KR20150049024A

KR20150049024A - 배터리 모니터링 시스템

Info

Publication number: KR20150049024A
Application number: KR1020130128976A
Authority: KR
Inventors: 문무성; 류제청; 홍응표; 김용철; 박세훈; 윤 허; 남기태
Original assignee: 근로복지공단
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-05-08

Abstract

본 발명은 사용자가 전동휠체어의 배터리 정보를 모니터링할 수 있도록 한 전동휠체어의 배터리 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 배터리 모니터링 시스템은 이동기기에 구비된 배터리(battery)의 용량에 따른 방전특성곡선을 통해 룩업테이블(Look-up Table)을 구성하는 룩업테이블 구성부; 이동기기의 기동 시 배터리 전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D(Analog to Digital) 컨버터(converter)부; 변환된 배터리 전압의 이동평균전압을 산출하는 이동평균전압 산출부; 이동평균전압을 룩업테이블에 할당시켜 배터리의 잔존용량을 산출하는 잔존용량 산출부를 포함한다.

Description

배터리 모니터링 시스템{System for monitoring battery}

본 발명은 배터리 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로는 사용자가 전동휠체어의 배터리 정보를 모니터링할 수 있도록 한 전동휠체어의 배터리 모니터링 시스템에 관한 것이다.

이동기기를 위한 다양한 전압 모니터링 방법이 연구되어 오고 있으나, 기존의 전동휠체어나 전동스쿠터는 사용환경에 따라 배터리 전압의 변화가 심하여 정확한 배터리 잔량 표시가 어렵다는 문제점이 있었다.

예를 들어, 종래의 전동휠체어용 배터리 잔량 표시 장치(미국등록특허공보 제 07003381호)는 배터리 전압을 그대로 읽어 표시하기 때문에 정확성이 떨어진다.

또한, 전동보장구의 경우에는 정부에서 설정한 가격 제한 등으로 배터리 전압 모니터링을 위해 과다한 비용을 투자하기 어려운 실정이다.

그러므로, 추가적인 하드웨어 비용 없이 구현이 가능한 배터리 모니터링 시스템의 개발이 필요하다.

즉, 큰 부하에서는 전압강하가 크게 발생하고 완전충전전압과 방전종지전압(final voltage) 부근은 기울기가 큰 전압방전 특성을 이용해 전동휠체어의 배터리 잔량을 보다 정확히 표시하는 시스템의 개발이 요구된다.

미국등록특허공보 제07003381호(출원일 : 2006.02.21)

본 발명의 목적은 이동 평균 필터와 룩업테이블을 통해, 사용자에게 정확한 배터리 잔량 정보를 전달할 수 있는 배터리 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 배터리 모니터링 시스템은 이동기기에 구비된 배터리(battery)의 용량에 따른 방전특성곡선을 통해 룩업테이블(Look-up Table)을 구성하는 룩업테이블 구성부; 이동기기의 기동 시 배터리 전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D(Analog to Digital) 컨버터(converter)부; 변환된 배터리 전압의 이동평균전압을 산출하는 이동평균전압 산출부; 이동평균전압을 룩업테이블에 할당시켜 배터리의 잔존용량을 산출하는 잔존용량 산출부를 포함한다.

방전특성곡선은 C-rate(current rate;방전율)가 증가하는 경우 방전특성이 떨어져 배터리용량이 감소하므로, 이동기기에 구비된 배터리의 용량에 대응하는 C-rate의 방전특성곡선이 적용되는 것을 특징으로 한다.

방전특성곡선의 그래프 면적은 배터리의 용량을 나타내고, 배터리 전압에 대응하는 배터리의 용량을 산출하기 위해서 방전특성곡선의 x축인 방전용량을 n등분하고, n등분한 구간의 면적을 계산하며, n등분한 구간의 면적은 (n등분한 구간의 평균전압 V_n × 배터리의 정격방전용량을 n등분한 값)으로 산출된다.

다음으로, 이동평균전압은, 지정된 개수의 최근 측정값의 평균을 산출하는 것으로, 이동기기의 기동 시 순간적인 전압강하로 인해 발생되는 불규칙한 전압을 안정시키기 위함이다.

다음으로, 잔존용량 산출은, 이동기기 기동 시의 이동평균전압에 대응하는 구간의 면적부터 오른쪽 마지막 구간의 면적까지의 합으로 산출되며, 산출된 잔존용량을 퍼센트(%)로 나타내면,

여기서, V_n은 이동기기의 기동 시 이동평균전압, LT(n)은 n번째 룩업테이블의 값으로, 이동기기의 사용자가 배터리의 잔존용량을 쉽게 확인할 수 있도록 퍼센트(%)로 나타낸다.

본 발명의 배터리 모니터링 시스템 및 방법에 따르면, 급속한 전압 변화를 예방하기 위한 이동 평균 필터와 배터리 용량에 따른 방전특성곡선을 차등 적용한 룩업 테이블을 구성함으로써 사용자에게 정확한 배터리 잔량 정보를 전달할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모니터링 시스템을 나타내는 구성도;
도 2는 8Ah 리튬 이온 셀의 방전특성곡선을 나타내는 그래프;
도 3은 배터리 전압에 대응하는 배터리 용량 산출 방법의 이해를 돕기 위한 그래프; 및
도 4는 x축을 100등분 했을 경우 배터리의 잔존 용량 산출 방법의 이해를 돕기 위한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 모니터링 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 배터리 모니터링 시스템(100)은 룩업테이블 구성부(110), A/D컨버터부(120), 이동평균전압 산출부(130), 잔존용량 산출부(140)를 포함한다.

룩업테이블 구성부(110)는 이동기기에 구비된 배터리의 용량에 따른 방전특성곡선을 통해 룩업테이블을 구성한다.

예를 들어, 8Ah 용량의 리튬이온 셀의 방전특성을 도시한 도 2을 보면, C- rate(current rate;방전율)가 증가하는 경우, 방전특성이 떨어져 배터리용량이 감소하게 되는 것을 확인할 수 있다.

특히, 납축배터리는 C-rate가 증가할수록 방전특성이 급격히 감소하는 특성이 있다. 전동휠체어는 고속 이동기기와 기동 시 20~30A, 주행 시 10~20A, 경사로에서 20~40A 정도의 전류를 소모하므로 높은 C-rate의 방전이 필요치 않다.

만약, 전동휠체어가 24V 전압의 배터리를 갖고 부하 200kg, 이동속도 10km/h로 평지를 주행할 때는 10Ah 이하, 경사로에서는 약 20~40Ah의 전류를 소모하므로, 이동기기에 구비된 배터리의 용량에 따라 적절한 C-rate의 방전특성곡선을 적용하여 룩업테이블을 구성해야 한다.

따라서, 본 발명에서는 배터리 용량 20Ah 이하에서는 방전특성곡선 1C, 30~40Ah에서는 0.5C, 50Ah 이상에서는 0.25C를 사용하여 룩업테이블을 구성하였다.

방전특성곡선에서 그래프의 면적은 배터리의 용량을 나타내는데, 배터리 전압에 대응하는 배터리의 용량을 산출하기 위해서는 도 3에 도시한 바와 같이, 방전특성곡선의 x축인 방전용량을 n등분하고, n등분한 구간의 면적을 계산한다.

n등분한 구간의 면적 Area_n은 (n등분한 구간의 평균전압 V_n × 배터리의 정격방전용량을 n등분한 값)으로 산출된다.

여기서, 배터리의 정격방전용량은 배터리 제조시 결정되는 고유값이다.

다음으로, n등분한 구간들의 면적을 모두 합하고, n등분한 각 구간의 면적을 전체면적으로 나누어 누적된 값을 룩업테이블에 할당하면 각 전압에 대응하는 배터리 용량을 표시할 수 있다.

A/D컨버터부(120)는 이동 기기의 배터리 전압을 입력받아 A/D컨버터(analog to digital converter)를 통해 샘플링 주기를 0.1초로 하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.

이동평균전압 산출부(130)에서는 [수학식 1]을 통해 이동평균전압이 산출된다.

[수학식 1]은 이동평균필터(Moving Average Filter)의 식을 나타낸 것으로, 모든 데이터의 평균이 아니라 지정된 개수의 최근 측정값의 평균을 산출하기 위한 것이다.

여기서, k가 실시간으로 데이터가 지나갈 때의 k번째 데이터를 의미한다면,

는 새로운 평균값,

은 직전단계의 평균값, x_k는 가장 최근 데이터, x_k _-n은 가장 오래된 데이터, n은 데이터의 수를 나타낸다.

이동 기기는 기동 시 약 1~2초간 큰 전류를 소모하며, 이 때 순간적인 전압강하가 발생하게 되는데, A/D컨버터부(120)에서 0.1초로 배터리 전압을 샘플링할 경우 이동평균전압 산출부(130)에서 약 20개의 샘플로 이동평균필터를 통해 이동평균전압을 산출하면, 순간적인 전압강하로 인해 전압이 불규칙하게 나타나는 것을 줄일 수 있다.

즉, 이동평균전압 산출을 통해 좀 더 정확한 전압값을 읽을 수 있다.

잔존용량 산출부(140)에서는 이동평균전압 산출부(130)에서 얻은 이동평균전압을 룩업테이블 구성부(110)에서 구성한 룩업테이블에 할당시켜 배터리의 잔존용량을 산출한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 배터리의 잔존용량은 이동기기 기동 시의 이동평균전압에 대응하는 구간의 면적(Area)부터 오른쪽 마지막 구간의 면적까지의 합으로 산출되며, 이동기기의 기동 시 이동평균전압이 V_n일 경우, n번째 룩업테이블의 값 LT(n)을 퍼센트(%)로 나타내면 [수학식 2]과 같다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조로 본 발명의 배터리 모니터링 시스템 및 방법에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형실시예가 가능함은 당업자에게 명백하다.

100 : 배터리 모니터링 시스템
110 : 룩업테이블 구성부
120 : A/D 변환부
130 : 이동평균전압 산출부
140 : 잔존용량 산출부

Claims

이동기기에 구비된 배터리(battery)의 용량에 따른 방전특성곡선을 통해 룩업테이블(Look-up Table)을 구성하는 룩업테이블 구성부;
상기 이동기기의 기동 시 배터리 전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D(Analog to Digital) 컨버터(converter)부;
상기 변환된 배터리 전압의 이동평균전압을 산출하는 이동평균전압 산출부;
상기 이동평균전압을 상기 룩업테이블에 할당시켜 배터리의 잔존용량을 산출하는 잔존용량 산출부를 포함하는 배터리 모니터링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 방전특성곡선은,
C-rate(current rate;방전율)가 증가하는 경우 방전특성이 떨어져 배터리용량이 감소하므로, 이동기기에 구비된 배터리의 용량에 대응하는 C-rate의 방전특성곡선이 적용되는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 방전특성곡선의 그래프 면적은 배터리의 용량을 나타내고, 배터리 전압에 대응하는 배터리의 용량을 산출하기 위해서 방전특성곡선의 x축인 방전용량을 n등분한 후, n등분한 구간의 면적을 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 n등분한 구간의 면적은,
(n등분한 구간의 평균전압 V_n × 배터리의 정격방전용량을 n등분한 값)으로 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 이동평균전압은,
지정된 개수의 최근 측정값의 평균을 산출하는 것으로, 이동기기의 기동 시 순간적인 전압강하로 인해 발생되는 불규칙한 전압을 안정시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 잔존용량 산출은,
이동기기 기동 시의 이동평균전압에 대응하는 구간의 면적부터 오른쪽 마지막 구간의 면적까지의 합으로 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 산출된 잔존용량을 퍼센트(%)로 나타내면,

여기서 LT(n)은 이동기기의 기동 시 이동평균전압이 V_n일 경우 n번째 룩업테이블의 값으로, 이동기기의 사용자가 배터리의 잔존용량을 쉽게 확인할 수 있도록 퍼센트(%)로 나타내는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 시스템.