전투함 전기추진 체계 설계 요구조건 분석

김소연(So-Yeon Kim) 한국추진공학회 2020 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2020 No.11

전 세계 해군에서는 최신예 구축함을 비롯하여 항공모함까지 전기추진 체계를 적용하고 있다. 최근 한국해군에서도 호위함급 전투함에 복합식 전기추진 체계를 적용하였고, 그 외 다수의 지원함에 전기추진 기술을 적용한 사례는 있으나 설계 및 운용 실적 면에서 경험이 부족하여 아직은 어려움을 겪고 있다. 본 논문에서는 먼저 전투함 전기추진 체계의 구성 방식, 시스템 운용상 특징을 살펴보았다. 또한, 전기추진 시스템 설계 시 발전계통과 배전계통, 추진계통에 대한 요구조건들에 대해 분석하였다. 수상함 전기추진 체계에 대한 관련 규칙은 아직 정립되지 않았으나, 기존의 설계 기준과 규칙을 바탕으로 전기추진 함정에서 반드시 고려되어야 하는 설계 요구조건들에 대해 제안하였다. Navies around the world are applying the electric propulsion system to aircraft carriers as well as state-of-the-art destroyers. Recently, the Korean Navy also applied a hybrid electric propulsion system to frigate class combat ships and applied a number of other support ships. Even though, it is still suffering from lack of experience in design and operating of the system. In this paper, the configuration of electric propulsion system and its operation features are described. In addition, the requirements for the power generation, distribution and propulsion were analyzed when designing the electric propulsion system for combat ships. The relevant rules for electric propulsion systems for naval vessels have not yet been established, but have been proposed for design requirements that must be considered in electric propulsion vessels based on existing design criteria and rules.

전기추진 항공기용 전력전자 시스템 및 모터 동향분석

구본수(Bon-soo Koo),한동기(Dong-ki Han),최인호(In-ho Choi) 한국항공우주연구원 2019 항공우주산업기술동향 Vol.17 No.2

최근 항공분야에서 전기추진 항공기는 차세대 항공기로써, 효율향상 및 항공기의 소음 수준을 낮추기 위해 분산추진 기술이 적용된 전기추진 항공기를 개발 중에 있다. 이에 따라, 전기추진 시스템의 기술동향을 분석을 통해 앞으로 개발해야 할 방향을 선정 할 필요가 있으며 주요 장치인 인버터 및 모터를 전기추진 항공기에 적용이 필요하다. 이는 다른 어플리케이션과 달리 인버터의 높은 효율과 안정성, 모터의 소형화 및 높은 출력밀도 등을 요구한다. 그러므로 본 논문에서는 전기 추진 시스템의 개념과 종류를 소개하고 전기추진 시스템에 활용된 인버터, 모터를 조사 및 분석하여 미래에 개발될 전기추진 항공기에 적용 가능한 기술을 파악하였다. The Electric propulsion aircraft are next-generation aircraft and electric propulsion aircraft with distributed propulsion technology is being developed to improve high efficiency and reduce noise levels. So, it is necessary to select the direction to be developed through analysis of the technological trends in the electric propulsion system. In addition, the application of the main equipment(inverter and motor) to the electric propulsion aircraft requires high efficiency and stability of inverter, miniaturization and high power density of motor unlike other applications. Therefore, this paper introduces main equipment of electric propulsion system, and analyze inverter/motor of electric propulsion system. Thus, the applicable technologies to future electric propulsion aircraft have been identified.

유인 전기추진 경량 비행기 개조 개발

김현기,이정훈,백승욱,신복균,주환,이윤상,유수호,문석민,김성찬 항공우주시스템공학회 2023 항공우주시스템공학회지 Vol.17 No.3

The electric propulsion airplane can cope with global warming by reducing the use of fossil fuel and reducing airplane cost in the long run through the efficient use of energy. For this reason, advanced aviation countries, such as the USA and members of the European Union, are taking the lead in developing innovative technologies to realize an electric airplane in the future. Currently, research and development are underway domestically to convert an existing two-seat internal combustion engine airplane into an electric propulsion airplane. In this study, the KLA-100X, which was developed by modifying the existing two-seater lightweight sports airplane KLA-100 with electric propulsion components, is introduced. The main specifications, design characteristics, and performance of KLA-100X are explained. In addition, the performance of the main components of the propulsion system, such as the domestically developed propulsion motor, inverter, and battery for applying to the KLA-100X and the additionally modified control system, are explained. Finally, the applicability of the developed major components to the electric propulsion airplane was confirmed by conducting ground and flight tests on the KLA-100X. In addition, the possibility of expansion to system development was reviewed based on the development of a dedicated platform for electric propulsion aircraft in the future. 전기추진 비행기는 화석연료의 사용을 줄여 지구온난화에 대처할 수 있고, 에너지의 효율적 사용을 통해서 장기적으로 비행기의 운용비용을 줄일 수 있다. 이런 이유로, 미국과 유럽연합 등 선진 항공국가에서는 미래 전기비행기를 현실화하기 위한 혁신적 기술개발을 선도적으로 진행하고 있으며, 국내에서도 기존의 내연기관 비행기를 전기추진 비행기로 개조하는 연구개발을 진행하고 있다. 본 연구에서는 기존의 2인승 경량스포츠 비행기인 KLA-100을 전기추진 구성품을 장착하여 개조 개발한 KLA-100X에 대해 소개하였다. 본문에서는 KLA-100X에 대한 주요제원과 설계특성 그리고 성능에 대해 설명하였다. 그리고, 전기추진비행기인 KLA-100X에 적용하기 위해 국내에서 개발된 추진모터, 인버터, 배터리와 같은 추진계통의 주요 구성품들의 성능과 추가적으로 개조되는 조종계통에 대해 설명하였다. 최종적으로 KLA-100X에 대한 지상 및 비행시험을 수행하여 개발된 주요 구성품들의 전기추진 비행기로의 적용 가능성을 확인하였다. 또한, 향후 전기추진 비행기용 전용 플랫폼 개발을 기반으로 하는 체계개발로의 확장 가능성을 검토하였다.

전기 동력 추진식 수상오토바이 인증기준 개발 연구

강대곤,김신효 해양환경안전학회 2017 해양환경안전학회지 Vol.23 No.1

본 연구는 융복합기술을 사용하여 국내 자동차 산업의 배터리 및 전기시스템과 수상레저기구 중 접근이 용이한 수상오토바이를 결합하여 전기 동력 추진식 수상오토바이 개발과 전기 동력 추진식 수상오토바이 실용화를 위한 등록 및 제작을 위해 전기 동력 추진식 수상오토바이의 안전검사 기준(안)과 형식승인 기준(안)을 개발하였다. 전기 동력 추진식 수상 오토바이 인증기준은 기존 내연기관 동력 수상오토바이의 인증기준과 선박 전기 시스템과 관련된 인증기준을 기본으로 구조 및 시스템 설치 안과 전기시스템 안의 두 분류로 구분을 하였고, 최종적으로 안전검사 기준(안)과 형식승인 기준(안)으로 개발하였다. 안전검사 기준(안)의 내용은 총 7개의 범주로 구분되어 수상오토바이의 안전한 운행을 위한 설비의 확인을 목적으로 작성되었고, 형식승인 기준(안)은 총 7개의 범주로 구분되어 수상오토바이의 안전한 제작을 위한 목적으로 작성되었다. 본 연구를 통해 국내 친환경 수상오토바이 제작의 환경 조성과 전기동력 추진 선박의 인증기준에 대한 정책 수립 기초 자료로 활용이 가능하다. This study developed an electric power propulsion personal watercraft by combining a battery and an electric system from the domestic automobile industry with water motorcycle from marine leisure industry in a convergence of technology. It also developed a safety inspection plan and type approval standard for personal watercraft that use electric power propulsion. For the registration and production of the electric power PWC (Personal Watercraft), a safety inspection standard (draft) and type approval standard (draft) have been established. PWC that use this electric power propulsion certification standard have been divided into two categories according to the use of gasoline engines as related to the ship's electrical system. The contents of these safety inspections standards is divided into 7 categories, and their purpose is to confirm the facilities used for the safe operation of PWC. Type approval is divided into 7 categories and is intended to ensure the safe production of PWC. This is basic data can be used to establish criteria for safety inspection and type approval of electric power propulsion vessels and to guide the production of the environmentally friendly PWC in Korea.

FMEA of Electric Power Management System for Digital Twin Technology Development of Electric Propulsion Vessels

윤경국,김종수 해양환경안전학회 2021 해양환경안전학회지 Vol.27 No.7

국제해사기구에서는 선박에서 배출되는 질소산화물 및 이산화탄소 등에 관한 환경규제를 꾸준하게 강화하고 있다. 이에 친환 경 요소를 바탕으로 하는 전기추진시스템의 수요가 증가하고 다양한 선박에 적용되며 연구개발이 꾸준하게 진행되고 있다. 전기추진시스 템은 신뢰성을 높이고 선내 배치를 용이하게 하기 위한 이중화 구성이 주로 채택되며 실제 장비나 공간을 가상 세계에 쌍둥이처럼 구현 하고 현실 세계의 정보와 데이터를 가상 세계와 통합하여 실제 환경에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션 함으로써 결과를 미리 예측할 수 있는 디지털트윈 기술의 접목을 통하여 전기추진시스템의 안전성 확보를 위한 연구 또한 매우 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 전기추진선박의 디지털트윈 기술개발을 위한 전력관리시스템 이중화에 대한 검증을 FMEA를 바탕으로 분석 후 선급에서 제시하는 이중화 FMEA 기준을 바탕으로 실제 선박 운항 조건에서 전력관리시스템의 단일 장비 고장의 일차 피해와 이차 피해 및 전체 시스템의 영향을 분석하여 추가 피해를 방지하기 위한 보상기능으로 전력관리시스템의 역할과 알고리즘을 제안하였으며 실제 테스트를 통해 추진력 보존이 개선되었음을 검증하였다. The International Maritime Organization has steadily strengthened environmental regulations on nitrogen oxides and carbon dioxide emitted from marine vessels. Consequently, the demand for electric propulsion vessels based on eco-friendly elements has increased. To this end, research and development has been steadily conducted for various vessels. In electric propulsion systems, a redundancy configuration is typically adopted to increase reliability and facilitate the onboard arrangement. Furthermore, studies have been actively conducted to ensure the safety of electric propulsion systems through the combination with digital twin technology. A digital twin can be used to predict outcomes in advance by implementing real-world equipment or space in a virtual world like twins, integrating real-world information and data with the virtual world, and performing computer simulations of situations that can occur in a real environment. In this study, we perform failure modes and effects analysis (FMEA) to validate the electric power management system (PMS) redundancy scheme for the digital twin technology development of electric propulsion vessels. Then, we propose the role and algorithm of PMS as a compensation function for preventing primary and secondary damages caused by a single equipment failure of the PMS and preventing additional damages by analyzing the impact on the entire system under real vessel operating conditions based on the redundancy FMEA suggested for the ship classification and certification. We verified the improvement in propulsion conservation through tests.

어선용 복합 추진시스템 적용을 위한 연구

노정호 해양환경안전학회 2022 해양환경안전학회지 Vol.28 No.7

The International Maritime Organization is at the forefront of strengthening gas emission regulations for ships globally. The Korean government needs to apply measures to reduce emissions, such as setting a basic roadmap for greenhouse gas reduction. In addition, there is an urgent need to introduce a new efficient propulsion system that can reduce gas emissions. This includes applications to fishing vessels, which account for 90.6% of the greenhouse gas emissions from ships sailing along domestic coasts. In this study, an electric-combined propulsion system applicable to domestic coastal fishing vessels was developed. The target ship to which the electric-combined propulsion system could be applied was selected. A simulation system was constructed using MATLAB/Simulink to compare the expected fuel consumption when applying the developed complex electric propulsion system to the propulsion system mounted on the selected target fishing vessel. Through simulations, the differences in fuel consumption between the mechanical propulsion system and the electric hybrid propulsion system (both when charging and not charging the battery on land) were confirmed. The results show that fuel consumption can be decreased by approximately 13% and 16% when applying the electric-combined propulsion system. 국제해사기구(IMO)를 필두로하여 국제적으로 선박에 대한 배출가스 규정을 강화하고 있으며, 대한민국 정부도 온실가스 감축을 위한 기본 로드맵을 설정하는 등 배출가스 저감을 위한 대책 마련이 절실한 상황이다. 또한, 국내 연안을 항해하는 선박에서 배출되는 온실가스 배출량 중 90.6%를 차지하고 있는 어선에 적용가능한 효율적이고 배출가스량이 감소가능한 새로운 추진시스템의 도입이 절실하다. 본 연구에서는 국내 연안어선에 적용가능한 전기복합 추진시스템을 제안하고, 전기복합 추진시스템이 적용가능한 대상선박을 선정하였다. 선정된 기존 대상어선에 탑재된 추진시스템과 비교하여 개발된 전기복합 추진시스템을 적용할 경우 발생할 수 있는 예상 연료소모량을 비교하기 위한 시뮬레이션 시스템을 Matlab/Simulink를 이용하여 구성하였다. 시뮬레이션을 통해 기계식 추진시스템, 전기복합 추진시스템(배터리 육상충전을 하지 않은 경우, 육상충전을 한 경우)간의 연료소모량 결과를 확인하였으며 전기복합 추진시스템을 적용하는 경우 약 13%, 16%의 연료소모량이 감소될 수 있는 것을 보여주는 결과를 확인하였다.

CFRP 선체소재와 전기추진체계가 소형선박의 경량화에 미치는 효과

오대균,정승호,정숙현 해양환경안전학회 2018 해양환경안전학회지 Vol.24 No.6

CFRP는 경량화 소재로 각광받고 있으며, 해양산업에서도 고급요트와 특수목적 선박 등에 사용되고 있다. 전기추진체계 또한 친환경 추진 방법으로써, 요트와 소형 여객선 등의 주 추진계로 활용되고 있다. 본 연구에서는 소형선박의 선체소재와 추진계를 각각 CFRP와 전동기로 교체하였을 때의 경량화 효과를 정량적으로 비교분석하였다. 45ft GFRP 선박을 대상으로 사례연구를 수행하였으며, 선체소재를 설계원안과 동일 함침율 기준의 CFRP로 재설계하였고, 추진계는 설계원안의 동일 마력, 항해거리를 유지할 수 있도록 전동기와 배터리 시스템을 설계하였다. 연구결과 CFRP 소재는 선각을 45 % 정도 경량화 할 수 있었고, 전기추진체계는 기관부를 58% 경량화 할 수 있음을 확인하였다. 다만 전기추진체계의 경우, 디젤 추진체계의 항해거리를 확보하기 위하여 상당한 양의 배터리 팩을 필요로 하기 때문에, 현실적인 수준에서의 경량화 실효성은 없는 것으로 확인되었다. CFRP is often used as lightweight hull material for luxury yachts or special-service ships. An electric propulsion system is also eco-friendly, and has been trialled to equip a small vessel as its main propulsion. In this study, replacing the hull materials and propulsion system with CFRP and electric motors, we made an estimate of the effect of weight reduction and compared it to the original design, for this purpose a case study was conducted on a 45-ft yacht. When redesigning structures with CFRP, we applied the reinforcement content of the carbon fiber in the same way as the original (GC = 0.4), and when changing to the electric propulsion system, we designed motors and battery packs to achieve the same performance as the original. The result showed that CFRP and the electric propulsion system could make the structural and machinery weights 45 % and 58 % lighter, respectively. However, in terms of efficiency, it was confirmed that the electric propulsion system is practically inefficient because it requires a huge amount of battery packs for the same navigation range with diesel engines.

CO2 배출량 저감을 위한 하이브리드 전기추진체계 선박의 운용 최적화 알고리즘 연구

추진훈,김지윤,오진석 한국정보통신학회 2024 한국정보통신학회논문지 Vol.28 No.6

최근 CO2 배출량 저감에 대한 논의가 지속됨에 따라, 연료전지와 배터리를 활용한 전기추진선박의 관심이 높아지고 있다. 본 연구는 디젤 발전기, 배터리 그리고 연료전지를 함께 이용하는 하이브리드 전기추진체계 선박의 CO2 발생을 최소화하면서 운영 목표를 달성할 수 있는 최적화 알고리즘을 선박운항 특성에 적합하게 설계하고, CO2 배출량 저감을 위해 배터리와 연료전지를 기반으로 하여 발전기를 간헐적으로 활용할 수 있도록 하는 기법에 대해 연구한다. 이를 위해 현재 설계 중인 하이브리드 전기추진체계 선박의 전력체계 특성과 제어 특성을 반영한 CO2 배출량을 저감할 수 있는 하이브리드 전력 체계의 제어 알고리즘을 제시하고자 한다. 연구 대상 선박은 하이브리드 전기추진체계가 적용된 무인 수상선을 대상으로 연구를 진행하며, 이를 기반으로 하이브리드 전기추진체계 선박에 적용할 수 있는 최적화 운용 알고리즘을 제안하고 이에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 디젤 연료 426.65kg 그리고 수소 58.82kg을 사용할 때, 하이브리드 전기추진체계 선박의 CO2 배출량을 최소화하며 운영목표를 달성할 수 있다는 것을 확인하였다. As discussions on reducing CO2 emissions continue, interest in ships with electric propulsion systems using fuel cells and batteries is increasing. This research aims to optimize the operation of ships equipped with hybrid electric propulsion systems that combine diesel generators, batteries, and fuel cells, and to develop efficient control strategies for CO2 emission reduction. This is a proposal for a CO2 emission reduction control method that reflects the power system characteristics and control characteristics of a hybrid electric propulsion system ship currently under design. The research subject is an unmanned surface vessel (USV) with a hybrid electric propulsion system. The research focused on unmanned surface vehicles (USVs) equipped with hybrid electric propulsion systems. Based on the analysis, an operation optimization algorithm for hybrid electric propulsion system ships was proposed and simulated.The simulation results confirmed that CO2 emissions from hybrid electric propulsion ships can be minimized by using 426.65 kg of fuel and 58.82 kg of hydrogen.

달탐사위성 추진시스템

한조영(Cho Young HAN),이호형(Ho Hyung LEE) 한국추진공학회 2008 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.5

달탐사위성(궤도선) 1호는 2017년 착수 2020년 발사하고, 달탐사위성(착륙선) 2호는 2021년 착수 2025년 발사를 추진하게 되어 있다. 따라서 성공적인 임무 달성을 위해서는, 달탐사위성 추진시스템에 대한 기초 연구가 매우 중요한 시점이다. 본 연구에서는 달탐사위성에 적용 가능한 추진시스템에 대한 개념적인 타당성 및 비교 연구를 제시한다. 단일/이원/전기 추진시스템의 활용가능성을 외국의 사례와 비교/분석하고, 기술적인 장단점을 검토하여 달탐사위성 추진시스템으로 가능한 후보군을 제시한다. Development of Moon Explorer-1 (orbiter) is supposed to be commenced in 2017 and launched in 2020. In case of Moon Explorer-2 (lander), it would be slated to start in 2021 and launch in 2025. For this reason it is taken for granted to investigate a fundamental propulsion system for a Moon Explorer. In this paper conceptual feasibility and comparison studies are proposed for the propulsion system applicable to a Moon Explorer. Availability of monopropellant/bipropellant/electric propulsion system is compared and analysed as well with precedents overseas. As a result possible candidates for a Moon Explorer propulsion system are suggested.

전기로 추진되는 일반 프로펠러 항공기의 초기 사이징

한혜선(Hye-sun Han),신교식(Kyo-sic Shin),박홍주(Hong-ju Park),황호연(Ho-yon Hwang),남태우(Taewoo Nam) 한국항공우주학회 2013 韓國航空宇宙學會誌 Vol.41 No.5

전기 추진 프로펠러 항공기는 기존의 제트엔진으로부터 나오는 유해한 배기가스로 인한 환경적 우려와 국가 에너지 안보 차원에서 새로운 관심을 받고 있다. 그러나 전통적인 항공기 사이징 방법들은 여러 종류의 에너지원과 동력 시스템을 사용하는 전기 추진 항공기에 바로 적용될 수 없다. 본 연구에서는 일반화된 동력기반 사이징 기법에 기초한 전기추진 항공기 사이징의 실제 예를 제시하였다. 여기서 일반 항공기는 프로펠러, 고온초전도 모터, 수소가 연료로 사용되는 연료전지, 동력 조절 장치로 구성되는 전기 추진시스템에 의해 구동된다. 기술 향상의 영향을 평가하기 위해 전기 구성품들의 두 가지 다른 기술구성을 가정하여 항공기 사이징을 수행하였고, 전형적인 형태의 기준 항공기와 사이징 결과를 비교하였다. Propeller aircraft propelled by an electric propulsion system is gaining a renewed interest because of ever-increasing environmental concern on harmful emissions emitted from conventional jet engines and national energy security. Traditional aircraft sizing methods are not readily applicable to electric propulsion aircraft that utilize a variety of alternative energy sources and power generation systems. This study showcases an electric propulsion aircraft sizing exercise based on a generalized, power based sizing method. A general aviation aircraft is propelled by an electric propulsion system that comprises of a propeller, a high temperature super conducting motor, a Proton Exchange Membrance(PEM) fuel cell system fuelled with hydrogen, and power conditioning equipment. In order to assess the impact of technology progression, aircraft sizing was conducted for two different sets of technology assumptions for electric components, and the results were compared with conventional baseline aircraft.