KR20210095767A - 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, BMS(battery management system)가 탑재되며, 내부에 장착된 배터리의 상태 정보를 전송하는 복수의 퍼스널 모빌리티와, 상기 복수의 퍼스널 모빌리티로부터 각각 전송된 상기 상태 정보를 이용하여 배터리 상태 정보 데이터베이스를 구축하며, 상기 상태 정보를 분석한 후에 상기 BMS에 대응하여 기 설정된 안전 기준을 만족하지 않는 상기 퍼스널 모빌리티에 배터리 제어명령을 선택 전송하는 배터리 관리 서버와, LoRa(long range) 통신 방식으로 상기 복수의 퍼스널 모빌리티와 상기 배터리 관리 서버 간의 상호 통신을 중계하는 중계기를 포함함으로써, 사설 LoRa 통신망을 구축하여 퍼스널 모빌리티의 배터리 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라 퍼스널 모빌리티의 배터리 안전성을 향상시킬 수 있다.

Description

퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM FOR PERSONAL MOBILITY}
본 발명은 사설 LoRa(long range) 통신망을 구축하여 퍼스널 모빌리티의 배터리 상태를 실시간으로 모니터링함으로써, 퍼스널 모빌리티의 배터리 안전성을 향상시킬 수 있는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 배터리와 전기모터를 기반으로 하는 전동형 개인 이동수단을 e-모빌리티(E-Mobility), 스마트 모빌리티(Smart Mobility), 퍼스널 모빌리티(Personal Mobility) 등으로 부르고 있으며, 전동 휠, 전동 킥보드, 전기 자전거, 초소형 전기차 등이 포함될 수 있다.
이러한 퍼스널 모빌리티 중에서 전기 자전거는 자전거에 배터리와 모터가 결합된 개인용 이동수단으로, 도심 주행에 매우 유용하고, 기본적으로 친환경적일 뿐만 아니라 배터리의 도움으로 인해 장거리를 이동할 수 있으면서 오르막길 또한 주행할 수 있는 등 장점이 많으며, 페달링이 가능하기 때문에 건강에도 도움이 되면서 친환경성, 경제성 등을 두루 구현할 수 있는 교통수단으로 알려져 있다.
한편, 퍼스널 모빌리티 시장이 급격히 증가함에 따라 그에 대응하는 안전사고(예를 들면, 도난, 파손, 교통법규 위반, 배터리 폭발 등)가 급등하고 있는데, 배터리로 사용되는 리튬이온전지는 과충전으로 인한 폭발 위험 및 과방전으로 인한 수명단축의 문제점을 갖고 있으며, 이를 해결하기 위해 보호회로 등을 사용하고 있지만, 전압을 기반으로 하는 과방전, 과충전, 과전류 등만을 확인하여 퍼스널 모빌리티의 배터리를 관리하기에는 현실적으로 많은 한계가 있는 실정이다.
1. 한국공개특허 제10-2014-0046621호(2014.04.21.공개) 2. 한국등록특허 제10-1807299호(2017.12.04.등록)
본 발명은 사설 LoRa 통신망을 구축하여 퍼스널 모빌리티의 배터리 상태를 실시간으로 모니터링함으로써, 퍼스널 모빌리티의 배터리 안전성을 향상시킬 수 있는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 복수의 퍼스널 모빌리티에 BMS(battery management system)를 탑재하여 배터리의 상태 정보를 전송하고, 배터리 관리 서버에서 이 상태 정보를 이용하여 배터리 상태 정보 데이터베이스를 구축하며, 상태 정보 분석을 통해 기 설정된 안전 기준을 만족하지 않는 퍼스널 모빌리티에 배터리 제어명령을 LoRa 통신 방식의 중계기를 통해 선택 전송함으로써, 퍼스널 모빌리티 배터리의 상태를 실시간으로 확인할 수 있으며, 비면허대역을 사용하는 사설 LoRA 통신망을 구축하여 배터리 관리 서비스를 제공할 수 있어 통신비용을 대폭 절감할 수 있는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템을 제공하고자 한다.
아울러, 본 발명은 중계기의 통신 중계 영역을 벗어날 경우 복수의 퍼스널 모빌리티와 배터리 관리 서버 간의 중계 역할을 무인 비행 가능한 드론을 통해 수행함으로써, 복수의 퍼스널 모빌리티에 대한 배터리 관리 서비스를 안정적으로 제공할 수 있는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, BMS(battery management system)가 탑재되며, 내부에 장착된 배터리의 상태 정보를 전송하는 복수의 퍼스널 모빌리티와, 상기 복수의 퍼스널 모빌리티로부터 각각 전송된 상기 상태 정보를 이용하여 배터리 상태 정보 데이터베이스를 구축하며, 상기 상태 정보를 분석한 후에 상기 BMS에 대응하여 기 설정된 안전 기준을 만족하지 않는 상기 퍼스널 모빌리티에 배터리 제어명령을 선택 전송하는 배터리 관리 서버와, LoRa(long range) 통신 방식으로 상기 복수의 퍼스널 모빌리티와 상기 배터리 관리 서버 간의 상호 통신을 중계하는 중계기를 포함하는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 상태 정보는, 상기 BMS에서 측정된 개별 셀 전압 및 온도, 충방전 전류 상태, OVP(over voltage protection), UVP(under voltage protection), OCP(over charging protection), ODP(over discharging protection), OTP(over temperature protection), UTP(under temperature protection), OCV(open circuit voltage), 셀 열화 및 CD(Cell difference) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 퍼스널 모빌리티는, 상기 배터리 제어명령에 따라 배터리 사용을 차단하는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 복수의 퍼스널 모빌리티는, 각각 BLE(bluetooth low energy)를 통해 사용자 모바일단말기 또는 출장자 모바일단말기와 연동되는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 중계기의 통신 중계 영역을 벗어날 경우 무인 비행하여 상기 중계기의 역할을 담당하는 드론을 더 포함하는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 퍼스널 모빌리티는, 전동 휠, 전동 킥보드, 전기 자전거 및 초소형 전기차 중에 적어도 어느 하나를 포함하는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명은 사설 LoRa 통신망을 구축하여 퍼스널 모빌리티의 배터리 상태를 실시간으로 모니터링함으로써, 퍼스널 모빌리티의 배터리 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 퍼스널 모빌리티에 BMS를 탑재하여 배터리의 상태 정보를 전송하고, 배터리 관리 서버에서 이 상태 정보를 이용하여 배터리 상태 정보 데이터베이스를 구축하며, 상태 정보 분석을 통해 기 설정된 안전 기준을 만족하지 않는 퍼스널 모빌리티에 배터리 제어명령을 LoRa 통신 방식의 중계기를 통해 선택 전송함으로써, 퍼스널 모빌리티 배터리의 상태를 실시간으로 확인할 수 있으며, 비면허대역을 사용하는 사설 LoRA 통신망을 구축하여 배터리 관리 서비스를 제공할 수 있어 통신비용을 대폭 절감할 수 있다.
아울러, 본 발명은 중계기의 통신 중계 영역을 벗어날 경우 복수의 퍼스널 모빌리티와 배터리 관리 서버 간의 중계 역할을 무인 비행 가능한 드론을 통해 수행함으로써, 복수의 퍼스널 모빌리티에 대한 배터리 관리 서비스를 안정적으로 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템을 예시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 퍼스멀 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템을 추가적으로 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템을 예시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 퍼스멀 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템을 추가적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템은 복수의 퍼스널 모빌리티(110), 배터리 관리 서버(120), 중계기(130), 드론(140) 등을 포함할 수 있다.
복수의 퍼스널 모빌리티(110)는 BMS(battery management system)가 탑재되며, 내부에 장착된 배터리의 상태 정보를 전송할 수 있는데, 예를 들어 전동 휠, 전동 킥보드, 전기 자전거 및 초소형 전기차 중에 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기에서, 상태 정보는 BMS에서 측정된 개별 셀 전압 및 온도, 충방전 전류 상태, OVP(over voltage protection), UVP(under voltage protection), OCP(over charging protection), ODP(over discharging protection), OTP(over temperature protection), UTP(under temperature protection), OCV(open circuit voltage), 셀 열화 및 CD(Cell difference) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있는데, 이러한 상태 정보를 배터리 관리 서버(120)에 중계기(130)를 통해 전송할 수 있다.
이에 대응하여 배터리 관리 서버(120)로부터 중계기(130)를 통해 제어명령이 전송될 수 있는데, 이러한 제어명령을 수신한 퍼스널 모빌리티(110)에서는 그 배터리 제어명령에 따라 배터리 사용을 차단할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 복수의 퍼스널 모빌리티(110)에서는 BMS를 탑재함으로써, 배터리팩에 대한 보호회로의 안전 및 모니터링 기능을 강화할 수 있는데, 보호회로의 차단기능(예를 들면, 과충전, 과방전, 과전류, short circuit 등) 외에도 CD(cell difference), 셀 열화 측정 등을 수행할 수 있다.
여기에서, CD(cell difference)는 직렬 연결된 배터리 중에서 이상 배터리가 발생할 경우 발생하는 전압 편차를 이용할 수 있고, 셀 열화는 배터리의 충방전 수명 사이클이 지속될 경우 발생하는 저항의 증가를 통해 추정할 수 있다. 즉, OCV 상태에서 부하가 걸렸을 경우 발생하는 전압 강하를 통해 내부 저항을 계산할 수 있다.
또한, BMS를 탑재한 복수의 퍼스널 모빌리티(110)에서는 배터리의 충방전 및 상태 정보를 수집하여 사설 LoRa 통신 환경을 제공하는 중계기(130)를 통해 배터리 관리 서버(120)로 전송할 수 있다.
또한, 개별 셀의 전압 및 온도정보, 충방전 전류의 상태값을 통해, 배터리의 충전/방전기능과 관련된 배터리의 열화/노화 정도의 추정에 활용할 수 있다. 예를 들어, 온도가 관리자가 미리 지정한 임계 상한 온도보다 높거나 임계 하한 온도보다 낮은 경우의 개별 셀의 전압이나, 충전/방전되는 전류값을 알게되면, 해당 배터리 셀의 열화 정도를 추정하는 데 유용하게 활용할 수 있다.
상술한 바와 같은 BMS는 전압, 온도 등의 정보뿐만 아니라 션트 저항을 사용하거나 혹은 홀센서(Hall sensor)를 사용하여 전류를 측정할 수 있으며, 배터리 제어명령에 따라 배터리 사용을 차단하기 위해 릴레이 스위치 또는 트랜지스터를 구비하여 배터리 전류를 차단할 수 있다.
또한, BMS는 OCV 상태에서 부하가 걸렸을 경우의 변화하는 전압 값을 통해 내부 저항을 측정할 수 있고, 내부 저항은 배터리 열화로 인해 높아지기 때문에 배터리의 SoH(state of health)를 감지할 수 있다.
그리고, BMS는 OCV 상태에서 부하 시 전압강하가 비정상적으로 클 경우 해당 배터리에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 다만, 전압강하는 온도, OCV의 전압대, OCV 유지 시간 등에 따라 상태가 다양할 수 있기 때문에, 관련 정보를 포함하는 상태 정보를 배터리 관리 서버(120)로 전송하여 데이터베이스를 구축함으로써, 배터리 상태를 정량화할 수 있다.
한편, 복수의 퍼스널 모빌리티(110)는 각각 BLE(bluetooth low energy)를 통해 사용자 모바일단말기 또는 출장자 모바일단말기와 연동될 수 있는데, 사용자(또는 출장자)에 대한 퍼스널 모빌리티 ID와 사용 권한을 BLE 연결을 통해 제공할 수 있고, 해당 퍼스널 공유 모빌리티를 구분하여 사용자(또는 출장자)의 사용 및 접근성을 향상시킬 수 있다.
또한, BLE 연결을 통해 퍼스널 공유 모빌리티 제어 및 모니터링하는 어플리케이션을 제공함으로써, 퍼스널 공유 모빌리티를 구분하여 잠금 및 잠금 해제를 수행할 수 있고, 현재 사용하는 퍼스널 공유 모빌리티의 상태 정보 등을 모니터링할 수 있다.
배터리 관리 서버(120)는 복수의 퍼스널 모빌리티(110)로부터 각각 전송된 상태 정보를 이용하여 배터리 상태 정보 데이터베이스를 구축하며, 상태 정보를 분석한 후에 BMS에 대응하여 기 설정된 안전 기준을 만족하지 않는 퍼스널 모빌리티에 배터리 제어명령을 선택 전송할 수 있다.
또한, 배터리 관리 서버(120)는 배터리 상태 정보 데이터베이스를 통해 배터리팩의 수명 예측을 통한 배터리 교체 주기 파악할 수 있는데, 배터리팩을 구성하는 이차전지인 리튬 이온 배터리는 구조적 변화, 상전이, 용출, 전해액 분해, 전해액 고갈, 표면 Li 증착, SEI 분해 등의 요인으로 셀 용량이 감소하고, 셀 저항이 증가함으로써, 셀 열화가 발생하게 되는데, 복수의 퍼스널 모빌리티(110)로부터 실시간으로 제공되는 상태 정보를 이용하여 구축된 배터리 상태 정보 데이터베이스를 이용하여 가속 수명 시험 평가를 수행함으로써, 배터리팩의 수명을 예측할 수 있으며, 이에 따른 배터리 교체 주기를 파악하여 배터리 관리 효용성을 향상시킬 수 있다.
중계기(130)는 LoRa(long range) 통신 방식으로 복수의 퍼스널 모빌리티(110)와 배터리 관리 서버(120) 간의 상호 통신을 중계할 수 있는데, 비면허대역 통신인 LoRA를 이용하여 사설망을 구축함으로써, 사설망 구축을 통해 통신 비용을 절감할 수 있고, 복수의 퍼스널 모빌리티(110)의 배터리 정보(즉, 상태 정보)와 위치 정보를 배터리 관리 서버(120)에 실시간으로 전송할 수 있으며, 배터리 관리 서버(120)에서는 이러한 중계기(130)를 통해 관리자에게 각종 정보를 전송할 수 있다.
이러한 LoRa 통신망을 위해서 복수의 퍼스널 모빌리티(110)와 배터리 관리 서버(120) 간의 상호 실시간 데이터 전송을 위해 LoRaWAN 클래스를 선정할 수 있는데, 복수의 퍼스널 모빌리티(110)의 배터리 모니터링을 위해서 업링크(uplink) 위주의 클래스A(class A)를 고려할 수 있다.
또한, LoRa 통신망의 이상 동작이 판단될 경우 리셋시키기 위해서 배터리 관리 서버(120)에서 다운링크(downlink)로 중계기(130)로 전송되는 리셋 명령을 파싱(parsing)하여 LoRa 모듈을 리셋시킬 수 있으며, 정전 등을 통해 다수의 LoRa 장치가 한번에 연결(join)되는 것을 방지하기 위해 LoRa 장치 전원의 인가 시에 임의의 지연 시간 대기 후에 연결(join)하도록 구현할 수 있다.
그리고, LoRa 통신망에서 전송 주기 시간을 결정하여 설정할 수 있고, 최대 전송 가능 페이로드(payload)가 예를 들어 65바이트(bytes)가 넘을 경우 에러 메시지가 출력되도록 설정할 수 있으며, 복수의 퍼스널 모빌리티(110)의 ID와 사용 권한 등을 인증하기 위해 LoRa 게이트웨이를 결정할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템에서는 중계기(130)의 통신 중계 영역을 벗어날 경우 해당 영역에 드론(140)이 무인 비행하여 중계기(130)의 역할을 담당할 수 있는데, LoRa 통신 방식의 중계 기능을 수행하는 LoRa 중계 모듈을 드론(140)에 탑재함으로써, 퍼스널 모빌리티(110)가 이동하여 중계기(130)의 통신 중계 영역을 벗어날 경우 드론(140)을 이용한 이동형 중계 방식으로 퍼스널 모빌리티(110)와 배터리 관리 서버(120) 간의 데이터 송수신 환경을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명은 사설 LoRa 통신망을 구축하여 퍼스널 모빌리티의 배터리 상태를 실시간으로 모니터링함으로써, 퍼스널 모빌리티의 배터리 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 퍼스널 모빌리티에 BMS를 탑재하여 배터리의 상태 정보를 전송하고, 배터리 관리 서버에서 이 상태 정보를 이용하여 배터리 상태 정보 데이터베이스를 구축하며, 상태 정보 분석을 통해 기 설정된 안전 기준을 만족하지 않는 퍼스널 모빌리티에 배터리 제어명령을 LoRa 통신 방식의 중계기를 통해 선택 전송함으로써, 퍼스널 모빌리티 배터리의 상태를 실시간으로 확인할 수 있으며, 비면허대역을 사용하는 사설 LoRA 통신망을 구축하여 배터리 관리 서비스를 제공할 수 있어 통신비용을 대폭 절감할 수 있다.
아울러, 본 발명은 중계기의 통신 중계 영역을 벗어날 경우 복수의 퍼스널 모빌리티와 배터리 관리 서버 간의 중계 역할을 무인 비행 가능한 드론을 통해 수행함으로써, 복수의 퍼스널 모빌리티에 대한 배터리 관리 서비스를 안정적으로 제공할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
110 : 복수의 퍼스널 모빌리티
120 : 배터리 관리 서버
130 : 중계기
140 : 드론

Claims (6)

  1. BMS(battery management system)가 탑재되며, 내부에 장착된 배터리의 상태 정보를 전송하는 복수의 퍼스널 모빌리티와,
    상기 복수의 퍼스널 모빌리티로부터 각각 전송된 상기 상태 정보를 이용하여 배터리 상태 정보 데이터베이스를 구축하며, 상기 상태 정보를 분석한 후에 상기 BMS에 대응하여 기 설정된 안전 기준을 만족하지 않는 상기 퍼스널 모빌리티에 배터리 제어명령을 선택 전송하는 배터리 관리 서버와,
    LoRa(long range) 통신 방식으로 상기 복수의 퍼스널 모빌리티와 상기 배터리 관리 서버 간의 상호 통신을 중계하는 중계기
    를 포함하는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상태 정보는, 상기 BMS에서 측정된 개별 셀 전압 및 온도, 충방전 전류 상태, OVP(over voltage protection), UVP(under voltage protection), OCP(over charging protection), ODP(over discharging protection), OTP(over temperature protection), UTP(under temperature protection), OCV(open circuit voltage), 셀 열화 및 CD(Cell difference) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 퍼스널 모빌리티는, 상기 배터리 제어명령에 따라 배터리 사용을 차단하는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 퍼스널 모빌리티는, 각각 BLE(bluetooth low energy)를 통해 사용자 모바일단말기 또는 출장자 모바일단말기와 연동되는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 중계기의 통신 중계 영역을 벗어날 경우 무인 비행하여 상기 중계기의 역할을 담당하는 드론
    을 더 포함하는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 퍼스널 모빌리티는, 전동 휠, 전동 킥보드, 전기 자전거 및 초소형 전기차 중에 적어도 어느 하나를 포함하는 퍼스널 모빌리티를 위한 배터리 관리 시스템.
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