KR20180065042A - 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제로 에미션 존을 운항하는 선박의 목적지까지의 도달을 목표로하여 전력변환장치들에서의 전류누설을 각 부품별 실시간 감시하여 상황에 맞게 전력부품들을 동작시켜 효율을 높이는 방향으로 시스템을 구동시키는 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; 선체 표면에 부착되어 전류 누설을 감시하는 센서 모듈들의 구성을 갖는다.
상기와 같은 전기 시스템 및 그 제어 방법에 의하여, 목적지 도달 만족을 위해 불확실 상황 모드에서 각 전력변환 부품들의 개별적 감시 가능한 모듈의 설계를 수행함으로써, 각 조건에 따라 적절한 선박의 최적화된 시스템 연결을 구축할 수 있고, 이를 통해 목표점까지의 누설에 의한 목적지 도달의 정확성 및 탑승자의 안전 확보를 위한 시스템 관리의 효율적인 최적화를 수행할 수 있다.

Description

제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템 및 그 제어 방법 { A current leakage sensing system 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 컨버터를 이용하여 선박을 구동하는 제로 에미션 죤을 운항하는 중소형 하이브리드 전기선박의 전류 누설 감지 및 그제어 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 에너지만을 사용하여 목적지에 도달하여야 하나 배터리 누설의 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 전류 누설을 감시하고 구동제어를 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 전류 누설을 감시하고 구동를 수행하기위한 제어장치 대한 설계기술 및 제어 기술이 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 부품들의 전류 누설 감시를 수행하고 이를 기반으로 운항 시 발생하는 운항 조건에 맞게 각 전력부품들이 운항 상황에 맞게 각각의 고유한 전기적 시스템의 기능을 수행할 수 있도록 하는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전류 누설 운전 대응을 위한 전기적 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명에서는 중,소형 선박의 구동을 위한 전력변환 부품들에 대한 전류 누설의 실시간 감시를 수행하고 각 모델 별 전력 차단 및 운항을 결정한다. 이를 위해 선박에 누설되는 전류의 감시를 위해 기존의 전력변환 부품 내의 전류 감시 모듈 및 선박에 자기장 감지를 적용하여 선체 표면체 흐르는 자기장 감시 방법을 이용한 전류 감지 방법을 설계하여 전류 누설 차단을 수행한다.
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, 중,소형 선박의 구동을 위한 전력변환 부품들에 대한 전류 누설의 실시간 감시를 수행위해 기존의 전력변환 부품 내의 전류 감시 모듈 및 선박 표면에 부착하여 전류누설을 선체 표면체 흐르는 자기장 감시 방법을 이용한 전류 감지 센서 모듈, 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, 전류누설을 선체 표면체 흐르는 자기장 감시 방법을 이용한 전류 감지 센서 모듈의 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, 상기전류누설을 선체 표면체 흐르는 자기장 감시 방법을 이용한 전류 감지 센서 모듈 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 전류누설에 의한 배터리 잔량이 부족하여 목적지까지 도착이 불확실성을 줄이고 감전의 위험성을 줄이기 위해 전류 누설 감지 센서 모듈의 전기 장치를 포함하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템으로서, 상기 스위칭 소자는 적어도 선체 표면에 부착하여 다양한 누설 전류를 감시하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템으로서, 상기 선체 표면 부착형 전류 센서는 선체 표면 뿐만 아니라 전력변환기의 방열 커버 및 기타 커버에 부착되어 전류 누설 감시를 수행하여 배터리 및 발전기에서 공급되는 전력이 단시간에 감지될 수 있도록 하여 전기 선박의 배터리 잔류 용량 부족 및 불확실성 대응을 하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템으로서, 상기 제어장치는, 각 전력변환 장치의 누설을 개별적 감시하여 부분적 작동 오프(off)를 통해 필요된 기능의 최대한 동작을 수행할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 배터리 잔여 용량이 전류 누설에 의해 급속도로 방전되고 선체 누설에 의해 탑승자의 안전을 확보하지 못하게된다. 이를 해결하기 위하여 선체제 전류를 직접 측정하는 방식 대신 자기장을 이용하여 선체 표면에 부작하여 전류의 누설을 가지하며, 전류 예상 부분을 차단하는 제어를 수행함으로써 목적지까지의 도착의 확실서 확보 및 운항의 안정성을 구축할 수 있는 효과가 얻어진다.
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 하이브리드 전기 선박의 전기적 시스템의 전원 연결 구성 기반 전류 누설 구성도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 표면에 대한 부착형 전류 센서 작동 예
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리로부터 전력을 공급 받아 모터 구동을 위한 전류 누설에 대한 안정성 확보 프로세스
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 발전기로부터 전력을 공급 받아 배터리 충전을 위한 전류 누설에 대한 안정성 확보 프로세스
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 선체 기준 누설 회로에 대한 구성을 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 각 전력변환부품에 대한 전류 누수 예상 경로를 제시하며, 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다. 여기서, 전력변환부품은 AC/DC 컨버터, DC/DC 컨버터, 인버터 등이다.
상기 AC/DC 컨버터(102)는 발전기로부터 전력을 공급받아 배터리에 전력을 직접 공급한다. DC/DC 컨버터(108)는 배터리로부터 전력을 공급 받아 인버터(104)에 제공하며, 인버터는 모터를 구동한다. 도 3에서 전력변환 부품 구동 시 예상되는 누설 전류 패스(path)를 보여준다.
도 4에서 선체에 부착형 전류 센서를 통하여 누설 전류를 검출하기 위한 바업을 제시하고 있다. 도 4에서 보여주는 바와 같이 선체 표면에 전류가 흐를 때 발생된 자기장의 감지를 통하여 누설 전류를 감지한다.
도 5에서는 먼저 배터리에서 내부에 가지고 있는 스위치를 온(on)하여 전원의 공급을 시작하며, 배터리 전원부 근처에 부착된 선체 표면의 누설전류 감지 센서를 통하여 누설을 감지한다. 전류 누설이 발생하면 배터리의 스위치를 오프(off)시키고 누설 전류가 없으면 DC/DC 컨버터를 온(on) 시키고 배터리의 전류와 배터리매니지먼트시스템(bms)의 전류를 상호 비교한다. 전류 누설이 발생하면 컨버터를 중지시키고 누설이 없으면 인버터를 가동시킨다. 인버터 가동 시 앞서와 같은 과정에 의해 표면 누설 전류나 인버터와 DC/DC 컨버터의 전류가 일치하면 인버터를 계속 구동시킨다.
도 6에서는 먼저 발전기 스위치를 온(on)하여 전원의 공급을 시작하며, 선체 표면의 누설전류 감지 센서를 통하여 누설을 감지한다. 전류 누설이 발생하면 발전기를 오프(off)시키고 누설 전류가 없으면 AC/DC 컨버터를 온(on) 시킨다

Claims (7)

  1. 발전기, 배터리, 및, 선박구동 모터로 구성되는, 연근해 제로 에미션 존 운항용 하이브리드 전기 선박의 누설전류 발생에 의해 목적지 도착이 어려운 경우 대비 대응을 위한, 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 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;
    선체 표면에 부착되어 전류 누설을 감시하는 전류센서 모듈;
    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 실시간 전류의 모니터링이 내부 센서를 사용하여 추정 가능하며 선체 표면에 부착되어 각 전력변환부품들의 전류를 센싱하는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류센서 모듈은 적어도 선체 표면에 부착하여 누설 전류를 감시하는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    표면부착형 전류센서 모듈은 선체 표면에 전류가 흐를 때 발생된 자기장의 감지를 통하여 누설 전류를 감지하는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    표면부착형 전류센서 모듈은 선체 표면 뿐만 아니라 전력변환기의 방열 커버 및 기타 커버에 부착되어 전류 누설 감시를 수행하여 배터리 및 발전기에서 공급되는 전력이 단시간에 감지될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 각 전력변환 장치의 누설을 개별적 감시하여 개별적으로 작동 오프(off)를 하는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 배터리에서 내부에 가지고 있는 스위치를 온(on)하여 전원의 공급을 시작하며, 배터리 전원부 근처에 부착된 선체 표면의 누설전류 감지 센서를 통하여 누설을 감지하고, 전류 누설이 발생하면 배터리의 스위치를 오프(off)시키고 누설 전류가 없으면 DC/DC 컨버터를 온(on) 시키고, 배터리의 전류와 배터리 관리시스템(BMS)의 전류를 상호 비교하고, 전류 누설이 발생하면 컨버터를 중지시키고 누설이 없으면 인버터를 가동시키고, 인버터 가동 시 표면 누설 전류나 인버터와 DC/DC 컨버터의 전류가 일치하면 인버터를 계속 구동하는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 발전기 스위치를 온(on)하여 전원위 공급을 시작하며, 선체 표면의 누설전류 감지 센서를 통하여 누설을 감지하고, 전류 누설이 발생하면 발전기를 오프(off)시키고 누설 전류가 없으면 AC/DC 컨버터를 온(on) 시키는 것을 특징으로 하는 제로 에미션 운항 하이브리드 전기 선박의 전류누설 감지 시스템.
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