BMS for output stabilization of inverter control system in hybrid electric propulsion ship

서 론

연구 필요성

따라서 선박에 사용되는 배터리로 인한 안전사고를 예방하기 위한 대책 마련이 시급하다. 선박에 배터리 사용이 늘어나면서 해양용 BMS 시장도 빠르게 성장할 것으로 예상된다.

연구 목적

• SOH
• 배터리 열화 원인
• Randles의 배터리 모델
• SOC
• OCV

배터리 수명을 측정하는 데에는 여러 가지 이유가 있습니다. SOC(충전 상태)는 배터리의 남은 용량을 나타냅니다.

Fig. 1은 영국의 전기 화학자 Randles가 제안한 배터리 모델 회로이 다.[8] 그림에서 R 1 은 배터리 내부 저항, R 2 는 충·방전 전류가 흐를 시 발생하는 분극 현상에 의한 이온화 손실 저항, 그리고 C는 이중층 의 커패시턴스 값을 나타낸다

벡터제어

• 유도전동기 벡터제어

이에 비해 간접 벡터 제어는 측정된 전류값을 이용하여 슬립 각속도를 계산하고 회전속도를 통해 자속 각속도를 추정하므로 직접 벡터 제어의 단점을 피할 수 있다.[14] 또한, 고속으로 달리는 전동기에도 간접 벡터 제어를 사용할 수 있으며, 계산을 통해 그 값을 알아내기 때문에 센서나 필터 설치 등 추가 비용이 들지 않는다. 상단 또는 하단에 위치한 접점을 통해 흐르는 누설 전류가 내부에 위치한 접점보다 낮도록 선택됩니다. 카운트 값은 계속해서 증가하며 이 값에 도달하면 각 숫자에 해당하는 PWM이 켜지고 꺼집니다.

그림 16에 표시된 PWM1 모드인 Active Low는 카운터 값이 CMPR1보다 낮을 때 켜집니다. 따라서 숫자가 증가하여 CMPR1의 값에 도달하면 PWM1이 꺼집니다. 그림 20은 배터리 전압을 측정하고 출력을 일정하게 유지하는 컨버터 시스템의 흐름도입니다.

한편, 배터리 내 일부 셀에 문제가 발생하여 배터리 전압이 정격 전압보다 낮아지면, 스위칭 제어 시스템이 이를 감지하여 인버터의 스위칭 비율의 변환폭을 증가시킨다.

Fig. 3 2level inverter

전기추진 인버터용 BMS

BMS 구성

이 스위치는 배터리 셀당 OCV를 측정하는 데에도 사용됩니다. 이때 SWP 스위치를 켜는 이유는 OCV 측정 시 배터리 전체의 단락을 방지하기 위함이다. 따라서 BMS에서는 배터리 상태를 확인해야 하며, 측정된 값은 다음과 같다.

그 이유는 배터리가 직렬로 연결되어 있기 때문입니다. 따라서 배터리에 흐르는 전류를 측정 및 관리하고, 이상이 발생했을 때 조치를 취하는 것도 중요하다.

인버터 출력전류 일정제어

대부분의 인버터는 공간전압벡터 PWM 제어 방식을 사용하는데, 이 제어 방식은 PWM의 듀티비에 따라 인버터의 출력 크기를 변경할 수 있다. 첫째, T1PR 값은 마이크로프로세서의 타이머에 따라 결정될 수 있다. PWM2가 16으로 설정된 Active High 모드는 카운트가 설정된 CMPR2 값에 도달하면 켜집니다.

즉, PWM 듀티비를 제어하려면 CMPR 값만 변경하면 됩니다. 인버터의 출력을 낮추려면 인버터를 제어하는 ​​PWM 공간전압 벡터의 CMPR 값을 낮추면 되며, 이 값을 높이면 인버터의 출력이 높아진다.

Fig. 14 Inverter circuit of 2level Fig. 15 Gate drivers of 2level 선박의 운전 중에 배터리의 셀 중 하나가 이상이 생기면 BMS시스템 을 이용하여 배터리의 출력이 끊기는 것은 막을 수 있지만 순간적으로 배터리 팩 전체의 전압이 낮아지게 된다

직렬통신(RS-232)모니터링 구성

송신, 수신, 접지의 세 가지 선만으로 통신이 가능하므로 케이블 사용이 훨씬 효율적입니다. 따라서 본 논문에서는 통신 모니터링을 위해 RS-232 시리얼 통신을 사용하였다. 도 17은 직렬 통신의 세 가지 방법을 그래픽으로 표현한 것이다.

반이중 통신은 데이터선이 하나뿐이므로 전송과 수신이 동시에 이루어질 수 없고, 데이터를 교대로 전송해야 한다. 따라서 이러한 통신 방식을 모니터링 시스템에 사용하는 경우 실시간 측정이 어렵습니다.

Fig. 17 Three methods of serial communication

소프트웨어

• 모니터링 소프트웨어 구성
• BMS 소프트웨어 순서도

그림 19는 BMS에서 사용되는 소프트웨어에서 배터리 셀의 SOH를 추정하는 흐름도이다. 먼저, 배터리의 사용 여부를 판단하는데, 이는 배터리를 사용하는 경우와 배터리를 사용하지 않는 경우로 구분된다. 인버터 입력전압의 급격한 감소로 인한 사고를 방지하기 위해 배터리 전압이 변하더라도 인버터의 출력이 일정하게 유지되도록 시스템에 알고리즘을 구축했습니다.

이를 이용하면 배터리 전압 변화에 따라 듀티비 변환 폭을 변화시켜 인버터의 출력 전류를 일정하게 유지할 수 있다. 이후 배터리를 계속 사용하면 다시 배터리 전압이 변할 때까지 실시간으로 전압을 측정하고, 배터리 사용이 중단되면 측정을 중단한다.

Fig. 18 Monitoring system of BMS for electric propulsion inverter

실험 및 고찰

• 인버터 레벨에 따른 배터리 수명 예측
• 인버터 출력전류 일정제어

여기서 입력전류 파형을 측정하는 이유는 인버터에 전원을 공급하는 배터리가 미치는 영향을 알아보기 위함이다. 이러한 특성을 갖는 2레벨 인버터와 3레벨 인버터를 이용하여 배터리 수명의 변화를 비교하는 실험은 Fig. 그림 25에서 위의 파란색 파형은 전체 배터리 전압을 나타내고, 아래 빨간색 파형은 전류 센서를 통해 측정한 인버터 출력 전류 파형을 나타낸다.

인버터에 인가되는 전압인 총 배터리 전압이 감소함에 따라 인버터의 출력 전류 값도 감소하는 것을 알 수 있다. 25와 비교하면, 배터리 전압이 급격하게 떨어지더라도 인버터의 출력 전류 파형에는 변화가 없음을 알 수 있다. 배터리 셀 일부에 문제가 발생해 배터리 전체 전압이 갑자기 떨어지는 경우 인버터의 출력이 일정하게 유지되도록 제어하는 ​​시스템을 구현했다.

그리고 리튬이온 배터리의 경우 약해지면 내부에 가스가 발생해 폭발의 위험이 있습니다.

Fig. 21 Comparison of input current harmonic according to inverter level

결론