2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S018

한국형 미니트램(PRT)의 개념 구현을 위한 시작차량 설계, 제작 및

시험

An Engineering Design, Implementation and Test of a Prototype Vehicle for

Realization of Korean Mini-Tram (PRT)

조일선*, 이광섭**, 김준우**, 정락교*, 김찬수**, 강석원*†

Il-Sun Cho*, Kwang-Seob Lee**, Jun-Woo Kim**, Rag-Gyo Jeong*, Chan-Soo Kim**, Seok-Won Kang*†

Abstract Korean mini-tram (PRT: Personal Rapid Transit) is being exclusively developed with differentiation against competitors launched overseas PRT pilot systems (e.g., ULTra and 2getthere) by additionally considering economic feasibility and environmental performance to meet a need for future trends on the basis of fundamental requirements and mechanism of a conventional mini-tram system. In particular, the autonomous driving capability of the mini-tram based on an EV platform is realized by a completely new in-house design without relying on foreign technique. Besides this, the rapid wireless charging based on inductive power transfer (IPT) method and vertical transfer of a vehicle are the first attempt in the world in the design of an operational concept for mini-tram systems. An engineering design, implementation and operational assessment on a pilot network implemented on the grounds of the Korea Railroad Research Institute (KRRI) of the first prototype vehicle for realization of Korean mini-tram are discussed in this study. Eventually, the results from this study will be reflected in production of the 2nd prototype for further improvement. Keywords : Personal Rapid Transit(PRT), Mini-tram, Autonomous driving, Rapid wireless charging, Vertical transfer 초 록 한국형 미니트램(PRT: Personal Rapid Transit)은 수요응답형 교통서비스를 제공하는 기본 기능 외에 미래 수요에 대응하기 위해 경제성 및 친환경성을 고려하여 국외의 PRT 시스템(ULTra 및 2getthere)과는 차별화를 두어 개발되고 있다. 전기차 플랫폼을 기반으로 한 무형궤도 기반의 무인자동운전 기술은 해외 기술에 의존하지 않고 국내 자체 개발을 추진하고 있으며, 그 외에 무선급속충전 및 차량의 수직이송 기술 등은 한국형 PRT에만 적용된 기술이다. 본 논문에서는 한국형 미니트램의 시스템 개념을 기술적으로 구현하기 위한 시제1호 차량(시작차량)의 설계, 제작 및 연구원 내 시험노선에서의 시험과정에 대해서 논한다. 본 연구결과를 통해서 얻은 결과들은 향후 시제2호 차량(시제차량)을 제작하는 데 있어서 성능을 개선하고 문제점을 보완하는데 활용될 예정이다.

주요어 : 수요응답형 순환교통시스템(PRT), 미니트램, 무인운전, 무선급속충전, 수직이송

1. 서 론

최근 들어 기존 간선 위주의 대중교통수단 기능을 보완하고 교통약자에 대한 교통복지 혜

택을 제공하기 위한 정부 차원의 정책 수립에 따라서 차세대 대중교통수단인 미니트램

† 교신저자: 한국철도기술연구원 신교통연구본부 미래교통시스템연구실(swkang@krri.re.kr)

*한국철도기술연구원 신교통연구본부 미래교통시스템연구실, **㈜우진산전 철도차량 기술연구소

(PRT: Personal Rapid Transit)이 주목을 받고 있다. 국외에서는 이미 개념 구현 가능성을 확

인하기 위한 시범노선(영국의 ULTra 및 UAE의 2getthere등)이 운영되고 있으며, 현재 국내

의 한국철도기술연구원에서도 보다 경제적인 건설·운영비용 실현 및 에너지 사용의 효율성

을 높이기 위해 운행제어, 시스템, 설계구조, 전력공급 등 여러 가지 측면에서 많은 차별성

과 독자성을 유지하면서 시스템을 개발하고 있다.

미니트램(Mini-Tram)은 차량 1대당 소규모 그룹의 인원(1~6명)을 수송하기 위한 대중교통

수단이기 때문에 승객의 프라이버시(Privacy) 보장 및 편의성에 대응함과 동시에 안전성에

중점을 두고 개발 중이다. 승객이 탑승된 차량을 수직으로 이송하기 위한 장치[1-3]는 세계

최초로 적용될 예정이며, 자석마커(Magnetic Markers) 기반 무인운전[4-5] 및 무선급전충전

[6-7] 기술을 독자적으로 구현하기 위해 연구 중이다. 본 논문에서는 연구원에서 ㈜우진산

전과 공동으로 개발 중인 한국형 미니트램의 시제차량(시제2호)을 설계·제작하기에 앞서서

시작차량(시제1호)을 개발하는 과정에서 도출된 사용자 요구사항을 정리하고 이를 기존 시

스템 설계에 수정 반영하기 위한 일련의 과정에 관해서 서술한다.

2. 한국형 미니트램(Mini-Tram)

2.1 한국형 미니트램의 개념

한국형 미니트램(PRT)은 지하철이나 버스와 같은 일반 대중교통수단보다는 작은 소형 대중

교통수단이다. 차량은 출발지에서 도착지까지 논스톱으로 환승 없이 운행되고, 소규모 그룹

및 승객이 원하는 위치까지 운행되는 형태는 기존 미니트램의 기본 개념[8]을 구현하는 점에

서는 같다. 하지만 승객이 하차하고 탑승하는 시간 동안의 무선급속충전(최대 2분 30초 이내),

자석센서 검지 기반의 무인운전 및 운행 중의 제동에 의한 회생에너지의 활용 등은 차별점이

다. 무선급전은 차량의 하부에 설치된 픽업(Pickup) 및 레귤레이터(Regulator) 장치를 통해서

구현된다[6-7]. 또한, 세계최초로 수직이송장치를 구현하여 차량의 건물 간/내 이동을 가능하

게 하여 활용성을 높였다[1-3]. 한국형 미니트램(PRT)의 시작차(시제1호)의 형상은 Fig.1과 같

으며, 차량의 제원은 Table 1과 같다[9]. 미니트램은 소규모 차량이지만 미래의 대중교통 수요

에 대응하기 위하여 편의성과 안전성을 보다 고려한 맞춤형 교통수단으로 개발되고 있다.

Table.1 Specifications of Korean mini-tram

Fig. 1 The 1st prototype vehicle of Korean mini-tram

2.2 미니트램의 설계 및 디자인 시제차량의 기능을 더욱 향상하기 위해서 시작차량(시제1호)의 디자인과 설계 측면을 개선

중이다. 시작차량을 개발하는 과정에서 확보된 외부 전문가의 의견 및 차량운행 중에 발생한

문제점에 대해서 면밀히 검토하였다. 아래 Fig. 2와 같이 차량의 불필요 요소를 없애기 위해

내/외부적인 디자인 변화로 차량의 구조를 개선하고 있으며, 특히 차체의 형상과 프레임 측면

에서 차체 두께를 줄여서 차량의 구조적 안정성을 확보하면서도 내부 기기를 설치하기 위한

공간을 효율적으로 활용할 수 있도록 변경하였다. 아래 Fig. 3과 같이 바퀴와 범퍼 부분의 복

잡한 형상의 구조물을 단순한 구조물로 변화시켰으며, 차체 바닥 부분도 가장자리에 있던 구

조물을 제거하여 경량화하였다. 기존의 철도차량의 이미지(Fig. 4 참조)와 같은 부분을 배제하

고 한국형 미니트램만의 독자적인 차별성을 보다 부각하기 위하여 Fig. 5와 같이 수정하였다.

외형적으로 기존 미니트램 보다 전체적으로 곡선 부분을 얇게 수정하여 친밀감을 높였고 바퀴

부분을 강조함과 동시에 심미적인 효과를 고려하여 범퍼 쪽에 패턴을 적용하였다.

Fig. 2 Review on the frame design of the 1st prototype vehicle

Fig. 3 Change in the frame design for weight reduction

Fig. 4 Exterior/interior design of the 1st prototype vehicle

Fig. 5 Design modifications on the exterior design

또한, 차량의 전후 옆면에 있는 유리창을 넓혀 내부공간을 넓게 형상화하였고, 정면부의 유

리창을 기존보다 좀 더 넓혀서 개방감을 높이고 탈출 시 용이하도록 하였다. 내부 디자인에서

도 Fig. 6에 보이는 바와 같이 시트 부분에 승객이 안락하게 이동을 할 수 있도록 좌/우측 모

서리를 변형하였으며, 바닥 부분도 단순한 패턴을 벗어나 미끄럼 방지나 내부에 일체감을 주

도록 디자인했다. 입출입문 쪽에서도 기존의 디자인보다 개방 폭을 증대하여 활용성을 높였다.

Fig. 6과 7은 앞서 언급된 개선 사항을 반영하여 최종적으로 설계된 시제차량 내·외장디자인

의 조감도를 나타낸다. 무엇보다도 좌측 하단의 배터리나 각종 장비가 들어 있는 설계 쪽에

미니트램에 제약적인 여유 공간을 확보하려고 노력하였으며, 미니트램의 내부 디자인에서도

버튼이나 내부 실내등 그리고 위치안내화면의 크기를 조금씩 개선하였고, 부드러운 느낌을 강

조하였다.

Fig. 6 Interior design enhancement

Fig. 7 Final view of the modified exterior design

2.3 미니트램의 시스템 보완

2.3.1 추진 및 제동 시스템의 안정화

시작차량 운행 테스트 결과 주행지령에 따른 추진/제동 장치의 인터페이스 동작(제동의 완

화 및 가속, 회생의 발생, 제동 지령에 따른 유압제동 체결 등)은 Fig. 8과 같이 원활히 이루

어짐을 확인하였다. 또한, 회생력 발생에 따른 차량의 배터리 전압이 상승하는 것으로 미루어

회생에너지가 배터리로 재충전되고 있음을 확인할 수 있었다. 제동 테스트 중에는 추진모터

제어장치(ECU)와 주변 장치 간의 통신 노이즈가 발생하여 CAN 통신 리피터를 설치하여 문제

점을 보완하였고, 반복적인 주행 테스트를 통해 제동 시스템을 튜닝하고 안정화하였다. Fig. 9

와 같이 차량 컴퓨터(VCU)의 로깅 데이터와 실제 제동 거리를 측정한 로깅 데이터의 결과는

유사한 것으로 나타났다.

Fig. 8 Propulsion and braking test data Fig. 9 Data monitoring during deceleration of a vehicle

2.3.2 전력 공급의 안정화

시작차량 테스트 중 무선 급전장치의 출력값과 DC-DC 컨버터(Converter)의 입력 값이 상이

하여 모터제어장치(MCU)의 OVER VOLTAGE 경고장이 발생 되었다. (컨버터 내부 회로는

BUCK과 BOOSTING으로 나누어지며 주행 시는 BUCK을 회생제동 시는 BOOSTING을 사용하

여 모터에서 발생하는 회생전력을 LIC로 보충하는 기능을 하는데, 주행 중에는 BUCK과

BOOSTING 회로가 전환하며 작동을 하고 전환 타이밍이 적절치 않을 시에는 MCU에서 모터

구동에 적절하지 않은 전압이 인가되었다는 UNDER VOLTAGE, OVER VOLTAGE 경고가 발생

한다.)

따라서, 컨버팅 레퍼런스 전압차를 보완하는 레귤레이터 저항을 추가하고, 인버터(Inverter)

및 컨버터 프로그램의 튜닝 작업을 진행하여 전력 공급의 안정화를 수행하였다. 저항 적용 전

의 급전 전압은 약 1000 VDC이며 저항 적용 후의 급전 전압은 600~750 VDC 수준으로 나타났

다. 시제차량 제작에서는 전력공급 시스템의 최적화를 수행할 계획이며, 추가로 전력공급을

원활하게 할 수 있는 컨버터를 개발할 예정이다.

2.3.3 차량 주행거리 향상

연구원 내 주행 시험 결과 1회 충전 시 주행 가능한 거리는 800m 정도이었으며, 무선 충전

에 필요한 시간은 LIC 전압 DC 82V에서 DC 135V까지 2분 30초 내외였다. 향후, 미니트램의

실용성을 향상하기 위해서는 차량 주행거리를 향상할 필요가 있다. 따라서 시제차량 제작 시

에는 기존(6 Module)보다 2 Module의 슈퍼커패시터를 추가 설치 하는 것으로 고려 중이다. 차

량의 주행거리 향상을 위해서는 배터리 용량 증가와 동시에 차량의 경량화가 필수적이며, 배

터리 추가에 따른 기기 여유 공간의 확보와 효율적인 기기 배치, 전기 배선 및 실내 의장 설

계 등 고려해서 해결할 문제를 가지고 있다.

2.3.4 자율 주행의 안정화

자율 주행 테스트 중에 발생한 문제점으로는 트랙에 매설된 지자석의 노이즈 발생으로 인한

차량의 자석 센서와의 통신 문제와 실내에 위치한 안테나의 송/수신 민감도가 약하여 차량 주

행 시 통신이 끊어지는 현상이 발생하였다. 시작차량에서는 자석 센싱 레퍼런스를 700가우스

에서 600가우스로 튜닝 실시하고, 차량의 전 후방 그릴에 안테나를 설치하여 보완하였다. 시

제차량 제작 시에는 차량의 외측으로 안테나 설치를 고려하여 관제와 직접 송/수신을 할 수

있도록 제작하고, 보다 안정적인 위치 데이터를 취득할 수 있도록 프로그램을 보완하고 노이

즈 방지 대책을 수립하고, 테스트를 거쳐서 반영할 계획이다.

3. 결 론

본 논문은 한국형 미니트램(PRT)의 대한 시작 차량의 설계 및 제작, 디자인 그리고 시스템

의 보완점에 관해서 서술하였다. 기존에 만들어진 시작차량(시제1호)에서의 나타난 문제점

(디자인과 설계, 시스템의 오류 부분, 통신상의 장애, 주행거리의 증가)을 보완하여 시제차량

(시제2호)에 수정 후 반영하여, 현재 진행되고 있는 시작차량(시제2호)의 완성도를 높일 수

있을 것으로 기대된다.

후 기

본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업(“수요응답형 순환교통시스템(PRT) 핵심기술 개

발”)의 지원으로 수행되었습니다.

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