김영필
(Young-Pil Kim)
1
함헌주
(Hun-Ju Ham)
2
홍성희
(Sung-Hee Hong)
3
고석철
(Seok-Cheol Ko)
†
-
(Ph.D. coursein Dept. of Electrical and Electronic Control Engineering, Kongju National
University)
-
(Auto&robot Inc President)
-
(Ph.D. Course, Dept. of Electrical Engineering, Gangneung-Wonju National University,
Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Electric wheelchair, Battery characteristic, Motor Discharge Current
1. 서 론
최근 저출산 현상과 의료기술의 발전으로 인해 2018년 기준 65세 이상의 고령 인구의 비율은 14%를 넘었으며, 2065년에는 그 비율이 46.1%가
될 것으로 통계청은 전망하고 있다(1). 고령 인구 증가로 인한 선천적 교통약자가 아닌 후천적 교통약자 수가 큰 폭으로 늘어나면서 사회적 교통약자를 위한 이동을 보조 시스템이 다양하게
개발되고 있다(2).
휠체어는 크게 이용자가 스스로 손과 팔의 힘으로 추진하는 수동휠체어와 전기적인 배터리와 모터의 동력으로 추진하는 전동휠체어로 나누어진다. 사용자의
용도, 목적, 장애의 정도에 따라 다양한 형태로 휠체어가 개발되어 활용되고 있다(3). 그 중 전동휠체어의 수요는 점점 늘어나고 있는 실정으로 2005년 통계청 자료 기준 사회적 교통약자의 전동휠체어 소유 비율은 0.9%로 낮았으나
2017년 기준 4.1%로 지속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 최근에는 사회적 교통 약자의 삶의 질 향상 욕구가 증가됨에 따라 실내용 전동휠체어에
대한 개발이 요구되고 있다(4).
전기적인 동력을 사용하는 전동휠체어는 전기적인 동력을 공급하기 위해서 배터리를 사용하게 된다. 전기에너지를 회전운동 에너지로 변환하기 위해서는 모터를
사용해야 한다. 이러한 전동휠체어의 구동 시간은 배터리 성능, 모터 구동 전류에 따라 큰 차이가 나타나게 되고, 사용 횟수에 따라서도 차이가 발생한다.
따라서 배터리의 성능 분석 및 모터 구동 전류 분석은 전동휠체어 개발에 있어 중요한 요소 중 하나이다.
본 논문에서는 실내용 전동휠체어 사용 패턴을 고려하여 모터의 단시간 구동․제동에 따른 배터리 성능 및 모터의 방전용량을 실험하고자 하였다. 모터 연속구동에
따른 배터리 성능 및 모터의 방전용량을 비교 분석하고자 하였다.
2. 전동휠체어 시스템 구성
2.1 모터 특성 및 사양
모터의 방전용량은 기동전류와 구동전류의 합으로 볼 수 있는데 기동전류는 정지상태의 모터 회전축을 회전시키기 위해 전류의 크기를 나타낸다. 구동전류는
기동 된 모터의 회전축을 지속적으로 회전시키기 위해 필요한 전류의 크기를 의미한다. 기동전류의 크기는 구동전류의 크기보다 약 5∼8배 높으며, 모터의
기동순간 짧은 시간동안 발생하게 된다. 본 연구에 적용한 모터는 국내 전동휠체어 제조사인 R사에서 대만의 모터 제조사인 S사에 전동휠체어 전용 모터
개발을 의뢰하여 제작된 400W 24V 직류모터로 무부하 상태에서 분당 185±15회 회전하며, 표 1과 같은 사양을 보이고 있다.
Table 1. Motor specification
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SPECIFICATION
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PERFORMANCE
SPECIFICATION
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TEST CONDITION
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PERFORMANCE
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NO
LOAD
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24V
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4.0A MAX.
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185±15RPM
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LOAD
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24V 1.0KG-M
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14.0A MAX.
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170±12RPM
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BRAKE RELEASE VOLTAGE
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20V DC MAX.
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BRAKE COIL CURRENT
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0.5A MAX.
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NOISE LEVEL
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63dBA max. (50CM DISTANCE)
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OPERATION TEMPERATURE
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-20°C～50°C
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WEIGHT
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6.7KG
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2.2 배터리 특성 및 사양
배터리의 성능은 충전․방전 전류 용량에 따라 차이가 발생하는데, 높은 전류 용량으로 충․방전을 진행할 경우, 배터리의 가용시간은 짧아지게 된다. 낮은
전류 용량으로 충전․방전을 진행할 경우, 배터리의 가용시간은 증가하게 된다. 본 연구에 적용한 배터리는 표 2와 같은 사양을 보이며, 국내 D사의 6-EVF 모델로 12V 50Ah 용량의 밀폐형 납산 (Valve-Regulated Lead-Acid) 배터리
2개를 직렬로 연결하여 24V를 구성하였다. 밀폐형 납산 배터리의 경우 전해질이 겔 형태로 되어있어 기존 납산 배터리와 달리 다양한 방향으로 설치가
가능하다. 전해질 증발 및 유출을 줄이고 충격과 진동에 대한 높은 저항력을 갖도록 제작되어 지속적인 유지보수가 필요하지 않는 장점을 갖고 있어 전동휠체어에
많이 적용되고 있다.
2.3 모터 제어 및 배터리 보호 시스템
과방전으로부터 배터리를 보호하기 위해 18V를 기준으로 방전종지전압을 설정하였다. 배터리 출력 단자에 전압센서를 연결하여 모터 구동에 따른 배터리
상태를 확인하였다. 방전종지전압에 도달 시 릴레이를 활용하여 배터리 전원 공급을 차단하도록 시스템을 구성하였다. 전압센서로부터 수신되는 전압 데이터의
평균값을 계산하여 배터리 방전 개시에 따른 순간적으로 급격하게 낮아지는 전압값에 의해 릴레이가 동작하지 않도록 Smoothing 기법을 적용하였다.
또한 Data Logger를 배터리에 연결하여 배터리의 전압 데이터를 수집하였다.
Table 2. Battery specification
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SPECIFICATION
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Nominal Voltage (V)
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12V
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Open Circuit Voltage (V/Block)
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13.1V - 13.45V
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Charge Voltage
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14.60V - 14.80V
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Maximum Discharge Current (A)
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300A (5s)
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Maximum Charge Current (A)
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5A
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그림 1은 모터를 구동하고, 모터를 제어하기 위한 모터 드라이버 회로이다. Half-Bridge Driver 2개를 적용하여 4개의 N-Channel MOSFET를
제어하도록 설계하여 1개의 모터를 구동하였다. 모터 2개를 구동하기 위해 동일한 회로를 추가로 설계하였다.
Half-Bridge Driver의 출력신호를 제어하기 위해 ATMEGA 2560-16AU Micro Process Unit을 회로에 적용하여 PWM
(Pulse Width Modulation) 신호를 Half-Bridge Driver 제어 신호선에 입력할 수 있도록 설계하였다. 또한 모터 구동에
따른 방전 전류값을 측정하기 위해 별도의 전류센서를 연결하여 방전되는 전류값을 측정하였다.
Fig. 1. Motor driver circuit
3. 전동휠체어 사용 패턴
3.1 Modeling and MPPT Control of PV Array실내 이동 패턴 및 이동 거리
실내 이동 패턴은 침실 1을 기준으로 거실, 침실 2, 침실 3, 화장실, 주방으로의 이동을 패턴으로 선정하였으며, 실내 구조 및 공간배치의 경우
대한주택공사의 84$m^{2}$ 아파트 평면도인 그림 2를 기준으로 선정하였다.
Fig. 2. The floor plan of apartment(84$m^{2}$)
표 3은 침실 1을 기준으로 다른 공간까지 이동 거리를 계산한 것으로 침실 1의 중앙 위치에서부터 다른 장소의 중앙 위치까지를 계산 기준으로 선정하였으며,
다른 공간으로 평균 이동 거리는 1,193cm로 계산되었다.
Table 3. Travel distance relative to bedroom 1
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이동 공간
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거리(cm)
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거실
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886
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침실2
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1,264
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침실3
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1,566
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화장실
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1,298
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주방
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954
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3.2 모터 동작 시간 및 이동 거리
모터 동작 시간에 따른 이동 거리는 분당 185회 회전하는 모터에 10inch 바퀴를 장착하여 이동한 거리를 계산하였다. 분당 185회 회전을 초당
회전수로 계산하면 약 3회전이 된다. 10inch의 바퀴 크기를 cm 단위로 환산시 25.4cm 가 되고, 10inch 바퀴가 1회전 시 이동거리는
원의 둘레와 같으므로 25.4 × 3.14 ≒ 79.7cm가 된다.
따라서 초당 3회전 하는 모터에 10inch 바퀴를 적용하게 되면 초당 약 239cm 이동하게 된다. 만약 모터가 5초 동안 동작하게 되면 이동거리는
약 1,195cm로 실내 이동패턴 적용 평균 이동거리 1,193cm와 유사하였다.
4. 방전 시스템 시험 결과
4.1 연속 방전 시스템
모터 연속 구동에 따른 배터리 연속 방전 실험은 총 3회 진행하였으며, 배터리 방전특성 그래프는 그림 3과 같이 측정되었다. 배터리 전압 데이터 값은 방전 개시를 기준으로 방전종지전압 도달까지 1초 간격으로 저장하였다. 모터 연속 구동의 방전종지전압까지
도달 시간은 각각 9시간 28분, 10시간 03분, 10시간 40분으로 측정되었다. 평균 10시간 03분으로 분석되었으며 배터리 제조사에서 제공하는
배터리 방전특성 곡선과 유사하게 나타나고 있다.
그림 4는 모터 구동전류 그래프를 나타낸다. 전류 데이터 값은 50ms 간격으로 저장하였으며, 기동시점을 기준으로 3,000개의 데이터를 표본으로 선택하였다.
A모터의 기동전류는 44.9A로 측정되었으며, 평균 전류는 3.66923A로 분석되었다. B모터의 기동전류는 52.97A, 평균 전류는 3.627937A로
분석되었다. A모터와 B모터의 기동 전류의 경우 8.07A의 차이를 보였으나 구동전류는 0.041293A로 차이가 미미함을 확인하였다.
Fig. 3. Battery discharge curve according to continuous driving
Fig. 4. Continuous driving motor current
4.2 5초 구동/ 1초 제동 방전 시스템
모터를 5초 구동, 1초 제동 반복 실험은 총 3회 진행하였다. 여기서 5초 구동 1초 제동의 경우 배터리 방전특성 그래프는 그림 5와 같이 측정되었다. 배터리 전압 데이터 값은 방전 개시를 기준으로 방전종지전압 도달까지 1초 간격으로 저장하였다. 모터 5초 구동, 1초 제동 반복의
경우 방전종지전압까지 도달시간은 8시간 02분, 8시간 11분, 8시간 17분으로 측정되었다. 평균 8시간 10분으로 분석되었다. 방전특성 곡선의
경우 방전 개시 순간전압이 급격하게 하강하고, 방전 종료 순간전압이 급격하게 상승하는 배터리의 방전특성에 의해 방전선이 상․하로 진동하면서 하강하는
곡선이 나타난다.
Fig. 5. Battery discharge curve according to 5Second drive, 1Second brake
그림 6은 모터의 전류그래프를 나타낸다. 전류 데이터 값은 50ms 간격으로 저장하였으며, 방전개시를 기준으로 3,000개의 데이터를 표본으로 선택하였다.
모터를 5초 구동, 1초 제동함에 따라 6초를 기준으로 반복적으로 기동전류를 측정하였으며, 제동 시 역전류가 측정되었다. A 모터의 경우 역전류 값을
제외한 평균 방전 전류값은 4.273498A로 분석되었으며, B모터의 경우 역전류 값을 제외한 평균 방전 전류값은 4.283656A로 분석되었다.
A모터와 B모터의 평균 방전 전류값의 차이는 0.010158A로 미미하였다.
Fig. 6. 5Second drive, 1Second brake motor current
4.3 Smoothing 기법
그림 7은 모터 연속 구동에 따른 배터리 방전 실험의 전압센서 측정 데이터 그래프를 나타낸다. 전압 데이터 값은 50ms 간격으로 저장하였다. 10,000개의
데이터를 표본으로 선택하였다. 그림 7(a)는 Original Data, 그림 7(b)는 Smoothing Data, 그림 7(c)는 Original Data와 Smoothing Data를 비교한 그래프를 나타낸다. 그림 7(d)는 그림 7(c)의 배율을 확대하여 나타낸 그래프로 약 7,000번째 표본을 기준으로 Original Data와 Smoothing Data가 유사해짐을 확인할 수
있었다. 10,000개의 표본을 기준으로 Original Data와 Smoothing Data의 평균 오차 값은 0.1099V로 분석되었다. 1,000,000개의
표본을 기준으로 오차 값은 0.0013V로 표본 수가 많아질수록 Original Data와 Smoothing Data 오차 값은 감소하였다.
Fig. 7. Continuous driving battery discharge curve
Fig. 8. 5Second driving, 1Second brake battery discharge surve
그림 8은 모터 5초 구동, 1초 제동에 따른 배터리 방전 실험의 전압센서 측정 데이터 그래프를 나타낸다. 전압 데이터 값은 50ms 간격으로 저장하였으며,
10,000개의 데이터를 표본으로 선택하였다. 그림 8(a)는 Original Data, 그림 8(b)는 Smoothing Data, 그림 9(c)는 Original Data와 Smoothing Data를 비교한 그래프를 나타낸다. 그림 8(d)는 그림 8(c)의 배율을 확대하여 나타낸 그래프로 약 5,000번째 표본을 기준으로 Original Data와 Smoothing Data가 유사해짐을 확인할 수
있었다. 10,000개의 표본을 기준으로 Original Data와 Smoothing Data의 평균 오차값은 0.15365V로 분석되었다. 1,000,000개의
표본을 기준으로 오차값 은 0.00244V로 표본 수가 많아질수록 Original Data와 Smoothing Data 오차값은 감소하였다.
5. 결 론
본 연구는 실내용 전동휠체어의 구동 패턴을 고려하여 5초 구동, 1초 제동 반복 실험을 진행하였으며, 배터리의 방전종지전압에 도달하는 시간을 측정하여
연속구동 조건 시 방전종지전압에 도달하는 시간과 비교 분석하였다. 5초 구동, 1초 제동 반복 실험의 방전종지전압 도달시간은 평균 8시간 10분으로
분석되었다. 연속 구동 실험의 방전종지전압 도달시간은 평균 10시간 03분으로 연속 구동 실험보다 5초 구동, 1초 제동 반복 실험의 방전종지전압
도달시간이 1시간 53분 짧아진 것으로 연속 구동시험 기준 18.73% 짧아졌다. 5초 구동, 1초 제동 반복 실험의 방전종지전압 도달시간이 짧아진
원인은 5초 구동, 1초 제동 반복 실험의 기동전류에 의해 평균 방전 전류값이 연속구동 평균 방전 전류값 보다 약 0.6299935A가 더 높아졌고
연속 구동실험 기준 17.26% 증가했기 때문이다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원이 지원하는 광역협력권산업 육성사업으로 수행된 연구결과임(P0002203).
References
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Wheelchair on Task Performance Efficiency of Elderly, Journal of Rehabilitation Engineering
And Assistive Technology Society of Korea, DOI: http://doi.org/10.21288/resko.2019.13.1.57,
Vol. 13, No. 1, pp. 57-64
Kim J. H., Kim J. B., Hwang S. B., Jang W. H., 2019, The Usability Study on Korea
Express Bus with Wheelchair Access, Journal of The Korea Academia- Industrial cooperation
Society, DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2019.20.7.571, Vol. 20, No. 7, pp. 571-577
Lim G., Kim Y. J., Kim Y. O., Yang S. Y., 2019, A Study on the Wheelchair Storage
System Mounted on the Trunk of the Sedan Passenger Car, Journal of The Korean Society
for Fluid Power and Construction Equipment, DOI: https://doi.org/10.7839/ksfc.2019.16.3.008,
Vol. 16, No. 3, pp. 8-15
Seo J. H., 2016, 3D Depth Camera-based Obstacle Detection in the Active Safety System
of an Electric Wheelchair, Journal of Institute of Control, Robotics and Systems,
DOI: http://doi.org/10.5302/J.ICROS.2016.16.0077, Vol. 22, No. 7, pp. 552-556
Biography
He received his B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Kongju National
University, Cheonan, Korea, in 2014 and 2016, respectively.
And the electricity engineering A.B.D. in 2018, from Kongju National University, Korea.
He received the B.S. degree in Business administration from Korea National Open University,
Korea in 2012, and M.S. degree in Nano Bio from Hoseo University, Korea, in 2016.
He received the B.S. degree in Electronic engineering from Kyungnam University, Korea
in 1995, and M.S. degree in Electric engineering from Hongik University, Korea, in
2016, and the electricity engineering A.B.D. in 2018, from Hongik University, Korea.
He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees from Chonbuk National Univ. Korea in
1996, 2002, and 2005, respectively.
Currently, he is a professor in the Industry-University Cooperation Foundation at
Kongju National Univ. Korea.