WO2012023813A2 - 정전기를 이용한 배터리 충전장치 및 그 방법 - Google Patents

정전기를 이용한 배터리 충전장치 및 그 방법 Download PDF

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손문수
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Son Moon Soo
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
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    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines

Definitions

  • An apparatus and method for charging a battery using static electricity is provided.
  • the regenerative braking device is an electric braking method in which an electric motor is operated as a generator to convert kinetic energy into electrical energy to recover the braking force. Also called power regenerative brake.
  • Rotational resistance during power generation can also be used as a braking force, and is widely used in elevators, electric cars, automobiles and the like which use electric motors as power.
  • the battery charging device is a motor; A conversion unit for converting kinetic energy of the motor into electrostatic energy; A collecting unit collecting static electricity generated by the converting unit; Adjusting unit for adjusting the magnitude of the electrostatic voltage collected in the collecting unit; And a battery charged by the voltage regulated by the controller.
  • the conversion unit includes a rotating shaft of the motor, a first subconductor coupled to the rotating shaft of the motor, and a second subconductor having a friction surface with the first subconductor.
  • the conversion unit converts the rotational kinetic energy of the motor into electrostatic energy generated by the friction between the first sub-conductor and the second sub-conductor coupled to the rotation axis of the motor.
  • the control unit also includes an SMPS or DC-DC converter.
  • the apparatus may further include a switching unit for charging one battery of the one or more batteries and using the other battery as a power source for driving the motor.
  • the DC-DC converter also boosts or reduces the electrostatic voltage.
  • the battery charging method converts the rotational kinetic energy of the motor into electrostatic energy through friction, collects the converted static electricity, adjusts the voltage magnitude of the collected static electricity, the battery through the regulated voltage To charge.
  • the battery charging apparatus and method using the static electricity according to the present invention in addition to using the kinetic energy of the motor in its original use, secondary conversion of the kinetic energy of the motor into electrostatic energy, the converted electrostatic By charging the battery using the voltage of energy and using the charged battery as the power source of the motor again, the power can be generated and used with high efficiency without environmental pollution.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a battery charging device using static electricity according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a battery charging device using static electricity of an electric vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional perspective view showing a conversion unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a process of charging a battery using static electricity according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a battery charging apparatus using static electricity according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a battery charging device using static electricity according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a battery charging device using static electricity according to an embodiment of the present invention.
  • the power supply 1 includes a motor 10, a converter 20, a collector 30, an adjuster 40, and a battery 55.
  • the motor 10 is preferably an electric motor driven by electrical energy.
  • the power applied to the motor 10 may be an alternating current or direct current power, preferably a direct current power.
  • the power applied to the motor 10 may be a three-phase power.
  • the motor 10 is driven by an applied power source, and a rotation shaft 15 for transmitting rotation of the driven motor 10 is provided at one side or both sides.
  • One side of the rotation shaft 15 is connected to the device 2 to be operated using the motor 10.
  • the other side of the rotation shaft 15 is connected to the converter 20.
  • the conversion unit 20 includes a first subconductor 23 coupled to the rotation shaft 15 and a second subconductor 27 formed to have a friction surface with the first subconductor 23.
  • the first subconductor 23 is coupled to the rotation shaft 15, preferably integrated with the rotation shaft 15 to rotate together.
  • the second subconductor 27 is formed to have a friction surface with the first subconductor 23.
  • the second subconductor 27 may be fixed or rotate in a direction opposite to the rotation direction of the first subconductor 23 that rotates together with the rotation shaft 15.
  • the friction between the first subconductor 23 and the second subconductor 27 rotating together with the rotary shaft 15 occurs, and static electricity is generated by the friction.
  • the material of the first subconductor 23 and the second subconductor 27 is made of a material such that the voltage of the static electricity generated by the friction between them has a predetermined voltage.
  • the material of the first insulator 23 and the second insulator 27 may be a polyethylene terephthalate (PET) resin or a vinyl (vinyl) resin.
  • the predetermined voltage is preferably a voltage larger than the required voltage at which the device 2 to be driven can actually operate.
  • the magnitude of the voltage of static electricity generated by the friction between the first subconductor 23 and the second subconductor 27 affects the material or the friction area of the first subconductor 23 and the second subconductor 27 or the humidity in the air. Receive.
  • the friction area between the first subconductor 23 and the second subconductor 27 is increased, the voltage of the static electricity generated increases.
  • the friction area is obtained by cutting the first subconductor 23 or the second subconductor 27 into a plurality of units. You can widen it.
  • the first subconductor 23 rotates through a motor 10 maintaining a predetermined rpm, where the first subconductor 23 is a PET resin, and the second subconductor 27 is a vinyl resin.
  • the humidity here is 41%.
  • the static electricity generated by the friction of the two insulators has peak values of 1.2 to 38V and -22 to -1.4V.
  • the rms values of static electricity are 1.5 to 35V and -20 to -1.6V.
  • the number of frictional insulator pairs may be provided with one or more to generate a high voltage.
  • the value of the voltage generated by static electricity depends on the friction area and the material of the insulator which is rubbed with the ambient humidity. It may also vary depending on the number of insulators that are rubbed.
  • the converting unit 20 is connected to a connecting unit 29 connecting the collecting unit 30.
  • the connection part 29 is made of a wire or a material having high electrical conductivity.
  • connection part 29 is connected to at least one portion where the first subconductor 23 and the second subconductor 27 rub in the converter 20. This is to allow the collecting unit 30 to efficiently collect static electricity generated by friction between the first subconductor 23 and the second subconductor 27.
  • the collecting unit 30 collects the static electricity generated by the converting unit 20.
  • Static electricity is stationary electricity with a high voltage but low current.
  • the collecting unit 30 collects the static electricity discharged to the surroundings in order to use the static electricity generated by the friction between the first subconductor 23 and the second subconductor 27 to charge the battery.
  • the adjusting unit 40 adjusts the voltage of the static electricity collected by the collecting unit 30.
  • the controller 40 may include a DC-DC converter 43.
  • the adjusting unit 40 boosts or reduces the applied voltage and outputs the voltage.
  • the battery 55 is a portion in which charging is performed by static electricity whose voltage is adjusted through the controller 40.
  • the battery 55 may be one or more.
  • the static electricity has a voltage of a desired size through the adjusting unit 40, and the static electricity is charged in the battery 55.
  • the battery 55 since the battery 55 is a device for storing and writing the collected static electricity through a process called charging, when the battery 55 is used as a power source without storing static electricity, the battery 55 may be implemented without including the battery 55.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a battery charging device using static electricity of an electric vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • Battery charging apparatus using the static electricity of the electric vehicle includes a wheel 5, the motor 10, the conversion unit 20, the collecting unit 30, the adjusting unit 40, the charging unit 50, the switching unit 60 do.
  • a wheel 5 is provided at one side of the rotation shaft 15 of the motor 10, and a conversion unit 20 for converting rotational kinetic energy of the motor 10 into electrical energy is provided at the other side of the rotation shaft 15.
  • the first sub-conductor 23 of the converter 20 is coupled to the other side of the rotation shaft 15.
  • the motor 10 may rotate one or more wheels 5.
  • the voltage of the static electricity generated by the friction between the first subconductor 23 and the second subconductor 27 included in the converter 20 is preferably 10V to 20V, which is a voltage for driving the motor 10 of the electric vehicle. Greater than the voltage in the range.
  • the friction material of the first subconductor 23 and the second subconductor 27 is made of a material that generates a voltage greater than the electrostatic voltage in the range of 10V to 20V.
  • the first subconductor 23 and the second subconductor 27 generating a voltage greater than the electrostatic voltage in the range of 10V to 20V may be formed in one or more. That is, the conversion unit 20 may include a plurality of first subconductors 23 and second subconductors 27 forming one pair. This may generate a voltage larger than the voltage for driving the motor 10.
  • the electrical energy is collected by the collecting unit 30, and the voltage and current are adjusted by the DC-DC converter 43 and the variable resistor 47 included in the adjusting unit 40.
  • the variable resistor 47 may be implemented in a form included in the DC-DC converter 43.
  • the voltage adjusted and output from the converter 40 has a predetermined voltage range capable of driving the motor 10 of the electric vehicle.
  • the variable resistor 47 is connected to the circuit and can change the resistance to adjust the magnitude of the current flowing in the circuit. For example, when the variable resistor is reduced, a large amount of current flows toward the variable resistor connected to the circuit, thereby reducing the magnitude of the current in the circuit.
  • the switching unit 60 is to alternately charge the battery 55 when the battery 55 is at least one. Accordingly, unlike FIG. 2, when the static electricity is used as the power source without the battery 55 or when the battery 55 is one, the switching unit 60 may be implemented without the switching unit 60.
  • the battery 55 may be provided with one or more. 2 illustrates a case where two batteries 55 are provided. In the case of two batteries 55, they can be charged alternately. That is, while the battery 55 of one of the two batteries 55 is charged with the voltage output from the converter 40 by using the switching unit 60, the other battery 55 drives the motor 10. Apply power. After that, when the battery 55 driving the motor 10 is discharged by the operation of the switching unit 60, the motor 10 is driven through another battery 55 that has completed charging, and the discharged battery 55 Recharge the battery using the voltage of static electricity.
  • FIG. 3 is a cross-sectional perspective view showing a conversion unit according to an embodiment of the present invention.
  • the converter 20 may be formed by dividing it into a plurality of units, unlike in FIG. 3. That is, the second subconductor 27 coupled to the converter 20 may be divided into one direction (horizontal, short, or diagonal direction) to be formed of a plurality of units.
  • the conversion unit 20 or the second subconductor 27 of the plurality of units thus formed generates static electricity for each unit due to the rotation of the rotation shaft 15 and the first subconductor 23.
  • it is possible to boost the voltage of the static electricity generated by the friction between the first sub-conductor 23 and the second sub-conductor (27).
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a process of charging a battery using static electricity according to an embodiment of the present invention.
  • the motor 10 is an electric motor and the power applied is a direct current power.
  • the motor 10 is driven by the applied power and the rotating shaft 15 connected to the motor 10 rotates, and the first subconductor 23 coupled to the rotating shaft 15 also rotates 110.
  • the static electricity is generated through the friction between the first subconductor 23 and the second subconductor 27 coupled to the rotating shaft (120).
  • the magnitude of the electrostatic voltage generated through the friction between the first insulator 23 and the second insulator 27 affects the material, humidity, temperature, and friction area of the first insulator 23 and the second insulator 27. Receive.
  • the generated static electricity is collected through the collecting unit 30 (130).
  • the connection part 29 connecting between the collecting part 30 and the converting part 20 in which the rotational kinetic energy of the motor 10 is converted into electrostatic energy is made of a material having high electrical conductivity in order to transmit without loss of generated static electricity.
  • the magnitude of the voltage of the collected static electricity is adjusted through the controller 40 (140).
  • the magnitude of the voltage can be adjusted through the DC-DC converter 43.
  • the DC-DC converter 43 is used to moderately lower the DC voltage (decompression), and may also be used to increase the DC voltage.
  • the variable resistor 47 may be included in the controller 40 to adjust the magnitude of the current flowing through the circuit.
  • the battery is charged 150 with the regulated static voltage.
  • the battery 55 is charged by applying the regulated static voltage to the battery 55.
  • it may be implemented in the form of directly supplying the electrostatic energy to the electrical system to be operated, without the process of charging the battery 55.
  • the charged battery 55 is used as driving power of the motor 10 (160).
  • a power source that is applied only during the initial operation of the motor 10 is needed, and after that, the battery 55 is charged using electrostatic energy generated by using the rotational kinetic energy of the motor and used as a new driving power source of the motor 10. Can be. As such, by utilizing the rotational kinetic energy of the motor 10 secondarily, a result of generating energy close to infinity may be obtained.
  • FIGS. 5 to 6 are circuit diagrams showing a battery charging apparatus using static electricity according to another embodiment of the present invention.
  • the conversion unit 120 of the battery charging apparatus using the static electricity illustrated in FIG. 5 is not a shape in which the second subconductor 127 surrounds the first subconductor 123, unlike the conversion unit 20 illustrated in FIG. 1.
  • the first subconductor 123 and the second subconductor 127 are respectively wound on a cylindrical rod and the wound portion is in contact with each other.
  • the cylindrical rod wound around the first insulator 123 rotates as the rotation shaft 115 of the motor rotates.
  • the second subconductor 127 is in a fixed form and is rubbed with the second subconductor 127 while the first subconductor 123 rotates.
  • connection part 129 is also connected to one or more portions in which the first subconductor 123 and the second subconductor 127 are rubbed in the converter 120. This is to allow the collecting unit 130 to efficiently collect static electricity generated by friction between the first subconductor 123 and the second subconductor 127.
  • the converter 120 may include a plurality of first subconductors 123 and a second subconductor 127. This will be described with reference to FIG. 6.
  • the converter 220 may include one or more first and second subconductors 223 and 227, respectively. That is, a higher voltage may be generated through friction between the one or more first subconductors 223 and the second subconductor 227.
  • the plurality of first subconductors 223a, 223b, and 223c may be connected to the rotation shaft 215 of the motor by a belt or the like 217, but other connection schemes may be applied. .
  • the remaining plurality of second insulators 227a, 227b, and 227c are provided in contact with the corresponding first insulators 223a, 223b, and 223c, respectively, and the plurality of second insulators 227a, 227b, and 227c are disposed.
  • the converter 220 is installed in a fixed form.
  • connection part 229 is also connected to one or more portions of the conversion part 220 where the first subconductor 223 and the second subconductor 227 rub. This is to allow the collecting unit 230 to efficiently collect static electricity generated by friction between the first subconductor 223 and the second subconductor 227.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

본 발명은 정전기를 이용하여 배터리를 충전하는 장치 및 그 방법에 관한 발명이다. 이를 위해, 모터의 운동 에너지를 정전기 에너지로 변환하고, 변환된 정전기를 모으고, 모은 정전기 전압의 크기를 조절하고, 조절된 전압에 의해 배터리를 충전하는 배터리 충전장치를 제공한다. 이를 통해, 모터의 회전으로 발생하는 운동에너지를 2차적으로 이용하여 새로운 에너지원으로 다시 활용할 수 있다.

Description

정전기를 이용한 배터리 충전장치 및 그 방법
정전기를 이용하여 배터리를 충전하는 장치 및 그 방법에 관한 발명이다.
전기 또는 전자 시스템에 대한 효율적으로 전원을 공급하기 위해서 소모되는 에너지를 활용하는 장치에 대한 개발이 최근에 이루어지고 있다. 즉, 전기 또는 전자 시스템에서 소모되는 비전기적 특성의 에너지원을 전기 에너지로 변환하는 장치들을 이용하기 위한 시도들이 이루어지고 있다.
예를 들어, 모터를 이용하고 유도 발전기를 사용하여 전기 또는 전자 시스템에 전원을 제공하는 방법 및 장치가 있다. 이 장치에서는, 전자 시스템용 전원을 제공하기 위하여 모터 안의 로터의 기계적인 회전을 이용하는데, 이 로터의 회전은 스테이터 권선의 출력단에서 전자 시스템에 전원을 제공하기에 충분한 전기전압을 유도시키게 된다. 다만, 이런 장치들은 장치 자체가 장애물로 작용하게 된다. 또한, 모터가 상대적으로 큰 부피를 가지며 고가라는 점인데, 이로 인해 전원 공급장치들의 이용이 제한된다.
또한, 회생 제동장치는 전동기를 발전기로서 작동시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해 회수하여 제동력을 발휘하는 전기 제동방법이다. 전력 회생 브레이크라고도 불린다. 발전시의 회전저항을 제동력으로서 이용할 수도 있으며, 전동기를 동력으로 하는 엘리베이터, 전동차, 자동차 등에 넓게 이용된다. 다만, 제동 시에만 소모되는 에너지를 이용한다는 점에서 제약이 존재한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 모터의 운동 에너지를 정전기 에너지로 변환하고, 변환된 정전기를 모으고, 모은 정전기 전압의 크기를 조절하고, 조절된 전압에 의해 배터리를 충전하는 배터리 충전장치를 제공하여 소모되는 운동에너지를 효율적으로 이용하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 배터리 충전장치는 모터; 모터의 운동 에너지를 정전기 에너지로 변환하는 변환부; 변환부에서 발생한 정전기를 모으는 포집부; 포집부에서 모은 정전기 전압의 크기를 조절하는 조절부; 조절부에 의해 조절된 전압에 의해 충전되는 배터리를 포함한다.
또한, 변환부는 모터의 회전축, 모터의 회전축에 결합된 제1부도체, 제1부도체와 마찰면을 가지는 제2부도체를 포함한다.
또한, 변환부는 모터의 회전 운동 에너지를 모터의 회전축에 결합된 제1부도체와 제2부도체의 마찰로 인해 발생하는 정전기 에너지로 변환한다.
또한, 조절부는 SMPS 또는 DC-DC 컨버터를 포함한다.
또한, 배터리는 하나 이상이 될 수 있다.
또한, 하나 이상의 배터리 중 하나의 배터리를 충전하고 다른 하나의 배터리를 모터를 구동시키는 전원으로 사용하기 위한 스위칭부를 더 포함한다.
또한, DC-DC 컨버터는 정전기 전압을 승압 또는 감압한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 충전방법은 모터의 회전 운동 에너지를 마찰을 통해 정전기 에너지로 변환하고, 변환된 정전기를 포집하고, 포집된 정전기의 전압 크기를 조절하고, 조절된 전압을 통해 배터리를 충전한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 정전기를 이용한 배터리 충전장치 및 그 방법은 모터의 운동에너지를 본래의 용도로 사용하는 것 이외에도, 2차적으로 모터의 운동에너지를 정전기 에너지로 변환하고, 변환된 정전기 에너지의 전압을 이용해 배터리를 충전하고, 충전된 배터리를 다시 모터의 전원으로 사용함으로서 환경오염 없이 고효율로 전원을 생성하고 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기를 이용한 배터리 충전장치를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차의 정전기를 이용한 배터리 충전장치를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변환부를 도시한 단면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기를 이용하여 배터리 충전하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전기를 이용한 배터리 충전장치를 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전기를 이용한 배터리 충전장치를 도시한 회로도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기를 이용한 배터리 충전장치를 도시한 회로도이다.
전원 공급 장치(1)는 모터(10), 변환부(20), 포집부(30), 조절부(40), 배터리(55)를 포함한다.
모터(10)는 바람직하게는 전기 에너지에 의해 구동되는 전기 모터이다. 이때 모터(10)에 인가되는 전원은 교류 또는 직류 전원이 될 수 있는데 바람직하게는 직류 전원이다. 또한, 모터(10)에 인가되는 전원은 3상 전원이 될 수 있다. 인가되는 전원에 의해 모터(10)가 구동되는데, 구동된 모터(10)의 회전을 전달하는 회전축(15)이 일측 또는 양측에 구비된다. 회전축(15)의 일측은 모터(10)를 이용해 동작시키고자 하는 디바이스(2)에 연결된다. 회전축(15)의 타측은 변환부(20)에 연결된다.
변환부(20)는 회전축(15)에 결합되는 제1부도체(23)와 제1부도체(23)와 마찰면을 가지도록 형성되는 제2부도체(27)를 포함한다. 제1부도체(23)는 회전축(15)에 결합되는데, 바람직하게는 회전축(15)과 일체화되어서 같이 회전한다. 제2부도체(27)는 제1부도체(23)와 마찰면을 가지도록 형성된다. 제2부도체(27)는 고정되어 있거나, 회전축(15)과 같이 회전하는 제1부도체(23)의 회전방향과 반대방향으로 회전할 수 있다. 회전축(15)과 같이 회전하는 제1부도체(23)와 제2부도체(27)와의 마찰이 일어나고 이 마찰에 의해 정전기가 발생한다. 제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 재질은 상호간의 마찰에 의해 발생하는 정전기의 전압이 소정의 전압을 갖도록 하는 물질로 이루어진다.
일 예로, 제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 재질은 PET(Polyethylene Terephthalate) 수지 또는 비닐(Vinyl) 수지가 될 수 있다. 소정의 전압은 바람직하게는 구동되는 디바이스(2)가 실제적으로 동작할 수 있는 요구 전압보다 큰 전압이다.
제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 마찰에 의해 발생하는 정전기의 전압의 크기는 제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 재질 또는 마찰 면적 또는 공기 중의 습도에 영향을 받는다.
제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 마찰 면적을 넓히면 발생하는 정전기의 전압이 상승하는데, 이를 위해 제1부도체(23) 또는 제2부도체(27)를 복수 개의 단위로 잘라서 마찰 면적을 넓힐 수 있다.
이상에서 살펴본 정전기 발생의 조건을 반영하여 다음의 실험 예를 설명한다.
소정의 분당회전수(rpm)를 유지하는 모터(10)를 통해 제1부도체(23)가 회전하는데, 여기서 제1부도체(23)는 PET 수지이고, 제2부도체(27)는 비닐 수지이다. 또한 여기서 습도는 41%이다. 이러한 조건에서 두 부도체의 마찰로 인해서 발생하는 정전기는 피크(peak) 값이 1.2 ~ 38V 및 -22 ~ -1.4V이다. 또한, 정전기의 rms 값은 1.5 ~ 35V 및 -20 ~ -1.6V이다. 마찰하는 부도체 쌍의 수는 높은 전압을 발생시키기 위해 하나 이상이 구비될 수 있다.
이러한 예에서 보듯이, 정전기에 의해 발생하는 전압의 값은 주변 습도와 마찰되는 부도체의 마찰 면적 및 재질에 따라 달라진다. 또한, 마찰되는 부도체의 개수에 따라서도 달라질 수 있다.
변환부(20)는 포집부(30)를 연결하는 연결부(29)에 연결된다. 연결부(29)는 전선 또는 전기 전도도가 높은 물질로 이루어진다.
또한, 연결부(29)는 변환부(20)에서 제1부도체(23)와 제2부도체(27)가 마찰하는 하나 이상의 부위에 연결된다. 이는 제1부도체(23)와 제2부도체(27) 사이에 마찰로 인해 발생하는 정전기를 포집부(30)가 보다 효율적으로 포집하도록 하기 위함이다.
포집부(30)는 변환부(20)에서 생성된 정전기를 포집한다. 정전기는 높은 전압을 가지나 전류량이 낮은 정지된 전기이다. 포집부(30)는 제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 마찰에 의해 발생하는 정전기를 배터리 충전에 이용하기 위해서 주위로 방전되는 정전기를 최소화하여 포집한다.
조절부(40)는 포집부(30)에서 포집된 정전기의 전압을 조절한다. 조절부(40)는 DC-DC 컨버터(43)를 포함할 수 있다. 조절부(40)는 인가되는 전압을 승압시키거나 감압시켜 출력한다.
배터리(55)는 조절부(40)를 통해 전압의 크기가 조절된 정전기에 의해 충전이 이루어지는 부분이다. 배터리(55)는 하나 이상이 될 수 있다. 포집부(30)에서 정전기가 조절부(40)를 통해 원하는 크기의 전압을 가지고, 이러한 정전기를 배터리(55)에서 충전한다. 또한, 이러한 배터리(55)는 포집된 정전기를 일단 충전이라는 과정을 통해 저장해 놓고 쓰기 위한 장치이므로, 정전기를 저장하지 않고 바로 전원으로서 사용하는 경우에는 배터리(55)가 포함되지 않고 실시될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차의 정전기를 이용한 배터리 충전장치를 도시한 회로도이다.
전기 자동차의 정전기를 이용한 배터리 충전장치는 휠(5), 모터(10), 변환부(20), 포집부(30), 조절부(40), 충전부(50), 스위칭부(60)를 포함한다.
모터(10)의 회전축(15) 일측에는 휠(5)이 구비되고, 회전축(15)의 타측에는 모터(10)의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 변환부(20)가 구비된다. 자세하게는 회전축(15)의 타측에는 변환부(20)의 제1부도체(23)가 결합되어 구비된다. 여기서, 모터(10)는 하나 이상의 휠(5)을 회전시킬 수 있다.
변환부(20)에 포함되는 제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 마찰에 의해 발생하는 정전기의 전압은, 바람직하게는 전기 자동차의 모터(10)를 구동시키는 전압인 10V 내지 20V 범위의 전압보다 크다. 마찰되는 제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 재질이 10V 내지 20V 범위의 정전기 전압보다 큰 전압을 발생시키는 재질로 이루어진다.
또한, 10V 내지 20V 범위의 정전기 전압보다 큰 전압을 발생시키는 제1부도체(23)와 제2부도체(27)는 하나 이상으로 형성될 수 있다. 즉, 변환부(20)는 하나의 쌍을 형성하는 제1부도체(23)와 제2부도체(27)를 복수 개 포함할 수 있다. 이를 통해 모터(10)를 구동시키는 전압보다 큰 전압을 생성할 수 있다.
전기 에너지는 포집부(30)에 의해 포집되고, 조절부(40)에 포함되는 DC-DC 컨버터(43)와 가변저항(47)에 의해 전압과 전류가 조절된다. 여기서 가변저항(47)은 DC-DC 컨버터(43)에 포함되는 형태로 실시될 수 있다. 이때 조절되어 변환부(40)에서 출력되는 전압은 전기 자동차의 모터(10)를 구동시킬 수 있는 소정의 전압 범위를 가진다. 가변저항(47)은 회로와 연결되는 것으로 저항을 변경해서 회로 내에 흐르는 전류의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 가변 저항을 작게 하면, 회로와 연결되는 가변 저항 쪽으로 전류가 많이 흘러 회로 내의 전류의 크기를 작게할 수 있다.
스위칭부(60)는 배터리(55)가 하나 이상인 경우, 배터리(55)를 번갈아가며 충전하기 위한 것이다. 따라서, 도 2에서와 달리 배터리(55)를 구비하지 않고 바로 정전기를 전원으로 사용하는 경우나, 배터리(55)가 하나인 경우에는 스위칭부(60)를 포함하지 않고 실시될 수 있다.
변환부(40)에서 출력되는 전압으로 배터리(55)를 충전하는데, 배터리(55)는 하나 이상이 구비될 수 있다. 도 2에서는 배터리(55)가 두 개인 경우를 도시하고 있다. 배터리(55)가 두 개인 경우에는 교대로 충전할 수 있다. 즉, 스위칭부(60)를 이용하여 두 개의 배터리(55) 중 하나의 배터리(55)를 변환부(40)에서 출력되는 전압으로 충전하는 동안 다른 배터리(55)는 모터(10)를 구동시키는 전원을 인가한다. 그 후 스위칭부(60)의 작동으로, 모터(10)를 구동시키는 배터리(55)가 방전되면 충전을 완료한 다른 배터리(55)를 통해서 모터(10)를 구동하고, 방전된 배터리(55)를 정전기의 전압을 이용해 다시 충전한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변환부를 도시한 단면 사시도이다.
변환부(20)는 도 3에 도시된 것과 달리, 복수 개의 유닛으로 분할하여 형성시킬 수 있다. 즉, 변환부(20)와 결합된 제2부도체(27)를 일 방향(횡 또는 단 또는 대각선 방향)으로 분할하여 복수 개의 유닛으로 이루어지도록 할 수 있다. 이렇게 이루어진 복수 개의 유닛의 변환부(20) 또는 제2부도체(27)는 회전축(15) 및 제1부도체(23)의 회전으로 인해 각 유닛 마다 정전기가 발생하게 된다. 이렇게 각 유닛 마다 발생하는 정전기를 전기적으로 연결하여, 제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 마찰에 의해 발생하는 정전기의 전압을 승압시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 정전기를 이용하여 배터리 충전하는 과정을 도시한 순서도이다.
먼저 모터(10)에 전원을 인가한다(100). 바람직하게는 모터(10)는 전기 모터이고 인가되는 전원은 직류 전원이다.
인가된 전원에 의해 모터(10)가 구동하고 모터(10)에 연결된 회전축(15)은 회전하고, 회전축(15)에 결합된 제1부도체(23)도 같이 회전한다(110).
회전축에 결합된 제1부도체(23)와, 제2부도체(27)의 마찰을 통해서 정전기를 발생시킨다(120). 제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 마찰을 통해 발생하는 정전기 전압의 크기는 제1부도체(23)와 제2부도체(27)의 재질, 공기 중의 습도, 온도, 마찰 면적에 영향을 받는다.
발생된 정전기를 포집부(30)를 통해서 포집한다(130). 포집부(30)와 모터(10)의 회전 운동에너지가 정전기 에너지로 변환되는 변환부(20) 사이를 연결하는 연결부(29)는 발생한 정전기의 손실 없이 전달하기 위해서 전기 전도도가 높은 물질로 이루어진다.
포집된 정전기의 전압의 크기를 조절부(40)를 통해 조절한다(140). 전압의 크기는 DC-DC 컨버터(43)를 통해 조절할 수 있다. 일반적으로 DC-DC 컨버터(43)는 DC전압을 알맞게 낮추는 경우에 사용되는데(감압), DC전압을 높이는 경우에도 사용될 수 있다. 또한, 조절부(40)에 가변저항(47)을 포함시켜 회로에 흐르는 전류의 크기도 조절할 수 있다.
조절된 정전기의 전압으로 배터리를 충전한다(150). 조절된 정전기의 전압을 배터리(55)에 인가해줌으로써, 배터리(55)가 충전된다. 또한, 배터리(55)에 충전하는 과정 없이, 작동시키고자 하는 전기 시스템에 바로 정전기 에너지를 공급하는 형태로 실시될 수 있다.
충전된 배터리(55)를 모터(10)의 구동 전원으로 사용한다(160). 모터(10)의 초기 동작시에만 인가되는 전원이 필요하고, 이후에는 모터의 회전 운동 에너지를 이용해서 발생하는 정전기 에너지를 이용하여 배터리(55)를 충전하고 모터(10)의 새로운 구동 전원으로 사용할 수 있다. 이와 같이, 모터(10)의 회전 운동에너지를 2차적으로 활용함으로써 무한에 가까운 에너지를 생성하는 결과를 가져올 수 있다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전기를 이용한 배터리 충전장치에 대해 도 5 내지 도 6을 통해 설명한다. 도 5와 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전기를 이용한 배터리 충전장치를 도시한 회로도이다.
도 5에 도시된 정전기를 이용한 배터리 충전장치의 변환부(120)는 도 1에 도시된 변환부(20)와 달리 제2부도체(127)가 제1부도체(123)을 감싸고 있는 모양이 아니고, 제1부도체(123)와 제2부도체(127)가 각각 원통형 막대에 감겨있고, 감긴 부분이 접촉되어 있는 형상이다.
또한, 제1부도체(123)가 감긴 원통형 막대는 모터의 회전축(115)이 회전함에 따라 회전한다. 제2부도체(127)는 고정된 형태이고 제1부도체(123)가 회전하면서 제2부도체(127)와 마찰된다.
또한, 여기서도 연결부(129)는 변환부(120)에서 제1부도체(123)와 제2부도체(127)가 마찰하는 하나 이상의 부위에 연결된다. 이는 제1부도체(123)와 제2부도체(127) 사이에 마찰로 인해 발생하는 정전기를 포집부(130)가 보다 효율적으로 포집하도록 하기 위함이다.
도 5에 도시된 실시예와 달리, 변환부(120)는 복수 개의 제1부도체(123)와 제2부도체(127)를 포함할 수 있다. 이에 대해서 도 6을 통해 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이 변환부(220) 제1부도체(223)와 제2부도체(227)를 각각 하나 이상 포함할 수 있다. 즉, 하나 이상의 제1부도체(223) 및 제2부도체(227)의 마찰을 통해 보다 높은 전압을 발생시킬 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 복수 개의 제1부도체(223a, 223b, 223c)는 모터의 회전축(215)에 밸트 등(217)으로 연결될 수 있는데, 이와 다른 연결 방식도 물론 적용되어 실시될 수 있다. 또한, 나머지 복수 개의 제2부도체(227a, 227b, 227c)는 각각 대응하는 제1부도체(223a, 223b, 223c)에 접촉되는 형태로 설치되는데, 복수 개의 제2부도체(227a, 227b, 227c)는 변환부(220)에 고정된 형태로 설치된다.
또한, 여기서도 연결부(229)는 변환부(220)에서 제1부도체(223)와 제2부도체(227)가 마찰하는 하나 이상의 부위에 연결된다. 이는 제1부도체(223)와 제2부도체(227) 사이에 마찰로 인해 발생하는 정전기를 포집부(230)가 보다 효율적으로 포집하도록 하기 위함이다.

Claims (11)

  1. 모터;
    상기 모터의 운동 에너지를 정전기 에너지로 변환하는 변환부;
    상기 변환부에서 발생한 정전기를 모으는 포집부;
    상기 포집부에서 모은 정전기 전압의 크기를 조절하는 조절부;
    상기 조절부에 의해 조절된 전압에 의해 충전되는 배터리를 포함하는 배터리 충전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변환부는 상기 모터의 회전축, 상기 모터의 회전축에 결합된 제1부도체, 상기 제1부도체와 마찰면을 가지는 제2부도체를 포함하는 배터리 충전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변환부는 상기 모터의 회전 운동 에너지를 상기 모터의 회전축에 결합된 제1부도체와 상기 제2부도체의 마찰로 인해 발생하는 정전기 에너지로 변환하는 배터리 충전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조절부는 SMPS 또는 DC-DC 컨버터를 포함하는 배터리 충전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 하나 이상인 배터리 충전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배터리 중 하나의 배터리를 충전하고 다른 하나의 배터리를 상기 모터를 구동시키는 전원으로 사용하기 위한 스위칭부를 더 포함하는 배터리 충전장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는 상기 정전기 전압을 승압 또는 감압하는 배터리 충전장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1부도체는 상기 모터의 회전에 따라 회전하고, 상기 제2부도체는 상기 제1부도체를 감싸면서 마찰면을 형성하면서 고정되어 있는 배터리 충전장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1부도체는 상기 모터의 회전에 따라 회전하는 원통에 소정의 횟수로 감겨서 설치되고, 상기 제2부도체는 상기 감겨서 설치된 제1부도체와 마찰면을 형성하면서 고정된 원통에 소정의 횟수로 감겨져 설치되어 있는 배터리 충전장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1부도체가 설치되는 원통과 상기 제2부도체가 설치되는 원통은 하나 이상인 배터리 충전장치.
  11. 모터의 회전 운동 에너지를 마찰을 통해 정전기 에너지로 변환하고,
    상기 변환된 정전기를 포집하고,
    상기 포집된 정전기의 전압 크기를 조절하고,
    상기 조절된 전압을 통해 배터리를 충전하는 배터리 충전방법.
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