2.1 정거장 급속충전 방식 전동차

그림 1은 정거장 급속충전 방식 전동차의 운행 개념도를 보여준다. A 정거장에서 B 정거장까지 전차선과 접촉이 없이 주행하기 위한 주행에너지는 A 정거장에서 급속충전을 통해 전동차 내부에 탑재된 철도차량 급속 충방전 시스템에 저장되게 된다.

정거장 급속충전 방식 전동차는 회생 제동시 발생하는 회생 에너지를 저장할 수 있으므로 다음 정거장까지 운행에 필요한 에너지에서 저장된 회생 에너지를 뺀 만큼의 에너지만 현재 정거장에서 급속 충전하게 된다. 정거장 급속충전을 위한 차량과 전력공급 인프라 간 인터페이스는 기존 철도차량처럼 팬터그래프를 이용할 수도 있다. 이러한 운행방식을 통해 정거장 급속충전 방식 전동차는 B 정거장 이후 전체 노선을 운행한다.

정거장 급속충전 방식 전동차 및 핵심 장치인 철도차량 급속 충방전 시스템의 구성은 그림 2와 같다.

에너지를 저장하는 에너지 저장매체와 이를 관리하고 보호하는 에너지 관리 시스템 등으로 구성된 에너지 저장팩과, 에너지 입출력 변환을 위한 DC/DC 컨버터 등으로 크게 구분이 된다. 정거장 급속충전 방식 전동차가 무가선 주행 중 가속을 하면 철도차량 급속 충방전 시스템 내 에너지 저장팩의 에너지가 인버터를 통해 모터로 필요한 전력을 공급한다. 또한 회생제동 시에는 발생한 회생 에너지를 에너지 저장팩에 저장하게 된다. 이와 같은 양방향 에너지 변환을 고려하기 위해 양방향 DC/DC 컨버터를 적용하였다.

2.2 DC/DC 컨버터 구성 및 제어

정거장에서 급속충전을 하거나 회생제동이 동작하는 동안의 양방향 DC/DC 컨버터는 그림 3에 나타낸 DC링크의 전압(1500V)을 에너지 저장팩 전압에 맞게 감압하기 위해 벅 컨버터로 동작한다. 반면, 속도를 높이는 가속 동작시 양방향 컨버터는 DC링크를 통해 3상 전동기를 제어하는 인버터로 전력을 공급해야 하므로 부스트 컨버터로 동작한다. 에너지 입출력 변환을 위한 스위칭 소자, 인덕터 등으로 구성된 DC/DC 컨버터는 차량 내부(차상)에 설치되기 때문에 중량 및 크기를 줄일 필요가 있다^(4-5). 이를 위해 철도차량 급속 충방전 시스템에는 그림 3에 나타낸 시스템 토폴로지가 적용되었다.

필터 커패시터(FC) 측은 500V씩 분배된 3개의 그룹이 직렬로 연결되고 에너지 저장팩(SC) 측은 독립적으로 구성이 되는 ISOI(Input Series Output Independent) 구조⁽⁶⁾로 인해 낮은 정격의 스위칭 소자 적용이 가능함에 따라 고속 스위칭 측면에서 효과적이다. 또한 충방전 상황에 따라 필터 커패시터 측과 에너지 저장팩 측은 서로 입력부와 출력부가 뒤바뀌게 된다. 이 때 양측 모두 직렬 구성하게 되면 충방전 상황에서 양측 모두 불평형이 발생하지 않도록 하는 복잡한 제어를 해야 함에 따라 한 측만 그룹 간 직렬 연계 구성을 적용하고 반대 측은 그룹 간 독립구성을 적용한 것이다.

그림 4는 철도차량 급속 충방전 시스템을 구성하는 3개 직렬 그룹 중 하나(1)의 그룹에 대한 2상 양방향 인터리브드 DC/DC 컨버터 회로도 및 2상 인터리브드 동작 전류 파형이다. 본 논문의 그림과 수식에 표기된 모든 $n$은 각 그룹 번호를 의미한다(i.e., $n$=1, 2, 3.).

$S_{n1}$과 $S_{n2}$로 구성된 리딩레그 스위치들과 $S_{n3}$과 $S_{n4}$로 구성된 레깅레그 스위치들은 데드타임을 고려하여 상보적으로 스위칭하며 각 전류간 180도 위상차가 존재하도록 한다. 이에 따라 충전시 에너지 저장팩 측으로 흐르는 충전전류($i_{SCn}$)는 인덕터($L_{n A}$, $L_{n B}$)에 흐르는 전류($i_{L n A}$, $i_{L n B}$)의 합산전류가 흐르게 되며, 스위칭주파수($f_{sw}$)의 2배 주파수로 동작하는 것처럼 된다.

이와 같은 인터리브드 동작은 전류 리플을 줄여 수동소자의 부피 및 용량을 줄일 수 있기 때문에 중량 및 크기 감소에 효과적이다⁽⁷⁾. 에너지 저장팩 충전에 이용되는 인터리브드 전류 리플은 다음 식 (1) 및 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다. 이 때, $L_{n}$=$L_{n A}$=$L_{n B}$ 이다.

필터 커패시터 측의 전압 리플은 다음 식 (3), 식 (4) 처럼 나타낼 수 있다.

그림 5는 충전모드 상태에서 벅컨버터 동작(Build-Up 구간, Free-Wheeling 구간)을 보여주고 있으며 듀티비가 0.5일 때 전류 리플이 이상적인 값인 0이 되는 것을 확인할 수 있다.

최소 잔여 에너지 저장팩의 에너지량은 일반적인 슈퍼커패시터 기반의 저장매체 운용범위를 고려하여 전체량의 1/4수준이다. 이러한 관점의 마진을 고려하여 철도차량 급속 충방전 시스템을 구성하는 총 3개 그룹의 에너지 저장팩 그룹별 최소전압은 250V, 최대전압은 470V로 설계하였다.

250V에서 470V로 급속 충전하기 위해 듀티비 $D$=0.94로 동작하며 그림 3에 나타낸 에너지 저장팩 각 그룹의 전압($V_{SCn}$)은 식(5)와 같이 표현될 수 있다. 이 때, $V_{SCn0}$는 초기값을 의미한다.

직렬구조에서 입력전압을 공유하는 충전 모드에서는 입력부인 필터 커패시터 전압에 대해 밸런싱 제어를 지속적으로 하지 않으면 독립적으로 구성된 에너지 저장팩 그룹간 전압편차가 커져 시스템 안정성을 해칠 수 있다. 따라서 충전 동작 중에는 지속적인 밸런싱 제어가 필요하다. 그림 6은 이러한 밸런싱 제어를 포함한 충/방전 제어 블록도를 보여준다. 제어 블록도의 LineCmd 지령이 Line On 과 연결되면 DC/DC 컨버터는 충전모드(벅컨버터)로 동작하고, Line Off 와 연결되면 방전모드(부스트 컨버터)로 동작하게 된다.

방전 동작 중에는 에너지 저장팩 측이 입력부이고 필터 커패시터 측이 출력부가 된다. 방전 모드에서 출력부의 전압이 인버터 구동에 적합한 1500V가 되도록 제어하기 위해 그림 6에 나타낸 각 그룹 전압지령치($V_{FCC}^{*}$)는 전차선 전압 1500V의 1/3인 500V로 지령하게 되고 각 그룹의 필터 커패시터 전압($V_{FCn}$)은 $V_{FCC}^{*}$와 비교하여 전류제어기를 통해 방전전류를 제어하게 된다⁽⁸⁾.

2.3 에너지 저장팩 구성

정거장에서 급속 충전하는 동안 그림 3의 전차선($V_{L i n e}$)을 통해 차량으로 공급되는 에너지는 에너지 저장팩에 저장되게 된다. 철도차량의 경우 정거장 급속 충전, 주행 중 가속 및 회생 제동 등과 같은 운행 동작에 따라 큰 전력이 짧은 시간 동안 이동하게 되므로 고출력 특성을 가진 에너지 저장매체 적용은 필수적이다⁽⁹⁾. 이에 따라 철도차량 급속 충방전 시스템에는 고출력 특성을 가진 슈퍼커패시터를 다수 구성하여 에너지 저장매체로 적용하였다. 일반적으로 다수 셀을 이용하여 구성하는 고출력 특성의 슈퍼커패시터 혹은 고에너지 특성의 배터리와 같은 에너지 저장매체는 셀 밸런싱^(10-11)이 필요하다. 이는 충전상태가 불균형한 상태의 셀들이 충방전을 거듭할수록 에너지저장장치에 손상을 줄 수 있기 때문이다⁽¹²⁾.

이에 따라 철도차량 급속 충방전 시스템에도 슈퍼커패시터 셀 간 전압 차이를 없앨 수 있는 셀 밸런싱 기능을 포함한 에너지 관리 시스템(EMS, Energy Management System)이 적용되었다. 에너지 관리 시스템은 슈퍼커패시터 셀들을 관리할 수 있으며 그림 7은 에너지 관리 시스템 구성을 보여준다.

외부와 통신을 하는 마스터(Master) 부분과 99개의 모듈에 장착되어있는 슬레이브(Slave) 부분은 내부 통신을 하며 외부에서 정보요청이 있는 경우 마스터는 수집 및 저장된 슬레이브들의 정보를 전송한다. 에너지 관리 시스템은 외부적으로 모니터링 시스템 및 DC/DC 컨버터와 연계되어 있다. 모니터링 시스템과는 이더넷으로 연결되어 많은 정보를 한 번에 송신할 수 있도록 하였다. DC/DC 컨버터와는 CAN 통신으로 연결되어 있으며 과온, 과전압 등에 대한 보호동작 신호와 같이 중요한 부분은 하드와이어 연계를 추가하여 이중 구조로 구성하였다. 에너지 관리 시스템은 외부 연계시스템으로부터 수신받는 정보가 없으며 셀, 모듈 정보를 마스터를 통해 외부로 전송만 한다. 33개의 모듈이 하나(1)의 그룹을 구성하며 99개의 모듈이 총 3개의 그룹을 형성하고 있다. 이는 3직렬의 분산형 구조로 설계된 DC/DC 컨버터와 인터페이스를 맞추기 위한 것이다. 또한 모듈의 구성에 따라 전압차이가 존재함에 따라 적절한 절연성능은 필수적이다.

2.4 밸런싱 제어 및 급속충전 시뮬레이션

PSIM 시뮬레이션을 통해 그림 6에 나타낸 밸런싱 제어 및 그림 7의 에너지 저장팩 기반 급속충전을 검증하였다. 표1은 시뮬레이션 파라미터 값이며 각 그룹의 필터 커패시터 커패시턴스($C_{FCn}$)는 불평형 상태를 상정하기 위해 그룹1만 다른 커패시턴스 값을 적용하였다. 그림 8은 밸런싱 제어 과정에서 과도상태에 집중한 시뮬레이션 결과이다. 밸런싱 제어과정은 매우 짧은 순간에 동작하므로 불평형이 해소되는 과도구간에 집중함으로써 제어변수들의 변화를 상세히 확인할 수 있다.

시뮬레이션 결과를 살펴보면 그림 8의 A구간은 밸런싱 제어가 적용되지 않은 구간으로 $V_{FC1}$는 1000V, $V_{FC2}$ 및 $V_{FC3}$는 각각 250V인 상태로 불평형이 발생한 상태이다. 에너지 저장팩 초기전압값인 $V_{SCn0}$는 동일하나 밸런싱 제어 없이 충전을 시작한 후, 그룹1의 필터 커패시터 전압($V_{FC1}$)이 커진 불평형 상태가 임의로 발생한 경우이다. 벅 컨버터에서 동작하는 스위칭 소자($S_{n2}$, $S_{n4}$)의 상태에 따라 그룹별 듀티비는 1 또는 0에 가까운 값을 가진다.

즉, 그룹1의 경우, 그림 9(a)처럼 $S_{n2}$, $S_{n4}$가 턴-오프 상태로 $D_{1}$=0인 오픈 회로가 구성된다. 그룹2 및 3의 회로는 그림 9(b)에 나타낸 것처럼, $V_{FC2}$, $V_{FC3}$ 값이 $V_{SC2}$, $V_{SC3}$ 보다 작아질 수 없으므로 $V_{SC2,\:3}$=$V_{FC2,\:3}$이며, $S_{n2}$, $S_{n4}$는 최대 턴-온 상태로 $D_{2}$, $D_{3}$=1이 된다.

밸런싱 제어가 적용된 B구간은 과도상태로 각 그룹의 $V_{FCn}$을 조절하기 위해 그림 6에 나타낸 제어블록도의 가변 전류리미터($\triangle i_{LTn}$)를 통해 에너지 저장팩 그룹별 충전전류($i_{SCn}^{*}$)를 조절하고 있다. C구간은 정상상태로 각 그룹의 입력전압인 $V_{FC1}$, $V_{FC2}$, $V_{FC3}$가 각각 500V로 평형상태이며 모든 그룹의 에너지 저장팩 충전전류가 일정한 것을 확인할 수 있다.

그림 10은 전체 충전시간 4동안 에너지 저장팩들의 전압이 올라가면서 충전되는 과정 및 충전이 완료된 지점을 포함한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 에너지 저장팩 그룹별 전압($V_{SCn}$)이 초기값인 250V에서부터 충전 목표값인 470V로 충전이 되고 있으며 충전이 완료되기 전 에너지 저장팩 그룹별 충전전류($i_{SCn}^{*}$)가 제어되며 CV모드로 전환되고 있음을 확인할 수 있다.

3.1 제작 사양 및 시험 요건

실차기반 적용시험의 목적은 정거장 급속충전 방식 전동차의 핵심장치인 철도차량 급속 충방전 시스템이 철도차량에서 요구되는 특성을 충족하고 있는지 현장에서 실제 차량을 활용하여 확인하는 것이다. 이를 위해 제작비용, 시험차량 상태 등을 고려하여 철도차량 급속 충방전 시스템의 출력 및 에너지저장 용량을 선정하였다. 표2에 실차기반 적용시험을 위해 제작하고 조합시험⁽⁸⁾을 완료한 철도차량 급속 충방전 시스템의 제작 사양을 나타내었다.

실차기반 적용시험을 위해 활용한 시험차량은 국가연구개발사업에서 개발된 차세대 전동차이며 6량 1편성(3M3T)으로 구성되어 있다. 현장시험 노선은 대불 시험선(일로역-대불역 구간, 단선 12km)이다.

철도차량 급속 충방전 시스템이 철도차량 특성을 충족하는지 확인하기 위해서는 우선 가속, 제동을 포함한 일반 전동차 운행패턴에 정거장 급속충전 방식의 특성을 추가하여 주행시험하고 동작상태를 모니터링할 수 있도록 전동차를 개조해야 한다. 또한 전동차의 일반적인 동작 시퀀스와 개발한 철도차량 급속 충방전 시스템의 특성을 모두 반영한 새로운 차량 동작 시퀀스를 개발해야 한다.

이러한 과정을 통해 실차기반 적용시험 방법을 정립해야 하는데 이는 개발 시스템과 차량 기동 및 운행 전반에 대한 지식을 상호 연계하여 활용해야 하는 어려운 과정이다. 하지만 효율적이고 안전한 시험의 척도가 되기 때문에 실차기반 적용시험에서는 필수적으로 요구되는 중요한 요건이 된다.

3.2 시험 차량 개조

차세대 전동차는 AC/DC 겸용 전동차이고 시험노선은 AC 25kV 운영노선이므로 차세대 전동차 내부의 AC/DC 컨버터를 활용하여 운행시험을 진행해야 한다.

이를 위해, 그림 11에 차량 개조 항목 및 철도차량 급속 충방전 시스템을 차량 내부에 설치한 모습을 나타내었다. 제작된 철도차량 급속 충방전 시스템은 1개이며 차량 연계 용량에 따른 제약을 고려하여 주간제어기(Mascon) 노치에 따른 차량 견인력/제동력 등을 개량하였다. 또한 시험 차량의 제어로직을 수정하여 새로 추가된 철도차량 급속 충방전 시스템과 연계 동작될 수 있게 하였다.

특히 시험자가 시퀀스 안전성을 확인하면서 시험진행을 주도할 수 있고 개조 차량의 원상복귀시 편이성을 도모하기 위해 별도 I/F(Interface) 박스를 제작하였다. I/F 박스는 충전/방전 모드 상태를 스위치를 통해 차량에 전달하고 각종 신호 상태를 램프로 현시할 수 있어 장치간 연계동작에 대해 시험자가 직접 개입하고 다음 동작 확인 및 진행을 할 수 있도록 지원해주는 장치이다.

한편, 에너지 저장팩, DC/DC 컨버터 등에서 과온, 고압, 저압, 고장 등의 감지로 인한 보호동작 발생은 모두 차량 종합제어장치(TCMS)로 전달이 되며 이때 차량은 안전을 위해 자동으로 운행을 정지하도록 하였다.

차량 내부에 설치된 철도차량 급속 충방전 시스템의 고압 인입부는 가장 먼저 LB 박스가 차량 AC/DC 컨터버와 고압선으로 연결되어 있다.

LB 박스는 컨버터 내 필터 커패시터의 소프트 충전을 위해, 충전저항과 보조 접촉기로 구성된 보조충전부 및 주접촉기로 구성된 주충전부 등으로 구성되어 있다. 보조 접촉기가 닫히면 충전저항을 통해 필터 커패시터는 서서히 충전되며 보조 접촉기 투입 후 일정 시간이 지나거나 충전된 필터 커패시터 측 전압이 기준을 만족하면 주접촉기가 닫히고 보조접촉기는 차단되는 순서로 소프트 충전을 구현한다. BDC 박스는 3직렬 구조에 따른 IGBT 소자를 이용하였으며 내부에 컨트롤 박스가 별도로 설치되어 있다. Coil 박스는 인덕터로 구성되어 있으며 최대 400A 이상의 순시전류를 흘릴 수 있다.

에너지 저장팩들은 다수 슈퍼커패시터 셀과 셀 밸런싱 및 보호를 위한 에너지 관리 시스템으로 구성된 3그룹의 SC BOX들로 구성되어 있다. 장치간 연계를 위한 고압배선은 안전을 위해 의자 밑에 위치한 덕트 내부를 통과하도록 하였다.

실차기반 적용시험 모니터링을 위해 데이터 취득 및 모니터링 시스템은 그림 12와 같이 구성하였다.

차량, DC/DC 컨버터, 에너지 저장팩 등에서 취득된 데이터는 차량 운행상태 화면 및 급속 충방전 시스템 화면을 통해 요약정보를 확인할 수 있다. 차량 운행상태 화면은 차량속도, 차량상태, 주행거리 등을 보여주며 급속 충방전 시스템 화면은 DC/DC 컨버터 및 에너지 저장팩의 상태 등을 보여준다. 또한 상세 화면을 별도 구성하여 셀 온도, 셀 밸런싱 동작상태, 셀 전압 편차 등을 확인할 수 있게 하였다.

3.3 제안 시험 방법 및 결과

정거장 급속충전 방식의 특성을 고려한 철도차량 급속 충방전 시스템 기본동작 시퀀스를 그림 13에 나타내었다.

그림 13의 충전모드를 살펴보면 가장 먼저 정거장 급속 충전 인터페이스 장치(팬터그래프 등)와 전차선($V_{L i n e}$)과의 연결유무를 확인하다. 연결이 된 상태(Line On)에서 필터 커패시터단 전압 $V_{FC}$와 전차선 전압 입력인 $V_{L i n e}$이 같은 값이 되면 벅 컨버터가 동작한다. 이후 그룹별 에너지 저장팩의 충전전압이 지령치에 도달하면 충전을 종료한다.

방전모드의 경우, 전차선과의 접촉이 없는 상태(Line Off )에서 역행(가속) 지령신호를 입력받으면 에너지 저장팩 방전을 통해 에너지가 공급되고 양방향 컨버터는 부스팅 컨버터 상태로 방전을 시작한다. 이때 인버터와 연결된 DC링크 전압을 일정하게 유지하기 위해 필터 커패시터단 전압을 1500V로 전압제어 하며 1500V를 초과하는 필터 커패시터단 전압이 형성되면 회생모드로 절체된다. 컨버터 부스트 동작 및 일반적으로 활용되는 슈퍼커패시터 전압 범위를 고려하여 각 그룹 에너지 저장팩 전압이 최소 250V 이하가 되면 방전을 종료한다. 충전 혹은 방전 모드에서 제어종료 후에는 컨트롤 박스 내 제어기는 초기화되어 아이들(idle) 상태가 된다. 이는 충전 및 방전 상태가 아이들(idle) 상태 없이 절체가 진행되면 큰 과도상태가 발생할 수 있고 이는 수송시스템의 안전을 저해하는 요인이 되기 때문에 시스템의 안정성을 높이기 위해 적용하였다.

그림 14는 실제 차량 동작을 위해 기본동작 시퀀스를 개량한 정거장 급속충전 방식 전동차 동작 시퀀스를 보여주고 있다. 관련 장치별로 차량, 추진제어 전력변환장치(AC/DC 컨버터, 추진 인버터), DC/DC 컨버터로 구분되게 표기하였다.

전동차의 일반적 동작 시퀀스 및 개발한 철도차량 급속 충방전 시스템의 특성을 반영하여 고안된 정거장 급속충전 방식 전동차 동작 시퀀스를 모두 반영하여 제안하는 실차기반 적용시험 방법은 다음과 같다.

① 철도차량 기동 확인

∙ 차량 키 투입

∙ 역전기 전진모드 및 제어전원 투입

∙ 전동차 집전장치 상승

∙ 전차선 전압 확인 및 주회로차단기(MCB) 투입

∙ 주변압기를 거친 전차선 전원이 AC/DC 컨버터에 인가 중인지 확인

∙ 추진 인버터와 DC/DC 컨버터는 제어기만 동작 중인 상태로 기동 대기

② 충전모드 시작 확인

∙ 충전을 위해 주간제어기(Mascon)를 제동 위치로 이동

∙ AC/DC 컨버터 기동 상태 확인

∙ 직류단 전압이 세팅 값까지 상승되었는지 센싱

∙ 추진 인버터 입력단 고속차단기(HSCB) 접점 닫힘

③ 충전모드 동작 확인

∙ 급속 충방전 시스템의 DC/DC 컨버터는 DC링크인 직류단 전압을 감시하며 대기 중인 상태에서 충전시작 가능한 직류단 전압에 도달하면 충전모드 진입

∙ 에너지 저장팩으로 에너지 급속충전 시작

∙ 종합제어장치(TCMS)로 충전 중을 알리는 정보 전달(모니터링 장치에서 확인)

④ 충전완료 확인

∙ 충전완료 시 DC/DC 컨버터 스위칭 동작 정지

∙ 충전완료 상태를 종합제어장치(TCMS)로 전달(모니터링 장치에서 확인)

∙ 기관사가 충전완료 확인 후 주간제어기를 중립으로 이동

∙ 종합제어장치는 AC/DC 컨버터 스위칭 정지 및 HSCB 접점 열림 상태 확인

∙ 주회로차단기를 차단한 후 집전장치 하강

∙ 종합제어장치는 집전장치 하강 후 상태정보를 DC/DC 컨버터로 전달

⑤ 방전모드(주행) 동작 확인

∙ DC/DC 컨버터는 방전모드 개시 상태정보를 종합제어장치로 전달(모니터링 장치에서 확인)

∙ 기관사가 방전모드 개시 확인 후 주간제어기를 역행위치로 이동하면 추진 인버터가 직류단 전압을 감시하며 조건 충족 시 기동하여 견인전동기 제어 시작

∙ 속도가 올라가며 무가선 주행 시작

⑥ 보호동작 확인(필요시)

∙ 전동차가 일정속도 이상의 주행 중에 에너지 저장팩의 저전압을 감지하면 종합제어장치에 신호를 전달하여 기관사에게 경고메시지 표출

⑦ 회생제동 동작 확인

∙ 기관사가 주간제어기를 제동위치로 이동하면 회생제동이 시작되며 발생하는 회생에너지를 에너지 저장팩에 충전하기 위해 DC/DC 컨버터는 방전모드 중에서도 직류단 전압을 지속적 감시

∙ 방전모드 중 직류단 전압이 세팅 값 이상으로 상승하면DC/DC 컨버터는 충전모드로 전환하여 회생에너지를 저장

∙ 직류단 전압이 다시 세팅 값 이하로 하강하면 DC/DC 컨버터는 방전모드로 전환하여 추진 인버터에 전력공급

∙ 단, DC/DC 컨버터의 충전모드와 방전모드 전환은 아날로그-디지털 변환 오차 및 직류단 전압 유동 등의 요인으로 인해 의도하지 않은 충/방전 모드 전환이 발생할 수 있으므로 일정 구간 변동제한폭을 두는 히스테리시스 형태 적용 필요

⑧ 재충전 준비 기동 확인

∙ 정거장에 정차 후 집전장치 상승

∙ 종합제어장치에서 집전장치 상승신호와 차량 정지상태를 검지하는 영속도 릴레이(ZVR) 신호를 논리AND 하여 조건 만족시 DC/DC 컨버터로 재충전 준비 신호 전달

시험노선에서 정거장 급속충전 방식에 대한 실차기반 적용시험을 위해 급속충전-가속-(타행)-제동 순으로 운행을 하면서 그림 15와 같이 운행데이터를 모니터링하였다.

철도차량 급속 충방전 시스템 기본동작 시퀀스와 달리 실차기반 적용시험에서는 급속충전 시작점인 그룹별 에너지 저장팩 초기전압을 약 330V, 에너지 저장팩 저전압 감지 시점(보호동작)을 약 300V로 적용하였다. 에너지 저장팩 전압에 따라 DC/DC 컨버터의 부스트 전압에 제한이 걸릴 수 있기 때문에 시스템 보호를 위하여 에너지 저장팩 전압이 정해진 값 이하가 되면 기관사에게 알람 메시지를 전송한다. 이 때 기관사가 저전압 알람을 확인한 후 제동을 체결하게 되므로 기관사 반응속도 등 운영마진을 고려하여 250V 보다 다소 높은 300V로 기준 전압값을 설정하였다.

제작된 철도차량 급속 충방전 시스템의 파워출력 및 에너지 저장팩 용량에 따라 시험차량은 충전 소요시간 약 43초, 최고속도 약 21km/h, 최대 이동거리 약 340m의 특성을 보였다. 다만 최고속도 및 이동거리는 시험노선 구간별 구배, 곡률반경, 레일상태 등에 따라 조금씩 변할 수 있다. 또한 충전소요 시간도 제어변수 설정값에 따라 변동될 수 있다.

그림 16은 실차기반 적용시험에 따른 철도차량 급속 충방전 시스템의 동작 파형을 보여주고 있다. 오실로스코프 채널 수량 제한으로 인해 주요 파형만 선별 취득하여 나타내었다. $V_{SC1}$은 그룹1 에너지 저장팩 전압이며 $i_{SC1}$, $i_{SC2}$는 그룹1 및 그룹2 에너지 저장팩 전류이다.

정거장으로 가정한 위치에서 약 300A로 급속 충전하는 동안 에너지 저장팩 전압이 상승하는 것을 동작 파형에서 확인할 수 있다. 그룹별 에너지 저장팩을 470V까지 충전을 완료한 후 차량이 역행(가속)을 시작하면 에너지 저장팩 내의 에너지가 줄어들고 전압은 떨어진다. 저전압 감지 시점 이후 회생제동시 발생하는 회생 에너지 저장으로 인해 그룹별 에너지 저장팩 전압이 다시 상승하는 것을 확인할 수 있다. 또한 모든 운행시험 동안 밸런싱 제어에 의해 3개 그룹의 필터 커패시터 전압인 $V_{FC1}$, $V_{FC2}$, $V_{FC3}$가 모두 500V로 평형을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다.