KR102219376B1 - 전기버스 배터리 교체시스템 및 전기버스 배터리 교체방법 - Google Patents

전기버스 배터리 교체시스템 및 전기버스 배터리 교체방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기버스의 하부에 배터리를 결합하거나 분리할 수 있는 배터리결합부를 만들고, 교체공간에서 배터리결합부로부터 분리된 배터리가 자율주행으로 충전공간으로 이동하고, 충전공간에 미리 충전되어 있는 배터리를 교체공간으로 이동시켜 자동으로 배터리결합부에 결합하도록 함으로써, 외부 장치의 도움없이 짧은 시간안에 배터리를 자동으로 교체할 수 있도록 하는 전기버스 배터리 교체 시스템 및 전기버스 배터리 교체방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

전기버스 배터리 교체시스템 및 전기버스 배터리 교체방법{Electric bus battery replacement system and electric bus battery replacement method}
본 발명은 전기버스 배터리 교체시스템 및 전기버스 배터리 교체방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기버스의 배터리를 짧은 시간 안에 충전된 배터리로 교체하기 위한 전기버스 배터리 교체시스템 및 전기버스 배터리 교체방법에 관한 것이다.
전기버스는 전기에너지를 동력원으로 하여 운행되는 버스로서, 전기버스는 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 전기버스를 운행하지 못하여 운행 손실을 발생시키는 문제점이 있다.
또 다른 방법으로, 충전용량 100kwh 및 무게 400kg 정도의 무거운 배터리 여러 개를 전기버스의 상부에 설치하고 별도로 설치한 외부 장치를 이용하여 배터리를 분리하여 분리된 배터리를 충전공간으로 운반하고 충전된 배터리를 다시 외부장치를 이용하여 전기버스 상부에 결합시키는 방식이 있다.
이렇게 전기버스 상부에 결합한 배터리를 외부장치를 이용하여 교체하는 작업은 높은 공간에서 중량물을 다루기 때문에 많은 시설과 고비용이 발생하고, 높은 사고 위험성과 교체 시간도 많이 소요되어 전기버스에서 배터리 교체 방식은 실용화되지 못하고 있는 실정이다.
또한, 전기버스는 차량이 크고 무거워 1km 주행에 0.8kwh 정도의 전기를 사용하여 1km 주행에 0.2kwh 정도의 전기를 사용하는 일반 승용차보다 4배 정도 많은 전기를 사용하기 때문에, 전기버스의 상업운행에 필요한 500km 이상의 주행거리를 확보하려면 400kwh 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 놀게될 뿐만 아니라 극심한 부하변동으로 발전소 효율이 크게 나빠지는 문제점이 있다.
또한, 이러한 문제점으로 인하여 한전은 2022년까지 고속충전기의 전기요금을 단계적으로 인상한다고 발표하였으며 이는 전기버스의 충전비용이 상승하는 문제를 초래하게 되어 이를 해결하기 위한 연구개발이 절실한 상황이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1402668호 (발명의 명칭: 전기버스 배터리 교환 시스템, 공고일: 2014.07.01)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기버스의 하부에 배터리를 장착할 수 있는 배터리결합부를 구비하고, 배터리 교체공간에서 상기 배터리결합부로부터 분리된 이동식 배터리 모듈이 자율주행으로 충전공간으로 이동하며, 충전공간에 미리 충전되어 있는 다른 이동식 배터리 모듈을 배터리 교체공간으로 이동시켜 자동으로 배터리결합부에 결합하도록 함으로써, 외부 장치의 도움없이 짧은 시간안에 배터리를 자동으로 교체할 수 있도록 하는 전기버스 배터리 교체 시스템 및 전기버스 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 전기버스 배터리 교체시스템은 전기버스의 하부에 형성되는 배터리결합부와, 상기 배터리결합부에 탈착가능하게 결합되는 이동식 배터리모듈을 포함하되, 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 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 와이어추홀더모듈은 상기 와이어추홀더모듈의 중심에 형성되어 상기 와이어추를 수용하는 와이어추수용부 및 상기 와이어추수용부의 하단 중심부에 결합되는 배터리자석을 포함할 수 있다.
여기서 상기 와이어추홀더모듈은 상기 와이어추수용부 양 측에 결합되어 상기 와이어추수용부를 개폐하는 슬라이딩덮개를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리결합부는 이동식 배터리모듈이 결합되었을 때 상기 이동식 배터리모듈을 고정하는 배터리고정유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 따른 전기버스 배터리 교체방법은, 전기버스의 하부에 형성되는 배터리결합부와 상기 배터리결합부에 탈착가능하게 결합되는 이동식 배터리모듈을 포함하는 전기버스 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, 상기 배터리결합부는 와이어추모듈을 포함하고, 상기 제1 및 제2 이동식 배터리모듈에는 각각 와이어추홀더모듈을 포함하여, 상기 와이어추모듈과 상기 와이어추홀더모듈이 결합 및 해제되어 상기 제1 및 제2 이동식 배터리모듈이 탈착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전기버스 배터리 교체시스템 및 전기버스 배터리 교체방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 배터리가 자동으로 전기버스에서 분리되어 자율주행으로 충전공간으로 이동하고 충전공간에서 미리 충전되어 있는 다른 배터리를 교체공간으로 이동시켜 자동으로 전기버스에 결합시킴으로써, 신속하게 배터리 교체가 가능하여 전기버스 운행의 효율성을 증대시키고 전기버스의 보급을 획기적으로 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
둘째, 신속하게 배터리를 교체함으로써 기존의 충전 시간동안 차량 운행을 하지 못했던 불편함을 해결하고 운행손실을 줄여 경제성을 높일 수 있는 이점이 있다.
셋째, 심야시간에 발생하는 저렴한 잉여전기를 활용하여 배터리를 충전함으로써 전기버스의 배터리 충전에 드는 비용을 절감하여 경제성을 높일 수 있는 이점이 있다.
넷째, 기존에 전기버스의 상부에 설치되던 고중량의 배터리를 전기버스의 하부에 부착함으로써 전기버스의 무게중심을 낮추어 주행 안정성을 높이고 전도하는 사고를 방지할 뿐만 아니라 승객의 승차감을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
다섯째, 많은 시설이나 장비가 필요하지 않아 제작이 용이하고 비용절감이 가능한 이점이 있다.
여섯째, 전기버스에서 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 배터리 교체시스템이 구비된 전기버스를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기버스 배터리 교체시스템 중 이동식 배터리모듈의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기버스 배터리 교체시스템 중 와이어추의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기버스 배터리 교체시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기버스 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 전기버스 배터리 교체시스템 및 전기버스 배터리 교체방법을 설명하기 위하여 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 교체시스템이 구비된 전기버스(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 승객의 승하차를 편리하게 만들기 위하여 바닥을 낮게 만든 저상버스에 본 발명에 따른 전기버스 배터리 교체시스템을 적용하기 위하여 전기버스(100)의 하부에 이동식 배터리모듈(200)을 수용하고 장착할 수 있는 배터리결합부(110)를 형성한다.
저상형 전기버스(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.
또한, 별도로 도시하지 않았으나 고상버스의 경우 전기버스(100)의 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 수용함으로써 장거리도 수월하게 주행하도록 할 수 있다.
여기서, 복수의 이동식 배터리모듈(200)이 교체되는 경우에도 각 이동식 배터리모듈(200)이 각각의 배터리결합부(110)에서 동시에 교체가 이루어지기 때문에 1개의 배터리를 교체하는 시간과 동일하게 복수의 배터리 교체가 가능하다. 따라서, 장거리 주행을 위해 이동식 배터리모듈(200)을 복수개 설치하더라도 충전공간으로부터 신속하게 배터리 교체가 가능하여 운행의 효율성을 증대시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전기버스 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 전기버스(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 가능하여 배터리의 무거운 중량으로 인한 사고위험성을 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 이동식 배터리모듈(200)에 바퀴(230)가 설치된 형태로 설명하고 있지만, 바퀴(230)가 장착된 이동유닛에 바퀴(230)가 없는 배터리모듈을 싣고 이동유닛이 자율주행으로 배터리 교체공간과 충전공간 사이를 이동하는 방식으로 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 전기버스(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 약 100mm의 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 전기버스 배터리 교체시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전기버스 배터리 교체 시스템은 전기버스(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 전기버스(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 배터리결합부(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 가능하다.
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 전기버스 배터리 교체방법에서 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기버스 배터리 교체방법의 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기버스 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 전기버스(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 전기버스(100)에 장착되어 있다가 분리되는 배터리와 충전공간에 이미 충전되어 있다가 전기버스(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 전기버스(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 전기버스(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 전기버스(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 모든 과정은 발전소의 심야시간에 발생하는 저렴한 잉여전기를 활용하여 충전이 이루어지도록 제어장치가 구성됨으로써, 전기버스(100)의 배터리 충전에 드는 비용을 절감하여 경제성을 높일 수 있다.
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 전기버스(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 전기버스(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 전기버스(100)의 배터리결합부(110) 속으로 들어가서 완전히 밀착이 이루어지고 견인모터(150)의 회전이 중단되며 제2 이동식 배터리모듈(200``) 삽입을 완료한다.
여기서, 본 발명에 따른 전기버스 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 전기버스 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, 전기버스(100)에서 분리한 제1 이동식 배터리모듈(200`)을 이용하여 충전공간에 설치하면 전기버스(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 전기버스 배터리 교체방법은 대형 전기버스(100) 뿐만 아니라 미니버스나 굴절버스 등 모든 전기버스(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 : 전기버스 　 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 (6)

  1. 전기버스의 하부에 형성되는 배터리결합부; 및
    상기 배터리결합부에 탈착가능하게 결합되는 이동식 배터리모듈을 포함하되,
    상기 배터리결합부는 와이어추모듈을 포함하고,
    상기 이동식 배터리모듈에는 와이어추홀더모듈을 포함하여,
    상기 와이어추모듈과 상기 와이어추홀더모듈이 결합 및 해제되어 상기 이동식 배터리모듈이 탈착되는 것을 특징으로 하는 전기버스 배터리 교체시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와이어추모듈은,
    와이어추;
    일단이 상기 와이어추와 결합되는 와이어; 및
    상기 와이어의 타단에 결합되는 견인모터를 포함하되,
    상기 와이어추에는 와이어자석이 구비되는 것을 특징으로 하는 전기버스 배터리 교체시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 와이어추홀더모듈은,
    상기 와이어추홀더모듈의 중심에 형성되어 상기 와이어추를 수용하는 와이어추수용부; 및
    상기 와이어추수용부의 하단 중심부에 결합되는 배터리자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기버스 배터리 교체시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 와이어추홀더모듈은,
    상기 와이어추수용부 양 측에 결합되어 상기 와이어추수용부를 개폐하는 슬라이딩덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기버스 배터리 교체시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리결합부는,
    상기 이동식 배터리모듈이 결합되었을 때 상기 이동식 배터리모듈을 고정하는 배터리고정유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기버스 배터리 교체시스템.
  6. 전기버스의 하부에 형성되는 배터리결합부와 상기 배터리결합부에 탈착가능하게 결합되는 이동식 배터리모듈을 포함하는 전기버스 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,
    상기 배터리결합부는 와이어추모듈을 포함하고, 상기 제1 및 제2 이동식 배터리모듈에는 각각 와이어추홀더모듈을 포함하여, 상기 와이어추모듈과 상기 와이어추홀더모듈이 결합 및 해제되어 상기 제1 및 제2 이동식 배터리모듈이 탈착되는 것을 특징으로 하는 전기버스 배터리 교체방법.
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