KR20120012532A - 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치 및 이를 이용한 양방향 전력 공급 방법 - Google Patents

스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치 및 이를 이용한 양방향 전력 공급 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트 그리드를 이용하여 설정된 기준에 따라 전기자동차 배터리를 충전하거나 반대로 배터리의 전력을 그리드에 공급할 수 있도록 함으로 전기자동차의 유지비를 최소화하고, 전기 공급자의 전력 수급 문제를 원활히 할 수 있는 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치 및 이를 이용한 양방향 전력 공급 방법에 관한 발명이다.
이를 위해 본 발명에 따른 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치는, 배터리; 상기 배터리의 SOC(State of Charge)를 측정하는 BMS(Battery Management System); 제어기 및 인버터를 포함하며 모터의 동작을 제어하는 MCU(Motor Control Unit); 운전자의 스마트 모드 작동 여부를 입력받는 판단부; 상기 스마트 모드에서 상기 판단부의 명령에 의해 상기 인버터의 출력 전류를 전기자동차에 연결된 그리드로 공급할 수 있도록 하는 그리드 전원 공급부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치를 제공한다.

Description

스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치 및 이를 이용한 양방향 전력 공급 방법{Two-way Power Supply Apparatus of Electric Vehicle for Smart Grid and Two-way Power Supply Method Using the Same}
본 발명은 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치 및 이를 이용한 양방향 전력 공급 방법에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 스마트 그리드를 이용하여 설정된 기준에 따라 전기자동차 배터리를 충전하거나 반대로 배터리의 전력을 그리드에 공급할 수 있도록 함으로 전기자동차의 유지비를 최소화하고, 전기 공급자의 전력 수급 문제를 원활히 할 수 있는 전기자동차 양방향 전력 공급 장치 및 이를 이용한 양방향 전력 공급 방법에 관한 발명이다.
스마트 그리드(Smart Grid, 지능형 전력망)란 기존의 전력시스템에 정보통신기술을 접목하여 전력망을 실시간으로 관찰, 통제하면서 공급자와 수요자 간의 양방향 통신을 통해 전력망의 운영 효율을 최적화하는 미래형 전력시스템이다.
기존의 전력망은 공급자 중심의 일방향 시스템으로서, 수요자가 사용하는 실제 사용량보다 더 많은 전기를 생산하도록 설계되어 있다. 이는 혹시라도 더 많은 전기를 사용할 경우를 대비하여 전력을 미리 확보해 놓는 것으로서, 연료는 물론 각종 발전 설비가 추가적으로 필요하다. 또한, 버리게 되는 전기가 많아 에너지 효율이 떨어지며, 연료를 추가적으로 태우게 되므로 이산화탄소의 배출량도 늘어나게 된다.
그러나 스마트 그리드 시스템을 이용하면 소비자의 전력사용정보가 실시간으로 제공됨으로써 전력 이용효율이 높아져 불필요한 발전설비 투자를 줄이고 이산화탄소의 배출도 줄이는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 이 시스템을 이용하면 소비자는 전기요금이 저렴한 시간대에 선택적으로 전기를 사용하는 것이 가능하며, 전력 생산자 입장에서는 전력 사용 현황을 실시간으로 파악하기 때문에 전력공급량을 탄력적으로 조절할 수 있다.
이처럼 에너지 위기와 지구온난화로 인한 기상 이변을 해결할 수 있는 기술 중 하나인 스마트 그리드는 기존에는 송배전 효율 증대, 에너지 낭비 저하, 가전제품의 효율 증대, 신 재생에너지의 보급 등의 전력계통 개선 위주로 추진되었다.
한편, 최근에 급격히 증가하는 전기자동차 수요에 대응하여 전기자동차에 전력을 공급할 수 있는 인프라 구축이 요구되고 있다. 그러나 이러한 전기자동차의 새로운 전력 수요에 대응하여 안정적으로 전기를 공급하기 위해서는 전체적인 전력 수요를 예측하고 전력공급을 탄력적으로 조절할 수 있는 수단이 필요한 실정이다. 또한, 전기자동차의 가격이 일반 차량에 비하여 비싸기 때문에, 전기자동차의 유지비를 최소화함으로 전기자동차에 대한 소비자들의 구매욕구를 끌어올릴 수 있는 수단이 절실히 필요하다.
따라서 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하는데 그 목적이 있는 발명으로서, 스마트 그리드를 전기자동차의 전력 공급에 이용함으로 전기자동차의 유지비를 최소화하고 국가적인 에너지 사용 효율을 증대시키기 위한 목적을 가지고 있다.
또한, 스마트 그리드를 이용하기 위하여 신규 전력부품을 탑재하는 것이 아니라 기존의 부품들을 활용함으로 비용을 절감할 수 있는 스마트 그리드용 전기차를 제공하고자 하는 목적을 가지고 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치는, 배터리; 상기 배터리의 SOC(State of Charge)를 측정하는 BMS(Battery Management System); 제어기 및 인버터를 포함하며 모터의 동작을 제어하는 MCU(Motor Control Unit); 운전자의 스마트 모드 작동 여부를 입력받는 판단부; 상기 스마트 모드에서 상기 판단부의 명령에 의해 상기 인버터의 출력 전류를 전기자동차에 연결된 그리드로 공급할 수 있도록 하는 그리드 전원 공급부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치는, 스마트폰 또는 원격장치를 통한 운전자의 스마트 모드 작동 여부를 수신하여 상기 판단부에 입력하는 원격 수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 판단부는 상기 스마트 모드 작동시에, 현재시간이 스마트 타임에 해당 되고 상기 BMS에서 측정한 배터리의 SOC가 설정 값(a)을 초과할 경우 상기 그리드 전원 공급부를 작동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 방법은, 스마트 모드 작동 여부를 입력을 받는 단계; 상기 스마트 모드가 작동될 경우 현재시간이 스마트 타임에 해당하는지 확인하는 단계; 배터리의 SOC가 설정 값(a)을 초과하는지 확인하는 단계; 상기 확인한 현재시간이 스마트 타임에 해당하고, 배터리의 SOC가 설정 값(a)을 초과할 경우 MCU의 인버터 출력 전류를 그리드에 공급하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치 및 이를 이용한 양방향 전력 공급 방법에 의하면, 전기 요금이 저렴한 시간대에 전기자동차의 배터리를 충전하고, 전기 요금이 비싼 시간대에는 전기자동차에 장착된 배터리의 일부 전력을 그리드로 다시 공급함으로 전기자동차의 유지비를 절감할 수 있다.
또한, 전기자동차 차량 부가가치 상승으로 인해 자동차 생산업체에서는 차량의 판매가를 증대시킬 수 있으므로 수익성을 높일 수 있으며, 지구 온난화에 따른 사회적 책임에 부응할 수도 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면 종래의 전기자동차에 장착된 배터리 관리 시스템(Battery Management System)과 모터제어기(Motor Control Unit) 등을 활용하게 됨으로 적은 비용 및 간단한 제어 구조로 양방향 스마트 그리드용 전기 자동차를 구현할 수 있게 된다.
또한, 전력회사의 전력운영 효율이 증대되어 운영비용이 절감되고 추가적인 발전소 건설 요구량이 줄어들 수 있으며, 국가의 에너지절감에 따른 대외 에너지 의존도를 축소할 수 있어 국가 경제에 이바지하게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기자동차의 전력 공급 장치에 대한 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전기자동차 양방향 전력 공급 장치의 개략적인 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차 양방향 전력 공급 방법을 나타낸 순서도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 기존의 스마트 그리드(Smart Grid)를 전기자동차의 전력 공급에 이용함으로 전기자동차의 유지비를 최소화할 수 있는 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명에 따른 전력 공급 장치는 기존의 전기 자동차에 구비된 배터리 관리 시스템(BMS)과 모터제어기(MCU)를 활용하여 전기자동차 배터리의 전력을 그리드(전력망)에 공급할 수 있으므로, 간단한 추가적인 장치를 통하여 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치를 제공할 수 있게 된다.
첨부된 도 1은 종래의 전기자동차(100)의 전력 제어 구성을 나타내고 있다. 먼저, 전기자동차(100) 내부에는 전기를 동력으로 이용하는 전기 모터(110)가 탑재되어 있고, 이에 전력을 공급하기 위한 배터리(130)가 연결되어 있다. 상기 배터리(130)는 외부에서 충전하여 사용할 수 있는데, 전기 자동차에는 일반적으로 상기 배터리를 충전하기 위한 급속 충전부와 완속 충전부를 구비하고 있다.
상기 급속 충전부는 삼상 교류의 380V 전원을 인가받아 배터리를 충전하고, 완속 충전부는 단상 교류의 220V 전원을 인가받아 배터리를 충전하는데, 도 1은 완속 충전부(140)의 연결 모습을 나타내고 있다. 상기 완속 충전부(140)는 입력받은 단상 교류의 220V 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리에 전기 에너지를 충전한다.
한편, 전기자동차는 상기 배터리(130)의 잔존용량(State of Charge, 이하 SOC라 함), 온도 등 기반 성능을 관리하는 배터리 관리 시스템(132, Battery Management System, 이하 BMS라 함)과 상기 전기 모터의 거동 성능을 결정하고 제어하는 모터제어기(120 Motor Control Unit, 이하 MCU라 함)를 구비하고 있다. 상기 MCU(120)는 인버터(124)를 통해 배터리의 직류 전류를 3상 교류 전류로 바꾸어 전기 모터에 인가해 준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치의 구성을 나타내고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 양방향 전력 공급 장치는 기존의 BMS(132)와 MCU(120)를 이용할 수 있으며, 상기 BMS(132)에 연결되는 스마트 스위치(160), 상기 스마트 스위치(160)를 통해 운전자의 스마트 모드 작동 여부를 입력받는 판단부, 상기 스마트 모드에서 상기 판단부의 명령에 따라 배터리의 전력을 전기자동차에 연결된 그리드로 공급하는 그리드 전원 공급부(150)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 상기 스마트 스위치(160)는 운전자의 조작에 의해 On/Off될 수 있는데, 상기 스마트 스위치가 On 될 경우 전기자동차의 보조배터리(162)로부터의 전류를 본 발명의 판단부에 인가하여 스마트 모드를 작동시킬 수 있다.
본 발명에서 스마트 모드란 하기 설명하는 바와 같이 전기 자동차 배터리(130)의 충전에 있어서, 전기 요금이 비싼 시간대(스마트 타임)이고 배터리(130)의 잔존용량이 기준치 이상으로 충분할 경우 배터리의 전력을 그리드로 공급하도록 작동하는 것을 말한다. 즉, 스마트 모드가 작동 해제될 경우에는 일반적인 전기자동차 배터리(130) 충전을 수행하게 되며, 스마트 모드가 작동될 경우에는 전기자동차 배터리(130)의 충전을 수행하되 일정한 조건을 만족할 경우(스마트 타임에 해당, 배터리 잔존용량 기준치 이상) 배터리를 충전하는 것이 아니라 배터리(130)의 전력을 전기자동차에 연결된 전력량계(200)를 통해 그리드에 역으로 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 운전자가 스마트 모드를 작동시키면 본 발명의 판단부는 현재시간이 스마트 타임에 해당하는지 및 BMS(132)에서 측정한 배터리(130)의 SOC가 설정 값(a)을 초과하는지 체크 할 수 있다. 상기 조건을 만족시키면 본 발명의 판단부는 자동차 배터리(130)의 전력을 그리드 상으로 공급하기로 결정한다.
본 발명의 판단부는 별도의 제어기를 통해 구현될 수도 있으나, 바람직하게는 도 2에 나타낸 바와 같이 BMS(132) 상에서 구현될 수 있다. 이를 통해 별도의 추가 제어장치 없이 배터리의 전력 공급 제어 구성을 단순화할 수 있다. 한편, 상기 판단부는 상기 BMS(132) 상에 구현되지 않더라도 전기자동차 주행을 관리하는 기타 제어 시스템상에 구현될 수도 있음은 당업자가 쉽게 이해할 수 있다.
본 발명의 상기 판단부가 자동차 배터리(130)의 전력을 그리드 상으로 공급하기로 결정할 경우, MCU(120) 내부의 제어기(122)에 의해 제어되는 그리드 전원 공급부(150)는 MCU의 인버터에서 출력되는 전류를 전기자동차에 연결된 그리드 상으로 공급한다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 그리드 전원 공급부(150)로는 스마트 릴레이가 사용될 수 있다. 상기 스마트 릴레이는 상기 판단부가 배터리(130)의 전력을 그리드로 공급하도록 결정할 경우, MCU(120)에 장착된 인버터(124)에서 모터(110)로 인가하는 3상 교류의 전류 중 두 가닥의 전선을 통해 단상 교류 전류를 뽑아내어 외부의 전력량계(200)에 공급하는 역할을 수행한다. 상기 스마트 릴레이의 동작은 바람직하게는 MCU(120) 내부의 제어기(122)에 의해 제어되도록 함으로 추가적인 제어 장치 없이 본 발명의 양방향 전력 공급 장치를 구현할 수 있다. 그러나 별도의 제어기를 통해 제어되도록 할 수도 있고, 본 발명의 판단부에 의해 직접 제어되도록 구현할 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 양방향 전력 공급장치는 상기 스마트 모드를 운전자의 스마트폰(172) 또는 원격장치를 통해 동작시킬 수 있게 하기 위한 원격수신부(170)를 더 포함할 수 있다. 상기 원격수신부(170)는 운전자의 스마트폰(172) 또는 원격장치를 통해 스마트 모드의 작동 여부에 대한 운전자의 지시를 입력받아 판단부에 전달할 수 있다. 상기 원격수신부(170)는 블루투스 통신을 통해 자동차를 제어하는 큐비스(CUbis, Car Ubiquitous System)를 활용할 수 있으며, 다른 공지의 원격 통신 방법이 사용될 수 있음은 당업자 수준에서 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
첨부된 도 3은 상기 설명한 본 발명의 구성에 따라 스마트 모드를 수행하는 과정을 나타내고 있다. 먼저, 운전자가 스마트 스위치를 On 시키거나, 원격수신부를 통해 운전자의 명령을 전달받게 되면(S310) 본 발명의 판단부가 이를 수신하여 스마트 모드를 수행하게 된다. 상기 스마트 모드에서는 전기자동차 배터리의 일방적인 충전을 수행하기 전에, 판단부가 먼저 현재의 시간이 스마트 타임에 해당하는지 여부(S320)와 배터리의 SOC가 설정 기준값(a)을 초과하는지 여부(S330)를 체크할 수 있다.
만약, 현재시간이 전기요금이 비싼 스마트 타임에 해당하고, 배터리의 SOC가 설정 기준값(a)보다 클 경우, 본 발명의 판단부는 MCU(120) 내부의 제어기(122)를 통해 그리드 전원 공급부(150)를 작동시켜(S340) 배터리의 전원을 그리드로 공급할 수 있다. 이처럼 전기요금이 비싼 시간대에 전력을 전기자동차 배터리에서 그리드로 역으로 공급함으로, 운전자는 별도의 적산부(미도시)를 통해 자신이 공급한 전력량만큼의 요금을 돌려받거나 마일리지로 적립할 수 있다.
한편, 현재시간이 상기 스마트 타임에 해당하지 않거나 배터리의 SOC가 설정 기준치(a) 이하일 경우에는 본 발명의 판단부는 MCU(120) 내부의 제어기(122)를 통해 그리드 전원 공급부(150)의 작동을 Off 시키며, 일반적인 배터리 충전을 수행하게 된다(S390). 즉, 전기요금이 비싼 시간대가 아니거나, 배터리의 SOC가 그리드에 전력을 공급할 만큼 충분하지 않다면 배터리를 충전하게 된다.
상기 스마트 모드에서 배터리의 전력을 그리드로 공급하도록 그리드 전원 공급부(150)가 작동할 경우(S340), 본 발명의 MCU(120)는 인버터(124)를 작동시켜 배터리(130)의 전력을 모터(110) 쪽으로 공급하도록 한다(S350). 이때 상기 배터리(130)에서 인버터(124)를 거쳐 모터(110)로 향하는 삼상 교류의 전류는 그리드 전원 공급부(150)에 의하여 외부의 전력량계(200)로 단상 교류의 형태로 빠져나갈 수 있게 된다.
상기 그리드 전원 공급부(150)를 통해 배터리(130)의 전력이 전력량계(200)로 빠져나가는 동안 본 발명의 판단부는 BMS(132)를 통해 측정되는 배터리(130)의 SOC값을 실시간으로 체크하여 설정 기준값(b) 미만으로 떨어지는지 확인한다(S360). 그리하여 상기 배터리의 SOC값이 설정 기준값(b) 미만으로 떨어지지 않는 동안에는 상기 그리드 전원 공급부(150)를 통해 배터리(130)의 전력을 그리드(전력량계)로 계속해서 공급할 수 있으며, 설정 기준값(b) 미만으로 떨어지면 그리드로의 공급을 중단할 수 있다.
이때, 판단부는 현재의 시간을 체크하여 전기 요금이 저렴한 심야 타임인지를 체크한다(S370). 만약 심야타임이 아니라면 배터리(130)의 충전을 수행하지 않고 대기상태에 있게 되며, 심야타임에 해당한다면 배터리(130)의 충전을 수행할 수 있다(S390).
한편, 본 발명에서 상기 스마트 타임 및 심야 타임은 전력공급자가 제공하는 전기요금 과표시간에 따라 미리 설정할 수 있으며, 상기 설정 기준값(a, b) 역시 전기 자동차의 배터리 특성에 따라 미리 설정할 수 있다(예를 들어 a는 SOC 30%, b는 SOC 20%). 또한, 본 발명의 스마트 모드에서 배터리의 전력이 그리드로 공급되는 상기 조건들(스마트 타임, 배터리 SOC)은 본 발명의 일 실시예를 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 판단부 및 그리드 전원 공급부(150)를 포함하는 구성이라면 다른 조건들에 의해서 결정될 수도 있음은 당업자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
이처럼 본 발명의 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치 및 이를 이용한 양방향 전력 공급 방법에 따르면 배터리의 적정 SOC 범위 이내에서 전기 요금이 비싼 시간대에는 배터리의 잉여 전력을 그리드에 공급함으로 운전자가 본인의 차량에 저장된 전기 에너지를 비싼 값에 팔 수 있고, 전기 요금이 저렴한 시간대에 배터리를 충전함으로 전기자동차의 유지비를 절감할 수 있다.
또한, 전기 공급자의 입장에서는 전력 수요가 많은 시간대에 추가적인 설비를 들이지 않더라도 전기자동차의 잉여 전력을 공급받음으로 전력 수급 문제를 해결할 수 있으며, 전력 수요가 많지 않을 때에 전기 자동차에 전력을 공급함으로 전체적인 전력 공급의 균형을 이룩할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있다. 따라서 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
100 : 전기자동차 110 : 모터
120 : MCU(Motor Control Unit) 122 : 제어기
124 : 인버터 130 : 배터리
132 : BMS(Battery Management System) 140 : 완속충전부
150 : 그리드 전원공급부 160 : 스마트 스위치
170 : 원격 수신부 200 : 전력량계

Claims (4)

  1. 배터리;
    상기 배터리의 SOC(State of Charge)를 측정하는 BMS(Battery Management System);
    제어기 및 인버터를 포함하며 모터의 동작을 제어하는 MCU(Motor Control Unit);
    운전자의 스마트 모드 작동 여부를 입력받는 판단부;
    상기 스마트 모드에서 상기 판단부의 명령에 의해 상기 인버터의 출력 전류를 전기자동차에 연결된 그리드로 공급할 수 있도록 하는 그리드 전원 공급부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치는,
    스마트폰 또는 원격장치를 통한 운전자의 스마트 모드 작동 여부를 수신하여 상기 판단부에 입력하는 원격 수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 판단부는 상기 스마트 모드 작동시에, 현재시간이 스마트 타임에 해당 되고 상기 BMS에서 측정한 배터리의 SOC가 설정 값(a)을 초과할 경우 상기 그리드 전원 공급부를 작동시키는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 장치.
  4. 스마트 모드 작동 여부를 입력을 받는 단계;
    상기 스마트 모드가 작동될 경우 현재시간이 스마트 타임에 해당하는지 확인하는 단계;
    배터리의 SOC가 설정 값(a)을 초과하는지 확인하는 단계;
    상기 확인한 현재시간이 스마트 타임에 해당하고, 배터리의 SOC가 설정 값(a)을 초과할 경우 MCU의 인버터 출력 전류를 그리드에 공급하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드용 전기자동차 양방향 전력 공급 방법.

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