KR20190069718A - 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법 - Google Patents

무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 트램의 운행방법에 있어서, 상기 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 무선전력전송은 플랫폼의 트랙에 설치되는 1차코일부로부터 트램의 하부에 설치되어 있는 2차코일부로 무선전력전달이 되며, 상기 무가선 트램은 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 프로그래밍되어 임베딩된 제어부; 배터리부; 전력변환부; 구동부; 및 회생제동충전부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 배터리부의 충전량과 구동부의 속도를 센싱하여 전력변환부에 상기 속도 제어 알고리즘에 따른 신호를 상기 전력변환부에 출력하여 구동부를 구동케 하여 트램의 속도를 제어하며, 전력변환부가 플랫폼의 1차코일부로부터 2차코일부에 무선전달되는 전력을 배터리부에 충전되도록 하는 변환 및 상기 회생제동충전부로부터 전달되는 전력을 배터리부에 충전되도록 하는 변환을 제어하며, 상기 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘은 상기 제어부에 의해 동적 충전이 시작되는 출발시에 배터리부의 충전량을 센싱하는 배터리부 충전량 센싱 단계; 배터리부의 충전량의 충족여부를 판단하는 배터리부 충전량 충족여부 판단 단계; 배터리부의 충전량이 충족된 것으로 판단되는 경우 평상시 각각 연결된 플랫폼간의 거리, 동적 충전 시간에 따라 미리 계산되어 입력된 평균속도테이블에 따른 트램의 속도에 따라 동적 충전이 되는 평균속도테이블의 트램 속도에 따른 동적 충전 단계; 및 배터리부의 충전량이 미달된 것으로 판단되는 경우 각 플랫폼에서 출발할 때의 동적충전 구간에서의 평균속도를 -△V하고, 다음 플랫폼에서의 도착할 때의 동적충전 구간에서의 평균속도테이블상의 평균속도를 -△V" 하여 운행하되, 플랫폼사이의 충전이 이루어지지 않는 구간에서의 속도는 +△V' 하여 운행하여 동적 충전이 되는 속도 보상치에 따른 동적 충전 단계;로 구성되는는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법에 관한 것이다.

Description

무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법{How To Operate With Speed Control Algorithm To Meet Charged Amount In A Wireless Power Transmission The Wireless Tram System}
본 발명은 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 트램의 운행방법에 있어서, 상기 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 무선전력전송은 플랫폼의 트랙에 설치되는 1차코일부로부터 트램의 하부에 설치되어 있는 2차코일부로 무선전력전달이 되며, 상기 무가선 트램은 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 프로그래밍되어 임베딩된 제어부; 배터리부; 전력변환부; 구동부; 및 회생제동충전부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 배터리부의 충전량과 구동부의 속도를 센싱하여 전력변환부에 상기 속도 제어 알고리즘에 따른 신호를 상기 전력변환부에 출력하여 구동부를 구동케 하여 트램의 속도를 제어하며, 전력변환부가 플랫폼의 1차코일부로부터 2차코일부에 무선전달되는 전력을 배터리부에 충전되도록 하는 변환 및 상기 회생제동충전부로부터 전달되는 전력을 배터리부에 충전되도록 하는 변환을 제어하며, 상기 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘은 상기 제어부에 의해 동적 충전이 시작되는 출발시에 배터리부의 충전량을 센싱하는 배터리부 충전량 센싱 단계; 배터리부의 충전량의 충족여부를 판단하는 배터리부 충전량 충족여부 판단 단계; 배터리부의 충전량이 충족된 것으로 판단되는 경우 평상시 각각 연결된 플랫폼간의 거리, 동적 충전 시간에 따라 미리 계산되어 입력된 평균속도테이블에 따른 트램의 속도에 따라 동적 충전이 되는 평균속도테이블의 트램 속도에 따른 동적 충전 단계; 및 배터리부의 충전량이 미달된 것으로 판단되는 경우 각 플랫폼에서 출발할 때의 동적충전 구간에서의 평균속도를 -△V하고, 다음 플랫폼에서의 도착할 때의 동적충전 구간에서의 평균속도테이블상의 평균속도를 -△V" 하여 운행하되, 플랫폼사이의 충전이 이루어지지 않는 구간에서의 속도는 +△V' 하여 운행하여 동적 충전이 되는 속도 보상치에 따른 동적 충전 단계;로 구성되는는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법에 관한 것이다.
최근 철도분야에서 LRT(Light Rail Transit)를 중심으로 대전력 무선전력전송 기술을 접목한 철도운송 시스템이 연구 중에 있다.
철도전기는 전철.전력, 정보통신, 신호제어 부분으로 구성되어 상호지원과 보완을 통해 철도라는 운송시스템을 운영하는데 기반이 될 뿐 아니라 응용 및 발전되어 철도운영에 적용되고 있다.
보통의 열차는 철도차량 상부 기기인 판토그래프와 전차선이 접촉하여 전력을 급전 받아 운행하는 접촉식 전력공급시스템을 사용한다.
그러나 접촉식 전력공급 시스템은 건설비 및 유지보수 비용이 높고, 신뢰성 및 안전성이 낮으며, 환경친화성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
현재 유럽과 일본 등 교통선진국을 중심으로 운영되는 저상 트램은 도시 환경과 에너지 효율화의 지속적인 요구에 부합하기 위하여 기존 철도시스템기술에 별도의 전력 공급 장치를 결합하여 운영하는 첨단기술 연구가 진행 중이다.
그에 대한 연구 성과로는 먼저 " 무가선트램용 60kHz 무선전력전송 시스템"[한국철도학회 철도저널 16권 1호 p8-11, 이병송, 홍순만, 김재희 외](2013)에서는 60kHz급 철도 전용 무선전력 전송 모듈을 개발하여 집전효율을 측정한 결과 정차 중과 주행 중에 대해서 약84%로 높은 효율을 가지는 것을 확인한 바 있고, " 전기자동차용 무선충전 시스템 최적 설계 및 통합 제어 기법"[성균관대학교 일반대학원 , 전자 및 전기 공학과 박사 논문, 우동균](2015)에서는 다양한 설계 고려사항들을 반영한 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템 최적 설계 과정을 제안하여 EV용 무선충전기 프로토타입의 시험 결과와 송수신 파워 패드 손실 분석 시뮬레이션 결과에 근거하여 약 88% 이상의 전력전달 효율 성능을 달성할 수 있음을 확인하였고, "전송거리 향상을 위한 전기 자동차용 무선전력전송 양방향 충·방전기 회로에 관한 연구"[명지대학교 대학원 , 전기 공학과 박사 논문, 유광민](2014)에서는 전송거리 향상을 위한 전기자동차용 무선전력전송 양방향 배터리 충, 방전기 회로는 기존의 전도형 충전 또는 방전 방식에서 무선전력전송 기술을 이용하여 대용량의 전력을 무선으로 전달하는 새로운 방식을 고안한바, 이는 12cm 전송거리에서 최대 효율 96%, 단상계통연계 인버터 96.5%, 역률은 0.998로 측정되었으며 전송거리 20cm 까지 6.6KW 무선전력전송 실험을 진행하여 유용성을 확인한 바 있다.
하지만 무가선 트램에 대한 상기의 연구는 모두 무선전력전송에 있어서 배터리 충전효율 또는 충전장치에 집중된 것이 대부분으로서, 무가선 트램의 실제 운행 즉 플랫폼간의 운행, 시 종착역의 대부분의 형태인 Y-track 과 X-track에서의 운행을 고려하여 운행 중 최적화된 충전률을 유지하는 운행방법에 대해서는 연구가 전무한 실정이다.
본 발명에 따른 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째 본 발명은 무가선 트램의 실제 운행시에 적합한 배터리의 충전량을 유지하면서 동적 충전 및 정적 충전을 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템을 제안함을 목적으로 한다.
둘째 본 발명은 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘을 제안함을 또다른 목적으로 한다.
셋째 상기 속도 제어 알고리즘은 전체 평균 속도를 변형하지 않고, 동적 충전 구간과 동적 충적 공간 사이의 운행 속도만을 변형하도록 함을 목적으로 한다.
넷째 상기 무가선 트램 시스템에는 회생제동 충전이 가능하도로 한다.
다섯째 무가선 트램 시스템을 구성하는 배터리부는 하이브리드 배터리를 사용하도록 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 트램의 운행방법에 있어서, 상기 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 무선전력전송은 플랫폼의 트랙에 설치되는 1차코일부로부터 트램의 하부에 설치되어 있는 2차코일부로 무선전력전달이 됨을 전제로 한다.
상기 무가선 트램(100)은 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 프로그래밍되어 임베딩된 제어부(110); 배터리부(120); 전력변환부(130); 구동부(140); 및 회생제동충전부(150);를 포함한다.
상기 제어부(110)는 상기 배터리부(120)의 충전량과 구동부(140)의 속도를 센싱하여 전력변환부(130)에 상기 속도 제어 알고리즘에 따른 신호를 상기 전력변환부(130)에 출력하여 구동부(140)를 구동케 하여 트램의 속도를 제어하며, 전력변환부(130)가 플랫폼의 1차코일부로부터 트램하부의 2차코일부에 무선전달되는 전력을 배터리부에 충전되도록 하는 변환 및 상기 회생제동충전부(150)로부터 전달되는 전력을 배터리부(120)에 충전되도록 하는 변환을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘은
상기 제어부(110)에 의해 동적 충전이 시작되는 출발시에 배터리부(120)의 충전량을 센싱하는 배터리부 충전량 센싱 단계(S100);
배터리부(120)의 충전량의 충족여부를 판단하는 배터리부 충전량 충족여부 판단 단계(S200);
배터리부(120)의 충전량이 충족된 것으로 판단되는 경우 평상시 각각 연결된 플랫폼간의 거리, 동적 충전 시간에 따라 미리 계산되어 입력된 평균속도테이블에 따른 트램의 속도에 따라 동적 충전이 되는 평균속도테이블의 트램 속도에 따른 동적 충전 단계(S310); 및
배터리부(120)의 충전량이 미달된 것으로 판단되는 경우 각 플랫폼에서 출발할 때의 동적충전 구간에서의 평균속도를 -△V하고, 다음 플랫폼에서의 도착할 때의 동적충전 구간에서의 평균속도테이블상의 평균속도를 -△V" 하여 운행하되, 플랫폼사이의 충전이 이루어지지 않는 구간에서의 속도는 +△V' 하여 운행하여 동적 충전이 되는 속도 보상치에 따른 동적 충전 단계(S320);로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 평균속도테이블에 따른 트램의 속도에 따른 동적 충전 단계 및 속도 보상치에 따른 동적 충전 단계에 있어 플랫폼에서 출발한 순간부터 다음 플랫폼에서 정지할 때까지의 평균속도는 서로 동일함이 바람직하다.
회생제동충전부(150)에 의한 충전의 경우에 배터리부(120) 대신에 울트라캐패시터에 충전함이 바람직하다.
상기 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 무선전력전송 방식은 자기유도방식을 사용함이 바람직하다.
상기 배터리부(120)는 단주기형과 장주기형이 혼합된 하이브리드 배터리를 사용함이 바람직하다.
본 발명에 따른 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째 본 발명은 무가선 트램의 실제 운행시에 적합한 배터리의 충전량을 유지하면서 동적 충전 및 정적 충전을 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템으로서, 어떠한 상황의 운행에도 최적화된 충전 및 운행 시나리오를 제공할 수 있다.
둘째 본 발명은 무선전력전송 무가선 트램 시스템에 있어서, 운행에 적합한 충전량을 플랫폼에서 출발할 때마다 검측하여 이에 따른 충전 혹은 속도 제어알고리즘을 제안하여 최적의 충전이 될 수 있도록 하여 배터리부의 충전률이 운행할 수 없는 최악의 상황을 회피할 수 있도록 한다.
셋째 상기 속도 제어 알고리즘은 전체 평균 속도를 변형하지 않고, 동적 충전 구간과 동적 충적 공간 사이의 운행 속도만을 변형하므로, 트램의 운행시간이 더 빨라지거나 연착됨이 없이 그대로 유지되도록 한다.
넷째 상기 무가선 트램 시스템에서도 회생제동 충전이 가능하도록 하는 한편 배터리부외에 울트라커패시터를 보조충전부로 활용하여 배터리의 충전횟수를 줄여 내구연한이 유지되도록 한다.
다섯째 무가선 트램 시스템을 구성하는 배터리부는 하이브리드 배터리를 사용하도록 하여 충전효율이 최적화되도록 한다.
도 1은 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 트램이 운행될 때 동적충전이 되는 경우와 정적충전이 되는 경우를 나누어 표시한 개략도이다.
도 2는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 시 종착역이 Y 트랙인 경우 동적충전과 정적 충전이 되는 경우를 나누어 표시한 개략도이다.
도 3은 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 시 종착역이 X 트랙인 경우 동적충전과 정적 충전이 되는 경우를 나누어 표시한 개략도이다.
도 4는 본 발명인 무선전력전송 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 무가선 트램 시스템을 개략적으로 표시한 개략도이다.
도 5는 본 발명인 무선전력전송 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 실제 무가선 트램 운행에 있어서 적용되는 모습을 표시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 구성인 충전량 충족을 위한 속도제어 알고리즘에 대한 순서도이다.
도 7은 동일한 구간에서 평균속도테이블의 트램 속도에 따른 경우와 속도 보상치에 따른 경우를 개략적으로 비교한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 플랫폼, 트램의 가정된 사양을 보여주기 위한 도면이다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법"을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 트램이 운행될 때 동적충전이 되는 경우와 정적충전이 되는 경우를 나누어 표시한 개략도이고, 도 2는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 시 종착역이 Y 트랙인 경우 동적충전과 정적 충전이 되는 경우를 나누어 표시한 개략도이며, 도 3은 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 시 종착역이 X 트랙인 경우 동적충전과 정적 충전이 되는 경우를 나누어 표시한 개략도이고, 도 4는 본 발명인 무선전력전송 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 무가선 트램 시스템을 개략적으로 표시한 개략도이며, 도 5는 본 발명인 무선전력전송 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 실제 무가선 트램 운행에 있어서 적용되는 모습을 표시한 개략도이고, 도 6은 본 발명의 구성인 충전량 충족을 위한 속도제어 알고리즘에 대한 순서도이며, 도 7은 동일한 구간에서 평균속도테이블의 트램 속도에 따른 경우와 속도 보상치에 따른 경우를 개략적으로 비교한 도면이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 플랫폼, 트램의 가정된 사양을 보여주기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 트램의 운행방법에 있어서, 상기 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 무선전력전송은 플랫폼의 트랙에 설치되는 1차코일부로부터 트램의 하부에 설치되어 있는 2차코일부로 무선전력전달이 됨을 전제로 한다.
도 1을 참조하면 하나의 플랫폼에서 트램 차량 개수에 따라 동적 충전 및 정적 충전이 어떠한 영역, 즉 충전 영역에서 어떻게 발생하는지를 알 수 있도록 하는데, 특히 트램이 도착할 때와 출발할 때의 충전 형태인 동적 충전과 트램이 정차할 때의 충전 형태인 정적 충전을 구별케 하고 있다.
아래에서는 동적 충전 및 정적 충전에서의 충전율 분석을 위해 각 변수의 수학적 모델을 다음과 같이 표기하도록 한다.
1차코일의 길이 : pl
플랫폼에서의 1차코일의 시작점 : pf
플랫폼에서의 1차코일의 끝나는 점 : pe
2차 코일 : s1, s2, s3, ....,Sn
트램의 길이 : l
플랫폼에서의 트램의 정지 위치 : ts
플랫폼에 트램이 도착할 때의 충전거리 :sarr 1, sarr 2,.....sarr n
플랫폼에서 트램이 출발할 때의 충전거리 : sdep 1, sdep 2,.....sdep n
플랫폼에 트램이 도착할 때의 pe에서 Sn까지의 거리 : pSn e
플랫폼에 트램이 출발할 때의 pf에서 Sn까지의 거리 : pSn f
트램의 배터리부 용량 : β
배터리부 충전 효율 : η
트램의 가속도 : a
트램의 감속도 : d
동적 충전을 고려할 때 열차가 정거장에 도착할 때와 열차가 정거장에서 출발할 때 열차하부에 설치된 2차코일과 정거장 선로에 설치된 1차코일의 접점을 통해 유도기전력이 발생되어 충전이 이루어 진다.
열차의 가속도 및 감속도, 차량 및 1차코일의 길이 등에 따라 차량 하부에 있는 각 2차코일이 충전 시간은 다르다.
이에 따라 동적 및 정적 충전에 대한 수학적 모형은 다음과 같다.
(1)
Figure pat00001
(2)
Figure pat00002
(3)
Figure pat00003
(4)
Figure pat00004
상기 (1) 수식은 트램이 플랫폼에 도착할 때 2차 코일이 충전되는 거리이고, (2) 수식은 트램이 플랫폼에 출발할 때 2차 코일이 충전되는 거리이다.
상기 (3) 수식은 트램이 플랫폼에 도착할 때 2차 코일의 충전시간이고, (4) 수식은 트램이 플랫폼에 출발할 때 2차 코일의 충전시간이다.
(5)
Figure pat00005
(6)
Figure pat00006
상기 (5) 수식은 트램이 플랫폼에 도착할 때의 총 충전량이고, (6) 수식은 트램이 플랫폼에서 출발할 때의 총충전량을 의미한다.
(7)
Figure pat00007
(8)
Figure pat00008
상기 (7) 수식은 동적충전에 대한 총 충전량이고, 플랫폼에서 트램이 정차할 때의 정적충전에 대한 총 충전량에 대한 수식은 상기 (8) 수식과 같다.
(9)
Figure pat00009
따라서 한 플랫폼에서 충전되는 총 량은 상기 수식 (9)와 같다.
시 ·종착 플랫폼은 트램이 회차하기 위한 선로 배선이 필요한 바 하기에서는 시 ·종착 플랫폼을 Y트랙과 X트랙 2가지 선형애 대한 충전율에 대해 비교 분석하도록 한다.
도 2를 참조하면 시 종착역의 한 형태인 Y트랙에서 동적 충전과 정적 충전이 어떠한 형태로 발생하는지를 알 수 있도록 한다.
도 2를 참조하면 Y트랙의 경우 동적 충전은 하기에서 나타낸 바 6개의 다른 위치에서 발생한다.
1) 트램이 플랫폼에 도착시 (D1)
2) 트램이 플랫폼에서 회차선으로 출발시 (D2)
3) 트램이 회차선에 접근시 (D3)
4) 트램이 회차선에서 출발시 (D4)
5) 트램이 플랫폼에 접근시 (D5)
6) 트램이 플랫폼에서 출발시 (D6)
도 2를 참조하면 Y트랙의 경우 정적 충전은 하기와 같이 세 위치에서 발생한다.
1) 트램이 플랫폼에 정차시(승객 하차) (S1)
2) 회차선에서 기관사 방향 변경시 (S2)
3) 트램이 정거장에서 정차시(승객 승차) (S3)
Y트랙은 트램이 방향을 바꾸기 위한 회차선이 있고 이 회차선에서도 1차코일이 설치되어 있음이 일반적이므로 충전율 분석을 위한 수학적 모델은 다음과 같은 수식으로 표현된다.
회차선에서의 1차코일의 길이 : yl
회차선에서의 1차코일 시작 지점 : yf
회차선에서의 1차코일 끝나는 지점 : ye
회차선에서의 트램이 도착할 때 충전 거리 :
Figure pat00010
회차선에서의 트램이 출발할 때 충전 거리 :
Figure pat00011
회차선에서 트램이 도착할 때 부터 까지 거리 :
Figure pat00012
회차선에서 트램이 출발할 때 부터 까지 거리 :
Figure pat00013
기관사가 운전실을 교환할 때 필요한 조치의 소요 시간 : margin
(10)
Figure pat00014
(11)
Figure pat00015
(12)
Figure pat00016
상기 (10) 수식은 트램이 선로의 상선에서 이동하여 회차선에 진입할 때 2차코일의 충전량을 의미하고, (11) 수식은 트램이 회차선에서 선로의 하선으로 진행할 때 2차코일의 충전량을 의미하며, (12) 수식은 기관사가 회차선에 진입후 운전실을 교한할 때의 정적 충전량을 의미한다.
결과적으로 Y트랙에서 트램에 충전되는 총량은 다음의 수식으로 결정된다.
(13)
Figure pat00017
도 3을 참조하면 시 종착역의 한 형태인 X트랙에서 동적 충전과 정적 충전이 어떠한 형태로 발생하는지를 알 수 있도록 한다.
도 3을 참조하면 X트랙의 경우 동적 충전은 다음의 두 위치에서 수행된다.
1) 트램이 플랫폼에 도착시 (D1)
2) 트램이 플랫폼에서 출발시 (D2)
반면 정적충전은 트램이 정차시 (승객의 승하차시) (S1) 에서만 발생한다.
(14)
Figure pat00018
따라서 X트랙에서의 총충전량은 상기 (14)수식으로 정해진다.
상기 수식에 따르면 시종착역 트랙 형태가 Y트랙일 경우 X트랙보다 충전량이 많다는 것을 알 수 있다.
도 4를 참조하면 상기 무가선 트램(100)은 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 프로그래밍되어 임베딩된 제어부(110); 배터리부(120); 전력변환부(130); 구동부(140); 및 회생제동충전부(150);를 포함한다.
도 4를 참조하면 상기 제어부(110)는 상기 배터리부(120)의 충전량과 구동부(140)의 속도를 센싱하여 전력변환부(130)에 상기 속도 제어 알고리즘에 따른 신호를 상기 전력변환부(130)에 출력하여 구동부(140)를 구동케 하여 트램의 속도를 제어하며, 전력변환부(130)가 플랫폼의 1차코일부로부터 트램하부의 2차코일부에 무선전달되는 전력을 배터리부에 충전되도록 하는 변환 및 상기 회생제동충전부(150)로부터 전달되는 전력을 배터리부(120)에 충전되도록 하는 변환을 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 6을 참조하면 상기 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘은 상기 제어부(110)에 의해 동적 충전이 시작되는 출발시에 배터리부(120)의 충전량을 센싱하는 배터리부 충전량 센싱 단계(S100); 배터리부(120)의 충전량의 충족여부를 판단하는 배터리부 충전량 충족여부 판단 단계(S200); 배터리부(120)의 충전량이 충족된 것으로 판단되는 경우 평상시 각각 연결된 플랫폼간의 거리, 동적 충전 시간에 따라 미리 계산되어 입력된 평균속도테이블에 따른 트램의 속도에 따라 동적 충전이 되는 평균속도테이블의 트램 속도에 따른 동적 충전 단계(S310); 및 배터리부(120)의 충전량이 미달된 것으로 판단되는 경우 각 플랫폼에서 출발할 때의 동적충전 구간에서의 평균속도를 -△V하고, 다음 플랫폼에서의 도착할 때의 동적충전 구간에서의 평균속도테이블상의 평균속도를 -△V" 하여 운행하되, 플랫폼사이의 충전이 이루어지지 않는 구간에서의 속도는 +△V' 하여 운행하여 동적 충전이 되는 속도 보상치에 따른 동적 충전 단계(S320);로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 평균속도테이블은 타임테이블의 형태로도 물론 가능하다.
상술한바와 같이 트램의 충전량은 모든 조건이 같다는 전제하에서 충전시간에 따라 충전량이 달라지는 것은 상술한바와 같다.
즉 트램의 충전량은 동적충전에 의한 것과 정적충전에 의한 것이 있을 수 있는데, 이중 정적충전에 의한 것은 정형적으로 정해짐이 일반적임을 고려하면 트램의 충전량 대소는 동적충전에 의한 충전량으로 정해진다고 봐야 할 것이고, 이는 곧 동적 충전 영역에서의 트램 속도에 의해 좌우되는 것이다.
따라서 상기 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘은 어느 한 플랫폼에서 출발할 때에 충전량을 검측을 하고 검측된 충전량이 최적 충전량 이상인지 미만인지에 따라 일반적인 타임테이블에 따른 속도로 운행을 하거나, 변형된 속도로 운행을 하는 것이다.
일반적으로 평균속도 테이블 혹은 타임테이블은 실제 플랫폼과의 거리, 곡선 트랙의 존재 및 수, 트랙의 고저차, 트램의 사양(최고속도, 기어비, 구동력, 제동력 사양등)등에 의해 구체적으로 정해진다.
하기에서는 타임테이블 형태로 설명하되, 시 종착역은 설명 편의상 표에서 표기하지 않고(즉 제외하고) 설명한다.
또한 도8에서와 같이 표에서 적용되는 트램은 3량으로 하고, 전체 충전용량은 500kW로 가정하였다.
배터리부의 충전효율은 90%이고, 트램의 3량으로서 전체 길이는 60m이고, 플랫폼 길이는 전 후방 5m의 과주 여유거리를 두어 70m로 가정한다.
또한 1차 코일은 80m, 2차 코일은 트램 하부에 10m 길이 3개가 설치되어 플랫폼에 들어설때 자기유도방식으로 전류가 공급되어 트램 내의 배터리가 충전되는 것으로 설정한다.
트램사양은 하기의 표 1과 같다.
출발시 최대 가속도 1.07m/s^2
제동시 최대 감속도 2.8 m/s^2
평시 감속도 1.3 m/s^2
최대 속도 70km/h
바퀴 직경 0.820m
기어비 99/14
구동력 620kW
먼저 표 2는 검측충전량이 최적충전량을 상회하므로 평균속도테이블에 따른 트램 속도에 따라 동적충전이 되는 것을 보여준다.
플랫폼 거리(km) 시간(초) km/h 충전량(kW) kwh[소요]
동적충전[출발] 사이 동적충전[도착] 동적충전[출발] 사이 동적충전[도착] 동적충전[출발] 사이 동적충전[도착] 정적충전량 최적충전량 검측충전량
A B 0.04 0.92 0.04 15 112 15 4 42.43 4 11.2 60 62 21.33
B C 0.04 0.98 0.04 15 120 15 4 42.43 4 11.2 60 61 22.21
C D 0.04 1.14 0.04 15 136 15 4 42.43 4 11.2 58 60 24.33
D E 0.04 1.22 0.04 15 142 15 4 42.43 4 11.2 58 59 26.18
E F 0.04 0.98 0.04 15 120 15 4 42.43 4 11.2 56 58 21.45
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표 3에서는 플랫폼 B-C 구간에서 검측충전량이 최적충전량보다 낮은 값을 가짐에 따라 속도보정치가 적용됨에 따라 플랫폼 B,C의 동적충전 영역에서 속도가 느려짐에 따라 충전시간이 각 2초씩 늘어나고, 대신에 플랫폼 사이에서 속도가 빨라지는 것을 알 수 있다.
이 때 각 구간에서의 속도 보상치 △V, △V‘, △V“는 트램의 사양, 플랫폼 사이의 트랙 형태 및 거리에 따라 정해지는 것으로서, 일률적으로 하나의 값만 가지는 것이 아니고, 여러 선택가능한 속도보상치를 가지게 되어 이를 선택할 수 있도록 함이 바람직하다.
다만 어떠한 속도보상치를 적용하든 플랫폼간의 운행소요시간은 동일하게 설정되고 이에 따라 운행하게 된다.
이러한 속도 제어 알고리즘은 운행을 하는 운행자에 의해 수동으로 제어될 수도 있고, 자동으로 제어될 수 있다.
수동으로 제어되는 경우에는 플랫폼마다 최적 충전량과 검측된 충전량이 운행자에게 디스플레이되는 시스템이 갖추는 것이 바람직하다.
플랫폼 거리(km) 시간(초) km/h 충전량(kW) kwh[소요]
동적충전[출발] 사이 동적충전[도착] 동적충전[출발] 사이 동적충전[도착] 동적충전[출발] 사이 동적충전[도착] 정적충전량 최적충전량 검측충전량
A B 0.04 0.92 0.04 15 112 15 4 42.43 4 11.2 60 62 21.33
B C 0.04 0.98 0.04 17 116 17 3.2 44.24 3.2 11.2 60 59 22.21
C D 0.04 1.14 0.04 15 136 15 4 42.43 4 11.2 58 60 24.33
D E 0.04 1.22 0.04 15 142 15 4 42.43 4 11.2 58 59 26.18
E F 0.04 0.98 0.04 15 120 15 4 42.43 4 11.2 56 58 21.45
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도 5를 참조하면 상기 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 어떻게 적용되는지를 가정적으로 보여주고 있다.
도 7을 참조하면 상기 평균속도테이블에 따른 트램의 속도에 따른 동적 충전 단계 및 속도 보상치에 따른 동적 충전 단계에 있어 플랫폼에서 출발한 순간부터 다음 플랫폼에서 정지할 때까지의 평균속도는 서로 동일함이 바람직하다.
도 7을 참조하면 A역 플랫폼에서 출발할 때부터 B역에 도착할 때까지의 속도를 보여주고 있는바, 실제로는 속도 곡선이 직선으로는 되지 않음이 일반적이나 설명의 편의에 의해 속도 곡선을 직선으로 하여 하기와 같이 설명한다.
충전량을 만족한 경우와 충전량이 부족하여 속도보상치가 적용된 경우 모두 속도 곡선이 X축과의 관계에서 이루는 면적은 거리를 의미하는 바 위 아래 곡선에서의 면적은 같아야 한다.
속도곡선상 위에 푸른선은 트램이 낼 수 있는 정격 최대 속도를 의미하는 것으로서, 본 발명에 따른 속도제어 알고리즘은 상기 정격 최대 속도를 초과하는 것을 금지하고 있다.
다만 아래 속도곡선에 의하면 동적충전 구간에서의 속도가 평시에 비해 느려지는 바 동적충전 구간은 상대적으로 길어지는 것으로 보이나, 이는 어디까지나 시간에 따른 속도가 어떻게 변하는가를 보여주는 곡선에 따른 것이므로 그에 따라 동적충전 구간을 더 넓게 보이도록 한 것에 불과하다.
회생제동충전부(150)에 의한 충전의 경우에 배터리부(120) 대신에 울트라캐패시터에 충전함이 바람직하다.
상기 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 무선전력전송 방식은 자기유도방식을 사용함이 바람직하다.
상기 배터리부(120)는 단주기형과 장주기형이 혼합된 하이브리드 배터리를 사용함이 바람직하다.
본 발명에 따른 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째 본 발명은 무가선 트램의 실제 운행시에 적합한 배터리의 충전량을 유지하면서 동적 충전 및 정적 충전을 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템으로서, 어떠한 상황의 운행에도 최적화된 충전 및 운행 시나리오를 제공할 수 있다.
둘째 본 발명은 무선전력전송 무가선 트램 시스템에 있어서, 운행에 적합한 충전량을 플랫폼에서 출발할 때마다 검측하여 이에 따른 충전 혹은 속도 제어알고리즘을 제안하여 최적의 충전이 될 수 있도록 하여 배터리부의 충전률이 운행할 수 없는 최악의 상황을 회피할 수 있도록 한다.
셋째 상기 속도 제어 알고리즘은 전체 평균 속도를 변형하지 않고, 동적 충전 구간과 동적 충적 공간 사이의 운행 속도만을 변형하므로, 트램의 운행시간이 더 빨라지거나 연착됨이 없이 그대로 유지되도록 한다.
넷째 상기 무가선 트램 시스템에서도 회생제동 충전이 가능하도록 하는 한편 배터리부외에 울트라커패시터를 보조충전부로 활용하여 배터리의 충전횟수를 줄여 내구연한이 유지되도록 한다.
다섯째 무가선 트램 시스템을 구성하는 배터리부는 하이브리드 배터리를 사용하도록 하여 충전효율이 최적화되도록 한다.
100 : 무가선 트램 110 : 제어부
120 : 배터리부 130 : 전력변환부
140 : 구동부 150 : 회생제동 충전부
200 : 무선전력전달부
S100 : 배터리부 충전량 센싱 단계
S200 : 배터리부 충전량 충족여부 판단 단계
S310 : 평균속도테이블의 트램 속도에 따른 동적 충전 단계
S320 : 속도보상치에 따른 동적 충전 단계

Claims (6)

  1. 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 트램의 운행방법에 있어서,
    상기 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 무선전력전송은 플랫폼의 트랙에 설치되는 1차코일부로부터 트램의 하부에 설치되어 있는 2차코일부로 무선전력전달이 되며,
    상기 무가선 트램은
    충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 프로그래밍되어 임베딩된 제어부; 배터리부; 전력변환부; 구동부; 및 회생제동충전부;를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 배터리부의 충전량과 구동부의 속도를 센싱하여 전력변환부에 상기 속도 제어 알고리즘에 따른 신호를 상기 전력변환부에 출력하여 구동부를 구동케 하여 트램의 속도를 제어하며, 전력변환부가 플랫폼의 1차코일부로부터 2차코일부에 무선전달되는 전력을 배터리부에 충전되도록 하는 변환 및 상기 회생제동충전부로부터 전달되는 전력을 배터리부에 충전되도록 하는 변환을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘은
    상기 제어부에 의해 동적 충전이 시작되는 출발시에 배터리부의 충전량을 센싱하는 배터리부 충전량 센싱 단계;
    배터리부의 충전량의 충족여부를 판단하는 배터리부 충전량 충족여부 판단 단계;
    배터리부의 충전량이 충족된 것으로 판단되는 경우 평상시 각각 연결된 플랫폼간의 거리, 동적 충전 시간에 따라 미리 계산되어 입력된 평균속도테이블에 따른 트램의 속도에 따라 동적 충전이 되는 평균속도테이블의 트램 속도에 따른 동적 충전 단계; 및
    배터리부의 충전량이 미달된 것으로 판단되는 경우 각 플랫폼에서 출발할 때의 동적충전 구간에서의 평균속도를 -△V하고, 다음 플랫폼에서의 도착할 때의 동적충전 구간에서의 평균속도테이블상의 평균속도를 -△V" 하여 운행하되, 플랫폼사이의 충전이 이루어지지 않는 구간에서의 속도는 +△V' 하여 운행하여 동적 충전이 되는 속도 보상치에 따른 동적 충전 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 평균속도테이블에 따른 트램의 속도에 따른 동적 충전 단계 및 속도 보상치에 따른 동적 충전 단계에 있어 플랫폼에서 출발한 순간부터 다음 플랫폼에서 정지할 때까지의 평균속도는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    회생제동충전부에 의한 충전의 경우에 배터리부 대신에 울트라캐패시터에 충전하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서의 무선전력전송 방식은 자기유도방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리부는 단주기형과 장주기형이 혼합된 하이브리드 배터리를 사용하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법.
KR1020170169909A 2017-12-12 2017-12-12 무선전력전송 무가선 트램 시스템에서 충전량 충족을 위한 속도 제어 알고리즘이 적용된 운행방법 KR102027482B1 (ko)

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