KR20180021501A - 전기자동차의 폐배터리를 이용한 모바일 충전용 카트 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

Abstract

전기자동차의 폐배터리를 이용하는 모바일 충전용 카트 시스템 및 그 작동 방법이 개시된다. 모바일 충전용 카트 시스템은 카트에 탑재되는 모바일 충전용 카트 시스템으로서 전기자동차에서 사용된 배터리를 재구성한 전력 저장 시스템, 배터리 시스템의 출력을 변환하여 고객의 전기자동차 또는 수요 어플리케이션에 전력을 공급하는 전력 변환 장치, 전력 저장 시스템의 배터리 관리 시스템과 전력 변환 장치 간의 인터페이스를 통해 전력 저장 시스템과 전력 변환 장치를 실시간 모니터링하고 제어하는 전력 관리 장치를 포함한다.

Description

전기자동차의 폐배터리를 이용한 모바일 충전용 카트 시스템 및 그 작동 방법{MOBILE CHARGING CART SYSTEM USING THE USED BATTERY OF ELECTRIC VEHICLE AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}

본 발명은 이동형 충전 카트 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전기자동차의 폐배터리를 사용하여 모바일 충전 서비스를 제공하는 모바일 충전용 카트 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.

모바일 충전 카트는 전기자동차의 배터리를 충전하는 충전기가 설치되어 있지 않은 마트, 공공시설 등의 시설이나 건물 내에서 전기자동차의 배터리 충전이 필요한 경우에 고객 등의 요구에 따라 고객을 찾아가서 배터리 충전 서비스를 제공하는데 이용된다. 이러한 모바일 충전 카트는 운전자가 직접 탑승하여 고객의 전기자동차가 위치하는 장소로 이동된다.

모바일 충전 카트의 가격 중 약 40% 정도는 배터리가 차지하며, 따라서 배터리의 가격과 관리는 모바일 충전 카트에 있어서 매우 중요한 요소가 된다.

모바일 충전 카트에서 배터리의 충전상태를 정확하게 파악하는 것은 배터리 관리에 있어서 실질적으로 가장 중요하다. 그것은, 배터리의 충전상태를 어느 정도라도 정확하게 추정하지 못하는 경우 폐배터리를 사용하는 모바일 충전 카트에서는 배터리 충전 서비스를 제공하는 도중이나 서비스를 제공한 직후에 배터리가 예상보다 일찍 방전되어 모바일 충전 서비스를 완료하지 못하거나 서비스를 마친 모바일 충전 카트가 배터리 출력을 사용하여 운행할 수 없는 문제가 발생하기 때문이다.

이와 같이, 폐배터리를 사용하는 모바일 충전 카트에서는 배터리의 가격을 낮추는 장점이 있지만, 배터리 관리가 어려워 모바일 충전 서비스의 안정성 및 신뢰성이 낮은 단점이 있다.

한국등록특허 제10-1066249호(2011.09.14.)

상기와 같은 단점을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 폐배터리를 사용하는 전력 저장 시스템을 통해 구내 또는 일정 시설 내에서 모바일 충전 서비스를 제공할 수 있는 모바일 충전용 카트 시스템 및 그 작동 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 폐배터리의 충방전 특성에 기초하여 모바일 충전용 카트 시스템을 효과적으로 운용할 수 있는 작동 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에서는, 카트에 탑재되는 모바일 충전용 카트 시스템으로서, 전기자동차에서 사용된 배터리를 재구성하여 만든 전력 저장 시스템; 상기 배터리 시스템의 출력을 변환하여 고객의 전기자동차 또는 수요 어플리케이션에 전력을 공급하는 전력 변환 장치; 및 상기 전력 저장 시스템의 배터리 관리 시스템과 상기 전력 변환 장치 간의 인터페이스를 통해 상기 전력 저장 시스템과 상기 전력 변환 장치을 실시간 모니터링하고 제어하는 전력 관리 장치을 포함하는, 모바일 충전용 카트 시스템이 제공된다.

여기서, 상기 전력 변환 장치은, 벅-부스터(buck & booster)로서 동작하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.

여기서, 모바일 충전용 카트 시스템은 에너지 관리 시스템을 더 포함하며, 상기 에너지 관리 시스템은 네트워크를 통해 전력 관리 장치에 연결되고 다수의 에너지 저장 시스템들을 통합 모니터링하고 제어할 수 있다. 전력 관리 장치은 에너지 관리 시스템으로부터 모바일 충전 서비스에 대한 오더 메시지를 수신하고 오더 메시지에 따라 이동한 상태에서 오더 메시지에서 획득한 모바일 충전 서비스에 대한 충전 조건, 또는 고객의 전기자동차 또는 수요 어플리케이션의 컨트롤러 혹은 모바일 어플리케이션과의 통신을 통해 획득한 충전 조건을 전력 변환 장치에 입력하여 상기 충전 조건에 따른 모바일 충전 서비스를 제공할 수 있다.

여기서, 모바일 충전용 카트 시스템은 배터리 분석 시스템을 더 포함할 수 있다. 배터리 분석 시스템은 네트워크를 통해 전력 관리 장치에 연결되고 에너지 저장 시스템의 운영과 유지보수를 지원할 수 있다. 전력 관리 장치은 배터리 분석 시스템으로 배터리 상태 정보, 배터리 수명 정보, 배터리 충방전 정보 등을 전송하고, 배터리 분석 시스템으로부터 배터리 상태 관련 정보, 배터리 수명 관련 정보, 배터리 충방전 관련 정보 또는 이들 정보를 토대로 분석된 배터리 교환 관련 정보를 수신할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에서는, 전기자동차에서 사용된 배터리를 재구성하여 만든 전력 저장 시스템, 상기 전력 저장 시스템의 출력을 변환하여 고객의 전기자동차 또는 수요 어플리케이션에 전력을 공급하는 전력 변환 장치, 및 상기 전력 저장 시스템의 배터리 관리 시스템과 상기 전력 변환 장치 간의 인터페이스를 통해 상기 전력 저장 시스템과 상기 전력 변환 장치을 실시간 모니터링하고 제어하는 전력 관리 장치이 카트에 탑재된 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법으로서, 상기 전력 관리 장치에서 네트워크를 통해 연결되고 다수의 에너지 저장 시스템들을 통합 모니터링하고 제어하는 에너지 관리 시스템으로부터 모바일 충전 서비스에 대한 오더 메시지를 수신하는 단계; 상기 오더 메시지에 대응하는 목적지로 이동한 상기 카트의 상기 전력 관리 장치에서, 상기 오더 메시지에 포함된 충전 조건을 상기 전력 변환 장치에 입력하거나, 상기 고객의 전기자동차 또는 상기 수요 어플리케이션의 제어기나 모바링 어플리케이션과 모바일 충전 서비스 관련 메시지를 송수신하고 상기 모바일 충전 서비스 관련 메시지에서 획득한 충전 조건을 상기 전력 변환 장치에 입력하는 단계; 및 상기 충전 조건에 따라 상기 고객의 전기자동차 또는 상기 수요 어플리케이션에 전력을 공급하는 단계를 포함하는, 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법이 제공된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에서는, 전기 모터의 구동력에 의해 움직이는 모바일 충전 카트 본체에 탑재되는 배터리 팩과, 상기 배터리 팩의 출력을 변환하여 상기 전기 모터에 공급하는 전력 변환 장치와, 상기 전력 변환 장치를 제어하여 상기 모바일 충전 카트 본체가 이동하는 운행 경로 상의 부하 조건에 따라 상기 배터리 팩 내 배터리의 방전 전류량을 조절하는 전력 관리 장치를 포함하는 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법에 있어서, 전력 관리 장치와 네트워크를 통해 연결되는 에너지 관리 시스템 또는 배터리 분석 시스템이, 운행 경로에 대한 제1 정보 또는 운행 경로 상의 부하 조건에 대한 제1 정보를 저장하는 단계; 배터리의 충전 상태(state of charge, SOC)에 대한 제2 정보를 저장하는 단계; 모바일 충전 카트의 현재 위치에 대한 제3 정보를 저장하는 단계; 및 제1 정보, 제2 정보 및 제3 정보를 토대로 모바일 충전 카트의 운행 가능 여부 또는 우선 충전 여부를 결정하는 단계를 포함하는, 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법이 제공된다.

여기서, 제1 정보의 획득은 관리자의 입력, 모바일 충전 카트에 탑재된 카메라 영상의 판독 정보 등에 의해 구현될 수 있다. 또한, 제2 정보의 획득은 전력 관리 장치가 배터리 팩 내의 배터리 관리 시스템으로부터 획득한 SOC 정보를 네트워크를 통해 전달받는 것을 포함할 수 있다. 그리고 제3 정보의 획득은 모바일 충전 카트에 탑재된 GPS(global positioning system) 정보를 전력 관리 장치를 통해 획득하거나 직접 획득하는 것을 포함할 수 있고, 다른 구현에 따라 운행 경로 상의 미리 정해진 위치에 배치되는 근거리 무선 통신 장치나 RF 태그 또는 RF 송수신기 등을 통해서 획득하는 것을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 결정하는 단계에서 운행 가능으로 결정되는 경우, 상기 운행 경로 상의 부하 조건에서 허용되는 C-rate 중 최저 C-rate으로 상기 배터리의 방전을 제어하기 위한 기준 정보 또는 기준 데이터를 상기 전력 관리 장치로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다. 한편, 실제 모바일 충전 카트의 운전에 있어서, 운전자의 가속 페달을 밟아 가속하는 정도 또는 브레이크 페달을 밟아 감속하는 정도에 따라 배터리의 C-rate은 역동적으로 변할 수 있다. 이를 고려하면, 본 실시예는 급가속이나 최대 가속이 아닌 경우에 기준 정보나 기준 데이터에 따른 최저 C-rate으로 배터리 방전을 제어하는 관리 정책을 제공하는 것에 대응할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템 및 그 작동 방법을 이용할 경우에는, 전기자동차의 폐배터리를 이용하여 모바일 충전 카트의 제작 비용을 크게 낮출 수 있을 뿐 아니라 모바일 충전 서비스를 통해 전기자동차 등의 소비자에게 이동 충전 서비스를 제공할 수 있다.

또한, 모바일 충전 카트는 전기자동차의 폐배터리를 탑재함으로써 잔존용량의 70~80%가 남아 있는 폐배터리의 자원 재활용 및 전기자동차 이용 고객의 불편함을 최소화할 수 있는 이동 충전 서비스를 제공하고 더불어 충전의 불편함을 해소함으로써 친환경 차량 보급 확대의 기여할 수 있다.

또한, 모바일 충전 카트의 사용 장소에 따라 폐배터리의 충방전 특성에 기초하여 배터리를 효과적으로 관리하고, 그에 의해 배터리 수명을 실질적으로 연장할 수 있을 뿐 아니라 모바일 충전 카트의 운행 중에 갑자기 정지하는 사고 발생을 방지하거나 사전에 미리 경고할 수 있는 장점이 있다.

또한, 원격 시스템을 통해 모바일 충전용 카트 시스템을 관리함으로써 폐배터리를 사용한 전력 저장 시스템을 능동적으로 관리할 수 있고, 그에 의해 모바일 충전 서비스를 제공하는 카트가 단일 전력 저장 시스템을 탑재하고 이를 자체 구동원으로 이용하면서 다른 전기자동차나 수요 어플리케이션에 모바일 충전 서비스를 효과적으로 제공할 수 있는 장점이 있다. 아울러 폐배터리 효율적 관리를 통해 배터리 수명을 보장하거나 실질적으로 연장하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모바일 충전 카트를 설명하기 위한 측면도이다.
도 2는 도 1의 모바일 충전 카트에 대한 블록도이다.
도 3은 도 2의 배터리 팩과 PCS의 연결 구조에 대한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 도 5의 작동 방법에 채용할 수 있는 모바일 어플리케이션의 작동 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 도 6의 모바일 어플리케이션의 작동 과정의 다른 실시예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 골프장 지형에 대한 예시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

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 포함한다. 본 명세서에서, "포함한다", "가진다" 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 오해의 소지가 없는 한 어떤 문자의 첨자가 다른 첨자를 가질 때, 표시의 편의를 위해 첨자의 다른 첨자는 첨자와 동일한 형태로 표시될 수 있다.

본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 의미로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템을 도시한 모바일 충전 카트의 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템은 카트(cart, 10)에 탑재되는 폐배터리 시스템(used battery system, 20A), 전력 변환 장치(power converting system, 22) 및 전력 관리 장치(power management system, 30)를 포함할 수 있다.

카트(10)는 모바일 충전 서비스를 위한 모바일 충전 카트로 불릴 수 있고, 골프 카트, 소형 화물 운반 카트 등의 다른 형태로 변형될 수 있다. 카트(10)는 1인승 또는 다인승일 수 있으며, 구현에 따라서 전장 약 3,900㎜, 전폭 약 1,400㎜, 전고 약 1,800㎜, 최저 지상고 110㎜, 최대 등판 각도 약 27°, 회전 반경 약 3.5M, 공차중량 약 700/520(㎏/battery), 최고속도 약 25(㎞/h), 최대 운행거리 약 50(㎞), 리튬배터리(51.2V/100A/1h)의 주요 제원을 구비할 수 있다.

본 실시예에 따른 모바일 충전 카트(10)는 전력 저장 시스템 또는 배터리 팩에 대응하는 폐배터리 시스템(20A)을 포함할 수 있다. 폐배터리 시스템(20)은 배터리 시스템으로 지칭될 수 있고, 전기 모터(15)에 구동 전력을 공급할 수 있다. 전기 모터(15)는 모바일 충전 카트(10)에 구동력을 제공할 수 있다. 또한, 모바일 충전 카트(10)는 옥내 또는 일정 지역에서 모바일 충전 서비스를 제공할 수 있는 운행 범위를 가질 수 있다.

폐배터리 시스템(20A)은 전기자동차 등에서 사용된 배터리를 재구성하여 제작한 배터리 시스템을 지칭한다.

전력 관리 장치(30)는 전력 변환 장치(22)를 통해 폐배터리 시스템(20A)(이하, 간략히 배터리 시스템이라 함) 내 배터리에 연결될 수 있다. 본 실시예에서 배터리는 전기자동차 등에서 사용된 배터리 즉, 폐배터리를 수거하여 재구성한 리유즈(re-use) 배터리일 수 있다. 이러한 폐배터리는 전기자동차에서 사용된 배터리로서 잔존용량의 70~80%가 남아 있는 배터리일 수 있다.

또한, 전력 관리 장치(30)는 내부에 통신 장치를 구비하고 모바일 충전 카트 본체에 배치되는 안테나에 연결될 수 있다. 전력 관리 장치(30)는 시리얼 통신 커넥터에 결합하는 형태로 탈착 가능하게 배터리 시스템(20A)에 연결될 수 있다.

전술한 구성에 의하면, 본 실시예의 모바일 충전 카트(10)에 탑재되는 전력 관리 장치(30)는 외부의 에너지 관리 시스템(energy management system, EMS), 배터리 분석 시스템(battery analysis system, BAS) 등과 네트워크를 통해 연결되고, 배터리 상태나 배터리 충방전과 관련된 정보를 외부에 전송하고, 외부로부터 모바일 충전 카트의 배터리 관리를 위한 정보나 제어신호를 수신하고, 수신한 정보나 신호를 토대로 모바일 충전 카트가 운행되는 환경 조건(부하 등)에 따라 배터리의 충방전 동작과 교체 시기 등을 관리할 수 있다. 물론, 이러한 배터리 관리는 모바일 충전 서비스를 위한 외부와의 통신에 부가적으로 수행되는 것을 제한될 수 있으나, 이에 한정되는 것을 아니다.

도 2는 도 1의 모바일 충전 카트에 대한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 모바일 충전 카트는 모바일 충전 카트 본체, 배터리 팩(20), 전력 변환 장치(PCS, 22) 및 전력 관리 장치(30)를 포함할 수 있다.

모바일 충전 카트 본체는 전륜(11), 후륜(12), 차체, 브레이크 기구(13), 트랜스미션(14), 전기 모터(15), 컨트롤러(16), 브레이크 구동장치(break driver, BD, 17), 브레이크 페달(break padal, BP, 18) 및 가속 페달(accelerate padal, AP, 19)을 포함할 수 있다.

배터리 팩(20)은 직렬 및/또는 병렬 연결되는 복수의 배터리들, 복수의 배터리들의 연결 구조, 복수의 배터리들과 연결 구조를 수납하는 케이스를 포함할 수 있다. 배터리 팩(20)은 내장형 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)를 구비할 수 있다. 이러한 내장형 BMS(21)는 슬레이브 BMS, 로컬 BMS 또는 시스템 BMS로 지칭될 수 있다.

전술한 배터리 팩(20)은 외부의 충전기나 전력 공급 장치를 통해 도전성 충전 혹은 무선 전력 전송 방식으로 전력을 공급받아 배터리를 충전할 수 있다. 도전성 충전 방식은 배터리 팩(20)에서 모바일 충전 카트(10)의 외부에 노출되는 커넥터나 케이블을 상용 전원에 연결하여 전력을 공급받는 방식을 지칭한다. 무선 전력 전송 방식은 모바일 충전 카트(10)에 배치되고 외부의 무선 전력 송신 패드와 자기 유도 결합 또는 자기 공진 결합에 의해 연결되는 무선 전력 수신 패드를 통해 외부의 상용 전력을 공급받는 방식을 지칭한다. 무선 전력 수신 패드에 인가되는 교류 전력은 적절하게 직류로 변환되어 배터리 팩(20) 내 배터리에 저장될 수 있다.

본 실시예에서 배터리 팩(20)은 전기자동차 등에서 사용된 배터리를 재사용하여 구성한 전력 저장 시스템을 포함할 수 있다. 즉, 배터리 팩(20)이 전력 저장 시스템만을 포함하는 경우, 배터리 팩(20)은 전력 저장 시스템으로 지칭될 수 있다. 한편, 구현에 따라서 배터리 팩(20)은 전력 저장 시스템 외에 별도의 배터리 시스템을 더 구비할 수 있다. 그 경우, 배터리 시스템은 카트 구동을 위한 전원 소스로 사용되고, 전력 저장 시스템은 모바일 충전 서비스를 위한 전원 소스로 사용될 수 있다. 배터리 시스템 또한 폐배터리를 사용하여 재구성될 수 있다.

PCS(22)는 도면에 명확하게 도시하지는 않았지만 배터리의 전력을 전기 모터(15)에 공급할 수 있다. 이때, PCS(22)는 전력 관리 장치(30)의 제어에 따라 특정 세기의 방전 전류(C-rate)로 전기 모터(15)에 전력을 공급할 수 있다. 또한, PCS(22)는 모바일 충전 서비스에서 벅-부스터(Buck & Booster)를 동시에 구현하여 배터리의 출력 전압이 부하에 따라 자동으로 조정되도록 구현될 수 있다.

전력 관리 장치(30)는 전기자동차의 폐배터리를 재구성하여 만든 전력 저장 시스템을 포함하는 배터리 팩(20)에서 폐배터리의 충전 상태와 충방전 특성에 맞추어 배터리 관리를 수행할 수 있다.

도 3은 도 2의 배터리 팩과 PCS의 연결 구조에 대한 예시도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템은 배터리 팩(20), PCS(22) 및 PMS(30)을 구비하고, 배터리 팩(20)은 마스터 BMS와 슬래이브 BMS를 구비하며, 배터리 충전용 커넥터/인렛(72)에 연결될 수 있다. 또한, 배터리 팩(20)은 PCS(22)의 DC-DC 컨버터를 통해 배터리 방전용 커넥터/아웃렛(71)에 연결될 수 있다.

아웃렛(71)과 인렛(72)은 배터리 충방전에서 고전압 DC, 저전압 DC 또는 저전압 AC에 적용할 수 있도록 구현될 수 있다.

슬래이브 BMS는 마스터 BMS에 연결되고, 마스터 BMS는 시스템 마스터 BMS에 연결되며, 시스템 마스터 BMS는 PCS(22)와 PMS(30)에 통신 라인을 통해 서로 연결될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 블록도이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템을 위한 충전 시스템은 넓은 의미에서 볼 때 배터리 팩(20), 전력 변환 장치(PCS, 22), 전력 관리 장치(PMS, 30), 에너지 관리 시스템(EMS, 50) 및 배터리 분석 시스템(BAS, 60)을 포함할 수 있다.

각 구성요소를 구체적으로 설명하면, 먼저 배터리 팩(20)은 소정의 케이스 내에 복수의 배터리들이 수납된 구조를 구비할 수 있다. 배터리 팩(20)은 복수의 배터리들에 대하여 적어도 하나 이상의 직렬 구조 및/또는 적어도 하나의 병렬 구조를 형성하는 연결 구조(커넥터 등)를 구비할 수 있다. 배터리 팩(20)은 5인용 모바일 충전 카트에 구동력을 제공할 수 있는 용량(예컨대, 5㎾h ~ 7㎾h)과 모바일 충전 서비스를 제공하기 위한 용량(예컨대, 수십 ~ 100㎾h)을 구비할 수 있다. 그리고 배터리 팩(20)에는 배터리의 온도를 관리하기 위한 냉각 시스템이 구비될 수 있다.

또한, 배터리 팩(20)에는 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)(21)이 탑재될 수 있다. 이 경우, BMS(21)는 슬래이브(slave) BMS, 로컬(local) BMS, 또는 시스템(system) BMS로 불릴 수 있고, 배터리의 전압, 전류, 온도 등의 배터리 상태 정보를 획득하여 저장할 수 있다. BMS(21)에 저장되는 정보는 통신 인터페이스(52) 예컨대, 시리얼 통신 인터페이스, 이더넷 인터페이스, 근거리 통신 인터페이스, 기타 유선/무선 통신 인터페이스 등을 통해 전력 관리 장치(power management system, PMS, 30), 에너지 관리 시스템(energy management system, EMS, 50) 등에 전달될 수 있다.

전술한 배터리는 리튬이온 전지이나 리튬이온폴리머 전지를 포함하며, 리튬이온전지(lithium-ion battery)는 양극, 음극, 전해질 및 케이스를 구비할 수 있다. 본 실시예에 따른 배터리는 전기자동차에서 일정 기간 사용된 후 회수된 배터리(폐배터리)를 재구성한 전력 저장 시스템일 수 있다. 전기자동차의 폐배터리를 이용하면, 모바일 충전 카트에 있어서 모바일 충전 카트의 제조 가격의 약 40%에 해당하는 배터리 비용에 대한 비중을 크게 낮출 수 있다.

전력 변환 장치(power converting system, PCS, 22)는 배터리와 충전기와의 사이 또는 배터리와 수요 어플리케이션(예컨대, 다른 일반 카트, 기타 원격지에서 전력을 필요로 하는 고객 장비)과의 사이에서 전력을 충방전하기 위한 시스템을 포함한다.

전력 변환 장치(22)는 배터리와 연계되는 DC(direct current) 케이블, DC 차단기, 노이즈 저감장치, DC-AC(alternating current) 또는 DC-DC 변환을 위한 전력용 반도체 소자와 각종 필터, 인버터 또는 컨버터 제어를 위한 제어 보드, 충전기(40)와 연계되는 케이블과 계통연계 AC 차단기, HMI(human machine interface), 냉각 장치 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

도 4에서는 AC/DC 변환을 위한 전력 변환 장치(22)의 일부 구성요소가 생략되어 있으며, 이러한 AC/DC 변환을 위한 구성요소는 모바일 충전 카트 본체(10) 상에 배치되지 않고 충전기(40)에 배치될 수도 있다.

또한, 본 실시예에 있어서, 전력 변환 장치(22)는 모바일 충전 서비스 등을 위해 DC-DC 컨버터를 사용하는데 그 제어 방법이 벅-부스터(Buck & Booster)를 동시에 구현하는 방식으로 사용될 수 있다. 이것은 전력 관리 장치(30)의 직접적이거나 실시간 제어가 없더라도 전력 변환 장치(22)에서 배터리 관리 시스템과의 통신을 통해 배터리의 실제 전압을 인지하고 전력 변환 장치(22)의 DC-DC 컨버터가 모바일 충전 카트의 전력 저장 시스템의 출력 전압을 부하에 따라 스스로 혹은 자동적으로 조정할 수 있음을 나타낸다.

위와 같은 모바일 충전 서비스에 있어서, 벅(Buck)은 DC-DC 컨버터의 정격 출력 전압보다 낮은 전압의 배터리 충전을 위해 출력 전압을 다운(down) 제어하는 제1 동작 모드에 대응하고, 부스터(Booster)는 DC-DC 컨버터의 정격 출력 전압보다 높은 전압의 배터리 충전을 위해 출력 전압을 상승(up) 제어하는 제2 동작 모드에 대응할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 모바일 충전 서비스 등의 배터리 방전 상태에서 제1 동작 모드와 제2 동작 모드를 실시간 동시에 구현함으로써 전력 변환 장치(22)가 부하의 크기에 따라 배터리 출력 전압 또는 용량을 자동 조절할 수 있다.

전술한 구성에 의하면, 서로 다른 정격 입력 전압이나 용량을 가진 서로 다른 배터리를 탑재한 카트나 수요 어플리케이션에 대해여 용이하게 모바일 충전 서비스를 제공할 수 있다. 물론, 이종 배터리를 이용하는 하이브리드 차량에 대하여도 이종 배터리에 대한 모바일 충전 서비스를 손쉽게 수행할 수 있는 모바일 충전용 카드 시스템을 제공할 수 있다.

전력 관리 장치(power management system, PMS, 30)는 PCS(22) 인터페이스를 통해 로컬(local)에서 즉, 모바일 충전 카트에서 배터리의 충방전 전압, 전류, 온도 등 배터리 상태를 실시간 모니터링하고 모니터링 결과에 따라 배터리의 충방전 동작을 관리할 수 있다. PMS(30)는 구현에 따라서 모바일 충전 카트 본체(10a)의 컨트롤러와 미리 설정된 정보를 공유하거나 송수신할 수 있다. PMS(30)는 모바일 충전 서비스를 위한 관리자 앱을 통해 입력되는 충전 조건에 응하여 전력 변환 장치(22)를 제어함으로써 다른 카트나 전기자동차의 배터리 충전이나 수요 어플리케이션의 전력 공급 시에 배터리 출력 전압이나 용량 혹은 C-rate을 조정할 수 있다.

또한, PMS(30)는 모바일 충전 서비스 이전이나 이후에 폐배터리의 배터리 상태를 고려하여 폐배터리에 적합한 충방전 제어를 수행할 수 있다. 즉, PMS(30)는 배터리 제조시보다 짧아진 충방전 사이클 내 정상 작동 범위를 상대적으로 정확하게 추정하여 배터리 충방전의 안정성과 신뢰성을 제공한다.

이를 위해, PMS(30)는 모바일 충전 카트의 운행 경로에 따른 방전용량과 C-rate을 미리 예측하고, 현재의 충전용량에 따라 모바일 충전 카트의 운전, 정지, 충전 등의 작동 허용 상태를 제어하거나, 적절한 배터리 상태 메시지 혹은 이러한 배터리 상태 메시지에 기초한 모바일 충전 카트 운행 정보를 모바일 충전 카트 사용자(user) 및/또는 모바일 충전 카트 운행 관리자(user)에게 제공할 수 있다.

전술한 PMS(30)는 차량 제어기에 대응하는 모바일 충전 카트의 제어기(controller)에 탑재되어, 제어기(도 3의 16 참조)의 일부 기능부 또는 이러한 기능부에 상응하는 기능을 수행하는 구성부로 구현될 수 있다.

일례로, 전력 관리 장치(30)는 본 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 구현한 프로그램을 이용하도록 구현될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전력 관리 장치(30)는 프로세서와 메모리를 구비하고, 프로세서가 메모리에 저장된 프로그램을 수행하여 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 구현할 수 있다.

프로세서는 적어도 하나 이상의 코어를 포함할 수 있다. 단일 코어는 중앙처리장치(CPU)에 대응되며, MCU(micro control unit)와 주변 장치(외부 확장 장치를 위한 집적회로)가 함께 배치되는 SOC(system on chip)로 구현될 수 있다. 코어는 처리할 명령어를 저장하는 레지스터(register), 비교, 판단 및 연산을 담당하는 산술논리연산장치(arithmetic logical unit, ALU), 명령어의 해석과 실행을 위해 CPU를 내부적으로 제어하는 컨트롤유닛(control unit), 내부 버스 등을 구비할 수 있다.

또한, 프로세서는 하나 이상의 데이터 프로세서, 이미지 프로세서 및 코덱(CODEC) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 프로세서는 주변장치 인터페이스와 메모리 인터페이스를 구비할 수 있으며, 주변장치 인터페이스는 프로세서와 입출력 시스템 및 여러 다른 주변 장치를 연결하고, 메모리 인터페이스는 프로세서와 메모리를 연결할 수 있다.

전술한 프로세서는 여러 가지의 소프트웨어 프로그램을 실행하여 배터리 관리 방법을 수행하기 위하여 데이터 입력, 데이터 처리 및 데이터 출력을 수행할 수 있다. 즉, 프로세서는 메모리에 저장되어 있는 특정한 소프트웨어 모듈(명령어 세트)을 실행하여 해당 모듈에 대응하는 특정한 여러 가지의 기능을 수행할 수 있다. 예컨대, 프로세서는 메모리에 저장된 배터리 관리 방법을 위한 모듈들에 의해 모바일 충전 카트에 탑재된 전력 저장 시스템(예컨대, 리튬이온 배터리)을 효율적으로 관리하거나, 구현에 따라 외부의 에너지 관리 시스템이나 배터리 분석 시스템과의 연동을 통해 모바일 충전 카트의 전력 저장 시스템을 효과적으로 관리할 수 있다.

본 실시예에서 용어 '모바일'은 카트에 탑재된 에너지 저장 시스템(ESS) 또는 전력 저장 시스템을 고객의 전기자동차나 수요 어플리케이션이 위치하는 장소로 이동시켜 ESS 또는 전력 저장 시스템에 저장된 전력을 전기자동차나 수요 어플리케이션에 제공하는 방식에 대한 하나의 표현일 수 있다.

메모리는 하나 이상의 자기 디스크 저장 장치와 같은 고속 랜덤 액세스 메모리 및/또는 비휘발성 메모리, 하나 이상의 광 저장 장치 및/또는 플래시 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는 소프트웨어, 프로그램, 명령어 집합 또는 이들의 조합을 저장할 수 있다.

메모리에 저장되는 소프트웨어의 구성요소는 운영 체제(operating system) 모듈, 통신 모듈, 그래픽 모듈, 사용자 인터페이스 모듈, MPEG(moving picture experts group) 모듈, 카메라 모듈, 하나 이상의 애플리케이션 모듈 등을 포함할 수 있다. 모듈은 명령어들의 집합으로서 명령어 세트(instruction set) 또는 프로그램으로 표현될 수 있다.

그리고 운영 체제 모듈은 예컨대 MS WINDOWS, LINUX, 다윈(Darwin), RTXC, UNIX, OS X, iOS, 맥 OS, VxWorks, 구글 OS, 안드로이드(android), 바다(삼성 OS), 플랜 9 등과 같은 내장 운영 체제를 포함하고, 시스템 작동(system operation)을 제어하는 여러 가지의 구성요소(사용자 인터페이스 등)를 구비할 수 있다. 전술한 운영 체제는 여러 가지의 하드웨어(장치)와 소프트웨어 구성요소(모듈) 사이의 통신을 수행하는 기능도 구비할 수 있다.

또한, 통신 모듈은 전력 관리 장치(30)가 유선 및/또는 무선 네트워크를 통해 에너지 관리 시스템이나 배터리 분석 시스템과 연결되도록 적어도 하나 이상의 통신 프로토콜을 지원할 수 있다. 물론, 통신 모듈은 네트워크상의 다른 서버 장치와 연결하기 위한 다른 통신 프로토콜을 지원하도록 구현될 수 있다. 이러한 통신 모듈은 하나 이상의 무선 통신 서브시스템을 포함하거나 구동할 수 있다. 무선 통신 서브시스템은 무선 주파수(radio frequency) 송수신기를 포함하거나 광(예컨대, 적외선) 송수신기를 포함할 수 있다.

위에서 언급한 네트워크는, 예를 들어, GSM(Global System for Mobile Communication), EDGE(Enhanced Data GSM Environment), CDMA(Code Division Multiple Access), W-CDMA(W-Code Division Multiple Access), LTE(Long Term Evolution), LET-A(LET-Advanced), OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access), WiMax, Wi-Fi(Wireless Fidelity), Bluetooth 등을 포함할 수 있다.

한편, 본 실시예에 있어서, 전력 관리 장치의 구성요소들은 메모리에 저장되어 프로세서에 의해 수행되는 기능 블록 또는 모듈일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 전술한 구성요소들은 이들이 수행하는 일련의 기능(배터리 관리 방법)을 구현하기 위한 소프트웨어 형태로 컴퓨터 판독 가능 매체(기록매체)에 저장되거나 혹은 캐리어 형태로 원격지에 전송되어 모바일 충전 카트 탑재의 컨트롤러에서 동작하도록 구현될 수 있다.

여기서 컴퓨터 판독 가능 매체는 네트워크를 통해 연결되는 복수의 컴퓨터 장치의 저장 시스템이나 클라우드 시스템을 포함할 수 있다. 이때, 컴퓨터 판독 가능 매체에는 본 실시예의 전력 관리 장치나 카트의 제어기(controller)에서 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 수행하기 위한 프로그램이나 소스 코드 등을 저장할 수 있다.

전술한 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하는 형태로 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것을 포함할 수 있다.

또한, 컴퓨터 판독 가능 매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 하드웨어 장치는 본 실시예의 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

다시 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 PMS(30)는 저장장치, 인간기계 인터페이스(human machine interface, HMI), 주파수 제어기 및 운영 제어기를 포함할 수 있다. 주파수 제어기 및 운영 제어기는 본 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 구현하는 장치의 주요 구성요소들에 대응할 수 있다.

저장장치는 배터리의 충전 상태(SOC: state of charge)에 따른 운영 정책이나 운영 프로그램을 저장하고, 운행 경로 중간에 설치된 적절한 충전기의 선택 정책이나 이러한 선택 정책에 기초한 프로그램을 저장할 수 있다. 또한, 저장장치는 GPS, RF 태그 등으로부터 획득한 위치 정보를 저장할 수 있다.

주파수 제어기는 배터리로부터 모바일 충전 카트의 전기 모터에 공급되는 전력을 제어할 수 있다. 주파수 제어기는 미리 설정된 통신 프로토콜을 통해 배터리에 연결된 전력 변환 장치(PCS, 22)를 제어할 수 있다. 또한, 주파수 제어기는 배터리에 대한 전력 변환 장치의 동작을 제어하여 모바일 충전 서비스 동작을 수행할 뿐 아니라 모바일 충전 카트의 운행 경로의 상황에 따라 배터리의 C-rate을 조정하는데 이용될 수 있다. 운행 경로의 상황은 내리막 구간, 평지 구간, 큰 경사의 오르막 구간, 완만한 경사의 오르막 구간 등의 조건과 이에 대응하는 최저 C-rate을 포함할 수 있다.

본 실시예에서, 주파수 제어기는 모바일 충전 카트의 운행 경로의 상황 정보를 미리 저장하고 배터리의 상태를 모니터링하여 충전 상태를 예측하며, 이를 토대로 현재의 모바일 충전 카트의 충전 상태를 결정하고 정상 운행 시 모바일 충전 카트의 운행 경로 상의 위치에 따라 허용되는 최저 C-rate으로 모바일 충전 카트가 운행되도록 동작하며 즉, 미리 예상된 운행 구간 내에서 모바일 충전 카트의 구동 모터(도 2의 15 참조)에 최적 및 최소의 전력이 공급되도록 동작하며, 그에 의해 배터리의 과도한 방전에 따라 배터리의 전력 공급이 차단되어 갑자기 모바일 충전 카트가 정지하는 등의 문제 발생을 미연에 방지할 수 있다.

HMI는 기계 제어에 사용되는 데이터를 사람에게 친숙한 형태로 변환하여 보여주는 수단이나 이러한 수단에 상응하는 기능을 수행하는 구성부 또는 장치를 포함할 수 있다. HMI를 이용하면, 사람 또는 관리자가 필요에 따라 전력 저장 시스템이나 배터리 시스템의 운영 과정을 감시하고 제어할 수 있다.

운영 제어기는 전력 변환 장치에 연결되는 배터리의 방전 동작을 제어하도록 설치될 수 있다. 운영 제어기는 에너지 관리 시스템(EMS, 50)이나 배터리 분석 시스템(BAS, 60)에 연결되어 배터리 관련 정보를 전송하거나, 배터리 관련 정보에 기초한 운영 데이터를 수신하거나, 배터리 관련 정보를 분석한 데이터를 토대로 결정되는 배터리 관리 관련 정보나 신호를 수신할 수 있다.

전술한 운영 제어기는 모바일 충전 카트의 운행 경로 정보를 저장하는 저장부, 위치 정보와 운행 경로 정보를 비교하는 비교부 및 비교 결과에 따라 최적 및 최소의 배터리 방전 전류를 결정하는 판단부를 포함할 수 있다.

한편, 전술한 BMS(21)는 배터리 팩(20)에 탑재되지 않고, 전술한 PMS(30)의 일부 기능부 또는 이러한 기능부에 상응하는 기능을 수행하는 PMS(30)의 일부 구성부로 구현될 수 있다. 이 경우, BMS(21)과 PMS(30)는 통합 PMS(30A)로 지칭될 수 있다. 또한, 통합 PMS(30A) 또는 PMS(30)는 배터리 팩(20)에 착탈 가능한 모듈 장치 형태로 만들어지고 설치될 수 있다. 그 경우, 통합 PMS(30A) 또는 PMS(30)는 차량용 시리얼 통신 커넥터나 케이블 등에 의해 배터리 팩(20)에 연결될 수 있다.

에너지 관리 시스템(energy management system, EMS, 50)은 원격에서 다수의 모바일 충전 카트에 각각 탑재되는 모바일 에너지 저장 시스템(일례로, 전기자동차의 폐배터리를 이용하는 배터리 시스템)을 통합 모니터링하고 제어하는 관제 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 EMS(50)는 다수 대의 차량 관제용으로 통합 구성을 구비할 수 있다.

물론, EMS(50)는 기본적인 기능으로서 모바일 충전 서비스에 대한 고객의 오더를 접수하고, 접수된 오더에 따라 해당 모바일 충전 카트의 전력 관리 장치(30)에 오더 메시지를 전송할 수 있다.

또한, EMS(50)는 배터리 팩(20)의 배터리 시스템 및 PCS(22)와 상호 전기적으로 연결되어 배터리의 전력 공급 상태와 부하(전기 모터)의 전력 수요 상태를 모니터링하고, 전력 공급 상태와 전력 수요 상태에 기초하는 전력 수급 상태에 따라 배터리의 충방전을 제어할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 EMS(50)는 모바일 충전 카트의 운행 경로 상에서 전기 모터에 요구되는 실시간 부하 조건들과 현재 배터리의 충전 상태(SOC)를 고려하여 배터리의 방전 혹은 충전 여부를 결정하거나 이러한 배터리 상태를 토대로 모바일 충전 카트의 운행 모드 혹은 배터리 우선 충전 모드를 결정할 수 있다. 결정된 모드는 PCS(22)를 제어하는데 이용될 수 있다.

배터리 분석 시스템(battery analysis system, BAS, 60)은 모바일 충전 카트에 탑재되는 폐배터리를 이용하는 배터리 시스템의 안정적인 운영과 유지보수를 지원하기 위한 시스템을 포함한다. BAS(60)는 원격에서 배터리 상태 정보, 배터리 충방전 정보 등을 획득하고, 이러한 정보를 토대로 각 모바일 충전 카트의 리유즈(re-use) 배터리에 대한 건강 상태(state of health, SOH)를 판단할 수 있다.

BAS(60)는 폐배터리를 이용하는 배터리 시스템을 모바일 충전 카트 운영자에게 제공하는 배터리 시스템 제공자/제조사일 수 있으며, 그 경우 배터리 시스템 제공자/제조사는 BAS(60)로 수집되는 폐배터리 운영 결과와 정보를 토대로 모바일 충전 카트의 배터리 시스템에 대한 상태나 교체 시기 등을 손쉽게 계산할 수 있고, 그에 따라 모바일 충전 카트의 배터리 시스템에 대한 유지보수를 매우 효율적으로 수행할 수 있다.

이러한 BAS(60)는 폐배터리의 충방전 특성 곡선 등 배터리 관련 정보를 저장하고, 모바일 충전 카트에 탑재된 상기 폐배터리의 충방전 동작들에 대한 작동 정보(각각의 배터리의 온도 정보를 포함함)를 저장하는 메모리와 메모리에 연결되어 배터리 관련 정보와 작동 정보를 비교하여 기준 정보에 매핑하고, 현재 가장 유사한 충방전 특성에 따라 배터리의 충전 상태 혹은 수명을 결정할 수 있다. 결정된 정보는 PMS(30)에 제공되어 전력 저장 시스템이나 배터리 시스템을 관리하는데 이용될 수 있다.

물론, 전술한 BAS(60)는 모바일 충전 서비스에 사용되는 전력 저장 시스템의 배터리 상태를 분석하고, 배터리 관리를 위한 정보를 전력 관리 장치에 제공하거나 서비스 관리자에게 제공할 수 있다.

전술한 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법은, 모바일 충전 서비스에서 부하에 따라 전력 저장 시스템의 출력 전압을 자동으로 조정할 수 있다.

또한, 전술한 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법은, 전기 모터의 구동력에 의해 움직이는 모바일 충전 카트 본체와, 모바일 충전 카트 본체에 탑재되는 배터리 팩과, 배터리 팩의 출력을 변환하여 전기 모터에 공급하는 전력 변환 장치와, 전력 변환 장치를 제어하여 모바일 충전 카트 본체가 이동하는 운행 경로 상의 부하 조건에 따라 배터리 팩 내 배터리 시스템/전력 저장 시스템의 방전 전류량을 조절할 수 있다.

즉, 일실시예에 있어서, 전력 관리 장치와 네트워크를 통해 연결되는 에너지 관리 시스템 또는 배터리 분석 시스템은, 모바일 충전 카트의 운행 경로에 대한 제1 정보 또는 운행 경로 상의 로드 부하 조건에 대한 제1 정보를 저장하는 단계, 모바일 충전 카트에 탑재된 전력 저장 시스템이나 배터리 시스템 내 배터리의 충전 상태(state of charge, SOC)에 대한 제2 정보를 저장하는 단계, 모바일 충전 카트의 현재 위치에 대한 제3 정보를 저장하는 단계, 및 제1 정보, 제2 정보 및 제3 정보를 토대로 모바일 충전 카트의 운행 가능 여부 또는 우선 충전 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

제1 정보의 획득은 관리자의 입력, 모바일 충전 카트에 탑재된 카메라 영상의 판독 정보 등에 의해 구현될 수 있다. 또한, 제2 정보의 획득은 전력 관리 장치가 배터리 관리 시스템으로부터 획득한 SOC 정보를 네트워크를 통해 전달받는 것을 포함할 수 있다. 그리고 제3 정보의 획득은 모바일 충전 카트에 탑재된 GPS(global positioning system) 정보를 전력 관리 장치를 통해 획득하거나 직접 획득하는 것을 포함할 수 있고, 다른 구현에 따라 운행 경로 상의 미리 정해진 위치에 배치되는 근거리 무선 통신 장치나 RF 태그 또는 RF 송수신기 등을 통해서 획득하는 것을 포함할 수 있다.

전술한 실시예에 의하면, 충전인프라가 부족한 환경 예컨대, 골프장 내 충전기 설치 개소가 부족한 환경에서 다른 일반 카트에 모바일 충전 서비스를 제공할 수 있으며, 모바일 충전 카트 자체의 배터리 관리를 통해 안정적이고 신뢰성 있는 모바일 충전 서비스를 제공할 수 있다. 이는 골프장 등의 시설에 대한 모바일 충전 카트의 보급 확대에 대한 장벽을 해결할 수 있다. 또한, 쇼핑몰이나 고속도로 휴게소, 연수원, 수련원 등의 집단 이용 시설에 배치되는 모바일 충전 카트에서 각 시설 내 모바일 충전 카트의 운행 경로에 따라 모바일 충전 카트의 전력 저장 시스템 또는 배터리 시스템(폐배터리 포함)을 효율적으로 제어하여 모바일 충전 서비스의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 심야전기로 모바일 충전 카트의 배터리를 충전하여 낮 시간대의 충전에 비해 충전 요금을 낮춰 모바일 충전 카트의 유지관리 비용을 절감할 수 있다.

한편, 전술한 실시예에서는 모바일 충전 카트를 중심으로 설명하였으나, 본 발명을 그러한 구성으로 한정되지 않고, 모바일 충전 카트와 유사한 구조나 기능을 가진 카트나 소형 차량에 용이하게 적용할 수 있음은 당연하다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 예시도이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템은 카트(10)의 본체/차체 상에 탑재되는 구동부(16A), 배터리 팩(20) 및 급속충전기(30B)를 포함할 수 있다.

구동부(16A)는 도 3의 컨트롤러, 브레이트 구동장치 등을 포함할 수 있다.

급속충전기(30B)는 도 3의 전력 변환 장치(22)와 전력 관리 장치(30), 도 3의 인렛과 아웃렛 등을 포함할 수 있다.

본 실시예에서 급속충전기(30B)는 모바일 충전 서비스(Mobile charging service, MC service)를 위해 고객의 모바일 앱(application, App.)(80) 측으로부터 정보 또는 메시지를 수신할 수 있다.

도 6은 도 5의 작동 방법에 채용할 수 있는 모바일 어플리케이션의 작동 과정을 설명하기 위한 예시도이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법에서는 고객이 고객 단말의 앱을 사용하여 모바일 충전 서비스를 요청할 수 있다.

일례로, 고객 단말 앱은, 전기자동차나 일반 카트가 주차된 위치를 확인하거나 위치 정보를 획득할 수 있다(S61). 다음, 충전포트를 개방할 수 있다(S62). 다음, 앱을 통해 에너지 관리 시스템(EMS)로 모바일 충전 서비스를 통해 충전을 요청할 수 있다(S63). 다음, 모바일 충전 서비스를 위한 모바일 충전기가 도착하고, 모바일 충전기가 일반 카트나 전기자동차의 충전 포트에 연결되면, 충전을 허용하거나 충전 상태를 모니터링할 수 있다(S64).

한편, 모바일 충전 서비스를 제공하는 관리자용 앱은, 에너지 관리 시스템이나 기타 고객 센터로부터 모바일 충전 서비스에 대한 오더 메시지를 접수할 수 있다(S65). 다음, 오더 메시지에 따라 고객의 전기자동차나 일반 카트가 위치하는 장소로 모바일 충전 카트가 이동되면, 모바일 충전 카트의 모바일 충전기 또는 급속충전기를 고객의 전기자동차나 일반 카트의 배터리에 연결하여 전력을 공급할 수 있다(S66). 또한, 구현에 따라서 관리자용 앱은, 모바일 충전 서비스를 종료한 후, 모바일 충전 카트가 자체 배터리 출력에 기초하여 다른 모바일 충전 서비스를 제공하기 장소로 이동할 수 있는지, 다른 모바일 충전 서비스를 제공할 수 있는지, 다른 모바일 충전 서비스를 제공하고 대기 장소 혹은 인근 충전기로 이동할 수 있는지 등을 판단하고 그러한 판단에 따른 배터리 관리를 수행할 수 있다(S67).

도 7은 도 6의 모바일 어플리케이션의 작동 과정의 다른 실시예를 설명하기 위한 예시도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템의 동작 방법에서 고객 단말 앱을 통해 다음과 같은 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.

즉, 등록 고객에 대한 로그인 화면을 제공할 수 있다(S71).

또한, 로그인한 고객에게 모바일 충전 서비스에 대한 대시보드를 제공할 수 있다(S72). 대시보드에서는 얼굴 사진, 이름 등의 고객 정보와 모바일 충전 서비스와 관련된 서비스 항목을 제공할 수 있다. 모바일 충전 서비스와 관련된 서비스 항목은 체크인(check in), 충전 이력(charge history), 고객 서비스(customer service), 알림(notifications), 라이센스 프로파일(license profile) 등을 포함할 수 있다.

또한, 체크인 항목 내 기능을 통해 고객의 전기자동차나 카트에 대한 현재 주차위치를 체크하고 이를 위성 사진으로 화면에 표시할 수 있다(S72).

또한, 고객의 세부 요청 사항 입력을 위한 입력창을 제공할 수 있다(S73).

또한, 충전 이력 항목 내 기능을 통해 이전 충전 이력을 일자순 등으로 나열하여 표시할 수 있다(S74).

한편, 모바일 충전용 카트 시스템에 사용되는 배터리는 전기자동차 등에서 사용된 폐배터리이다. 따라서, 배터리는 생산된 후 사용되지 않은 제1 배터리에 비해 수명(SOH)이 짧고, 충방전 특성에 있어서도 실질적으로 제1 배터리를 기준으로 하는 전형적인 충방전 특성보다 좋지 않은 충방전 특성을 나타내게 된다.

즉, 리튬배터리의 전형적인 충방전 곡선을 따르면, 일정 온도(일례로, 25℃) 조건하에서 배터리는 1C rate보다 작은 전류 방전율을 가질 때, C-rate의 크기와는 반대로 거의 일정한 전압에서 상대적으로 오랜 시간 동안 방전될 수 있다.

예를 들면, 배터리의 방전 전류량 또는 전류 방전량(C-rate)이 0.2C rate인 경우와, 이보다 50배 큰 10C rate인 경우를 비교할 때, 방전 곡선(discharge curve)은 전류 방전량이 큰 경우에 상당히 감소된 방전 특성을 나타내는 것은 이미 잘 알려진 사실이다.

전술한 배터리의 충방전 특성을 고려하여, 본 실시예에서는 구내 또는 한정된 장소에서 운행되는 모바일 충전 카트의 배터리로서 폐배터리를 재구성한 리유즈 배터리를 사용할 때, 이러한 배터리를 효과적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 방법 즉, 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 제공한다.

본 실시예의 배터리 관리 방법에서는 모바일 충전 카트의 운행 경로에서 요구되는 부하를 고려하여 현재의 운행 구간에서 허용되는 최저 C-rate으로 배터리 방전을 제어하거나, 운행 경로 상의 충전소의 설치 개소와 배터리의 충전 상태를 고려하여 모바일 충전 카트에 탑재된 배터리의 충전 시기를 결정하고, 그에 의해 배터리 시스템의 전력 공급이 갑자기 중단되어 모바일 충전 카트가 운행하지 못하는 사고를 미연에 방지한다. 여기서, 현재 운행 구간에서 허용되는 최저 C-rate은 배터리의 충전 상태의 추정에 있어서 발생하는 오차를 감안한 가장 낮은 C-rate일 수 있다.

전술한 작동 방법에 대하여 골프장에 사용되는 모바일 충전용 카트 시스템을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 예시도이다.

본 실시예에 따른 모바일 충전 카트(10)는 골프장에서 다른 카트에 모바일 충전 서비스를 제공하도록 운영될 수 있다. 즉, 모바일 충전 카트(10)는 골프장 내 일반 전동 카트가 배터리 방전에 의해 움직이지 못하는 경우 일반 전동 카트가 위치하는 장소로 찾아가서 일반 전동 카트의 배터리를 충전하는 모바일 충전 서비스를 제공할 수 있다.

이러한 모바일 충전 카트(10)는 폐배터리를 이용하므로 자체적인 배터리 관리 또한 엄격할 필요가 있다. 예를 들어, 카트 구동에 사용되는 배터리 용량과 모바일 충전 서비스에 사용되는 배터리 용량을 계산하여 모바일 충전 카트(10)의 운행에 문제가 발생하지 않도록 해야 한다.

즉, 모바일 충전 카트(10)도 사용 장소, 운전자의 운전 습관, 기타 운행 환경에 따라 서로 다른 배터리 방전량을 나타내므로, 배터리 방전량을 미리 예측하여 모바일 충전 카트(10)의 정상 운행을 보장할 필요가 있다. 따라서, 본 실시예에서는 모바일 충전 카트(10)가 운행되는 장소의 지형에 따라 배터리를 관리하는 방안을 제시한다.

좀더 구체적으로 설명하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 골프장은 그 지형에 의해 모바일 충전 카트의 운행 도로는 내리막 구간(I), 평지 구간(Ⅱ), 큰 경사의 오르막 구간(Ⅲ), 완만한 경사의 오르막 구간(Ⅳ) 및 다른 평지 구간(Ⅴ) 등을 구비할 수 있다. 도 5에서, 모바일 충전 카트(10)의 옆에 박스(c)는 전도성 충전 방식으로 모바일 충전 카트(10)의 배터리를 충전할 수 있는 충전기일 수 있다.

전술한 구간들에서 모바일 충전 카트(10)의 정상적인 운행을 위해 요구되는 전기 모터의 출력은 서로 다를 수 있다. 일례로, 큰 경사의 오르막 구간(Ⅲ)에서 전기 모터는 최대 C-rate 또는 제1 레벨 이상의 C-rate으로 일정 세기 이상의 힘을 출력하도록 제어될 수 있다. 또한, 내리막 구간(I)에서 전기 모터는 최저 C-rate 또는 제2 레벨 이상의 C-rate으로 소정의 힘을 출력하도록 제어될 수 있다. 여기서, 제1 레벨은 제2 레벨보다 크며, 구현에 따라서 제2 레벨은 제1 레벨보다 50배만큼 작을 수 있다.

본 실시예에 의하면, 모바일 충전 카트는 운행 구간에 따라 요구되는 전기 모터의 구동력을 얻기 위해 각 구간에서 서로 다른 배터리 출력을 가질 수 있다. 즉, 배터리 출력은 내리막 구간(I), 평지 구간(Ⅱ), 큰 경사의 오르막 구간(Ⅲ), 완만한 경사의 오르막 구간(Ⅳ) 및 다른 평지 구간(Ⅴ)에서 서로 다를 수 있다.

또한, 배터리 출력에 있어서, 큰 경사의 오르막 구간(Ⅲ)에서는 최대(Max.) 배터리 출력이 요구될 수 있고, 완만한 경사의 오르막 구간(Ⅳ)에서는 최대 배터리 출력보다 작은 제2 배터리 출력이 요구될 수 있으며, 평지 구간(Ⅱ, Ⅴ)에서는 완만한 경사의 오르막 구간(Ⅳ)에서보다 작은 제3 배터리 출력이 요구될 수 있고, 내리막 구간(I)에서는 평지 구간(Ⅱ)에서보다 작은 제4 배터리 출력이 요구될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 의하면, 바람직한 C-rate의 범위에서 평지 구간(Ⅱ, Ⅴ)이나 내리막 구간(I)에서 최저 C-rate으로 배터리 방전을 제어하고, 큰 경사의 오르막 구간(Ⅲ)에서는 최대 C-rate으로 배터리 방전을 제어하며, 평지 구간이나 완만한 경사의 오르막 구간(Ⅳ)에서는 허용되는 범위에서 가능한 한 낮은 C-rate으로 배터리 방전을 제어할 수 있고, 그에 의해 배터리의 과방전에 따른 갑작스런 배터리 출력 중단을 방지하고 배터리의 수명을 연장할 수 있다.

즉, 본 실시예에 의하면, 단기적으로는 일정 거리의 운행 경로를 안전하게 운행할 수 있는 운행 안정성을 높일 수 있고, 장기적으로는 배터리 수명을 연장할 수 있는 장점이 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 카트에 탑재되는 모바일 충전용 카트 시스템으로서,
   전기자동차에서 사용된 배터리를 재구성하여 만든 전력 저장 시스템;
   상기 배터리 시스템의 출력을 변환하여 고객의 전기자동차 또는 수요 어플리케이션에 전력을 공급하는 전력 변환 장치; 및
   상기 전력 저장 시스템의 배터리 관리 시스템과 상기 전력 변환 장치 간의 인터페이스를 통해 상기 전력 저장 시스템과 상기 전력 변환 장치을 실시간 모니터링하고 제어하는 전력 관리 장치을 포함하는, 모바일 충전용 카트 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전력 변환 장치은, 벅-부스터(buck & booster)로서 동작하는 DC-DC 컨버터를 포함하는, 모바일 충전용 카트 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 전력 관리 장치에 네트워크를 통해 연결되고, 다수의 에너지 저장 시스템들을 통합 모니터링하고 제어하는 에너지 관리 시스템을 더 포함하는, 모바일 충전용 카트 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 전력 관리 장치에 네트워크를 통해 연결되고, 상기 에너지 저장 시스템의 운영과 유지보수를 지원하는 배터리 분석 시스템을 더 포함하는, 모바일 충전 카트 시스템.
5. 전기자동차에서 사용된 배터리를 재구성하여 만든 전력 저장 시스템, 상기 전력 저장 시스템의 출력을 변환하여 고객의 전기자동차 또는 수요 어플리케이션에 전력을 공급하는 전력 변환 장치, 및 상기 전력 저장 시스템의 배터리 관리 시스템과 상기 전력 변환 장치 간의 인터페이스를 통해 상기 전력 저장 시스템과 상기 전력 변환 장치을 실시간 모니터링하고 제어하는 전력 관리 장치이 카트에 탑재된 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법으로서,
   상기 전력 관리 장치에서 네트워크를 통해 연결되고 다수의 에너지 저장 시스템들을 통합 모니터링하고 제어하는 에너지 관리 시스템으로부터 모바일 충전 서비스에 대한 오더 메시지를 수신하는 단계;
   상기 오더 메시지에 대응하는 목적지로 이동한 상기 카트의 상기 전력 관리 장치에서, 상기 오더 메시지에 포함된 충전 조건을 상기 전력 변환 장치에 입력하거나, 상기 고객의 전기자동차 또는 상기 수요 어플리케이션의 제어기나 모바링 어플리케이션과 모바일 충전 서비스 관련 메시지를 송수신하고 상기 모바일 충전 서비스 관련 메시지에서 획득한 충전 조건을 상기 전력 변환 장치에 입력하는 단계; 및
   상기 충전 조건에 따라 상기 고객의 전기자동차 또는 상기 수요 어플리케이션에 전력을 공급하는 단계를 포함하는, 모바일 충전용 카트 시스템의 작동 방법.

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