KR102414493B1 - 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법 및 이를 수행하는 충방전 시스템 - Google Patents

전기이동체를 위한 충방전 제어 방법 및 이를 수행하는 충방전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법은, 충방전 시작 배터리 정보를 입력받는 단계; 배터리 모델에 상기 시작 배터리 정보를 반영하는 단계; 상기 배터리 모델을 이용하여 배터리 상태를 추정한 값으로 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계; 및 상기 배터리 모델을 학습하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

전기이동체를 위한 충방전 제어 방법 및 이를 수행하는 충방전 시스템{CHARGE/DISCARGE CONTROL METHOD FOR ELECTRIC VEHICLE AND CHARGE/DISCARGE SYSTEM}
본 발명은 배터리 모델을 이용하여 충방전 스케줄에 따라 충방전을 수행하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법 및 이를 수행하는 충방전 시스템에 관한 것이다.
전기이동체 중 전기자동차는 엔진이 전기 모터로 대체된 것 외에 내연기관 자동차와 유사하지만, 기존의 내연기관 자동차가 제도적 체계하에서 형성된 주유 공급 시설 등을 통해 자동차의 구동 에너지원을 공급받을 수 있는 점과 다르게 전기자동차는 전기차 충전소나 충전기 등의 전기차를 충전하기 위한 시설 이외에도 가정이나 주차장 등에 설치된 전기 콘센트를 통해 자동차의 구동 에너지원을 손쉽게 공급받을 수 있다는 차이점이 있다.
전기자동차를 지원하는 충전인프라는 단순 충전 기능에서 전기자동차 배터리에 저장된 전력을 이용하여 추가 서비스를 제공하는 V2G 충전인프라가 개발/구축되고 있다. V2G 차량이 2022년 상용화 예정이며 V2G 충전인프라 보급 사업이 이에 맞추어 추진될 예정인 바, 이에 따라 V2G 및 스마트 충전제어 시스템이 적용될 예정이다.
충전기에 연결되어 충전중인 전기자동차, 바이크 등 전기 차량이나 전기배, 전기비행체의 충전 또는 방전 전력이 실시간 전력수급과 사용자의 요청사항 및 배터리의 충전량을 고려하여 제어되도록 하면 전기이동수단의 배터리와 충전 인프라를 유용한 전력자원으로 활용할 수 있다.
기존에 사용중인 충전기는 전기자동차의 배터리를 충전할 때 전기 차량에서 요구하는 전류의 크기 또는 충전인프라의 정격 전력으로 지속적으로 일정 전력을 공급하고 배터리가 완전히 충전되면 중지하는 방식으로 작동한다. 즉, 현행 전기자동차 충전기는 사용자가 지정한 시간에 정격 전력으로 연속 충전을 하는 방식으로 사용되어 현 상태의 충전기는 DR신호나 부하상태 또는 실시간 요금에 따라 충전전력을 능동적으로 제어하는 기능이 없다.
선행기술인 특허 10-1845241에서는 단순히 충전 속도 별로 충전 가능한 충전량 및 충전 소요 시간을 산출하여 보여주고 단순히 충전속도를 선택하는 기술을 제안한다.
다른 선행 기술인 공개특허 10-2020-0021182 에서는 예약 설정 정보 및 전력 요금 정보를 이용하여 최소 비용으로 충전이 되도록 차량에 장착된 충전기를 제어하여 동작시키거나 변경되는 전력요금 정보에 따라서 충전 프로파일을 다시 결정하는 기술이 있으나 차량의 BMS에서 SOC정보를 얻고 차량의 제어기로 탑재형 충전기를 제어하므로, 기존 차량의 충전에는 적용할 수 없다.
기존의 선행 특허에서는 제어형 충전기는 운영시스템에서 충전 중에 수시로 차량으로부터 배터리충전량(State of Charge, 이하 SOC)정보를 받아서 충전 또는 충방전 제어를 위한 스케줄이나 프로파일을 생성하여 충전기를 제어하므로 별도의 통신 단말을 설치하거나 차량으로부터 직접 정보를 받아야 하는 불편함이 있고 지속적인 정보 전달에 따른 통신 비용이 추가된다.
또한, 배터리의 충전량을 알기 위해서 차량의 OBD 단자에 통신 단말을 설치하여 SOC 정보를 받거나 차량 제어 시스템에 직접 통신으로 연결된 중앙서버에서 SOC 데이터를 받아야 하는 어려움이 있으며, 또한 비용이 수반된다.
다시 말해, 배터리의 충전량을 고려하여 특별한 장치나 통신 없이 기존의 차량에도 적용할 수 있는 충전 또는 충방전 제어를 할 수 있는 방안이 제시되지 않았다.
대한민국 등록공보 10-1845241호 대한민국 공개공보 10-2020-0021182호
본 발명은 차량이나 이동체의 배터리(또는 배터리관리시스템)와 계속적인 통신없이 배터리의 상태를 고려한 충방전 제어를 수행할 수 있는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법 및 이를 수행하는 충방전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법은, 충방전 시작 배터리 정보를 입력받는 단계; 배터리 모델에 상기 시작 배터리 정보를 반영하는 단계; 상기 배터리 모델을 이용하여 배터리 상태를 추정한 값으로 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계; 및 상기 배터리 모델을 학습하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 시작 배터리 정보를 입력받는 단계에서는, 상기 전기이동체에 연결된 정보 연동 장치로부터 상기 시작 배터리 정보를 전송받거나, 또는, 사용자의 스마트폰으로부터 전송받은 대시보드 사진으로부터 상기 시작 배터리 정보를 추출할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모델을 학습하는 단계에서는, 사용자의 보정 요청값이 발생한 사안의 충전 과정에 대한 정보들로 배터리 모델에 대한 학습을 수행할 수 있다.
여기서, 사용자의 설정을 입력받는 단계; 및 상기 전기이동체의 제원 정보 및 상기 배터리의 제원 정보를 적용하여 상기 전기이동체에 대한 상기 배터리 모델을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 시작 배터리 정보가 반영된 상기 배터리 모델 및 요금 정보에 따라 충방전 스케줄을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 충방전 스케줄은, 상기 시작 배터리 정보에 따른 SoC값으로부터 목표 SoC값이 될 때까지의 충전을 위한 다수개의 충방전 단위제어 스케줄들을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는, 제어 시점에서 계통 전력의 수요 공급 신호와 전력 가격의 변동에 따라 상기 충방전 단위제어 스케줄을 생성 또는 변경하는 단계; 및 상기 충방전 단위제어 스케줄에 따라 충전 요금은 최소화하고, 방전 또는 제어 수익은 최대화되도록 충방전 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 충방전 단위제어 스케줄에 따라 충방전 제어를 수행하는 단계 이후, 충전을 수행한 전력 정보에 따라 상기 배터리 모델을 갱신하는 단계; 및 갱신된 상기 배터리 모델의 모델링 결과인 SoC가 상기 목표 SoC값에 도달하였는지 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모델은, 상기 전기이동체의 배터리의 직병렬 구성, 정격전압, 정격용량에 대한 정보를 초기 입력값으로 모델이 생성되고, 충전기 접속시의 상기 배터리의 시작 SoC값과 충방전이 진행됨에 따른 충방전 전력 정보를 입력받아, 충방전 수행에 따른 상기 배터리의 SoC 예측값을 출력할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모델은, 사용기간과 누적된 충방전에 따른 상기 전기이동체의 배터리의 열화 정도를 모델링하는 충방전 경년 열화 모델; 누적된 주행 거리에 따른 상기 배터리 방전 영향을 모델링하는 누적주행거리 모델; 상기 배터리 온도 및 충전 방식에 따른 배터리 충전 효율을 모델링하는 충전 효율 산정부; 시작 SoC 및 배터리의 정격 용량과, 충방전 정보와, 상기 배터리의 충전 효율로부터 상기 배터리의 SoC 예측값을 산정하는 SoC 산정부; 및 시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 충방전 정보와, 상기 충방전 경년 열화 모델 및 누적주행거리 모델의 모델링 결과로부터 상기 배터리의 SoH 예측값을 산정하는 SoH 산정부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모델은, 상기 SoC 예측값과 SoH 예측값으로부터 차량의 대시보드에 표시되는 충전량을 산출하는 표시 충전량 산출부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 충방전 시스템은, 전력계통의 전력을 충전을 위한 교류 또는 직류 전력으로 변환하여 전기이동체로 공급하며 전력계통과의 전력 공급 경로를 조절하는 충전전력공급 회로와, 상기 충전전력공급 회로에서 상기 전기이동체로 공급되는 전력량을 검침하는 계량기와, 하기 충방전 제어 시스템의 지시에 따라 상기 충전전력공급 회로의 동작을 제어하는 충전 제어기와, 사용자 기기와 무선 데이터 통신을 수행하는 통신 장치를 포함하는 충전기; 및
상기 전기이동체의 배터리를 모사하는 모델링을 수행하는 배터리 모델; 충전 중인 상황을 상기 배터리 모델에 반영하여 수행한 모델링 결과에 따라 상기 충전기의 충방전을 제어하는 충방전 제어부와, 상기 충전기를 포함하는 충전 인프라를 관리하고, 외부 서버와 이에 필요한 데이터 통신을 수행하는 인프라 관리/통신부를 포함하는 충방전 제어 시스템을 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 충방전 시스템은, 전력계통 전력을 충전을 위한 교류 또는 직류 전력으로 변환하여 전기이동체으로 공급하며, 계통과의 전력 공급 경로를 조절하는 충전전력공급회로와, 상기 충전전력공급회로에서 상기 전기이동체으로 공급되는 전력량을 검침하는 계량기와, 상기 전기이동체의 배터리를 모사하는 모델링을 수행하는 배터리 모델과, 충전 중인 상황을 상기 배터리 모델에 반영하여 수행한 모델링 결과에 따라 상기 충전전력공급 회로의 동작을 제어하는 충전 제어기를 포함하는 충전기; 및
상기 충전기를 포함하는 충전 인프라를 관리하고, 외부 서버와 이에 필요한 데이터 통신을 수행하는 인프라 운영 장치를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 충전기는, 충전 현황을 사용자에게 시각적으로 출력하는 표시 장치; 및 사용자로부터 직접 충전에 대한 정보나 지시를 입력받기 위한 사용자 인터페이스를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모델은, 상기 배터리의 직병렬 구성, 정격전압, 정격용량에 대한 정보를 초기 입력값으로 모델이 생성되고, 충전기 접속시의 상기 배터리의 시작 SoC값과 충방전이 진행됨에 따른 충방전 전력 정보를 입력받아, 충방전 수행에 따른 상기 배터리의 SoC 예측값을 출력할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모델은, 사용기간과 누적된 충방전에 따른 상기 배터리의 열화 정도를 모델링하는 충방전 경년 열화 모델; 누적된 주행 거리에 따른 배터리 방전 영향을 모델링하는 누적주행거리 모델; 배터리 온도 및 충전 방식에 따른 배터리 충전 효율을 모델링하는 충전 효율 산정부; 시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 충방전 정보와, 상기 배터리 충전 효율로부터 상기 배터리의 SoC 예측값을 산정하는 SoC 산정부; 및 시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 충방전 정보와, 상기 충방전 경년 열화 모델 및 누적주행거리 모델의 모델링 결과로부터 상기 배터리의 SoH 예측값을 산정하는 SoH 산정부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모델은, 상기 SoC 예측값과 SoH 예측값으로부터 차량의 대시보드에 표시되는 충전량을 산출하는 표시 충전량 산출부를 더 포함할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법 및/또는 충방전 시스템을 실시하면, 차량의 배터리 또는 배터리관리장치와 계속적인 통신없이 배터리의 상태를 고려한 충방전 제어를 수행할 수 있는 이점이 있다.
세부적으로, 본 발명의 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법 및/또는 충방전 시스템은, 최초 입력된 충전량(SoC)로부터 자체 모델에서 충전량을 산정하므로 운영시스템에서 SoC정보 취득용 통신을 위한 LTE 단말장치가 필요 없으므로 통신비용을 절감하는 이점이 있다.
세부적으로, 본 발명의 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법 및/또는 충방전 시스템은, 차량별 배터리 모델에 누적된 충방전데이터로 학습을 수행하여 정확한 충전량을 산정할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 전기자동차 충전 시스템에서의 충방전 제어 방법을 도시한 흐름도.
도 2는 본 발명의 사상에 따른 충방전 제어 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 3은 도 2의 흐름도에 따른 충방전 제어 방법을 보다 구체적인 단계들로 나타낸 흐름도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모델의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 5는 도 4의 배터리 모델의 세부 구성요소들을 도시한 블록도.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 충방전 제어 방법을 수행하는 충방전 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 충방전 제어 방법을 수행하는 충방전 시스템의 다른 실시예를 도시한 블록도.
도 8은 본 발명의 사상에 따른 충방전 제어 방법을 수행하는 충방전 시스템의 또 다른 실시예를 도시한 블록도.
도 9은 본 발명의 사상에 따른 충방전 제어 방법을 수행하는 충방전 시스템의 또 다른 실시예를 도시한 블록도.
도 10은 충방전 변화에 대한 SoC 모델의 변화와 충방전 제어의 일례를 도시한 그래프.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
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 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 일반적인 전기자동차 충전 시스템에서의 충방전 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도시한 충방전 제어 방법은, 출차시간 및 목표 SoC 등에 대한 사용자 설정을 입력받는 단계(S10); 제어 스케줄을 생성하는 단계(S20); 상기 제어 스케줄에 따라 충방전을 수행하는 단계(S30); 및 목표 충전량에 도달하였는지 확인하는 단계(S40)를 포함한다. 소정의 충전 시간 단위로, 차량 배터리의 실제 충전량을 확인하면서, S20 단계 내지 S40 단계를 반복하는데, 이는 상기 소정의 충전 시간 단위로 차량 배터리에 대한 SoC 확인이 필요함을 의미한다.
상기 소정의 충전 시간 단위로 SoC 확인을 실제 차량 배터리에 대하여 수행하려면 차량에서 충전기나 충전 제어 장치로 통신 채널이 지속적으로 형성되어야 하는데, 이는 차량에서 해당 기능을 지원하여야 하며, 통신 비용이 상당하다. 이에 본 발명에서는 상기 배터리를 SW적으로 모사하는 배터리 모델을 적용하는 방안을 제시한다.
구체적으로, 본 발명에서는 충방전 제어 및 충전 인프라 관리를 수행하는 충방전 제어 장치(시스템)에서 충방전 시작 시점의 배터리 잔량(충전상태, 이하 SoC)을 받아서 배터리 모델을 이용하여 배터리의 SoC 등을 산정하여 충방전 제어를 수행하는 방안을 제안한다. 이 경우, 충전하는 도중에 차량으로부터 통신단말을 이용하여 SoC 정보를 가져올 필요가 없으며, 차량의 충방전이 진행됨에 따라 충방전 제어를 위하여 배터리의 충전 잔량을 차량의 정보단말을 통해서 수시로 받아서 제어하는 불편함과 이에 수반되는 통신비용을 절감할 수 있다.
도 2는 본 발명의 사상에 따른 충방전 제어 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도시한 충방전 제어 방법은, 충방전 시작 배터리 정보로서 시작 SoC를 입력받는 단계(S200); 배터리 모델에 상기 시작 SoC를 반영하는 단계(S500); 상기 배터리 모델을 이용하여 배터리 상태를 추정한 값으로 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계(S600); 및 상기 배터리 모델을 학습하는 단계를 포함할 수 있다.
구현에 따라, 개별 충방전 수행 이전에 서비스 사용자의 충방전 서비스에 대한 설정을 입력받는 단계(S100)를 더 포함할 수 있다.
도시한 서비스 사용자의 설정을 입력받는 단계(S100)에서는, 서비스 사용자(가입자)로부터, 해당 전기 차량의 출차 예정시각, 목표 충전량(목표 SoC)이나 충전 금액, 우선 충전 조건에 대한 정보들을 입력받는데, 해당 정보는 상기 전기 차량이 충전기가 설치된 장소에 위치할 때, 입력받거나, 미리 서비스 가입이나 서비스 항목 변경 신청시에 입력받을 수 있다.
상기 충방전 시작 배터리 정보로서 시작 SoC를 입력받는 단계(S200)에서는, (1)번 방안으로 사용자앱에서 사진 등으로 기록한 대시보드 화면으로부터 SoC를 환산하여 배터리의 충전 시작 시점의 충전량 상태(SoC) 정보를 얻거나, (2)번 방안으로 사용자가 시작 시점의 SoC를 사용자앱에 입력하거나, (3)번 방안으로 기존 EV의 OBD 포트에 블루투스 또는 WiFi 방식의 OBD 정보 수집 장치(ODB 장치라 약칭함)를 설치하고 사용자 앱은 OBD 장치에서 읽어온 충전량상태(SoC) 정보를 얻어서 충전시작 시점의 충전량(SoC)으로 적용할 수 있다. 도 2에서는 (1)번 방안에 따라 대시보드 촬영 사진을 확보하는 단계(S220); 및 상기 촬영 사진으로부터 시작 SoC를 추출하는 단계(S240)로 수행하고 있다.
다시 말해, 상기 충방전 시작 배터리 정보로서 시작 SoC를 입력받는 단계(S200)에서는, 상기 전기 차량에 연결된 정보 수집기(예: ODB 연동 장치)로부터 시작 배터리 정보(즉, 상태값인 시작 SoC값)을 전송받거나, 또는, 운전자의 스마트폰으로부터 전송받은 대시보드 사진 또는 입력값으로부터 시작 배터리 정보(즉, 상태값인 시작 SoC값)을 추출할 수 있다.
도시한 충방전 제어 방법이 수행되는 충방전 제어 시스템(장치)는 자체적으로 충방전에 따라 상태가 반영되는 본 발명의 사상에 따른 배터리 모델을 갖고 있어서, 서비스 이용자가 설정한 전기 차량의 배터리 용량과 형식 등 차량 기본 정보와, 충전기가 충방전을 진행함에 따라 기록한 기존의 충전데이터로부터 학습된 모델에 기반하여 충방전 진행에 따라 전기운송수단 배터리의 SoC를 실시간으로 산정하여 충방전 제어의 현재 SoC값으로 활용할 수 있다.
상기 배터리 모델을 갖추기 위해 도시한 충방전 제어 방법은, 상기 전기 차량의 제원 정보 및 상기 배터리의 제원 정보를 적용하여 상기 전기 차량에 대한 상기 배터리 모델을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모델은 충전시작시 사용자앱에서 입력된 SoC를 초기 값인 시작 SoC로 설정하여(S400), 충전 또는 방전의 진행(S600)에 따라서 계측된 전력량과 전력을 입력값으로 하여 배터리의 SoC를 예측하여 제공할 수 있다.
상기 배터리 모델은 기존에 기록된 충방전 데이터와 충방전 수행 전/후로 획득한 값(예: 사용자가 입력한 SoC 및 누적주행거리 값)으로부터 스스로 학습하여 모델의 예측 정확도를 높일 수 있다.
예컨대, 운전자는 사용자앱 등을 통해 충전이 완료된 시점의 해당 차량 배터리의 SoC가 목표 SoC에서 부족한 경우, 부족한 SoC량을 보정 요청값으로 전송할 수 있고, 상기 배터리 모델을 학습하는 단계에서는, 운전자의 보정 요청값이 발생한 사안의 충전 과정에 대하여 상기 보정 요청값에 따라 보정된 목표 SoC를 산출하고, 상기 충전 과정 수행에 따라 상기 보정된 목표 SoC를 출력하도록 배터리 모델에 대한 학습을 수행할 수 있다.
상기 S600 단계는 충전기의 동작을 제어하는 충방전 제어 시스템(장치) 및/또는 충전기에 의해 수행될 수 있다. 한편, 상기 충방전 제어 시스템(장치)는 상기 충전기 외부에서 충전기 동작을 원격 제어하거나, 충전기에 내장될 수 있다.
상기 S600 단계에서 상기 충방전 제어 시스템(및/또는 충전기)은, 전기이동수단의 충전 및 방전의 속도(전력) 정보와, 충전 시작시 입력된 배터리의 충전상태(SOC)정보와, 시간대별 전력가격, 방전보상금, 제한 보상금과 사용자의 설정을 기반으로 충전스케줄을 생성하고 충전을 시작한다. 여기서, 상기 충전 스케줄은 상기 시작 SoC로부터 상기 목표 SoC가 될 때까지의 전체 충전을 위한 것으로, 각 단위 시간동안의 충전 제어 방향이 기재된 다수개의 충전 단위제어 스케줄들로 이루어질 수 있다.
상기 S600 단계에서 상기 충방전 제어 시스템(및/또는 충전기)은, 전력망의 DR 신호, 실시간 충전 및 방전 요금변동, 충전기가 설치된 장소의 부하 정보를 받아서 사용자 또는 충전기 운영자가 미리 설정한 조건과 사용자의 요구 사항에 맞추어 충방전 전력의 크기를 제어하고 기록할 수 있다.
상기 S600 단계는 도시한 바와 같이, 상기 충방전 제어 시스템(및/또는 충전기)이 전력 계통의 수요-공급에 대한 DR 신호와 전력가격의 변동에 따라서 충전, 충전 대기 또는 방전으로 충전 단위제어 스케줄을 생성 또는 변경하는 단계;(S620) 및 상기 충전 단위제어 스케줄에 따라 충전 요금은 최소화하고, 방전 또는 제어 수익은 최대화 되도록 충방전 제어를 수행하는 단계(S640)를 포함할 수 있다.
충전 제어에 따라 배터리 모델이 목표 충전량(목표 SoC)에 도달하면, 실제 배터리도 목표 충전량(목표 SoC)에 도달한 것으로 간주하여 충전을 종료할 수 있다. 이에 따라 충전이 종료되면, 충전제어 및 충방전 결과는 필요에 따라 시스템운영자, 전력회사 또는 DR 운영자에게 전송될 수 있다.
상기 S200 단계에서 시작 SoC값만을 입력받지만, 상기 배터리 모델에서는 SoC 뿐만 아니라 SoH도 모델링을 수행하여, 충방전 수행과 누적주행거리에 따른 변화를 추정하여 모델에 반영할 수 있다.
도 3은 도 2의 흐름도에 따른 충방전 제어 방법을 보다 구체적인 단계들로 나타낸 흐름도이다.
도시한 흐름도에서는, 상기 시작 SoC값을 확보(S260)하는 선택적 방안으로서, 차량의 ODB와 연동되는 차량 설치 단말기(ODB 장치)로부터 차량이 제공한 시작 SoC값을 입력받는 단계(S210); 및 사용자 앱 등으로부터 사용자가 직접 입력한 시작 SoC값을 입력받는 단계(S250)를 표현하였다.
또한, 도시한 흐름도에서는, 상기 시작 SoC값을 확보한 단계(S260) 직후에, 상기 배터리 모델에 상기 시작 SoC를 입력하는 단계(S500); 및 상기 시작 SoC가 입력된 배터리 모델 및 요금 정보에 따라 충전 스케줄을 생성하는 단계(S610)를 명확히 표현하였다. 여기서, 상기 충전 스케줄은 상기 시작 SoC로부터 목표 SoC가 될 때까지의 전체 충전을 위한 것으로, 다수개의 충전 단위제어 스케줄들로 이루어질 수 있다. 각 단위 충전제어 스케줄은 도시한 S620 단계 내지 S660 단계로 이루어지는 1회의 충전 제어 루프를 위한 스케줄일 수 있다.
상기 시작 SoC로부터 목표 SoC가 될 때까지의 충전을 수행하는 동안, 조건(사정) 변경이 발생되면 상기 S610 단계에서 생성한 충전 스케줄은 변경될 수 있고, 이는 해당 조건의 변경이 발생된 시점 이후의 상기 충전 제어 루프들에 대한 충전 단위제어 스케줄들의 변경(S620)으로 적용될 수 있다.
상기 조건(사정) 변경은, 예컨대, 실시간 전력 가격이 갑자기 예고값에서 변동되는 경우, 사용자가 해당 차량을 충전 요청과 다르게 변경하는 경우, 충전 중 전력 계통의 사정으로 계획한 양만큼 충전을 수행하지 못한 경우 등이 될 수 있다.
도시한 S650 단계에서는, 충전기 해당 차량에 대하여 충전을 수행하는 전력 정보(즉, 충전 전류/전압)에 따라 상기 배터리 모델을 반영(갱신)하고, 도시한 S660 단계에서는 상기 충전 전력 정보가 반영된 배터리 모델의 모델링 결과인 SoC가 목표 SoC에 도달하였는지 확인할 수 있다. 예정된 충전 시간이 완료될때까지 최종적으로 목표 SoC에 도달하지 못한 경우에도, 해당 충전 요청에 따른 충전을 종료하고 상기 S660 단계에서 도시한 S700 단계로 이행된다.
도시한 S700 단계에서는 종료된 충전 내역을 기록하고, 운영 시스템(관리자) 및 사용자(운전자)에게 충전 종료를 통보한다.
만약, 상술한 배터리 모델 기반으로 산출되어 상기 S660 단계의 판단 기준이 된 모델링된 최종 SoC와, 차량에 대시보드에 표시되는 최종 SoC가 다른 경우, 사용자는 충전기 유저 인터페이스나 사용자 앱 등을 이용하여 이에 대한 보정을 요청할 수 있다(S810).
상기 보정 요청은 주로 모델링된 최종 SoC 보다 대시보드에 표시되는 최종 SoC가 낮은 경우에 발생되며, 이 경우, 충전 제어 장치는 최종 SoC들(모델링된 최종 SoC 및 대시보드에 표시되는 최종 SoC)의 차이값 만큼 보정 충전을 수행할 수 있다(S820). 또한, 상기 사용자로부터 신고된 보정 요청에 따른 상기 최종 SoC들의 차이값은 상기 배터리 모델에 대하여 학습값으로 이용되어, 배터리 모델 학습이 수행될 수 있다(S900).
도 3의 흐름도에 따른 일련의 과정들은 충전기의 동작을 제어하는 충방전 제어 시스템(장치) 및/또는 충전기에 의해 수행될 수 있다.
도시한 S210 단계 또는 S220, S250 단계에서는, 사용자 단말 또는 대시보드 사진 또는 SOC OBD장치로부터 충전 시작 시점의 시작 SoC를 전송받을 수 있다,
도시한 S100 단계에서, 충전을 위해 사용자는 요구사항으로 충전 목표값(kWh, 주행거리 또는 SoC)과 출차시간 또는 충전 종료 시간을 입력하고 충전을 시작할 수 있다.
도시한 S100 단계에서, 상기 충방전 제어 시스템(장치)과 상기 배터리 모델은 차량의 배터리 용량과 충전속도에 대한 정보를 제공받을 수 있다.
도시한 S100 단계에서, 사용자는 제어형 충전, 경제충전, 단순충전, DR 참여이득 최대화 방식을 선택하여 입력(지정)할 수 있다.
도시한 S100 단계 수행 이후, 충전기의 충전 플러그가 해당 전기 차량에 연결되면 충전을 개시한다.
도시한 S610 단계에서 사용자 요구사항과 시작 시점의 시작 SOC, 차량의 배터리용량, 충전속도로부터 충전 스케줄을 생성하고, 이에 따라 도시한 S640 단계에서 충전 또는 방전을 수행할 수 있다. 충전 제어 시스템은 충방전한 전력량을 적산하여 출차시간 또는 충전종료시간까지 충전을 완료 할 수 있도록 충전제어를 지속하거나 중단할 수 있다. 충전 수행 도중, 충전 제어 시스템은 전력가격변화, DR 및 제어신호에 따라서 이후의 충전 단위제어 스케줄들을 변경하고(S620), 충방전 제어를 수행할 수 있다(S640).
상술한 과정들에 있어서, 상기 배터리 모델은 시간별 충방전 전력에 대한 정보를 입력 받아서 모델링 결과로부터 예측되는 배터리 SoC를 산출하여 제공한다.
도시한 S660 단계에서 사용자 설정에 도달하면 충전을 종료하고 충방전내역을 상위 운영 시스템과 사용자에게 통보할 수 있다(S700).
도 4는 본 발명의 사상을 구현하는데 주요 특징이 되는 배터리 모델의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도시한 배터리 모델(500)의 동작원리는 다음과 같다.
상기 배터리 모델(500)은 사용자의 전기 차량에 장착된 배터리를 모사하여 최초 충전기 접속시의 시작 SoC값과 충방전이 진행됨에 따른 충방전 전력 정보(충방전전력, 충방전시간, 충방전 전력량)를 입력받아 충전량을 예측하여, 예상되는 배터리의 SoC값으로서 출력할 수 있다.
추가적으로, 누적 기록된 충방전량, 충방전 전력, 충방전시간, 충전시의 외기온도와 매회 충전시작시 사용자가 입력한 충전시작 시점의 SoC와 누적주행거리를 입력값으로 배터리의 노화도(SoH)를 예측하여 제공할 수 있다.
상기 배터리 모델(500)은 전기차 배터리의 직병렬 구성, 정격전압, 정격용량, 사용시작일, 배터리의 종류에 대한 정보를 초기 입력값으로 모델을 생성(505)하고 사용자가 충전 시작 시점에 입력한 시작 SoC와 충전기가 제공하는 시간별 충방전 전력과 충방전 효율로부터 충전량(도시한 SoC 예측값 기반)을 산정하여 제공할 수 있다.
배터리의 충방전 효율은 개별 전기이동수단 및 배터리의 형태에 따라서 실험적으로 구할수 있다.
상기 배터리 모델(500)은 누적된 충방전 데이터(충방전량, 충방전 전력, 충방전시간, 충전시의 외기온도와 충전시작시의 SoC)와 사용자가 충전시작 또는 종료시점에 입력한 누적주행거리 데이터로부터 배터리의 노화정도인 SoH를 산정하여 SoH 예측값으로 제공할 수 있다.
상기 배터리 모델(500)은 충전제어기가 시간별 충방전 전력에 대한 정보를 입력하면, 모델로부터 SoC를 산출하여 SoC 예측값으로 제공할 수 있다.
도 5는 도 4의 배터리 모델(500)의 세부 구성요소들을 도시한 블록도이다.
도시한 배터리 모델(500)은, 사용시간과 누적된 충방전에 따른 배터리의 열화 정도를 모델링하는 충방전 경년 열화 모델(510); 전기 차량의 누적된 주행 거리에 따른 배터리 방전 영향을 모델링하는 누적주행거리 모델(520); 배터리 온도 및 충전 방식에 따른 배터리 충전 효율을 모델링하는 충전 효율 산정부(560); 시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 상기 충전기로부터의 충방전 정보와, 상기 배터리 충전 효율로부터 상기 배터리의 SoC 예측값을 산정하는 SoC 산정부(540); 시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 상기 충전기로부터의 충방전 정보와, 상기 충방전 경년 열화 모델(510) 및 누적주행거리 모델(520)의 모델링 결과로부터 상기 배터리의 SoH 예측값을 산정하는 SoH 산정부(550)를 포함할 수 있다.
구현에 따라, 상기 SoC 예측값과 SoH 예측값으로부터 차량의 대시보드에 표시되는 충전량을 산출하는 표시 충전량 산출부를 더 포함할 수 있다.
도시한 배터리 모델(500)의 구체적인 동작은 다음과 같다.
도시한 배터리 모델(500)은 입력 데이터로서, 누적 충방전 시간, 누적 충방전량, 누적 충방전 횟수, 누적주행거리, 배터리 정격용량, 시작 SoC(SoC_init), 충전전력량, 방전전력량, 충전시간, 방전시간, 배터리온도, 충방전방식(AC 또는 DC), 배터리종류, 사용시작일을 입력받을 수 있다.
도시한 배터리 모델(500)은 입력 데이터로서, SoH 예측값 범위, 중앙값, SoC 예측값, 상기 충전량 예측값을 출력할 수 있다.
상기 SoH 산정부(550)는, 최근에 이루어진 완충시의 충전량으로부터 사용자 또는 운영자가 지정한 최근 횟수에 대한 산술평균으로 구한값과 충방전에의한 경년열화, 차량 주행에의한 열화로부터 예상되는 SoH 범위를 다음과 같이 산정할 수 있다.
누적 충방전 시간, 누적 충방전량, 누적 충방전 횟수, 누적주행거리 데이터가 없을 경우에는 충방전 경년 열화 또는 주행거리열화도는 제외하고 시작SoC와 완충시 충전량으로만 SoH를 하기 수학식 1과 같이 산출할 수 있다.
[수학식 1]
SoH = 범위 표시(최근 N회의 완충시의 산술평균((충전량(kWh) x 정격충전효율) / ((SoC_fin - SoC_init) x 배터리정격용량)) x 경년열화(충전량kWh, 방전량kWh, 충방전 횟수, 누적사용일) x 주행거리열화(누적km) )
여기서, 충방전 경년열화는 누적 충방전량 및 충방전 횟수, 사용시간에 대해서 SoH변화를 배터리 팩 또는 모듈에 대해 실험적으로 구한 값이고, 주행거리열화는 누적 주행거리에 대해서 SoH 변화를 실험적으로 구한 값이다.
상기 SoC 산정부(540)는 SoC 예측값을 시작시 SoC와 충전량, SoH 예측 중앙값을 이용하여 하기 수학식 2와 같이 산정할 수 있다.
[수학식 2]
SoC_fin = SoC_init + SoH x (충전량(kWh) x 충전효율 - 방전량(kWh) x 방전효율) / (배터리정격용량(kWh))
충방전효율은 AC충방전과 DC충방전이 다르게 적용된다. AC 충방전시에는 탑재형 충방전장치 OBC의 효율이 포함되어 산정된다. OBC의 충방전 효율은 충방전 전력에 대해서 실험적으로 구하거나 제조사에서 제공한 규격을 이용한다.
상기 충전 효율 산정부(560)는, 충방전효율 산정을 위하여 실험적으로 구하거나 이동체 제조사에서 제공한 배터리의 평균충전 효율과 배터리 온도에 의한 효율 보상을 함께 적용하여 하기 수학식 3과 같이 충전 또는 방전효율을 산정할 수 있다.
[수학식 3]
충전/방전 효율(AC) = OBC 전력변환효율(충(방)전량/충(방)전시간) X 배터리 충(방)전효율 x 배터리온도보상
충전/방전 효율(DC) = 배터리 충(방)전효율 x 배터리온도보상
일반적으로 전기 차량의 대시보드에 배터리의 충전량은 완충량에 대한 %로 표시된다. 그런데, 상기 %는 제품에 따라 전하량에 대한 비율이거나, 전압에 대한 비율일 수 있으며, 전하량에 대한 비율인 경우, 배터리 노화에 따라 완충 전하량을 조정하여야 하며, 전압에 대한 비율인 경우, 배터리 노화에 따라 실제 SoC와 표시되는 SoC에 오차가 커지게 된다.
상술한 사정을 감안하여, 상기 표시 충전량 산출부는, 상기 SoH 예측값으로 부터 노화 정도에 따른 완충 전하량을 산정하거나, 완충 전압 및 완충 전하량 및 상호간의 관계를 설정하고, 이를 이용하여 상기 SoC 예측값을 차량의 대시보드에 표시되는 충전량으로 변환하여 나타낼 수 있다.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 충방전 제어 방법을 수행하는 충방전 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도시한 충방전 시스템은, 전기 차량(100)에 연결되어 계통의 전력으로 상기 전기 차량(100)의 배터리를 충전하거나, 상기 배터리에 저장된 전력을 계통으로 방전하는 충전기(200)와, 본 발명의 사상에 따른 배터리 모델(500)을 이용하여 상기 충전기(200)의 상기 전기 차량(100)에 대한 충전을 제어하는 충방전 제어 시스템(400)을 포함할 수 있다.
상기 충전기(200)는, 계통(20)의 전력을 충전에 적합한 직류 전력으로 변환하여 상기 전기 차량(100)으로 공급하며, 계통(20)과의 전력 공급 경로를 조절하는 충전전력공급 회로(220); 상기 충전전력공급 회로(220)에서 상기 전기 이동체(100)로 공급되는 전력량을 검침하는 계량기(230); 상기 충방전 제어 시스템(400)의 지시에 따라 상기 충전전력공급 회로(220)의 동작을 제어하는 충전 제어기(240); 사용자(운전자) 기기(102)와 무선 데이터 통신을 수행하는 통신장치(260)를 포함할 수 있다.
구현에 따라, 상기 충전기(200)는, 충전 현황을 사용자에게 시각적으로 출력하는 표시장치(270); 및 사용자로부터 직접 충전에 대한 정보나 지시를 입력받기 위한 사용자 인터페이스(280)를 더 포함할 수 있다.
상기 충방전 제어 시스템(400)은, 본 발명의 사상에 따라 상기 전기 이동체(100)의 배터리를 모사하는 모델링을 수행하는 배터리 모델(500); 충전 중인 상황을 상기 배터리 모델(500)에 반영하여 수행한 모델링 결과에 따라 상기 충전기(200)의 충방전을 제어하는 충방전 제어부(420); 및 상기 충전기(200)를 포함하는 충전 인프라를 관리하고, 외부 서버와 이에 필요한 데이터 통신을 수행하는 인프라 관리/통신부(460)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 통신장치(260)와 데이터 통신을 수행하는 사용자 단말(102)은 카메라를 이용하여 전기 차량의 대시보드를 촬영하여 충전기(200) 또는 충방전 제어 시스템(400)으로 전달하는 기능을 갖는다. 상기 사용자 단말(102)은 사용자(운전자)가 휴대하는 스마트폰일 수 있으며, 이 경우, 상기 스마트폰에 차량의 대시보드에 대하여 사진 촬영하여 전송할 수 있는 앱(104)이 설치될 수 있다.
도시한 충방전 시스템의 경우, 상기 충방전 제어부(420) 및 상기 충전 제어기(240)에 의해 도 2 또는 도 3의 흐름도에 도시한 바와 같은, 본 발명의 사상에 따른 배터리 모델을 이용한 충방전 제어 방법이 수행된다.
상기 배터리 모델(500)은 전기 차량의 배터리 용량과 형식 등 기본 정보를 미리 입력하며, 기존의 충방전 수행 데이터에 기반하여, 충방전 수행에 따라 상기 전기 차량의 배터리의 SoC를 실시간으로 예측하는 기능을 수행한다. 상기 배터리 모델(500)은 충전시작시 입력된 시작 SoC값과 충전 또는 방전의 진행에 따라서 시간별로 계측된 전력량과 전력을 입력값으로 적용하여, 충방전 수행에 따라 변화된 SoC를 예측한다. 상기 배터리 모델(500)은 충방전데이터가 누적됨에 따라 사용자가 입력한 충방전 시작 및 종료시의 SoC값과 누적된 충방전 데이터를 학습하여 모델의 정확도를 높일 수 있다.
상기 충방전 제어부(420)는, 사용자가 입력한 목표 충전량과 종료 시각에 맞추어서 설정된 충전 전략에 따라 충전 또는 방전 요금정보와 DR 신호를 반영하여 충전 및 방전을 제어한다. 충전 전략은 충전요금 최소화, 최단시간 충전, DR 및 방전 수익 최대화 등이 있다.
상기 충방전 제어부(420) 및/또는 상기 충전 제어기(240)는 충전 또는 방전을 진행하며 전력량을 측정하여 기록하고 상위 운영 시스템(50)으로 시간대별 충방전 값을 전송할 수 있다.
도시한 충전기(200)는 전기 차량으로 CP/PWM 제어 및 CAN, PLC통신 등의 방법으로 충전 또는 방전 제어 신호를 생성하는 상기 충전 제어기(240)와 시간에 따라서 충전 전력을 기록하는 계량기(230), 통신장치(260), 표시장치(270), 사용자 인터페이스(UI)(280)로 구성된다.
상기 통신장치(260)는 사용자단말, SOC정보단말, 충방전운영시스템과 통신할 수 있고, 상기 표시장치(270)는 충전기의 상태와 진행 상태를 표시하고, 상기 사용자 인터페이스(UI)(280)는 사용자 설정을 입력받거나 충전기 설정 조작을 입력받을 수 있다.
도시한 충전 제어기(240) 및 충방전 제어부(420)를 중심으로 충전 과정들에 대하여 살펴보겠다.
사용자(운전자)는 충전 시작전에 사용자 단말(102)로 대시보드의 충전량을 촬영하거나 충전량(SoC)를 단말에 입력할 수 있다. 예컨대, 사용자 단말(102)의 응용프로그램(104) 또는 충방전 제어 시스템(400) 또는 충전기(200)는 입력된 대시보드 영상으로부터 SoC를 산출하여 SoC 시작값으로 배터리 모델(500)과 충방전 제어부(420)의 입력 값으로 사용할 수 있다.
한편, 사용자가 직접 입력한 경우 그 값을 시작 SoC값으로 배터리 모델(500)과 충방전 제어부(420)의 입력 값으로 사용할 수 있다.
상술한 바에 따라, 충전시작시의 SOC 정보를 충방전 제어 시스템(400)(다른 구현에서는 충전기) 내의 배터리 모델(500)에 입력한다. 상기 충전 제어기(240)는, 충전 또는 방전이 진행됨에 따라 배터리 모델로 시간별 충전 전력 정보를 입력하고, 이에 따라 모델링되어 배터리 모델(500)로부터 출력되는 SoC값을 전달 받는다.
상기 충방전 제어부(420)(다른 구현에서는 상기 충전 제어기(240))는, 충전 시작 시점의 SOC와 출차시간, 목표충전량, 충방전 제어 참여 여부 등의 사용자 설정정보와 차량의 충방전 속도정보, 충전기 사용자(전기차 충전고객)가 설정한 우선순위에 따라서 충전스케줄을 생성하여, 정격충전, 경제 충전, 제어형 충전 또는 충방전을 수행할 수 있다.
제어형 충전이 선택된 경우 상기 충전기(200)는 상기 충전 제어기(240)의 지시에 따라 전력회사 또는 충전기 운영자가 설정한 제어 조건이나 DR 요금에 따라서 사용자가 요구한 충전완료 시간이나 요금수준을 달성 할 수 있도록 충전 전력의 크기를 비례제어 또는 단속 제어를 수행할 수 있다.
상기 충전기(200) 또는 충방전 제어 시스템(400)은 충전 또는 충방전 전력크기의 변화를 연속하여 기록하고, 제어가 없을 경우의 정격충전 전력에 대비하여 제어된 충전 또는 방전전력과 제어시간을 산정하고, 충전이 종료되면 충전기 운영자 또는 전력회사에 보내서 충전 및 방전 요금을 정산할 수 있다.
상기 충전기(200) 또는 충방전 제어 시스템(400)은 충전 및 충방전시 제어된 전력, 전력량, 시간 등을 기록하고 상위 운영 시스템(50) 또는 사용자 단말(102)로 전송할 수 있다.
상기 상위 운영 시스템(50)은 상기 충전기(200)에서 받은 충전 및 제어 데이터를 기반으로 사용요금과 보상금을 산정하여 사용자의 단말(102)과 충전기(200)로 전송할 수 있다.
도 7은 본 발명의 사상에 따른 충방전 제어 방법을 수행하는 충방전 시스템의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도시한 충방전 시스템은, 도 6의 경우와 비교하여, SOC 정보를 획득하기 위한 OBD 장치(108)를 구비하고, 상기 OBD 장치(108)가 전기 차량의 OBD에 연결되어 배터리의 충전량 정보를 충전기(200) 또는 충방전 제어 시스템(400)으로 전달함에 차이가 있다. 구현에 따라, 상기 OBD 장치(108)는 사용자(운전자) 단말(예 : 스마트폰)(102)을 경유하여 충전량 정보를 충전기(200) 또는 충방전 제어 시스템(400)으로 전달할 수 있다.
도 7에 도시한 충전 제어기(240) 및 충방전 제어부(420)를 중심으로 충전 과정들에 대하여 살펴보겠다.
사용자 단말(102)에서 배터리의 충전상태(SOC) 정보를 차량의 OBD에 설치된 SOC OBD 장치(108)에서 블루투스 또는 와이파이 등의 근거리 통신으로 전송받을 수 있다. 상기 사용자 단말(102)은 사용자의 충전설정 조건과 같이 충전 시작시점의 SOC 정보로 충전기(200) 또는 충방전 제어 시스템(400)으로 전송할 수 있다.
또는, 도시한 충전기(200)는 플러그가 연결되면, 배터리의 충전상태(SOC) 정보를 차량의 OBD에 설치된 SOC OBD 장치(108)에서 블루투스 또는 와이파이 등의 근거리 통신으로 전송받아, 이를 충전 시작 시점의 SoC로 취득할 수 있다.
충전 시작시 SOC 정보를 충방전 제어 시스템(100)(다른 구현에서는 충전기)의 배터리 모델(500)에 입력한다. 충방전 제어 시스템(400)은 충전 또는 방전이 진행됨에 따라 상기 배터리 모델(500)로 시간별 충전전력 정보를 입력하고, 그때에 모델링 결과로서 출력된느 SoC 값을 전달받을 수 있다.
상기 충방전 제어부(420)(다른 구현에서는 상기 충전 제어기(240))는, 충전 시작 시점의 SOC와 출차시간, 목표충전량, 충방전 제어 참여여부 등의 사용자 설정정보와 차량의 충방전 속도정보, 충전기 사용자(전기차 충전고객)가 설정한 우선순위에 따라서 충전스케줄을 생성하여 정격충전, 경제 충전, 제어형 충전 또는 충방전을 수행할 수 있다.
제어형 충전이 선택된 경우 상기 충전기(200)는 상기 충전 제어기(240)의 지시에 따라 전력회사 또는 충전기 운영자가 설정한 제어 조건이나 DR 요금에 따라서 사용자가 요구한 충전완료 시간이나 요금수준을 달성 할 수 있도록 충전 전력의 크기를 비례제어 또는 단속 제어를 수행할 수 있다.
상기 충전기(200) 또는 충방전 제어 시스템(400)은 충전 또는 충방전 전력크기의 변화를 연속하여 기록하고, 제어가 없을 경우의 정격충전 전력에 대비하여 제어된 충전 또는 방전전력량과 제어시간을 산정하고, 충전이 종료되면 충전기 운영자 또는 전력회사에 보내서 충전 요금을 정산할 수 있다.
상기 충전기(200) 또는 충방전 제어 시스템(400)은 충전 및 충방전시 제어된 전력, 전력량, 시간 등을 기록하고 상위 운영 시스템(50) 또는 사용자 단말(102)로 전송할 수 있다.
상기 상위 운영 시스템(50)은 상기 충전기(200)에서 받은 충전 및 제어 데이터를 기반으로 사용요금과 보상금을 산정하여 사용자의 단말(102)과 충전기(200)로 전송할 수 있다.
도 8은 본 발명의 사상에 따른 충방전 제어 방법을 수행하는 충방전 시스템의 또 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도시한 충방전 시스템은, 본 발명의 사상에 따른 배터리 모델(1500)을 이용하여 상기 전기 차량에 연결되어 계통(20)의 전력으로 상기 전기 차량의 배터리를 충전하거나, 상기 배터리에 저장된 전력을 계통으로 방전하는 충전기(1200)와, 상기 충전기(1200)를 포함하는 충전 인프라를 관리하고, 외부 서버(50)와 이에 필요한 데이터 통신을 수행하는 인프라 운영 장치(1400)를 포함할 수 있다.
상기 충전기(1200)는, 계통(20)의 전력을 충전에 적합한 교류 또는 직류 전력으로 변환하여 상기 전기 차량으로 공급하며, 계통(20)과의 전력 공급 경로를 조절하는 충전전력공급 회로(1220); 상기 충전전력공급 회로(1220)에서 상기 전기 차량으로 공급되는 전력량을 검침하는 계량기(1230); 본 발명의 사상에 따라 상기 전기 차량의 배터리를 모사하는 모델링을 수행하는 배터리 모델(1500); 충전 중인 상황을 상기 배터리 모델(1500)에 반영하여 수행한 모델링 결과에 따라 상기 충전전력공급 회로의 동작을 제어하는 충전 제어기(1240); 사용자(운전자) 기기와 무선 데이터 통신을 수행하는 통신장치(1260)를 포함할 수 있다.
구현에 따라, 상기 충전기(1200)는, 충전 현황을 사용자에게 시각적으로 출력하는 표시장치(1270); 및 사용자로부터 직접 충전에 대한 정보나 지시를 입력 받기 위한 사용자 인터페이스(1280)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 통신 장치(1260) 및/또는 상기 인프라 운영 장치(1400)와 데이터 통신을 수행하는 사용자 단말(102)은 카메라를 이용하여 전기 차량의 대시보드를 촬영하여 충전기(1200) 또는 상위 운영 서버(50)로 전달하는 기능을 갖는다. 상기 사용자 단말(102)은 사용자(운전자)가 휴대하는 스마트폰일 수 있으며, 이 경우, 상기 스마트폰에 차량의 대시보드에 대하여 사진 촬영하여 전송할 수 있는 앱(104)이 설치될 수 있다.
도시한 충전 시스템이 경우, 상기 충전 제어기(1240)가 본 발명의 사상에 따른 도 2 또는 도 3의 흐름도의 충방전 제어 방법을 수행함에 도 6의 경우와 차이가 존재한다.
도 9은 본 발명의 사상에 따른 충방전 제어 방법을 수행하는 충방전 시스템의 또 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
상술한 도 2 내지 도 8에 대한 기재 내용들은 차량 배터리의 충전시 뿐만 아니라, 충전기를 경유한 계통으로의 방전에도 적용될 수 있으나, 이해의 편의상 앞서 설명에서는 널리 이용되는 충전기를 이용한 충전 과정으로 구체적 예시한 것이다.
즉, 도 2 내지 도 8에 관련된 기재는 충전기로부의 충전 과정을 중심으로 표현 및 설명하였지만, 상기 충전기와 연결된 상태에서 상기 충전기를 경유한 계통으로의 방전에도 동일한 흐름에 따른 방전이 수행될 수 있다. 이때의 방전은 차량의 주행에 따른 방전과 구별하여 V2G 방전이라고 별도로 칭할 수 있다.
도 9에 도시한 충방전 시스템은, 도 8과 유사하게, 본 발명의 사상에 따른 배터리 모델(1500)을 이용하여 전기 차량에 연결되어 계통의 전력으로 상기 전기 차량의 배터리를 충전하거나, 상기 배터리에 저장된 전력을 계통으로 방전하는 충전기(1200)와, 상기 충전기(1200)를 포함하는 충전 인프라를 관리하고, 외부 서버와 이에 필요한 데이터 통신을 수행하는 인프라 운영 장치(1400)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 충전기(1200)는 계통으로의 방전을 수행하므로 방전기 또는 충방전기라 칭할수도 있지만, 실제 계통으로의 방전을 수행되는 충전소에 설치된 해당 하드웨어는 일반인들은 충전기라 부르는 바, 그대로 충전기가 칭하였다.
도시한 충방전 시스템은, 도 6의 경우와 비교하여, SOC 정보를 획득하기 위한 OBD 장치(108)를 구비하고, 상기 OBD 장치(108)가 전기 차량의 OBD에 연결되어 배터리의 충전량 정보를 충전기(1200) 또는 인프라 운영 장치(1400)로 전달함에 차이가 있다.
도 9에 도시한 충방전 시스템은 전기 차량의 배터리에 저장된 전력을 계통으로 공급하는 V2G 방전을 수행하는 것을 명시적으로 도시함에 도 6 내지 도 8과 차이가 있다.
도 9에서, DC 방전인경우 AC - DC 변환 회로가 DC - AC 변환 회로(1210)로 대체되며, AC 방전인 경우 차단기와 전력품질 보상회로로 대체될 수 있으며, 다른 구성요소들 및 동작들은 충전의 경우와 대칭적으로 구현됨을 알 수 있다.
도 10은 충방전 변화에 대한 SoC 모델의 변화와 충방전 제어의 일례를 도시한 그래프이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 사상에 따른 배터리 모델에서 출력되는 SoC를 이용하여, 전력 수급현황 및 가격 변환에 따른 충방전을 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
예컨대, 구체적인 설명에서는 가장 널리 보급된 전기자동차를 예시하여 기술하였지만, 배터리를 탑재하는 유인/무인 전기 이동 수단에는 본 발명의 사상을 적용할 수 있으며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속함은 자명하다.
20 : 전력계통 100 : 전기 차량(이동체)
102 : 사용자 기기 104 : 사용자 앱
200 : 충전기 220 : 충전전력공급 회로
230 : 계량기 240 : 충전 제어기
260 : 통신장치 270 : 표시장치
280 : 사용자 인터페이스 400 : 충방전 제어 시스템
420 : 충방전 제어부 460 : 인프라 관리/통신부
500 : 배터리 모델 510 : 경년 열화 모델
520 : 누적주행거리 모델 540 : SoC 산정부
550 : SoH 산정부 560 : 충전 효율 산정부

Claims (17)

  1. 충방전 시작 배터리 정보를 입력받는 단계;
    배터리 모델에 상기 시작 배터리 정보를 반영하는 단계;
    상기 배터리 모델을 이용하여 배터리 상태를 추정한 값으로 상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계; 및
    상기 배터리 모델을 학습하는 단계를 포함하되,
    상기 배터리 모델은,
    누적된 충방전 및 시간경과 따른 전기이동체의 배터리의 열화 정도를 모델링하는 경년 열화 모델;
    누적된 주행 거리에 따른 상기 배터리 방전 영향을 모델링하는 누적주행거리 모델;
    상기 배터리 온도 및 충전 방식에 따른 배터리 충전 효율을 모델링하는 충전 효율 산정부;
    시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 충방전 정보와, 상기 배터리 충전 효율로부터 상기 배터리의 SoC 예측값을 산정하는 SoC 산정부; 및
    시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 충방전 정보와, 상기 경년 열화 모델 및 누적주행거리 모델의 모델링 결과로부터 상기 배터리의 SoH 예측값을 산정하는 SoH 산정부
    를 포함하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시작 배터리 정보를 입력받는 단계에서는,
    상기 전기이동체에 연결된 정보 연동 장치로부터 상기 시작 배터리 정보를 전송받거나, 또는, 사용자의 스마트폰으로부터 전송받은 대시보드 사진으로부터 상기 시작 배터리 정보를 추출하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모델을 학습하는 단계에서는,
    사용자의 보정 요청값이 발생한 사안의 충전 과정에 대한 정보들로 배터리 모델에 대한 학습을 수행하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    사용자의 설정을 입력받는 단계; 및
    상기 전기이동체의 제원 정보 및 상기 배터리의 제원 정보를 적용하여 상기 전기이동체에 대한 상기 배터리 모델을 생성하는 단계
    를 더 포함하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시작 배터리 정보가 반영된 상기 배터리 모델 및 가격 정보에 따라 충방전 스케줄을 생성하는 단계
    를 더 포함하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 충방전 스케줄은,
    상기 시작 배터리 정보에 따른 SoC값으로부터 목표 SoC값이 될 때까지의 충전을 위한 다수개의 충방전 단위제어 스케줄들을 포함하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리의 충방전을 제어하는 단계는,
    제어 시점에서 계통 전력의 수요 공급 신호와 전력 가격의 변동에 따라 상기 충방전 단위제어 스케줄을 생성 또는 변경하는 단계; 및
    상기 충방전 단위제어 스케줄에 따라 충전 요금은 최소화하고, 방전 또는 제어 수익은 최대화되도록 충방전 제어를 수행하는 단계
    를 포함하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 충방전 단위제어 스케줄에 따라 충방전 제어를 수행하는 단계 이후,
    충전 또는 방전을 수행한 전력 정보에 따라 상기 배터리 모델을 갱신하는 단계; 및
    갱신된 상기 배터리 모델의 모델링 결과인 SoC가 상기 목표 SoC값에 도달하였는지 확인하는 단계
    를 더 포함하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모델은,
    상기 전기이동체의 배터리의 직병렬 구성, 정격전압, 정격용량에 대한 정보를 초기 입력값으로 모델이 생성되고,
    충전기 접속시의 상기 배터리의 시작 SoC값과 충방전이 진행됨에 따른 충방전 전력 정보를 입력받아, 충방전 수행에 따른 상기 배터리의 SoC의 예측값을 출력하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모델은,
    상기 SoC 예측값과 SoH 예측값으로부터 차량의 대시보드에 표시되는 충전량을 산출하는 표시 충전량 산출부
    를 더 포함하는 전기이동체를 위한 충방전 제어 방법.
  12. 계통 전력을 충전을 위한 교류 또는 직류 전력으로 변환하여 전기이동체으로 공급하며 계통과의 전력 공급 경로를 조절하는 충전전력공급 회로와,
    상기 충전전력공급 회로에서 상기 전기이동체으로 공급되는 전력량을 검침하는 계량기와;
    하기 충방전 제어 시스템의 지시에 따라 상기 충전전력공급 회로의 동작을 제어하는 충전 제어기와,
    사용자 기기와 무선 데이터 통신을 수행하는 통신 장치
    를 포함하는 충전기; 및
    상기 전기이동체의 배터리를 모사하는 모델링을 수행하는 배터리 모델;
    충전 중인 상황을 상기 배터리 모델에 반영하여 수행한 모델링 결과에 따라 상기 충전기의 충방전을 제어하는 충방전 제어부와,
    상기 충전기를 포함하는 충전 인프라를 관리하고, 외부 서버와 이에 필요한 데이터 통신을 수행하는 인프라 관리/통신부
    를 포함하는 충방전 제어 시스템을 구비하되,
    상기 배터리 모델은,
    누적된 충방전 및 사용기간에 따른 상기 배터리의 열화 정도를 모델링하는 경년 열화 모델;
    누적된 주행 거리에 따른 배터리 방전 영향을 모델링하는 누적주행거리 모델;
    배터리 온도 및 충전 방식에 따른 배터리 충전 효율을 모델링하는 충전 효율 산정부;
    시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 충방전 정보와, 상기 배터리 충전 효율로부터 상기 배터리의 SoC 예측값을 산정하는 SoC 산정부; 및
    시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 충방전 정보와, 상기 경년 열화 모델 및 누적주행거리 모델의 모델링 결과로부터 상기 배터리의 SoH 예측값을 산정하는 SoH 산정부
    를 포함하는 충방전 시스템.
  13. 계통 전력을 충전을 위한 직류 전력으로 변환하여 전기이동체으로 공급하며, 계통과의 전력 공급 경로를 단속하는 충전전력공급 회로와,
    상기 충전전력공급 회로에서 상기 전기이동체으로 공급되는 전력량을 검침하는 계량기와,
    상기 전기이동체의 배터리를 모사하는 모델링을 수행하는 배터리 모델과,
    충전 중인 상황을 상기 배터리 모델에 반영하여 수행한 모델링 결과에 따라 상기 충전전력공급 회로의 동작을 제어하는 충전 제어기
    를 포함하는 충전기; 및
    상기 충전기를 포함하는 충전 인프라를 관리하고, 외부 서버와 이에 필요한 데이터 통신을 수행하는 인프라 운영 장치를 구비하되,
    상기 배터리 모델은,
    누적된 충방전 및 사용기간에 따른 상기 배터리의 열화 정도를 모델링하는 경년 열화 모델;
    누적된 주행 거리에 따른 배터리 방전 영향을 모델링하는 누적주행거리 모델;
    배터리 온도 및 충전 방식에 따른 배터리 충전 효율을 모델링하는 충전 효율 산정부;
    시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 충방전 정보와, 상기 배터리 충전 효율로부터 상기 배터리의 SoC 예측값을 산정하는 SoC 산정부; 및
    시작 SoC 및 배터리정격 용량과, 충방전 정보와, 상기 경년 열화 모델 및 누적주행거리 모델의 모델링 결과로부터 상기 배터리의 SoH 예측값을 산정하는 SoH 산정부
    를 포함하는 충방전 시스템.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 충전기는,
    충전 현황을 사용자에게 시각적으로 출력하는 표시 장치; 및
    사용자로부터 직접 충전에 대한 정보나 지시를 입력받기 위한 사용자 인터페이스
    를 더 포함하는 충방전 시스템.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 배터리 모델은,
    상기 배터리의 직병렬 구성, 정격전압, 정격용량에 대한 정보를 초기 입력값으로 모델이 생성되고,
    충전기 접속시의 상기 배터리의 시작 SoC값과 충방전이 진행됨에 따른 충방전 전력 정보를 입력받아, 충방전 수행에 따른 상기 배터리의 SoC의 예측값을 출력하는 충방전 시스템.
  16. 삭제
  17. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 배터리 모델은,
    상기 SoC 예측값과 SoH 예측값으로부터 차량의 대시보드에 표시되는 충전량을 산출하는 표시 충전량 산출부
    를 더 포함하는 충방전 시스템.
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