KR20130074691A - 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치 및 그 방법에 관한 것으로, 에너지 저장부로 슈퍼 커패시터와 배터리를 각각 병렬로 구성하고 차량의 운행을 감지하여 운행상태에 따라 4가지 모드를 진행하여 슈퍼 커패시터의 장점인 빠른 응답속도와, 배터리의 장점인 큰 정전용량이 복합적으로 구현되게 함으로써 에너지 저장 효율을 높인 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명을 적용하면, 하이브리드 에너지 저장장치중 슈퍼 커패시터는 가선전압 보상과 역율개선의 효과를 기대 할 수 있고, 리튬 배터리의 경우 피크 전력을 저감 시키고 정전 용량이 적은 슈퍼 커패시터의 백업을 해주며 장시간 방전을 통한 에너지 저감 효과를 기대할 수 있다.
본 발명을 적용하면, 하이브리드 에너지 저장장치중 슈퍼 커패시터는 가선전압 보상과 역율개선의 효과를 기대 할 수 있고, 리튬 배터리의 경우 피크 전력을 저감 시키고 정전 용량이 적은 슈퍼 커패시터의 백업을 해주며 장시간 방전을 통한 에너지 저감 효과를 기대할 수 있다.
Description
본 발명은 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 에너지 저장부로 슈퍼 커패시터와 배터리를 각각 병렬로 구성하고 차량의 운행을 감지하여 운행상태에 따라 4가지 모드를 진행하여 슈퍼 커패시터의 장점인 빠른 응답속도와, 배터리의 장점인 큰 정전용량이 복합적으로 구현되게 함으로써 에너지 저장 효율을 높인 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치 및 그 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 전 세계적으로 기후변화의 결과는 환경 파괴의 위기와 고유가로 나타나게 되면서 동시에 자원고갈의 위기에 직면하였고 석유에너지의 고갈과 환경오염이 가속화됨에 따라 지구온난화를 방지하기 위한 쿄토의정서가 발효됨에 따라 CO2 배출을 억제하기 위한 신재생에너지 및 개발이 시급한 과제로 급부상하고 있다.
이러한 실정하에서 기술개발의 방향은 풍력, 조력, 태양광, 수력 등의 자연에너지를 이용한 신재생에너지 개발에 집중하고 있지만, 기존의 에너지 발생이나 저장시스템에서 손실로 처리되는 에너지 시스템이나 장치를 개선하여 손실율을 최소화시키는 방향으로도 활발하게 개발이 이루어지고 있다.
최근 전동차의 제동방식으로는 에너지를 절약하기 위하여 회생제동방식 즉, 가속된 전동차가 정차를 위해 감속을 하는 경우 전동차의 운동에너지를 다시 전기에너지로 회수하는 방식이 채택되고 있다. 이러한 회생제동방식은 전체 시스템의 전력 소모량을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 기계적 제동에 의한 소음 문제 및 브레이크슈의 마모를 방지할 수 있는 등의 장점을 가지고 있어 채용범위가 점차 확대되고 있다.
열차의 회생제동을 이용한 에너지 저장방식은 크게, 슈퍼 커패시터 모듈로 구성된 에너지 저장방식과, 배터리 특히 리튬 이온 배터리를 이용한 에너지 저장방식 정도로 기술 개발이 압축되는 바, 양자는 각각 장점과 단점을 갖고 있다.
즉, 슈퍼 커패시터 모듈로 구성된 에너지 저장방식은 피크 전력을 저감시키기 어렵고, 방전시 배터리 방식에 비해 짧은 시간만 방전 가능하므로 에너지 저장효율이 많이 떨어졌었지만, 응답속도가 빨라서 역률 보상 및 가선 전압의 보상이 용이하다는 장점도 있었다.
반면에, 배터리 특히 리튬 이온 배터리를 이용한 에너지 저장방식은 응답속도가 느려서 역률 보상 및 가선 전압의 보상이 용이하지 못하다는 문제가 있었지만, 피크 전력 저감이 용이하며 장시간 방전이 가능하여 에너지 저장이 효율이 높다는 장점도 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 에너지 저장부로 슈퍼 커패시터와 배터리를 각각 병렬로 구성하고 차량의 운행을 감지하여 운행상태에 따라 4가지 모드를 진행하여 슈퍼 커패시터의 장점인 빠른 응답속도와, 배터리의 장점인 큰 정전용량이 복합적으로 구현되게 함으로써 에너지 저장 효율을 높인 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 철도차량의 에너지 저장장치가 구동 개시되는 제 1과정과; 전압과 전류 검출을 통해 차량의 운행상태를 판단하는 제 2과정과; 회생상태면, 배터리와 슈퍼 커패시터를 모니터링하는 제 3과정과; 회생상태면, 배터리와 슈퍼 커패시터에 충전을 수행하는 제 4과정과; 역행상태면, 배터리와 슈퍼 커패시터에 충전된 전력을 방전하는 제 5과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 제 2과정은 전압과 전류의 파형을 통한 위상차를 제어부에서 분석하여 운행상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법이 제공된다.
바람직하게, 제어부는 가선전류의 q축 전류가 0보다 작으면 회생으로 판별하는 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법이 제공된다.
바람직하게, 제어부는 가선전류의 q축 전류가 0보다 크고, rms 의 크기가 50A 이상이면, 방전모드를 진행하게 된 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 제 2과정의 판단으로 차량 운행이 없는 경우라면, 제어부는 배터리를 통해 저전류를 충전하는 저전류 충전모드를 진행하는 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법이 제공된다.
바람직하게, 야간 단전시 또는 셀간 전압차가 0.5V 이거나 4.1V이상인 경우에는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 멈추도록 제어하는 과정과; 배터리 팩 내부의 충전회로를 통해 내부 충전을 수행하는 과정이 더 포함된 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 제 1과정 내지 제 5과정에는 실시간으로 배터리와 슈퍼 커패시터를 모니터링하는 배터리 모니터링부와, 슈퍼 커패시터 모니터링부가 통신하여 상태를 확인하고 충방전 가능여부를 제어부가 인지할 수 있게 하는 과정이 더 포함될 수 있는 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법이 제공된다.
한편, 본 발명은 전압 강하를 위한 변압기와; AC 전원을 DC로 변환하거나 DC 전원을 AC전원으로 변환하기 위한 AC/DC 컨버터와; 슈퍼 커패시터와 배터리에 대한 충방전을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터가 순차적으로 구성되며; 상기 양방향 DC/DC 컨버터에 의해 전력을 충전하기 위한 슈퍼 커패시터와 배터리로 이루어진 에너지 저장부와; 상기 슈퍼 커패시터에 충전된 전압과 전류를 모니터링하는 SC 모니터링부와; 상기 배터리에 충전된 전압과 전류를 모니터링하는 배터리 모니터링부와; AC 전력라인의 전압과 전류를 각각 전압검출부와 전류검출부를 통해 인가받아 차량 운행상태를 판단하며, 그에 따라 충전모드, 저전류 충전모드, 방전모드, 내부 충전모드중 어느 한 모드를 선택적으로 가동시키는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치가 제공된다.
본 발명에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치 및 그 방법은 하이브리드 에너지 저장장치중 슈퍼 커패시터는 가선전압 보상과 역율개선의 효과를 기대 할 수 있고, 리튬 배터리의 경우 피크 전력을 저감 시키고 정전 용량이 적은 슈퍼 커패시터의 백업을 해주며 장시간 방전을 통한 에너지 저감 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치의 구성을 도시한 회로도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치의 신호흐름을 도시한 플로우챠트,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 역행 및 회생시 가선전압과 전류를 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치에 포함된 ESS와 BMS 간 통신구조를 나타내는 회로도,
도 5는 도 4의 통신구조를 통한 전송제어 시퀀스를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 충전 및 방전 운용패턴을 나타내는 파형도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 충전/방전 전환 실험 파형도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 충전/방전 전류 파형도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치의 신호흐름을 도시한 플로우챠트,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 역행 및 회생시 가선전압과 전류를 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치에 포함된 ESS와 BMS 간 통신구조를 나타내는 회로도,
도 5는 도 4의 통신구조를 통한 전송제어 시퀀스를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 충전 및 방전 운용패턴을 나타내는 파형도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 충전/방전 전환 실험 파형도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 충전/방전 전류 파형도이다.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치의 구성을 도시한 회로도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치(2)는 에너지 저장부로 슈퍼 커패시터와 배터리를 각각 병렬로 구성하고 차량의 운행을 감지하여 운행상태에 따라 4가지 모드를 진행하여 슈퍼 커패시터의 장점인 빠른 응답속도와, 배터리의 장점인 큰 정전용량이 복합적으로 구현되게 함으로써 에너지 저장 효율을 높인 장치이다.
보다 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치(2)는 전압 강하를 위한 변압기(6)와; AC 전원을 DC로 변환하거나 DC 전원을 AC전원으로 변환하기 위한 AC/DC 컨버터(8)와; 슈퍼 커패시터(28)와 배터리(30)에 대한 충방전을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터(10)가 순차적으로 구성된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치(2)는 상기 양방향 DC/DC 컨버터(10)에 의해 전력을 충전하기 위한 슈퍼 커패시터(28)와 배터리(30)로 이루어진 에너지 저장부(12)와; 상기 슈퍼 커패시터(28)에 충전된 전압과 전류를 모니터링하는 SC 모니터링부(22)와; 상기 배터리(30)에 충전된 전압과 전류를 모니터링하는 배터리 모니터링부(24)와; AC 전력라인의 전압과 전류를 각각 전압검출부(20)와 전류검출부(18)를 통해 인가받아 차량 운행상태를 판단하며, 그에 따라 충전모드, 저전류 충전모드, 방전모드, 내부 충전모드중 어느 한 모드를 선택적으로 가동시키는 제어부(26)를 포함한다.
여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치(2)는 상기 제어부(26)가 컨버터를 각각 구성하는 트랜지스터에 대한 PWM 제어부(14)와 연계되어 충전과 방전을 제어한다.
보다 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치(2)는 AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터, 슈퍼커패시터와 리튬 폴리머 배터리로 구성되어 있다.
AC 구간의 고속철 가선을 변압기를 사용하여 강압시켜 AC-DC 컨버터의 입력원으로 사용하고, DC-DC 컨버터는 양방향으로 동작하여 슈퍼커패시터와 배터리의 충방전을 수행한다. 하이브리드 에너지 저장장치중 슈퍼 커패시터는 가선전압 보상과 역율개선의 효과를 기대 할 수 있고, 리튬 배터리의 경우 피크 전력을 저감 시키고 정전 용량이 적은 슈퍼 커패시터의 백업을 해주며 장시간 방전을 통한 에너지 저감 효과를 기대할 수 있다.
상기 AC-DC 컨버터(8)는 단상 컨버터 2병렬로 이루어져 있으며 양방향 DC-DC 컨버터(10)는 5병렬로 이루어져 있다. 5군 중 3군은 슈퍼커패시터(28)의 충방전을 각각 담당하고 2군은 배터리와 연결되어 2병렬 운전을 한다.
하이브리드 에너지 저장 장치의 에너지 저장부(12)는 슈퍼 커패시터(28)와 리튬 폴리머 배터리(30)가 사용 되었다. 두 저장 매체의 사양을 표 1에 나타내었다.
| 슈퍼커패시터 | 리튬 폴리머 배터리 | |
| 전압 | 0V ~ 1100V | 818V ~ 1080V (3.7V 배터리 264개 직렬 연결) |
| 전류 | 2000A (충전/방전 100A 운용) |
충전 200A, 방전 600A (충전 180A, 방전 200A 운용) |
| 용량 | 29.7 MJ | 200kWh |
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치의 신호흐름을 도시한 플로우챠트, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 역행 및 회생시 가선전압과 전류를 도시한 그래프, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치에 포함된 ESS와 BMS 간 통신구조를 나타내는 회로도, 도 5는 도 4의 통신구조를 통한 전송제어 시퀀스를 나타내는 도면, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 충전 및 방전 운용패턴을 나타내는 파형도, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 충전/방전 전환 실험 파형도, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치를 통한 충전/방전 전류 파형도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치(2)는 크게 두가지의 동작 모드를 가진다. 전력을 저장매체에 저장하는 충전 모드와 저장된 에너지를 공급하는 방전 모드가 그것이다. 두가지의 저장 매체중 배터리는 추가로 2가지의 모드를 가지게 된다. 피크전력 절감을 위해 전력 사용이 적을 때 저전류로 충전을 하는 저전류 충전모드와 배터리 Cell 간의 전압차를 해결하거나 완전 충전을 위한 내부 충전 모드가 그것이다.
저전류 충전 모드는 충전모드와 동작 원리는 같지만 충전 전류를 낮추어 진행되는 것이고, 내부 충전은 배터리의 필요에 의해 BMS(Battery Management System)에서 요청을 하여 양방향 DC-DC 컨버터를 거치지 않고 자체 충전 회로를 통하여 6~7A로 충전하게 된다. 내부 충전 시에는 충방전 동작을 멈추게 된다. 도 3은 차량의 운행에 따른 가선의 상태를 그래프로 나타내었다.
보다 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치(2)는 철도차량의 에너지 저장장치가 구동 개시되면, 전압과 전류 검출을 통해 차량의 운행상태를 판단하고, 회생상태면, 배터리와 슈퍼 커패시터를 모니터링하며, 회생상태면, 배터리와 슈퍼 커패시터에 충전을 수행한다.
반면에, 역행상태면, 배터리와 슈퍼 커패시터에 충전된 전력을 방전한다.
차량의 운행상태 판단은 전압과 전류의 파형을 통한 위상차를 제어부에서 분석하여 운행상태를 판단한다.
상기 제어부(26)는 가선전류의 q축 전류가 0보다 작으면 회생으로 판별하고, 가선전류의 q축 전류가 0보다 크고, rms 의 크기가 50A 이상이면, 방전모드를 진행한다. 즉, 역행으로 판단한다.
만약, 차량 운행이 없는 경우라면, 제어부(26)는 배터리를 통해 저전류를 충전하는 저전류 충전모드를 진행한다.
또한, 야간 단전시 또는 셀간 전압차가 0.5V 이거나 4.1V이상인 경우에는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 멈추도록 제어하는 과정과; 배터리 팩 내부의 충전회로를 통해 내부 충전을 수행하는 과정이 더 포함된다.
한편, 모드 과정에서, 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치(2)는 실시간으로 배터리와 슈퍼 커패시터를 모니터링하는 배터리 모니터링부와, 슈퍼 커패시터 모니터링부가 통신하여 상태를 확인하고 충방전 가능여부를 제어부가 인지할 수 있게 하는 과정이 더 포함될 수 있다.
이하, 각 모드별로 상세하게 살펴본다.
-충전 모드
에너지 저장 장치의 충전 모드는 차량의 운행 상태에 따라 결정된다. 차량이 회생 할 때 발생하는 회생 에너지를 충전하는데 차량의 운행 상태는 가선 전압과 전류의 상태로 판단한다. AC 가선을 사용하는 고속철도는 차량이 회생 하게 되면 가선의 전압과 전류가 역상이 되고 이를 판별하여 충전을 수행한다. 이때 센서의 노이즈를 감안하기 위해 가선전류의 rms 값이 50A 이상일 때만 동작 하도록 한다.
가선의 전류를 d-q 변환을 통해 q축 전류가 0보다 작으면 회생으로 판별 하고 배터리와 슈퍼커패시터의 상태를 확인한다. 조장 매체의 상태가 충전 가능 상태이면 컨버터를 동작하여 DC link 전압을 확보하고 양방향 DC-DC 컨버터가 Buck 컨버터로 동작하여 충전을 수행 한다.
-저전류 충전 모드
저전류 충전 모드는 차량의 운행이 없을 때, 즉 전력의 소비가 적을 때를 이용하여 배터리를 미리 충전 시켜 놓는 모드이다. 가선의 전류가 거의 흐르지 않으면 80A로 배터리를 충전하게 된다. 이는 방전 시 보다 많은 에너지를 오랜 시간동안 공급하기 위한 모드이다. 기존의 충전 모드와 방식은 같다.
-방전 모드
에너지 저장 장치의 방전 모드는 차량이 역행을 하면서 에너지를 소비할 때 이루어진다. 차량이 역행하는 경우에는 차량 임피던스로 인해 가선 전류가 전압에 위상이 뒤처지는 파형이 나오게 된다. 이를 도 3에 나타내었다.
가선 전류의 q축 성분이 0보다 크고, rms 크기가 50A 이상이면 방전 모드가 이루어진다. 저장 매체의 상태를 확인하고 이상이 없으면 AC-DC 컨버터가 동작하고 양방향 DC-DC 컨버터가 Boost 컨버터로 동작하여 방전을 수행한다.
-내부 충전 모드
내부 충전 모드는 배터리에 부착되어 있는 BMS 시스템에 의해 동작한다. 내부 충전은 ESS 장치에서 요청을 하는 경우와 BMS에서 요청 하는 경우 두가지가 있다. 내부충전 모드가 되면 ESS의 양방향 DC-DC 컨버터의 동작이 멈추고 배터리 Pack 내부의 충전회로를 통하여 220V 6~7A로 충전을 하게 된다. 내부 충전의 조건은 표 2와 같다.
| 내부 충전 시작 | 내부 충전 종료 | |
| ESS에서 요청 | 야간 단전시 | 오전 가선 투입 시 |
| BMS에서 요청 | Cell 간 0.5V 전압차가 발생 했을 때 | 완충 |
| Cell 의 전압이 4.1V 이상 일때 | 완충 |
-BMS와 ESS간 통신
배터리는 슈퍼 커패시터와 달리 실시간 통신으로 항상 배터리의 상태를 확인한다. 또한 충전방전을 수행하기 전에 BMS에서 배터리의 상태를 확인하고 충방전 가능 여부를 ESS 장치에 알려 준다.
상기 통신 방식은 RS 485 2선식이며, 전송모드는 비동기 전 이중 통신
-주기기와 보조기기 설정: Master : ESS, Slave : BMS
-전송속도 : 19,200 bps
-전송주기 : 200ms
-Data 형식
시작 비트 : 1비트
Data 비트 : 8비트
패리티 비트 : NONE 패리티
정지 비트 : 1비트
기기와의 접속 하드웨어는 도 4에 도시되어져 있다.
전송 제어 시퀀스는 도 5에 도시된 바, 장치간 100ms 간격을 두고 통신을 200ms 마다 실시하며 5회 연속 응답이 없는 경우에 고장으로 인식한다.
-전송 데이터 내용(ESS -> BMS)
(1) TXT 0: BMS 주소
목적지 주소 코드: BMS B2h(헥사코드)
(2) TXT 1: ESS 주소
전송지 주소 코드: ESS B1h(헥사코드)
(3) TXT 2: 응답 코드
(4) TXT 3: 제어 코드
제어정보(0 : Non Active , 1 : Active)
가) bit 0: 예비
나) bit 1: 배터리 충전모드
다) bit 2: 배터리 방전모드
라) bit 3: 내부 충전
- 배터리간 전압 불평형을 해소하는 시간
(5) TXT 4~10: 예비코드
향후 프로토콜 추가를 위한 예비 신호
상태 응답 데이터 내용(BMS -> ESS)은 아래의 표와 같다.
(1) TXT 0: TCMS 주소
목적지 주소 코드: TCMS(40h)
(2) TXT 1: PA 주소
전송지 주소 코드: PA(50h)
(3) TXT 2: 상태응답 코드(20h)
(4) TXT 3: 고장 및 모드
방송관련 고장 정보(0 : 정상 , 1 : 고장)
가) bit 0 (시스템 고장)
나) bit 1 (BMS 충전모드)
다) bit 2 (BMS 방전모드)
(5) TXT 4, TXT 5, TXT 6: 고장정보
배터리 각 기기의 고장 정보(bit 정보)
0 : 정상 , 1 : 고장발생
(6) TXT 7: 예비
(7) TXT 8: 배터리 온도
(8) TXT 9: 배터리 전류
- 데이터 형태: 0 ∼ 500 (00h ∼ FFh)
(9) TXT 10: 소프트웨어 버전
BMS 소프트웨어 버전 정보
- 데이터 형태: 0 ~ 255 ( 00 ~ FFh)
본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치(2)는 충방전 조건이 설정되어져 있다.
표 3은 시험에 적용한 하이브리드 에너지 저장 장치의 충방전 조건 및 제한 용량에 대하여 나타내며, 충방전 전류는 각 군당 100A로 제한하였다.
| 슈퍼 커패시터 | 배터리 | |
| 충전 개시 | 가선 전류의 q축 성분이 0보다 크고, rms 50A 이상 | 가선 전류의 q축 성분이 0보다 크고, rms 50A 이상 |
| 저전류 충전(배터리만) | - | 가선 전류의 rms 값이 40A 이하 |
| 내부 충전(배터리만) | - | Cell 간 전압차가 0.5V 이상 Cell 전압이 4.1V 이상 |
| 방전 개시 | 가전 전류의 q축 성분이 0보다 작고, rms 50A 이상 | 가전 전류의 q축 성분이 0보다 작고, rms 50A 이상 |
| 과충전 제한 전압 | 1000 V | 1050V |
| 과방전 제한 전압 | 550 V | 880V |
| 전류 제한 | 군당 100A | 군당 100A |
시험 파형
도 6은 5시간 정도 운용 했을 때의 운용 패턴을 보여주는 파형이다. 파형에서 볼 수 있듯이 고속철도 라인의 경우 역행 구간이 회생 구간보다 많다. 또한 한번 역행/회생 시에 그 시간이 길기 때문에 슈퍼 커패시터만으로는 그 에너지를 감당하기 어렵다.
따라서 배터리를 사용하여 장시간 충방전도 가능하게 한다. 역행 구간이 더 많고 길기 때문에 단순히 역행과 회생으로 충방전을 수행하게 되면 운용 중 배터리에 저장된 에너지가 소모되어 과방전 상태에 이르게 된다. 따라서 저전류 충전 모드를 사용하여 전력의 소모가 적은 시간대에 배터리를 충전 시켜준다.
두 종류의 에너지 저장 매체를 사용하여 실시간 충방전을 수행하고, 피크 전력 시간에는 장시간(최대 15분) 방전이 가능하도록 배터리에 에너지를 어느정도 유지 시켜준다.
도 7은 방전모드에서 충전 모드로 전환 할 때의 전류 파형이다. 안전을 위해 모드가 전환 될 때에는 약 3초의 Delay를 주고 전환을 한다. 동도면의 (b)에서 알 수 있듯이 전류 제어기의 응답도 준수 한 것을 확인 할 수 있다.
도 8은 충방전 시 전류를 확대한 파형이다. 스위칭 주파수와 리액터로 인한 전류 리플을 확인 할 수 있다. 본 실험의 스위칭 주파수는 2kHz 이고, 사용된 리액터는 3.5mH 이다. 전류 리플은 약 40A로 나타난다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치(2)는 고속철도 운행 시 발생하는 회생에너지를 저장하고, 재활용을 통해 고유가 시대에 전력비 절감을 향상 시키고 변전소 설비 및 가선 전원의 안정화, 피크 전력의 저감 및 CO2 배출가스 저감등의 효과가 기대되는 시스템이다.
AC급전의 고속철의 회생에너지를 효율적으로 사용하고 가선 전압 안정화 및 피크전력 저감을 위한 슈퍼커패시터와 배터리를 사용한 하이브리드 에너지 저장장치를 사용하고 최대의 효율을 이끌어낼 수 있는 알고리즘과 시퀀스를 제안하였고, 용정 구분소에 적용하여 제안된 알고리즘을 시험을 통하여 효과를 분석하였다. 작은 에너지 밀도를 가진 슈퍼 커패시터를 보완하는 배터리를 추가하여 장시간 많은 에너지를 공급할 수 있고, 응답이 느린 배터리를 슈퍼커패시터로 보완하는 하이브리드 에너지 저장 장치는 추후 마이크로 그리드나 스마트 그리드에고 적용하여 에너지 효율을 극대화 할 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치 및 그 방법은 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.
6:변압기, 8:AC/DC 컨버터,
10:양방향 DC/DC 컨버터, 12:에너지 저장부,
26:제어부, 28:슈퍼 커패시터,
30:배터리.
10:양방향 DC/DC 컨버터, 12:에너지 저장부,
26:제어부, 28:슈퍼 커패시터,
30:배터리.
Claims (8)
- 철도차량의 에너지 저장장치가 구동 개시되는 제 1과정과;
전압과 전류 검출을 통해 차량의 운행상태를 판단하는 제 2과정과;
회생상태면, 배터리와 슈퍼 커패시터를 모니터링하는 제 3과정과;
회생상태면, 배터리와 슈퍼 커패시터에 충전을 수행하는 제 4과정과;
역행상태면, 배터리와 슈퍼 커패시터에 충전된 전력을 방전하는 제 5과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 2과정은 전압과 전류의 파형을 통한 위상차를 제어부에서 분석하여 운행상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법. - 제 2항에 있어서,
제어부는 가선전류의 q축 전류가 0보다 작으면 회생으로 판별하는 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법. - 제 2항에 있어서,
제어부는 가선전류의 q축 전류가 0보다 크고, rms 의 크기가 50A 이상이면, 방전모드를 진행하게 된 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 2과정의 판단으로 차량 운행이 없는 경우라면, 제어부는 배터리를 통해 저전류를 충전하는 저전류 충전모드를 진행하는 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법. - 제 1항에 있어서,
야간 단전시 또는 셀간 전압차가 0.5V 이거나 4.1V이상인 경우에는 양방향 DC-DC 컨버터의 동작을 멈추도록 제어하는 과정과;
배터리 팩 내부의 충전회로를 통해 내부 충전을 수행하는 과정이 더 포함된 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1과정 내지 제 5과정에는 실시간으로 배터리와 슈퍼 커패시터를 모니터링하는 배터리 모니터링부와, 슈퍼 커패시터 모니터링부가 통신하여 상태를 확인하고 충방전 가능여부를 제어부가 인지할 수 있게 하는 과정이 더 포함될 수 있는 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장방법. - 전압 강하를 위한 변압기와; AC 전원을 DC로 변환하거나 DC 전원을 AC전원으로 변환하기 위한 AC/DC 컨버터와; 슈퍼 커패시터와 배터리에 대한 충방전을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터가 순차적으로 구성되며;
상기 양방향 DC/DC 컨버터에 의해 전력을 충전하기 위한 슈퍼 커패시터와 배터리로 이루어진 에너지 저장부와;
상기 슈퍼 커패시터에 충전된 전압과 전류를 모니터링하는 SC 모니터링부와;
상기 배터리에 충전된 전압과 전류를 모니터링하는 배터리 모니터링부와;
AC 전력라인의 전압과 전류를 각각 전압검출부와 전류검출부를 통해 인가받아 차량 운행상태를 판단하며, 그에 따라 충전모드, 저전류 충전모드, 방전모드, 내부 충전모드중 어느 한 모드를 선택적으로 가동시키는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도 전력 시스템에서의 하이브리드 에너지 저장장치
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