KR20160003966A - 무선충전식 모노레일 시스템 - Google Patents

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김종우
심형욱
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주식회사 대림모노레일
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Abstract

본 발명은 무선충전식 모노레일 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모노레일 위를 주행하는 차량이 정차중에 충전하거나 모노레일 순환노선을 운행한 후에 회생제동과 무선충전을 이용하여 배터리를 충전하는 무선충전식 모노레일 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 회생제동과 무선충전을 이용하여 모노레일 배터리를 충전하는 방식이므로 기존 방식의 배터리 충전시간과 배터리 용량을 줄여서 운행 가능한 방식으로 경제성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

무선충전식 모노레일 시스템{wireless charging monorail system}
본 발명은 산악지대 급경사지의 무선충전식 모노레일 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모노레일 위를 주행하는 차량이 오르막 운행시에는 정차 중에 무선충전한 배터리의 용량을 이용하고 정상에서 순환노선중 내리막 운행시에는 전원회생장치를 이용하여 유선방식에서 필요로 하는 충전 시간을 단축 가능한 배터리를 충전하는 무선충전식 모노레일 시스템에 관한 것이다.
기존의 산악지대 운반용 모노레일은 연료를 사용하는 엔진식과 트롤리 전선을 사용하는 전기식으로 양분되어 엔진식은 화물운반용으로 전기식은 승객수송용으로 사용되고 있다. 그러나 엔진식은 소음과 엔진용량의 한계로 수송용으로 부적합하고, 전기식은 짧은 구간(500M 내외)의 개방된 공간이나 도로옆을 따라서 설치하기에는 별 무리가 없으나 숲속을 500M 이상 설치시 레일 측면에 부착된 트롤리가 계절별 온도 변화에 따른 신축속도와 온도변화에 트러블이 발생하고 낙엽, 바람에 의한 잔가지 등이 수시로 낙하하면서 집전암에 걸리면 절연되어 기계가 멈추어 버리고 낙뢰 등에 의한 기후에 민감하여 장거리 설치에 한계가 있다. 그러나 이전의 배터리는 이동거리, 충전시간, 배터리 구입 비용, 배터리 유지관리 비용, 안전성 등 운행 노선 선정 및 운영 방안에 있어 배터리 용량에 매우 의존적이라 소모량에 대한 1일 사용시간과 운행속도에 제한적이었다.
즉, 배터리 용량을 하루종일 사용 가능한 용량으로 차량에 탑재하여 운용함으로써 차량가격 증가와 배터리를 충전하는 시간이 길어 운용에 차질이 있는 문제점이 있었다.
KR 10-2012-0016818 A
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 무선충전식 모노레일 시스템을 도입하여 친환경적인 운송수단으로 탈바꿈시킴과 동시에 배터리 용량에 독립적이고 경제적인 무선충전과 전원회생장치를 접목하여 항시 운행 가능한 전천후 무선충전식 모노레일 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 배터리 용량을 기존 배터리만으로 운용 가능한 모노레일을 승,하차장에 정차중이나 주행중에는 무선급속충전을 사용하고 부족한 용량을 채워서 오르막 구간을 운행하고 정상에서 내리막 구간을 운행시에는 전원회생장치를 이용하여 회생제동으로 배터리를 충전함으로써 출발지에서 다시 출발할 경우에는 배터리가 만충된 상태에서 운행이 가능하도록 한 무선충전식 모노레일 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선충전식 모노레일 시스템의 일 측면에 따르면, 상기 차량의 하부에 설치되어 단일 선로에 의해 차량의 주행을 안내하는 모노레일에 설치된 급전 시스템에서 무선으로 전원을 공급받아 유도전압을 발생시키는 집전장치; 상기 집전장치에서 발생된 유도전압을 제어하는 레귤레이터; 상기 레귤레이터에 의해 제어되는 유도전압의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류기; 상기 모노레일 위를 주행하는 차량의 회생제동에 의한 제동 에너지를 발생시키는 모터; 및 상기 정류기에서 변환된 직류전원이나 상기 모터의 회생제동에 의해 발생된 제동 에너지에 의해 충전되는 배터리를 포함한다.
본 발명에 의하면, 회생제동과 무선충전을 이용하여 모노레일 배터리를 충전하는 방식이므로 기존 방식의 배터리 충전시간과 배터리 용량을 줄여서 운행 가능한 방식으로 모노레일 운영시에 경제성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전기식 모노레일의 경우 트롤리 방식을 사용하고 있으므로 트롤리에 이물질(낙엽, 폭설, 기타 전기공급 방해 물질)이 있을 경우 전기공급이 중단되어 운행 중단에 따른 위험성이 높으나, 배터리 방식은 이와 같은 전기적인 중단을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전기적으로 안정성이 확보되어 매우 안정적으로 모노레일을 운행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 방식의 모노레일 시스템 구성을 나타내는 도면.
도 2는 배터리와 무선충전 방식의 모노레일 시스템 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 무선전력전송 시스템의 구성을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 친환경 전동모노레일 운행시스템에서의 차량 운행방법의 일예를 나타내는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 방식의 모노레일 시스템 구성을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 배터리 방식의 모노레일(10)은 배터리(20)를 유일한 전원으로 사용하며, 플러그 인(Plug-in) 충전(A)과 모터(30)에 의한 회생제동(regenerative breaking)(B)시에 발생되는 에너지에 의해 배터리(20)가 충전된다.
하기에서는 이러한 배터리 방식의 모노레일 시스템의 운행 방법에 대하여 설명하기로 한다.
a) 모터 용량 선정
배터리 방식의 모노레일 시스템에서 모터 용량 선정을 위한 출력 산출식은 하기의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
하기의 표 1은 배터리 방식의 모노레일 시스템에서 모터 출력 관련 변수를 나타낸다.
변수 내용
Figure pat00002
 차량의 질량(mass of the vehicle)
Figure pat00003
 차량의 가속도(acceleration of the vehicle)
Figure pat00004
 중력으로 인한 자유낙하 가속도(acceleration of free fall due to gravity)
Figure pat00005
 타이어와 도로면 사이의 주행저항의 계수(coefficient of rolling resistance between tires and road surface)
Figure pat00006
 주변 공기의 밀도(density of the ambient air)
Figure pat00007
 주행방향에서의 차량의 항력 계수(coefficient of drag of the vehicle in the direction of travel)
Figure pat00008
 차량의 단면적(cross-sectional area of the vehicle)
Figure pat00009
 주행 방향에서의 속도(speed in the direction of travel)
즉, 공기항력(aerodynamic drag)과 주행저항(rolling resistance)를 고려하여 15% 여유를 두고, 모노레일의 총 무게는 차량과 최대 승객인원(12인)을 고려한다.
그리고, 일정한 속도로 운행시 차량의 가속도 a는 0으로 설정하고, 주변 공기의 밀도
Figure pat00010
는 1.225kg/m3, 타이어와 도로면 사이의 주행저항의 계수
Figure pat00011
는 일반적인 자동차용 타이어의 값인 0.002~0.003을 적용한다. 운행 방향에서 차량의 항력 계수
Figure pat00012
는 일반적인 자동차의 값인 0.35~0.4를 적용한다.
b) 에너지 소모량 산출
배터리 방식의 모노레일 시스템에서 에너지 소모량 산출식은 하기의 수학식 2와 같다.
Figure pat00013
하기의 표 2는 배터리 방식의 모노레일 시스템에서 배터리 용량 산출을 위한 변수를 나타낸다.
Figure pat00014
 모터출력(kW)
Figure pat00015
 회생모터 출력(kW)
Figure pat00016
 1회 운행거리(m)
Figure pat00017
 회생제동 구간(m)
Figure pat00018
 운행횟수
Figure pat00019
 평균속도(m/min)
Figure pat00020
 충전속도(kW)
Figure pat00021
 충전시간(h)
Figure pat00022
 충전횟수
Figure pat00023
 배터리 용량
Figure pat00024
 SOC 하한값(%)
c) 에너지 회생량 산출
배터리 방식의 모노레일 시스템에서 에너지 회생량 산출식은 하기의 수학식 3과 같다.
Figure pat00025
d) 전량 산출
배터리 방식의 모노레일 시스템에서 전량 산출식은 하기의 수학식 4와 같다.
Figure pat00026
e) 배터리 용량 산출(SOC 하한값 고려)
배터리 방식의 모노레일 시스템에서 배터리 용량 산출식은 하기의 수학식 5와 같다.
Figure pat00027
도 2는 배터리와 무선충전 방식의 모노레일 시스템 구성을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 배터리와 무선충전 방식의 모노레일(10)은 배터리(20)를 유일한 전원으로 사용하며, 플러그 인(Plug-in) 충전(A)과 모터(30)에 의한 회생제동(B)시에 발생되는 에너지 및 급·집전 시스템을 이용한 무선충전(C)을 보조로 사용하여 배터리(20)가 충전된다.
하기에서는 이러한 배터리와 무선충전 방식의 모노레일 시스템의 운행 방법에 대하여 설명하기로 한다.
배터리와 무선충전 방식의 모노레일 시스템의 운행 방법에서, a) 모터 용량 선정, b) 에너지 소모량 산출, c) 에너지 회생량 산출, d) 전량 산출은 전술한 배터리 방식의 모노레일 시스템의 운행 방법과 동일한 내용이므로 이에 대한 설명은 생략하고, 하기에서는 e) 무선전력전송을 이용한 충전량 산출 및 f) 배터리 용량 산출(SOC 하한값 고려)에 관해 설명하기로 한다.
e) 무선전력전송을 이용한 충전량 산출
배터리와 무선충전 방식의 모노레일 시스템에서 무선전력전송을 이용한 충전량 산출식은 하기의 수학식 6과 같다.
Figure pat00028
하기의 표 3은 배터리와 무선충전 방식의 모노레일 시스템에서 무선충전량 산출을 위한 변수를 나타낸다.
Figure pat00029
 무선충전 횟수
Figure pat00030
 무선충전속도
Figure pat00031
 무선충전 시간
f) 배터리 용량 산출(SOC 하한값 고려)
배터리와 무선충전 방식의 모노레일 시스템에서 배터리 용량 산출식은 하기의 수학식 7과 같다.
Figure pat00032
하기에서는 첨부된 도 3을 참조하여 본 발명의 무선충전 시스템에 대하여 설명하기로 한다. 무선충전 시스템의 급집전 시스템 구성은 하기의 표 4와 같다.
항목 구성
 비고



급전시스템


 a. 급전선로
 전원(전류⇒자기장)
b. 급전인버터
 공진주파수 설정
c. 페라이트 코어
 자기장 형상화
d. 절연용 변압기
 전력 계통과 분리


집전시스템
 e. 픽업 권선 유도전압 발생
페라이트 코어
f. 레귤레이터 전압제어
g. 정류기 AD-DC
도 3은 본 발명의 무선전력전송 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 급전 시스템은 고주파 전류를 생성하고 고효율 공진 제어를 수행하는 급전 인버터(50)와, 페라이트 급전코어에 배치되어 급전 인버터(50)에서 생성된 고주파 전류가 흘러 자기유도작용에 의해 발생된 자기장을 집전 시스템으로 전달하는 급전레일(60)을 포함한다. 본 발명의 경우 이러한 급전 시스템은 단일 선로에 의해 차량의 주행을 안내하는 모노레일에 설치된다.
집전 시스템은 페라이트 코어와 페라이트 코어에 감겨지는 권선으로 구성되어 급전 시스템에서 무선으로 전원을 공급받아 유도전압을 발생시키는 집전장치(70)와, 집전장치(70)에서 발생된 유도전압을 제어하는 레귤레이터(80) 및 레귤레이터(80)에 의해 제어되는 유도전압의 교류전원을 직류전원으로 변환하여 배터리를 충전시키기 위한 정류기(미도시됨)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 친환경 전동모노레일 운행시스템에서의 차량 운행방법의 일예를 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, D 구간은 승,하차장 구간으로 차량 정차시 3~5분간 급속 충전구간으로 배터리의 용량이 100% 완충이 되는 구간이다.
E 구간은 배터리의 방전구간으로 방전량이 전체용량의 60% 이내로만 사용되도록 설계된다. 방전량이 많아 용량이 부족하면 차량이 운행하면서 충전이 가능하도록 무선급속충전장치가 설치된다.
F와 G 구간은 회생제동구간으로 도착지에서부터는 내리막 구간으로 배터리 용량을 사용하지 않고 오히려 전원회생장치에 의해 배터리가 충전된다.
즉, 정상 목적지에서 내려올때는 전원회생장치를 사용하여 배터리가 충전되고, 출발지에 되돌아 온 차량 배터리에 부족한 용량은 급속충전설비에 의해 급속으로 충전되어 100% 완충 후 출발하여 항시 1회전마다 배터리는 100% 완충 상태가 유지되도록 설계시 계산식이 산출된다.
이러한 모노레일 위를 주행하는 차량 운행구간에서, 레일의 길이가 2㎞ 이내 일 때는 무선으로 급속충전이 가능한 급속충전설비가 출발지와 승,하차장에만 설치된다. 그리고, 레일의 길이가 2㎞ 이상 일때는 급속충전설비가 출발지와 승,하차장 및 오르막 구간 중에 추가로 설치되어 배터리의 필요한 용량이 차량이 운행되면서 충전되도록 설계시 계산식이 산출된다.
즉, 본 발명은 일반적인 도로에서의 주행 시스템이 아닌 산악지대 경사지에서의 모노레일 시스템에 관한 것으로, 출발지에서 100% 충전된 차량이 경사지를 오르면서 최대 60%를 소모한다고 가정시 내리막에서 약 30~40%를 회생전원으로 충전하고 나머지 소모된 용량은 출발지에서 3~5분 대기시 100% 충전을 완료함으로써 재 운행시 마다 100%의 용량을 유지할 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 모노레일
20 : 배터리
30 : 모터

Claims (6)

  1. 무선충전식 모노레일 시스템으로서,
    상기 차량의 하부에 설치되어 단일 선로에 의해 차량의 주행을 안내하는 모노레일에 설치된 급전 시스템에서 무선으로 전원을 공급받아 유도전압을 발생시키는 집전장치;
    상기 집전장치에서 발생된 유도전압을 제어하는 레귤레이터;
    상기 레귤레이터에 의해 제어되는 유도전압의 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류기;
    상기 모노레일 위를 주행하는 차량의 회생제동에 의한 제동 에너지를 발생시키는 모터; 및
    상기 정류기에서 변환된 직류전원이나 상기 모터의 회생제동에 의해 발생된 제동 에너지에 의해 충전되는 배터리를 포함하는 무선충전식 모노레일 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모노레일의 길이가 2㎞ 이내인 경우 상기 배터리를 무선으로 급속충전하기 위한 급전 시스템은 차량의 출발지와 승,하차장에만 설치되고, 상기 모노레일의 길이가 2㎞ 이상인 경우 상기 급전 시스템은 차량의 출발지와 승,하차장 및 오르막 구간 중에 추가로 설치되어 상기 배터리의 필요한 용량이 차량이 운행되면서 충전되는
    것을 특징으로 하는 무선충전식 모노레일 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 승,하차장 구간에 차량 정차시 상기 급전 시스템에 의한 무선 급속충전으로 상기 배터리의 용량이 100% 충전되는
    것을 특징으로 하는 무선충전식 모노레일 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 모노레일 시스템은 산악지대 경사지에 설치되어 상기 배터리가 출발지에서 100% 충전된 차량이 경사지 구간을 오르면서 최대 60%가 소모되는 경우 정상 목적지에서 내려오는 내리막 구간에서 상기 모터에 의한 회생전원으로 30~40% 충전되고 나머지 소모된 용량은 출발지에서 3~5분 대기시 상기 급전 시스템에 의한 무선급속충전으로 100% 충전이 완료되는
    것을 특징으로 하는 무선충전식 모노레일 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 정상 목적지에서 내려오는 내리막 구간에서는 상기 배터리의 용량이 사용되지 않고 상기 모터에 의한 회생전원에 의해 상기 배터리가 충전되는
    것을 특징으로 하는 무선충전식 모노레일 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 용량은 하기의 수학식
    Figure pat00033

    Figure pat00034
    : 운행 횟수,
    Figure pat00035
    : 모터 출력(kW),
    Figure pat00036
    : 회생모터 출력(kW),
    Figure pat00037
    : 평균속도(m/min),
    Figure pat00038
    : 1회 운행거리(m),
    Figure pat00039
    : 1회 운행거리(m),
    Figure pat00040
    : 충전 횟수,
    Figure pat00041
    : 충전속도(kW),
    Figure pat00042
    : 충전시간(h),
    Figure pat00043
    : 무선충전 횟수,
    Figure pat00044
    : 무선충전속도,
    Figure pat00045
    : 무선충전 시간
    에 의해 산출되는
    것을 특징으로 하는 무선충전식 모노레일 시스템.
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