KR102111424B1 - 배터리 용량 감소 기능을 갖는 철도차량 추진 시스템 - Google Patents

배터리 용량 감소 기능을 갖는 철도차량 추진 시스템 Download PDF

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이준석
조인호
류준형
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 전동기를 구비한 철도차량의 추진시스템으로서, 상기 전동기에 상기 철도차량의 추진을 위한 전력을 공급하는 독립전력원, 상기 전동기에 상기 철도차량의 추진을 위한 전력을 공급하며, 상기 철도차량 제동시 발생하는 회생 전력을 축전하도록 구비된 배터리, 상기 철도차량 제동시 발생하는 회생 전력을 소진하도록 구비된 전력소진부 및 상기 회생전력을 상기 전력소진부로 전달하도록 구비된 전력전달부를 포함하는 철도차량의 추진시스템을 제공한다.

Description

배터리 용량 감소 기능을 갖는 철도차량 추진 시스템{Railway vehicle propulsion system with battery capacity reduction function}
본 개시는 배터리 용량 감소 기능을 갖는 철도차량 추진 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
독립전원을 갖는 철도차량은 전력 공급을 위한 별도 인프라 없이 철도차량의 운행이 가능하며, 이에 따라 전력 공급 인프라를 구축하기 위한 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
대표적인 독립전원을 갖는 철도차량은 디젤 철도차량이나, 이는 미세먼지 및 이산화탄소 등의 배출량이 많으며 회생에너지를 활용하지 못하는 단점으로 인해 최근 그 제조 및 활용이 감소하고 있는 추세이다.
한편, 디젤 철도차량을 대체하기 위해 친환경에너지와 함께 배터리를 이용한 하이브리드 철도차량이 대안으로 제시되고 있다. 이와 같은 하이브리드 철도차량의 예로는 수소연료전지와 배터리를 이용한 수소연료전지 하이브리드 철도차량이 있다.
이와 같은 하이브리드 철도차량은 차량 제동 시 발생하는 회생에너지를 이용할 수 있으며, 철도차량에 대한 전력 공급을 위한 별도 인프라를 필요로 하지 않는다는 장점을 가진다.
다만, 이와 같은 하이브리드 철도차량은 차량 제동 시 발생하는 회생에너지가 큰 경우, 위 회생에너지 전부를 배터리에 저장해야 하므로 배터리 용량이 필수적으로 커질 수 밖에 없다.
또한 이 경우 배터리 용량의 증가로 인해 배터리 크기 및 무게 증가로 인해 불필요하게 에너지 손실이 발생한다.
이에, 본 발명은 철도차량의 회생제동시 발생하는 회생에너지가 전력소진부에서 소진되도록 함으로써 배터리 용량을 줄일 수 있는 철도차량의 추진시스템을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 전동기를 구비한 철도차량의 추진시스템으로서, 상기 전동기에 상기 철도차량의 추진을 위한 전력을 공급하는 독립전력원, 상기 전동기에 상기 철도차량의 추진을 위한 전력을 공급하며, 상기 철도차량 제동시 발생하는 회생 전력을 축전하도록 구비된 배터리, 상기 철도차량 제동시 발생하는 회생 전력을 소진하도록 구비된 전력소진부 및 상기 회생전력을 상기 전력소진부로 전달하도록 구비된 전력전달부를 포함하는 철도차량의 추진시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 철도차량 추진시스템은 잉여 회생에너지를 소진시킴으로써 배터리 용량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명과 비교하기 위한 비교 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명과 비교하기 위한 비교 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템에서 차량 역행 또는 제동시 전력 전달 상태를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템의 제동 레벨에 따른 회생전력량을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템의 제1상태에서 회생에너지가 전달되는 상태를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템의 제2상태에서 회생에너지가 전달되는 상태를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템에서 각 제동레벨에 따라 전류소진부에 회생에너지가 전달되는 상태를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명과 비교하기 위한 비교 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템의 구성을 도시한 것이며, 도 2는 본 발명과 비교하기 위한 비교 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템에서 차량 역행(도 2의 (a)) 또는 제동시(도 2의 (b)) 전력 전달 상태를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 비교 실시예에 따른 철도차량은 독립에너지원, 배터리, 인버터 및 전동기를 포함한다.
독립에너지원은 예를 들어 수소연료전지일 수 있으며, 배터리와 함께 철도차량의 추진을 위한 전력을 공급한다.
배터리는 전력 방전뿐 아니라 차량의 제동 시 발생하는 회생에너지를 충전할 수 있는 2차 전지일 수 있다.
인버터는 독립에너지원 및 배터리로부터 발생된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전동기로 공급할 수 있으며, 전동기는 공급받은 전력에 의해 철도차량에 추진력을 제공한다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 차량의 역행 시 독립에너지원과 배터리는 전동기로 전력을 공급한다. 이때 전체 추진시스템에 흐르는 전력은 독립에너지원으로부터 생성된 전력(
Figure 112018113513681-pat00001
) 및 배터리로부터 생성된 전력(
Figure 112018113513681-pat00002
)을 포함한다.
한편 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 차량 제동 시 발생되는 회생에너지는 독립에너지원에 저장될 수 없으므로 발생된 회생에너지 전부(
Figure 112018113513681-pat00003
)가 배터리로 공급되며, 배터리는 공급받은 회생에너지로 인해 충전된다.
한편, 이 경우 전체 추진시스템에 흐르는 전력의 전부가 배터리로 공급되므로, 배터리는 추진시스템 전체 정격전력을 만족시키기 위해 충분한 용량을 가지도록 설계되어야 한다.
이는 만약 배터리가 추진시스템 전체 정격전력보다 적은 용량을 가지도록 설계된다면 배터리 용량보다 큰 회생전력이 배터리로 공급되었을 때 배터리 고장 또는 배터리 수명 감소의 원인이 될 수 있기 때문이다.
한편, 배터리가 추진시스템 전체 정격전력을 만족시키기 위해 충분한 용량을 가지도록 설계되는 경우, 배터리 크기 및 무게의 증가로 인해 에너지 손실이 증대될 수 있다. 또한 배터리를 충분한 용량을 가지도록 설계하는 경우, 철도차량은 운전 중 최대 회생을 사용하는 경우가 많지 않으므로 그 용량을 충분히 활용할 여지가 적다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템에서는 배터리의 과설계로 인한 에너지 손실을 방지할 수 있는 구성을 제안한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템(100)의 구성을 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템은 독립전력원(110), 배터리(120), 전력전달부(130), 전력소진부(140), 인버터(150) 및 전동기(160)를 포함한다.
독립전력원(110)은 배터리(120)와 함께 철도차량의 추진을 위한 동력을 제공한다. 독립전력원(110)은 예를 들어 수소연료전지일 수 있다. 독립전력원(110)은 일반적으로 철도차량의 추진을 위한 주 동력원으로 사용되며 배터리(120)가 보조 동력원으로 활용될 것이나, 본 발명의 경우는 이와 다른 구성도 가능하다.
배터리(120)는 철도차량의 추진을 위한 동력원으로 사용될 수 있다. 배터리(120)는 방전시 철도차량의 추진을 위해 전동기(160)에 전력을 전달한다. 또한 배터리(120)는 철도차량의 제동시 발생하는 회생전력을 제공받아 충전되게 된다.
따라서 배터리(120)는 방전뿐 아니라 충전도 가능한 2차전지일 것이 요구되며, 배터리(120)는 예를 들어 리튬 이온전지일 수 있다.
전력전달부(130)는 철도차량의 제동 시 발생하는 회생전력을 전력소진부(140)로 전달한다. 한편, 전력전달부(130)는 철도차량 제동 시 회생전력의 양이 일정 크기 이상인 경우만 전력소진부(140)로 전력을 전달하며, 회생전력의 양이 일정 크기 이하인 경우에는 전력소진부(140)로 전력을 전달하지 않는다.
이는 일정량 이상의 회생전력을 전력소진부(140)에서 소진시킴으로써 배터리(120) 용량을 작게 설계할 수 있도록 하여 배터리(120) 크기 또는 무게 증가로 인한 에너지 손실을 방지하기 위함이며, 전력전달부(130)의 구체적인 구성 및 동작에 관하여는 추후 자세히 설명한다.
전력소진부(140)는 전력전달부(130)로부터 전달받은 회생전력을 소진시킨다. 구체적으로, 전력소진부(140)는 전력전달부(130)로부터 전류 형태로 전달되는 전력을 전력소진부(140)에 구비된 저항 요소를 이용하여 소진시킬 수 있으며, 전력소진부(140)에 의해 회생전력을 소진시키는 구성은 이 외에 다른 모든 가능한 구성을 포함할 수 있다.
이와 같이 전력소진부(140)에 의해 잉여 회생전력을 소진시킴으로써, 상대적으로 용량이 적은 배터리(120)를 철도차량에 배치하는 것이 가능하다.
인버터(150)는 독립전력원(110) 및 배터리(120)로부터 전력을 공급받아 전동기(160)로 전달한다. 구체적으로, 독립전력원(110) 및 배터리(120)로부터 생산된 직류전력은 인버터(150)를 통해 교류전력으로 변환되어 전동기(160)에 전달될 수 있다.
한편, 철도차량 회생시에는 교류전력을 직류전력으로 변환하는 별도의 미도시된 컨버터가 구비될 수 있고, 이와 같은 컨버터에 의해 직류전력으로 변환된 전력이 배터리(120)로 공급될 수 있다.
전동기(160)는 독립전력원(110) 및 배터리(120)로부터 전력을 공급받아 동작함으로써 철도차량을 추진할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템의 제동 레벨에 따른 회생전력량을 도시한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 제동 레벨은 예시적으로 7단계로 나눌 수 있다. 즉, 제동 레벨은 B1부터 B7까지 나눌 수 있으며, B1에서 B7으로 갈수록 제동의 정도가 커지므로 발생되는 회생전력량도 커진다.
한편, 도 4에서 각 제동 레벨은 이산적인 값인 것처럼 도시되어 있으나, 실제로 각 제동 레벨은 일정 범위를 갖는 값이라고 보는 것이 바람직하다.
즉, 차량이 전혀 제동되지 않아 회생전력량이 전혀 발생하지 않는 지점으로부터 회생전력량이
Figure 112018113513681-pat00004
크기까지 발생하는 지점까지의 영역을 제동 레벨 B1 영역으로 지정할 수 있다. 또한, 회생전력량이
Figure 112018113513681-pat00005
을 초과하기 시작하는 지점으로부터 회생전력량이
Figure 112018113513681-pat00006
크기가 되는 지점까지의 영역을 제동 레벨 B2 영역으로 지정할 수 있다.
이와 같은 방식으로 각 제동 영역을 지정할 때, 도 4의 그래프 상에서 상정할 수 있는 가장 큰 회생전력량인
Figure 112018113513681-pat00007
이 발생하는 지점은 B7 영역이 끝나는 지점임을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템의 제1상태에서 회생에너지가 전달되는 상태를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템에서 제1상태는 배터리(120) 용량에 부담을 주지 않을 정도의 회생전력량이 발생하는 상태를 의미한다.
예를 들어 철도차량의 추진시스템에서 제1상태는 철도차량의 제동 레벨이 B1 내지 B4인 영역을 의미할 수 있다. 제동 레벨이 B4 이하인 영역에서는 발생되는 회생전력량이
Figure 112018113513681-pat00008
이하의 크기를 가진다. 또한, 이때 배터리(120)의 용량은
Figure 112018113513681-pat00009
의 회생전력량까지 공급받을 수 있을 정도로 설계될 수 있다.
제동 레벨이 B4 이하로써 발생되는 회생전력량이
Figure 112018113513681-pat00010
이하의 크기를 가지는 제1상태에서 회생전력은 전부 배터리(120)로 전달되며, 전력소진부(140)로는 전달되지 않는다. 이때 전력전달부(130)는 전력소진부(140)로 회생전력이 전달되지 않도록 전력 전달을 차단한다.
한편, 이 경우 전력전달부(130)는 전력 전달용 스위치일 수 있다. 이때, 철도차량은 철도차량 제동시 발생하는 회생전력량을 관측하기 위한 별도의 모니터링 요소를 포함할 수 있다. 위 모니터링 요소에 의해 회생전력량을 관측하되, 관측된 회생전력량이
Figure 112018113513681-pat00011
이하인 경우 전력 전달용 스위치가 개방됨으로써 전력소진부(140)로의 전력 전달을 차단할 수 있다.
한편, 전력전달부(130)는 전력변환장치일 수 있으며, 위 전력변환장치는 회생전력량을 관측하기 위한 모니터링 요소를 포함할 수 있다. 전력변환장치는 모니터링 요소에 의해 회생전력량을 관측하여 발생하는 회생전력량에 따라 전력소진부(140)로의 전력 전달 여부를 결정할 수 있다. 구체적으로, 관측된 회생전력량이
Figure 112018113513681-pat00012
이하인 경우 전력변환장치는 전력소진부(140)로의 전력 전달을 차단한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템의 제2상태에서 회생에너지가 전달되는 상태를 도시한 것이다.
추진시스템의 제2상태는 차량 제동시 발생하는 회생전력량을 모두 배터리(120)의 충전을 위해 공급할 경우 전력의 공급 과잉으로 인해 배터리(120)에 부담을 줄 수 있는 경우를 의미한다.
예를 들어 철도차량의 추진시스템에서 제2상태는 철도차량의 제동 레벨이 B5 내지 B7인 영역을 의미할 수 있다. 제동 레벨이 B5 이상인 경우에는 배터리(120)가 수용할 수 있는 범위를 초과한 양의 회생전력이 발생하고, 발생한 회생전력은 배터리(120)뿐 아니라 전력소진부(140)에도 전달된다.
이로 인해 배터리(120)가
Figure 112018113513681-pat00013
까지만 회생전력을 수용할 수 있는 용량을 가짐에도 불구하고,
Figure 112018113513681-pat00014
를 초과하는 회생전력이 무리하게 배터리(120)로 공급되는 상황을 방지할 수 있다.
이때 전력전달부(130)는 발생되는 회생전력량을 모니터링한 결과가 배터리(120)가 수용할 수 있는 양을 초과한 경우, 배터리(120)가 수용할 수 있는 양(
Figure 112018113513681-pat00015
)을 제외한 나머지 회생전력량을 전력소진부(140)로 전달한다.
이로 인해 배터리(120)는 수용할 수 있는 회생전력량(
Figure 112018113513681-pat00016
)만큼만 공급받아 축전을 진행할 수 있게 된다. 따라서 발생하는 모든 회생전력을 모두 수용하기 위해 배터리(120) 용량을 과설계할 필요가 없다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량의 추진시스템에서 각 제동레벨에 따라 전류소진부에 회생에너지가 전달되는 상태를 도시한 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1상태인 제동레벨 B1 내지 B4에서는 발생하는 회생전력량 전부가 배터리(120)에 충전된다. 즉, 이때는 전력소진부(140)로 회생전력이 전달되지 않도록 전력전달부(130)가 차단 상태이다.
제2상태인 제동레벨 B5 내지 B7에서는 발생하는 회생전력량 중 배터리(120)가 수용할 수 있는 전력량만큼만 배터리(120)에 충전된다. 이 경우에는 전력전달부(130)는 전력소진부(140)로 발생된 회생전력을 전달할 수 있도록 연결 상태로 유지되며, 배터리(120)에 공급된 회생전력량을 제외한 양만큼 전력소진부(140)로 회생전력이 공급된다.
또한, 전력소진부(140)에 공급된 회생전력은 전력소진부(140)에서 모두 소진된다. 이때, 예시적으로 전력소진부(140)에 공급된 회생전력은 전력소진부(140)에 구비된 저항 성분을 지나면서 소진될 수 있다.
한편, 제2상태에서는 제동레벨 및 발생되는 회생전력량에 상관없이 배터리(120)에 공급되는 회생전력량은
Figure 112018113513681-pat00017
로 일정하다. 여기서
Figure 112018113513681-pat00018
는 배터리(120)가 안정적으로 수용할 수 있는 회생전력량이며, 배터리(120)에 공급되는 회생전력량이
Figure 112018113513681-pat00019
를 초과하지 않으므로 배터리(120) 용량을 작게 설계한 경우에도 안정적으로 회생전력의 축전을 수행할 수 있다.
한편, 전력소진부(140)에서는 발생한 총 회생전력량에서
Figure 112018113513681-pat00020
만큼 제외한 양 만큼 회생전력이 소진된다. 즉, 제동레벨 B5에서는
Figure 112018113513681-pat00021
만큼, B6에서는
Figure 112018113513681-pat00022
만큼의 회생전력이 전력소진부(140)에서 소진되며, 제동레벨 B7에서는
Figure 112018113513681-pat00023
만큼의 회생전력이 전력소진부(140)에서 소진된다.
이와 같이 전력소진부(140)에서 배터리(120) 용량을 초과하는 회생전력을 소진시킬 수 있으므로, 발생된 회생전력 전부를 배터리(120)에서 수용할 수 있도록 하기 위해 배터리(120)를 과설계할 필요가 없다. 이로 인해 배터리(120) 용량 증가에 따른 배터리(120) 무게 및 크기 증가, 또한 이에 따른 에너지 손실을 방지할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 철도차량 추진시스템 140: 전력소진부
110: 독립전력원 150: 인버터
120: 배터리 160: 전동기
130: 전력전달부

Claims (7)

  1. 철도차량의 추진시스템으로서,
    상기 철도차량의 추진을 위해 공급받은 전력에 의해 상기 철도차량으로 추진력을 제공하는 전동기;
    상기 전동기로 상기 전력을 공급하는 독립전력원;
    상기 전동기로 상기 전력을 공급하며, 상기 철도차량 제동시 발생하는 회생 전력을 축전하는 배터리;
    상기 독립전력원 및 상기 배터리로부터 발생된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 전동기로 공급하며, 인버터에서 상기 철도차량이 제동시 발생하는 제동력에 따라 제동 레벨을 확인하고,
    상기 제동 레벨이 기 설정된 레벨 이하인 경우, 상기 회생전력의 회생전력량이 안정적으로 수용할 수 있는 회생전력량 이하의 크기의 배터리 수용 가능 회생전력으로 인지하여 상기 배터리로 전송하고,
    상기 제동 레벨이 기 설정된 레벨을 초과하는 경우, 상기 회생전력의 회생전력량이 안정적으로 수용할 수 있는 회생전력량을 초과하는 잉여 회생전력으로 인지하여, 총 회생전력량에서 상기 배터리 수용 가능 회생전력을 차감한 전력량을 상기 잉여 회생전력으로 전달하고, 상기 배터리 수용 가능 회생전력을 상기 배터리로 전송하는 인버터;
    구비된 전력 전달용 스위치를 이용하여 상기 잉여 회생전력을 전달하는 전력전달부; 및
    구비된 저항 요소를 이용하여 상기 잉여 회생전력을 소진시키는 전력소진부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 추진시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 철도차량의 제동 레벨은 1단계부터 7단계로 구분되며,
    상기 전력전달부는
    상기 제동 레벨이 1단계 내지 4단계에 해당하는 경우 상기 전력 전달용 스위치를 개방하며,
    상기 철도차량의 제동 레벨이 5단계 내지 7단계에 해당하는 경우 상기 전력 전달용 스위치를 연결하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 추진시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 잉여 회생전력의 크기는 상기 총 회생전력량에서 상기 제동 레벨이 4단계인 경우의 회생전력을 차감한 전력량을 갖는 것을 특징으로 하는 철도차량의 추진시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력전달부는 전력변환장치로 구성되며, 상기 전력변환장치는 상기 철도차량의 제동시 회생전력량을 측정할 수 있는 모니터링 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 추진시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전력변환장치는 상기 총 회생전력량에서 설정전력량을 제외한 전력량만을 상기 전력소진부로 전달하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 추진시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전력변환장치는 상기 총 회생전력량이 설정전력량 이하인 경우 상기 전력소진부로의 전력 전달을 차단하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 추진시스템.
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