KR100393946B1 - 차량 배터리 상태 표시 방법 및 장치 - Google Patents

차량 배터리 상태 표시 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사용중인 차량 배터리(2)의 전기적 상태를 모니터링하기 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 주요한 목적은, 리플전압을 이용하여 차량 배터리의 상태 즉, 전해액의 수위, 배터리 전극의 상태를 모니터링하여 표시하는 것이다. 본 발명에서는, 배터리(2)의 상태를 유추하기 위한 기준으로서 배터리 공급라인(4)에서의 리플전압을 이용한다. 본 발명의 실시예에서는, 우선 엔진이 가동되고 있는 동안 배터리 공급라인(4)에서의 리플전압을 측정하는 단계, 사용하는 자동차에 맞도록 미리 세팅된 값이나 신호를 보내기 전에 배터리의 상태가 얼마나 나쁜지 결정하는 적당한 범위의 값을 리플전압과 비교하는 단계, 마지막으로 리플전압이 미리 정해진 값을 초과할 때 이를 표시하는 단계로 구성된다. 상기한 장치는 적당한 범위의 세팅 값을 가지고 있고, 배터리 공급라인(4)에 연결된 리플전압 감지기와 리플전압 감지기에 연결되어 리플전압이 적당히 세팅된 값을 넘어서는지 여부를 표시해주는 표시기로 구성된다.

Description

차량 배터리 상태 표시 방법 및 장치{Method and Apparatus for Automotive Battery Condition Indication}
본 발명은 차량 배터리 공급라인(automotive battery supply line)의 직류전압에서 나타나는 리플전압(ripple voltage)을 이용한 차량 배터리 상태 표시 시스템 분야에 관한 것이다.
자동차 산업에서, 배터리는 본네트 밑의 엔진 옆이라던가, 좌석의 아래쪽 또는 상자에 싸여져서 감추어지는 등 일반적으로 사용자의 직접적인 접근이 어려운 위치에 숨겨져 있다. 배터리를 시각적으로 검사하거나 또는 물리적인 테스트를 위해서는 소정의 노력이 필요하다. 만약 상기 배터리가 어떠한 형태의 검사 또는 모니터링 없이 성능이 저하된다면, 사용자가 성능저하를 발견하게 되는 경우는 오직 차량이 작동하지 않을 때뿐이다. 예를 들어, 자동차의 배터리가 시간이 경과됨에 따라 성능이 저하되고, 어느 날 상기 배터리의 상태가 나빠지면 자동차는 시동이 걸리지 않는다. 이것은, 언제 그리고 어디서 발생하느냐에 따라, 금전적인 면뿐만아니라, 안전성에 있어서 그리고 시간적인 면에서 사용자에게 매우 중요하다.
본 발명은, 사용자가 차량의 배터리 상태를 용이하게 모니터링할 수 있도록 하기 위하여 개발되었다. 상기한 바와 같이, 차량 배터리는 사용자가 직접 접근하기 어려운 위치에 놓여져 있다. 기술적 이해와 제한된 지식 수준으로 인하여, 상기 배터리를 드러내기 위해서 사용자가 케이스를 정기적으로 제거하고 배터리의 전해액 수위와 전극의 상태를 검사하는 것은 매우 불편하고, 성가시며 귀찮은 것이다.
전해액 수위의 상태와 전극의 상태를 알기 위하여, 밀폐된 차량 배터리를 시각적으로 검사하는 것은 가능하지 않다. 대부분의 경우, 사용자는 밀폐된 차량 배터리의 상태를 체크하기 위한 기술적인 지식과 장비를 가지고 있지 않다.
종래에는, 차량으로부터 차량 배터리를 분리하고, 분리된 배터리에 부하를 거는 전용 충전 수준 측정장치를 이용하여 차량 배터리의 상태를 체크하였다. 그러나, 이러한 장비는 고가이고 일반적으로 자동차 정비소에서나 볼 수 있다. 부하를 상기 배터리에 연결하는 방법은, 상기 배터리의 상태를 정확히 알 수 있지만 배터리의 성능저하를 감수해야 하다.
물리적으로 검사할 수는 있으나, 검사방법, 비용 및 설치 과정의 제한 때문에, 종래의 배터리 부하 테스트 방법을 이용하여 차량 배터리의 상태를 표시하려는 시도는 상업적으로 받아들여지지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시한 일반적인 배터리 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 차량 배터리 공급라인에 있어서의 전형적인 전압파형을 엔진이 작동될 때 0 V(zero volt)를 기준으로 도시한 그래프도이다.
도 3은, 도 2의 그래프도에서 원 A부분의 전압 파형을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 4는 담배 라이터 소켓(시거 잭)을 통하여 또는 자동차에 조립되어 장착된 조합 계기판(combination meter)을 통해 배터리의 상태를 표시하는 본 발명의 실시예가 장착된 승용차를 도시한 것이다.
도 5는 양수 값의 추적 기준전압을 갖는, 양호한 상태의 배터리를 사용하는 자동차의 배터리 공급라인에서 나타나는 리플전압의 예를 도시한 것이다.
도 6은 양수 값의 추적 기준전압을 갖는, 불량한 상태의 배터리를 사용하는 자동차의 배터리 공급라인에서 나타나는 리플전압의 예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명을 담배 라이터 소켓을 통해 자동차에 실시한 배터리 모니터 회로로서 구현하기에 적합한 블록다이어그램을 도시한 것이다.
도 8은 양수 값의 리플전압 특성에 기초한, 자동차의 차량 배터리 상태 표시기에 적합한 상세한 회로를 도시한 것이다.
도 9는 음수 값의 리플전압 특성에 기초한, 자동차의 차량 배터리 상태 표시기에 적합한 상세한 회로를 도시한 것이다.
도 10은 도 9에 도시된 회로에 대한, 불량한 성능의 배터리를 사용하는 자동차의 배터리 공급라인에서 나타나는 리플전압을 도시한 것이다.
도 11은 내부 ADC (아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 장치)를 포함한 마이크로 콘트롤러를 사용한, 차량 배터리 상태 표시기에 적합한 회로의 상세도이다.
도 12는 도 8에 도시된 양수 값의 리플전압 특성에 기초한 회로에 대한, 불량한 성능의 배터리를 사용하는 자동차의 배터리 공급라인에서 나타나는 리플전압으로부터 추출되고 변형된 리플전압을 도시한 것이다.
도 13은 도 9에 도시된 음수 값의 리플전압 특성에 기초한 회로에 대한, 불량한 성능의 배터리를 사용하는 자동차의 배터리 공급라인에서 나타나는 리플전압으로부터 추출되고 변형된 리플전압을 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>
1 배터리 상태 표시회로 2 차량 배터리
3 교류 발전기 4 배터리 공급라인
5 부하 6 담배 라이터 소켓
7 조합 계기판 8, 10, 14 추적 기준전압
9, 11, 13 리플전압 12, 15, 18, 21 리플전압 교차영역
16, 18, 19 변형된 리플전압 17, 20 직류 기준전압
본 발명은, 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 배터리 공급라인의 리플전압을 이용하여 차량 배터리의 성능을 저하시키지 않으면서도, 전해액의 수위, 충전된 전하량 및 전극의 상태와 같은 차량 배터리 상태를 모니터링하고 표시할 수 있는 장치를 제공하기 위하여 개발된 것이다.
본 발명의 제 1목적은, 배터리를 시각적으로 검사하거나 또는 부하 테스트(loading test)를 하기 위하여 배터리를 분리하여야 하는 불편함과 성가심이 없으면서도 전해액 수위, 배터리 전극의 성능저하와 같은 차량 배터리의 상태를 모니터링하고 표시할 수 있도록 하는 것이다.
차량 배터리는 한 번 설치되면 배터리 공급라인에 확실히 고정된다. 전류가 배터리 충전 시스템 즉, 교류발전기로부터 상기 배터리로 공급될 때, 리플전압 성분이 상기 배터리 전압의 직류성분에 생성된다. 역으로, 전류가 차량의 전기 또는 전자장비에 의해 상기 배터리로부터 인출되면, 리플전압이 상기 배터리의 직류전압에 유도된다.
리플전압의 특징 즉, 파형과 진폭은 각각의 차량에 따라 다양할 수 있다. 또한, 리플전압의 진폭은 배터리의 상태 즉, 전해액 수위, 배터리 전극의 성능저하의 정도 및 배터리 단자의 접촉 상태에 따라 달라진다. 배터리의 성능이 저하됨에 따라, 리플전압의 진폭 및/또는 파형이 변화되는 것이다. 이러한 변수들을 측정함으로서 배터리의 상태를 모니터링할 수 있다. 차량 배터리상태 표시회로에서는, 배터리의 상태를 유추하기 위하여 리플전압의 양수측, 음수측 또는 양측 모두를 사용할 수 있다.
배터리 공급라인에서의 리플전압을 모니터링함으로서, 사용자는 배터리에 물리적으로 접근하여 검사하지 않고서도, 배터리에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있다.
다음에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 차량 배터리의 상태를 나타내는 배터리상태 표시회로(1)는 배터리 공급라인(4)에 직접 연결된다. 상기 배터리상태 표시회로(1)는, 교류발전기와 같은 배터리 충전 시스템(3)이나, 전기 또는 전자적인 장비와 같은 부하(5)에 의해 발생된, 배터리 공급라인의 리플전압을 검출한다. 설명되는 본 발명의 특별한 실시예에 있어서, 배터리 충전 시스템(3)은 배터리(2)에 직접적으로 연결된다. 배터리 공급라인(4)에서의 전압은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 배터리(2)의 직류 전압에 리플전압 성분이 더해져 있다. 도 3에는 전압파형의 확대도가 도시되어 있다. 상기 배터리(2)의 상태는 리플전압의 특성 즉, 전압파형과 진폭으로부터 유추할 수 있다.
가장 넓은 의미로서, 본 발명은 어떠한 차량의 어떠한 배터리에도 적용될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 승용차에도 이용될 수 있다. 본 시스템은 납 배터리(2)와, 배터리 충전 시스템(교류발전기)(3)과, 에어컨디셔너 팬, 압축기, 물탱크 쿨링팬, 엔진시동모터, 램프, 전기 도난 경보 시스템, 라디오 등과 같은 전기 및 전자 부하들로 구성된다. 본 발명의 일실시예에 따른, 배터리상태 표시회로(1)는, 차안에 영구적으로 부착되어 조합 계기판을 통해 배터리 상태를 표시하거나,또는 배터리 공급라인(4)에 직접적으로 연결되어 있는 담배 라이터 소켓(6)에 연결되는 휴대용 기구로 설계될 수 있다. 차량의 엔진이 시동될 때, 다른 부하에 연결되어 있는 배터리 충전 시스템(교류발전기)(3)은, 직류성분과 리플성분으로 구성된 전압을 형성하게 된다. 대용량의 커패시터(capacitor) 처럼 동작하는 양호한 상태의 배터리(2)는, 리플전압 성분을 필터링하여 작은 진폭의 리플전압으로 만든다. 도 5에는 필터링이 잘된 리플전압(9)의 예가 도시되어 있다. 반대로 저용량의 커패시터 처럼 동작하는 불량한 상태의 배터리(2)는, 양호한 상태의 배터리와는 달리, 리플전압 성분을 잘 여과하지 못한다. 그 결과, 도 6에 도시된 바와 같은, 진폭이 큰 리플전압(11)을 형성하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 승용차의 담배 라이터 소켓(6)을 통해 연결되는 배터리상태 표시회로(1)에 있어서는, 차량 배터리의 상태를 결정하기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같은, 리플전압의 양의 부분을 추적하는 느리게 변화하는 기준전압(8)이 사용된다. 리플전압(9)의 진폭이 작기 때문에, 추적 기준전압(8)이 리플전압(9)을 추적할 수 있다. 반대로 리플전압의 진폭이 클 때에는, 느리게 변화하는 기준전압(10)이 빠르게 변하는 리플전압(11)을 추적할 수 없다. 그에 따라, 도 6에서 12로 표시된 영역과 같이, 리플전압(11)과 추적 기준전압(10)이 서로 교차하는 현상이 발생한다. 그러므로 기준전압의 추적특성을 적절히 선택하면 배터리상태 표시회로(1)는 여러 종류의 차에 적용될 수 있도록 조정될 수 있다. 도 7은, 도 4에 도시된 바와 같이, 담배 라이터 소켓(6)을 통해 배터리상태 표시회로(1)를 실시하는 본 발명의 실시예에 대한 블록 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 배터리 공급라인(4)의 공급전압(V)은 직류전압(Vdc)과 리플전압(Vripple)의 조합이다. 다이오드(D1)는 반대 극성을 띠는 전압이 들어오지 못하도록 하는 역할을 한다. 5V로 고정된 전압 조정기(IC1) 및 커패시터(C2, C3)는 다른 회로들을 동작시키기 위해 5V의 공칭 직류전압을 제공한다. 저항(R1, R2) 및 전해 커패시터(C1)는, 배터리 공급라인의 직류전압 성분을 12V로부터, 리플전압( Vripple)의 특성을 변화시키지 않은 채, 회로에 적합한 더 작은 전압 즉, 2.5V로 강하시킨다. 도 8의 노드(V+)에서 생성된 리플전압(Vripple)의 파형(9, 11)이 도 5 및 도 6에 각각 도시되어 있다. 저항(R3, R4) 및 다층 세라믹 커패시터(C4)는, 노드 (V+)에서의 리플전압(Vripple)을 사용하여 추적 기준전압을 형성한다. 노드(V-)에서의 추적 기준전압의 파형(8, 10)이 도 5 및 도 6에 각각 도시되어 있다. 비교기(IC2)는 노드(V+)와 노드(V-)사이의 전압차를 비교하며, 도 6에 도시된 바와 같은 교차지점을 감지하게 되면, 풀업(pull-up) 저항(R5)을 경유하여 능동적인 높은 신호를 발생시킨다. 저항(R6, R7), 전해 커패시터(C5) 및 다이오드(D2)는, 트랜지스터(Q1)로 구성된 경고 표시장치를 작동시키기 위하여 비교기(IC2)의 핀(도 8에서의 부재번호 1)로부터의 신호를 재조절한다. 트랜지스터(Q1)는, 후속하여 저항(R8)과 발광 다이오드(LED)로 구성되어 경고상태를 시각적으로 보여주는 표시기를 작동시킨다.
본 발명의 제2 실시예로서, 도 8에서 점선으로 도시된 바와 같이, 저항(R8)과 발광 다이오드(LED)를 12V의 직류 부저(buzzer)로 대체하여 청각적인 감지기를 이용할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예는, 도 9에 도시된 바와 같이 리플전압(Vripple)의 음극측을 따라 추적하는 것이다. 이는 저항(R3, R4), 커패시터(C4) 및 비교기(IC2)의 위치를 재배치하면 가능하다. 리플전압과 추적 기준저압 사이의 비교가 각각 도 10에 그래프(13, 14)로 도시되어 있다. 도 10에 도시된 영역(15)은, 납 배터리의 상태가 좋지 않아서 리플전압(13)이 추적 기준전압(14)을 넘어서 교차하는 영역을 나타낸다.
본 발명의 제4 실시예는, 도 11에 도시된 바와 같이, 소프트웨어를 이용하여 추적 기준전압을 발생하는 기능, 리플전압과 기준전압을 비교하는 기능 및 표시회로를 동작시키기 전에 비교한 결과를 재조절하는 기능을 가진, 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 장치(Analog to Digital Converter; ADC)를 내장한 마이크로 콘트롤러(도 11에서의 부재번호 IC2)를 사용하는 것이다. 마이크로 콘트롤러(도 11에서의 부재번호 IC2)는 차량 배터리의 상태를 유추하기 위하여 리플전압의 양극측면과 음극측면을 모두 추적할 수 있도록 프로그램 될 수 있다.
앞서 설명한 예들은, 그래프(9, 11, 13)로 도시된, 배터리 공급라인(4)에서의 실제 리플전압을 사용한다.
본 발명의 제5 실시예는, 리플전압을 추출하여, 도 12에서 그래프(16)로 도시된 바와 같이, 이를 더 간단한 형태로 변형시키는 것이다. 이를 실현하기 위해서는 도 8과 같은 회로를 사용하며, 단지 차이가 있는 것은 커패시터(C1)의 값을 줄이고 커패시터(C4)의 값을 증가시키는 것이다. 이 실시예에서, 저용량의 커패시터(C1)는 배터리 공급라인(4)에 존재하는 실제 리플전압의 저주파 성분을 검출하여 변형된 리플전압(16)을 형성하게 한다. 저항(R3, R4)과 연결된 대용량의 커패시터 (C4)는 변형된 리플전압(16)의 양극측을 비교하기 위하여 직류 기준전압(17)을 발생한다. 불량한 상태의 배터리가 사용될 경우, 변형된 리플전압(16)과 직류 기준전압(17)은 영역(18)에서 교차하게 된다. 이때 비교기(IC2)는 불량한 상태의 배터리 신호를 감지한다.
본 발명의 제6 실시예는 제5 실시예를 변형한 것으로서 도 13에 도시된 바와 같이 변형된 리플전압(19)의 음극측을 비교하기 위해 직류 기준전압(20)을 사용하는 것이다. 이를 위해 도 9에 도시된 바와 같은 회로가 사용되며 유일한 차이는 커패시터(C1)의 값을 줄이고 커패시터(C4)의 값을 증가시키는 것이다. 도 13의 영역 C는 변형된 리플전압(19)과 직류 기준전압(20)의 확대한 부분을 나타낸 것이다. 이 실시예에서, 불량한 상태의 차량 배터리가 사용될 경우, 변형된 리플전압(19)이 직류 기준전압(20)과 영역(21)에서 교차하게 된다. 이때 비교기(IC2)는 불량한 상태의 차량 배터리(2)의 신호를 감지한다.
상기 밝혀진 특징들 또는 하기의 특허청구범위 또는 구체적인 형태로 표현된 첨부도면 또는 개시된 결과를 달성하는 방법은 어떠한 조합이든지 다양한 종류의차량에 이용될 수 있다.
위와 같은 본 발명에 따르면, 차량 배터리의 성능을 저하시키지 않으면서도, 전해액의 수위, 충전된 전하량 및 전극의 상태와 같은 차량 배터리 상태를 모니터링하고 표시할 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 방법으로서,
    (i) 엔진이 작동하고 있는 동안 차량 배터리 공급라인에 나타나는 배터리 전압으로부터 리플전압 성분을 추출하는 단계(여기에서, 상기 배터리 전압은 DC 전압 성분 및 상기 리플전압 성분으로 구성된다);
    (ii) 상기 리플전압 성분에 기초하여 리플전압 특성 비교기준을 생성하는 단계; 및
    (iii) 상기 차량 배터리의 상태를 결정하기 위하여 상기 리플전압 특성 비교기준을 상기 리플전압 성분과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 차량 배터리의 상태는, 전해액 수위, 양극판과 음극판의 성능저하 수준 및 배터리 단자 접촉 상태를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 차량 배터리는, 납 배터리 또는 유지보수가 필요 없는 배터리를 포함하는, 차량의 주요한 직류 전압공급원으로서 차량에 사용되는 형태의 배터리인 것을 특징으로 하는 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 리플전압 성분은, 엔진이 동작하는 동안 교류발전기와 함께 다른 전기적 및 전자적 부하에 의해 생성되는, 다양한 진폭의 복수의 비직류 주파수 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 차량 배터리 공급라인(4)은 전기적으로 차량 배터리(2)의 양극과 음극을 교류발전기와 그 외의 다른 전기적 및 전자적 부하에 연결한 전기적 배선 회로를 포함하며, 상기 전기적 배선 회로는 휴즈, 스위치 또는 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 리플전압 특성 비교기준은 엔진이 작동하고 있는 동안 나타나는 리플전압 성분에 대하여 변하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 리플전압 특성 비교기준은, 전압신호 또는 마이크로 콘트롤러 내의 디지털 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 리플전압 성분의 양극측, 음극측 또는 양측의 진폭 또는 파형을 상기 리플전압 특성 비교기준과 비교하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 방법.
  9. (i) 엔진이 작동하고 있는 동안 차량 배터리 공급라인에 존재하는 배터리 전압으로부터 리플전압 성분을 추출하는 신호 추출기(여기에서, 상기 배터리 전압은 DC 전압 성분 및 상기 리플전압 성분으로 구성된다);
    (ii) 상기 리플전압 성분에 기초하여 리플전압 특성 비교기준을 생성하는 신호 생성기; 및
    (iii) 상기 차량 배터리의 상태를 결정하기 위하여 상기 리플전압 특성 비교기준을 상기 리플전압 성분과 비교하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 장치는 차량 배터리 공급라인(4)을 따라 존재하는 점에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 상태의 모니터링 및 표시 장치.
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