으로 나눈 값이 '0'보다 크면 PWM 신호의 시비율을 감소시키고, 상기 전력 변화량을 상기 전압 변화량으로 나눈 값이 '0'보다 작으면 PWM 신호의 시비율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양 전지 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 마이콤은,

상기 전력 변화량을 상기 전압 변화량으로 나눈 값이 설정 범위 이내일 경우 시비율 변화가 최소가 되도록 상기 PWM 제어기에 제어신호를 인가하고 상기 전력 변화량을 상기 전압 변화량으로 나눈 값이 설정 범위 이외일 경우 시비율 변화가 설정값이 되도록 상기 PWM 제어기에 제어신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양 전지 시스템.
제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 태양 전지 시스템을 이용하는 제어방법에 있어서,

a)측정부로부터 전압과 전류를 읽어오는 단계;

b)상기 전압과 상기 전류의 곱으로 전력을 연산하는 단계;

c)상기 전압의 변화량 연산하는 단계;

d)상기 b)단계의 전력의 변화량 연산하는 단계;

e) 상기 c)단계의 전압변화에 대한 상기 d) 단계의 전력 변화가 '+'일 경우 PWM 신호의 시비율을 감소시키는 단계;

f) 상기 c)단계의 전압변화에 대한 상기 d)단계의 전력변화가 '-'일 경우 PWM 신호의 시비율을 증가시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양 전지 시스템 제어방법.
제 4항에 있어서,

상기 e) 단계에서 전압변화에 대한 전력변화가 설정 범위 이내일 경우 시비율 감소량이 최소가 되도록 하고 전압변화에 대한 전력변화가 설정 범위 이외일 경우 시비율 감소량이 설정값이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양 전지 시스템 제어방법.
제 4항에 있어서,

상기 f) 단계에서 전압변화에 대한 전력변화가 설정 범위 이내일 경우 시비율 증가량이 최소로 하고 전압변화에 대한 전력변화가 설정 범위 이외일 경우 시비율 증가량을 설정값으로 하는 것을 특징으로 하는 디지털 최대 전력 추적기를 구비한 태양 전지 시스템 제어방법.