KR102113270B1 - 철도역사 및 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 에너지 관리 시스템 - Google Patents

철도역사 및 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 에너지 관리 시스템 Download PDF

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조인호
이준석
류준형
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Abstract

철도역사 및 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 에너지 관리 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 철도역사 및 2차전지와 수소연료전지가 구비된 철도차량을 포함하는 수소연료전지 하이브리드 철도시스템의 에너지 관리 시스템으로서, 상기 철도차량은 상기 철도역사의 전력 소비 상태에 대한 정보를 전달받는 차량통신 인터페이스부, 상기 2차전지의 현재 SOC를 센싱하도록 구비된 SOC센싱부를 포함하는 2차전지 모니터링부, 상기 수소연료전지를 발전시켜 상기 철도역사의 전력망에 전력을 공급하도록 구비된 연료전지 제어부, 상기 2차전지를 충전하거나, 상기 2차전지를 방전시켜 상기 철도역사의 전력망에 전력을 공급하도록 구비된 2차전지 제어부 및, 상기 연료전지 제어부 및 상기 2차전지 제어부에 제어 명령을 전달하는 전력관리부를 포함하며, 상기 전력관리부로부터의 제어 명령은 상기 차량통신 인터페이스부로부터 전달받은 상기 철도역사의 소모전력량 정보 및 상기 2차전지 모니터링부로부터 전달받은 상기 2차전지의 SOC 정보에 기초하여 상기 전력망의 소모전력을 관리하기 위한 것을 특징으로 하는 에너지 관리 시스템을 제공한다.

Description

철도역사 및 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 에너지 관리 시스템{Energy Management System for Railway station and Hydrogen Fuel Cell Hybrid Railway Vehicle}
본 개시는 철도역사 및 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 에너지 관리 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
종래 수소연료전지와 2차전지가 탑재된 수소연료전지 하이브리드 철도차량이 개발되어 있다. 수소연료전지 하이브리드 철도차량은 수소연료전지를 철도차량 주행을 위한 주출력 전원으로 활용하고 부하 상황에 따라 2차전지에 저장된 에너지를 철도차량 주행 또는 철도차량 내 시스템의 동작을 위한 보조적인 에너지원으로 사용한다.
또한, 수소연료전지 하이브리드 철도차량에서는 수소연료전지의 출력을 이용해 2차전지를 충전하거나, 또는 회생 제동 방식을 이용해 2차전지를 충전하기도 한다. 이와 같은 수소연료전지 하이브리드 철도차량 시스템의 특징 중 하나는, 일반적인 철도차량 시스템과는 다르게 철도차량에 전력을 공급하기 위한 가선이 필수적인 구성이 아니라는 것이다.
한편, 일반적인 철도시스템에서 철도역사는 외부 발전소로부터 전력망을 통해 전력을 공급받게 된다. 또한 발전소로부터 공급되어 철도역사에서 소모되는 전력량을 저감하기 위하여 종래 각 역사 간의 전력 분배를 관리하거나, 역사 내의 전력 소비 계획을 수립하기 위한 발명들이 이미 존재하고 있다.
등록특허공보 KR 10-1636898 B1에는 이와 같은 철도 역사 전력 관리 장치에 관한 발명이 개시되어 있다. 이는 철도 역사 전력망의 피크 소모전력을 저감하기 위한 것으로, 철도역사에 공급되는 전력의 효율적 운영을 도모한다.
한편, 수소연료전지 철도시스템에서도 이와 같이 철도차량이 정차하는 각 철도역사 전력망의 피크 소모전력을 저감하여 전기요금을 절감하고, 전력의 효율적 운영을 도모할 필요가 있다.
이에, 본 발명은 철도역사 및 수소연료전지 하이브리드 철도차량에서 전력의 효율적 운영을 가능하게 하는 에너지 관리 시스템을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 발명은 철도역사 전력망의 피크 소모전력을 저감하여 전기요금을 절감할 수 있는 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 에너지 관리 시스템을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 발명은 수소연료전지 하이브리드 철도차량 내의 2차전지의 열화를 방지할 수 있는 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 에너지 관리 시스템을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 철도역사 및 2차전지와 수소연료전지가 구비된 철도차량을 포함하는 수소연료전지 하이브리드 철도시스템의 에너지 관리 시스템으로서, 상기 철도차량은 상기 철도역사의 전력 소비 상태에 대한 정보를 전달받는 차량통신 인터페이스부, 상기 2차전지의 현재 SOC를 센싱하도록 구비된 SOC센싱부를 포함하는 2차전지 모니터링부, 상기 수소연료전지를 발전시켜 상기 철도역사의 전력망에 전력을 공급하도록 구비된 연료전지 제어부, 상기 2차전지를 충전하거나, 상기 2차전지를 방전시켜 상기 철도역사의 전력망에 전력을 공급하도록 구비된 2차전지 제어부 및, 상기 연료전지 제어부 및 상기 2차전지 제어부에 제어 명령을 전달하는 전력관리부를 포함하며, 상기 전력관리부로부터의 제어 명령은 상기 차량통신 인터페이스부로부터 전달받은 상기 철도역사의 소모전력량 정보 및 상기 2차전지 모니터링부로부터 전달받은 상기 2차전지의 SOC 정보에 기초하여 상기 전력망의 소모전력을 관리하기 위한 것을 특징으로 하는 에너지 관리 시스템을 제공한다.
또한, 철도역사 및 2차전지와 수소연료전지가 구비된 철도차량을 포함하는 수소연료전지 하이브리드 철도시스템의 에너지 관리 방법으로서, 상기 2차전지의 현재 SOC를 센싱하는 SOC 센싱단계, 상기 2차전지의 현재 SOC 및 상기 철도역사의 전력 소모량에 기반하여 상기 2차전지, 상기 수소연료전지 및 상기 철도역사의 전력망 간의 전력 수급 계획 및 상기 2차전지의 충방전 계획을 수립하는 전력수급 계획단계, 상기 전력수급 계획단계에서 수립된 수급계획에 기초하여 상기 2차전지, 상기 수소연료전지 및 상기 철도역사 전력망 간의 전력 수급 및 상기 2차전지의 충방전을 수행하는 전력수급 수행단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 관리 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 철도역사 전력망의 피크전력을 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 수소연료전지 하이브리드 철도시스템에서 에너지 운영의 효율화를 도모할 수 있는 효과가 있다.
또한, 수소연료전지 하이브리드 철도차량에 구비된 2차전지 충전에 있어 2차전지의 온도를 고려하여 충방전 계획을 수립함으로써, 2차전지의 수명 연장을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 전력수급 관련 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리 시스템의 구성을 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리시스템에서 에너지가 관리되는 각 과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리시스템에서 전력망의 피크부하 저감을 위해 2차전지 및 수소연료전지를 운용하는 알고리즘을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리 시스템에서 2차전지의 온도를 고려하여 2차전지를 충전하는 배터리 충전모드 알고리즘을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리 시스템에서 철도역사 내의 전력망 상황에 따라 주행프로파일을 달리 설정하는 과정을 도시한 순서도이다.
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.
또한, 본 명세서에서 '연료전지'는 '수소연료전지'와 동일한 용어로 사용하며, '철도차량'과 '차량'도 동일한 용어로 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 하이브리드 철도차량(100)의 전력수급 관련 구성을 도시한 개념도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 하이브리드 철도차량(100)의 측면도이다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 하이브리드 철도차량(100)의 개략적인 구성을 설명한다.
도 1및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 하이브리드 철도차량(100)은 차체(110), 수소연료전지(120), 2차전지(130), DC/DC컨버터(140), 필터(141), 인버터(142), 모터(143) 및 보조전원장치(144)를 포함할 수 있다.
차체(110)는 예를 들어 2량으로 연결될 수 있으며, 차체(110)의 내, 외부 상에 상기 차량(100)의 구성요소들이 배치될 수 있다. 수소연료전지 하이브리드 철도차량(100)은 차체(110) 상에 배치된 수소연료전지(120) 및 2차전지(130)를 동력원으로 사용하므로 외부 발전소로부터 전력을 공급받는 것이 필수적이지 않으며, 따라서 외부로부터 전력을 공급받기 위한 가선이 필수적인 구성이 아니다.
수소연료전지(120)는 수소와 산소를 연료로 하여 전력을 발생시킨다. 수소연료전지(120)는 에너지 효율이 50% 이상이므로, 기존의 에너지 효율이 30% 정도인 내연기관에 비해 고효율을 가지는 것이 장점이다. 한편, 수소연료전지(120)는 개별 유닛 복수 개로 중첩된 스택 구조일 수 있다.
수소연료전지(120)는 DC/DC컨버터(140)를 통해 2차전지(130) 또는 모터(143)와 연결될 수 있다. 수소연료전지(120)로부터 공급된 전력은 2차전지(130)를 충전하기 위해 사용되거나, 인버터(142)를 통해 모터(143)로 공급되어 차량(100)의 추진을 위한 주 전력으로 사용될 수 있다.
2차전지(130)는 차량(100) 또는 시스템 내의 기타 구성에 작동을 위한 전력을 공급한다. 2차전지(130)는 예시적으로 리튬 이온전지일 수 있다. 2차전지(130)는 차량(100) 또는 기타 구성에 전력을 공급하기 위해 방전될 수 있으며, 충전도 가능하다.
이때 2차전지(130)의 충전을 위한 전력 공급원은 수소연료전지(120)의 발전에 의해 생성된 전력일 수도 있고, 차량(100) 제동시 발생하는 회생에너지일 수도 있다.
한편, 2차전지(130)로부터 공급된 전력은 예를 들어 필터(141) 및 인버터(142)를 거쳐 모터(143) 및 보조전원장치(144)로 공급될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리 시스템을 도시한 것으로, 구체적으로는 차량내 관리시스템(200), 역사내 관리시스템(300) 및 전력망(400)의 구성을 도시한 개념도이다.
이하 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 역사내 관리시스템(300) 및 차량내 관리시스템(200)의 구성에 대해 설명한다.
역사내 관리시스템(300)은 전력망 모니터링부(310), 역사통신 인터페이스부(320) 및 전력소모정보 저장부(330)를 포함할 수 있다.
전력망 모니터링부(310)는 전력망(400)과 연결되며, 철도역사의 전력망(400)의 소모전력을 실시간으로 파악한다. 전력망 모니터링부(310)로부터 파악된 전력망(400)의 소모전력에 대한 정보는 역사통신 인터페이스부(320)를 통해 철도차량(100)의 차량내 관리시스템(200)에 전달된다.
역사통신 인터페이스부(320)는 전력망(400)의 전력소비에 관한 정보를 철도역사 측으로부터 차량내 관리시스템(200) 측으로 전송한다.
역사통신 인터페이스부(320)에 의해 차량내 관리시스템(200) 측으로 전송되는 정보는 전력망 모니터링부(310)에 의해 실시간으로 감지된 전력망(400)의 소모전력에 대한 정보일 수 있다. 또한, 전력소모정보 저장부(330)에 저장된 과거 전력망(400)의 시간별 소모전력에 대한 정보도 역사통신 인터페이스를 통해 차량내 관리시스템(200) 측으로 전송될 수 있다.
차량내 관리시스템(200)은 차량통신 인터페이스부(210), 2차전지 모니터링부(220), 전력관리부(230), 연료전지 제어부(240) 및 2차전지 제어부(250)를 포함한다. 또한 차량내 관리시스템(200)은 주행프로파일 설정부(260)를 더 포함할 수 있다.
차량통신 인터페이스부(210)는 철도역사 내의 역사통신 인터페이스부(320)로부터 전력망(400)의 소모전력에 대한 정보를 전송받아 전력관리부(230)로 전달한다. 이때 차량통신 인터페이스부(210)에 의해 전력관리부(230)로 전달되는 정보는 전력망(400)에서 실시간으로 소모되는 소모전력에 대한 정보 및 전력망(400)에서 과거에 소모되었던 시간대별 소모전력에 대한 정보일 수 있다.
2차전지 모니터링부(220)는 SOC센싱부(221) 및 온도센싱부(222)를 포함하며, 2차전지(130)의 상태를 모니터링한다.
SOC센싱부(221)에서는 2차전지(130)의 현재 SOC(State Of Charge) 값을 센싱하여 전력관리부(230)로 전송한다. SOC센싱부(221)에 의해 감지된 2차전지(130)의 현재 SOC 값은 추후 설명할 바와 같이 2차전지(130)의 충방전 상태를 관리하기 위한 기초정보로 활용된다.
온도센싱부(222)는 2차전지(130) 내부의 현재 온도를 감지한다. 이는 2차전지(130) 내부의 온도가 기준온도범위 밖의 온도를 가지는 경우 2차전지(130)의 충전을 제한함으로써 2차전지(130)의 열화를 방지하기 위함이다. 여기서 기준온도범위는 정상충전모드로 2차전지(130)를 충전할 경우 2차전지(130)의 열화를 발생시키지 않을 수 있는 2차전지(130)의 안정적인 온도 범위를 의미하며, 기준온도범위는 필요에 따라 임의로 설정할 수 있다.
한편, 여기서 기준온도범위의 상한값을 최고기준온도, 하한값을 최저기준온도라 지칭하기로 한다.
온도센싱부(222)에 의해 감지된 2차전지(130) 내부의 현재온도에 대한 정보는 전력관리부(230)로 전송되어 2차전지(130)의 충방전 상태를 관리하기 위한 기초 정보로 활용된다.
전력관리부(230)는 차량통신 인터페이스부(210) 및 2차전지 모니터링부(220)로부터 전송받은 각 정보에 기초하여 2차전지(130)의 충방전상태를 포함한 차량(100) 내의 전력 수급을 조절한다.
여기서 전력관리부(230)가 차량통신 인터페이스부(210)로부터 전송받은 정보는 역사 전력망(400)의 소모전력에 대한 정보를 포함하며, 2차전지 모니터링부(220)로부터 전송받은 정보는 2차전지(130)의 현재 SOC에 대한 정보 및 현재 온도에 대한 정보를 포함한다.
전력관리부(230)는 상기 전송받은 정보들에 기초하여 2차전지(130)의 충방전 계획을 포함한 차량(100) 내부의 전력 수급 계획을 수립한다. 전력관리부(230)에 의한 전력 수급 계획 수립 과정에 대한 자세한 설명은 추후 하기로 한다.
전력관리부(230)는 수립한 전력 수급 계획을 연료전지 제어부(240) 및 2차전지 제어부(250)로 전달한다. 이에 따라 연료전지 제어부(240)는 전달받은 전력 수급 계획에 따라 연료전지(120)의 발전 상태 및 전력 전달 상태를 제어한다. 또한, 2차전지 제어부(250)는 전달받은 전력 수급 계획에 따라 2차전지(130)의 충방전 상태를 제어한다.
연료전지 제어부(240)는 전력관리부(230)로부터 전달받은 전력 수급 계획에 기초하여 연료전지(120)를 제어한다. 구체적으로 연료전지 제어부(240)는 연료전지(120)의 발전 상태를 제어할 수 있다.
또한, 연료전지 제어부(240)는 연료전지(120)로부터 발생한 전력의 활용 상태를 제어한다.
이에 따라, 연료전지 제어부(240)는 연료전지(120)로부터 발생한 전력을 차량(100)의 추진 전력원으로 활용하도록 제어할 수 있다. 또한, 연료전지 제어부(240)는 연료전지(120)로부터 발생한 전력을 역사 내 전력망(400)으로 공급하도록 하거나, 또는 2차전지(130)의 충전을 위해 2차전지(130)로 공급하도록 연료전지(120)를 제어할 수 있다.
2차전지 제어부(250)는 전력관리부(230)로부터 전달받은 전력 수급 계획에 기초하여 2차전지(130)를 제어한다. 구체적으로 2차전지 제어부(250)는 2차전지(130)의 충방전상태를 제어하며, 그 과정에 대한 자세한 설명은 추후 하기로 한다.
주행프로파일 설정부(260)는 역사 내 전력망(400)의 전력 소비 상태에 기반하여 차량(100)의 주행프로파일을 설정할 수 있으며, 이와 관련한 자세한 설명은 도 4 및 도 7을 참조하여 하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리시스템에서 에너지가 관리되는 각 과정을 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리시스템에서는 전력망 모니터링단계, SOC 센싱단계, 온도 센싱단계, 전력수급 계획단계 및 전력수급 수행단계를 포함할 수 있다. 또한, 주행프로파일 설정단계를 더 포함할 수 있다.
전력망 모니터링단계에서는 전력망 모니터링부(310)에 의해 전력망(400)의 소모전력을 모니터링한다. 이는 모니터링된 소모전력에 대한 정보에 기반하여 전력수급 계획단계에서 전력망(400)의 소모전력량에 따라 연료전지(120) 및 2차전지(130)에 대한 전력수급계획을 수립하기 위함이다. 이로써 전력망(400)의 피크전력을 저감시켜 전기요금을 절감할 수 있으며, 전력을 효율적으로 배분할 수 있다.
이와 같은 전력 수급 방식은, 예를 들어 연료전지(120)의 발전에 의해 차량(100) 추진에 필요한 에너지량을 초과하여 잉여전력이 발생하는 경우에만 전력망(400)에 전력을 공급하는 구성에 비해 전력망(400)의 피크전력을 효율적으로 절감할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 전력량 모니터링단계에서 감지된 소모전력량에 관한 정보는 실시간으로 차량통신 인터페이스부(210)를 통해 전력관리부(230)로 전송되어 전력수급계획을 수립하기 위한 기초정보로 활용된다.
또한, 예시적으로 전력량 모니터링단계에서 감지된 소모전력량은 시간대별 소모전력량으로 기록되어 저장될 수 있다. 저장된 시간대별 소모전력량 정보는 추후 차량(100)의 주행프로파일을 설정하기 위한 정보로 활용되거나, 또는 차량(100)의 주행 시 2차전지(130)의 충방전 계획을 설정하기 위한 정보로 활용될 수 있다.
SOC 센싱단계에서는 2차전지(130)의 현재 SOC를 실시간으로 감지한다. SOC 센싱단계에서 감지된 2차전지(130)의 현재 SOC에 대한 정보는 전력관리부(230)로 전달됨으로써 전력 수급 계획을 수립하기 위한 기초정보로 활용될 수 있다.
온도 센싱단계에서는 2차전지(130)의 온도를 실시간으로 감지한다. 또한 온도 센싱단계에서 센싱된 2차전지(130)의 현재 온도에 관한 정보는 전력관리부(230)로 송신되어 전력 수급 계획을 수립하기 위한 기초정보로 활용될 수 있다.
전력수급 계획단계에서는 전력망(400)의 소모전력량, 2차전지(130)의 현재 SOC 및 2차전지(130)의 현재 온도값을 기초로 전력 수급 계획을 수립한다. 여기서 전력 수급 계획이란 연료전지(120) 발전, 연료전지(120)로부터 생성된 전력의 공급 대상 선정, 2차전지(130)의 충방전 여부, 2차전지(130)의 충방전 모드 설정 등과 관련한 모든 계획을 포함한다.
전력수급 계획단계에서 전력관리부(230)는 2차전지(130)의 현재 SOC 값이 기준 SOC(M; 도 5 참조)보다 높은지 여부에 따라 전력 수급 계획을 달리 수립한다. 여기서 기준 SOC(M) 값은 차량(100) 주행에 필요한 전력을 충분히 공급할 수 있을 정도로 안정된 충전량을 가지는 2차전지(130)의 SOC 값으로서, 임의로 설정할 수 있는 값이다.
2차전지(130)의 현재 SOC값이 기준 SOC(M)보다 높다면, 2차전지(130)의 충전보다는 전력망(400)에 전력을 공급하는 것에 중점을 두는 방향으로 전력 수급 계획을 작성하는 것이 경제적인 측면에서 유리하다. 반면, 2차전지(130)의 현재 SOC 값이 기준 SOC(M)보다 낮다면, 2차전지(130)의 충전에 중점을 두어 전력 수급 계획을 작성하는 것이 경제적인 측면에서 유리하다.
위와 같이 2차전지(130)의 현재 SOC에 기반하여 전력 수급 계획을 수립하는 구체적인 내용에 관하여는 추후 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
또한, 전력수급 계획단계에서는 2차전지(130)의 현재 온도가 기준 온도를 벗어나면 2차전지(130)의 충전모드를 변경함으로써 2차전지(130)의 열화를 방지한다. 이와 관련한 내용은 추후 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.
전력수급 수행단계에서는 전력수급 계획단계에서 수립한 전력 수급 계획에 따라 전력수급, 연료전지(120)의 발전 및 다른 구성으로의 전력 공급 및 2차전지(130)의 충방전을 수행한다. 이러한 전력공급 수행은 수소연료전지(120), 2차전지(130) 및 전력망(400) 사이에 전력을 어떻게 배분할 것인가의 문제로 귀결된다.
한편, 이에 더하여 미도시된 주행프로파일 설정단계를 더 포함할 수 있다. 주행프로파일 설정단계에서는 철도역사의 전력소모 상황을 고려하여 차량(100)의 주행프로파일을 달리 설정하며, 이와 관련한 구체적인 내용은 도 7을 참조하여 추후 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리시스템에서 전력망(400)의 피크부하 저감을 위해 2차전지(130) 및 수소연료전지(120)를 운용하는 알고리즘을 도시한 순서도이다.
철도차량(100)은 역행, 타행 또는 회생 주행 사태로 주행할 수 있으며, 주행 중인 철도차량(100)은 철도역사에 정차하게 된다.
또한 철도차량(100)은 전력망 모니터링단계에서 전력망 모니터링부(310)에 의해 철도역사의 전력망(400)의 전력 소비 상황을 감지하게 된다.
철도차량(100)은 SOC 센싱단계에서 2차전지 모니터링부(220)에 의해 2차전지(130)의 현재 SOC를 센싱한다. 한편, 이때 온도 센싱단계에서 2차전지(130)의 온도를 센싱하여 2차전지(130)의 충방전을 제한하나, 이와 관련한 자세한 설명은 도 6을 참조하여 하기로 한다.
전력망 모니터링부(310)에 의해 감지된 전력망(400)의 전력 소비 상황과 2차전지 모니터링부(220)에 의해 감지된 2차전지(130)의 현재 SOC 값을 기초로 전력수급 계획단계에서 전력 수급 계획을 작성한다. 또한, 전력수급 수행단계에서는 위 전력 수급 계획에 따라 전력 수급 및 2차전지(130)의 충방전 과정을 수행하게 된다.
전력수급 계획단계에서 작성되는 전력 수급 계획의 내용은 아래와 같다.
먼저, 2차전지(130)의 현재 SOC 값을 기준 SOC(M) 값과 비교한다.
현재 SOC가 기준 SOC(M)보다 작다면 2차전지(130) 및 연료전지(120)로부터 역사 내 전력망(400)으로의 전력공급을 제한한다. 이때 연료전지(120)는 발전상태에 있으며, 연료전지(120)로부터 2차전지(130)로 전력이 공급되고, 이로 인해 2차전지(130)가 충전되게 된다.
이는 2차전지(130)의 현재 SOC가 기준 SOC(M)보다 작은 경우 철도차량(100) 주행시 전력 공급이 요구량보다 적어지는 상황을 방지하기 위함이다.
현재 SOC가 기준 SOC(M) 이상이라면 2차전지(130)의 충전보다 전력망(400)에 대한 전력공급이 우선하도록 전력 수급 계획을 작성한다.
먼저, 전력망(400)의 소모전력이 제1기준전력(a) 이상인 제1전력범위 내에 있는 경우, 전력망(400)에 전력을 공급하여 피크 소비전력을 절감하도록 한다. 여기서 제1기준전력(a) 값은 임의로 설정된 값일 수 있다.
이때 연료전지(120)에 의해 발전된 전력은 전력망(400)에 공급되어 피크 소비전력을 절감하는 데 사용된다. 또한, 2차전지(130)도 방전되며, 2차전지(130)로부터 전력망(400)으로 전력이 공급된다.
이때 2차전지(130)는 기준 SOC(M) 이하로 SOC값이 내려가지 않도록 방전량이 조절되는 것이 바람직하다.
한편, 전력망(400)의 소모전력이 제1기준전력(a) 미만이며 제2기준전력(b) 이상인 제2전력범위 내에 있는 경우, 연료전지(120)로부터 전력망(400)으로 전력이 공급되며 2차전지(130)로부터는 전력망(400)으로 전력이 공급되지 않게 된다.
이와 같이 제2전력범위 내에서는 연료전지(120) 발전 전력을 전력망(400)으로 공급하여 전력망(400)의 피크 소비전력을 저감시키는 동시에, 2차전지(130)의 SOC를 그대로 유지할 수 있다.
전력망(400)의 소모전력이 제2기준전력(b) 미만인 제3전력범위 내에 있는 경우, 전력망(400)의 피크 소비전력 절감의 필요성이 제1기준전력(a) 및 제2기준전력(b) 범위 내에 있을 때보다 적다. 따라서 이 경우에는 전력망(400)에 대한 전력공급이 제한적으로 이루어진다.
이때 연료전지(120)에 의해 발전되는 전력은 2차전지(130) 충전 및 전력망(400)으로의 공급 양자를 위해 활용된다. 이 경우 연료전지(120)에 의해 발전되는 전력 중 2차전지(130) 충전에 활용되는 전력량 및 전력망(400)으로 공급되는 전력량의 비율은 경제적 이득을 고려하여 정해진 임의적인 비율일 수 있으며, 예시적으로 상기 비율은 1:1일 수 있다.
또한, 전력망(400)의 소비 전력이 제3전력범위 내에 있을 경우에도, 2차전지(130)가 완충 상태에 도달하면 연료전지(120)에 의해 발전되는 전력량 전부는 전력망(400)의 소비전력을 절감하기 위해 전달될 수 있다.
한편, 이 경우 2차전지(130)가 완충 상태에 도달하는 상황에 대비하여 미도시된 별도의 전력저장장치를 철도역사에 구비하여, 잉여 전력을 저장하는 용도로 사용할 수도 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리 시스템에서 2차전지(130)의 온도를 고려하여 2차전지(130)를 충전하는 배터리 충전모드 알고리즘을 도시한 순서도이다.
이하 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리 시스템의 동작 과정 중 전력수급 수행단계에서 2차전지(130)의 온도를 고려하여 전력 수급 계획을 작성하는 과정을 설명한다.
먼저, 온도 센싱단계에서 2차전지(130)의 현재 온도를 센싱한다. 온도 센싱단계에서 센싱된 2차전지(130)의 현재 온도에 관한 정보는 전력관리부(230)로 전달되어 미리 설정된 최저기준온도(T1) 및 최고기준온도(T2) 값과 비교된다.
이때 2차전지(130)의 현재 온도가 최저기준온도(T1) 이상 최고기준온도(T2) 이하의 기준온도범위 내에 있는 경우, 전력관리부(230)는 2차전지(130)가 정상상태 초기 충전전류로 충전되도록 설정한다. 한편, 2차전지(130)의 현재 온도가 기준온도범위를 벗어난 상태인 경우, 전력관리부(230)는 2차전지(130)가 충전 제한모드 초기 충전전류로 충전되도록 설정한다.
여기서 충전 제한모드 초기 충전전류의 크기는 정상상태 초기 충전전류의 크기보다 작은 값으로, 2차전지(130) 수명의 열화를 야기하지 않는 범위 내에서 2차전지(130)를 충전할 수 있는 임의의 값을 의미한다.
이와 같이 현재 온도에 따라 다른 초기 충전전류 값을 가지고 충전을 시작한 2차전지(130)는, 정상상태로 충전을 시작한 경우라도 2차전지(130)의 온도 변화량이 설정 온도변화량(ΔTs)보다 큰 경우, 또는 기준온도범위를 벗어난 경우에는 다시 충전전류 제한모드로 충전하도록 설정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리 시스템에서 철도역사 내의 전력망(400) 상황에 따라 주행프로파일을 달리 설정하는 과정을 도시한 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리 시스템에서, 철도차량(100)은 다음 정차 역사의 전력망(400)의 전력상황을 실시간으로 수신하여 주행프로파일을 설정할 수 있다.
전력망(400)의 소비전력이 임의로 설정된 제3기준전력(c) 미만인 경우에는 철도차량(100)을 정상모드로 주행하도록 한다.
한편, 전력망(400)의 소비전력이 제3기준전력(c) 이상인 경우에는 철도차량(100)을 절약모드로 주행하도록 한다. 이때, 절약모드로 주행하기 위해 철도차량(100)은 2차전지(130)의 SOC를 최대한 비축하는 방향으로 주행프로파일을 설정하게 된다.
이는 해당 역사의 현재의 소비 전력이 큰 상황이므로, 철도차량(100)이 해당 역사에 도착했을 때에도 해당 역사의 피크 소비전력을 줄일 필요가 있을 개연성이 높기 때문이다.
이와 같이 주행프로파일을 철도 역사 전력망(400)의 전력 소비 상황을 고려하여 설정함으로써, 전력망(400)에 전력을 공급할 필요가 있을 때 효율적으로 차량(100)으로부터 전력망(400)으로 전력을 공급할 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: 차량 300: 역사내 관리시스템
110: 차체 310: 전력망 모니터링부
120: 수소연료전지 320: 역사통신 인터페이스부
130: 2차전지 330: 전력소모정보 저장부
140: DC/DC컨버터
141: 필터
142: 인버터
143: 모터
144: 보조전원장치
200: 차량내 관리시스템
210: 차량통신 인터페이스부
220: 2차전지 모니터링부
221: SOC센싱부
222: 온도센싱부
230: 전력관리부
240: 연료전지 제어부
250: 2차전지 제어부
260: 주행프로파일 설정부

Claims (10)

  1. 철도역사 및 2차전지와 수소연료전지가 구비된 철도차량을 포함하는 수소연료전지 하이브리드 철도시스템의 에너지 관리 시스템으로서,
    상기 철도차량은
    상기 철도역사의 전력 소비 상태에 대한 정보를 전달받는 차량통신 인터페이스부;
    상기 2차전지의 현재 SOC를 센싱하도록 구비된 SOC센싱부를 포함하는 2차전지 모니터링부;
    상기 수소연료전지를 발전시켜 상기 철도역사의 전력망에 전력을 공급하도록 구비된 연료전지 제어부;
    상기 2차전지를 충전하거나, 상기 2차전지를 방전시켜 상기 철도역사의 전력망에 전력을 공급하도록 구비된 2차전지 제어부; 및,
    상기 연료전지 제어부 및 상기 2차전지 제어부에 제어 명령을 전달하는 전력관리부를 포함하며,
    상기 전력관리부로부터의 제어 명령은 상기 차량통신 인터페이스부로부터 전달받은 상기 철도역사의 소모전력량 정보 및 상기 2차전지 모니터링부로부터 전달받은 상기 2차전지의 SOC 정보에 기초하여 상기 전력망의 소모전력을 관리하기 위한 것을 특징으로 하는 에너지 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력관리부는
    상기 2차전지의 현재 SOC가 기준 SOC 이상이고 상기 철도역사의 전력망의 소모전력이 제1기준전력 이상인 경우 상기 연료전지 제어부 및 상기 2차전지 제어부에 의해 상기 수소연료전지 및 상기 2차전지로부터 상기 전력망으로 전력을 공급하도록 제어하는 에너지 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력관리부는
    상기 2차전지의 현재 SOC가 기준 SOC 이상이며, 상기 철도역사의 전력망의 소모전력이 제1기준전력 이상 제2기준전력 이하인 경우, 상기 연료전지 제어부에 의해 상기 수소연료전지로부터 상기 전력망으로 에너지를 공급하도록 하며, 상기 2차전지 제어부에 의해 상기 2차전지로부터 상기 전력망으로 에너지를 공급하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력관리부는
    상기 2차전지의 현재 SOC가 기준 SOC 이상이고 상기 철도역사의 전력망의 소모전력이 제2기준전력 이하인 경우 상기 연료전지 제어부에 의해 상기 수소연료전지로부터 발전된 전력을 이용해 상기 2차전지를 충전시키며, 상기 수소연료전지로부터 발전된 전력 중 상기 2차전지를 충전한 후 잔여전력만을 상기 전력망으로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 관리 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력관리부는
    상기 2차전지 제어부에 의해 상기 2차전지의 온도가 기준온도범위 이내인 경우 정상충전모드로 상기 2차전지를 충전하며, 2차전지의 온도가 기준온도범위 외인 경우 충전제한모드로 상기 2차전지를 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    주행프로파일 설정부를 더 포함하고,
    상기 주행프로파일 설정부는 상기 철도차량이 다음 정차할 상기 철도역사의 전력망의 전력 소모량이 제3기준전력 이상인 경우 절약주행모드로 주행하고, 다음 정차역인 철도역사 전력망의 전력 소모량이 제3기준전력 미만인 경우 정상주행모드로 주행하도록 주행프로파일을 설정하는 것을 특징으로 하는 에너지 관리 시스템.
  7. 철도역사 및 2차전지와 수소연료전지가 구비된 철도차량을 포함하는 수소연료전지 하이브리드 철도시스템의 에너지 관리 방법으로서,
    상기 2차전지의 현재 SOC를 센싱하는 SOC 센싱단계;
    상기 2차전지의 현재 SOC 및 상기 철도역사의 전력 소모량에 기반하여 상기 2차전지, 상기 수소연료전지 및 상기 철도역사의 전력망 간의 전력 수급 계획 및 상기 2차전지의 충방전 계획을 수립하는 전력수급 계획단계;
    상기 전력수급 계획단계에서 수립된 수급계획에 기초하여 상기 2차전지, 상기 수소연료전지 및 상기 철도역사의 전력망 간의 전력 수급 및 상기 2차전지의 충방전을 수행하는 전력수급 수행단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 관리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력수급 계획단계에서, 상기 현재 SOC 값이 기준 SOC 이상인 경우,
    상기 전력망의 소모전력이 제1전력범위 내에 있는 경우 상기 2차전지 및 상기 수소연료전지로부터 상기 전력망으로 전력을 공급하고,
    상기 전력망의 소모전력이 제2전력범위 내에 있는 경우 상기 수소연료전지에 의해서만 상기 전력망으로 전력을 공급하며,
    상기 전력망의 소모전력이 제3전력범위 내에 있는 경우 상기 수소연료전지는 상기 2차전지 충전을 위해 상기 2차전지로 전력을 공급하며, 또한 상기 2차전지를 충전한 후 잔여 전력만을 상기 전력망으로 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 관리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력수급 계획단계에서, 상기 현재 SOC값이 기준 SOC 미만인 경우 상기 수소연료전지 및 2차전지는 상기 전력망으로 전력을 공급하지 않으며, 상기 수소연료전지로부터 상기 2차전지로 상기 2차전지를 충전하기 위해 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 에너지 관리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 2차전지의 온도를 센싱하는 온도 센싱단계를 더 포함하며,
    상기 충방전 결정단계는 상기 온도 센싱단계에서 센싱된 상기 2차전지의 온도가 기준온도범위를 벗어난 경우 상기 2차전지의 충전을 제한하는 것을 특징으로 하는 에너지 관리 방법.
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