KR102556385B1 - Controlling apparatus and method of buck converter's maximum power point tracking for charging the battery - Google Patents

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Abstract

배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종(maximum power point tracking) 제어 장치가 제공된다. 상기 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치는 기준 전압 Vref과 상기 배터리에 연결되는 벅 컨버터의 출력 전압을 입력 받고, 미리 설정된 피드백 파라미터에 기반하여 상기 배터리에 연결된 벅 컨버터의 스위칭 듀티 D가 최대값이 되도록 출력 전압을 출력하는 제1 제어부 및 상기 제1 제어부의 제1 출력 단자와 연결되는 제2 출력 단자를 포함하고, 미리 설정된 안정 조건을 만족시키는 주파수 응답을 갖는 출력 신호를 상기 벅 컨버터에 연결되는 PWM 제어기로 출력하는 제2 제어부를 포함할 수 있다.A maximum power point tracking control device for battery charging is provided. The maximum power point tracking control device for battery charging receives a reference voltage V ref and an output voltage of a buck converter connected to the battery, and based on a preset feedback parameter, the switching duty D of the buck converter connected to the battery is set to the maximum An output signal having a frequency response that satisfies a preset stability condition, including a first control unit outputting an output voltage to be a value and a second output terminal connected to the first output terminal of the first control unit, to the buck converter It may include a second control unit that outputs to the connected PWM controller.

Figure R1020210164089
Figure R1020210164089

Description

배터리 충전을 위한 벅 컨버터의 최대 전력점 추종 제어 장치 및 방법{CONTROLLING APPARATUS AND METHOD OF BUCK CONVERTER'S MAXIMUM POWER POINT TRACKING FOR CHARGING THE BATTERY}Buck converter's maximum power point tracking control device and method for battery charging

이하의 설명은 배터리 충전을 위한 벅 컨버터의 최대 전력점 추종 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 배터리에 연결된 벅 컨버터의 출력 전압을 피드백 연결 받고, 상기 벅 컨버터의 스위칭 듀티가 최대값이 되도록 출력 전압을 제어하는 방식으로 고사양의 MCU(micro controller unit)을 이용하지 않고 최대 전력을 추종할 수 있도록 제어하는 방법에 관한 것이다.The following description relates to an apparatus and method for controlling maximum power point tracking of a buck converter for battery charging. More specifically, the maximum power without using a high-spec micro controller unit (MCU) by receiving the output voltage of the buck converter connected to the battery as a feedback connection and controlling the output voltage so that the switching duty of the buck converter becomes the maximum value It is about how to control so that it can follow.

발전기는 속도와 부하에 따라 생성되는 전력이 달라지는 특성이 있어 발전기의 효율을 높이기 위해 발전기의 전력을 최대로 끌어낼 수 있는 MPPT(최대 전력점 추종, maximum power point tracking) 제어가 적용된 컨버터의 사용이 필수적이다. 발전기와 동일한 특성을 갖는 태양광 발전 시스템에서 사용되는 다양한 MPPT 제어 관련 기준 기법들이 존재한다.Generators have the characteristic that the generated power varies depending on the speed and load, so it is essential to use a converter with maximum power point tracking (MPPT) control that can maximize the power of the generator to increase the efficiency of the generator. am. There are various MPPT control-related reference techniques used in photovoltaic power generation systems having the same characteristics as generators.

종래의 P&O(perturbation and observation) MPPT 제어 기법은 가장 일반적으로 사용되는 MPPT 제어 기법 중 하나이다. 컨버터 출력 전압과 전류를 감지하여, MCU로 전력을 계산하고, 컨버터 출력 전압을 변동시켜가며 전력을 비교한다. 최대 전력을 생성할 수 있는 전압점을 기준으로 현재 전력이 최대 전력보다 높으면 컨버터 출력 전압을 현재 출력 전압으로 바꿔가며 최대 전력을 추종한다. 출력 전압을 계속 변동시켜가며 전력을 비교하다 보니 정상 상태(steady state)에서 출력 전력이 미소 진동하는 문제점이 존재한다. 또한, 일사량이 급격하게 변하는 환경에서는 최대 전력 추종 속도가 늦어져 효율이 떨어지며, 컨버터의 출력 전압과 전류를 센싱하기 위한 센서가 필요하다는 단점도 존재한다.A conventional perturbation and observation (P&O) MPPT control technique is one of the most commonly used MPPT control techniques. It detects the converter output voltage and current, calculates the power with the MCU, and compares the power while changing the converter output voltage. Based on the voltage point at which the maximum power can be generated, if the current power is higher than the maximum power, the converter output voltage is changed to the current output voltage to follow the maximum power. As the output voltage is continuously varied and the power is compared, there is a problem in that the output power oscillates slightly in a steady state. In addition, in an environment where the amount of solar radiation changes rapidly, the maximum power tracking speed slows down, resulting in a decrease in efficiency, and there are disadvantages in that a sensor for sensing the output voltage and current of the converter is required.

IC(incremental conductance) MPPT 제어 기법은 태양광 패널의 P-V 커브를 이용하는 방식이다. 안정적이고 구현 방법이 간단하여 P&O 방식과 함께 널리 이용되고 있는 방법이다. 태양광 패널의 전력-전압 그래프 상에서 최대 전력 지점의 기울기가 0이라는 특징을 이용한다. P&O MPPT 제어와 동일하게 컨버터의 출력 전압을 변화시켜가며 전압과 전력의 기울기를 계산한다. 최대 전력 지점까지 빠르게 추종할 수 있고, 정상 상태에서의 출력이 흔들리지 않고 일정하게 유지된다는 장점이 존재한다. 그러나 많은 계산량으로 인한 고성능의 CPU를 필요로 하여 전체 시스템 단가가 상승한다는 단점이 존재한다.The IC (incremental conductance) MPPT control technique uses the P-V curve of a solar panel. It is a method that is widely used together with the P&O method because it is stable and simple to implement. On the power-voltage graph of the solar panel, the feature that the slope of the maximum power point is zero is used. As in the P&O MPPT control, the output voltage of the converter is changed to calculate the slope of the voltage and power. The advantage is that it can quickly follow up to the maximum power point and that the output in steady state remains constant without fluctuating. However, there is a disadvantage in that a high-performance CPU is required due to a large amount of calculation, which increases the overall system cost.

CV(constant voltage) 제어 기법은 컨버터 출력 전압을 일정하게 고정하는 제어 기법이다. 최대 전력을 추종하지 못해 효율은 떨어지지만 추가적인 센서나 CPU가 필요하지 않아 단가가 낮고 가장 간단한 방식이다.The CV (constant voltage) control technique is a control technique that fixes the converter output voltage constant. Although the efficiency is low because it cannot follow the maximum power, it is the simplest method and the unit price is low because it does not require an additional sensor or CPU.

그러나 배터리가 슈퍼 커패시터로 구현되는 경우에는 충·방전 전압 범위가 큰 특징을 가지고 있다. 따라서 슈퍼 커패시터의 전압과 상관없이 최대 전력을 추종할 수 있는 새로운 제어 방식의 필요성이 존재한다.However, when a battery is implemented as a supercapacitor, it has a large charge/discharge voltage range. Therefore, there is a need for a new control method capable of following the maximum power regardless of the voltage of the supercapacitor.

대한민국 등록특허 제10-0983035호(2010.09.17)Republic of Korea Patent No. 10-0983035 (2010.09.17) 대한민국 등록특허 제10-1207482호(2012.12.03)Republic of Korea Patent No. 10-1207482 (2012.12.03)

일 측면에 따르면, 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종(maximum power point tracking) 제어 장치가 제공된다. 상기 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치는 기준 전압 Vref과 상기 배터리에 연결되는 벅 컨버터의 출력 전압을 입력 받고, 미리 설정된 피드백 파라미터에 기반하여 상기 배터리에 연결된 벅 컨버터의 스위칭 듀티 D가 최대값이 되도록 출력 전압을 출력하는 제1 제어부 및 상기 제1 제어부의 제1 출력 단자와 연결되는 제2 출력 단자를 포함하고, 미리 설정된 안정 조건을 만족시키는 주파수 응답을 갖는 출력 신호를 상기 벅 컨버터에 연결되는 PWM 제어기로 출력하는 제2 제어부를 포함할 수 있다.According to one aspect, a maximum power point tracking control device for battery charging is provided. The maximum power point tracking control device for battery charging receives a reference voltage V ref and an output voltage of a buck converter connected to the battery, and based on a preset feedback parameter, the switching duty D of the buck converter connected to the battery is set to the maximum An output signal having a frequency response that satisfies a preset stability condition, including a first control unit outputting an output voltage to be a value and a second output terminal connected to the first output terminal of the first control unit, to the buck converter It may include a second control unit that outputs to the connected PWM controller.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 제어부는 제1-1 입력 단자, 제2-1 입력 단자 및 제1 출력 단자를 포함하는 제1 연산 증폭기(OP-AMP: operational amplifier)를 포함할 수 있다. 상기 제1 연산 증폭기에는 상기 제1-1 입력 단자와 상기 제1 출력 단자 사이를 연결하는 제1 피드백 저항 Rf이 연결되고, 상기 제2-1 입력 단자에는 상기 기준 전압과 연결되는 제1 저항 Ra 및 그라운드 노드에 연결되며 상기 제1 피드백 저항과 동일한 저항 값을 갖는 제2 저항 Rf이 각각 연결되고, 상기 제1-1 입력 단자에는 상기 벅 컨버터의 출력 단자에 연결되는 제3 저항 R1 및 그라운드 노드에 연결되는 제4 저항 R2가 각각 연결될 수 있다.According to an embodiment, the first controller may include a first operational amplifier (OP-AMP) including a 1-1 input terminal, a 2-1 input terminal, and a 1st output terminal. A first feedback resistor R f connecting between the 1-1 input terminal and the first output terminal is connected to the first operational amplifier, and a first resistor connected to the reference voltage is connected to the 2-1 input terminal. A second resistor R f connected to R a and a ground node and having the same resistance value as the first feedback resistor is connected, respectively, and a third resistor R connected to the output terminal of the buck converter to the 1-1 input terminal. 1 and a fourth resistor R 2 connected to the ground node may be respectively connected.

다른 일 실시 예에 따르면, 상기 미리 설정된 피드백 파라미터는 상기 제4 저항 R2의 저항 값을 상기 제3 저항 R1의 저항 값과 상기 제4 저항 R2의 저항 값의 합으로 나눈 값으로서 정의될 수 있다.According to another embodiment, the preset feedback parameter may be defined as a value obtained by dividing the resistance value of the fourth resistor R 2 by the sum of the resistance value of the third resistor R 1 and the resistance value of the fourth resistor R 2 . can

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 저항 Ra의 저항 값은 수학식 10에 따라 결정되고, 상기 수학식 10은

Figure 112021136206634-pat00001
일 수 있다.According to another embodiment, the resistance value of the first resistor R a is determined according to Equation 10, wherein Equation 10 is
Figure 112021136206634-pat00001
can be

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 피드백 저항 Rf의 저항 값은 수학식 2에 따라 결정되고, 상기 수학식 15는

Figure 112021136206634-pat00002
이고, 상기 Vsaw는 상기 PWM 제어기가 출력하는 톱니파의 최대 출력 전압일 수 있다.According to another embodiment, the resistance value of the first feedback resistor R f is determined according to Equation 2, and Equation 15
Figure 112021136206634-pat00002
, and the V saw may be the maximum output voltage of the sawtooth wave output by the PWM controller.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제3 저항 R1의 저항 값은 수학식 16에 따라 결정되고, 상기 수학식 16은

Figure 112021136206634-pat00003
이고, 상기 Dmax는 상기 배터리가 완전 충전된 경우의 스위칭 듀티의 최대값을 나타내고, 상기 Vo는 상기 배터리가 완전 충전된 경우의 상기 벅 컨버터의 출력 전압을 나타낼 수 있다.According to another embodiment, the resistance value of the third resistor R 1 is determined according to Equation 16, and Equation 16 is
Figure 112021136206634-pat00003
, wherein D max represents a maximum switching duty when the battery is fully charged, and V o represents an output voltage of the buck converter when the battery is fully charged.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 제어부는 제1-2 입력 단자, 제2-2 입력 단자 및 제2 출력 단자를 포함하는 제2 연산 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 벅 컨버터의 출력 노드와 제1 노드 사이에는 제5 저항 R4가 연결되고, 상기 제1 노드와 그라운드 노드 사이에는 제6 저항 R5이 연결될 수 있다. 상기 제2 연산 증폭기에는 상기 제1-2 입력 단자에 상기 기준 전압 Vref가 연결되고, 상기 제2-2 입력 단자와 상기 제1 노드 사이에는 제7 저항 R6이 연결되고, 상기 제2-2 입력 단자와 상기 제2 출력 단자를 피드백 연결하는 제8 저항 R7과 제1 커패시터 C1이 직렬 연결될 수 있다.According to another embodiment, the second controller may include a second operational amplifier including a first-second input terminal, a second-second input terminal, and a second output terminal. A fifth resistor R 4 may be connected between the output node of the buck converter and the first node, and a sixth resistor R 5 may be connected between the first node and the ground node. The reference voltage V ref is connected to the 1-2 input terminal of the second operational amplifier, a seventh resistor R 6 is connected between the 2-2 input terminal and the first node, and the 2- An eighth resistor R 7 and a first capacitor C 1 that feedback-connect the second output terminal and the second input terminal may be connected in series.

다른 일 측면에 따르면, 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 방법이 제공될 수 있다. 상기 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 방법은 기준 전압 Vref과 상기 배터리에 연결되는 벅 컨버터의 출력 전압을 입력 받고, 미리 설정된 피드백 파라미터에 기반하여 상기 배터리에 연결된 벅 컨버터의 스위칭 듀티 D가 최대값이 되도록 제1 연산 증폭기의 출력 신호를 제어하는 단계 및 상기 제1 연산 증폭기의 출력 전압과 연결되는 피드백 루프에 기반하여 미리 설정된 안정 조건을 만족시키는 주파수 응답을 갖는 제2 연산 증폭기의 출력 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect, a maximum power point follow-up control method for battery charging may be provided. The maximum power point follow-up control method for battery charging receives a reference voltage V ref and an output voltage of a buck converter connected to the battery, and based on a preset feedback parameter, the switching duty D of the buck converter connected to the battery is maximum controlling the output signal of the first operational amplifier so that the output voltage of the first operational amplifier has a frequency response that satisfies a preset stability condition based on a feedback loop connected to the output voltage of the first operational amplifier; It may include generating steps.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 연산 증폭기는 제1-1 입력 단자, 제2-1 입력 단자 및 제1 출력 단자를 포함할 수 있다. 상기 제1 연산 증폭기에는 상기 제1-1 입력 단자와 상기 제1 출력 단자 사이를 연결하는 제1 피드백 저항 Rf이 연결되고, 상기 제2-1 입력 단자에는 상기 기준 전압과 연결되는 제1 저항 Ra 및 그라운드 노드에 연결되며 상기 제1 피드백 저항과 동일한 저항 값을 갖는 제2 저항 Rf이 각각 연결되고, 상기 제1-1 입력 단자에는 상기 벅 컨버터의 출력 단자에 연결되는 제3 저항 R1 및 그라운드 노드에 연결되는 제4 저항 R2가 각각 연결될 수 있다.According to an embodiment, the first operational amplifier may include a 1-1 input terminal, a 2-1 input terminal, and a first output terminal. A first feedback resistor R f connecting between the 1-1 input terminal and the first output terminal is connected to the first operational amplifier, and a first resistor connected to the reference voltage is connected to the 2-1 input terminal. A second resistor R f connected to R a and a ground node and having the same resistance value as the first feedback resistor is connected, respectively, and a third resistor R connected to the output terminal of the buck converter to the 1-1 input terminal. 1 and a fourth resistor R 2 connected to the ground node may be respectively connected.

다른 일 실시 예에 따르면, 상기 미리 설정된 피드백 파라미터는 상기 제4 저항 R2의 저항 값을 상기 제3 저항 R1의 저항 값과 상기 제4 저항 R2의 저항 값의 합으로 나눈 값으로서 정의될 수 있다.According to another embodiment, the preset feedback parameter may be defined as a value obtained by dividing the resistance value of the fourth resistor R 2 by the sum of the resistance value of the third resistor R 1 and the resistance value of the fourth resistor R 2 . can

본 발명의 실시 예의 설명에 이용되기 위하여 첨부된 아래 도면들은 본 발명의 실시 예들 중 단지 일부일 뿐이며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람(이하 "통상의 기술자"라 함)에게 있어서는 발명에 이르는 추가 노력 없이 이 도면들에 기초하여 다른 도면들이 얻어질 수 있다.
도 1a는 일 실시 예에 따라 발전기에서 생성되는 전력-전압 그래프이다.
도 1b는 다른 일 실시 예에 따라 발전기에서 생성되는 전류-전압 그래프이다.
도 2는 일 실시 예에 따라 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치를 도시하는 회로도이다.
도 3은 도 2에서 설명된 최대 전력점 추종 제어 장치를 설명하는 전달함수의 블록도이다.
도 4는 도 2에서 설명된 벅 컨버팅 회로의 PWM 제어 신호와 벅 컨버팅 회로로 인가되는 출력신호의 예시 파형도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 제1 제어부의 회로도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 제2 제어부의 회로도이다.
도 7은 본 실시 예에 따른 제어 장치가 적용된 태양광 패널의 출력 전압의 시간에 따른 그래프이다.
도 8은 본 실시 예에 따른 제어 장치가 출력 전압 및 출력 전류의 시간에 따른 그래프이다.The accompanying drawings for use in describing the embodiments of the present invention are only some of the embodiments of the present invention, and for those skilled in the art (hereinafter referred to as "ordinary technicians"), the invention Other figures can be obtained on the basis of these figures without additional effort leading to.
1A is a power-voltage graph generated by a generator according to an embodiment.
1B is a current-voltage graph generated by a generator according to another embodiment.
2 is a circuit diagram illustrating a maximum power point follow-up control device for battery charging according to an embodiment.
FIG. 3 is a block diagram of a transfer function illustrating the maximum power point follow-up control device described in FIG. 2 .
4 is an exemplary waveform diagram of a PWM control signal of the buck converting circuit described in FIG. 2 and an output signal applied to the buck converting circuit.
5 is a circuit diagram of a first control unit according to an embodiment.
6 is a circuit diagram of a second controller according to an embodiment.
7 is a graph of an output voltage of a solar panel over time to which a control device according to an exemplary embodiment is applied.
8 is a graph of the output voltage and output current of the control device according to the present embodiment over time.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있도록 상세히 설명된다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The following detailed description of the present invention refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced in order to make the objects, technical solutions and advantages of the present invention clear. These embodiments are described in detail to enable those skilled in the art to practice the present invention.

본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함하다'라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 또한, '하나' 또는 '한'은 하나 이상의 의미로 쓰인 것이며, '또 다른'은 적어도 두 번째 이상으로 한정된다.Throughout the description and claims of the present invention, the word 'comprise' and variations thereof are not intended to exclude other technical features, additions, components or steps. In addition, 'one' or 'one' is used to mean more than one, and 'another' is limited to at least two or more.

또한, 본 발명의 '제1', '제2' 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로서, 순서를 나타내는 것으로 이해되지 않는 한 이들 용어들에 의하여 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 이와 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In addition, terms such as 'first' and 'second' of the present invention are intended to distinguish one component from another, and the scope of rights is limited by these terms unless understood to indicate an order. is not For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접 연결될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 개재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉, "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It should be understood that when an element is referred to as being “connected” to another element, it may be directly connected to the other element, but other elements may intervene. On the other hand, when an element is referred to as being “directly connected” to another element, it should be understood that no intervening elements exist. Meanwhile, other expressions describing the relationship between components, ie, “between” and “directly between” or “adjacent to” and “directly adjacent to” should be interpreted similarly.

각 단계들에 있어서 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용된 것으로 식별부호는 논리상 필연적으로 귀결되지 않는 한 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며, 반대의 순서로 수행될 수도 있다.In each step, identification codes (eg, a, b, c, etc.) are used for convenience of description, and identification codes do not explain the order of each step unless they inevitably result in logic, and each The steps may occur out of the order specified. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 따라서, 특정 구조나 기능에 관하여 본 명세서에 개시된 상세 사항들은 한정하는 의미로 해석되어서는 아니되고, 단지 통상의 기술자가 실질적으로 적합한 임의의 상세 구조들로써 본 발명을 다양하게 실시하도록 지침을 제공하는 대표적인 기초 자료로 해석되어야 할 것이다.Other objects, advantages and characteristics of the present invention will appear to those skilled in the art, in part from this description and in part from practice of the invention. The examples and drawings below are provided as examples and are not intended to limit the invention. Accordingly, details disclosed herein with respect to a particular structure or function are not to be construed in a limiting sense, but are merely representative and provide guidance for those skilled in the art to variously practice the present invention with any detailed structures substantially suitable. It should be interpreted as basic data.

더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시 예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다. Moreover, the present invention covers all possible combinations of the embodiments presented herein. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, specific shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in one embodiment in another embodiment without departing from the spirit and scope of the invention. Additionally, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the detailed description set forth below is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all equivalents as claimed by those claims. Like reference numbers in the drawings indicate the same or similar function throughout the various aspects.

본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 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.In this specification, unless otherwise indicated or clearly contradicted by context, terms referred to in the singular encompass the plural unless the context requires otherwise. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

이하, 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily practice the present invention.

도 1a는 일 실시 예에 따라 발전기에서 생성되는 전력-전압 그래프이다. 도 1a를 참조하면, 발전기에서 생성되는 전력-전압 그래프(110)가 도시된다. 전력-전압 그래프(110)에서는 발전기에서 모터가 구동되는 각속도 ω1, ω2 및 ω3에 따라 출력되는 전력이 다르게 나타낸다. 또한, 최대 전력이 도출되는 최대 전력 전압점에서의 전압의 기울기가 0에 가까워진다는 특징이 존재한다.1A is a power-voltage graph generated by a generator according to an embodiment. Referring to FIG. 1A , a power-voltage graph 110 generated by a generator is shown. In the power-voltage graph 110, the power output from the generator differs according to the angular velocities ω 1 , ω 2 , and ω 3 at which the motor is driven. In addition, there is a feature that the slope of the voltage at the maximum power voltage point at which the maximum power is derived approaches zero.

도 1b는 다른 일 실시 예에 따라 발전기에서 생성되는 전류-전압 그래프이다. 도 1b를 참조하면, 발전기에서 생성되는 전류-전압 그래프(120)가 도시된다. 발전기에서 생성되는 전류는 상대적으로 일정하며 전압에 의해 다르게 나오는 것이 확인된다.1B is a current-voltage graph generated by a generator according to another embodiment. Referring to FIG. 1B , a current-voltage graph 120 generated by a generator is shown. It is confirmed that the current generated by the generator is relatively constant and varies depending on the voltage.

도 2는 일 실시 예에 따라 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치를 도시하는 회로도이다. 도 2를 참조하면, 배터리(210)에 연결되는 벅 컨버팅 회로(220)와 벅 컨버팅 회로(220)의 출력 전압을 입력 받고, 벅 컨버팅 회로(220)의 스위칭 듀티가 최대값이 되도록 출력 전압을 제어하는 제1 제어부(230), 미리 설정된 안정 조건을 만족시키는 주파수 응답을 갖는 출력 신호를 벅 컨버팅 회로(220)에 연결된 PWM 제어기로 출력하는 제2 제어부(240)가 도시된다. 벅 컨버팅 회로(220)의 구성과 동작 원리는 기술 분야의 전문가에게 자명한 사항이므로 설명을 생략하기로 한다.2 is a circuit diagram illustrating a maximum power point follow-up control device for battery charging according to an embodiment. Referring to FIG. 2, the output voltage of the buck converting circuit 220 connected to the battery 210 and the buck converting circuit 220 are received, and the output voltage is set so that the switching duty of the buck converting circuit 220 becomes the maximum value. The first control unit 230 for controlling, and the second control unit 240 for outputting an output signal having a frequency response that satisfies a preset stability condition to the PWM controller connected to the buck converting circuit 220 are shown. Since the configuration and operating principle of the buck converter circuit 220 are obvious to those skilled in the art, description thereof will be omitted.

본 실시 예에 따른 최대 전력점 추종 제어 장치(200)는 벅 컨버팅 회로(220)로 입력되는 PWM(pulse width modulation) 파형을 이용한 아날로그 방식에 기반하여 벅 컨버팅 회로(200)를 제어한다. 보다 구체적으로, 최대 전력점 추종 제어 장치(200)는 벅 컨버팅 회로(220)의 출력 전압 제어가 아닌, 벅 컨버팅 회로(220)의 입력 전압인 발전기에서 생성되는 전압을 일정하게 유지시키는 CV(constant voltage) 제어를 이용할 수 있다.The maximum power point tracking control device 200 according to the present embodiment controls the buck converting circuit 200 based on an analog method using a pulse width modulation (PWM) waveform input to the buck converting circuit 220 . More specifically, the maximum power point tracking control device 200 controls the output voltage of the buck converting circuit 220, rather than controlling the input voltage of the buck converting circuit 220, CV (constant constant) that maintains the voltage generated by the generator. voltage) control.

도 3은 도 2에서 설명된 최대 전력점 추종 제어 장치를 설명하는 전달함수의 블록도이다. 도 3를 참조하면, 제1 전달함수(310)는 MPPT 제어를 수행하는 제1 제어부에 연관되는 전달함수를 나타낸다. 또한, 제2 전달함수(320)는 벅 컨버팅 회로로 입력되는 PWM 제어기의 전달함수를 나타낸다. 또한, 제3 전달함수(330)는 벅 컨버팅 회로 자체의 전달함수를 나타낸다.FIG. 3 is a block diagram of a transfer function illustrating the maximum power point follow-up control device described in FIG. 2 . Referring to FIG. 3 , a first transfer function 310 represents a transfer function associated with a first control unit that performs MPPT control. In addition, the second transfer function 320 represents the transfer function of the PWM controller input to the buck converting circuit. Also, the third transfer function 330 represents a transfer function of the buck converting circuit itself.

벅 컨버팅 회로의 경우, 입력 전압 Vi와 출력 전압 Vo의 관계식이 스위칭 듀티 D에 따라 아래의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.In the case of a buck converting circuit, a relational expression between an input voltage V i and an output voltage V o may be defined as Equation 1 below according to a switching duty D.

Figure 112021136206634-pat00004
Figure 112021136206634-pat00004

상기 수학식 1과 같이, 입력 전압 Vi이 일정한 경우에 배터리가 충전되면서 출력 전압 Vo이 증가하게 되므로 스위칭 듀티 D 역시 함께 증가하게 될 것이다. 배터리가 완전 충전된 경우, 출력 전압 Vo도 최대가 되며 이때 스위칭 듀티도 최대값 Dmax가 될 것이다.As shown in Equation 1, when the input voltage V i is constant, the output voltage V o increases while the battery is charged, so the switching duty D also increases. When the battery is fully charged, the output voltage V o will be at its maximum, and at this time, the switching duty will also be at its maximum value, D max .

도 4는 도 2에서 설명된 벅 컨버팅 회로의 PWM 제어 신호와 벅 컨버팅 회로로 인가되는 출력신호의 예시 파형도이다. 도 4를 참조하면, 벅 컨버팅 회로의 PWM 제어 신호와 벅 컨버팅 회로로 인가되는 출력신호의 관계에 따라 PWM 제어기의 출력신호의 중간값 Ve와 스위칭 듀티 D의 관계식을 아래의 수학식 2와 같이 유도할 수 있다.4 is an exemplary waveform diagram of a PWM control signal of the buck converting circuit described in FIG. 2 and an output signal applied to the buck converting circuit. Referring to FIG. 4, according to the relationship between the PWM control signal of the buck converting circuit and the output signal applied to the buck converting circuit, the relationship between the intermediate value V e of the output signal of the PWM controller and the switching duty D is expressed as Equation 2 below. can induce

Figure 112021136206634-pat00005
Figure 112021136206634-pat00005

상기 수학식 2에서 Vsaw는 PWM 제어기가 출력하는 톱니파의 최대 출력 전압을 나타낸다. 상기 수학식 2를 Ve에 관하여 정리하면 아래의 수학식 3과 같다.In Equation 2, V saw represents the maximum output voltage of the sawtooth wave output by the PWM controller. When Equation 2 is rearranged with respect to V e , Equation 3 is obtained.

Figure 112021136206634-pat00006
Figure 112021136206634-pat00006

도 3에서 설명된 MPPT 제어를 수행하는 제1 제어부에 대한 제1 전달함수(310)를 Ve에 대하여 정리하면 아래의 수학식 4와 같이 정리된다.When the first transfer function 310 for the first control unit performing the MPPT control described in FIG. 3 is arranged with respect to V e , it is arranged as in Equation 4 below.

Figure 112021136206634-pat00007
Figure 112021136206634-pat00007

상기 수학식 4에서 β는 제1 제어부에 포함되는 제1 연산 증폭기에 미리 설정된 피드백 파라미터를 나타낼 수 있다. 상기 수학식 3에 상기 수학식 4를 대입하여 Dmax에 관하여 정리하면, 아래의 수학식 5와 같이 정리된다.In Equation 4, β may represent a preset feedback parameter for the first operational amplifier included in the first control unit. Substituting Equation 4 into Equation 3 and arranging about D max results in Equation 5 below.

Figure 112021136206634-pat00008
Figure 112021136206634-pat00008

본 실시 예에 따른 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치의 목적에 따라 Vo에 비례하여 스위칭 듀티가 제어되어야 하므로 상기 수학식 5의 우변에서 Vo에 관한 항 이외에는 0이 되어야 한다. 위와 같은 방식으로 상기 수학식 5를 정리하면, 아래의 수학식 6이 도출된다.According to the purpose of the maximum power point follow-up control device for battery charging according to the present embodiment, the switching duty should be controlled in proportion to V o , so the right side of Equation 5 should be 0 except for the term V o . By rearranging Equation 5 in the same way as above, Equation 6 below is derived.

Figure 112021136206634-pat00009
Figure 112021136206634-pat00009

상기 수학식 6을 H(s)에 대하여 정리하면 수학식 7과 같이 정의된다.When Equation 6 is rearranged for H(s), it is defined as Equation 7.

Figure 112021136206634-pat00010
Figure 112021136206634-pat00010

상기 수학식 7을 상기 수학식 5에 대입하면, 아래와 같은 수학식 8이 도출된다.When Equation 7 is substituted into Equation 5, the following Equation 8 is derived.

Figure 112021136206634-pat00011
Figure 112021136206634-pat00011

상기 수학식 8을 피드백 파라미터 β에 대해 정리하면 아래의 수학식 9와 같이 정의된다.When Equation 8 is rearranged for the feedback parameter β, it is defined as Equation 9 below.

Figure 112021136206634-pat00012
Figure 112021136206634-pat00012

도 5는 일 실시 예에 따른 제1 제어부의 회로도이다. 제1 제어부(500)는 기준 전압 Vref과 배터리에 연결되는 벅 컨버터의 출력 전압을 입력 받고, 미리 설정된 피드백 파라미터 β에 기반하여 상기 배터리에 연결된 벅 컨버터의 스위칭 듀티 D가 최대값이 되도록 출력 전압을 출력할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 제어부는 제1-1 입력 단자, 제2-1 입력 단자 및 제1 출력 단자를 포함하는 제1 연산 증폭기(OP-AMP: operational amplifier)를 포함할 수 있다.5 is a circuit diagram of a first control unit according to an embodiment. The first control unit 500 receives the reference voltage V ref and the output voltage of the buck converter connected to the battery, and based on the preset feedback parameter β, the output voltage so that the switching duty D of the buck converter connected to the battery becomes the maximum value can output More specifically, the first controller may include a first operational amplifier (OP-AMP) including a 1-1 input terminal, a 2-1 input terminal, and a 1st output terminal.

제1 연산 증폭기에는 제1-1 입력 단자와 제1 출력 단자 사이를 연결하는 제1 피드백 저항 Rf이 연결된다. 제2-1 입력 단자에는 기준 전압과 연결되는 제1 저항 Ra 이 연결될 수 있다. 또한, 제2-1 입력 단자에는 그라운드 노드에 연결되며 상기 제1 피드백 저항과 동일한 저항 값을 갖는 제2 저항 Rf이 연결될 수 있다.A first feedback resistor R f connecting between the 1-1 input terminal and the first output terminal is connected to the first operational amplifier. A first resistor R a connected to the reference voltage may be connected to the 2-1 input terminal. In addition, a second resistor R f connected to the ground node and having the same resistance value as the first feedback resistor may be connected to the 2-1 input terminal.

제1-1 입력 단지에는 벅 컨버팅 회로의 출력 단자에 연결되는 제3 저항 R1 및 그라운드 노드에 연결되는 제4 저항 R2가 각각 연결될 수 있다.A third resistor R 1 connected to the output terminal of the buck converter circuit and a fourth resistor R 2 connected to the ground node may be respectively connected to the 1-1 input terminal.

제1 연산 증폭기의 설계를 위해 제1 저항 Ra의 저항 값은 수학식 10과 같이 제3 저항 R1과 제4 저항 R2의 병렬 값으로 설정할 수 있다.For designing the first operational amplifier, the resistance value of the first resistor R a can be set as a parallel value of the third resistor R 1 and the fourth resistor R 2 as shown in Equation 10.

Figure 112021136206634-pat00013
Figure 112021136206634-pat00013

또한, 제1-1 입력 단자에 입력되는 전압 V1은 기준 전압 Vref과 동일한 크기가 되도록 아래의 수학식 11과 같이 설정한다.In addition, the voltage V 1 input to the 1-1th input terminal is set as shown in Equation 11 below so as to have the same magnitude as the reference voltage V ref .

Figure 112021136206634-pat00014
Figure 112021136206634-pat00014

상기 수학식 10 및 상기 수학식 11에 따라 제1 연산 증폭기의 입, 출력 관계식을 정리하면 아래의 수학식 12와 같이 정의된다.According to Equation 10 and Equation 11, the relational expression of the input and output of the first operational amplifier is arranged as Equation 12 below.

Figure 112021136206634-pat00015
Figure 112021136206634-pat00015

상기 수학식 12에 따른 이득은 도 3을 통해 제1 전달함수(310) H(s)와 같기 때문에 H(s)는 아래의 수학식 13과 같이 정의된다.Since the gain according to Equation 12 is equal to H(s) of the first transfer function 310 through FIG. 3, H(s) is defined as Equation 13 below.

Figure 112021136206634-pat00016
Figure 112021136206634-pat00016

또한, 도 3과 같이 피드백 파라미터 β는 출력 전압 Vo에 대한 이득으로서 정의된다. 도 3에서 제1 연산 증폭기로 입력되는 값은 βVo로 정의되고, 도 5에 따른 회로 토폴로지 상의 전압 분배식을 적용하면, 피드백 파라미터 β는 아래의 수학식 14와 같이 정의된다.Also, as shown in FIG. 3 , the feedback parameter β is defined as a gain for the output voltage V o . In FIG. 3, the value input to the first operational amplifier is defined as βV o , and when the voltage distribution equation on the circuit topology of FIG. 5 is applied, the feedback parameter β is defined as Equation 14 below.

Figure 112021136206634-pat00017
Figure 112021136206634-pat00017

상기 수학식 7에 상기 수학식 13을 대입하여 제1 피드백 저항 Rf에 대해 정리하면, 제1 피드백 저항 Rf은 아래의 수학식 15와 같이 정의된다.Substituting Equation 13 into Equation 7 to rearrange the first feedback resistance R f , the first feedback resistance R f is defined as in Equation 15 below.

Figure 112021136206634-pat00018
Figure 112021136206634-pat00018

상기 수학식 15에서 상기 Vsaw는 상기 PWM 제어기가 출력하는 톱니파의 최대 출력 전압을 나타낸다.In Equation 15, the V saw represents the maximum output voltage of the sawtooth wave output by the PWM controller.

또한, 상기 수학식 9에 상기 수학식 14를 대입하여 제3 저항 R1에 대해 정리하면, 제3 저항 R1은 아래의 수학식 16과 같이 정의된다.In addition, when Equation 14 is substituted into Equation 9 and the third resistor R 1 is rearranged, the third resistor R 1 is defined as in Equation 16 below.

Figure 112021136206634-pat00019
Figure 112021136206634-pat00019

상기 수학식 16에서, 상기 Dmax는 상기 배터리가 완전 충전된 경우의 스위칭 듀티의 최대값을 나타내고, 상기 Vo는 상기 배터리가 완전 충전된 경우의 상기 벅 컨버터의 출력 전압을 나타낼 수 있다.In Equation 16, D max may represent a maximum switching duty when the battery is fully charged, and V o may indicate an output voltage of the buck converter when the battery is fully charged.

위와 같이 정의된 제1 연산 증폭기의 설계 디자인에 따른 파라미터에 따라 제3 저항 R1을 임의로 적절하게 선택해주면, 상기 수학식 16에 의해 제4 저항 R2가 계산될 수 있다. 또한, 계산된 제4 저항 R2을 상기 수학식 10에 대입함으로써 제1 저항 Ra이 계산될 수 있다. 상기와 같이 계산된 저항 값들을 상기 수학식 15에 대입함으로써 MPPT 제어를 수행하는 제1 제어부의 설계를 진행할 수 있다.If the third resistor R 1 is arbitrarily appropriately selected according to the parameters according to the design design of the first operational amplifier defined as above, the fourth resistor R 2 can be calculated by Equation 16 above. In addition, the first resistance R a may be calculated by substituting the calculated fourth resistance R 2 into Equation 10 above. By substituting the resistance values calculated as described above into Equation 15, the design of the first control unit performing the MPPT control may proceed.

도 6은 일 실시 예에 따른 제2 제어부의 회로도이다. 제2 제어부(600)는 제1-2 입력 단자, 제2-2 입력 단자 및 제2 출력 단자를 포함하는 제2 연산 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 벅 컨버터의 출력 노드와 제1 노드 사이에는 제5 저항 R4가 연결되고, 상기 제1 노드와 그라운드 노드 사이에는 제6 저항 R5이 연결될 수 있다. 상기 제2 연산 증폭기의 제1-2 입력 단자에는 상기 기준 전압 Vref가 입력된다. 또한, 상기 제2-2 입력 단자와 상기 제1 노드 사이에는 제7 저항 R6가 연결된다. 또한, 상기 제2-2 입력 단자와 상기 제2 출력 단자를 피드백 연결하는 제8 저항 R7과 제1 커패시터 C1이 직렬 연결된다.6 is a circuit diagram of a second controller according to an embodiment. The second controller 600 may include a second operational amplifier including a first-second input terminal, a second-second input terminal, and a second output terminal. A fifth resistor R 4 may be connected between the output node of the buck converter and the first node, and a sixth resistor R 5 may be connected between the first node and the ground node. The reference voltage V ref is input to the first-second input terminals of the second operational amplifier. In addition, a seventh resistor R 6 is connected between the 2-2 input terminal and the first node. In addition, an eighth resistor R 7 and a first capacitor C 1 that feedback-connect the 2-2 input terminal and the second output terminal are connected in series.

제2 제어부는 상기 제1 제어부의 제1 출력 단자와 연결되는 제2 출력 단자를 포함할 수 있다. 미리 설정된 안정 조건을 만족시키는 주파수 응답을 갖는 출력 신호를 생성할 수 있다.The second control unit may include a second output terminal connected to the first output terminal of the first control unit. An output signal having a frequency response that satisfies a preset stability condition can be generated.

도 2 및 도 3에서 설명된 것과 같이, PI(proportional-integral) 제어기 역시 출력 전압을 피드백하여 스위칭 듀티를 조절하는 방식으로 구현될 수 있다. 도 3의 전달함수 루프를 참조하여 벅 컨버팅 회로의 출력 전압 Vo와 기준 전압 Vref에 대한 식으로 정리하면 아래의 수학식 17과 같이 정의된다.As described in FIGS. 2 and 3 , a proportional-integral (PI) controller may also be implemented in a manner of adjusting switching duty by feeding back an output voltage. Referring to the transfer function loop of FIG. 3, the equations for the output voltage V o and the reference voltage V ref of the buck converting circuit are summarized as Equation 17 below.

Figure 112021136206634-pat00020
Figure 112021136206634-pat00020

벅 컨버팅 회로로 입력되는 PWM 제어기의 전달함수(320)는 도 4와 같은 톱니파 파형을 통해 아래의 수학식 18과 같이 정의될 수 있다.The transfer function 320 of the PWM controller input to the buck converting circuit may be defined as in Equation 18 below through a sawtooth waveform as shown in FIG. 4 .

Figure 112021136206634-pat00021
Figure 112021136206634-pat00021

또한, 도 3에서 정의된 벅 컨버팅 회로의 전달함수(330)는 아래의 수학식 19와 같이 정의될 수 있다.In addition, the transfer function 330 of the buck converting circuit defined in FIG. 3 may be defined as Equation 19 below.

Figure 112021136206634-pat00022
Figure 112021136206634-pat00022

제2 제어부에 대한 PI 제어기의 전달함수(310)는 아래의 수학식 20과 같이 정의될 수 있다.The transfer function 310 of the PI controller for the second control unit may be defined as Equation 20 below.

Figure 112021136206634-pat00023
Figure 112021136206634-pat00023

제2 제어부(600)는 제1 제어부(500)의 제1 출력 단자와 연결되는 제2 출력 단자를 포함할 수 있다. 또한, 제2 제어부(600)는 미리 설정된 안정 조건을 만족시키는 주파수 응답을 갖는 출력 신호를 벅 컨버팅 회로에 연결되는 PWM 제어기로 출력할 수 있다. 상기 미리 설정된 안정 조건은 아래와 같이 정의될 수 있다. 1) ω가 0인 경우에 루프 이득(loop gain)은 ∞, ω가 ∞인 경우에 루프 이득은 0이 되게 한다. 2) 코너 주파수(ωCO)는 스위칭 주파수의 1/2 이하 1/10 이상이 되도록 한다. 3) 루프 이득에서 ωCO 인 경우에 기울기가 -20[dB/dec]가 되도록 한다. 위와 같은 조건을 만족하는 H(s)를 계산하고 아래의 수학식 21 및 21를 통해 R6, R7 및 C1을 설정할 수 있다.The second controller 600 may include a second output terminal connected to the first output terminal of the first controller 500 . In addition, the second controller 600 may output an output signal having a frequency response that satisfies a preset stability condition to the PWM controller connected to the buck converter circuit. The preset stable condition may be defined as follows. 1) When ω is 0, the loop gain becomes ∞, and when ω is ∞, the loop gain becomes 0. 2) The corner frequency (ω CO ) should be less than 1/2 and more than 1/10 of the switching frequency. 3) In the case of ω CO in the loop gain, make the slope -20[dB/dec]. H(s) satisfying the above conditions can be calculated and R 6 , R 7 and C 1 can be set through Equations 21 and 21 below.

Figure 112021136206634-pat00024
Figure 112021136206634-pat00024

Figure 112021136206634-pat00025
Figure 112021136206634-pat00025

이하의 도 7과 도 8은 태양광 패널을 이용하여 진행한 시뮬레이션 결과이다. 상기 시뮬레이션에 활용된 주요 파라미터는 아래와 같다.7 and 8 below are simulation results performed using a solar panel. The main parameters used in the simulation are as follows.

파라미터parameter 값value Vmppt V mppt 42 [V]42 [V] Imppt I mppt 2.5 [A]2.5 [A] 스위칭 주파수switching frequency 50 [kHz]50 [kHz] 입력 커패시터input capacitor 50 [μF]50 [μF] 인덕터inductor 68 [μH]68 [µH] 출력 커패시터output capacitor 470 [μF]470 [μF] 출력 커패시터 ESRoutput capacitor ESR 60 [mΩ]60 [mΩ] 슈퍼 커패시터 전압supercapacitor voltage 28 [V]28 [V] 슈퍼 커패시터super capacitor 14 [mF]14 [mF]

도 7은 본 실시 예에 따른 제어 장치가 적용된 태양광 패널의 출력 전압의 시간에 따른 그래프이다. 태양광 패널에서 출력되는 전압은 VLINK이며, 배터리가 완전 충전될 때까지 최대 전력 추종 전압인 Vmppt 42[V]가 일정하게 나오는 것을 확인할 수 있다.도 8은 본 실시 예에 따른 제어 장치가 출력 전압 및 출력 전류의 시간에 따른 그래프이다. 도 8은 슈퍼 커패시터의 충전 전압 VSC와 전류 ISC를 나타낸다. 슈퍼 커패시터의 전압이 충전되다가 28[V]가 되면, PI 제어를 통해 충전 전류가 0V로 떨어져 슈퍼 커패시터의 전압을 일정하게 유지 시켜주는 것을 확인할 수 있다.7 is a graph of an output voltage of a solar panel over time to which a control device according to an exemplary embodiment is applied. The voltage output from the solar panel is V LINK , and it can be seen that the maximum power tracking voltage, V mppt 42 [V], is constantly output until the battery is fully charged. It is a graph of output voltage and output current over time. 8 shows the charging voltage V SC and current I SC of the supercapacitor. When the voltage of the supercapacitor is charged and reaches 28 [V], it can be seen that the charging current drops to 0V through PI control to keep the voltage of the supercapacitor constant.

본 실시 예에 따른 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치는 발전기에서 최대 전력이 나오는 전압을 측정하고, 그 전압값이 일정하게 나오게 제어함으로써 발전기로부터 최대 전력을 도출할 수 있다. 또한, 부가적인 센서가 고사양의 MCU를 사용하지 않아 비용을 절감하고 크기도 감소시키는 효과를 기대할 수 있다.The maximum power point follow-up control device for battery charging according to the present embodiment can derive maximum power from the generator by measuring the voltage at which maximum power is output from the generator and controlling the voltage value to be constant. In addition, since the additional sensor does not use a high-end MCU, the effect of reducing cost and size can be expected.

이상, 본 발명의 기술적 사상을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변혼 및 변경이 가능하다.In the above, the technical spirit of the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the technical spirit of the present invention is not limited to the above embodiments, and the technical spirit of the present invention is not limited to the above embodiments, and the technical spirit of the present invention Various transformations and changes are possible within the scope of thought by those skilled in the art.

Claims (10)

배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종(maximum power point tracking) 제어 장치에 있어서,
기준 전압 Vref과 상기 배터리에 연결되는 벅 컨버터의 출력 전압을 입력 받고, 미리 설정된 피드백 파라미터에 기반하여 상기 배터리에 연결된 벅 컨버터의 스위칭 듀티 D가 최대값이 되도록 출력 전압을 출력하는 제1 제어부; 및
상기 제1 제어부의 제1 출력 단자와 연결되는 제2 출력 단자를 포함하고, 미리 설정된 안정 조건을 만족시키는 주파수 응답을 갖는 출력 신호를 상기 벅 컨버터에 연결되는 PWM 제어기로 출력하는 제2 제어부
를 포함하는 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치.
In the maximum power point tracking control device for battery charging,
A first control unit for receiving a reference voltage V ref and an output voltage of a buck converter connected to the battery, and outputting an output voltage such that a switching duty D of the buck converter connected to the battery becomes a maximum value based on a preset feedback parameter; and
A second control unit including a second output terminal connected to the first output terminal of the first control unit and outputting an output signal having a frequency response that satisfies a preset stability condition to a PWM controller connected to the buck converter
Maximum power point tracking control device for battery charging comprising a.
 제1항에 있어서,
상기 제1 제어부는,
제1-1 입력 단자, 제2-1 입력 단자 및 제1 출력 단자를 포함하는 제1 연산 증폭기(OP-AMP: operational amplifier)
를 포함하고,
상기 제1 연산 증폭기에는,
상기 제1-1 입력 단자와 상기 제1 출력 단자 사이를 연결하는 제1 피드백 저항 Rf이 연결되고, 상기 제2-1 입력 단자에는 상기 기준 전압과 연결되는 제1 저항 Ra 및 그라운드 노드에 연결되며 상기 제1 피드백 저항과 동일한 저항 값을 갖는 제2 저항 Rf이 각각 연결되고, 상기 제1-1 입력 단자에는 상기 벅 컨버터의 출력 단자에 연결되는 제3 저항 R1 및 그라운드 노드에 연결되는 제4 저항 R2가 각각 연결되는 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치.
According to claim 1,
The first control unit,
A first operational amplifier (OP-AMP) including a 1-1 input terminal, a 2-1 input terminal, and a 1st output terminal
including,
In the first operational amplifier,
A first feedback resistor R f connecting between the 1-1 input terminal and the first output terminal is connected, and a first resistor R a connected to the reference voltage and a ground node are connected to the 2-1 input terminal. A second resistor R f having the same resistance value as the first feedback resistor is connected, and a third resistor R 1 connected to the output terminal of the buck converter and a ground node are connected to the 1-1 input terminal. A maximum power point tracking control device for battery charging to which a fourth resistor R 2 is connected, respectively.
 제2항에 있어서,
상기 미리 설정된 피드백 파라미터는,
상기 제4 저항 R2의 저항 값을 상기 제3 저항 R1의 저항 값과 상기 제4 저항 R2의 저항 값의 합으로 나눈 값으로서 정의되는 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치.
According to claim 2,
The preset feedback parameter is,
The maximum power point tracking control device for battery charging defined as a value obtained by dividing the resistance value of the fourth resistor R 2 by the sum of the resistance values of the third resistor R 1 and the resistance value of the fourth resistor R 2 .
 제3항에 있어서,
상기 제1 저항 Ra의 저항 값은 수학식 10에 따라 결정되고,
상기 수학식 10은
Figure 112023055161715-pat00026
이고,
상기 제1 피드백 저항 Rf의 저항 값은 수학식 15에 따라 결정되고,
상기 수학식 15는
Figure 112023055161715-pat00027
이고, 상기 Vsaw는 상기 PWM 제어기가 출력하는 톱니파의 최대 출력 전압이고,
상기 제3 저항 R1의 저항 값은 수학식 16에 따라 결정되고,
상기 수학식 16은
Figure 112023055161715-pat00028
이고, 상기 Dmax는 상기 배터리가 완전 충전된 경우의 스위칭 듀티의 최대값을 나타내고, 상기 Vo는 상기 배터리가 완전 충전된 경우의 상기 벅 컨버터의 출력 전압을 나타내는 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치.
According to claim 3,
The resistance value of the first resistor R a is determined according to Equation 10,
Equation 10 above is
Figure 112023055161715-pat00026
ego,
The resistance value of the first feedback resistor R f is determined according to Equation 15,
Equation 15 above is
Figure 112023055161715-pat00027
, wherein V saw is the maximum output voltage of the sawtooth wave output by the PWM controller,
The resistance value of the third resistor R 1 is determined according to Equation 16,
Equation 16 above is
Figure 112023055161715-pat00028
, where D max represents the maximum value of the switching duty when the battery is fully charged, and V o represents the output voltage of the buck converter when the battery is fully charged. controller.
 제1항에 있어서,
상기 제2 제어부는,
제1-2 입력 단자, 제2-2 입력 단자 및 제2 출력 단자를 포함하는 제2 연산 증폭기를 포함하고,
상기 벅 컨버터의 출력 노드와 제1 노드 사이에는 제5 저항 R4가 연결되고, 상기 제1 노드와 그라운드 노드 사이에는 제6 저항 R5이 연결되고,
상기 제2 연산 증폭기에는,
상기 제1-2 입력 단자에 상기 기준 전압 Vref가 연결되고, 상기 제2-2 입력 단자와 상기 제1 노드 사이에는 제7 저항 R6이 연결되고, 상기 제2-2 입력 단자와 상기 제2 출력 단자를 피드백 연결하는 제8 저항 R7과 제1 커패시터 C1이 직렬 연결되는 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 장치.
According to claim 1,
The second control unit,
A second operational amplifier including a 1-2 input terminal, a 2-2 input terminal, and a second output terminal;
A fifth resistor R 4 is connected between an output node of the buck converter and a first node, and a sixth resistor R 5 is connected between the first node and a ground node;
In the second operational amplifier,
The reference voltage V ref is connected to the 1-2 input terminal, a seventh resistor R 6 is connected between the 2-2 input terminal and the first node, and the 2-2 input terminal and the 2 A maximum power point follow-up control device for battery charging in which an eighth resistor R 7 and a first capacitor C 1 are connected in series to feedback-connect the output terminal.
 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 방법에 있어서,
기준 전압 Vref과 상기 배터리에 연결되는 벅 컨버터의 출력 전압을 입력 받고, 미리 설정된 피드백 파라미터에 기반하여 상기 배터리에 연결된 벅 컨버터의 스위칭 듀티 D가 최대값이 되도록 제1 연산 증폭기의 출력 신호를 제어하는 단계; 및
상기 제1 연산 증폭기의 출력 전압과 연결되는 피드백 루프에 기반하여 미리 설정된 안정 조건을 만족시키는 주파수 응답을 갖는 제2 연산 증폭기의 출력 신호를 생성하는 단계
를 포함하는 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 방법.
In the maximum power point follow-up control method for battery charging,
Controls the output signal of the first operational amplifier so that the reference voltage V ref and the output voltage of the buck converter connected to the battery are received, and the switching duty D of the buck converter connected to the battery is maximum based on a preset feedback parameter doing; and
generating an output signal of a second operational amplifier having a frequency response that satisfies a preset stability condition based on a feedback loop connected to an output voltage of the first operational amplifier;
Maximum power point follow-up control method for battery charging comprising a.
 제6항에 있어서,
상기 제1 연산 증폭기는 제1-1 입력 단자, 제2-1 입력 단자 및 제1 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 연산 증폭기에는,
상기 제1-1 입력 단자와 상기 제1 출력 단자 사이를 연결하는 제1 피드백 저항 Rf이 연결되고, 상기 제2-1 입력 단자에는 상기 기준 전압과 연결되는 제1 저항 Ra 및 그라운드 노드에 연결되며 상기 제1 피드백 저항과 동일한 저항 값을 갖는 제2 저항 Rf이 각각 연결되고, 상기 제1-1 입력 단자에는 상기 벅 컨버터의 출력 단자에 연결되는 제3 저항 R1 및 그라운드 노드에 연결되는 제4 저항 R2가 각각 연결되는 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 방법.
According to claim 6,
The first operational amplifier includes a 1-1 input terminal, a 2-1 input terminal, and a first output terminal,
In the first operational amplifier,
A first feedback resistor R f connecting between the 1-1 input terminal and the first output terminal is connected, and a first resistor R a connected to the reference voltage and a ground node are connected to the 2-1 input terminal. A second resistor R f having the same resistance value as the first feedback resistor is connected, and a third resistor R 1 connected to the output terminal of the buck converter and a ground node are connected to the 1-1 input terminal. A maximum power point follow-up control method for charging a battery to which a fourth resistor R 2 is connected, respectively.
 제7항에 있어서,
상기 미리 설정된 피드백 파라미터는,
상기 제4 저항 R2의 저항 값을 상기 제3 저항 R1의 저항 값과 상기 제4 저항 R2의 저항 값의 합으로 나눈 값으로서 정의되는 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 방법.
According to claim 7,
The preset feedback parameter is,
The maximum power point tracking control method for battery charging defined as a value obtained by dividing the resistance value of the fourth resistor R 2 by the sum of the resistance values of the third resistor R 1 and the resistance value of the fourth resistor R 2 .
 제8항에 있어서,
상기 제1 저항 Ra의 저항 값은 수학식 10에 따라 결정되고,
상기 수학식 10은
Figure 112023055161715-pat00029
이고,
상기 제1 피드백 저항 Rf의 저항 값은 수학식 15에 따라 결정되고,
상기 수학식 15는
Figure 112023055161715-pat00030
이고, 상기 Vsaw는 PWM 제어기가 출력하는 톱니파의 최대 출력 전압이고,
상기 제3 저항 R1의 저항 값은 수학식 16에 따라 결정되고,
상기 수학식 16은
Figure 112023055161715-pat00031
이고, 상기 Dmax는 상기 배터리가 완전 충전된 경우의 스위칭 듀티의 최대값을 나타내고, 상기 Vo는 상기 배터리가 완전 충전된 경우의 상기 벅 컨버터의 출력 전압을 나타내는 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 방법.
According to claim 8,
The resistance value of the first resistor R a is determined according to Equation 10,
Equation 10 above is
Figure 112023055161715-pat00029
ego,
The resistance value of the first feedback resistor R f is determined according to Equation 15,
Equation 15 above is
Figure 112023055161715-pat00030
, wherein V saw is the maximum output voltage of the sawtooth wave output by the PWM controller,
The resistance value of the third resistor R 1 is determined according to Equation 16,
Equation 16 above is
Figure 112023055161715-pat00031
, wherein D max represents the maximum value of the switching duty when the battery is fully charged, and Vo represents the output voltage of the buck converter when the battery is fully charged. Maximum power point follow-up control for battery charging method.
 제6항에 있어서,
상기 제2 연산 증폭기는 제1-2 입력 단자, 제2-2 입력 단자 및 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 벅 컨버터의 출력 노드와 제1 노드 사이에는 제5 저항 R4가 연결되고, 상기 제1 노드와 그라운드 노드 사이에는 제6 저항 R5이 연결되고,
상기 제2 연산 증폭기에는,
상기 제1-2 입력 단자에 상기 기준 전압 Vref가 연결되고, 상기 제2-2 입력 단자와 상기 제1 노드 사이에는 제7 저항 R6이 연결되고, 상기 제2-2 입력 단자와 상기 제2 출력 단자를 피드백 연결하는 제8 저항 R7과 제1 커패시터 C1이 직렬 연결되는 배터리 충전을 위한 최대 전력점 추종 제어 방법.According to claim 6,
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