KR102277520B1 - 다중 발전 소스를 고려한 전력 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 다중 발전 소스를 고려한 전력 제어 시스템은 제 1 발전소자 및 상기 제 1 발전소자와 발전 상황이 상이한 제 2 발전소자를 포함하는 발전부, 상기 발전부로부터 발전된 에너지를 저장하는 에너지 저장소 및 상기 발전부 및 상기 에너지 저장소의 전압을 모니터링하고, 상기 발전부 및 에너지 저장소 중 하나 이상의 모니터링 결과에 기초하여 파워 상태 정보를 생성하여 로드에 제공하는 전력 관리부를 포함한다.

Description

다중 발전 소스를 고려한 전력 제어 시스템 및 방법{POWER CONTROL SYSTEM AND METHOD CONSIDERING MULTIPLE POWER SOURCES}

본 발명은 전력 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마찰소자와 열전소자를 이용하는 병렬 하베스팅 기반의 전력 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

태양열, 태양광 그리고 풍력, 피에조 등에 기존의 신재생 소자나 새로운 신재생 소자를 융합한 하이브리드 연구가 매우 활발히 진행되고 있다. 하지만 실제 환경에서는 풍력, 태양광을 제외하고는 상용화된 예가 매우 극소수에 불과하다.

또한, 전력 제어가 다른 디바이스보다 자유로운 IoT와 같은 경량의 저전력 디바이스 분야에서도 실용화는 풍력, 태양광을 제외하고는 거의 전무에 가까울 정도로 적다.

이러한 이유는 발전소자들의 에너지 발생량이 적을 뿐만 아니라 사용되는 IoT 디바이스와 하베스팅 발생소자 간의 에너지 사용 발생에 관한 동기화가 없이 사용된다는 단점 때문이다. 대부분의 에너지 하베스팅은 환경에 종속적이기 때문에 환경변화에 따라 에너지 발생 변화가 크며, 이에 맞춘 IoT 디바이스의 에너지 사용환경 제공이 요구된다.

하지만, IoT 디바이스의 주도적인 전송 기법은 에너지 발생원에 환경을 무시하기 때문에, 사용시간이 길어지면 길어질수록 전력부족으로 인해 활용성이나 즉시성이 감소하게 된다.

최근에는 PMIC를 통해 에너지 저장소 상황을 모니터링하고 접근하는 방식도 제안되기도 하였다. 하지만, 웨어러블 분야에서는 에너지 수집 상황을 제공하기 위한 별도의 복잡한 전압 모니터링 구조에 Wakeup이나 별도의 전력 센서(Power Sensor) 정보가 요구되어 이들의 구동 전력 소모가 전체 발전에너지에 5~8%를 차지하게 되어 시스템 전체의 에너지에 변환과 사용의 효율성을 낮추게 된다.

본 발명의 실시예는 로드에 안정적인 에너지 공급과 에너지의 능동적인 추정을 위해 열전과 마찰소자가 융합된 하이브리드 시스템 구조와 함께 로드 시스템에서 효율적으로 사용할 수 있는 발전 에너지 기반의 공급 추정 wakeup 방식이 적용된 다중 발전 소스를 고려한 전력 제어 시스템 및 방법을 제공한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 전력 제어 시스템은 제 1 발전소자 및 상기 제 1 발전소자와 발전 상황이 상이한 제 2 발전소자를 포함하는 발전부, 상기 발전부로부터 발전된 에너지를 저장하는 에너지 저장소와 상기 발전부 및 상기 에너지 저장소의 전압을 모니터링하고, 상기 발전부 및 에너지 저장소 중 하나 이상의 모니터링 결과에 기초하여 파워 상태 정보를 생성하여 로드에 제공하는 전력 관리부를 포함한다.

상기 전력 관리부는 기 설정된 듀티 사이클 동안 발전된 에너지를 지속적으로 공급 가능한 시간을 상기 파워 상태 정보로 제공할 수 있다.

상기 전력 관리부는 상기 파워 상태 정보를 복수의 디지털 신호로 구분하여 상기 로드로 제공 할 수 있다.

상기 전력 관리부는 상기 복수의 디지털 신호로 구분된 파워 상태 정보를 대응하는 콜드 스타트 정보에 생성하여 전달 할 수 있다.

상기 제 1 발전소자는 마찰소자고, 상기 제 2 발전소자는 열전소자일 수 있다.

상기 전력 관리부는 상기 제 1 발전소자와 제 2 발전소자의 최대 발전 에너지 및 최소 발전 에너지의 변화량을 모니터링한 결과에 기초하여 상기 제 1 발전소자 및 제 2 발전소자 각각의 발전 상태를 추정하고, 상기 추정된 결과에 기초하여 상기 파워 상태 정보를 생성할 수 있다.

상기 전력 관리부는 상기 에너지 저장소에 저장된 에너지의 모니터링 결과와 기 설정된 전압을 비교한 결과에 기초하여 상기 파워 상태 정보를 생성할 수 있다.

상기 전력 관리부는 상기 제 1 및 제 2 발전소자의 최대 발전 에너지 및 최소 발전 에너지의 변화량을 모니터링한 결과에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 발전소자 각각의 발전 상태를 추정하고, 상기 에너지 저장소에 저장된 에너지의 모니터링 결과와 기 설정된 전압을 비교한 결과 및 상기 추정된 결과에 기초하여 상기 파워 상태 정보를 생성할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 전력 관리 시스템은 제 1 발전소자, 상기 제 1 발전소자와 발전 상황이 상이한 제 2 발전소자, 상기 제 1 및 제 2 발전소자로부터 발전된 에너지를 저장하는 제 1 에너지 저장소, 상기 제 1 및 제 2 발전소자와 상기 제 1 에너지 저장소의 전압을 모니터링하는 전압 모니터링부, 상기 제 1 및 제 2 발전소자와 상기 제 1 에너지 저장소 중 하나 이상의 모니터링 결과에 기초하여 파워 상태 정보를 생성하여 로드에 제공하는 파워 상태 관리부, 상기 파워 상태 정보에 대응되는 콜드 스타트 정보를 생성하여 상기 로드로 제공하는 콜드 스타트부 및 상기 콜드 스타드부를 위한 에너지 및 개별 출력 부분의 에너지를 저장하는 제 2 에너지 저장소를 포함한다.

또한, 본 발명의 제 3 측면에 따른 전력 제어 시스템에서의 전력 제어 방법은 제 1 및 제 2 발전소자로부터 발전된 에너지를 모니터링하는 단계; 상기 제 1 및 제 2 발전소자로부터 발전된 에너지가 저장된 에너지 저장소를 모니터링하는 단계; 상기 발전된 에너지와 상기 저장된 에너지 중 하나 이상에 기초하여 파워 상태 정보를 생성하는 단계; 상기 파워 상태 정보에 대응되는 콜드 스타트 정보를 생성하는 단계 및 상기 콜드 스타트 정보와 파워 상태 정보 중 하나 이상을 로드에 제공하는 단계를 포함한다.

상기 파워 상태 정보를 생성하는 단계는, 상기 파워 상태 정보를 복수의 디지털 신호로 구분하여 생성하고, 상기 파워 상태 정보에 대응되는 콜드 스타트 정보를 생성하는 단계는, 상기 복수의 디지털 신호로 구분된 파워 상태 정보에 대응되도록 상기 콜드 스타트 정보를 생성할 수 있다.

상기 제 1 및 제 2 발전소자로부터 발전된 에너지를 모니터링하는 단계는, 상기 제 1 및 제 2 발전 소자의 최대 발전 에너지 및 최소 발전 에너지의 변화량을 모니터링하고, 상기 파워 상태 정보를 생성하는 단계는, 상기 제 1 및 제 2 발전 소자의 모니터링 결과에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 발전 소자 각각의 발전 상태를 추정하고, 상기 에너지 저장소에 저장된 에너지의 모니터링 결과와 기 설정된 전압을 비교한 결과 및 상기 추정된 발전 상태에 기초하여 상기 파워 상태 정보를 생성할 수 있다.

종래 기술의 경우 웨어러블 디바이스 및 IoT 디바이스에서는 기존 발전 소자의 특성과 로드의 입장을 고려하지 않고 디바이스의 사용에 주안점을 두었으나, 본 발명의 일 실시예에 의하면 발전 상태에 따라서 동작을 제시함으로써 다양한 로드의 동작과 함께 에너지 하베스팅의 상황에 맞는 에너지 사용으로 효율성을 극대화시킬 수 있다.

또한, 열전소자의 경우 선형성을 가진 에너지 발전소자이지만 인체 동작에 비해 수 mW 수준의 매우 낮은 전력을 제공한다. 그리고 마찰소자는 인체 동작에 따라서 수십 mW 수준의 에너지를 제공하지만, 에너지 제공 변화가 크기 때문에 에너지 저장과 활용에 많은 어려움이 있다. 이러한 에너지 상황을 전압 기반의 최대 최소 포인트 차를 통해 판단함으로써 두 개의 융합된 하이브리드형 발전 시스템에 가상 동작 센서로 예측하고 이를 에너지 사용 디바이스인 로드(MCU)에 에너지 상황을 다중으로 구분하여 제공함으로써 로드가 에너지 발생 상황에 세부적으로 대처할 수 있다.

여기서 가상 동작 센서란, 열전과 마찰발전소자의 특성을 통해 추론하여 계산된 발전을 위한 외부 동작 추정으로 정의된다.

또한, PMIC 소자 측면에서는 두 발전소자가 상호 보완제 역할을 하고 에너지를 수신하는 측면에서 보다 안정된 전원이 확보됨으로써 구조가 단순해지고, 저장소의 다단화가 최소화될 수 있으며, PMIC 구조적으로는 더욱 단순해지게 되며 전압에 따라 부스터(booster), 차지 펌프(charge pump) 및 벅(buck)을 단순하게 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 마찰소자에서 발전된 에너지의 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 열전소자의 발전 에너지를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 MCU의 파워 관리 상태를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 방법의 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 마찰소자와 열전소자를 이용하는 병렬 하베스팅 기반의 전력 제어 시스템(100) 및 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 일 실시예는 웨어러블 디바이스에서 마찰소자와 열전소자의 최대 획득 가능한 충전 시스템의 구조 및 위치를 제공할 수 있다. 또한, 열전 및 마찰소자의 발전을 고려한 인간의 신체 움직임을 통한 열기에 따른 전이 온도 차로부터 기전류를 일으키는 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 로드 시스템에서 효율적으로 사용할 수 있는 발전 에너지 기반의 공급 추정 Wake-up 기법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 마찰소자에서 발전된 에너지의 전압을 설명하기 위한 도면이다. 도 3a 내지 도 3d는 열전소자의 발전 에너지를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 MCU의 파워 관리 상태를 설명하기 위한 예시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템(100)은 발전부(110), 에너지 저장소(120) 및 전력 관리부(140)를 포함한다.

발전부(110)는 제 1 발전소자(111) 및 제 2 발전소자(112)를 포함한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에서 제 1 발전소자(111)와 제 2 발전소자(112)는 각각 발전 상황이 상이한 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 제 1 발전소자(111)는 마찰소자, 압전소자일 수 있으며, 제 2 발전소자(112)는 열전소자일 수 있다. 이때, 마찰소자는 TENG(Triboelectric Nano-Generator)일 수 있다.

한편, 하나의 마찰소자를 이용할 경우 마찰소자는 현재 장착 및 착용자 혹은 착용된 장치의 현재 움직임 크기에 따라 전압 진폭이 크게 변하기 때문에 후술하는 파워 상태 관리부(142)는 발전 상태를 추정하기 어렵다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해 본 발명의 일 실시예는 마찰소자로 제 1 발전소자(111)를 이용함과 동시에 열전소자를 제 2 발전소자(112)로 이용할 수 있다.

제 2 발전소자(112)로 열전소자를 이용할 경우, 열전소자는 현재 장착 및 착용자 혹은 착용된 장치의 지속적인 움직임에 따라서 시간과 온도에 따라 상호 비례하게 일정한 선형성을 갖고 발전하기 때문에 발전 연속성이 추론 가능하며, 제 1 발전소자(111)와 함께 이용할 경우 현재와 근미래(몇 개의 듀티 사이클)의 전체 발전 상태 추정이 용이하다는 장점이 있다.

에너지 저장소(120)는 발전부(110)로부터 발전된 에너지를 저장하며, 하나 이상의 커패시터로 구성될 수 있다. 이하에서는 이러한 하베스터로부터 발전된 에너지를 저장하는 에너지 저장소(120)를 제 1 에너지 저장소(120)라 하고, 추가적으로 콜드 스타트부(143)를 위한 에너지 및 개별 출력 부분의 에너지를 저장하는 에너지 저장소를 제 2 에너지 저장소(130)라 한다.

한편 제 1 에너지 저장소(120)에서의 전압 레벨은 다음과 같이 정의될 수 있다.

V_DL(Voltage Detection Low-voltage): 본 발명에 따른 전력 제어 시스템(100)의 전력 관리부(140)가 동작 가능한 대기 전류(Quiescent Current)에 필요한 전압

V_RH(Voltage Requirement High-voltage): 전력 관리부(140)가 동작 가능한 레벨의 전압

V_MO(Voltage Maximum point Operation-voltage): 제 1 에너지 저장소(120)의 커패시터에 가장 효율적인 충전과 방전 최대 값으로 등가직렬저항(ESR) 등으로 설명될 수 있으며, 커패시터 제조업체에서 제공되는 값일 수 있음

한편, 제 1 에너지 저장소(120)의 위치는 전력 관리부(140)가 전체 발전 상태를 용이하게 추정하기 위하여, 도 1에서와 같이 제 1 발전소자(111)와 제 2 발전소자(112)에서 각각 발전된 에너지가 함께 수신되어 저장되는 곳에 위치할 수 있다.

제 2 에너지 저장소(130)는 전력 관리부(140)에서 MCU와 같은 로드나 RF SoC 동작을 위해 저장되는 값으로 다음과 같은 3가지로 분류된다.

V_PDL(Voltage Preset Detect Low-voltage): 로드가 동작하는 최저 전압

V_POH(Voltage Preset Operation High-voltage): 로드가 동작하는 최소 전압

V_PM(Voltage Power good Maximum-voltage): 로드가 동작하는 최대 전압

그리고 제 2 에너지 저장소(130)에 저장되는 용량은 V_POH 값에 전력 관리부(140)가 제어 동작 및 DC-DC 컨버터에서 소모하고 남은 나머지 에너지로 이를 V_PDL로 정의할 수 있으며, 다음 식 1과 같이 나타낼 수 있다.

[식 1]

다음으로는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템(100)에서의 전력 관리부에 대하여 설명하도록 한다.

일반적으로는 콜드 스타트(Cold start)가 부스터(Booster)나 벅(Buck)의 Charger의 출력 전압의 값을 기반으로 MCU에 전원을 키고 끄는 역할을 한다. 하지만 PMIC의 콜드 스타트는 워밍업(Warm-up) 또는 웨이크업(Wake-up)의 단순화 정보로 로드에서 필요한 다양한 동작 상태를 고려하지 않고 PMIC의 발전량에 의존하여 결정되는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 콜드 스타트부(143)와 파워 상태 관리자(142)에서 디지털 형태의 정보를 통해 MCU에 PMIC의 전원 공급 정보를 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

구체적으로 전력 관리부(140)는 전압 모니터링부(141), 파워 상태 관리부(142), 콜드 스타트부(143)를 포함하며, 그밖에 DC-DC 컨버터(145)와 클럭 발생부(144)를 포함한다.

전압 모니터링부(141)는 제 1 및 제 2 발전소자(111, 112)의 전압과 제 1 에너지 저장소(120)의 전압을 모니터링한다. 이러한 발전부(110)와 제 1 에너지 저장소(120)의 전압 모니터링 결과는 콜드 스타트부(143)와 파워 상태 관리부(142)로 제공된다.

파워 상태 관리부(142)는 제 1 및 제 2 발전소자(111, 112)와 제 1 에너지 저장소(120) 중 하나 이상의 모니터링 결과에 기초하여 파워 상태 정보를 생성하여 로드에 제공한다.

이때, 파워 상태 관리부(142)는 기 설정된 듀티 사이클 동안 발전된 에너지를 지속적으로 공급 가능한 시간을 파워 상태 정보로 제공할 수 있다.

또한, 파워 상태 관리부(142)는 상기 파워 상태 정보를 복수의 디지털 신호로 구분하여 로드로 제공할 수 있다. 예를 들어, 파워 상태 관리부(142)는 11(100%), 00(Cut off), 10(50%), 01(20%)와 같은 복수의 디지털 신호를 통해 출력 파워의 상태를 알려주며, 이때의 파워 상태는 기 설정된 듀티 사이클 동안 발전된 에너지를 지속적으로 공급 가능한 시간을 나타낸다.

만약, 파워 상태 정보가 11인 경우 한 개의 듀티 사이클을 100ms로 정의한다면 100ms 동안 지속적으로 에너지 공급이 가능하다는 것을 의미한다. 또한, 듀티 사이클이 50%인 경우 50ms마다 전원 공급이 가능하다는 것을 의미하며, 20%인 경우 20ms 동안 전원이 공급된다는 것을 의미한다.

만약 로드가 동작 신호에 따라 10 또는 11까지 대기한다면, 11의 시그널이 들어올 때만 동작이 가능하거나, 아니면 듀티 사이클을 500ms까지 한 주기로 늘려 이를 로드에 반영한다면, 로드는 발전소자의 발전량을 능동적으로 계산하여 동작할 수 있게 된다.

콜드 스타트부(143)는 파워 상태 관리부(142)에 의해 생성된 파워 상태 정보에 대응하는 콜드 스타트 정보를 생성하여 로드로 제공한다. 이때, 콜드 스타트부(143)는 복수의 디지털 신호로 구분된 파워 상태 정보에 대응되도록 콜드 스타트 정보를 생성하여 로드로 전송할 수 있다.

콜드 스타트 정보의 경우 과거에는 단순히 start 신호를 통해 High 신호로 Wake up 하였으나, 본 발명의 일 실시예의 경우 복수의 디지털 신호로 구분된 파워 상태 정보에 대응되도록 콜드 스타트 정보가 생성되어 제공됨에 따라 보다 다양한 Wake up 상태를 제공할 수 있다.

즉, 위 예시에서 콜드 스타트부(143)는 콜드 스타트 정보로 11, 10, 01, 00의 4자리에 지속적인 시그널을 통해 입력 전원에 따른 다양한 Wake up 상태를 로드로 제공할 수 있다.

만약 콜드 스타트 정보가 단순히 High, Low 시그널만을 통해 제공될 경우, 제공 파워의 상태를 알 수 없기 때문에, 입력 신호에 따른 동작으로 인해 로드에서 필요한 에너지보다 매우 짧거나 과잉되는 에너지가 공급되게 되나, 본 발명의 일 실시예는 다양한 파워 상태 정보에 기초한 콜드 스타트 정보를 제공함으로써 로드의 다양한 전원 기반 동작이 가능하게끔 할 수 있다.

그밖에 클럭 발생부(144)는 클럭을 생성하고, 이를 필요로 하는 전압 모니터링부(141), 파워 상태 관리부(142)로 제공한다.

그리고 DC-DC 컨버터(145)는 제 1 에너지 저장소(120)에서 방전되는 전기 에너지의 전압을 변환하여 로드에 인가한다. 이때, DC-DC 컨버터(145)는 전압 변환을 위해 전압 모니터링부(141)에 의한 전압 모니터링 결과를 참조할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템(100)은 발전소자의 발전 상태나 제 1 에너지 저장소(120)에 저장되는 에너지 저장 상태를 추정하고 이에 기초하여 파워 상태 정보를 생성할 수 있다.

기존의 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 방법은 수신된 에너지의 최대 포인트를 가정하여 추정하는 PMIC 기반의 추정 방법이나, 본 발명의 일 실시예는 발전 소자의 발전 상태를 추정하는 기법을 이용한다.

구체적으로, 전력 관리부(140)는 전압 모니터링부(141)를 이용하여 제 1 발전소자(111)와 제 2 발전소자(112)의 최대 발전 에너지 및 최소 발전 에너지의 변화량을 모니터링하고, 모니터링한 결과에 기초하여 제 1 발전소자(111)와 제 2 발전소자(112) 각각의 발전 상태를 추정할 수 있다. 그리고 추정된 결과에 기초하여 파워 상태 정보를 생성할 수 있다.

이때, 전력 관리부(140)는 전압 모니터링부(141)의 수집정보를 근간으로 제 1 발전소자(111)와 제 2 발전소자(112)의 최대 발전 에너지 및 최소 발전 에너지의 변화량을 평균 추정하여 상기 모니터링 결과로 생성할 수 있다.

예를 들어, 제 1 발전소자(111)인 TENG 마찰소자는 AC 추력이나 DC 변환을 거친 후에도 큰 변화폭을 갖는다. 도 2와 같이 마찰소자는 동작에 따라서 그래프와 같은 전압의 높이가 발생되며, 마찰소자가 부착된 객체의 움직임이 클수록 전압이 높고 동작이 없을 경우 전압이 낮아지게 된다.

이때, 마찰소자에 의해 발생되는 전압 RMS값은 다음 식 2에 기초하여 산출될 수 있다.

[식 2]

: 하나의 듀티 사이클 동안의 평균 전압값으로 소스의 동작 상황 모니터링값

: 하나의 듀티 사이클 동안 N번째 발생된 최대 전압값

: 하나의 듀티 사이클 동안 N번째 발생된 최소 전압값

: 하나의 듀티 사이클 동안 발생된 횟수로 TENG의 동작 주파수

: 최대 전압값의 근사값(approximate value)으로 최대값의 -10%까지 근사값으로 정의되며 하나의 듀티 사이클 동안 근사값의 발생된 횟수

또한, 제 2 발전소자(112)인 열전(Thermoelectric)소자의 경우 도 3a 및 도 3b와 같이 외부운동량의 지속성이 반영되어 시간과 온도에 따라 상호 비례하게 일정한 주기를 갖고 발전되기 때문에 지속적인 발전이 가능하다. 즉, 두 개의 변화량을 통해서 상황에 따라 지속적인 발전이 가능하다. 다시 말해, 동작과 온도의 변화에 따라서 일정하게 발전량이 증가함을 알 수 있다.

구체적으로 열전소자는 리니어한 특성을 갖지만, 에너지를 획득하기 위해서는 일정한 포화영역을 확보해야 한다. 이는 열전 발전을 통해 발생되는 지속적인 전압이 곧 발생 에너지(V_TH)이며 하나의 듀티 사이클동안 발생되는 평균 에너지는 V_{TH_RMS}로 볼 수 있으며, 기존 연구에 따르면 0.24W/cm²의 50%로 가정할 수 있다.

하지만, 발생되는 전류는 알기 어렵기 때문에 도 3c 및 도 3d와 같이 0.5V 또는 2.3V를 최대 포인트로 가정하여 한 개의 듀티 사이클 동안 열전 발번소자의 0.5V 또는 2.3V의

10%에서의 범위를 갖는다면 이를 전압 모니터링 최대전압으로 가정할 수 있다. 이때, 발전소자마다 최적의 전압 구간은 달라질 수 있다.

여기에서 전압 모니터링 결과 열전소자의 최대 전압범위와 마찰소자의 최소값과 최대값의 차이 V_RMS는 1.5V/cm²를 반영하고, 파워 상태 관리부(142)는 저장된 제 1 에너지 저장소의 영역이 V_RH<E_A<V_MO 사이라면, 10(50%)을 제공하고, V_MO<E_A라면 11(100%)를 보낸다.

또한, 열전 또는 마찰소자 중 하나가 최댓값이고, V_RH<E_A<V_MO 사이라면 파워 상태 관리부(142)는 01(25%)을 제공하고 V_MO<E_A라면 10(50%)를 보낸다.

만약 둘다 최댓값이 아닌 경우에는 V_RH<E_A<V_MO 사이라면 파워 상태 관리부(142)는 00(0%)을 제공하고 V_MO<E_A라면 01(25%)를 보낸다.

이때, 콜드 스타트부(143)는 발전소자의 현재 상태를 00(Low), 10(TENG High), 01(TEG High), 11(Both High)와 같은 콜드 스타트 정보를 로드에게 제공할 수 있는바, 발전 소자의 상태에 따라 보다 정밀하게 콜드 스타트 정보를 제공하게 된다.

이와 같이 본 발명의 일 실시 예는 전력 관리부(140)가 전압 모니터링부(141)를 에서 제 1 발전소자(111)와 제 2 발전소자(112)의 수집정보를 매칭하여 현재 발전 중인지, 발전이 지속될 것인지, 발전이 중단될 것인지 등에 대한 발전 상태를 추정할 수 있으며, 이러한 추정 결과에 기초하여 파워 상태 정보를 생성하여 콜드 스타트 정보와의 융합을 통해 로드에 다양한 정보를 제공할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 전압 모니터링부(141)로부터 수신한 정보를 기반으로 파워상태 관리부(142) 제 1 에너지 저장소(120)에 저장된 에너지의 모니터링 결과와 기 설정된 전압을 비교한 결과에 기초하여 파워 상태 정보를 생성할 수 있다. 또한, 파워 상태 정보를 콜드 스타트 정보와의 융합을 통해 로드로 제공할 수도 있다.

이 경우 본 발명의 일 실시예는 발전 상태의 추정 방법과 제 1 에너지 저장소(120)의 모니터링 결과를 이용하는 방법을 각각 독립적으로 이용하여 파워 상태 정보나 콜드 스타트 정보를 생성할 수 있음은 물론이고, 이들의 방법을 함께 적용하여 파워 상태 정보나 콜드 스타트 정보를 생성할 수도 있다.

즉, 상수란 두 방법을 함께 적용하여 두 방법에 따른 콜드 스타트 정보가 모드 High일 경우, 두 방법 중 어느 하나가 Low일 경우 등과 같이 4개의 상황에 따라서 최종 동작 방향을 로드에 제공할 수 있다.

이렇게 파워 상태 정보나 콜드 스타트 정보의 다단화가 필요한 이유는 최근 MCU들이 PWM(Pulse Width Modulation)을 통해 내부 소자 및 IO의 전력 제어를 하며, 이를 통해 동작 제어(Motion Control)가 이루어지기 때문이다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 MCU는 파워 관리 상태(Power Manager Status)가 다단화되어 있다.

이러한 전원 다단화에 맞춰 에너지 하베스트 기반의 PMIC 구조를 다단화해야 하는데, 본 발명의 일 실시예는 다단화 방법을 콜드 스타트부(143)와 파워 상태 관리부(142)를 통해 실현시킬 수 있으며, 다단화에 따른 발전 소스 고려 방법은 식 2와 같이 이루어질 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 도 1에 도시된 구성 요소들은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 형태로 구현될 수 있으며, 소정의 역할들을 수행할 수 있다.

그렇지만 '구성 요소들'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 각 구성 요소는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

따라서, 일 예로서 구성 요소는 소프트웨어 구성 요소들, 객체지향 소프트웨어 구성 요소들, 클래스 구성 요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성 요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다.

구성 요소들과 해당 구성 요소들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성 요소들로 결합되거나 추가적인 구성 요소들로 더 분리될 수 있다.

이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 시스템(100)에서의 전력 제어 방법에 대해 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 방법의 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 방법은 먼저, 제 1 및 제 2 발전소자(111, 112)로부터 발전된 에너지를 모니터링하고(S110), 제 1 및 제 2 발전소자(111, 112)로부터 발전된 에너지가 저장된 에너지 저장소(120)를 모니터링한다(S120).

다음으로, 제 1 및 제 2 발전소자(111, 112)로부터 발전된 에너지와 에너지 저장소(120)에 저장된 에너지 중 하나 이상에 기초하여 파워 상태 정보를 생성하고(S130), 파워 상태 정보에 대응되는 콜드 스타트 정보를 생성한다(S140).

다음으로, 콜드 스타트 정보 및 파워 상태 정보 중 하나 이상을 로드에 제공한다(S150).

한편 상술한 설명에서, 단계 S110 내지 S150은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다. 아울러, 기타 생략된 내용이라 하더라도 도 1 내지 도 4에서의 전력 제어 시스템(100)에 관하여 이미 기술된 내용은 도 5의 전력 제어 방법에도 적용된다.

한편, 본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.

본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 전력 제어 시스템
110: 발전부
111: 제 1 발전소자
112: 제 2 발전소자
120: 제 1 에너지 저장소
130: 제 2 에너지 저장소
140: 전력 관리부
141: 전압 모니터링부
142: 파워 상태 관리부
143: 콜드 스타트부
144: 클럭 발생부
145: DC-DC 컨버터

Claims (12)

1. 다중 발전 소스를 고려한 전력 제어 시스템에 있어서,
   제 1 발전소자 및 상기 제 1 발전소자와 발전 상황이 상이한 제 2 발전소자를 포함하는 발전부,
   상기 발전부로부터 발전된 에너지를 저장하는 에너지 저장소 및
   상기 발전부 및 상기 에너지 저장소의 전압을 모니터링하고, 상기 발전부 및 에너지 저장소 중 하나 이상의 모니터링 결과에 기초하여 파워 상태 정보를 생성하여 로드에 제공하는 전력 관리부를 포함하고,
   상기 전력 관리부는 기 설정된 듀티 사이클 동안 발전된 에너지를 지속적으로 공급 가능한 시간을 복수의 디지털 신호로 구분하여 상기 파워 상태 정보를 제공하고, 상기 복수의 디지털 신호로 구분된 파워 상태 정보에 대응되도록 콜드 스타트 정보를 생성하여 상기 로드로 전송하여 입력 전원에 따른 웨이크업 상태를 상기 로드로 제공하고,
   상기 전력 관리부는 상기 제 1 및 제 2 발전소자의 최대 발전 에너지 및 최소 발전 에너지의 변화량을 평균 추정한 모니터링한 결과에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 발전소자 각각의 발전 상태를 추정하고, 상기 에너지 저장소에 저장된 에너지의 모니터링 결과와 기 설정된 전압을 비교한 결과 및 상기 추정된 결과에 기초하여 상기 파워 상태 정보를 생성하는 것
   인 전력 제어 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 발전소자는 마찰소자고, 상기 제 2 발전소자는 열전소자인 것인 전력 제어 시스템.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

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