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KR20130026686A - 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치 및 방법 - Google Patents

휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치 및 방법 Download PDF

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KR20130026686A
KR20130026686A KR1020110089995A KR20110089995A KR20130026686A KR 20130026686 A KR20130026686 A KR 20130026686A KR 1020110089995 A KR1020110089995 A KR 1020110089995A KR 20110089995 A KR20110089995 A KR 20110089995A KR 20130026686 A KR20130026686 A KR 20130026686A
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KR
South Korea
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power
output
piezoelectric element
charging
constant
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Application number
KR1020110089995A
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English (en)
Inventor
안상호
이덕진
Original Assignee
안상호
이덕진
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Publication date
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Abstract

본 발명은 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치 및 방법에 관한 것으로서, 직류출력전력을 생성하는 USB 포트, 상기 USB 포트로부터 생성되는 상기 직류출력전력으로 구동하는 진동발생부, 상기 진동발생부에 의해 전달되는 토크에 의해 진동하는 압전소자적층모듈, 상기 압전소자적층모듈로부터 출력되는 전력을 변환하는 전력 변환부 및 상기 전력 변환부의 출력을 부하에 일정한 전력으로 정규화하여 공급하기 위한 정전압/정전류 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치 및 방법 {A self-recharging device for potable IT equipments and the method thereof}
본 발명은 기기의 응용목적 상 주로 배터리를 사용하여 구동하는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치 및 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 노트북 및 넷북 등에 장착된 USB 2.0 이상의 범용 데이터 통신 포트에서 지원하는 5V/500mA 이하의 직류출력전력을 이용하여 상용교류전원과 같은 별도의 외부 전원공급 없이도 자체적으로 배터리를 충전할 수 있는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치 및 방법에 관한 것이다.
노트북 등과 같이 USB 포트를 장착한 휴대용 정보통신기기는 기기의 활용목적상 배터리를 이용하여 동작전력을 공급하고 이를 수시로 충전하여 사용하는 바, 기기의 기능이 점차 복잡해지고 지능화 되어 전력소모가 늘어남에 따라 배터리 전력용량의 한계로 인해 수시로 충전이 이루어져야 한다. 이러한 휴대용 정보통신기기는 배터리를 충전하기 위해 일반적으로 상용 교류 전원을 전력공급원으로 이용하고, AC 어댑터를 이용함으로써 교류전력을 배터리 정격에 맞는 직류전력으로 변환하여 충전한다. 최근에는 전자기 유도결합 방식을 이용한 무접점(wireless) 충전기도 상용화되었으며, 전자기 유도결합방식보다 원거리에서 무선으로 전력을 공급할 수 있는 전자기공명 방식을 이용한 충전방식도 상용화를 위한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 전자기 유도결합 방식은 불과 수 mm ~ 수 cm 이내의 매우 좁은 범위에서 충전대상이 되는 휴대용 정보통신기기와 접점(contact point)만 무선으로 제공할 뿐, 충전장치 자체는 유선을 이용하여 상용 교류 전원으로부터 전력을 공급받고 이를 교류어댑터를 이용하여 전력을 변환하는 유선충전방식과 동일하다. 자기공명 방식은 10미터 이내의 비교적 원거리에서 무선으로 전력을 공급할 수 있는 방식으로써, 특정공간 내에 전자기장을 형성하고 이러한 전자기장의 공진주파수와 같은 공진주파수를 갖는 기기가 전자기장이 형성된 공간에 유입되면 공명을 일으켜 기기에 충전전력을 공급한다. 이러한 자기공명 방식 역시 전력 공급원으로서 상용 교류 전원을 이용하며, 충전을 위해서는 일정한 범위의 공간적인 제약이 뒤따른다.
한편, 국제표준규격으로 채택된 USB 2.0 이상의 범용 데이터 통신 포트에서 지원되는 직류출력전력을 이용하여 휴대폰 등의 배터리를 충전하는 방법은 긴급한 상황에서 누구나 생각할 수 있는 보편적인 배터리 충전방법이다. 그러나 USB 2.0 이상의 범용 데이터 통신 포트에서 지원하는 직류전력(5V/500mA 이하)을 상시적 배터리 충전목적으로 사용하는 경우, USB 포트의 직류전력을 제공하는 기기 본래의 배터리 전력소모를 급격히 가속화시키는 결과를 초래할 뿐만 아니라 충전전류 또한 리튬이온 배터리 1 셀(cell) 충전 정격 전류인 750mA에 미치지 못함에 따라 충전 효율도 낮다. 또한, 리튬이온 배터리 1셀 이상의 용량을 갖는 노트북이나 넷 북 등과 같은 휴대용 IT기기를 충전하기 위한 용도로는 정격전력이 맞지 않는 문제가 발생한다. 따라서, USB 직류전력을 그대로 배터리 충전에 사용하는 것은 USB 포트를 통해 소비되는 소비전력 대비 충전전력의 효율문제가 발생함과 동시에 보다 큰 충전전력을 요구하는 기기에 대해서는 충전정격의 문제가 발생함으로써 USB 포트 출력전력을 상시적인 배터리 충전목적으로 사용하는 것은 권장되지 않는 방법이다.
다시 말해, USB 포트의 직류출력을 그대로 이용하여 휴대용 정보통신기기 자체의 충전, 또는 휴대폰 등과 같은 외부기기의 배터리 충전을 할 경우 앞서 기술한 문제점들로 인해 USB 2.0 규격 이상이 지원하는 직류전력을 상시적인 충전용도로 활용할 수 없다는 한계를 갖는다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로써, USB 2.0 이상 규격의 범용 데이터 통신 포트를 갖는 휴대용 정보통신기기의 배터리 충전 시, 상용 교류 전원과 AC 어댑터, 또는 무접점 방식의 충전기기 등과 달리 일체의 외부전력공급원을 이용하지 않고 휴대용 정보통신기기 자체에 장착된 USB 2.0 이상 규격의 범용 데이터 통신 포트로부터 제공되는 직류 출력전력 5V/500mA만을 이용하여 이보다 큰 정격 충전전력을 요구하는 리튬 이온/폴리머 배터리 기준의 멀티 배터리 시스템인 60W(20V/3A)급 이상의 노트북 등 휴대용 정보통신기기를 자체적으로 충전할 수 있는 일종의 발전장치 개념의 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치 및 방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치는, 직류출력전력을 생성하는 USB 포트, 상기 USB 포트로부터 전달된 상기 직류출력전력으로 구동하는 진동발생부, 상기 진동발생부에 의해 전달되는 토크에 의해 진동하는 압전소자적층모듈, 상기 압전소자적층모듈로부터 출력되는 전력을 축적하고 변환하는 전력 변환부 및 상기 전력 변환부의 출력을 부하에 일정한 전력으로 정규화하여 공급하기 위한 정전압/정전류 회로를 구비한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치에 의하면, 상기 진동발생부는 상기 USB 포트로부터 상기 직류출력전력을 전달받아 구동되는 모터 및 상기 모터에 연결되어 회전하는 회전로터와 회전날개를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치에 의하면, 상기 전력 변환부는 상기 압전소자적층모듈로부터 출력되는 전압을 승압하고 정류하는 제1DC멀티플라이어, 상기 제1DC멀티플라이어로부터 출력된 전력을 축적하여 출력하는 storage IC 또는 EDLC, 상기 storage IC 또는 EDLC, 또는 나노튜브가 적용된 2차전지로부터 출력된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 인버터 및 상기 인버터의 AC 출력을 부하가 요구하는 전압레벨로 승압하고 정류하기 위한 제2DC멀티플라이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치에 의하면, 상기 storage IC는, 입력된 전력을 축적하고, 상기 축적된 전력을 입력전력과 다른 전력레벨로 변환하여 출력하도록 시스템온칩(SoC) 기술을 적용하여 하나의 IC로 집적된 것을　특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치에 의하면, 상기 압전소자적측모듈은, 다결정 압전소자 및 단결정 압전소자 중에서 선택된 적어도 하나의 압전소자를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치에 의하면, 상기 정보통신기기는 배터리 충전정격 전력을 생성하기 위해 USB 출력전력을 이용하는 것 외에 다른 외부 전력이 제거된 상태에서 충전되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전방법은, 배터리를 충전하기 위한 충전 주기 동안 USB 포트로부터 직류출력전력이 전송되는 단계, 상기 USB 포트에 규격화된 유선 커넥터를 이용하여 전기적으로 연결된 제1정전압/정전류 회로를 통해 USB 출력을 일정한 전력으로 제한하는 단계, 상기 제1정전압/정전류 회로로부터 공급되는 전력으로 구동하는 진동발생부를 구동하는 단계, 상기 진동발생부로부터 토크를 전달받아 압전소자적층모듈로부터 전력이 생성되는 단계, 전력 변환부를 이용하여 상기 생성된 전력을 축적하고 변환하는 단계 및 상기 제2정전압/정전류 회로를 통해 일정하게 제어된 전력을 이용하여 유선 커넥터를 통해 멀티배터리 시스템을 충전하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전방법에 의하면, 상기 제1정전압/정전류 회로로부터 공급되는 전력으로 구동하는 진동발생부를 구동하는 단계는, 상기 제1정전압/정전류 회로를 통해 공급되는 일정한 전력으로 모터가 구동되는 단계 및 상기 모터의 구동축과 기계적으로 연결된 회전로터와 회전날개가 구동되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전방법에 의하면, 전력 변환부를 이용하여 상기 생성된 전력을 변환하는 단계는, 상기 압전소자적층모듈로부터 출력된 AC 전력을 제1DC멀티플라이어를 통해 정해진 전압레벨로 승압하고 정류하는 단계, 상기 제1DC멀티플라이어 출력전력을 복수 개의 storage IC를 통해 정해진 용량으로 축적하고 축적된 전력을 입력전력보다 높은 전력레벨로 방출하는 단계, 상기 storage IC 출력을 중첩하여 AC 전력으로 변환하는 단계 및 상기 변환된 전력을 부하에 일정한 전력으로 공급하기 위해 제2정전압/정전류 회로를 통해 일정한 전력으로 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치 및 방법에 의하면, 배터리로 동작하면서 USB 2.0 이상의 범용 데이터 통신 포트를 갖는 휴대용 정보통신기기의 충전 시, 상용 교류전원과 유선 교류 어댑터 또는 무접점방식의 충전기기를 제외하고 정보통신기기 자체의 배터리 전력 중 일부를 전력공급원으로 하여 USB 포트를 통해 공급되는 직류출력전력 중 일부 전력만을 이용하여 USB 최대 출력 전력(5V/500mA)을 초과하는 보다 큰 정격전력을 생성하여 휴대용 정보통신기기를 충전할 수 있다는 효과를 얻는다.
또한, 본 발명에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치 및 방법에 의하면, 상용 전원을 이용한 전력공급 없이 자체적으로 배터리 충전이 이루어짐으로써 사용자로 하여금 상용 교류전원과 유선 어댑터를 이용한 충전의 불편함, 충전 시 환경적 제약을 극복함과 동시에 배터리 충전에 소용되는 전력사용 비용을 절감할 수 있다는 효과도 얻는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력증폭 및 변환회로의 구성을 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 USB 포트를 이용한 자가 충전 방법을 보여주는 순서도이다.
본 발명은 USB 2.0 이상의 표준규격에서 지원되는 직류 출력전력(5V/500mA) 중 일부만을 이용하여 USB 포트에서 지원되는 최대 전력을 초과하는 전력을 생성할 수 있는 자가 충전장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 노트북과 같은 휴대용 정보통신기기의 배터리를 충전할 수 있는 TTA 표준정격전력을 출력할 수 있는 자가 충전시스템을 구현할 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 자가 충전시스템은 상용전원에 교류 어댑터를 장착하여 배터리를 충전하는 종래기술과는 달리, 외부의 전력공급 없이 필요에 따라 주기적으로 배터리를 충전함으로써 휴대용 정보통신기기 본연의 목적인 휴대성을 강화하여 편리하게 사용할 수 있다. 또한, 본 발명은 배터리 충전 시 환경에 구애 받지 않으므로 휴대용 정보통신기기를 이용하는 업무의 항상성을 극대화할 수 있으며, 상용 교류전원을 이용할 때와 같은 별도의 전력사용 비용이 발생하지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치를 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력증폭 및 변환회로의 구성을 보인 도면이다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 본 발명은 외부의 전력공급 없이 지속적으로 배터리를 충전하기 위해 USB 포트(10), 제1정전압/정전류 회로(20), 진동발생부(25), 압전소자(60)를 구비하는 압전소자적층모듈(70), 전력 변환부(75), 제2정전압/정전류 회로(120) 및 규격화된 표준 유선 커넥터(미도시)로 구성된다.
상기 USB 포트(10)는 외부기기와의 데이터 통신 목적 이외에도 휴대용 정보통신기기(50)의 내부에 장착된 배터리로부터 전력을 공급받아 규격화된 직류출력전력을 제공할 수 있다. 이 경우, 상기 정보통신기기(50)는 USB 포트(10)가 장착된 기기 자체 또는 다른 정보통신기기일 수 있다. 상기 USB 포트(10)는 개인용 단말기의 범용 데이터통신을 위한 외부 인터페이스 국제표준규격이고, 2.0 이상의 USB 표준규격은 5V/500mA 이하의 직류출력전력을 지원한다. 이 경우, 본 발명은 정보통신기기의 배터리 소비전력을 최대한 줄이기 위해 USB 2.0 이상 표준규격으로부터 지원되는 직류출력전력(5V/500mA) 중 일부만을 이용하여 리튬이온/폴리머 배터리 기준의 멀티 배터리 충전 정격전력을 생성하는 것이 바람직하다.
상기 제1정전압/정전류 회로(20)는 USB 포트(10)의 직류출력전력이 진동발생부(25)에 구비된 전동모터 또는 초음파모터(30)에 공급되는 과정에서 과부하가 유입되는 것을 방지한다. 상기 제1정전압/정전류 회로(20)는 적정 용량의 다이오드 및 저항 등의 수동소자를 이용하여 구성되거나 가변 입력범위를 갖는 DC-DC 레귤레이터(regulator)를 이용하여 구성될 수 있다.
상기 진동발생부(25)는 전동 모터 또는 초음파모터(30) 중 하나와, 회전로터(40) 및 회전날개(50)를 구비한다. 상기 전동모터 또는 초음파모터(30)는 상기 제1정전압/정전류회로(20)로부터 제한된 전력을 공급받아 정해진 회전수로 기동하여 정해진 토크를 발생하는 마이크로 모터이다. 상기 회전로터(40)는 상기 전동모터 또는 초음파모터(30)의 구동축과 기계적으로 연결되어 단방향 회전운동을 하는 회전축을 일컫는다. 상기 회전로터(40)는 기어 또는 벨트풀리(belt pulley)등을 이용한 기계적 동력전달계통(미도시)을 통하여 복수 개를 구비하여 전동모터 또는 초음파모터(30) 중 하나에 의하여 동시에 복수 개의 회전로터가 구동될 수 있다.
상기 회전날개(50)는 회전로터(40)의 일 측에 장착되어 압전소자적층모듈(70)에 적층된 압전소자(60)에 정해진 토크로 진동을 인가하기 위한 장치를 의미한다. 상기 회전날개(50)는 회전로터(40)의 일 측에 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.　
상기 압전소자(60)는 외부에서 인가된 진동이나 압력에 대해 전기적 출력을 생성하는 압전효과 또는 전기적 입력에 대해 기계적 진동을 생성하는 역압전효과를 유발하는 소자를 의미한다. 상기 압전소자(60)는 다결정 압전소자 또는 단결정 압전소자일 수 있으며, 에너지 변환효율, 특히 전류생성효율이 높은 재료구성으로 제작된 것이 바람직하다.
상기 압전소자적층모듈(70)은 압전소자(60)가 정해진 전기적 출력용량을 갖도록 규격화되어 적어도 하나 이상 적층된 모듈이다. 상기 압전소자적층모듈(70)은 회전로터(40)와 회전날개(50)의 회전운동에 의해 타격되어 복수 개의 압전소자(60)에 일괄적이고 효과적으로 진동을 인가하기 위해 원통형 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 압전소자적층모듈(70)은 압전소자(60)에 의해 생성되는 전력을 전기적으로 중첩하기 위해 회전날개(50)에 의해 동시에 타격되는 압전소자(60)들 간에 전기적으로 공통 접지(ground)를 갖도록 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(75)는 제1DC멀티플라이어(80), storage IC(90), 인버터(100) 및 제2DC멀티플라이어(110)를 구비하며, 상용 storage IC의 전력용량을 초과하는 전력용량 확장이 필요한 경우 적어도 하나의 EDLC, 또는 나노튜브가 적용된 2차전지를 더 포함할 수 있다. 상기 제1DC멀티플라이어(80)는 압전소자적층모듈(70)에 의해 발생된 단위 AC 전력을 입력 받아 storage IC(90)의 적정 입력전압으로 승압하고 정류한다.
상기 storage IC(90)는 압전, 열전 또는 광전소자 등 에너지 발생 효율이 낮은 전력 발생원으로부터 소규모 전력을 입력 받아 정해진 용량만큼의 전력을 축적하고 축적된 전력의 피크전력레벨을 변환하여 출력할 수 있는 소자를 의미한다. 상기 storage IC(90)는 전술한 바와 같은 기능을 수행하기 위하여 필요한 회로와 소자들이 시스템 온 칩(SoC) 기술을 이용하여 집적화된 형태를 갖는 것이 바람직하다.
상기 storage IC(90)는 응용목적에 따라 다양한 종류가 상용화되어 있으며, 수 V 이하의 낮은 동작전압과 수백 ㎁ ~ 수십㎂ 이하의 작은 동작전류를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 storage IC(90)는 250mV의 전압과 수십㎂ 전류를 입력받아 동작전력을 획득하여 구동되어 입력전력을 축적하여 4.1V/400mA의 출력을 가질 수 있다.
한편, 상기 인버터(100)는 storage IC(90)로부터 직류출력전력을 전달받아 AC 전력으로 변환하기 위해 사용한다. 스위칭 방식의 상용 인버터는 90% 이상의 전력변환 효율을 가지며, 스위칭 방식의 특성상 매우 세밀하게 출력 레벨을 제어할 수 있다.
상기 제2DC멀티플라이어(110)는 상기 인버터(100)로부터 출력된 교류전력을 전달받아 부하를 구동할 수 있는 적정 전압레벨로 승압하기 위해 사용된다. 교류전력을 입력받아 전압 승압을 목적으로 사용되는 제2DC멀티플라이어(110)는 적절한 용량의 다이오드와 콘덴서만을 이용하여 다단(multi-stage)으로 구성하면 전압자체는 수동소자만으로 목적에 따라 킬로볼트(KV) 레벨까지 승압이 가능하다.
상기 제2정전압/정전류 회로(120)는 제2DC멀티플라이어(110)에 의해 승압된　전력을 실제 부하(load)에 공급하기 전에 부하(load)에 손상을 유발할 수 있는 과부하를 방지하고 일정한 전압과 전류가 부하(load)에 공급될 수 있도록 하기 위한 목적으로 사용된다.
상기 멀티 배터리 시스템(130)은 리튬이온 배터리 및 리튬 폴리머 배터리 및 나노튜브가 적용된 2차전지 등과 같은 휴대용 정보통신기기(50)에 채택되는 이차전지를 모두 포함하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 정보통신기기를 이용한 자가 충전방법을 상세하게 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 USB 포트를 이용한 자가 충전 방법을 보여주는 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 자가 충전방법은 USB 2.0 이상 규격의 범용 데이터 통신 포트를 갖는 휴대용 정보통신기기(140)를 준비하는 것을 포함한다. 상기 정보통신기기(140)를 준비한 후에, 상기 기기의 배터리를 충전하기 위한 충전 주기 동안 USB 포트(10)를 통하여 규격화된 5V/500mA 이하의 직류출력전력을 전송한다(S211).
상기 단계 S211 후에, 제1정전압/정전류 회로(20)를 통해 USB 포트(10)로부터 전달된 직류출력전력 5V/500mA을 일정전력을 제한하고(S213), 규격화된 전력을 이용하여 전동모터 또는 초음파모터(30)를 일정한 속도로 구동한다(S215).
상기 단계 S215 후에, 전동모터 또는 초음파모터(30) 중 하나의 구동축과 기어(gear) 등을 이용한 기계적 결합에 의해 맞물린 회전로터(40) 및 회전로터(40)의 일측에 장착된 회전날개(50)가 구동된다(S217).
상기 단계 S217 후에, 압전소자적층모듈(70)에 규격화되어 적층된 다수의 압전소자(60)가 회전날개(40)에 의해 전달되는 일정한 토크에 의해 진동을 일으켜 전력생산을 개시한다(S219). 상기 압전소자(60)의 전기적 출력은 사용되는 소자의 종류와 면적, 인가되는 토크에 따라 다르며, 1회 진동 당 생성 전하량 Q = d33 x F 로 정의된다. 여기서 d33 는 압전소사의 구성물질과 관련된 압전상수이며 F 는 인가된 힘이다. 현재까지 발표된 상용화된 단결정소자 중 전력생성 효율이 가장 높은 것은 직경 1cm, 두께 1mm의 디스크(disk) 타입의 규격에 수g의 토크가 인가될 때 1회 진동 당 수~수십V 전압과 수mA~수십mA 정도의 AC 피크 전력을 생성할 수 있다. 상기 압전소자(60)는 전력생성 용량과 응용되는 기기의 종류를 고려하여 적절한 크기로 규격화되는 것이 바람직하다. 상기 압전소자적층모듈(70)은 회전로터(40)를 중심축으로 하여 가능한 많은 수의 압전소자(60)를 적층함과 동시에 면적을 최소화할 수 있도록 하기 위해 회전날개(50)에 의해 일괄적으로 진동을 유발할 수 있는 원통형 실린더 구조가 바람직하다.
상기 단계 S219 후에, 압전소자적층모듈(70)에 적층된 압전소자(60)들 중 다수의 회전로터(40)와 회전날개(50)에 의해 동일한 순간에 타격되어 전기적으로 중첩된 출력을 생성하기 위해 공통접지로 연결된 압전소자(60)들의 출력이 중첩되어 제1DC멀티플라이어(80)로 입력되고, 상기 제1DC멀티플라이어(80)는 입력된 교류전력을 storage IC(90) 또는 EDLC(미도시)의 적정입력전압으로 변환한다(S221).
상기 단계 S221 후에, storage IC(90)는 제1DC멀티플라이어(80)로부터 전력을 입력받아 정해진 용량만큼 전력을 축적하며, 정해진 최대 용량이 축적되는 즉시 출력단에 이어진 DC-DC 컨버터(미도시)에 의해 정해진 출력규격으로 축적전력을 방전한다(S223). 상기 storage IC(90)의 용량은 공통 접지된 압전소자(60)의 개수와 규격화된 크기, 전동모터 또는 초음파모터(30)의 분당 회전수(RPM)와 토크, 회전날개(40)의 개수 등에 의해 결정되는 초당 전력생성 용량에 의해 결정된다.
전압출력에 비해 전하출력량이 작아 기존에는 주로 전압센서용으로만 사용되던 압전소자의 전력생성 효율을 살펴보기 위해 최근 상용화된 단결정 압전소자의 진동에너지 변환효율을 살펴보면, 전기결합계수 K33가 0.9 이상이며, 전하생성량을 규정하는 piezoelectric constant d33는 2,000 pC/N에 이른다. 이는 주로 전압센서용으로 사용되던 기존 PZT 계열의 압전소자에 비해 전하생성효율이 180배에 이르는 값이다. 따라서 불과 수 cm2 크기의 단위압전소자에 매 진동 당 수 g 수준의 토크를 인가하여 고속으로 강제진동을 인가하면 단시간에 수십 Watt급 전력을 축적할 수 있으며, EDLC 또는 나노튜브가 적용된 2차전지등의 축적수단을 동반하면 효율적인 전력생성 수단으로 이용될 수 있다. 이는 전압출력 값에 비해 전하생성량이 작아 주로 전압센서로만 활용되던 기존 압전소자가 달성할 수 없는 전력생성레벨이다. 이를 이용하여 현재 20W 급 전력을 생성하는 압전신발과 하루 1만대 차량 통행기준으로 110kW급 전력을 생산하는 도로발전시스템 등이 발표된 바 있다.
상기 단계 S223 후에, 상기 복수개의 storage IC(90) 또는 EDLC, 또는 나노튜브가 적용된 2차전지로부터 출력된 DC 전력은 인버터(100)를 통해 AC 전력으로 변환된다(S225). 스위칭 방식의 상용 인버터의 전력변환 효율은 평균적으로 93% 이상이며, 스위칭 방식의 특성상 원하는 AC 전력레벨로 매우 정밀하게 제어가 가능하다.
상기 단계 S225 후에, 상기 인버터(100)에 의해 AC 전력으로 변환된 전력은 제2DC멀티플라이어(110)에 의해 부하가 요구하는 전압레벨로 승압된다(S227). 이후, 부하에 유입될 수 있는 과부하를 방지하기 위해 제2정전압/정전류 회로(120)를 거쳐 부하의 정격에 맞는 일정한 전력으로 유지되고(S229), 상기 멀티배터리 시스템(130)에 충전전력을 공급한다(S231).
결과적으로, 본 발명은 USB 2.0 이상의 범용 데이터 통신 포트를 갖는 휴대용 정보통신기기(140)의 충전 시, 상용 교류전원과 유선 교류 어댑터 또는 무접점방식의 충전기기를 사용하지 않고 정보통신기기(140) 자체의 배터리 전력을 전력공급원으로 하여 USB 포트를 통해 공급되는 직류출력전력 중 일부 전력만을 이용하여 USB 출력전력(5V/500mA)을 초과하는 정격전력을 요구하는 휴대용 정보통신기기(140)를 충전할 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위에 의하여 나타나며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치 및 방법에 관한 것으로, 외부의 전력공급 없이 지속적으로 배터리를 충전함으로써 노트북, 넷북 및 휴대용 단말기를 포함하는 휴대용 정보통신기기에 이용되거나, 배터리를 이용하는 소형 가전　 제품 등에도 활용될 수 있다.
10 : USB 포트 20 : 제1정전압/정전류 회로
30 : 전동모터 및 초음파모터 40 : 회전로터
50 : 회전날개 60 : 압전소자
70 : 압전소자적층모듈 80 : 제1DC멀티플라이어
90 : storage IC 100 : 인버터
110 : 제2DC멀티플라이어 120 : 제2정전압/정전류 회로
130 : 멀티 배터리시스템 140 : 정보통신기기

Claims (9)

  1. 직류출력전력을 생성하는 USB 포트;
    상기 USB 포트로부터 전달된 상기 직류출력전력으로 구동하는 진동발생부;
    상기 진동발생부에 의해 전달되는 토크에 의해 진동하는 압전소자적층모듈;
    상기 압전소자적층모듈로부터 출력되는 전력을 축적하고 변환하는 전력 변환부; 및
    상기 전력 변환부의 출력을 부하에 일정한 전력으로 정규화하여 공급하기 위한 정전압/정전류 회로를 구비하는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 진동발생부는
    상기 USB 포트로부터 상기 직류출력전력을 전달받아 구동되는 모터; 및
    상기 모터에 연결되어 회전하는 회전로터와 회전날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환부는
    상기 압전소자적층모듈로부터 출력되는 전압을 승압하고 정류하는 제1DC멀티플라이어;
    상기 제1DC멀티플라이어로부터 출력된 전력을 축적하여 출력하는 storage IC 또는 EDLC;
    상기 storage IC 또는 EDLC, 또는 나노튜브가 적용된 2차전지로부터 출력된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 인버터; 및
    상기 인버터의 AC 출력을 부하가 요구하는 전압레벨로 승압하고 정류하기 위한 제2DC멀티플라이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 storage IC는,
    입력된 전력을 축적하고, 상기 축적된 전력을 입력전력과 다른 전력레벨로 변환하여 출력하도록 시스템온칩(SoC) 기술을 적용하여 하나의 IC로 집적된 것을　특징으로 하는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압전소자적측모듈은,
    다결정 압전소자 및 단결정 압전소자 중에서 선택된 적어도 하나의 압전소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정보통신기기는 배터리 충전정격 전력을 생성하기 위해 USB 출력전력을 이용하는 것 외에 다른 외부 전력이 제거된 상태에서 충전되는 것을 특징으로 하는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전장치.
  7. 배터리를 충전하기 위한 충전 주기 동안 USB 포트로부터 직류출력전력이 전송되는 단계;
    상기 USB 포트에 규격화된 유선 커넥터를 이용하여 전기적으로 연결된 제1정전압/정전류 회로를 통해 USB 출력을 일정한 전력으로 제한하는 단계;
    상기 제1정전압/정전류 회로로부터 공급되는 전력으로 구동하는 진동발생부를 구동하는 단계;
    상기 진동발생부로부터 토크를 전달받아 압전소자적층모듈로부터 전력이 생성되는 단계;
    전력 변환부를 이용하여 상기 생성된 전력을 축적하고 변환하는 단계; 및
    상기 제2정전압/정전류 회로를 통해 일정하게 제어된 전력을 이용하여 유선 커넥터를 통해 멀티배터리 시스템을 충전하는 단계를 포함하는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1정전압/정전류 회로로부터 공급되는 전력으로 구동하는 진동발생부를 구동하는 단계는,
    상기 제1정전압/정전류 회로를 통해 공급되는 일정한 전력으로 모터가 구동되는 단계; 및
    상기 모터의 구동축과 기계적으로 연결된 회전로터와 회전날개가 구동되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전방법.
  9. 제7항에 있어서,
    전력 변환부를 이용하여 상기 생성된 전력을 변환하는 단계는,
    상기 압전소자적층모듈로부터 출력된 AC 전력을 제1DC멀티플라이어를 통해 정해진 전압레벨로 승압하고 정류하는 단계;
    상기 제1DC멀티플라이어 출력전력을 복수 개의 storage IC를 통해 정해진 용량으로 축적하고 축적된 전력을 입력전력보다 높은 전력레벨로 방출하는 단계;
    상기 storage IC 출력을 중첩하여 AC 전력으로 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 전력을 부하에 일정한 전력으로 공급하기 위해 제2정전압/정전류 회로를 통해 일정한 전력으로 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 정보통신기기의 자가 충전방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2020224177A1 (zh) * 2019-05-07 2020-11-12 深圳威富智慧家居科技有限公司 连续直流输出装置

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