KR101768385B1 - 충전 시간을 이용한 최대전력지점 추적 기법을 적용한 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

충전 시간을 이용한 최대전력지점 추적 기법을 적용한 에너지 하베스팅 시스템 Download PDF

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Abstract

충전 시간을 이용한 최대전력지점 추적 기법을 적용한 에너지 하베스팅 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은, 에너지 하베스팅 소스, 에너지 하베스팅 소스에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 다수의 정류기들을 포함하는 정류부, 정류부에서 출력되는 DC로 충전되는 충전부 및 충전부의 충전 시간을 기초로 활성화할 정류기들의 개수를 결정하여 정류부를 제어하는 제어부를 포함한다. 이에 의해, 최대전력지점 추적을 위한 별도의 추적 시간 및 안정화 시간이 필요하지 않기 때문에 저장용 커패시터에 저장된 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.

Description

충전 시간을 이용한 최대전력지점 추적 기법을 적용한 에너지 하베스팅 시스템{Energy Harvesting System applying the Maximum Power Point Tracking Technique with a Charging Time}
본 발명은 에너지 하베스팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 하베스팅 시스템의 효율성을 높이기 위한 기술에 관한 것이다.
에너지 하베스팅 시스템 및 전력을 공급하는 전력 관리 시스템에서는 출력 부하단으로 고효율로 최대 전력을 공급하기 위해 최대전력지점 추적 기법을 사용한다.
최대전력지점 추적 기법은 출력 부하단에 최대 전력을 공급하기 위한 기법으로, 종래기술에서는 일반적으로 출력 부하단의 전력을 감지하여 출력 전력을 최대로 낼 수 있도록 부하 조절 또는 입력단의 전력을 조절한다.
전력을 감지하기 위해서는 전압과 전류를 모두 감지하여 이를 아날로그-디지털 변환기(ADC) 및 디지털-아날로그 변환기(DAC) 등을 통해 최대전력지점 추적 제어 블록으로 신호를 보내야 한다.
따라서 최대전력지점 추적 기법을 위해 부가적으로 전압 감지 회로, 전류 감지 회로, ADC 및 DAC 등이 필요하게 되어 소비 전력 및 면적이 증가하게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 저장용 커패시터가 충전되는 시간을 기초로 최대전력지점 추적 기법을 적용함으로써, 최대 전력을 검출할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 시스템은, 에너지 하베스팅 소스; 에너지 하베스팅 소스에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 다수의 정류기들을 포함하는 정류부; 정류부에서 출력되는 DC로 충전되는 충전부; 및 충전부의 충전 시간을 기초로 활성화할 정류기들의 개수를 결정하여, 정류부를 제어하는 제어부;를 포함한다.
그리고, 제어부는, 충전부의 충전 시간이 최단이 되는 정류기들의 개수를 탐색하고, 탐색된 개수로 정류부를 제어할 수 있다.
또한, 제어부는, m+a개의 정류기들을 활성화한 경우의 제1 충전 시간이 m개의 정류기들을 활성화한 경우의 제2 충전 시간 보다 짧으면, 활성화된 정류기들의 개수를 증가시켜 탐색을 계속할 수 있다.
그리고, 제어부는, m+a개의 정류기들을 활성화한 경우의 제1 충전 시간이 m개의 정류기들을 활성화한 경우의 제2 충전 시간 보다 길면, 활성화할 정류기들의 개수를 m개로 결정할 수 있다. 또한, a는 1일 수 있다.
그리고, 충전부의 충전 전압이 하한 전압을 초과하면 제1 신호를 출력하는 제1 비교부;를 더 포함하고, 제어부는, 제1 비교부에서 제1 신호가 출력되면, 충전 시간 카운팅을 시작할 수 있다.
또한, 충전부의 충전 전압이 상한 전압을 초과하면 제2 신호를 출력하는 제2 비교부;를 더 포함하고, 제어부는, 제2 비교부에서 제2 신호가 출력되면, 충전 시간 카운팅을 종료할 수 있다.
그리고, 상한 전압은, 충전부의 충전 전압으로 특정 기능을 수행할 수 있는 전압일 수 있다.
또한, 제어부는, 충전 시작으로부터 임계 시간 경과시까지 제2 비교부에서 제2 신호가 출력되지 않으면, 활성화할 정류기들의 개수를 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 방법은, 에너지 하베스팅 소스가, AC를 생성하는 단계; 다수의 정류기들을 포함하는 정류부가, AC를 DC로 변환하는 단계; 충전부가, DC로 충전하는 단계; 및 제어부가, 충전부의 충전 시간을 기초로 활성화할 정류기들의 개수를 결정하여, 정류부를 제어하는 단계;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 시스템은, 에너지 하베스팅 소스에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 다수의 정류기들을 포함하는 정류부; 정류부에서 출력되는 DC로 충전되는 충전부; 및 충전부의 충전 시간을 기초로 활성화할 정류기들의 개수를 결정하여, 정류부를 제어하는 제어부;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 방법은, 다수의 정류기들을 포함하는 정류부가, 에너지 하베스팅 소스에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 단계; 충전부가, DC로 충전하는 단계; 및 제어부가, 충전부의 충전 시간을 기초로 활성화할 정류기들의 개수를 결정하여, 정류부를 제어하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 저장용 커패시터의 충전 시간을 기초로 최대전력지점 추적 기법을 적용하여, 에너지 하베스팅 시스템이 동작하는 구간 내에서 최대전력지점을 추적할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예들에 따르면, 최대전력지점 추적을 위한 별도의 추적 시간 및 안정화 시간이 필요하지 않기 때문에 저장용 커패시터에 저장된 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 종래의 기술에서 사용하던 최대전력지점을 추적하기 위해 부가적으로 사용되었던 아날로그 회로 등을 사용하지 않기 때문에 에너지 하베스팅 효율을 높일 수 있으며, 면적 또한 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
나아가, 본 발명의 실시예들에 따르면, 최대전력지점 추적 기법을 정류기 개수의 재구성을 통한 에너지 하베스팅에 적용함으로써, 넓은 입력 전력 에너지 소스에 대해 최대 효율로 에너지 하베스팅을 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 블록도,
도 2는 에너지 하베스팅 정류부의 상세 블록도,
도 3은 EHRUC 활성화 개수에 따른 효율 및 충전 시간을 나타낸 그래프,
도 4는 MPPT 제어부의 상세 블록도,
도 5는 최대전력지점 추적 과정의 설명에 제공되는 타이밍도,
도 6는 하베스팅되는 에너지가 적은 경우 최대전력지점 재추적 과정의 설명에 제공되는 타이밍도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 최대전력지점 추적 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 블록도이다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은, 하베스팅 시간을 이용한 최대전력지점 추적 기법(MPPT : Maximum Power Point Tracking)을 적용한 정류기들의 재구성을 통해 고효율의 에너지 하베스팅을 수행한다.
이와 같은 기능을 수행하는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은, 에너지 하베스팅 소스(Energy Harvesing Source)(210), 재구성 가능한 에너지 하베스팅 정류부(Reconfigurable Energy Harvesing Rectifier)(220), 저장용 캐패시터(Stoage Capacitor)(230), 비교기(Comparator)들(240,250) 및 MPPT 제어부(MPPT Controller)(260)를 포함한다.
에너지 하베스팅 소스(210)는 에너지 하베스팅으로 AC를 생성한다. 에너지 하베스팅 정류부(220)는 에너지 하베스팅 소스(210)에서 생성된 AC를 DC로 변환한다. 에너지 하베스팅 정류부(220)에서 변환된 DC는 저장용 캐패시터(230)에 충전된다.
MPPT 제어부(260)는, 비교기들(240,250)을 이용하여 저장용 캐패시터(230)의 충전 시간을 계산하고, 계산된 충전 시간을 기초로 에너지 하베스팅 정류부(220)를 제어하면서 최대전력지점 추적한다. MPPT 제어부(260)에 의한 에너지 하베스팅 정류부(220)의 제어와 최대전력지점 추적에 대해서는 상세히 후술한다.
도 2는 에너지 하베스팅 정류부(220)의 상세 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 하베스팅 정류부(220)는 정류기로 각각 기능하는 다수의 EHRUC(Energy Harvesting Rectifier Unit Cell)들(220-0, ..., 220-(N-1), 220-N)을 포함한다.
즉, 에너지 하베스팅 정류부(220)는 N+1개의 단위 정류기(스테이지)로 구성되며, 최종 출력단에 저장용 캐패시터(230)가 연결되어 있다.
각각의 EHRUC(스테이지)는 MPPT 제어부(260)에서 출력되는 제어 신호들로 제어된다. 구체적으로, 에너지 하베스팅 정류부(220)를 구성하는 EHRUC들(220-0, ..., 220-(N-1), 220-N)은 선택적으로 활성화되어 동작하는데, MPPT 제어부(260)는 활성화할 EHRUC들의 개수를 결정하고, 그에 따라 EHRUC들(220-0, ..., 220-(N-1), 220-N)을 선택적으로 활성화하는 것이다.
활성화할 EHRUC 개수는 에너지 하베스팅 소스(210)에서 생성된 에너지에 대해 최대 출력/효율을 낼 수 있는 개수이다.
도 3은 EHRUC 활성화 개수에 따른 효율 및 저장용 캐패시터(230)의 충전 시간(Charging Time)을 나타낸 그래프이다. 충전 시간은 저장용 캐패시터(230)를 특정 전압(후술할 VREFH에 해당)까지 충전하는데 소요되는 시간이다.
도 3을 통해, 충전 시간이 짧을수록 효율은 증가하며, 충전 시간이 길수록 효율은 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 3에 나타난 특성을 반영하여, 본 발명의 실시예에서는, 충전 시간을 기초로 최대전력지점을 추적한다. 이를 수행하는 MPPT 제어부(260)의 상세 구조를 도 4에 도시하였다.
도 4는 MPPT 제어부(260)의 상세 블록도이다. 이해와 설명의 편의를 위해, 도 4에는 MPPT 제어부(260) 외에 비교기들(240,250)을 더 도시하였다. MPPT 제어부(260)는 카운터(261)와 카운트 비교기(262)를 포함한다.
MPPT 제어부(260)의 구성은 모두 디지털 블록들이므로 전류 소모와 면적을 모두 작게 구현 가능하다.
비교기-ST(240)는 에너지 하베스팅 정류부(220)의 출력단의 전압, 즉, 저장용 캐패시터(230)의 전압인 VRECT와 VREFL을 비교하여, VRECT가 VREFL 보다 커지면 ST_MPPT 신호를 카운터(261)로 출력한다.
VRECT가 VREFL 보다 커지는 경우에 카운터(261)로 인가되는 ST_MPPT 신호는 저장용 캐패시터(230)의 충전이 시작되었음을 알리기 위한 신호이다.
비교기-END(250)는 VRECT와 VREFH를 비교하여, VRECT가 VREFH 보다 커지면 END_MPPT 신호를 카운터(261)로 출력한다.
VRECT가 VREFH 보다 커지는 경우에 카운터(261)로 인가되는 END_MPPT 신호는 저장용 캐패시터(230)의 충전이 상당 부분 저장되어, 정해진 기능을 수행할 수 있음을 알리기 위한 신호이다.
ST_MPPT 신호가 인가되면 카운터(261)는 카운팅을 시작하며, END_MPPT 신호가 인가되면 카운터(261)는 카운팅을 종료하고, 카운팅 값을 저장한다. 여기서, 카운팅 값은 전술한 충전 시간에 해당한다. 에너지 하베스팅 소스(210)에 의한 에너지 하베스팅 시간으로 볼 수도 있다.
카운트 비교기(262)는 카운터(261)에 의해 저장된 현재 카운팅 값과 기저장되어 있었던 이전 카운팅 값을 비교하고, 비교결과를 기초로 에너지 하베스팅 정류부(220)로 인가할 STAGE_CONT<N:0>를 조절한다.
STAGE_CONT<N:0>는 에너지 하베스팅 정류부(220)를 구성하는 EHRUC들(220-0, ..., 220-(N-1), 220-N)을 선택적으로 활성화/비활성화 시키기 위한 제어신호들을 의미한다. STAGE_CONT<N:0>에 의해 활성화되는 EHRUC들이 결정되며, 이에 의해 활성화되는 EHRUC 개수가 결정되는 것은 물론이다.
EHRUC 개수를 결정하는 것은, 최대전력지점을 추적하는 것을 의미한다. 최대전력지점 추적 과정에 대해, 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, VRECT가 VREFL 보다 커지면, 비교기-ST(240)에서 ST_MPPT 신호가 발생하여, 카운터(261)는 카운팅을 시작한다. 이후, VRECT가 VREFH 보다 커지면, 비교기-END(250)에서 END_MPPT 신호가 발생하여, 카운터(261)는 카운팅을 종료한다.
그리고, 카운터(261)에 의해 생성된 카운팅 값 CNT<M:0>은 CNT_NEW 레지스터에 저장되고, 기존에 저장되어 있던 카운팅 값 CNT<M:0>은 CNT_PRE 레지스터로 이동한다.
그러면, 카운트 비교기(262)는 CNT_NEW 레지스터와 CNT_PRE 레지스터에 저장된 카운팅 값들을 비교한다. 비교 결과, CNT_NEW 레지스터에 저장된 카운팅 값 M이 CNT_PRE 레지스터에 저장된 N 보다 작으면, 활성화되는 EHRUC 개수가 1개(2개 이상도 무방) 증가하도록 STAGE_CONT<N:0>를 조절한다.
활성화된 EHRUC 개수를 늘여 충전 시간이 짧아졌으므로, 활성화된 EHRUC 개수를 더 늘여보는 것이다.
이후, 활성화된 EHRUC 개수가 1개 늘어난 상태에서 카운터(261)에 의해 생성된 카운팅 값 L이 CNT_NEW 레지스터에 저장되고, 기존에 저장되어 있던 카운팅 값 M은 CNT_PRE 레지스터로 이동한다.
만약, 카운트 비교기(262)의 비교 결과, CNT_NEW 레지스터에 저장된 카운팅 값 L이 CNT_PRE 레지스터에 저장된 M 보다 크면, 활성화되는 EHRUC 개수가 1개 감소하도록, 즉, M을 카운팅하였을 때의 STAGE_CONT<N:0>로 회기한다.
활성화된 EHRUC 개수를 늘여 충전 시간이 길어졌으므로, 이전에 활성화된 EHRUC 개수를 최대전력지점으로 결정하는 것이다. 이에 따라, 카운트 비교기(262)에서는 STAGE_LOCK 신호가 에너지 하베스팅 정류부(220)에 인가되고, 최대전력지점 추적 동작은 종료된다.
도 5에 도시된 과정은 에너지 하베스팅 소스(210)에 의해 하베스팅되는 에너지가 많은 상황을 상정한 것이다. 하지만, 에너지 하베스팅 소스(210)에 의해 하베스팅되는 에너지가 적은 경우, MPPT 제어부(260)에 의한 에너지 하베스팅 정류부(220)의 제어 과정에 대한 설명에 제공되는 타이밍도이다.
에너지 하베스팅 소스(210)에 의해 하베스팅되는 에너지가 적어, 카운터(261)에 의한 카운팅 값이 기준 시간에 도달할 때까지, VRECT가 VREFH에 도달하지 못하여 비교기-END(250)로부터 END_MPPT 신호가 인가되지 않으면, 카운터(261)는 TIME_OUT 신호를 발생하여 카운트 비교기(262)로 출력한다.
그러면, 카운트 비교기(262)는 활성화되는 EHRUC 개수가 1개 증가하도록 STAGE_CONT<N:0>를 조절하여, VRECT가 부스팅 되도록 한다.
그럼에도 불구하고, VRECT가 VREFH에 도달하지 못하고 다시 TIME_OUT 되면, 활성화되는 EHRUC 개수를 1개 더 증가시킨다. 반면, VRECT가 VREFH에 도달하여 비교기-END(250)로부터 END_MPPT 신호가 인가되면, 도 5에 제시된 최대전력지점 추적 동작이 수행된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 최대전력지점 추적 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 최대전력지점(MPPT) 추적이 시작 되면(S310), STAGE_CONT<N:0>를 초기 값으로 설정하고(S320), 카운터(261)가 카운팅을 진행하는데(S330), 카운팅 값이 CNT_TIME_OUT 보다 커지면(S340-Yes), 카운터(261)가 TIME_OUT을 발생시켜 카운트 비교기(262)는 활성화되는 EHRUC 개수가 1개 증가하도록 STAGE_CONT<N:0>를 조절한다(S350).
카운팅 값이 CNT_TIME_OUT 보다 커지기 전에 카운팅이 종료되면, 카운트 비교기(262)는 CNT_PRE 레지스터와 CNT_NEW 레지스터에 각각 저장된 카운팅 값을 비교한다(S360).
비교 결과 CNT_PRE가 CNT_NEW보다 크면(S360-Yes), 카운트 비교기(262)는 EHRUC 개수가 1개 증가하도록 STAGE_CONT<N:0>를 조절한다(S350).
반면, CNT_PRE가 CNT_NEW보다 작으면(S360-No), 카운트 비교기(262)는 CNT_PRE에 따른 STAGE_CONT<N:0>로 에너지 하베스팅 정류부(220)를 고정시키고 최대전력지점(MPPT) 추적을 종료한다(370).
위 실시예에서는 활성화되는 EHRUC 개수를 증가시켜 가면서 탐색하는 상황만을 상정하였는데, 예시적인 것에 불과하다. 활성화되는 EHRUC 개수를 감소시키면서 탐색하는 상황 및 증가와 감소를 병행하면서 탐색하도록 구현할 수 있음은 물론이다.
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.
210 : 에너지 하베스팅 소스(Energy Harvesing Source)
220 : 재구성 가능한 에너지 하베스팅 정류부(Reconfigurable Energy Harvesing Rectifier)
230 : 저장용 캐패시터(Stoage Capacitor)
240 : 비교기-ST 250 : 비교기-END
260 : MPPT 제어부(MPPT Controller)
261 : 카운터 262 : 카운트 비교기

Claims (12)

  1. 에너지 하베스팅 소스;
    에너지 하베스팅 소스에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 다수의 정류기들을 포함하는 정류부;
    정류부에서 출력되는 DC로 충전되는 충전부; 및
    충전부의 충전 시간을 기초로 활성화할 정류기들의 개수를 결정하여, 정류부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제어부는,
    충전부의 충전 시간이 최단이 되는 정류기들의 개수를 탐색하고, 탐색된 개수로 정류부를 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제어부는,
    m+a개의 정류기들을 활성화한 경우의 제1 충전 시간이 m개의 정류기들을 활성화한 경우의 제2 충전 시간 보다 짧으면, 활성화된 정류기들의 개수를 증가시켜 탐색을 계속하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제어부는,
    m+a개의 정류기들을 활성화한 경우의 제1 충전 시간이 m개의 정류기들을 활성화한 경우의 제2 충전 시간 보다 길면, 활성화할 정류기들의 개수를 m개로 결정하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    a는 1인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    충전부의 충전 전압이 하한 전압을 초과하면 제1 신호를 출력하는 제1 비교부;를 더 포함하고,
    제어부는,
    제1 비교부에서 제1 신호가 출력되면, 충전 시간 카운팅을 시작하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    충전부의 충전 전압이 상한 전압을 초과하면 제2 신호를 출력하는 제2 비교부;를 더 포함하고,
    제어부는,
    제2 비교부에서 제2 신호가 출력되면, 충전 시간 카운팅을 종료하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상한 전압은,
    충전부의 충전 전압으로 특정 기능을 수행할 수 있는 전압인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    제어부는,
    충전 시작으로부터 임계 시간 경과시까지 제2 비교부에서 제2 신호가 출력되지 않으면, 활성화할 정류기들의 개수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  10. 에너지 하베스팅 소스가, AC를 생성하는 단계;
    다수의 정류기들을 포함하는 정류부가, AC를 DC로 변환하는 단계;
    충전부가, DC로 충전하는 단계; 및
    제어부가, 충전부의 충전 시간을 기초로 활성화할 정류기들의 개수를 결정하여, 정류부를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 방법.
  11. 에너지 하베스팅 소스에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 다수의 정류기들을 포함하는 정류부;
    정류부에서 출력되는 DC로 충전되는 충전부; 및
    충전부의 충전 시간을 기초로 활성화할 정류기들의 개수를 결정하여, 정류부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
  12. 다수의 정류기들을 포함하는 정류부가, 에너지 하베스팅 소스에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 단계;
    충전부가, DC로 충전하는 단계; 및
    제어부가, 충전부의 충전 시간을 기초로 활성화할 정류기들의 개수를 결정하여, 정류부를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 방법.
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