KR101770125B1 - An automatic eletric system design method for the hybrid electric ship for zero emission zone and the system design method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제로 에미션 존을 운항하는 선박의 선박 내부의 전력 시스템 설계에 대한 것으로 하이브리드 전기 선박의 시스템 안정성을 향상시키고 효율을 높이기 위한 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 및 그 설계 방법에 대한 것으로서, (a) 상기 선박이 운항할 제로 에미션 조건에 따라 상기 배터리의 크기를 결정하는 단계; (b) 상기 배터리의 크기를 기준으로, 상기 전동기 구동 인버터의 제1 스위칭 회로, 및 상기 스위칭 회로에 제어신호를 출력하는 제1 드라이버 회로를 구성하는 단계; (c) 상기 스위칭 회로 및 상기 드라이버 회로를 적층 구조로 구성하여, 일체의 기판으로 구성하는 단계; (d) 상기 DC/DC 컨버터의 제2 스위칭 회로, 및 제2 드라이버 회로를 구성하되, 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제1 드라이버 회로와 동일하게 구성하는 단계; 및, (e) 상기 AC/DC 컨버터의 제3 스위칭 회로, 및 제3 드라이버 회로를 구성하되, 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제1 드라이버 회로와 동일하게 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a design of a power system in a ship of a ship operating a zero emission zone, and to an electrical system of a hybrid electric ship for improving the system stability and efficiency of a hybrid electric ship and a designing method thereof Determining a size of the battery according to a zero emission condition to be operated by the ship; (b) configuring a first switching circuit of the motor-driven inverter and a first driver circuit outputting a control signal to the switching circuit based on the size of the battery; (c) structuring the switching circuit and the driver circuit in a laminated structure to constitute a single substrate; (d) configuring a second switching circuit and a second driver circuit of the DC / DC converter, the same as the first switching circuit and the first driver circuit; And (e) a third switching circuit and a third driver circuit of the AC / DC converter, wherein the third switching circuit and the first driver circuit are configured in the same manner as the first switching circuit and the first driver circuit.

Description

연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 및 그 설계 방법 { An automatic eletric system design method for the hybrid electric ship for zero emission zone and the system design method thereof }[0001] The present invention relates to an electric system for a hybrid electric vehicle and a method of designing the hybrid electric ship for a zero emission zone,

본 발명은 선박이 제로 에미션 존에서 엔진을 사용하지 않고 전기 배터리만을 이용하여 모터를 구동해 제로 에미션 죤을 운항하는 중소형 하이브리드 전기선박의 전기적 시스템을 설계하는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 및 그 설계 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a hybrid system for operating a zero-emission-zero emission zone in which a ship designs an electrical system of a small-sized hybrid electric-powered ship operating a zero-emission zone by driving a motor using only an electric battery without using an engine in a zero- To an electrical system of an electric ship and a design method thereof.

현재 전 세계적으로 대기 오염에 의한 온난화가 급속히 진행됨에 따라, 온난화를 개선하고자 다양한 대응 방안들이 만들어지고 있다. 특히, 바다에서 운항하는 선박에 대해서도 대기 오염을 일으키는 이산화탄소 발생을 억제하고자 하는 대응 방안들이 규제화되고 있다. As global warming by air pollution progresses rapidly, various countermeasures are being made to improve warming. In particular, countermeasures to control the generation of carbon dioxide, which causes air pollution, are being regulated in ships operating in the sea.

상기와 같은 대응 방안들 중 하나로서, 바다의 일정한 연근해에서 운항하는 선박은 디젤 발전기를 사용하지 못하도록 규제화 하고 있으며, 이와 같이 규제되는 연근해 지역을 제로 에미션 존이라고 한다. 도 1은 연근해에 설정된 제로 에미션 존을 나타내고 있다.As one of the above countermeasures, vessels operating in certain offshore seas are prohibited from using diesel generators, and the regulated coastal zone is called the zero emission zone. 1 shows a zero emission zone set in the offshore sea.

하이브리드 전기 선박은 석유 등 화석 원료외에 전기를 사용하여 운항할 수 있도록 제조한 선박이다. 하이브리드 전기선박은 제로 에미션 존 내의 항구에서 외부의 전기공급 장치인 충전기에 의해서 충전되나, 제로 에미션 존 밖에서는 선박 내부의 전기 발전기에 의해 발생된 전력을 사용하여 배터리를 충전한다.Hybrid electric ship is a ship manufactured to be able to operate using electricity besides fossil raw materials such as petroleum. The hybrid electric vessel is charged by a charger, which is an external electric supply device, at the port in the zero emission zone, but charges the battery using power generated by the electric generator inside the vessel outside the zero emission zone.

한편, 충전이 이루어진 선박은 충전된 장소로부터 목적지로 이동하기 위하여 제로 에미션 존을 지나며, 제로 에미션 존을 지나는 동안 디젤 엔진을 사용할 수 없다.On the other hand, the charged vessel passes through the zero emission zone to move from the charged place to the destination and can not use the diesel engine while passing through the zero emission zone.

따라서 하이브리드 전기 선박은 항상 제로 에미션 지역에서 엔진을 사용하지 않은 채 운항을 해야하는 구조로 설계되어야 한다. 또한, 제로 에미션을 충분하게 통과하기 위하여, 선박 모터의 정격 기준에 충분한 용량의 배터리를 반드시 장착해야 한다.Therefore, a hybrid electric ship should always be designed to operate in a zero-emission area without using an engine. In addition, in order to sufficiently pass the zero emission, a battery of sufficient capacity must be mounted on the rated reference of the ship motor.

기존의 선박들은 제로 에미션 죤에 대한 개념을 포함함이 없이 배터리의 선택을 수행하였다[특허문헌 1,2]. 그러나 제로 에미션 죤의 상태에 따라 배터리의 크기를 달리할 필요성이 있다. 예를 들어, 제로 에미션 죤의 운항 거리도 짧고 운항 환경도 좋은 상태일 때, 용량이 큰 배터리를 장착하면 충전시간도 필요 이상 길어지고, 배터리의 효율도 낮아진다. 또한, 반대로, 제로 에미션 죤의 운항 거리가 길거나 운항 환경도 나쁜 상황일 때, 용량이 적은 배터리를 장착하면 제대로 제로 에미션 죤을 통과하지 못할 수 있다.Conventional ships performed selection of batteries without including the concept of zero emission zone [Patent Literatures 1 and 2]. However, there is a need to vary the size of the battery according to the state of the zero emission zone. For example, when the operating distance of the zero emission zone is short and the operating environment is good, charging of the battery with a large capacity becomes longer than necessary and the efficiency of the battery is lowered. On the contrary, when the operating distance of the zero emission zone is long or the operating environment is bad, if the battery having a small capacity is installed, it may not pass the zero emission zone properly.

따라서 중,소형 선박의 배터리의 크기를 각 지역에 존재하는 제로 에미션을 기준으로, 가변 크기로 선택하는 기술이 필요하다.
Therefore, there is a need for a technique for selecting the size of a battery of small and medium sized vessels as a variable size based on the zero emission existing in each region.

[특허문헌 1] 한국공개특허 제10-2013-0060801호(2013.06.10.공개)[Patent Document 1] Korean Patent Laid-Open No. 10-2013-0060801 (published on June 10, 2013) [특허문헌 2] 한국공개특허 제10-2013-0141766호(2013.12.27.공개)[Patent Document 2] Korean Published Patent Application No. 10-2013-0141766 (published Dec. 27, 2013)

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 선박이 운항할 제로 에미션 죤의 운항 거리 및 운항 환경을 선택하고, 선택된 기준에 비례하여 적합한 배터리의 용량을 선택하고, 해당 용량에 맞는 인버터의 스위칭 제어 시스템을 설계하는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 및 그 설계 방법을 제공하는 것이다. 즉, 본 발명에서는 중,소형 선박의 배터리의 크기를 각 지역에 존재하는 제로 에미션 기준 가변 크기로 선택한다.An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to select the operating distance and operating environment of the zero emission zone to be operated by the ship, to select a suitable battery capacity in proportion to the selected criterion, And to design a switching control system of a suitable inverter, and to provide an electrical system of a hybrid electric vessel for operation in a zero-emission zone operation in the offshore area and a method for designing the same. That is, in the present invention, the size of a battery of a small-sized ship is selected as a zero-emission-based variable size existing in each region.

또한, 본 발명의 목적은 제로 에미션 죤의 크기 및 운항 환경에 따라 배터리의 용량이 결정되고 인버터의 스위칭 제어 시스템이 구성되면, AC/DC 컨버터, DC/DC 컨버터, 및 모터 구동 인버터의 스위칭 제어 시스템을 공용화하는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 및 그 설계 방법을 제공하는 것이다. 즉, 배터리 충전 컨버터의 구동 구조 및 스위칭 모듈들을 결합하여, 공통의 구조를 갖는 일체의 시스템으로 선박의 전기적 시스템으로 구성하고, 이와 같은 공통의 설계에서 스위칭은 3상의 스위칭을 공통으로 하는 구조를 선택하며, 이를 통하여 모듈화된 시스템 관리를 통해 선박의 안정성 확보 및 효율의 최적화를 수행할 수 있다.It is another object of the present invention to provide a switching control system for an AC / DC converter, a DC / DC converter, and a motor-driven inverter, in which the capacity of a battery is determined according to the size of a zero- The present invention provides an electric system of a hybrid electric vessel for operation in a zero-emission Zero Emission Zone and a method for designing the same. In other words, the driving structure of the battery charging converter and the switching modules are combined to constitute an electrical system of the ship as an integral system having a common structure. In such a common design, a structure common to three-phase switching is selected Through this, it is possible to secure the stability of the ship and optimize the efficiency through the modularized system management.

또한, 본 발명의 목적은 AC/DC 컨버터, DC/DC 컨버터, 및 모터 구동 인버터 등 배터리와 관련된 스위칭 제어 시스템을 일체의 기판(PCB) 및 동일한 드라이빙 소자 IGBT 회로로 일체화 하여 구성하는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 및 그 설계 방법을 제공하는 것이다. 즉, 선박의 각 스위칭 모듈은 일반적 스위칭 소자인 IGBT와 PCB가 면대면으로 접촉을 통하여 일체화되어 구성하고, 특히, IGBT의 신호입력 단자와 게이트 드라이브 보드 사이에 어떠한 선적인 연결이 없이 PCB와 IGBT가 볼트 및 너트 구조에 의해 하나로 묶이는 구조로 형성한다.
It is also an object of the present invention to provide a system and method for controlling the operation of a floating-point zero-emitter (EML) system, which is constituted by integrating a battery-related switching control system such as an AC / DC converter, a DC / DC converter, And to provide an electrical system and a method of designing a hybrid electric vessel for operating a seismic zone. In other words, each switching module of the ship is constructed by integrating IGBT and PCB, which are general switching elements, in face-to-face contact, and in particular, PCB and IGBT are connected without any shipment connection between signal input terminal of IGBT and gate drive board Bolt and nut structure.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 배터리로부터 공급되는 전력으로 선박의 추진용 전동기를 구동하는 출력을 발생시키는 전동기 구동 인버터, 상기 배터리의 DC 전원을 상기 전동기 구동 인버터에 맞는 DC 전원으로 변환하는 DC/DC 컨버터, 상기 선박의 디젤 발전기의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터를 포함하는 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템을 구성하는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 설계 방법에 관한 것으로서, (a) 상기 선박이 운항할 제로 에미션 조건에 따라 상기 배터리의 크기를 결정하는 단계; (b) 상기 배터리의 크기를 기준으로, 상기 전동기 구동 인버터의 제1 스위칭 회로, 및 상기 스위칭 회로에 제어신호를 출력하는 제1 드라이버 회로를 구성하는 단계; (c) 상기 스위칭 회로 및 상기 드라이버 회로를 적층 구조로 구성하여, 일체의 기판으로 구성하는 단계; (d) 상기 DC/DC 컨버터의 제2 스위칭 회로, 및 제2 드라이버 회로를 구성하되, 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제1 드라이버 회로와 동일하게 구성하는 단계; 및, (e) 상기 AC/DC 컨버터의 제3 스위칭 회로, 및 제3 드라이버 회로를 구성하되, 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제1 드라이버 회로와 동일하게 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electric power steering system comprising: a motor-driven inverter for generating an output for driving a propulsion motor of a ship with electric power supplied from a battery; a DC / DC converter for converting DC power of the battery into DC power suitable for the motor- DC converter and an AC / DC converter for converting an AC power source of the diesel generator of the ship into a DC power source, which constitutes an electrical system of a hybrid electric ship, in a method for designing an electrical system for a hybrid electric vessel for operation in a near- (A) determining a size of the battery according to a zero emission condition to be operated by the ship; (b) configuring a first switching circuit of the motor-driven inverter and a first driver circuit outputting a control signal to the switching circuit based on the size of the battery; (c) structuring the switching circuit and the driver circuit in a laminated structure to constitute a single substrate; (d) configuring a second switching circuit and a second driver circuit of the DC / DC converter, the same as the first switching circuit and the first driver circuit; And (e) a third switching circuit and a third driver circuit of the AC / DC converter, wherein the third switching circuit and the first driver circuit are configured in the same manner as the first switching circuit and the first driver circuit.

또한, 본 발명은 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 설계 방법으로서, 상기 (a)단계에서, 선박의 운항 항로가 내륙 항로인 경우 상기 제로 에미션 죤의 거리에 단위 거리당 배터리 용량을 곱하여 배터리의 용량을 산출하고, 상기 운항 항로가 바다 항로인 경우 상기 제로 에미션 죤의 거리에 단위 거리당 배터리 용량을 곱하고 다시 1을 초과하는 조정 요소값을 곱하여 배터리의 용량을 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for designing an electrical system for a hybrid electric vessel for operation in a marine emissive zone, wherein, in the step (a), when the navigation route of the ship is an inland route, And the capacity of the battery is calculated by multiplying the distance of the zero emission zone by the battery capacity per unit distance and multiplying the adjustment factor value exceeding 1 by the distance of the zero emission zone when the navigation route is the sea route .

또한, 본 발명은 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 설계 방법으로서, 상기 조정 요소값은 선박의 무게 대비 모터 토크의 크기에 의하여 계산된 값인 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a method for designing an electrical system for a hybrid electric vessel for marine emission-zero emission zone operation, wherein the adjustment element value is a value calculated by a magnitude of a motor torque with respect to a weight of a ship.

또한, 본 발명은 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 설계 방법으로서, 상기 (c)단계에서, 상기 스위칭 회로의 신호입력 단자에 상기 드라이버 회로의 출력신호 단자를 일치시켜 적층시키고, 선이 없는 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the step (c), the output signal terminal of the driver circuit is aligned with the signal input terminal of the switching circuit to laminate the signal output terminal of the driver circuit, And is formed in a structure free from lines.

또한, 본 발명은 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 설계 방법으로서, 상기 스위칭 회로는 6개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위칭 소자로 구성되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the present invention is a method for designing an electrical system for a hybrid electric vessel for operation of an off-shore zero emission zone, wherein the switching circuit is composed of six IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) switching elements.

또한, 본 발명은 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템에 관한 것으로서, 전력을 공급하는 적어도 하나의 배터리로 구성된 배터리 팩; 전기 선박의 배터리로부터 공급되는 전력으로 상기 선박의 추진용 전동기를 구동하는 출력을 발생시키는 전동기 구동 인버터; 상기 배터리의 DC 전원을 상기 전동기 구동 인버터에 맞는 DC 전원으로 변환하는 DC/DC 컨버터; 상기 선박의 디젤 발전기의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터를 포함하고, 상기 배터리의 크기는 상기 선박이 운항할 제로 에미션 조건에 따라 결정되고, 상기 전동기 구동 인버터의 제1 스위칭 회로, 및 상기 스위칭 회로에 제어신호를 출력하는 제1 드라이버 회로는 상기 배터리의 크기에 의해 구성되고, 상기 스위칭 회로 및 상기 드라이버 회로를 적층 구조로 구성되어, 일체의 기판으로 구성되고, 상기 DC/DC 컨버터의 제2 스위칭 회로, 및 제2 드라이버 회로, 또는, 상기 AC/DC 컨버터의 제3 스위칭 회로, 및 제3 드라이버 회로는 각각 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제1 드라이버 회로와 동일하게 구성되는 것을 특징으로 한다.
The present invention also relates to an electrical system of a hybrid electric vessel for operation of an off-shore zero emission zone, comprising: a battery pack composed of at least one battery for supplying electric power; A motor drive inverter for generating an output for driving a propulsion motor of the ship with electric power supplied from a battery of an electric ship; A DC / DC converter for converting the DC power of the battery into a DC power suitable for the motor drive inverter; And an AC / DC converter for converting an AC power source of the diesel generator of the ship into a DC power source, the size of the battery being determined according to a zero emission condition to be operated by the ship, and a first switching circuit And a first driver circuit for outputting a control signal to the switching circuit is constituted by the size of the battery, and the switching circuit and the driver circuit are constituted by a laminated structure, The second switching circuit and the second driver circuit of the converter or the third switching circuit and the third driver circuit of the AC / DC converter are configured in the same manner as the first switching circuit and the first driver circuit, respectively .

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 및 그 설계 방법에 의하면, 현재 제로 에미션 조건에 의해 제로 에미션 죤에서 사용할 배터리의 크기를 추정하고 각 전력 제어모듈의 공용화 및 스위칭 제어 모듈의 독립적 최적화를 수행함으로써, 각 조건에 따라 적절한 선박의 최적화된 시스템 구축을 통한 설계의 효율을 최대한 높일 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the electric system of the hybrid electric vessel for operation of the emissive zone in the emissive zone according to the present invention and the design method thereof, the size of the battery to be used in the zero emission zone is estimated by the current zero emission condition, By sharing the control module and independently optimizing the switching control module, it is possible to maximize the efficiency of the design by constructing an optimized system of an appropriate vessel according to each condition.

또한, 본 발명에 따른 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 및 그 설계 방법에 의하면, AC/DC 컨버터, DC/DC 컨버터, 및 모터 구동 인버터의 스위칭 제어 시스템을 공용화 함으로써, 선박 시스템의 효율성 증대 및 관리 안정성 확대를 할 수 있는 효과가 얻어진다.In addition, according to the electric system of the hybrid electric vessel for operation of the emissive zone of zero emissions according to the present invention and the method of designing thereof, the switching control system of the AC / DC converter, the DC / DC converter, It is possible to increase the efficiency and the stability of the management.

또한, 본 발명에 따른 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 및 그 설계 방법에 의하면, 스위칭 제어 시스템을 일체의 기판(PCB) 및 동일한 드라이빙 소자 IGBT 회로로 일체화 하여 구성함으로써, 스위칭 모듈의 오차를 최소화 할 수 있고, 효율을 확대할 수 있는 효과가 얻어진다.
In addition, according to the electrical system of the hybrid electric vessel for the Emission Zone Emission Zone Operation according to the present invention and the method for designing the same, the switching control system is integrated with the integrated circuit board (PCB) and the same driving device IGBT circuit, Can be minimized, and the efficiency can be increased.

도 1은 본 발명에서 사용되는 제로 에미션 존의 운항조건 일례를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전기 선박의 구성을 나타내는 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제로 에미션 존에서 사용하는 하이브리드 전기 선박의 시스템의 설계 방법을 설명하는 흐름도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 IGBT 소자와 구동 PCB의 결합 구조를 설명하는 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전동기 구동 인버터, AC/DC 컨버터, DC/DC 컨버터의 스위칭 회로 구성도.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a view showing an example of a navigation condition of a zero emission zone used in the present invention. Fig.
2 is a block diagram showing a configuration of a hybrid electric ship according to an embodiment of the present invention;
3 is a flow chart illustrating a method of designing a system for a hybrid electric ship used in a zero emission zone according to an embodiment of the present invention.
4 is a view illustrating a coupling structure of an IGBT device and a driving PCB according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram of a switching circuit of a motor drive inverter, an AC / DC converter, and a DC / DC converter according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
In the description of the present invention, the same parts are denoted by the same reference numerals, and repetitive description thereof will be omitted.

먼저, 본 발명을 실시하기 위한 하이브리드 전기 선박의 구성을 도 2를 참조하여 설명한다.First, the configuration of a hybrid electric ship for carrying out the present invention will be described with reference to Fig.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 전기 선박은 추진용 전동기(10), 전동기 구동 인버터(20), 배터리 팩(30), 디젤 발전기(40), DC/DC 컨버터(51), AC/DC 컨버터(52)로 구성된다. 또한, 추가적으로 전력관리 시스템(ES-PMS)(60)을 더 포함하여 구성될 수 있다.2, the hybrid electric ship according to the present invention includes a propulsion electric motor 10, a motor drive inverter 20, a battery pack 30, a diesel generator 40, a DC / DC converter 51, an AC / DC converter 52 as shown in Fig. In addition, it may further comprise a power management system (ES-PMS)

추진용 전동기(10)는 선박의 프로펠러를 구동하는 전동기로서, 직접 선박을 운항할 수 있는 회전 동력을 발생시킨다. 전동기 구동 인버터(20)는 디젤 발전기(40) 또는 배터리 팩(30)으로부터 공급되는 전력으로 추진용 전동기(10)를 구동하는 출력을 발생시킨다.The propulsion motor (10) is an electric motor for driving the propeller of the ship, and generates a rotational power capable of directly operating the ship. The motor drive inverter 20 generates an output for driving the propulsion motor 10 by electric power supplied from the diesel generator 40 or the battery pack 30.

DC/DC 컨버터(51)는 배터리 팩(30)의 DC 전원을 전동기 구동 인버터(20)에 맞는 DC 전원으로 변환하는 컨버터이고, AC/DC 컨버터(52)는 디젤 발전기(40)의 AC 전원을 DC전원으로 변환하는 컨버터이다.
The DC / DC converter 51 is a converter for converting DC power of the battery pack 30 into DC power suitable for the motor drive inverter 20. The AC / DC converter 52 converts the AC power of the diesel generator 40 DC converter.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 및 그 설계 방법을 도 3을 참조하여 설명한다.Next, an electrical system of a hybrid electric vessel for operation of an off-shore zero emission zone and a design method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 3에서 보는 바와 같이, 먼저, 제로에미션 죤의 특성에 따라 선박에 장착하는 배터리의 크기를 결정한다(S31). 이를 위해, 제로 에미션 죤이 내륙 항로인가 바다 항로인가를 확인한다(S31).As shown in FIG. 3, first, the size of the battery mounted on the ship is determined according to the characteristics of the zero emission zone (S31). To this end, it is confirmed whether the zero emission zone is an inland route or an ocean route (S31).

배에 장착되는 배터리는 제로 에미션 죤이 내륙 항로인가 또는 바다 항로 조건인가에 따라 배터리의 장착되는 배터리의 용량 선택에 영향을 준다. 내륙 항로는 강 또는 호수 등 내륙에 위치한 운항항로로서, 일반적으로 안정된 조건에서 많은 환경조건의 변화 없이 운항된다. 반면, 바다 영역에서는 파도를 비롯한 다양한 변수 환경이 존재하므로 다소간의 조정 마진을 두고 배터리를 설계해야 한다.A battery mounted on a ship affects the selection of the capacity of the battery installed in the battery depending on whether the zero emission zone is inland or in the sea route condition. Inland routes are inland routes such as rivers or lakes, and generally operate under steady conditions without changing many environmental conditions. On the other hand, since there are various variable environments including waves in the sea area, it is necessary to design the battery with a slight adjustment margin.

운항 항로가 내륙 항로인 경우, 배터리의 크기는 제로 에미션 죤의 거리 또는 운항 거리에 단위 거리당 배터리 용량을 곱하여 결정한다. 바람직하게는, 단위 거리당 배터리 용량은 16kWH 이다.If the navigation route is an inland route, the size of the battery is determined by multiplying the distance of the zero emission zone or the operating distance by the battery capacity per unit distance. Preferably, the battery capacity per unit distance is 16 kWH.

다음으로, 운항 항로가 바다 항로인 경우, 배터리의 크기는 제로 에미션 죤의 거리에 단위 거리당 배터리 용량을 곱하고, 추가적으로 조정 요소(factor)값을 곱하여 결정한다(S33). 바다에서 배터리 용량을 보정할 때에는 선박의 무게 대비 모터 토크의 크기를 인자로 하는 배터리 보정함수를 추가한다. 이는 많은 변수가 존재하는 바다에서 안정성 확보를 위한 요소로 적용한다. 즉, 조정 요소값은 바다 항로의 다양한 변수를 고려한 배터리의 조정 마진을 위한 요소로서, 1을 초과하는 값이다. 바람직하게는, 조정 팩터는 1.5 내지 2의 값 이내로 정한다. 선박의 무게가 모터 토크에 비해 버거운 상태가 되면 파도나 기타 외부 환경 요소가 급격히 변하게 되면 적절히 대응할 수 없고 이에 따라 에너지 소모가 많아 질 수 있다. 따라서 모터의 토크 성능이 배터리의 소모량에 연동되어 설계되어진다.Next, when the navigation route is the sea route, the size of the battery is determined by multiplying the distance of the zero emission zone by the battery capacity per unit distance and multiplying the battery capacity by the factor of the adjustment factor (S33). When calibrating the battery capacity at sea, add a battery calibration function which takes as a factor the size of the motor torque relative to the weight of the ship. This is applied as an element for securing stability in a sea where many variables exist. That is, the adjustment factor value is a factor for the adjustment margin of the battery, taking into consideration various variables of the sea route, exceeding 1. Preferably, the adjustment factor is set within a value of 1.5 to 2. If the weight of the ship becomes heavier than the motor torque, if the wave or other external environmental factors suddenly change, it can not cope properly and the energy consumption can be increased accordingly. Therefore, the torque performance of the motor is designed to be linked to the consumption of the battery.

다음으로, 배터리 용량이 결정되어 배터리 설계가 끝나면, 설계된 배터리의 용량을 참조하여 전동기(또는 모터)를 구동하기 위한 전동기 구동 인버터(20)의 설계를 수행한다(S40). 바람직하게는, 전동기 구동 인버터(20)는 3상의 6 스위치를 적용하여 설계한다. 이때 스위칭 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 종류를 결정한다(S41). IGBT는 구동하는 모터 용량에 비례하여 설계한다. 구체적으로, 배터리가 소형일 때에는 FET(field effect transistor)를 사용하나 범위가 100kW를 넘어서면 IGBT를 사용하게 된다.Next, when the battery capacity is determined and the battery design is finished, the design of the motor-driven inverter 20 for driving the motor (or the motor) is performed with reference to the capacity of the designed battery (S40). Preferably, the motor drive inverter 20 is designed by applying six switches of three phases. At this time, the type of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), which is a switching device, is determined (S41). The IGBT is designed in proportion to the motor capacity to be driven. Specifically, a field effect transistor (FET) is used when the battery is small, but the IGBT is used when the range exceeds 100 kW.

전동기 구동 인버터(20)의 구성은 도 5a와 같이, 인버터 제어부와, 스위칭 드라이버 회로부, 및, 스위칭 회로로 구성된다. 이때, 인버터 제어부를 분리하고, 스위칭 드라이버 회로부 및 스위칭 회로를 일체로 구성한다(S43). 특히, 스위칭 드라이버 회로부 및 스위칭 회로는 앞서 결정된 배터리의 용량을 기초하여 설계된다.The configuration of the motor drive inverter 20 is constituted by an inverter control section, a switching driver circuit section, and a switching circuit as shown in FIG. 5A. At this time, the inverter control unit is disconnected, and the switching driver circuit unit and the switching circuit are integrally formed (S43). In particular, the switching driver circuit portion and the switching circuit are designed based on the capacity of the battery determined in advance.

스위칭 회로는 3상으로 출력 또는 입력되는 6개의 스위칭 소자로 구성된다. 바람직하게는, 각 스위칭 소자는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자로 구성된다. 스위칭 드라이버 회로는 6개의 각 스위칭 소자를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 회로이다. 이때, 인버터 제어부와 스위칭 드라이버 회로를 분리하여 구성한다.The switching circuit is composed of six switching elements that are output or input in three phases. Preferably, each switching element is composed of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) element. The switching driver circuit is a circuit for outputting a control signal for controlling each of the six switching elements. At this time, the inverter control unit and the switching driver circuit are configured separately.

도 4에서 보는 바와 같이, 상기 스위칭 드라이버 회로는 IGBT와의 안전성 및 작동 효율을 극대화 하기 위하여, 스위칭 회로와 신호선이 없는 일체형 구조로 구성한다. 일체형 구조는 IGBT의 신호입력 단자 홀(또는 신호입력 단자)에 드라이버 단자 홀(또는 드라이버 출력신호 단자)을 일치시켜 선이 없는 구조를 수행한다. 즉, 스위칭 드라이버 회로와 스위칭 회로를 서로 마주하여 적층시켜 구성한다.As shown in FIG. 4, in order to maximize the safety and operation efficiency of the switching driver circuit with the IGBT, a switching circuit and an integrated structure without a signal line are formed. In the integrated structure, the driver terminal hole (or the driver output signal terminal) is aligned with the signal input terminal hole (or signal input terminal) of the IGBT to perform a structure without a line. That is, the switching driver circuit and the switching circuit are stacked facing each other.

상기와 같은 적층 연결 구조를 통해 스위칭 드라이버 회로부터 스위칭 소자의 회로까지의 거리 간격이 최소화 할 수 있다. 이를 통해, 스위칭 시스템의 제어를 안정하고 유효하게 제어할 수 있다. The distance between the switching driver circuit and the switching element circuit can be minimized through the above-described laminated connection structure. Thus, the control of the switching system can be stably and effectively controlled.

앞서 설명한 도 4는 IGBT 스위칭 회로 PCB와 스위칭 드라이버 PCB의 결합된 상태를 도면으로 보여준다. S101은 IGBT 스위칭 소자 하나를 도시한 것이며, S102는 IGBT 스위칭 소자의 구동 신호 입력부를 나타낸다. 또한, S103은 IGBT 드라이버 보드(또는 스위칭 드라이버 회로)를 나타내며, S104는 드라이버 회로의 신호 출력부를 나타낸다. 스위칭 회로(S102)의 소자와 드라이버 회로의 신호출력부(S104)가 서로 마주하는 일치된 구조로 결합된다. 이렇게 구성됨으로써, 정보 전달이 신호 전달을 위한 선을 사용하지 않고 신호의 전달을 수행한다.
FIG. 4 shows the combined state of the IGBT switching circuit PCB and the switching driver PCB. S101 shows one IGBT switching element, and S102 shows a driving signal input portion of the IGBT switching element. S103 denotes an IGBT driver board (or switching driver circuit), and S104 denotes a signal output portion of the driver circuit. The elements of the switching circuit S102 and the signal output portion S104 of the driver circuit are coupled to each other so as to face each other. By doing so, information transfer performs signal transfer without using a line for signal transfer.

다음으로, IGBT 스위칭 회로 구성이 결정된 후, 이를 바탕으로 AC/DC 컨버터(52) 및 DC/DC 컨버터(51)를 설계된 IGBT 스위칭 회로 구성을 기준으로 설계한다(S50). 바람직하게는, 각 3상의 스위칭을 위한 6개의 스위칭 소자로 구성하여, 스위칭 회로를 구성한다. 더욱 바람직하게는, DC/DC 컨버터(51)와 AC/DC 컨버터에 구성되는 스위칭 회로 및 스위칭 드라이버 회로를 전동기 구동 인버터(20)와 동일한 스위칭 회로 및 스위칭 드라이버 회로로 구성한다.Next, after the IGBT switching circuit configuration is determined, the AC / DC converter 52 and the DC / DC converter 51 are designed on the basis of the designed IGBT switching circuit configuration (S50). Preferably, the switching circuit is constituted by six switching elements for switching three phases. More preferably, the switching circuit and the switching driver circuit constituted by the DC / DC converter 51 and the AC / DC converter are constituted by the same switching circuit and switching driver circuit as the motor-driven inverter 20. [

이와 같은 설계 방식을 이용하여 공용화를 이루어 프로그램 플랫폼 및 하드웨어 플랫폼을 단일화하여 효율적 수행 및 안정성을 강화할 수 있으며, 설계를 용이하게 할 수 있다.By using this design method, the program platform and the hardware platform can be unified to enhance efficiency and stability, and the design can be facilitated.

즉, 스위치의 제어부 신호와 전원 신호를 변경하여 사용하여도 이식이 가능하다. 즉 프로그램 변경 없이 제어가 가능해 진다.That is, even if the control signal and the power supply signal of the switch are changed and used, the implantation is possible. That is, control can be performed without changing the program.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
The invention made by the present inventors has been described concretely with reference to the embodiments. However, it is needless to say that the present invention is not limited to the embodiments, and that various changes can be made without departing from the gist of the present invention.

10 : 추진용 전동기 20 : 전동기 구동 인버터
30 : 배터리 팩 40 : 디젤 발전기
51 : DC/DC 컨버터 52 : AC/DC 컨버터
60 : 전력관리 시스템 70 : 배터리 충전기
80 : 전력 사용 일반 시스템
10: Propulsion motor 20: Motor drive inverter
30: Battery pack 40: Diesel generator
51: DC / DC converter 52: AC / DC converter
60: Power management system 70: Battery charger
80: General system of power use

Claims (6)

배터리로부터 공급되는 전력으로 선박의 추진용 전동기를 구동하는 출력을 발생시키는 전동기 구동 인버터, 상기 배터리의 DC 전원을 상기 전동기 구동 인버터에 맞는 DC 전원으로 변환하는 DC/DC 컨버터, 상기 선박의 디젤 발전기의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터를 포함하는 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템을 구성하는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 설계 방법에 있어서,
(a) 상기 선박이 운항할 제로 에미션 조건에 따라 상기 배터리의 크기를 결정하는 단계;
(b) 상기 배터리의 크기를 기준으로, 상기 전동기 구동 인버터의 제1 스위칭 회로, 및 상기 스위칭 회로에 제어신호를 출력하는 제1 드라이버 회로를 구성하는 단계;
(c) 상기 스위칭 회로 및 상기 드라이버 회로를 적층 구조로 구성하여, 일체의 기판으로 구성하는 단계;
(d) 상기 DC/DC 컨버터의 제2 스위칭 회로, 및 제2 드라이버 회로를 구성하되, 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제1 드라이버 회로와 동일하게 구성하는 단계; 및,
(e) 상기 AC/DC 컨버터의 제3 스위칭 회로, 및 제3 드라이버 회로를 구성하되, 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제1 드라이버 회로와 동일하게 구성하는 단계를 포함하고,
상기 전동기 구동 인버터, 상기 DC/DC 컨버터, 상기 AC/DC 컨버터의 각 스위칭 회로 및 드라이버 회로를 공용화하여 상호 이식이 가능하도록 구성되고,
상기 (c)단계에서, 상기 스위칭 회로의 신호입력 단자에 상기 드라이버 회로의 출력신호 단자를 일치시켜 적층시키고, 선이 없는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 설계 방법.
A DC / DC converter for converting the DC power of the battery into a DC power suitable for the motor-driven inverter; a DC / DC converter for converting the DC power of the battery into a DC power suitable for the motor-driven inverter; A method of designing an electrical system for a hybrid electric vessel for operation in a marine flare emission zone zone constituting an electrical system of a hybrid electric vessel including an AC / DC converter for converting an AC power source to a DC power source,
(a) determining the size of the battery according to a zero emission condition to be operated by the ship;
(b) configuring a first switching circuit of the motor-driven inverter and a first driver circuit outputting a control signal to the switching circuit based on the size of the battery;
(c) structuring the switching circuit and the driver circuit in a laminated structure to constitute a single substrate;
(d) configuring a second switching circuit and a second driver circuit of the DC / DC converter, the same as the first switching circuit and the first driver circuit; And
(e) constituting a third switching circuit and a third driver circuit of the AC / DC converter, and constituting the same as the first switching circuit and the first driver circuit,
DC / DC converter, the AC / DC converter, the switching circuit, and the driver circuit of the motor drive inverter, the DC / DC converter, and the AC / DC converter,
Wherein the output signal terminal of the driver circuit is aligned with the signal input terminal of the switching circuit in the step (c) so that the output signal terminal of the driver circuit is laminated to form a line-free structure. Electrical system design method.
제1항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 선박의 운항 항로가 내륙 항로인 경우 상기 제로 에미션 죤의 거리에 단위 거리당 배터리 용량을 곱하여 배터리의 용량을 산출하고, 상기 운항 항로가 바다 항로인 경우 상기 제로 에미션 죤의 거리에 단위 거리당 배터리 용량을 곱하고 다시 1을 초과하는 조정 요소값을 곱하여 배터리의 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 설계 방법.
The method according to claim 1,
In the step (a), when the navigation route of the ship is an inland route, the capacity of the battery is calculated by multiplying the distance of the zero emission zone by the battery capacity per unit distance, and when the navigation route is an ocean route, Wherein the capacity of the battery is calculated by multiplying the distance of the zone by the battery capacity per unit distance and multiplying by the adjustment factor value exceeding 1 again.
제2항에 있어서,
상기 조정 요소값은 선박의 무게 대비 모터 토크의 크기에 의하여 계산된 값인 것을 특징으로 하는 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 설계 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the adjustment element value is a value calculated by the magnitude of the motor torque with respect to the weight of the ship.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 스위칭 회로는 6개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위칭 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템 설계 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the switching circuit is constituted by six IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) switching elements. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템에 있어서,
전력을 공급하는 적어도 하나의 배터리로 구성된 배터리 팩;
전기 선박의 배터리로부터 공급되는 전력으로 상기 선박의 추진용 전동기를 구동하는 출력을 발생시키는 전동기 구동 인버터;
상기 배터리의 DC 전원을 상기 전동기 구동 인버터에 맞는 DC 전원으로 변환하는 DC/DC 컨버터;
상기 선박의 디젤 발전기의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터를 포함하고,
상기 배터리의 크기는 상기 선박이 운항할 제로 에미션 조건에 따라 결정되고,
상기 전동기 구동 인버터의 제1 스위칭 회로, 및 상기 스위칭 회로에 제어신호를 출력하는 제1 드라이버 회로는 상기 배터리의 크기에 의해 구성되고,
상기 스위칭 회로 및 상기 드라이버 회로를 적층 구조로 구성되어, 일체의 기판으로 구성되고,
상기 DC/DC 컨버터의 제2 스위칭 회로, 및 제2 드라이버 회로, 또는, 상기 AC/DC 컨버터의 제3 스위칭 회로, 및 제3 드라이버 회로는 각각 상기 제1 스위칭 회로 및 상기 제1 드라이버 회로와 동일하게 구성되고,
상기 전동기 구동 인버터, 상기 DC/DC 컨버터, 상기 AC/DC 컨버터의 각 스위칭 회로 및 드라이버 회로를 공용화하여 상호 이식이 가능하도록 구성되고,
상기 스위칭 회로의 신호입력 단자에 상기 드라이버 회로의 출력신호 단자를 일치시켜 적층시키고, 선이 없는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템.
In an electrical system of a hybrid electric vessel for navigation in the Zero Emission Zone of the ROK,
A battery pack comprising at least one battery for supplying electric power;
A motor drive inverter for generating an output for driving a propulsion motor of the ship with electric power supplied from a battery of an electric ship;
A DC / DC converter for converting the DC power of the battery into a DC power suitable for the motor drive inverter;
And an AC / DC converter for converting an AC power source of the diesel generator of the ship into a DC power source,
The size of the battery is determined according to the zero emission condition to be operated by the ship,
A first switching circuit of the motor drive inverter and a first driver circuit for outputting a control signal to the switching circuit are configured by the size of the battery,
Wherein the switching circuit and the driver circuit are constituted by a laminated structure,
The second switching circuit and the second driver circuit of the DC / DC converter or the third switching circuit and the third driver circuit of the AC / DC converter are the same as the first switching circuit and the first driver circuit, respectively Lt; / RTI >
DC / DC converter, the AC / DC converter, the switching circuit, and the driver circuit of the motor drive inverter, the DC / DC converter, and the AC / DC converter,
Wherein an output signal terminal of the driver circuit is aligned with a signal input terminal of the switching circuit so as to be laminated so as to form a line-free structure.
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