KR20130001853A - A fast charged battery system for the wireless sensor nodes - Google Patents

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KR20130001853A KR1020110062747A KR20110062747A KR20130001853A KR 20130001853 A KR20130001853 A KR 20130001853A KR 1020110062747 A KR1020110062747 A KR 1020110062747A KR 20110062747 A KR20110062747 A KR 20110062747A KR 20130001853 A KR20130001853 A KR 20130001853A
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안병철
최병관
김영민
이순천
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A quick charging type power device for a wireless sensor node is provided to supply power to all wireless sensor nodes through a portable power charger by using the portable power charger and a power module. CONSTITUTION: A quick charging type power device includes a power charger(200) quickly charging power and a power module(300) for a wireless sensor node connected with the wireless sensor node to supplying power. The power charger has a portable structure. The poser module is connected with plural sensor nodes(400) to supply power to the sensor nodes through the power module. The power charger includes an AC-DC converter, a super capacitor of a 200F capacity for quickly charging converted DC power, and a super capacitor charging circuit. [Reference numerals] (200) Power charger; (300) Power module for a wireless sensor node; (400) Wireless sensor node

Description

무선 센서노드용 고속충전형 전원장치{A fast charged battery system for the wireless sensor nodes}A fast charged battery system for the wireless sensor nodes

본 발명은 고속충전형 전원장치에 관한 것으로, 특히 USN 센서노드의 전원을 공급하기 위한 고속 충전 전원장치에 관한 것이다. The present invention relates to a fast charging power supply, and more particularly to a fast charging power supply for supplying power to the USN sensor node.

유비쿼터스 센서네트워크(USN)는 임의의 사물이나 장소에 부착된 태그와 센서로부터 사물 및 주변 환경 정보를 감지, 저장, 가공하여 인터넷을 통하여 전달, 인간 생활에 폭 넓게 활용하기 위한 통신망이다. 따라서, USN 통신망은 궁극적으로 모든 사물에 컴퓨터 및 통신기능을 부여하여 시간, 장소, 사물의 제약 없이 통신이 가능한 환경을 구현하기 위한 것이다.Ubiquitous sensor network (USN) is a communication network that detects, stores, and processes information on objects and surroundings from tags and sensors attached to arbitrary objects or places, and transmits them through the Internet and widely uses them in human life. Therefore, the USN communication network is ultimately intended to implement an environment in which communication is possible without any limitation of time, place, or thing by giving a computer and a communication function to all things.

최근 USN 통신망의 적용 범위는 u-Farm 과 같은 선진화된 농업 분야, 환경 정보 모니터링 분야, 공공건물 에너지 모니터링, 문화재 보호, 산업단지 재해 정보 수집, 수질, 대기환경 모니터링 분야, 주유소 기름 누수/도난 방지, 가정/빌딩 에너지제어, 원경 건강 모니터링, 처방 분야 등으로 점점 다양해 지는 추세이다. 이에 따라서, USN 통신에 적용되는 센서 및 센서노드는 초소형/경량화 되면서 보급이 크게 증가되고 있다. Recent applications of USN networks include advanced agriculture, such as u-Farm, environmental information monitoring, public building energy monitoring, cultural property protection, industrial complex disaster information collection, water quality, atmospheric environment monitoring, gas station oil leakage / theft prevention, The trend is to diversify into home / building energy control, remote health monitoring, and prescriptions. Accordingly, as the sensors and sensor nodes applied to the USN communication are miniaturized and lightened, the prevalence is greatly increased.

기존의 USN센서 노드용 전원은 1-2개의 AAA형 배터리 건전지가 직/병렬 형태로 이용된다. 이러한 AAA형 배터리 건전지는 다수의 센서노드를 관리하는 입장에서 매우 번거로운 업무이다. 또한 다수의 센서 노드를 관리하는 입장에서 매우 번거로운 업무이다. 또한 다수의 센서노드의 배터리 전원을 일일이 교체하여야 한다. 최근에는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 진동, 열, 풍력, 태양열, 방송전파 등 주변 에너지를 활용하여 USN 센서노드의 전원을 공급하는 장치가 활발히 개발되고 있다. The power source for the existing USN sensor nodes is one or two AAA battery batteries in series / parallel form. These AAA battery batteries are a cumbersome task from the standpoint of managing multiple sensor nodes. It is also a cumbersome task from the standpoint of managing multiple sensor nodes. In addition, the battery power of many sensor nodes must be replaced. Recently, in order to solve this problem, a device for supplying power to the USN sensor node by using ambient energy such as vibration, heat, wind power, solar heat, and broadcast waves has been actively developed.

본 발명은 USN 센서노드에 전원을 공급하는 장치로 고속 충전 기능을 가지는 직류형 전원 장치에 관한 내용이다. The present invention relates to a DC power supply having a fast charging function as a device for supplying power to a USN sensor node.

일반적으로 현재 설치 운용중인 USN 망은 수많은 무선 센서 노드를 통제관리하며, 무선센서 노드용 전원으로 AAA형 배터리 두 개를 통상적으로 이용한다. 기존의 AAA형 배터리를 무선센서 노드용 전원으로 활용함에 있어 수많은 폐 건전지를 양산하게 되므로 재충전 배터리를 이용하는 것이 바람직한 해결책이다. 그러나, 일반적인 재충전 배터리는 통상적으로 5-8시간이 소요되므로 실용성이 극히 떨어진다. In general, the USN network currently installed and operated controls and manages a large number of wireless sensor nodes, and typically uses two AAA type batteries as power sources for the wireless sensor nodes. In the case of using the existing AAA type battery as a power source for the wireless sensor node, a lot of waste batteries are produced, so using a rechargeable battery is a preferable solution. However, typical rechargeable batteries typically take 5-8 hours and are therefore extremely practical.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문재를 해결하기 위한 것으로, 슈퍼 캐패시터를 이용하여 3-5분 이내 고속으로 충전한 후 여기에 저장된 에너지를 서서히 재충전 배터리에 충전하는 장치에 관한 것이다. The present invention is to solve the conventional problem as described above, and relates to a device for slowly charging the energy stored in the rechargeable battery after charging at high speed within 3-5 minutes using a super capacitor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에는 슈퍼 캐패시터와 그 청전 회로, 전압 상승 회로 및 재충전 배터리와 그 충전 회로를 이용한 직류형 전원 장치에 관한 것이다. In order to achieve the above object, the present invention relates to a supercapacitor, a charging circuit, a voltage raising circuit, a rechargeable battery, and a direct current type power supply using the charging circuit.

일반적으로 슈퍼 캐패시터를 이용할 경우, 직류 전원을 고속으로 충전할 수 있다. 그러나, 슈퍼 캐패시터는 자가 방전율이 높아 수 개월 사용할 경우, 모든 에너지가 방전된다. 또한 슈퍼 캐패시터의 충전 전압은 방전 현상과 함께 계속 감소하는 특성을 보이므로, 충전 에너지의 일부만을 이용하게 된다. In general, when a super capacitor is used, the DC power can be charged at a high speed. However, a supercapacitor has a high self discharge rate, and when used for several months, all energy is discharged. In addition, since the charging voltage of the supercapacitor continues to decrease with the discharge phenomenon, only a part of the charging energy is used.

따라서, 본 발명에서는 슈퍼 캐패시터 및 그 충전 회로에 의해 축적된 에너지를 재충전 배터리와 그 충전 회로를 이용하여 서서히 충전하는 장치를 개발하였다. 슈퍼 캐패시터에 충전된 에너지가 방전이 일어날 경우도 일정한 전압을 공급하기 위하여 재충전 배터리용 충전 회로의 전압 상승 회로를 설치하였다. 따라서 본 발명은 슈퍼 캐패시터 및 그 충전 회로, 전압 상승 회로, 재충전 배터리 및 그 청전 회로로 이루어진 무선 센서노드용 고속 충전 전원 장치에 관한 것이다.Accordingly, the present invention has developed an apparatus for gradually charging the energy accumulated by the supercapacitor and its charging circuit using a rechargeable battery and the charging circuit thereof. In order to supply a constant voltage even when the energy charged in the supercapacitor is discharged, a voltage raising circuit of a charging circuit for a rechargeable battery is provided. Accordingly, the present invention relates to a fast charging power supply device for a wireless sensor node comprising a supercapacitor, a charging circuit thereof, a voltage rising circuit, a rechargeable battery and a charging circuit thereof.

본 발명에 의한 무선 센서노드용 고속 충전 전원장치는 다음과 같은 효과가 있다. The fast charging power supply device for a wireless sensor node according to the present invention has the following effects.

첫째, 무선 센서노드용 고속충전 전원장치는 1차적으로 슈퍼 캐패시터에 충분한 에너지를 저장 시킨 후 서서히 재충전 배터리에 에너지를 옮기므로 실제 충전 시간은 3-5분 정도로 매우 빠른 재충전 전원 장치이다. First, the fast charging power supply for the wireless sensor node primarily stores enough energy in the supercapacitor and then gradually transfers the energy to the rechargeable battery.

둘째 , 본 발명에서 개발한 무선 센서노드용 고속충전 전원장치는 휴대용 전원 충전기와 전원 모듈로 구성되므로 개별 무선 센서노드당 전원 모듈만 준비될 경우, 하나의 후대용 전원 충전기를 이용하여 모든 무선 센서노드에 전원을 공급할 수 있다. Second, since the high-speed charging power device for the wireless sensor node developed in the present invention is composed of a portable power charger and a power module, when only a power module is prepared per individual wireless sensor node, all wireless sensor nodes using one future power charger Can supply power.

도 1은 본 발명에서 제시한 무선 센서노드용 고속충전 전원장치의 전체 구상도
도 2는 휴대형 전원 충전기의 상세도
도 3은 무선 센서노드와 직접 연결되어 전원을 공급하는 전원모듈의 상세도
도 4은 도 2의 전원 충전기 내부에 설치되는 슈퍼 캐패시터의 구성 회로도
도 5는 도3의 전원 모듈 내부에 설치되는 슈퍼 캐패시터의 구성 회로도1 is an overall schematic diagram of a fast charging power supply device for a wireless sensor node proposed in the present invention.
2 is a detailed view of a portable power charger
3 is a detailed view of a power module directly connected to a wireless sensor node to supply power;
4 is a circuit diagram illustrating a supercapacitor installed in the power charger of FIG. 2.
5 is a circuit diagram illustrating a supercapacitor installed in the power module of FIG.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 무선 센서 노드용 고속 충전 전원 장치를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, a fast charging power supply device for a wireless sensor node according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도1은 본 발명에 의한 고속충전 전원장치의 구성도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 전원 충전기와 무선센서노드용 전원 모듈의 내부 구성 회로를 제시한 블록도이고, 도 4 및 도 5는 전원 충전기 및 무선센서노드용 전원 모듈에 삽입되는 슈퍼 캐패시터의 구성도를 나타낸 회로도이다.1 is a configuration diagram of a fast charging power supply apparatus according to the present invention, Figures 2 and 3 are block diagrams showing the internal configuration circuit of the power charger and the wireless sensor node power module of Figure 1, Figures 4 and 5 Is a circuit diagram showing a configuration diagram of a super capacitor inserted into a power charger and a power module for a wireless sensor node.

본 발명에 의한 고속 충전 전원 장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 고속으로 전원을 충전 시키는 전원 충전기(200)와, 무선 센서 노드와 연결되어 전원을 공급하는 무선센서노드용 전원 모듈(300)로 구성되어 있다. 무선 센서노드에 전원을 공급하는 실제적인 방법은 도 1의 전원 충전기(200)는 휴대형 구조로 하고, 다수의 센서 노드(400)에 전원모듈(300)을 연결하여 설치하면, 단일 휴대형 전원 모듈로 다수의 센서 노드에 전원을 공급할 수 있다. As shown in FIG. 1, the fast charging power supply device according to the present invention includes a power charger 200 for charging power at a high speed and a power module 300 for a wireless sensor node connected to a wireless sensor node to supply power. Consists of. The actual method of supplying power to the wireless sensor node is a portable structure of the power charger 200 of Figure 1, when installed by connecting the power module 300 to a plurality of sensor nodes 400, a single portable power module Power can be supplied to multiple sensor nodes.

여기서, 상기 전원 충전기(200)는 도 2에 도시한 바와 같이, 교류 전원을 직류 전원으로 변환해 주는 AC-DC 변환기(210), 변환된 DC 전원을 고속으로 충전시키는 200F 용량의 슈퍼 캐패시터(240), 다시 전원 모듈(300) 내부에 존재하는 200F 용량의 슈퍼 캐패시터를 충전해 주는 슈퍼 캐패시터 충전회로2(230)로 구성된다. 상기 전원 충전기 내부에 들어가는 200F 용량의 슈퍼 캐패시터(240)은 도 4에 제시한 바와 같이 400F 용량의 슈퍼 캐패시터가 직병렬 형태(500)로 조합된다. 도 2의 전원 슈퍼 캐패시터(240)은 400F 용량을 가지는 슈퍼 캐패시터를 도 4에 도시한 회로도(500)와 같이 직/병렬 형태로 연결하여 총 용량이 200F가 되도록 구성한다. 도 2의 슈퍼 캐패시터 충전회로1(220)은 200F 용량의 슈퍼캐패시터에 10V 로 DC 전원을 충전하며, 이에 따라 슈퍼캐패시터1(240)에 저장 가능한 총 에너지는 10,000J이다. Here, the power charger 200, as shown in Figure 2, AC-DC converter 210 for converting AC power into DC power, supercapacitor 240 of 200F capacity to charge the converted DC power at high speed ), A supercapacitor charging circuit 2 (230) that charges a supercapacitor of 200F capacity existing inside the power supply module (300). As shown in FIG. 4, the 200F supercapacitor 240 inside the power charger is combined with the 400F supercapacitor in a series-parallel form 500. The power supercapacitor 240 of FIG. 2 is configured such that the total capacitance is 200F by connecting the supercapacitor having the 400F capacity in series / parallel form as shown in the circuit diagram 500 of FIG. 4. The supercapacitor charging circuit 1 220 of FIG. 2 charges the DC power at 10V to the 200F supercapacitor, and accordingly, the total energy that can be stored in the supercapacitor 1240 is 10,000J.

전원 슈퍼캐패시터에 저장된 10,000J의 에너지는 도 1에 제시된 바와 같이 무선센서노드용 전원모듈(300)과 연결된다. 슈퍼 캐패시터1(240)에 저장된 에너지 10,000J는 슈퍼 캐패시터 충전회로2(230)을 거처 슈퍼 캐패시터2(350)에 5V의 직류 전원 에너지로 저장된다. 슈퍼 캐패시터2(350)의 충전 전압이 5V 이므로 저장된 총 에너지는 5,000J 이다. 전원 충전기(200)와 전원모듈(300)이 분리된 후 슈퍼 캐패시터2(350)에 저장된 에너지는 서서히 방전하면서 재충전 배터리 충전회로(320)의 입력으로 동작된다. 이같은 경우, 슈퍼 캐패시터2(350)의 충전 전압은 서서히 감소하므로 재충전 배터리 충전 회로(320)의 최소 입력 전압 조건을 만족하지 못할 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 슈퍼 캐패시터2(350)와 재충전 배터리 충전회로(320) 사이에 전압 상승 회로(310)를 삽입하였다. 이를 통하여 재충전 배터리(330)에 필요한 전원이 공급되도록 하는 하였다. 실제 재충전 배터리(330)의 용량은 3.7V, 380mAh이므로 총 에너지는 5,000J이며 이것에 모든 직류 전원을 저장하는데 걸리는 시간은 5시간 정도 소요된다. 그러나, 본 발명의 고속충전 전원장치는 휴대형 전원 충전기(200)와 무선 센서노드용 전원모듈(300)이 연결되는 시간만이 필요하므로 실제 충전 시간은 3-5분정도 소요된다.
The energy of 10,000J stored in the power supercapacitor is connected to the power module 300 for the wireless sensor node as shown in FIG. 1. The energy 10,000J stored in the supercapacitor 1240 is stored in the supercapacitor 2350 as 5V DC power energy through the supercapacitor charging circuit 2230. Since the charge voltage of the supercapacitor 2 350 is 5V, the total stored energy is 5,000J. After the power charger 200 and the power module 300 are separated, the energy stored in the super capacitor 2 350 is gradually discharged and operated as an input of the rechargeable battery charging circuit 320. In this case, since the charging voltage of the supercapacitor 2 350 gradually decreases, the minimum input voltage condition of the rechargeable battery charging circuit 320 may not be satisfied. In order to solve this problem, a voltage rising circuit 310 is inserted between the supercapacitor 2 350 and the rechargeable battery charging circuit 320. Through this, the power required for the rechargeable battery 330 was supplied. Since the capacity of the actual rechargeable battery 330 is 3.7V, 380mAh, the total energy is 5,000J, and it takes about 5 hours to store all the DC power therein. However, since the fast charging power supply of the present invention requires only a time for connecting the portable power charger 200 and the wireless sensor node power module 300, the actual charging time takes about 3-5 minutes.

200: 전원 충전기 300: 무선센서노드용 전원 모듈
400: 무선 센서노드200: power charger 300: power module for the wireless sensor node
400: wireless sensor node

Claims (3)

무선 센서노드에 공급하기 위한 전원 장치로,
DC 전원을 고속으로 충전할 수 있는 슈퍼 캐패시터를 이용한 전원 충전기와, 슈퍼 캐패시터 및 배터리에 충전된 에너지를 센서노드에 공급하는 전원 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 센서노드용 고속충전 전원장치Power supply for supplying wireless sensor nodes,
High speed charging power supply for a wireless sensor node comprising a power charger using a super capacitor that can charge DC power at high speed, and a power module for supplying the super capacitor and the energy charged in the battery to the sensor node. 제 1항에 있어서, 1차적으로 직류 전원을 저장하는 슈퍼 캐패시터와 그 충전 회로로 구성된 전원 충전기는 휴대용으로 이용하여 하나의 충전기로 다수의 센서노드용 전원 모듈에 필요한 전원을 공급하는 것을 특징으로 한다.The power charger consisting of a super capacitor and a charging circuit thereof, which primarily store DC power, is used as a portable unit and supplies power required for a plurality of sensor node power modules to a single charger. . 제 1항에 있어서, 전원 모듈 내 2차 슈퍼 캐패시터를 설치하여 전원 충전기로부터 에너지를 고속으로 충전 한 후, 전원 충전기 제거 후, 2차 슈퍼 캐패시터에 저장된 에너지가 재충전 배터리에 에너지를 충전하는 것을 특징으로 한다. The method of claim 1, wherein after installing the secondary supercapacitor in the power module to charge the energy from the power charger at high speed, and after the power charger is removed, the energy stored in the secondary supercapacitor charges the rechargeable battery. do.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108337722A (en) * 2018-02-28 2018-07-27 华东交通大学 A kind of Rechargeable wireless sensor network nodes
CN109889611A (en) * 2019-04-02 2019-06-14 安徽理工大学 A kind of wireless charging design method of radio sensing network node

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