3.1 차량 및 인프라 요인별 분석
유효견인력은 전동기견인력에서 열차저항을 뺀 값으로 식 (10)과 같다.
여기서,
Fmtf : 전동기견인력 [kN]
R : 열차저항 [kN]
이때, 열차저항(R)은 커브저항, 주행저항, 구배저항을 합한 것으로서 식 (10)과 같이 표현되며, 각 저항은 식 (11)과 같다.
여기서,
Rcurve : 곡선저항[kN]
Rrun : 주행저항[kN]
Rgradient : 구배저항[kN]
○ 전력소비를 증가시키는 요인
· M카, T카, 승객의 무게 증가
· 가속도 증가
· 감속도 증가
· 최고속도 증가
· 열차저항(곡선저항, 주행저항, 구배저항) 증가
· 인버터효율, 전동기효율, 기어효율 감소
○ 전력소비를 감소시키는 요인
· M카, T카, 승객의 무게 감소
· 가속도 감소
· 감속도 감소
· 최고속도 감소
· 열차저항(곡선저항, 주행저항, 구배저항) 감소
· 인버터효율, 전동기효율, 기어효율 증가
전력 증감에 관련된 요인에 대하여 10% 증감시키고 다른 조건은 기준조건으로 할때 전력 변화율을 분석하였다. 기준 조건은 다음과 같이 하였다.
표 1. 전력증감 요인별 분석을 위한 기준값
Table 1. Reference values for analysis by power increase/decrease factors
|
구분
|
기준값
|
|
M카 무게
|
100[ton]
|
|
T카 무게
|
100[ton]
|
|
승객 무게
|
100[ton]
|
|
가속도
|
3.0[km/h/s]
|
|
감속도
|
3.5[km/h/s]
|
|
최고속도
|
60km/h
|
|
곡선저항
|
10[kN]
|
|
주행저항
|
10[kN]
|
|
구배저항
|
10[kN]
|
|
인버터효율
|
90[%]
|
|
전동기효율
|
90[%]
|
|
기어효율
|
90[%]
|
전력 증감에 관련된 요인으로 차량 및 인프라 모두 다양한 요인이 관여하는 것으로 파악되었다.
표 2. 전력증감 요소별 10% 증감에 따른 전력량 변화율
Table 2. Rate of change in electricity according to 10% increase or decrease by power
increase/decrease factor
|
구분
|
증가
|
전력량
변화율
[kWh]
|
감소
|
전력량
변화율
[kWh]
|
|
M카 무게
|
+10%
|
+2.2%
|
-10%
|
-2.2%
|
|
T카 무게
|
+2.0%
|
-2.0%
|
|
승객 무게
|
+1.9%
|
-1.9%
|
|
가속도
|
+4.0%
|
-4.5%
|
|
감속도
|
+3.3%
|
-4.1%
|
|
최고속도
|
+26.6%
|
-22.7%
|
|
곡선저항
|
+0.6%
|
-0.6%
|
|
주행저항
|
+1.1%
|
-1.1%
|
|
구배저항
|
+0.6%
|
-0.6%
|
|
인버터효율
|
-14.8%
|
+17.3%
|
|
전동기효율
|
-14.8%
|
+17.3%
|
|
기어효율
|
-14.8%
|
+17.3%
|
3.2 주행기반 에너지 특성 분석
견인 특성 곡선을 보면 정토크영역, 정출력영역, 특성영역 3부분으로 나눌 수 있다. 아래 그림처럼 견인 에너지를 줄이기 위해서는 빗금친 부분처럼 정토크영역과
특성영역이 줄어들면 에너지를 절감할 수 있다. 가속도를 높임으로서 정토크영역의 종단속도까지 빠르게 올려 저속에서 빗금친 부분만큼 에너지를 절감할 수
있고, 최고속도를 줄임으로서 특성영역의 종단속도를 줄여 고속에서 빗금친 부분만큼 에너지를 절감할 수 있다.
그림. 6. 견인 에너지 절감 특성 곡선
Fig. 6. Traction Energy Saving Characteristic Curve
제동 특성 곡선도 정토크영역, 정출력영역, 특성영역 3부분으로 나눌 수 있다.제동시 회생 에너지를 늘이기 위해서는 빗
그림. 7. 제동 회생 에너지 증가 특성 곡선
Fig. 7. Braking regenerative energy saving characteristic curve
금친 부분처럼 정토크영역이 늘어나면 에너지를 절감할 수 있다. 감속도를 줄임으로서 빗금친 부분만큼 회생 에너지를 발생시켜 에너지를 절감할 수 있다.
다음 두가지 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다. Case 1은 사용 에너지가 증가하고 Case 2는 회생 에너지가 증가하는 경우에 해당하는 시뮬레이션이다.
· Case 1
- 가속도 : 2.0 [km/h/s]
- 감속도 : 3.0 [km/h/s]
- 최고속도 : 80 [km/h]
· Case 2
- 가속도 : 3.0 [km/h/s]
- 감속도 : 2.0 [km/h/s]
- 최고속도 : 60 [km/h]
그림. 8. 가감속도 및 최고속도에 의한 에너지 특성 분석
Fig. 8. Energy characteristics analysis by acceleration and deceleration and maximum
velocity
그림 8처럼 견인특성에서 case2의 견인구간이 case1 보다 사용 에너지가 줄어들었고, 제동특성에서 case2의 제동구간이 case1 보다 제동 회생
에너지가 늘어났다.
표 3. 가감속도 및 최고속도 조건에 의한 에너지 및 주행시간 특성 분석(1100m)
Table 3. Analysis of energy and driving time characteristics based on acceleration
and deceleration and maximum speed conditions (1100m)
|
구분
|
Case
|
1
(기준)
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
조건
|
가속도
(km/h/s)
|
3
|
3
|
3
|
2
|
2
|
2
|
3
|
3
|
3
|
3
|
3
|
3
|
|
감속도
(km/h/s)
|
3.5
|
3.5
|
3.5
|
3
|
3
|
3
|
3
|
3
|
3
|
2.5
|
2.5
|
2.5
|
|
최고속도
(km/h)
|
80
|
70
|
60
|
80
|
70
|
60
|
80
|
70
|
60
|
80
|
70
|
60
|
|
결과
|
에
너
지
|
역행
(kWh)
|
53.68
|
41.90
|
32.13
|
55.02
|
42.89
|
32.74
|
53.48
|
41.73
|
31.99
|
53.20
|
41.49
|
31.78
|
|
회생
(kWh)
|
-20.47
|
-17.45
|
-13.80
|
-16.35
|
-13.76
|
-10.99
|
-23.89
|
-20.34
|
-16.12
|
-28.68
|
-24.40
|
-19.35
|
|
계
|
33.21
|
24.45
|
18.33
|
38.67
|
29.13
|
21.75
|
29.59
|
21.39
|
15.87
|
24.52
|
17.09
|
12.43
|
|
시간
(sec)
|
76
|
79
|
84.8
|
85.2
|
86.7
|
91.2
|
77.9
|
80.6
|
86.1
|
80.5
|
83
|
88.1
|
|
분석
|
에너지 절감 (kWh)
|
0%
|
26%
|
45%
|
-16%
|
12%
|
35%
|
11%
|
36%
|
52%
|
26%
|
49%
|
63%
|
|
주행 초과 시간 (sec)
|
0.0
|
3
|
8.8
|
9.2
|
10.7
|
15.2
|
1.9
|
4.6
|
10.1
|
4.5
|
7
|
12.1
|
도시철도의 경우 일반적인 역간거리는 1100m이고 트램의 경우는 도시철도 역간거리보다 짧으나 250m 가정하였다.
다음은 역간거리 1100m 주행시 속도 80km/h, 70km/h, 60km/h를 기준으로 가속도, 감속도, 최고속도를 다양한 조건으로 주행시간 및
에너지절감을 분석하였다. 단, 보조전력은 190kW로 하였다.
· 조건
- 가속도 : 2.0, 3.0 [km/h/s]
- 감속도 : 3.5, 3.0, 2.5 [km/h/s]
- 최고속도 : 80, 70, 60 [km/h]
- 역간 거리 : 1100 [m]
- 보조전력 : 190 [kW]
분석 결과 case 12의 경우 case 1 기준 대비 에너지를 63% 절감되었다. case 1의 경우 주행시간은 76초인데 case 12의 경우는
88초로 12초 밖에 차이가 나지 않았다.
그림. 9. 조건별 에너지 절감 분석(1100m)
Fig. 9. Energy saving analysis by condition (1100m)
그림. 10. 조건별 주행 초과 시간 분석(1100m)
Fig. 10. Analysis of Driving Overtime by Condition (1100m)
표 4. 주행시간 5초 이내 에너지 절감 결과(1100m)
Table 4. Energy saving results (1100m) within 5 seconds of driving time
|
구분
|
Case
|
2
|
7
|
8
|
10
|
|
조건
|
가속도
(km/h/s)
|
3
|
3
|
3
|
3
|
|
감속도
(km/h/s)
|
3.5
|
3
|
3
|
2.5
|
|
최고속도
(km/h)
|
70
|
80
|
70
|
80
|
|
결과
|
에
너
지
|
역행
(kWh)
|
41.9
|
53.5
|
41.7
|
53.2
|
|
회생
(kWh)
|
-17.5
|
-23.9
|
-20.3
|
-28.7
|
|
계
|
24.5
|
29.6
|
21.4
|
24.5
|
|
시간(sec)
|
79
|
77.9
|
80.6
|
80.5
|
|
분석
|
에너지절감(%)
|
26
|
11
|
36
|
26
|
|
주행 초과 시간 (sec)
|
3
|
1.9
|
4.6
|
4.5
|
case 8의 경우는 감속도 0.5km/h/s 및 최고속도 10km/h를 줄인 경우로, 역간 주행시간을 4.6초 초과하나 에너지를 36% 절감할 수
있는 것으로 나타났다. 보통 승객이 플랫폼에서 다음 열차를 10여초 정도 더 기다리는 것에 대해 평상시와 별다른 차이를 느끼지 못할 것으로 판단된다.
12가지 조건에 대해 시뮬레이션한 결과 case 2, 7, 8, 10의 경우, 5초 이내의 주행 초과 시간이고 각 경우의 에너지 절감은 26%, 11%,
36%, 26%로 나타났다. 만약 12초 정도의 주행 초과 시간도 허용된다면 case 12의 경우 에너지는 63% 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
표 5. 가감속도 및 최고속도 조건에 의한 에너지 및 주행시간 특성 분석(250m)
Table 5. Analysis of energy and driving time characteristics based on acceleration
and deceleration and maximum speed conditions (250m)
|
구분
|
Case
|
1
(기준)
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
조건
|
가속도
(km/h/s)
|
3
|
3
|
3
|
2
|
2
|
2
|
3
|
3
|
3
|
3
|
3
|
3
|
|
감속도
(km/h/s)
|
3.5
|
3.5
|
3.5
|
3
|
3
|
3
|
3
|
3
|
3
|
2.5
|
2.5
|
2.5
|
|
최고속도
(km/h)
|
22
|
20
|
18
|
22
|
20
|
18
|
22
|
20
|
18
|
22
|
20
|
18
|
|
결과
|
에
너
지
|
역행
(kWh)
|
120.84
|
114.43
|
108.73
|
120.96
|
114.74
|
109.18
|
120.01
|
113.68
|
108.07
|
118.84
|
112.63
|
107.13
|
|
회생
(kWh)
|
-19.82
|
-15.80
|
-12.24
|
-14.02
|
-11.12
|
-8.57
|
-23.18
|
-18.48
|
-14.32
|
-27.89
|
-22.24
|
-17.24
|
|
계
|
101.02
|
98.63
|
96.49
|
106.94
|
103.62
|
100.61
|
96.83
|
95.20
|
93.75
|
90.95
|
90.39
|
89.89
|
|
시간
(sec)
|
47.2
|
50.8
|
55.3
|
49.9
|
53.2
|
57.4
|
47.8
|
51.4
|
55.9
|
48.5
|
51.9
|
56.4
|
|
분석
|
에너지 절감 (kWh)
|
0.0%
|
2.4%
|
4.5%
|
-5.9%
|
-2.6%
|
0.4%
|
4.1%
|
5.8%
|
7.2%
|
10.0%
|
10.5%
|
11.0%
|
|
주행 초과 시간 (sec)
|
0.0
|
3.6
|
8.1
|
2.7
|
6
|
10.2
|
0.6
|
4.2
|
8.7
|
1.3
|
4.7
|
9.2
|
다음은 현재 자율주행 차량이 역간거리 250m 주행시 저속의 속도에 대해 검토하였다. 속도 22km/h, 20km/h, 18km/h를 기준으로 가속도,
감속도, 최고속도를 다양한 조건으로 주행시간 및 에너지절감을 분석하였다. 단, 보조전력은 3kW로 하였다.
· 조건
- 가속도 : 2.0, 3.0 [km/h/s]
- 감속도 : 3.5, 3.0, 2.5 [km/h/s]
- 최고속도 : 22, 20, 18 [km/h]
- 역간 거리 : 250 [m]
- 보조전력 : 3 [kW]
분석 결과 case 12의 경우 case 1 기준 대비 에너지를 11% 절감되었다. case 1의 경우 주행시간은 47.2초인데 case 12의 경우는
56.4초로 9.2초밖에 차이가 나지 않았다.
case 11의 경우는 감속도 1.0km/h/s 및 최고속도 2km/h를 줄여서 역간 주행시간을 4.7초 초과하나 에너지를 10.5% 절감할 수 있는
것으로 나타났다.
그림. 11. 조건별 에너지 절감 분석(250m)
Fig. 11. Energy saving analysis by condition (250m)
그림. 12. 조건별 주행 초과 시간 분석(250m)
Fig. 12. Analysis of Driving Overtime by Condition (250m)
12가지 조건에 대해 시뮬레이션한 결과 case 2, 4, 7, 8, 10, 11의 경우, 5초 이내의 주행 초과 시간이고 각 경우의 에너지 절감은
2.4%, -5.9%, 4.1%, 5.8%, 10.0%, 10.5%로 나타났다. case 12의 경우 에너지 11.0%를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
case 4,5는 오히려 에너지가 증가하는 것으로 나타났다. 이것은 가속도와 감속도가 case 1보다 줄어든 경우로서 가속도가
표 6. 주행시간 5초 이내 에너지 절감 결과(250m)
Table 6. Energy saving results (1100m) within 5 seconds of driving time
|
구분
|
Case
|
2
|
4
|
7
|
8
|
10
|
11
|
|
조건
|
가속도
(km/h/s)
|
3
|
2
|
3
|
3
|
3
|
3
|
|
감속도
(km/h/s)
|
3.5
|
3
|
3
|
3
|
2.5
|
2.5
|
|
최고속도
(km/h)
|
20
|
22
|
22
|
20
|
22
|
20
|
|
결과
|
에
너
지
|
역행
(kWh)
|
114.4
|
121.0
|
120.0
|
113.7
|
118.9
|
112.3
|
|
회생
(kWh)
|
-15.8
|
-14.0
|
-23.2
|
-18.5
|
-27.9
|
-22.2
|
|
계
|
98.6
|
106.9
|
96.8
|
95.2
|
91.0
|
90.4
|
|
시간(sec)
|
50.8
|
49.9
|
47.8
|
51.4
|
48.5
|
51.9
|
|
분석
|
에너지 절감 (%)
|
2.4
|
-5.9
|
4.1
|
5.8
|
10.0
|
10.5
|
|
주행 초과 시간 (sec)
|
3.6
|
2.7
|
0.6
|
4.2
|
1.3
|
4.7
|
줄어서 늘어난 사용 에너지가 감속도가 줄어서 늘어난 회생 에너지 보다 커서 발생한 것이다.