KR102853767B1 - Hydrogen fuel cell system for locomotives - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소를 연료로 산소와 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 수소연료전지가 복수개 구비되는 수소연료전지부; 상기 수소연료전지부와 연결되고, 셀 단위를 조합한 모듈형 배터리가 복수개 구비되는 배터리부; 상기 수소연료전지부 및 상기 배터리부와 연결되고, 어느 하나의 DCDC 컨버터, 인버터, 모터가 하나의 모듈을 구성하도록 대응 연결되어 복수개 이루어지는 모터구동부; 및 상기 수소연료전지부, 상기 배터리부 및 상기 모터구동부와 연결되어 각각의 수소연료전지, 모듈형 배터리, DCDC 컨버터, 인버터, 모터 중 적어도 하나의 장치에 대한 고장이 감지되면, 상기 고장이 감지된 해당 장치에 대해서만 선택적으로 전기적 연결이 차단되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하여,
장치 간에 연결 및 차단이 가능한 설계를 달성할 수 있고, 다수의 장치들 중 고장이 발생된 일부 장치만 선택적으로 차단하여 비상 시스템을 보다 효율적이고 유기적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.The present invention is characterized by including a hydrogen fuel cell unit having a plurality of hydrogen fuel cells that generate electrical energy by reacting hydrogen as fuel with oxygen; a battery unit connected to the hydrogen fuel cell unit and having a plurality of modular batteries that combine cell units; a motor drive unit connected to the hydrogen fuel cell unit and the battery unit, and having a plurality of DCDC converters, inverters, and motors correspondingly connected to form a module; and a control unit connected to the hydrogen fuel cell unit, the battery unit, and the motor drive unit, and controlling the electrical connection to be selectively cut off only for the corresponding device in which the failure is detected when a failure is detected in at least one device among the hydrogen fuel cell, the modular battery, the DCDC converter, the inverter, and the motor.
It is possible to achieve a design that allows connection and blocking between devices, and it has the effect of operating the emergency system more efficiently and organically by selectively blocking only some devices that have failed among multiple devices.
Description
본 발명은 기존의 전원부를 수소연료전지로 대체하여 모터가 구동되도록 하고, 수소연료전지부, 배터리부, 모터구동부로 이루어지는 기본구성과 전기에너지를 관리하기 위한 에너지관리시스템의 추가구성을 통해 장치 간에 연결 및 차단이 가능한 설계를 달성할 수 있고, 다수의 장치들 중 고장이 발생된 일부 장치만 선택적으로 차단하여 비상 시스템을 보다 효율적이고 유기적으로 운영할 수 있는 기관차용 수소연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen fuel cell system for a locomotive, which replaces an existing power supply unit with a hydrogen fuel cell to drive a motor, and achieves a design that enables connection and disconnection between devices through a basic configuration consisting of a hydrogen fuel cell unit, a battery unit, and a motor drive unit and an additional configuration of an energy management system for managing electric energy, and which can more efficiently and organically operate an emergency system by selectively disconnecting only some devices that have failed among a plurality of devices.
현재, 열차는 수많은 인명과 화물을 정해진 시간에 맞추어 대량으로 운송하는 가장 대중화된 수송수단의 하나로 자리매김 하고 있다.Nowadays, trains have become one of the most popular means of transportation, transporting large quantities of people and cargo on time.
이에 따라, 열차는 타 운송수단에 비해 고도의 안정성이 요구되며, 사고가 발생하는 경우 발생되는 인명손실과 재산피해는 막대하다.Accordingly, trains require a higher level of stability than other modes of transportation, and in the event of an accident, the resulting loss of life and property damage is enormous.
따라서, 현재 승객이나 화물을 수송하는 디젤 및 전동차에는 열차의 상태를 모니터링 하고 열차를 자동 또는 수동으로 제어하기 위한 열차종합제어관리장치(TCMS, Train Control and Monitoring System)가 탑재되고 있다.Therefore, diesel and electric trains currently transporting passengers or freight are equipped with a Train Control and Monitoring System (TCMS) to monitor the train's status and control the train automatically or manually.
이러한 열차종합제어관리장치는 열차의 주요장치, 예컨대 전원장치, 공압장치, 출입문 개패장치, 팬터그래프, 제동장치, 신호장치, 구동장치, 에어 컨디셔너 및 기타 열차를 구성하는 다양한 부품들과 접속되며, 이들 부품들의 상태를 전달받거나 운전실에서 이들 부품들을 직접 조작할 수 있도록 하는 컴퓨터 시스템이다.This train control management device is a computer system that is connected to the main devices of the train, such as the power supply, pneumatic device, door opening device, pantograph, braking device, signal device, driving device, air conditioner, and other various parts that make up the train, and receives the status of these parts or allows these parts to be directly operated from the driver's seat.
그러나, 열차에 열차종합제어관리장치가 탑재된다 하더라도 열차는 주행중 사고나 문제가 발생될 수 있다.However, even if a train is equipped with a train control management system, accidents or problems may occur while the train is running.
예컨대, 도 1은 종래의 디젤전기 기관차용 운영 시스템의 전자적인 구성도로서, 도 1을 참조하면, 종래기술은 전원부, 모터구동부 및 이를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하고, 특히, 상기 전원부는 디젤엔진, 발전기 및 정류기를 포함하여 구성될 수 있다.For example, FIG. 1 is an electronic configuration diagram of an operating system for a conventional diesel-electric locomotive. Referring to FIG. 1, the conventional technology is characterized by including a power supply unit, a motor drive unit, and a control unit that controls the same, and in particular, the power supply unit may be configured to include a diesel engine, a generator, and a rectifier.
좀 더 구체적으로, 상기 종래기술은 대용량 디젤 엔진을 기반으로 교류발전기에서 출력되는 전기를 정류기를 이용하여 직류전류로 변환하고, 직류전류를 인버터에 공급하면 인버터에서 모터를 구동하는 시스템이다.More specifically, the above-mentioned conventional technology is a system that converts electricity output from an alternator based on a large-capacity diesel engine into direct current using a rectifier, supplies the direct current to an inverter, and then drives a motor from the inverter.
여기서, 인버터와 모터는 6개의 모듈 형태로 연결되어 있고, 각 모듈은 독립적으로 동작할 수 있으며, 어느 하나의 모듈이 고장나더라도 다른 모듈이 동작하면 제한적인 출력으로 차량 운행이 가능한 비상 운영방식이 함께 적용된다.Here, the inverter and motor are connected in the form of six modules, and each module can operate independently. An emergency operation method is also applied so that even if one module fails, the vehicle can be operated with limited output if the other modules operate.
이러한 종래의 디젤전기 기관차용 운영 시스템은 디젤엔진, 발전기, 정류기로 구성되는 전원부가 대용량의 단일 구성으로 되어 있어, 이 중 하나라도 고장이 발생하면 열차가 멈출 수 있고, 기존 가선형 전기 기관차용 운영 시스템 또한, 구동부가 6축으로 구동된다더라도 가선의 전력을 수집하는 집전장치, 변압기, 정류장치가 단일 구성으로 되어 있으므로, 마찬가지로 이 중 하나라도 고장이 발생될 경우, 열차가 정지하게 된다는 문제점이 있다.The conventional diesel-electric locomotive operating system has a large-capacity single-configuration power supply consisting of a diesel engine, generator, and rectifier, so if any one of these fails, the train can stop. In addition, the conventional overhead line electric locomotive operating system also has a single-configuration current collector, transformer, and rectifier that collect overhead line power, even if the drive unit is driven by six axles. Therefore, if any one of these fails, the train also has the problem of stopping.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존의 전원부를 수소연료전지로 대체하여 모터가 구동되도록 하고, 수소연료전지부, 배터리부, 모터구동부로 이루어지는 기본구성과 전기에너지를 관리하기 위한 에너지관리시스템의 추가구성을 통해 장치 간에 연결 및 차단이 가능한 설계를 달성할 수 있고, 다수의 장치들 중 고장이 발생된 일부 장치만 선택적으로 차단하여 비상 시스템을 보다 효율적이고 유기적으로 운영할 수 있는 기관차용 수소연료전지 시스템을 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been devised to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to provide a hydrogen fuel cell system for a locomotive, which replaces the existing power supply unit with a hydrogen fuel cell to drive a motor, and achieves a design that enables connection and disconnection between devices through an additional configuration of an energy management system for managing electric energy and a basic configuration consisting of a hydrogen fuel cell unit, a battery unit, and a motor drive unit, and which can operate an emergency system more efficiently and organically by selectively cutting off only some devices that have malfunctioned among a plurality of devices.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the description below.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적 수단인 본 발명의 일 실시예에 따른 기관차용 수소연료전지 시스템은, 수소를 연료로 산소와 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 수소연료전지가 복수개 구비되는 수소연료전지부; 상기 수소연료전지부와 연결되고, 셀 단위를 조합한 모듈형 배터리가 복수개 구비되는 배터리부; 상기 수소연료전지부 및 상기 배터리부와 연결되고, 어느 하나의 DCDC 컨버터, 인버터, 모터가 하나의 모듈을 구성하도록 대응 연결되어 복수개 이루어지는 모터구동부; 및 상기 수소연료전지부, 상기 배터리부 및 상기 모터구동부와 연결되어 각각의 수소연료전지, 모듈형 배터리, DCDC 컨버터, 인버터, 모터 중 적어도 하나의 장치에 대한 고장이 감지되면, 상기 고장이 감지된 해당 장치에 대해서만 선택적으로 전기적 연결이 차단되도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, which is a technical means for achieving the above object, a hydrogen fuel cell system for a locomotive may include: a hydrogen fuel cell unit having a plurality of hydrogen fuel cells that generate electrical energy by reacting hydrogen as fuel with oxygen; a battery unit connected to the hydrogen fuel cell unit and having a plurality of modular batteries that combine cell units; a motor drive unit connected to the hydrogen fuel cell unit and the battery unit, and having a plurality of DCDC converters, inverters, and motors correspondingly connected to form a module; and a control unit connected to the hydrogen fuel cell unit, the battery unit, and the motor drive unit, and controlling the electrical connection to be selectively cut off only for the corresponding device in which the failure is detected when a failure is detected in at least one device among the hydrogen fuel cell, the modular battery, the DCDC converter, the inverter, and the motor.
또한, 상기 수소연료전지부는, 각 수소연료전지의 출력을 합할 수 있도록 상기 복수개의 수소연료전지가 병렬로 결합되어 이루어질 수 있다.In addition, the hydrogen fuel cell unit may be formed by connecting multiple hydrogen fuel cells in parallel so that the output of each hydrogen fuel cell can be combined.
또한, 상기 배터리부는, 상기 수소연료전지부와 상기 모터구동부 사이에 위치하도록 개재 구성되고, 상기 복수개의 모듈형 배터리가 병렬로 연결되어 이루어질 수 있다.In addition, the battery unit is configured to be positioned between the hydrogen fuel cell unit and the motor drive unit, and the plurality of modular batteries can be connected in parallel.
또한, 상기 모터구동부의 상기 DCDC 컨버터는, 상기 수소연료전지부와 상기 배터리부의 출력단에 연결되어, 상기 인버터 및 상기 모터로 전기에너지 전달하거나, 상기 인버터 및 상기 모터로부터 회생제동에 의한 회생에너지를 상기 배터리부로 전달하는 양방향의 동작을 수행할 수 있다.In addition, the DCDC converter of the motor drive unit is connected to the output terminals of the hydrogen fuel cell unit and the battery unit, and can perform a bidirectional operation of transmitting electric energy to the inverter and the motor, or transmitting regenerative energy from the inverter and the motor through regenerative braking to the battery unit.
또한, 6축 기관차에 적용될 경우, 상기 DCDC 컨버터, 상기 인버터 및 상기 모터가 이루는 모듈은, 총 6개로 구성될 수 있다.Additionally, when applied to a 6-axle locomotive, the modules formed by the DCDC converter, the inverter, and the motor can be configured in a total of 6.
또한, 상기 제어부와 연결되어, 운행중인 기관차를 종합적으로 제어하기 위한 열차종합제어관리장치(TCMS, Train Control and Monitoring System)를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는, 상기 열차종합제어관리장치로부터 입력되는 원격제어신호에 따라 상기 수소연료전지부, 상기 배터리부 및 상기 모터구동부의 작동을 제어하되, 상기 열차종합제어관리장치로부터 각 기관차의 차량별 구성장치나 부품에 대한 상태정보를 수신하면서 상기 수소연료전지부, 상기 배터리부 및 상기 모터구동부의 입출력 데이터를 수집하여, 상기 수신된 상태정보 및 상기 수집된 입출력 데이터를 기반으로 각각의 수소연료전지, 모듈형 배터리, DCDC 컨버터, 인버터, 모터 중 적어도 하나의 장치에 대한 고장을 감지하고, 상기 고장이 감지되면, 상기 고장이 감지된 해당 장치와 연결된 접촉기를 차단하여 전원을 off시킬 수 있다.In addition, the control unit may further include a Train Control and Monitoring System (TCMS) connected to the control unit for comprehensively controlling the locomotive in operation, and the control unit controls the operation of the hydrogen fuel cell unit, the battery unit, and the motor drive unit according to a remote control signal input from the train control and management unit, and collects input/output data of the hydrogen fuel cell unit, the battery unit, and the motor drive unit while receiving status information on each vehicle component or part of each locomotive from the train control and management unit, and detects a failure of at least one device among the hydrogen fuel cell, the modular battery, the DCDC converter, the inverter, and the motor based on the received status information and the collected input/output data, and when the failure is detected, the contactor connected to the corresponding device in which the failure is detected may be cut off to turn off the power.
또한, 상기 제어부는, 상기 고장이 감지된 해당 장치와 관련한 열차 출력 감소량을 계산하고, 상기 계산결과에 따른 열차 출력 감소정보를 비상 운영상태를 알리기 위한 비상운영정보와 함께 상기 열차종합제어관리장치로 전송하여, 상기 열차종합제어관리장치에서 열차 출력을 제한하여 운영이 이루어지도록 할 수 있다.In addition, the control unit may calculate the amount of train output reduction related to the device in which the failure is detected, and transmit the train output reduction information according to the calculation result together with emergency operation information for notifying an emergency operation state to the train integrated control management device, so that the train integrated control management device may limit the train output to enable operation.
또한, 상기 접촉기는, 상기 각각의 수소연료전지, 상기 각각의 모듈형 배터리, 상기 모터구동부를 이루는 각각의 모듈에 대응 연결되도록 구성될 수 있다.In addition, the contactor may be configured to be connected to each module forming each hydrogen fuel cell, each modular battery, and each motor drive unit.
본 발명에 따른 기관차용 수소연료전지 시스템은, 기존의 전원부를 수소연료전지로 대체하여 모터가 구동되도록 하고, 수소연료전지부, 배터리부, 모터구동부로 이루어지는 기본구성과 전기에너지를 관리하기 위한 제어부의 추가구성을 통해 장치 간에 연결 및 차단이 가능한 설계를 달성할 수 있고, 다수의 장치들 중 고장이 발생된 일부 장치만 선택적으로 차단하여 비상 시스템을 보다 효율적이고 유기적으로 운영할 수 있는 효과가 있다.The hydrogen fuel cell system for a locomotive according to the present invention replaces the existing power supply unit with a hydrogen fuel cell to drive a motor, and achieves a design that allows connection and disconnection between devices through a basic configuration consisting of a hydrogen fuel cell unit, a battery unit, and a motor drive unit and an additional configuration of a control unit for managing electric energy, and has the effect of selectively shutting off only some devices that have malfunctioned among a plurality of devices, thereby operating an emergency system more efficiently and organically.
또한, 본 발명에 의하면, 수소연료전지부, 배터리부, 모터구동부 내부에 장치 간에 연결 및 차단이 가능하도록 설계되어 다수 장치들 중 전원장치 일부가 고장나더라도 고장난 장치만 선택적으로 차단해 시스템을 멈추지 않고 동작하도록 하는 비상운영이 가능하게 하여, 열차가 정지하게 되는 상황이 최소화될 수 있으므로, 비상 상황(일부 장치의 고장상황은 물론, 전시상황이나 자연재해 등)에도 열차를 목적지에 도착시키도록 운영할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, since it is designed to be possible to connect and disconnect between devices within the hydrogen fuel cell unit, battery unit, and motor drive unit, even if some of the power devices among multiple devices fail, only the failed devices are selectively cut off to enable emergency operation so that the system can operate without stopping, so that situations in which the train stops can be minimized, there is an effect in which the train can be operated to arrive at the destination even in emergency situations (not only situations in which some devices fail, but also situations in wartime or natural disasters, etc.).
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects that are not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the description below.
도 1은 종래의 디젤전기 기관차용 운영 시스템의 전자적인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기관차용 수소연료전지 시스템의 전자적인 구성을 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기관차용 수소연료전지 시스템의 제어방법을 나타낸 흐름도.Figure 1 is an electronic configuration diagram of an operating system for a conventional diesel-electric locomotive.
Figure 2 is a block diagram showing the electronic configuration of a hydrogen fuel cell system for a locomotive according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flowchart showing a control method of a hydrogen fuel cell system for a locomotive according to an embodiment of the present invention.
이하에서는, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings so that those skilled in the art can easily practice the present invention. However, the description of the present invention is merely an embodiment for structural and functional explanation, and therefore the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiments can be modified in various ways and can have various forms, the scope of the present invention should be understood to include equivalents that can realize the technical idea. In addition, the purposes or effects presented in the present invention do not mean that a specific embodiment must include all of them or only such effects, and therefore the scope of the present invention should not be construed as being limited thereby.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.The meanings of terms described in the present invention should be understood as follows.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.Terms such as "first" and "second" are intended to distinguish one component from another, and the scope of the rights should not be limited by these terms. For example, a first component could be referred to as a second component, and similarly, a second component could also be referred to as a first component. When a component is referred to as being "connected" to another component, it should be understood that it may be directly connected to that other component, but there may also be other components in between. Conversely, when a component is referred to as being "directly connected" to another component, it should be understood that there are no other components in between. Meanwhile, other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "immediately between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", should be interpreted similarly.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions should be understood to include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise, and terms such as "comprises" or "has" should be understood to specify the presence of stated features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof, but not to exclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.Unless otherwise defined, all terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted to be consistent with their meaning within the context of the relevant technology, and should not be interpreted as having ideal or overly formal meanings unless explicitly defined herein.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기관차용 수소연료전지 시스템의 전자적인 구성을 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기관차용 수소연료전지 시스템의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.FIG. 2 is a block diagram showing the electronic configuration of a hydrogen fuel cell system for a locomotive according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a flowchart showing a control method of a hydrogen fuel cell system for a locomotive according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 기관차용 수소연료전지 시스템(100)은 수소연료전지부(110), 배터리부(120), 모터구동부(130) 및 제어부(140)를 포함하여 구성할 수 있다.As illustrated in FIG. 2, a hydrogen fuel cell system (100) for a locomotive according to the present invention can be configured to include a hydrogen fuel cell unit (110), a battery unit (120), a motor drive unit (130), and a control unit (140).
상기 수소연료전지부(110)는 수소를 연료로 산소와 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 수소연료전지(FC - Fuel Cell, 111)가 복수개 구비될 수 있다.The above hydrogen fuel cell unit (110) may be equipped with a plurality of hydrogen fuel cells (FC - Fuel Cell, 111) that generate electrical energy by reacting hydrogen as fuel with oxygen.
여기서, 상기 수소연료전지부(110)는 각 수소연료전지(111)의 단위 출력을 합할 수 있도록 상기 복수개의 수소연료전지(111)가 병렬로 결합되어 이루어지는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the hydrogen fuel cell unit (110) is formed by connecting multiple hydrogen fuel cells (111) in parallel so that the unit outputs of each hydrogen fuel cell (111) can be combined.
상기 배터리부(120)는 반응성이 비교적 느리고, 순간 최대전력이 비교적 낮은 상기 수소연료전지(111)의 전원을 안정적으로 공급하기 위해 보조 설치되는 구성으로, 본 발명에 의하면, 상기 수소연료전지부(110)와 연결되고, 셀 단위를 조합한 모듈형 배터리(121)가 복수개 구비될 수 있다.The above battery unit (120) is a configuration installed as an auxiliary unit to stably supply power to the hydrogen fuel cell (111) which has a relatively slow response and a relatively low instantaneous maximum power. According to the present invention, a plurality of modular batteries (121) that are connected to the hydrogen fuel cell unit (110) and combine cell units may be provided.
상기 모터구동부(130)는 수소연료전지부(110) 및 상기 배터리부(120)와 연결되고, 어느 하나의 DCDC 컨버터(131), 인버터(132), 모터(133)가 하나의 모듈을 구성하도록 대응 연결되어 복수개 이루어질 수 있다.The above motor drive unit (130) is connected to the hydrogen fuel cell unit (110) and the battery unit (120), and a plurality of DCDC converters (131), inverters (132), and motors (133) can be connected correspondingly to form one module.
이때, 상기 DCDC 컨버터(131), 인버터(132) 및 상기 모터(133)가 이루는 모듈은 6축 기관차에 적용될 경우, 총 6개로 구성되는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the module formed by the DCDC converter (131), inverter (132) and motor (133) is composed of a total of six modules when applied to a six-axis locomotive.
또한, 상술한 배터리부(120)는 수소연료전지부(110)와 상기 모터구동부(130) 사이에 위치하도록 개재 구성되는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는, 승압용 DCDC 컨버터 전단에 연결되어 상대적으로 저압으로 안정적 운영이 가능해지도록 한다.In addition, the battery unit (120) described above is preferably configured to be positioned between the hydrogen fuel cell unit (110) and the motor drive unit (130), and more preferably, it is connected to the front end of the DCDC converter for boosting voltage to enable stable operation at a relatively low voltage.
더불어, 상기 배터리부(120) 역시, 상기 복수개의 모듈형 배터리(121)가 병렬로 연결되어 이루어질 수 있다.In addition, the battery unit (120) may also be formed by connecting multiple modular batteries (121) in parallel.
나아가, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 모터구동부(130)의 DCDC 컨버터(131)는 앞서 전술한 바와 같이, 상기 배터리부(120)의 출력단과 상기 수소연료전지부(110)의 출력단에 연결되어, 상기 인버터(132) 및 모터(133)로 전기에너지 전달하거나, 상기 인버터(132) 및 모터(133)로부터 회생제동에 의한 회생에너지를 상기 배터리부(120)로 전달하는 양방향의 동작을 수행할 수 있다.Furthermore, the DCDC converter (131) of the motor drive unit (130) according to a preferred embodiment of the present invention is connected to the output terminal of the battery unit (120) and the output terminal of the hydrogen fuel cell unit (110), as described above, and can perform a bidirectional operation of transmitting electric energy to the inverter (132) and the motor (133) or transmitting regenerative energy by regenerative braking from the inverter (132) and the motor (133) to the battery unit (120).
상기 제어부(140)는 수소연료전지부(110), 상기 배터리부(120) 및 모터구동부(130)와 연결되어 각각의 수소연료전지(111), 모듈형 배터리(121), DCDC 컨버터(131), 인버터(132), 모터(133) 중 적어도 하나의 장치에 대한 고장이 감지되면, 상기 고장이 감지된 해당 장치에 대해서만 선택적으로 전기적 연결이 차단되도록 제어하는 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System)으로서, 고장 사고에도 시스템이 중지되지 않고, 비상 운영이 가능하도록 하는 기능을 수행한다.The above control unit (140) is an energy management system (EMS) that is connected to the hydrogen fuel cell unit (110), the battery unit (120), and the motor drive unit (130) and selectively cuts off the electrical connection only to the device in which the failure has been detected when a failure is detected in at least one device among the hydrogen fuel cell (111), the modular battery (121), the DCDC converter (131), the inverter (132), and the motor (133), thereby performing a function to enable emergency operation without stopping the system even in the event of a failure.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 기관차용 수소연료전지 시스템(100)은 제어부(140)와 연결되어, 운행중인 기관차를 종합적으로 제어하기 위한 열차종합제어관리장치(TCMS - Train Control and Monitoring System, 150)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, according to the present invention, the hydrogen fuel cell system (100) for a locomotive may further include a train control and monitoring system (TCMS - Train Control and Monitoring System, 150) connected to a control unit (140) to comprehensively control a locomotive in operation.
이러한 상기 열차종합제어관리장치(150)는 통상적으로 게재된 일반적인 공지기술이므로, 더 구체적인 설명은 생략하기로 하며, 본 발명의 기술적 범위 내에서 해당관련분야의 통상지식을 가진 당업자에 의해 다양하게 변경 설계될 수 있다.Since the above-mentioned train integrated control management device (150) is a commonly published general public technology, a more detailed description will be omitted, and it can be variously modified and designed by a person skilled in the art with general knowledge in the relevant field within the technical scope of the present invention.
예컨대, 상기 제어부(140)는 열차종합제어관리장치(150)로부터 입력되는 원격제어신호에 따라 상기 수소연료전지부(110), 배터리부(120) 및 상기 모터구동부(130)의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다.For example, the control unit (140) may be configured to control the operation of the hydrogen fuel cell unit (110), the battery unit (120), and the motor drive unit (130) according to a remote control signal input from the train integrated control management device (150).
또한, 상기 제어부(140)는 좀 더 구체적으로, 상기 열차종합제어관리장치(150)로부터 각 기관차의 차량별 구성장치나 부품에 대한 상태정보를 수신하면서 상기 수소연료전지부(110), 배터리부(120) 및 상기 모터구동부(130)의 입출력 데이터를 수집하여, 상기 수신된 상태정보 및 상기 수집된 입출력 데이터를 기반으로 각각의 수소연료전지(111), 모듈형 배터리(121), DCDC 컨버터(131), 인버터(132), 모터(133) 중 적어도 하나의 장치에 대한 고장을 감지하고, 상기 고장이 감지되면, 상기 고장이 감지된 해당 장치와 연결된 접촉기(141)를 차단하여 전원을 off시킬 수 있다.In addition, the control unit (140) receives status information on the vehicle-specific components or parts of each locomotive from the train integrated control management device (150), collects input/output data of the hydrogen fuel cell unit (110), the battery unit (120), and the motor drive unit (130), and detects a failure of at least one device among the hydrogen fuel cell (111), the modular battery (121), the DCDC converter (131), the inverter (132), and the motor (133) based on the received status information and the collected input/output data, and when the failure is detected, the contactor (141) connected to the corresponding device in which the failure is detected can be cut off to turn off the power.
나아가, 상기 제어부(140)는 고장이 감지된 해당 장치와 관련한 열차 출력 감소량을 계산하고, 상기 계산결과에 따른 열차 출력 감소정보를 비상 운영상태를 알리기 위한 비상운영정보와 함께 상기 열차종합제어관리장치(150)로 전송하여, 상기 열차종합제어관리장치(150)에서 열차 출력을 제한하여 운영이 이루어지도록 할 수 있다.Furthermore, the control unit (140) calculates the train output reduction amount related to the device in which a failure has been detected, and transmits the train output reduction information according to the calculation result together with the emergency operation information for notifying the emergency operation state to the train integrated control management device (150), so that the train integrated control management device (150) can limit the train output and enable operation.
여기서, 상기 접촉기(141)는 본 발명에 의하면, 상기 각각의 수소연료전지(111), 상기 각각의 모듈형 배터리(121), 상기 모터구동부(130)를 이루는 각각의 모듈에 대응 연결되도록 구성되는 것이 바람직하다.Here, according to the present invention, the contactor (141) is preferably configured to be connected to each module constituting each hydrogen fuel cell (111), each modular battery (121), and each motor drive unit (130).
한편, 이와 같이 구성된 기관차용 수소연료전지 시스템(100)을 제어하는 방법은 도 3을 참조하여, 상태정보 공유단계(S100), 고장장치 감지단계(S200), 접촉기 차단단계(S300), 열차출력 감소량 산출단계(S400), 결과정보 전송단계(S500) 및 열차출력제한 운영단계(S600)를 포함하여 구성할 수 있다.Meanwhile, a method for controlling a hydrogen fuel cell system (100) for a locomotive configured in this manner can be configured to include a status information sharing step (S100), a fault device detection step (S200), a contactor blocking step (S300), a train output reduction amount calculation step (S400), a result information transmission step (S500), and a train output restriction operation step (S600), with reference to FIG. 3.
상기 상태정보 공유단계(S100)에서는 제어부(140)가 열차종합제어관리장치(150)로부터 각 기관차의 차량별 구성장치나 부품에 대한 상태정보를 수신하면서 공유한다.In the above status information sharing step (S100), the control unit (140) receives and shares status information on each vehicle component or part of each locomotive from the train comprehensive control management device (150).
상기 고장장치 감지단계(S200)에서는 제어부(140)가 상술한 상태정보 공유단계(S100)에서의 공유를 통한 수소연료전지부(110), 배터리부(120) 및 상기 모터구동부(130)의 입출력 데이터를 수집하여, 상기 수신된 상태정보 및 상기 수집된 입출력 데이터를 기반으로 각각의 수소연료전지(111), 모듈형 배터리(121), DCDC 컨버터(131), 인버터(132), 모터(133) 중 적어도 하나의 장치에 대한 고장을 감지한다.In the above-described fault device detection step (S200), the control unit (140) collects input/output data of the hydrogen fuel cell unit (110), the battery unit (120), and the motor drive unit (130) through sharing in the above-described status information sharing step (S100), and detects a fault in at least one device among the hydrogen fuel cell (111), the modular battery (121), the DCDC converter (131), the inverter (132), and the motor (133) based on the received status information and the collected input/output data.
상기 접촉기 차단단계(S300)에서는 제어부(140)가 상기 고장장치 감지단계(S200)를 통해 고장이 감지되면, 상기 고장이 감지된 해당 장치와 연결된 접촉기(141)를 차단하여 전원을 off시킨다.In the above contactor blocking step (S300), if a failure is detected through the above fault device detection step (S200), the control unit (140) blocks the contactor (141) connected to the device in which the failure was detected, thereby turning off the power.
상기 열차출력 감소량 산출단계(S400)에서는 제어부(140)가 상기 고장이 감지된 해당 장치와 관련한 열차 출력 감소량을 계산한다.In the above train output reduction amount calculation step (S400), the control unit (140) calculates the train output reduction amount related to the device in which the above fault is detected.
상기 결과정보 전송단계(S500)에서는 제어부(140)가 상술한 열차출력 감소량 산출단계(S400)에서의 계산결과에 따른 열차 출력 감소정보를 비상 운영상태를 알리기 위한 비상운영정보와 함께 상기 열차종합제어관리장치(150)로 전송한다.In the above result information transmission step (S500), the control unit (140) transmits the train output reduction information according to the calculation result in the train output reduction amount calculation step (S400) described above to the train integrated control management device (150) together with the emergency operation information for notifying the emergency operation status.
상기 열차출력제한 운영단계(S600)에서는 상기 결과정보 전송단계(S500)에서 전송되는 데이터를 기반으로 관리/운영자가 열차종합제어관리장치(150)를 이용하여 열차 출력을 제한하여 운영한다.In the above train output restriction operation step (S600), the manager/operator operates by restricting train output using the train integrated control management device (150) based on the data transmitted in the result information transmission step (S500).
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.The detailed description of the preferred embodiments of the present invention disclosed above has been provided to enable those skilled in the art to implement and practice the present invention. While the above description has been made with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will appreciate that various modifications and variations can be made to the present invention without departing from the scope of the present invention. For example, those skilled in the art can utilize the individual components described in the above-described embodiments in combination with each other. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments described herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics thereof. Therefore, the above detailed description should not be construed in any way as limiting but rather as illustrative. The scope of the present invention should be determined by a reasonable interpretation of the appended claims, and all changes coming within the equivalent scope of the claims are intended to be included therein. The present invention is not intended to be limited to the embodiments set forth herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. Furthermore, claims that are not explicitly cited in the claims may be combined to form an embodiment or incorporated into a new claim by post-application amendment.
100 : 기관차용 수소연료전지 시스템 110 : 수소연료전지부
111 : 수소연료전지 120 : 배터리부
121 : 모듈형 배터리 130 : 모터구동부
131 : DCDC 컨버터 132 : 인버터
133 : 모터 140 : 제어부
141 : 접촉기 150 : 열차종합제어관리장치100: Hydrogen fuel cell system for locomotive 110: Hydrogen fuel cell section
111: Hydrogen fuel cell 120: Battery section
121: Modular battery 130: Motor drive unit
131: DCDC converter 132: Inverter
133: Motor 140: Control unit
141: Contactor 150: Train Integrated Control Management Device
Claims (8)
상기 수소연료전지부와 연결되고, 셀 단위를 조합한 모듈형 배터리가 복수개 구비되는 배터리부;
상기 수소연료전지부 및 상기 배터리부와 연결되고, 어느 하나의 DCDC 컨버터, 인버터, 모터가 하나의 모듈을 구성하도록 대응 연결되어 복수개 이루어지는 모터구동부;
상기 수소연료전지부, 상기 배터리부 및 상기 모터구동부와 연결되어 각각의 수소연료전지, 모듈형 배터리, DCDC 컨버터, 인버터, 모터 중 적어도 하나의 장치에 대한 고장이 감지되면, 상기 고장이 감지된 해당 장치에 대해서만 선택적으로 전기적 연결이 차단되도록 제어하는 제어부; 및
상기 제어부와 연결되어, 운행중인 기관차를 종합적으로 제어하기 위한 열차종합제어관리장치(TCMS, Train Control and Monitoring System);를 포함하고,
상기 수소연료전지부는,
각 수소연료전지의 출력을 합할 수 있도록 상기 복수개의 수소연료전지가 병렬로 결합되어 이루어지며,
상기 배터리부는,
상기 수소연료전지부와 상기 모터구동부 사이에 위치하도록 개재 구성되고,
상기 복수개의 모듈형 배터리가 병렬로 연결되어 이루어지며,
상기 모터구동부의 상기 DCDC 컨버터는,
상기 수소연료전지부와 상기 배터리부의 출력단에 연결되어, 상기 인버터 및 상기 모터로 전기에너지 전달하거나, 상기 인버터 및 상기 모터로부터 회생제동에 의한 회생에너지를 상기 배터리부로 전달하는 양방향의 동작을 수행하고,
6축 기관차에 적용될 경우,
상기 DCDC 컨버터, 상기 인버터 및 상기 모터가 이루는 모듈은, 총 6개로 구성되며,
상기 제어부는,
상기 열차종합제어관리장치로부터 입력되는 원격제어신호에 따라 상기 수소연료전지부, 상기 배터리부 및 상기 모터구동부의 작동을 제어하되,
상기 열차종합제어관리장치로부터 각 기관차의 차량별 구성장치나 부품에 대한 상태정보를 수신하면서 상기 수소연료전지부, 상기 배터리부 및 상기 모터구동부의 입출력 데이터를 수집하여, 상기 수신된 상태정보 및 상기 수집된 입출력 데이터를 기반으로 각각의 수소연료전지, 모듈형 배터리, DCDC 컨버터, 인버터, 모터 중 적어도 하나의 장치에 대한 고장을 감지하고, 상기 고장이 감지되면, 상기 고장이 감지된 해당 장치와 연결된 접촉기를 차단하여 전원을 off시키는 것을 특징으로 하는 기관차용 수소연료전지 시스템.
A hydrogen fuel cell unit having multiple hydrogen fuel cells that generate electrical energy by reacting hydrogen with oxygen as fuel;
A battery unit connected to the above hydrogen fuel cell unit and having a plurality of modular batteries that combine cell units;
A motor drive unit connected to the hydrogen fuel cell unit and the battery unit, and comprising a plurality of DCDC converters, inverters, and motors connected correspondingly to form one module;
A control unit that is connected to the hydrogen fuel cell unit, the battery unit, and the motor drive unit, and controls the electrical connection to be selectively cut off only for the device in which the failure is detected when a failure is detected in at least one device among the hydrogen fuel cell, the modular battery, the DCDC converter, the inverter, and the motor; and
It includes a Train Control and Monitoring System (TCMS) connected to the above control unit to comprehensively control the locomotive in operation;
The above hydrogen fuel cell unit,
The above multiple hydrogen fuel cells are connected in parallel so that the output of each hydrogen fuel cell can be combined,
The above battery part,
It is configured to be positioned between the hydrogen fuel cell unit and the motor drive unit,
The above multiple modular batteries are connected in parallel,
The DCDC converter of the above motor drive unit,
Connected to the output terminals of the hydrogen fuel cell unit and the battery unit, it performs a bidirectional operation of transmitting electric energy to the inverter and the motor, or transmitting regenerative energy from the inverter and the motor through regenerative braking to the battery unit.
When applied to a 6-axle locomotive,
The module composed of the DCDC converter, the inverter, and the motor is composed of a total of six modules.
The above control unit,
Control the operation of the hydrogen fuel cell unit, the battery unit, and the motor drive unit according to the remote control signal input from the above train integrated control management device.
A hydrogen fuel cell system for a locomotive, characterized in that it receives status information on each vehicle component or part of each locomotive from the train integrated control management device, collects input/output data of the hydrogen fuel cell unit, the battery unit, and the motor drive unit, detects a failure of at least one device among the hydrogen fuel cell, the modular battery, the DCDC converter, the inverter, and the motor based on the received status information and the collected input/output data, and, when the failure is detected, turns off the power by cutting off the contactor connected to the corresponding device in which the failure is detected.
상기 제어부는,
상기 고장이 감지된 해당 장치와 관련한 열차 출력 감소량을 계산하고, 상기 계산결과에 따른 열차 출력 감소정보를 비상 운영상태를 알리기 위한 비상운영정보와 함께 상기 열차종합제어관리장치로 전송하여, 상기 열차종합제어관리장치에서 열차 출력을 제한하여 운영이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 기관차용 수소연료전지 시스템.
In the first paragraph,
The above control unit,
A hydrogen fuel cell system for a locomotive, characterized in that it calculates the amount of train output reduction related to the device in which the above-mentioned failure has been detected, transmits the train output reduction information according to the calculation result together with emergency operation information for notifying an emergency operation state to the train integrated control management device, and causes the train integrated control management device to limit the train output so that operation is performed.
상기 접촉기는,
상기 각각의 수소연료전지, 상기 각각의 모듈형 배터리, 상기 모터구동부를 이루는 각각의 모듈에 대응 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기관차용 수소연료전지 시스템.In paragraph 7,
The above contactor,
A hydrogen fuel cell system for a locomotive, characterized in that it is configured to be connected to each of the hydrogen fuel cells, each of the modular batteries, and each of the modules forming the motor drive unit.
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