KR20120109914A

KR20120109914A - 전기자동차 충전시스템

Info

Publication number: KR20120109914A
Application number: KR1020110027758A
Authority: KR
Inventors: 조용찬; 박래혁; 이태훈
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-09
Also published as: KR101197552B1

Abstract

본 명세서에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차 충전시스템이 개시된다. 특히, 본 발명에 따른 전기자동차 충전시스템의 일 예는, 전력을 공급하는 전력망과 상기 전력망을 제어하는 제1 관리서버를 포함한 전력 공급부; 및 전력망으로부터 공급되는 전력을 변환 및 변압하여 전기자동차를 충전하는 충전기와 제1 관리서버와 통신하는 제2 관리서버를 포함한 충전부;를 포함한다.

Description

전기자동차 충전시스템{A system of charging an electric vehicle}

본 발명은 충전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차(EV; electric vehicle)의 충전을 위한 제반 시스템에 관한 것이다.

전기자동차(electric vehicle; EV)는 가솔린 자동차나 디젤 자동차보다 먼저 제작되었으나, 배터리(battery)의 무거운 중량, 충전(charging)에 걸리는 시간 등의 문제로 실용화되지 못하였다.

그러나 최근 화석에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 전기에너지(electric energy)를 이용하는 전기자동차에 대한 관심이 높아지면서 이에 대한 연구가 다시 활발하게 진행되고 있다.

전기자동차는 석유 연료와 그를 위한 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 즉, 전기를 동력으로 하여 움직이는 자동차를 말한다. 이렇듯 전기자동차는 화석 에너지가 아닌 배터리에 축적된 전기를 소비하여 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키나, 배터리의 용량이 커졌다고는 하나 유한하다.

따라서, 화석에너지를 사용하는 자동차들이 주유소에서 주유하듯이 전기자동차의 배터리도 충전이 필수적이다. 이는 최근 기술 발전으로 인해 배터리의 용량이 커졌다고 하더라도 마찬가지다.

관련하여, 종래 주유소는 유류 창고를 지을만한 일정한 공간만 있으면, 특별한 설비가 없어도 구축이 가능하였으나, 전기자동차의 경우 그 배터리를 충전하기 위한 충전시스템이 제대로 구축되고 있지 않은 실정이다.

더불어, 전기자동차의 충전시스템은, 배터리 충전을 위해 전기 에너지를 이용하는바, 이를 위한 다양한 설비가 필요하고 충분하고 안정적인 전력 공급을 위해서는 자체적인 송전망, 배전망, 변전소 등의 시설을 별도로 구축하여야 하나 이는 경제적으로 비용의 부담이 커 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 점차 전력 수요가 증가하고 있는 실정을 고려한다면, 안정적인 전력 수급 및 공급을 위한 전력망의 확보가 쉽지 않으며 특히나, 실시간으로 전력 수요에 대응하고 보다 값이 싼 전력을 공급하기에는 많은 어려움이 있다.

본 발명의 일 과제는, 전기자동차의 배터리에 충전을 위한 충전기를 포함한 전기자동차 충전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 과제는, 송전망, 배전망, 변전소 등의 별도 시설 구비없이 충전시스템을 구축하여 그 운용 효율성을 높이고자 한다.

본 발명의 또 다른 과제는, 실시간으로 전력 수요에 대응하여 안정적이고 보다 값이 싼 전력을 공급하는 전기자동차 충전시스템을 제공하고자 한다.

본 명세서에서는 본 발명에 따른 전기자동차 충전시스템의 일 예가 개시된다.

본 발명에 따른 전기자동차 충전시스템의 일 예는, 전력을 공급하는 전력망과 상기 전력망을 제어하는 제1 관리서버를 포함한 전력 공급부; 및 전력망으로부터 공급되는 전력을 변환 및 변압하여 전기자동차를 충전하는 충전기와 제1 관리서버와 통신하는 제2 관리서버를 포함한 충전부;를 포함한다.

이때, 상기 전력망은, 전기를 생산 또는/및 공급하며 자체 송전, 변전 및 배전 설비를 갖춘 적어도 하나의 전력 사업자를 포함할 수 있다.

그리고 상기 전력망은, 지능형 전력망(smart grid)을 지원할 수 있다.

또한, 상기 충전부는, 상기 전력망을 통해 공급되는 전력량 및 또는 과금 관련 정보를 측정하는 스마트 미터(smart meter)를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 충전기는, 입력되는 AC 전력을 DC 전력으로 컨버팅하는 컨버터; 컨버팅된 DC 전력을 AC 전력으로 인버팅하는 인버터; 인버팅된 AC 전력을 변압하는 변압기; 및 변압된 AC 전력을 정류하여 DC 전기를 생성하는 정류기;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 충전기는, 전기자동차의 인넷과 결합하여 전기를 공급하고, 상기 전기 공급과 관련된 정보를 교환하는 커플러를 포함할 수 있다.

그리고 상기 전기 공급과 관련된 정보는, 충전 시작 및 종료 제어 정보, 연결 확인 정보, CAN 통신 정보 중 적어도 하나 이상을 포함하여 제2 관리서버로 전송될 수 있다.

또한, 상기 충전부는, 충전을 위해 전기 공급을 요청하고, 과금된 요금 결제를 위한 정보를 출력하는 디스플레이부;를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 전기자동차 충전시스템은, 제1 관리 서버와 제2 관리 서버 중 적어도 하나와 통신하여, 과금 정보를 포함한 거래 내역 정보를 처리하는 외부 기기를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 관리 서버는, 각 충전기와 공중 교환 전화망(PSTN: Public Switched Telephone Network), 인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite) 및 무선 랜(wireless local area network (LAN)) 중 어느 하나의 통신 프로토콜을 이용하여 상기 충전기와 연결된 전기자동차의 정보를 송수신하되, 상기에서 인터넷 프로토콜 스위트에는 RS232와 RS485를 포함한 직렬 통신 방식 및 이더넷 통신 방식 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.

그리고 상기 충전기와 전기자동차는, CAN 통신 프로토콜로 정보를 주고받을 수 있다.

또한, 상기 제2 관리서버는, 상기 스마트 미터로부터 수신되는 전력량 및 과금 관련 정보를 포함하여 충전과 관련된 거래 내역 정보를 제1 서버 또는 상기 외부 서버로 전송할 수 있다.

그리고 상기 충전기는, 전력 공급부를 통해 공급되는 AC 전력과 전기자동차로 공급되는 DC 전력의 누전 여부를 검출하는 누전 검출기를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 누전 검출기는, 접지와 연결된 각 저항, 상기 각 저항과 부하에 전력을 공급하는 링크단 사이를 연결하고, 입력되는 고전압을 감압하는 감압부; 링크단과 접지 사이의 이득을 얻는 가산부; 및 가산부의 이득으로부터 누전 여부를 판단하는 제어부;를 포함할 수 있다.

그리고 상기 전력망은, 1차 전력사업자로부터 공급된 전력을 이용하여 철도 또는 도시철도에 전력을 공급하는 도시철도 전력망을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면,

첫째, 전기자동차의 배터리를 충전하는 전기자동차 충전시스템을 제공하는 효과가 있다.

둘째, 송전망, 배전망, 변전소 등의 별도 구비없이 충전시스템을 구축할 수 있어 그 운용 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.

셋째, 실시간으로 전력 수용에 대응할 수 있어 안정적이고 보다 값싼 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차 충전시스템의 일 예를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 전력망(110)의 상세 구성을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따라 전기자동차 충전시스템 내에서 정보의 흐름을 보다 상세하게 설명하기 위해 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 충전기(133)의 상세 구성을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따라 전력망(110), 충전부(130) 및 전기자동차(140) 사이의 전력 공급 과정의 일 예를 설명하기 위해 도시한 순서도, 그리고
도 6은 도 5에서 특히, 충전부(130)와 전기자동차(140) 사이의 충전 과정의 일 예를 보다 상세하기 설명하기 위해 도시한 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 다양한 실시예들을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

본 발명은 충전시스템(charging system)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차(Electric Vehicle; EV)의 배터리(battery)에 직류(DC) 전기를 충전하는 충전기(Charger)를 포함한 전기자동차 충전시스템 및 그 운용에 관한 것이다.

다만, 전기자동차는 본 발명의 기술사상을 설명하기 위한 일 실시예일뿐, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 청구항과 본 명세서에서 기술되는 본 발명의 기술사상과 동일 또는 유사한 원리를 (유추)적용 또는 응용 가능한 동일 또는 다른 기술 분야의 충전시스템에도 적용할 수 있음은 자명하다 할 것이다.

이하 본 명세서에서는 본 발명에 따라 전기자동차의 배터리에 충전을 위한 충전기를 포함한 전기자동차 충전시스템을 제공하고자 한다. 이때, 본 발명에 따른 전기자동차 충전시스템은, 송전망, 배전망, 변전소 등의 별도 시설 구비없이 구축하여 경제성 및 그 효율성을 높이고자 한다. 또한, 본 발명에서는 다양한 전력망의 확충과 스마트 그리드와의 연계를 통해 실시간으로 전력 수요에 대응하여 안정적이고 보다 값이 싼 전력을 공급하는 전기자동차 충전시스템을 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차 충전시스템의 일 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 1에서 실선은 전력의 흐름(전력선), 점선은 정보의 흐름(통신선)을 지칭한다.

본 발명에 따른 전기자동차 충전시스템(100)의 일 예는, 크게 전력공급부 및 충전부(130)를 포함하여 구성된다. 이때, 전력공급부에서 생산/공급된 전기는, 충전부(130)를 거쳐 전기자동차(140)로 공급되어 충전되고, 전기자동차(140)는 공급된 전기를 동력으로 동작한다.

이하 본 명세서에서 “전력공급부”라 함은, 일반적으로 전기를 생산 및 공급하는 전력공사와 같은 계통(Grid) 및 상기 계통 이외에 전기를 생산 또는/및 공급할 수 있는 수단을 포함하는 전력망(power network)을 의미한다.

여기서, 상기 전력공급부는 경우에 따라 상기 전력망을 제어하는 관리서버(management server)를 포함하는 의미로 기술될 수도 있다. 즉, 본 발명과 관련하여, 상기 전력망은, 본 발명에 따른 충전부(130)로 전기를 공급할 수 있는 모든 전력 공급 수단 또는/및 그 제어수단을 포함하는 의미로 사용된다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 전력공급부는 전력을 공급하는 전력망과 상기 전력망을 제어하는 제1 관리서버를 포함하여 구성될 수 있고, 상기 충전부는 전력망으로부터 공급되는 전력을 변환 및 변압하여 전기자동차를 충전하는 충전기와 제1 관리서버와 통신하는 제2 관리서버를 포함하여 구성될 수 있다. 상기에서 제1 관리서버는 예를 들어, 후술하는 중앙관리서버시스템(120)을 그리고 제2 관리서버는 예를 들어, 후술하는 로컬 서버(132)를 의미할 수 있다.

전술한 바와 같이, 전력망(110)은 계통, 상기 계통에서 1차로 생산 및 공급된 전기를 2차로 철도 또는 도시철도에 공급하기 위해 필요한 자체 송전, 변전 및 배전 설비 중 적어도 하나 이상을 갖춘 사업자들, 및 소수력(Small Hydropower), 태양광(PhotoVoltaic; PV), 태양열(Solar Thermal), 풍열(Wind Power), 폐기물 에너지(Waste Energy), 바이오 에너지(Bio Energy), 지열(Geo Thermal), 해양 에너지(Ocean Energy) 등과 같은 신재생에너지로부터 발생되는 전기를 공급하는 신재생 에너지 처리시스템 중 적어도 하나 이상을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 전기자동차 충전시스템은, 최근 대두되는 현대화된 전력기술과 정보통신기술의 융합과 복합을 통하여 구현된 차세대 전력시스템 및 이의 관리체제를 의미하는 스마트-그리드(Smart-Grid, 지능형 전력망)와 연계 및 지원할 수 있다.

다만, 이하 본 명세서에서는 본 발명의 이해를 돕고 설명의 편의를 위해, 계통을 의미하는 1차 전력사업자에서 생산 및 공급되는 전력을 이용하여 철도 및 도시철도에 전력을 공급하는 도시철도공사와 같은 2차 전력사업자를 전력망으로 이용하는 경우를 예로 하여 설명한다.

일반적으로 유동인구가 많은 지역은 위험성으로 인해 전기자동차의 급속 충전에 이용할 만큼 높은 전압이 흐르는 인프라를 찾기 어렵다. 다만, 그러한 인프라가 있다고 하더라도 주상 변압기 등에서 별도의 전력선을 끌어와야 하는 등 충전시스템 구성 및 경제적인 관점에서 비효율적이다.

따라서, 본 명세서에서는 전기자동차의 급속 충전에 이용할 만큼 충분한 정도의 높은 전압을 제공할 수 있는 인프라를 구비하고, 유동 인구가 많은 지역에 설치 가능하여 실효성 있는 모델을 구현할 수 있는 제2 전력사업자를 전기자동차 충전시스템의 전력망의 하나로 이용하는 모델을 예시한다. 이에 의하면, 보다 간단하고 보다 경제적으로 전기자동차 충전시스템을 구성할 수 있을 뿐만 아니라 실효성을 높일 수 있다.

다만, 본 발명은 상기한 모델과 함께 또는 그 이외에도 각 전력공급수단과 연결되고 스마트 그리드 환경에 기초하여 해당 시간대에 가장 요금이 싼 전력을 공급하는 전력공급수단을 전력망(110)으로 이용할 수도 있다.

중앙관리서버시스템(120)은, 기본적으로 전력망(110) 전력 처리 과정 전반을 제어하는 구성이나 본 발명과 관련하여, 유/무선 네트워크(125)를 통해 연결된 충전부(130)와 통신하여 전기자동차에 공급될 전기의 공급을 제어할 수 있다.

특히, 중앙관리서버시스템(120)은, 충전부(130)의 전력공급요청에 대응하여 전력망(110)에서 충전부(130)로 요청된 전력이 공급되도록 제어한다.

중앙관리서버시스템(120)은, 상기한 전력망(110)과 충전부(130) 사이에 전력 공급 과정에서 이용되는 통신 수단 등 필요한 모든 인프라를 지원 및 제공할 수 있다.

충전부(130)는, 중앙관리서버시스템(120)과 통신하는 로컬서버(local server)(132) 및 전기자동차(140)에 직류 전기를 공급하는 급속충전기(133)를 포함한다. 이때, 충전부(130)는 상황에 따라 전력 수급/공급을 제어하기 위해 스마트 미터(smart meter)(131)를 더 포함할 수 있다. 특히, 상기 스마트 미터(131)는 전술한 스마트-그리드 환경에서 공급되는 전력량, 과금 관련 정보 등을 로컬서버(132)를 제공하여 보다 정밀하게 전력 공급 관련 동작을 제어할 수 있다.

로컬서버(132)는, 전력망(110)과 전기자동차(140) 사이에서 필요한 정보를 수집하여 전력망(110) 또는 중앙관리서버시스템(120)로 전달하고 상기 수집한 정보에 기초하여 전기자동차 충전을 위한 과정이 제어되도록 하는 제어부의 기능을 한다. 또한, 로컬서버(132)는 상기 정보 수집 및 전달을 위해 필요한 자원 및 인프라를 제공할 수 있다. 예를 들어, 로컬서버(132)는 급속충전기(133)가 전기자동차(140)와 연결된 경우에는, 전기자동차(140)로부터 부가정보를 수신한다. 로컬서버(132)는 수신된 부가정보에 기초하여 필요한 전력의 공급을 전력망(110)에 요청한다. 상기 부가정보에는 과금을 위한 정보도 포함되는데, 로컬서버(132)는 전기자동차(140)로부터 수신된 과금을 위한 정보를 스마트 미터(131) 정보에 기초하여 전력 공급 양 대비 요금을 산출하여 디스플레이하는 등 직접 처리할 수도 있으며, 필요한 경우에는 외부 기기(150)로 해당 정보를 전송 후에 처리할 수도 있다. 또한, 로컬서버(132)는 상기한 정보를 중앙관리서버시스템(120)로 전송하여 과금 정보를 수신하여 디스플레이할 수도 있다.

급속충전기(133)는, 전기자동차(140)에 구비된 인넷(innet)과 직접 연결되어 전력을 공급하는 커넥터(connector)로 커플러(coupler)(미도시)를 구비하여, 상기 인넷과 커플러의 연결을 통해 전기자동차(140)의 정보를 로컬서버(132)로 전달하고, 전달된 정보에 기초하여 전력망(110)을 통해 수급되는 전기를 상기 커플러를 통해 해당 전기자동차(140)로 공급하여 전기자동차의 배터리(미도시)에 충전한다. 본 발명과 관련하여, 충전부(130)와 전기자동차(140) 사이의 충전 과정에 관한 보다 상세한 설명은 후술한다.

도 2는 본 발명에 따른 전력망(110)의 상세 구성을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

여기서, 전력망(110)은, 전술한 바와 같이, 도시철도 전력사업자를 예로 하여 설명한다.

전력망(110)은, 크게 중앙관리서버시스템(210), 변전소(220) 및 역사(240)를 포함하여 구성된다.

중앙관리서버시스템(210)은, 네트워크(215)를 통해 연결된 적어도 하나 이상의 변전소(220)를 제어할 수 있다. 여기서, 중앙관리서버시스템(210)은, 각 변전소(220)와 통신하여 정보를 교환하거나 상기 각 변전소(220)에서 사용한 전기 사용량에 대한 정보를 수집하여 이를 분석한다.

중앙관리서버시스템(210)은 상기 분석 결과에 따라 보안(security) 문제를 제어하거나 실시간 전력 사용량에 근거하여 각 변전소의 전력을 관리할 수 있다.

또한, 본 발명과 관련하여, 중앙관리서버시스템(210)은, 전기자동차 전력을 통합 관리하기 위한 네트워크 관리 시스템(NMS: Network Management System)을 구축할 수 있다.

이러한 네트워크 관리 시스템(NMS)를 통해 중앙관리서버시스템(210)은 각 역사 또는 지역별 전기충전소의 수요 반응, 전력 사용량, 관련 비용 등에 관한 정보들을 통합 관리할 수 있다.

이러한 정보를 이용하여, 중앙관리서버시스템(210)은, 전력량의 수요, 여유전력, 부족전력 등을 예측하고, 스마트화할 수 있다. 이러한 중앙관리서버시스템(210)은 예를 들어, 도시철도 전력사업자의 중앙 통제실의 기능을 수행할 수도 있다.

변전소(220)는, 계통 또는 그와 관련된 변전소로부터 공급되는 교류 전력을 받아 도시 철도 공급을 위해 필요한 정도의 소정 범위의 교류전압으로 변압하는 기능을 한다. 상기에서 소정 범위는 예를 들어, AC 380V, DC 1500V 정도를 의미할 수 있다.

그리고 변전소(220)는, 통신 경로 상의 아날로그 또는 디지털 신호를 사용하여 원격 장치의 상태 정보 데이터를 원격 단말 장치로 수집, 수신, 기록, 표시하여 중앙제어시스템이 원격장치를 감시 제어하는 감시제어데이터수집시스템(SCADA; Supervisory Control And Data Acquisition)(222)을 구비한다.

변전소(220)는, 이러한 감시제어데이터수집시스템(SCADA)에 기초하여 발전 및 송배전 시설 등 여러 종류의 원격지 시설 장치 즉, 적어도 하나 이상의 역사(240)를 중앙 집중식으로 감시 제어할 수 있다.

또한, 본 발명과 관련하여, 변전소(220)는, 전기자동차 전력 관리를 위한 에너지 관리 시스템(Energy Management System; EMS)(222)을 구비할 수 있다.

역사(240)는, 감시제어데이터수집시스템(SCADA) 시스템에서 사용되며, 원격지에서 데이터를 수집해 전송 가능한 형식으로 데이터를 변환한 뒤 중앙 기지국으로 송신하는 장치인 원격단말장치(RTU; Remote Terminal Unit)(244)를 포함하여, 연결된 각 제어기(246)를 통해 도시철도와 본 발명에 따른 전기자동차용 충전기(133)로 전력이 공급되도록 한다.

이때, 특히 전기자동차의 충전기(133) 내 컨버터로 입력되는 역사(240)의 전력 범위는 AC 380V, DC 300 내지 450V의 범위를 가질 수 있다.

그 밖에, 원격단말장치(RTU)(244)는 전기자동차의 충전을 위한 충전부(130)로부터 정보를 수집하고, 상기 충전부(130)에서 요청하는 일련의 작업 절차를 수행할 수도 있다.

또한, 원격단말장치(RTU)(244)는 신호 감지 또는 측정을 위한 입력 채널, 제어와 지시 및 경고를 위한 출력 채널 및 통신 포트 등 일련의 인프라를 구비할 수도 있다.

도 2에서 각 변전소(220)는 중앙관리서버시스템(210)의 관리하에 대략 3 내지 4Km 정도의 범위에 설치되며, 적어도 하나 이상의 역사(240)를 관리한다.

또한, 상기 각 역사는 대략 1Km 정도의 거리에 위치할 수 있다. 다만, 본 발명은 상술한 수치에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명에 따라 전기자동차 충전시스템 내에서 정보의 흐름을 보다 상세하게 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 3에서는 전기자동차 충전시스템 내 정보의 흐름을 설명하기 위해, 중앙관리서버시스템(310), 충전기(320), 및 전기자동차(340)를 예시하였다.

중앙관리서버시스템(310)은, 제어부(312), 컨버터(314), 및 디스플레이부(316,318)를 포함한다.

충전기(320)는, 제1 제어부(322), 제2 제어부(324), 디스플레이부(326), 카드리더(Card Reader)(328), 및 차져(charger)(330)를 포함한다.

전기자동차(340)는, 배터리(미도시)와 배터리관리시스템(BMS; Battery Management System)(342)을 포함한다.

이하에서는 본 발명과 관련하여, 전기자동차의 충전 과정에 대한 하나의 사용 시나리오를 예로 하여 본 발명에 따른 전기자동차 충전시스템 내 정보의 흐름을 설명한다.

전기자동차(340)와 충전기(320)가 서로 연결되면, 충전기(320)는 활성화가 된다. 여기서, 활성화라 함은 예를 들어, 전기자동차(340)의 차주 즉, 사용자가 제공된 유저 인터페이스(UI: User Interface) 등을 통해 충전과 관련하여 정보 입력 등을 할 수 있고, 충전기(320)에서 이를 인식할 수 있는 상태를 말한다. 달리 말하면, 충전기(320)에서 전기자동차(340)의 충전을 위해 필요한 프로세스를 수행할 수 있는 상태를 의미한다.

전술한 바와 같이, 충전기(320)의 디스플레이(326)는 전기자동차(340)의 사용자에게 필요한 정보를 제공하고 사용자의 충전 관련 정보 입력을 위한 유저 인터페이스(UI) 등을 제공한다.

또한, 충전기(320)의 제1 제어부(322)는, 전기자동차의 배터리 관리 시스템(BMS)(342)와 소정 프로토콜에 따라 통신하여, 배터리 관련 정보를 수집한다. 이러한 정보의 수집은 예를 들어, 충전기의 커플러와 전기자동차의 인넷에 포함된 특정 단자를 통해 이루어질 수 있다.

여기서, 충전기(320)의 커플러와 전기자동차(340)의 인넷은, 관련 규격에 의해 정해진 바에 따라 다수 개의 단자가 구비될 수 있다. 예를 들어, 충전기(320)의 커플러는, 전기자동차(340)에 전기 공급을 위한 전기공급단자는 기본적으로 구비되어야 하며, 충전 과정에 필요한 신호 수신 및 공급을 위한 부가 단자가 더 구비될 수 있다. 이러한 부가 단자로는 예를 들어, 접지 단자(ground terminal), 충전 시작/중단 단자(charger start/stop terminal), 연결 체크 단자(connection check terminal) 및 CAN 통신 터미널(Controller Area Network terminal) 등이 포함될 수 있다. 상기에서 CAN 통신은 기기 간에 병렬 연결로 데이터를 주고 받는 통신 프로토콜의 일종이다.

여기서, 제1 제어부(322)에 의해 수집되는 배터리 관련 정보는 예를 들어, 배터리의 현재 잔량, 필요한 충전량, 배터리의 정격 전압 및 전류, 등 배터리 충전과 관련하여 전기자동차(340)에서 제공 가능한 모든 정보를 포함한다. 이때, 제1 제어부(322)와 전기자동차의 배터리관리시스템(BMS)(342)은 예를 들어, CAN 통신 프로토콜을 이용하여 통신할 수 있다.

제1 제어부(322)는 전기자동차의 배터리관리시스템(BMS)(342)과 통신하여 수집한 배터리 관련 정보를 중앙관리서버시스템의 제어부(312)와 제2 제어부(324) 중 적어도 하나로 전송한다. 이때, 제1 제어부(322)와 중앙관리서버시스템의 제어부(312) 사이에는 TCP/IP 프로토콜이 이용될 수 있으며, 제1 제어부(322)와 제2 제어부(324) 사이에는 RS232 또는 RS485 통신 프로토콜이 이용될 수 있다.

제2 제어부(324)는, 디스플레이(326) 및 카드 리더(328)를 통해 사용자의 입력 정보 예를 들어, 전력 공급 요청의 정도, 카드 정보, 과금, 결제 등 거래 내역 정보를 수신하여 중앙관리서버시스템의 제어부(312)로 전송하거나 반대로 중앙관리서버시스템의 제어부(312)로부터 카드 정보, 전력 공급 즉, 충전 상태에 관한 정보 등을 수신하여 상기 디스플레이(326)나 카드 리더(328)로 전송할 수 있다.

예를 들어, 제2 제어부(324)는, 각 충전기와 공중 교환 전화망(PSTN: Public Switched Telephone Network), 인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite) 및 무선 랜(wireless local area network (LAN)) 중 어느 하나의 통신 프로토콜을 이용하여 상기 충전기와 연결된 전기자동차의 정보를 송수신하되, 상기에서 인터넷 프로토콜 스위트에는 RS232와 RS485를 포함한 직렬 통신 방식 및 이더넷 통신 방식 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.

또한, 제2 제어부(324)는 디스플레이(326) 및 카드 리더 사이에서 RS 232 통신 프로토콜을 이용하여 통신할 수 있다. 또한, 제2 제어부(324)는 충전기(320)와 중앙관리서버시스템(310) 사이에 RS 485 통신 프로토콜로 연결되고, 내부적으로는 RS 232 통신 프로토콜로 연결되는바, 중앙관리서버시스템 내 컨버터(314)를 거쳐 RS 485에서 RS 232 통신 프로토콜로 변환되어 중앙관리서버시스템의 제어부(312)로 정보가 전달된다.

이렇게 전송된 정보는, 중앙관리서버시스템의 제어부(312) 내 제1 디스플레이(316)와 제2 디스플레이(318)에서 디스플레이될 수 있다. 이때, 제1 디스플레이(316)는, 카드 정보와 전기자동차의 충전 상태, 충전시스템의 가용 상태 등 전기자동차 충전기와 관련된 정보를 표시할 수 있다. 또한, 제2 디스플레이(318)는, 전기자동차의 배터리 잔량, 송전 전압 충전 전류 등 배터리 관리 시스템과 관련된 정보를 표시할 수 있다.

상술한 바와 같이, 중앙관리서버시스템(310), 충전기(320) 및 전기자동차(340) 사이의 정보 교환을 통해, 충전기의 제1 제어부(322)에서는 최종적으로 차져(330)를 제어하여 전기자동차에 공급되는 전력을 제어하게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 충전부(130)의 상세 구성을 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 충전기(133)의 상세 구성을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 충전기(133)는, 전력망(410)의 AC 전력을 공급받아 이를 DC 전기로 변환하여 전기자동차(640)를 충전한다.

도 4를 참조할 때, 본 발명에 따른 충전기(133)의 일 예는, 컨버터(converter)(426), 인버터(inverter)(428), 변압기(transformer)(430), 정류기(rectifier)(432) 및 누전 검출기(424,434)를 포함하여 구성된다.

제1 누전 검출기(424)는, 전력망(410)을 통하여 AC 전원이 충전기(133)로 공급되는 과정에서 누전이 발생하는지 검사한다. 여기서, 제1 누전 검출기(424)는, 검사 결과 누전이 검출되면, 릴레이(relay)등을 이용하여 상기 전력망(410)으로부터 충전기(133)로 AC 전력이 공급되지 않도록 제어 및 처리한다.

컨버터(426)는, 전력망(110)에서 공급되는 AC 전원을 DC 전원으로 컨버팅(converting)한다.

인버터(428)는, 컨버터(426)에서 컨버팅된 DC 전원을 다시 AC 전원으로 인버팅한다.

변압기(430)는, 전력망(410)과 전기자동차(140)를 전기적으로 절연시키고, 입력되는 인버팅된 AC 전원을 전기자동차 충전에 필요한 정도의 전압으로 변압한다.

정류기(632)는, 변압된 AC 전원을 정류하여 원하는 DC 전기로 생성한다.

상술한 컨버터(426), 인버터(428) 및 변압기(430)는, 전력망(410)과 충전기(133) 사이의 전력 수급/공급 방식의 차이를 조정하기 위한 것으로, 필요에 따라 일부 구성이 생략되거나 추가될 수도 있다.

제2 누전 검출기(434)는, 정류기(432)에서 정류된 DC 전기가 전기자동차(140)로 공급되는 과정에서 누전이 발생하는지 검사한다. 여기서, 제2 누전 검출기(434)는, 검출 결과 누전이 검출되면, 전술한 제1 누전 검출기(624)와 마찬가지로 릴레이 등의 구성을 이용하여 충전기(133)의 DC 전기가 더 이상 전기자동차(140)로 공급되지 않도록 차단한다.

상기에서 제1 누전 검출기(424)와 제2 누전 검출기(434)는, 각각 전력망(410)와 충전기(133) 및 충전기(133)와 전기자동차(140) 사이의 전력 차단을 위해 릴레이를 이용하는 것을 예시하였다.

각 누전 검출기는, 접지와 연결된 각 저항, 상기 각 저항과 부하에 전력을 공급하는 링크단 사이를 연결하고, 입력되는 고전압을 감압하는 감압부, 링크단과 접지 사이의 이득을 얻는 가산부 및 상기 가산부의 이득으로부터 누전 여부를 판단하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

하지만, 이는 일실시예로 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 릴레이를 포함하여 상기 둘 이상의 구성들을 서로 전기적 또는/및 물리적으로 연결/해제 가능한 다양한 수단을 이용 가능하다.

도 5는 본 발명에 따라 전력망(110), 충전부(130) 및 전기자동차(140) 사이의 전력 공급 과정의 일 예를 설명하기 위해 도시한 순서도이다.

도 5에서는 전력망으로 도시철도 전력망을 가정하여 설명한다. 즉, 1차 전력사업자의 전력망을 통해 전력을 공급받아 도시철도 자체 전력망을 확보한다(S510).

여기서, 본 명세서에서는 도시철도 전력망은 전기자동차 충전시스템과 연계되어, 전력망의 잉여 전력을 전기자동차 충전시스템에서 사용할 수 있도록 할당한다.

이후 전기자동차 충전기에서 전기자동차 충전을 위한 전력 공급 요청이 수신되는지 판단한다(S520).

S520 단계 판단 결과, 아직 전기자동차 충전을 위한 전력 공급 요청이 수신되지 않으면, 계속하여 대기한다. 그러나 상기 S520 단계 판단 결과, 만약 충전기로부터 전기자동차 충전을 위한 전력 공급 요청이 수신되면, 전기자동차와 충전기 사이에 통신에 의한 충전을 수행한다(S530).

S530 단계 수행 과정 또는 그 이후에 전력사용량, 과금 정보를 기초로 로컬 서버에서 결재를 수행한다(S540). 상기 결재는 예를 들어, 관리 정보와 함께 중앙관리서버시스템으로 전달되어 처리될 수도 있다.

도 6은 도 5에서 특히, 충전부(130)와 전기자동차(140) 사이의 충전 과정의 일 예를 보다 상세하기 설명하기 위해 도시한 순서도이다.

이하에서는 충전 과정에 대해 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따라 충전기(130)에서 전기자동차(140)로 충전하는 과정의 일 예를 설명하면, 다음과 같다. 다만, 이하에서는 배전망(110)에서 충전기(130)까지의 전력공급과정에 대한 상세한 설명은 전술한 내용을 원용하고, 여기서는 생략한다.

충전기(130)와 전기자동차(140) 사이의 충전 과정은, 충전기(130)와 전기자동차(140)의 결합에 의해 시작된다. 즉, 충전기(130)의 커플러를 전기자동차(140)의 인넷에 결합하여 두 기기가 연결(S610)되면서 시작된다.

S610 단계에서 설명한 바와 같이, 충전기(130)의 커플러가 전기자동차(140)의 인넷에 연결되면, 충전기(130)와 전기자동차(140)는 각각 서로를 인식한다(S620,S630). 즉, 충전기(130)의 커플러와 전기자동차(140)의 인넷은 서로 신호 단자를 통해 송수신되는 신호에 포함된 식별자 정보(identification information)를 이용하여 서로의 연결을 인식할 수 있다.

S620 내지 S630 단계를 통해 충전기(130)와 전기자동차(140)가 서로 인식되면, 실질적인 충전 과정의 시작에 앞서, 충전기(130)의 상태 예를 들어, 본 발명에 따라 충전기(130)에 이상이 없는지 즉, 누전위험이 있는지 판단하여야 한다(S640).

만약 누전 여부를 제대로 확인하지 않고, 배전망(110)으로부터 충전기(130)를 거쳐 전기자동차(140)로 높은 전압의 전기를 공급하면, 누전으로 인해 인명 또는 전기자동차의 소손 위험이 발생한다. 따라서, 이러한 문제를 미연에 방지하기 위해서는 실질적으로 전기자동차(140)에 전력을 공급하기 전에 우선 누전 여부에 대한 확인이 우선되어야 한다.

관련하여, 충전기(130)는 자체적으로 발생시킨 테스트 전압을 이용하여 누전 여부를 검출할 수 있다.

S640 단계에서, 누전 여부 확인 결과, 만약 충전기에 누전이 없으면, 해당 충전기(130)는 안전하므로 전기자동차(140)로 전력을 공급하기 위한 실질적인 충전 과정을 시작을 알리는 즉, 충전 과정을 허용하는 충전기 안전 선언을 한다(S650).

S650 단계에서, 충전기 안전 선언이 이루어지면, 충전기(130)는 이제 배전망(110)에서 수급한 전력이 전기자동차(140)로 공급되도록 허용(S660)하고, 충전 명령을 한다(S670). 이러한 충전 명령은 전압 및 전류 명령값을 전달함으로써 대신할 수 있다.

충전기(130)는 전기자동차(140)에 전달된 전압 및 전류 명령값을 생성하여 DC 전기를 공급하여 상기 전기자동차(140)의 배터리를 충전시킨다(S680).

또한, 상기에서 충전 개시 후 누전이 검출되면, 충전을 바로 정지하여야 한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 전기자동차의 배터리에 전기 충전을 위한 전기자동차 충전시스템을 완벽하게 구현할 수 있으며, 기 구비된 자체 전력망과 연계함으로써 불필요한 구성의 추가 등을 최소화하여 충전시스템의 효율을 높이고, 스마트 그리드와도 연계되어 전력 상황에 따라 실시간으로 반응할 수 있다.

이상 상술한 본 발명에 따른 전기자동차 충전시스템은 일실시예로서, 전기자동차의 충전 이외에 발전 설비 등 동일 또는 다른 분야의 충전 관련 시스템에도 적용 가능하다.

또한, 본 발명은 전술한 바와 같이 예를 들어, 2차 전력사업자를 하나의 전력망으로 연계하여 전기충전소 시스템을 구축하면, 다음과 같은 장점이 있다.

우선, 이용자의 측면에서, a) 도시 철도 역사 특성상 도심 내 혼잡 지역 또는 번화가에 위치하여 접근 편의성, b) 혼잡 도로에서의 도시 철도 이용 가능, 연계 교통 수단 대기 시간 절감시켜 통행시간 절감, c) 도시 내 위치하여 이에 따른 전기자동차의 운행 비용 절감, 및 d) 화석연료 사용 절감을 통한 환경 오염 방지하여 환경 오염 절감의 장점이 있다.

그리고 전기자동차 충전소 운영자의 측면에서, a) 환승 주차장 설치 시 기존 공공기관 토지 이용에 따른 설치가 용이하여 도심지의 충전소 설치용이, b) 건설비용(공사비, 부대비, 용지보상비) 중 적어도 용지 보상비 비용은 기존 시설인 도시 철도 환승 주차장 등을 이용하여 공사비 절감, 및 c) 도시철도와 관리비 공유 가능(통신설비, 변전 설비/기타)하여 운영 및 유지보수 비용 절감의 장점이 있다.

또한, 국가적 측면에서도, a) 추가 공사에 따른 CO₂ 배출 감소, b) 전기자동차 보급 확산, c) 조속한 정책시행 가능 (공공기관), d) 도시철도와 전기차 연계 비즈 모델(BIZ Model) 제공, e) 도심지 교통난 일부 해소, f) 대중교통 수단 분담 비용 향상, g) 중심지역 접근성 향상, 및 h) 수요 변화, 지선 연계에 대한 유연한 서비스 제공할 수 있는 장점이 있다.

상기 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

110: 전력망 120: 중앙관리서버시스템
130: 충전기 131: 스마트 미터
132: 로컬서버 133: 급속충전기
140: 전기자동차

Claims

전력을 공급하는 전력망과 상기 전력망을 제어하는 제1 관리서버를 포함한 전력 공급부; 및
전력망으로부터 공급되는 전력을 변환 및 변압하여 전기자동차를 충전하는 충전기와 제1 관리서버와 통신하는 제2 관리서버를 포함한 충전부;
를 포함하는 전기자동차 충전시스템.
제1항에 있어서,
상기 전력망은,
전기를 생산 또는/및 공급하며 자체 송전, 변전 및 배전 설비를 갖춘 적어도 하나의 전력 사업자를 포함하는 전기자동차 충전시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전력망은,
지능형 전력망(smart grid)을 지원하는 전기자동차 충전시스템.
제1항에 있어서,
상기 충전부는,
상기 전력망을 통해 공급되는 전력량 및 또는 과금 관련 정보를 측정하는 스마트 미터(smart meter)를 더 포함하는 전기자동차 충전시스템.
제4항에 있어서,
상기 충전기는,
입력되는 AC 전력을 DC 전력으로 컨버팅하는 컨버터;
컨버팅된 DC 전력을 AC 전력으로 인버팅하는 인버터;
인버팅된 AC 전력을 변압하는 변압기; 및
변압된 AC 전력을 정류하여 DC 전기를 생성하는 정류기;를 더 포함하는 전기자동차 충전시스템.
제5항에 있어서,
상기 충전기는,
전기자동차의 인넷과 결합하여 전기를 공급하고, 상기 전기 공급과 관련된 정보를 교환하는 커플러를 포함하는 전기자동차 충전시스템.
제6항에 있어서,
상기 전기 공급과 관련된 정보는,
충전 시작 및 종료 제어 정보, 연결 확인 정보, CAN 통신 정보 중 적어도 하나 이상을 포함하여 제2 관리서버로 전송되는 전기자동차 충전시스템.
제1항에 있어서,
상기 충전부는,
충전을 위해 전기 공급을 요청하고, 과금된 요금 결제를 위한 정보를 출력하는 디스플레이부;를 더 포함하는 전기자동차 충전시스템.
제4항에 있어서,
상기 전기자동차 충전시스템은,
제1 관리 서버와 제2 관리 서버 중 적어도 하나와 통신하여, 과금 정보를 포함한 거래 내역 정보를 처리하는 외부 기기를 더 포함하는 전기자동차 충전시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 관리 서버는,
각 충전기와 공중 교환 전화망(PSTN: Public Switched Telephone Network), 인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite) 및 무선 랜(wireless local area network (LAN)) 중 어느 하나의 통신 프로토콜을 이용하여 상기 충전기와 연결된 전기자동차의 정보를 송수신하되,
상기에서 인터넷 프로토콜 스위트에는 RS232와 RS485를 포함한 직렬 통신 방식 및 이더넷 통신 방식 중 적어도 하나가 포함되는 전기자동차 충전시스템.
제10항에 있어서,
상기 충전기와 전기자동차는,
CAN 통신 프로토콜로 정보를 주고받는 전기자동차 충전시스템.
제9항에 있어서,
상기 제2 관리서버는,
상기 스마트 미터로부터 수신되는 전력량 및 과금 관련 정보를 포함하여 충전과 관련된 거래 내역 정보를 제1 서버 또는 상기 외부 서버로 전송하는 전기자동차 충전시스템.
제5항에 있어서,
상기 충전기는,
전력 공급부를 통해 공급되는 AC 전력과 전기자동차로 공급되는 DC 전력의 누전 여부를 검출하는 누전 검출기를 더 포함하는 전기자동차 충전시스템.
제13항에 있어서,
상기 누전 검출기는,
접지와 연결된 각 저항, 상기 각 저항과 부하에 전력을 공급하는 링크단 사이를 연결하고, 입력되는 고전압을 감압하는 감압부;
링크단과 접지 사이의 이득을 얻는 가산부; 및
가산부의 이득으로부터 누전 여부를 판단하는 제어부;를 포함하는 전기자동차 충전시스템.
제2항에 있어서,
상기 전력망은,
1차 전력사업자로부터 공급된 전력을 이용하여 철도 또는 도시철도에 전력을 공급하는 도시철도 전력망을 포함하는 전기자동차 충전시스템.