KR20220102665A - 전기 차량용 양방향 충전 시스템 - Google Patents

전기 차량용 양방향 충전 시스템 Download PDF

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지슬랭 람베르
사뮤엘 라부와
에릭 르꾸르뚜와
안젤로 귀멩또
마랭 라갸스
쟝-뤽 뒤쁘레
루이-앙드레 빠똘
나쎄르 부드제리다
까림 자그힙
에릭 뻬로
필립쁘 벤느
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하이드로-퀘벡
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Abstract

전기 네트워크(102)로 연결되는 양방향 단말기(101), 전기 차량(103)으로의 연결을 위한 케이블, 단말기로부터 액세스 가능한 제어 패널(104) 및 전기 네트워크(107)의 제어 시스템으로의 통신을 위한 수단을 포함하는, 전기 차량용 양방향 충전 시스템으로서, 상기 차량은 양방향 충전기(105)를 포함하고, 상기 양방향 충전기는 단말기에서부터 차량의 배터리(106)로의 그리고 그 반대 방향으로의 전기 에너지의 전달을 가능하게 하며, 상기 차량의 사용자는 제어 패널의 단말기를 통한 배터리(106)의 최소 충전 레벨을 특정할 수 있다.

Description

전기 차량용 양방향 충전 시스템{BIDIRECTIONAL CHARGING SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 차량용 양방향 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전기 차량(가령, 배터리-전력공급형 차량 및 "플러그-인" 하이브리드 차량)이 재충전식 배터리에 의해 전력 공급되는 장치를 충전하는 데 사용되는 것과 유사한 방식으로 충전된다. 다시 말하면, 운영자가 단말기의 커넥터를 이러한 목적으로 제공된 차량 리셉터클에 연결한다. 차량 내에 설치된 충전기가 즉시 차량의 배터리를 충전하기 시작한다. 이 충전기는 부하가 차량 쪽에 있는 단방향이다. 차량 배터리가 충전되는 속도는 일반적으로 충전기의 전자소자 및 단말기의 용량에 의해 부과되는 전류 제한의 결과이다. 차량의 충전기는 충전 속도를 변경하여 차량 배터리의 수명을 연장하기 위한 명시적 로직 또는 구성요소를 포함할 수 있다. 일반적으로, 그 밖의 다른 인자에 의해 결정되는 충전 속도를 제어하기 위한 어떠한 추가 구성요소도 없다.
그러나 재충전 가능한 전기 차량의 맥락에서, 충전 단말기에 위치하는 양방향 충전기의 사용이 알려져 있다. 이 경우, 전기 차량이 어떠한 충전기도 포함하지 않고 차량의 배터리가 외부 충전 단말기에 위치하는 양방향 충전기에 직접 연결된다.
본 발명의 첫 번째 목적은 전기 네트워크에 연결된 양방향 단말기, 단말기에 연결되도록 구성된 전기 차량, 단말기로부터 액세스 가능한 제어 패널, 및 전기 네트워크의 제어 시스템으로 통신하기 위한 수단을 포함하는 전기 차량용 양방향 충전 시스템을 제공하는 것이며, 상기 차량은 양방향 충전기를 포함하고, 상기 양방향 충전기는 단말기에서 차량 배터리로의 그리고 그 반대 방향으로의 전기 에너지의 전송을 가능하게 하며, 상기 차량의 사용자는 단말기의 제어 패널을 통해 배터리의 최소 충전 레벨을 특정할 수 있다.
본 발명의 두 번째 목적은 전기 네트워크로 연결된 양방향 단말기, 단말기에 연결되도록 구성된 전기 차량, 중요 부하에 전력을 공급하기 위한 전기 전력 출력부 및 단말기로부터 액세스 가능한 제어 패널, 및 단말기에서부터 차량 배터리로 그리고 그 반대 방향으로의 전기 전력을 전달하기 위한 양방향 충전기를 포함하는 전기 차량용 양방향 충전 시스템을 제공하는 것이며, 사용자는 전기 네트워크의 메인 전력이 이용 가능하지 않을 때 차량의 에너지가 중요 부하에 전력을 공급하도록 사용되는 것을 수락 또는 거절할 수 있다.
본 발명의 세 번째 목적은 전기 네트워크로 연결되는 양방향 단말기, 단말기로 연결되도록 구성된 전기 차량, 및 전기 네트워크의 제어 시스템과 통신하기 위한 수단을 포함하는 전기 차량용 양방향 충전 시스템을 제공하는 것으로서, 상기 차량은 양방향 충전기를 포함하며, 상기 양방향 충전기는 단말기에서부터 차량 배터리로의 그리고 그 반대 방향으로의 전기 에너지의 전달을 가능하게 하며, 제어 시스템은 네트워크 수요에 따라 차량으로 공급되는 전력 및 차량으로부터 인출되는 전력을 변조한다.
본 발명의 네 번째 목적은 중앙 모터 및 차량 제어 시스템을 갖는 전기 추진 시스템을 포함하는 전기 차량을 제공하는 것이며, 차량은 양방향 충전기 및 LiFePo4 배터리를 포함한다.
본 발명의 그 밖의 다른 목적, 특징 및 이점이 이하의 도면에서 예시로서만 제공된 이하의 가능한 실시예에 대한 설명을 참조하여 더 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 전기 차량용 양방향 충전 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 두 번째 바람직한 실시예에 따르는 전기 차량용 양방향 충전 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 세 번째 바람직한 실시예에 따르는 전기 차량용 양방향 충전 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 네 번째 바람직한 실시예에 따르는 전기 차량용 양방향 충전 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 전기 네트워크(102)에 연결되는 양방향 단말기(101)를 포함하는 전기 차량용 양방향 충전 시스템이 존재한다. 상기 전기 차량(103)은 케이블을 통해 단말기(101)로 연결된다. 시스템은 단말기(101)로부터 액세스 가능한 제어 패널(104) 및 전기 네트워크(107)의 제어 시스템으로의 통신 수단을 포함한다. 상기 차량은, 양방향 충전기를 포함하지 않거나 단방향 충전기를 포함하는 종래의 차량과 상이하게, 양방향 충전기(105)를 포함한다. 양방향 충전기(105)에 의해, 단말기(101)에서 차량의 배터리(106)로의 그리고 그 반대 방향의 전기 에너지의 전달이 가능하다. 차량의 사용자가 단말기(101)의 제어 패널(104)을 통한 배터리(106)의 최소 충전 레벨(SOC% 즉 "충전 상태(State of Charge)")를 특정할 수 있다.
양방향 충전기(105)에 의해 전기 차량(103)과 전기 네트워크(102) 간 전기 에너지의 교환이 가능해진다. "차량-전력망(V2G: vehicle-to-grid)" 시스템의 맥락에서, 전기 차량(EV)이 전기 네트워크(102)와 자동으로 통신하여, 잉여 전력을 판매하거나 충전 속도를 낮출 수 있다. 이러한 시스템은 전기 차량(EV)의 배터리에 저장된 에너지를, 예를 들어, 피크 수요(peak demand) 주기 동안 전기 네트워크(102)로 전기를 공급하기 위한 보조 공급원으로서 이용하는 것을 목표로 한다.
양방향 충전기(105)는 또한 전기 차량(103)의 배터리가 정전 동안 가정의 메인 회로에 직접 전력을 공급할 수 있도록 한다("차량-가정(vehicle-to-home)" 즉 V2H라고 흔히 일컬어짐). 이로 인해, 전지 차량(EV)의 소유주는, 발전기에 의해 이뤄지는 것과 유사하게, 차량 배터리에 저장된 에너지를 이러한 가정을 위한 임시 전기 공급원으로서 이용할 수 있다.
전기 차량(103)과 일체 구성되는 양방향 충전기(105)의 주요 이점은 특정 단말기에 대해 요구하지 않으면서, 언제라도 교류 전압 전원(AC)을 가진다는 것이다. 실제로, 양방향 충전기(105)가 차량(103)에 일체 구성될 때, 양방향 충전기가 전력을 차량(103)의 충전 소켓으로 전달하도록 양방향 충전기와의 통신이 이뤄질 필요가 있다. 이 기능은 고립 네트워크에서만 허용된다.
2013년 7월과 8월 사이에 수행된 로드 테스트가, 여름 조건에서 96Km의 자율동작(autonomy)을 갖는 전기 차량의 복수의 특성을 평가했다. 이하의 표 1이 테스트 결과를 보여준다.
날짜 SOC%
출발		 거리(km) SOC %
도착		 배터리 온도
(℃)
2013년 7월 31일 97 21.1 72.2 28
2013년 7월 31일 84.6 22.5 63 32
2013년 8월 1일 82.7 21.4 60.8 30
2013년 8월 1일 79.7 25 54.7 32
2013년 8월 5일 76.6 21.4 52.2 22
차량의 복수의 특성을 평가했다. 이하의 표 1이 테스트 결과를 보여준다.
따라서, 예를 들어, 사용자는 단말기(101)의 제어 패널(104)을 통해, 배터리(106)의 최대 충전의 0% 내지 60%일 수 있는 배터리(106)의 최소 충전 레벨(SOC%)을 특정할 수 있다. 최소 충전 레벨(SOC%)은 상기 표의 출발 충전 레벨에 대응할 것이며 차량이 이동할 수 있는 거리의 감소를 도출할 것이지만, 배터리(106)에 저장된 에너지를 전기 네트워크(102)의 관리자에게 판매할 수 있는 능력을 사용자에게 제공할 것이다.
실제로, 사용자는 자신의 필요에 따라 원하는 대로 최소 충전 레벨을 조절할 수 있다. 최소 충전 레벨은 또한 임계치라고도 지칭되며, 사용자가 자신의 차량에서 유지하기를 원하는 배터리 충전량의 퍼센티지 %이다. 예를 들어, 사용자가 다음날 오후까지 자신의 차를 사용하지 않을 것을 아는 경우, 임계치를 10%로 설정할 수 있고, 그 후 다음날 아침, 사용자는 오후에 출발할 필요가 있고 배터리가 제안하는 자율동작의 절반이 필요할 것이기 때문에 임계치를 50%로 설정할 수 있다.
충전 모드에서, 양방향 충전기(105)는 교류 전압(AC)을 직류 전압(DC)로 변환한다. V2G/V2H 모드에서, 양방향 충전기(105)가 직류 전압(DC)을 교류 전압(AC)으로 변환한다. 양방향 충전기(105)는 차량(103) 아래 파워트레인 근처에 위치한다.
앞서 설명된 바와 같이, 전기 네트워크(102)는, 특히, 소비 피크 동안, 전기 네트워크(107)의 제어기를 통해 단말기(101)로 자동으로 에너지 요청을 할 수 있다. 단말기(101)가 충전을 거절하기 위해 요청을 자동으로 수락하도록 단말기(101)는 제어 패널(104)을 통해 프로그램될 수 있다. 따라서 전기 네트워크(107)의 제어기가, 예를 들어, 네트워크가 에너지 부스트를 필요로 한다고 결정할 때, 단말기(101)로 충전 메시지를 거절하기 위한 요청을 전송하고 단말기(101)는 차량(103)의 배터리(106)를 충전하는 것을 자동으로 중단한다. 이 구성에 의해, 차량(103)의 사용자는 전기 네트워크(102)의 관리자로부터 할인 또는 리베이트(rebate)를 받을 수 있다.
그러나 사용자는 단말기의 제어 패널(104)을 통해 전기 네트워크(107)의 관리 제어 시스템에 의해 제어되는 총 재충전 한계를 취소할 수 있다. 이러한 옵션에서, 충전 거절 요청이 이뤄질 때 사용자는 배터리(106)가 단말기(101)에 의해 방전되지 않음을 확신할 수 있지만, 대신, 사용자가 전기 네트워크(102)의 관리자로부터 어떠한 리베이트 또는 할인도 갖지 않을 것이다.
덧붙여, 전기 네트워크(102)가 전기 네트워크(107)의 제어기를 통해 단말기(101)로의 에너지 요청을 수행할 때, 사용자는 단말기의 제어 패널(104)을 통한 전기 네트워크(107)의 제어 시스템에 의해 제어되는 차량에서 전기 네트워크로의 에너지 요청(V2G: "차량-전력망")의 전송을 취소할 수 있다.
바람직하게는, 사용자가 단말기의 제어 패널(104)을 통해 스케줄의 시각을 기초로, 배터리의 최소 충전 레벨을 조절할 수 있다.
바람직하게는, 사용자는 단말기의 제어 패널(104)을 통해 특정 시각에 차량의 배터리의 충전 레벨을 부과할 수 있다.
도 2를 참조하면, 전기 차량용 양방향 충전 시스템이 도시되며, 상기 시스템은 전기 네트워크(102)로 연결되는 양방향 단말기(101)를 포함한다. 상기 전기 차량(103)은 케이블을 통해 단말기(101)로 연결된다. 단말기(101)는 비상사태 회로(emergency circuit)(108) 내 중요 부하에 전력을 공급하기 위한 전기 전력 출력부 및 단말기(101)로부터 액세스 가능한 제어 패널(104)을 포함한다. 차량은 양방향 충전기(105)를 포함할 수 있지만, 상기 양방향 충전기(105)는 단말기(101)에 일체 구성될 수도 있다. 양방향 충전기(105)에 의해, 단말기에서 차량(103)의 배터리(106)로의 그리고 그 반대 방향으로의 전기 에너지의 전달이 가능해진다. 사용자는 메인 전기 네트워크(102)가 이용 가능하지 않을 때 차량의 에너지가 중요 부하(108)에 전력을 공급하기 위해 사용되는 것을 수락 또는 거절할 수 있다.
따라서 상기의 시스템은 종종 다양한 이웃의 차단(shedding)을 초래하는 전기 네트워크(102)의 정전 동안 매우 유용할 수 있다. 이 경우, 사용자가 중요 부하(108)에만 전력을 공급하도록 단말기(101)를 프로그램할 때, 차량(103)의 배터리(106)는 집의 부하의 일부분, 가령, 부엌을 지원할 수 있다. 물론, 집은, 건물, 사업체, 기관, 회사 등일 수도 있다.
V2H("vehicle-to-home") 개념에 의해, "플러그-인" 하이브리드 차량, 재충전식 전기 차량, 및 집 또는 주택의 전기 시스템 간 충전량의 상호 공유가 가능해진다.
바람직하게는, 사용자가 단말기(104)의 제어 패널을 통해 배터리(106)의 최소 충전 레벨을 특정할 수 있다.
도 3을 참조하면, 전기 네트워크(102)에 연결된 양방향 단말기(101)를 포함하는 전기 차량의 양방향 충전 시스템이 존재한다. 상기 전기 차량(103)은 케이블을 통해 단말기(101)에 연결된다. 시스템은 전기 네트워크(107)의 제어 시스템으로의 통신 수단을 포함한다. 차량은 양방향 충전기(105)를 포함한다. 상기 양방향 충전기(105)는 단말기(101)에서 차량 배터리(106)로의 그리고 그 반대 방향의 전기 에너지의 전달을 가능하게 한다. 전기 네트워크(107)의 제어 시스템은, 단말기(101)로 전송되는 이벤트 스케줄(109)로부터의 네트워크 수요에 따라 차량으로 공급 또는 차량으로부터 인출될 전력을 변조한다.
바람직하게는, 변조된 전력은 유효(active) 및/또는 무효(reactive)이다.
도 4를 참조하면, 중앙 모터(204) 및 차량 제어 시스템(201)을 갖는 전기 추진 시스템을 포함하는 전기 차량이 존재한다. 상기 차량은 양방향 충전기(203) 및 배터리(202) LiFePo4를 포함한다.
예를 들어, 전력 배터리(202)는 LiFePo4 유형의 직렬 연결된 108개의 셀로 구성될 수 있으며, 총 공칭 전압 346V, 최대 전력 100kW 및 총 에너지 20.7kWh를 가진다. 전지는 알루미늄 케이스에 의해 담기고 보호된다. 배터리(202)는 차량의 전방에 위치한다.
전기 차량(202) 내에 전력 배터리를 일체 구성하는 것의 주요 과제는 차축에 질량을 분산시키면서 배터리(202) 및 그 박의 다른 필요한 구성요소의 볼륨을 제한된 공간에 배치하는 것이다. 연소 기관 차량과 유사한 조종성을 유지하기 위해 적절한 중량 분산을 이루는 것이 중요하다.
청구범위는 예시로 나타난 선호되는 실시예에 의해 한정되지 않으며, 명세서 전체에 따르는 가장 광의의 해석을 수용해야 한다.

Claims (12)

  1. 전기 네트워크(102)로의 연결을 위한 양방향 단말기(101), 단말기(101)로의 연결을 위한 전기 차량(103), 단말기(101)로부터 액세스 가능한 제어 패널(104), 및 상기 전기 네트워크의 제어 시스템(107)으로 통신하기 위한 수단을 포함하는 전기 차량용 양방향 충전 시스템으로서, 상기 차량은 양방향 충전기(105)를 포함하고, 상기 양방향 충전기(105)는 단말기(101)로부터 차량(103)의 전력 배터리(106)로의 그리고 그 반대 방향으로의 전기 에너지의 전달을 가능하게 하며, 상기 차량(103)의 사용자는 단말기(101)의 제어 패널(104)을 통한 배터리(106)의 최소 충전 레벨(SOC%)을 특정할 수 있는, 양방향 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 배터리(106)의 충전 레벨(SOC%) 값이 배터리(106)의 최대 충전량의 0% 내지 60%인, 양방향 충전 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 사용자는 단말기(101)의 제어 패널(104)을 통해 전기 네트워크(107)의 제어 시스템에 의해 제어되는 총 충전 한계를 취소할 수 있는, 양방향 충전 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 사용자는 단말기(101)의 패널 제어(104)를 통해 전기 네트워크(107)의 제어 시스템에 의해 제어되는 전기 네트워크(V2G)로의 차량 에너지 전달 요청을 취소할 수 있는, 양방향 충전 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 사용자는 단말기(101)의 제어 패널(104)을 통해 스케줄의 시각을 기초로, 차량(103)의 배터리(106)의 최소 충전 레벨을 조절할 수 있는, 양방향 충전 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 사용자는 단말기(101)의 제어 패널(104)을 통해 특정 시각에 차량의 배터리(106)의 충전 레벨(%SOC)을 부과할 수 있는, 양방향 충전 시스템.
  7. 전기 네트워크(102)에 연결된 양방향 단말기(101), 단말기(101)로 연결되기 위한 전기 차량(103), 중요 부하에 전력을 공급하기 위한 전기 전력 출력부, 및 단말기(101)로부터 액세스 가능한 제어 패널(104), 단말기(101)로부터 차량의 배터리(106)로의, 그리고 그 반대 방향으로의 전기 에너지의 전달을 위한 양방향 충전기를 포함하는 전기 차량용 양방향 충전 시스템으로서, 전기 네트워크의 메인 전력이 이용 가능하지 않을 때 차량의 에너지가 중요 부하로 전력을 공급하기 위해 사용될 것을 수락 또는 거절할 수 있는, 양방향 충전 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 차량은 양방향 충전기(105)를 포함하는, 양방향 충전 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 사용자는 제어 패널(104)의 단말기를 통해 배터리(106)의 최소 충전 레벨을 특정할 수 있는, 양방향 충전 시스템.
  10. 전기 네트워크(102)로 연결되는 양방향 단말기(101), 단말기(101)로 연결되기 위한 전기 차량(103), 및 전기 네트워크(107)의 제어 시스템과 통신하기 위한 수단을 포함하는 전기 차량용 양방향 충전 시스템으로서, 상기 차량은 양방향 충전기(105)를 포함하며, 상기 양방향 충전기는 단말기(101)에서부터 차량 배터리(106)로의 그리고 그 반대 방향으로의 전기 에너지의 전달을 가능하게 하며, 전기 네트워크(107)의 제어 시스템은 단말기(101)로 전송되는 이벤트 일정표(109)로부터의 네트워크 수요에 따라 차량으로 공급되는 전력 및 차량으로부터 인출되는 전력을 변조하는, 양방향 충전 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 변조된 전력은 유효(active) 및/또는 무효(reactive)인, 양방향 충전 시스템.
  12. 중앙 모터(204) 및 차량 제어 시스템(201)을 갖는 전기 추진 시스템을 포함하는 전기 차량으로서, 차량은 양방향 충전기(203) 및 LiFePo4 배터리(202)를 포함하는, 양방향 충전 시스템.
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