철도는 수송 에너지 효율이 높고, 전기 에너지를 사용해 온실 가스를 적게 배출하는 고속 대량 수송 기관이라는 장점으로 최근 새롭게 주목받고 있다. 미국, 브라질, 베트남, 인도 등 세계 각지에서 그 나라 · 지역의 사회 인프라 정비와 경제 진흥을 위해 고속 여객선 건설을 계획중이다. 이러한 계획중에는 영업운전속도를 350㎞/h로 설정한 구간이 있어 고속화에 따른 대응기술이 필요하다.
번역 · 정리 전화영 객원기자 글 가와사키중공업㈜ 가와사키 히로유키(川崎洋行)
철도 차량의 고속화 기술에는 주행 안전성 등 여러 가지가 있으나, 여기서는 주로 공력空力기술에 대해 서술한다. 지금까지 각종 고속 차량에서 실현해 온, 공력 성능과 관련한 구체적인 기술 항목 중에서 공기 저항과 터널 미기압파를 소개한다.
공기 저항｜차량의 주행 저항은 대개 아래 식과 같은 형태로 나타난다.
이 식에서 보듯 속도 증가에 맞춰 공기 저항은 속도의 2승에 비례하기에, 고속 영역에서는 기계적 구름 저항 등 다른 요소에 비해 월등히 커진다. 공기저항을 낮추면 직접 주행 에너지를 낮출 수 있으며, 이 외에도 ▲주 회로 용량 저감과 이에 따른 경량화 ▲경량화에 따른 가감속 성능 향상을 꾀할 수 있다. 이 때문에 풍동風洞모형 시험과 수치 유체 역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 해석을 함께 실시해 높은 예측 정확도로 공기 저항을 낮추는 방법을 연구 중이다. <그림 1>은 풍동 시험 모형의 실제예다. 터널 미기압파｜열차가 고속으로 터널에 돌입하면 터널 내 공기가 압축되고, 그 결과 터널 출구 부근에서 '덜컹'하는 충격음이 관측되는 경우가 있다. 이를 '터널 미기압파'라고 하는데, 터널 출구 주변에 있는 가옥의 창문이나 문을 흔드는 진동과 소음을 일으켜 환경 문제로도 꼽힌다. <그림 2>가 그 개념도다.
또한, 터널 미기압파의 세기는 열차 돌입 속도의 3승으로 알려져, 고속 차량에서 열차 앞머리 형상을 결정하는 데 이 미기압파 저감이 가장 중요한 기술항목 중 하나로 떠올랐다. 이러한 기술 검토는 일본 신칸센의 앞머리 형상을 검토한 풍부한 경험을 바탕으로 CFD 해석을 이용해 충분한 정확도 검토가 가능해진 데다, 여기에 CFD 해석과 최적화 시뮬레이션(유전적 알고리즘, GA: Genetic Algorithm)을 조합해 수천 패턴에 이르는 단면 분석 중 최적의 것을 시뮬레이션을 통해 효율적으로 끌어낼 수 있다. <그림 3>은 시뮬레이션의 최적화 설계 프로세스를 나타낸 것이다. <그림 4>와 <그림 5>는 이러한 시뮬레이션에서 얻은 결과를 참고 사례로 나타낸 것이다.
차량 경량화 기술 차량 주행에 필요한 에너지는 차량이 가벼울수록 적게든다. 그렇기에 차량구조를 가볍게 하고자 구조재료의 재질, 단면형상, 접합공법 등을 개선해왔다. 재질 변경｜차체의 주요 재질은 중량 대비 강도가 높은 면을 고려해 보통강에서 스테인리스강이나 알루미늄합금으로 바뀌는 추세로 경량화를 추진하고 있다. 환경에 미치는 부하를 에너지 소비량으로 정량평가하는 방법으로 LCA(Life Cycle Assessment)가 있다. 예를 들어 제조하는 데 드는 에너지를 재질이 각기 다른 차량별로 비교한 사례가 <그림 6>이다. 제조 단계에서는 스테인리스강, 보통강, 알루미늄합금 순서로 에너지 소비량이 높으나, 운용 단계의 주행 거리가 길어지면 알루미늄 합금이 스테인리스강이나 보통강보다 전체 에너지 소비량이 낮아진다.
단면 형상의 최적화｜알루미늄 합금 차체에는 대형압출 형재를 많이 사용하는데, 강도를 충분히 유지하는 동시에 판 두께가 얇은 단면 형상으로 하면 무게를 더욱 줄일 수 있다. <그림 7>에서 보듯이 최적화 계산으로 필요한 두께를 산출해, 강도와 같은 성능은 떨어트리지 않으면서 초기 형상에서 수 % 경량화를 이룬 사례도 있다. 접합 공법 개량｜스테인리스강을 접합하는 경우, 입열량이 큰 일반 접합 방법은 변형이 크게 일어나기에 점으로 접합하는 저항 스폿 용접을 사용해 왔다. 그러나 최근 들어 입열량이 작은 레이저 용접을 사용해 낮은 변형으로 연속 접합을 할 수 있으며(<그림 8> 참조), 접합 강도도 향상됐다. 이 덕분에 보강 부재를 줄여 무게를 줄였다.
차량 제어 기술 차량에 탑재하는, 주행과 정지에 관여하는 각종 제어용 기기에 최신 파워 일렉트로닉스와 정보 통신시스템 기술을 적용해 큰 에너지 절약 효과를 얻고 있다. 가속 시｜전차 동력에 인버터 제어 방식의 교류 유도전동기를 주로 사용한다. 그 결과, 직류 전동기보다 회전수 조정이 쉬워 가속 시 차륜 공전 제어를 최적화함으로써 차륜과 레일 사이의 점착粘着(마찰 계수)을 최대한으로 이용할 수 있다. 이에 따라 편성 중인 전동차(전동기를 탑재한 차량)의 차량 수를 줄이고, 편성 중량을 경감할 수 있다. 이는 다시 전기 기기의 필요 용량을 줄이고, 편성 전체의 소비 전력량 저감으로 이어진다. 감속 시｜감속 시에는 가속 시에 사용한 전동기를 반대로 발전기로 사용해 브레이크력을 얻는다. 여기서 발생한 전력을 가선으로 다시 보내 주행 중인 다른 차량에 공급하도록 전력 회생 브레이크를 택하고 있다. 최근 인버터 제어의 개량으로 전력 회생률이 높아 정차할 때까지 회생 브레이크를 사용할 수 있다. 한편, 전동기를 탑재하지 않은 부수차에서 제동장치는 마찰 브레이크뿐이다. 그래서 브레이크 제어를 각 차 단위가 아닌 전동차와 인접하는 부수차를 모아서 함으로써, 감속 시에는 전동차에서 발생하는 전력 회생 브레이크의 제동력으로 부수차의 몫까지 부담해 전력 회생률을 더욱 높이고 있다. 게다가 최신 차량에서는 편성 내 각 차량을 네트워크로 접속한 차량 정보 제어 장치가 감속 시 편성내에서 필요한 브레이크력을 연산하고 전동차의 회생 브레이크력을 편성 단위로 제어하는 방식을 채택하고 있다. 이러한 방식은 편성 전체에서 회생 브레이크를 가장 적절하게 제어함으로써 전력 회생률을 최적화하는 동시에 예비계에도 우수한 브레이크 시스템 역할을 한다. 이렇듯 전동기 제어를 최적화함으로써 차량의 전력 소비를 대폭 줄이는 데 기여한다. 일례로 최신 차량은 1970년대 국철에 사용하던 차량에 비해 소비전력량이 절반 이하다.
이차전지 적용한 경쾌전차 SWIMO-X 최근 지구 환경 문제와 고령화 진행 등으로 새로운 도시 교통 시스템 LRT(Light Rail Transit)*가 주목을 끄는 한편, 에너지 절약 대책으로 이차전지 역시 관심을 모은다. 이차전지를 철도에 적용한 사례로 가와사키중공업㈜에서 개발한 니켈수소전지 '기가셀Ⓡ'을 탑재한 차세대 LRV(Light Rail Vehicle)* ' SWIMOⓇ'와 함께, 지상축전설비를 소개한다. 시험 차량 SWIMO-X｜ 'SWIMOⓇ'의 구성은 3차체 15m에서 5차체 30m 정도까지, 차체 폭은 2.23~2.5m, 궤간은 1067~1435㎜까지 대응하며, 일본 내는 물론 국외의 각 궤도 사업자용으로 다각화 사업 전개를 계획 중이다. 시험 차량 'SWIMO-X'는 기본이 되는 3차체 3대차 연접連接구성의 15m 편성으로, 베리에이션Variation 중에서 편성이 가장 작은 등급이다. 최소 곡선 반경은 14m이며, 노면 전차 특유의 급곡선 통과에 대응하는 차량이다. 'SWIMO-X'의 형식도는 <그림 9>와 같다. 흔히 객실 바닥 아래에 배치하는 구동 · 제동용 제어 장치류나 보조 전원 장치, 공조 장치 등과 같은 각종 장치류를 모두 지붕 위에 탑재하고, 객실 바닥면 대부분을 저상低床구조로 했다. 구동용 축전지로써 '기가셀Ⓡ'을 실내 의자 아래에 배치해 한정된 공간을 유효하게 활용했다. 끝에 위치한 대차는 앞쪽에 구동륜, 뒤쪽에 직경이 작은 차륜을 배치한 특수구조의 다이렉트 마운트식 구동 대차로 하고, 중간에 위치한 대차는 차축이 없는 좌우 독립륜에 볼스터Bolster가 없는 대차로 해 바닥면 높이의 제약을 줄였다. 이로써 객실 대부분의 바닥면은 레일 윗면에서 360㎜의 평탄한 바닥면이며, 출입구 쪽 바닥면은 오르내리기 쉽도록 레일 윗면에서 330㎜로 하고있다.
* Light Rail Transit : 경궤조輕軌條노면 전차. 경전철. 고성능 타입의 노면 전차. 수송력 면에서 지하철과 버스 사이며 건설비도 쌈. 무공해. 저상화低床化가 특징. * Light Rail Vehicle : 경쾌전차輕快電굯. 일본철도기술협회가 추진한 노면 전차의 근본적인 개선책으로 개발한 노면 전차.
충 · 방전 제어 장치｜ 'SWIMO-X'는 구동용 축전지의 충 · 방전을 제어하는 충 · 방전 제어 장치를 지붕위에 탑재했다(<그림 10> 참조). 가선 전압 변동이 큰 전력화 노선에서도 안정적으로 운용하도록 축전지 전압과 가선 전압의 고저 관계가 어떠하든 충 · 방전이 가능한 양방향 승강압 초퍼Chopper(4사분면 초퍼) 회로를 채용했다. <그림 11>은 운전 중 충 · 방전 개념도이다. 전력화 구간에서는 주 제어 장치 등에 팬터그래프Pantagraph로부터 직접 급전하는 동시에, 충 · 방전 제어 장치로 축전지를 충전한다. 축전지 용량이 일정 값 이상이 되거나 가선 전압이 떨어질 경우 주제어 장치로, 축전지에서 자차량으로 급전해 전압저하를 보상하는 기능인 어시스트 방전을 한다. 비전력화 구간에서는 차량에서 사용하는 모든 전력을 구동용 축전지로부터 급전한다. 'SWIMO-X'에서는 전력화 구간과 비전력화 구간을 불문하고 제동 시 발생하는 회생 전력은 보조기계 소비 분을 제외하고 차량에 탑재한 구동용 축전지에 충전된다. 기존 차량에서는 발생한 회생 전력은 부근을 주행하는 다른 차량에서 사용하며, 만약 차량이 존재하지 않으면 회생 전력을 사용할 수 없다(회생 실효). 'SWIMO-X'는 이러한 문제점이 생기지 않아 에너지 효율을 높인다. 지상 축전 설비｜차 위에 있는 구동용 축전지를 대전류로 충전하면 지상 측 전력 설비에 큰 부하가 걸리고 만다. 가와사키중공업㈜에서 실험 중인 하리마(播磨)선에도 차량에 전력을 공급하는 지상 측 전력설비는 공장 전원에서 수전하기에, 대전류를 동반하는 충전에는 전원 용량에 제약이 있었다. 한편, 비전력화 구간에서 'SWIMOⓇ'의 충전은 종점역 반환시간이나 중간 정차역 정차 시간에 하는 것을 상정했기에 충전 시간이 짧아야 한다.
따라서 하리마선에 설치한 지상 축전 설비(BPS: Battery Power System)를 이용해 급속 충전을 검증했다. 이는 공장 전원에서 얻은 전력을 BPS 축전지에 충전하고, 축전지에서 'SWIMO-X'로 대전류를 공급하는 설비다(<그림 12> 참조). 이로써 공장전원에 제약을 받지 않고 'SWIMO-X'로 대전류를 공급하게 됐다. BPS를 이용한 급속 충전 시스템 개념도는 <그림 13>과 같다. BPS는 '기가셀Ⓡ'18모듈을 직렬로 접속한 것을 1기로 해 3기 병렬로 설치했다. BPS의 공칭 전압은 648V, 용량은 200Ah×3기다. BPS를 이용해 충전 전류 350A로 급속 충전 시험을 했다. 그 결과 얻은 각 전류 · 전압의 도표가 <그림 14>다. 충전이 진행됨에 따라 차 위 축전지의 충전율이 올라가므로 축전지 전압도 함께 올라가나, BPS 축전지는 방전으로 말미암아 충전 용량이 떨어지므로 BPS 축전지 전압은 점점 떨어진다. 이 때문에 방전 측(BPS) 입력 전압을 차 위에 있는 충 · 방전 제어 장치로 승압하고 차 위 축전지 전류가 350A로 일정하도록 제어했다. 350A를 유지하기 위해 BPS의 송출 전류는 점점 증가하게 된다. 전압, 전류 모두 기기와 보호 장치의 비율에 따라 한계 값이 정해지는데, 시험하는 동안 한계 값을 넘는 일은 없었다. 이 급속 충전으로 5분 동안 28.2Ah를 충전할 수 있다. 이는 DOD(Depth of Discharge, 정격 용량에 대한 방전량의 비율)로 14.1%에 해당하며, 10㎞를 주행할 수 있는 양이다.
*
철도는 환경 부하가 가장 낮은 운송 수단 중 하나로, 특히 최근에 전 세계적으로 이목을 끌면서 해외시장이 점차 확대되고 있다. 일본 철도 분야의 환경부하 저감 기술에는 다른 나라에 없는 우수한 장점이 있으며, 앞으로도 이러한 기술이 더욱 발전하리라 기대한다.
장바구니
주문내역
: 
