KR101390078B1 - 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템은 모터 또는 발전기로 작동되는 전동기와, 상기 전동기에서 생산된 전기를 저장하는 울트라 캐패시터와, 상기 전동기로 구동되어 붐에 작동유를 공급하는 유압펌프모터와, 상기 유압펌프모터의 토출라인과 유입라인을 상기 붐의 헤드 또는 로드 측과 선택적으로 연결하거나 차단하는 폐회로를 구성하는 붐 제어밸브와, 엔진에 의해 구동되어 버켓, 주행모터 또는 암에 작동유를 공급하는 메인펌프와, 상기 토출라인과 상기 유입라인에 각각 연결되어 상기 토출라인과 상기 유입라인 사이를 연결 또는 차단하는 모터 바이패스 밸브와, 상기 전동기, 상기 유압펌프모터, 상기 붐 제어밸브 및 상기 모터 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 포함한다. 이와 같은 본 발명은 붐 하강 시 유압펌프모터 및 시스템이 불안정하게 동작하는 것을 방지하면서, 붐의 작동성능을 확보하여 붐의 회생 가능한 에너지를 회수할 수 있다.

Description

하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법{HYBRID EXCAVATOR BOOM ACTUATOR SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전동기에 의해 유압펌프모터를 구동하여 붐을 작동시키고, 붐의 회생동력을 전동기에 의해 회수하여 연비가 향상되는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 굴삭기는 엔진에 의해 구동되는 2개의 메인펌프 및 2개의 메인펌프에서 가압된 작동유를 붐, 암, 버켓 실린더 및 스윙모터에 분배하고 회수하는 복수의 스풀이 내부에 구성된 메인컨트롤 밸브에 의해 작동된다.
그리고, 굴삭기 붐 구동시스템은, 메인펌프에 의해 작동유가 붐 실린더의 실린더 헤드 측으로 공급되면 붐이 상승되고, 실린더의 로드 측으로 작동유가 공급되면 붐이 하강하도록 구성되어 있다. 붐의 상승 및 하강은 붐 조이스틱의 조작방향에 따라 결정되고, 붐의 상승 및 하강속도는 붐의 조작량에 따라 결정된다.
붐은 초기에 하나의 메인펌프에 의해 작동유가 붐 실린더에 공급되며, 대유량이 필요한 경우에는 메인컨트롤 밸브에 의해 두 개의 메인펌프에서 작동유를 공급받는다.
통상적으로 붐을 구동시키는 유압시스템은 효율이 매우 낮으며, 특히 하나의 메인펌프에 의해 붐 실린더를 구동시키는 저유량 구간은 2개의 메인펌프를 사용하는 대유량 구간보다 에너지 효율이 매우 낮다. 즉, 붐의 상승 시에는 메인펌프의 최대 공급 유량의 약 1/2에 해당하는 미세조작 작동구간까지 메인컨트롤 밸브에서 많은 유동손실이 발생하여, 에너지 효율이 매우 낮다.
또한, 붐 상승 시 공급된 에너지는 붐의 위치에너지 형태로 저장되고, 붐의 회생가능한 에너지량은 대략 공급에너지의 90%로 예측된다. 그러나, 종래의 굴삭기의 유압시스템에 따르면, 붐의 위치에너지인 형태로 저장된 붐의 회생가능한 에너지 대부분은 붐 하강 시 메인컨트롤 밸브에서 미터아웃(Meter-out)제어에 의해 열로 변환되어 손실된다.
통상적인 굴삭작업에서 각 액츄에이터로 유량배분에 의해 붐 실린더에 공급되는 유량의 경우, 메인펌프의 최대유량 대비 일정 비율이상을 초과하는 경우는 많지 않고, 동력 또한 엔진 최대 동력을 모두 사용하는 경우는 거의 발생하지 않는다. 따라서, 순간적으로 상승하는 요구동력/회생동력 및 대유량에 대응하기 위해 대용량의 유압펌프모터를 사용하는 것은 비효율적이다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전동기를 이용하면서도 굴삭기의 주된 사용 용도인 굴삭 작업 시 에너지 손실을 최소화하고, 붐의 작동성능을 확보하며, 붐의 회생 가능한 에너지를 회수하도록 하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 붐이 하강하는 경우, 초기에 붐 구동시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템은 모터 또는 발전기로 작동되는 전동기와, 상기 전동기에서 생산된 전기를 저장하는 울트라 캐패시터와, 상기 전동기로 구동되어 붐에 작동유를 공급하는 유압펌프모터와, 상기 유압펌프모터의 토출라인과 유입라인을 상기 붐의 헤드 또는 로드 측과 선택적으로 연결하거나 차단하는 폐회로를 구성하는 붐 제어밸브와, 엔진에 의해 구동되어 버켓, 주행모터 또는 암에 작동유를 공급하는 메인펌프와, 상기 토출라인과 상기 유입라인에 각각 연결되어 상기 토출라인과 상기 유입라인 사이를 연결 또는 차단하는 모터 바이패스 밸브와, 상기 전동기, 상기 유압펌프모터, 상기 붐 제어밸브 및 상기 모터 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 붐의 하강이 개시된 경우, 상기 제어부는, 상기 유압펌프모터의 작동을 정지시키고, 상기 모터 바이패스 밸브가 상기 토출라인과 상기 유입라인 사이를 연결하도록 절환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 붐의 하강이 개시된 후 상기 붐의 헤드에서 토출되는 유량이 미리 설정된 값 이상일 경우, 상기 제어부는, 상기 유압펌프모터를 작동시키고, 상기 모터 바이패스 밸브가 상기 토출라인과 상기 유입라인 사이를 차단하도록 절환하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법은 붐 조이스틱의 조작량을 검출하는 단계와, 상기 붐 조이스틱의 조작에 따른 붐의 하강 여부를 판단하는 단계와, 상기 붐의 하강이 개시되면, 유압펌프모터의 작동을 정지시키고, 모터 바이패스 밸브가 토출라인과 유입라인 사이를 연결하도록 절환하는 단계와, 상기 붐의 헤드에서 토출되는 유량이 미리 설정된 값 이상인지의 여부를 판단하는 단계와, 상기 유량이 미리 설정된 값 이상일 경우, 상기 유압펌프모터를 작동시키고, 상기 모터 바이패스 밸브가 상기 토출라인과 상기 유입라인 사이를 차단하도록 절환하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법은 전동기를 이용하면서도 굴삭기의 주된 사용 용도인 굴삭 작업 시 에너지 손실을 최소화하고, 붐의 작동성능을 확보하며, 붐의 회생 가능한 에너지를 회수하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 붐 하강이 개시된 초기에, 모터 바이패스 밸브에 의해 토출라인과 유입라인을 연결하여 유입라인의 유량이 토출라인으로 공급되도록 하여, 붐 실린더의 배출 유량이 충분하지 않아도 시스템을 안정적으로 구동시킬 수 있다.
또한, 유압펌프모터가 불안정하게 동작할 수 있는 붐 하강의 초기에 유입라인의 유량이 토출라인으로 공급되도록 제어하여, 토출라인에서 발생할 수 있는 공동 현상(Cavitation)을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 구성도다.
도 2는 도 1의 붐 상승상태를 도시한 구성도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 붐 하강상태를 도시한 구성도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법에 대한 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1의 붐 상승상태를 도시한 구성도이며, 도 3a 내지 도 3c는 도 1의 붐 하강상태를 도시한 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법에 대한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템은 모터 또는 발전기로 작동되는 전동기(110), 전동기(110)에서 생산된 전기를 저장하는 울트라 캐패시터(115), 전동기(110)로 구동되어 붐(100)에 작동유를 공급하는 유압펌프모터(120), 유압펌프모터(120)의 토출라인(121)과 유입라인(122)을 붐(100)의 헤드(106) 또는 로드(107) 측과 선택적으로 연결하거나 차단하는 붐 제어밸브(125) 및 토출라인(121)과 유입라인(122)에 각각 연결되어 토출라인(121)과 유입라인(122) 사이를 연결하거나 차단하는 모터 바이패스 밸브(200)를 포함한다. 본 실시예에서 울트라 캐패시터는 엔진에 연결된 도시되지 않은 모터/발전기의 구동에 의해 대부분의 전력을 공급받을 수 있다.
붐 제어밸브(125)는 작동유가 공급되는 붐 보조라인(145)에 의해 메인펌프(140)에 연결된다. 메인펌프(140)는 두 개로 구성되며, 엔진(141)에 의해 구동되어 버켓, 주행모터 또는 암에 작동유를 제공한다.
유압펌프모터(120)는 작동유가 토출되는 토출라인(121)과 작동유가 유입되는 유입라인(122)이 연결되어 있다. 토출라인(121)과 유입라인(122)은 붐 제어밸브(125)에 의해 붐 실린더(105)의 헤드(106) 또는 로드(107) 측에 연결된다. 즉, 토출라인(121)과 유입라인(122)의 유압회로 접점은 붐 제어밸브(125)에 의해 연결되거나 차단된다.
붐 제어밸브(125)는 토출라인(121)과 유입라인(122)을 순방향으로 연결하여 붐(100)을 상승시키는 순 방향 연결부위(126), 토출라인(121)과 유입라인(122)을 반대로 연결하는 교차 연결부위(127) 및 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 끊는 차단부위(128)로 구성되어 있다. 붐 제어밸브(125)는 전자비례제어밸브 또는 별도의 파일롯 유압라인에 의해 작동되고, 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결 상태가 전환된다.
모터 바이패스 밸브(200)는 토출라인(121)과 유입라인(122) 사이에 연결되어 있으며, 유입라인(122)의 유량이 토출라인(121)으로 공급되도록 토출라인(121)과 유입라인(122)을 연결하거나, 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 차단할 수 있도록 구성된다.
유압펌프모터(120)의 토출라인(121)에는 역 방향 유동을 방지하는 체크밸브(129)가 구비되어 있으며, 유압펌프모터(120) 측에서 체크밸브(129)에 가깝게 붐 보조라인(145)이 연결된다. 유압펌프모터(120)와 붐 제어밸브(125)의 토출라인(121) 사이에는 탱크와 연결하는 제1 제어밸브(151)가 연결된다. 붐 보조라인(145)의 연결부위와 유압펌프모터(120) 사이에는 탱크와 연결하는 제2 제어밸브(152)가 연결된다. 전동기(110), 유압펌프모터(120), 붐 제어밸브(125), 모터 바이패스 밸브(200), 제1 제어밸브(151), 및 제2 제어밸브(152)는 제어부(160)에 의해 작동이 제어된다.
먼저, 붐의 상승 시, 붐 구동시스템의 동작은 하기와 같다.
도 2를 참조하면, 붐 조이스틱(161)으로부터 붐(100) 상승신호가 제어부(160)로 입력되면, 제어부(160)에 의해 전동기(110)는 모터로 동작하여 유압펌프모터(120)를 펌프로 구동한다. 그리고, 붐 제어밸브(125)의 절환에 의해 유압펌프모터(120)의 출구 측이 토출라인(121)을 통해 붐(100) 헤드(106) 측과 연결되고, 붐(100) 로드(107) 측은 유압펌프모터(120)의 유입라인(122)에 의해 유압펌프모터(120)의 흡입 측에 연결된다. 또한, 모터 바이패스 밸브(200)는 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 차단한 상태이다. 이때, 붐(100)은 유압펌프모터(120)로부터 토출된 유량에 의해 상승을 시작하고, 전동기(110)의 회전속도와 사판각 제어장치(170)에 의해 이루어지는 사판각 제어에 의해 붐(100)의 속도 제어가 이루어진다.
여기서, 유압펌프모터(120)와 붐 실린더(105) 사이에서는 폐회로가 구성되는데, 실린더 면적 차에 의해 붐 실린더(105)로부터 유압펌프모터(120)로 공급되는 유량은 유압펌프모터(120)로부터 붐 실린더(105)로 공급되는 유량보다 부족하다. 이때, 부족한 유량은 제1 제어밸브(151)가 연결되어 탱크로부터 공급된다.
그리고, 제어부(160)는 전동기(110)의 토크, 회전속도로부터 전동기(110)의 동력을 계산하고, 사판각 제어장치(170)로부터 출력되는 사판각 및 회전속도를 통해 유압펌프모터(120)의 유량을 모니터링한다.
한편, 붐 조이스틱(161)의 제어신호가 상승하여, 유압펌프모터(120)의 공급유량을 초과하거나, 전동기(110)의 용량을 초과할 경우, 제어부(160)는 붐 보조밸브(144)를 제어하여 메인펌프(140)의 유량을 붐 실린더(105)로 공급한다. 제어부(160)는 붐 실린더(105)가 붐 조이스틱(161) 신호를 추종할 수 있도록 붐 보조밸브(144)의 개폐를 제어한다. 붐 보조밸브(144)는 연결이 끊겨 있는 상태에서 제어부(160)에 의해 우측으로 절환되고, 붐 보조라인(145)은 엔진(141)에 의해 구동되는 메인펌프(140)에 연결된다.
다음으로, 붐의 하강 시, 붐 구동시스템의 동작은 하기와 같다.
붐 조이스틱(161)으로부터 붐(100) 하강신호가 제어부(160)로 입력되면, 제어부(160)에 의해 유압펌프모터(120)는 붐 실린더(105)로부터 복귀하는 유량에 의해 동작하고, 전동기(110)는 유압펌프모터(120)의 구동력에 의해 발전기로 작동하며, 발전된 전력은 울트라 캐패시터(115)가 있는 전기저장장치(116)에 저장된다.
구체적으로, 붐(100) 하강신호가 입력되면, 제어부(160)는 붐(100)의 상승 동작을 정지시킨다. 이 때, 도 3a에 도시된 바와 같이, 붐 제어밸브(125)의 절환에 의해 토출라인(121)과 유입라인(122)은 차단부위(128)에 연결되고, 모터 바이패스 밸브(200)는 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 차단한 상태를 유지한다. 단, 본 실시예에서는 붐(100)의 상승 동작이 정지한 상태에서 모터 바이패스 밸브(200)의 연결이 차단된 것으로 설명하였으나, 실시예에 따라 토출라인(121)과 유입라인(122)을 연결된 상태로 구성할 수 있음은 물론이다.
이어서, 제어부(160)는 붐(100)의 하강 동작을 개시시킨다. 붐(100)의 하강속도는 사판각 제어장치(170)를 통해 사판각을 제어하여 유압펌프모터(120)의 회전속도를 제어함으로써 제어되고, 전동기(110)의 발전량도 함께 제어된다. 이 경우, 붐 하강의 초기에는 유압펌프모터(120)의 흡입측에 공급되는 유량이 적고, 붐 제어밸브(125)의 절환에 의한 압력손실로 유압펌프모터(120)에 가해지는 압력이 낮아 사각판과 회전속도가 매우 낮기 때문에, 유압펌프모터(120)의 제어 및 작동특성이 매우 불안정해져 붐 구동시스템이 불안정해질 우려가 있다.
따라서, 본 발명에서는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 붐 제어밸브(125)의 절환에 의해 붐(100)의 헤드(106) 측은 유입라인(122)에 의해 유압펌프모터(120)의 흡입 측에 연결되고, 붐(100) 로드(107) 측은 토출라인(121)에 의해 유압펌프모터(120)의 토출 측에 연결된다. 또한, 제어부(160)는 유압펌프모터(120)의 작동을 정지시키고, 모터 바이패스 밸브(200)의 연결상태를 절환하여 토출라인(121)과 유입라인(122)이 연결되도록 한다.
이에 따라, 붐 실린더(105)의 헤드(106) 측의 모든 유량은 유입라인(122)을 따라 방출되고 모터 바이패스 밸브(200)를 통해 토출라인(121) 측으로 공급된다. 토출라인(121) 측으로 공급된 유량 중 일부는 붐 실린더(105)의 로드(107) 측으로 공급되고, 잉여 유량은 제2 제어밸브(152)를 거쳐 탱크로 유입된다.
이와 같이, 붐 하강의 초기에, 유입라인(122)에서 방출된 유량이 토출라인(121)으로 공급될 수 있도록 모터 바이패스 밸브(200)의 연결 상태를 구성하고, 토출라인(121)으로 공급된 유량을 이용하여 붐 실린더(105)의 배출 유량을 증가시켜 붐 구동시스템을 안정적으로 구동할 수 있다.
붐 하강이 시작되고 소정의 시간이 경과한 후, 붐 실린더(105)의 속도가 상승하여 붐 헤드(106) 측의 유량이 미리 설정된 유량 이상으로 충분해지면, 제어부(160)는 유압펌프모터(120)가 안정적으로 작동할 수 있다고 판단한다. 이에 따라, 도 3c에 도시된 바와 같이, 모터 바이패스 밸브(200)를 절환하여 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 차단하고, 유압펌프모터(120)를 작동시킨다.
이 경우, 유압펌프모터(120)와 실린더 사이에서는 폐회로가 구성되며, 유압펌프모터(120)로 공급되는 유량이 증가함에 따라, 로드(107)의 유무에 따른 붐 실린더(105) 면적 차에 의해 붐 실린더(105)로부터 유압펌프모터(120)로 공급되는 유량은 유압펌프모터(120)에서 붐 실린더(105)로 공급되는 유량보다 많아진다. 이때, 유압펌프모터(120)로부터 붐 실린더(105)로 공급되는 잉여유량은 토출라인(121)에 연결된 제2 제어밸브(152)가 제어부(160)의 신호에 의해 연결상태로 됨으로써 탱크로 배출된다.
그리고, 유압펌프모터(120)의 허용유량을 초과하거나, 전동기(110)의 발전용량을 초과하는 유량이 붐 실린더(105)로부터 배출되어 유압펌프모터(120)로 공급될 경우, 제어부(160)는 제1 제어밸브(151)를 연결상태로 작동시켜 유압펌프모터(120)와 전동기(110)의 용량을 초과하는 잉여유량을 탱크로 배출시킬 수 있다. 이때, 제1 제어밸브(151)는 붐 실린더(105)로부터 유입라인(122)을 통해 유압펌프모터(120)로 유동하는 작동유의 잉여유량을 탱크로 배출하는 기능을 수행한다.
도 2 및 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 정리하면, 제1 제어밸브(151)는 붐(100) 상승 시에 탱크를 연결하여 부족한 작동유를 붐 실린더(105)에 공급할 수 있으며, 반대로 붐(100) 하강 시에는 붐 실린더(105)로부터 유압펌프모터(120) 측으로 잉여유량이 발생될 때를 제외하고는 차단된다.
그리고, 제2 제어밸브(152)는 붐(100) 상승 시에 차단된 상태로 있다가 붐(100) 하강 시에 연결되어 유압펌프모터(120)에서 붐 실린더(105)로 과급되는 유량을 탱크로 배출하는 기능을 수행한다.
또한, 붐 보조밸브(144)는 붐 조이스틱(161)의 제어신호가 상승하여 유압펌프모터(120)의 공급유량을 초과하거나 전동기(110)의 용량을 초과하는 경우, 메인펌프(140)의 유량이 붐 실린더(105) 측으로 공급되도록 제어부(160)에 의해 연결된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법에 대해 설명한다.
도 4를 참조하면, 먼저, 붐 조이스틱(161)의 조작량을 검출하고(S10), 상기 검출한 조작량에 따라, 붐(100)의 상승 또는 하강을 판단한다(S20).
붐(100)이 상승하는 경우에는 제1 제어밸브(151)를 개방하고(S30), 붐 조이스틱(161)의 조작량에 따른 붐(100)의 구동동력과 전동기(110)의 최대공급 가능한 동력을 비교한다(S40). 붐(100)의 구동동력이 전동기(110)의 최대공급 가능한 동력보다 작으면, 붐 실린더(105)의 소요유량과 유압펌프모터(120)의 최대유량을 비교한다(S50).
비교 결과, 붐 실린더(105)의 소요유량이 유압펌프모터(120)의 최대유량보다 작을 경우에는 붐 보조밸브(144)를 차단하는 동작이 수행된다(S60). 한편, 붐(100)의 구동동력이 전동기(110)의 최대공급 가능한 동력보다 클 경우에는 붐 보조밸브(144)를 개방하여(S70) 메인펌프(140)를 연결함으로써 부족한 작동유를 공급하는 과정이 수행된다.
한편, 붐(100)이 하강하는 경우에는 상기 제2 제어밸브(152)를 개방하고(S80), 먼저, 유압펌프모터(120)의 작동을 정지시키고, 모터 바이패스 밸브(200)를 절환하여 토출라인(121)과 유입라인(122) 사이를 연결시킨다(S90, S100). 이에 따라, 붐 실린더 헤드(106) 측의 모든 유량이 유입라인(122)과 모터 바이패스 밸브(200)를 거쳐 토출라인(121)으로 전달된다. 토출라인(121)으로 공급된 유량 중 일부는 붐 실린더 로드(107) 측으로 공급되고 잉여 유량은 탱크로 배출되게 된다.
이어서, 제어부는 붐 헤드(106)의 토출 유량이 미리 설정된 유량 이상인지를 판단한다(S110). 붐 헤드(106)의 토출 유량이 미리 설정된 유량 미만일 경우 현재의 설정 상태를 계속 유지한다.
한편, 붐 헤드(106)의 토출 유량이 미리 설정된 유량 이상일 경우, 붐 헤드(106) 측의 토출 유량이 충분한다고 판단하여, 유압펌프모터(120)의 작동을 재개시키고(S120), 모터 바이패스 밸브(200)를 절환하여 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 차단시킨다(S130). 이에 따라 붐 실린더 헤드(106)에서 토출된 유량은 유압펌프모터(120)로 공급되어, 유압펌프모터(120)는 공급된 고압의 압유에 의해 유압모터로 작동하며 붐 에너지를 회생시킨다.
구체적으로, 붐(100) 회생동력과 전동기(110)의 최대회생 가능한 동력을 비교한다(S140). 비교 결과, 붐(100) 회생동력이 전동기(110)의 최대회생 가능한 동력보다 작으면 붐 실린더(105) 회생유량과 유압펌프모터(120)의 허용유량을 비교한다(S150). 이때, 붐 실린더(105)의 회생유량이 유압펌프모터(120)의 허용유량보다 작으면 제1 제어밸브(151)를 차단한다(S160). 한편, 붐 실린더(105) 회생유량이 유압펌프모터(120)의 허용유량보다 클 경우, 제1 제어밸브(151)를 연결하여 잉여유량을 탱크로 배출하고, 또한, 붐(100) 회생동력이 전동기(110)의 최대회생 가능한 동력보다 클 경우에도, 제1 제어밸브(151)를 연결하여 잉여유량을 탱크로 배출한다(S170).
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법은 붐(100) 상승 시 전동기(110)와 유압펌프모터(120)를 이용해 붐(100)을 구동함으로써 저유량 미세조작 시 유압시스템에서 발생하는 손실 제거를 통한 연비 향상이 가능하다.
또한, 붐(100) 하강 초기에 모터 바이패스 밸브(200)를 이용하여 붐 실린더 헤드(106)에서 토출되는 유량을 토출라인(121) 쪽으로 공급하여, 시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 한다.
또한, 붐(100) 하강이 개시되고 붐 실린더 헤드(106)의 토출 유량이 충분하여 유압펌프모터(120)가 안정적으로 구동할 수 있다고 판단되었을 때, 모터 바이패스 밸브(200)를 절환하여 붐 실린더 헤드(106)에서 토출되는 유량이 유압펌프모터(120)로 공급될 수 있도록 하기 때문에 유압펌프모터(120)의 제어 및 작동 특성이 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 붐(100) 단독 동작 시 초기 미세조작 구간에서 필요한 유량은 전동기(110) 및 유압펌프모터(120)에서 공급하고, 대략적으로 붐(100) 최대 공급 유량과 동력의 수준 해당 부분을 초과하는 부분은 메인펌프(140)가 있는 기존의 유압시스템을 이용하여 공급할 수 있다.
100: 붐 105: 붐 실린더
106: 헤드 107: 로드
110: 전동기 115: 캐패시터
116: 전기저장장치 120: 유압펌프모터
121: 토출라인 122: 유입라인
125: 붐 제어밸브 126: 순 방향 연결부위
127: 교차 연결부위 128: 차단부위
129: 체크밸브 140: 메인펌프
141: 엔진 144: 붐 보조밸브
145: 붐 보조라인 151: 제1 제어밸브
152: 제2 제어밸브 160: 제어부
170: 사판각 제어장치 200: 모터 바이패스 밸브

Claims (5)

  1. 모터 또는 발전기로 작동되는 전동기(110);
    상기 전동기(110)에서 생산된 전기를 저장하는 울트라 캐패시터(115);
    상기 전동기(110)로 구동되어 붐(100)에 작동유를 공급하는 유압펌프모터(120);
    상기 유압펌프모터(120)의 토출라인(121)과 유입라인(122)을 상기 붐(100)을 동작시키는 붐 실린더(105)의 헤드(106) 또는 로드(107) 측과 선택적으로 연결하거나 차단하는 폐회로를 구성하는 붐 제어밸브(125);
    엔진(141)에 의해 구동되어 버켓, 주행모터 또는 암에 작동유를 공급하는 메인펌프(140);
    상기 토출라인(121)과 상기 유입라인(122)에 각각 연결되어 상기 토출라인(121)과 상기 유입라인(122) 사이를 연결 또는 차단하는 모터 바이패스 밸브(200); 및
    상기 전동기(110), 상기 유압펌프모터(120), 상기 붐 제어밸브(125) 및 상기 모터 바이패스 밸브(200)를 제어하는 제어부(160)
    를 포함하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 붐(100)의 하강이 개시된 경우, 상기 제어부(160)는, 상기 모터 바이패스 밸브(200)가 상기 토출라인(121)과 상기 유입라인(122) 사이를 연결하도록 절환시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기 붐(100) 구동시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 붐(100)의 하강이 개시된 후 상기 붐(100)의 헤드(106)에서 토출되는 유량이 미리 설정된 값 이상일 경우, 상기 제어부(160)는, 상기 유압펌프모터(120)를 작동시키고, 상기 모터 바이패스 밸브(200)가 상기 토출라인(121)과 상기 유입라인(122) 사이를 차단하도록 절환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기 붐(100) 구동시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 붐(100)의 하강 시,
    붐 조이스틱(161)으로부터 상기 붐(100)의 하강신호가 상기 제어부(160)로 입력되면, 상기 제어부(160)에 의해 상기 유압펌프모터(120)는 상기 붐 실린더(105)로부터 복귀하는 유량에 의해 동작하고, 상기 전동기(110)는 상기 유압펌프모터(120)의 구동력에 의해 발전기로 작동하며, 발전된 전력은 울트라 캐패시터(115)가 있는 전기저장장치(116)에 저장되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기 붐(100) 구동시스템.
  5. 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법에 있어서,
    붐 조이스틱(161)의 조작량을 검출하는 단계(S10);
    상기 붐 조이스틱(161)의 조작에 따른 붐(100)의 하강 여부를 판단하는 단계(S20);
    상기 붐(100)의 하강이 개시되면, 유압펌프모터(120)의 작동을 정지시키고, 모터 바이패스 밸브(200)가 토출라인(121)과 유입라인(122) 사이를 연결하도록 절환하는 단계(S90, S100);
    상기 붐(100)의 헤드(106)에서 토출되는 유량이 미리 설정된 값 이상인지의 여부를 판단하는 단계(S110); 및
    상기 유량이 미리 설정된 값 이상일 경우, 상기 유압펌프모터(120)를 작동시키고, 상기 모터 바이패스 밸브(200)가 상기 토출라인(121)과 상기 유입라인(122) 사이를 차단하도록 절환하는 단계(S120, S130)
    를 포함하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법.
KR1020100135014A 2010-12-24 2010-12-24 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법 KR101390078B1 (ko)

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