[논문]견마로봇의 전력제어 및 최적 운용에 대한 연구

강태하; 허진욱; 김준; 강신천

견마로봇의 전력제어 및 최적 운용에 대한 연구
Study on Power Control and Optimal Management for Dog-Horse Robot 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.13 no.3, 2010년, pp.343 - 348

강태하 (국방과학연구소) , 허진욱 (국방과학연구소) , 김준 (국방과학연구소) , 강신천 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, unmanned electric vehicles are increasingly interested among all of the world since they can provide low exhaust gas, high efficiency and high mobility. To exploit their silent maneuver and high mobility, unmanned electric vehicles have been developed since early 1980's for military. However, it is not easy to design and control a power system satisfying operating duration and mobility performance requirements based on various mission profiles for military use under the conditions of limited space and weight. Moreover it is also necessary to prevent over-charge, over-discharge and voltage unbalance between cells of battery to secure high voltage battery which is serially connected with muti-cells. In this paper, we presents power control and optimal management method for the dog-horse robot which adopts a electric power system and suggests a guide-line to manage and control to secure high voltage battery.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 공간 및 중량의 제약이 있는 상태에서 전력제어장치를 군사적 목적의 유무인 차량에 적용하여 다양한 임무 시나리오 기반의 운용시간을 만족시키는데 필요한 통합 전력제어 및 최적 에너지 운용 방법을 제시하였다. 또한, 다중 셀이 직렬로 연결된 고전압 배터리의 안전성을 확보하기 위한 과충전, 과방전 및 셀간 전압 불균형 방지 방법과 운용방안을 제안하였다.
본 논문에서는 무인차량에 적합한 전력제어 및 운용개념을 군사용 무인차량에 적용하면서 연구된 부하 가변 특성에 기반한 전력 생성 최적화, 임무 유형에 따른 최적 에너지 운용 및 고전압 배터리 관리/제어 기술에 대해 논하고자 한다.

제안 방법

또한 대기 임무는 각 임무에 포함되어 있는 대기 및 파킹 관련 세부 임무를 이중으로 모아 임무 선택에 용이성을 제공하였다. 대기 모드는 탑재장비에 전원이 공급되어 초기화를 수행하고 제어를 수행하지 않는 절전모드로 설정하였고, 파킹 모드는 탑재장비를 초기위치로 이동한 후 전원을 OFF 상태로 전환하는 모드로 설정하였다.
엔진속도는 엔진의 쓰로틀 밸브를 직접 구동하여 제어하였다. 둘째, 엔진/발전기와 배터리의 입출력 전력을 독립적으로 제어하기 위해서는 DC Link 전압을 일정 범위 이내로 유지시키는 것이 필요한데 본 연구에서는 빈번한 충/방전에 의해 배터리의 수명을 단축시키는 것을 방지하기 위하여 엔진/발전기와 전류제어가 가능한 PWM 정류기를 이용하여 DC Link 전압을 제어한다. 마지막으로, 배터리는 차량 기동을 위한 최대 전력을 공급하고 감속시에는 회생에너지로 저장하는데 양방향 DC-DC 컨버터를 이용하여 배터리 충방전을 제어한다.
본 논문에서는 공간 및 중량의 제약이 있는 상태에서 전력제어장치를 군사적 목적의 유무인 차량에 적용하여 다양한 임무 시나리오 기반의 운용시간을 만족시키는데 필요한 통합 전력제어 및 최적 에너지 운용 방법을 제시하였다. 또한, 다중 셀이 직렬로 연결된 고전압 배터리의 안전성을 확보하기 위한 과충전, 과방전 및 셀간 전압 불균형 방지 방법과 운용방안을 제안하였다.
이와 같은 환경에서 배터리에 대한 과방전 방지 처리는 고전압 전원과 저전압 전원을 모두 차단하여야 가능하다. 무인차량에서 전력계통의 관리 및 통제는 전력제어기에서 담당하고 있으므로 배터리 보호 처리도 전력제어기에서 관리하도록 설계하였다.
시스템 운용 측면의 보호 장치는 적용 대상에 따라 다소의 차이를 가질 수 있으므로, 본 연구의 대상인 무인차량에 대한 시스템 운용 측면의 보호 장치를 언급한다. 본 연구에서는 배터리 소손을 사전에 예방하기 위하여 무인차량 운용자용 제어 콘솔에 배터리의 상태 및 이상 징후를 표시하는 1단계 경고 메시지 제공과 운용자가 경고의 원인을 해소하지 않고 운용할 경우에 2단계로서 배터리를 보호하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어 설계를 구현하였다. 안전성 확보를 위한 하드웨어 설계는 릴레이(SW1, SW2)를 추가하였고, 소프트웨어의 설계는 BMS로부터 전달되는 배터리 정보를 전력제어기에서 상시 점검하여 설정된 전압 범위를 초과 시 릴레이를 단선하여 배터리를 보호하는 것이다.
본 연구에서는 배터리 소손을 사전에 예방하기 위하여 무인차량 운용자용 제어 콘솔에 배터리의 상태 및 이상 징후를 표시하는 1단계 경고 메시지 제공과 운용자가 경고의 원인을 해소하지 않고 운용할 경우에 2단계로서 배터리를 보호하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어 설계를 구현하였다. 안전성 확보를 위한 하드웨어 설계는 릴레이(SW1, SW2)를 추가하였고, 소프트웨어의 설계는 BMS로부터 전달되는 배터리 정보를 전력제어기에서 상시 점검하여 설정된 전압 범위를 초과 시 릴레이를 단선하여 배터리를 보호하는 것이다.
엔진/발전기를 이용한 배터리 충전은 전력제어기에서 일정전류-일정전압 모드로 0.5C 이하의 충전전류 범위내에서 수행하는데, 과충전 방지를 위한 보호 처리는 BMS로부터 CAN 통신으로 입력받은 배터리의 각 셀과 터미널 전압의 상한치를 활용하는 이중의 보호 처리 루틴을 구현하였다. 회생 전력을 전력 변환하여 배터리에 저장하는 충전에서도 엔진/발전기를 통한 충전에서 사용하는 동일한 배터리 과충전 방지 처리 루틴을 사용하였다.
2와 같은 엔진/발전기 특성 시험 결과를 활용하였다. 엔진/발전기에서 전력발생 모드를 로봇 주행 모드와 배터리 충전 모드로 구분하여 선정된 모드에 따라 효율적으로 전력의 발생이 가능하도록 하였다. 이와 같이 엔진/발전기 운용 모드를 2단계로 구분하여 설계하고 운용 제어를 수행함으로서, 엔진/발전기의 전력 발생 효율을 극대화하는 효과 및 배터리의 충전 SOC(State Of Charge)를 일정수준 유지하고, 충전 SOC 변화량을 최소화하여 배터리의 사용 기간을 증대시켜 주는 효과를 얻을 수 있었다.
임무 유형에 따른 무선기반의 전원 분배장치는 무인차량에 장착된 10종 이상의 탑재품에 대하여 선택된 임무유형에 따라 필요한 탑재품에만 전원을 공급한다. 이를 위해 Fig. 4와 같이 최적 에너지 운용을 위한 운용모드를 설정하고, Fig. 5와 같이 마스터/슬레이브 모드로 전원분배 기법을 적용하였다. 이 기법은 운용자가 개별 탑재품의 전원 공급을 결정하는 방식이 아닌 임무 유형 선정에 따라 자동적으로 운용에 해당되는 탑재품에만 전력을 공급하고, 기타의 장비에는 전원을 OFF하여 불필요한 전력낭비를 방지하는 기법으로, 운용자의 편리성과 에너지 효율성을 증대시킨 통합 전력관리 및 최적의 에너지 운용이 가능하다.
5C 이하의 충전전류 범위내에서 수행하는데, 과충전 방지를 위한 보호 처리는 BMS로부터 CAN 통신으로 입력받은 배터리의 각 셀과 터미널 전압의 상한치를 활용하는 이중의 보호 처리 루틴을 구현하였다. 회생 전력을 전력 변환하여 배터리에 저장하는 충전에서도 엔진/발전기를 통한 충전에서 사용하는 동일한 배터리 과충전 방지 처리 루틴을 사용하였다.

성능/효과

여기서 무장의 임무는 감시장치와 상호 연계되어 임무를 수행하는 경우가 많으므로, 감시 임무에 포함하여 수행하도록 설정하였다. 또한 대기 임무는 각 임무에 포함되어 있는 대기 및 파킹 관련 세부 임무를 이중으로 모아 임무 선택에 용이성을 제공하였다. 대기 모드는 탑재장비에 전원이 공급되어 초기화를 수행하고 제어를 수행하지 않는 절전모드로 설정하였고, 파킹 모드는 탑재장비를 초기위치로 이동한 후 전원을 OFF 상태로 전환하는 모드로 설정하였다.
이와 같이 엔진/발전기 운용 모드를 2단계로 구분하여 설계하고 운용 제어를 수행함으로서, 엔진/발전기의 전력 발생 효율을 극대화하는 효과 및 배터리의 충전 SOC(State Of Charge)를 일정수준 유지하고, 충전 SOC 변화량을 최소화하여 배터리의 사용 기간을 증대시켜 주는 효과를 얻을 수 있었다. 또한 배터리의 충전 SOC를 일정 수준으로 유지토록 함으로서, 부가적인 효과로 운용시험 이후 배터리의 셀전압 밸런싱을 자동적으로 수행하는 상태를 제공함과 동시에 외부충전기를 통한 충전시간을 줄여주는 효과를 얻을 수 있었다.
엔진/발전기에서 전력발생 모드를 로봇 주행 모드와 배터리 충전 모드로 구분하여 선정된 모드에 따라 효율적으로 전력의 발생이 가능하도록 하였다. 이와 같이 엔진/발전기 운용 모드를 2단계로 구분하여 설계하고 운용 제어를 수행함으로서, 엔진/발전기의 전력 발생 효율을 극대화하는 효과 및 배터리의 충전 SOC(State Of Charge)를 일정수준 유지하고, 충전 SOC 변화량을 최소화하여 배터리의 사용 기간을 증대시켜 주는 효과를 얻을 수 있었다. 또한 배터리의 충전 SOC를 일정 수준으로 유지토록 함으로서, 부가적인 효과로 운용시험 이후 배터리의 셀전압 밸런싱을 자동적으로 수행하는 상태를 제공함과 동시에 외부충전기를 통한 충전시간을 줄여주는 효과를 얻을 수 있었다.
첫째로 배터리의 셀은 전기적 성능을 구현하는 활 물질, 단락 방지 역할과 리튬 이온 이동 경로인 분리막, 전해질 및 외장재로 구성되며, 리튬을 저장하고 있는 활물질과 단락을 방지하는 분리막 설계가 핵심으로, 분리막 뚫림으로 인하여 저장된 에너지가 급격하게 빠져나가는 과정을 거치기 때문에 분리막의 내열 특성 및 기계적 특성을 강화시켜 주는 설계를 적용하여 배터리의 오남용 환경에서도 셀의 단락 방지를 유지하는 것이 셀의 안전설계 목표이다.

후속연구

첫째, 임무의 유형에 따라 가변되는 부하의 특성에 따라 소요되는 전력을 최적으로 생성하는 것이 필요하다. 둘째, 임무장비를 탑재한 견마로봇은 주행시에만 전력의 소요가 필요할 뿐만 아니라 다양한 임무장비에도 전력이 소요되기 때문에 엔진/발전기에서 생성된 전력으로 로봇 운용 및 배터리 충전/방전을 위한 통합 전력제어 기술이 필요하다. 셋째, 다중 셀이 직렬로 연결된 고전압 배터리의 안전성을 확보하기 위해서는 배터리 과충전, 과방전 및 셀간 전압 불균형 방지 설계가 필요하다^[4,5].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력제어장치는 어떤 것에 적합한 것으로 개발되고 있으며 어떤 체계에 적용하고 있는가?	따라서, 무성기동을 통한 스텔스 기능을 만족하고, 제한된 중량 조건에서 운용시간을 충족시킬 수 있는 전력제어 및 운용 방안에 대해 미국 등의 선진국에서는 80년대 초반부터 연구가 진행되어왔다. 현재는 무인 기동차량의 운용 요구조건에 적합한 전력제어장치를 개발 중에 있으며, 미국의 FCS (Future Combat System) 차량에 적용하고 있다. 국내에서도 군사적 목적의 차량에 대한 연구를 시작하였으며 국방과학연구소에서 처음으로 무인차량인 견마로봇에 적합한 전력제어 및 운용 개념을 도입하였다[3,4].
	견마로봇의 장시간 무성경계 운용을 만족하기 위한 방법은 무엇인가?	견마로봇은 감시경계를 주목적으로 개발되고 있는 민군겸용 다목적 로봇으로서 감시경계의 특성상 장시간의 무성경계 운용이 필수적으로 요구된다. 이러한 요구조건을 만족하기 위한 방법으로는 연료전지를 사용하거나, 운용시간을 충족할 수 있는 용량의 2차 전지(배터리)를 탑재하면 가능하다. 그렇지만 연료전지에대한 연구는 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있으나 아직 개발이 완료되어 적용할 수 있는 단계까지는 이르지 못하고 있으며[1,2], 2차 전지의 경우에도 아직은 로봇의 중량 요구조건을 충족시킬 수 정도로 에너지 밀도가 높지 않다.
	무인차량을 운용하기 위한 전력 공급은 어떤 방법이 있는가?	1과 같다. 무인차량을 운용하기 위한 전력 공급은 세 가지 방법으로 수행이 가능한데, 엔진 축에 연결된 발전기로부터 교류전원을 공급받아 이를 전력변환 처리(AC/DC)하여 고전압 전력을 공급하는 방법, 배터리의 전원을 전력변환 처리(DC/DC)하여 고전압 전력을 공급하는 방법 및 두가지 방법을 병행하여 공급 하는 방법이 가능하다. 무인차량의 전원은 고전압과저전압으로 두 가지를 사용하는데, 고전압은 무인차량의 주행을 위한 휠 모터 또는 필요시 현수장치 가변암 구동용 전원으로 사용하고, 저전압은 탑재된 구성품의 전원 공급 및 임무장비 구동용 전원으로 사용한다.

참고문헌 (8)

K Ehlers, H.-D Hartmann and E Meissner, "42 V-an Indication for Changing Requirements on the Vehicle Electrical System", Journal of Power Sources, pp. 43-57, 2001.
T. Halvorson, R. Victor, P. J. Farris, "Onsite Hydrogen Generator for Vehicle Refueling Application", Proceedings of the 1997 World Car Conference, Riverside, CA, pp. 19-22, January 1997.
김상민, 박용호, 설승기, 유현재, 강태하, "직렬형 하이브리드 차량의 연비 최적화를 위한 전력흐름 제어기법", 한국군사과학기술학회 종합학술대회, pp. 1929-1935, 2009.
강태하, 김준, 김상민, 한승훈, "배터리의 과충전/과방전 방지 설계에 대한 연구", 제17회 지상무기학술대회, 2009.
박진호, 이기상, "하이브리드 자동차용 리튬이온폴리머 배터리 시스템의 안전성 확보", Auto Journal, pp. 44-48, Feb., 2009.
남종하, "이차전지용 배터리 관리시스템", 전력전자학회 학술대회지, pp. 94-96, 2008.
Yao C. Hsieh, Chin S. Moo, I S. Tsai, "Balance Charging Circuit for Charge Equalization", IEEE PCC-Osaka, pp. 1138-1143, 2002.
Stephen W. Moore, Peter J. Schneider, "A Review of Cell Equalization Methods for Litium Ion and Litium Polymer Battery Systems", Society of Automatic Engineers, 2001.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증