KR20130103305A

KR20130103305A - 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템

Info

Publication number: KR20130103305A
Application number: KR1020127025428A
Authority: KR
Inventors: 김재홍; 이춘한
Original assignee: 볼보 컨스트럭션 이큅먼트 에이비
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2013-09-23
Also published as: WO2012002585A1; EP2546422B1; US20130090771A1; JP5758994B2; CN102869838B; CN102869838A; US9182312B2; EP2546422A1; EP2546422A4; JP2013536331A

Abstract

엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액츄에이터를 구동시키는 유압펌프, 상기 엔진에 의해 구동되어 발전하는 발전기, 상기 발전기에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 전기엑츄에이터에 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템에 있어서, 상기 유압펌프의 구동에 필요한 토크를 검출하는 필요토크 검출수단, 상기 전기 에너지저장장치의 충전율(또는, 충전량)을 검출하는 충전량 검출수단, 토크와 충전율(또는, 충전량)에 따라 발전 정도(또는, 발전량)를 저장한 메모리 및, 상기 필요토크 검출수단에 의해 검출된 토크 값과, 충전량 검출수단으로부터 검출된 충전률 값(또는, 충전량)에 상응하는 메모리 수단 내 발전량에 따라 발전기를 제어하는 하이브리드 제어수단을 더 포함하여 이루어진 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템에 관한 것으로, 유압펌프의 요구 토크와 SOC(State of Charge)에 상응하는 기설정된 발전량 값을 기준으로 엔진에 부착된 전기발전기를 구동하여 연비 효율을 최적화한다.

Description

하이브리드식 굴삭기의 제어시스템{CONTROL SYSTEM FOR A HYBRID EXCAVATOR}

본 발명은 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압펌프의 요구 토크와 SOC(State of Charge)에 상응하는 기설정된 발전량 값을 기준으로 엔진에 부착된 전기발전기를 구동하여 연비 효율을 최적화하는 토크-SOC 제어방식의 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템에 관한 것이다.

종래 굴삭기 등의 건설 기계는 일반적으로 연료엔진에 의해 유압 펌프를 구동하고 그 유압에 의해 액츄에이터를 구동하는 유압구동방식이 일반적이다. 이러한 종래의 굴삭기는 최대출력을 필요로 하는 작업뿐만 아니라, 이보다 작은 출력, 예컨대 80％ 또는 50％의 출력으로 충분히 할 수 있는 작업도 많아, 이러한 저출력으로 작업을 수행하는 경우에는 엔진 효율이나 연비효율이 떨어지게 된다.

한편, 도 1은 종래의 굴삭기 시스템의 필요토크 출력 관계도로, 도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 종래의 유압 굴삭기는 사용자의 레버(5) 조작에 의한 파일럿밸브(6)의 출력에 따라 메인제어밸브(MCV)(7)의 개구면적이 조절된다. 유압펌프(13)의 토출유량은 MCV(7)의 개구면적에 따라 각 유압시스템에 전달되는 유량이 조절된다.

이와 같은 종래의 유압식 굴삭기는 위와 같은 큰 부하 변동에 대응하도록 엔진 출력을 대폭 변동시키면서 작업을 행할 필요가 있고, 또한 엔진의 출력을 효과적으로 활용하여 연비의 향상을 도모할 필요가 있다. 이에 하이브리드 차량에서 적용한 전기 발전기를 이용한 하이브리드 기술을 굴삭기에 적용하려고 하고 있다. 즉, 엔진에 발전기를 연결하여 경부하 작업시에 엔진 출력의 일부를 이용하여 발전하여 충전해 두고, 선회 작업 또는 다른 전기 장치 사용시 배터리에서 전기에너지를 공급받아 엑츄에이터를 움직이는 하이브리드식 굴삭기가 제안되고 있다.

그러나, 굴삭기는 엔진 출력, 토크/속도 동작영역, 동력전달장치의 특성이 하이브리드 차량과 매우 달라 하이브리드 기술 적용이 쉽지 않다. 종래에 제안되는 하이브리드 굴삭기 제어시스템에서의 유압펌프의 구동토크와 엔진의 출력토크를 단순 비교하여 경부하 작업시 잉여분의 엔진 출력토크를 이용하여 모터-발전기를 발전하여 배터리에 충전하고 중부하 작업시 부족분의 엔진 출력토크 만큼 보조하기 위해 배터리에 충전된 전기에너지를 공급받아 모터-발전기를 모터로 동작시키는 기술만으로는 다양한 부하의 작업영역, 엔진 출력, 토크/속도 동작영역, 동력전달장치 등의 특성이 차이가 있는 굴삭기의 엔진의 출력을 효과적으로 활용하여 연비의 향상을 도모하는데 어려움이 있다.

특히, 굴삭기의 작업은 굴삭, 퍼담기, 수평고르기, 다지기 등의 작업이 다양하게 존재하며, 작업부하가 크게 다른 각종 작업을 수행하고 있으므로, 종래의 하이브리드 굴삭기의 경우 하이브리드 차량에서와 같은 변속기 기술이 적용되지 않아 연비효율을 최적화하기에 어려움이 많다.

게다가, 굴삭기의 경우 배터리의 충전상태와의 관계를 고려하지 않으면, 에너지의 낭비나 작업효율의 저하 등의 문제가 발생한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 연비 효율을 최적화할 수 있는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템을 제공하는데 첫 번째 목적이 있다.

두 번째 목적은, 굴삭기의 반복적인 작업영역에서 최적의 효율과 부드러운 엔진 작동을 위하여, 유압 펌프의 요구 토크와 SOC(State of Charge)에 상응하는 기설정된 발전량 값을 기준으로 엔진에 부착된 전기발전기를 구동하는 토크-SOC 제어방식의 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템을 제공하는데 있다.

세 번째 목적은, 상부선회체의 선회를 위한 선회용 모터-발전기를 장착하여 전기에너지로 선회를 가속하고, 선회 감속시 발전을 하여 충전하도록 함으로써, 연비효율을 더욱 더 최적화할 수 있는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템을 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템은,

엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액츄에이터를 구동시키는 유압펌프, 상기 엔진에 의해 구동되어 발전하는 발전기, 상기 발전기에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 전기엑츄에이터에 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 굴삭기의 발전 제어시스템에 있어서, 상기 유압펌프의 구동에 필요한 토크를 검출하는 필요토크 검출수단, 상기 전기 에너지저장장치의 충전율(또는, 충전량)을 검출하는 충전량 검출수단, 토크와 충전율(또는, 충전량)에 따라 발전 정도(또는, 발전량)를 저장한 메모리 및, 상기 필요토크 검출수단에 의해 검출된 토크 값과, 충전량 검출수단으로부터 검출된 충전률 값(또는, 충전량)에 상응하는 메모리 수단 내 발전량에 따라 발전기를 제어하는 하이브리드 제어수단을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 엔진에 부착되어 구동되는 발전기는 모터 기능을 같이하여 엔진과 함께 펌프를 가동하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 필요토크 검출수단으로 일정수준 이하의 토크 필요시 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 발전하기 적합한 다른 회전수의 적정 토크 영역으로 엔진을 작동하여 전기에너지 저장장치를 충전하는 충전수단을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 필요토크 검출수단으로 일정수준 이하의 토크 필요시 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 연료소모가 적은 낮은 RPM으로 엔진 회전수를 줄이는 엔진회전수 조절부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 필요토크 검출수단으로 일정수준 이하의 토크 필요시 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 일정 수준 이상으로 발전기를 구동하는 발전기 구동부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 굴삭기 조정 레버의 움직임 확인하는 수단을 구비하여 조정 레버(5)가 작동하지 않을 시 굴삭기가 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 엔진 사용 영역을 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 하나의 모습으로, 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템들의 하나는 에너지저장장치로부터 공급된 에너지로 상부선회체의 선회를 가속시키는 모터로서 작동하며, 상부선회체의 선회 감속시 관성 모멘트에 의해 발전하는 발전기로 작동하는 선회용 모터-발전기를 더 포함하여 이루어진다. 아울러, 하이브리드 제어수단은 상부선회체의 선회 감속시 선회용 모터-발전기를 발전기로 작동시켜 발전된 전기에너지를 에너지저장장치에 충전하도록 제어하며 선회용 모터-발전기의 모터 작동을 위한 에너지저장장치로부터의 전기에너지 공급을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 기존 굴삭기의 변속기의 부재 및 필요토크의 급격한 빈도 변화로 인해 기존 하이브리드 차량을 통해 개발된 하이브리드 기술의 적용이 곤란했던 점이 있었으나, 다양한 작업영역별 펌프의 요구토크 및 SOC(State of Charge)에 따라 제어하는 Torque-SOC 제어 기술을 개발하여 굴삭기에 적용함으로써 우수한 연비 개선효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 하나의 모습에 따라, 상부선회체의 선회를 위한 선회용 모터-발전기를 장착하여 전기에너지로 선회를 가속하고 선회 감속시 발전을 하여 충전하도록 함으로써, 더 향상된 엔진효율과 연비 효율을 얻을 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따라 직접적으로 언급되지 않은 다양한 효과들이 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 구성들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 도출될 수 있음은 자명하다.

도 1은 종래 굴삭기 시스템의 필요토크 출력 관계도
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드식 굴삭기 제어시스템의 블럭구성도
도 3은 유압펌프의 필요토크와 SOC(State of Charge)에 따라 발전량을 구하는 예시도
도 4는 테이블(Table)을 이용해 유압펌프의 필요토크와 SOC에 따라 발전량을 구하는 또 다른 예시도
도 5는 엔진 효율이 낮은 높은 회전수의 공회전을 피하기 위하여 발전을 하거나, 낮은 엔진회전수로 변환하여 발전을 하거나, 또는 낮은 회전수의 공회전으로 엔진 사용영역을 바꾸는 실시 예에서의 엔진 사용 영역을 도시한 도면
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기 구성의 개략도

발명의 실시를 위한 최선의 형태

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템을 도시한 블록구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 시스템은 엔진(10)과, 상기 엔진(10)에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액츄에이터를 구동시키는 유압펌프(13), 상기 엔진(10)에 의해 구동되어 발전하는 발전기(17), 상기 발전기(17)에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 전기엑츄에이터(205)에 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치(예: 배터리)(19)를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템에 있어서, 상기 유압펌프(13)의 구동에 필요한 토크를 검출하는 필요토크 검출수단(201), 상기 에너지저장장치(19)의 충전율(또는, 충전량)을 검출하는 충전량 검출수단(202), 토크와 충전율에 따라 서로 다른 발전 정도(또는, 발전량) 정보를 저장한 메모리(203) 및, 상기 필요토크 검출수단(201)에 의해 검출된 토크 값과, 충전량 검출수단(202)으로부터 검출된 충전률 값(또는, 충전량)에 상응하는 메모리(203) 내 발전량에 따라 발전기(17)를 제어하는 하이브리드 제어수단(204)을 더 포함하여 이루어지는 구조이다.

추가로, 상기 엔진(10)에 부착되어 구동되는 발전기(17)는 모터 기능을 같이하여 엔진(10)과 함께 유압 펌프(13)를 가동하는 것을 특징으로 한다.

본 시스템은 상기 필요토크 검출수단(201)으로 일정수준 이하의 토크 필요시 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 발전하기 적합한 다른 회전수의 적정 토크 영역으로 엔진을 작동하여 전기 에너지저장장치(19)를 충전하는 충전수단(미도시)을 더 포함하여 이루어진 구조이다.

추가로, 상기 필요토크 검출수단(201)으로 일정수준 이하의 토크 필요시 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 연료소모가 적은 낮은 RPM으로 엔진 회전수를 줄이는 엔진회전수 조절부(미도시)를 더 포함하여 이루어진 구조이다.

그리고, 상기 필요토크 검출수단(201)으로 일정수준 이하의 토크 필요시 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 일정 수준 이상으로 발전기(17)를 구동하는 발전기 구동부(미도시)를 더 포함하여 이루어진 구조이다.

또한, 굴삭기 조정 레버의 움직임 확인하는 수단(미도시)을 구비하여 조정 레버가 작동하지 않을 시 굴삭기가 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 엔진 사용 영역을 제어하는 구조로 된 것이다.

상기 하이브리드 제어수단(204)은 필요토크 검출수단(201)으로부터 유압 펌프 구동시 필요한 필요 토크 값과, 충전량 검출수단(202)으로부터 에너지저장장치(19)의 충전율(또는, 충전량) 값을 각기 입력받고, 입력받은 토크 값과 충전율(또는, 충전량) 값에 상응하는 메모리(203) 내 발전량에 따라 발전기(17)를 제어하는 구조로 된 것이다.

도 3은 토크와 SOC(State of Charge)에 따른 발전량을 결정하는 한가지 예를 도시한 것으로, 유압펌프의 필요토크에 따른 값과, SOC에 대한 값을 따로 두어 서로 연산하는 방법을 통해 발전량을 결정하는 방식이다. 본 발명의 구성요소에서는 유압펌프의 필요토크와 SOC에 따른 발전량을 저장하는 메모리 수단을 두어, 토크 및 SOC 두 값에 상응하는 발전량을 메모리로부터 읽을 수 있다.

도 4는 발전량을 결정하는 또 다른 예를 도시한 것으로, 도 4와 같이 테이블(Table)을 미리 정하여 사용하는 방법이다. 즉, 발전기의 발전 비율을 구하는 하나의 예로, 유압펌프의 필요토크와 SOC에 따른 발전량을, 두 변수에 대한 테이블(Table)로 미리 구성해 두고 두 개의 입력 변수(즉, 유압펌프의 필요토크와, SOC)에 상응하는 값을 추출하는 방식으로 구하는 방법이다. 예를 들어, 입력되는 유압펌프의 필요토크가 0.6이고, SOC 값이 0.1인 경우 그 두 값에 상응하는 0.669 값을 발전량으로 추출하게 된다.

도 5는 엔진 효율이 낮은 높은 회전수의 공회전을 피하기 위하여 발전을 하거나, 낮은 엔진회전수로 변환하여 발전을 하거나, 또는 낮은 회전수의 공회전으로 엔진 사용영역을 바꾸는 실시 예에서 엔진 사용 영역을 도시한 것이다.

굴삭기의 통상 작업자가 원하는 출력을 얻기 위하여 높은 엔진 회전수로 엔진 작동을 설정하여 사용한다. 작업을 하게 되면 엔진 회전수는 거의 유지되면서 엔진토크가 증가한다. 그러다 작업을 하지 않으면, 엔진이 발생하는 토크는 줄어들지만 여전히 높은 회전수를 유지하게 된다. 높은 회전수에서 외부로 일을 하지 않은 이 공회전 영역(High idling)은 특별하게 엔진의 효율이 낮다. 따라서, 이 영역에서 엔진이 운전되는 것을 피하는 것이 바람직한데, 아래의 표 1과 같은 실시 예를 추가함으로써 높은 회전수의 공회전(High idling)을 피할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기를 개략적으로 도시한 구성도로, 도 6에 도시된 바와 같이, 엔진에 부착된 발전기(17), 전기 에너지저장장치(19), 선회 동작을 위한 선회용 모터-발전기(117), 발전기를 구동하는 드라이버(18) 등으로 구성된다.

기본적으로, 선회용 모터-발전기(117)는 전기 에너지저장장치(19)에 저장된 전기 에너지를 이용하여 선회 가속을 하고, 감속시는 발전되는 에너지를 다시 저장장치(19)에 충전하게 된다. 전기 모터-발전기의 효율 및 마찰 등의 상황으로 감속시 발전되는 에너지보다는 가속할 때 사용하는 에너지가 크기 때문에, 엔진에 부착된 발전기(17)를 이용하여 발전을 하는 것이 바람직하다.

발명의 실시를 위한 형태

상기 전술한 구조를 가진 도 2의 본 발명에 따른 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템의 동작은 다음과 같다.

본 제어 동작은 먼저, 메모리(203) 내에 서로 다른 토크와 충전율 값들에 상응하는 발전 정도(또는, 발전량) 정보를 저장한다. 그런 다음, 필요토크 검출수단(201)이 상기 유압펌프(13)의 구동에 필요한 토크를 검출하고, 충전량 검출수단(202)이 상기 에너지저장장치(19)(예: 배터리)의 충전율(또는, 충전량)을 검출하면, 하이브리드 제어수단(204)은 필요토크 검출수단(201)으로부터 유압펌프(13) 구동시 필요한 필요 토크 값과, 충전량 검출수단(202)으로부터 에너지저장장치(19)의 충전율(또는, 충전량) 값을 각기 입력받는다. 그런 다음, 메모리(203)에 저장된 발전량 정보 중에서, 입력받은 토크 값과 충전율(또는, 충전량) 값에 상응하는 발전량을 독출하고 독출된 발전량 정보에 따라 발전기(17)를 제어하는 방식으로 수행된다.

산업상 이용가능성

본 발명은 기존 굴삭기의 변속기의 부재 및 필요토크의 급격한 빈도 변화로 인해 기존 하이브리드 차량을 통해 개발된 하이브리드 기술의 적용이 곤란했던 점을 해결한 것으로, 다양한 작업영역별 펌프의 요구토크 및 SOC(State of Charge)에 따라 제어하는 Torque-SOC 제어 기술을 개발하여 굴삭기에 적용함으로 우수한 연비 개선효과를 얻을 수 있는 건설기계 특히, 굴삭기 분야에 이용가능성이 있다.

Claims

엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액츄에이터를 구동시키는 유압펌프, 상기 엔진에 의해 구동되어 발전하는 발전기, 상기 발전기에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 전기엑츄에이터에 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템에 있어서,
상기 유압펌프의 구동에 필요한 토크를 검출하는 필요토크 검출수단;
상기 전기 에너지저장장치의 충전율(또는, 충전량)을 검출하는 충전량 검출수단;
토크와 충전율(또는, 충전량)에 따라 발전 정도(또는, 발전량)를 저장한 메모리; 및
상기 필요토크 검출수단에 의해 검출된 토크 값과, 충전량 검출수단으로부터 검출된 충전률 값(또는, 충전량)에 상응하는 메모리 수단 내 발전량에 따라 발전기를 제어하는 하이브리드 제어수단을 포함하여 이루어지는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 엔진에 부착되어 구동되는 발전기는 모터 기능을 같이하여 엔진과 함께 유압 펌프를 가동하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 필요토크 검출수단으로 일정수준 이하의 토크 필요시 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 발전하기 적합한 다른 회전수의 적정 토크 영역으로 엔진을 작동하여 전기에너지 저장장치를 충전하는 충전수단을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 필요토크 검출수단으로 일정수준 이하의 토크 필요시 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 연료소모가 적은 낮은 RPM으로 엔진 회전수를 줄이는 엔진회전수 조절부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 필요토크 검출수단으로 일정수준 이하의 토크 필요시 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 일정 수준 이상으로 발전기를 구동하는 발전기 구동부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템.
제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
굴삭기 조정 레버의 움직임 확인하는 수단을 구비하여 조정 레버(5)가 작동하지 않을 시 굴삭기가 작업하지 않는 대기 상태로 판단하여, 엔진 사용 영역을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 굴삭기의 제어시스템.