하이브리드 전기추진 선박용 인버터 제어시스템의 출력안정화를 위한 배터리 관리 시스템

Abstract

Efforts to reduce pollutants from ships are continuing as concerns about environmental issues arise. If the ship uses electricity, the emission of air pollutants such as fine dust and sulfur oxides can be reduced. Therefore, researches on electric propulsion ship using battery are actively proceeding. In ships, there are many devices that use AC power, so an inverter is essential to use a battery that is a DC power source. In addition, the ship uses a BMS(Battery Management System) to check the battery voltage and current at real times so that it can be confirmed that there is no problem. However, if the battery cell is damaged when the ship is in operation, the supply voltage may be rapidly drop or the battery pack may be short-circuited to cause a safety accident.

In this paper, to prevent with such an accident, even if one of the battery cells fails, remaining cells are connected with bypass circuit to prevent a short-circuit of the whole battery. And we implemented the function to estimate the battery lifetime by measuring the OCV of the battery cell with switching controls. In addition, when the voltage of the battery suddenly decreases, the output of the inverter also decreases. In order to prevent the accident, the function of inverter output currents stabilization is implemented in the BMS. We also constructed a monitoring system using data communication so that measured and calculated values in BMS ​​can be monitored on a remote PC. In addition, implement an experiment to compare and analyze lifetime characteristics of the battery according to the level of the inverter. This experiment will be a reference for battery lifetime measurement. The experimental data and BMS with added functions will help to develop the power system of the electric propulsion ship.| 환경문제에 대한 관심이 대두되면서 선박에서 나오는 오염물질을 줄이기 위한 노력이 이어지고 있다. 만약 선박이 전기를 사용하게 되면 미세먼지, 황산화물 등의 대기오염 물질 배출을 감소시킬 수 있다. 그래서 배터리를 이용한 전기추진 선박에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 선박에서는 교류 전원을 사용하는 장비가 많기 때문에 직류 전원인 배터리를 사용하기 위해서는 인버터가 필수적이다. 또한, 선박에서는 BMS(Battery Management System)를 사용하여 배터리 전압 및 전류를 항상 체크하여 문제가 없는지 확인할 수 있도록 하고 있다. 하지만 선박이 동작 중일 때 배터리의 셀에 문제가 발생하면 공급전압이 급감하거나 배터리 전체가 단락되어 안전사고로 이어질 가능성이 높다.

본 논문에서는 이러한 사고에 대처하기 위해 배터리 셀 중 하나가 고장이 나더라도 Bypass 회로를 구성하여 나머지 셀들을 연결함으로써 배터리 전체의 단락을 막는 시스템을 설계하였다. 그리고 스위칭 제어를 통해 배터리 셀의 OCV를 측정하여 배터리의 수명을 추정하는 기능을 구현하였다. 또한, 배터리의 전압이 급감하게 되면 인버터의 출력 또한 변하게 되는데 이로 인한 사고를 방지하기 위해 인버터 출력전류 안정화 기능을 BMS에 구현하였다. 그리고 BMS를 통해 측정, 계산되는 값들을 원거리 PC에서도 모니터링 할 수 있도록 데이터 통신을 활용하여 모니터링 시스템을 구성했다. 그리고 배터리의 수명 측정에 참고할 수 있도록 인버터의 레벨에 따른 배터리의 수명 특성을 비교·분석하는 실험을 실시하였다. 이처럼 기능을 추가한 BMS 및 실험 내용들은 전기추진 선박의 전원 시스템을 개발하는데 도움이 될 것이다.