KR20110053681A

KR20110053681A - 버퍼 커패시터를 이용한 저전력 충전 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20110053681A
Application number: KR1020090110322A
Authority: KR
Inventors: 이재조; 박영진; 김관호
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-05-24
Also published as: KR101100131B1

Abstract

본 발명은 태양 에너지를 전기로 변환하는 태양 전지(solar cell), 회전 에너지를 전기로 변환하는 발전기 등의 발전 장치에서 발생되는 저전력(또는 저전류/저전압)을 버퍼 커패시터(buffer capacitor)를 이용해 승압하여 필요한 일정 전압으로 배터리에 충전함으로써 충전효율을 극대화한 충전 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따른 충전 장치는, 발전 장치가 출력하는 전기 에너지를 받아 커패시터에 충전하는 승압 변환기, 상기 승압 변환기에 충전되는 임계 전압 이상에서 동작하여 상기 승압 변환기의 충전 전압을 감지하는 전압 감지부, 상기 임계 전압 이상에서 동작하고, 상기 전압 감지부에서 감지하는 감지 전압에 따라 온 신호 또는 오프 신호를 생성하는 제어부, 및 상기 임계 전압 이상에서 동작하고, 상기 온 신호에 따라 상기 승압 변환기의 충전 전압을 배터리로 출력하고, 상기 오프 신호에 따라 상기 승압 변환기의 충전 전압의 배터리로의 출력을 차단하는 스위치를 포함한다.

태양전지, 저전력, 승압 변환, 전압 감지, 배터리

Description

버퍼 커패시터를 이용한 저전력 충전 장치 및 방법{Low Power Charging Apparatus and Method using Buffer Capacitor}

본 발명은 충전 장치에 관한 것으로서, 특히, 태양 에너지를 전기로 변환하는 태양 전지(solar cell), 회전 에너지를 전기로 변환하는 발전기 등의 발전 장치에서 발생되는 저전력(또는 저전류/저전압)을 버퍼 커패시터(buffer capacitor)를 이용해 승압하여 필요한 일정 전압으로 배터리에 충전함으로써 충전효율을 극대화한 충전 장치에 관한 것이다.

원유의 매장량이 급속히 한계를 드러내고 있는 요즈음 태양 에너지, 풍력, 조력 등을 이용하여 전력을 생산하려는 각고의 노력 중에 있다. 이외에도, 가정에서는 헬쓰 싸이클 등의 회전력을 이용하여 발전함으로써, 운동 겸 전력을 생산하여 가정에 필요한 전력을 공급하고자 하는 시도가 있어왔다.

예를 들어, 일반적인 DC 모터의 회전축을 돌려주면 내부의 자기장의 변화가 전기 에너지로 변환되어 회전수에 비례한 일정 전압의 전기를 발생할 수 있다. 반도체로 제조되는 태양 전지는 태양 에너지를 받아 접합 반도체의 밴드갭에 해당하는 전압의 전기를 발생할 수 있다.

그러나, 이와 같은 그린 발전의 경우에, 발전 장치에 충분한 입력이 들어오지 않으면 배터리를 충전하지 못하고 방전되어 없어지는 문제점이 있다. 예를 들어, 모터의 회전축이 일정 이상의 속도로 회전되어야 모터로부터 배터리를 충전시킬 정도의 충분한 전압을 발전할 수 있다. 저속 회전에서는 낮은 전압이 발생되기 때문이다. 또한, 태양 전지의 경우에도 태양의 광강도가 낮은 날씨에는 배터리를 충전시킬 정도의 충분한 전압을 발전하지 못하게 된다.

이와 같이, 수동이나 풍력 또는 조력을 이용하여 모터의 회전축을 돌려서 전력을 발생하는 경우, 또는 태양 에너지를 이용하여 태양 전지로 전력을 발생하는 경우 등에 있어서, 모터 또는 태양 전지에서 발생된 전력이 충분한 전압으로 출력되지 못하면, 배터리를 충전시키지 못하게 된다. 예를 들어, 충전 가능한 배터리의 규격이 4.3V이상의 입력 전압을 요구하는 경우에, 위와 같은 모터나 태양 전지와 같은 발전 장치에서 발생된 저전압, 예를 들어, 1~2볼트 등으로는 배터리를 규격에 맞게 충전할 수 없게 된다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 태양 에너지, 회전 에너지 등을 전기로 변환하는 발전 장치에서 저전력이 발생되더라도 버퍼 커패시터(buffer capacitor)를 이용해 배터리에서 요구되는 전압까지 승압하여 충전함으로써 충전효율을 극대화할 수 있는 충전 장치를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 충전 장치는, 발전 장치가 출력하는 전기 에너지를 받아 커패시터에 충전하는 승압 변환기; 상기 승압 변환기에 충전되는 임계 전압 이상에서 동작하여 상기 승압 변환기의 충전 전압을 감지하는 전압 감지부; 상기 임계 전압 이상에서 동작하고, 상기 전압 감지부에서 감지하는 감지 전압에 따라 온 신호 또는 오프 신호를 생성하는 제어부; 및 상기 임계 전압 이상에서 동작하고, 상기 온 신호에 따라 상기 승압 변환기의 충전 전압을 배터리로 출력하고, 상기 오프 신호에 따라 상기 승압 변환기의 충전 전압의 배터리로의 출력을 차단하는 스위치를 포함한다.

상기 전압 감지부는, 제1 레벨보다 큰 제2 레벨에서 상기 온 신호를 생성하고, 상기 임계 전압 보다 큰 상기 제1 레벨에서 상기 오프 신호를 생성할 수 있다.

상기 배터리는 휴대용 전기기기에 장착된 2차 전지일 수 있다.

상기 발전 장치는 태양 전지 또는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전 수단을 포함한다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 충전 방법은, 발전 장치가 출력하는 전기 에너지를 받아 버퍼 커패시터에 충전하는 단계; 상기 버퍼 커패시터에 충전되는 임계 전압 이상에서, 전압 감지 수단, 제어 수단, 및 스위칭 수단을 동작시키는 단계; 상기 전압 감지 수단에서 상기 버퍼 커패시터의 충전 전압을 감지하는 단계; 상기 제어 수단에서 상기 전압 감지 수단의 감지 전압에 따라 온 신호 또는 오프 신호를 생성하는 단계; 및 상기 스위칭 수단에서 상기 온 신호에 따라 상기 버퍼 커패시터의 충전 전압을 배터리로 출력하고, 상기 오프 신호에 따라 상기 버퍼 커패시터의 충전 전압의 배터리로의 출력을 차단하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 그린 발전 시스템용 충전 장치는, 태양 에너지, 회전 에너지 등을 전기로 변환하는 발전 장치에서 저전력이 발생되더라도 버퍼 커패시터(buffer capacitor)를 이용해 배터리에서 요구되는 전압까지 승압하여 충전함으로써 충전효율을 극대화할 수 있다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 충전 장치(100)는, 승압 변환기(step-up converter)(110), 전압 감지부(voltage sensor)(120), 제어부(micro-computer)(130), 및 스위치(switching unit)(140)를 포함한다.

충전 장치(100)는 태양 전지 등의 발전 장치로부터 적은 양의 전류가 발생되더라도 승압 변환기(110)의 버퍼 커패시터(buffer capacitor)를 이용해 승압한 후 에 배터리로 충전할 수 있도록 설계되었다. 여기서, 발전 장치는 태양 전지에 한정되는 것이 아니라, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전 수단들을 모두 포함한다. 예를 들어, 태양 전지는 복수의 반도체 소자를 2차원으로 배열한 구성을 가질 수 있으며, 태양광을 받으면 PN 접합 또는 금속-반도체 접합 구조의 접점에서 전자-정공쌍을 발생시켜 전류가 흐르도록 함으로써 일정 전압의 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 발전 장치이다. 또한, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전 수단들의 예로서는, 풍력, 조력, 싸이클의 기어 등의 힘에 의하여 모터의 회전축을 돌리면 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 발전기일 수 있다.

충전 장치(100)가 위와 같은 발전장치로부터 발생하는 미약한 전기 에너지를 승압하여 배터리로 충전할 수 있고, 여기서, 배터리는 휴대폰, 노트북 PC, PDA, PMP, MP 등 휴대용 전기기기에 장착된 재충전 가능한 2차 전지일 수 있다.

승압 변환기(110)는 위와 같은 발전 장치가 출력하는 전기 에너지를 받아 버퍼 커패시터에 충전한다. 승압 변환기(110)의 버퍼 커패시터에 발전 장치로부터 1.0~2.0 볼트 정도의 전압에 해당하는 전기 에너지가 인가되면 승압 변환기(110)의 출력 전압은 서서히 증가되며, 예를 들어, 5.4 볼트까지 충전될 수 있다. 승압 변환기(110)의 충전 전압이 5.4 볼트까지 이르는 시간은 발전 장치로부터의 공급 전류에 따라 달라질 수 있다.

승압 변환기(110)의 충전 전압이 임계 전압(예를 들어, 3 볼트) 이상이 되면, 전압 감지부(120), 제어부(130), 및 스위치(140)가 승압 변환기(110)로부터의 출력 전압을 인가 받아 동작하기 시작한다.

이와 같은 임계 전압 이상에서, 전압 감지부(120)는 승압 변환기(110)의 충전 전압을 계속하여 감지하게 된다. 제어부(130)는 전압 감지부(120)에서 감지하는 감지 전압에 따라 온(on) 신호(예를 들어, 로직 하이(high) 신호), 또는 오프(off) 신호(예를 들어, 로직 로우(low) 신호)를 생성할 수 있다.

예를 들어, 전압 감지부(120)는 승압 변환기(110)의 충전 전압이 5.4 볼트가 되면, 온 신호를 생성하고, 승압 변환기(110)의 충전 전압이 4.3 볼트로 떨어지면 오프 신호를 생성할 수 있다.

제어부(130)에서 생성되는 온 신호 또는 오프 신호에 따라, 스위치(140)는 승압 변환기(110)와 배터리 간의 경로를 단락(short) 또는 개방(open)한다. 예를 들어, 스위치(140)는, 제어부(130)로부터의 온 신호에 따라 승압 변환기(110)의 충전 전압을 배터리로 출력하고, 제어부(130)로부터의 오프 신호에 따라 승압 변환기(110)의 충전 전압이 배터리로 출력되는 것을 차단할 수 있다.

이와 같이, 승압 변환기(110)의 충전 전압이 5.4 볼트에서 4.3 볼트 사이가 되면, 자동적으로 배터리를 충전하도록 동작하며, 배터리의 내부 저항에 따라 승압 변환기(110)에서 배터리로 흐르는 전류가 통제된다. 예를 들어, 배터리의 충전 전압이 4볼트이고, 그 내부 저항을 47 오옴으로 가정하면, 승압 변환기(110)의 충전 전압 5.4 볼트가 배터리로 인가될 때, 배터리로 흘러 들어가는 전류는 1.4/47=29.8mA 정도가 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 충전 장치(100)는, 태양 에너지, 회전 에너지 등을 전기로 변환하는 발전 장치에서 저전력이 발생되더라도 승압 변환기(110) 내의 버퍼 커패시터를 이용해 배터리에서 요구되는 전압까지 승압하여 충전함으로써 충전효율을 극대화할 수 있도록 하였다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 장치(100)를 실제 제작한 사례이다. 충전 장치(100)는 필요한 회로를 PCB 기판에 실장하여 68mm*35mm 사이즈 정도로 제작될 수 있으며, 이와 같은 충전 장치(100)는 외부의 발전장치로부터 발생하는 미약한 전기 에너지를 승압하여 휴대폰, 노트북 PC, PDA, PMP, MP 등 휴대용 전기기기에 장착된 재충전 가능한 2차 전지를 재충전하여 반영구적으로 사용할 수 있도록 활용될 수 있다.

예를 들어, 배터리 용량이 3.7V, 200mAH인 경우에, 배터리 샘플에 따라 약간의 차이가 있지만, 대기(stand-by) 전류 30㎂ 정도인 제1 배터리(도 3참조)와 대기 전류 54㎂ 정도인 제2 배터리(도 4참조)는 전기기기를 동작시킬 때 36mA 정도가 소모된다고 가정하였다. 도 5는 1시간 후의 제2 배터리의 충전 상태를 측정한 예로서, 거의 방전이 이루어져 5mA이하의 전류가 소모되고 있음을 알 수 있다. 도 3,4,5에서 세로축의 단위는 10mA/DIV이고, 가로축은 시간축이다. 도 6은 제2 배터리의 충전 전류가 20mA정도 임을 나타낸다. 도 6에서는 세로축의 단위는 5mA/DIV이고, 가로축은 시간축이다.

여기서, 배터리의 사용 가능 용량(mC) = 200mA*3600sec=720,000이고, 배터리의 방전 용량(mC) = 36mA*0.013sec*15회(1시간 동안 4분 간격 가정) + 54㎂*3600sec = 7.02 + 194.4 = 201.42로서, 배터리 만충전 시 720,000/201.42=약149일 정도 사용 가능한 것으로 계산된다.

따라서, 배터리를 충전할 때, 1회 충전 시 20mA*0.013sec=0.26(mC) 가능하다고 가정할 때, 0.26*120회(1시간 동안 30초 간격으로 충전 가정)=31.2(mC) 정도로 1시간 동안 충전 가능하다. 이때, 효율을 감안한 총 방전 용량(mC)을 201.42*1.1=221.6으로 볼 때, 221.6/31.2 = 1/7.1, 즉, 30초 간격으로 충전 시 배터리 방전량의 1/7 정도만 공급하면 전기기기의 동작에 문제가 없음을 알 수 있다. 따라서, 30/7=약 4.5초 간격으로 배터리를 충전하면 이론상 영구적으로 전기기기를 동작시킬 수 있음을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 장치를 실제 제작한 사례이다.

도 3은 제1 배터리의 소모 전류를 측정한 일례이다.

도 4는 제2 배터리의 소모 전류를 측정한 다른 예이다.

도 5는 제2 배터리의 충전 상태를 측정한 예이다.

도 6은 제2 배터리의 충전 전류를 측정한 일례이다.

Claims

발전 장치가 출력하는 전기 에너지를 받아 커패시터에 충전하는 승압 변환기;

상기 승압 변환기에 충전되는 임계 전압 이상에서 동작하여 상기 승압 변환기의 충전 전압을 감지하는 전압 감지부;

상기 임계 전압 이상에서 동작하고, 상기 전압 감지부에서 감지하는 감지 전압에 따라 온 신호 또는 오프 신호를 생성하는 제어부; 및

상기 임계 전압 이상에서 동작하고, 상기 온 신호에 따라 상기 승압 변환기의 충전 전압을 배터리로 출력하고, 상기 오프 신호에 따라 상기 승압 변환기의 충전 전압의 배터리로의 출력을 차단하는 스위치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 장치.
제1항에 있어서, 상기 전압 감지부는, 제1 레벨보다 큰 제2 레벨에서 상기 온 신호를 생성하고, 상기 임계 전압 보다 큰 상기 제1 레벨에서 상기 오프 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 충전 장치.
제1항에 있어서, 상기 배터리는 휴대용 전기기기에 장착된 2차 전지인 것을 특징으로 하는 충전 장치.
제1항에 있어서, 상기 발전 장치는 태양 전지 또는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 장치.
발전 장치가 출력하는 전기 에너지를 받아 버퍼 커패시터에 충전하는 단계;

상기 버퍼 커패시터에 충전되는 임계 전압 이상에서, 전압 감지 수단, 제어 수단, 및 스위칭 수단을 동작시키는 단계;

상기 전압 감지 수단에서 상기 버퍼 커패시터의 충전 전압을 감지하는 단계;

상기 제어 수단에서 상기 전압 감지 수단의 감지 전압에 따라 온 신호 또는 오프 신호를 생성하는 단계; 및

상기 스위칭 수단에서 상기 온 신호에 따라 상기 버퍼 커패시터의 충전 전압을 배터리로 출력하고, 상기 오프 신호에 따라 상기 버퍼 커패시터의 충전 전압의 배터리로의 출력을 차단하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 방법.