KR20190141400A - 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 방법 - Google Patents

양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20190141400A
KR20190141400A KR1020180068112A KR20180068112A KR20190141400A KR 20190141400 A KR20190141400 A KR 20190141400A KR 1020180068112 A KR1020180068112 A KR 1020180068112A KR 20180068112 A KR20180068112 A KR 20180068112A KR 20190141400 A KR20190141400 A KR 20190141400A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery
voltage
inductor
current
reference current
Prior art date
Application number
KR1020180068112A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102136982B1 (ko
Inventor
박성준
박성미
안영태
Original Assignee
전남대학교산학협력단
나우웍스 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전남대학교산학협력단, 나우웍스 주식회사 filed Critical 전남대학교산학협력단
Priority to KR1020180068112A priority Critical patent/KR102136982B1/ko
Publication of KR20190141400A publication Critical patent/KR20190141400A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102136982B1 publication Critical patent/KR102136982B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H05B33/0815—
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S8/00—Lighting devices intended for fixed installation
    • F21S8/08—Lighting devices intended for fixed installation with a standard
    • F21S8/085—Lighting devices intended for fixed installation with a standard of high-built type, e.g. street light
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S9/00—Lighting devices with a built-in power supply; Systems employing lighting devices with a built-in power supply
    • F21S9/02—Lighting devices with a built-in power supply; Systems employing lighting devices with a built-in power supply the power supply being a battery or accumulator
    • F21S9/03—Lighting devices with a built-in power supply; Systems employing lighting devices with a built-in power supply the power supply being a battery or accumulator rechargeable by exposure to light
    • F21S9/032—Lighting devices with a built-in power supply; Systems employing lighting devices with a built-in power supply the power supply being a battery or accumulator rechargeable by exposure to light the solar unit being separate from the lighting unit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V23/00—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices
    • F21V23/04—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices the elements being switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H05B33/0842—
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2131/00—Use or application of lighting devices or systems not provided for in codes F21W2102/00-F21W2121/00
    • F21W2131/10—Outdoor lighting
    • F21W2131/103—Outdoor lighting of streets or roads
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/72—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps in street lighting

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

본 기술은 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 구체적인 예에 따르면, 하나의 인덕터에 저장된 에너지로 배터리 충전 및 조명 제어를 수행함에 따라 인덕터의 수가 줄어 전체적인 벅 컨버터의 부품 수를 줄일 수 있고, 이에 부하를 감소하여 벅 컨버터의 응답 속도를 감소할 수 있다.

Description

양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 방법{SOLAR STREETLIGHT APPARATUS AND METHOD USING BIDRECTIONAL BUCK CONVERTER}
본 발명은 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 인덕터에 저장된 광 에너지로 배터리 충전과 조명 점등를 수행함에 따라 양방향 벅 컨버터의 부품의 수를 줄일 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
최근 지구 온난화 방지 및 설치의 용이성으로 인하여 차세대 에너지원인 태양광을 이용한 전력망 구축이 주목 받고 있으며, 이러한 시스템의 대표적인 것은 태양광 독립형 가로등이다.
배터리와 LED 조명을 사용한 대표적인 시스템으로 독립 전원형 태양광 LED 가로등 시스템이 있다. 즉, 독립형 태양광 LED 가로등의 특징은 주간에 태양광 모듈에서 생성된 에너지를 배터리에 저장하여 야간에 LED 조명으로 에너지를 방출하는 시스템으로 배터리 충전과 LED 조명 구동을 위한 전력공급 등을 관리할 수 있는 전력변환장치의 양방향 벅 컨버터가 필수적이고, 또한 저가의 높은 신뢰성이 요구된다.
본 발명은 하나의 인덕터에 저장된 에너지로 배터리 충전 및 조명 제어를 수행함에 따라 인덕터의 수가 줄어 벅 컨버터의 부품 수를 줄일 수 있고, 이에 부하를 감소하여 벅 컨버터의 응답 속도를 향상시킬 수 있는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 방법을 제공하고자 함을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 배터리에 충전하고 충전된 배터리 전압으로 조명을 제어하기 위한 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치에 있어서, 상기 양방향 벅 컨버터는, 하나의 인덕터에 저장된 에너지로 상기 배터리 충전 및 조명 제어를 수행하도록 구비되는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 상기 양방향 벅 컨버터는, 태양 전지 패널의 양단 사이에 연결되어 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 배터리에 충전하는 배터리 충전 회로를 포함하고,
상기 배터리 충전 회로는,
상기 태양 전지 패널의 출력단에 직렬로 연결된 제1 다이오드와 상기 제1 다이오드의 출력단에 접속된 제2 다이오드 및 제1 스위칭 소자가 병렬로 연결된 제1 메인 스위칭부;
상기 제1 메인 스위칭부의 출력단에 접속된 인덕터와 상기 인덕터의 출력단과 배터리의 타단에 연결된 제1 캐패시터로 구성되고, 상기 제1 메인 스위칭부의 일단과 배터리의 일단 사이에 위치하는 공진 회로부; 및
상기 인덕터의 출력단에 위치하고 상기 제1 캐패시터와 병렬로 연결된 제1 저항 및 배터리로 구성되어 상기 인덕터에 저장된 에너지를 상기 배터리에 충전하는 충전부; 및
상기 배터리의 타단과 제1 메인 스위칭의 출력단에 제3 다이오드를 위치하여 태양 전지 패널의 광 출력 전압의 공급 차단 시 상기 제1 캐패시터의 출력 전류를 상기 인덕터로 전달하는 제1 환류부를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 양방향 벅 컨버터는,
상기 인덕터의 전단과 상기 제1 캐패시터의 타단 사이에 위치하여 배터리 전압에 의거 점등 또는 소등되는 조명 회로를 포함하되,
상기 조명 회로는
상기 배터리의 타단에 병렬로 제2 스위칭 소자 및 제4 다이오드를 위치하는 제2 메인 스위칭부;
상기 제2 스위칭 소자의 출력단과 상기 인덕터의 전단에 접속되어 배터리 전압을 충전하는 DC부;
상기 DC부와 병렬로 연결되어 조명소자를 점등 또는 소등하는 조명부; 및
제5 다이오드로 구성하고, 상기 조명부의 출력단과 상기 인덕터의 타단에 접속되어 상기 배터리 전압 공급 차단 시 캐패시터의 출력 전류를 상기 인덕터로 환류시키는 제2 환류부를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 양방향 벅 컨버터는,
상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위치 소자의 온 또는 오프를 단속하기 위한 제1 스위칭 신호 및 제2 스위칭 신호를 생성하는 제어부를 더 포함하되,
상기 제어부는,
상기 배터리 전압으로부터 조명 기준 전류를 도출하는 조명 기준 전류 도출부;
기 정해진 듀티 사이클, 인덕터 전류, 및 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 토대로 배터리 기준 전류를 도출하는 배터리 기준 전류 도출부; 및
상기 광 출력 전압을 토대로 상기 조명 기준 전류 및 배터리 기준 전류 중 하나를 선택하고, 상기 선택된 배터리 기준 전류를 토대로 제1 스위칭 신호를 생성하며, 선택된 조명 기준 전류를 토대로 제2 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 배터리 기준 전류 도출부는,
상기 듀티 사이클, 인덕터 전류, 및 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 토대로 전달 전력을 도출하고,
상기 도출된 전달 전력에 대해 최대 전력 동작점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 수행하여 태양 전지 패널의 광 출력 전압에 대한 광 기준 전압을 도출하며,
상기 도출된 광 기준 전압에 대해 PI(Proportional Integral) 제어를 수행하여 배터리 기준 전압을 도출하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 조명 회로는,
상기 제어부의 제2 스위칭 신호에 의해 제2 스위칭 소자가 온 상태로 스위칭되어 상기 배터리 전압이 공급될 때
상기 배터리의 출력 전류가 제2 스위칭 소자를 경유하여 제2 캐패시터로 전달되고 상기 제2 캐패시터의 출력 전류가 제2 저항 및 발광 다이오드에 전달됨에 따라 조명 소자를 점등하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 조명 회로는 상기 제어부의 제2 스위칭 신호에 의거 상기 제2 스위치 소자가 오프 상태로 스위칭되어 상기 배터리 전압 공급이 차단될 때,
상기 제2 캐패시터의 출력 전류를 제2 저항 및 발광 다이오드에 전달하여 조명 소자의 점등 상태를 유지하고 상기 제2 캐패시터의 출력 전류를 상기 제5 다이오드를 통해 환류하여 상기 인덕터로 전달하도록 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는,
태양 전지 패널의 양단 사이에 연결되어 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 배터리 충전하는 배터리 충전 회로를 포함하고, 상기 배터리 충전 회로는 태양 전지 패널의 출력단에 직렬로 연결된 제1 다이오드와 상기 제1 다이오드의 출력단에 접속된 제2 다이오드 및 제1 스위칭 소자가 병렬로 연결된 제1 메인 스위칭부; 상기 1 인 스위칭부의 출력단에 접속된 인덕터와 상기 인덕터의 출력단과 배터리의 타단에 연결된 제1 캐패시터로 구성되고, 상기 제1 메인 스위칭부의 일단과 배터리의 일단 사이에 위치하는 공진 회로부; 상기 인덕터의 출력단에 위치하고 상기 제1 캐패시터와 병렬로 연결된 제1 저항 및 배터리가 직렬로 연결되어 상기 인덕터에 저장된 에너지를 상기 배터리에 충전하는 충전부; 및 상기 배터리의 타단과 제1 메인 스위칭의 출력단에 제3 다이오드를 위치하여 태양 전지 패널의 광 출력 전압의 공급 차단 시 상기 제1 캐패시터의 출력 전류를 상기 인덕터로 전달하는 제1 환류부를 포함하고,
상기 인덕터의 전단과 상기 제1 캐패시터의 타단 사이에 위치하여 배터리 전압에 의거 점등 또는 소등되는 조명 회로를 포함하되, 상기 조명 회로는 상기 배터리의 출력단에 위치한 제2 스위칭 소자 및 제4 다이오드가 병렬로 연결되는 제2 메인 스위칭부; 상기 제2 스위칭 소자의 출력단과 상기 인덕터의 전단에 접속되어 배터리 전압을 충전하는 DC부; 상기 DC부와 병렬로 연결되어 조명소자를 점등 또는 소등하는 조명부; 및 제5 다이오드로 구성하고, 상기 조명부의 출력단과 상기 인덕터의 타단에 접속되어 상기 배터리 전압 공급 차단 시 캐패시터의 출력 전류를 상기 인덕터로 환류시키는 제2 환류부를 포함하며,
상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위치 소자의 온 또는 오프를 단속하기 위한 제1 스위칭 신호 및 제2 스위칭 신호를 생성하는 제어부를 더 포함하되, 상기 제어부는, 배터리의 출력 전압으로부터 조명 기준 전류를 도출하는 조명 기준 전류 도출부; 기 정해진 듀티 사이클, 인덕터 전류, 및 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 토대로 배터리 기준 전류를 도출하는 배터리 기준 전류 도출부; 및 상기 광 출력 전압을 토대로 상기 조명 기준 전류 및 배터리 기준 전류 중 하나를 선택하고, 상기 선택된 배터리 기준 전류를 토대로 제1 스위칭 신호를 생성하며, 선택된 조명 기준 전류를 토대로 제2 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 태양 전지 패널의 광 출력 전압으로 주간에 배터리 충전하고 야간에 배터리 전압으로 조명을 제어하기 위한 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 방법에 있어서, 상기 태양 전지 패널의 광 출력 전압 및 전류, 배터리 전압 및 전류, 및 인덕터 전류를 수신하는 데이터 수신 단계; 상기 태양 전지 패널의 광 출력 전압과 기 정해진 임계 전압과의 비교 결과를 기반으로 주간 모드 또는 야간 모드를 설정하는 모드 설정 단계;
상기 주간 모드 설정 시 광 출력 전압, 배터리 전압, 및 최대 배터리 전압의 비교 결과를 토대로 최대 전력 동작점 추적 알고리즘을 수행하여 광 기준 전압을 도출하고, 도출된 광 기준 전압과 광 출력 전압에 대해 PI 제어를 수행하여 배터리 기준 전류를 도출하며, 도출된 배터리 기준 전류와 배터리 전류를 토대로 PI 제어를 수행하여 배터리 기준 전류를 도출하고, 도출된 배터리 기준 전류로 상기 제1 스위칭 신호를 생성하고 생성된 제1 스위칭 신호로 제1 스위칭 소자의 온/오프를 제어하여 광 출력 전압을 배터리에 충전하는 배터리 충전 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
바람직하게 상기 모드 설정 단계에서 상기 야간 모드 설정 시 카운터의 카운팅값이 설정값을 결과하지 아니한 경우 배터리 전압을 제공받아 조명 기준 전류를 도출하고 도출된 조명 기준 전류를 토대로 제2 스위칭 신호를 생성하여 제2 스위칭 소자로 전달하고 상기 제2 스위칭 소자의 온 오프 제어에 의거 배터리 전압으로 조명소자의 점등 을 제어하는 조명 제어 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 의하면 하나의 인덕터에 저장된 에너지로 배터리 충전 및 조명 제어를 수행함에 따라 인덕터의 수가 줄어 전체적인 벅 컨버터의 부품 수를 줄일 수 있고, 이에 부하를 감소하여 벅 컨버터의 응답 속도를 감소할 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 벅 컨버터의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지패널의 부분 PV 특성 도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 MPPT 알고리즘의 개념 설명도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 충전 회로도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 조명 제어 회로도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 조명 제어 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 충전 시 파형도들이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 방전 시 파형도들이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 MPPT 알고리즘의 비교 파형도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것 일뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다. 본 발명의 사상은 첨부된 도면외에 모든 변경, 균등물 내지 대체물에 까지도 확장되는 것으로 해석되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 벅 컨버터의 구성을 보인 회로도로서, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예의 양방향 벅 컨버터는 배터리 충전회로(100), 조명 회로(200), 및 제어부(300)를 포함한다.
배터리 충전회로(100)는 다이오드(D1)(D2) 및 스위치소자(Q1)로 구성된 메인 스위칭부(110)와, 인덕터(L) 및 캐패시터(C1)로 구성된 공진 회로부(120)와, 저항(RBat) 및 배터리(Bat)로 구성된 충전부(130)와, 다이오드(D3)로 구성된 환류부(140)를 포함할 수 있다.
여기서, 메인 스위칭부(110)는 태양 전지 패널(10)의 일단과 공진 회로부(120) 사이에 위치하고, 다이오드(D1)를 태양 전지 패널(10)의 일단에 연결하고 다이오드(D1)의 출력단에 스위치소자(Q1)를 연결한다. 스위치소자(Q-1)의 양단에 다이오드(D2)를 연결한다.
공진 회로부(120)는 스위치소자(Q1)의 일단에 인덕터(L)를 위치하고 인덕터(121)와 충전부(130) 사이에 병렬로 캐패시터(C2)를 위치한다.
그리고 충전부(130)는 캐패시터(C2)의 일단과 태양 전지 패널(10)의 타단 사이에 위치하고, 캐패시터(C2)의 양단에 충전부(130)의 저항(RBat) 및 배터리(Bat)를 직렬로 연결한다.
그리고 환류부(140)는 다이오드(D3)를 스위칭소자(Q1)의 출력단과 인덕터(L)의 전단 사이에 위치하고 캐패시터(C2)와 병렬로 연결한다.
제어부(300)의 스위칭 신호(Q1_sw)에 의거 스위칭소자(Q1)가 온 상태인 경우 태양 전지 패널의 광 출력 전압(Vcell)은 메인 스위칭부(110)의 다이오드(D1) 및 스위칭소자(Q1)를 경유하여 공진 회로부(120)에 전달되고, 공진 회로부(120)는 인덕터(L)에서 발생한 공진 전류가 흐름에 따라 공진 전류를 캐패시터(C2)에 전달하여 캐패시터(C2)에 충전하고, 충전된 캐패시터(C2)의 출력 전류는 충전부(130)의 저항(RBat)를 경유하여 배터리(Bat)로 전달된다. 이에 태양 전지 패널(10)에 의거 공급된 광 출력 전압(Vcell)은 벅 컨버팅(buck converting)되어 배터리(Bat)에 충전된다.
또한, 제어부(300)의 스위칭 신호(Q1_sw)에 의거 스위칭소자(Q1)가 오프된 경우 캐패시터(C2)에 흐르는 전류는 환류부(140)를 경유하여 인덕터(L)에 환류됨에 따라 태양 전지 패널(10)의 출력 전압의 공급이 차단된 상태에서 인덕터(L)에 저장된 에너지는 캐패시터(C2)로 공급된다.
한편, 조명 회로(200)는, 스위칭소자(Q2) 및 다이오드(D4)로 구성된 메인 스위칭부(210)와, 캐패시터(C1)로 구성된 DC 부(220)와, 저항(RLed) 및 발광 다이오드(Led)로 구성된 조명부(230)와, 다이오드(D5)로 구성된 환류부(240)를 포함할 수 있다.
메인 스위칭부(210)는 배터리(Bat)의 출력단에 스위칭소자(Q2)를 위치하고 스위칭소자(Q2)의 양단에 사이에 병렬로 다이오드(D4)를 연결한다.
그리고 DC 부(220)는 스위치소자(Q2)의 출력단과 인덕터(L)의 전단 사이에 캐패시터(C1)을 연결한다.
한편, 조명부(230)는 캐패시터(C1)의 타단과 스위칭소자(Q2)의 타단 사이에 저항(RLed) 및 발광 다이오드(Led)를 직렬로 위치한다.
그리고 환류부(240)는 스위칭 소자(Q2)의 출력단과 및 공진 회로부(120)의 캐패시터(C2)의 일단 사이에 다이오드(D5)를 위치한다.
이에 제어부(300)의 스위칭 신호(Q2_sw)에 의거 메인 스위칭부(210)의 스위칭 소자(Q2)가 온 상태인 경우, 배터리(Bat)로부터 전달된 전류는 스위칭 소자(Q2)를 경유하여 DC부(220)의 캐패시터(C1)에 공급되고 캐패시터(C1)는 배터리(Bat)로부터 전달된 전류를 제공받아 충전한다. 조명부(230)의 저항(RLed) 및 발광 다이오드(Led)에 흐르는 DC부(220)의 전류로 인해 조명소자(미도시됨)가 점등된다.
그리고 제어부(300)의 스위칭 신호(Q2_sw)에 의거 스위칭소자(Q2)가 오프된 경우 캐패시터(C1)에서 출력되는 전류는 조명부(230) 및 환류부(240)를 경유하여 인덕터(L)로 환류됨에 따라 발광 다이오드(Led)는 계속 점등되고 인덕터(L)에 저장된 에너지는 캐패시터(C1)에 공급된다.
한편 제어부(300)는 배터리 전압(
Figure pat00001
), 태양 전지 패널의 광 출력 전압(Vcell), 및 인덕터 전류(iL)를 토대로 배터리 충전회로(100)의 스위칭 신호(Q1_sw)와 조명회로(200)의 스위칭 신호(Q2_sw)를 생성하는 구성을 갖춘다.
여기서, 제어부(300)는 조명 기준 전류 도출부(310), 배터리 기준 전류 도출부(320) 및 스위칭 신호 생성부(330)를 포함할 수 있다.
즉, 조명 기준 전류 도출부(310)는 배터리 전압(
Figure pat00002
)을 전달받아 조명 기준 전류(iref_led)를 도출하고 도출된 조명 기준 전류(iref _led)를 스위칭 신호 생성부(330)로 전달하도록 포함할 수 있다.
또한, 배터리 기준 전류 도출부(320)는 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell), 인덕터 전류(iL) 및 기 정해진 PWM 듀티값(Duty)을 기초로 배터리 기준 전류(iref_bat)를 도출하고 도출된 배터리 기준 전류(iref _bat)를 스위칭 신호 생성부(330)로 전달하도록 포함할 수 있다.
그리고, 스위칭 신호 생성부(330)는 조명 기준 전류(ired _led), 배터리 기준 전류(iref_bat), 및 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)을 기반으로 스위칭 신호(Q1_sw)(Q2_sw)를 각각 생성하도록 구비된다.
본 발명의 실시 예에서 배터리 전압(
Figure pat00003
)을 토대로 조명 기준 전류(iref_led)을 도출하는 일련의 과정은 본 발명의 실시 예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
또한 배터리 기준 전류 도출부(320)는 외부 환경의 변화에 따라 변동하는 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)에 의한 전력 손실을 줄이기 위해 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 수행하여 태양 전지 패널(10)의 광 기준 전압(Vref _cell)을 도출할 수 있다.
하기 도면을 참조하여 외부 환경에 의해 변동하는 태양 전지 패널(10)의 광 기준 전압(Vref _cell)을 도출하기 위해 MPPT 알고리즘을 수행하여 최대 전력 동작점(MPOP: Maximun Power Operating Point)을 추출하는 일련의 과정은 설명한다.
즉, 태양 전지 패널(10)의 전압(V)/ 전류(I) 곡선은 (a)에 도시된 바와 같이 일사량에 따라 변동되고 이때 전달 전력(P)은 P=VI로부터 도출되며 전압(V) 및 전달 전력(P) 특성 곡선은 (b)에 도시된 바와 같다.
Figure pat00004
예를 들어, 일사량에 따른 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell) 및 전달 전력(Pout) 특성 곡선을 토대로 최대 전력이 전달되는 지점인 최대 전력 동작점(MPOP)이 추적된다. 이러한 최대 전력 동작점(MPOP)는 일사량 및 온도 등의 외부 환경 조건에 따라 변동된다. 즉, 일사량이 생산되는 태양 에너지의 전력이 증가하지만 태양 전지 패널의 온도가 상승되며, 태양 전지 패널의 온도가 증가되면 전력 생산 효율이 저하된다. 이에 온도, 일사량 등의 외부 환경 조건에 따라 추적된 최대 전력 동작점의 보정이 고속으로 이루어져야 한다.
도 2는 배터리 기준 전류 도출부(320)의 부분 PV 특성곡선에 기초한 최대 전력 추종(MPPT) 알고리즘의 개념도이고, 도 3은 도 2에 도시된 부분 PV 특성 곡선으로부터 최대 전력 동작점을 추정하는 과정을 설명하기 위한 도이며, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에서 MPPT 알고리즘에 대해 구체적으로 설명한다.
MPPT 알고리즘은 현재 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)으로 제어된다고 가정하고 세 영역으로 나누어진 각 모드 별로 수행된다.
(1) 모드 1: (t1 - t2 구간)
모드 1의 구간에서 제1 추종 전압은 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell) 에서 가변 전압 (ΔV)을 뺀 값으로 설정되고, t1에서 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)은 상기 제1 추정 전압으로의 추종이 시작된다. 이때 태양 전지 패널에 축적된 에너지는 급속히 배터리(Bat) 측으로 전달된다. 그리고, 모드 1은 태양 전지 패널(10)의 출력전압(Vcell)이 제1 추종 전압에 도달되는 시점(t2)에서 종료된다.
(2) 모드 2 : (t2 - t3 구간)
모드 2의 구간의 시작점(t2)에서 도달된 제1 추종 전압값에 2ΔV를 더한 값을 제2 추종 전압이 조정되고, 이에 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)은 조정된 제2 추종 전압에 도달된다. 이때 배터리(Bat) 측으로 전달되는 태양 전지 패널(10)에 축적된 에너지가 급속히 감소된다. 그리고 전달 전력(P)이 최대값에 도달되는 시점의 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)과 전달 전력(P)의 최대값이 추출된다. 그리고 모드 2는 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)이 상기 제2 추종 전압에 도달되는 시점(t3)에서 종료된다.
또한, 이전에 추정된 최대 전력 동작점을 기준으로 추정된 가변 전압(ΔV)의 변동분에 대한 부분 태양광 PV 특성 곡선으로부터 전달 전력(P)의 최대값(Pmax(k-2)) 및 출력 전압(Vmax(k-2))이 계측된다.
(3) 모드 3 : (t3 - t4 구간)
모드 2에서 계측된 전달 전력(P)의 최대값(Pmax(k-2))이 발생하는 출력 전압 (Vmax(k-2))은 제3 추종 전압으로 설정된다. 이 구간의 유지시간(T2: 시정수)은 배터리(Bat) 충전특성과 MPPT 시정수에 의해 결정되며, 전달 전력의 최대값 (Pmax(k-2))이 발생하는 출력 전압(Vmax(k-2))이 현재 전압을 기준으로 궂V 내에 존재한다면 MPPT추정 시정수를 단축시키기 위해 출력 전압(Vmax(k-2))은 최소화되어야 한다.
이와 동일한 방법으로 Pmax(k-1)와 Vmax(k-1) 및 Pmax(k)와 Vmax(k)은 순차적으로 계측되고 이에 부분 태양광 PV 특성 곡선은 태양 전지 패널(10)의 전달 전력(P) 및 전압(V)이 최대값을 가지는 최대 전력 동작점(MPOP)으로 이동하게 된다.
상기 가변 전압값(V)의 크기는 사용자가 부분 태양광 PV 특성 곡선과 추종 속도를 고려하여 설정된다.
예를 들어, 추종 속도가 빠르기를 원한다면 V의 크기는 큰 값으로 정할 수 있으나 정밀한 최대 전력 추종을 하기 곤란하며, 추종 속도 보다는 정밀한 최대 전력 추종을 원하면 가변 전압값(V)의 크기는 작은 값이 입력되어야만 한다.
따라서 부분 태양광 PV특성 곡선과 MPPT 특성 곡선상에서 특정 전력(W)만큼 이동시킬 수 있는 출력 전압은 가변 전달 전력값으로 정할 수 있다.
태양 전지 패널(10)의 부분 태양광 PV 특성 곡선은 이전 부분 태양광 PV 특성곡선에서 도출된 MPOP의 기준전압의 궂V에 해당하는 부분 태양광 PV 곡선으로 계측할 수 있다.
또한, 한 단계 전의 일사량에 의해 실선으로 나타난 부분 태양광 PV 특성 곡선이 일사강도 변화로 현재 점선의 부분 태양광 PV 특성 곡선으로 변할지라도 현재 부분 태양광 PV 특성 곡선 상의 전달 전력이 최대값인 출력 전압이 가변 전압(궂V) 내에 존재한다면 지연 없이 최대 전력 동작점으로 동작하게 된다. 또한, 현재 PV 곡선상의 최대 전력 발생 전압이 궂V밖에 존재하더라도 몇 단계 이후에는 최대전력 전압으로 추종하게 된다.
이에 본 발명의 실시 예는 외부 환경에 따라 변동되는 최대 전력 동작점에 대한 보정을 MPPT 알고리즘을 통해 수행하고 이에 광 기준 전압(Vref _cell) 도출 시간을 줄일 수 있으며, 전반적인 벅 컨버터의 응답 시간을 줄일 수 있다.
또한 배터리 기준 전류 도출부(320)는 전술한 고속 MPPT 알고리즘을 통해 도출된 광 기준 전압(vref _cell)에 대해 PI 제어를 수행하여 배터리 기준 전류(iref _bat)를 도출한다. 도출된 배터리 기준 전류(iref _bat)는 스위칭 신호 생성부(330)로 전달된다.
그리고, 스위칭 신호 생성부(330)는 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)에 따라 배터리 기준 전류(iref _bat) 및 조명 기준 전류(iref _led) 중 하나를 선택하고 선택된 배터리 기준 전류(iref _bat) 및 조명 기준 전류(iref _led)를 기반으로 스위칭 신호(Q1_sw) 또는 스위칭 신호(Q2_sw)를 생성하고 스위칭 신호(Q1_sw)(Q2_sw)를 생성하는 일련의 과정은 본 발명의 실시 예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
전술한 구성을 가지는 본 발명의 실시 예의 양방향 벅 컨버터의 동작 과정을 첨부된 도 4 내지 도 7 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4 및 도 5는 벅 컨버터의 배터리 충전 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4를 참조하면, 메인 스위칭부(110)의 스위칭 소자(Q1)은 제어부(300)의 스위칭 신호(Q1_sw)에 의거 온 상태로 스위칭되고, 이에 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)은 다이오드(D1) 및 스위칭 소자(Q1)을 경유하여 공진 회로부(120)의 인덕터(L)에 제공된다. 인덕터(L)는 태양 전지 패널의 에너지를 저장한다.
그리고 저장된 에너지는 공진 회로부(120)의 캐패시터(C2)에 공급되어 충전된다. 캐패시터(C2)의 출력 전류는 저항(RBat)를 경유하여 배터리(Bat)에 충전된다.
이때 배터리(Bat)은 비선형 장치이므로 입력 및 출력 특성으로 모델링된 등가 회로는 다음과 같다.
Figure pat00005
이러한 모델에 대한 등가 회로는 다음 식 1 및 식 2를 만족한다.
Figure pat00006
.. 식 1
Figure pat00007
.. 식 2
여기서,
Figure pat00008
는 전압원이고,
Figure pat00009
저항이며,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
는 충전 또는 방전 시 배터리 과도 응답이며,
Figure pat00012
는
Figure pat00013
를 지나가는 전압이고
Figure pat00014
는
Figure pat00015
로 유입되는 전류이다.
식 1 및 식 2를 연속 시간(k, k+1)에 대해 정리하면 다음 식 3 및 4로 나타낸다.
Figure pat00016
.. 식 3
Figure pat00017
.. 식 4
여기서,
Figure pat00018
는 샘플링 시간이고,
Figure pat00019
는 OTC 시간 상수이고
Figure pat00020
는 전압 소스로 SOC(state of charge) 함수로 나타낸다.
또한 캐패시터(
Figure pat00021
)의 충전 전압이 매우 작거나 배터리 작동 시간이 매우 짧은 경우
Figure pat00022
,
Figure pat00023
는 무시할 수 있고, 이에 하나의 시간 상수에 대한 모델(OTC)의 등가 회로는 다음과 같다.
Figure pat00024
여기서, 저항(
Figure pat00025
) 및 전압 소스(
Figure pat00026
)는 SOC(state of charge), SOH (State of Health) 및 온도 함수로 정해지며,
Figure pat00027
는 방전 시 양의 값을 가지고 충전 시 음의 값을 가지는 배터리 전류이고,
Figure pat00028
는 배터리 전압이다.
또한 하나의 시상 상수에 대한 배터리 전압(
Figure pat00029
)은 다음 식 5로 나타낸다.
Figure pat00030
.. 식 5
도 5는 인덕터(L)에 흐르는 전류(IL)와 듀티 사이클(D) 간의 관계를 나타낸 도면으로서, 인덕터(L)에 흐르는 전류(IL)가 급격하게 증가하는 시점(d)은 모드 1(CCM)과 모드 2(DCM)의 중요한 듀티 사이클이며, 광 출력 전압(
Figure pat00031
)는 듀티 사이클(d)와 태양 전지 패널의 충전 전압(
Figure pat00032
)으로부터 결정되고 다음 식 6으로 나타낸다. 여기서,
Figure pat00033
는 태양 전지 패널의 광 출력 전압(
Figure pat00034
)으로 배터리 개방 회로의 전압이다. 이에 모드 1에서 배터리 전압(
Figure pat00035
)과 인덕터 전류(
Figure pat00036
)은 다음 식 7 및 8에 의해 결정된다.
Figure pat00037
Figure pat00038
.. 식 6
Figure pat00039
.. 식 7
Figure pat00040
.. 식 8
도 6은 제1 스위칭 신호(Q1_sw)에 의해 스위칭 소자(Q1)이 오프된 경우 인덕터 전류(IL) 흐름을 보인 도면으로서, 도 6을 참조하면, 스위칭 소자(Q1)의 오프 시 캐패시터(C2)의 충전 전류는 환류부(140)의 다이오드(D3)를 경유하여 인덕터(L)로 전달됨에 따라 인덕터(L)에 전류가 계속 공급된다.
도 7은 도 1에 도시된 양방향 벅 컨버터의 조명 회로(200)의 동작 상태를 보인 도이다. 도 7을 참조하면, 제어부(300)의 스위칭 신호(Q2_sw)에 의거 스위칭 소자(Q2)가 온 상태인 경우 배터리 전압(
Figure pat00041
)은 스위칭 소자(Q2)를 경유하여 캐패시터(C1)에 공급되어 충전되고, 캐패시터(C1)의 출력 전류는 인덕터(L)에 공급됨과 동시에 조명부(220)의 저항(RLed) 및 발광 다이오드(Led)에 흐르게 되고, 이에 조명 소자(미도시됨)가 점등된다.
이때 발광 다이오드(Led)의 입출력 특성 역시 비선형이므로 발광 다이오드(Led)의 모델링된 등가회로는 다음과 같다.
Figure pat00042
이러한 등가 회로에 의하면 포지티브 동작 전류(
Figure pat00043
) 및 전압(
Figure pat00044
)은 다음 식 9를 만족한다.
Figure pat00045
.. 식 9
여기서,
Figure pat00046
는 역전 포화 전류이고, q는 전자 전하로 1.602X10- 19C 이며,
Figure pat00047
는 Boltzmann 상수로 1.381X10-23 J/K이다.
이때 발광 다이오드(Led)의 동작 전류(I) 대 전압(U)의 특성 곡선은 하기와 같고 이러한 발광 다이오드의 I/U 특성 곡선에 의하면, 전압(U)이 발광 다이오드(Led)을 점등시키기 위해 정해진 임계 전압(
Figure pat00048
) 보다 낮으면 발광 다이오드(Led)는 소등되고, 이때 전류(I)는 피크 반복 역전압(
Figure pat00049
) 보다 높아질 때까지 작은 값으로 유지됨을 확인할 수 있다.
Figure pat00050
그리고, 전압(U)이 임계 전압(
Figure pat00051
) 보다 높아지면 전류(I)는 급격하게 증가됨을 확인할 수 있고, 이때 발광 다이오드(Led)가 정상적으로 동작되어 조명소자는 점등된다.
이러한 발광 다이오드(Led)의 특성 곡선에 따라 조명부(220)의 동작 전압(
Figure pat00052
)이 임계 전압(
Figure pat00053
) 보다 높아질 때 조명 소자가 정상적으로 점등된다.
이때 발광 다이오드(Led)의 동작 전압(
Figure pat00054
)과 인덕터(L)에 흐르는 전류(IL)는 다음 식 10으로부터 도출될 수 있다.
Figure pat00055
.. 식 10
Figure pat00056
.. 식 11
여기서, d는 동작 전압(
Figure pat00057
)이 임계 전압(
Figure pat00058
)에 도달되는 듀티 사이클이다.
한편, 도 8은 제어부(300)의 스위칭 신호(Q2_sw)에 의거 스위칭소자(Q2)가 오프되는 경우 동작 상태를 나타낸 도면으로서, 도 8을 참조하면, 캐패시터(C1)의 전류는 환류부(240)의 다이오드(D6)를 경유하여 인덕터(L)로 전송된다.
이에 따라 인덕터(L)에 저장된 에너지가 배터리 충전 회로(100) 및 조명 회로(200)에 공유하도록 벅 컨버터가 설계됨에 따라, 인덕터(L)에 저장된 태양 에너지로 조명 회로(200)의 발광 다이오드(Led)를 점등할 수 있고, 이에 벅 컨버터의 전체 부품의 수를 줄일 수 있으며 제조 단가를 절감할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 벅 컨버터를 이용한 조명 제어 방법을 나타낸 흐름도로서, 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예의 조명 제어 방법은, 데이터 수신단계(410), 모드 설정 단계(420), 배터리 충전 단계(430), 및 조명 제어 단계(440)를 포함한다.
우선 데이터 수신단계(410)는 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell), 배터리 전류(ibat), 배터리 전압(
Figure pat00059
) 및 발광다이오드 전류(iled)를 수신하고 수신된 광 출력 전압(Vcell)은 모드 설정 단계(420)로 전달되며, 모드 설정 단계(420)는 수신된 광 출력 전압(Vcell)과 정해진 임계 전압(k)을 토대로 조명이 소등되는 주간 모드와 조명이 점등되는 야간 모드를 설정한다.
그리고, 배터리 충전 단계(430)는 주간 모드 시 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)을 배터리(bat)에 충전한다. 즉, 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)이 배터리 전압(
Figure pat00060
)보다 크고 배터리 전압(
Figure pat00061
)이 배터리 전압(
Figure pat00062
)의 최대값(Vbat_max)보다 작은 경우 배터리 충전 단계(430)는 MPPT 알고리즘을 통해 태양 전지 패널(10)의 광 기준 전압(Vref _cell)을 도출하고, 도출된 광 기준 전압(Vref _cell)과 수신된 광 출력 전압(Vcell)을 기반으로 전압에 대한 PI(Proportional Integral) 제어를 수행하여 배터리 기준 전류(iref _bat)를 도출하며, 도출된 배터리 기준 전류(iref_bat) 및 배터리 전류(ibat)를 기반으로 전류에 대한 PI 제어를 수행하여 듀티 사이클(d)을 설정한다.
또한 배터리 충전 단계(430)는 듀티 사이클(d)을 가지는 스위칭 신호(Q1_sw)를 생성한다. 이에 생성된 스위칭 신호(Q1_sw)에 따라 스위칭 소자(Q1)의 온/오프 상태에 따라 태양 전지 패널(10)의 광 출력 전압(Vcell)은 배터리(Bat)에 충전된다.
한편, 모드 설정 단계(420)에서 야간 모드로 설정되면 조명 제어 단계(440)가 수행된다.
조명 제어 단계(440)는 타이머의 카운팅 동작을 시작하고 타이머의 타이머의 카운팅값이 설정값에 도달하지 아니한 경우 배터리 전압(
Figure pat00063
)을 토대로 조명 기준 전류(iref_led)를 도출한다.
상기 도출된 조명 기준 전류(iref _led)와 조명 전류(iled)에 대해 조명 제어 단계(440)는 PI 제어를 수행하여 스위칭 신호(Q2_sw)를 생성하고 생성된 스위칭 신호(Q2_sw)의 듀티 사이클에 따라 조명 제어를 수행한다.
이에 하나의 인덕터에 저장된 에너지로 배터리 충전 및 조명 제어를 수행함에 따라 부품의 수를 줄여 부하를 줄일 수 있고, 따라서 양방향 벅 컨버터의 응답 속도를 줄일 수 있게 된다.
<실시 예>
도 9는 인덕터에 에너지 저장하여 배터리 충전 시 양방향 벅 컨버터의 출력 파형도들이고, 도 10은 인덕터에 저장된 에너지 방전 시 각 부의 출력 파형을 보인 도들로서, 본 발명의 실시 예는 DC 게인을 0.01로 설정하고, 시정수를 1msec으로 설정하며, 인덕터(L)은 500 ?H, 캐패시터(C1)(C2)는 모두 100?F, 광 출력 전압 Vin 은 18V, 배터리 전압(
Figure pat00064
) 은 12V로 각각 설정한다.
이에 인덕터의 에너지 저장 시 도 9에 도시된 바와 같이, 인덕터 전류(IL), 배터리 전류(ibat), 배터리 전압(
Figure pat00065
), 및 듀티 사이클(Duty) 각각에 대한 시뮬레이션 결과와 실체 측정치를 비교하면, 실제 인덕터 전류의 측정치가 배터리 기준 전류와 동일함을 확인할 수 있다.
도 10은 인덕터의 저장된 에너지 방전 시, 즉, 배터리 방전 시 출력 파형을 보인 도면으로서, 도 10을 참조하면, 인덕터의 저장된 에너지 방전 시 70msec 이 후 인덕터 전류의 측정치와 배터리 기준 전류가 -1A로 동일함을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에서 고속 MPPT 알고리즘의 시뮬레이션 결과를 보인 파형도로서. 고속 MPPT 알고리즘은 최대 전력에 해당하는 고정 시간에 가변 전압값(V)을 변경하여 기준 전압을 측정하고 측정된 조명 기준 전압을 토대로 최대 전달 전력값을 추정한 후 변화가 없는 일정한 조명 기준 전압(Vref _led)이 획득된다. 이에 도 11을 참조하여 기존의 MPPT 알고리즘 시뮬레이션 결과와 비교하면, MPPT 효율이 99%가향상되고, 응답 시간은 70msec 이내로 MPOP 추적 속도가 크게 향상됨을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 배터리 충전회로
110, 210 : 메인 스위칭부
120 : 공진 회로부
130 : 충전부
140, 240 : 환류부
220 : DC 부
230 : 조명부
200 : 조명 회로
300 : 제어부
310 : 조명 기준 전류 도출부
320 : 배터리 기준 전류 도출부
330 : 스위칭 신호 생성부
410 : 데이터 수신단계
420 : 모드 설정 단계
430 : 배터리 충전 단계
440 : 조명 제어 단계

Claims (10)

  1. 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 배터리에 충전하고 충전된 배터리 전압으로 조명을 제어하기 위한 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치에 있어서,
    상기 양방향 벅 컨버터는,
    하나의 인덕터에 저장된 에너지로 상기 배터리 충전 및 조명 제어를 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양방향 벅 컨버터는,
    태양 전지 패널의 양단 사이에 연결되어 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 배터리에 충전하는 배터리 충전 회로를 포함하고,
    상기 배터리 충전 회로는,
    상기 태양 전지 패널의 출력단에 직렬로 연결된 제1 다이오드와 상기 제1 다이오드의 출력단에 접속된 제2 다이오드 및 제1 스위칭 소자가 병렬로 연결된 제1 메인 스위칭부;
    상기 제1 메인 스위칭부의 출력단에 접속된 인덕터와 상기 인덕터의 출력단과 배터리의 타단에 연결된 제1 캐패시터로 구성되고, 상기 제1 메인 스위칭부의 일단과 배터리의 일단 사이에 위치하는 공진 회로부; 및
    상기 인덕터의 출력단에 위치하고 상기 제1 캐패시터와 병렬로 연결된 제1 저항 및 배터리로 구성되어 상기 인덕터에 저장된 에너지를 상기 배터리에 충전하는 충전부; 및
    상기 배터리의 타단과 제1 메인 스위칭의 출력단에 제3 다이오드를 위치하여 태양 전지 패널의 광 출력 전압의 공급 차단 시 상기 제1 캐패시터의 출력 전류를 상기 인덕터로 전달하는 제1 환류부를 포함것을 특징으로 하는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 양방향 벅 컨버터는,
    상기 인덕터의 전단과 상기 제1 캐패시터의 타단 사이에 위치하여 배터리 전압에 의거 점등 또는 소등되는 조명 회로를 포함하되,
    상기 조명 회로는
    상기 배터리의 타단에 병렬로 제2 스위칭 소자 및 제4 다이오드를 위치하는 제2 메인 스위칭부;
    상기 제2 스위칭 소자의 출력단과 상기 인덕터의 전단에 접속되어 배터리 전압을 충전하는 DC부;
    상기 DC부와 병렬로 연결되어 조명소자를 점등 또는 소등하는 조명부; 및
    제5 다이오드로 구성하고, 상기 조명부의 출력단과 상기 인덕터의 타단에 접속되어 상기 배터리 전압 공급 차단 시 캐패시터의 출력 전류를 상기 인덕터로 환류시키는 제2 환류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 양방향 벅 컨버터는,
    상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위치 소자의 온 또는 오프를 단속하기 위한 제1 스위칭 신호 및 제2 스위칭 신호를 생성하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 배터리 전압으로부터 조명 기준 전류를 도출하는 조명 기준 전류 도출부;
    기 정해진 듀티 사이클, 인덕터 전류, 및 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 토대로 배터리 기준 전류를 도출하는 배터리 기준 전류 도출부; 및
    상기 광 출력 전압을 토대로 상기 조명 기준 전류 및 배터리 기준 전류 중 하나를 선택하고, 상기 선택된 배터리 기준 전류를 토대로 제1 스위칭 신호를 생성하며, 선택된 조명 기준 전류를 토대로 제2 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 배터리 기준 전류 도출부는,
    상기 듀티 사이클, 인덕터 전류, 및 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 토대로 전달 전력을 도출하고,
    상기 도출된 전달 전력에 대해 최대 전력 동작점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 수행하여 태양 전지 패널의 광 출력 전압에 대한 광 기준 전압을 도출하며,
    상기 도출된 광 기준 전압에 대해 PI(Proportional Integral) 제어를 수행하여 배터리 기준 전압을 도출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 조명 회로는,
    상기 제어부의 제2 스위칭 신호에 의해 제2 스위칭 소자가 온 상태로 스위칭되어 상기 배터리 전압이 공급될 때
    상기 배터리의 출력 전류가 제2 스위칭 소자를 경유하여 제2 캐패시터로 전달되고 상기 제2 캐패시터의 출력 전류가 제2 저항 및 발광 다이오드에 전달됨에 따라 조명 소자를 점등하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 조명 회로는
    상기 제어부의 제2 스위칭 신호에 의거 상기 제2 스위치 소자가 오프 상태로 스위칭되어 상기 배터리 전압 공급이 차단될 때,
    상기 제2 캐패시터의 출력 전류를 제2 저항 및 발광 다이오드에 전달하여 조명 소자의 점등 상태를 유지하고 상기 제2 캐패시터의 출력 전류를 상기 제5 다이오드를 통해 환류하여 상기 인덕터로 전달하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치.
  8. 태양 전지 패널의 양단 사이에 연결되어 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 배터리 충전하는 배터리 충전 회로를 포함하고, 상기 배터리 충전 회로는 태양 전지 패널의 출력단에 직렬로 연결된 제1 다이오드와 상기 제1 다이오드의 출력단에 접속된 제2 다이오드 및 제1 스위칭 소자가 병렬로 연결된 제1 메인 스위칭부; 상기 1 인 스위칭부의 출력단에 접속된 인덕터와 상기 인덕터의 출력단과 배터리의 타단에 연결된 제1 캐패시터로 구성되고, 상기 제1 메인 스위칭부의 일단과 배터리의 일단 사이에 위치하는 공진 회로부; 상기 인덕터의 출력단에 위치하고 상기 제1 캐패시터와 병렬로 연결된 제1 저항 및 배터리가 직렬로 연결되어 상기 인덕터에 저장된 에너지를 상기 배터리에 충전하는 충전부; 및 상기 배터리의 타단과 제1 메인 스위칭의 출력단에 제3 다이오드를 위치하여 태양 전지 패널의 광 출력 전압의 공급 차단 시 상기 제1 캐패시터의 출력 전류를 상기 인덕터로 전달하는 제1 환류부를 포함하고,
    상기 인덕터의 전단과 상기 제1 캐패시터의 타단 사이에 위치하여 배터리 전압에 의거 점등 또는 소등되는 조명 회로를 포함하되, 상기 조명 회로는 상기 배터리의 출력단에 위치한 제2 스위칭 소자 및 제4 다이오드가 병렬로 연결되는 제2 메인 스위칭부; 상기 제2 스위칭 소자의 출력단과 상기 인덕터의 전단에 접속되어 배터리 전압을 충전하는 DC부; 상기 DC부와 병렬로 연결되어 조명소자를 점등 또는 소등하는 조명부; 및 제5 다이오드로 구성하고, 상기 조명부의 출력단과 상기 인덕터의 타단에 접속되어 상기 배터리 전압 공급 차단 시 캐패시터의 출력 전류를 상기 인덕터로 환류시키는 제2 환류부를 포함하며,
    상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위치 소자의 온 또는 오프를 단속하기 위한 제1 스위칭 신호 및 제2 스위칭 신호를 생성하는 제어부를 더 포함하되, 상기 제어부는, 배터리의 출력 전압으로부터 조명 기준 전류를 도출하는 조명 기준 전류 도출부; 기 정해진 듀티 사이클, 인덕터 전류, 및 태양 전지 패널의 광 출력 전압을 토대로 배터리 기준 전류를 도출하는 배터리 기준 전류 도출부; 및 상기 광 출력 전압을 토대로 상기 조명 기준 전류 및 배터리 기준 전류 중 하나를 선택하고, 상기 선택된 배터리 기준 전류를 토대로 제1 스위칭 신호를 생성하며, 선택된 조명 기준 전류를 토대로 제2 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치.
  9. 태양 전지 패널의 광 출력 전압으로 주간에 배터리 충전하고 야간에 배터리 전압으로 조명을 제어하기 위한 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 방법에 있어서, 상기 태양 전지 패널의 광 출력 전압 및 전류, 배터리 전압 및 전류, 및 인덕터 전류를 수신하는 데이터 수신 단계; 상기 태양 전지 패널의 광 출력 전압과 기 정해진 임계 전압과의 비교 결과를 기반으로 주간 모드 또는 야간 모드를 설정하는 모드 설정 단계;
    상기 주간 모드 설정 시 광 출력 전압, 배터리 전압, 및 최대 배터리 전압의 비교 결과를 토대로 최대 전력 동작점 추적 알고리즘을 수행하여 광 기준 전압을 도출하고, 도출된 광 기준 전압과 광 출력 전압에 대해 PI 제어를 수행하여 배터리 기준 전류를 도출하며, 도출된 배터리 기준 전류와 배터리 전류를 토대로 PI 제어를 수행하여 배터리 기준 전류를 도출하고, 도출된 배터리 기준 전류로 상기 제1 스위칭 신호를 생성하고 생성된 제1 스위칭 신호로 제1 스위칭 소자의 온/오프를 제어하여 광 출력 전압을 배터리에 충전하는 배터리 충전 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 모드 설정 단계에서
    상기 야간 모드 설정 시 카운터의 카운팅값이 설정값을 결과하지 아니한 경우 배터리 전압을 제공받아 조명 기준 전류를 도출하고 도출된 조명 기준 전류를 토대로 제2 스위칭 신호를 생성하여 제2 스위칭 소자로 전달하고
    상기 제2 스위칭 소자의 온 오프 제어에 의거 배터리 전압으로 조명소자의 점등 을 제어하는 조명 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 방법.
KR1020180068112A 2018-06-14 2018-06-14 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 제어방법 KR102136982B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180068112A KR102136982B1 (ko) 2018-06-14 2018-06-14 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180068112A KR102136982B1 (ko) 2018-06-14 2018-06-14 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 제어방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190141400A true KR20190141400A (ko) 2019-12-24
KR102136982B1 KR102136982B1 (ko) 2020-07-23

Family

ID=69006398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180068112A KR102136982B1 (ko) 2018-06-14 2018-06-14 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 제어방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102136982B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023507316A (ja) * 2020-02-25 2023-02-22 エルジー エナジー ソリューション リミテッド ビッグデータ基盤の電池検査方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101678451B1 (ko) * 2016-09-09 2016-11-24 주식회사 오티오 양방향 dc/dc 컨버터가 적용된 태양광 발전 가로등 시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101678451B1 (ko) * 2016-09-09 2016-11-24 주식회사 오티오 양방향 dc/dc 컨버터가 적용된 태양광 발전 가로등 시스템

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023507316A (ja) * 2020-02-25 2023-02-22 エルジー エナジー ソリューション リミテッド ビッグデータ基盤の電池検査方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102136982B1 (ko) 2020-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11309798B2 (en) Single inductor multiple output (SIMO) converter and control thereof
TWI398072B (zh) 電力轉換電路及其轉換方法
US9780645B2 (en) Method and apparatus for providing power conversion using an interleaved flyback converter with reactive power control
TWI418112B (zh) 功率轉換器、充電方法以及充電系統
US20100250018A1 (en) Method of Operation and Device for Controlling an Energy Installation with Photovoltaic Modules
US9065336B2 (en) Maximum power point tracking method and apparatus
JP2011200095A (ja) 電池システム
JP2000347753A (ja) 太陽電池制御装置及び太陽光発電装置
JP2002199614A (ja) 太陽光電力充電装置
CN102106067A (zh) Dc-dc转换器的延迟补偿
CN110323794B (zh) 一种主动均衡的控制方法和电路
CN104052100A (zh) 包括至少一个电池的功率转换器电路
KR101678451B1 (ko) 양방향 dc/dc 컨버터가 적용된 태양광 발전 가로등 시스템
CN104349548A (zh) 点灯装置以及照明器具
Vijay et al. LED based street lighting with automatic intensity control using solar PV
KR20150097383A (ko) 전력 송출 시스템
TW201020712A (en) Frequency-varied incremental conductance maximum power point tracking controller and algorithm for PV converter
JP2009207239A (ja) 太陽電池用充電制御装置
CN102422516A (zh) 转换器电路及包括该电路的电子系统
KR102136982B1 (ko) 양방향 벅 컨버터를 이용한 태양광 가로등 장치 및 제어방법
Pernía et al. A modular strategy for isolated photovoltaic systems based on microcontroller
TWI442683B (zh) 以控制脈寬週期來影響電源消耗之脈寬控制式直流-直流轉換裝置及其方法
Ling et al. Development of photovoltaic hybrid LED street lighting system
JP4712081B2 (ja) 充電回路および充電回路制御方法
CN105024542A (zh) 太阳能升压转换器及其控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right