KR101794615B1 - 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 하베스팅 압전발전기에 있어서 이차전지 충전에 필요한 전압까지 승압시키는데 콘덴서에 충전된 전압을 다른 콘덴서로 이동하고 적층하는 스위칭 방식으로 승압함으로써 승압 손실을 최소화하는 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템에 관한 것이다. 본 발명은, 압력변화를 감지하여 전압을 발생하는 다수의 압전소자; 상기 압전소자에 일대일 대응되며, 상기 압전소자에서 발생한 전압을 정류 및 증폭하여 소정 전압으로 변환시키는 다수의 전력변환기; 상기 다수의 전력변환기에서 변환된 전압을 집전하는 1차 전력집전기; 상기 1차 전력집전기에서 집전된 전압을 충전하는 1차 충전기; 상기 1차 충전기에서 충전된 전압을 저장하는 1차 에너지저장장치; 상기 1차 에너지저장장치에 저장된 전압을 집전하는 2차 전력집전기; 상기 2차 전력집전기에서 집전된 전압을 충전하는 2차 충전기; 및 상기 2차 충전기에서 충전된 전압을 저장하는 2차 에너지저장장치를 포함한다.

Description

에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템{Small power conversion system for piezo electric energy harvesting generators}

본 발명은 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 하베스팅 압전발전기에 있어서 이차전지 충전에 필요한 전압까지 승압시키는데 콘덴서에 충전된 전압을 다른 콘덴서로 이동하고 적층하는 스위칭 방식으로 승압함으로써 승압 손실을 최소화하는 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템에 관한 것이다.

기존의 태양광 발전설비는 태양에너지만을 사용하여 발전을 함으로 야간에는 전기를 생성할 수 없고 흐릴 경우와 우천시에도 역시 태양발전 용량이 현저히 저하되는 단점이 있었다. 이러한 태양광의 영향이 없거나 약할 경우에도 다른 에너지를 이용하여 발전할 수 있다면 태양광 발전설비의 발전효율을 높일 수 있을 것이다.

태양광 발전설비 주변의 풍력을 이용하여 압전소자를 구동시켜 발전하면 야간 및 우기에 발전할 수 없는 태양광 발전시스템의 환경적 문제점을 극복할 수 있어, 태양광 발전을 보완할 수 있는 압전소자와 같은 에너지 하베스팅 소전력발전기를 상용화시킬 필요가 있었다.

이러한 에너지 하베스팅 소전력발전기를 상용화시키기 위해서는 소전력발전기로 부터 생성되는 미세한 소전력을 모아 최소의 전력 소모로 다른 에너지 하베스팅 발전기인 태양광발전모듈 등과도 연계시킬 수 있는 에너지 하베스팅 소전력발전기용 극소 소비전력 전력변환기, 충전기, 전력집전기와 같은 소전력 변환 시스템을 개발할 필요가 있었다.

종래의 전력변환 기술은 요구되는 최소 입력전압이 발전되는 전압에 비해 상대적으로 높고 이차전지 충전에 필요한 전압까지 승압시키는데 손실이 커 실용화하기 어려운 단점이 있었다.

즉, 도 1은 종래 에너지하베스팅 장치의 전력 효율을 나타낸 블록도로서, 도시된 바와 같이 발전되는 교류전압을 직류로 변환하는데 정류기에서만 실리콘 다이오드의 순방향 문턱전압으로 인하여 1.4V가 소모되고 (발전전압이 2V인 경우 정류회로에서만 효율은 약 9%에 불과하여 91%가 손실됨), 스위칭회로와 승압변압기를 결합한 방식의 직류 전압승압기 (DC-DC Converter)에서만 약 50%의 전력 손실이 발생한다.

따라서, 전체 효율은 입력전압이 2V 인 경우 약 4.5%에 불과하여 실용화에 어려움이 있다. 물론 입력전압이 12V와 같은 상대적으로 높은 전압의 경우에는 전체효율이 약 35% (정류회로 70% x 변환회로 50%)로 상승되지만 이 경우도 전체효율은 낮은 편이며 에너지하베스팅 장치에서 이 같은 높은 전압이 발생하는 경우는 매우 낮기 때문에 입력전압이 2~12V 경우 전체효율은 4.5~35% 에 불과하다 따라서, 이러한 전력변환 과정에서 전력변환 효율은 매우 중요하며 높은 효율로 사용할 수 있도록 하는 방식의 설계가 필요한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0023329호 (공개일자 : 2012.03.13)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 에너지 하베스팅 압전발전기에 있어서 이차전지 충전에 필요한 전압까지 승압시키는데 콘덴서에 충전된 전압을 다른 콘덴서로 이동하고 적층하는 스위칭 방식으로 승압함으로써 승압 손실을 최소화하는 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 압력변화를 감지하여 전압을 발생하는 다수의 압전소자; 상기 압전소자에 일대일 대응되며, 상기 압전소자에서 발생한 전압을 정류 및 증폭하여 소정 전압으로 변환시키는 다수의 전력변환기; 상기 다수의 전력변환기에서 변환된 전압을 집전하는 1차 전력집전기; 상기 1차 전력집전기에서 집전된 전압을 충전하는 1차 충전기; 상기 1차 충전기에서 충전된 전압을 저장하는 1차 에너지저장장치; 상기 1차 에너지저장장치에 저장된 전압을 집전하는 2차 전력집전기; 상기 2차 전력집전기에서 집전된 전압을 충전하는 2차 충전기; 및 상기 2차 충전기에서 충전된 전압을 저장하는 2차 에너지저장장치를 포함하는 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템을 제공한다.

상기 전력변환기는, 입력 전압을 승압하는 트랜스포머; 전압을 정류 및 소정 전압으로 증폭시키는 정류 및 전압 증폭부; 상기 트랜스포머에서 승압된 전압을 상기 정류 및 전압 증폭부에 연결시키는 제1 스위치; 입력 전압을 상기 트랜스포머를 거치지 않고 상기 정류 및 전압 증폭부에 바로 연결시키는 제2 스위치; 상기 입력 전압이 기준전압 미만일 경우 상기 제1 스위치를 온시켜 증폭된 전압을 입력하고, 상기 입력 전압이 기준전압 이상일 경우 상기 제2 스위치를 온시켜 입력전압을 바로 입력하도록 제어하는 제어부; 상기 정류 및 전압 증폭부에서 증폭된 일정 전원을 저장하는 배터리; 상기 제어부의 제어에 따라 상기 정류 및 전압 증폭부에서 증폭된 전원을 상기 배터리에 연결시키는 제3 스위치; 및 시스템 동작 초기에 상기 배터리의 전원을 상기 제어부에 연결하여 초기구동전원을 공급하는 제4 스위치를 포함한다.

상기 배터리에 충전된 전원을 부하에 공급하는 제5 스위치를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 기준전압을 입력받아 충전되며 상기 배터리의 정상 동작시점까지 출력전압의 발생을 억제하도록 일정전압이 충진되는 동안 상기 제5 스위치를 오프동작시키되; 초기구동시 상기 제어부내의 비교기의 출력신호에 따라 상기 기준전압의 접지 도통 경로를 개폐함으로써 비교기의 출력을 순간적으로 반전시켜 상기 제어부의 비교 판단시간을 단축함으로써 오버슈트 현상을 억제하는 시간지연 회로부를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 기준전압은 0.4V ~ 5V 범위 이내인 것이 바람직하다.

상기 정류 및 전압 증폭부에는 배압정류회로가 사용될 수 있다.

상기 제어부는 에너지 하베스팅 전원으로부터의 입력값을 모니터하여 전체적인 전력변환효율이 최대가 되도록 최대전력치추적법(MPPT: Maximum Power Point Tracking)을 적용하는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

에너지 하베스팅에서의 전력변환 기술은 낮은 입력전압일 때는 입력전력을 그대로 출력 측으로 전달하며 입력전압이 일정수준 이상일 경우 출력전압을 설정된 범위로 유지하도록 제어하는 방식을 사용한다. 이렇게 얻어진 출력전압은 다시 제어회로를 작동시키는데 사용되므로 최대효율로 작동되도록 하는 최적제어가 가능해진다. 부하에 전력공급을 하고도 남는 전력이 있을 경우 2차전지를 충전하도록 하는 방식이 사용된다. 이러한 전력변환 과정에서 전력변환 효율은 매우 중요하며 높은 효율로 사용할 수 있도록 하는 방식의 설계가 필요하며, 본 발명에서는 일예로 이차전지 충전에 필요한 전압까지 승압시키는데도 콘덴서에 충전된 전압을 다른 콘덴서로 이동하고 적층하는 스위칭 방식으로 일차적으로 승압을 하므로 승압 손실은 거의 없으며 다만 제어회로에서만 일부 손실이 있으나 직류 전압승압기 (DC-DC Converter)에서는 약 90%의 고효율을 나타낼 수 있는 효과가 있다.

또한 발전되는 교류전압을 직류로 변환하는데도 저손실 정류방식을 채용하여 (발전전압이 2V인 경우 정류회로에서만 효율은 약 50%, 발전전압이 12V인 경우 정류회로 효율은 약 85%), 즉 입력접압이 2~12V 경우 전체효율은 45~75%로, 종래 방식의 전체효율 즉 4.5~35%에 비해 향상된 변환효율을 가질 수 있는 효과도 있다.

도 1은 종래 에너지하베스팅 장치의 전력 효율을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템을 나타낸 블록도,
도 3은 도 2의 전력변환기를 더욱 상세히 나타낸 블록도이다.

본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 그중 특정 실시예를 상세한 설명과 도면의 예시를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 주지 관용 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템을 나타낸 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템은, 다수의 압전소자(100), 전력변환기(110), 1차 전력집전기(120), 1차 충전기(130), 1차 에너지저장장치(140), 2차 전력집전기(150), 2차 충전기(160) 및 2차 에너지저장장치(170)를 포함한다.

다수의 압전소자(100)는 압력변화를 감지하여 전압을 발생한다.

다수의 전력변환기(110)는 상기 압전소자(100)에 일대일 대응되며, 상기 압전소자(100)에서 발생한 전압을 정류 및 증폭하여 소정 전압으로 변환시킨다.

1차 전력집전기(120)는 상기 다수의 전력변환기(110)에서 변환된 전압을 집전한다.

1차 충전기(130)는 상기 1차 전력집전기(120)에서 집전된 전압을 충전한다.

1차 에너지저장장치(140)는 상기 1차 충전기(130)에서 충전된 전압을 저장한다.

2차 전력집전기(150)는 상기 1차 에너지저장장치(140)에 저장된 전압을 집전한다.

2차 충전기(160)는 상기 2차 전력집전기(150)에서 집전된 전압을 충전한다.

2차 에너지저장장치(170)는 상기 2차 충전기(160)에서 충전된 전압을 저장한다.

도 3은 도 2의 전력변환기를 더욱 상세히 나타낸 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전력변환기는 전력변환기(110), 트랜스포머(111), 정류 및 전압 증폭부(112), 제어부(113), 배터리(114), 보조전원저장장치(115) 및 제1~제4 스위치(SW1~SW4)를 포함한다.

에너지 하베스팅 전원으로부터 입력전력이 들어오면 정류 및 전압 증폭부(112)가 바로 취급할 수 있는 수준이면 제2 스위치(SW2)를 통하여 직접 전원이 들어오고, 그렇지 않은 미약한 수준인 경우에는 승압 트랜스포머(111)를 사용하여 정류 및 전압 증폭부(112)가 취급할 수 있는 수준으로 전압을 승압한 후 제1 스위치(SW1)를 거쳐 입력받는다.

이 경우 정류 및 전압 증폭부(112)가 바로 취급할 수 있는 수준의 전압이란 최대 효율을 얻기 위한 제어회로의 설계치에 따라 다르나 일반적으로 트랜스포머(111)가 없을 경우 기동시 약 0.4V ~ 5V 로 제한된다. 트랜스포머(111)가 있을 경우는 트랜스포머(111)의 변성비에 따라 다르나 약 0.04V ~ 0.5V 로 제한된다. 두 가지 경우 모두 일단 기동이 되면 기동전압의 약 1/3 전압으로도 전력변환이 가능하게 된다.

전력변환기가 처음 운전을 시작할 때는 외부 입력전원이 없으므로 배터리(114) 즉, Li-Ion 축전지로부터 초기구동전력을 공급받기 위하여 제4 스위치(SW4)가 접속되어 제어부(113)에 전원을 공급하면서 부하에 전력을 공급한다.

정류 및 전압 증폭부(112)가 바로 취급할 수 있는 수준의 전압이 정류 및 전압 증폭부(112)에 입력되면 전력변환기의 용도 및 구성에 따라 제1 스위치(SW1) 또는 제2 스위치(SW2)가 접속된다. 입력전압이 교류인 경우에는 교류를 맥류로 변환시키며 이때, 전력효율을 높이기 위하여 정류 및 전압 증폭부(112)에 배압정류회로가 사용된다.

입력전압이 교류가 아닌 경우는 바로 스위칭 회로를 사용하여 전압을 증폭(boosting)하는 방법을 사용한다. 즉 입력전압이 교류인 경우에는 전압을 상승시킬 수 있는 방법은 별도의 회로를 구성하지 않고는 배압정류회로에 의한 2배압 전압상승만 가능하므로, 보다 높은 입력전압이 필요하며 이를 위해 입력측에 승압용 변압기로서 트랜스포머(111)를 설치하여야 한다.

그러나 입력전압이 직류인 경우에는 증폭(booster) 회로를 채용하여 전압을 상승시킬 수 있으므로 보다 낮은 입력전압으로도 승압이 가능하므로, 입력전압이 직류이므로 물론 변압기를 사용할 수 없지만, 승압을 위하여 입력 측에 승압용 변압기를 필요로 하지 않는다.

이렇게 하여 Li-Ion 배터리(114)를 충전하면서 부하에 공급할 수 있는 전력이 입력전력에 의해 생산되면 제3 스위치(SW3)이 접속되어 제어회로에도 전원을 공급하면서 부하에 전력을 공급하게 된다. 이때 Li-Ion 배터리(114)는 입력전압이 배터리를 충전할 수 있도록 제4 스위치(SW4)가 접속되어 동시에 충전을 하며, 입력전압이 배터리(114)를 충전할 수 있도록 높지 않으면 제4 스위치(SW4)가 차단되어 배터리(114)에 보관된 전력을 절약하게 한다.

그러나 입력전압이 그 이하로 떨어지면 제1 스위치(SW1) 또는 제2 스위치(SW2)가 차단되고 제어부(113)에 공급되는 전원도 일부 차단되어 최소 소모전력으로 유지하면서 제4 스위치(SW4)가 접속되어 배터리(114)로부터의 전력을 부하로 공급하게 된다.

또한, 상기 배터리(114)에 충전된 전원을 부하에 공급하는 제5 스위치(SW5)를 더 포함한다.

이때, 상기 제어부(113)는 상기 기준전압을 입력받아 충전되며 상기 배터리(114)의 정상 동작시점까지 출력전압의 발생을 억제하도록 일정전압이 충진되는 동안 상기 제5 스위치(SW5)를 오프동작시킨다.

또한, 상기 제어부(113)는 초기구동시 상기 제어부(113) 내부에 구비된 비교기(116)의 출력신호에 따라 상기 기준전압의 접지 도통 경로를 개폐한다. 이때, 시간지연 회로부(117)는 상기 비교기(116)의 출력을 순간적으로 반전시켜 상기 제어부(113)의 비교 판단시간을 단축함으로써 오버슈트 현상을 억제한다.

상술한 오버슈트는 후단에 구비되어 있는 디바이스들에게 상당한 전압 충격을 줄 수 있으므로, 시스템 안정성 측면에서 매우 우려되는 현상인 바, 본 발명에서는 이와 같은 오버슈트 현상을 억제함으로써 종래기술의 문제점을 해결하는 효과가 있다.

에너지 하베스팅 입력을 접속하고 차단하는 전압값들과 배터리(114)를 접속하고 차단하는 전압값들은 에너지 하베스팅용 전력변환기의 변환효율을 결정하는 중요한 요소가 된다. 이러한 에너지 하베스팅 전원으로부터의 입력값을 모니터하여 전체적인 전력변환효율이 최대가 되도록 하는 것을 최대전력치추적법(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 이라고도 한다.

그러나 전력변환효율이 최대가 되도록 하는 것은 최대전력치추적법(MPPT)의 적용만으로는 제어범위에 한계가 보조적으로 전력변환기에 가해지는 입력전압이 일정 범위가 되도록 입력전압이 너무 낮을 때는 승압 변압기로 전압을 올리는 방법을 사용한다. 단 어느 경우도 광범위한 범위에 걸쳐 최적제어가 되는 것은 아니고 주로 입력되는 전압범위를 고려하여 승압변압기 채용 여부를 고려하여야 한다. 물론 이 승압변압기를 사용하는 것은 입력전원이 직류가 아닌 교류인 경우에만 적용 가능한 방식이다.

본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것으로, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.

100 : 압전소자 110 : 전력변환기
111 : 트랜스포머 112 : 정류 및 전압 증폭부
113 : 제어부 114 : 배터리
115 : 보조전원저장장치 116 : 비교기
117 : 지연회로부 120 : 1차 전력집전기
130 : 1차 충전기 140 : 1차 에너지저장장치
150 : 2차 전력집전기 160 : 2차 충전기
170 : 2차 에너지저장장치 SW1~SW4 : 제1~제4 스위치

Claims (6)

1. 압력변화를 감지하여 전압을 발생하는 다수의 압전소자;
   상기 압전소자에 일대일 대응되며, 상기 압전소자에서 발생한 전압을 정류 및 증폭하여 소정 전압으로 변환시키며, 입력 전압을 승압하는 트랜스포머와, 전압을 정류 및 소정 전압으로 증폭시키는 정류 및 전압 증폭부와, 상기 트랜스포머에서 승압된 전압을 상기 정류 및 전압 증폭부에 연결시키는 제1 스위치와, 입력 전압을 상기 트랜스포머를 거치지 않고 상기 정류 및 전압 증폭부에 바로 연결시키는 제2 스위치와, 상기 입력 전압이 기준전압 미만일 경우 상기 제1 스위치를 온시켜 증폭된 전압을 입력하고, 상기 입력 전압이 기준전압 이상일 경우 상기 제2 스위치를 온시켜 입력전압을 바로 입력하도록 제어하는 제어부와, 상기 정류 및 전압 증폭부에서 증폭된 일정 전원을 저장하는 배터리와, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 정류 및 전압 증폭부에서 증폭된 전원을 상기 배터리에 연결시키는 제3 스위치 및 시스템 동작 초기에 상기 배터리의 전원을 상기 제어부에 연결하여 초기구동전원을 공급하는 제4 스위치를 포함하는 다수의 전력변환기;
   상기 다수의 전력변환기(110)에서 변환된 전압을 집전하는 1차 전력집전기;
   상기 1차 전력집전기에서 집전된 전압을 충전하는 1차 충전기;
   상기 1차 충전기에서 충전된 전압을 저장하는 1차 에너지저장장치;
   상기 1차 에너지저장장치에 저장된 전압을 집전하는 2차 전력집전기;
   상기 2차 전력집전기에서 집전된 전압을 충전하는 2차 충전기; 및
   상기 2차 충전기에서 충전된 전압을 저장하는 2차 에너지저장장치를 포함하는 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 배터리에 충전된 전원을 부하에 공급하는 제5 스위치를 더 포함하고,
   상기 제어부는 상기 기준전압을 입력받아 충전되며 상기 배터리의 정상 동작시점까지 출력전압의 발생을 억제하도록 일정전압이 충전되는 동안 상기 제5 스위치를 오프동작시키되;
   초기구동시 상기 제어부내의 비교기의 출력신호에 따라 상기 기준전압의 접지 도통 경로를 개폐함으로써 비교기의 출력을 순간적으로 반전시켜 상기 제어부의 비교 판단시간을 단축함으로써 오버슈트 현상을 억제하는 시간지연 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 기준전압은 0.4V ~ 5V 범위 이내인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 정류 및 전압 증폭부에는 배압정류회로가 사용되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는
   에너지 하베스팅 전원으로부터의 입력값을 모니터하여 전체적인 전력변환효율이 최대가 되도록 최대전력치추적법(MPPT: Maximum Power Point Tracking)을 적용하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 압전발전기용 소전력 변환시스템.
   

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