[논문]리튬이온 배터리를 적용한 실내용 전동휠체어 주행특성 분석

김영필; 함헌주; 홍성희; 고석철

doi:10.5762/kais.2020.21.12.857

[국내논문] 리튬이온 배터리를 적용한 실내용 전동휠체어 주행특성 분석
Analysis of driving characteristics of electric wheelchair for indoor driving using lithium-ion battery 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.12, 2020년, pp.857 - 866

김영필 (공주대학교 전기전자제어공학과) , 함헌주 (오토앤로봇) , 홍성희 (마이컴월드) , 고석철 (공주대학교 산학협력단 & 지역산업응용연구소)

초록
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'이동'이란 사람들이 매 순간 행동하고, 타인과 교류하며 특정 목적을 달성하는 '장소'의 확장 개념으로 이동에 불편함을 느끼는 사회적 교통약자에게 있어 이동보조수단인 휠체어는 신체적·정신적 삶의 질을 향상하는데 아주 큰 영향을 발휘한다. 이러한 휠체어는 수동식 휠체어와 전동식 휠체어로 구분되는데, 수동식 휠체어는 이용자의 팔과 손의 힘으로 앞으로 추진하게 된다. 하지만 전동식 휠체어는 배터리를 통해 모터에 전기에너지를 공급 해 주고, 모터의 회전에 의해 앞으로 추진하게 된다. 전동휠체어는 주로 실외활동을 중점으로 개발되고 있으나 최근에는 일상생활의 주 공간인 실내용 이동보조수단에 대한 개발 요구가 증가하게됨에 따라 실내용 전동휠체어 개발 또한 활발하게 이루어지고 있다. 실내용 이동보조수단의 경우 공간의 특성상 단거리를 반복 주행하므로 본 연구에서는 전동휠체어의 단거리 주행에 따른 리튬이온배터리의 주행특성을 확인하고, 연속주행의 리튬이온배터리 주행특성을 비교분석하였다. 단거리 주행의 경우 리튬이온배터리의 방전종지전압 도달 시 까지 5초 주행 1초 정지를 반복수행하였다. 리튬이온 배터리를 적용한 실내용 전동휠체어의 주행특성을 분석한 결과 실내 이동을 고려한 단거리 주행시험의 경우 연속주행보다 주행시간이 2.8% 짧아진 것을 확인하였다. 실내용 전동휠체어의 회전모터에 인가 된 전류의 경우 실내 이동을 고려한 단거리 주행이 연속주행 보다 15.4% 높게 나타난 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

'Movement' is an expanded concept of 'place' where people act, interact with one another and achieve a specific purpose at every moment. Wheelchairs, as a mobility aid, have a profound impact on improving the quality of physical and psychological well-being for the mobility disadvantaged groups who have mobility difficulties. Such mobility aids were developed mainly for outdoor activities, but in recent years, mobility aids for indoor spaces, the main living environment, are also being developed. Because indoor mobility aids generally move short distances repeatedly, this study examined the characteristics of lithium-ion batteries in short-distance driving of battery-powered wheelchairs and compared them with the characteristics of lithium-ion batteries in continuous driving. The result showed that the driving time for short-distance driving was 2.8% shorter than that of continuous driving. The current supplied to the motor was 15.4% higher for short-distance driving than that of continuous driving.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Electric wheelchair blueprint
그림 Fig. 2. Driving tester drawing
그림 Fig. 3. Motor Performance Curve
그림 Fig. 4. 1Series 3Parallel Lituim-ion Battery (25V 17Ah) Discharge characteristic curve
표 Table 1. Characteristics of lithium-ion battery pack applied to research
그림 Fig. 5. Battery voltage, load current measurement system circuit
그림 Fig. 6. Driving test environment
그림 Fig. 7. Battery Discharge Curve According to 5Second Drive, 1Second Stop (a) 5Second Drive, 1Second Stop Curve - 1 (b) 5Second Drive, 1Second Stop Curve - 2 (c) 5Second Drive, 1Second Stop Curve - 3
그림 Fig. 8. Battery Discharge Curve According to 5Second Drive, 1Second Stop[10,000] (a) 5Second Drive, 1Second Stop Curve - 1 (b) 5Second Drive, 1Second Stop Curve - 2 (c) 5Second Drive, 1Second Stop Curve - 3
그림 Fig. 9. Battery Discharge Curve According to 5Second Drive, 1Second Stop [Avreage Filter] (a) 5Second Drive, 1Second Stop Curve - 1 (b) 5Second Drive, 1Second Stop Curve - 2 (c) 5Second Drive, 1Second Stop Curve - 3
그림 Fig. 10. 5Second Drive, 1Second Brake Motor Current (a) Left Motor Discharge Current - 1 (b) Left Motor Discharge Current - 2 (c) Left Motor Discharge Current - 3
그림 Fig. 11. 5Second Drive, 1Second Brake Motor Current (a) Right Motor Discharge Current - 1 (b) Right Motor Discharge Current - 2 (c) Right Motor Discharge Current - 3
그림 Fig. 12. Battery Discharge Curve According to Continuous Driving (a) Continuous Discharge Curve - 1 (b) Continuous Discharge Curve - 2 (c) Continuous Discharge Curve - 3
그림 Fig. 13. Continuous Driving Motor Current (a) Left Motor Discharge Current - 1 (b) Left Motor Discharge Current - 2 (c) Left Motor Discharge Current - 3
그림 Fig. 14. Continuous Driving Motor Current (a) Right Motor Discharge Current - 1 (b) Right Motor Discharge Current - 2 (c) Right Motor Discharge Current - 3
표 Table 2. Compared Short-distance Driving with Continuous Driving

AI 본문요약
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문제 정의

실내용 전동휠체어의 경우 단거리를 반복적으로 이동하기 때문에 장시간 이동을 고려한 실외용 전동휠체어의 주행 특성을 적용하기에는 난해함이 있다. 따라서 본 연구에서는 실내의 단거리 반복 동작을 고려하여 전동휠체어를 주행·정지를 반복함에 따라 리튬이온 배터리를 적용한 실내 주행용 전동휠체어의 배터리 방전 특성을 분석하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 리튬이온 배터리의 전압을 전압분배법칙을 사용하여 5V로스케일 하고, 부하효과를 제거하기 위해 Voltage Follower 방식을 사용하였다. Voltage Follower 방식의 출력값을 10Bit ADC(Analog Digital Converter)에 인가하여 스케일 변환을 통해 배터리의 전압값을 모니터링 하였다.
된 리튬이온 배터리를 사용하였다. 또한 리튬이온배터리 보호를 위해 과전압 차단 및 자동복귀, 저전압 차단 및 자동복귀, 과전류 차단 및 자동복귀, 합선차단, 고온 자동 전원 차단기능을 적용하여 부하에 따른 사고 및주변 환경으로 인한 사고를 예방하도록 설계하였으며, 25V 17AH 배터리 팩 3개를 병렬로 연결하여 25V 51AH로 구성하였다.
주행 시험 방법은 전동휠체어 연속주행 시험과, 5초 주행/ 1초 정지를 반복하는 단거리 반복주행 방법으로 진행하였으며, 총 3회에 걸쳐 진행하였다. 방전 종지전압 도달까지의 시간 및 각 모터에 인가되는전류값을 4ms 간격으로 측정하여 데이터를 기록하였다. 전동휠체어 주행에 있어 진동에 의한 구동시스템의 오류를 방지하고자 주행 시스템은 전동휠체어에서 탈거하여안정상태가 유지될 수 있는 외부에서 전동휠체어 주행을제어하였다.
본 연구는 리튬이온 배터리를 적용한 실내용 전동휠체어의 단거리 주행 특성을 고려한 5초 주행, 1초 정지 반복시험을 진행하였으며, 연속주행 시험 방법과 비교 분석하였다. 단거리 주행시험의 방전종지 전압 도달시간은 평균 4시간 33분으로 나타났으며 모터에 인가된 평균 전류는 6.
0V이다. 본 연구에서는 리튬이온 배터리 보호를 위해 배터리 모니터링 시스템에서 측정되는전압 값이 22.0V가 되는 시점을 기준으로 전동휠체어의주행을 정지하였다. 주행 시험 방법은 전동휠체어 연속주행 시험과, 5초 주행/ 1초 정지를 반복하는 단거리 반복주행 방법으로 진행하였으며, 총 3회에 걸쳐 진행하였다.
리튬이온배터리의 전압이 주행 순간 급격하게 하강하게 되고, 그에 따라 리튬이온배터리의 정상상태 전압이 방전종지전압 도달 전에 시스템이 차단하게 된다. 이를 방지하고자 측정되는 100개의 데이터의 값을 합산하여 평균값을 구하는 Average Filter를 적용하여 Average Filter 전압값이 방전 종지 전압값에 도달 시 주행을 차단하도록 하였다. Fig.
전동휠체어 연속주행은 리튬이온배터리의 전압이 방전 종지 전압인 22.0V에 도달할 때까지 전동휠체어를 주행하는 시험으로 방전종지 전압까지 도달 시간은 4시간 38분 26초, 4시간 44분 12초, 4시간 41분 55초로 측정되었으며, 평균 4시간 41분으로 계산되었다. Fig.
전동휠체어 주행시험에 있어 일정한 주행 조건을 유지하기 위해 전동휠체어의 하중에도 변형이 적은 SS400l 재질의 주행시험기를 Fig. 2와 같이 설계하였다. 주행시험기의 전체 길이는 1, 610mm, 폭 764mm, 높이 85mm로 설계하였으며, 바퀴 축간의 거리는 800mm로설계하였으며, 볼베이링 방식을 적용하여 전동휠체어의바퀴가 회전을 해도 전동휠체어의 위치는 변하지 않도록설계하였다.
방전 종지전압 도달까지의 시간 및 각 모터에 인가되는전류값을 4ms 간격으로 측정하여 데이터를 기록하였다. 전동휠체어 주행에 있어 진동에 의한 구동시스템의 오류를 방지하고자 주행 시스템은 전동휠체어에서 탈거하여안정상태가 유지될 수 있는 외부에서 전동휠체어 주행을제어하였다. Fig.
이는 단거리 주행시험이 주행·정지를 반복하면서 높은 기동전류가 지속적으로 누적되어 연속 주행시험보다 높은 전류 값을 보인 것으로 분석된다. 전동휠체어의 주행 시간은 단거리 주행시험이 4시간 35분 24초, 4시간 35분 04 초, 4시간 29분 26초로 측정되었고, 평균 주행시간은 4 시간 33분으로 계산되었다. 연속주행 시험의 주행시간은 4시간 38분 26초, 4시간 44분 12초, 4시간 41분 55초로 측정되었고, 평균 주행시간은 4시간 41분으로 계산되었다.
0V가 되는 시점을 기준으로 전동휠체어의주행을 정지하였다. 주행 시험 방법은 전동휠체어 연속주행 시험과, 5초 주행/ 1초 정지를 반복하는 단거리 반복주행 방법으로 진행하였으며, 총 3회에 걸쳐 진행하였다. 방전 종지전압 도달까지의 시간 및 각 모터에 인가되는전류값을 4ms 간격으로 측정하여 데이터를 기록하였다.
2와 같이 설계하였다. 주행시험기의 전체 길이는 1, 610mm, 폭 764mm, 높이 85mm로 설계하였으며, 바퀴 축간의 거리는 800mm로설계하였으며, 볼베이링 방식을 적용하여 전동휠체어의바퀴가 회전을 해도 전동휠체어의 위치는 변하지 않도록설계하였다.

대상 데이터

구동전류는 모터의 회전축이 회전하고 있는 상태에서 회전상태를 유지하기 위해 필요한 전류용량을 의미하며, 기동전류는 모터의 회전축이 정지되어 있는 상태에서 회전 할 때 최초 필요한 전류용량으로 구동전류의 5~10배 정도의 값을 갖는다. 본 연구에 적용된 모터는 DC₂₄V, 3700rpm의 모터로 20:1 의 감속기를 적용하여 무부하 상태에서 185±15rpm, 부하상태 170±12rpm으로 회전하게 되며, Fig. 3은 모터의 성능곡선을 나타낸다.
본 연구에 적용된 전동휠체어는 국내 A기업에서 실내용으로 개발하고 있는 승강 기능을 포함하는 전동휠체어를 사용하였다. 전동휠체어의 구조는 Fig.
본연구에 적용 된 리튬이온 배터리는 국내 L사의 18650 리튬이온셀을 6병렬 이하 단위로 BMS/PCB을접속하여 팩킹한 후 다수의 팩을 직병렬로 조합하여 셀특성 불균일로 인한 배터리 밸런싱을 최대로 유지하도록설계 된 리튬이온 배터리를 사용하였다. 또한 리튬이온배터리 보호를 위해 과전압 차단 및 자동복귀, 저전압 차단 및 자동복귀, 과전류 차단 및 자동복귀, 합선차단, 고온 자동 전원 차단기능을 적용하여 부하에 따른 사고 및주변 환경으로 인한 사고를 예방하도록 설계하였으며, 25V 17AH 배터리 팩 3개를 병렬로 연결하여 25V 51AH로 구성하였다.
사용하였다. 전동휠체어의 구조는 Fig. 1의 구조로 설계되었으며, 각 기구부의 적용 소재로 프레임은 'SS400', Link부 ‘Al’, Cover부 'ABS'를 사용하고, Sheet는 SS400과 PU Foam을 적용하여 제작하였다.

이론/모형

만약 방전종지 전압보다낮은 전압까지 방전을 진행하게 되면 리튬이온 배터리의수명을 단축시키게 됨에 따라 리튬이온 배터리의 전압모니터링은 중요한 요소 중 하나이다. 본 연구에서는 리튬이온 배터리의 전압을 전압분배법칙을 사용하여 5V로스케일 하고, 부하효과를 제거하기 위해 Voltage Follower 방식을 사용하였다. Voltage Follower 방식의 출력값을 10Bit ADC(Analog Digital Converter)에 인가하여 스케일 변환을 통해 배터리의 전압값을 모니터링 하였다.
부하전류 측정은 Hall Effect 방식의 전류센서를 사용하여 Right Motor, Left Motor 각각 연결하여 모터별부하전류를 측정하였다. Fig.

성능/효과

1546A로 확인되었다. 단거리 주행시험과 연속주행 시험의 주행시간을 비교했을 때 단거리 주행시험이 2.8%(8분)로 빨리 방전종지 전압에 도달한 것으로 분석되었다. 하지만 모터에 인가된 전류의 차이는 단거리 주행시험이 연속주행 시험보다 약 15.
단거리 주행시험의 방전종지 전압 도달시간은 평균 4시간 33분으로 나타났으며 모터에 인가된 평균 전류는 6.091A로 확인되었다. 연속주행 시험의 방전종지 전압 도달시간은 평균 4시간 41분, 모터에 인가된 평균 전류는 5.
연속주행 시험의 주행시간은 4시간 38분 26초, 4시간 44분 12초, 4시간 41분 55초로 측정되었고, 평균 주행시간은 4시간 41분으로 계산되었다. 두 시험에서의 평균 주행시간을 시간 단위 ‘분’으로 환산하여 비교하였을 때 8분의 시간 차이가 발생하였으며, 백분율 환산 약 2.8% 차이를 보였다. 이는 모터에 인가된 전류값에 의해 차이가 발생한 것으로 분석되며, 전류 값의 편차에 비해 주행시간의 편차가 낮은 이유는 5초 주행 1초 정지를 한 단거리 주행시험에서 정지 시간에 따른 편차감소로 사료된다.
리튬이온 배터리를 적용한 전동휠체어의 좌측모터에 인가 된 전류값의 평균은 단거리 주행시험 5.80A, 연속주행시험 4.98A로 두 시험의 전류차는 0.82A이고 이 값을 백분율 환산하면 약 14.1%의 차이를 보였다. 우측 모터에 인가 된 전류값의 평균은 단거리 주행시험 6.
091A로 확인되었다. 연속주행 시험의 방전종지 전압 도달시간은 평균 4시간 41분, 모터에 인가된 평균 전류는 5.1546A로 확인되었다. 단거리 주행시험과 연속주행 시험의 주행시간을 비교했을 때 단거리 주행시험이 2.
[1, 2]. 우리나라의 고령화 현황과 추세를 살펴보면 인구고령화를 의미하는 15세 이상 인구 중 60세 이상의 비중은 남자 여자 모두 유사한 추세로 2000년 14.4%에서 2018년 24.4%로 18년동안 10%가 증가하였으며, 보건복지부가 발표한 ‘2018년도 등록장애인 현황’에 따르면 65세 이상 노년층 등록장애인 수는 2011년 38.0%, 2014년 41.4%, 2016년 43.4%로 지속해서 증가하고 있어 장애 인구의 고령화가 상당한 수준으로 진행된 것으로 나타났고, 2017년도 12월 기준으로 등록 장애인 수는 약 255만 명 중약 63%인 151만 명이 이동 보조수단의 도움을 받아야하는 이동제약자로 분석되었다. 이동 보조수단으로 휠체어는 교통약자 이동수단의 대명사가 될만큼 그 역사도 길고 폭넓게 활용되고 있어 교통약자들의 이동편의를 증진함은 물론 신체적·정신적인 삶의 질향상에 지대한 영향을 발휘하고 있으며, 식품의약품안전처에서는 의료기기 품목 및 품목별 등급에 관한 규정에의거하여 환자를 이송하는데 사용하는 수동식 (manually-operated) 또는 전동식(electrically-powered) 의자로 구분하고 있다.
1%의 차이를 보였다. 우측 모터에 인가 된 전류값의 평균은 단거리 주행시험 6.37A, 연속 주행시험 5.32A로 두 시험의 전류차는 1.05A이고 이 값을 백분율 환산하면 약 16.4%의 차이를 보였다. 이는 단거리 주행시험이 주행·정지를 반복하면서 높은 기동전류가 지속적으로 누적되어 연속 주행시험보다 높은 전류 값을 보인 것으로 분석된다.
8%(8분)로 빨리 방전종지 전압에 도달한 것으로 분석되었다. 하지만 모터에 인가된 전류의 차이는 단거리 주행시험이 연속주행 시험보다 약 15.4%(0.936A) 높게 분석되었다. 추후 본 연구 내용을 바탕으로 단거리 주행의 시간을 연장하기 위해 순간 방전에 있어 우수한 특성을 보이는 전기이중층 커패시터(Electrochemical Double Layer Capacitor)를 리튬이온 배터리와 결합하여 순간적으로 발생하는 기동전류를 리튬이온 배터리가 아닌 전기 이 중 층 커패시터에서 전력을 공급하는 시스템을 설계하여 단거리 주행을 보완하고자 한다.

후속연구

936A) 높게 분석되었다. 추후 본 연구 내용을 바탕으로 단거리 주행의 시간을 연장하기 위해 순간 방전에 있어 우수한 특성을 보이는 전기이중층 커패시터(Electrochemical Double Layer Capacitor)를 리튬이온 배터리와 결합하여 순간적으로 발생하는 기동전류를 리튬이온 배터리가 아닌 전기 이 중 층 커패시터에서 전력을 공급하는 시스템을 설계하여 단거리 주행을 보완하고자 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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