Power Distribution Strategy for Wireless Tram with Hybrid Energy Storage System

하이브리드 에너지 저장장치를 탑재한 무가선 트램의 전력분배전략

Abstract

A wireless tram which runs without catenary and instead uses batteries installed in the tram has been recently researched actively. This paper presents a new method maximizing absorption of regenerative energy of a wireless tram and extending life cycle of the energy storage device in the wireless tram by applying line-optimized charging and discharging scenario. Energy efficiency and life cycle of energy storage system (ESS) are highly dependent on the characteristic of operating conditions. For example, frequent charge and discharge with high power cause the problems that decrease the battery life cycles. Hybrid energy storage system (HESS) is combination of two ESSs which have complementary characteristics to each other. HESS can provide even better functionality and performance than the battery only ESS due to the synergy effect of two ESSs. This paper also provides a power distribution strategy and driving scenarios which increase the life cycle and energy efficiency of the HESS consisting of a battery and an ultra-capacitor. The developed strategy was tested and verified by a hardware-in-the-loop-simulation (HILS) system which emulates the a wireless tram.

1. 서 론

무가선 저상 트램은 차상에 에너지 저장장치를 장착하여 가선 및 무가선 하이브리드 주행이 가능한 시스템이다. 가선구간 주행 시에는 판토그라프를 통한 집전이 가능하여 전차선을 통해 전력공급을 받는다. 무가선 구간에서는 2차전지 배터리가 동력원이 되어 주행한다. 전용궤도는 지면과 수평으로 매립되어 다른 교통수단이 주행하는데 문제가 없고, 차체높이는 지면과 35cm이하로 제작되어 노약자나 휠체어의 탑승이 용이하다. 또한, 지하철에 비해 진동과 소음이 적고 역사 구축을 위한 건설비용이 없으므로 경제적일 뿐 아니라 도시 미관을 해치지 않는다.

무가선 저상 트램은 전기적인 동력으로만 운행되므로 안정적인 전력 공급이 중요하다. 무가선 주행 시 에너지를 공급하는 ESS는 차상에 탑재할 수 있는 용량이 한정적이다. 따라서 운행노선이 긴 경우, 유/무가선 구간의 혼용이 필요하며, 에너지 저장장치의 성능과 효율적인 사용이 필수적이다. 대표적인 에너지 저장장치로 이용되는 배터리시스템은 높은 에너지 밀도를 갖지만 상대적으로 파워밀도가 낮아, 피크파워 출력이 제한적이고 잦은 충·방전에 대하여 수명이 약해지는 문제가 있다. 또한, 배터리의 SOC 사용범위가 넓고 평균치가 클수록 배터리의 수명에 악영향을 미치는 것이 실험적으로 확인된바 있다[1]. 이와 같이 배터리의 수명문제로 인한 교체비용, 제한적인 회생에너지 회수율 등의 문제점을 보완하기 위하여 다양한 대체 에너지저장장치가 개발되고 있다. 그 중 울트라커패시터는 에너지 밀도가 낮지만 높은 파워밀도 특성과 긴 수명으로 배터리시스템과 상보적인 특성을 가진다[2]. 이렇게 상보적인 두 소자를 조합하여 시스템을 구성하면 각각의 단점을 보완할 수 있으며, 이러한 HESS(Hybrid Energy Storage System)가 배터리시스템의 짧은 수명 및 제한적인 파워밀도를 보완하기 위한 현실적인 대안이 될 수 있다. 현재 HESS는 하이브리드 및 전기자동차 분야에서도 활발히 연구되고 있으며, 통합되는 시스템간의 특성과 구조에 따른 장단점이 존재한다[3].

그림 1무가선 트램 및 차상 추진배터리 Fig. 1 Wireless tram and battery

철도차량의 특성 상, 무가선 트램은 제한된 노선 및 정거장을 반복적으로 주행하는 특성을 가지며 계획적인 전력분배 전략수립을 통하여 에너지 효율을 극대화 할 수 있다. 전력분배 전략은 에너지 효율 뿐 아니라 ESS(Energy Storage System)의 수명과 차량 가속성능 및 회생제동 에너지 수용 능력과도 밀접한 관계를 가진다. 본 연구에서는 HESS를 탑재한 무가선 트램의 전력분배 전략을 개발하고, 축소형 HILS를 구성하여 개발된 전략의 성능을 평가하였다.

 

2. 시스템 구성 및 차량제원

2.1 시스템 구성

본 연구에 적용되는 차량 추진시스템을 <그림 2>에 나타내었다. 차량 추진시스템은 배터리와 울트라커패시터, 양방향 DC/DC 컨버터, 구동모터와 인버터로 구성된다. 두 개의 양방향 DC/DC컨버터는 ESS의 각 출력단에 연결되어 있고, DC-link단을 중심으로 구동모터용 인버터와는 병렬구조로 되어 있다. 이 구조는 두 개의 DC/DC 컨버터가 사용되기 때문에 초기 시스템 구성비용이 비싸다는 단점이 있다. 하지만, 배터리와 울트라커패시터의 출력전압 범위가 인버터 구동 전압범위에 제한받지 않아, 시스템 운용에 대한 자유도가 높다. 이것은 울트라커패시터의 활용도 측면에서 큰 장점이 된다. 일반적으로 커패시터에 저장된 에너지량은 전압의 함수로 식 (1) 과 같이 표현된다.

그림 2차량 추진시스템 구성 Fig. 2 Configuration of traction system for tram

즉, 울트라커패시터의 SOC(State of Charge)는 출력전압에 종속적인 특성을 가지는데, 배터리와 울트라커패시터 조합의 HESS에서는 울트라커패시터의 SOC 영역을 넓게 운용하는 것이 중요하다. 무가선 트램의 가속 및 회생제동 시에 발생하는 높은 피크전력이 배터리시스템에 인가되는 것이 수명 단축의 주 원인이며, 울트라커패시터가 배터리에 유입되는 과도한 입출력 전력을 완충하는 역할을 수행하려면 상시 운용가능한 상태에 있는 것이 유리하기 때문이다. 따라서 울트라커패시터를 이용한 무가선 트램의 가·감속성능, 회생에너지의 높은 회수율 및 배터리시스템의 안정적인 구동은 울트라커패시터가 운용가능한 SOC 영역에서만 보장된다.

2.2 차량 제원

본 연구에서 대상으로 하는 차량은 한국철도연구원에서 국가연구개발사업으로 개발한 무가선 저상 트램이며, 차량제원은 <표 1>과 같다. 약 162kWh급의 리튬폴리머 배터리가 탑재되어 1회 충전으로 25km이상 무가선 주행이 가능하며, 현재 오송 철도시설공단 내 구축된 시험선로에서 테스트 중에 있다.

표 1무가선 트램 제원 Table 1 Data of wireless tram system

 

3. 무가선 트램 전력분배 전략

3.1 차량 동작모드에 따른 전력 흐름

무가선 저상 트램의 상황 별 전력 흐름은 <그림 3>, <그림 4>와 같다.

그림 3가선 구간에서의 전력 흐름 Fig. 3 Power flow of tram with catenary

그림 4무가선 구간에서의 전력 흐름 Fig. 4 Power flow of tram without catenary

가선 구간에서는 가선을 동력원으로 하여 모터 구동이 가능하고(<그림 3(a)>), 모터의 요구 파워가 일정치(가선 최대 사용파워) 이상일 경우 ESS와 함께 전력공급을 한다(<그림 3(b)>). 이는 가선 사용파워를 제한하여 가선 피크파워를 저감하기 위함이다. ESS의 SOC가 기준값 이하인 경우 가선전력을 이용한 충전이 가능하며(<그림 3(c)>), 제동 시에는 회생에너지를 ESS에 저장하여 재사용한다(<그림 3(d)>). 필요에 따라, 가선전력으로 주행과 ESS 충전이 동시에 이루어질 수 있으며, 가선전력과 회생전력이 함께 ESS에 충전되는 상황도 가능하다.

무가선 구간에서는 ESS를 주 동력원으로 주행을 하며 (<그림 4(a)>), 가선구간과 마찬가지로 제동 시에 회생에너지를 저장한다(<그림 4(b)). ESS 간의 충 방전도 가능하지만 본 연구의 HESS 구조에서는 두 개 컨버터의 동작효율을 감안할 경우 비효율적인 운용으로 동작모드에서 제외하였으며, 차량 주행 상황과 가선 여부에 따른 전력 흐름을 <표 2>에 정리하였다.

표 2무가선 트램의 전력 흐름 Table 2 Power flow of wireless tram system

3.2 ESS(Energy Storage System) SOC 관리

울트라커패시터의 SOC가 과충전 혹은 과방전을 방지하기 위해 설정해 놓은 상하한 영역을 벗어난 상황을 제외하고 파워 밀도가 높은 울트라커패시터의 전력을 우선적으로 사용한다. 울트라커패시터의 SOC 운용 영역의 경우, 상시 회생제동 에너지를 전량 회수하기 위하여 일정 용량만큼을 비워두는 전략이 필요하다[4]. 그러기 위해서는 울트라커패시터의 SOC 상한 값(SOCuc_max ) 아래에 특정 기준 값(SOCuc_reɡen)을 지정하여 운용한다. 이 기준 값을 초과하게 되면, 회생실효가 발생할 수 있으며, 배터리가 높은 피크파워를 부담해야 하는 상황이 발생하기 때문이다. 그리고 동일 출력파워에 대하여 SOC가 낮은 영역에서는 높은 영역에 비하여 전류값이 상대적으로 커지게 되므로, 울트라커패시터의 SOC 하한값(SOCuc_min )은 시스템의 허용 전류치를 고려하여 산정한다. 배터리시스템의 경우 무가선 노선 구간의 거리에 따라 SOC 사용영역(최소 SOCbatt_min, 최대 SOCbatt_max )이 결정되며, 무가선 트램의 경우 SOC영역10%∼90% 구간에서 배터리시스템을 운용한다. SOCuc_reɡen의 경우 가변적으로 운용하는 것이 유리하다. 무가선 트램은 정해진 노선 및 정거장을 제한된 속도로 운행되는 교통수단 이므로, 사전운행을 통하여 노선별, 정거장별로 발생하는 회생 에너지량 측정이 가능하다. 또한, 남은 주행 구간의 거리와 정거장 수, 가선여부 등을 추가적으로 고려하여 SOCuc_reɡen값을 수립한다면 보다 효율적인 SOC 관리가 가능하다.

3.3 무가선 트램 전력분배 전략

차량 동작 모드 및 ESS 특성을 바탕으로 한 무가선 트램의 전력분배 전략은 아래와 같다. 이때 모터파워는 가속을(+), 회생제동을 (−)로 하며, Pmot, Pcat_max, Pcat_ch는 각각 차량 요구파워, 가선 최대 사용파워, 가선의 ESS 충전 가용파워를 나타낸다. Pcat_max는 사용자에 의해 설정되는 가선의 공급용량 미만의 값을 뜻하며, 가선 전력 이용 시 가선 사용전력을 제한하기 위한 파라미터이다. αcat는 현재 가선의 가용파워 중 실제로 ESS 충전에 사용할 비율을 결정하는 제어 파라미터이며, 노선에 따라 사전 튜닝이 필요하다(0≤ αcat ≤ 1).

3.3.1 가선 모드

가선 구간에서 무가선 트램의 전력분배 전략을 <그림 5>에 나타내었다.

그림 5무가선 트램 전력분배 전략(가선 구간) Fig. 5 Power distribution strategy of tram(with catenary)

(1) 차량 주행 시

가선모드에서는 우선적으로 가선전력을 사용한다. ESS에 저장된 에너지를 사용할 경우 DC/DC 컨버터 동작 효율로 인한 에너지 손실이 발생하기 때문이다. Pmot ≺Pcat_max인 경우, 주행과 동시에 ESS 충전이 가능하며, 가선이 공급 가능한 충전량은 Pcat_ch = Pcat_max − Pmot 가 된다. 이때, ESS의 SOC가 하한 값(SOCbatt_min, SOCuc_min ) 이하인 경우에는 가용파워를 전량 충전한다(Pcat_ch). 그 외 SOC가 하한 값 이상인 경우 ESS 충전량은 αcatPcat_ch가 된다.

Pmot > Pcat_max인 경우, Pcat_max를 초과하는 파워(Pmot − Pcat_max )는 ESS에서 공급한다. 이때 역시 울트라커패시터가 우선적으로 사용되며, 운용 불가한 SOC 영역일 경우 배터리시스템 전력을 사용한다.

(2) 차량 제동 시

제동 시에는 SOCuc_max를 초과하지 않는 한 울트라커패시터를 이용하여 전량 회생한다. 이때 SOCuc < SOCuc_reɡen인 경우 가선전력을 통하여 ESS를 동시 충전한다.

3.3.2 무가선 모드

무가선 구간에서 무가선 트램의 전력분배 전략을 <그림 6>에 나타내었다.

그림 6무가선 트램 전력분배 전략(무가선 구간) Fig. 6 Power distribution strategy of tram(without catenary)

무가선 모드에서는 가선을 대신하여 울트라커패시터의 DC/DC 컨버터가 DC-link단의 전압을 제어하며, SOCuc < SOCuc_min인 경우엔 배터리 DC/DC 컨버터가 DC-link 전압을 제어한다. 즉, SOCuc > SOCuc_min인 경우 울트라커패시터가 우선적으로 주행동력을 공급하며, 제동 시의 경우에도 SOCuc < SOCuc_reɡen인 경우에 한해 울트라커패시터가 우선적으로 회생전력을 저장하며, 해당 영역대를 벗어나는 경우 배터리시스템을 이용하여 회생전력을 저장한다. 무가선 구간에서는 가선을 통한 주행이 불가능하므로, 진입전에 주행에 충분한 ESS의 SOC가 확보되어야 한다. 사전주행을 통해 노선 별 회생제동 에너지, 주행파워를 산정하고 그에 따른 충전전력, 정차시간, SOC 등의 진입조건이 확립되어야 한다.

 

4. 실험 결과

4.1 HILS 사양 및 구성

무가선 저상 트램 시스템을 모사하기 위해 <표 3>과 같이 실험실 내 축소형 HILS를 구축하였다. 시스템의 전력 분배전략과 차량 모델은 MATLAB/Simuink를 기반으로 개발 되었다. 구성품간 통신은 CAN(Controller Area Network)을 기본으로 하며, 차량모델과 전력분배 알고리즘은 National Instrument社 PXI장비의 Real-Time Controller 기능을 이용하여 구현하였다.

표 3 축소형 HILS 제원Table 3 Data of HILS

4.2 가상 주행 노선

트램 노선의 정거장 간 거리는 일반적으로 약 500m 정도이다. 최고속도까지 역행한 후 타력주행(또는 정속주행)을 거쳐 제동하는 방식으로 이루어진다. 따라서 각 정거장마다 비슷한 차량속도와 모터 출력파워가 반복적으로 발생하는 경향을 가진다. 본 연구를 위한 가상 주행노선은 총 2.5km, 5개 정거장으로 구성하였으며, 시점부 500m 및 종점부 500m 가선구간, 나머지는 무가선 구간으로 설정하였다. 이때 차량의 최고속도는 약 25km로 제한하였다.

4.3 실험 결과

본 실험에서는 SOCuc_reɡen =70%, αcat =0.2로 설정하였으며, 차량 내 보조 사용부하는 없다고 가정하였다. Pcat_max의 경우, 가상노선에서 Pmot가 최대 1.5kW인 것을 감안하여 가선과 ESS가 동시에 모터를 구동하는 상황을 모사하고자 1kW로 설정하였다. 그래프는 ESS를 기준으로 (+)가 충전 상황이다.

세 정거장으로 구성된 무가선 구간을 주행하는 동안 SOCuc가 하한값에 도달하여 배터리가 주행동력을 공급하는 상황을 모사하기 위해 울트라커패시터의 초기 SOC값은 55%로 설정하였다. 해당 상황에서는 배터리의 DC/DC컨버터가 DC-link 전압을 제어하며 이때 SOCbatt은 하한값 이상이어야 한다. 올트라커패시터는 배터리 동력을 통한 주행구간동안 회수한 회생제동에너지와 가선구간 진입직후 가선으로부터의 충전을 통하여 SOCuc를 회복하고 다음 무가선 구간을 대비하게 된다.

결과 그래프를 살펴보면, 우선 가선구간인 시점부에서 SOCuc

SOCbatt는 주행 전과 후의 큰 변동이 없다(<그림 9(b)>). 또한 SOCuc도 가선전력을 이용한 충전으로 주행 전과 같은 수준으로 회복한 것을 알 수 있다. ESS의 수명관리를 위하여 (E)와 같이 피크파워를 배터리시스템이 공급하는 상황은 피하는 것이 유리하며, 이는 노선별로 사전 시험운행을 통해 초기 SOCuc값을 조정함으로써 해결가능하다.

그림 7축소형 HILS 구성도 Fig. 7 Configuration of HILS system

그림 8무가선 저상트램 축소형 HILS Fig. 8 HILS system of wireless tram

그림 9가상노선에 따른 실험 결과 Fig. 9 Simulation result

 

5. 결론 및 향후계획

본 연구에서는 울트라커패시터와 배터리시스템이 조합된 HESS를 적용하여 무가선 트램의 전력분배 전략을 개발하였다. 개발된 전략의 검증을 위하여 축소형 HILS를 구축하였으며, 가상노선 시험을 통한 주행상황별 ESS 충·방전 시나리오를 확인하였다. 무가선 트램의 실용화 시 본 연구결과가 적용된다면, 노선별 최적화된 전략 구성뿐만 아니라 ESS의 효율적인 수명관리에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.

향후 본 연구결과를 바탕으로 전력분배전략을 구성하는 제어파라미터의 최적화 연구 및 ESS의 정량적인 수명개선효과 분석 등의 연구를 추가적으로 진행할 계획이며, 시스템 효율개선 및 ESS 수명 확보를 위하여 본 연구에 적용된 multiple converter configuration 이외에 다양한 HESS 구성에 대한 추가 연구도 진행할 계획이다.