KR102121744B1 - 주변 에너지 세기를 추정하는 에너지 하베스팅 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주변 에너지를 하베스팅 하면서 주변 에너지의 세기를 추정하는 에너지 하베스팅 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 에너지 컨버터, 에너지 저장 장치, 출력 전압/전류 검출기 및 스위치부를 포함한다. 에너지 컨버터는 주변 에너지를 입력받아 DC 전압 및 DC 전류를 갖는 DC 전력으로 변환하여 출력한다. 에너지 저장 장치는 DC 전력을 전달받아 저장한다. 출력 전압/전류 검출기는 일정한 기준 로드값을 가지며, 주변 에너지의 세기를 추정하기 위해서 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출한다. 그리고 스위치부는 에너지 컨버터와 에너지 저장 장치를 연결하거나 에너지 컨버터와 출력 전압/전류 검출기를 연결한다.
Description
본 발명은 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주변 에너지를 입력받아 하베스팅 하면서 입력되는 주변 에너지의 세기를 추정하는 에너지 하베스팅 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광범위한 분야에서 사물인터넷(IoT) 기술이 확산됨에 따라 초소형/초저전력의 IoT 디바이스 사용이 폭발적으로 증가하고, 관련 산업 또한 성장할 것으로 예상된다. 하지만 IoT 디바이스도 구동을 위해서 배터리 또는 유선 전력 연결을 통한 전력 공급 방식을 채택하고 있기 때문에, IoT 디바이스의 사용 환경 제약과 유지 보수비용이 존재하여 관련 기기 확산의 걸림돌로 작용하고 있다.
최근 기존 IoT 디바이스 활용의 문제점을 해소하기 위해서, 초저전력/초저가형으로 구현하여 제한된 통신 속도로 기본적인 기능을 수행하면서 쉽게 쓰고 버릴 수 있는 편리성을 가진 Disposable IoT 디바이스가 등장하고 있다.
그리고 IoT 디바이스의 전력 용량이 유한한 배터리 사용에 따른 문제점을 해소하기 위해서, 주변 에너지 수집/변환을 통한 전력 재생 및 전력 생존성 향상이 가능한 에너지 하베스팅 기술을 접속한 IoT 디바이스의 전력 시스템 기술도 요구되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 주변 에너지를 입력받아 에너지 하베스팅을 수행하면서 입력되는 주변 에너지의 세기를 추정하는 에너지 하베스팅 장치, 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 주변 에너지를 입력받아 DC 전압 및 DC 전류를 갖는 DC 전력으로 변환하여 출력하는 에너지 컨버터; 상기 DC 전력을 전달받아 저장하는 에너지 저장 장치; 일정한 로드값을 가지며, 상기 주변 에너지의 세기를 추정하기 위해서 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하는 출력 전압/전류 검출기; 및 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치를 연결하거나 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기를 연결하는 스위치부;를 포함하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
상기 일정한 로드값을 기반으로 검출된 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류는 주변 에너지의 세기에 비례한다.
상기 출력 전압/전류 검출기는 수동 소자 및 능동 소자 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다.
주변 에너지가 RF 에너지인 경우, 상기 에너지 컨버터는 RF-to-DC 컨버터일 수 있다.
상기 에너지 저장 장치는 이차전지 및 슈퍼커패시터 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 상기 스위치부와 상기 에너지 저장 장치 사이에 개재되며, 상기 에너지 컨버터에서 출력된 상기 DC 전압을 부하가 사용 가능한 DC 전압으로 변환하는 DC 조절기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 상기 스위치부를 제어하되, 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기가 연결되면 상기 출력 전압/전류 검출기로부터 검출된 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하고, 수신한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나로부터 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 제어기;를 더 포함할 수 있다.
상기 제어기는 에너지 하베스팅 시, 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치를 연결한다.
상기 제어기는 상기 주변 에너지 추정 시, 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기를 연결한다.
상기 제어기는 주기적 또는 비주기적으로 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있다.
본 발명은 또한, 에너지 하베스팅 장치가 에너지 컨버터로 주변 에너지를 입력받아 DC 전압 및 DC 전류를 갖는 DC 전력으로 변환하여 출력하는 단계; 에너지 하베스팅 시, 상기 에너지 하베스팅 장치가 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 에너지 저장 장치를 연결하여 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전력을 상기 에너지 저장 장치에 저장하는 단계; 상기 주변 에너지 세기 추정 시, 상기 에너지 하베스팅 장치가 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 일정한 로드값을 갖는 출력 전압/전류 검출기를 연결하여 상기 출력 전압/전류 검출기로 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하는 단계; 및 상기 에너지 하베스팅 장치가 검출한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나로 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 단계;를 포함하는 에너지 하베스팅 장치의 주변 에너지 세기 추정 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 에너지 컨버터, 스위치부, 에너지 저장 장치 및 일정한 로드값을 갖는 출력 전압/전류 검출기를 구비하는 에너지 하베스팅 장치와 부하를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템용 부하의 주변 에너지 세기 추정 방법으로, 상기 부하가 상기 에너지 하베스팅 장치의 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치를 연결하여 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전력을 상기 에너지 저장 장치에 저장하는 단계; 상기 부하가 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기를 연결하여 상기 출력 전압/전류 검출기로 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하는 단계; 및 상기 부하가 상기 출력 전압/전류 검출기로부터 검출한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하고, 수신한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나로 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 단계;를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템용 부하의 주변 에너지 세기 추정 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 주변 에너지를 수집하여 DC 전력을 발전하고, 상기 DC 전력의 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하는 에너지 하베스팅 장치; 및 상기 에너지 하베스팅 장치로부터 상기 DC 전력을 공급받아 동작하는 부하;를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공한다.
상기 에너지 하베스팅 장치는, 주변 에너지를 입력받아 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류를 갖는 상기 DC 전력으로 변환하여 출력하는 에너지 컨버터; 상기 DC 전력을 전달받아 저장하는 에너지 저장 장치; 일정한 로드값을 가지며, 상기 주변 에너지의 세기를 추정하기 위해서 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 상기 DC 전압 및 상기 DC 중에 적어도 하나를 검출하는 출력 전압/전류 검출기; 및 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치를 연결하거나 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기를 연결하는 스위치부;를 포함한다.
상기 에너지 하베스팅 장치는, 상기 스위치부를 제어하되, 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기가 연결되면 상기 출력 전압/전류 검출기로부터 검출된 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하고, 수신한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류로부터 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 제어기;를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스팅 장치는, 상기 스위치부와 상기 에너지 저장 장치 사이에 개재되며, 상기 에너지 컨버터에서 출력된 상기 DC 전압을 상기 부하가 사용 가능한 DC 전압으로 변환하는 DC 조절기;를 더 포함할 수 있다.
상기 부하는, 상기 스위치부를 제어하되, 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기가 연결되면 상기 출력 전압/전류 검출기로부터 검출된 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하고, 수신한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나로부터 상기 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있다.
그리고 상기 부하는 IoT 디바이스를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 에너지 하베스팅 장치는 주변 에너지를 수집하여 에너지 하베스팅을 수행하면서 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있기 때문에, 주변 에너지의 모니터링을 위한 부가적인 센서의 추가 없이 주변환경에서 수집할 수 있는 주변 에너지의 세기에 대한 정보를 간단히 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 일정한 로드값을 갖는 출력 전압/전류 검출기로 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하고, 검출한 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나로부터 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있다. 즉 일정한 로드값을 기반으로 검출된 출력 DC 전압 및 DC 전류는 에너지 컨버터로 입력되는 주변 에너지의 세기에 비례하는 특성을 갖고 있기 때문에, 이러한 특성을 이용해서 주변 에너지의 모니터링을 위한 부가적인 센서의 추가 없이 주변 에너지의 세기를 간단히 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 주변 에너지 세기를 추정하는 에너지 하베스팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치를 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2의 출력 전압/전류 검출기를 보여주는 회로도이다.
도 4는 동일한 입력 파워 조건에서 출력 로드값의 변화에 따른 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5는 일정한 로드값 조건에서 입력 파워의 변화에 따른 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 주변 에너지 세기를 추정하는 방법에 따른 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 주변 에너지 세기를 추정하는 에너지 하베스팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 주변 에너지 세기를 추정하는 방법에 따른 흐름도이다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치를 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2의 출력 전압/전류 검출기를 보여주는 회로도이다.
도 4는 동일한 입력 파워 조건에서 출력 로드값의 변화에 따른 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5는 일정한 로드값 조건에서 입력 파워의 변화에 따른 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 주변 에너지 세기를 추정하는 방법에 따른 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 주변 에너지 세기를 추정하는 에너지 하베스팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 주변 에너지 세기를 추정하는 방법에 따른 흐름도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 주변 에너지 세기를 추정하는 에너지 하베스팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(100)은 에너지 하베스팅 장치(10)와 부하(60)를 포함한다. 에너지 하베스팅 장치(10)는 주변 에너지를 수집하여 DC 전력을 발전하고, DC 전력의 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하여 주변 에너지의 세기를 추정한다. 그리고 부하(60)는 에너지 하베스팅 장치(10)로부터 DC 전력을 공급받아 동작한다.
여기서 에너지 하베스팅 장치(10)는 주변 에너지를 하베스팅 하면서 주변 에너지 세기를 추정한다. 이러한 에너지 하베스팅 장치(10)는 에너지 하베스팅부(20), 스위치부(30) 및 출력 전압/전류 검출기(40)를 포함한다. 에너지 하베스팅부(20)는 주변 에너지를 수집하여 DC 전력을 발전하고, 발전한 DC 전력을 저장한다. 에너지 하베스팅부(20)는 부하(60)의 구동에 필요한 DC 전력을 공급한다. 출력 전압/전류 검출기(40)는 일정한 로드값을 가지며, 에너지 하베스팅부(20)로 입력되는 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있도록 에너지 하베스팅부(20)에서 발전한 DC 전력의 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출한다. 스위치부(30)는 에너지 하베스팅과 주변 에너지 세기의 추정을 스위칭한다.
그리고 부하(60)는 실제 구동하기 위한 전자장치로서, 예컨대 센서, IoT 디바이스 등을 포함한다. IoT 디바이스는 산업용/가정용 IoT 센서, 비콘, 스마트 태그, 렌탈용 자전거 도난 방지 서비스, 의료용 서비스, 환경 모니터링 서비스, 건물 상태관리 서비스, 농축산 관리 서비스, 물류 서비스, 의료 환자관리 서비스, 오지 환경 모니터링 서비스 등 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(10)에 대해서 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치(10)를 보여주는 블록도이다. 도 3은 도 2의 출력 전압/전류 검출기(40)를 보여주는 회로도이다. 도 4는 동일한 입력 파워 조건에서 출력 로드값의 변화에 따른 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다. 그리고 도 5는 일정한 로드값 조건에서 입력 파워의 변화에 따른 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
제1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(10)는 에너지 하베스팅부(20), 스위치부(30) 및 출력 전압/전류 검출기(40)를 포함한다. 여기서 에너지 하베스팅부(20)는 에너지 컨버터(21)와 에너지 저장 장치(25)를 포함한다. 에너지 컨버터(21)는 주변 에너지를 입력받아 DC 전압 및 DC 전류를 갖는 DC 전력으로 변환하여 출력한다. 에너지 저장 장치(25)는 DC 전력을 전달받아 저장한다. 출력 전압/전류 검출기(40)는 일정한 로드값을 가지며, 주변 에너지의 세기를 추정하기 위해서 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출한다. 그리고 스위치부(30)는 에너지 컨버터(21)와 에너지 저장 장치(25)를 연결하거나, 에너지 컨버터(21)와 출력 전압/전류 검출기(40)를 연결한다. 에너지 하베스팅부(20)는 DC 조절기(23)를 더 포함할 수 있다. 에너지 하베스팅 장치(10)는 제어기(50)를 더 포함할 수 있다.
에너지 컨버터(21)는 주변 에너지를 입력받아 DC 전력으로 변환하는 컨버터이다. 여기서 주변 에너지는 주변 환경에서 쉽게 얻을 수 있는 에너지로서, 예컨대 태양광 에너지, RF 에너지, 압전 에너지, 마찰력 에너지 등을 포함한다. 주변 에너지가 RF 에너지인 경우, 에너지 컨버터(21)는 RF-to-DC 컨버터일 수 있다.
스위치부(30)는 제어기(50)의 제어에 따라 에너지 컨버터(21)를 에너지 저장 장치(25) 및 출력 전압/전류 검출기(40) 중에 하나에 연결하도록 스위칭한다. 에너지 하베스팅을 수행하는 경우, 스위치부(30)는 에너지 컨버터(21)를 에너지 저장 장치(25)에 연결한다. 주변 에너지의 세기를 추정하는 경우, 에너지 컨버터(21)를 출력 전압/전류 검출기(40)에 연결한다.
에너지 저장 장치(25)는 에너지 컨버터(21)를 통하여 DC 전력을 전달받아 저장하다. 에너지 저장 장치(25)는 제어기(50)의 제어에 따라 부하(60)에 필요한 전력을 공급한다. 에너지 저장 장치(25)는 이차전지 및 슈퍼커패시터 중에 적어도 하나를 포함한다.
DC 조절기(23)는 스위치부(30)와 에너지 저장 장치(25) 사이에 개재되며, 에너지 컨버터(21)에서 출력된 DC 전압을 부하(60)가 사용 가능한 DC 전압으로 변환하여 에너지 저장 장치(25)로 전달한다. 에너지 저장 장치(25)는 DC 조절기(23)를 통과한 DC 전력을 저장한다.
출력 전압/전류 검출기(40)는 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출한다. 출력 전압/전류 검출기(40)는 일정한 로드값을 갖기 때문에, 에너지 컨버터(21)는 에너지 컨버터(21)로 입력되는 주변 에너지의 세기에 비례하는 DC 전압 및 DC 전류를 출력한다. 출력 전압/전류 검출기(40)는 에너지 컨버터(21)의 출력단에 연결되어 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출한다.
출력 전압/전류 검출기(40)는 일정한 로드값을 갖는 수동 소자 또는 능동 소자로 구현할 수 있다. 능동 소자에 비해서 수동 소자의 전력 소모가 상대적으로 적기 때문에, 출력 전압/전류 검출기(40)는 수동 소자로 구성하는 것이 바람직하다. 도 3에서는 출력 전압/전류 검출기(40)가 저항 및 커패시터 중에 적어도 하나를 포함하는 수동 소자로 구현된 예를 개시하였다. 예컨대 출력 전압/전류 검출기(40)가 도 3의 (a)와 같이 저항으로 구성되는 경우, 일정한 로드값은 10㏀ 이상일 수 있고, 바람직하게는 10㏀ 내지 10㏁ 일 수 있다.
일정한 로드값을 갖는 출력 전압/전류 검출기(40)로 에너지 컨버터(21)의 출력 DC 전압을 검출하는 이유에 대해서 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 에너지 컨버터(21)가 출력 로드값의 변화에 무관하게 입력되는 주변 에너지의 세기에 비례해서 DC 전압을 출력한다면, 에너지 컨버터(21)의 출력 DC 전압으로부터 입력되는 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있다.
즉 에너지 컨버터(21)가 동일한 주변 에너지의 세기에 대해서 출력 로드값의 변화에 무관하게 일정한 DC 전압을 출력한다면, 에너지 컨버터(21)의 출력 DC 전압으로부터 입력되는 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있다.
하지만 에너지 컨버터(21)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 동일한 입력 파워(에너지)에 대해서 출력 로드값이 변화할 경우, 출력되는 DC 전압도 변화하기 때문에, 출력 DC 전압으로부터 입력 파워의 세기를 추정할 수 없다. 도 4에서 가로축은 출력 로드값(㏁)을 나타내고, 세로축은 출력 DC 전압(V)을 나타낸다.
즉 일반적으로 IoT 디바이스를 포함하는 부하(60)는 동작 상황에 따라 로드의 값이 변한다. 이러한 동작 상황에 따른 로드값의 변화는 전력을 공급하는 전력 시스템에서는 예측이 불가능하다. 다만 부하(60)가 필요로 하는 최대 출력 전력을 공급 가능하도록 전력 시스템을 구성할 수 있다. 에너지 하베스팅 시스템(100)에서는 주변 에너지를 이용하여 전력을 생성하기 때문에, 주변 에너지의 상황과 부하(60)의 출력 로드 상황에 따라 에너지 하베스팅 가능 여부 및 효율이 결정된다. 부하(60)의 출력 로드 상황에 따라 동일한 주변 에너지의 세기에 대해서도 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전압의 값은 일정한 값을 갖지 못하고 변하게 된다.
반대로 말하면 항상 일정한 로드의 값을 유지시켜 준다면, 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전압의 값은 입력되는 주변 에너지의 세기에 비례하여 값이 결정된다. 따라서 에너지 컨버터(21)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 일정한 또는 고정된 출력 로드값에 대해서 입력되는 주변 에너지의 크기에 비례하여 출력 DC 전압 레벨을 생성하는 것을 확인할 수 있다. 즉 주변 에너지 세기의 추정이 필요한 경우, 에너지 컨버터(21)에 일정한 로드값을 갖는 출력 전압/전류 검출기(40)를 연결함으로써, 주변 에너지의 세기에 비례하는 출력 DC 전압을 검출할 수 있다. 그리고 검출한 DC 전압으로부터 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있다. 도 5에서 가로축은 입력 파워(dBm; 주변 에너지의 세기)를 나타내고, 세로축은 출력 DC 전압(V)을 나타낸다.
이와 같이 출력 전압/전류 검출기(40)는 일정한 로드값을 유지하는 역할을 한다. 입력되는 주변 에너지의 세기를 추정할 필요가 있을 때, 에너지 컨버터(21)의 출력단을 출력 전압/전류 검출기(40)에 연결하면, 출력 DC 전압은 입력되는 일정한 주변 에너지의 세기에 대응되는 일정한 전압 레벨을 형성한다. 따라서 출력 전압/전류 검출기(40)가 일정한 로드값을 갖기 때문에, 에너지 컨버터(21)의 출력 DC 전압값을 검출함으로써 입력되는 주변 에너지 세기의 추정이 가능하게 된다.
한편 일정한 로드값을 갖는 출력 전압/전류 검출기(40)로 에너지 컨버터(21)의 출력 DC 전압을 검출하는 이유에 대해서 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하였지만, 출력 전압/전류 검출기(40)로 에너지 컨버터(21)의 출력 DC 전류를 검출하는 이유는 출력 DC 전압을 검출하는 이유와 동일하기 때문에 이에 대한 설명은 생략한다. 즉 에너지 컨버터(21)의 출력 DC 전류는 입력되는 주변 에너지의 세기에 비례한다.
그리고 제어기(50)는 에너지 하베스팅 장치(10)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어기(50)는 스위치부(30)의 제어를 통하여 에너지 하베스팅을 수행하면서 입력되는 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있다.
에너지 하베스팅을 수행하기 위해서, 제어기(50)는 스위치부(30)로 에너지 컨버터(21)와 에너지 저장 장치(25)를 연결하여 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전력을 에너지 저장 장치(25)에 저장할 수 있다.
주변 에너지 세기의 추정을 수행하기 위해서, 제어기(50)는 스위치부(30)로 에너지 컨버터(21)와 에너지 저장 장치(25)의 연결을 스위칭하여 에너지 컨버터(21)와 출력 전압/전류 검출기(40)를 연결한다. 제어기(50)는 출력 전압/전류 검출기(40)로 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출한다. 제어기(50)는 출력 전압/전류 검출기(40)로부터 검출한 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하고, 수신한 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나로부터 입력되는 주변 에너지의 세기를 추정한다. 그리고 제어기(50)는 추정한 주변 에너지의 세기를 부하(60)로 전달할 수 있다.
제어기(50)는 주변 에너지 세기의 추정을 주기적 또는 비주기적으로 수행할 수 있다. 또는 제어기(50)는 부하(60)의 요청에 따라서 주변 에너지 세기의 추정을 수행할 수 있다.
제어기(50)는 주변 에너지 세기의 추정을 에너지 저장 장치(25)에 일정 레벨 이상으로 전력이 충전된 이후에 수행할 수 있다. 즉 에너지 저장 장치(25)에 일정 레벨 이상의 전력 충전으로 동작이 가능한 상태일 때, 제어기(50)는 주변 에너지 세기의 추정을 수행할 수 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(10)의 주변 에너지 세기를 추정하는 방법을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(10)의 주변 에너지 세기를 추정하는 방법에 따른 흐름도이다. 제1 실시예에서는 주변 에너지 세기를 추정하기 위해서 DC 전압을 검출하는 예를 개시하였다.
먼저 S10단계에서 에너지 하베스팅 장치가 에너지 컨버터로 주변 에너지를 입력받아 DC 전압을 갖는 DC 전력으로 변환하여 출력한다.
다음으로 S30단계에서 에너지 하베스팅 장치는 에너지 하베스팅 또는 주변 에너지 세기 추정 여부를 판단한다.
S30단계에서의 판단 결과 에너지 하베스팅을 수행하는 경우, S50단계에서 에너지 하베스팅 장치는 스위치부로 에너지 컨버터와 에너지 저장 장치를 연결하여 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전력을 에너지 저장 장치에 저장한다.
S30단계에서의 판단 결과 주변 에너지 세기를 추정하는 경우, S70단계에서 에너지 하베스팅 장치는 스위치부로 에너지 컨버터와 출력 전압/전류 검출기를 연결하여 출력 전압/전류 검출기로 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전압을 검출한다.
S90단계에서는 에너지 하베스팅 장치는 검출한 DC 전압으로 주변 에너지의 세기를 추정한다.
그리고 S100단계에서 에너지 하베스팅 장치는 종료 신호가 입력되는 지의 여부를 판단한다. S100단계에서 종료 신호가 입력되지 않는 경우, 에너지 하베스팅 장치는 S30단계부터 다시 수행한다.
S90단계 이후에 에너지 하베스팅 장치는 추정한 주변 에너지의 세기를 부하에 전달할 수 있다.
이와 같이 제1 실시예에 따르면, 에너지 하베스팅 장치는 주변 에너지를 수집하여 에너지 하베스팅을 수행하면서 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있기 때문에, 주변 에너지의 모니터링을 위한 부가적인 센서의 추가 없이 주변환경에서 수집할 수 있는 주변 에너지의 세기에 대한 정보를 간단히 제공할 수 있다.
제1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 일정한 로드값을 갖는 출력 전압/전류 검출기로 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전압을 검출하고, 검출한 DC 전압으로부터 주변 에너지의 세기를 추정할 수 있다. 즉 일정한 로드값을 기반으로 검출된 출력 DC 전압은 에너지 컨버터로 입력되는 주변 에너지의 세기에 비례하는 특성을 갖고 있기 때문에, 이러한 특성을 이용해서 주변 에너지의 모니터링을 위한 부가적인 센서의 추가 없이 주변 에너지의 세기를 간단히 추정할 수 있다.
즉 에너지 하베스팅의 경우 주변 에너지를 수집하여 생성되는 전력량이 마이크로 또는 나노와트급으로 기존 배터리 및 유선 전력 공급 시스템에 비해 매우 작다. 따라서 에너지 하베스팅 시스템에서 구동되는 출력 전압/전류 검출기(40), 제어기(50) 또는 부하(60)는 초저전력으로 구동되어야 한다. 제1 실시예에 따른 주변 에너지 세기 추정 방법은 이러한 에너지 하베스팅 시스템(100)에서 저전력으로 출력 DC 전압 검출을 통해서 효율적으로 주변 에너지 세기를 추정할 수 있다.
[제2 실시예]
한편 제1 실시예에서는 에너지 하베스팅 장치(10)가 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전압을 출력 전압/전류 검출기(40)로 검출하여 주변 에너지 세기를 추정하는 예를 개시하였지만, 본 발명이 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 7에 도시된 바와 같이, 에너지 하베스팅 장치(110)가 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 출력 전압/전류 검출기(40)로 검출하고, 검출한 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 이용한 주변 에너지 세기의 추정은 부하(160)에서 수행할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 주변 에너지 세기를 추정하는 에너지 하베스팅 시스템(200)을 보여주는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 제2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(200)은 에너지 하베스팅 장치(110)와 부하(160)를 포함한다. 에너지 하베스팅 장치(110)는 주변 에너지를 수집하여 DC 전력을 발전하고, DC 전력의 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출한다. 그리고 부하(160)는 에너지 하베스팅 장치(110)로부터 DC 전력을 공급받아 동작하되, 에너지 하베스팅 장치(110)의 구동을 제어하고, 에너지 하베스팅 장치(110)로부터 검출한 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하여 주변 에너지의 세기를 추정한다.
제2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(110)는 에너지 하베스팅부(20), 스위치부(30) 및 출력 전압/전류 검출기(40)를 포함한다. 여기서 에너지 하베스팅부(20)는 에너지 컨버터(21)와 에너지 저장 장치(25)를 포함하고, DC 조절기(23)를 더 포함할 수 있다.
이러한 제2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(110)는 제어기를 포함하지 않는 것을 제외하면, 제1 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(10)와 동일하기 때문에, 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다.
그리고 부하(160)는 에너지 하베스팅 장치(110)의 전반적인 동작을 제어한다. 부하(160)는 스위치부(30)의 제어를 통하여 에너지 하베스팅을 수행하면서 입력되는 주변 에너지의 세기를 추정한다.
즉 제2 실시예에서는 부하(160)가 제1 실시예에 따른 제어기의 기능을 수행할 수 있다.
에너지 하베스팅을 수행하기 위해서, 부하(160)는 스위치부(30)로 에너지 컨버터(21)와 에너지 저장 장치(25)를 연결하여 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전력을 에너지 저장 장치(25)에 저장할 수 있다.
주변 에너지 세기의 추정을 수행하기 위해서, 부하(160)는 스위치부(30)로 에너지 컨버터(21)와 에너지 저장 장치(25)의 연결을 스위칭하여 에너지 컨버터(21)와 출력 전압/전류 검출기(40)를 연결한다. 부하(160)는 출력 전압/전류 검출기(40)로 에너지 컨버터(21)에서 출력되는 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출한다. 부하(160)는 출력 전압/전류 검출기(40)로부터 검출한 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하고, 수신한 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나로부터 입력되는 주변 에너지의 세기를 추정한다.
부하(160)는 주변 에너지 세기의 추정을 주기적 또는 비주기적으로 수행할 수 있다.
부하(160)는 주변 에너지 세기의 추정을 에너지 저장 장치(25)에 일정 레벨 이상으로 전력이 충전된 이후에 수행할 수 있다. 즉 에너지 저장 장치(25)에 일정 레벨 이상의 전력 충전으로 동작이 가능한 상태일 때, 부하(160)는 주변 에너지 세기의 추정을 수행할 수 있다.
이와 같은 제2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(200)의 주변 에너지 세기를 추정하는 방법을 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(200)의 주변 에너지 세기를 추정하는 방법에 따른 흐름도이다. 제2 실시예에서는 주변 에너지 세기를 추정하기 위해서 DC 전류를 검출하는 예를 개시하였다.
먼저 S10단계에서 에너지 하베스팅 장치(110)가 에너지 컨버터로 주변 에너지를 입력받아 DC 전류를 갖는 DC 전력으로 변환하여 출력한다.
다음으로 S30단계에서 부하(160)는 에너지 하베스팅 또는 주변 에너지 세기 추정 여부를 판단한다.
S30단계에서의 판단 결과 에너지 하베스팅을 수행하는 경우, S50단계에서 부하(160)는 에너지 하베스팅 장치(110)의 스위치부로 에너지 컨버터와 에너지 저장 장치를 연결하여 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전력을 에너지 저장 장치에 저장한다.
S30단계에서의 판단 결과 주변 에너지 세기를 추정하는 경우, S70단계에서 부하(160)는 스위치부로 에너지 컨버터와 출력 전압/전류 검출기를 연결하여 출력 전압/전류 검출기로 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전류를 검출한다.
다음으로 S75단계에서 출력 전압/전류 검출기는 검출한 DC 전류를 부하(160)로 전송한다.
다음으로 S80단계에서 부하(160)는 출력 전압/전류 검출기로부터 검출한 DC 전류를 수신한다.
그리고 S90단계에서는 부하(160)는 수신한 DC 전류로 주변 에너지의 세기를 추정한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10, 110 : 에너지 하베스팅 장치
20 : 에너지 하베스팅부
21 : 에너지 컨버터
23 : DC 조절기
25 : 에너지 저장 장치
30 : 스위치부
40 : 출력 전압/전류 검출기
50 : 제어기
60, 160 : 부하
100, 200 : 에너지 하베스팅 시스템
20 : 에너지 하베스팅부
21 : 에너지 컨버터
23 : DC 조절기
25 : 에너지 저장 장치
30 : 스위치부
40 : 출력 전압/전류 검출기
50 : 제어기
60, 160 : 부하
100, 200 : 에너지 하베스팅 시스템
Claims (18)
- 주변 에너지를 입력받아 DC 전압 및 DC 전류를 갖는 DC 전력으로 변환하여 출력하는 에너지 컨버터;
상기 DC 전력을 전달받아 저장하는 에너지 저장 장치;
일정한 로드값을 가지며, 상기 주변 에너지의 세기를 추정하기 위해서 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하는 출력 전압/전류 검출기; 및
에너지 하베스팅 시 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치를 연결하고, 주변 에너지 세기 추정 시 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치의 연결을 차단하고 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기를 연결하도록 스위칭하는 스위치부;
를 포함하는 에너지 하베스팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 일정한 로드값을 기반으로 검출된 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류는 주변 에너지의 세기에 비례하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 출력 전압/전류 검출기는 수동 소자 및 능동 소자 중에 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치. - 제1항에 있어서,
주변 에너지가 RF 에너지인 경우, 상기 에너지 컨버터는 RF-to-DC 컨버터인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는 이차전지 및 슈퍼커패시터 중에 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스위치부와 상기 에너지 저장 장치 사이에 개재되며, 상기 에너지 컨버터에서 출력된 상기 DC 전압을 부하가 사용 가능한 DC 전압으로 변환하는 DC 조절기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스위치부를 제어하되, 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기가 연결되면 상기 출력 전압/전류 검출기로부터 검출된 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하고, 수신한 상기 DC 전압 및 상기 DC 중에 적어도 하나로부터 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 제어기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치. - 제7항에 있어서, 상기 제어기는
에너지 하베스팅 시, 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치를 연결하고,
상기 주변 에너지 추정 시, 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기를 연결하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치. - 제8항에 있어서,
상기 제어기는 주기적 또는 비주기적으로 주변 에너지의 세기를 추정하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치. - 에너지 하베스팅 장치가 에너지 컨버터로 주변 에너지를 입력받아 DC 전압 및 DC 전류를 갖는 DC 전력으로 변환하여 출력하는 단계;
에너지 하베스팅 시, 상기 에너지 하베스팅 장치가 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 에너지 저장 장치를 연결하여 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전력을 상기 에너지 저장 장치에 저장하는 단계;
상기 주변 에너지 세기 추정 시, 상기 에너지 하베스팅 장치가 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 에너지 저장 장치의 연결을 차단하고, 상기 에너지 컨버터와 일정한 로드값을 갖는 출력 전압/전류 검출기를 연결하여 상기 출력 전압/전류 검출기로 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하는 단계; 및
상기 에너지 하베스팅 장치가 검출한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나로 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 단계;
를 포함하는 에너지 하베스팅 장치의 주변 에너지 세기 추정 방법. - 제10항에 있어서, 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 단계에서,
상기 일정한 로드값을 기반으로 검출된 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류는 주변 에너지의 세기에 비례하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치의 주변 에너지 세기 추정 방법. - 에너지 컨버터, 스위치부, 에너지 저장 장치 및 일정한 로드값을 갖는 출력 전압/전류 검출기를 구비하는 에너지 하베스팅 장치와 부하를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템용 부하의 주변 에너지 세기 추정 방법으로,
상기 부하가 상기 에너지 하베스팅 장치의 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치를 연결하여 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전력을 상기 에너지 저장 장치에 저장하는 단계;
상기 부하가 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치의 연결을 차단하고, 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기를 연결하여 상기 출력 전압/전류 검출기로 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하는 단계; 및
상기 부하가 상기 출력 전압/전류 검출기로부터 검출한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하고, 수신한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류로 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 단계;
를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템용 부하의 주변 에너지 세기 추정 방법. - 제12항에 있어서, 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 단계에서,
상기 일정한 로드값을 기반으로 검출된 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류는 주변 에너지의 세기에 비례하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템용 로드의 주변 에너지 세기 추정 방법. - 주변 에너지를 수집하여 DC 전력을 발전하고, 상기 DC 전력의 DC 전압 및 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하는 에너지 하베스팅 장치; 및
상기 에너지 하베스팅 장치로부터 상기 DC 전력을 공급받아 동작하는 부하;를 포함하고,
상기 에너지 하베스팅 장치는,
주변 에너지를 입력받아 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류를 갖는 상기 DC 전력으로 변환하여 출력하는 에너지 컨버터;
상기 DC 전력을 전달받아 저장하는 에너지 저장 장치;
일정한 로드값을 가지며, 상기 주변 에너지의 세기를 추정하기 위해서 상기 에너지 컨버터에서 출력되는 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 검출하는 출력 전압/전류 검출기; 및
에너지 하베스팅 시 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치를 연결하고, 주변 에너지 세기 추정 시 상기 에너지 컨버터와 상기 에너지 저장 장치의 연결을 차단하고 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기를 연결하도록 스위칭하는 스위치부;
를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템. - 제14항에 있어서, 상기 에너지 하베스팅 장치는,
상기 스위치부를 제어하되, 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기가 연결되면 상기 출력 전압/전류 검출기로부터 검출된 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하고, 수신한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나로부터 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 제어기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템. - 제14항에 있어서, 상기 에너지 하베스팅 장치는,
상기 스위치부와 상기 에너지 저장 장치 사이에 개재되며, 상기 에너지 컨버터에서 출력된 상기 DC 전압을 상기 부하가 사용 가능한 DC 전압으로 변환하는 DC 조절기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템. - 제14항에 있어서, 상기 부하는,
상기 스위치부를 제어하되, 상기 스위치부로 상기 에너지 컨버터와 상기 출력 전압/전류 검출기가 연결되면 상기 출력 전압/전류 검출기로부터 검출된 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나를 수신하고, 수신한 상기 DC 전압 및 상기 DC 전류 중에 적어도 하나로부터 상기 주변 에너지의 세기를 추정하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 부하는 IoT 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
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| US16/665,051 US11277019B2 (en) | 2018-12-10 | 2019-10-28 | Energy harvesting apparatus, system, and method for estimating ambient energy intensity |
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