초록 ▼

□ 연구개요
○ 총연구개발기간: 2020. 03. 01 ~ 2023. 02. 28 (36개월)
○ 수소연료전지를 적용한 철도차량용 추진시스템의 고효율·경량·고신뢰성 모듈형 DC-DC 컨버터 개발
- 연구의 배경: 수소연료전지는 기존 에너지 효율이 30%인 내연기관보다 높은 50% 이상의 효율을 갖고 소음이 적어, 다른 신재생 에너지원에 비해 친환경적인 에너지원으로 각광받고 있음. 수소연료전지는 높은 가격으로 인해 견인전동기 구동을 위한 인버터의 높은 DC 전압을 직접 공급하기 어려우므로, 낮은 전압을 갖는 수소연료전

□ 연구개요
○ 총연구개발기간: 2020. 03. 01 ~ 2023. 02. 28 (36개월)
○ 수소연료전지를 적용한 철도차량용 추진시스템의 고효율·경량·고신뢰성 모듈형 DC-DC 컨버터 개발
- 연구의 배경: 수소연료전지는 기존 에너지 효율이 30%인 내연기관보다 높은 50% 이상의 효율을 갖고 소음이 적어, 다른 신재생 에너지원에 비해 친환경적인 에너지원으로 각광받고 있음. 수소연료전지는 높은 가격으로 인해 견인전동기 구동을 위한 인버터의 높은 DC 전압을 직접 공급하기 어려우므로, 낮은 전압을 갖는 수소연료전지와 인버터 사이에 승압형 DC-DC 컨버터가 필요함.
- 연구의 내용:
1) 1차년도: 200kW급 수소연료전지 기반 철도차량용 추진시스템의 고효율·경량·고신뢰성 모듈형 DC-DC 컨버터 토폴로지 선정 및 시뮬레이션 동작검증
2) 2차년도: 제안 모듈형 DC-DC 컨버터의 부하별 병렬제어 알고리즘 개발, 2kW급 축소형 기존 및 제안 DC-DC 토폴로지/제어회로 상세설계 및 제작
3) 3차년도: 기존 DC-DC 토폴로지와 비교시험을 통한 성능검증

□ 연구 목표대비 연구결과
1) 1차년도: 1차년도 철도차량에 적용 되는 200kW급 용량에 대해, 모듈 개수에 따른 상세 설계와 상세 설계(안)을 PSIM과 Maxwell 시뮬레이션을 통해 검증함. 이를 통해 모듈 개수에 따른 DC-DC 컨버터의 효율과 부피의 최적 설계(안)을 도출하였음.
2) 2차년도: 1차년도에 수행 된 연구 결과를 기반으로, 2kW급 축소형 모델을 1개 모듈, 2개 모듈 병렬 기반으로 상세 설계, 시뮬레이션 검증을 통해 제작하였음. 또한 병렬 제어 알고리즘을 PSIM으로 구현하여 제어의 유효성을 검증하였음. 1개 모듈에 비해 2개 모듈 병렬 기반으로 설계한 모델이 부피와 효율 측면에서 유리할 것으로 예측하였음. (학술대회 발표: 1건)
3) 3차년도: 2차년도에 제작한 축소형 2kW급 모델을 기반으로 2개 모듈의 부피와 효율 측면에서의 유효성을 실험으로 검증하였음. (논문: KCI급 1편, 학술대회 발표: 2건, 인력양성 석사 1명)

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
전 세계적으로 탄소배출에 대한 규제가 강화되고 있으며, 이를 위해 탄소 배출량이 높은 교통 분야에 대한 탄소배출 저감이 매우 중요함. 교통 분야 중, 철도 분야의 경우 기존 디젤 차량을 수소철도차량으로 대체하는 움직임이 국내외적으로 활발함. 수소철도의 경우 수소연료전지와 배터리의 하이브리드 추진 시스템을 채택하고 있고, 수소연료전지와 배터리의 부피가 매우 크므로, 전력변환장치의 부피 저감이 매우 중요하고 탄소배출 저감을 위해 고효율의 승압형 DC-DC 컨버터가 요구되고 있음.
현재 1개 모듈의 DC-DC 컨버터가 적용되고 있으나, 이는 DC-DC 컨버터에서 가장 큰 부피를 차지하는 자성체의 부피를 증가시키고 있음. 본 연구 결과로부터 도출 된 다중 모듈 기반의 DC-DC 컨버터가 적용될 시 기존 시스템에 비해 부피와 효율 측면에서 유리하여 수소철도차량의 고효율·고밀도 시스템에 기여할 수 있음.
또한, 수소 기반의 자동차, UAM, 선박과 같은 시스템에도 철도와 같이 수소연료전지와 배터리 기반의 하이브리드 시스템이 적용되므로, 본 연구 결과물의 적용이 가능함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구의 필요성 ... 4
• 2) 연구의 목표 및 내용 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 참고문헌 ... 14
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 16
• 끝페이지 ... 19