KR102620458B1 - Battery charging/discharging system to improve flight time of unmanned aerial vehicles - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리의 충전 및 방전 효율을 향상시켜 무인 비행체의 비행시간을 증가하기 위한 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템을 제안한다. 본 발명의 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템은, 무인 비행체용 배터리 셀들을 충전하는 충전장치 및 상기 무인 비행체의 비행시 상기 배터리 셀들로부터 배터리 전원을 방전하는 방전장치를 포함한다. 여기서 충전장치는, 상기 배터리 셀들을 펄스(pulse) 충전방식으로 충전하는 충전부, 상기 배터리 셀의 셀 밸런싱을 패시브 방식으로 수행하는 셀 밸런서를 포함한다. 그리고 방전장치는, 상기 배터리 셀과 병렬 연결되어 듀티(duty) 방식으로 충방전되는 복수 개의 슈퍼 캐패시터, 상기 슈퍼 캐패시터의 전압 밸런싱을 액티브 방식으로 수행하는 전압 밸런서를 포함하여 구성된다. 이와 같은 충전장치 및 방전장치의 충/방전 동작의 개선을 통해 본 발명은 종래와 동일 용량의 배터리로도 무인 비행체의 비행시간을 약 30% 정도 향상시킨다. The present invention proposes a battery charging and discharging system for an unmanned aerial vehicle to increase the flight time of an unmanned aerial vehicle by improving the charging and discharging efficiency of the battery. The battery charging and discharging system for an unmanned flying vehicle of the present invention includes a charging device for charging battery cells for an unmanned flying vehicle and a discharging device for discharging battery power from the battery cells when the unmanned flying vehicle is flying. Here, the charging device includes a charging unit that charges the battery cells using a pulse charging method, and a cell balancer that performs cell balancing of the battery cells in a passive method. The discharge device includes a plurality of super capacitors connected in parallel with the battery cells to charge and discharge in a duty manner, and a voltage balancer that actively balances the voltage of the super capacitors. Through improvements in the charging/discharging operation of the charging device and discharging device, the present invention improves the flight time of the unmanned aircraft by about 30% even with a battery of the same capacity as the conventional one.
Description
본 발명은 무인 비행체용 배터리의 충전 기능 개선 및 한정된 배터리 용량의 효과적인 방전기능을 통해 무인 비행체의 비행시간을 증가할 수 있도록 한 무인 비행체의 비행시간 향상을 위한 배터리 충전 및 방전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a battery charging and discharging system for improving the flight time of an unmanned aircraft by improving the charging function of the battery for an unmanned aircraft and increasing the flight time of the unmanned aircraft through an effective discharge function of limited battery capacity.
본 명세서에서 설명하는 무인 비행체는 배터리의 충전 전원을 이용하여 구동되는 각종 디바이스로서, 예를 들면 무인 항공기(UAV), 무인 멀티콥터, 무인기 등을 말할 수 있으며, 아래에서 설명하게 되는 본 실시 예는 드론(Drone)을 예를 들어 설명한다. 따라서 본 발명의 무인 비행체는 본 실시 예에서 설명하는 드론 만을 의미하지 않고 다양한 타입의 비행체 등에 적용될 수 있음은 당연할 것이다.The unmanned aircraft described in this specification are various devices driven using the charging power of a battery, and may include, for example, an unmanned aerial vehicle (UAV), an unmanned multicopter, and an unmanned aerial vehicle. This embodiment, which will be described below, A drone is used as an example. Therefore, it will be natural that the unmanned flying vehicle of the present invention does not only refer to the drone described in this embodiment but can be applied to various types of flying vehicles.
드론은 비행을 위한 동력으로 엔진 또는 모터 장치를 사용하지만, 제어 및 관리의 여러 가지 이유 등으로 인해 대부분 모터를 동력으로 사용한다. 그리고 모터 구동을 위한 전원으로 리튬 폴리머(lithium polymer )와 같은 고방전/ 고효율 배터리가 사용되고 있다. 이러한 배터리는 둘 이상의 단위 셀(배터리 셀)을 모듈화한 배터리 팩 형태로 사용되며, 고전압을 위해 각각의 배터리 셀들은 직렬 방식으로 연결하여 구성한다. Drones use engines or motor devices as power for flight, but most use motors as power for various reasons such as control and management. And high-discharge/high-efficiency batteries such as lithium polymer are used as a power source for driving motors. These batteries are used in the form of a battery pack in which two or more unit cells (battery cells) are modularized, and each battery cell is connected in series for high voltage.
그러나 드론에 장착되는 배터리의 출력 효율은 아직까지 비행 시간을 충분히 제공하는데 어려움이 있다. 이처럼 비행시간을 충분히 확보하지 못할 경우 드론을 이용한 작업은 마땅히 제한을 받을 수 밖에 없다. 물론 드론의 비행 시간을 증가하기 위하여 용량이 큰 배터리를 장착하는 방안도 있지만, 이 경우 드론의 전체 중량이 증가하기 때문에 장착 가능한 배터리 용량은 한계가 있을 수 밖에 없고, 드론 중량이 증가할 경우 드론 비행을 위해서는 더 많은 에너지가 소모되기 때문에 효율적이지 못하다.However, the output efficiency of the battery installed in the drone is still difficult to provide sufficient flight time. If sufficient flight time is not secured, work using drones will inevitably be restricted. Of course, there is also a way to install a larger capacity battery to increase the flight time of the drone, but in this case, since the overall weight of the drone increases, the battery capacity that can be installed is inevitably limited, and if the drone's weight increases, the drone's flight time will increase. It is not efficient because it consumes more energy.
드론은 작업자가 접근하기 힘들거나 접근할 수 없는 장소 등에 투입되어 일련의 작업을 수행하도록 많이 이용된다. 예를 들면 화력 발전소나 열 병합 발전소 등의 연돌(굴뚝)이나 원자력 발전소 돔 내부의 도장공사 등에 이용될 수 있다. Drones are often used to perform a series of tasks in places that are difficult or inaccessible to workers. For example, it can be used for painting work inside the stack (chimney) of a thermal power plant or cogeneration power plant, or the inside of a nuclear power plant dome.
하지만 앞서 언급한 바와 같이 드론의 비행시간이 짧을 경우, 실제로 작업할 수 있는 시간이 충분하지 못하여 작업 능률은 비효율적이다. 또 이처럼 짧은 비행시간으로 인해 드론의 이착륙이 빈번하게 이루어질 경우, 드론의 추락이나 안전사고의 발생 가능성도 그만큼 커질 수 밖에 없다. However, as mentioned earlier, if the drone's flight time is short, there is not enough time to actually work, and work efficiency is inefficient. Also, if the drone takes off and lands frequently due to such a short flight time, the possibility of a drone crash or safety accident will inevitably increase.
이러한 이유로 드론의 비행시간을 증가하기 위한 요구는 계속되고 있으나, 아직까지 한정된 용량의 배터리 성능을 개선하여 비행시간을 충분히 확보하지는 못하고 있다. For this reason, the demand to increase the flight time of drones continues, but it has not yet been possible to secure sufficient flight time by improving the performance of the limited capacity batteries.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 한정된 배터리 용량만으로도 무인 비행체의 비행시간을 향상시키도록 하는 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a battery charging and discharging system for an unmanned aerial vehicle that improves the flight time of an unmanned aerial vehicle with only a limited battery capacity.
본 발명의 다른 목적은 무인 비행체용 배터리 충전 방식과 배터리의 방전 속도 등의 제반 사항을 고려하여 비행시간을 종래보다 더 오래 확보하기 위한 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a battery charging and discharging system for an unmanned aerial vehicle to secure a longer flight time than before, taking into account various factors such as battery charging method and battery discharge speed for the unmanned aerial vehicle.
본 발명의 또 다른 목적은 배터리의 출력 밀도를 향상시켜 배터리 용량 증가와 같은 동일한 기능을 제공함으로써, 무인 비행체의 비행시간을 향상시키는 배터리 충방전 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a battery charging and discharging system that improves the flight time of an unmanned aerial vehicle by providing the same function as increasing battery capacity by improving the power density of the battery.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 무인 비행체의 비행시간 향상을 위한 배터리 충방전 시스템은, 무인 비행체용 배터리 셀들을 충전하는 충전장치 및 상기 무인 비행체의 비행시 상기 배터리 셀들로부터 배터리 전원을 방전하는 방전장치를 포함하고, 상기 충전장치는, 상기 배터리 셀들을 펄스(pulse) 충전방식으로 충전하는 충전부; 및 상기 배터리 셀의 셀 밸런싱을 제1 방식으로 수행하는 셀 밸런서를 포함하고, 상기 방전장치는, 상기 배터리 셀과 병렬 연결되어 듀티(duty) 방식으로 충방전되는 복수 개의 슈퍼 캐패시터; 및 상기 슈퍼 캐패시터의 전압 밸런싱을 제2 방식으로 수행하는 전압 밸런서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.To achieve this purpose, a battery charging and discharging system for improving the flight time of an unmanned aircraft according to an embodiment of the present invention includes a charging device for charging battery cells for an unmanned aircraft, and a charging device that charges battery cells from the battery cells when the unmanned aircraft flies. It includes a discharge device that discharges battery power, and the charging device includes: a charging unit that charges the battery cells using a pulse charging method; and a cell balancer that performs cell balancing of the battery cells in a first method, wherein the discharge device includes a plurality of super capacitors connected in parallel with the battery cells and charged and discharged in a duty manner; and a voltage balancer that performs voltage balancing of the super capacitor in a second manner.
상기 제1 방식은 패시브(Passive) 방식이고, 상기 제2 방식은 액티브(Active) 방식이다.The first method is a passive method, and the second method is an active method.
상기 충전부는, 배터리 셀의 전체 용량을 기준으로 제1 구간은 일반 충전방식으로 충전하고, 상기 제1 구간의 충전이 완료된 후 제2 구간은 펄스 충전방식으로 충전한다.The charging unit charges the first section using a normal charging method based on the total capacity of the battery cell, and charges the second section using a pulse charging method after the charging of the first section is completed.
상기 제1 구간은 배터리 셀의 전체 용량을 기준으로 80% 용량이고, 상기 제2 구간은 나머지 20% 용량이며, 상기 펄스 충전방식이 완료되면 각 배터리 셀의 전체 용량보다 더 많이 충전된다.The first section is 80% capacity based on the total capacity of the battery cell, and the second section is the remaining 20% capacity. When the pulse charging method is completed, more than the total capacity of each battery cell is charged.
상기 충전장치는, 상기 배터리 셀들의 충전 동작 시, 배터리 셀들의 내부 임피던스(Impedance) 변화를 최소화하는 임피던스 이퀄라이저(Impedance Equalizer)를 더 포함한다.The charging device further includes an impedance equalizer that minimizes changes in internal impedance of the battery cells during a charging operation of the battery cells.
상기 방전장치는, 상기 배터리 셀과 상기 슈퍼 캐패시터들 사이를 연결하는 스위칭 소자; 및 상기 배터리 셀과 병렬 연결되는, 한 쌍의 서지 보호용 캐퍼시터로 이루어진 서지 보호 회로부를 더 포함한다.The discharging device includes a switching element connecting the battery cell and the super capacitor; and a surge protection circuit unit consisting of a pair of surge protection capacitors connected in parallel with the battery cell.
상기 배터리 충방전 시스템은, 상기 무인 비행체에 구비되어 배터리 팩의 잔량 정보를 % 형태로 감지하는 배터리 잔량 감시부와, 상기 배터리 팩의 잔량 정보를 원격으로 전송받아 표시하는 잔량표시장치를 더 포함하고, 상기 배터리 팩의 잔량이 5 ~ 15% 일 때 상기 무인 비행체의 회수 명령이 발생한다.The battery charging and discharging system further includes a battery remaining amount monitor provided in the unmanned air vehicle to detect remaining amount information of the battery pack in the form of %, and a remaining amount display device that remotely receives and displays the remaining amount information of the battery pack, , a recovery command for the unmanned aerial vehicle is issued when the remaining charge of the battery pack is 5 to 15%.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 무인 비행체의 비행시간 향상을 위한 배터리 충전 시스템은, 무인 비행체용 배터리 셀들을 충전하는 충전장치를 포함하며, 상기 충전장치는, 상기 배터리 셀들을 펄스(pulse) 충전방식으로 충전하는 충전부; 및 상기 배터리 셀의 셀 밸런싱을 패시브(Passive) 방식으로 수행하는 셀 밸런서를 포함하여 구성되고, 상기 셀 밸런서는, 상기 배터리 셀들의 개수를 나눠 수행하는 제1 밸런서 및 제2 밸런서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.A battery charging system for improving the flight time of an unmanned aerial vehicle according to another embodiment of the present invention includes a charging device for charging battery cells for an unmanned aerial vehicle, wherein the charging device uses a pulse charging method for the battery cells. A charging part that is charged with; and a cell balancer that performs cell balancing of the battery cells in a passive manner, wherein the cell balancer includes a first balancer and a second balancer that perform cell balancing by dividing the number of battery cells. It is characterized by
상기 충전부는, 배터리 셀의 표시된 규격 또는 정격의 105%까지 충전한다.The charging unit charges up to 105% of the indicated standard or rating of the battery cell.
상기 배터리 셀들의 내부 임피던스(Impedance) 변화를 최소화하는 임피던스 이퀄라이저(Impedance Equalizer)를 더 포함한다.It further includes an impedance equalizer that minimizes changes in the internal impedance of the battery cells.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무인 비행체의 비행시간 향상을 위한 배터리 방전 시스템은, 무인 비행체의 비행 시 배터리 셀들의 전원을 방전하는 방전장치를 포함하며, 상기 방전장치는, 상기 무인 비행체의 비행에 필요한 전원을 공급하기 위한 배터리 셀들; 상기 배터리 셀들과 병렬 연결되는 슈퍼 캐패시터들; 상기 배터리 셀과 상기 슈퍼 캐패시터들 사이를 연결하는 스위칭 소자; 및 상기 배터리 셀 전원 또는 상기 슈퍼 캐패시터 전원을 선택적으로 부하에 공급하도록 상기 스위칭 소자의 온/오프 주기를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.A battery discharge system for improving the flight time of an unmanned aircraft according to another embodiment of the present invention includes a discharge device for discharging the power of battery cells during flight of the unmanned aircraft, wherein the discharge device is configured to discharge power during the flight of the unmanned aircraft. Battery cells to supply the necessary power; Super capacitors connected in parallel with the battery cells; a switching element connecting the battery cell and the super capacitors; and a control unit that controls the on/off cycle of the switching element to selectively supply the battery cell power or the super capacitor power to a load.
상기 슈퍼 캐패시터들의 전압 밸런싱을 액티브(Active) 방식으로 수행하는 전압 밸런서를 포함한다.It includes a voltage balancer that performs voltage balancing of the super capacitors in an active manner.
상기 배터리 셀과 병렬 연결되는, 한 쌍의 서지 보호용 캐퍼시터로 이루어진 서지 보호 회로부를 더 포함한다.It further includes a surge protection circuit consisting of a pair of surge protection capacitors connected in parallel with the battery cell.
이와 같은 본 발명에 따르면, 배터리와 슈퍼 캐패시터를 결합하여 듀티 방전으로 배터리 전원과 슈퍼 캐패시터 전원을 교대로 공급함으로써, 무인 비행체의 비행 시간을 약 15%까지 증가시키는 효과가 있다. 또 슈퍼 캐패시터가 배터리의 부하를 일정 수준 분담하고 있어 효율 증대는 물론, 종래보다 낮은 방전율을 가지는 배터리의 사용이 가능하기 때문에 배터리 무게 및 비용을 줄일 수 있는 효과도 기대할 수 있다. According to the present invention, the flight time of the unmanned aerial vehicle is increased by about 15% by combining a battery and a super capacitor to supply battery power and super capacitor power alternately through duty discharge. In addition, since the super capacitor shares the load of the battery to a certain level, not only does it increase efficiency, but it also allows the use of batteries with a lower discharge rate than before, which can also be expected to reduce battery weight and cost.
본 발명에 따르면, 배터리와 슈퍼 캐패시터의 결합, 그리고 슈퍼 캐패시터의 전압 밸런싱 동작으로 인해 무인 비행체의 비행 시 전류 소모를 일정하게 유지할 수 있기 때문에, 무인 비행체의 회수시점을 늦출 수 있어 비행시간을 더 확보할 수 있는 효과가 있다. 즉 배터리 잔량을 종래 30%에서 10%까지 회수 시점을 늦출 수 있는 것이다.According to the present invention, the current consumption can be kept constant during the flight of the unmanned aircraft due to the combination of the battery and the super capacitor and the voltage balancing operation of the super capacitor, so the recovery time of the unmanned aircraft can be delayed, thereby securing more flight time. There is an effect that can be done. In other words, the recovery time of the remaining battery capacity can be delayed from the conventional 30% to 10%.
본 발명에 따르면, 무인 비행체용 배터리의 충전과 관련하여 배터리를 펄스 방식으로 충전하고 있어 배터리 용량보다 약 5% 정도 더 충전이 가능하고, 또 배터리 충전시 패시브 방식의 셀 밸런싱을 통해 각 배터리 셀들의 셀 밸런스를 수행함으로써 배터리 성능을 향상시키고 있어, 이 역시 무인 비행체의 비행시간을 상대적으로 안정적으로 증가시키는 효과를 기대할 수 있다.According to the present invention, in relation to charging the battery for an unmanned aerial vehicle, the battery is charged using a pulse method, so that it is possible to charge about 5% more than the battery capacity, and when charging the battery, the energy of each battery cell is maintained through passive cell balancing. Battery performance is being improved by performing cell balancing, which can also be expected to have the effect of relatively stably increasing the flight time of the unmanned aerial vehicle.
이처럼 본 발명은 충방전 방법을 통해 배터리의 출력밀도를 개선하고 있어, 충방전 회로의 자체 손실을 고려하더라도 종래보다 무인 비행체의 비행시간이 획기적으로 연장되는 효과가 있다.As such, the present invention improves the power density of the battery through a charging and discharging method, and has the effect of dramatically extending the flight time of the unmanned aerial vehicle compared to before, even taking into account the self-loss of the charging and discharging circuit.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무인 비행체의 비행시간 향상을 위한 배터리 충방전 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 충전장치의 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 방전장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 충방전 시스템의 회로 구성을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 무인 비행체의 비행시간을 증가시키기 위한 충전장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 무인 비행체의 비행시간을 증가시키기 위한 방전장치의 동작을 설명하는 도면이다.Figure 1 is a configuration diagram of a battery charging and discharging system for improving the flight time of an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of the charging device shown in FIG. 1.
FIG. 3 is a configuration diagram of the discharge device shown in FIG. 1.
Figure 4 is a diagram illustrating the circuit configuration of a battery charging and discharging system according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram explaining the operation of a charging device to increase the flight time of an unmanned aircraft according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram explaining the operation of a discharge device to increase the flight time of an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can be modified in various ways and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
공간적으로 상대적인 용어인 아래(below, beneath, lower), 위(above, upper) 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관 관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 아래(below, beneath)로 기술된 소자는 다른 소자의 위(above, upper)에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 아래는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.Spatially relative terms such as below, beneath, lower, above, upper, etc. facilitate the correlation between one element or component and other elements or components as shown in the drawing. It can be used to describe. Spatially relative terms should be understood as terms that include different directions of the element during use or operation in addition to the direction shown in the drawings. For example, when an element shown in a drawing is turned over, an element described as below (below, beneath) another element may be placed above (upper) the other element. Accordingly, the illustrative term below may include both downward and upward directions. Elements can also be oriented in other directions, so spatially relative terms can be interpreted according to orientation.
본 발명에서 사용되는 “부” 또는 “부분” 등의 일부분을 나타내는 표현은 해당 구성요소가 특정 기능을 포함할 수 있는 장치, 특정 기능을 포함할 수 있는 소프트웨어, 또는 특정 기능을 포함할 수 있는 장치 및 소프트웨어의 결합을 나타낼 수 있음을 의미하나, 꼭 표현된 기능에 한정된다고 할 수는 없으며, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As used in the present invention, expressions indicating a part such as “part” or “part” mean that the corresponding component is a device that can include a specific function, software that can include a specific function, or a device that can include a specific function. It means that it can represent a combination of and software, but it cannot be said that it is necessarily limited to the expressed functions. This is only provided to help a more general understanding of the present invention, and is provided to those with ordinary knowledge in the field to which the present invention pertains. Various modifications and variations are possible from this description.
또한, 본 발명에서 사용되는 모든 전기 신호들은 일 예시로서, 본 발명의 회로에 반전기 등을 추가적으로 구비하는 경우 이하 설명될 모든 전기 신호들의 부호가 반대로 바뀔 수 있음을 유의해야 한다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 신호의 방향에 한정되지 않는다.In addition, it should be noted that all electrical signals used in the present invention are examples, and if an inverter or the like is additionally provided in the circuit of the present invention, the signs of all electrical signals to be described below may be reversed. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the direction of the signal.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and the scope of the patent claims described below as well as all things that are equivalent or equivalent to the scope of this patent claim shall fall within the scope of the spirit of the present invention. .
이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the embodiments shown in the drawings.
본 발명에서 설명하는 무인 비행체인 드론은 최소한 수 십 kg 내지 수백 kg 용량을 가진 대용량 드론일 수 있으며, 본 발명은 이러한 대용량 드론에 장착되는 배터리의 충방전 동작을 통해 비행시간의 성능을 대략 30%정도까지 향상시키는 것을 기술적 특징으로 한다.The drone, which is an unmanned aircraft described in the present invention, may be a large-capacity drone with a capacity of at least tens to hundreds of kg, and the present invention reduces the flight time performance by approximately 30% through the charging and discharging operation of the battery mounted on such a large-capacity drone. The technical feature is to improve it to a certain degree.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무인 비행체의 비행시간 향상을 위한 배터리 충방전 시스템(1)의 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템(1)은 드론 본체(10), 방전장치(100), 충전장치(200) 및 배터리 팩(300)을 포함한다.Figure 1 is a configuration diagram of a battery charging and discharging
드론 본체(10)는 배터리 팩(300)의 전원을 이용하여 소정 시간 동안 일련의 작업을 위해 비행하는 장치이며, 충전 장치(200)는 배터리 팩(300)을 충전하기 위한 장치이다. 일반적으로 드론 본체(10)는 배터리 팩(300)을 장착한 상태에서 비행하며, 충전장치(200)는 비행 전후로 배터리 팩(300)을 충전하도록 구성되는 것으로, 드론 본체(10)와 충전장치(200)는 서로 별개의 구성으로 볼 수 있다. 그리고 드론 본체(10)는 비행을 위한 구성들로, 예컨대 모터 및 프로펠러 이외에 드론 비행에 필요한 전원을 공급하는 방전장치(100), 배터리 팩(300)의 배터리 잔량을 감시하는 배터리 잔량 감시부(20), 제어부(30) 등이 포함되어 구성된다.The drone main body 10 is a device that flies for a series of tasks for a predetermined time using the power of the
본 실시 예에서 상기 배터리 팩(300)은 리튬 폴리머 배터리이고, 총 14개의 배터리 셀이 직렬 연결된 구성이다. 물론 배터리 셀의 개수는 이에 한정되는 것은 아니고 배터리 용량에 따라 더 증가하거나 감소할 수 있으며, 드론용 모터의 개수에 따라서도 달라질 수 있을 것이다. In this embodiment, the
본 실시 예에 따르면 드론 본체(10)의 배터리 잔량 감시부(20)와 연동하는 잔량 표시장치(400)를 포함한다. 잔량 표시장치(400)는 드론 조종사가 배터리 잔량을 쉽게 확인할 수 있도록 지상에 설치되며 드론이 비행할 때 드론에 장착된 배터리 팩(300)의 잔량정보를 무선으로 전송받아 표시하는 장치이다. 실시 예에서 표시되는 배터리 팩(300)의 잔량정보는 % 형식으로 표시된다. 이처럼 % 형식으로 배터리 잔량을 표시할 수 있어 드론 조종사는 드론의 회수 시점을 쉽게 판단할 수 있을 것이다.According to this embodiment, it includes a remaining battery level display device 400 that is linked to the remaining battery
본 발명에 따르면 상기한 충전장치(200) 및 방전장치(100)를 통해 실질적으로 드론의 비행시간을 증가시킬 수 있도록 하였으며, 각각의 충전장치(200)와 방전장치(100)의 구성에 대해 살펴본다.According to the present invention, it is possible to substantially increase the flight time of the drone through the above-mentioned
도 2는 도 1에 도시된 충전장치의 구성도이다. 도 2에 도시한 충전장치(200)는, 드론용 배터리 팩(300)의 일부 구성과 접속되어 배터리 팩을 충전할 수 있도록 한 장치로서, 충전 플랫폼, 충전 스테이션 등으로 불려지기도 한다. 이러한 충전장치(200)는 배터리 팩(300)만을 장착하여 충전할 수 있거나, 충전장치에 배터리 팩(300)이 장착된 드론 본체(10)가 결합하여 충전할 수 있는 것과 같이 다양한 구조로 제조된다. FIG. 2 is a configuration diagram of the charging device shown in FIG. 1. The charging
본 실시 예의 충전장치(200)는, 배터리 팩(300)의 배터리 셀들의 용량을 최대한 안정되게 하면서 효율적인 충전이 되도록 다음의 구성들을 포함하여 구성된다. 구체적으로 도 2와 같이 충전장치(200)는 충전부(Charger unit)(210), 임피던스 이퀄라이저(Impedance-Equalizer)(220), 셀 밸런서(Cell-Balancer)(230)를 포함한다.The charging
상기 충전부(210)는 펄스 충전방식으로 배터리 셀들을 충전한다. 상기 펄스 충전방식은 배터리 셀의 충전전압 및 충전전류의 최대치 이상의 전압 및 전류를 펄스 형태로 제공하여 충전 효율 및 충전 시간을 개선하기 위한 방식이다. 따라서 리튬이온 배터리를 충전하는 일반적인 CC-CV 충전 방식과 비교하면 충전시간을 단축할 수 있고 내부 임피던스 변화의 최소화, 그리고 충전 효율을 높일 수 있는 이점이 있다. The charging
본 실시 예에서 펄스 충전방식은, 배터리 셀의 소정 구간에 대해서만 적용된다. 구체적으로 배터리 셀의 제1 구간(예컨대 만충전 기준 80% 정도)은 상기한 CC 충전과 같은 일반 충전방식으로 충전하고, 제2 구간(예컨대 만충전 기준 나머지 20% 정도)은 펄스 충전방식으로 충전한다. 이러한 충전방식에 의해 본 실시 예는 각각의 배터리 셀의 100% 충전용량보다 많은 105%까지 충전할 수 있어(기존보다 5% 정도의 충전 성능 향상이 기대됨), 충전효율의 향상은 물론 충전시간도 단축할 수 있다. In this embodiment, the pulse charging method is applied only to a certain section of the battery cell. Specifically, the first section of the battery cell (e.g., about 80% of a full charge) is charged using a general charging method such as the CC charging described above, and the second section (e.g., the remaining 20% of a full charge) is charged using a pulse charging method. do. By using this charging method, this embodiment can charge up to 105%, which is more than the 100% charging capacity of each battery cell (expected to improve charging performance by about 5% compared to the existing one), improving charging efficiency as well as charging time. It can be shortened.
상기 임피던스 이퀄라이저(220)는 배터리 셀들마다 내부 임피던스의 변화를 최소화하여 언밸런스(unbalance)가 발생하지 않도록 한다. 배터리 셀들의 경우 반복적인 충/방전 사이클 동작으로 인해 배터리 셀들 각각의 내부 임피던스가 상이하게 되는데, 이럴 경우 배터리 셀들의 성능이 저하될 수 있기 때문이다. The
상기 셀 밸런서(230)는 배터리 팩(300)을 구성하는 배터리 셀들의 언밸런스(unbalance)를 방지하여 모든 배터리 셀들을 완충할 수 있도록 하기 위한 것이다. 새로 제조되어 사용시간이 길지 않은 신규 배터리 셀의 경우 각각의 배터리 셀의 상태(SOH)를 봤을 때 셀 각각의 편차가 크지 않으나, 충방전 사이클이 대략 300 사이클(cycle)이 경과하게 되면 배터리 셀마다 편차가 나타난다. 이럴 경우 특정 배터리 셀의 과부하로 인해 해당 배터리 셀이 손상되거나 이로 인해 화재가 발생하는 문제를 초래한다. 따라서 셀 밸런서(230)는 반복적인 충방전 사이클로 인해 배터리 팩(300)이 노후화가 되더라도 각각의 배터리 셀들의 전압 편차가 발생하지 않도록 전압 편차를 일정하게 유지하는 것이라 할 수 있다.The
본 실시 예에서 충전 장치의 셀 밸런서(230)는 패시브(passive) 방식의 셀 밸런싱 방식을 통해 배터리 셀들을 충전하게 된다. 패시브 방식의 셀 밸런싱은 저항을 통해 소모하면서 열이 발생하는 것에 의해 모든 배터리 셀의 전압이 동일해질 때까지 충전량이 더 많은 셀에서 전하를 소모하는 방식이다. 이러한 패시브 방식의 셀 밸런싱을 통해 배터리 셀(14개)을 완충시킬 수 있고, 종래보다 드론의 비행시간을 약 5% 정도 향상시킬 수 있다. In this embodiment, the
여기서 셀 밸런서(230)는, 제1 밸런서(230a) 및 제2 밸런서(230b)로 구성될 수 있다. 제1 밸런서(230a) 및 제2 밸런서(230b)가 14개의 배터리 셀을 각각 7개씩 나눠서 셀 밸런싱을 수행하는 것이다. 총 14개의 배터리 셀을 대상으로 한 번에 셀 밸런싱 작업을 수행할 경우 높아진 전압에 의해 전압 분해능이 떨어지기 때문이다. 여기서 셀 밸런서는 배터리 셀의 개수가 더 많아진다면 적정 전압 분해능을 유지하도록 밸런서의 개수는 달라질 수 있을 것이다. Here, the
이와 같이 본 실시 예의 충전장치(200)에 따르면, 펄스 충전방식의 충전부(210) 및 패시브 방식의 셀 밸런싱 방식의 셀 밸런서(230)의 구성을 통해 배터리 셀을 충전하는 것에 의해, 배터리 셀의 충전 성능을 기존보다 더 증가시킬 수 있다. 그리고 이는 드론의 비행시간을 증가시키는 개선된 효과를 기대할 수 있을 것이다. In this way, according to the
도 3은 도 1에 도시된 방전장치(100)의 구성도이다. 본 실시 예에 따른 방전장치(100)는 앞서 언급한 바와 같이 드론 본체(10)에 구성된다. 그리고 방전 장치(100)를 통해 배터리 셀들의 방전 속도를 효율적으로 제어함으로써, 드론의 비행시간을 연장시키게 된다. FIG. 3 is a configuration diagram of the
상기 방전장치(100)는, 상기 배터리 팩(300)의 출력단에 연결된 서지 보호 회로부(110), 상기 배터리 팩(300)과 병렬 연결된 슈퍼 캐패시터 모듈(120)을 포함하여 구성된다. 본 실시 예에서 상기 슈퍼 캐패시터 모듈(120)은 용량이 큰 복수 개의 슈퍼 캐패시터들이 연결된 구성을 의미하는 것이고, 총 22개가 직렬 연결되는 구성이다. 그러나 슈퍼 캐패시터 모듈(120)을 구성하는 슈퍼 캐패시터의 개수는 이에 한정되지 않는다. 슈퍼 캐패시터의 자체 용량이나 드론용 배터리 전압 등에 따라 직렬 연결되는 개수는 얼마든지 달라질 수 있다. The
또한 방전장치(100)는 배터리 팩(300)과 슈퍼 캐패시터 모듈(120) 사이를 연결하는 스위칭 소자(140)를 포함한다. 스위칭 소자(140)의 온/오프 동작은 상기 제어부(30)에 의해 수행된다. 상기 스위칭 소자(140)는 배터리 팩(300)의 -단자와 슈퍼 캐패시터(120)의 - 단자 사이에 연결되는 것이 바람직하나, 반대로 +단자 사이의 경로에 연결되어도 된다. Additionally, the
본 실시 예에 따르면 드론의 비행시간 연장을 위해 방전장치는 듀티(duty) 방전 방식이 적용된다. 듀티 방전은 배터리 팩(300), 슈퍼 캐패시터 모듈(120), 스위칭 소자(140) 및 제어부(30)의 협력에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로 보면, 제어부(30)는 스위칭 소자(140)를 소정 주기로 온/오프 동작하도록 제어한다. 예를 들면 1초 동안 스위칭 소자(140)를 온 시키고(연결상태), 다음 1초 동안 스위칭 소자(140)를 오프 시킨다(차단상태). According to this embodiment, a duty discharge method is applied to the discharge device to extend the flight time of the drone. Duty discharge may be performed through cooperation between the
드론이 비행하는 동안, 스위칭 소자(140)가 연결된 경우 배터리 팩(300)의 충전 전류는 슈퍼 캐패시터 모듈(120)의 슈퍼 캐패시터들을 충전하면서 부하(모터)에도 공급된다. 이에 모터 구동에 의해 드론은 정상적인 비행이 가능하다. 그리고 스위칭 소자(140)가 차단되면, 슈퍼 캐패시터 모듈(120)의 슈퍼 캐패시터들에 충전된 충전 전원만이 모터로 공급되어 모터를 구동시키게 된다. While the drone is flying, when the switching
이처럼 배터리 팩(300) 및 상기 배터리 팩(300)과 병렬 연결된 슈퍼 캐패시터 모듈(120)를 이용한 듀티 방전으로 모터 구동에 필요한 전원을 안정적으로 공급할 수 있게 된다. 상기 슈퍼 캐패시터들의 구성을 배제한 채 배터리 팩(300)에 의해서만 전원을 공급하는 것과 비교하면 비행시간을 약 15%정도 증가시킬 수 있다. In this way, the power required to drive the motor can be stably supplied through duty discharge using the
한편, 방전장치(100)는 슈퍼 커패시터들의 전압 밸런스를 위한 전압 밸런서(130)를 포함한다. 이때 슈퍼 캐패시터들의 전압 밸런싱 동작은 액티브 방식으로 수행된다. 상기 충전장치(200)의 셀 밸런스 방식과는 차이가 있다. 상기 액티브 방식으로 슈퍼 캐패시터들의 셀 밸런싱을 하는 이유는 슈퍼 캐패시터들의 충전 성능을 조금이라도 더 향상시켜서 드론이 안정되고 더 오랫동안 비행이 가능하도록 하기 위해서이다. 액티브 방식의 밸런싱은, 높은 전압의 셀에서 낮은 전압의 셀로 전하를 전달하는 방식이다. 상기 액티브 방식의 각 슈퍼 캐패시터들의 셀 밸런스를 수행한다.Meanwhile, the
한편, 본 발명에 따르면 상기한 전압 밸런서(130)의 밸런싱 동작에 의해 본 실시 예는 드론의 회수 시점을 배터리 용량의 10% 정도까지 늦추는 것이 가능해진다. Meanwhile, according to the present invention, through the balancing operation of the
즉 기존의 대용량 드론의 회수 시점은 배터리 잔량이 약 30% 정도에서 이루어졌다. 기존의 드론 운전은 드론이 비행하는 도중 바람 세기 등의 외부 환경에 의해 구동중인 모터는 평상시보다 더 많은 전류를 필요로 하는 경우가 있고 이때 배터리 전압의 전압 강하가 발생하였다. 이처럼 전압이 급격하게 강하될 경우 비행중인 드론이 추락할 수 있는 문제가 있었고, 따라서 드론이 안전하게 착륙될 수 있도록 가급적 배터리 용량이 30% 정도 남았을 때를 회수 시점을 정했던 것이다. In other words, the recovery point for existing large-capacity drones was done when the remaining battery capacity was about 30%. In conventional drone operation, the running motor may require more current than usual due to external environments such as wind strength while the drone is flying, and at this time, a voltage drop in the battery voltage occurs. There was a problem that the drone in flight could crash if the voltage suddenly dropped like this, so the recovery time was set when the battery capacity remained at about 30% as much as possible so that the drone could land safely.
기존에 드론의 회수시점을 이처럼 정하는 것은 결국 전류 소모가 일정하지 못했기 때문이다. 이러한 이유로 인하여 기존에는 배터리 성능을 충분히 활용할 수 없어, 배터리 잔량이 30% 정도 남았을 때 드론을 회수하였기 때문에 드론의 비행시간이 배터리 용량 대비 짧을 수 밖에 없었다.Previously, the reason the drone's recovery point was determined this way was because the current consumption was not constant. For this reason, the battery performance could not be fully utilized in the past, and the drone was recovered when the remaining battery capacity was about 30%, so the flight time of the drone was inevitably short compared to the battery capacity.
이에 대해 본 발명은 셀 밸런싱된 슈퍼 캐패시터 모듈(120)이 급속하게 소모되는 전압을 대신 처리할 수 있다. 즉 배터리 팩(300)의 부하를 슈퍼 캐패시터 모듈(120)이 어느 정도 처리하고 있다. 그래서 전류 소모가 일정하게 이루어지고, 결국 기존에 전압이 급격하게 떨어져서 드론이 추락하는 문제를 원천적으로 방지할 수 있게 되었다. In response to this, in the present invention, the cell-balanced
그리고 이와 같이 전류 소모가 일정하기 때문에, 드론의 회수시점을 확인하기 위한 방법으로 종래와 같이 배터리 전압을 표시하지 않고 배터리 용량을 %로 표시할 수 있다. 그리고 배터리 용량은 약 10% 정도 남았을 때를 드론 회수 시점으로 할 수 있기 때문에, 그만큼 드론의 비행시간을 연장할 수 있게 되었다. 배터리 용량은 배터리 잔량 감시부(20)가 잔량 표시장치(400)로 전송하고, 잔량 표시장치(400)가 이를 표시함으로써, 드론 조종사가 쉽게 확인할 수 있다.And because the current consumption is constant, the battery capacity can be displayed as a % rather than the battery voltage as in the past as a way to check the time of recovery of the drone. And because the drone can be recovered when about 10% of the battery capacity remains, the flight time of the drone can be extended that much. The battery capacity monitor 20 transmits the remaining battery capacity to the remaining capacity display device 400, and the remaining capacity display device 400 displays it, so that the drone pilot can easily check it.
또한 방전장치(100)는 부스터부(150)를 포함한다. 부스터부(150)는 모터 구동을 위해 정해진 전압(예컨대 48v)을 공급하는 역할이다. Additionally, the
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 충방전 시스템의 회로 구성을 예시한 도면이다. Figure 4 is a diagram illustrating the circuit configuration of a battery charging and discharging system according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 도면을 기준으로 좌측에는 충전장치(200)가 구비되고, 우측에는 방전장치(100)가 배치된다. 중앙의 배터리 팩(300)은 충전시에는 충전장치(200)와 결합하고 드론의 비행시에는 방전장치(100)와 전기적으로 결합한다.Referring to FIG. 4, a
충전장치(200)를 보면, 왼쪽에서부터 펄스 충전방식의 충전부(210), 배터리 셀의 내부 임피던스를 최소화하는 임피던스 이퀄라이저(220), 패시브(passive) 방식으로 배터리 셀들을 충전하는 셀 밸런서(230)가 위치한다. 셀 밸런서(230)는 각각 7개의 배터리 셀을 대상으로 셀 밸런싱을 수행할 수 있도록 제1 밸런서(230a) 및 제2 밸런서(230b)로 구분된다.Looking at the
이러한 구성을 가지는 충전장치(200)는, 충전기의 용량을 최대한 안정적으로 유지하면서 배터리 셀의 충전 성능을 향상시키게 된다. 일련의 실험을 통한 결과를 보면, 펄스 충전에 의해 배터리 셀 용량보다 더 충전할 수 있어 비행시간이 5% 정도 연장되고, 패시브 방식의 셀 밸런싱 동작에 의해서도 비행시간이 5% 정도 연장됨을 알 수 있었다. 여기서 실험은 동일한 배터리 셀을 대상으로 일반 충전방식(예컨대, CC-CV 충전방식)으로 충전한 경우와 비교하였다. The charging
한편 방전장치(100)를 보면, 배터리 팩(300)과 병렬로 서지 보호 회로부(110)가 연결되어, 모터에서 발생한 역기전력을 방지한다. 서지 보호 회로부는(110), 한 쌍의 서지 보호용 캐패시터로 구성된다.Meanwhile, looking at the
그리고 방전장치(100)에는 배터리 팩(300)과 병렬로 연결되어 슈퍼 캐패시터들의 전압 밸런싱을 액티브 방식으로 수행하는 전압 밸런서(130), 배터리 셀과 듀티 방전에 의해 선택적으로 모터로 전원을 공급하도록 슈퍼 캐패시터들이 연결된 슈퍼 캐패시터 모듈(120), 모터로 일정한 구동전압을 공급하는 부스터부(150)가 순서대로 연결되어 있다. In addition, the
이러한 구성을 가지는 방전장치(100)는, 배터리 팩(300)과 슈퍼 캐패시터(120)를 이용한 듀티 방전에 의해 비행시간을 최대 15% 정도까지 연장시킬 수 있었고, 드론의 회수 시점을 배터리 셀 용량이 10% 지점에서 회수하도록 함으로써 이 역시 비행시간을 연장시킬 수 있게 되었다.The
위에서 설명한 바와 같이 본 발명의 충전장치 및 방전장치가 포함된 충방전 시스템은 드론의 비행시간을 연장할 수 있도록 하는 것이며, 다음의 도 5 및 도 6과 같이 전체적으로 정리할 수 있을 것이다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 무인 비행체의 비행시간을 증가시키기 위한 충전장치의 동작을 설명하는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 무인 비행체의 비행시간을 증가시키기 위한 방전장치의 동작을 설명하는 도면이다.As described above, the charging and discharging system including the charging and discharging device of the present invention is designed to extend the flight time of the drone, and can be summarized as a whole as shown in Figures 5 and 6 below. Figure 5 is a diagram illustrating the operation of a charging device for increasing the flight time of an unmanned aircraft according to an embodiment of the present invention, and Figure 6 is a discharging device for increasing the flight time of an unmanned aircraft according to an embodiment of the present invention. This is a diagram explaining the operation of .
도 5에 도시한 바와 같이 본 발명에 따르면 배터리 셀들을 충전하는 경우, 배터리 셀을 대상으로 펄스 충전방식, 배터리 셀들의 내부 임피던스 변화의 최소화, 패시브 방식의 셀 밸런싱을 통해 배터리 셀의 충전 성능을 개선하였다. As shown in FIG. 5, according to the present invention, when charging battery cells, the charging performance of the battery cells is improved through a pulse charging method for the battery cells, minimizing changes in the internal impedance of the battery cells, and passive cell balancing. did.
그리고 도 6에 도시한 바와 같이 본 발명에 따르면 드론 비행에 따라 배터리 셀의 전원을 사용하는 경우, 배터리 셀과 슈퍼 캐패시터를 이용한 듀티 방전, 액티브 방식으로 슈퍼 캐패시터의 전압 밸런싱을 수행하여 배터리 셀의 방전속도를 개선하였다.As shown in Figure 6, according to the present invention, when the power of the battery cell is used according to the drone flight, duty discharge using the battery cell and the super capacitor is performed, and voltage balancing of the super capacitor is performed in an active manner to discharge the battery cell. Speed has been improved.
이처럼 본원발명은 충방전 시스템의 성능 개선을 통해 드론의 비행시간을 종래보다 대략 30% 이상 연장시킬 수 있게 되었다. 예를 들어 14개 배터리 셀을 가지는 배터리 팩을 사용할 경우 현재 대용량 드론의 비행시간이 약 20분 정도라고 봤을 때, 6분 정도 더 비행할 수 있는 효과를 제공할 수 있다. 따라서 드론의 작업시간을 연장할 수 있음은 물론 이착륙 횟수를 더 최소화할 수 있어 잦은 이착륙으로 인한 전원 소모 및 드론이 파손되는 등의 문제를 방지할 수 있다.In this way, the present invention makes it possible to extend the flight time of the drone by approximately 30% or more than before by improving the performance of the charging and discharging system. For example, using a battery pack with 14 battery cells can provide an additional flight time of about 6 minutes, considering that the current flight time of large-capacity drones is about 20 minutes. Therefore, not only can the drone's working time be extended, but the number of takeoffs and landings can be further minimized, preventing problems such as power consumption and drone damage due to frequent takeoffs and landings.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, the present invention is described with reference to the illustrated embodiments, but these are merely illustrative examples, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various modifications without departing from the gist and scope of the present invention. It will be apparent that variations, modifications, and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached claims.
1: 본 발명의 충방전 시스템
10: 드론 본체
20: 배터리 잔량 감시부
30: 제어부
100: 방전 장치
110: 서지 보호 회로부
120: 슈퍼 캐패시터
130: 전압 밸런서
140: 스위칭 소자
150: 부스터부
200: 충전 장치
210: 충전부
220: 임피던스 이퀄라이저
230: 셀 밸런서
300: 배터리 팩
400: 잔량 표시 장치1: Charging/discharging system of the present invention
10: Drone body
20: Battery level monitoring unit
30: control unit
100: Discharge device
110: surge protection circuit part
120: super capacitor
130: voltage balancer
140: switching element
150: Booster unit
200: Charging device
210: Charging unit
220: Impedance equalizer
230: Cell balancer
300: Battery pack
400: Remaining amount display device
Claims (13)
상기 충전장치는,
상기 배터리 셀들을 펄스(pulse) 충전방식으로 충전하는 충전부; 및
상기 배터리 셀의 셀 밸런싱을 제1 방식으로 수행하는 셀 밸런서를 포함하고,
상기 충전부는,
배터리 셀의 전체 용량을 기준으로 제1 구간은 일반 충전방식으로 충전하고, 상기 제1 구간의 충전이 완료된 후 제2 구간은 펄스 충전방식으로 순서대로 충전하여, 상기 펄스 충전방식이 완료되면 각 배터리 셀의 전체 용량보다 더 많이 충전되게 하며,
상기 방전장치는,
상기 배터리 셀과 병렬 연결되어 듀티(duty) 방식으로 충방전되는 복수 개의 슈퍼 캐패시터;
상기 배터리 셀과 상기 슈퍼 캐패시터들 사이를 연결하는 스위칭 소자; 및
상기 슈퍼 캐패시터의 전압 밸런싱을 제2 방식으로 수행하는 전압 밸런서를 포함하며,
상기 스위칭 소자가 턴-온 되면 배터리 팩의 충전 전류가 슈퍼 캐패시터들을 충전하면서 부하에 공급되고, 상기 스위칭 소자가 턴-오프 되면 상기 슈퍼 캐패시터에 충전된 충전 전원만이 부하로 공급되는 것을 특징으로 하는, 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템.It includes a charging device for charging battery cells for an unmanned aircraft and a discharge device for discharging battery power from the battery cells during flight of the unmanned aircraft,
The charging device is,
A charging unit that charges the battery cells using a pulse charging method; and
Comprising a cell balancer that performs cell balancing of the battery cells in a first method,
The charging part,
Based on the total capacity of the battery cell, the first section is charged using the general charging method, and after the charging of the first section is completed, the second section is sequentially charged using the pulse charging method. When the pulse charging method is completed, each battery Charges more than the total capacity of the cell,
The discharge device is,
A plurality of super capacitors connected in parallel with the battery cells and charged and discharged in a duty manner;
a switching element connecting the battery cell and the super capacitors; and
It includes a voltage balancer that performs voltage balancing of the super capacitor in a second manner,
When the switching element is turned on, the charging current of the battery pack is supplied to the load while charging the super capacitors, and when the switching element is turned off, only the charging power charged in the super capacitor is supplied to the load. , Battery charging and discharging system for unmanned aerial vehicles.
상기 제1 방식은 패시브(Passive) 방식이고,
상기 제2 방식은 액티브(Active) 방식인, 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템.According to claim 1,
The first method is a passive method,
The second method is an active method, a battery charging and discharging system for an unmanned aircraft.
상기 제1 구간은 배터리 셀의 전체 용량을 기준으로 80% 용량이고, 상기 제2 구간은 나머지 20% 용량인, 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템.According to claim 1,
The first section has 80% capacity based on the total capacity of the battery cell, and the second section has the remaining 20% capacity.
상기 충전장치는,
상기 배터리 셀들의 충전 동작 시, 배터리 셀들의 내부 임피던스(Impedance) 변화를 최소화하는 임피던스 이퀄라이저(Impedance Equalizer)를 더 포함하는, 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템.According to claim 1,
The charging device is,
A battery charging and discharging system for an unmanned aerial vehicle, further comprising an impedance equalizer that minimizes changes in internal impedance of the battery cells during a charging operation of the battery cells.
상기 방전장치는,
상기 배터리 셀과 병렬 연결되는, 한 쌍의 서지 보호용 캐퍼시터로 이루어진 서지 보호 회로부를 더 포함하는, 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템.According to claim 1,
The discharge device is,
A battery charging and discharging system for an unmanned aerial vehicle, further comprising a surge protection circuit unit consisting of a pair of surge protection capacitors connected in parallel with the battery cell.
상기 무인 비행체에 구비되어 배터리 팩의 잔량 정보를 % 형태로 감지하는 배터리 잔량 감시부; 및
상기 배터리 팩의 잔량 정보를 원격으로 전송받아 표시하는 잔량표시장치를 더 포함하고,
상기 배터리 팩의 잔량이 5 ~ 15% 일 때 상기 무인 비행체의 회수 명령이 발생하는, 무인 비행체의 배터리 충방전 시스템.According to claim 1,
A battery remaining amount monitoring unit provided in the unmanned air vehicle to detect remaining amount information of the battery pack in % form; and
It further includes a remaining power display device that remotely receives and displays remaining power information of the battery pack,
A battery charging and discharging system for an unmanned aerial vehicle, in which a command to retrieve the unmanned aerial vehicle is issued when the remaining charge of the battery pack is 5 to 15%.
상기 충전장치는,
상기 배터리 셀의 전체 용량을 기준으로 제1 구간은 일반 충전방식으로 충전하고, 상기 제1 구간의 일반 충전방식이 완료된 후 제2 구간은 펄스(pulse) 충전방식으로 순서대로 충전하여, 상기 일반 충전방식과 상기 펄스 충전방식이 완료되면 각 배터리 셀의 전체 용량보다 더 많이 충전되게 하는 충전부; 및
상기 배터리 셀의 셀 밸런싱을 패시브(Passive) 방식으로 수행하는 셀 밸런서를 포함하여 구성되고,
상기 셀 밸런서는, 상기 배터리 셀들의 개수를 나눠 수행하는 제1 밸런서 및 제2 밸런서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 무인 비행체의 배터리 충전장치.It is a charging device that charges battery cells for unmanned aerial vehicles,
The charging device is,
Based on the total capacity of the battery cell, the first section is charged using the general charging method, and after the general charging method of the first section is completed, the second section is sequentially charged using the pulse charging method, and the general charging method is performed. a charging unit that charges more than the total capacity of each battery cell when the pulse charging method is completed; and
It is configured to include a cell balancer that performs cell balancing of the battery cells in a passive manner,
The cell balancer is a battery charging device for an unmanned aerial vehicle, characterized in that it includes a first balancer and a second balancer that divides the number of battery cells.
상기 충전부는,
배터리 셀의 표시된 규격 또는 정격의 105%까지 충전하는, 무인 비행체의 배터리 충전장치.According to claim 8,
The charging part,
A battery charging device for an unmanned aerial vehicle that charges the battery cell to 105% of the indicated standard or rating.
상기 배터리 셀들의 내부 임피던스(Impedance) 변화를 최소화하는 임피던스 이퀄라이저(Impedance Equalizer)를 더 포함하는, 무인 비행체의 배터리 충전장치.According to claim 8,
A battery charging device for an unmanned aerial vehicle, further comprising an impedance equalizer that minimizes changes in internal impedance of the battery cells.
상기 방전장치는,
상기 무인 비행체의 비행에 필요한 전원을 공급하기 위한 배터리 셀들;
상기 배터리 셀들과 병렬 연결되는 슈퍼 캐패시터들;
상기 배터리 셀들과 상기 슈퍼 캐패시터들 사이를 연결하는 스위칭 소자; 및
상기 배터리 셀들의 전원 또는 상기 슈퍼 캐패시터들의 전원을 선택적으로 부하에 공급하도록 상기 스위칭 소자의 온/오프 주기를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되고,
상기 제어부는 상기 스위칭 소자가 턴-온 되면 배터리 팩의 충전 전류가 슈퍼 캐패시터들을 충전하면서 부하에 공급하고, 상기 스위칭 소자가 턴-오프 되면 상기 슈퍼 캐패시터에 충전된 충전 전원만을 부하로 공급하는 것을 특징으로 하는, 무인 비행체의 배터리 방전장치.It is a discharge device that discharges the power of battery cells during the flight of an unmanned aircraft.
The discharge device is,
Battery cells for supplying power necessary for flight of the unmanned aerial vehicle;
Super capacitors connected in parallel with the battery cells;
a switching element connecting the battery cells and the super capacitors; and
It is configured to include a control unit that controls the on/off cycle of the switching element to selectively supply power of the battery cells or power of the super capacitors to the load,
When the switching element is turned on, the control unit supplies the charging current of the battery pack to the load while charging the super capacitors, and when the switching element is turned off, it supplies only the charging power charged in the super capacitor to the load. A battery discharge device for an unmanned aerial vehicle.
상기 슈퍼 캐패시터들의 전압 밸런싱을 액티브(Active) 방식으로 수행하는 전압 밸런서를 포함하는, 무인 비행체의 배터리 방전장치.According to claim 11,
A battery discharge device for an unmanned aerial vehicle, including a voltage balancer that performs voltage balancing of the super capacitors in an active manner.
상기 배터리 셀과 병렬 연결되는, 한 쌍의 서지 보호용 캐퍼시터로 이루어진 서지 보호 회로부를 더 포함하는, 무인 비행체의 배터리 방전장치.According to claim 11,
A battery discharge device for an unmanned aerial vehicle, further comprising a surge protection circuit unit consisting of a pair of surge protection capacitors connected in parallel with the battery cell.
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