KR20190040634A - 에너지 저장 시스템을 이용한 전기 자동차 충전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 자동차용 충전기에 관한 것으로, 본 발명의 전기 자동차용 충전기는,
전력공급원으로부터 교류전력을 공급받아 직류로 변환하여 에너지 저장부로 전달하고, 상기 에너지 저장부로부터 공급받은 직류 전력을 교류로 변환하여 전기 자동차에 전달하는 교류/직류 변환기;
상기 교류/직류 변환기로부터 변환된 직류 전력을 공급받아 저장해두고 저장해 둔 직류 전력을 상기 교류/직류 변환기에 전달하는 에너지 저장부; 및
상기 에너지 저장부에 저장된 전력량에 따라 상기 교류/직류 변환기로 전달되는 전력량을 조절하고, 상기 교류/직류 변환기에서 전기 자동차로 전달되는 전력량과 상기 전력공급원에서 전기 자동차로 전달되는 전력량의 합에 따라 전기 자동차로 전달되는 제어신호의 듀티 사이클을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 저장 시스템을 이용한 전기 자동차 충전기{ELECTRIC VEHICLE CHARGER USING ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 전기 자동차 충전 시스템에 관하며, 더욱 상세하게는 에너지 저장 시스템을 이용하는 전기 자동차 충전기에 관한 것이다.
전기 자동차(Electric Vehicle)를 충전하기 위해서는 전력이 필요하다. 현재 전기 자동차를 충전하는 방식으로는 220V의 가정용 단상 전력을 이용하는 교류(AC) 완속 충전 방식과, 가정용 전력이 아닌 380V의 별도 삼상 전력을 공급받아 충전하는 AC 3상 충전 방식, 직류(DC)로 변환하여 충전하는 콤보방식 또는 차데모 방식의 급속 충전 방식이 있다.
급속 충전 방식은 15~30분의 비교적 짧은 시간에 전기 자동차를 충전할 수 있는 장점이 있지만 충전기 설치비용이나 전력공급의 문제 때문에 개인용으로 가정에 설치하기는 어려운 문제가 있다. 따라서 급속 충전기는 주로 공공기관 건물이나 대형마트 등의 공공장소에 주로 설치가 이루어지고 일반 가정에서는 가정용 단상 전력을 이용하는 완속 충전기를 사용하는 것이 현실이다.
하지만 이러한 완속 충전기의 설치도 만만치는 않다. 개인이 설치하기에는 충전기 가격이 고가이고 설치 공사비도 비쌀 뿐 아니라 가정용 전기는 그 품질이 전기 자동차를 충전하기에 좋은 편은 아니어서 안정화를 위해 절연 변압기 등 추가 장비가 필요하기 때문이다.
어렵게 충전기를 설치한 후에도 전력요금이라는 또 다른 문제가 남아있다. 전력요금은 시간당 충전 용량에 따라 기본 요금이 달라지고, 전력이 사용되는 시간대에 따라 사용 요금도 달라진다. 시간당 충전 용량을 낮추고 사용 요금이 저렴한 시간에 충전을 한다면 전력요금을 절약할 수 있으나, 시간당 충전 용량을 낮추면 충전 시간이 길어지고, 충전을 하는 시간대는 마음대로 선택하기 힘들다.
본 발명의 발명자들은 이러한 여러 가지 문제점들을 개선하기 위해 연구를 지속해 왔고, 많은 노력 끝에 종래 기술에서 전력선에 의해 공급되는 전력에만 의존하여 전기 자동차를 충전하던 방식에서 벗어나 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)을 이용하여 보다 안정적으로 전기 자동차를 충전할 수 있는 시스템을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 에너지 저장 시스템을 이용하여 보다 안정적으로 전기 자동차 충전 전력을 공급할 수 있는 전기 자동차용 충전기를 구현함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 에너지 저장 시스템을 이용함으로써 충전시간의 제약 없이 저렴한 전력요금으로 전기 자동차를 충전할 수 있도록 하는 것에 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명은 전기 자동차 충전기로서:
전력공급원으로부터 교류전력을 공급받아 직류로 변환하여 에너지 저장부로 전달하고, 상기 에너지 저장부로부터 공급받은 직류 전력을 교류로 변환하여 전기 자동차에 전달하는 교류/직류 변환기;
상기 교류/직류 변환기로부터 변환된 직류 전력을 공급받아 저장해두고 저장해 둔 직류 전력을 상기 교류/직류 변환기에 전달하는 에너지 저장부; 및
상기 에너지 저장부에 저장된 전력량에 따라 상기 교류/직류 변환기로 전달되는 전력량을 조절하고, 상기 교류/직류 변환기에서 전기 자동차로 전달되는 전력량과 상기 전력공급원에서 전기 자동차로 전달되는 전력량의 합에 따라 전기 자동차로 전달되는 제어신호의 듀티 사이클을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전기 자동차 충전기는:
전력공급원으로부터 교류 전력을 공급받아 직류로 변환하여 전기 자동차 또는 에너지 저장부에 전달하는 교류/직류 변환기;
상기 교류/직류 변환기로부터 변환된 직류 전력을 공급받아 저장해두고 저장해 둔 직류 전력을 전기 자동차에 전달하는 에너지 저장부; 및
상기 에너지 저장부에 저장된 전력량에 따라 전기 자동차로 전달되는 전력량을 조절하고, 상기 에너지 저장부에서 전기 자동차로 전달되는 전력량과 상기 교류/직류 변환기에서 전기 자동차로 전달되는 전력량의 합에 해당하는 전력량 정보를 전기 자동차로 전달되는 제어신호에 포함시켜 전달하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차 충전기 제어방법은:
전력공급원으로부터 공급받은 교류 전력을 직류로 변환하여 에너지 저장 장치에 저장해두고, 전력 공급 모드가 부스트모드인지 판단하여, 부스트모드이면 상기 에너지 저장 장치에 저장된 전력과 전력공급원으로부터 공급받은 전력을 합하여 전기 자동차에 전달하고, 부스트모드가 아니면 상기 에너지 저장 장치에 저장된 전력만 전기 자동차에 전달하고,
상기 전기 자동차에 전달되는 전력량에 대한 정보를 상기 전기 자동차로 전달되는 제어신호에 포함시켜 전달하는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 본 발명의 과제해결수단에 의해서 본 발명은 에너지 저장 시스템을 이용하여 안정적으로 전기 자동차에 충전용 전력을 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한, 에너지 저장 시스템에 전력을 저장해 두고 필요한 시간에 전기 자동차 충전을 위해 사용할 수 있으므로 전력요금을 절약할 수 있는 효과도 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 교류 전력을 공급하는 전기 자동차용 충전기의 구성 예를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 직류 전력을 공급하는 전기 자동차용 충전기의 구성 예를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자동차 충전기의 제어방법의 흐름도를 나타낸다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전기 자동차용 충전기의 구성 예를 나타낸다.
도 1의 전기 자동차 충전기(100)는 교류 형태의 전력을 전기 자동차에 전달하는 충전기로, 전기교류/직류 변환기(110), 에너지 저장부(120) 및 제어부(130)를 포함하여 구성된다.
교류/직류 변환기(110)는 전력공급원으로부터 공급받는 교류 전력을 직류로 변환하여 에너지 저장부(120)에 저장하거나 에너지 저장부(120)에 저장된 직류 전력을 다시 교류로 전환한다.
교류 단상 방식의 충전기나 교류 3상 방식의 충전기는 교류의 형태로 전력을 전기 자동차에 충전을 위해 공급하기 때문에, 교류를 직류로 변환하여 에너지 저장부(120)에 저장하고 저장된 직류를 다시 교류로 변환하여 전기 자동차에 공급하기 위해 교류/직류 변환기(110)가 필요하다.
에너지 저장부(120)는 전기 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)으로 구성된다. 에너지 저장은 저장 방식에 따라 물리적 에너지 저장과 화학적 에너지 저장이 있다. 이 중 전기 자동차에 사용되는 에너지 저장 시스템은 리튬이온배터리, 납축전지, NaS(나트륨 황) 전지 등을 사용하는 화학적 에너지 저장 시스템이다. 배터리 형식의 에너지 저장 시스템을 BESS(Battery Energy Storage System) 이라고 하며, 흔히 에너지 저장 시스템이라고 하면 BESS를 말한다. 본 발명의 에너지 저장 시스템으로는 바람직하게는 전기 자동차에서 사용되다가 교체 후 남게 되는 리튬이온 배터리를 재활용 할 수 있다.
제어부(130)는 하나 이상의 프로세서와 메모리를 포함하여 구성될 수 있으며, 교류/직류 변환기(110)와 에너지 저장부(120)를 제어하여 전기 자동차에 공급되는 전력을 조절한다.
제어부(130)는 교류/직류 변환기를 제어하여 전력공급원으로부터 공급받은 교류 단상 또는 3상 전력을 직류로 변환하여 에너지 저장부(120)에 저장한다. 이 때 미리 설정해 놓은 일정한 시간에만 전력을 에너지 저장부(120)에 저장하도록 제어할 수 있다. 전기 요금은 시간에 따라 달라지므로 전기 요금이 저렴한, 이를테면 사용자가 심야 시간대를 선택해 두면 값 싼 전기를 에너지 저장부(120)에 저장할 수 있는 것이다.
이렇게 저장해 둔 전력은 전기 자동차를 충전하는데 사용한다. 에너지 저장부(120)의 저장 용량에 따라 전기 자동차에 충전용 전력을 공급할 때 에너지 저장부(120)를 단독으로 사용할 수 있고, 외부의 전력공급원의 전력에 더하여 사용하는, 즉, 부스트모드로 사용할 수도 있다.
현재 전기 자동차용 전력은 시간당 전력(kWh)에 따라 기본요금이 정해지는데, 본 발명에 따른 전기 자동차 충전기(100)를 사용하면 전력공급원에서 공급받는 전력을 줄일 수 있으므로 기본요금을 더 절약할 수 있는 것이다. 예컨대, 통상 7kWh의 전력을 사용하는 완속 충전인 경우 에너지 저장부(120)에서 4kWh의 전력을 공급받을 수 있다면 외부의 전력공급원에서는 3kWh의 전력만 공급받으면 되므로 기본요금을 반 이상 절약할 수 있는 효과가 있는 것이다.
제어부(130)는 전기 자동차 충전을 위해 부스트모드 또는 단독모드로 전기 자동차에 전력을 공급한다.
부스트모드는 에너지 저장부(120)를 외부의 전력공급원으로부터 공급받는 전력을 보조하기 위해 사용하는 모드이다. 제어부(130)는 에너지 저장부(120)의 용량과 충전상황에 따라 에너지 저장부(120)의 전력과 전력공급원으로부터의 전력의 비율을 조절하여 공급한다.
단독모드는 에너지 저장부(120)에 저장된 전력만 사용하여 전기 자동차에 충전용 전력을 공급한다. 제어부(130)는 저장된 전력의 용량에 따라 전기 자동차의 충전 속도를 조절한다.
제어부(130)는 또한 전기 자동차와 통신을 하며 충전에 필요한 정보를 전달한다. 이를 위해 전기 자동차 충전기(100)는 통신부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 전기 자동차와의 통신을 위해 CP(Control Pilot), PLC(Power Line Communication), CAN(Control Area Network) 등의 다양한 방식이 사용된다.
제어부(130)가 전기 자동차에 전달해야 하는 정보는 실제 전기 자동차에 전달되는 전력의 양에 관한 정보이다. 예를 들면, CP 신호를 사용하는 경우 PWM(Pulse Width Modulation)의 듀티 사이클(duty cycle)을 사용하여 전달되는 전력의 양을 전기 자동차에 알릴 수 있다. 다음 표 1은 부스트모드일 때 에너지 저장부(120)의 저장 전력량에 따라 CP 신호의 듀티 사이클을 조절하여 전달되는 전력량 정보를 전달하는 예를 나타낸다.
Figure pat00001
에너지 저장부(120)에서 4kWh의 전력을 공급하고 외부의 전력공급원에서 3kWh의 전력을 공급하여 7kWh의 전력이 전기 자동차에 공급된다면 제어부(130)는 듀티 사이클을 53%로 설정하여 CP 신호를 전송하고, 에너지 저장부(120)에서 공급할 수 있는 전력이 3kWh 이하여서 전력공급원의 전력과 합해도 7kWh가 되지 않는다면 그에 따라 듀티 사이클을 조절하여 전기 자동차에 전달하는 것이다.
다음 표 2는 에너지 저장부(120)의 전력만으로 전기 자동차에 전력을 전달하는 단독모드에서의 듀티 사이클 조절의 예를 나타낸다.
Figure pat00002
에너지 저장부(120)에서 단독으로 4kWh의 전력을 전기 자동차에 공급하면 듀티 사이클은 30%로 조절되어 CP 신호가 전기 자동차로 전달된다.
전기 자동차는 CP 신호의 PWM 듀티 사이클만으로 자신에게 할당된 전력을 파악하고, 해당되는 전력을 끌어다 배터리에 충전하기 때문에, 충전기에서 정확한 PWM 듀티 사이클을 알려주지 않으면 의도하지 않은 상황이 발생할 수 있다. 예를 들면, 사용자가 에너지 저장부(120)의 전력만으로 전력을 공급하는 단독모드로 충전기를 설정했는데 PWM의 듀티 사이클을 적절히 바꾸어 주지 않아 부스트모드인 7kWh일때로 설정되어 있다면 전기 자동차는 7kWh의 전력을 끌어다 충전하므로 3kWh의 전력을 초과로 충전기에서 공급받아 의도치 않은 전기 요금이 발생하게 되는 것이다. 또는 전력 공급원에서 초과 전력 공급이 발생하는 것을 누전으로 판단하여 신호 차단기(Circuit Breaker)가 작동하면 전력 공급이 차단되어 충전이 되지 않는 상황이 발생할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전기 자동차용 충전기의 구성 예를 나타낸다.
도 2의 전기 자동차 충전기(200)는 직류 형태의 전력을 전기 자동차에 전달하는 충전기로, 전기교류/직류 변환기(210), 에너지 저장부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성된다.
교류/직류 변환기(210)는 전력공급원으로부터 공급받는 교류 전력을 직류로 변환하여 에너지 저장부(120)에 저장하거나 전기 자동차에 전달한다.
에너지 저장부(220)는 에너지 저장 시스템(ESS)으로 구성되고, 전기 자동차에서 사용되다가 교체 후 남게 되는 리튬이온 배터리를 재활용하여 사용할 수 있음은 도 1의 에너지 저장부(120)와 다르지 않다. 다만, 에너지 저장부(220)에 저장된 전력은 교류/직류 변환기를 거치지 않고 바로 전기 자동차에 직류로 전달되는 점이 교류 충전기와는 다르다.
제어부(230)는 하나 이상의 프로세서와 메모리를 포함하여 구성될 수 있으며, 교류/직류 변환기(210)와 에너지 저장부(220)를 제어하여 전기 자동차에 공급되는 전력을 조절한다.
제어부(230)는 교류/직류 변환기(210)를 제어하여 전력공급원으로부터 공급받은 교류 단상 또는 3상 전력을 직류로 변환하여 에너지 저장부(220)에 저장한다. 이 때 제어부(230)는 사용자 설정에 따라 미리 설정해 놓은 일정한 시간에만 전력을 에너지 저장부(220)에 저장할 수도 있다. 심야시간 등의 전력 요금이 저렴한 시간을 이용하여 충전에 필요한 전기 요금을 절약하기 위함이다.
에너지 저장부(220)에 저장된 전력은 전술한 바와 같이 에너지 저장부(220)의 저장 용량에 따라 단독모드 또는 부스트모드로 사용된다.
제어부(230)는 에너지 저장부(220)를 제어하여 부스트모드 또는 단독모드로 전기 자동차에 전력을 공급한다. 부스트모드와 단독모드의 전력 공급방식은 앞서 설명한 바와 같다.
제어부(230)는 전기 자동차와 통신을 하며 충전에 필요한 정보를 전달하는데, CAN 통신을 사용하여 이러한 정보를 전달할 수 있다. CAN 통신을 사용하는 경우 전기 자동차에 충전 가능한 정확한 전력량을 전달할 수 있고, 전기 자동차는 이에 따라 할당된 전력만을 충전에 이용할 수 있다. 정확한 전력 정보에 따라 충전을 진행함으로써 전력 공급원으로부터 초과전력을 끌어 쓰거나 신호 차단기가 작동하여 전력 공급이 차단되는 문제를 막을 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 어느 실시예에 따른 전기 자동차 충전기의 제어방법의 흐름도이다.
전기 자동차 충전기는 전력공급원으로부터 공급받은 전력을 직류로 전환하여 에너지 저장 장치에 저장한다(S310).
저장된 전력을 부스트모드로 공급할 지 단독모드로 공급할 지 판단하여(S320), 부스트모드일 때는 에너지 저장 장치에 저장된 전력을 외부 전력공급원의 전력과 함께 전기 자동차로 전달하고(S330), 단독모드일 때는 에너지 저장 장치에 저장된 전력만 단독으로 전기 자동차로 전달한다(S332).
충전을 위한 전력이 전달될 때 공급되는 전력량을 정확히 전달해야 한다(S340). 전력량을 전달하는 방법은 다양한 차량통신 방법을 통해 가능한데, 앞서 자세히 설명한 바와 같이 CP 신호를 이용하는 경우 PWM 신호의 듀티 사이클 조절을 통해, CAN 통신을 사용하는 경우 CAN 프레임의 데이터를 통해 전기 자동차가 사용할 수 있는 전력량에 대한 정보를 전달할 수 있다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차 충전기의 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독가능매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독가능매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체, 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급언어코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (3)

  1. 전력공급원으로부터 교류전력을 공급받아 직류로 변환하여 에너지 저장부로 전달하고, 상기 에너지 저장부로부터 공급받은 직류 전력을 교류로 변환하여 전기 자동차에 전달하는 교류/직류 변환기;
    상기 교류/직류 변환기로부터 변환된 직류 전력을 공급받아 저장해두고 저장해 둔 직류 전력을 상기 교류/직류 변환기에 전달하는 에너지 저장부; 및
    상기 에너지 저장부에 저장된 전력량에 따라 상기 교류/직류 변환기로 전달되는 전력량을 조절하고, 상기 교류/직류 변환기에서 전기 자동차로 전달되는 전력량과 상기 전력공급원에서 전기 자동차로 전달되는 전력량의 합에 따라 전기 자동차로 전달되는 제어신호의 듀티 사이클을 조절하는 제어부를 포함하는 전기 자동차 충전기.
  2. 전력공급원으로부터 교류 전력을 공급받아 직류로 변환하여 전기 자동차 또는 에너지 저장부에 전달하는 교류/직류 변환기;
    상기 교류/직류 변환기로부터 변환된 직류 전력을 공급받아 저장해두고 저장해 둔 직류 전력을 전기 자동차에 전달하는 에너지 저장부; 및
    상기 에너지 저장부에 저장된 전력량에 따라 전기 자동차로 전달되는 전력량을 조절하고, 상기 에너지 저장부에서 전기 자동차로 전달되는 전력량과 상기 교류/직류 변환기에서 전기 자동차로 전달되는 전력량의 합에 해당하는 전력량 정보를 전기 자동차로 전달되는 제어신호에 포함시켜 전달하는 제어부를 포함하는 전기 자동차 충전기.
  3. 하나이상의 프로세서를 포함하는 전기 자동차 충전기의 제어방법에 있어서:
    전력공급원으로부터 공급받은 교류 전력을 직류로 변환하여 에너지 저장 장치에 저장해두고, 전력 공급 모드가 부스트모드인지 판단하여, 부스트모드이면 상기 에너지 저장 장치에 저장된 전력과 전력공급원으로부터 공급받은 전력을 합하여 전기 자동차에 전달하고, 부스트모드가 아니면 상기 에너지 저장 장치에 저장된 전력만 전기 자동차에 전달하고,
    상기 전기 자동차에 전달되는 전력량에 대한 정보를 상기 전기 자동차로 전달되는 제어신호에 포함시켜 전달하는 전기 자동차 충전기의 제어방법.
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