KR102543790B1 - 수동휠체어용 보조동력장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수동휠체어의 전면에 체결되어 구동되는 보조동력장치에 관한 것으로서, 복수의 프레임의 결합으로 구성되며 일단에 수동휠체어와 결속을 위한 조인트 유니트가 마련된 몸체부; 상기 몸체부의 하부에 결합되는 복수의 주행바퀴와 상기 주행바퀴를 조향하기 위한 조향핸들 및 상기 주행바퀴에 구동력을 부여하는 구동모터를 포함하는 구동부; 상기 구동부에 전원을 공급하기 위한 하나 이상의 배터리와 상기 구동부의 구동정보와 상기 배터리의 전력정보를 표시하는 디스플레이를 포함하는 제어부; 및 상기 주행바퀴에 일체로 결합되는 디스크로터와, 상기 조향핸들에 마련되는 제동레버와, 상기 디스크로터를 가압하는 브레이크 패드와, 상기 제동레버의 조작에 연동하여 유압식으로 상기 브레이크 패드가 상기 디스크로터의 일측을 가압 제동하는 제1 브레이크 및 상기 제동레버의 조작에 따른 출력신호를 입력받고, 상기 출력신호의 단계를 따라 전기적으로 가변되며, 상기 브레이크 패드가 상기 디스크로터의 타측을 가압하여 제동하는 제2 브레이크를 포함하여, 상기 구동부에 의해 주행을 제동하는 제동부;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 따라서 수동휠체어 사용자가 필요시에만 전동구동되는 보조동력장치를 결합하여 사용할 수 있도록 할 수 있으며, 노약자도 사용하는데 체력적 어려움이 없도록 수동휠체어와 보조동력장치의 결합, 해제 및 조작이 용이하게 구성될 수 있다.

Description

수동휠체어용 보조동력장치 {electric assist device for wheelchairs}
본 발명은 장애인, 고령자, 환자들의 이동권 확보를 위한 수동휠체어의 단점인 경사로 또는 장거리 주행을 지원하는 전동구동방식의 보조동력장치로서 효율적인 전원시스템과 노약자 같은 손의 악력이 약한 사용자도 쉽게 사용 가능한 하이브리드 전자 브레이크 메커니즘이 도입된 수동휠체어용 보조동력장치에 관한 것이다.
휠체어는 그 구동방법에 따라 사용자가 손으로 바퀴를 구동시키는 수동휠체어와, 모터가 구비된 전동휠체어로 구분된다. 수동휠체어는 사용자가 직접 손으로 바퀴를 구동시켜야 하므로 체력적 부담이 있으며, 일 예로 경사도에서 운행시 사용자의 하중으로 인하여 뒤로 밀리는 경우가 발생하여, 타인의 도움을 받아야 하는 문제점이 있다.
한편, 전동휠체어는 전기 모터를 통해 바퀴를 구동시킴으로써 사용자의 편리성 측면에서 장점이 있으나, 부피가 크고 실외용으로 사용되어 실내에서는 별도의 수동휠체어를 구비해야 하는 문제가 있다.
최근에는 상기의 단점을 상쇄할 수 있는 수동휠체어에 결합시켜 사용되는 보조동력장치가 출시되고 있으나, 이 또한 주행거리, 장치 자체의 강성 및 제동성능에 의문이 제기되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0085128호
본 발명은 수동휠체어용 보조동력장치에 관한 것으로서, 수동휠체어 사용자가 필요시에만 전동구동되는 보조동력장치를 결합하여 사용할 수 있도록 하고자 한다. 또한, 수동휠체어와 보조동력장치의 결합 및 해제가 용이하며, 효율적인 동력관리로 주행거리를 늘리고 배터리 화제 등의 안전성을 향상시키는 BMS모듈을 제공하고, 이에 더하여 노약자 같은 손의 악력이 약한 사용자도 쉽게 제동이 가능하도록 기계식 브레이크와 전자식 브레이크를 결합한 하이브리드 브레이크가 결합된 수동휠체어용 보조동력장치를 제공하고자 함이다.
본 발명은 수동휠체어 전면에 체결되어 구동되는 보조동력장치에 관한 것으로서, 복수의 프레임의 결합으로 구성되며 일단에 수동휠체어와 결속을 위한 조인트 유니트가 마련된 몸체부; 상기 몸체부의 하부에 결합되는 복수의 주행바퀴와 상기 주행바퀴를 조향하기 위한 조향핸들 및 상기 주행바퀴에 구동력을 부여하는 구동모터를 포함하는 구동부; 상기 구동부에 전원을 공급하기 위한 하나 이상의 배터리와 상기 구동부의 구동정보와 상기 배터리의 전력정보를 표시하는 디스플레이를 포함하는 제어부; 및 상기 주행바퀴에 일체로 결합되는 디스크로터와, 상기 조향핸들에 마련되는 제동레버와, 상기 디스크로터를 가압하는 브레이크 패드와, 상기 제동레버의 조작에 연동하여 유압식으로 상기 브레이크 패드가 상기 디스크로터의 일측을 가압 제동하는 제1 브레이크 및 상기 제동레버의 조작에 따른 출력신호를 입력받고, 상기 출력신호의 단계를 따라 전기적으로 가변되며, 상기 브레이크 패드가 상기 디스크로터의 타측을 가압하여 제동하는 제2 브레이크를 포함하여, 상기 구동부에 의해 주행을 제동하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로, 상기 제어부는, 상기 배터리의 전압 및 전류를 계측하고 계측값을 출력하는 제1 센서부; 배터리 등가회로를 구성하고, 상기 배터리의 SOC(State of Charge) 및 상기 배터리 등가회로의 분극용량을 상태 변수로 포함하는 제1 방정식 및 상기 배터리의 SOC 관측값을 출력 변수로 포함하는 제2 방정식을 산출하여, 상기 제1 센서부에서 출력되는 전압, 전류값과 상기 제1 및 제2 방정식을 확장칼만필터(Extended Kalman Filter) 알고리즘에 적용하여 기설정된 주기로 상기 배터리에 대한 SOC(State of Charge)를 추정하는 SOC 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로, 상기 SOC 추정부는, 인공 신경망 기법 중 하나인 딥러닝(Deep Learning) 알고리즘에 따라, 상기 제1 센서부의 계측에 따른 출력 데이터와 상기 SOC 추정부에 의해 추정되는 SOC를 각각 입력값과 출력값으로 설정하고, 상기 배터리의 충방전 횟수, 온도, 사용기간 중 선택된 하나 이상을 변수값으로 적용하여 학습시킨 잔량 예측 모델을 구축하고, 이를 통해 상기 배터리에 대한 SOC를 추정하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로, 상기 제어부는, 상기 배터리를 구성하는 배터리 셀을 정전류모드(constant current mode)에서 충전하도록 제어하며, 정전류모드의 충전 시 상기 제1 센서부에서 출력되는 전압이 충전 종지전압(end-of-charge voltage)에 이르면 정전압모드(constant voltage mode)로 전환하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로, 상기 제어부, 상기 배터리를 구성하는 개별 배터리 셀의 전압을 계측하고 계측값을 출력하는 제2 센서부;를 더 포함하고, 상기 제2 센서부에서 출력되는 전압으로부터 배터리 셀 각각에 대한 SOC(State of Charge)를 산출하고, 산출된 SOC에 기반하여 기준 셀 및 타겟 그룹을 선택하며, 선택된 타겟 그룹에 속하는 배터리 셀 중 하나의 배터리 셀을 타겟 셀로 선정하여 상기 기준 셀의 SOC와 상기 타겟 셀의 SOC의 차이에 따른 밸런싱 시간을 산출하고, 상기 산출된 밸런싱 시간 동안 상기 타겟 그룹에 속한 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로, 상기 조인트 유니트는, 상기 몸체부에 장착되는 장착브라켓과, 상기 장착브라켓의 일면에 중심이 힌지 결합되고 양단이 각각 외측으로 절곡되는 조인트부와, 각 조인트부에 힌지 결합되는 제1 체결구와, 상기 제1 체결구와 대면하여 수동휠체어의 프레임에 장착되어 상기 제1 체결구에 탈부착되도록 체결되는 제2 체결구를 포함하되, 상기 제1 체결구는, “T” 형상의 부재로 길이방향 일단은 상기 조인트부와 힌지결합되고, 타단의 폭방향 양단 일면에 상기 제2 체결구에 걸림이 이루어지도록 하나 이상의 돌출된 걸림턱이 상기 일면과 수직으로 형성되며, 상기 제2 체결구는, 소정 두께를 가지는 직사각형태로서 배면에 길이방향으로 상기 수동휠체어의 전면 프레임이 내삽되는 장홈과, 결속을 유지시키는 제1 잠금부, 전면에 길이방향으로 나란히 두개의 고리가 마련되고 상기 고리의 개구부가 상면을 향하며 상기 고리에 상기 제1 체결구가 대면 및 구속되어 결합되면 결합을 유지하는 제2 잠금부가 마련되는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명은 수동휠체어 사용자가 필요시 보조동력장치를 결합하여 사용할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 수동휠체어로 이동하기에는 체력적 부담을 느끼는 노약자도 사용할 수 있도록 수동휠체어와 보조동력장치의 결합, 해제 및 조작이 용이하게 구성될 수 있다. 또한, BMS모듈을 적용하여 효율적인 배터리 관리 및 안정성을 향상시켜 주행거리를 늘릴 수 있다.
도 1은 수동휠체어와 본 발명의 보조동력장치가 결합된 상태를 도시한 것이다.
도 2는 조인트 유니트를 도시한 사시도 이다.
도 3은 본 발명의 제동부를 개략적으로 도시한 단면도 이다.
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1 및 도 2 를 참조하여 본 발명의 수동휠체어(10)용 보조동력장치(1)의 구성과 결합관계를 설명한다. 본 발명은 수동휠체어(10)의 전면프레임에 결합되어 사용되는 보조동력장치(1)로서 복수의 프레임의 결합으로 구성되며 일단에 수동휠체어(10)와 결속을 위한 조인트 유니트(200)가 마련된 몸체부(500)를 포함할 수 있다.
몸체부(500)의 전면에는 배터리가 결합될 수 있으며 후면은 수동휠체어(10)가 위치할 수 있다. 몸체부(500)의 하단에는 구동부가 구성되고 상단에는 조향을 위한 핸들과 가속엑셀러레이터, 제동레버 및 디스플레이가 구성될 수 있다.
일반적인 형상의 수동휠체어(10)는 전면에 조향을 위한 작은 바퀴와 휠체어 측면에 팔힘으로 구동하는 큰 바퀴가 있는 것이 특징이다. 이런 수동휠체어(10)의 전면에 보조동력장치(1)를 결합하게 되면 보조동력장치(1)의 주행바퀴 접지력이 주행하기에는 부족할 수 있다. 따라서 이런 문제를 해결하기 위해 보조동력장치(1)를 수동휠체어(10)와 결합하였을 경우 수동휠체어(10)의 전면 바퀴가 들려 지면과 이격된 상태가 되어 최종적으로 수동휠체어(10)의 큰 바퀴 두개와 보조동력장치(1)의 한개의 바퀴를 포함한 3점지지 형태가 되는 것이 주행을 위한 접지력 향상에 도움이 될 수 있다.
따라서, 3점지지 형태가 되는 수동휠체어(10)와 몸체부(500)의 결합에 대하여 설명하면, 몸체부(500)의 후면에 조인트 유니트(200)의 일단이 결합되고 타단이 수동휠체어(10)와 결합될 수 있다.
조인트 유니트(200)의 구성을 살펴보면, 판형부재로서 상면은 힌지(231) 결합을 위한 체결부가, 하면은 평면을 구성하는 장착브라켓(210)을 포함할 수 있다. 상기 하면과 몸체부(500)의 후면이 결합되며 힌지(231) 결합되는 체결부는 수평방향 회동 운동만 가능할 수 있으며, 이를 위해 상기 힌지(231) 축은 지면과 수직을 이루는 방향으로 구성될 수 있다.
조인트 유니트(200)는 상기 장착브라켓(210)의 일면에 중심이 힌지(231) 결합될 수 있다. 조인트 유니트(200)의 양단은 각각 외측으로 절곡되는 조인트부(230)로 구성될 수 있으며, 각 조인트부(230)에 힌지(231) 결합되는 제1 체결구(250)와, 제1 체결구(250)와 대면하여 수동휠체어(10)의 프레임에 장착되어 제1 체결구(250)에 탈부착되도록 체결되는 제2 체결구(270)로 구성될 수 있다. 조인트부(230)는 수동휠체어(10)와 결합의 용이함을 위해 수평방향으로 회동 가능한 힌지(231)로 구성될 수 있다.
제1 체결구(250)는 “T” 형상의 부재로 길이방향 일단이 조인트부(230)와 힌지(231) 결합되고 타단은 폭방향 양단 일면에 제2 체결구(270)에 걸림이 이루어지도록 상기 일면과 수직을 이루는 두개의 돌출된 걸림턱(251)이 형성될 수 있다.
또한, 제2 체결구(270)는 소정 두께를 가지는 직사각형 형상으로서 전면에 조인트부(230)와 체결되도록 하나 이상의 고리(271)가 마련되며, 후면에 수동휠체어(10)와 결합되는 장홈(274)이 마련될 수 있다.
장홈(274)은 제2 체결구(270)의 길이방향으로 형성될 수 있고 이에 수동휠체어(10)의 전면프레임 일부가 내삽되는 형상으로 체결될 수 있다. 또한 상기 내삽된 형상을 유지시킬 수 있도록 제1 잠금부(272)가 마련될 수 있다. 일 예로 제1 잠금부(272)는 볼트타입으로서 볼트를 조여 전면프레임을 속박시키는 구성일 수 있으며, 또는 공지의 잠금장치로 구성될 수도 있다.
제2 체결구(270)의 전면은 걸림턱(251)과 체결되는 두개의 고리(271)가 구성될 수 있고 각 고리(271)는 수직으로 나란하게 배열될 수 있다. 또한 상단에 위치하게 되는 고리(271)의 일단에는 걸림턱(251)이 체결된 이후 결합이 유지되도록 제2 잠금부(273)가 마련될 수 있으며, 상기 제2 잠금부(273)는 앞서 설명한 볼트타입 또는 공지의 잠금장치로 구성될 수 있다.
조인트 유니트(200)에 구성되는 힌지(231)는 수평방향 회동만이 가능하게 결합될 수 있다. 이는 앞서 설명한 3점지지를 유지하기 위한 힌지(231) 결합으로 수직방향 회동이 되는 힌지(231)가 구성된다면 결국 수동휠체어(10)와 지면의 이격을 유지시킬 수 없게되어 접지력을 상실하는 결과가 되기 때문이다.
도 3을 참조하여 구동부와 제동부(300)에 대하여 설명한다. 도 3은 인휠방식을 체택한 구동부의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
인휠 방식이란 휠의 일측면에 모터(400)를 부착하고 모터(400)를 몸체부(500)에 결합하여 모터(400)를 구동하게되면 휠이 구동되는 방식을 의미한다. 모터(400)는 공지의 구성이 적용될 수 있어 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 적용되는 제동부(300)는 주행바퀴에 일체로 결합되는 디스크로터(305)와 조향핸들에 마련되는 제동레버와 제동레버의 조작에 연동하여 유압식으로 디스크로터(305)의 일측을 가압 제동하는 제1 브레이크(350), 제동레버의 조작에 따른 출력신호를 입력받고 출력신호의 단계를 따라 전기적으로 가변되어 디스크로터(305)의 타측을 가압하여 제동하는 제2 브레이크(310)를 포함할 수 있다.
유압브레이크는 기계적 구조가 단순하여 잔고장이 없는 장점이 있으며, 전자식 브레이크의 경우 악력이 약한 사람도 쉽게 조작할 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 제동부(300)는 유압식과 전자식 브레이크를 모두 사용하는 하이브리드형태의 브레이크로서 상기의 각 장점을 취합한 형태의 브레이크일 수 있다.
이를 위해 디스크로터(305)의 일측에 유압식 브레이크인 제1 브레이크(350)가 구성될 수 있다. 제1 브레이크(350)는 디스크로터(305), 실린더, 피스톤 및 브레이크 패드로 구성되며 유압에 의해 피스톤이 실린더내에서 인출 또는 수납되고 이로인한 브레이크 패드가 디스크로터(305)를 가압하여 제동력을 제공할 수 있다.
또한, 제2 브레이크(310)는 브레이크 패드가 전자석에 고정되고, 상기 전자석은 입력되는 브레이크 레버의 조작에 따른 출력신호의 단계를 따라 전기적으로 가변되며 브레이크 패드는 출력신호에 따라 전자석의 극성이 변환되어 압착력이 조절되는 가변저항으로 제어될 수 있고, 이를 이용하여 디스크로터(305)를 가압하여 제동력을 발생시킬 수 있다.
본 발명에 적용되는 배터리는 복수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되는 구성일 수 있다. 또한, 초기 배터리 셀들의 전압은 대체로 동일할 수 있다. 다만, 기술적으로 정확히 동일한 셀들의 생산이 어려울 수 있으며 이로 인하여 배터리 셀의 용량과 임피던스 값이 일부 다른 배터리 셀으 있을 수 있다. 또한, 일부 배터리 셀에서 과충전 또는 과방전이 발생될 수 있고 이로 인해 배터리 셀들 중에서도 충전 전압 차이가 발생할 수 있게된다.
본 발명에 적용되는 배터리가 상기한 전압 차이 또는 잔존 용량 차이로 인해 배터리 수명이 단축되는 것을 방지하고자 한다. 이를 위해 제어부는 상기 배터리의 전압 및 전류를 계측하고 계측값을 출력하는 제1 센서부를 포함할 수 있으며, 또한 배터리의 잔존용량을 추정하는 SOC 추정부를 포함할 수 있다.
SOC 추정부에는 배터리 등가회로가 구성될 수 있으며, 배터리의 SOC 및 배터리 등가회로의 분극용량을 상태 변수로 포함하는 제1 방정식 및 배터리의 SOC 관측값을 출력변수로 포함하는 제2 방정식이 산출될 수 있다.
SOC 추정부에서는 제1 센서부에서 출력되는 전압, 전류값과 제1 및 제2 방정식에 확장칼만필터 알고리즘을 적용시킴으로써 기설정된 주기로 배터리부에 대한 SOC가 추정될 수 있다. 또한, SOC 추정부에서 추정된 SOC를 표시하는 표시부가 마련될 수 있다.
확장칼만필터는 배터리의 SOC가 비선형성을 가지는 영역에서도 SOC 추정을 수행할 수 있는 방법으로서, 배터리의 비선형 특성을 매시간, 단계마다 선형화시켜 충, 방전 상태를 추정하는 것이다.
배터리 셀의 SOC 추정에 선형칼만필터(LKF : Linear Kalman Filter)가 많이 사용되고 있으나, LKF 방법을 사용하여 비선형 시스템인 배터리의 상태를 추정하는 경우에는, 주변 환경에 영향을 많이 받을 수 있다. LKF 방법은 배터리 충방전 횟수가 증가하거나 열화 및 노화 등에 의하여 배터리의 비선형성이 강해지는 충방전 종지 지점부근인 약 20% 미만인 지점과 80%를 초과하는 영역에서 부정확한 배터리 SOC 추정을 나타낸다.
배터리 등가회로를 구성하고, 상기 배터리의 SOC(State of Charge) 및 상기 배터리 등가회로의 분극용량을 상태 변수로 포함하는 제1 방정식 및 상기 배터리의 SOC 관측값을 출력 변수로 포함하는 제2 방정식을 산출하여, 상기 센서부에서 출력되는 전압, 전류값과 상기 제1 및 제2 방정식을 확장칼만필터(Extended Kalman Filter) 알고리즘에 적용하여 기설정된 주기로 상기 배터리에 대한 SOC(State of Charge)를 추정하는 SOC 추정부;를 포함할 수 있다.
SOC 추정부는 인공 신경망 기법 중 하나인 딥러닝(Deep Learning) 알고리즘에 따라, 상기 제1 센서부의 계측에 따른 측정 데이터와 측정 잔량을 각각 입력값과 출력값으로서 학습시킬 수 있고, 상기 잔량 예측 모델을 구축 및 충방전 횟수, 온도, 사용기간 중 선택된 하나 이상의 변수데이터가 반영된 학습을 통해 상기 충전 잔량을 추정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
SOC 추정부는 제1 센서부로부터 수집한 데이터를 사전에 학습된 데이터 분석 기법에 적용하여 배터리 SOC를 추정할 수 있다. 이를 위해서 데이터 분석 기법은 AI 딥러닝 알고리즘에 기반하여 배터리 열화 정도를 분석 및 SOC상태를 추정할 수 있다. AI 딥러닝 알고리즘은 컴퓨터가 인간처럼 판단하고 학습하며, 사물이나 데이터를 군집화하거나 분류할 수 있는 기술이며 이는 공지된 바 상세한 설명은 생략한다.
과충전 또는 과방전을 예방하기 위한 일 실시로서, 정전류모드(constant current mode) 에서 정전류 충전시 전압센서를 통해 충전 종지전압(end-of-charge voltage)에 이르면 정전압모드(constant voltage mode) 로 전환하도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 따라서 충전 종지전압에 이르면 만충전 전압으로부터 배터리의 음극 활성물질이 상변이를 일으키는 값인 음극 임계 전위를 차감한 종지 전압으로 설정하여 과충전 및 과방전이 예방되도록 구성될 수 있다.
배터리 셀의 밸런싱을 위해 제어부는 배터리를 구성하는 개별 배터리 셀의 전압을 계측하고 계측값을 출력하는 제2 센서부;를 더 포함하며, 제어부는, 제2 센서부에서 출력되는 전압으로부터 배터리 셀 각각에 대한 SOC(State of Charge)를 산출하고, 산출된 SOC에 기반하여 기준 셀 및 타겟 그룹을 선택하며, 선택된 타겟 그룹에 속하는 배터리 셀 중 하나의 배터리 셀을 타겟 셀로 선정하여 기준 셀의 SOC와 타겟 셀의 SOC의 차이에 따른 밸런싱 시간을 산출하고, 산출된 밸런싱 시간 동안 타겟 그룹에 속한 배터리 셀의 밸런싱을 수행하도록 구성될 수 있다.
제어부는 배터리 셀 중 산출된 SOC가 기준 셀의 SOC로부터 기설정된 정상범위를 벗어난 배터리 셀을 타겟 그룹으로 선택하도록 구성될 수 있다.
제어부는 제2 센서부로부터 산출된 SOC 중 어느 하나를 기준으로 정하고, 기준을 벗어난 배터리 셀을 타겟 그룹으로 선택하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부는 배터리 셀 중 기준 셀을 먼저 선택하고, 나머지 배터리 셀 중에서 기준 셀의 SOC로부터 기설정된 정상범위를 벗어난 SOC를 가진 하나 이상의 배터리 셀을 타겟 그룹으로 선택할 수 있다.
제어부는 배터리 셀 중에서 산출된 SOC가 최소인 배터리 셀을 기준 셀로 선택할 수 있다. 제어부는 최소 SOC를 가진 배터리 셀을 기준 셀로 선택한 이후, 타겟 그룹을 선택할 수 있다. 제어부는 선택된 타겟 그룹에 속한 배터리 셀 중 최소 SOC를 가진 배터리 셀을 타겟 셀로 선정할 수 있다. 즉, 제어부는 배터리 셀 중 최소 SOC를 가진 배터리 셀을 기준 셀로 선택하고, 타겟 그룹에 속한 배터리 셀 중 최소 SOC를 가진 배터리 셀을 타겟 셀로 선정할 수 있다.
제어부는 기준 셀의 SOC와 타겟 셀의 SOC의 차이에 따라 산출된 밸런싱 시간 동안, 타겟 그룹에 속한 배터리 셀을 방전시키도록 구성될 수 있다.
제어부는 산출된 밸런싱 시간 동안 배터리 셀 중 타겟 그룹에 속한 배터리 셀만을 선택하여 방전시킬 수 있다. 예를 들어 배터리 셀 중 타겟 그룹에 속하지 않은 배터리 셀은 타겟 그룹에 속한 배터리 셀과 달리 밸런싱 시간 동안 방전되지 않을 수 있다.
반복적인 밸런싱이 최종적으로 완료된 이후, 타겟 그룹에 속한 배터리 셀의 SOC는 기준 셀의 SOC로부터 기설정된 정상범위 내에 포함되므로, 밸런싱에 의해 배터리 셀에 과방전이 일어나는 것을 미연에 방지할 수 있다.
제어부는 배터리 셀 중 산출된 SOC가 최대인 배터리 셀을 기준 셀로 선택할 수 있다. 제어부는 최대 SOC를 가진 배터리 셀을 기준 셀로 선택한 이후, 타겟 그룹을 선택하고, 선택된 타겟 그룹에 속한 배터리 셀 중 최대 SOC를 가진 배터리 셀을 타겟 셀로 선정할 수 있다. 제어부는 기준 셀의 SOC와 타겟 셀의 SOC의 차이에 따라 산출된 밸런싱 시간 동안, 타겟 그룹에 속한 배터리 셀이 충전되도록 구성될 수 있다.
또한 제어부는 밸런싱 시간을 감소시키면서 대상 배터리 셀의 밸런싱을 수행하도록 구성될 수 있으며, 제어부는 밸런싱 시간에 기반하여 밸런싱이 완료되었는지 여부를 확인하고, 밸런싱이 완료된 경우에 제2 센서부에 전압 측정 신호를 송신하도록 구성될 수 있다. 따라서 상기의 밸런싱 과정으로 배터리의 과충전 및 방전을 예방하여 배터리의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적인 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 보조동력장치 10 : 수동휠체어
200 : 조인트 유니트 300 : 제동부
400 : 모터

Claims (7)

  1. 수동휠체어의 전면에 체결되어 구동되는 보조동력장치에 있어서,
    복수의 프레임의 결합으로 구성되며 일단에 수동휠체어와 결속을 위한 조인트 유니트가 마련된 몸체부;
    상기 몸체부의 하부에 결합되는 복수의 주행바퀴와 상기 주행바퀴를 조향하기 위한 조향핸들 및 상기 주행바퀴에 구동력을 부여하는 구동모터를 포함하는 구동부;
    상기 구동부에 전원을 공급하기 위한 하나 이상의 배터리와 상기 구동부의 구동정보와 상기 배터리의 전력정보를 표시하는 디스플레이를 포함하는 제어부; 및
    상기 주행바퀴에 일체로 결합되는 디스크로터와, 상기 조향핸들에 마련되는 제동레버와, 상기 디스크로터를 가압하는 브레이크 패드와, 상기 제동레버의 조작에 연동하여 유압식으로 상기 브레이크 패드가 상기 디스크로터의 일측을 가압 제동하는 제1 브레이크 및 전자석에 고정되고, 상기 전자석이 상기 제동레버의 조작에 따른 출력신호를 입력받고, 상기 출력신호의 단계를 따라 전기적으로 가변되며, 상기 브레이크 패드가 출력신호에 따라 상기 전자석의 극성이 변환되어 압착력이 조절되는 가변저항으로 제어되어 상기 디스크로터의 타측을 가압하여 제동하는 제2 브레이크를 포함하여, 상기 구동부에 의해 주행을 제동하는 제동부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 배터리의 전압 및 전류를 계측하고 계측값을 출력하는 제1 센서부;
    배터리 등가회로를 구성하고, 상기 배터리의 SOC(State of Charge) 및 상기 배터리 등가회로의 분극용량을 상태 변수로 포함하는 제1 방정식 및 상기 배터리의 SOC 관측값을 출력 변수로 포함하는 제2 방정식을 산출하여, 상기 제1 센서부에서 출력되는 전압, 전류값과 상기 제1 및 제2 방정식을 확장칼만필터(Extended Kalman Filter) 알고리즘에 적용하여 기설정된 주기로 상기 배터리에 대한 SOC(State of Charge)를 추정하는 SOC 추정부;를 포함하고,
    상기 SOC 추정부는,
    인공 신경망 기법 중 하나인 딥러닝(Deep Learning) 알고리즘에 따라, 상기 제1 센서부의 계측에 따른 출력 데이터와 상기 SOC 추정부에 의해 추정되는 SOC를 각각 입력값과 출력값으로 설정하고, 상기 배터리의 충방전 횟수, 온도, 사용기간 중 선택된 하나 이상을 변수값으로 적용하여 학습시킨 잔량 예측 모델을 구축하고, 이를 통해 상기 배터리에 대한 SOC를 추정하고,
    상기 제어부는,
    상기 배터리를 구성하는 배터리 셀을 정전류모드(constant current mode)에서 충전하도록 제어하며, 정전류모드의 충전 시 상기 제1 센서부에서 출력되는 전압이 충전 종지전압(end-of-charge voltage)에 이르면 정전압모드(constant voltage mode)로 전환하도록 제어하고,
    상기 배터리를 구성하는 개별 배터리 셀의 전압을 계측하고 계측값을 출력하는 제2 센서부;를 더 포함하고,
    상기 제2 센서부에서 출력되는 전압으로부터 배터리 셀 각각에 대한 SOC(State of Charge)를 산출하고, 산출된 SOC에 기반하여 기준 셀 및 타겟 그룹을 선택하며, 선택된 타겟 그룹에 속하는 배터리 셀 중 하나의 배터리 셀을 타겟 셀로 선정하여 상기 기준 셀의 SOC와 상기 타겟 셀의 SOC의 차이에 따른 밸런싱 시간을 산출하고, 상기 산출된 밸런싱 시간 동안 상기 타겟 그룹에 속한 배터리 셀의 밸런싱을 수행하고,
    상기 조인트 유니트는,
    상기 몸체부에 장착되는 장착브라켓과, 상기 장착브라켓의 일면에 중심이 힌지 결합되고 양단이 각각 외측으로 절곡되는 조인트부와, 각 조인트부에 힌지 결합되는 제1 체결구와, 상기 제1 체결구와 대면하여 수동휠체어의 프레임에 장착되어 상기 제1 체결구에 탈부착되도록 체결되는 제2 체결구를 포함하되,
    상기 제1 체결구는,
    “T”형상의 부재로 길이방향 일단은 상기 조인트부와 힌지결합되고, 타단의 폭방향 양단 일면에 상기 제2 체결구에 걸림이 이루어지도록 하나 이상의 돌출된 걸림턱이 상기 일면과 수직으로 형성되며,
    상기 제2 체결구는,
    소정 두께를 가지는 직사각형태로서 배면에 길이방향으로 상기 수동휠체어의 전면 프레임이 내삽되는 장홈과, 결속을 유지시키는 제1 잠금부, 전면에 길이방향으로 나란히 두개의 고리가 마련되고 상기 고리의 개구부가 상면을 향하며 상기 고리에 상기 제1 체결구가 대면 및 구속되어 결합되면 결합을 유지하는 제2 잠금부가 마련되는 것을 특징으로 하는 수동휠체어용 보조동력장치.
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