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인체, 움직이는 기계 시스템이나 공장, 군시설등 배터리의 관리와 접근이 용이하지 않은 곳에 들어갈 무선 마이크로센서들은 주변 환경의 빛, 열, RF, 진동등으로부터 배터리로 에너지 하베스팅을 하는 경우 시스템의 유지 보수 비용을 절감하고 좀 더 쉽게 전원 공급을 할 수 있다. 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 ...

인체, 움직이는 기계 시스템이나 공장, 군시설등 배터리의 관리와 접근이 용이하지 않은 곳에 들어갈 무선 마이크로센서들은 주변 환경의 빛, 열, RF, 진동등으로부터 배터리로 에너지 하베스팅을 하는 경우 시스템의 유지 보수 비용을 절감하고 좀 더 쉽게 전원 공급을 할 수 있다. 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 트랜스듀서 방식에는 압전(Piezoelectric), 정전기(Electrostatic)와 전자기(Electromagnetic)방식으로 크게 나눌 수 있는데 이들 중 압전방식이 같은 운동 움직임 소스에 대해서 다른 두 방식들에 비해 더 많은 전력 생성이 가능하여 최근 많은 연구가 이루어지고 있다.
마이크로센서에 들어갈정도로 소형화된 압전 트랜스듀서는 진동 입력에 대한 감쇠력(damping force)이 작은 특징을 갖고 있어 여기에 배터리로부터 일정 에너지를 일정 시간동안 트랜스듀서가 임계 감쇠 지점(critical damping point)이되기 전 까지 가져와 투자하면 [1], 그렇지 않을 때보다 13% 이상 많은 전력을 출력하게 된다. 이때 압전 진동 소스의 오픈 서킷 전압(VPZ(OC))에 따라 “power losses < gains from energy-investment” 조건을 만족시키는 optimal energy-investment time이 존재하는데, VPZ(OC)가 증가(감소)할수록 energy-investment time도 같은 방향으로 증가(감소)되면서 optimal time point로 갈 수록 더 많은 전력 추출이 가능해진다.
기존 구조에서는 battery energy-investment time이 수동으로 externally controlled 되어야 하기 때문에 maximum power를 추출하기 위해 압전 진동 소스의 피크 전압을 지속적으로 모니터링 해야 하는 단점이 존재했다. 본 논문은 변화하는 VPZ(OC)에 대해 battery energy-investment time의 증감을 automatically adjusting 시킬 수 있도록 하는 구조를 새롭게 제안하였다. 제안하는 구조에선 VCDL(voltage controlled delay line)의 control voltage로 VPZ(OC)를 사용하여 그 delay가 automatically adjusting 되도록 함으로써 이 문제를 해결하였다. 본 논문의 제안하는 압전 에너지 하베스터 회로는 압전 진동 소스가 주기를 갖고 peak amplitude가 시간에 따라 바뀌는 경우 또는 비 주기이면서 different excitation acceleration peak amplitudes를 갖는 두 어플리케이션 모두에서 기존의 수동으로 energy-investment time이 제어되는 구조에 비해 더 많은 power extraction이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, there is an increasing interest in designing to extract more power from piezoelectric transducers that convert vibrational energy into electrical energy. For this, FBR and SSHI among the proposed structures have a disadvantage that additional rectifier and MPPT block are required for AC-DC...

Recently, there is an increasing interest in designing to extract more power from piezoelectric transducers that convert vibrational energy into electrical energy. For this, FBR and SSHI among the proposed structures have a disadvantage that additional rectifier and MPPT block are required for AC-DC conversion. The battery energy investment structure is a good alternative to reduce power loss in that it removes the rectifier and removes the unnecessary MPPT blocks. In addition, when the piezoelectric transducer takes energy from the battery for a certain period of time before it becomes a critical damping point, it will output more power than it would otherwise. At this time, there is an optimum energy investment time satisfying the condition of "power losses < gains from energy investment" according to the open circuit voltage VPZ (OC) of the piezoelectric vibration source. As the VPZ (OC) increases (decreases), the energy investment time also increases (decreases) in the same direction, moving to the optimum time point and thus more power extraction becomes possible.
In the conventional structure, since the battery energy investment time must be manually controlled from the outside, there is a disadvantage that the VPZ (OC) must be constantly monitored in order to extract the maximum power. In this paper, we proposed a new scheme to automatically control the increase / decrease of battery energy investment time for the changing VPZ (OC). The problem is solved by using VPZ (OC) as the control voltage of VCDL, and adjusting the delay affected by it according to the change of VPZ (OC). Simulation of the proposed energy harvesting circuit results in an average of 336.12 nW more power extraction than the conventional manually controlled battery energy investment time.

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