KR101973527B1 - 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템 - Google Patents

태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DC 링크 방식의 계통 연계형 태양광 컨버터, 배터리 및 전기 자동차용 컨버터가 조합되어 전기 자동차의 급속 충전 차량이 많이 연결되더라도 태양광과 배터리를 적용함으로써 계통에서 공급되는 전력을 줄여 안정적으로 수급할 수 있도록 한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템에 관한 것으로서, AC 전력을 공급하는 계통전원과, 상기 계통전원의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 PCS와, 태양광으로부터 생산된 DC 전력을 DC 전력으로 변환하여 상기 계통전원의 DC 전력에 연계하여 출력하는 태양광 컨버터와, 상기 계통전원의 DC 전력을 충전함과 더불어 충방전을 제어하는 BMS를 포함하여 구성되는 배터리와, 상기 계통전원의 DC 전력을 전기 자동차에 탑재된 배터리에 충전하기 위해 DC 전력으로 변환하는 다수의 전기 자동차용 컨버터와, 상기 배터리의 충방전 모드를 결정하고 상기 충방전 모드의 변환을 제어와 충방전시에 충방전 전력을 결정하여 제어함과 더불어 상기 각 전기 자동차용 컨버터의 충전전력을 제어하고 상기 전기 자동차의 연결상태 및 배터리의 충전 상태에 따라 상기 태양광 컨버터를 제어하는 PMS를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템{charging system of solar and ESS fusion electric vehicle}
본 발명은 전기 자동차의 충전 시스템에 관한 것으로, 특히 전기 자동차의 급속 충전 차량이 많이 연결되더라도 태양광과 배터리를 적용함으로써 계통에서 공급되는 전력을 줄여 안정적으로 수급할 수 있도록 한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차는 가솔린이나 디젤을 연료로 사용하는데, 가솔린이나 디젤은 연소시 유해한 가스를 발생하여 대기오염을 일으킬 뿐만 아니라 가솔린이나 디젤을 만드는 원유가 지구상에 얼마 남아있지 않기 때문에 각 산업분야에서 대체에너지개발을 서두르고 있으며 그 해결책으로 전기 자동차의 개발이 완료되어 운행 중에 있다.
전기 자동차 확산에 따른 충전 수요 증가 대응을 위해서는 충전 인프라 확충이 필요하는데, 전기 자동차를 충전하는 방식에는 완속 충전기와 급속 충전기로 구분할 수 있다.
먼저, 완속 충전기는 상용 교류전력계통에서 공급되는 교류 220V 또는 380V의 전기에너지를 차량 내부에 탑재된 충전기를 이용하여 직류 전원으로 변환한 후 충전하는 방식이다.
완속 충전기는 7kW 정도의 용량을 장시간 충전하는 방식이며, 최근에 급속 충전기에 대한 개발이 진행되고 있다. 급속 충전기 1대는 완속 충전기의 10대 정도에 해당하는 전력수요 증가를 가져오며, 다수의 급속 충전기가 설치되는 경우 송배전 설비 용량이 그 만큼 커져야 되며, 계통 전력 품질 교란을 야기할 수 있다.
또한, 전기 자동차가 일반화됨에 따라 기존의 주유소와 같은 축전지 충전소의 필요성이 많이 대두되고 있다. 이러한 충전소의 건설에 있어 기존의 도심지에서 아파트 및 공동주택 주차장, 회사 빌딩 주차장, 공공시설 주차장 등과 같은 대규모 장소에 다수의 전기 자동차를 충전하기 위해서는 전기 자동차에 전력을 충전하기 위한 많은 양의 전력이 필요하게 된다.
이러한 전력을 얻기 위해서 추가적인 송배전선로의 구축과 전력공급을 관리, 제어하기 위한 관리 설비 및 다수의 충전소 구축을 위한 장소의 확보로 인한 고가의 설치비용으로 인하여 충전 인프라 구축 시간과 비용면에서 비효율적인 문제점이 있다.
도 1은 충전 인프라를 구성하기 위해 전력을 공급하는 계통과 전기 자동차의 충전을 위한 방식을 분류한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 도심지에는 차량의 운행량이 많아 대규모 충전 인프라의 구축이 절실하며, 이를 위해서는 충전을 위한 안정적인 전력공급과 전기차 충전을 위한 부지확보가 필수적이다.
따라서 대규모 충전 인프라를 기존의 도심구간에 구축하기 위해 도심에 이미 구축되어 운영 중인 철도 인프라의 전력공급망과 지하철 환승주차장 및 역사 대형주차장 연계함으로써 안정적인 대용량의 전력공급을 가능하도록 한 전기차 충전 인프라 구현 기술이 있다.
도시철도 변전소는 전력공급사업자인 한국전력공사로부터 교류 22.9kV을 수전 받아 전동차에 전력을 공급하기 위해 정류기를 이용하여 전동차용 전력인 직류 1,500V 전력과 조명, 냉난방설비 등과 같은 일반 전기설비용 전력인 교류 삼상 6,600V(22,900V) 전력을 변환하여 공급하고 있다.
또한, 전력공급사업자에서 전력공급이 불가능한 경우를 대비하여 도시철도 변전소에서는 해당 변전소와 인근 변전소 그리고 해당 전기실과 인근 전기실간에 연락 수전선로 및 연락 배전선로를 구축하여 안정적인 전력공급이 가능하도록 시스템을 구축 운영하고 있다.
그리고, 각 설비의 감시 및 제어와 전력사용량 등을 종합적으로 관리, 운영하기 위해 중앙 원격감시제어시스템을 구축하여 시스템을 통합 관리하고 있다.
직류 급전계통을 활용하여 전기 자동차 충전용 전력을 공급하는 방식은 크게 2가지 방식으로 구성할 수 있다. 첫 번째 방식은 정류기 2차측의 직류 1500V 급전모선에서 인출하고 직류-직류컨버터를 이용하여 전기 자동차의 급속 충전에 요구되는 다양한 직류 전압으로 전압을 변환하여 전력을 공급하는 방식이며, 두 번째 방식은 일반 전기설비에 전력을 공급하는 고압배전계통에서 배전용 변압기를 이용하여 6,600(22,900)/380V 또는 6,600(22,900)/220V 전압으로 변환하여 기존의 급속충전기 및 완속 충전기에 전력을 공급하는 방식이다.
이렇게 전기 자동차는 충전하는 데 시간이 오래 걸리는 반면, 한 번 충전으로 운행할 수 있는 거리가 짧다. 따라서, 전기 자동차는 자주 충전을 해주어야 하며, 한번 차량을 운행하기 위해서 많은 시간이 배터리의 충전 시간으로 소요된다.
뿐만 아니라 배터리의 대용량화 및 충전시간의 단축을 위하여 대용량의 급전 인버터가 필요하고, 급전 인버터의 용량이 증가함에 따라 부하가 커져 대용량의 계통전원이 필요하였다.
한편, 급전 인버터는 상시 일정한 부하로 작용하지 않고 충전 요구가 있을 경우에만 대용량의 부하로 작용하고, 계통전원은 상시 부하가 아니더라도 최대 부하에 대한 급전이 가능해야만 한다.
또한, 대용량의 부하가 간헐적으로 작용할 경우 계통전원에 영향을 미칠 수가 있으며, 급전 인버터가 설치되는 지역 환경에 따라 수전이 어려운 경우가 있었다.
[특허문헌 1] 등록특허공보 제10-1219284호(등록일; 2013. 01. 02, 발명의 명칭; 대용량 직류-직류 컨버터를 활용한 직류 배전망용 전기 자동차 다기능 충전장치)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 DC 링크 방식의 계통 연계형 태양광 컨버터, 배터리 및 전기 자동차용 컨버터가 조합되어 전기 자동차의 급속 충전 차량이 많이 연결되더라도 태양광과 배터리를 적용함으로써 계통에서 공급되는 전력을 줄여 안정적으로 수급할 수 있도록 한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템은 AC 전력을 공급하는 계통전원과, 상기 계통전원의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 PCS와, 태양광으로부터 생산된 DC 전력을 DC 전력으로 변환하여 상기 계통전원의 DC 전력에 연계하여 출력하는 태양광 컨버터와, 상기 계통전원의 DC 전력을 충전함과 더불어 충방전을 제어하는 BMS를 포함하여 구성되는 배터리와, 상기 계통전원의 DC 전력을 전기 자동차에 탑재된 배터리에 충전하기 위해 DC 전력으로 변환하는 다수의 전기 자동차용 컨버터와, 상기 배터리의 충방전 모드를 결정하고 상기 충방전 모드의 변환을 제어와 충방전시에 충방전 전력을 결정하여 제어함과 더불어 상기 각 전기 자동차용 컨버터의 충전전력을 제어하고 상기 전기 자동차의 연결상태 및 배터리의 충전 상태에 따라 상기 태양광 컨버터를 제어하는 PMS를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, DC 링크 방식의 계통 연계형 태양광, 배터리 및 전기 자동차 컨버터가 조합되어 전기 자동차의 급속 충전 차량이 많이 연결되더라도 태양광과 배터리를 적용함으로써 계통에서 공급되는 전력을 줄여 안정적으로 수급할 수 있다.
도 1은 충전 인프라를 구성하기 위해 전력을 공급하는 계통과 전기 자동차의 충전을 위한 방식을 분류한 도면
도 2는 본 발명에 의한 DC 링크 방식에 의한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 구성도
도 3은 본 발명에 의한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템을 보다 구체적으로 설명하기 위한 구성도
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명에 의한 DC 링크 방식에 의한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명에 의한 DC 링크 방식에 의한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 전기 자동차를 충전하기 위해 여러 대의 급속 충전기를 설치하는 경우 안정적인 전력 수급을 위해 전기 자동차용 컨버터 이외에 태양광 컨버터와 배터리를 융합해서 시스템을 구축한다.
이때 배터리는 전기 자동차의 충전 차량이 없는 경우 태양광 컨버터를 통해 전달된 전력을 충전하고 있다가, 여러 대의 전기 자동차를 충전할 때 계통 전력이 부족할 때 배터리에 충전된 전력을 방전하여 전기 자동차를 충전할 수 있는 전력을 공급할 수 있도록 효율적으로 운용할 수 있는 기술이 필요하다.
태양광 컨버터, 배터리, 전기 자동차용 컨버터는 각각 별도의 시스템으로서, 태양광 컨버터는 PV모듈로부터 생산된 DC 전력을 변환해주는 시스템이며, 배터리는 상기 태양광 컨버터 또는 PCS를 통해 DC 전원으로 변환된 DC 전력을 충전했다가, 필요할 때 전력을 방전하는 시스템이며, 전기 자동차용 컨버터는 DC 전력을 전기 자동차에 장착된 배터리에 충전하는 기능을 갖는 시스템으로써 각 분야에서 독립적으로 사용되고 있다.
상기 태양광 컨버터, 배터리 및 전기 자동차용 컨버터가 융합된 전기 자동차의 충전 시스템은 계통전원인 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 PCS와 더불어 태양광 컨버터, 배터리, 전기 자동차용 컨버터를 DC 계통에 연결하여 구축한다. 그리고 PMS에서는 전기 자동차용 컨버터의 전기 자동차 연결상황과 태양광 발전량에 따라 배터리의 운용방안을 결정하고 운용 방안에 따라 상기 배터리를 충전 또는 방전제어를 하며 상기 전기 자동차의 충전이 없거나 상기 배터리의 충전이 완료되었을 경우에 상기 태양광 발전을 중지하면서 충방전시에 충전량이나 방전량 제어를 수행하게 된다.
한편, 상기 PCS는 상기 배터리 및 BMS와 분리되게 구성되어 다양한 목표로 운영되고 있다. 상기 배터리는 DC 계통에서 주파수가 높을 때 충전하고 낮을 때 방전해주는 주파수 조정용, 건물에서 최대수요전력관리용으로 경부하 시간대 충전했다가 피크 발생 시간대에 방전해주는 용도, 태양광발전소와 연계하여 낮 시간대 태양광 발전전력을 충전해서 저녁시간에 방전을 하여 전력계통의 부하를 쉬프팅하기 위한 용도로 사용하고 있다.
또는, 마이크로 그리드를 구축하여 각 에너지 자립섬 등 전력사용 환경에 따라 최적의 운영시나리오를 결정하고 시나리오에 따라 운영하게 된다.
상기 태양광 컨버터는 일사량과 온도에 따라 최적 출력을 할 수 있도록 MPPT 제어 기능과 DC 전력을 DC 전력으로 변환해서 계통에 연계하여 출력하는 기능을 갖는 장치로서, 기상환경 및 시간에 따라 자율적으로 동작하는 기기이며 외부에서 별도로 제어할 수 있는 요소는 없다.
상기 배터리는 계통의 DC 전력 또는 태양광 컨버터를 통해 전달된 DC 전력을 충전하거나 DC 전력으로 방전해 주는 등의 충방전을 제어하는 BMS로 구성되어 있다.
상기 배터리는 리튬전지로 이루어져 일반적으로 납축전지로 이루어진 종래보다 유해물질이 없어 친환경적이고, 급속충전이 가능한 고효율 특성을 갖으며, 발화성 및 폭발성과 같은 위험성을 사전에 해결할 수 있다.
여기서, 상기 배터리는 리튬전지에 한정되지 않고, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery) 등이 적용될 수도 있다.
상기 배터리는 상기 태양광 컨버터로부터 전달된 DC 전원 및 상기 계통전원으로부터 공급된 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 PCS로부터 DC 전원을 공급받아 저장할 수가 있다.
상기 BMS는 배터리의 제어를 통한 고효율의 충방전과 더불어 안전성을 확보하기 위한 것으로, 배터리 관리 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
첫 번째로 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 동일한 성능 구현이 가능하도록 하여 주는 열관리 제어와 두 번째로 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동하도록 하는 SOC(State of Charge) 제어로 나눌 수 있다.
한편, 상기 배터리가 만충전 상태가 아닐 경우 전기 자동차가 충전을 하지 않은 시간에 계통전원 또는 태양광 컨버터로부터 배터리를 충전하여 만충전 상태를 유지하도록 한다. 특히 심야 시간대에 전기 요금이 저렴한 점을 이용하여 심야 시간대에 배터리가 만충전되도록 제어한다.
상기 BMS는 외부의 제어에 따라 상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 체크하여 배터리 충/방전 동작을 제어한다.
상기 전기 자동차용 컨버터는 한 장소에 여러 대가 설치되며 계통의 DC 전력을 전기 자동차에 탑재된 배터리에 충전해 주는 장치이며, 일반적으로 운전자의 조작에 의해 충전 동작이 시작되어 사용자의 조작이나 입력 값에 따라 정지하게 된다. 이때 충전 전력을 외부에 명령을 통하여 제어할 수 있다.
한편, 태양광 컨버터는 DC 전력을 DC 전력으로 변환하는 기기이고, 배터리는 DC 전력을 받아 DC 전력으로 저장하고, 전기 자동차용 컨버터는 DC 전력을 공급받아 전기 자동차를 충전하는 기기로서 각각 독립적으로 사용되어 있다.
PCS는 계통의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리를 충전하거나 전기 자동차에 충전할 수 있는 전력을 공급함과 더불어 BMS에 충전하거나 방전할 수 있도록 충방전 전력량 제어를 하게 된다.
이때 배터리에 충방전을 위해서 DC 링크 전압을 조정하게 되는데, DC 링크 전압을 높여주면 배터리에 충전이 되고, DC 링크 전압을 낮추면 배터리는 방전을 하게 된다.
태양광 컨버터는 태양광 모듈에서 생산되는 DC 전력을 DC 링크로 공급해 주는 기능을 하며, 전기 자동차용 컨버터는 DC 링크의 전력을 전기 자동차로 공급해 주는 기능을 한다.
태양광 컨버터와 배터리 그리고 전기 자동차가 융합된 시스템에서 태양광 발전현황, 배터리의 SOC 상태 그리고 충전할 전기 자동차의 수량에 따라서 계통의 안정적 전력공급을 위해 시스템을 총괄적으로 관리할 수 있는 PMS가 필요하다.
상기 PMS는 PCS, BMS, 태양광 컨버터 그리고 전기 자동차용 컨버터와 통신을 통하여 데이터를 수집하여 상태에 따라 각 컨버터를 제어한다. PMS에서 PCS에 제어할 수 있는 항목은 배터리의 충전전력 또는 방전전력으로써 PMS에서 PCS에 출력값을 지령하면 지령값에 추종하여 자체적으로 PCS의 컨트롤러에서 제어한다.
태양광 컨버터는 발전된 DC 전력을 DC 링크로 출력하는 기능을 하는데 PMS는 정지 또는 발전지령을 할 수 있다. 만약에 배터리가 100% 충전되어 있고 충전할 전기차량이 없다면 태양광이 발전을 할 수 있는 상황이지만 정지한다.
전기 자동차용 컨버터는 DC 링크의 전력을 전기 자동차로 공급하는데 PMS에서는 최대충전전력을 제어한다. 최대 충전전력은 충전기에서 최대로 출력할 수 있는 전력으로써 자동차에서 많은 전력을 요구하더라도 PMS는 계통의 안전을 위해 최대 전력을 조작하게 된다.
도 3은 본 발명에 의한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템을 보다 구체적으로 설명하기 위한 구성도이다.
본 발명에 의한 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, PMS는 PCS, 배터리의 BMS, 태양광 컨버터 그리고 전기 자동차용 컨버터와 통신을 통하여 데이터를 수집하여 상태에 따라 각 컨버터를 제어한다. PMS에서 PCS에 제어할 수 있는 항목은 배터리의 충전전력 또는 방전전력으로써 PMS에서 PCS에 출력값을 지령하면 지령값에 추종하도록 자체적으로 PCS의 컨트롤러에서 제어를 하게 된다.
PMS는 배터리의 충방전 모드를 결정하고 상기 충방전 모드의 변환제어와 충방전시에 충방전 전력을 결정하고 제어하는 기능뿐만 아니라 전기 자동차용 컨버터의 충전전력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 PMS는 통신부(410), 데이터 저장부(420), 제어부(430) 그리고 디스플레이 및 조작부(440)로 구성된다.
상기 통신부(410)는 태양광 컨버터, 배터리와 BMS 그리고 다수의 전기 자동차영 컨버터와 통신을 통해서 상태 및 계측정보를 수집하는 계측부(411)와 상기 배터리에 충방전 모드 전환과 충방전 전력 변경 명령을 출력하며 전기 자동차용 컨버터에 충전전력 명령을 출력하는 제어명령 출력부(412)를 구비한다.
또한, 상기 제어명령 출력부(412)는 상기 태양광 컨버터의 동작을 제어하고 상기 PCS를 제어한다.
이때 상기 계측부(411)의 데이터의 수집과 제어명령 출력부(412)의 명령은 배터리와 전기 자동차용 컨버터의 통신방식에 따라 변경할 수 있는데 일반적으로 RS485, TCP 방식으로 통신을 하며 프로토콜은 MODBUS, DNP3.0을 사용할 수 있다.
상기 통신부(410)에서는 배터리와 전기 자동차용 컨버터와 통신할 수 있도록 통신 패킷을 생성하여 장비로 전송하거나, 수신된 패킷을 분석하여 데이터 항목별로 파싱해서 데이터 저장부(420)에 저장하는 기능을 포함한다.
상기 데이터 저장부(420)는 통신부(410), 제어부(430), 디스플레이 및 조작부(440)가 공용으로 사용할 수 있는 공유메모리 영역이다. 모든 데이터는 태그방식으로 관리되는 것을 특징으로 태그명을 이용하여 통신부(410), 제어부(430) 그리고 디스플레이 및 조작부(440)가 데이터에 접근할 수 있다.
이때 상기 데이터 종류는 태양광 컨버터, PCS, BMS, 전기 자동차용 컨버터에 제공되는 계측정보용 데이터와 제어를 위한 계측 및 제어 데이터 그리고 설비의 구성이나 용량, 운영관련된 설정정보를 저장하는 설정 데이터 그리고 동작 이력정보 데이터로 구분되는데 계측 및 제어 데이터는 휘발성 메모리에 저장되며, 설정 데이터는 비휘발성 메모리에 파일형태로 그리고 이력 데이터는 비휘발성 메모리공간에 DB로 저장된다.
상기 디스플레이 및 조작부(440)는 모니터와 키보드, 마우스 또는 터치 모니터 등의 하드웨어 장치로 구성되며 데이터 저장부(420)에 있는 데이터 정보를 그래픽컬하게 표시해주는 장치와 설정정보를 입력받는 장치이다.
또한, 상기 디스플레이 및 조작부(440)는 상기 전기 자동차 충전기 사용자가 충전조작할수 있는 UI를 포함한다. 사용자가 충전전력량 설정, 충전시작 등의 입력을 받을 수 있는 기능을 한다.
상기 제어부(430)는 태양광 발전전력, 전기 자동차의 연결상황에 따라 상기 ESS의 충방전 모드변환 및 충방전 전력을 제어하고, 배전선로의 안정성을 위해 전기 자동차의 최대충전전력을 제어하는 기능을 한다.
한편, 상기 제어부(430)는 상기 전기 자동차의 충전을 위한 다음의 요소를 고려하는데 태양광발전장치가 발전 또는 정지인 경우, 배터리의 충전상태가 상한설정값(SOCH) 이상 또는 하한설정값(SOCL) 이하인 경우, 또는 상한값과 하한값 사이인 경우, 그리고 전기차 충전기를 3대 설치했다고 가정했을 때 충전할 전기차가 0대, 1대, 2대, 3대인 경우에 대한 모든 조합을 보면 24개의 경우의 수가 나오게 되며 24개의 경우에 대하여 EMS의 운전모드, 충전하거나 방전할 때 전력 값 그리고 전기차 충전기의 최대충전전력을 정의한 규칙테이블을 표 1에 보인다.
즉, 아래의 표 1은 본 발명에 의한 DC 링크 방식의 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템에서 PMS 제어 규칙 테이블을 나타내고 있다.
표 2는 본 발명에 의한 DC 링크 방식의 태양광 및 ESS 융합형 전기 자동차의 충전 시스템에서 PMS 개선된 제어 규칙 테이블을 나타내고 있다.
규칙 1~12는 주간시간에 태양광이 발전 가능한 경우이며, 규칙 13~24는 저녁시간에 태양광 발전이 정지한 경우에 해당한다.
Figure 112018093885488-pat00001
Figure 112018093885488-pat00002
PMS의 출력부에 태양광 컨버터에 대한 동작제어 규칙이 추가된다. 조건부에서 태양광 발전상태로써 발전량을 사용해서 판단하는 경우에 규칙 9의 경우에 태양광 컨버터를 OFF하면 발전량이 0이 되어 규칙 21의 조건이 되고 다시 태양광 컨버터를 ON하게 되며 규칙 9와 규칙 21을 반복되어 시스템이 문제가 될 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해서 태양광 발전상태정보를 사용하지 않고 시간대를 사용하여 판단한다. 여기서 시간대는 주간과 야간으로 구분하였다. PMS는 설치된 장소의 GPS좌표에 대하여 일몰시간, 일출시간을 매일 계산하게 되며 이 시간을 이용하여 일출시각 전과 일몰시각 이후는 야간시간으로 간주하고, 일출시각과 일몰 시각 사이는 주간시간으로 간주하여 야간인지 주간인지를 판단한다.
PMS 운영예로써 표 2의 규칙 1의 경우 주간시간대 배터리가 하한설정값 이하이고, 충전할 전기차가 연결이 안되어 있는 경우에 태양광 컨버터는 ON상태이고, PCS는 BMS에 태양광 설비용량의 100%로 충전하게된다. 태양광은 설비용량 이상 발전할 수 없으며 날씨에 따라 발전량도 달라진다. 만약에 태양광 설비용량이 10kW이고 실제적으로 5kW정도 발전하는 상황이라면 배터리에 10kW로 충전되는데 부족한 전력 5kW는 태양광에서 공급된다.
규칙 8을 부연 설명하면 주가시간에 SOC가 상한과 하한 사이의 상태일 때 70kW급 충전기에 전기 자동차가 3대가 연결된다면, 태양광은 계속발전하고 PCS는 배터리를 PCS용량의 90%로 방전하며, 전기 자동차 최대충전전력을 80%로 줄이게 된다. PCS용량을 100kW, 태양광이 10kW 발전하고 있다고 가정했을 때, 전기 자동차에는 각 56kW씩 (70kW*0.8) 총 168kW의 전력을 공급해야 되는데, 태양광에서 10kW, 배터리에서 90kW (100kW*0.9)가 공급되고 나머지 68kW는 계통에서 공급되게 된다.
이와 같이 전기 자동차 충전 시스템에서 급속충전차량이 많이 연결되더라도 태양광 컨버터와 배터리를 적용함으로써 계통에서 공급되는 전력을 줄여 안정적으로 수급할 수 있다.
한편, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
410 : 통신부 420 : 데이터 저장부
430 : 제어부 440 : 디스플레이 및 조작부

Claims (11)

  1. AC 전력을 공급하는 계통전원과,
    상기 계통전원의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 PCS와,
    태양광으로부터 생산된 DC 전력을 DC 전력으로 변환하여 상기 계통전원의 DC 전력에 연계하여 출력하는 태양광 컨버터와,
    상기 계통전원의 DC 전력을 충전함과 더불어 충방전을 제어하는 BMS를 포함하여 구성되는 배터리와,
    상기 계통전원의 DC 전력을 전기 자동차에 탑재된 배터리에 충전하기 위해 DC 전력으로 변환하는 다수의 전기 자동차용 컨버터와,
    상기 배터리의 충방전 모드를 결정하고 상기 충방전 모드의 변환을 제어와 충방전시에 충방전 전력을 결정하여 제어함과 더불어 상기 각 전기 자동차용 컨버터의 충전전력을 제어하고 상기 전기 자동차의 연결상태 및 배터리의 충전 상태에 따라 상기 태양광 컨버터를 제어하는 PMS를 포함하여 구성되고, 상기 PMS는
    상기 PCS, 태양광 컨버터, BMS를 포함하는 배터리 그리고 다수의 전기 자동차용 컨버터와 통신을 통해서 상태 및 계측정보를 수집하는 계측부와 상기 배터리에 충방전 모드 전환과 충방전 전력 변경 명령을 출력하며 전기 자동차용 컨버터에 충전전력 명령 및 태양광 컨버터를 제어하는 제어명령 출력부를 구비한 통신부와,
    상기 PCS, 태양광 컨버터, BMS를 포함한 배터리 그리고 다수의 전기 자동차용 컨버터에 제공되는 계측정보용 데이터와 제어를 위한 제어 데이터 및 설비의 구성이나 용량, 운영 관련된 설정 데이터를 저장하는 데이터 저장부와,
    상기 데이터 저장부에 저장된 데이터 정보를 디스플레이하고 충전전력량 설정과 더불어 충전 시작 입력을 조작하는 디스플레이 및 조작부와,
    상기 전기 자동차의 연결상황, 태양광 발전전력의 상황에 따라 상기 배터리의 충방전 모드 변환 및 충방전 전력을 제어하고 상기 전기 자동차의 최대 충전전력을 제어하며 상기 전기 자동차의 연결상태 및 배터리의 충전상태에 따라 상기 태양광 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어지고,
    상기 통신부는 상기 BMS와 전기 자동차용 컨버터와 통신이 가능하도록 통신 패킷을 생성하여 장비로 전송하거나 수신된 패킷을 분석하여 데이터 항목별로 파싱하여 상기 데이터 저장부에 저장하는 기능을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전기 자동차의 충전을 위해 태양광발전이 발전 또는 정지인 경우, 배터리의 충전상태가 상한설정값(SOCH) 이상 또는 하한설정값(SOCL) 이하인 경우, 또는 상한값과 하한값 사이인 경우를 고려하여 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 태양광 컨버터는 일사량과 온도에 따라 최적 출력을 제어하는 MPPT 제어기능과 DC 전력을 DC 전력을 변환하여 상기 계통전원에 연계하여 출력하는 기능을 구비한 것을 특징으로 하는 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 태양광 컨버터는 기상환경에 따라 자율적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 각 전기 자동차용 컨버터는 운전자의 조작에 의해 충전동작이 시작되어 사용자의 조작이나 입력 값에 따라 정지하고, 충전 전력을 외부에서 명령을 통하여 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 PMS는 상기 각 전기 자동차영 컨버터의 전기 자동차 연결상황과 태양광 발전량에 따라 배터리의 운용방안을 결정하고 운용 방안에 따라 상기 배터리를 충전 또는 방전제어를 하며 충방전시에 충전량이나 방전량 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 저장부는 상기 계측 및 제어 데이터는 휘발성 메모리에 저장하고, 상기 설정 데이터는 비휘발성 메모리에 파일 형태로 저장하며, 상기 이력 데이터는 비휘발성 메모리 공간에 DB로 저장하는 것을 특징으로 하는 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 디스플레이 및 조작부는 상기 전기 자동차의 충전을사용자가 충전 조작할 수 있는 UI를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 PMS는 태양광이 설치된 장소의 GPS 좌표에 대하여 일몰시간, 일출시간을 매일 계산하고, 시간을 이용하여 일출 시각 전과 일출 시각 이후는 야간시간으로 간주하고 일출 시각과 일몰 시각 사이는 주간 시간으로 간주하여 야간인지 주간인지를 판단하여 상기 태양광 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 태양광 및 배터리 융합형 전기 자동차의 충전 시스템.
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