KR20160098850A - 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법 - Google Patents

시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법은 다수 에너지 소스를 입력으로 하는 다중 에너지 하베스팅 회로의 에너지 하베스팅 타임 슬롯 조정이 이루어지도록 시분할 스케줄러에 의한 에너지 입력이 확인되고, 현재 입력된 에너지 소스가 이전에 에너지를 생성하던 에너지 소스와 다를 때 에너지 소스에 대한 현재와 이전의 시간분배를 동일하거나 현재 입력된 에너지 소스가 이전에 에너지를 생성하던 에너지 소스와 동일할 때 현재와 이전의 시간분배를 다르게 함으로써 에너지소스인 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4)이 하베스팅되는 시간을 스케쥴링하고, 스케쥴링된 타임 슬롯 출력값을 이용함으로써 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)가 시간의 흐름에 따라 변화하는 에너지 상황에 맞춘 시분할 조절로 구현되는 특징이 있다.

Description

시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법{Time Managing Method of Time Sharing type Multi Energy Harvesting Circuit}
본 발명은 다중 에너지 하베스팅 회로에 관한 것으로, 특히 시간의 흐름에 따라 변화하는 에너지 상황에 맞추어 시분할을 조절하는 알고리즘이 적용된 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 하베스팅 회로는 에너지 트랜스듀서로부터 에너지 하베스팅을 하는 회로를 지칭하고, 사용하는 에너지원으로는 태양광, 온도차, 진동, 전자파 등이 있다.
그러므로, 에너지 하베스팅 회로는 변화하는 환경에서 태양광, 온도차, 진동, 전자파 등과 같은 다양한 에너지원으로부터 최대한 많은 에너지를 하베스팅 할 수 있어야 한다.
이러한 에너지 하베스팅 회로로 buck-boost 컨버터가 있다.
상기 buck-boost 컨버터는 하나의 회로로 여러 종류의 에너지 트랜스듀서로부터 한 번에 에너지 하베스팅이 이루어지도록 하나의 인덕터를 활용하고, 미리 태양광, 온도차, 진동, 전자파 등의 에너지원에 맞추어 고정한 시간 간격으로 에너지 하베스팅을 하는 시분할 방식을 사용함으로써 여러 에너지원으로부터 동시에 에너지 하베스팅하고, 그 결과 변화하는 환경에서 최대한 많은 에너지를 하베스팅할 수 있다.
국내등록특허 10-1455355(2014년10월21일)
하지만, 태양광, 온도차, 진동, 전자파 등으로부터 에너지 하베스팅을 하기 위한 시간 간격이 고정되어 정해진 시분할 방식은 상황에 따라 변화하는 에너지 입력값을 반영하지 못하고, 이는 각각이 에너지원으로부터 에너지 하베스팅을 최대 효율로 하기위한 시점을 찾지 못할 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 에너지 하베스팅 회로로부터 각 에너지 트랜스듀서로부터 들어오는 전력값을 입력으로 받아, 각각의 에너지 트랜스듀서를 하베스팅하는 시간을 스케쥴링하여 출력값으로 보내줌으로써 시간의 흐름에 따라 변화하는 에너지 상황에 맞춘 시분할 조절이 가능한 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법은 (A) 다수 에너지 소스를 입력으로 하는 다중 에너지 하베스팅 회로의 에너지 하베스팅 타임 슬롯 조정이 이루어지도록 시분할 스케줄러에 의한 상기 다수 에너지 소스의 에너지 입력이 확인되고, 상기 에너지 입력이 없을 때 에너지사용 최소화를 위해 상기 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로를 대기상태로 전환시키는 사용에너지최소모드; (B) 상기 에너지 입력이 있고, 현재 입력된 에너지 소스가 이전에 에너지를 생성하던 에너지 소스와 다름을 확인하면, 현재 입력된 에너지 소스의 시간분배를 이전 에너지 소스의 시간분배와 동일하게 하는 동일시간분배모드; (C) 상기 에너지 입력이 있고, 현재 입력된 에너지 소스가 이전에 에너지를 생성하던 에너지 소스와 동일함을 확인하면, 현재 입력된 에너지 소스의 시간분배를 이전 에너지 소스의 시간분배와 다르게 하는 시간재분배모드; 로 구분된 것을 특징으로 한다.
상기 사용에너지최소모드와 상기 동일시간분배모드 및 상기 시간재분배모드의 각각에 대한 지속여부는 각자 자신의 모드 수행 후 시간 경과 후 상기 다수의 에너지 소스의 입력을 다시 확인하여 이루어진다.
상기 동일시간분배모드나 상기 시간재분배모드가 수행되면, 상기 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 동작은 상기 다수의 에너지소스 별로 임피던스 매칭이나 또는 고정된 임피던스로 이루어진다.
상기 시간재분배모드가 수행되면, 상기 시간분배는 상기 현재 입력된 에너지 소스의 시간당 들어오는 에너지가 이전에 비해 더 크면, 상기 현재 입력된 에너지 소스에 대한 타임 슬롯을 늘이는 반면 상기 다수 에너지 소스 중 시간당 들어오는 에너지가 상대적으로 작은 1개의 에너지 소스에 대한 타임 슬롯을 줄여준다. 상기 타임 슬롯의 증감은 1개의 타임슬롯으로 이루어지고, 상기 타임 슬롯이 줄어드는 에너지소스가 최소값이면, 두 번째로 적은 최소값의 에너지 소스로 대체된다.
이러한 본 발명은 변화하는 에너지 상황에 맞춘 시분할 조절 알고리즘을 통함으로써 태양광, 온도차, 진동, 전자파 등의 각 에너지원으로부터 들어오는 시간당 전력량이 최대한 동일하게 분배되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 알고리즘은 기본적으로 에너지 하베스팅에서 사용하는 다양한 MPPT(Maximum Power Point Tracking)알고리즘과 별도로 적용할 수 있어, 확장성이 넓고 적용하기 쉬운 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다중 에너지 하베스팅 회로에서 도통손실(conduction loss)을 가장 주된 손실(loss)로 할 때 전류(current)의 양이 적을수록 효율(efficiency)이 높아짐을 이용함으로써 전체적으로 줄어든 전류(current)의 양 대비 전체 하베스팅 효율이 높아지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 시간관리 방법의 시분할 스케줄러가 적용된 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로에서 시간 재분배의 효과가 나타날 수 있는 경우의 예이며, 도 4는 도 3에 따른 시간 재분배 결과의 예이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법의 순서도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 시간관리 방법은 에너지확인모드(S10), 사용에너지최소모드(S20,S30), 동일시간분배모드(S20,S40,S50-1,S60), 시간재분배모드(S40,S50-2,S60)로 구분된다. 특히, 동일시간분배모드(S40,S50-1,S60)와 시간재분배모드(S40,S50-2,S60)는 충분한 시간이 지난 후 다시 확인된 에너지원들의 상태를 통해 서로 전환되는 방식으로 구현됨으로써 각각의 에너지 트랜스듀서를 하베스팅하는 시간을 스케쥴링할 수 있다.
이하, 상기 시간관리 방법의 실시예를 도 2내지 도 4를 참고로 상세히 설명한다. 이하 설명되는 동작은 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)의 인덕터(20)에 대한 시간 관리를 제어하는 시분할 스케줄러(100)로 이루어지며, 상기 시분할 스케줄러(100)는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)에 포함된 컨트롤러에서 수행되는 알고리즘을 의미한다.
구체적으로, 에너지확인모드는 S10과 같이 가장 먼저 연결된 N_SOURCE 개의 에너지원으로부터 각각 에너지가 들어오고 있는지 확인하여 이루어진다. 이 경우, N_SOURCE 개의 에너지원 입력은 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)로 들어오며, 이러한 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)는 도 2를 통해 예시된다.
도 2를 참조하면, 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)는 에너지원으로부터 전력값이 입력되는 에너지 트랜스듀서 입력부(10), 전력을 배터리로 저장하도록 동작하는 인덕터(20), 인덕터(20)의 시간관리를 제어하는 시분할 스케줄러(100)로 구성된다.
상기 에너지 트랜스듀서 입력부(10)로 입력되는 에너지원은 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4)이다. 상기 인덕터(20)는 에너지 트랜스듀서 입력부(10)와 배터리를 전기적으로 연결하는 회로소자로 구성된다. 그러므로, 상기 에너지 트랜스듀서 입력부(10)와 상기 인덕터(20)는 buck-boost 컨버터를 의미한다.
상기 시분할 스케줄러(100)는 사용에너지최소모드(S10,S20,S30)와 동일시간분배모드(S40,S50-1,S60) 및 시간재분배모드(S40,S50-2,S60)를 수행하고, 그 결과를 타임 슬롯 출력부(100-1)로 출력함으로써 인덕터(20)에 대한 시간 관리를 수행한다. 상기 타임 슬롯 인터페이스(100-1)는 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4)을 입력값으로 검출하는 에너지 스캐너(100-1a), 검출된 입력값의 각각에 대해 최소 시간배당을 결정하는 타임 슬롯(time slot)(100-1b)으로 구성된다. 이와 같이, 상기 시분할 스케줄러(100)는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)를 컨트롤하는 알고리즘으로, 에너지 하베스팅 회로로부터 각 에너지 트랜스듀서로부터 들어오는 전력값을 입력으로 받아, 각각의 에너지 트랜스듀서를 하베스팅하는 시간을 스케쥴링하여 출력값으로 보낸다. 그러므로, 타임 슬롯 인터페이스(100-1)의 출력은 하나의 time slot에 컨버터가 한 번 작동하게 되며, 얼마만큼의 time slot을 부여받았느냐에 따라 N_SOURCE 개의 에너지원 입력인 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4)의 각각으로부터 그만큼의 시간동안 에너지 하베스팅을 하게 된다.
구체적으로, 사용에너지최소모드는 S20과 같이 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4) 중 아무 소스에서도 에너지가 들어오지 않음을 확인하면, S30의 Sleep mode로 전환된다. 상기 Sleep mode는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)를 구성하거나 연결된 구성요소를 대기 상태로 전환시켜 에너지사용을 최소화함으로써 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)에서 사용되는 에너지가 최소화된다.
구체적으로, 동일시간분배모드는 S20과 같이 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4) 중 어느 하나의 소스에서 에너지가 들어오고 있음을 확인한 다음, S40과 같이 입력된 에너지의 소스가 다른지 여부를 확인한 후 이전에 에너지를 생성하던 에너지원의 종류와 현재 에너지원의 종류가 다름으로 확인되면, S50-1로 진입함으로써 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)를 동작시키기 위한 시간분배를 모든 에너지원에 대해서 똑같은 시간으로 분배하여 준다. 이러한 이유는 이전에 시행하고 있던 시간 분배 방식이 최적이라고 보장할 수 없는 단점을 보완하기 위함이다. 그러면, S60과 같이 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)의 인덕터(20)에서는 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4)의 각각을 동일한 시간으로 에너지 하베스팅이 이루어져 배터리로 공급된다. 이 경우, 인덕터(20)의 동작은 에너지 소스 별로 MPPT(Maximum Power Point Tracking)와 같은 임피던스 매칭 알고리즘으로 이루어지거나 또는 고정된 임피던스를 갖는 상태로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 시간재분배모드는 동일시간분배모드가 수행된 후 충분한 시간 경과시점에서 다시 에너지확인모드로 돌아가 사용에너지최소모드에 진입한 상태에서 이전과 현재의 에너지원의 동일성여부로 수행된다. 즉, S40을 통해 사용에너지최소모드 후 다시 확인된 에너지원이 이전의 에너지원과 동일한 종류로 확인되면, S50-2로 진입함으로써 시간 재분배(time slot redistribution)를 실시한다.
이러한 시간 재분배는 도 3,4를 통해 예시된다. 도3의 예와 같이 도통손실(conduction loss)을 가장 주된 손실(loss)일 때, 온도차 전력(10-2)과 진동 전력(10-4)의 경우와 같이 전류(current)의 양이 적을수록 효율(efficiency)이 높아짐을 알 수 있다. 그러면, 도 4의 예와 같이 다시 확인된 에너지원과 이전 에너지원이 진동 전력(10-4)일 경우, 에너지 스캐너(100-1a)와 같이 온도차 전력(10-2)과 진동 전력(10-4)의 각각에 대한 바로 직전의 에너지 하베스팅 결과로부터 시간당 들어오는 에너지를 비교하고, 온도차 전력(10-2)의 시간당 에너지가 진동 전력(10-4)의 시간당 에너지와 대비해 시간당 적은 에너지가 들어온 다면, 타임 슬롯(100-1b)과 같이 온도차 전력(10-2)의 시간 배당을 하나 줄이고, 진동 전력(10-4)의 시간 배당을 하나 늘려주는 방식으로 구현된다. 그 결과, 전체적인 전류(current)의 양이 줄어들게 되면 전체 하베스팅 효율이 높아진다.
그러므로, S50-2에서 이루어지는 시간 재분배는 가장 적은 에너지가 들어오는 에너지원의 시간 배당이 최소값이라면, 두 번째로 적은 에너지가 들어오는 에너지원을 찾아 그 시간을 줄임으로써 최소 시간이 할당되어 있다면 그 다음의 에너지원을 찾는 방식으로 이루어진다. 이러한 방식은 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4)의 각각에 대해서 이루어지므로, 바로 직전의 에너지 하베스팅 결과로부터 에너지원 별로 시간당 들어오는 에너지를 비교하여, 시간당 가장 적은 에너지가 들어오는 에너지원과 가장 많은 에너지가 들어오는 에너지원을 찾는다. 그 결과, 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4) 중 가장 적은 에너지가 들어오는 에너지원의 시간 배당을 하나 줄이고, 시간당 가장 높은 에너지가 들어오는 에너지원에게 시간 배당을 하나 늘릴 수 있다.
이어, S60과 같이 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)의 인덕터(20)에서는 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4)의 에너지 하베스팅 시간보다 진동 전력(10-4)의 에너지 하베스팅 시간을 타임슬롯이 하나 늘어난 시간으로 에너지 하베스팅을 하고, 그 결과 진동 전력(10-4)의 에너지가 더 많이 배터리로 공급된다. 이 경우, 인덕터(20)의 동작은 에너지 소스 별로 MPPT(Maximum Power Point Tracking)와 같은 임피던스 매칭 알고리즘으로 이루어지거나 또는 고정된 임피던스를 갖는 상태로 이루어질 수 있다.
반면. 시간재분배모드의 진입상태에서 S40을 통해 다시 확인된 에너지원이 이전의 에너지원과 다른 종류로 확인되면, S50-1로 진입함으로써 동일 시간 분배가 이루어지는 동일시간분배모드로 수행된다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법은 다수 에너지 소스를 입력으로 하는 다중 에너지 하베스팅 회로의 에너지 하베스팅 타임 슬롯 조정이 이루어지도록 시분할 스케줄러에 의한 에너지 입력이 확인되고, 현재 입력된 에너지 소스가 이전에 에너지를 생성하던 에너지 소스와 다를 때 에너지 소스에 대한 현재와 이전의 시간분배를 동일하거나 현재 입력된 에너지 소스가 이전에 에너지를 생성하던 에너지 소스와 동일할 때 현재와 이전의 시간분배를 다르게 함으로써 에너지소스인 전자파 전력(10-1), 온도차 전력(10-2), 태양광 전력(10-3), 진동 전력(10-4)이 하베스팅되는 시간을 스케쥴링하고, 스케쥴링된 타임 슬롯 출력값을 이용함으로써 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로(1)가 시간의 흐름에 따라 변화하는 에너지 상황에 맞춘 시분할 조절로 구현될 수 있다.
1 : 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로
10 : 에너지 트랜스듀서 입력부
10-1 : 전자파 전력 10-2 : 온도차 전력
10-3 : 태양광 전력 10-4 : 진동 전력
20 : 인덕터 100 : 시분할 스케줄러
100-1 : 타임 슬롯 인터페이스
100-1a : 에너지 스캐너 100-1b : 타임 슬롯(time slot)

Claims (9)

  1. (A) 다수 에너지 소스를 입력으로 하는 다중 에너지 하베스팅 회로의 에너지 하베스팅 타임 슬롯 조정이 이루어지도록 시분할 스케줄러에 의한 상기 다수 에너지 소스의 에너지 입력이 확인되고, 상기 에너지 입력이 없을 때 에너지사용 최소화를 위해 상기 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로를 대기상태로 전환시키는 사용에너지최소모드;
    (B) 상기 에너지 입력이 있고, 현재 입력된 에너지 소스가 이전에 에너지를 생성하던 에너지 소스와 다름을 확인하면, 현재 입력된 에너지 소스의 시간분배를 이전 에너지 소스의 시간분배와 동일하게 하는 동일시간분배모드;
    (C) 상기 에너지 입력이 있고, 현재 입력된 에너지 소스가 이전에 에너지를 생성하던 에너지 소스와 동일함을 확인하면, 현재 입력된 에너지 소스의 시간분배를 이전 에너지 소스의 시간분배와 다르게 하는 시간재분배모드;
    로 구분된 것을 특징으로 하는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 사용에너지최소모드와 상기 동일시간분배모드 및 상기 시간재분배모드의 각각에 대한 지속여부는 각자 자신의 모드 수행 후 시간 경과 후 상기 다수의 에너지 소스의 입력을 다시 확인하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 다수의 에너지소스는 전자파 전력, 온도차 전력, 태양광 전력, 진동 전력을 포함하는 것을 특징으로 하는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 다중 에너지 하베스팅 회로는 buck-boost 컨버터 타입인 것을 특징으로 하는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 동일시간분배모드나 상기 시간재분배모드가 수행되면, 상기 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 동작은 상기 다수의 에너지소스 별로 임피던스 매칭이나 또는 고정된 임피던스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 임피던스 매칭은 MPPT(Maximum Power Point Tracking)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 시간재분배모드가 수행되면, 상기 시간분배는 상기 현재 입력된 에너지 소스의 시간당 들어오는 에너지가 이전에 비해 더 크면, 상기 현재 입력된 에너지 소스에 대한 타임 슬롯을 늘이는 반면 상기 다수 에너지 소스 중 시간당 들어오는 에너지가 상대적으로 작은 1개의 에너지 소스에 대한 타임 슬롯을 줄이는 것을 특징으로 하는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 타임 슬롯의 증감은 1개의 타임슬롯으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 타임 슬롯이 줄어드는 에너지소스가 최소값이면, 두 번째로 적은 최소값의 에너지 소스로 대체되는 것을 특징으로 하는 시분할 방식 다중 에너지 하베스팅 회로의 시간관리 방법.
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