[논문]하이브리드 에너지 저장장치를 탑재한 무가선 트램의 전력분배전략

강경진; 오용국; 이지호; 염민규; 곽재호; 이형철

doi:10.5370/kiee.2014.63.11.1615

하이브리드 에너지 저장장치를 탑재한 무가선 트램의 전력분배전략
Power Distribution Strategy for Wireless Tram with Hybrid Energy Storage System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.11, 2014년, pp.1615 - 1621

강경진 (Dept. of Electric Engineering, Hanyang University) , 오용국 (Korea Railroad Research Institute) , 이지호 (Dept. of Electric Engineering, Hanyang University) , 염민규 (Korea Railroad Research Institute) , 곽재호 (Korea Railroad Research Institute) , 이형철 (Dept. of Electrical and Biomedical Engineering, Hanyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

A wireless tram which runs without catenary and instead uses batteries installed in the tram has been recently researched actively. This paper presents a new method maximizing absorption of regenerative energy of a wireless tram and extending life cycle of the energy storage device in the wireless tram by applying line-optimized charging and discharging scenario. Energy efficiency and life cycle of energy storage system (ESS) are highly dependent on the characteristic of operating conditions. For example, frequent charge and discharge with high power cause the problems that decrease the battery life cycles. Hybrid energy storage system (HESS) is combination of two ESSs which have complementary characteristics to each other. HESS can provide even better functionality and performance than the battery only ESS due to the synergy effect of two ESSs. This paper also provides a power distribution strategy and driving scenarios which increase the life cycle and energy efficiency of the HESS consisting of a battery and an ultra-capacitor. The developed strategy was tested and verified by a hardware-in-the-loop-simulation (HILS) system which emulates the a wireless tram.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전력분배 전략은 에너지 효율 뿐 아니라 ESS(Energy Storage System)의 수명과 차량 가속성능 및 회생제동 에너지 수용 능력과도 밀접한 관계를 가진다. 본 연구에서는 HESS를 탑재한 무가선 트램의 전력분배 전략을 개발하고, 축소형 HILS를 구성하여 개발된 전략의 성능을 평가하였다.

가설 설정

본 실험에서는 SOCuc_regen = 70%, acat=0.2로 설정하였으며, 차량 내 보조 사용부하는 없다고 가정하였다. Pcat_max의 경우, 가상노선에서 Pmot가 최대 1.

제안 방법

본 연구에서는 울트라커패시터와 배터리시스템이 조합된 HESS를 적용하여 무가선 트램의 전력분배 전략을 개발하 였다. 개발된 전략의 검증을 위하여 축소형 HILS를 구축하 였으며, 가상노선 시험을 통한 주행상황별 ESS 충·방전 시나리오를 확인하였다.

대상 데이터

따라서 각 정거장마다 비슷한 차량속도와 모터 출력파워가 반복적으로 발생하는 경향을 가진다. 본 연구를 위한 가상 주행노선은 총 2.5km, 5개 정거장으로 구성하였으며, 시점부 500m 및 종점부 500m 가선구간, 나머지는 무가선 구간으로 설정하였다. 이때 차량의 최고속도는 약 25km로 제한하였다.
본 연구에서 대상으로 하는 차량은 한국철도연구원에서 국가연구개발사업으로 개발한 무가선 저상 트램이며, 차량제원은 <표 1>과 같다. 약 162kWh급의 리튬폴리머 배터리가 탑재되어 1회 충전으로 25km이상 무가선 주행이 가능하며, 현재 오송 철도시설공단 내 구축된 시험선로에서 테스트 중에 있다.

데이터처리

본 연구에서는 울트라커패시터와 배터리시스템이 조합된 HESS를 적용하여 무가선 트램의 전력분배 전략을 개발하 였다. 개발된 전략의 검증을 위하여 축소형 HILS를 구축하 였으며, 가상노선 시험을 통한 주행상황별 ESS 충·방전 시나리오를 확인하였다. 무가선 트램의 실용화 시 본 연구결 과가 적용된다면, 노선별 최적화된 전략 구성뿐만 아니라 ESS의 효율적인 수명관리에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.

이론/모형

시스템의 전력 분배전략과 차량 모델은 MATLAB/Simuink를 기반으로 개발되었다. 구성품간 통신은 CAN(Controller Area Network)을 기본으로 하며, 차량모델과 전력분배 알고리즘은 National Instrument社 PXI장비의 Real-Time Controller 기능을 이용하여 구현하였다.
무가선 저상 트램 시스템을 모사하기 위해 <표 3>과 같이 실험실 내 축소형 HILS를 구축하였다. 시스템의 전력 분배전략과 차량 모델은 MATLAB/Simuink를 기반으로 개발되었다. 구성품간 통신은 CAN(Controller Area Network)을 기본으로 하며, 차량모델과 전력분배 알고리즘은 National Instrument社 PXI장비의 Real-Time Controller 기능을 이용하여 구현하였다.

후속연구

개발된 전략의 검증을 위하여 축소형 HILS를 구축하 였으며, 가상노선 시험을 통한 주행상황별 ESS 충·방전 시나리오를 확인하였다. 무가선 트램의 실용화 시 본 연구결 과가 적용된다면, 노선별 최적화된 전략 구성뿐만 아니라 ESS의 효율적인 수명관리에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
향후 본 연구결과를 바탕으로 전력분배전략을 구성하는 제어파라미터의 최적화 연구 및 ESS의 정량적인 수명개선 효과 분석 등의 연구를 추가적으로 진행할 계획이며, 시스템 효율개선 및 ESS 수명 확보를 위하여 본 연구에 적용된 multiple converter configuration 이외에 다양한 HESS 구성에 대한 추가 연구도 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무가선 저상 트램이란?	무가선 저상 트램은 차상에 에너지 저장장치를 장착하여 가선 및 무가선 하이브리드 주행이 가능한 시스템이다. 가선구간 주행 시에는 판토그라프를 통한 집전이 가능하여 전차선을 통해 전력공급을 받는다.
	무가선 저상 트램의 전용궤도의 장점은 무엇인가?	무가선 구간에서는 2차전지 배터리가 동력원이 되어 주행한다. 전용궤도는 지면과 수평으로 매립되어 다른 교통수단이 주행하는데 문제가 없고, 차체높이는 지면과 35cm이하로 제작되어 노약자나 휠체어의 탑승이 용이하다. 또한, 지하철에 비해 진동과 소음이 적고 역사 구축을 위한 건설비용이 없으므로 경제적일 뿐 아니라 도시 미관을 해치지 않는다.
	울트라커패시터의 특징은 무엇인가?	이와 같이 배터리의 수명문제로 인한 교체비용, 제한적인 회생에너지 회수율 등의 문제점을 보완하기 위하여 다양한 대체 에너지저장장치가 개발되고 있다. 그 중 울트라커패시터는 에너지 밀도가 낮지만 높은 파워밀도 특성과 긴 수명으로 배터리시스템과 상보적인 특성을 가진다[2]. 이렇게 상보적인 두 소자를 조합하여 시스템을 구성하면 각각의 단점을 보완할 수 있으며, 이러한 HESS(Hybrid Energy Storage System)가 배터리시스템의 짧은 수명 및 제한적인 파워밀도를 보완하기 위한 현실적인 대안이 될 수 있다.

참고문헌 (4)

Millner, Alan. "Modeling lithium ion battery degradation in electric vehicles." Innovative Technologies for an Efficient and Reliable Electricity Supply (CITRES), 2010 IEEE Conference on. IEEE, 2010.
Khaligh, Alireza, and Zhihao Li. "Battery, ultracapacitor, fuel cell, and hybrid energy storage systems for electric, hybrid electric, fuel cell, and plug-in hybrid electric vehicles: State of the art." Vehicular Technology, IEEE Transactions on 59.6 (2010): 2806-2814.

상세보기
Cao, Jian, and Ali Emadi. "A new battery/ ultracapacitor hybrid energy storage system for electric, hybrid, and plug-in hybrid electric vehicles." Power Electronics, IEEE Transactions on 27.1 (2012): 122-132.

상세보기
Yong-kuk Oh, Hyeon-cheol Hwang, and Jae-ho Kwak. "The State of Charge Management Strategy in Railway Vehicle with Onboard Energy Storage System." KIEE on EMECS Conference (2012.11): 324-326.

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