평형자세를 고려한 전기추진 선박의 배터리 최적 배치 연구

정용국, 남승훈, 이동건, 오대균, 신종계

jake8967@snu.ac.kr

서울대학교 조선해양공학과

A Study on the Optimal Battery Arrangement based on the Equilibrium Position of Electric Propulsion Ship

한국정밀공학회 2014년도 춘계학술대회 2014.05.16 ~ 2014.05.16, 라마다프라자 제주호텔, 제주

연구 개요

선박의 평형자세는 선박의 안정성과 운항 중 선박에 작용하는 저항에 큰 영향을 준

다. 따라서 일반적인 선박에서는 평형자세를 조절하기 위하여 평형수(Ballast water)

등을 사용한다. 최근 친환경 선박으로 주목을 받고 있는 전기추진 선박의 경우에는 배

터리가 차지하는 무게의 비율이 높기 때문에, 배터리의 무게 및 위치에 따라 선박의 평

형자세가 큰 영향을 받는다. 본 연구에서는 전기추진 선박을 설계하는 과정에서 평형

자세를 고려하여 배터리를 배치하는 방안에 대하여 연구를 진행하였다.

평형자세를 고려한 전기추진 선박의 배터리 최적 배치 연구

전기추진 선박의 배터리 최적 배치 문제 정의

공간 채움 곡선을 이용한 배치 알고리즘 연구

차분진화 알고리즘을 이용한 조합 최적화 방법 연구

전기추진 선박의 배터리 최적 배치 애플리케이션 개발

참고문헌

Bozer, Y. A., Meller, R. D. and Erlebacher, S. J., “An improvement-

type layout algorithm for single and multiple-floor facilities”.

Management Science, Vol. 40, No. 7, pp. 918-932, 1994.

Storn, R. and Price. K, “Differential Evolution – A Simple and

Efficient Heuristic for Global Optimization over Continuous Spaces”,

Journal of Global Optimization, Vol. 11, No. 4, pp. 341-359, 1997.

결론

본 연구에서는 전기추진 선박의 특성을 고려하여 배터리 최적배치 문제를 정

의하고 이를 해결하는 알고리즘을 제안하였다. 이 알고리즘에서는 다양한 배치안

을 탐색하여 최적의 배치 결과를 효율적으로 도출하기 위하여 공간 채움 곡선과

차분진화 알고리즘을 바탕으로 한 조합 최적화 방법을 적용하였다. 또한 선박의

평형자세를 고려하여 최적 배치 결과를 도출할 수 있도록 배치안을 평가하는 목

적함수에서 배치 결과의 무게 중심을 고려할 수 있도록 하였다.

공간 채움 곡선을 이용한 배치 알고리즘

네스팅(Nesting)과 같은 공간배

치 문제는 배치 대상을 표현하는 방

법에 따라 구분할 수 있으며, 격자를

기준으로 배치 대상을 근사하여 표

현하는 격자 표현법은 이산적 특징

을 갖는다.

본 연구의 배치 대상인 배터리는

단위 셀을 기준으로 배터리 패키지

가 구성되기 때문에 격자 표현법을

이용하여 배치 대상을 정의하였다.

배치 대상 표현 방법

공간 채움 곡선은 일정한 패턴을 반복하여 모든 공

간을 빠짐없이 지나도록 정의된 곡선을 의미한다. 곡

선을 일련번호를 할당하고 이를 활용하여 배치 순서

와 요구 면적이 정해져 있는 다양한 배치안의 기하학

적 형상을 생성할 수 있다.

공간 채움 곡선을 이용한 배치 알고리즘

19

18

1

0

16

17

2

3

15

14

5

4

12

13

6

7

11

10

9

8

C

C

B

B

C

A

B

B

A

A

A

B

A

A

A

A

A

A

<공간 채움 곡선을 이용한 배치안 생성 방법>

전기추진 선박의 배터리 최적 배치 문제

전기추진 선박의 특성을 고려한 배터리 최적 배치 문제 정의

전기추진 선박에는 기존의 디젤추진 선박과는 달리 전기 모터,

발전기, 배터리 등이 사용된다. 다양한 구성요소 중에서 배터리는

선박의 평형자세에 가장 큰 영향을 준다. 따라서 본 연구에서는 배

터리의 배치 결과에 따른 선박의 평형자세 변화를 고려할 수 있도

록 배터리 최적 배치 문제를 정의하였다.

차분진화 알고리즘을 이용한 조합 최적화 방법 전기추진 선박의 배터리 최적 배치 애플리케이션 및 결과

공간 채움 곡선과 차분진화 알고리즘을 사용하여 배터리 최적 배치를 수행하는

애플리케이션을 구현하였으며, 최적 배치 결과는 설계자가 입력한 배터리 패키

지의 무게중심 위치와 형상 정보를 만족하는 배치안이 도출된다.

<전기추진 선박 배터리 최적 배치 애플리케이션을 이용하여 도출된 배치 결과>

배터리 배치안 평가를 위한 목적함수 구성 (𝑧 = 𝑤1𝑓1 +𝑤2𝑓2)

무게 중심 간 거리 차 (입력 값과 계산 값)

배터리 패키지 형상 차 (입력 값과 계산 값 )

𝑓1 = (𝑥𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 − 𝑥𝑐𝑎𝑙𝑐.)2 + (𝑦𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 − 𝑦𝑐𝑎𝑙𝑐.)

2

𝑓2 = |𝑎𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡,𝑖 − 𝑎𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑐𝑎𝑙𝑐.,𝑖|

차분진화 알고리즘의 기본 원리 및 조합 최적화 활용 방안

차분진화 알고리즘은 해집합을 점진적으로 발전시켜 최적해를 탐색하는 진화

적 전략(Evolutionary strategy)을 이용한 메타 휴리스틱 최적화 방법 중 하나

이다. 차분진화 알고리즘에서는 실수 벡터로 해를 표현하며, 벡터의 차이를 이용

하여 최적해를 탐색한다. 실수 벡터를 사용하기 때문에 연속 공간에서 정의된 최

적화 문제를 해결할 수 있으며, 조합 최적화 문제를 해결하기 위해서는 실수 벡

터에 조합해를 대응시켜야 한다.

Initialization Mutation

Crossover Selection

<차분진화 알고리즘 수행 순서> <순위를 활용한 실수 벡터의 조합해 대응 방안>

0.34

0.64

0.78

0.51

0.98

4

2

3

5

1

𝑣

𝑣1

𝑣2

𝑣3

𝑣4

𝑣5 D

B

C

E

A

배치 순서 순위