KR20100121110A - 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템 및 방법 - Google Patents

소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20100121110A
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함연재
오진석
조관준
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함연재
오진석
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Abstract

소형 어선의 추진속도가 고속일 경우 발전기 전원을 이용하여 운행하고, 저속일 경우 배터리 전원을 이용하여 운행함으로써 연료를 절감할 수 있는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템 및 방법이 제공된다. 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템은, 디젤 엔진을 사용하는 발전기의 전원 또는 배터리 전원을 사용하여 추진시키는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템에 있어서, 충전된 전원을 공급하기 위한 배터리; 디젤 엔진을 사용하여 3상 전원을 공급하기 위한 3상 발전기; 승압용 인버터, 속도제어 인버터 및 차단기로 이루어지며, 소형 어선의 추진속도가 고속인 경우, 3상 발전기 전원을 선택하여 공급하고, 소형 어선의 추진속도가 저속인 경우, 배터리 전원을 승압용 인버터에 의해 승압시켜 공급하는 하이브리드 전력 제어기; 소형 어선의 추진속도가 고속, 중속 또는 저속인지 여부를 확인하는 추진속도 판단부; 추진속도 판단부에서 판단된 소형 어선의 추진속도에 각각 대응하여 하이브리드 전력 제어기의 속도제어 인버터 및 차단기를 제어하는 제어부; 및 하이브리드 전력 제어기에서 선택된 3상 발전기 전원 또는 배터리 전원에 의해 구동되는 3상 유도전동기를 포함한다.
하이브리드 전기 추진, 연료절감, 전력제어기, 소형 어선, 3상 발전기

Description

소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템 및 방법 {Hybrid propulsion system and method for small fishing boat}
본 발명은 하이브리드 전기 추진 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 소형 어선의 추진속도에 대응하여 발전기 또는 배터리로 소형 어선을 추진시키는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 전기 추진 시스템은 발전기를 운전하여 전력을 생산하고, 생산된 전력을 추진 전동기에 인가하여 구동하는 형태이다. 또한, 하이브리드 전기 추진 시스템은 선박의 운행 상태에 따라 발전기와 배터리 전원을 선택하여 운전하는 시스템이다.
도 1은 일반적인 전기 추진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 전기 추진 시스템(10)은 발전기(11), 전동기(12) 및 프로펠러(13)를 포함함으로써, 발전기(11)를 이용하여 전력을 생산하고, 생산된 전력을 전동기(12)에 인가함으로써 프로펠러(13)를 구동하게 된다.
도 2는 하이브리드 전기 추진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하이브리드 전기 추진 시스템(20)은 발전기(21), 배터리(22), 전력 제어기(23), 전동기(24) 및 프로펠러(25)를 포함함으로써, 선박의 운행 상태에 따라 발전기(21)와 배터리(22) 전원을 전력 제어기(23)에 의해 선택하여 운전하는 시스템이다.
한편, 대부분의 어선은 디젤 엔진을 사용하는 발전기를 통한 추진 시스템으로 구성된다. 디젤 엔진은 정속으로 운전할 때, 예를 들면, 엔진부하가 80% 이상일 때, 높은 연료 효율을 갖지만, 고속 및 저속으로 가변시킬 경우, 그 효율이 낮아지는 단점을 갖는다.
즉, 소형 어선은 대부분 어장까지는 고속으로 운행하고, 대부분의 조업시간을 조업장에서는 저속 또는 해류에서 밀리지 않을 정도로만 운행 또는 정지한다, 예를 들면, 조업장에서는 3노트(Knot) 이하의 저속으로 운행하면서 조업을 한다.
하지만, 대부분의 어선의 경우, 디젤엔진을 이용한 추진을 수행하기 때문에 조업하는 구간에서도 디젤엔진을 사용한다. 이때, 디젤 엔진은 엔진부하가 80% 이상일 때, 연료 효율이 높으며 너무 낮을 경우, 불완전 연소 등으로 효율이 급감하고 엔진수명을 단축시킨다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 소형 어선의 추진속도가 고속일 경우 발전기 전원을 이용하여 운행하고, 저속일 경우 배터리 전원을 이용하여 운행함으로써 연료를 절감할 수 있는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템은, 디젤 엔진을 사용하는 발전기의 전원 또는 배터리 전원을 사용하여 추진시키는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템에 있어서, 충전된 전원을 공급하기 위한 배터리; 디젤 엔진을 사용하여 3상 전원을 공급하기 위한 3상 발전기; 승압용 인버터, 속도제어 인버터 및 차단기로 이루어지며, 상기 소형 어선의 추진속도가 고속인 경우, 상기 3상 발전기 전원을 선택하여 공급하고, 상기 소형 어선의 추진속도가 저속인 경우, 상기 배터리 전원을 상기 승압용 인버터에 의해 승압시켜 공급하는 하이브리드 전력 제어기; 소형 어선의 추진속도가 고속, 중속 또는 저속인지 여부를 확인하는 추진속도 판단부; 상기 추진속도 판단부에서 판단된 소형 어선의 추진속도에 각각 대응하여 상기 하이브리드 전력 제어기의 속도제어 인버터 및 차단기를 제어하는 제어부; 및 상기 하이브리드 전력 제어기에서 선택된 3상 발전기 전원 또는 배터리 전원에 의해 구동되는 3상 유도전동기를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 추진속도 판단부는 추진속도가 25노트 초과시 고속으로 판단하고, 4노트 내지 25 노트 범위를 중속으로 판단하고, 4노트 미만인 경우를 저속으로 판단하며, 상기 소형 어선의 추진속도가 중속인 경우, 상기 제어부는 상기 3상 발전기 전원으로 상기 배터리를 충전하도록 제어하고, 상기 하이브리드 전력 제어기는 상기 3상 발전기 전원을 상기 3상 유도전동기에 공급하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 하이브리드 전력 제어기 내의 속도제어 인버터 구동을 제어하는 인버터 제어모듈; 상기 하이브리드 전력 제어기 내의 차단기 개폐를 제어하는 차단기 제어모듈; 및 상기 추진속도 판단부에서 판단된 소형 어선의 추진속도에 각각 대응하여 상기 인버터 제어모듈 및 상기 차단기 제어모듈의 동작을 제어하는 중앙 제어기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 제어기는, 상기 배터리 전원을 승압시키기 위한 승압용 인버터; 상기 차단기 제어모듈에 의해 제어되며, 상기 승압용 인버터에 의해 승압된 배터리 전원의 입력을 개폐하는 제1 차단기; 상기 승압된 배터리 전원이 공급되는 상기 3상 유도전동기의 속도 및 정역 방향을 상기 인버터 제어모듈의 제어에 따라 제어하는 제1 속도제어 인버터; 상기 차단기 제어모듈에 의해 제어되며, 상기 제1 속도제어 인버터에서 출력되는 배터리 전원의 입력을 개폐하는 제2 차단기; 상기 차단기 제어모듈에 의해 제어되며, 상기 3상 발전기에 의해 공급되는 발전기 전원의 입력을 개폐하는 제3 차단기; 상기 발전기 전원이 공급되는 상기 3상 유도전동기의 속도 및 정역 방향을 상기 인버터 제어모듈의 제어에 따라 제어하는 제2 속도제어 인버터; 및 상기 차단기 제어모듈에 의해 제어되며, 상기 제2 속도제어 인버터에서 출력되는 배터리 전원의 입력을 개폐하는 제4 차단기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제4 차단기는 상기 발전기 전원 또는 배터리 전원의 변경 시에 상기 속도제어 인버터의 초기화 시간을 고려하여 상기 3상 유도전동기의 회전을 정지한 후에 차단 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 방법은, 디젤 엔진을 사용하는 발전기의 전 원 또는 배터리 전원을 사용하여 추진시키는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 방법에 있어서, a) 소형 선박 추진속도를 모니터링하여 추진속도가 고속, 중속 또는 저속인지 확인하는 단계; b) 상기 추진속도가 고속인 경우, 전력제어기가 발전기를 이용하여 3상 유도전동기에 전력을 공급하여 선박을 고속으로 운행시키는 단계; c) 상기 추진속도가 중속인 경우, 상기 발전기 전원을 배터리에 충전하고, 상기 발전기 전원을 이용하여 선박을 중속으로 운행하는 단계; d) 상기 추진속도가 저속인 경우, 배터리 전압이 충분히 충전된 상태인지 확인하는 단계; e) 상기 배터리 전압이 충분히 충전된 경우, 배터리 전원을 이용하여 선박을 저속으로 운행하는 단계; 및 f) 상기 배터리 전압이 충분히 충전되지 않은 경우, 상기 배터리 전원을 상기 발전기 전원으로 변경한 후, 상기 발전기 전원을 이용하여 선박을 저속으로 운행하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 e) 단계에서, 상기 전력 제어기는 상기 배터리 전압을 승압시킨 후에 3상 유도전동기에 공급하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계는 3상 발전기의 부하가 80% 이하일 때, 상기 3상 발전기의 일부 전력을 상기 배터리에 충전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 소형 어선의 추진속도가 고속일 경우 발전기 전원을 이용하여 운행하고, 저속일 경우 배터리 전원을 이용하여 운행함으로써 연료를 절감할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
통상적인 소형 어선의 디젤 엔진에 의한 추진 시스템은 소음과 진동으로 어획에 적잖은 영향을 미치며, 정속 운전이 낮기 때문에 불완전 연소 등으로 인한 디젤 엔진의 수명을 단축시킬 수 있다. 대부분의 어선의 경우, 항구에서 조업장까지 운행할 때에는 고속으로 운행하고, 조업장에서 조업할 때에는 저속으로 운행하게 된다. 그러므로 추진속도는 고속과 저속의 구간을 갖게 된다.
본 발명의 실시예로서, 1~3톤 정도의 소형 어선에서 연료 절감을 위해 배터리(축전지)와 발전기를 이용한 전기 추진을 수행하되, 고속으로 운행할 경우에는 발전기를 이용하여 추진 전동기를 이용하여 운행하고, 저속으로 운행할 경우에는 배터리를 이용하여 운행하는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템 및 방법이 제공된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템 의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템은, 디젤 엔진을 사용하는 발전기의 전원 또는 배터리 전원을 사용하여 추진시키는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템으로서, 제어부(100), 배터리(200), 하이브리드 전력제어기(300), 3상 발전기(400), 3상 유도전동기(500) 및 추진속도 판단부(600)를 포함하여 구성된다.
배터리(200)는 충전된 전원을 공급하며, 3상 발전기(400)는 디젤 엔진을 사용하여 3상 전원을 공급한다.
하이브리드 전력제어기(300)는 승압용 인버터, 속도제어 인버터 및 차단기로 이루어지며, 상기 소형 어선의 추진속도가 고속인 경우, 상기 3상 발전기(400) 전원을 선택하여 공급하고, 상기 소형 어선의 추진속도가 저속인 경우, 상기 배터리(200) 전원을 상기 승압용 인버터에 의해 승압시켜 공급한다.
추진속도 판단부(600)는 소형 어선의 추진속도가 고속, 중속 또는 저속인지 여부를 확인한다. 이때, 상기 추진속도 판단부(600)에서 판단된 소형 어선의 추진속도가 4노트 내지 25 노트 범위의 중속인 경우, 상기 제어부(100)는 상기 3상 발전기(400) 전원으로 상기 배터리(200)를 충전하도록 제어하고, 상기 하이브리드 전력 제어기(300)는 상기 3상 발전기(400) 전원을 상기 3상 유도전동기(500)에 공급하게 된다. 예를 들면, 상기 추진속도 판단부(600)는 추진속도가 25노트 초과시 고속으로 판단하고, 4노트 내지 25 노트 범위를 중속으로 판단하고, 4노트 미만인 경우를 저속으로 판단하며, 상기 소형 어선의 추진속도가 중속인 경우, 상기 제어 부(100)는 상기 3상 발전기(400) 전원으로 상기 배터리(200)를 충전하도록 제어하고, 상기 하이브리드 전력 제어기(300)는 상기 3상 발전기(400) 전원을 상기 3상 유도전동기(500)에 공급한다.
제어부(100)는 상기 추진속도 판단부(600)에서 판단된 소형 어선의 추진속도에 각각 대응하여 상기 하이브리드 전력 제어기(300)의 속도제어 인버터 및 차단기를 제어한다.
3상 유도전동기(500)는 상기 하이브리드 전력 제어기(300)에서 선택된 3상 발전기(400) 전원 또는 배터리(200) 전원에 의해 구동된다.
구체적으로, 고속 구간에서는 3상 발전기(400)를 이용하여 전력제어기(300)를 통하여 3상 유도전동기(500)에 전력을 공급하여 추진하고, 저속 구간에서는 배터리(200) 전원을 이용하여 3상 유도전동기(500)에 전력을 공급하여 추진한다. 이때, 저속 구간은 선박의 저항 성능을 감안하여 4노트(knot) 미만으로 할 수 있다. 또한, 소형 어선이 4노트 이상으로 운행할 때에는 3상 발전기(400)를 이용하여 구동한다.
또한, 3상 발전기(400) 전원을 사용할 경우, 3상 발전기(400) 전력을 속도제어 인버터를 통하여 3상 유도전동기(500)에 전력을 공급하여 3상 유도전동기(500)의 속도를 조절하며 동작한다. 또한, 배터리(200) 전원을 사용할 경우, 배터리(200) 전압을 승압용 인버터를 통하여 승압하고, 이를 다시 속도제어 인버터를 통하여 3상 유도전동기에 인가하여 속도를 조절하면서 동작시킨다.
또한, 제어부(100)는 차단기를 이용하여 두 전원을 선택하고, 전력원을 제어 하며, 속도제어 인버터를 통하여 3상 유도전동기(500)의 속도 및 정역 방향을 제어한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템의 구체적인 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템은, 크게 제어부 및 전력부로 구분될 수 있고, 이때, 제어부(100)는 중앙제어기(110), 인버터 제어모듈(120) 및 차단기 제어모듈(130)을 포함할 수 있다. 또한, 하이브리드 전력제어기(300)는 승압용 인버터(310), 제1 차단기(320), 제1 속도제어 인버터(330), 제2 차단기(340), 제3 차단기(350), 제2 속도제어 인버터(360) 및 제4 차단기(370)를 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 신호는 전원라인, 서브 전원라인 및 제어신호 라인으로 구분될 수 있고, 서브 전원라인은 커넥터 전원 및 제어를 위한 라인일 수 있다.
제어부(100)의 인버터 제어모듈(120)은 상기 하이브리드 전력 제어기(300) 내의 속도제어 인버터 구동을 제어한다.
제어부(100)의 차단기 제어모듈(130)은 상기 하이브리드 전력 제어기(300) 내의 차단기 개폐를 제어한다.
제어부(100)의 중앙제어기(110)는 상기 추진속도 판단부(600)에서 판단된 소형 어선의 추진속도에 각각 대응하여 상기 인버터 제어모듈(120) 및 상기 차단기 제어모듈(130)의 동작을 제어한다.
또한, 상기 전력 제어기(300)의 승압용 인버터(310)는 상기 배터리(200)의 전원을 승압시킨다.
상기 전력 제어기(300)의 제1 차단기(320)는 상기 차단기 제어모듈(130)에 의해 제어되며, 상기 승압용 인버터(310)에 의해 승압된 배터리 전원의 입력을 개폐한다.
상기 전력 제어기(300)의 제1 속도제어 인버터(330)는 상기 승압된 배터리(200) 전원이 공급되는 상기 3상 유도전동기(500)의 속도 및 정역 방향을 상기 인버터 제어모듈(120)의 제어에 따라 제어한다.
상기 전력 제어기(300)의 제2 차단기(340)는 상기 차단기 제어모듈(130)에 의해 제어되며, 상기 제1 속도제어 인버터(330)에서 출력되는 배터리 전원의 입력을 개폐한다.
상기 전력 제어기(300)의 제3 차단기(350)는 상기 차단기 제어모듈(130)에 의해 제어되며, 상기 3상 발전기(400)에 의해 공급되는 발전기 전원의 입력을 개폐한다.
상기 전력 제어기(300)의 제2 속도제어 인버터(360)는 상기 발전기(400) 전원이 공급되는 상기 3상 유도전동기(500)의 속도 및 정역 방향을 상기 인버터 제어모듈(120)의 제어에 따라 제어한다.
상기 전력 제어기(300)의 제4 차단기(370)는 상기 차단기 제어모듈(130)에 의해 제어되며, 상기 제2 속도제어 인버터(360)에서 출력되는 배터리 전원의 입력을 개폐한다. 여기서, 상기 제1 내지 제4 차단기(320, 340, 350, 370)는 상기 발전기(400) 전원 또는 배터리(200) 전원의 변경 시에 상기 제1 및 제2 속도제어 인 버터(330, 360)의 초기화 시간을 고려하여 상기 3상 유도전동기(500)의 회전을 정지한 후에 차단 동작을 수행하게 된다.
상기 제1 차단기(320)와 제3 차단기(350)는 각각 제1 및 제2 속도제어 인버터(330, 360)로 입력되는 전력을 차단하는 동작을 수행한다. 또한, 상기 제2 차단기(340)와 제4 차단기(370)는 3상 유도전동기(500)로 입력되는 전원을 차단하는 동작을 수행한다. 차단기의 동작은 구체적으로 다음과 같이 동작한다.
배터리 전원을 이용하는 경우, 제1 차단기(320)를 연결하여 제1 속도제어 인버터(330)에 전원을 인가하고, 이후, 제2 차단기(340)를 연결한 후, 3상 유도전동기(500)에 전원을 인가한다. 만일, 3상 발전기(400)로 전원을 전환할 경우, 제2 차단기(340)를 차단하고 제3 차단기(350)를 연결하며, 이후, 다시 제1 차단기(320)를 차단하고 제4 차단기(370)를 연결하는 형태로 변경한다.
이러한 제1 내지 제4 차단기(320, 340, 350, 360)가 차단 동작을 하는 것은 상기 제1 및 제2 속도제어 인버터(330, 360)의 초기화 시간이 걸리기 때문에, 3상 유도전동기(500)의 회전을 정지한 후, 공급 전원을 변경하기 위하여 전술한 차단 동작을 수행하게 된다.
본 발명의 실시예에서 3상 전원으로 구동하는 이유는 소형 어선에 적용할 정도의 추진 시스템은 그 용량이 대용량화 되어야 하므로 현재 상용화 되어 있는 유도 전동기 형태로 해야 하기 때문이다. 예를 들면, 자동차의 경우에는 출력이 낮기 때문에 영구자석 형태의 전동기로 수행할 수 있다.
다시 말하면, 통상적인 차량용 하이브리드 시스템은 내리막길에서의 운동에 너지를 전기 에너지로 변환하여 배터리에 저장하고, 이를 다시 오르막길 또는 가속 시에 배터리 전원을 사용하여 전동기를 구동하는 시스템이다.
소형 어선 시스템은 고속 운행 시에는 3상 발전기(400)를 이용하여 추진하고, 중속 운행 시에는 3상 발전기(400)의 전원을 배터리(200)로 충전하며, 저속에서는 배터리(200)를 이용하여 추진하는 시스템이다. 또한, 대부분의 배터리 충전은 항구에 접안 시에 충전한다.
다시 말하면, 통상적인 차량 시스템은 발전기가 항상 동작하며 배터리는 단순히 보조적인 순간 전력 저장부지만, 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선 추진 시스템은 배터리(200)로 일정시간 운전하는 시스템이기 때문에 저속 운행 시에는 발전기(400)를 끄고 운행한다. 또한, 통상적인 차량 시스템에 비하여 배터리(200)의 크기가 크고 대용량이기 때문에, 항구에 접안 시에 상용전원으로 배터리 충전을 수행하게 된다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템의 배터리 충전 방법의 동작흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템의 배터리 충전 방법은, 전력원(Power source)을 선택하고(S11), 배터리 모드인지 여부를 확인한다(S12).
배터리 모드인 경우, 배터리 충전 시스템을 오프하고(S13), 배터리 전압을 모니터링하여 배터리 전압이 하이인지 여부를 확인한다(S14). 즉, 배터리 전압이 충분히 충전된 상태인지 여부를 확인한다.
배터리 전압이 충분히 충전되지 않은 경우, 발전기 모드로 변경하고(S15), 배터리 전압이 충분히 충전된 경우, 배터리 모드로 프로펠러를 구동하게 된다(S16).
전력원이 발전기 모드로 선택된 경우, 선박 추진 모터의 속도를 모니터링하고(S17), 배터리 전압을 모니터링하여 배터리 전압이 하이인지 여부를 확인한다(S18). 즉, 배터리 전압이 충분히 충전된 상태인지 여부를 확인한다.
배터리 전압이 충분히 충전된 경우, 발전기를 이용하여 배터리를 충전함으로써 배터리 충전 전원을 증가시키고(S19), 만일 배터리 전압이 충분히 충전되지 않은 경우, 배터리 전원의 공급을 중단하게 된다(S20).
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 추진 제어를 위한 알고리즘은 크게 전력 제어와 속도제어 알고리즘으로 구분할 수 있다.
이들 알고리즘은 중앙 제어기(110)가 사용자의 명령을 받아 운전 방향과 전력원 변경 등의 명령에 따라 동작한다. 이때, 전력 제어 알고리즘은 속도제어 인버터(330, 360)를 제어하여 소형 어선의 운전 방향에 따른 3상 유도전동기(500)의 회전 방향을 결정한다. 또한, 전력원 변경 및 회전 방향 전환 동작을 위해 속도제어 알고리즘에 신호를 제공한다. 이때, 속도제어 알고리즘은 부하의 변동 시에도 일정 속도를 유지하기 위해 움직이며, 전력제어 알고리즘에서 요청한 속도를 목표치에 맞도록 조절하는 알고리즘으로 구성된다.
배터리(200)를 통해 추진을 할 경우, 배터리(200)의 충전 전압을 고려하지 않을 수 없다. 육상에 접안 시에는 육상에서 직접 충전이 가능하지만, 항해 중에 는 육상 전원 공급이 불가능하다. 따라서 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 충전 알고리즘을 통해 배터리(200)의 전압을 확보해야 한다.
또한, 배터리 충전 알고리즘은 선박의 운행 상태에 따라 동작한다. 배터리(200)를 사용하여 추진할 때는 역전으로 배터리의 전력이 제어회로를 통하여 다시 배터리로 순환하는 전력을 차단하기 위해서 충전 시스템을 동작시키지 않고, 배터리(200)의 전압을 모니터링한다. 이러한 모니터링 중에서 12V 또는 24V 배터리(200)의 전압이 11.5V 또는 23V 이하로 떨어지면, 발전기 모드로 자동 전환된다.
또한, 발전기 모드는 배터리의 사용을 차단하면서 배터리의 전압을 충전하도록 구성하기 때문에 배터리 사용 중 전압이 떨어지면 자동으로 배터리 전압을 충전한다. 이때, 충전은 13.5V 또는 27V까지 제한될 수 있고, 이는 발전기의 부하가 대략 80% 이하일 때만 발전기의 일부 전력을 배터리에 충전하도록 구성할 수 있다. 또한, 발전기 모드에서 배터리 모드로 전환할 때는 반드시 배터리의 전압이 12V 또는 24V 이상일 때만 가능하도록 구성함으로써 시스템의 안정성을 확보하는 것이 바람직하다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 방법의 동작흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 방법은, 먼저, 소형 선박 추진속도를 모니터링하고(S110), 추진속도가 고속인지 여부를 확인한다(S120). 예를 들면, 추진속도가 25노트를 초과하는 고속인지 여부를 확인하다.
다음으로, 추진속도가 고속인 경우, 전술한 전력제어기가 발전기를 이용하여 선박을 고속으로 운행하게 된다(S130). 즉, 전력제어기가 3상 유도전동기에 전력을 공급하여 선박을 고속으로 운행하게 된다.
만일, 소형 선박 추진속도를 모니터링하여 추진속도가 중속인지 여부를 확인하여(S140), 추진속도가 중속인 경우, 예를 들면, 추진속도가 4노트 내지 25노트인 경우, 발전기 전원을 배터리에 충전하고(S150), 발전기 전원을 이용하여 선박을 중속으로 운행한다(S160). 여기서, 추진속도가 중속인 경우에는 발전기 전원을 이용하여 배터리를 충전하면서 중속으로 추진하지만, 추진속도가 고속인 경우에는 발전기는 3상 유도전동기를 구동하는데 사용하고, 배터리는 충전하지 않는 것이 바람직하다. 즉, 3상 발전기의 부하가 80% 이하일 때, 상기 3상 발전기의 일부 전력을 상기 배터리에 충전할 수 있다.
만일, 소형 선박 추진속도를 모니터링하여 추진속도가 저속인 경우, 예를 들면, 4노트(knot) 미만인 경우, 배터리 전압이 충분히 충전된 상태인지 확인하여(S170), 배터리 전압이 충분히 충전되었다면, 배터리 전원을 이용하여 선박을 저속으로 운행하게 된다(S180). 이때, 상기 전력 제어기는 상기 배터리 전압을 승압시킨 후에 3상 유도전동기에 공급하게 된다.
이때, 상기 배터리 전압이 충분히 충전되지 않은 경우, 상기 배터리 전원을 상기 발전기 전원으로 변경한 후, 상기 발전기 전원을 이용하여 선박을 저속으로 운행하게 된다(S190).
결국, 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템 은, 고속으로 운행할 경우에는 발전기를 이용하여 추진 전동기를 이용하여 운행하고, 저속으로 운행할 경우에는 배터리를 이용하여 운행함으로써, 연료를 절감할 수 있고, 비상 전력을 확보할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 일반적인 전기 추진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 하이브리드 전기 추진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템의 구체적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템의 배터리 충전 방법의 동작흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 방법의 동작흐름도이다.
< 도면부호의 간단한 설명 >
100: 제어부
200: 배터리
300: 하이브리드 전력제어기
400: 3상 발전기
500: 3상 유도전동기
600: 추진속도 판단부
110: 중앙제어기 120: 인버터 제어모듈
130: 차단기 제어모듈 310: 승압용 인버터
320: 제1 차단기 330: 제1 속도제어 인버터
340: 제2 차단기 350: 제3 차단기
360: 제2 속도제어 인버터 370: 제4 차단기

Claims (5)

  1. 디젤 엔진을 사용하는 발전기의 전원 또는 배터리 전원을 사용하여 추진시키는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템에 있어서,
    충전된 전원을 공급하기 위한 배터리;
    디젤 엔진을 사용하여 3상 전원을 공급하기 위한 3상 발전기;
    승압용 인버터, 속도제어 인버터 및 차단기로 이루어지며, 상기 소형 어선의 추진속도가 고속인 경우, 상기 3상 발전기 전원을 선택하여 공급하고, 상기 소형 어선의 추진속도가 저속인 경우, 상기 배터리 전원을 상기 승압용 인버터에 의해 승압시켜 공급하는 하이브리드 전력 제어기;
    소형 어선의 추진속도가 고속, 중속 또는 저속인지 여부를 확인하는 추진속도 판단부;
    상기 추진속도 판단부에서 판단된 소형 어선의 추진속도에 각각 대응하여 상기 하이브리드 전력 제어기의 속도제어 인버터 및 차단기를 제어하는 제어부; 및
    상기 하이브리드 전력 제어기에서 선택된 3상 발전기 전원 또는 배터리 전원에 의해 구동되는 3상 유도전동기를 포함하는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추진속도 판단부는 추진속도가 25노트 초과시 고속으로 판단하고, 4노 트 내지 25 노트 범위를 중속으로 판단하고, 4노트 미만인 경우를 저속으로 판단하며, 상기 소형 어선의 추진속도가 중속인 경우, 상기 제어부는 상기 3상 발전기 전원으로 상기 배터리를 충전하도록 제어하고, 상기 하이브리드 전력 제어기는 상기 3상 발전기 전원을 상기 3상 유도전동기에 공급하는 것을 특징으로 하는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 하이브리드 전력 제어기 내의 속도제어 인버터 구동을 제어하는 인버터 제어모듈;
    상기 하이브리드 전력 제어기 내의 차단기 개폐를 제어하는 차단기 제어모듈; 및
    상기 추진속도 판단부에서 판단된 소형 어선의 추진속도에 각각 대응하여 상기 인버터 제어모듈 및 상기 차단기 제어모듈의 동작을 제어하는 중앙 제어기를 포함하는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전력 제어기는
    상기 배터리 전원을 승압시키기 위한 승압용 인버터;
    상기 차단기 제어모듈에 의해 제어되며, 상기 승압용 인버터에 의해 승압된 배터리 전원의 입력을 개폐하는 제1 차단기;
    상기 승압된 배터리 전원이 공급되는 상기 3상 유도전동기의 속도 및 정역 방향을 상기 인버터 제어모듈의 제어에 따라 제어하는 제1 속도제어 인버터;
    상기 차단기 제어모듈에 의해 제어되며, 상기 제1 속도제어 인버터에서 출력되는 배터리 전원의 입력을 개폐하는 제2 차단기;
    상기 차단기 제어모듈에 의해 제어되며, 상기 3상 발전기에 의해 공급되는 발전기 전원의 입력을 개폐하는 제3 차단기;
    상기 발전기 전원이 공급되는 상기 3상 유도전동기의 속도 및 정역 방향을 상기 인버터 제어모듈의 제어에 따라 제어하는 제2 속도제어 인버터; 및
    상기 차단기 제어모듈에 의해 제어되며, 상기 제2 속도제어 인버터에서 출력되는 배터리 전원의 입력을 개폐하는 제4 차단기를 포함하되,
    상기 제1 내지 제4 차단기는 상기 발전기 전원 또는 배터리 전원의 변경 시에 상기 속도제어 인버터의 초기화 시간을 고려하여 상기 3상 유도전동기의 회전을 정지한 후에 차단 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 시스템.
  5. 디젤 엔진을 사용하는 발전기의 전원 또는 배터리 전원을 사용하여 추진시키는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 방법에 있어서,
    a) 소형 선박 추진속도를 모니터링하여 추진속도가 고속, 중속 또는 저속인지 확인하는 단계;
    b) 상기 추진속도가 고속인 경우, 전력제어기가 발전기를 이용하여 3상 유도전동기에 전력을 공급하여 선박을 고속으로 운행시키는 단계;
    c) 상기 추진속도가 중속인 경우, 상기 발전기 전원을 배터리에 충전하고, 상기 발전기 전원을 이용하여 선박을 중속으로 운행하는 단계;
    d) 상기 추진속도가 저속인 경우, 배터리 전압이 충분히 충전된 상태인지 확인하는 단계;
    e) 상기 배터리 전압이 충분히 충전된 경우, 배터리 전원을 이용하여 선박을 저속으로 운행하는 단계; 및
    f) 상기 배터리 전압이 충분히 충전되지 않은 경우, 상기 배터리 전원을 상기 발전기 전원으로 변경한 후, 상기 발전기 전원을 이용하여 선박을 저속으로 운행하는 단계를 포함하는 소형 어선용 하이브리드 전기 추진 방법.
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