KR101878721B1 - 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제로 에미션 존을 운항하는 선박의 목적지까지의 도달을 목표로하여 배터리의 잔여 용량을 실시간으로 측정하여 요구되는 배터리 잔여 용량과 비교하여 부족할 경우 효율을 높이는 방향으로 구동 시스템의 구조를 변형하는 선박의 전기적 시스템 및 그 제어 방법에 대한 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 컨버터;듀얼 전류 패스를 만들 수 있는 구조의 모터; 듀얼 가변 구조 모터와 인버터를 연결하는 가변 스위칭 모듈을 포함하고,가변 스위치 모듈의 추가에 의해 모터의 전류 불평형을 개선하기 위한 방법을 포함하며, 상기 인버터 및 컨버터의 연결 구조는 선박이 운항할 목적지까지 도달하기위해 요구되는 배터리 잔여 용량과의 비교에 의해 결정되는 구성을 갖는다.
상기와 같은 전기 시스템 및 그 제어 방법에 의하여, 목적지 도달 만족을 위한 선배터리 잔여량에 대한 불확실 상황 모드에서 각 전력변환 부품들의 기능적 공용화 및 추가적인 가변 스위치 모듈의 설계를 수행함으로써, 각 조건에 따라 적절한 선박의 최적화된 시스템 연결을 구축할 수 있고, 이를 통해 목표점까지의 배터리 잔여 용량 불확실 모드에서의 안정성의 확보를 수행할 수 있고, 시스템 관리의 효율적인 최적화를 수행할 수 있다.

Description

제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템 및 그 제어 방법 { an motor variable driving system with unbalanced current correction of the hybrid electric ship for zero emission zone and the method thereof }
본 발명은 선박에 전기적 가변 구동을 위한 가변 구조 모터, 모터 구동 제어를 위한 인버터, 인버터에 전력 공급을 위한 배터리, 3상 AC 입력 전압을 DC 출력 전압으로 바꾸어 배터리를 충전하는 AC/DC 컨버터, 배터리 출력 전압을 인버터 구동 전압에 맞게 변환 시켜주는 DC/DC 컨버터, 모터 전류 패스(path) 생성 불평형 전류 보정 가변 스위치 모듈 를 이용하여 선박을 구동하는 제로 에미션 죤을 운항하는 중소형 하이브리드 전기선박의 불평형 전류 교정 다단 가변 구조 구동 전기적 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
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.
상기와 같은 대응 방안들 중 하나로서, 바다의 일정한 연근해에서 운항하는 선박은 디젤 발전기를 사용하지 못하도록 규제화 하고 있다. 이와 같이 규제되는 연근해 지역을 제로 에미션 존이라고 한다.
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.
한편, 충전이 이루어진 선박은 충전된 장소로부터 목적지로 이동하기 위하여 제로 에미션 존을 지나며, 제로 에미션 존을 지나는 동안 디젤 엔진을 사용할 수 없다. 따라서 하이브리드 전기 선박은 항상 제로 에미션 지역에서 엔진을 사용하지 않은 채 운항을 해야하는 구조로 설계되어야 한다[특허문헌 1,2]. 또한, 제로 에미션을 충분하게 통과하기 위하여, 선박 모터의 정격 기준에 충분한 용량의 배터리를 반드시 장착해야 한다.
일반적인 하이브리드 전기 선박들은 발전기, AC/DC컨버터, 모터구동 인버터, 배터리 충전 DC/DC 컨버터, 배터리 등의 전력 부품들로 연결되어 구성된다.
구체적으로, 선박은 배터리의 최소화된 에너지만을 사용하여 목적지에 도달하여야 하나 다양한 환경 조건에서 에너지 소모 특성이 변경하여 배터리 소모량이 예상 소모량보다 커질 경우 원하는 목적지까지 도달할 수 없거나 또는 선박을 구동할 수 없다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 운항중 실시간으로 선박의 모터 구동 시스템 구조를 변경하여 제어를 수행하는 시스템 설계를 수행하는 것이 필요하다. 즉, 하이브리드 전기선박의의 운행과정에서 중,소형 에미젼 죤 운항을 수행하기 위한 배터리, 발전기 AC 전압 출력을 DC로 바꿔주는 AC/DC 컨버터, 모터를 구동하는 인버터, 배터리에 연결되어 전력의 입,출력을 수행하는 DC/DC 컨버터를 갖고 제로 에미션 죤에서의 고효율의 구동을 수행하기위한 제어장치 대한 설계기술 및 제어 기술이 필요하다. 또한 이와 같은 가변 구조 모터의 전류 패스(path)를 만들기 위한 추가적인 가변 스위치 모듈이 필요하여 이때 모터의 특성 및 스위치 모듈의 탑재된 스위치 특성에 의해 발생될 수 있는 전류 불평형에 대한 문제를 해결이 필요하다.
[특허문헌 1] 한국공개특허 제10-2013-0060801호(2013.06.10.공개) [특허문헌 2] 한국공개특허 제10-2013-0141766호(2013.12.27.공개)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 선박에 탑재된 전력변환 및 모터 구동 부품들이 상호 기능면에서 연관되어 공용적으로 사용될 수 있도록 하는 인버터 및 컨버터들의 스위칭 회로 또는 추가적 보조 장치(가변스위치모듈)를 설계하고, 이를 기반으로 운항 시 발생하는 운항 조건에 맞게 각 전력부품들이 운항 상황에 맞게 각각의 고유한 전기적 시스템의 기능을 변경을 수행할 수 있도록 하는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 고효율 운전 대응을 위한 전기적 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명에서는 중,소형 선박의 구동을 위한 전력변환 부품들의 스위칭 회로 구조를 공용화된 구조 기반 모터가 배터리 잔량이 원하는 목적지까지 도달하지 못할수 있는 상황에서 도달 시간은 지연이 되더라도 평균 효율을 상승시킬수 있는 부품 공규기반의 전력 전기 장치를 통합 설계하거나 또는 추가적 가변 스위칭부를 추가하고, 이를 바탕으로능동적 연결 변환 및 제어를 통해 가변구조 모터가 고효율의 성능을 발생할 수 있도록 부품의 연결(인터페이스) 구조가 구성된다.
구체적으로, 본 발명에서는 선박 운항의 다양한 조건에서 모터 구동 시에 효율의 향상을 위해 기존 탑재된 부품의 기능변경 사용을 통한 부품 공유화를 위한 모터 및 인버터, 컨버터의 구조적 변경 변경을 통하여 모터의 출력이 운항 조건에 맞는 최대 평균 효율의 출력 전력을 발생될 수 있도록 하는 것이다. 또한 모터 가변 구조 전류 패스 추가에 의해 발생되는 전류 불평형의 문제를 해결 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 배터리로부터 DC/DC 컨버터를 통하여 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 컨버터, 상기 부품들의 연결 구성을 변경하는 전기 장치를 포함하는 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템을 구성한다.
즉, 본 발명은 배터리로부터 DC/DC 컨버터 통해 공급되는 전력으로 선박 추진용 전동기 구동 출력을 발생시키는 전동기 구동 인버터, 상기 배터리의 DC 전원을 상기 인버터에 맞는 DC 전원으로 변환 시키는 DC/DC 컨버터 및 AC/DC 컨버터의 출력 전압을 입력으로 배터리를 충전하는 전압을 발생시키는 DC/DC 양방향 컨버터, 선박의 디젤 발전기의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 배터리를 충전하는 AC/DC 컨버터, 모터구동의 효율을 향상시키기 위한 제어를 위한 연결 구성을 변경시키는 보조 전기장치를 포함하는 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템을 구성하는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템에 관한 것이다.
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 인버터 및 컨버터와 배터리는 순환구조의 수냉 연결 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 배터리 잔량이 부족하여 목적지까지 도착이 불확실 할 경우 도착 시간과 상관없이 구동시스템(모터와 인버터 통합)의 평균 효율을 최대화를 위한 전기적 시스템을으로써, 상기 가변 스위칭 모듈은 싸이리스터(THYRISTOR)소자 기반 모율 또는 AC/DC 컨버터를 가변 스위칭 모듈로 사용하는 것을 특징으로 한다.또한 가변 스위칭 모듈의 스위치 소자에 의한 전류 불평형 발생 요소 부분에 대한 해결 방법을 제시한다.
또한, 본 발명은 발전기, 배터리, 및, 선박구동 모터로 구성되는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 배터리 잔류 용량 대비 목적지 도착이 어려운 경우 대비 대응을 위한, 전기적 시스템에 관한 것으로서, 상기 발전기의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터; 상기 배터리 또는 상기 AC/DC 컨버터로부터 공급되는 전원으로 선박구동 모터를 구동하는 출력을 발생시키는 모터제어 인버터; 입력되는 DC 전원을 상기 모터제어 인버터에 맞는 DC 전원으로 변환하는 DC/DC 컨버터; 모터의 구조가 듀얼로 바뀌었은 때 최소한의 로스를 갖는 전류 패스 구조로를 만들기 위한 가변 스위치 모듈; 가변 스위치 모듈에 전류 불평형을 개선하기 위한 보정부; 및, 상기 AC/DC 컨버터, 상기 모터제어 인버터, 및, 상기 DC/DC 컨버터를 포함하는 전력변환 부품을 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 AC/DC 컨버터, 상기 모터제어 인버터, 및, 상기 DC/DC 컨버터는 적어도 6개의 스위칭 소자를 포함하는 스위칭 모듈을 구비하고, 상기 스위칭 모듈의 출력을 상기 발전기, 배터리, 및, 선박구동 모터 중 적어도 2개 전력변환 부품과 연결 가능하도록 구성되고, 상기 적어도 2개 전력변환 부품 중 어느 하나를 선택적으로 연결하도록 하는 전환 스위치를 구비하고, 상기 제어장치는 상기 AC/DC 컨버터, 가변 스위칭 모듈 중 적어도 하나의 전력변환 부품이 배터리 잔여용량이 부족하면 다른 전력변환 부품으로 대체하여 가동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템으로서, 상기 스위칭 소자는 적어도 6개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 TR의 스위칭 소자인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템으로서, 상기 전환 스위치는, 상기 모터 또는 상기 선박구동 모터와, 상기 스위칭 모듈 사이에 위치하여, 온(On) 또는 오프(Off)로 제어되는 비상 스위치 모듈; 및, 상기 배터리와 상기 스위칭 모듈 사이에 위치하여, 온(On) 또는 오프(Off)로 제어되는 가변 스위치로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템으로서, 상기 제어장치는, 상기 목적지에 도달하기 위한 배터리 잔류용량의 부족 및 불확실성이 감지되면, 상기 AC/DC 컨버터의 기능을 가변 스위치 모듈로 전환을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템으로서, 상기 제어장치는, 가변 스위치 모듈을 AC/DC 컨버터로 대체하여 운행 가능하고 배터리 잔여 용량이 목적지까지의 도달이 불확실하면 도달 시간이 목표가 아니라 시간이 지연되더라도 목적지까지의 도착을 목적으로 하여 운행하고, 배터리의 잔여 용량이 목적지까지의 예정 용량 대비 확보되어지는 것으로 판단하면 일반 구동 모드로 변경되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템으로서, 상기 제어장치는, 가변 스위치 모듈의 추가로 인해 발생하는 모터의 불평현 전류를 개선하기 위한 전류 불평형 보정부를 각 전류 패스에 대해 독립적으로 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템으로서, 상기 제어장치는, 가변 스위치 모듈을 AC/DC 컨버터로 대체하여 운행 가능하고 배터리 잔여 용량이 목적지까지의 도달이 불확실하면 도달 시간이 목표가 아니라 시간이 지연되더라도 목적지까지의 도착을 목적으로하여 운행하고, 배터리의 잔여 용량이 목적지까지의 예정 용량 대비 명확히 확보되어지면 일반 구동 모드로 변경되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 배터리 잔여 용량 기반 도착점까지의 도착이 불확실 할 경우 도착시간에 상관없이 목적지 도착을 목표로하여 구동 시스템의 평균 효율을 최대화 시키기 위한 전기적 시스템 및 그 제어 방법에 의하면, 제로 에미션 조건에 의해 제로 에미션 죤에서 사용할 인버터 및 컨버터들의 스위칭 회로 구조를 결정하고, 배터리 잔여 용량에 따라 추가적 공용화 스위치 부 또는 AC/DC 컨버터부의 스위칭 소자들의 공용화 기반 가변구조 모터 및 이에 매칭되는 가변구조 스위치 모듈의 가변적 연결 제어를 수행함으로써, 적절한 선박의 최적화된 시스템 연결을 구축할 수 있는 효과가 얻어지며, 스위치 모듈에 의해 발생될 수 있는 전류 불평형 문제 해결을 통해 효율을 높이고 강건성을 확보한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 전기 선박의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제로 에미션 존에서 사용하는 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템의 전원 연결 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 IGBT 또는 TR로 구성된 전동기 구동 인버터, AC/DC 컨버터, DC/DC 컨버터의 공용 스위칭 회로의 구성도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전동기 구동 인버터와 가변 스위칭 모듈의 연결 회로 구성도
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 구동 모터와 인버터의 상호 연결 회로 구성도
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 발전기, AC/DC 컨버터, 배터리의 상호 연결 회로 구성도
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터, 가변스위치모듈, 2개의 코일 구성을 갖는 가변구조 모터의 상호 연결 회로 구성도
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터, 가변 스위치 모듈, 2개의 코일 구성을 갖는 가변 구조 모터의 상호 연결 회로 구성 및 전류 불평형 개선부품들(341,342)가변 스위치 모듈을 AC/DC 컨버터로 대체 가능한 구조의 회로 구성도
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 가변 구조 전환 및 구동을 위한 제어 흐름도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명을 실시하기 위한 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템의 전체 구성을 도 1를 참조하여 설명한다.
도 1에서 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.
추진용 전동기 또는 선박구동 모터(10)는 선박의 프로펠러를 구동하는 전동기로서, 직접 선박을 운항할 수 있는 회전 동력을 발생시킨다. 전동기 구동 인버터 또는 모터제어 인버터(20)는 디젤 발전기(40) 또는 배터리 팩(30)으로부터 공급되는 전력으로 추진용 전동기(10)를 구동하는 출력을 발생시킨다.
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.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템의 구성 및, 그 전원 연결 구성을 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 먼저 발전기(100)로부터 전원라인(101)을 통해 3상의 AC 전원이 AC/DC 컨버터(102)에 입력된다. 입력된 전원은 AC/DC 컨버터(102)에서 전력변환 수행 후, 전원라인(109)를 거쳐서, 배터리(110)과 DC/DC 컨버터(108)에 공급된다. 인버터(104)에서는 출력 전력이 전원라인(105)를 통해 3상으로 모터(106)에 공급된다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 공용 스위칭 회로에 대한 구성을 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 공용 스위칭 회로는 6개의 스위칭 소자(116)로 구성된다. 바람직하게는, 스위칭 소자는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 또는 트랜지스터(TR) 소자이다. DC 전원 입력 단자(111,112)로부터 DC 전원이 공급되면 6개의 스위칭 소자의 온/오프(On/Off)동작에 의해 출력단자(113,114,115)로 출력 전압이 전달된다.
상기 공용 스위칭 회로는 AC/DC 컨버터(102), 인버터(104), 및, DC/DC 컨버터(108)에 모두 공통적으로 포함되는 회로를 말한다. 상기 공용 스위치는 각각의 전력변환 부품(102,104,108)에 동일하게 구성되되, 각 전력변환 부품의 기능에 따라 스위칭 신호를 달리 주어 제어된다. AC/DC 컨버터(102), 인버터(104)는 공용 스위칭 회로를 공통적으로 구성함으로써, 입출력 전원의 연결과 스위칭 신호에 따라 전력변환 부품 간에 상호 대체될 수 있다.
한편, 상기 공용 스위칭 회로는 출력단자를 이원화하여, 다른 전력변환 부품으로도 동작시키도록 한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 세부 사항을 도 2, 도 3, 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 선박의 전기적 시스템의 제어를 위하여, 제어장치(150)를 추가하여 구성한다. 또한, AC/DC 컨버터(102), 인버터(104), 및, DC/DC 컨버터(108) 등 전력변환 부품들은 다른 전력변환 부품을 대신하여 구동하기 위하여, 서로 간에 전기적 연결이 형성된다. 또한, 발전기(100), 모터(106), 배터리(110)과도 전기적 연결이 형성된다.
한편, 제어장치(150)는 AC/DC 컨버터(102), 인버터(104), 및, DC/DC 컨버터(108) 등 전력변환 부품들에 제어신호를 전송하여, 각 전력변환 부품들이 자신의 원래 기능이나 타 부품의 기능을 수행하도록 제어한다. 이때, 제어신호는 비상스위치 모듈 또는 역전류방지 스위치 등을 제어하는 신호이거나, 스위칭 모듈에 대한 스위칭 신호들이다.
도 4는 모터제어 인버터와 가변 스위치 모듈의 연결 구조를 보여준다. 그림에서 인버터의 DC전압 +단자와 DC전압 -단자는 각각 배터리와 연결된 DC/DC 컨버터의 출력단자와 연결되며 내부는 6개의 IGBT 스위칭 모듈로 구성되어 있다. 인버터의 연결단자 1,2,3은 3상 모터의 전원 입력선들과 연결된다. 가변 스위치 모듈은 내부에 인버터와 같이 6개의 사이리스터(thyristor) 스위치 모듈로 구성되어 있다. 6개의 싸이리스터 스위치들은 2개씩 3쌍(117)으로 구성되어 있으며, 가변 스위치 단자들을 통해 인버터와 같이 각 쌍들이 가변구조 모터의 추가적 3쌍의 권선 코일들과 연결된다. 가변 스위치 모듈의 싸이리스터는 싸이리스터 스위치의 제어입력 온(on)/오프(off)를 통해 모터의 추가적 3쌍의 권선에 들어가는 전류를 온(on), 오프(off)시킨다.
한편, 가변 스위칭 모듈을 추가하여 구성할 수도 있고, AC/DC 컨버터를 가변 스위칭 모듈로 전환하여 사용할 수 있다. 즉, AC/DC 컨버터는 발전기를 구동할 때 사용되며, 배터리에 의해 모터를 구동하는 경우에는 발전기가 구동되지 않으므로, AC/DC 컨버터를 가변 스위칭 모듈로 전환하여 사용할 수 있다.
도 5는 도 4에서 인버터(104)부분과 가변구조 모터가 아닌 일반 구조 모터(105)와 연결되었을 경우의 연결 구조를 보여준다. 일반적 3상 모터의 3상 권선과 인버터의 3상 출력선이 연결된 모습을 보여준다.
도 6은 발전기(100)와 AC/DC 컨버터(102) 및 배터리(110)이 연결된 구조를 보여 준다. 발전기에서 발생된 3상의 AC 전원 출력은 AC/DC 컨버터에 의해 DC 전압으로 변환되며 AC/DC 컨버터의 DC 출력이 배터리 단자와 연결된 후 배터리가 충전된다.
도 7은 인버터(104)와 가변 스우치 모듈 그리고 가변 구조 모터가 연결된 구조를 보여준다. 도 4에서 설명한 바와 같이 인버터의 +단자와 -단자는 배터리의 전압을 인버터의 인가 전압에 맞는 DC 전압으로 변환 시켜주는 DC/DC 컨버터의 출력 단자들과 연결되어지며, 가변 스위치 모듈(117)의 3상 출력은 가변 구조 모터의 추가적 권선 코일들과 연결된다. 도 5의 일반구조 모터는 권선이 3상당 1개씩 연결되어 있는 반면에, 가변구조 모터(506)는 각 상당 2개의 코일을 가지고 있어 각 상당 2개의 코일을 통하여 전류를 모터에 공급한다.
도 8은 인버터와 가변구조 모터 및 가변 스위치 모듈의 연결구조를 보여 준다. 그림에서 3상 가변 구조 모터는 앞서 설명한 바와 같이 단선의 권선코일이 각 상의 구성을 이루었던 일반 모터 구조에 각 상에 대해 1개씩의 권선 코일이 추가되어 각 상마다 2개씩의 권선 코일을 갖고 전체 6개의 모터 권선을 갖는 구조의 특성을 갖는다. 즉 코일이 이중 권선이 됨에 따라 두 개의 권선 중 한 곳에만 전류가 흐를 수 있으며, 이와 같은 전류의 제어를 통해 상황 조건에 맞추어 가변 구조 모터에서 고효율의 출력을 발생할 수 있도록 다양하게 제어할 수 있다. 이와 같은 각 상에 대한 2개의 권선 중에 1개의 권선이 전체 6개의 싸이리스터 스위치들이 2개가 한 쌍을 이룬 3상 모터 연결 가변 스위치 모듈과 연결이 되고, 이를 통해 일반 모터와 달리 가변구조 모터에서 추가된 권선에 대한 전류의 도통과 차단이 제어를 통하여 이루어 진다.
그러나 이와 같은 싸이리스터의 추가는 인버터의 3상 출력과 직접 연결된 다른 한 모터 권선과 비교할 때 싸리리스터가 추가됨에 따라 인버터와 모터 권선이 직접 연결되었을 때와 다른 전류패스 상의 상이한 저항 및 유도성분 그리고 기타 전기적 조건을 같는 패스를 만들어낸다. 이에 따라 인버터와 모터 권선과의 연결에서 싸이리스터가 중간에 없는 모터 권선 패스와 싸이리스터가 들어간 패스가 각각 다른 전류적 불평형을 만든다. 이와 같은 불평형 전류는 모터 구동 시 안정성을 상당히 위협하며 심대한 안정성의 문제를 야기시킨다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 도 8에 보여주는 바와 같이 권선과 인버터 및 가변구조 스위치 모듈이 연결되는 패스(path)에 불평형 보정부(314)를 삽입하여 전류의 평형을 이루도록 설계를 수행한다.
불평형 보정부는 전류의 변화에 대해 인덕던스 값과 저항값의 변화를 만드는 부스바, 코일, 자력성분 부품 및 전류와 온도에 따라 부품이 소모하는 전류 및 전압이 변해 이를 이용하여 보정하는 전자부품들의 조합으로 이루어 진다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 배터리 잔여 용량의 부족에 의한 목적지 도착의 불확실성 대응을 위한 전기적 시스템의 운용 방법에 대하여 도 9을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 9는 선박의 배터리 잔류 용량이 충분히 확보되지 못해 목적지 도달에 대한 불확실성이 발생하였을 때 인버터 및 가변 스위칭 모듈 그리고 모터가 상호 연결되어 모터의 연결 구조가 듀얼 코일 구조로 연결되고 인버터 및 양방향의 가변 스위칭 모듈의 공유 기능을 적용하여 선박을 운항하기 위한 방법을 보여준다.
먼저, 선박이 제로에미션 존에서 운항을 시작하면 배터리의 잔여 용량을 실시간 체크하는 목적지 도달 가능 확인 체크 모드에 진입한다(200). 배터리 잔여 용량 체크 모드의 단계(200)에 진입 후 순차적으로 배터리 잔량과 목적지 도착 필요 용량 비교 단계(201), 그리고 조건 만족시(배터리 용량이 목적지 도달 기준 잔량에 비하여 부족한 것으로 판단되면) 가변 스위칭 모터의 모터 구동 단계(202)를 수행한다.
그리고 단위 구동 시간 비교(203)단계를 거쳐 구동 시간이 일정 기준의 단위 구동 시간조건을 만족하면 배터리 잔여 용량을 비교하고 아니면 가변 스위칭 기반 구조의 구동을 계속 지속하는 모드로 들어간다.
배터리 잔여 용량 비교에서 잔여 용량이 목적지에 도달할 만큼 충분한 용량을 나타내면 모터의 듀얼(dual) 코일 구조(가변스위칭 모듈을 이용한 가변 모터 구조)에 연결되었던 체계에서 단일 코어 연결 구조(정상적인 일반 모드의 모터 구동 구조)로 변경된다.
일반모드와 가변 스위칭 모드는 모터의 연결 구조와 이와 연결되어 모터를 구동하는 인버터 및 모터의 전류가 지나가는 패스 연결 상태에 따라 나누어진다. 일반모드는 모터와 인버터가 단지 3개의 전원 패스로 연결되어 3상으로 연결되여 중간에 다른 스위칭 소자가 연결되지 않으나, 가변 스위칭 구동은 모터의 연결 구조가 듀얼 구조의 전류 패스(PATH)의 스위칭 구조로 변경하여 수행한다.
이와 같은 듀얼 구조의 전류 패스에서 스위치 모듈의 소자가 전류량 및 온도 조건 변화에 따라 달리 나타나는 전압 강하에 대하여 각 전류 패스에 대해 유도성 성분, 저항성 성분의 변경을 만드는 보정부 위치시켜 독립적으로 조절이 되로록 하였다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 추진용 전동기(모터) 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

Claims (6)

  1. 발전기, 배터리, 및, 선박구동 모터로 구성되는, 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템에 있어서,
    상기 발전기의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터;
    상기 배터리 또는 상기 AC/DC 컨버터로부터 공급되는 전원으로 선박구동 모터를 구동하는 출력을 발생시키는 모터제어 인버터;
    입력되는 DC 전원을 상기 모터제어 인버터에 맞는 DC 전원으로 변환하는 DC/DC 컨버터;
    6개의 스위치로 구성되는 가변 스위치 모듈;
    가변 스위치 모듈에 전류 불평형을 개선하기 위한 보정부; 및,
    상기 AC/DC 컨버터, 상기 모터제어 인버터, 및, 상기 DC/DC 컨버터를 포함하는 전력변환 부품을 제어하는 제어장치를 포함하고,
    6개의 스위칭 소자를 포함하는 스위칭 모듈이 상기 AC/DC 컨버터, 상기 모터제어 인버터, 및, 상기 DC/DC 컨버터에 모두 공통적으로 포함되고, 상기 AC/DC 컨버터, 상기 모터제어 인버터, 및, 상기 DC/DC 컨버터의 전력변환 부품들은 다른 전력변환 부품을 대신하여 구동하도록, 서로 간에 전기적 연결을 형성하고,
    상기 선박구동 모터는 상기 모터제어 인버터와 단지 3개의 전원 패스로 연결되어 3상으로 연결되어 구동되는 일반 모드로 구동되거나, 상기 모터제어 인버터와의 사이에서 상기 가변 스위치 모듈을 형성하여 가변구조 모터로 구동되는 가변 스위칭 모드로 구동되고,
    상기 제어장치는 상기 AC/DC 컨버터를 상기 가변 스위치 모듈로 전환하여 사용하는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 적어도 6개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 TR의 스위칭 소자인 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 목적지에 도달하기 위한 배터리 잔류용량의 부족 및 불확실성이 감지되면 상기 AC/DC 컨버터의 기능을 가변 스위치 모듈로 전환을 수행하는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 가변 스위치 모듈의 추가로 인해 발생하는 모터의 불평형 전류를 개선하기 위한 전류 불평형 보정부를 각 전류 패스에 대해 독립적으로 갖는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 배터리 잔여 용량이 목적지까지의 도달이 불확실하면 가변 스위치 모듈을 AC/DC 컨버터로 대체하여 운행하고, 배터리의 잔여 용량이 목적지까지의 예정 용량 대비 확보되어지는 것으로 판단하면 일반 모드로 변경되는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 모터 가변 구조 전류 불평형 교정 기능을 갖는 구동 시스템.
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