Microsoft Word - KSR2015S018

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word - KSR2015S018"

준오 강
6 years ago
Views:

1 2015 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2015S018 한국형미니트램 (PRT) 의개념구현을위한시작차량설계, 제작및시험 An Engineering Design, Implementation and Test of a Prototype Vehicle for Realization of Korean Mini-Tram (PRT) 조일선 *, 이광섭 **, 김준우 **, 정락교 *, 김찬수 **, 강석원 * Il-Sun Cho *, Kwang-Seob Lee **, Jun-Woo Kim **, Rag-Gyo Jeong *, Chan-Soo Kim **, Seok-Won Kang * Abstract Korean mini-tram (PRT: Personal Rapid Transit) is being exclusively developed with differentiation against competitors launched overseas PRT pilot systems (e.g., ULTra and 2getthere) by additionally considering economic feasibility and environmental performance to meet a need for future trends on the basis of fundamental requirements and mechanism of a conventional mini-tram system. In particular, the autonomous driving capability of the mini-tram based on an EV platform is realized by a completely new inhouse design without relying on foreign technique. Besides this, the rapid wireless charging based on inductive power transfer (IPT) method and vertical transfer of a vehicle are the first attempt in the world in the design of an operational concept for mini-tram systems. An engineering design, implementation and operational assessment on a pilot network implemented on the grounds of the Korea Railroad Research Institute (KRRI) of the first prototype vehicle for realization of Korean mini-tram are discussed in this study. Eventually, the results from this study will be reflected in production of the 2nd prototype for further improvement. Keywords : Personal Rapid Transit(PRT), Mini-tram, Autonomous driving, Rapid wireless charging, Vertical transfer 초록한국형미니트램 (PRT: Personal Rapid Transit) 은수요응답형교통서비스를제공하는기본기능외에미래수요에대응하기위해경제성및친환경성을고려하여국외의 PRT 시스템 (ULTra 및 2getthere) 과는차별화를두어개발되고있다. 전기차플랫폼을기반으로한무형궤도기반의무인자동운전기술은해외기술에의존하지않고국내자체개발을추진하고있으며, 그외에무선급속충전및차량의수직이송기술등은한국형 PRT 에만적용된기술이다. 본논문에서는한국형미니트램의시스템개념을기술적으로구현하기위한시제 1 호차량 ( 시작차량 ) 의설계, 제작및연구원내시험노선에서의시험과정에대해서논한다. 본연구결과를통해서얻은결과들은향후시제 2 호차량 ( 시제차량 ) 을제작하는데있어서성능을개선하고문제점을보완하는데활용될예정이다. 주요어 : 수요응답형순환교통시스템 (PRT), 미니트램, 무인운전, 무선급속충전, 수직이송 1. 서론 최근들어기존간선위주의대중교통수단기능을보완하고교통약자에대한교통복지혜택을제공하기위한정부차원의정책수립에따라서차세대대중교통수단인미니트램 교신저자 : 한국철도기술연구원신교통연구본부미래교통시스템연구실 (swkang@krri.re.kr) * 한국철도기술연구원신교통연구본부미래교통시스템연구실, ** 우진산전철도차량기술연구소

2 (PRT: Personal Rapid Transit) 이주목을받고있다. 국외에서는이미개념구현가능성을확인하기위한시범노선 ( 영국의 ULTra 및 UAE의 2getthere등 ) 이운영되고있으며, 현재국내의한국철도기술연구원에서도보다경제적인건설 운영비용실현및에너지사용의효율성을높이기위해운행제어, 시스템, 설계구조, 전력공급등여러가지측면에서많은차별성과독자성을유지하면서시스템을개발하고있다. 미니트램 (Mini-Tram) 은차량 1대당소규모그룹의인원 (1~6명) 을수송하기위한대중교통수단이기때문에승객의프라이버시 (Privacy) 보장및편의성에대응함과동시에안전성에중점을두고개발중이다. 승객이탑승된차량을수직으로이송하기위한장치 [1-3] 는세계최초로적용될예정이며, 자석마커 (Magnetic Markers) 기반무인운전 [4-5] 및무선급전충전 [6-7] 기술을독자적으로구현하기위해연구중이다. 본논문에서는연구원에서 우진산전과공동으로개발중인한국형미니트램의시제차량 ( 시제2호 ) 을설계 제작하기에앞서서시작차량 ( 시제1호 ) 을개발하는과정에서도출된사용자요구사항을정리하고이를기존시스템설계에수정반영하기위한일련의과정에관해서서술한다. 2. 한국형미니트램 (Mini-Tram) 2.1 한국형미니트램의개념한국형미니트램 (PRT) 은지하철이나버스와같은일반대중교통수단보다는작은소형대중교통수단이다. 차량은출발지에서도착지까지논스톱으로환승없이운행되고, 소규모그룹및승객이원하는위치까지운행되는형태는기존미니트램의기본개념 [8] 을구현하는점에서는같다. 하지만승객이하차하고탑승하는시간동안의무선급속충전 ( 최대 2분 30초이내 ), 자석센서검지기반의무인운전및운행중의제동에의한회생에너지의활용등은차별점이다. 무선급전은차량의하부에설치된픽업 (Pickup) 및레귤레이터 (Regulator) 장치를통해서구현된다 [6-7]. 또한, 세계최초로수직이송장치를구현하여차량의건물간 / 내이동을가능하게하여활용성을높였다 [1-3]. 한국형미니트램 (PRT) 의시작차 ( 시제1호 ) 의형상은 Fig.1과같으며, 차량의제원은 Table 1과같다 [9]. 미니트램은소규모차량이지만미래의대중교통수요에대응하기위하여편의성과안전성을보다고려한맞춤형교통수단으로개발되고있다. Table.1 Specifications of Korean mini-tram Fig. 1 The 1st prototype vehicle of Korean mini-tram

2.2 미니트램의설계및디자인시제차량의기능을더욱향상하기위해서시작차량 ( 시제1호 ) 의디자인과설계측면을개선중이다.

2와같이차량의불필요요소를없애기위해내 / 외부적인디자인변화로차량의구조를개선하고있으며,

3과같이바퀴와범퍼부분의복잡한형상의구조물을단순한구조물로변화시켰으며, 차체바닥부분도가장자리에있던구조물을제거하여경량화하였다. 기존의철도차량의이미지 (Fig.

외형적으로기존미니트램보다전체적으로곡선부분을얇게수정하여친밀감을높였고바퀴부분을강조함과동시에심미적인효과를고려하여범퍼쪽에패턴을적용하였다. Fig.

3 Change in the frame design for weight reduction Fig.

3 2.2 미니트램의설계및디자인시제차량의기능을더욱향상하기위해서시작차량 ( 시제1호 ) 의디자인과설계측면을개선중이다. 시작차량을개발하는과정에서확보된외부전문가의의견및차량운행중에발생한문제점에대해서면밀히검토하였다. 아래 Fig. 2와같이차량의불필요요소를없애기위해내 / 외부적인디자인변화로차량의구조를개선하고있으며, 특히차체의형상과프레임측면에서차체두께를줄여서차량의구조적안정성을확보하면서도내부기기를설치하기위한공간을효율적으로활용할수있도록변경하였다. 아래 Fig. 3과같이바퀴와범퍼부분의복잡한형상의구조물을단순한구조물로변화시켰으며, 차체바닥부분도가장자리에있던구조물을제거하여경량화하였다. 기존의철도차량의이미지 (Fig. 4 참조 ) 와같은부분을배제하고한국형미니트램만의독자적인차별성을보다부각하기위하여 Fig. 5와같이수정하였다. 외형적으로기존미니트램보다전체적으로곡선부분을얇게수정하여친밀감을높였고바퀴부분을강조함과동시에심미적인효과를고려하여범퍼쪽에패턴을적용하였다. Fig. 2 Review on the frame design of the 1st prototype vehicle Fig. 3 Change in the frame design for weight reduction Fig. 4 Exterior/interior design of the 1st prototype vehicle Fig. 5 Design modifications on the exterior design 또한, 차량의전후옆면에있는유리창을넓혀내부공간을넓게형상화하였고, 정면부의유리창을기존보다좀더넓혀서개방감을높이고탈출시용이하도록하였다. 내부디자인에서도 Fig. 6에보이는바와같이시트부분에승객이안락하게이동을할수있도록좌 / 우측모서리를변형하였으며, 바닥부분도단순한패턴을벗어나미끄럼방지나내부에일체감을주도록디자인했다. 입출입문쪽에서도기존의디자인보다개방폭을증대하여활용성을높였다.

Fig. 6과 7은앞서언급된개선사항을반영하여최종적으로설계된시제차량내 외장디자인의조감도를나타낸다. 무엇보다도좌측하단의배터리나각종장비가들어있는설계쪽에미니트램에제약적인여유공간을확보하려고노력하였으며, 미니트램의내부디자인에서도버튼이나내부실내등그리고위치안내화면의크기를조금씩개선하였고, 부드러운느낌을강조하였다. Fig.

미니트램의시스템보완 2.3.1 추진및제동시스템의안정화시작차량운행테스트결과주행지령에따른추진 / 제동장치의인터페이스동작 ( 제동의완화및가속, 회생의발생, 제동지령에따른유압제동체결등 ) 은 Fig. 8과같이원활히이루어짐을확인하였다.

4 Fig. 6과 7은앞서언급된개선사항을반영하여최종적으로설계된시제차량내 외장디자인의조감도를나타낸다. 무엇보다도좌측하단의배터리나각종장비가들어있는설계쪽에미니트램에제약적인여유공간을확보하려고노력하였으며, 미니트램의내부디자인에서도버튼이나내부실내등그리고위치안내화면의크기를조금씩개선하였고, 부드러운느낌을강조하였다. Fig. 6 Interior design enhancement Fig. 7 Final view of the modified exterior design 2.3 미니트램의시스템보완 추진및제동시스템의안정화시작차량운행테스트결과주행지령에따른추진 / 제동장치의인터페이스동작 ( 제동의완화및가속, 회생의발생, 제동지령에따른유압제동체결등 ) 은 Fig. 8과같이원활히이루어짐을확인하였다. 또한, 회생력발생에따른차량의배터리전압이상승하는것으로미루어회생에너지가배터리로재충전되고있음을확인할수있었다. 제동테스트중에는추진모터제어장치 (ECU) 와주변장치간의통신노이즈가발생하여 CAN 통신리피터를설치하여문제점을보완하였고, 반복적인주행테스트를통해제동시스템을튜닝하고안정화하였다. Fig. 9 와같이차량컴퓨터 (VCU) 의로깅데이터와실제제동거리를측정한로깅데이터의결과는유사한것으로나타났다. Fig. 8 Propulsion and braking test data Fig. 9 Data monitoring during deceleration of a vehicle

5 2.3.2 전력공급의안정화시작차량테스트중무선급전장치의출력값과 DC-DC 컨버터 (Converter) 의입력값이상이하여모터제어장치 (MCU) 의 OVER VOLTAGE 경고장이발생되었다. ( 컨버터내부회로는 BUCK과 BOOSTING으로나누어지며주행시는 BUCK을회생제동시는 BOOSTING을사용하여모터에서발생하는회생전력을 LIC로보충하는기능을하는데, 주행중에는 BUCK과 BOOSTING 회로가전환하며작동을하고전환타이밍이적절치않을시에는 MCU에서모터구동에적절하지않은전압이인가되었다는 UNDER VOLTAGE, OVER VOLTAGE 경고가발생한다.) 따라서, 컨버팅레퍼런스전압차를보완하는레귤레이터저항을추가하고, 인버터 (Inverter) 및컨버터프로그램의튜닝작업을진행하여전력공급의안정화를수행하였다. 저항적용전의급전전압은약 1000 VDC이며저항적용후의급전전압은 600~750 VDC 수준으로나타났다. 시제차량제작에서는전력공급시스템의최적화를수행할계획이며, 추가로전력공급을원활하게할수있는컨버터를개발할예정이다 차량주행거리향상연구원내주행시험결과 1회충전시주행가능한거리는 800m 정도이었으며, 무선충전에필요한시간은 LIC 전압 DC 82V에서 DC 135V까지 2분 30초내외였다. 향후, 미니트램의실용성을향상하기위해서는차량주행거리를향상할필요가있다. 따라서시제차량제작시에는기존 (6 Module) 보다 2 Module의슈퍼커패시터를추가설치하는것으로고려중이다. 차량의주행거리향상을위해서는배터리용량증가와동시에차량의경량화가필수적이며, 배터리추가에따른기기여유공간의확보와효율적인기기배치, 전기배선및실내의장설계등고려해서해결할문제를가지고있다 자율주행의안정화자율주행테스트중에발생한문제점으로는트랙에매설된지자석의노이즈발생으로인한차량의자석센서와의통신문제와실내에위치한안테나의송 / 수신민감도가약하여차량주행시통신이끊어지는현상이발생하였다. 시작차량에서는자석센싱레퍼런스를 700가우스에서 600가우스로튜닝실시하고, 차량의전후방그릴에안테나를설치하여보완하였다. 시제차량제작시에는차량의외측으로안테나설치를고려하여관제와직접송 / 수신을할수있도록제작하고, 보다안정적인위치데이터를취득할수있도록프로그램을보완하고노이즈방지대책을수립하고, 테스트를거쳐서반영할계획이다. 3. 결론본논문은한국형미니트램 (PRT) 의대한시작차량의설계및제작, 디자인그리고시스템의보완점에관해서서술하였다. 기존에만들어진시작차량 ( 시제1호 ) 에서의나타난문제점 ( 디자인과설계, 시스템의오류부분, 통신상의장애, 주행거리의증가 ) 을보완하여시제차량

6 ( 시제2호 ) 에수정후반영하여, 현재진행되고있는시작차량 ( 시제2호 ) 의완성도를높일수있을것으로기대된다. 후기 본연구는한국철도기술연구원주요사업 ( 수요응답형순환교통시스템 (PRT) 핵심기술개발 ) 의지원으로수행되었습니다. 참고문헌 [1] B.-H. Kim, J.-H. Um, R.-G. Jeong, Y.-S. Byun, S.-W. Kang (2014) Development of an operation control system of the vertical transferable Korean personal rapid transit, Journal of Digital Convergence, 12(10), pp [2] J.-H. Um, R.-G. Jeong, S.-W. Kang, B.-H. Kim, S.-I. Seo (2013) Methodology for realization of minimum headway time in the vertical transfer of a PRT vehicle, International Journal of Digital Content Technology and its Application, 7(11), pp [3] S.-W. Kang, J.-H. Um, R.-G. Jeong, J.-S. Kim (2013) Development of an apparatus for vertical transfer of a PRT vehicle operating on a road network, Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 14(6), pp [4] Y.-S. Byun, J.-H. Um, R.-G. Jeong, B.-H. Kim, S.-W. Kang (2015) Magnetic markers-based autonomous navigation system for a personal rapid transit (PRT) vehicle, Journal of Digital Convergence, 13(1), pp [5] Y.-S. Byun, R.-G. Jeong, S.-W. Kang, J.-G. Hwang, S.-I. Seo (2013) Technical feasibility study on the personal rapid transit (PRT) pilot system, International Journal of Digital Content Technology and its Application, 7(12), pp [6] S.-W. Kang, R.-G. Jeong, Y.-S. Byun, J.-H. Um, B.-H. Kim (2014) Design and implementation of wireless power transfer system for a personal rapid transit (PRT) vehicle, Journal of Digital Convergence, 12(11), pp [7] B-H. Kim, R.-G. Jeong, S.-G. Chung, S.-W. Kang (2013) A development of the electric power supply system for PRT vehicle, The Transactions on the Korean Institute of Electrical Engineers, 62(2), pp [8] J.H. Irving, H. Bernstein, H., C.L. Olson, J. Buyan (1978) Fundamentals of Personal Rapid Transit, D.C. Health and Company, Lexington M.A. [9] R.G. Jeong, et al. (2014) Development of technologies for on-demand circulator transit system (PRT), Korea Railroad Research Institute (KRRI) 3rd year report.

PRT 차량은 100% 전기로구동되며, 시스템자체에서배출되는대기오염물질이없는친환경적대중교통시스템의특징때문에미래형교통수단으로서많은주목을받아왔으며, 현재에도국내외적으로활발한연구개발이진행되고있다 [2]. 본연구에서는한국철도기술연구원의주관으로연구개발중에있는한국형 PRT 차량에

PRT 차량은 100% 전기로구동되며, 시스템자체에서배출되는대기오염물질이없는친환경적대중교통시스템의특징때문에미래형교통수단으로서많은주목을받아왔으며, 현재에도국내외적으로활발한연구개발이진행되고있다 [2]. 본연구에서는한국철도기술연구원의주관으로연구개발중에있는한국형 PRT 차량에 2013 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2013A033 한국형 PRT 시작차량사양선정및설계 Study on the Specifications and Design of the Korean PRT Vehicle 김준우 *, 강석원 **, 이광섭 *, 김찬수 *, 정락교 ** Joon-Woo Kim *, Seok-Won Kang **, Kwang-Seob