KR20210058346A - 이중 입출력 변환기 기반 에너지 하베스터 - Google Patents

이중 입출력 변환기 기반 에너지 하베스터 Download PDF

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Abstract

회로 크기, 제작 비용 및 전력 소모를 줄이고, 변환 효율을 높이기 위한 방안으로, 별개의 변환 목적으로 사용되는 DC-DC 변환기들을 하나로 통합한 이중 입출력 변환기 기반 에너지 하베스터가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터는 주변 환경으로부터 에너지를 수집하여 생성한 전기 에너지를 입력받는 입력부; 전기 에너지를 저장하는 2차 전지; 입력부를 통해 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 2차 전지에 저장하고, 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달하는 변환기;를 포함한다.
이에 의해, 에너지 하베스터에서 별개의 변환 목적으로 사용되는 DC-DC 변환기들을 하나로 통합하여 DC-DC 변환기의 개수를 반으로 줄임으로써, 회로 크기, 제작 비용 및 전력 소모를 줄이고, 변환 효율은 높일 수 있게 된다.

Description

이중 입출력 변환기 기반 에너지 하베스터{Energy Harvester with Dual Input/Output Converter}
본 발명은 에너지 하베스팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주변 환경에서 얻을 수 있는 에너지 즉, 태양광, 진동, 열 등의 에너지를 전기 에너지로 변환하여 회로를 동작 시킬 수 있는 에너지 하베스터에 관한 것이다.
도 1은 종래에 사용되고 있는 에너지 하베스터의 구성도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 에너지 하베스터는 2개의 DC-DC 변환기를 구비하고 있다.
하나는 주변 환경에서 수집된 에너지로부터 생성된 전기 에너지의 전압을 변환하여 2차 전지에 저장하기 위한 것이고, 다른 하나는 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지의 전압을 변환하여 부하로 인가하기 위한 것이다.
이와 같이, 종래의 에너지 하베스터는 2개의 DC-DC 변환기를 구비하고 있어 회로를 구성하는 트랜지스터와 인덕터가 각각 사용되는 관계로, 회로의 크기가 커지고 제작 비용이 올라가게 되며, 전력 소모가 증가하여 변환 효율이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 회로 크기, 제작 비용 및 전력 소모를 줄이고, 변환 효율을 높이기 위한 방안으로, 별개의 변환 목적으로 사용되는 DC-DC 변환기들을 하나로 통합한 이중 입출력 변환기 기반 에너지 하베스터를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 에너지 하베스터는 주변 환경으로부터 에너지를 수집하여 생성한 전기 에너지를 입력받는 입력부; 전기 에너지를 저장하는 2차 전지; 입력부를 통해 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 2차 전지에 저장하고, 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달하는 변환기;를 포함한다.
변환기는, 하나의 소자로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스터는 입력부와 변환기 간의 전기적 연결을 스위칭하는 스위치;를 더 포함할 수 있다.
스위치는, 변환기가 2차 전지에 저장된 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 방전시키는 경우에는, 입력부와 변환기 간의 전기적 연결을 차단시킬 수 있다.
스위치는, 변환기가 2차 전지에 저장된 전기 에너지의 전압 레벨를 변환하여 부하로 방전시키지 않는 경우에는, 입력부와 변환기를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
변환기는, 입력부를 통해 입력되는 전기 에너지를 입력 받기 위한 제1 입력단; 및 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지를 입력 받기 위한 제2 입력단;을 포함할 수 있다.
변환기는, 전압 레벨이 변환된 전기 에너지를 2차 전지로 출력하기 위한 제1 출력단; 및 전압 레벨이 변환된 전기 에너지를 부하로 출력하기 위한 제2 출력단;을 포함할 수 있다.
변환기는, 입력부를 통해 입력되는 전기 에너지와 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지를, 각기 다른 전압 레벨로 변환할 수 있다.
변환기는, 입력부를 통해 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 주변 환경으로부터 에너지를 수집하여 생성한 전기 에너지를 입력받는 단계; 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 2차 전지에 저장하는 단계; 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 제어 방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 주변 환경으로부터 에너지를 수집하여 생성한 전기 에너지를 입력받는 입력부를 통해 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 2차 전지에 저장하고, 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달하는 변환기; 및 입력부와 변환기 간의 전기적 연결을 스위칭하는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 하베스팅된 전기 에너지가 입력되는 입력부와 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하는 변환기가 전기적으로 연결되도록 스위칭하는 단계; 하베스팅된 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 2차 전지에 저장하는 단계; 입력부와 변환기가 전기적으로 차단되도록 스위칭하는 단계; 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 제어 방법이 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 에너지 하베스터에서 별개의 변환 목적으로 사용되는 DC-DC 변환기들을 하나로 통합하여 DC-DC 변환기의 개수를 반으로 줄임으로써, 회로 크기, 제작 비용 및 전력 소모를 줄이고, 변환 효율은 높일 수 있게 된다.
도 1은 종래의 에너지 하베스터의 구조도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 입출력 변환기 기반 에너지 하베스터의 구성도, 그리고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 입출력 변환기 기반 에너지 하베스터 제어 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 입출력 변환기 기반 에너지 하베스터의 구성도이다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터는 주변 환경에서 얻을 수 있는 에너지 즉, 태양광, 진동, 열 등의 에너지를 전기 에너지로 변환하여 회로를 동작시킬 수 있는 장치이다.
회로 크기, 제작 비용 및 전력 소모를 줄이고, 변환 효율은 높이기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터는 이중 입/출력 구조를 갖는 DC-DC 컨버터를 이용한다.
이 이중 입/출력 구조를 갖는 DC-DC 컨버터는 2차 전지에 전기 에너지 저장을 위해 전압 레벨 변환을 수행하는 기능과 2차 전지에서 부하로 전기 에너지 방전을 위해 전압 레벨 변환을 수행하는 기능, 두 가지를 모두 수행한다.
이와 같은 기능을 수행하는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터는, 도 2에 도시된 바와 같이, 입력부(110), 스위치(120), 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130) 및 2차 전지(140)를 포함하여 구성된다.
입력부(110)는 주변 환경에서 수집한 에너지인 태양광, 진동, 열 등의 에너지로부터 생성된 전기 에너지를 입력받는다. 입력부(110)를 통해 입력되는 전기 에너지는 스위치(120)를 통해 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)에 인가된다.
2차 전지(140)는 에너지 하베스팅을 통해 생성된 전기 에너지를 저장한다. 2차 전지(140)는 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)를 통해 전기 에너지가 충전되고 방전된다.
이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)는 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하는 소자로, 2개의 입력단과 2개의 출력단을 구비하고 있다.
2개의 입력단 중 하나에는 스위치(120)를 통해 하베스팅된 전기 에너지가 입력되는 단자이고, 다른 하나에는 2차 전지(140)에서 방전되는 에너지가 입력되는 단자이다.
또한, 2개의 출력단 중 하나는 충전할 전기 에너지를 2차 전지(140)로 출력하는 단자이고, 다른 하나는 2차 전지(140)에서 방전된 전기 에너지를 부하단으로 출력하는 단자이다.
입력부(110)를 통해 스위치(120)르 거쳐 입력되는 전기 에너지에 대해, 입/출력 DC-DC 변환기(130)는 전압 레벨을 변환하여 2차 전지(140)에 저장한다. 이에 의해, 2차 전지(140)가 충전된다.
그리고, 충전된 2차 전지(140)에서 방전되는 전기 에너지에 대해, 입/출력 DC-DC 변환기(130)는 전압 레벨을 변환하여 부하단으로 출력한다. 이에 부하단은 전기 에너지를 공급받게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터에 구비된 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)는 종래의 에너지 하베스터에서 2개의 DC-DC 변환기가 수행하던 기능을 하나의 소자로 수행하는 것을 가능하게 한다.
스위치(120)는 입력부(110)와 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130) 간의 전기적 연결을 스위칭하여 준다.
구체적으로, 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)가 2차 전지(140)에 저장된 전기 에너지를 변환하여 부하단으로 방전시키는 경우, 스위치(120)는 입력부(110)와 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130) 간의 전기적 연결을 차단시킨다.
2차 전지(140)에 저장된 전기 에너지의 방전시에 외부로부터 수집된 전기 에너지의 유입을 막기 위한 것으로, 스위치(120)에 의해 부하단에 공급되는 전압의 안정성을 보장할 수 있다.
반면, 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)가 2차 전지(140)에 저장된 전기 에너지를 변환하여 부하단으로 방전시키지 않는 경우, 스위치(120)는 입력부(110)와 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)를 전기적으로 연결시켜, 하베스팅된 에너지로 2차 전지(140)가 충전되도록 한다.
제어기(미도시)는 에너지 하베스터의 동작 모드에 따라 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)와 스위치(120)의 동작을 제어한다. 에너지 하베스터의 동작 모드는 충전 모드와 방전 모드로 구분된다.
제어기에 의한 에너지 하베스터의 동작 제어 과정에 대해, 이하에서 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 입출력 변환기 기반 에너지 하베스터 제어 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.
먼저, 에너지 하베스터가 충전 모드로 동작하여야 하는 경우(S210-Y), 제어기는 입력부(110)와 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)가 전기적으로 도통되도록 스위치(120)를 제어하여, 스위치(120)를 단락시킨다(S220).
충전 모드는 에너지 하베스터의 2차 전지(140)를 충전하여 주는 모드이다. S220단계에 의해. 입력부(110)로 입력되는 하베스팅된 전기 에너지가 스위치(120)를 통해 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)로 전달된다.
그리고, 제어기는 스위치(120)에 연결되어 있는 입력단과 2차 전지(140)에 연결되어 있는 출력단이 활성화 되도록 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)를 제어한다(S230).
아울러, 제어기는 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)가 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 2차 전지(140)를 충전하기에 적합한 전압 레벨로 변환하도록 제어한다(S240).
이를 통해, 2차 전지(140)는 하베스팅된 에너지가 저장되어 충전된다.
한편, 에너지 하베스터가 방전 모드로 동작하여야 하는 경우(S250-Y), 제어기는 입력부(110)와 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)가 전기적으로 차단되도록 스위치(120)를 제어하여, 스위치(120)를 개방시킨다(S260).
방전 모드는 에너지 하베스터의 2차 전지(140)에 충전된 전기 에너지를 부하단으로 인가하여 주는 모드이다. S260단계에 의해. 입력부(110)로 입력되는 하베스팅된 전기 에너지는 스위치(120)를 통해 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)로 인가되지 않게 된다.
그리고, 제어기는 2차 전지(140)에 연결되어 있는 입력단과 부하단에 연결되어 있는 출력단이 활성화 되도록 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)를 제어한다(S270).
아울러, 제어기는 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)가 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 부하단에서 요구하고 있는 전압 레벨로 변환하도록 제어한다(S280).
이를 통해, 2차 전지(140)에서 전기 에너지를 방전시켜 부하단으로 제공할 수 있게 된다.
지금까지, 이중 입출력 변환기 기반 에너지 하베스터에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예에서, 에너지 하베스터의 동작 모드는 충전 모드와 방전 모드를 상정하였는데, 이들은 예시적인 것에 불과하므로, 다른 모드를 더 추가할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 입력부(110)를 통해 입력되는 하베스팅된 전기 에너지를 스위치(120)를 통해 이중 입/출력 DC-DC 변환기(130)를 거쳐 부하단으로 바로 전달하는 것이다. 부하단에 2차 전지가 구비되어 있는 경우에 유용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 종래에 사용되는 두 개의 DC-DC 변환기를 하나의 이중 입출력 변환기로 대체하여, 구성 회로의 개수와 인덕터의 개수를 반으로 줄였다.
본 발명의 실시예를 통해, 종래의 구조에서 주변 환경에서 수집된 에너지의 변환목적으로 사용된 DC-DC 변환기와 이를 충전 및 방전하기 위해 사용된 2차 전지를 위한 DC-DC 변환기의 추가 구비로 인하여 발생되는 회로의 크기 및 비용의 증가 측면에 대한 단점을 해결할 수 있으며, 변환효율의 개선효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 의해, 회로 구성상의 크기나 효율이 향상되므로, 저전력 통신 반도체 회로와 함께 설계가 가능하다.
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 입력부
120 : 스위치
130 : 이중 입/출력 DC-DC 변환기
140 : 2차 전지

Claims (12)

  1. 주변 환경으로부터 에너지를 수집하여 생성한 전기 에너지를 입력받는 입력부;
    전기 에너지를 저장하는 2차 전지;
    입력부를 통해 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 2차 전지에 저장하고, 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달하는 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    변환기는,
    하나의 소자로 구현되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    입력부와 변환기 간의 전기적 연결을 스위칭하는 스위치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    스위치는,
    변환기가 2차 전지에 저장된 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 방전시키는 경우에는, 입력부와 변환기 간의 전기적 연결을 차단시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    스위치는,
    변환기가 2차 전지에 저장된 전기 에너지의 전압 레벨를 변환하여 부하로 방전시키지 않는 경우에는, 입력부와 변환기를 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    변환기는,
    입력부를 통해 입력되는 전기 에너지를 입력 받기 위한 제1 입력단;
    2차 전지에서 방전되는 전기 에너지를 입력 받기 위한 제2 입력단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    변환기는,
    전압 레벨이 변환된 전기 에너지를 2차 전지로 출력하기 위한 제1 출력단;
    전압 레벨이 변환된 전기 에너지를 부하로 출력하기 위한 제2 출력단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  8. 청구항 1에 있어서,
    변환기는,
    입력부를 통해 입력되는 전기 에너지와 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지를, 각기 다른 전압 레벨로 변환하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  9. 청구항 8에 있어서,
    변환기는,
    입력부를 통해 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달할 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  10. 주변 환경으로부터 에너지를 수집하여 생성한 전기 에너지를 입력받는 단계;
    입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 2차 전지에 저장하는 단계;
    2차 전지에서 방전되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 제어 방법.
  11. 주변 환경으로부터 에너지를 수집하여 생성한 전기 에너지를 입력받는 입력부를 통해 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 2차 전지에 저장하고, 2차 전지에서 방전되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달하는 변환기; 및
    입력부와 변환기 간의 전기적 연결을 스위칭하는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  12. 하베스팅된 전기 에너지가 입력되는 입력부와 입력되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하는 변환기가 전기적으로 연결되도록 스위칭하는 단계;
    하베스팅된 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 2차 전지에 저장하는 단계;
    입력부와 변환기가 전기적으로 차단되도록 스위칭하는 단계;
    2차 전지에서 방전되는 전기 에너지의 전압 레벨을 변환하여 부하로 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 제어 방법.
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