넓은 입·출력 전압 사양의 수소연료전지-배터리 기반 철도차량용 고밀도 절연 승압형 DC-DC 컨버터에 관한 연구

Abstract

최근 에너지 효율이 높은 수소연료전지와 배터리 기반의 하이브리드 철도차량용 추진시스템이 주목받고 있다. 수소연료전지는 높은 가격으로 인해 견인전동기 구동을 위한 인버터의 높은 DC 전압을 직접적으로 공급하기 어려우므로, 낮은 전압을 갖는 수소연료전지와 인버터 사이에 승압형 DC/DC 컨버터가 필요하다. 그러나 수소연료전지 기반 하이브리드 철도 시스템은 추가적으로 부피를 차지하는 수소연료전지와 배터리로 인해 기존 가선 기반의 철도 시스템에 비해 더 제한 된 공간 및 중량이 요구 된다. 이러한 제약으로 인해 승압형 추진 DC/DC 컨버터는 더 높은 전력 밀도와 경량화가 요구 된다. 본 논문에서는 수소연료전지와 배터리 기반의 하이브리드 철도차량용 추진시스템을 소개하고, 다양한 분석을 통해 높은 전력 밀도와 경량화에 적합한 기존 승압형 컨버터를 검토한다. 또한 승압형 컨버터로써, 높은 전력 밀도와 경량화를 달성할 수 있는 인터리빙 제어 기반의 ‘입력 병렬, 직렬 출력 구조의 공진형 LLC 컨버터와 3-Level 벅-컨버터가 결합 된 2단 구조의 모듈형 컨버터’를 제안한다. 동작 모드, 설계에 필요한 전압, 전류 리플 분석을 통해 설계 된 제안하는 컨버터의 효율 및 부피를 기존 컨버터와 이론적으로 비교하고, 제안하는 컨버터의 설계를 PSIM 시뮬레 이션을 통해 검증하였다.