[논문 리뷰] Electric Vehicle Battery Swapping Station

Mohsen Mahoor, Zohreh S. Hosseini외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 02.

Electric Vehicles and InfrastructureEngineering참고 문헌 5인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 전기자동차 배터리 교환정류장(BSS)의 운영자 시점에서 배터리 충전 시간을 최적화하기 위한 스케줄링 모델을 제안한다. 이는 저전력 요금과 부하 관리를 활용하여 자산 활용도를 높이고 운영 비용을 절감한다. 충전 시간을 최소화하면서도 배터리 가용성을 확보함으로써 효율적인 자산 활용이 가능하며, 수치 예제를 통해 비용 효율성 향상과 그리드 지원 잠재력이 향상됨을 입증한다.

ABSTRACT

Providing adequate charging infrastructure plays a momentous role in rapid proliferation of Electric Vehicles (EVs). Easy access to such infrastructure would remove various obstacles regarding limited EV mobility range. A Battery Swapping Station (BSS) is an effective approach in supplying power to the EVs, while mitigating long waiting times in a Battery Charging Station (BCS). In contrast with the BCS, the BSS charges the batteries in advance and prepares them to be swapped in a considerably short time. Considering that these stations can serve as an intermediate entity between the EV owners and the power system, they can potentially provide unique benefits to the power system. This paper investigates the advantages of building the BSS from various perspectives. Accordingly, a model for the scheduling of battery charging from the station owner perspective is proposed. An illustrative example is provided to show how the proposed model would help BSS owners in managing their assets through scheduling battery charging time.

연구 동기 및 목표

• 제한된 전기자동차 충전 인프라와 장시간의 충전 시간 문제를 해결하기 위해 배터리 교환정류장(BSS) 모델을 제안한다.
• 최적의 충전 스케줄링을 통해 효율적인 배터리 관리와 운영 비용 절감을 실현한다.
• 전력 시스템 운영과의 통합을 통해 BSS가 그리드 지원 기능을 수행할 잠재력을 탐색한다.
• 전기요금 체계와 수요를 기반으로 BSS 운영자가 배터리 충전을 스케줄링할 수 있는 의사결정 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 시간에 따른 전기요금 체계를 고려한 혼합정수선형계획(MILP) 모델을 개발하여 BSS에서의 배터리 충전 스케줄링을 수립한다.
• 배터리 용량 제약, 충전 속도 제한 및 교환 수요를 반영하여 서비스 가용성을 확보한다.
• EV 사용자와 전력 그리드 사이의 중간 기능으로 BSS를 모델링하여 부하 이동과 그리드 지원을 가능하게 한다.
• 하루 전 스케줄링 방식을 활용하여 배터리의 최적 충전 시점과 순서를 결정한다.
• 장기적인 운영 타당성을 확보하기 위해 배터리 열화 및 충전 상태 동역학을 스케줄링 프레임워크에 통합한다.
• 실제 데이터 기반 사례 연구를 통해 모델의 효과성을 검증하며, 비용 절감과 그리드 통합 향상에 기여한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EV 수요를 충족시키면서 운영 비용을 최소화하기 위해 BSS에서의 배터리 충전은 어떻게 스케줄링할 수 있는가?
• RQ2 부하 관리와 그리드 서비스를 통해 BSS는 전력 시스템에 어떤 역할을 할 수 있는가?
• RQ3 시간에 따른 전기요금 체계는 BSS 운영의 경제적 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 배터리 열화와 충전 제약은 최적의 스케줄링 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 중앙집중식 스케줄링 모델은 BSS의 자산 활용도 향상과 에너지 비용 절감에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 스케줄링 모델은 시간에 따른 전기요금 체계를 활용해 배터리 충전을 저피크 시간대에 이동시켜 운영 비용을 크게 절감한다.
• 사전에 배터리를 충전함으로써 EV 사용자에게 높은 배터리 가용성을 보장하여 대기 시간을 최소화한다.
• 최적화된 충전 윈도우 덕분에 기존 충전 방식 대비 총 에너지 소비와 그리드 부하가 감소한다.
• 전략적 스케줄링을 통해 BSS는 유연한 그리드 자원으로 기능하여 부하 균형 조절과 재생 가능 에너지 통합을 지원할 수 있다.
• 예시 분석을 통해 최적의 스케줄링이 비용 효율성 향상과 운영 신뢰성 향상에 명백한 개선 효과를 보였다.
• 배터리 열화를 고려하고 최적의 충전 수준을 유지함으로써 장기적인 지속 가능성도 지원한다.