KR20210046433A - Apparatus and Method for Controlling a Bi-directional Converter using battery and capacitor together - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예들은 배터리와 커패시터를 함께 이용하는 컨버터 제어장치 및 제어방법, 특히 배터리의 최대 전류를 제한하고, 커패시터를 충방전시키는 컨버터 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a converter control device and a control method using a battery and a capacitor together, in particular, a converter control device and a control method for limiting the maximum current of the battery and charging and discharging the capacitor.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this section merely provides background information on the present invention and does not constitute prior art.
전기 자동차(electric vehicle)는 화석 연료 대신 배터리의 전기 에너지를 이용하여 주행하는 자동차를 의미한다. 전기 자동차의 수요가 급격히 증가하면서 전기 자동차의 효율을 위해 배터리(battery)의 수명이 대두되고 있다. 배터리의 수명은 온도 및 C-rate(충전/방전 전류 속도)의 영향을 받는다. 특히, 부하인 모터의 가속 시 배터리의 방전 전류가 많아지며, 배터리의 방전 전류가 많아지면 배터리에 스트레스가 가해지고 배터리 수명이 줄어든다. An electric vehicle refers to a vehicle that uses electric energy from batteries instead of fossil fuels to drive. As the demand for electric vehicles increases rapidly, the life of batteries is emerging for the efficiency of electric vehicles. Battery life is affected by temperature and C-rate (charge/discharge current rate). In particular, when the motor, which is a load, is accelerated, the discharge current of the battery increases, and when the discharge current of the battery increases, stress is applied to the battery and the battery life decreases.
배터리의 충방전 스트레스를 줄이기 위해, 배터리와 슈퍼커패시터(super-capacitor)가 결합된 하이브리드 에너지 저장 시스템(HESS: hybrid energy storage system)이 이용될 수 있다. 배터리 및 슈퍼커패시터가 부하에 필요한 전류를 적절한 비율로 공급할 수 있도록, HESS는 컨버터(converter)의 스위칭(switching)을 이용하여 배터리 및 슈퍼커패시터의 전류를 제어할 수 있다. 구체적으로, HESS는 부하에 많은 전력이 필요할 때, DC-DC 컨버터를 이용하여 배터리로부터 방전되는 전류를 줄이고, 대신 커패시터를 방전시켜 부하에 전력을 공급할 수 있다. In order to reduce the charge/discharge stress of the battery, a hybrid energy storage system (HESS) in which a battery and a super-capacitor are combined may be used. HESS can control the current of the battery and supercapacitor using switching of a converter so that the battery and supercapacitor can supply the current required for the load at an appropriate ratio. Specifically, when the load requires a lot of power, the HESS can reduce the current discharged from the battery using a DC-DC converter, and instead discharge the capacitor to supply power to the load.
HESS가 배터리 및 슈퍼커패시터의 전류의 비율을 결정하기 위해서는 부하 전류를 알아야 한다. 일반적으로, HESS는 부하 전류를 직접 측정하거나 모터(부하)의 구동 출력으로부터 부하 전류를 예측하였다. 종래의 HESS는 위의 방법으로 부하의 전류를 알아내고, 부하에 필요한 전류를 적절한 비율로 나눈 뒤, 배터리 및 커패시터가 비율에 따라 전류를 공급할 수 있도록 제어한다. The HESS needs to know the load current in order to determine the ratio of the current to the battery and supercapacitor. In general, HESS directly measures the load current or predicts the load current from the drive output of a motor (load). In the conventional HESS, the current of the load is determined by the above method, the current required for the load is divided by an appropriate ratio, and then the battery and the capacitor are controlled so that the current can be supplied according to the ratio.
부하의 전류를 직접 측정하거나 모터의 구동 출력으로부터 부하 전류를 예측한 뒤 배터리 및 커패시터를 제어하는 경우, 배터리 및 커패시터의 목표 전류와 실제 전류 사이의 오차를 줄이는 데 한계가 있다. 이러한 한계를 줄이기 위해 시스템 모델의 불확실성과 외란이 시스템에 미치는 영향을 추정하여 보상하는 강인 제어 기법인 외란 관측기를 이용할 수 있다. 외란 관측기(disturbance observer, DOB)를 이용하여 부하 전류의 크기 및 변화를 정확하게 예측한 뒤, 배터리 및 커패시터의 출력 전류를 정밀하게 제어할 필요가 있다. When controlling the battery and capacitor after directly measuring the current of the load or predicting the load current from the driving output of the motor, there is a limit to reducing the error between the target current of the battery and the capacitor and the actual current. To reduce this limitation, a disturbance observer, a robust control technique that estimates and compensates for the uncertainty of the system model and the effect of the disturbance on the system can be used. After accurately predicting the magnitude and change of load current using a disturbance observer (DOB), it is necessary to precisely control the output current of the battery and capacitor.
한편, 모터의 감속 시 발생하는 회생제동(regenerative brake) 전력을 배터리에만 저장하는 경우, 배터리에 회생전력을 저장하는 시간을 단축시키는 데 한계가 있다. 구체적으로, 배터리는 커패시터에 비해 시정수가 크고, C-rate가 낮으므로, 회생전력에 포함된 고조파 성분의 전류를 짧은 시간 동안 효율적으로 저장하지 못한다. 회생 전력을 짧은 시간 안에 배터리에 저장하는 경우, 배터리 열화 현상(deterioration phenomenon)에 의해 배터리의 수명을 단축시키는 문제점이 있다. 이와 달리, 커패시터는 많은 에너지를 짧은 시간 안에 충전할 수 있는 급속 충방전에 적합하고, 반영구적인 충방전 사이클 수명의 특성을 가지고 있으므로, 회생제동 전력을 배터리보다 효율적으로 수용할 수 있다. On the other hand, when regenerative brake power generated during deceleration of the motor is stored only in the battery, there is a limit to shortening the time for storing the regenerative power in the battery. Specifically, since the battery has a larger time constant and a lower C-rate than that of a capacitor, it cannot efficiently store the current of the harmonic component included in the regenerative power for a short period of time. When regenerative power is stored in a battery within a short period of time, there is a problem of shortening the life of the battery due to a battery deterioration phenomenon. In contrast, the capacitor is suitable for rapid charging and discharging that can charge a lot of energy in a short time, and has a characteristic of a semi-permanent charging and discharging cycle life, so that regenerative braking power can be more efficiently received than a battery.
따라서, 부하가 필요로 하는 전류 또는 부하로부터 공급되는 전류를 예측한 뒤, 부하 전류를 적절한 비율로 나누어 배터리 및 커패시터를 함께 충방전시키되, 특히 배터리보다 커패시터를 빈번하게 충방전시킬 필요가 있다.Accordingly, after predicting the current required by the load or the current supplied from the load, the battery and the capacitor are charged and discharged together by dividing the load current by an appropriate ratio. In particular, it is necessary to charge and discharge the capacitor more frequently than the battery.
본 발명의 실시예들은, 부하에 필요한 전류 또는 부하로부터 공급되는 전류를 직접 측정하지 않고 외란 관측기를 이용하여 예측함으로써, 실제 부하 전류와 예측된 부하 전류 사이의 오차를 줄이기 위한 컨버터 제어장치 및 제어방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.Embodiments of the present invention are a converter control device and a control method for reducing an error between the actual load current and the predicted load current by predicting using a disturbance observer without directly measuring the current required for the load or the current supplied from the load. The main purpose is to provide.
본 발명의 일 실시예는, 부하에 필요한 전류가 많을 때 배터리의 방전 전류를 제한하고 커패시터를 방전시키며, 부하에 필요한 전류가 적을 때 배터리로부터 커패시터를 충전시킴으로써, 배터리의 수명을 연장하기 위한 컨버터 제어장치 및 제어방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.An embodiment of the present invention is to limit the discharge current of the battery when the current required for the load is large, discharge the capacitor, and control the converter to extend the life of the battery by charging the capacitor from the battery when the current required for the load is low. One object is to provide an apparatus and a control method.
본 발명의 일 실시예는, 모터의 회생제동 시 발생하는 부하의 전류를 커패시터에 먼저 저장하고, 커패시터의 전압이 기 설정된 전압에 도달한 경우 커패시터 에너지 및 회생전력을 배터리로 전달함으로써, 배터리의 수명을 연장하기 위한 컨버터 제어장치 및 제어방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.According to an embodiment of the present invention, the current of the load generated during regenerative braking of the motor is first stored in a capacitor, and when the voltage of the capacitor reaches a preset voltage, the capacitor energy and regenerative power are transferred to the battery, thereby It is an object of the present invention to provide a converter control device and a control method for extending the voltage.
본 발명의 일 측면에 의하면, 인덕터, 제1스위치 및 제2스위치를 포함하되, 입력단이 배터리에 병렬로 연결되며, 출력단이 커패시터 및 부하에 병렬로 연결된 양방향 컨버터를 제어하는 양방향 컨버터 제어장치에 있어서, 부하전류의 k-1번째 추정값을 이용하여 k번째 상태변수를 예측하고, 예측한 k번째 상태변수, 측정한 k번째 상태변수 및 상기 k-1번째 추정값을 이용하여 상기 부하전류의 k번째 추정값을 도출하는 외란 관측기; 및 상기 k번째 추정값에 따라 상기 양방향 컨버터를 부스트 컨버터 또는 벅 컨버터로 동작시키는 제어부를 포함하되, 상기 상태변수는 인덕터 전류 및 커패시터 전압을 포함하는 양방향 컨버터 제어장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a two-way converter control device including an inductor, a first switch, and a second switch, wherein an input terminal is connected to a battery in parallel, and an output terminal is connected to a capacitor and a load in parallel. , Predicting the k-th state variable using the k-1 estimated value of the load current, and the k-th estimated value of the load current using the predicted k-th state variable, the measured k-th state variable, and the k-1 th estimated value. Disturbance observer to derive; And a controller configured to operate the bidirectional converter as a boost converter or a buck converter according to the k-th estimated value, wherein the state variable includes an inductor current and a capacitor voltage.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 인덕터, 제1스위치 및 제2스위치를 포함하되, 입력단이 배터리에 병렬로 연결되며, 출력단이 커패시터 및 부하에 병렬로 연결된 양방향 컨버터의 제어방법에 있어서, 부하전류의 k-1번째 추정값을 이용하여 k번째 상태변수를 예측하고, 예측한 k번째 상태변수, 측정한 k번째 상태변수 및 상기 k-1번째 추정값을 이용하여 상기 부하전류의 k번째 추정값을 도출하는 추정과정; 및 상기 k번째 추정값에 따라 상기 양방향 컨버터를 부스트 컨버터 또는 벅 컨버터로 동작시키는 제어과정을 포함하되, 상기 상태변수는 인덕터 전류 및 커패시터 전압을 포함하는 양방향 컨버터의 제어방법을 제공한다.According to another aspect of the present embodiment, in the control method of a bidirectional converter including an inductor, a first switch, and a second switch, the input terminal is connected in parallel to the battery, and the output terminal is connected in parallel to the capacitor and the load, Estimation of predicting the k-th state variable using the k-1 estimated value, and deriving the k-th estimated value of the load current using the predicted k-th state variable, the k-th state variable measured, and the k-1 th estimated value. process; And a control process of operating the bidirectional converter as a boost converter or a buck converter according to the k-th estimated value, wherein the state variable includes an inductor current and a capacitor voltage.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 외란 관측기를 이용하여 부하에 필요한 전류 또는 부하로부터 공급되는 전류를 예측함으로써, 실제 부하 전류와 예측된 부하 전류 사이의 오차를 줄일 수 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, an error between the actual load current and the predicted load current can be reduced by predicting the current required for the load or the current supplied from the load using the disturbance observer.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 부하에 필요한 전류가 많을 때 배터리의 방전 전류를 제한하고 커패시터를 방전시키며, 부하에 필요한 전류가 적을 때 배터리로부터 커패시터를 충전시킴으로써, 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the battery life can be extended by limiting the discharge current of the battery and discharging the capacitor when the current required for the load is large, and charging the capacitor from the battery when the current required for the load is low. .
본 발명의 일 실시예에 의하면, 모터의 회생제동 시 발생하는 부하의 전류를 커패시터에 먼저 저장하고, 커패시터의 전압이 기 설정된 전압에 도달한 경우 커패시터 에너지 및 회생전력을 배터리로 전달함으로써, 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the current of the load generated during regenerative braking of the motor is first stored in the capacitor, and when the voltage of the capacitor reaches a preset voltage, the capacitor energy and the regenerative power are transferred to the battery. Life can be extended.
도 1은 종래의 외란 관측기의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어장치를 설명하기 위해 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외란 관측기 및 제어부의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 양방향 컨버터가 부스트 컨버터로 동작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 양방향 컨버터가 벅 컨버터로 동작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어장치의 성능을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어방법을 설명하기 위해 예시한 순서도이다.1 is a diagram for explaining a method of operating a conventional disturbance observer.
2 is a diagram illustrating an apparatus for controlling a bidirectional converter according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a method of operating a disturbance observer and a control unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining a process in which a bidirectional converter operates as a boost converter according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram for explaining a process in which a bidirectional converter operates as a buck converter according to an embodiment of the present invention.
6 and 7 are graphs for explaining the performance of the bidirectional converter control apparatus according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a method of controlling a bidirectional converter according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to elements of each drawing, it should be noted that the same elements are assigned the same numerals as possible, even if they are indicated on different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '~부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, in describing the constituent elements of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a) and (b) may be used. These terms are for distinguishing the constituent element from other constituent elements, and the nature, order, or order of the constituent element is not limited by the term. Throughout the specification, when a part'includes' or'includes' a certain element, it means that other elements may be further included rather than excluding other elements unless otherwise stated. . In addition, terms such as'~ unit' and'module' described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software.
도 1은 종래의 외란 관측기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining the principle of a conventional disturbance observer.
도 1을 참조하면, 종래의 외란 관측기의 원리를 설명하기 위한한 제어부(controller, 100), 시스템(110), 역시스템(120), Q-필터(130)이 도시되어 있다.Referring to FIG. 1, a
일반적으로, 제어부(100)의 제어신호()를 시스템(110)에 인가할 때, 시스템(110)의 외부로부터 외란(disturbance)이 제어신호와 함께 인가된다. 제어신호와 외란이 시스템(110)에 함께 입력되는 경우, 시스템(110)의 출력값은 사용자가 의도한 출력값과 다르게 출력될 수 있다.In general, the control signal of the control unit 100 ( When) is applied to the
시스템(110)의 출력값을 사용자가 의도한 출력값과 동일하게 출력하기 위해, 시스템(110)에 입력되는 외란을 제거할 필요가 있다. 외란은 직접 측정하기 어려우므로, 시스템(110)의 출력값으로부터 외란을 추출한 후 추출된 외란을 이용하여 실제 외란을 상쇄시킴으로써 외란을 제거할 수 있다. 이를 외란 관측기(disturbance observer) 이론이라 한다.In order to output the output value of the
다시 도 1을 참조하여, 시스템(110)의 출력 y를 역시스템(120)에 입력하면, 역시스템(120)은 제어신호와 외란이 혼재된 값을 출력한다. 제어신호와 외란이 혼재된 값에서 제어신호만을 제거하여 외란을 추출하며, 추출된 외란을 실제 외란으로 추정한다. 이때, 시스템(110)이 안정한 모델을 갖는 경우 시스템(110)의 역모델()은 불안정한 모델이므로, 역시스템(120)에 Q-필터(Q-filter, 130)를 적용하여 역시스템(120)을 안정화할 수 있다. Referring to FIG. 1 again, when the output y of the
따라서, 외란 관측기 이론은 시스템(110)의 출력으로부터 외란을 추정하고, 추정된 외란을 이용하여 실제 외란을 상쇄시킴으로써, 시스템(110)으로 하여금 사용자가 의도한 출력값을 출력할 수 있도록 하는 이론이다.Accordingly, the disturbance observer theory is a theory that allows the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어장치를 설명하기 위해 예시한 도면이다.2 is a diagram illustrating an apparatus for controlling a bidirectional converter according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 양방향 컨버터(200), 부하(210), 외란 관측기(220), 제어부(230), 배터리 및 커패시터가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어장치는 외란 관착기(220) 및 제어부(230)를 포함한다.Referring to FIG. 2, a
양방향 컨버터(200)는 인덕터, 제1스위치, 제2스위치, 제1다이오드 및 제2다이오드를 포함한다. 양방향 컨버터(200)의 입력단은 배터리에 병렬로 연결되며, 출력단은 커패시터 및 부하(210)에 각각 병렬로 연결될 수 있다.The
양방향 컨버터(200)는 배터리에 저장된 에너지를 부하(210) 또는 커패시터로 전달하거나, 배터리 및 커패시터에 저장된 에너지를 부하(210)에 전달하거나, 또는 부하(210)에서 생산되는 전력을 커패시터 또는 배터리에 저장시킬 수 있다.The
부하(210)가 전력을 소모하는 경우, 양방향 컨버터(200)는 제어부(230)에 의해 배터리에 저장된 에너지를 부하(210) 또는 커패시터로 전달하거나, 배터리 및 커패시터에 저장된 에너지를 부하(210)에 전달하는 부스트 컨버터(boost converter)로 동작한다. When the
부하(210)가 전력을 생산하는 경우, 양방향 컨버터(200)는 제어부(230)에 의해 부하(210)에서 생산되는 전력을 커패시터 또는 배터리에 저장시키는 벅 컨버터(buck converter)로 동작한다.When the
부하(210)는 배터리 또는 커패시터로부터 에너지를 전달받아 전력을 소모하거나, 배터리 또는 커패시터에 저장될 에너지를 생산할 수 있다. 예를 들면, 부하(210)는 전기 자동차의 모터(motor)로서, 자동차의 가속 시 전력을 소모하며, 자동차의 감속 시 모터의 회생제동(regenerative brake)에 의해 전력을 생산할 수 있다.The
외란 관측기(220)는 배터리 전압, 커패시터, 양방향 컨버터(200), 배터리 및 커패시터를 이용하여 부하(210)의 전류를 추정한다. 외란 관측기(220)는 부하전류 추정값을 제어부(230)에 전달할 수 있다. 외란 관측기(220)가 부하전류를 추정하는 과정은 도 3에서 자세히 설명한다. The
제어부(230)는 외란 관측기(220)에 의해 추정된 부하전류를 이용하여 부하(210)의 전력 소모 또는 생산 여부를 판단하고, 부하(210)가 전력을 소모하는 경우 양방향 컨버터(200)를 부스트 컨버터로 동작시키고, 전력을 생산하는 경우 양방향 컨버터(200)를 벅 컨버터로 동작시킨다. 제어부(230)는 배터리의 출력 전류의 최대값을 설정하고, 이에 따라 배터리 및 커패시터가 충방전되도록 양방향 컨버터(200)의 스위치들을 제어한다.The
구체적으로, 부하전류의 추정값이 부하(210)가 전력을 소비하는 상태를 의미하고, 추정값이 양방향 컨버터(200)의 출력단에 흐르는 평균전류보다 크면, 제어부(230)는 배터리 및 커패시터에 저장된 에너지가 부하로 전달되도록 제2스위치를 턴 오프시키고 제1스위치를 제어할 수 있다. 여기서, 양방향 컨버터(200)의 출력단에 흐르는 평균전류란 임의로 설정된 배터리의 제한전류값에 (1-D)를 곱한 값을 의미한다. 여기서, D는 부스트 컨버터에서 제1스위치의 스위칭 듀티비(switching duty ratio)를 의미한다. Specifically, when the estimated value of the load current means a state in which the
부하전류의 추정값이 부하(210)가 전력을 소비하는 상태를 의미하고, 추정값이 양방향 컨버터(200)의 출력단에 흐르는 평균전류보다 작으면, 제어부(230)는 배터리의 에너지가 커패시터에 충전되도록 제1스위치 및 제2스위치를 제어할 수 있다. 이때, 제어부(230)는 배터리에 저장된 에너지를 커패시터에 충전시킴과 동시에 배터리에 저장된 에너지가 부하에 전달되도록 양방향 컨버터(200)를 제어한다.When the estimated value of the load current refers to a state in which the
부하전류의 추정값이 부하(210)가 전력을 생산하는 상태를 의미하고, 커패시터의 전압이 최대 전압(포화 전압)보다 낮은 경우, 제어부(230)는 제1스위치 및 제2스위치를 턴 오프시킴으로써, 부하(210)로부터 생산되는 전력이 커패시터에 전달될 수 있도록 양방향 컨버터(200)를 제어한다.When the estimated value of the load current means a state in which the
부하전류의 추정값이 부하(210)가 전력을 생산하는 상태를 의미하고, 커패시터의 전압이 최대 전압인 경우, 제어부(230)는 커패시터에 저장된 에너지가 배터리에 전달될 수 있도록 제1스위치를 턴 오프시키고 제2스위치를 스위칭 듀티비에 따라 제어한다.When the estimated value of the load current means the state in which the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외란 관측기 및 제어부의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram illustrating a method of operating a disturbance observer and a control unit according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 배터리, 배터리 내부저항(), 양방향 컨버터(200), 커패시터(C), 부하(210, ), 외란 관측기(220) 및 제어부(230)이 도시되어 있다. 양방향 컨버터(200)는 인덕터(L), 제1스위치(Q1), 제2스위치(Q2), 제1다이오드(D1) 및 제2다이오드(D2)를 포함할 수 있다. 부하(210)는 가변저항으로 표시되어 있으나 가변저항으로 한정되는 것은 아니고, 전력을 생산하는 능동소자 또는 전력을 소비하는 수동소자로 동작할 수 있다.Referring to Figure 3, the battery, internal resistance of the battery ( ),
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 외란 관측기(220)가 부하전류를 추정하고, 제어부(230)가 양방향 컨터버(200)을 제어하는 과정을 설명한다.Hereinafter, a process in which the
1. 회로의 수학적 모델1. The mathematical model of the circuit
는 이상적인 배터리 전압전원을 나타내고,은 인덕터, 는 커패시터, 는 커패시터의 양단 전압, 은 부하 전류를 나타낸다. 부하는 가변저항일 수 있으며, 예를 들어 전기 자동차의 가속 또는 감속에 따라 저항 크기가 달라지는 모터를 의미할 수 있다. 부하 전류 은 가변저항의 크기에 따라 달라질 수 있다. 제1스위치 및 제2스위치의 온오프에 따라 회로로부터 수학식 1 내지 수학식 8을 도출할 수 있다. Represents the ideal battery voltage power source, Silver inductor, Is the capacitor, Is the voltage across the capacitor, Represents the load current. The load may be a variable resistance, and for example, may refer to a motor whose resistance varies according to acceleration or deceleration of the electric vehicle. Load current May vary depending on the size of the variable resistor.
수학식 1 내지 수학식 9은 양방향 컨버터(200)가 부스트 컨버터로 동작하는 경우 회로로부터 도출되는 식이다. 수학식 1 내지 수학식 4는 제1스위치가 턴 온(turn on)되고 제2스위치가 턴 오프(turn off)된 경우 회로로부터 도출된 식이다.
수학식 3에서 일 때, 수학식 3을 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.In Equation 3 When is, Equation 3 can be expressed as Equation 4.
수학식 5 내지 수학식 8은 제1스위치 및 제2스위치가 모두 턴 오프된 경우 회로로부터 도출된 식이다. Equations 5 to 8 are equations derived from the circuit when both the first switch and the second switch are turned off.
수학식 7에서 일 때, 수학식 7을 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.In Equation 7 When is, Equation 7 can be expressed as
수학식 1 내지 수학식 8에 스위칭 듀티비(duty ratio)를 적용하여 하나의 평균 모델로 나타내면 수학식 9와 같다.When a switching duty ratio is applied to
수학식 9에서 는 스텝 함수(step function)이다.In Equation 9 Is a step function.
양방향 컨버터(200)가 벅 컨버터로 동작하는 경우 수학식 3 및 수학식 7을 이용하여 회로의 수학적 모델을 구할 수 있다. 제1스위치가 턴 오프되고 제2스위치가 턴 온된 경우 회로로부터 도출되는 식은 수학식 7과 같고, 제1스위치 및 제2스위치가 모두 턴 오프된 경우 회로로부터 도출되는 식은 수학식 3과 같다. 일 때, 벅 컨버터의 수학 모델을 수학식 9와 동일하게 나타낼 수 있다.When the
따라서, 양방향 컨버터(200)의 부스트 컨버터 동작에서 와 벅 컨버터 동작에서 만 다를 뿐, 양방향 컨버터(200)의 수학 모델을 동작 모드와 상관없이 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, in the boost converter operation of the
수학식 9를 정리하기 위하여, 일 때, 수학식 9를 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.To summarize Equation 9, When is, Equation 9 can be expressed as Equation 10.
수학식 1 내지 수학식 10은 연속적인 시간 모델을 이용한 방정식이며, 오일러 근사화(Euler approximation)을 적용하여 불연속적인 이산시간 모델 방정식으로 변환할 수 있다. 수학식 10을 불연속적인 시간 모델로 변환하면 수학식 11과 같다.
수학식 11에서, 이고, h는 샘플링 시간(sampling time)이다.In Equation 11, And h is the sampling time.
2. 외란 관측기 모델 설계2. Disturbance Observer Model Design
외란 관측기(220)는 k번째 상태변수(인덕터 전류 및 커패시터 전압)를 측정하고 부하전류의 k-1번째 추정값을 이용하여 k번째 상태변수를 예측한 뒤, 측정한 k번째 상태변수에 예측한 k번째 상태변수를 뺀 후 이득 행렬(gain matrix)을 곱한 값과, 상기 k-1번째 추정값을 더한 값을 부하전류로 추정할 수 있다.The
이득 행렬과 관련하여, 상태오차는 측정한 k번째 상태변수에 정상 상태에서의 상태변수를 뺀 행렬이고, 정상 상태는 제1스위치 또는 제2스위치의 k-1번째 스위칭 듀티비를 기준으로 동작하는 상태를 의미할 때, 이득 행렬은 상태오차가 0이 되도록 선형 행렬 부등식(LMI, linear matrix inequality)을 이용하여 계산된 행렬이다. Regarding the gain matrix, the state error is a matrix obtained by subtracting the measured k-th state variable from the state variable in the steady state, and the steady state operates based on the k-1 th switching duty ratio of the first switch or the second switch. When referring to a state, the gain matrix is a matrix calculated using a linear matrix inequality (LMI) so that the state error becomes zero.
수학식을 이용하여 설명하면, 는 부하전류의 k번째 추정값, 는 k-1번째 추정값, 는 측정한 k번째 상태변수, 는 예측한 k번째 상태변수, L은 이득행렬(gain matrix)일 때, 는 수학식 12로부터 추정될 수 있다.Explaining using the equation, Is the kth estimated value of the load current, Is the k-1th estimate, Is the kth state variable measured, Is the predicted k-th state variable, L is the gain matrix, Can be estimated from Equation 12.
한편, 첫 번째 부하전류 추정값을 도출하기 위해 은 0 이거나 임의로 설정된 값일 수 있다.Meanwhile, in order to derive the first estimate of the load current May be 0 or may be a randomly set value.
수학식 12를 구체적으로 설명하기 위해 수학식 11을 참조하면, 은 알려지지 않은 실제 부하 전류에 상수를 곱한 값을 의미하고, 이하에서는 부하전류를 추정하기 위해 외란 은 인 것으로 가정하여 설명한다. 이는, 부하전류가 수시로 변화하며 제어신호인 인덕터 전류기준치와 커패시터 전압기준치에 영향을 주기 때문이다.Referring to Equation 11 to specifically describe Equation 12, Is the value obtained by multiplying the unknown actual load current by a constant. In the following, disturbances are used to estimate the load current. silver It is assumed that it is explained. This is because the load current changes from time to time and affects the inductor current reference value and the capacitor voltage reference value, which are control signals.
한편, 수학식 11은 모델 불확실성(model uncertainty)을 포함하는 표현인 을 이용하여 수학식 13과 같이 표현될 수 있다.Meanwhile, Equation 11 is an expression including model uncertainty. It can be expressed as Equation 13 by using.
수학식 13에서 u(k)는 스위칭 듀티비(swiching duty ratio)를 의미하며, u(k)는 최소값 및 최대값이 각각 인 경계값을 가진다. 은 으로써, 불확실성을 나타내는 u(k)를 포함하는 행렬이다. 즉, 은 최소값이 이고, 최대값이 이다. 이하에서는, 공칭 행렬(nominal matrix) 을 의 평균값으로 정의한다. 따라서, 수학식 13은 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.In Equation 13, u(k) denotes a switching duty ratio, and u(k) has a minimum value and a maximum value, respectively. Has a threshold of silver As a result, it is a matrix including u(k) representing uncertainty. In other words, Is the minimum value And the maximum value is to be. In the following, the nominal matrix of It is defined as the average value of. Therefore, Equation 13 can be expressed as Equation 14.
수학식 14에서 이다.In Equation 14 to be.
알려지지 않은 부하 전류를 의미하는 d(k)를 추정하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 외란 관측기(220)는 수학식 15 내지 수학식 17을 만족하는 을 도출할 수 있다.In order to estimate d(k), which means an unknown load current, the
여기서, 는 추정되는 럼프 외란(lump disturbance)이고, L은 대각선 이득 행렬(diagonal gain matrix)이다. 이득 행렬 L은 가 기하급수적인 형태로 에 수렴하도록 하는 행렬이다. 즉, 실제 외란과 추정된 외란 사이의 에러가 정상 상태(steady state)에서 0(zero)에 수렴하도록 L 행렬 내 원소 값이 결정된다. 정상 상태에서 시스템은 수학식 13 및 수학식 14로 표현될 수 있다. 이때, 수학식 13 및 수학식 14는 수학식 18 및 수학식 19를 만족해야 한다.here, Is the estimated lump disturbance, and L is the diagonal gain matrix. The gain matrix L is In exponential form It is a matrix that converges to. That is, the values of the elements in the L matrix are determined so that the error between the actual disturbance and the estimated disturbance converges to 0 (zero) in a steady state. In the normal state, the system can be represented by Equations 13 and 14. At this time, Equations 13 and 14 must satisfy Equations 18 and 19.
수학식 18에서 수학식 19를 뺄셈 연산하여 수학식 20을 도출할 수 있다. Equation 20 may be derived by subtracting Equation 19 from Equation 18.
한편, 수학식 17에 수학식 13 및 수학식 20을 대입하고, 이 정상 상태에서의 스위칭 듀티비일 때, 외란 를 수학식 21과 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, Equation 13 and Equation 20 are substituted into Equation 17, When this is the switching duty ratio in the steady state, the disturbance Can be expressed as in Equation 21.
수학식 21에서 이다. In Equation 21 to be.
수학식 12에서 수학식 17을 뺀 후, 수학식 19를 대입하면 수학식 22를 도출할 수 있다.Equation 22 can be derived by subtracting Equation 17 from Equation 12 and substituting Equation 19.
수학식 22에서 이다. In Equation 22 to be.
결과적으로, 본 발명의 실시예에 따른 외란 관측기(220)의 모델은 수학식 21 및 수학식 22로 표현될 수 있다.As a result, the model of the
3. 이득 행렬 L의 계산3. Calculation of the gain matrix L
이하에서는, 선형 행렬 부등식(LMI, linear matrix inequality)를 이용하여, 부하전류의 k번째 추정값 이 안정적으로 에 수렴할 수 있도록 이득 행렬 L을 결정하는 방법을 설명한다.Hereinafter, using a linear matrix inequality (LMI), the k-th estimated value of the load current This stably A method of determining the gain matrix L so that it can converge on will be described.
수학식 21 및 수학식 22를 이용하여, 수학식 23과 같이 나타낼 수 있다.Using Equation 21 and Equation 22, it can be expressed as Equation 23.
이로부터, 시스템의 안정성을 보장함과 동시에 시스템이 빠르게 수렴할 수 있도록 이득 행렬 L의 값을 결정해야 한다.From this, it is necessary to determine the value of the gain matrix L so that the system can converge quickly while ensuring the stability of the system.
이하에서는, 수학식 23은 새로운 변수 및 을 이용하여 수학식 24와 같이 표현될 수 있다. In the following, Equation 23 is a new variable And It can be expressed as Equation 24 by using.
시스템이 점근적으로 안정성을 띄기 위해서는, 행렬 이 임의의 에 대해 Hurwitz 기준을 만족해야 한다. 따라서, 행렬 이 Hurwitz 기준을 만족하도록 이득 행렬 L 값을 결정한다.In order for the system to be asymptotically stable, the matrix This random Must meet the Hurwitz criteria for Thus, the matrix The gain matrix L value is determined to satisfy this Hurwitz criterion.
양 확정 대각선 행렬(positive definite diagonal mtatrix) 가 수학식 25를 만족하는 경우, 행렬 는 안정성을 보장할 수 있다. 여기서, 양 확정 행렬 P란, 0이 아닌 n 차원 벡터에 대해 를 만족하는 대칭행렬을 의미한다.Positive definite diagonal mtatrix If is satisfies Equation 25, the matrix Can guarantee stability. Here, the positive matrix P is for a non-zero n-dimensional vector It means a symmetric matrix that satisfies.
수학식 25는 , , 을 만족한다.Equation 25 is , , Is satisfied.
한편, 수학식 25는 수학식 26으로 나타낼 수 있다.Meanwhile, Equation 25 may be expressed as Equation 26.
수학식 26에 슈어분해(Schur Decomposition)를 적용하면, 수학식 26을 수학식 27과 같이 나타낼 수 있다.When Schur Decomposition is applied to Equation 26, Equation 26 can be expressed as Equation 27.
새로운 변수 가 일 때, 수학식 27을 수학식 28과 같이 나타낼 수 있다.New variable end When is, Equation 27 can be expressed as Equation 28.
전술한 정의인 를 이용하여, 수학식 28에 대해 선형 행렬 부등식 LMI를 만족하는 행렬 L을 도출할 수 있다. 행렬 L은 에 의해 계산될 수 있다.The above definition Using, it is possible to derive a matrix L that satisfies the linear matrix inequality LMI for Equation 28. Matrix L is Can be calculated by
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(230)가 추정된 부하전류를 이용하여 양방향 컨버터(200)를 제어하는 과정을 설명한다.Hereinafter, a process of controlling the
4. 제어부 모델 설계4. Control unit model design
제어부(230)는 외란 관측기(220)에 의해 추정된 부하전류와, 임의로 설정한 배터리의 최대 전류를 이용하여 커패시터의 전압기준치를 설정한 후 전압기준치와 추정된 부하전류로부터 인덕터의 전류기준치를 설정한다. 제어부(230)는 설정된 전류기준치로부터 스위칭 듀티비를 결정할 수 있다.The
예를 들어, 추정된 부하전류가 양방향 컨버터(200)의 출력단에 흐르는 평균전류보다 크고, 양방향 컨버터(200)가 부스트 컨버터로 동작하는 경우 우선 제어부(230)는 배터리의 최대 전류를 임의의 값으로 설정하고 전압기준치를 설정할 수 있다. 이때, 양방향 컨버터(200)의 출력단에 흐르는 평균전류는 배터리의 최대 전류인 제한전류값에 (1-D)를 곱한 값이다. 여기서, D는 제1스위치의 온오프 듀티비이다. 커패시터의 전압기준치는 현재 측정한 전압과, 커패시터에 흐르는 전류값을 적분한 값을 더하여 설정될 수 있다. 커패시터에 흐르는 전류값은 추정된 부하전류와 양방향 컨버터(200)의 출력단에 흐르는 평균전류로부터 구해질 수 있다. 전압기준치와 추정된 부하전류로부터 인덕터 전류기준치 및 스위칭 듀티비를 구할 수 있다.For example, when the estimated load current is greater than the average current flowing through the output terminal of the
구체적으로 제어부(230)의 동작을 설명하자면, 스위칭 듀티비가 일정한 정상 상태이고, 이며, 는 인덕터 전류기준치이며, 는 커패시터의 전압기준치라고 할 때, 수학식 12를 수학식 29와 같이 나타낼 수 있다.Specifically, to describe the operation of the
수학식 29로부터 수학식 30 및 수학식 31을 도출할 수 있다.Equation 30 and Equation 31 can be derived from Equation 29.
수학식 30 및 수학식 31로부터, 에 대한 2차 방정식인 수학식 32를 도출할 수 있다.From Equation 30 and Equation 31, Equation 32, which is a quadratic equation for, can be derived.
수학식 32에서 일 때, 에 대한 2차 방정식을 풀이하여 수학식 33을 도출할 수 있다.In Equation 32 when, Equation 33 can be derived by solving the quadratic equation for.
수학식 33에서 a 및 b는 고정 값이라고 근사화 할 때, 는 및 에 의존한다. 즉, 전류기준치 는 설정된 와 추정된 부하전류 로부터 결정될 수 있다. When approximating that a and b are fixed values in Equation 33, Is And Depends on In other words, the current reference value Is set And estimated load current Can be determined from
제어부(230)는 전류기준치 을 이용하여 스위칭 듀티비를 결정한다. 제어부(230)는 양방향 컨버터(200)를 부스트 컨버터로 동작시킬 때 수학식 34와 같은 듀티비를 이용하여 제1스위치를 온오프시킬 수 있다. 제어부(230)는 양방향 컨버터(200)를 벅 컨버터로 동작시킬 때 수학식 35와 같은 듀티비를 이용하여 제1스위치를 온오프시킬 수 있다.The
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 양방향 컨버터가 부스트 컨버터로 동작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram for explaining a process in which a bidirectional converter operates as a boost converter according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 양방향 컨버터(200)가 부스트 컨버터로 동작하는 경우 전류의 흐름 및 에너지의 흐름이 도시되어 있다. 이때, 제2스위치(Q2)는 항상 턴 오프된다. Referring to FIG. 4, when the
제1스위치가 턴 온된 경우, 배터리의 출력 전류이자 인덕터 전류인 은 제1스위치로 흐른다. 즉, 배터리, 배터리 내부저항(), 인덕터(L) 및 제1스위치(Q1)가 폐회로를 구성한다. 배터리 전압이 인덕터에 인가되므로 인덕터 전류는 시간이 흐름에 따라 증가한다.When the first switch is turned on, the output current of the battery and the inductor current Flows to the first switch. In other words, battery, battery internal resistance ( ), the inductor L and the first switch Q1 constitute a closed circuit. Since the battery voltage is applied to the inductor, the inductor current increases over time.
제1스위치가 턴 오프된 경우, 배터리의 출력 전류는 제2다이오드를 통해 커패시터(C) 및 부하()로 흐른다. 즉, 배터리, 배터리 내부저항, 인덕터, 제2다이오드, 커패시터 및 부하가 폐회로를 구성한다. 배터리로부터 출력된 전류는 커패시터 및 부하에 전달된다.When the first switch is turned off, the output current of the battery is transferred to the capacitor C and the load ( ) Flows. That is, the battery, the internal resistance of the battery, the inductor, the second diode, the capacitor and the load constitute a closed circuit. The current output from the battery is delivered to the capacitor and the load.
제1스위치가 온오프를 반복함으로써, 양방향 컨버터(200)는 부스트 컨버터로 동작할 수 있다.By repeatedly turning on and off the first switch, the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 양방향 컨버터가 벅 컨버터로 동작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for explaining a process in which a bidirectional converter operates as a buck converter according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 양방향 컨버터(200)가 벅 컨버터로 동작하는 경우 전류의 흐름 및 에너지의 흐름이 도시되어 있다. 이때, 제1스위치(Q1)는 항상 턴 오프된다. Referring to FIG. 5, when the
제2스위치가 턴 오프된 경우, 부하가 생산하는 전력이 커패시터에 저장된다. 커패시터 및 부하가 폐회로를 구성한다. 시간이 지남에 따라 커패시터가 충전되므로 커패시터의 전압이 상승한다. When the second switch is turned off, power produced by the load is stored in the capacitor. Capacitors and loads form a closed circuit. As the capacitor charges over time, the voltage across the capacitor rises.
제2스위치가 턴 온된 경우, 커패시터에 저장된 에너지가 배터리로 전달된다. 즉, 배터리, 배터리 내부저항(), 인덕터(L), 제2스위치(Q2), 커패시터 및 부하가 폐회로를 구성한다. When the second switch is turned on, energy stored in the capacitor is transferred to the battery. In other words, battery, battery internal resistance ( ), the inductor (L), the second switch (Q2), the capacitor and the load constitute a closed circuit.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어장치의 성능을 설명하기 위한 그래프이다.6 is a graph for explaining the performance of the bidirectional converter control apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 6a에 부하가 모터일 경우 모터의 토크 및 회전속도에 대한 그래프가 도시되고, 도 6b는 실제 측정한 부하전류 및 추정된 부하전류, 도 6c는 측정한 커패시터 전압과 전압기준치, 도 6d에는 측정한 배터리 전류 및 배터리 전류(인덕터 전류)기준치에 대한 그래프가 도시된다.6A shows a graph of the torque and rotational speed of the motor when the load is a motor, FIG. 6B is an actual measured load current and an estimated load current, FIG. 6C is a measured capacitor voltage and voltage reference value, and FIG. 6D is a measurement A graph of one battery current and a battery current (inductor current) reference value is shown.
도 6a를 참조하면, 부하의 토크 및 회전속도가 부하(모터)의 가속으로 인한 배터리 및 커패시터의 방전구간(t1), 커패시터의 충전구간(t2) 및 부하(모터)의 회생제동으로 인한 커패시터 충전구간(t3)로 나뉘어 도시된다.Referring to FIG. 6A, the torque and rotation speed of the load are the discharge period (t1) of the battery and capacitor due to acceleration of the load (motor), the charging period (t2) of the capacitor, and the capacitor charging due to the regenerative braking of the load (motor). It is shown divided into section t3.
도 6b를 참조하면, t1 구간에서 모터의 회전 속도를 증가시키기 위해 부하에 많은 부하전류가 필요하므로, 실제 부하전류 및 추정된 부하전류는 증가한다. t2 구간에서 모터가 감속 및 가속을 하지 않아 부하전류가 거의 흐르지 않는다. t3 구간에서 자동차의 감속 시 부하의 회생제동으로 인해 부하에 음의 전류가 흐르게 된다. 도 6b를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 외란 관측기로부터 추정된 부하전류 그래프는 실제 측정한 부하전류 그래프와 매우 유사하다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6B, since a large load current is required in the load to increase the rotational speed of the motor in the period t1, the actual load current and the estimated load current increase. The load current hardly flows because the motor does not decelerate and accelerate in the t2 section. When the vehicle is decelerated in section t3, a negative current flows through the load due to the regenerative braking of the load. It can be seen from FIG. 6B that the load current graph estimated from the disturbance observer according to an embodiment of the present invention is very similar to the actually measured load current graph.
도 6c 및 도 6d를 참조하면, t1 구간에서 배터리 및 커패시터에 저장된 에너지가 부하에 전달되므로, 커패시터의 전압이 작아지고 배터리의 출력 전류가 증가한다. t2 구간에서 배터리에 저장된 에너지가 커패시터에 전달됨으로써, 커패시터 전압이 증가하는 것을 알 수 있다. t3 구간에서 부하로부터 생산되는 전력이 커패시터에 전달되어 커패시터 전압이 상승한다.6C and 6D, since energy stored in the battery and the capacitor is transferred to the load in the period t1, the voltage of the capacitor decreases and the output current of the battery increases. It can be seen that the capacitor voltage increases as the energy stored in the battery is transferred to the capacitor in the period t2. In the period t3, the power produced from the load is transferred to the capacitor and the capacitor voltage increases.
도 6b, 도 6c 및 도 6d를 참조하면, 추정되는 부하전류가 실제 부하전류와 유사하고, 추정된 부하전류로부터 도출된 커패시터 전압기준치 및 인덕터 전류기준치를 이용함으로써, 배터리와 커패시터를 효율적으로 충방전시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.6B, 6C, and 6D, the estimated load current is similar to the actual load current, and by using the capacitor voltage reference value and the inductor current reference value derived from the estimated load current, the battery and the capacitor are efficiently charged and discharged. You can see that you can do it.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어장치의 성능을 설명하기 위한 그래프이다.7 is a graph for explaining the performance of the bidirectional converter control apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d를 참조하면, 배터리 및 커패시터가 방전되는 구간(t1), 배터리가 방전되고 커패시터가 충전되는 구간(t2) 및 배터리만 방전되는 구간(t3)에 따른 제어장치의 동작 그래프가 도시된다.7A, 7B, 7C, and 7D, control according to a period in which the battery and capacitor are discharged (t1), a period in which the battery is discharged and the capacitor is charged (t2), and a period in which only the battery is discharged (t3). A graph of the operation of the device is shown.
도 7a를 참조하면, 부하(모터)의 토크는 t1 구간에서 증가하고, t2 및 t3 구간에서는 일정한 값을 가진다. 도 7b를 참조하면, 부하전류는 t1 구간에서 증가하고, t2 및 t3 구간에서 일정한 양의 값을 가진다. Referring to FIG. 7A, the torque of the load (motor) increases in the period t1 and has a constant value in the period t2 and t3. Referring to FIG. 7B, the load current increases in the period t1 and has a constant positive value in the period t2 and t3.
도 7c를 참조하면, t1 구간에서 배터리뿐만 아니라 커패시터도 방전되므로 커패시터 전압이 작아지며, t2 구간에서 커패시터는 배터리에 의해 충전되므로 전압이 증가한다. t3 구간에서 부하에 필요한 전력이 배터리로부터 모두 공급되므로 커패시터의 전압은 일정하게 유지된다. Referring to FIG. 7C, since not only the battery but also the capacitor is discharged in the period t1, the voltage of the capacitor decreases, and in the period t2, the voltage increases because the capacitor is charged by the battery. In the period t3, all the power required for the load is supplied from the battery, so the voltage of the capacitor is kept constant.
도 7d를 참조하면, t1 및 t2 구간에서 배터리는 많은 부하전류를 공급하거나 커패시터를 충전시키므로 배터리 전류(인덕터 전류)는 양의 값을 가진다. t3 구간에서 커패시터는 충방전되지 않고, 부하전류가 적어, t3 구간에서 배터리의 전류는 t1 및 t2 구간에 비해 작은 양의 값을 가진다.Referring to FIG. 7D, the battery current (inductor current) has a positive value since the battery supplies a lot of load current or charges the capacitor in periods t1 and t2. In the period t3, the capacitor is not charged and discharged, and the load current is small, so the current of the battery in the period t3 has a smaller positive value than in the period t1 and t2.
도 7b, 도 7c 및 도 7d를 참조하면, 추정되는 부하전류가 실제 부하전류와 유사하고, 추정된 부하전류로부터 도출된 커패시터 전압기준치 및 인덕터 전류기준치를 이용함으로써, 배터리와 커패시터를 효율적으로 충방전시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.7B, 7C, and 7D, the estimated load current is similar to the actual load current, and by using the capacitor voltage reference value and the inductor current reference value derived from the estimated load current, the battery and the capacitor are efficiently charged and discharged. You can see that you can do it.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어방법을 설명하기 위해 예시한 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a method of controlling a bidirectional converter according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 외란 관측기(220)는 도 3에서 설명한 과정을 통해 부하전류를 추정할 수 있다(S800).The
제어부(230)는 외란 관측기(220)에 의해 추정된 부하전류를 이용하여 부하가 전력을 소모하는 상태인지, 전력을 생산하는 상태인지 판단한다(S802). 예를 들어, 제어부(230)는 추정된 부하전류가 양수이면 부하가 전력을 소모하는 상태이며, 추정된 부하전류가 음수이면 부하가 전력을 생산하는 상태인 것으로 판단할 수 있다.The
부하가 전력을 소모하는 경우, 제어부(230)는 추정된 부하전류가 기 설정된 값 이상인지 여부를 판단한다(S804). 여기서, 기 설정된 값이란 양방향 컨버터(200)의 출력단에 흐르는 평균전류를 의미한다. 양방향 컨버터(200)의 출력단에 흐르는 평균전류는 배터리로부터 부하에 전달되는 전류의 평균값이다.When the load consumes power, the
추정된 부하전류가 기 설정된 값 이상인 경우, 배터리의 출력 전류는 임의로 설정된 값으로 제한되고, 커패시터를 방전시킴으로써 부하에 필요한 전력을 공급할 수 있다(S806). 즉, 배터리와 커패시터를 함께 방전시켜 부하에 전력을 공급할 수 있다. 이때, 배터리의 출력 전류는 제한될 수 있다.When the estimated load current is greater than or equal to a preset value, the output current of the battery is limited to an arbitrarily set value, and power required for the load may be supplied by discharging the capacitor (S806). That is, it is possible to supply power to the load by discharging the battery and the capacitor together. In this case, the output current of the battery may be limited.
추정된 부하전류가 기 설정된 값 미만인 경우, 배터리의 최대 전류 범위 내에서 배터리는 커패시터를 충전함과 동시에 부하에 전력을 공급한다(S808). 즉, 부하에 필요한 전류와 커패시터를 충전시키는 데 필요한 전류의 합이 배터리의 제한전류값보다 작을 때, 배터리는 커패시터를 충전하고 부하에 전력을 공급할 수 있다.When the estimated load current is less than the preset value, the battery charges the capacitor and supplies power to the load within the maximum current range of the battery (S808). That is, when the sum of the current required for the load and the current required to charge the capacitor is less than the limit current value of the battery, the battery can charge the capacitor and supply power to the load.
한편, 부하가 전력을 생산하는 경우, 제어부(230)는 커패시터의 전압이 기 설정된 전압인지 여부를 판단한다(S810). 여기서, 기 설정된 전압은 커패시터의 최대 전압(포화 전압) 또는 임의로 설정한 값일 수 있다.Meanwhile, when the load generates power, the
커패시터의 전압이 최대 전압인 경우, 제어부(230)는 제1스위치 및 제2스위치를 모두 턴 오프시켜 부하로부터 생산된 전력을 커패시터에 저장시킨다(S812).When the voltage of the capacitor is the maximum voltage, the
커패시터의 전압이 최대 전압보다 작은 경우, 제어부(230)는 커패시터의 포화 상태를 방지하기 위해 제1스위치 및 제2스위치를 제어하여, 커패시터에 저장된 에너지를 배터리로 전달한다(S814).When the voltage of the capacitor is less than the maximum voltage, the
도 8에서는 과정 S800 내지 과정 S812을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 8에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 과정 S800 내지 과정 S812 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 8은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.In FIG. 8, steps S800 to S812 are described as sequentially executing, but this is merely illustrative of the technical idea of an embodiment of the present invention. In other words, if one of ordinary skill in the art to which an embodiment of the present invention pertains, within the range not departing from the essential characteristics of an embodiment of the present invention, the order shown in FIG. 8 is changed and executed, or one of the processes S800 to S812. Since the above processes are executed in parallel, various modifications and variations may be applied, and thus FIG. 8 is not limited to a time-series order.
한편, 도 8에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.Meanwhile, the processes shown in FIG. 8 can be implemented as computer-readable codes on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium includes all types of recording devices that store data that can be read by a computer system. That is, the computer-readable recording medium includes storage media such as magnetic storage media (eg, ROM, floppy disk, hard disk, etc.) and optical reading media (eg, CD-ROM, DVD, etc.). In addition, the computer-readable recording medium can be distributed over a computer system connected through a network to store and execute computer-readable codes in a distributed manner.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present embodiment, and those of ordinary skill in the technical field to which the present embodiment belongs will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Accordingly, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of this embodiment should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present embodiment.
200: 양방향 컨버터
210: 부하
220: 외란 관측기
230: 제어부200: bidirectional converter 210: load
220: disturbance observer 230: control unit
Claims (10)
부하전류의 k-1번째 추정값을 이용하여 k번째 상태변수(state of variables)를 예측하고, 예측한 k번째 상태변수, 측정한 k번째 상태변수 및 상기 k-1번째 추정값을 이용하여 상기 부하전류의 k번째 추정값을 도출하는 외란 관측기(disturbance observer); 및
상기 k번째 추정값에 따라 상기 양방향 컨버터를 부스트 컨버터(boost converter) 또는 벅 컨버터(buck converter)로 동작시키는 제어부를 포함하되,
상기 상태변수는 인덕터 전류 및 커패시터 전압을 포함하는 양방향 컨버터 제어장치.Including an inductor, a first switch and a second switch, the input terminal is connected in parallel to the battery, and the output terminal controls a capacitor and a bi-directional converter connected in parallel to the load In the two-way converter control device,
Predict the k-th state of variables using the k-1 estimated value of the load current, and the load current using the predicted k-th state variable, the measured k-th state variable, and the k-1 estimated value. A disturbance observer that derives the k-th estimate of; And
And a control unit for operating the bidirectional converter as a boost converter or a buck converter according to the k-th estimated value,
The state variable is a bidirectional converter control device including an inductor current and a capacitor voltage.
상기 제어부는,
상기 부하전류의 상기 k번째 추정값이 상기 부하가 전력을 소비하는 상태를 의미하고, 상기 k번째 추정값이 상기 양방향 컨버터의 출력단에 흐르는 평균전류보다 크면, 상기 커패시터가 방전되도록 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치를 제어함으로써, 상기 양방향 컨버터를 부스트 컨버터로 동작시키는 양방향 컨버터 제어장치.The method of claim 1,
The control unit,
When the k-th estimated value of the load current means a state in which the load consumes power, and the k-th estimated value is greater than the average current flowing through the output terminal of the bidirectional converter, the first switch and the first switch and the first switch are discharged so that the capacitor is discharged. A two-way converter control device for operating the two-way converter as a boost converter by controlling two switches.
상기 제어부는,
상기 부하전류의 상기 k번째 추정값이 상기 부하가 전력을 소비하는 상태를 의미하고, 상기 k번째 추정값이 상기 양방향 컨버터의 출력단에 흐르는 평균전류보다 작으면, 상기 커패시터가 충전되도록 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치를 제어함으로써, 상기 양방향 컨버터를 부스트 컨버터로 동작시키는 양방향 컨버터 제어장치.The method of claim 1,
The control unit,
When the k-th estimated value of the load current means a state in which the load consumes power, and the k-th estimated value is less than the average current flowing through the output terminal of the bidirectional converter, the first switch and the first switch and the capacitor are charged so that the capacitor is charged. A two-way converter control device for operating the two-way converter as a boost converter by controlling a second switch.
상기 제어부는,
상기 부하전류의 상기 k번째 추정값이 상기 부하가 전력을 생산하는 상태를 의미하고, 상기 커패시터의 전압이 최대 전압보다 낮은 경우, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치를 턴 오프시켜 상기 커패시터가 충전되도록 제어하는 양방향 컨버터 제어장치.The method of claim 1,
The control unit,
When the k-th estimated value of the load current means a state in which the load produces power, and the voltage of the capacitor is lower than the maximum voltage, the first switch and the second switch are turned off to charge the capacitor. Controlled bidirectional converter control.
상기 제어부는,
상기 부하전류의 상기 k번째 추정값이 상기 부하가 전력을 생산하는 상태를 의미하고, 상기 커패시터의 전압이 최대 전압인 경우, 상기 커패시터에 저장된 에너지가 상기 배터리에 전달되도록 제1스위치 및 제2스위치를 제어함으로써, 상기 양방향 컨버터를 벅 컨버터로 동작시키는 양방향 컨버터 제어장치.The method of claim 1,
The control unit,
When the k-th estimated value of the load current refers to a state in which the load produces power, and the voltage of the capacitor is the maximum voltage, the first switch and the second switch are configured so that the energy stored in the capacitor is transferred to the battery. By controlling, the bidirectional converter control device for operating the bidirectional converter as a buck converter.
부하전류의 k-1번째 추정값을 이용하여 k번째 상태변수를 예측하고, 예측한 k번째 상태변수, 측정한 k번째 상태변수 및 상기 k-1번째 추정값을 이용하여 상기 부하전류의 k번째 추정값을 도출하는 추정과정; 및
상기 k번째 추정값에 따라 상기 양방향 컨버터를 부스트 컨버터 또는 벅 컨버터로 동작시키는 제어과정을 포함하되,
상기 상태변수는 인덕터 전류 및 커패시터 전압을 포함하는 양방향 컨버터의 제어방법.In the control method of a bidirectional converter comprising an inductor, a first switch and a second switch, an input terminal connected in parallel to a battery, and an output terminal connected in parallel to a capacitor and a load,
The k-th state variable is predicted by using the k-1 estimated value of the load current, and the k-th estimated value of the load current is calculated using the predicted k-th state variable, the k-th state variable measured, and the k-1 th estimated value. An estimation process to derive; And
A control process of operating the bidirectional converter as a boost converter or a buck converter according to the k-th estimated value,
The state variable is a control method of a bidirectional converter including an inductor current and a capacitor voltage.
상기 제어과정은,
상기 부하전류의 상기 k번째 추정값이 상기 부하가 전력을 소비하는 상태를 의미하고, 상기 k번째 추정값이 상기 양방향 컨버터의 출력단에 흐르는 평균전류보다 크면, 상기 커패시터가 방전되도록 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치를 제어함으로써, 상기 양방향 컨버터를 부스트 컨버터로 동작시키는 과정인 양방향 컨버터 제어방법.The method of claim 6,
The control process,
When the k-th estimated value of the load current means a state in which the load consumes power, and the k-th estimated value is greater than the average current flowing through the output terminal of the bidirectional converter, the first switch and the first switch and the first switch are discharged so that the capacitor is discharged. Two-way converter control method, which is a process of operating the two-way converter as a boost converter by controlling two switches.
상기 제어과정은,
상기 부하전류의 상기 k번째 추정값이 상기 부하가 전력을 소비하는 상태를 의미하고, 상기 k번째 추정값이 상기 양방향 컨버터의 출력단에 흐르는 평균전류보다 작으면, 상기 커패시터가 충전되도록 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치를 제어함으로써, 상기 양방향 컨버터를 부스트 컨버터로 동작시키는 과정인 양방향 컨버터 제어방법.The method of claim 6,
The control process,
When the k-th estimated value of the load current means a state in which the load consumes power, and the k-th estimated value is less than the average current flowing through the output terminal of the bidirectional converter, the first switch and the first switch and the capacitor are charged so that the capacitor is charged. A method of controlling a bidirectional converter, which is a process of operating the bidirectional converter as a boost converter by controlling a second switch.
상기 제어과정은,
상기 부하전류의 상기 k번째 추정값이 상기 부하가 전력을 생산하는 상태를 의미하고, 상기 커패시터의 전압이 최대 전압보다 낮은 경우, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치를 턴 오프시켜 상기 커패시터가 충전되도록 제어하는 과정인 양방향 컨버터 제어방법.The method of claim 6,
The control process,
When the k-th estimated value of the load current means a state in which the load produces power, and the voltage of the capacitor is lower than the maximum voltage, the first switch and the second switch are turned off to charge the capacitor. Two-way converter control method, which is the process of controlling.
상기 제어과정은,
상기 부하전류의 상기 k번째 추정값이 상기 부하가 전력을 생산하는 상태를 의미하고, 상기 커패시터의 전압이 최대 전압인 경우, 상기 커패시터에 저장된 에너지가 상기 배터리에 전달되도록 제1스위치 및 제2스위치를 제어함으로써, 상기 양방향 컨버터를 벅 컨버터로 동작시키는 과정인 양방향 컨버터 제어방법.The method of claim 6,
The control process,
When the k-th estimated value of the load current refers to a state in which the load produces power, and the voltage of the capacitor is the maximum voltage, the first switch and the second switch are configured so that the energy stored in the capacitor is transferred to the battery. By controlling, the bidirectional converter control method is a process of operating the bidirectional converter as a buck converter.
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