대한민국 해군 도산안창호급(KSS-III) 잠수함 리튬이온 배터리(Li-Ion) 고전압 직류(HVDC) 전력망 단락 보호 & 영구자석 추진전동기 1,000Hz 0-Alloc C# BMS 에너지 제어 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.Defense.SubmarinePower
{
    /// <summary>
    /// 고전압 배터리 팩 텔레메트리 센서 계측치
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public readonly struct BatteryPackTelemetry
    {
        public readonly float BusVoltageV;        // HVDC 버스 전압 (V, 기준 840V)
        public readonly float BusCurrentA;        // 총 방전 전류 (A, 추진 시 최대 3,500A)
        public readonly float MaxCellTempC;       // 최고 셀 온도 (C)
        public readonly float MinCellVoltageV;    // 최저 셀 전압 (V)
        public readonly float MaxCellVoltageV;    // 최고 셀 전압 (V)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public BatteryPackTelemetry(float v, float i, float temp, float minV, float maxV)
        {
            BusVoltageV = v; BusCurrentA = i; MaxCellTempC = temp;
            MinCellVoltageV = minV; MaxCellVoltageV = maxV;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 잠수함 BMS 전력망 보호 및 추진 제어 지령
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public struct BmsProtectionCommand
    {
        public float EstimatedSoC;              // 추정 잔여 충전량 (0.0~1.0)
        public float AvailableDischargePowerKw; // 가용 최대 방전 전력 (kW)
        public float MotorTorqueLimitNm;        // 추진전동기 토크 제한 (Nm)
        public bool IsSolidStateBreakerOpen;    // 반도체 차단기 긴급 개방(Trip)
        public bool IsThermalWarning;           // 배터리 셀 과열 경보 (45도 초과)
        public bool IsCellBalancingActive;      // 능동 밸런싱 회로 가동 여부
    }

    /// <summary>
    /// KSS-III 잠수함 리튬이온 HVDC & BMS 1,000Hz 0-Alloc C# 제어 엔진
    /// </summary>
    public sealed class Kss3LithiumIonBmsEngine
    {
        private const float NominalCapacityAh = 6500.0f; // 6,500 Ah 대용량 팩
        private const float MaxAllowedCurrentA = 4200.0f;
        private const float ShortCircuitDiDtLimit = 15000.0f; // 15,000 A/s 단락 감지 기준
        private const float CriticalCellTempC = 55.0f;       // 위험 온도 55도

        // 내부 상태 (0-Alloc)
        private float _currentSoC;
        private float _prevCurrentA;
        private float _u1; // RC 분극 전압 1
        private float _u2; // RC 분극 전압 2

        public Kss3LithiumIonBmsEngine()
        {
            _currentSoC = 0.95f; // 초기 95% 만충
            _prevCurrentA = 0f;
            _u1 = 0f;
            _u2 = 0f;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 실시간 틱: 배터리 텔레메트리로부터 단락 보호 및 추진 모터 가용 전력 산출
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void UpdateTick(
            in BatteryPackTelemetry telem,
            float requestedPropulsionTorqueNm, // 조종관 추진 토크 요구치
            float dt,
            ref BmsProtectionCommand command)
        {
            // 1. 단락 전류 급증률 (di/dt) 감지
            float diDt = (telem.BusCurrentA - _prevCurrentA) / dt;
            _prevCurrentA = telem.BusCurrentA;

            // 2. 비상 단락 보호 로직 (SSCB 차단)
            bool emergencyTrip = false;
            if (MathF.Abs(diDt) >= ShortCircuitDiDtLimit || telem.BusCurrentA > MaxAllowedCurrentA)
            {
                emergencyTrip = true;
            }

            // 3. 쿨롱 카운팅 및 SoC 적분 (dt = 0.001s)
            float deltaAh = (telem.BusCurrentA * dt) / 3600.0f;
            _currentSoC = MathF.Clamp(_currentSoC - (deltaAh / NominalCapacityAh), 0.0f, 1.0f);

            // 4. 셀 전압 불균형 검사 (최고-최저 셀 전압 편차 0.08V 초과 시 밸런싱)
            float cellDeltaV = telem.MaxCellVoltageV - telem.MinCellVoltageV;
            bool balanceActive = cellDeltaV > 0.08f;

            // 5. 온도 안전 마진에 따른 모터 출력 제한 (Derating)
            bool thermalWarning = telem.MaxCellTempC >= 45.0f;
            float tempDerateFactor = 1.0f;
            if (telem.MaxCellTempC > 45.0f)
            {
                tempDerateFactor = MathF.Max(0.2f, 1.0f - ((telem.MaxCellTempC - 45.0f) / 10.0f));
            }
            if (telem.MaxCellTempC >= CriticalCellTempC)
            {
                emergencyTrip = true; // 55도 초과 시 열폭주 방지 강제 절단
            }

            // 6. 가용 방전 전력 및 모터 토크 지령 산출
            float maxPowerKw = (telem.BusVoltageV * MaxAllowedCurrentA * 0.001f) * _currentSoC * tempDerateFactor;
            float maxTorqueNm = (maxPowerKw * 1000.0f) / 35.0f; // 추진 회전수 환산

            float allowedTorque = emergencyTrip ? 0f : MathF.Min(requestedPropulsionTorqueNm, maxTorqueNm);

            // 7. 출력 구조체 기록
            command.EstimatedSoC = _currentSoC;
            command.AvailableDischargePowerKw = emergencyTrip ? 0f : maxPowerKw;
            command.MotorTorqueLimitNm = allowedTorque;
            command.IsSolidStateBreakerOpen = emergencyTrip;
            command.IsThermalWarning = thermalWarning;
            command.IsCellBalancingActive = balanceActive;
        }
    }
}