KR20220073884A - 저상전기버스 배터리 교체시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법 - Google Patents

저상전기버스 배터리 교체시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저상전기버스 배터리 교체시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 도시의 대중교통 수단으로 이용하는 버스 가운데 승객의 승하차를 빠르고 용이하게 하기 위하여 출입문의 바닥면을 낮게 만드는 저상전기버스에서 승하차에 직접 영향을 주지 않아 바닥면이 높은 뒷바퀴의 뒷부분 바닥면의 하부에 배터리를 분리/결합할 수 있는 배터리결합부를 만들고, 배터리를 버스의 하부로 이동시키며 이동 과정에서 발생하는 배터리의 위치 오차를 와이어를 이용하여 제거하면서 배터리를 수직 이동시켜 짧은 시간 안에 배터리를 교체함으로서 충전의 불편함과 충전시간동안 발생하는 버스의 운행중단을 방지할 수 있는 저상전기버스 배터리 교체시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법에 관한 것이다.

Description

저상전기버스 배터리 교체시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법 {Battery replacement system for low-floor electric bus and battery replacement method for low-floor electric bus}
본 발명은 저상전기버스 배터리 교체시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 도시의 대중교통 수단으로 이용하는 버스 가운데 승객의 승하차를 빠르고 용이하게 하기 위하여 출입문의 바닥면을 낮게 만드는 저상전기버스에서 승하차에 직접 영향을 주지 않아 바닥면이 높은 뒷바퀴의 뒷부분 바닥면의 하부에 배터리를 분리/결합할 수 있는 배터리결합부를 만들고, 배터리를 버스의 하부로 이동시키며 이동 과정에서 발생하는 배터리의 위치 오차를 와이어를 이용하여 제거하면서 배터리를 수직 이동시켜 짧은 시간 안에 배터리를 교체함으로서 충전의 불편함과 충전시간동안 발생하는 버스의 운행중단을 방지할 수 있는 저상전기버스 배터리 교체시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법에 관한 것이다.
전기버스는 전기에너지를 동력원으로 하여 운행되는 버스로서, 저상전기버스는 화석연료를 사용하는 기존의 버스와 비교할 때, 유해가스의 배출이 없는 친환경적인 특성을 가지고 있어 그 연구개발 및 상용화가 점차 가속화되고 있는 추세이다.
전기버스를 충전하는 기존의 방식에 있어서, 먼저 차량에 고정되어 있는 배터리에 직접 전선을 연결하여 충전하는 방식이 있다. 이 경우에 충전시간동안 저상전기버스를 운행하지 못하여 운행 손실을 발생시키는 문제점이 있다.
또한, 저상전기버스는 차량이 크고 무거울 뿐 아니라 여름에 냉방부하와 겨울에 난방부하를 감당하면 1km 주행에 1.5kwh 이상의 전기가 필요하기 때문에, 도시의 노선버스로 운행하는 저상전기버스의 하루 운행에 필요한 200km 이상의 주행거리에 전기를 공급하기 위하여 300kwh 이상의 배터리 용량이 필요하다.
이를 전기케이블을 이용하여 시간당 7kw의 완속충전기로 충전하는 경우 57시간 이상의 충전시간이 필요하고, 시간당 200kw의 고속충전기를 사용하여도 2시간 이상의 충전시간이 필요하여 이 충전시간동안 버스를 운행하지 못하기 때문에 상업 운행에 많은 문제를 발생시키고 있다.
또한, 고속충전기는 엄청난 전기부하가 집중적으로 발생하므로 이를 수용하려면 전기공급 시설을 새로 늘려야하고, 충전을 하지 않는 시간에는 시설이 놀게 될 뿐만 아니라 극심한 부하변동이 발생하여 발전소 운전 효율을 크게 나쁘게 한다.
뿐만 아니라 배터리의 충전과 방전의 특성상 고속으로 충전하면 배터리의 수명이 단축될 뿐 아니라 화재 발생의 위험성도 높여주는 등 심각한 문제점이 있다.
이러한 직접 충전을 방지할 수 있는 다른 방법으로, 충전용량 100kwh에 무게 400kg 정도의 배터리를 차량에서 분리가 가능하도록 저상전기버스의 상부에 설치하고 별도로 설치한 외부 장치를 이용하여 배터리를 분리하여 분리된 배터리를 충전공간으로 운반하고 충전된 배터리를 다시 외부장치를 이용하여 저상전기버스 상부에 결합시키는 방식이 있다.
이렇게 저상전기버스 상부에 결합한 배터리를 외부장치를 이용하여 교체하는 작업은 높은 공간에서 중량물을 다루기 때문에 많은 시설과 고비용이 발생하고, 높은 사고 위험성과 교체 시간도 많이 소요되어 저상전기버스에서 배터리 교체 방식은 실용화되지 못하고 있는 실정이다.
한편, 저상전기버스는 출입문의 바닥면이 낮아야 하는데 이렇게 낮춘 바닥면의 하부에는 배터리를 설치할 공간이 없기 때문에 저상전기버스의 상부공간에 무거운 배터리를 설치하여 운행하고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1402668호 (발명의 명칭: 전기버스 배터리 교환 시스템, 공고일: 2014.07.01)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저상전기버스가 운행하는 노선의 1회 왕복거리는 50km 이하이므로 1회 왕복에 필요한 전기를 공급할 수 있는 용량의 배터리만 장착하여 노선 왕복운전을 끝내고 차고지에서 운전자를 교대하는 시간 이내에 사용한 배터리를 충전된 배터리로 신속하게 교체하여 저상전기버스의 충전이 완료되도록 할 수 있는 새로운 저상전기버스 배터리 교체시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법을 제공하는 것이다.
이를 위하여 저상전기버스의 하부에 배터리를 분리하고 장착할 수 있는 배터리결합부를 구비하고, 분리된 이동식 배터리 모듈이 저상전기버스 하부에서 충전공간으로 자율주행으로 이동하여 자동으로 충전이 이루어지며, 충전공간에 미리 충전되어 있는 다른 이동식 배터리 모듈을 배터리 교체공간으로 이동시켜 자동으로 배터리결합부에 결합하도록 함으로써, 외부 장치나 사람의 도움없이 운전자를 교체하는 짧은 시간 안에 배터리를 자동으로 교체할 수 있도록 하는 저상전기버스 배터리 교체 시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 저상전기버스 차량의 운행 중단을 최소화하기 위하여 급속으로 충전하는 과정에서 과중전으로 발생하는 배터리의 수명 단축을 방지하고, 손상된 일부 불량 배터리셀이 도미노처럼 유도하는 주변 배터리셀의 과충전과 과방전으로 발생하는 배터리모듈의 수명 단축과 화재발생을 사전에 예방할 수 있는 저상전기버스 배터리 교체 시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 저상전기버스 배터리 교체시스템은 바닥면이 낮은 저상전기버스에서, 뒷바퀴 뒷부분의 바닥면을 높이고 높아진 바닥면의 하부 공간에 형성되는 배터리결합부, 상기 배터리결합부에 탈착가능하게 결합되는 이동식 배터리모듈, 상기 이동식 배터리모듈이 상기 배터리결합부와 분리하고 결합할 수 있도록 상기 이동식 배터리모듈을 수직으로 이동시키는 수직이동유닛, 분리된 상기 이동식 배터리모듈을 충전하는 충전유닛; 을 포함하고, 상기 저상전기버스 하부와 상기 충전유닛 사이에서 상기 이동식 배터리모듈을 자율주행 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이동식 배터리모듈의 충전 용량은 노선을 운행하는 상기 저상전기버스가 노선 1회 왕복운행에 필요한 전기를 공급하는 정도인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리결합부와 상기 이동식 배터리모듈 사이에 발생하는 위치오차를 줄이기 위하여, 상기 이동식 배터리모듈의 바퀴로 메커넘휠을 사용하고, 상기 이동식 배터리모듈에 설치한 카메라의 영상정보를 이용하여 상기 메커넘휠을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 여기서 상기 수직이동유닛은, 상기 배터리결합부는 와이어추모듈을 포함하고, 상기 이동식 배터리모듈에는 와이어추홀더모듈을 포함하여, 상기 와이어추모듈과 상기 와이어추홀더모듈이 결합 및 해제되어 상기 이동식 배터리모듈이 탈착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 여기서 상기 와이어추모듈은 와이어추와, 일단이 상기 와이어추와 결합되는 와이어 및 상기 와이어의 타단에 결합되는 견인모터를 포함하되, 상기 와이어추에는 와이어자석이 구비되고, 상기 와이어추홀더모듈은 상기 와이어추홀더모듈의 중심에 형성되어 상기 와이어추를 수용하는 와이어추수용부 및 상기 와이어추수용부의 하단 중심부에 결합되는 배터리자석을 포함할 수 있다.
또한, 상기 이동식 배터리모듈과 상기 이동식 배터리모듈을 구성하는 배터리셀 마다 고유번호를 부여하고, 상기 충전유닛으로 충전하는 과정에서 상기 배터리셀의 온도와 전압과 전류를 측정하고 측정값을 저장하여 상기 이동식 배터리모듈의 상태를 관리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리결합부는 이동식 배터리모듈이 결합되었을 때 상기 이동식 배터리모듈을 고정하는 배터리고정유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 따른 저상전기버스 배터리 교체방법은, 저상전기버스의 하부에 형성되는 배터리결합부와 상기 배터리결합부에 탈착가능하게 결합되는 이동식 배터리모듈을 포함하는 저상전기버스 배터리 교체시스템의 배터리 교체방법에 있어서, 제1 이동식 배터리모듈을 상기 배터리결합부로부터 분리시키는 제1 이동식 배터리모듈 분리단계와, 분리된 상기 제1 이동식 배터리모듈이 충전공간으로 자율 이동하는 제1 이동식 배터리모듈 이동단계와, 상기 충전공간에서 상기 제1 이동식 배터리모듈을 충전하는 제1 이동식 배터리모듈 충전단계와, 상기 충전공간에서 미리 충전되어 있는 제2 이동식 배터리모듈을 상기 배터리결합부 하부로 자율 이동시키는 제2 이동식 배터리모듈 이동단계 및 상기 배터리결합부 하부에 위치한 상기 제2 이동식 배터리모듈을 상기 배터리결합부에 결합시키는 제2 이동식 배터리모듈 결합단계를 포함하되, 바닥면이 낮은 상기 저상전기버스에서 상기 배터리결합부를 설치하기 위하여 뒷바퀴 뒷부분의 바닥면을 높이고 높아진 바닥면의 하부 공간을 확보하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 저상전기버스 배터리 교체시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 이동식 배터리모듈이 자동으로 저상전기버스에서 분리되어 자율주행으로 충전공간으로 이동하고 충전공간에서 미리 충전되어 있는 다른 이동식 배터리모듈을 교체공간으로 이동시켜 자동으로 저상전기버스에 결합시킴으로써, 운전자 교대 시간 이내에 신속하게 배터리 교체가 가능하여 저상전기버스 운행의 효율성을 증대시키고 저상전기버스의 활용을 획기적으로 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
둘째, 노선 1회 왕복에 필요한 배터리모듈 1개만 장착하여 운행함으로서 고가의 배터리를 줄이고 연비는 향상시킬 뿐 아니라 신속하게 배터리모듈을 교체함으로써 기존의 충전 시간동안 차량 운행을 하지 못했던 불편함을 해결하고 운행손실을 줄여 경제성을 높일 수 있는 이점이 있다.
셋째, 분리한 배터리모듈을 여유시간을 가지고 최적 조건으로 천천히 충전하여 기존의 급속 충전으로 발생하는 배터리 손상을 방지할 뿐 아니라, 충전 과정에서 배터리셀 상태를 개별적으로 점검하여 정상 범위를 벗어난 배터리셀을 찾아서 미리 교체함으로서 손상된 배터리셀이 주변으로 과충전과 과방전을 확산시켜서 발생하는 배터리 손상을 조기에 차단하여 배터리의 수명을 연장하고 화재 발생도 방지하는 이점이 있다.
넷째, 기존에 저상전기버스의 상부에 설치되던 고중량의 배터리를 저상전기버스의 하부에 부착함으로써 저상전기버스의 무게중심을 낮추어 주행 안정성을 높이고 전도하는 사고를 방지할 뿐만 아니라 승객의 승차감을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
다섯째, 버스의 상부에서 배터리를 교체하는 경우보다 많은 시설이나 장비가 필요하지 않아 제작이 용이하고 비용절감이 가능한 이점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 교체시스템이 구비된 저상전기버스과 이동식 배터리모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저상전기버스 배터리 교체시스템 중 이동식 배터리모듈의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저상전기버스 배터리 교체시스템 중 와이어추의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저상전기버스 배터리 교체시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저상전기버스 배터리 교체방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 이동식 배터리모듈 착지단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 이동식 배터리모듈 와이어추분리단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이동식 배터리모듈 와이어추삽입단계 및 제2 이동식 배터리모듈 자석결합단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이동식 배터리모듈 와이어추고정단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이동식 배터리모듈 위치조정단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이동식 배터리모듈 삽입단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이동식 배터리모듈 고정단계를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의한 저상전기버스 배터리 교체시스템 및 저상전기버스 배터리 교체방법을 설명하기 위하여 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 교체시스템이 구비된 저상전기버스(100)와 이동식 배터리모듈(200)을 개략적으로 나타낸 도면으로 이동식 배터리모듈(200)이 저상전기버스(100)와 결합된 상태와 분리된 상태와 이동하는 상태를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 승객의 승하차를 편리하게 만들기 위하여 바닥을 낮게 만든 저상버스에서 본 발명에 따른 저상전기버스 배터리 교체시스템을 적용하기 위하여 저상전기버스(100)의 뒷바퀴 뒷부분의 바닥을 높이고 그 하부에 이동식 배터리모듈(200)을 수용하고 장착할 수 있는 배터리결합부(110)를 형성한다.
저상형 저상전기버스(100)는 승하차를 위한 앞문과 뒷문 사이에는 저상의 바닥면을 유지하기 때문에 배터리결합부(110)를 확보할 수 없지만, 뒷바퀴(101)의 뒷부분은 바닥을 높게 만들 수 있어 이 공간을 이용하여 이동식 배터리모듈(200)을 장착할 수 있는 배터리결합부(110)를 확보할 수 있다.
저상전기버스는 도시내부에서 단거리 노선을 운행하는 노선버스이므로 단거리 승하차 승객이 많기 때문에 승하차가 편리하도록 버스의 바닥을 낮게 만들어서 바닥의 하부에 배터리를 수용할 공간을 확보하기 어렵지만 뒷바퀴의 뒷부분 바닥을 높일 수 있고 이 공간에 100kwh 정도의 용량을 가진 이동식 배터리모듈(200) 1개를 수용할 수 있는 배터리결합부(110)를 설치할 수 있다.
충전용량 100kwh 배터리는 여름의 냉방부하나 겨울의 난방부하가 있어도 한번에 50km 이상을 충분하게 주행할 수 있기 때문에 노선을 1회 왕복하여 운전자를 교대하면서 배터리를 교체하고, 왕복 노선이 50km 이상으로 긴 경우 양쪽 종점에서 운전자를 교대하면서 배터리를 교체할 수 있다.
따라서 저상전기버스(100)는 뒷바퀴 뒷부분의 바닥을 높이고 그 하부에서 이동식 배터리모듈(200) 1개를 자율주행으로 이동시키면서 신속하게 분리 결합하도록 구성하고, 이동식 배터리모듈의 충전 용량은 노선을 운행하는 저상전기버스가 노선 1회 왕복운행에 필요한 전기를 공급하는 정도로 구성할 수 있다.
또한, 별도로 도시하지 않았으나 고상전기버스의 경우는 전체적으로 바닥을 바퀴보다 높게 만들기 때문에 바닥의 하부에 이동식 배터리모듈(200)을 수용하기 매우 용이하다. 따라서, 앞바퀴(102)와 뒷바퀴(101) 사이의 하부공간을 추가로 활용하여 복수의 배터리결합부(110)를 형성하고 각각의 배터리결합부(110)에 배터리가 내장되어 있는 이동식 배터리모듈(200)을 여러 개를 수용함으로써 장거리도 수월하게 주행하도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 저상전기버스 배터리 교체시스템을 설명하기에 앞서 발명의 동작에 필요한 필수 구성요소인 이동식 배터리모듈(200)과 와이어추(120)에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동식 배터리모듈의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어추의 단면도이다.
먼저 도 2를 참조하면, 이동식 배터리모듈(200)은 배터리가 내장되며 상기 배터리결합부(110)에 탈착될 수 있다. 상기 이동식 배터리모듈(200)은 바퀴(230)로서 모터가 장착된 4개의 메카넘휠을 포함하고, 내장된 배터리의 전기를 활용하여 모터에 동력을 공급하며, 바퀴(230)의 회전조합만으로 전진, 후진, 좌측이동, 우측이동, 좌회전, 우회전, 사선이동 등 자유자재로 이동이 가능하다.
따라서, 이동식 배터리모듈(200)의 제어부(미도시)의 신호에 따라 각 모터의 회전방향과 속도를 적절하게 제어하여 중량이 400kg 내외로 무거운 이동식 배터리모듈(200)이 저상전기버스(100) 하부의 이동평면(300) 위에서 배터리 교체공간과 충전공간 사이를 자유롭게 이동하도록 할 수 있다.
또한, 이동식 배터리모듈(200)에 카메라, 센서, 제어장치 등을 탑재하여 이동식 배터리모듈(200)이 자율주행으로 배터리 교체공간과 충전공간 사이의 이동이 가능하므로 무거운 중량의 배터리를 버스 상부에서 분리하면서 발생할 수 있는 사고위험성도 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 이동식 배터리모듈(200)에 바퀴(230)가 설치된 형태로 설명하고 있지만, 바퀴(230)가 장착되어 자율주행하는 이동유닛에 바퀴(230)가 없는 배터리모듈을 싣고 이동유닛이 저상전기버스(100)의 하부에서 충전공간 사이를 이동하는 방식으로도 구성할 수도 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 이동식 배터리모듈(200)은 이동식 배터리모듈(200) 상면의 각 모서리에 형성되는 와이어추홀더모듈(240)을 포함할 수 있다.
와이어추홀더모듈(240)은 이동식 배터리모듈(200)이 배터리결합부(110)와 결합 및 분리 시에 후술하는 저상전기버스(100) 하부에 설치되는 와이어(130)와 연결하기 위한 모듈로서, 와이어추수용부(250), 배터리자석(260), 슬라이딩덮개(270)를 포함할 수 있다.
와이어추수용부(250)는 와이어추홀더모듈(240)의 중심에 형성되어 후술할 와이어추(120)를 수용하며, 하단 중심부에 영구자석으로 구성되는 배터리자석(260)이 설치된다.
여기서, 와이어추수용부(250)는 이동식 배터리모듈(200)이 배터리결합부(110)와 결합 시에 이동식 배터리모듈(200)과 배터리결합부(110) 사이에서 수평으로 50mm의 위치오차가 발생하여도 후술할 와이어추(120)를 수용할 수 있도록 충분히 크게 형성되는 것이 바람직하다.
슬라이딩덮개(270)는 와이어추수용부(250)의 양 측에 결합되어 상기 와이어추수용부(250)의 상면을 폐쇄할 수 있으며 후술할 와이어추(120)의 중심을 상기 와이어추홀더모듈(240)의 특정위치에 고정시킬 수 있다.
여기서, 이동식 배터리모듈(200)은 후술할 와이어추(120)의 원통을 감싸도록 상기 슬라이딩덮개(270) 하부에 형성되는 반원형함몰부(미도시) 및 상기 슬라이딩덮개(270)를 개폐하도록 작동하는 슬라이딩유닛(미도시)를 더 포함할 수 있다. 반원형함몰부에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
다음으로 도 3을 참조하면, 와이어추(120)는 원통(121), 원판(122), 와이어자석(160)을 포함할 수 있다.
원통(121)은 상단과 하단이 개방되어 각각 원판(122) 및 와이어자석(160)이 결합된다.
원판(122)는 와이어(130)가 삽입되도록 중앙에 원판구멍(123)이 형성되어 원통(121)의 상단 개방부에 결합한다. 여기서, 와이어(130)의 끝단에는 와이어고정유닛(124)이 결합되어 있고 상기 원판구멍(123)은 와이어고정유닛(124)보다 훨씬 작은 직경으로 형성되어 와이어고정유닛(124)이 원판(122)에 의하여 원통(121) 내부에 고정됨으로써, 와이어(130)가 이동식 배터리모듈(200)을 들어올릴 때 원통(121)에서 빠지지 않도록 하며 이동식 배터리모듈(200)의 무게를 와이어(130)로 전달할 수 있다.
또 다른 실시예로 와이어(130)를 체인으로 구성하는 경우 원판(122)에 체인의 연결고리를 부착할 수 있으며, 이렇게 와이어(130)로 체인을 사용하는 경우 도르래(170)로 체인용 스프로켓을 사용할 수 있다.
와이어자석(160)은 영구자석으로 구성되어 원통(121)의 하단 개방부에 결합된다. 와이어자석(160)은 상기 배터리자석(260)과 결합되어 와이어(130)가 이동식 배터리모듈(200)을 들어 올리도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저상전기버스 배터리 교체시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 저상전기버스 배터리 교체 시스템은 저상전기버스(100)의 하부에 형성되는 배터리결합부(110) 및 상기 배터리결합부(110)에 탈착가능하게 결합되는 이동식 배터리모듈(200)을 포함하되, 상기 배터리결합부(110)에는 와이어추모듈(111)이 구비되고, 상기 이동식 배터리모듈(200)에는 와이어추홀더모듈(240)이 구비되어, 상기 와이어추모듈(111)이 상기 와이어추홀더모듈(240)과 결합 및 해제됨으로써 상기 이동식 배터리모듈(200)을 탈착시킨다.
상기 배터러결합부(110)는 저상전기버스(100)의 하부에 형성되어 상기 이동식 배터리모듈(200)을 수용할 수 있는 공간을 확보하면서 상기 이동식 배터리모듈(200)을 결합시킬 수 있는 와이어추모듈(111)을 구비한다.
상기 와이어추모듈(111)은 와이어추(120)와 상기 와이어추(120)에 결합되어 있는 와이어자석(160), 그리고 일단은 상기 와이어추(120)와 연결되되 타단은 견인모터(150)와 연결되어 있는 와이어(130)를 포함한다.
상기 와이어추(120)의 구체적인 구성은 전술하였으므로 여기서는 생략한다.
한편, 상기 배터리 결합부(110)는 상기 이동식 배터리모듈(200)이 결합시에 이동식 배터리모듈(200)을 더욱 견고하게 결합하기 위한 배터리 고정유닛(190)을 더 포함할 수 있다. 상기 배터리 고정유닛(190)은 판 형태로 구성되어 슬라이딩 형식으로 이동할 수 있어 상기 이동식 배터리모듈(200)의 하부를 고정할 수 있다.
또 다른 이동식 배터리모듈(200)의 고정 방법으로, 이동식 배터리모듈(200)의 상부에 십자형 고정구멍을 설치하고 배터리결합부(110)에 십자형 배터리고정유닛(미도시)을 설치하여, 십자형 배터리고정유닛(미도시)을 회전시켜 이동식 배터리모듈(200)을 고정하고, 반대로 회전하면 고정이 풀리는 방식으로 이동식 배터리모듈(200)의 상부를 고정할 수도 있다.
이동식 배터리모듈(200)은 바퀴(230)와 와이어추홀더모듈(240)을 포함할 수 있으며, 상기 와이어추홀더모듈(240)은 와이어추수용부(250), 배터리 자석(260), 슬라이딩덮개(270)를 포함할 수 있다.
배터리(미도시)는 이동식 배터리모듈(200)에 내장되어, 이동식 배터리모듈(200) 상단부에 구비되는 충전단자(미도시)를 통해 충전공간에서 충전되거나 무선충전모듈이 장착되어 무선충전 방식을 적용할 수 있다.
바퀴(230)는 메카넘휠로 구성될 수 있으며, 각 모서리에 4개가 장착되고, 상기 메카넘휠 각각에 모터가 장착되어 상기 배터리(미도시)의 전기를 활용하여 모터에 동력이 공급되며, 바퀴(230)의 회전조합만으로 전진, 후진, 좌측이동, 우측이동, 좌회전, 우회전, 사선이동 등 자유자재로 이동이 가능하므로 자율주행으로 이동식 배터리모듈(200)이 배터리결합부(110) 하부에 위치한 다음 배터리모듈(200)에 설치된 카메라(미도시)의 영상정보를 이용하여 메커넘휠을 제어하여 자율주행에서 발생한 위치오차를 감소시키도록 미세한 조정을 하면 위치오차를 20mm 이하로 감소시킬 수 있다.
와이어추홀더모듈(240)은 이동식 배터리모듈(200) 상면의 각 모서리에 형성되어 상기 와이어추(120)를 수용할 수 있다.
또한, 와이어추홀더모듈(240)은 상기 와이어추홀더모듈(240) 중심에 형성되어 와이어추(120)를 수용하는 와이어추수용부(250), 상기 와이어추수용부(250)의 하단 중심부에 결합되는 배터리자석(260) 및 상기 와이어추수용부(250) 양 측에 결합되어 상기 와이어추수용부(250)를 개폐하는 슬라이딩덮개(270)를 포함할 수 있다.
구체적인 동작에 관련하여서는 후술하는 저상전기버스 배터리 교체방법에서 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저상전기버스 배터리 교체방법의 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저상전기버스 배터리 교체방법은 진입단계(S100), 제1 이동식 배터리모듈 분리단계(S200), 제1 이동식 배터리모듈 이동단계(S300), 제1 이동식 배터리모듈 충전단계(S400), 제2 이동식 배터리모듈 이동단계(S500), 제2 이동식 배터리모듈 결합단계(S600) 및 제2 이동식 배터리모듈 고정단계(S700)를 포함한다.
먼저, 진입단계(S100)에서는 제1 이동식 제1 이동식 배터리모듈(200`)에서 공급되는 전기로 주행하는 저상전기버스(100)가 제1 이동식 배터리모듈(200`)을 분리하고 미리 충전되어 있는 제2 이동식 배터리모듈(200``)로 교체하기 위하여 교체공간으로 진입한다.
여기서, 제1 이동식 배터리모듈(200`) 및 제2 이동식 배터리모듈(200``)은 저상전기버스(100)에 장착되어 있다가 분리되는 배터리와 충전공간에 이미 충전되어 있다가 저상전기버스(100)에 결합되는 배터리의 구분을 위한 명칭으로 특정 배터리로 한정되는 것이 아니며, 동일한 구성으로 이루어져 동일한 기능을 수행할 수 있다.
즉, 제1 이동식 배터리모듈(200`)은 배터리결합부(110)에서 분리되어 충전되기까지의 모든 이동식 배터리모듈(200)을 포함하고, 제2 이동식 배터리모듈(200``)은 완충되어 배터리 교체를 위해 저상전기버스(100)로 이동하여 배터리결합부(110)에 결합되고 다시 분리되기 전까지의 모든 이동식 배터리모듈(200)을 포함할 수 있다. 따라서, 하나의 이동식 배터리모듈(200)이 수행하는 단계에 따라 제1 이동식 배터리모듈(200`) 및 제2 이동식 배터리모듈(200``) 둘 중 어느 하나로 지칭될 수 있다.
제1 이동식 배터리모듈 분리단계(S200)에서는 상기 교체공간으로 진입한 저상전기버스(100)의 제1 이동식 배터리모듈(200`)을 배터리결합부(110) 하부의 이동평면(300)으로 분리한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 이동식 배터리모듈 착지단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 이동식 배터리모듈 와이어추분리단계를 설명하기 위한 도면이다.
제1 이동식 배터리모듈 분리단계(S200)는 제1 이동식 배터리모듈 착지단계(S210) 및 제1 이동식 배터리모듈 와이어추분리단계(S220)를 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 이동식 배터리모듈 착지단계(S210)에서는 저상전기버스(100) 하부에 설치되는 견인기어(140)를 견인모터(150)로 작동시켜 와이어(130)를 풀며 배터리결합부(110)에 결합되어 있던 제1 이동식 배터리모듈(200`)을 교체공간의 이동평면(300)으로 착지시킨다.
또한, 제1 이동식 배터리모듈 착지단계(S210)에서는 제1 이동식 배터리모듈(200`) 착지 시에 제1 이동식 배터리모듈(200`)과 배터리결합부(110) 사이에서 수평으로 위치오차가 발생하지 않기 때문에, 이동평면(300)에 착지한 제1 이동식 배터리모듈(200`)과 배터리결합부(110) 사이의 수평 위치가 정확히 일치한다.
다음으로 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 이동식 배터리모듈 와이어추분리단계(S220)에서는 슬라이딩유닛(미도시)으로 와이어추홀더모듈(240`)의 슬라이딩덮개(270`)를 개방하고 견인기어(140)로 와이어(130)를 감아 올려 제1 이동식 배터리모듈(200`)을 와이어추(120)와 분리시킨다. 이 때 제1 이동식 배터리모듈(200`)의 배터리자석(260`)과 와이어추(120)의 와이어자석(160)의 자력은 상기 제1 이동식 배터리모듈(200`)의 무게보다 약하여 슬라이딩덮개(270`)가 해제되면 견인모터(150)의 견인력으로 와이어추(120)만 충분히 들어올릴 수 있다. 또한, 전자석을 사용하거나 별도의 이동식 배터리모듈(200)을 고정하는 고정장치를 사용할 수도 있다.
제1 이동식 배터리모듈 이동단계(S300)에서는 제1 이동식 배터리모듈 분리단계(S200)에서 분리된 제1 이동식 배터리모듈(200`)이 충전을 하기 위하여 충전공간으로 이동하고, 제1 이동식 배터리모듈 충전단계(S400)에서는 발전소에서 공급하는 전기를 이용하여 상기 충전공간에서 제1 이동식 배터리모듈(200`)을 충전한다.
상기 충전공간은 제1 이동식 배터리모듈(200`)의 충전이 이루어지는 충전실이 수직 다단으로 구성되는 충전유닛과, 제1 이동식 배터리모듈(200`)을 적재하여 각각의 충전실로 승강시키는 승강유닛을 포함할 수 있다. 이 때 제1 이동식 배터리모듈(200`)은 자율주행으로 충전실까지 이동할 수 있다.
또한, 충전실 상부에 견인장치를 설치하고 와이어추(120)를 제1 이동식 배터리모듈(200`)의 와이어추홀더모듈(240`)에 연결하여 제1 이동식 배터리모듈(200`)을 들어올리면 제1 이동식 배터리모듈(200`)의 위치가 자동으로 조정되며 배터리 충전단자가 설치된 충전실배터리결합부(미도시)로 삽입되어 제1 이동식 배터리모듈(200`)의 상단부에 구비되는 충전단자와 충전실배터리결합부(미도시)의 충전단자와 결합할 수 있어 충전할 수 있고, 또는 제1 이동식 배터리모듈(200`) 및 충전실배터리결합부(미도시)에 무선충전모듈을 장착하여 무선충전 방식을 적용하여 충전할 수 있다.
각 충전실에 설치되는 충전단자는 전기 공급 및 차단이 전자스위치로 작동되며 배터리셀의 수명을 최대한 유지할 수 있는 속도로 시간여유를 가지고 충전이 이루어지도록 제어장치가 구성됨으로써, 저상전기버스(100)의 배터리 수명을 연장하고 전기공급시설도 최적화하여 용량이 급속충전처럼 과다하게 확보하지 않아서 경제성을 높일 수 있다.
배터리모듈은 여러개의 배터리셀이 모인 것으로 배터리셀 1개가 약 3.5V 정도의 전압을 만들어 내는데 저상전기버스 운행에 필요한 충분한 출력을 만들기 위하여 800V 정도의 높은 전압을 만들 수 있도록 230개 정도의 배터리셀이 결합하게 된다.
배터리모듈의 수명과 화재의 안전성은 많은 배터리셀이 일정한 온도 범위내에서 전압과 전류를 충전하고 방전해야 확보가 되는데 제품의 편차에 의하여 상태가 불량한 배터리셀이 나타나게 된다.
전기자동차에 사용하는 배터리셀은 현재 전기 이온화 경향이 가장 높은 리튬을 이용하여 전기를 충전하고 방전하게 되며 양극은 얇은 알루미늄 도전판에 니켈, 코발트, 망간 등의 산화물과 리튬을 화학적으로 결합한 양극재를 도포하여 만들고 음극은 얇은 구리 도전판에 흑연이나 실리콘으로 만든 음극재를 도포하여 만들고 양극과 음극 사이에 분리만을 두고 전해액을 채워서 만든다.
배터리셀의 용량은 면적에 비례하므로 얇게 만든 양극과 음극을 최대한 많이 쌓거나 말아서 배터리셀을 만들게 된다.
이렇게 양극과 음극과 분리만을 적층하고 전해액을 채워서 조립한 배터리셀에는 전기가 전혀 저장되지 않은 상태인데 여기에 전기를 충전시키면 양극에 있는 리튬이 이온으로 변하여 음극으로 이동하여 흑연층 사이로 저장되면서 충전이 이루어진다.
최초의 충전에서 음극의 흑연층 표면에는 리튬 이온만 통과하고 전자는 통과하지 않는 SEI 층이 형성되는데 이 SEI층으로 배터리의 기능이 생성되어 저항체와 연결되면 음극의 구리판을 통하여 3.5 V의 전기를 출력하는 방전이 이루어지면서 흑연층 사이의 리튬이 이온으로 전환되어 SEI층을 통과하여 전해액을 거쳐 양극재 속으로 들어가고 음극에 남은 전자는 구리판을 통하여 저항체에서 일을 하며 모터 등을 회전시키고 약극으로 넘어가서 리튬이온과 결합하여 양극제 속에 리튬을 저장하게 된다.
이러한 화학반응은 반응속도가 느릴수록 안정적이고 반응속도가 빠르면 불안정하기 때문에 급속충전을 하면 배터리의 수명이 짧아지게 된다.
현재까지 알려진 배터리의 수명 단축에 영향을 주는 요인으로는 충방전 속도와 충전량과 방전량 그리고 배터리 온도 등이 알려져 있다.
배터리의 온도가 높을수록 또 충반전 속도가 빠를수록 배터리의 화학반응이 불안정해지며 특히 과충전이나 과방전이 발생하면 가스가 발생하여 ??창하게나 온도가 과열되어 발화하고 심하면 폭발하게 된다.
배터리의 화학반응이 불안정해지면 리튬이 전해액에서 금속으로 결합하여 덴트라이트를 만들어 SEI층을 손상시키거나 분리막을 파괴하여 배터리의 성능이 급격하게 저하된다.
과충전이나 과방전은 매우 심각한 배터리 손상을 일으키는 것이므로 모든 배터리셀에서 CMS 칩이 설치되어 전압과 전류를 측정하고 배터리에 과충전이나 과방전이 일어나지 않도록 전류를 차단한다.
과충전은 10% 이상이면 전해액속에 리튬금속이 형성되고 20% 이상이면 전해액을 전기분해하여 팽창하며 60% 이상 과충전되면 폭발한다.
과방전은 SEI층을 파괴하며 음극의 구리를 이온으로 분해하여 흑연과 접합을 분리하기 때문에 배터리 용량을 급속하게 감소시키는데 10% 과방전이 이루어지면 SEI층의 상당량이 사라지고 12% 과방전에서는 거의 대부분의 SEI층이 사라지고 구리판이 이온으로 분해되기 시작하며 13% 과방전에서는 분해된 구리 이온이 분리막에서 검출되어 내부 합선을 발생하기 시작하여 배터리 성능이 크게 저하되며 이후 계속 과방전을 진행하면 구리가 전해액을 오염시키며 과방전이 진행되어 20% 과방전이 되면 배터리 기능이 사라지고 구리판에 접착된 흑연층도 완전히 분리된다.
충전속도도 매우 중요한데 1시간동안 배터리를 완전히 충전하는 충전속도를 1C로 부르며 충전시간의 역수로 완전 충전시간이 2시간이면 0.5C이고 0.5시간이면 2C가 되며 초기에 배터리의 SEI 층을 형성하는 충전속도가 0.4C 로 알려져 있으며 2C 이상을 고속충전이라고 한다.
또한 배터리가 80% 이상 충전이 이루어지면 충전속도가 느려지게 되는데 이는 음극의 흑연사이에 리튬이온으 가득차게 되면서 리튬이온이 흑연층 사이의 빈공간을 찾는 시간이 오래 걸리기 때문인 것으로 알려져있다.
배터리 용량이 감소된 상태에서 셀 단위로 충전이 이루어지면 정상적인 전압과 전류를 공급하여도 부분적으로는 과충전이 발생하게 되어 배터리의 수명을 급속하게 감소시키게 된다.
배터리셀에서 과충전과 과방전이 한번 발생하면 배터리 기능을 상실하는 부분이 형성되어 다음에 충전을 하는 경우에 용량이 그만큼 저하되어 보통의 배터리셀이라면 정상적인 충전 상황이지만 손상된 배터리셀은 과충전과 급속충전 상태가 발생하게 되어서 손상된 배터리셀의 성능이 더 가속적으로 저하하는 것이며 하나의 셀에 성능저하가 일어나면 인접한 셀에 그 부하가 전달되면서 인접한 셀의 성능저하가 발생하고 이러한 현상이 연속적으로 전파되는 것이다.
따라서 배터리셀의 상태를 배 충전단계마다 측정하고 이전 상태와 비교하여 배터리셀의 이상 유무를 파악하는 것이 매우 중요하므로 이를 위하여 배터리를 차량에서 분리하여 별도의 충전공간에서 0.4C 이하의 속도로 천천히 충전하면서 각각의 배터리셀 온도변화를 측정하고 이전의 충전 자료와 비교하는 것이 필요하다.
이를 위하여 모든 이동식 배터리모듈(200)에 고유번호를 부여하여 관리할 뿐 아니라 이동식 배터리모듈에 들어있는 모든 배터리셀 하나하나에 고유번호를 부여하고 충전유닛으로 충전하는 과정에서 배터리셀의 온도와 전압과 전류를 측정하고 이 측정값을 저장하여 이전의 측정?馨? 차이를 비교하여 이동식 배터리모듈의 상태를 관리하는 것이 필요하다.
제2 이동식 배터리모듈 이동단계(S500)에서는 상기 충전공간에서 미리 충전되어 있는 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 상기 교체공간에 위치한 배터리결합부(110) 하부의 이동평면(300)으로 이동시킨다.
제2 이동식 배터리모듈 결합단계(S600)에서는 배터리결합부(110) 하부에 위치한 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 들어올려 배터리결합부(110)에 결합시킨다.
제2 이동식 배터리모듈 결합단계(S600)는 제2 이동식 배터리모듈 와이어연결단계(S610), 제2 이동식 배터리모듈 위치조정단계(S620) 및 제2 이동식 배터리모듈 삽입단계(S630)를 포함할 수 있다.
제2 이동식 배터리모듈 와이어연결단계(S610)에서는 배터리결합부(110) 하부에 위치한 제2 이동식 배터리모듈(200``)에 견인장치에 감긴 와이어(130)를 풀어 와이어추(120)를 내려서 상기 제2 이동식 배터리모듈(200``)에 형성되는 와이어추홀더모듈(240``)과 연결한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이동식 배터리모듈 와이어추삽입단계 및 제2 이동식 배터리모듈 자석결합단계를 설명하기 위한 도면이다.
상기 제2 이동식 배터리모듈 와이어연결단계(S610)는 제2 이동식 배터리모듈 와이어추삽입단계(S611), 제2 이동식 배터리모듈 자석결합단계(S612) 및 제2 이동식 배터리모듈 와이어추고정단계(S613)를 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제2 이동식 배터리모듈 와이어추삽입단계(S611)에서는 견인기어(140)에서 도르래(170)를 거쳐 내려오는 와이어(130)에 연결된 와이어추(120)를 제2 이동식 배터리모듈(200``)에 형성된 와이어추홀더모듈(240``) 내부의 와이어추수용부(250``)에 삽입한다.
제2 이동식 배터리모듈 자석결합단계(S612)에서는 와이어추(120)에 결합되어 있는 와이어자석(160)과 와이어추수용부(250``)에 결합되어 있는 배터리자석(260``)이 자성에 의해 서로 결합된다.
상기 와이어자석(160)과 상기 배터리자석(260``)은 영구자석으로 구성되어 와이어추(120)가 와이어추수용부(250``)에 삽입될 시, 와이어추수용부(250``) 중앙에 결합되는 배터리자석(260``)이 자성에 의해 와이어(130)에 매달린 와이어추(120)를 끌어당겨 와이어추(120)가 와이어추수용부(250``)의 중심을 향해 결합된다. 따라서, 와이어추수용부(250``)의 크기를 위치오차 발생 시에도 와이어추(120)를 쉽게 수용하기 위해서 크게 만들어도 와이어추(120)가 자성에 의해 와이어추수용부(250``)의 중심부로 정확히 위치될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이동식 배터리모듈 와이어추고정단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 와이어추고정단계(S613)에서는 와이어추홀더모듈(240``)에 구비되어 있는 슬라이딩덮개(270``)가 와이어추수용부(250``)를 닫으며 와이어추(120)의 중심을 와이어추수용부(250``)의 특정위치에 고정시킨다. 즉, 2개로 구성되는 상기 슬라이딩덮개(270``)를 닫으면 각 슬라이딩덮개(270``)에 형성되어 있는 반원형함몰부(미도시) 2개가 만나서 와이어추(120)의 원통(121)을 고정할 수 있는 원형함몰부(미도시)를 형성하게 되고, 상기 원형함몰부가 상기 원통(121)을 밀어내면서 와이어추수용부(250``)의 중심으로 이동시켜 와이어추홀더모듈(240``)에 와이어추(120)의 중심위치를 고정시키게 된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이동식 배터리모듈 위치조정단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 위치조정단계(S620)에서는 견인기어(140)를 작동시켜 와이어(130)로 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 공중으로 천천히 들어올리면 중력에 의하여 제2 이동식 배터리모듈(200``)이 저상전기버스(100)의 배터리결합부(110)에 삽입되는 위치로 자동으로 조정되어 제2 이동식 배터리모듈(200``) 결합 시에 견인기어(140)와 연결된 도르래(170)의 수직와이어중심위치(180)와 와이어추홀더모듈(240``)에 연결되어있는 와이어(130) 중심위치의 오차를 1mm 이내로 감소시키고 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 정확하게 배터리결합부(110)에 삽입하는 것이 가능하다.
즉, 제2 이동식 배터리모듈(200``)이 자율주행으로 배터리결합부(110) 하부의 이동평면(300)으로 정차하며 발생할 수 있는 약 100mm의 위치오차를 와이어자석(160)과 배터리자석(260``) 간의 자성에 의한 결합이나 경사면 이용 및 다른 장치를 통해 10mm 이하의 위치오차로 감소시키고, 와이어추홀더모듈(240``)의 슬라이딩덮개(270``)를 닫으며 1mm 이하의 위치오차로 감소시키며, 와이어(130)가 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 공중으로 들면서 발생하는 무게에 의한 중력에 의하여 위치가 자동으로 조정되어 1mm 이내의 위치오차로 제2 이동식 배터리모듈(200``)의 위치 정확도를 확보할 수 있다. 이처럼 여러번의 오차 감소단계를 거쳐 최종적으로 저상전기버스(100)와 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 정확하게 결합할 수 있다.
이 때, 와이어추모듈(111)의 위치를 대각선 방향으로 바깥쪽에 배치하여 와이어(130)가 경사를 가지고 견인되도록 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 들어올리면, 중력에 의하여 경사도만큼 중심으로 향하는 힘이 만들어져 제2 이동식 배터리모듈(200``)의 위치조정이 더욱 빠르고 정확하게 이루어질 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이동식 배터리모듈 삽입단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 제2 이동식 배터리모듈 삽입단계(S630)에서는 위치가 조정된 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 견인장치로 더 견인하면 저상전기버스(100)의 배터리결합부(110) 속으로 들어가서 완전히 밀착이 이루어지고 견인모터(150)의 회전이 중단되며 제2 이동식 배터리모듈(200``) 삽입을 완료한다.
여기서, 본 발명에 따른 저상전기버스 배터리 교체방법에 의하면, 견인장치에 장착되는 와이어(130)는 인장강도가 큰 금속선이나 탄소섬유 등을 사용해서 만들거나 체인 등으로 구성할 수 있으며, 와이어(130) 4개로 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 들어 올릴 수 있을 만큼 충분히 큰 장력을 가지도록 만드는 것이 바람직하다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이동식 배터리모듈 고정단계를 설명하기 위한 도면이다.
제2 이동식 배터리모듈 고정단계(S700)에서는 배터리결합부(110) 하부의 측면에 설치된 배터리고정유닛(190)으로 배터리결합부(110)에 삽입된 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 고정한다.
상기 배터리고정유닛(190)은 제2 이동식 배터리모듈(200``)을 확실하게 지지하여 주행 과정에서 발생하는 다양한 충격에도 제2 이동식 배터리모듈(200``)이 배터리결합부(110)에 밀착될 수 있도록 지지하는 장치로, 본 발명에서 적용한 슬라이딩 방식뿐만 아니라 힌지 방식을 포함한 다양한 방식을 적용할 수 있다.
한편, 배터리고정유닛(190)은 배터리결합부(110)의 마주보는 2개 면 이상에 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 저상전기버스 배터리 교체방법은 충전공간에서 제1 이동식 배터리모듈(200`)을 발전소에 필요한 예비전력을 공급하는 ESS 장치의 일부로 활용하는 ESS 활용단계를 더 포함할 수 있다.
ESS 장치는 배터리로 전기를 저장하여 필요 시 발전소를 대신하여 전력망에 전력을 공급하는 장치로, 저상전기버스(100)에서 분리한 제1 이동식 배터리모듈(200`)을 이용하여 충전공간에 설치하면 저상전기버스(100)의 배터리 교체 시간과 전기수요가 최대로 발생하는 시간의 차이를 이용하여 최대 전기수요 시간에 대비한 예비전력을 공급하는 장치로 구성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 저상전기버스 배터리 교체방법은 대형 저상전기버스(100) 뿐만 아니라 미니버스나 굴절버스 등 모든 저상전기버스(100)의 종류를 불문하고 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
100 : 저상전기버스 　 101 : 뒷바퀴
102 : 앞바퀴 103 : 뒷출입문
104 : 앞출입문 110 : 배터리결합부
111 : 와이어추모듈 120 : 와이어추
130 : 와이어 140 : 견인기어
150 : 견인모터 160 : 와이어자석
170 : 도르래
180 : 수직와이어중심위치 190 : 배터리고정유닛
200, 200`, 200`` : 이동식 배터리모듈
230, 230`, 230`` : 바퀴
240, 240`, 240`` : 와이어추홀더모듈
250, 250`, 250`` : 와이어추수용부
260, 260`, 260`` : 배터리자석
270, 270`, 270`` : 슬라이딩덮개
300 : 이동평면

Claims (8)

  1. 바닥면이 낮은 저상전기버스에서,
    뒷바퀴 뒷부분의 바닥면을 높이고 높아진 바닥면의 하부 공간에 형성되는 배터리결합부;
    상기 배터리결합부에 탈착가능하게 결합되는 이동식 배터리모듈;
    상기 이동식 배터리모듈이 상기 배터리결합부와 분리하고 결합할 수 있도록 상기 이동식 배터리모듈을 수직으로 이동시키는 수직이동유닛;
    분리된 상기 이동식 배터리모듈을 충전하는 충전유닛; 을 포함하고
    상기 저상전기버스 하부와 상기 충전유닛 사이에서 상기 이동식 배터리모듈을 자율주행 이동시키는 저상전기버스 배터리 교체시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이동식 배터리모듈의 충전 용량은 노선을 운행하는 상기 저상전기버스가 노선 1회 왕복운행에 필요한 전기를 공급하는 정도인 것을 특징으로 하는 저상전기버스 배터리 교체시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리결합부와 상기 이동식 배터리모듈 사이에 발생하는 위치오차를 줄이기 위하여
    상기 이동식 배터리모듈의 바퀴로 메커넘휠을 사용하고,
    상기 이동식 배터리모듈에 설치한 카메라의 영상정보를 이용하여 상기 메커넘휠을 제어하는 것을 특징으로 하는 저상전기버스 배터리 교체시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수직이동유닛은,
    상기 배터리결합부는 와이어추모듈을 포함하고,
    상기 이동식 배터리모듈에는 와이어추홀더모듈을 포함하여,
    상기 와이어추모듈과 상기 와이어추홀더모듈이 결합 및 해제되어 상기 이동식 배터리모듈이 탈착되는 것을 특징으로 하는 저상전기버스 배터리 교체시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 와이어추모듈은,
    와이어추;
    일단이 상기 와이어추와 결합되는 와이어; 및
    상기 와이어의 타단에 결합되는 견인모터를 포함하되,
    상기 와이어추에는 와이어자석이 구비되고,
    상기 와이어추홀더모듈은,
    상기 와이어추홀더모듈의 중심에 형성되어 상기 와이어추를 수용하는 와이어추수용부; 및
    상기 와이어추수용부의 하단 중심부에 결합되는 배터리자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 저상전기버스 배터리 교체시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 이동식 배터리모듈과 상기 이동식 배터리모듈을 구성하는 배터리셀 마다 고유번호를 부여하고,
    상기 충전유닛으로 충전하는 과정에서 상기 배터리셀의 온도와 전압과 전류를 측정하고 측정값을 저장하여 상기 이동식 배터리모듈의 상태를 관리하는 것을 특징으로 하는 저상전기버스 배터리 교체시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리결합부는,
    상기 이동식 배터리모듈이 결합되었을 때 상기 이동식 배터리모듈을 고정하는 배터리고정유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저상전기버스 배터리 교체시스템.
  8. 저상전기버스의 하부에 형성되는 배터리결합부와 상기 배터리결합부에 탈착가능하게 결합되는 이동식 배터리모듈을 포함하는 저상전기버스 배터리 교체시스템의 배터리 교체방법에 있어서,
    제1 이동식 배터리모듈을 상기 배터리결합부로부터 분리시키는 제1 이동식 배터리모듈 분리단계;
    분리된 상기 제1 이동식 배터리모듈이 충전공간으로 자율 이동하는 제1 이동식 배터리모듈 이동단계;
    상기 충전공간에서 상기 제1 이동식 배터리모듈을 충전하는 제1 이동식 배터리모듈 충전단계;
    상기 충전공간에서 미리 충전되어 있는 제2 이동식 배터리모듈을 상기 배터리결합부 하부로 자율 이동시키는 제2 이동식 배터리모듈 이동단계; 및
    상기 배터리결합부 하부에 위치한 상기 제2 이동식 배터리모듈을 상기 배터리결합부에 결합시키는 제2 이동식 배터리모듈 결합단계를 포함하되,
    바닥면이 낮은 상기 저상전기버스에서 상기 배터리결합부를 설치하기 위하여 뒷바퀴 뒷부분의 바닥면을 높이고 높아진 바닥면의 하부 공간을 확보하는 것을 특징으로 하는 저상전기버스 배터리 교체방법.
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KR101402668B1 (ko) 2012-06-29 2014-07-01 한국항공대학교산학협력단 전기버스 배터리 교환 시스템

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