KR101157786B1 - 무전지형 타이어 압력 감지 시스템 및 그 시스템 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무전지형(batteryless) 타이어 공기압 감지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무전원 타이어 공기압 감지 시스템 중 무선 정보 송신을 위한 무전원 제어 장치의 제어로직으로 운용되는 제어 시스템에 관련된 것이다. 이를 위하여, 외부로부터의 진동을 전기에너지로 변환하는 자가발전 전원장치와, 발전된 전압을 시스템이 사용할 수 있는 적정 전압으로 바꾸어주는 전압변환 및 충전부와, 압력 감지 센서를 포함하는 센서부와; 외부 타이어의 상태(압력)를 전송하는 RF 송신부, 및 센서 및 기타 신호 정보의 습득, RF 송신, 조건별 시스템 제어을 수행하는 TPMS 제어회로부를 포함하며, 외부전원 배터리 공급 없이 시스템 운용이 가능하도록 시스템을 구성하고 있다. 이에 따르면, 기존의 TPMS 배터리의 전력소모에 의한 수명의 한계를 해결하고 자가발전에 의한 전원 공급으로 배터리 수명에 상관없이 사용할 수 있어 경제적인 이점 및 추가적인 다양한 기능을 추가할 수 있는 이점을 제공하는 효과를 가져올 수 있게 된다.

Description

무전지형 타이어 압력 감지 시스템 및 그 시스템 제어 방법{Batteryless Tire Pressure Monitoring System and Control Method of it}

본 발명은 무전지형(batteryless) 타이어 공기압 감지 시스템(Tire Pressure Monitoring System, 이하 "TPMS"라 한다)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무전원 타이어 공기압 감지 시스템 중 무선 정보 송신을 위한 무전원 제어 장치의 제어 로직으로 운용되는 제어 시스템에 관련된 것이다.

일반적으로 자동차 타이어의 공기압이 너무 높거나 낮으면 타이어가 터지거나 차량이 쉽게 미끄러져 대형사고로 이어질 가능성이 있다. 또한 연료 소모량이 많아져 연비가 악화되고, 타이어 수명이 짧아질 뿐 아니라, 승차감과 제동력도 많이 떨어진다. 이러한 타이어의 결함을 막기 위해 차량에 장착하는 안전장치가 TPMS이다. 이는 타이어에 부착된 센서로 타이어의 압력과 온도를 감지한 뒤, 이 정보를 운전석으로 보내 운전자가 실시간으로 타이어의 압력 상태를 점검할 수 있게 설계되어 있다. 이 시스템을 이용하면 타이어의 내구성, 승차감, 제동력 향상은 물론, 연비도 높일 수 있고, 주행 중 차체가 심하게 흔들리는 것도 막을 수 있게 된다.

이 경우, 일반적으로는 타이어의 내부에 장착되어 타이어의 압력을 측정하여 무선으로 압력 및 기타 정보를 외부에 전송한다. 이와 같은 작업을 위해 전자 장치로 구성된 TPMS는 배터리의 탑재를 필요로 한다. 그러나 현재 배터리 수명의 한계에 의해 TPMS 연구에서는 내부에서 자가발전을 수행하는 새로운 구조의 TPMS가 요구되고 있다. 즉 타이어의 수명이 다하기 전에 배터리의 수명이 다함으로 배터리 수명에 따라 타이어 압력 모니터링 시스템의 수명이 결정된다. 상기 문제를 해결하고자 자가발전 전원 장치의 전원 충전량 및 차량 압력 상태에 따라 차량 센서신호 측정 및 신호 전송 주기를 달리하여 송신 신호를 전송함하는 시스템을 개발한다. 배터리 수명을 늘리는 방안(국내특허 공개번호; 2005-0030476)이 제시되었지만, 이는 효율성에 초점을 맞춘 것일 뿐 실시간 감시를 통한 안정성 향상에는 영향을 주지 못한다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, TPMS 배터리 탑재방식 어려움을 해결하고 자가발전에 의한 전원 공급으로 배터리 없이 사용할 수 있어 구조적으로 간편성을 제공하고 경제적인 이점을 제공하는 데 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하고 본 발명에 따른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 무전지형 타이어 공기압 감지 시스템은,
외부로부터의 진동을 전기에너지로 변환하는 자가발전 전원장치와;
발전된 전압을 시스템이 사용할 수 있는 적정 전압으로 바꾸어주는 전압변환 및 충전부와; 압력 감지 센서를 포함하는 센서부와;
외부 타이어의 압력 상태를 전송하는 RF 송신부; 및
센서 및 기타 신호 정보의 습득, RF 송신, 조건별 시스템 제어를 수행하는 TPMS 제어회로부;를 포함하며, 외부전원 배터리 공급 없이 시스템 운용이 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 자가발전 가변전원장치는, 진동으로부터 발생된 전력을 충전시키기 위한 두 개 이상의 커패시터와; 발생된 전압이 시스템의 사용전압과 맞지 않을 때 이를 조정해주는 DC/DC 컨버터와; TPMS 제어을 위한 로직 프로그램을 구비한 TPMS 제어회로;를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무전지형 타이어 공기압 감지 시스템 제어방법은,
제어프로그램을 시작하여 V1 전압을 필터링 포함 체크하는 제1 단계;
V1 전압이 시작 전압보다 크면 V2 전압을 필터링 포함 체크하며 시작 전압보다 크지 않으면 제1 단계로 되돌아가는 제2 단계;
필터링 포함 타이어 압력을 체크하는 제3 단계;
반복횟수가 초기화 반복 횟수보다 큰 경우 제5 단계로 넘어가고 크지 않은 경우 상기 제1 단계로 돌아가는 제4 단계;
기준1 전압이 V1 전압보다 크면 제6 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 타이어 압력 체크 후 RF 2회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가는 제5 단계;
기준2 전압이 V1 전압보다 크면 제7 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 타이어 압력 체크 후 RF 1회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가는 제6 단계;
기준3 전압이 V1 전압보다 크면 제8 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 RF 1회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가는 제7 단계;
기준4 전압이 V1 전압보다 크면 제2 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 타이어 압력이 정상모드이면서 기준3 전압이 V2 전압보다 큰 경우 상기 제2 단계로 돌아가고, 그렇지 않은 경우에는 RF 1회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가는 제8 단계;로 구성하는 전원 충전 조건별 제어로직을 포함하며, 이에 따라 시스템을 제어하는 것을 특징으로 한다.

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이상에서와 같이 본 발명에 따른 무전원 타이어 압력 감지 시스템 사용 시에는, TPMS 배터리 전력 소모에 의한 사용 기간의 한계를 해결하고 자가 발전에 의한 전원 공급으로 배터리 없이 사용할 수 있어 경제적인 이점 및 다양한 응용 기능을 추가할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 무전원 TPMS 전력 공급 구성도
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 전원 충전 조건별 제어도
도 7은 본 발명에 따른 RF 전송 조건별 제어도
도 8은 본 발명에 따른 발전소자 일 실시 예 구성사진
도 9는 본 발명에 따른 TPMS 시스템 구성도

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무전원 타이어 감지압 시스템에 대한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 따른 무전원 TPMS 전력 공급 구성도, 도 2 내지 도 6은 전원 충전 조건별 제어도, 도 7은 RF 전송 조건별 제어도, 도 8은 본 발명에 따른 발전소자 일 실시 예 구성사진, 도 9는 본 발명에 따른 TPMS 시스템 구성도이다.

본 발명에 따른 타이어 공기압 감지 시스템(Tire Pressure Monitoring System, TPMS, 900)은, 도 9에서와 같이, 외부로부터의 진동을 전기에너지로 변환하는 자가발전 전원장치(100)와, 발전된 전압을 TPMS에서 사용할 수 있도록 전압 변환 및 충전을 해 두는 전압변환 및 충전부(200) 및 센서 및 기타 신호 정보의 습득, RF 송신, 조건별 시스템 제어을 수행하는 TPMS 제어회로부(400), 압력 센서 및 기타 센서들을 포함하는 센서부(300) 그리고 외부 타이어의 상태(압력)를 전송하는 RF 송신부(500)로 구성된다.

본 발명에서 진동으로부터 전력을 발생시키는 시스템은 MEMS 기반의 압전 발전 소자를 사용하고 있다. 이에 따라서 자동차 바퀴 진동시 전기 에너지를 발생시키고 발생된 전기 에너지를 축전기에 충전시킨다. 이를 위하여, 기존의 배터리 대신에 타이어 진동으로부터 전력을 발생시키는 자가발전 가변 전원 장치(100)를 탑재하고 있다.

기존 타이어 내 물리량 감지 센서로는 압저항형(piezoresistive) 방식의 MEMS 센서가 적용되어 왔으나 전력소모가 많고 주변 온도 등의 영향이 크고 구조가 비교적 큰 문제점이 있다. 따라서 더욱 진보된 형태로서 낮은 소모전력과 주변 환경의 영향이 적고 구조 크기가 적은 MEMS 기반 초저전력 방식의 공기압, 온도, 가속도 동시 감지용 다중 센서가 대두되고 있으며, 본 발명에서는 이러한 MEMS 기술 기반의 감지 센서를 사용하고 있다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 자가발전 가변전원 장치(100)에 대하여 설명하면, 자가발전 전원장치로부터 발생된 전력은 두 개의 커패시터(130,131) 에 충전되며, 입력단의 전압이 출력단의 전압과 차이가 날 때 이에 대한 조절을 수행한는 DC/DC CONVERTER(110)와, TPMS 제어을 위한 로직 프로그램을 구비한 TPMS 제어회로(120)를 포함하여 구성한다.

이 경우, 진동 발전을 통해 발생된 전력은 TPMS 모듈이 필요로 하는 전력을 공급하기 위하여 적절한 전압 변환 및 저장을 요구한다. 이와 같은 전력저장 및 변환은 AC 형태의 발진 전력을 발생하는 전원을 정류 변환을 수행한다. 정류 변환된 전압은 다시 전압 DC 전압변환을 수행하여 TPMS 모듈에서 적용할 수 있는 전압레벨로 변환을 수행한다.

이와 같은 무전원 TPMS 전력 공급을 위한 자가발전 가변전원 장치(100) 탑재를 통해 기존의 배터리에 대한 한계를 탈피하여 계속으로 전력을 발생시켜 타이어 압력 및 기타 정보를 무선으로 전송한다. 이와 같은 구조는 무선의 전송 및 센서 신호들의 정보를 읽을 때 마다 에너지의 소모를 발생시킨다. 그리고, 이와 같은 에너지 소모는 자가발전에 의해 발생된 전력을 커패시터(130,131)에 충전시키고 이 충전된 전위(V1, V2)의 조건에 따라 정보의 무선 전송 및 센서의 정보를 읽는다. 이에 대한 제어 로직은 도 2 내지 도 6에 도시되어 있다.

이에 따라서, 먼저 차가 이동되면 TPMS 내부에 장착되어 있는 장치에 의해 제어로직(프로그램)이 시작된 후 V1, V2 및 압력 조건에 따라 무선 RF 송신이 이루어지게 된다.

이하, 도2 내지 도6을 참조하여 전원 충전 조건별 제어 흐름을 상세하게 설명하기로 한다.

도 2에서와 같이, 본 발명에 따른 전원 충전 조건별 제어는, 제어프로그램을 시작하여 V1 전압을 필터링 포함 체크하는 제1 단계(S310), V1 전압이 시작 전압보다 크면 V2 전압을 필터링 포함 체크하며 시작 전압보다 크지 않으면 제1 단계로 되돌아가는 제2 단계(S320, S330), 필터링 포함 타이어 압력을 체크하는 제3 단계(S340), 반복횟수가 초기화 반복 횟수보다 큰 경우 제5 단계로 넘어가고 크지 않은 경우 상기 제1 단계로 돌아가는 제4 단계(S350), 기준1 전압이 V1 전압보다 크면 제6 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 ① 단계로 넘어가는 제5 단계(S360), 기준2 전압이 V1 전압보다 크면 제7 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 ② 단계로 넘어가는 제6 단계(S370), 기준3 전압이 V1 전압보다 크면 제8 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 ③ 단계로 넘어가는 제7 단계(S380), 기준4 전압이 V1 전압보다 크면 제2 단계(⑤ 단계)로 넘어가고 크지 않을 경우 ④ 단계로 넘어가는 제8 단계(S390)를 포함하여 구성한다.

여기에서, 필터링에는 다수 반복되는 측정값의 정확도를 높이기 위한 다양한 수치 산출 기법이 포함될 수 있으며, 저역통과 필터의 경우에는 몇 개의 데이터를 연속으로 모은 후 그 개수로 나누어 평균하고, 칼만필터의 경우는 노이즈의 특성을 적용한 필터에 해당한다.

상기 S350에서 초기화 반복횟수는 사용자에 의하여 미리 설정된 반복횟수를 의미하며, 반복횟수는 실제적으로 측정 반복 횟수를 의미한다. 그리고, V1, V2, 기준 1전압 내지 기준 4전압은 멤스(MEMS) 발전소자에 따라서 그 기준값이 달라지며, 사용자에 의하여 적정한 범위에서 미리 결정되어 프로그래밍된다.

그리고, 상기 ① 단계는, 타이어 압력 체크 후 RF 2회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가도록 설정한다.

그리고, 상기 ② 단계는, 타이어 압력 체크 후 RF 1회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가도록 설정한다.

그리고, 상기 ③ 단계는, RF 1회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가도록 설정한다.

그리고, 상기 ④ 단계는, 타이어 압력이 정상모드이면서 기준3 전압이 V2 전압보다 큰 경우 상기 제2 단계로 돌아가고, 그렇지 않은 경우에는 상기 ③ 단계로 돌아가도록 프로그램 설정함이 바람직하다.

여기에서, RF 2회 송신은 전압이 RF 송신을 위하여 충분한 여력이 있는 경우 측정값에 대한 정확성을 높이기 위한 횟수를 의미하며, 1회 송신의 경우에는 2회 송신의 경우보다 상대적으로 여력이 적은 경우를 의미한다 할 것이다.

이 경우 본 발명에 따른 RF 전송 조건별 제어 흐름은, 도 7에서와 같이, RF 송신 모드 시작(S510) 후 타이어 압력 변화율을 체크(S520)하는 제 (1) 단계, 상기 타이어 압력 변화율이 기준 변화율보다 큰 경우 RF 전송 주기(T)는 상기 주기(T)에서 수정변화율을 차감하여 설정하며, 크지 않은 경우는 상기 주기(T)는 전송주기 기준값과 동일하게 설정하는 제 (2) 단계(S530, S540), 상기 설정된 RF 전송 주기(T)가 시간과 동일한지 판단하는 제 (3) 단계(S550), 상기 제 (3) 단계에서 동일한 것으로 판단되면 RF 송신(S560)을 하고, 그렇지 않은 경우에는 상기 제 (3) 단계로 돌아가는 제 (4) 단계, RF 송신 모드를 종료(S570)하는 제 (5) 단계를 포함하도록 로직을 구성함이 바람직하다.

설계된 마이크로 발전 기반 TPMS의 전력소모의 분석을 통하여 우리가 전체 사용되는 에너지 분포의 기준은 RF 송신중심의 전체 전력 적용 구조를 수행하게 된다. 즉 내부 전 센서의 정확도를 높이기 위하여 RF 송신 비율 기준 센서의 측정 빈도를 결정하며, 이와 같은 측정의 주기를 전체 에너지 소모의 최적화 모델링을 통하여 수행한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있음을 이해하여야 한다.

100: 자가발전 가변전원 장치 110:DC/DC CONVERTER
120: TPMS 제어 회로 130,131: 커패시터
200: 전압변환 및 충전부 300: 압력센서 및 기타 센서부
400: TPMS 제어회로부 500: RF 송신부
900: TPMS 시스템

Claims (8)

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3. 외부로부터의 진동을 전기에너지로 변환하는 자가발전 가변전원 장치, 발전된 전압을 시스템이 사용할 수 있는 적정 전압으로 바꾸어주는 전압변환 및 충전부, 압력 감지 센서를 포함하는 센서부, 외부 타이어의 압력 상태를 전송하는 RF 송신부, 그리고 센서 및 신호 정보의 습득, RF 송신, 조건별 시스템 제어를 수행하는 TPMS 제어회로부를 포함하며, 외부전원 배터리 공급 없이 시스템 운용이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 무전지형 타이어 공기압 감지 시스템(Tire Pressure Monitoring System, TPMS)의 제어방법에 있어서,
   제어프로그램을 시작하여 V1 전압을 필터링 포함 체크하는 제1 단계;
   V1 전압이 시작 전압보다 크면 V2 전압을 필터링 포함 체크하며 시작 전압보다 크지 않으면 제1 단계로 되돌아가는 제2 단계;
   필터링 포함 타이어 압력을 체크하는 제3 단계;
   반복횟수가 초기화 반복 횟수보다 큰 경우 제5 단계로 넘어가고 크지 않은 경우 상기 제1 단계로 돌아가는 제4 단계;
   기준1 전압이 V1 전압보다 크면 제6 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 타이어 압력 체크 후 RF 2회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가는 제5 단계;
   기준2 전압이 V1 전압보다 크면 제7 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 타이어 압력 체크 후 RF 1회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가는 제6 단계;
   기준3 전압이 V1 전압보다 크면 제8 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 RF 1회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가는 제7 단계; 그리고
   기준4 전압이 V1 전압보다 크면 제2 단계로 넘어가고 크지 않을 경우 타이어 압력이 정상모드이면서 기준3 전압이 V2 전압보다 큰 경우 상기 제2 단계로 돌아가고, 그렇지 않은 경우에는 RF 1회 송신 후 상기 제2 단계로 돌아가는 제8 단계;로 구성되는 전원 충전 조건별 제어로직을 포함하며, 이에 따라 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는 무전지형 타이어 공기압 감지 시스템 제어방법.
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