KR101770593B1 - 다중 분산형 dc-dc 컨버터를 이용한 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템 - Google Patents

다중 분산형 dc-dc 컨버터를 이용한 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101770593B1
KR101770593B1 KR1020150149651A KR20150149651A KR101770593B1 KR 101770593 B1 KR101770593 B1 KR 101770593B1 KR 1020150149651 A KR1020150149651 A KR 1020150149651A KR 20150149651 A KR20150149651 A KR 20150149651A KR 101770593 B1 KR101770593 B1 KR 101770593B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
converter
unit
electric energy
inductor
storage unit
Prior art date
Application number
KR1020150149651A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170048941A (ko
Inventor
김길동
김재원
조정민
이장무
류준형
Original Assignee
한국철도기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국철도기술연구원 filed Critical 한국철도기술연구원
Priority to KR1020150149651A priority Critical patent/KR101770593B1/ko
Publication of KR20170048941A publication Critical patent/KR20170048941A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101770593B1 publication Critical patent/KR101770593B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B60L11/1811—
    • B60L11/1814—
    • B60L11/1838—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B60L2230/32—
    • H02J2007/0037—
    • H02J2007/0059—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
    • Y02T10/7216—

Abstract

다중 분산형 DC-DC 컨버터를 이용한 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템은 변압기, DC-DC 컨버터 및 저장부를 포함한다. 상기 커버터는 가선부로부터 가선 AC 전원 및 회생전압을 직류전원으로 변환한다. 상기 DC-DC 컨버터는 상기 변환된 직류전원의 고주파 성분을 제거하는 필터부, 상기 필터부의 커패시터가 과충전되는 것을 방지하는 충전부, 상기 필터부에 전기적으로 연결되며 복수의 스위칭 소자들을 포함하여 충전모드 또는 방전모드로 스위칭되는 스위칭부, 및 상기 스위칭부에 전기적으로 연결되며 고주파 노이즈를 제거하는 DC-DC 필터를 포함한다. 상기 저장부는 상기 DC-DC 컨버터에 전기적으로 연결되어, 상기 스위칭부의 스위칭에 따라 전기 에너지로 저장한다. 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 저장부는 복수개가 상기 가선부에 대하여 서로 직렬로 연결된다.

Description

다중 분산형 DC-DC 컨버터를 이용한 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템{POWER STORAGE SYSTEM USING A MULTI DC-DC CONVERTER}
본 발명은 전력 저장시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 분산형 DC-DC 컨버터를 사용하여 20초 이내의 급속충전을 통해 역간을 운행하는 열차의 추진력을 효과적으로 제공할 수 있는 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템에 관한 것이다.
최근 열차가 역사에 정지한 상태에서 급속 충전을 역사 정차시간인 20초 이내에 수행하고, 충전된 에너지로만 다음 역사까지의 운행을 가능하게 하는 개념의 역간을 운행하는 열차 추진력 제공 시스템에 관한 기술이 연구되고 있다.
상기 시스템을 이용한 역간 운행 열차에 있어서는, 역사에 정지한 상태에서 필요한 에너지를 충분히 충전할 수 있어야 하므로, 급속 충방전 기술이 요구되고 있으며, 특히 역사에서 승객의 승하차 시간 외에 별도의 시간이 충전을 위하여 필요한 경우 승객의 불편이 야기되는 바, 매우 효과적인 급속 충방전 기술의 개발이 필요한 상황이다.
이러한 급속 충전을 위해, 종래에는 하나의 단일 컨버터를 사용하여 급속 충전을 수행하는 기술이 있었으나, 고전압 밸런스 분배로 인한 커패시턴스의 스트레스 증가로 수명이 단축되고, 반도체에 고전압 인가시 전력소자의 스위칭 손실이 발생하며, 스위칭 주파수에 따른 리액터나 커패시턴스 등의 수동소자의 부피가 증가하여야 하며, 구동시 소음이 증가하고 열차에 설치시 부피가 증가하는 등의 많은 문제점이 있다.
관련 선행기술로 대한민국 등록특허 제10-1312177호가 있으며, DC 링크가 인버터와 컨버터 사이에 포함되는 것을 특징으로 하나, 급속 충전을 위해서는 앞서 설명한 바와 같은 문제를 해결하기는 어려운 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1312177호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 다중 분산형 DC-DC 컨버터를 사용하여 커패시턴스의 스트레스 및 스위칭 손실을 줄일 수 있으며, 수동소자의 부피를 증가하지 않으면서도 급속충전을 통해 역간을 운행하는 열차의 추진력을 효과적으로 제공할 수 있는 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 전력 저장시스템은 변압기, DC-DC 컨버터 및 저장부를 포함한다. 상기 컨버터는 가선부로부터 가선 AC 전원 및 회생전압을 직류전원으로 변환한다. 상기 DC-DC 컨버터는 필터 커패시터를 포함하여 상기 변환된 직류전원의 고주파 성분을 제거하는 필터부, 상기 필터 커패시터가 과충전되는 것을 방지하는 충전부, 상기 필터부에 전기적으로 연결되며 복수의 스위칭 소자들을 포함하여 충전모드 또는 방전모드로 스위칭되는 스위칭부, 및 상기 스위칭부에 전기적으로 연결되며 고주파 노이즈를 제거하는 DC-DC 필터를 포함한다. 상기 저장부는 상기 DC-DC 컨버터에 전기적으로 연결되어, 상기 스위칭부의 스위칭에 따라 전기 에너지로 저장한다. 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 저장부는 복수개가 상기 가선부에 대하여 서로 직렬로 연결된다.
일 실시예에서, 상기 저장부는 슈퍼커패시터(super capacitor)를 포함하며, 복수의 저장부들 각각은 동일한 전기 에너지를 저장하여 구동에 필요한 전체 전기 에너지를 분담할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭부는 제1 내지 제4 트랜지스터들을 포함하며, 서로 병렬로 연결된 상기 제2 트랜지스터 또는 상기 제4 트랜지스터가 ON되면 상기 저장부에 전기 에너지가 충전되고, 서로 병렬로 연결된 상기 제1 트랜지스터 또는 상기 제3 트랜지스터가 ON되면 상기 저장부로부터 전기 에너지가 방전될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 내지 제4 트랜지스터들 각각은 IGBT일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 DC-DC 필터는, 상기 제1 및 제2 트랜지스터들 사이에 연결된 제1 인덕터, 및 상기 제3 및 제4 트랜지스터들 사이에 연결된 제2 인덕터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 및 제3 트랜지스터들이 ON 상태이면 상기 제1 인덕터에는 양의 방향의 전류가 증가하고 상기 제2 인덕터에는 음의 방향의 전류가 증가하며, 상기 제1 및 제4 트랜지스터들이 ON 상태이면 상기 제1 인덕터에는 음의 방향의 전류가 증가하고 상기 제2 인덕터에는 양의 방향의 전류가 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 저장부에는 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류 및 상기 제2 인덕터에 흐르는 전류의 총합에 해당되는 전기에너지가 충전될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, DC-DC 컨버터 및 저장부가 복수개가 가선부에 대하여 서로 직렬로 연결되어 가선전압을 분배하며, 역간의 운행에 필요한 전기 에너지를 분담할 수 있다. 이에 따라, 트랜지스터로 상대적으로 내압이 작은 IGBT를 사용하여 10kHz 이상의 고주파 스위칭이 가능하며, 내압이 작은 필터 커패시터를 사용할 수 있다. 또한, 고주파 스위칭이 가능함에 따라 상대적으로 작은 사양의 인덕터들을 사용할 수 있다.
이상과 같이, DC-DC 컨버터에 사용되는 소자들의 용량을 줄일 수 있으므로 소형화 설계가 가능하면서도 전기 에너지를 분담하여 필요한 전기 에너지를 충분히 공급할 수 있다. 나아가, 소형화 설계된 각각의 DC-DC 컨버터가 모듈화되어 필요한 개수만큼 직렬 연결되어 사용될 수 있으므로, 각 전동차나 열차에 필요한 전기 에너지를 고려하여 최적의 시스템 설계가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 저장시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 전력 저장시스템의 회로도이다.
도 3은 도 2의 저장부 및 DC-DC 컨버터를 간략화하여 도시한 회로도이다.
도 4는 도 3에서 하나의 저장부 및 DC-DC 컨버터만 도시한 회로도이다.
도 5는 도 4의 회로도의 타이밍도를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 저장시스템을 도시한 블록도이다. 도 2는 도 1의 전력 저장시스템의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 전력 저장시스템(10)은 가선부(100), 고속차단기(200), DC-DC 컨버터(300), 저장부(800) 및 구동부(900)를 포함한다.
상기 가선부(100)는 전동차나 열차의 팬토그라프(110)로 가선 전원을 공급하는 것으로 상기 팬토그라프(110)를 통해 제공받은 상기 가선부(100)의 교류전원은 컨버터(미도시)를 통해 직류 전원으로 변환된다.
이 경우, 상기 컨버터를 통해 변환된 직류전원은 상기 고속차단기(200)를 통해 상기 DC-DC 컨버터(300)로 제공되어 열차 운행에 필요한 전기 에너지를 충전하는 등의 전력 변환이 수행되며, 이렇게 저장된 전기 에너지는 상기 구동부(900)를 통해 출력되어 상기 열차가 운행하게 된다. 물론, 상기 구동부(900)로 출력되기 위해 상기 직류전원은 다시 인버터(미도시) 등을 통해 교류전원으로 변환되며, 상기 DC-DC 컨버터(300)는 결국 상기 컨버터와 상기 인버터의 사이에 연결된다.
즉, 상기 DC-DC 컨버터(300)는 상기 가선부(100)와 상기 구동부(900)의 사이에서 전기적으로 연결된다.
특히, 본 실시예에 의한 전력 저장시스템(10)은, 정차된 역사에서 전기 에너지를 충전한 후, 다음 역사까지 상기 충전된 전기 에너지를 사용하여 운행하는 열차의 전력으로 사용되는 것으로, 역사에 정지한 짧은 시간동안 많은 양의 에너지를 충전해야 한다.
따라서, 많은 양의 에너지 충전을 위해서는 상기 DC-DC 컨버터(300)를 구성하는 소자들의 용량이 증가하여야 한다. 그러나, 본 실시예에서는 후술하겠으나, 상기 DC-DC 컨버터(300)가 복수개가 서로 직렬로 연결됨으로써, 충전이 필요한 에너지를 분담하여 저장할 수 있으므로, 각각의 DC-DC 컨버터(300)들은 상대적으로 적은 용량의 소자들로 구성될 수 있다.
상기 고속차단기(200)는 상기 DC-DC 컨버터(300)로 제공되는 전류에 고장전류가 발생한 경우 이를 즉각적으로 차단하여 상기 DC-DC 컨버터(300)를 보호한다.
상기 DC-DC 컨버터(300)는 상기 저장부(800)와 함께, 상기 가선부(100)와 상기 구동부(900)와의 사이에서 복수개가 서로 직렬로 연결된다. 그리하여, 앞서 설명한 바와 같이, 복수의 DC-DC 컨버터들 각각은 상기 구동부(900)의 구동을 위해 필요한 전기 에너지를 균등하게 분담하며 저장부에 각각 저장하게 된다.
이 경우, 상기 DC-DC 컨버터(300) 및 상기 저장부(800)의 개수는, 상기 열차가 역간을 운행하기 위해 필요한 최대 전기 에너지를 고려하여 다양한 개수로 설계될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 DC-DC 컨버터(300)는 충전부(400), 필터부(500), 스위칭부(600) 및 DC-DC 필터(700)를 포함한다.
상기 DC-DC 컨버터(300)는 내부에서 수십 kHz ~ 수백 kHz로 발진시켜 승압 및 강압을 수행하는 것으로 내부에 포함된 트랜지스터나 FET 등과 같은 스위칭소자의 스위칭 동작에 의해 발생되는 고주파 노이즈가 입력 및 출력 단자를 통해 유출되는 것을 차단할 필요가 있다. 이에 따라, 상기 필터부(500)를 포함하여 상기 팬토그라프(110)와 상기 스위칭부(600) 사이에 고주파 노이즈를 제거하기 위한 필터부(500)가 전기적으로 연결된다.
이 때, 상기 필터부(500)는 커패시터를 포함하도록 구성되며, 이하에서는 이를 필터 커패시터라 칭한다.
한편, 상기 필터부(500)를 구성하는 필터 커패시터의 용량이 작은 경우에는 상기 필터 커패시터가 충전하기까지 필요한 시간이 짧으므로 크게 문제되지 않지만 상기 필터 커패시터가 대용량인 경우에는 충전이 어느 정도 진행되어 전류량이 감소하기 전까지는 단락상태와 동일하므로 과전류의 위험이 존재한다.
이러한 상기 필터부(500)의 과전류는 주변 시스템에 큰 문제를 야기할 수 있는 바, 상기 충전부(400)가 상기 팬토그라프(110)와 상기 필터부(500) 사이에 구비되어 보호회로의 역할을 수행한다.
한편, 상기 스위칭부(600)는 예를 들어, PWM(pulse width modulation) 제어에 의해 복수의 트랜지스터들이 턴온(turn on) 또는 턴오프(turn off) 되도록 제어되어 인가된 DC 전압을 특정 DC 전압으로 변환시킨다. 이 경우, 상기 스위칭부(600)의 세부적인 회로 구성 및 동작은 후술한다.
상기 DC-DC 필터(700)는 상기 스위칭부(600)와 상기 저장부(800) 사이에 구비되어, 상기 필터부(500)와 동일하게 고주파 노이즈가 주위의 장치들로 흘러들어가 문제를 야기하는 것을 방지하기 위한 것으로 인덕터를 포함한다. 이 경우, 상기 DC-DC 필터(700)의 세부적인 회로 구성 및 동작은 후술한다.
상기 저장부(800)는 앞서 설명한 바와 같이, 상기 DC-DC 컨버터(300)에서의 스위칭을 통해 전기 에너지가 저장되며, 이렇게 저장된 전기 에너지는 상기 구동부(900)로 제공되어, 역간을 운행하는 열차의 구동력으로 사용된다.
이 때, 상기 저장부(800)는 슈퍼커패시터(super capacitor)를 포함하여, 상기 DC-DC 컨버터(300)로부터 전달받은 전기 에너지를 저장하며, 상기 저장부(800)의 용량에 따라 전기 에너지의 저장 시간이 결정된다.
즉, 상기 저장부(800)의 용량이 증가함에 따라 전기 에너지의 저장 시간이 증가하게 되어 상기 DC-DC 컨버터(300)의 각종 소자들의 용량이 커져야 하지만, 본 실시예의 경우 상기 저장부(800) 및 상기 DC-DC 컨버터(300)가 복수개가 서로 직렬로 연결되어 필요한 전기 에너지를 동일하게 분담하게 되므로, 하나의 저장부의 용량을 줄일 수 있으며 이에 따라 상기 전기 에너지 저장 시간도 절감되고 상기 DC-DC 컨버터(300)의 각종 소자들의 용량도 소형화가 가능하게 된다.
특히, 이러한 저장 전기 에너지의 분담은, 역간을 충전된 전기 에너지로만 운행하여야 하는 전동차나 열차에서와 같이 상대적으로 많은 용량의 전기 에너지 충전이 급속으로 수행되어야 하는 경우 매우 효과적이라 할 수 있다.
도 3은 도 2의 저장부 및 DC-DC 컨버터를 간략화하여 도시한 회로도이다.
도 2에 도시된 본 실시예에 의한 전력 저장시스템(10) 중, DC-DC 컨버터(300)와 저장부(800)를 단순화한 회로도를 도 3에 도시하였다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 DC-DC 컨버터(300)는 N개가 서로 직렬로 연결될 수 있으며, N 개의 DC-DC 컨버터(300)는 동일한 회로로 구성되고, 각각의 회로의 소자들도 동일한 용량으로 구성된다. 이에 따라, 이하에서는 하나의 DC-DC 컨버터(310) 및 하나의 저장부(810)에 대하여만 설명한다.
도 3을 참조하면, 앞서 설명한 DC-DC 컨버터(310) 회로는, 충전부(410)를 생략하고, 필터부(510)의 필터 커패시터(FC)가 스위칭부(610)에 병렬로 연결되는 것으로 단순화할 수 있다.
상기 스위칭부(610)는 제1 내지 제4 트랜지스터들(S1, S2, S3, S4)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 트랜지스터들(S1, S2)은 직렬로 연결되고, 상기 제3 및 제4 트랜지스터들(S3, S4)은 직렬로 연결되되, 상기 제1 및 제3 트랜지스터들(S1, S3)과 상기 제2 및 제4 트랜지스터들(S2, S4)은 서로 병렬로 연결된다.
이 경우, 상기 제1 내지 제4 트랜지스터들(S1, S2, S3, S4)은 각각 IGBT일 수 있다.
상기 DC-DC 필터(710)는 상기 제1 및 제2 트랜지스터들(S1, S2) 사이에 연결되는 제1 인덕터(SL1), 및 상기 제3 및 제4 트랜지스터들(S3, S4) 사이에 연결되는 제2 인덕터(SL2)를 포함한다.
상기 저장부(810)는 슈퍼 커패시터로서 일 단은 상기 제1 및 제2 인덕터들(SL1, SL2)의 사이에 연결되고, 타 단은 상기 제1 및 제3 트랜지스터들(S1, S3)과 연결된다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여, 상기 DC-DC 컨버터(310)와 상기 저장부(810)의 동작을 상세히 설명한다. 이 경우, 앞서 설명한 바와 같이 복수의 DC-DC 컨버터들(300) 및 복수의 저장부들(800) 각각은 모두 동일하게 동작하므로 하나의 DC-DC 컨버터(310) 및 하나의 저장부(810)를 참조하여 동작을 설명한다.
도 4는 도 3에서 하나의 저장부 및 DC-DC 컨버터만 도시한 회로도이다. 도 5는 도 4의 회로도의 타이밍도를 도시한 그래프이다.
한편, 상기 DC-DC 컨버터(310)에서 상기 제2 및 제4 트랜지스터들(S2, S4)은 온(ON) 상태로 스위칭하면 Buck 모드로서 상기 저장부(810)가 충전 상태인 충전모드가 되며, 상기 제1 및 제3 트랜지스터들은 온(ON) 상태로 스위칭하면 Boost 모드로서 상기 저장부(810)가 방전 상태인 방전모드가 된다.
이 경우, 상기 제1 및 제2 인덕터들(SL1, SL2)은 상기 저장부(810)가 충전모드인 경우 Boost 인덕터로 기능하며, 상기 저장부(810)가 방전모드인 경우 평활화 인덕터로 기능하게 된다.
보다 구체적으로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 180°의 위상차로 제어되는 상기 스위칭부(610)에서, 제2 트랜지스터(S2)의 ON 상태에 따라 제1 인덕터(SL1)의 양단에 양전압(VFC-VSC)이 발생하고(VFC: 필터 커패시터(FC) 양단의 전압, VSC: 슈퍼 커패시터(SC) 양단의 전압), 이에 따라 상기 제1 인덕터(SL1)에 인가되는 전류는 양의 방향으로 증가(IL1)하게 된다. 이와 동시에 제3 트랜지스터(S3)의 ON 상태에 따라 제2 인덕터(SL2)의 양단에 음전압(VSC-VFC)이 발생하고, 이에 따라 상기 제2 인덕터(SL2)에 인가되는 전류는 음의 방향으로 증가(IL2)하게 된다.
이 경우, 상기 저장부(810), 즉 슈퍼 커패시터(SC)에 충전되는 전류는 IL1+IL2가 된다.
이 후, 위상차에 따라 상기 스위칭부(610)의 제1 트랜지스터(S1)가 ON 상태가 되면 제1 인덕터(SL1)의 양단에 음전압(VSC-VFC)이 발생하고, 이에 따라 상기 제1 인덕터(SL1)에 인가되는 전류는 음의 방향으로 증가(IL1)하게 된다. 이와 동시에 제4 트랜지스터(S4)의 ON 상태에 따라 제2 인덕터(SL2)의 양단에 양전압(VFC-VSC)이 발생하고, 이에 따라 상기 제2 인덕터(SL2)에 인가되는 전류는 양의 방향으로 증가(IL2)하게 된다.
이 경우, 상기 저장부(810), 즉 슈퍼 커패시터(SC)에 충전되는 전류는 IL1+IL2가 된다.
즉, 도 5에 도시된 충전 전류의 파형도를 참조하면, 제2 및 제3 트랜지스터들과 제1 및 제4 트랜지스터들이 180° 의 위상차를 가지며 ON/OFF가 반복되도록 스위칭됨에 따라, 상기 슈퍼 커패시터(SC)에 충전되는 리플 전류(ripple current)가 감소되면서 동시에 유효 스위칭주파수가 증가하여 보다 전기 에너지의 충전 효율이 증가하게 된다.
나아가, 상세히 설명하지는 않았으나, 상기와 같이 전기 에너지의 충전이 각각의 DC-DC 컨버터들(310, 320, ..., 330) 및 각각의 저장부들(810, 820, ..., 830)에서 동일하게 수행되므로, 전체적으로 충전되는 전기 에너지의 충전량이 증가하는 것은 물론이며, 충전속도도 절감될 수 있어, 급속 충전 및 급속 방전이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, DC-DC 컨버터 및 저장부가 복수개가 가선부에 대하여 서로 직렬로 연결되어 가선전압을 분배하며, 역간의 운행에 필요한 전기 에너지를 분담할 수 있다. 이에 따라, 트랜지스터로 상대적으로 내압이 작은 IGBT를 사용하여 10kHz 이상의 고주파 스위칭이 가능하며, 내압이 작은 필터 커패시터를 사용할 수 있다. 또한, 고주파 스위칭이 가능함에 따라 상대적으로 작은 사양의 인덕터들을 사용할 수 있다.
이상과 같이, DC-DC 컨버터에 사용되는 소자들의 용량을 줄일 수 있으므로 소형화 설계가 가능하면서도 전기 에너지를 분담하여 필요한 전기 에너지를 충분히 공급할 수 있다. 나아가, 소형화 설계된 각각의 DC-DC 컨버터가 모듈화되어 필요한 개수만큼 직렬 연결되어 사용될 수 있으므로, 각 전동차나 열차에 필요한 전기 에너지를 고려하여 최적의 시스템 설계가 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 전력 저장시스템은 급속 충방전을 통해 역간을 운행하는 전동차나 열차에 장착되어 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
10 : 전력 저장시스템 100 : 가선부
200 : 고속차단기 300 : DC-DC 컨버터
400 : 충전부 500 : 필터부
600 : 스위칭부 700 : DC-DC 필터
800 : 저장부 900 : 구동부

Claims (7)

  1. 정차된 역사에서 전기 에너지를 충전하여, 다음 역사까지 상기 충전된 전기 에너지를 사용하여 운행하는 열차의 전력을 차량에 장착된 전력 저장시스템에 저장하기 위해,
    가선부로부터 전원을 다른 전압의 직류전원으로 변환하는 컨버터;
    상기 변환된 직류전원의 고주파 성분을 제거하는 필터부, 상기 필터부의 커패시터가 과충전되는 것을 방지하는 충전부, 상기 필터부에 전기적으로 연결되며 복수의 스위칭 소자들을 포함하여 충전모드 또는 방전모드로 스위칭되는 스위칭부, 및 상기 스위칭부에 전기적으로 연결되며 고주파 노이즈를 제거하는 DC-DC 필터를 포함하는 DC-DC 컨버터; 및
    상기 DC-DC 컨버터에 전기적으로 연결되어, 상기 스위칭부의 스위칭에 따라 전기 에너지로 저장하는 저장부를 포함하며,
    상기 DC-DC 컨버터 및 상기 저장부는 복수개가 상기 가선부로부터 이어진 하나의 에너지 경로를 통해 직렬로 연결되고,
    상기 스위칭부는 제1 내지 제4 트랜지스터들을 포함하고,
    상기 필터부는 서로 직렬로 연결된 상기 제1 및 제2 트랜지스터들 사이에 연결된 제1 인덕터, 및 서로 직렬로 연결된 상기 제3 및 제4 트랜지스터들 사이에 연결된 제2 인덕터를 포함하고,
    상기 저장부의 일 단은 상기 제1 및 제2 인덕터들 사이에 연결되고, 타단은 상기 제1 및 제3 트랜지스터들과 연결되고,
    서로 병렬로 연결된 상기 제2 트랜지스터 및 상기 제4 트랜지스터가 ON되면 상기 저장부에 전기 에너지가 충전되고, 서로 병렬로 연결된 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제3 트랜지스터가 ON되면 상기 저장부로부터 전기 에너지가 방전되어 상기 열차가 전기 에너지를 사용하고,
    상기 저장부는 슈퍼커패시터를 포함하며, 복수의 저장부들 각각은 동일한 전기 에너지를 저장하여 구동에 필요한 전체 전기 에너지를 분담하고,
    상기 제1 내지 제4 트랜지스터들 각각은 IGBT이고,
    상기 제2 및 제3 트랜지스터들이 ON 상태이면 상기 제1 인덕터에는 양의 방향의 전류가 증가하고 상기 제2 인덕터에는 음의 방향의 전류가 증가하며,
    상기 제1 및 제4 트랜지스터들이 ON 상태이면 상기 제1 인덕터에는 음의 방향의 전류가 증가하고 상기 제2 인덕터에는 양의 방향의 전류가 증가하고,
    상기 저장부에는 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류 및 상기 제2 인덕터에 흐르는 전류의 총합에 해당되는 전기에너지가 충전되는 것을 특징으로 하는 전력 저장시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
KR1020150149651A 2015-10-27 2015-10-27 다중 분산형 dc-dc 컨버터를 이용한 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템 KR101770593B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150149651A KR101770593B1 (ko) 2015-10-27 2015-10-27 다중 분산형 dc-dc 컨버터를 이용한 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150149651A KR101770593B1 (ko) 2015-10-27 2015-10-27 다중 분산형 dc-dc 컨버터를 이용한 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170048941A KR20170048941A (ko) 2017-05-10
KR101770593B1 true KR101770593B1 (ko) 2017-08-24

Family

ID=58743705

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150149651A KR101770593B1 (ko) 2015-10-27 2015-10-27 다중 분산형 dc-dc 컨버터를 이용한 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101770593B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102112039B1 (ko) 2018-12-26 2020-06-15 한국철도기술연구원 교직겸용 전기철도차량 시스템의 무가선 운행성능 시험방법 및 그 시험장치

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108081993B (zh) * 2017-12-20 2020-06-23 中车株洲电力机车有限公司 一种城轨车辆供电系统及供电方法
KR102134908B1 (ko) 2018-11-30 2020-07-16 주식회사 에코스 Vrfb용 승압컨버터

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006246700A (ja) * 2001-12-25 2006-09-14 Toshiba Corp 電力変換装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006246700A (ja) * 2001-12-25 2006-09-14 Toshiba Corp 電力変換装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102112039B1 (ko) 2018-12-26 2020-06-15 한국철도기술연구원 교직겸용 전기철도차량 시스템의 무가선 운행성능 시험방법 및 그 시험장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170048941A (ko) 2017-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2917083C (en) Hybrid drive system
US11799392B2 (en) Low-volt decoupling from a modular energy store converter system
JP5256432B1 (ja) フルブリッジ電力変換装置
EP3255771B1 (en) Bidirectional dc-dc convertor
JP2017225279A (ja) 電力変換システム
CN102684463A (zh) 电力变换装置以及铁道车辆用的电力变换装置
KR101770593B1 (ko) 다중 분산형 dc-dc 컨버터를 이용한 급속충방전이 가능한 전력 저장시스템
CN112512861A (zh) 具有可控的中间电路中心点电压的充电设备以及具有这种充电设备的驱动系统
CN111315615B (zh) 包括dc/dc转换器的车辆充电器
CN109982888B (zh) 铁路车辆用电路系统
KR102601772B1 (ko) 차량-측면 충전 디바이스
JP6953634B2 (ja) Ｄｃ／ｄｃコンバータを備える車両充電器
Tomar et al. An efficient bi-directional DC/DC charger for electric vehicle battery charging
JP5931366B2 (ja) 電力変換装置
CN102355038A (zh) 一种高压直流充电机
CN202276177U (zh) 一种高压直流充电机
KR101875914B1 (ko) 철도 차량용의 에너지 충전 및 방전을 위한 시스템
KR102123373B1 (ko) 모듈형 양방향 ｄｃ-ｄｃ 컨버터
KR101471110B1 (ko) 부하 전류 재생 회로, 및 부하 전류 재생 회로를 구비한 전기 장치
JP4927655B2 (ja) 昇降圧コンバータ
JP6502088B2 (ja) 電源システム、車両及び電圧制御方法
CN111668888A (zh) 电车储能系统
JP2015139312A (ja) スイッチング電源装置、電力変換装置
JP5310184B2 (ja) 双方向昇降圧チョッパ回路
Ahmad et al. A Non-Isolated Bidirectional Buck-Boost Chopper With Auxiliary Converter for Battery Energy Storage Systems

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant