KR102439770B1 - Boost power converter for fuel cell of uuv adn method therefor - Google Patents

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KR102439770B1
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윤석민
김진호
이필엽
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한화시스템 주식회사
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Abstract

A power converter for an unmanned submersible fuel cell according to an embodiment of the present invention comprises: a power distributing and controlling unit outputting a first voltage supplied from a fuel cell to a boost power unit; the boost power unit boosting the first voltage to a second voltage that is more than twice as high and outputting the second voltage to a charging unit; the charging unit charging the second voltage and supplying the charged second voltage to a secondary battery; and a gate unit outputting a third voltage supplied from the secondary battery to an external load, wherein the boost power unit includes a heat pipe mounted in contact with one surface of a housing inside a pressure-resistant container of the power converter and processing heat conducted along the one surface of the housing in a water-cooled manner. The present invention can reduce the heat generation of the power converter in consideration of an underwater environment.

Description

무인 잠수정 연료전지용 전력변환기 및 그에 따른 방법{BOOST POWER CONVERTER FOR FUEL CELL OF UUV ADN METHOD THEREFOR}Power converter for unmanned submersible fuel cell and method thereof

본 발명은 무인 잠수정(Unmanned Underwater Vehicle) 연료전지용 전력변환기 및 그에 따른 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a power converter for an unmanned underwater vehicle fuel cell and a method therefor.

도 1은 일반적인 부스트(Boost) 회로도이다.1 is a general boost circuit diagram.

육상에서 사용하는 연료전지용 전력변환기는 도 1과 같이, 단일 stage 구조를 가지고 있다. 그런데 이러한 단일 stage 구조는 입력 전압(VIN)(100)을 두 배 이상의 고전압으로 변환할 때 효율이 낮아지는 문제점이 있다.A power converter for a fuel cell used on land has a single stage structure as shown in FIG. 1 . However, this single stage structure has a problem in that efficiency is lowered when converting the input voltage (V IN ) 100 to a high voltage more than twice as high.

그리고 이러한 연료전지용 전력변환기는 무인잠수정과 같은 협소한 공간을 고려한 구조를 가지고 있지 않을 뿐만 아니라, 발열 문제를 해결하는 장비도 무인잠수정의 작전 환경을 고려하여 제작되지 않은 문제점이 있다.And this fuel cell power converter does not have a structure considering a narrow space like an unmanned submersible, but also has a problem in that the equipment to solve the heat problem is not manufactured in consideration of the operational environment of the unmanned submersible.

본 발명은 열 배출에 효과적인 전력변환기 및 그에 따른 방법을 제공한다.The present invention provides a power converter effective for dissipating heat and a method therefor.

본 발명은 무인잠수정에서 사용 가능한 연료전지용 전력변환기 및 그에 따른 방법을 제공한다.The present invention provides a power converter for a fuel cell that can be used in an unmanned submersible, and a method therefor.

본 발명은 무인잠수정과 같이 협소한 공간에서도 발열 문제를 해결하는 전력변환기 및 그에 따른 방법을 제공한다.The present invention provides a power converter that solves the heat problem in a narrow space, such as an unmanned submersible, and a method according thereto.

본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기는, 무인 잠수정 연료전지용 전력변환기에 있어서, 연료 전지로부터 공급된 제1전압을 부스트 전력부로 출력하는 전력 분배 및 제어부; 상기 제1전압을 두 배 이상의 고전압인 제2전압으로 승압하고, 상기 제2전압을 충전부로 출력하는 상기 부스트 전력부; 상기 제2전압을 충전하고, 상기 충전된 제2전압을 2차전지에 공급하는 상기 충전부; 및 상기 2차전지로부터 공급된 제3전압을 외부 부하로 출력하는 게이트부를 포함하고, 상기 부스트 전력부는, 상기 전력변환기의 내압용기 내부의 하우징 일면과 접촉되게 장착되며, 수냉식으로 상기 하우징 일면을 타고 전도되는 열을 처리하는 히트파이프를 포함한다.Power converter according to an embodiment of the present invention, in the power converter for unmanned submersible fuel cell, power distribution and control unit for outputting the first voltage supplied from the fuel cell to the boost power unit; the boost power unit boosting the first voltage to a second voltage that is twice or more high voltage, and outputting the second voltage to a charging unit; the charging unit charging the second voltage and supplying the charged second voltage to the secondary battery; and a gate unit for outputting a third voltage supplied from the secondary battery to an external load, wherein the boost power unit is mounted in contact with one surface of the housing inside the pressure-resistant container of the power converter, and rides on one surface of the housing in a water-cooled manner It includes a heat pipe to process the conducted heat.

본 발명의 실시 예에 따른 전력변환 방법은, 무인 잠수정 연료전지용 전력변환 방법에 있어서, 전력 분배 및 제어부에서, 연료 전지로부터 공급된 제1전압을 부스트 전력부로 출력하는 과정; 상기 부스트 전력부에서, 상기 제1전압을 두 배 이상의 고전압인 제2전압으로 승압하고, 상기 제2전압을 충전부로 출력하는 과정; 상기 충전부에서, 상기 제2전압을 충전하고, 상기 충전된 제2전압을 2차전지에 공급하는 과정; 및 게이트부에서, 상기 2차전지로부터 공급된 제3전압을 외부 부하로 출력하는 과정을 포함하고, 상기 부스트 전력부는 히트파이프를 포함하고, 상기 히트파이프는, 상기 전력변환기의 내압용기 내부의 하우징 일면과 접촉되게 장착되며, 수냉식으로 상기 하우징 일면을 타고 전도되는 열을 처리한다. Power conversion method according to an embodiment of the present invention, in the power conversion method for an unmanned submersible fuel cell, the step of outputting, in the power distribution and control unit, the first voltage supplied from the fuel cell to the boost power unit; boosting the first voltage to a second voltage that is twice or more high voltage in the boost power unit, and outputting the second voltage to a charging unit; charging the second voltage in the charging unit and supplying the charged second voltage to a secondary battery; and outputting the third voltage supplied from the secondary battery to an external load in the gate unit, wherein the boost power unit includes a heat pipe, and the heat pipe includes a housing inside the pressure-resistant vessel of the power converter. It is mounted in contact with one surface and processes heat conducted by riding on one surface of the housing in a water-cooled manner.

본 발명은 수중에서 작동되는 해양무인체계의 연료전지 전력변환에 특화되게 설계되어 협소한 공간에서도 설치할 수 있다.The present invention is designed specifically for fuel cell power conversion of an unmanned marine system operated underwater, and can be installed in a narrow space.

본 발명은 수중 환경을 고려하여 전력변환기의 발열을 감소시킬 수 있다.The present invention can reduce the heat generation of the power converter in consideration of the underwater environment.

도 1은 일반적인 부스트 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무인 잠수정 연료전지용 전력변환기 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기의 위치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 공기순환을 이용한 냉각장치를 구비한 내압용기를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기의 제어기 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기의 실제 형상도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이중 stage 구조를 가지는 Boost 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이중 stage 구조의 상세 구성도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환 방법을 나타낸 흐름도이다.1 is a general boost circuit diagram.
2 is a structural diagram of a power converter for an unmanned submersible fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing the position of the power converter according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a pressure-resistant vessel having a cooling device using air circulation according to an embodiment of the present invention.
5 is a configuration diagram of a controller of a power converter according to an embodiment of the present invention.
6 is an actual shape diagram of a power converter according to an embodiment of the present invention.
7 is a boost circuit diagram having a dual stage structure according to an embodiment of the present invention.
8 is a detailed configuration diagram of a dual stage structure according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a power conversion method according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, it is not intended to limit the technology described in the present invention to specific embodiments, and it should be understood that the present invention includes various modifications, equivalents, and/or alternatives of the embodiments of the present invention. . In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components.

본 발명에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다", 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.In the present invention, expressions such as “have”, “may have”, “include”, or “may include” indicate the presence of a corresponding characteristic (eg, a numerical value, function, operation, or component such as a part). and does not exclude the presence of additional features.

본 발명에서, "A 또는 B", "A 또는/및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.In the present invention, expressions such as “A or B”, “at least one of A or/and B”, or “one or more of A or/and B” may include all possible combinations of the items listed together. . For example, "A or B", "at least one of A and B", or "at least one of A or B" means (1) includes at least one A, (2) includes at least one B; Or (3) it may refer to all cases including both at least one A and at least one B.

본 발명에서 사용된 "제 1", "제 2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.Expressions such as "first", "second", "first", or "second" used in the present invention may modify various elements, regardless of order and/or importance, and may modify one element to another. It is used only to distinguish it from the components, and does not limit the components. For example, the first user equipment and the second user equipment may represent different user equipment regardless of order or importance. For example, without departing from the scope of the rights described in the present invention, the first component may be named as the second component, and similarly, the second component may also be renamed as the first component.

어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상술한 어떤 구성요소가 상술한 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소와 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.A component (eg, a first component) is "coupled with/to (operatively or communicatively)" to another component (eg, a second component) When referring to "connected to", it should be understood that any of the above-described components may be directly connected to the above-described other component or may be connected through another component (eg, a third component). On the other hand, when it is said that a component (eg, a first component) is "directly connected" or "directly connected" to another component (eg, a second component), a component different from a component It may be understood that no other component (eg, a third component) exists between the elements.

본 발명에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)", "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)", "~하도록 설계된(designed to)", "~하도록 변경된(adapted to)", "~하도록 만들어진(made to)", 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 AP(application processor))를 의미할 수 있다.The expression "configured to (or configured to)" as used in the present invention, depending on the context, for example, "suitable for", "having the capacity to" It can be used interchangeably with "," "designed to", "adapted to", "made to", or "capable of". The term “configured (or configured to)” may not necessarily mean only “specifically designed to” in hardware. Instead, in some contexts, the expression “a device configured to” may mean that the device is “capable of” with other devices or components. For example, the phrase "a processor configured (or configured to perform) A, B, and C" refers to a processor (eg, an embedded processor) dedicated to performing the operations, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may mean a generic-purpose processor (eg, a CPU or an application processor (AP)) capable of performing corresponding operations.

본 발명에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 발명에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 발명에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 발명에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 발명에서 정의된 용어일지라도 본 발명의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.Terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and may not be intended to limit the scope of other embodiments. The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Terms used herein, including technical or scientific terms, may have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art described in the present invention. Among the terms used in the present invention, terms defined in a general dictionary may be interpreted with the same or similar meaning as the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present invention, ideal or excessively formal meanings is not interpreted as In some cases, even terms defined in the present invention cannot be construed to exclude embodiments of the present invention.

본 발명은 전력변환 효율과 발열 문제를 해결하여 무인잠수정에 적용 가능한 안정적이고 공간효율적인 전력변환기의 필요성이 발생하여, 이중 stage 회로 및 슬라이드 형태와 히트파이프 구조를 가지는 전력변환기를 제안한다.The present invention solves the problem of power conversion efficiency and heat generation, and the need for a stable and space-efficient power converter applicable to unmanned submersibles arises, and proposes a power converter having a double stage circuit and a slide form and a heat pipe structure.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무인 잠수정 연료전지용 전력변환기 구조도이다.2 is a structural diagram of a power converter for an unmanned submersible fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기의 위치를 나타낸 도면이다.3 is a view showing the position of the power converter according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 공기순환을 이용한 냉각장치를 구비한 내압용기를 나타낸 도면이다.4 is a view showing a pressure-resistant vessel having a cooling device using air circulation according to an embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기를 설명하기로 한다.2 to 4, a power converter according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기는 무인잠수정에 적용된 연료전지의 저전압을 장비에 필요한 고전압으로 변환하는 역할을 수행한다. 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기는 도 2를 참조하면, 입력보드(210), 입출력 커넥터(220~240), 히트파이프(HeatPipe)(250), 파워스테이지보드(260), 제어보드(270), BOP(balance of plant) 컨버터(280), 케이스(290) 등으로 구성된다. 상기 입출력 커넥터(220~240)는 주장비 출력 전원커넥터(220), 연료전지제어기 전원커넥터(230), 통신커넥터(240) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 파워스테이지보드(260)는 4장 가지고 있다.The power converter according to an embodiment of the present invention serves to convert the low voltage of the fuel cell applied to the unmanned submersible into the high voltage required for the equipment. 2 , the power converter according to an embodiment of the present invention is an input board 210 , input/output connectors 220 to 240 , a heat pipe 250 , a power stage board 260 , and a control board 270 . ), a balance of plant (BOP) converter 280 , and a case 290 . The input/output connectors 220 to 240 may include a main equipment output power connector 220 , a fuel cell controller power connector 230 , a communication connector 240 , and the like. The power stage board 260 has four pieces.

상기 히트파이프(250)는 상기 전력변환기의 내압용기 내부의 하우징 일면과 접촉되게 장착되며, 수냉식으로 상기 하우징 일면을 타고 전도되는 열을 감소시키는 역할을 수행한다. 상기 전력변환기는 히트파이프를 포함하고, 상기 히트파이프는, 상기 전력변환기의 내압용기 내부의 하우징 일면과 접촉되게 장착되며, 수냉식으로 상기 하우징 일면을 타고 전도되는 열을 처리한다. The heat pipe 250 is mounted to be in contact with one surface of the housing inside the pressure-resistant container of the power converter, and serves to reduce heat conducted on one surface of the housing by water cooling. The power converter includes a heat pipe, and the heat pipe is mounted in contact with one surface of the housing inside the pressure-resistant container of the power converter, and processes the heat conducted on the one surface of the housing in a water-cooled manner.

공간이 협소한 무인잠수정의 특성을 반영한 전력변환기(310)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 2차 전지(320)의 하단에 길고 납작한 형태로 배치된다. 약 1 미터 길이의 전력변환기는 단일 슬라이드 구조를 가지며, 전체가 슬라이딩되는 형태로 내압용기에 손쉽게 장착 가능할 수 있다. 이때 내압용기는 도 4에 기재된 본 발명의 실시 예에 따른 공기순환을 이용한 냉각장치(410)를 이용한다.The power converter 310 reflecting the characteristics of the unmanned submersible with a narrow space is arranged in a long and flat form at the bottom of the secondary battery 320, as shown in FIG. The power converter with a length of about 1 meter has a single slide structure and can be easily installed in a pressure vessel in a sliding form as a whole. At this time, the pressure vessel uses the cooling device 410 using air circulation according to the embodiment of the present invention described in FIG.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기의 제어기 구성도이다.5 is a configuration diagram of a controller of a power converter according to an embodiment of the present invention.

전력변환기의 제어기는 전력분배부(510), Charger 부(520), 제어부(530), 전력통합부(540) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 전력변환기의 제어기는 도 4의 전력변환기를 전체적으로 제어하는 역할을 수행하도록 구성될 수 있다.The controller of the power converter may include a power distribution unit 510 , a charger unit 520 , a control unit 530 , a power integration unit 540 , and the like. The controller of the power converter may be configured to serve to control the power converter of FIG. 4 as a whole.

상기 전력분배부(510)는 수소전지(연료전지)로부터 공급되는 전원을 전달상에서 발생할 수 있는 노이즈를 상쇄시켜 입력전압을 안정화시킬 수 있다. 또한 상기 전력분배부(510)는 전력변환기에 문제가 발생할 경우 외부에 충격을 전달하지 않도록 외부 회로와 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 전력분배부(510)는 입력된 전력을 4 개의 전력 모듈(Module)로 연결해주는 연결부를 가진다.The power distribution unit 510 may stabilize the input voltage by offsetting noise that may occur during transmission of power supplied from a hydrogen cell (fuel cell). In addition, the power distribution unit 510 may perform a function of blocking an external circuit so as not to transmit a shock to the outside when a problem occurs in the power converter. In addition, the power distribution unit 510 has a connection unit for connecting the input power to four power modules (Module).

상기 Charger 부(520)는 입력된 낮은 전압을 스위칭 과정을 통해 높은 전압으로 승압하는 기능을 하고 본 발명의 실시 예에서는 4 개의 공통된 모듈을 포함할 수 있다.The charger unit 520 serves to boost the input low voltage to a high voltage through a switching process, and may include four common modules in an embodiment of the present invention.

상기 제어부(530)는 외부로부터 제어 명령을 수신하고 상태결과를 송신하는 통신 기능을 수행할 수 있다. 상기 제어부(530)는 전력을 생산하기 위한 스위칭 기능을 수행할 수 있으며, 각 보호회로 Relay 및 내부 환경온도 센서를 통한 시스템 정지를 수행하여 회로를 보호할 수 있다.The control unit 530 may perform a communication function of receiving a control command from the outside and transmitting a status result. The control unit 530 may perform a switching function for generating power, and may protect the circuit by performing a system stop through each protection circuit relay and an internal environmental temperature sensor.

상기 제어부(530)는 운용모드에 따라서 전력을 처리할 수 있다.The control unit 530 may process power according to an operation mode.

상기 운용모드는 하기 표 1과 같다.The operation mode is shown in Table 1 below.

NoNo ConditionsConditions DocumentsDocuments 1One 상시운용full-time operation 고효율 운전을 위해서 700W 전력 이하의 운전 조건에서 CH1만
단독으로 운전한다. 이렇게 할 경우 효율 93% 이상의 조건을
만족하도록 한다.For high-efficiency operation, only CH1 under the operating conditions of 700W power or less
drive alone In this case, the condition of efficiency of 93% or more
make you satisfied 22 부하 출력모드load output mode 전력이 부하 측으로만 이동하도록 하는 모드Mode that allows power to flow only to the load side 33 충전 모드charging mode 전류를 서서히 상승시켜 2.3KW 정 전력 상태로 BAT 충전BAT charging at 2.3KW constant power by gradually increasing the current

1) 운용모드가 Normal Mode 로 설정하였을 때 상기 제어부(530)는 아래의 동작을 수행한다.1) When the operation mode is set to the Normal Mode, the control unit 530 performs the following operations.

상기 제어부(530)는 BAT의 현재 전압을 읽어 BAT 전압과 일치한 전압을 출력한다. 그렇게 했을 때 출력된 전력은 부하측으로 이동하는 효과를 나타내게 된다. 이때 출력 부하가 700 Watt 미만을 유지 할 경우 상기 제어부(530)는 CH1 만을 가동하여 에너지 효율을 최대 93% 이상을 유지하도록 한다. 그러나 700 Watt를 초과 했을 경우 상기 제어부(530)는 CH1 ~ CH4 까지 모두 가동하여 최대 전력을 부하측으로 이동 할 것에 대비한다. 만약 출력이 2.3 Kw를 초과 할 경우 상기 제어부(530)는 정 전력 모드로 전향하여 2.3 Kw를 유지한다. 이 모든 기능은 소프트웨어가 자동처리 한다.The control unit 530 reads the current voltage of BAT and outputs a voltage that matches the BAT voltage. In that case, the output power has the effect of moving to the load side. At this time, when the output load is maintained less than 700 Watt, the control unit 530 operates only CH1 to maintain energy efficiency of up to 93% or more. However, when it exceeds 700 Watt, the control unit 530 operates all of CH1 to CH4 to prepare for moving the maximum power to the load side. If the output exceeds 2.3 Kw, the control unit 530 switches to the constant power mode to maintain 2.3 Kw. All these functions are handled automatically by the software.

2) 운용모드가 Charge Mode 로 설정하였을 때 상기 제어부(530)는 아래의 동작을 수행한다.2) When the operation mode is set to the Charge Mode, the control unit 530 performs the following operations.

상기 제어부(530)는 정 전류 모드로 출력전류를 0 ~ 15 A까지 서서히 상승 시켜 BAT 충전을 유도한다. 이 때 상기 제어부(530)는 전류의 상승시간을 10초 이내로 연료전지의 안정화 시간을 고려하여 극단적으로 상승시키지 않는다.The control unit 530 is BAT charging is induced by gradually increasing the output current from 0 to 15 A in constant current mode. At this time, the control unit 530 does not increase the current rising time extremely within 10 seconds in consideration of the stabilization time of the fuel cell.

상기 전력통합부(540)는 4 개의 각각의 출력을 하나로 모아서 단일출력으로 모을 수 있다.The power integrator 540 may collect each of the four outputs into a single output.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기의 실제 형상도이다.6 is an actual shape diagram of a power converter according to an embodiment of the present invention.

전력변환기는 참조번호 610에 나타낸 바와 같이, 내압용기에 장착된 모습을 나타낸다.As shown in reference number 610, the power converter is mounted on a pressure-resistant vessel.

본 발명의 실시 예에 따른 전력변환기(610)는 연료전지로부터 공급되는 40 ~ 54 V의 저전압을 입력대비 3 배 이상의 140 ~ 172.5 V의 고전압으로 변환한다.The power converter 610 according to an embodiment of the present invention converts a low voltage of 40 to 54 V supplied from the fuel cell into a high voltage of 140 to 172.5 V, which is three times or more compared to the input.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이중 stage 구조를 가지는 Boost 회로도이다.7 is a boost circuit diagram having a dual stage structure according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시 예에 따른 이중 stage 구조를 가지는 Boost 회로는 Boost 회로를 N-Stage(720)와 P-Stage(710) 이중으로 설계하여 낮은 입력전압 대비 높은 출력전압을 얻기 위해 설계된 회로를 포함할 수 있다. 이중 stage 구조는 도 2의 파워스테이지보드(260)에 적용된다.The Boost circuit having a dual stage structure according to an embodiment of the present invention may include a circuit designed to obtain a high output voltage compared to a low input voltage by designing the Boost circuit as a double N-Stage (720) and P-Stage (710). can The dual stage structure is applied to the power stage board 260 of FIG. 2 .

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이중 stage 구조의 상세 구성도이다.8 is a detailed configuration diagram of a dual stage structure according to an embodiment of the present invention.

기존에 CHOCK BOOST 회로와 기본적인 구조와 기능 동작방식도 동일하지만 본 회로에서는 도 8과 같이, 2 개의 Stage를 뒤집은 상태로 연결되어 동작한다는 것이 차이점이라고 할 수 있다.Although the basic structure and function operation method are the same as those of the conventional CHOCK BOOST circuit, the difference is that in this circuit, two stages are connected and operated in an inverted state as shown in FIG. 8 .

P Stage(810)에서는 출력 전압의 + V를 Convert 한다.The P stage 810 converts +V of the output voltage.

N Stage(820)에서는 출력 전압의 - V를 Convert 한다.The N stage 820 converts -V of the output voltage.

본 발명의 실시 예는 P Stage(810)와 N Stage(820)을 결합함으로써 (+V) + (-(-V)) = 2V 의 형태로 최종 출력을 Stage 1개가 내는 출력에 2 배수를 Convert 할 수 있다.The embodiment of the present invention converts a multiple of 2 to the output that Stage 1 gives the final output in the form of (+V) + (-(-V)) = 2V by combining the P Stage 810 and the N Stage 820 can do.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환 방법을 나타낸 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating a power conversion method according to an embodiment of the present invention.

전력변환기의 전력 분배 및 제어부는 901 단계에서 연료 전지로부터 공급된 제1전압을 부스트 전력부로 출력한다.The power distribution and control unit of the power converter outputs the first voltage supplied from the fuel cell to the boost power unit in step 901 .

전력변환기의 상기 부스트 전력부에서, 903 단계에서 상기 제1전압을 두 배 이상의 고전압인 제2전압으로 승압하고, 상기 제2전압을 충전부로 출력한다.In the boost power unit of the power converter, in step 903, the first voltage is boosted to a second voltage that is twice or more high voltage, and the second voltage is output to the charging unit.

전력변환기의의 상기 충전부에서, 905 단계에서 상기 제2전압을 충전하고, 907 단계에서 상기 충전된 제2전압을 2차전지에 공급한다.In the charging unit of the power converter, the second voltage is charged in step 905 , and the charged second voltage is supplied to the secondary battery in step 907 .

전력변환기의 게이트부에서, 909 단계에서 상기 2차전지로부터 공급된 제3전압을 외부 부하로 출력한다. 상기 부스트 전력부는 히트파이프를 포함하고, 상기 히트파이프는, 상기 전력변환기의 내압용기 내부의 하우징 일면과 접촉되게 장착되며, 수냉식으로 상기 하우징 일면을 타고 전도되는 열을 감소하도록 처리한다. 상기 전력 분배 및 제어부, 상기 부스트 전력부, 상기 충전부, 및 상기 게이트부는 일렬로 배치되독 구성될 수 있다. 상기 부스트 전력부로 출력하는 출력 전압의 + V를 Convert 하는 P Stage 구조와, 상기 부스트 전력부로 출력하는 출력 전압의 - V를 Convert 하는 N Stage 구조를 포함하고, 상기 부스트 전력부는, 상기 P Stage 구조와 N Stage 구조를 결합하여 (+V) + (-(-V)) = 2V 의 형태로 최종 출력을 Stage 1 개가 내는 출력에 2 배수를 Convert 하도록 구성될 수 있다.The gate unit of the power converter outputs the third voltage supplied from the secondary battery to an external load in step 909 . The boost power unit includes a heat pipe, and the heat pipe is mounted in contact with one surface of the housing inside the pressure-resistant container of the power converter, and is water-cooled to reduce heat conducted on the housing surface. The power distribution and control unit, the boost power unit, the charging unit, and the gate unit may be configured to be arranged in a line. a P stage structure for converting +V of the output voltage output to the boost power unit, and an N stage structure for converting -V of the output voltage output to the boost power unit, wherein the boost power unit includes the P stage structure and By combining the N Stage structure, the final output in the form of (+V) + (-(-V)) = 2V can be configured to convert a multiple of 2 to the output that Stage 1 produces.

이러한 본 발명의 실시 예는 효율을 최대로 보장한 상태에서 높은 전력을 생산할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 제어기는 2차전지 충전 유도를 위한 일반적인 출력제어 방식을 포함하여, 연료전지의 부하를 안정적으로 유지하여 연료전지의 수명을 보장하는 입력 정전류 제어모드를 가진다. 변환과정에서 발생한 발열은 컨버터에 직접 접촉되는 히트파이프를 이용하여 내압용기로 전달되며 수중으로 배출된다. 이때 내압용기는 도 2에 기재된 본 발명의 실시 예에 따른 공기순환을 이용한 냉각장치를 적용한다.This embodiment of the present invention can produce high power while maximally guaranteeing efficiency. The controller according to an embodiment of the present invention has an input constant current control mode for stably maintaining the load of the fuel cell and guaranteeing the lifespan of the fuel cell, including a general output control method for inducing charging of the secondary battery. The heat generated during the conversion process is transferred to the pressure-resistant vessel using a heat pipe in direct contact with the converter and discharged into the water. At this time, the pressure-resistant vessel applies a cooling device using air circulation according to the embodiment of the present invention described in FIG.

2차전지와 동일한 내압용기의 하부에 슬라이드 방식으로 손쉽게 전력변환기를 장착한다. 연료전지로부터 공급되는 40 ~ 54 V의 저전압을 이중 stage 구조를 가지는 Boost 회로를 이용하여 입력대비 3배 이상의 140 ~ 172.5 V의 고전압으로 변환한다. 2차전지 전압보다 2 ~ 3 V 높은 전압으로 변환된 전력은 무인잠수정의 주전원으로 공급되며, 나머지 전력은 2차전지에 충전된다. The power converter is easily installed in a slide method on the lower part of the same pressure-resistant container as the secondary battery. The low voltage of 40 ~ 54 V supplied from the fuel cell is converted into a high voltage of 140 ~ 172.5 V, which is three times more than the input by using a boost circuit with a double stage structure. The power converted to a voltage that is 2-3 V higher than the secondary battery voltage is supplied to the main power source of the unmanned vehicle, and the remaining power is charged in the secondary battery.

무인잠수정에서 부하 증가시 2차전지 전압보다 2 ~ 3 V 낮은 전압으로 변환된 전력은 2차전지와 함께 무인잠수정에 전력을 공급하게 된다. 전력변환시의 발열은 육상에서와 같이 공냉식 또는 수냉식 적용하면 별도의 열을 감소 시킬 수 있는 장치(열풍기, 냉각수등)를 구비하여야 하나, 수중에서 사용되는 본 발명은 육상에서와 다르게 발열에 대한 저감장치로 히트파이프를 통해 내압용기 하우징으로 전달되어 배출되는 구조이다. 본 발명의 실시 예에 따른 히트파이프는 내압용기 내부에 장착되어 프레임으로 타고 전도되는 열을 수중에서 동작하는 구조로 인해 수냉식으로 하우징의 열을 감소하여 발열에 특화되게 설계될 수 있다.When the load increases in the unmanned submersible, the power converted to a voltage that is 2-3 V lower than the secondary battery voltage will supply power to the unmanned submersible along with the secondary battery. When heat is generated during power conversion by air cooling or water cooling as on land, a separate device (hot air fan, cooling water, etc.) must be provided, but the present invention used in water is different from on land. It has a structure that is delivered to and discharged from the pressure-resistant container housing through the furnace heat pipe. The heat pipe according to an embodiment of the present invention can be designed to be specialized for heat generation by reducing the heat of the housing by water cooling due to the structure that is mounted inside the pressure-resistant container and operates under the heat transferred to the frame.

본 발명의 실시 예는 수중에 적용되는 해양무인체계의 연료전지 전력변환에 특화되어 수중로봇, 해양무기체계, 해양장비 등에 광범위하게 사용될 수 있다. An embodiment of the present invention is specialized for fuel cell power conversion of an unmanned marine system applied underwater, and thus can be widely used in underwater robots, marine weapon systems, marine equipment, and the like.

전술된 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains may modify and modify the above-described contents without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments of the present invention are not intended to limit the technical idea, but to explain, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (6)

무인 잠수정 연료전지용 전력변환기에 있어서,
복수의 입출력 커넥터들;
상기 입출력 커넥터들과 일렬로 배치되는 입력보드;
상기 입력보드와 일렬로 배치되는 복수의 파워스테이지보드들;
상기 파워스테이지보드들과 일렬로 배치되는 제어보드;
상기 제어보드와 일렬로 배치되는 컨버터;
상기 입출력 커넥터들, 상기 입력보드, 상기 파워스테이지보드들, 상기 제어보드 및 상기 컨버터의 양측면에 배치되는 복수의 히트파이프들을 포함하며,
상기 전력변환기는, 2차 전지의 하단에 부착되도록 단일 슬라이드 구조를 가지고,
상기 히트파이프들은, 상기 전력변환기와 상기 2차 전지를 감싸는 내압용기의 내부의 하우징 일면과 접촉되며, 상기 하우징 일면을 타고 전도되는 열을 수냉식으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 무인 잠수정 연료전지용 전력변환기.
In the power converter for unmanned submersible fuel cell,
a plurality of input/output connectors;
an input board disposed in line with the input/output connectors;
a plurality of power stage boards arranged in line with the input board;
a control board arranged in line with the power stage boards;
a converter arranged in line with the control board;
a plurality of heat pipes disposed on both sides of the input/output connectors, the input board, the power stage boards, the control board, and the converter,
The power converter has a single slide structure to be attached to the lower end of the secondary battery,
The heat pipes are in contact with one surface of the housing inside the pressure-resistant container surrounding the power converter and the secondary battery, and the power converter for an unmanned submersible fuel cell, characterized in that it reduces the heat conducted on the one surface of the housing by water cooling.
 제1항에 있어서,
상기 제어보드는,
수소 전지로부터 공급되는 전원을 전달할 때 발생하는 노이즈를 상쇄시켜 입력 전압을 안정화시키는 전력분배부;
스위칭 과정을 통해 상기 입력 전압을 승압하여 출력 전압을 출력하는 다수의 전력 모듈들을 포함하는 차저부;
상기 전력 모듈들에서 출력되는 다수의 출력 전압들을 모아 단일 전압으로 출력하는 전력통합부; 및
미리 지정된 다수의 운용모드들에 따라 상기 출력 전압들을 처리하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 잠수정 연료전지용 전력변환기.
According to claim 1,
The control board,
a power distribution unit for stabilizing the input voltage by offsetting noise generated when power supplied from the hydrogen battery is transmitted;
a charger unit including a plurality of power modules for outputting an output voltage by boosting the input voltage through a switching process;
a power integrator for collecting a plurality of output voltages output from the power modules and outputting a single voltage; and
Power converter for unmanned submersible fuel cell, characterized in that it comprises a control unit for processing the output voltages according to a number of operation modes specified in advance.
 제2항에 있어서,
상기 운용모드들은, 고효율 운전을 위해 상기 전력 모듈들 중에서 제1채널만 단독으로 운전하는 상시 운전 모드와 전력을 부하 측으로만 출력시키는 부하 출력 모드와 정 전력 상태에서 배터리를 충전시키는 충전 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 잠수정 연료전지용 전력변환기.
3. The method of claim 2,
The operation modes include a regular operation mode in which only the first channel is operated independently from among the power modules for high-efficiency operation, a load output mode in which power is output only to the load side, and a charging mode in which the battery is charged in a constant power state. Power converter for unmanned submersible fuel cell, characterized in that.
 무인 잠수정 연료전지용 전력변환기에서 전력을 변환하는 방법에 있어서,
제어보드는, 전력분배부와 차저부와 전력통합부와 제어부를 포함하며,
상기 제어부가, 상기 전력분배부를 통해 수소 전지로부터 공급되는 전원을 전달할 때 발생하는 노이즈를 상쇄시켜 입력 전압을 안정화시키는 과정,
상기 제어부가, 상기 차저부를 통해 상기 입력 전압을 승압하여 다수의 출력 전압들을 출력하는 과정,
상기 제어부가, 미리 지정된 다수의 운용모드들에 따라 상기 출력 전압들을 처리하는 과정, 및
상기 제어부가, 상기 전력통합부를 통해 상기 출력 전압들을 모아 단일 전압으로 출력하는 과정을 포함하고,
상기 전력변환기는,
복수의 입출력 커넥터들;
상기 입출력 커넥터들과 일렬로 배치되는 입력보드;
상기 입력보드와 일렬로 배치되는 복수의 파워스테이지보드들;
상기 파워스테이지보드들과 일렬로 배치되는 상기 제어보드;
상기 제어보드와 일렬로 배치되는 컨버터;
상기 입출력 커넥터들, 상기 입력보드, 상기 파워스테이지보드들, 상기 제어보드 및 상기 컨버터의 양측면에 배치되는 복수의 히트파이프들을 포함하며,
상기 전력변환기는, 2차 전지의 하단에 부착되도록 단일 슬라이드 구조를 가지고,
상기 히트파이프들은, 상기 전력변환기와 상기 2차 전지를 감싸는 내압용기의 내부의 하우징 일면과 접촉되며, 상기 하우징 일면을 타고 전도되는 열을 수냉식으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 무인 잠수정 연료전지용 전력변환기에서 전력을 변환하는 방법.A method of converting power in a power converter for an unmanned submersible fuel cell, the method comprising:
The control board includes a power distribution unit, a charger unit, a power integration unit, and a control unit,
A process in which the control unit stabilizes the input voltage by offsetting noise generated when power supplied from the hydrogen battery is transmitted through the power distribution unit;
a process in which the controller boosts the input voltage through the charger to output a plurality of output voltages;
a process in which the control unit processes the output voltages according to a plurality of preset operation modes; and
and the control unit collects the output voltages through the power integration unit and outputs a single voltage,
The power converter is
a plurality of input/output connectors;
an input board disposed in line with the input/output connectors;
a plurality of power stage boards arranged in line with the input board;
the control board arranged in line with the power stage boards;
a converter arranged in line with the control board;
a plurality of heat pipes disposed on both sides of the input/output connectors, the input board, the power stage boards, the control board, and the converter,
The power converter has a single slide structure to be attached to the lower end of the secondary battery,
The heat pipes are in contact with one surface of the housing inside the pressure-resistant container surrounding the power converter and the secondary battery, and in the power converter for an unmanned submersible fuel cell, characterized in that it reduces the heat conducted on the one surface of the housing by water cooling. How to convert power. 제4항에 있어서,
상기 운용모드들은, 고효율 운전을 위해 상기 전력 모듈들 중에서 제1채널만 단독으로 운전하는 상시 운전 모드와 전력을 부하 측으로만 출력시키는 부하 출력 모드와 정 전력 상태에서 배터리를 충전시키는 충전 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 잠수정 연료전지용 전력변환기에서 전력을 변환하는 방법.
5. The method of claim 4,
The operation modes include a regular operation mode in which only the first channel is operated independently from among the power modules for high-efficiency operation, a load output mode in which power is output only to the load side, and a charging mode in which the battery is charged in a constant power state. A method of converting power in a power converter for an unmanned submersible fuel cell, characterized in that.
 제4항에 있어서,
상기 차저부는,
출력 전압의 + V를 Convert 하는 P Stage 구조와,
상기 출력 전압의 - V를 Convert 하는 N Stage 구조를 포함하고,
상기 차저부는, 상기 P Stage 구조와 상기 N Stage 구조를 결합하여 최종 출력 2V를 출력하는 무인 잠수정 연료전지용 전력변환기에서 전력을 변환하는 방법.5. The method of claim 4,
The charger unit,
A P stage structure that converts +V of the output voltage,
Containing an N-stage structure that converts -V of the output voltage,
The charger unit, a method of converting power in a power converter for an unmanned submersible fuel cell that outputs a final output 2V by combining the P-stage structure and the N-stage structure.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011188715A (en) * 2010-03-11 2011-09-22 Mitsubishi Electric Corp Dc/dc converter
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