KR101199978B1 - 충전 배터리의 모니터링 시스템 - Google Patents

충전 배터리의 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 충전 배터리의 모니터링 시스템은 충전이 가능한 배터리로 구동되는 전원 시스템으로 동력원 이용하는 장비에 대해 배터리 상태를 모니터링PC를 이용하여 실시간으로 운용자에게 제공하고, 배터리 잔량에 따라 수중운동체의 추진기와 센서의 공급전력을 제어함으로써, 수중운동체의 운용시간을 최대로 보장하고, 배터리의 기능 정지 등으로 수중장비의 분실 등과 같은 사고에 대비할 수 있으며, 배터리 수명관리를 통한 관리체계 수립과 과방전 제어, 온도감시 등을 통해 사전에 안전사고를 방지함으로써 신뢰성 있는 시스템 구성을 가능하게 하는 장치이다.

Description

충전 배터리의 모니터링 시스템{Batterys state monitoring and power controls equipment}
본 발명은 충전 배터리의 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 배터리로 구동되는 전원시스템에 대해 실제 사용되고 있는 배터리에 대한 전압(V), 전류(A), 전력(P)을 실시간으로 모니터링을 수행하여 배터리 사용량을 확인하고 잔량을 예측함으로써 운용자에게 배터리 교체 시기에 대한 정보를 제공하고, 배터리 온도 감시 및 과방전 제어 등을 통해 안전 사고를 미연에 방지하고, 배터리를 사용하는 운용장비에 따른 실제적인 전원의 사용량을 파악하여 효율적인 전력 제어를 통해 운용시간을 연장하는 것이 가능한 충전 배터리의 모니터링 시스템에 관한 것이다.
수중에서 운용되고 있는 수중운동체의 운용장비의 경우, 에너지원은 수중운동체의 운용장비의 운용거리, 속도, 운용시간, 작업능력, 장비의 크기, 중량, 전체 운용장비의 운용비용을 결정하는 핵심 제한 요소 중 하나이며, 일반적으로 수중운동체인 운용장비의 에너지원으로는 배터리가 사용되고 있다.
종래의 기술에서는 배터리의 전압을 확인하여 일정 전압 이하일 경우 LED를 통해 이상상태를 표시하거나, 전압 및 온도를 측정하여 배터리 상태를 모니터링하기는 하지만 모니터링된 배터리 정보를 이용하여 장비 제어에 활용하는 빈도는 부족한 실정이고 배터리의 잔량을 정확하게 표시하여 정확하게 잔량까지 사용할 수가 없었으며, 사용하다가 전원이 소진되어 운용장비를 분실하여 이를 찾기 위하여 많은 노력이 소요되게 된다는 문제점이 있었고, 이를 방지하기 위하여 배터리의 잔량이 남아 있음에도 불구하고 배터리의 방전의 우려로 인하여 실험하고 있는 단계를 축소하고 실험을 중간에 중단시키고 운용장비가 회수되어 불충분한 실험이 이루어지고, 이러한 우려를 없애기 위하여 매번 다른 충전된 배터리를 교체하여 사용하므로 배터리의 교체에 불필요한 시간이 낭비되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배터리에 대한 상세 정보를 실시간으로 모니터링함으로써, 효율적인 전력제어를 통해 효율적인 관리로 인하여 장비의 운용시간을 확장하고, 배터리 잔량을 예측하여 배터리 저전압 또는 잔량부족의 상태 정보를 수신할 경우 수중에서 작업하는 운용장비의 복귀 또는 부상 등의 명령를 수행하여 사용되는 운용장비 분실과 같은 사고를 사전에 방지하고 이력카드를 통한 배터리 관리를 통해 적절한 교체시기를 예측함으로써 비용절감의 효과도 기대할 수 있는 충전 배터리의 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 배터리 상태를 실시간으로 모니터링하여 사용자에게 이상 유무 및 교체 주기에 대한 정보를 제공함으로써 배터리에 대한 효율적인 관리가 가능하며, 수중운동체인 운용장비에 장착되어 있는 추진기 및 다양한 센서에 배터리를 통한 전원이 공급될 경우, 추진기 및 센서에서 소비되는 전원사용량을 확인하고, 수중운동체인 운용장비가 실시하는 미션이나 배터리 잔량에 따라 추진기나 센서로 공급되는 전력량을 제어함으로써 장비의 운용시간을 최대한으로 연장하는 것이 가능한 충전 배터리의 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적들은, 배터리와; 상기 배터리의 잔량과 온도를 측정하는 SOC(State Of Charge)모듈과, 추진기에 연결되는 전원을 단속하는 릴레이(RELAY)모듈과, 상기 배터리 잔량 및 온도와 같은 상태정보와 추진기와 추진기에 설치된 센서에 대한 전류를 측정하고 제어하는 베이스모듈을 갖는 충전 배터리의 점검 장치와; 상기 충전 배터리의 점검 장치의 베이스모듈에 접속되어 충전 배터리의 상태를 모니터링하는 모니터링 PC;를 포함하는 본 발명에 따른 충전 배터리의 모니터링 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명에 따른 충전 배터리의 모니터링 시스템은 배터리 전압을 실시간으로 모니터링 하여 정량적으로 표시함으로써, 배터리 상태를 정확하게 알 수 있고 사용자에게 배터리 사용가능 시간과 교체시기 등을 제공하여 운용장비를 안정적으로 운용할 수 있도록 하고, 특히, 수중운동체인 운용장비에 추가되는 추진기나 센서가 있을 경우, 이에 대한 전력소비량을 유추하고, 최대 장비 운용시간에 대한 모의 정보를 제공하여 수중운동체가 유실되는 것을 방지하고 이력카드를 통한 배터리 관리를 통해 적절한 교체시기를 예측함으로써 비용절감의 효과도 기대할 수 있는 효과가 있다.
도1은 충전 배터리의 모니터링 시스템에 대한 전체 시스템 구성도
도2은 충전 배터리의 모니터링 시스템에 대한 SOC모듈에 대한 블록도
도3는 충전 배터리의 모니터링 시스템에 대한 릴레이(RELAY)모듈에 대한 블록도
도4는 충전 배터리의 모니터링 시스템에 대한 베이트(BASE)모듈에 대한 블록도
도5은 충전 배터리의 모니터링 시스템의 SOC모듈에 대한 플로차트
도6은 충전 배터리의 모니터링 시스템의 BASE모듈에 대한 플로차트
도7은 충전 배터리의 모니터링 시스템의 모니터링 PC의 관리프로그램의 초기화면
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 충전 배터리의 모니터링 시스템은 배터리의 효율적인 관리를 위해 실시간으로 배터리 상태를 모니터링 하고 추진기나 센서에 대한 전원공급을 제어함으로써 수중운동체인 운용장비의 안정성 및 최대 운용시간을 보장하는 방법을 제시한다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 충전 배터리의 모니터링 시스템에 대해 설명하기로 한다. 그러나 도시된 도면 및 이하의 설명은 본 발명의 바람직한 하나의 실시예에 불과하고, 상기 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 충전 배터리의 모니터링 시스템의 사용되는 배터리 모니터링과 전력제어를 하기위한 시스템 구성도를 보이는 도면으로, 충전 배터리의 모니터링 시스템(A)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리(1)와; 상기 배터리(1)의 잔량과 온도를 측정하는 SOC모듈(State Of Charge Module)(21)과, 추진기(4)에 연결되는 전원을 단속하는 릴레이(RELAY)모듈(22)과, 상기 배터리(1)의 상태정보와 추진기(4)와 배터리(1)로 운용되는 센서(41)에 대한 전류를 측정하고 제어하는 베이스모듈(23)을 갖는 충전 배터리의 점검 장치(2)와; 상기 충전 배터리의 점검 장치(2)의 베이스모듈(23)에 접속되어 배터리(1)의 충전 상태를 모니터링하는 모니터링 PC(3);를 포함한다.
배터리(1)는 배터리고유 ID, 충/방전 횟수, 배터리 잔량, 전압, 온도가 측정되고 통상적으로 사용되는 납축전지를 사용하나, 이에 제한되는 것은 아니고 다른 리듐이온 배터리도 사용이 가능하다고 할 것이며, 통상적인 충전이 가능한 전원의 의미로 사용되는 것이며 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 충전 배터리의 점검 장치(2)는, 본 발명의 핵심적인 요소로서, 배터리(1)의 잔량과 온도를 측정하는 SOC모듈(21)과, 추진기(4)에 연결되는 전원을 단속하는 릴레이(RELAY)모듈(22)과, 상기 배터리(1)의 상태정보와 추진기(4)와 배터리로 운용되는 센서(41)에 대한 전류를 측정하고 제어하는 베이스모듈(23)을 포함한다.
상기 SOC모듈(21)은 배터리(1)의 잔량과 온도를 측정하여 베이스모듈(23)의 주제어회로부(231)로 전송하는 기능을 가지고 있다
상기 SOC모듈(21)은, 도2에 도시된 바와 같이, 배터리(1)의 잔량을 측정하는 배터리 잔량측정부(211)와, 배터리(1)의 온도를 측정하는 온도측정부(212)와, 이들을 제어하는 제어부(213)를 포함하고, 상기 배터리 잔량측정부(211)에서는 전류센서를 이용하여 배터리의 전류를 측정하여 옴의 법칙에 의해 배터리 전압을 산출하며, 배터리 잔량이 최대치일 때 전압값과 시간이 지남에 따른 전압값을 비교하여 배터리 잔량을 %단위로 계산해낼 수 있다. 충/방전 카운트(Count)를 SOC모듈(21)의 내부메모리(EEPROM)에 저장하여 현재 사용 중인 SOC모듈(21)의 배터리 충/방전 이력을 관리할 수 있도록 정보를 제공한다.
또한 SOC모듈(21)은 배터리(1)를 여러 개 사용할 경우 각각의 배터리에 고유 ID 식별자를 부여하여 구분가능하게 한다.
한편 온도측정부(212)에서는 온도 센서를 이용하여 배터리의 온도 값을 감지하여 과전류 등의 이상 상태 발생 시 변화하는 온도값을 측정하여 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 한다.
상기 제어부(213)는 이러한 측정값을 베이스모듈(23)의 주제어회로부(231)과 통신하는 기능을 수행한다.
상기 SOC모듈(21)은 베이스모듈(23)의 주제어회로부(231)와 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신 방식으로 연결되어 통신을 수행한다.
상기 릴레이모듈(22)은, 도3에 도시된 바와 같이, 추진기(4)에서 소요되는 전류의 허용범위내에서 흐르게 하는 전류제한회로부(221)와, 추진기(4)에서 허용범위를 초과할 경우 전원공급을 차단시키는 릴레이회로부(222)를 포함한다.
상기 릴레이모듈(22)의 전류제한회로부(221)는, 상기 BASE모듈(23)의 주제어회로부(231)에서 전류제한신호를 전송하면, 릴레이모듈(22)의 전류제한회로부(221)에서 신호를 수신하여 소프트웨어적으로 추진기(4)의 전류 제어를 하고, 또한, 수신 신호 범위에 따라서 전류량을 조절하여 추진기(4)에 공급되는 전류량을 조절 또는 제한할 수 있다.
상기 릴레이회로부(222)에서는 허용용량 초과 시에는 추진기(4)에 연결된 전원이 하드웨어적으로 자동 차단되고, BASE모듈(23)의 주제어회로부(231)에서 전송되는 릴레이제어신호에 의하여 소프트웨어적인 전원 차단도 가능하다. 추진기(4)의 전류측정신호를 BASE모듈(23)의 주제어회로부(231)에서 수신하여 현재 추진기 전류 사용량을 저장한다.
상기 베이스모듈(23)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 추진기(4)의 센서(41)에서 감지된 신호를 받아들여서 디지탈신호로 변환시켜 내부에 저장된 자료와 비교해서 제어하는 주제어회로부(231)와, 추진기(4)와 센서(41)에서 입력된 전류신호를 측정하는 전류측정회로부(232)와, 상기 전류측정회로부(232)에서 아날로그의 전류신호를 디지탈신호로 변환시키는 AD변환부(233)와, 상기 주제어회로부(231)와 모니터링PC(3)와 통신연결시키는 이더넷(234)을 포함한다.
상기 BASE모듈(23)의 주요 기능은 모니터링 PC(3)와 실시간 접속하여 모니터링 PC(3)가 요구하는 배터리(1)의 상태 정보 및 추진기(4)와 센서(41)에 대한 전류측정 및 제어를 한다.
일반적으로 프로펠러 타입의 추진기(4)는 운용장비의 일종인 수중운동체(도시되지 않음)의 기동을 위해 사용하고 있으며, 이러한 수중운동체에서는 최대 2개의 추진기(4)를 연결하여 제어가 가능하다. 또한 수중운동체의 운항 및 임무수행을 위해 사용되는 센서(41)에는 수중운동체의 동작에 관련된 정보를 제공하는 항법 센서와 시스템 내부 센서로 구분할 수 있고, 임무수행을 위해 사용되는 센서에는 환경정보 측정용도의 환경센서 등이 있다. 이 장비에서는 최대 10개의 센서를 연결하여 각 센서에 대한 소비 전력을 모니터링 하고 제어할 수 있다.
SOC모듈(21)에서 전송된 신호를 가공하여 모니터링 PC(3)를 통해 모니터 할 수 있도록 하며 RELAY모듈(22)에 대한 전류제어 및 RELAY 제어 기능을 가지며 내부적으로 전류측정회로부(232)와 AD 변환부(Converter)(233)를 장착하여 배터리(1)와 연결된 추진기(4)의 전류값을 측정하여 모니터링 PC(3)를 통해 모니터 할 수 있도록 한다.
SPI포트(231a)를 통해 SOC모듈(21)에서 배터리(1)의 잔량과 온도값을 전송받아 일정한 패킷으로 가공하여 Ethernet을 통해 모니터링 PC(3)로 전송하게 된다
전류측정회로부(232)에서 측정된 전류값은 아날로그 값인 전압값으로 변경되어 AD Converter부(233)로 전달되며, 이 데이터는 I2C 인터페이스 방식으로 주제어회로부(231)의 32bit CPU로 전송된다. 이 데이터 또한 일정한 형태의 패킷으로 Ethernet 통신을 통해 모니터링 PC(3)로 전송되어 모니터링 된다.
RELAY모듈(22)의 전류제한회로부(221)는 반도체인 IGBT를 제어하는 전류제한신호가 베이스모듈(23)의 주제어회로부(231)의 32bit CPU에서 PWM신호의 주파수에 따라 제공되며, 이 신호로 추진기(4)에 공급되는 전류량을 조절하며, RELAY모듈(22)의 RELAY를 ON/OFF 시키는 릴레이제어신호는 GPIO 신호로 제어되며, 추진기에 공급되는 전원을 차단 또는 공급한다.
도 5는 충전 배터리의 모니터링 시스템(A)의 SOC모듈(11)에 대한 플로우챠트를 나타낸 도면으로써, SOC모듈(21)에 전원이 공급되면(S1단계), SOC모듈(21)의 제어부(213)의 내부메모리에 저장된 충/방전 횟수를 확인하여(S2단계), 배터리의 충방전 횟수가 최대 횟수(Count_Max)의 비교(S3단계)하고, 최대 횟수(Count_Max)보다 작지 않으면 배터리 충전상태 점검 LED ON 표시하고 S3단계로 반복하며(S4단계), 최대 횟수(Count_Max)보다 작으면 모니터링 PC(3) 연결상태 확인(S5단계)하여, 연결이 안됐으면 통신 미연결상태 점검 LED ON 표시(S6단계)하고 S5단계로 반복 연결을 기다린다. S5단계의 연결됐으면 통신 연결 상태 LED ON 표시(S7단계)하고, 모니터링PC(3) 호출 대기하며(S8단계), 모니터링PC(3)에서 호출ID 확인하며(S9단계), 호출ID가 아니면 배터리의 충전횟수count,전압V,전류A,온도T의 정보를 SOC모듈(21)의 내부메모리에 저장(S11단계)한 후 S8단계로 돌아가며, 호출ID가 일치하면 저장된 배터리 관련정보를 모니터링PC(3)으로 전송한다(S10단계).
도6은 충전 배터리의 모니터링 시스템(A)의 BASE모듈(23)에 대한 플로우챠트를 나타낸 도면으로써, BASE모듈(23단계)에 전원이 공급되면(S20단계), 모니터링 PC(3)가 접속 대기모드로 되고(S21단계) 이어서 모니터링 PC(3)의 접속 여부를 확인한다(S22단계). 미접속이면 S21단계로 가서 대기로 기다리고, 접속이 되면 인증절차를 통하여 유효한 접속이면 SOC, 추진기, 센서의 상태 정보를 모니터링 PC(3)로 전송한다(S23단계). 모니터링PC(3)에서 전송된 Packet Data중 설정변경코드가 있는지를 확인한다(S24단계). 설정변경코드가 있으면 현재 Default(500ms) 전송하는 BASE모듈(23)과 모니터링PC(3)간의 통신주기를 모니터링PC(3)가 요구하는 통신주기로 변경하고(S25), 모니터링PC(3)에 통신주기 변경 항목을 통보한다. S24단계에서 변경이 없으면 S24단계로 반복 대기한다.
도7은 본 시스템의 모니터링PC(3)에서 감시 프로그램의 실행 시 초기 화면을 모니터(31)에 나타낸 도면으로써, 위쪽은 배터리 상태 표시창(31a)으로서 하단에 적색 그 위에 노란색 그 위에 녹색 최상위에 청색으로 이루어져 표시되어 배터리의 잔량을 색상으로 표시하고 있다. 아래쪽은 수중운동체에서 사용하고 있는 센서(41)상태를 표시하는 센서상태 표시창(31b)으로서, 왼쪽에 열거되어 있는 센서항목 중 선택한 센서에 대해 전압, 전류, 온도값을 실시간으로 표시하고 전압, 전류값에 대해서는 누적데이타를 볼 수 있도록 그래프형태로 제공하고 있다. 그리고 제일 아랫부분은 로그 표시창(31c)으로 이루어져 있고, 오른쪽 위에는 시작 버튼과 현재시간과 진행시간을 표시해주는 창(31d)이 있고, 그 옆에는 통신 연결 여부를 알려주는 창(31e)이며, 아래쪽 그래프는 밧데리 상태에 대한 누적 정보를 표시하는 창(31f)이다. 메뉴(31g)에는 서버 접속, 장치 설정, 주기설정, 패킷표시로 설정되어 있다.
모니터링PC(3)의 모니터링 프로그램의 기본 단축키의 각 기능은, 모니터링PC(3)에 모니터링 감시 프로그램을 실행한 초기화면에서, 단축키 'Ctrl + C'는 모니터링PC(3)에 접속할 네트워크 설정을 구성하고, 단축키 'Ctrl + D'는 배터리의 충전 상태나 추진기의 운전 상태를 모니터링할 장치를 설정하고, 단축키 'Ctrl + A'는 추진체 등에 설치된 센서로부터 받을 데이터의 주기를 설정하고, '패킷 표시' 는 로그 창에 패킷을 표시할 지 결정한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 충전 배터리의 모니터링 시스템은 배터리 전압을 실시간으로 모니터링 하여 정량적으로 표시함으로써, 배터리 상태를 정확하게 알 수 있고 사용자에게 배터리 사용가능 시간과 교체시기 등을 제공하여 운용장비를 안정적으로 운용할 수 있도록 하고, 특히, 수중운동체인 운용장비에 추가되는 추진기나 센서가 있을 경우, 이에 대한 전력소비량을 유추하고, 최대 장비 운용시간에 대한 모의 정보를 제공하여 수중운동체가 유실되는 것을 방지하고 이력카드를 통한 배터리 관리를 통해 적절한 교체시기를 예측함으로써 비용절감의 효과도 기대할 수 있다.
1. 배터리 2. 충전배터리의 점검장치
3. 모니터링 PC 4. 추진기
21. SOC모듈 22. 릴레이모듈
23. 베이스모듈 41. 센서
211. 잔량측정부 212. 온도측정부
213. 제어부 221. 전류제한회로부
222. 릴레이회로부 231. 주제어회로부
232. 전류측정회로부 233. AD변환부
234. 이더넷

Claims (2)

  1. 충전 배터리의 모니터링 시스템(A)에 있어서,
    상기 충전 배터리의 모니터링 시스템(A)은, 배터리(1)와;
    상기 배터리(1)의 잔량과 온도를 측정하는 SOC모듈(State Of Charge Module)(21)과, 추진기(4)에 연결되는 전원을 단속하는 릴레이(RELAY)모듈(22)과, 상기 배터리(1)의 상태정보와 추진기(4)와 배터리로 운용되는 센서(41)에 대한 전류를 측정하고 제어하는 베이스모듈(23)을 갖는 충전 배터리의 점검 장치(2)와;
    상기 충전 배터리의 점검 장치(2)의 베이스모듈(23)에 접속되어 배터리(1)의 충전 상태를 모니터링하는 모니터링 PC(3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 배터리의 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 배터리의 점검 장치(2)의 상기 SOC모듈(21)은, 배터리(1)의 잔량을 측정하는 배터리 잔량측정부(211)와, 배터리(1)의 온도를 측정하는 온도측정부(212)와, 이들을 제어하는 제어부(213)를 포함하고,
    상기 릴레이모듈(22)은, 추진기(4)에서 소요되는 전류의 허용범위내에서 흐르게 하는 전류제한회로부(221)와, 추진기(4)에서 허용범위를 초과할 경우 전원공급을 차단시키는 릴레이회로부(222)를 포함하고,
    상기 베이스모듈(23)은, 추진기(4)와 센서(41)에서 감지된 신호를 받아들여서 디지탈신호로 변환시켜 내부에 저장된 자료와 비교해서 제어하는 주제어회로부(231)와, 추진기(4)와 센서(41)에서 입력된 전류신호를 측정하는 전류측정회로부(232)와, 상기 전류측정회로부(232)에서 아날로그로 입력된 전류신호를 디지탈신호로 변환시키는 AD변환부(233)와, 상기 주제어회로부(231)와 모니터링PC(3)와 통신연결시키는 이더넷(234)을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 배터리의 모니터링 시스템












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