KR20130068349A - 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램 - Google Patents

배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램에 관한 것으로; 차량 구동을 위한 모터를 제어하기 위해 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터의 구동을 제어하는 인버터와, 가선 구간에서 가선을 통해 전원을 공급받으면 전원을 충전하도록 병렬로 연결되는 밧데리 및 울트라 캐패시터와, 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터의 충전 또는 방전을 제어하는 제1 및 제2 DC/DC 컨버터와, 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 무가선 저상트램의 차량에 배터리와 울트라 캐패시터를 병렬로 장착하여 충방전하도록 하여 차량에 큰 전원이 필요하거나 회생제동 시에 수명이 무제한인 캐패시터를 함께 사용하여 배터리의 사용횟수를 줄이며, 배터리의 수명을 연장시켜 차량 유지보수 비용을 절감하는 효과가 있다.

Description

배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램 {CATENARY-LESS LOW FLOORBUS}
본 발명은 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 무가선 저상트램 내에 배터리와 울트라 캐패시터를 함께 장착하고 병행하여 배터리의 수명을 증가시키고 회생에너지의 흡수율을 높이는 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램에 관한 것이다.
일반적으로 무가선 저상트램은 전용궤도를 레일을 따라 주행하는 노면전차로서, 매연이 없고 도시미관의 개선에 유리한 특징을 가지고 있다.
이와 같은 무가선 저상트램은 가선 구간에서는 가선을 통하여 전원을 공급받아 차량을 구동시키고, 무가선 구간에서는 차량내에 장착된 배터리의 전원을 이용하여 차량을 구동시킨다.
이때, 노선의 특성에 따라 가선구간과 무가선 구간이 혼재되어 있을 수 있으며, 가선/무가선 또는 무가선/가선 전이 구간에서 시스템이 안정적으로 구동되어야 한다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 무가선 저상트램은 차량에 배터리(10)를 탑재하여 가선(1)이 없는 무가선 구간에서도 배터리(10)에 저장된 에너지를 이용하여 차량을 구동시킬 수 있다. 즉, 무가선 구간에서는 DC/DC컨버터(40)를 제어하여 배터리(10)의 충전전원을 인버터(20)로 투입하여 교류전원으로 변환하여 모터(30)를 구동하여 차량을 추진하게 된다.
그런데 이와 같은 배터리(10)만을 장착한 종래의 무가선 저상트램은 우선 배터리(10)의 수명이 짧은 문제점이 있다.
즉, 무가선 저상트램이 추진할 경우 순간적으로 많은 전원 및 전류를 필요로 하는데, 배터리(10)의 전원을 사용하여 차량이 추진할 경우 배터리(10)에서 출력하는 전류가 커지게 된다. 하지만 배터리(10)의 수명은 배터리(10)로 출입하는 전류가 커질수록 짧아지게 된다.
그리고, 차량 제동 시에도 순간적으로 많은 회생전류가 발생하여 배터리(10)의 수명이 짧아질 수 있으며, 배터리(10)의 power rate도 작아 회생에너지를 100% 흡수하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 배터리와 캐패시터를 차량에 병렬로 장착하여 차량 추진시 또는 회생제동 시에 캐패시터를 함께 사용하여 배터리의 사용횟수를 줄여 배터리의 수명을 연장시켜 차량 유지보수 비용을 저감할 수 있는 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
차량 구동을 위한 모터를 제어하기 위해 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터의 구동을 제어하는 인버터와, 가선 구간에서 가선을 통해 전원을 공급받으면 전원을 충전하도록 병렬로 연결되는 밧데리 및 울트라 캐패시터와, 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터의 충전 또는 방전을 제어하는 제1 및 제2 DC/DC 컨버터와, 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램을 제공한다.
이때, 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터는 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터의 충전 또는 방전을 제어하는 양방향 DC/DC 컨버터인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 차량은 차상 집전장치를 통해 가선 구간에서 가선의 전원을 공급받아 상기 인버터로 투입하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 차량이 추진 모드로 작동하는 경우에는 가선 구간에서 투입되는 전원을 상기 인버터로 투입함과 동시에 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터에 전원을 충전하도록 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터를 제어하고, 무가선 구간에서는 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터의 충전 전원을 상기 인버터로 투입하도록 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제어부는 차량이 제동 모드로 작동하는 경우에는 상기 모터에서 발생하는 회생에너지를 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터에 충전하도록 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리의 충전 상태를 모니터링하는 배터리 모니터링부를 더 구비하여, 상기 제어부는 상기 배터리 모니터링부로부터 배터리의 충전 상태를 전송받는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 울트라 캐패시터의 충전 상태를 모니터링하는 울트라 캐패시터 모니터링부를 더 구비하여, 상기 제어부는 상기 울트라 캐패시터 모니터링부로부터 울트라 캐패시터의 충전 상태를 전송받는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 무가선 저상트램의 차량에 배터리와 울트라 캐패시터를 병렬로 장착하여 충방전하도록 하여 차량에 큰 전원이 필요하거나 회생제동 시에 수명이 무제한인 캐패시터를 함께 사용하여 배터리의 사용횟수를 줄이며, 배터리의 수명을 연장시켜 차량 유지보수 비용을 절감하는 효과가 있다.
특히, 본 발명에 따르면 배터리에 순간적으로 큰 전원이 유입되는 것을 방지하여 배터리의 수명을 보장하고, 배터리의 power rate로 인하여 저장하지 못하는 회생에너지를 울트라 캐패시터에 저장하여 회생에너지의 흡수율을 높일 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리가 탑재된 무가선 저상트램의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램의 가선 구간 및 무가선 구간에서의 상태 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램의 무가선 구간에서의 차량 추진시 전원 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램의 가선 구간 및 무가선 구간에서의 차량 회생제동시 전원 흐름도이다.
본 발명에 따른 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징을 이해할 수 있을 것이다.
도 2 내지 도 5에 의하면, 본 발명에 따른 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램은 차량이 가선 구간에서는 가선(1)을 통해 전원을 공급받아 주행하며, 비급전 무가선 구간에서는 배터리(100)의 전원을 이용해 주행하게 된다.
즉, 가선 구간에서는 차상 집전장치(109)를 통해 공급되는 직류 형태의 전원을 모터(110)를 제어하기 위해 교류 전원으로 변환하는 인버터(120)를 거쳐 모터(110)를 구동 제어하며, 비가선 구간에서는 차량에 탑재된 배터리(100) 및 울트라 캐패시터(102)의 충전된 전원을 이용해 차량의 모터(110)를 제어한다.
이때, 상기 울트라 캐패시터(102)는 일반적으로 수명이 반영구적이고, 입출력 power rate는 배터리(100)보다 훨씬 우수하다.
따라서, 상기 배터리(100)와 울트라 캐패시터(102)를 병렬로 연결하여 배터리(100)로 높은 전원이 입출될 때 울트라 캐패시터(102)에 저장된 에너지를 같이 사용하게 되면 배터리(100)의 수명을 높일 수 있을 뿐만이 아니라 회생에너지의 흡수율도 크게 높일 수 있다.
한편, 상기 제어부(104)는 배터리(100)가 충전모드 또는 방전모드로 작동하도록 제1 DC/DC 컨버터(106)를 제어하고, 울트라 캐패시터(102)가 충전모드 또는 방전모드로 작동하도록 제2 DC/DC 컨버터(107)를 제어한다.
이와 같은 본 발명에 따른 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램은 직류 전원을 모터(110)를 제어하기 위해 교류 전원으로 변환하여 모터(110)의 구동을 제어하는 인버터(120)와, 가선 구간에서 가선(1)을 통해 전원을 공급받으면 전원을 충전하도록 병렬로 연결되는 밧데리(100) 및 울트라 캐패시터(102)와, 상기 밧데리(100) 및 울트라 캐패시터(102)의 충전 또는 방전을 제어하는 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(106,107)와, 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(106,107)를 제어하는 제어부(104)를 포함한다.
이때, 상기 제어부(104)는 차량이 추진 모드로 작동하는 경우에는 가선 구간에서 투입되는 전원을 상기 인버터(120)로 투입함과 동시에 상기 밧데리(100) 및 울트라 캐패시터(102)에 전원을 충전하도록 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(106,107)를 제어하고, 무가선 구간에서는 상기 밧데리(100) 및 울트라 캐패시터(102)의 충전 전원을 상기 인버터(120)로 투입하도록 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(106,107)를 제어한다.
또한, 상기 제어부(104)는 차량이 제동 모드로 작동하는 경우에는 가선 구간 또는 무가선 구간에 상관없이 모터(110)에서 발생하는 회생에너지를 상기 밧데리(100) 및 울트라 캐패시터(102)에 충전하도록 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(106,107)를 제어한다.
이와 같은 구성에 의하면 차량의 추진 시에는 울트라 캐패시터(102)에 저장된 전원을 배터리(100)와 동시에 사용하여 배터리(100)의 전원 사용량을 줄여 배터리(100)의 수명이 짧아지는 것을 방지하고, 차량의 제동 시에는 회생에너지를 배터리(100)와 울트라 캐패시터(102)에 동시에 저장하여 배터리(100)에 순간적으로 큰 전원이 유입되는 것을 방지하여 배터리(100)의 수명을 보장하고, 배터리(100)의 power rate로 인하여 저장하지 못하는 회생에너지를 울트라 캐패시터(102)에 저장하여 회생에너지 흡수율을 높일 수 있다.
한편, 상기 배터리(100)의 충전 상태를 감시하는 배터리 모니터링부(101)와, 상기 울트라 캐패시터(102)의 충전 상태를 감시하는 울트라 캐패시터 모니터링부(103)를 더 구비하여, 배터리(100) 및 울트라 캐패시터(102)의 충전 상태를 모니터링하여 그 상태정보를 제어부(104)로 전송하여 가선 구간에서 상기 제어부(104)는 배터리 모니터링부(101) 및 울트라 캐패시터 모니터링부(103)로부터 배터리(100) 및 울트라 캐패시터(102)의 충전상태를 확인하여 완충 상태이면 밧데리(100)의 충전 또는 방전을 제어하는 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(106,107)의 구동을 정지하여 배터리(100)의 과충전을 방지할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면 차량의 추진 시에는 울트라 캐패시터(102)에 저장된 전원을 배터리(100)와 동시에 사용하여 배터리(100)에 전원 사용량을 줄여 배터리(100)의 수명이 짧아지는 것을 방지하고, 차량의 제동 시에는 회생에너지를 배터리(100)와 울트라 캐패시터(102)에 동시에 저장하여 배터리(100)에 순간적으로 큰 전원이 유입되는 것을 방지하여 배터리(100)의 수명을 보장하고, 배터리(100)의 power rate로 인하여 저장하지 못하는 회생에너지를 울트라 캐패시터(102)에 저장하여 회생에너지 흡수율을 높일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램의 전력 제어 과정을 설명한다.
먼저, 가선 구간에서는 차량이 추진 제어되는 경우 가선(1)을 통해 전원을 공급받으며 인버터(120)에서 직류 형태의 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터(110)를 제어하여 차량을 추진하게 된다.
이 경우 제어부(104)는 배터리 모니터링부(101) 및 울트라 캐패시터 모니터링부(103)로부터 배터리(100) 및 울트라 캐패시터(102)의 충전 상태를 감시하게 된다.
상기 제어부(104)는 가선 구간인 경우 배터리 모니터링부(101) 및 울트라 캐패시터 모니터링부(103)로부터 배터리(100) 및 울트라 캐패시터(102)의 충전상태를 확인하여 충전 상태가 불충분한 경우에는 밧데리(100)의 충전 또는 방전을 제어하는 제1 DC/DC 컨버터(106)와 울트라 캐패시터(102)의 충전 또는 방전을 제어하는 제2 DC/DC 컨버터(107)를 제어하여 배터리(100) 및 울트라 캐패시터(102)가 충전모드로 작동하도록 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(106,107)를 제어한다.
이때, 가선 구간에서 상기 제어부(104)는 배터리 모니터링부(101) 및 울트라 캐패시터 모니터링부(103)로부터 배터리(100) 및 울트라 캐패시터(102)의 충전상태를 확인하여 완충 상태이면 밧데리(100)의 충전 또는 방전을 제어하는 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(106,107)의 구동을 정지한다.
한편, 상기 제어부(104)는 차량이 비가선 구간에 진입하면 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(106,107)를 제어하여 배터리(100) 및 울트라 캐패시터(102)를 방전모드로 작동시켜 배터리(100) 및 울트라 캐패시터(102)의 충전전원을 인버터(120)로 투입하여 모터(110) 제어를 위한 교류 전원으로 변환한다.
이와 같이 배터리(100)와 울트라 캐패시터(102)를 병렬로 연결하여 무가선 구간에서 차량 추진 시에는 울트라 캐패시터(102)에 저장된 전원을 배터리(100)와 동시에 차량 추진을 위해 사용하여 배터리(100)에 전원 사용량을 줄여 배터리(100)의 수명이 짧아지는 것을 방지한다.
한편, 차량의 제동시에는 가선 구간 또는 비가선 구간에 상관없이 상기 제어부(104)는 제1 및 제2 DC/DC 컨버터(106,107)를 제어하여 배터리(100) 및 울트라 캐패시터(102)를 충전모드로 작동시켜 모터(110)에서 발생하는 회생에너지를 배터리(100)와 울트라 캐패시터(102)에 동시에 저장한다.
이를 통해 배터리(100)에 순간적으로 큰 전원이 유입되는 것을 방지하여 배터리(100)의 수명을 보장하고, 배터리(100)의 power rate로 인하여 저장하지 못하는 회생에너지를 울트라 캐패시터(102)에 저장하여 회생에너지 흡수율을 높일 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
1: 가선 100:배터리
101: 배터리 모니터링부 102: 울트라 캐패시터
103: 울트라 캐패시터 모니터링부 104: 제어부
106: 제1 DC/DC 컨버터 107: 제2 DC/DC 컨버터
109: 차상 집전장치 110: 모터
120; 인버터

Claims (7)

  1. 차량 구동을 위한 모터를 제어하기 위해 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터의 구동을 제어하는 인버터와, 가선 구간에서 가선을 통해 전원을 공급받으면 전원을 충전하도록 병렬로 연결되는 밧데리 및 울트라 캐패시터와, 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터의 충전 또는 방전을 제어하는 제1 및 제2 DC/DC 컨버터와, 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터는 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터의 충전 또는 방전을 제어하는 양방향 DC/DC 컨버터인 것을 특징으로 하는 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 차량은 차상 집전장치를 통해 가선 구간에서 가선의 전원을 공급받아 상기 인버터로 투입하는 것을 특징으로 하는 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 차량이 추진 모드로 작동하는 경우에는 가선 구간에서 투입되는 전원을 상기 인버터로 투입함과 동시에 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터에 전원을 충전하도록 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터를 제어하고, 무가선 구간에서는 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터의 충전 전원을 상기 인버터로 투입하도록 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 차량이 제동 모드로 작동하는 경우에는 상기 모터에서 발생하는 회생에너지를 상기 밧데리 및 울트라 캐패시터에 충전하도록 상기 제1 및 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리의 충전 상태를 모니터링하는 배터리 모니터링부를 더 구비하여, 상기 제어부는 상기 배터리 모니터링부로부터 배터리의 충전 상태를 전송받는 것을 특징으로 하는 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 울트라 캐패시터의 충전 상태를 모니터링하는 울트라 캐패시터 모니터링부를 더 구비하여, 상기 제어부는 상기 울트라 캐패시터 모니터링부로부터 울트라 캐패시터의 충전 상태를 전송받는 것을 특징으로 하는 배터리와 울트라 캐패시터를 장착한 무가선 저상트램.
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