2016 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2016A132 철도차량용전기기계식제동시스템의비상시대처방안연구 A Study on Emergency Method of the Electro-Mechanical Brake System for Railroad 최문원 *, 이한민 *, 김민수 * Moon-Won Choi *, Han-Min Lee *, Min-Soo Kim * Abstract Today, pneumatic brake systems are mostly adopted to railroad vehicles for fail-safe function that engages autonomous emergency braking, where the brake pipe pressure is lowered. However, since there are existing performance limitations in pneumatic brake systems, existing researches are on hydraulic or electromechanical brakes (EMB) as an alternative. The EMB system can reduce the reaction distance and enhance the reliability. However, even in emergency, such as train detachment or black-out, a proper method is required to stop vehicles. Thus, this study demonstrates the safety method (fail-safe and redundancy plan), which can be applied to emergency situations (train detachment and black-out). By applying the safety method to function requirements, the EMB system can effectively improve the safety of the railroad. Keywords : Electromechanical Brake, Uninterruptible Power Supply, Railroad Brake, BMS 초록철도차량에는공압식제동장치가주로사용되는데, 이는열차분리등비상상황에서제동관의압력이낮아지면자동으로제동이체결되는 Fail-Safe 기능때문이다. 하지만, 공압방식이갖는성능한계로인하여이를극복하기위해유압식또는전기기계식제동장치에대한연구가진행되고있다. 이중에서전기기계식제동장치는공압식제동장치에비해공주시간을단축시킬수있고신뢰성을향상시킬수있는장점이있지만, 열차분리나전원차단등의비상시에제동을체결하여열차를안전하게정차시키기위한대처방안에대한대책이필요하다. 따라서본논문에서는비상시대처방안에대한연구를통해열차분리, 전원차단등으로인해전원공급이차단되는비상상황에서도전기기계식제동장치가열차를안전하게정차시키기위한대처방안 ( 이중화방안및 Fail-Safe 방안등 ) 에대한연구를수행하였으며이를전기기계식제동시스템의기능요구사항에반영하여안전성을향상시키도록하였다. 주요어 : 전기기계식제동장치, 무정전전원공급장치, 철도차량제동장치, 배터리관리시스템 1. 서론 철도차량에는공압식제동장치가적용되어열차분리, 장치고장등비상시제동체결이가능한구조로되어있다 [1]. 하지만공압방식이갖는성능한계로인하여이를극복하기위해유압식또는전기기계식제동장치에대한연구가활발히진행되고있는상황이다. 이중전기모터를이용하는전기기계식제동장치는공압식에비해공주시간이짧고, 신뢰성이높지만열차분리, 전원차단등비상시대처방안은아직확립되어있지않은상태이다 [2]. 따라서본논문에서는제동장치요구사항과기존공압식제동장치의비상시대처방안을분석하여전기기계식제동장치의구조적특성을고려한 Fail-Safe방안에대해연구하였다. 교신저자 : 한국철도기술연구원광역도시교통본부 (ms_kim@krri.re.kr) * 한국철도기술연구원광역도시교통본부
2. 본론 2.1 제동장치요구사항분석 본절에서는열차에제동장치가갖추어야할요구사항을조사하였고현재적용되어사용중인공압식제동장치의비상제동관련동작특성과비상시대처방법을분석하였다. 2.1.1 제동장치요구사항 1. 제동장치는상용제동, 비상제동, 주차제동등의기능을갖추어야한다. 2. 제동거리를항상일정하게유지하고, 상용제동시충격과소음및진동이최소화되어야한다. 3. 열차분리, 전력공급차단등의장애발생상황에도기초제동으로최고급구배에서열차를최소 2시간동안정지및유지할수있어야한다. 4. 서리, 혹한, 폭설, 폭염, 먼지등에의한오염물질이제동제어나안전작동에영향을주지않는구조이어야한다. 5. 최대하중, 평탄선로상황의최고속도에서 2회연속비상제동을수행할수있어야한다. 6. 열차 1편성에적용된제동장치중 1/3이제동기능이소실되어도 2/3를이용하여열차의요구제동력을만족할수있어야한다 [3]. 2.1.2 공압식제동장치의비상제동관련동작특성비상제동은운행중긴급한정지가요구된상황에서사용하기위해고려된공기제동으로자동및수동조작으로체결가능하며규정된비상제동감속도기준으로제동거리와제동시간이가장짧다. 또한 Fail-Safe 기능으로비상제동제어계통의어느부분이라도차단되거나문제발생시자동으로제동이체결될수있도록작동되며비상제동을위한제동공급공기통은열차를완전히정지시키기위해 3회연속의비상제동작용이가능하도록공기통용량을고려해야한다. 다음 Table 1은기존공압식제동장치의비상제동체결조건을나타내었다. Table 1. The Conditions for the Emergency Braking Conditions 1 Emergency Location of the Master Controller 2 Operation of the Emergency Switch 3 Signal of the ATP Emergency Braking 4 Lack of the main air pressure 5 Train Separation 6 Sensing Deficiency of the Full Service Brake 7 Power Supply Failure of the Emergency Braking Control Circuit 2.1.3 공압식제동장치의비상시 ( 전원차단, 장치고장등 ) 대처방안비상시 ( 전원차단, 차량분리, 주공기압력저하 ) 에는안전루트로형성된비상제동인통선이오픈되어차량전체에비상제동이체결된다. 또한비상제동이체결된차량은임의로해제하지않는한제동공기통으로공급된제동압력이배기되지않아제동상태를유지하므로차량을정지상태로유지할수있다. 또한제동장치의공기누설이나제어장치의고장으로요구하지
않는압력이공급되어제동을체결되는경우도발생하는데이것을제동불완해상태라고한다. 이때열차는정상적인제동명령이아닌상황에서제동이체결되었기때문에제동장치는압력센서를통하여제동압력상태를확인하여제동불완해상태를열차로전송하여제동장치의상태를표시한다. 이때수동운전차량의경우제동불완해를해소하기위하여강제완해스위치를조작하고, 무인운전차량인경우제동장치가자동으로강제완해를수행하기도한다. 만일, 강제완해스위치를취급하여도완해가되지않으면제어기차단및제동장치의주공기를차단하여대차의제동을차단한상태로이동하여야한다 [3,4]. 2.2 전기기계식제동장치를위한비상시대처방안 2.2.1 전기기계식제동장치구조전기기계식제동장치는전기모터의회전운동을직선운동으로변환하여캘리퍼를밀어브레이크패드를디스크에압착시켜제동력을얻는장치로전기모터, 전기모터의회전력증폭과동력전달을위한기어박스, 캘리퍼, 브레이크패드와디스크로구성되어있다 [3,5]. 제동엑츄에이터는각각의전기모터마다모터제어기가장착되어있으며, 모터제어기는 ECU에명령에따라전기모터의동작과회전방향, 회전수, 토크를제어한다 [6]. Fig. 1에는전기기계식제동장치의기계적구성을나타내었다 [3,5,7]. Fig. 1 The Architecture of Electro-Mechanical Brake 2.2.2 전기기계식제동장치의비상시 ( 전원차단, 장치고장등 ) 대처방안공압식제동장치의경우비상상황시발생하는전원차단또는제동장치고장등의문제에대처할수있도록주공기통에비상제동을 3회체결할수있는공기가충전되어있으며, 열차분리와같은제동관의분리로인한압력저하시자동으로비상제동이체결되는구조로 Fail- Safe 기능을제공한다. 이와같이전기기계식제동장치도전원차단상황에서 3회비상제동을체결할수있으며, 열차분리등으로인한명령전달단절상황을인지하여자동으로제동을체결할수있어야한다. 전기기계식제동장치는전기모터를동작시켜제동을체결하는장치로비상상황에서도안정적인전원공급이필요하다. 이를위해비상시안정적인전원공급을위해무정전전원장치를구성하고전원차단상황을인지하여자동으로전원을전기기계식제동장치로공급하여비상
시대처방법으로적용할수있도록설계하였다. 무정전전원장치는정상운행중에는열차전원을공급받아자동으로충전하고, 전원차단상황발생시내부스위치를작동시켜무정전전원장치의배터리가전원을공급한다. 무정전전원장치를구성하기위해제동에너지를계산하고무정전전원장치의시스템구성을다음과내용과같다. 1. 비상시제동을위한제동에너지계산 ( 서울 2호선 10량 1편성, 중량전철기준 ) (1) 총제동력 (F B ) 계산 ( 최대감속도 4.5km/h/s 기준 ) 총제동력 (F B )= k 감속도 ( 공차중량 관성질량보상계수 + 승객하중 ) F B = 28.32 4.5 (357.2 1.1+200) = 75561.72[kgf] = 741[kN] (2) 차량당제동력 (F BM ) 및제동엑츄에이터별제동력 (F BMA ) 계산서울 2호선은 10량 1편성이고각량당제동엑츄에이터 16개로구성되어있다. 차량당제동력 (F BM ) = 총제동력 [kn] / 10량 F BM = 741[kN] / 10 = 74.1[kN] (3) 제동에너지계산차량당제동에너지 (E Train ) = 차량당제동력 (kn) 제동거리 (m) = kj ( 제동거리는최대하구배 35 를적용한거리이다.) E Train = (74.1[kN] 330m) = 24453[kJ] (100km/h에서의차량운동에너지값과같다 ) (4) 철도차량에적합한배터리종류선정배터리는충방전이가능한 2차전지를사용하고, 납축, 니켈-카드뮴, 니켈-수소, 리튬-이온전지중에너지밀도가높고, 무게가가벼우며충방전사이클이긴리튬-이온계열전지로선택하였다. 아래 Table 2와같이리튬-이온전지를비교하여그중높은효율과안전한리튬인산철배터리 (LiFePO4) 를선정하였다. Table 2. The Comparison of Battery Types Type Li-ion Li-Polymer LiFePO4 Pb Nominal Voltage[V] 3.7 3.7 3.2 12 Nominal Capacity[Ah] 32 32 20~90 120 Safety X O O O Economics expensive expensive inexpensive more inexpensive Life cycle(cycle) 2000 2000 4000 500 (5) 배터리시스템구성배터리는열차의전압환경에따라상용품중 48[VDC] 를선정하였고배터리시스템은열차의전원 100[VDC] 를입력받아충전기를통해 48[VDC] 로충전하고전원차단발생시 DC-DC컨버터를통해승압하여제동엑츄에이터로공급한다. 그구조는아래 Fig. 2 와같다.
Fig. 2 The Architecture of Uninterruptible Power Supply 위무정전전원장치은차량당 1개설치가유지보수및경제성에서효과적이므로차량당 1개설치를가정한다. 또한필요한직병렬구성은방전심도 (DOD) 80% 적용하여계산한용량으로구성한다. 리튬인산철상용품의크기는 130 180 250mm이다. 3. 결론 현재철도차량의제동성능향상을위한유압식또는전기기계식제동장치의연구가진행되고있다. 그중전기기계식제동장치는공주시간의단축과높은신뢰성의보장으로인해자동차, 항공분야에서는연구개발및상용화가진행되었으나철도차량의경우에는제동장치안전에대한요구신뢰도수준이높아전기기계식제동장치적용의어려움이있다. 본논문에서는철도차량의제동장치요구사항과공압식제동장치의비상시대처방안을분석하여비상상황에서도열차를안전하게정차시키기위해전기기계식제동장치가갖추어야할대처방안을연구하였으며그대처방안으로전원차단과같은비상상황에서열차의안전한정지및정차시키기위해전기기계식제동장치가제동을체결할수있도록무정전전원장치를연구하였다. 제안하는무정전전원장치는열차의안전을위해폭발위험이없는리튬인산철 (LFP) 배터리를사용하며충전기와 DC-DC컨버터를구성하여 48[VDC] 배터리전압에맞추어감압과승압이가능하고열차의전원차단시무정전전원장치는자동으로전원라인을스위칭하여 1량에모든전기기계식제동장치로전력을공급하여제동력을발생시킬수있도록하였다. 제안하는무정전전원장치는 3회비상제동전력만공급함을가정하였으므로전기기계식제동장치는제동체결후전기모터가구동되지않아도체결된제동이해제되지않는구조로설계되어야한다. 추후디스크제동시험을통해전기기계식제동장치의제동력데이터를측정하여무정전전원장치의용량을산정하여열차에장착이가능한형태로설계가필요하다. 또한무정전전원장치의안전기능을향상시키기위해무정전전원장치의고장상황에도대처할수있도록이중화및백업알고리즘에연구가수행되야할것이다. 참고문헌 [1] G. B. Park, Railroad Vehicle Engineering, Samsung Publishing, 1999. [2] M. W. Choi, H. S. Lee, M. S. Kim (2015) Study on the Applicability of EMB for Railway Vehicle Using Patent Mapping, Korean Society Of Precision Engineering Conference, pp. 114-115. [3] M. S. Kim et al (2015) Development of the Core Technology for Metropolitan Train Express, Korea Railroad Research Institute.
[4] H. K. Park et al (2002) Development of the Brake System, Ministry of Construction & Transportation. [5] Herr (2008) Braking Device Having a Wedge Mechanism, U. S. Patent, 20080230330. [6] Kim (2016) Control Method of Electro-Mechanical Brake, U. S. Patent, 20160009260A1. [7] Park et al (2015) Electro Mechanical Brake, U. S. Patent, 20150354651A1.