KR20190036117A - 전기 자동차 충방전 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 자동차 충방전 제어장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 전기 자동차 내부에 설치되는 CCU(Charging Control Unit)와 BMS(Battery Manager System) 간 충방전 데이터 전송을 제어하여 효율적이고 신속하면서도 안전하게 배터리를 충방전을 제어하는 전기 자동차 충방전 제어장치에 관한 것이다.
본 실시예에 의하면, 전기 자동차 내에 구비되어, 전기 자동차에 설치되는 CCU, BMS와 CAN 통신 채널을 형성하여 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 통합 관제 센터로 전송하여 통합 관제 센터에서 전기 자동차를 통합적으로 관리할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

전기 자동차 충방전 제어장치{Apparatus for Controlling Electric Vehicle Charging And Discharging}
본 발명은 전기 자동차 충방전 제어장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 전기 자동차 내부에 설치되는 CCU(Charging Control Unit)와 BMS(Battery Manager System) 간 충방전 데이터 전송을 제어하여 효율적이고 신속하면서도 안전하게 배터리를 충방전을 제어하는 전기 자동차 충방전 제어장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
전기 자동차(EV, Electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 의미한다.
전기 자동차는 배터리와 전기 모터로만 주행하는 순수 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle)가 연구 개발되고 있다.
플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle)는 전기 자동차의 짧은 주행거리와 높은 가격을 해결하는 대안으로 개발된 전기 모터/배터리 및 내부 연소 엔진을 사용하며 전기에너지를 배터리에 충전시켜 사용하고, 자동차의 에너지 사용에서 가솔린 연료를 사용한다.
전기 자동차는 기본적으로 자동차 엔진을 사용하지 않으며, 배터리, 울트라 커패시터(Ultra Capacitor), 교류를 직류 전압으로 변환하는 인버터(inverter), 모터(Motor)를 회전시켜 변속기(Transmission)를 구동하여 자동차의 바퀴를 구동시키며, 인버터는 DC-DC 컨버터와 연결되어 전자 제어 장치(ECU, Electronic Control Unit)에 DC 전압을 공급하고, ECU는 조향 상태를 조절하는 전자식 파워 스티어링 시스템(EPS, Electronic Power Steering)와 연동되고 액츄에이터(actuator), 브레이크(brake)와 연결되며, 자동변속기, ABS(Anti-lock brake system)의 상태를 전자적으로 제어한다.
전기 자동차 배터리는 예컨대, 리튬 전지를 사용하고 400V 구동 배터리와 12V 보조 배터리로 장착되며, 보통 1회 완전 충전시에 135km 주행이 가능하다고 하며 구동시 방전되기 때문에 정기적으로 충전해야 한다. 충전 시간은 완충전기를 사용시 4 내지 9시간, 급속 충전시 30분 내지 1시간이 소요된다.
전기 자동차 충전기는 충전 케이블을 전기 자동차의 충전 단자에 연결하여 전기 에너지를 충전시키는 기능을 제공하며, 통상적으로 고속 또는 저속 충전 타입을 지원한다. 전기 자동차 충전기는 충전기의 시스템 공급 가격을 낮추기 위해 하나의 메인 충전기에 여러 개의 충전기 터미널을 연결하여 제어하는 방식이 사용되고 있다.
최근 들어, 전기 자동차 시장이 급성장하고 있으나, 아직까지 충전 인프라가 부족한 실정이다. 따라서, 전기 자동차의 충전 인프라를 공급하면서, 전기 자동차의 충전을 종합적으로 관리할 수 있는 관리 시스템을 필요로 한다.
본 실시예는 전기 자동차 내에 구비되어, 전기 자동차에 설치되는 CCU(Charging Control Unit), BMS(Battery Manager System)와 CAN 통신 채널을 형성하여 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 통합 관제 센터로 전송하여 통합 관제 센터에서 전기 자동차를 통합적으로 관리할 수 있도록 하는 전기 자동차 충방전 제어장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 전기 자동차 내에 구비된 CCU(Charging Control Unit)와 제 1 CAN 통신 채널을 형성하고, 전기 자동차 내에 구비된 BMS(Battery Manager System)와 제 2 CAN 통신 채널을 형성하는 통신 채널 스위치 회로; 상기 제1 CAN 통신 채널을 이용하여 상기 CCU로부터 충전 정보를 수집하며, 상기 제2 CAN 통신 채널을 이용하여 상기 BMS로부터 배터리 관리 정보를 수집하는 통신 제어부; 및 상기 충전 정보와 상기 배터리 관리 정보를 무선 통신을 이용하여 통합 관제 센터로 전송하는 무선 통신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 통신 장치를 제공한다.
전기 자동차용 통신 장치는 상기 충전 정보와 상기 배터리 관리 정보를 근거리 통신을 이용하여 사용자 단말기로 전송하는 근거리 통신 모듈을 추가로 포함한다.
전기 자동차용 통신 장치는 디스플레이, 키패드, 부저, LED 중 적어도 하나 이상의 외부 장치와 연동하며, 상기 외부 장치의 처리 데이터를 표시하고 처리하며, 상기 외부 장치와 관련된 데이터를 전송하는 HMI(Human Machine Interface) 제어부를 추가로 포함한다.
전기 자동차용 통신 장치는 상기 통신 채널 스위치 회로, 상기 통신 제어부의 전반적인 기능을 제어하는 제어 수단으로서 동작하며, 메인 배터리 방전 대비하여 충전 중이 아니거나 운행하지 않을 조건에서는 메인 배터리 슬립모드를 지원하는 제어부를 추가로 포함한다.
상기 제어부는 상기 통합 관제 센터로부터 수신된 충전량 제어 신호에 따라 상기 BMS를 제어하여 상기 전기 자동차에 구비된 배터리 팩에 충전되는 전기량이 조절되도록 한다.
상기 제어부는 기 설정된 시간동안 상기 HMI 제어부로부터 사용자 입력 신호가 미감지되는 경우, 상기 슬립 모드로 전환하여 상기 통신 채널 스위치 회로, 상기 통신 제어부, 상기 디스플레이, 상기 키패드, 상기 부저, 상기 LED 중 적어도 하나 이상의 모듈에 공급되는 전력을 저전력을 전환한다.
상기 제어부는 상기 슬립 모드로 동작하는 상태에서 상기 HMI 제어부로부터 사용자 입력 신호를 감지하는 경우, 동작 모드로 전환하여, 상기 통신 채널 스위치 회로, 상기 통신 제어부, 상기 디스플레이, 상기 키패드, 상기 부저, 상기 LED 중 적어도 하나 이상의 모듈에 공급되는 전력을 일반 전력으로 전환한다.
상기 제어부는 상기 전기 자동차가 시동 오프 상태이며, 운전이 수행되지 않는 상태에서만 상기 슬립 모드로 전환한다.
상기 제어부와 연결되어 OBD(On-Board Diagnosis) 단자의 배터리단으로부터 공급받은 전원을 공급하는 전원부; 및 삽입된 메모리 카드를 인식하여 메모리 카드에 저장된 구동에 필요한 각종 데이터를 읽어서 상기 제어부로 전달하는 메모리카드 슬롯을 포함한다.
상기 통신 제어부는 상기 BMS로부터 배터리 셀 전압, 전류 및 온도의 모니터링 정보, 주행 가능거리 예측을 위한 배터리용량(SOC: State of Charge) 계산 정보, 배터리 교체를 위한 노화수명을 예측(SOH : State of Health estimation) 정보, 배터리 시스템의 안전운영을 위한 경보, 사전 안전예방 조치(Protection) 정보, 배터리 시스템 진단기능 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 포함하는 상기 배터리 관리 정보를 수집한다.
상기 통신 제어부는 상기 CCU로부터 상기 전기 자동차에 구비된 배터리 내에 충전되는 전력을 계량한 정보, 상기 전기 자동차에 구비된 배터리에 충전되는 방식에 대한 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 포함하는 상기 충전 정보를 수집한다.
상기 통신 제어부는 RS232 통신으로 상기 무선통신 모듈과 데이터를 송수신한다. 상기 통신 제어부는 RS232 통신으로 상기 근거리통신 모듈과 데이터를 송수신한다.
상기 통신 채널 스위치 회로는 OBD 단자와 CAN 통신으로 데이터를 송수신한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 전기 자동차 내에 구비되어, 전기 자동차에 설치되는 CCU(Charging Control Unit), BMS(Battery Manager System)와 CAN 통신 채널을 형성하여 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 통합 관제 센터로 전송하여 통합 관제 센터에서 전기 자동차를 통합적으로 관리할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 전기 자동차 통합 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 범용 충전 시스템(UCS)의 개요를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 OBG를 구체적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 전기 자동차 정보 수집 인터페이스를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 실시예에 OBG의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 전기 자동차 통합 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
본 실시예에 따른 전기 자동차 통합 관리 시스템은 전기 자동차(110), 충전장치(120), 네트워크(130) 및 통합 관제 센터(140)를 포함한다. 통합 관리 시스템에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전기 자동차(110)는 배터리를 구비하고, 배터리에 충전된 전기를 이용하여 휠을 구동시키는 전기 모터를 구비하는 모든 차량(Vehicle)을 의미한다. 전기 자동차(110)는 EV(Electric Vehicle)뿐만 아니라, PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)를 포함한다. 전기 자동차(110)는 건물에 설치된 전기 자동차 충전 설비(Electric Vehicle Supply Equipment)인 충전장치(120)로부터 공급받은 전기를 구비된 배터리에 충전한다.
전기 자동차(110)는 충전장치(120)에 연결하기 위해, 기 설정된 충전 케이블의 일측이 전기 자동차의 주입구에 연결되고, 충전 케이블의 타측이 충전장치(120)에 연결되어 충전장치(120)로부터 전기를 공급받는다.
전기 자동차(110)는 구비된 통신모듈을 이용하여 네트워크(130)를 경유하여 통합 관제 센터(140)와 데이터 통신을 수행한다. 전기 자동차(110)는 네트워크(130)를 경유하여 통합 관제 센터(140)와 통신하기 위한 프로그램 또는 프로토콜을 저장하기 위한 메모리, 해당 프로그램을 실행하여 연산 및 제어하기 위한 마이크로프로세서 등을 구비한다.
전기 자동차(110)는 각종 기기 또는 유무선 네트워크와 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신 장치, 각종 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 제어하기 위한 마이크로프로세서 등을 구비하는 다양한 장치이다. 적어도 일 실시예에 따르면, 메모리는 램(Random Access Memory: RAM), 롬(Read Only Memory: ROM), 플래시 메모리, 광 디스크, 자기 디스크, 솔리드 스테이트 디스크(Solid State Disk: SSD) 등의 컴퓨터로 판독 가능한 기록/저장매체일 수 있다. 적어도 일 실시예에 따르면, 마이크로프로세서는 명세서상에 기재된 동작과 기능을 하나 이상 선택적으로 수행하도록 프로그램될 수 있다. 적어도 일 실시예에 따르면, 마이크로프로세서는 전체 또는 부분적으로 특정한 구성의 주문형반도체(Application Specific Integrated Circuit: ASIC) 등의 하드웨어로써 구현될 수 있다.
충전장치(120)는 건물 내에 설치되며, AC 또는 DC를 공급하는 설비를 의미한다. 충전장치(120)는 건물 내의 별도의 건물 관리 장치와 연동할 수 있다. 충전장치(120)는 충전소에 배치되거나, 가정 내에 배치될 수 있으며, 휴대 가능하도록 구현될 수도 있다.
충전장치(120)는 충전을 위해 충전 케이블로 전기 자동차(110)와 연결된다. 전기 자동차(110)는 외부에서 충전용 전력을 공급받아야 하므로, 충전장치(120)는 전력전자를 이용하여 교류를 직류로 변환하여 전기 자동차(110)의 배터리에 직접 전력을 공급한다.
충전장치(120)는 급속충전기(Quick Charger, 또는 Fast Charger)와 공공장소에서 교류전력을 공급하는 역할을 하는 완속 충전스탠드(Charging Stand), 가정 또는 직장 등에서 간단하게 설치하고 교류전력을 공급하는 홈충전기 등을 포함한다.
충전장치(120)가 충전스탠드나 홈 충전기로 구현된 경우, 교류전력을 그대로 공급하기 때문에 전기 자동차(110)에 탑재되는 차량탑재형 충전기(OBC, On-Board Charger)에서 교류를 직류 변환하여 전기 자동차(110)의 배터리에 충전한다.
충전장치(120)는 전기 자동차(110)에 충전 시 가정용 전력설비의 용량과 충전시의 안전 등을 고려하여, 교류전력을 공급하는 경우에도 사용된다. 충전장치(120)가 ‘홈 충전기’로 구현된 경우, ‘단독형 충전기’, ‘공동형 홈 충전기’로 구분된다.
‘단독형 충전기’는 전력 수용가가 직접 관리할 수 있는 전력 공급 장치를 의미한다. 단독형 충전기는 단독주택, 개인 사업장에 적용될 수 있다. 단독형 충전기는 월말 요금 합산으로 요금이 정산된다.
단독형 충전기는 전기차 전용 요금을 사용하며 충전시 안전 확보를 위해 설치된다. 단독형 충전기는 사용 전압으로 AC 220V를 사용한다. 단독형 충전기는 사용 전력으로 7.7kW(2~8 kW, 전용선/전략량계 필요)를 사용하며, 순수 EV 및 PHEV를 충전 대상으로 한다. 단독형 충전기의 충전 시간은 2~8 시간 정도이다.
‘공동형 홈 충전기’는 특정고객이 공동으로 사용하는 EV 전력 공급장치이다. 공동형 홈 충전기는 아파트 및 직장에 적용될 수 있다. 공동형 홈 충전기는 월말 개별정산으로 요금이 정산된다.
공동형 홈 충전기는 전기차 전용 요금을 사용하며 충전시 안전 확보를 위해 설치된다. 공동형 충전기는 사용 전압으로 AC 220V를 사용한다. 공동형 충전기는 사용 전력으로 7.7kW(2~8 kW, 전용선/전략량계 필요)를 사용한다. 공동형 충전기는 순수 EV 및 PHEV를 충전 대상으로 한다. 공동형 충전기의 충전 시간은 2~8 시간 정도이다.
‘충전스탠드’는 불특정고객이 공공장소에 주차중이거나 활용하는 전력 공급 장치이다. 충전스탠드는 공공주차장, 쇼핑몰, 대형 빌딩에 적용될 수 있다. 충전스탠드는 실시간 요금 정산으로 요금이 정산된다.
충전스탠드는 주차 중 충전을 목적으로 설치된다. 충전스탠드는 사용 전압으로 AC 220V를 사용한다. 충전스탠드는 사용 전력으로 7.7kW(2~15 kW, 전용선/전략량계 필요)를 사용한다. 충전스탠드는 순수 EV 또는 PHEV를 충전 대상으로 한다. 충전스탠드의 충전 시간은 2~5 시간 정도이다.
‘급속충전기’는 불특정고객이 긴급충전을 위한 전력공급장치이다. 급속충전기는 충전소, 고속도로 휴게소, 공공기관, 쇼핑몰, 대형 건물에 적용될 수 있다. 급속충전기는 실시간 요금 정산으로 요금이 정산된다.
급속충전기는 충전 후 이동을 목적으로 설치된다. 급속충전기는 사용 전압으로 DC 500V를 사용한다. 급속충전기는 사용 전력으로 50kW(20~100 kW, 전용선/전략량계 필요)를 사용한다. 급속충전기는 순수 EV를 충전 대상으로 한다. 급속충전기의 충전 시간은 30분 이내이다.
충전장치(120)가 DC 충전 시스템으로 구현된 경우, DC 충전 시스템은 대용량 DC Quick Charger가 전기 자동차와 인터페이스 통신을 수행하여 전기 자동차(110)의 배터리에 직접 충전을 한다. DC 충전 시스템에서 차량과 통신하는 통신방식은 CAN 통신을 사용하고 있으며 인터페이스는 CHAdeMO, 단체프로토콜을 이용할 수 있다.
네트워크(130)는 인터넷망, 인트라넷망, 이동통신망, 위성 통신망 등 다양한 유무선 통신 기술을 이용하여 인터넷 프로토콜로 데이터를 송수신할 수 있는 망을 의미한다.
네트워크(130)는 LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network)등의 폐쇄형 네트워크, 인터넷(Internet)과 같은 개방형 네트워크뿐만 아니라, CDMA(Code Division Multiple Access), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), GSM(Global System for Mobile Communications), LTE(Long Term Evolution), EPC(Evolved Packet Core) 등의 네트워크와 향후 구현될 5G, 차세대 네트워크 및 클라우드 컴퓨팅 네트워크를 통칭하는 개념이다.
통합 관제 센터(140)는 하드웨어적으로 통상적인 웹서버(Web Server) 또는 네트워크 서버와 동일한 하드웨어 모듈을 포함한다. 통합 관제 센터(140)는 웹서버 또는 네트워크 서버의 형태로 구현될 수 있다.
통합 관제 센터(140)는 일반적으로 인터넷과 같은 개방형 컴퓨터 네트워크를 경유하여 불특정 다수 클라이언트 또는 다른 서버와 통신한다. 통합 관제 센터(140)는 클라이언트 또는 다른 웹서버의 작업수행 요청에 대응하는 작업 결과를 도출하여 제공하는 컴퓨터 시스템, 컴퓨터 소프트웨어(웹서버 프로그램)를 의미한다.
통합 관제 센터(140)는 전술한 웹서버 프로그램 이외에, 웹서버상에서 동작하는 일련의 응용 프로그램(Application Program) 또는 장치 내부에 구축되어 있는 각종 데이터베이스를 포함하는 넓은 개념으로 이해되어야 할 것이다.
통합 관제 센터(140)는 데이터베이스 관리 프로그램(DBMS)을 이용하여 컴퓨터 시스템의 저장공간(하드디스크 또는 메모리)에 구현된 일반적인 데이터 구조를 관리한다. 통합 관제 센터(140)는 데이터의 검색(추출), 삭제, 편집, 추가 등을 수행할 수 있는 데이터 저장형태를 저장한다.
통합 관제 센터(140)는 네트워크(130)를 경유하여 전기 자동차(110) 및 건물에 설치된 충전장치(120)와 통신한다. 통합 관제 센터(140)는 전기 자동차(110)에 탑재된 CCU(210), BMS(220), 건물 내에 설치되는 충전장치(120)와 데이터 통신을 수행하여 정보 교환하며, 통신하는 다수의 전기 자동차(110)들의 충방전 및 관리 상황을 통합적으로 관리한다.
통합 관제 센터(140)는 전기 자동차 충전정보를 포함한 차량 상태 정보, 건물 식별정보, 사용자 인증 정보를 통합적으로 관리한다. 통합 관제 센터(140)는 전기 자동차 차량 상태 및 충전관련 정보를 수집한다.
도 2는 본 실시예에 따른 범용 충전 시스템(UCS)의 개요를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 전기 자동차(110)는 CCU(Charging Control Unit)(210), BMS(Battery Management System)(220), OBC(On-Board Charger)(230), OBG(On Board Gateway)(240)를 포함한다.
도 2에 도시된 범용 충전 시스템(UCS)은 공용전기시설 기반 인프라를 이용하여 전기 자동차(110)의 충전 제어·계량·정산 기능을 수행하는 범용 시스템을 의미한다. 범용 충전 시스템(UCS)은 IoT 기반 전기 자동차 관리 및 충전 제어가 가능하다. 범용 충전 시스템(UCS)은 전기 자동차(110)의 충전 요금 정산 자동화가 가능하다. 전기 자동차(110)의 충전은 크게 급속 충전과 완속 충전으로 나뉜다.
CCU(210)는 전기 자동차(110)에 탑재되어 완속 충전을 제어하는 장치이다. CCU(210)는 전기 자동차(110)에 구비된 배터리 내에 충전되는 전력을 계량한다.
CCU(210)는 전기 자동차(110)에 구비된 배터리에 충전되는 방식을 완속 충전 또는 중속 충전으로 제어한다. 예컨대, CCU(210)는 완속 충전시 단일 충전(16A)을 수행하며, 중속 듀얼 충전(32A)을 수행한다.
CCU(210)는 OBC(230)의 결합형 모듈로 구현될 수 있다. CCU(210)는 OBC(230)와 인터페이스 표준에 따라 유무선으로 통신할 수 있다.
BMS(220)는 전기 자동차(110)에 구비된 배터리 관리하는 시스템을 배터리 관리 시스템이다. BMS(220)는 배터리 팩의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하여 최적의 상태로 유지 관리한다. BMS(220)는 배터리 교체 시기 예측 및 배터리 문제를 사전에 발견하는 등의 배터리 관리를 수행한다.
BMS(220)는 배터리 셀 전압, 전류 및 온도의 모니터링을 수행한다. BMS(220)는 주행 가능거리 예측을 위한 배터리용량(SOC: State of Charge) 계산과 배터리 교체를 위한 노화수명을 예측(SOH : State of Health estimation)한다. BMS(220)는 배터리 시스템의 안전운영을 위한 경보 및 사전 안전예방 조치(Protection)한다. BMS(220)는 배터리 시스템 진단기능(Diagnosis)을 수행한다.
OBC(230)는 완속 충전 시 외부 교류 전원(AC)를 승압하고 직류전원(DC)로 변환하여 전기 자동차 배터리를 충전시키는 역할을 수행하는 장치이다. OBC(230)는 전기 자동차(110)의 내부에 설치되는 차량 탑재형 배터리 완속 충전기이다.
OBC(230)는 완속 충전 시 220V를 입력으로 받게 되는데 전기 자동차(110)의 배터리는 그보다 고압으로 충전해야 한다. 예컨대, OBC(230)는 외부 200V AC 전력을 배터리에 충전 가능한 DC 전력(6.6 Kw)로 변환한다. OBC(230)의 용량에 따라 완속 충전시의 충전 시간이 달라진다. 급속 충전 시에는 이 역할을 충전기가 수행하기 때문에 OBC(230)가 사용되지 않는다.
OBG(240)는 전기 자동차(110)에 탑재되어 정보를 수집하고 외부로 전송하는 통신 장치이다. 다시 말해, OBG(240)는 서로 다른 통신망, 프로토콜을 사용하는 네트워크 간의 통신을 가능하도록 하는 네트워크 장치를 의미한다.
OBG(240)는 탑재된 전기 자동차(110)의 구동 및 충전 정보를 통합 관제 센터(140)로 전송하는 기능을 수행한다. OBG(240)는 게이트웨이는 서로 다른 네트워크 상의 통신 프로토콜(Protocol)을 적절히 변환해주는 역할을 한다.
다시 말해, OBG(240)는 전기 자동차(110)의 정보를 수집하고 제어한다. OBG(240)는 통합 관제 센터(140) 뿐만 아니라 사용자가 소지한 단말기(스마트폰)의 탑재된 충전 관리 애플리케이션과 연동할 수 있다.
OBG(240)는 장착된 2채널 CAN을 이용하여 전기 자동차(110)의 차량 상태 정보 및 충전 정보를 수집한다. OBG(240)는 CCU(210)와 CAN 통신을 수행하여 CCU(210)로부터 충전과 관련된 전류 전압 전력량 및 전류 허용범위에 대한 값을 수집한다.
OBG(240)는 전기 자동차(110) 내 BMS(220)와 CAN 통신을 수행하여 BMS(220)가 수집하는 정보를 스캔한다. OBG(240)는 배터리 상태값과 에러코드를 수집하여 사용자에게 전기 자동차 배터리의 수명, 충전되어진 전력량, 배터리 온도 정보를 기록한다. OBG(240)는 CCU(210) 및 BMS(220)로부터 수집한 정보를 통합 관제 센터로 전송한다.
PLC 태그(250)는 건물 정보 수집 및 사용자 인증 장치를 의미한다. PLC 태그(250)는 충전장치(120)에 포함되어, 충전장치를 식별하는 정보로서 역할을 수행한다. 충전장치(120)는 PLC 태그(250)를 이용하여 건물 정보를 수집할 수 있다.
충전장치(120)는 PLC 태그(250)를 이용하여 전기 자동차(110)를 인증할 수 있다. 충전장치(120)는 PLC 태그(250)를 이용하여 인증된 전기 자동차(110)의 충전 전력 공급을 제어할 수 있다.
통합 관제 센터(140)는 OBG(240)로부터 복수의 전기 자동차(110)에 대한 정보를 수집하고, 수집된 정보를 기반으로 복수의 전기 자동차(110) 각각을 통합적으로 관리하기 위한 통합 관리 정보를 생성한다.
통합 관제 센터(140)는 통합 관리 정보를 기반으로 건물에 설치된 충전장치(120)를 제어하여 전기 자동차(110)의 충전을 제어한다. 통합 관제 센터(140)는 건물에 설치된 충전장치(120) 또는 건물 관리자 단말기로 건물 내 전기 자동차 충전 현황을 전송한다.
전기 자동차(110)는 도 2에 도시되지 않았지만, OBD(On-Board Diagnosis)를 이용한다. OBD는 전기 자동차(110)의 내부 상태 정보를 외부에서 읽어오기 위한 표준을 의미한다.
다시 말해, 내연기관 차량에는 OBD 표준이 정의되어 있고, 인증 받도록 강제화 되어 있으나, 전기 자동차(110)의 경우는 아직 인증이 강제화되어 있지 않다. 내연기관 OBD에 정의되어 있는 정보들이 내연기관 차량을 기준으로 정의되어 있기 때문에 전기 자동차에서 사용하기에는 적합하지 않다. 따라서 전기 자동차용 OBD가 이용될 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 OBG를 구체적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
본 실시예에 따른 OBG(240)는 HMI(Human Machine Interface) 제어부(310), CPU(320), 통신 제어부(330), 통신 채널 스위치 회로(340)를 포함한다. OBG(240)에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. OBG(240)는 크게 MCU(Micro Controller Unit) 부분, 전기 자동차 내 통신 부분, 통합 관제 센터(140)와 연결하기 위한 무선 통신 부분으로 구분된다.
HMI 제어부(310)는 시스템의 한 요소로서 운영자에게 처리 데이터를 표시해 주고 운영자가 처리 과정을 제어할 수 있도록 하기 위한 모듈이다. HMI 제어부(310)는 디스플레이, 키패드, 부저, LED와 연동하며, 디스플레이, 키패드, 부저, LED의 처리 데이터를 표시하고 처리한다. 키패드 및 디스플레이에는 사용자 조작 편의성을 위한 유저 인터페이스가 적용된다.
HMI 제어부(310)는 디스플레이, 키패드, 부저, LED와 관련된 데이터를 CPU(320)로 전송하고, CPU(320)로부터 수신된 제어 명령에 따라 디스플레이, 키패드, 부저, LED를 제어한다.
CPU(320)는 OBG(240)의 전반적인 기능을 제어하는 제어 수단이다. CPU(320)는 OBG(240)의 구성 요소를 제어하는 마이크로프로세서를 의미한다. CPU(320)는 저 전력 고성능 ARM 기반 코어 프로세서 적용하여 처리 속도를 향상한다. CPU(320)는 전원부 및 메모리카드 슬롯과 연동한다.
CPU(320)는 전원부로부터 전원을 공급받는다. 전원부는 OBD 단자의 배터리단과 연결된다. 메모리카드 슬롯은 삽입된 메모리 카드를 인식하여 메모리 카드에 저장된 데이터를 CPU(320)가 읽어들일 수 있도록 한다. 메모리카드 슬롯에는 OBG(240)의 구동에 필요한 각종 데이터를 저장하는 메모리가 삽입된다.
CPU(320)는 메인 배터리 방전 대비하여 충전 중이 아니거나 운행하지 않을 조건에서는 메인 배터리 슬립모드를 지원한다. CPU(320)는 통합 관제 센터(140)로부터 수신된 충전량 제어 신호에 따라 BMS(220)를 제어하여 전기 자동차(110)에 구비된 배터리 팩에 충전되는 전기량이 조절되도록 한다. CPU(320)는 전기 자동차(110)가 시동 오프 상태이며, 운전이 수행되지 않는 상태에서만 슬립 모드로 전환한다.
CPU(320)는 기 설정된 시간동안 HMI 제어부(310)로부터 사용자 입력 신호가 미감지되는 경우, 슬립 모드로 전환하여 통신 채널 스위치 회로(340), 통신 제어부(330), 디스플레이, 키패드, 부저, LED 중 적어도 하나 이상의 모듈에 공급되는 전력을 저전력을 전환한다.
CPU(320)는 슬립 모드로 동작하는 상태에서 HMI 제어부(310)로부터 사용자 입력 신호를 감지하는 경우, 동작 모드로 전환하여, 통신 채널 스위치 회로(340), 통신 제어부(330), 디스플레이, 키패드, 부저, LED 중 적어도 하나 이상의 모듈에 공급되는 전력을 일반 전력으로 전환한다.
통신 제어부(330)는 네트워크(130)를 경유하여 통합 관제 센터(140)와 연동하거나 근거리 통신을 이용하여 사용자가 구비한 단말기(스마트폰)와 연동하는 기능을 수행하는 통신 수단으로서, 각종 데이터를 송수신하는 기능을 수행한다.
통신 제어부(330)는 무선통신 모듈과 근거리통신 모듈과 연동한다. 통신 제어부(330)는 RS232 통신으로 무선통신 모듈과 근거리통신 모듈과 데이터를 송수신한다.
통신 제어부(330)는 무선통신 모듈을 이용하여 통합 관제 센터(140)와 연동한다. 무선통신 모듈은 통합 관제 센터(140)와 연결하기 위한 광대역 무선통신 방식을 적용함으로 빠른 응답 시간을 갖는다. 통신 제어부(330)는 근거리통신 모듈(예컨대, 블루투스(Bluetooth))를 이용하여 사용자가 구비한 단말기(스마트폰)과 연동한다.
통신 제어부(330)는 BMS(220)로부터 배터리 셀 전압, 전류 및 온도의 모니터링 정보, 주행 가능거리 예측을 위한 배터리용량(SOC) 계산 정보, 배터리 교체를 위한 노화수명을 예측(SOH) 정보, 배터리 시스템의 안전운영을 위한 경보, 사전 안전예방 조치 정보, 배터리 시스템 진단기능 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 포함하는 상기 배터리 관리 정보를 수집한다.
통신 제어부(330)는 CCU(210)로부터 전기 자동차(110)에 구비된 배터리 팩 내에 충전되는 전력을 계량한 정보, 전기 자동차(110)에 구비된 배터리 팩에 충전되는 방식에 대한 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 포함하는 충전 정보를 수집한다.
통신 채널 스위치 회로(340)는 전기 자동차(110)의 CCU(210) 및 BMS(220)와 연동하여 전기 자동차(110)의 정보를 수집하는 모듈이다. 통신 채널 스위치 회로(340)는 CAN 통신으로 CCU(210) 및 BMS(220)와 데이터를 송수신한다. 통신 채널 스위치 회로(340)는 OBD 단자와 CAN 통신을 수행한다.
통신 채널 스위치 회로(340)는 전기 자동차(110) 내의 통신으로 듀얼로 구성된 CAN 버전 2,0B 지원한다. 통신 채널 스위치 회로(340)는 장비의 안정성 및 신뢰성 확보를 위해 타 장비와 CAN으로 연결되는 부분은 분리되도록 설계된다.
도 4는 본 실시예에 따른 전기 자동차 정보 수집 인터페이스를 나타낸 개념도이다.
전기 자동차(110)는 CCU(210), BMS(220), OBC(230)를 탑재한다. BMS(220)는 전기 자동차(110)에 구비된 배터리 관리하는 시스템을 배터리 관리 시스템이다. BMS(220)는 배터리 팩의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하여 최적의 상태로 유지 관리한다. BMS(220)는 배터리 교체 시기 예측 및 배터리 문제를 사전에 발견하는 등의 배터리 관리를 수행한다.
전기 자동차(110) 내에 탑재된 OBG(240)는 전기 자동차(110) 내에 탑재된 CCU(210)와 CAN 통신을 수행하여 CCU 정보를 수집한다. 전기 자동차(110) 내에 탑재된 OBG(240)는 CCU(210)로부터 충전 상태 모니터링 정보, 충전 전력량 정보, 수집 충전 관리 정보를 포함하는 CCU 정보를 수집하여 통합 관제 센터(140) 또는 사용자가 소지한 단말기(스마트폰)으로 전송한다.
전기 자동차(110) 내에 탑재된 OBG(240)는 BMS(220)와 CAN 통신을 수행하여 배터리 관리 정보를 수집한다. 전기 자동차(110) 내에 탑재된 OBG(240)는 BMS(220)로부터 배터리 관리 정보를 수집하여 통합 관제 센터(140) 또는 사용자가 소지한 단말기(스마트폰)으로 전송한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전기 자동차(110) 내에 탑재된 OBG(240)는 통신 제어부(330)는 네트워크(130)를 경유하여 통합 관제 센터(140)와 연동하거나 근거리 통신을 이용하여 사용자가 구비한 단말기(스마트폰)와 연동한다.
전기 자동차(110) 내에 탑재된 OBG(240)는 구비된 무선통신 모듈을 이용하여 통합 관제 센터(140)와 연동한다. 전기 자동차(110) 내에 탑재된 OBG(240)는 구비된 근거리통신 모듈(예컨대, 블루투스(Bluetooth))를 이용하여 사용자가 구비한 단말기(스마트폰)과 연동한다. 전기 자동차(110) 내에 탑재된 OBG(240)는 전기 자동차 내의 수집된 정보를 통합 관제 센터(140) 또는 사용자가 소지한 단말기로 전송한다.
도 5는 본 실시예에 따른 OBG의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
OBG(240)는 전기 자동차(110) 내에 탑재되며, CAN 통신으로 전기 자동차(110) 내에 탑재된 BMS(220) 및 CCU(210)로부터 정보를 수집하여 통합 관제 센터(140) 또는 사용자가 소지한 단말기(스마트폰)으로 전송한다.
OBG(240)는 CAN 통신으로 BMS(220)로부터 배터리 셀 전압, 전류 및 온도의 모니터링 정보를 수집한다. OBG(240)는 BMS(220)로부터 주행 가능거리 예측을 위한 배터리용량(SOC) 계산 정보, 배터리 교체를 위한 노화수명을 예측(SOH) 정보를 수집한다. OBG(240)는 BMS(220)로부터 배터리 시스템의 안전운영을 위한 경보 및 사전 안전예방 조치(Protection) 정보를 수집한다. OBG(240)는 BMS(220)로부터 배터리 시스템 진단기능 정보를 수집한다.
OBG(240)는 전기 자동차(110) 내에 탑재되며, CAN 통신으로 CCU(210)로부터 전기 자동차(110)에 구비된 배터리 내에 충전되는 전력을 계량한 정보를 수집한다. OBG(240)는 CCU(210)로부터 전기 자동차(110)에 구비된 배터리에 충전되는 방식(예컨대, 완속 충전 또는 중속 충전)에 대한 정보를 수집한다.
OBG(240)는 통합 관제 센터(140)와의 통신을 위한 외부 통신 인터페이스를 이용한다. OBG(240)는 무선통신모듈로 광대역 무선모뎀(WCDMA 또는 LTE)이 적용된다. OBG(240)는 광대역 무선모뎀(WCDMA 또는 LTE)을 이용하여 통합 관제 센터(140)와 통신한다.
OBG(240)는 충전에 필요한 충전소 위치 식별, 사용자 인증서를 수집하여 통합 관제 센터(140)로 전송한다. OBG(240)는 TCP/IP 기반의 MQTT(Message Queue Telemetry Transport) 아키텍쳐 기반 통신 프로토콜을 이용한다. OBG(240)는 MQTT 적용으로 적은 CPU 리소스만 사용함으로써 저전력을 구현한다. OBG(240)는 기본적으로 약 240,000개의 MQTT 클라이언트를 동시에 연결 가능하다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 전기 자동차 120: 충전장치
130: 네트워크 140: 통합 관제 센터
210: CCU 220: BMS
230: OBC 240: OBG
250: PLC 태그 310: HMI 제어부
320: CPU 330: 통신 제어부
340: 통신채널 스위치 회로

Claims (14)

  1. 전기 자동차 내에 구비된 CCU(Charging Control Unit)와 제 1 CAN 통신 채널을 형성하고, 전기 자동차 내에 구비된 BMS(Battery Manager System)와 제 2 CAN 통신 채널을 형성하는 통신 채널 스위치 회로;
    상기 제1 CAN 통신 채널을 이용하여 상기 CCU로부터 충전 정보를 수집하며, 상기 제2 CAN 통신 채널을 이용하여 상기 BMS로부터 배터리 관리 정보를 수집하는 통신 제어부; 및
    상기 충전 정보와 상기 배터리 관리 정보를 무선 통신을 이용하여 통합 관제 센터로 전송하는 무선 통신 모듈
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 정보와 상기 배터리 관리 정보를 근거리 통신을 이용하여 사용자 단말기로 전송하는 근거리 통신 모듈
    을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    디스플레이, 키패드, 부저, LED 중 적어도 하나 이상의 외부 장치와 연동하며, 상기 외부 장치의 처리 데이터를 표시하고 처리하며, 상기 외부 장치와 관련된 데이터를 전송하는 HMI(Human Machine Interface) 제어부
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 통신 채널 스위치 회로, 상기 통신 제어부의 전반적인 기능을 제어하는 제어 수단으로서 동작하며, 메인 배터리 방전 대비하여 충전 중이 아니거나 운행하지 않을 조건에서는 메인 배터리 슬립모드를 지원하는 제어부
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 통합 관제 센터로부터 수신된 충전량 제어 신호에 따라 상기 BMS를 제어하여 상기 전기 자동차에 구비된 배터리 팩에 충전되는 전기량이 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기 설정된 시간동안 상기 HMI 제어부로부터 사용자 입력 신호가 미감지되는 경우, 상기 슬립 모드로 전환하여 상기 통신 채널 스위치 회로, 상기 통신 제어부, 상기 디스플레이, 상기 키패드, 상기 부저, 상기 LED 중 적어도 하나 이상의 모듈에 공급되는 전력을 저전력을 전환하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 슬립 모드로 동작하는 상태에서 상기 HMI 제어부로부터 사용자 입력 신호를 감지하는 경우, 동작 모드로 전환하여, 상기 통신 채널 스위치 회로, 상기 통신 제어부, 상기 디스플레이, 상기 키패드, 상기 부저, 상기 LED 중 적어도 하나 이상의 모듈에 공급되는 전력을 일반 전력으로 전환하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전기 자동차가 시동 오프 상태이며, 운전이 수행되지 않는 상태에서만 상기 슬립 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부와 연결되어 OBD(On-Board Diagnosis) 단자의 배터리단으로부터 공급받은 전원을 공급하는 전원부; 및
    삽입된 메모리 카드를 인식하여 메모리 카드에 저장된 구동에 필요한 각종 데이터를 읽어서 상기 제어부로 전달하는 메모리카드 슬롯
    을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 통신 제어부는,
    상기 BMS로부터 배터리 셀 전압, 전류 및 온도의 모니터링 정보, 주행 가능거리 예측을 위한 배터리용량(SOC: State of Charge) 계산 정보, 배터리 교체를 위한 노화수명을 예측(SOH : State of Health estimation) 정보, 배터리 시스템의 안전운영을 위한 경보, 사전 안전예방 조치(Protection) 정보, 배터리 시스템 진단기능 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 포함하는 상기 배터리 관리 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 통신 제어부는,
    상기 CCU로부터 상기 전기 자동차에 구비된 배터리 내에 충전되는 전력을 계량한 정보, 상기 전기 자동차에 구비된 배터리에 충전되는 방식에 대한 정보 중 적어도 하나 이상의 정보를 포함하는 상기 충전 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 통신 제어부는 RS232 통신으로 상기 무선통신 모듈과 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 통신 제어부는 RS232 통신으로 상기 근거리통신 모듈과 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 통신 채널 스위치 회로는 OBD 단자와 CAN 통신으로 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차 충방전 제어장치.
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