보고서 전문검색

검색 키워드

철도차량용 객실 비상 조명 시스템 연구

검색 페이지 목록

검색 결과 보고서내 9건 검색

초록

보고서 요약서

1. 연구개발 배경 및 필요성

2. 연구개발 목표 및 내용

3. 연차별 연구실적

4. 성능 검증 및 시험

5. 실용화 및 홍보

6. 결 론

참고문헌

초록
◦ 기업의 경쟁력을 확충하고 글로벌 부품기업 육성을 위한 철도차량 및 부품의 수출산업화(유망품목 선택과 집중 지원)와 신뢰성 평가와 품질보증기반/국제규격 인증 획득사업/국내외 전시회 참가지원 등 전략적인 해외 홍보 및 마케팅 체계구축이 요구되고 있다. ◦ 본 연구는 철도차량 분야의 중소기업을 지원하기 위하여 1차 10개 기업 중 공개모집을 통하여 애로기술지원을 위한 3개의 참여기업을 선정하였으며, 그 중 철도차량용 비상조명시스템에 대한 개발과 성능 검증을 지원한다. ◦ 1차년도는 3개 시제품의 개념/기본/상세설계를 부분적으로 완료하였고, 당해년 2차년도에는 시험용 시제품과 현차시험을 위한 준비를 완료하고 2016년에 현차시험을 실시할 수 있도록 준비를 완료한다. ◦ 철도차량용 비상조명시스템은 철도차량이 전복되는 비상상태에서도 승객의 대피를 위한 최소의 조명을 제공하도록 조명등별로 개별 축전지와 비상전원회로 및 차량 내 인명 존재 여부 판단을 위한 센서/제어 기능을 포함한 시스템이다.

초록

◦ 기업의 경쟁력을 확충하고 글로벌 부품기업 육성을 위한 철도차량 및 부품의 수출산업화(유망품목 선택과 집중 지원)와 신뢰성 평가와 품질보증기반/국제규격 인증 획득사업/국내외 전시회 참가지원 등 전략적인 해외 홍보 및 마케팅 체계구축이 요구되고 있다.
◦ 본 연구는 철도차량 분야의 중소기업을 지원하기 위하여 1차 10개 기업 중 공개모집을 통하여 애로기술지원을 위한 3개의 참여기업을 선정하였으며, 그 중 철도차량용 비상조명시스템에 대한 개발과 성능 검증을 지원한다.
◦ 1차년도는 3개 시제품의 개념/기본/상세설계를 부분적으로 완료하였고, 당해년 2차년도에는 시험용 시제품과 현차시험을 위한 준비를 완료하고 2016년에 현차시험을 실시할 수 있도록 준비를 완료한다.
◦ 철도차량용 비상조명시스템은 철도차량이 전복되는 비상상태에서도 승객의 대피를 위한 최소의 조명을 제공하도록 조명등별로 개별 축전지와 비상전원회로 및 차량 내 인명 존재 여부 판단을 위한 센서/제어 기능을 포함한 시스템이다.

보고서 요약서
보고서 요약서2014.01.01 당해연도 2015.01.01과제코드 PK14005A 총연구기간~2016.12.31 연구기간 ~2015.12.31연 구 사 업 명 한국철도기술연구원 주요사업세부과제명 중소중견기업 수요기반 철도원천기술 개발연구연구과제명세세부과제명 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 연구해당단계 총 : 7 명해당단계 정부 :연 구 책 임 자 온 정 근 참 여 내부 : 3 명연 구 비 246,403천원연구원수 외부 : 4 명연구기관명한국철도기술연구원 참여기업명 ㈜제이케이에이및소속부서명국제공동연구 상대국명 : 상대국연구기관명 :위 탁 연 구 연구기관명 : 연구책임자 :131면(부록포함)요 약 보고서면수◦ 기업의 경쟁력을 확충하고 글로벌 부품기업 육성을 위한 철도차량 및 부품의수출산업화(유망품목 선택과 집중 지원)와 신뢰성 평가와 품질보증기반/국제규격 인증 획득사업/국내외 전시회 참가지원 등 전략적인 해외 홍보 및 마케팅체계구축이 요구되고 있다.◦ 본 연구는 철도차량 분야의 중소기업을 지원하기 위하여 1차 10개 기업 중 공개모집을 통하여 애로기술지원을 위한 3개의 참여기업을 선정하였으며, 그 중철도차량용 비상조명시스템에 대한 개발과 성능 검증을 지원한다.◦ 1차년도는 3개 시제품의 개념/기본/상세설계를 부분적으로 완료하였고, 당해년2차년도에는 시험용 시제품과 현차시험을 위한 준비를 완료하고 2016년에 현차시험을 실시할 수 있도록 준비를 완료한다.◦ 철도차량용 비상조명시스템은 철도차량이 전복되는 비상상태에서도 승객의 대피를 위한 최소의 조명을 제공하도록 조명등별로 개별 축전지와 비상전원회로 및 차량 내인명 존재 여부 판단을위한 센서/제어 기능을포함한 시스템이다.한 글 중소기업, 애로 기술, 차량 부품, 조명기술, 비상 상황색 인 어(각 5개Small & medium enterprise, Technology Barrier,영 어이상)Rolling stock parts, Light Technology, Emergency

보고서 요약서

보고서 요약서2014.01.01 당해연도 2015.01.01과제코드 PK14005A 총연구기간~2016.12.31 연구기간 ~2015.12.31연 구 사 업 명 한국철도기술연구원 주요사업세부과제명 중소중견기업 수요기반 철도원천기술 개발연구연구과제명세세부과제명 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 연구해당단계 총 : 7 명해당단계 정부 :연 구 책 임 자 온 정 근 참 여 내부 : 3 명연 구 비 246,403천원연구원수 외부 : 4 명연구기관명한국철도기술연구원 참여기업명 ㈜제이케이에이및소속부서명국제공동연구 상대국명 : 상대국연구기관명 :위 탁 연 구 연구기관명 : 연구책임자 :131면(부록포함)요 약 보고서면수◦ 기업의 경쟁력을 확충하고 글로벌 부품기업 육성을 위한 철도차량 및 부품의수출산업화(유망품목 선택과 집중 지원)와 신뢰성 평가와 품질보증기반/국제규격 인증 획득사업/국내외 전시회 참가지원 등 전략적인 해외 홍보 및 마케팅체계구축이 요구되고 있다.◦ 본 연구는 철도차량 분야의 중소기업을 지원하기 위하여 1차 10개 기업 중 공개모집을 통하여 애로기술지원을 위한 3개의 참여기업을 선정하였으며, 그 중철도차량용 비상조명시스템에 대한 개발과 성능 검증을 지원한다.◦ 1차년도는 3개 시제품의 개념/기본/상세설계를 부분적으로 완료하였고, 당해년2차년도에는 시험용 시제품과 현차시험을 위한 준비를 완료하고 2016년에 현차시험을 실시할 수 있도록 준비를 완료한다.◦ 철도차량용 비상조명시스템은 철도차량이 전복되는 비상상태에서도 승객의 대피를 위한 최소의 조명을 제공하도록 조명등별로 개별 축전지와 비상전원회로 및 차량 내인명 존재 여부 판단을위한 센서/제어 기능을포함한 시스템이다.한 글 중소기업, 애로 기술, 차량 부품, 조명기술, 비상 상황색 인 어(각 5개Small & medium enterprise, Technology Barrier,영 어이상)Rolling stock parts, Light Technology, Emergency

1. 연구개발 배경 및 필요성
1. 연구개발 배경 및 필요성 가. 연구개발 배경○ 국외 주요 철도 선진국인 일본, 프랑스 및 독일의 경우에는 자국의 철도부품회사 보호 노력으로 외국 기업에 대한 비관세 장벽과 입찰방식, 자격 등을 통해 규제 등 철도 산업보호를 위한 정부와 기업이 공조하고 있는 실정임. EU의 경우에는 유럽 외 국가들에게 철도차량 관련 사업 참여 기회 제한과 철도산업에 대한 엄격한 기술 및 환경규정을 적용하고 있고, 세계 최대의 고속철도 운영국가인 중국은 정부가 시장과 가격을 통제하여 철도차량의 70% 이상 자국 부품 사용 규정을 제정함으로 선진 기술 국가들이 중국 내 합작 생산을 하고 있는 실정임. 일본은 민․관이 연합한 카르텔 중심의 수의계약 체계 구축하여 외국 기업 진입 원천봉쇄 있음. 이에 비해 국내의 경우 철도차량 부품산업의 보호 및 육성을 위한 정책이 미흡하고 물량이 작은 관계로 핵심 부품에 대한 개발업체가 거의 없는 상태임.○ 철도 핵심부품산업의 기술수준 낙후 및 글로벌 경쟁력 저하세계철도시장 규모는 2009년에서 2011년까지 평균 약 200조원(1,310억 EURO) 수준으로 2015년까지 약 240조원(1,600억 EURO)까지 성장 예측됨세계 철도차량시장은 2020년까지 3~5% 지속성장이 전망되며, 신규차량의 경우 약 55조원으로 추정, 국내의 경우 연평균 7,429억원(세계시장의 1.35%)이나 FTA 확대 등 환경변화로 내수시장 잠식이 우려되고 있음- 1 -내수시장의 규모는 국내 차량제작사 공급능력에 비하면 50%에 못 미치는 수준으로 해외 수주량이 필요하며, 아울러 해외수주가 증가할 경우에는 차량제작사의 공급 능력에 어려움이 예상되므로 수급 불균형에 대한 대비가 필요할 것으로 판단됨고속철도 운영과 시스템 기술은 세계 4위권에 진입하고 있으나, 철도차량 부품산업은 내수와 해외시장의 글로벌 경쟁력이 갈수록 저하되고 있음. 수출 차량에 일부 차량부품이 50% 정도 장착되고 있으나 기술수준과 신뢰성 문제로 답보 상태이며, 저가형 수출로 경제성이 미미한 실정임○ 철도분야 전반적으로 핵심부품산업의 기술개발 실태가 매우 열악철도핵심 부품산업 중 철도차량 부품산업은 270여개 중소기업이 영세하게 활동 중임이 중 73개 중소기업을 분석한 결과, 종사자 5,695여명, 기업부설연구소 보유 40개사, 연구 인력은 7%로,약 400여명이 개발에 참여하고 있는 실정임철도차량 제조사 총매출은 약 16조 6천여억으로, 5대 기업의 매출 15조 7천억원 그림 1 연구인력별 기업수(95%)을 제외하면 부품기업은 8천 500억원(5%, 65개 기업)으로 열악한 환경임- 2 -철도차량 부품시장의 수요시기 및 사업규모 예측이 어려워 차량 제작사는 수입품에 의존하고 있으며, 부품제작사는 소량 개발수요로 인한 영세성이 높음○ 철도 핵심부품 설계기술 기반 취약 및 기술개발 지원사업, 지원 인프라 부족w KTX고속열차의 경우 조립생산 기술 우선의 기술이전, 고속철도기술개발사업의 경우 차량시스템 및 주요장치 중심의 개발 등으로 핵심부품 독자기술 확보가 시급한 실정임w 철도 핵심부품에 대한 품질 및 설계 분야에서 세계적 수준의 고급인력이 부족하며, 국가연구개발사업을 통한 지식 제공 등의 지원 프로그램이 미흡함w 또한 핵심부품 전문 시험장비 및 시험선로, 성능시험 지원센터, 철도기술기준 및 성능시험 절차서 등 지원 인프라가 부족한 실정임 나. 연구개발 필요성○ 중소기업의 핵심부품 원천기술 확보 지원 및 강소형 기업으로 육성차량 부품산업은 세계시장의 수출주력산업의 가능성이 높으나, 주문생산과 소량다품종으로 고도의 설계 및 제조기술력이 요구됨. 철도차량 부품산업의 고급기술은 선진국에 의존하고 있으며 또한 해외기술의 도입도 용이하지 않으므로, 국내 유지보수 등을 위해서라도 독자적 기술개발이 필요함.<예로, KTX-산천 감속기(1,2차) 구매단가는 약 3.3억원/set으로 2012년 12월 현재 운행되고 KTX-산천이 총 24편성이고, 2015년 호남선/수도권 고속철도에 운행하게 될 KTX-산천 22편성을 고려하면 이들 차량에 대한 정상적인 유지보수를 위한 구매 금액이 약 410sets로 차량 도입단가 기준으로 약 1,353억원 정도가 소요되게 되어 있음. 그러나 부품 조달 가격은 차량 제작사에 의한 도입 단가 보다 통상 2～3배 높은 것을 고려할 때 기술개발이 이루어지지 않으면 엄청난 국부유출 및 차량 안전 운행에 큰 문제가 발생할 수 있음○ KTX고속열차 도입기술, 차세대 고속철도 개발기술 등의 철도시스템 개발을 통하여 확보한 시스템요구사항을 기반으로 핵심부품 원천기술의 독자개발로 강소형 중소기업 육성 지원으로 국내수요 부족을 세계시장 진입을 목표로 하여 글로벌 핵심기술품목에 대한 집중 투자를 통하여 특성화할 필요가 있음- 3 -○ 철도 핵심부품기술 기술개발 지원 인프라 확충 및 글로벌 경쟁력 강화철도부품의 국내 수요 저조로 해외 시장 글로벌화 진입이 매우 시급한 실정임. 중소기업에 철도 전문가 자문, 기술 분석 등 기술개발 지원체계 구축, 중소기업 개발품의 조기 실용화를 위한 성능시험/인증 지원 등 지원 인프라 확충 필요.○ 철도안전법의 “철도차량안전기준에관한규칙” 제12조는 화재발생 시 축전지 전원으로 작동되는 비상조명등을 갖추도록 규정하고 있으며○ 동규칙 제50조는 비상조명등에 관해 설치 위치(객실, 화장실, 비상출구 주변의 출입문 등)와 설계 구조(이중화 구조), 작동 시간(30분 이상), 조명 밝기(바닥 기준 5LUX 이상) 등을 구체적으로 정하고 있음현재 철도차량은 차량용 축전지를 편성 당 2세트 정도를 보유하고 있어 가선이 차단된 상태에서 철도차량 편성이 독립적으로 30분정도의 가동이 가능하도록 설계되어 있음편성에는 축전지 전원을 각종 구성품에 전달하도록 인통선이 있으며 차량 간에는 점퍼커플러를 통하여 연결됨○ 그러나 지하나 터널을 운행하는 철도차량에서 인통선이 차단되는 사고는 승객의 대피를 위한 최소 전원도 확보할 수 없는 상황이 발생됨국내 철도차량 운영사는 이러한 비상상황(전복 등으로 축전지 전원 인통선이 차단된 경우)에서도 최소 조명을 확보하려 시도하였으나 현재까지 그러한 비상조명은 개발되지 못하였음○ 비상조명시스템은 철도차량 비상등 중에 자체적으로 축전지와 비상제어회로를 갖추어 최악의 상황에서도 승객의 대피를 위한 최소의 비상조명을 제공함기존철도차량조명 상태비상 시철도차량조명 상태그림 2 철도차량의 조명상태와 비상상황에서의 조명상태- 4 -

1. 연구개발 배경 및 필요성

1. 연구개발 배경 및 필요성 가. 연구개발 배경○ 국외 주요 철도 선진국인 일본, 프랑스 및 독일의 경우에는 자국의 철도부품회사 보호 노력으로 외국 기업에 대한 비관세 장벽과 입찰방식, 자격 등을 통해 규제 등 철도 산업보호를 위한 정부와 기업이 공조하고 있는 실정임. EU의 경우에는 유럽 외 국가들에게 철도차량 관련 사업 참여 기회 제한과 철도산업에 대한 엄격한 기술 및 환경규정을 적용하고 있고, 세계 최대의 고속철도 운영국가인 중국은 정부가 시장과 가격을 통제하여 철도차량의 70% 이상 자국 부품 사용 규정을 제정함으로 선진 기술 국가들이 중국 내 합작 생산을 하고 있는 실정임. 일본은 민․관이 연합한 카르텔 중심의 수의계약 체계 구축하여 외국 기업 진입 원천봉쇄 있음. 이에 비해 국내의 경우 철도차량 부품산업의 보호 및 육성을 위한 정책이 미흡하고 물량이 작은 관계로 핵심 부품에 대한 개발업체가 거의 없는 상태임.○ 철도 핵심부품산업의 기술수준 낙후 및 글로벌 경쟁력 저하세계철도시장 규모는 2009년에서 2011년까지 평균 약 200조원(1,310억 EURO) 수준으로 2015년까지 약 240조원(1,600억 EURO)까지 성장 예측됨세계 철도차량시장은 2020년까지 3~5% 지속성장이 전망되며, 신규차량의 경우 약 55조원으로 추정, 국내의 경우 연평균 7,429억원(세계시장의 1.35%)이나 FTA 확대 등 환경변화로 내수시장 잠식이 우려되고 있음- 1 -내수시장의 규모는 국내 차량제작사 공급능력에 비하면 50%에 못 미치는 수준으로 해외 수주량이 필요하며, 아울러 해외수주가 증가할 경우에는 차량제작사의 공급 능력에 어려움이 예상되므로 수급 불균형에 대한 대비가 필요할 것으로 판단됨고속철도 운영과 시스템 기술은 세계 4위권에 진입하고 있으나, 철도차량 부품산업은 내수와 해외시장의 글로벌 경쟁력이 갈수록 저하되고 있음. 수출 차량에 일부 차량부품이 50% 정도 장착되고 있으나 기술수준과 신뢰성 문제로 답보 상태이며, 저가형 수출로 경제성이 미미한 실정임○ 철도분야 전반적으로 핵심부품산업의 기술개발 실태가 매우 열악철도핵심 부품산업 중 철도차량 부품산업은 270여개 중소기업이 영세하게 활동 중임이 중 73개 중소기업을 분석한 결과, 종사자 5,695여명, 기업부설연구소 보유 40개사, 연구 인력은 7%로,약 400여명이 개발에 참여하고 있는 실정임철도차량 제조사 총매출은 약 16조 6천여억으로, 5대 기업의 매출 15조 7천억원 그림 1 연구인력별 기업수(95%)을 제외하면 부품기업은 8천 500억원(5%, 65개 기업)으로 열악한 환경임- 2 -철도차량 부품시장의 수요시기 및 사업규모 예측이 어려워 차량 제작사는 수입품에 의존하고 있으며, 부품제작사는 소량 개발수요로 인한 영세성이 높음○ 철도 핵심부품 설계기술 기반 취약 및 기술개발 지원사업, 지원 인프라 부족w KTX고속열차의 경우 조립생산 기술 우선의 기술이전, 고속철도기술개발사업의 경우 차량시스템 및 주요장치 중심의 개발 등으로 핵심부품 독자기술 확보가 시급한 실정임w 철도 핵심부품에 대한 품질 및 설계 분야에서 세계적 수준의 고급인력이 부족하며, 국가연구개발사업을 통한 지식 제공 등의 지원 프로그램이 미흡함w 또한 핵심부품 전문 시험장비 및 시험선로, 성능시험 지원센터, 철도기술기준 및 성능시험 절차서 등 지원 인프라가 부족한 실정임 나. 연구개발 필요성○ 중소기업의 핵심부품 원천기술 확보 지원 및 강소형 기업으로 육성차량 부품산업은 세계시장의 수출주력산업의 가능성이 높으나, 주문생산과 소량다품종으로 고도의 설계 및 제조기술력이 요구됨. 철도차량 부품산업의 고급기술은 선진국에 의존하고 있으며 또한 해외기술의 도입도 용이하지 않으므로, 국내 유지보수 등을 위해서라도 독자적 기술개발이 필요함.<예로, KTX-산천 감속기(1,2차) 구매단가는 약 3.3억원/set으로 2012년 12월 현재 운행되고 KTX-산천이 총 24편성이고, 2015년 호남선/수도권 고속철도에 운행하게 될 KTX-산천 22편성을 고려하면 이들 차량에 대한 정상적인 유지보수를 위한 구매 금액이 약 410sets로 차량 도입단가 기준으로 약 1,353억원 정도가 소요되게 되어 있음. 그러나 부품 조달 가격은 차량 제작사에 의한 도입 단가 보다 통상 2～3배 높은 것을 고려할 때 기술개발이 이루어지지 않으면 엄청난 국부유출 및 차량 안전 운행에 큰 문제가 발생할 수 있음○ KTX고속열차 도입기술, 차세대 고속철도 개발기술 등의 철도시스템 개발을 통하여 확보한 시스템요구사항을 기반으로 핵심부품 원천기술의 독자개발로 강소형 중소기업 육성 지원으로 국내수요 부족을 세계시장 진입을 목표로 하여 글로벌 핵심기술품목에 대한 집중 투자를 통하여 특성화할 필요가 있음- 3 -○ 철도 핵심부품기술 기술개발 지원 인프라 확충 및 글로벌 경쟁력 강화철도부품의 국내 수요 저조로 해외 시장 글로벌화 진입이 매우 시급한 실정임. 중소기업에 철도 전문가 자문, 기술 분석 등 기술개발 지원체계 구축, 중소기업 개발품의 조기 실용화를 위한 성능시험/인증 지원 등 지원 인프라 확충 필요.○ 철도안전법의 “철도차량안전기준에관한규칙” 제12조는 화재발생 시 축전지 전원으로 작동되는 비상조명등을 갖추도록 규정하고 있으며○ 동규칙 제50조는 비상조명등에 관해 설치 위치(객실, 화장실, 비상출구 주변의 출입문 등)와 설계 구조(이중화 구조), 작동 시간(30분 이상), 조명 밝기(바닥 기준 5LUX 이상) 등을 구체적으로 정하고 있음현재 철도차량은 차량용 축전지를 편성 당 2세트 정도를 보유하고 있어 가선이 차단된 상태에서 철도차량 편성이 독립적으로 30분정도의 가동이 가능하도록 설계되어 있음편성에는 축전지 전원을 각종 구성품에 전달하도록 인통선이 있으며 차량 간에는 점퍼커플러를 통하여 연결됨○ 그러나 지하나 터널을 운행하는 철도차량에서 인통선이 차단되는 사고는 승객의 대피를 위한 최소 전원도 확보할 수 없는 상황이 발생됨국내 철도차량 운영사는 이러한 비상상황(전복 등으로 축전지 전원 인통선이 차단된 경우)에서도 최소 조명을 확보하려 시도하였으나 현재까지 그러한 비상조명은 개발되지 못하였음○ 비상조명시스템은 철도차량 비상등 중에 자체적으로 축전지와 비상제어회로를 갖추어 최악의 상황에서도 승객의 대피를 위한 최소의 비상조명을 제공함기존철도차량조명 상태비상 시철도차량조명 상태그림 2 철도차량의 조명상태와 비상상황에서의 조명상태- 4 -

2. 연구개발 목표 및 내용
2. 연구개발 목표 및 내용 가. 연구개발의 최종목표(1) 최종목표◦ 철도차량용 객실 비상조명 시스템 개발 및 검증철도차량의 구조 및 특성을 만족하며 비상상태에서의 요구되는 조도 및 동작시간을 만족하는 비상용 LED조명등을 개발하여 상용화를 위한 시제품을제작하여 검증함(2) 기술준비수준(TRL, Technology Readiness Level)◦ 철도차량 객실 비상조명 시스템개발“개발전(현재) : 4단계 ➜ 개발후(목표달성후) : 6단계”(시작품단계 ; 시작품제작 및 성능평가단계)(3) 연구개발과제의 핵심어(keyword)핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5국문 중소기업 애로 기술 차량 부품 조명기술 비상 상황small & 영문 medium Technology Rolling stock Light enterprise Barrier parts TechnologyEmergency - 5 - 나. 연차별 연구목표 및 내용(1) 연구목표 및 내용구분 연구목표 연구개발 내용 및 범위 연구비(천원)1) 중소기업 필요기술의 동향 및 실태 조사 • 중소기업 애로기술 도출 및 분석1 핵심부품 기술개발 2) 중소기업 애로기술 지원 품목 도출차 3) 1차 대상 3개 이내 품목 철도 핵심부품 원년 • 철도차량용 객실 비상 조명 천기술개발 (비상조명시스템 선정 및 협약) 24,859도 시스템 : (주)JKA(2014) - 비상조명시스템의 기초 4) 기초 설계설계 및 기술 분석 - 비상조명등 요소 기술 분석 - 핵심 기술 연구2) 시제품 제작 및 검증2 • 철도차량용 객실 비상 조명 - 기능별 구조설계 및 상세 설계 (10%)차 시스템 : (주)JKA년 - 시제품 제작 (35%) - 철도차량용 객실 비상 도 조명 시스템 시제품 제작 - 프로그램 개발 (20%)246,403(2015) 및 검증 - 기능 및 성능 시험 (30%) - 보완 설계 (5%)3 3) 현차 성능 검증차 • 철도차량용 객실 비상 조명 년 시스템 : (주)JKA - 시제품 보완 (20%)도 - 현차 성능 검증 - 검증 및 시험(30%)200,000(2016) - 현차시험(50%)(2) 당해년도(2015년) 세부목표 및 내용□ 연구목표 ◦ 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 제작 및 검증□ 연구내용 및 범위1) 비상조명등 기능별 구조설계 및 상세 설계- 정상시 동작 기능 설계- 비상시 동작 기능 설계- 6 -- 비상시 조명 유지/동작 특성 설계2) 기능 검증용 시제품 제작- 시험용 시제품 제작3) 제어용 프로그램 개발4) 비상조명시스템의 내환경 시험 및 성능 검증5) 실차시험용 시제품의 보완 설계 및 제작□ 연구 성과물(품)◦ 시제품 제작 : 2차 검증용 시제품 제작 및 현차시험용 시제품 제작◦ 시제품에 대한 검증 및 시험 결과◦ 논문 게재 및 발표((SCI/게재/국외발표/국내발표): 0/1/0/0 총 2편(본 연구는 중소기업 현장애로기술 중심 논문 최소화)◦ 특허 출원(국내 출원): 총 1편 - 7 - 다. 연구개발 추진전략 및 방법(1) 연구개발 추진전략□ 연구개발 추진체계◦ 현장 방문을 통하여 부품기업의 실태 분석 및 시제품 개발 지원- 부품제조 기업의 애로기술 및 개발 수요 파악◦ 산학연 관련기관의 철도차량 및 부품산업 관련 자문- 연구원 TFT 구성 지원- 산학연 자문위원을 통한 종합 의견수렴과 자문 수행한국철도기술연구원철도차량 중소기업 핵심부품 기술지원 총괄자문/의견 수렴(정부/운영기관/차량제작사)철도차량용 객실 비상조명 기술 지원 철도차량용 객실 비상조명 시스템 개발참여기업 : JKA: KRRI(협조: 협회/운영기관/제작사)-철도차량 핵심부품 기술애로 분석-1, 2차 시제품 개발-핵심 기술개발 지원-제작, 신뢰성 평가시험 (지원 및 개발 요구사항 검증)(운영기관 실차시험 협조)-시험계획 작성 지원-기업의 신기술 개발 및 요구사항-시제품 시험평가 지원-핵심부품 기술개발 완료(자체/연구소/운영기관)-개발품 전시 및 홍보-실차 운용시험 준비 지원핵심기술 부품산업기술 지원 및 멘토 참여기업 시제품 개발- 8 -□ 비상조명시스템의 기술 개발 및 지원 체계기술 지원 체계철도기술연구원 JKA온정근 외 2명 정성현 외 3명- 철도차량 조명시스템 및 제어방식 조사* 철도차량용 LED 비상 조명등 개발- 비상 조명등 관련 규정 조사 - 배터리 충방전 보호 기능 구현- 비상 조명등 요구 규격 수립요소기술 관련 - 지능형 LED 구동 기능 개발- 철도차량 핵심부품 기술애로 분석 - 철도차량 취부에 적합한 기구물 구조 - 핵심 기술개발 지원 설계 - 시험계획 작성 지원 - 시제품 제작 및 기능 확인 시험 - 시제품 시험평가 지원- 실차 운용시험 준비 지원(2) 연구개발 수행방법◯ 중소기업 현장 애로기술 핵심부품 기술개발 지원 협약 수행◯ 철도연과 운영기관 및 제작사와 기술지원 협약 확대◯ 코레일 및 지자체 도시철도 운영기관과 기술지원 및 검증(실차시험)◯ 기술지도 및 자문에 필요한 멘토 지원(설계, 제작, 시험평가, 실차시험)□ 철도차량용 객실 비상 조명 시스템(JKA) ◯ 철도안전법의“철도차량안전기준에관한규칙” 제12조에서는 화재발생 시 축전지 전원으로 작동되는 비상조명등을 갖추도록 규정하고 있음 ◯ 동규칙 제50조는 비상조명등에 관해 설치 위치(객실, 화장실, 비상출구 주변의 출입문 등)와 설계 구조(이중화 구조), 작동 시간(30분 이상), 조명 밝기(바닥 기준 5 Lux 이상) 등을 구체적으로 정하고 있음 ◯ 현재 철도차량은 차량용 축전지를 편성 당 2세트 정도를 보유하고 있어 가선이 차단된 상태에서도 철도차량 편성이 독립적으로 30분정도의 가동이 가능하도록 설계되어 있음- 9 - 편성에는 축전지 전원을 각종 구성품에 전달하도록 인통선이 있으며 차량 간에는 점퍼커플러를 통하여 연결됨 ○ 그러나 지하나 터널을 운행하는 철도차량에서 인통선이 차단되는 사고는 승객의 대피를 위한 최소 전원도 확보할 수 없는 상황이 발생됨 국내 철도차량 운영사는 이러한 비상상황(전복 등으로 축전지 전원 인통선이 차단된 경우)에서도 최소 조명을 확보하려 시도하였으나 현재까지 그러한 비상조명은 개발되지 못하였음 ○ 비상조명시스템은 철도차량 비상등 중에 자체적으로 축전지와 비상제어회로를 갖추어 최악의 상황에서도 승객의 대피를 위한 최소의 비상조명을 제공함기존철도차량조명 상태비상 시철도차량조명 상태비상조명시스템적용 시조명 상태그림 3 철도차량 조명시스템 비상상황 발생 시 개념도- 10 -연구범위 연구 내용 연구수행 방법- 철도차량 조명 시스템 구성 및 제어방식 조사비상조명등 - 비상 조명등 관련 규정 및 운영 사례 조사 한국철도기술연구원 상용화 기술 연구 - 비상 조명등에 적합한 최적 배터리 검토 기술지원에 의한 - 비상 조명등 요구 규격 수립 연구수행- 배터리 충방전 보호 기능 구현시제품 제작 및 - 지능형 LED 구동 기능 개발 ㈜JKA 자체 축적 기능 확인 시험 - 철도차량 취부에 적합한 기구물 구조 설계 기술을 응용하여 - 시제품 제작 및 기능 확인 시험 연구 수행- 성능 확인 시험 : 광 특성, 배터리 전원 관련 -. ㈜JKA 주관현차 시험 및 - 환경 시험 : 충격, 온도 관련 -.한국철도기술연구검증 - 검증시험 원 지원- 현차시험 : 시장성, 환경성, 유지보수성 검증 -.대외 인증 기관 시험 수행 - 11 -라. 연구성과의 확산 및 기대효과(1) 기대효과□ 정량적 기대효과 (가) 중소기업 애로기술 도출 및 핵심부품 기술개발◯ 국내 부품산업의 육성을 위하여 우선대상 10개 품목과 개발 집중 5개 이내로 철도시스템의 핵심기술 차량부품의 개발성과를 극대◯ 해외 철도시장 진출 시 철도차량 부품산업의 60 % 이상 동반진출에 기여 (2013년 세계시장 267조원 1% 적용 시 2.6조원, 국내 16조원의 1% 적용 시 1,600억원 추정, 국토교통부 철도분야 전문 업체 육성전략 중) (나) JKA ◯ 안전에 대한 관심과 기대가 높아짐에 따라 적용 범위의 확대로 인한 매출 증대가 예상 됨. ◯ 기존 비상 조명등의 취약점을 보완하도록 구상된 신 개념의 제품이므로 해외 수출이 가능할 것으로 예상 됨. □ 정성적 기대효과 (가) 중소기업 애로기술 도출 및 핵심부품 기술개발◯ 국내외 철도차량 및 부품시장에서 필요한 차량부품 기술지원으로 자문 및 고도한 핵심 기술 부품의 독자적 개발◯ 철도시스템 산업을 핵심기술 부품산업을 통하여 고도화하고 국내외 철도기술의 수준과 현황을 분석하여 부품기술을 지원함으로써 철도 부품시장 세계화에 기여◯ 제작사/운영기관과 관련 부품기업의 상생과 협력으로 기술개발 추진 시에 시너지 효과 창출 및 차량부품과 유지보수품의 수급 원활에 크게 활용 (나) JKA ◯ 비상 상황 발생 시 구동되는 조명 시스템의 신뢰성 증대 철도차량 안전기준에 관한 규칙에 의거하여 비상조명등이 설치되어 있으- 12 -나, 화재발생 등의 상황에서 사용할 수 없을 때 최종 역할을 수행할 수 있게 됨으로서 신뢰성을 높일 수 있음. ◯ 기 사용 중인 전원 체계에 영향을 미치지 않고 구현함으로서 안정적인 운영을 이룰 수 있음. ◯ 기 사용 중인 비상조명등의 기능을 보완함으로서 추가 설치에 대한 부담을 최소화 함.(2) 성과활용 및 확산 계획 □ 성과활용 계획 (가) 중소기업 애로기술 도출 및 핵심부품 기술개발◯ 한국철도공사 및 도시철도 등 철도운영기관의 국산품 활동도 제고◯ 철도차량 제작사의 개발품 우선 활용과 해외시장 동반 협력 진출◯ 글로벌 시장 개척에 필요한 국내외 전시장 출품 (나) 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 성과 활용 계획 안전성을 중요시 되는 사항에서 비상용 LED 조명등은 모든 철도차량에 적용될 것이라 확신한다. 그래서 한국철도기술연구원의 기술지원으로 비상용 LED 조명등이 개발되면 신뢰성이 검증된 제품을 바로 활용할 수 있으며 국내 철도차량의 설치를 기반으로 하여 해외 철도차량에도 적용 및 수출을 하여 세계시장을 선점할 수 있다. 또한 비상용 LED 조명등을 철도시장에 국한하지 않고 민수시장에도 접목하여 국민의 안정성을 최우선으로 하는 국가정책에 이바지 하도록 한다. n 철도차량용 비상조명등 상용화 추진 : - 기 사용 중인 비상 조명등의 교체 시 새로운 기능이 적용된 제품으로 대체하도록 제안 추진 - 신규 제작 차량에 적용될 수 있도록 상용화 추진.n 기타 분야 활용 : - 비행기, 선박용 비상등으로 적용 추진 - 13 - □ 성과확산 계획 (가) 중소기업 애로기술 도출 및 핵심부품 기술개발◯ 지속 가능한 핵심품목을 집중적으로 기술개발에 활용◯ 신뢰성 시험평가 시험기반 구축◯ 중소기업 신뢰성 인증시험 지원체계 기반 구축 (나) 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 성과 확산 계획◯ 국내 최초의 LED조명을 활용하여 전 차종에 확대 적용하며, 해외 철도차량의 비상 조명등으로 수출이 유망함◯ 공공건물과 대량 인원이 수용되는 장소에 비상등으로 활용이 가능함.- 14 -마. 참여연구원 편성(1) 참여조직 편성표철도차량용 객실 비상 조명 시스템 개발 조직연구책임자온 정 근 선임기업 연구책임자(JKA)정 성 현 수석한국철도기술연구원 F/W연구 회로기술총괄지원 개발팀 개발팀 시험검증팀최경진 책임양도철 책임 정부진 책임 김명석 선임 김혁기 수석직급별 직급별 직급별 직급별참여연구원 참여연구원 참여연구원 참여연구원 책 임 급 1 명 책 임 급 1 명 선 임 급 1 명 수 석 급 1 명선 임 급 1 명계 2 명 계 1 명 계 1 명 계 1 명(2) 참여연구원 한국철도기술연구원 기술지원부 서 성 명 직 급 전 공 업무 분장 참여율(%)광역교통본부 온정근 선임 전기 비상조명시스템 개발 지원책임 및 과제수행 46.49광역교통본부 양도철 책임 전기 비상조명 분야 개발 과제수행 10.0철도안전인증센터 형식승인팀 최경진 책임 기계 기계분야 개발 과제수행 10.0JKA 참여연구원소 속전 공 및 학 위기 관분 야 성 명 직 급 비 고및학 위 년 도 전 공 학 교부 서********㈜JKA 기업 구조설계 정성현 수석연구소 연구책임자㈜JKA시험검증 김혁기 수석 시험검증연구소㈜JKAF/W개발 정부진 책임 F/W개발연구소㈜JKA회로개발 김명석 선임 회로개발연구소- 15 -바. 예산산출 및 추진일정 (1) 연차별 세부연구내용별 소요예산구분 연구 내용 소요예산 (백만원)◯ 중소기업 필요기술의 동향 및 실태조사 분석◯ 중소기업 애로 기술 지원 품목 도출(10개 품목)◯ 1차 개발 순위 선정 및 3개 품목 참여기업 협약1차년도- 제안서 작성 및 공모기업 선정 평가(2014)Ÿ 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 : (주)JKA - 비상조명등 요소 기술 분석 예산: 24.9 - 핵심 기술 연구 (출연: 23.2)(민간: 1.6)Ÿ 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 시제품 개발 및 검증 - 기능별 구조설계 및 상세 설계예산 : 246.42차년도 - 시제품 제작(2015) - 프로그램 개발 (출연: 184.8)(민간: 61.6) - 기능 및 성능 시험 - 보완 설계Ÿ 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 현차 검증예산: 2003차년도 - 시제품 보완 및 검증 및 시험(2016)(출연: 150.0)(민간: 50.0) - 현차시험 및 보고서 작성예산: 471.3합 계(출연: 358.0)(민간: 113.2) (2 ) 총 연 구 개 발 비 [단위: 천원]총 연구개발비 내역연 도 출연금 기업부담금현 금 현 물 계 합계1차년도 금액 23,237 330 1,292 1,622 24,859(2014) 비율 93.48 % 1.33 5.20 6.53 100 %2차년도 금액 184,802 6,160 55,441 61,601246,403(현금 190,962)(2015)비율 75.00 % 2.50 22.50 25.00 100 %3차년도 금액 150,000 5,000 45,000 50,000 200,000(2016) 비율 75.00 % 2.50 22.50 25.00 100 %총계 358,039 11,490 101,733 113,223 471,262- 16 - (3) 전체 추진일정<1차년도>추 진 일 정 (4개월)연구비연 구 내 용 비고(천원)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12요소기술 분석 1,666시스템 구조설계 1,666핵심 기술 연구 21,527사업진도 (%) 15연구비(천원) 24,859 24,859<2차년도>추 진 일 정 (12개월)연구비연 구 내 용 비고(천원)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12기능별 구조설계 3,253상세 설계 3,344sample 제작 125,341프로그램 개발 14,953기능, 성능 시험 15,253보완 설계 34,253시제품 제작 45,753보완 확인 시험 4,253사업진도 (%) 10 20 15 10연구비(천원) 42,203 64,200 125,000 15,000 246,403<3차년도>추 진 일 정 (8개월)연구비연 구 내 용 비고(천원)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12시제품 보완 76,350검증 및 시험 64,650현차시험 59,000사업진도 (%) 15 10 5연구비(천원) 56,350 77,150 66,500 200,000- 17 -

2. 연구개발 목표 및 내용

2. 연구개발 목표 및 내용 가. 연구개발의 최종목표(1) 최종목표◦ 철도차량용 객실 비상조명 시스템 개발 및 검증철도차량의 구조 및 특성을 만족하며 비상상태에서의 요구되는 조도 및 동작시간을 만족하는 비상용 LED조명등을 개발하여 상용화를 위한 시제품을제작하여 검증함(2) 기술준비수준(TRL, Technology Readiness Level)◦ 철도차량 객실 비상조명 시스템개발“개발전(현재) : 4단계 ➜ 개발후(목표달성후) : 6단계”(시작품단계 ; 시작품제작 및 성능평가단계)(3) 연구개발과제의 핵심어(keyword)핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5국문 중소기업 애로 기술 차량 부품 조명기술 비상 상황small & 영문 medium Technology Rolling stock Light enterprise Barrier parts TechnologyEmergency - 5 - 나. 연차별 연구목표 및 내용(1) 연구목표 및 내용구분 연구목표 연구개발 내용 및 범위 연구비(천원)1) 중소기업 필요기술의 동향 및 실태 조사 • 중소기업 애로기술 도출 및 분석1 핵심부품 기술개발 2) 중소기업 애로기술 지원 품목 도출차 3) 1차 대상 3개 이내 품목 철도 핵심부품 원년 • 철도차량용 객실 비상 조명 천기술개발 (비상조명시스템 선정 및 협약) 24,859도 시스템 : (주)JKA(2014) - 비상조명시스템의 기초 4) 기초 설계설계 및 기술 분석 - 비상조명등 요소 기술 분석 - 핵심 기술 연구2) 시제품 제작 및 검증2 • 철도차량용 객실 비상 조명 - 기능별 구조설계 및 상세 설계 (10%)차 시스템 : (주)JKA년 - 시제품 제작 (35%) - 철도차량용 객실 비상 도 조명 시스템 시제품 제작 - 프로그램 개발 (20%)246,403(2015) 및 검증 - 기능 및 성능 시험 (30%) - 보완 설계 (5%)3 3) 현차 성능 검증차 • 철도차량용 객실 비상 조명 년 시스템 : (주)JKA - 시제품 보완 (20%)도 - 현차 성능 검증 - 검증 및 시험(30%)200,000(2016) - 현차시험(50%)(2) 당해년도(2015년) 세부목표 및 내용□ 연구목표 ◦ 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 제작 및 검증□ 연구내용 및 범위1) 비상조명등 기능별 구조설계 및 상세 설계- 정상시 동작 기능 설계- 비상시 동작 기능 설계- 6 -- 비상시 조명 유지/동작 특성 설계2) 기능 검증용 시제품 제작- 시험용 시제품 제작3) 제어용 프로그램 개발4) 비상조명시스템의 내환경 시험 및 성능 검증5) 실차시험용 시제품의 보완 설계 및 제작□ 연구 성과물(품)◦ 시제품 제작 : 2차 검증용 시제품 제작 및 현차시험용 시제품 제작◦ 시제품에 대한 검증 및 시험 결과◦ 논문 게재 및 발표((SCI/게재/국외발표/국내발표): 0/1/0/0 총 2편(본 연구는 중소기업 현장애로기술 중심 논문 최소화)◦ 특허 출원(국내 출원): 총 1편 - 7 - 다. 연구개발 추진전략 및 방법(1) 연구개발 추진전략□ 연구개발 추진체계◦ 현장 방문을 통하여 부품기업의 실태 분석 및 시제품 개발 지원- 부품제조 기업의 애로기술 및 개발 수요 파악◦ 산학연 관련기관의 철도차량 및 부품산업 관련 자문- 연구원 TFT 구성 지원- 산학연 자문위원을 통한 종합 의견수렴과 자문 수행한국철도기술연구원철도차량 중소기업 핵심부품 기술지원 총괄자문/의견 수렴(정부/운영기관/차량제작사)철도차량용 객실 비상조명 기술 지원 철도차량용 객실 비상조명 시스템 개발참여기업 : JKA: KRRI(협조: 협회/운영기관/제작사)-철도차량 핵심부품 기술애로 분석-1, 2차 시제품 개발-핵심 기술개발 지원-제작, 신뢰성 평가시험 (지원 및 개발 요구사항 검증)(운영기관 실차시험 협조)-시험계획 작성 지원-기업의 신기술 개발 및 요구사항-시제품 시험평가 지원-핵심부품 기술개발 완료(자체/연구소/운영기관)-개발품 전시 및 홍보-실차 운용시험 준비 지원핵심기술 부품산업기술 지원 및 멘토 참여기업 시제품 개발- 8 -□ 비상조명시스템의 기술 개발 및 지원 체계기술 지원 체계철도기술연구원 JKA온정근 외 2명 정성현 외 3명- 철도차량 조명시스템 및 제어방식 조사* 철도차량용 LED 비상 조명등 개발- 비상 조명등 관련 규정 조사 - 배터리 충방전 보호 기능 구현- 비상 조명등 요구 규격 수립요소기술 관련 - 지능형 LED 구동 기능 개발- 철도차량 핵심부품 기술애로 분석 - 철도차량 취부에 적합한 기구물 구조 - 핵심 기술개발 지원 설계 - 시험계획 작성 지원 - 시제품 제작 및 기능 확인 시험 - 시제품 시험평가 지원- 실차 운용시험 준비 지원(2) 연구개발 수행방법◯ 중소기업 현장 애로기술 핵심부품 기술개발 지원 협약 수행◯ 철도연과 운영기관 및 제작사와 기술지원 협약 확대◯ 코레일 및 지자체 도시철도 운영기관과 기술지원 및 검증(실차시험)◯ 기술지도 및 자문에 필요한 멘토 지원(설계, 제작, 시험평가, 실차시험)□ 철도차량용 객실 비상 조명 시스템(JKA) ◯ 철도안전법의“철도차량안전기준에관한규칙” 제12조에서는 화재발생 시 축전지 전원으로 작동되는 비상조명등을 갖추도록 규정하고 있음 ◯ 동규칙 제50조는 비상조명등에 관해 설치 위치(객실, 화장실, 비상출구 주변의 출입문 등)와 설계 구조(이중화 구조), 작동 시간(30분 이상), 조명 밝기(바닥 기준 5 Lux 이상) 등을 구체적으로 정하고 있음 ◯ 현재 철도차량은 차량용 축전지를 편성 당 2세트 정도를 보유하고 있어 가선이 차단된 상태에서도 철도차량 편성이 독립적으로 30분정도의 가동이 가능하도록 설계되어 있음- 9 - 편성에는 축전지 전원을 각종 구성품에 전달하도록 인통선이 있으며 차량 간에는 점퍼커플러를 통하여 연결됨 ○ 그러나 지하나 터널을 운행하는 철도차량에서 인통선이 차단되는 사고는 승객의 대피를 위한 최소 전원도 확보할 수 없는 상황이 발생됨 국내 철도차량 운영사는 이러한 비상상황(전복 등으로 축전지 전원 인통선이 차단된 경우)에서도 최소 조명을 확보하려 시도하였으나 현재까지 그러한 비상조명은 개발되지 못하였음 ○ 비상조명시스템은 철도차량 비상등 중에 자체적으로 축전지와 비상제어회로를 갖추어 최악의 상황에서도 승객의 대피를 위한 최소의 비상조명을 제공함기존철도차량조명 상태비상 시철도차량조명 상태비상조명시스템적용 시조명 상태그림 3 철도차량 조명시스템 비상상황 발생 시 개념도- 10 -연구범위 연구 내용 연구수행 방법- 철도차량 조명 시스템 구성 및 제어방식 조사비상조명등 - 비상 조명등 관련 규정 및 운영 사례 조사 한국철도기술연구원 상용화 기술 연구 - 비상 조명등에 적합한 최적 배터리 검토 기술지원에 의한 - 비상 조명등 요구 규격 수립 연구수행- 배터리 충방전 보호 기능 구현시제품 제작 및 - 지능형 LED 구동 기능 개발 ㈜JKA 자체 축적 기능 확인 시험 - 철도차량 취부에 적합한 기구물 구조 설계 기술을 응용하여 - 시제품 제작 및 기능 확인 시험 연구 수행- 성능 확인 시험 : 광 특성, 배터리 전원 관련 -. ㈜JKA 주관현차 시험 및 - 환경 시험 : 충격, 온도 관련 -.한국철도기술연구검증 - 검증시험 원 지원- 현차시험 : 시장성, 환경성, 유지보수성 검증 -.대외 인증 기관 시험 수행 - 11 -라. 연구성과의 확산 및 기대효과(1) 기대효과□ 정량적 기대효과 (가) 중소기업 애로기술 도출 및 핵심부품 기술개발◯ 국내 부품산업의 육성을 위하여 우선대상 10개 품목과 개발 집중 5개 이내로 철도시스템의 핵심기술 차량부품의 개발성과를 극대◯ 해외 철도시장 진출 시 철도차량 부품산업의 60 % 이상 동반진출에 기여 (2013년 세계시장 267조원 1% 적용 시 2.6조원, 국내 16조원의 1% 적용 시 1,600억원 추정, 국토교통부 철도분야 전문 업체 육성전략 중) (나) JKA ◯ 안전에 대한 관심과 기대가 높아짐에 따라 적용 범위의 확대로 인한 매출 증대가 예상 됨. ◯ 기존 비상 조명등의 취약점을 보완하도록 구상된 신 개념의 제품이므로 해외 수출이 가능할 것으로 예상 됨. □ 정성적 기대효과 (가) 중소기업 애로기술 도출 및 핵심부품 기술개발◯ 국내외 철도차량 및 부품시장에서 필요한 차량부품 기술지원으로 자문 및 고도한 핵심 기술 부품의 독자적 개발◯ 철도시스템 산업을 핵심기술 부품산업을 통하여 고도화하고 국내외 철도기술의 수준과 현황을 분석하여 부품기술을 지원함으로써 철도 부품시장 세계화에 기여◯ 제작사/운영기관과 관련 부품기업의 상생과 협력으로 기술개발 추진 시에 시너지 효과 창출 및 차량부품과 유지보수품의 수급 원활에 크게 활용 (나) JKA ◯ 비상 상황 발생 시 구동되는 조명 시스템의 신뢰성 증대 철도차량 안전기준에 관한 규칙에 의거하여 비상조명등이 설치되어 있으- 12 -나, 화재발생 등의 상황에서 사용할 수 없을 때 최종 역할을 수행할 수 있게 됨으로서 신뢰성을 높일 수 있음. ◯ 기 사용 중인 전원 체계에 영향을 미치지 않고 구현함으로서 안정적인 운영을 이룰 수 있음. ◯ 기 사용 중인 비상조명등의 기능을 보완함으로서 추가 설치에 대한 부담을 최소화 함.(2) 성과활용 및 확산 계획 □ 성과활용 계획 (가) 중소기업 애로기술 도출 및 핵심부품 기술개발◯ 한국철도공사 및 도시철도 등 철도운영기관의 국산품 활동도 제고◯ 철도차량 제작사의 개발품 우선 활용과 해외시장 동반 협력 진출◯ 글로벌 시장 개척에 필요한 국내외 전시장 출품 (나) 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 성과 활용 계획 안전성을 중요시 되는 사항에서 비상용 LED 조명등은 모든 철도차량에 적용될 것이라 확신한다. 그래서 한국철도기술연구원의 기술지원으로 비상용 LED 조명등이 개발되면 신뢰성이 검증된 제품을 바로 활용할 수 있으며 국내 철도차량의 설치를 기반으로 하여 해외 철도차량에도 적용 및 수출을 하여 세계시장을 선점할 수 있다. 또한 비상용 LED 조명등을 철도시장에 국한하지 않고 민수시장에도 접목하여 국민의 안정성을 최우선으로 하는 국가정책에 이바지 하도록 한다. n 철도차량용 비상조명등 상용화 추진 : - 기 사용 중인 비상 조명등의 교체 시 새로운 기능이 적용된 제품으로 대체하도록 제안 추진 - 신규 제작 차량에 적용될 수 있도록 상용화 추진.n 기타 분야 활용 : - 비행기, 선박용 비상등으로 적용 추진 - 13 - □ 성과확산 계획 (가) 중소기업 애로기술 도출 및 핵심부품 기술개발◯ 지속 가능한 핵심품목을 집중적으로 기술개발에 활용◯ 신뢰성 시험평가 시험기반 구축◯ 중소기업 신뢰성 인증시험 지원체계 기반 구축 (나) 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 성과 확산 계획◯ 국내 최초의 LED조명을 활용하여 전 차종에 확대 적용하며, 해외 철도차량의 비상 조명등으로 수출이 유망함◯ 공공건물과 대량 인원이 수용되는 장소에 비상등으로 활용이 가능함.- 14 -마. 참여연구원 편성(1) 참여조직 편성표철도차량용 객실 비상 조명 시스템 개발 조직연구책임자온 정 근 선임기업 연구책임자(JKA)정 성 현 수석한국철도기술연구원 F/W연구 회로기술총괄지원 개발팀 개발팀 시험검증팀최경진 책임양도철 책임 정부진 책임 김명석 선임 김혁기 수석직급별 직급별 직급별 직급별참여연구원 참여연구원 참여연구원 참여연구원 책 임 급 1 명 책 임 급 1 명 선 임 급 1 명 수 석 급 1 명선 임 급 1 명계 2 명 계 1 명 계 1 명 계 1 명(2) 참여연구원 한국철도기술연구원 기술지원부 서 성 명 직 급 전 공 업무 분장 참여율(%)광역교통본부 온정근 선임 전기 비상조명시스템 개발 지원책임 및 과제수행 46.49광역교통본부 양도철 책임 전기 비상조명 분야 개발 과제수행 10.0철도안전인증센터 형식승인팀 최경진 책임 기계 기계분야 개발 과제수행 10.0JKA 참여연구원소 속전 공 및 학 위기 관분 야 성 명 직 급 비 고및학 위 년 도 전 공 학 교부 서********㈜JKA 기업 구조설계 정성현 수석연구소 연구책임자㈜JKA시험검증 김혁기 수석 시험검증연구소㈜JKAF/W개발 정부진 책임 F/W개발연구소㈜JKA회로개발 김명석 선임 회로개발연구소- 15 -바. 예산산출 및 추진일정 (1) 연차별 세부연구내용별 소요예산구분 연구 내용 소요예산 (백만원)◯ 중소기업 필요기술의 동향 및 실태조사 분석◯ 중소기업 애로 기술 지원 품목 도출(10개 품목)◯ 1차 개발 순위 선정 및 3개 품목 참여기업 협약1차년도- 제안서 작성 및 공모기업 선정 평가(2014)Ÿ 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 : (주)JKA - 비상조명등 요소 기술 분석 예산: 24.9 - 핵심 기술 연구 (출연: 23.2)(민간: 1.6)Ÿ 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 시제품 개발 및 검증 - 기능별 구조설계 및 상세 설계예산 : 246.42차년도 - 시제품 제작(2015) - 프로그램 개발 (출연: 184.8)(민간: 61.6) - 기능 및 성능 시험 - 보완 설계Ÿ 철도차량용 객실 비상 조명 시스템 현차 검증예산: 2003차년도 - 시제품 보완 및 검증 및 시험(2016)(출연: 150.0)(민간: 50.0) - 현차시험 및 보고서 작성예산: 471.3합 계(출연: 358.0)(민간: 113.2) (2 ) 총 연 구 개 발 비 [단위: 천원]총 연구개발비 내역연 도 출연금 기업부담금현 금 현 물 계 합계1차년도 금액 23,237 330 1,292 1,622 24,859(2014) 비율 93.48 % 1.33 5.20 6.53 100 %2차년도 금액 184,802 6,160 55,441 61,601246,403(현금 190,962)(2015)비율 75.00 % 2.50 22.50 25.00 100 %3차년도 금액 150,000 5,000 45,000 50,000 200,000(2016) 비율 75.00 % 2.50 22.50 25.00 100 %총계 358,039 11,490 101,733 113,223 471,262- 16 - (3) 전체 추진일정<1차년도>추 진 일 정 (4개월)연구비연 구 내 용 비고(천원)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12요소기술 분석 1,666시스템 구조설계 1,666핵심 기술 연구 21,527사업진도 (%) 15연구비(천원) 24,859 24,859<2차년도>추 진 일 정 (12개월)연구비연 구 내 용 비고(천원)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12기능별 구조설계 3,253상세 설계 3,344sample 제작 125,341프로그램 개발 14,953기능, 성능 시험 15,253보완 설계 34,253시제품 제작 45,753보완 확인 시험 4,253사업진도 (%) 10 20 15 10연구비(천원) 42,203 64,200 125,000 15,000 246,403<3차년도>추 진 일 정 (8개월)연구비연 구 내 용 비고(천원)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12시제품 보완 76,350검증 및 시험 64,650현차시험 59,000사업진도 (%) 15 10 5연구비(천원) 56,350 77,150 66,500 200,000- 17 -

3. 연차별 연구실적
3. 연차별 연구실적가. 연구 실적 개요(1) 연구개발 목표◦ 철도차량용 객실 비상조명 시스템 개발 및 검증철도차량의 구조 및 특성을 만족하며 비상상태에서의 요구되는 조도 및 동작시간을 만족하는 비상용 LED조명등을 개발하여 상용화를 위한 시제품을제작하여 검증함(2) 연구 내용연구범위 연구 내용 연구수행 방법- 철도차량 조명 시스템 구성 및 제어방식 조사비상조명등 - 비상 조명등 관련 규정 및 운영 사례 조사 한국철도기술연구원 상용화 기술 연구 - 비상 조명등에 적합한 최적 배터리 검토 기술지원에 의한 - 비상 조명등 요구 규격 수립 연구수행- 배터리 충방전 보호 기능 구현시제품 제작 및 - 지능형 LED 구동 기능 개발 ㈜JKA 자체 축적 기능 확인 시험 - 철도차량 취부에 적합한 기구물 구조 설계 기술을 응용하여 - 시제품 제작 및 기능 확인 시험 연구 수행- 성능 확인 시험 : 광 특성, 배터리 전원 관련 -. ㈜JKA 주관현차 시험 및 - 환경 시험 : 충격, 온도 관련 -.한국철도기술연구검증 - 검증시험 원 지원- 현차시험 : 시장성, 환경성, 유지보수성 검증 -.대외 인증기관 시험 수행 - 18 -(3) 년차별 연구 목표 달성도성과목표 성과지표 추진실적 달성율∙2차 시제품 및 시험용 시제품 실차용 시제품 ∙ 중2차 시제품 개발 제작 완료하여 시험 진행 개발 ∙실차용 시제품 보완 제작 90%∙현차 시험용 시작품의 제작 진행 중(11월 중)∙전시회 홍보 3건부산 국제철도 및 물류산업전홍보 및 세미나 ∙세미나 및 워크숍 개최 국토교통기술대전1건∙전시회 홍보 한국도시철도학회 300%0건∙하반기 시험결과에 대한 세미나 예정 (11월)∙제품 요구사항 분석 완료기술규격 ∙표준규격(안) ∙제품 성능분석 하반기 예정 60%∙2차년도 표준규격(안) 작성 예정∙철도차량용 높이제어장치 1편 특허 ∙특허 출원 출원 완료1편 ∙철도차량용 비상조명시스템 200%1편 출원 진행 중 (특허소위 완료)논문 ∙국내 학술지 ∙하반기 시험 방법 및 결과 분석1편 게재(KCI) 진행 중 50 %- 19 -나. 1차년도 연구개발 내용(1) LED 비상 조명등 관련 규정 조사 및 개발 배경대형 교통수단에서의 사고는 많은 인명 피해가 발생하게 된다. 따라서 그에 대한 안전 대책이 매우 중요하기 때문에 철도차량에서는 화재 발생 등의 비상 상황에서 승객의 안전한 대피를 위한 설비를 갖추도록 법으로 규정하고 있으며,안전 설비 중에는 비상조명등이 포함되어 있다.“철도차량 안전기준에 관한 규칙” 제12조에서는 화재발생 시 축전지 전원으로작동되는 비상조명등을 갖추도록 하고 있으며, 동 규칙 제50조는 비상조명등에관해 설치 위치(객실, 화장실, 비상출구 주변의 출입문 등)와 설계 구조(이중화구조), 작동 시간(30분 이상), 조명 밝기(바닥 기준 10LUX 이상) 등을 구체적으로 정하고 있다.국내 철도차량에 설치 운영되고 있는 비상 조명등은 운전실(고속 철도차량은객차에도 장착 됨)에 장착된 축전지에 연결되어 있으며, 다른 여러 조명 시스템과 함께 운전실에 설치된 차상 컴퓨터 장치의 제어에 따라 동작 된다. 철도차량의 실내 조명 시스템은 객실 측면등(상단, 하단), 객실 독서등, 화장실등, 수유실등, 출입문 복도등, 배전반 복도등, 화장실 복도등, 갱웨이등, 승무원실등, 행선표시기등, 스텝등으로 구성되며, 축전지 전원 공급 상태, 충전기 이상 여부 및 주변비상 상황 발생 여부 등의 조건에 따라 운전실에 설치된 차상 컴퓨터는 운영 모드(최대, 감소, 안전, 최소 모드)를 정하여 점등 제어를 하게 된다.비상 조명등이 축전지의 전원에 연결되어 차상 컴퓨터의 제어에 따라 점등되도록 운영되고 있지만, 그림 5와 같이 화재 등으로 인해 전원선 또는 통신선로에 문제가 발생하게 되면 비상 상황임에도 불구하고 비상 조명등이 점등되지 못하는 경우가 생길 수 있게 된다. 이러한 경우는 실제로 얼마든지 발생할 수 있으며, 지난 2003년 2월 13일에 발생한 대구 지하철 화재 사고의 경우 전원이 작동되지 못하여 많은 인명이 피해를 입은 것은 매우 안타까운 일이 아닐 수 없다.여러 사고를 통해 경험하였듯이 어떠한 상황 하에서도 승객들이 안전하게 대피할 수 있도록 시야를 확보해 줄 수 있는 추가적인 보완 대책이 반드시 필요함을여실히 보여주고 있다.- 20 -그림 4 철도차량 안전기준에 관한 규칙- 21 -기존철도차량조명 상태비상 시철도차량조명 상태비상조명시스템적용 시조명 상태그림 5 철도차량 조명시스템 비상상황 발생 시 개념도본 LED 비상조명등 시스템은 기존 철도차량에 설치된 비상 조명등의 운영 상문제점을 보완할 수 있도록 고안된 비상 조명 시스템이다. 정상 상태에서는 기존 비상 조명등과 동일하게 동작되지만, 화재 등으로 인해 축전지 전원선이나통신선로에 문제가 발생되어 비상등 점등이 불가능하게 될 때 자체 축적된 전원을 통해 점등시킴으로써 승객을 안전하게 대피 시킬 수 있도록 고안 된 비상 조명 시스템이다.- 22 -(2) LED 비상조명등 운영 사례가) 국내 현황국내 고속차량의 객실 및 부속실에 사용되고 있는 조명장치 현황은 표 1과 같고, 조명시스템은 그림 6의 제어블록 다이어그램과 표 2와 같이 최대/감소/안전/최소 동작모드로 구분되어 제어된다.위치 분류 KTX KTX-산천 호남고속객실등 형광등 100/90량 : 형광등객실 50량 : LEDLED독서등 LED(개량중) LED LED화장실 사용중 표시등 전구 100/90/50량 : LED LED화장실등 형광등 100/90량 : 형광등 50량 : LED LED수유실등 형광등 100/90량 : 형광등 50량 : LED LED승강문 복도등 형광등 100/90/50량 : LED LED부속실 배전반 복도등 형광등 100/90/50량 : LED LED화장실 복도등 형광등 100/90/50량 : LED LED갱웨이등 전구 100/90/50량 : LED LED승무원실 등 형광등 100/90/50량 : LED LED스텝등 - 100/90/50량 : LED LED- 23 -그림 6 KTX-산천 실내 조명시스템 제어블럭 다이어그램운행 중 사구간 통과 시와 같은 순간적인 축전지 충전기 정지 시에 불필요한조명모드의 절환을 방지하기 위하여 차상컴퓨터장치는 제어 시 최대모드에서감소/안전 모드로의 변환에 5분간의 시간지연 적용된다.번호 정상/고장 최대모드 감소모드 안전모드(비상모드) 최소모드1 객실측면 등 (상단) ON ON 1/3 ON -2 객실측면 등 (하단) ON - - -3 객실 독서등 ON - - -4 화장실등 ON ON ON ON5 수유실등 ON ON ON ON6 출입문 복도등 ON ON ON -7 배전반 복도등 ON ON ON -8 화장실 복도등 ON ON ON -9 갱웨이등 ON ON ON ON10 승무원실등 ON ON ON ON11 행선표시기등 ON ON ON ON12 스텝등 ON ON ON ON- 24 -항목 제어방법∙ 객차 에어컨/조명 제어스위치, 객차 차상컴퓨터장치 제어와 상관없이, 동력차의 축전지 투입 또는 프리컨디셔닝(Pre-conditioning) 모드 시 점최소 등모드 ∙ 승무원 및 승객의 안전을 위해 최소 특정 개소에 점등하기 위함.∙ 일반 및 장애자 화장실등, 수유실등, 갱웨이등, 승무원실 테이블등, 외부행선표시기등, 스텝등 점등 ∙ 축전지 투입, 운전실 선택조건에서, 차량 내 2대 모두 축전지 충전기가 고장으로 검지되어 차단되는 경우 또는 열차가 운행 중에 편성의 축전지 충전기 안전 2대 고장 또는 보조전력변환장치의 직류전원공급이 차단된 경우 차상컴퓨터모드 장치에 의해 제어(비상 ∙ 비상 모드이며 승객의 안전을 고려하여 기본적인 장소에 점등하기 위모드) 함∙ 축전지 전원 공급이 정상임을 감지한 후 최소모드 제어시 점등되는 조명장치에 추가로 객실 측면등(1/3), 화장실등, 수유실등, 출입문 복도등, 갱웨이등, 승무원실 천정등, 행선표시기등, 스텝등 일부가 점등∙ 축전지 투입, 운전실 선택조건에서, 차량 내 축전지 충전기 2대중 1대의 축전지 충전기가 고장 및 나머지 1대의 5개 모듈 중 2개 모듈고장 감소 시 객차 컴퓨터장치에 의해 제어모드 ∙ 충전기 출력 부하 반감 목적으로 점등하기 위함.∙ 축전지 전원공급이 정상임을 감지한 후 안전모드 제어에서 점등되는 조명장치에 추가로 객실 측면등, 화장실등, 수유실등, 출입문/배전반/화장실 복도등, 갱웨이등, 승무원실등, 행선표시기등, 스텝등이 점등∙ 축전지 투입, 운전실 선택조건에서, 차량 내 2대의 축전지 충전기가 정상 동작시 또는 열차가 운행 중에 축전지 충전기(Battery Charger) 2최대 대가 정상 동작하는 경우 차상컴퓨터장치에 의해 제어.모드 ∙ 축전지 전원공급이 정상임을 감지한 후 감소모드 제어에서 점등되는 조명장치에 추가로 객실 측면 및 천장등 및 좌/우측 독서등, 화장실등, 수유실등, 출입문/배전반/화장실 복도등, 갱웨이등, 승무원실등, 행선표시기등, 스텝등이 점등국부 ∙ 각 차의 배전반에서 해당 차량의 조명 시험스위치(PB-LH-01) 취급시(Local) 는 로직 회로 제어에 의해 감소모드 상태로 제어제어 ∙ 조명점등 확인 후 조명시험 차단스위치(PB-AKLH-01) 취급 시 감소모드 조모드 명이 소등되며, 차단스위치 미 취급 시에는 로직회로 제어에 의해 5분 후 자동 소등 됨- 25 -나) 국외 현황미국 MBTA 및 덴버 차량의 경우 별도의 축전지를 가지는 비상조명등을 사용하고 있다. 차량 바닥에서 10lx 조도기준과 최소 90분 이상 동작하도록 규정되어있다. 차량 내에 많은 수량을 설치하고 통로쪽을 국부조명방식으로 비추고 있으며 또한 super_cap을 이용한 축전지를 사용하기도 한다.(3) 비상조명등에 적합한 배터리 조사 분석 가) 배터리 종류별 특징 조사/분석배터리는 일반적으로 1차전지와 2차전지로 구분된다. 1차전지는 한번만 사용하는 전지로서 수은전지, 망간 전지, 알카라인전지, 리튬전지가 있으며, 2차전지는 재충전하여 여러 번 사용할 수 있는 전지로서 니켈 카드뮴, 니켈 수소, 납축전지(Lead-Acid), 리튬 이온(Li-ion), 리튬 폴리머, 리튬 인산철 전지가 있다. 2차전지는 전해질에 금속이온이 녹으면 금속의 특성에 따라 전위차가 생겨 전류가 흘러감으로써 전기를 저장시키게 되며, 전지 내부의 화학 재료에 따라 전압이 결정된다. 망간과 알카라인 전지는 1.5V, Silver Oxide는 1.55V, Zinc Air는1.4V, Ni-cd나 N-MH는 1.2V, 리튬 이온은 3.0V, 리튬 인산철은 3.2V의 전압을가진다.초기 납축전지는 납 전극을 사용함에 따라 중량이 무겁고 에너지 밀도는 낮았으나, 기술 진보에 따라 에너지밀도가 대폭 개선되어 축전지 분야에서 주력제품으로 사용되고 있다. 한편 니켈-카드뮴 배터리의 경우 현재도 휴대용 전기‧전자기기의 전원으로 많이 사용되고 있는데 에너지밀도는 고성능 전기자동차용 납축전지보다 약간 떨어지지만, 출력밀도가 우수하고 저온에서의 성능저하가 크지않은 장점이 있다. 그럼에도 불구하고 에너지밀도에서 납축전지와 동일한 점과높은 가격이 단점으로 지적되고 있다. 이에 비해 리튬이온 배터리는 에너지밀도가 높고 기억효과가 없으며 사용하지 않을 때의 자연방전이 적어 휴대폰 등 모바일기기의 주요 에너지원으로 자리 잡고 있다.2차 전지는 한 개의 전지만으로 사용하지 않고 여러 개를 조합하여 연결한 상태로 기기에 적용되는 경우가 대부분이다. 이와 같이 동일한 종류의 단전지를여러 개로 조합하여 만든 전지를 팩전지(Battery Pack)라 하며 이러한 팩전지는- 26 -연결방법에 따라 전압(Volatge)과 용량(mAh)를 변형함으로써 매우 다양한 기기에 적합하게 사용되고 있다. - 27 -여러 분야에 사용되어 다양한 전지들의 특징들은 아래와 같다.① 니켈카드뮴전지(Nickel Cadmuim Battery)1899년에 융그나에 의해 발명되었으며 1960년대 상용화되어 현재까지 널리 사용되고 있다. 대전류 방전에도 전압 하락 시 영향이 적으며 넓은 온도범위 내에서 사용이 가능하다. 공칭전압은 1.2V/CELL,500회 이상의 충, 방전이 가능하며,전지의 화학적 원리는 양극활 물질에 옥시수산화니켈(NIOOH), 음극활 물질에카드뮴(Cd)을 사용하고, 전해액은 알칼리 수용액(KOH)을 사용한다.② 니켈수소전지(Nickel metal Hydride Battery)1990년에 실용화된 전지로 니켈카드뮴전지에 비해 에너지밀도가 2배 이상이며 환경 친화적 재료사용 등의 장점으로 니켈카드뮴전지의 대체용도 및 소형 가전 등의 제품에 널리 사용된다. 공칭전압1.2V/CELL,500회 이상의 충, 방전이 가능하며 전지의 화학적 원리는 양극 활물질에 옥시수산화니켈(NIOOH), 음극활물질에 카드뮴(Cd)대신 수소저장합금(Hydrogen StorageAlloy)을 활물질로 사용하고 전해액은 알칼리 수용액(KOH)을 사용한다.③ 리튬이온전지(Li-Ion Battery)1992년에 실용화되어 현재까지 지속적인 고용량화가 이루어지고 있는 전지로고에너지 밀도와 높은 공칭전압를 가지고 있어 소형, 경량화가 가능하여 다양한전자기기에 널리 사용되고 있다. 충, 방전시 안전성이 우수하고 메모리 효과가없다.공칭전압3.6V/CELL, 500회 이상의 충, 방전이 가능하며 전지의 화학적 원리는- 28 -양극활물질에 코발트산 리튬(LiCoO2), 음극활 물질에 흑연(탄소) 전해액에 유기전해액을 사용한다.그림 7 리튬이온 셀 구성도④ 리튬폴리머전지(Li-Polymer Battery)리튬이온전지와 동일한 화학적 구조를 가지고 있으나 Gel이상의 전해액을 사용함으로써 전해액의 누수가 없으며 금속캔 대신 박형의 알루미늄과 플라스틱도포필름을 사용, 형상이 자유로우며 1mm이하의 초박형 전지 개발도 가능하다.- 29 -그림 8 리튬폴리머 전지 구성⑤ 납축전지, 개방형(Lead Acid Battery)1860년대 개발된 가장 오래된 2차전지로 수십 년의 개량과 개발을 통해 현재의 저렴한 가격과 높은 신뢰성을 확보, 자동차용 전지로 주로 사용되며 통신시장의 발달로 무정전 전원장치(UPS), 운송기기, 비상조명등에 사용되고 있다.공칭전압은 2.0V/CELL이며 전지의 화학적 원리는 양극에 산화납(Pbo2)을 사용하고 음극에 납(Pb)을 활물질로 사용하며 전해액은 H₂SO₄수용액을 사용한다.⑥ 납축전지, 밀폐형(Sealed Lead Acid Battery)화학적 원리는 일반 개방형 납축전지와 동일하나 구조적인 특징에 있어서 개방형 납축전지의 단점인 유동성 전해액의 누출, 전해액감소로 인한 물 보충 등의 유지보수 등을 보완하기 위해 개발되어, 전해액의 비유동화 및 화학반응으로발생하는 가스 등을 밀폐계의 물질균형 유지를 통해 흡수해서 구조를 밀폐화시킨 것이 납축전지이다. 밀폐형 납축전지는 이러한 구조적 특징으로 물 보충이필요 없는 무누액형이라 설치방향이 자유롭다. 또한 다양한 전압 및 용량범위의제품생산이 가능하기 때문에 무정전 전원장치(UPS)등의 설치용과 구동완구 등의 전원용으로 사용되고 있다.- 30 -⑦ 리튬인산철 전지(LiFePO4)리튬인산철 배터리의 양극재료인 LiFePO₄는 올리빈계 구조로 사용 중에 인(P)과 산소(O)가 단단히 결합하는 구조이기 때문에 고온에서도 산소를 발생하지않으므로 열폭주(Thermal runaway)를 방지할 수 있어서 화재와 폭발에 강하고,Li가 모두 빠져 나간 FePO₄는 근본적으로 같은 구조이기 때문에 매우 안정하며, 수백 사이클이 진행되어도 용량의 감소가 적고, 고체 고분자 전해질을 사용하기 때문에 불의의 사고로 전지가 파손되어도 전해액이 외부로 유출되지 않기때문에 발화와 폭발의 염려가 없으며, 기기 회로의 부식문제도 발생하지 않는다.나) 배터리 관리 기술 분석배터리 관리(Battery Management System, BMS)는 배터리 셀 간을 정밀하게 균형을 잡아주며, 모든 셀이 완전 정상 상태를 유지할 수 있도록 해준다. 배터리의 수명을 안정적으로 유지하기 위해서는 배터리 충전상태(SOC: State OfCharge)를 일정하게 유지시켜주는 것이 중요하다. SOC가 너무 낮거나 높은 상태가 계속되면 SOC를 중간 수준으로 유지할 경우에 비해서 배터리의 열화가 빠르게 진행된다. 적절한 SOC의 범위는 일반적인 실험을 반복적으로 수행하여 봄으로써 알 수 있다. 배터리 셀을 과방전 시켜주면 구성부품이 열화되어 회복 불능상태가 된다. 충전 전압도 적정치를 넘어 충전하게 되면 배터리 셀이 과열되어 불가역적인 구조로 변화되고 만다. BMS는 시스템의 전압, 전류 및 온도를모니터링 하여 최적의 상태로 유지 관리하여 주며, 시스템의 안전운영을 위한경보 및 사전 안전예방 조치를 하여준다. BMS 기술은 크게 두 가지로 나눌 수있다. 첫 번째로 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 동일한 성능 구현이 가능토록 하여주는 열관리 제어와 두 번째로는 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동토록 하여주는 배터리 충전상태(SOC)제어로 나눌 수 있다. 배터리의 충방전 시 과충전 및 과방전을 막아주며 셀(cell)간의 전압을 균일하게 하- 31 -여줌으로써 에너지 효율 및 배터리의 수명을 높여준다. 데이터의 보전 및 시스템을 진단하여 경보 관련 이력상태의 저장 및 외부 진단시스템 혹은 모니터링PC를 통한 진단이 가능하다.친환경 에너지에 대한 요구 증대로 인해 기존의 납축전지, Ni-Cd 전지에 대한환경오염 배출문제와 성능 부족이 문제가 되어 그 대안으로 Li-ion 배터리로 전환되면서 고성능, 고출력이며 중량도 가볍고 수명도 길어서 좋은 효과를 나타내고 있으나, 비정상적인 상황에서 발화 및 폭발의 위험성이 문제가 되고 있다. 이러한 안전성과 셀 밸런스를 위해서 필수적인 시스템으로 BMS가 등장하게 되었다.그림 9 상용 BMS 구성 예Li-ion 배터리의 단일 셀의 정격전압은 3.6V, 충전전압은 4.2V이다. 이들 여러개의 셀을 직렬로 접속하는 경우 그 중 한 개의 셀이라도 고장이 나거나 열화되면 배터리 팩 전체가 영향을 받는다. 따라서 모든 셀을 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런스에 의해 이를 실현하고 있다. BMS의 역할은 배터리전류, 전압, 온도 등의 상태를 실시간으로 모니터링 하여 최적의 조건으로 사용할 수 있도록 제어하여 준다. 배터리의 잔존 용량 및 교체시기를 예측하여 차량제어에 활용 및 배터리의 성능 균등제어를 통한 시스템 수명을 확보하여 준다.배터리 보호와 자가진단을 통한 시스템 신뢰성과 안전성을 확보하여 유지비용을 절감하는 데 기여하고 있다. BMS는 컨트롤 기능 본체와 셀 모듈(CM: CellModule) 등 2개의 부분으로 구성되며, 배터리 충전 상태(SOC: State OfCharge), 파워 제한, 셀 밸런싱, 냉각 제어를 수행한다. 아래 그림은 상용화되어- 32 -있는 BMS의 예로서 데이터 수집장치, 제어장치, 관리 컴퓨터로 구성 되고 있음을 보인 것이다(4) 비상조명등 회로 기초 설계배터리를 비상 조명등에 적용하기 위해서는 충전 및 방전 보호 회로와 배터리의 낮은 전압을 높여 줄 수 있는 승압 회로, 정상적인 공급전원과 비상시의 배터리 전원을 선택할 수 있는 스위칭 회로 등의 요소 기술이 요구된다.가) 방전 보호 회로부방전 보호 회로부는 비상 상황 발생 시 배터리 전원을 통해 비상조명등을 작동하는 상황 하에서 과방전 되지 않도록 보호하는 기능을 수행한다. 배터리는과방전하게 되면 내부에 있는 전해질 내의 물질이 전기 분해되어 원래 상태로되돌아갈 수 없는 비가역적(irreversible) 상태가 되어 충전지로서의 기능이 상실되며, 과방전 후 충전 시 종류에 따라 폭발의 위험이 있을 수 있다. 따라서 방전시 전압이나 전류를 check하여 일정 수준에 달하면 방전 전원을 차단함으로써배터리를 보호하는 기능을 수행한다. 아래 그림은 배터리 전압을 검사하여 과방전 전압 이하인 경우 차단하는 회로의 구성과 과전류와 Short 차단 회로의 예를보인 것이다.그림 10 과방전 보호회로 구성 예- 33 -그림 11 과전류, Short 차단 회로 예나) 승압, 정전류 회로부배터리 출력 전원을 통해 비상 조명등을 구동하기 위해서는 LED보드 구동에적정한 전원으로 승압 시키는 기능이 필요하다. 본 과제에서 시험 적용코자 하는 상용 객실등 기능 블록도의 예에서 배터리의 출력이 DC12V일 경우, LEDModule을 구동하기 위해서는 Converter 출력 전압과 같은 DC43.5V로 승압 하여야 한다. 그림 12는 Converter 내부 기능 블록도를 보인 것으로서 LEDModule로 출력되기 전에 정전류 구동 회로가 있음을 알 수 있다. 따라서 안정적이고 동일한 기능을 수행하기 위해서는 소요되는 전류를 일정하게 유지해 줄 수있는 기능이 필요하게 된다.그림 12 DC-DC 컨버터 기능 블록도- 34 -다) 전원 스위칭 부전원 스위칭부는 기존 객실등 DC-DC 컨버터 출력 전원과 비상 조명 시스템의 출력 전원 중 하나를 선택하여 LED Module로 보내는 기능을 수행하게 된다.스위칭 기능은 DC110V 외부 전원이 정상 입력 시 DC-DC 컨버터 전원을 선택하고, 입력 전원에 장애가 발생하면 비상 조명 시스템 전원을 선택하게 된다. 스위칭 기능을 신속하게 하기 위해 기본적으로 하드웨어 회로로 스위칭 되며, 시험 및 운용자의 목적에 의해 동작되도록 프로그램 제어 기능이 추가 된다. 아래그림은 기능 블록도를 보인 것이다.그림 13 전원 스위칭 기능 블록도(5) 요소기술별 샘플보드 제작 및 실험철도차량 안전기준 제50조에는 비상 상황에서 승객의 안전한 대피를 위해 축전지 전원을 통해 30분 동안, 차량 통로 바닥면에서 최소 5룩스 이상의 조도를갖도록 비상조명등에 대한 기준을 정하고 있다. 그러나 본 과제의 “축적된 배터리 전원에 의해 작동되는 지능형 비상조명등”에 대한 기준은 아직 정해지지 않은 상태이기 때문에 동일한 기준을 적용할 수 있는지 여부를 판단하기 위한 실험을 수행하였다. 적합한 배터리를 조사한 후 분석하였으며, 배터리를 적용하기위해 조사한 필요 기술들을 실제 제작하여 실험을 통해 확인하였다.- 35 -가) 상용 객실등의 소비 전원에 대한 조도값 측정배터리의 용량은 비상 상황이 발생했을 때 비상 조명등이 동작되어야 하는 시간과 조명등의 소비 전력에 직접적인 관계가 있다. 따라서 현재 철도차량에서사용 중인 28W급 실험용 객실등을 제작한 후 전원을 인가하여 실험하였다.그림 14 비상용 조명등 실험을 위해 제작된 철도차량용 객실등조도 측정은 빛이 완전히 차단된 표준 암실에서 전원 공급장치(ODA,programmable DC power supply, EX 200-3)로부터 전원을 연결한 후, 객실등에 부착된 컨버터의 전류 조절 가변저항을 통해 전류를 가변시키면서 각각의 조도값을 측정하였다. 조도 측정기(KONICA MINOLTA, CL-200A)로부터 객실등까지의 높이는 1m이다.그림 15 조도측정용 암실- 36 -- 전원 공급장치로부터 DC 110V, 0.245A를 인가하였을 때, 350lx의 조도값을나타내었다.- 전원공급장치로부터 DC 110V, 0.181A를 인가하였을 때, 242lx의 조도값을나타내었다.- 전원공급장치로부터 DC 110V, 0.131A를 인가하였을 때, 165lx의 조도값을나타내었다.아래 그림은 철도차량용 객실등의 기능 블록도이다. 위 실험에서 전원 장치로부터 인가된 DC110V 전원은 컨버터를 거치면서 DC43.5V로 전압 강하되고, 정전류 회로를 통해 LED Module에 연결된다. 따라서 최종적으로 인가되는DC43.5V 전압에서 정전류 값을 측정하였으며, 각각 0.5A(21.75W),0.4A(17.4W), 0.3A(13.05W)를 나타내었다.- 37 -그림 16 철도차량 조명의 기능블럭도일반적으로 철도차량 객실등이 바닥으로부터 약 2m 위에 있다고 한다면, 위실험에서 DC 110V/0.31A 인가 시 조도 값이 165 lx가 측정되었으므로 이를 적용해 보면 41 lx 이상이 되기 때문에 이 값을 기준으로 한다면 컨버터 출력단의DC43.5V/0.3A와 같다. 따라서 13W급 이상의 전원을 공급할 수 있도록 전지를구성할 필요가 있다.그림 17 객실등 장착 높이- 38 -나) 배터리 충 방전 기능 시험비상 조명 시스템용 배터리의 충 방전 특성 시험을 수행하였다. 12V6A 리튬인산철배터리와 충방전 보호회로, 전원공급기, 멀티메터, 전압 기록계로 구성하였다. 충방전 보호회로는 정전류(CC)/정전압(CV) 방식의 Step Down 기능을 갖고, DC 5~30V 전압을 입력 받아 DC 4.4 ~ 28V를 출력 할 수 있고 최대 4A까지공급할 수 있다. 전원공급기로부터 DC 17V 전압을 입력 하고, 배터리 충전전압으로 DC 14.6V가 출력되도록 조정하였다. 배터리가 방전된 상태에서의 전압은DC 11.8V였으며, 충전 시 전압은 DC 12.8V였다.그림 18 배터리 충 방전 기능 시험다) 전압 강하 시험철도 차량에서 객실등 컨버터로 공급되는 DC 100V 전압을 공통 입력 받아서배터리를 충전하기 위해서는 DC 15~17V 까지 전압을 낮추어주는 기능이 필요하다. 전압 강하 기능을 시험하기 위해서 DC100V 전원공급기와 전압강하기능보드, 멀티미터로 구성하여 시험을 수행하였다.그림 19 전압강하보드와 DC100V 전원공급기- 39 -라) 전압 승압 및 정전류 기능시험배터리의 출력 전압 DC 12V를 객실등에 연결하기 위해서는 DC 43V 이상으로 전압을 높이고, 객실등 LED 모듈에 일정한 전류를 제공할 수 있도록 정전류기능이 필요하다. 이에 대한 실험을 수행하였다.그림 20 정전류회로와 승압회로배터리마) 전원 스위칭 기능시험철도차량으로부터 DC 100V 전원이 공급되면, 객실등 내 컨버터를 통해 LED모듈이 점등됨과 동시에 배터리는 충전 상태가 된다. DC 100V가 입력되지 않으면 배터리의 출력 전압 DC 12V 승압시켜 만든 DC 43V 전원을 LED 모듈로 공급하는 스위칭 기능을 구성하여 실험하였다. DC 100V 전원장치와 스위칭 모듈,전압강하 모듈로 실험환경을 구성하였다.그림 22 전원 스위칭 모듈- 40 -리튬인산철배터리바) 연동 기능시험비상 조명등의 기능별 모듈을 종합적으로 시험하기 위하여 DC 100V 전원공급기, 전압강하 보드, 충전보호기능 보드, 배터리, 전원 승압 보드, 전원 스위칭보드, 객실등 컨버터, 객실등 LED 모듈을 연결하여 DC 100V 전원이 공급되는정상상태의 기능과 전원이 차단되었을 때의 절체 기능을 실험하였다.그림 23 객실등 컨버터그림 24 전원 공급장치- 41 -정전류 보드, 승압 보드사) 시험용 Jig 제작비상 조명등의 다양한 기능을 실험하기 위하여 시험용 Jig를 제작하였다. 전원공급용 스위치와 전압, 전류 표시기, 온도 및 전원 기록계, 전원 공급기가 장착되어 있다.그림 26 시험용 Jig 구성 장치배터리와 관련된 충전회로, 제어 회로, 방전 회로들이 설치되어 있어서 요소기술의 성능 및 기능을 지속적으로 보완할 수 있도록 기능을 분리하여 구성하였다.- 42 -성능검증용전원스위칭모듈및배터리전압강하보드,정전류보드,승압보드그림 27 충전회로, 제어 회로, 방전 회로 구성상단 부분에 장치와 회로가 있고, 그 아래는 간이형 암실이 구성되어 있다. 객실등을 설치하여 전원의 변화와 회로의 성능에 따른 광 특성들을 장기적으로 실험할 목적으로 구성된 것이다.험용 Jig- 43 -비상조명등의종합적인특성을시험하기위한시험용Jig다. 2차년도 연구개발 내용 : 시제품 개발 및 검증 (1) 비상 조명등 시스템 구조 연구가) 비상조명등 시스템 구성LED 비상 조명등 시스템은 기 운용 중인 철도차량용 LED조명등의 컨버터와LED 보드 사이에 설치된다. 철도차량 축전지로부터 전원이 정상적으로 입력될때에는 기존 운영 방식에 따른 동작을 수행하지만, 전원에 이상이 발생하였을경우에는 비상 조명등의 역할을 수행하도록 구성되며 아래 그림29는 객실등에적용되는 구성 예를 보인 것이다.그림 29 객실등에 적용된 비상조명 시스템 구성 예비상 조명 시스템은 아래 그림과 같이 LED조명등 컨버터를 기준으로 앞 또는뒤에 설치할 수 있으며, 그 각각의 구성에 따른 장단점이 있다.(a) 객실등 컨버터 입력단에 위치한 경우(b) 객실등 컨버터 출력단에 위치한 경우그림 30 비상 조명시스템의 위치에 따른 구성 예위 그림30-(a)는 객실등 컨버터의 전원 입력단에 비상 조명 시스템이 설치된예를 보인 것이다. 비상 조명 시스템은 철도차량의 축전지로부터 DC100V를 공급받게 되며, 정상 상태 즉 전원이 입력되면 객실등 컨버터로 전달하고, 동시에- 44 -입력 전원을 통해 배터리를 충전하게 된다. 이와 같은 입력단 설치 구조는 구성이 간단하고 다른 조명등에 적용하기에 매우 용이한 장점이 있지만, 입력된DC100V 전원을 배터리 충전 전압(약 DC14V)으로 전압 강하시켜야 하고, 입력전원에 장애가 발생되는 비상시에는 배터리 전원을 객실등 컨버터에 공급하기위해 DC100V로 승압시켜야 하는 부담이 따른다. 전압 강하 또는 승압의 폭이크면 열 발생률이 높아서 그에 따른 방열판이 커져야하기 때문에 전체적인 크기가 증가하게 된다. 또한 객실등 컨버터에서의 약 20% 손실률을 추가적으로 제공해야 하므로 배터리의 용량이 그 만큼 커져야 되는 것은 단점이 된다.그림 30-(b)는 객실등 컨버터의 출력단에 비상 조명 시스템이 설치된 예를 보인 것이다. 비상 조명 시스템은 객실등 컨버터의 출력인 DC44V를 공급받게 되며, 정상 상태 즉 객실등 컨버터로부터 전원이 입력되면 객실등 LED보드로 전달하고, 동시에 입력 전원을 통해 배터리를 충전하게 된다. 이와 같은 설치 구조는 입력된 DC44V 전원을 배터리 충전 전압(약 DC14V)으로 전압 강하 하고, 비상시에는 배터리 전원을 다시 DC44V로 승압 하는 부담이 다소 적고, 컨버터에서의 손실률을 고려치 않아도 되지만 배터리 충전 시 컨버터의 전원을 사용해야되므로 컨버터 용량에 영향을 주는 단점이 있다.따라서 기존에 사용되고 있는 컨버터의 용량에 영향을 주지 않고 또한 컨버터의 손실률에 대한 부담을 줄일 수 있는 보완적인 구성 방안은 아래 그림과 같다.비상 조명 시스템은 객실등 컨버터와 같이 철도차량용 축전지로부터 DC100V를 입력 받아서 전압 강하한 후 배터리 충전 전압으로 사용한다. 정상 상태에서는 객실등 컨버터의 출력인 DC44V전원을 입력 받아서 객실등 LED 보드로 전달하고, 비상시에는 배터리 전원을 승압 시켜 제공하게 된다. 전원 케이블 연결이 다소 복잡하지만 기 사용 중인 컨버터에 영향을 주지 않고 구성할 수 있는구조이다.그림 31 보완적인 비상조명 시스템 구성- 45 -본 과제에서는 전용 컨버터를 적용하여 구성한다. 위에서 고려한 구성들은 기사용 중인 객실등 컨버터에 비상 조명 시스템을 추가하는 경우로서 기능 추가에따른 리스크를 줄여 준다는 장점은 있지만, 설치 공간이 증가하고 기존의 컨버터와 중복되는 기능이 필요하여 전체적인 비용이 증가하는 단점이 있다. 따라서회로를 통합하고 추가적인 기능을 신규 적용함으로서 공간을 최소화하고 비용을 줄일 수 있도록 하였다.나) 비상조명 시스템 구성 및 기능비상 조명 시스템은 배터리 관리부와 비상제어부로 구성하며, 객실등 body 상단에 장착한다.그림 32 전용 비상 조명 시스템을 객실등에 장착한 구성배터리 관리부는 8개의 셀을 직병렬로 연결하여 시스템 동작에 필요한 12V 전압을 공급하고, 과충전 및 과방전으로 인한 배터리 손상을 막기 위한 보호회로가 부착되어 있다.구성도비상 제어부는 철도차량으로부터 주 전원이 차단되었을 때 이를 감지하여 배터리전원으로 교체하여 점등한 후 일정 시간이 경과되면 소등하는 기능과 인체감지 센서를 통해 정보가 획득되면 점등한 후 일정 시간 경과 후 소등하는 기능을 수행한다. 그 기능 수행을 위해 전원 컨버터부, 승압/정전류 회로부, 전원 스위칭부, 제어부로 되어있고, 외부에 장착된 인체감지 센서 정보를 이용하여LED를 제어하는 기능으로 구성된다. 아래 그림34는 기능 블록도를 보인 것이다.- 46 -배터리직병렬구성도입력 전원(DC100V)이 들어오면, 전압강하 회로에 의해 DC18V와 DC14V로변환되고, 제어회로에서 입력전원을 감지하여 릴레이 1과 2를 흰색표시 방향으로 연결한다. 이 경우 전압강하된 전원은 충전회로를 통해 배터리를 충전하게되고, 릴레이 2의 B를 통해 승압/정전류 회로를 거쳐 LED 모듈에 전원을 공급하게 된다. 한편 배터리 전원은 릴레이 1의 흰색 부분으로 연결됨으로 인해 차단되게 된다. 입력전원 인가 시의 연결도는 그림35와 같다.그림 34 비상제어부 기능 블록도그림 35 입력전원 인가 시 전원 연결도입력전원이 차단되면 제어회로는 이를 감지하여 릴레이1과 2의 연결을 청색부분으로 전환시킨다. 이때 외부 입력전원선은 릴레이 2의 A에 의해 차단되고, 배터리 전원은 릴레이 1을 거쳐 릴레이 2 B에 의해 승압/정전류 회로에 연결되어LED 모듈에 전원을 공급하게 된다. 제어회로는 배터리가 방전되지 않도록 일정시간 경과 후에는 릴레이 1을 흰색부분으로 연결하여 전원을 차단한다. 아래 그림은 입력전원이 차단되었을 경우와 일정시간 경과 후 연결을 보인 것이다.- 47 -그림 36 입력전원 차단 시 전원 연결도부분)입력전원이 차단된 후 일정시간 경과 시 제어회로에 의해 배터리 전원이 끊긴상태에서 인체감지센서를 통해 신호가 감지되면 제어회로는 릴레이 1을 그림 36과 같이 다시 연결하여 LED 모듈에 전원이 공급될 수 있도록 동작한다. 이때에도 배터리 전원을 보호하기 위해 사용자가 설정해 놓은 시간이 경과되면 자동으로 연결을 전환하여 그림 37과 같이 전원을 차단하게 된다.다) 기능회로 설계전원 강하, 승압/정전류 회로, 전원 스위치(릴레이), 충전 및 제어 회로로 구성되는 비상제어부의 세부적인 기능을 설명한다.- 전원강하 회로전원강하 회로는 외부로부터 DC100V 전원을 입력받아 비상조명 시스템 내- 48 -입력전원차단후일정시간경과시전원연결도(노란점선부분)에서 사용될 낮은 전원으로 변환하는 기능을 수행한다. 비상 조명 시스템 객실등 28W급 LED 모듈을 구동하기 위한 12V 3A 전원이 필요하고, 배터리 충전용으로 18V 2A 전원이 요구된다. 직류전압을 입력 받아 직류 전압을 출력하는 장치를 DC-DC Converter라고 하며, 전력용 transistor와 같은 반도체 소자를 스위치로 사용하여 직류 입력전압을 구형파 형태의 전압으로 변환한 후 필터를 통해제어하여 직류 출력전압을 얻는 방식인 SMPS(Switched-Mode Power Supply)가 주로 사용되고 있다. 그림38은 일반적인 SMPS의 기능 블록도를 보인 것으로서 외부로부터 입력되는 AC220V를 Diode와 Capacitor, Inductor로 구성된 정류회로를 통해 전파정류한 후 이를 MOSFET 등의 스위칭 소자와 Transformer,diode, inductor, capacitor 를 통해 필요한 DC 전압을 발생시키게 된다. SMPS의 회로구성 방법은 매우 많으며, DC-DC Converter에 대해 살펴보면 자성부품설계에 따라 Flyback Converter, Forward Converter, Push-Pull Converter로분류 할 수 있고, 에너지 전달 스위칭 소자의 도통기간에 따라 ON-ON 방식,ON-OFF 방식 등으로 분류할 수 있다.그림 38 SMPS 기능 블록도Flyback Converter는 절연용 transformer가 필요하지 않고, 다출력 스위칭레귤레이터에 적합하며, 동일 출력전압일 경우 Forward Converter 보다 2차 권선수가 거의 절반으로 줄기 때문에 고전압 출력용 스위칭 레귤레이터에 적합한장점을 갖는다. Flyback Converter의 기본 회로 구성은 그림 39와 같다.- 49 -그림 39 Flyback Converter의 기본 회로 구성스위치 S가 ON 되면 입력 전압 V1은 Inductor에 가해지고 Diode D는 역방향전압이 걸리므로 차단된다. 전류 Ic는 스위치가 OFF 될 때 까지 직선적으로 증가하면서 Inductor에 에너지를 축적하게 된다. Inductance L에 전류 I 가 흐른다면 축적된 에너지는   가 된다.에너지를 순식간에 변화시키는 것은 불가능 하므로 전류를 순간적으로 차단하거나 방향을 바꿀 수 없다. 따라서 스위치를 OFF하면 전류는 순간적으로 차단되지 않고 전류 Ic를 유지하기 위한 역기전압이 발생하여 Diode D가 도통되고Inductor에 저장된 에너지는 출력 Capacitor와 부하에 공급된다. 스위치의 도통시간을 변화 시키면 ON 시간동안 Inductor에 축적되는 에너지의 양을 변화시킬수 있다. 아래 그림 40과 같이 2차회로가 있을 때 1차회로를 차단하면 동일한Ampere-Turn 으로 2차회로에 전류가 흘러 자계를 같게 유지한다.그림 40 2차회로 구성에서 전류의 생성- 50 -1차 권선에 전류 Ip가 흐르고 있을 때 스위치 S를 OFF하면 2차 권선에는 동일한 Ampere-Turn이 흐르게 된다.   실제 회로에서 스위치는 transistor를 사용하여 그림 41과 같이 구성한다.그림 41 Tr을 사용하여 구성한 Flyback 회로Forward Converter는 절연 transformer가 필요하다는 단점이 있지만 평활capacitor에 흐르는 고주파 리플전류가 inductor에 의해 제한되므로 리플이 적다는 장점이 있어서 저전압 출력 스위칭 레귤레이터에 적합하다. 그림 42의 기본회로에서 스위치가 닫히면 전류는 선형 증가하면서 inductor를 통해 capacitor및 부하로 흐름과 동시에 inductor에 에너지가 축적된다. 스위치가 OFF되면inductor 양단에 역기전압이 발생하여 Diode D를 통해 전류는 계속 흐르게 된다.기본 회로 구성실제 적용되는 Forward Converter의 예를 그림 43에 보였다.- 51 -ForwardConverter의기본회로구성Converter의 회로 예2차 권선 전류의 최대치 Isp는    ×∆가 되고, 최저치 Isv는    ×∆이다.1차 권선 전류의 최대치 Icp는   × ,최저치 Icv는   ×가 된다.- 52 -실제적용되는ForwardConverter의회로예본 연구에서는 안정된 출력 전원을 위해 전압강하 회로에 Power Integrations사 제품인 TOPSwitch-HX를 이용한 Flyback Converter로 설계하였다.그림 44 TOPSwitch-HX 기능 블록도TOPSwitch-HX는 전원 관리용 부품으로서 출력 전원의 저전압 보호(UVP),과전압 보호(OVP), 과전류 보호(OCP), 단락 보호(SCP), 과열 보호(OTP) 및 감시 기능을 수행하고, 제한 설정 값 범위를 초과하였을 때는 차단 기능을 통해 부품을 보호하며, 고장 인자가 해결되었을 때 Auto-restart 기능 등을 수행한다.이들 기능 수행을 위해 High-voltage power MOSFET Drain pin(D), Sourcepin(S), Control pin(C), External current limit pin(X), Voltage Monitor pin(V),Frequency pin(F) 이 있다. 아래 그림 45는 TOPSwitch를 이용하여 구성한65W급 전원공급 장치의 구성 예를 보인 것이다. 입력 교류전압(90 ~ 256VAC)은 Full Wave Bridge Rectifier(BR1)와Bulk filter capacitor(C2)를 거쳐 DC 전압으로 변환된 후 Flyback Converter 회로에 입력된다. DC 입력전원은 전원선과 TOPSwitch의 V pin 사이에 4MΩ저항(R3, R4)을 연결하여 감지하게 되며,DC 선로에 450VDC 이상의 전원이 감지되면 그림 46의 V pin에 연결된 STOPLogic 기능에 의해 TOPSwitch는 정상상태가 될 때 까지 정지하게 된다. 이에대한 연결도를 그림 46에 보였다.- 53 -그림 45 TOPSwitch를 이용한 65W, 19V Power Supply 구성 예구성Diode D1과 Zener VR1, Capacitor C5, 저항 R8과 R9는 고효율 Clamp 회로를구성한 것이며, Transformer의 누설 리액턴스(reactance) 에너지를 소진시키는완충크램퍼(subber clamper) 역할을 한다. Transformer의 2차 출력전원은 diodeD2, capacitor C13, C14에 의해 정류되고, ferrite bead L3과 capacitor C15는 2차출력 전원의 스위칭 노이즈를 효과적으로 줄여주는 기능의 filter 이다.출력 전압은 reference IC인 LM431을 통해 제어 된다. 저항 R19와 R20은 출력전압 감지를 위한 전압 분배(potential divider) 기능을 하고, 저항 R16은photocoupler LED 전류를 제한하여 제어신호를 발생한다.- 54 -저전압과과전압에대한선로감지기능구성TOPSwitch IC의 내부 스위칭을 위한 frequency 발생용 Oscillator는 그림 47과 같이 F pin 연결에 따라 full frequency(132KHz)와 half frequency(66KHz)로선택적으로 동작된다.(a) Full Frequency (b) Half Frequency그림 47 Frequency operation- 승압, 정전류 회로 구성전원 강하 회로의 출력 전원(DC12V)과 배터리 출력 전원(DC12V) 중 하나를선택하여 LED를 구동하게 된다. 비상 조명 시스템 객실등 LED 모듈은 정전류방식으로 동작되며, DC 48V 이상의 전압이 필요하기 때문에 선택된 DC12V 전압을 높은 전압으로 승압시키는 기능이 요구된다. 그림 48은 승압형 컨버터 기본회로로서 정상상태에서 턴 온과 턴 오프 두 가지 모드로 해석할 수 있다. 스위치가 ON 되면 인덕터 전류가 증가하여 인덕터 L에 에너지가 축적되고(그림 49(a)) 다이오드에는 출력 전압이 역방향으로 인가되므로 꺼져 있게 된다. 스위치가 OFF 되면 인덕터에 축적되었던 에너지는 다이오드를 통하여 출력 측으로 전달되기 때문에 capacitor 전압은 인덕터로부터 전달된 에너지로 인해 높아지게된다.(그림 49(b))그림 48 승압형(step-up) Converter 기본 회로- 55 -(a) (b)그림 49 FET로 구성된 스위치의 ON(a), OFF(b) 시 동작 회로DC 12V 전압을 LED 점등에 필요한 DC48V 전압으로 승압하기 위해 NationalSemiconductor사의 step-up voltage regulator인 LM2577-ADJ를 사용하여 회로를 구성하였다.기능 블록도입력 전압 Vin이 인덕터 L을 거쳐 4번 Pin(SWITCH)에 연결된 후 diode D를지나 출력 capacitor(Cout)로 출력된다. 내부적으로 switch에 연결된 NPNtransistor가 ON 되면 인덕터에  의 비율로 전류가 저장되고, OFF 시 diodeD를 거쳐 출력 capacitor에 비율로 출력된다. 스위치 ON OFF는52KHz 주파수로 이루어지며 출력 전압은 인덕터에 축적된 peak 전류 변조를통해 제어된다.출력 전압은 저항 R1과 R2에 의해 전압 분배된 후 reference voltagedls 1.23V- 56 -LM2577를사용하여구성된승압회로및기능블록도와 비교하여 그 차를 통해 출력 전압을 제어함으로서 일정한 출력이 유지되도록한다. 이에 대한 동작 파형을 그림 51에 보였다.파형- 전원 스위치 구성전원스위치는 입력된 DC100V를 전압 강하시킨 주전원(DC12V_1.5A)과 배터리 출력 전원(+BAT) 중 하나를 프로세서의 제어에 따라 선택하는 기능을 수행하며 릴레이로 구성하였다.그림 52 릴레이로 구성된 전원 스위칭 회로주전원이 입력되면 Photocoupler(PC817)가 이를 감지하여 NPN Tr(Q6)의Base에 High 신호를 보내어 릴레이1(RL1)가 NO(Normal Open)을 선택함으로서 주전원이 연결된다. 반대로 주전원이 입력되지 않으면 저항 R37에 의해- 57 -Step-upRegulator의동작파형Base에 Low신호가 인가됨으로서 릴레이1(RL1)는 NC(Normal close)에 연결되어 배터리 전원이 공급되게 된다. 릴레이2는 프로세서 신호를 통해 배터리 전원을 선택하는 기능이 수행된다.- 충전 및 제어회로 구성차량으로부터 공급되는 DC100V 입력전원을 전압 강하시켜 만든 전원DC18V_1.5A를 배터리 충전 전원으로 사용한다. DC12V 배터리를 충전하기 위해서는 이보다 약 2V정도 높은 전압이 필요하다. 따라서 NationalSemiconductor사 step_down regulator(LM2596)를 사용하여 적절한 전압 강하를 수행하였다.그림 53 LM2596을 이용한 전압강하 회로출력전압은 저항 R1과 R2의 비에 따라 결정되며 아래 식과 같다.     , 여기서 Vref는 1.23V이다.제어회로는 Microchip사 제품인 Flash Microcontroller(PIC16F1824, 14Pin)를사용하였다. 차량 입력전원 감지 신호와 인체감지 신호를 입력 받아 전원 선택스위치를 제어하는 기능을 수행한다. 차량 전원이 입력되면 배터리가 연결되지않도록 Low 신호를 출력하고, 입력전원이 차단되면 High 신호를 출력함으로서배터리 전원이 공급되게 한다. 그러나 배터리 전원 공급 시 방전을 막기 위해 일정 시간(약 3～4분) 후 차단하는 기능이 있어야 하고, 차단된 상태에서 인체감지센서 신호가 발생하면 다시 배터리를 일정 시간동안 연결시키는 기능을 수행한다. 이들 기능은 프로세서 내부 메모리에 저장된 프로그램에 의해 제어된다.- 58 -프로세서에는 차량으로부터 입력된 전원을 감지하는 신호선(Pin7)과 인체감지센서 신호선(Pin 11)을 입력 받아 제어신호를 Pin 9로 출력한다. 아래 그림 55는프로세서의 제어기능에 대한 Flowchart 이다.그림 54 제어회로 구성그림 55 비상조명 시스템 제어 프로그램 Flowchart- 59 -(2) 시제품 제작 및 보완 시제품 제작 보완 일정 및 내용 보완 내용 일정 및 조치 사항1. 기능 시험용 보드 제작 2015. 5. 13 PCB 제작 및 시험2. 승압 기능(DC12V--> 48V) 회로 보완 2015. 6. 20 PCB 제작 및 시험3. 레귤레이터 방열 보완, EMC 회로 추가 2015. 10. 23 PCB 제작 및 시험4. 전원 절체 회로 보완 2015. 12.18 PCB 제작 및 시험비상조명 시스템의 주요 구성 회로를 설계한 후 이들 기능을 시험하기 위해시험용 보드를 제작하였고, 부품을 조립하여 기본 기능 동작을 확인하였다.그림 56 비상조명시스템 기능 회로 설계그림 57 기능 시험용 보드, 2015.5.13 그림 58 기능 시험용 보드 (부품 장착 후), 2015.5.13- 60 -주전원 또는 배터리 전원인 DC12V를 LED 구동 전원 DC48V로 승압하는 기능의 회로 시험 중 시정수에 영향을 미치는 인덕터와 다이오드 및 저항 용량을변경해 가며 시험을 수행하여 기존 객실등의 전원과 동일한 값을 찾을 수 있었다. 이에 대한 시험 결과 변경된 부품을 적용하기 위해 보드를 보완 제작하였다.그림 59 승압 기능 회로그림 60 승압 기능 보완용 보드, 2015.6.20그림 61 승압 기능 보완용 보드를 조립하여 추가 기능 시험 수행- 61 -기능 회로 구성 중 레귤레이터에서 발생되는 열이 매우 높았다. 승압 기능을위한 LM2577 step up regulator와 배터리 충전용 전원을 위한 LM2596 stepdown regulator를 사용하고 있으며, 발생된 열은 효율 저하와 수명 단축을 일으키기 때문에 적절한 온도 유지를 위한 방열 처리가 필요하였다. 이에 필요한 방열판을 추가하기 위한 공간 확보를 위해 부품을 재배치해야하기 때문에 이를 적용한 PCB 수정작업이 이루어졌다. 또한 입력 전원의 노이즈 제거를 위한 보완을 추가하였다.그림 62 방열 및 EMC 보완용 보드, 2015.10.23그림 63 방열판과 EMC 회로가 적용된 보드 제작평상 시 정상상태일 경우에는 철도차량으로부터 공급되는 전원을 사용하고,비상시에는 배터리 전원을 사용하도록 설계된 전원 절체 회로는 프로세서 내의프로그램에 의해 실행된다. 당초 프로세서의 출력 제어신호 세기가 낮게 나올경우를 대비한 부품을 추가하였으나 실제 시험결과 출력의 세기가 충분하기 때문에 부품을 제거하여 재정리하기 위한 보완이 수행 되었다.- 62 -그림 64 전원절체 기능 회로그림 65 전원절체 기능 보완용 보드, 2015.12.18그림 66 전원절체 기능 보드 조립 및 시험- 63 -비상조명 시스템의 기능과 성능을 확인하기 위한 시험용 샘플을 제작하였다.시험용 샘플은 비상제어 기능 보드와 배터리, 객실등 LED 모듈 및 기구물로 구성되어 있다. 아래 그림은 제어보드 회로와 LED 모듈 회로를 보인 것이다.(a) (b)그림 67 제어보드(a)와 객실등 LED 보드(b) 회로도설계된 회로는 PCB(Printed Circuit Board)로 제작하기 위해 그림 68과 같이Layout 작업을 수행하게 된다.(a)(b)그림 68 PCB 제작을 위한 제어보드(a), LED 모듈(b) Layout data- 64 -Layout Data를 이용하여 제작된 PCB를 그림 69에 보였다.(a)(b)그림 69 제작된 제어보드(a), LED 모듈(b) PCB- 65 -PCB에 부품들을 조립하여 제작한 보드들은 그림 70에 보였다.(a)(b)그림 70 조립된 제어보드(a)와 LED 모듈(b)- 66 -조립된 보드들을 고정하고 설치하기 위해 제작된 기구물들을 그림 71에 보였다.(a) LED 모듈을 장착한 객실등 본체(b) 제어보드 케이스와 배터리 케이스를 장착한 객실등 본체 윗면© 인체감지 센서가 부착된 객실등 커버그림 71 비상조명 시스템 구성을 위해 제작된 기구물- 67 -

3. 연차별 연구실적

3. 연차별 연구실적가. 연구 실적 개요(1) 연구개발 목표◦ 철도차량용 객실 비상조명 시스템 개발 및 검증철도차량의 구조 및 특성을 만족하며 비상상태에서의 요구되는 조도 및 동작시간을 만족하는 비상용 LED조명등을 개발하여 상용화를 위한 시제품을제작하여 검증함(2) 연구 내용연구범위 연구 내용 연구수행 방법- 철도차량 조명 시스템 구성 및 제어방식 조사비상조명등 - 비상 조명등 관련 규정 및 운영 사례 조사 한국철도기술연구원 상용화 기술 연구 - 비상 조명등에 적합한 최적 배터리 검토 기술지원에 의한 - 비상 조명등 요구 규격 수립 연구수행- 배터리 충방전 보호 기능 구현시제품 제작 및 - 지능형 LED 구동 기능 개발 ㈜JKA 자체 축적 기능 확인 시험 - 철도차량 취부에 적합한 기구물 구조 설계 기술을 응용하여 - 시제품 제작 및 기능 확인 시험 연구 수행- 성능 확인 시험 : 광 특성, 배터리 전원 관련 -. ㈜JKA 주관현차 시험 및 - 환경 시험 : 충격, 온도 관련 -.한국철도기술연구검증 - 검증시험 원 지원- 현차시험 : 시장성, 환경성, 유지보수성 검증 -.대외 인증기관 시험 수행 - 18 -(3) 년차별 연구 목표 달성도성과목표 성과지표 추진실적 달성율∙2차 시제품 및 시험용 시제품 실차용 시제품 ∙ 중2차 시제품 개발 제작 완료하여 시험 진행 개발 ∙실차용 시제품 보완 제작 90%∙현차 시험용 시작품의 제작 진행 중(11월 중)∙전시회 홍보 3건부산 국제철도 및 물류산업전홍보 및 세미나 ∙세미나 및 워크숍 개최 국토교통기술대전1건∙전시회 홍보 한국도시철도학회 300%0건∙하반기 시험결과에 대한 세미나 예정 (11월)∙제품 요구사항 분석 완료기술규격 ∙표준규격(안) ∙제품 성능분석 하반기 예정 60%∙2차년도 표준규격(안) 작성 예정∙철도차량용 높이제어장치 1편 특허 ∙특허 출원 출원 완료1편 ∙철도차량용 비상조명시스템 200%1편 출원 진행 중 (특허소위 완료)논문 ∙국내 학술지 ∙하반기 시험 방법 및 결과 분석1편 게재(KCI) 진행 중 50 %- 19 -나. 1차년도 연구개발 내용(1) LED 비상 조명등 관련 규정 조사 및 개발 배경대형 교통수단에서의 사고는 많은 인명 피해가 발생하게 된다. 따라서 그에 대한 안전 대책이 매우 중요하기 때문에 철도차량에서는 화재 발생 등의 비상 상황에서 승객의 안전한 대피를 위한 설비를 갖추도록 법으로 규정하고 있으며,안전 설비 중에는 비상조명등이 포함되어 있다.“철도차량 안전기준에 관한 규칙” 제12조에서는 화재발생 시 축전지 전원으로작동되는 비상조명등을 갖추도록 하고 있으며, 동 규칙 제50조는 비상조명등에관해 설치 위치(객실, 화장실, 비상출구 주변의 출입문 등)와 설계 구조(이중화구조), 작동 시간(30분 이상), 조명 밝기(바닥 기준 10LUX 이상) 등을 구체적으로 정하고 있다.국내 철도차량에 설치 운영되고 있는 비상 조명등은 운전실(고속 철도차량은객차에도 장착 됨)에 장착된 축전지에 연결되어 있으며, 다른 여러 조명 시스템과 함께 운전실에 설치된 차상 컴퓨터 장치의 제어에 따라 동작 된다. 철도차량의 실내 조명 시스템은 객실 측면등(상단, 하단), 객실 독서등, 화장실등, 수유실등, 출입문 복도등, 배전반 복도등, 화장실 복도등, 갱웨이등, 승무원실등, 행선표시기등, 스텝등으로 구성되며, 축전지 전원 공급 상태, 충전기 이상 여부 및 주변비상 상황 발생 여부 등의 조건에 따라 운전실에 설치된 차상 컴퓨터는 운영 모드(최대, 감소, 안전, 최소 모드)를 정하여 점등 제어를 하게 된다.비상 조명등이 축전지의 전원에 연결되어 차상 컴퓨터의 제어에 따라 점등되도록 운영되고 있지만, 그림 5와 같이 화재 등으로 인해 전원선 또는 통신선로에 문제가 발생하게 되면 비상 상황임에도 불구하고 비상 조명등이 점등되지 못하는 경우가 생길 수 있게 된다. 이러한 경우는 실제로 얼마든지 발생할 수 있으며, 지난 2003년 2월 13일에 발생한 대구 지하철 화재 사고의 경우 전원이 작동되지 못하여 많은 인명이 피해를 입은 것은 매우 안타까운 일이 아닐 수 없다.여러 사고를 통해 경험하였듯이 어떠한 상황 하에서도 승객들이 안전하게 대피할 수 있도록 시야를 확보해 줄 수 있는 추가적인 보완 대책이 반드시 필요함을여실히 보여주고 있다.- 20 -그림 4 철도차량 안전기준에 관한 규칙- 21 -기존철도차량조명 상태비상 시철도차량조명 상태비상조명시스템적용 시조명 상태그림 5 철도차량 조명시스템 비상상황 발생 시 개념도본 LED 비상조명등 시스템은 기존 철도차량에 설치된 비상 조명등의 운영 상문제점을 보완할 수 있도록 고안된 비상 조명 시스템이다. 정상 상태에서는 기존 비상 조명등과 동일하게 동작되지만, 화재 등으로 인해 축전지 전원선이나통신선로에 문제가 발생되어 비상등 점등이 불가능하게 될 때 자체 축적된 전원을 통해 점등시킴으로써 승객을 안전하게 대피 시킬 수 있도록 고안 된 비상 조명 시스템이다.- 22 -(2) LED 비상조명등 운영 사례가) 국내 현황국내 고속차량의 객실 및 부속실에 사용되고 있는 조명장치 현황은 표 1과 같고, 조명시스템은 그림 6의 제어블록 다이어그램과 표 2와 같이 최대/감소/안전/최소 동작모드로 구분되어 제어된다.위치 분류 KTX KTX-산천 호남고속객실등 형광등 100/90량 : 형광등객실 50량 : LEDLED독서등 LED(개량중) LED LED화장실 사용중 표시등 전구 100/90/50량 : LED LED화장실등 형광등 100/90량 : 형광등 50량 : LED LED수유실등 형광등 100/90량 : 형광등 50량 : LED LED승강문 복도등 형광등 100/90/50량 : LED LED부속실 배전반 복도등 형광등 100/90/50량 : LED LED화장실 복도등 형광등 100/90/50량 : LED LED갱웨이등 전구 100/90/50량 : LED LED승무원실 등 형광등 100/90/50량 : LED LED스텝등 - 100/90/50량 : LED LED- 23 -그림 6 KTX-산천 실내 조명시스템 제어블럭 다이어그램운행 중 사구간 통과 시와 같은 순간적인 축전지 충전기 정지 시에 불필요한조명모드의 절환을 방지하기 위하여 차상컴퓨터장치는 제어 시 최대모드에서감소/안전 모드로의 변환에 5분간의 시간지연 적용된다.번호 정상/고장 최대모드 감소모드 안전모드(비상모드) 최소모드1 객실측면 등 (상단) ON ON 1/3 ON -2 객실측면 등 (하단) ON - - -3 객실 독서등 ON - - -4 화장실등 ON ON ON ON5 수유실등 ON ON ON ON6 출입문 복도등 ON ON ON -7 배전반 복도등 ON ON ON -8 화장실 복도등 ON ON ON -9 갱웨이등 ON ON ON ON10 승무원실등 ON ON ON ON11 행선표시기등 ON ON ON ON12 스텝등 ON ON ON ON- 24 -항목 제어방법∙ 객차 에어컨/조명 제어스위치, 객차 차상컴퓨터장치 제어와 상관없이, 동력차의 축전지 투입 또는 프리컨디셔닝(Pre-conditioning) 모드 시 점최소 등모드 ∙ 승무원 및 승객의 안전을 위해 최소 특정 개소에 점등하기 위함.∙ 일반 및 장애자 화장실등, 수유실등, 갱웨이등, 승무원실 테이블등, 외부행선표시기등, 스텝등 점등 ∙ 축전지 투입, 운전실 선택조건에서, 차량 내 2대 모두 축전지 충전기가 고장으로 검지되어 차단되는 경우 또는 열차가 운행 중에 편성의 축전지 충전기 안전 2대 고장 또는 보조전력변환장치의 직류전원공급이 차단된 경우 차상컴퓨터모드 장치에 의해 제어(비상 ∙ 비상 모드이며 승객의 안전을 고려하여 기본적인 장소에 점등하기 위모드) 함∙ 축전지 전원 공급이 정상임을 감지한 후 최소모드 제어시 점등되는 조명장치에 추가로 객실 측면등(1/3), 화장실등, 수유실등, 출입문 복도등, 갱웨이등, 승무원실 천정등, 행선표시기등, 스텝등 일부가 점등∙ 축전지 투입, 운전실 선택조건에서, 차량 내 축전지 충전기 2대중 1대의 축전지 충전기가 고장 및 나머지 1대의 5개 모듈 중 2개 모듈고장 감소 시 객차 컴퓨터장치에 의해 제어모드 ∙ 충전기 출력 부하 반감 목적으로 점등하기 위함.∙ 축전지 전원공급이 정상임을 감지한 후 안전모드 제어에서 점등되는 조명장치에 추가로 객실 측면등, 화장실등, 수유실등, 출입문/배전반/화장실 복도등, 갱웨이등, 승무원실등, 행선표시기등, 스텝등이 점등∙ 축전지 투입, 운전실 선택조건에서, 차량 내 2대의 축전지 충전기가 정상 동작시 또는 열차가 운행 중에 축전지 충전기(Battery Charger) 2최대 대가 정상 동작하는 경우 차상컴퓨터장치에 의해 제어.모드 ∙ 축전지 전원공급이 정상임을 감지한 후 감소모드 제어에서 점등되는 조명장치에 추가로 객실 측면 및 천장등 및 좌/우측 독서등, 화장실등, 수유실등, 출입문/배전반/화장실 복도등, 갱웨이등, 승무원실등, 행선표시기등, 스텝등이 점등국부 ∙ 각 차의 배전반에서 해당 차량의 조명 시험스위치(PB-LH-01) 취급시(Local) 는 로직 회로 제어에 의해 감소모드 상태로 제어제어 ∙ 조명점등 확인 후 조명시험 차단스위치(PB-AKLH-01) 취급 시 감소모드 조모드 명이 소등되며, 차단스위치 미 취급 시에는 로직회로 제어에 의해 5분 후 자동 소등 됨- 25 -나) 국외 현황미국 MBTA 및 덴버 차량의 경우 별도의 축전지를 가지는 비상조명등을 사용하고 있다. 차량 바닥에서 10lx 조도기준과 최소 90분 이상 동작하도록 규정되어있다. 차량 내에 많은 수량을 설치하고 통로쪽을 국부조명방식으로 비추고 있으며 또한 super_cap을 이용한 축전지를 사용하기도 한다.(3) 비상조명등에 적합한 배터리 조사 분석 가) 배터리 종류별 특징 조사/분석배터리는 일반적으로 1차전지와 2차전지로 구분된다. 1차전지는 한번만 사용하는 전지로서 수은전지, 망간 전지, 알카라인전지, 리튬전지가 있으며, 2차전지는 재충전하여 여러 번 사용할 수 있는 전지로서 니켈 카드뮴, 니켈 수소, 납축전지(Lead-Acid), 리튬 이온(Li-ion), 리튬 폴리머, 리튬 인산철 전지가 있다. 2차전지는 전해질에 금속이온이 녹으면 금속의 특성에 따라 전위차가 생겨 전류가 흘러감으로써 전기를 저장시키게 되며, 전지 내부의 화학 재료에 따라 전압이 결정된다. 망간과 알카라인 전지는 1.5V, Silver Oxide는 1.55V, Zinc Air는1.4V, Ni-cd나 N-MH는 1.2V, 리튬 이온은 3.0V, 리튬 인산철은 3.2V의 전압을가진다.초기 납축전지는 납 전극을 사용함에 따라 중량이 무겁고 에너지 밀도는 낮았으나, 기술 진보에 따라 에너지밀도가 대폭 개선되어 축전지 분야에서 주력제품으로 사용되고 있다. 한편 니켈-카드뮴 배터리의 경우 현재도 휴대용 전기‧전자기기의 전원으로 많이 사용되고 있는데 에너지밀도는 고성능 전기자동차용 납축전지보다 약간 떨어지지만, 출력밀도가 우수하고 저온에서의 성능저하가 크지않은 장점이 있다. 그럼에도 불구하고 에너지밀도에서 납축전지와 동일한 점과높은 가격이 단점으로 지적되고 있다. 이에 비해 리튬이온 배터리는 에너지밀도가 높고 기억효과가 없으며 사용하지 않을 때의 자연방전이 적어 휴대폰 등 모바일기기의 주요 에너지원으로 자리 잡고 있다.2차 전지는 한 개의 전지만으로 사용하지 않고 여러 개를 조합하여 연결한 상태로 기기에 적용되는 경우가 대부분이다. 이와 같이 동일한 종류의 단전지를여러 개로 조합하여 만든 전지를 팩전지(Battery Pack)라 하며 이러한 팩전지는- 26 -연결방법에 따라 전압(Volatge)과 용량(mAh)를 변형함으로써 매우 다양한 기기에 적합하게 사용되고 있다. - 27 -여러 분야에 사용되어 다양한 전지들의 특징들은 아래와 같다.① 니켈카드뮴전지(Nickel Cadmuim Battery)1899년에 융그나에 의해 발명되었으며 1960년대 상용화되어 현재까지 널리 사용되고 있다. 대전류 방전에도 전압 하락 시 영향이 적으며 넓은 온도범위 내에서 사용이 가능하다. 공칭전압은 1.2V/CELL,500회 이상의 충, 방전이 가능하며,전지의 화학적 원리는 양극활 물질에 옥시수산화니켈(NIOOH), 음극활 물질에카드뮴(Cd)을 사용하고, 전해액은 알칼리 수용액(KOH)을 사용한다.② 니켈수소전지(Nickel metal Hydride Battery)1990년에 실용화된 전지로 니켈카드뮴전지에 비해 에너지밀도가 2배 이상이며 환경 친화적 재료사용 등의 장점으로 니켈카드뮴전지의 대체용도 및 소형 가전 등의 제품에 널리 사용된다. 공칭전압1.2V/CELL,500회 이상의 충, 방전이 가능하며 전지의 화학적 원리는 양극 활물질에 옥시수산화니켈(NIOOH), 음극활물질에 카드뮴(Cd)대신 수소저장합금(Hydrogen StorageAlloy)을 활물질로 사용하고 전해액은 알칼리 수용액(KOH)을 사용한다.③ 리튬이온전지(Li-Ion Battery)1992년에 실용화되어 현재까지 지속적인 고용량화가 이루어지고 있는 전지로고에너지 밀도와 높은 공칭전압를 가지고 있어 소형, 경량화가 가능하여 다양한전자기기에 널리 사용되고 있다. 충, 방전시 안전성이 우수하고 메모리 효과가없다.공칭전압3.6V/CELL, 500회 이상의 충, 방전이 가능하며 전지의 화학적 원리는- 28 -양극활물질에 코발트산 리튬(LiCoO2), 음극활 물질에 흑연(탄소) 전해액에 유기전해액을 사용한다.그림 7 리튬이온 셀 구성도④ 리튬폴리머전지(Li-Polymer Battery)리튬이온전지와 동일한 화학적 구조를 가지고 있으나 Gel이상의 전해액을 사용함으로써 전해액의 누수가 없으며 금속캔 대신 박형의 알루미늄과 플라스틱도포필름을 사용, 형상이 자유로우며 1mm이하의 초박형 전지 개발도 가능하다.- 29 -그림 8 리튬폴리머 전지 구성⑤ 납축전지, 개방형(Lead Acid Battery)1860년대 개발된 가장 오래된 2차전지로 수십 년의 개량과 개발을 통해 현재의 저렴한 가격과 높은 신뢰성을 확보, 자동차용 전지로 주로 사용되며 통신시장의 발달로 무정전 전원장치(UPS), 운송기기, 비상조명등에 사용되고 있다.공칭전압은 2.0V/CELL이며 전지의 화학적 원리는 양극에 산화납(Pbo2)을 사용하고 음극에 납(Pb)을 활물질로 사용하며 전해액은 H₂SO₄수용액을 사용한다.⑥ 납축전지, 밀폐형(Sealed Lead Acid Battery)화학적 원리는 일반 개방형 납축전지와 동일하나 구조적인 특징에 있어서 개방형 납축전지의 단점인 유동성 전해액의 누출, 전해액감소로 인한 물 보충 등의 유지보수 등을 보완하기 위해 개발되어, 전해액의 비유동화 및 화학반응으로발생하는 가스 등을 밀폐계의 물질균형 유지를 통해 흡수해서 구조를 밀폐화시킨 것이 납축전지이다. 밀폐형 납축전지는 이러한 구조적 특징으로 물 보충이필요 없는 무누액형이라 설치방향이 자유롭다. 또한 다양한 전압 및 용량범위의제품생산이 가능하기 때문에 무정전 전원장치(UPS)등의 설치용과 구동완구 등의 전원용으로 사용되고 있다.- 30 -⑦ 리튬인산철 전지(LiFePO4)리튬인산철 배터리의 양극재료인 LiFePO₄는 올리빈계 구조로 사용 중에 인(P)과 산소(O)가 단단히 결합하는 구조이기 때문에 고온에서도 산소를 발생하지않으므로 열폭주(Thermal runaway)를 방지할 수 있어서 화재와 폭발에 강하고,Li가 모두 빠져 나간 FePO₄는 근본적으로 같은 구조이기 때문에 매우 안정하며, 수백 사이클이 진행되어도 용량의 감소가 적고, 고체 고분자 전해질을 사용하기 때문에 불의의 사고로 전지가 파손되어도 전해액이 외부로 유출되지 않기때문에 발화와 폭발의 염려가 없으며, 기기 회로의 부식문제도 발생하지 않는다.나) 배터리 관리 기술 분석배터리 관리(Battery Management System, BMS)는 배터리 셀 간을 정밀하게 균형을 잡아주며, 모든 셀이 완전 정상 상태를 유지할 수 있도록 해준다. 배터리의 수명을 안정적으로 유지하기 위해서는 배터리 충전상태(SOC: State OfCharge)를 일정하게 유지시켜주는 것이 중요하다. SOC가 너무 낮거나 높은 상태가 계속되면 SOC를 중간 수준으로 유지할 경우에 비해서 배터리의 열화가 빠르게 진행된다. 적절한 SOC의 범위는 일반적인 실험을 반복적으로 수행하여 봄으로써 알 수 있다. 배터리 셀을 과방전 시켜주면 구성부품이 열화되어 회복 불능상태가 된다. 충전 전압도 적정치를 넘어 충전하게 되면 배터리 셀이 과열되어 불가역적인 구조로 변화되고 만다. BMS는 시스템의 전압, 전류 및 온도를모니터링 하여 최적의 상태로 유지 관리하여 주며, 시스템의 안전운영을 위한경보 및 사전 안전예방 조치를 하여준다. BMS 기술은 크게 두 가지로 나눌 수있다. 첫 번째로 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 동일한 성능 구현이 가능토록 하여주는 열관리 제어와 두 번째로는 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동토록 하여주는 배터리 충전상태(SOC)제어로 나눌 수 있다. 배터리의 충방전 시 과충전 및 과방전을 막아주며 셀(cell)간의 전압을 균일하게 하- 31 -여줌으로써 에너지 효율 및 배터리의 수명을 높여준다. 데이터의 보전 및 시스템을 진단하여 경보 관련 이력상태의 저장 및 외부 진단시스템 혹은 모니터링PC를 통한 진단이 가능하다.친환경 에너지에 대한 요구 증대로 인해 기존의 납축전지, Ni-Cd 전지에 대한환경오염 배출문제와 성능 부족이 문제가 되어 그 대안으로 Li-ion 배터리로 전환되면서 고성능, 고출력이며 중량도 가볍고 수명도 길어서 좋은 효과를 나타내고 있으나, 비정상적인 상황에서 발화 및 폭발의 위험성이 문제가 되고 있다. 이러한 안전성과 셀 밸런스를 위해서 필수적인 시스템으로 BMS가 등장하게 되었다.그림 9 상용 BMS 구성 예Li-ion 배터리의 단일 셀의 정격전압은 3.6V, 충전전압은 4.2V이다. 이들 여러개의 셀을 직렬로 접속하는 경우 그 중 한 개의 셀이라도 고장이 나거나 열화되면 배터리 팩 전체가 영향을 받는다. 따라서 모든 셀을 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런스에 의해 이를 실현하고 있다. BMS의 역할은 배터리전류, 전압, 온도 등의 상태를 실시간으로 모니터링 하여 최적의 조건으로 사용할 수 있도록 제어하여 준다. 배터리의 잔존 용량 및 교체시기를 예측하여 차량제어에 활용 및 배터리의 성능 균등제어를 통한 시스템 수명을 확보하여 준다.배터리 보호와 자가진단을 통한 시스템 신뢰성과 안전성을 확보하여 유지비용을 절감하는 데 기여하고 있다. BMS는 컨트롤 기능 본체와 셀 모듈(CM: CellModule) 등 2개의 부분으로 구성되며, 배터리 충전 상태(SOC: State OfCharge), 파워 제한, 셀 밸런싱, 냉각 제어를 수행한다. 아래 그림은 상용화되어- 32 -있는 BMS의 예로서 데이터 수집장치, 제어장치, 관리 컴퓨터로 구성 되고 있음을 보인 것이다(4) 비상조명등 회로 기초 설계배터리를 비상 조명등에 적용하기 위해서는 충전 및 방전 보호 회로와 배터리의 낮은 전압을 높여 줄 수 있는 승압 회로, 정상적인 공급전원과 비상시의 배터리 전원을 선택할 수 있는 스위칭 회로 등의 요소 기술이 요구된다.가) 방전 보호 회로부방전 보호 회로부는 비상 상황 발생 시 배터리 전원을 통해 비상조명등을 작동하는 상황 하에서 과방전 되지 않도록 보호하는 기능을 수행한다. 배터리는과방전하게 되면 내부에 있는 전해질 내의 물질이 전기 분해되어 원래 상태로되돌아갈 수 없는 비가역적(irreversible) 상태가 되어 충전지로서의 기능이 상실되며, 과방전 후 충전 시 종류에 따라 폭발의 위험이 있을 수 있다. 따라서 방전시 전압이나 전류를 check하여 일정 수준에 달하면 방전 전원을 차단함으로써배터리를 보호하는 기능을 수행한다. 아래 그림은 배터리 전압을 검사하여 과방전 전압 이하인 경우 차단하는 회로의 구성과 과전류와 Short 차단 회로의 예를보인 것이다.그림 10 과방전 보호회로 구성 예- 33 -그림 11 과전류, Short 차단 회로 예나) 승압, 정전류 회로부배터리 출력 전원을 통해 비상 조명등을 구동하기 위해서는 LED보드 구동에적정한 전원으로 승압 시키는 기능이 필요하다. 본 과제에서 시험 적용코자 하는 상용 객실등 기능 블록도의 예에서 배터리의 출력이 DC12V일 경우, LEDModule을 구동하기 위해서는 Converter 출력 전압과 같은 DC43.5V로 승압 하여야 한다. 그림 12는 Converter 내부 기능 블록도를 보인 것으로서 LEDModule로 출력되기 전에 정전류 구동 회로가 있음을 알 수 있다. 따라서 안정적이고 동일한 기능을 수행하기 위해서는 소요되는 전류를 일정하게 유지해 줄 수있는 기능이 필요하게 된다.그림 12 DC-DC 컨버터 기능 블록도- 34 -다) 전원 스위칭 부전원 스위칭부는 기존 객실등 DC-DC 컨버터 출력 전원과 비상 조명 시스템의 출력 전원 중 하나를 선택하여 LED Module로 보내는 기능을 수행하게 된다.스위칭 기능은 DC110V 외부 전원이 정상 입력 시 DC-DC 컨버터 전원을 선택하고, 입력 전원에 장애가 발생하면 비상 조명 시스템 전원을 선택하게 된다. 스위칭 기능을 신속하게 하기 위해 기본적으로 하드웨어 회로로 스위칭 되며, 시험 및 운용자의 목적에 의해 동작되도록 프로그램 제어 기능이 추가 된다. 아래그림은 기능 블록도를 보인 것이다.그림 13 전원 스위칭 기능 블록도(5) 요소기술별 샘플보드 제작 및 실험철도차량 안전기준 제50조에는 비상 상황에서 승객의 안전한 대피를 위해 축전지 전원을 통해 30분 동안, 차량 통로 바닥면에서 최소 5룩스 이상의 조도를갖도록 비상조명등에 대한 기준을 정하고 있다. 그러나 본 과제의 “축적된 배터리 전원에 의해 작동되는 지능형 비상조명등”에 대한 기준은 아직 정해지지 않은 상태이기 때문에 동일한 기준을 적용할 수 있는지 여부를 판단하기 위한 실험을 수행하였다. 적합한 배터리를 조사한 후 분석하였으며, 배터리를 적용하기위해 조사한 필요 기술들을 실제 제작하여 실험을 통해 확인하였다.- 35 -가) 상용 객실등의 소비 전원에 대한 조도값 측정배터리의 용량은 비상 상황이 발생했을 때 비상 조명등이 동작되어야 하는 시간과 조명등의 소비 전력에 직접적인 관계가 있다. 따라서 현재 철도차량에서사용 중인 28W급 실험용 객실등을 제작한 후 전원을 인가하여 실험하였다.그림 14 비상용 조명등 실험을 위해 제작된 철도차량용 객실등조도 측정은 빛이 완전히 차단된 표준 암실에서 전원 공급장치(ODA,programmable DC power supply, EX 200-3)로부터 전원을 연결한 후, 객실등에 부착된 컨버터의 전류 조절 가변저항을 통해 전류를 가변시키면서 각각의 조도값을 측정하였다. 조도 측정기(KONICA MINOLTA, CL-200A)로부터 객실등까지의 높이는 1m이다.그림 15 조도측정용 암실- 36 -- 전원 공급장치로부터 DC 110V, 0.245A를 인가하였을 때, 350lx의 조도값을나타내었다.- 전원공급장치로부터 DC 110V, 0.181A를 인가하였을 때, 242lx의 조도값을나타내었다.- 전원공급장치로부터 DC 110V, 0.131A를 인가하였을 때, 165lx의 조도값을나타내었다.아래 그림은 철도차량용 객실등의 기능 블록도이다. 위 실험에서 전원 장치로부터 인가된 DC110V 전원은 컨버터를 거치면서 DC43.5V로 전압 강하되고, 정전류 회로를 통해 LED Module에 연결된다. 따라서 최종적으로 인가되는DC43.5V 전압에서 정전류 값을 측정하였으며, 각각 0.5A(21.75W),0.4A(17.4W), 0.3A(13.05W)를 나타내었다.- 37 -그림 16 철도차량 조명의 기능블럭도일반적으로 철도차량 객실등이 바닥으로부터 약 2m 위에 있다고 한다면, 위실험에서 DC 110V/0.31A 인가 시 조도 값이 165 lx가 측정되었으므로 이를 적용해 보면 41 lx 이상이 되기 때문에 이 값을 기준으로 한다면 컨버터 출력단의DC43.5V/0.3A와 같다. 따라서 13W급 이상의 전원을 공급할 수 있도록 전지를구성할 필요가 있다.그림 17 객실등 장착 높이- 38 -나) 배터리 충 방전 기능 시험비상 조명 시스템용 배터리의 충 방전 특성 시험을 수행하였다. 12V6A 리튬인산철배터리와 충방전 보호회로, 전원공급기, 멀티메터, 전압 기록계로 구성하였다. 충방전 보호회로는 정전류(CC)/정전압(CV) 방식의 Step Down 기능을 갖고, DC 5~30V 전압을 입력 받아 DC 4.4 ~ 28V를 출력 할 수 있고 최대 4A까지공급할 수 있다. 전원공급기로부터 DC 17V 전압을 입력 하고, 배터리 충전전압으로 DC 14.6V가 출력되도록 조정하였다. 배터리가 방전된 상태에서의 전압은DC 11.8V였으며, 충전 시 전압은 DC 12.8V였다.그림 18 배터리 충 방전 기능 시험다) 전압 강하 시험철도 차량에서 객실등 컨버터로 공급되는 DC 100V 전압을 공통 입력 받아서배터리를 충전하기 위해서는 DC 15~17V 까지 전압을 낮추어주는 기능이 필요하다. 전압 강하 기능을 시험하기 위해서 DC100V 전원공급기와 전압강하기능보드, 멀티미터로 구성하여 시험을 수행하였다.그림 19 전압강하보드와 DC100V 전원공급기- 39 -라) 전압 승압 및 정전류 기능시험배터리의 출력 전압 DC 12V를 객실등에 연결하기 위해서는 DC 43V 이상으로 전압을 높이고, 객실등 LED 모듈에 일정한 전류를 제공할 수 있도록 정전류기능이 필요하다. 이에 대한 실험을 수행하였다.그림 20 정전류회로와 승압회로배터리마) 전원 스위칭 기능시험철도차량으로부터 DC 100V 전원이 공급되면, 객실등 내 컨버터를 통해 LED모듈이 점등됨과 동시에 배터리는 충전 상태가 된다. DC 100V가 입력되지 않으면 배터리의 출력 전압 DC 12V 승압시켜 만든 DC 43V 전원을 LED 모듈로 공급하는 스위칭 기능을 구성하여 실험하였다. DC 100V 전원장치와 스위칭 모듈,전압강하 모듈로 실험환경을 구성하였다.그림 22 전원 스위칭 모듈- 40 -리튬인산철배터리바) 연동 기능시험비상 조명등의 기능별 모듈을 종합적으로 시험하기 위하여 DC 100V 전원공급기, 전압강하 보드, 충전보호기능 보드, 배터리, 전원 승압 보드, 전원 스위칭보드, 객실등 컨버터, 객실등 LED 모듈을 연결하여 DC 100V 전원이 공급되는정상상태의 기능과 전원이 차단되었을 때의 절체 기능을 실험하였다.그림 23 객실등 컨버터그림 24 전원 공급장치- 41 -정전류 보드, 승압 보드사) 시험용 Jig 제작비상 조명등의 다양한 기능을 실험하기 위하여 시험용 Jig를 제작하였다. 전원공급용 스위치와 전압, 전류 표시기, 온도 및 전원 기록계, 전원 공급기가 장착되어 있다.그림 26 시험용 Jig 구성 장치배터리와 관련된 충전회로, 제어 회로, 방전 회로들이 설치되어 있어서 요소기술의 성능 및 기능을 지속적으로 보완할 수 있도록 기능을 분리하여 구성하였다.- 42 -성능검증용전원스위칭모듈및배터리전압강하보드,정전류보드,승압보드그림 27 충전회로, 제어 회로, 방전 회로 구성상단 부분에 장치와 회로가 있고, 그 아래는 간이형 암실이 구성되어 있다. 객실등을 설치하여 전원의 변화와 회로의 성능에 따른 광 특성들을 장기적으로 실험할 목적으로 구성된 것이다.험용 Jig- 43 -비상조명등의종합적인특성을시험하기위한시험용Jig다. 2차년도 연구개발 내용 : 시제품 개발 및 검증 (1) 비상 조명등 시스템 구조 연구가) 비상조명등 시스템 구성LED 비상 조명등 시스템은 기 운용 중인 철도차량용 LED조명등의 컨버터와LED 보드 사이에 설치된다. 철도차량 축전지로부터 전원이 정상적으로 입력될때에는 기존 운영 방식에 따른 동작을 수행하지만, 전원에 이상이 발생하였을경우에는 비상 조명등의 역할을 수행하도록 구성되며 아래 그림29는 객실등에적용되는 구성 예를 보인 것이다.그림 29 객실등에 적용된 비상조명 시스템 구성 예비상 조명 시스템은 아래 그림과 같이 LED조명등 컨버터를 기준으로 앞 또는뒤에 설치할 수 있으며, 그 각각의 구성에 따른 장단점이 있다.(a) 객실등 컨버터 입력단에 위치한 경우(b) 객실등 컨버터 출력단에 위치한 경우그림 30 비상 조명시스템의 위치에 따른 구성 예위 그림30-(a)는 객실등 컨버터의 전원 입력단에 비상 조명 시스템이 설치된예를 보인 것이다. 비상 조명 시스템은 철도차량의 축전지로부터 DC100V를 공급받게 되며, 정상 상태 즉 전원이 입력되면 객실등 컨버터로 전달하고, 동시에- 44 -입력 전원을 통해 배터리를 충전하게 된다. 이와 같은 입력단 설치 구조는 구성이 간단하고 다른 조명등에 적용하기에 매우 용이한 장점이 있지만, 입력된DC100V 전원을 배터리 충전 전압(약 DC14V)으로 전압 강하시켜야 하고, 입력전원에 장애가 발생되는 비상시에는 배터리 전원을 객실등 컨버터에 공급하기위해 DC100V로 승압시켜야 하는 부담이 따른다. 전압 강하 또는 승압의 폭이크면 열 발생률이 높아서 그에 따른 방열판이 커져야하기 때문에 전체적인 크기가 증가하게 된다. 또한 객실등 컨버터에서의 약 20% 손실률을 추가적으로 제공해야 하므로 배터리의 용량이 그 만큼 커져야 되는 것은 단점이 된다.그림 30-(b)는 객실등 컨버터의 출력단에 비상 조명 시스템이 설치된 예를 보인 것이다. 비상 조명 시스템은 객실등 컨버터의 출력인 DC44V를 공급받게 되며, 정상 상태 즉 객실등 컨버터로부터 전원이 입력되면 객실등 LED보드로 전달하고, 동시에 입력 전원을 통해 배터리를 충전하게 된다. 이와 같은 설치 구조는 입력된 DC44V 전원을 배터리 충전 전압(약 DC14V)으로 전압 강하 하고, 비상시에는 배터리 전원을 다시 DC44V로 승압 하는 부담이 다소 적고, 컨버터에서의 손실률을 고려치 않아도 되지만 배터리 충전 시 컨버터의 전원을 사용해야되므로 컨버터 용량에 영향을 주는 단점이 있다.따라서 기존에 사용되고 있는 컨버터의 용량에 영향을 주지 않고 또한 컨버터의 손실률에 대한 부담을 줄일 수 있는 보완적인 구성 방안은 아래 그림과 같다.비상 조명 시스템은 객실등 컨버터와 같이 철도차량용 축전지로부터 DC100V를 입력 받아서 전압 강하한 후 배터리 충전 전압으로 사용한다. 정상 상태에서는 객실등 컨버터의 출력인 DC44V전원을 입력 받아서 객실등 LED 보드로 전달하고, 비상시에는 배터리 전원을 승압 시켜 제공하게 된다. 전원 케이블 연결이 다소 복잡하지만 기 사용 중인 컨버터에 영향을 주지 않고 구성할 수 있는구조이다.그림 31 보완적인 비상조명 시스템 구성- 45 -본 과제에서는 전용 컨버터를 적용하여 구성한다. 위에서 고려한 구성들은 기사용 중인 객실등 컨버터에 비상 조명 시스템을 추가하는 경우로서 기능 추가에따른 리스크를 줄여 준다는 장점은 있지만, 설치 공간이 증가하고 기존의 컨버터와 중복되는 기능이 필요하여 전체적인 비용이 증가하는 단점이 있다. 따라서회로를 통합하고 추가적인 기능을 신규 적용함으로서 공간을 최소화하고 비용을 줄일 수 있도록 하였다.나) 비상조명 시스템 구성 및 기능비상 조명 시스템은 배터리 관리부와 비상제어부로 구성하며, 객실등 body 상단에 장착한다.그림 32 전용 비상 조명 시스템을 객실등에 장착한 구성배터리 관리부는 8개의 셀을 직병렬로 연결하여 시스템 동작에 필요한 12V 전압을 공급하고, 과충전 및 과방전으로 인한 배터리 손상을 막기 위한 보호회로가 부착되어 있다.구성도비상 제어부는 철도차량으로부터 주 전원이 차단되었을 때 이를 감지하여 배터리전원으로 교체하여 점등한 후 일정 시간이 경과되면 소등하는 기능과 인체감지 센서를 통해 정보가 획득되면 점등한 후 일정 시간 경과 후 소등하는 기능을 수행한다. 그 기능 수행을 위해 전원 컨버터부, 승압/정전류 회로부, 전원 스위칭부, 제어부로 되어있고, 외부에 장착된 인체감지 센서 정보를 이용하여LED를 제어하는 기능으로 구성된다. 아래 그림34는 기능 블록도를 보인 것이다.- 46 -배터리직병렬구성도입력 전원(DC100V)이 들어오면, 전압강하 회로에 의해 DC18V와 DC14V로변환되고, 제어회로에서 입력전원을 감지하여 릴레이 1과 2를 흰색표시 방향으로 연결한다. 이 경우 전압강하된 전원은 충전회로를 통해 배터리를 충전하게되고, 릴레이 2의 B를 통해 승압/정전류 회로를 거쳐 LED 모듈에 전원을 공급하게 된다. 한편 배터리 전원은 릴레이 1의 흰색 부분으로 연결됨으로 인해 차단되게 된다. 입력전원 인가 시의 연결도는 그림35와 같다.그림 34 비상제어부 기능 블록도그림 35 입력전원 인가 시 전원 연결도입력전원이 차단되면 제어회로는 이를 감지하여 릴레이1과 2의 연결을 청색부분으로 전환시킨다. 이때 외부 입력전원선은 릴레이 2의 A에 의해 차단되고, 배터리 전원은 릴레이 1을 거쳐 릴레이 2 B에 의해 승압/정전류 회로에 연결되어LED 모듈에 전원을 공급하게 된다. 제어회로는 배터리가 방전되지 않도록 일정시간 경과 후에는 릴레이 1을 흰색부분으로 연결하여 전원을 차단한다. 아래 그림은 입력전원이 차단되었을 경우와 일정시간 경과 후 연결을 보인 것이다.- 47 -그림 36 입력전원 차단 시 전원 연결도부분)입력전원이 차단된 후 일정시간 경과 시 제어회로에 의해 배터리 전원이 끊긴상태에서 인체감지센서를 통해 신호가 감지되면 제어회로는 릴레이 1을 그림 36과 같이 다시 연결하여 LED 모듈에 전원이 공급될 수 있도록 동작한다. 이때에도 배터리 전원을 보호하기 위해 사용자가 설정해 놓은 시간이 경과되면 자동으로 연결을 전환하여 그림 37과 같이 전원을 차단하게 된다.다) 기능회로 설계전원 강하, 승압/정전류 회로, 전원 스위치(릴레이), 충전 및 제어 회로로 구성되는 비상제어부의 세부적인 기능을 설명한다.- 전원강하 회로전원강하 회로는 외부로부터 DC100V 전원을 입력받아 비상조명 시스템 내- 48 -입력전원차단후일정시간경과시전원연결도(노란점선부분)에서 사용될 낮은 전원으로 변환하는 기능을 수행한다. 비상 조명 시스템 객실등 28W급 LED 모듈을 구동하기 위한 12V 3A 전원이 필요하고, 배터리 충전용으로 18V 2A 전원이 요구된다. 직류전압을 입력 받아 직류 전압을 출력하는 장치를 DC-DC Converter라고 하며, 전력용 transistor와 같은 반도체 소자를 스위치로 사용하여 직류 입력전압을 구형파 형태의 전압으로 변환한 후 필터를 통해제어하여 직류 출력전압을 얻는 방식인 SMPS(Switched-Mode Power Supply)가 주로 사용되고 있다. 그림38은 일반적인 SMPS의 기능 블록도를 보인 것으로서 외부로부터 입력되는 AC220V를 Diode와 Capacitor, Inductor로 구성된 정류회로를 통해 전파정류한 후 이를 MOSFET 등의 스위칭 소자와 Transformer,diode, inductor, capacitor 를 통해 필요한 DC 전압을 발생시키게 된다. SMPS의 회로구성 방법은 매우 많으며, DC-DC Converter에 대해 살펴보면 자성부품설계에 따라 Flyback Converter, Forward Converter, Push-Pull Converter로분류 할 수 있고, 에너지 전달 스위칭 소자의 도통기간에 따라 ON-ON 방식,ON-OFF 방식 등으로 분류할 수 있다.그림 38 SMPS 기능 블록도Flyback Converter는 절연용 transformer가 필요하지 않고, 다출력 스위칭레귤레이터에 적합하며, 동일 출력전압일 경우 Forward Converter 보다 2차 권선수가 거의 절반으로 줄기 때문에 고전압 출력용 스위칭 레귤레이터에 적합한장점을 갖는다. Flyback Converter의 기본 회로 구성은 그림 39와 같다.- 49 -그림 39 Flyback Converter의 기본 회로 구성스위치 S가 ON 되면 입력 전압 V1은 Inductor에 가해지고 Diode D는 역방향전압이 걸리므로 차단된다. 전류 Ic는 스위치가 OFF 될 때 까지 직선적으로 증가하면서 Inductor에 에너지를 축적하게 된다. Inductance L에 전류 I 가 흐른다면 축적된 에너지는   가 된다.에너지를 순식간에 변화시키는 것은 불가능 하므로 전류를 순간적으로 차단하거나 방향을 바꿀 수 없다. 따라서 스위치를 OFF하면 전류는 순간적으로 차단되지 않고 전류 Ic를 유지하기 위한 역기전압이 발생하여 Diode D가 도통되고Inductor에 저장된 에너지는 출력 Capacitor와 부하에 공급된다. 스위치의 도통시간을 변화 시키면 ON 시간동안 Inductor에 축적되는 에너지의 양을 변화시킬수 있다. 아래 그림 40과 같이 2차회로가 있을 때 1차회로를 차단하면 동일한Ampere-Turn 으로 2차회로에 전류가 흘러 자계를 같게 유지한다.그림 40 2차회로 구성에서 전류의 생성- 50 -1차 권선에 전류 Ip가 흐르고 있을 때 스위치 S를 OFF하면 2차 권선에는 동일한 Ampere-Turn이 흐르게 된다.   실제 회로에서 스위치는 transistor를 사용하여 그림 41과 같이 구성한다.그림 41 Tr을 사용하여 구성한 Flyback 회로Forward Converter는 절연 transformer가 필요하다는 단점이 있지만 평활capacitor에 흐르는 고주파 리플전류가 inductor에 의해 제한되므로 리플이 적다는 장점이 있어서 저전압 출력 스위칭 레귤레이터에 적합하다. 그림 42의 기본회로에서 스위치가 닫히면 전류는 선형 증가하면서 inductor를 통해 capacitor및 부하로 흐름과 동시에 inductor에 에너지가 축적된다. 스위치가 OFF되면inductor 양단에 역기전압이 발생하여 Diode D를 통해 전류는 계속 흐르게 된다.기본 회로 구성실제 적용되는 Forward Converter의 예를 그림 43에 보였다.- 51 -ForwardConverter의기본회로구성Converter의 회로 예2차 권선 전류의 최대치 Isp는    ×∆가 되고, 최저치 Isv는    ×∆이다.1차 권선 전류의 최대치 Icp는   × ,최저치 Icv는   ×가 된다.- 52 -실제적용되는ForwardConverter의회로예본 연구에서는 안정된 출력 전원을 위해 전압강하 회로에 Power Integrations사 제품인 TOPSwitch-HX를 이용한 Flyback Converter로 설계하였다.그림 44 TOPSwitch-HX 기능 블록도TOPSwitch-HX는 전원 관리용 부품으로서 출력 전원의 저전압 보호(UVP),과전압 보호(OVP), 과전류 보호(OCP), 단락 보호(SCP), 과열 보호(OTP) 및 감시 기능을 수행하고, 제한 설정 값 범위를 초과하였을 때는 차단 기능을 통해 부품을 보호하며, 고장 인자가 해결되었을 때 Auto-restart 기능 등을 수행한다.이들 기능 수행을 위해 High-voltage power MOSFET Drain pin(D), Sourcepin(S), Control pin(C), External current limit pin(X), Voltage Monitor pin(V),Frequency pin(F) 이 있다. 아래 그림 45는 TOPSwitch를 이용하여 구성한65W급 전원공급 장치의 구성 예를 보인 것이다. 입력 교류전압(90 ~ 256VAC)은 Full Wave Bridge Rectifier(BR1)와Bulk filter capacitor(C2)를 거쳐 DC 전압으로 변환된 후 Flyback Converter 회로에 입력된다. DC 입력전원은 전원선과 TOPSwitch의 V pin 사이에 4MΩ저항(R3, R4)을 연결하여 감지하게 되며,DC 선로에 450VDC 이상의 전원이 감지되면 그림 46의 V pin에 연결된 STOPLogic 기능에 의해 TOPSwitch는 정상상태가 될 때 까지 정지하게 된다. 이에대한 연결도를 그림 46에 보였다.- 53 -그림 45 TOPSwitch를 이용한 65W, 19V Power Supply 구성 예구성Diode D1과 Zener VR1, Capacitor C5, 저항 R8과 R9는 고효율 Clamp 회로를구성한 것이며, Transformer의 누설 리액턴스(reactance) 에너지를 소진시키는완충크램퍼(subber clamper) 역할을 한다. Transformer의 2차 출력전원은 diodeD2, capacitor C13, C14에 의해 정류되고, ferrite bead L3과 capacitor C15는 2차출력 전원의 스위칭 노이즈를 효과적으로 줄여주는 기능의 filter 이다.출력 전압은 reference IC인 LM431을 통해 제어 된다. 저항 R19와 R20은 출력전압 감지를 위한 전압 분배(potential divider) 기능을 하고, 저항 R16은photocoupler LED 전류를 제한하여 제어신호를 발생한다.- 54 -저전압과과전압에대한선로감지기능구성TOPSwitch IC의 내부 스위칭을 위한 frequency 발생용 Oscillator는 그림 47과 같이 F pin 연결에 따라 full frequency(132KHz)와 half frequency(66KHz)로선택적으로 동작된다.(a) Full Frequency (b) Half Frequency그림 47 Frequency operation- 승압, 정전류 회로 구성전원 강하 회로의 출력 전원(DC12V)과 배터리 출력 전원(DC12V) 중 하나를선택하여 LED를 구동하게 된다. 비상 조명 시스템 객실등 LED 모듈은 정전류방식으로 동작되며, DC 48V 이상의 전압이 필요하기 때문에 선택된 DC12V 전압을 높은 전압으로 승압시키는 기능이 요구된다. 그림 48은 승압형 컨버터 기본회로로서 정상상태에서 턴 온과 턴 오프 두 가지 모드로 해석할 수 있다. 스위치가 ON 되면 인덕터 전류가 증가하여 인덕터 L에 에너지가 축적되고(그림 49(a)) 다이오드에는 출력 전압이 역방향으로 인가되므로 꺼져 있게 된다. 스위치가 OFF 되면 인덕터에 축적되었던 에너지는 다이오드를 통하여 출력 측으로 전달되기 때문에 capacitor 전압은 인덕터로부터 전달된 에너지로 인해 높아지게된다.(그림 49(b))그림 48 승압형(step-up) Converter 기본 회로- 55 -(a) (b)그림 49 FET로 구성된 스위치의 ON(a), OFF(b) 시 동작 회로DC 12V 전압을 LED 점등에 필요한 DC48V 전압으로 승압하기 위해 NationalSemiconductor사의 step-up voltage regulator인 LM2577-ADJ를 사용하여 회로를 구성하였다.기능 블록도입력 전압 Vin이 인덕터 L을 거쳐 4번 Pin(SWITCH)에 연결된 후 diode D를지나 출력 capacitor(Cout)로 출력된다. 내부적으로 switch에 연결된 NPNtransistor가 ON 되면 인덕터에  의 비율로 전류가 저장되고, OFF 시 diodeD를 거쳐 출력 capacitor에 비율로 출력된다. 스위치 ON OFF는52KHz 주파수로 이루어지며 출력 전압은 인덕터에 축적된 peak 전류 변조를통해 제어된다.출력 전압은 저항 R1과 R2에 의해 전압 분배된 후 reference voltagedls 1.23V- 56 -LM2577를사용하여구성된승압회로및기능블록도와 비교하여 그 차를 통해 출력 전압을 제어함으로서 일정한 출력이 유지되도록한다. 이에 대한 동작 파형을 그림 51에 보였다.파형- 전원 스위치 구성전원스위치는 입력된 DC100V를 전압 강하시킨 주전원(DC12V_1.5A)과 배터리 출력 전원(+BAT) 중 하나를 프로세서의 제어에 따라 선택하는 기능을 수행하며 릴레이로 구성하였다.그림 52 릴레이로 구성된 전원 스위칭 회로주전원이 입력되면 Photocoupler(PC817)가 이를 감지하여 NPN Tr(Q6)의Base에 High 신호를 보내어 릴레이1(RL1)가 NO(Normal Open)을 선택함으로서 주전원이 연결된다. 반대로 주전원이 입력되지 않으면 저항 R37에 의해- 57 -Step-upRegulator의동작파형Base에 Low신호가 인가됨으로서 릴레이1(RL1)는 NC(Normal close)에 연결되어 배터리 전원이 공급되게 된다. 릴레이2는 프로세서 신호를 통해 배터리 전원을 선택하는 기능이 수행된다.- 충전 및 제어회로 구성차량으로부터 공급되는 DC100V 입력전원을 전압 강하시켜 만든 전원DC18V_1.5A를 배터리 충전 전원으로 사용한다. DC12V 배터리를 충전하기 위해서는 이보다 약 2V정도 높은 전압이 필요하다. 따라서 NationalSemiconductor사 step_down regulator(LM2596)를 사용하여 적절한 전압 강하를 수행하였다.그림 53 LM2596을 이용한 전압강하 회로출력전압은 저항 R1과 R2의 비에 따라 결정되며 아래 식과 같다.     , 여기서 Vref는 1.23V이다.제어회로는 Microchip사 제품인 Flash Microcontroller(PIC16F1824, 14Pin)를사용하였다. 차량 입력전원 감지 신호와 인체감지 신호를 입력 받아 전원 선택스위치를 제어하는 기능을 수행한다. 차량 전원이 입력되면 배터리가 연결되지않도록 Low 신호를 출력하고, 입력전원이 차단되면 High 신호를 출력함으로서배터리 전원이 공급되게 한다. 그러나 배터리 전원 공급 시 방전을 막기 위해 일정 시간(약 3～4분) 후 차단하는 기능이 있어야 하고, 차단된 상태에서 인체감지센서 신호가 발생하면 다시 배터리를 일정 시간동안 연결시키는 기능을 수행한다. 이들 기능은 프로세서 내부 메모리에 저장된 프로그램에 의해 제어된다.- 58 -프로세서에는 차량으로부터 입력된 전원을 감지하는 신호선(Pin7)과 인체감지센서 신호선(Pin 11)을 입력 받아 제어신호를 Pin 9로 출력한다. 아래 그림 55는프로세서의 제어기능에 대한 Flowchart 이다.그림 54 제어회로 구성그림 55 비상조명 시스템 제어 프로그램 Flowchart- 59 -(2) 시제품 제작 및 보완 시제품 제작 보완 일정 및 내용 보완 내용 일정 및 조치 사항1. 기능 시험용 보드 제작 2015. 5. 13 PCB 제작 및 시험2. 승압 기능(DC12V--> 48V) 회로 보완 2015. 6. 20 PCB 제작 및 시험3. 레귤레이터 방열 보완, EMC 회로 추가 2015. 10. 23 PCB 제작 및 시험4. 전원 절체 회로 보완 2015. 12.18 PCB 제작 및 시험비상조명 시스템의 주요 구성 회로를 설계한 후 이들 기능을 시험하기 위해시험용 보드를 제작하였고, 부품을 조립하여 기본 기능 동작을 확인하였다.그림 56 비상조명시스템 기능 회로 설계그림 57 기능 시험용 보드, 2015.5.13 그림 58 기능 시험용 보드 (부품 장착 후), 2015.5.13- 60 -주전원 또는 배터리 전원인 DC12V를 LED 구동 전원 DC48V로 승압하는 기능의 회로 시험 중 시정수에 영향을 미치는 인덕터와 다이오드 및 저항 용량을변경해 가며 시험을 수행하여 기존 객실등의 전원과 동일한 값을 찾을 수 있었다. 이에 대한 시험 결과 변경된 부품을 적용하기 위해 보드를 보완 제작하였다.그림 59 승압 기능 회로그림 60 승압 기능 보완용 보드, 2015.6.20그림 61 승압 기능 보완용 보드를 조립하여 추가 기능 시험 수행- 61 -기능 회로 구성 중 레귤레이터에서 발생되는 열이 매우 높았다. 승압 기능을위한 LM2577 step up regulator와 배터리 충전용 전원을 위한 LM2596 stepdown regulator를 사용하고 있으며, 발생된 열은 효율 저하와 수명 단축을 일으키기 때문에 적절한 온도 유지를 위한 방열 처리가 필요하였다. 이에 필요한 방열판을 추가하기 위한 공간 확보를 위해 부품을 재배치해야하기 때문에 이를 적용한 PCB 수정작업이 이루어졌다. 또한 입력 전원의 노이즈 제거를 위한 보완을 추가하였다.그림 62 방열 및 EMC 보완용 보드, 2015.10.23그림 63 방열판과 EMC 회로가 적용된 보드 제작평상 시 정상상태일 경우에는 철도차량으로부터 공급되는 전원을 사용하고,비상시에는 배터리 전원을 사용하도록 설계된 전원 절체 회로는 프로세서 내의프로그램에 의해 실행된다. 당초 프로세서의 출력 제어신호 세기가 낮게 나올경우를 대비한 부품을 추가하였으나 실제 시험결과 출력의 세기가 충분하기 때문에 부품을 제거하여 재정리하기 위한 보완이 수행 되었다.- 62 -그림 64 전원절체 기능 회로그림 65 전원절체 기능 보완용 보드, 2015.12.18그림 66 전원절체 기능 보드 조립 및 시험- 63 -비상조명 시스템의 기능과 성능을 확인하기 위한 시험용 샘플을 제작하였다.시험용 샘플은 비상제어 기능 보드와 배터리, 객실등 LED 모듈 및 기구물로 구성되어 있다. 아래 그림은 제어보드 회로와 LED 모듈 회로를 보인 것이다.(a) (b)그림 67 제어보드(a)와 객실등 LED 보드(b) 회로도설계된 회로는 PCB(Printed Circuit Board)로 제작하기 위해 그림 68과 같이Layout 작업을 수행하게 된다.(a)(b)그림 68 PCB 제작을 위한 제어보드(a), LED 모듈(b) Layout data- 64 -Layout Data를 이용하여 제작된 PCB를 그림 69에 보였다.(a)(b)그림 69 제작된 제어보드(a), LED 모듈(b) PCB- 65 -PCB에 부품들을 조립하여 제작한 보드들은 그림 70에 보였다.(a)(b)그림 70 조립된 제어보드(a)와 LED 모듈(b)- 66 -조립된 보드들을 고정하고 설치하기 위해 제작된 기구물들을 그림 71에 보였다.(a) LED 모듈을 장착한 객실등 본체(b) 제어보드 케이스와 배터리 케이스를 장착한 객실등 본체 윗면© 인체감지 센서가 부착된 객실등 커버그림 71 비상조명 시스템 구성을 위해 제작된 기구물- 67 -

4. 성능 검증 및 시험
4. 성능 검증 및 시험가. 성능 검증(1) 시험 환경 구성 제어보드의 기능은 전압 강하, 전원선택, 배터리 충전, 인체감지 센서 동작 등의 기능을 수행하게 되며, 이들 기능 수행 보드를 제작하여 동작 상태를 점검하고 성능을 시험하였다. 시험 환경은 전원장치와 전자 로더기, 온도 측정기,Oscilloscope, multimeter 등으로 구성되며, 내구성 시험을 위한 전용 환경을 구성하였다.(a) DC Power supply(b) 디지털 전자 로더기 (c) Oscilloscope- 68 -(d) Digital Multimeter (e) 내구성 시험 장치그림 72 비상조명 시스템 시험 환경 구성비상조명시스템의 회로 기능과 내구성 시험을 시험하기 위해서 통합제어회로와 배터리구동회로를 제작하였다. 통합제어회로는 철도차량 객실 비상조명 시스템에 공급되는 전원을 감시하고, 관리하며, 장시간 동작 시 상태 정보를 축적하는 기능을 수행한다. 프로세서부, 사용자 접속부, 상태정보 표시부로 구성되며,기능 수행을 위한 프로그램은 프로세서에 탑재된다.그림 73 통합제어회로 기능 구성도사용자 접속부는 철도차량 객실 비상조명 시스템에 전원을 공급 (Turn ON)하고, 차단 (Turn Off)하는 시간을 설정하는 Timer setting 기능과 반복되는 횟수를 설정하는 Counter Setting 기능으로 구성되며, 설정된 조건에 도달여부를감시하는 기능이 수행된다. 시간 및 카운터 정보는 디지털 숫자로 표시되고, 동작 상태를 나타내는 LED 및 기능선택 및 입력 버튼으로 구성한다.- 69 -그림 74 사용자 접속부 기능 구성도아래 그림 75는 사용자접속부의 실제 구현을 보인 것이다.그림 75 사용자 접속부 제작도전원을 공급하는 시간을 설정하는 ON Timer는 00h00m00s로 설정되어 있어서 최대로 시험전원을 공급할 수 있는 시간은 99hour59minute59second 이다. 타이머 하단의 “⪡”를 눌러 제일 오른쪽 녹색숫자 “0”이 깜박 거리는데 초(second)를 의미한다. 한번 누를 때마다 녹색 왼쪽 숫자로 이동을 하게 되며 이는 초(second) 분(minute) 시(hour)로 차례로 설정할 수 있는 자릿수 이동을 의미한다. 이때“⩓”버튼은 숫자“0”에서 올림수로“1,2,3,,,,,9,0”으로반복되며“⩔”버튼은숫자“0”에서 내림수로“9,8,7,,,,,1,0'을 반복하게 된다. 이때 원하는 설정값을 설정한 후 "MD"를 눌러 설정을 마친다.“ RST"버튼은 현재 계수값의 초기화 및 출력복귀를 의미한다. OFF Timer는 비상조명 시스템에 공급되는 전원을 차단하여 배터리 전원으로의 전환을 시험하기 위한 차단 시간을 설정기능을 수행하며,동작은 ON Timer와 동일하다. Counter는 전원의 입력된 후 차단되는 반복적기능수행 횟수를 기록하도록 설계되어 있다. 전원을 공급하고 또 공급을 안하는시간을 한주기로 하여 ON/OFF Timer 가 1회씩 끝나면 이를 1회, 즉 1카운트를- 70 -한다. 시험을 수행하기 위한 총 횟수를 설정하고 설정된 횟수를 카운트하여 설정된 계수만큼 끝나면 이를 마무리한다. 즉, OFF Timer가 끝남과 동시에 1회카운트를 하여 데이터를 전송한다. 카운터는 999999회 까지 계수할 수 있다. 설정이 되어 있어 최대로 시험을 하는 횟수는 999999회가 된다. 설정방법은 카운터 하단의“⪡”를 눌러 제일 오른쪽 녹색숫자 “0”이 깜박 거리는데 계수(count)를의미한다. 한번 누를 때마다 녹색 왼쪽 숫자로 이동을 하게 되며 이는 계수 자리로서 차례로 설정할 수 있는 자리 이동을 의미한다. 이때“⩓”버튼은 숫자“0”에서올림수로“1,2,3,,,,,9,0”으로 반복되며“⩔”버튼은 숫자“0”에서 내림수로“9,8,7,,,,,1,0'을 반복하게 된다. 이때 원하는 설정값을 설정한 후 "MD"를 눌러 설정을 마친다. “RST"버튼은 현재 계수값의 초기화 및 출력복귀를 의미한다. 프로세서부는사용자 접속부를 통해 설정된 동작 조건에 따라 전원을 제어하고, 동작 상태를가시적으로 표시하며, 축적된 정보를 기록계를 통해 표출하는 기능이 수행된다.입출력 접속 포트가 있고, CPU 내부 메모리에 프로그램이 탑재된다. 그림 76은기능 블록과 프로그램 flowchart를 보인 것이고 그림 77은 실제 제작된 모습이다.그림 76 프로세서부 구성- 71 -그림 77 프로세서부 구현 모습상태표시부는 프로세서부에 의해 제어되는 동작 상태를 운영자가 알 수 있도록 표시하는 기능을 수행한다. 비상조명시스템에 전원 공급 여부를 LED로 표시하고, LCD Display에는 전원공급 여부, 반복 횟수, 상태 도시 그래프 등이 표시된다.그림 78은 이에 대한 기능 블록도이고, 그림 79는 실제 구현된 모습을 보인 것이다.그림 78 상태표시부 기능블록도- 72 -그림 79 상태표시부 구현 모습배터리 구동회로는 배터리 충방전 기능을 시험하기 위한 전원 ON/OFF 기능을 수행한다. 이들 기능 수행을 위해 상용 전원을 DC 전원으로 변환하는 컨버터기능과 비상조명등에 전원을 연결하기 위한 커넥터로 구성한다.그림 80 배터리 구동회로 기능 블록도전원부는 AC220V 상용 전원을 입력 받아 DC100V 전원으로 변환한다.- 73 -그림 81 전원부 회로 기능 블록도그림 82 전원부 구현 모습스위칭부는 DC 전원을 프로세서의 제어를 받아 ON/OFF하는 기능을 수행하며, 6개의 비상조명등을 연결할 수 있다. 그림 83은 기능 블록도이고, 그림 84는실제 구현 모습을 보인 것이다.그림 83 스위칭부 기능 블록도- 74 -그림 84 스위칭부 실제 구현 모습(2) 기능 확인 시험1차 제작된 샘플 보드(그림 85)를 통해 전압강하 기능 시험을 수행하였으며,객실등 LED 모듈에 공급되는 전원 시험 결과 트랜스포머와 인덕터의 최적 용량을 확인하였다.그림 85 1차 제작된 보드의 전압강하 기능 시험그림 86은 배터리 충전회로 시험을 보인 것으로서 주요부품인 LM2577 주변코일의 적정치를 결정하기 위해 온도와 파형을 측정하였으며, 18∅ 링코일을 적용하였을 때는 주변 온도가 80 ～ 90℃ 까지 상승하면서 트랜스의 출력단이 고온으로 인해 흔들림이 감지되었고, 30∅ 링코일을 사용하였을 때는 주변 온도가60 ～ 70 ℃ 로 낮아지고, 파형 또한 안정됨을 보였다.- 75 -그림 86 충전회로의 전원 확인 시험그림 87 트랜스포머 출력 파형 측정비상 조명등의 기능을 시험하기 위한 구성은 그림 88에 보였다.그림 88 기능시험을 위한 시험 구성도- 76 -전원장치는 DC100V 전원을 제어 보드에 제공하고, 제어 보드는 입력된 전원을 전압 강하하여 배터리 충전전원과 LED 객실등 전원을 공급한다. 전원장치로부터 전원이 차단되면 제어보드는 배터리 전원으로 LED 객실등을 점등한 후 일정 시간(약 4분, 사용자 선택 조정 가능)이 경과하면 소등된다. LED 객실등이소등된 상태에서 인체 감지 센서로부터 감지 신호가 포착되면 배터리 전원으로LED 객실등이 일정 시간동안 점등되도록 기능이 구현되어있다. 아래 그림 89는 기능 시험을 위한 시험 환경을 보인 것이다.그림 89 기능시험 환경 구성구성품들간 전원선을 연결한 후 전원장치의 스위치를 ON 시키면(그림 90)LED 객실등이 점등된다.(그림 91)- 77 -그림 91 전원장치의 전원 공급 상태전원장치의 공급 전원은 DC100V과 0.44A로서 44W임을 알 수 있다. 이 상태에서 배터리를 제어보드로부터 그림 92와 같이 분리하게 되면, LED 객실등의점등 상태가 유지되고 있으며 전원 장치의 전류값은 0.28A임을 확인할 수 있다.이를 통해 LED 객실등의 소비 전력은 28W이고, 배터리는 16W 전원으로 충전되고 있음을 알 수 있다.그림 92 배터리를 분리하였을 때의 공급 전원배터리를 다시 연결한 후 전원장치의 스위치를 OFF하여 전원공급을 차단하면제어보드는 이를 감지하여 배터리 전원으로 LED 객실등을 점등하게 된다. (그림 93)그림 93 배터리를 다시 연결후의 전원공급- 78 -배터리에 의해 점등된 LED 객실등은 일정 시간이 경과한 후 소등되며, 이 상태에서 인체감지 센서를 동작시키면 제어보드는 배터리 전원을 통해 일정 시간동안 LED 객실등을 점등하게 된다. 그림 94는 동작 과정을 보인 것이다.그림 94 인체감지 센서에 의한 LED 객실등 점등(3) 배터리 충방전 확인 시험비상 조명등 시스템에서는 DC12V 6Ah 용량의 리튬인산철 배터리를 사용하여구성하였다. 철도차량으로부터 공급되는 주전원이 차단되면 28W급 LED 객실등을 일정 시간 점등하기 위해서 사용되는 배터리의 특성을 확인하기 위해서 그림 95와 같이 기록계와 멀티메타를 사용하여 시험하였다. 기록계는 배터리와 병렬로 연결하여 충방전에 따른 전압 변화를 기록하고, 멀티메타는 제어보드와 배터리를 연결하는 + 전원선에 직렬로 연결하여 전류 변화를 측정하였다.그림 95 배터리 충방전 시험 환경배터리 충전은 2시간동안 실시하였다. 충전 초기 배터리 전압은 DC12.45V였고, 배터리 충전 전류는 1.26A였다. 전원장치에서 제어보드로 공급되는 전원은DC100V 0.58A이다. 2시간이 경과한 후 배터리 전압은 DC13.38V, 입력 전류는- 79 -0.416A, 전원장치 공급 전류는 0.39A임을 확인하였다.그림 96 배터리 충전 시험 데이터방전 시험은 제어보드에 연결된 LED 객실등을 배터리로 연속 점등하도록 구성하여 전압과 전류의 변화를 관찰하였다. 그림 97에 보인바와 같이 방전 시간은 1시간 10분이 소요되었고, 전압이 DC11.5V이하로 낮아졌을 때 전류가 차단됨을 통해 과방전 차단기능이 정상적으로 동작되고 있음을 확인할 수 있었다.그림 97 배터리 방전 시험 데이터배터리를 완전히 방전시킨 후 충전 소요시간과 만 충전 후 완전 방전될 때까지의 시간을 측정하기 위해 KONICS사 제품인 KRN-100을 사용하였다. 제어보드에서 배터리로 보내는 충전 전압은 DC15V, 전류는 1A이고, LED 객실등을 점등하기 위해 배터리에서 출력하는 방전 전류는 약 2A이다. 충방전 특성 시험은- 80 -배터리의 전압 변동을 1초 단위로 기록하였다. 사용된 KRN-100은 전압 측정 범위가 10V 이하로 제한되어 있기 때문에 배터리 전압인 DC12V ± α를 기록하기위해서는 저항을 통해 전압 분배하여 중간 값을 기록하도록 조정하였다.그림 98은 충방전 시험을 위해 기록계(KRN-100), 배터리, 제어보드, LED 객실등을 연결한 모습을 보이고 있다.그림 98 배터리 충방전 시험환경 모습그림 99 배터리 전압 측정을 위해 저항을 통해 전압 분배한 모습- 81 -완충전 상태에서 LED 객실등을 점등한 배터리 방전 특성은 그림 100과 같다.초기 배터리 전압은 DC13.57V였으며, 완전 방전은 DC11.5V에서 이루어졌다.방전 시간은 2시간이 소요되었다. 그림 101은 완전방전 상태의 기록계 LCD 표시를 보인 것이다. 전압은 channel 1에 표시되고 나머지 채널은 주변 온도를 나타낸 것이다.그림 100 배터리 방전 시험 데이터(KRN-100)(KRN-100)- 82 -배터리가완전히방전되었을때의전압표시(KRN-100)배터리가 완전히 방전된 상태에서 전원장치를 연결하여 충전 특성을 시험하였다. 배터리가 연결되기 전 전원장치는 DC100V 0.3A를 나타내었으며(그림102),배터리를 연결했을 때는 그림 103과 같이 전류가 0.63A로 상승하였다. 따라서충전 초기에 약 33W의 전원이 필요함을 알 수 있다. 이것은 순수하게 배터리로유입되는 전류는 외 충전회로에서 손실되는 전원을 포함하고 있다. 그림 104는완전 충전되었을 때의 전원장치 표시를 나타낸 것으로서 초기 배터리를 연결하기 전과 근접한 0.26A를 나타내고 있음을 볼 때 배터리로의 입력 전류가 없음을알 수 있다. 그림 105는 완전 충전 상태에서 기록계의 표시 상태를 보였다.그림 102 배터리를 연결하기 전의 전원장치 표시그림 103 배터리를 연결했을 때의 전원장치 표시- 83 -그림 104 배터리가 완충전 되었을 때의 전원장치 표시그림 105 배터리가 완충전 되었을 때의 기록계 표시그림 106은 배터리가 충전되고 있을 때의 전압 변화를 1초 간격으로 기록한것이다. 완전 방전된 상태에서 약 15V 1A 전원을 배터리에 인가했을 때 완충전까지 약 4시간이 소요되었다.그림 106 배터리가 완충전 될 때까지의 기록계 표시- 84 -배터리 충방전 시험을 통해 특성을 확인할 수 있었다. 철도차량에 설치 운용중인 28W급 LED 객실등을 점등하기 위해서는 약 2A의 전류가 배터리로부터 출력되어야 하고, 이 경우 배터리는 2시간 후에 방전되었다. 또한 완전 방전 상태에서 1A 전원으로 완충전하기 위해서는 방전 시산의 2배인 4시간이 소요되었다. 충전 전류를 방전전류와 동일한 2A로 맞추면 충전시간이 단축될 수 있지만철도차량에서 공급되는 주전원에 부하를 가중 시킬 수 있기 때문에 추후 장시간시험을 통한 데이터 분석과 운영환경 분석을 통해 적절한 시간 조정이 필요하다.(4) 내구성 시험 a. 시험 환경 구성비상 조명 시스템은 정상 상태에서는 기존 등구류와 동일하게 동작되지만, 철도차량에서의 비상 상황 발생으로 인해 주전원이 차단되었을 때 자체 전원으로점등되게 함으로써 승객의 안전을 보호 할 목적의 시스템이다. 따라서 차량에설치 운영되었을 때 일정 수준 이상의 충전 상태가 유지되도록 관리하는 것이필요하다. 철도차량이 운행 중일 때는 충전이 이루어지지만, 차량의 전원이 꺼져있는 동안에는 매우 극소량이긴 하지만 자체 프로세서 및 센서 구동을 위한 전류가 소모되고, 인체 감지 센서에 의한 신호가 감지되었을 때는 배터리로 일정시간 동안 객실등을 동작 시켜야하기 때문에 이에 대한 특성 분석이 필요하다.본 시험을 위해 제작된 Jig를 이용하여 장시간 운영 시험 환경을 구성하였다.JIg는 운영자에 의해 미리 설정된 시간동안 DC100V 전원을 ON/OFF 할 수 있도록 구성되어 있으며, 다른 전원이 필요할 시 후면에 위치한 외부 전원 입력 단자에 필요 전원을 연결하여 사용할 수 있다. 아래 그림 107은 DC100V 전압을30분 동안 공급(ON Timer의 녹색 숫자 표시 값)하고, 15분 동안(OFF Timer의녹색 숫자 표시 값)차단되도록 설정하였고, 이러한 ON/OFF 동작을 30회(COUNTER의 녹색 표시 값) 반복하도록 설정하였음을 보인 것이다. 시험 대상인 비상조명등은 CH5에 연결되었음을 해당 LED 램프가 점등됨을 보고 알 수있으며, Start 스위치가 점등되었음을 통해 동작 중임을 알 수 있다. 제어보드에서 소요되는 전류는 490mA이며, LCD 화면을 통해 동작 상태가 표시되고 있다.- 85 -그림 107 장시간 충방전 시험용 Jig시험 Jig에서 전원이 공급되어 연결된 비상조명 시스템이 점등되고 있는 상태를 그림 108에 보였다.그림 108 Jig에 연결된 비상조명시스템 점등 상태그림 109는 배터리시험 Jig로부터 전원이 인가된 후 29분 28초가 경과한 후의상태를 보인 것이다. 반복된 횟수는 15회이고, 전류는 270mA를 표시하고 있다.배터리의 반복되는 충방전 동작을 수행하면서 방전량이 시간 내에 완 충전에 도달하고 있음을 보인 것이다.- 86 -그림 109 Jig에 연결된 비상조명시스템이 완충전된 상태b. 충방전 시험 그림 110은 16번째 반복되는 동작을 보인 것으로서 배터리가 15분 동안 방전된 후 시험 Jig를 통해 ON 상태가 되면 약 480mA의 전류가 공급되고, 배터리로주입되는 전류는 약 1.49A이다.그림 110 Jig에 연결된 비상조명시스템의 초기 충전 상태(2분7초경과)배터리로 주입되는 전류량은 점차 줄여들어 1A 수준으로 낮아진다. 그림 111은 멀티메터로 주입되는 전류를 측정한 것으로서 “-” 표시는 배터리로 충전 전- 87 -류가 주입되는 방향을 나타내고 있다. 방전 시에는 배터리에서 출력되기 때문에“-” 표기가 없게 나타낸다.그림 111 충전이 이루어지면서 배터리로의 주입 전류가 줄어드는 상태충전 상태가 20분 경과하면 그림 112에 보인바와 같이 배터리로의 전류는 약810mA로 줄어들고, Jig 전류 또한 430mA를 나타내게 된다.그림 112 충전이 20분 경과 후의 상태- 88 -그 후 24분이 경과되면 그림 113과 같이 배터리는 완충전 상태가 되어 배터리로의 유입전류가 없게 되고, Jig 출력 전류는 배터리를 연결하기 전의 상태인270mA를 나타내게 된다.그림 113 24분경과 후 완충전 상태시험 Jig에서 배터리로 공급되는 전원은 설정시간(ON Timer)이 경과하면 차단되어 배터리 방전이 이루어진다. 그림 114는 방전 상태를 나타낸 것으로서 Jig의 전압(DVM)과 전류(DAM) 표시 값이 “0”을 나타내고 ON Timer의 적색 숫자 또한 "0"으로 나타나 있다. 그러나 OFF Timer의 적색 숫자는 증가하고 있음을 알 수 있다. 방전이 시작된 후 7초가 지났을 때 배터리 출력 전류 값은1.313A이다.그림 114 배터리 방전 상태(7초경과)- 89 -시간이 경과함에 따라 배터리 출력 전류는 점점 증가하게 되는데 이것은 배터리 자체 전압이 낮아짐에 따른 것이다. 그림 115부터 그림 124까지는 시간 경과에 따른 전류 변화를 보인 것이다.그림 115 배터리 방전 상태(12초경과)그림 116 배터리 방전 상태(19초경과)그림 117 배터리 방전 상태(33초경과)- 90 -그림 118 배터리 방전 상태(48초경과)그림 119 배터리 방전 상태(52초경과)그림 120 배터리 방전 상태(1분33초경과)- 91 -그림 121 배터리 방전 상태(2분2초경과)그림 122 배터리 방전 상태(3분1초경과)그림 123 배터리 방전 상태(5분1초경과)- 92 -그림 124 배터리 방전 상태(10분2초경과)시험 Jig를 이용한 충방전 시험은 ON Time 30분, OFF Time 15분으로 30회반복하여 총 22시간 50분간 수행하였다. LCD 모니터를 통해 각 채널별 전원상태를 표시하고 있으며, 축적된 데이터는 USB를 통해 읽을 수 있다. 그림 125는 LCD 표시를 나타내고, 그림 126은 축적된 데이터를 그래프로 표시한 것이다.그림 125 각 채널별 전원 공급 상태 표시그림 126 충방전 사이클 그래프- 93 -나. 개발품의 환경내성 시험(1) 환경내성 시험 환경 구성 비상 조명 시스템은 철도 차량으로부터 공급되는 주전원이 차단되는 비상상황에서는 배터리전원을 이용하여 LED 객실등을 점등하게 된다. 다양한 철도차량운행 환경에서 비상 조명 시스템의 정상 동작을 확인하기 위해서 온도 변화에따른 동작 특성 시험을 수행하였다.시험 환경은 온도시험용 챔버와 전압 변화를 측정하기 위한 오실로스코프, 외부 온도기록계로 구성하고, 시험 시료를 챔버내에 설치한 후 영하 10도부터 영하 20도까지 온도 변화를 주어 배터리의 방전특성을 시험하였다. 그림 127은 시험환경을 보인 것이다.그림 127 온도 특성시험을 위한 시험 환경시험 시료를 그림 128과 같이 챔버 안에 배열한 후 배터리를 컨버터에 연결하지 않은 상태에서 온도를 영하 10도 이하로 낮추고 30분 동안 기다린다.- 94 -그림 128 챔버 내에 시험용 시료를 설치한 모습배터리가 DC14.45V로 완충전된 상태임을 그림 129 a와 같이 확인한 후 챔버온도가 영하 10도 이하가 될 때까지 기다린다.(그림 129 b)a. 배터리 전압 b. 챔버 온도(-10.4 ℃)그림 129 배터리 전압과 챔버 온도 확인온도가 영하 10도 이하가 되었음을 확인한 후 그림 130과 같이 배터리의 전원을 연결하여 LED 객실등을 점등 시킨다. LED 객실등은 28W급으로서 컨버터의효율을 적용할 때 약 22W의 전원이 필요하다. 따라서 배터리 충방전 시험을 통해 측정 하였듯이 배터리 전압이 DC 12V까지 낮아졌을 때 약 2A 전류를 출력해야 한다. 배터리의 전압은 12V 이하가 되었을 때 급격히 방전됨을 고려하여본 시험 또한 DC12V까지 방전되는 시간을 기준으로 시험을 수행하게 된다. 챔버의 온도조절을 통해 시험온도를 영하 10도로부터 영하 16도 까지 변화를 주어온도에 따른 충격 효과를 높여서 전압의 방전특성을 시험하였다. 그림 131은 챔버 내 여러 온도 값들을 보인 것이고, 그림 132는 배터리 전압을 나타낸 것이다.- 95 -그림 130 배터리 전원을 연결한 모습그림 131 챔버 내부 온도 변화 (-13.8 ℃ ～ -16 ℃)그림 132 배터리 방전 전압 변화- 96 -(2) 시험 데이터 배터리 방전 전압의 시간에 따른 변화는 기록계로 저장하였다. 기록계의 전압측정 범위가 DC10V이내이므로 저항을 사용하여 전압을 1/2로 낮추어 측정하였다.그림 133 배터리 방전 전압 측정값 저장용기록계그림 134 배터리 방전 전압 특성 곡선- 97 -그림 135는 기록계에 저장된 배터리 방전 전압 특성 곡선을 보인 것이다. 초기에 DC14.45V로 완충전된 배터리는 LED 객실등을 연결하게 되면 DC 13.25V로급격히 낮아짐을 보였다. 상온에서 배터리 전압이 12V 이하일 때 급격히 방전속도가 빨라지는 특성을 고려하여 저온 시험에서도 12V로 제한하여 방전시간을측정하였다. 그림과 같이 방전 시간은 1시간이 소요되었음을 알 수 있다. 그림193은 상온에서 배터리 방전 특성을 나타내는 것으로서 배터리를 연결한 시간(17:30)부터 12V까지 낮아진 시간(19:50)까지 2시간 20분이 소요되고 있다. 따라서 이와 비교했을 때 저온에서는 배터리 성능이 1/2로 줄어들고 있음을 알 수있다.그림 135 상온에서의 배터리 방전 전압 특성 곡선- 98 -다. 현차 시험 준비본 과제의 3차년도에 수행 예정인 현차시험을 수행하기 위해, 운용사인 부산교통공사 관계자들과의 자문회의를 2015년 10월 16일 부산교통공사 회의실에서실시하였으며, LED 등이 설치된 부산 3호선 1호 차량에 대해 현장 확인 작업을수행하였다.- 99 -비상조명 시스템의 성능 및 기능이 비상상태에서 정확히 동작하기 위해서는신뢰성 있는 제품으로 설계하고 제작되어야하며, 신뢰성을 확인하는 방법 중 하나가 현차시험이다. 따라서 현차시험을 시행하기 위해서는 제품 설치로 인해 차량 운행에 영향을 미치지 않도록 제작된 시료의 제반 특성 시험 수행을 통한 기술적 요건을 확보 하고, 운용기관과의 제품 설치 및 시험, 점검에 대한 세부 사항들의 협의를 진행한다.현차시험 준비 및 일정은 다음과 같이 협의하였다.* 시험 시료 제작 및 사전 점검 : 2016년 2월 1일 ~ 3월 31일* 공인 인증 시험 및 전문기관 입회 시험 : 2016년 4월 1일 ~ 4월30일* 운용기관 협의 및 행정 절차 : 2016년 5월 1일 5월 31일* 현차 시험 : 2016년 6월 1일 ~ 12월 31일기술요건 확보를 위한 시험은 전자파 시험과 진동 시험, 온도 시험 등 기존 철도차량 객실등 시험 항목을 적용하고, 외부 공인기관 시험 성적서외 전문기관입회 시험으로 수행한다. 관련 시험 항목과 일정 및 시험 방안에 대한 것은 아래표와 같다.시험 항목 시험 기준 일 정 수행 방법전자파 시험 IEC 61000 '16.4.4 ~ 4.15 외부공인인증기관진동 시험 KS R 9144 '16.4.4 ~ 4.15 외부공인인증기관입력전압 급변동 DC70V ~ DC140V '16.4.18 ~ 4.29소비전력 추후 결정 '16.4.18 ~ 4.29절연저항 KS C 0704 '16.4.18 ~ 4.29내구성 시험 KS C 7653 '16.4.18 ~ 4.29내전압 시험 KS C 0704 '16.4.18 ~ 4.29한국철도기술연구원저온 : -40℃/16시간 '16.4.18 ~ 4.29입회시험고온 : 85℃/16시간 '16.4.18 ~ 4.29온도시험고온다습 :50℃/90% '16.4.18 ~ 4.29cycle : 48시간 '16.4.18 ~ 4.29조도 시험 KS R 9159 '16.4.18 ~ 4.29동작 시험 추후 결정 '16.4.18 ~ 4.29- 100 -

4. 성능 검증 및 시험

4. 성능 검증 및 시험가. 성능 검증(1) 시험 환경 구성 제어보드의 기능은 전압 강하, 전원선택, 배터리 충전, 인체감지 센서 동작 등의 기능을 수행하게 되며, 이들 기능 수행 보드를 제작하여 동작 상태를 점검하고 성능을 시험하였다. 시험 환경은 전원장치와 전자 로더기, 온도 측정기,Oscilloscope, multimeter 등으로 구성되며, 내구성 시험을 위한 전용 환경을 구성하였다.(a) DC Power supply(b) 디지털 전자 로더기 (c) Oscilloscope- 68 -(d) Digital Multimeter (e) 내구성 시험 장치그림 72 비상조명 시스템 시험 환경 구성비상조명시스템의 회로 기능과 내구성 시험을 시험하기 위해서 통합제어회로와 배터리구동회로를 제작하였다. 통합제어회로는 철도차량 객실 비상조명 시스템에 공급되는 전원을 감시하고, 관리하며, 장시간 동작 시 상태 정보를 축적하는 기능을 수행한다. 프로세서부, 사용자 접속부, 상태정보 표시부로 구성되며,기능 수행을 위한 프로그램은 프로세서에 탑재된다.그림 73 통합제어회로 기능 구성도사용자 접속부는 철도차량 객실 비상조명 시스템에 전원을 공급 (Turn ON)하고, 차단 (Turn Off)하는 시간을 설정하는 Timer setting 기능과 반복되는 횟수를 설정하는 Counter Setting 기능으로 구성되며, 설정된 조건에 도달여부를감시하는 기능이 수행된다. 시간 및 카운터 정보는 디지털 숫자로 표시되고, 동작 상태를 나타내는 LED 및 기능선택 및 입력 버튼으로 구성한다.- 69 -그림 74 사용자 접속부 기능 구성도아래 그림 75는 사용자접속부의 실제 구현을 보인 것이다.그림 75 사용자 접속부 제작도전원을 공급하는 시간을 설정하는 ON Timer는 00h00m00s로 설정되어 있어서 최대로 시험전원을 공급할 수 있는 시간은 99hour59minute59second 이다. 타이머 하단의 “⪡”를 눌러 제일 오른쪽 녹색숫자 “0”이 깜박 거리는데 초(second)를 의미한다. 한번 누를 때마다 녹색 왼쪽 숫자로 이동을 하게 되며 이는 초(second) 분(minute) 시(hour)로 차례로 설정할 수 있는 자릿수 이동을 의미한다. 이때“⩓”버튼은 숫자“0”에서 올림수로“1,2,3,,,,,9,0”으로반복되며“⩔”버튼은숫자“0”에서 내림수로“9,8,7,,,,,1,0'을 반복하게 된다. 이때 원하는 설정값을 설정한 후 "MD"를 눌러 설정을 마친다.“ RST"버튼은 현재 계수값의 초기화 및 출력복귀를 의미한다. OFF Timer는 비상조명 시스템에 공급되는 전원을 차단하여 배터리 전원으로의 전환을 시험하기 위한 차단 시간을 설정기능을 수행하며,동작은 ON Timer와 동일하다. Counter는 전원의 입력된 후 차단되는 반복적기능수행 횟수를 기록하도록 설계되어 있다. 전원을 공급하고 또 공급을 안하는시간을 한주기로 하여 ON/OFF Timer 가 1회씩 끝나면 이를 1회, 즉 1카운트를- 70 -한다. 시험을 수행하기 위한 총 횟수를 설정하고 설정된 횟수를 카운트하여 설정된 계수만큼 끝나면 이를 마무리한다. 즉, OFF Timer가 끝남과 동시에 1회카운트를 하여 데이터를 전송한다. 카운터는 999999회 까지 계수할 수 있다. 설정이 되어 있어 최대로 시험을 하는 횟수는 999999회가 된다. 설정방법은 카운터 하단의“⪡”를 눌러 제일 오른쪽 녹색숫자 “0”이 깜박 거리는데 계수(count)를의미한다. 한번 누를 때마다 녹색 왼쪽 숫자로 이동을 하게 되며 이는 계수 자리로서 차례로 설정할 수 있는 자리 이동을 의미한다. 이때“⩓”버튼은 숫자“0”에서올림수로“1,2,3,,,,,9,0”으로 반복되며“⩔”버튼은 숫자“0”에서 내림수로“9,8,7,,,,,1,0'을 반복하게 된다. 이때 원하는 설정값을 설정한 후 "MD"를 눌러 설정을 마친다. “RST"버튼은 현재 계수값의 초기화 및 출력복귀를 의미한다. 프로세서부는사용자 접속부를 통해 설정된 동작 조건에 따라 전원을 제어하고, 동작 상태를가시적으로 표시하며, 축적된 정보를 기록계를 통해 표출하는 기능이 수행된다.입출력 접속 포트가 있고, CPU 내부 메모리에 프로그램이 탑재된다. 그림 76은기능 블록과 프로그램 flowchart를 보인 것이고 그림 77은 실제 제작된 모습이다.그림 76 프로세서부 구성- 71 -그림 77 프로세서부 구현 모습상태표시부는 프로세서부에 의해 제어되는 동작 상태를 운영자가 알 수 있도록 표시하는 기능을 수행한다. 비상조명시스템에 전원 공급 여부를 LED로 표시하고, LCD Display에는 전원공급 여부, 반복 횟수, 상태 도시 그래프 등이 표시된다.그림 78은 이에 대한 기능 블록도이고, 그림 79는 실제 구현된 모습을 보인 것이다.그림 78 상태표시부 기능블록도- 72 -그림 79 상태표시부 구현 모습배터리 구동회로는 배터리 충방전 기능을 시험하기 위한 전원 ON/OFF 기능을 수행한다. 이들 기능 수행을 위해 상용 전원을 DC 전원으로 변환하는 컨버터기능과 비상조명등에 전원을 연결하기 위한 커넥터로 구성한다.그림 80 배터리 구동회로 기능 블록도전원부는 AC220V 상용 전원을 입력 받아 DC100V 전원으로 변환한다.- 73 -그림 81 전원부 회로 기능 블록도그림 82 전원부 구현 모습스위칭부는 DC 전원을 프로세서의 제어를 받아 ON/OFF하는 기능을 수행하며, 6개의 비상조명등을 연결할 수 있다. 그림 83은 기능 블록도이고, 그림 84는실제 구현 모습을 보인 것이다.그림 83 스위칭부 기능 블록도- 74 -그림 84 스위칭부 실제 구현 모습(2) 기능 확인 시험1차 제작된 샘플 보드(그림 85)를 통해 전압강하 기능 시험을 수행하였으며,객실등 LED 모듈에 공급되는 전원 시험 결과 트랜스포머와 인덕터의 최적 용량을 확인하였다.그림 85 1차 제작된 보드의 전압강하 기능 시험그림 86은 배터리 충전회로 시험을 보인 것으로서 주요부품인 LM2577 주변코일의 적정치를 결정하기 위해 온도와 파형을 측정하였으며, 18∅ 링코일을 적용하였을 때는 주변 온도가 80 ～ 90℃ 까지 상승하면서 트랜스의 출력단이 고온으로 인해 흔들림이 감지되었고, 30∅ 링코일을 사용하였을 때는 주변 온도가60 ～ 70 ℃ 로 낮아지고, 파형 또한 안정됨을 보였다.- 75 -그림 86 충전회로의 전원 확인 시험그림 87 트랜스포머 출력 파형 측정비상 조명등의 기능을 시험하기 위한 구성은 그림 88에 보였다.그림 88 기능시험을 위한 시험 구성도- 76 -전원장치는 DC100V 전원을 제어 보드에 제공하고, 제어 보드는 입력된 전원을 전압 강하하여 배터리 충전전원과 LED 객실등 전원을 공급한다. 전원장치로부터 전원이 차단되면 제어보드는 배터리 전원으로 LED 객실등을 점등한 후 일정 시간(약 4분, 사용자 선택 조정 가능)이 경과하면 소등된다. LED 객실등이소등된 상태에서 인체 감지 센서로부터 감지 신호가 포착되면 배터리 전원으로LED 객실등이 일정 시간동안 점등되도록 기능이 구현되어있다. 아래 그림 89는 기능 시험을 위한 시험 환경을 보인 것이다.그림 89 기능시험 환경 구성구성품들간 전원선을 연결한 후 전원장치의 스위치를 ON 시키면(그림 90)LED 객실등이 점등된다.(그림 91)- 77 -그림 91 전원장치의 전원 공급 상태전원장치의 공급 전원은 DC100V과 0.44A로서 44W임을 알 수 있다. 이 상태에서 배터리를 제어보드로부터 그림 92와 같이 분리하게 되면, LED 객실등의점등 상태가 유지되고 있으며 전원 장치의 전류값은 0.28A임을 확인할 수 있다.이를 통해 LED 객실등의 소비 전력은 28W이고, 배터리는 16W 전원으로 충전되고 있음을 알 수 있다.그림 92 배터리를 분리하였을 때의 공급 전원배터리를 다시 연결한 후 전원장치의 스위치를 OFF하여 전원공급을 차단하면제어보드는 이를 감지하여 배터리 전원으로 LED 객실등을 점등하게 된다. (그림 93)그림 93 배터리를 다시 연결후의 전원공급- 78 -배터리에 의해 점등된 LED 객실등은 일정 시간이 경과한 후 소등되며, 이 상태에서 인체감지 센서를 동작시키면 제어보드는 배터리 전원을 통해 일정 시간동안 LED 객실등을 점등하게 된다. 그림 94는 동작 과정을 보인 것이다.그림 94 인체감지 센서에 의한 LED 객실등 점등(3) 배터리 충방전 확인 시험비상 조명등 시스템에서는 DC12V 6Ah 용량의 리튬인산철 배터리를 사용하여구성하였다. 철도차량으로부터 공급되는 주전원이 차단되면 28W급 LED 객실등을 일정 시간 점등하기 위해서 사용되는 배터리의 특성을 확인하기 위해서 그림 95와 같이 기록계와 멀티메타를 사용하여 시험하였다. 기록계는 배터리와 병렬로 연결하여 충방전에 따른 전압 변화를 기록하고, 멀티메타는 제어보드와 배터리를 연결하는 + 전원선에 직렬로 연결하여 전류 변화를 측정하였다.그림 95 배터리 충방전 시험 환경배터리 충전은 2시간동안 실시하였다. 충전 초기 배터리 전압은 DC12.45V였고, 배터리 충전 전류는 1.26A였다. 전원장치에서 제어보드로 공급되는 전원은DC100V 0.58A이다. 2시간이 경과한 후 배터리 전압은 DC13.38V, 입력 전류는- 79 -0.416A, 전원장치 공급 전류는 0.39A임을 확인하였다.그림 96 배터리 충전 시험 데이터방전 시험은 제어보드에 연결된 LED 객실등을 배터리로 연속 점등하도록 구성하여 전압과 전류의 변화를 관찰하였다. 그림 97에 보인바와 같이 방전 시간은 1시간 10분이 소요되었고, 전압이 DC11.5V이하로 낮아졌을 때 전류가 차단됨을 통해 과방전 차단기능이 정상적으로 동작되고 있음을 확인할 수 있었다.그림 97 배터리 방전 시험 데이터배터리를 완전히 방전시킨 후 충전 소요시간과 만 충전 후 완전 방전될 때까지의 시간을 측정하기 위해 KONICS사 제품인 KRN-100을 사용하였다. 제어보드에서 배터리로 보내는 충전 전압은 DC15V, 전류는 1A이고, LED 객실등을 점등하기 위해 배터리에서 출력하는 방전 전류는 약 2A이다. 충방전 특성 시험은- 80 -배터리의 전압 변동을 1초 단위로 기록하였다. 사용된 KRN-100은 전압 측정 범위가 10V 이하로 제한되어 있기 때문에 배터리 전압인 DC12V ± α를 기록하기위해서는 저항을 통해 전압 분배하여 중간 값을 기록하도록 조정하였다.그림 98은 충방전 시험을 위해 기록계(KRN-100), 배터리, 제어보드, LED 객실등을 연결한 모습을 보이고 있다.그림 98 배터리 충방전 시험환경 모습그림 99 배터리 전압 측정을 위해 저항을 통해 전압 분배한 모습- 81 -완충전 상태에서 LED 객실등을 점등한 배터리 방전 특성은 그림 100과 같다.초기 배터리 전압은 DC13.57V였으며, 완전 방전은 DC11.5V에서 이루어졌다.방전 시간은 2시간이 소요되었다. 그림 101은 완전방전 상태의 기록계 LCD 표시를 보인 것이다. 전압은 channel 1에 표시되고 나머지 채널은 주변 온도를 나타낸 것이다.그림 100 배터리 방전 시험 데이터(KRN-100)(KRN-100)- 82 -배터리가완전히방전되었을때의전압표시(KRN-100)배터리가 완전히 방전된 상태에서 전원장치를 연결하여 충전 특성을 시험하였다. 배터리가 연결되기 전 전원장치는 DC100V 0.3A를 나타내었으며(그림102),배터리를 연결했을 때는 그림 103과 같이 전류가 0.63A로 상승하였다. 따라서충전 초기에 약 33W의 전원이 필요함을 알 수 있다. 이것은 순수하게 배터리로유입되는 전류는 외 충전회로에서 손실되는 전원을 포함하고 있다. 그림 104는완전 충전되었을 때의 전원장치 표시를 나타낸 것으로서 초기 배터리를 연결하기 전과 근접한 0.26A를 나타내고 있음을 볼 때 배터리로의 입력 전류가 없음을알 수 있다. 그림 105는 완전 충전 상태에서 기록계의 표시 상태를 보였다.그림 102 배터리를 연결하기 전의 전원장치 표시그림 103 배터리를 연결했을 때의 전원장치 표시- 83 -그림 104 배터리가 완충전 되었을 때의 전원장치 표시그림 105 배터리가 완충전 되었을 때의 기록계 표시그림 106은 배터리가 충전되고 있을 때의 전압 변화를 1초 간격으로 기록한것이다. 완전 방전된 상태에서 약 15V 1A 전원을 배터리에 인가했을 때 완충전까지 약 4시간이 소요되었다.그림 106 배터리가 완충전 될 때까지의 기록계 표시- 84 -배터리 충방전 시험을 통해 특성을 확인할 수 있었다. 철도차량에 설치 운용중인 28W급 LED 객실등을 점등하기 위해서는 약 2A의 전류가 배터리로부터 출력되어야 하고, 이 경우 배터리는 2시간 후에 방전되었다. 또한 완전 방전 상태에서 1A 전원으로 완충전하기 위해서는 방전 시산의 2배인 4시간이 소요되었다. 충전 전류를 방전전류와 동일한 2A로 맞추면 충전시간이 단축될 수 있지만철도차량에서 공급되는 주전원에 부하를 가중 시킬 수 있기 때문에 추후 장시간시험을 통한 데이터 분석과 운영환경 분석을 통해 적절한 시간 조정이 필요하다.(4) 내구성 시험 a. 시험 환경 구성비상 조명 시스템은 정상 상태에서는 기존 등구류와 동일하게 동작되지만, 철도차량에서의 비상 상황 발생으로 인해 주전원이 차단되었을 때 자체 전원으로점등되게 함으로써 승객의 안전을 보호 할 목적의 시스템이다. 따라서 차량에설치 운영되었을 때 일정 수준 이상의 충전 상태가 유지되도록 관리하는 것이필요하다. 철도차량이 운행 중일 때는 충전이 이루어지지만, 차량의 전원이 꺼져있는 동안에는 매우 극소량이긴 하지만 자체 프로세서 및 센서 구동을 위한 전류가 소모되고, 인체 감지 센서에 의한 신호가 감지되었을 때는 배터리로 일정시간 동안 객실등을 동작 시켜야하기 때문에 이에 대한 특성 분석이 필요하다.본 시험을 위해 제작된 Jig를 이용하여 장시간 운영 시험 환경을 구성하였다.JIg는 운영자에 의해 미리 설정된 시간동안 DC100V 전원을 ON/OFF 할 수 있도록 구성되어 있으며, 다른 전원이 필요할 시 후면에 위치한 외부 전원 입력 단자에 필요 전원을 연결하여 사용할 수 있다. 아래 그림 107은 DC100V 전압을30분 동안 공급(ON Timer의 녹색 숫자 표시 값)하고, 15분 동안(OFF Timer의녹색 숫자 표시 값)차단되도록 설정하였고, 이러한 ON/OFF 동작을 30회(COUNTER의 녹색 표시 값) 반복하도록 설정하였음을 보인 것이다. 시험 대상인 비상조명등은 CH5에 연결되었음을 해당 LED 램프가 점등됨을 보고 알 수있으며, Start 스위치가 점등되었음을 통해 동작 중임을 알 수 있다. 제어보드에서 소요되는 전류는 490mA이며, LCD 화면을 통해 동작 상태가 표시되고 있다.- 85 -그림 107 장시간 충방전 시험용 Jig시험 Jig에서 전원이 공급되어 연결된 비상조명 시스템이 점등되고 있는 상태를 그림 108에 보였다.그림 108 Jig에 연결된 비상조명시스템 점등 상태그림 109는 배터리시험 Jig로부터 전원이 인가된 후 29분 28초가 경과한 후의상태를 보인 것이다. 반복된 횟수는 15회이고, 전류는 270mA를 표시하고 있다.배터리의 반복되는 충방전 동작을 수행하면서 방전량이 시간 내에 완 충전에 도달하고 있음을 보인 것이다.- 86 -그림 109 Jig에 연결된 비상조명시스템이 완충전된 상태b. 충방전 시험 그림 110은 16번째 반복되는 동작을 보인 것으로서 배터리가 15분 동안 방전된 후 시험 Jig를 통해 ON 상태가 되면 약 480mA의 전류가 공급되고, 배터리로주입되는 전류는 약 1.49A이다.그림 110 Jig에 연결된 비상조명시스템의 초기 충전 상태(2분7초경과)배터리로 주입되는 전류량은 점차 줄여들어 1A 수준으로 낮아진다. 그림 111은 멀티메터로 주입되는 전류를 측정한 것으로서 “-” 표시는 배터리로 충전 전- 87 -류가 주입되는 방향을 나타내고 있다. 방전 시에는 배터리에서 출력되기 때문에“-” 표기가 없게 나타낸다.그림 111 충전이 이루어지면서 배터리로의 주입 전류가 줄어드는 상태충전 상태가 20분 경과하면 그림 112에 보인바와 같이 배터리로의 전류는 약810mA로 줄어들고, Jig 전류 또한 430mA를 나타내게 된다.그림 112 충전이 20분 경과 후의 상태- 88 -그 후 24분이 경과되면 그림 113과 같이 배터리는 완충전 상태가 되어 배터리로의 유입전류가 없게 되고, Jig 출력 전류는 배터리를 연결하기 전의 상태인270mA를 나타내게 된다.그림 113 24분경과 후 완충전 상태시험 Jig에서 배터리로 공급되는 전원은 설정시간(ON Timer)이 경과하면 차단되어 배터리 방전이 이루어진다. 그림 114는 방전 상태를 나타낸 것으로서 Jig의 전압(DVM)과 전류(DAM) 표시 값이 “0”을 나타내고 ON Timer의 적색 숫자 또한 "0"으로 나타나 있다. 그러나 OFF Timer의 적색 숫자는 증가하고 있음을 알 수 있다. 방전이 시작된 후 7초가 지났을 때 배터리 출력 전류 값은1.313A이다.그림 114 배터리 방전 상태(7초경과)- 89 -시간이 경과함에 따라 배터리 출력 전류는 점점 증가하게 되는데 이것은 배터리 자체 전압이 낮아짐에 따른 것이다. 그림 115부터 그림 124까지는 시간 경과에 따른 전류 변화를 보인 것이다.그림 115 배터리 방전 상태(12초경과)그림 116 배터리 방전 상태(19초경과)그림 117 배터리 방전 상태(33초경과)- 90 -그림 118 배터리 방전 상태(48초경과)그림 119 배터리 방전 상태(52초경과)그림 120 배터리 방전 상태(1분33초경과)- 91 -그림 121 배터리 방전 상태(2분2초경과)그림 122 배터리 방전 상태(3분1초경과)그림 123 배터리 방전 상태(5분1초경과)- 92 -그림 124 배터리 방전 상태(10분2초경과)시험 Jig를 이용한 충방전 시험은 ON Time 30분, OFF Time 15분으로 30회반복하여 총 22시간 50분간 수행하였다. LCD 모니터를 통해 각 채널별 전원상태를 표시하고 있으며, 축적된 데이터는 USB를 통해 읽을 수 있다. 그림 125는 LCD 표시를 나타내고, 그림 126은 축적된 데이터를 그래프로 표시한 것이다.그림 125 각 채널별 전원 공급 상태 표시그림 126 충방전 사이클 그래프- 93 -나. 개발품의 환경내성 시험(1) 환경내성 시험 환경 구성 비상 조명 시스템은 철도 차량으로부터 공급되는 주전원이 차단되는 비상상황에서는 배터리전원을 이용하여 LED 객실등을 점등하게 된다. 다양한 철도차량운행 환경에서 비상 조명 시스템의 정상 동작을 확인하기 위해서 온도 변화에따른 동작 특성 시험을 수행하였다.시험 환경은 온도시험용 챔버와 전압 변화를 측정하기 위한 오실로스코프, 외부 온도기록계로 구성하고, 시험 시료를 챔버내에 설치한 후 영하 10도부터 영하 20도까지 온도 변화를 주어 배터리의 방전특성을 시험하였다. 그림 127은 시험환경을 보인 것이다.그림 127 온도 특성시험을 위한 시험 환경시험 시료를 그림 128과 같이 챔버 안에 배열한 후 배터리를 컨버터에 연결하지 않은 상태에서 온도를 영하 10도 이하로 낮추고 30분 동안 기다린다.- 94 -그림 128 챔버 내에 시험용 시료를 설치한 모습배터리가 DC14.45V로 완충전된 상태임을 그림 129 a와 같이 확인한 후 챔버온도가 영하 10도 이하가 될 때까지 기다린다.(그림 129 b)a. 배터리 전압 b. 챔버 온도(-10.4 ℃)그림 129 배터리 전압과 챔버 온도 확인온도가 영하 10도 이하가 되었음을 확인한 후 그림 130과 같이 배터리의 전원을 연결하여 LED 객실등을 점등 시킨다. LED 객실등은 28W급으로서 컨버터의효율을 적용할 때 약 22W의 전원이 필요하다. 따라서 배터리 충방전 시험을 통해 측정 하였듯이 배터리 전압이 DC 12V까지 낮아졌을 때 약 2A 전류를 출력해야 한다. 배터리의 전압은 12V 이하가 되었을 때 급격히 방전됨을 고려하여본 시험 또한 DC12V까지 방전되는 시간을 기준으로 시험을 수행하게 된다. 챔버의 온도조절을 통해 시험온도를 영하 10도로부터 영하 16도 까지 변화를 주어온도에 따른 충격 효과를 높여서 전압의 방전특성을 시험하였다. 그림 131은 챔버 내 여러 온도 값들을 보인 것이고, 그림 132는 배터리 전압을 나타낸 것이다.- 95 -그림 130 배터리 전원을 연결한 모습그림 131 챔버 내부 온도 변화 (-13.8 ℃ ～ -16 ℃)그림 132 배터리 방전 전압 변화- 96 -(2) 시험 데이터 배터리 방전 전압의 시간에 따른 변화는 기록계로 저장하였다. 기록계의 전압측정 범위가 DC10V이내이므로 저항을 사용하여 전압을 1/2로 낮추어 측정하였다.그림 133 배터리 방전 전압 측정값 저장용기록계그림 134 배터리 방전 전압 특성 곡선- 97 -그림 135는 기록계에 저장된 배터리 방전 전압 특성 곡선을 보인 것이다. 초기에 DC14.45V로 완충전된 배터리는 LED 객실등을 연결하게 되면 DC 13.25V로급격히 낮아짐을 보였다. 상온에서 배터리 전압이 12V 이하일 때 급격히 방전속도가 빨라지는 특성을 고려하여 저온 시험에서도 12V로 제한하여 방전시간을측정하였다. 그림과 같이 방전 시간은 1시간이 소요되었음을 알 수 있다. 그림193은 상온에서 배터리 방전 특성을 나타내는 것으로서 배터리를 연결한 시간(17:30)부터 12V까지 낮아진 시간(19:50)까지 2시간 20분이 소요되고 있다. 따라서 이와 비교했을 때 저온에서는 배터리 성능이 1/2로 줄어들고 있음을 알 수있다.그림 135 상온에서의 배터리 방전 전압 특성 곡선- 98 -다. 현차 시험 준비본 과제의 3차년도에 수행 예정인 현차시험을 수행하기 위해, 운용사인 부산교통공사 관계자들과의 자문회의를 2015년 10월 16일 부산교통공사 회의실에서실시하였으며, LED 등이 설치된 부산 3호선 1호 차량에 대해 현장 확인 작업을수행하였다.- 99 -비상조명 시스템의 성능 및 기능이 비상상태에서 정확히 동작하기 위해서는신뢰성 있는 제품으로 설계하고 제작되어야하며, 신뢰성을 확인하는 방법 중 하나가 현차시험이다. 따라서 현차시험을 시행하기 위해서는 제품 설치로 인해 차량 운행에 영향을 미치지 않도록 제작된 시료의 제반 특성 시험 수행을 통한 기술적 요건을 확보 하고, 운용기관과의 제품 설치 및 시험, 점검에 대한 세부 사항들의 협의를 진행한다.현차시험 준비 및 일정은 다음과 같이 협의하였다.* 시험 시료 제작 및 사전 점검 : 2016년 2월 1일 ~ 3월 31일* 공인 인증 시험 및 전문기관 입회 시험 : 2016년 4월 1일 ~ 4월30일* 운용기관 협의 및 행정 절차 : 2016년 5월 1일 5월 31일* 현차 시험 : 2016년 6월 1일 ~ 12월 31일기술요건 확보를 위한 시험은 전자파 시험과 진동 시험, 온도 시험 등 기존 철도차량 객실등 시험 항목을 적용하고, 외부 공인기관 시험 성적서외 전문기관입회 시험으로 수행한다. 관련 시험 항목과 일정 및 시험 방안에 대한 것은 아래표와 같다.시험 항목 시험 기준 일 정 수행 방법전자파 시험 IEC 61000 '16.4.4 ~ 4.15 외부공인인증기관진동 시험 KS R 9144 '16.4.4 ~ 4.15 외부공인인증기관입력전압 급변동 DC70V ~ DC140V '16.4.18 ~ 4.29소비전력 추후 결정 '16.4.18 ~ 4.29절연저항 KS C 0704 '16.4.18 ~ 4.29내구성 시험 KS C 7653 '16.4.18 ~ 4.29내전압 시험 KS C 0704 '16.4.18 ~ 4.29한국철도기술연구원저온 : -40℃/16시간 '16.4.18 ~ 4.29입회시험고온 : 85℃/16시간 '16.4.18 ~ 4.29온도시험고온다습 :50℃/90% '16.4.18 ~ 4.29cycle : 48시간 '16.4.18 ~ 4.29조도 시험 KS R 9159 '16.4.18 ~ 4.29동작 시험 추후 결정 '16.4.18 ~ 4.29- 100 -

5. 실용화 및 홍보
5. 실용화 및 홍보 가. 개발품 대외 홍보(1) 실용화 추진 및 홍보본 과제 결과물에 대한 조기 실용화를 이루기 위해 2회에 걸쳐 국내 철도제품 전시회에 출품하여 철도 관계자를 대상으로 홍보 활동을 하였다.* 제7회 부산 국제철도 및 물류산업전 참가(2015.6.10 ~ 6.13, 부산 BEXCO)- 101 -* 2015 국토교통 기술 대전 참가(2015.6.24 ~ 26, 서울 COEX, 국토부 주관)< 비상 조명 시스템 전시회 모습 >- 102 -* 한국도시철도학회 2015 추계학술대회 참가(2015.7.16 ~ 18, 부산교통공사 BTC 아카데미)(2) 실용화 후 국내 영업 계획비상 조명 시스템은 기존 철도차량 비상등을 대체할 수 있을 뿐 아니라 객실등에 적용할 수 있도록 설계되어 있다. 주요 시장은 신규 제작 차량과 개조 차량이 될 것이며, 국방, 해양 분야와 특수 목적 시설의 비상 조명 장치로 판매가 가능하다. 해외의 경우 철도차량의 비상 조명 시스템 요구 조건이 다양하여 수출에 따른 매출이 가능할 것으로 예상된다. 연도별 예상 판매계획은 아래 표와 같다.[ 연도별 예상 판매 계획 ](단위: 백만원) 구분 2017 2018 2019 2020 2021 합계국내 20 200 500 1,000 1,500 3,220 해외 1,000 2,000 2,000 5,000 - 103 - 나. 지적재산권 확보[ 특허출원 ] * 특허명 : 열차의 비상조명시스템 * 출원일자 : 2015년 12월 1일 * 출원번호 : 10-2015-0169914 * 발명자 : 온정근, 정성현, 김지언 * 출원자 : KRRI(50%), JKA(50%)- 104 -[ 특허출원 ] * 특허명 : 철도차량 높이 제어장치 * 출원일자 : 2015년 06월 15일 * 출원번호 : 10-2015-0083886 * 발명자 : 온정근, 정종덕 * 출원자 : KRRI(100%)- 105 -

5. 실용화 및 홍보

5. 실용화 및 홍보 가. 개발품 대외 홍보(1) 실용화 추진 및 홍보본 과제 결과물에 대한 조기 실용화를 이루기 위해 2회에 걸쳐 국내 철도제품 전시회에 출품하여 철도 관계자를 대상으로 홍보 활동을 하였다.* 제7회 부산 국제철도 및 물류산업전 참가(2015.6.10 ~ 6.13, 부산 BEXCO)- 101 -* 2015 국토교통 기술 대전 참가(2015.6.24 ~ 26, 서울 COEX, 국토부 주관)< 비상 조명 시스템 전시회 모습 >- 102 -* 한국도시철도학회 2015 추계학술대회 참가(2015.7.16 ~ 18, 부산교통공사 BTC 아카데미)(2) 실용화 후 국내 영업 계획비상 조명 시스템은 기존 철도차량 비상등을 대체할 수 있을 뿐 아니라 객실등에 적용할 수 있도록 설계되어 있다. 주요 시장은 신규 제작 차량과 개조 차량이 될 것이며, 국방, 해양 분야와 특수 목적 시설의 비상 조명 장치로 판매가 가능하다. 해외의 경우 철도차량의 비상 조명 시스템 요구 조건이 다양하여 수출에 따른 매출이 가능할 것으로 예상된다. 연도별 예상 판매계획은 아래 표와 같다.[ 연도별 예상 판매 계획 ](단위: 백만원) 구분 2017 2018 2019 2020 2021 합계국내 20 200 500 1,000 1,500 3,220 해외 1,000 2,000 2,000 5,000 - 103 - 나. 지적재산권 확보[ 특허출원 ] * 특허명 : 열차의 비상조명시스템 * 출원일자 : 2015년 12월 1일 * 출원번호 : 10-2015-0169914 * 발명자 : 온정근, 정성현, 김지언 * 출원자 : KRRI(50%), JKA(50%)- 104 -[ 특허출원 ] * 특허명 : 철도차량 높이 제어장치 * 출원일자 : 2015년 06월 15일 * 출원번호 : 10-2015-0083886 * 발명자 : 온정근, 정종덕 * 출원자 : KRRI(100%)- 105 -

6. 결 론
6. 결 론(1) 연구개발 결과LED 비상조명등 시스템은 기존 철도차량에 설치된 비상 조명등의 운영상 문제점을 보완할 수 있도록 고안된 비상 조명 시스템이다. 정상 상태에서는 기존비상 조명등과 동일하게 동작되지만, 화재 등으로 인해 축전지 전원선이나 통신선로에 문제가 발생되어 비상등 점등이 불가능하게 될 때 자체 축적된 전원을통해 점등시킴으로써 승객을 안전하게 대피 시킬 수 있도록 고안 된 비상 조명시스템이다.철도차량의 구조 및 특성을 만족하며 비상상태에서의 요구되는 조도 및 동작시간을 만족하는 비상용 LED조명등 시스템을 개발하여 상용화를 위한 시제품을 제작하여 검증하였다.본 연구개발은 3차년도 과제로 수행되고 있으며, 1차년도와 2차년도 연구개발이 완료되었다.1) 1차년도 ( 2014년 ) : 비상조명등 시스템 상용화 기술 연구- 철도차량 조명 시스템 구성 및 제어방식 조사- 비상 조명등 관련 규정 및 운영 사례 조사- 비상 조명등에 적합한 최적 배터리 검토- 비상 조명등 요구 규격 수립2) 2차년도 ( 2015년 ) : 시제품 제작 및 기능확인시험- 배터리 충방전 보호 기능 구현- 지능형 LED 구동 기능 개발- 철도차량 취부에 적합한 기구물 구조 설계 - 시제품 제작 및 기능 확인 시험연구개발 결과 2차 검증용 시제품을 제작하여 시험하였고, 특허 1편을 출원하였다. 전시회 출품(2회)을 통한 대외 홍보 활동을 수행하였다.- 106 -(2) 실용화 연구 n 철도차량용 비상조명등 상용화 추진 : - 기 사용 중인 비상 조명등의 교체 시 새로운 기능이 적용된 제품으로 대체하도록 제안 추진 - 신규 제작 차량에 적용될 수 있도록 상용화 추진.n 기타 분야 활용 : - 비행기, 선박용 비상등으로 적용 추진(3) 현차 시험 계획 n 비상조명등 시스템 공인인증 시험 수행 : - 공인기관의 시험 성적서를 확보하여 설치 조건 충족 - 온도환경시험, 진동충격 시험, 전자파 시험 등 n 시제품 보완 : - 설치 대상 철도차량 조건에 맞도록 수정 보완 : 크기, 전원 조건 등 - 운영 기관 간 긴밀한 협조 및 정보 제공(4) 총론 철도차량용 객실등 비상조명 시스템의 2차년도 연구개발 결과 관련 기술을 연구 분석하고, 시제품을 제작하여 시험한 결과 매우 안정적이고 실용화 가능한 결과를 얻었다. 안전에 대한 관심과 기대가 높아짐에 따라 적용 범위의 확대로 인한 매출 증대가 예상 되고, 해외 수출이 가능한 경쟁력을 갖출 수 있는 제품으로 상용화가 가능하다. 3차년에는 대외 공인인증 시험을 수행하여 신뢰를 확보하고, 현차시험과 전시회 참가 등 홍보 활동을 강화하여 실용화를 추진할 예정이다. - 107 -- 108 -

6. 결 론

6. 결 론(1) 연구개발 결과LED 비상조명등 시스템은 기존 철도차량에 설치된 비상 조명등의 운영상 문제점을 보완할 수 있도록 고안된 비상 조명 시스템이다. 정상 상태에서는 기존비상 조명등과 동일하게 동작되지만, 화재 등으로 인해 축전지 전원선이나 통신선로에 문제가 발생되어 비상등 점등이 불가능하게 될 때 자체 축적된 전원을통해 점등시킴으로써 승객을 안전하게 대피 시킬 수 있도록 고안 된 비상 조명시스템이다.철도차량의 구조 및 특성을 만족하며 비상상태에서의 요구되는 조도 및 동작시간을 만족하는 비상용 LED조명등 시스템을 개발하여 상용화를 위한 시제품을 제작하여 검증하였다.본 연구개발은 3차년도 과제로 수행되고 있으며, 1차년도와 2차년도 연구개발이 완료되었다.1) 1차년도 ( 2014년 ) : 비상조명등 시스템 상용화 기술 연구- 철도차량 조명 시스템 구성 및 제어방식 조사- 비상 조명등 관련 규정 및 운영 사례 조사- 비상 조명등에 적합한 최적 배터리 검토- 비상 조명등 요구 규격 수립2) 2차년도 ( 2015년 ) : 시제품 제작 및 기능확인시험- 배터리 충방전 보호 기능 구현- 지능형 LED 구동 기능 개발- 철도차량 취부에 적합한 기구물 구조 설계 - 시제품 제작 및 기능 확인 시험연구개발 결과 2차 검증용 시제품을 제작하여 시험하였고, 특허 1편을 출원하였다. 전시회 출품(2회)을 통한 대외 홍보 활동을 수행하였다.- 106 -(2) 실용화 연구 n 철도차량용 비상조명등 상용화 추진 : - 기 사용 중인 비상 조명등의 교체 시 새로운 기능이 적용된 제품으로 대체하도록 제안 추진 - 신규 제작 차량에 적용될 수 있도록 상용화 추진.n 기타 분야 활용 : - 비행기, 선박용 비상등으로 적용 추진(3) 현차 시험 계획 n 비상조명등 시스템 공인인증 시험 수행 : - 공인기관의 시험 성적서를 확보하여 설치 조건 충족 - 온도환경시험, 진동충격 시험, 전자파 시험 등 n 시제품 보완 : - 설치 대상 철도차량 조건에 맞도록 수정 보완 : 크기, 전원 조건 등 - 운영 기관 간 긴밀한 협조 및 정보 제공(4) 총론 철도차량용 객실등 비상조명 시스템의 2차년도 연구개발 결과 관련 기술을 연구 분석하고, 시제품을 제작하여 시험한 결과 매우 안정적이고 실용화 가능한 결과를 얻었다. 안전에 대한 관심과 기대가 높아짐에 따라 적용 범위의 확대로 인한 매출 증대가 예상 되고, 해외 수출이 가능한 경쟁력을 갖출 수 있는 제품으로 상용화가 가능하다. 3차년에는 대외 공인인증 시험을 수행하여 신뢰를 확보하고, 현차시험과 전시회 참가 등 홍보 활동을 강화하여 실용화를 추진할 예정이다. - 107 -- 108 -

참고문헌
참고문헌1. 한국철도기술연구원(최경진외 9),『철도차량 부품산업 육성 및 정책수립에 관한기초 연구』, 2013.72. 대용량 리튬이온 배터리 동향 및 전망, 산업연구원 성장동력산업연구센터 곽대종 연구위원 2013.33. 경찰청 교통신호기용 무정전전원장치 표준규격서, 경찰청, 2013.74. 보호회로의 역할 및 동작원리, Powerlogics사(국내)5. 배터리 성능진단 시스템, escopro (2006.3)6. 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스템다운 DC-DC 변환기, 석사학위논문, 2008.2,인하대 전자공학과7. DC-DC Converter의 효율개선, 최종혁, 정진용 , 20128. 고효율 및 저노이즈를 이용한 SMPS, 창원대, 제어 및 전력전자 센터9. LEV용 Battery의 산업 동향 : 이륜차 연구회 추계 워크샾, 201110. 하이브리드 전기자동차의 12V 보조 배터리 충전용 DC-DC 컨버터의 최적 설계, 전력전자학술논문 2004.7, 조진상외, 서울산업대학교- 109 -

참고문헌

참고문헌1. 한국철도기술연구원(최경진외 9),『철도차량 부품산업 육성 및 정책수립에 관한기초 연구』, 2013.72. 대용량 리튬이온 배터리 동향 및 전망, 산업연구원 성장동력산업연구센터 곽대종 연구위원 2013.33. 경찰청 교통신호기용 무정전전원장치 표준규격서, 경찰청, 2013.74. 보호회로의 역할 및 동작원리, Powerlogics사(국내)5. 배터리 성능진단 시스템, escopro (2006.3)6. 저 전력 버퍼를 이용한 고효율 스템다운 DC-DC 변환기, 석사학위논문, 2008.2,인하대 전자공학과7. DC-DC Converter의 효율개선, 최종혁, 정진용 , 20128. 고효율 및 저노이즈를 이용한 SMPS, 창원대, 제어 및 전력전자 센터9. LEV용 Battery의 산업 동향 : 이륜차 연구회 추계 워크샾, 201110. 하이브리드 전기자동차의 12V 보조 배터리 충전용 DC-DC 컨버터의 최적 설계, 전력전자학술논문 2004.7, 조진상외, 서울산업대학교- 109 -