KR101125744B1 - 비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차의 집전제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차에서 배터리 충전 상태량(SOC)을 제어 입력으로 급전 전력을 제어하여 시스템의 에너지 효율성과 안전성을 확보할 수 있는 전기자동차의 집전제어 방법에 관한 것으로, 급전 모듈로부터 공급되는 유도자기 에너지를 전기자동차로 집전되면, MCU를 통해 전기자동차의 공급전력에 따른 요구 에너지를 산출하는 단계와, 상기 요구 에너지의 산출 결과, 산출된 요구 에너지가 저전력 이하이면, 전기자동차 내부 배터리의 방전으로 구동모터의 요구 에너지를 공급하고, 상기 집전된 유도자기 에너지 전체를 잉여 에너지로 분류하는 단계와, 상기 요구 에너지의 산출 결과, 산출된 요구 에너지가 고전력 이상이면, 상기 집전된 유도자기 에너지를 모두 구동모터의 요구 에너지로 공급하는 단계와, 상기 요구 에너지의 산출 결과, 산출된 요구 에너지가 저전력 초과, 고전력 미만이면, 상기 집전된 유도자기 에너지 중 일부를 구동모터의 요구 에너지로 공급하고, 상기 구동모터의 요구 에너지로 공급하고 남은 유도자기 에너지는 잉여 에너지로 분류하는 단계와, 상기 분류된 잉여 에너지를 배터리의 충전 상태량(SOC)에 기반하여 충전하는 단계를 포함하는데 있다.

전기자동차, 급전선로, SOC, 전력분배, 배터리

Description

비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차의 집전제어 방법{pick-up control method of electric vehicle with non contact electromagnetic inductive charging}

본 발명은 전기자동차의 집전제어 방법에 관한 것으로, 특히 비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차에서 배터리 충전 상태량(State Of Charge : SOC)을 제어 입력으로 급전 전력을 제어하기 위한 전기자동차의 집전제어 방법에 관한 것이다.

경제 발전에 따라 자동차에 대한 수요가 폭발적인 증가세를 보이고 있다. 이와 같이 자동차 수요가 늘어남에 따라 자동차에서 배출되는 배기가스가 환경오염의 주요 원인이 되고 있다.

따라서 자동차의 배출가스를 줄이기 위한 다양한 연구들이 지속적으로 진행되고 있으며, 업계에서는 배출가스를 줄일 수 있는 자동차의 개발이 진행되고 있다. 이러한 연구들과 개발의 결과로서 배출가스를 발생하지 않는 전기자동차의 상용화가 부분적으로 시도되고 있다.

전기자동차는 전기를 전력공급원으로 하여 운행하는 전기자동차를 의미하며, 전기자동차 자체에 전력공급원으로 충전이 가능한 배터리를 탑재하고, 탑재된 배터리에서 공급되는 전력을 이용하여 운행하는 자동차를 말한다.

이러한 전기자동차의 구성은 크게 일반 자동차와 동일한 구성요소를 갖는 자동차의 기본적인 기능부와 함께, 크게 전기에 의해 구동되어 자동차를 운행시키기 위한 구동모터와, 그 구동모터에 전기를 공급하는 배터리로 구성된다.

그러나 전기자동차에 구성되는 배터리는 충전시간이 오래 걸리며, 또한 한번 충전으로 주행하는 거리가 매우 제한적이다. 따라서 전기자동차는 목적한 이동거리를 확보하기 위해서 자주 충전을 해주어야만 하므로, 전기자동차의 운행에 있어서 이러한 문제점들을 해소하기 위한 충전소의 설치 및 충전시스템은 아주 중요한 기술분야이다.

현재 제시되고 있는 전기자동차의 충전 시스템은 상용 전원에 연결된 전선을 전기자동차에 직접 연결하여 충전하는 플러그 인 충전 방식을 사용하고 있다. 이러한 플러그 인 충전 방식은 충전 방식은 지정된 장소에서만 충전이 가능하고 충전에 소요되는 시간이 길고, 주행 중에는 충전이 불가하다.

또한, 이러한 플러그 인 충전 방식을 이용한 전기자동차의 충전은 1 ~ 8시간 정도 소요되는데, 이와 같은 긴 충전 시간으로 인해 자동차 운행에 제한을 받게 되며, 긴 충전 시간 동안 전기자동차를 외부환경으로부터 안전하게 보호하기 위해 관리되어야 하기 때문에 충전에 따른 많은 제약과 불편함을 가지게 된다.

따라서 전기 자동차의 상용화를 위해서는 이러한 문제점들을 해소할 수 있는 그에 적합한 충전 시스템이 구축되어야 한다. 즉, 충전 시간, 케이블을 이용한 충 전에서의 외부 환경 영향 및 번거로움, 충전 시간 동안의 전기자동차가 점유하는 공간 문제, 충전 효율 등의 문제가 해결되어야 한다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차에서 배터리 충전 상태량(State Of Charge : SOC)을 제어 입력으로 급전 전력을 제어하여 시스템의 에너지 효율성과 안전성을 확보할 수 있는 전기자동차의 집전제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전기자동차에서 배터리 충전 상태량(State Of Charge : SOC)을 정상적인 충/방전 기능을 위한 특정값으로 적절히 유지시켜 배터리의 수명을 증가시키고, 아울러 에너지 효율성을 높일 수 있는 전기자동차의 집전제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기자동차에서 구동모터를 포함하는 전기자동차의 요구파워를 기반으로 급전전력 및 배터리 충전 전력을 적절히 배분하기 위한 전기자동차의 집전제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차의 집전제어 방법의 특징은 (A) 급전 모듈로부터 자기장의 형태로 공급되는 유도자기 에너지가 전기자동차로 집전되면, 상기 전기자동차 내부 의 MCU를 통해 전기자동차의 공급전력에 따른 요구 에너지를 산출하는 단계와, (B) 상기 요구 에너지의 산출 결과, 산출된 요구 에너지가 저전력 이하이면, 전기자동차 내부 배터리의 방전으로 구동모터의 요구 에너지를 공급하고, 상기 집전된 유도자기 에너지 전체를 잉여 에너지로 분류하는 단계와, (C) 상기 요구 에너지의 산출 결과, 산출된 요구 에너지가 고전력 이상이면, 상기 집전된 유도자기 에너지를 모두 구동모터의 요구 에너지로 공급하는 단계와, (D) 상기 요구 에너지의 산출 결과, 산출된 요구 에너지가 저전력 초과, 고전력 미만이면, 상기 집전된 유도자기 에너지 중 일부를 구동모터의 요구 에너지로 공급하고, 상기 구동모터의 요구 에너지로 공급하고 남은 유도자기 에너지는 잉여 에너지로 분류하는 단계와, (E) 상기 분류된 잉여 에너지를 배터리의 충전 상태량(State Of Charge : SOC)에 기반하여 충전하는 단계를 포함하는데 있다.

바람직하게 상기 (E) 단계는 BMS(Battery Management System)를 통해 상기 배터리의 SOC를 체크하는 단계와, 상기 배터리의 SOC 체크 결과, SOC가 하한값보다 작으면 상기 분류된 잉여 에너지를 배터리로 충전시켜 충전량을 점진적으로 증가시키는 단계와, 상기 배터리 SOC 체크 결과, SOC가 상한값보다 크면 상기 분류된 잉여 에너지를 제거하고, 상기 배터리의 충전량을 점진적으로 감소시키는 단계와, 상기 배터리의 SOC 체크 결과, SOC가 하한값과 상한값 사이인 경우상기 배터리의 충전량을 유지하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 하한값은 0.4~0.45이고, 상기 상한값은 0.65~0.7인 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차의 집전제어 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 전기자동차에서 배터리 충전 상태량(State Of Charge : SOC)을 정상적인 충/방전 기능을 위한 특정값으로 적절히 유지시켜 지나치게 과도하게 충전된 경우나 방전된 경우 효과적으로 배터리 충전 상태를 제어할 수 있어, 시스템의 안전성을 확보할 수 있다.

둘째, 구동모터를 포함하는 전기자동차의 요구파워를 기반으로 급전전력 및 배터리 충전 전력을 배분함으로써 에너지 효율성과 전기자동차 성능 및 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차의 집전제어 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차의 집전제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1을 참조하여 설명하면 먼저, 비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차가 운행 중에 급전모듈(급전선로)이 구성되어 있는 급전구간에 진입을 하면, 상기 전기자동차는 급전 선로로부터 내부에 구성된 집전장치 모듈로 유도자기 에너지가 집전되게 된다(S10). 이때, 상기 급전구간으로는 차도에 설치되는 급전선로와 같은 급전모듈에서 자기장의 형태로 공급되는 유도자기 에너지를 전기자동차 내에 구성되어 있는 집전장치 모듈로의 집전이 가능한 구간을 말한다.

한편, 상기 집전장치 모듈에서 집전되는 유도자기 에너지의 효율은 공급 전력량에 따라 달라지는데, 약 60kw 이상의 전력이 집전장치 모듈에 집전될 경우 최대 효율을 가지며, 구동모터 등의 공급 전력에 따른 전력 전달 효율은 정지 상태에서 전력을 공급받는 경우와 주행 중 전력을 공급받는 경우 모두 같은 경향을 보인다. 따라서 본 명세서에서는 차도 전력 공급 한계를 고려하여 최대 효율을 보이는 60kw(이하 ‘고전력’이라 칭함)로 전력을 공급하는 것이 효율적이며, 이를 기준으로 이하 명세서를 작성하도록 한다. 그러나 이는 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술의 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

이처럼, 상기 급전 선로로부터 고전력의 유도자기 에너지가 공급되면, 전기자동차 내부의 MCU는 전기자동차의 공급 전력에 따른 구동모터를 포함하는 전기자 동차 전체(이하 ‘구동모터’로 칭함)의 요구 에너지(P_required)를 산출한다(S20).

상기 요구 에너지의 산출 결과(S20), 산출된 요구 에너지(P_required)가 40kw(이하 ‘저전력’ 이라 칭함) 이하이면, 급전 효율이 낮은 지점으로서 자기유도 에너지를 이용하는 것 보다는 배터리의 방전을 이용하는 것이 전력 손실량을 고려할 때, 고효율의 운행이 이루어진다. 따라서 상기 고효율 운행 전략으로 상기 산출된 요구 에너지(P_required)가 저전력(40kw) 이하이면, 전기자동차 내부에 구성된 배터리의 방전으로 구동모터의 요구 에너지를 공급하고(S40), 집전장치 모듈에서 집전된 유도자기 에너지의 모든 고전력은 잉여 에너지로 분류한다(S80).

또한, 상기 요구 에너지의 산출 결과(S20), 산출된 요구 에너지(P_required)가 고전력(60kw) 이상이면(S50), 상기 집전장치 모듈에서 집전된 유도자기 에너지의 고전력이 60kw이므로 모든 고전력을 구동모터의 요구 에너지로 공급하고, 이후 부족한 에너지는 다시 전기자동차 내부에 구성된 배터리의 방전으로 구동모터의 요구 에너지를 공급하게 된다(S70). 이 경우에는 집전장치 모듈에서 집전된 유도자기 에너지는 잉여 에너지가 없게 된다.

마지막으로, 상기 요구 에너지의 산출 결과(S20), 산출된 요구 에너지(P_required)가 저전력(40kw) 초과, 고전력(60kw) 미만이면, 상기 집전장치 모듈에서 집전된 유도자기 에너지 중 일부를 구동모터의 요구 에너지로 공급하고(S60), 상기 구동모터의 요구 에너지로 공급하고 남은 유도자기 에너지를 잉여 에너지로 분류한 다(S80).

이처럼, 상기 집전장치 모듈에서 집전된 유도자기 에너지 중 분류된 잉여 에너지를 배터리에 충전하게 된다. 이때, 배터리의 잉여 에너지의 충전은 배터리의 충전 상태량(SOC)을 고려하여 이루어져야 한다. 즉, 배터리는 배터리 정상적인 충/방전 기능을 하기 위해 일정한 범위를 가지고 변동되는 충전 상태량(State Of Charge : SOC)을 갖는데, 일반적으로 0.4~0.7 정도의 범위를 갖는 것이 적절하다. 본 명세서에서는 주된 동력원이 차도에서 공급되는 전력이고, 배터리는 보조 동력원으로 비상시 보다 원활한 성능을 낼 수 있도록 상기 변동 범위를 하한값 및 상한값을 0.45 및 0.65로 설정한다.

따라서 상기 분류된 잉여 에너지를 배터리로 충전하기 전에, MCU는 BMS(Battery Management System)를 통해 상기 배터리의 SOC를 체크한다.

상기 배터리의 SOC 체크 결과, SOC가 하한값(0.45)보다 작으면(S90) 현재 배터리는 과도하게 방전된 경우로 오랜 방전이 어려운 상태로서, MCU는 상기 분류된 잉여 에너지를 배터리로 충전시켜 충전량을 점진적으로 증가시킨다(S100).

또한, 상기 배터리의 SOC 체크 결과, SOC가 상한값(0.65)보다 크면(S110) 현재 배터리는 과도하게 충전된 경우로 더 이상의 충전은 어려운 상태로서, MCU는 분류된 잉여 에너지를 제거하고, 상기 배터리의 충전량을 점진적으로 감소시킨다(S120). 아울러, MCU는 구동모터를 통해 인입되는 회생제동 에너지의 충전도 함께 차단하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 상기 배터리의 SOC 체크 결과, SOC가 하한값(0.45)과 상한 값(0.65) 사이인 경우는(S110) 현재 배터리의 충전 상태는 매우 안정적인 것으로서, MCU는 상기 배터리의 충전량을 유지하면서 상기 분류된 잉여 에너지를 배터리로 충전시킨다(S130).

이처럼, 본 발명은 집전장치 모듈에서 집전된 유도자기 에너지 중 구동모터를 구동하는데 사용하기 전에 구동모터의 요구 에너지에 기반하여 상기 유도자기 에너지의 사용 여부를 제어함으로써, 급전 효율에 따른 고효율의 운행 전략을 수행한다. 또한 상기 구동모터를 구동하고 남은 유도자기 에너지의 잉여 에너지는 배터리의 SOC에 따라 배터리의 충전 여부를 제어함으로써, 배터리의 원활한 성능 전략을 수행한다.

이러한 전략으로 본 발명은 전기자동차 시스템의 에너지 효율성 및 안전성을 확보하고 있다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 자기 유도 충전 방식을 갖는 전기자동차의 집전제어 방법을 설명하기 위한 흐름도

Claims (4)

1. (A) 전기자동차가 운행 중에 급전모듈이 구성되어 있는 급전구간에 진입하면, 상기 급전 모듈로부터 자기장의 형태로 공급되는 유도자기 에너지가 전기자동차 내에 구성되어 있는 집전장치 모듈로 집전되면, 상기 전기자동차 내부의 MCU를 통해 전기자동차의 공급전력에 따른 요구 에너지를 산출하는 단계와,

   (B) 상기 요구 에너지의 산출 결과, 산출된 요구 에너지가 저전력 이하이면, 전기자동차 내부 배터리의 방전으로 구동모터의 요구 에너지를 공급하고, 상기 집전된 유도자기 에너지를 모두 잉여 에너지로 분류하는 단계와,

   (C) 상기 요구 에너지의 산출 결과, 산출된 요구 에너지가 고전력 이상이면, 상기 집전된 유도자기 에너지를 모두 구동모터의 요구 에너지로 공급하는 단계와,

   (D) 상기 요구 에너지의 산출 결과, 산출된 요구 에너지가 저전력 초과, 고전력 미만이면, 상기 집전된 유도자기 에너지 중 일부를 구동모터의 요구 에너지로 공급하고, 상기 구동모터의 요구 에너지로 공급하고 남은 유도자기 에너지는 잉여 에너지로 분류하는 단계와,

   (E) 상기 분류된 잉여 에너지를 배터리의 충전 상태량(State Of Charge : SOC)에 기반하여 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 집전제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 저전력은 40kw이고, 상기 고전력은 60kw인 것을 특징으로 하는 전기자 동차의 집전제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 (E) 단계는

   BMS(Battery Management System)를 통해 상기 배터리의 SOC를 체크하는 단계와,

   상기 배터리의 SOC 체크 결과, SOC가 하한값보다 작으면 상기 분류된 잉여 에너지를 배터리로 충전시켜 충전량을 점진적으로 증가시키는 단계와,

   상기 배터리 SOC 체크 결과, SOC가 상한값보다 크면 상기 분류된 잉여 에너지를 제거하고, 상기 배터리의 충전량을 점진적으로 감소시키는 단계와,

   상기 배터리의 SOC 체크 결과, SOC가 하한값과 상한값 사이인 경우상기 배터리의 충전량을 유지하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 집전제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 하한값은 0.4~0.45이고, 상기 상한값은 0.65~0.7인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 집전제어 방법.

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