KR102400639B1 - 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 솔라셀을 통해 태양광발전을 수행하는 태양광발전수단과 발전기, 연료전지 및 배터리로 구성되어 일정량의 전력을 저장 및 부하측 요청에 따라 저장된 전력이나 생산된 전력을 제공하는 다중발전원 관리부(100); 상기 다중발전원 관리부(100)의 복수의 발전원에 각각 연결된 DC-DC컨버터를 통해 다중발전원의 전력을 공급받는 DC Link(250)와, 상기 DC Link(250)로 공급된 전력을 인버터(260)를 통해 공급받아 부하측으로 제공하거나 부하관리부의 계통전력을 공급받아 부하측으로 공급되도록 제어하는 AC-Link(270)가 구비된 전력제어관리부(200); 계통전력, AC부하, 전기차충전기의 전력을 모니터링하고, 전기차충전기의 충전요청 신호를 중앙제어부로 통보하고, 상기 계통전력, AC부하, 전기차충전기의 전력이 계약전력을 초과하는지 여부 또는 계통전력이 피크부하 상태인지 여부를 판단하여 중앙제어부로 전력공급을 요청하는 부하관리부(300); 상기 다중발전원 관리부, 전력제어관리부 및 부하관리부의 전반적인 관리를 수행하여 다중발전원의 효율적인 전력생산을 통해 부하관리부로 수요전력을 공급하도록 제어하는 중앙제어부(400);를 포함하는 충전시스템 및 상기 전기차 충전시스템을 제어하는 방법을 제공한다.

Description

다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 및 그 제어방법{Electric-car charging system with multi-electric power sources and its control method}
본 발명은 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광발전, 발전기, 연료전지, 배터리 및 계통전력을 포함하는 다중발전원에서 전기차 충전에 필요한 전력을 효율적으로 이용하도록 하면서 계약전력의 피크부하억제 기능을 수행할 수 있도록 구성되는 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
각종 환경규제의 증가와 에너지소비 증가에 따른 환경오염의 증가로 인해 화석연료의 사용을 규제하는 국가가 점점 늘어나고 있어 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지의 개발 필요성이 절실한 실정이다.
특히, 대기오염의 주요 발생원 중 하나인 자동차의 경우, 각종 환경규제에 대응하기 위해 친환경 자동차의 개발이 점점 가속화되고 있으며, 이로 인해 화석연료를 사용하는 종래의 자동차에 엔진이 필요없는 전기자동차의 상용화가 활발하게 이루어지고 있다.
즉, 기존의 화석연료를 이용하는 자동차에서 배출되는 배출가스로 인한 환경오염을 줄이기 위해 기존의 디젤 및 가솔린 자동차를 대체하기 위해 하이브리드카, 플러그인 하이브리드카, 연료전지차, 전기자동차 등 친환경연료를 사용하는 자동차의 개발 및 상용화가 이루어지고 있다.
이러한 친환경 자동차의 증가와 더불어 친환경자동차의 주행에 반드시 필요한 충전인프라 구축도 점점 확장세에 있다.
현재 보급되고 있는 전기자동차의 충전전원은 일반 계통전력(상용전력)을 이용하고 있으며, 그 충전방식에 따라 충전시간, 충전요금이 상이하고, 충전방식에 따른 전력사용량 또한 가변적이다.
또한, 이러한 전기차의 충전은 계통전력이 공급되는 일반 가정용 전력을 이용하여 충전하거나 별도로 외부에 설치된 전기차 충전스테이션을 이용하여 충전이 이루어지고 있다.
전기차의 주행능력은 전기차에 탑재되는 배터리의 충전용량에 좌우되기 때문에, 전기차의 주행능력을 향상시키기 위해서 전기차에 탑재되는 배터리의 충전용량이 점점 커지고, 전기차의 배터리 용량이 점점 증대되고 전기차의 보급대수가 점점 늘어나면서 전기차 충전시 소요되는 전력량도 점점 증대되고 있는 추세에 있다.
이와 같이, 전기차의 충전에 이용되는 전력이 주로 계통전력을 이용하고 있기 때문에, 계통전력의 수요가 증가하면서 계통전력의 피크부하시 전기차 충전에 다소 많은 시간이 소요되고, 피크부하시에 전기차 충전스테이션으로 전력공급이 이루어짐으로 인해서 다른 산업시설로 공급되는 전력이 부족해질 수 있는 문제점을 가지고 있다.
일례로, 한 대의 전기자동차에 탑재되는 배터리의 용량이 100km 주행을 목표로 하는 경우 약 20kWh급의 배터리가 장착되는데, 일반 가정전력의 경우 피크 부하가 약 3kWh수준으로 설계되어 있어서 가정용 전원을 이용해 1시간 동안 급속충전을 할 경우 피크부하의 7배에 해당되는 20kWh 이상의 전력이 1시간 동안 지속적으로 공급되어야 한다.
따라서, 동시에 여러대의 전기자동차가 여러 세대에서 충전이 이루어질 경우 단시간에 많은 전력이 공급되어야 하므로 계통전력의 안정성이 떨어지고, 계통전력에 무리한 부하가 발생하게 된다.
즉, 전기자동차의 충전시 각 세대 뿐만 아니라 전기차 충전스테이션에서 계통전력을 이용하여 충전이 이루어질 경우, 계통전력에 부하가 증대되고, 특히 피크부하시에 전기자동차 충전이 이루어질 경우 계통전력의 공급부족 현상으로 가정용 및 산업용 전력공급에 큰 차질이 발생될 수 있는 위험성을 가지고 있다.
따라서, 전기자동차 충전시 계통전력의 부하를 줄이기 위한 방안으로 신재생에너지를 이용하여 계통전력의 피크부하시 전기차충전소에 전력을 공급할 수 있도록 하는 발명들이 안출되고 있다.
그 일 실시예로, 특허등록 제10-1245647호에 “태양광발전시스템과의 연계를 통한 배터리 급속충전시스템”이 제시되어 상용전원에서 뿐만 아니라 태양광시스템을 통해 최대전력을 공급받아 배터리의 급속충전이 가능하도록 하는 시스템에 공지된 바 있다.
다른 일 실시예로, 특허등록 제10-1775957호에 “태양광발전 장치 연계형 전원공급시스템”이 공지되어 태양광 발전장치와 연계되어 발전된 전원을 전기자동차의 충전에 이용함에 있어서 가정용 부하를 사용하는 교류충전모드와 배터리에 저장된 에너지를 사용하는 직류충전모드를 선택적으로 사용하여 충전할 수 있도록 구성되어 전기자동차의 충전시간을 단축시킴과 동시에 저장된 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 발명이 안출된 바 있다.
또 다른 일 실시예로, 특허등록 제10-0963529호로 “연료전지시스템을 구비한 전기차충전소와 충전기 및 그의 제어방법”이 안출되어 전기차의 집중적인 충전에 의한 계통전력의 부하를 충당하기 위해 충전소에 구비된 연료전지 발전기를 이용한 보조전력을 공급할 수 있도록 하는 발명이 공지되기도 하였다.
또 다른 일 실시예로, 특허등록 제10-1828913호의 “전기충전 인프라 구축용 염분차 발전시스템”이 제시되어 버려지는 폐수를 염분차 발전소스로 활용하여 염분차 발전의 소스인 담수를 확보하고 폐자원으로부터 에너지를 생산함은 물론 환경오염제를 해결할 수 있도록 하는 염분차 발전시스템을 제시하고 있다.
또 다른 일 실시예로, 특허등록 제10-1261165호의 “자연에너지를 이용한 전기자동차 충전장치”가 제시되어 자연에너지, 즉 태양에너지와 풍력에너지 및 수력에너지를 이용하여 전기를 생산하는 태양전지와 풍력발전기 및 수력발전기를 통해 획득한 에너지를 이용하여 전기차를 충전할 수 있도록 하여 충전스테이션이 설치되기 어려운 곳에서 자연에너지로부터 생산된 전력을 이용, 전기차를 충전할 수 있도록 하는 충전장치가 개시된 바 있다.
이와 같이, 종래의 계통전력의 부하를 경감시키거나 이를 대체하기 위해 다양한 신재생에너지를 이용한 전력생산과, 여기서 생산된 전력을 전기차 충전에 이용할 수 있도록 하는 다양한 기술이 안출되고 있다.
하지만, 이러한 종래의 다양한 신재생에너지를 이용한 전기차 충전시스템이나 그 장치들은 단지 계통전력의 부하를 경감시키기 위한 목적으로 일정량의 전력을 생산하여 전기차 충전에 이용하도록 하는 보조적인 기능만을 수행할 뿐, 이들 각각의 신재생에너지발전 및 이용장치에서 생산되는 전력만으로 계통전력의 피크부하를 대체하기는 어려웠다.
이를 위해, 본 출원인은 태양광발전, 가스발전기, 에너지저장장치(배터리), 히트펌프가 구비된 다중발전원을 이용하여 계통전력의 피크부하시 보조전력으로 이용할 수 있도록 하는 전기충전스테이션 에너지공급시스템을 특허출원(10-2019-34734, 출원일: 2019.03.27) 한 바 있다.
하지만, 본 출원인의 선행발명은 보조전력으로 이용하는 다중발전원이 전기차 충전전력으로 공급되는 과정에서 전력이용효율이 떨어지는 문제점이 있어서 이를 개선할 필요성이 제기되어 본 발명을 안출하게 되었다.
- 특허등록 제10-1245647호(등록일:2013.3.14, 발명의 명칭: 태양광발전시스템과의 연계를 통한 배터리 급속충전시스템) - 특허등록 제10-1775957호(등록일:2017.09.01, 발명의 명칭: 태양광발전 장치 연계형 전원공급시스템) - 특허등록 제10-0963529호(등록일:2010.06.07, 발명의 명칭: 연료전지시스템을 구비한 전기차충전소와 충전기 및 그의 제어방법) - 특허등록 제10-1261165호(등록일:2013.04.29, 발명의 명칭: 자연에너지를 이용한 전기자동차 충전장치)
본 발명은 종래의 계통전력을 이용한 전기차 충전시스템에서 피크부하시 전력의 효율적인 이용이 이루어지지 못한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 계통전력의 피크부하시 발전기에서 생산되어 공급되는 전력의 전력변환 손실을 최소화하면서 전기차 충전이 이루어지도록 하는 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 및 그 제어방법을 제공하기 위함에 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 전기차 충전시 발전기에서 생산된 전력이 인버터를 거치지 않고 부하측으로 바로 공급되도록 하여 전체 다중발전원의 전원공급용량에 비례하는 인버터의 용량을 증대할 필요없이 전기차 충전시스템을 구축할 수 있도록 하여 충전시스템을 구축하는데 추가 비용이 발생되는 것을 억제할 수 있도록 하는 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템은 태양광발전수단과, 발전기, 연료전지 및 배터리로 구성되어 전력을 생산, 저장하고 부하측 요청에 따라 저장된 전력이나 생산된 전력을 제공하는 다중발전원 관리부; 상기 다중발전원 관리부의 복수의 발전원에 각각 연결된 DC-DC컨버터를 통해 다중발전원의 전력을 공급받는 DC Link와, 상기 DC Link로 공급된 전력을 인버터를 통해 공급받아 부하측으로 제공하거나 부하관리부의 계통전력을 공급받아 부하측으로 공급되도록 제어하는 AC-Link가 구비된 전력제어관리부; 계통전력, AC부하, 전기차충전기의 전력을 모니터링하고, 전기차충전기의 충전요청 신호를 중앙제어부로 통보하고, 상기 계통전력, AC부하, 전기차충전기의 전력이 계약전력을 초과하는지 여부 또는 계통전력이 피크부하 상태인지 여부를 판단하여 중앙제어부로 전력공급을 요청하는 부하(負荷)관리부; 및 상기 다중발전원 관리부, 전력제어관리부 및 부하관리부의 전반적인 관리를 수행하여 다중발전원의 효율적인 전력생산을 통해 부하관리부로 수요전력을 공급하도록 제어하는 중앙제어부;를 포함하여 이루어지되, 상기 다중발전원 관리부의 발전기측에는 발전기에서 생산된 전력을 DC-DC컨버터 거쳐 방전된 배터리를 충전하거나 또는 전력제어관리부의 DC-DC컨버터와 인버터를 거쳐 부하측으로 공급되도록 단속하는 제1개폐기와, 상기 발전기에서 생산된 전력이 DC-DC컨버와 인버터를 거치지 않고 곧바로 AC-Link에 접속되어 부하측으로 공급되도록 단속하는 제2개폐기가 구비되고, 상기 다중발전원 관리부로부터 전력을 공급받아 부하측으로 제공하는 전력량이 전력제어관리부의 인버터 용량을 초과할 경우 상기 제1개폐기가 열리고(OFF) 제2개폐기가 닫히면서(ON) 발전기에서 발전된 전력이 AC-Link를 통해 부하측으로 제공되도록 구성된 특징을 갖는다.
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한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템의 제어방법은 중앙제어부에서 부하측 전력수요 요청신호를 수신하여 수요전력량을 파악하는 수요전력량 수신단계; 부하측 전력수요가 수신되면 태양광발전 및 연료전지에서 공급 가능한 전력량 및 계약전력량을 파악하는 다중발전원 제1전력공급량 파악단계; 다중발전원 제1전력공급량 파악단계에서 파악된 다중발전원 제1전력공급량과 계약전력의 합을 요청된 부하측 수요전력량과 비교하는 제1 수요전력량 비교단계; 상기 제1 수요전력량 비교단계에서 부하측 수요전력량이 더 클 경우 발전기에서 발전된 전력을 전력제어광리부의 AC-Link를 통해 부하측으로 직접 공급하도록 구성된 발전기측 제2개폐기를 닫는(on) 제2개폐기 연결단계; 제2개폐기의 온(on) 동작후 발전기의 가동을 통해 전력을 생산하는 발전기 발전단계; 발전기에서 발전된 전력량과 계약전력 및 다중발전원 제1전력공급량의 합과 부하측 수요전력량을 대비하는 제2 수요전력량 비교단계; 제 2 수요전력량 비교단계에서 부하측 수요전력이 클 경우 배터리 방전을 통해 부족한 전력을 공급하고, 부하측 수요전력보다 발전기에서 발전된 전력량과 계약전력 및 다중발전원 제1전력공급량의 합이 클 경우 배터리 방전을 종료하는 배터리 전력공급단계 및 전기차 충전과 부하측 전력공급단계;를 포함하여 이루어진다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템의 제어방법은 중앙제어부에서 부하측 전력공급 요청청신호를 수신하여 수요전력량을 파악하는 수요전력량 수신단계; 부하측 전력수요가 수신되면 태양광발전 및 연료전지에서 공급 가능한 전력량 및 계약전력량을 파악하는 다중발전원 제1전력공급량 파악단계; 다중발전원 제1전력공급량 파악단계에서 파악된 다중발전원 제1전력공급량과 계약전력의 합을 요청된 부하측 수요전력량과 비교하는 제1 수요전력량 비교단계; 상기 제1 수요전력량 비교단계에서 다중발전원 제1전력공급량과 계약전력의 합이 요청된 부하측 수요전력보다 클 경우 다중발전원 관리부를 통해 발전기측 제2개폐기를 오픈(off) 시키는 단계; 제2개폐기를 오픈(off) 시킨 후에 태양광발전수단에서 발전된 전력량이 부하측 수요전력량보다 작은지 여부와 배터리의 충전율이 50%를 이하인지 여부를 판단하는 단계; 상기 전(前) 단계에서 태양광발전수단에서 발전된 전력량이 부하측 수요전력 이하이고, 배터리의 충전율이 50% 이하인 경우 다중발전원 관리부를 통해 발전기측 제1개폐기를 닫고(on) 발전기를 가동시키는 발전기 발전단계; 발전기 발전을 통해 생산된 전력이 제1개폐기를 거쳐 DC-Link를 경유하여 배터리로 공급되어 방전된 배터리를 충전시키는 배터리 충전단계 및 전기차 충전과 부하측 전력공급단계;를 포함하여 이루어진다.
상술한 본 발명에 따른 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 및 그 제어방법을 이용할 경우 전기차를 충전하는 충전스테이션을 운영하기 위한 충전시스템의 수요전력에 따라 다중발전원의 전력을 효율적으로 이용할 수 있도록 하고, 특히 발전기에서 생산된 전력이 복수의 전기장치를 거치지 않고 곧바로 AC-Link로 공급된 후에 부하측으로 제공되도록 구성됨으로써 계통전력의 피크부하 억제를 효율적으로 수행하고, 전기차 충전이나 시설공급용 전력을 효율적으로 제공할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템의 전체 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템의 제어방법을 도시한 플로우차트이다.
본 발명에 따른 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 (이하, “전기차 충전시스템”으로 약칭함)은 다수의 솔라셀을 통해 태양광발전을 수행하는 태양광발전수단과 발전기, 연료전지 및 배터리가 구비되어 일정량의 전력을 저장 및 부하측 요청에 따라 저장된 전력이나 생산된 전력을 제공하는 다중발전원 관리부; 상기 다중발전원 관리부의 복수의 발전원에 각각 연결된 DC-DC컨버터를 통해 다중발전원의 전력을 공급받는 DC Link와, 상기 DC Link로 공급된 전력을 인버터를 통해 공급받아 부하측으로 제공하거나 부하관리부의 계통전력을 공급받아 부하측으로 공급되도록 제어하는 AC-Link가 구비된 전력제어관리부; 계통전력, AC부하, 전기차충전기의 전력을 모니터링하고, 전기차충전기의 충전요청 신호를 중앙제어부로 통보하며, 상기 계통전력, AC부하, 전기차충전기의 전력이 계약전력을 초과하는지 여부 또는 계통전력이 피크부하 상태인지 여부를 판단하여 중앙제어부로 전력공급을 요청하는 부하관리부; 상기 다중발전원 관리부, 전력제어관리부 및 부하관리부의 전반적인 관리를 수행하여 다중발전원의 효율적인 전력생산을 통해 부하관리부로 수요전력을 공급하도록 제어하는 중앙제어부;를 포함하는 구성으로 이루어진다.
특히, 상기 다중발전원 관리부의 발전기측에는 발전기에서 생산된 전력을 DC-DC컨버터 거쳐 방전된 배터리를 충전하거나 또는 전력제어관리부의 DC-DC컨버터와 인버터를 거쳐 부하측으로 공급되도록 단속하는 제1개폐기와, 상기 발전기에서 생산된 전력이 DC-DC컨버와 인버터를 거치지 않고 곧바로 AC-Link에 접속되어 부하측으로 공급되도록 단속하는 제2개폐기가 구비되어, 상기 다중발전원 관리부로부터 전력을 공급받아 부하측으로 제공하는 전력량이 전력제어관리부의 인버터 용량을 초과할 경우 상기 제1개폐기가 열리고(OFF) 제2개폐기가 닫히면서(ON) 발전기에서 발전된 전력이 AC-Link를 통해 부하측으로 제공되도록 구성된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템의 제어방법 (이하, “전기차 충전시스템 제어방법”으로 약칭함)은 중앙제어부에서 부하측 전력공급 요청신호를 수신하여 수요전력량을 파악하는 수요전력량 수신단계; 부하측 전력수요가 수신되면 태양광발전 및 연료전지에서 공급 가능한 전력량 및 계약전력량을 파악하는 다중발전원 제1전력공급량 파악단계; 다중발전원 제1전력공급량 파악단계에서 파악된 다중발전원 제1전력공급량과 계약전력의 합을 요청된 부하측 수요전력량과 비교하는 제1 수요전력량 비교단계; 상기 제1 수요전력량 비교단계에서 부하측 수요전력량이 더 클 경우 발전기에서 발전된 전력을 전력제어시스템의 AC-Link를 통해 부하측으로 직접 공급하도록 구성된 발전기측 제2개폐기를 닫는(on) 제2개폐기 연결단계; 제2개폐기의 온(on) 동작후 발전기의 가동을 통해 전력을 생산하는 발전기 발전단계; 발전기에서 발전된 전력량과 계약전력 및 다중발전원 제1전력공급량의 합과 부하측 수요전력량을 대비하는 제2 수요전력량 비교단계; 상기 제2 수요전력량 비교단계에서 부하측 수요전력이 클 경우 배터리 방전을 통해 부족한 전력을 공급하고, 부하측 수요전력보다 발전기에서 발전된 전력량과 계약전력 및 다중발전원 제1전력공급량의 합이 클 경우 배터리 방전을 종료하는 배터리 전력공급단계 및 전기차 충전과 부하측 전력공급단계;를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 제1 수요전력량 비교단계에서 다중발전원 제1전력공급량과 계약전력의 합이 요청된 부하측 수요전력보다 클 경우 다중발전원관리시스템을 통해 발전기측 제2개폐기를 오픈(off) 시키는 단계; 제2개폐기를 오픈(off) 시킨 후에 태양광발전수단에서 발전된 전력량이 부하측 수요전력량보다 작은지 여부와 배터리의 충전율이 50%를 이하인지 여부를 판단하는 단계; 상기 단계에서 태양광발전수단에서 발전된 전력량이 부하측 수요전력 이하이고, 배터리의 충전율이 50% 이하인 경우 다중발전원관리시스템을 통해 발전기측 제1개폐기를 닫고(on) 발전기를 가동시키는 발전기 발전단계; 발전기 발전을 통해 생산된 전력이 제1개폐기를 거쳐 DC-Link를 경유하여 배터리로 공급되어 방전된 배터리를 충전시키는 배터리 충전단계및 전기차충전과 부하측 전력공급단계;를 거치면서 전기차 충전 및 부하측 전력공급이 이루어지도록 구성된다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 용어는 본 발명의 구성에 대한 기능을 고려하여 당업계에서 일반적으로 사용되는 용어 및 출원인이 임의로 선정한 용어를 사용했으며, 이 경우 그 용어가 가지는 의미는 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의된다.
또한, 본 발명의 상세한 설명에 사용되는 용어 중 ‘계통전력’은 한전에서 공급되는 일반 산업용 또는 일반 주택용 공급전력을 의미하고, ‘AC 부하’는 충전시설에서 생산된 여유전력을 이용하는 전기차 충전소 주변 상가 및 주택 등을 의미하며, ‘전기차 충전기’는 전기차 충전소에 설치되는 한 개 이상으로 이루어지는 전기차 충전시설 전체를 의미하는 것으로 해석된다.
또한, 본 발명의 상세한 설명 가운데에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 ‘포함’한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
또한, 상세한 설명 가운데에서 ‘~부’, ‘~수단’등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행할 수 있도록 구성된 독립된 장치를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 상세한 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적인 전기적 연결’뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자나 부품, 장치 등을 사이에 두고 ‘간접적인 전기적 연결’로 구성되어 있는 경우를 포함하는 의미로 해석된다.
그리고, 본 발명의 상세한 설명에 이용되는 장치 및 용어 중 당업계에서 일반적으로 널리 사용되거나 공지된 기술로부터 용이하게 안출할 수 있는 구성에 대한 구체적인 기능이나 동작 설명은 가급적 생략하고, 본 발명의 특징부에 한정해서 설명한다.
이하, 명세서에 첨부된 도면을 참고하면서 본 발명에 따른 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템 및 그 제어방법에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기차 충전시스템의 전체적인 구성을 블럭도로 간략하게 도시하고 있고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기차 충전시스템 제어방법을 플로우차트로 간략하게 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기차 충전시스템(500)의 주요 구성은 신재생에너지를 포함한 복수의 발전수단으로 구성되는 다중발전원 관리부(100)와, 상기 다중발전원 관리부(100)로부터 발전된 전력을 공급받아 전기차 충전에 필요한 전력으로 변환하거나 저장매체에 적합한 형태로 변환하여 저장되도록 관리하는 전력제어관리부(200)와, 상기 전력제어관리부(200)에 공급된 전력 또는 외부의 계통전력이 인입되거나 충전시설 이외의 시설 등으로 필요한 전력을 공급하는 부하관리부(300) 및 상기 다중발전원 관리부(100), 전력제어관리부(200) 및 부하관리부(300)의 유기적인 동작 및 전체적인 전력공급관리를 수행하는 중앙제어부(400)를 포함한 구성으로 이루어진다.
상기 다중발전원 관리부(100)에는 신재생에너지의 하나인 태양광발전을 이용하여 전력을 생산하는 태양광발전수단(120)과, 수소 등을 이용하여 전력을 생산하는 연료전지(130)와, 천연가스나 바이오디젤 등을 이용하여 가동되는 엔진구동방식의 발전기(140)와, 각 발전수단에서 생산된 여유전력이 저장되는 에너지저장장치인 배터리(110)를 포함한 구성으로 이루이지며, 상기 각각의 발전수단에서 생산된 전력은 각 장치에 연결된 DC-DC컨버터(210~240)로 공급되어 전력제어관리부(200)의 컨버터 및 인버터를 통해 배터리(110)에 저장되거나 부하측으로 공급되도록 구성된다.
즉, 상기 다중발전원 관리부(100)는 각 발전원을 관리하는 시스템으로, 각 발전원의 발전시작, 종료 및 배터리의 SoC관리 및 제어신호(141)를 통한 발전기의 출력경로에 대한 제어 등을 수행하게 되고, 상기 다중발전원 관리부(100)에 구비된 복수의 발전원은 부하측 수요 전력량에 따라 각 발전원의 가동순위가 설정되어 동작될 수 있도록 제어하게 된다.
또한, 상기 배터리(110)는 별도의 BMS(112)를 통해 충방전상태가 제어될 수 있도록 구성되고, 상기 발전기(140)에서 생산된 전기는 정류기(144)를 거쳐 해당 DC-DC컨버터(240)로 공급되어 전력제어관리부(200)의 DC-Link(250) 및 AC-Link(270)를 경유하여 부하측으로 공급될 수 있도록 구성되며, 부하측 수요가 계속 증가할 경우 다수발전원에서 공급되는 증가된 전력량이 인버터(260)의 용량을 초과할 경우 상기 발전기(140)에서 발전된 전력은 DC-Link(250) 를 거치지 않고 곧바로 AC-Link(270)로 공급되어 부하측으로 제공될 수 있도록 구성된다.
따라서, 상기 발전기(140)에서 생산된 전기는 별도의 제어신호(141)에 의해 열리거나 닫히는 제1개폐기(142) 또는 제2개폐기(143)를 거친 후에 전력공급이 선택적으로 이루어지도록 구성된다.
그리고, 상기 전력제어관리부(200)는 상기 다중발전원관리부(100)에 속하는 다중 발전원인 태양광발전수단(120), 연료전지(130), 발전기(140), 배터리(110)에 각각 연결된 복수의 DC-DC컨버터(210~240)와, 상기 복수의 DC-DC컨버터(210~240)에서 입력된 전력이 하나로 모아지는 DC-Link(250)와, 상기 DC-Link(250)에 모아진 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터(260)와, 상기 인버터(260)에서 변환된 교류전원을 복수의 부하에 공급하는 AC-Link(270)가 포함된 구성으로 이루어진다.
상기 복수의 DC-DC컨버터(210~240)는 각각의 발전원에서 공급되는 서로 다른 전압의 직류전원을 필요한 전압으로 변환하여 DC-Link(250)로 공급되도록 하고, 상기 DC-Link(250)는 복수의 DC-DC컨버터(210~240)에서 입력된 각각의 전력을 하나로 모아 인버터(260)로 공급하게 되며, 상기 인버터(260)로 유입된 전력을 부하측에 제공가능한 교류전원으로 변환시켜 DC-Link(250)로 공급하도록 구성된다.
상기 복수의 DC-DC컨버터(210~240) 중 태양광발전수단(120), 연료전지(130), 발전기(140)에는 일방향 DC-DC컨버터(220~240)가 연결되어 각 발전원에서 생산되거나 저장된 전력이 전력제어관리부(200)로 공급되도록 구성되며, 상기 배터리(110)측은 양방향 DC-DC컨버터(210)가 연결되어 배터리에 저장된 전력이 전력제어관리부(200)로 공급되거나 또는 배터리(110)가 방전된 경우 각 발전원의 전력 또는 계통전력에서 요금이 낮은 시간대에 제공되는 전력으로 충전이 가능하도록 구성된다.
한편, 상기 부하관리부(300)는 계통전력(310)과 AC부하(320), 전기차충전기(330)의 전력을 모니터링할 수 있도록 구성된 것으로, 전기차충전기(330)의 충전요청신호 및 AC부하(320)측 전력수요 발생시 전력수요상황을 중앙제어부(400)로 통보하고, 상기 계통전력(310)에서 인입되는 전력과 AC부하(320)측 및 전기차충전기 (330) 측 수요전력이 계약전력을 초과하는지 여부의 감시와, 계통전력(310)의 피크부하상태를 감시하여 중앙제어부(400)로 통보하도록 구성된다.
따라서, 상기 중앙제어부(400)는 상기 다중발전원 관리부(100), 전력제어관리부(200) 및 부하관리부(300)의 전반적인 관리를 수행하여 다중발전원의 효율적인 전력생산을 통해 부하관리부(300)로 수요전력을 공급하도록 제어하고, 부하관리부(300)의 수요전력량에 따라 다중발전원 관리부(100)의 복수의 발전원에 대한 발전시작 및 종료를 제어하도록 구성된다.
즉, 상기 부하관리부(300)에서 요청된 수요전력이 계약전력을 초과할 경우, 상기 중앙제어부(400)에서는 다중발전원관리부(100)로 신호를 보내 다중발전원관리부(100)에서 설정된 우선순위에 따라 각 발전원이 순차적으로 가동되도록 하여 각 발전원에서 생산된 전력이 해당 DC-DC컨버터와 DC-Link, 인버터, AC-Link를 통해 해당 부하로 전력공급이 이루어지도록 한다.
또한, 부하관리부(300)에서 요청된 수요전력이 계속 증가하여 다중발전원을 통해 전력을 생산하여 인버터로 공급할 때, 인버터로 공급되는 전력이 인버터의 처리용량을 초과할 경우, 상기 전력제어관리부에서 중앙제어부로 인버터 용량 초과신호를 보내면, 중앙제어부에서는 다중발전원관리부로 신호를 보내고, 다중발전원관리부에서는 발전기측으로 제어신로를 전송하여 발전기에서 생산되어 정류기로 공급되는 전력을 차단하도록 제1개폐기에 신호를 보내 제1개폐기가 열리고, 제2개폐기 측으로는 닫힘 신호를 보내 제2개폐기의 닫힘으로 인해서 발전기에서 생산된 전력은 해당 DC-DC컨버(240)로 공급되지 않고 곧바로 AC-Link측으로 공급되어 부하측으로 공급되도록 한다.
일반적으로 복수의 다중발전원에서 생산되어 공급되는 전력량보다 인터버의 용량이 커야 안정되게 전력 공급이 이루어지게 되는데, 그러나 다중발전원 전체 전력량에 비례해서 인버터 용량을 크게 할 경우, 큰 비용상승이 초래하게 되어 충전시스템을 구성하는데 어려움이 발생된다.
따라서, 본 발명에서는 다중발전원의 전력 중 발전기에서 생산된 전력에 대해서 인버터 용량 이내에서만 부하측 수요전력에 대해서 제1개폐기와 정류기, DC-DC컨버터, DC-Link를 거쳐 인버터로 공급되고, 인버터 용량을 초과하는 경우에는 제2개폐기를 통해 AC-Link에 직접 전력이 공급되도록 함으로써 전력변환시 발생되는 전력소모를 줄이고 인버터 용량 또한 적절한 크기로 구성할 수 있도록 한다.
즉, 본 발명에 따른 충전시스템에서는 발전기의 발전용량을 제외한 상태로 인버터 용량을 설계하여 적용할 수 있음으로써 인버터 용량 증대로 인한 비용 상승분을 줄일 수 있게 되어 충전시스템을 구축하는데 큰 비용절감을 가져올 수 있도록 한다.
한편, 도 2에는 상술한 본 발명에 따른 전기차 충전시스템의 제어방법이 플로우차트로 간략하게 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기차 충전시스템의 제어방법은 중앙제어부에서 부하측 전력수요 요청신호를 수신하여 수요전력량을 파악하는 수요전력량 수신단계(S100)와, 부하측 전력수요가 수신되면 태양광발전 및 연료전지에서 공급 가능한 전력량 및 계약전력량을 파악하는 다중발전원 제1전력공급량 파악단계(S110)와, 다중발전원 제1전력공급량 파악단계에서 파악된 다중발전원 제1전력공급량과 계약전력의 합을 요청된 부하측 수요전력량과 비교하는 제1 수요전력량 비교단계(S120)와, 상기 제1 수요전력량 비교단계(S120)에서 부하측 수요전력량이 더 클 경우 발전기에서 발전된 전력을 전력제어시스템의 AC-Link를 통해 부하측으로 직접 공급하도록 구성된 발전기측 제2개폐기를 닫는(on) 제2개폐기 연결단계(S130)와, 제2개폐기의 온(on) 동작후 발전기의 가동을 통해 전력을 생산하는 발전기 발전단계(S140)와, 발전기에서 발전된 전력량과 계약전력 및 다중발전원 제1전력공급량의 합과 부하측 수요전력량을 대비하는 제2 수요전력량 비교단계(S150)와, 상기 제2 수요전력량 비교단계(S150)에서 부하측 수요전력이 클 경우 배터리 방전을 통해 부족한 전력을 공급하고, 부하측 수요전력보다 발전기에서 발전된 전력량과 계약전력 및 다중발전원 제1전력공급량의 합이 클 경우 배터리 방전을 종료하는 배터리 전력공급단계(S160) 및 전기차 충전과 부하측 전력공급단계(S170);를 포함하여 이루어진다.
만약, 상기 제2 수요전력량 비교단계(S150)에서 부하측 수요전력이 계약전력과 제1다중발전원전력과 발전기의 발전전력 합보다 작을 경우에는 굳이 배터리에 저장된 전력을 사용할 필요가 없기 때문에 배터리를 제외한 발전원의 발전전력과 계약전력만으로 전기차 충전이 이루어지도록 한다.
물론, 상기 제1 수요전력량 비교단계(S120)에서 다중발전원 제1전력공급량과 계약전력의 합이 요청된 부하측 수요전력보다 클 경우 다중발전원관리시스템을 통해 발전기측 제2개폐기를 오픈(off) 시키고(S121), 제2개폐기를 오픈(off) 시킨 후에 태양광발전수단에서 발전된 전력량이 부하측 수요전력량보다 작은지 여부와 배터리의 충전율이 50%를 이하인지 여부를 판단(S122)하게 된다.
상기 단계(S122)에서 태양광발전수단에서 발전된 전력량이 부하측 수요전력 이하이고, 배터리의 충전율이 50% 이하인 경우 다중발전원관리시스템을 통해 발전기측 제1개폐기를 닫고(on) 발전기를 가동시키는 발전기 발전(S123)을 통해 생산된 전력이 제1개폐기를 거쳐 DC-Link를 경유하여 배터리로 공급되도록 제어됨으로써 발전기에서 생산된 전력으로 방전된 배터리가 충전되는 배터리 충전(S124) 과정이 이루어지게 되고, 배터리의 충전 및 다른 발전원의 전력과 계통전력만으로 전기차충전과 부하측 전력공급(S170)이 이루어지게 된다.
또한, 상기 단계(S122)에서 태양광발전수단에서 발전된 전력량이 부하측 수요전력 이상이고, 배터리의 충전율이 50% 이상인 경우에는 별도의 발전기 발전 없이 나머지 발전원에서 생산된 전력과 계통전력만으로 전기차 충전이 이루어지게 된다.
이상, 본 발명에 따른 전기차 충전시스템의 구성과 그 제어방법에 대하여 도면에 도시된 일 실시예 위주로 설명을 하였지만, 당업자는 본 발명과 동일한 기술적 사상의 범위 이내에서 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.
100 : 다중발전원 관리부 110 : 배터리
112 : BMS 120 : 태양광발전수단
130 : 연료전지 140 : 발전기
141 : 제어신호 142 : 제1개폐기
143 : 제2개폐기 144 : 정류기
200 : 전력제어관리부 210~240 : DC-DC 컨버터
250 : DC-Link 260 : 인버터
270 : AC-Link
300 : 부하관리부 310 : 계통전력
320 : AC부하 330 : 전기차충전기
400 : 중앙제어부
500 : 전기차 충전시스템

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 태양광발전수단과 발전기, 연료전지 및 배터리로 구성되어 전력을 생산, 저장하고 부하측 요청에 따라 저장 또는 생산된 전력을 제공하는 다중발전원 관리부(100); 상기 다중발전원 관리부(100)의 복수의 발전원에 각각 연결된 DC-DC컨버터를 통해 다중발전원의 전력을 공급받는 DC Link(250)와, 상기 DC Link(250)로 공급된 전력을 인버터(260)를 통해 부하측으로 제공하거나 부하관리부의 계통전력을 공급받아 부하측으로 공급되도록 제어하는 AC-Link(270)가 구비된 전력제어관리부(200); 계통전력, AC부하, 전기차충전기의 전력을 모니터링하고, 전기차충전기의 충전요청 신호를 중앙제어부로 통보하고, 상기 계통전력, AC부하, 전기차충전기의 전력이 계약전력을 초과하는지 여부 또는 계통전력이 피크부하 상태인지 여부를 판단하여 중앙제어부로 전력공급을 요청하는 부하관리부(300); 및 상기 다중발전원 관리부, 전력제어관리부 및 부하관리부의 전반적인 관리를 수행하여 다중발전원의 효율적인 전력생산을 통해 부하관리부로 수요전력을 공급하도록 제어하는 중앙제어부(400);를 포함하여 이루어지되,
    상기 다중발전원 관리부(100)의 발전기측에는 발전기에서 생산된 전력을 DC-DC컨버터 거쳐 방전된 배터리를 충전하거나 또는 전력제어관리부(200)의 DC-DC컨버터와 인버터를 거쳐 부하측으로 공급되도록 단속하는 제1개폐기(142)와, 상기 발전기에서 생산된 전력이 DC-DC컨버와 인버터를 거치지 않고 곧바로 AC-Link에 접속되어 부하측으로 공급되도록 단속하는 제2개폐기(143)가 구비되고,
    상기 다중발전원 관리부(100)로부터 전력을 공급받아 부하측으로 제공하는 전력량이 전력제어관리부(200)의 인버터 용량을 초과할 경우 상기 제1개폐기(142)가 열리고(OFF) 제2개폐기(143)가 닫히면서(ON) 발전기에서 발전된 전력이 AC-Link를 통해 부하측으로 제공되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템.
  3. 중앙제어부에서 부하측 전력수요 요청신호를 수신하여 수요전력량을 파악하는 수요전력량 수신단계(S100);
    부하측 전력수요가 수신되면 태양광발전 및 연료전지에서 공급 가능한 전력량 및 계약전력량을 파악하는 다중발전원 제1전력공급량 파악단계(S110);
    다중발전원 제1전력공급량 파악단계에서 파악된 다중발전원 제1전력공급량과 계약전력의 합을 요청된 부하측 수요전력량과 비교하는 제1 수요전력량 비교단계(S120);
    상기 제1 수요전력량 비교단계(S120)에서 부하측 수요전력량이 더 클 경우 발전기에서 발전된 전력을 전력제어시스템의 AC-Link를 통해 부하측으로 직접 공급하도록 구성된 발전기측 제2개폐기를 닫는(on) 제2개폐기 연결단계(S130);
    제2개폐기의 온(on) 동작후 발전기의 가동을 통해 전력을 생산하는 발전기 발전단계(S140);
    발전기에서 발전된 전력량과 계약전력 및 다중발전원 제1전력공급량의 합과 부하측 수요전력량을 대비하는 제2 수요전력량 비교단계(S150);
    상기 제2 수요전력량 비교단계(S150)에서 부하측 수요전력이 클 경우 배터리 방전을 통해 부족한 전력을 공급하고, 부하측 수요전력보다 발전기에서 발전된 전력량과 계약전력 및 다중발전원 제1전력공급량의 합이 클 경우 배터리 방전을 종료하는 배터리 전력공급단계(S160) 및 전기차 충전과 부하측 전력공급단계(S170);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 제2항을 이용한 다중발전원 전기차 충전시스템의 제어방법.
  4. 중앙제어부에서 부하측 전력수요 요청신호를 수신하여 수요전력량을 파악하는 수요전력량 수신단계(S100);
    부하측 전력수요가 수신되면 태양광발전 및 연료전지에서 공급 가능한 전력량 및 계약전력량을 파악하는 다중발전원 제1전력공급량 파악단계(S110);
    다중발전원 제1전력공급량 파악단계에서 파악된 다중발전원 제1전력공급량과 계약전력의 합을 요청된 부하측 수요전력량과 비교하는 제1 수요전력량 비교단계(S120);
    상기 제1 수요전력량 비교단계(S120)에서 다중발전원 제1전력공급량과 계약전력의 합이 요청된 부하측 수요전력보다 클 경우 다중발전원관리시스템을 통해 발전기측 제2개폐기를 오픈(off) 시키는 단계(S121);
    제2개폐기를 오픈(off) 시킨 후에 태양광발전수단에서 발전된 전력량이 부하측 수요전력량보다 작은지 여부와 배터리의 충전율이 50%를 이하인지 여부를 판단하는 단계(S122);
    상기 단계(S122)에서 태양광발전수단에서 발전된 전력량이 부하측 수요전력 이하이고, 배터리의 충전율이 50% 이하인 경우 다중발전원관리시스템을 통해 발전기측 제1개폐기를 닫고(on) 발전기를 가동시키는 발전기 발전단계(S123);
    발전기 발전을 통해 생산된 전력이 제1개폐기를 거쳐 DC-Link를 경유하여 배터리로 공급되어 방전된 배터리를 충전시키는 배터리 충전단계(S124) 및 전기차충전과 부하측 전력공급단계(S170);를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 제2항을 이용한 다중발전원을 갖는 전기차 충전시스템의 제어방법.

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