KR20130072888A - 방전 프로파일에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치 및 그 장치의 제조 방법 - Google Patents

방전 프로파일에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치 및 그 장치의 제조 방법 Download PDF

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방전 프로파일에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치는 방전 시스템에 의해 발생된 열 에너지를 수용하고, 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환 모듈; 방전 시스템에 대한 냉각을 수행하는 냉각모듈; 및 방전 시스템에 포함되는 냉각 모듈과 전기적으로 연결되며, 에너지 변환 모듈에서 변환된 전기 에너지를 이용하여 직류 전력을 생성하고, 생성된 직류 전력을 냉각 모듈로 제공하는 직류 전력 제공 모듈을 포함한다.

Description

방전 프로파일에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치 및 그 장치의 제조 방법{ENERGY HARVESTING DEVICE IN SYSTEM DISCHARGING BATTERY DEPENDING ON DISCHARGE PROFILE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
아래의 실시예들은 방전 프로파일에 따라 적어도 하나의 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치 및 그 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
1. 배터리 방전 시스템
배터리 생산 라인에서 배터리의 성능을 검증하기 위하여 방전 프로파일에 따라 배터리를 방전하는 테스트가 수행된다. 이 때, 다량의 전류가 트랜지스터를 통하여 방전된다. 그 결과, 트랜지스터는 많은 양의 열을 발생시키고, 트랜지스터의 파손을 방지하기 위하여 트랜지스터를 냉각하는 냉각 시스템을 구동하여야 한다.
2. 열전 현상
1821년 독일의 제백(Seebeck)은 구리(Cu)선과 비스무스(Bi)선, 또는 비스무스선과 안티몬(Sb)선의 양쪽 끝을 서로 용접하고 접합부를 가열하면 전위차가 발생하고 전류가 흐르는 현상을 발견하였다. 이 현상은 온도 차에 의해 열기전력(thermoelectromotive force)이 발생하여 폐회로 내에서 전류가 흐르기 때문에 일어나는 것으로써 열전발전의 원리이며, 제백 효과로 불린다.
한편, 1843년 프랑스의 펠티어(Peltier)는 두 개의 서로 다른 금속선의 양끝을 접합한 다음 회로에 직류 전기를 흘리면 한쪽 접합부에서 흡열, 다른 접합부에서는 발열이 일어나며, 전류의 방향을 반대로 하면 흡열과 발열이 반대로 일어나는 현상을 발견하였다. 이 현상은 일종의 열 펌핑(heat pumping) 현상으로써 전자냉각의 원리이며, 펠티어 효과로 불린다. 이와 같이 펠티어 효과를 이용한 소자를 열전 반도체(Thermoelectric Module, TEM) 혹은 열전 모듈이라 한다.
1851년 영국의 톰슨(Thomson)은 제백 효과와 펠티어 효과의 가역성을 열역학적으로 이론화하였다. 톰슨은 제벡 효과나 펠티어 효과 모두 전자들이 두 금속의 접합을 지나갈 때 평균 운동 에너지가 변화되기 때문에 일어나는 현상임을 증명하였으며, 이러한 현상을 Thomson 효과라 부르게 되었다.
이 때, 제백 효과, 펠티어 효과 및 톰슨 효과를 통틀어 열전 현상이라 한다.
본 발명은 에너지 변환 모듈을 이용하여, 방전 프로파일에 따라 적어도 하나의 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 발생하는 열 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써, 상기 방전 시스템을 냉각하는 냉각 모듈의 전원으로 사용하는 기술을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 장치는 상기 방전 시스템에 의해 발생된 열 에너지를 수용하고, 상기 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환 모듈; 상기 방전 시스템에 대한 냉각을 수행하는 냉각 모듈; 및 상기 냉각 모듈과 전기적으로 연결되며, 상기 에너지 변환 모듈에서 변환된 전기 에너지를 이용하여 직류(DC) 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈로 제공하는 직류 전력 제공 모듈을 포함한다.
상기 직류 전력 제공 모듈은 상기 에너지 변환 모듈에서 변환된 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부; 및 상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성하는 직류 전력 생성부를 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장부는 캐퍼시터를 포함하고, 상기 직류 전력 생성부는 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 방전 시스템은 배터리, 트랜지스터 및 게이트 전압 제어부를 포함하고, 상기 게이트 전압 제어부는 상기 방전 프로파일을 기초로 상기 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압의 크기를 제어할 수 있다.
상기 배터리는 리튬-이온 배터리를 포함하고, 상기 트랜지스터는 대전류 드라이브용 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 냉각 모듈은 냉각팬을 포함할 수 있다.
상기 에너지 변환 모듈은 두 개의 서로 다른 금속들이 접합된 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 제백 효과를 이용하는 열전 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일(profile)에 따라 복수의 배터리들을 병렬로 방전시키는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 장치는 상기 방전 시스템에 포함되는 복수의 트랜지스터들에 의해 발생된 열 에너지를 수용하고, 상기 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 복수의 에너지 변환 모듈들; 상기 방전 시스템에 대한 냉각을 수행하는 냉각 모듈; 상기 복수의 에너지 변환 모듈들에서 변환된 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장 모듈; 및 상기 냉각 모듈과 전기적으로 연결되며, 상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈로 제공하는 직류 전력 제공 모듈을 포함한다.
상기 복수의 에너지 변환 모듈들 각각은 두 개의 서로 다른 금속들이 접합된 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 제백 효과를 이용하는 열전 소자를 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 모듈은 캐퍼시터를 포함하고, 상기 직류 전력 제공 모듈은 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 장치의 제조 방법은 상기 방전 시스템에 의해 발생된 열 에너지를 수용하기 적합하도록 에너지 변환 모듈을 배치하는 단계; 및 직류 전력 제공 모듈을 상기 에너지 변환 모듈 및 상기 방전 시스템을 냉각하는 냉각 모듈과 전기적으로 연결하는 단계를 포함하고, 상기 에너지 변환 모듈은 상기 방전 시스템으로부터 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하며, 상기 직류 전력 제공 모듈은 상기 변환된 전기 에너지를 이용하여 직류(DC) 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈로 제공한다.
상기 직류 전력 제공 모듈은 상기 에너지 변환 모듈에서 변환된 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부; 및 상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성하는 직류 전력 생성부를 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장부는 캐퍼시터를 포함하고, 상기 직류 전력 생성부는 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 에너지 변환 모듈은 두 개의 서로 다른 금속들이 접합된 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 제백 효과를 이용하는 열전 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일(profile)에 따라 복수의 배터리들을 병렬로 방전시키는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 장치의 제조 방법은 상기 방전 시스템에 포함되는 복수의 트랜지스터들에 의해 발생된 열 에너지를 수용하기 적합하도록 복수의 에너지 변환 모듈들을 배치하는 단계; 에너지 저장 모듈을 상기 복수의 에너지 변환 모듈들과 전기적으로 연결하는 단계; 및 직류 전력 제공 모듈을 상기 에너지 저장 모듈 및 냉각 모듈과 전기적으로 연결하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 에너지 변환 모듈들은 상기 복수의 트랜지스터들로부터 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 상기 에너지 저장 모듈은 상기 변환된 전기 에너지를 저장하며, 상기 냉각 모듈은 상기 방전 시스템에 포함된 복수의 트랜지스터들 중 적어도 하나를 냉각하고, 상기 직류 전력 제공 모듈은 상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈로 제공한다.
상기 복수의 에너지 변환 모듈들 각각은 두 개의 서로 다른 금속들이 접합된 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 제백 효과를 이용하는 열전 소자를 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 모듈은 캐퍼시터를 포함하고, 상기 직류 전력 제공 모듈은 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명은 에너지 변환 모듈을 이용하여, 방전 프로파일에 따라 적어도 하나의 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 발생하는 열 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써, 상기 방전 시스템을 냉각하는 냉각 모듈의 전원으로 사용하는 기술을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 복수의 배터리들을 병렬로 방전시키는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 복수의 배터리들을 병렬로 방전시키는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치를 설명하기에 앞서, 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에 대하여 간략히 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 방전 시스템(130)은 배터리(131), 트랜지스터(132) 및 게이트 전압 제어부(133)를 포함한다.
여기서, 상기 배터리(131)는 리튬-이온 배터리를 포함할 수 있고, 상기 트랜지스터(132)는 대전류 드라이브용 트랜지스터를 포함할 수 있다.
특히, 상기 게이트 전압 제어부(133)는 상기 방전 프로파일을 기초로 상기 트랜지스터(132)의 게이트에 인가되는 전압의 크기를 제어할 수 있다.
방전 프로파일은 시간의 흐름에 따라 배터리가 방전되는 형태를 기록한 정보이다. 본 발명의 일실시예에 따른 방전 시스템(130)에서 이용되는 상기 방전 프로파일은 전기 자동차용 배터리의 성능을 검증하기 위한 방전 프로파일일 수 있다. 즉, 전기 자동차는 도심에서의 주행, 고속도로에서의 주행 및 언덕길에서의 가속 주행 등을 포함한 다양한 형태의 주행을 할 수 있다. 이 경우, 상기 전기 자동차용 배터리는 상기 가능한 형태의 주행들에 대응하는 전류를 제공해야 한다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 방전 시스템(130)에서 이용되는 상기 방전 프로파일은 전기 자동차 제조 회사로부터 제공받은 방전 프로파일일 수 있으며, 전기 자동차 제조 회사가 요구하는 배터리의 스펙(spec)을 만족하는지 여부에 대한 테스트에 이용되는 방전 프로파일일 수 있다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 방전 시스템(130)에 포함되는 게이트 전압 제어부(133)는 트랜지스터(132)의 게이트에 인가되는 전압의 크기를 제어함으로써, 배터리(131)가 방전되는 형태를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, MOSTFET의 드레인-소스간 전압이 비교적 낮고 MOSFET의 게이트-드레인 사이의 전압이 문턱 전압을 넘는 경우, MOSFET의 반전층은 저항과 같은 기능을 가진다. MOSFET이 이러한 동작을 하는 영역을 선형 영역이라고 지칭할 수 있다. 상기 선형 영역에서는 MOSTFET의 게이트 전압에 비례하여 반전층의 두께가 더해지고, 상기 반전층의 두께가 더해짐에 따라 MOSFET의 드레인-소스간 저항이 감소한다.
따라서, 상기 게이트 전압 제어부(133)는 트랜지스터(132)가 선형 영역에서 동작하는 게이트 전압의 범위 내에서, 게이트에 인가되는 전압의 크기를 제어함으로써 트랜지스터(132)의 저항 값을 제어할 수 있다. 그 결과, 상기 게이트 전압 제어부(133)는 상기 전압 프로파일에 따라 배터리(131)가 방전되는 형태를 제어할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 일실시예에 따른 방전 시스템(130)에 포함되는 게이트 전압 제어부(133)는 트랜지스터(132)의 게이트에 인가되는 전압을 PWM 방식으로 제어함으로써, 배터리(131)가 방전되는 형태를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 게이트 전압 제어부(133)는 트랜지스터(132)의 게이트에 인가되는 전압을 PWM 방식으로 조절함으로써, 상기 트랜지스터(132)가 주기적으로 온-오프(on-off)하는 스위치 동작을 하도록 제어할 수 있다. 상기 게이트 전압 제어부(133)는 상기 전압 프로파일에 따라 상기 트랜지스터(132)가 온(on) 되는 시간 및 오프(off) 되는 시간의 비율을 조절할 수 있다. 그 결과, 상기 게이트 전압 제어부(133)는 상기 전압 프로파일에 따라 배터리(131)가 방전되는 형태를 제어할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템(130)에서 사용되는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 장치는 에너지 변환 모듈(110)을 포함한다.
여기서, 상기 에너지 변환 모듈(110)은 상기 방전 시스템(130)에 의해 발생된 열 에너지를 수용하고, 상기 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 본 발명의 일실시예에 따른 상기 방전 시스템(130)에 포함된 배터리(131)의 방전은 상기 방전 시스템(130)에 포함된 트랜지스터(132)를 통하여 이루어지므로, 방전 프로파일에 따른 상기 배터리(131)의 방전 과정에서 상기 트랜지스터(132)는 가열된다. 상기 에너지 변환 모듈(110)은 상기 트랜지스터(132)에 의해 발생된 열 에너지를 수용하고, 상기 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
이 때, 상기 에너지 변환 모듈(110)은 두 개의 서로 다른 금속들이 접합된 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 제백 효과를 이용하는 열전 소자를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치는 상기 에너지 변환 모듈(110)에 포함된 상기 열전 소자의 가열부를 상기 트랜지스터(132)에 가깝게 배치함으로써, 상기 열전 소자에 포함된 접합부의 온도 차를 발생시킬 수 있다. 그 결과, 상기 에너지 변환 모듈(110)은 제백 효과를 이용하여 상기 트랜지스터(132)로부터 수용된 열 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.
열전 소자를 위한 재료들은 다양하게 존재한다. 현재 주로 실용되고 있는 대표적인 재료들에는 Bi2Te3, PbTe, ZnSb, SiGe, FeSi2 등의 금속간 화합물이 있으며 상온～250℃의 저온역에서는 Pb-Te 계에서 ⅤB족의 Tellurides가 있고, 250～550℃의 중온역에서는 Pb-Te, Ge-Te계에서 ⅣB족의 Tellurides가 있다. 550℃～1200℃의 고온역에서는 Fe-Si, Co-Si계를 위시한 천이금속 Silicides가 사용되고 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치는 냉각 모듈(134)을 포함한다. 상기 냉각 모듈(134)은 상기 방전 시스템에 대한 냉각을 수행할 수 있다. 이 때, 상기 냉각 모듈(134)은 냉각팬을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치는 직류 전력 제공 모듈(120)을 포함한다. 상기 직류 전력 제공 모듈(120)은 상기 냉각 모듈(134)과 전기적으로 연결되며, 상기 에너지 변환 모듈(110)에서 변환된 전기 에너지를 이용하여 직류(DC) 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈(134)로 제공한다.
전술한 바와 같이, 상기 방전 시스템(130)에 포함되는 트랜지스터(132)는 상기 방전 시스템(130)에 포함되는 배터리(131)의 방전 과정에서 가열되므로, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치는 상기 트랜지스터(132)의 파손을 방지하기 위하여 상기 냉각 모듈(134)을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 냉각 모듈(134)은 상기 트랜지스터(132)를 냉각하는 동작을 하기 위하여, 상기 방전 시스템(130)의 외부로부터 전원을 공급받아야 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치에 포함된 상기 직류 전력 제공 모듈(120)은 상기 에너지 변환 모듈(110)에서 변환된 전기 에너지를 이용하여 직류 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈(134)로 제공 할 수 있다.
여기서, 상기 직류 전력 제공 모듈(120)은 에너지 저장부(121) 및 직류 전력 생성부(122)를 포함할 수 있다. 상기 에너지 저장부(121)는 상기 에너지 변환 모듈에서 변환된 전기 에너지를 저장하고, 상기 직류 전력 생성부(122)는 상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈(134)을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성할 수 있다.
여기서, 상기 에너지 변환 모듈(110)에 의해 변환되는 전기 에너지의 양은 상기 트랜지스터(132)에 의해 발생되는 열 에너지의 양에 의존한다. 상기 트랜지스터(132)에 의해 발생되는 열 에너지의 양은 상기 배터리(131)로부터 상기 트랜지스터(132)를 통해 흐르는 전류의 양에 의존한다. 또한, 상기 배터리(131)로부터 상기 트랜지스터(132)를 통해 흐르는 전류의 양은 상기 방전 프로파일에 의존한다. 따라서, 상기 에너지 변환 모듈(110)에 의해 변환되는 전기 에너지의 양은 상기 방전 프로파일에 의존하므로, 상기 변환되는 전기 에너지의 양은 시간의 흐름에 따라 변경될 수 있다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치에 포함되는 에너지 저장부(121)는 상기 에너지 변환 모듈(110)로부터 변환되는 전기 에너지를 축적함으로써 상기 직류 전력 생성부(122)의 입력 전력을 위한 버퍼와 같은 역할을 할 수 있다. 상기 에너지 저장부(121)는 캐퍼시터를 포함할 수 있다.
즉, 상기 에너지 저장부(121)는 시간의 흐름에 따라 변환되는 전기 에너지의 양이 변경되는 것과 무관하게 상기 변환되는 전기 에너지를 축적할 수 있고, 상기 직류 전력 생성부(122)는 상기 에너지 저장부(121)에 축적된 전기 에너지를 이용하여 상기 냉각 모듈(134)을 동작시키기 적합한 직류 전력을 생성할 수 있다. 결국, 상기 직류 전력 생성부(122)는 시간의 흐름에 따라 변환되는 전기 에너지의 양이 변경되는 것과 무관하게 상기 냉각 모듈(134)을 위한 직류 전력을 생성할 수 있다.
여기서, 상기 직류 전력 생성부(122)는 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함할 수 있다. 제너 다이오드(Zener diode)는 일반적인 다이오드의 특성과는 달리 역방향으로 어느 일정 값 이상의 항복 전압(breakdown voltage)이 가해졌을 때, 역방향으로 전류가 흐르는 다이오드의 일종이다. 즉, 제너 다이오드의 음극부(cathode)의 전압이 양극부(anode)의 전압보다 상기 항복 전압 이상 높은 경우, 일반적인 다이오드의 특성에 따른 전류의 흐름 방향과 반대 방향으로(음극부에서 양극부로) 전류가 흐른다. 그 결과, 상기 제너 다이오드의 양 단의 전압은 상기 항복 전압의 크기로 레귤레이팅 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치에 포함되는 직류 전력 생성부(122)는 상기 항복 전압이 상기 냉각 모듈(134)의 동작에 필요한 전압 레벨과 부합되는 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 복수의 배터리들을 병렬로 방전시키는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 복수의 배터리들을 병렬로 방전시키는 방전 시스템(240)에 대하여 간략히 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 방전 시스템(240)은 복수의 배터리들(243, 244), 복수의 트랜지스터들(241, 242) 및 복수의 게이트 전압 제어부들을 포함한다. 상기 복수의 트랜지스터들 각각(241, 242)은 대응되는 배터리(243, 244)를 병렬로 방전시킬 수 있다. 이 때, 상기 복수의 트랜지스터들 각각(241, 242)의 게이트에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 게이트 전압 제어부는 상기 방전 프로파일에 따라 상기 배터리(243, 244)의 방전 형태를 제어할 수 있다. 상기 복수의 배터리들 각각(243, 244)은 리튬-이온 배터리를 포함할 수 있고, 상기 복수의 트랜지스터들 각각(241, 242)은 대전류 드라이브용 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 복수의 배터리들을 병렬로 방전시키는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치는 복수의 에너지 변환 모듈들(211, 212)을 포함한다.
여기서, 상기 복수의 에너지 변환 모듈들(211, 212)은 상기 방전 시스템에 포함되는 복수의 트랜지스터들에 의해 발생된 열 에너지를 수용하고, 상기 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 본 발명의 일실시예에 따른 상기 방전 시스템(240)에 포함된 복수의 배터리들(243, 244)의 방전은 상기 방전 시스템(240)에 포함된 복수의 트랜지스터들(241, 242)을 통하여 이루어지므로, 방전 프로파일에 따른 상기 복수의 배터리들(241, 242)의 방전 과정에서 상기 복수의 트랜지스터들(241, 242)은 가열된다. 상기 복수의 에너지 변환 모듈들(211, 212)은 상기 복수의 트랜지스터들(241, 242)에 의해 발생된 열 에너지를 수용하고, 상기 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
이 때, 상기 복수의 에너지 변환 모듈들(211, 212) 각각은 제백 효과를 이용하는 열전 소자를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치는 상기 복수의 에너지 변환 모듈들 각각(211, 212)에 포함된 상기 열전 소자의 가열부를 상기 대응되는 복수의 트랜지스터들 각각(241, 242)에 가깝게 배치함으로써, 상기 열전 소자에 포함된 접합부의 온도 차를 발생시킬 수 있다. 그 결과, 상기 복수의 에너지 변환 모듈들 각각(211, 212)은 제백 효과를 이용하여 상기 대응되는 복수의 트랜지스터들 각각(241, 242)으로부터 수용된 열 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치는 냉각 모듈(245)을 포함한다. 상기 냉각 모듈(245)은 상기 방전 시스템에 대한 냉각을 수행할 수 있다. 이 때, 상기 냉각 모듈(245)은 냉각팬을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치는 직류 전력 제공 모듈(230)을 포함한다. 상기 직류 전력 제공 모듈(230)은 상기 냉각 모듈(245)과 전기적으로 연결되며, 상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈(245)을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈(245)로 제공한다.
전술한 바와 같이, 상기 방전 시스템(240)에 포함되는 복수의 트랜지스터들(241, 242)은 상기 방전 시스템(240)에 포함되는 복수의 배터리들(243, 244)의 방전 과정에서 가열되므로, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치는 상기 복수의 트랜지스터들(241, 242)의 파손을 방지하기 위하여 상기 냉각 모듈(245)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 냉각 모듈(245)은 상기 방전 시스템(240) 내에 포함된 상기 복수의 트랜지스터들(241, 242) 중 적어도 하나를 냉각할 수 있다.
이 때, 상기 냉각 모듈(245)은 상기 복수의 트랜지스터들(241, 242) 중 적어도 하나를 냉각하는 동작을 하기 위하여, 상기 방전 시스템(240)의 외부로부터 전원을 공급받아야 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치에 포함된 상기 직류 전력 제공 모듈(230)은 상기 복수의 에너지 변환 모듈들(211, 212)에서 변환된 전기 에너지를 이용하여 직류 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈(245)로 제공 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치는 에너지 저장 모듈(220)을 포함한다. 상기 에너지 저장 모듈(220)은 상기 복수의 에너지 변환 모듈들에서 변환된 전기 에너지를 저장한다.
여기서, 상기 복수의 에너지 변환 모듈들(211, 212)에 의해 변환되는 전기 에너지의 양은 상기 복수의 트랜지스터들(241, 242)에 의해 발생되는 열 에너지의 양에 의존한다. 상기 복수의 트랜지스터들(241, 242)에 의해 발생되는 열 에너지의 양은 상기 복수의 배터리들(243, 244)로부터 상기 복수의 트랜지스터들(241, 242)을 통해 흐르는 전류의 양에 의존한다. 또한, 상기 복수의 배터리들(243, 244)로부터 상기 복수의 트랜지스터들(241, 242)을 통해 흐르는 전류의 양은 상기 방전 프로파일에 의존한다. 따라서, 상기 복수의 에너지 변환 모듈들(211, 212)에 의해 변환되는 전기 에너지의 양은 상기 방전 프로파일에 의존하므로, 상기 변환되는 전기 에너지의 양은 시간의 흐름에 따라 변경될 수 있다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치에 포함되는 에너지 저장 모듈(220)는 상기 복수의 에너지 변환 모듈들(211, 212)로부터 변환되는 전기 에너지를 축적함으로써 상기 직류 전력 제공 모듈(230)의 입력 전력을 위한 버퍼와 같은 역할을 할 수 있다. 상기 에너지 저장 모듈(220)은 캐퍼시터를 포함할 수 있다.
즉, 상기 에너지 저장 모듈(220)은 시간의 흐름에 따라 변환되는 전기 에너지의 양이 변경되는 것과 무관하게 상기 변환되는 전기 에너지를 축적할 수 있고, 상기 직류 전력 제공 모듈(230)은 상기 에너지 저장 모듈(220)에 축적된 전기 에너지를 이용하여 상기 냉각 모듈(245)을 동작시키기 적합한 직류 전력을 생성할 수 있다. 결국, 상기 직류 전력 제공 모듈(230)은 시간의 흐름에 따라 변환되는 전기 에너지의 양이 변경되는 것과 무관하게 상기 냉각 모듈(245)을 위한 직류 전력을 생성할 수 있다.
여기서, 상기 직류 전력 제공 모듈(230)은 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 제너 다이오드의 양 단의 전압은 상기 항복 전압의 크기로 레귤레이팅 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하비스팅 장치에 포함되는 직류 전력 제공 모듈(230)은 상기 항복 전압이 상기 냉각 모듈(245)의 동작에 필요한 전압 레벨과 부합되는 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 장치의 제조 방법은 상기 방전 시스템에 의해 발생된 열 에너지를 수용하기 적합하도록 에너지 변환 모듈을 배치하는 단계(310); 및 직류 전력 제공 모듈을 상기 에너지 변환 모듈 및 상기 방전 시스템을 냉각하는 냉각 모듈과 전기적으로 연결하는 단계(320)를 포함한다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 변환 모듈을 배치하는 단계(310)는 상기 에너지 변환 모듈을 상기 방전 시스템에 포함되는 트랜지스터에 부착된 방열판의 일 측면에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 에너지 변환 모듈은 상기 방전 시스템에 의해 발생된 열 에너지를 수용하고, 상기 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 상기 직류 전력 제공 모듈은 상기 변환된 전기 에너지를 이용하여 직류(DC) 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈로 제공할 수 있다.
상기 직류 전력 제공 모듈은 상기 에너지 변환 모듈에서 변환된 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부; 및 상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성하는 직류 전력 생성부를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 에너지 저장부는 캐퍼시터를 포함하고, 상기 직류 전력 생성부는 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 에너지 변환 모듈은 두 개의 서로 다른 금속들이 접합된 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 제백 효과를 이용하는 열전 소자를 포함할 수 있다.
상기 모듈들 각각에는 도 1을 통하여 기술된 사항들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일에 따라 복수의 배터리들을 병렬로 방전시키는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 방전 프로파일(profile)에 따라 복수의 배터리들을 병렬로 방전시키는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 장치의 제조 방법은 상기 방전 시스템에 포함되는 복수의 트랜지스터들에 의해 발생된 열 에너지를 수용하기 적합하도록 복수의 에너지 변환 모듈들을 배치하는 단계(410); 에너지 저장 모듈을 상기 복수의 에너지 변환 모듈들과 전기적으로 연결하는 단계(420); 및 직류 전력 제공 모듈을 상기 에너지 저장 모듈 및 냉각 모듈과 전기적으로 연결하는 단계(430)를 포함한다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 에너지 변환 모듈들을 배치하는 단계(410)는 상기 복수의 에너지 변환 모듈들 각각을 상기 방전 시스템에 포함되는 복수의 트랜지스터들 각각에 부착된 방열판의 일 측면에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 복수의 에너지 변환 모듈들 각각은 상기 방전 시스템에 포함되는 복수의 트랜지스터들 각각에 의해 발생된 열 에너지를 수용하고, 상기 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 상기 에너지 저장 모듈은 상기 복수의 에너지 변환 모듈들에서 변환된 전기 에너지를 저장하고, 상기 냉각 모듈은 상기 방전 시스템에 포함된 복수의 트랜지스터들 중 적어도 하나를 냉각할 수 있다. 상기 직류 전력 제공 모듈은 상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈로 제공할 수 있다.
상기 복수의 에너지 변환 모듈들 각각은 두 개의 서로 다른 금속들이 접합된 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 제백 효과를 이용하는 열전 소자를 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 모듈은 캐퍼시터를 포함하고, 상기 직류 전력 제공 모듈은 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 모듈들 각각에는 도 2를 통하여 기술된 사항들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.
상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
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.
110: 에너지 변환 모듈
120: 직류 전력 제공 모듈
121: 에너지 저장부
122: 직류 전력 생성부
130: 방전 시스템
131: 배터리
132: 트랜지스터
133: 게이트 전압 제어부
134: 냉각 모듈

Claims (20)

  1. 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 장치에 있어서,
    상기 방전 시스템에 의해 발생된 열 에너지를 수용하고, 상기 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환 모듈;
    상기 방전 시스템에 대한 냉각을 수행하는 냉각 모듈; 및
    상기 냉각 모듈과 전기적으로 연결되며, 상기 에너지 변환 모듈에서 변환된 전기 에너지를 이용하여 직류(DC) 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈로 제공하는 직류 전력 제공 모듈
    을 포함하는 에너지 하비스팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 변환 모듈은
    두 개의 서로 다른 금속들이 접합된 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 제백 효과를 이용하는 열전 소자
    를 포함하는 에너지 하비스팅 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열전 소자는
    Bi2Te3, PbTe, ZnSb, SiGe 또는 FeSi2, Tellurides 또는 Silicides 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 에너지 하비스팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 직류 전력 제공 모듈은
    상기 에너지 변환 모듈에서 변환된 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부; 및
    상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성하는 직류 전력 생성부
    를 포함하는 에너지 하비스팅 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 저장부는
    캐퍼시터를 포함하는 에너지 하비스팅 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 직류 전력 생성부는
    전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함하는 에너지 하비스팅 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방전 시스템은 배터리, 트랜지스터 및 게이트 전압 제어부를 포함하고,
    상기 게이트 전압 제어부는
    상기 방전 프로파일을 기초로 상기 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 에너지 하비스팅 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 복수개 존재하고,
    상기 복수 개의 트랜지스터들 각각에서 발생되는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 복수의 에너지 변환 모듈들
    을 더 포함하고,
    상기 복수의 에너지 변환 모듈들은 병렬적으로 연결되는 에너지 하비스팅 장치.
  9. 방전 프로파일(profile)에 따라 배터리의 방전을 유도하는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 방전 시스템에 의해 발생된 열 에너지를 수용하기 적합하도록 에너지 변환 모듈을 배치하는 단계; 및
    직류 전력 제공 모듈을 상기 에너지 변환 모듈 및 상기 방전 시스템을 냉각하는 냉각 모듈과 전기적으로 연결하는 단계
    를 포함하고,
    상기 에너지 변환 모듈은 상기 방전 시스템으로부터 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하며,
    상기 직류 전력 제공 모듈은 상기 변환된 전기 에너지를 이용하여 직류(DC) 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈로 제공하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 직류 전력 제공 모듈은
    상기 에너지 변환 모듈에서 변환된 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부; 및
    상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성하는 직류 전력 생성부
    를 포함하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 저장부는
    캐퍼시터를 포함하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 직류 전력 생성부는 전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 에너지 변환 모듈은
    두 개의 서로 다른 금속들이 접합된 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 제백 효과를 이용하는 열전 소자
    를 포함하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열전 소자는
    Bi2Te3, PbTe, ZnSb, SiGe 또는 FeSi2, Tellurides 또는 Silicides 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  15. 방전 프로파일(profile)에 따라 복수의 배터리들을 병렬로 방전시키는 방전 시스템에서 사용되는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 방전 시스템에 포함되는 복수의 트랜지스터들에 의해 발생된 열 에너지를 수용하기 적합하도록 복수의 에너지 변환 모듈들을 배치하는 단계;
    에너지 저장 모듈을 상기 복수의 에너지 변환 모듈들과 전기적으로 연결하는 단계; 및
    직류 전력 제공 모듈을 상기 에너지 저장 모듈 및 냉각 모듈과 전기적으로 연결하는 단계
    를 포함하고,
    상기 복수의 에너지 변환 모듈들은 상기 복수의 트랜지스터들로부터 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하고,
    상기 에너지 저장 모듈은 상기 변환된 전기 에너지를 저장하며,
    상기 냉각 모듈은 상기 방전 시스템에 포함된 복수의 트랜지스터들 중 적어도 하나를 냉각하고,
    상기 직류 전력 제공 모듈은 상기 저장된 전기 에너지를 미리 설정된 레벨에서 레귤레이팅하여 상기 냉각 모듈을 구동하기 적합한 직류 전력을 생성하고, 상기 생성된 직류 전력을 상기 냉각 모듈로 제공하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 변환 모듈들 각각은
    두 개의 서로 다른 금속들이 접합된 접합부의 온도 차에 의하여 기전력이 발생하는 제백 효과를 이용하는 열전 소자
    를 포함하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열전 소자는
    Bi2Te3, PbTe, ZnSb, SiGe 또는 FeSi2, Tellurides 또는 Silicides 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 에너지 저장 모듈은
    캐퍼시터를 포함하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 직류 전력 제공 모듈은
    전압 레귤레이터용 제너 다이오드를 포함하는 에너지 하비스팅 장치의 제조 방법.
  20. 제9항 내지 제19항 중에서 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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