KR101913314B1 - 전기 철도 차량의 급속 충방전을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전기 철도 차량의 급속 충방전 시스템은 슈퍼 커패시터, DC-DC 컨버터 및 필터 커패시터를 각각 포함하며, 순차적으로 직렬 연결된 제 1 내지 제 N (N 은 2 이상의 자연수)단위 충방전 장치 및 상기 각 단위 충방전 장치에 대하여 급속 충방전 제어 동작을 수행하는 제어부를 포함한다. 이때, 제어부는 가선측 전압을 상기 슈퍼 커패시터에 충전하는 충전 모드에서 발생하는 각 필터 커패시터 전압의 불평형 상태를 제어한다.

Description

전기 철도 차량의 급속 충방전을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR FAST CHARGING-DISCHARGING OF ELECTRIC RAIL VEHICLE}
본 발명은 전기 철도 차량의 급속 충전 및 방전을 제공하는 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
최근 전기 철도 차량에 대하여 급속 충방전을 제공하는 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 전기 철도 차량이 역사에 정지한 정차 시간 동안, 급속 충전을 수행하고, 이때 충전된 에너지에 기반하여 다음 역사까지의 운행을 가능하게 하는 시스템에 관한 기술이 연구되고 있다.
이러한 시스템을 이용한 전기 철도 차량에 있어서는, 역사에 정지한 상태에서 필요한 에너지를 충분히 충전할 수 있어야 하므로, 급속 충방전 기술이 요구되고 있으며, 특히 역사에서 승객의 승하차 시간 외에 충전을 위한 추가 시간이 필요한 경우 승객의 불편이 야기되는 바, 매우 효과적인 급속 충방전 기술의 개발이 필요하다.
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 증가 하여야 하며, 구동시 소음이 증가하고 열차에 설치시 부피가 증가하는 등의 많은 문제점이 있다. 이에 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 필터 커패시터, DC-DC 컨버터, 슈퍼 커패시터를 각각 포함하는 단위 충방전 장치 복수 개를 직렬로 연결하는 형태로 연구 개발이 진행 중에 있다.
이와 같이 고전압 급속 충방전을 위해 고전압 분배가 되도록 직렬구조를 적용하면, 내압이 낮은 IGBT(1200V 급)를 적용할 수 있어 높은 스위칭 주파수로 동작시킬 수 있고, 수동소자 및 전력반도체의 중량과 사이즈를 줄이고 유지보수성 등을 높일 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 몇가지 요인으로 인해 충전시 슈퍼 커패시터 전압 불평형 및 가선 측 커패시터 전압의 불평형이 발생할 수 있으며, 불평형 발생으로 인해 충방전 횟수가 많아지면 전압 불평형의 영향이 커져 군간 전압 편차로 인해 시스템 오동작 및 파손까지 발생 할 수 있다. 따라서 직렬구조의 급속 충방전 시스템을 운영하기 위해서는 전압 불평형을 제거하면서 충전 및 방전상태에 따른 제어를 수행할 필요가 있다.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2013-0140608 호에는 직렬 모듈들 내의 커패시터들의 수명을 최대화하는 기술이 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복수의 단위 충방전 장치 복수 개가 직렬 연결된 급속 충방전 시스템에서 각 커패시터간의 전압 불평형 상태를 감지하고, 불평형 상태인 경우 이를 보상하여 전압 균형을 제공할 수 있는 급속 충방전 시스템 및 이를 이용한 급속 충방전 제어 방법을 제공한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 전기 철도 차량의 급속 충방전 시스템은 슈퍼 커패시터, DC-DC 컨버터 및 필터 커패시터를 각각 포함하며, 순차적으로 직렬 연결된 제 1 내지 제 N (N 은 2 이상의 자연수)단위 충방전 장치 및 상기 각 단위 충방전 장치에 대하여 급속 충방전 제어 동작을 수행하는 제어부를 포함한다. 이때, 제어부는 가선측 전압을 상기 슈퍼 커패시터에 충전하는 충전 모드에서 발생하는 각 필터 커패시터 전압의 불평형 상태를 제어한다.
또한, 본원의 제2 측면에 따른 전기 철도 차량의 급속 충방전 시스템을 이용한 급속 충방전 제어 방법은 상기 가선측 전압을 상기 슈퍼 커패시터에 충전하는 충전 모드에서 발생하는 각 필터 커패시터 전압의 불평형 상태를 제어하는 단계를 수행한다. 이때, 급속 충방전 시스템은 슈퍼 커패시터, DC-DC 컨버터 및 필터 커패시터를 각각 포함하며, 순차적으로 직렬 연결된 제 1 내지 제 N (N 은 2 이상의 자연수)단위 충방전 장치와 상기 각 단위 충방전 장치에 대하여 급속 충방전 제어 동작을 수행하는 제어부를 포함한다.
한편, 상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 전기 철도 차량의 급속 충방전 제어 시스템을 통해 슈퍼 커패시터 또는 필터 커패시터의 전압 불균형 상태를 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 급속 충방전 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 급속 충방전 시스템의 상세 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 의해 해결되는 충전 불균형상태가 해결되는 흐름 및 과정을 대표적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로 3직렬로 구성된 급속 충방전 시스템이 제어 동작을 통해 충전 불균형이 해소되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충방전 시스템의 제어 알고리즘의 상세 내용을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터의 제조 오차를 보상하는 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충방전 시스템의 충방전 모드 변환 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 급속 충방전 시스템을 도시한 도면이다.
도시된 급속 충방전 시스템(10)은 복수의 단위 충방전 장치(100)와 제어부(200)를 포함한다.
각각의 단위 충방전 장치(110, 120, 130)는 각각 슈퍼 커패시터, DC-DC 컨버터 및 필터 커패시터를 포함하며, 충전 모드에서는 가선측의 전력을 필터 커패시터 및 DC-DC 컨버터를 경유하여 슈퍼 커패시터에 전달한다. 방전 모드에서는 가선측과의 접속이 해제되고, 슈퍼 커패시터에 충전된 전력이 DC-DC 컨버터 및 필터 커패시터를 경유하여, 부하측에 전달된다.
제어부(200)는 각 단위 충방전 장치에 대하여 급속 충방전 제어 동작을 수행한다. 특히, 가선측 전압을 슈퍼 커패시터에 충전하는 충전 모드에서 발생하는 각 필터 커패시터 전압의 불평형 상태를 제어하는 동작을 수행한다. 제어부(200)는 이러한 동작을 수행하는 프로세서 및 충방전 제어 프로그램이 저장된 메모리를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리에 저장된 충방전 제어 프로그램를 프로세서가 실행하여 불평형 제어 동작을 수행할 수 있다. 또한, 메모리는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 비휘발성 저장장치 또는 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장장치를 의미할 수 있다. 또한, 메모리에 저장된 충방전 제어 프로그램은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 형태로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 철도 차량의 급속 충방전 시스템의 상세 회로를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 제 1 내지 제 N 단위 충방전 장치(110, 120, 130)는 각각 슈퍼 커패시터, DC-DC 컨버터 및 필터 커패시터를 포함하고 있다.
즉, 제 1 단위 충방전 장치(110)는 복수의 스위칭 소자(S11~S14)와 제 1 및 제 2 인덕터(SLIA, SLIB)로 이루어진 DC-DC 컨버터(112), DC-DC 컨버터(112)의 제 1 측에 결합된 필터 커패시터(FC1) 및 DC-DC 컨버터(112)의 제 2 측에 결합된 슈퍼 커패시터(SC1)를 포함한다.
이에, 충전 모드 시에는 필터 커패시터(FC1)에 충전된 전압이 DC-DC 컨버터(112)를 경유하여, 슈퍼 커패시터(SC1)에 충전된다. 이후, 방전 모드 시에는 슈퍼 커패시터(SC1)에 충전된 전압이 DC-DC 컨버터(112)를 경유하여, 필터 커패시터(FC1)로 전달된다.
이때, DC-DC 컨버터(112)는 서로 직렬 접속된 제 1 및 제 2 스위칭 소자(S11, S12), 제 1 및 제 2 스위칭 소자(S11, S12)와 병렬 관계에 있고 서로 직렬 접속된 제 3 및 제 4 스위칭 소자(S13, S14)를 포함한다. 또한, DC-DC 컨버터(112)는 제 1 및 제 2 스위칭 소자(S11, S12)의 접속노드와 슈퍼 커패시터(SC1)일측 단부에 접속된 제 1 인덕터(SLIA)와 제 3 및 제 4 스위칭 소자(S13, S14) 의 접속노드와 슈퍼 커패시터(SC1)일측 단부에 접속된 제 2 인덕터(SLIB)를 포함한다.
제 2 단위 충방전 장치(120)과 제 3 단위 충방전 장치(130)의 내부 구성은 제 1 단위 충방전 장치(110)와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에서는 각각의 단위 충방전 장치(110, 120, 130)가 순차적으로 직렬 접속된 상태이다. 보다 상세하게는 가선측에 접속되는 필터 커패시터가 서로 순차적으로 접속된 관계를 갖는다.
이들의 동작 설명을 통해 본 발명의 급속 충방전 제어 동작을 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명에 의해 해결되는 충전 불균형상태가 해결되는 흐름 및 과정을 를 대표적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a)의 회로도에 도시된 적색 화살표는 충전 모드에서의 전류 루프를 도시한 것으로서 슈퍼 커패시터를 경우하는 충전 전류를 나타낸다. 또한, 청색 화살표는 필터 커패시터를 경우하는 리플 전류를 나타낸다. 필터 커패시터에 표시된 도트는 리플전류의 방향에 대한 (+)극 기준점이다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 2개의 단위 충방전 장치가 결합된 상태를 예시적으로 도시하였다.
충전 동작이 개시됨에 따라, 각 단위 충방전 장치의 제 2 및 제 4 스위치(S12, S14, S22, S24)가 턴온되고, 제 1 및 제 3 스위치(S11, S13, S21, S23) 은 턴오프 되어, 도시된 형태의 충전 루프가 형성된다. 충전 루프가 형성됨에 따라, 제 1 단위 충방전 장치의 필터 커패시터(FC1)에 충전된 전압이 먼저 방전되어 슈퍼 커패시터(SC1)에 전달되기 시작한다. 이는 제 1 단위 충방전 장치가 가선측 입력단의 최상부에 위치하고 있기 때문이다. 이때 가선측 전압(FC1+FC2)은 일정하게 유지되어야 하므로, 제 2 단위 충방전 장치의 필터 커패시터(FC2)는 제 1 단위 충방전 장치의 필터 커패시터(FC1)에서 방전된 전압만큼 보상하기 위해 리플 전류를 통해 충전을 한다. 이로 인해 제 1 필터 커패시터(FC1)와 제 2 필터 커패시터(FC2)에 충전된 전압은 달라지기 시작하고, 이를 보상하기 위한 제어 동작을 수행하지 않는다면 도 3의 (b) 그래프에 도시된 바와 같이 그 차이가 점점 더 커지게 된다.
각 단위 충방전 장치의 충전시 회로는 벅컨버터 구조이기 때문에 각 슈퍼 커패시터(SC1, SC2)는 필터 커패시터(FC1, FC2)의 충전 전압 이상으로 충전이 불가하여, 필터 커패시터간의 전압 편차로 인해 슈퍼 커패시터간의 충전전압에도 큰 전압편차가 발생한다. 이로 인해 충방전을 반복하게 되면 시스템의 오동작 및 고장을 초래할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로 3개의 단위 충방전 장치가 직렬로 구성된 3직렬 급속 충방전 시스템이 제어 동작을 통해 충전 불균형이 해소되는 상태를 설명하기 위한 면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충방전 시스템의 제어 알고리즘의 상세 내용을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 3직렬 급속 충방전 시스템을 참고하여 그 동작을 살펴보면, 본 발명의 급속 충방전 시스템은 복수의 단위 충방전 장치가 순차적으로 직렬 접속되어 있는 상태이므로, 충전 모드에서 가선측 전압 입력단의 최상단에 배치된 제 1 단위 충방전 장치의 제 1 슈퍼 커패시터의 충전 전류는 나머지 슈퍼 커패시터의 충전 전류와 같으므로, 제 1 슈퍼 커패시터의 충전 전류에 의하여 나머지 슈퍼 커패시터의 충전 전류가 결정된다. 따라서, 제 1 슈퍼 커패시터의 전류 지령치가 나머지 슈퍼 커패시터의 전류 지령치가 되고, 제 1 슈퍼 커패시터가 완충되면 나머지 슈퍼 커패시터도 완충 된다. 그렇기 때문에 제 1 슈퍼 커패시터에 대해서는 정전압(Constant Volatage) 제어 및 정전류(Constant Current) 제어를 수행하고, 나머지 슈퍼 커패시터들에 대해서는 전류제어만 수행하여 제어부(200)의 연산 부담을 줄여준다.
이와 같이, 가선측 전압 입력단의 최상단에 배치된 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터에 대해서는 정전압 제어 및 정전류 제어를 수행하고, 나머지 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터에 대해서는 정전류 제어를 수행하여, 각 슈퍼 커패시터에 동일한 충전 전류가 인가되도록 제어한다.
다음으로, 앞서 도 3을 통해 설명한 바와 같이, 충전 모드에서 불평형 상태가 발생하는 경우 제어 동작에 대하여 살펴보기로 한다.
도 5의 (a)는 제 1 단위 충방전 장치에 대한 제어 알고리즘을 도시한 것이고, (b) 및 (c)는 나머지 단위 충방전 장치에 대한 제어 알고리즘을 도시한 것이다.
가선과 접촉되는(Line on) 충전 모드의 경우, 가선 측 커패시터는 미리 설정된 지령치(예를 들면, 가선전압/3)에 따라 그 전압이 제어된다. 이때, 충전 모드가 개시됨에 따라 일시적으로 제 1 필터 커패시터(FC1)의 전압이 낮아지면, 제어블록(510)에 입력되는 필터 커패시터의 전압(
Figure 112016126851824-pat00001
)이 지령치(
Figure 112016126851824-pat00002
)보다 낮아지므로, 제어블록(510)의 출력인 리플전류(
Figure 112016126851824-pat00003
)가 음의 값이 되고, 가변 전류 리미터(514)의 출력(
Figure 112016126851824-pat00004
)에서 출력되는 전류 지령치(
Figure 112016126851824-pat00005
)의 값을 감소시킨다. 또한, 이에 소정의 상수값이 추가로 곱해질 수 있으며, 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전 전류 값이 감소하도록 한다. 이에 의하여, 각 필터 커패시터의 전압(FC1, FC2, FC3)이 동일하게 된다. 이때, (b)와 (c)에 도시된 제 2 단위 충방전 장치와 제 3 단위 충방전 장치의 동작을 각각 살펴보면, 충전 모드에서는 정전류 제어 블록만이 구동된다. 충전 모드의 시작 시점에서 각 필터 커패시터의 전압이 지령치(
Figure 112016126851824-pat00006
)보다 커지므로, 각 필터 커패시터의 리플 전류(△ISL2, △ISL3)가 커지게 되고, 제 1 단위 충방전 장치에서 설정된 전류 지령치(
Figure 112016126851824-pat00007
)에 각 리플 전류(△ISL2, △ISL3)가 합산되므로, 각 슈퍼 커패시터의 충전 전류는 증가하게 된다.
또한, 제 1 필터 커패시터(FC1)의 전압이 지령치보다 커진다면, 제어블록(510)에 입력되는 필터 커패시터의 전압(
Figure 112016126851824-pat00008
)이 지령치(
Figure 112016126851824-pat00009
)보다 커지므로, 제어블록(510)의 출력인 리플전류(
Figure 112016126851824-pat00010
)가 양의 값이 되고, 가변 전류 리미터(514)의 출력(
Figure 112016126851824-pat00011
)에서 출력되는 전류 지령치(
Figure 112016126851824-pat00012
)의 값을 증가시킨다. 또한, 이에 소정의 상수값이 추가로 곱해질 수 있으며, 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전 전류 값이 증가하도록 한다. 이에 의하여, 각 필터 커패시터의 전압(FC1, FC2, FC3)이 동일하게 된다. 이때, (b)와 (c)에 도시된 제 2 단위 충방전 장치와 제 3 단위 충방전 장치의 동작을 각각 살펴보면, 각 필터 커패시터의 전압이 지령치(
Figure 112016126851824-pat00013
)보다 작아지므로, 각 필터 커패시터의 리플 전류(△ISL2, △ISL3)가 작아지게 되고, 제 1 단위 충방전 장치에서 설정된 전류 지령치(
Figure 112016126851824-pat00014
)에 각 리플 전류(△ISL2, △ISL3)가 합산되므로, 각 슈퍼 커패시터의 충전 전류는 감소하게 된다.
또한, 슈퍼 커패시터의 충전 전류가 작아 지도록 하거나 커지도록 하는 스위칭 제어신호가 각각 생성되어 DC-DC 컨버터의 스위칭 소자로 전달된다. 설정된 전류 지령치에 해당하는 스위칭 제어 신호를 생성하는 구성은 종래 기술에 해당하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명에서는 슈퍼 커패시터의 제조 과정에서 발생할 수 있는 커패시턴스 값의 제조오차를 보상할 수 있는 제어방법을 추가로 적용한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터의 제조 오차를 보상하는 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 각종 센서를 통해 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전전류, 전압 변화량 및 충전시간을 감지하고, 이에 기초하여 각 슈퍼 커패시터의 커패시턴스를 추정한다(S610).
예를 들면, 커패시터의 기본 공식
Figure 112016126851824-pat00015
을 활용하여 추정할 수 있다. 이때, dV는 전압 변화량, ic는 충전 전류, df는 충전시간을 나타낸다.
다음으로, DC-DC 컨버터의 전압 전달비를 산출한다(S620).
예를 들면, 슈퍼 커패시터의 전압과 필터 커패시터의 전압의 비율(
Figure 112016126851824-pat00016
)에 기초하여 전압 전달비(Duty)를 산출할 수 있다.
다음으로, 실제 슈퍼 커패시터에 충전된 전압값과 앞선 단계(S620)에서 산출한 커패시턴스와 전압 전달비를 이용하여 산출한 슈퍼 커패시터의 충전 전압값의 차이를 계산한다(S630). 이때, 실제 충전 전압은 앞서 설명한 각종 센서를 통해 감지할 수 있다.
다음으로, 앞선 단계에서 산출한 전압 값의 차이에 기초하여, 불평형을 해소하기 위해 각 슈퍼 커패시터에 공급할 보상 전류를 계산하고, 이를 각 슈퍼 커패시터에 제공한다(S640). 이때, 보상 전류는 커패시터의 기본 공식
Figure 112016126851824-pat00017
을 활용하여 계산할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 충방전 모드의 제어와 관련하여 다음과 같은 동작을 수행한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 충방전 시스템의 충방전 모드 변환 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 급속 충방전 시스템과 가선의 접속 여부를 확인하고(S710), 접속된 경우에는 필터 커패시터의 전압과 가선측 전압이 동일하면 DC-DC 컨버터를 벅컨버터 모드로 운영하여 필터 커패시터의 전압을 이용하여 슈퍼 커패시터의 충전을 개시한다. 만약, 필터 커패시터의 전압이 가선측 전압 보다 작다면, 필터 커패시터의 전압이 가선측 전압과 동일해질 때까지 대기한다. 이때, 앞서 도 4 및 도 5를 통해 설명한 불평형 제어 동작을 함께 수행한다. 슈퍼 커패시터 전압이 미리 지령한 전압과 동일하면 슈퍼 커패시터의 충전을 종료한다.
다음으로, 급속 충방전 시스템이 가선과 접속되지 않은 경우(S750), DC-DC 컨버터를 부스팅 모드로 운영하여 슈퍼 커패시터의 방전을 개시한다. 이를 통해, 슈퍼 커패시터에 충전된 전압을 부하측에 공급하게 된다. 이때, 필터 커패시터 전압이 지령치 보다 작거나 같으면, 방전 모드를 지속하게 된다.
한편, 급속 충방전 시스템이 가선과 접속되지 않은 상태에서 회생 제동에 의하여 필터 커패시터의 전압이 지령치 전압보다 커지면, 회생제동에 의하여 발생한 전력을 충전하는 충전 모드로 동작한다. 이때, 회생제동에 의하여 발생한 전력은 필터 커패시터를 경유하여 슈퍼 커패시터에 충전된다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체로서, 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있으며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 급속 충방전 시스템
100: 단위 충방전 장치
200: 제어부

Claims (15)

  1. 전기 철도 차량의 급속 충방전 시스템에 있어서,
    슈퍼 커패시터, DC-DC 컨버터 및 필터 커패시터를 각각 포함하며, 순차적으로 직렬 연결된 제 1 내지 제 N (N 은 2 이상의 자연수)단위 충방전 장치, 및
    상기 각 단위 충방전 장치에 대하여 급속 충방전 제어 동작을 수행하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    가선측 전압을 상기 슈퍼 커패시터에 충전하는 충전 모드에서 발생하는 각 필터 커패시터 전압의 불평형 상태를 제어하되,
    상기 충전모드에서 가선측 전압 입력단의 최상단에 배치된 상기 제 1 단위 충방전 장치의 필터 커패시터의 전압이 지령치 보다 낮아지는 불평형 상태가 발생하는 경우, 상기 제 1 단위 충방전 장치의 필터 커패시터를 경유하는 리플 전류를 감소시키고, 상기 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전 전류의 지령치를 감소시켜, 상기 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전 전류 값이 감소하도록 제어하는, 급속 충방전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 충전 모드에서 가선측 전압 입력단의 최상단에 배치된 상기 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터에 대해서는 정전압 제어 및 정전류 제어를 수행하고, 나머지 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터에 대해서는 정전류 제어를 수행하여, 각 슈퍼 커패시터에 동일한 충전 전류가 인가되도록 하는 급속 충방전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 충전모드에서 가선측 전압 입력단의 최상단에 배치된 상기 제 1 단위 충방전 장치의 필터 커패시터의 전압이 지령치 보다 커지는 불평형 상태가 발생하는 경우, 상기 제 1 단위 충방전 장치의 필터 커패시터를 경유하는 리플 전류를 증가시키고, 상기 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전 전류의 지령치를 증가시켜, 상기 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전 전류 값이 증가하도록 제어하는 급속 충방전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 각 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전전류, 전압 변화량 및 충전시간에 기초하여 각 슈퍼 커패시터의 커패시턴스를 추정하고, 상기 DC-DC 컨버터의 전압 전달비를 산출하고, 각 슈퍼 커패시터의 커패시턴스 및 상기 전압 전달비에 기초하여 각 슈퍼 커패시터의 충전 전압을 산출하고, 각 슈퍼 커패시터의 충전 전압의 차이에 기초하여 각 슈퍼 커패시터의 충전 전압을 평형상태로 유지하기 위하여 보상해야 할 전류값을 산출하고, 상기 DC-DC 컨버터의 전압 전달비를 조절하여 상기 각 슈퍼 커패시터의 충전 전압을 평형상태로 제어하는 급속 충방전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 급속 충방전 시스템이 가선과 접속된 경우, 상기 필터 커패시터의 전압과 가선측 전압이 동일하면 상기 DC-DC 컨버터를 벅컨버터 모드로 운영하여 상기 슈퍼 커패시터의 충전을 개시하고,
    상기 급속 충방전 시스템이 가선과 접속되지 않은 경우, 상기 DC-DC 컨버터를 부스팅 모드로 운영하여 상기 슈퍼 커패시터의 방전을 개시하는 급속 충방전 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 급속 충방전 시스템이 가선과 접속되지 않은 경우 회생 제동에 의하여 상기 필터 커패시터의 전압이 지령치 전압보다 커지면, 회생제동에 의하여 발생한 전력을 충전하는 충전 모드로 동작하는 급속 충방전 시스템.
  8. 전기 철도 차량의 급속 충방전 시스템을 이용한 급속 충방전 제어 방법에 있어서,
    상기 급속 충방전 시스템은 슈퍼 커패시터, DC-DC 컨버터 및 필터 커패시터를 각각 포함하며, 순차적으로 직렬 연결된 제 1 내지 제 N (N 은 2 이상의 자연수)단위 충방전 장치와 상기 각 단위 충방전 장치에 대하여 급속 충방전 제어 동작을 수행하는 제어부를 포함하고,
    가선측 전압을 상기 슈퍼 커패시터에 충전하는 충전 모드에서 발생하는 각 필터 커패시터 전압의 불평형 상태를 제어하는 단계를 수행하되,
    상기 불평형 상태를 제어하는 단계는,
    상기 충전모드에서 가선측 전압 입력단의 최상단에 배치된 상기 제 1 단위 충방전 장치의 필터 커패시터의 전압이 지령치 보다 낮아지는 불평형 상태가 발생하는 경우, 상기 제 1 단위 충방전 장치의 필터 커패시터를 경유하는 리플 전류를 감소시키는 단계, 및
    상기 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전 전류의 지령치를 감소시켜, 상기 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전 전류 값이 감소하도록 제어하는 단계를 포함하는, 급속 충방전 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 불평형 상태를 제어하는 단계는,
    상기 충전 모드에서 가선측 전압 입력단의 최상단에 배치된 상기 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터에 대해서는 정전압 제어 및 정전류 제어를 수행하는 단계, 및
    나머지 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터에 대해서는 정전류 제어를 수행하여, 각 슈퍼 커패시터에 동일한 충전 전류가 인가되도록 하는 단계를 포함하는 급속 충방전 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 불평형 상태를 제어하는 단계는,
    상기 충전모드에서 가선측 전압 입력단의 최상단에 배치된 상기 제 1 단위 충방전 장치의 필터 커패시터의 전압이 지령치 보다 커지는 불평형 상태가 발생하는 경우, 상기 제 1 단위 충방전 장치의 필터 커패시터를 경유하는 리플 전류를 증가시키는 단계, 및
    상기 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전 전류의 지령치를 증가시켜, 상기 제 1 단위 충방전 장치의 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전 전류 값이 증가하도록 제어하는 단계를 포함하는 급속 충방전 제어 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 각 슈퍼 커패시터의 제조 오차를 보상하기 위한 제어 단계를 더 포함하되,
    상기 각 슈퍼 커패시터를 경유하는 충전전류, 전압 변화량 및 충전시간에 기초하여 각 슈퍼 커패시터의 커패시턴스를 추정하는 단계,
    상기 DC-DC 컨버터의 전압 전달비를 산출하는 단계,
    상기 추정된 슈퍼 커패시터의 커패시턴스 및 상기 산출된 전압 전달비에 기초하여 각 슈퍼 커패시터의 충전 전압을 산출하는 단계,
    각 슈퍼 커패시터로부터 센싱된 슈퍼 커패시터의 충전 전압과 상기 산출된 각 슈퍼 커패시터의 충전 전압의 차이에 기초하여 각 슈퍼 커패시터의 충전 전압을 평형상태로 유지하기 위하여 보상해야 할 전류값을 산출하는 단계, 및
    상기 DC-DC 컨버터의 전압 전달비를 조절하여 상기 각 슈퍼 커패시터의 충전 전압을 평형상태로 제어하는 단계를 포함하는 급속 충방전 제어 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 급속 충방전 시스템과 가선의 접속 여부에 따라 슈퍼 커패시터의 충방전을 제어하는 단계를 더 포함하되,
    상기 급속 충방전 시스템이 가선과 접속된 경우, 상기 필터 커패시터의 전압과 가선측 전압이 동일하면 상기 DC-DC 컨버터를 벅컨버터 모드로 운영하여 상기 슈퍼 커패시터의 충전을 개시하는 단계, 및
    상기 급속 충방전 시스템이 가선과 접속되지 않은 경우, 상기 DC-DC 컨버터를 부스팅 모드로 운영하여 상기 슈퍼 커패시터의 방전을 개시하는 단계를 포함하는 급속 충방전 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 슈퍼 커패시터의 충방전을 제어하는 단계는
    상기 급속 충방전 시스템이 가선과 접속되지 않은 경우 회생 제동에 의하여 상기 필터 커패시터의 전압이 지령치 전압보다 커지면, 회생제동에 의하여 발생한 전력을 충전하는 충전 모드를 개시하는 단계를 더 포함하는 급속 충방전 제어 방법.
  15. 제 8 항, 제 9 항, 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능 기록매체.
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