KR20200052163A - 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 soc 관리 방법 - Google Patents

Abstract

수소연료전지 하이브리드 철도차량의 SOC 관리 방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 수소연료전지 및 2차전지를 포함하는 수소연료전지 하이브리드 철도차량내부에 배치된 2차전지의 SOC 관리 방법으로서, 상기 차량이 철도 역사에 정차시 상기 수소연료전지로부터 상기 2차전지로 전력을 공급하여 상기 2차전지를 충전하는 2차전지 충전단계, 상기 2차전지 충전단계에서 상기 2차전지가 기준정차시간 동안 충전된 시점의 상기 2차전지의 잔존 SOC 값을 감지하는 잔존SOC 감지단계 및, 상기 잔존SOC 감지단계에서 감지된 상기 잔존 SOC가 기준 SOC보다 적은 경우, 상기 2차전지의 SOC가 상기 기준 SOC 값에 도달하도록 상기 차량의 정차 시간 및 상기 2차전지의 충전시간을 연장하도록 하는 충전연장 결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리 방법을 제공한다.

Description

수소연료전지 하이브리드 철도차량의 SOC 관리 방법{SOC management method for hydrogen fuel cell hybrid railway vehicle}

본 발명은 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 SOC 관리 방법에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

종래 수소연료전지 하이브리드 철도시스템이 개발되었다. 수소연료전지 하이브리드 철도차량은 수소연료전지 및 2차전지를 포함하며, 수소연료전지를 차량 주행을 위한 주 동력원으로 사용한다. 또한 2차전지를 차량 주행을 위한 보조 동력원 및 차량 내 기타 보조 전원 장치 구동을 위한 동력원으로 사용한다.

수소연료전지 하이브리드 철도차량에서 2차전지는 충방전을 반복한다. 2차전지의 충방전을 위한 전력 공급원은 수소연료전지를 발전시킴으로써 생산되는 전력과 철도차량의 회생제동시 발생하는 회생에너지를 포함한다.

또한, 2차전지의 충방전을 위한 전력 공급원에는 철도역사에 구비된 별도의 에너지 저장장치로부터 공급되는 전력을 포함할 수도 있다.

한편, 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 주행시에는 소모되는 전력량이 많으므로 2차전지의 방전량이 충전량보다 커질 수 있다. 이때 2차전지의 SOC(State Of Charge)가 감소하는 현상을 방지하기 위해, 철도역사에 차량이 정차하는 시간 동안 수소연료전지로부터 발전된 전력을 2차전지로 공급하여 2차전지의 충전을 진행한다.

이 경우, 만약 차량의 2차전지의 현재 SOC를 고려하지 않고 일정한 정차 시간동안 2차전지의 충전을 진행하게 된다면 2차전지의 SOC가 계획적으로 관리되지 못할 수 있다.

즉, 이 경우 차량이 복수의 역사를 거치며 철도노선을 주행하는 동안, 2차전지의 SOC가 지속적으로 감소할 수 있다. 이 경우, 2차전지의 SOC 감소에 의해 철도 차량 주행에 필요한 출력을 낼 수 없게 되는 상황이 발생할 수 있다.

이에, 본 발명은 철도 차량이 철도 역사에 정차했을 때의 SOC 상태에 따라철도차량의 정차시간 및 2차전지 충전시간을 달리 설정하여 2차전지의 SOC를 효율적으로 관리할 수 있는 SOC 관리 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.

또한, 본 발명은 2차전지 충전을 위해 연장된 정차 시간을 보상하도록 주행프로파일을 재설정하여 각 정차역에 정시에 도달할 수 있는 SOC 관리 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 수소연료전지 및 2차전지를 포함하는 수소연료전지 하이브리드 철도차량내부에 배치된 2차전지의 SOC 관리 방법으로서, 상기 차량이 철도 역사에 정차시 상기 수소연료전지로부터 상기 2차전지로 전력을 공급하여 상기 2차전지를 충전하는 2차전지 충전단계, 상기 2차전지 충전단계에서 상기 2차전지가 기준정차시간 동안 충전된 시점의 상기 2차전지의 잔존 SOC 값을 감지하는 잔존SOC 감지단계 및, 상기 잔존SOC 감지단계에서 감지된 상기 잔존 SOC가 기준 SOC보다 적은 경우, 상기 2차전지의 SOC가 상기 기준 SOC 값에 도달하도록 상기 차량의 정차 시간 및 상기 2차전지의 충전시간을 연장하도록 하는 충전연장 결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, SOC 관리 방법은 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 2차전지의 SOC를 효율적으로 관리할 수 있는 효과가 있다.

또한, SOC 관리 방법은 2차전지의 SOC가 부족해지는 상황을 방지하면서도, 각 철도 역사에 철도 차량이 정시에 도착할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법이 적용되는 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법과 비교하기 위한 비교 실시예에 따른 SOC 관리방법이 적용된 시스템의 주행프로파일, 2차전지의 에너지 충방전 상태 및 SOC 상태를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법에서 현재 정차역에서 기준정차시간이 지난 시점의 차량의 2차전지의 잔여 SOC를 감지하고, 이에 따라 주행프로파일을 달리 설정하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법이 적용된 시스템의 주행프로파일, 2차전지 에너지 충방전 상태 및 2차전지 SOC 상태를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법을 적용할 때, 철도차량이 주행 노선 상에서 각 노선 상태에 따라 가속비를 달리하여 주행하는 상태를 설명하기 위한 도면 및 테이블이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법을 적용할 때, 주행프로파일 설정단계에서 주행 노선의 각 지점의 상태에 따라 가속비를 달리 설정하여 연장충전주행 프로파일을 작성하는 과정을 도시한 순서도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 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.

본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법이 적용되는 수소연료전지 하이브리드 철도차량(10)의 구성을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법이 적용되는 수소연료전지 하이브리드 철도차량(차량; 10)은 수소연료전지(연료전지; 11), 2차전지(12), 인버터(13) 및 모터(14)를 포함할 수 있다.

철도차량(10) 상에는 차량(10)의 구동 및 주행을 위한 기타 구성이 구비될 수 있다. 철도차량(10)은 예를 들어 2량으로 구성될 수 있다. 또한 철도차량(10)은 차체 상에 구동 및 주행을 위한 전력 공급원이 구비되어 있으므로, 별도의 가선을 통해 외부 발전소와 연결될 필요가 없는 것이 특징이다.

수소연료전지(11)는 산소와 수소를 이용하여 발전함으로써 전력을 생산한다. 수소연료전지(11)는 차량(10)의 구동 및 주행을 위한 1차적인 전력 공급원으로 기능한다. 한편, 수소연료전지(11)로부터 생산된 전력은 차량(10)의 주행을 위한 전력원으로 사용될 수 있을 뿐 아니라, 2차전지(12)의 충전을 위한 전력 공급원으로도 사용될 수 있다.

2차전지(12)는 충전 또는 방전이 가능한 전지로써, 수소연료전지(11)와 같이 차량(10)의 구동 및 주행을 위한 전력 공급원으로 기능한다. 2차전지(12)는 예를 들어 리튬 이온 전지일 수 있다.

수소연료전지(11) 발전에 의해 차량(10) 주행 시 요구되는 출력량을 만족시킬 수 없는 경우, 2차전지(12) 방전에 의해 발생된 전력이 보조 전력의 역할을 함으로써 요구되는 출력량을 만족시킬 수 있다.

2차전지(12)의 충전은 예를 들어 수소연료전지(11)로부터 발전된 전력을 공급받아 이루어질 수 있으며, 또한 차량(10)의 제동 시 발생하는 회생에너지를 이용하여 충전될 수도 있다.

한편 수소연료전지(11)로부터 발전된 전력을 공급받아 이루어지는 2차전지(12)의 충전은 차량(10) 주행 시 또는 정차 시에 모두 이루어질 수 있다.

차량(10) 주행 시 수소연료전지(11)로부터의 2차전지(12) 충전은, 수소연료전지(11)의 발전 전력 중 차량(10) 주행을 위해 소모한 전력량을 제외한 잉여 전력에 의한 것일 수 있다. 따라서 차량(10) 주행 시 수소연료전지(11)로부터의 2차전지(12) 충전은 제한적인 범위 내에서만 가능하다고 할 수 있다.

한편, 차량(10)의 철도 역사 정차 시에도 수소연료전지(11)로부터의 2차전지(12) 충전이 이루어질 수 있다. 이때 수소연료전지(11)에서 발전된 전력은 차량(10)의 주행을 위해 소모될 필요가 없으므로, 발전 전력 전부가 2차전지(12)의 충전을 위해 공급될 수 있다.

인버터(13)는 수소연료전지(11) 또는 2차전지(12)에 의해 발전된 전력을 모터(14)로 전달해주며, 수소연료전지(11) 또는 2차전지(12)에 의해 발전된 직류 전력은 인버터(13)에 의해 교류 전력으로 변환되어 모터(14)로 전달된다.

모터(14)는 수소연료전지(11) 및 2차전지(12)로부터 전력을 공급받아 작동하며, 차량(10)에 추진력을 제공한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법과 비교하기 위한 비교 실시예에 따른 SOC 관리방법이 적용된 시스템의 주행프로파일, 2차전지(12)의 에너지 충방전 상태 및 SOC 상태를 도시한 그래프이다.

이하 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법과 비교하기 위한 비교 실시예에 따른 SOC 관리방법이 적용된 시스템의 철도차량(10)의 주행 상태에 따른 SOC 상태에 대해 설명한다.

먼저, 철도차량(10)은 A역에서 출발하게 되며, A역에서 차량(10)이 출발하는 시점(

)에 2차전지(12)의 SOC는 제1 SOC 값을 가진 상태라고 가정한다. 이때 제1 SOC는 철도차량(10)을 안정적으로 운행할 수 있을 정도로 충분히 높은, 바람직한 SOC 값이다. 한편 철도차량(10)은 A역을 출발하여 E역에 도착할 때까지 각 주행노선 구간에서 동일한 주행프로파일을 따라 운행하도록 계획된다.

A역에서 출발한 철도차량(10)은 A역과 B역 간의 주행 노선 상을 주행하면서, 2차전지(12)의 SOC를 소모하게 된다. 이로 인해 철도차량(10)의 2차전지(12)는 B역에 도착 시에 A역에서 출발했을 때의 상태인 제1 SOC보다 작은 SOC 값을 가진 상태가 된다.

B역에 도착한 철도차량(10)은 정차 시간 동안 수소연료전지(11)를 발전시킴으로써 생성된 전력을 2차전지(12)로 공급하여 2차전지(12)를 충전시킨다. 이때 2차전지(12)는 ΔSOC만큼 충전되며, 이로 인해 철도차량(10)의 주행 동안 손실된 SOC량을 어느 정도 보상할 수 있다.

그러나 이 경우 철도차량(10)의 정차 시간은 다음 역 도착 시간을 준수하기위해 일정 범위 내로 제한될 수 밖에 없다. 따라서 2차전지(12)의 충전시간도 일정 시간 내로 제한될 수 밖에 없으며, 충전되는 SOC의 양에도 한계가 있다.

이때, B역을 출발하는 시점에서 2차전지(12)의 SOC는 A역을 출발할 때의 SOC 값인 제1 SOC보다 작은 상태이다. 이는 차량(10)이 A 역을 출발하는 시점과 B 역을 출발하는 시점 사이의 시간 동안 SOC 값의 손실이 발생했다는 것을 의미한다.

이와 같은 현상은 이후 각 역을 지날 때마다 발생하며, 이러한 SOC 손실은 복수의 역을 지남에 따라 누적된다. 이에 따라 D역과 E역 사이의 노선을 운행할 때에는 차량(10)이 최대 출력을 낼 수 없으므로 정해진 프로파일대로 운행할 수 없는 구간(DZ)이 생긴다.

이 경우 차량(10)이 E역에 정시에 도착할 수 없으며, 차량(10)이 E역에 도착하는 시점에 2차전지(12)의 SOC가 지나치게 작은 값을 가지게 되는 문제가 발생한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법은 2차전지 충전단계(S1), 잔존SOC 감지단계(S2), 충전연장 결정단계(S3), 노선데이터 분석단계(S4), 주행프로파일 설정단계(S5) 및 주행단계(S6)를 포함한다.

2차전지 충전단계(S1)에서는 차량(10)이 현재 역에 도착하여 2차전지(12) 충전을 시작한다.

잔존SOC 감지단계(S2)에서는 차량(10)이 현재 역에 도착하여 2차전지(12) 충전을 시작한 후, 기준정차시간이 도과한 시점의 2차전지(12)의 SOC 값을 감지한다. 이 시점의 SOC가 기준 SOC에 도달했는지 여부에 따라 충전연장 결정단계(S3)에서 차량(10)의 정차시간 및 충전시간을 연장할지 여부가 결정된다.

여기서 기준정차시간이란 해당 역사에서 통상적으로 철도차량(10)이 정차하는 시간의 길이를 의미하며, 이는 임의적으로 정해지는 값일 수도 있다.

한편, 여기서 기준 SOC는 임의적으로 설정된 값이며, 철도차량(10)의 2차전지(12)가 충분한 출력을 가지고 안정적으로 주행할 수 있을 정도로 높은 SOC 값을 의미한다.

또한 예시적으로 기준 SOC는 차량(10)이 현재 역사에 정차하기 직전에 정차한 역사에서 차량(10)이 출발했던 시점에서 2차전지(12)가 가졌던 SOC 값으로 설정할 수 있다. 이는 추후 설명할 내용과 같이, 차량(10)이 각 역사를 지남에 따라 2차전지(12)의 SOC 값이 지속적으로 감소되는 현상을 방지하기 위함이다.

충전연장 결정단계(S3)에서는 잔존SOC 감지단계(S2)에서 감지된 2차전지(12)의 SOC 값에 기반하여 차량(10)의 정차시간 및 충전시간을 연장할지 여부를 결정한다.

이때, 만약 차량(10)이 철도역사에 도착하여 2차전지(12)의 충전을 시작한 때로부터 기준정차시간이 도과된 시점에 2차전지(12)의 측정된 SOC가 기준 SOC 이상이라면 차량(10) 출발하도록 결정한다.

한편, 차량(10)이 철도역사에 도착한 후 기준정차시간이 지난 시점에 측정된 2차전지(12)의 SOC가 기준 SOC 미만이라면 기준정차시간보다 연장된 연장정차시간 동안 차량(10)이 철도역사에 정차하도록 한다. 이 경우, 기준정차시간 동안만 차량(10)이 철도역사에 정차하며 2차전지(12)의 충전을 수행할 때보다 더 긴 시간 동안 2차전지(12)의 충전을 수행할 수 있다.

노선데이터 분석단계(S4)에서는 현재 정차역에서 철도차량(10)이 출발하기 전에 현재 정차역으로부터 다음 정차역까지의 노선에 대한 데이터를 분석한다. 이때, 노선의 경사 구배에 대한 데이터가 분석될 수 있으며, 노선데이터 분석단계(S4)에서 분석된 노선의 경사 구배에 대한 데이터는 추후 주행프로파일 설정단계(S5)에서 주행프로파일을 설정하기 위한 기초 정보로 활용된다.

한편, 노선데이터 분석단계(S4)에서의 노선데이터 분석은 차량(10)이 현재 정차역에서 기준정차시간보다 초과된 시간, 즉 연장정차시간 동안 정차하며 2차전지(12)를 충전한 경우에만 수행하는 것일 수 있다.

이는 차량(10)이 현재 정차역에서 기준정차시간만큼만 정차한 경우에는 기존의 표준주행 프로파일대로 차량(10)을 운행해도 다음 정차역에 예정된 시간에 충분히 도착할 수 있을 것이므로, 이 경우 노선데이터를 새로 분석하여 주행프로파일을 다시 설정할 필요가 없기 때문이다.

한편, 여기서 표준주행 프로파일이란, 차량(10)이 정상주행모드(일반적인 주행모드)에서 해당 노선을 운행할 때 추종하는, 평상시의 주행프로파일을 말한다.

따라서 이 경우에는 노선데이터 분석 및 주행프로파일의 재설정이 필요 없이, 이미 작성된 표준주행 프로파일에 의해 차량(10)이 주행하도록 하면 충분하다.

주행프로파일 설정단계(S5)에서는 현재 정차역에서 다음 정차역으로 출발하기 전에 다음 정차역까지의 주행프로파일을 설정한다.

이때, 만약 현재 정차역에서의 정차시간이 기준정차시간 이하였다면, 기본적으로 셋팅된 표준주행 프로파일을 따라 철도차량(10)이 주행하도록 주행프로파일을 설정하며, 주행프로파일을 재 작성할 필요가 없다.

한편, 현재 정차역에서 기준정차시간을 초과한 연장정차시간만큼 정차했다면 표준주행 프로파일과 차별화되는 연장충전주행 프로파일을 작성하며, 작성된 연장충전주행 프로파일에 따라 철도차량(10)이 주행하도록 주행프로파일을 설정한다.

이때 연장충전주행 프로파일을 작성함에 있어, 기준정차시간에 대해 초과된 정차 시간의 길이를 고려하여 연장충전주행 프로파일을 작성한다. 또한 노선의 각 영역의 경사 구배에 대한 데이터를 기초로 연장충전주행 프로파일을 작성한다.

주행단계(S6)에서는 주행프로파일 설정단계(S5)에서 설정한 주행프로파일을 따라 철도차량(10)이 주행한다. 이때, 정차역에서의 차량(10) 정차시간이 기준정차시간 이하였다면, 표준주행 프로파일을 따라 차량(10)이 주행하게 된다.

한편, 정차역에서의 차량(10) 정차시간이 기준정차시간을 초과했다면, 연장충전주행 프로파일을 따라 차량(10)이 주행하게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법에서 현재 정차역에서 기준정차시간이 지난 시점의 차량(10)의 2차전지(12)의 잔여 SOC를 감지하고, 이에 따라 주행프로파일을 달리 설정하는 과정을 도시한 순서도이다.

철도 노선 상을 주행하던 철도차량(10)은 현재의 철도 역사에 정차한다.

철도차량(10)은 현재의 철도 역사에서 2차전지(12)의 충전을 수행한다. 2차전지(12)의 충전을 수행하고 기준정차시간이 도과한 시점에서, 현재 2차전지(12)의 잔존SOC가 측정된다.

만약 잔존하는 현재 SOC가 기준 SOC 이상인 경우, 차량(10)은 표준 주행프로파일을 설정하고, 이에 따라 다음 역으로 출발 및 주행을 시작한다.

한편, 여기서 기준 SOC는 예를 들어 현재 역사에 정차하기 직전에 정차한 역사에서 차량(10)이 출발했던 시점에 차량(10)의 2차전지(12)가 가졌던 SOC 값으로 설정할 수 있음은 앞서 설명하였다.

한편 기준정차시간이 도과한 시점에서 2차전지(12)의 현재 SOC가 기준 SOC 미만인 경우, 앞서 설명한 바와 같이 2차전지(12)의 충전시간 및 차량(10)의 정차시간은 연장된다.

이때 2차전지(12)는 철도 역사에서 기준정차시간보다 연장된 시간인 연장정차시간 동안 정차하며 충전된다. 또한 주행프로파일 설정단계(S5)에서 차량(10)이 다음 정차역까지 주행하기 위한 연장충전주행 프로파일을 작성한다.

이때 연장충전주행 프로파일 작성에는 연장정차시간의 기준정차시간에 대한 초과시간 및 다음 역까지 주행할 노선의 경사 구배가 참고된다. 이와 같은 정보를 바탕으로 주행프로파일 설정단계(S5)에서는 노선의 각 지점에서의 출력 또는 가속도를 설정하며, 이때 노선의 각 지점 상에서의 철도 차량(10)의 최대속도도 같이 설정될 수 있다.

이와 같이 철도 역사에서 2차전지(12)의 충전 및 주행프로파일 작성을 마친 후, 철도차량(10)은 작성된 연장충전 주행프로파일에 따라 다음 역까지 주행하게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법이 적용된 시스템의 주행프로파일, 2차전지(12) 에너지 충방전 상태 및 2차전지(12) SOC 상태를 도시한 그래프이다.

철도차량(10)이 A역을 출발하는 시점(

)에서, 철도차량(10)의 2차전지(12)는 기준 SOC보다 큰 제1 SOC만큼 충전되어 있다. 이때 철도차량(10)이 A역을 출발하는 시점에 2차전지(12)의 SOC는 기준 SOC이상의 값을 가지므로, A역과 B역 사이에 형성된 주행 노선상에서 차량(10)은 표준주행 프로파일에 따라 주행하게 된다.

A역과 B역 사이에 형성된 주행 노선상에서 차량(10)이 주행하는 동안 2차전지(12)의 충전량보다 방전량이 더 많으므로, 차량(10)이 B역에 도착하는 시점(

)에 차량(10) 2차전지(12)의 SOC 값은 제1 SOC 값보다 작은 값이 된다.

이 경우, 만약 B역에서 철도 차량(10)이 기준정차시간(

~

) 동안만 정차하면서 2차전지(12)를 충전한다면, 기준정차시간이 도과한 시점(

)에서 2차전지(12)의 SOC 값은 기준 SOC보다 작은 값을 가지게 된다. 이 경우, 차량(10) 주행에 있어서 필요한 출력을 안정적으로 제공하기 어렵다.

이와 같은 상황을 방지하기 위해, 충전연장 결정단계(S3)에서 차량(10)이 평소 정차시간보다 더 긴 시간인 연장정차시간(

~

)동안 B역에 정차하도록 결정함으로써 2차전지(12)의 충전을 위한 충분한 시간이 확보되도록 한다. 이때 B 역에서의 차량(10) 출발 시간은 기준정차시간 동안만 정차했을 때의 출발 시간인

보다 늦은

이 된다.

이와 같이 차량(10)의 정차 시간을 늘려 2차전지(12)의 충전 시간을 연장함으로써, B역에서 차량(10)이 출발하는 시점의 2차전지(12)의 SOC가 기준 SOC 값 이상의 값을 가지도록 충전된다. 이때 예를 들어 2차전지(12)는 A역에서 차량(10)이 출발하는 시점의 2차전지(12) SOC 값인 제1 SOC 값만큼 충전될 수 있다. 이로 인해 차량(10) 주행시 출력을 안정적으로 확보할 수 있다.

한편, 이 경우 B역에서의 정차 시간이 연장되었으므로, 차량(10)이 만약 표준주행 프로파일에 따라 주행한다면 C역에 정시에 도착하지 못할 수 있다.

이와 같은 상황을 방지하기 위해 다음 역인 C역에 정시에 도착하기 위해서 주행프로파일을 연장충전주행 프로파일로 재작성한다.

이때 작성되는 연장충전주행 프로파일은 예를 들어 노선의 각 지점에서의 경사 구배를 고려하여 해당 지점에서의 차량(10)의 가속도를 설정하고, 또한 철도 차량(10) 주행시의 최대 속력을 변경하는 방식으로 작성될 수 있다. 이와 같이 노선의 경사 구배를 고려하여 차량(10)의 가속도를 설정하는 과정에 대해서는 추후 도 6 및 도 7을 참조하여 더 자세히 설명한다.

한편, 위와 같은 방법으로 연장충전주행 프로파일을 재작성하고, 이에 따라 차량(10)이 주행함으로써 다음 역에 정시에 도착할 수 있으므로 철도 차량(10)의 운행 스케줄에 지장을 주지 않을 수 있다. 또한 2차전지(12)의 SOC를 높게 유지시킬 수 있으므로 차량(10) 주행 시 출력을 안정적으로 확보할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법을 적용할 때, 철도차량(10)이 주행 노선 상에서 각 노선 상태에 따라 가속비를 달리하여 주행하는 상태를 설명하기 위한 도면 및 테이블이다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리 방법은 차량(10)의 역사 정차시간에 따라 표준주행 프로파일 또는 연장충전주행 프로파일 중 어느 한 주행프로파일을 선택한다. 또한 노선의 상태에 따라 주행프로파일을 달리 작성한다.

먼저 정상주행모드로 차량(10)이 주행하기 위한 표준주행 프로파일 상에서 노선의 경사 구배에 따라 각 지점에서의 가속비를 달리 설정하는 방법에 대해 설명한다.

기준정차시간 동안 역사에서 차량(10) 정차 후 출발하는 정상주행모드에서 노선이 오르막 경사로(L1) 또는 내리막 경사로(L2)일 때 차량(10)은 각각 제1오르막 가속비 또는 제1내리막 가속비를 가지며 주행하도록 설정된다.

또한 정상주행모드에서 노선이 경사가 없는 평탄로(L3)일 때 제1평탄 가속비를 가지며 주행하도록 설정된다.

여기서 제1오르막 가속비, 제1내리막 가속비 및 제1평탄 가속비는 노선의 모든 구간에서 일정한 값일 필요는 없으며, 노선의 각 지점에서 다른 값을 가질 수 있는 값이다.

제1오르막 가속비 등의 개념은 노선의 특정 지점에서 정상주행모드로 차량(10)이 주행할 때 가지는 가속비를 의미하며, 이는 연장충전 주행모드에서 차량(10)이 주행할 때 가지는, 추후 설명할 제2오르막 가속비 등과 비교하기 위한 개념이다.

이와 같이, 정상주행모드에서 차량(10)이 주행하기 위한 표준주행 프로파일 작성시 노선의 각 지점에 각각 설정된 가속비가 부여되며, 차량(10)은 노선 상에서 지정된 각각의 가속비를 추종하며 주행하게 된다.

한편, 차량(10)이 연장충전 주행모드로 주행하도록 하기 위한 연장충전주행 프로파일에서 노선이 오르막 경사로(L1) 또는 내리막 경사로(L2)일 때 차량(10)은 각각 제2오르막 가속비 또는 제2내리막 가속비를 가지며 주행하도록 설정된다.

또한 연장충전 주행모드에서 노선이 경사가 없는 평탄로(L3)일 때 제2평탄 가속비를 가지며 주행하도록 설정된다.

한편, 이 경우도 정상주행모드의 경우와 같이 각 가속비는 노선의 각 지점에서 다른 값을 가질 수 있는 값이다. 연장충전 주행모드에서 연장충전주행 프로파일 작성시 노선의 각 지점에 각각의 가속비를 부여하며, 차량(10)은 노선 상에서 각각의 가속비를 가지며 주행하게 된다.

이때, 예를 들어 제2내리막 가속비 및 제2평탄 가속비는 노선의 해당 지점에서 제1내리막 가속비 및 제1평탄 가속비보다 큰 값으로 설정될 수 있다.

이는 연장충전 주행모드의 경우 A역에서 충전을 위해 정차시간을 더 소모했기 때문이며, 정상주행모드의 경우보다 더 짧은 시간 내에 같은 노선의 거리를 주행해야 하기 때문이다. 즉, A역에서 충전을 위해 소모한 정차시간을 보상하기 위함이다.

연장충전 주행모드에서 제2내리막 가속비 및 제2평탄 가속비를 제1내리막 가속비 및 제1평탄 가속비보다 큰 값으로 설정함으로써, 동일한 거리를 더 짧은 시간 내에 주행할 수 있다. 또한 이와 같이 설정함으로써 연장충전 주행모드로 주행할 경우 정상주행모드로 주행할 때보다 최대주행속도가 더 빨라질 수 있다.

한편, 예시적으로 제2내리막 가속비 및 제2평탄 가속비는 연장충전 주행모드에서 목표한 최대주행속도를 기초로 설정될 수 있다. 이때, 연장충전 주행모드에서 구간별 최대주행속도를 먼저 설정하고, 목표한 최대주행속도에 도달할 수 있도록 제2내리막 가속비 및 제2평탄 가속비를 설정할 수 있다.

또한, 예를 들어 제2오르막 가속비는 제1오르막 가속비에 비해 더 작은 값으로 설정할 수 있다.

이는 연장충전 주행모드에서 제2내리막 가속비 및 제2평탄 가속비를 상대적으로 큰 값으로 설정함으로써 더 많이 소모된 2차전지(12)의 발전량을 보상하기 위함이다. 다만 이 경우 제2오르막 가속비를 작게 설정하는 것은 다음 역에 정시에 도착할 수 있는 범위 내에서 설정되어야 할 것이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리방법을 적용할 때, 연장충전 주행모드 시 주행프로파일 설정단계(S5)에서 주행 노선의 상황에 따라 가속비를 달리 설정하여 연장충전주행 프로파일을 작성하는 과정을 도시한 순서도이다.

철도 역사에 정차한 차량(10)은 충전 중 또는 충전 완료 후 차량(10) 출발 전에 주행할 노선의 상태를 분석한다. 이때 예를 들어 노선 상태에 대한 정보는 과거 주행했던 데이터로부터 입수된 것일 수 있다.

또한, 주행프로파일 설정단계(S5)에서 노선의 상태가 경사 노선인지 여부를 판단한다. 노선이 경사 노선이 아니라면 해당 노선 지점에 대해 제2평탄 가속비를 설정하여 지정한다.

노선이 경사 노선이라면 해당 노선 지점이 오르막 경사로(L1)인지 여부를 판단한다. 해당 노선 지점이 오르막 경사로(L1)라면 해당 노선 지점에 제2오르막 가속비를 설정한다. 한편, 해당 노선 지점이 내리막 경사로(L2)라면 해당 노선 지점에 제2내리막 가속비를 설정한다.

이때 각 노선 지점에 대해 설정되는 각 가속비는 다음 역에 정시에 도착하기 위한 주행 시간 및, 이를 위한 주행최대속도를 고려하여 설정될 수 있다.

위와 같이 각 노선 지점에 대한 각 가속비를 설정한 후, 설정된 가속비들을 각 노선 지점에 할당함으로써 주행프로파일을 작성 및 완성한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 SOC 관리 방법에 의하면, 철도 역사에 차량(10) 정차 시 현재의 SOC를 측정하고, 현재의 SOC가 기준 SOC에 미치지 못하는 경우 정차 시간 및 충전 시간을 늘리는 방식을 채택함으로써 SOC를 효율적으로 관리할 수 있다.

또한, SOC 충전을 위해 역사에서 소모한 시간을 보상하기 위해 주행프로파일을 다시 설정하므로, 차량(10)이 각 역사에 정시에 도착할 수 있도록 한다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 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.

10: 차량
11: 수소연료전지
12: 2차전지
13: 인버터
14: 모터

Claims (9)

1. 수소연료전지 및 2차전지를 포함하는 수소연료전지 하이브리드 철도차량 내부에 배치된 2차전지의 SOC 관리 방법으로서,
   상기 차량이 철도 역사에 정차시 상기 수소연료전지로부터 상기 2차전지로 전력을 공급하여 상기 2차전지를 충전하는 2차전지 충전단계;
   상기 2차전지 충전단계에서 상기 2차전지가 기준정차시간 동안 충전된 시점의 상기 2차전지의 잔존 SOC 값을 감지하는 잔존SOC 감지단계; 및,
   상기 잔존SOC 감지단계에서 감지된 상기 잔존 SOC가 상기 기준 SOC보다 작은 경우, 상기 2차전지의 SOC가 상기 기준 SOC 값에 도달하도록 상기 차량의 정차 시간 및 상기 2차전지의 충전시간을 연장하도록 하는 충전연장 결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기준 SOC는 상기 차량이 직전 역사에서 출발했던 시점의 상기 2차전지의 SOC 값과 동일한 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 SOC 관리 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 충전연장 결정단계에서 연장된 정차 시간의 길이에 기초하여, 상기 차량이 다음 정차 역사에 정시에 도착할 수 있도록 상기 철도차량의 주행프로파일을 재설정하는 주행프로파일 설정단계를 포함하는 SOC 관리 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 주행프로파일 설정단계에서의 주행프로파일 재설정 작업의 기초 데이터를 제공하기 위해 현재 정차 역사와 다음 정차 역사 간 노선의 상태를 분석하는 노선데이터 분석단계를 더 포함하는 SOC 관리 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 주행프로파일 설정단계에서 상기 주행프로파일 재설정 작업은 다음 정차 역사까지의 노선의 경사 구배를 고려하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 주행프로파일 설정단계에서의 주행프로파일 재설정 작업은, 다음 철도역사까지 형성된 노선의 각 영역의 경사 구배에 대응하도록 상기 차량의 가속비를 설정하는 것을 포함하는 SOC 관리 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 주행프로파일 설정단계는 상기 늘어난 정차 시간을 고려하여 기존의 표준주행 프로파일보다 상기 철도차량의 최대속력을 더 높게 설정하도록 주행프로파일을 재설정하는 것을 특징으로 하는 SOC 관리 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 주행프로파일 설정단계에서 작성한 주행프로파일에 기초하여 상기 철도차량이 주행하는 주행단계를 더 포함하는 SOC 관리 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 충전연장 결정단계는 상기 잔존SOC 감지단계에서 감지된 상기 2차전지의 상기 잔존 SOC가 상기 기준 SOC보다 큰 경우, 상기 차량을 출발시키는 것을 특징으로 하는 SOC 관리 방법.
   

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