KR20210065635A - 배터리뱅크 기반의 전기자동차 급속충전 시스템 - Google Patents

배터리뱅크 기반의 전기자동차 급속충전 시스템 Download PDF

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Abstract

배터리뱅크 기반의 전기자동차 급속충전 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차 급속충전 시스템은 복수의 배터리들을 포함하는 배터리뱅크, 배전전력망으로부터 완속충전 방식으로 전기에너지를 송전받아서 배터리뱅크의 개별 배터리에 순차적으로 또는 병렬적으로 충전하는 전력제어시스템, 및 배터리뱅크에 저장된 전기에너지를 공급받아서 여러 대의 전기자동차를 동시에 급속충전할 수 있는 집단형 급속충전장치를 포함한다. 본 발명에 의하면, 여러 대의 전기자동차를 동시에 급속충전함에 따라 대용량의 전력소비가 발생하는 경우에도 배전전력망에 충격이 가해지지 않는다.

Description

배터리뱅크 기반의 전기자동차 급속충전 시스템{BATTERY BANK-BASED ELECTRIC VEHICLE RAPID CHARGING SYSTEM}
본 발명은 전기자동차 충전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 송전받은 전기에너지로 전기자동차를 충전할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 내연기관 자동차는 주행을 위한 연료로서 석유 기반의 기름을 사용한다. 임의의 도심 및 도로 인근 주변에는 내연기관 자동차에 그러한 연료를 공급해주기 위하여 여러 주유소들이 위치하고 있다.
그러나, 최근에는 대기환경 보호에 대하여 형성된 국제적 공감대를 바탕으로 자동차 배기가스와 관련된 환경규제가 강화됨에 따라, 기존의 내연기관 자동차 제조사에게 전기자동차의 개발 및 적극적인 생산이 유도되고 있다. 그래서, 전기자동차의 보급이 증가하여 확대되고 있다. 그러나, 전기자동차의 연료를 공급해주는 전기 충전소는 상당히 부족한 실정이다.
또한, 내연기관 자동차를 위한 주유소들은 임의의 도심 및 도로 인근 주변에 여러 대(집단)의 주유장치(주유기)를 구비한 상태로 많이 배치되어 있지만, 전기자동차 충전소는 오히려 임의의 도심 및 도로에서 멀리 떨어진 다소 외진 곳에 한 대의 충전기만 구비한 상태로 배치되어 있는 것이 일반적이다. 그러한 이유를 살펴보면 다음과 같다.
전기자동차 충전소에서, 여러 대(집단)의 주유장치(주유기)로 여러 대의 내연기관 자동차들 각각에 동시적으로 연료를 주입하는 주유소처럼 여러 대의 전기자동차들 각각에 동시적으로 연료(전기)를 주입(충전)하기 위해서는, 급속충전장치가 여러 대(집단)로 구비된 급속충전시스템이 요구된다.
그런데, 급속충전장치 1대당의 전력용량은 50~60kW 이상이다. 그래서, 임의의 도심 및 도로 인근 주변에 기설된 배전전력망에 급속충전장치가 여러 대(집단)로 구비된 급속충전시스템이 변압기를 통해 바로 연결되어 있을 경우, 짧은 시간에 여러 대의 전기자동차들에 연료(전기)를 주입(충전)하기 위해 동시적으로 연료(전기)를 주입(충전)할 때에는 전기자동차의 차량 수의 곱으로 대전류가 요구되어 배전전력망에 상당한 전기적 충격을 줄 수 있다.
왜냐하면, 일반적으로 배전전력망의 수변전 체계는 변압기를 통해서 1차측과 2차측으로 이루어져 있는데, 급속충전장치는 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/380V 변압기를 통해 연결되어 있고, 1대의 전기자동차를 전기충전할 경우 배전전력망의 2차측에서 급속충전장치로 흐르는 전류가 1대당 100~200A 이기 때문에, 내연기관 자동차용 주유소처럼 급속충전장치가 여러 대(집단)로 구비된 급속충전시스템에서 전기자동차 5대를 동시에 전기 충전한다고 가정하면, 배전전력망의 2차측에는 총 전류가 500~1,000A 정도인 엄청난 급속 대전류가 흘러야 하기 때문이다.
그렇기 때문에, 급속충전장치가 여러 대(집단)로 구비된 급속충전시스템을 배전전력망에 직접 연결하여 대용량의 소비전력을 공급받기가 쉽지 않은 실정이다.
또한, 배전전력망은 이미 기설치되어 있기 때문에, 전기자동차 충전소를 설치하려는 위치에 따라서는 전기자동차 충전소의 설치에 요구되는 배전전력망의 수변전 체계가 형성되어질 수 없거나 전기자동차 충전소를 설치하려는 위치와 너무 동떨어져 많은 전기공사비용 발생이 있을 수도 있다.
그래서, 최근까지의 전기자동차 충전소는 임의의 도심 및 도로에서 멀리 떨어진 다소 외진 곳에서 한 대의 급속충전장치만 구비한 상태로 운영되는 독립형 충전소가 대부분이며, 전기자동차 충전소가 그와 같이 운영됨으로써 전기자동차 사용자들에게 불편이 초래된다는 문제점이 있었다.
KR 10-2018-0130247 A
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 급속충전장치가 여러 대(집단)로 구비된 급속충전시스템이 배전전력망으로부터 직접적으로 송전을 받더라도 배전전력망에 크게 충격을 가하지 않는 전기자동차 급속충전 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차 급속충전시스템은: 복수의 배터리들을 포함하는 배터리뱅크; 배전전력망으로부터 완속충전 방식으로 전기에너지를 송전받아서 상기 배터리뱅크의 개별 배터리에 순차적으로 또는 병렬적으로 충전하는 전력제어시스템; 및 상기 배터리뱅크에 저장된 전기에너지를 공급받아서 여러 대의 전기자동차를 개별적으로 동시에 또는 각각 급속충전할 수 있는 집단형 급속충전장치를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전력제어시스템은 상기 배전전력망으로부터 AC220~380V, 50A 이하로 전기에너지를 송전받는다.
바람직하게는, 상기 전력제어시스템은 상기 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/440V 변압기 및 22.9kV/220-380V 변압기 등의 변압기 중에 적어도 하나로부터 전기에너지를 송전받고, 이에 더하거나 이를 대체하여 상기 전력제어시스템은 상기 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/220~380V 변압기의 하단에 설치된 AC380V/220~380V 변압기로부터 전기에너지를 송전받는다.
바람직하게는, 상기 전력제어시스템은 상기 배전전력망으로부터 심야전기 또는 잉여전기를 송전받는다.
바람직하게는, 상기 전력제어시스템은 상기 배터리뱅크에 저장된 전기에너지를 상기 배전전력망으로 역송전할 수 있다.
바람직하게는, 상기 배터리뱅크는 신재생에너지시스템으로부터 전기에너지를 송전받아 저장한다.
본 발명에 의하면, 배터리뱅크에 완속충전 방식으로 저장된 전기에너지를 급속충전장치가 여러 대(집단)로 구비된 급속충전시스템의 집단형 급속충전장치에 공급함으로써, 여러 대의 전기자동차를 동시에 급속충전함에 따라 대용량의 전력소비가 발생하는 경우에도 배전전력망에는 충격이 가해지지 않는다.
또한, 배터리뱅크가 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/220~380V 변압기의 하단에 설치된 AC380V/220~380V 변압기로부터 전기에너지를 완속충전 방식으로 송전받을 수 있음으로써, 기존 수변전설비를 그대로 활용할 수 있다.
또한, 배터리뱅크가 배전전력망과 양방향 송전이 가능함으로써, 전력수급 위기상황에 배터리뱅크의 전기에너지를 전력변환제어하여 배전전력망에 역송전할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차 급속충전 시스템의 블록도이다.
도2는 도1의 시스템이 배전전력망에 연결된 일 실시예의 구성도이다.
도3은 도1의 시스템이 배전전력망에 연결된 다른 실시예의 구성도이다.
도4는 도1의 시스템이 배전전력망에 연결된 또다른 실시예의 구성도이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 가능한 현재 널리 사용되고 있는 일반적인 용어를 선택하였으나 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 다만, 이와 달리 특정한 용어를 임의의 의미로 정의하여 사용하는 경우에는 그 용어의 의미에 관하여 별도로 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가진 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것으로 도면에 도시된 형상은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 필요에 따라 과장되어 표시된 것일 수 있으므로 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 본 발명에 관련된 공지의 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 이에 관한 자세한 설명은 필요에 따라 생략하기로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차 급속충전 시스템의 블록도이다. 도1을 참조하면, 전기자동차 급속충전 시스템(100)은 배터리뱅크(110), 전력제어시스템(Power Control System: PCS)(120), 및 집단형 급속충전장치(130)를 포함한다.
배터리뱅크(110)는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System: ESS)에 사용되는 복수의 배터리들을 포함한다. 즉, 배터리뱅크(110)는 에너지 저장 시스템(ESS)용이다. 에너지 저장 시스템(ESS)은 배터리 등에 전기에너지를 저장해 두고 필요할 때 공급함으로써 전기에너지 이용 효율을 높여주는 시스템이다.
일반 가정에서 사용하는 건전지나 전자제품에 사용하는 소형 배터리도 전기에너지를 다른 에너지 형태로 변환하여 저장할 수 있지만 이런 소규모 전력저장장치를 에너지 저장 시스템(ESS)이라고 말하지는 않고, 일반적으로 수백 kWh 이상의 전력을 저장하는 단독 시스템을 에너지 저장 시스템(ESS)이라고 한다.
전력제어시스템(PCS)(120)은 배터리뱅크(110)의 충방전 전력을 제어한다. 전력제어시스템(PCS)(120)은 배전전력망으로부터 전기에너지를 송전받아서 배터리뱅크(110)에 저장할 수 있고, 배터리뱅크(110)에 저장된 전기에너지를 배전전력망으로 역송전할 수도 있다. 즉, 배터리뱅크(110)는 배전전력망과의 양방향 송전이 가능하다.
전력제어시스템(PCS)(120)은, 예를 들어, 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/440V 변압기 및/또는 22.9kV/220-380V 변압기 등의 변압기로부터 전기에너지를 송전받을 수 있다.
전력제어시스템(PCS)(120)은, 설치 환경에 따라서, 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/220~380V 변압기의 하단에 설치된 AC380V/220~380V 저압변압기로부터 전기에너지를 송전받을 수도 있다.
전력제어시스템(PCS)(120)은 배전전력망으로부터 전기에너지를 AC 전원으로 송전받고, 송전받은 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 배터리뱅크(110)에 저장한다. 이 때, 전력제어시스템(PCS)(120)은 배전전력망으로부터 완속충전 방식으로 전기에너지를 송전받는다. 구체적으로, 전력제어시스템(PCS)(120)은 배전전력망으로부터 완속충전 방식인 AC220~380V, 50A 이하 정도의 저전압, 소전류로 전기에너지를 송전받는다. 이를 위하여, 전력제어시스템(PCS)(120)은 완속충전기(AC/DC 컨버터)의 기능을 수행할 수 있는 구성요소들을 포함한다.
전력제어시스템(PCS)(120)은 배전전력망으로부터 완속충전 방식으로 송전받은 전기에너지를 배터리뱅크(110)의 개별 배터리에 순차적으로 또는 병렬적으로 충전하여 배터리뱅크(110)의 모든 배터리에 전기에너지를 저장한다.
전력제어시스템(PCS)(120)은 배전전력망으로부터 값싼 심야전기 또는 잉여전기를 송전받아 배터리뱅크(110)에 저장함으로써 적은 비용으로 배터리뱅크(110)에 전기에너지를 저장할 수 있다.
집단형 급속충전장치(130)는 배터리뱅크(110)에 저장된 전기에너지를 공급받아서 여러 대의 전기자동차를 동시에 급속충전할 수 있다. 즉, 배터리뱅크(110)에 저장된 전기에너지는 집단형 급속충전장치(130)를 통해서 여러 대의 전기자동차에 동시에 급속충전될 수 있다.
이와 같이, 전기자동차 급속충전 시스템(100)은 배전전력망의 수변전 체계로부터 값싼 심야전기 또는 잉여전기를 완속충전 방식인 AC220~380V, 50A 이하 정도의 저전압, 소전류로 송전받아서 배터리뱅크(110)의 개별 배터리에 순차적으로 또는 병렬적으로 충전하여 배터리뱅크(110)의 모든 배터리에 전기에너지를 저장하고, 배터리뱅크(110)에 저장된 전기에너지로 여러 대의 전기자동차를 동시에 급속충전하도록 구성됨으로써, 여러 대의 전기자동차를 동시에 급속충전하더라도 배전전력망에 충격이 가해지지 않는다.
또한, 전기자동차 급속충전 시스템(100)의 배터리뱅크(110)는 양방향 송전이 가능하기 때문에, 전기자동차 급속충전 시스템(100)으로 충전소를 구성하면 그 충전소는 전력수급 불안정 사태에 발생하는 전력 블랙아웃과 같은 전력수급 위기상황의 경우에 배터리뱅크(110)의 전기에너지를 전력변환제어하여 배전전력망에 역송전할 수 있다.
한편, 배터리뱅크(110)는 태양광 또는 풍력 발전과 같은 신재생에너지시스템과도 연결될 수 있고, 그 신재생에너지시스템으로부터 전기에너지를 송전받아 저장할 수 있다.
도2는 도1의 시스템이 배전전력망에 연결된 일 실시예의 구성도이다. 도2를 참조하면, 전기자동차 급속충전 시스템(100)의 배터리뱅크(110)는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System: ESS)에 사용되는 복수의 배터리들을 포함한다.
전기자동차 급속충전 시스템(100)은 배터리 관리시스템(Battery Management System: BMS)(115)을 더 포함할 수 있다. 배터리 관리시스템(115)은 배터리뱅크(110)가 포함하는 배터리들을 최적으로 관리하여 에너지 효율을 높이고 수명을 연장해주는 역할을 한다. 예를 들어, 배터리 관리시스템(115)은 배터리의 전압, 전류 및 온도를 실시간으로 모니터링하여 과도한 충전 및 방전을 미연에 방지하고 배터리의 안전성과 신뢰성을 높여줄 수 있다.
전기자동차 급속충전 시스템(100)의 전력제어시스템(PCS)(120)은 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/440V 변압기(210) 및 22.9kV/220-380V 변압기(220)로부터 완속충전 방식으로 전기에너지를 송전받아서 배터리뱅크(110)의 개별 배터리에 순차적으로 또는 병렬적으로 충전할 수 있다.
전기자동차 급속충전 시스템(100)의 전력제어시스템(PCS)(120)은 배터리뱅크(110)에 저장된 전기에너지를 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/440V 변압기(210), 22.9kV/220-380V 변압기(220)등의 변압기로 역송전할 수도 있다.
전기자동차 급속충전 시스템(100)의 집단형 급속충전장치(130)는 배터리뱅크(110)에 저장된 전기에너지를 공급받아서 여러 대의 전기자동차를 동시에 급속충전할 수 있다.
전기자동차 급속충전 시스템(100)에는 태양광 발전(300)과 같은 신재생에너지시스템이 연결되고, 그 신재생에너지시스템에서 발생한 전기에너지는 인버터를 통해 바로 배전전력망으로 역송전되거나, DC/DC 컨버터(310)를 통해서 배터리뱅크(110)에 저장될 수 있다.
도3은 도1의 시스템이 배전전력망에 연결된 다른 실시예의 구성도이고, 도4는 도1의 시스템이 배전전력망에 연결된 또다른 실시예의 구성도이다. 도3 및 도4의 실시예에서 도2의 실시예와 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
도3을 참조하면, 전기자동차 급속충전 시스템(100)의 전력제어시스템(PCS)(120)은 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/220~380V 변압기(220)의 하단에 설치된 AC380V/220~380V 변압기(230)로부터 완속충전장치(122)로 전기에너지를 송전받아서 배터리뱅크(110)의 개별 배터리에 순차적으로 또는 병렬적으로 충전할 수 있다.
AC380V/220~380V 변압기(230)로부터 송전받는 전기는 기존 수변전설비의 전기에 해당한다. 그래서, 여러 대의 전기자동차를 동시에 급속충전할 때 기존 수변전설비를 그대로 활용할 수 있다.
전기자동차 급속충전 시스템(100)의 전력제어시스템(PCS)(120)은 배터리뱅크(110)에 저장된 전기에너지를 AC380V/220~380V 변압기(230)로 역송전할 수도 있다.
도4를 참조하면, 전기자동차 급속충전 시스템(100)의 전력제어시스템(PCS)(120)은 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/440V 변압기(210) 및 22.9kV/220-380V 변압기(220)로부터 완속충전 방식으로 전기에너지를 송전받고 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/220~380V 변압기(220)의 하단에 설치된 AC380V/220~380V 변압기(230)로부터도 완속충전기(AC/DC 컨버터)의 기능을 수행할 수 있는 전력제어시스템(PCS)(120)을 통해서 완속충전 방식으로 전기에너지를 송전받아서 배터리뱅크(110)의 개별 배터리에 순차적으로 또는 병렬적으로 충전할 수 있다.
전기자동차 급속충전 시스템(100)의 전력제어시스템(PCS)(120)은 배터리뱅크(110)에 저장된 전기에너지를 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/440V 변압기(210) 및 22.9kV/220-380V 변압기(220)로 역송전할 수 있고, AC380V/220~380V 변압기(230)로 역송전할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예들은 서로 별개로 또는 조합되어 구현되는 것도 가능하다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전기자동차 급속충전 시스템 110: 배터리뱅크
115: 배터리 관리시스템 120: 전력제어시스템
122: 완속충전장치 130: 집단형 급속충전장치
210: 22.9kV/440V 변압기 220: 22.9kV/220-380V 변압기
230: AC380V/220~380V 변압기 300: 신재생에너지시스템
310: DC/DC 컨버터

Claims (7)

  1. 복수의 배터리들을 포함하는 배터리뱅크;
    배전전력망으로부터 완속충전 방식으로 전기에너지를 송전받아서 상기 배터리뱅크의 개별 배터리에 순차적으로 또는 병렬적으로 충전하는 전력제어시스템; 및
    상기 배터리뱅크에 저장된 전기에너지를 공급받아서 여러 대의 전기자동차를 동시에 급속충전할 수 있는 집단형 급속충전장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력제어시스템은 상기 배전전력망으로부터 AC220~380V, 50A 이하로 전기에너지를 송전받는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력제어시스템은 상기 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/440V 변압기 및 22.9kV/220-380V 변압기 중의 적어도 하나로부터 전기에너지를 송전받는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전력제어시스템은 상기 배전전력망의 수변전 체계 22.9kV/220~380V 변압기의 하단에 설치된 AC380V/220~380V 변압기로부터 전기에너지를 송전받는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전력제어시스템은 상기 배전전력망으로부터 심야전기 또는 잉여전기를 송전받는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전력제어시스템은 상기 배터리뱅크에 저장된 전기에너지를 상기 배전전력망으로 역송전할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배터리뱅크는 신재생에너지시스템으로부터 전기에너지를 송전받아 저장하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전 시스템.
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