KR20190069775A - 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 제어 파워모듈 - Google Patents

전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 제어 파워모듈 Download PDF

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Abstract

전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 방법 및 시스템이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 시스템은 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 주파수를 제어하여 하이브리드 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 속도를 제어하는 게이트 드라이버; 상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산하는 센싱부; 및 상기 측정 및 계산 결과를 분석하여 전원라인의 오결선 체크를 수행하고, 상기 오결선 체크 결과를 제어실로 통신하여 상기 오결선 체크 결과에 따른 원격제어를 수행하도록 하는 MCU를 포함한다.

Description

전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 제어 파워모듈{A control power module of hybrid inverter system for driving electric propulsion ship}
본 발명은 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 제어 파워모듈 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 모선, 부하선 판별 기능이 내장된 인버터 파워모듈에 관한 것이다.
갈수록 심화되는 환경문제에 대한 대책 방안으로 대기 오염물질 배출 저감을 위한 디젤 전기추진 선박 기술의 발전이 대두되고 있으며 이러한 기술을 활용한 선박으로는 하이브리드 전기추진선박(Hybrid electric propulsion ship)이 있다. 하이브리드 전기추진선박은 디젤발전기를 이용하여 생산된 전력뿐만 아니라 배터리에 저장된 전력도 사용한다.
오늘날 환경에 대한 관심이 높아지면서 하이브리드 전기추진선박에 대한 관심이 높아지고 있다. 하이브리드 전기추진 선박이란 발전기와 배터리에서 출력되는 전기 에너지를 병행 이용하여 모터를 이용하는 선박을 의미한다.
하이브리드 전기추진 선박에서는 운행 환경에 맞게 배터리의 전력과 발전기의 출력을 효율적으로 사용한다. 그렇기 때문에 하이브리드 전기추진 선박은 일반 선박에 비하여 훨씬 친환경적이지만, 배터리를 사용함으로 인해 발생하는 문제 또한 존재한다.
선박에서는 교류로 동작하는 장비들이 많아 배터리의 직류 전기에너지를 사용하기 위해서는 인버터 시스템이 필수적이다. 또한 일반적으로 파워모듈을 통해 전력 및 역률 값을 측정, 모니터링하며 문제 발생 시 빠르게 파악하고 대처할 수 있도록 한다. 그러나, 운전 중에 배터리의 셀에 문제가 발생하여 공급전압이 급격히 바뀌게 되면 장비 동작에 문제가 발생하거나 동작속도의 급저하로 인해 안전사고가 발생할 가능성이 높다. 또한, 측정장치인 파워모듈을 오결선 했을 시에는 올바른 측정값을 받지 못하므로 전체 전력 시스템 상황의 문제 발생여부를 파악하기 어렵다.
전원장치로 사용되는 배터리의 안전성을 확보 하는 것은 사용자에게 있어 중요한 일임에도 불구하고, 배터리 관련 폭발 및 화재 사고가 지속적으로 발생하고 있다. 배터리를 안전하게 사용할 수 있도록 연구가 지속되고 있으나 고온, 과충·방전, 물리적 충격 등에 의해 최근에도 배터리 폭발사고는 여전히 일어나고 있으므로, 이에 대한 대비를 하는 것은 아주 중요한 일이라고 할 수 있다.
소형 전기추진선박에서는 이와 같은 사고를 예방하기 위해 배터리 상태관리가 가능한 BMS를 사용하고 있으나 그럼에도 불구하고 운항 중에 배터리 셀이 고장이 나는 경우 출력전압이 급격히 변동하게 되어 장비에 손상을 주거나 안전문제로 이어질 가능성도 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배터리의 셀의 문제가 원인이 되어 일어나는 해상 사고를 방지하기 위해, 파워모듈에서 배터리의 전압을 실시간으로 측정하여 배터리에 문제가 발생한 것을 파악하면 그에 대한 피드백을 인버터 제어에 적용시켜 인버터가 일정한 전류 출력을 유지할 수 있도록 하는 제어 방법 및 시스템을 제공하는데 있다. 또한, 파워모듈 기능에 오결선 점검을 하는 알고리즘을 추가하여 전압 측정과 전류 측정의 결선이 잘못되어 잘못된 전력 및 역률 추정값을 받고 있는 경우 이를 사용자에게 알리고 경고 신호를 보내주는 파워모듈 시스템을 제안하고, 인버터의 레벨에 따라 달라지는 고조파 특성이 배터리의 수명에 어떤 영향을 주는지에 대해 실험을 하여 이에 대한 자료를 통해 전기추진선박에서 사용하는 인버터에 따라 배터리의 수명 추정을 분석하고자 한다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 시스템은 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 주파수를 제어하여 하이브리드 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 속도를 제어하는 게이트 드라이버; 상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산하는 센싱부; 및 상기 측정 및 계산 결과를 분석하여 전원라인의 오결선 체크를 수행하고, 상기 오결선 체크 결과를 제어실로 통신하여 상기 오결선 체크 결과에 따른 원격제어를 수행하도록 하는 MCU를 포함한다.
상기 게이트 드라이버는 인버터의 스위칭에 대한 PWM 전압의 듀티비의 변환 폭을 조절하여 교류파형의 출력전류를 생성하고, 출력전류의 진폭을 조절함으로써, 배터리의 전압 변화에 따라 인버터의 출력전류를 일정하게 유지한다.
상기 센싱부는 상기 추진 장치에 인가되는 전압, 전류, 전력, 역률의 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 전압, 전류, 배터리 충전상태 및 배터리 수명을 계산한다.
상기 센싱부는 상기 계산부에서 측정 및 계산된 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 입력 파라미터 값 및 배터리의 전압을 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 입력 파라미터 값을 이용하여 역률을 계산한다.
상기 MCU는 오결선 체크를 위해 상기 계산부에서 계산된 역률을 이용하여 입력 받은 전압 전류의 위상각 θ의 범위가
Figure pat00001
를 만족하지 않는 경우 오결선으로 판정하고, 오결선으로 판정된 경우 경보를 발행한다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 방법은 게이트 드라이버를 통해 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 주파수를 제어하여 하이브리드 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 속도를 제어하는 단계; 센싱부를 통해 상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산하는 단계 및 MCU를 통해 상기 측정 및 계산 결과를 분석하여 전원라인의 오결선 체크를 수행하고, 상기 오결선 체크 결과를 제어실로 통신하여 상기 오결선 체크 결과에 따른 원격제어를 수행하는 단계를 포함한다.
상기 게이트 드라이버를 통해 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 주파수를 제어하여 하이브리드 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 속도를 제어하는 단계는 인버터의 스위칭에 대한 PWM 전압의 듀티비의 변환 폭을 조절하여 교류파형의 출력전류를 생성하고, 출력전류의 진폭을 조절함으로써, 배터리의 전압 변화에 따라 인버터의 출력전류를 일정하게 유지한다.
상기 센싱부를 통해 상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산하는 단계는 상기 추진 장치에 인가되는 전압, 전류, 전력, 역률의 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 전압, 전류, 배터리 충전상태 및 배터리 수명을 계산한다.
상기 센싱부를 통해 상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산하는 단계는 상기 계산부에서 측정 및 계산된 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 입력 파라미터 값 및 배터리의 전압을 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 입력 파라미터 값을 이용하여 역률을 계산한다.
상기 MCU를 통해 상기 측정 및 계산 결과를 분석하여 전원라인의 오결선 체크를 수행하고, 상기 오결선 체크 결과를 제어실로 통신하여 상기 오결선 체크 결과에 따른 원격제어를 수행하는 단계는 오결선 체크를 위해 상기 계산부에서 계산된 역률을 이용하여 입력 받은 전압 전류의 위상각 θ의 범위가
Figure pat00002
를 만족하지 않는 경우 오결선으로 판정하고, 오결선으로 판정된 경우 경보를 발행한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 배터리의 셀의 문제가 원인이 되어 일어나는 해상 사고를 방지하기 위해, 파워모듈에서 배터리의 전압을 실시간으로 측정하여 배터리에 문제가 발생한 것을 파악하면 그에 대한 피드백을 인버터 제어에 적용시켜 인버터가 일정한 전류 출력을 유지할 수 있도록 제어할 수 있다. 또한, 파워모듈 기능에 오결선 점검을 하는 알고리즘을 추가하여 전압 측정과 전류 측정의 결선이 잘못되어 잘못된 전력 및 역률 추정값을 받고 있는 경우 이를 사용자에게 알리고 경고 신호를 보내주는 파워모듈 시스템을 제안하고, 인버터의 레벨에 따라 달라지는 고조파 특성이 배터리의 수명에 어떤 영향을 주는지에 대해 실험을 하여 이에 대한 자료를 통해 전기추진선박에서 사용하는 인버터에 따라 배터리의 수명 추정을 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 랜들 모델을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 일정 전압 제어를 설명하기 위한 전체 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 일정 전압 출력 제어 및 오결선 체크를 위한 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 하이브리드 전기추진 선박에서 안전문제가 일어날 상황을 미리 파악할 수 있는 파워모듈에 전력 및 역률 값을 측정하여 오결선 여부를 파악할 수 있는 기능을 탑재하고, 인버터의 일정 출력 제어 기능과 배터리의 남은 수명 추정 기능을 구현한 파워 모듈 및 모니터링 시스템을 제안한다.
제안하는 파워모듈의 오결선 점검 시스템은 모선, 부하선 판별 기능이 내장된 인버터 파워모듈에 관한 것으로서, 펌프에 공급되는 전압과 전류의 위상을 측정하여 역률 값을 계산한 후 이 값을 비교, 분석하여 파워모듈 결선의 정상연결 여부를 확인하는 알고리즘을 적용하였다. 그리고 인버터의 안정출력 구현을 위해 A/D 컨버터 기능이 있는 MCU를 이용하여 배터리의 전압 값을 실시간으로 측정할 수 있게 하였으며, 이를 통해 전기추진 선박 내 배터리의 전압을 파악하여 문제가 발생할 경우 인버터를 제어함으로써 출력 파형을 안정적으로 유지할 수 있게 하였다. 그리고 2레벨과 3레벨의 인버터를 이용하여 배터리를 방전시켰을 때의 수명 변화를 비교 분석하여 선박에서 사용되는 배터리의 교체시기를 미리 알 수 있도록 알려주는 기능을 탑재하였고, 이를 모니터링 할 수 있는 프로그램을 구현하여 사용자가 상술한 기능을 쉽게 알아볼 수 있도록 하였다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
발전기(Generator)(110)로부터 생산된 전력은 정류기(Rectifier)(120)를 통해 직류로 바뀐다. 이 직류 전원은 배터리(Battery)(130)를 충전시키거나, 인버터(Inverter)(140)를 통해 3상 교류 전원으로 바뀌어 추진 장치를 구동시키게 된다. 도 1에서 파워 모듈(Power Module)(150)은 직류에서 교류로 변환하는 인버터(140)의 주파수를 제어하여 추진 장치(170)의 속도를 제어한다. 또한 추진 장치(170)에 인가되는 전압, 전류, 전력, 역률 등의 값을 측정 및 계산하여 원격 모니터링부(160)를 통해 모니터링하고, 전원라인의 오결선(180) 점검 결과를 원거리의 제어실로 통신하여 원격제어가 가능하도록 하며, 배터리의 전압, 전류, 배터리 충전상태 및 배터리 수명 등을 연산한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 시스템(200)은 게이트 드라이버(210), 센싱부(220), MCU(230)를 포함한다.
게이트 드라이버(210)는 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 주파수를 제어하여 하이브리드 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 속도를 제어한다. 게이트 드라이버(210)는 인버터의 스위칭에 대한 PWM 전압의 듀티비의 변환 폭을 조절하여 교류파형의 출력전류를 생성하고, 출력전류의 진폭을 조절함으로써, 배터리의 전압 변화에 따라 인버터의 출력전류를 일정하게 유지한다.
센싱부(220)는 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산한다. 센싱부(220)는 추진 장치에 인가되는 전압, 전류, 전력, 역률의 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 전압, 전류, 배터리 충전상태 및 배터리 수명을 계산하고, 계산부에서 측정 및 계산된 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 입력 파라미터 값 및 배터리의 전압을 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 입력 파라미터 값을 이용하여 역률을 계산한다.
MCU(230)는 측정 및 계산 결과를 분석하여 전원라인의 오결선 체크를 수행하고, 상기 오결선 체크 결과를 제어실로 통신하여 상기 오결선 체크 결과에 따른 원격제어를 수행하도록 한다. MCU(230)는 오결선 체크를 위해 상기 계산부에서 계산된 역률을 이용하여 입력 받은 전압 전류의 위상각 θ의 범위가
Figure pat00003
를 만족하지 않는 경우 오결선으로 판정하고, 오결선으로 판정된 경우 경보를 발행한다. 예를 들어, LCD를 통해 에러를 체크할 수 있도록 알림을 나타낼 수 있다. 또한, 역률의 방향이 - 부터 + 까지 계속 바뀌어가는 경우를 체크할 수 있고, 전압값은 바뀌었지만 전류값이 바뀌지 않은 경우를 체크할 수도 있다. 또한, 인버터를 구동하는 경우에 전압값이 일정한 경우를 체크할 수 있으며, 인버터 전원을 off 시켰을 경우에도 전압이 측정되는 경우를 체크할 수 있다. 뿐만 아니라, 측정 전압 및 측정 전류의 값을 통신선을 이용하여 값을 받고, 이를 전력선을 이용하여 값을 보내도록 할 수 있다. 도 3 및 도 4를 참조하여 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 시스템에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 랜들 모델을 나타내는 도면이다.
도 3의 점선 내부는 배터리의 랜들(randles) 1차 등가모델을 나타낸다. 이러한 등가모델에서 R 1 은 내부저항, R 2 는 이온화 손실 저항, C는 2중층의 캐패시턴스를 의미한다.
배터리의 수명은 SOH(State of Health)로 표현할 수 있고, 수명이 다 되어 사용할 수 없는 배터리는 SOH 0％이고, 한 번도 사용하지 않은 수명이 가장 긴 배터리의 상태를 SOH 100％라고 한다. 이 때 내부저항 R 1 과 이온화 손실 저항 R 2 는 SOH 100％일 때 보다 SOH 0％일 때 더 높아진다. 즉, 배터리 사용을 반복하여 수명이 줄어들수록 R 1 , R 2 값이 늘어나게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배터리 내부 저항 값의 변화를 이용하여 배터리의 SOH를 추정하였다. 식 E I = E B ―(V R1 +V R2 )은 도 3에서의 배터리 단자 전압(다시 말해, 인버터(310)에 인가되는 전압)을 나타내는 식이다. 여기서 배터리가 인버터(310)에 접속되는 순간에는 캐패시턴스 C로 전류가 저항 없이 흐르므로 V R2 값은 0이 된다. 이 때의 단자 전압 E I 는 식 E I = E B ―V R1 처럼 나타낼 수 있다. 이 식을 V R1 에 대한 식으로 나타내면 식 V R1 = E B ―E I 과 같다. 이를 이용하여 값을 구하는 식 R 1 = V R1 /I 를 도출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 일정 전압 제어를 설명하기 위한 전체 블록도이다.
도 4는 배터리(410)의 갑작스런 고장으로 일정한 전압이 나오지 않을 경우에도 인버터(420)의 출력전압을 일정하게 유지함으로써 갑작스럽게 부하장치에 충격을 주지 않도록 제어하는 인버터 시스템의 블록도이다.
인버터(420)는 배터리(410)에 접속된 직류 전압을 파워 모듈(400)의 스위칭을 통해서 교류 전력으로 변환하는 역할을 한다. 이 때 입력되는 배터리(410)의 직류전압이나 스위칭 듀티비에 따라 인버터(420)에서 출력되는 교류 전력의 크기가 변하게 된다.
선박에서 사용되는 배터리의 셀 중에 일부가 이상이 생기면 배터리마다 연결되어 있는 스위치들(SWS1~SWS6과 SWP1~SWP6)이 그에 맞춰 스위칭 되면서 배터리의 전압이 단절되지 않도록 한다. 예를 들어 배터리 셀 B1~B6이 모두 정상일 때에는 SWS1~SWS6이 모두 닫혀있는 상태로 있다가, 배터리 B5가 이상이 생겨 전압을 정상적으로 출력할 수 없는 경우 SWS5가 열리고 SWP5가 닫혀 배터리 B5를 제외한 채 전압을 계속 출력할 수 있도록 한다. 이 때 배터리 셀이 하나 줄어든 만큼 순간적으로 배터리의 전압이 변하게 되는데, 이로 인하여 인버터(420)에서 출력되는 전력에도 급격한 변화가 발생하여 해당 교류 전력을 사용하는 장비에 문제가 발생할 가능성이 있다. 이러한 문제를 예방하기 위해 해당 시스템에서는 배터리(410)의 전압이 변경되더라도 인버터(420)의 출력이 일정하게 유지되도록 알고리즘을 구성하였다.
먼저, 파워모듈(400)에 있는 MCU(430)에서 A/D컨버터를 이용하여 지속적으로 배터리(410)의 전압 VB를 측정한다. 그러던 중 배터리의 일부 셀에 이상이 생겨 VB가 낮아지게 되면 센싱부(420)를 통해 이를 감지지하고, MCU(430)에서 인버터(420)의 스위칭 듀티비의 변환 폭을 증가 시키도록 게이트 드라이버(Gate driver)(410)를 제어한다.
인버터의 스위칭은 PWM 전압으로 이루어지는데, 이 PWM 전압의 듀티비가 높을수록 흐르는 전류가 높고, 듀티비가 낮아질수록 흐르는 전류가 작아진다. 이 듀티비의 크기를 위상에 맞게 조절하여 교류파형의 출력전류를 만들어낸다. 그리고 이 듀티비의 변환 폭에 따라 출력전류의 진폭이 달라진다.
이를 이용하여 배터리의 전압 변화에 따라 듀티비의 변환 폭을 바꿔줌으로써 인버터의 출력전류를 일정하게 유지시킬 수 있다.
전력관리 및 오결선 체크 방법은 아래와 같다.
파워 모듈은 추진 장치의 전압, 전류 및 역률을 검출하는 역할을 한다. 그리고 추진 장치뿐만 아니라 인버터 입력 전압도 측정하여 다양한 문제의 발생 여부를 감시할 수 있도록 설계하였다.
이때, 역률을 계산하기 위해 측정하는 전압과 전류는 같은 구간에서 측정을 해야 한다. 서로 다른 구간에서 이를 측정 하게 되면 역률 계산 값이 실제 역률 값과 다르게 나오게 된다. 그러나, 선내의 복잡한 환경에서 파워모듈에 전원라인을 부하측에서 접속하지 않고, 입력라인에서 결선할 경우가 있다. 이런 경우에는 파워모듈에 입력되는 전압과 전류의 위상차가 ―부터 +까지 계속 바뀌게 되므로 정확한 모니터링이 될 수 없다.
시중에 판매되고 있는 파워 모듈들의 대다수가 이러한 오결선 체크 기능을 포함하고 있지 않다. 이러한 오결선 체크 기능은 운전 전과 운전 중에 측정될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 운전 전의 오결선 체크는 발전기(110)의 출력부분과 추진 장치(170) 입력 부분이 있다. 만약 파워 모듈의 전압 측정 부분과 전류 측정 부분을 오결선 했다면, 선박이 정지해있을 경우 발전기(110)는 계속 구동 중이기 때문에 파형이 출력되지만, 추진 장치(170) 부분은 정지 중이므로 파형이 계측되지 않는다. 이러한 특징을 이용하여 선박이 운전 전일 때, 파워 모듈에 전압 혹은 전류가 계측이 된다면 이는 파워 모듈이 오결선 되어 있다는 것을 알 수 있다.
운전 중의 오결선 체크는 역률 값을 측정하기 위하여 입력받은 전압전류의 위상각 θ의 범위가 식
Figure pat00004
을 만족하지 않으면 결선이 잘못된 것으로 판정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
전기추진선박용 하이브리드 인버터 시스템의 파워모듈의 오결선 점검 시스템의 동작 방법은 게이트 드라이버를 통해 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 주파수를 제어하여 하이브리드 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 속도를 제어하는 단계(510), 센싱부를 통해 상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산하는 단계(520) 및 MCU를 통해 상기 측정 및 계산 결과를 분석하여 전원라인의 오결선 체크를 수행하고, 상기 오결선 체크 결과를 제어실로 통신하여 상기 오결선 체크 결과에 따른 원격제어를 수행하는 단계(630)를 포함한다.
단계(510)에서, 게이트 드라이버를 통해 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 주파수를 제어하여 하이브리드 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 속도를 제어한다. 인버터의 스위칭에 대한 PWM 전압의 듀티비의 변환 폭을 조절하여 교류파형의 출력전류를 생성하고, 출력전류의 진폭을 조절함으로써, 배터리의 전압 변화에 따라 인버터의 출력전류를 일정하게 유지한다.
단계(520)에서, 센싱부를 통해 상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산한다. 추진 장치에 인가되는 전압, 전류, 전력, 역률의 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 전압, 전류, 배터리 충전상태 및 배터리 수명을 계산한다. 계산부에서 측정 및 계산된 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 입력 파라미터 값 및 배터리의 전압을 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 입력 파라미터 값을 이용하여 역률을 계산한다.
단계(530)에서, MCU를 통해 상기 측정 및 계산 결과를 분석하여 전원라인의 오결선 체크를 수행하고, 상기 오결선 체크 결과를 제어실로 통신하여 상기 오결선 체크 결과에 따른 원격제어를 수행한다. 오결선 체크를 위해 상기 계산부에서 계산된 역률을 이용하여 입력 받은 전압 전류의 위상각 θ의 범위가
Figure pat00005
를 만족하지 않는 경우 오결선으로 판정하고, 오결선으로 판정된 경우 경보를 발행한다. 예를 들어, LCD를 통해 에러를 체크할 수 있도록 알림을 나타낼 수 있다. 또한, 역률의 방향이 - 부터 + 까지 계속 바뀌어가는 경우를 체크할 수 있고, 전압값은 바뀌었지만 전류값이 바뀌지 않은 경우를 체크할 수도 있다. 또한, 인버터를 구동하는 경우에 전압값이 일정한 경우를 체크할 수 있으며, 인버터 전원을 off 시켰을 경우에도 전압이 측정되는 경우를 체크할 수 있다. 뿐만 아니라, 측정 전압 및 측정 전류의 값을 통신선을 이용하여 값을 받고, 이를 전력선을 이용하여 값을 보내도록 할 수 있다. 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 일정 전압 출력 제어 및 오결선 체크를 위한 동작 방법을 더욱 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 일정 전압 출력 제어 및 오결선 체크를 위한 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6(a)는 인버터에 입력되는 배터리의 전압이 변하더라도 출력을 일정하도록 제어하는 순서도 이고, 도 6(b)는 파워모듈이 값을 측정할 때 결선이 잘못되었는지 파악하고 잘못되었을 경우 경보를 나타내는 순서도이다.
도 6(a)를 참조하면, 인버터에 입력되는 배터리의 전압이 변하더라도 출력을 일정하도록 제어하기 위해, 먼저 배터리의 동작 모드를 체크(610a)하고, 배터리 모드 사용 여부를 체크한다(620a). 배터리 모드를 사용하지 않을 경우 다시 처음으로 돌아가고, 배터리 모드를 사용할 경우 배터리 전압을 측정한다(630a). 이후, 측정된 전압으로 듀티비를 계산한다(650a). 그리고, 배터리 사용 여부를 체크(660a)하여, 사용하는 경우 단계(630a)로 돌아가도, 사용하지 않을 경우 제어과정을 종료한다.
도 6(b)를 참조하면, 파워모듈이 값을 측정할 때 결선이 잘못되었는지 파악하고 잘못되었을 경우 경보를 나타내기 위해, 먼저 파워 모듈을 연결(610b)하고, 모터의 전압 및 전류를 측정한다(620b). 이후, 전압 또는 전류 여부를 체크(630b)한 후, 전압 또는 전류가 측정된 경우 역률을 계산한다(640b). 반면에, 전압 또는 전류가 측정되지 않은 경우, 오결선 경보를 발행한다(660b). 전압 또는 전류가 측정된 경우 역률을 계산(640b)한 후, 위상 범위를 체크(650b)한다. 위상 범위가
Figure pat00006
인 경우 단계(620b)로 이동하고, 위상 범위가
Figure pat00007
이 아닌 경우 오결선 경보를 발행한다(660b).
본 발명의 실시예들에 따르면 하이브리드 전기추진 선박에서 사용되는 발전기와 배터리의 병행 운전 중 발생할 수 있는 고장이나 결선 오류 등을 모니터링 시스템을 통해 확인하고, 항해 중에 배터리에 문제가 발생하더라도 인버터를 제어하여 안정적인 전류를 출력하도록 해 펌프 구동에 문제가 없도록 하는 파워모듈 시스템을 구현하였다. 또한, 제어용 파워모듈을 통하여 측정된 배터리 내부저항 R 1 을 검출하여 배터리의 건강상태인 SOH, SOC를 모니터링함으로써 부하에 가해지는 갑작스런 충격을 완화시킬 수 있다. 또한, 배터리의 갑작스런 고장으로 인하여 인버터에 공급되는 입력전압이 변하더라도 인버터 출력전압이 항시 일정하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 파워모듈에 공급되는 전원선으로 부하선이 연결되지 않고, 모선이 접속될 경우에 전원 오결선을 체크하여 알려주는 기능이 내장된다. 파워모듈은 전원 결선 착오 문제를 파악하여 LCD 화면에 에러 번호를 표시하며, 이상 문제에 대한 에러의 내용을 파악할 수 있다.
또한, 제어실의 모듈과 제어판은 분리가 되어 있어, 예를 들어 RS-232 통신을 이용하기에 별도의 선이 필요하고, 이를 통합하여 별도의 분리기기가 필요하지 않아 기존에 사용하는 장비대비 비교적 작아진 모듈로 대체할 수 있다.
뿐만 아니라, 선박 내에서 통신선을 이용한 BLE와 전력선 방식을 이용하여 펌프실에서 브릿지로 향하는 전선의 길이를 기존대비 상당히 줄일 수 있어 원가 절감의 효과를 가져온다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.　 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.　 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.　 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.　 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.　 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.　 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.　 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.　 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.　
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 주파수를 제어하여 하이브리드 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 속도를 제어하는 게이트 드라이버;
    상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산하는 센싱부; 및
    상기 측정 및 계산 결과를 분석하여 전원라인의 오결선 체크를 수행하고, 상기 오결선 체크 결과를 제어실로 통신하여 상기 오결선 체크 결과에 따른 원격제어를 수행하도록 하는 MCU
    를 포함하는 파워모듈의 오결선 점검 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버는,
    인버터의 스위칭에 대한 PWM 전압의 듀티비의 변환 폭을 조절하여 교류파형의 출력전류를 생성하고, 출력전류의 진폭을 조절함으로써, 배터리의 전압 변화에 따라 인버터의 출력전류를 일정하게 유지하는
    파워모듈의 오결선 점검 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 추진 장치에 인가되는 전압, 전류, 전력, 역률의 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 전압, 전류, 배터리 충전상태 및 배터리 수명을 계산하는
    파워모듈의 오결선 점검 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 계산부에서 측정 및 계산된 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 입력 파라미터 값 및 배터리의 전압을 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 입력 파라미터 값을 이용하여 역률을 계산하는
    파워모듈의 오결선 점검 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 MCU는,
    오결선 체크를 위해 상기 계산부에서 계산된 역률을 이용하여 입력 받은 전압 전류의 위상각 θ의 범위가
    Figure pat00008
    를 만족하지 않는 경우 오결선으로 판정하고, 오결선으로 판정된 경우 경보를 발행하는
    파워모듈의 오결선 점검 시스템.
  6. 게이트 드라이버를 통해 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 주파수를 제어하여 하이브리드 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 속도를 제어하는 단계;
    센싱부를 통해 상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산하는 단계; 및
    MCU를 통해 상기 측정 및 계산 결과를 분석하여 전원라인의 오결선 체크를 수행하고, 상기 오결선 체크 결과를 제어실로 통신하여 상기 오결선 체크 결과에 따른 원격제어를 수행하는 단계
    를 포함하는 파워모듈의 오결선 점검 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버를 통해 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 주파수를 제어하여 하이브리드 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 속도를 제어하는 단계는,
    인버터의 스위칭에 대한 PWM 전압의 듀티비의 변환 폭을 조절하여 교류파형의 출력전류를 생성하고, 출력전류의 진폭을 조절함으로써, 배터리의 전압 변화에 따라 인버터의 출력전류를 일정하게 유지하는
    파워모듈의 오결선 점검 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 센싱부를 통해 상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산하는 단계는,
    상기 추진 장치에 인가되는 전압, 전류, 전력, 역률의 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 전압, 전류, 배터리 충전상태 및 배터리 수명을 계산하는
    파워모듈의 오결선 점검 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 센싱부를 통해 상기 추진 장치에 인가되는 입력 파라미터 값을 측정 및 계산하고, 배터리의 파라미터 값을 계산하는 단계는,
    상기 계산부에서 측정 및 계산된 전기추진선박 전력 시스템의 추진 장치의 입력 파라미터 값 및 배터리의 전압을 직류에서 교류로 변환하는 인버터의 입력 파라미터 값을 이용하여 역률을 계산하는
    파워모듈의 오결선 점검 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 MCU를 통해 상기 측정 및 계산 결과를 분석하여 전원라인의 오결선 체크를 수행하고, 상기 오결선 체크 결과를 제어실로 통신하여 상기 오결선 체크 결과에 따른 원격제어를 수행하는 단계는,
    오결선 체크를 위해 상기 계산부에서 계산된 역률을 이용하여 입력 받은 전압 전류의 위상각 θ의 범위가
    Figure pat00009
    를 만족하지 않는 경우 오결선으로 판정하고, 오결선으로 판정된 경우 경보를 발행하는
    파워모듈의 오결선 점검 방법.
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