KR20120019491A

KR20120019491A - 임대한 전기자동차 배터리펙 충전을 위한 서비스 방법

Info

Publication number: KR20120019491A
Application number: KR1020120001722A
Authority: KR
Inventors: 나병호
Original assignee: 나병호
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2012-03-06

Abstract

본 고안은 다양한 충전기술로 구현 충전기가 전기자동차 충전시 좀더 효율적이면 편리한 충전환경을 제공할 수 있는 서비스 측면에서 고안하였다.
전기자동차 충전시 사용되는 전기충전기는 전기자동차를 정차하고 나서 프러그를 자동차 콘센트에 연결하여 충전(급속,완속)하는 방식과 배터리 자동교환 장치를 통해서 교환하는 방식으로 전기자동차 구동원을 확보한다.
현재까지 전기자동차의 구동원을 확보하는데 제일 합리적인 방안은 충전된 배터리를 교환하는 방식으로 신속한 충전서비스 제공으로 자동차 충전시 소요되는 대기시간을 최소화 할 수 있는 방식이다. 물론 배터리와 교환방식에 대한 표준화가 이루어져야 한다.
초기의 전기자동차 시범 운영기간중에 많이 채택하는 충전기 설치는 초기에는 완속충전기를 사용하다 차량 댓수가 많아지면 급속충전기로 단계적으로 UpGrade하여 유지운영비 절감 및 비용대비 효율성을 높일 수 있도록 추진되고 있다.
따라서 본 고안은 두가지 측면을 고려하여 설계한 충전방법이다.
첫번째가 임대배터리 교환서비스 측면에서의 아래와 같은 충전방법을 고안하였다. 교환가능한 임대배터리를 충전하기 위해서 수동으로 충전기에 임대배터리들을 장착하여 충전함과 동시에 임대배터리 교환서비스를 제공할 수 있는 충전방법을 고안하였다.
교환서비스의 주요특징은 (1)배터리 교환용역 서비스를 제공하기 위해서 충전비용이 가장 저렴한 비용으로 배터리를 충전할 수 있도록 충전방법을 고안하였다. 전기충전기에서 임대배터리를 충전하기 위해서 절감모드와 신속모드로 설정가능하면 절감모드로 동작시 값싼 심야전력(또는 전력공급사에서 잉여전력)으로 임대배터리를 충전하여 충전비용을 절감하도록 고안하였다.
(2)배터리 교환를 하기 위해서 전기 자동차의 빈 배터리를 반납하여야 충전된 배터리를 반출되도록 고안하였다. 이유는 고가의 임대배터리 분실을 방지하기 위해서이다.
(3)현재의 전력망이 스마트그리드 전력망으로 향상 되었을때는 충전기의 배터리들은 전력망의 효율적 관리에 기여 할 수 있도록 고안되어져 있다.
즉 전기생산이 전기수요보다 많을 때는 배터리에 전력을 저장했다가 전기수요가 증가할 때는 배터리에 저장된 전력을 다시 전력망에 다시 재 공급하는 시스템형태로 고안하였다.
두 번째가 전기자동차에 전기자동차를 충전하기 위해서 전기충전기의 충전프러그를 전기자동차의 주유구 콘센트에 연결하는 방식의 충전서비스에 관한 내용이다.
(1) 기존 충전기는 본체에 설치된 인증장치( RF카드,스마트폰등)에서 인증을 받도록 고안되어 있으나 , 본 고안은 충전기와 연결된 인증장치가 부착된 충전프러그를 전기자동차의 콘센트에 접속하면 본인을 인증하라는 음성메세지가 나온다. 이 때 운전자는 카드 혹은 인증 가능한 매체를 충전프러그에 부착된 인증기에 인증카드를 접근하게 하여 사용자 유무를 판독하여 전기자동차에 충전할 수 있도록 고안하였다. 또한 인증카드가 없는 경우 핸드폰(스마폰)을 통한 인증번호 부여받아서 스마트프러그의 키패드로 부여받은 인증번호 입력하여 충전서비스를 받을 수 있도록 고안하였다. 이러한 기능을 지원하는 충전프러그를 사용해서 충전하는 경우 충전하기 위해서 이동하는 범위와 조작행위를 최소화하여 사용자로 하여금 불편사항을 최소화 할 수 있도록 고안하였다. 상기에 기술된 프러그를 스마트 충전프러그라 칭한다.
(2)기존 충전기는 하나충전기에서 한대/두대의 차량만 서비스하지만 본고안은 하나의 충전기에서 4대이상의 차량을 동시에 서비스지원이 가능함으로 설치비 절감 및 간단한 사용방법으로 사용편의성을 제공 한다.
이상과 같은 특징은 불특정 다수가 충전할 수 있는 장소에서 시용할 수 있도록 고안되어 있으며 , 주로 공동주택(아파트,주상복합시설,사무실등) , 공공건물, 주차장 , 도로등에 설치하여 충전기 등록 고객이면서 후불정산 계약자인 경우 편리하게 사용할 수 있도록 지원한다.
또한 충전기 후불정산으로 등록하지 않은 고객은 충전기 본체에서 제공하는 정산방법으로 충전이 가능하다.

Description

임대한 전기자동차 배터리펙 충전을 위한 서비스 방법 {Service method for rent electric motorcar battery pack charging}

전기자동차의 구동원을 확보하기 위한 배터리 충전을 지원하는 전기충전 기술분야이다.

[도 22]는 현재 전기자동차 구동원을 확보하는 방법으로 충전 및 교환방식에 대한 장단점을 기술하였다. 본 고안에서는 상기에 기술된 방법으로 배터리 충전이 가능한 충전서비스 방법과 시스템을 고안하여 전기자동차 충전인프라 핵심요소인 편리한 충전방법을 고안하고자 한다.

전기자동차가 구동원을 확보하는 방식은 전기자동차를 정차하고 나서 충전기에 연결된 충전프러그를 자동차 콘센트에 연결하여 충전(급속, 완속)하는 방식과 [도 19]와 같은 교환 가능한 배터리를 충전하여 교환하는 방식이 있다.

그리고 일반적으로 [도 20]과 같은 형태의 프러그는 2가지 유형으로 충전서비스를 지원한다. 먼저 [도 13]와 같이 자동차 주유구에 충전프러그를 연결하고 충전기의 콘센트에 충전프러그를 접속하는 경우와 [도 14]와 같이 충전기에 준비된 프러그를 꺼내서 전기자동차의 콘센트에 연결하여 충전하는 경우가 있다.

참고로 전기충전기는 [도 16]에 표시된 급속충전기와 완속충전기 외형도를 참조하면 된다.

전기자동차를 충전하기 위한 일반적인 전기충전기 기본 계통도는 [도 17]에 도식화 하였다. 전기자동차 충전은 220V 전원을 직접 전기자동차의 충전콘센트에 프러그를 결속하여 충전하는 방식과 고전압을 이용한 급속충전기를 이용한 전기자동차에 충전하는 방식이 있다.

[도 15]는 2가지 방식을 지원하는 전기자동차의 충전구를 도식화한 내용이다.

본 고안을 하게 된 배경은 초기 충전인프라 구축시 전기자동차 운영 댓수의 10배가 넘는 충전기를 설치하여야 한다. 따라서 설치비는 물론 유지운영비 역시 많이 소요 될 것으로 예상된다.

교환 가능한 배터리와 자동차에 내장된 배터리를 모두 충전할 수 있는 충전시스템을 고안하여 향후 배터리 교환서비스를 차량정비소와 같은 장소에서 제공할 수 있도록 함으로써 충전기 관리 비용과 운영비용을 최소화가 가능한 충전방법을 고안하였다.

본 발명의 기본개념은 인프라 유지운영비를 최소화하면서 충전인프라구축이 용이하도록 하기 위해서 기존 차량관련 인프라(차량 정비소)의 장비와 인력을 최대한 활용할 수 있는 충전서비스에 초점을 맞추어서 고안하였다.

또한 공동주택 및 공공시설의 주차장내에 적합한 스마트 충전프러그를 활용하여 충전함으로써 이동하는 범위와 조작을 최소화하였고 인증절차에 대한 처리를 다양화하여 사용자로 하여금 충전하는 데 불편사항을 최소화 하도록 고안하였다.

통상적으로 [도 18]과 같은 형태의 전기자동차는 배터리의 전기 에너지를 사용하여 차량에 탑재되어 있는 전기 모터(전동기)를 구동하여 주행한다.

이러한 전기 차량에 있어서, 배터리의 충전상태(SOC ; State Of Charge)는 전기 차량의 주행중일때는 방전이 되어 점차 줄어들다.

보통의 경우 배터리의 재충전은 차량에 탑재된 충전기(On Board Charger)를 사용하여 이루어지며, 전기 차량의 성능 및 배터리 사양에 따라 차이가 있으나 배터리의 100% 충전까지 7~8시간 정도의 충전시간이 소요된다.

또한, 급속 충전 장치를 사용하면, 보통 30~40분 정도의 충전시간 소요로 배터리 충전상태를 20%~70% 까지 충전할 수 있다. 급속 충전이란 차량 탑재형 충전기 용량(6.6KW)보다 약 4~5배 정도의 큰 파워(25KW) 용량을 가진 급속 충전기를 사용하여 최단 시간에 배터리의 충전상태(SOC)를 목표 충전상태(70%)까지 충전하는 것을 말하며, 급속충전 알고리즘의 성능은 충전 소요 시간과 배터리 온도 상승에 의해서 결정된다. 일반적인 급속 충전 알고리즘은 정전류 60A로 배터리 충전상태(SOC)가 70%까지 충전되도록 설계되어 있다.

현재까지 구현된 충전기술로는

a)Trickle Charger 충전기술로서 값싸게 이용할 수 있는 충전기이나 전원에 연결된 동안 (+)의 정전류가 지속적으로 공급되어 전극표면에서의 dendrite성장, 과충전 및 memory effect를 초래하는 문제점이 있다.

b)Fast Charger충전기술은 공급되는 (+)의 정전류를 증가시켜 충전시간을 수 시간으로 단축시키나 여전히 Trickle Charger에서 발생하는 문제를 안고 있다.

c)Pulse Charger 충전기술은 Trickle Charger에서 발생하는 문제를 해결하기 위하여 펄스전류를 공급하는 방식이다. 즉, (+)의 정전류를 공급한 뒤 일정 시간후 (-)의 정전류를 짧은 시간동안 공급하는 식으로 충전시 pulse 형태의 전류를 공급하여 충전한다.

d)ACT 사의 DEW(Dynamic Electrochemical Waveform) technology로써 [도 8]과 같이 (+)의 정전류 공급후 (-)의 정전류를 2번정도의 Pulse형태의 전류로 반복적 충전하는 방식으로 충전기 성능의 관건인 전지의 충전 소요시간 단축, 장시간 충전방치시의 안전성, 충방전 횟수 개선하였다.

본 고안은 이러한 충전기술을 활용하여 개발된 충전시스템이 전기자동차 충전시 효율적이면 편리한 충전환경을 제공할 수 있는 서비스 측면에서 고안하였다.

전기자동차 충전시 사용되는 전기충전기는 전기자동차를 정차하고 나서 프러그를 자동차 콘센트에 연결하여 충전(급속,완속)하는 방식과 배터리 자동교환 장치를 통해서 교환하는 방식으로 전기자동차 구동원을 확보한다.

현재까지 전기자동차의 구동원을 확보하는데 제일 합리적인 방안은 첫 번째가 급속충전에 의한 충전방식과 두 번째는 충전된 배터리를 교환하는 방식으로 신속한 충전서비스 제공으로 자동차 충전시 소요되는 대기시간을 최소화 할 수 있는 방식이다. 물론 후자의 경우는 배터리와 교환방식에 대한 표준화가 이루어져야 한다.

초기의 전기자동차 시범 운영기간중에 많이 채택하는 충전기 설치는 초기에는 완속충전기를 사용하다 차량 댓수가 많아지면 급속충전기로 단계적으로 UpGrade하여 유지운영비 절감 및 비용대비 효율성을 높일 수 있도록 추진되고 있다.

따라서 본 고안은 두가지 측면을 고려하여 설계한 충전방법이다.

첫번째가 임대배터리 교환서비스 측면에서 교환 가능한 임대배터리를 충전하기 위해서 수동으로 충전기의 배터리 수납공간에 임대배터리들을 장착하여 충전함과 동시에 임대배터리 교환서비스를 제공할 수 있는 충전방법을 고안하였다.

* 교환서비스의 주요특징은 (1)배터리 교환용역 서비스를 제공하기 위해서 충전비용이 가장 저렴한 비용으로 배터리들을 충전할 수 있도록 충전방안을 고안하였다. 전기충전기에서 임대배터리를 충전하기 위해서 절감모드와 신속모드로 설정가능하게 함으로써 절감모드로 동작시 값싼 시간대 전력(또는 전력공급사에서 남는 전원)으로 임대배터리를 충전하여 충전비용을 절감하도록 고안하였다.

(2)배터리 교환를 하기 위해서 전기 자동차의 빈 배터리를 수납공간에 반납하여야 충전된 배터리를 반출되도록 고안하였다. 이유는 고가의 임대배터리 분실을 방지하기 위해서이다.

(3)현재의 전력망이 스마트그리드 전력망으로 향상 되었을때는 충전기의 배터리들은 전력망의 효율적 관리에 기여 할 수 있도록 고안되어져 있다.

즉 전기생산이 전기수요보다 많을 때는 배터리에 전력을 저장했다가 전기수요가 증가할 때는 배터리에 저장된 전력을 다시 전력망에 다시 재공급하는 시스템형태로 고안하였다.

두 번째가 전기충전기에서 전기자동차를 충전하기 위해서 전기충전기의 충전프러그를 전기자동차의 주유구 콘센트에 연결하는 방식의 충전서비스에 관한 내용이다.

(1) 기존 충전기는 본체에 설치된 인증장치( RF카드,스마트폰등)에서 인증을 받도록 고안되어 있으나 , 본 고안은 [도 1]과 [도 3]과 같이 충전기(160)와 연결된 여러개의 충전프러그(300) 중 하나를 전기자동차의 콘센트에 접속하면 충전프러그(300)에 부착된 스피커(302)에서 본인을 인증하라는 음성메세지가 나온다. 이 때 운전자는 미리 충전인프라 사용등록을 하여 발급받은 인증카드를 충전프러그(300)에 부착된 인증기(301)에 인증카드를 접근 또는 접촉하게 하여 , 충전프러그(300)에 부착된 인증기(301)에서 판독한 고유식별자로 충전인프라 등록회원 유무를 판독하여 전기자동차에 충전할 수 있도록 고안하였다. 또한 인증카드가 없는 경우 핸드폰(스마트폰)을 통한 인증번호 부여받아서 충전프러그(300)의 키패드(306)로 핸드폰(스마트폰)으로 수신받은 인증번호를 입력하여 충전서비스를 받을 수 있도록 고안하였다. 이러한 기능을 지원하는 충전프러그(300)를 사용해서 충전하는 경우 충전하기 위해서 이동하는 범위와 조작행위를 최소화하여 사용자로 하여금 불편사항을 최소화 할 수 있도록 고안하였다. 상기에 기술된 프러그를 스마트 충전프러그(300)라 칭한다.

(2)기존 충전기는 하나의 충전기에서 한대/두대의 차량만 서비스하지만 본고안은 하나의 충전기에서 여러대의 차량을 동시에 서비스지원이 가능하게 함으로써 설치비 절감 및 간단한 사용방법으로 사용편의성을 제공한다.

이상과 같은 특징은 불특정 다수가 충전할 수 있는 장소에서 시용할 수 있도록 고안되어 있으며 , 주로 공동주택(아파트,주상복합시설,사무실등) , 공공건물, 주차장 , 도로등에 설치하여 충전기 등록 고객이면서 후불정산 계약자인 경우 편리하게 사용할 수 있도록 지원한다.

또한 충전기 충전인프라 사용회원으로 등록하지 않은 고객은 충전기 본체에서 제공하는 정산방법으로 충전이 가능하다. 또한 충전인프라 사용회원 카드를 분실한 경우에 핸드폰(스마트폰)으로 실명인증으로 후불정산 계약자 유무를 판단하여 충전서비스 제공이 가능하도록 하였다.

본 충전방법 구현하기 위해서는 해결수단으로는 다음과 같다.

첫 번째가 임대배터리 교환서비스 측면에서 교환 가능한 임대배터리를 충전하기 위해서 수동으로 충전기의 수납공간에 임대배터리들을 장착하여 충전함과 동시에 임대 배터리 교환서비스를 제공할 수 있는 충전방법을 고안하였다.

전기충전기에 장착된 임대배터리를 충전하기 위해서 절감모드와 신속모드로 설정가능하고 절감모드로 동작시 값싼 심야전력(또는 전력공급사에서 남는 전력,스마트그리드 전력망 활용 전력)으로 배터리를 충전하여 충전비용을 절감하도록 고안하였다.

또한 충전된 임대배터리 교환서비스를 받기 위해서 전기 자동차의 빈 배터리를 반납하여야 충전된 배터리를 반출되도록 구현하였다. 이유는 고가의 임대배터리 분실을 방지하기 위해서이다.

현재의 전력망이 스마트그리드 전력망으로 향상 되었을때는 충전기의 배터리들은 전력망의 효율적 관리에 기여 할 수 있도록 구현되어져 있다.

즉 전기생산이 전기수요보다 많을 때는 배터리에 전력을 저장했다가 전기수요가 증가할 때는 배터리에 저장된 전력을 다시 전력망에 다시 재 공급하는 시스템형태로 고안하였다.

[도 1]은 전기충전기(160)에서 여러 개의 교환 가능한 임대 배터리들을 충전기의 배터리 수납공간에 장착하고 , 배터리 교환서비스를 제공할 수 있도록 배터리를 가장 저렴한 비용으로 충전하여 언제든지 교환서비스를 제공할 수 있다. 충전기(160)의 스마트그리드 전력제어 기능(163)을 제공하여 충전기의 운영의 효율성을 지원하고, 충전기의 주제어기(164)의 제어프로그램은 상위관리시스템과 연동기능을 제공하는 연동모듈(100)와 여러대의 전기자동차를 충전이 가능한 전기자동차 충전제어모듈(110) , 여러대의 배터리를 최소비용으로 충전 가능하게 지원함과 동시에 충전배터리 분실을 방지하는 임대배터리 충전제어모듈(120) , 충전기와 사람간의 의사소통을 지원하는 MMI처리제어모듈(130) , 다양한 형태의 인증매체(신용카드,교통카드,하이패스카드,스마트폰,충전이용카드등)와 상호통신을 지원하는 외부장치통신모듈(140) , 충전시 소요되는 비용을 정산하는 요금정산모듈(150)으로 구성된 제어프로그램이다.

두 번째가 전기자동차에 전기자동차를 충전하기 위해서 충전기 조작 및 이동경로를 최소화 함으로써 충전의 편의성을 제공하기 위해서 고안된 스마트 충전프러그를 지원하는 충전방법이다.

스마트프러그가 적용된 시스템의 구성도를 [도 3]과 같이 전기자동차에 전기를 충전하는 충전기의 제어프로그램(320)과 스마트 충전프러그(300) 기능에 대한 개념도를 도식화 하였다.

충전기의 제어프로그램(320)의 지원기능은 상위관리시스템과 연동기능을 제공하는 연동모듈(100)와 여러대의 전기자동차를 충전이 가능한 전기자동차 충전제어모듈(110) , 여러대의 배터리를 최소비용으로 충전가능하게 지원하는 임대배터리 충전제어모듈(120) , 충전기와 사람간의 의사소통을 지원하는 MMI처리제어모듈(130) , 다양한 형태의 인증매체(신용카드,교통카드,하이패스카드,스마트폰,충전이용카드등)와 상호통신을 지원하는 외부장치통신모듈(140) , 충전시 소요되는 비용을 정산하는 요금정산모듈(150)으로 구성된 제어프로그램이다.

스마트 충전프러그(300)를 구성하는 하드웨어 구성요소는 충전을 원하는전기자동차 운전자의 신원을 인증하는 인증매체제어기(301) , 동작의 현황의 안내메세지를 보내는 스피커(302) , 충전프러그와 충전기간의 통신모듈(303) , 충전프러그에 동작상태를 표시하는 표시부(304) , 충전프러그를 종합제어하는 주제어보드(305) , 방수 키패드를 지원하는 입력부(306) , 전기자동차 충전구와 스마트프러그와 접속하는 접속Connector부(307) 와 프러그접속 스위치(308)로 구성되어 있다.

스마트 충전프러그의 주제어보드(305)에서 동작되는 스마트충전프로그램(310)이 지원하는 기능은 충전기와 통신하는 기능(311) , 입력부/표시부/ 스피커/인증기등의 입출입 데이터 제어 및 처리기능(313) , 배터리 충전시 배터리펙의 BMS와 통신하는 기능(312)을 처리하도록 구성되어 있다.

스마트 충전프러그를 활용시 전기자동차 충전을 하기 위해서 충전기 조작 및 이동경로를 최소화하여 충전의 편의성을 최대한 제공한다.

또한 불특정 다수가 충전할 수 있는 장소에서 시용하는 경우 , 주로 공동주택(아파트,주상복합시설,사무실등) , 공공건물, 주차장 , 도로등에 설치하여 충전인프라 이용 고객이면서 후불정산 계약자인 경우 편리하게 사용할 수 있도록 지원하고 , 누가 충전을 얼마나 했는지에 대한 비용청구를 정확하게 처리할 수 있다.

임대 배터리를 교환하는 방식으로 충전인프라 구성시 스마트그리드 전력망 구성이 용이하고 , 가장 싼 비용으로 배터리를 충전하게 함으로써 충전비용 절감으로 충전서비스의 제공자의 이익증대를 통한 전기자동차 충전서비스의 품질을 향상 , 신속한 교환서비스로 인해서 운전자에게 전기자동차 충전대기시간에 대한 불편함을 개선함으로써 편리성을 제공한다.

즉 서비스 제공자의 이익증대에 따른 충전인프라 보급이 증대되고 , 운전자는 인프라 증대에 따른 전기자동차 사용의 편리성이 증대됨과 동시에 CO2배기 가스축소에 따른 환경개선효과를 볼 수 있을 것으로 판단된다.

[도 1] 전기충전시스템 구성도
[도 2] 전기자동차 충전 및 임대배터리 충전 시스템 설치 예
[도 3] 스마트 충전프러그 운영 시스템 구성도
[도 4] 지면에 설치된 멀티 충전지원 무인충전기
[도 5] 천정이 있는 공간에 설치된 멀티 충전지원 무인충전기
[도 6] 스마트 충전프러그 설치모형 예
[도 7] 스마트 충전프러그 개념도
[도 8] ACT 사의 DEW(Dynamic Electrochemical Waveform) 충전개념도
[도 9] 전기자동차를 충전하기 위한 시스템 연관도
[도 10] 배터리를 충전하기 위한 시스템 연관도
[도 11] 스마트프러그를 활용한 충전절차 Sequence
[도 12] 핸드폰의 SMS인증번호를 이용한 인증절차 Sequence
[도 13] 충전프러그가 없는 무인충전기
[도 14] 충전프러그가 있는 무인충전기
[도 15] 전기자동차의 콘센트가 완속충전/급속충전용 두개 있는 경우
[도 16] 급속충전기와 완속충전기 외형도 예 ( 한국전력 )
[도 17] 전기충전기 기본 계통도 예 (한국전력)
[도 18] 전기자동차 기본 구성도
[도 19] 배터리펙(Battery Pack) 상용화 예
[도 20] 전기자동차 충전용 프러그 예
[도 21] 일반적인 전기충전기 기본 기능BLOCK도
[도 22] 배터리 충전과 교환 서비스에 대한 장단점 분석표

일반적으로 충전기의 프러그는 2가지유형으로 먼저 [도 13]와 같이 자동차 주유구에 충전프러그를 연결하고 충전기의 콘센트에 충전프러그를 접속하는 경우와 [도 14]와 같이 충전기에 준비된 프러그를 꺼내서 전기자동차의 콘센트에 연결하여 충전하는 경우가 있다.

이 때 제일 중요한 것은 전기자동차에 충전하는 비용을 지불은 누가 할 것 인가? 따라서 충전시 비용을 즉시 지불하든지 또는 충전당사자가 누구인지를 인증하여 후불로 정산하는 방법이 있다.

현재 충전기에서 충전서비스/교환서비스를 받기 위해서는 기본적으로 충전비용을 즉시 지불하고 서비스를 받는 경우 , 충전비용을 후불로 정산하는 계약을 체결한 후에 본인여부를 인증하는 수단(스마트폰,RF카드등)를 신청하여 본인인증만으로 충전서비스/교환서비스를 받을 수 있다.

충전서비스 비용을 즉시 지불하는 경우는 충전기 본체에서 주로 정산하여야 하고 , 현금지불을 지원하는 충전기는 경비인력 혹은 정비인력이 상주하는 장소에서만 운영된다.

충전기를 이용하는 이용고객은 편리하게 충전인프라를 이용하기 위해서는 기본적으로 충전인프라를 이용계약을 맺고 본인인증으로만 편리한 충전/교환서비스를 받을 수 있다.

이러한 충전인프라 이용계약을 체결한 고객과 인프라를 관리하는 관리서버 구축이 선결되어 있다는 전제 조건으로 본 고안이 구현된다.

[도 1]은 전기충전기(160)에서는 여러 개의 교환 가능한 임대 배터리를 빈 수납공간에 장착하고 배터리 교환서비스 제공할 수 있도록 배터리를 가장 저렴한 비용으로 충전하여 언제든지 교환서비스를 제공한다. 충전기의 스마트그리드 전력제어 기능을 제공하여 충전기의 운영의 효율성을 지원하고, 충전기의 주제어기(164)의 제어프로그램은 상위관리시스템과 연동기능을 제공하는 연동모듈(100)와 여러대의 전기자동차를 충전이 가능한 전기자동차 충전제어모듈(110) , 여러대의 배터리를 최소비용으로 충전가능하게 지원함과 동시에 충전배터리 분실을 방지하는 임대배터리 충전제어모듈(120) , 충전기와 사람간의 의사소통을 지원하는 MMI처리제어모듈(130) , 다양한 형태의 인증매체(신용카드,교통카드,하이패스카드,스마트폰,충전이용카드등)와 상호통신을 지원하는 외부장치통신모듈(140) , 충전시 소요되는 비용을 정산하는 요금정산모듈(150)으로 구성된 제어프로그램이다.

본 고안에서 구현해야 할 첫 번째 기술적 분야는 임대배터리 교환서비스를 제공하기 위해서는 충전소 혹은 차량정비업체에 설치된 충전기에 장착된 임대배터리를 충전은 심야시간 전력, 발전소에서 생산된 잉여 전력 , 스마트 그리드 전력망에 의한 운영전력등을 이용하여 최소비용으로 임대배터리 충전할 수 있도록 구현함과 동시에 충전된 고가의 임대 배터리를 분실하지 않고 임대 배터리 교환서비스를 제공하기 위한 충전기를 구현한다.

충전기에 장착된 임대배터리 수납공간은 빈 수납공간에 임대배터리가 반납되지 않으면 충전된 배터리를 반출하지 못하는 구조로 구성되어 있으며 , 교환당사자가 배터리 교환서비스 당사자로 인증받은 경우만 충전된 배터리를 반출하여 차량에 장착할 수 있다. 이러한 구조의 충전기에서 임대배터리 반입/반출 및 충전을 지원하는 모듈은 [도 1]의 충전기의 임대배터리 충전제어모듈(120)에서 지원하도록 한다.

충전할 임대배터리수 보다 하나 많은 수납공간을 관리하여 항시 한개의빈 배터리 수납공간은 관리하도록 한다. 이렇게 관리 함으로써 고가의 배터리 분실을 원천적으로 방지하기 위함이다.

본 고안에서 구현해야 할 두 번째 기술적 분야는 편리한 충전서비스를 제공하기 위한 방안을 구현하는 것이다.

(1)조작 및 이동 횟수를 최소화할 수 있도록 충전기와 연결된 충전프러그에 인증매체기(RF카드 Reader기,인증매체통신기등)가 부착하여 전기자동차의 콘센트에 프러그가 접속하면 , 충전프러그의 주제어보드에서 본인을 인증하라는 음성메세지가 나오면, 운전자는 인증매체(카드,스마트폰등)를 충전프러그에 부착된 인증기에 접근하게 하여 고유식별자를 판독하여 충전기로 송신하여 충전인프라 등록회원 유무를 조회하여 회원이면 전기자동차에 충전서비스를 제공하고 비회원이면 음성안매메세지 서비스를 제공한다.

(2)하나의 충전기에서 여러대의 차량을 동시에 충전 서비스하여 설치비 절감 및 간단한 사용방법으로 충전기 사용편의성을 극대화 하여야 한다.

[도 6]는 스마트 충전프러그가 설치된 모형 예를 도식화 하였다.

[도 7]는 충전기에 부착된 스마트 충전프러그(710)가 지원하는 제어부에 대해서 다음과 같이 기술하였다.

충전기 인증매체의 고유번호를 판독할 수 있는 인증판독기(711)부 , 충전현황를 알려주는 안내 스피커부(712) , 충전기와 통신부(713) , 충전 스마트프러그의 현황을 표시하는 액정지원하는 표시부(714) , 전기자동차 배터리에 전기 충전을 하기 위한 처리를 담당하는 주제어보드(715) , 충전프러그 동작을 조작하는 키패드 입력부(716) , 전기자동차 충전구와 접속Connector 기계적인 부분(717) 과 프러그접속스위치(718)로 구성된 요소이다.

스마트프러그를 적용한 충전기 설치사례에 대해서 기술하였다.

[도 4]은 지면에 설치된 멀티 스마트 충전프러그를 활용한 충전기와 [도 5]은 천정이 있는 공간에 설치된 멀티 스마트 충전프러그를 활용한 충전기의 설치사례를 기술하였다.

[도 9]은 본 고안의 충전시스템에 전기자동차에 장착된 배터리펙을 충전하기 위한 시스템 연관도를 도식화 하였다. 충전기(930)에서 공급되는 전력은 충전서비스를 받는 전기자동차 댓수에 따라 Load Balance를 위한 전류/전압 제어분배기(940) , 전기자동차(960)의 배터리펙에 충전을 할 수 있는 스마트충전프러그(950)로 구성되어 있다. 통신신호는 통신방식에 따라 별도의 통신선을 활용할 수도 있다.

[도 10]은 본 고안의 충전시스템에 적용된 탈착식(분리)가능한 배터리펙을 충전하기 위한 시스템 연관도를 도식화 하였다. 충전기(1030)에서 공급되는 전력은 충전서비스를 받는 배터리펙 댓수에 따라 Load Balance를 위한 전류/전압 제어분배기(1040) , 배터리펙(1060)의 BMS와 통신을 할 수 있는 스마트BMS통신(1050)로 구성되어 있다. 스마트BMS통신(1050)모듈은 충전기와 배터리펙BMS간의 충방전시 상호필요한 정보를 송수신할 수 있는 통신Gate의 역할을 수행한다. 통신신호는 통신방식에 따라 별도의 통신선을 활용할 수도 있다.

[도 11]은 스마트충전프러그를 활용한 충전절차 Sequence를 도식화한 내용으로써 , 전기자동차에 스마트충전프러그를 사용하여 충전하는 절차에 대해서 기술 한다.

충전이 필요한 전기자동차가 주차면에 주차하고 스마트보관함에서 스마트충전프러그(1110) 분리하여 전기자동차(1100)의 충전구에 스마트충전프러그(1110)를 접속하면 스마트충전프러그(1110)의 표시부와 음성메세지로 신원인증을 요청하는 메시지를 운전자에 알린다. 전기충전을 원하는 운전자는 본인을 인증할 수 있는 인증수단을 스마트충전프러그의 인증기에 제시하면 , 스마트충전프러그의 인증매체기는 제출된 인증수단의 고유번호를 판독하여 충전기(1120)로 인증고유번호를 송신하여 충전서비스 등록회원유무를 식별한다. 회원으로 판단되는 경우 충전기는 스마트충전프러그에 충전전원을 공급한다.

전기자동차에 충전을 하는 동안에는 충전완료표시등에 충전중을 표시한다.

회원이 아닌 경우는 스마트충전프러그의 표시부와 스피커부로 충전 불가능한 내용의 안내메세지를 보낸다. 전기자동차의 충전구에서 스마트충전프러그(1110)를 분리하면 스마트충전프러그(1110)은 충전기(1120)로 충전전원공급 중단을 요청함과 동시에 충전완료표시등에 충전완료를 표시한다.

[도 12]은 회원인증카드가 없는 경우에 핸드폰의 SMS문자 메시지를 이용하여 본인인증을 받아서 충전서비스를 받는 절차를 도식화 하였다.

전기자동차 운전자(1200)는 공동주택 또는 공공시설의 주차장내 주차면에 전기자동차를 주차하고 충전하기 위해서 스마트 충전프러그 보관함에 보관된 스마트 충전프러그(1210)를 반출하여 전기자동차 충전구에 삽입한 후 , 스마트프러그의 카패드에서 전화번호를 입력하고 충전기와 관리서버로 회원인증을 요청(1241,1242)하면 , 관리서버(1230)는 무선단말기(핸드폰,스마폰)로 요청한 운전자의 신분을 확인하고 , 회원유무를 검색할 때 사용한 전화번호로 인증번호를 전송함(1244)과 동시에 충전기로도 인증번호를 전송한다(1245). 인증번호로 수신한 운전자는 스마트 충전프러그에 부착된 Key-Pad입력부로 인증번호를 입력한다(1246).

충전기(1220)는 스마트프러그에서 입력된 인증번호와 관리서버에서 수신받은 인증번호가 일치하는 경우는 등록회원으로 충전서비스를 제공한다(1250).

스마트프러그(1210)는 전기자동차의 배터리에 충전상태를 지속적으로 감시(1251)하여 , 배터리충전 완료를 검지하면 충전기(1220)로 충전완료메세지를 전송하고(1252) 충전완료 표시등에 충전완료를 표시한다(1253). 또한 관리서버로 배터리충전완료 정보를 서비스 제공한 등록회원 ID와 함께 전송한다.

충전완료후 스마트프러그(1210)가 전기자동차에서 분리되고 일정시간내에 프러그보관함에서 스마트프러그(1210) 반납신호가 검지되지 않으면 스마트프러그(1210)는 미반납 알람신호를 충전기(1220),충전인프라 관리서버(1230)에게 알람신호를 보낸다.

SMS : Short Message System
RF : Radio Frequency
MMI : Man Machine Interface
BMS : Battery Monitoring System
SOC ; State Of Charge
PLC : Power Line Communication

Claims

전기자동차 구동원을 확보하기 위한 배터리 교환서비스를 충전소 및 차량정비소에 설치된 충전기(160,1030)에서 여러개의 충전배터리를 충전할 수 있는 수납 공간Case(1080)들과 교환할 방전된 배터리를 수납할 수 있는 빈 수납공간Case(1090)를 가진 충전시스템에서 수납공간Case(1080)에 보관된 충전배터리를 수납공간의 잠금장치(1070)를 제어 및 감시하여 배터리 반출입 관리기능을 수행하는 임대배터리 충전제어모듈(120)을 포함하는 특징이 있는 충전방법.
충전소 및 차량정비소에 설치된 충전기(160,1030)에서 배터리 교환서비스를 제공받기 위해서는 수납공간Case(1080)에 보관된 충전배터리와 전기충전이 필요한 배터리와 교환하는데 있어서
a) 전기충전기(1030)는 전기자동차 충전인프라(충전기,베터리펙)를 관리하는 충전인프라 관리서버(1000)로 배터리 교환서비스 대상자 유무를 확인하기 위해서 판독한 RF카드 또는 스마트폰의 고유식별자를 관리서버(1030)로 전송하는 단계;
b) 관리서버(1030)는 수신받은 고유식별자로 배터리 교체 사용권한을 확인하여 충전기로 교체유무를 통보하는 단계;
c) 배터리 교체가 가능한 운전자(사용자)인 경우 충전기(1030)는 빈 수납공간Case(1090)에 교환 할 배터리가 입고됨을 검지하는 단계;
d) 충전기(1030)는 교환 할 배터리 반입이 검지되면 , 충전된 배터리가 있는 수납공간 잠금장치(1070)을 제어하여 배터리를 출고할 수 있도록 수납공간잠금장치(1070)를 OPEN하는 단계;를 포함하는 특징이 있는 충전방법.
충전소 및 차량정비소에 설치된 여러개의 수납공간Case(1080)에 보관된 배터리펙(1060)들을 충전하기 위한 충전기(1030)에서 충전시 전력공급사(1020)에서 PLC통신으로 제공하는 시간대별 전력이용 요금에 대한 정보를 수집하여 일정비용 이하 일때 충전을 시작하게 하는 절감모드와 충전비용에 무관하게 최대한 신속한 충전이 필요한 신속모드를 지원할 수 있도록 선택적인 충전할 수 있는 것이 특징이 있는 충전방법.
충전소 및 차량정비소에 설치된 여러 개의 수납공간Case(1080)에 보관된 배터리펙(1060)들을 충전하기 위한 충전기(1030)에서 수납공간에 충전된 전기량을 PLC통신으로 전력공급사(1020)로 송신하게 함으로써 전력공급사(1020)에서 공급할 전력량이 부족시 배터리에 보관된 전력을 사용할 수 있는 명령을 지시하면 수배전반(1010)에서 원하는 목적(전원충전/전원공급)으로 배터리를 사용할 수 있도록 전환 스위치가 동작하는 구조를 지원하는 것이 특징인 충전방법.