KR20020030281A - 하이브리드 배터리와 가스 터빈 기관차 - Google Patents

하이브리드 배터리와 가스 터빈 기관차 Download PDF

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Abstract

종래의 배터리-동력 전기 기관차는 배터리를 충전시키기 위하여 상업적으로 사용되지 않는 복합 디젤 엔진을 사용하였다. 이에 반해, 본 발명에서는 효과적인 연료-효율 및 환경적으로 적합한 기관차를 제공하기 위하여 가스 마이크로터빈 발전기와 축전기가 결합되는 야드 스위쳐(yard switcher)를 제공한다.

Description

하이브리드 배터리와 가스 터빈 기관차{HYBRID BATTERY/GAS TURBINE LOCOMOTIVE}
현존하는 철도 기관차는 일반적으로, 디젤 모터가 기관차의 구동 휠을 교대로 구동시키는 전기 모터를 구동시키기 위하여 전력을 생성하는 전기 발전기를 구동시키는, 디젤 전기 엔진에 의해 동력이 공급된다. 본 발명자는 1990년 2월 13일자로 특허된 미국특허 제 4,900,944 호에서 디젤 엔진용 부스터 유닛(booster unit)과 1992년 7월 14일자로 특허된 미국특허 제 5,129,328 호에서 종래의 디젤 엔진을 대신할 수 있는 압축 천연 가스가 공급되는 가스 터빈 엔진의 이용을 개시하였다.
히트 엔진과 결합되는 전기 배터리의 이용은 자동차, 버스 및 또 다른 적재 및 고속 차량에서 이미 알려져 있다. 이러한 차량용 하이브리드 엔진은 연료 효율이 증가하고 오염 물질이 감소하는 장점을 가진다. 이 적용에서는 연료 효율을 유지시키기 위해 배터리의 무게를 최소화시키는 것이 중요하다. 전기 배터리는 전기 기관차를 구동시키는 전력을 저장시키기 위해 사용된다. 1921년 3월 3일자로 특허된 맨스의 미국특허 제 1,377,087 호에서는 세개의 표준 디젤 엔진이 축전지를 충전시키는 발전기를 구동시키기 위해 사용된다. 이러한 시스템은 축전지외에 복수의 디젤 엔진이 제공되어 가격이 상승되고 복잡하기 때문에 현존하는 디젤 전기 기관차에는 상업적으로 이용될 수 없다.
따라서, 기관차의 연료 효율을 위해 축전지와 연료-동력 발전기의 하이브리드 결합을 이용할 필요가 있다.
본 발명은 기관차 분야에 관한 것으로, 더욱 특별하게는 연료-동력 발전기에 의해 충전되는 배터리로부터 전력이 공급되는 전기 모터에 의해 동력이 공급되는 기관차에 관한 것이다.
도면에서는 본 발명의 바람직한 실시예가 개시된다.
도 1은 본 발명에 따른 기관차의 세로 단면도이다.
도 2는 본 발명의 구성요소를 설명하는 개략적인 블록 다이어그램이다.
본 발명은 배터리를 재충전시키는 가스 마이크로터빈 발전기가 제공되는 기관차를 제공한다. 더욱 특별하게는, 본 발명은 ⅰ) 복수의 차축을 구동시키는 복수의 트랙션 모터; ⅱ) 상기 트랙션 모터를 제어하는 트랙션 동력 제어기; ⅲ) 전기 에너지를 저장하고 상기 전기 에너지를 상기 트랙션 모터로 공급하고 에너지 저장 용량을 가지는 배터리 저장 수단; ⅳ) 상기 배터리 저장 수단을 충전된 상태로 유지하기 위해 상기 배터리 저장 수단에 전기적으로 연결되는 발전기; 및 ⅴ) 상기 배터리의 충전 상태를 모니터링하여 상기 발전기의 작동을 제어하고, 상기 충전 상태가 어떤 범위 이하일때 상기 발전기의 작동을 개시하고 및 상기 충전 상태가 어떤 범위 이상일때 상기 발전기의 작동을 종결하는 수단을 포함하고, 상기 발전기의전체 충전 동력 대 상기 에너지 저장 용량의 비율은 4시간과 40시간 사이인 기관차를 제공한다. 바람직하게는, 에너지 저장 용량은 500kW와 2000kW사이이고; 발전기의 충전 동력은 25kW와 250kW사이이다. 바람직하게는, 발전기는 하나 이상의 가스 마이크로터빈이거나 또는 연료 셀/마이크로터빈이 결합된 것이다.
또한 본 발명은 ⅰ) 복수의 차축을 구동시키는 복수의 트랙션 모터; ⅱ) 상기 트랙션 모터를 제어하는 트랙션 동력 제어기; ⅲ) 전기 에너지를 저장하고 상기 전기 에너지를 상기 트랙션 모터로 공급하고 에너지 저장 용량을 가지는 배터리 저장 수단; ⅳ) 상기 배터리 저장 수단을 충전된 상태로 유지하기 위해 상기 배터리 저장 수단에 전기적으로 연결되는 발전기; 및 ⅴ) 상기 배터리의 충전 상태를 모니터링하여 상기 발전기의 작동을 제어하고, 상기 충전 상태가 어떤 범위 이하일때 상기 발전기의 작동을 개시하고 및 상기 충전 상태가 어떤 범위 이상일때 상기 발전기의 작동을 종결하는 수단을 포함하고, 상기 발전기의 전체 충전 동력 대 상기 에너지 저장 용량의 비율을 4시간과 40시간 사이로 하는 기관차 작동 방법에 있어서, 일정 부하에서 상기 발전기를 시간의 주기동안 최대 동력 출력으로 작동시키는 기관차 작동 방법을 제공한다.
도면을 참조하면, 기관차(10)는 전기 트랙션 모터(electric traction motor)(14)에 의해 구동되는 휠(12)을 구비한다. 트랙션 모터용 전력은 1000kWh 저장 용량을 가지고 상업적으로 이용가능한 플러드식 납축전지의 집합으로 구성되는 축전지(16)에 의해 공급된다. 기관차의 필요에 의해 축전지의 하중은 제한되지 않는다. 실제로 축전지의 하중은 기관차의 트랙션 능력에 도움을 준다. 트랙션 모터(14)용 동력은 하나 이상의 초퍼(chopper)를 사용할 수 있는 트랙션 동력 제어기(18)에 의해 제어된다. 또한, 제어기(18)는 트랙션 모터 회전 방향, 휠 슬립 방향 및 보정등을 제어한다. 스로틀 및 방향 정보를 나타내는 기관차 캡(22)에서는 신호(20)가 제공된다. 제어기는 트랙션 모터에서 전압 및 전류를 모두 제어하기 위해 PWM(pulse width modulated chopper)을 이용하는 1500kW 트랙션 동력 제어기가 바람직하다. 또한, 제어기(18)는 전극기(reverser)와 트랙션 모터 차단 능력을 포함한다.
배터리(16)는 600볼트의 DC전원을 배터리(16)에 공급하기 위해 교류 발전기(26)를 구동시키는 가스 마이크로터빈(24)을 포함하는 마이크로터빈 발전기(22)에 의해 충전된다. "마이크로터빈"은 천연가스, 디젤연료 또는 다른 가스나 또는 액체 연료가 충전되는 작은 가스 터빈을 의미하고, 25kW와 400kW사이에서 작동한다. 발전기(22)는 충전 상태의 범위에서 배터리가 에너지 효율이 최대화되도록 유지시키고, 필요하다면 균등 사이클(equalizing cycle)을 제공한다. 배터리가 높게 충전되고 덜 효과적으로 작동하면, 높은 충전 상태는 단지 배터리를 주기적인 유지 기간으로 균등화 시키는 것만을 얻을 수 있다. 마이크로터빈 발전기는 노던 리서치 앤드 엔지니어링 코퍼레이션에 의해 제조된 파워웍스(POWERWORKSTM) 마이크로터빈 또는 캡스톤, 앨리오트 마그네텍등에서 제조된 거와 같은 70kW 또는 80kW의 마이크로터빈이 바람직하다. 이것은 정류되고 조절되는 출력을 구비한다. 마이크로터빈 발전기의 상대적인 크기때문에 이것은 마이크로터빈용 최대 효율로 완전하게 부하될 수 있고 발전기 전압은 최대 충전 효과에 적합한 충전율을 제공하는 배터리 전압과 협력되어 상승될 수 있다. 천연가스 터빈용으로 공급되는 연료는 미국특허 제 5,129,328 호에 개시되는 바와같이 가스 실린더에서 압축될 수 있다. 또한 또 다른 가스 또는 액체 연료가 사용될 수 있다. 또한, 하나 이상의 마이크로터빈이 사용될 수 있다. 예를들면, 각각 30kW를 생성하는 두개의 캡스톤 마이크로터빈이 하나의 마이크로터빈을 대신하여 사용될 수 있다. 이러한 적용에서 복수의 마이크로터빈은 하나의 유닛과 같은 기능을 할 수 있고 필요하다면 독립되게 단계적으로 이용할 수 있다.
또한, 발전기는 마이크로터빈/연료 셀 결합을 구성하는 이중 사이클 배치를 포함할 수 있다. 이러한 결합에서, 높은 온도 연료 셀은 마이크로터빈용 콤부스터 또는 높은 온도 전원으로 작용한다. 노던 리서치 앤드 엔지니어링 코퍼레이션과 시에멘스 웨스팅하우스 파워 코퍼레이션이 합작하여 개발한 하이브리드 발생 장치의 한 예에서는 50kW의 파워웍스(POWERWORKSTM) 마이크로터빈과 압축된 200kW의 솔리드 산화물 연료 셀을 통합한다. 마이크로터빈 압축기는 연료 셀을 압축하고 연료 셀에서 1500도의 배기가스는 터빈의 기화기 및 자유 동력 터빈에 공급되어지고, 압축기 및 전기 발생기는 각각 구동된다. 이 결과 연료 효율이 매우 좋은 발생 장치가 된다.
마이크로터빈 발전기의 제어는 배터리 균등화용 시계/캘린더를 구비하며 배터리 충전 상태와 주위 온도를 모니터하는 온보드 PLC(30)(프로그램가능한 로직 제어기)에 의해 처리된다. 배터리가 가스발생 전압에 접근하면 높은 충전 상태를 나타내고, 마이크로터빈 발전기는 정지된다. 반대로, 배터리(16)의 충전이 어떤 레벨로 하강하면 마이크로터빈이 가동된다. 높은 충전 상태는 모든 셀이 완전 충전으로 됐을때는 단지 배터리 균등화 유지만을 발생시킨다. 이것으로 마이크로터빈 원동력은 유지 기간동안 일정 부하에서 최대 동력 출력으로 작동되도록 크기되어진다.
보조 부하는 기관차의 공기 압축기(34), 트랙션 모터 송풍기 및 제어와 점등에 동력을 주는 64V 배터리를 충전시키는데 사용되는 75V 배터리 충전기(38)를 작동시키기 위해 인버터(32)에 의해 480V AC로 변환되는 600V DC의 배터리 충전 전원으로부터 얻어진다. 인버터(32)는 50kW 플러스 인버터인 것이 바람직하다. 공기 압축기(34)는 30마력인 것이 바람직하고, 트랙션 모터 냉각 송풍기(36)는 20마력인 것이 바람직하며 배터리 충전기(38)는 5kW인 것이 바람직하다.
특히 본 발명은 짧은 기간의 동력은 필요하지만 긴 기간의 동력은 필요하지 않으면서 상대적으로 작은 발전기에 의해 연속적인 재충전을 실행할 수 있는 야드스위쳐 기관차에 적합하다. 충전 동력 전원에서 축전지(16)의 에너지 저장 용량의 비율은 비용, 연료 소모 및 마이크로터빈 발전기의 오염물질 방출을 최소화시키는 본 발명의 목적을 얻기 위해 중요하다. 충전 동력(kW)에서 에너지 저장(kWh)의 비율은 시간의 수로 표현될 수 있다. 본 발명의 최적 성능은, 비록 4시간 이하의 충전시간이 실용적이지만, 1000kWh 축전지당 최대 125kW의 충전 동력을 나타내는 8시간 이상의 충전 시간에서 발견된다. 이상적으로 이러한 상태에서 마이크로터빈은 적어도 30분동안 작동되고, 정지없이(예를들어, 100시간 이상 연속적으로) 작동하는 것이 바람직하다. 500kWh와 2000kWh사이의 배터리 에너지 용량은 기관차의 공간 및 하중 제한과 기관차의 수명 사이클 비용 고려에 따라 실용적이다.
전술한 바와같이 종래 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범위에 벗어남이 없이 본 발명을 다양하게 변경 및 수정할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에서 한정된 내용에 따라 구성된다.

Claims (16)

  1. ⅰ) 복수의 차축을 구동시키는 복수의 트랙션 모터;
    ⅱ) 상기 트랙션 모터를 제어하는 트랙션 동력 제어기;
    ⅲ) 전기 에너지를 저장하고 상기 전기 에너지를 상기 트랙션 모터로 공급하고 에너지 저장 용량을 가지는 배터리 저장 수단;
    ⅳ) 충전 동력을 구비하면서 상기 배터리 저장 수단을 충전된 상태로 유지하기 위해 상기 배터리 저장 수단에 전기적으로 연결되는 발전기; 및
    ⅴ) 상기 배터리의 충전 상태를 모니터링하여 상기 발전기의 작동을 제어하고, 상기 충전 상태가 어떤 범위 이하일때 상기 발전기의 작동을 개시하고 및 상기 충전 상태가 어떤 범위 이상일때 상기 발전기의 작동을 종결하는 수단을 포함하고,
    상기 발전기의 전체 충전 동력 대 상기 에너지 저장 용량의 비율은 4시간과 40시간 사이인것을 특징으로 하는 기관차.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기의 전체 충전 동력 대 상기 에너지 저장 용량의 비율은 8시간이거나 그 이상인 것을 특징으로 하는 기관차.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 용량은 500kWh과 2000kWh사이인 것을 특징으로 하는 기관차.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 용량은 1000kWh인 것을 특징으로 하는 기관차.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기의 전체 충전 동력은 25kW와 250kW 사이인 것을 특징으로 하는 기관차.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기의 전체 충전 동력은 70kW와 125kW 사이인 것을 특징으로 하는 기관차.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기는 마이크로터빈인것을 특징으로 하는 기관차.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기는 두개 이상의 마이크로터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 기관차.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기는 마이크로터빈/연료 셀이 결합된 것을 특징으로 하는 기관차.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리는 납축전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 기관차.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기관차는 스위쳐(switcher) 기관차로서 사용되는 것을 특징으로 하는 기관차.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랙션 동력 제어기는 트랙션 모터에서 전압 및 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 기관차.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기의 작동을 제어하는 상기 수단은 PLC를 포함하는 것을 특징으로 하는 기관차.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기의 작동을 제어하는 상기 수단은 전자 또는 릴레이 로직을 포함하는 것을 특징으로 하는 기관차.
  15. ⅰ) 복수의 차축을 구동시키는 복수의 트랙션 모터; ⅱ) 상기 트랙션 모터를 제어하는 트랙션 동력 제어기; ⅲ) 전기 에너지를 저장하고 상기 전기 에너지를 상기 트랙션 모터로 공급하고 에너지 저장 용량을 가지는 배터리 저장 수단; ⅳ) 상기 배터리 저장 수단을 충전된 상태로 유지하기 위해 상기 배터리 저장 수단에 전기적으로 연결되는 발전기; 및 ⅴ) 상기 배터리의 충전 상태를 모니터링하여 상기 발전기의 작동을 제어하고, 상기 충전 상태가 어떤 범위 이하일때 상기 발전기의 작동을 개시하고 및 상기 충전 상태가 어떤 범위 이상일때 상기 발전기의 작동을 종결하는 수단을 포함하고, 상기 발전기의 전체 충전 동력 대 상기 에너지 저장 용량의 비율을 4시간과 40시간 사이로 하는 기관차 작동 방법에 있어서,
    일정 부하에서 상기 발전기를 시간의 주기동안 최대 동력 출력으로 작동시키는 것을 포함하는 기관차 작동 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 작동 방법은 배터리 균등화의 주기동안에만 수정되는 것을 특징으로 하는 기관차 작동 방법.
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