KR102443465B1 - 수소 연료전지를 포함하는 하이브리드 동력시스템 및 철도차량 - Google Patents

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Abstract

본 개시의 일부 실시예는, 기체수소 대비 저압 상태의 액체수소를 연료원으로써 이용하여, 장거리 운행 및 고속 충전이 가능한 수소 연료전지 철도차량에 관한 것이다. 또한, 수소 연료전지로부터 생산된 주전력을 이용하여 동력을 공급하거나, 주전력을 배터리 내에 저장함으로써 에너지 효율(energy efficiency)을 향상시키는 수소 연료전지 철도차량용 하이브리드 동력시스템에 관한 것이다.

Description

수소 연료전지를 포함하는 하이브리드 동력시스템 및 철도차량 {Hybrid Power System And Railway Vehicle Comprising Hydrogen Fuel Cell}
본 발명은 수소 연료전지를 이용한 하이브리드 동력시스템 및 철도차량에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 액체수소를 연료원으로 이용하여 장거리 운행과 고속 충전이 가능해지며, DC/DC 컨버터를 이용하여 에너지 효율(energy efficiency)을 향상시키기 위한 수소 연료전지를 포함하는 하이브리드 동력시스템 및 철도차량에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
현재 운행 중인 철도차량 중에서 경유를 이용하는 디젤 철도차량(diesel railway vehicle)은 1 량 당 디젤 자동차 300 대 수준의 미세먼지(micro dust)를 발생시킨다. 또한 파리 기후변화협약(Paris Climate Change Accord) 체결로 인하여 탄소 배출량 저감의 필요성이 부각됨에 따라 미세먼지 및 탄소 배출량을 저감하는 친환경 기술 분야의 산업 규모가 증가하고 있다.
그 중에서도 수소 연료전지(hydrogen fuel cell)를 이용하는 수소 연료전지 철도차량을 도입함으로써, 내연기관(internal combustion engine)을 대체하고 탄소 배출량 및 미세먼지 발생량을 저감할 수 있는 기술이 발전하고 있다. 또한 변동성이 심한 재생에너지(renewable energy)의 잉여전력(surplus power) 및 수전해(water electrolyte)를 이용하여 수소를 생산하고, 이를 친환경 연료가 되도록 변환 및 저장하는 시스템(P2F: Power to Fuel)에 관한 기술도 활발하게 연구되고 있다. 수소 연료전지 철도차량은 운행거리(driving distance) 및 충전시간(charging time)에 있어서 한계를 가지는 기존의 배터리 방식 철도차량과 비교하여 장거리 운행에 적합하다는 이점이 있어 더욱 주목 받고 있다.
수소를 이용하여 동작하는 차량에는 기체수소(hydrogen gas) 또는 액체수소(liquid hydrogen)를 이용할 수 있다. 연료전지 전기자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)의 경우 수십 kW 정도의 상대적으로 낮은 구동전력(driving power)을 필요로 하기 때문에 기체수소를 700 bar 로 압축한 탱크를 이용하여 차량 운행이 가능하다. 반면, 수소 연료전지 철도차량의 경우 연료전지 전기자동차의 수십 배에 달하는 수 MW 규모의 구동전력을 필요로 하기 때문에 기체수소 탱크를 이용하여 운행하기에는 부적합하다.
따라서 기체수소 대비 밀도가 800 배에 달하는 액체수소를 이용하여 장거리 운행이 가능하며 충전시간을 단축할 수 있는 수소 연료전지 철도차량의 제안이 필요하다.
또한, DC/DC 컨버터를 이용하여 잉여전력을 활용할 수 있으며, 수소 연료전지와 배터리를 포함하는 수소 연료전지 철도차량용 하이브리드 동력시스템의 제안이 요구된다.
본 개시의 실시예들은 DC/DC 컨버터를 이용하여 동력을 공급하거나, 잉여전력(surplus power)을 배터리 내에 저장함으로써 에너지 효율(energy efficiency)을 향상시키는 수소 연료전지 철도차량용 하이브리드 동력시스템을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 개시의 다른 실시예들은 기체수소 대비 저압 상태의 액체수소를 연료원으로써 이용하여, 장거리 운행 및 고속 충전이 가능한 수소 연료전지 철도차량을 제공하는 데 다른 주된 목적이 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 액체수소를 이용하여 운행되는 수소 연료전지 철도차량에 있어서, 상기 액체수소를 저장하기 위한 액체수소 탱크(liquid hydrogen tank); 상기 액체수소 탱크의 일단에 연결되어 상기 액체수소를 전달하기 위한 저압 액체수소 튜브(low pressure liquid hydrogen tube); 상기 액체수소의 유량을 제어하는 극저온 밸브(cryogenic valve), 상기 액체수소를 이송(pumping)하는 액체수소 펌프(liquid hydrogen pump), 상기 액체수소를 기체수소(hydrogen gas) 상태가 되도록 기화시키는 액체수소 기화기(liquid hydrogen evaporator) 및 기화된 기체수소의 압력을 기 설정된 기준치로 유지하는 압력조절기(pressure regulator)를 포함하는 FSS(Fuel Supply System); 및 상기 기체수소를 공급 받아 주전력(main power)을 생산하는 수소 연료전지(hydrogen fuel cell), 상기 주전력을 승압(step-up)하는 단방향 DC/DC 컨버터(unidirectional DC/DC converter), 보조전력(auxiliary power)을 제공하고 상기 주전력을 저장하는 배터리, 상기 보조전력을 승압하거나 고압 직류전력(high-voltage DC electric power)을 강압(step-down)하는 양방향 DC/DC 컨버터(bidirectional DC/DC converter) 및 상기 고압 직류전력을 이용하여 견인전동기(traction motor)를 구동하는 추진제어 인버터(traction control inverter)를 포함하는 하이브리드 동력시스템(hybrid power system)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 철도차량을 제공한다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 수소를 공급 받아 주전력(main power)을 생산하는 수소 연료전지(hydrogen fuel cell); 상기 주전력을 승압(step-up)하는 단방향 DC/DC 컨버터(unidirectional DC/DC converter); 보조전력(auxiliary power)을 제공하고 상기 주전력을 저장하는 배터리; 상기 보조전력을 승압하고 고압 직류전력(high-voltage DC electric power)을 강압(step-down)하는 양방향 DC/DC 컨버터(bidirectional DC/DC converter); 및 상기 고압 직류전력을 이용하여 견인전동기(traction motor)를 구동하는 추진제어 인버터(traction control inverter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 동력시스템을 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 고밀도의 액체수소를 수소 연료전지 철도차량의 연료원으로써 이용하여 기체수소 이용 대비 철도차량의 운행거리가 증가하고, 충전시간이 단축되며, 철도차량의 안전성이 향상되는 효과가 있다.
본 개시의 다른 실시예에 의하면, 저압 상태의 액체수소를 사용함으로써 수소생산지에서 기체수소를 압축하기 위한 압축기(compressor) 및 수소충전소에서 고압의 기체수소를 철도차량에 충전시키기 위한 디스펜서(dispenser)를 구비하지 않고 수소 생산 및 공급이 가능해지는 효과가 있다.
본 개시의 또 다른 실시예에 의하면, 수소 연료전지로부터 생산되는 주전력 및 회생제동(regenerative braking)으로부터 발생하는 회생전력(regenerative power)을 배터리에 충전하고, 배터리의 잔존용량(SoC: State of Charge)을 일정한 범위 내에서 유지함으로써 철도차량의 에너지 효율(energy efficiency)을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 철도차량의 블록구성도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 하이브리드 동력시스템의 블록구성도이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 본 개시의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 철도차량의 각각의 주행 모드(driving mode)에 따른 하이브리드 동력시스템의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 소량의 기체수소를 활용하기 위한 저압 기체수소 튜브 및 유량 조절밸브의 연결관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 소량의 기체수소를 활용하기 위한 유량 조절밸브의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 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.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
최근 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산함으로써 탄소 배출량을 저감하기 위한 기술이 발전하고 있다. 본 개시의 실시예의 경우, 수소 연료전지 및 배터리를 이용하여 수소 연료전지 철도차량에 동력을 제공하는 하이브리드 동력시스템 및 이를 포함하는 액체수소용 철도차량을 제안한다.
보다 상세하게는, DC/DC 컨버터를 이용하여 수소 연료전지로부터 생산된 주전력(main power)을 동력으로서 공급하고 회생제동(regenerative braking)으로부터 발생하는 회생전력(regenerative power)을 배터리에 저장하는 하이브리드 동력시스템을 개시한다. 또한, 저압 상태의 액체수소를 연료원으로써 이용하여 장거리 운행 및 고속 충전이 가능한 수소 연료전지 철도차량을 개시한다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 발명의 설명은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 철도차량의 블록구성도이다.
본 개시의 실시예에 따른 수소 연료전지 철도차량(hydrogen fuel cell railway vehicle, 100)은 종래의 철도차량과 대비하여 액체수소를 연료원으로 이용하기에 운행거리(driving distance) 증가, 충전시간(charging time) 단축 및 철도차량의 안전성 증가 효과를 갖는다. 이하, 수소 연료전지 철도차량(100)에 포함된 각각의 구성요소에 대해 설명하도록 한다.
본 실시예에 따른 수소 연료전지 철도차량(100)은 액체수소 탱크(liquid hydrogen tank, 102), 저압 액체수소 튜브(low pressure liquid hydrogen tube, 104), FSS(Fuel Supply System: 연료공급 시스템, 106) 및 하이브리드 동력시스템(hybrid power system, 116)을 전부 또는 일부 포함한다. 예시적으로, 도 1에 개시된 각 블록 사이를 연결하는 화살표는 연료 또는 에너지의 흐름을 표시한다.
도 1에 도시된 수소 연료전지 철도차량(100)은 본 개시의 일 실시예에 따른 것으로서, 도 1에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 수소 연료전지 철도차량(100)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다. 예컨대, 저압 액체수소 튜브(104)와 병렬 연결되어 액체수소 탱크로부터 기화된 소량의 기체수소를 활용할 수 있는 저압 기체수소 튜브가 추가될 수 있다. 저압 기체수소 튜브의 연결 관계 및 구체적인 동작은 도 5에서 상세히 설명한다.
액체수소 탱크(102)는 수소 충전소(hydrogen charging station, 미도시)로부터 충전된 액체수소를 보관하며, 저압 액체수소 튜브(104)를 이용하여 FSS(106)에게 액체수소를 공급한다. 수소 연료전지 철도차량(100)의 연료원으로는 기체수소 또는 액체수소가 이용될 수 있는데, 기체수소를 이용하는 경우 수소 탱크 내에 700 bar 정도의 고압으로 압축한 기체수소가 저장되므로 폭발 등의 사고 위험이 존재한다. 또한, 기체수소를 압축하기 위한 압축기(compressor)를 수소생산지 내에 설치해야 하고, 수소충전소 내에 고압의 기체수소를 철도차량에 충전시키기 위한 디스펜서(dispenser)의 구비해야 하는 등 추가적인 설비가 필요하게 된다.
반면, 수소 연료전지 철도차량(100)의 연료원으로서 액체수소를 이용하는 경우, 기체수소 밀도보다 800 배 정도의 높은 밀도를 갖는 액체수소의 특성으로 인하여 수소 탱크 내부는 6 bar 이하의 저압 상태로서 유지된다. 또한, 수소생산지 내의 압축기 및 수소충전소 내의 디스펜서 없이도 수소 생산 및 공급이 가능해져, 설비 비용을 절감하고 생산 및 공급 시스템의 안전성을 높이며 기체수소 대비 빠른 충전속도를 갖게 되는 효과가 발생한다.
저압 액체수소 튜브(104)는 액체수소 탱크(102)와 FSS(106)를 연결하며, 액체수소 탱크(102)로부터 공급되는 액체수소를 FSS(106)에게 전달한다.
FSS(106)는 액체수소를 기체수소 상태가 되도록 변환하고, 기체수소를 수소 연료전지(118)에게 공급한다. FSS(106)는 극저온밸브(108), 액체수소 펌프(110), 액체수소 기화기(112) 및 압력조절기(114)를 포함한다. 극저온밸브(108)는 영하 253 ℃ 이하의 극저온 상태에 있는 액체수소의 유량(flux)을 제어하는 밸브이다. 극저온밸브(108)는 FSS(106) 내에 기 설정된 범위를 초과하는 양의 액체수소가 유입되는 경우 닫히고, 기 설정된 범위 미만의 액체수소가 유입되는 경우 열린다. 액체수소 펌프(110)는 액체수소를 기화기 쪽으로 이송(pumping)하며, 액체수소 기화기(112)는 액체수소를 기체수소 상태가 되도록 기화시킨다. 압력조절기(114)는 수소 연료전지(118) 내부 압력이 4 bar 이하가 되도록 기체수소의 압력을 일정하게 유지시킨다.
한편, 액체수소 탱크(102), 저압 액체수소 튜브(104), 극저온밸브(108), 액체수소 펌프(110) 및 액체수소 기화기(112)는 극저온 상태에 있는 액체수소를 안정적으로 저장하거나 전달하기 위한 극저온 단열배관일 수 있다. 예컨대, 극저온 단열배관의 재료는 MLI(Multi-Layer Insulation: 다층 박막 단열재), PUR foam(polyurethane foam: 폴리우레탄 폼) 및 PIR foam(polyisocyanurate foam: 폴리이소시아누레이트 폼) 중 어느 하나의 재료로부터 선택될 수 있다.
하이브리드 동력시스템(116)은 수소 연료전지 철도차량(100)에게 동력을 제공하며, 수소 연료전지(hydrogen fuel cell, 118) 및 배터리(120)를 포함한다. 수소 연료전지(118)는 FSS(106)로부터 기체수소를 공급 받아 주전력(main power)을 생산하고, 배터리(120)는 보조전력(auxiliary power)을 제공하고 수소 연료전지(118)로부터 생산된 주전력을 저장한다. 하이브리드 동력시스템(116)이 포함하는 추가적인 구성 및 동작 방식은 도 2 내지 도 4에서 상세히 설명한다.
한편, 액체수소 탱크(102), 저압 액체수소 튜브(104), FSS(106) 및 수소 연료전지(118)는 철도차량의 천장(ceiling)에 위치할 수 있으며, 이로써 철도차량의 공간 효율성(space efficiency)을 향상시키는 효과를 갖게 된다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 하이브리드 동력시스템의 블록구성도이다.
본 개시의 실시예에 따른 하이브리드 동력시스템(hybrid power system, 116)은 종래의 동력시스템과 대비하여 단방향 및 양방향 DC/DC 컨버터(200, 202) 및 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System, 미도시)을 채용함으로써 에너지 효율(energy efficiency)이 증가하는 효과를 갖는다. 이하, 하이브리드 동력시스템(116)에 포함된 각각의 구성요소에 대해 설명하도록 한다.
하이브리드 동력시스템(116)은 수소 연료전지(118), 배터리(120), 단방향 DC/DC 컨버터(unidirectional DC/DC converter, 200), 양방향 DC/DC 컨버터(bidirectional DC/DC converter, 202) 및 추진제어 인버터(propulsion control inverter, 204)를 전부 또는 일부 포함한다.
도 2에 도시된 하이브리드 동력시스템(116)은 본 개시의 일 실시예에 따른 것으로서, 도 2에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 하이브리드 동력시스템(116)에 포함된 일부 블록이 추가될 수 있다.
예컨대 본 개시의 일 실시예에 있어서, 배터리(120)와 병렬 연결되어 배터리에 대한 보조전원(auxiliary power supply)으로서 동작하는 슈퍼커패시터(supercapacitor, 미도시)가 추가될 수 있다. 슈퍼커패시터는 정전용량(capacitance)이 수십만 μF(마이크로패럿)에 이르는 커패시터로서 배터리(120)로부터 공급된 전력을 저장한 이후, 보조전력 공급이 필요한 상황에서 즉시 전력을 공급한다. 이로써, 하이브리드 동력시스템(116)의 속응성(quick response property)이 향상되고, 수소 연료전지 철도차량(100)이 역행 또는 제동과 같은 상황에 빠르게 대응할 수 있는 효과가 발생한다.
본 개시의 다른 실시예에 있어서, 배터리(120)와 연결되어 배터리(120) 내부의 잔존용량(SoC: State of Charge)을 측정하고, FSS(106)를 이용하여 기체수소 공급량을 제어함으로써 배터리(120) 내부의 잔존용량을 일정 범위 내로 유지하는 BMS(Battery Management System: 배터리 관리 시스템, 미도시)가 추가될 수 있다. BMS의 구체적인 동작 방식은 도 6에서 상세히 설명한다.
한편, 배터리(120)는 반복적인 충전 및 방전이 가능한 2차전지(secondary battery)일 수 있으며, 예컨대 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬 이온(Li ion) 전지 및 리튬 이온 폴리머(Li ion polymer) 전지 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
단방향 DC/DC 컨버터(200)는 수소 연료전지로부터 생산된 주전력을 고압 직류전력(high-voltage DC electric power)이 되도록 승압(step-up)한다. 예시적으로, 고압 직류전력이 갖는 전압은 1500 V일 수 있으며, 고압 직류전력을 이용하여 견인전동기(traction motor) 및 철도차량 내부 전자기기(electronic device)를 구동하고, 배터리(120)를 충전할 수 있다.
양방향 DC/DC 컨버터(202)는 배터리(120)로부터 공급된 보조전력(auxiliary power)을 고압 직류전력이 되도록 승압하고, 고압 직류전력을 강압(step-down)할 수 있다. 즉, 양방향 DC/DC 컨버터(202)는 단방향 DC/DC 컨버터(200)와 대비하여 승압 및 강압 기능을 모두 수행할 수 있다. 이 때, 고압 직류전력은 수소 연료전지 철도차량(100)이 제동모드(braking mode)인 경우 회생제동(regenerative braking)으로부터 발생한 회생전력(regenerative power), 또는 수소 연료전지(118)로부터 생산된 주전력을 승압한 전력일 수 있다. 철도차량이 제동모드인 경우 하이브리드 동력시스템(116)의 구체적인 동작은 도 3에서 상세히 설명한다. 한편, 양방향 DC/DC 컨버터(202)가 전력을 승압 또는 강압하는 구체적인 방법은 해당 기술 분야에서 일반적인 바, 자세한 설명은 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 추진제어 인버터(propulsion control inverter, 204)는 단방향 DC/DC 컨버터(200) 및 양방향 DC/DC 컨버터(202)의 일단에 연결되어 고압 직류전력을 공급 받고, 고압 직류전력을 이용하여 견인전동기를 구동할 수 있다. 추진제어 인버터(204)는 전압 및 주파수를 이용하여 견인전동기를 제어하는 VVVF 인버터(Variable Voltage Variable Frequency inverter)일 수 있다.
한편, SIV(Static Inverter)는 단방향 DC/DC 컨버터(200) 및 양방향 DC/DC 컨버터(202)의 일단에 연결되어 고압 직류전력을 공급 받고, 고압 직류전력을 이용하여 철도차량 내부 전자기기(electronic device)와 같은 부하(load)를 구동할 수 있다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 본 개시의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 철도차량의 각각의 주행 모드(driving mode)에 따른 하이브리드 동력시스템의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
이하 도 3의 (a)를 참조하여 수소 연료전지 철도차량(100)이 역행 모드(powering mode)인 경우 하이브리드 동력시스템(116)의 동작을 설명한다.
액체수소 탱크(102) 내에 저장된 액체수소가 FSS(106)에서 기체수소 상태가 되도록 변환되고, 수소 연료전지(118)가 기체수소를 이용하여 주전력을 생산하며, 단방향 DC/DC 컨버터(200)가 주전력을 고압 직류전력이 되도록 승압한다. 추진제어 인버터(204)는 주전력이 승압된 고압 직류전력을 이용하여 견인전동기(300)를 구동한다.
한편, 양방향 DC/DC 컨버터(202)는 배터리(120)로부터 공급된 보조전력을 고압 직류전력이 되도록 승압한다. SIV(Static Inverter: 보조 전원장치, 302)는 승압된 고압 직류전력을 이용하여 철도차량 내부 전자기기(electronic device)를 구동할 수 있다. 주전력이 승압된 고압 직류전력량보다 역행 시 필요한 전력량이 더 큰 경우, 추진제어 인버터(204)는 보조전력이 승압된 고압 직류전력을 추가적으로 이용하여 견인전동기(300)를 구동한다. 이와 같이, 추진제어 인버터(204)가 수소 연료전지로부터 생산된 주전력 및 배터리로부터 제공된 보조전력에 기반하여 견인전동기(300)를 구동함으로써, 역행 시 필요한 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.
이하 도 3의 (b)를 참조하여 수소 연료전지 철도차량(100)이 타행 모드(operating mode) 또는 정차 모드(pause mode)인 경우 하이브리드 동력시스템(116)의 동작을 설명한다.
단방향 DC/DC 컨버터(200)는 수소 연료전지(118)로부터 생산된 주전력을 고압 직류전력이 되도록 승압한다. 양방향 DC/DC 컨버터(202)는 고압 직류전력을 저압 직류전력이 되도록 강압하고, 저압 직류전력은 배터리를 충전한다. 즉, 수소 연료전지 철도차량(100)이 타행 모드 또는 정차 모드인 경우, 역행을 위하여 생산된 주전력 중에서 견인전동기(300)를 구동하고 남은 잉여전력(surplus power)이 배터리 내부에 저장된다.
이하 도 3의 (c)를 참조하여 수소 연료전지 철도차량(100)이 제동 모드(braking mode)인 경우 하이브리드 동력시스템(116)의 동작을 설명한다.
수소 연료전지 철도차량(100)이 제동 모드인 경우 수소 연료전지(118) 및 단방향 DC/DC 컨버터의 동작이 정지되고, 액체수소 탱크 및 FSS로부터의 수소연료 공급이 중단된다. 한편, 제동 모드에서는 견인전동기(300)가 발전기(generator) 역할을 수행하여 관성(inertia)에 따른 운동에너지(kinetic energy)를 전기에너지(electric energy)가 되도록 변환함으로써 회생제동(regenerative braking)이 수행된다. 이 때, 추진제어 인버터(204)가 회생제동에 따라 발생하는 전기에너지를 회생전력(regenerative power)으로서 출력하며, 양방향 DC/DC 컨버터(202)는 회생전력을 변압(voltage transformation)한다. 이후, 변압된 회생전력은 배터리(120) 내에 충전되고, 회생전력이 열에너지(thermal energy) 상태로 소모되지 않고 동력원으로 활용된다.
도 3의 (a) 내지 (c)와 같은 하이브리드 동력시스템(116)의 동작에 따라 수소 연료전지 수소철도(100)의 에너지 효율(energy efficiency)이 향상되는 효과가 발생한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
배터리(120) 내부의 잔존용량(SoC: State of Charge)이 기 설정된 범위 미만의 값으로 감소하는 경우 역행 모드에서 충분한 전력을 공급하지 못하는 문제점이 발생한다. 또한, 잔존용량이 기 설정된 범위를 초과하는 값을 가지게 되는 경우에도 제동 모드에서 회생전력을 충전하는 과정에서 과부하가 발생함에 따라 배터리(120)가 파손(breakdown)될 위험이 발생한다. 따라서 배터리(120) 내부의 잔존용량은 일정한 범위 내에서 유지되어야 하며, 이 때 잔존용량의 기 설정된 범위가 40 내지 60 % 일 때 배터리(120)가 보조전력을 안정적으로 공급하고, 배터리(120)의 파손을 방지할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)이 배터리(120) 내부의 잔존용량을 일정한 범위 내에서 유지하는 방법을 설명한다.
배터리 관리시스템은 배터리(120)와 연결되어 배터리(120) 내부의 잔존용량을 실시간(real-time)으로 측정하고(S400), 1차적으로 측정된 잔존용량이 50 % 이하인지 또는 50 % 초과하는지를 판단한다(S402).
배터리 관리시스템이 배터리(120) 내부의 잔존용량을 50 % 이하인 것으로 판단할 경우, 2차적으로 잔존용량이 40 % 이하인지 또는 40 % 초과하는지를 판단한다(S404).
배터리 관리시스템은 배터리(120) 내부의 잔존용량이 40 % 이하인 경우 FSS(Fuel Supply System: 연료공급 시스템, 106)의 출력량을 최댓값으로 높인다(S406). FSS(106)의 출력량 증가에 따라 수소 연료전지(118)에 공급되는 기체수소량이 증가하고, 수소 연료전지(118)로부터 생산되는 주전력량 또한 증가하게 된다. 수소 연료전지 철도차량(100)이 타행 모드 또는 정지 모드인 경우 단방향 DC/DC 컨버터(200) 및 양방향 DC/DC 컨버터(202)를 이용하여 주전력이 배터리(120)에 충전됨으로써 배터리(120) 내부의 잔존용량이 증가하게 된다.
배터리 관리시스템은 배터리(120) 내부의 잔존용량이 40 % 초과 50 % 이하인 경우 FSS(106)의 출력량을 증가시킨다(S408). 과정 S408 역시 과정 S406과 같은 방법에 따라 배터리(120) 내부의 잔존용량을 증가시킨다.
한편, 측정된 잔존용량이 50 % 를 초과하는 경우, 배터리 관리시스템은 잔존용량이 40 % 이하인지 또는 40 % 초과하는지를 판단한다(S404).
배터리 관리시스템은 배터리(120) 내부의 잔존용량이 50 % 를 초과하는 것으로 판단할 경우, 2차적으로 잔존용량이 60 % 이하인지 또는 60 % 를 초과하는지를 판단한다(S410).
배터리 관리시스템은 배터리(120) 내부의 잔존용량이 60 % 이하인 경우 FSS(106)의 출력량을 감소시킨다(S412). FSS(106)의 출력량 감소에 따라 수소 연료전지(118)에 공급되는 기체수소량이 감소하고, 수소 연료전지(118)로부터 생산되는 주전력량 또한 감소하게 된다. 그 결과, 배터리(120) 내부에 충전되는 전력량이 감소하고, 배터리(120)가 전자기기(electronic device)를 구동하기 위한 SIV(Static Inverter, 302)에 보조전력을 공급함에 따라 배터리(120) 내부의 잔존용량이 감소하게 된다.
배터리 관리시스템은 배터리(120) 내부의 잔존용량이 60 % 를 초과하는 경우 FSS(106)의 구동을 정지시킨다(S414). FSS(106)의 구동 정지로 인하여 수소 연료전지(118)의 전력 생산이 중단되고, 배터리(120)로부터 공급되는 보조전력을 구동전력(driving power)으로 이용함에 따라 배터리(120) 내부의 잔존용량이 감소하게 된다.
과정 S400 내지 S414와 같은 배터리 관리시스템의 제어에 따라 배터리(120) 내부의 잔존용량이 40 % 내지 60 % 범위 내에서 유지되며, 이로써 배터리(120)가 보조전력을 안정적으로 공급하고, 배터리(120)의 파손(breakdown)을 방지할 수 있는 효과가 발생한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 소량의 기체수소를 활용하기 위한 저압 기체수소 튜브 및 유량 조절밸브의 연결관계를 설명하기 위한 예시도이다.
액체수소 탱크(102)는 MLI(Multi-Layer Insulation: 다층 박막 단열재), PUR foam(polyurethane foam: 폴리우레탄 폼) 또는 PIR foam(polyisocyanurate foam: 폴리이소시아누레이트 폼) 등의 단열재를 이용하여 형성된 극저온 단열배관으로, 액체수소의 온도를 영하 253 ℃ 이하로 유지할 수 있다. 그러나 액체수소 탱크(102) 내에 액체수소를 충전한 이후 지속적으로 증발손실(boil-off)이 발생함에 따라 에너지 효율이 감소하는 문제점이 존재한다.
도 5는 액체수소 탱크(102) 내에서 불가피하게 증발손실이 발생함에 따라 생성된 소량의 기체수소를 활용하여 에너지 효율을 높이기 위한 저압 기체수소 튜브(500)를 도시한다. 저압 기체수소 튜브(500)는 FSS(106)와 병렬로 연결되며, 수소 연료전지 철도차량(100)이 정지 모드이거나 FSS(106)가 구동 정지 상태인 경우 액체수소 탱크(102) 내에서 증발된 기체수소를 저장하고, 수소 연료전지 철도차량(100)의 운행이 재개되는 경우 수소 연료전지에 기체수소를 공급한다.
한편, 액체수소 탱크(102)로부터 증발된 기체수소를 저압 액체수소 튜브(104)를 이용하여 공급 받은 이후, 기체수소를 저장하기 위하여 저압 기체수소 튜브(500)의 양단에는 유량 조절밸브가 연결될 수 있다. 구체적으로 저압 기체수소 튜브(500)의 일단에는 제1 유량 조절밸브(502)가 연결되며, 타단에는 제 2 유량 조절밸브(504)가 연결된다. 이때, 저압 액체수소 튜브(104)를 따라 액체수소가 함께 전달될 수 있는데, 액체수소는 FSS(106)에 공급되어야 하므로 제1 유량 조절밸브(502) 및 제 2 유량 조절밸브(504)는 액체수소를 차단하고 기체수소만을 통과시킬 수 있다. 또한, 제1 유량 조절밸브, 제 2 유량 조절밸브 및 저압 기체수소 튜브(500)는 저온의 기체수소를 전달하기 위하여 단열재로 이루어진다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 소량의 기체수소를 활용하기 위한 유량 조절밸브의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
수소 연료전지 철도차량(100) 내의 TCMS(Train Control and Monitoring System, 미도시)는 수소 연료전지 철도차량(100)이 정지 모드 또는 FSS(106)가 구동 정지 상태에 있는지 판단한다(S600). 이 때, 제1 유량 조절밸브(502) 및 제2 유량 조절밸브(504)는 모두 폐쇄 상태이다. 또한, 정지 모드는 TCMS에는 전력이 공급되나 수소 연료전지 철도차량(100)이 운행되지 않는 상태를 의미하고, FSS(106)가 구동 정지 상태는 도 4의 과정 S414와 같이 배터리(120) 내부의 잔존용량이 60 % 를 초과한 경우일 수 있다.
TCMS는 수소 연료전지 철도차량(100)이 정지 모드 또는 FSS(106)가 구동 정지 상태인 경우 제1 유량 조절밸브(502)를 개방한다(S602). 액체수소 탱크(102) 내에서 증발된 기체수소는 저압 액체수소 튜브(104) 및 제1 유량 조절밸브(502)를 따라 저압 기체수소 튜브(500) 내에 포집된다.
TCMS는 수소 연료전지 철도차량(100)의 운행이 재개되었는지 판단하고, 정지 모드가 유지되는 경우 계속해서 저압 기체수소 튜브(500) 내에 기체수소를 포집한다(S604).
수소 연료전지 철도차량(100)의 운행이 재개되어 견인전동기(300)에 구동전력을 공급해야 하는 경우, TCMS는 제1 유량 조절밸브(502)를 폐쇄하고 제 2 유량 조절밸브(504)를 개방한다(S606). 제 2 유량 조절밸브(504)의 개방에 따라 수소 연료전지(118)에 기체수소가 공급되며, 액체수소 탱크(102) 내의 액체수소 대신 저압 기체수소 튜브(500) 내의 기체수소 연료가 우선적으로 이용된다.
TCMS는 저압 기체수소 튜브(500) 내의 기체수소량이 기 설정된 임계치 이하인지 여부를 판단한다(S608). 저압 기체수소 튜브(500) 내의 기체수소량이 기 설정된 임계치를 초과하는 경우 제 2 유량 조절밸브(504)의 개방 상태가 유지된다.
저압 기체수소 튜브(500) 내의 기체수소량이 기 설정된 임계치 이하인 경우 TCMS는 제 2 유량 조절밸브(504)를 폐쇄하고, FSS(106)를 구동한다(S610). 과정 S600 내지 S610에서 설명한 바와 같이, TCMS가 제1 및 제 2 유량 조절밸브(502, 504)를 제어함으로써, 액체수소 탱크(102)로부터 증발된 기체수소를 활용하여 에너지 효율을 높이는 효과가 발생한다.
도 3, 도 4 및 도 6에서는 각각의 과정들을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일부 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하다. 다시 말해, 본 발명의 일부 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일부 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 3, 도 4 및 도 6에 기재된 과정을 변경하여 실행하거나 각각의 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 3, 도 4 및 도 6은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시의 일 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: 수소 연료전지 철도차량 102: 액체수소 탱크
104: 저압 액체수소 튜브 106: FSS(Fuel Supply System)
108: 극저온밸브 110: 액체수소 펌프
112: 액체수소 기화기 114: 압력조절기
116: 하이브리드 동력시스템 118: 수소 연료전지
120: 배터리 200: 단방향 DC/DC 컨버터
202: 양방향 DC/DC 컨버터 204: 추진제어 인버터
300: 견인전동기 302: SIV(Static Inverter)
500: 저압 기체수소 튜브 502: 제1 유량 조절밸브
504: 제 2 유량 조절밸브

Claims (11)

  1. 액체수소를 이용하여 운행되는 수소 연료전지 철도차량에 있어서,
    상기 액체수소를 저장하기 위한 액체수소 탱크;
    상기 액체수소 탱크의 일단에 연결되어 상기 액체수소를 전달하기 위한 저압 액체수소 튜브;
    상기 액체수소의 유량을 제어하는 극저온 밸브, 상기 액체수소를 이송하는 액체수소 펌프, 상기 액체수소를 기체수소 상태가 되도록 기화시키는 액체수소 기화기 및 기화된 기체수소의 압력을 기 설정된 기준치로 유지하는 압력조절기를 포함하는 FSS;
    상기 기체수소를 공급 받아 주전력을 생산하는 수소 연료전지, 상기 주전력을 승압하는 단방향 DC/DC 컨버터, 보조전력을 제공하고 상기 주전력을 저장하는 배터리, 상기 보조전력을 승압하거나 고압 직류전력을 강압하는 양방향 DC/DC 컨버터 및 상기 고압 직류전력을 이용하여 견인전동기를 구동하는 추진제어 인버터를 포함하는 하이브리드 동력시스템;
    상기 FSS와 병렬 연결되고, 일단에 제1 유량 조절밸브가 연결되며, 타단에 제 2 유량 조절밸브가 연결되어 상기 액체수소 탱크로부터 기화된 기체수소를 저장하고 상기 수소 연료전지에 상기 기체수소를 전달하는 저압 기체수소 튜브; 및
    상기 수소 연료전지 철도차량을 제어하기 위한 TCMS를 더 포함하되,
    상기 TCMS는,
    상기 수소 연료전지 철도차량이 정지 모드 또는 상기 FSS가 구동 정지 상태인 경우 상기 제1 유량 조절밸브를 개방하며,
    상기 수소 연료전지 철도차량의 운행이 재개되는 경우 상기 제1 유량 조절밸브를 폐쇄하고 상기 제 2 유량 조절밸브를 개방하며,
    상기 저압 기체수소 튜브 내의 기체수소량이 기 설정된 임계치 이하인 경우 상기 제 2 유량 조절밸브를 폐쇄하고 상기 FSS를 구동하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 철도차량.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체수소 탱크, 상기 저압 액체수소 튜브, 상기 극저온 밸브, 상기 액체수소 펌프 및 상기 액체수소 기화기는 극저온 단열배관이며, 상기 극저온 단열배관의 재료는 다층 박막 단열재(MLI: Multi-Layer Insulation), 폴리우레탄 폼(PUR foam: polyurethane foam) 및 폴리이소시아누레이트 폼(PIR foam: polyisocyanurate foam) 중 어느 하나의 재료로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 철도차량.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 동력시스템은,
    수소 연료전지를 이용하여 운행되는 철도차량이 역행 모드(powering mode)인 경우, 상기 수소 연료전지로부터 생산된 주전력 및 상기 배터리로부터 제공된 보조전력에 기반하여 상기 추진제어 인버터가 상기 견인전동기를 구동하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 철도차량.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 동력시스템은,
    수소 연료전지를 이용하여 운행되는 철도차량이 타행 모드(operating mode) 또는 정차 모드(pause mode)인 경우, 상기 단방향 DC/DC 컨버터 및 상기 양방향 DC/DC 컨버터를 이용하여 상기 수소 연료전지로부터 생산된 주전력이 상기 배터리 내에 충전되는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 철도차량.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 동력시스템은,
    수소 연료전지를 이용하여 운행되는 철도차량이 제동 모드(braking mode)인 경우, 상기 수소 연료전지 및 상기 단방향 DC/DC 컨버터의 동작이 정지되고, 상기 철도차량의 회생제동(regenerative braking)으로부터 발생하는 회생전력(regenerative power)이 상기 배터리 내에 충전되는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 철도차량.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리는,
    니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬 이온(Li ion) 전지 및 리튬 이온 폴리머(Li ion polymer) 전지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 철도차량.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 동력시스템은,
    상기 배터리와 병렬 연결되어 상기 배터리에 대한 보조전원(auxiliary power supply)으로서 동작하는 슈퍼커패시터(supercapacitor)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 철도차량.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 FSS의 출력량을 제어하는 BMS를 더 포함하되,
    상기 BMS는,
    상기 배터리의 SoC가 40 % 이하인 경우 상기 FSS의 출력량을 최댓값으로 높이고,
    상기 SoC가 40 % 초과 50 % 이하인 경우 상기 FSS의 출력량을 증가시키며,
    상기 SoC가 50 % 초과 60 % 이하인 경우 상기 FSS의 출력량을 감소시키고,
    상기 SoC가 60 % 를 초과하는 경우 상기 FSS의 구동을 정지시킴으로써, 상기 배터리가 40 % 내지 60 % 범위 내의 잔존용량을 유지하도록 상기 FSS의 출력량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 철도차량.
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