KR20110002905A

KR20110002905A - 전기 자동차 축전지의 충전과 방전 이력 관리 방법과 시스템

Info

Publication number: KR20110002905A
Application number: KR1020090060427A
Authority: KR
Inventors: 김강석
Original assignee: 김강석
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2011-01-11

Abstract

최근 2차 전지 기술 발전으로 인한 전기자동차 실용화를 눈앞에 두고 있는 가운데 축전지의 충전과 방전을 신뢰성 있게 관리하여 축전지 사용 기기의 전기 사용량 측정과 모니터링은 정부에서 세금을 부과하기 위한 기준이 될 수 있다.

본 발명의 구성요소는 장착된 축전지 내부 또는 외부에 축전지 충전/방전 이력을 기록할 수 있는 Memory와, 전류의 흐름을 감지하고 상기 Memory에 정보를 기록하는 처리부과, 처리부으로부터 Memory의 기록을 외부에서 읽을 수 있는 Communication부로 구성된다.

축전지의 충전은 외부 전원으로 공급되는 경우에 한해서 요금을 부과하거나 세금을 부과할 수 있으나 전기자동차의 경우 축전지가 회생전류 등으로 자가 충전 되는 경우가 빈번히 발생하므로 외부 전원 공급과 회생전류로 충전되는 경우를 구분해야 되는데 이를 효과적으로 구현하기 위해 회생 전류의 짧은 시간 동안 충전이 이루워지는 특성을 이용하여 일정 시간 이상 충전이 되는 경우를 외부 전원 충전으로 간주하여 처리부이 충전 기록을 저장한다.

상기 정보를 통해 전기 자동차의 운행 가능 거리와 축전지의 이상 유무, 축전지 에너지 효율 들의 정보를 제공 받을 수 있어 보다 안정적인 전기차 운행을 할 수 있다.

IC chip, RFID, 전기자동차, EV, 충전, 세금, 모니터링, 축전지

Description

축전지의 충전과 방전 이력 관리 방법 {the method of managing charge and discharge history of battery}

하이브리카(HEV)와 전기자동차(EV)는 축전지와 전기 엔진을 이용하여 보조 구동력으로 사용하거나 메인 동력을 사용하는 차세대 원동기이다.

최근 알카리 축전지 계통인 Li-Ion 전지의 기술 향상으로 전기 자동차의 실용화를 눈앞에 두고 있으나 충전 Station을 비롯한 운행 Infra 구축은 아직 미비한 실정이다.

전기 원동기의 경우 축전지를 완충된 축전지로 교체하거나 집이나 사무실에 정차해 둘 때 Plug-in 충전하는 방식으로 사용할 수 있다.

그러나 국가가 관리하는 공용 station을 제외하고, 특별한 장치가 없는 일반 가정이나 사무실에서 충전을 할 경우 원동기 축전지 충전용으로 전기를 사용하는지는 구분하기가 어려운 실정이다.

또, 전기 자동차의 핵심 부품인 축전지의 성능 저하나 이상 작동을 알 수 있는 방법은 운전자가 1회 충전한 뒤 주행거리를 직접 점검하거나 충전지 잔량이 얼마나 빨리 줄어드는 것으로 판단할 수밖에 없는 실정이다.

지금 통용되는 축전지도 충전 Cell의 전하량, 전압 등의 정보를 이용하여 충전지의 잔여 충전량을 알려주는 Chip set을 장착하고 대형 축전지의 경우 직접 잔여량을 표시하는 경우도 있으면 연결단자를 통해 축전기를 이용하는 기기에서 배터리 잔여량을 표시하고 있다.

이러한 베터리 모니터링에 대한 기술은 축전지의 용도가 다양해 짐에 따라 점점 더 많은 기능을 요구하게 될 것으로 보인다.

특히 전기 자동차(EV)는 전력이 공급되어 전기 모터가 작동되지 않을 때는 발전기로 작동하여 회생 전류를 생산하고 이를 축전지에 공급하는 역할을 한다. 또, 브레이크 작동 시 발생하는 열 에너지를 전기로 변환하여 축전지에 회생 전류를 공급하는 장치도 이미 개발되어 있다.

회생 전류는 방전 중에 매우 짧은 시간 동안 충전되는 특징이 있으며 전류 변화 이력, 전류 파형 등이 전기 발전기 역활을 하는 모터의 특성에 따라 달라 질 수 있다.

이러한 회생 전류의 특성으로 인해 전기 자동차 축전지의 성능을 예측하는 것은 과거 내연 기관의 경우와는 상이한 처리 방식이 필요하다.

전기 자동차의 축전지를 통해 충전/방전에 대한 정보를 수집하고 이를 활용한 축전지 성능과 에너지 효율을 측정한다면 운전자는 보다 안정된 자동차 운행을 할 수 있을 것으로 본다.

보다 많은 정보를 베터리 모니터링 정보로 소형 Chip set에 저장한 후 RFID, WiFi, Zigbee 등을 적용하여 베터리 충전 정보와 상태를 차량 외부의 기기에서 별도의 연결 없이 무선으로 읽어 들일 수도 있다.

이용자가 전기 자동차를 별도의 장치가 없는 가정이나 사무실에서 충전한 경우 이에 대한 사용량 모니터링이 되지 않는다.

또한 HEV 및 EV는 회생전류를 이용한 운행 중 재충전 시스템을 갖추고 있어 회생 전류 충전을 Plug-in 충전과 구분하여 처리할 필요가 있다.

전기 자동차의 축전지 에너지 효율을 실시간으로 점검하고 이를 통해 운전자가 보다 안정적인 전기 자동차 운행을 할 수 있도록 한다.

축전지로 유입되는 전류를 모니터링하되, 이 전류 중 회생 에너지에 대해서는 별도로 기록하여 관리하고 축전지의 전하량을 별도로 측정하여 유입된 에너지 대비 축전지의 성능을 계산하여 축전지의 에너지 효율을 측정하고 이를 통해 축전지 이상 유무, 축전지 교체 시기, 예상 운행 거리 등의 정보를 운전자에게 제공한다.

본 발명은 전기 자동차의 순수 유입 에너지 대비 성능을 측정하고 축전지의 이상 유무를 성능 측면에서 점검하여 축전지 이상으로 인한 예기치 않은 전기 자동차의 운행 중단을 막을 수 있으며 사용자에게 현재 축전지의 에너지 효율을 보다 정확하게 제공하여 축전지 이상 유무 및 교체 시기를 알려 줄 수 있다.

본 발명은 2차 전지의 충전과 방전에 대한 이력을 관리할 수 있는 방법에 관한 것으로, 관리할 대상이 되는 2차 베터리인 축전지와, 축전지의 전력 공급 단자 및 충전단자 직전에 전기 회로상 위치한 전류검출기와 상기 전류 검출기에서 보내오는 신호를 입력받아 정보를 기록하는 처리부과, 처리부에서 측정한 정보를 기록하는 저장부와, 타 기기가 유선 또는 무선으로 접속하여 처리부이 저장부에 저장된 데이터를기반으로 정보를 전송하는 통신부로 구성된다.

본 발명의 시행 단계는, 축전지가 충전될 시 충전 단자로 공급되는 전류가 일정 시간 이상 지속 되면 처리부은 1회 충전으로 간주하고 해당 일시, 총 충전량, 충전 시간을 기록하는 제 1 과정; 충전 종료 후 원동기가 사용되면 전력 공급 단자를 통해 전류의 흐름을 처리부에서 감지한 후 방전에 대한 기록을 Memory에 저장하는 제 2 과정; 방전 중에는 회생전류가 충전 단자로 흘러들어오기도 하지만 처리부에서는 일정 시간 동안 전류 공급이 지속 되지 않을 경우 충전 단계로 판단하지 않고 회생 전류 충전으로 인식하는 제 3 과정; 공용 충전소나 정부 설비에서 충전할 시 처리부에 연결된 유무선 접촉 수단과 Reader기를 연결하고 인증된 통신을 수행하여 해당 내역을 전송하는 제 4과정;을 포함한다.

이하 첨부된 도면과 설명을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 다만, 하기에 도시되는 도면과 후술 되는 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러 가지 방법 중에서 바람직한 실시 방법에 대한 것이며, 본 발명이 하기의 도면과 설명만으로 한정되는 것은 아니다.

도 1을 참고하여 상세히 설명하면, 전력을 공급하는 2차 전지(150)와 전력을 DC Motor에 변환하여 공급하는 Inverter(160)와 전류와 저항 제어를 통해 Motor를 제어하는 Controller(170)와 전기 에너지를 동력으로 변환하는 DC Motor(180)의 기본 동력 구조를 가지는 전기 자동차(EV) 구조에서, 전류 흐름의 방향과 전류량을 검출하는 검출기(140)가 폐회로 선상에 위치하여 전류 흐름에 따른 자기장의 방향, 세기를 검출하여 처리부으로 구성 될 수 있는 처리기(110)로 검출 신호를 보내면 상기 처리기(110)는 구비된 Memory(130)에 충전과 방전에 대한 일시 정보와 충전량, 충전 시간 등의 정보를 기록한다.

이때, 전기 원동기에서 일반적으로 사용하는 회생 전류에 의한 충전의 경우 전기 자동차의 운전 특성상 짧은 시간으로만 충전되는 특성이 있으므로 방전 후 일정 시간 이하 동안 충전 전류가 흐르는 경우는 회생 전류로 간주하여 기록한다.

처리기(110)는 충전량과 방전량을 기록할 뿐 아니라 동시에 축전지의 현재 충전량을 별도의 축전지 모니터링 단자를 통해 주기적으로 기록한다. 축전지가 교체 되었을 때, 축전지 모니터링 단자가 처리기(110)에서 단락되고 다시 교체된 축전지의 모니터링 단자가 처리기(110)와 접속되는 특성으로 판단할 수 있으며 교체 축전지의 전하량 변화와 교체 시간을 기록하여 원동기가 얼마만큼의 전하를 소비하는지 기록한다.

여기서, 처리기(110)는 일반적으로 전용 기능을 수행하는 IC Chip 형태로 구현이 가능하며 또한 전기 자동차에 장착된 컴퓨터가 해당 기능을 구현할 수도 있다.

이때, 충전/방전 이력과 축전지 충전량 변화 기울기를 비교하면 충전/방전 이력이 정확하게 기록되었는지 판단할 수 있다. 즉, 충전/방전 이력은 없으나 축전지 교체 이력이 없는데 충전량의 변화 기울기가 양의 값을 가질 경우 전력 검출기를 우회하여 충전되었음을 알 수 있으며, 반대로 기울기가 음의 값을 가질 경우 축전지가 전하 유출이 있었음을 알 수 있다.

게이지(125)는 평상시에는 축전지의 잔여 충전량을 운전자에게 표시하고 상기와 같은 이상 충전, 방전이 발생하는 경우 축전지 이상 경고 Alarm을 운전자에게 표시할 수 있다. 이를 통해 축전지의 정상 작동 여부를 더욱 정확하게 알 수 있으며, 축전지의 이상 유무를 실시간으로 판단할 수 있다.

전기자동차의 전력 소비량과 충전량 측정 시에는 통신수단(120)을 통해 무선 또는 유선으로 Memory에 저장된 충전/방전 이력과 축전지 충전량 변화 내역을 외부 컴퓨터로 다운로드 하여 비교할 수 있다. 만약, 전기자동차가 중앙 컴퓨터를 장착하고 있는 경우 중앙 컴퓨터가 이 정보들을 주기적으로 판단하여 운전자에게 실시간으로 충전/방전 이력 정보를 조회할 수 있으며 주행 거리 정보와 연계하여 충전량 대비 운행 거리를 운전자에게 보여 줄 수 있다.

도 2는 처리부의 작동 흐름을 보여주는 것으로 도면과 함께 상세히 설명하면, 전원이 최초로 공급되면 회로가 작동을 시작하고 제일 우선 처리부와 메모리, 통신 수단이 정상 작동하는지 Self test를 진행한다(400). Self test 결과에서 이상이 있다면(405) 이상 메세지를 통신부를 통해 외부로 전송하고(440) 상기 통신부에 연결된 게이지 또는 전용 Reader에 이상 유무를 표시할 수 있다.

처리부이 Self test에서 이상이 없다면(405) 축전지의 현재 충전량을 측정하여 기록한다(410).

전력 검출기에서 전력 검출 여부를 확인한 후, 전력 검출이 된 경우(420) 전력 검출 일시, 전력 세기 등의 정보를 저장부에 기록한다(425).

상기 저장된 시간대 별 축전지 충전량을 통해 충전량 변화량을 계산하고 이를 상기 저장된 시간대 별 전류 유입량을 비교하여 일정 수치 이상 차이가 발생하는 경우(430) 축전지 이상으로 판단하고(435) 통신부를 통해 Alert message를 전송한다.

상기 처리부의 상기 통신부를 통해 데이터 요청 메세지가 입력된 경우(450) 메모리에 저장된 데이터를 상기 통신부를 통해 전송한다(455).

상기 절차를 수행하면 일정 시간 간격으로 축전지 충전량 기록 단계부터 무한 반복하여 수행한다(410).

도 3 은 상기 전류 검출기, 처리부, 통신부, 저장부는 별도의 어뎁터에 장착 되어 축전지와 연결된 본 발명의 구현 예이다.

도 4는 상기 장치가 축전지 Case내에 장착된 본 발명의 실시 예이다.

그러나 본 발명은 상기 두 가지 실시 예로 한정되지 않으며 중앙 컴퓨터를 통한 통합 모니터링 방식 등 다양한 구현이 가능하다.

도 4를 참고로 상세한 설명을 하면, 축전지모니터링장치(210)는 상기 처리부, 저장부, 전류검출기가 일체형으로 된 장치이다. 통신장치는 축전지 외부로 도출되어 축전지모니터링장치(210)과 연결되어 전기 자동차 내의 Gage나 메인 컴퓨터와 연결될 수 있다.

축전지의 전력 단자는 축전지모니터링장치(210)을 거쳐서 여러개로 구성된 각 축전 Cell과 연결되어 축전지의 전원 공급 및 방전 시 전류 검출을 통해 관리할 수 있도록 구성한다.

도 1 : 충방전 이력 관리 회로 개요도

110 : 처리부

120 : 통신부

125 : 게이지

130 : 저장부

140 : 전류검출기

150 : 2차 전지

160 : Inverter

170 : Controller

180 : DC Motor/Generator

190 : 외부 전원 충전용 Plug

Claims

회동 전류를 축전기로 재충전하는 장치를 가진 전기 원동기에서 전원을 공급하는 축전지의 상태를 모니터링하는 축전지 모니터링 장치에 있어서,

통신부로부터 입력 신호를 수신하고 저장부에 저장된 정보를 송신하고 전력검출기에서 검출된 정보를 저장부에 시간과 함께 기록하는 처리부과,

상기 처리부의 제어하에 정보를 저장하는 저장부와,

상기 처리부의 제어하에 정보를 입력받고 출력하는 통신부와,

측정 대상이 되는 전선에서 전류가 흐를 경우 그 전류의 세기를 측정하여 상기 처리부으로 전송하는 전류검출기

로 구성되고,

축전지로 흐르는 전류를 상기 전류검출기를 통해 검출하여 상기 처리부에 정보를 전송하여 주기적으로 상기 저장부에 기록하고,

상기 처리부에서 회생 전류에 의한 충전일 때 회생 전류의 특징적인 전류 흐름 정보로 판단하여 상기 저장부에 회생 전류 충전을 구분하여 기록하고,

상기 회생 전류에 의한 충전을 공급 받은 충전량에서 제외하여 순수하게 외부에서 공급 받은 전력량을 측정하는 것

을 특징으로 하는 축전지 모니터링 장치
청구항 1에 있어서,

축전지 전하량 모니터링 단자와 연결할 수 있는 축전지연결부

를 더 포함하고,

상기 처리부은 상기 연결부를 통해 축전지 전하량에 대한 정보를 수신하여 상기 저장부에 기록하는 것

을 특징으로 하는 축전지 모니터링 장치
청구항 2에 있어서,

축전지 모니터링 단자로부터 유입되는 축전지 보유 전하의 변화량과 전류 검출기를 통해 측정되는 축전지로 흐르는 전류의 변화량으로 전하 변화량을 계산하고,

상기 계산된 두 전하 변화량의 비교를 통해 축전지의 이상 유무를 상기 통신부로 전송하는 것

을 특징으로 하는 축전지 모니터링 장치
청구항 2에 있어서,

상기 통신부를 통하여 전용 Reader기 접속을 확인하고 Reader기의 Data 전송 요청 신호를 상기 처리부에서 수신하고 상기 통신부를 통하여 상기 저장부에 저장된 정보를 Reader기로 전송하는 것

을 특징으로 하는 축전지 모니터링 장치
청구항 1에 있어서,

회생 전류의 특징적인 전류 흐름 정보는 전류 지속 시간, 충전과 방전의 반복 상태, 전기 발전기의 맥류파형

인 것을 특징으로 하는 축전지 모니터링 장치
청구항 2에 있어서,

Reader기가 전기자동차의 내부에서 운전자가 식별 할 수 있는 게이지 장치인 것

을 특징으로 하는 축전지 모니터링 장치
청구항 2에 있어서,

회동 장치에서 전기 원동기의 운행 거리 정보를 제공 받는 회동장치단자와,

상기 통신부와 연결된 운행 가능 거리를 표시하는 잔여운행가능거리게이지를 더 포함하고,

전기 자동차의 운전 중 소비 전류량 대비 회생 전류량 유입율을 계산하고,

회생 전류량 유입율 대비 축전지 충전 효율을 계산하고,

소비 전하량 대비 운행 거리를 계산하여 전기 자동차의 운행 가능 거리 정보를 통신부를 통해 운전석의 상기 잔여운행가능거리게이지에 표시하는 것

을 특징으로 하는 축전지 모니터링 장치