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 Lee *, Chan-Soo Kim *, Rag-Gyo Jeong ** Abstract -The Personal Rapid Transit(PRT) systems have recently attracted attention in future transportation developments both domestically and internationally due to increasing needs for eco-friendly transportation systems with high accessibility and demand-responsive transport capability. The PRT system can be simply characterized as a new transportation system operating without specific operational schedule and route. Accordingly, this system is capable of providing non-stop transport services to go to the desired destination on a road network having multiple loops. Currently, two PRT systems have been operated on pilot basis in the overseas(e.g., Heathrow airport in UK, Masdar City in UAE). In this study, the target specifications and system configuration of the Korean PRT vehicle are introduced and its potential to offer an alternative transport concept for extended application is also discussed. Keywords : PRT(Personal Rapid Transit), New transportation system, On-demand transit, Magnetic marker-based guidance, Wireless power supply 초록최근국내외적으로친환경녹색교통시스템에대한수요증가와교통접근성및편의성향상을위하여수요자맞춤형신교통시스템이주목받고있다. 수요응답형순환교통시스템 (PRT : Personal Rapid Transit) 은다수의루프를포함하는네트워크형태의노선에서정해진노선이나시간계획이없이승객이원하는목적지로정차없이이동할수있는새로운교통수단이다. 현재국외 ( 예 : 영국히드로공항및아랍에미리트의마스다르시 ) 에시범노선이건설되어운영되고있지만, PRT 시스템의표준모델로보기에는부족한점이있다. 이에본연구에서는보다확장 / 유연성을갖는신개념의한국형 PRT 차량시스템을소개하고, 현재개발중인 PRT 시작차량의사양및시스템에대해소개한다. 주요어 : 한국형 PRT, 신교통시스템, 수요응답형순환교통시스템, 자기마커기반안내, 온라인무선급전 1. 서론수요응답형순환교통시스템 (PRT : Personal Rapid Transit) 은여러대의소형차량이출발지에서목적지까지논스톱으로이동하며, 작고슬림한구조물계획이가능한신교통시스템이다. PRT는높은시스템접근성과개인프라이버시보장등자동차수준의서비스제공이가능하며무인운전, 운영자동화의구현으로유지비를절감할수있는장점이있다 [1]. 교신저자 : 한국철도기술연구원수요응답형교통연구단 (swkang@krri.re.kr) * 우진산전철도차량기술연구소 ** 한국철도기술연구원수요응답형교통연구단
PRT 차량은 100% 전기로구동되며, 시스템자체에서배출되는대기오염물질이없는친환경적대중교통시스템의특징때문에미래형교통수단으로서많은주목을받아왔으며, 현재에도국내외적으로활발한연구개발이진행되고있다 [2]. 본연구에서는한국철도기술연구원의주관으로연구개발중에있는한국형 PRT 차량에대해소개하고, PRT 시작차량의주요장치사양선정및시스템에대해소개한다. 2. 한국형 PRT 시스템 2.1 한국형 PRT 차량의특징및제원한국형 PRT 차량은도로에자석을매설하고이를검출함으로써자기위치를인식하는방식의자기센서기반무인자율주행방법에따라운행된다. 차량에는자석을검출하기위한마그네틱센서가차체의하부에설치되며, 차량의제어컴퓨터는운행중검출된자석신호와차량의센서정보를이용하여차량의실시간절대위치 (x, y) 와조향각 (θ) 을계산한다. 차량의주행경로는차량의한계속도, 정거장위치정보등이기록된기준경로서데이터베이스화되어시스템으로구축된다. Fig 1은한국형 PRT 차량의자기센서기반무인자율주행시스템의개념을나타낸다. Fig. 1 Magnetic marker-based automatic guidance system concept 차량의전원공급방식은무선급전 (Wireless power supply) 방식이적용된다 [3]. 이시스템은지상급전장치로부터전기를수집하는픽업코일 (Pick-up coil) 장치와레귤레이터 (Regulator) 모듈로구성되며, 픽업코일장치는차량하부중앙에설치된다. 선로상면에는별도의집전을위한구조물이없으며지상급전라인은노면아래에매설된다. 차량은정거장에서정차할때전자유도방식에의해에너지저장장치로급속 (1분이내 ) 충전되며, 모터및각종서비스기기들에전기가공급된다. Fig 2는무선급전시스템의구성및에너지흐름도를나타낸다. Fig. 2 Online power supply system
한국형 PRT 차량은전 / 후조향이가능한 4륜조향 (All Wheel ) 시스템을적용한다. 승강장으로들어온차량은정차후출발할때후진주행없이바로본선으로진입할수있도록하여운행시간을단축할수있다. 또한, 곡선반경을최소화하여건설비를절감할수있는장점이있다. 현재개발되고있는 PRT 시작차량 (Prototype) 의제원은 Table 1과같으며, 차량형상을 Fig 3에나타낸다. Table 1 Specifications of the Korean PRT vehicle Dimension Target Specifications Length 3.8m Empty weight 900kg Width 1.8m Loaded weight 1,300kg Height 2.0m Max. design speed 50km/h Wheel base 2.3m Max. operation speed 40km/h Wheel track 1.2m Max. acceleration 0.97m/s/s Min. turning radius 6m Normal 1.4m/s/s Deceleration Max. gradient 100 Emergency 3.3m/s/s Fig. 3 Prototype of the Korean PRT vehicle 2.2 차량시스템구성및주요장치의사양선정 2.2.1 차량시스템구성차량은무인자동운전을위해서다양한장치들로구성된다. 차량의추진을위한전기모터와동력전달장치 ( 감속기 ), 제동을위한전기-유압식제동모듈, 전원공급장치를통해전기에너지가충전되는에너지저장장치 ( 슈퍼커패시터 ), 그리고자동주행을위한센서들과이들신호를수집하여운전자를대신하여판단하고처리하기위한제어컴퓨터 ( 네비게이션컨트롤러 ) 가차량에장착된다. 또한도로에매설된자석표지를검지하기위한자석검지센서가차량의하부에설치되고, 차량의주행방향을제어하기위해안내제어장치가설치된다. Fig 4 는차량시스템의주요장치에대한시스템구성도를나타낸다.
Navigation Operation Control 관제 차량 Emergency Interphone AVP CCTV x4 Drive Traval Sensor SA SA SA x2 Absolute Steer Angle Sensor Controller x4 Incremental Steer Angle Seneor PS x2 Pressure Sensor Magnet Measurement Gear M2 Driver VMS (Vehicle Monitoring System) Driver Driver M1 Gear Magnet Measurement M1 ~ M2 TM x1 Traction System Electric Control Unit for Braking TM Driving Gear Box System Driver 1 Driver 2 Electric Cylinder with 1 Electric Cylinder with 2 PS Master Cylinder PS Door System Air con. Service Equipments Fig. 4 System configurations 2.2.2 차량성능시뮬레이션 PRT 차량의에너지소모량을예측하기위하여차량의노선및운행시나리오를가정하고, 차량에요구되는전력량을산정하여에너지저장장치의용량을선정하였다. 시뮬레이션에적용한노선은철도기술연구원내시험노선을기준으로하였으며, 이노선은총길이 650m에 5 개의역사를갖는다. 차량운행패턴은차량이정지상태에서 2.5km/h/s로가속하여운행속도가 30km/h에이르면정속운행하고, 역사에정차할때는감속도 5.0km/h/s로감속하며정지한다. 그리고차량은다시재출발하여다음역까지운행하는것으로가정하였다. 시험노선을 1회운행할때필요한차량의전력량은추진모터의소비전력과차량의기타부하전력의합으로계산하고, 차량에서필요한전력량보다에너지저장장치의용량이크도록선정하였다. PRT 차량의추진모터효율은 90% 로설정하고, 차량의성능을결정하는주요조건인주행저항 (R) 은고무타이어로콘크리트노면을주행하는자동차와유사하므로이론식을참고 [4] 하여식 (1) 과같이정리하였다. R = R r + R a + R + R [ N] 2 R = Wm + m AV + a / g( W + W ) + W sinq[ N] a ac gr e (1) 여기서, PRT 차량의주행저항은구름저항력 (R r ) 과공기저항력 (R a ), 가속저항력 (R ac ), 등판저항력 (R gr ) 의합으로계산한다. W는만차중량 1,300 kg을적용하고, μ는전동저항계수로마멸된콘트리트포장도로 0.012 값을적용하였다. 공기저항계수 (μ a ) 는 0.026으로가정하였으며, 전면단면적 (A) 은 3.6m2이다. V는차량속도 (m/s) 를나타내고 α는가속도 (m/s 2 ), g는중력가속도 (m/s 2 ) 를나타낸다. 회전부분의상당관성중량 (W e ) 은관성질량보상계수 0.08을적용하였으며, 등판각 (θ) 는노선의구배값을구간별로구분하여적용하였다.
상기언급된정보를바탕으로차량에서필요로하는전력량시뮬레이션결과를 Table 2 에나 타낸다. Section Distance (m) Table 2 Simulation results of the energy performance Gradient ( ) Accelerating time (sec) Constant running time (sec) Decelerating time (sec) Required power (Wh) Station 1 to 2 130 10 12.0 6.6 6.0 45.8 Station 2 to 3 100 21 12.0 3.0 6.0 41.8 Station 3 to 4 100 0 12.0 3.0 6.0 35.8 Station 4 to 5 120-25 12.0 5.4 6.0 31.9 Station 5 to 6 200 1 12.0 15.0 6.0 56.0 Station 1 to 6 650-60.0 33.0 30.0 211.3 PRT 차량의에너지원은충 방전시간, 사용수명, 무게등을고려하여슈퍼커패시터를선정하였다. 슈퍼커패시터는역사에서짧은시간내에급속충전을할수있고, 많은양의에너지를충전할수있으며 50-100만사이클의수명으로반영구적이기때문에무선충전방식을채택한 PRT 차량에유리한장점이있다 [5]. 시뮬레이션결과로볼때, PRT 차량이연구원내시험노선을주행할경우 123초가소요되며, 1회주행시 211.3Wh의전력량이필요하다. 슈퍼커패시터의용량은필요전력량 211Wh 보다 25% 여유를갖도록 Table 3과같이제품을선정하였다. Table 3 Characteristic of super capacitor module for Korean PRT Contents Specifications Note Type LIC Lithium-ion capacitor Rated voltage 45.6 [V] Cell Rated capacity 275 [F] Module 3 seriesⅹ2 parallel Module Voltage Max. 136.8 [V] Min. 79.2 [V] Limit of use : 87.7 [V] Capacity Rated 183.4 [F] Max. 283.4 [Wh] 2.2.3 제동시스템설계제동시스템은전기-유압식브레이크 (EHB : Electro-Hydraulic ) 방식을적용한다. PRT 차량은제어컴퓨터 ( 네비게이션컨트롤러 ) 가제동연산한값을제동제어장치 (ECU) 로제동지령을송신하면, ECU에서전기모터를컨트롤하여적정브레이크유압을발생시켜디스크를제동하는시스템을적용한다. 제동장치 (BCU : Control Unit) 는각종이물질의투입을방지하고내부를보호하기위해박스형태로모듈화되어차량에설치되며, BCU의내부는유압제동실린더및유압압력센서, 필터등으로구성된다. 제동시스템구성도및모듈형상은 Fig 5에나타낸다.
Fig. 5 System configurations of the Korean PRT 3. 결론본논문에서는현재개발진행중에있는한국형 PRT 시작차량의특징과사양, 차량시스템구성및차량시스템에대해소개하였다. 현재는내년시작차량제작을목표로차체프레임설계와주요장치의사양선정이완료되었으며, 차량의주요구성품을설계 / 제작중에있다. 우리는한국형 PRT 차량개발을통해최근주목받고있는 PRT 시스템에대한해외기술의존성을줄이고, 차량제작기술을확보하여국가기술경쟁력을향상시킬수있을것으로판단된다. 후기 본연구는 " 수요응답형순환교통시스템 (PRT) 핵심기술개발 (PK13006A)" 사업의연구비지 원으로수행되었으며, 이에감사드립니다. 참고문헌 [1] J. H. Irving, H. Bernstein, C. L. Olson, and J. Buyan (1978) Fundamentals of Personal Rapid Transit, D.C. Health and Company, Lexington M.A. [2] M. W. Kim and H. Y. Lee (2009) Status of PRT Technology Development and Guide-Way R&D, DAEWOO engineering company report, pp. 83-103. [3] Y. B. Chung, S. O. Park, J. S. Kim, H. S. Kim, K. W. Hwang, J. H. Kim, S. Y Ahn (2012) System and Electromagnetic Compatibility of Resonance Coupling Wireless Power transfer in On-Line Electric Vehicle, International Symposium on Antennas and Propagation [4] C. S. Lee (2004) Automotive Engineering, Dong myung sa, pp. 48-54. [5] S. B. Kwon, R. G. Jeong, S. G. Chung, S. W. Kang (2013) A Development of the Electric Power Supply System for PRT vehicle, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, 62(2), pp. 196-200.