KR102237658B1 - 다중 입력 에너지 하베스팅 시스템 및 그의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

다중 입력 에너지 하베스팅 시스템 및 그의 제어 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은, 다수의 에너지 하베스팅 소스들, 에너지 하베스팅 소스들에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 다수의 정류기들 및 정류기들의 출력단들의 출력전압들 및 에너지 하베스팅 소스들의 우선순위들을 기초로, 정류기들의 출력단들 중 하나를 전원 입력단으로 연결하는 제어 블록을 포함한다. 이에 의해, 에너지 발생 상태와 우선순위에 기반한 다중 입력 에너지 하베스팅 제어를 통해, 에너지 발생이 없는 에너지 소스에 할당하는 시간을 없앨 수 있어, 보다 효과적이고 보다 빠른 에너지 하베스팅이 가능해진다.

Description

다중 입력 에너지 하베스팅 시스템 및 그의 제어 방법{Multi Input Energy Harvesting System and Control Method thereof}

본 발명은 에너지 하베스팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 입력 에너지 하베스팅 소스를 적용한 에너지 하베스팅 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.

에너지 하베스팅 시스템에서는 부하에 고효율로 최대 전력을 공급하기 위해 입력 에너지원을 단일 에너지원만 사용하지 않고, 다중 에너지를 입력으로 사용한다.

3개의 다중 입력 에너지 하베스팅 시스템의 경우, 3개의 입력 에너지 중 1개의 에너지만 존재하더라도 에너지 하베스팅을 통해 전력을 공급할 수 있지만, 3개의 에너지가 모두 존재할 경우 좀 더 효율적으로 전력을 공급할 수 있는 것이다.

이와 같은 다중 입력 에너지 하베스팅 시스템을 위해 클록 기반의 시분할 제어 기법이 사용되고 있다. 클록 기반의 시분할 제어 기법은 클록을 이용해 일정 시간을 감지하고, 그 시간 동안 다중 에너지 중 1개를 시분할로 번갈아 선택하며 에너지 하베스팅을 제어하는 시스템이다.

이와 같이 단순 시분할을 통해 다중 에너지 하베스팅을 처리할 경우 다중 에너지원 중 실제 전력이 없는 에너지에 대해서도 하베스팅 시간이 분할되어, 전력 공급이 되지 않는 구간을 강제로 만들어 내는 것과 동일한 효과로 인해 효율 감소 및 전력을 최대로 전달할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 효율적인 에너지 하베스팅 구현을 위해, 에너지 발생 상태와 우선순위에 기반한 다중 입력 에너지 하베스팅 제어 방법 및 이를 적용한 에너지 하베스팅 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 시스템은, 다수의 에너지 하베스팅 소스들; 에너지 하베스팅 소스들에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 다수의 정류기들; 정류기들의 출력단들의 출력전압들 및 에너지 하베스팅 소스들의 우선순위들을 기초로, 정류기들의 출력단들 중 하나를 전원 입력단으로 연결하는 제어 블록;을 포함한다.

그리고, 제어 블록은, 출력전압이 기준 전압 이상인 정류기의 출력단을 전원 입력단으로 연결할 수 있다.

또한, 제어 블록은, 출력전압이 기준 전압 이상인 정류기의 출력단이 2개 이상이면, 우선순위를 기초로 하나의 출력단을 결정하여 전원 입력단으로 연결할 수 있다.

그리고, 에너지 하베스팅 소스들은, 서로 다른 종류의 에너지를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하는 소스들을 포함할 수 있다.

또한, 우선순위는, 에너지 하베스팅 소스들의 종류를 기초로 결정될 수 있다.

그리고, 우선순위는, 시간의 경과에 따라 가변될 수 있다.

또한, 우선순위는, 출력전압의 상승속도를 기초로 결정될 수 있다.

그리고, 우선순위는, 정류기들에 출력되는 DC로 충전된느 커패시터들의 용량들을 기초로 결정될 수 있다.

또한, 전원 입력단은, 부하 또는 배터리일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 제어 방법은, 다수의 에너지 하베스팅 소스들이, AC를 생성하는 단계; 다수의 정류기들이, 에너지 하베스팅 소스들에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 단계; 정류기들의 출력단들의 출력전압들 및 에너지 하베스팅 소스들의 우선순위들을 기초로, 제어 블록이 정류기들의 출력단들 중 하나를 전원 입력단으로 연결하는 단계;를 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 시스템은, 다수의 에너지 하베스팅 소스들에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 다수의 정류기들; 및 정류기들의 출력단들의 전압들 및 에너지 하베스팅 소스들의 우선순위들을 기초로, 정류기들의 출력단들 중 하나를 전원 입력단으로 연결하는 제어 블록;을 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 제어 방법은, 다수의 정류기들이, 에너지 하베스팅 소스들에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 단계; 및 정류기들의 출력단들의 출력전압들 및 에너지 하베스팅 소스들의 우선순위들을 기초로, 제어 블록이 정류기들의 출력단들 중 하나를 전원 입력단으로 연결하는 단계;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 에너지 발생 상태와 우선순위에 기반한 다중 입력 에너지 하베스팅 제어를 통해, 에너지 발생이 없는 에너지 소스에 할당하는 시간을 없앨 수 있어, 보다 효과적이고 보다 빠른 에너지 하베스팅이 가능해진다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 기존 하베스팅 제어 방법에서 사용되던 클록이 필요 없게 되어 시스템의 면적과 전력 소모를 줄일 수 있게 되어, 효율적인 에너지 하베스팅 구현이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 블록도,
도 2는, 도 1에 도시된 하베스팅 제어 블록의 상세 블록도, 그리고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 입력 에너지원 감지를 통한 다중 입력 하베스팅 제어 방법의 설명에 제공되는 타이밍도이다.

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, 다중 입력 에너지원 감지를 통해 에너지 하베스팅을 제어한다.

이와 같은 기능을 수행하는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 다중 입력 에너지 하베스팅 소스들(410-1, 410-2, ... , 410-N), 에너지 하베스팅 정류기들(420-1, 420-2, ... , 420-N), 저장용 캐패시터들(430-1, 430-2, ... , 430-N), 다중 입력 에너지 하베스팅 제어 블록(440) 및 부하(450)를 포함한다.

에너지 하베스팅 소스들(410-1, 410-2, ... , 410-N)은 동종의 에너지로 하베스팅하는 소스들일 수 있고, 이종의 에너지로 하베스팅을 수행하는 소스들을 포함할 수도 있다.

이를 테면, 에너지 하베스팅 소스-1(410-1)은 태양광 에너지를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하는 소스이고, 에너지 하베스팅 소스-2(410-2)는 전파 에너지를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하는 소스이며, ... , 에너지 하베스팅 소스-3(410-3)은 압전 소자를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하는 소스일 수 있는 것이다.

'에너지 하베스팅 정류기'(이하, '정류기'로 약칭)들(420-1, 420-2, ... , 420-N)은 에너지 하베스팅 소스들(410-1, 410-2, ... , 410-N) 각각에서 AC를 DC로 변환하여, 저장용 캐패시터들(430-1, 430-2, ... , 430-N)을 각각 충전한다.

'다중 입력 에너지 하베스팅 제어 블록'(이하, '하베스팅 제어 블록'으로 약칭)(430)은 정류기들(420-1, 420-2, ... , 420-N)의 출력단들의 출력전압들, 즉, 저장용 캐패시터들(430-1, 430-2, ... , 430-N)의 전압들을 기초로, 에너지 하베스팅 시스템의 에너지 하베스팅을 제어한다.

구체적으로, 하베스팅 제어 블록(430)은 에너지 발생/입력이 이루어지고 있는 에너지 하베스팅 소스들(410-1, 410-2, ... , 410-N)에 의해 생성된 전기 에너지를 부하(450)(또는 배터리)로 전달한다.

만약, 다수의 에너지 하베스팅 소스들에서 에너지 발생/입력이 이루어지고 있는 경우, 하베스팅 제어 블록(430)은 우선순위에 따라 선택적/순차적으로 에너지 하베스팅 소스들에 의해 생성된 전기 에너지를 부하(450)로 전달한다.

도 2는, 도 1에 도시된 하베스팅 제어 블록(440)의 상세 블록도이다. 하베스팅 제어 블록(440)은, 도 2에 도시된 바와 같이, MUX(441), 비교기들(442-1, 442-2, ... , 442-N) 및 다중 입력 EH(Energy Harvesting) 제어 블록(443)을 포함한다.

비교기들(442-1, 442-2, ... , 442-N)은 정류기들(420-1, 420-2, ... , 420-N)의 출력단들의 출력전압들이 기준전압을 초과하는지 비교하고, 기준전압을 초과하면 논리레벨 High 신호를 출력한다.

다중 입력 EH 제어 블록(443)은 비교기들(442-1, 442-2, ... , 442-N)의 출력을 감지하여, 시구간 단위로 출력전압이 기준전압을 초과한 정류기들을 파악한다.

출력전압이 기준전압을 초과한 정류기가 1개인 경우, 예를 들어, 시구간 #1에서 비교기-1(442-1)의 출력전압만이 기준전압을 초과한 경우, 다중 입력 EH 제어 블록(443)은 정류기-1(420-1)의 출력단, 즉, 저장용 캐패시터-1(430-1)이 MUX(441)의 출력단(V_OUT)에 연결되어 궁극적으로 부하(450)에 연결되도록, EH_SEL 제어신호로 MUX(441)를 제어한다.

한편, 출력전압이 기준전압을 초과한 정류기가 2개 이상인 경우, 예를 들어, 시구간 #2에서 비교기-1(442-1)와 비교기-2(442-2)의 출력전압만이 기준전압을 초과한 경우, 다중 입력 EH 제어 블록(443)은 Prioity_SEL 제어신호로 입력되는 에너지 하베스팅 소스의 우선순위를 기초로 정류기-1(420-1)과 정류기-2(420-2) 중 하나를 선택한다.

예를 들어, 에너지 하베스팅 소스-2(410-2)의 우선순위가 에너지 하베스팅 소스-1(410-1)의 우선순위 보다 높은 경우, 시구간 #2에서 다중 입력 EH 제어 블록(443)은 정류기-2(420-2)의 출력단, 즉, 저장용 캐패시터-2(430-2)가 MUX(441)의 출력단(V_OUT)에 연결되어 궁극적으로 부하(450)에 연결되도록, EH_SEL 제어신호로 MUX(441)를 제어한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 다중 입력 에너지원 감지를 통한 다중 입력 하베스팅 제어 방법의 설명에 제공되는 타이밍도이다.

여기서는 에너지 하베스팅 소스들이 3개, 에너지 하베스팅 소스-1(410-1), 에너지 하베스팅 소스-2(410-2) 및 에너지 하베스팅 소스-N(410-N)이고, Prioity_SEL 제어신호에 의해 결정되는 우선순위는 N>2>1 인 것을 상정하였다.

도 3에 나타난 바와 같이, 정류기-1(420-1)의 출력전압인 V_{RECT _1}이 기준전압인 V_REF 보다 커지면 비교기-1(442-1)에서 논리레벨 High의 COMP_1 신호가 발생하고, 정류기-2(420-2)의 출력전압인 V_{RECT _2}가 기준전압인 V_REF 보다 커지면 비교기-2(442-2)에서 논리레벨 High의 COMP_2 신호가 발생하며, 정류기-3(420-3)의 출력전압인 V_{RECT _3}이 기준전압인 V_REF 보다 커지면 비교기-3(442-3)에서 논리레벨 High의 COMP_3 신호가 발생한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 초기 구간에서는 V_{RECT _1}만 커져서, 즉, 에너지 하베스팅 소스-1(410-1)에서만 에너지가 발생하여, COMP_1 신호만이 논리레벨 High로 되어, EH_SEL로 에너지 하베스팅 소스-1(410-1)을 선택하여 저장용 캐패시터-1(430-1)에 충전된 전기 에너지가 MUX(441)의 출력단(V_OUT)을 통해 출력되고 있다.

그리고, 이후 구간에서는 COMP_1 신호와 COMP_2 신호가 동시에 논리레벨 High로 되어, 우선 순위(N>2>1)에 따라 EH_SEL로 에너지 하베스팅 소스-2(410-2)를 먼저 선택하여 저장용 캐패시터-2(430-2)에 충전된 전기 에너지가 MUX(441)의 출력단(V_OUT)을 통해 출력되도록 하고, 에너지 하베스팅 소스-1(410-1)을 나중에 선택하여 저장용 캐패시터-1(430-1)에 충전된 전기 에너지가 MUX(441)의 출력단(V_OUT)을 통해 출력되도록 하고 있다.

그 다음 구간에서는 V_{RECT _N}만 커져서 COMP_N 신호만이 논리레벨 High로 되어, EH_SEL로 에너지 하베스팅 소스-N(410-N)을 선택하여 저장용 캐패시터-N(430-N)에 충전된 전기 에너지가 MUX(441)의 출력단(V_OUT)을 통해 출력되고 있다.

지금까지, 출력전압과 우선순위 기반으로 다중 입력 에너지 하베스팅을 제어하는 방법 및 이를 적용한 시스템에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 제어는, 클록 없이 에너지 발생 상태를 확인하여, 에너지가 발생한 소스에 대해서만 선별적으로 하베스팅을 지속하여, 하베스팅 효율을 높일 수 있다.

또한, 위 실시예에서 제시한 우선순위는 다양한 기준으로부터 결정할 수 있다. 이를 테면, 에너지 하베스팅 소스의 종류에 따라 우선순위를 부여할 수 있다. 에너지 소스의 특성을 고려하는 것이다.

이를 테면, 태양광 에너지를 이용하는 에너지 하베스팅 소스에 가장 높은 우선 순위를 부여하고, 압전 소자를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스팅 소스에 그 다음으로 높은 우선 순위를 부여하며, 전파 에너지를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스팅 소스에 가장 낮은 우선 순위를 부여하는 것이다.

나아가, 우선순위는 최근 출력전압 상승속도를 기초로 결정할 수 있다. 에너지 생성속도가 가장 빠른 에너지 하베스팅 소스의 우선순위를 가장 높게, 에너지 생성속도가 가장 늦은 에너지 하베스팅 소스의 우선순위를 가장 낮게 부여하는 것이다. 이 경우, 우선순위는 시간의 경과에 따라 가변적이다.

한편, 우선순위는 저장용 커패시터 용량을 기초로 결정할 수 있다. 저장용 커패시터 용량이 가장 작은 에너지 하베스팅 소스의 우선순위를 가장 높게, 저장용 커패시터 용량이 가장 큰 에너지 하베스팅 소스의 우선순위를 가장 낮게 부여하는 것이다.

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.

410-1, 410-2, ... , 410-N : 에너지 하베스팅 소스
420-1, 420-2, ... , 420-N : 에너지 하베스팅 정류기
430-1, 430-2, ... , 430-N : 저장용 캐패시터
440 : 다중 입력 에너지 하베스팅 제어 블록
441 : MUX
442-1, 442-2, ... , 442-N : 비교기
443 : 다중 입력 EH(Energy Harvesting) 제어 블록

Claims (12)

1. 다수의 에너지 하베스팅 소스들;
   에너지 하베스팅 소스들에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 다수의 정류기들;
   정류기들의 출력단들의 출력전압들 및 에너지 하베스팅 소스들의 우선순위들을 기초로, 정류기들의 출력단들 중 하나를 전원 입력단으로 연결하는 제어 블록;을 포함하고,
   제어 블록은,
   출력전압이 기준 전압 이상인 정류기의 출력단을 전원 입력단으로 연결하되,
   동일 시구간에서 출력전압이 기준 전압 이상인 정류기의 출력단이 2개 이상이면, 우선순위를 기초로 하나의 출력단을 결정하여 전원 입력단으로 연결하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   에너지 하베스팅 소스들은,
   서로 다른 종류의 에너지를 이용하여 에너지 하베스팅을 수행하는 소스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   우선순위는,
   에너지 하베스팅 소스들의 종류를 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   우선순위는,
   시간의 경과에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   우선순위는,
   출력전압의 상승속도를 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   우선순위는,
   정류기들에 출력되는 DC로 충전되는 커패시터들의 용량들을 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   전원 입력단은,
   부하 또는 배터리인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
   
10. 다수의 에너지 하베스팅 소스들이, AC를 생성하는 단계;
    다수의 정류기들이, 에너지 하베스팅 소스들에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 단계;
    정류기들의 출력단들의 출력전압들 및 에너지 하베스팅 소스들의 우선순위들을 기초로, 제어 블록이 정류기들의 출력단들 중 하나를 전원 입력단으로 연결하는 단계;를 포함하고,
    연결 단계는,
    출력전압이 기준 전압 이상인 정류기의 출력단을 전원 입력단으로 연결하되,
    동일 시구간에서 출력전압이 기준 전압 이상인 정류기의 출력단이 2개 이상이면, 우선순위를 기초로 하나의 출력단을 결정하여 전원 입력단으로 연결하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 제어 방법.
    
11. 다수의 에너지 하베스팅 소스들에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 다수의 정류기들; 및
    정류기들의 출력단들의 전압들 및 에너지 하베스팅 소스들의 우선순위들을 기초로, 정류기들의 출력단들 중 하나를 전원 입력단으로 연결하는 제어 블록;을 포함하고,
    제어 블록은,
    출력전압이 기준 전압 이상인 정류기의 출력단을 전원 입력단으로 연결하되,
    동일 시구간에서 출력전압이 기준 전압 이상인 정류기의 출력단이 2개 이상이면, 우선순위를 기초로 하나의 출력단을 결정하여 전원 입력단으로 연결하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 시스템.
    
12. 다수의 정류기들이, 에너지 하베스팅 소스들에서 생성된 AC를 DC로 변환하는 단계; 및
    정류기들의 출력단들의 출력전압들 및 에너지 하베스팅 소스들의 우선순위들을 기초로, 제어 블록이 정류기들의 출력단들 중 하나를 전원 입력단으로 연결하는 단계;를 포함하고,
    연결 단계는,
    출력전압이 기준 전압 이상인 정류기의 출력단을 전원 입력단으로 연결하되,
    동일 시구간에서 출력전압이 기준 전압 이상인 정류기의 출력단이 2개 이상이면, 우선순위를 기초로 하나의 출력단을 결정하여 전원 입력단으로 연결하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 제어 방법.
    

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