KR101475061B1 - 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법 - Google Patents

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한국항공대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 다수의 전기버스의 원활한 운행을 위하여 배터리 교환 스테이션에서 배터리의 충전, 교환, 대기 등에 따른 배터리의 최적 운영방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법에서는 전기버스 및 배터리에 대한 입력변수를 설정하고, 그 입력변수를 고려하여 전기버스에 탑재되어 운행중인 배터리의 개수, 충전기에 연결되어 충전중인 배터리의 개수, 충전이 완료된 후 전기버스에 장착되기 전에 대기중인 여유 배터리의 개수, 전기버스에서의 배터리 교환을 위해 교환기에 장착되어 있는 배터리의 개수를 구하고, 이러한 개수들의 합으로 통해 배터리 교환 스테이션에서 원활한 배터리의 운영을 위해 필요한 배터리의 총 개수를 구하도록 한다. 뿐만 아니라, 충전기의 총 개수, 교환기의 총 개수도 구하도록 한다.

Description

배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법{BATTERY MANAGEMENT METHOD IN BATTERY EXCHANGE STATION}
본 발명은 배터리 교환 스테이션에서의 전기버스 배터리 운영방법에 관한 것으로서, 특히 다수의 전기버스의 원활한 운행을 위하여 배터리 교환 스테이션에서 배터리의 충전, 교환, 대기 등에 따른 배터리의 최적 운영방법에 관한 것이다.
전기버스는 전기에너지를 동력원으로 운행되는 버스로서, 이러한 전기버스는 화석연료를 사용하는 기존의 버스와 비교할 때 유해가스의 배출이 없는 친환경적인 특성을 가지고 있어 그 연구개발 및 상용화가 점차 가속화되는 추세이다.
예컨대, 서울시는 2010년에 세계 최초로 전기버스를 개통하여 운행한 이후에 2014년까지 전기버스를 더 확충하여 운행할 예정에 있다.
현재 운행중인 전기버스는 한번 충전 후 주행 가능 거리가 길지 않아 장거리를 주행하기 위해서는 운행도중에 배터리에 전기에너지를 공급하는 충전스테이션의 경유가 불가피하다. 그러나, 현재 기술로는 전기버스 배터리 충전에 약 30분 가량이 소요되어 승객에게 불편을 초래하게 되므로 충전스테이션을 경유하지 않도록 노선이 짧게 운행되거나, 평지만 포함하는 노선만으로 운행되고 있는 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 출원인은 배터리를 장시간 충전하는 것이 아니라 배터리 교환 스테이션에서 사전에 완충된 배터리를 방전된 배터리와 교환하는 교환식 충전 시스템이 제안한 바 있다. 이러한 종래의 기술에서는 배터리 교환 스테이션에서 복수의 배터리를 충전하고 완충된 배터리는 대기시켰다가 전기버스가 들어오면 그 전기버스에서의 방전된 배터리를 완충된 배터리로 교환하도록 한다. 이때, 전기버스의 원활한 운행을 위해서는 배터리 교환 스테이션을 이용하는 전기버스에 따라 적절한 수의 배터리가 이미 완충되어 있어야 한다.
이에, 본 출원인은 현재 출원 계속 중인 특허출원 제2012-0003577호에서 전기버스 정류장에 필요한 배터리 교환 스테이션의 최적 위치 및 수요를 산정하는 방법을 제시한 바 있다. 이는 전기버스의 정류장에서 승객을 태우기 위해 잠깐 정차하는 중에 배터리를 신속하게 교체하는 정류장 배터리 교환 스테이션에서의 위치와 수요를 산정하는 것이다.
이를 바탕으로 최근 해당 기술분야에서는 전기버스가 출발하고 도착하는 차고지의 배터리 교환 스테이션에서 전기버스의 원활한 운행을 위해 필요한 배터리의 최적 운영방법에 대한 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 요구에 부응하여 배터리 교환 스테이션에서 전기버스 배터리를 최적으로 운영할 수 있도록 하는 방법을 제안함으로써 복수의 전기버스가 효율적이고 안정적인 운행을 도모할 수 있도록 하는 배터리 교환 스테이션에서의 전기버스 배터리의 운영방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적에 따른 본 발명의 실시 예에 따르면,
배터리 교환 스테이션에서 전기버스에 대한 배터리의 운영방법에 있어서, 상기 전기버스 및 배터리에 대한 기설정된 다수의 입력변수를 입력하는 제1단계; 상기 다수의 입력변수를 이용하여 운행중인 전기버스 및 상기 배터리 교환 스테이션을 출발하는 전기버스에 탑재된 출발 배터리 수(n1)를 구하는 제2단계; 상기 출발 배터리 수(n1) 및 상기 배터리 교환 스테이션에 도착한 전기버스에서의 도착 배터리 수(n7)를 이용하여 운행중 배터리 수(n3)를 구하는 제3단계; 상기 운행중 배터리 수(n3)와 충전기에서 충전이 완료된 충전 완료 배터리 수(n9)를 이용하여 충전중 배터리 수(n8)를 구하는 제4단계; 상기 충전 완료 배터리 수(n9)와 상기 출발 배터리 수(n1)를 이용하여 상기 전기버스에 장착하기 전에 대기하는 여유 배터리 수(n12)를 구하는 제5단계; 및 상기 운행중 배터리 수(n3), 충전중 배터리 수(n8), 여유 배터리 수(n12) 및 기설정된 정류장 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 수(n13)를 합산하여 총 배터리수(N1)를 구하는 제6단계를 포함하는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법을 제공한다.
본 발명에서, 상기 제4단계 이후에, 상기 구해진 충전중 배터리 수(n8)로부터 필요 충전기수(N2)를 계산하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에서, 상기 제6단계 이후에, 상기 배터리 교환 스테이션에서 상기 배터리 교환을 위해 필요한 교환기의 총 개수(N3)를 계산하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에서, 상기 교환기의 총 개수(N3)는 '(상기 도착 배터리 수(n7)의 최대값×2)/상기 전기버스의 평균 배차간격'으로 계산된다.
본 발명에서, 상기 제3단계에서, 상기 운행중 배터리 수(n3)는 이전시점에 운행중인 전기버스에 장착된 배터리 수에서 상기 출발 배터리 수(n1)를 더하고, 상기 배터리 교환 스테이션에 도착한 전기버스에서의 도착 배터리 수(n7)를 감산하여 계산된다.
본 발명에서, 상기 제4단계에서, 상기 충전중 배터리 수(n8)는 이전시점에 충전기에 충전중인 배터리 수에서 상기 도착 배터리 수(n7)를 더하고 상기 충전 완료 배터리 수(n9)를 감산하여 계산된다.
본 발명에서, 상기 제5단계에서, 상기 여유 배터리 수(n12)는 이전시점의 여유 배터리 수에서 상기 충전 완료 배터리 수(n9)를 더하고 상기 출발 배터리 수(n1)를 감산하여 계산된다.
본 발명에서, 상기 입력변수는 상기 전기버스의 첫차시간, 막차시간, 운행거리, 운행시간, 운행횟수, 배차간격, 배터리당 운행가능거리, 배터리의 충전시간을 포함한다.
본 발명에서, 상기 입력변수는 상기 전기버스의 노선별로 구분하고 하루 동안의 값으로 설정된다.
본 발명에서, 상기 제6단계 이후에, 상기 운행횟수, 운행거리 및 배터리당 운행가능거리를 이용하여 상기 배터리의 교환횟수를 구하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 의하면 배터리 교환 스테이션에서 전기버스의 운행에 맞게 최적으로 배터리를 운영하기 때문에 전기버스의 원활한 운행이 가능하다.
또한, 본 발명에 의하면 전기버스의 원활한 운행에 맞게 배터리의 개수와 충전기의 개수를 구비하여 배터리 교환 스테이션을 운영하므로 불필요한 장비의 구입 및 운영에 따른 시간 및 비용의 낭비를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 운영 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션의 구성블럭도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영을 위한 분석모델의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영을 위한 분석모델에서의 분석프로세스 모형 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법을 보인 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영에 따른 배터리 수의 변화를 보인 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 전기자동차 배터리용 커넥터의 구동장치 및 구동방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 운영 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 운영 시스템(100)은 배터리 교환 스테이션(110), 관리서버(120) 및 데이터베이스(130)를 포함한다.
배터리 교환 스테이션(110)에서는 방전 배터리를 완충 배터리로 교환하는 곳으로서, 도면에서와 같이 방전 배터리(11a)가 장착된 전기버스(10a)가 들어오면 완충 배터리(11b)로 교환하고 배터리 교환이 완료되면 완충 배터리(11b)를 장착한 전기버스(10b)가 배터리 교환 스테이션(110)을 빠져나가게 된다. 이러한 배터리 교환 스테이션(110)에서는 배터리의 원활한 교환을 위하여 다수의 방전 배터리, 완충 배터리, 충전중인 배터리, 대기중인 배터리 등을 보유하고 있으며, 후술하는 관리서버(120)의 제어신호에 따라 배터리의 충전, 교환, 대기 등의 과정이 이루어진다.
여기서, 본 발명에 따른 배터리 교환 스테이션(110)은 바람직하게는 차고지에 설치된 배터리 교환 스테이션을 대상으로 한다. 배터리 교환 스테이션은 전기버스가 출입, 정비, 대기하는 차고지에 설치된 차고지 배터리 교환 스테이션과 승객을 태우기 위한 도로 상의 정류장에 설치된 정류장 배터리 교환 스테이션로 구분될 수 있다. 차고지 배터리 교환 스테이션은 각 차고지마다 설치되는 시설로 규모가 크고 다수의 배터리 교환기를 장착할 수 있다. 정류장 배터리 교환 스테이션는 차고지에서 출발한 버스가 다시 차고지로 돌아올 때까지 배터리 용량이 충분하지 않을 경우 긴급으로 교환하는 시설로서 기설정된 일정 개수의 배터리가 존재한다. 이에, 본 발명은 차고지 배터리 교환 시스템에서의 배터리 운영방법을 설명한다.
관리서버(120)는 배터리 교환 스테이션(110)에서의 배터리 관리에 대한 전반적인 동작을 제어한다. 특히 배터리 교환 스테이션(110)에서의 배터리 충전, 교환, 대기 등에 따른 일련의 과정들을 제어한다.
데이터베이스(130)는 관리서버(120)에서의 배터리 관리에 따른 각종 정보 및 데이터를 저장한다. 뿐만 아니라, 데이터베이스(130)에는 배터리의 충전, 대기, 교환 등의 과정을 원활하게 진행하기 위해 전기버스(10) 및 배터리에 관련된 각종 변수들이 저장된다. 이러한 변수로는 예컨대 첫차시간, 막차시간, 운행횟수, 운행시간, 노선별 거리, 피크시 배차시간, 배터리수, 배터리 충전시간, 완충 배터리수, 방전 배터리수, 대기중인 배터리수, 충전시간 등을 포함한다.
한편, 관리서버(120)는 데이터베이스(130)에 저장된 상기 각종 변수를 이용하여 배터리 교환 스테이션(110)에서의 배터리 운영을 진행한다. 이러한 배터리 운영에는 전기버스(10)의 개수 및 운행에 필요한 총 배터리의 개수, 완충배터리의 개수, 대기중인 배터리의 개수 등을 연산하여 전기버스(10)가 운행하는데 지장이 없도록 배터리를 전반적으로 관리하는 것을 포함한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션의 구성블럭도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 교환 스테이션(110)은 배터리 충전부(111), 배터리 교환부(112), 방전배터리 보관부(113), 완충배터리 보관부(114), 여유배터리 보관부(115) 및 제어부(116)를 포함한다. 물론, 본 발명의 배터리 교환 스테이션(110)에는 상기한 구성요소들 외에도 각종 전자장치, 통신장치, 디스플레이장치 등을 포함할 수 있으나 본 발명에서는 설명을 생략한다.
배터리 충전부(111)는 방전배터리를 충전한다. 배터리 충전부(111)는 다수의 충전기(미도시)를 포함하며 서로 독립적으로 배터리를 충전할 수 있도록 한다. 충전이 완료된 배터리는 완충 배터리로서 완충배터리 보관부(114)에 보관된다.
배터리 교환부(112)는 전기버스(10)의 배터리 장착홈에서 방전배터리(11a)를 들어내고 완충배터리 보관부(114)에서 가져온 완충배터리(11b)로 교환한다. 이러한 배터리 교환부(112)는 다수의 교환기(미도시)를 포함하며 서로 독립적으로 배터리를 교환할 수 있도록 한다. 배터리 교환부(112)는 그 외에도 방전배터리를 전기버스(10)로부터 집어올리거나 완충배터리를 전기버스(10)에 장착하기 위한 설비, 방전배터리 및 완충배터리를 이동시키기 위한 설비 등 배터리의 원활한 교환작업을 위한 다양한 설비들이 구현되어 있다. 방전배터리를 방전배터리 보관부(113)로 이동된다.
방전배터리 보관부(113)는 방전배터리를 보관한다. 배터리 교환부(112)가 배터리의 충전을 위하여 전기버스(10)로부터 방전배터리를 가져와서 방전배터리 보관부(113)에 보관하도록 한다. 이는 전기버스(10)가 운행을 마치고 배터리 교환 스테이션(110)에 들어오면 자동 또는 수동으로 배터리 교환이 이루어지는데 방전배터리는 다음 충전을 위하여 방전배터리 보관부(113)에 임시 보관하는 것이다.
완충배터리 보관부(114)는 충전이 완료된 배터리를 보관한다. 완충배터리는 전기버스(10)에 장착하기 위해 대기하는 것으로서, 완충배터리 보관부(114)에서 일정시간 동안 대기하였다가 전기버스(10)가 들어오면 순차적으로 전기버스(10)의 배터리 장착홈에 장착된다.
여유배터리 보관부(115)는 배터리의 충전, 방전, 대기, 교환 등의 과정과는 별로도 일정한 개수만큼 여유배터리를 확보하기 위한 것으로서 일정한 개수만큼 여유배터리 보관부(115)에 여유배터리를 보관한다. 이러한 여유배터리는 바람직하게는 완충배터리이다. 이는 배터리를 운영함에 있어서 배터리의 고장 등으로 인해 배터리 충전, 교환에 문제가 발생할 것을 대비하는 것이다.
제어부(116)는 상기한 배터리 충전부(111), 배터리 교환부(112), 방전배터리 보관부(113), 완충배터리 보관부(114) 및 여유배터리 보관부(115)의 동작을 제어하여 각각의 과정이 원활하게 진행되도록 한다. 뿐만 아니라 제어부(116)는 상위의 관리서버(120)와 통신을 수행하면서 배터리 교환 스테이션(110)에서의 배터리 운영이 원활하게 진행되도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영을 위한 분석모델의 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서는 배터리 교환 스테이션(110)에서의 배터리 운영을 위한 분석모델(30)을 구축한다. 이러한 분석모델(30)에서는 다수의 전기버스 및 배터리에 대한 다양한 변수를 입력받아 모델링을 수행함으로써 전기버스의 원활한 운행을 위해 배터리 교환 스테이션(110)에서 필요한 각종 장치들의 개수를 출력값으로 한다. 본 실시 예에서 분석모델(30)의 입력값으로 설정하는 변수는 전기버스의 첫차시간, 막차시간, 운행거리, 운행시간, 운행횟수, 피크시 배차시간, 충전시 운행가능거리, 충전시간 등을 포함한다. 이러한 변수는 노선별로 구분되며 하루 단위로 설정된다. 또한, 본 실시 예에서 분석모델(30)의 출력값은 배터리 교환 스테이션(110)에서 필요한 총 배터리수(N1), 총 충전기수(N2), 총 교환기수(N3) 등을 포함한다. 이들 변수에 대한 상세 내용은 하기 표 1과 같다.
변수 상세 내용
첫차시간 하루 중 첫 버스가 출발하는 시간
막차시간 하루 중 마지막 버스가 출발하는 시간
운행거리 하나의 노선에서 시점과 종점 간 운행거리
운행시간 시점에서 종점 간 버스의 운행시 걸리는 시간
운행횟수 하루 중 해당 노선에서의 버스 운행 횟수
배차간격 버스 배차간격
배터리당 운행가능거리 1회 충전시 배터리 1개로 버스가 운행할 수 있는 거리
충전시간 배터리의 1회 충전시간
여기서, 배차간격은 피크 시간대와 논(non) 피크 시간대에 따라 변경될 수 있다. 이는 실질적으로 전기버스의 운행시 배차간격을 피크 시간대와 논 피크 시간대에 따라 달리하게 되는데, 이를 반영하기 위해 피크 시간대와 논 피크 시간대에 따라 배차시간을 변경함이 바람직하다. 본 실시 예에서는 이러한 시간대의 일례는 하기 표 2와 같다
구분 시간
오전 논 피크 첫차시간 ~420분 (7시)
오전 피크 420분 ~ 540분 (7~9시)
중간 논 피크 540분 ~ 1080분 (9~18시)
오후 피크 1080분 ~ 1200분 (18~20시)
오후 논 피크 1200분 ~ 막차시간 (20~막차시간)
상기의 피크 시간대는 일 예시로서 변경이 가능하다.
본 발명에서는 이러한 출력값, 즉 총 배터리수(N1), 총 충전기수(N2), 총 교환기수(N3)를 이용하여 배터리를 운영하도록 한다. 구체적으로 설명하면 배터리 교환 스테이션(110)을 최적으로 운용하기 위해서는 해당 배터리 교환 스테이션(110)에서 필요한 총 배터리수(N1)를 구해야 하고, 이러한 배터리의 원활한 순환이 이루어질 수 있도록 필요한 총 충전기수(N2)를 구해야 한다. 또한, 배터리의 교환을 위해서는 총 교환기수(N3)도 역시 구해야 한다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 출력값을 보다 효율적으로 구할 수 있는 방법을 제시하는 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영을 위한 분석모델에서의 분석프로세스 모형 예시도이다.
도 4를 참조하면, 상기한 바와 같이 본 실시 예에서는 차고지 배터리 교환 스테이션(110)에서의 전기버스(10)의 첫차시간(a), 막차시간(b), 배차시간(c), 운행횟수(d)를 고려하여 차고지 배터리 교환 스테이션(110)에서 출발하는 출발 버스 수(n0)를 결정한다. 이러한 출발 버스 수(n0)와 전기버스(10)에 장착된 배터리 수(n2)로부터 전기버스(10)에 장착되어 출발하는 출발 배터리 수(n1)를 구하고, 출발 배터리 수(n1)로부터 전기버스(10)에 탑재되어 운행중인 배터리 수(n3)를 구한다. 이는 현시점(t)에서의 운행중인 배터리 수로서 이전 시점(t-1)에서의 운행중인 배터리 수에서 현시점(t)에서의 출발 배터리 수(n1)를 더한 후 현재 시점(t)에서의 도착 배터리 수(n7)를 차감한 결과로 구할 수 있다. 이는 현시점에서 전기버스(10)에 탑재되어 운행중인 배터리는 기존에 운행중인 배터리에서 전기버스(10)에 새로이 장착되어 출발하는 출발 배터리와 전기버스(10)가 도착하여 전기버스(10)로부터 분리되는 도착 배터리로부터 구할 수 있기 때문이다. 또한, 상기와 같은 운행중인 배터리 수(n3)로부터 전기버스(10)에 대한 하루 동안의 최대 운행 배터리 수(n4)와 최소 운행 배터리 수(n5)를 구한다.
또한, 출발 버스 수(n0)과 운행시간(e)으로 배터리 교환 스테이션(110)에 도착한 도착 버스 수(n6)를 구하고, 이는 곧 도착 배터리 수(n7)가 된다. 도착 배터리는 충전기로 이동되어 충전이 이루어지도록 한다. 도착 배터리 수(n7)와 충전 완료 배터리 수(n9)를 이용하여 충전중 배터리 수(n8)를 구한다. 즉, 현시점(t)에서의 충전중 배터리 수(n8)는 이전 시점(t-1)에서의 충전중 배터리 수에서 현시점(t)에서의 도착 배터리 수(n7)를 더한 후 현시점(t)에서의 충전 완료 배터리 수(n9)를 차감한 결과로 구할 수 있다. 이는 충전기에서의 배터리 충전은 도착 배터리가 충전기로 이동되어 충전이 진행되고 충전이 완료된 배터리는 충전기에서 분리되어 다른 곳으로 이동되기 때문이다. 이때, 충전중 배터리 수(n8)로부터 배터리 교환 스테이션(110)에 필요한 총 충전기수(N2)를 설정한다. 즉, 이는 배터리 교환 스테이션(110)에서 충전할 수 있는 배터리의 총 개수가 충전기의 총 개수에 대응하므로 이를 이용하여 총 충전기수(N2)를 설정하는 것이다. 이는 곧 충전에 필요한 필요 충전기수에 해당하며 최대 충전기수이기도 하다. 경우에 따라서는 충전중 배터리 수(n8)로부터 충전시간을 고려하면 최소 충전기 수(n10)도 구할 수 있다.
충전 완료 배터리 수(n9)는 충전된 배터리 수(n11)로부터 구해진다. 이때, 충전된 배터리 수(n11)는 전기버스(10)에 장착된 배터리 수(n2), 배터리 교환 스테이션(110)에 도착한 도착 배터리 수(n7) 및 충전시간(f)로부터 구해진다. 즉, 이전까지의 충전된 배터리 수에서 장착된 배터리 수(n2)를 감하고 도착 배터리 수(n7)를 추가하면서 충전시간(f)이 경과한 후 충전된 배터리 수(n11)를 구할 수 있다. 충전 완료 배터리 수(n9)는 전기버스(10)에 교환 장착될 배터리로서 대기상태로 놓이게 된다. 이는 여유 배터리 수(n12)가 되는 것이다.
이후에, 이러한 여유 배터리 수(n12)는 충전 완료 배터리 수(n9)와 출발 배터리 수(n1)를 이용하여 구한다. 즉, 현재 시점(t)에서의 여유 배터리 수(n12)는 이전 시점(t-1)에서의 여유 배터리 수에서 충전 완료 배터리 수(n9)를 더한 후 출발 배터리 수(n1)를 차감한 결과로 구할 수 있다. 이는 기존에 장착을 대기하는 여유 배터리 수에 충전이 완료되어 이동되어 온 충전 완료 배터리 수(n9)가 더해지고 대기하고 있다가 전기버스(10)가 출발할 때 그 전기버스(10)에 장착되어 출발 배터리 수(n1)를 뺀 값으로 설정될 수 있기 때문이다.
이로써, 현재 시점(t)에서 전기버스(10)에 장착되어 운행중인 배터리 수(n3)와, 충전기에 결합되어 충전중 배터리 수(n8)와, 전기버스(10)에 장착하기 위해 대기중인 여유 배터리 수(n12)와, 그리고 기결정된 정류장 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 수(n13)를 모두 합쳐서 총 배터리수(N1)를 설정할 수 있다. 이때, 상기한 정류장 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 수(n13)는 하나의 노선 상에 존재하는 정류장 배터리 교환 스테이션에 존재하는 모든 배터리의 개수를 의미한다. 노선이 결정되면 정류장 배터리 교환 스테이션과 그의 배터리 수(n13)는 이미 결정되어 있으므로 상수로 취급된다. 물론, 노선 상에 정류장 배터리 교환 스테이션이 없다면 해당 배터리 수(n13)는 0(zero)가 되는 것이다.
한편, 총 교환기수(N3)는 차고지 배터리 교환 스테이션(110)에서 배터리를 교환하기 위해 필요한 장치의 총 개수를 의미한다. 즉, 교환기는 전기버스(10)가 차고지 배터리 교환 스테이션(110)에 도착하면 도착 배터리를 교환하는 장치이다. 이때, 배터리 교환은 배차간격당 이루어져야 하므로, 본 실시 예에서 배터리 교환을 위한 총 교환기수(N3)는 '(최대 도착 배터리 수 × 2)/평균 배차간격'으로 구할 수 있다.
또한, 배터리 교환횟수(n15)는 운행횟수(d), 운행거리(g) 및 배터리당 운행가능거리(h)를 고려하여 구하게 된다. 운행횟수(d)가 많을수록, 운행거리(g)가 많을수록, 배터리당 운행가능거리(h)가 짧을수록 배터리 교환횟수(n15)는 증가한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법을 보인 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법은 먼저 전기버스 및 배터리에 대하여 기설정된 다수의 입력변수를 입력한다(S101). 본 실시 예에서 이러한 입력변수로는 전기버스의 첫차시간, 막차시간, 운행거리, 운행시간, 운행횟수, 배차간격, 배터리당 운행가능거리, 배터리의 충전시간 등이다. 여기서 이러한 입력변수는 전기버스의 노선별로 구분하고 하루 동안의 값으로 설정함이 바람직하다. 또한, 이들 입력변수는 차고지 배터리 교환 스테이션(110) 및 노선, 전기버스의 개수, 배터리의 특성, 피크시간대, 논피크시간대 등에 따라 변경이 가능하다.
이후에, 상기한 입력변수 중 첫차시간, 막차시간, 배차간격, 운행횟수 정보를 이용하여 출발 버스 수(n0)를 구하고(S103), 이로부터 출발 배터리 수(n1)를 구한다(S105). 이때, 출발 배터리 수(n1)는 기존에 운행중인 전기버스에 이미 장착된 배터리 수(n2)와 출발 버스 수(n0)를 합산하여 구한다.
이어, 배터리 교환 스테이션(110)로부터 출발한 전기버스(10)의 출발 배터리 수(n1)와 배터리 교환 스테이션(110)에 도착한 전기버스(10)에서 분리한 도착 배터리 수(n7)를 이용하여 현시점(t)에서 운행중인 배터리 수(n3)를 구한다(S107). 이러한 운행중인 배터리 수(n3)는 현시점(t)에서 운행중인 전기버스(10)에 장착되어 함께 운행되고 있는 배터리 수를 의미하는 것으로서, 이전시점(t-1)에 운행중인 전기버스(10)에 장착된 배터리 수에서 상기한 출발 배터리 수(n1)를 더하고, 도착 배터리 수(n7)를 감산하여 계산된다.
계속해서, 상기 도착 배터리 수(n7)와 충전기에서 충전이 완료된 충전 완료 배터리 수(n9)를 이용하여 현시점(t)에서의 충전중 배터리 수(n8)를 구한다(S109). 이러한 충전중 배터리 수(n8)는 현시점(t)에서 충전기에 충전중인 배터리 수를 의미하는 것으로서, 이전시점(t-1)에 충전기에 충전중인 배터리 수에서 상기 도착 배터리 수(n7)를 더하고, 충전 완료 배터리 수(n9)를 감산하여 계산한다.
이러한 충전중 배터리 수(n8)로부터 충전을 위해 필요한 총 충전기수(N2)를 구한다(S111). 총 충전기수(N2)는 배터리 교환 스테이션(110)에서 원활한 배터리의 운영을 위해 필요한 충전기의 최대 개수로서, 현시점(t)에서 충전기 필요한 배터리를 충분히 충전하기 위해 필요한 충전기의 총 개수를 의미한다.
이어, 상기 충전 완료 배터리 수(n9)와 출발 배터리 수(n1)를 이용하여 현시점(t)에서의 여유 배터리 수(n12)를 구한다(S113). 이러한 여유 배터리 수(n12)는 현시점(t)에서 충전이 완료되어 전기버스(10)에 장착되기 위해 대기중인 배터리 수를 의미하는 것으로서, 이전시점(t-1)에 대기중인 여유 배터리 수에서 상기 충전 완료 배터리 수(n9)를 더하고, 전기버스(10)에 장착되는 출발 배터리 수(n1)를 감산하여 계산한다.
또한, 정류장 배터리 교환 스테이션의 배터리 수(n13)를 구한다(S115). 이는 정류장 배터리 교환 스테이션에 존재하는 모든 배터리의 개수를 의미한다. 이러한 정류장 배터리 교환 스테이션에 존재하는 배터리 수(n13)는 이미 결정되어 있다. 예컨대, 한 노선에서 2개의 정류장 배터리 교환 스테이션이 존재하고 각 스테이션에 5개의 배터리가 존재한다면 총 배터리 수(n13)는 10개(=2×5)가 되는 것이다.
이어, 상기와 같이 구해진 운행중 배터리 수(n3), 충전중 배터리 수(n8), 여유 배터리 수(n12) 및 기설정된 정류장 배터리 교환 스테이션의 배터리 수(n13)를 이용하여 배터리 교환 스테이션에서 배터리 운용을 위해 필요한 총 배터리 수(N1)를 구한다(S117).
상기와 같은 과정에서 알 수 있듯이, 본 발명에서는 전기버스 및 배터리에 대한 각종 입력변수를 이용하여 배터리 교환 스테이션(110)에서 배터리의 운영을 효율적으로 할 수 있는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 운영방법에서는 전기버스의 운행에 따른 특성과 배터리의 충전, 교환, 대기 등에 따른 특성을 고려하여 배터리 교환 스테이션(110)에서 필요한 배터리의 총 개수(N1), 충전기의 총 개수(N2), 배터리 교환기의 총 개수(N3)를 구하도록 한다. 이와 같이 구해진 총 개수(N1,N2,N3)의 해당 장치들을 활용함으로써 다수의 전기버스에 대한 다수의 배터리를 충전, 교환, 대기하면서 효율적으로 운영할 수 있게 된다.
더 나아가, 본 발명에서는 이러한 배터리 운영방법을 다수의 배터리 교환 스테이션(110)별로 확대하여 적용할 수도 있고, 전기버스의 다양한 노선에도 적용할 수도 있다. 또한, 피크 시간대와 논 피크 시간대에 대하여 배차간격과 운행횟수 등을 변경함으로써 그에 따른 배터리 수를 구할 수도 있다. 예컨대, 피크시 운행횟수, 논 피크시 운행횟수, 피크시 배차간격, 논 피크시 배차간격을 적절히 변경 및 설정하여 배터리 운영에 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기한 입력변수를 고정하는 것이 아니라 상황에 따라 변경함으로써 실시간으로 그 변경된 값을 적용하여 배터리 운영방법을 활용할 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영에 따른 배터리 수의 변화를 보인 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 교환 스테이션(110)에서의 배터리 운영에 따른 하루 동안의 배터리 수를 살펴보면, (a)그래프의 경우 240분(04시) 경과시부터 540분(09시)까지 운행중인 배터리 수(n3)가 증가함을 알 수 있다. 이는 오전 피크 시간대로서 전기버스가 운행을 시작함으로써 순차적으로 계속 출발하게 되고 운행횟수도 증가하고 배차간격도 짧아짐으로써 발생하는 현상이다. 이후에 720분(12시)까지는 일정 레벨까지 감소하였다가 퇴근시간이 되는 오후 피크 시간대에는 다시 운행중인 배터리 수(n3)가 증가하게 된다.
(b)그래프의 경우 첫차가 운행을 시작하는 시점으로부터 약간의 시간간격을 두고 배터리 교환 스테이션(110)으로 들어오는 시점부터 충전중 배터리 수(n8)가 증가하기 시작한다. 이는 전기버스가 운행을 마치고 들어올 때 배터리는 방전되어 있으므로 그 배터리는 충전을 위해 충전기에 연결되며, 계속해서 전기버스가 들어오면서 충전중 배터리 수(n8)는 증가하게 되는 것이다. 따라서, (a)그래프와 비교할 때 약간의 시간간격을 두고 증감이 유사하게 나타난다.
(c)그래프는 여유 배터리 수(n12)에 대한 그래프로서, 전기버스가 운행하기 전인 240분(04시)에 여유 배터리 수가 가장 많고, 이후에 오전 피크 시간대에 배터리가 전기버스에 장착되고 전기버스가 계속 출발하게 되어 운행중인 배터리 수가 증가하게 되고 이에 따라 여유 배터리 수는 계속 감소하게 된다. 이는 운행중인 배터리 수(n3)가 최고점인 시간에 대응하여 여유 배터리 수(n12)가 최저점이 된다.
도 6에서와 같이 배터리 운영에 따라 운행중인 배터리 수(n3)와, 충전중 배터리 수(n8) 및 여유 배터리 수(n12)는 서로 밀접한 관계를 보이며, 본 발명에서는 이들 세 값을 이용함으로써 총 필요 배터리 수를 구할 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10,10a,10b : 전기버스 11,11a,11b : 배터리
100 : 배터리 운영 시스템 110 : 배터리 교환 스테이션
111 : 배터리 충전부 112 : 배터리 교환부
113 : 방전배터리 보관부 114 : 완충배터리 보관부
115 : 여유배터리 보관부 116 : 제어부
120 : 관리서버 130 : 데이터베이스

Claims (10)

  1. 배터리 교환 스테이션에서 전기버스에 대한 배터리의 운영방법에 있어서,
    상기 전기버스 및 배터리에 대한 기설정된 다수의 입력변수를 입력하는 제1단계;
    상기 다수의 입력변수를 이용하여 운행중인 전기버스 및 상기 배터리 교환 스테이션을 출발하는 전기버스에 탑재된 출발 배터리 수(n1)를 구하는 제2단계;
    상기 출발 배터리 수(n1) 및 상기 배터리 교환 스테이션에 도착한 전기버스에서의 도착 배터리 수(n7)를 이용하여 운행중 배터리 수(n3)를 구하는 제3단계;
    상기 운행중 배터리 수(n3)와 충전기에서 충전이 완료된 충전 완료 배터리 수(n9)를 이용하여 충전중 배터리 수(n8)를 구하는 제4단계;
    상기 충전 완료 배터리 수(n9)와 상기 출발 배터리 수(n1)를 이용하여 상기 전기버스에 장착하기 전에 대기하는 여유 배터리 수(n12)를 구하는 제5단계; 및
    상기 운행중 배터리 수(n3), 충전중 배터리 수(n8), 여유 배터리 수(n12) 및 기설정된 정류장 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 수(n13)를 합산하여 총 배터리수(N1)를 구하는 제6단계; 를 포함하는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제4단계 이후에,
    상기 구해진 충전중 배터리 수(n8)로부터 상기 배터리 교환 스테이션에 필요한 총 충전기수(N2)를 계산하는 단계를 더 포함하는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제6단계 이후에,
    상기 배터리 교환 스테이션에서 상기 배터리의 교환을 위해 필요한 총 교환기의 개수(N3)를 계산하는 단계를 더 포함하는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 교환기의 총 개수(N3)는 '(상기 도착 배터리 수(n7)의 최대값×2)/상기 전기버스의 평균 배차간격'으로 계산되는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제3단계에서,
    상기 운행중 배터리 수(n3)는 이전시점에 운행중인 전기버스에 장착된 배터리 수에서 상기 출발 배터리 수(n1)를 더하고, 상기 배터리 교환 스테이션에 도착한 전기버스에서의 도착 배터리 수(n7)를 감산하여 계산되는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제4단계에서,
    상기 충전중 배터리 수(n8)는 이전시점에 충전기에 충전중인 배터리 수에서 상기 도착 배터리 수(n7)를 더하고 상기 충전 완료 배터리 수(n9)를 감산하여 계산되는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제5단계에서,
    상기 여유 배터리 수(n12)는 이전시점의 여유 배터리 수에서 상기 충전 완료 배터리 수(n9)를 더하고 상기 출발 배터리 수(n1)를 감산하여 계산되는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력변수는 상기 전기버스의 첫차시간, 막차시간, 운행거리, 운행시간, 운행횟수, 배차간격, 배터리당 운행가능거리, 배터리의 충전시간을 포함하는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 입력변수는 상기 전기버스의 노선별로 구분하고 하루 동안의 값으로 설정되는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제6단계 이후에,
    상기 운행횟수, 운행거리 및 배터리당 운행가능거리를 이용하여 상기 배터리의 교환횟수를 구하는 단계를 더 포함하는 배터리 교환 스테이션에서의 배터리 운영방법.
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