KR101704496B1 - 전기차량의 배터리교환장치 및 이를 이용한 배터리 탈장착 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전기차량 내부에 마련된 배터리장착위치로부터 배터리를 탈착하여 신속하게 이송하고, 방전된 배터리를 빠르게 충전하며, 기 충전된 배터리를 배터리장착위치로 이송 및 탑재하여 배터리를 충전하는 동안 차량의 작동을 중단할 필요가 없는 전기차량의 배터리교환장치에 관한 것으로, 배터리를 이송하는 기능을 수행하는 이송모듈, 방전된 배터리를 충전하는 기능을 수행하는 충전모듈 및 이송모듈과 충전모듈이 탑재되고 이를 지지하는 기능을 수행하는 하우징을 포함하여 이루어지되, 이송모듈과 배터리장착위치가 일치하도록 고도를 조절하고, 경사면을 형성하여 배터리의 탈착 및 장착을 보다 신속하고 용이하게 할 수 있는 리프팅장치를 더 구비하여 배터리의 탈장착, 이송 및 충전을 일괄적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리교환장치를 제공한다.

Description

전기차량의 배터리교환장치 및 이를 이용한 배터리 탈장착 방법{Battery replacement apparatus for electric vehicle and battery replacement method of the same}

본 발명은 전기차량의 배터리 탈장착을 용이하게 할 수 있는 배터리교환장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 배터리를 이송시킬 수 있는 이송모듈을 구비하여 배터리의 탈장착 시 배터리의 이송을 신속하고 용이하게 할 수 있으며, 배터리를 충전할 수 있는 충전모듈이 구비된 전기차량의 배터리교환장치 및 이를 이용한 배터리 탈장착 방법에 관한 것이다.

전기차량은 화석연료를 필요로 하지 않고 전기를 동력원으로 하는 차량이다. 최근 배터리가 소형화 및 경량화되고, 전기차량의 배터리용량 및 운용효율이 크게 증가하면서 다양한 목적으로 전기차량을 실용화하기 위한 기술개발이 활발히 진행 중이다.

그러나, 전기차량은 일정 시간 이후에 방전된 배터리를 별도의 충전소에서 충전하거나, 방전된 배터리를 탈착하고 기 충전된 배터리로 교체해야 하는 단점을 가지고 있으며, 이와 같은 이유로 전기차량의 사용자는 방전된 배터리가 충전되는 동안에는 차량을 운행할 수 없고, 이와는 별도로 운행이 가능한 차량을 대기시켜 교번적으로 사용해야 하는 번거로움을 갖는다. 또한, 차량에 적재된 배터리는 사용자가 혼자서 교체하기에 적지 않은 무게를 가지고 있고, 이를 차량으로부터 탈착하고, 기 충전된 배터리를 장착하기에 복잡한 구조를 가지고 있기 때문에 전기차량의 사용자가 배터리를 쉽게 교환하고 나아가 신속하게 충전할 수 있는 장치에 관한 신규한 기술을 필요로 하고 있다.

대한민국 공개특허 제10-2014-0136072호(발명의 명칭:”농업용 전기 차량”, 이하 종래기술1이라 한다.)는 전기 차량의 내측 횡 방향으로 안착구역이 형성된 메인 프레임, 안착구역에 설치된 슬라이딩 트레이, 안착구역에서 횡 방향으로 인출입되는 배터리 셀이 탑재된 배터리 팩, 메인 프레임의 측면에 설치되고 배터리 팩이 메인 프레임에서 인출입 될 때 선택적으로 탈부착되는 측면 덮개를 포함하는 구성으로 농업용 전기 차량의 배터리 팩을 인출입할 수 있는 기술에 관하여 개시하고 있다.

종래기술1은 중량체인 배터리 팩을 용이하게 인출입 시킬 수 있는 슬라이딩 트레이에 있어서, 배터리 팩과 구름 접촉되는 슬라이딩부를 포함하는 구성을 개시하고 있다. 그러나, 종래기술1의 슬라이딩 트레이는 지면에 접촉하여 경사면을 형성하여 배터리를 인출입하는 구조인데, 이는 사용자가 배터리 팩을 인입 할 시, 여전히 많은 힘을 필요로 하며, 배터리 팩에 마련된 롤러와 구름접촉하여 배터리팩을 이송시키는 슬라이딩부의 체결구조에 있어서, 롤러가 쉽게 이탈 할 수 있다는 문제점을 안고 있다. 또한, 종래기술1은 방전된 배터리를 충전할 수 있는 충전모듈에 관한 구성은 생략되어 있어, 사용자가 전기차량을 효율적으로 운용하기 에는 한계가 존재한다.

본 발명은, 전기차량 내부에 마련된 배터리장착위치로부터 탈착된 배터리를 이송모듈의 일면 위에 형성되는 안착구역을 향하여 이송하는 제1이송기능 및 안착구역으로부터 배터리를 배터리장착위치로 이송하는 제2이송기능을 구비하는 이송모듈, 배터리를 충전하는 기능을 구비하는 충전모듈 및 이송모듈과 충전모듈이 탑재되고 이를 지지하는 기능을 구비하는 하우징을 포함하여 이루어지되, 배터리탈장착, 이송 및 충전을 일괄적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 배터리가 소정의 자세를 유지하며 이송되도록 가이드하는 기능을 구비하는 이송가이드수단을 포함할 수 있으며, 또한, 본 발명의 이송모듈은 복수개의 롤러를 포함하여 이루어지고, 복수개의 롤러는, 배터리의 이송방향에 수직한 방향으로 축 방향이 설정되어 설치되고, 상면에 배터리가 적재된 상태에서, 배터리에 작용되는 소정의 외력을 받아 배터리와의 사이에 작용하는 구름마찰력에 의해 배터리를 이송하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 이송모듈은 이격되어 배치되는 제1풀리와 제2풀리, 제1풀리 및 제2풀리에 감겨 무한궤도 운동하는 벨트를 포함하여 이루어지고, 벨트의 상면에 배터리가 적재된 상태에서, 제1풀리와 제2풀리의 회전에 의해 벨트가 무한궤도 운동하여 배터리를 이송하는 구성으로 이루어질 수도 있다. 이때, 본 발명의 이송모듈은 제1풀리 및 제2풀리 중 하나 이상에 결합되어 회전동력을 제공하는 기능을 구비하는 구동부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 배터리교환장치는, 이송모듈과 배터리장착위치의 상면간 단차가 존재하지 않도록 하우징을 승하강하여, 이송모듈이 제1이송기능 및 제2이송기능을 수행하는데 걸림이 발생하지 않도록 하는 기능을 구비하는 리프팅장치를 더 포함할 수 있다. 또한, 이송모듈의 일단을 배터리장착위치와 일치하도록 위치시키고, 하우징의 일단을 상승 또는 하강시켜 경사면을 형성하여, 배터리의 이송을 용이하게 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 충전모듈은 배터리의 상태를 모니터링하고 제어하는 기능을 구비하는 배터리관리시스템을 포함하여 이루어지고, 외부 전력공급부로부터 공급된 전력을 이용하여 배터리를 충전하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 안착구역은 충전모듈을 구비하여 배터리의 안착과 충전을 동시에 수행할 수 있으며, 또한, 본 발명의 하우징은 충전모듈이 구비되는 충전구역 및 배터리를 보관하기 위한 대기구역을 포함하는 구성일 수 있다. 이때, 충전구역 및 대기구역은 하우징에 각각 2개 이상 구비될 수도 있다.

또한, 본 발명은이송모듈과 배터리장착위치의 상면간 단차가 존재하지 않도록 고도를 조절하는 단계, 배터리장착위치에 삽입되어있는 배터리에 소정의 탈착력을 가하여 이송모듈의 일단측으로 배터리를 탈착하는 단계, 하우징의 일단을 하강시켜 경사면을 형성하는 단계, 배터리가 이송모듈의 제1이송기능에 의해 안착구역을 향하여 이송되는 단계, 배터리가 이송모듈의 상단에 대응하는 타단에 마련된 안착구역에 안착되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리탈착방법을 제공한다. 이때, 본 발명은, 배터리장착위치에서 탈착된 배터리가 방전된 배터리일 경우에, 방전된 배터리를 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은, 이송모듈과 배터리장착위치의 상면간 단차가 존재하지 않도록 고도를 조절하는 단계, 하우징의 일단을 상승시켜 경사면을 형성하는 단계, 배터리가 이송모듈의 제2이송기능에 의해 배터리장착위치를 향하여 이송되는 단계, 이송모듈에 의해 이송된 배터리에 소정의 장착력을 가하여 배터리장착위치에 장착하는 단계를 포함하여 이루어지는 전기차량의 배터리장착방법을 제공한다.

본 발명은 전기차량의 배터리교환장치에 있어서, 배터리와의 구름마찰력에 의해 배터리의 탈장착을 신속하고 용이히게 할 수 있는 이송모듈을 구비하여, 사용자가 배터리를 교환하는데 있어서, 소정의 외력에 의해 쉽게 배터리의 탈장착이 가능하다는 제1효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 배터리교환장치는 탈착된 배터리가 방전된 배터리인 경우, 이를 신속하게 충전할 수 있도록 충전모듈을 구성하여 운용비용을 감소시키고 그 효율을 증대시키는 제2효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 배터리교환장치는 방전된 배터리를 차량으로부터 쉽게 탈착하고 기 충전된 배터리를 장착하여, 충전하는 동안 전기차량의 작동을 중지하거나 운행이 가능한 별도의 차량을 대기시켜 교번적으로 사용해야 하는 번거로움을 해소할 수 있다는 제3효과를 갖는다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리교환장치 및 이를 차량에 장착하였을 때의 작동모습을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리교환장치의 일 실시예에서, 복수개의 롤러를 구비하는 이송모듈의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리교환장치의 일 실시예에서, 복수개의 롤러를 구비하는 이송모듈의 구성을 나타내는 분해사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리교환장치의 일 실시예에서, 풀리 및 벨트를 구비하는 이송모듈의 구성을 나타내는 분해사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리교환장치의 일 실시예에 있어서, 리프팅장치의 경사면 형성에 따른 배터리의 이송동작을 설명하는 모식도이다. (도5(a)는 제1이송기능, 도5(b)는 제2이송기능을 수행하는 동작을 나타낸다.)
도 6은 본 발명에 따른 배터리교환장치의 일 실시예에 있어서, 이송가이드수단을 구비하는 구성을 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리교환장치의 일 실시예에 있어서, 이송모듈과 안착구역을 나타내는 평면도 및 충전부의 모식도를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 배터리교환장치의 일 실시예에 있어서, 대기구역을 포함하는 구성 및 이를 통한 배터리의 이송동작을 설명하는 모식도이다. (도8(a)는 차량으로부터 탈착된 배터리가 이송되는 경로를, 도8(b)는 배터리를 차량으로 이송하는 경로를 나타낸다.)
도 9는 본 발명의 배터리교환장치의 일 실시예에 있어서, 복수개의 대기구역을 포함하는 배터리교환장치를 나타내는 모식도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 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 명세서에서, "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.

본 발명에서 배터리는 단일 배터리, 배터리와 전기적인 접점을 형성하고 있으며 배터리가 탑재된 배터리팩 및 2개 이상의 배터리가 전기적으로 연결된 배터리모듈을 모두 포함하는 것으로 한다.

본 발명은, 전기차량 내부에 마련된 배터리장착위치(10, 10')로부터 탈착된 배터리(50)를 이송모듈(100)의 일면 위에 형성되는 안착구역(180)을 향하여 이송하는 제1이송기능 및 안착구역(180)으로부터 배터리(50)를 배터리장착위치(10, 10')로 이송하는 제2이송기능을 구비하는 이송모듈(100), 배터리(50)를 충전하는 기능을 구비하는 충전모듈(300) 및 이송모듈(100)과 충전모듈(300)이 탑재되고 이를 지지하는 기능을 구비하는 하우징(400)을 주요 구성요소로 하여, 배터리탈장착, 이송 및 충전이 일괄적으로 수행되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하, 본 발명의 구성요소에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 먼저, 본 발명의 하우징(400)은 본 배터리교환장치의 전체적인 골격을 이루는 구조물로, 하우징(400)의 일부 영역에 본 발명의 구성요소들 예를들면, 이송모듈(100), 충전모듈(300) 등이 안착되며, 이들을 지지하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 기능을 수행하기 위하여 하우징(400)은 본 발명의 구성요소들이 탈착하지 않도록 충분한 강도를 갖는 소재로 제조되어야 하며, 차량으로부터 탈착된 배터리에서 발생하는 고온의 열기에 의해 변형이 야기되지 않도록 소재를 선정하고 배터리를 안착하고 이송하는 도중에 비틀림을 유발하지 않도록 소정의 두께를 설정하여야 한다. 또한, 본 발명을 차량에 실시하는 경우, 하우징(400)은 전기차량의 배터리장착위치(10, 10')에 견고하게 결합되어야 한다. 하우징(400)이 배터리장착위치(10, 10')에 견고하게 결합되지 않는 경우, 배터리를 교환하는 중에 배터리가 이탈하여 손상되거나 사용자가 상해를 입을 수 있는 상황이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 본 발명을 실시하는 경우, 하우징(400)과 배터리장착위치(10, 10')를 결합하고 결합력을 유지할 수 있는 마운팅부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 이송모듈(100)은 일면 위에 안착구역(180)을 형성하는 것을 특징으로 하며, 여기서 안착구역(180)은 이송 및 충전 전후로 배터리가 안착되는 소정의 위치를 말하며, 이송모듈(100)의 어느 부위에 고정된 것이 아님을 명시한다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 안착구역(180)에는 안착된 배터리를 고정하고 보호하기 위하여 케이싱(182)이 구비될 수도 있다. 이때, 케이싱(182)은 배터리가 안착될 수 있도록 배터리 크기에 대응하는 소정의 공간부가 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있으며, 선택적으로 개폐가 가능한 덮개를 구비할 수도 있다.

다음으로, 도2 내지 도4를 참조하여 이송모듈에 구비된 이송수단에 관하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 이송모듈(100)은 제1이송기능 및 제2이송기능을 수행하기 위하여, 복수개의 롤러(150)를 포함하여 이루어지고, 복수개의 롤러(150)는, 배터리의 이송방향에 수직한 방향으로 축 방향이 설정되어 설치되고, 상면에 배터리가 적재된 상태에서, 배터리에 작용되는 소정의 외력(여기서 외력은 후술하는 장착력 및 탈착력을 의미한다.)을 받아 배터리의 하단면과 접촉하는 복수개의 롤러(150) 사이에 작용하는 구름마찰력에 의해 배터리를 이송하는 것을 특징으로 할 수 있다. 각각의 롤러(150)는 중심을 관통하는 회전축(151)을 구비하며, 회전축(151)은 하우징(400) 또는 별도로 마련되는 롤러프레임(미도시)에 회전가능 하도록 결합될 수 있다. 또한, 롤러(150)에 마련된 회전축(151)을 결합 및 고정하기 위하여 도3에 도시된 바와 같이 하우징(400)에는 다수개의 홈(31)이 마련될 수 있으며, 이를 볼트와 같은 고정수단(미도시)으로 고정하는 구성도 가능할 수 있다. 이때, 복수개의 롤러(150)는 서로의 회전을 방해하지 않고 매끄럽게 회전될 수 있도록 결합되어야 하며, 롤러(150)의 회전을 용이하게 하기 위하여 회전축(151)에 베어링을 더 구비하거나 윤활제를 도포할 수도 있다. 또한, 롤러(150)의 회전에 의해 형성되는 구름판과 배터리 사이에 작용하는 구름마찰력은 배터리의 이송력 보다 작아야 배터리가 이송모듈(100)에 의해 이송될 수 있다. 아울러, 이송모듈(100)은 복수개의 롤러(150)가 이송모듈(100)로부터 이탈하지 않도록 1개 이상의 고정부재(155, 155')를 더 구비할 수도 있다. 고정부재(155, 155')는 롤러(150)가 이탈하지 않도록 하는 것이면 어느 것이든 가능할 수 있으며, 도면에 나타낸 것과 같은 형태로 한정되지 않는다. 다만, 고정부재(155, 155')는 배터리가 탈장착되는 중에 걸림을 유발하지 않고, 배터리의 이송을 간섭하지 않도록 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 이송모듈(100)은 이격되어 배치되는 제1풀리(161)와 제2풀리(162), 제1풀리(161) 및 제2풀리(162)에 감겨 무한궤도 운동하는 벨트(160)를 포함하여 이루어지고, 벨트(160)의 상면에 배터리가 적재된 상태에서, 제1풀리(161)와 제2풀리(162)의 회전에 의해 벨트(160)가 무한궤도 운동하여 배터리를 이송하는 구성으로 실시될 수도 있다. 또한, 이송모듈(100)은 제1풀리(161) 및 제2풀리(162) 중 하나 이상에 결합되어 회전동력을 제공하는 기능을 구비하는 구동부(미도시)를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성을 포함하여 이루어지는 이송모듈(100)의 일 실시예를 도4에 도시하였으며 이에 관하여 상세하게 설명하도록 한다. 본 실시예에서 구동부(미도시)는 제1풀리(161) 및 제2풀리(162)에 각각 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다. 벨트(160)는 제1풀리(161) 및 제2풀리(162) 풀리에 감겨 무한궤도운동 하되, 제1풀리(161) 및 제2풀리(162)에 결합된 구동부의 운동방향에 따라 벨트(160)의 운행방향을 조정하여 배터리의 이송방향을 조정할 수 있다. 전술한 것과 같이 풀리 및 벨트(160)를 구비하는 이송모듈(100)은 벨트(160)의 장력을 조절하는 것이 중요하다. 벨트(160)의 상면에 배터리가 적재될 시, 벨트(160)는 처지지 않고 배터리의 하중을 견딜 수 있을 만큼의 소정의 장력을 유지할 수 있어야 하며, 이는 제1풀리(161) 및 제2풀리(162)에 의해 조절될 수 있다. 또한, 벨트(160)의 처짐을 방지하기 위하여 추가적으로 아이들러(idler)와 같은 구성요소를 구비할 수 있다.

또한, 본 발명의 이송모듈(100)은 소정의 열과 행으로 설치되는 롤러 어레이(170)를 포함하여 배터리를 이송시키는 것을 특징으로 할 수도 있다. 이때, 롤러 어레이(170)에 구비되며 회전하는 각각의 롤러는 볼 베어링, 구름베어링을 포함할 수 있으며, 이송모듈(100)에 설치되는 롤러 어레이(170)의 개수는 배터리의 무게 및 크기를 고려하여 설치되어야 한다.

또한, 본 발명에 따른 배터리교환장치는, 이송모듈(100)과 배터리장착위치(10, 10')의 상면간 단차가 존재하지 않도록 고도를 조절하여, 이송모듈(100)이 제1이송기능 및 제2이송기능을 수행하는데 걸림이 발생하지 않도록 하우징(400)을 승하강하는 기능을 구비하는 리프팅장치(420)를 더 포함할 수 있다. 또한, 리프팅장치(420)는 이송모듈(100)의 일단을 배터리장착위치(10, 10')에 일치하도록 위치시키고, 하우징(400)의 일단을 상승 또는 하강시켜 경사면을 형성하여 배터리의 이송을 보다 신속하고 용이하게 할 수 있다. 리프팅장치(420)는 실시예에 따라서 그 형태를 달리 할 수 있으며, 장착위치 또한, 배터리교환장치의 양측단 및 중앙 어디든 위치할 수 있다. 도면에 도시된 리프팅장치(420)는 본 발명의 일 실시예이며, 도5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 리프팅장치(420)의 경사면 형성기능에 관하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 일 실시예에서 리프팅장치(420)는 하우징(400)의 일단 및 타단에 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다. (여기서, 하우징의 일단에 마련된 리프팅장치를 420, 타단에 마련된 리프팅장치를 420'로 한다.) 배터리가 배터리장착위치(10, 10')로부터 탈착되어 이송되는 경우, 리프팅장치(420)에 의해 안착구역(180)이 마련되어 있는 하우징(400)의 일단이 하강하여 제1이송기능을 신속하고 용이하게 수행할 수 있다. 또한, 배터리가 안착구역(180)으로부터 배터리장착위치(10, 10')로 이송되는 경우에, 리프팅장치(420)에 의해 안착구역(180)이 마련되어 있는 하우징(400)의 일단이 상승하여 제2이송기능이 신속하고 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 배터리가 이송모듈(100)을 통하여 이송되는 동안 소정의 자세를 유지하며 이송되도록 가이드하는 기능을 구비하는 이송가이드수단(410)을 더 포함할 수 있다. 배터리가 이송모듈(100)을 통하여 이송되는 동안에 배터리가 회전하거나 이탈하는 문제가 발생할 수 있는데, 이송가이드수단(410)을 구비하면, 사용자가 배터리의 자세를 고치지 않고 배터리가 배터리장착위치(10, 10') 및 안착구역(180)에 맞는 자세를 유지 할 수 있다. 도6에 이송가이드수단(410)을 구비하는 배터리교환장치의 일 실시예가 도시되어 있으며, 이 실시예에 관하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 일 실시예에서 배터리교환장치는 제1이송기능 및 제2이송기능을 수행하는 이송모듈(100), 배터리 및 이송모듈(100)을 지지하는 하우징(400), 하우징(400)의 양측하단에 장착되어 고도를 조절하고 경사면을 형성하는 기능을 수행하는 리프팅장치(420) 및 배터리가 소정의 자세를 유지하며 이송될 수 있도록 하우징(400)의 상단에 이송가이드수단(410)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이송가이드수단(410)은 배터리보다 높은 소정의 높이를 갖는 프레임일 수 있으며, 이는 배터리의 이송방향을 따라 양단에 설치되며, 배터리가 이송모듈(100)을 따라 이송하는데 있어서 이송모듈(100)과의 마찰이 발생하면 이송력이 저하되기 때문에 배터리와 소정의 이격 간격을 두고 설정되어 설치되어야 한다. 이때, 이격 간격이 너무 크면 배터리가 소정의 자세를 유지할 수 있도록 가이드 할 수 없기 때문에 배터리와의 이격 간격을 알맞게 조절하는 것이 바람직하다. 이송가이드수단(410)을 상기 도시된 형태 이외에 다양한 형태로 구현될 수 있음을 명시한다.

다음으로, 본 발명의 충전모듈(300)은 전기차량의 배터리장착위치(10, 10')로부터 탈착된 배터리가 방전된 배터리일 경우 충전하는 기능을 수행하는 구성요소이다. 이와 같은 기능을 수행하기 위하여, 충전모듈(300)은 배터리의 상태를 모니터링하고 제어하는 기능을 구비하는 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS)(320)을 포함할 수 있으며, 아울러, 충전모듈(300)은 본 배터리교환장치를 이용하는 사용자에게 배터리의 충전량, 충전시간 등에 관한 정보를 제공하고 사용자와의 상호작용을 수행하는 사용자인터페이스(I/F)(330)를 더 구비할 수도 있다. 또한, 충전모듈(300)은 배터리에 마련된 단자와 전기적인 접점을 형성하는 접속단자(310)가 구비되어 있으며, 충전모듈(300)이 충전을 필요로 하는 배터리가 적재된 위치로부터 소정의 거리를 두고 이격되어 설치되는 경우에는 전기적인 접속을 가능하게 하는 인출선을 구비할 수도 있다.

다음으로 본 발명의 충전모듈(300)이 설치될 수 있는 위치에 따른 몇 가지 실시예를 설명한다. 본 발명에 따른 배터리교환장치에서 충전모듈(300)은 첫번째로, 안착구역(180)에 설치될 수 있다. 충전모듈(300)이 안착구역(180)에 설치되는 경우, 안착구역(180)은 배터리가 인출 또는 인입되는 지점인 동시에 배터리를 충전하는 기능을 수행하는 위치가 될 수 있다. 또한, 상기와 같은 구성은 충전모듈(300)이 설치되는 별도의 공간을 필요로 하지 않기 때문에 소형화가 가능하고, 배터리의 신속한 충전이 가능하다는 이점이 있다. 두번째로, 충전모듈(300)은 하우징(400)에 인접한 위치 예를들면, 하우징의 하단에 구비되어 배터리를 충전하는 기능을 수행할 수 있다. 이는 사용자가 방전된 배터리를 하우징(400)에 인접한 위치에 구비된 충전모듈(300)로 직접 배터리를 인출입하여하는 구성으로 첫번째 구성과 비교할 때, 사용자가 소정의 힘을 더 가하여 충전모듈(300)로 배터리를 인출입해야 하는 번거로움이 있을 수 있다. 세번째로, 충전모듈(300)은 하우징(400)과 소정의 거리를 두고 외부에 마련된 별도의 공간에 설치될 수도 있다. 이러한 구성에서 배터리의 충전은 안착구역(180)에 위치한 배터리와 충전모듈(300)을 전기적으로 접속시키기 위하여 별도의 인출선을 연결하여 충전이 이루어 질 수 있다.

또한, 본 발명에서는 하우징(400)에 배터리를 보관하기 위한 대기구역(430)을 더 포함할 수도 있다. 대기구역(430)은 배터리가 배터리장착위치(10, 10')로 이송되기 전, 배터리장착위치(10, 10')로부터 이송된 배터리가 안착된 후 충전모듈(300)로 인입되기 전 또는 배터리가 충전모듈(300)로부터 충전이 완료되어 이송되기 전과 같이 배터리를 임시로 적치하기 위한 공간을 의미한다. 이와 같이 대기구역(430)을 별도로 마련하는 경우, 안착구역(180)에서 이송을 대기하는 배터리와 배터리장착위치(10, 10')로부터 탈착되어 이송된 배터리가 충돌하는 상황을 방지할 수 있다. 이와 관련하여 도8을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 도8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리교환장치는 하우징(400)에 배터리가 안착되는 안착구역(180), 배터리장착위치로 이송을 대기하는 배터리(20')가 위치하는 대기구역(430), 충전을 수행하기 위한 접속단자(310)가 마련된 충전구역(440)을 포함하며, 방전되어 전기차량의 배터리안착구역으로부터 탈착된 배터리(20)는 이송모듈(100)의 제1이송기능에 의해 안착구역(180)으로 이송된 후, 소정의 외력에 의해 충전구역(440)으로 탑재되어 충전되는 것을 특징으로 할 수 있다. (여기서, 충전모듈(300)의 다른 구성요소는 미도시) 이때, 대기구역(430)에는 기 충전된 배터리(20')가 이송을 대기하고 있으며, 방전된 배터리(20)가 충전구역(440)에 안착된 후, 기 충전된 배터리(20')는 소정의 외력에 의해 대기구역(430)으로부터 안착구역(180)에 탑재되고, 이에 소정의 외력을 가하면 이송모듈(100)의 제2이송기능에 의해 기 충전된 배터리(20')가 전기차량의 배터리장착위치를 향하여 이송될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서 충전모듈(300)이 마련되는 충전구역(440) 및 대기구역(430)은 하우징(400)에 각각 2개 이상 마련될 수 있으며, 이와 같은 구성은 복수개의 배터리를 탑재하여 전기차량을 운용하는 경우, 복수개의 배터리를 동시에 충전할 수 있기 때문에 보다 효율적인 전기차량의 운용을 가능케 할 수 있다.

또한, 도9에 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리교환장치의 모식도가 도시되어 있다. 이를 참조하면, 배터리교환장치는 복수개의 롤러 어레이(170)가 구비된 이송모듈(100), 이송모듈(100)과 배터리장착위치(10)의 상면간 단차가 존재하지 않도록 고도를 조절하는 리프팅장치(420), 배터리장착위치(10)로부터 이송모듈(100)을 통하여 이송된 배터리 및 배터리장착위치(10)를 향하여 이송을 준비하는 배터리가 안착되는 안착구역(180), 탈착 된 배터리(20)를 충전하기 위한 충전구역(440), 미리 충전된 배터리를 보관하는 복수개의 대기구역(430) 및 전술한 구성요소가 마련되어 있는 하우징(400)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 전술한 구조의 배터리 교환장치는 높이를 조절할 수 있는 대기구역(430)을 복수개 포함하여, 미리 충전된 소정의 배터리를 대기구역(430)에 구비하고 있다가 전기차량의 배터리장착위치(10)로부터 탈착 된 배터리가 방전된 배터리일 경우, 신속하게 충전된 배터리를 이송하여 바로 주행이 가능하다는 이점을 갖는다. 또한, 충전구역(440)에 충전모듈(300)을 마련하여 방전된 배터리를 충전하고 충전이 완료된 배터리를 대기구역(430)에 안착하여 전기차량을 보다 효율적으로 운용할 수 있게 하는 것을 이점으로 한다. 이때, 이송모듈의 구성요소는 롤러 어레이 외에 벨트와 풀리로 구성될 수 있고, 복수개의 롤러로 구성되는 것도 가능할 수 있음을 명시한다.

다음으로 본 발명에 따른 배터리교환장치로 배터리를 탈착 또는 장착하는 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 배터리탈착방법은, i) 이송모듈(100)과 배터리장착위치(10, 10')의 상면간 단차가 존재하지 않도록 고도를 조절하는 단계, ii) 배터리장착위치(10, 10')에 삽입되어있는 배터리에 소정의 탈착력을 가하여 이송모듈(100)의 일단측으로 배터리를 탈착하는 단계, iii) 하우징(400)의 일단을 하강시켜 경사면을 형성하는 단계, iv) 배터리가 이송모듈(100)의 제1이송기능에 의해 안착구역(180)을 향하여 이송되는 단계, v) 배터리가 이송모듈(100)의 일단에 대응하는 타단에 마련된 안착구역(180)에 안착되는 단계를 주요단계로 한다. 본 탈착방법의 ii) 단계에 있어서, 배터리장착위치(10, 10')로부터 탈착된 배터리가 방전된 배터리일 경우에, v) 단계 이후에 이를 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, i) 단계에서 고도를 조절하는 기능 및 iii) 단계에서 경사면을 형성하는 기능은 전술한 리프팅장치(420)에 의해 수행될 수 있다. 아울러, 경사면을 형성하는 iii) 단계는 ii) 단계 이전에 수행되어 경사면을 형성한 후에 배터리에 탈착력을 가하여 이송모듈(100)의 일단으로 적재하는 단계가 이루어질 수도 있다.

다음으로, 배터리장착방법은, i) 이송모듈(100)과 배터리장착위치의 상면간 단차가 존재하지 않도록 고도를 조절하는 단계, ii) 하우징(400)의 일단을 상승시켜 경사면을 형성하는 단계, iv) 배터리가 이송모듈(100)의 제2이송기능에 의해 배터리장착위치(10, 10')를 향하여 이송되는 단계, v) 이송모듈에 의해 이송된 배터리에 소정의 장착력을 가하여 배터리장착위치(10, 10')에 장착하는 단계를 주요단계로 할 수 있다. 전술한 탈착방법과 마찬가지로, 고도를 조절하는 i) 단계 및 경사면을 형성하는 ii) 단계는 배터리교환장치에 마련된 리프팅장치(420)에 의해 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 배터리교환장치를 이용한 배터리의 탈착방법 또는 장착방법은 사용자가 배터리교환을 실시하는데 있어서 보다 용이한 순서로 얼마든지 변형이 가능하며, 본 명세서에 기재된 단계에 따라 순차적으로 진행되는 것이 아님을 명시한다.

또한, 본 발명에 따른 배터리교환장치에 구비된 충전모듈은 별도의 인출선을 통하여 배터리교환이 불가능한 전기차량의 배터리를 충전할 수 있는 기능을 수행할 수도 있다.

아울러, 본 발명은 전기차량 특히, 농업용 및 산업용 소형 전기차량의 배터리 교환을 용이하게 하고 방전된 배터리를 신속하게 충전하는 기능을 제공하여, 종래기술에서 배터리가 충전되는 동안 차량을 구동할 수 없었던 문제점을 해소하는 것을 주요한 목적으로 하나, 이는 전기차량에만 국한되는 것이 아니고, 배터리와 같은 소형부품의 탈장착을 필요로 하는 산업용 또는 가정용 기계에 적용하여 실시 할 수 있음을 명시한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10, 10': 배터리장착위치
20, 20': 배터리
31: 홈
100: 이송모듈
150: 롤러
151: 회전축
155, 155': 고정부재
160: 벨트
161: 제1풀리
162: 제2풀리
170: 롤러 어레이
180: 안착구역
182: 케이싱
300: 충전모듈
310: 접속단자
320: 배터리관리시스템(BMS)
330: 사용자인터페이스(I/F)
400, 400': 하우징
410: 이송가이드수단
420, 420': 리프팅장치
430: 대기구역
440: 충전구역

Claims (15)

1. 전기차량의 배터리교환장치에 있어서,
   이송모듈;
   배터리를 충전하는 기능을 구비하는 충전모듈; 및
   상기 이송모듈 및 상기 충전모듈이 탑재되고 이를 지지하는 기능을 구비하는 하우징을 포함하고,
   상기 하우징에는 배터리가 안착되는 안착구역, 배터리장착위치로 이송을 대기하는 대기구역, 및 충전을 수행하기 위한 접속단자가 마련된 충전구역을 포함하고,
   상기 이송모듈은 상기 전기차량 내부에 마련된 상기 배터리장착위치로부터 탈착된 배터리를 상기 이송모듈의 일면 위에 형성되는 상기 안착구역을 향하여 이송하는 제1이송기능 및 상기 안착구역으로부터 기 충전된 배터리를 상기 배터리장착위치로 이송하는 제2이송기능을 구비하고,
   상기 제1이송기능에 의하여 상기 안착구역에 안착된 상기 탈착된 배터리는 소정의 외력에 의하여 상기 충전구역으로 이송되고,
   상기 기 충전된 배터리는 상기 충전구역에서 충전된 후 상기 대기구역에서 대기하고, 상기 대기구역에서 소정의 외력에 의하여 상기 안착구역으로 이동한 후 제2이송기능에 의하여 상기 배터리장착위치로 이송되는 것을 특징으로 하고,
   배터리탈장착, 이송, 및 충전이 일괄적으로 수행되도록 하며,
   상기 대기구역은 배터리를 임시로 적치하기 위한 공간으로, 상기 안착구역에서 이송을 대기하는 배터리와 상기 배터리장착위치로부터 탈착되어 이송된 배터리가 충돌하는 것을 방지하기 위한 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 배터리교환장치는 상기 배터리가 소정의 자세를 유지하며 이송되도록 가이드하는 기능을 구비하는 이송가이드수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 이송모듈은 복수개의 롤러를 포함하여 이루어지고, 상기 복수개의 롤러는, 상기 배터리의 이송방향에 수직한 방향으로 축 방향이 설정되어 설치되고, 상면에 배터리가 적재된 상태에서, 상기 배터리에 작용되는 소정의 외력을 받아 상기 배터리와의 사이에 작용하는 구름마찰력에 의해 상기 배터리를 이송하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 이송모듈은 이격되어 배치되는 제1풀리와 제2풀리, 상기 제1풀리 및 제2풀리에 감겨 무한궤도 운동하는 벨트를 포함하여 이루어지고,
   상기 벨트의 상면에 배터리가 적재된 상태에서, 상기 제1풀리와 제2풀리의 회전에 의해 상기 벨트가 무한궤도 운동하여 상기 배터리를 이송하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 이송모듈은 상기 제1풀리 및 제2풀리 중 하나 이상에 결합되어 회전동력을 제공하는 기능을 구비하는 구동부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 이송모듈은 소정의 열과 행으로 설치되는 롤러 어레이(array)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 배터리교환장치는, 상기 이송모듈과 상기 배터리장착위치의 상면간 단차가 존재하지 않도록 상기 하우징을 승하강하여, 상기 이송모듈이 제1이송기능 및 제2이송기능을 수행하는데 걸림이 발생하지 않도록 하는 기능을 구비하는 리프팅장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 리프팅장치는 상기 이송모듈의 일단을 상기 배터리장착위치와 일치하도록 위치시키고, 상기 하우징의 일단을 상승 또는 하강시켜 경사면을 형성하여, 상기 배터리의 이송을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 충전모듈은 배터리의 상태를 모니터링하고 제어하는 기능을 구비하는 배터리관리시스템을 포함하여 이루어지고, 외부 전력공급부로부터 공급된 전력을 이용하여 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 안착구역은 상기 충전모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
    
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    상기 충전구역 및 상기 대기구역은 상기 하우징에 각각 2개 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 전기차량의 배터리교환장치.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제

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