KR20210068208A - 멀티 충전 시스템 - Google Patents

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송광철
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Abstract

본 발명은 본체; 상기 본체 내부로 공급된 전원을 변환하도록 복수개의 컨버터를 구비하는 전력 변환부; 충전할 기기가 커넥터에 연결되면, 연결을 감지하고 충전 전력을 설정하여 상기 전력 변환부에 제어신호를 전달하는 제어부; 및 상기 본체 일 측에 배치되어 상기 전력 변환부 또는 제어부의 작동 상태나, 기기를 충전하기 위한 일련의 과정을 나타내는 디스플레이부를 포함하는 멀티 충전 시스템을 제공한다.

Description

멀티 충전 시스템{Multi Charging System}
본 발명은 전동 모터로 구동하는 퍼스널 모빌리티 기기를 충전할 수 있는 멀티 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 퍼스널 모빌리티(Personal Mobility)란 전동 킥보드, 전동 휠, 전기 자전거, 초소형 전기차 등 전력을 동력으로 하여 구동하는 1인용 또는 2인용의 차세대 개인용 이동수단을 의미한다.
최근 들어, 1인 가구가 지속적으로 증가하고 있고, 화석 연료의 소비를 줄이는 추세에 따라서 중단거리 이동이 용이한 퍼스널 모빌리티의 사용이 증가하고 있는 실정이다. 또한 전기 동력을 이용하기 때문에 이산화탄소 배출이 없어 친환경 교통수단으로 각광받고 있다.
이러한 퍼스널 모빌리티는 각 종류마다 적정 전류와 전압으로 충전기를 통하여 충전을 통해 전력을 저장 후 공급하고 있다.
그러나 퍼스널 모빌리티 각각의 제조사 별로, 또는 종류 별로 각기 다른 충전 방식을 제공하거나, 또한 개별 충전기를 통해서만 충전이 이루어질 수 있기 때문에 충전 인프라의 표준에 대한 개발 및 연구가 필요하다. 또한 이동 중에 충전이 필요한 경우 전용 충전기를 가지고 다니거나, 충전이 가능한 충전 설비를 찾아야만 하는 번거로움이 문제점으로 지적되고 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 퍼스널 모빌리티의 각 제조사나 종류에 대응하여 다양한 퍼스널 모빌리티의 충전을 제공할 수 있는 멀티 충전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 본체; 상기 본체 내부로 공급된 전원을 변환하도록 복수개의 컨버터를 구비하는 전력 변환부; 충전할 기기가 커넥터에 연결되면, 연결을 감지하고 충전 전력을 설정하여 상기 전력 변환부에 제어신호를 전달하는 제어부; 및 상기 본체 일 측에 배치되어 상기 전력 변환부 또는 제어부의 작동 상태나, 기기를 충전하기 위한 일련의 과정을 나타내는 디스플레이부를 포함하는 멀티 충전 시스템을 제공한다.
상기 제어부는 충전할 기기가 연결됨과 동시에 기기에 연결된 배터리의 정보를 감지하여 상기 컨버터 중 어느 하나의 컨버터에 충전 전력을 공급하는 제어신호를 전송할 수 있다.
상기 멀티 충전 시스템은 상기 어느 하나의 컨버터에 충전 전력을 공급하기 전에 사용자가 충전에 필요한 요금을 결제하는 결제유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 충전할 기기가 연결된 커넥터에 대응하여, 또는 연결된 기기의 배터리 정보를 취득하여 이에 대응하는 전력을 상기 컨버터에서 자동 변환하도록 제어할 수 있다.
상기 멀티 충전 시스템은 충전할 기기에서 분리된 배터리를 충전 커넥터에 연결하여 보관할 수 있는 배터리 거치대를 더 포함하고, 상기 배터리 거치대는 상기 결제유닛을 통하여 결제한 정보를 근거로 상기 본체로부터 개폐될 수 있다.
상기 멀티 충전 시스템은 충전할 기기의 전용 충전기를 연결할 수 있는 전원 포트(콘센트)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 멀티 충전 시스템에 의하면,
첫째, 하나의 충전장치를 통하여 다양한 종류와 제조사의 퍼스널 모빌리티 기기를 충전할 수 있고,
둘째, 이를 통하여 주유소와 같이, 각 제조사 별 충전소가 필요치 않기 때문에 하나의 충전소를 이용하여 전력 판매 플랫폼을 활용할 수 있으며,
셋째, 한 발 더 나아가 퍼스널 모빌리티의 충전 표준을 통합하는데 기여할 수 있고,
넷째, 퍼스널 모빌리티의 충전 인프라 확충으로 퍼스널 모빌리티의 사용을 권장할 수 있어, 결과적으로 온실가스 배출을 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 충전시스템을 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 멀티 충전 시스템의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 전력 변환부를 도시하는 회로도이다.
도 4 내지 도 6은 도 2에 나타낸 제어부에 포함되는 충전 알고리즘을 도시하는 참고도이다.
도 7은 도 2에 나타낸 멀티 충전 시스템의 시뮬레이션 결과를 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 충전시스템을 휴대 단말기에서 제어하는 UI를 개략적으로 도시하는 참고도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 충전시스템을 개인용 PC에서 모니터링하는 상태를 개략적으로 도시하는 참고도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 충전시스템을 도시하는 사시도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 멀티 충전 시스템의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 멀티 충전시스템(100)은 본체(110)와, 제어부(120)와, 전력 변환부(130)와 디스플레이부(140)와, 결제유닛(150)과, 배터리 거치대(160)와, 통신유닛(170) 및 전원 포트(콘센트, 180)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 멀티 충전시스템(100)이 퍼스널 모빌리티(Personal Mobility)를 충전하는 용도로 적용되며, 작게는 개인 휴대용 단말기(스마트폰, PMP, MP3, 전자책, 태블릿, 노트북 등)의 충전 용도로, 크게는 대용량 배터리를 탑재하는 전동 바이크나 전기 버스 등의 전기 차량 용도로도 적용할 수 있음은 물론이다.
먼저, 본체(110)는 대략 직육면체 형상을 가지며, 전면에 디스플레이부(140), 결제유닛(150), 배터리 거치대(160), 전원 포트(180) 등이 배치될 수 있다. 물론, 본체(110)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 다양한 형상과, 용량에 따른 사이즈, 기타 구성 요소들의 배치구조 등이 변경될 수 있다.
제어부(120)와 전력 변환부(130)의 상세한 설명은 후기하기로 한다.
디스플레이부(140)는 관리자가 제어부(120)나 전력 변환부(130)의 작동상태를 확인할 수 있고, 사용자가 기기 충전에 필요한 일련의 과정을 나타낼 수 있다. 여기서 충전에 필요한 일련의 과정에는 예컨대, 충전할 기기의 선정에 필요한 정보, 충전 전압, 전류, 전력 등의 선택, 충전 요금을 결제하는 과정이나 절차, 배터리 거치대(160)에서 도어를 오픈하는데 필요한 본인 인증 과정, 충전 시스템의 예약 상황, 결제 정보 등이 표현될 수 있다. 물론, 충전 중인 기기의 충전 시간, 충전량, 현재 충전한 금액 등의 실시간 정보를 표현할 수도 있다. 그리고 이렇게 디스플레이부에 나타나는 정보는 사용자의 휴대 단말기를 통해서 확인할 수도 있다.
결제유닛(150)은 현금이나 신용카드 및 모바일 페이(예컨대, 삼성 페이, 카카오 페이 등) 등을 활용하여 요금을 결제하는 수단이다.
배터리 거치대(160)는 본체(110)의 전면 또는 일 측면에 배치되어 퍼스널 모빌리티에 착탈 가능하도록 구비된 배터리를 분리하여 배터리만 충전할 수 있다. 즉, 퍼스널 모빌리티에 직접 전원을 연결하여 충전하는 방식이 아닌 배터리만 별도 커넥터에 연결하여 충전할 수 있다.
여기서 퍼스널 모빌리티에는 전동 킥보드, 전동 휠, 세그웨이, 전기 자전거, 전기 스쿠터 등 다양한 종류와 제조사가 있고, 이렇게 다양한 종류만큼 충전 방법이나 알고리즘에도 다소 차이가 있다. 이렇게 충전 방식이나 커넥터의 구조가 다르지만 본 발명의 멀티 충전 시스템을 이용하면 다양한 배터리 충전 알고리즘을 하나로 통합하고, 또한 다양한 종류의 커넥터를 구비하거나, 젠더(Gender)를 두어 제조사나 기기 종류에 상관 없이 배터리 충전이 가능한 이점이 있다.
통신유닛(170)은 관리자나 사용자에게 제어부(120), 전력 변환부(130) 등의 제어 또는 작동상태를 전송할 수 있고, 또한 결제유닛(150)의 결제정보를 처리할 때도 활용할 수 있다. 관리자나 사용자에게 제공하는 정보는 전기한 디스플레이부(140)에서 표현되는 정보를 포함할 수 있다.
전원 포트(180)는 상용 전원의 콘센트이다. 사용자가 별도의 충전기를 가지고 있는 경우, 멀티 충전 시스템의 전력 변환 과정이나 제어과정 없이 결제 정보만 확인되면 상용 전원의 콘센트처럼 활용할 수 있다. 물론 전원 포트(180)에서 사용되는 충전에 따른 비용이나 배터리의 충전 상태 역시 디스플레이부(140)나 사용자 휴대 단말기로 확인할 수 있다.
도 3은 도 2에 나타낸 전력 변환부를 도시하는 회로도이고, 도 4 내지 도 6은 도 2에 나타낸 제어부에 포함되는 충전 알고리즘을 도시하는 참고도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 멀티 충전 시스템은 에너지 효율이 좋은 SMPS(Switching Mode Power Supply) 방식의 BCUK 컨버터를 기본 구조로 한다. 전력 변환부에 공급되는 입력 전압은 100V 이상으로 선정하는 것이 바람직하다.
전력 변환부는 1차 컨버터와 2차 컨버터로 구성될 수 있다. 1차 컨버터는 AC/DC 컨버터로 복수개 구비될 수 있고, 2차 컨버터는 DC/DC 컨버터로 역시 복수개 구비될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 전력 변환부는 부하에 따른 출력 전력공급에 대한 사용 범위를 높이는 방식을 취할 수 있다. 이는 1차 컨버터와 2차 컨버터를 통하여 낮은 전력과 높은 전력 사이에서 선택적 전력과 출력 전류 제어가 가능할 수 있다. 물론, 전기한 바와 같이 충전할 기기 또는 배터리는 충전 커넥터에 연결됨과 동시에 입력할 출력의 범위가 설정되고, 설정된 크기의 출력 범위에 해당하는 컨버터가 매칭될 수 있다. 이러한 매칭 과정은 제어부(120)와 충전할 기기 또는 배터리의 동기화 과정에 대응하거나 포함될 수 있다.
도 4(a)에 따르면 배터리를 등가화한 랜들스(Randles) 모델로 RC 병렬회로와, 선로저항과 잔류전압(Vb0)으로 등가화 할 수 있다.
충전을 위한 전압전류 제어방법은 아래 수식을 통하여 구현될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1을 통하여, 임피던스 값(Z(S)), 잔류 배터리 전압을 도출할 수 있다.
그리고 도 4(b)를 참조하면, 충전회로의 ΔV값을 추정할 수 있다.
Figure pat00002
또한, 수학식 2를 통하여, 전류값(I(S))을 추출할 수 있다. 전류값 추출 전류의 흐름은 ΔV(S)=V-VB0로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
그리고 수학식 3을 통하여, 배터리 전류를 확인할 수 있다. 이는 배터리의 실제값에서 IB를 추출하여 충전전류를 도출할 수 있다.
또한 제어부는 인덕터, 커패시터 용량, 커패시터 수명, 인덕터 코어를 선정할 수 있다.
그리고 CC모드에서 CV모드로 변동되는 시섬을 선정하고 1C의 전류 크기를 선정하며, 충전의 안정성을 위해 0.5C의 전류량으로 CC모드로 충전을 하다가 CV모드로 변경된다. 이는 아래 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
도 5 및 도 6을 참조하면, 제어부의 알고리즘은 전압과 전류를 계측(센서)하여 출력 제어를 위한 스위칭부로 출력하는 PI제어 알고리즘을 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 멀티 충전 시스템은 안정적인 출력 제어를 위해서 지연 없는 빠른 응답 특성의 피드백 루프를 구성해야 하며, 이를 통한 충전 제어 기능을 수행할 수 있다.
또한 충전 전압과 전류 제어기능과 더불어 제어부는 관리자 또는 사용자의 휴대 단말기를 통하여 양방향 제어가 가능하도록 제어할 수 있다.
예컨대, 사용자의 휴대 단말기에서 사용할 수 있는 충전 시스템의 유저 인터페이스는 도 8과 같이 적용될 수 있다.
또한 관리자가 PC(Personal Computer)를 활용하여 충전 시스템을 모니터링 하거나 관리할 수 있는 구성은 도 9와 같이 적용될 수 있다. 물론, 이러한 관리자가 PC를 통하여 멀티 충전 시스템을 모니터링하는 경우, 외부 충전 인프라와 연계를 통한 전력 제어, 배터리 온도 특성에 따른 충전 상태 제어, 부하 특성에 따른 충전 알고리즘 변경 등의 기능을 추가적으로 구현할 수 있다.
도 7은 도 2에 나타낸 멀티 충전 시스템의 시뮬레이션 결과를 도시하는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 멀티 충전 시스템과 동일한 조건으로 시뮬레이션 한 결과, 시뮬레이션 상의 출력 결과와 컨버터 테스트 상에서 발생된 파형이 같음을 확인할 수 있다. 도 7에서 청색 신호가 PWM 제어신호이고, 노란 신호가 인덕터에 흐르는 전류를 측정한 것으로, 데이터를 확인해 보면, 72V 출력 시 10A 출력으로 목표점인 700W 급 용량의 BUCK 컨버터 임을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 충전시스템을 휴대 단말기에서 제어하는 UI를 개략적으로 도시하는 참고도이다.
도 8을 참조하면, 사용자나 관리자는 휴대 단말기를 이용하여 멀티 충전 시스템의 정보를 확인하거나 제어할 수 있다. 예컨대, 스마트폰에서 도 8과 같은 유저 인터페이스를 사용할 수 있으며, 충전 기기와 멀티 충전 시스템을 등록해 놓으면 퍼스널 모빌리티의 충전 상태 등의 정보를 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 충전시스템을 개인용 PC에서 모니터링하는 상태를 개략적으로 도시하는 참고도이다.
도 9와 같이, 사용자는 개인용 PC를 사용하여 충전 중인 퍼스널 모빌리티 기기의 충전 예약 현환, 결재 현황, 서비스 이용 현황 등의 정보를 확인할 수 있고, 또한 관리자는 사용자가 사용하는 멀티 충전 시스템의 이용 현황을 확인하고, 관리할 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 관리자는 멀티 충전 시스템의 유지 보수에 따른 현황을 확인할 수도 있다.
본 발명에 의한 멀티 충전 시스템에 의하면 하나의 충전장치를 통하여 다양한 종류와 제조사의 퍼스널 모빌리티 기기를 충전할 수 있고, 이를 통하여 주유소와 같이, 각 제조사 별 충전소가 필요치 않기 때문에 하나의 충전소를 이용하여 전력 판매 플랫폼을 활용할 수 있으며, 한 발 더 나아가 퍼스널 모빌리티의 충전 표준을 통합하는데 기여할 수 있고, 퍼스널 모빌리티의 충전 인프라 확충으로 퍼스널 모빌리티의 사용을 권장할 수 있어, 결과적으로 온실가스 배출을 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도면을 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용효과에만 국한되지 않고, 여러 가지 변형된 예가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 할 것이다.
100 : 멀티 충전 시스템
110 : 본체
120 : 제어부
130 : 전력 변환부
140 : 디스플레이부
150 : 결제 유닛
160 : 배터리 거치대
170 : 통신 유닛
180 : 전원 포트

Claims (6)

  1. 본체;
    상기 본체 내부로 공급된 전원을 변환하도록 복수개의 컨버터를 구비하는 전력 변환부;
    충전할 기기가 커넥터에 연결되면, 연결을 감지하고 충전 전력을 설정하여 상기 전력 변환부에 제어신호를 전달하는 제어부;
    상기 본체 일 측에 배치되어 상기 전력 변환부 또는 제어부의 작동 상태나, 기기를 충전하기 위한 일련의 과정을 나타내는 디스플레이부; 를 포함하는 멀티 충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    충전할 기기가 연결됨과 동시에 기기에 연결된 배터리의 정보를 감지하여 상기 컨버터 중 어느 하나의 컨버터에 충전 전력을 공급하는 제어신호를 전송하는 멀티 충전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 어느 하나의 컨버터에 충전 전력을 공급하기 전에 사용자가 충전에 필요한 요금을 결제하는 결제유닛을 더 포함하는 멀티 충전 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    충전할 기기가 연결된 커넥터에 대응하여, 또는 연결된 기기의 배터리 정보를 취득하여 이에 대응하는 전력을 상기 컨버터에서 자동 변환하도록 제어하는 멀티 충전 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    충전할 기기에서 분리된 배터리를 충전 커넥터에 연결하여 보관할 수 있는 배터리 거치대를 더 포함하고,
    상기 배터리 거치대는 상기 결제유닛을 통하여 결제한 정보를 근거로 상기 본체로부터 개폐되는 멀티 충전 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    충전할 기기의 전용 충전기를 연결할 수 있는 전원 포트(콘센트)를 더 포함하는 멀티 충전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102605959B1 (ko) * 2023-04-17 2023-11-23 최근태 전기차 멀티충전장치

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