KR20230087803A

KR20230087803A - 모듈 프리볼트 태양광 충전제어기

Info

Publication number: KR20230087803A
Application number: KR1020210176358A
Authority: KR
Inventors: 석 영 정; 정진화
Original assignee: 석 영 정
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-06-19

Abstract

본 발명은 배터리 전압보다 모듈 전압이 낮거나 높거나에 불구하고 부하단에 최대전력을 공급하면서, 특히 일출 내지 일몰의 기간 중에도 안정적으로 작동하도록 하는 태양광 충전제어 기술이다.
본 발명은 그 일실시례로서,
적어도 하나의 태양전지 모듈; 배터리; 상기 모듈과 배터리의 연결 경로에 게재되어 유효전류를 검출하는 상쇄전류감지부; 상기 모듈과 상기 배터리의 사이에 모듈의 전력으로 배터리의 충전을 제어하는 옵티마이징부를 게재하되,
상기 옵티마이징부는, 상기 모듈에 입력단이 연결되고, 상기 배터리에 출력단이 연결되어 모듈 전압이 배터리 충전요구전압에 미달되거나 초과될 때 승압 또는 강압으로 조절 제어하는 승강압컨버터부; 및
상기 승강압컨버터부의 기동을 보조하기 위해 배터리로부터 기동전력을 보충하는 기동제어부;를 포함하는 한편,
상기 옵티마이징부는 배터리 충전요구전압의 범위 내에서 상기 유효전류가 최대로 되도록 조절 작동을 하는 구성을 개시한다.
본 발명에 의하면 배터리 전압에 대한 모듈의 전압 설계를 자유로이 할 수 있으며, 설계된 모듈이 소정의 전압으로 유지되지 못할 때에도 이를 자동으로 보상하는 기능을 발휘할 수 있다. 즉, 프리볼트로 모듈 전압을 구성할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면 최대전력점 추적 시간이 고속화 되므로 선박, 자동차 등 태양광의 일사량이 수시로 변동되는 환경에서 효율 높은 충전 기능을 가동할 수 있다.

Description

모듈 프리볼트 태양광 충전제어기{Solar charging controller that connects free-voltage module}

본 발명은 태양광 모듈 전압의 높낮이에 자동으로 적응하면서 최대전력점 전압을 추적하는 태양광 충전제어장치 기술이다. 배터리 보다 모듈 전압이 높을 때는 물론이고 모듈 전압이 낮은 상태에서도 효율 높게 충전이 가능하다.

태양광 발전설비에서는 날씨와 온도에 따라 생산되는 전류와 전압이 변동한다(도 1 참조). 또한 일사량에 따라 전압과 전류가 변화한다(도 2a, 도 2b, 도 2c 참조).

광원이 하나 뿐인 태양광 발전시스템에서는 태양광을 향하는 모듈의 각도와 방향에 따라 일사량이 당연히 달라지는데, 지상의 고정된 모듈에서는 시간과 계절이 일사량 증감의 변수가 된다. 건물에 부착 설치된 모듈에서는 특히 태양의 일출과 일몰의 시간대에서 전압과 전류가 불균형 내지 약화될 수 있다. 모듈의 발전 전력(전압과 전류)은 이뿐만 아니라 새의 분변, 낙엽, 그리고 때로는 해안가의 염분 등으로 모듈의 일사량 내지 태양광의 투시도를 일정하게 유지하기가 사실상 어렵다. 본 발명에서 이를 수광조건이라 정의한다.

선박과 자동차의 경우는 여기에 더하여 동일 방향과 각도로 설치된 모듈이라 하더라도 롤링(Rolling), 피칭(p

tching), 요잉(Yawing) 그리고, 방향 선회에 따라 모듈의 전류, 전압 출력은 수시로 변동된다.

태양광 발전시스템에서 모듈은 배터리 전압보다 적어도 50% 이상 높은 전압으로 설계한다. 이는 배터리의 충전전압 변화(도 3, 도 4 참조)에 20%정도, 태양광의 수명주기에 20%정도, 그리고 온도변화 특성에 15%정도의 여분을 감안하기 때문이다. 이러한 설계를 충족하지 못하는 경우 여름철에 또는 배터리를 가득 충전하고자 하는 때에 모듈 전압의 부족을 겪게 된다.

종래 PWM 충전방식은 여름 이외의 계절에서 여분의 전압이 삭감되므로 효율이 떨어진다. 이를 해결하고자 MPPT 기술이 개발되었으나 MPPT 기술이 적용되려면 반드시 충분한 여분의 전압이 필요하고 낮은 전압에서는 충전 작동 자체가 불가능한 문제가 있다. 결과적으로 배터리 전압보다 모듈 전압이 낮으면 PWM이나 MPPT는 충전기능을 발휘할 수 없게 된다.

게다가 종래 MPPT 기술은 모듈에 걸리는 부하(load)의 경중을 통해 최대전력점을 추적하는 패시브(Passive) 방식의 기술이므로 일사량의 변동 때마다 재추적할 때 1분 내외의 지연이 발생된다. 따라서 요동이나 방향 선회가 심한 선박 및 터널 진입 등이 있는 자동차의 용도로 적용하면 효율이 오히려 더 떨어지는 문제가 있다.

모듈 전압이 낮을 때 이를 보상하는 방법으로 부스트 컨버터의 적용을 고려해 볼 수 있으나, 부스트 컨버터는 승압용 인덕터(코일)에 에너지를 저장하는 듀티사이클에서 쇼크(단락)성 전력을 소모하므로, 당업자의 지식으로 이를 단순 적용하면 특히 모듈의 전력이 낮은 일출과 일몰 부근에서 효율이 급격히 떨어지는 문제를 피할 수 없게 된다. 즉, 이 기술을 적용하면 1일 중 태양광의 유효전력 생산 시간대가 줄어들게 든다.

통상적으로 태양광 발전시스템에서는 단일 또는 직렬군으로 결합된 모듈들을 병렬로 조직하여 충전제어장치에 연결하게 된다. 이러한 병렬어레이 내에서는 수광조건에 따라 어떤 모듈은 전압이 높고 어떤 모듈은 전압이 낮은 현상이 수시로 일어날 수 있으므로, 각각의 모듈에 대한 최대전력점을 추적하면서 모듈 전압의 높낮이에 불구하고 출력 전압을 균등하게 하려면 프리볼트 용도의 진보된 태양광 충전 제어 기술이 필요하다.

본 발명자는 이하 선행기술문헌으로 게시하는 전력펌프를 발명한 바 있다. 이러한 전력펌프는 모듈의 전압이 낮을 때 모듈전압을 펌핑으로 들어 올려서 부하단으로 전력을 공급하는 기술이다. 본 발명은 이를 확장하여 모듈 전압이 낮을 때는 전압증폭으로, 모듈 전압이 높을 때는 전류증폭의 다기능으로 작동하도록 착상된 발명이다. 본 발명에 의하면 모듈의 전압이 낮을 때나 높을 때나 구별 없이 항상 양호한 최대전력점으로 작동하게 된다.

(1) JP 2013-526943(2012.08.01.) (2) US 14/734971(2015.06.09.) (3) KR 1020200089557 (2020.07.20.) (4) KR 1020190019077 (2019.02.19.) (5) KR 1020190094849 (2019.08.05.) (6) KR 1020200039764 (2020.04.01.) (7) KR 1020190094844 (2019.08.05.) (8) KR 1020150008277 (2015.01.16.) (9) KR 1020180001666 (2018.01.05.) (10) KR 1020170153635 (2017.11.17.) (11) KR 1020180154303 (2018.12.04.) (12) KR 1020190170458 (2019.12.19. (13) KR 1020200038300 (2020.03.30.) (14) KR 1020210003544 (2021.01.11.)

본 발명은 배터리 전압보다 모듈 전압이 낮거나 높거나에 불구하고 부하단에 최대전력을 공급하면서, 특히 일출 내지 일몰의 기간 중에 안정적으로 작동하도록 하는 태양광 충전제어장치를 개시하기 위함을 목적으로 한다.

이와 같은 목적의 본 발명은 그 일실시례로서,

적어도 하나의 태양전지 모듈;

배터리;

상기 모듈과 배터리의 연결 경로에 게재되어 유효전류를 검출하는 상쇄전류감지부;

상기 모듈과 상기 배터리의 사이에 모듈의 전력으로 배터리의 충전을 제어하는 옵티마이징부를 게재하되,

상기 옵티마이징부는,

출력단이 상기 모듈의 일측단에 연결되고, 입력단이 상기 배터리에 연결되어 모듈 전압이 배터리 충전요구전압에 미달될 때 모듈 전압을 승압 펌핑하는 제1컨버터부; 및

입력단이 상기 모듈의 일측단에 연결되고, 출력단이 상기 배터리에 연결되어 모듈 전압이 배터리 충전요구전압을 초과할 때 모듈 전압을 강압 조절하는 제2컨버터부를 포함하되,

상기 제1컨버터부는 상기 제2컨버터부의 입력과 출력 사이의 전압 범위를 제어하고, 상기 제2컨버터부는 배터리의 충전에 필요한 전압을 조절 출력하도록 제어하는 한편,

상기 제1컨버터부 또는 상기 제2컨버터부 중 어느 하나로 연결된 상기 상쇄전류감지부의 감지 결과에 따라 상기 제1컨버터부 또는 상기 제2컨버터부가 출력을 조절하여 모듈의 최대전력점을 추적하는 구성을 개시한다.

여기서, 상기 제1컨버터부 및 제2컨버터부는 모듈과 배터리의 사이에서 입출력단이 역방향으로 배치되어 그 중 하나는 모듈 전압을 승압 펌핑하는 작용으로, 나머지 하나는 승압 펌핑된 전압을 다운컨버팅 하는 작용으로 상쇄평형을 잡는 구성을 포함할 수 있다.

상기 상쇄평형 작용은 제1컨버터부의 입출력단 간 전압의 변화와 상기 상쇄전류감지부의 유효전류 변화를 위상으로 비교하여 제2컨버터부의 충전단계별 전압 조절 범위에서 유효전류가 최대로 공급되도록 평형 제어되는 구성을 포함할 수 있다.

상기 제1컨버터부 및 상기 제2컨버터부 중 적어도 하나에는 상기 유효전류 또는 모듈 전압을 감지하여 설정된 값 이하가 될 때 작동을 자동으로 정지시키는 연동 구성을 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 그 일실시례로서,

적어도 하나의 태양전지 모듈;

배터리;

상기 옵티마이징부는,

입력단이 상기 모듈에 연결되고, 출력단이 상기 배터리에 연결되어 모듈 전압이 배터리 충전요구전압에 미달되거나 초과될 때 승압 또는 강압으로 조절 제어하는 승강압컨버터부; 및

상기 승강압컨버터부의 기동을 보조하기 위해 배터리로부터 기동전력을 보충하는 기동제어부;를 포함하는 한편,

상기 옵티마이징부는 배터리 충전 요구전압의 범위 내에서 상기 유효전류가 최대로 되도록 조절 작동을 하는 구성을 개시한다.

여기서, 상기 기동제어부는 상기 유효전류가 정(+)의 방향으로 설정된 값 이하이거나 부(-)의 방향으로 설정 값 이상이 되면 작동이 정지되는 구성을 포함할 수 있다. 상기 기동제어부는 태양의 일사량 또는 모듈의 출력 전압이 설정 값 이하로 될 때 작동이 정지되는 한편, 작동이 정지되었을 때 설정된 시간 간격으로 슬립과 웨이크 업을 반복하는 구성을 포함할 수 있다.

상기 옵티마이징부는 상기 상쇄전류감지부의 감지 값이 클 때 승강압펌프부의 출력전압을 증가하고, 상쇄전류감지부의 감지 값이 적을 때 승강압펌프부의 출력전압을 감소하는 포지티브 피드백 구성을 포함할 수 있다.

상기 옵티마이징부에는 모듈의 전압과 전류 또는 전력을 모니터링하고 유사시 원격으로 모듈 연결을 차단하는 스위칭 구성을 더 포함할 수 있다.

옵티마이징부를 기동하는 전원은 외부의 배터리, 상용전원 내지 모듈로부터 피드백 되는 전원을 활용할 수 있다. 필요에 따라서는 독립적인 모듈을 보충전원용으로 구비할 수 있다.

본 발명에 의하면 배터리 전압에 대한 모듈의 전압 설계를 자유로이 할 수 있으며, 설계된 모듈이 소정의 전압으로 유지되지 못할 때에도 이를 자동으로 보상하는 기능을 발휘할 수 있다. 즉, 모듈 전압을 프리볼트로 구성할 수 있게 된다.

본 발명은 모듈에 직렬로 전압을 투입해서 모듈로부터 전력을 끌어내는 액티브 방식의 최대전력점 추적이 가능하므로 최대전력점 추적 시간이 고속화 되며, 따라서 선박, 자동차 등 태양광의 일사량이 수시로 변동되는 환경에서 효율 높은 충전 등 발전시스템을 가동할 수 있다.

도 1은 태양에너지 변화에 따른 전압 내지 전류의 변화를 곡선으로 나타낸 도면.
도 2a는 1일 중 태양에너지의 시간적인 변화를 전압 내지 전류 곡선으로 나타낸 도면. 도 2b 및 도 2c는 태양광 모듈의 IV곡선도.
도 3 및 도 4는 통상적인 배터리에서 충전시간의 경과에 따라 단자전압과 충전전류가 변화되는 모습을 나타낸 그래프.
도 5는 정상적인 태양에너지 하에서 ESS(배터리)에 충전 경로가 성립되는, 자연낙차에 의한 충전원리를 설명하는 도면.
도 6은 태양광에너지의 약화, 온도의 상승 또는 ESS 단자전압의 상승으로 충전이 되지 못할 때의 전압낙차 부족 원리를 설명하는 도면.
도 7은 선행기술에서 상기 도 4의 미충전 상태를 보충하기 위한 보충전력 공급 원리, 도 8은 보충전력 공급이 강화되는 모습, 도 9는 도 7 내지 도 8의 상태가 연속적으로 변화될 때 이를 추종하는 원리에 대하여 각각 설명하는 도면.
도 10 내지 도 11은 도 7, 8, 9의 작용을 위해 발명된 선행기술들의 기술적 내용을 도면 발췌로 소개한 블록다이어그램.
도 12는 모듈의 I-V곡선 및 P-V곡선 상에서 일사량 변화 내지 오염으로 인해 최대전력점전압이 변화하는 모습을 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명의 일실시례를 도시한 블록다이어그램.
도 14는 본 발명의 다른 일실시례를 도시한 블록다이어그램.
도 15는 옵티마이징부의 컨버터를 원리적으로 비교 도시한 블록다이어그램. (1)은 강압컨버터, (2-1) 및 (2-2)는 승압컨버터의 일부 구조인 입력단을 나타냄.
도 16은 본 발명의 옵티마이징부를 복수의 모듈이 결합된 병렬어레이에 결합하였을 때 일부 모듈에서 장애가 발생되더라도 이를 보상하게 되는 개념의 시스템 구성을 도시한 블록다이어그램.

본 발명은 이하 설명하는 외에도 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바 특정한 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 자세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니므로, 이하 개시하는 구성은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였으나, 예를 들어 제1, 제2, 첫 번째, 두 번째 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되고 있을 뿐, 이 구성요소들을 제1, 제2, 첫 번째, 두 번째 등으로 용어를 붙여서 한정되는 것으로 이해를 하여서는 아니 된다. 상기 용어들은 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 마찬가지의 원리로 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 첫 번째와 두 번째의 경우도 마찬가지이며, ‘먼저’ ‘다음으로’ 라는 용어도 마찬가지이다.

이와 같은 원칙하에 본 발명에 따른 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 목적과 특징들은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다.

도 5 및 도 6은 배터리 전압보다 모듈 전압이 높을 때만 충전이 가능한 전압 낙차의 원리를 기하학적으로 도시한 것이다.

도 7 및 도 8은 모듈 전압이 낮을 때라도 그 낮음을 보충할 만큼의 보충전력이 공급된다면 충전이 가능함을 나타낸 것이다. (본 발명에서 보충전력이란 전압을 직렬로 보충하거나 승압하여 결과적으로 모듈로부터 전력을 분출시키는 원리를 의미하므로, 용어의 사용에서 보충전력과 보충전압을 특별한 경우 외에는 구분하지 않고 사용하기로 한다.)

도 9는 일사량(태양의 조도, 오염, 방향, 각도 편차 등이 반영된 태양광의 세기를 말함. 이하 같음)의 변동에 따른 모듈 전압의 변화를 추적하여 보충전력을 조절 공급한다면 배터리의 충전성능은 상시 최량으로 유지될 수 있음을 나타낸 것이다. 도 7, 8, 9에서 모듈 전력은 도시된 만큼의 모듈전압 분량으로 전력을 생산하게 되고, 보충전력은 부하단의 필요에 따라 증감 조절되는데, 부하단에는 모듈전력과 보충전력이 합산되어 공급된다.

도 10은 선행기술들에서 보충전원을 조달하는 원리와 어떻게 모듈과 결합되는지의 원리를 발췌한 것이다. (선행기술들은 본 발명의 발명자가 발명한 것으로, 본 발명의 명세서에서 혹시 애매하거나 미흡한 설명이 있다면 상기 선행기술들을 용어사전의 기능으로 참작하기 바란다.)

요컨대, 도 10은 모듈(1)의 음극(-) 경로에 전력보충부(13)를 직렬로 연결하여서 위와 같은 목적의 보충전력을 공급하는 사례를 발췌한 것이다.

도 11은 승강압컨버터의 원리를 설명하는 블록다이어그램이다. 강압컨버터인 경우 코일(인덕터)에 저장되는 에너지를 이용하여 입력전압보다 낮은 전압으로 출력하며, 도시생략 된 승압컨버터인 경우 입력전압보다 높은 전압을 출력하게 된다. (강압컨버터는 전압을 낮추면서 출력전류를 증가하고, 승압컨버터는 입력전류를 소모하면서 출력전압을 증가한다.)

도 11에서 TR, FET, IGBT, GanTR 등으로 된 스위칭부재(13-2-4)의 출력이 펄스폭(PWM)으로 제어됨에 따라 (13-1)로 출력되는 전압은 승압 또는 강압으로 출력될 수 있다. (14-1)은 마이컴 출력의 개념을 포함한다.

도 12는 모듈의 I-V곡선과 P-V곡선도이다. 모듈에 가해지는 일사량이 변동되면 P1, P2, Pn 등으로 단일 모듈에서도 서로 다른 최대전력점 전압이 나타나게 되는데, 이때 Pn의 최대전력점 전압을 기준으로 해서 부하단과 매칭하면 모듈 최대전력점 전압이 p1으로 변동된 경우는 제대로 된 전력을 생산하지 못하고 절벽 위치인 Pc 전력점 위치에서 전력을 생산하게 된다. 결국 제대로 된 발전효율을 기대할 수 없게 된다. 이때 전력펌프가 개입하여 모듈(P1)의 개방전압(Voc) 또는 최대전력점전압(Vmp)를 모듈(Pn)과 일치하도록 이동시키면 이러한 문제를 해결할 수 있게 된다.

즉, P1인 경우 모듈에 보충전압을 공급해서 P1의 개방전압(Voc)을 Pn의 개방전압(Voc)과 동일하게 하면, 비록 전력의 크기는 각 모듈들의 일사량의 크기에 따라 차이가 나더라도 전압의 낙차 측면에서는 균일하여 부하단으로 모듈의 전력이 최대한으로 공급될 수 있게 된다. 도 12는 이러한 원리를 기하학적으로 도식하고 있다. 이때 보충전압은 모듈의 음극을 들어 올리거나 모듈의 양극에서 전압을 승압하는 방식이 적용될 수 있다.

그런데, 도 12의 모습은 모듈 전압이 배터리 전압보다 낮을 때는 단순히 보충전압을 공급하는 것으로 해결이 되지만 보충전압으로 인해 모듈 전압이 배터리 충전요구전압보다 훨씬 높아지는 경우 또는 모듈 전압 그 자체가 겨울철의 기온으로 인해 필요 이상으로 높아지는 경우 높아진 만큼의 손실이 발생하는데, 이러한 전압 부족과 전압 초과는 수광조건의 수시 변동에 따라 일어나는 것이므로, 이를 해결하고자 착상된 것이 본 발명이다.

종래의 최대전력점추적(MPPT) 기술은 반드시 모듈 전압이 높아야만 작동할 수 있음에 비하여, 본 발명은 모듈 전압이 낮을 때는 전압을 증폭하면서 최대전력점 전압을 추적하고, 모듈 전압이 높을 때는 전류를 증폭하면서 최대전력점 전압을 추적하는 승강압 옵티마이징을 통해 항상 최량의 효율로 작동하는 특징을 가진다.

이하 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명한다.

도 13은 본 발명의 일실시례를 도시한 블록다이어그램으로서,

적어도 하나의 태양전지 모듈(1);

배터리(2);

상기 모듈(1)과 배터리(2)의 연결 경로에 게재되어 유효전류를 검출하는 상쇄전류감지부(Rs);

상기 모듈(1)과 상기 배터리(2)의 사이에 모듈의 전력으로 배터리의 충전을 제어하는 옵티마이징부(300)를 게재하되,

상기 옵티마이징부는,

상기 옵티마이징부의 출력단이 상기 모듈(1)의 일측단인 음극에 연결되고, 옵티마이징부의 입력단이 상기 배터리(2) 또는 모듈의 양극에 연결되어 모듈 전압이 배터리 충전요구전압에 미달될 때 모듈 전압을 승압 펌핑하는 제1컨버터부(300-1); 및

상기 옵티마이징부의 입력단이 상기 모듈(1)의 일측단인 양극에 연결되고, 상기 옵티마이징부의 출력단이 상기 배터리(2)에 연결되어 모듈 전압이 배터리 충전요구전압을 초과할 때 모듈 전압을 강압 조절하는 제2컨버터부(300-2);를 포함하되,

상기 제1컨버터부(300-1)는 상기 제2컨버터부(300-2)의 입력단과 출력단 사이의 전압 범위를 제어하고, 상기 제2컨버터부(300-2)는 배터리(2)의 충전에 필요한 전압을 조절 출력하도록 제어하는 한편,

상기 제1컨버터부 또는 상기 제2컨버터부 중 적어도 어느 하나로 연결된 상기 상쇄전류감지부의 감지 결과에 따라 상기 제1컨버터부 또는 상기 제2컨버터부가 출력을 조절하여 모듈의 최대전력점을 추적하도록 연동되는 구성을 포함하는 태양광 충전제어장치를 개시한 것이다.

여기서, 상기 제1컨버터부 및 제2컨버터부는 모듈(1)과 배터리(2)의 사이에서 입출력단이 역방향으로 배치되어 그 중 하나는 모듈 전압을 업 컨버팅(승압) 펌핑하고 나머지 하나는 다운 컨버팅(강압) 하는 작용으로 상쇄평형을 잡는 구성을 포함할 수 있다.

이때 상기 상쇄평형 작용은 제1컨버터부의 입출력단 간 전압의 변화와 상기 상쇄전류감지부의 유효전류 변화를 위상으로 비교하여 제2컨버터부의 충전단계별 전압 조절 범위에서 유효전류가 최대로 공급되도록 평형 제어되는 구성을 포함할 수 있다.

상기 상쇄평형을 잡기 위한 위상 비교의 일례로서는 제1컨버터부의 입력단 전압 변화와 상기 상쇄전류감지부를 통과하는 유효전류의 변화가 동위상이면 제1컨버터부의 출력전압을 증가하고, 그와 반대로 역위상이면 제1컨버터부의 출력전압을 감소하는 제어 구성을 포함할 수 있다.

여기서 동위상이란, 예를 들면 상기 입력단 전압과 상기 유효전류의 변화 값이 동시에 증가하는 경우처럼 같은 방향으로 움직이는 것을 말하고, 역위상이란 상기 입력단 전압이 증가했는데 상기 유효전류의 변화 값은 감소하는 것처럼 서로 반대로 엇갈리게 변화하는 것을 말한다.

도 13의 작용을 설명하면 다음과 같다.

태양전지 모듈(1)은 단일 구성은 물론이고 직렬이거나 병렬로 조직된 어레이 구성을 포함한다. 모듈의 전압을 배터리의 공칭전압과 유사한 수준으로 설계하면 여름철에는 배터리 충전 전압보다 낮고 겨울철에는 배터리 충전 전압보다 높아질 수 있다. 본 발명은 이때 배터리와 모듈의 낙차를 항상 유지하도록 승압 및 강압으로 제어를 하게 된다.

배터리(2)는 통상적인 에너지저장장치(ESS) 기능이며, 연축전지, 리튬이온, 리튬인산철 등의 특성을 포함한다. 이를 충전하기 위해 본 발명의 옵티마이징부(300)는 벌크, 옵섭션, 플로팅, 균등 등으로 프로그램 된 다단계 충전전압 제어 수단이 포함될 수 있다.

상쇄전류감지부(Rs)는 상기 모듈(1)과 상기 배터리(2)의 연결 경로에 게재되어 유효전류를 검출하는 구성요소이다. 상쇄전류감지부의 유효전류 감지 원리는 다음과 같다.

먼저, 제1컨버터부의 작동 시의 통과전류 방향을 설명한다.

모듈 전압이 배터리 충전 전압 조건에 미달될 때(낮을 때), 제1컨버터부(300-1)를 기동하는 전류는 배터리 양극(+)으로부터 제1컨버터의 입력단(in)과 공통접지단(com)과 상쇄전류감지부(Rs)의 경로로 순환하며 이 전류는 상쇄전류감지부(Rs)를 B방향전류로 통과하게 된다.

이러한 기동전류에 의해 제1컨버터부(300-1)가 출력을 발생하는데 그 출력전압이 모듈에 직렬로 공급되므로, 만약 모듈(1)에 일사량이 가해진다면 그 모듈(1)의 양극(+) 전압은 제1컨버터부(300-1)가 출력전압을 발생한 것만큼 더 높아져서 제2컨버터부(300-2)의 입력단으로 공급된다.

만약 지나치게 높아지면, 제2컨버터부(300-2)가 다운 컨버팅(강압) 작용으로 개입하여 원하지 않는 높이의 전압을 제한하여 배터리(2)로 공급한다. 이때 배터리의 요구 전압을 초과하는 부분은 다운컨버터에서 전류의 증폭으로 변환하여 배터리로 공급된다. 결과적으로 제1컨버터부와 제2컨버터부의 결합 작동에 의하여 모듈의 전력은 기동에 필요한 아이들링 외의 모든 전력을 배터리로 항상 공급할 수 있게 된다. 즉 옵티마이징부(300)에 의하여 모듈의 낮은 전압이거나 모듈의 높은 전압에서 모두 작동이 가능한 프리볼트 충전제어장치가 이루어진다. 이때 제1컨버터부의 출력전류가 증가하는 데 따라 내부의 소모전류도 증가하므로 그 전류는 상쇄전류감지부(Rs)를 B방향전류로 증가하여 통과하게 된다.

다음으로, 제2컨버터부 작동 시의 통과전류 방향을 설명한다.

제2컨버터부(300-2)를 통과하는 전류는 모듈(1)의 양극(+), 제2컨버터부의 입력단과 출력단, 배터리의 양극(+)과 음극(-)의 경로로서 상기 상쇄전류감지부(Rs)를 A방향전류로 통과하게 된다. 즉, 이 전류로서 배터리를 충전하거나 부하단에 전력을 공급하게 되는데, 상기 제1컨버터부를 기동하는 B방향전류와 상쇄되어 나타나는 A방향전류의 차이 크기가 바로 모듈이 가동하여 얻게 되는 유효전류가 된다. 만약 제1컨버터부가 담당하는 출력전압이 모듈 전압의 10%라면 B방향전류는 10%가 되고 A방향전류(100%)와 B방향전류(10%)의 차이, 즉 유효전류는 90%가 된다.

정리하면, 이러한 제1컨버터부(300-1)의 승압 작용과 제2컨버터부(300-2)의 강압에 의한 절충적 작용을 통해 부족하지도 넘치지도 않는 전압으로 모듈 양극(+)과 배터리의 양극(+) 전압은 필요에 따른 전압의 수요와 공급으로 균형을 이루게 되며, 상쇄전류감지부는 상기 컨버터부들(300-1, 300-2)의 가동에 필요한 전류를 충당하고 남은 유효전류를 검출하면서 배터리로 유효전류를 공급하게 된다.

따라서 유효전류를 최대값으로 검출하도록 제어를 하면 모듈의 최대전력점을 추적할 수 있게 되는 것이다. 추적된 최대전력점 상태의 전압이 최대전력점 전압이 되는 데 본 발명은 모듈 측단에서 부하저항을 증감하면서 전력을 관측하는 종래의 방식이 아닌 충전으로 실행되는 유효전류의 크기를 검출하여 최대전력점을 추적하는, 직접 검출의 고속 추적 작동을 하게 된다.

상기 제1컨버터부 및 상기 제2컨버터부 중 적어도 하나에는 상기 유효전류 또는 모듈 전압을 감지하여 설정된 값 이하가 될 때 작동을 자동으로 정지시키는 자동스타트부의 연동 구성을 더 포함할 수 있다.

모듈 전압의 감소는 일몰로부터 일출까지의 야간 또는 흐린 날의 수광조건에서 일어나므로, 이 전압 하락 현상을 감지해서 자동스타트부를 작동 제어하면 일사량이 없는 상태에서 상기 제1컨버터부 및/또는 제2컨버터부를 정지하는, 즉 무용한 시간대의 아이들링 손실을 줄일 수 있게 된다. 이를 위한 자동스타트부는 광센서로서 일사량을 직접 감지하거나 모듈의 전압을 감지하여 일정 이하일 때 제어토록 하는 것이거나 A방향전류의 크기를 감지하여 설정된 드레시홀드 값 이하일 때 자동으로 정지하도록 구성할 수 있다.

이러한 자동스타트부는 도 14의 기동제어부(200)를 참조하면 그 구성의 원리를 알 수 있을 것이다.

도 13의 실시예에서 제1컨버터부(300-1)는 브리더저항 (R1, R2) 및 (R3, R4)을 이용하여 제2컨버터부의 입력단과 출력단 전압을 감지하도록 연결되어 있다. 이러한 구성은 제1컨버터부의 승압 범위를 제2컨버터부가 낙차를 유지할 만큼으로 제어하고자 하는 의미인데, 비록 그 범위를 벗어난다 하더라도 제2컨버터부의 다운 컨버팅의 원리에 의해 초과되는 전압은 전류증폭으로 변환되기 때문에 본 발명은 이에 엄격히 한정되는 것은 아니다. 전압초과 현상은 겨울철의 저온 시에 모듈전압이 올라가면서 자연현상으로 발생될 수도 있으므로 본 발명은 이에 대비하는 구성을 포함함을 의미한다.

제2컨버터부(300-2)의 입출력 낙차 조건이 충족되면 제2컨버터부(300-2)는 배터리 충전에 필요한 벌크, 옵섭션 등의 충전단계별 전압으로 조절하면서 배터리로 충전전력을 공급하게 된다.

한편, 제2컨버터부(300-2)의 기동전류는 모듈 측단에서 모듈의 양극(+)으로부터 제2컨버터부의 입력단(in), 공통접지단(com)을 거쳐 모듈의 음극(-)으로 되돌아가는 내부 순환전류로 기동되므로 이 내부 순환전류가 상쇄전류감지부(Rs)의 B방향전류를 직접 증가시키는 요인으로는 되지 않는다. 다만 이러한 순환전류가 제1컨버터부의 공통접지단(com)과 제1컨버터부의 출력단(out)을 경유하는 과정으로 제1컨버터부의 부하전류를 증가시키므로, 이것이 역으로 제1컨버터부의 가동전류를 증가시킴으로써 B방향전류가 증가하는 형태로 영향을 줄 수 있다. 따라서 이러한 원리에 따르면 A방향전류의 최대값을 추적하는 것은 곧 제1컨버터부와 제2컨버터부의 가동손실을 최소화, 즉 출력효율을 최대화 하는 것이 된다. 이 기능이 바로 본 발명의 최대전력점 전압 추적 기능이며, 이 추적 기능을 달성하기 위해 제1컨버터부와 제2컨버터부는 시소 형태로 출력전압을 조절한다. 이때 제2컨버터부는 배터리의 충전단계별 전압 조절의 범위 내에서 출력전압을 제한 내지 조절하는 구성을 포함한다.

본 발명의 최대전력점 추적에서는 제1컨버터의 출력단 전압 변화와 상쇄전류감지부의 유효전류를 동위상과 역위상으로 비교하여 즉시 결과를 만들어 내는 것이므로, 어떠한 경우에서도 수초~수십초 내외에 추적이 완료되는 특징이 있다.

이 특징들은 일사량이 순간순간 변화할 때도 즉시 추적하게 되므로 특히 선박의 요동이나 차량의 터널 통과에서 매우 유용한 효과가 있다.

이러한 특징은 제1컨버터부의 출력전압 또는 제2컨버터부의 입력전압, 즉 모듈의 출력전압과 상쇄전류감지부를 통한 유효전류를 순간의 위상 변화 값으로 비교하여 출력하는 특성으로 비롯된다. 즉, 본 발명에서 최대전력점추적은 상기 위상을 비교하여 동위상일 때 온 기간을 설정하고, 역위상일 때 오프 기간을 설정하는 비동기식 자동 설정 듀티비 신호에 의해, 듀티비 신호 그 자체로 순간순간 최대전력점을 추적하는 고속 추적이 가능하게 된다.

한편, 일사량 증가로 모듈(1)의 전력생산이 증가하면 그 전류는 모듈(+), 제2컨버터의 입력단(in), 출력단(out), 배터리 양극(+)과 음극(-), 상쇄전류감지부(Rs) 및 모듈의 (-) 경로로 순환하게 된다. 이 전류는 결국 상쇄전류감지부(Rs)에서 A방향전류로 흐르게 되는 것이므로, 일사량이 증가하는 때에 상쇄전류감지부를 통한 유효전류는(A방향전류-B방향 전류) 더 커지게 된다.

도 13의 일실시례에서는 제1컨버터부와 제2컨버터부가 예를 들면 같은 종류의 버크 컨버터를 결합한 구성을 도시하고 있다. 다만, 이처럼 같은 종류라 하더라도 용도 측면에서 제1컨버터부는 모듈의 전압을 승압하는 용도이고, 제2컨버터부는 모듈의 전압을 강압하는 용도이므로, 발명을 구성하는 구성요소의 용도와 기능에서 서로는 다르다. 버크 컨버터부의 경우 출력전류가 입력전류보다 크거나 같으므로, A방향전류는 B방향전류보다 크거나 같게 된다. 그러나 모듈에서 전력이 생산되지 않을 때는 컨버터부의 아이들링 전류 때문에 B방향전류가 더 크게 되는데, 본 발명에서는 앞에서 설명한 바와 같이 이때 아이들링 전류의 소모를 해소하기 위해 제1, 제2 컨버터부의 동작을 자동으로 정지하고 타이머 내지 슬립~웨이크업 기능으로 기동을 제어할 수도 있다(자동스타트부).

도 13의 상쇄전류감지부는 홀센서 혹은 저항센서로 구성이 가능하고, 도시된 바와 같은 음극(-) 경로뿐만 아니라 양극(+) 경로에 게재하는 것도 가능하다.

도 13에서 제1컨버터부(300-1)는 제2컨버터부(300-2)가 출력단으로 충전전압을 공급토록 하기 위한 낙차전압 보충용으로 작동한다. 따라서 만약 모듈의 전압이 충전에 충분한 크기, 즉 제2컨버터부의 입력단 전압과 출력단 전압에서 충분한 낙차 전압이 확보된다면 제1컨버터부는 최소의 출력전압을 유지하게 된다. 이때 기동전류(B방향전류)도 그만큼 줄어들어 그 차이인 A방향전류인 유효전류는 더 증가하여 시스템 효율은 올라가게 된다.

제1컨버터가 지나치게 전압을 승압하였거나, 또는 제1컨버터부가 출력전압을 발생하지 않는 자연환경에서 모듈의 전압이 지나치게 높게 되면, 제2컨버터가 그 초과되는 전압을 전류로 변환(증폭)하게 된다. 이러한 전류 증폭은 다운컨버터에서 입출력단 전압 차이가 클 때 입력단 전류보다 출력단 전류가 커지는 원리에 의한 것이다.

따라서, 상기 같은 종류의 두 컨버터부를 서로 반대방향으로 결합함에 의하여 기술적인 복잡성을 단순화 하면서 모듈 전압이 낮은 때나 높은 때 모두 효율 높게 부하단으로 최대전력을 공급하는 모듈 프리볼트 태양광 충전제어장치가 이루어지는 것이다.

본 발명의 제1컨버터부는 모듈 전압이 낮을 때 발전전력에 손실이 발생하지 ?訃돈? 보상하는 개념의 옵티마이징을 하고, 제2컨버터부는 모듈 전압이 높을 때 생산된 발전전력을 허비하지 않도록 손실을 보상하는 개념의 작용을 하게 된다.

도 14는 본 발명의 또 다른 일실시례를 도시한 블록다이어그램으로서,

적어도 하나의 태양전지 모듈(1);

배터리(2);

상기 모듈(1)과 상기 배터리(2)의 사이에 모듈의 전력으로 배터리의 충전을 제어하는 옵티마이징부(1000)를 게재하되,

상기 옵티마이징부는,

상기 모듈(1)에 입력단이 연결되고, 상기 배터리(2)에 출력단이 연결되어 모듈 전압이 배터리 충전요구전압에 미달되거나 초과될 때 승압 또는 강압으로 조절 제어하는 승강압컨버터부(100); 및

상기 승강압컨버터부(100)의 기동을 보조하기 위해 배터리(2)로부터 기동전력을 보충하는 기동제어부(200);를 포함하는 한편,

상기 옵티마이징부(100)는 배터리 충전 요구전압의 범위 내에서 상기 유효전류가 최대로 되도록 조절 작동을 하는 구성을 개시한 것이다.

도 14 실시일례에서 옵티마이징부는,

상기 상쇄전류감지부(Rs)의 감지 값이 클 때 승강압컨버터부의 출력전압을 증가하고, 상쇄전류감지부의 감지 값이 적을 때 승강압컨버터부의 출력전압을 감소하는 포지티브 피드백 구성을 포함한다. 즉 유효전류 변화 값의 전후를 비교하면서 옵티마이징부의 출력전압을 제어한다. 이를 위해 옵티마이징부에는 도시생략 된 감지 값의 일시저장함수(마이컴 소프트웨어) 내지 저항, 인덕터, 커패시터 등을 조합한 시정수회로(하드웨어)를 포함할 수 있다.

또한 배터리 충전전압의 범위에서 승강압컨버터부의 출력전압 또는 승강압컨버터부의 입력전압 높이와 상쇄전류감지부의 유효전류의 크기를 동위상 또는 역위상으로 비교하면서 승강압컨버터부의 출력을 증감하는 구성으로 실시될 수도 있다.

도 14의 실시일례에서 기동제어부(200)는 상기 유효전류가 정(+)의 방향으로 설정된 값 이하이거나 부(-)의 방향으로 설정 값 이상이 되면 작동이 정지되거나, 태양의 일사량 또는 모듈의 출력 전압이 설정 값 이하로 될 때 작동이 정지되는 슬립웨이크부(201)가 포함되도록 구성할 수 있다. 또한 기동제어부(200)의 출력단에는 기동제어부(200)로부터의 출력을 필터링하는 시정수회로부(202)의 연동을 포함할 수 있다.

도 14 및 도 15를 참조하면서 도 14 실시일례의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 14의 승강압컨버터부(100)은 버크-부스터컨버터 또는 부스트컨버터로서 모듈의 전압을 직접 승압하게 된다. 도 13에서 모듈 전압의 일부를 승압하고 다시금 강압하는 것보다 회로가 단순화되는 장점이 있어, 저전력의 태양광 충전용으로 유용하게 고려될 수 있는 방법이다.

이에 관하여 기동제어부(200)를 제외한 나머지 구성요소에 대하여 먼저 설명한다.

도 14에서 승압컨버터부(100)는 모듈 전력이 입력단(in)과 공통접지단(com)으로 내부에서 순환하면서 기동되므로 상쇄전류감지부(Rs)를 통과하는 외측의 B방향전류는 없거나 무시될 정도의 값으로 관측될 수 있다.

승강압컨버터부(100)를 통과하는 배터리 충전전류는 상쇄전류감지부(Rs)를 A방향전류로 통과한다. 즉 A방향전류의 크기가 곧 순수한 유효전류의 크기로 되는 것이다.

따라서 승강압컨버터부는 브리더저항(R3, R4)로 감지되는 배터리 충전전압의 감지에 따라 배터리 충전전압을 설정된 범위내로 조절하는 한편, 상쇄전류감지부(Rs)를 통과하는 유효전류가 최대로 되는 점을 추적할 수 있다.

만약 지나치게 승강압컨버터부가 승압하는 밀결합 상태가 되면 모듈에 과부하를 주게 되므로, 모듈 전압은 낮아지고 그에 따라 유효전류는 감소된다. 그와 반대로 모듈 전압의 승압이 부족한 소결합 상태가 되면 충전 낙차가 제대로 이루어지지 않아 충전전류인 유효전류는 감소하게 된다. 따라서 이러한 유효전류 변화의 최대값을 추적하면 그것이 곧 최대전력점 전압 추적 제어가 된다.

한편, 위와 같은 밀결합 상태에서는 모듈의 부하가 무거워져 양측단 전압이 내려가게 되고, 소결합 상태에서는 모듈의 전압이 가벼워져 양측단 전압이 올라가게 되므로, 이러한 승강압컨버터의 입력전압 변화와 유효전류 변화를 위상으로 비교하면 즉시응답 기능의 초고속 최대전력점 추적이 가능하게 된다.

이제부터 도 15의 기동제어부(200)의 작용을 설명하기로 한다.

도 15의 (1)로 도시된 일반적인 강압컨버터(다운컨버터)에서는, MOSFET(30-1)가 스위칭 온 될 때 부하단과 전력공급단 사이에 직렬로 인덕터(코일, 30-4)가 연동되고, 스위칭 오프일 때 다이오드(30-3)를 통해 인덕터에 축적된 에너지가 방전되면서 필터링 커패시터(30-5)로 그 에너지를 축적하여 부하단으로 공급하게 된다. 식 1은 컨버터의 작용을 나타낸 공식이다.

----- 식 1

식 1에서 D는 유효 듀티비(듀티사이클)이므로 유효 듀티비가 크면 출력전압(Vout)이 높아지는데, 이러한 유효 듀티비에서 모듈전력은 MOSFET(30-1)와 인덕터(30-4)를 통해 부하단 경로로 직결 되므로 D(유효 듀티비 신호)에서 모듈의 전력은 허비됨이 없다. 즉, 모듈 전력은 모듈 양측단에서 직접 단락되지 않고 부하단을 통해서만 전류가 흐르는 통로를 형성한다.

게다가 강압컨버터부는 입력전압보다 출력전압이 낮기 때문에 식 1에서 D는 1-D보다 작으므로 부하단(4)으로 흐르는 전류에 비해 모듈에 걸리는 부하는 가벼워진다. 이런 점에서 도 15의 (1)은 모듈의 전력이 미약할 때 유리한 점이 있다. 이러한 컨버터의 개념은 도 13에 적용된다.

도 15의 (2-1)과 도 15의 (2-2)는 부스트컨버터(승압컨버터)를 나타낸다. 여기서는 도 15의 (1)과는 반대로 MOSFET(30-1)가 스위칭 온 되면 코일(30-4)이 모듈의 양극(in)과 음극(com)에 병렬로 접속되므로 순간적인 쇼트(short)로 모듈에 과부하(단락)를 주게 된다. 게다가 승압컨버터는 입력전압보다 출력전압이 크게 되므로 식 1에서 D는 1-D보다 더 커지게 되는데, D가 커진다는 것은 모듈에 과부하를 주는 시간이 증가한다는 것이고, 이것은 모듈의 전압을 단락전류(Isc)로 압박하는 시간이 길어져 결국은 발전효율을 떨어트리는 요인으로 된다. 1-D 기간보다 더 긴 D 기간으로 모듈을 단락시킨 상태가 다음 번 D가 시작되기 전의 기간(즉, 1-D 기간) 내에 본래의 모듈 전압으로 회복되지 못하면 모듈의 전력은 태양광의 일사량에 불구하고 실질적인 전력으로 출력하지 못하는 상태가 된다. 1-D 기간은 수광조건이 불량할수록 더 짧아지므로 결국 수광조건이 나빠질 때 모듈의 전류는 승강압컨버터부의 기동부하로 인해 전류폭주 현상이 일어나고 만다.

이러한 특성 때문에, 도 14는 모듈에 일정 이상의 일사량이 가해지지 않을 경우 승강압컨버터부(100)의 입력단(in)이 모듈에 과부하를 주어 모듈의 전력을 오히려 약화시키는 문제를 일으키게 된다. 요컨대 듀티비 온 신호로 D의 기간 동안 인덕터(30-4)에 저장하는 쇼트 성질의 펄스 에너지를 모듈이 감당하지 못하면 이러한 현상이 일어나는데, 이는 모듈의 생산전력이 최대값의 20% 정도로 약화되는 시기, 예를 들어 일출, 일몰, 흐린 날 등에 주로 발생된다.

이때는 평상 시 95% 수준의 효율을 갖던 충전제어장치가 30~40%의 효율로까지 저하될 정도로 효율은 급격히 낮아진다.

이런 문제를 해소하기 위해 본 발명의 기동제어부(200)는 D 기간에 상당하는 모듈의 기동부하 기간 동안에 모듈 전압이 떨어지지 않도록 배터리 전압을 피드백 공급하는 루트를 형성한다. 이에 의해 1-D의 기간 동안은 다이오드(30-3)를 통하여 인더터에 저장된 에너지를 순환하면서 승압하되, D 기간에는 배터리에서 공급되는 전력과 모듈에서 생산되는 전력이 협동으로 인덕터(도 15의 30-4)에 에너지를 축적하게 됨에 따라, 모듈에는 쇼트 상태로까지 과부하를 주지 않고, 모듈(1)의 생산전력과 기동제어부(200)의 출력전류가 협동으로 합산 공급되어 승강압컨버터부(100)를 적정 전압 범위로 기동하게 되는 것이다.

기동제어부(200)는 TR, FET, IGBT, SCR 등이 적용될 수 있고, 기동제어부(200)의 출력단은 펄스성 전류를 필터링하기 위한 시정수회로부(202)를 경유하여 승강압컨버터부(100)로 공급되도록 연동할 수 있다. 시정수회로부(202)에는 제너 다이오드 등을 이용한 정전압 내지 정전류 기능으로 필요 이상의 기동전류를 제한하도록 구성할 수 있다.

이러한 협동이 일어날 때 배터리로부터 공급되는 기동제어부(200)의 기동전류는 상쇄전류감지부(Rs)를 B방향전류로 통과하고, 모듈로부터 생산되는 전력은 A방향전류로 통과하므로 그 차이인 (A방향전류 - B방향전류)가 유효전류로 된다.

따라서 옵티마이징부(1000)는 유효전류의 최대값을 추적하는 것으로 최대전력점 추적이 가능하게 되며, 나아가 A방향전류가 설정된 값 이상으로 증가되지 않을 때는 자동으로 기동제어부(200)를 정지시키는 작용도 가능하게 된다.

한편, 기동제어부(200)는 모듈 전력이 약화되었을 때만 가동하고 모듈 전력이 정상적일 때는 가동을 정지시키기 위한 슬립웨이크부(201)를 포함하는 구성으로 실시될 수 있다. 슬립웨이크부(201)는 작동이 정지되었을 때 타이머에 의해 재기동되거나 정지된 상태에서 설정된 시간 간격으로 슬립과 웨이크 업을 반복하거나 이를 혼합한 기능으로 작동될 수 있다.

이때 타이머에 의한 재기동은 정기적인 일출과 일몰의 시간대를 감안한 것이고, 슬립과 웨이크업은 흐린 날 등 불특정한 일사량 감소에 대한 대안이다. 혼합의 경우는 일중 흐린 날에서 일사량이 정상으로 돌아 왔는지를 수시로 체크하는 기능이다. 이러한 슬립웨이크부(201)를 적용함에 의해 아이들링 전류 소모를 줄이면서 비록 일사량이 약화된 순간이라도 유효전류를 효과적으로 취할 수 있게 된다.

도 14에서 옵티마이징부(1000)는 상쇄전류감지부(Rs)의 감지 값이 클 때 승강압컨버터부(100)의 출력전압을 증가하고, 상쇄전류감지부의 감지 값이 적을 때 승강압컨버터부의 출력전압을 감소하는 포지티브 피드백 구성을 포함할 수 있다. 승강압컨버터의 출력과 유효전류를 비교하여 동위상으로 피드백 제어하는 구성이며, 이를 위해 유효전류 변화 값을 일시저장 하는 소프트웨어적인 비교함수 내지 하드웨어적인 시정수회로를 포함할 수 있다.

또한 도 14의 옵티마이징부(1000)는 브리더저항(R1, R2)으로 감지되는 모듈 양측단 전압의 변화 값과 유효전류의 변화 값을 비교하여 승강압컨버터부(100)를 동위상 및 역위상으로 제어하면서 유효전류가 큰 방향으로 추적할 수 있다. 차이가 크다는 것은 부스팅 소모전류를 충당하고 남은 전류가 크다는 것이므로 실제로는 지나치게 부스팅으로 내부전력소모가 크게 되지 않는 범위, 즉 지나치게 높지도 않고 부족하게 낮지도 않는 절충 범위로 최대전력점 전압을 추적하게 된다.

도 13, 도 14 및 도 16의 마이컴에는 배터리 충전 전압을 단계별로 조절하고, 배터리 잔량 표시 및 방전 이력 등을 표시하는 알고리즘을 포함할 수 있다.

한편 본 발명에서 도시된 마이컴은 AND, NAD, OR, NOT, EXOR 등으로 조합하여 구성할 수도 있는데, 소모전류를 중요시 하는 소형화 구조에서는 이러한 논리회로를 적용하는 것이 더 효과적일 수 있다.

도 16은 본 발명의 옵티마이징부(1000 또는 300)를 복수의 모듈이 결합된 병렬어레이에 적용하였을 때 일부 모듈에서 장애가 발생되더라도 이를 보상하게 되는 개념을 도시한 블록다이어그램이다.

도 16에서 각각의 모듈어레이(M1, M2, Mn)는 병렬로 다단 구성될 수 있고 그 모듈어레이는 각각 단일 내지 직렬어레이를 포함할 수 있음을 나타낸다.

일반적으로 모듈의 내부는 도시생략 된 바이패스 다이오드가 부가되어 있어, 만약 직렬어레이 중의 어느 하나 모듈에서 장애가 발생되면 그 모듈은 바이패스 다이오드를 통과하여 전류가 도통되므로 그 모듈 부분만큼의 전압은 낮아지되, 전류는 다른 모듈에 의존하여 정상적으로 흐를 수 있다. 다만 병렬어레이 전체로 볼 때 그 낮아진 전압으로 인해 부하단과 낙차가 제대로 이루어지지 않으면 정상적인 전류가 흐를 소지가 있음에도 배터리 등 부하단으로 전류를 공급하지 못하게 된다(도 6 참조). 그러므로 병렬어레이에서 중요한 것은 각 모듈어레이에 대한 최대전력점 전압 밸런스이다.

도 16으로 개시된 본 발명의 옵티마이징부(1000, 300)는 해당 모듈의 전압을 승압시켜서 병렬어레이 내의 낙차를 균등하게 하므로 전압이 낮아진 모듈을 보상하게 되고, 또한 이때 위상 제어를 통한 최대전력점추적을 각각의 모듈(M1, M2, Mn)에서 각각의 옵티마이징부가 담당하게 되므로, 모든 모듈들은 당초 설계가 잘못되었거나 운용 중 환경으로 전압이 차이가 나게 되었는지에 불문하고 일치된 최대전력점 전압으로 안정된 밸런스를 유지하게 된다.

즉, 도 16에서 각각의 모듈어레이는 동일한 4개의 직렬어레이 및 3개의 병렬어레이로 스트링을 조직한 구성을 나타내는 것인데, 운용 중에 (Mn)어레이에서는 2개의 직렬 모듈이 비정상적은 출력전압을 발생하며, (M1)어레이에서는 1개의 직렬 모듈이 비정상적인 출력전압을 발생하면 균등한 낙차 전압이 이루어질 수 없다. 예를 들어 (M2)어레이의 종단 전압은 80V, (M1)어레이의 종단 전압은 60V, (Mn)어레이 전압은 40V로 서로 다른 언밸런스를 이루게 된다.

그러나 본 발명의 옵티마이징부(1000, 300)를 통과하면서 각각의 어레이 전압은 80V로 균등하게 출력이 되는 프리볼트 모듈 방식의 충전제어장치가 달성된다.

이때 각 어레이의 내부를 흐르는 전류는 (M2)어레이가 100%, (M1)어레이가 75%, (Mn)어레이가 50%를 담당하는 구조로 차등화 되지만, 어느 경우에도 옵티마이징부의 상쇄전류감지부가 각각의 모듈에 대한 최대전력점을 추적하면서 부하단과 낙차 전압을 유지하므로 각 모듈어레이로부터 생산되는 전력은 모두 배터리(2) 또는 부하단(4)으로 공급이 되는 것이다.

상기 옵티마이징부에는 모듈의 전압과 전류 또는 전력을 모니터링하고 유효전류가 설정 값 이하로 될 때 이를 원격으로 알리는 동시에 원격으로 조작하여 모듈 연결을 차단하는 스위칭 구성을 더 포함할 수 있다. 이를 통해 병렬어레이 내에서 강화된 옵티마이징부의 작동을 확인하고, 특정한 옵티마이징부에 집중하는 전류 폭주의 발생 시에 긴급 정지를 하는 등의 대처가 가능하게 된다.

옵티마이징부를 가동하는 전원은 외부의 배터리, 상용전원 내지 모듈로부터 피드백 되는 전원을 활용할 수 있다. 도 13, 도 14, 도 16은 모듈 또는 배터리로부터 피드백 하는 구성을 대표적으로 도시한 것이지만, 이러한 구성은 독립적인 모듈을 보충전원용으로 구비할 수도 있다.

도 13, 도 14 및 도 16의 구성에서 옵티마이징부의 각 컨버터는 고압으로 승압 후 다시금 필요 전압으로 강압해서 출력을 발생하는 형태의 다단 컨버팅 기술을 포함할 수 있다.

산업적 이용성 측면에서 본 발명의 구성은 옵티마이징부가 통합 장착된 모듈어레이로 실시될 수 있고, 태양광발전설비를 구성하는 충전제어장치, 배전반(분전반), 정션박스 또는 인버터 중 적어도 어느 하나에 통합 수용되는 구조로 실시될 수 있다.

한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.

또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 산업적 이용성에서 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

모듈(1);
모듈어레이(M1, M2, Mn);
배터리(2);
상쇄전류감지부(Rs);
옵티마이징부(300, 1000);
제1컨버터부(300-1);
제2컨버터부(300-2);
승강압컨버터부(100);
자동스타트부, 기동제어부(200);
슬립웨이크업부(201);
필터링부, 시정수회로부(202);
저항브리더(R1, R2, R3, R4);
MOSFET(30-1);
인덕터(30-4);
커패시터(30-5);
다이오드(30-3);

Claims

적어도 하나의 태양전지 모듈;
배터리;
상기 모듈과 배터리의 연결 경로에 게재되어 유효전류를 검출하는 상쇄전류감지부;
상기 모듈과 상기 배터리의 사이에 모듈의 전력으로 배터리의 충전을 제어하는 옵티마이징부를 게재하되,
상기 옵티마이징부는,
상기 모듈의 일측단에 출력단이 연결되고, 상기 배터리에 입력단이 연결되어 모듈 전압이 배터리 충전요구전압에 미달될 때 모듈 전압을 승압 펌핑하는 제1컨버터부; 및
상기 모듈의 일측단에 입력단이 연결되고, 상기 배터리에 출력단이 연결되어 모듈 전압이 배터리 충전요구전압을 초과할 때 모듈 전압을 강압 조절하는 제2컨버터부;를 포함하되,
상기 제1컨버터부는 상기 제2컨버터부의 입력과 출력 사이의 전압 범위를 제어하고, 상기 제2컨버터부는 배터리의 충전에 필요한 전압을 조절 출력하도록 제어하는 한편,
상기 제1컨버터부 또는 상기 제2컨버터부 중 어느 하나에 연결된 상기 상쇄전류감지부의 감지 결과에 따라 상기 제1컨버터부 또는 상기 제2컨버터부가 출력을 조절하여 모듈의 최대전력점을 추적하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.
제1항에 있어서,
상기 제1컨버터부 및 제2컨버터부는 상기 모듈과 배터리의 사이에서 입출력단이 역방향으로 배치되어 그 중 하나는 모듈 전압을 승압 펌핑하는 작용으로, 나머지 하나는 승압 펌핑된 전압을 다운 컨버팅 하는 작용으로 상쇄평형을 잡는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.
제1항 또는 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 상쇄평형 작용은 제1컨버터부의 입출력단 간 전압의 변화와 상기 상쇄전류감지부의 유효전류 변화를 위상으로 비교하여 제2컨버터부의 충전단계별 전압 조절 범위에서 유효전류가 최대로 공급되도록 평형 제어되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.
제1항에 있어서,
상기 제1컨버터부 및 상기 제2컨버터부 중 적어도 하나에는 상기 유효전류 또는 모듈 전압을 감지하여 설정된 값 이하가 될 때 작동을 자동으로 정지시키는 자동스타트부의 연동 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.
적어도 하나의 태양전지 모듈;
배터리;
상기 모듈과 배터리의 연결 경로에 게재되어 유효전류를 검출하는 상쇄전류감지부;
상기 모듈과 상기 배터리의 사이에 모듈의 전력으로 배터리의 충전을 제어하는 옵티마이징부를 게재하되,
상기 옵티마이징부는 상기 모듈에 입력단이 연결되고, 상기 배터리에 출력단이 연결되어 모듈 전압이 배터리 충전요구전압에 미달될 때 승압 조절 제어하는 승압컨버터부;를 포함하되,
상기 옵티마이징부는 배터리 충전요구전압의 범위 내에서 상기 유효전류가 최대로 되도록 조절 작동하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.
제5항에 있어서,
상기 옵티마이징부의 입력단에는 상기 승강압컨버터부의 기동을 보조하기 위해 배터리로부터 기동전력을 보충 공급하는 기동제어부;를 연동하는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.
제5항 또는 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 기동제어부는 상기 유효전류가 설정된 값 이하가 되면 작동이 정지되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.
제5항 또는 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 기동제어부는 태양의 일사량 또는 모듈의 출력 전압이 설정 값 이하로 될 때 작동이 정지되는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.
제7항에 있어서,
상기 기동제어부는 작동이 정지되었을 때 설정된 시간 간격으로 슬립과 웨이크 업을 하는 슬립웨이크부의 연동 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.
제5항 또는 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 옵티마이징부는
상기 상쇄전류감지부의 감지 값이 클 때 상기 승강압펌프부의 출력전압을 증가하고, 상쇄전류감지부의 감지 값이 적을 때 승강압펌프부의 출력전압을 감소하는 포지티브 피드백 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.
제5항 또는 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 옵티마이징부는
상기 승강압컨버터부의 입력전압 높이와 상기 상쇄전류감지부의 유효전류의 크기를 동위상 또는 역위상으로 비교하여 승강압컨버터부의 출력을 증가 또는 감소하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 충전제어장치.