KR20220110626A

KR20220110626A - 전기자동차 배터리 교체시스템

Info

Publication number: KR20220110626A
Application number: KR1020210013755A
Authority: KR
Inventors: 박경식
Original assignee: 박경식
Priority date: 2021-01-30
Filing date: 2021-01-30
Publication date: 2022-08-09

Abstract

본 발명은 전기자동차 배터리 교체시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기자동차에서 분리되는 배터리팩을 1분 정도의 짧은 시간 안에 충전된 배터리팩으로 교체하면서 여러 대의 전기자동차의 배터리팩을 동시에 교체하고, 교체된 배터리팩의 배터리셀 수명이 단축되지 않도록 3시간 정도 저속으로 안전하게 충전하며, 충전된 대량의 배터리팩을 이용하여 전기저장장치(ESS)로 활용할 수 있는 전기자동차 배터리 교체시스템에 관한 것이다.

Description

전기자동차 배터리 교체시스템 {Electric car battery replacement system}

전기자동차는 배터리에 저장된 전기에너지를 동력원으로 하여 운행되는 자동차로서, 전기자동차는 화석연료를 사용하는 기존의 자동차와 비교할 때, 유해가스의 배출이 없는 친환경적인 특성을 가지고 있어 그 연구개발 및 상용화가 점차 가속화되고 있는 추세이다.

전기자동차에 전기를 공급하는 배터리는 전자와 분리가 잘되는 이온화경향이 가장 높은 원소인 리튬을 이용하여 리튬이온의 이동과 전자의 이동을 분리하여 반복적으로 충전과 방전이 이루어지도록 만드는데, 이를 위하여 리튬배터리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막의 4가지 부품으로 구성된다.

기본적으로 리튬배터리는 리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하면서 충전과 방전이 이루어지므로 배터리의 용량과 수명과 화재 같은 배터리의 주요 특성은 이 리튬이온의 저장용량과 이동 속도와 양극재와 음극재의 안정성에 좌우되고 있다.

리튬이온이 양극재와 음극재 사이를 반복적으로 이동하면서 음극재와 양극재의 내부공간을 수축 팽창시켜 변형이 발생하므로 양극재와 음극재의 안정적인 구조가 조금씩 손상되고 전해액도 분해되며 리튬이온이 전해액속에서 금속으로 변하면서 덴드라이트를 형성하여 과열과 화재까지 발생하는 배터리 열화현상이 진행된다.

이런 배터리 열화현상은 과충전이나 과방전 상태에서는 급속하게 진행될 뿐 아니라 한번 열화된 배터리는 다시 회복되지 않기 때문에 절대로 리튬배터리가 과충전이나 과방전이 발생하지 않도록 배터리관리시스템(BMS)으로 잘 관리해야 한다.

또한, 리튬 배터리는 온도에 따른 화학 반응과 이온전달의 속도가 민감하게 변하므로 온도에 따라 충전용량이 크게 변하는데, 20℃에서 25℃ 사이의 온도에서 충전용량이 가장 우수하지만 고온이나 저온에서 충전용량이 급격하게 감소하는 특성을 지녀 30℃는 -20% 40℃는 -40% 45℃ 이상은 -50% 이상 충전용량이 감소하고 영하15℃에서는 -54%까지 충전용량이 감소한다.

전기자동차의 충전 방법에는 직접충전과 교체충전의 2가지가 있는데, 직접충전은 차량에 고정된 배터리팩에 직접 전선을 연결하여 충전하는 방식으로 이 경우에 충전시간동안 전기자동차를 운행하지 못할 뿐 아니라 전선을 연결하고 충전 후에는 차량을 주차장으로 이동해주어야 하는 불편함 많아서 전기자동차 보급의 가장 큰 불편함이 되고 있다.

또한 직접충전은 충전중 운행 손실을 발생시키고 차량과 함께 외부에 노출되어 외기의 온도에 따라 충전효율이 크게 변할 뿐 아니라 배터리팩을 구성하는 배터리셀의 열화상태를 확인하기 어려워 배터리셀의 수명이 빠르게 단축될 뿐 아니라 심한 경우 화재까지 발생하는 문제가 있다.

오랜 충전시간은 직접충전에서 가장 불편한 문제로 전기자동차에 장착된 용량 100kwh의 배터리를 운전자가 7kw의 완속충전기로 충전하면 14시간 이상 걸리고 200kw의 고속충전기로 충전하여도 30분 이상 걸려 엔진자동차의 주유시간보다 오래걸려 전기자동차 이용에 가장 불편한 원인이 되고 있다.

뿐만 아니라 충전시간을 단축하기 위해 사용되는 고속충전은 배터리셀의 열화를 촉진하여 배터리 수명을 크게 단축하고 있을 뿐 아니라 차량마다 대규모 전기 충전설비와 전선과 변압기 등의 전기공급 시설이 추가로 필요할 뿐 아니라, 전기자동차를 각자가 고속으로 개별 충전을 하게 되면 최대전기 사용량이 크게 증가하여 비싼 전기요금을 부담해야 할 뿐 아니라 국가 차원에서도 블랙아웃 방지를 위한 대규모 발전소와 송전 시설이 추가로 필요하게 될 것이다.

이러한 직접충전방식의 문제점을 해결할 수 있도록 사용한 배터리팩을 분리하여 외부에서 여유시간을 가지고 충전하고, 외부에서 미리 충전된 배터리팩으로 교환하는 교체충전 방식이 도입되고 있다.

교체충전은 2008년 미국의 Better Place 회사가 처음으로 이스라엘에서 배터리팩을 교체하는 배터리 충전소 사업을 시작하였고, 2013년 미국의 테슬러에서도 차량의 하부에서 배터리팩을 교체하는 과정을 공개하였으며, 2018년 5월 중국 NIO 자동차는 배터리팩을 교체하는 배터리 충전소를 중국 광동성 선전시 난샨구에 설치하였다.

교체충전을 위한 시설이 복잡하여 설비비와 운영비가 많이 들 뿐 아니라 차량의 진출입 동선이 불편하여 이용률이 낮아 Better Place는 시범운영 1년만에 파산하였고 테슬러도 소비자의 호응이 없어서 배터리 교체방식을 포기하고 지금은 배터리팩을 차량에 고정시킨 일체형 전기자동차만 생산하고 있다.

하지만 중국의 NIO는 중국 정부의 정책적 지원을 배경으로 배터리 교체 방식을 계속 확대하고 있는데 NIO의 배터리 교체 방식은 배터리팩의 수평이동 작업과 배터리 삽입작업을 이동장치 하나로 모두 수행하도록 구성되어 있다. 이 때문에 배터리팩을 분리하여 빼내는 단계와 충전된 배터리팩을 가져와서 결합하는 단계가 대형 이동장치를 움직여 차례차례 단계적으로 이루어져야 하므로 배터리 교체에 시간이 오래 걸리고 결합의 정확도를 확보하기 위하여 이동장치가 커서 상당한 공간 확보가 필요하다.

전기자동차 하부에 약 500 mm 정도의 수직 공간을 확보하고 위치의 정확도를 유지하기 위하여 정차공간으로 차량이 진입 경사로를 따라 후진으로 진입하고 진입한 차량의 위치를 정렬한 다음 차량을 들어 올리고 배터리를 교체한 다음 차량을 다시 내리는 과정이 필요하여 배터리 교체시간이 5분정도 오래 걸리고 교체시설이 복잡하다.

NIO의 2021년 1월 발표에서 배터리 교환소에 13개의 배터리를 보관하여 24시간동안 하루 최대 312개의 배터리를 교체할 수 있는데 이를 위하여 1시간 이내에 급속 충전해야 하므로 급속충전으로 배터리 수명이 짧아지고 전기자동차 1대만 교체한다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 100kwh의 배터리팩을 1분 정도의 짧은 시간에 자동으로 교체하여 충전을 완료하여 충전의 불편함을 해결할 수 있는 전기자동차 배터리 교체방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 새로운 충전유닛을 구성하여 여러 대의 전기자동차가 동시에 배터리를 교체하는 전기자동차 배터리 교체방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 수명이 오래 유지되도록 배터리팩이 3시간 이상 충분한 충전시간을 확보하며 온도에 민감한 리튬배터리를 과열이나 냉각이 발생하지 않도록 냉각수를 사용할 수 있는 전기자동차 배터리 교체방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 배터리팩을 구성하는 배터리셀의 상태를 수시로 확인하지 못하여 열화된 배터리셀을 교체하지 못하여 발생하는 연쇄열화현상을 발생하는 배터리팩의 수명 단축과 배터리팩의 화재 발생에 이르는 안전상의 문제점를 해결할 수 있는 전기자동차 배터리 교체방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 배터리 충전소에 저장된 전기를 이용하여 전력 공급망의 블랙아웃을 방지하는 기능을 확보하는 전기자동차 배터리 교체방법을 제공하는 것이다.

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 전기자동차 배터리 교체시스템은 전기자동차의 하부에 고정되는 배터리결합부; 및 상기 배터리결합부에 탈착가능하게 결합되는 배터리팩; 상기 배터리팩이 상기 배터리결합부에 삽입되도록 상기 배터리팩을 수직이동시키는 삽입유닛; 을 포함하되, 상기 배터리팩에는 삽입바퀴를 포함하고, 상기 삽입유닛에는 상기 배터리팩의 수직하중을 지지하면서 수평으로 미끄러지는 미끄럼유닛을 포함하여, 상기 배터리팩 삽입 과정에서 상기 배터리결합부와 상기 배터리팩의 걸림 현상을 자동으로 해소하여 상기 전기자동차의 배터리를 교체하는 것을 특징으로 한다.

또한, 여기서 상기 전기자동차의 배터리를 교체하여 충전하는 배터리충전소에서 상기 전기자동차가 배터리 교체를 위하여 정차하는 정차공간; 상기 정차공간의 하부에 위치하여 상기 전기자동차에서 상기 배터리팩을 교체하는 교체공간;상기 배터리팩을 충전하는 충전공간; 으로 구분되고 상기 충전공간에서 상기 배터리팩을 충전하는 충전유닛; 상기 배터리팩을 상기 교체공간에서 상기 충전공간 사이로 수직 이동하는 수직이동유닛; 상기 교체공간과 상기 수직이동유닛과 상기 충전유닛에서 상기 배터리팩을 수평 이동하는 수평이동유닛; 이 추가되어 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수평이동유닛은 매커넘휠로 구성하고, 상기 매커넘휠의 회전방향 조합으로 상기 배터리팩을 전후좌우로 이동시키는 것을 특징으로 한다

여기서 상기 충전공간은 상기 주행공간의 상부 또는 상기 교체공간의 하부에 위치하고, 상기 충전공간에는 상기 수평이동유닛과 상기 충전유닛이 구성되어, 상기 수평이동유닛은 매커넘휠로 구성하여 상기 배터리팩을 상기 충전유닛 하부로 이동시키고, 상기 충전유닛은 와이어를 이용하여 상하로 이동하는 상기 배터리결합부로 이루어져 상기 수평이동유닛으로 이동하는 상기 배터리팩의 상면보다 높게 설치하고, 상기 배터리팩이 상기 충전유닛 하부에 위치하면 상기 충전유닛이 아래로 내려와서 상기 배터리팩과 결합하여 충전하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 수직이동유닛은, 상기 배터리팩이 들어가는 바닥이 1개 혹은 복수의 층으로 구성하고, 한 개의 층마다 상기 배터리 충전소에서 동시에 교체되는 상기 전기자동차에 필요한 상기 배터리팩을 싣고 운행하며, 상기 바닥에 매커넘휠으로 이루어진 수평이동유닛을 설치하여 상기 배터리팩을 전후좌우로 이동시키고, 상기 배터리팩을 싣는 방향과 내리는 방향을 서로 다르게 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 교체공간에는 상기 삽입유닛의 양측에 충전배터리팩 제1대기공간과 방전배터리팩 제1대기공간을 배치하고, 상기 수직이동유닛의 양측에 충전배터리팩 제2대기공간과 방전배터리팩 제2대기공간을 배치하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 삽입유닛은, 상기 배터리팩을 수직방향으로 이동시키는 리프팅장치로 구성되고, 상기 미끄럼유닛은 상기 리프팅장치의 상부에서 상기 배터리팩이 모든 방향으로 미끄러질 수 있도록 마찰계수가 0.2 이하가 되도록 코팅하거나 볼케스터를 설치하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 배터리결합부는, 상기 배터리팩을 상기 전기자동차에 결합하는 결합유닛을 2개 이상 설치하고, 상기 결합유닛은 상기 배터리팩에 전기를 공급하는 제1 결합유닛; 상기 배터리팩에 냉각수를 공급하는 제2 결합유닛; 으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 배터리팩은 상기 배터리팩을 상기 전기자동차에 결합하는 배터리결합구를 2개 이상 설치하고, 상기 배터리결합구는 상기 배터리팩의 전기 공급선을 연결하는 제1 배터리결합구; 상기 배터리팩의 냉각수 공급배관을 연결하는 제2 배터리결합구; 로 구성되고, 모든 배터리셀 마다 고유번호를 부여하고 충전단계에서 온도, 전압, 전류를 측정하고 자료를 저장하고 비교하여 불량한 베터리셀을 색출하고 교체하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 배터리팩의 교체 비용을 교체시간에 따라 시간별 전력요금과 연동되게 부과하여 국가전력망의 최대수요량 발생를 감소시키고, 상기 배터리팩에 저장된 전기를 국가 전력망에 공급하는 ESS로 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전기자동차 배터리 교체시스템 및 전기자동차 배터리 교체방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째, 운전자가 하차할 필요 없이 자동으로 1분 정도의 시간에 배터리팩이 교체되어 기존의 엔진차량 주유시간보다 빠를 뿐 아니라 배터리를 분리하여 별도의 충전유닛을 이용하여 항상 최적 조건에서 안정적으로 충전함으로서 전기자동차 직접충전 방식이 지닌 모든 문제점을 해결하여 배터리팩의 수명을 획기적으로 증대시키는 이점이 있다.

둘째, 충전공간에서는 수평이동유닛의 상부에 전기자동차에 설치되는 배터리결합부와 동일한 충전유닛을 와이어를 이용하여 상하로 이동시키며 충전유닛이 아래로 내려와 배터리팩과 결합하여 배터리팩를 자동으로 3시간 이상의 시간동안 충전하는 충전유닛을 대량으로 확보하기 용이하여 10대 이상의 전기자동차도 동시에 배터리를 교체할 할 수 있는 충전소를 구축할 수 있는 이점이 있다.

셋째, 배터리결합부와 배터리팩에 냉각수 공급배관을 연결하는 고정유닛에 냉각수 배관을 연결하여 충전에서도 최적온도를 유지함으로서 과열이나 냉각이 발생하지 않은 상태에서 충전이 이루어질 수 있기 때문에 배터리의 충전효율과 충전용량을 높이고 배터리의 수명을 오래 유지할 수 있는 이점이 있다.

넷째, 배터리팩을 구성하는 모든 배터리셀에 고유번호를 부여하고 충전단계마다 온도와 전압과 전류를 측정하고 측정값을 저장하여 충전할 때마다 변화를 확인하여 배터리셀의 열화상태를 파악하고 불량한 배터리셀이 발생한 배터리팩은 바로 분리하여 불량 교체하여 다를 배터리셀로 열화가 전파되지 않도록 미리 차단함으로서 배터리팩의 수명을 연장하고 배터리팩의 화재 발생을 사전에 차단할 수 있는 이점이 있다.

다섯째, 전기자동차에서 분리한 배터리를 이용하여 전기소비의 최대 수요 시간에 발전소의 블랙아웃을 방지하기 위한 예비전력을 공급하는 국가전력망의 ESS(Energy Storage System) 장치로 사용할 수 있는 이점도 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 전기자동차 배터리 교체시스템 중 배터리팩의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 배터리팩 위치단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전공간의 배터리팩 오차제거단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 배터리팩 삽입단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 배터리팩 고정단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 교체시스템이 구비된 배터리 충전소를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 배터리 충전소의 교체공간 평면도의 일 실시예로 병열식 2대 동시교체 시설이다.
도 8은 배터리 충전소의 교체공간 평면도의 일 실시예로 직열식 2대 동시교체 시설이다.
도 9는 배터리 충전소의 교체공간 평면도의 일 실시예로 직병열식 9대 동시교체 시설이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전공간의 배터리팩 이동단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전공간의 배터리팩 위치단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전공간의 배터리팩 결합단계를 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.

먼저 전기자동차에 전기를 공급하는 리튬배터리의 작동원리와 배터리 충전방식에 대하여 설명하면, 이온화경향이 가장 높은 원소인 리튬 이온을 이용하여 반복적으로 전기를 충전하고 방전하는 배터리로 사용하는데, 리튬원자를 포함하는 양극재, 리튬원자를 수용할 공간이 있는 음극재, 리튬이온을 전달하는 전해액, 양극재와 음극재의 접촉을 분리하는 분리막의 4가지 부품과 조립된 배터리가 최초로 충전하는 단계에서 음극재 표면에 형성되는 SEI층(Solid-Electrolyte Interphase)으로 리튬배터리를 구성한다.

음극재 표면에 형성된 SEI 층이 리튬 이온만을 통과시키고 전자의 이동은 차단하기 때문에 전자는 양극재와 음극재를 도체으로 연결한 전선을 따라 이동하면서 안전한 전류의 흐름을 형성하고 리튬이온은 전해액을 통하여 양극재와 음극재 사이를 이동하여 충전과 방전을 반복할 수 있는 배터리의 기능을 만들어주는데, 리튬이온의 이동으로 배터리의 충전과 방전이 이루어지므로 배터리의 용량과 출력과 수명 같은 배터리의 주요 성능은 리튬이온의 이동 효율에 좌우되며 성능을 높이기 위한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.

배터리의 충전 시간을 1시간 이내에 완료하는 고속충전은 리튬이온의 이동속도를 빠르게 만들어서 리튬이온이 빠르게 통과하면서 양극재와 음극재 그리고 SEI층을 손상시켜 배터리의 성능이 저하하는 열화현상을 더 빠르게 일으키게 되며 충전시간을 단축할수록 열화현상이 더 빠르게 발생하게 된다.

일반적인 리튬배터리를 1시간 동안 충전하는 고속충전은 3시간 동안 충전하는 저속충전보다 배터리 충전용량의 감소 속도가 2배 이상 높은 것으로 알려져 있으며, 이렇게 충전용량이 감소하여 당초 용량의 80% 이하가 되면 배터리의 수명을 다한 것으로 처리한다.

한편, 리튬 배터리는 온도에 따른 화학 반응과 이온전달의 속도가 민감하게 변하기 때문에 배터리가 과열되거나 겨울철에 냉각되면 충전 불량이 발생하는데, 20℃에서 25℃ 사이의 온도에서 충전용량이 가장 우수하지만 이보다 고온이나 저온 환경에서는 충전 능력이 크게 감소하여, 고온인 30℃는 20% 감소 40℃는 40% 감소45℃ 이상은 50% 이상 충전용량이 감소하고 저온에서도 비슷하게 감소하여 -15℃에서는 54%까지 충전용량이 감소하는 것으로 알려져 리튬배터리를 충전하면서 20℃에서 25℃ 사이 온도를 유지하는 것이 중요하다.

배터리팩은 리튬배터리를 겹쳐서 만든 배터리셀을 넣어 전기자동차에 전기를 공급하는 용기로 전기자동차에 필요한 400V 또는 800V의 전압을 공급하기 위하여 전압 3.7V 수준의 배터리셀을 108개나 216개씩 직렬로 연결하여 필요한 전압을 공급하는데, 배터리셀을 12개 정도를 1차로 결합하여 배터리모듈을 만들고 이 배터리 모듈 9개나 18개를 2차로 결합하여 배터리팩에 넣는 방식을 사용하고 있지만 요즘 공간의 효율성과 비용절감을 위하여 배터리 모듈을 만들지 않고 배터리셀을 직접 배터리팩에 넣는 방식이 도입되고 있다.

이 배터리팩을 전기자동차에 고정하고 전기자동차에 전선을 직접 연결하여 충전하는 직접충전방식과 전기자동차에서 방전된 배터리팩을 분리하고 외부에서 충전된 배터리팩을 차량에 결합하여 충전하는 교체충전방식으로 구분할 수 있다.

현재 전기자동차의 충전에서 대부분 사용되고 있는 직접충전 방식은 전기케이블을 차량에 연결하여 차량에 장착된 배터리팩에 직접 충전하는 방식으로, 이렇게 직접 전기케이블을 연결하여 충전하면 충전 시간도 오래 걸리고 전기케이블을 연결하거나 차량을 이동시키는 작업에 별도 인력이 필요할 뿐 아니라 배터리가 차량과 함께 외부의 기후조건에 노출되므로 온도 변화가 심하여 특히 겨울철에는 최적의 충전 온도를 확보하지 못한다.

직접충전 방식에서 전기자동차의 충전시간 단축을 위하여 고속충전기를 사용하고 있는데 고속충전을 반복하면 음극재와 양극재와 SEI층의 구조적 안정성이 빠르게 손상되어 배터리의 수명이 단축될 뿐 아니라 심한 경우 덴드라이트를 형성하여 화재가 발생할 수 있다.

또한, 겨울철의 혹한기에 영하의 날씨에 차량이 노출된 상태로 직접 충전하면 냉각된 배터리의 리튬이온 이동속도가 현저하게 느려져서 충전속도가 크게 저하되고 배터리 용량도 절반 정도만 사용할 수 있게 되며 배터리의 수명도 단축되는 문제가 발생한다.

뿐만 아니라 직접충전 방식에서는 배터리팩을 구성하는 수많은 배터리셀의 상태를 보다 정확하게 확인하지 못하여 개별적인 불량 배터리셀을 파악하고 교체할 수 없기 때문에 열화속도가 급속하게 빨라져 배터리팩의 수명을 크게 단축시킬 뿐 아니라 최악의 경우 덴드라이트가 만드느 전기적 합선으로 화재가 발생하는 등 심각한 문제점을 발생시킨다.

이러한 직접충전 방식의 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 배터리를 차량에서 분리하고 결합하는 구조로 만들고 방전된 배터리를 분리하여 별도의 충전공간에서 3시간 이상의 충전시간과 최적의 온도조건에서 안정적으로 충전하면 배터리의 수명을 연장할 수 있으며, 배터리 교체로 인한 운전자의 불편을 해소하도록 배터리팩 교체 시간을 1분 정도로 단축하고 동시에 10대 이상의 차량의 배터리팩을 연속적으로 충전하여 교체하는 배터리 충전소를 제공하고, 충전된 다량의 배터리팩을 이용하여 국가 전력망의 안정성을 높이는 ESS 장치로 사용할 수 있는 전기자동차 배터리 교체시스템을 구축한다.

이러한 배터리 교체시스템의 구성에서 가장 먼저 해결해야 하는 과제는 배터리를 1분 이내에 빠르게 자동으로 교체하는 방법으로, 이를 위하여 충전된 배터리팩을 전기자동차에 결합하는 과정에서 위치오차를 자동으로 해결하여 신속하게 결합할 수 있는 배터리팩의 결합구조를 만들어주는 것이며, 이런 결합구조를 이용하여 배터리 충전소에서 전기자동차가 연속적으로 10대 이상 동시에 배터리팩을 교체할 수 있도록 충분한 수량의 배터리팩을 공급하는 이동 수단과 충전 시설을 확보하는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들에 의한 전기자동차 배터리 교체시스템 및 전기자동차 배터리 교체방법을 설명하기 위하여 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1에서 도 5까지는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차 배터리 교체시스템의 작동 원리를 개략적으로 설명하는 도면으로 도 1은 분리형 배터리팩의 구성도이며, 도 2는 전기자동차 배터리팩의 위치단계를 설명하는 도면이며, 도 3은 전기자동차 배터리팩의 오차제거단계를 설명하는 도면이며, 도 4는 전기자동차 배터리팩의 삽입단계를 설명하는 도면이며, 도 5는 전기자동차 배터리팩의 결합단계를 설명하는 도면이다.

먼저 도 1을 참조하여 분리형 배터리팩을 설명하면, 배터리팩(200)을 전기자동차(100)의 배터리결합부(110)에 삽입하는 과정에서 발생하는 걸림 현상을 방지하여 신속하게 삽입되도록 배터리팩(200)의 상부 모서리에 삽입바퀴(210)를 설치하는데, 이 삽입바퀴(210)를 배터리팩(200)의 외부보다 약간 돌출되게 설치하면 돌출된 삽입바퀴(210)가 배터리팩(200)보다 먼저 배터리결합부(110)의 입구와 만나면서 삽입되는 힘으로 배터리팩(200)을 위치오차만큼 밀어내게 되어 자동으로 위치오차를 제거한다.

또한 배터리팩(200)의 상면에는 전기자동차(100)의 배터리결합부(110)에 설치되는 요철형 돌기를 가진 결합유닛과 결합하는 요철형 결합구멍을 가진 배터리결합구를 2개 이상 설치하고, 배터리결합구 내부에 배터리팩의 전기공급선(221)을 연결하는 제1 배터리결합구(220)와 배터리팩(200)의 냉각수 공급배관(231)을 연결하는 제2 배터리결합구(230)로 구성된다.

도2에서 도5을 이용하여 전기자동차 배터리팩의 결합과정을 설명하면, 먼저 외부의 충전공간에서 충전된 배터리팩(200)을 수평이동장치(310)로 이동하는데, 수평이동장치(310)는 다양한 방법으로 구성할 수 있지만 본 발명에서는 물류로봇의 바퀴로 이용하는 매커넘휠을 거꾸로 설치하여 구성하고 배터리팩(200)을 지지하는 매커넘휠의 회전 방향을 제어하여 배터리팩을 전후좌우로 자유롭게 이동하도록 구성한다.

도2의 배터리팩 위치단계에서는 수평이동장치(310)인 매커넘휠의 구동모터를 정밀하게 제어하여 배터리팩의 위치오차를 10mm 이내가 되도록 배터리를 위치조정 할 수 있는데, 배터리팩(200)의 위치오차는 삽입바퀴(210) 반경의 1/2 이내가 되도록 메커넘휠의 정밀도와 삽입바퀴(210)의 크기를 조절한다.

삽입유닛(320)은 수평이동장치(310)인 메커넘휠의 사이에 설치하며 수직으로 이동하여 배터리팩(200)을 전기자동차(100)의 배터리결합부(110)에 삽입하는 장치로, 이 삽입유닛(320)의 상면에는 상기 배터리팩(200)을 지지하면서 수평으로 미끄러지는 미끄럼유닛(330)을 포함하는데, 삽입바퀴(210) 반경 절반의 위치오차인 경우 삽입바퀴의 60도 각도에 수직방향으로 힘이 발생하고 이 수직방향 힘에 의한 수평방향 분력이 43% 정도 발생하므로 마찰계수가 0.43 이하인 미끄럼유닛(330)을 사용하는 경우 삽입 과정에서 자동적인 수평이동이 이루어져 오차조정이 이루어지므로 마찰계수 0.1 정도인 불소 코팅 등을 미끄럼유닛(330)으로 사용할 수도 있지만 본 실시예는 어느 방향으로도 자유롭게 회전하며 마찰계수가 0에 가까운 볼케스터를 미끄럼유닛(330)으로 설치하여 배터리팩(200)이 보다 잘 미끄러지게 구성한다.

배터리팩의 위치단계에서는 배터리팩(200)의 수평이동과 위치조정을 방해하지 않도록 삽입유닛(320)의 상면이 수평이동장치(310)의 아래에 위치하도록 삽입유닛(320)을 충분히 하강시킨다.

매커넘휠로 배터리팩(200)의 위치조정이 완료되면 삽입유닛(320)을 상승시켜 전기자동차(100)의 배터리결합부(110) 쪽으로 배터리팩(200)을 수직이동하여 위치단계에서 제거하지 못한 위치오차로 인하여 삽입바퀴(210)가 배터리결합부(110)의 입구와 접촉하게 되면 배터리결합부(110)와 삽입바퀴(210) 사이에서 밀어내는 수평력이 발생하고 이 수평력보다 큰 마찰력이 발생하지 않도록 미끄럼유닛(330)을 설치하면 배터리팩(200)이 자연스럽게 미끄러져 배터리팩(200)의 위치를 자동으로 조정하는 위치오차제거가 이루어지는데, 도 3에서는 배터리팩(200)의 오른쪽에 위치오차가 발생하고 왼쪽은 여유가 있는 모습을 보여준다.

도4는 배터리팩의 삽입단계를 보여주는 도면으로 삽입바퀴(210)와 배터리결합부(110)의 입구와 미끄럼유닛(330)의 공동 작용으로 배터리팩(200)의 위치오차를 제거하여 배터리팩(200)이 배터리결합부(110)에 삽입되는 모습을 보여주며, 이 때 배터리결합부(110)의 입구만 확장하고 약간의 경사를 두면 초기에 삽입바퀴(210)와 배터리결합부(110)의 모서리에서 제거하는 초기 위치오차를 감소할 수 있고 삽입단계에서 나머지 오차를 제거하는 2단계 구성으로 위치오차를 좀 더 용이하게 제거할 수 있다.

도 5는 배터리팩의 결합단계로 결합유닛(320)이 완전히 상승하여 배터리팩(200)을 배터리결합부(110)에 완전하게 삽입하면 배터리결합부(110)의 결합유닛이 배터리팩의 결합구 속으로 동시에 삽입이 이루진다.

배터리팩(200)에 결합구를 2개 이상 설치하고 그 중 하나는 배터리팩 전기공급선(221)을 설치하는 배터리팩 제1결합구(220)가 되고 또 하나에는배터리팩 냉각수공급배관(231)을 설치하는 배터리팩 제2결합구(230)가 구성된다.

배터리팩(200)의 배터리팩 제1결합구(220)와 배터리결합부(110)의 제1결합유닛(120)은 압력밥솥의 뚜껑과 같은 요철부 형태로 이루어질 수 있으며 배터리결합부(110)에 설치된 모터(미도시)로 회전하면 연결된 제1결합유닛(120)의 요철부가 회전하면서 배터리팩 제1결합구(220)의 요철부와 결합하고 다른 배터리 결합구와 결합유닛들도 동시에 작동하여 전기자동차(100)에 배터리팩(200)을 고정시키며, 반대로 회전하면 두 요철부가 서로 개방되어 배터리팩(200)을 분리하게 된다.

이렇게 배터리 결합구와 결합유닛이 서로 결합하면 자동차 전기공급선(121)과 배터리팩 전기공급선(221)이 서로 연결되고 자동차 냉각수공급배관(131)과 배터리팩 냉각수공급배관(231)도 서로 연결되어 배터리팩(200)에서 전기자동차(100)로 전기를 공급하고 전기자동차(100)의 히트펌프에서 냉각수가 배터리팩(200)으로 공급되어 전기자동차의 배터리팩 교체가 완료되고, 전기자동차의 히트펌프에 의하여 일정한 온도의 냉각수가 순환하면서 배터리팩(200)의 온도는 항상 최적 상태로 유지한다.

방전 배터리팩을 전기자동차에서 분리하는 것은 결합하는 단계와 반대로 수행하면 되고 위치오차도 발생하지 않는 쉬운 과정이므로 상세한 설명은 생략한다.

도 6은 전기자동차가 배터리팩을 교체하고 충전하는 배터리충전소의 구성을 보여주는 단면도로 배터리충전소는 전기자동차(100)가 방전 배터리팩(202)을 충전배터리팩(201)로 교체하기 위하여 정차하는 정차공간(600)과, 정차공간(600)의 하부에 위치하여 전기자동차(100)에서 배터리팩(200)을 교체하는 교체공간(300)과, 배터리팩(200)을 충전하는 충전공간(500)으로 이루어지고, 충전공간(500)에서 배터리팩(200)을 충전하는 충전유닛(510), 배터리팩(200)을 교체공간(300)과 충전공간(500) 사이로 수직이동하는 수직이동유닛(400), 교체공간(30)과 수직이동유닛(400)과 충전유닛(510)에서 배터리팩(200)을 수평이동하는 수평이동유닛(310)이 추가로 구성된다.

배터리충전소는 여러 대의 전기자동차 배터리팩을 1분 이내에 수행할 뿐 아니라 배터리팩을 안정적으로 충전할 수 있는 3시간동안 연속적으로 교체할 수 있는 충전용량과 교체능력을 확보해야 한다.

도 7은 전기자동차 병렬식 2대용 배터리 충전소의 교체공간(300)의 평면도로 배터리충전소는 모든 전기자동차가 1분 이내에 진입하여 배터리팩(200)을 교체하고 나갈 수 있도록 교체공간(300)에서는 삽입유닛(320)을 이용하여 전기자동차(100)의 배터리팩(200) 교체가 신속하게 이루어지도록 충전배터리팩 제1대기공간(340)과 방전배터리팩 제1대기공간(350)을 삽입유닛(320) 좌우측에 배치하고, 수직이동유닛(400)은 교체공간(300)과 충전공간(500) 사이를 1분이내에 교체차량 수의 배터리팩(200)을 운송하여야 하고, 수직이동유닛(400)의 양측에 수직이동유닛 1왕복에 운송에 필요한 배터리팩(200)이 대기하는 충전배터리팩 제2대기공간(360)과 방전배터리팩 제2대기공간(370)을 배치하고, 동시 교체차량 1대당 180개의 배터리팩(200)을 충전하는 충전유닛(510)을 보유하도록 구성한다.

충분한 충전유닛(510)을 확보하기 위하여 불가피하게 여러 층으로 충전공간(500)을 구성하게 되는데 수직이동유닛(400)의 배터리팩(200) 운송능력을 높이기 위하여 수직이동유닛(400)을 2개 층 이상으로 구성하는 경우 충전공간(500)에서 충전유닛(510)의 층간 높이 차이와 수직이동유닛(400)의 층간 높이 차이를 일치하도록 구성하면 충전공간(500)에서 수직이동유닛(400)에 배터리팩(200)을 상하차하는 시간을 단축할 수 있으며 본 실시예와 같이 2개 층의 수직이동유닛(400)을 사용하면 수직이동유닛은 2분에 한 번씩 왕복 운행하면 된다.

삽입유닛(320)으로 전기자동차(100)에서 분리한 방전배터리(202)가 수평이동유닛(310) 위로 놓이면 삽입유닛(320)의 옆에 있는 충전배터리팩 제1대기공간(350)에 있는 충전배터리팩(201)과 삽입유닛(320) 위에 있는 방전배터리팩(202)이 동시에 이동하면서 방전배터리팩(202)은 삽입유닛(320)에서 방전배터리 제1대기공간(350)으로 이동하고 충전배터리팩(201)이 삽입유닛(320)위로 올라가서 전기자동차(100)의 배터리팩(200)의 교체시간을 1분 이내로 수행한다.

수직이동유닛(400)에서 충전배터리팩(201)과 방전배터리팩(202)을 싣고 내리는 작업도 충전배터리팩(201)과 방전배터리팩(202)이 동시에 이동하여 수직이동유닛(400)의 작업효율을 증가시키도록 충전배터리팩 제2대기공간(360)과 방전배터리팩 제2대기공간(370)을 수직이동유닛(400)의 양쪽에 배치한다.

도 8은 전기자동차 직렬식 2대용 배터리 충전소의 교체공간의 평면도이며 도 9는 전기자동차 직병렬식 9대용 배터리 충전소의 교체공간의 평면도로 전기자동차 충전소의 수요와 공간 형태에 따라 적용할 수 있는 여러 실시예의 경우를 보여주는 것으로 기본 원리는 도 7의 내용과 동일하므로 반복 설명을 생략하며, 9대 정도로 동시 교체하는 전기자동차가 많아지면 충전공간의 충전유닛의 높이가 높아져서 수직이동유닛의 이동 거리가 증가하여 1회 운반시간이 오래 걸리게 되므로 1회 운반량을 증가시킬 수 있도록 수직이동유닛을 3층으로 구성할 수 있다.

도 10에서 도 12는 충전유닛에서 배터리팩의 이동단계와 위치단계와 결합단계를 순서대로 보여주는 것으로, 충전공간(500)은 수평이동유닛(310)과 충전유닛(510)으로 구성되며, 수평이동유닛(310)은 매커넘휠로 구성하여 배터리팩(200)을 충전유닛(510)의 하부로 이동시키고, 충전유닛(510)의 구성은 와이어(530)를 이용하여 상하로 이동하는 충전배터리결합부(520)로 이루어져 수평이동유닛(310)으로 이동하는 배터리팩(200)이 자유롭게 이동하도록 충전배터리결합부(520)을 배터리팩(200)의 상면보다 높게 설치하고, 배터리팩(200)이 충전배터리결합부(520) 하부에 위치하면 충전배터리결합부(520)와 연결된 와이어(530)를 아래로 내려 배터리팩(200)과 결합하여 충전이 이루어진다.

충전공간(500)에서는 교체공간(300)에서 전기자동차(100)에 배터리팩(200)을 결합하는 과정에서 위치오차를 해결하는 방식을 유사하게 이루어지는데, 먼저 수평이동유닛(310)을 구성하는 매커넘휠을 제어하여 삽입바퀴(210) 반경의 절반 이하로 위치오차를 조절하고 와이어(530)로 충전배터리결합부(520)를 내리면 와이어(530)에 메달린 충전배터리결합부(520)는 수평 저항력이 거의 발생하지 않기 때문에 충전배터리결합부(520)의 중력과 삽입바퀴(210)와 충전배터리결합부(520)가 접촉하는 과정에서 교체공간(300)에서 설명한 방식과 동일한 원리로 위치오차가 자동으로 해소되면서 배터리팩(200)이 충전유닛(510)의 충전배터리결합부(520)에 삽입이 완료되고 결합유닛을 이용하여 배터리팩(200)과 충전배터리결합부(520)의 결합이 이루어진다.

여기서 와이어라고 하는 부재는 수직 인장력을 전달하면서 수평력이나 휨을 전달하지 않는 부재로서 금속이나 탄소섬유를 와이어 형대로 만들거나 체인으로 만드는 부재들을 모두 포함한다.

충전공간에서 결합이 완료되면 전기자동차에서 배터리팩의 결합이 이루어진 것처럼 전기공급선과 냉각수 공급배관도 동시에 연결되므로 배터리 충전을 시작할 수 있으므로 온도 변화가 없이 안정된 충전공간(500)에서는지원공간(700)에서 공급하는 전기와 냉각수를 이용하여 3시간의 충분한 시간을 가지고 최적 조건으로 방전배터리팩(202)에서 충전중배터리팩(203)을 거쳐 충전배터리팩(201)의 단계로 충전될 뿐 아니라 지원공간(700)에서 공급하는 일정한 온도를 가진 냉각수가 계속 순환하면서 배터리셀의 온도를 최적 상태로 유지하여 배터리 수명을 오래 가도록 안정적으로 충전한다.

또한 배터리팩을 분리하여 충전하면 배터리팩마다 고유번호가 부여되고 배터리팩 내부의 모든 배터리셀에도 고유번호가 부여되어 충전단계에서 온도, 전압, 전류를 측정하고 자료를 저장하고 비교하여 불량한 배터리셀을 색출하여 즉시 교체하게 되며 이렇게 불량 배터리셀을 신속하게 교체하면 불량 배터리셀의 주변으로 배터리 열화가 진행되는 것을 차단할 뿐 아니라 배터리의 화재도 근본적으로 방지하고 배터리를 한층 안전하고 오래 사용하여 경제성을 높일 수 있다.

충전이 완료되면 충전배터리결합부(520)의 결합을 풀고 충전유닛(510)의 와이어(530)를 이용하여 충전배터리결합부(520)를 들어올려 충전배터리팩(201)을 분리하고 수평이동유닛(310)을 이용하여 충전공간(520)과 연결하는 수직이동유닛(400) 옆에 마련되는 대기공간으로 이동한 다음 정해진 순서에 의하여 수직이동유닛(400)에 실려서 교체공간(300)으로 이동한다.

고속도로 휴게소 같이 차량이 집중되는 공간에서 동시에 10대의 전기자동차를 교체하는 경우 전기자동차 1대당 180개의 배터리팩을 확보하므로 모두 1800개의 배터리팩을 전기자동차 충전소에서 보유하게 되며 배터리팩 1개당 100kwh의 용량을 가진 경우 180Mwh의 막대한 전기에너지를 저장할 수 있으므로 이러한 상황을 이용하여 배터리팩의 교체비용을 교체시간에 따라 시간별 전력요금과 연동되게 부과하여 국가전력망의 최대 수요량 발생을 감소시키고, 국가전력망의 최대 수요량이 발생하는 시간에 배터리팩에 저장된 전기를 국가전력망에 공급하는 ESS로 사용할 수 있다.

본 발명의 전기자동차 배터리 교체 시스템을 이용하면 직접충전에서 발생하는 개별 전기자동차마다 필요한 충전시설용 전기 공급장치에 투입해야 하는 막대한 비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 발전소의 잉여전기를 이용하여 충전을 할 수 있기 때문에 충전용 전기요금을 저렴하게 이용하고 또 직접충전에서 발생하는 전기 충전시간 집중에 따른 국가전력망 부하도 예방할 수 있다.

전기자동차에 한번 충전하는 100kwh 의 전기는 4인가족의 집에서 1주일 이상 사용하는 많은 전기에너지로 전기자동차는 전기를 많이 소비하는 장치이지만, 아직 전기자동차 보급률이 0.5% 정도로 미미한 현재는 전력공급 시설의 부하를 실감하기 어렵지만 보급률이 10% 이상 오르게 되면 기존의 전력망에 부담을 주게 되는 문제가 발생할 것이며 본 발명을 이용하면 이러한 문제의 상당 부분을 해결할 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 : 전기자동차 　 110 : 배터리결합부
120 : 제1결합유닛 121 : 자동차 전기공급선
130 : 제2결합유닛 131 : 자동차 냉각수공급배관
200 : 배터리팩 201 : 충전배터리팩
202 : 방전배터리팩 203 : 충전중배터리팩
210 : 삽입바퀴 220 : 배터리팩 제1결합구
221 : 배터리팩 전기공급선 230 : 배터리팩 제2결합구
231 : 배터리팩 냉각수공급배관 300 : 교체공간
310 : 수평이동유닛 320 : 삽입유닛
330 : 미끄럼유닛 203 : 충전중배터리팩
210 : 삽입바퀴 340 : 충전배터리팩 제1대기공간
350 : 방전배터리팩 제1대기공간 360 : 충전배터리팩 제2대기공간
370 : 방전배터리팩 제2대기공간 400 : 수직이동유닛
500 : 충전공간 510 : 충전유닛
520 : 충전배터리결합부 530 : 와이어
600 : 정차공간 700 : 지원공간

Claims

전기자동차의 하부에 고정되는 배터리결합부; 및
상기 배터리결합부에 탈착가능하게 결합되는 배터리팩;
상기 배터리팩이 상기 배터리결합부에 삽입되도록 상기 배터리팩을 수직이동시키는 삽입유닛; 을 포함하되,
상기 배터리팩에는 삽입바퀴를 포함하고,
상기 삽입유닛에는 상기 배터리팩의 수직하중을 지지하면서 수평으로 미끄러지는 미끄럼유닛을 포함하여,
상기 배터리팩 삽입 과정에서 상기 배터리결합부와 상기 배터리팩의 걸림 현상을 자동으로 해소하여 상기 전기자동차의 배터리를 교체하는 전기자동차 배터리 교체시스템.
제1항에 있어서,
상기 전기자동차의 배터리를 교체하여 충전하는 배터리충전소에서
상기 전기자동차가 배터리 교체를 위하여 정차하는 정차공간;
상기 정차공간의 하부에 위치하여 상기 전기자동차에서 상기 배터리팩을 교체하는 교체공간;
상기 배터리팩을 충전하는 충전공간; 으로 구분되고
상기 충전공간에서 상기 배터리팩을 충전하는 충전유닛;
상기 배터리팩을 상기 교체공간에서 상기 충전공간 사이로 수직 이동하는 수직이동유닛;
상기 교체공간과 상기 수직이동유닛과 상기 충전유닛에서 상기 배터리팩을 수평 이동하는 수평이동유닛; 이 추가되어 구성하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 교체시스템.
제2항에 있어서,
상기 수평이동유닛은 매커넘휠로 구성하고,
상기 매커넘휠의 회전방향 조합으로 상기 배터리팩을 전후좌우로 이동시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 교체시스템.
제2항에 있어서,
상기 충전공간은 상기 주행공간의 상부 또는 상기 교체공간의 하부에 위치하고,
상기 충전공간에는 상기 수평이동유닛과 상기 충전유닛이 구성되어,
상기 수평이동유닛은 매커넘휠로 구성하여 상기 배터리팩을 상기 충전유닛 하부로 이동시키고,
상기 충전유닛은 와이어를 이용하여 상하로 이동하는 상기 배터리결합부로 이루어져 상기 수평이동유닛으로 이동하는 상기 배터리팩의 상면보다 높게 설치하고,
상기 배터리팩이 상기 충전유닛 하부에 위치하면 상기 충전유닛이 아래로 내려와서 상기 배터리팩과 결합하여 충전하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 교체시스템.
제2항에 있어서,
상기 수직이동유닛은,
상기 배터리팩이 들어가는 바닥이 1개 혹은 복수의 층으로 구성하고,
한 개의 층마다 상기 배터리 충전소에서 동시에 교체되는 상기 전기자동차에 필요한 상기 배터리팩을 싣고 운행하며,
상기 바닥에 매커넘휠으로 이루어진 수평이동유닛을 설치하여 상기 배터리팩을 전후좌우로 이동시키고,
상기 배터리팩을 싣는 방향과 내리는 방향을 서로 다르게 구성하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 교체시스템.
제2항에 있어서,
상기 교체공간에는
상기 삽입유닛의 양측에 충전배터리팩 제1대기공간과 방전배터리팩 제1대기공간을 배치하고,
상기 수직이동유닛의 양측에 충전배터리팩 제2대기공간과 방전배터리팩 제2대기공간을 배치하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 교체시스템.
제 1항에 있어서,
상기 삽입유닛은,
상기 배터리팩을 수직방향으로 이동시키는 리프팅장치로 구성되고,
상기 미끄럼유닛은 상기 리프팅장치의 상부에서 상기 배터리팩이 모든 방향으로 미끄러질 수 있도록 마찰계수가 0.2 이하가 되도록 코팅하거나 볼케스터를 설치하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 교체시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리결합부는,
상기 배터리팩을 상기 전기자동차에 결합하는 결합유닛을 2개 이상 설치하고,
상기 결합유닛은
상기 배터리팩에 전기를 공급하는 제1 결합유닛;
상기 배터리팩에 냉각수를 공급하는 제2 결합유닛; 으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 교체시스템.
제 1항에 있어서,
상기 배터리팩은
상기 배터리팩을 상기 전기자동차에 결합하는 배터리결합구를 2개 이상 설치하고,
상기 배터리결합구는
상기 배터리팩의 전기 공급선을 연결하는 제1 배터리결합구;
상기 배터리팩의 냉각수 공급배관을 연결하는 제2 배터리결합구; 로 구성되고,
모든 배터리셀 마다 고유번호를 부여하고 충전단계에서 온도, 전압, 전류를 측정하고 자료를 저장하고 비교하여 불량한 베터리셀을 색출하고 교체하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 교체시스템.
제 1항에 있어서,
상기 배터리팩의 교체 비용을 교체시간에 따라 시간별 전력요금과 연동되게 부과하여 국가전력망의 최대수요량 발생를 감소시키고,
상기 배터리팩에 저장된 전기를 국가 전력망에 공급하는 ESS로 사용하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 교체시스템.