KR20220028119A - 전력 저장 장치, 제어 장치, 및 전력 저장 시스템 - Google Patents
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Abstract
전력 저장 장치(1)는 전력을 저장하는 복수의 전력 저장 디바이스(C1, C2)를 포함하는 전력 저장 유닛(7), 복수의 전력 저장 디바이스의 접속을 직렬 접속 또는 병렬 접속으로 스위칭하도록 구성된 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 및 직렬 및 병렬 스위칭 유닛을 제어하도록 구성된 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)을 포함하고, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛은 히스테리시스를 이용하여 스위칭의 타이밍을 제어한다.
Description
본 발명은 전력 저장 장치, 제어 장치, 및 전력 저장 시스템에 관한 것이다.
사물 인터넷(Internet of Things)(IoT) 기술의 발전으로 인해, 에너지 하베스팅 기술(energy harvesting technology)이 적용된 무전지 에지 디바이스(batteryless edge device)를 제조하기 위한 노력이 행해지고 있다. 예를 들어, 에너지 하베스팅 기술은 압전 소자(piezoelectric element), 전력 생성 고무(power generation rubber), 마찰 전기 충전(triboelectric charging), 일렉트릿(electret)에 의한 정전기 유도 등에 의해 생성된 전기에 의해 동력을 공급받는 발광 다이오드(Light Emitting Diode)(LED) 등에 적용되고 있다.
그러나, 압전 소자, 마찰 전기 충전, 또는 정전기 유도에 의해 생성되는 전력의 전압은 높고, 따라서 이러한 전력의 전류는 낮다. 따라서, 이러한 전력은 직렬로 접속된 LED를 순간적으로 점등시키는 데는 적합하지만, IoT 에지 디바이스와 함께 사용되는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit)(CPU), 센서, 또는 무선 송신기에 동력을 공급하기 위한 전압 및 전류의 요구 사항을 충족시킬 수는 없다. 따라서, 고전압 및 저전류 전력이라도 이를 효율적으로 활용하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.
일반적으로, 생성된 전력이 매우 적은 경우, 그 생성된 전력은 캐패시터에 저장되고, 저장된 전력은 직류 전류 대 직류 전류(Direct Current to Direct Current)(DC-DC) 변환기를 통해 에지 디바이스를 구동하기 위한 전압으로 변환된다. 그러나, 압전 소자 및 정전기 유도 방식에 기반한 전력 생성 디바이스는 출력 임피던스가 높고, 따라서, 이러한 전력 생성 디바이스에 의해 생성된 전력이 저임피던스의 캐패시터에 직접 저장되는 경우, 해당 전력은 전력 저장 동작 동안 저전압 상태로 저장되어, 전력 저장 효율이 저하될 수 있다.
특허문헌 1 등은 높은 출력 임피던스로 저전류를 출력하는 전력 생성 디바이스에 의해 생성된 극소 전력(very small electric power)을 사용함으로써 전기 회로의 동작 전력을 생성하는 전력 공급 회로를 개시하고 있다.
그러나, 특허문헌 1의 전력 공급 회로와 관련하여, 향상 범위는 전력의 전력 저장 효율 또는 전력 공급 효율과 연관되어 있다.
본 개시 내용의 목적은 전력의 전력 저장 효율 및 전력 공급 효율을 향상시키는 것이다.
본 개시 내용의 일 양태에 따르면, 전력 저장 장치는:
전력을 저장하는 복수의 전력 저장 디바이스를 포함하는 전력 저장 유닛;
복수의 전력 저장 디바이스의 접속을 직렬 접속 또는 병렬 접속으로 스위칭하도록 구성되는 직렬 및 병렬 스위칭 유닛; 및
직렬 및 병렬 스위칭 유닛에 의해 수행되는 스위칭을 제어하도록 구성되는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛을 포함하고,
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛은 히스테리시스를 이용하여 스위칭의 타이밍을 제어한다.
본 개시 내용에 따르면, 전력의 전력 저장 효율 및 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 2는 비교예에 따른 전력 저장 시스템의 구성을 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 3은 전력 저장 시스템 내에 제공된 전력 생성 디바이스의 동작의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4a는 전력 생성 디바이스에 접속된 캐패시터가 전력 생성 디바이스에 의해 생성된 전력을 저장하는 경우 해당 캐패시터를 포함하는 등가 회로를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 4b는 캐패시터에 전력을 저장하는 조건에 따른 전력 저장 효율의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 5a는 전력 생성 디바이스가 부하 저항에 전력을 공급하는 경우 해당 전력 생성 디바이스에 접속된 부하 저항의 등가 회로를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 5b는 부하 저항에 전력을 저장하는 조건에 따른 전력 저장 효율의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 6은 직렬로 접속된 2개의 캐패시터의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 7은 병렬로 접속된 2개의 캐패시터의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 8은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛의 제1 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 9는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛의 제2 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 10은 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 11a는, 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치가 전력을 저장하는 경우, 해당 전력 저장 장치에서의 전류의 흐름의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 11b는, 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치가 전력을 공급하는 경우, 해당 전력 저장 장치에서의 전류의 흐름의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 12는 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 13은 통신 모듈과 함께 제어 회로를 포함하는 IC 내에 형성되는 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 14는 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 15a는 비교예에 따른 고정된 정전 용량을 갖는 캐패시터가 전력을 저장하거나 전력을 공급하는 경우 해당 캐패시터와 관련한 전류의 전환을 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 15b는 비교예에 따른 고정된 정전 용량을 갖는 캐패시터가 전력을 저장하고 전력을 공급하는 경우 해당 캐패시터의 충전 전류 및 전압의 전환을 도시하는 그래프이다.
도 16a는 제1 실시예에 따른 캐패시터가 전력 저장을 위한 직렬 접속에서 전력 공급을 위한 병렬 접속으로 스위칭되는 경우 해당 캐패시터와 관련한 전류의 전환을 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 16b는 제1 실시예에 따른 캐패시터가 전력을 저장하고 전력을 공급하는 경우 해당 캐패시터의 충전 전류 및 전압의 전환을 도시하는 그래프이다.
도 17은 4개의 캐패시터를 직렬로 접속한 회로의 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 18은 캐패시터를 다단으로 접속한 회로의 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 19는 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 20은 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 21a는, 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치가 전력을 저장하는 경우, 해당 전력 저장 장치에서의 전류의 흐름을 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 21b는, 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치가 전력을 공급하는 경우, 해당 전력 저장 장치에서의 전류의 흐름을 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 22는 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 23은 제2 실시예의 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 24는 제2 실시예의 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 25는 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 26은 제2 실시예의 제3 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 27a는 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 27b는 부하 구동 전력 저장 장치를 갖는 전력 저장 시스템의 구성예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 28은 제3 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 29는 제3 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 30은 도 29의 전력 저장 장치의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 31은 제3 실시예의 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 32는 제3 실시예의 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 33은 제3 실시예의 제3 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 34는 도 33의 전력 저장 장치의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 35는 안정화 회로가 제공된 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 36은 더 많은 캐패시터가 제공된 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 37은 제3 실시예의 제5 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 38은 제3 실시예의 제6 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 39는 제4 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 40은 제4 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 41은 2차 전지의 충전 시간에 따른 정전 용량, 전압 및 전류의 변화의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 42는 전력 생성 디바이스에 대한 단일 외부 자극에 응답하여 발생하는 전압 및 전류의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 43은 2차 전지의 전압 출력 특성의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 44는 제4 실시예의 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 45는 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 46은 제4 실시예의 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 47은 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치 및 부하 회로의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 48은 트리밍에 의해 저항 값을 조정할 수 있는 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 2는 비교예에 따른 전력 저장 시스템의 구성을 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 3은 전력 저장 시스템 내에 제공된 전력 생성 디바이스의 동작의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4a는 전력 생성 디바이스에 접속된 캐패시터가 전력 생성 디바이스에 의해 생성된 전력을 저장하는 경우 해당 캐패시터를 포함하는 등가 회로를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 4b는 캐패시터에 전력을 저장하는 조건에 따른 전력 저장 효율의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 5a는 전력 생성 디바이스가 부하 저항에 전력을 공급하는 경우 해당 전력 생성 디바이스에 접속된 부하 저항의 등가 회로를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 5b는 부하 저항에 전력을 저장하는 조건에 따른 전력 저장 효율의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 6은 직렬로 접속된 2개의 캐패시터의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 7은 병렬로 접속된 2개의 캐패시터의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 8은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛의 제1 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 9는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛의 제2 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 10은 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 11a는, 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치가 전력을 저장하는 경우, 해당 전력 저장 장치에서의 전류의 흐름의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 11b는, 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치가 전력을 공급하는 경우, 해당 전력 저장 장치에서의 전류의 흐름의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 12는 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 13은 통신 모듈과 함께 제어 회로를 포함하는 IC 내에 형성되는 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 14는 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 15a는 비교예에 따른 고정된 정전 용량을 갖는 캐패시터가 전력을 저장하거나 전력을 공급하는 경우 해당 캐패시터와 관련한 전류의 전환을 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 15b는 비교예에 따른 고정된 정전 용량을 갖는 캐패시터가 전력을 저장하고 전력을 공급하는 경우 해당 캐패시터의 충전 전류 및 전압의 전환을 도시하는 그래프이다.
도 16a는 제1 실시예에 따른 캐패시터가 전력 저장을 위한 직렬 접속에서 전력 공급을 위한 병렬 접속으로 스위칭되는 경우 해당 캐패시터와 관련한 전류의 전환을 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 16b는 제1 실시예에 따른 캐패시터가 전력을 저장하고 전력을 공급하는 경우 해당 캐패시터의 충전 전류 및 전압의 전환을 도시하는 그래프이다.
도 17은 4개의 캐패시터를 직렬로 접속한 회로의 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 18은 캐패시터를 다단으로 접속한 회로의 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 19는 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 20은 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 21a는, 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치가 전력을 저장하는 경우, 해당 전력 저장 장치에서의 전류의 흐름을 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 21b는, 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치가 전력을 공급하는 경우, 해당 전력 저장 장치에서의 전류의 흐름을 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 22는 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 23은 제2 실시예의 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 24는 제2 실시예의 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 25는 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 26은 제2 실시예의 제3 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 27a는 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 27b는 부하 구동 전력 저장 장치를 갖는 전력 저장 시스템의 구성예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 28은 제3 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 29는 제3 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 30은 도 29의 전력 저장 장치의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 31은 제3 실시예의 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 32는 제3 실시예의 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 33은 제3 실시예의 제3 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 34는 도 33의 전력 저장 장치의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 35는 안정화 회로가 제공된 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 36은 더 많은 캐패시터가 제공된 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 37은 제3 실시예의 제5 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 38은 제3 실시예의 제6 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 39는 제4 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 40은 제4 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 41은 2차 전지의 충전 시간에 따른 정전 용량, 전압 및 전류의 변화의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 42는 전력 생성 디바이스에 대한 단일 외부 자극에 응답하여 발생하는 전압 및 전류의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 43은 2차 전지의 전압 출력 특성의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 44는 제4 실시예의 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 45는 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 46은 제4 실시예의 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 47은 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치 및 부하 회로의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 48은 트리밍에 의해 저항 값을 조정할 수 있는 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 수행하기 위한 실시예를 기술한다. 도면에서, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 표시하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
이하의 실시예에서, "전력"은 "전기 에너지"와 동의어인 것으로 간주된다. 또한, "전력 사용", "전력 제공", "전력 공급", 및 "방전"은 서로 동의어인 것으로 간주된다.
이하의 실시예에서, "직렬 및 병렬 접속 스위칭"은 임의의 주어진 전기 회로를 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭하거나 전기 회로를 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭하는 것을 의미한다.
<제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100)의 구성예>
특허문헌 1에 기재된 전력 공급 회로는, 극소 전력을 출력하고 15MΩ의 높은 출력 임피던스를 갖고 최대 출력이 92.5Vp-p 및 3.1㎂인 일렉트릿 디바이스인 전력 생성 디바이스를 가정한다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 전력 공급 회로를 최대 출력이 400V 및 1㎂인 전력 생성 고무에 적용하면, 전력 생성 고무는 일렉트릿 디바이스보다 높은 전압을 출력하고, 그에 따라 전력 생성 고무의 내부 저항에 의해 소비되는 전력이 증가하여 효율을 감소시키게 된다.
이상의 사정을 감안하여, 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100)은 이러한 고전압 및 저전류 전력 생성을 위한 전력 생성 디바이스에 의해 전력이 제공되는 경우에도 에너지 저장 효율 및 사용 효율을 향상시킬 수 있도록 구성된다.
먼저, 도 1을 참조하여 전력 저장 시스템(100)을 설명한다. 도 1은 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템(즉, 에너지 저장 시스템)(100)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(100)은 전력 저장 장치(1), 전력 생성 디바이스(2), 부하 회로(3), 및 정류 회로(4)를 포함한다.
그 중, 전력 저장 장치(1)는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 및 전력 저장 유닛(7)을 포함한다. 전력 저장 유닛(7)은 복수의 전력 저장 디바이스의 일 예인 캐패시터(C1, C2)를 포함한다. 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제어 하에, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 캐패시터(C1, C2)의 접속을 직렬 접속 및 병렬 접속 중 임의의 하나로 스위칭할 수 있다.
전력 생성 디바이스(2)는, 전력 생성 고무, 압전 소자, 또는 정전기 유도에 의해 전력을 생성하고, 고전압 및 저전류 전력을 생성하는 디바이스이다. 전력 생성 디바이스(2)에 의한 전력 생성은 도 3을 참조하여 나중에 상세히 설명된다.
부하 회로(3)는, 예를 들어, 발광 다이오드(LED)를 포함하는 부하, 중앙 처리 장치(CPU)의 기능을 갖는 집적 회로(IC), 센서, 무선 전송 IC 등이다. 부하 회로(3)는, 예를 들어, IoT 디바이스이다.
전력 저장 시스템(100)에서, 정류 회로(4)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하고, 전력 저장 유닛(7)에서 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)는 정류된 전력을 저장한다. 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 의해 병렬 접속으로 스위칭된 캐패시터(C1, C2)는 저장된 전력을 부하 회로(3)에 공급한다.
구체적으로, 정류 회로(정류 유닛의 일 예)(4)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 교류의 전력을 정류한다. 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제어 하에, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속되게 하고, 캐패시터(C1, C2)는 정류 회로(4)로부터 수신된 전력(저장된 전력의 전압)을 저장한다.
그 후, 저장된 전력의 전압이 미리 결정되거나 주어진 전압값(즉, 제1 전압값)에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제어 하에 캐패시터(C1, C2)를 병렬 접속으로 스위칭하도록 동작한다. 병렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)는 부하 회로(3)에 전력을 공급한다.
그 후, 캐패시터(C1, C2)로부터 공급되는 전압이 미리 결정되거나 주어진 전압값(즉, 제2 전압값) 이하에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제어 하에 캐패시터(C1, C2)를 직렬 접속으로 스위칭하도록 동작한다. 캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되면, 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장하도록 재개된다.
<제1 비교예에 따른 전력 저장 시스템(100X)의 구성예>
이하, 비교예로서, 환경 전력 생성 디바이스에 의해 생성된 전력을 저장하고, 생성된 전력을 부하 회로에 공급하는 시스템이 설명된다. 도 2는 비교예에 따른 전력 저장 시스템(100X)의 구성을 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 2에서, 도 1에 도시된 전력 저장 시스템(100)의 각 기능에 해당하는 기능을 갖는 구성 요소에는 편의상 동일한 참조 부호를 표시하고 있다.
전력 저장 시스템(100X)은 일반적으로 이용 가능한 에너지 하베스트 시스템(energy harvest system)이다. 전력 저장 시스템(100X)에서, 환경 전력 생성 디바이스에 의해 생성된 전력은 정류 회로(4)를 통해 전력 저장 장치(1X)에 저장되고, 저장된 전력은 부하 회로(3)에 공급된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 전력 저장 장치(1X)는 전력 생성측 전력 저장 유닛인 제1 전력 저장 유닛(101X), 전력 변환 회로(102X), 및 전력 공급측 전력 저장 유닛인 제2 전력 저장 유닛(103X)을 포함한다.
제1 전력 저장 유닛(101X)에 저장된 전압은 DC-DC 변환기와 같은 전력 변환 회로(102X)에 의해 부하 회로(3)의 동작 전압으로 변환되어, 제2 전력 저장 유닛(103X)에 저장된다. 그 후, 제2 전력 저장 유닛(103X)에 저장된 전력이 부하 회로(3)에 공급된다.
상술한 전력 저장 장치(1X)는 다음과 같은 문제점을 가질 수 있다:
(A) 전력 변환 회로(102X)에 의해 소비되는 전류로 인한 손실;
(B) 변환 효율로 인한 손실; 및
(C) 인덕터와 같은 컴포넌트의 증가.
구체적으로, 전력 저장 시스템(100X)에서는, 제1 전력 저장 유닛(101X)에 저장된 전압과 제2 전력 저장 유닛(103X)에 저장된 전압 사이의 관계에 따라 전압을 승압(boost)하거나 강압(step-down)할 필요가 있다. 예를 들어, 제2 전력 저장 유닛(103X)에 저장된 전력의 전압이 제1 전력 저장 유닛(101X)에 저장된 전력의 전압보다 높은 경우, 전력은 저전압으로 저장되고, 이에 따라, 부하 회로(3)에 전력을 공급하기 전에 승압 변환(boost conversion)이 필요하다. 이러한 경우, 이하의 수학식 1에 기반하여 아래에 설명되는 이유로 인해, 전력 저장 장치(1X)의 제1 전력 저장 유닛(101X)의 정전 용량을 증가시킬 필요가 있다.
위의 수학식 1에서, W는 캐패시터에 저장된 에너지를 나타내며, C는 캐패시터의 정전 용량을 나타내며, V는 저장된 전력의 전압을 나타낸다.
저장된 에너지는 저장된 전력의 전압의 제곱에 비례한다. 따라서, 전력 저장 장치(1X)의 제1 전력 저장 유닛(101X)의 캐패시터에 저장된 전력의 전압이 낮을 경우, 캐패시터는 원하는 양의 에너지를 저장하기 위해 상대적으로 더 큰 정전 용량을 가질 필요가 있다. 또한, 제1 전력 저장 유닛(101X)에 저장된 전력의 전압과 제2 전력 저장 유닛(103X)에 저장된 전력의 전압 사이에 차이가 있기 때문에, 전력 변환 회로(102X)에서의 전압 변환 시에 전력이 낭비되고(즉, 전술한 문제점 (A) 및 (B)), 전력 변환 회로(102X)의 사이즈가 증가한다(즉, 전술한 문제점 (C)). 그 결과, 전력 저장 시스템(100X)의 전력 저장 효율은 낮아지게 된다.
제1 전력 저장 유닛(101X)에 저장된 전력의 전압이 제2 전력 저장 유닛(103X)에 저장된 전력의 전압보다 높은 경우, 예를 들어, 제1 전력 저장 유닛(101X)이 압전 소자, 전력 생성 고무, 또는 전력 생성 디바이스(2)의 정전기 유도에 의해 고전압 및 저전류 전력을 저장하는 경우, 강압 변환(step-down conversion)이 필요하다. 이러한 경우, 상술한 수학식 1에 따르면, 제1 전력 저장 유닛(101X)에 고전압으로 전력을 전력 저장할 수 있다. 따라서, 전력 저장 장치(1X)의 제1 전력 저장 유닛(101X)은 비교적 작은 정전 용량의 캐패시터를 이용하여 원하는 양의 에너지를 고전압으로 저장할 수 있다. 그러나, 제1 전력 저장 유닛(101X)에 저장된 전력의 전압과 제2 전력 저장 유닛(103X)에 저장된 전력의 전압 사이에 차이가 있기 때문에, 전력 변환 회로(102X)에서의 전압 변환 시에 전력이 낭비되고(즉, 전술한 문제점 (A) 및 (B)), 전력 변환 회로(102X)의 사이즈가 증가한다(즉, 전술한 문제점 (C)). 그 결과, 전력 저장 시스템(100X)의 전력 저장 효율은 낮아지게 된다.
따라서, 전력 저장 시스템(100X)에서는, 전력 변환 회로(102X)에 의해 소비되는 전류에 기인한 손실이 증가하고(즉, 전술한 문제점 (A)), 변환 효율에 기인한 손실이 증가한다(즉, 전술한 문제점 (B)). 게다가, 전력 저장 장치(1X)의 사이즈는 컴포넌트의 증가로 인해 증가될 수 있다(즉, 전술한 문제점 (C)).
이에 비해, 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100)은 전력을 저장하는 경우뿐만 아니라 전력을 공급하는 경우에도 다수의 캐패시터를 포함하는 동일한 전력 저장 유닛(7)을 사용하므로, 전압 변환 시 전력 손실을 완화할 수 있다.
<전력 생성 디바이스의 예>
이어서, 전력 저장 시스템(100)에 제공된 전력 생성 디바이스(2)의 동작을 설명한다. 도 3은 전력 생성 디바이스(2)의 동작의 일 예를 도시하는 도면이다.
전력 생성 디바이스(2)는 전력 생성 고무 등으로 구성되고, 전력 생성 디바이스(2)에 가해지는 분리력, 마찰력, 진동력, 또는 변형력에 응답하여 전하를 발생시켜 전력을 생성한다. 대안적으로, 전력 생성 디바이스(2)는 압력에 응답하여 전력을 생성할 수 있다.
전력 생성 디바이스(2)는 10 내지 1000V(예를 들어, 40V)의 전압 및 50nA 내지 100㎂(예를 들어, 6㎂)의 전류를 갖는 전력을 생성한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전력 생성 고무 또는 압전 소자로 구성된 전력 생성 디바이스(2)는 미리 결정된 또는 주어진 전하를 갖는 전류를 출력한다. 따라서, 전력 생성 디바이스(2)는 전류 소스(21) 및 내부 저항(22)에 의해 근사화될 수 있다. 내부 저항(22)의 저항 값은 1 내지100MΩ(메가옴)(예를 들어, 10MΩ)이다.
이하, 도 4a, 도 4b, 및 도 5를 참조하여 전력 생성 디바이스(2)에 접속되는 캐패시터 및 부하 저항을 설명한다.
도 4a는 전력 생성 디바이스(2)에 접속된 캐패시터가 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장하는 경우 해당 캐패시터를 포함하는 등가 회로를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 4b는 캐패시터에 전력을 저장하는 조건에 따른 전력 저장 효율의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 4b에서, 실선은 100%로 정의된 최대 저장 에너지에 대한 캐패시터의 정전 용량에 따른, 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성되어 캐패시터에 저장된 에너지의 비율(%)의 변화를 나타낸다.
캐패시터의 정전 용량이 도 4b에서 백색 화살표로 표시된 정전 용량으로 설정된 경우, 해당 캐패시터와 정전류 소스 및 내부 저항을 포함한 전력 생성 디바이스(2)(출력측) 사이에서 임피던스 매칭이 달성되고, 그에 따라 전력을 최대 효율로 저장할 수 있다.
도 5a는 전력 생성 디바이스(2)가 부하 저항에 전력을 공급하는 경우 해당 전력 생성 디바이스(2)에 접속된 부하 저항의 등가 회로(즉, 부하 회로(3))를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 5b는 부하 저항에 전력을 저장하는 조건에 따른 전력 저장 효율의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 5b에서, 실선은 100%로 정의된 최대 공급 전력에 대한 부하 저항의 저항 값에 따른, 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성되어 캐패시터에 저장된 전력의 비율(%)의 변화를 나타낸다.
부하 저항의 저항 값을 도 5b에서 백색 화살표로 표시된 저항 값으로 설정하는 경우, 부하 저항과 전력 생성 디바이스(2)의 내부 저항은 서로 동일하다. 구체적으로, 내부 저항이 부하 저항의 저항 값과 같을 경우, 부하 회로(3)(출력측)와의 임피던스 매칭이 달성되므로, 전력을 최대 효율로 저장할 수 있다.
<캐패시터의 접속의 예>
이어서, 도 6 및 도 7을 참조하여 전력 저장 유닛(7)에서의 캐패시터(C1, C2)의 접속의 예를 설명한다. 도 6은 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 7은 병렬 접속된 캐패시터(C1, C2)의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 3개의 스위치(Sw1, Sw2, Sw3)를 포함한다. 전력 저장 유닛(7)은 2개의 캐패시터(C1, C2)를 포함한다. 캐패시터는 전력 저장 디바이스의 일 예이다. 캐패시터의 예는 전기 이중층 캐패시터, 리튬 이온 캐패시터 등을 포함한다. 대안적으로, 전력 저장 유닛(7)은 리튬 이온 전지, 납축전지 등과 같은 다양한 전력 저장 디바이스로 구성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)의 스위치(Sw2)가 ON 상태(즉, 접속 상태)에 있고 스위치(Sw1, Sw3)가 OFF 상태(즉, 접속 해제 상태)에 있는 경우, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)의 스위치(Sw1, Sw3)가 ON 상태에 있고 스위치(Sw2)가 OFF 상태에 있는 경우, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 병렬 접속 상태에 있다.
<직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 구성예>
이어서, 도 8 및 도 9를 참조하여, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 구성을 설명한다. 도 8은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제1 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50), 2개의 저항(R1, R2), 및 2개의 스위치(Sw4, Sw5)를 포함한다.
직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50)은 직렬 또는 병렬 접속을 스위칭하기 위한 기준이 되는 입력 전압(Vin)을 모니터링하고 제어 신호 S1을 출력하기 위한 전압 모니터링 회로(전압 모니터링 유닛의 일 예)로서 기능한다. 구체적으로, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50)은 단자(11)에 대한 입력 전압(Vin)의 검출 결과에 따라 제어 신호 S1을 생성하고, 생성된 제어 신호 S1을 이용하여 스위치(Sw4) 및 스위치(Sw5)를 제어한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)에서, 저항(R1) 및 스위치(Sw4)는 고임피던스로 구동되는 인버터(51)를 구성하고, 저항(R2) 및 스위치(Sw5)는 고임피던스로 구동되는 인버터(52)를 구성한다. 예를 들어, 스위치(Sw4, Sw5)는 전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은 N-ch(N 채널) 트랜지스터일 수 있다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 제어하기 위한 제어 신호 
1을 생성하고, 제어 신호 
1을 단자(53)를 통해 출력한다. 또한, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 제어하기 위한 제어 신호 
2를 생성하고, 제어 신호 
2를 단자(54)를 통해 출력한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)에서, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50) 및 인버터(51)는 히스테리시스 생성 회로(H)로서 기능한다. 히스테리시스 생성 회로(H)는, 입력 전압(Vin)의 변화를 빠르게 검출하고, 신호가 로우 레벨에서 하이 레벨(대안적으로 하이 레벨에서 로우 레벨)로 스위칭된다면 그 신호가 다시 불안정하게 스위칭되는 것을 방지하기 위해, 스위칭 임계 값의 히스테리시스(차이)를 갖는다. 제1 실시예에서, 입력 전압(Vin)이 미리 결정되거나 주어진 제1 전압값으로 상승하는 경우, 히스테리시스 생성 회로(H)는 제어 신호 
1을 하이 레벨에서 로우 레벨로 스위칭한다. 입력 전압(Vin)이 제1 전압값에서 미리 결정되거나 주어진 제2 전압값으로 강하되는 경우, 히스테리시스 생성 회로(H)는 제어 신호 
1을 로우 레벨에서 하이 레벨로 스위칭한다. 구체적으로, 이러한 것은 도 14를 참조하여 이하에서 설명된다.
제1 실시예에서, 인버터(51)는 고임피던스의 저항(R1)을 갖고, 인버터(52)는 고임피던스의 저항(R2)을 가지므로, 압전 소자 또는 정전기 유도를 이용하여 고전압 및 저전류 전력을 생성하는 고임피던스 출력의 전력 생성 디바이스(2)라도 전력 저장 장치(1)의 회로를 구동할 수 있다. 예를 들어, 저항(R1, R2) 각각의 저항 값은 1MΩ 내지 500MΩ이다.
이어서, 도 9는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5A)의 제2 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 9에 도시된 바와 같은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5A)은 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50), 2개의 정전류 소스(IC1, IC2), 및 2개의 스위치(Sw4, Sw5)를 포함한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5A)에서, 정전류 소스(IC1) 및 스위치(Sw4)는 고임피던스로 구동되는 인버터(51A)를 구성하고, 정전류 소스(IC2) 및 스위치(Sw5)는 고임피던스로 구동되는 인버터(52A)를 구성한다. 예를 들어, 스위치(Sw4, Sw5)는 N-ch(N 채널) 트랜지스터 등일 수 있다.
스위치(Sw4, Sw5)는 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50)에 의해 생성된 제어 신호 S1에 의해 제어된다. 제어 신호 S1에 기반하여, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5A)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 제어하기 위한 제어 신호 
1을 생성하고, 생성된 제어 신호 
1을 단자(53)를 통해 출력한다. 또한, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5A)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 제어하기 위한 제어 신호 
2를 생성하고, 생성된 제어 신호 
2를 단자(54)를 통해 출력한다. 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5A)에서, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50) 및 인버터(51A)는 히스테리시스 생성 회로(H)로서 기능한다. 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5A)의 히스테리시스 생성 회로(H)는 도 8을 참조하여 설명된 히스테리시스 생성 회로(H)와 유사하며, 그에 대한 상세한 설명을 여기서는 생략한다.
제1 실시예에서, 인버터(51A)는 고임피던스의 정전류 소스(IC1)를 갖고, 인버터(52A)는 고임피던스의 정전류 소스(IC2)를 가지므로, 압전 소자 또는 정전기 유도를 이용하여 고전압 및 저전류 전력을 생성하는 고임피던스 출력의 전력 생성 디바이스(2)라도 전력 저장 장치(1)의 회로를 구동할 수 있다. 예를 들어, 정전류 소스(IC1, IC2) 각각에 의해 생성되는 전류의 전류값은 10㎁ 내지 100㎂이다.
<전력 저장 장치(1)의 회로 구성의 예>
이어서, 전력 저장 장치(1)(도 10 참조)의 회로 구성이 이후 설명된다. 도 10은 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치(1)의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(1)는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 전력 저장 유닛(7), 및 출력 스위칭 유닛(8)(출력 유닛의 일 예)을 포함한다. 전력 저장 장치(1)는 다수의 IC의 기능이 집적된 단일 전력 저장 IC로서 구성될 수 있다는 것에 주목해야 한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B), 2개의 공핍 트랜지스터(Tr1, Tr3), 및 2개의 N-ch 트랜지스터(Tr2, Tr4)를 포함한다.
제1 실시예에서, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)은 N-ch 트랜지스터(Tr5) 및 3개의 저항(R3, R4, R5)을 포함한다. 3개의 저항(R3, R4, R5)은 높은 저항 값(고임피던스)을 갖는 고임피던스의 저항기이다. N-ch 트랜지스터(Tr5)는 부하 회로(3)의 상태를 나타내는 신호를 수신할 수 있는 히스테리시스 생성 스위치이다.
직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)는 직렬 접속을 병렬 접속으로 스위칭하기 위한 입력 전압(Vin)을 모니터링하고, 제어 신호 S1을 출력한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)에 의해 생성된 제어 신호 S1에 의해 제어되는 2개의 인버터(51B, 52B)를 갖는다.
인버터(51B)는 공핍 트랜지스터(Tr1) 및 N-ch 트랜지스터(Tr2)를 포함한다. 인버터(51B)로부터의 제어 신호 
1은 단자(53)를 통해 검색된다.
직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B) 및 인버터(51B)는 히스테리시스 생성 회로(H)를 구성한다. 인버터(52B)는 공핍 트랜지스터(Tr3) 및 N-ch 트랜지스터(Tr4)를 포함한다. 인버터(52B)로부터의 제어 신호 
2는 단자(54)를 통해 검색된다. 대안적으로, 인버터(51B, 52B) 각각은 N-ch 트랜지스터 및 저항기를 포함하도록 구성될 수 있다.
공핍 트랜지스터(Tr1, Tr3)는 각각 도 9의 정전류 소스(IC1, IC2)로서 기능한다는 것에 주목해야 한다. N-ch 트랜지스터(Tr2, Tr4)는 각각 도 9의 스위치(Sw4, Sw5)로서 기능한다.
캐패시터(C1, C2)에 전력이 저장되어 있는 동안, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 하이 레벨의 제어 신호 
1과 로우 레벨의 제어 신호 
2를 출력하여 다수의 캐패시터(C1, C2)를 직렬로 접속한다. 그 후, 입력 전압(Vin)이 미리 결정되거나 주어진 제1 전압값에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 로우 레벨의 제어 신호 
1과 하이 레벨의 제어 신호 
2를 출력하여 캐패시터(C1, C2)를 병렬로 접속한다.
그 후, 부하 회로가 전력을 소비하고, 그에 따라 전압(Vin)이 미리 결정되거나 주어진 제2 전압값 미만으로 강하되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 하이 레벨의 제어 신호 
1과 로우 레벨의 제어 신호 
2를 출력하여 캐패시터(C1, C2)를 직렬로 접속한다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 P-ch(P 채널) 트랜지스터(Tr6), N-ch 트랜지스터(Tr7), 및 아날로그 스위치(Tr8, Tr9)를 포함한다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에서, P-ch 트랜지스터(Tr6)는 도 6 및 도 7의 스위치(Sw1)에 해당하고, N-ch 트랜지스터(Tr7)는 도 6 및 도 7의 스위치(Sw3)에 해당한다. 스위치(Sw2)는 2개의 트랜지스터(Tr8, Tr9)를 포함하는 아날로그 스위치로 구성된다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6) 및 출력 스위칭 유닛(8)이 아날로그 스위치인 트랜지스터로 구성되는 경우, 전압 손실(전위차)이 발생하지는 않는다. 이에 비해, 스위치를 다이오드로 구성하면, 전압 손실이 발생한다. 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6) 및 출력 스위칭 유닛(8)은 아날로그 스위치인 트랜지스터로 구성되기 때문에, 스위치는 어떠한 전위차 없이도 동작될 수 있다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에서, P-ch 트랜지스터(Tr6) 및 N-ch 트랜지스터(Tr7)는 다이오드로 대체될 수 있다. 구체적으로, P-ch 트랜지스터(Tr6)를 다이오드로 대체하기 위해, 다이오드의 캐소드를 Vin 라인에 접속하고 다이오드의 애노드를 아날로그 스위치의 단자에 접속한다. N-ch 트랜지스터(Tr7)를 다이오드로 대체하기 위해, 다이오드의 캐소드를 아날로그 스위치의 단자에 접속하고 다이오드의 애노드를 GND 라인에 접속한다.
또한, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에서, 다이오드는 P-ch 트랜지스터(Tr6) 및 N-ch 트랜지스터(Tr7)와 병렬로 접속될 수 있다. 구체적으로, P-ch 트랜지스터(Tr6)와 병렬로, 다이오드의 캐소드를 Vin 라인에 접속하고 다이오드의 애노드를 아날로그 스위치의 단자에 접속한다. N-ch 트랜지스터(Tr7)와 병렬로, 다이오드의 캐소드를 아날로그 스위치의 단자에 접속하고 다이오드의 애노드를 GND 라인에 접속한다.
위에 설명된 도 1에는 도시되지 않았지만, 전력 저장 장치(1)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속된 경우에만 부하 회로(3)에 전력을 공급하기 위한 출력 스위칭 유닛(8)을 가질 수 있다. 출력 스위칭 유닛(8)은 P-ch 트랜지스터(Tr10) 및 N-ch 트랜지스터(Tr11)를 포함하는 아날로그 스위치로 구성된다.
전력 저장 장치(1)에서, 캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속된 경우에만 부하 회로(3)에 전력을 공급하기 위한 출력 스위칭 유닛(8)은 P-ch 트랜지스터(Tr10)만으로 구성될 수 있다.
전력 저장 장치(1)에서는 저항이 높은 저항기와 정전류 트랜지스터가 높은 저항을 가지므로, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 높은 저항 값(고임피던스)을 갖는다. 따라서, 전력 저장 장치(1)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 고전압 및 저전류 전력(예를 들어, 400V, 6㎂)보다 낮은 전류(예를 들어, 60㎁)로 구동될 수 있다.
도 10의 구성에서, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 및 출력 스위칭 유닛(8)을 구성하는 디바이스들의 임피던스의 합은 전력 생성 디바이스(2)의 내부 임피던스와 동일하거나 이를 초과하는 임피던스로 설정될 수 있다. 따라서, 전력 저장 장치(1)의 직렬 및 병렬 스위칭 동작을 구동하는 데 소비되는 전력이 감소될 수 있고, 전력 저장 효율은 증가될 수 있다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6) 및 출력 스위칭 유닛(8)을 구성하는 디바이스는 금속 산화물 반도체(Metal Oxide Semiconductor)(MOS) 트랜지스터이므로, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)에 의해 제어되는 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6) 및 출력 스위칭 유닛(8)은 이들 스위칭 유닛이 턴온되거나 턴오프되는 경우 MOS 트랜지스터의 게이트를 구동하기 위한 전력만을 소비한다. 따라서, 전력 저장 효율은 증가될 수 있다.
또한, 전력을 저장하기 위한 전력 저장 장치(1)의 임피던스는 전력을 공급하기 위한 전력 저장 장치(1)의 임피던스보다 높다. 따라서, 전력 저장 장치(1)는 고전압 및 저전류 전력을 저장할 수 있고, 따라서 전력 저장 효율은 증가될 수 있다. 예를 들어, 전력 저장 장치(1)에 의해 공급되는 전력의 전압은 3V이므로, 전력 저장 장치(1)는 수 밀리암페어의 전류를 소비하는 CPU와 같은 전기 디바이스를 구동할 수 있다.
도 10에서, 공핍 트랜지스터와 N-ch 트랜지스터로 구성된 인버터(51B, 52B)는 2단 구성을 갖지만, 더 높은 이득이 요구되는 경우 유사한 방식으로 인버터의 단수(number of stages of inverters)를 증가시킬 수 있다. 그 경우, 인버터(51B)로부터 출력되는 제어 신호 
1의 변경 타이밍과 인버터(52B)로부터 출력되는 제어 신호 
2의 변경 타이밍은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)의 스위칭 타이밍에 맞추어 조정되는 것이 바람직하다.
이하, 도 11을 참조하여 도 10의 전력 저장 장치(1)에서의 전류의 흐름을 설명한다. 도 11a는, 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치(1)가 전력을 저장하는 경우(즉, 캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되는 경우), 해당 전력 저장 장치(1)에서의 전류의 흐름의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 11b는, 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치(1)가 전력을 공급하는 경우(즉, 캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속되는 경우), 해당 전력 저장 장치(1)에서의 전류의 흐름의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
스위치(Sw1)를 구성하는 P-ch 트랜지스터(Tr6)의 게이트는 제어 신호 
1을 수신하고, 따라서 P-ch 트랜지스터(Tr6)는 제어 신호 
1이 로우 레벨에 도달하는 경우, 즉, 전력 저장 장치(1)가 전력을 공급하는 경우 턴온하게 된다.
스위치(Sw3)를 구성하는 N-ch 트랜지스터(Tr7)의 게이트는 제어 신호 
2를 수신하고, 따라서 N-ch 트랜지스터(Tr7)는 제어 신호 
2가 하이 레벨에 도달하는 경우, 즉, 전력 저장 장치(1)가 전력을 공급하는 경우 턴온하게 된다.
스위치(Sw2)를 구성하는 P-ch 트랜지스터(Tr8)의 게이트는 제어 신호 
2를 수신하고, 스위치(Sw2)를 구성하는 N-ch 트랜지스터(Tr9)의 게이트는 제어 신호 
2를 수신한다. 따라서, 스위치(Sw2)는, 제어 신호 
2가 로우 레벨에 도달되고 제어 신호 
1이 하이 레벨에 도달되는 경우, 즉, 전력 저장 장치(1)가 전력을 저장하는 경우, 턴온된다.
출력 스위칭 유닛(8)의 스위치(Sw4)에서, P-ch 트랜지스터(Tr10)의 게이트는 제어 신호 
1을 수신하고, N-ch 트랜지스터(Tr11)의 게이트는 제어 신호 
2를 수신한다. 따라서, 스위치(Sw4)는, 제어 신호 
1이 로우 레벨에 도달되고 제어 신호 
2가 하이 레벨에 도달되는 경우, 즉, 전력 저장 장치(1)가 전력을 부하 회로(3)에 공급하는 경우, 턴온된다.
전류는 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 포함된 스위치(Sw1, Sw2, Sw3)를 통해 그리고 출력 스위칭 유닛(8)의 스위치(Sw4)를 통해 흐르게 되어, 직렬 접속과 병렬 접속 간에 접속이 스위칭되는 경우에만 이들 스위치의 상태를 변경하게 된다. 따라서, 전력 저장과 전력 공급 사이를 전환하는 데 소비되는 전류가 감소될 수 있다.
<전력 저장 시스템(100)의 회로 구성의 예>
이어서, 도 12를 참조하여 전력 저장 시스템(100)의 회로 구성을 설명한다. 도 12는 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100)의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
정류 회로(4)는 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)를 포함하는 다이오드 브리지로 구성된다. 정류 회로(4)는 전파 정류를 수행하여 전력 생성 디바이스(2)로부터 출력되는 교류 전력을 정류한다.
전력 저장 장치(1)에서 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)에 정류된 전력이 저장되고 캐패시터(C1, C2)가 제1 전압값에 도달하는 경우, 캐패시터(C1, C2)는 도 11b에 도시된 바와 같이 병렬 접속으로 스위칭되고, 그리고 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은 부하 회로(3)에 공급된다.
<전력 저장 시스템을 IC 내에 형성하는 예>
이어서, 도 13을 참조하여 전력 저장 시스템(100)을 IC 내에 형성하는 일 예를 설명한다. 도 13은 통신 모듈(31)과 함께 제어 회로를 포함하는 IC 내에 형성되는 전력 저장 시스템(100C)의 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(100C)의 부하 회로(3)는 통신 모듈(31) 및 센서(32)를 포함한다. 또한, 전력 저장 장치(1C)는, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 및 출력 스위칭 유닛(8)이 통합된 직렬 및 병렬 스위칭 IC(9)를 포함한다.
직렬 및 병렬 스위칭 IC(9)는 마이크로컴퓨터와 함께 구현된 통신 모듈(31)과 협력하여 직렬 및 병렬 스위칭의 타이밍을 제어하는 기능을 갖는다. 전력 저장 시스템(100C)은 직렬 및 병렬 스위칭 IC(9)의 출력 전압(Vout)을 통신 모듈(31) 및 센서(32)에 공급한다.
캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 IC(9)는 병렬 상태를 표시하는 신호 SST를 통신 모듈(31)에 제공된 마이크로컴퓨터에 출력하여, 전력 저장 시스템(100C)이 전력을 공급할 준비가 되었음을 통신 모듈(31)에 통지한다.
통신 모듈(31)의 시스템 동작이 완료된 후 미리 결정되거나 주어진 타이밍 시에, 통신 모듈(31)은 직렬 및 병렬 스위칭 IC(9)에, 더 이상 마이크로컴퓨터에 전력을 공급할 필요가 없음을 통지하는 신호 SEND를 출력하여, 직렬 및 병렬 스위칭 IC(9)에게 전력 저장으로 전환하도록 지시한다. 지시를 받은 전력 저장 장치(1C)는 캐패시터(C1, C2)를 직렬 접속 상태로 전환하여 충전을 개시한다. 이러한 경우, 신호 SEND는 도 11의 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 N-ch 트랜지스터(Tr5)의 게이트를 제어하여 전압을 제어함으로써 캐패시터(C1, C2)의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 변경하기 위한 신호이다.
전력 저장 시스템(100C)의 구성에 의해, 전력 저장 장치(1C)는 부하측 CPU와 협력함으로써 전력 저장 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 전력 저장 시스템(100C)은 IoT 에지 단말기로서, 라디오와 같은 통신 수단을 통해, 통신 모듈(31)에 제공된 마이크로컴퓨터가 센서(32)로부터의 신호에 대한 신호 처리를 수행함으로써 생성한 결과를 사용할 수 있다.
<전력 저장 장치(1)의 동작>
이어서, 도 14를 참조하여 전력 저장 장치(1)의 동작을 설명한다. 도 14는 전력 저장 장치(1)의 직렬 및 병렬 스위칭 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력은 정류 회로(4)에 의해 정류되어 전력 저장 장치(1)에 입력된다.
시간 T0에서, 캐패시터(C1, C2)는 전력을 저장하지 않는 상태에 있다.
시간 T1에서, 정류된 전력은 전력 저장 장치(1) 내로 입력되기 시작한다. 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 고임피던스 구성을 갖고 있기 때문에, 전력 생성 디바이스(2)로부터 고임피던스로 출력되는 전력이 활성화되어, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)으로 하여금 제어 신호 
1 및 
2를 생성하게 한다.
전력이 저장되기 시작하는 경우, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 도달하고 제어 신호 
2는 로우 레벨에 도달하게 된다. 따라서, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은, 스위치(Sw1, Sw3)를 턴오프하고 스위치(Sw2)를 턴온하도록 활성화된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속된다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되어 있는 동안 입력 전압(Vin), 즉, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력이 10V(즉, 제1 전압값)에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)은 시간 T2에서 제어 신호 
1을 로우 레벨로 그리고 제어 신호 
2를 하이 레벨로 스위칭하도록 동작한다. 이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴오프하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴온하도록 활성화된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된다. 캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되는 경우, 전압은 (Vin = VC1+VC2)에서 (Vin = VC1 = VC2)로 변경된다. 따라서, 저장된 전력의 전압(즉, 입력 전압(Vin))은 절반만큼 (10V에서 5V로) 감소한다. 이러한 경우, VC1는 캐패시터(C1)에 저장된 전력의 전압이고, VC2는 캐패시터(C2)에 저장된 전력의 전압이다.
시간 T3에서, 부하 회로(3)가 활성화되는 경우, 부하 회로(3)에 전력(즉, 출력 전압(Vout))이 공급되고, 따라서 입력 전압(Vin)이 감소한다.
이러한 경우, 시간 T2에서 T4까지 전력 생성 디바이스(2)로부터 전력을 수신하지 않는 것으로 간주된다.
입력 전압(Vin)이 2V(제2 전압값)로 감소하는 경우, 시간 T4에서, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 도달하고 제어 신호 
2는 로우 레벨에 도달하게 된다. 따라서, 스위치(Sw1, Sw3)는 턴오프되고, 스위치(Sw2)는 턴온된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속되고, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력은 전력 저장 유닛(7)에 저장된다.
그 후, 입력 전압(Vin)이 10V로 증가하는 경우, 캐패시터(C1, C2)는 병렬 접속으로 스위칭된다.
위의 동작은 지속적으로 수행된다.
이러한 경우, 도 14는 입력 전압(Vin)이 10V에 도달하는 타이밍을 T2라고 간주하고, 입력 전압(Vin)이 2V에 도달하는 타이밍을 T4라고 간주하는 일 예를 도시한 것이다. T2 및 T4 시간에 각각 해당하는 제1 전압값 및 제2 전압값은 이에 제한되지는 않는다. 제1 전압값 및 제2 전압값은 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)의 저항(R3, R4, R5)의 저항 값을 변경함으로써 임의의 주어진 개별 전압으로 설정될 수 있다.
전력 저장 장치(1)는 병렬 상태에서 전력 생성 디바이스(2)로부터 전력을 계속 수신할 수 있다. 이러한 경우, 시간 T3에서 T4까지의 입력 전압(Vin)은 완만하게 감소할 수 있고, 일부의 경우에 따라 증가할 수 있다.
이어서, 도 14의 우측을 참조하여 전력 저장 시스템(100C)(도 13 참조)의 동작의 일 예를 설명한다. 전력 저장 시스템(100C)이 또한 유사한 방식으로 시간 T0에서 T5까지의 동작을 수행한다.
시간 T6에서, 직렬 및 병렬 스위칭 IC(9)는 병렬 상태를 표시하는 신호 SST를 통신 모듈(31)에 제공된 마이크로컴퓨터에 출력하여, 전력 저장 시스템(100C)이 전력을 공급할 준비가 되었음을 통신 모듈(31)에 통지한다. 도 14에서, 시간 T3에서 T4까지의 기간 및 시간 T6에서 T7까지의 기간은, 전력 저장 장치(1)가 통신 모듈(31)과 동기화되어 통신 모듈(31)에 전력을 공급하는 부하 회로 동작 기간(즉, 전력 공급 기간 및 시스템 동작 기간)에 해당한다.
시간 T7에서, 통신 모듈(31)의 시스템 동작이 완료된다. 그 후, 시간 T8에서 통신 모듈(31)이 신호 SEND를 직렬 및 병렬 스위칭 IC(9)에 출력하기 시작하는 경우, 캐패시터(C1, C2)는 충전을 시작하기 위해 직렬 접속으로 스위칭된다.
전력 저장 장치(1)가 통신 모듈(31)과 동기화되어 동작하는 경우, 전력 저장 장치(1)는 전력 공급 기간 동안, 2V로의 전압 강하 또는 신호 SEND의 출력 중 어느 것이든 더 빠른 것에 응답하여 전력의 공급을 중지한다. 도 14의 예에서, 신호 SEND는 전압이 2V로 강하되기 전에 출력된다. 따라서, 그 시점, 즉, 신호 SEND가 출력되는 시점에서, 전력 저장 장치(1)는 전력의 공급을 중지하고, 전력 저장 동작으로 전환하기 위해 캐패시터(C1, C2)의 접속을 직렬 접속으로 스위칭한다.
<저장된 전력의 예>
이하에서는 캐패시터에 저장된 전력을 설명한다.
캐패시터에 저장될 수 있는 에너지 량 W(J)는 위의 수학식 1로 표현된다.
n개의 캐패시터를 직렬로 접속하는 경우, 정전 용량 Csn은 다음의 수학식 2로 표현된다.
n개의 캐패시터가 병렬로 접속된 경우, 정전 용량 Cpn은 다음의 수학식 3으로 표현된다.
직렬로 접속된 n개의 캐패시터에 의해 저장될 수 있는 에너지 량 Ws는 다음의 수학식 4로 표현된다.
병렬로 접속된 n개의 캐패시터에 의해 저장될 수 있는 에너지 량 Wp는 다음의 수학식 5로 표현된다.
예를 들어, 구체적으로, n = 2, C = 1(㎌(microfarad)), 그리고 V = 5(V(volt))인 경우, 직렬로 접속된 2개의 캐패시터에 저장될 수 있는 에너지 량 Ws는 다음의 수학식 6에 의해 계산될 수 있다.
병렬 접속된 2개의 캐패시터에 저장될 수 있는 에너지 량 Wp는 다음의 수학식 7에 의해 계산될 수 있다.
이와 같이, 에너지 량 Ws는 에너지 량 Wp와 동일하다. 이는, 전력을 저장하기 위해 동일한 정전 용량의 n개의 캐패시터를 직렬로 접속하거나 병렬로 접속하는 지에 무관하게, 동일한 에너지 량이 캐패시터에 저장될 수 있다는 것을 의미한다. 직렬로 접속된 n개의 캐패시터에 전력을 저장하기 위해서는, 전력은 n×V (V)의 고전압에서 저장되어야 한다.
IoT와 같은 시스템에서, 저장된 전력은, CPU를 구동하고, 센서 등을 접속하는 전기 디바이스에 전력을 공급할 것으로 기대된다. 이러한 디바이스는, 예를 들어, 약 3 내지 10V의 전압과 약 수 마이크로암페어 내지 수 밀리암페어의 전류에서, 1 내지 3개의 리튬 이온 전지로 구동될 것이다.
이러한 경우, 동일한 정전 용량 C의 n개의 캐패시터가 직렬로 접속되어 있는 고임피던스 상태로 전력을 저장하고, 이들 캐패시터를 직렬 접속에서 병렬 접속으로 전환하여, IoT 시스템 등을 캐패시터에 전력이 저장되어 있는 동안 저전압으로 저임피던스 상태에서 구동할 수 있다.
회로에 제공되는 저항의 저항 값을 R이라 표시하면, 임피던스 Z는 다음의 수학식 8로 정의된다.
n개의 캐패시터가 직렬로 접속되는 경우, 회로의 임피던스 Zsn은 다음의 수학식 9로 표현되며, 여기서 정전 용량 Csn은 수학식 2에 따라 대체된다.
n개의 캐패시터가 병렬로 접속된 경우, 회로의 임피던스 Zpn은 수학식 10으로 표현될 수 있고, 여기서 정전 용량 Cpn은 수학식 3에 따라 대체된다.
이러한 경우, 회로에 제공되는 저항의 저항 값 R이 감소되는 경우, 직렬 접속의 임피던스 Zns (수학식 9)는 높아지고, 병렬 접속의 임피던스 Zns (수학식 10)는 낮아진다.
이러한 방식으로, 캐패시터의 직렬 접속 및 병렬 접속이 스위칭된다. 따라서, 전력은 수학식 4 및 수학식 9에 따라 고임피던스로 고전압 n×V (V)에서 저장될 수 있다. 또한, 전력은 수학식 5 및 수학식 10에 따라 부하 회로에 저전압 V (V)으로 효율적으로 공급될 수 있다.
압전 소자나 전력 생성 고무를 이용한 전력 생성 시, 수십 볼트 내지 수백 볼트의 고전압이 생성된다. 또한, 이러한 전력 생성의 경우, 생성된 전력은 ㎁ 및 ㎂ 단위의 저전류를 가지며, 이러한 전력 생성은 높은 출력 임피던스의 정전류 소스로 간주될 수 있다. 따라서, 압전 소자와 정전기 유도를 이용하여 고전압으로 캐패시터에 저장된 전력을, 수 마이크로암페어 내지 수 밀리암페어의 전류와 함께 약 3 내지 10볼트의 전압으로 동작하는 부하 전류를 위한 전력 공급 장치의 전력으로 고효율적으로 변환하기 위한 회로를 제공하는 것이 요망된다.
이러한 경우, 비교예로서, 도 15a 및 도 15b는 고정된 정전 용량을 갖는 캐패시터에 대해 전력이 저장되고 그리고 전력이 공급되는 경우 전류의 전환을 도시한 것이다. 도 16a 및 도 16b는 제1 실시예와 마찬가지로 직렬 접속과 병렬 접속 사이에서 정전 용량이 스위칭되는 캐패시터에 대해 전력이 저장되고 그리고 전력이 공급되는 경우 전류의 전환을 도시한 것이다.
구체적으로, 도 15a는 비교예에 따른 고정된 정전 용량을 갖는 캐패시터가 전력을 저장하거나 전력을 공급하는 경우 해당 캐패시터와 관련한 전류의 전환을 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 15b는 비교예에 따른 고정된 정전 용량을 갖는 캐패시터가 전력을 저장하고 전력을 공급하는 경우 해당 캐패시터의 충전 전류 및 전압의 전환을 도시하는 그래프이다.
도 15a 및 도 15b는 충전 및 전력 공급 모두에 대해 0.25㎌의 정전 용량으로 동작하기 위해 0.25㎌의 정전 용량을 갖는 단일 캐패시터를 사용하는 동작의 일 예를 도시한 것이다.
일반적으로, CPU, 센서, 또는 무선 송신기에 동력을 공급하기 위한 전압은 약 2 내지 5V이다. 도 15b에 도시된 바와 같이, 비교예에서는 캐패시터에 저장된 정전 용량이 작기 때문에 전력 공급 시 전압값이 급격히 떨어지며, 전압값은 20밀리초 동안 2 내지 4.5볼트의 범위에 있다. 따라서, 전력은 20밀리초 동안에만 사용될 수 있다.
이에 비해, 도 16a는 제1 실시예에 따른 캐패시터가 전력 저장을 위한 직렬 접속에서 전력 공급을 위한 병렬 접속으로 스위칭되는 경우 해당 캐패시터와 관련한 전류의 전환을 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 16b는 제1 실시예에 따른 캐패시터가 전력을 저장하고 전력을 공급하는 경우 해당 캐패시터의 충전 전류 및 전압의 전환을 도시하는 그래프이다.
도 16a 및 도 16b는, 충전을 위한 직렬 접속에서 0.25㎌의 정전 용량으로 동작하고, 전력 공급을 위한 병렬 접속에서 1.0㎌의 정전 용량으로 동작하기 위해, 0.5㎌의 정전 용량을 각각 갖는 2개의 캐패시터를 사용하는 동작의 일 예를 도시한 것이다.
도 16b에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에서, 캐패시터는 전력 공급을 위해 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되고, 그에 따라 전압값은 이러한 스위칭에 의해 절반만큼 감소되지만, 이후에 전압값은 정전 용량이 큰 캐패시터로부터의 전력 공급으로 인해 완만하게 감소된다. 따라서, 전압값은 84밀리초 동안 2 내지 4.5V 범위에 있다. 도 15b와 비교하여, 충전 동안 캐패시터의 정전 용량은 동일하지만, 직렬 접속에서 병렬 접속으로의 스위칭으로 인해, 전력 공급 동안 전력을 사용할 수 있는 시간 길이는 4배 이상으로 증가한다.
도 16a 및 도 16b에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템에서, 캐패시터가 직렬 접속 및 병렬 접속으로 스위칭되어, 전력 저장 시스템은 전력을 저장하는 동안 고임피던스로의 임피던스 매칭을 행함으로써 고전압에서 전력을 저장할 수 있다. 이에 비해, 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템은, 전력 공급 동안, 저임피던스로의 임피던스 매칭을 행함으로써 IoT 시스템 등에 필요한 전압의 전력을 공급할 수 있다.
<전력 저장 장치에 다수의 캐패시터가 제공되는 예>
전력 저장 장치(1)에 2개의 캐패시터를 포함하는 구성에 대해 설명했지만, 다수의 캐패시터의 수는 2개로 제한되지는 않는다. 도 17은 4개의 캐패시터를 직렬로 접속한 회로의 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 17은 4개의 캐패시터와 4개의 캐패시터의 접속을 스위칭하기 위한 4-직렬 및 병렬 스위칭 IC(90)를 포함하는 전력 저장 유닛(70)의 내부 블록을 도시한 것이다.
직렬 및 병렬 선택기 스위칭 유닛(60)은 도 10의 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 해당하며, 스위치 그룹(61, 62, 63)을 포함한다. 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 병렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(61, 63)은 턴온되고, 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 직렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(61, 63)은 턴오프된다. 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 직렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(62)은 턴온되고, 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 병렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(62)은 턴오프된다. 스위치(80)는 도 10의 출력 스위칭 유닛(8)에 해당한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B')은 도 10에 도시된 2개의 캐패시터를 스위칭하기 위한 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)에 해당하지만, 도 18에 도시된 바와 같이 다수의 캐패시터가 다단에서 직렬로 캐스코드 접속된 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B')은 마스터측과 슬레이브측을 스위칭하기 위한 마스터 및 슬레이브 스위칭 회로(55)를 포함한다.
이어서, 도 18은 캐패시터를 다단으로 접속한 회로의 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 18에서, 다단 캐패시터 접속 회로(90E)는 4-직렬 및 병렬 스위칭 마스터 IC(91)와 4-직렬 및 병렬 스위칭 슬레이브 IC(92, 93, 94, 95)를 포함한다.
도 17의 마스터 및 슬레이브 스위칭 회로(55)가 마스터 IC(91) 내에 존재하는 경우, 4개의 IC(92, 93, 94, 95)는 슬레이브 IC로서 캐스코드 접속되도록 구성되고, 4개의 IC(92, 93, 94, 95) 각각의 출력 전압(Vout) 출력은 4-직렬 및 병렬 스위칭 마스터 IC(91)에 접속되어 다단 접속을 달성하도록 구성된다.
이와 같이 다단 접속이 형성되는 경우, 마스터/슬레이브 방식에 따라 4개의 IC(92, 93, 94, 95)를 제어하여 다단 접속을 제어한다. 따라서, 더 많은 개수의 단(stage)에서 캐패시터가 접속될 수 있고, 훨씬 더 높은 효율이 달성될 수 있다.
전술한 방식에서, 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치는 고전압 및 저전류 전력이 생성되는 경우에도 스위칭 전압을 검출할 수 있고, 전력 저장 장치는 고전압 및 저전류 전력으로 동작하여, 직렬 접속 및 병렬 접속을 고효율적으로 스위칭할 수 있다.
전술한 제1 실시예에서, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 제어 신호 
1에 대한 히스테리시스를 제공하는 히스테리시스 생성 회로(H)를 포함하지만, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)이 히스테리시스를 제공할 수 있는 한, 히스테리시스 생성 회로는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5) 이외의 유닛에 제공될 수 있다.
<제2 실시예>
이어서, 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)을 설명한다.
전술한 제1 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100)에서, 전력을 공급하기 위해 병렬 접속으로 스위칭되는 캐패시터(C1, C2)는 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지는 병렬 접속을 유지한다. 따라서, 전력 저장 시스템(100)이 부하 회로에 전력을 공급하는 것을 완료한 후 전력이 저장되는 경우, 전력 저장 시스템(100)은 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지는 캐패시터(C1, C2)를 직렬 접속으로 스위칭할 수 없으므로, 높은 전력 저장 효율을 달성할 수가 없다.
예를 들어, 전력 저장 장치(1)(도 1 참조)에서, 캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속되어 부하 회로(3)에 전력을 공급하는 동안 부하 회로(3)가 동작을 중지하고 그에 따라 출력 전류가 0A(암페어)가 되는 경우, 캐패시터(C1, C2)는, 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지는, 병렬 접속을 유지한다. 전력 저장 장치(1)가 전력 생성 디바이스(2)로부터 전력을 수신하는 경우, 캐패시터(C1, C2)는 병렬 접속 상태에서 전력을 저장하므로, 높은 전력 저장 효율을 달성할 수가 없다.
이에 비해, 제2 실시예에서는, 다수의 전력 저장 디바이스를 갖는 전력 저장 유닛의 출력 전류에 기반하여, 다수의 전력 저장 디바이스의 접속이 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭된다. 예를 들어, 다수의 전력 저장 디바이스가 병렬로 접속되어 있는 동안 출력 전류가 제1 전류값 이하에 도달하는 경우, 다수의 전력 저장 디바이스의 접속은 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭된다. 따라서, 직렬로 접속된 다수의 전력 저장 디바이스는 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지 기다리지 않고 전력을 저장할 수 있어 전력 저장 효율을 향상시킬 수 있다.
<전력 저장 시스템(100a)의 구성예>
이하, 도 19를 참조하여 전력 저장 시스템(100a)의 구성을 설명한다. 도 19는 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(100a)은 전력 저장 장치(1a)를 포함한다. 전력 저장 장치(1a)는, 출력 전류 검출 유닛(13) 및 직렬 복원 제어 유닛(14)을 포함한 출력 전류 직렬 복원 제어 장치를 포함한다.
전술한 전력 저장 시스템(100)과 마찬가지로, 전력 저장 시스템(100a)에서는, 정류 회로(4)가 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하고, 전력 저장 유닛(7)에서 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)는 정류된 전력을 저장한다. 그 후, 저장된 전력의 전압이 제1 전압값에 도달되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제어 하에 캐패시터(C1, C2)를 병렬 접속으로 스위칭하도록 동작한다. 병렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)는 부하 회로(3)에 전력을 공급한다.
또한, 출력 전류 검출 유닛(13)은 전력 저장 장치(1a)로부터 부하 회로(3)로 출력되는 전류를 검출하고, 검출 결과를 직렬 복원 제어 유닛(14)에 출력한다. 출력 전류 검출 유닛(13)에 의해 검출되는 출력 전류가 미리 결정되거나 주어진 전류값(즉, 제1 전류값) 이하에 도달되는 경우, 직렬 복원 제어 유닛(14)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)으로 하여금 캐패시터(C1, C2)의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭하게 한다. 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제어 하에 캐패시터(C1, C2)의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭하도록 동작한다. 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
<전력 저장 장치(1a)의 구성예>
이어서, 도 20을 참조하여 전력 저장 장치(1a)의 회로 구성의 일 예를 설명한다. 도 20은 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치(1a)의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 20에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(1a)는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 전력 저장 유닛(7), 출력 스위칭 유닛(8), 출력 전류 검출 유닛(13), 및 직렬 복원 제어 유닛(14)을 포함한다. 전력 저장 장치(1a)는, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 전력 저장 유닛(7), 출력 스위칭 유닛(8), 출력 전류 검출 유닛(13), 및 직렬 복원 제어 유닛(14)을 통합하는 단일 전력 저장 IC로서 구성될 수 있음에 주목해야 한다.
출력 전류 검출 유닛(13)은: 출력 전류(Iout)가 출력되는 동안 턴온되는 스위치(Sw5)인 P-ch 트랜지스터(Tr12); 출력 전류(Iout)를 검출하는 P-ch 트랜지스터(Tr13); 전류 비교기를 구성하는 P-ch 트랜지스터(Tr14); 및 공핍 트랜지스터(Tr15)를 포함한다. 이러한 경우, P-ch 트랜지스터(Tr13)는 "모니터 트랜지스터"의 일 예이다. 또한, 출력 전류 검출 유닛(13)은 공핍 트랜지스터(Tr15) 대신에 저항기를 가질 수 있다.
이러한 경우, 공핍 트랜지스터(Tr15)에 흐르는 전류는 정전류 Itr15이고, P-ch 트랜지스터(Tr14)와 공핍 트랜지스터(Tr15)는 전류 비교기로서 동작하고, 따라서, P-ch 트랜지스터(Tr14)의 전류 Itr14가 정전류 Itr15보다 큰 경우, 출력 신호 
3은 하이 레벨에 도달하게 된다. 이에 비해, 전류 Itr14가 정전류 Itr15보다 작은 경우, 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달하게 된다. P-ch 트랜지스터(Tr14)와 공핍 트랜지스터(Tr15) 사이의 트랜지스터 사이즈 비율에 따라 제1 전류값이 설정될 수 있다.
또한, 전력 저장 장치(1a)의 출력 전류는 스위치(Sw4)인 P-ch 트랜지스터(Tr10)의 사이즈에 의존하고, 따라서, 제1 전류값은 P-ch 트랜지스터(Tr10) 및 P-ch 트랜지스터(Tr13)의 사이즈 비율을 조정함으로써 설정될 수 있다. 그러나, P-ch 트랜지스터(Tr13) 및 P-ch 트랜지스터(Tr14)는 전류 미러 회로로 구성되기 때문에, P-ch 트랜지스터(Tr13) 및 P-ch 트랜지스터(Tr14)의 사이즈 비율은 조정될 수 있다.
직렬 복원 제어 유닛(14)은: 출력 전류(Iout)가 출력되는 동안 턴온되는 스위치(Sw6)인 N-ch 트랜지스터(Tr17); 직렬 복원 신호 
4를 생성하는 인버터를 구성하는 공핍 트랜지스터(Tr16); N-ch 트랜지스터(Tr18); 캐패시터(C3); 및 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)을 제어하는 N-ch 트랜지스터(Tr19)를 포함한다. 직렬 복원 제어 유닛(14)은 공핍 트랜지스터(Tr16) 대신에 저항기를 가질 수 있다.
이러한 경우, 출력 전류(Iout)가 제1 전류값보다 큰 경우, 출력 신호 
3은 하이 레벨에 있고, 직렬 복원 신호 
4는 로우 레벨에 있지만, 출력 전류(Iout)가 제1 전류값보다 작아지는 경우, 직렬 복원 신호 
4가 하이 레벨에 도달하게 되고, 따라서, N-ch 트랜지스터(Tr19)는 턴온된다. 따라서, 캐패시터(C1, C2)를 직렬로 접속하기 위한 하이 레벨의 제어 신호 
1 및 로우 레벨의 제어 신호 
2가 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)에 출력된다.
또한, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 P-ch 트랜지스터(Tr6), N-ch 트랜지스터(Tr7), 및 아날로그 스위치(Tr8, Tr9)를 포함한다.
이러한 경우, 도 21a 내지 도 21b는 도 20의 전력 저장 장치(1A)에서의 전류의 흐름을 도시한 것이다. 도 21a는, 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치(1A)가 전력을 저장하는 경우, 해당 전력 저장 장치(1A)에서의 전류의 흐름을 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 21b는, 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치(1A)가 전력을 공급하는 경우, 해당 전력 저장 장치(1A)에서의 전류의 흐름을 도시하는 회로 다이어그램이다.
스위치(Sw1)를 구성하는 P-ch 트랜지스터(Tr6)의 게이트는 제어 신호 
1을 수신한다. 따라서, 제어 신호 
1이 로우 레벨에 있는 경우, 즉, 전력 저장 장치(1A)가 전력을 공급하는 경우, P-ch 트랜지스터(Tr6)는 턴온된다.
스위치(Sw2)를 구성하는 N-ch 트랜지스터(Tr7)의 게이트는 제어 신호 
2를 수신한다. 따라서, 제어 신호 
2가 하이 레벨에 있는 경우, 즉, 전력 저장 장치(1A)가 전력을 공급하는 경우, N-ch 트랜지스터(Tr7)는 턴온된다.
스위치(Sw3)를 구성하는 P-ch 트랜지스터(Tr8)의 게이트는 제어 신호 
2를 수신하고, N-ch 트랜지스터(Tr9)의 게이트는 제어 신호 
1을 수신한다. 따라서, 제어 신호 
2가 로우 레벨에 있고 제어 신호 
1이 하이 레벨에 있는 경우, 즉, 전력 저장 장치(1A)가 전력을 저장하는 경우, 스위치(Sw3)는 턴온된다.
출력 스위칭 유닛(8)의 스위치(Sw4)에서, P-ch 트랜지스터(Tr10)의 게이트는 제어 신호 
1을 수신하고, N-ch 트랜지스터(Tr11)의 게이트는 제어 신호 
2를 수신한다. 따라서, 제어 신호 
1이 로우 레벨에 있고 제어 신호 
2가 하이 레벨에 있는 경우, 즉, 전력 저장 장치(1A)가 부하 회로(3)에 전력을 공급하는 경우, 스위치(Sw4)는 턴온된다.
스위치(Sw5)를 구성하는 P-ch 트랜지스터(Tr12)의 게이트는 제어 신호 
1을 수신한다. 스위치(Sw5)는, 제어 신호 
1이 로우 레벨에 있는 경우, 즉, 전력 저장 장치(1A)가 부하 회로(3)에 전력을 공급하는 경우, 턴온된다.
스위치(Sw6)를 구성하는 N-ch 트랜지스터(Tr17)의 게이트는 제어 신호 
2를 수신한다. 제어 신호 
2가 하이 레벨에 있는 경우, 즉, 전력 저장 장치(1A)가 부하 회로(3)에 전력을 공급하는 경우, 스위치(Sw6)는 턴온된다.
전류는 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 포함된 스위치(Sw1, Sw2, Sw3), 출력 스위칭 유닛(8)의 스위치(Sw4), 출력 전류 검출 유닛(13)의 스위치(Sw5), 및 직렬 복원 제어 유닛의 스위치(Sw6)를 통해 흐르게 되어, 직렬 접속과 병렬 접속 간에 접속이 스위칭되는 경우에만 이들 스위치의 상태를 스위칭하게 된다. 따라서, 전력 저장과 전력 공급 사이를 전환하는 데 소비되는 전류가 감소될 수 있다.
<제2 실시예에 따른 전력 저장 장치(1a)의 동작의 예>
이어서, 도 22를 참조하여 전력 저장 장치(1a)의 동작을 설명한다. 도 22는 제2 실시예에 따른 전력 저장 장치(1a)의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
정류 회로(4)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하고, 정류된 전력은 전력 저장 장치(1a)에 공급된다.
시간 T0에서, 캐패시터(C1, C2)는 전력을 저장하는 상태에 있지 않다.
시간 T1에서, 정류된 전력은 전력 저장 장치(1a) 내로 입력되기 시작한다. 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 고임피던스 구성을 갖고 있기 때문에, 전력 생성 디바이스(2)로부터 고임피던스로 출력되는 전력이 활성화되어, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)으로 하여금 제어 신호 
1 및 
2를 생성하게 한다.
전력이 저장되기 시작하는 경우, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 도달하고 제어 신호 
2는 로우 레벨에 도달하게 된다. 따라서, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은, 스위치(Sw1, Sw3)를 턴오프하고 스위치(Sw2)를 턴온하도록 활성화된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속된다. 또한, 출력 전류 검출 유닛(13)으로부터의 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달하게 되고, 직렬 복원 제어 유닛(14)의 직렬 복원 신호 
4는 로우 레벨에 도달하게 된다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬 상태에 있는 동안 입력 전압(Vin), 즉, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력이 10V에 도달하는 경우(즉, 제1 전압값 이상이 되는 경우), 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)은, 시간 T2에서, 제어 신호 
1을 로우 레벨로 스위칭하고 제어 신호 
2를 하이 레벨로 스위칭하도록 동작한다. 이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴오프하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴온시키도록 동작한다. 그 결과, 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된다. 캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되는 경우, 전압은 (Vin = VC1+VC2)에서 (Vin = VC1 = VC2)로 변경된다. 따라서, 저장된 전력의 전압(즉, 입력 전압(Vin))은 절반만큼 (10V에서 5V로) 감소한다.
시간 T3에서, 부하 회로(3)가 활성화되는 경우, 부하 회로(3)에 전력(즉, 출력 전압(Vout))이 공급되고, 따라서 입력 전압(Vin)이 감소한다. 또한, 출력 전류 검출 유닛(13)으로부터의 출력 신호 
3은 하이 레벨에 도달하게 되고, 직렬 복원 제어 유닛(14)의 직렬 복원 신호 
4는 로우 레벨에 도달하게 된다. 또한, 입력 전압(Vin)이 감소한다.
이러한 경우, 시간 T2에서 T4까지 전력 생성 디바이스(2)로부터 전력을 수신하지 않는 것으로 간주된다.
입력 전압(Vin)이 2V(제2 전압값)로 감소하는 경우, 시간 T4에서, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 도달하고 제어 신호 
2는 로우 레벨에 도달하게 된다. 따라서, 스위치(Sw1, Sw3)는 턴오프되고, 스위치(Sw2)는 턴온된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속되고, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력은 전력 저장 유닛(7)에 저장된다. 또한, 부하 회로(3)로의 출력 전류(Iout)는 중지된다. 따라서 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달하고, 직렬 복원 신호 
4는 로우 레벨에 도달하게 된다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되어 있는 동안 입력 전압(Vin), 즉, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력이 10V에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)은 시간 T5에서 제어 신호 
1을 로우 레벨로 스위칭하고 제어 신호 
2를 하이 레벨로 스위칭하도록 동작한다. 이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴오프하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴온시키도록 동작하며, 그에 따라 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된다. 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되는 경우, 전압은 (Vin = VC1+VC2)에서 (Vin = VC1 = VC2)로 변경된다. 따라서, 저장된 전력의 전압(즉, 입력 전압(Vin))은 절반만큼 (10V에서 5V로) 감소한다.
그 후, 시간 T6에서, 부하 회로(3)가 활성화되는 경우, 부하 회로(3)에 전력(즉, 출력 전압(Vout))이 공급되고, 출력 전류 검출 유닛(13)의 출력 신호 
3은 하이 레벨에 도달하고, 직렬 복원 제어 유닛(14)의 직렬 복원 신호 
4는 로우 레벨에 도달한다. 또한, 입력 전압(Vin)이 감소한다.
그 후, 시간 T7에서, 부하 회로(3)의 전류가 변화하면, 출력 전류(Iout)의 크기에 따라 입력 전압(Vin)이 감소한다.
이러한 경우, 시간 T5에서 T11까지 전력 생성 디바이스(2)로부터 전력을 수신하지 않는 것으로 간주된다.
그 후, 시간 T8에서, 부하 회로(3)가 동작을 중지하고 출력 전류(Iout)가 0A에 도달하는 경우, 또는 부하 회로(3)의 전류가 0.5㎃ 이하에 도달하는 경우(즉, 제1 전류값 이하에 도달하는 경우), 출력 전류 검출 유닛(13)은 P-ch 트랜지스터(Tr13)에 흐르는 전류를 검출하고, 출력 전류 검출 유닛(13)의 출력 신호 
3은 시간 T9에서 로우 레벨에 도달하게 된다.
그 후, 시간 T10에서, 직렬 복원 제어 유닛(14)의 직렬 복원 신호 
4는 하이 레벨에 도달하게 된다.
그 후, 시간 T11에서, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)은 제어 신호 
1을 하이 레벨로 스위칭하고 제어 신호 
2를 로우 레벨로 스위칭하도록 동작한다. 이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴온하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴오프시키도록 동작한다. 그 후, 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속되어 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력을 저장한다.
그 후, 시간 T12에서, 출력 전류 검출 유닛(13)의 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달하게 되고, 직렬 복원 제어 유닛(14)의 직렬 복원 신호 
4는 로우 레벨에 도달하게 된다.
이와 같이, 전력 저장 장치(1a)에서는, 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력이 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)에 의해 저장되고, 저장된 전력의 전압이 제1 전압값에 도달하는 경우, 캐패시터(C1, C2)는 병렬 접속으로 스위칭될 수 있다. 출력 전류 검출 유닛(13)에 의해 검출된 출력 전류가 제1 전류값 이하에 도달하는 경우, 전력 저장 장치(1a)는 캐패시터(C1, C2)의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭할 수 있다.
<전력 저장 시스템(100a)의 동작 및 효과>
전술한 바와 같이, 제2 실시예에서는, 캐패시터(C1, C2)를 갖는 전력 저장 유닛(7)의 출력 전류에 기반하여, 캐패시터(C1, C2)의 접속이 병렬 접속으로부터 직렬 접속으로 스위칭된다. 예를 들어, 캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속되어 전력 저장 장치(1a)로부터의 전력을 공급하는 동안 출력 전류가 제1 전류값 이하에 도달하는 경우, 캐패시터(C1, C2)의 접속은 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭된다. 따라서, 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는, 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지 기다리지 않고 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장할 수 있어 전력을 보다 효율적으로 저장할 수 있다.
실시예는 특히 전력 생성 고무와 같은 저주파 전력 생성 디바이스에 의해 생성된 전력을 저장 및 공급하는 데 적합하지만, 이에 제한되지는 않는다. 실시예는 에너지 하베스팅과 같은 고주파 전력 생성 디바이스에 의해 생성된 전력의 저장 및 공급에도 적용될 수 있다.
전술한 실시예에서는 출력 전류 검출 유닛(13)의 제1 전류값을 0.5㎃인 것으로 가정하였으나, 해당 실시예는 이에 제한되지는 않고, 출력 전류 검출 유닛(13)의 제1 전류값은 필요에 따라 변경될 수 있다.
도 20은 2개의 캐패시터(C1, C2)를 갖는 전력 저장 장치(1a)를 도시하고 있으나, 캐패시터의 개수는 이에 제한되지 않고 더 증가될 수 있다. 이하, 제2 실시예의 제1 변형 실시예로서, 4개의 캐패시터를 갖는 전력 저장 장치(1b)를 설명한다.
<제1 변형 실시예>
도 23은 제2 실시예의 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치(1b)의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 23은 4개의 캐패시터와 4개의 캐패시터의 접속을 스위칭하는 4-직렬 및 병렬 스위칭 IC(90b)를 포함하는 전력 저장 유닛(70)의 내부 블록을 도시한 것이다.
직렬 및 병렬 선택기 스위칭 유닛(60)은 도 20의 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 해당하며, 스위치 그룹(61, 62, 63)을 포함한다. 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 병렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(61, 62, 63)의 각각은 턴온되고, 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 직렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(61, 62, 63)의 각각은 턴오프된다. 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 직렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(62)은 턴온되고, 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 병렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(62)은 턴오프된다. 스위치(80)는 도 20의 출력 스위칭 유닛(8)에 해당한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B')은 도 20에 도시된 바와 같이 2개의 캐패시터를 스위칭하기 위한 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)과 유사하다. 출력 전류 검출 유닛(13) 및 직렬 복원 제어 유닛(14)은 도 22와 유사하다. 다수의 캐패시터가 도 18에 도시된 바와 같이 다단에서 직렬로 캐스코드 접속되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B')은 마스터측과 슬레이브측을 스위칭하기 위한 마스터 및 슬레이브 스위칭 회로(55)를 포함한다.
마스터 및 슬레이브 스위칭 회로(55)가 제공되면, 다수의 IC는 슬레이브 IC로서 캐스코드 접속되도록 구성되고, 다수의 IC 각각의 출력 전압(Vout) 출력은 4-직렬 및 병렬 스위칭 마스터 IC에 접속되도록 구성되고, 그에 따라 다단 접속이 달성될 수 있다.
이와 같이 다단 접속이 형성되는 경우, 마스터/슬레이브 방식에 따라 다수의 IC를 제어하여 다단 접속을 제어한다. 따라서, 더 많은 개수의 단에서 캐패시터가 접속될 수 있고, 훨씬 더 높은 효율이 달성될 수 있다.
<제2 변형 실시예>
이어서, 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100e)을 설명한다.
전술한 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100)에서는 전력을 저장 및 공급할 수 있는 부하 구동 전력 저장 장치와 전력 저장 장치(1)가 접속될 수 있다. 이러한 경우, 전력 저장 장치(1)에 저장된 전력이 부하 구동 전력 저장 장치에 저장되는 경우, 전력 저장 장치(1)는, 부하 구동 전력 저장 장치에 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지는, 병렬 접속된 다수의 캐패시터를 유지한다. 따라서, 전력 저장 장치(1)는, 부하 구동 전력 저장 장치에 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지는, 다수의 캐패시터를 직렬 접속으로 스위칭할 수 없고, 높은 전력 저장 효율이 달성되지 않을 수 있다.
전력 저장 시스템(100)에서는 다수의 캐패시터가 직렬로 접속되는 경우, 부하 회로에는 전력이 공급될 수 없고, 높은 전력 저장 효율이 달성되지 않을 수 있다.
이에 비해, 제2 실시예와 마찬가지로, 제2 변형 실시예에서는 다수의 전력 저장 디바이스를 포함하는 전력 저장 유닛의 출력 전류에 기반하여, 다수의 전력 저장 디바이스의 접속이 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭된다. 예를 들어, 다수의 전력 저장 디바이스가 병렬로 접속되어 있는 동안 출력 전류가 제1 전류값 이하에 도달하는 경우, 다수의 전력 저장 디바이스의 접속은 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭된다. 부하 구동 전력 저장 장치와 전력 저장 장치(1)가 접속된 경우에도, 직렬로 접속된 다수의 전력 저장 디바이스는, 부하 구동 전력 저장 장치에 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지 기다리지 않고, 전력을 저장할 수 있고, 전력 저장 효율을 향상시킬 수 있다. 게다가, 다수의 캐패시터가 직렬로 접속되는 동안 부하 회로에 전력이 공급될 수 있어 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있다.
<전력 저장 시스템(100e)의 구성예>
도 24를 참조하여 전력 저장 시스템(100e)의 구성을 설명한다. 도 24는 제2 실시예의 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100e)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 24에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(100e)은 전력 저장 장치(1a)와 부하 구동 전력 저장 장치(10)를 포함한다. 전력 저장 장치(1a)의 구성은 제1 실시예에서 설명된 구성과 유사하다.
전력 저장 시스템(100e)에서, 정류 회로(4)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하고, 전력 저장 유닛(7)에서 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력을 저장한다. 그 후, 전력 저장 장치(1a)는, 캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속되어 있는 경우, 즉, ON 상태에 있는 경우, 부하 구동 전력 저장 장치(10)와 부하 회로(3) 모두에 병렬로 전력을 공급한다.
전력 저장 장치(1a)는 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력을 부하 회로(3)뿐만 아니라 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 공급한다.
부하 구동 전력 저장 장치(10)는 전기 이중층 캐패시터, 리튬 이온 캐패시터 등을 포함한다. 대안적으로, 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 리튬 이온 전지, 납축전지 등과 같은 다양한 전력 저장 디바이스로 구성될 수 있다. 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 전력을 저장하고 전력을 공급할 수 있는 장치이다. 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 부하 회로(3)에 동력을 공급하기 위한 전력을 부하 회로(3)에 공급한다.
부하 구동 전력 저장 장치(10)에 의해 부하 회로(3)로의 전력 공급을 제어하는 방법은 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 외부 장치로부터 제공되는 제어 신호에 기반하여 제어를 수행할 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 부하 구동 전력 저장 장치(10)에는 타이머가 제공될 수 있고, 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 타이머에 의해 측정된 시간에 기반하여 미리 결정되거나 또는 주어진 시간 간격으로 부하 회로(3)에 전력을 공급하도록 제어를 수행할 수 있다.
전술한 방식에서, 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력의 전압은 제1 전압값에 도달되고, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 캐패시터(C1, C2)를 병렬로 접속하도록 활성화된다. 그 후, 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은, Vin = VC1 = VC2 = Voch가 충족되도록, 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 공급되고 저장되며, 추가적으로, 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은 부하 회로(3)에 공급된다. 이러한 경우, Voch는 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 저장된 전력의 전압을 표시한다.
그러나, 부하 회로(3)의 활성화 전압이 설정되어 있는 경우, 저장된 전력 Voch의 전압이 부하 회로(3)의 활성화 전압보다 낮은 경우에는 부하 구동 전력 저장 장치(10)에만 전력이 공급되고, 그리고 저장된 전력 Voch의 전압이 부하 회로(3)의 활성화 전압보다 높거나 같은 경우에는 부하 구동 전력 저장 장치(10)와 부하 회로(3) 모두에 전력이 공급된다.
그 후, 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제어 하에 캐패시터(C1, C2)를 직렬 접속으로 스위칭하도록 동작한다. 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
출력 전류 검출 유닛(13)은 전력 저장 장치(1a)로부터 부하 회로(3) 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)로 출력되는 전류를 검출하고, 그 검출 결과를 직렬 복원 제어 유닛(14)에 출력한다. 출력 전류 검출 유닛(13)에 의해 검출된 출력 전류가 제1 전류값 이하에 도달하는 경우, 직렬 복원 제어 유닛(14)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)으로 하여금 캐패시터(C1, C2)의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭하게 한다. 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제어 하에 캐패시터(C1, C2)의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭하도록 동작한다. 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
전력 저장 장치(1a)는 부하 회로(3) 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 전력을 공급하고, 그리고 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력의 전압이 제1 전압값 이하에 도달한 경우와 출력 전류가 제1 전류값 이하에 도달한 경우 중 어느 하나에서, 캐패시터(C1, C2)는 직렬 접속으로 스위칭되어 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장하게 된다. 따라서, 캐패시터(C1, C2)를 효율적으로 충전할 수 있다.
전력 저장 시스템(100e)이 전력을 저장 중이기 때문에 전력 저장 시스템(100e)이 부하 회로(3)에 전력을 공급할 수 없는 경우에도, 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 저장된 전력은 부하 회로(3)에 공급될 수 있다. 따라서, 부하 회로(3)는 지속적으로 동작할 수 있다.
<제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치(1a)의 동작>
이어서, 도 25를 참조하여 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치(1a)의 동작을 설명한다. 도 25는 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치(1a)의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다. 시간 T1까지의 동작은 도 22을 참조하여 설명한 동작과 유사하므로 그에 관한 설명은 생략된다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되어 있는 동안 입력 전압(Vin), 즉, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력이 10V(즉, 제1 전압)에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50)은 시간 T2에서 제어 신호 
1을 로우 레벨로 스위칭하고 제어 신호 
2를 하이 레벨로 스위칭하도록 동작한다. 이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴오프하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴온하도록 활성화된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된다. 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되는 경우, 전압은 (Vin = VC1+VC2)에서 (Vin = VC1 = VC2)로 변경된다. 따라서, 저장된 전력의 전압(즉, 입력 전압(Vin))이 절반만큼 (10V에서 5V로) 감소함과 동시에, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력이 부하 회로(3) 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 공급되고, 따라서, 부하 구동 전력 저장 장치(10)의 전위가 증가하게 된다.
시간 T2에서 전력 저장 장치(1a)의 출력 전류(Iout)가 흐르기 시작하고, 시간 T3에서 출력 전류 검출 유닛(13)의 출력 신호 
3이 하이 레벨에 도달하고, 직렬 복원 제어 유닛(14)의 직렬 복원 신호 
4가 로우 레벨에 도달한다. 또한, 입력 전압(Vin)이 감소한다.
이러한 경우, 시간 T2에서 T4까지 전력 생성 디바이스(2)로부터 전력을 수신하지 않는 것으로 간주된다. 또한, 부하 회로(3)에는 전력이 공급되지 않는다.
입력 전압(Vin)이 감소하고 시간 T4에서 2V에 도달하는 경우, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 도달하고, 제어 신호 
2는 로우 레벨에 도달하게 된다. 따라서, 스위치(Sw1, Sw3)는 턴오프되고, 스위치(Sw2)는 턴온된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속되어 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력을 저장한다.
또한, 시간 T4에서 부하 회로(3) 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)로의 출력 전류(Iout)가 중지되고, 시간 T5에서 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달하고, 직렬 복원 신호 
4는 로우 레벨에 도달하게 된다.
입력 전압(Vin), 즉, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력이 10V에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)은 시간 T6에서 제어 신호 
1을 로우 레벨로 스위칭하고 제어 신호 
2를 하이 레벨로 스위칭하도록 동작한다. 이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴오프하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴온시키도록 동작한다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된다. 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되는 경우, 전압은 (Vin = VC1+VC2)에서 (Vin = VC1 = VC2)로 변경된다. 따라서, 저장된 전력의 전압(즉, 입력 전압(Vin))이 절반만큼 (10V에서 5V로) 감소함과 동시에, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력이 부하 회로(3) 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 공급되고, 따라서, 부하 구동 전력 저장 장치(10)의 전위가 증가하게 된다.
부하 구동 전력 저장 장치(10)의 전압 Voch의 전위의 증가에 따라, 입력 전압(Vin)은 시간 T8에서 2V 이상으로 증가한다. 그 후, 전력 저장 장치(1a)의 출력 전류(Iout)는 5mA 이하로 감소한다. 시간 T9에서, 출력 전류 검출 유닛(13)의 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달되고, 시간 T10에서, 직렬 복원 제어 유닛(14)의 직렬 복원 신호 
4는 하이 레벨에 도달하게 된다.
그 후, 시간 T11에서, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 도달하고, 제어 신호 
2는 로우 레벨에 도달하게 된다. 따라서, 스위치(Sw1, Sw3)는 턴오프되고, 스위치(Sw2)는 턴온된다. 그 결과, 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속되어 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력을 저장한다.
그 후, 시간 T12에서, 직렬 복원 제어 유닛(14)의 직렬 복원 신호 
4는 하이 레벨에 도달하게 된다.
이러한 경우, 시간 T6에서 T11까지 전력 생성 디바이스(2)로부터 전력을 수신하지 않는 것으로 간주된다. 또한, 부하 회로(3)에 공급되는 전력은 5㎃ 미만인 것으로 간주된다.
위에서 설명된 동작은 지속적으로 수행된다.
전술한 방식에서, 부하 구동 전력 저장 장치와 전력 저장 장치(1a)가 접속된 경우에도, 전력 저장 장치(1a)는, 부하 구동 전력 저장 장치에 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지 기다리지 않고, 직렬로 접속된 다수의 전력 저장 디바이스에 전력을 저장할 수 있다. 또한, 직렬로 접속된 다수의 캐패시터는 부하 회로에 전력을 공급할 수 있다.
<전력 저장 시스템(100e)의 동작 및 효과>
위에 설명된 바와 같이, 제2 변형 실시예에서는, 부하 구동 전력 저장 장치와 전력 저장 장치(1)가 접속된 경우에도, 직렬로 접속된 다수의 전력 저장 디바이스는, 부하 구동 전력 저장 장치에 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지 기다리지 않고, 전력을 저장할 수 있고, 전력 저장 효율을 향상시킬 수 있다. 게다가, 직렬로 접속된 다수의 캐패시터는 부하 회로에 전력을 공급할 수 있으며, 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있다.
위에 설명된 예에서, 출력 전류 검출 유닛(13)의 제1 전류 검출값은 5㎃로 설정되었지만, 임의의 값으로 변경될 수 있다. 부하 회로(3)에 의해 소비되는 전류에 따라, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)의 정전 용량 값, 제1 전압값, 제2 전압값, 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 저장된 전력의 전압은 부하 회로(3)의 동작 전압 범위로 설정되도록 조정될 수 있다. 따라서, 부하 회로(3)는 전력 생성 디바이스(2)에 의한 전력 생성의 타이밍에 의존하지 않고 지속적으로 동작할 수 있다.
<제3 변형 실시예>
전술한 예에서, 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 의해 부하 회로(3)에 전력을 공급하기 위한 전력 공급 제어로서, 외부 장치로부터의 제어 신호에 기반하는 방법 및 타이머를 이용한 시간 측정에 기반하는 방법이 설명되었지만, 이러한 전력 공급 제어는 노멀리 오프(normally-off) 회로를 이용하여 수행될 수 있다.
도 26은 이러한 노멀리 오프(normally-off) 회로를 포함하는, 제2 실시예의 제3 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100f)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 26에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(100f)은 부하 회로(3f)와 노멀리 오프 회로(36)를 포함한다. 부하 회로(3f)는 메모리(33), 마이크로 처리 유닛(Micro Processing Unit)(MPU)(34), 및 무선 통신 디바이스(35)를 포함한다. 부하 회로(3f)의 예는 IoT 디바이스 등을 포함한다.
메모리(33)는 다양한 정보, 예를 들어, 다양한 프로그램 및 데이터, IoT 디바이스에 의해 획득된 측정 데이터, 이미지 등을 저장한다. 메모리(33)는 휘발성 또는 비 휘발성 반도체 메모리와 같은 저장 디바이스로 구성된다. 메모리(33)는 판독 전용 메모리(Read Only Memory)(ROM) 및/또는 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory)(RAM)를 포함한다는 것에 주목해야 한다.
MPU(34)는 프로세서 등으로 구성되고, 각 유닛의 동작 및 부하 회로(3)의 전체 동작을 제어한다.
무선 통신 디바이스(35)는 다른 디바이스 또는 디바이스에 접속되고, 정보를 전송 및 수신하기 위한 인터페이스로서 기능한다. 무선 통신 디바이스(35)는 USB 커넥터 등을 포함할 수 있다.
노멀리 오프 회로(normally-off circuit)(36)는, 정상적 상황(normal circumstance)에서는 전력 저장 장치(1a) 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)로부터 부하 회로(3f)로의 전력 공급을 차단하고, 부하 회로(3f)가 전력을 필요로 하는 경우 임의의 주어진 타이밍에 전력 저장 장치(1a) 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)로 하여금 부하 회로(3f)에 전력을 공급하게 하는 전기 회로이다. 노멀리 오프 회로(36)는 MOSFET 등을 포함하도록 구성된다.
전력 저장 시스템(100f)의 구성에 따라, 정상적 상황에서는 전력의 공급을 차단하고, 부하 회로(3f)가 전력을 필요로 하는 경우 임의의 주어진 타이밍에 전력을 공급하여, 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 제3 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100f)은, 정상적 상황에서는 전력 공급을 차단하는 경우가 많고, 미리 결정되거나 주어진 사이클에서만 또는 미리 결정되거나 주어진 조건 하에서만 데이터 획득 및 데이터 전송을 수행하는 IoT 디바이스 등에 특히 적합하다.
실시예는 또한 제어 장치를 포함한다. 예를 들어, 제어 장치는, 전력을 저장하는 복수의 전력 저장 디바이스를 포함하는 전력 저장 유닛, 복수의 전력 저장 디바이스의 접속을 직렬 접속 또는 병렬 접속으로 스위칭하도록 구성된 직렬 및 병렬 스위칭 유닛, 및 직렬 및 병렬 스위칭 유닛에 의해 수행되는 스위칭을 제어하도록 구성된 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛을 포함하는 전력 저장 장치를 제어하기 위한 제어 장치이고, 이러한 제어 장치는, 전력 저장 장치로 하여금, 전력 저장 장치의 출력 전류에 기반하여, 다수의 전력 저장 디바이스의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭하게 하도록 구성된 직렬 복원 제어 유닛을 포함한다. 이러한 제어 장치에 따르면, 전술한 전력 저장 장치의 효과와 유사한 효과를 얻을 수 있다.
<제3 실시예>
특허문헌 1의 전력 공급 회로와 관련하여, 향상 범위는 안전성의 향상과 함께 전력의 전력 저장 효율 또는 전력 공급 효율과 연관되어 있다.
본 실시예의 목적은 안전성의 향상과 함께 전력의 전력 저장 효율 및 전력 공급 효율을 향상시키는 것이다. 또한, 다수의 전력 저장 디바이스의 접속을 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭하기 위한 임계치 전압값은 직렬-병렬 스위칭 임계치 전압값(series-to-parallel switching threshold voltage value)이라고 지칭되고, 다수의 전력 저장 디바이스의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭하기 위한 임계치 전압값은 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값(parallel-to-series switching threshold voltage value)이라고 지칭된다.
이하의 실시예에서는, 전력 저장 장치로부터 순간적으로라도 전력이 공급되는 대상을 “전력 공급 대상”이라고 지칭한다.
<전력 저장 시스템(100a 및 100b)의 구성예>
도 27a는 전력 저장 시스템(100a)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 27b는 부하 구동 전력 저장 장치(10)를 갖는 전력 저장 시스템(100b)의 구성예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 27a 및 도 27b에 각각 도시된 전력 저장 시스템(100a, 100b)은 전술한 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)과 유사한 방식으로 구성된다. 따라서, 해당 구성 요소에는 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)의 참조 부호와 동일한 참조 부호가 표시되고, 도 27a 및 도 27b에 각각 도시된 전력 저장 시스템(100a, 100b)에 대한 상세한 설명은 여기서 생략된다. 이하에서는 도 27a 및 27b에 각각 도시된 전력 저장 시스템(100a, 100b)의 차이점만을 설명한다. 도 27a 및 도 27b에 도시된 바와 같은 전력 공급 대상(3, 3')은 각각 제2 실시예에 따른 부하 회로(3)에 해당한다.
도 27b에 도시한 바와 같이, 전력 저장 시스템(100b)은 전력 저장 장치(1) 및 전력 공급 대상(3a)을 포함한다. 또한, 전력 공급 대상(3a)은 부하 구동 전력 저장 장치(10) 및 전력 공급 대상 회로(3')를 포함한다.
전력 저장 시스템(100b)에서, 정류 회로(4)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하고, 전력 저장 유닛(7)에서 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력을 저장한다. 그 후, 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력의 전압이 제1 전압값에 도달하는 경우, 캐패시터(C1, C2)의 접속은 병렬 접속으로 스위칭된다. 병렬 접속 상태에서, 전력 저장 유닛(7)은 부하 구동 전력 저장 장치(10) 및 전력 공급 대상 회로(3')의 모두에 전력을 병렬로 공급한다.
부하 구동 전력 저장 장치(10)는 전기 이중층 캐패시터, 리튬 이온 캐패시터 등을 포함한다. 대안적으로, 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 리튬 이온 전지, 납축전지 등과 같은 다양한 전력 저장 디바이스로 구성될 수 있다. 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 전력을 저장하고 전력을 공급할 수 있는 장치이다. 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 전력 공급 대상 회로(3')에 동력을 공급하기 위한 전력을 전력 공급 대상 회로(3')에 공급한다.
부하 구동 전력 저장 장치(10)에 의해 전력 공급 대상 회로(3')로의 전력 공급을 제어하는 방법은 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 외부 장치로부터 제공되는 제어 신호에 기반하여 제어를 수행할 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 부하 구동 전력 저장 장치(10)에는 타이머가 제공될 수 있고, 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 타이머에 의해 측정된 시간에 기반하여 미리 결정되거나 또는 주어진 시간 간격으로 전력 공급 대상 회로(3')에 전력을 공급하도록 제어를 수행할 수 있다.
이어서, 제3 실시예에 따른 전력 저장 시스템(200)을 설명한다.
이러한 경우에, 위에 설명된 전력 저장 시스템(100a)(도 27a 참조)에서, 전력을 공급하기 위해 병렬 접속으로 스위칭되는 캐패시터(C1, C2)는 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달되는 경우에 직렬 접속으로 복귀하게 된다. 그 후, 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)가 충전되기 시작한다. 그 후, 저장된 전력의 전압이 제1 전압값에 도달하는 경우, 캐패시터(C1, C2)는 병렬 접속으로 스위칭되고, 병렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력 공급 대상(3)에 전력을 공급한다.
전력 공급 대상(3)에 전력을 공급하기 위한 전력 공급 성능은 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력에 대응하며, 따라서, 전력 저장 시스템(100a)에서, 제1 전압값 및 제2 전압값은, 직렬 및 병렬 스위칭의 타이밍이 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력량 및 전력 공급 대상(3)에 의해 소비되는 전력량에 의해 결정되도록, 미리 설정된다.
그러나, 전력 공급 대상(3)의 전력 소비가 작은 경우, 캐패시터(C1, C2)는 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달될 때까지는 직렬 접속으로 스위칭될 수 없고, 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된 전기를 저장하고 전력을 지속적으로 저장한다. 따라서, 전력 저장 유닛(7)은 직렬 접속으로 복귀하지 않고 전력을 지속적으로 저장하고, 저장된 전력의 전압은 증가할 수 있다. 저장된 전력의 전압 증가로 인해, 전력 공급 대상(3)의 동작은 불안정해질 수 있고, 전력 공급 대상(3)은 열화될 수 있다.
따라서, 제3 실시예에 따른 전력 저장 시스템(200)에서는, 전력 공급 대상(3)에 공급되는 전압 또는 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력의 전압이 미리 결정되거나 주어진 임계치 전압값 이상에 도달하는 경우, 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값이 변경된다. 예를 들어, 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값으로 설정된 제2 전압값을 제2 전압값보다 낮은 제4 전압값으로 변경함으로써, 전력 생성 디바이스(2)에 의한 직렬 접속의 충전 타이밍을 지연시킨다.
그 후, 전력 공급 대상(3)에 공급되는 전압이 임계치 전압값 이하에 도달하는 경우, 전력 저장 시스템(200)은, 제1 전압값을 직렬-병렬 스위칭 임계치 전압값으로 사용하고 제2 전압값을 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값으로 사용하는 직렬 및 병렬 스위칭 제어로 복귀한다. 제1 전압값, 제2 전압값, 제4 전압값, 및 임계치 전압값의 각각은, 전력 공급 대상(3)에 의한 전력 소비의 사양 등에 따라 미리 결정된다.
전술한 방식에서, 전력 공급 대상(3)의 동작 전압 범위 및 가동 전압 범위에 따라, 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력의 전압과 전력 공급 대상(3)에 공급되는 전압은 안전한 동작을 보장하고 전력 공급 대상(3)의 열화를 방지하도록 제어될 수 있다.
이하, 전력 저장 시스템(200)의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.
<전력 저장 시스템(200)의 구성예>
도 28을 참조하여 전력 저장 시스템(200)의 구성을 설명한다. 도 28은 제3 실시예에 따른 전력 저장 시스템(200)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(200)은 전력 생성 디바이스(2), 정류 회로(4), 전력 저장 장치(201), 및 전력 공급 대상(3)을 포함한다.
정류 회로(4)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하고, 정류된 전력은 전력 저장 장치(201)에 입력된다. 전력 저장 장치(201)는 정류 회로(4)로부터 수신된 전력을 전력 저장 유닛(7)에서 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)에 저장한다. 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력의 전압이 제1 전압값에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 활성화하여 캐패시터(C1, C2)를 병렬 접속으로 스위칭한다. 그 후, 병렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력 공급 대상(3)에 전력을 공급한다.
또한, 전력 저장 장치(201)는 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A) 및 직렬 복원 제어 유닛(14)을 포함하고, 캐패시터(C1, C2)의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭하기 위한 제어를 수행할 수 있다.
전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)은 전력 공급 대상(3)의 전압을 검출하고, 검출값을 직렬 복원 제어 유닛(14)에 출력한다. 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)에 의해 검출된 검출값이 임계치 전압값 이상에 도달하는 경우, 직렬 복원 제어 유닛(14)은 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값을 제2 전압값에서 제4 전압값으로 변경한다.
병렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)의 전압이 제4 전압값 이하에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 활성화하여, 캐패시터(C1, C2)의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭한다. 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
<전력 저장 장치(201)의 구성예>
이어서, 도 29를 참조하여 전력 저장 시스템(200)에 포함되는 전력 저장 장치(201)의 구성을 설명한다. 도 29는 제3 실시예에 따른 전력 저장 장치(201)의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 29에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(201)는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 전력 저장 유닛(7), 출력 스위칭 유닛(8), 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A), 및 직렬 복원 제어 유닛(14)을 포함한다. 전력 저장 장치(201)는, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 전력 저장 유닛(7), 출력 스위칭 유닛(8), 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A), 및 직렬 복원 제어 유닛(14)을 통합하는 단일 전력 저장 IC로서 구성될 수 있음에 주목해야 한다.
전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)은 전력 공급 대상(3)에 공급되는 전압 Vsup(이하, 공급 전압 Vsup이라고 지칭됨)를 검출하기 위한 전류 비교기를 구성하는 공핍 트랜지스터(Tr13) 및 N-ch 트랜지스터(Tr14)를 포함한다.
이러한 경우, 공핍 트랜지스터(Tr13)에 흐르는 전류는 정전류 Itr13이다. P-ch 트랜지스터(Tr14)와 공핍 트랜지스터(Tr13)는 전류 비교기로서 동작하고, 따라서, P-ch 트랜지스터(Tr14)의 전류 Itr14가 정전류 Itr13보다 큰 경우, 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달하게 된다. 이에 비해, 전류 Itr14가 정전류 Itr13보다 작은 경우, 출력 신호 
3은 하이 레벨에 도달하게 된다. N-ch 트랜지스터(Tr14)와 공핍 트랜지스터(Tr13) 사이의 트랜지스터 사이즈 비율에 따라 임계치 전압값이 설정될 수 있다.
직렬 복원 제어 유닛(14)에서, 공급 전압 Vsup가 임계치 전압값 이상인 경우, N-ch 트랜지스터(Tr15)가 턴오프된다. N-ch 트랜지스터(Tr15)는 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)에서의 저항기(R5)의 GND측 단자와 GND 단자 사이에 접속된다. N-ch 트랜지스터(Tr15)가 턴오프되는 경우, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)의 저항기(R5)의 GND측 단자와 GND 단자 사이에 접속된 저항기(R6)의 양 단자에 전압이 인가된다.
캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속되어 있는 동안 N-ch 트랜지스터(Tr5)가 턴오프되는 경우, N-ch 트랜지스터(Tr2)의 게이트에 인가되는 전압은 입력 전압(Vin)과 R3+R4+R5+R6에 대한 R4+R5+R6의 저항 비율을 승산함으로써 획득되는 분압 전압이다. 따라서, 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값은 제2 전압값에서 제2 전압값보다 작은 제4 전압값으로 감소한다.
그 후, 입력 전압(Vin)이 제4 전압값 이하에 도달하는 경우, 캐패시터(C1, C2)를 직렬로 접속하기 위한 하이 레벨의 제어 신호 
1과 로우 레벨의 제어 신호 
2는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)으로 출력된다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 P-ch 트랜지스터(Tr6), N-ch 트랜지스터(Tr7), 및 아날로그 스위치(Tr8, Tr9)를 포함한다.
출력 스위칭 유닛(8)의 스위치(Sw4)에서, P-ch 트랜지스터(Tr10)의 게이트는 제어 신호 
1을 수신하고, N-ch 트랜지스터(Tr11)의 게이트는 제어 신호 
2를 수신한다. 따라서, 제어 신호 
1이 로우 레벨에 있고 제어 신호 
2가 하이 레벨에 있는 경우, 즉 전력 공급 대상(3)에 전력이 공급되는 경우, 스위치(Sw4)가 턴온된다.
공급 전압 Vsup가 임계치 전압값 미만인 경우, N-ch 트랜지스터(Tr14)가 턴오프되고, 출력 신호 
3이 하이 레벨에 도달하게 된다. 따라서, N-ch 트랜지스터(Tr15)가 턴온되고, 그에 따라 N-ch 트랜지스터(Tr2)의 게이트에 인가되는 전압은 입력 전압(Vin)과 R3+R4+R5에 대한 R4+R5의 저항 비율을 승산함으로써 획득되는 분압 전압이 되고, 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값은 제4 전압값에서 제2 전압값으로 변경된다.전술한 방식에서, 공급 전압 Vsup가 임계치 전압값을 초과하게 증가하는 경우, 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값은 보다 작은 값으로 변경되어 직렬 상태에서의 충전을 감소시킨다. 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력량 및 전력 공급 대상(3)에 의해 소비되는 전력량은 공급 전압 Vsup를 모니터링함으로써 제어되고, 그에 따라 공급 전압 Vsup는 안전성 및 열화에 기반한 전력 공급 대상(3)의 동작 전압 범위 및/또는 가동 전압 범위 내에 속하게 된다.
<전력 저장 장치(201)의 동작의 예>
이어서, 도 30을 참조하여 전력 저장 장치(201)(도 29 참조)의 동작을 설명한다. 도 30은 도 29의 전력 저장 장치(201)의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다.
정류 회로(4)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하고, 정류된 전력은 전력 저장 장치(201)에 입력된다.
시간 T0에서, 캐패시터(C1, C2)는 전력을 저장하는 상태에 있지 않다.
시간 T1에서, 정류된 전력은 전력 저장 장치(201) 내로 입력되기 시작한다. 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 고임피던스 구성을 갖고 있기 때문에, 전력 생성 디바이스(2)로부터 고임피던스로 출력되는 전력이 활성화되어, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)으로 하여금 제어 신호 
1 및 
2를 생성하게 한다.
전력이 저장되기 시작하는 경우, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 도달하고 제어 신호 
2는 로우 레벨에 도달하게 된다. 따라서, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은, 스위치(Sw1, Sw3)를 턴오프하고 스위치(Sw2)를 턴온하도록 활성화된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속된다. 또한, 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)으로부터의 출력 신호 
3은 하이 레벨에 도달되고, 따라서 직렬 복원 제어 유닛(14)의 N-ch 트랜지스터(Tr15)가 턴온된다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되어 있는 동안 입력 전압(Vin), 즉, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력이 10V(즉, 제1 전압)에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)은 시간 T2에서 제어 신호 
1을 로우 레벨로 스위칭하고 제어 신호 
2를 하이 레벨로 스위칭하도록 동작한다.
이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴오프하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴온하도록 활성화된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된다. 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되는 경우, 전압은 (Vin = VC1+VC2)에서 (Vin = VC1 = VC2)로 변경된다. 따라서, 저장된 전력의 전압(즉, 입력 전압(Vin))이 절반만큼 (10V에서 5V로) 감소함과 동시에, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력이 전력 공급 대상(3)에 공급되고, 따라서, 전력 공급 대상(3)의 전압은 증가하게 된다.
그 후, 시간 T2에서, 전력 저장 장치(201)는 전력 공급 대상(3)에 전력을 공급하기 시작한다. 그 후, 시간 T3에서, 입력 전압(Vin)이 3.5V(제2 전압값의 일 예) 이하에 도달하는 경우, 출력 신호 
3은 하이 레벨에 도달하게 된다. 직렬 복원 제어 유닛(14)의 N-ch 트랜지스터(Tr15)는 온 상태로 유지된다. 따라서, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 있고, 제어 신호 
2는 로우 레벨에 있게 된다. 스위치(Sw1, Sw3)이 턴오프되고 스위치(Sw2)가 턴온되는 경우, 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속되고, 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
시간 T2에서 T3까지 전력 생성 디바이스(2)로부터 전력을 수신하지 않는 것으로 간주된다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되어 있는 동안 입력 전압(Vin), 즉, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력이 10V(즉, 제1 전압값)에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)은 시간 T4에서 제어 신호 
1을 로우 레벨로 그리고 제어 신호 
2를 하이 레벨로 스위칭하도록 동작한다. 이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴오프하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴온시키도록 동작한다. 그 결과, 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되는 경우, 전압은 (Vin = VC1+VC2)에서 (Vin = VC1 = VC2)로 변경된다. 따라서, 저장된 전력의 전압(즉, 입력 전압(Vin))이 절반만큼 (10V에서 5V로) 감소함과 동시에, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은 전력 공급 대상(3)에 공급되고, 따라서, 전력 공급 대상(3)의 전압은 증가하게 된다.
전력 공급 대상(3)의 전압이 증가하고 시간 T9에서 공급 전압 Vsup가 2.8V(임계치 전압값의 일 예)에 도달하는 경우, 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)의 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달하고, 직렬 복원 제어 유닛(14)의 N-ch 트랜지스터(Tr5)는 턴오프된다. N-ch 트랜지스터(Tr2)의 게이트에 인가되는 전압은 입력 전압(Vin)과 R3+R4+R5+R6에 대한 R4+R5+R6의 저항 비율을 승산함으로써 획득되는 분압 전압이 되고, 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값은 3.5V에서 3.0V(제4 전압값의 일 예)로 변경된다.
그 후, 시간 T11에서, 공급 전압 Vsup가 2.8V 이상이므로, 입력 전압(Vin)이 3.0V 이하가 되는 경우, 출력 신호 
3은 하이 레벨에 도달하게 된다. 직렬 복원 제어 유닛(14)의 N-ch 트랜지스터(Tr15)는 온 상태로 유지된다. 따라서, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 도달하고, 제어 신호 
2는 로우 레벨에 도달하게 된다. 그 결과, 스위치(Sw1, Sw3)는 턴오프되고, 스위치(Sw2)는 턴온된다. 따라서, 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속되고, 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
전술한 방식에서, 전력 저장 시스템(200)은 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)에 의해 검출된 검출값에 따라 공급 전압 Vsup를 제어할 수 있다.
<전력 저장 시스템(200)의 동작 및 효과>
위에서 설명된 바와 같이, 제3 실시예에서는, 공급 전압 Vsup가 임계치 전압값을 초과하게 증가하는 경우, 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값은 보다 낮은 값으로 변경되어 직렬 상태에서의 충전을 감소시킨다. 공급 전압 Vsup에 따라 전력 생성 디바이스(2)로부터 수신된 전력을 제어함으로써, 전력 저장 시스템(200)은 안전성 및 열화에 기반한 전력 공급 대상(3)의 동작 전압 범위 및/또는 가동 전압 범위 내에서 동작할 수 있다. 게다가, 공급 전압 Vsup가 감소하는 경우에도, 전력 생성 디바이스(2)로부터 수신된 전력을 제어할 수 있고, 따라서, 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 효율적으로 이용함으로써 전력 공급 대상(3)은 안전하게 동작할 수 있고, 전력 공급 대상(3)의 열화를 방지할 수 있다.
제3 실시예는 특히 전력 생성 고무와 같은 저주파 전력 생성 디바이스에 의해 생성된 전력을 저장 및 공급하는 데 적합하지만, 제3 실시예는 이에 제한되지는 않는다. 제3 실시예는 에너지 하베스팅과 같은 고주파 전력 생성 디바이스에 의해 생성된 전력의 저장 및 공급에도 적용될 수 있다.
제3 실시예에 따른 전력 저장 시스템(200) 및 전력 저장 장치(201)는 다양한 방식으로 변경될 수 있다. 이하, 주로 전력 저장 시스템(200) 또는 전력 저장 장치(201)와의 다양한 변형 실시예의 차이점을 설명한다.
<제1 변형 실시예>
먼저, 도 31을 참조하여 제3 실시예의 제1 변형예에 따른 전력 저장 시스템(200a)을 설명한다. 도 31은 제3 실시예의 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(200a)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 31에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(200a)은 부하 구동 전력 저장 장치(10)를 포함하는 전력 공급 대상(3a)을 갖는다.
전력 저장 시스템(200a)에서, 정류 회로(4)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하고, 전력 저장 유닛(7)에서 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)는 정류된 전력을 저장한다. 그 후, 저장된 전력의 전압이 제1 전압값에 도달하는 경우, 캐패시터(C1, C2)는 병렬 접속으로 스위칭된다. 따라서, 병렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력 공급 대상(3a)에 포함된 부하 구동 전력 저장 장치(10) 및 전력 공급 대상 회로(3')의 모두에 전력을 병렬로 공급한다.
부하 구동 전력 저장 장치(10)는 전기 이중층 캐패시터, 리튬 이온 캐패시터 등을 포함한다. 대안적으로, 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 리튬 이온 전지, 납축전지 등과 같은 다양한 전력 저장 디바이스로 구성될 수 있다. 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 전력을 저장하고 전력을 공급할 수 있는 장치이다. 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 전력 공급 대상 회로(3')에 동력을 공급하기 위한 전력을 전력 공급 대상 회로(3')에 공급한다.
부하 구동 전력 저장 장치(10)에 의해 전력 공급 대상 회로(3')로의 전력 공급을 제어하는 방법은 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 외부 장치로부터 제공되는 제어 신호에 기반하여 제어를 수행할 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 부하 구동 전력 저장 장치(10)에는 타이머가 제공될 수 있고, 부하 구동 전력 저장 장치(10)는 타이머에 의해 측정된 시간에 기반하여 미리 결정되거나 또는 주어진 시간 간격으로 전력 공급 대상 회로(3')에 전력을 공급하도록 제어를 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력의 전압이 제1 전압값에 도달되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 캐패시터(C1, C2)를 병렬로 접속하도록 활성화된다. 그 후, 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은, Vin = VC1 = VC2 = Voch가 충족되도록, 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 공급되고 저장되며, 추가적으로, 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은 전력 공급 대상 회로(3')에 공급된다. 이러한 경우, Voch는 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 저장된 전력의 전압을 표시한다.
그러나, 전력 공급 대상 회로(3')의 활성화 전압이 설정되어 있는 경우, 저장된 전력 Voch의 전압이 전력 공급 대상 회로(3')의 활성화 전압보다 낮은 경우에는 부하 구동 전력 저장 장치(10)에만 전력이 공급되고, 그리고 저장된 전력 Voch의 전압이 전력 공급 대상 회로(3')의 활성화 전압보다 높거나 같은 경우에는 부하 구동 전력 저장 장치(10)와 전력 공급 대상 회로(3') 모두에 전력이 공급된다.
그 후, 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제어 하에 캐패시터(C1, C2)를 직렬 접속으로 스위칭하도록 동작한다. 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
전력 저장 장치(201)는 전력 공급 대상 회로(3') 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 전력을 공급하고, 그리고 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달한 경우, 캐패시터(C1, C2)는 직렬 접속으로 스위칭되어 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장하게 된다. 따라서, 캐패시터(C1, C2)를 효율적으로 충전할 수 있다.
전력 저장 시스템(200a)이 전력을 저장 중이기 때문에 전력 저장 시스템(200a)이 전력 공급 대상 회로(3')에 전력을 공급할 수 없는 경우에도, 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 저장된 전력은 전력 공급 대상 회로(3')에 공급될 수 있다. 따라서, 전력 공급 대상 회로(3')는 지속적으로 동작할 수 있다.
게다가, 전력 공급 대상(3a)에 공급되는 공급 전압 Vsup를 검출함으로써, 안전성 및 열화에 기반한 전력 공급 대상(3a)의 동작 전압 범위 및/또는 가동 전압 범위 내에서 공급 전압 Vsup를 제어할 수 있다.
<제2 변형 실시예>
도 32는 제3 실시예의 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치(201b)의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 32에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(201b)는 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13Ab)을 포함한다.
전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13Ab)은, 공급 전압 Vsup가 검출되는 경우, 전력 공급 대상(3)에서 발생하는 노이즈 및/또는 전력 생성 디바이스(2)에서 발생하는 노이즈로 인해 전력 저장 장치(201b)의 동작이 불안정해지는 것을 방지하기 위한 안정화 회로를 포함한다. 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13Ab)에 의해, 전력 저장 장치(201b)의 동작은 안정화될 수 있다. 그 이외의 구성 및 동작은 전력 저장 장치(201)와 유사하므로, 그에 대한 중복 설명은 생략된다.
<제3 변형 실시예>
<구성예>
도 33은 제3 실시예의 제3 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치(201c)의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 33에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(201c)는 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13Ac) 및 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5Bc)을 포함한다.
전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13Ac)은 공급 전압 Vsup를 검출하기 위한 전류 비교기를 구성하는 공핍 트랜지스터(Tr13) 및 N-ch 트랜지스터(Tr14)를 포함한다. 이러한 경우, 공핍 트랜지스터(Tr13)에 흐르는 전류는 정전류 Itr13이다. P-ch 트랜지스터(Tr14)와 공핍 트랜지스터(Tr13)는 전류 비교기로서 동작하고, 따라서, P-ch 트랜지스터(Tr14)의 전류 Itr14가 정전류 Itr13보다 큰 경우, 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달하게 된다. 이에 비해, 전류 Itr14가 정전류 Itr13보다 작은 경우, 출력 신호 
3은 하이 레벨에 도달하게 된다. N-ch 트랜지스터(Tr14)와 공핍 트랜지스터(Tr13) 사이의 트랜지스터 사이즈 비율에 따라 임계치 전압값이 설정될 수 있다.
직렬 복원 제어 유닛(14c)에서, 공급 전압 Vsup가 임계치 전압값 이상인 경우, P-ch 트랜지스터(Tr15)가 턴오프된다. P-ch 트랜지스터(Tr15)는 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50Bc)의 저항기(R3)의 Vin측 단자와 Vin 단자 사이에 접속된다. 그 후, 캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속된 상태에서, N-ch 트랜지스터(Tr5)는 턴오프된다. 따라서, N-ch 트랜지스터(Tr2)의 게이트에 인가되는 전압은 입력 전압(Vin)과 R3+R4+R5에 대한 R4+R5의 저항 비율을 승산함으로써 획득되는 분압 전압이 되고, 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값은 제2 전압값에서 제2 전압값보다 작은 제4 전압값으로 감소 및 변경된다.
그 후, 입력 전압(Vin)이 제4 전압값 이하가 되는 경우, 캐패시터(C1, C2)를 직렬로 접속하기 위한 하이 레벨의 제어 신호 
1과 로우 레벨의 제어 신호 
2는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5Bc)으로부터 출력된다.
또한, 캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되어 있는 동안 캐패시터(C1, C2)가 임계치 전압값 이상인 공급 전압 Vsup로 충전되는 경우에도, N-ch 트랜지스터(Tr2)의 게이트에 인가되는 전압은, 입력 전압(Vin)과 R3+R4+R5에 대한 R4+R5의 저항 비율을 승산함으로써 획득되는 분압 전압이 되고, 직렬-병렬 스위칭 임계치 전압값은 제1 전압값에서 제1 전압값보다 작은 제5 전압값으로 감소 및 변경된다.
공급 전압 Vsup가 임계치 전압값 미만인 경우, N-ch 트랜지스터(Tr14)가 턴오프되고, 출력 신호 
3이 하이 레벨에 도달하며, 그리고 P-ch 트랜지스터(Tr15)는 턴오프된다. N-ch 트랜지스터(Tr2)의 게이트에 인가되는 전압은 입력 전압(Vin)과 R3+R6+R4+R5에 대한 R4+R5의 저항 비율을 승산함으로써 획득되는 분압 전압이 된다. 병렬 접속에서 직렬 접속으로의 복원 전압은 제4 전압값에서 제2 전압값으로 변경된다. 직렬 접속에서 병렬 접속으로의 복원 전압은 제5 전압값에서 제1 전압값으로 변경된다.
<동작의 예>
이어서, 도 34를 참조하여 전력 저장 장치(201c)(도 33 참조)의 동작을 설명한다.
도 34는 도 33의 전력 저장 장치(201c)의 동작의 일 예를 도시하는 타이밍 차트이다. 도 34는 전력 저장 시스템(200a) 내의 부하 구동 전력 저장 장치(10)가 전력 공급 대상(3a)에 포함되는 전력 저장 시스템(200a)에 대해 전력 저장 장치(201c)가 적용되는 경우의 동작의 일 예를 도시한 것이다.
정류 회로(4)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하고, 정류된 전력은 전력 저장 장치(201c)에 입력된다.
시간 T0에서, 캐패시터(C1, C2)는 전력을 저장하지 않는 상태에 있다.
시간 T1에서, 정류된 전력은 전력 저장 장치(201c) 내로 입력되기 시작한다. 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 고임피던스 구성을 갖고 있기 때문에, 전력 생성 디바이스(2)로부터 고임피던스로 출력되는 전력이 활성화되어, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)으로 하여금 제어 신호 
1 및 
2를 생성하게 한다.
전력이 저장되기 시작하는 경우, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 도달하고 제어 신호 
2는 로우 레벨에 도달하게 된다. 따라서, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은, 스위치(Sw1, Sw3)를 턴오프하고 스위치(Sw2)를 턴온하도록 활성화된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속된다. 또한, 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)으로부터의 출력 신호 
3은 하이 레벨에 도달되고, 따라서 직렬 복원 제어 유닛(14)의 N-ch 트랜지스터(Tr15)가 턴온된다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되어 있는 동안 입력 전압(Vin), 즉, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력이 10V(즉, 제1 전압)에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(5Bc)은 시간 T2에서 제어 신호 
1을 로우 레벨로 스위칭하고 제어 신호 
2를 하이 레벨로 스위칭하도록 동작한다.
이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴오프하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴온하도록 활성화된다. 그 결과, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된다. 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되는 경우, 전압은 (Vin = VC1+VC2)에서 (Vin = VC1 = VC2)로 변경된다. 따라서, 저장된 전력의 전압(즉, 입력 전압(Vin))이 절반만큼 (10V에서 5V로) 감소함과 동시에, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은 전력 공급 대상(3a)에 공급되고, 따라서, 전력 공급 대상(3a)의 전압은 증가하게 된다.
그 후, 시간 T2에서, 전력 저장 장치(201c)는 전력 공급 대상(3a)에 전력을 공급하기 시작한다. 그 후, 시간 T3에서, 입력 전압(Vin)이 3.5V(제2 전압값의 일 예) 이하에 도달하는 경우, 출력 신호 
3은 하이 레벨에 도달하게 된다. 직렬 복원 제어 유닛(14)의 N-ch 트랜지스터(Tr15)는 오프 상태로 유지된다. 따라서, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 있고, 제어 신호 
2는 로우 레벨에 있게 된다. 스위치(Sw1, Sw3)이 턴오프되고 스위치(Sw2)가 턴온되는 경우, 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속되고, 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
시간 T2에서 T3까지 전력 생성 디바이스(2)로부터 전력을 수신하지 않는 것으로 간주된다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되어 있는 동안 입력 전압(Vin), 즉, 전력 생성 디바이스(2)로부터의 전력이 10V(즉, 제1 전압값)에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(5Bc)은 시간 T4에서 제어 신호 
1을 로우 레벨로 그리고 제어 신호 
2를 하이 레벨로 스위칭하도록 동작한다. 이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴오프하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴온시키도록 동작한다. 그 결과, 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되는 경우, 전압은 (Vin = VC1+VC2)에서 (Vin = VC1 = VC2)로 변경된다. 따라서, 저장된 전력의 전압(즉, 입력 전압(Vin))이 절반만큼 (10V에서 5V로) 감소함과 동시에, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은 전력 공급 대상(3a)에 공급되고, 따라서, 전력 공급 대상(3a)의 전압은 증가하게 된다.
전력 공급 대상(3a)의 전압이 증가하고 시간 T9에서 공급 전압 Vsup가 2.8V(임계치 전압값의 일 예)에 도달하는 경우, 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)의 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달하고, 직렬 복원 제어 유닛(14)의 N-ch 트랜지스터(Tr5)는 턴온된다. N-ch 트랜지스터(Tr2)의 게이트에 인가되는 전압은 입력 전압(Vin)과 R3+R4+R5에 대한 R4+R5의 저항 비율을 승산함으로써 획득되는 분압 전압이 되고, 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값은 3.5V(제2 전압값의 일 예)에서 3.0V(제4 전압값의 일 예)로 변경된다. 입력 전압(Vin)과 R3+R4+R5에 대한 R4+R5의 저항 비율을 승산함으로써 획득되는 분압 전압이 유지되므로, 직렬-병렬 스위칭 임계치 전압값은 제1 전압값에서 10V(제1 전압값의 일 예)보다 작은 8V(제5 전압값의 일 예)로 스위칭된다.
그 후, 시간 T11에서, 공급 전압 Vsup가 임계치 전압 이상이므로, 입력 전압(Vin)이 3.0V 이하가 되는 경우, 출력 신호 
3은 로우 레벨에 도달하게 된다. 직렬 복원 제어 유닛(14)의 N-ch 트랜지스터(Tr15)는 온 상태로 유지된다. 따라서, 제어 신호 
1은 하이 레벨에 도달하고, 제어 신호 
2는 로우 레벨에 도달하게 된다. 그 결과, 스위치(Sw1, Sw3)는 턴오프되고, 스위치(Sw2)는 턴온된다. 따라서, 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속되고, 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되어 있는 동안 입력 전압(Vin)이 8V에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50Bc)은 시간 T12에서 제어 신호 
1을 로우 레벨로 스위칭하고 제어 신호 
2를 하이 레벨로 스위칭하도록 동작한다. 이에 응답하여, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 스위치(Sw2)를 턴오프하고 스위치(Sw1, Sw3)를 턴온시키도록 동작한다. 그 결과, 캐패시터(C1, C2)는 병렬로 접속된다.
전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)가 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭되는 경우, 전압은 (Vin = VC1+VC2)에서 (Vin = VC1 = VC2)로 변경된다. 따라서, 저장된 전력의 전압(즉, 입력 전압(Vin))이 절반만큼 (8V에서 4V로) 감소함과 동시에, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은 전력 공급 대상(3a)에 공급되고, 따라서, 전력 공급 대상(3a)의 전압은 증가하게 된다.
이 경우에, 직렬-병렬 스위칭 임계치 전압값은 제5 전압값과 동일하다. 따라서, 병렬 접속 동안의 전압(Vin=VC1=VC2)은 낮아지고, 부하 구동 전력 저장 장치(10)에 전력을 공급하기 위한 전력 공급 성능은 저하된다.
시간 T9에서 시간 T15까지, 공급 전압 Vsup가 임계치 전압값보다 높은 한, 입력 전압(Vin)이 제4 전압값에 도달하는 경우 캐패시터(C1, C2)의 접속은 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭되고, 그리고 입력 전압(Vin)이 제5 전압값 이상에 도달하는 경우 캐패시터(C1, C2)의 접속은 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭된다.
시간 T15에서 공급 전압 Vsup가 임계치 전압값 이하에 도달하는 경우, 시간 T16에서 입력 전압(Vin)이 제2 전압값에 도달하면 캐패시터(C1, C2)의 접속은 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭된다.
이어서, 시간 T17에서, 입력 전압(Vin)이 제4 전압값에 도달하는 경우 캐패시터(C1, C2)의 접속은 직렬 접속에서 병렬 접속으로 스위칭된다.
전술한 방식에서, 부하 구동 전력 저장 장치(10)를 포함하는 전력 공급 대상(3a)이 접속되어 있는 경우, 전력 저장 장치(201c)는, 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13Ac)에 의해 검출된 검출값에 따라 공급 전압 Vsup를 제어할 수 있다.
전술한 예에서, 전력 저장 시스템(200a) 내의 부하 구동 전력 저장 장치(10)가 전력 공급 대상(3a)에 포함되는 전력 저장 시스템(200a)에 대해 전력 저장 장치(201c)가 적용되는 경우의 동작을 설명하였다. 그러나, 전력 저장 장치(201c)는 또한 전력 공급 대상(3a)이 부하 구동 전력 저장 장치(10)를 포함하지 않는 경우에도 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 구체적으로, 전력 저장 장치(201c)가 병렬 접속된 상태에서 전력 생성 디바이스(2)로부터 전력이 지속적으로 공급되어 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력의 전압을 증가시키고, 전력 저장 장치(201c)로부터의 공급 전압 Vsup가 2.8V 이상에 도달하는 경우, 공급 전압 Vsup는 제어될 수 있다.
전력 저장 장치(201c)에서는, 공급 전압 Vsup가 검출되는 경우 공급 대상(3a)에서 발생하는 노이즈 및/또는 전력 생성 디바이스(2)에서 발생하는 노이즈로 인해 전력 저장 장치의 동작이 불안정해지는 것을 방지하기 위한 안정화 회로가 제공될 수 있다.
도 35는 안정화 회로가 제공된 전력 저장 장치(201d)의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 35에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(201d)는 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13Ad)을 포함한다.
전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13Ad)은, 공급 전압 Vsup가 검출되는 경우 전력 공급 대상(3a)에서 발생하는 노이즈 및/또는 전력 생성 디바이스(2)에서 발생하는 노이즈로 인해 전력 저장 장치(201d)의 동작이 불안정해지는 것을 방지하기 위한 안정화 회로를 포함한다. 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13Ad)에 의해, 전력 저장 장치(201d)의 동작은 안정화될 수 있다. 그 이외의 구성 및 동작은 전력 저장 장치(201)와 유사하므로, 그에 대한 중복 설명은 생략된다.
<제4 변형 실시예>
위의 예에서, 2개의 캐패시터(C1, C2)를 포함하는 전력 저장 장치를 설명하였지만, 캐패시터의 개수는 이에 제한되지는 않는다. 캐패시터의 개수는 더 증가될 수 있다. 도 36은 더 많은 캐패시터가 제공된 전력 저장 장치(201e)의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 구체적으로, 도 36은 4개의 캐패시터와 4개의 캐패시터의 접속을 스위칭하기 위한 4-직렬 및 병렬 스위칭 IC(90A)를 포함하는 전력 저장 유닛(70)의 내부 블록을 도시한 것이다.
직렬 및 병렬 선택기 스위칭 유닛(60)은 도 29의 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 해당하며, 스위치 그룹(61, 62, 63)을 포함한다. 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 병렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(61, 62, 63)의 각각은 턴온되고, 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 직렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(61, 62, 63)의 각각은 턴오프된다. 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 직렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(62)은 턴온되고, 캐패시터(C1, C2, C3, C4)가 병렬로 접속되는 경우, 스위치 그룹(62)은 턴오프된다. 스위치(80)는 도 29의 출력 스위칭 유닛(8)에 해당한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5D)은 도 29에 도시된 2개의 캐패시터를 스위칭하기 위한 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)에 해당한다. 다수의 캐패시터가 도 18에 도시된 바와 같이 다단에서 직렬로 캐스코드 접속되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5D)은 마스터측과 슬레이브측을 스위칭하기 위한 마스터 및 슬레이브 스위칭 회로(55)를 포함한다.
마스터 및 슬레이브 스위칭 회로(55)가 제공되면, 다수의 IC는 슬레이브 IC로서 캐스코드 접속되도록 구성되고, 다수의 IC 각각의 출력 전압(Vout) 출력은 4-직렬 및 병렬 스위칭 마스터 IC에 접속되도록 구성되어 다단 접속을 달성하게 된다.
전술한 방식에서, 다단 접속이 이와 같이 형성되는 경우, 마스터/슬레이브 방식에 따라 다수의 IC를 제어하여 다단 접속을 제어한다. 따라서, 더 많은 개수의 단에서 캐패시터가 접속될 수 있고, 훨씬 더 높은 효율이 달성될 수 있다.
<제5 변형 실시예>
이어서, 제5 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(200f)을 설명한다.
<전력 저장 시스템(200f)의 구성예>
도 37을 참조하여 전력 저장 시스템(200f)의 구성을 설명한다. 도 37은 제3 실시예의 제5 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(200f)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 37에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(200f)은 전력 공급 대상(3f)을 포함한다. 전력 공급 대상(3f)은 제2 전력 저장 유닛(10f)을 포함한다.
정류 회로(4)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하고, 전력 저장 시스템(200f), 즉, 전력 저장 장치(7)에서 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)는 정류된 전력을 저장한다. 그 후, 저장된 전력의 전압이 제1 전압값에 도달하는 경우, 캐패시터(C1, C2)는 병렬 접속으로 스위칭된다. 따라서, 병렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는 제2 전력 저장 유닛(10f) 및 전력 공급 대상 회로(3') 모두에 전력을 병렬로 공급한다.
제2 전력 저장 유닛(10f)은 전기 이중층 캐패시터, 리튬 이온 캐패시터 등을 포함한다. 대안적으로, 제2 전력 저장 유닛(10f)은 리튬 이온 전지, 납축전지 등과 같은 다양한 전력 저장 디바이스로 구성될 수 있다. 제2 전력 저장 유닛(10f)은 전력을 저장하고 전력을 공급할 수 있는 장치이다. 제2 전력 저장 유닛(10f)은 전력 공급 대상 회로(3')에 동력을 공급하기 위한 전력을 전력 공급 대상 회로(3')에 공급한다.
제2 전력 저장 유닛(10f)에 의해 전력 공급 대상 회로(3')로의 전력 공급을 제어하는 방법은 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 외부 장치로부터 제공되는 제어 신호에 기반하여 제어를 수행할 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 제2 전력 저장 유닛(10f)에는 타이머가 제공될 수 있고, 제2 전력 저장 유닛(10f)은 타이머에 의해 측정된 시간에 기반하여 미리 결정되거나 또는 주어진 시간 간격으로 전력 공급 대상 회로(3')에 전력을 공급하도록 제어를 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력의 전압이 제1 전압값에 도달되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 캐패시터(C1, C2)를 병렬로 접속하도록 활성화된다. 그 후, 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은, Vin = VC1 = VC2 = Voch가 충족되도록, 제2 전력 저장 유닛(10f)에 공급되고 저장되며, 추가적으로, 캐패시터(C1, C2)에 저장된 전력은 전력 공급 대상 회로(3')에 공급된다. 이러한 경우, Voch는 제2 전력 저장 유닛(10f)에 저장된 전력의 전압을 표시한다.
그러나, 전력 공급 대상 회로(3')의 활성화 전압이 설정되어 있는 경우, 저장된 전력 Voch의 전압이 전력 공급 대상 회로(3')의 활성화 전압보다 낮은 경우에는 제2 전력 저장 유닛(10f)에만 전력이 공급되고, 그리고 저장된 전력 Voch의 전압이 전력 공급 대상 회로(3')의 활성화 전압보다 높거나 같은 경우에는 제2 전력 저장 유닛(10f) 및 전력 공급 대상 회로(3') 모두에 전력이 공급된다.
그 후, 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력의 전압이 제2 전압값 이하에 도달되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제어 하에 캐패시터(C1, C2)를 직렬 접속으로 스위칭하도록 동작한다. 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)은 전력 저장 유닛(7)으로부터 공급되는 전력 공급 대상 회로(3')의 전압을 검출하고, 검출값을 직렬 복원 제어 유닛(14)에 출력한다. 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)에 의해 검출된 검출값이 임계치 전압값 이상에 도달하는 경우, 직렬 복원 제어 유닛(14)은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)을 이용하여 병렬-직렬 스위칭 임계치 전압값을 제2 전압값에서 제4 전압값으로 변경한다. 그 후, 병렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)의 전압이 제4 전압값 이하에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 활성화하여, 캐패시터(C1, C2)의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭한다. 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장한다.
전력 저장 시스템(200f)이 전력을 저장 중이기 때문에 전력 저장 시스템(200f)이 전력 공급 대상 회로(3')에 전력을 공급할 수 없는 경우에도, 제2 전력 저장 유닛(10f)에 저장된 전력은 전력 공급 대상 회로(3')에 공급될 수 있다. 따라서, 전력 공급 대상 회로(3')는 지속적으로 동작할 수 있다.
<전력 저장 시스템(200f)의 동작 및 효과>
위에서 설명된 바와 같이, 제5 변형 실시예에서는, 제2 전력 저장 유닛(10f)과 전력 공급 대상 회로(3')가 접속되어 있는 경우에도, 전력 저장 시스템(200f)은 전력 공급 대상(3f)에 대한 공급 전압을 검출함으로써, 안전성 및 열화에 기반한 제2 전력 저장 유닛(10f) 및 전력 공급 대상 회로(3')의 동작 전압 범위 및/또는 가동 전압 범위 내에서 동작할 수 있다.
게다가, 다수의 캐패시터가 직렬로 접속되는 동안 전력 공급 대상(3f)에 전력이 공급될 수 있어, 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있다.
제5 변형 실시예에서는, 전력 저장 장치(201)가 2개의 캐패시터(C1, C2)를 포함하는 예가 도시되었다. 그러나, 캐패시터의 개수는 이에 제한되지는 않는다. 캐패시터의 개수는 더 증가될 수 있다. 캐패시터의 개수가 증가되는 경우, 전력 공급 대상(3)은, 전력 생성 디바이스(2)가 전력을 생성하는 타이밍에 의존하지 않고, 지속적으로 동작할 수 있다.
<제6 변형 실시예>
이어서, 도 38을 참조하여 제6 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(200g)을 설명한다.
도 38은 제3 실시예의 제6 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 38에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(200g)은 전력 공급 대상(3g)과 노멀리 오프 회로(36)를 포함한다. 전력 공급 대상(3g)은 메모리(33), 마이크로 처리 유닛(MPU)(34), 및 무선 통신 디바이스(35)를 포함한다. 전력 공급 대상(3g)의 예는 IoT 디바이스 등을 포함한다.
메모리(33)는 다양한 정보, 예를 들어, 다양한 프로그램 및 데이터, IoT 디바이스에 의해 획득된 측정 데이터, 이미지 등을 저장한다. 메모리(33)는 휘발성 또는 비 휘발성 반도체 메모리와 같은 저장 디바이스로 구성된다. 메모리(33)는 판독 전용 메모리(Read Only Memory)(ROM) 및/또는 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory)(RAM)를 포함한다는 것에 주목해야 한다.
MPU(34)는 프로세서 등으로 구성되고, 각 유닛의 동작 및 전력 공급 대상(3g)의 전체 동작을 제어한다.
무선 통신 디바이스(35)는 다른 디바이스 또는 디바이스에 접속되고, 정보를 전송 및 수신하기 위한 인터페이스로서 기능한다. 무선 통신 디바이스(35)는 USB 커넥터 등을 포함할 수 있다.
노멀리 오프 회로(36)는, 정상적 상황에서는 전력 저장 장치(1a) 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)로부터 전력 공급 대상(3g)로의 전력 공급을 차단하고, 전력 공급 대상(3g)이 전력을 필요로 하는 경우 임의의 주어진 타이밍에 전력 저장 장치(1a) 및 부하 구동 전력 저장 장치(10)로 하여금 전력 공급 대상(3g)에 전력을 공급하게 하는 전기 회로이다. 노멀리 오프 회로(36)는 MOSFET 등을 포함하도록 구성된다.
전력 저장 시스템(200g)의 구성에 따라, 정상적 상황에서는 전력의 공급을 차단하고, 전력 공급 대상(3g)이 전력을 필요로 하는 경우 임의의 주어진 타이밍에 전력을 공급하여, 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 제3 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(200g)은, 정상적 상황에서는 전력 공급을 차단하는 경우가 많고, 미리 결정되거나 주어진 사이클에서만 또는 미리 결정되거나 주어진 조건 하에서만 데이터 획득 및 데이터 전송을 수행하는 IoT 디바이스 등에 특히 적합하다.
위의 실시예에서, 일 예로서, 제1 전압값은 10V로 설정되고, 제2 전압값은 3.5V로 설정되고, 임계치 전압값은 2.8V로 설정되고, 제4 전압값은 3.0V로 설정되고, 그리고 제5 전압값은 8V로 설정된다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지는 않으며, 이들 값은 적절하게 변경될 수 있다.
예를 들어, 리튬 이온 2차 전지와 같은 전지는 충전 전압을 모니터링함으로써 과충전 및 과방전을 보호할 수 있거나 충전 전압에 따라 충전 상태(state of charge)(SoC)를 관리함으로써 열화를 완화할 수 있다. 이러한 경우, 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성되는 전력량과 전력 공급 대상(3)에 의해 소비되는 전력량으로부터 제1 전압값 내지 제5 전압값을 미리 계산 및 설정할 수 있고, 그리고 공급 전압 Vsup를 검출함으로써 SoC를 관리할 수 있다.
실시예는 또한 제어 장치를 포함한다. 예를 들어, 제어 장치는, 전력을 저장하는 복수의 전력 저장 디바이스를 포함하는 전력 저장 유닛, 복수의 전력 저장 디바이스의 접속을 직렬 접속 또는 병렬 접속으로 스위칭하도록 구성된 직렬 및 병렬 스위칭 유닛, 및 직렬 및 병렬 스위칭 유닛에 의해 수행되는 스위칭을 제어하도록 구성된 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛을 포함하는 전력 저장 장치를 제어하기 위한 제어 장치이고, 이러한 제어 장치는, 전력 저장 장치로 하여금, 복수의 전력 저장 디바이스가 병렬로 접속되는 경우 전력 저장 유닛으로부터 전력 공급 대상으로 공급되는 공급 전압에 기반하여, 다수의 전력 저장 디바이스의 접속을 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭하게 하도록 구성된 직렬 복원 제어 유닛을 포함한다. 이러한 제어 장치에 따르면, 전술한 전력 저장 장치의 효과와 유사한 효과를 얻을 수 있다.
<제4 실시예>
제4 실시예에 따른 전력 저장 장치는 부하 회로에 접속되는 전력 저장 장치이며, 그리고 전하를 저장하는 복수의 전력 저장 디바이스를 포함하는 전력 저장 유닛, 복수의 전력 저장 디바이스의 접속을 직렬 접속 또는 병렬 접속으로 스위칭하도록 구성되는 직렬 및 병렬 스위칭 유닛, 및 직렬 및 병렬 스위칭 유닛에 의해 수행되는 스위칭을 제어하도록 구성되는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛을 포함한다.
제4 실시예에서, 2차 전지는 전력 저장 유닛으로부터 출력되는 전하를 저장하며, 그리고 2차 전지는 부하 회로에 전압을 출력하여 부하 회로에 전력을 제공한다. 2차 전지는 남아 있는 전지 레벨을 나타내는 충전 상태(SoC) 등에 따라 출력 전압이 크게 변하지 않는 특성을 갖는다. 따라서, 전력 저장 유닛의 전력을 2차 전지를 통해 부하 회로에 공급함으로써, 전력 저장 장치로부터 부하 회로로의 출력 전압의 변화가 완화된다.
먼저, 제4 실시예에 따른 전력 저장 장치(1)를 포함하는 전력 저장 시스템(100)을 설명한다. 제4 실시예에 따른 전력 저장 장치(1)를 포함하는 전력 저장 시스템(100)에 대한 설명에서, 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치(1)를 포함하는 전력 저장 시스템(100)과 유사한 구성을 갖는 구성 요소는 제1 실시예의 도면을 참조함으로써 유사한 참조 부호로 설명된다.
<전력 저장 시스템(100A)의 구성예>
도 39는 제4 실시예에 따른 전력 저장 시스템(즉, 에너지 저장 시스템)(10)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 39에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(100A)은 전력 저장 장치(1), 전력 생성 디바이스(2), 부하 회로(3), 및 정류 회로(4)를 포함한다.
전력 저장 시스템(100A)은, 정류 회로(4)(정류 유닛의 일 예)로 하여금 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 정류하게 한 후, 정류된 전력을 전력 저장 장치(1)에 저장하고, 그리고 저장된 전력을 부하 회로(3)에 공급하기 위한 시스템이다.
전력 생성 디바이스(2)는 전력 생성 고무, 압전 소자, 또는 정전기 유도를 이용함으로써 외부 자극에 의해 전하를 생성하기 위한 디바이스이다. 전력 생성 디바이스(2)는 고전압 및 저전류 전력을 생성한다. 이러한 전력 생성 디바이스(2)는 나중에 도 3을 참조하여 상세히 설명된다.
전력 저장 장치(1)는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 전력 저장 유닛(7), 및 2차 전지(10A)를 포함한다. 그 중, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 제어하기 위한 전기 회로이다. 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 전력 저장 유닛(7)에 포함된 캐패시터(C1, C2)의 접속 상태를 직렬 접속에서 병렬 접속으로 또는 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭하기 위한 전기 회로이다. 캐패시터(C1, C2)는 복수의 전력 저장 디바이스의 일 예이다.
정류 회로(4)로부터 수신된 전력을 전력 저장 유닛(7)에서 직렬로 접속된 캐패시터(C1, C2)에 저장한다. 그 후, 전력 저장 유닛(7)에 저장된 전력은, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 의해 병렬 접속으로 스위칭되는 캐패시터(C1, C2)로부터 2차 전지(10A)에 공급된다.
2차 전지(10A)는, 예를 들어, 리튬 이온 전지, 납축전지 등과 같이, 전력을 저장하고 전력을 공급할 수 있는 디바이스이다. 2차 전지(10A)는 전력 저장 유닛(7)으로부터 공급되는 전력을 저장하고, 부하 회로(3)를 구동하기 위한 구동 전압을 부하 회로(3)에 출력한다.
부하 회로(3)는, 예를 들어, 발광 다이오드(LED), 중앙 처리 장치(CPU)의 기능을 갖는 집적 회로(IC), 센서, 무선 전송 IC, IoT 디바이스 등과 같은 부하이다.
전력 저장 시스템(100A)은 캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속된 상태에서 전력을 저장하고, 전력이 저장 중인 동안 전력의 전압이 제1 전압값에 도달하는 경우 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 제어하여 캐패시터(C1, C2)를 병렬 접속으로 스위칭하도록 한다. 병렬 접속된 캐패시터(C1, C2)는 2차 전지(10A)에 전력을 공급한다.
그 후, 캐패시터(C1, C2)가 전력을 공급하는 동안 캐패시터(C1, C2)의 전압이 제2 전압값 이하에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 제어하여 캐패시터(C1, C2)를 직렬 접속으로 스위칭한다. 그 후, 캐패시터(C1, C2)가 직렬로 접속되면, 캐패시터(C1, C2)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 다시 저장한다.
전력 저장 시스템(100A)은 전술한 방식으로 캐패시터(C2)의 접속 상태를 전력 저장과 전력 공급 사이에서 스위칭하며, 전력 저장 효율을 향상시킬 수 있다.
<전력 생성 디바이스의 동작의 예>
이어서, 전력 생성 디바이스(2)의 동작을 설명한다. 전력 생성 디바이스(2)는 전력 생성 디바이스(2)에 가해지는 분리력, 마찰력, 진동력, 변형력, 압력 등에 응답하여 전하를 발생시킴으로써 전력을 생성하는 전력 생성 고무 등으로 구성되는 디바이스이다. 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성되는 전력량은 10 내지 1000V(예를 들어, 40V)의 전압, 50㎁ 내지 100㎂(예를 들어, 6㎂)의 전류 등으로 이루어진다.
이러한 경우, 도 2는 전력 생성 디바이스(2)의 동작의 일 예를 설명하기 위한 도면이다. 전력 생성 디바이스(2)는 미리 결정되거나 주어진 전하를 갖는 전류를 고저항으로 출력한다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 생성 디바이스(2)는 전류 소스(21)와 내부 저항(22)으로 표현될 수 있다. 내부 저항(22)의 저항 값은 1 내지100MΩ(메가옴)(예를 들어, 10MΩ)이다.
이하, 도 4a, 도 4b, 및 도 5를 참조하여 전력 생성 디바이스(2)에 접속되는 캐패시터 및 부하 저항을 설명한다.
도 4a는 전력 생성 디바이스(2)에 접속된 캐패시터가 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 전력을 저장하는 경우 해당 캐패시터를 포함하는 등가 회로를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 4b는 캐패시터에 전력을 저장하는 조건에 따른 전력 저장 효율의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 4b에서, 실선은 100%로 정의된 최대 저장 에너지에 대한 캐패시터의 정전 용량에 따른, 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성되어 캐패시터에 저장된 에너지의 비율(%)의 변화를 나타낸다.
캐패시터의 정전 용량이 도 4b에서 백색 화살표로 표시된 정전 용량으로 설정된 경우, 해당 캐패시터와 정전류 소스 및 내부 저항을 포함한 전력 생성 디바이스(2)(출력측) 사이에서 임피던스 매칭이 달성되고, 그에 따라 전력을 최대 효율로 저장할 수 있다.
도 5a는 전력 생성 디바이스(2)가 부하 저항에 전력을 공급하는 경우 해당 전력 생성 디바이스(2)에 접속된 부하 저항의 등가 회로(즉, 부하 회로(3))를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 5b는 부하 저항에 전력을 저장하는 조건에 따른 전력 저장 효율의 일 예를 도시하는 그래프이다.
도 5b에서, 실선은 100%로 정의된 최대 공급 전력에 대한 부하 저항의 저항 값에 따른, 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성되어 캐패시터에 저장된 전력의 비율(%)의 변화를 나타낸다.
부하 저항의 저항 값을 도 5b에서 백색 화살표로 표시된 저항 값으로 설정하는 경우, 부하 저항과 전력 생성 디바이스(2)의 내부 저항은 서로 동일하다. 구체적으로, 내부 저항이 부하 저항의 저항 값과 같을 경우, 부하 회로(3)(출력측)와의 임피던스 매칭이 달성되므로, 전력을 최대 효율로 저장할 수 있다.
<캐패시터의 접속의 예>
이어서, 도 6 및 도 7을 참조하여 전력 저장 유닛(7)에서의 캐패시터(C1, C2)의 접속의 예를 설명한다. 도 6은 직렬 접속된 캐패시터(C1, C2)의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 7은 병렬 접속된 캐패시터(C1, C2)의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 3개의 스위치(Sw1, Sw2, Sw3)를 포함한다. 전력 저장 유닛(7)은 2개의 캐패시터(C1, C2)를 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)의 스위치(Sw2)가 ON 상태(즉, 접속 상태)에 있고 스위치(Sw1, Sw3)가 OFF 상태(즉, 접속 해제 상태)에 있는 경우, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 직렬로 접속된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)의 스위치(Sw1, Sw3)가 ON 상태에 있고 스위치(Sw2)가 OFF 상태에 있는 경우, 전력 저장 유닛(7)의 캐패시터(C1, C2)는 병렬 접속 상태에 있다.
<직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 구성예>
이어서, 도 8 및 도 9를 참조하여, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 구성을 설명한다.
도 8은 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)의 제1 구성예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50), 2개의 저항(R1, R2), 및 2개의 스위치(Sw4, Sw5)를 포함한다.
직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50)은 직렬 또는 병렬 접속을 스위칭하기 위한 기준이 되는 입력 전압(Vin)을 모니터링하고 제어 신호 S1을 출력하기 위한 전압 모니터링 회로(전압 모니터링 유닛의 일 예)로서 기능한다. 구체적으로, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50)은 단자(11)에 대한 입력 전압(Vin)의 검출 결과에 따라 제어 신호 S1을 생성하고, 생성된 제어 신호 S1을 이용하여 스위치(Sw4) 및 스위치(Sw5)를 제어한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)에서, 저항(R1) 및 스위치(Sw4)는 고임피던스로 구동되는 인버터(51)를 구성하고, 저항(R2) 및 스위치(Sw5)는 고임피던스로 구동되는 인버터(52)를 구성한다. 예를 들어, 스위치(Sw4, Sw5)는 전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은 N-ch(N 채널) 트랜지스터일 수 있다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 제어하기 위한 제어 신호 
1을 생성하고, 제어 신호 
1을 단자(53)를 통해 출력한다. 또한, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)을 제어하기 위한 제어 신호 
2를 생성하고, 제어 신호 
2를 단자(54)를 통해 출력한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5)에서, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50) 및 인버터(51)는 히스테리시스 생성 회로(H)로서 기능한다. 히스테리시스 생성 회로(H)는, 입력 전압(Vin)의 변화를 빠르게 검출하고, 신호가 로우 레벨에서 하이 레벨(대안적으로 하이 레벨에서 로우 레벨)로 스위칭된다면 그 신호가 다시 불안정하게 스위칭되는 것을 방지하기 위해, 스위칭 임계 값의 히스테리시스(차이)를 갖는다.
제4 실시예에서, 입력 전압(Vin)이 미리 결정된 또는 주어진 제1 전압값으로 상승할 때, 히스테리시스 생성 회로(H)는 제어 신호 
1을 하이 레벨에서 로우 레벨로 전환한다. 입력 전압(Vin)이 제1 전압값에서 미리 결정되거나 주어진 제2 전압값으로 강하되는 경우, 히스테리시스 생성 회로(H)는 제어 신호 
1을 로우 레벨에서 하이 레벨로 스위칭한다.
제4 실시예에서, 인버터(51)는 고임피던스의 저항(R1)을 갖고, 인버터(52)는 고임피던스의 저항(R2)을 가지므로, 압전 소자 또는 정전기 유도를 이용하여 고전압 및 저전류 전력을 생성하는 고임피던스 출력의 전력 생성 디바이스(2)라도 전력 저장 장치(1)의 회로를 구동할 수 있다. 예를 들어, 저항(R1, R2) 각각의 저항 값은 1MΩ 내지 500MΩ이다.
<전력 저장 장치(1)의 회로 구성의 예>
이어서, 전력 저장 장치(1)의 회로 구성이 이후 설명된다. 도 40은 제4 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 40에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(1)는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 전력 저장 유닛(7), 및 출력 스위칭 유닛(8)을 포함한다. 전력 저장 장치(1)는 다수의 IC의 기능이 집적된 단일 전력 저장 IC로서 구성될 수 있다는 것에 주목해야 한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B), 2개의 공핍 트랜지스터(Tr1, Tr3), 및 2개의 N-ch 트랜지스터(Tr2, Tr4)를 포함한다.
제4 실시예에서, 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)은 N-ch 트랜지스터(Tr5) 및 3개의 저항(R3, R4, R5)을 포함한다. 3개의 저항(R3, R4, R5)은 높은 저항 값(고임피던스)을 갖는 고임피던스의 저항기이다. N-ch 트랜지스터(Tr5)는 부하 회로(3)의 상태를 나타내는 신호를 수신할 수 있는 히스테리시스 생성 스위치이다.
직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)는 직렬 접속을 병렬 접속으로 스위칭하기 위한 입력 전압(Vin)을 모니터링하고, 제어 신호 S1을 출력한다.
직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B)에 의해 생성된 제어 신호 S1에 의해 제어되는 2개의 인버터(51B, 52B)를 갖는다.
인버터(51B)는 공핍 트랜지스터(Tr1) 및 N-ch 트랜지스터(Tr2)를 포함한다. 인버터(51B)로부터의 제어 신호 
1는 단자(53)를 통해 검색된다.
직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(50B) 및 인버터(51B)는 히스테리시스 생성 회로(H)를 구성한다. 인버터(52B)는 공핍 트랜지스터(Tr3) 및 N-ch 트랜지스터(Tr4)를 포함한다. 인버터(52B)로부터의 제어 신호 
2는 출력 단자를 통해 검색된다. 대안적으로, 인버터(51B, 52B) 각각은 N-ch 트랜지스터 및 저항기를 포함하도록 구성될 수 있다.
캐패시터(C1, C2)에 전력이 저장되어 있는 동안, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 하이 레벨의 제어 신호 
1과 로우 레벨의 제어 신호 
2를 출력하여 다수의 캐패시터(C1, C2)를 직렬로 접속한다. 그 후, 입력 전압(Vin)이 미리 결정되거나 주어진 제1 전압값에 도달하는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 로우 레벨의 제어 신호 
1과 하이 레벨의 제어 신호 
2를 출력하여 캐패시터(C1, C2)를 병렬로 접속한다.
그 후, 부하 회로(3)가 전력을 소비하고, 그에 따라 전압(Vin)이 미리 결정되거나 주어진 제2 전압값 미만으로 강하되는 경우, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 하이 레벨의 제어 신호 
1과 로우 레벨의 제어 신호 
2를 출력하여 캐패시터(C1, C2)를 직렬로 접속한다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)은 P-ch(P 채널) 트랜지스터(Tr6), N-ch 트랜지스터(Tr7), 및 아날로그 스위치(Tr8, Tr9)를 포함한다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에서, P-ch 트랜지스터(Tr6)는 도 6 및 도 7의 스위치(Sw1)에 해당하고, N-ch 트랜지스터(Tr7)는 도 6 및 도 7의 스위치(Sw3)에 해당한다. 스위치(Sw2)는 2개의 트랜지스터(Tr8, Tr9)를 포함하는 아날로그 스위치로 구성된다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6) 및 출력 스위칭 유닛(8)이 아날로그 스위치인 트랜지스터로 구성되는 경우, 전압 손실(전위차)이 발생하지는 않는다. 이에 비해, 스위치를 다이오드로 구성하면, 전압 손실이 발생한다. 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6) 및 출력 스위칭 유닛(8)은 아날로그 스위치인 트랜지스터로 구성되기 때문에, 스위치는 어떠한 전위차 없이도 동작될 수 있다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에서, P-ch 트랜지스터(Tr6) 및 N-ch 트랜지스터(Tr7)는 다이오드로 대체될 수 있다. 구체적으로, P-ch 트랜지스터(Tr6)를 다이오드로 대체하기 위해, 다이오드의 캐소드를 Vin 라인에 접속하고 다이오드의 애노드를 아날로그 스위치의 단자에 접속한다. N-ch 트랜지스터(Tr7)를 다이오드로 대체하기 위해, 다이오드의 캐소드를 아날로그 스위치의 단자에 접속하고 다이오드의 애노드를 GND 라인에 접속한다.
또한, 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에서, 다이오드는 P-ch 트랜지스터(Tr6) 및 N-ch 트랜지스터(Tr7)와 병렬로 접속될 수 있다. 구체적으로, P-ch 트랜지스터(Tr6)와 병렬로, 다이오드의 캐소드를 Vin 라인에 접속하고 다이오드의 애노드를 아날로그 스위치의 단자에 접속한다. N-ch 트랜지스터(Tr7)와 병렬로, 다이오드의 캐소드를 아날로그 스위치의 단자에 접속하고 다이오드의 애노드를 GND 라인에 접속한다.
위에 설명된 도 39에는 도시되지 않았지만, 전력 저장 장치(1)는, 도 40에 도시된 바와 같이, 캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속된 경우에만 2차 전지(10A)에 전력을 공급하기 위한 출력 스위칭 유닛(8)을 가질 수 있다. 출력 스위칭 유닛(8)은 P-ch 트랜지스터(Tr10) 및 N-ch 트랜지스터(Tr11)를 포함하는 아날로그 스위치로 구성된다.
전력 저장 장치(1)에서, 캐패시터(C1, C2)가 병렬로 접속된 경우에만 2차 전지(10A)에 전력을 공급하기 위한 출력 스위칭 유닛(8)은 P-ch 트랜지스터(Tr10)만으로 구성될 수 있다.
2차 전지(10A)는 전력 저장 유닛(7)으로부터 출력 스위칭 유닛(8)을 통해 공급되는 전력을 저장하고, 저장된 전력을 부하 회로(3)에 공급한다. 2차 전지(10A)의 동작은 나중에 도 41 및 후속 도면을 참조하여 설명된다.
전력 저장 장치(1)에서는 저항이 높은 저항기와 정전류 트랜지스터가 높은 저항을 가지므로, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)은 높은 저항 값(고임피던스)을 갖는다. 따라서, 전력 저장 장치(1)는 전력 생성 디바이스(2)에 의해 생성된 고전압 및 저전류 전력(예를 들어, 400V, 6㎂)보다 낮은 전류(예를 들어, 60㎃)로 구동될 수 있다.
도 40의 구성에서, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B), 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6), 및 출력 스위칭 유닛(8)을 구성하는 디바이스들의 임피던스의 합은 전력 생성 디바이스(2)의 내부 임피던스와 동일하거나 이를 초과하는 임피던스로 설정될 수 있다. 따라서, 전력 저장 장치(1)의 직렬 및 병렬 스위칭 동작을 구동하는 데 소비되는 전력이 감소될 수 있고, 전력 저장 효율은 증가될 수 있다.
직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6) 및 출력 스위칭 유닛(8)은 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터이다. 따라서, 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛(5B)에 의해 제어되는 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6) 및 출력 스위칭 유닛(8)은 이들 스위칭 유닛이 턴온되거나 턴오프되는 경우 MOS 트랜지스터의 게이트를 구동하기 위한 전력만을 소비한다. 따라서, 전력 저장 효율은 증가될 수 있다.
또한, 전력을 저장하기 위한 전력 저장 장치(1)의 임피던스는 전력을 공급하기 위한 전력 저장 장치(1)의 임피던스보다 높다. 따라서, 전력 저장 장치(1)는 고전압 및 저전류 전력을 저장할 수 있고, 따라서 전력 저장 효율은 증가될 수 있다. 예를 들어, 전력 저장 장치(1)에 의해 공급되는 전력의 전압은 3V이므로, 전력 저장 장치(1)는 수 밀리암페어의 전류를 소비하는 CPU와 같은 전기 디바이스를 구동할 수 있다.
도 40에서, 공핍 트랜지스터와 N-ch 트랜지스터로 구성된 인버터(51B, 52B)는 2단 구성을 갖지만, 더 높은 이득이 요구되는 경우 유사한 방식으로 인버터의 단수(number of stages of inverters)를 증가시킬 수 있다. 그 경우, 인버터(51B)로부터 출력되는 제어 신호 
1의 변경 타이밍과 인버터(52B)로부터 출력되는 제어 신호 
2의 변경 타이밍은 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)의 스위칭 타이밍에 맞추어 조정되는 것이 바람직하다.
<2차 전지(10A)의 동작>
이어서, 2차 전지(10A)의 동작을 설명한다.
2차 전지는 SoC 등에 따라 크게 변하지 않는 출력 전압을 갖는 특성을 갖는다. 제4 실시예에서, 이 특성을 이용함으로써, 2차 전지(10A)는 부하 회로(3)에 전압을 출력하며, 그에 따라 부하 회로(3)에 공급되는 전력 저장 장치(1)로부터의 출력 전압의 변화가 완화된다.
도 41은 2차 전지(10A)의 충전 시간(즉, 전력을 저장하는 데 소요되는 시간)에 따른 정전 용량, 전압 및 전류의 변화의 일 예를 도시하는 그래프이다. 도 41의 그래프에서, 실선(91)은 2차 전지(10A)의 정전 용량을 나타내고, 파선(92)은 출력 전압을 나타내고, 일점쇄선(93)은 충전 전류를 나타낸다. 도 41의 축에서, 좌측 축은 전압(V)을 나타내고, 우측 축은 전류(㎃) 및 정전 용량(㎃h)을 나타낸다. 정전 용량은 2차 전지(10A)에 저장된 에너지와 동등하다는 것에 주목해야 한다.
실선(91)에 의해 표시된 바와 같이, 2차 전지(10A)의 정전 용량은 충전 시간이 증가함에 따라 증가한다. 그러나, 파선(92)에 의해 표시된 바와 같이, 2차 전지(10A)의 전압은, 충전 시간이 증가하고 정전 용량이 증가하는 경우에도, 크게 변하지 않는다.
2차 전지(10A)의 출력 전압이 크게 변하지 않는다는 특성을 이용함으로써, 부하 회로(3)가 전력 저장 장치(1)에 저장된 전력을 사용하는 전력 사용 범위를 미리 정의한다. 따라서, 부하 회로(3)에 공급되는 2차 전지(10A)의 출력 전압의 변화는 원하는 범위 내로 감소될 수 있다.
예를 들어, 도 41에서 해칭으로 표시된 구역(94)의 정전 용량의 범위를 전력 사용 범위로 정의하는 경우, 부하 회로(3)에 공급되는 2차 전지(10A)의 출력 전압의 변화를 0.5V 이하로 감소시킬 수 있다(도 41의 전압 변화 범위(95) 참조).
이어서, 도 41은 전력 생성 디바이스(2)에 가해지는 단일 외부 자극에 응답하여 발생하는 전압 및 전류의 시간적 변화의 일 예를 도시하는 그래프이다.
전력 생성 디바이스(2)에 대한 단일 외부 자극에 응답하여 전력 저장 장치(1)를 충전하기 위한 충전 전압 및 충전 전류와 관련하여, 도 41에 도시된 바와 같이, 전압 변화 범위(95)는 충전 전압을 나타내고, 파선(96)은 충전 전류를 나타낸다.
도 41에 도시된 바와 같이, 충전 전류는 전력 생성 디바이스(2)에 외부 자극이 가해지는 순간 급격히 증가할 수 있지만, 충전 전류는 이러한 방식으로 급격하게 증가하지는 않는다. 따라서, 전력 저장 장치(1)를 이용하여 부하 회로(3)에 전압을 출력함으로써 출력 전압의 급격한 변화를 완화할 수 있다.
이어서, 도 43은 2차 전지(10A)의 전압 출력 특성의 일 예를 도시하는 그래프이다. 도 43에서, 가로 축은 2차 전지(10A)의 SoC를 나타내고, 세로 축은 2차 전지(10A)의 출력 전압을 나타낸다.
도 43에서, 전력 사용 범위 Wrange는 부하 회로(3)가 2차 전지(10A)에 의해 부하 회로(3)에 공급되는 전력을 사용하는 범위이다. 전압 사용 범위 Vrange는 전력 사용 범위 Wrange에 해당하는 출력 전압의 범위이다.
도 43에 도시된 바와 같이, 2차 전지(10A)의 전압 출력 특성은 SoC에 따른 전압 변화의 기울기가 작은 평탄한 범위를 갖는다. 예를 들어, 도 43의 예에서, 이 평탄한 범위는 SoC가 10% 이상 내지 90% 이하의 범위, 즉 SoC에 따른 전압 변화의 기울기가 작은 범위이다.
이러한 평탄한 범위, 즉, SoC가 10% 이상 내지 90% 이하의 범위는 부하 회로(3)가 전력을 사용하는 전력 사용 범위 Wrange로 미리 정의된다. 따라서, 전압 변화 범위 Vrange는 좁은 범위, 즉, 3.5V 이상 내지 3.7V 이하로 감소될 수 있다. 따라서, SoC에 따른 출력 전압의 변화는 완화될 수 있다. 이러한 경우, "SoC가 10% 이상 내지 90% 이하인 범위"는 "미리 결정되거나 주어진 범위"의 일 예이다.
<전력 저장 장치(1)의 효과>
일반적으로 캐패시터 등을 이용한 전력 저장 장치가 전력을 공급하는 경우, 전력 저장 장치의 SoC 등에 따라 전력 저장 장치의 출력 전압이 변할 수 있다. 예를 들어, 전력 저장 장치(1)가 출력 스위칭 유닛(8)로부터 부하 회로(3)로 전압을 바로 출력하도록 구성된 경우, 전력 저장 장치(1)의 출력 전압은 SoC에 따라 변경될 수 있다. 이와 같은 출력 전압의 변화에 따라 부하 회로(3)를 구동하기 위한 구동 전압이 변경되는 경우, 부하 회로(3)의 동작이 불안정해질 수 있다.
직류 전류 대 직류 전류(DC-DC) 변환 회로가 제공되어 DC-DC 변환 회로에 의해 변환된 전압을 부하 회로(3)에 인가하여 구동 전압의 변화를 완화하는 경우, DC-DC 변환 회로로 인해 전력 소비가 증가하고, 더욱이 전력 저장 장치의 복잡도, 사이즈, 및 비용이 증가한다.
이에 비해, 제4 실시예에서는 2차 전지(10A)를 통해 부하 회로(3)로 전압이 출력된다. 2차 전지(10A)는 출력 전압이 SoC에 따라 크게 변하지 않는 특성을 갖고 있으며, 따라서, 이러한 특성을 이용함으로써, 전력 저장 장치(1)로부터 부하 회로(3)에 공급되는 출력 전압의 변화를 완화할 수 있다. 제4 실시예에서, DC-DC 변환 회로 등을 사용하지 않고 부하 회로(3)에 전압이 인가될 수 있고, DC-DC 변환 회로에 의한 전력 소비의 증가가 완화될 수 있고, 또한, 전력 저장 장치의 복잡도, 사이즈, 및 비용의 증가가 완화될 수 있다.
제4 실시예에서, SoC에 따른 전압 변화의 기울기가 작은 전력 사용 범위 Wrange는 부하 회로(3)가 2차 전지(10A)로부터의 전력을 사용하는 전력 사용 범위로서 미리 정의된다. 전력 사용 범위 Wrange에서 전력을 사용하는 경우, SoC 등에 따른 출력 전압의 변화는 감소되고, 부하 회로(3)는 안정적으로 동작할 수 있다.
예를 들어, 부하 회로(3)가 전력을 사용하는 전력 사용 범위 Wrange는 SoC가 10% 이상 내지 90% 이하인 범위에서 정의되므로, 전압 변화 범위 Vrange는 좁은 범위, 즉, 3.5V 이상 내지 3.7V 이하로 감소되고, SoC에 따른 출력 전압의 변화는 완화될 수 있다.
게다가, 제4 실시예에 따른 2차 전지(10A)는 출력 전압의 전력을 부하 회로(3)에 안정적으로 공급할 수 있고, 전하를 축적함으로써 전력을 저장할 수 있다. 따라서, 2차 전지(10A)는 또한 전력 소스로도 사용될 수 있다. 2차 전지(10A)에 저장된 전력을 사용함으로써, 전력 저장 시스템(100A)이 활성화된 직후에 부하 회로(3)에 전력을 공급할 수 있다.
게다가, 2차 전지(10A)는 출력 임피던스가 작기 때문에, 2차 전지(10A)는 부하 회로(3)의 부하 전류가 급격하게 변화하는 경우에 대처할 수 있다. 또한, 2차 전지(10A)는 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy)(BLE), 즉, 블루투스(등록상표)의 저전력 사양에 기반한 무선 통신을 지원할 수 있다.
<제1 변형 실시예>
이어서, 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)을 설명한다.
도 44는 제4 실시예의 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 44에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(100a)은 전력 저장 장치(1a)를 포함한다. 전력 저장 장치(1a)는 전력 저장 장치(1a')와 2차 전지(10Aa)를 포함한다. 또한, 전력 저장 장치(1a')는 2차 전지(10Aa)의 충전량을 제어하기 위한 충전 제어 유닛(101)과, 2차 전지(10Aa)로부터의 방전량을 제어하기 위한 방전 제어 유닛(102)를 포함한다.
2차 전지(10Aa)는 출력 제어 회로(103)를 포함한다. 방전 제어 유닛(102)과 출력 제어 회로(103)는 전기적으로 접속되고, 방전 제어 유닛(102)은 출력 제어 회로(103)를 제어함으로써 2차 전지(10Aa)로부터의 방전량을 제어할 수 있다. 이 출력 제어 회로(103)는 “출력 제어 유닛”의 일 예이다.
이어서, 도 45는 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 45에 도시된 바와 같이, 충전 제어 유닛(101)은 N-ch 공핍 트랜지스터(Tr12), N-ch 인핸스먼트 트랜지스터(Tr13), N-ch 트랜지스터(Tr14), 저항(R4), 및 저항(R5)을 포함하고, 2차 전지(10Aa)의 전압 VCin에 기반하여 2차 전지(10Aa)의 충전을 제어한다.
구체적으로, 충전 제어 유닛(101)은, 2차 전지(10Aa)에 저장되는 충전량이 2차 전지(10Aa)의 전압 VCin에 기반하여 미리 정의된 충전 상한값을 초과하지 않도록, 2차 전지(10Aa)에 저장되는 충전량을 제어한다. 전압 VCin은 "전지 입력 전압"의 일 예이다.
캐패시터(C1, C2)의 접속 상태가 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 의해 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭되는 경우, N-ch 트랜지스터(Tr14)의 입력 신호 
1은 로우 레벨에서 하이 레벨로 변경되고, N-ch 트랜지스터(Tr14)는 턴온된다. N-ch 트랜지스터(Tr14)가 턴온되는 경우, 저항(R4, R5)을 통해 전류가 흐른다. 전압 VCin이 미리 결정되거나 주어진 상한 전압값 이상에 도달하는 경우, N-ch 인핸스먼트 트랜지스터(Tr13)는 턴온되고, N-ch 공핍 트랜지스터(Tr12) 및 N-ch 인핸스먼트 트랜지스터(Tr13)를 통해 전류가 흐른다.
이러한 경우, 상한 전압값은 SoC가 충전 상한값에 도달되는 경우의 전압값이다. 예를 들어, 충전 상한값이 90%인 경우, 상한 전압값은 3.7V가 된다(도 43 참조).
N-ch 공핍 트랜지스터(Tr12) 및 N-ch 인핸스먼트 트랜지스터(Tr13)의 사이즈는 미리 조정되고, 그에 따라 N-ch 공핍 트랜지스터(Tr12) 및 N-ch 인핸스먼트 트랜지스터(Tr13)에 흐르는 전류의 전류값은 2차 전지(10Aa)의 방전 전류가 된다. 따라서, 2차 전지(10Aa)의 전압 상승은 제한될 수 있다. 구체적으로, 2차 전지(10Aa)의 전압은, 예를 들어, 충전 상한값 이하로 제한될 수 있다.
전력 저장 장치(1a')는 N-ch 공핍 트랜지스터(Tr12)와 N-ch 인핸스먼트 트랜지스터(Tr13)의 접속 단자가 신호 출력 단자로서 채택되도록 구성될 수 있고, 그에 따라 방전 저항 및 정전류 트랜지스터에 흐르는 전류가 제어되고, 2차 전지(10Aa)의 전압은, 예를 들어, 충전 상한값 이하로 제한될 수 있다.
또한, 방전 제어 유닛(102)은 N-ch 공핍 트랜지스터(Tr15), N-ch 인핸스먼트 트랜지스터((Tr16), 저항(R6), 및 저항(R7)을 포함하고, 2차 전지(10Aa)의 전압 VCin에 기반하여 2차 전지(10Aa)의 방전을 제어한다.
구체적으로, 방전 제어 유닛(102)은, 2차 전지(10Aa)에 저장되는 충전량이 2차 전지(10Aa)의 전압 VCin에 기반하여 미리 정의된 충전 하한값 아래로 떨어지지 않도록, 2차 전지(10Aa)에 저장되는 충전량을 제어한다.
캐패시터(C1, C2)의 접속 상태가 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 의해 병렬 접속에서 직렬 접속으로 스위칭되는 경우, N-ch 트랜지스터(Tr17)의 입력 신호 
1은 로우 레벨에서 하이 레벨로 변경되고, N-ch 트랜지스터(Tr17)는 턴온된다. 2차 전지(10Aa)의 전압 VCin이 미리 결정되거나 주어진 하한 전압값 이하가 되는 경우, N-ch 인핸스먼트 트랜지스터(Tr16)는 턴오프되고, 전압 VSOCL은 로우 레벨에서 하이 레벨로 변경된다. 캐패시터(C1, C2)의 접속 상태가 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 의해 병렬 접속으로 변경되는 경우, N-ch 트랜지스터(Tr17)는 턴오프된다. 따라서, 저항(R6, R7)의 접속점 양단의 단자 전압은 전압 VBM이 된다. 그 후, N-ch 인핸스먼트 트랜지스터(Tr16)는 턴온되고, 전압 VSOCL은 로우 레벨에 있게 된다.
따라서, 캐패시터(C1, C2)의 접속 상태는 직렬 및 병렬 스위칭 유닛(6)에 의해 직렬 접속으로 변경되고, 2차 전지(10Aa)의 전압 VCin이 미리 결정되거나 주어진 제2 전압 이하인 경우에만, 전압 VSOCL은 하이 레벨에 도달하게 된다.
전술한 방식에서, 전력 저장 장치(1a')의 전압 VSOCL을 사용하면, 2차 전지(10Aa)의 출력 제어 회로(103)를 구동함으로써 부하 회로(3)로의 전력 공급은 중지될 수 있고, 2차 전지(10Aa)의 전압 감소가 제어될 수 있다.
이러한 경우, 하한 전압값은 SoC가 충전 하한값에 도달되는 경우의 전압값이다. 예를 들어, 충전 하한값이 10%인 경우, 하한 전압값은 3.5V가 된다(도 43 참조).
<전력 저장 장치(1a)의 동작 및 효과>
전술한 방식에서, 제1 실시예에 따른 전력 저장 장치(1)는 2차 전지(10)의 SoC에 따른 전력 저장 장치(1)의 출력 전압의 변화를 완화할 수 있다. 그러나, 출력 전압의 변화를 완전히 제거할 수는 없고, 도 43에 도시된 바와 같이, SoC가 100%에 가까워질수록, 출력 전압은 점차 증가하게 되며, SoC가 거의 100%에 가까운 과충전 상태에서, 출력 전압은 크게 증가하게 된다. 또한, SoC가 0%에 가까워질수록, 출력 전압은 점차 감소하고, SoC가 0%에 가까운 과방전 상태에서, 출력 전압은 크게 감소하게 된다. SoC가 상한값을 초과하고 하한값 아래로 떨어지는 경우, 전력 저장 장치(1)로부터 구동 전압을 수신하는 부하 회로(3)의 동작은 불안정해질 수 있다. 과충전 상태 또는 과방전 상태에서, 2차 전지(10)는 열화될 수 있다.
이에 비해, 제1 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치(1a')는 충전 제어 유닛(101) 및 방전 제어 유닛(102)을 포함하고, 2차 전지(10Aa)에 저장되는 충전량은 전압 VCin에 기반하여, 충전 하한값 이상이 되고 충전 상한값 이하가 되도록 제어된다. 따라서, 2차 전지(10Aa)의 출력 전압은 충전 하한값 이상 내지 충전 상한값 이하의 범위로 유지될 수 있다. 부하 회로(3)에 공급되는 전력 저장 장치(1a)로부터의 출력 전압의 변화를 감소시킴으로써, 부하 회로(3)의 동작을 안정화시킬 수 있다. 게다가, 2차 전지(10Aa)는 과충전 또는 과방전이 방지되도록 제어되고, 2차 전지(10Aa)의 열화가 완화될 수 있다.
제4 실시예에서 설명된 효과와 유사한 효과가 또한 제1 변형 실시예에서도 획득될 수 있다.
<제2 변형 실시예>
이어서, 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100b)을 설명한다.
도 46은 제4 실시예의 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100b)의 구성의 일 예를 도시하는 블록 다이어그램이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 전력 저장 시스템(100b)은 전력 저장 장치(1b)와 부하 회로(3b)를 포함한다.
전력 저장 장치(1b)는 전력 저장 장치(1b')를 포함한다. 전력 저장 장치(1b')는 2차 전지(10)의 충전량을 제어하기 위한 충전 제어 유닛(101)과, 2차 전지(10)의 방전량을 제어하기 위한 방전 제어 유닛(102)을 포함한다.
부하 회로(3b)는 부하 회로(3b)의 동작을 제어하기 위한 부하 구동 제어 회로(3b')를 포함한다. 방전 제어 유닛(102)과 부하 구동 제어 회로(3b')는 전기적으로 접속되고, 방전 제어 유닛(102)은 부하 구동 제어 회로(3b')를 제어하여 2차 전지(10)로부터의 방전량을 제어한다. 부하 구동 제어 회로(3b')는 "부하 구동 제어 유닛"의 일 예이다.
이어서, 도 47은 제2 변형 실시예에 따른 전력 저장 장치(1b) 및 부하 회로(3b)의 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 47에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(1b)는 방전 제어 유닛(102)으로부터 출력된 전압 VSOCL이 부하 구동 제어 회로(3b')에 입력되도록 구성된다.
부하 구동 제어 회로(3b')는 2차 전지(10)의 전압 VCin에 기반하여 부하 회로(3b)를 중지시킨다. 구체적으로, 부하 구동 제어 회로(3b')는 전압 VCin이 하한 전압값 이상의 범위 내에 있지 못할 때까지는 부하 회로(3b)를 중지시킬 수 있다. 따라서, 2차 전지(10)의 방전을 중지시킬 수 있고, SoC를, 예를 들어, 10% 이상으로 유지할 수 있어, 2차 전지(10)의 출력 전압은 부하 회로(3b)가 안정적으로 동작할 수 있는 전압 범위 내에서 유지될 수 있게 된다.
전력 저장 장치(1b)의 회로는 제1 변형 실시예 및 제2 변형 실시예에 따른 저항(R1 내지 R7)이 트리밍 등을 통해 미리 조정될 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 경우, 도 48은 트리밍에 의해 저항(R1 내지 R7)의 저항 값을 조정할 수 있는 회로 구성의 일 예를 도시하는 회로 다이어그램이다. 도 48에 도시된 회로는 Rxa 단자와 Rxb 단자 사이의 저항 값이 Rx + Ra 내지 Rh의 조합에 의해 조정될 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 도 48의 트랜지스터(Tr1 내지 Tr8)는 레이저에 의해 트리밍될 수 있는 디바이스이다.
제4 실시예 및 제4 실시예의 제1 변형 실시예에서 설명되는 효과와 유사한 효과가 또한 이러한 제2 변형 실시예에서도 획득될 수 있다.
<제5 실시예>
이어서, 제5 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)을 설명한다. 제5 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)은, 도 19 내지 도 23 등에 도시된 바와 같이 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)과 유사한 방식으로 구성된다. 따라서, 해당 구성 요소에는 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)의 참조 부호와 동일한 참조 부호가 표시되고, 제5 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)에 대한 상세한 설명은 여기서 생략된다. 제5 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)은, 제5 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)이 제3 실시예의 도 28 등에 도시된 바와 같은 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)을 추가로 포함한다는 점에서, 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)과는 상이하다. 따라서, 직렬 복원 제어 유닛(14)은 출력 전류 검출 유닛(13)으로부터의 검출 결과뿐만 아니라, 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)으로부터의 검출 결과에 기반하여 제어를 수행한다. 직렬 복원 제어 유닛(14)은 전술한 제2 실시예 및 제3 실시예의 직렬 복원 제어 유닛(14)과 유사한 방식으로 동작한다. 출력 전류 검출 유닛(13)과 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)의 조합을 통해, 안전성의 향상과 함께 전력의 전력 저장 효율 및 전력 공급 효율을 보다 크게 향상시킬 수 있다. 게다가, 제2 실시예 및 제3 실시예에서 설명된 효과와 유사한 효과가 또한 이러한 제5 실시예에서도 획득될 수 있다.
<제6 실시예>
이어서, 제6 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)을 설명한다. 제5 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)은, 도 19 내지 도 23 등에 도시된 바와 같이 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)과 유사한 방식으로 구성된다. 따라서, 해당 구성 요소에는 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)의 참조 부호와 동일한 참조 부호가 표시되고, 제6 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)에 대한 상세한 설명은 여기서 생략된다. 제6 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)은, 제6 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)이 제4 실시예의 도 39에 도시된 바와 같은 2차 전지(10A)를 추가로 포함한다는 점에서, 제2 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)과는 상이하다. 출력 전류 검출 유닛(13)을 통해, 전력의 전력 저장 효율 및 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있고, 추가로, 2차 전지(10A)를 통해, 전력 저장 장치(1)로부터 부하 회로(3)로의 출력 전압의 변화를 완화시킨다. 제2 실시예 및 제4 실시예에서 설명된 효과와 유사한 효과가 또한 이러한 제6 실시예에서도 획득될 수 있다.
<제7 실시예>
이어서, 제7 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)을 설명한다. 제7 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)은, 도 28 등에 도시된 바와 같이 제3 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)과 유사한 방식으로 구성된다. 따라서, 해당 구성 요소에는 제3 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)의 참조 부호와 동일한 참조 부호가 표시되고, 제7 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)에 대한 상세한 설명은 여기서 생략된다. 제7 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)은, 제7 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)이 제4 실시예의 도 39에 도시된 바와 같은 2차 전지(10A)를 추가로 포함한다는 점에서, 제3 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100a)과는 상이하다. 제3 실시예의 전력 공급 목표 전압 검출 유닛(13A)을 통해, 안전성의 향상과 함께 전력의 전력 저장 효율 및 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있고, 추가로, 2차 전지(10A)를 통해, 변화 전력 저장 장치(1)로부터 부하 회로(3)로의 출력 전압의 변화를 완화시킨다. 제3 실시예 및 제4 실시예에서 설명된 효과와 유사한 효과가 또한 이러한 제7 실시예에서도 획득될 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였지만, 본 발명은 특정한 실시예에 제한되는 것은 아니며, 청구항에 기재된 본 발명의 실시예의 요지 내에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있다. 또한, 본 기술 분야의 기술자는 본 발명의 요지 내에서 위에서 설명된 실시예 및 변형 실시예의 전부 또는 일부가 서로 결합될 수 있음을 이해할 것이라는 것을 이해해야 한다.
위의 실시예에서, 모든 구성 요소는 전기 회로와 같은 하드웨어에 의해 구현되지만, 위의 실시예에서 설명된 기능의 일부 또는 전부는 소프트웨어로 구현될 수 있다.
[참조 부호 리스트]
1, 1a; 전력 저장 장치
2; 전력 생성 디바이스
3; 부하 회로
31; 부하 구동 제어 회로(부하 구동 제어 유닛의 일 예)
33; 메모리 34; MPU
35; 무선 통신 디바이스
4; 정류 회로(정류 유닛의 일 예)
5, 5B; 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛
50, 50B; 직렬 및 병렬 선택기 스위치 제어 유닛(전압 모니터링 유닛의 일 예)
51, 52; 인버터
55; 마스터 및 슬레이브 스위칭 회로
6; 직렬 및 병렬 스위칭 유닛
60; 직렬 및 병렬 선택기 스위칭 유닛
61, 62, 63; 스위치 그룹
7; 전력 저장 유닛
8; 출력 스위칭 유닛(출력 유닛의 일 예)
9; 직렬 및 병렬 스위칭 IC
91; 마스터 IC
92, 93, 94, 95; 슬레이브 IC
10; 부하 구동 전력 저장 장치
10A; 2차 전지
13; 출력 전류 검출 유닛
13A; 전력 공급 목표 전압 검출 유닛
14; 직렬 복원 제어 유닛
15; 출력 전류 직렬 복원 제어 장치
15A; 부하 전압 직렬 복원 제어 장치
31; 통신 모듈
32; 센서
100, 100C, 100a, 100e, 100f; 전력 저장 시스템
101; 충전 제어 유닛
102; 방전 제어 유닛
103; 출력 제어 회로(출력 제어 유닛의 일 예)
C1, C2, C3, C4; 캐패시터(전력 저장 디바이스)
H; 히스테리시스 생성 회로
Tr1 , Tr3; 공핍 트랜지스터
Tr2, Tr4; N-ch 트랜지스터
Vin; 입력 전압
VCin; 전압(전지 입력 전압의 일 예)
Vsup; 공급 전압
Vacc; 저장된 전력의 전압
Wrange; 전력 사용 범위
Vrange; 전압 변화 범위
[인용 리스트]
[특허문헌]
[특허문헌 1] 일본 특허 출원 공개 번호 제2013-236506호
[특허문헌 2] 일본 특허 출원 공개 번호 제2019-161975호
본 출원은 2019년 8월 13일에 출원된 일본 우선권 출원 번호 제2019-148392호, 2020년 1월 28일에 출원된 일본 우선권 출원 번호 제2020-011864호, 및 2019년 9월 10일에 출원된 일본 우선권 출원 번호 제2019-164759호의 우선권에 기반하고 있고, 이들 우선권의 이익을 주장하며, 이들의 내용은 본원에 참고로 포함된다.
Claims (15)
- 전력 저장 장치로서,
전력을 저장하는 복수의 전력 저장 디바이스를 포함하는 전력 저장 유닛;
상기 복수의 전력 저장 디바이스의 접속을 직렬 접속 또는 병렬 접속으로 스위칭하도록 구성되는 직렬 및 병렬 스위칭 유닛; 및
상기 직렬 및 병렬 스위칭 유닛에 의해 수행되는 스위칭을 제어하도록 구성되는 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛을 포함하고,
상기 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛은 히스테리시스를 이용하여 상기 스위칭의 타이밍을 제어하는 것인, 전력 저장 장치. - 제1항에 있어서,
상기 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛은 상기 히스테리시스를 달성하기 위한 히스테리시스 생성 회로를 포함하는 것인, 전력 저장 장치. - 제2항에 있어서,
상기 히스테리시스 생성 회로는 저항, 인버터, 및 트랜지스터를 포함하는 것인, 전력 저장 장치. - 제3항에 있어서,
상기 인버터는, 저항 및 N 채널 트랜지스터를 포함하는 직렬 회로로 구성되는 것인, 전력 저장 장치. - 제3항에 있어서,
상기 인버터는, 공핍 트랜지스터 및 N 채널 트랜지스터를 포함하는 직렬 회로로 구성되는 것인, 전력 저장 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 직렬 및 병렬 스위칭 유닛은 아날로그 스위치를 포함하는 것인, 전력 저장 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
출력 전압을 부하 회로에 출력하도록 구성되는 출력 유닛을 더 포함하고,
상기 직렬 및 병렬 스위칭 유닛, 상기 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛, 및 상기 출력 유닛의 임피던스들의 합은 전력 생성 디바이스의 내부 임피던스 이상인 것인, 전력 저장 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 저장 유닛으로부터의 출력 전류에 기반하여, 상기 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛을 제어하여 상기 복수의 전력 저장 디바이스의 접속을 상기 병렬 접속에서 상기 직렬 접속으로 스위칭하도록 구성되는 직렬 복원 제어 유닛을 더 포함하는, 전력 저장 장치. - 제8항에 있어서,
상기 복수의 전력 저장 디바이스가 병렬 접속된 상태에서 상기 출력 전류가 제1 전류값 이하가 되는 경우, 상기 직렬 복원 제어 유닛은, 상기 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛으로 하여금 상기 복수의 전력 저장 디바이스의 접속을 상기 병렬 접속에서 상기 직렬 접속으로 스위칭하게 하는 것인, 전력 저장 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 전력 저장 디바이스가 병렬로 접속되는 경우 상기 전력 저장 유닛으로부터 전력 공급 대상으로 공급되는 공급 전압에 기반하여, 상기 직렬 및 병렬 스위칭 제어 유닛을 제어하여 상기 복수의 전력 저장 디바이스의 접속을 상기 병렬 접속에서 상기 직렬 접속으로 스위칭하도록 구성되는 직렬 복원 제어 유닛을 더 포함하는, 전력 저장 장치. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 전력 저장 디바이스가 병렬 접속된 상태에서 상기 복수의 전력 저장 디바이스에 대한 입력 전압이 제1 전압값보다 낮은 제2 전압값 이하가 되는 경우, 상기 직렬 및 병렬 스위칭 유닛은 상기 복수의 전력 저장 디바이스의 접속을 상기 병렬 접속에서 상기 직렬 접속으로 스위칭하고,
상기 복수의 전력 저장 디바이스가 병렬 접속된 상태에서 상기 공급 전압이 임계치 전압값 이상이 되는 경우, 상기 직렬 복원 제어 유닛은 상기 제2 전압값을 주어진 전압값으로 변경하는 것인, 전력 저장 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 저장 유닛으로부터의 전력으로 충전되고, 상기 전력 저장 장치에 접속된 부하 회로에 전압을 출력하도록 구성되는 2차 전지를 더 포함하는, 전력 저장 장치. - 제12항에 있어서,
상기 부하 회로가 상기 2차 전지에 충전된 전력을 사용하는 범위는, 상기 2차 전지가 상기 부하 회로에 출력하는 전압값에 기반하여, 주어진 범위로 설정되는, 전력 저장 장치. - 제13항에 있어서,
상기 2차 전지의 충전을 제어하도록 구성되는 충전 제어 유닛을 더 포함하는, 전력 저장 장치. - 전력 저장 시스템으로서,
전력을 생성하는 전력 생성 디바이스;
상기 전력 생성 디바이스에 접속된 정류 유닛;
상기 정류 유닛의 다운스트림에 접속된 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 전력 저장 장치; 및
부하 회로를 포함하는, 전력 저장 시스템.
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