순수 전기에너지로 움직이는 전기자동차는 저장에너지 시공간의 한계로 인하여 회생제동은 필수적이다. 본 연구에서는 전기자동차의 시스템 설계의 중요한 부분인 축전지 용량 크기와 수명에 영향을 미칠수 있는 회생 제동에 의한 에너지 효율 및 회생제동 순간 에너지 저장을 위한 울트라 캐패시터의 사이징에 대한 상관관계를 분석하여 효율적인 전기 자동차의 시스템 설계에 활용하고자 한다. 미국의 도심주행 코스를 대상으로 시뮬레이션을 수행하여 축전지 사이징과 회생제동의 효율, 울트라 캐패시터의 사이징에 대한 효율 관계를 제시하였다.
최근 전기 철도 시스템에서 높은 속도 제어 성능, 친환경성, 에너지 절약, 탁월한 유지 보수성에 있어서 전기 제동시스템이 주목받고 있다. 전기 제동이라 함은 전기 모터의 힘으로써 차량의 속도를 감속하고, 정지하는 것을 말하는데, 감속을 위해 모터에서 역토크를 발생시킴으로써 모터가 발전기로 동작하게 된다. 이때 감소되는 운동 에너지가 전기 에너지로 변환 되는데, 이 에너지를 회생 에너지라 한다. 특히 전동차에서는 추진시스템이 VVVF 인버터로 바뀌어 가면서 회생 제동이 가능해지게 되었지만, 여전히 몇 가지 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 많은 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 회생 제동이 기계 제동에 비해서 뛰어난 점을 분석하고 전기 제동법이 안고 있는 문제점을 언급한다. 또한 이를 보완하기 위한 방안으로서 연구되고 있는 방법을 나열하고 각각의 특성에 대해 살펴본다.
특수 전기자동차 시스템에서는 기존 자동차 대비 차량 동력 특성, 제한된 공간, 시스템 효율 특성으로 인해 다중동력시스템을 주로 적용한다. 본 연구에서는 인버터를 통해 구동한 후 제동시 발생되는 전기에너지 즉, 회생에너지를 이용한 배터리 사용시간 증대의 효과를 가지는 특수 전기자동차의 회생제동 시스템의 구성, 개념도 및 제동원리에 대하여 서술하였다. 제안한 시스템의 검증을 위해 PSIM시뮬레이션을 수행하여 본 논문에서 제안한 회생제동 시스템이 특수 전기자동차에서 유용함을 확인하였다.
도시철도의 전동차는 변전설비로부터 전력을 공급받아 지상, 지하부의 다양한 선로조건(구배)를 지닌 선로를 운행하며, 열차 제동 시 많은 회생전력이 발생하고 있다. 회생제동은 에너지를 재활용 할 뿐만 아니라 기계식 브레이크의 사용을 줄이는 매우 이상적인 시스템이라고 할 수 있다. 또한 중요한 점은 회생제동이 가능한 시스템은 발생된 에너지가 어떤 정해진 흐름을 가지고 소모되고 재활용 가능하다는 것이다. 본 연구에서는 서울도시철도 선로구배도 검토 및 전동차 운행기록 분석, 전력공급소(변전소)의 전동차용 전력 공급반 전력분석 등으로 진행 되었다. 현재 운용중인 시스템 데이터의 분석을 통해 최적의 회생에너지 저장 시스템의 구축을 목표로 재활용 가능 에너지의 예측 및 분석을 시행 하였다.
최근 에너지/환경의 문제로 HEV(Hybrid Electric Vehicle)이 대두되고 있는데, HEV를 위한 대표적인 기술로서 제동시 에너지로 발전하여 전기를 회수하는 회생제동이 있다. 회생제동기술은 HEV 뿐만 아니라 건설기기, 하이브리드 버스, 전철, 엘리베이터 등에 폭넓게 활용이 가능하다. 회생제동용 에너지 저장원으로서는 고출력 및 환경특성이 우수한 슈퍼캐패시터가 적합하며, 단일 셀이 아닌 수십 ~ 수백 개의 셀이 모듈로 사용되는 만큼, 모듈화 설계 기술이 필요 하다. 수백 개의 셀을 모듈화하기 위해서 개별 셀의 전압을 모니터링 하는 기술과 충방전 시 밸렌싱 하는 기술, 사용환경에 따라 열 관리 기술이 필요하며, 이들 기능을 수행할 수 있는 통합 시스템을 구비하여 안정성과 성능 향상을 하고자 한다.
하이브리드 자동차는 전기방식 회생제동을 이용하여 연비가 우수하다. 본 논문에서는 새로운 공압식 회생제동 장치를 소개하였다. 공압식 회생제동장치는 압축과 팽창기능을 동시에 가지는 스크롤 기구를 이용한다. 차량 감속시에는 스크롤 기기는 압축기로 작동되면서 대기중의 공기를 압축하여 압축탱크에 저장한 후 차량 가속시에는 스크롤기구가 팽창기로 작동되면서 탱크에 저장된 압축공기가 차량 운동에너지로 활용된다. 회생제동장치를 사용함으로써 개선되는 연비를 분석하기 위해, CVS-75 모드 주행조건에서 시뮬레이션을 수행하였다.
철도차량이 운행될 때 회생제동 구간에서는 회생에너지가 발생한다. 1500[V] DC급전시스템에서 회생된 에너지는 가선 전압을 상승시킨다. 상승된 가선전압은 급전시스템에 악영향을 주기 때문에 회생에너지를 활용하는 방법을 이용하여 가선전압을 안정화 한다. 회생에너지 활용방법의 하나인 회생에너지 저장 시스템을 적용할 때 고려해야 될 사항은 회생에너지의 발생양이다. 회생에너지의 양이 적어 활용가치가 떨어지는 구간에서는 적용하지 않기 때문에 회생량에 대한 사전 정보가 필요하다. 회생에너지의 양은 실측을 통해 얻을 수 있지만 측정을 위한 시간이나 고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다. 본 논문에서는 회생에너지 예측이 가능한 직류지하철 시스템의 모델링을 통해 실측시 발생하는 시간 및 비용적인 문제점을 해결할 수 있다. 회생에너지의 예측은 시뮬레이터를 이용하여 구배 및 곡선, 차량 데이터 등의 운전특성을 바탕으로 이루어진다.
The simulator of a vehicle equipped with hydrostatic transmission and hydraulic accumulator type-braking energy regeneration system is developed using a PC. The simulator receives the accelerator pedal angle and the brake pedal angle generated by the operator using the keyboard, updates the state variables of the energy regeneration system responding to the input signals, and draws the moving pictures of the accumulator piston, pump plate angle and pump/motor plate angle every drawing time on the PC monitor. Also, the operator can observe the accel pedal angle, brake pedal angle, pressures of accumulators, vehicle speed, hydraulic torque, engine torque and air brake torque representing the operation of braking energy regeneration system through the PC monitor every drawing time. The simulator can be a very useful tool to design and improve the braking energy regeneration system.
최근의 도시철도 추진시스템은 VVVF 인버터로 제어되기 때문에 대부분 회생제동의 기능을 갖추고 있다. 회생제동 시 발생되는 전력은 그 때의 동일 노선에서 역행하고 있는 열차에 추진에너지로 사용되는 것이 가장 효율적이나 그것이 가능하지 않을 경우 혹은 그렇게 사용하고도 남는 잉여회생에너지가 발생할 경우 변전소의 회생용 인버터를 통해 역사 내에서 소비되는 방법도 많이 응용되고 있다. 이를 위해서는 회생용 인버터가 변전소 내에 설치되어야 한다. 본 논문에서는 경량전철시스템의 급전 시스템에서 이러한 회생용 인버터의 경제성분석과 적정용량 및 위치에 관에 논의된다.
본 논문에서는 속도에 따른 순시 최대 회생에너지를 갖는 제동기법이 제안되었다. 제안하는 기법을 기존 전동기 구동시스템에 적용시키기 위해 주변기기를 추가하지 않고 특정속도에서 최대 회생에너지를 갖는 토크를 발생시켜 전동기를 제동하였다. 또한 제안하는 기법의 회생 에너지가 기존의 기법보다 증가함을 시뮬레이션을 이용하여 검증하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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