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한국철도기술연구원류준형책임연구원2019.05.10.

수소연료전지하이브리드

동력시스템을적용한

철도차량 추진시스템 최적화 기술개발

June-Seok, Lee

발표자 소개

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연구개발의목표및 내용

연구개발성과의활용방안및 기대효과

연구단현황

연구개발의필요성

현안사항

최종성과물

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연구개발의 필요성(1/3)

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Shunting locomotive (Colorado, 2009) Local passenger train (Japan, 2009) Local passenger train (Japan, 2009)

Tram (Spain, 2011) Mine locomotive (RSA, 2012) Locomotive (China, 2013) Tram Quingadao (China, 2015)

Tram Tangshan (China, 2016) Plan (Siemens, 2018)Local passenger train (Alstom, 2018)

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국내 동향• 국내 철도차량에 수소연료전지를 적용한 사례는 없음.

• 현대자동차의 연료전지차량 및 연료전지버스가 대표적인 실용화 사례임.

연구개발 대상의 국내외 현황

현대 NEXO 현대 수소연료전지 버스

중 량 1.8톤 15톤

수소연료전지종류 및 용량 PEMFC, 135kW PEMFC, 200kW

속도 180km/h 103km/h

1회충전주행거리 600km 440km

제동방식 (에너지회수율) 유압식, 회생(낮음) 유압식, 회생(낮음)

수소탱크압력 (수소양) 700bar (6.33kg) 350bar (40kg)

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일본• JR 동일본은 2006년 연료전지와 축전지를 조합한 하이브리드 철도차량 주행시험 공개

• RTRI가 개발 중인 연료전지 열차는 세계 최초의 하이브리드 열차

• 축전지는 제동 시 발생하는 에너지를 저장하고 가속 시 연료전지의 출력을 보충하는 방식

• 시험차량 1량 구성, 차량 하부에 수소탱크 6개와 연료전지 2개 설치, 차량 상부에 축전지 5개 설치

• 최고설계속도는 100km/h로 시험주행에서는 50km/h의 속도 검증


최고설계속도 100km/h 주 전동기 3상 유도전동기 95kW 2대

전원방식 연료전지 및 배터리 하이브리드 수소탱크 Type III, 35MPa, 약 720L

연료전지 고체 고분자형 120kW

연료전지 chopper 장치 승압 직류 전력 변환장치800 → 1500V, 600kVA

하이브리드용 배터리 리튬이온배터리 36kWh, 360kW

배터리 충방전 장치 양방향 직류 전력 변환 장치600V-1500V 360kW

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일본, JR East (East Japan Railway company)• 2006 ~ 2009년, 총 4년간 수행• 철도차량 1량에 연료전지와 배터리시스템을 탑재하여 시험 수행

• RTRI의 3단계 연구와 유사한 구조 및 용량으로 진행

일본, RTRI(Railway Technical Research Institute)

• 3단계에 걸쳐 수소연료전지 철도 적용에 대한 연구개발 및 주행테스트 수행• 1단계(2001~2003): 30kW급 연료전지(FC)을 적용하여 1개 대차 실험

• 2단계(2004~2006): 100kW급 연료전지(FC) 을 적용하여 1량 차량 실험

• 3단계(2007~2009): 100kW급연료전지(FC)와 360kW급배터리를적용하여 2량 1편성차량실험


JR East 차량 RTRI 차량

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일본, RTRI(Railway Technical Research Institute)• 철도차량 전장품 구성

• Case A: 연료전지(FC)와 배터리 전압 동시 제어 불가• Case B: 배터리 전압에 의해 인버터 입력 결정 (배터리 State of charge (SOC)에 의해 변화)• Case C: 연료전지(FC) 전압에 의해 인버터 입력 결정• Case D: 연료전지(FC)와 배터리 전압에 관계없이 인버터 입력 유지

• 기존 철도차량 추진제어용 인버터(DC 1500V 입력)를 그대로 적용 가능

• 100kW급 Fuel-Cell • NUVERA’s 고분자 전해질형(Proton Exchange Membrane Fuels Cell, PEMFC)

• 120kW(DC900V ~ 600V), Balance of Plant(BOP) 전력(30kW) 자체 공급• 1.65 (L) x 1.25 (W) x 1.50 (H) m / 1,650 kg (excluding auxiliaries)

• 35MPa 수소탱크 (Type 3, aluminum cylinder reinforced by carbon fiber), 18kg의 수소저장


Examples of typical main circuit compositions of hybrid system with FC and Batter

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일본, RTRI(Railway Technical Research Institute)• 배터리시스템

• 리튬이온(Lithium-ion) 배터리로 구성• 배터리의 최대 충전/방전 용량은 360kW, 에너지용량은 36kWh• 충/방전이 가능한 양방향 배터리 충전기 적용


Battery type Lithium ion

Electrical connection 168 cells series x 2 parallel

Voltage range DC 470~700V

Energy capacity 60 Ah (=30 Ah x 2 parallel)

Maximum power 360 kW

Outside dimension 3.2 (L) x 1.3 (W) x 0.55 (H) m

Weight 1,200 kg

Main circuit type Interactive DC/DC converter

Voltage range Battery side DC 470~700 V Inverter side DC 1500V

Available maximum power 360 kW

Outside dimension 4.5 (L) x 1.0 (W) x 1.65 (H) m

Weight 2,400 kg

Bat

tery

Bat

tery

cho

pper

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일본, RTRI(Railway Technical Research Institute)• 차량 에너지운영시스템

• 4가지 운영 모드에 따라 목표 SOC를 변경하면서 운영• 정차(In stopping): 연료전지를 통한 배터리 충전, 가속을 위해 목표 SOC를 high level로 설정• 가속(In accelerating): 연료전지와배터리(방전)가함께전력공급, 목표 SOC가속도에따라낮아짐• 타행(In coasting): 연료전지를 통한 배터리 충전, 감속을 위해 목표 SOC를 low level로 설정• 감속(In regenerating): (연료전지는 동작하지 않고) 회생에너지를 통한 배터리 충전


Example of running test result of hybrid power management

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일본, RTRI(Railway Technical Research Institute)• 주행시험

• 2량 1편성(70ton), 가속도 (1.5km/h/s), 추진용인버터(3상유도전동기(95kW) 2대)• 650m 시험선로에서최대속도 45km/h까지주행(100km/h 최고속도는 RTRI의시험설비에서수행)• 전장품 배치는 상업 운행을 고려하지 않았으며, 승객 탑승 실내공간에 설비 배치


The FC and Battery hybrid test railway train

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중국• 2015년 3월 CRRC 칭다오(Qingdao)공장에서 수소연료전지 추진 트램 Skoda15T(3량) 발표

• 3분 충전하여 최고운행속도 70km/h 속도로 100km 주행 가능, 최대 승객 380명 탑승

• 2019년부터 포산(Foshan) 시에서 운행 예정

• 수소연료전지는 DC 750V로 전원을 공급하고, 리튬이온 배터리와 슈퍼 커패시터는

전장품 에너지 공급 및 회생에너지 저장이 가능하도록 구성


최고설계속도 70km/h 주 전동기 Traction motor (750V), VVVF 제어

전원방식 연료전지 및 배터리 하이브리드 수소탱크 35MPa, 약 10kg의 수소 저장 가능

연료전지 고체 고분자형 300kW (150kW X 2)

연료전지 chopper 장치 승압 직류 전력 변환장치

하이브리드용 배터리 리튬이온배터리 396V, 20Ah

슈퍼커패시터 배터리 528V, 48F

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중국, CRRC(CRRC Corporation Limited, 中国中车)• 2013년, CNC(CRRC 합병전회사) 융지(Yongji)는중국최초의수소연료전지철도차량개발

• 150kW급 연료전지 적용, 최대속도 65km/h

• 2015년, CRRC 칭다오(Qingdao)는 프로토타입의 수소연료전지 트램 출시• 200kW급 연료전지 적용, 최대속도 70km/h, 운행거리 100km• 2019년부터 중국 포산(Foshan) 시 에서 운영예정

• 2016년, CRRC 탕산(Tangshan)은 상업운행을 위한 수소연료전지 하이브리드 트램 출시• 2013년부터 정부지원 하에 연구개발 시작• 중국 루저우(Luzhou), 타이저우(Taizhou) 시 등에서 운행 예정


CNC 융지철도차량, 2013년 CRRC 칭다오철도차량, 2015년 CRRC 탕산철도차량, 2016년

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중국, CRRC(CRRC Corporation Limited, 中国中车)• 2016년, CRRC 탕산(Tangshan)은 상업운행을 위한 수소연료전지 하이브리드 트램 출시

• 차량 사양 및 주요 전장품• 동력차2량+객실차1량 구성• 연료전지+리튬이온배터리+슈퍼커패시터로 구성• 다수의 DC/DC컨버터 요구


Fuel cells PEMFC，150kW×2

Batteries 396V，20Ah

Super capacitors 528V，45F

Acceleration 1.2m2/s (0~35km/h)

Top Speed 70km/h

H2 tank pressure 35MPa

Hydrogen storage 10kg

Range between 40km

Fuel cell system Supercap system Battery System

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• 수소연료전지/배터리 하이브리드 시스템


Configuration of hybrid system Power output of the hybrid system

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• 차량내 전장품 구성도(Top View)


Braking Resistor Traction Inverter

DC/DC converter and Battery

SuperCap System Air Conditioner

DC/DC converter for FC

FCS-1 Box Heat Radiator FCS-2 Box Hydrogen Tank Module

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• 주행시험결과• 가속 시 연료전지, 리튬이온배터리, 슈퍼커패시터 순으로 출력 지원• 감속 시 슈퍼커패시터로 회생


Power sharing between FCSs, LiBs and SCs

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미국• 디젤 배터리 하이브리드 차량 (최대 127톤 수송 가능)을 개조하여 수소기관차 개발

• 배터리는 납축전지 사용, 수소탱크는 Type III 35MPa로 구성, 연료전지는 평균 5.73kg/h 연료 소비

• 구동효율 최대 49%, 330마력 1MW 이상의 전력 생산 가능.

• 미 국방부는 시험용 연료전지 기관차 완성 시 민간 재난구조 차량 동력원 예비용으로 사용 계획함.


Gross power 운전 범위 300 – 500 kW 평균 구동 효율 52%

전원방식 연료전지 및 배터리 하이브리드 연료전지 chopper 장치 승압형 DC/DC컨버터

연료 충전량 60 kg (50 bar) 평균 연료 사용량 시간당 5.6~8kg

하이브리드용 배터리 납축전지

배터리 충방전 장치 양방향 DC/DC컨버터

최고설계속도 64km/h

연료전지 고체 고분자형 240kW

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프랑스• Alstom이 수소연료전지 기술 기반 무공해 여객열차 개발

• 디젤열차와 비교하여 동일한 성능을 가진 Coradia iLint가 독일에서 디젤열차 대체

• 수소저장탱크를 차량 지붕에 장착하여 차량 1량당 약 94kg의 수소를 저장하고 있으며 한 번 충전

으로 약 800km 주행이 가능함.

• 독일과 계약 체결, 2021년까지 니더작센주(Niedersachsen) 잘츠기터(Salzgitter) 공장에서 총 14량

을 제작해 LNVG에 납품, 기존 디젤열차를 대체하여 대기질 개선에 기여 목표 설정.


최고설계속도 140km/h 주행거리 최대 800km (2량1편성기준)

전원방식 연료전지 및 배터리 하이브리드 탑승승객 300명 (2량1편성기준)

연료전지용량 400kW

수소연료압력 350 bar

주 전동기 용량 628kW (314 kW X 2)

연료전지효율 약 60%

배터리 충전기 효율 약 96%

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Alstom, Coradia iLint 54 • 2014년시작된프로젝트로기존의 iLint 54(디젤철도차량)의동력원을수소연료전지로변경

• 독일 내 4개 노선의 운영기관들로 부터 도입의사(Letter Of Intent, LOI)를 받음

• 2016년, InnoTrans에서 프로토타입의 수소연료전지 철도차량을 선보임


Coradia iLint 54 in InnoTrans2016

iLint 54 (existing diesel train)

Development plan

Operation plan

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Alstom, Coradia iLint 54 • 차량 사양 및 주요 전장품

• 2량 1편성 차량 구성• 수소연료전지+배터리 하이브리드 시스템


Top Speed 140 km/h

H2 tank pressure 35MPa

Fuel cell 400kW (2 x 200 kW)

Battery Maximum 900kW (2 X 450kW)

Onboard power for propulsion & auxiliary systems 850 kW (Fuel cell 400kW + battery 450 kW)Peak : 1300 kW (Fuel cell 400kW + battery 900 kW)

Operation Distance(H2 kg) 600km(178kg), 1000km(260kg)

Weight 119 ton

Coradia iLint 54

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Alstom, Coradia iLint 54 • 차량 사양 및 주요 전장품

• 2량 1편성 차량 구성• 수소연료전지+배터리 하이브리드 시스템


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Alstom, Coradia iLint 54 • 초기 4개의 운영기관 중 LNVG과 2021년까지 총 14편성 납품 계약체결

• LNVG: 독일, 니더작센주의 철도운영기관으로 기존 노후 승객용 디젤철도차량 대체 예정• 나머지 3개의 운영기관과 납품계약 협의 중

• 수소연료전지 철도차량을 위한 All in One 시스템 제공• 수소연료전지 철도차량, 유지보수장치 및 공장, 신재생에너지를 이용한 수소충전인프라


Alstom’s all-in-one solution for Coradia iLint 54State of contracts applying Coradia iLint 54 in Germany

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수소철도차량 핵심기술 개발

수소연료전지 하이브리드 동력시스템(1.2MW 이상)을 적용한 철도차량 추진시스템

최적화 및 운용 기술개발

총 연구개발기간: 2018.04. ~ 2022.12. / 총 연구개발비(출연금): 220억원

연구단 개요

차량

최대출력 1.2MW 이상

1회 충전연속거리 600km 이상

최고속도 110km/h 이상

정차소음/주행소음 75dB/85dB 이하

수소연료전지용 DC/DC 컨버터 효율 95% 이상

추진시스템

영구자석동기전동기 효율 96% 이상

회생전력 활용율 99% 이상

추진제어장치 출력밀도 0.13kW/L 이상

계통연계형 차량 보조전원장치

출력전압 전고조파왜율 3%이하

계통연계 출력전류 전고조파왜율 5%이하

계통연계 소요시간 3초 이내

수소충전소 만충소요시간 15분 이내

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연구개발 추진체계

수소연료전지 하이브리드 동력시스템 기반 철도차량 추진시스템

총 5개의 세부과제로 구분한국철도기술연구원을 중심으로

4개 위탁기관(대학) 참여

시험차량 및 전장품 제작,수소철도차량 형식승인 기술기준(안) 개발,

수소철도차량 운영 기술 개발,철도차량 수소충전소 구축방안 도출을위하여 ㈜우진산전, 한국철도공사 등

6개 공동기관 참여

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연구개발의 목표 및 내용(3/4)

수소연료전지 하이브리드 동력시스템(1.2MW이상)을 적용한 철도차량 추진시스템


• (1세부) 수소연료전지기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발• 수소연료전지 하이브리드 철도차량 시스템 엔지니어링• 수소연료전지-배터리 하이브리드 동력시스템 개발• 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터 개발• 고출력밀도 추진제어장치 개발• 계통연계형 보조전원장치 개발

• (2세부) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발• 전장품 및 시험차량 설계/제작(개량) • 전장품 부품 핵심기술(냉각시스템, GDU, 고주파 변압기) 개발• 수소연료전지 하이브리드 철도차량 기술기준(안) 및 성능검증 기술 개발• 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운영 기술 개발• 수소충전소 구축방안 도출 및 성능 검증

연구개발의 최종 목표

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연구개발 목표 개념도 - Powering

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연구개발 목표 개념도 - Braking

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수소연료전지 하이브리드 동력시스템(1.2MW이상)을 적용한 철도차량 추진시스템


연구개발의 계획

2세부우진산전

1차년도 2차년도 3차년도 4차년도 5차년도

• 주요 전장품 및시험차량 사양 선정

• 전장품 성능검증(단품/조합시험)

• 조합시험설비 제작

• 전장품 설계 및 제작• 조합시험설비 설계

• 완성차시험 지원 및설계 보완

• 차량 계측장비 구축

• 시운전시험 지원 및설계보완

1세부KRRI

(1세부) 수소연료전지기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발

• 시험차량 개념/기본설계

• 운영 및 성능검증방안 조사

• 충전소 사양 분석

• 시험차량 설계 보완및 제작

• 운영 및 성능검증방안 작성

• 시험용 충전소 설계

• 시험차량 상세 설계• 운영 요구사항 및성능검증 방안 분석

• 충전소구축방안수립

• 완성차시험• 운영 및 성능검증방안 검증

• 충전소 구축 및 안전체계 수립

• 시운전시험• 기술기준(안)/유지보수 기준(안) 작성

• 충전소 성능검증

(2세부) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발

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최종 성과물

최고속도 110 km/h 이상, 최대출력 1.2 MW 이상, 1회 충전 연속주행거리 600 km 이상

실증을 위한 시험차량

수소연료전지-배터리 하이브리드 동력시스템(수소저장용기 포함)

고효율 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터

고출력밀도 추진제어장치(영구자석동기전동기 & 추진제어인버터)

차량용 보조전원 겸용 계통연계형 보조전원장치

수소충전인프라 설계사양 및 임시충전설비

수소연료전지 하이브리드 철도차량 기술기준(안)

수소연료전지 하이브리드 철도차량 운영 및 관리방안

수소연료전지 하이브리드 동력시스템 기반 철도차량 추진시스템

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활용방안 및 기대효과

내구연한 도래 노후 경유철도차량(기관차, 동차) 대체

• 파리협정(`15.12.)에 따른 탄소배출량 저감 목표 및 미세먼지 배출기준 신설에 따른 대응 필요

• `17.09. 미세먼지 관리 종합대책으로 `19.01. 대기환경보전법 일부 개정

• 경유철도차량 배출 허용기준 신설 근거 마련(시행 `19.07.)

• 내구연한 도래 경유철도차량 대체 시(`25 기준) 예상 물량은 디젤기관차 153량(58억/대), 디젤동차

80량(9억/량)으로 수입 대체 등 경제적 파급효과 높음

비전철화 구간 또는 혼합 구간 운영 중인 통근형 철도차량으로 활용

• 경전선 등 11개 노선에서 약 131량의 디젤동차 운행 중

• 비전철화 구간이나 혼합 구간으로 국가철도망구축계획에 따라 전철화 등이 예정되어 있음

• 수소철도차량 도입 적용 시 전철화에 필요한 인프라 구축비용 및 유지보수 비용 절감 가능

차세대 친환경 철도차량 핵심기술로 활용

• 전력인프라가 필요 없어 안전사고 경감과 도심 미관 개선으로 국민 삶의 질 향상에 기여

• 철도전력 설비가 상이하거나 낙후된지역에서도 운행 가능하여북방철도, 대륙간철도로 활용 가능

•

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수소연료전지 하이브리드 철도차량

수소철도차량 미래상

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현안사항

수소연료전지 철도차량 안전성 입증

철도보호지구 내 수소충전설비 설치 제한 규제 개정

철도차량용 고출력 고내구성 수소연료전지 스택 및 BOP 개발

수소철도차량 적용 복합소재 수소 저장용기 개발

철도분야 수소 생태계 구성을 위한 생산/저장/운송/충전 인프라 확충

철도차량을 위한 대용량 다목적 복합 수소충전소 구축(수소버스 차고지 및 수소차 공용)

철도 유휴 전력이나 신재생에너지를 이용한 Green 수소 생산 기술

수소연료전지 하이브리드 철도차량의 적용 확대를 위한 국가의 정책적 지원 및 제도 정비

수소연료전지 관련 산학연 유기적 연계 도모를 위한 국가적 방안 모색

수소에너지에 대한 불안 인식 해소 및 국민 이해 증진

수소연료전지 하이브리드 철도차량

세 · 상 · 을 · 바 · 꾸 · 는

한국철도기술연구원2019.05.10.

감사합니다.

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