KR101663086B1 - 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법 - Google Patents

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battery
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박태식
문채주
곽노홍
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목포대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 재구성 가능한 양방향 전력 네트워크를 이용하여, 전기차보다 작은 수의 충방전기를 이용하여 다수의 전기차를 충전할 수 있고, 전기차간 충전이 가능한 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법 {VEHICLE-TO-GRID APPARATUS AND METHOD FOR ELECTRIC VEHICLE CHARGING AND DISCHARGING}
본 발명은 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 재구성 가능한 양방향 전력 네트워크를 이용하여, 전기차보다 작은 수의 충방전기를 이용하여 다수의 전기차를 충전할 수 있고, 전기차간 충전이 가능한 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
글로벌 전기자동차 시장이 짧은 주행거리와 높은 가격 및 충전 인프라 부족 등 해결해야할 과제들이 많이 남아있음에도 불구하고 빠르게 성장하고 있는 실정이다.
전기차 시장 확대는 배터리, 모터 등 관련 핵심부품과 소재시장의 성장과 함께 충전기와 충전소 운영 등 충전인프라 관련 새로운 신규사업을 창출해 내고 있으며, 카쉐어링과 결합하여 기존사업의 성장도 촉진하고 있다.
특히, 전기차 충전과 관련해서는 완속 충전, 고속 충전 등 기존 충전기술의 발전과 함께 무선 충전 기술의 발전이 눈에 뛰고 있으며, 배터리 교체시스템, 내장형 충전시스템, 휴대형 충전 시스템과 기술 등, 다양한 개발과 시도가 진행되어 전기차 보급 활성화에 기여하고 있는 실정이다.
이러한 기술적 진화와 보급 확대는 정부의 지원에 힘입어 성장세를 보이던 전기차 시장이 자생력을 키워 성장하는 모멘텀을 제공할 것으로 판단하는 기준이 되고 있으며, 전기차 개조시장 처럼 대기업 외에도 중소기업의 사업 영역을 확대함으로써 산업 생태계 전반에 영향을 줄 것으로 기대되고 있다.
그러나, 대부분의 연구는 전기차의 고속충전과 충전효율에 대해 집중하고 있으며 계통과 전기차의 연계 방식에 대한 연구 역시 활발히 진행되고 있다.
전기차 충전소는 현재 다양한 형태로 실제 건설되고 활용되고 있으며, 현재 전기차 시장의 확대로 전기차 충전소에 대한 시장도 비약적으로 확대될 것으로 판단된다.
전기차 충전방식에 대한 연구 역시 전기차 시장의 비약적인 증가로 활발하게 진행되고 있다.
종래의 일반적인 전기차 충전소의 경우 계통의 전력을 이용하여 고속충전기 또는 완속충전기를 통해 하나의 충전기가 하나의 전기차를 충전하는 방식을 이용하고 있기 때문에, 최대 연결 가능한 전기차의 수와 동일한 수의 충전기를 구비하여야 한다. 더군다나 하나의 고속충전과 저속 충전을 선택할 수 있도록 하기 위해서는 그 두 배에 해당하는 충전기를 구비하여야 한다. 이는, 잉여 충전기의 수가 증가하여, 초기 투자비 및 유지관리비가 증가하게 되는 문제점이 있다.
한국등록특허 [10-1488586]에서는 전기차 동적 충전 방법 및 시스템이 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-1488586](등록일자: 2015년01월26일)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 재구성 가능한 양방향 전력네트워크를 구성하여 전기차보다 작은 수의 충방전기를 이용하여 다수의 전기자동차의 충전이 가능하도록 하고, 계통과 연결된 충방전기를 통한 전기차 충전이외에도 전기차간 충전 및 방전이 가능하도록 하여, 충전하고자 하는 전기차보다 작은 수의 충방전기를 통해 다수의 전기차를 충전할 수 있으며 전력을 거래할 수 있는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템은, 전기차와 연결되는 전기차 연결부(100); 전력망과 연결되며, 충전과 방전을 수행하는 충방전기(200); 상기 전기차 연결부(100)와 연결된 행 도체(310)와 상기 충방전기(200)와 연결된 열 도체(320), 그리고 상기 행 도체(310)와 열 도체(320) 사이에 구비된 양방향 스위치(330)로 구성된 에너지네트워크(300); 전기차 연결부(100)에 연결되어 전기차 또는 충방전기(200)로부터 전력을 저장하고 전기차 또는 충방전기로 전력을 전송하는 배터리(500); 및 전기차 또는 배터리(500)로부터 전기차 또는 배터리(500)의 상태정보를 전송받고, 상기 전기차 또는 배터리(500)의 상태정보를 근거로 충방전순서와 충방전량을 결정하고, 결정된 충방전순서와 충방전량에 따라 전기차 또는 배터리(500)의 충전과 방전을 수행하기 위한 명령정보를 전송하여 상기 양방향 스위치(330)를 제어하는 충방전제어부(400);로 이루어지되, 상기 상태정보는 전기차의 ID, 주행정보 및 충전량, 충전소요시간, 희망 전력판매 금액을 포함하는 전력충방전정보를 포함함으로써, 상기 전기차와 충방전기(200) 간, 충방전기(200)와 배터리(500) 간, 전기차와 전기차 간, 전기차와 배터리(500) 간 및 배터리(500)와 배터리(500) 간에 양방향 전력전송이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 에너지네트워크(300)의 전기차 연결부(100)에는 충전기, 충방전기, 배터리 또는 집전기를 증설할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 충방전제어부(400)는 에너지네트워크(300)의 양방향 스위치(330)를 제어하여 충방전기(200)와 배터리(500), 전기차와 전기차, 전기차와 배터리(500) 또는 배터리(500)와 배터리(500) 간의 전력 교환을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 충방전기(200)는 내부에 배터리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충방전기(200)는 전기차 또는 배터리에 저장된 전력을 계통으로 송전해주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충방전제어부(400)는 PWM(Pulse Width Modulation) 기법으로 양방향 스위치(330)를 온/오프(On/off)시키고, 온/오프 시간 비율(듀티비)를 제어하여 전송되는 전력량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충방전제어부(400)는 시배분 또는 전력량 배분으로 충방전순서와 충방전량을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 충방전 시스템의 제어부(400)는 전기차 상태정보로서 전기차 ID, 주행 정보, 배터리 상태 정보, 전력충방전정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기차연결부(100)는 전력을 차단 또는 연결하는 양방향 스위치를 포함할 수 있으며, 충방전 제어부로부터 제어신호를 받아 동작하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전기차연결부(100)는 인덕터 또는 인덕터와 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기차는 배터리 충전과 방전이 가능한 온보드충방전기(On Board Charger/Discarger)를 포함하고, 충전소와의 통신을 통해 전기차의 충전과 방전을 시작 또는 중지할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리(500)는 ESS(Energy Storage System)으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 방법은, 전기차 연결부(100), 충방전기(200), 에너지네트워크(300), 배터리(500) 및 충방전제어부(400)를 포함하되, 상기 전기차 연결부(100)와 충방전기(200) 간에 양방향 전력전송이 가능한 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템의 비클투그리드용 전기차 충방전 방법에 있어서, 전기차 연결부(100)에 전기차 또는 배터리(500)가 연결되고, 전기차 또는 배터리(500)의 통신부로부터 충방전 시스템의 통신부가 전기차 또는 배터리(500)의 상태정보를 전송받는 상태정보 전송 단계(S10); 충방전 시스템의 제어부(400)가 상기 상태정보 전송 단계(S10)에서 전송된 상태정보를 근거로 충방전순서와 충방전량을 결정하는 충방전 결정 단계(S20); 및 상기 충방전 결정 단계(S20)에서 결정된 충방전순서와 충방전량에 따라 해당 전기차 또는 배터리(500)의 충전과 방전을 수행하기 위한 명령정보를 전송하여 양방향 스위치(330)를 제어하는 충방전 제어 단계(S30);로 이루어지되, 상기 상태정보는 전기차의 ID, 주행정보 및 충전량, 충전소요시간 및 희망 전력판매 금액을 포함하는 전력충방전정보를 포함함으로써, 상기 전기차와 충방전기(200) 간, 충방전기(200)와 배터리(500) 간, 전기차와 전기차 간, 전기차와 배터리(500) 간 및 배터리(500)와 배터리(500) 간에 양방향 전력전송이 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법에 의하면, 기존의 전기차와 충방전기 1대1 방식의 충전소가 아닌, 재구성 가능한 양방향 전력네트워크를 이용하여 전기차를 충전하기 때문에 충전소 건설비용을 줄이고, 전기차간 전력거래를 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 충방전기가 집전기로 사용 가능함으로써, 양방향으로 충전과 방전을 동시에 고려한 충방전 인프라를 구축할 수 있는 효과가 있다.
또, PWM 제어로 전력량을 제어함으로써, 특정 주기마다 스위치를 온/오프(On/Off) 시키고 듀티비(on/off 시간 비율)를 제어하여, 전송되는 전력량을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또, 시배분 또는 전력량 배분으로 충방전순서와 충방전량을 결정함으로써, 전기차의 충방전을 효율적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 행 도체와 결합되는 배터리를 구비함으로써, 전기요금을 절약할 수 있는 효과가 있으며, 배터리의 증설과 감축이 용이한 효과가 있다.
아울러, 차량 별, 충방전기 별 전력 사용 로그 정보를 수집하고 분석하여 전기요금을 최소화 시킬 수 있는 방안을 회귀분석 모델을 이용하여 도출할 수 있고, 이와 병행하여 전기차가 충전되는데 사용되는 비용도 최소화 시킬 수 있는 방안을 회귀분석 모델을 이용하여 도출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템의 블록도.
도 2는 도 1의 예시도.
도 3은 전기차의 충전상태에 따른 충전 방식의 예시도.
도 4는 도 1에 배터리가 추가 결합된 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템의 순서도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 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, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템의 블록도이고, 도 2는 도 1의 예시도이며, 도 3은 전기차의 충전상태에 따른 충전 방식의 예시도이고, 도 4는 도 1에 배터리가 추가 결합된 예시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템의 순서도이다.
도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드(V2G, Vehicle-To-Grid)용 전기차 충방전 시스템은 전기차 연결부(100), 충방전기(200), 에너지네트워크(300), 배터리(500) 및 충방전제어부(400)를 포함하되, 상기 전기차 연결부(100)와 충방전기(200) 간에 양방향 전력전송이 가능한 것을 특징으로 한다.
여기서, 양방향 전력전송이 가능하다는 것은 충방전기(200)가 전기차를 충전시킬 수 있고, 전기차가 충방전기(200)를 통해 방전될 수도 있으며, 전기차(방전)가 다른 전기차를 충전(비클투그리드(V2G, Vehicle-To-Grid)) 시킬 수도 있다는 것을 의미한다.
비클투그리드(V2G, Vehicle-To-Grid)는 전기자동차의 배터리에 저장돼 있는 잉여에너지를 전력계통으로 역전송하는 기술로 전기자동차를 가상 발전기 또는 가상 에너지저장장치(ESS)와 같이 활용하는 기술을 말한다. 이 기술은 전력계통의 안정화, 발전소 건설 회피, 이산화탄소 저감 등의 개선효과와 수요반응(DR), 피크부하저감 등 다양한 서비스를 제공하는데도 기여할 것으로 기대되며, 스마트그리드에 적용 가능한 기술이다.
전기차 연결부(100)는 전기차와 연결된다.
상기 전기차 연결부(100)는 하나 또는 복수로 구비될 수 있고, 다양한 차량과 연결될 수 있다.
이때, 에너지네트워크(300)의 전기차 연결부(100)에는 충전기, 충방전기(200), 배터리 또는 집전기를 증설할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는, 충방전기(200)만 설치하는 것도 가능하나, 전기차의 충전만 전담하는 충전기 또는 전기차의 방전만 수행하는 집전기를 별도로 구비하는 것도 가능함을 의미하며, 충전기가 많이 필요할 경우 충방전기(200)가 충전기의 기능을 수행할 수 있고, 집전기가 많이 필요할 경우 충방전기(200)가 방전기의 기능을 수행할 수 있다.
여기서, 각각의 전기차는 전기차의 배터리 충전과 방전이 가능한 온보드충방전기(OBC, On board charger/Discarger)를 포함할 수 있고, 충전소와의 통신을 통해 전기차의 충전과 방전을 시작 또는 중지할 수 있다.
또한, 상기 전기차연결부(100)는 전력을 차단 또는 연결하는 양방향 스위치를 포함할 수 있으며, 충방전제어부(400)로부터 제어신호를 받아 동작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 전기차연결부(100)는 인덕터 또는 인덕터와 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는, 안정적으로 전력교환이 가능하도록 하기 위함이다.
상기 전기차 연결부(100)는 유선 또는 무선으로 전기차와 연결 될 수 있고, 상기 전기차 연결부(100)가 유선으로 전기차와 연결될 경우, 상기 전기차 연결부(100)는 전기차의 플러그와 연결되는 콘센트 역할을 한다.
충방전기(200)는 전력망(계통)과 연결되며, 충전과 방전을 수행한다.
즉, 충방전기(200)는 충전기 및 집전기(방전기)의 역할을 할 수도 있고, 또는 충방전기(200)가 충전기의 역할만 하고 집전기(방전기)를 별도로 구성할 수도 있으며, 충방전기(200)가 집진기(방전기)의 역할만 하고 충전기를 별도로 구성할 수도 있다.
여기서, 계통은 전력 소모가 이루어지는 부하와 연결된 전선로를 의미하며, 크게는 송/배전선로도 이에 해당된다.
상기 충방전기(200)는 하나 또는 복수로 구비될 수 있고, 고속충방전기(210)와 완속충방전기(220)로 구분될 수 있다.
이때, 상기 충방전기(200)는 전기차에 저장된 에너지를 계통에 연결하기 위해 집전기로 작동되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는, 상기 충방전기(200)는 내부에 배터리를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 충방전기(200)는 전기차 또는 배터리에 저장된 전력을 계통으로 송전해주는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 충방전기(200)는 전기차 충전기로 동작하고, 별도의 집전기를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 집전기는 전기차 또는 배터리에 저장된 전력을 계통으로 송전해주는 것을 특징으로 할 수 있다.
아울러, 상기 충방전기(200)와 별도로 집전기를 구비하는 것도 가능함은 물론이다.
에너지네트워크(300)는 상기 전기차 연결부(100)와 연결된 (다수의 )행 도체(310)와 상기 충방전기(200)와 연결된 (다수의 )열 도체(320), 그리고 상기 행 도체(310)와 열 도체(320) 사이에 구비된 양방향 스위치(330)로 구성된다. (재구성 가능한)
즉, 다수의 행 도체(310)는 전기차 연결부(100)와 연결되어 있고, 다수의 열 도체(320)는 충방전기(200)(고속충방전기(310), 완속충방전기(320))와 연결되어 있다. 행 도체(310)와 열 도체(320) 사이에 설치된 양방향 스위치(330)는 행 도체(310)와 열 도체(320)를 연결하여 다수의 전기차와 충방전기(200) 또는 전기차와 전기차가 연결되도록 경로를 설정할 수 있다.
여기서, 상기 행도체(310)는 행으로 배열된 도체를 말하는 것이 아니고, 배치와 관련 없이 상기 전기차 연결부(100)와 연결된 도체를 의미하며, 상기 열 도체(320) 역시 열로 배열된 도체를 말하는 것이 아니고, 배치와 관련 없이 상기 상기 충방전기(200)와 연결된 도체를 의미한다. 이러한 행도체(310)와 열 도체(320) 사이에 구비된 양방향 스위치(330)를 스위칭 하여 전력이 이동할 수 있는 경로를 재배치 할 수 있다.
즉, V2G(전기차와 계통간의 전력 거래)를 위한 충방전 인프라에 관한 것으로서, 재구성 가능한 에너지네트워크(300)의 양방향 스위치(330)가 양방향으로 충전과 방전을 같이 고려한 충방전 인프라이다.
다시 말해, 충방전기(200)로부터 전기차를 충전할 수도 있고, 전기차로부터 전력을 방전시켜 계통으로 보낼 수도 있다. 이때, 집전기(Aggregator)를 더 포함할 수 있다.
이는, V2G(전기차와 계통간의 전력 거래)를 위한 전기차 양방향 충방이 가능하도록 하기 위한 것으로, 전기차와 계통간 양방향 전력거래가 가능하도록 하기 위함이다. 이를 구현하기 위해, 재구성 가능한 에너지네트워크(300)가 양방향이고, 재구성 가능한 에너지네트워크(300)의 양방향 스위치(330)도 양방향전력이동이 가능하다.
이때, 충방전기와 집전기 뿐만아니라, 충방전중 전기차간, 전기차와 배터리간 다양한 경로 구성이 가능하도록 하기 위하여, 상기 에너지네트워크(300)는 별도의 열도체 또는 횡도체가 추가될 수 있음은 물론이다.(도 1 참조)
예를 들어, 각각의 전기차 연결부(100)에 다수의 전기차가 연결되어 있고, 충전을 수행해야 하는 전기차와 방전을 수행해야 하는 전기차가 있어, 충방전기(200)를 통한 충전을 수행할 전기차, 배터리(500)를 통한 충전을 수행할 전기차, 다른 전기차를 통한 충전을 수행할 전기차, 충방전기(200)를 통한 방전을 수행할 전기차, 배터리(500)를 통한 방전을 수행할 전기차, 다른 전기차를 통한 방전을 수행할 전기차 등 다양한 충방전을 위한 전기적 연결이 필요할 경우, 다양한 경로 구성이 가능하도록 열도체, 행도체 및 양방향 스위치(330)가 추가될 수 있다.
배터리(500)는 전기차 연결부(100)에 연결되어 전기차 또는 충방전기(200)로부터 전력을 저장하고 전기차 또는 충방전기로 전력을 전송한다.
다시 말해, 에너지네트워크(300)의 전기차 연결부(100)에는 배터리(500)를 증설할 수 있다. 배터리(500)의 증설된 용량이 과하면 설치 및 유지비용이 증가하고, 배터리(500)의 증설된 용량이 부족하면 전기차의 충전이 원활하지 못할 수 있어, 상황에 맞추어 배터리(500)의 증설된 용량을 조절(배터리(500)의 탈부착)할 수 있다.
즉, 상기 배터리(500)는 충방전을 수행한다.
상기 배터리(500)는 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)으로 동작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 배터리(500)와 상기 행 도체(310)와 연결은 무선 또는 유선으로 연결 가능하며, 상기 배터리(500)를 상기 전기차 연결부(100)에 무선 또는 유선으로 연결하여 사용할 수 있다.
즉, 재구성 가능한 에너지네트워크(300)가 양방향이기 때문에 전기차 연결부(100)에 배터리(500)를 구성시킬 수 있다. 다시 말해, 전기차를 연결 할 수 있는 전기차 연결부(100)에 배터리(500)를 연결하여 계통으로부터 전력을 미리 배터리(500)에 저장시켜 놓았다가 계통으로부터의 전력을 사용하지 않고 배터리(500)로부터 전기차를 충전시킬 수도 있고, 전기차로부터 배터리(500)로 전력을 집전하여 계통으로 전력을 보낼 수도 있으며, 다른 전기차를 충전할 수도 있다.
이는, 전기 요금이 저가일 때 계통의 전력을 충전하고, 전기 요금이 고가일 때 계통의 전력을 사용하지 않고 충전된 배터리(500)의 전력을 사용하여 비용을 절감할 수 있고, 비상시를 대비한 예비전력을 확보하는 것도 가능하기 때문이다.
즉, 기존의 전기차 충방전 장치는 단방향 네트워크이기 때문에 전기차 충전단에 배터리를 연결할 수 없으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템은 에너지 네트워크가 양방향이어서, 전기차 연결부(100)에 배터리(500)를 연결하여 에너지 저장소로 사용할 수 있기 때문에 전기차, 계통, 충방전기(200) 등으로부터 용이하게 전력을 저장하여 사용할 수 있고, 증설이 매우 용이하다.
충방전제어부(400)는 전기차 또는 배터리(500)로부터 전기차 또는 배터리(500)의 상태정보를 전송받고, 상기 전기차 또는 배터리(500)의 상태정보를 근거로 충방전순서와 충방전량을 결정하고, 결정된 충방전순서와 충방전량에 따라 전기차 또는 배터리(500)의 충전과 방전을 수행하기 위한 명령정보를 전송하여 상기 양방향 스위치(330)를 제어한다.
이때, 전기차의 상태정보를 다른 전기차에 전송하거나, 배터리(500)의 상태정보를 전기차에 전송하거나, 충전소의 상태정보를 전기차에 전송할 수 있다.
상태정보는 충방전에 필요한 정보를 말하는 것으로, 전기차의 경우 전기차 ID, 주행정보, 배터리 (충전)상태정보, 전력충방전정보(원하는 충전량, 원하는 충전량 까지 충전 소요시간, 전기 판매를 원하는 금액 등) 등이 될 수 있고, 배터리(500)의 경우 배터리(500) ID, 배터리 (충전)상태정보, 전력충방전정보(충전 능력, 전기 구매를 원하는 금액 등) 등이 될 수 있으며, 충전소의 경우 전력충방전정보(충전 가능한 차량 수, 전기 구매를 원하는 금액 등) 등이 될 수 있다.
양방향 스위치(330)는 충방전제어부(400)를 통해 온/오프(On/Off)된다.
이때, 상기 충방전제어부(400)는 에너지네트워크(300)의 양방향 스위치(330)를 제어하여 충방전기(200)와 배터리(500), 집전기와 배터리(500) 간의 전력 교환을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 충방전기(200)와 배터리(500)를 전기적으로 연결하여 충방전기(200)로부터 배터리(500)를 충전할 수 있으며 또한 배터리(500)에 저장된 에너지를 충방전기(200)를 통해 계통으로 연계할 수 있고, 집전기와 배터리(500)를 전기적으로 연결하여 집전기로부터 배터리(500)를 충전할 수 있으며 또한 배터리(500)에 저장된 에너지를 집전기를 통해 계통으로 연계할 수 있다.
또한, 충방전제어부(400)는 에너지네트워크(300)의 양방향 스위치(330)를 제어하여 전기차와 전기차, 전기차와 배터리(500) 간의 전력 교환을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 전기차와 다른 전기차를 전기적으로 연결하여 전력 교환을 제어(충전/방전) 할 수 있으며, 전기차와 배터리(500)를 전기적으로 연결하여 전력 교환을 제어(충전/방전) 할 수 있다.
또, 충방전제어부(400)는 에너지네트워크(300)의 양방향 스위치(330)를 제어하여 배터리(500)와 배터리(500) 간의 전력 교환을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 배터리(500)와 다른 배터리(500)를 전기적으로 연결하여 전력 교환을 제어(충전/방전) 할 수 있다.
충방전기(200)와 전기차가 연결된 전기차 연결부(100)와 연결되어 충방전기(200)로부터 전기차로 배터리를 충전할 수 있으며 또한 전기차 배터리에 저장된 에너지를 충방전기(200)를 통해 계통으로 연계할 수도 있다. 또한, 전기차와 전기차가 서로 연결될 수 있다. 예를 들면 충전량이 충분한 전기차로부터 충전이 필요한 전기차로 전력을 전송할 수 있도록 에너지네트워크(300)의 경로를 설정할 수도 있다.
상기 충방전제어부(400)는 충방전기(200)로부터 전기차 연결부(100)로 전력이 공급되어 전기차를 충전할 수도 있고, 배터리가 완충전된 전기차와 연결된 전기차 연결부(100)로부터 충방전기(200)로 전력이 공급되어 충방전기(200)에 내장된 배터리를 충전하거나 계통으로 보낼 수도 있으며, 배터리가 완충전된 전기차와 연결된 전기차 연결부(100)로부터 부족한 전기차가 연결된 전기차 연결부(100)로 전기차 대 전기차 간의 직접 전력 전송이 가능하다. 이는, 에너지 네트워크가 양방향이고 V2G용이기 때문에 가능하다.
여기서, 전기차 상태정보는 전기차 ID, 주행정보, 배터리 상태정보, 전력충방전정보(원하는 충전량, 원하는 충전량 까지 충전 소요시간, 전기 판매를 원하는 금액 등)를 포함할 수 있고, 명령정보는 충전시작명령, 방전시작명령, 충전정지명령, 방전정지명령, 충방전 일시정지 명령 등을 포함할 수 있다.
즉, 전기차 상태정보는 전기차의 충방전에 필요한 정보를 말하는 것이며, 명령정보는 전기차의 충방전 제어에 필요한 정보를 말하는 것이다.
이때, 상기 충방전제어부(400)는 PWM(Pulse Width Modulation) 기법으로 양방향 스위치(330)를 온/오프(On/off)시키고, 온/오프 시간 비율(듀티비)를 제어하여 전송되는 전력량을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 에너지 네트워크의 스위치로 반도체 스위치를 사용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 기법으로 반도체 스위치를 온/오프(On/Off)하고 듀티비(on off 시간 비율)를 제어함으로서 전송되는 전력량을 제어할 수 있다.
다시 말해, 에너지 네트워크의 스위치를 단순 경로 연결 및 차단용으로 사용하는 것이 아니라 PWM 기법을 이용하여 특정 주기마다 스위치를 on/off 시키고 듀티비(on/off 시간 비율)를 제어함으로서 전송되는 전력량을 제어할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 충방전기(200)는 재구성 가능한 에너지네트워크(300)를 통해 다수의 전기차 연결부(100)에 연결된 전기차와 연결될 수 있다.
또한, 상기 충방전제어부(400)는 시배분 또는 전력량 배분으로 충방전순서와 충방전량을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 3은 각각의 전기차의 충전상태를 바탕으로 시배분을 통한 다수의 전기차 충전 방식을 보여준다. 도 3에서는 하나의 충방전기(200)와 7대의 전기차를 가정하였다. 먼저 가장 충전이 장시간필요한 EV4를 2시간동안 충전하고, EV5, EV4, EV5, EV1, EV4. EV6, EV7, EV6, EV2, EV3의 순서로 충전을 수행하며 충방전기(200)와 7대의 전기차는 에너지네트워크(300)를 통해 양방향 스위치(330)가 동작되어 서로 연결되도록 경로를 제어한다. 특히 만충전된 전기차 EV6로부터 전기차 EV5와 EV1을 별도 충전할 수 있다. 밤 12시부터 충전이 수행된다고 가정하면 오전 8시이전에 7대의 모든 전기차를 충전할 수 있다.
또는 하나의 충방전기(200)에 다수의 전기차가 연결되고 충방전기(200)의 최대 충전량을 다수의 전기차에 나누어 충전을 수행하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템은 전기차의 배터리에 저장된 에너지를 전력망(계통)으로 보내주는 비클투그리드(V2G, Vehicle-To-Grid)의 기능을 가질 수도 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템은 전기차로부터 전기에너지를 계통으로 전송할 수 있다. 배터리 충전량이 충분한 전기차들로부터 충방전기(200)는 전기에너지를 계통으로 연계할 수 있다. 여기서도 전기차를 충전할 때와 마찬가지로 에너지네트워크 내에 양방향스위치를 제어하여 필요한 경로를 형성하여 전기차와 충방전기(200)를 연결할 수 있다. 또한, 연결경로의 시배분를 통해 다수의 전기차로부터 전기에너지를 계통으로 전송할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 방법은, 전기차 연결부(100), 충방전기(200), 에너지네트워크(300) 및 충방전제어부(400)를 포함하되, 상기 전기차 연결부(100)와 충방전기(200) 간에 양방향 전력전송이 가능한 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템의 비클투그리드용 전기차 충방전 방법에 있어서, 상태정보 전송 단계(S10), 충방전 결정 단계(S20) 및 충방전 제어 단계(S30)를 포함한다.
상태정보 전송 단계(S10)는 전기차 연결부(100)에 전기차 또는 배터리(500)가 연결되고, 전기차 또는 배터리(500)의 통신부로부터 충방전 시스템의 통신부가 전기차의 상태정보를 전송받는다.
즉, 상기 상태정보 전송 단계(S10)는 전기차 연결부(100)에 연결된 전기차에 충전이 필요한지 방전이 필요한지에 대한 정보를 획득할 수 있다.
여기서, 상태정보는 전기차 ID, 주행정보, 배터리 상태정보, 전력충방전정보(원하는 충전량, 원하는 충전량 까지 충전 소요시간, 전기 판매를 원하는 금액 등)를 포함할 수 있다.
충방전 결정 단계(S20)는 충방전 시스템의 제어부(400)가 상기 상태정보 전송 단계(S10)에서 전송된 상태정보를 근거로 충방전순서와 충방전량을 결정한다.
예를 들어, 8 시간 동안 상기 전기차 연결부(100)에 연결된 상태를 유지할 것이고, 8 시간 이후에 만충된 상태로 나갈 예정이라는 정보를 획득하였다면, 해당 전기차가 8 시간 경과된 시점에 만충된 상태가 될 수 있도록 충방전 제어를 할 수 있다. 이를 위해, 상기 충방전 결정 단계(S20)는 충방전순서와 충방전량을 결정한다.(도 3 참조)
온실가스로 인한 기후변화 및 에너지 자원이 고갈됨에 따라 선진국을 중심으로 온실가스 감축과 친환경 저탄소형 산업구조로 재편하고 있다. 스마트그리드는 전력시스템의 운영에 따른 온실가스 배출과 시스템 운영비용의 최소화를 목적으로 태양광, 풍력으로 대표되는 신재생에너지원의 보급과 친환경 전력기기의 개발 및 설치, 그리고 전기자동차를 통해 온실가스 배출을 억제하고, 스마트 미터를 이용하여 실시간 가격 정보를 주고받아 소비자로 하여금 전기를 가장 값 싸게 사용할 수 있도록 하는 기술로서, 국내의 경우에도 신재생에너지 확대 및 저탄소 녹색성장 계획과 맞물려 지식경제부에서는 국가 단위의 스마트 그리드 구축을 위해 지능형 전력망 로드맵 수립 추진위원회를 구성하여 스마트 그리드 사업을 추진하고 있다. 또한 2009년 7월 9일 이탈리아 라퀼라에서 개최된 G8 확대 정상회의(G20 정상회의)중에 열린 기후변화 주요국 정상회의(MEF)에서 대한민국은 기후변화 대응하여 세계를 바꿀 7대 기술 중 스마트 그리드 기술에 대해 선도 국가로 지정된 바 있다. 따라서, 국가 차원으로 추진되고 있는 스마트 그리드 사업에 대한 다양한 기술 조사와 향후 기술 로드맵에 대한 상세한 분석을 통해 철도교통에서 적용 가능한 기술을 도출하고 스마트 그리드 기술과의 연계방안을 모색하여야 한다.
이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법은 전기차에 저장된 전기에너지를 계통에 공급시키기 위한 비클투그리드(V2G, Vehicle-To-Grid) 기술을 사용할 수 있으며, 각각의 전기차에 스마트미터를 장착할 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법에도 스마트 미터를 적용할 수 있다.
상기 충방전제어부(400)는 충전을 위해 방문하는 차량의 패턴, 시간대별 충전에 차량 충전에 필요한 전력량, 시간대별 송/배전선로로부터 공급받는 전기요금, 등의 요인에에 따라 전기 차량 별 충전량과 방전량이 달라지기 때문에, 전력의 충방전에 사용되는 요인들의 데이터(날짜 및 시간별로 전기요금, 충전에 필요한 전력, 정기적으로 방문하는 전기차의 방문패턴, 전력 소비 패턴 및 기본 세팅정보 등)를 축적하여, 이를 근거로 회귀분석을 이용하면, 추후 충방전에 필요한 전력량(언제 송/배전 선로로 전원을 공급받아 저장하고, 언제 저장된 에너지를 판매할지)을 예측할 수 있다.
회귀분석(regression analysis)이란 둘 또는 그 이상의 변수들간의 관계를 파악함으로써 어떤 특정한 변수(종속변수)의 값을 다른 한 개 또는 그 이상의 변수(독립변수)들로부터 설명하고 예측하는 통계적 기법이다.
즉, 회귀분석은 상관관계의 연관성(association)과 인과모형의 인과성(causation)을 종합한 개념으로 정리할 수 있다. 또한 회귀분석은 계량적 종속변수와 하나 혹은 그 이상의 독립변수들 간의 관련성을 분석하는 데 있어 매우 강력한 분석력을 갖고 있으며, 또한 적응성이 뛰어난 특성을 가지고 있다. 회귀분석의 일반적인 형태는 1차 방정식의 함수관계로 나타난다.
또한, 회귀분석은 단순회귀분석(simple regression analysis)과 다중회귀분석(multiple regression analysis)으로 나뉘며, 단순회귀분석은 한 개의 독립변수를 이용하여 종속변수를 설명, 예측하는 것으로 회귀분석의 가장 단순한 형태이고, 다중회귀분석은 여러개의 독립변수와 종속변수 사이의 관계를 설명, 예측하고자 할 때 사용할 수 있는 분석 방법이다.
회귀 분석은 한 변수를 이용하여 다른 변수의 값을 설명하거나 예측할 수 있는 모형으로 자료를 분석하는 것이다. 이때 설명하는 변수를 독립 변수 또는 설명 변수라 하고 설명이 되거나 예측이 되는 변수를 종속 변수 또는 반응 변수라고 한다. 설명하는 독립 변수가 하나인 경우 단순 회귀 분석, 설명하는 독립 변수가 두 개 이상인 경우는 다중 회귀 분석이라고 한다.
결정계수(R2)는 표본회귀선이 종속변수인 Y의 변동량을 어느정도 설명해주느냐를 나타내주며, SSR/SST(SSR: Model의 Sum of square 값, SST: Corrected Total의 Sum of square 값)의 결과값으로 구할 수 있다. 회귀분석에서 산출된 회귀 계수들을 이용하여 결정계수 값이 높을 수록 신뢰도가 높다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템 및 방법은 차량별, 충방전기(200) 별 전력 사용 로그 정보를 수집하고 분석하여 전기요금(충방전기(200)가 송/배전선로로부터 전기를 공급받는 비용)을 최소화 시킬 수 있는 방안을 회귀분석 모델을 이용하여 도출할 수 있고, 이와 병행하여 전기차가 충전되는데 사용되는 비용도 최소화 시킬 수 있는 방안을 회귀분석 모델을 이용하여 도출할 수 있다.
충방전 제어 단계(S30)는 상기 충방전 결정 단계(S20)에서 결정된 충방전순서와 충방전량에 따라 해당 전기차 또는 배터리(500)의 충전과 방전을 수행하기 위한 명령정보를 전송하여 상기 양방향 스위치(330)를 제어한다.
즉, 상기 충방전 제어 단계(S30)는 결정된 충방전순서와 충방전량에 따라 전기차 연결부(100)에 연결된 해당 전기차에 충전 또는 방전(계통으로 전원 공급)을 수행할 수 있다.
여기서, 명령정보는 충전시작명령, 방전시작명령, 충전정지명령, 방전정지명령, 충방전 일시정지 명령 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 전기차 연결부 200: 충방전기
210: 고속충방전기 220: 완속충방전기
300: 에너지네트워크 310: 행 도체
320: 열 도체 330: 양방향 스위치
400: 충방전제어부 500: 배터리
S10: 상태정보 전송 단계 S20: 충방전 결정 단계
S30: 충방전 제어 단계

Claims (13)

  1. 전기차와 연결되는 전기차 연결부(100);
    전력망과 연결되며, 충전과 방전을 수행하는 충방전기(200);
    상기 전기차 연결부(100)와 연결된 행 도체(310)와 상기 충방전기(200)와 연결된 열 도체(320), 그리고 상기 행 도체(310)와 열 도체(320) 사이에 구비된 양방향 스위치(330)로 구성된 에너지네트워크(300);
    전기차 연결부(100)에 연결되어 전기차 또는 충방전기(200)로부터 전력을 저장하고 전기차 또는 충방전기로 전력을 전송하는 배터리(500);
    전기차 또는 배터리(500)로부터 전기차 또는 배터리(500)의 상태정보를 전송받고, 상기 전기차 또는 배터리(500)의 상태정보를 근거로 충방전순서와 충방전량을 결정하고, 결정된 충방전순서와 충방전량에 따라 전기차 또는 배터리(500)의 충전과 방전을 수행하기 위한 명령정보를 전송하여 상기 양방향 스위치(330)를 제어하는 충방전제어부(400);로 이루어지되,
    상기 상태정보는 전기차의 ID, 주행정보 및 충전량, 충전소요시간, 희망 전력판매 금액을 포함하는 전력충방전정보를 포함함으로써,
    상기 전기차와 충방전기(200) 간, 충방전기(200)와 배터리(500) 간, 전기차와 전기차 간, 전기차와 배터리(500) 간 및 배터리(500)와 배터리(500) 간에 양방향 전력전송이 가능한 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    에너지네트워크(300)의 전기차 연결부(100)에는 충전기, 충방전기, 배터리 또는 집전기를 증설할 수 있는 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충방전기(200)는
    내부에 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충방전기(200)는
    전기차 또는 배터리에 저장된 전력을 계통으로 송전해주는 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충방전제어부(400)는
    PWM(Pulse Width Modulation) 기법으로 양방향 스위치(330)를 온/오프(On/off)시키고, 온/오프 시간 비율(듀티비)를 제어하여 전송되는 전력량을 제어하는 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 충방전제어부(400)는
    시배분 또는 전력량 배분으로 충방전순서와 충방전량을 결정하는 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 충방전 시스템의 제어부(400)는
    전기차 상태정보로서 전기차 ID, 주행 정보, 배터리 상태 정보, 전력충방전정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전기차연결부(100)는
    전력을 차단 또는 연결하는 양방향 스위치를 포함할 수 있으며, 충방전 제어부로부터 제어신호를 받아 동작하는 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전기차연결부(100)는
    인덕터 또는 인덕터와 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전기차는
    배터리 충전과 방전이 가능한 온보드충방전기(On Board Charger/Discarger)를 포함하고, 충전소와의 통신을 통해 전기차의 충전과 방전을 시작 또는 중지할 수 있는 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배터리(500)는
    ESS(Energy Storage System)으로 동작하는 것을 특징으로 하는 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템.
  13. 전기차 연결부(100), 충방전기(200), 에너지네트워크(300), 배터리(500) 및 충방전제어부(400)를 포함하되, 상기 전기차 연결부(100)와 충방전기(200) 간에 양방향 전력전송이 가능한 비클투그리드용 전기차 충방전 시스템의 비클투그리드용 전기차 충방전 방법에 있어서,
    전기차 연결부(100)에 전기차 또는 배터리(500)가 연결되고, 전기차 또는 배터리(500)의 통신부로부터 충방전 시스템의 통신부가 전기차 또는 배터리(500)의 상태정보를 전송받는 상태정보 전송 단계(S10);
    충방전 시스템의 제어부(400)가 상기 상태정보 전송 단계(S10)에서 전송된 상태정보를 근거로 충방전순서와 충방전량을 결정하는 충방전 결정 단계(S20); 및
    상기 충방전 결정 단계(S20)에서 결정된 충방전순서와 충방전량에 따라 해당 전기차 또는 배터리(500)의 충전과 방전을 수행하기 위한 명령정보를 전송하여 양방향 스위치(330)를 제어하는 충방전 제어 단계(S30);로 이루어지되,
    상기 상태정보는 전기차의 ID, 주행정보 및 충전량, 충전소요시간 및 희망 전력판매 금액을 포함하는 전력충방전정보를 포함함으로써,
    상기 전기차와 충방전기(200) 간, 충방전기(200)와 배터리(500) 간, 전기차와 전기차 간, 전기차와 배터리(500) 간 및 배터리(500)와 배터리(500) 간에 양방향 전력전송이 가능한 비클투그리드용 전기차 충방전 방법.
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