KR101786370B1 - 차량의 태양전지 활용 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 태양전지 활용 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 차량의 여러 위치에 태양전지를 설치하였을 때 태양전지별 설치위치, 외부 요인에 의한 광량 및 광 조사각 등의 차이로 인해 나타나는 태양전지별 발전 특성의 차이를 고려하여 차량에서 안정된 태양전지 전력을 공급할 수 있는 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 이를 위해, 각각 차량의 정해진 위치에 설치된 복수 개의 태양전지; 상기 각 태양전지의 출력 상태를 검출하는 상태검출부; 상기 상태검출부를 통해 검출되는 각 태양전지의 출력 상태에 기초하여 태양전지 간의 직, 병렬 연결을 스위칭 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부가 출력하는 제어신호에 따라 전체 태양전지 또는 선택된 일부의 태양전지를 전력변환부에 대해 서로 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하는 스위칭 전환부; 및 상기 스위칭 전환부를 통해 전달되는 태양전지의 출력을 조절하여 차량의 배터리나 전기부하에 출력하는 전력변환부;를 포함하는 차량의 태양전지 활용 시스템, 및 그 제어 방법이 개시된다.

Description

차량의 태양전지 활용 시스템 및 그 제어 방법{System for using solar cell in vehicle and control method thereof}
본 발명은 차량의 태양전지 활용 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 여러 위치에 태양전지를 설치하였을 때 태양전지별 설치위치, 외부 요인에 의한 광량 및 광 조사각 등의 차이로 인해 나타나는 태양전지별 발전 특성의 차이를 고려하여 차량에서 안정된 태양전지 전력을 공급할 수 있는 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 광전변환소자이다.
종래에는 태양전지로 단결정 또는 다결정의 실리콘 태양전지가 많이 사용되었으나, 실리콘 태양전지는 제조시에 대형의 고가 장비가 사용될 뿐만 아니라 원료가격 또한 고가이어서 제조비용이 높고, 태양에너지를 전기에너지로 변환할 때의 효율을 개선하는데에도 한계가 있어 새로운 대안이 모색되었다.
이에 실리콘 태양전지의 대안으로 저가로 제조할 수 있는 유기재료를 사용한 태양전지에 대한 관심이 증가하고 있는데, 제조비용이 매우 저렴한 염료감응 태양전지가 많은 주목을 받고 있는 실정이다.
염료감응 태양전지는 투명전극으로 제조할 수 있고, 다양한 색상 및 디자인 적용이 가능하며, 반투명 특성, 즉 외부와 내부를 반투명하게 볼 수 있는 시각적인 장점을 가지므로 기존의 실리콘 태양전지나 기타 태양전지에 비해 투명성이 요구되는 분야에서 유리한 이점이 있다.
태양전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 중요성이 높아지고 있고, 활용 분야도 넓어지고 있는 추세이다.
자동차 업계도 이와 같은 추세에 부응하여 태양전지 및 그로부터 출력된 전기에너지를 활용하는 시스템을 탑재한 자동차를 개발 및 출시하고 있다.
예를 들면, 차체(차체 루프 패널이나 선루프/파노라마루프 등)에 태양전지 패널을 장착하여 태양전지로 발전한 전력을 차량에서 이용할 수 있도록 하는 기술이 개발되고 있다.
선루프나 파노라마루프에 태양전지를 적용할 경우 선루프 및 파노라마루프가 가지고 있는 개방감을 살리면서도 태양에너지를 다양한 응용분야에 활용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 루프 패널이나 선루프, 파노라마루프에 적용된 태양전지는 주차 중인 차량의 전력공급원으로도 유용하게 활용될 수 있으며, 일례로 주차 중에 태양전지의 발전 전력으로 공조블로워를 작동시켜 차량 실내온도를 낮추는 것이 가능해진다.
차량에 태양전지를 탑재하여 전력공급원으로 사용하는 선행기술 문헌으로는 미국 공개특허 제2009-0314556호, 미국 특허 제6476315호, 일본 공개특허 제2013-107554호, 일본 공개특허 제2000-180253호 등을 들 수 있다.
한편, 차량의 여러 곳에 태양전지를 설치하였을 때 위치별 광량 및 태양전지에서의 광 입사각(태양전지에 대한 광 조사각) 등의 환경적 요인으로 인해 일부 태양전지에서는 출력 저하가 발생할 수 있다.
또한, 차량에 설치된 태양전지들을 모두 직렬로 연결할 경우 일부 태양전지에서 출력 저하가 발생하면 태양전지 전체의 출력이 저하되는 문제가 발생한다.
차량 태양전지 시스템의 발전 효율이 극대화되기 위해서는 모든 태양전지에 태양의 직사광선이 고르게 입사되는 것이 바람직하지만, 차량에서 태양전지가 설치되는 위치나 태양전지의 설치각도, 기타 외부 요소 등으로 인해 전체 태양전지 중 일부 또는 전부에 그림자(음영)가 생길 수 있다.
또한, 하나의 태양전지 내에서도 일부 셀에서 태양광이 가려져 그림자가 발생하면 해당 셀에서 전류가 감소하여 해당 태양전지의 발전 전력(출력)이 저하되고, 이때 서로 직렬로 연결된 전체 셀의 전류 흐름이 막히면서 해당 태양전지 전체의 전력 손실이 발생할 수 있다.
태양전지의 차량 적용 기술 및 차량 태양전지 시스템의 개발 현황을 살펴보면, 태양전지를 차량의 루프(선루프 및 파노라마루프 포함)뿐만 아니라 후드(본네트), 도어, 트렁크 리드, 리어 스포일러 등의 다양한 위치에 적용하여 설치하는 것이 연구되고 있다.
하지만, 설치위치에 따라 태양전지마다 광량 및 광 조사각 차이가 발생하여 발전 특성의 차이를 나타내고 있으며, 여러 위치에 태양전지를 설치하였을 때, 전체 태양전지 중 일부 태양전지에서 태양광이 가려져 출력이 저하되거나, 설치위치에 따라 광량 및 태양 조사각의 차이가 발생하여 일부 태양전지의 출력이 저하될 수 있고, 하나의 태양전지에서도 일부 셀에서 태양광이 가려질 경우 그 태양전지의 출력이 저하될 수 있다.
그러나, 차량 내 태양전지별 발전 특성의 차이를 고려하여 차량에서 안정된 태양전지 발전 전력을 공급할 수 있는 시스템 및 기술은 부재한 상황이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 차량의 여러 위치에 태양전지를 설치하였을 때 태양전지별 설치위치, 외부 요인에 의한 광량 및 광 조사각 등의 차이로 인해 나타나는 태양전지별 발전 특성의 차이를 고려하여 차량에서 안정된 태양전지 전력을 공급할 수 있는 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 각각 차량의 정해진 위치에 설치된 복수 개의 태양전지; 상기 각 태양전지의 출력 상태를 검출하는 상태검출부; 상기 상태검출부를 통해 검출되는 각 태양전지의 출력 상태에 기초하여 태양전지 간의 직, 병렬 연결을 스위칭 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부가 출력하는 제어신호에 따라 전체 태양전지 또는 선택된 일부의 태양전지를 전력변환부에 대해 서로 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하는 스위칭 전환부; 및 상기 스위칭 전환부를 통해 전달되는 태양전지의 출력을 조절하여 차량의 배터리나 전기부하에 출력하는 전력변환부;를 포함하는 차량의 태양전지 활용 시스템을 제공한다.
그리고, 각각 차량의 정해진 위치에 설치된 복수 개의 태양전지에 대하여 각 태양전지의 출력 상태가 상태검출부에 의해 검출되는 단계; 상기 상태검출부에 의해 검출된 각 태양전지의 출력 상태에 기초하여 전력변환부에 대해서 각 태양전지를 서로 간에 직렬로 연결할 것인지, 병렬로 연결할 것인지를 결정하는 단계; 상기 각 태양전지의 출력 상태에 기초하여 결정된 결과에 따라 스위칭 전환부의 구동을 제어하여 전체 태양전지 또는 선택된 일부의 태양전지를 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하는 단계; 및 전력변환부의 구동을 제어하여 스위칭 전환부를 통해 전달되는 태양전지의 출력을 상기 전력변환부를 통해 조절하여 차량의 배터리나 전기부하에 출력되도록 하는 단계;를 포함하는 차량의 태양전지 활용 시스템의 제어 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 차량의 태양전지 활용 시스템 및 그 제어 방법에 의하면, 차량의 여러 부분에 설치된 태양전지를 듀얼 DC-DC 컨버터를 활용하여 최대의 태양전지 출력을 확보할 수 있으며, 이를 통해 차량 배터리를 충전하거나 주차 환기 시스템 등의 전기부하를 작동시킬 수 있는바, 차량 연비 향상의 효과를 극대화할 수 있게 된다.
특히, 각 태양전지의 발전 상태를 모니터링하여, 발전 상태에 따라 정상 출력 범위의 태양전지들은 서로 직렬로 연결하여 직렬 연결 상태로 발전 전력을 출력하도록 하고, 비정상 출력 상태의 태양전지는 병렬로 연결하거나 출력을 차단하여 다른 태양전지의 출력에 미치는 영향이 최소화되면서 항상 안정된 태양전지의 전력이 차량에 공급될 수 있게 된다.
도 1은 설치위치에 따른 태양전지의 출력 상태를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 태양전지 활용 시스템을 개략적으로 도시한 회로 구성도이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 활용 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 활용 시스템의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
참고로, 본 발명의 이해를 돕기 위해 차량의 여러 위치에 태양전지를 설치하였을 때 태양전지별 발전 특성에 대해 좀더 설명하기로 한다.
차량에 복수 개의 태양전지가 적용될 수 있는데, 예를 들어 차량의 루프, 후드, 운전석 도어, 조수석 도어, 트렁크 리드의 5곳에 태양전지가 설치되었다면, 설치위치에 따라 태양전지별 광량 및 광 조사각의 차이가 발생할 수 있고, 그로 인해 태양전지별 발전 특성의 차이가 발생할 수 있다.
도 1을 참조하면, 동일한 출력 용량(예, 25W)의 태양전지를 루프, 후드, 운전석 도어, 조수석 도어, 트렁크 리드에 설치하였을 때, 각 태양전지에서 시간에 따라 광량 및 광 조사각 변화가 나타나고, 설치위치에 따라 태양전지마다 광량 및 광 조사각의 차이가 발생하면서 태양전지별로 출력이 모두 상이함을 알 수 있다.
특히, 일부 태양전지에서는 일부 셀에서 태양광이 가려져 그림자가 생기면서 급격한 출력 저하가 나타남을 알 수 있다.
또한, 운전석 도어와 조수석 도어에 설치된 태양전지를 비교하였을 때, 운전석 도어 태양전지가 저출력, 조수석 도어 태양전지가 고출력이었다가, 차량 위치 및 주행 방향이 바뀌면서 광 조사각 변화가 발생하여 운전석 고출력, 조수석 저출력 상황이 되고 있다.
이와 같이 차량의 다양한 위치에 태양전지를 설치하였을 때 태양전지의 설치위치에 따라, 그리고 태양전지별 광량 및 광 조사각, 그림자 유무 등의 여러 요인에 따라 태양전지별로 출력 전압 및 전류의 차이가 크게 나타난다.
이러한 복수 개의 태양전지를 모두 직렬로 연결할 경우 일부 태양전지의 출력이 저하되었을 때 전류 손실이 발생하고, 태양전지들을 모두 병렬로 연결할 경우 전압 손실이 발생한다.
또한, 복수 개의 태양전지를 가지는 태양전지 활용 시스템에서 태양전지별 출력 차이로 인한 문제점을 극복하기 위하여 MPPT 제어기(Maximum Power Point Tracking Controller)와 함께 전력변환장치(DC-DC Converter)를 개별 태양전지마다 장착할 경우 시스템을 구성하는데 많은 비용이 발생할 수 있다.
따라서, 차량의 여러 위치에 태양전지가 설치되었을 때, 각 태양전지의 발전 상태, 즉 출력 상태를 모니터링하여 발전 상태에 따라 태양전지들을 선택적으로 직렬 연결하거나 병렬로 연결해주는 것이 필요하다.
이에 본 발명에서는 상기와 같은 방법으로 각 위치의 태양전지별 출력 차이로 인한 태양전지 전체 최종 출력 저하의 문제점을 해결할 수 있고, 차량에서 더욱 안정된 태양전지 전력을 공급할 수 있는 시스템 및 그 제어 방법을 제시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 태양전지 활용 시스템을 개략적으로 도시한 회로 구성도이고, 도 3과 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 활용 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 시스템의 구성과 함께 태양전지에서 발생한 전력 흐름의 경로를 보여주고 있고, 도 4는 시스템의 구성과 함께 센서 신호 및 제어신호의 전달 경로를 보여주고 있다.
본 발명은 차량의 각 위치에 장착된 태양전지(1 ~ N)들의 전극부, 즉 (+),(-) 극에 대한 스위칭 제어를 통하여 최대 출력을 나타낼 수 있는 태양전지 간 연결 구조의 구현 및 그 제어가 이루어질 수 있도록 한 점에 주된 특징이 있는 것이다.
이러한 본 발명에 따르면, 개별 태양전지(1 ~ N)마다 전력변환장치(DC-DC 컨버터)를 장착할 필요 없이 간단한 구성 및 부품 추가만으로 안정적인 시스템 출력을 확보할 수 있고, 비용 절감을 도모할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 각 태양전지(1 ~ N)의 출력 상태를 모니터링하여 태양전지의 발전 상태를 고려한 스위칭 제어를 통하여 태양전지 간의 직/병렬 연결 구조를 제어한다.
즉, 상기한 스위칭 제어를 통해 차량에 장착된 태양전지 간의 직/병렬 연결 구조를 각 태양전지 발전 상태에 따라 수시로 바꿔주면서 원하는 전류, 전압 출력을 확보할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 상기한 직/병렬 스위칭 제어를 통하여 얻어지는 시스템의 최대 출력을 배터리(130)에 공급하여 배터리 충전이 이루어지도록 함과 더불어, 차량 내 전기부하(141 ~ M)가 병렬적으로 사용될 수 있도록 전력을 분배 및 공급한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 활용 시스템은 태양전지(1 ~ N), 상태검출부(11~13), 제어부(100), 스위칭 전환부(110), 전력변환부(120), 배터리(130) 및 전기부하(141 ~ M)를 포함한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 활용 시스템은 차량의 여러 위치에 설치되는 복수 개의 태양전지(1 ~ N)를 포함하며, 여기서 태양전지는 차량의 차체 여러 곳, 예를 들면 루프, 후드, 도어(운전석 도어, 조수석 도어, 후석 도어 등), 트렁크 리드, 스포일러(리어 스포일러 등)에 설치된 것들이다.
또한, 각 태양전지(1 ~ N)는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 복수 개의 셀들(Cells)로 구성된 태양전지 패널(Solar PV(Photovoltaics) Panel)이 될 수 있다.
이와 같이 각 태양전지는 차량에서 다양한 위치에 설치되어 각각의 전극부, 즉 (+), (-)극을 통하여 발전 전력을 출력하는 공지의 광전변환장치를 의미할 수 있다.
또한, 도 2에는 태양전지(1 ~ N)로서 전극부인 (+), (-)극에 출력회로가 연결된 태양전지 패널만이 그 예로 도시되어 있으나, 태양전지 패널과 함께 패널에서 생성된 발전 전력이 외부 출력되도록 하기 위해서 개별 패널마다 필수적으로 구비되어야 하는 미도시된 회로 요소들을 포함할 수 있다.
예를 들면, 다이오드, MPPT 컨트롤러, MPPT 알고리즘에 따라 태양전지 전압 출력을 조정하는 DC-DC 컨트롤 유닛(DC-DC 컨버터)와 같은 공지의 요소들이 포함된 것일 수 있다.
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 활용 시스템은 각 태양전지의 발전 상태를 검출하는 상태검출부를 포함하며, 이는 각 태양전지(1 ~ N)마다 설치되어 해당 태양전지로부터 출력되는 발전 전류 및 전압을 검출하는 센서(11 ~ 13)들을 포함한다.
상기 제어부(100)는 상태검출부(11 ~ 13)를 통해 검출되는 정보, 즉 각 태양전지의 전류 및 전압 정보에 기초하여 태양전지(1 ~ N) 간의 직, 병렬 연결을 스위칭 제어하기 위한 제어신호를 출력하도록 구비된다.
이러한 제어부(100)의 제어신호에 따라 스위칭 전환부(110)의 구동이 제어되며, 스위칭 전환부(110)는 각 태양전지(1 ~ N)의 (+), (-)극과 전력변환부(120) 입력단 사이의 출력회로상에 설치되는 것으로, 제어부(100)의 제어신호에 따라 온/오프(on/off) 구동이 제어되는 복수 개의 스위치들이 조합된 구성이 될 수 있다.
여기서, 스위치는 외부의 전기적인 신호에 따라서 온/오프 되는 회로 개폐용 릴레이 스위치나 반도체 스위치 등이 될 수 있다.
상기 스위칭 전환부(100)는, 각 태양전지의 (+), (-)에 연결된 출력회로상에 설치되어, 제어부(100)의 제어신호에 따라 온/오프 구동이 제어되는 상기 복수 개의 스위치들을 통하여, 전체 태양전지(1 ~ N) 또는 전체 태양전지 중 선택된 일부의 태양전지를 전력변환부(120)에 대해 서로 직렬로 연결하거나 병렬로 연결할 수 있도록 구성된다.
이때, 선택된 스위치의 온 또는 오프 제어 상태에 따라서 직렬로 연결되는 태양전지와 병렬로 연결되는 태양전지가 구분 및 선택되어 회로 연결된다.
도 2에서 스위칭 전환부(110)를 구성하는 스위치들의 배치나 배열, 조합 형태는 선택된 태양전지들이 스위치에 의해 직렬 또는 병렬로 연결됨을 개념적으로 보여주기 위한 하나의 예를 나타내는 것으로, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
복수 개의 요소 중 선택된 일부의 요소들이 전기적으로 직렬 연결되고 선택된 다른 일부의 요소들이 병렬 연결되도록 스위칭할 수 있는 회로 구성이라면, 공지의 스위칭 회로 형태 중 하나를 채택하여 태양전지의 수를 고려한 스위칭 전환부(110)의 회로를 구성하는 것이 가능하다.
한편, 전력변환부(120)는 스위칭 전환부(110)를 통해 전달되는 태양전지의 출력을 최종 조절하여 출력한다.
이를 위해, 직렬로 연결된 태양전지들의 전력을 설정전압의 전력으로 변환하여 출력하는 제1 전력변환장치, 즉 직렬용 DC-DC 컨버터(122)와, 병렬로 연결된 태양전지들의 전력을 설정전압의 전력으로 변환하여 출력하는 제2 전력변환장치, 즉 병렬용 DC-DC 컨버터(124)를 포함한다.
이와 같이 본 발명에서는 직렬용 DC-DC 컨버터(122)와 병렬용 DC-DC 컨버터(124)를 함께 이용하는 듀얼 DC-DC 컨버터 방식이 적용된다.
또한, 상기와 같이 듀얼 DC-DC 컨버터를 이용하는 태양전지 활용 시스템에서 각 컨버터(122,124)의 구동은 제어부(100)의 제어신호에 따라 제어되며, 태양전지 발전 전력이 입력되는 각 컨버터(122,124)의 입력단에는 제어부(100)의 제어신호에 따라 저항값이 가변되는 가변저항회로부(121,123)가 설치될 수 있다.
상기한 전력변환부(120)의 출력단에는 차량에 탑재된 배터리(130)와 차량에서 사용되는 각종 전기부하(141 ~ M)가 전원공급회로를 통해 연결되며, 상기 전원공급회로에는 전력 공급을 단속하는 회로 개폐용 스위치(129)가 설치된다.
여기서, 전기부하(141 ~ M)는 차량에 장착된 각종 전장부하, 주차 환기 시스템을 포함하는 공조 장치, 차량에 연결하여 사용하는 각종 전기장치 등이 될 수 있다.
상기 주차 환기 시스템은 주차 중에 차량 실내 환기를 수행하도록 작동하는 장치이며, 태양전지(1 ~ N)의 전력을 공급받아 작동하는 전기부하로서 공조블로워를 포함하는 것이 될 수 있다.
이와 같이 배터리(130)와 차량 내 전기부하(141 ~ M)가 스위칭 전환부(110) 및 전력변환부(120)를 포함하는 태양전지 전력 제어부(Solar Cell Power Controller)에 연결되어 병렬적으로 사용될 수 있도록 작동전력을 분배받게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 활용 시스템의 제어 과정을 나타내는 순서도로서, 이를 참조하여 실시예에 따른 태양전지 활용 시스템의 제어 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 5에서 Rv는 각 태양전지(1 ~ N)마다 구해지는 전압 출력에 있어서의 태양전지 발전 상태값으로서, 각 태양전지별로 정해져 있는 고유값인 기본 출력 전압값에 대한 해당 태양전지의 최대 전력점에서의 전압값(Vmax)의 비율(%)로 정의된다.
또한, RI는 각 태양전지마다 구해지는 전류 출력에 있어서의 태양전지 발전 상태값으로서, 각 태양전지별로 정해져 있는 고유값인 기본 출력 전류값에 대한 해당 태양전지의 최대 전력점에서의 전류값(Imax)의 비율(%)로 정의된다.
상기 Rv와 RI는 해당 태양전지의 현재 발전 상태에 따라 달라지는 값으로서, 상기 기본 출력 전압값은 IEC 61646 측정 기준 태양전지 출력 전압값(VST)이 될 수 있고, 상기 기본 출력 전류값은 IEC 61646 측정 기준 태양전지 출력 전류값(IST)이 될 수 있다(RV = Vmax/VST, RI = Imax/IST).
IEC 61646에 따르면, 태양전지의 기본 출력값, 즉 기본 출력 전압값(VST)과 기본 출력 전류값(IST)은 해당 태양전지에 대해 1sun(1000W/㎡)의 광량과 25℃의 공기 온도를 기준으로 측정된다.
또한, 태양전지 작동 중 RV와 RI는 후술하는 바와 같이 제어 과정에서 각각의 직병렬 전압 기준값(%) 및 직병렬 전류 기준값(%)과 각각 비교되고, 더불어 차단 전압 기준값(%) 및 차단 전류 기준값(%)과도 비교된다.
여기서, 직병렬 전압 기준값(%)과 직병렬 전류 기준값(%)은 서로 같거나(예, 80%) 서로 다른 값이 될 수 있다.
또한, 각 태양전지(1 ~ N)마다 직병렬 전압 기준값(%)과 직병렬 전류 기준값(%)이 미리 정해지는데, 각 태양전지별 직병렬 전압 기준값은 도시된 바와 같이 A1, A2, A3, AN과 같이 태양전지별로 모두 다른 값이거나 일부가 서로 다른 값일 수 있고, 또는 모두 동일한 값(예, 80%)일 수 있다.
그리고, 각 태양전지별 직병렬 전류 기준값 또한 도시된 바와 같이 B1, B2, B3, BN과 같이 태양전지별로 모두 다른 값이거나 일부가 서로 다른 값일 수 있고, 또는 모두 동일한 값(예, 80%)일 수 있다.
또한, 차단 전압 기준값(C)(%)과 차단 전류 기준값(D)(%)은 서로 같거나(예, 70%) 서로 다른 값이 될 수 있다.
그리고, 각 태양전지마다 차단 전압 기준값(C)(%)과 차단 전류 기준값(D)(%)이 정해지는데, 각 태양전지별 차단 전압 기준값(C)은 모두 또는 일부가 서로 다른 값일 수 있고, 또는 도시된 바와 같이 모두 동일한 값(예, C = 70%)일 수 있다.
또한, 각 태양전지별 차단 전류 기준값(D) 또한 모두 또는 일부가 서로 다른 값일 수 있고, 또는 도시된 바와 같이 모두 동일한 값(예, D = 70%)일 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 제어 과정을 순서대로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 각 태양전지(1 ~ N)의 발전이 이루어지고, 이때 각 태양전지에 대해 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘에 따른 제어, 즉 MPPT 제어가 수행된다.
또한, 제어부(100)에서는 각 태양전지(1 ~ N)에 대해 MPPT 제어가 이루어지는 동안 해당 태양전지의 최대 전력점에서의 전압값(Vmax)과 전류값(Imax)이 모니터링되는데, 이는 MPPT 제어시 상태검출부의 센서(11 ~ 13), 각 태양전지(1 ~ N)에 설치된 전압센서 및 전류센서에 의해 검출되는 센서값이 될 수 있다.
상기와 같이 각 태양전지(1 ~ N)마다 최대 전력점에서의 전압값(Vmax)와 전류값(Imax)이 구해지면, 제어부(100)에서는 전압값(Vmax) 및 전류값(Imax)과 함께 해당 태양전지의 기본 출력 전압값(Vmax) 및 기본 출력 전류값(Imax)을 이용하여, 전압과 전류 출력에 있어서의 태양전지 발전 상태값인 Rv와 RI를 산출한다.
이어 산출된 각 태양전지(1 ~ N)의 발전 상태값인 Rv와 RI를 모니터링하여 해당 태양전지의 직병렬 전압 기준값(A1,A2,A3,...,AN)과 직병렬 전류 기준값(B1,B2,B3,...,BN)과 비교한다.
이때, Rv와 RI가 모두 직병렬 기준값 이상이면, 즉 Rv가 직병렬 전압 기준값 이상이고, RI가 직병렬 전류 기준값 이상이면, 정상 출력 범위로 인지하여 정상 출력 범위를 나타내고 있는 태양전지에 대해서는 직렬 연결한다.
예를 들어, MPPT 제어 과정에서 각 태양전지(1 ~ N)의 최대 전력점에서의 전압값(Vmax), 전류값(Imax)을 모니터링하여, 그 전압값(Vmax)과 전류값(Imax)이 IEC 61646 측정 기준 대비 80% 이상이면(RV ≥ 80%(= A1,A2,A3,...AN), RI ≥ 80%(= B1,B2,B3,...BN)), 해당 태양전지에 대해서는 정상 출력 범위로 인지하여 직렬 연결을 한다.
이때, 제어부(100)는 정상 출력 범위에 있는 태양전지를 직렬로 연결하기 위한 제어신호를 출력하게 되고, 이에 제어부(100)가 출력하는 제어신호에 따라 스위칭 전환부(110)의 구동이 제어되어(해당 릴레이 스위치 또는 반도체 스위치의 구동이 제어됨) 정상 출력 범위에 있는 태양전지를 직렬로 회로 연결한다.
즉, 제어부(100)가 해당 태양전지를 직렬로 연결하기 위한 스위칭 전환부(110) 내 릴레이 스위치를 온(on) 시키고, 이후 전력변환부(120)에서의 설정전압 출력이 이루어지도록 직렬용 DC/DC 컨버터(122)의 작동을 제어하게 된다.
반면, 각 태양전지(1 ~ N)의 RV는 직병렬 전압 기준값 이상이지만, RI가 직병렬 전류 기준값 미만이면, 해당 태양전지에서 국부적인 그림자나 광량 감소, 핫스팟 등의 문제가 발생한 상태로서, 이 경우 비정상 출력이 이루어지고 있는 태양전지를 직렬 연결을 하게 되면, 가장 발전 상태가 좋지 않은 비정상 출력의 태양전지, 즉 출력이 저하된 태양전지의 전류값(Imax)으로 모든 태양전지의 전류값이 수렴하게 된다.
따라서, RV는 직병렬 전압 기준값 이상이지만, RI가 직병렬 전류 기준값 미만인 태양전지의 경우, 해당 태양전지를 병렬로 연결하여야 다른 태양전지의 전압과 전류 출력을 모두 보존할 수 있는바, 제어부(100)는 해당 태양전지에 대해서는 병렬로 연결하기 위한 제어신호를 출력하게 된다.
이에 제어부(100)가 출력하는 제어신호에 따라 스위칭 전환부(110)의 구동이 제어되어(해당 릴레이 스위치 또는 반도체 스위치의 구동이 제어됨) 비정상 출력의 태양전지를 병렬로 회로 연결한다.
예로서, 전압값(Vmax)이 IEC 61646 측정 기준 대비 80% 이상이지만(RV ≥ 80%(= A1,A2,A3,...AN)), 전류값(Imax)이 IEC 61646 측정 기준 대비 80% 미만이면(RI < 80%(= B1,B2,B3,...BN)), 해당 태양전지에 대해서는 비정상 출력 상태인 것으로 인지하여 병렬 연결한다.
즉, 제어부(100)가 해당 태양전지를 병렬로 연결하기 위한 스위칭 전환부(110) 내 릴레이 스위치를 온(on) 시키고, 이후 전력변환부(120)에서의 설정전압 출력이 이루어지도록 병렬용 DC/DC 컨버터(122)의 작동을 제어하게 된다.
그리고, 각 태양전지(1 ~ N)의 RV가 직병렬 전압 기준값 미만이면서 RI가 직병렬 전류 기준값 이상인 경우, 그 예로서 전압값(Vmax)이 IEC 61646 측정 기준 대비 80% 미만이면서 전류값(Imax)이 IEC 61646 측정 기준 대비 80% 이상인 경우는, 태양전지의 각 셀들이 직렬로 연결되어 있기 때문에 존재할 수 없는 경우이므로, 본 제어 과정에서 제외한다.
아울러, 각 태양전지(1 ~ N)의 Rv와 RI가 차단 전압 기준값(C) 및 차단 전류 기준값(D) 미만인 경우, 즉 Rv가 차단 전압 기준값(C) 미만이거나 RI가 차단 전류 기준값(D) 미만인 경우, 제어부(100)는 해당 태양전지에 대해서는 전력변환부(120)로의 출력을 차단한다.
예로서, 전압값(Vmax)이 IEC 61646 측정 기준 대비 70% 미만이거나(RV < 70%(= C)), 전류값(Imax)이 IEC 61646 측정 기준 대비 70% 미만이면(RI < 70%(= D)), 해당 태양전지에 대해서는 출력을 차단한다.
이때, 제어부(100)는 해당 태양전지의 차단을 위한 제어신호를 출력하고, 제어부(100)가 출력하는 제어신호에 따라 스위칭 전환부(110)의 구동이 제어되어(해당 릴레이 스위치 또는 반도체 스위치의 구동이 제어됨) 해당 태양전지로부터 전력변환부(120)로의 출력이 차단되도록 한다.
또는 상기 태양전지의 출력 차단은 스위칭 전환부(110)에 의해 이루어질 수도 있으나, 각 태양전지(1 ~ N)의 출력단에 별도의 차단 스위치(10), 즉 릴레이 스위치나 반도체 스위치를 추가하는 것도 적용 가능하며, 이때 제어부(100)의 제어신호에 따라 해당 태양전지의 차단 스위치(10)가 오프될 경우 해당 태양전지의 출력이 차단될 수 있게 된다.
본 발명에서 직병렬 전압 기준값과 직병렬 전류 기준값은 상기와 같이 차단 전압 기준값과 차단 전류 기준값보다 큰 값으로 설정되어야 한다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 차량의 여러 부분에 설치된 태양전지를 듀얼 DC-DC 컨버터를 활용하여 최대의 태양전지 출력을 확보할 수 있으며, 이를 통해 차량 배터리를 충전하거나 주차 환기 시스템 등의 전기부하를 작동시킬 수 있는바, 차량 연비 향상의 효과를 극대화할 수 있게 된다.
특히, 각 태양전지의 발전 상태를 모니터링하여, 발전 상태에 따라 정상 출력 범위의 태양전지들은 서로 직렬로 연결하여 직렬 연결 상태로 발전 전력을 출력하도록 하고, 비정상 출력 상태의 태양전지는 병렬로 연결하거나 출력을 차단하여 다른 태양전지의 출력에 미치는 영향이 최소화되면서 항상 안정된 태양전지의 전력이 차량에 공급될 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1, 2, 3, 4,..., N : 태양전지
10 : 차단 스위치
11, 12, 13 : 전압센서, 전류센서
00 : 제어부
110 : 스위칭 전환부
120 : 전력변환부
121, 123 : 가변저항회로부
122 : 직렬용 DC-DC 컨버터
124 : 병렬용 DC-DC 컨버터
130 : 배터리
141, 142, 143, 144,...,M : 전기부하

Claims (23)

  1. 각각 차량의 정해진 위치에 설치된 복수 개의 태양전지;
    상기 각 태양전지의 출력 상태를 검출하는 상태검출부;
    상기 상태검출부를 통해 검출되는 각 태양전지의 출력 상태에 기초하여 태양전지 간의 직, 병렬 연결을 스위칭 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부;
    상기 제어부가 출력하는 제어신호에 따라 전체 태양전지 또는 선택된 일부의 태양전지를 전력변환부에 대해 서로 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하는 스위칭 전환부; 및
    상기 스위칭 전환부를 통해 전달되는 태양전지의 출력을 조절하여 차량의 배터리나 전기부하에 출력하는 전력변환부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 상태검출부에 의해 검출된 각 태양전지의 최대 전력점에서의 전압값과 최대 전력점에서의 전류값, 및 각 태양전지별로 미리 정해진 기본 출력 전압값과 기본 출력 전류값에 기초하여 해당 태양전지를 직렬 연결할 것인지, 병렬 연결할 것인지를 결정하며,
    각 태양전지별로 상기 기본 출력 전압값에 대한 최대 전력점에서의 전압값의 비율인 RV(%), 및 각 태양전지별로 상기 기본 출력 전류값에 대한 최대 전력점에서의 전류값의 비율인 RI(%)를 구하고,
    각 태양전지별로 구해진 상기 RV와 RI의 값을 각 태양전지의 직병렬 전압 기준값과 직병렬 전류 기준값과 비교하여 각 태양전지의 직렬 연결 및 병렬 연결을 결정하도록 설정된 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상태검출부는,
    상기 각 태양전지의 출력 전압을 검출하는 전압센서; 및
    상기 각 태양전지의 출력 전류를 검출하는 전류센서;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 전환부는,
    상기 각 태양전지와 전력변환부 입력단 사이의 출력회로상에 설치되고 상기 제어부의 제어신호에 의해 제어되는 온/오프 상태에 따라 각 태양전지를 직렬 또는 병렬 연결하는 복수 개의 스위치들이 조합된 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변환부는,
    직렬 연결된 태양전지의 출력을 전달받아 조절하여 출력하는 직렬용 DC-DC 컨버터; 및
    병렬 연결된 태양전지의 출력을 전달받아 조절하여 출력하는 병렬용 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 태양전지의 기본 출력 전압값이 IEC 61646 측정 기준 해당 태양전지의 출력 전압값(VST)으로 정해지고, 상기 각 태양전지의 기본 출력 전류값은 IEC 61646 측정 기준 해당 태양전지의 출력 전류값(IST)으로 정해지는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 태양전지의 Rv가 직병렬 전압 기준값 이상이면서 RI가 직병렬 전류 기준값 이상인 경우, 해당 태양전지를 직렬 연결하기 위한 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 태양전지의 RV가 직병렬 전압 기준값 이상이면서 RI는 직병렬 전류 기준값 미만인 경우, 해당 태양전지를 병렬 연결하기 위한 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부에 상기 직병렬 전압 기준값보다 작은 값으로 차단 전압 기준값이 설정되고, 상기 직병렬 전류 기준값보다 작은 값으로 차단 전류 기준값이 설정되며,
    상기 제어부는,
    상기 태양전지의 Rv가 차단 전압 기준값 미만이거나 RI가 차단 전류 기준값 미만인 경우, 해당 태양전지에 대해 전력변환부로의 출력을 차단하기 위한 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어부가 출력하는 제어신호에 따라 스위칭 전환부의 구동이 제어되어 해당 태양전지의 전력변환부로의 출력이 차단되도록 한 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어부가 출력하는 제어신호에 따라 해당 태양전지의 출력을 차단하는 차단 스위치가 각 태양전지의 출력단에 설치된 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템.
  13. 각각 차량의 정해진 위치에 설치된 복수 개의 태양전지에 대하여 각 태양전지의 출력 상태가 상태검출부에 의해 검출되는 단계;
    상기 상태검출부에 의해 검출된 각 태양전지의 출력 상태에 기초하여 전력변환부에 대해서 각 태양전지를 서로 간에 직렬로 연결할 것인지, 병렬로 연결할 것인지를 결정하는 단계;
    상기 각 태양전지의 출력 상태에 기초하여 결정된 결과에 따라 스위칭 전환부의 구동을 제어하여 전체 태양전지 또는 선택된 일부의 태양전지를 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하는 단계; 및
    전력변환부의 구동을 제어하여 스위칭 전환부를 통해 전달되는 태양전지의 출력을 상기 전력변환부를 통해 조절하여 차량의 배터리나 전기부하에 출력되도록 하는 단계를 포함하고,
    상기 상태검출부에 의해 검출된 각 태양전지의 최대 전력점에서의 전압값과 최대 전력점에서의 전류값, 및 각 태양전지별로 미리 정해진 기본 출력 전압값과 기본 출력 전류값에 기초하여 해당 태양전지를 직렬 연결할 것인지, 병렬 연결할 것인지를 결정하며,
    각 태양전지별로 상기 기본 출력 전압값에 대한 최대 전력점에서의 전압값의 비율인 RV(%), 및 각 태양전지별로 상기 기본 출력 전류값에 대한 최대 전력점에서의 전류값의 비율인 RI(%)를 구하고,
    각 태양전지별로 구해진 상기 RV와 RI의 값을 각 태양전지의 직병렬 전압 기준값과 직병렬 전류 기준값과 비교하여 각 태양전지의 직렬 연결 및 병렬 연결을 결정하도록 설정된 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템의 제어 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 상태검출부는,
    상기 각 태양전지의 출력 전압을 검출하는 전압센서; 및
    상기 각 태양전지의 출력 전류를 검출하는 전류센서;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템의 제어 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 전력변환부는,
    직렬 연결된 태양전지의 출력을 전달받아 조절하여 출력하는 직렬용 DC-DC 컨버터; 및
    병렬 연결된 태양전지의 출력을 전달받아 조절하여 출력하는 병렬용 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템의 제어 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 각 태양전지의 기본 출력 전압값이 IEC 61646 측정 기준 해당 태양전지의 출력 전압값(VST)으로 정해지고, 상기 각 태양전지의 기본 출력 전류값은 IEC 61646 측정 기준 해당 태양전지의 출력 전류값(IST)으로 정해지는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템의 제어 방법.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 태양전지의 Rv가 직병렬 전압 기준값 이상이면서 RI가 직병렬 전류 기준값 이상인 경우, 해당 태양전지를 직렬 연결하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템의 제어 방법.
  20. 청구항 13에 있어서,
    상기 태양전지의 RV가 직병렬 전압 기준값 이상이면서 RI는 직병렬 전류 기준값 미만인 경우, 해당 태양전지를 병렬 연결하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템의 제어 방법.
  21. 청구항 13에 있어서,
    상기 직병렬 전압 기준값보다 작은 값으로 차단 전압 기준값이 설정되고, 상기 직병렬 전류 기준값보다 작은 값으로 차단 전류 기준값이 설정되며,
    상기 태양전지의 Rv가 차단 전압 기준값 미만이거나 RI가 차단 전류 기준값 미만인 경우, 해당 태양전지에 대해 전력변환부로의 출력을 차단하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템의 제어 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 스위칭 전환부의 구동을 제어하여 해당 태양전지의 전력변환부로의 출력을 차단하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템의 제어 방법.
  23. 청구항 21에 있어서,
    상기 각 태양전지의 출력단에 설치된 차단 스위치를 구동 제어하여 해당 태양전지의 출력을 차단하는 것을 특징으로 하는 차량의 태양전지 활용 시스템의 제어 방법.
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