KR101392141B1 - 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템 - Google Patents

하이브리드 지게차 동력 제어 시스템 Download PDF

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KR101392141B1 KR1020130054673A KR20130054673A KR101392141B1 KR 101392141 B1 KR101392141 B1 KR 101392141B1 KR 1020130054673 A KR1020130054673 A KR 1020130054673A KR 20130054673 A KR20130054673 A KR 20130054673A KR 101392141 B1 KR101392141 B1 KR 101392141B1
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forklift
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김성철
정명길
최세경
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템에 관한 것으로, 일 축으로 연결된 엔진, 발전 전동기 및 유압 펌프;와 상기 유압 펌프, 유압 실린더 및 메인 제어 밸브로 구성된 유압부; 주행 전동기와 트랜스액슬(Transaxle)로 구성된 주행부; 및 발전 전동기 제어 장치 및 주행 전동기 제어 장치와 전기적으로 연결된 배터리;를 포함하고, 상기 유압 펌프는 조향 장치와 제동 장치에 유압 동력을 제공하는 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템은 상기 하이브리드 지게차의 동작에 대한 조작 신호(Operating Signal)를 수신하는 조작 신호 수신부; 상기 유압 펌프와 상기 메인 제어 밸브 간의 제1 압력 및 상기 메인 제어 밸브와 상기 유압 실린더 간의 제2 압력을 수신하는 압력 수신부; 상기 엔진, 발전 전동기 및 배터리 각각의 상태에 대한 모니터링 신호를 수신하는 모니터링 신호 수신부; 상기 수신된 신호들을 기초로 상기 하이브리드 지게차의 동작 모드를 판단하고, 부하물의 무게를 추정하며, 상기 유압 펌프의 요구 회전 속도와 요구 기계 동력을 계산하고, 상기 주행 전동기에 대한 요구 기계 동력을 계산하며, 상기 계산된 요구 기계 동력들을 기초로 상기 트랜스액슬과 상기 주행 전동기의 효율을 판단하여 상기 트랜스액슬의 요구 기어 단수, 상기 주행 전동기의 요구 전기 동력, 상기 기계 요구 동력들과 상기 전기 요구 동력을 기초로 총(Total) 요구 동력을 계산하는 요구 동력 계산부를 포함한다. 따라서, 지게차의 연비 효율을 높일 수 있다.

Description

하이브리드 지게차 동력 제어 시스템{POWER CONTROL APPARATUS OF HYBRID FORKLIFT}
본 발명은 하이브리드 지게차의 동력 제어 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 사용자의 조작 신호와 부하물의 무게를 기초로 하이브리드 지게차의 요구 동력을 계산하고 동력 시스템의 효율을 고려하여 지게차의 구성 장치에 동력을 분배하는 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템에 관한 것이다.
하이브리드 지게차는 연료를 이용하는 엔진의 기계 에너지와 배터리에 충전된 전기 에너지를 이용하는 지게차에 해당한다.
미국등록특허 제8370015호(2013.02.05)는 엔진, 엔진에 연결된 발전 전동기, 발전 전동기에 의해 충전 가능한 배터리, 엔진과 발전 전동기에 의해 구동되는 유압 펌프, 요구 제동량 감지 장치, 작업 장치 요구 구동량 감지 장치, 요구 제동량 감지 장치의 신호를 기초로 요구 감속율을 계산하는 감속율 계산 장치, 요구 감속율에 따라 주행 동력을 계산하는 주행 동력 계산 장치, 주행 동력과 배터리 충전 동력을 기반으로 정해진 요구 발전 동력에 따라 감속율을 계산하는 제1 발전 동력 계산 장치, 배터리의 충전 동력과 주행 동력에 사용되는 발전 동력에 기반하여 실제 동력을 계산하는 제2 발전 동력 계산 장치, 발전 전동기가 감속율로부터 계산된 총 발전 동력과 동일한 동력을 발전할 수 있도록 제어하는 발전 동력 제어 장치, 및 엔진의 속도를 제어하는 엔진 회전 속도 제어 장치를 포함하는 하이브리드 지게차에 관한 것이다. 여기에서, 엔진의 회전 속도 제어 장치는 발전 동력과 작업장치 구동 속도와 엔진의 고효율 동작을 고려하여 엔진의 속도를 제어한다. 발전 동력 계산 장치는 감속율에 상응하는 요구 동력을 계산하기 위해 차량 동력학식을 사용한다. 또한, 선행기술은 작업 부하의 무게를 감지하는 무게 측정 장치를 더 포함하고, 하이브리드 지게차의 운용 메커니즘 대해 설명하고 있다.
미국공개특허 제2011-0056755호(2011.03.10)는 엔진; 배터리; 배터리로부터 전력이 공급되는 경우 동작하는 제1 전동기; 제1 전동기의 동력과 엔진 동력을 주행 휠에 전달하는 제1 기어; 배터리로부터 동력이 공급되는 경우 동작하는 제2 전동기; 하역 유압 시스템(Cargo Handling Hydraulic System)에 유압을 공급하는 제1 유압 펌프; 엔진, 제2 전동기 및 유압 펌프 사이에 삽입되고 이들간의 동력을 전달하는 기어열; 스티어링 유압 시스템에 유압을 공급하는 제2 유압 펌프; 배터리로부터 동력이 공급되는 경우 제2 유압 펌프를 구동하는 제3 전기 모터를 포함하는 하이브리드 지게차 구조에 관한 것이다.
미국등록특허 제8370015호(2013.02.05) 미국공개특허 제2011-0056755호(2011.03.10)
본 발명은 지게차의 요구 동력을 계산하고 엔진, 발전 전동기와 배터리 간의 동력 분배를 제어하여 연비 효율을 높일 수 있는 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 일 축으로 연결된 엔진, 발전 전동기 및 유압 펌프;와 상기 유압 펌프, 유압 실린더 및 메인 제어 밸브로 구성된 유압부; 주행 전동기와 트랜스액슬(Transaxle)로 구성된 주행부; 및 상기 발전 전동기를 제어하는 발전 전동기 제어 장치 및 상기 주행 전동기를 제어하는 주행 전동기 제어 장치와 전기적으로 연결된 배터리;를 포함하고, 상기 유압 펌프는 조향 장치와 제동 장치에 유압 동력을 제공하며 메인 제어 밸브를 통해 유압 실린더에 유압을 제공하는 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템은 상기 하이브리드 지게차의 동작에 대한 조작 신호(Operating Signal)를 수신하는 조작 신호 수신부; 상기 유압 펌프와 상기 메인 제어 밸브 간의 제1 압력 및 상기 메인 제어 밸브와 상기 유압 실린더 간의 제2 압력을 수신하는 압력 수신부; 상기 엔진을 제어하는 엔진 제어 장치, 상기 발전 전동기 제어 장치, 상기 주행 전동기 제어 장치 및 상기 배터리를 제어하는 배터리 제어 장치로부터 각각의 상태에 대한 모니터링 신호를 수신하는 모니터링 신호 수신부; 및 상기 수신된 조작 신호, 상기 수신된 제1 및 제2 압력 및 상기 수신된 모니터링 신호를 기초로 상기 하이브리드 지게차의 동작 모드를 판단하고, 부하물의 무게를 추정하며, 상기 유압 펌프의 요구 회전 속도와 요구 기계 동력을 계산하고, 상기 주행 전동기에 대한 요구 기계 동력을 계산하며, 상기 계산된 요구 기계 동력들을 기초로 상기 트랜스액슬과 상기 주행 전동기의 효율을 판단하여 상기 트랜스액슬의 요구 기어 단수, 상기 주행 전동기의 요구 전기 동력, 상기 기계 요구 동력들과 상기 전기 요구 동력을 기초로 총(Total) 요구 동력을 계산하는 요구 동력 계산부를 포함한다.
일 실시예에서, 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템은 상기 계산된 총 요구 동력과 상기 배터리의 충전 상태(SOC, State of Charge), 상기 엔진과 발전 전동기 셋(Set)의 동작점별 효율, 상기 배터리의 충전 상태별 충방전 효율 및 상기 배터리의 온도별 충방전 효율을 고려하여 상기 엔진, 상기 발전 전동기 및 상기 배터리 간의 동력을 분배하고, 상기 하이브리드 지게차의 감속시 상기 조작 수신부를 통한 요구 감속량, 상기 하이브리드 지게차의 속도, 상기 트랜스액슬의 기어 단수 및 회생제동 수행 조건을 고려하여 상기 주행 전동기와 제동 장치간의 제동력 분배를 제어하는 동력 분배 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 동력 분배 제어부는 상기 엔진 제어기에 대하여 상기 엔진에 유입되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브(Throttle Valve) 제어 신호를, 상기 발전 전동기 제어기 및 상기 주행 전동기 제어기에 대하여 회전 속도 신호 또는 토크(Torque) 신호를, 상기 배터리 제어기에 배터리 충전 및 방전 요구 동력을 송신할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 조작 신호는 상기 지게차의 가속 정도를 나타내는 가속 페달 신호(APS, Accel Pedal Signal), 상기 지게차의 감속 정도를 나타내는 감속 페달 신호(BPS, Brake Pedal Signal) 및 상기 지게차의 포크 위치 또는 포크의 인상 및 하강 속도(Lifting and Lowering Speed)를 나타내는 레버 위치 신호(LPS, Lever Position Signal)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압력 측정부는 상기 유압 펌프와 상기 메인 제어 밸브간에 위치하는 제1 압력 측정 센서 및 상기 메인 메인 제어 밸브에서 적어도 하나의 리프트 실린더 각각에 설치되는 제2 압력 측정 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 지게차의 동력 제어 시스템은 하이브리드 지게차의 요구 동력을 계산하고 엔진, 발전 전동기 및 배터리간의 동력 분배를 제어하여 동력 손실의 최소화 및 연비 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템을 설명하는 블록도이다.
도 2는 도 1의 하이브리드 지게차 동력 분배 제어 장치를 설명하는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템에서 수행되는 하이브리드 지게차의 동력 제어 과정을 설명하는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템을 설명하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 지게차 제어 시스템(100)은 엔진 제어 장치(110), 발전 전동기 제어 장치(120), 주행 전동기 제어 장치(130), 배터리 제어 장치(140), 유압 측정 장치(150), 조작 제어 장치(160) 및 동력 분배 제어 장치(170)를 포함한다. 여기에서, 동력 분배 제어 장치(170)는 엔진 제어 장치(110), 발전기 제어 장치(120), 주행 모터 제어 장치(130) 및 배터리 제어 장치(140) 각각과 캔 버스(Can Bus)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
엔진 제어 장치(110)는 엔진의 엔진의 회전 속도, 토크, 냉각수 온도, 오일 온도, 배기가스 온도 및 흡기량 등 엔진 상태에 대한 모니터링 신호를 동력 분배 제어 장치(170)에 제공한다.
또한, 엔진 제어 장치(110)은 동력 분배 제어 장치(170)로부터 공기의 유입량을 결정하는 스로틀 밸브 개구량 지령 신호(이하, '스로틀 밸브 제어 신호' 라 함)를 수신하여 엔진 실린더의 연료 분사량을 조절한다.
예를 들어, 엔진 제어 장치(110)는 ECU(Engine Control Unit)로 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 엔진 제어 장치(110)는 동력 분배 제어 장치(170)로부터 스로틀 위치 센서(TPS, Throttle Position Sensor)에 대한 정보를 수신하여 스로틀 밸브의 개구량을 조절할 수 있다.
보다 구체적으로, 엔진 제어 장치(110)는 스로틀 위치 센서(TPS)에 대한 정보를 스로틀 밸브 제어 신호로 수신하여 엔진으로 하여금 정해진 속도에서 특정 토크를 발생시키도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 엔진 제어 장치(110)는 캔 버스를 통해 동력 분배 제어 장치(170)로부터 스로틀 밸브 제어 신호를 수신하여 엔진이 특정 속도 또는 특성 토크로 동작할 수 있도록 제어할 수 있다.
발전 전동기 제어 장치(120)는 발전 전동기로 하여금 엔진으로부터 생성된 기계 동력을 전기 동력으로 변환하거나 또는 배터리로부터 공급되는 전기 동력을 기계 동력으로 변환하도록 제어할 수 있다.
여기에서, 변환된 전기 동력은 배터리에 충전될 수 있고, 변환된 기계 동력은 엔진을 어시스트 하거나 또는 하이브리드 동력 분배 시스템의 효율을 고려하여 독자적으로 유압 펌프를 구동시킬 수 있다.
예를 들어, 발전 전동기 제어 장치(120)는 MCU(Motor Control Unit)로 구현될 수 있다.
발전 전동기 제어 장치(120)는 발전 전동기의 상태(예를 들어, 회전 속도 등)에 대한 모니터링 신호를 동력 분배 제어 장치(170)에 제공하고, 동력 분배 제어 장치(170)로부터 발전 전동기의 회전 속도 또는 토크에 대한 지령을 수신한다.
일 실시예에서, 발전 전동기 제어 장치(120)는 발전 전동기가 특정 속도 또는 토크로 구동(또는 발전) 되도록 제어할 수 있다.
또한, 발전 전동기 제어 장치(120)는 발전 전동기 및 발전 전동기 제어 장치(120) 자체에서 발생한 장애를 감지하여 장애 신호를 동력 분배 제어 장치(170)에 제공할 수 있다.
주행 전동기 제어 장치(130)는 하이브리드 지게차가 가속, 감속, 정속, 및 정지에 해당하는 동작 모드로 동작하도록 주행 전동기를 제어한다. 또한, 주행 전동기 제어장치(130)는 회생제동(Regenerative Brake)을 통해 하이브리드 지게차의 기계 동력(예를 들어, 제동력)을 전기 동력으로 변환하도록 주행 전동기를 제어한다. 여기에서, 변환된 전기 동력은 배터리에 충전될 수 있다.
예를 들어, 주행 전동기 제어 장치(130)는 DMCU(Driving Motor Control Unit)으로 구현 될 수 있다.
주행 전동기 제어 장치(130)는 주행 전동기의 회전 속도, 토크 등 주행 전동기의 상태에 대한 모니터링 신호를 동력 분배 제어 장치(170)에 제공하고, 동력 분배 제어 장치(170)로부터 회전 속도 또는 토크에 대한 지령을 수신한다.
일 실시예에서, 주행 전동기 제어 장치(130)는 주행 전동기가 특정 회전 속도와 토크로 동작할 수 있도록 제어할 수 있다.
또한, 주행 전동기 제어 장치(130)는 주행 전동기 및 주행 전동기 제어 장치(130) 자체에서 발생한 장애를 감지하여 장애 신호를 동력 분배 제어 장치(170)에 제공할 수 있다.
배터리 제어 장치(140)는 배터리의 충전 상태(SOC, State Of Charge)를 판단하고, 배터리 각 셀들의 전압을 동일하게 밸런싱하며, 배터리에 포함된 릴레이와 방열 장치 등에 대한 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 배터리 제어 장치(140)는 BMS(Battery Management System)로 구현될 수 있다.
배터리 제어 장치(140)는 배터리의 충전 상태, 전압, 전류 및 온도 등과 같은 배터리 상태에 대한 모니터링 정보와 배터리에서 발생한 장애 정보를 동력 분배 제어 장치(170)에 제공할 수 있다.
유압 측정 장치(150)는 하이브리드 지게차의 유압 펌프에서 출력되는 압력을 측정한다.
보다 구체적으로, 유압 측정 장치(150)는 유압 펌프와 메인 제어 밸브(Main Control Valve) 간의 제1 압력 및 메인 제어 밸브와 유압 실린더 간의 제2 압력을 측정한다.
여기에서, 유압 펌프는 메인 제어 밸브와 제동 장치 및 조향장치에 작동유를 공급하고, 유압 실린더는 메인 제어 밸브의 출력포트에 의해 결정된 유압, 유량, 플로우 방향에 따라 포크의 수직운동과 틸트운동 등을 수행한다.
일 실시예에서, 유압 측정 장치(150)는 유압 펌프와 메인 제어 밸브간에 위치하는 제1 압력 측정 센서 및 메인 메인 제어 밸브에서 적어도 하나의 리프트 실린더 각각에 설치되는 제2 압력 측정 센서를 포함할 수 있다.
유압 측정 장치(150)는 측정된 유압을 동력 분배 제어 장치(170)에 제공할 수 있다.
조작 제어 장치(160)는 사용자로부터 하이브리드 지게차의 동작에 대한 조작 신호를 수신한다. 조작 제어 장치(160)는 동력 분배 제어 장치(170)와 전기적으로 연결되어, 사용자로부터 수신한 조작 신호 각각을 동력 분배 제어 장치(170)에 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 조작 신호는 하이브리드 지게차의 가속 정도를 나타내는 가속 페달 신호(APS, Accel Pedal Signal), 하이브리드 지게차의 감속 정도를 나타내는 감속 페달 신호(BPS, Brake Pedal Signal) 및 포크의 인상 및 하강을 결정하거나 인상 및 하강 속도(Lifting and Lowering Speed)를 나타내는 레버 위치 신호(LPS, Lever Position Signal)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 조작 제어 장치(160)는 하이브리드 지게차의 조작을 용이하게 할 수 있는 콘솔에 해당할 수 있다. 예를 들어, 조작 제어 장치는 사용자가 리프트 레버, 틸트 레버, 포크 레벨링 스위치 또는 전진후진 레버 등 대신에 손가락 제어식(Finger Control) 레버로 구현될 수 있다.
동력 분배 제어 장치(170)는 사용자로부터 조작 신호, 유압 측정 장치(150)로부터 유압 정보를 수신하여 하이브리드 지게차의 요구 동력을 계산하고, 계산된 요구 동력, 배터리의 충전 상태(SOC) 및 동력 시스템의 효율을 기초로 하이브리드 지게차의 구성 장치에 대한 동력 분배를 제어한다.
여기에서, 동력 시스템은 동력을 생성하는 엔진과 발전 전동기 및 배터리를 포함한다.
도 2는 도 1의 하이브리드 지게차의 동력 분배 제어 장치를 설명하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 동력 분배 제어 장치(170)는 조작 신호 수신부(210), 압력 수신부(220), 요구 동력 계산부(230), 동력 분배 제어부(240) 및 모니터링 신호 수신부(250)를 포함한다.
조작 신호 수신부(210)는 조작 제어 장치(160)로부터 하이브리드 지게차의 동작에 대한 조작 신호 각각을 수신한다. 여기에서, 조작 신호 각각은 앞서 설명한 바와 같이 가속 페달 신호(APS), 감속 페달 신호(BPS) 및 레버 위치 신호(LPS)에 해당할 수 있다.
압력 수신부(220)는 유압 측정 장치(150)에 의해 측정된 유압 펌프의 압력을 수신한다. 일 실시예에서, 압력 수신부(220)은 유압 펌프와 메인 제어 밸브간의 제1 압력 및 메인 메인 제어 밸브에서 적어도 하나의 리프트 실린더 각각의 제2 압력을 수신할 수 있다.
요구 동력 계산부(230)는 수신된 조작 신호와 제1 및 제2 압력들을 기초로 유압 펌프 및 주행 전동기에 대한 요구 동력을 계산한다.
보다 구체적으로, 요구 동력 계산부(230)는 APS와 BPS를 기초로 주행부 내 주행 전동기에 대한 요구 기계 동력을 계산할 수 있고, 주행부 내 트랜스액슬의 요구 기어 단수와 주행 전동기의 요구 전기 동력을 계산할 수 있다. 또한, 요구 동력 계산부(230)는 유압부 내 제1 및 제2 압력들을 기초로 부하물의 무게를 추정할 수 있고, LPS를 기초로 유압 펌프의 요구 속도를 계산하여 유압 펌프에 대한 요구 기계 동력을 계산할 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제2 압력들이 20bar인 경우, 요구 동력 계산부(230)는 부하물의 중량은 없는 것으로 판단할 수 있고, 제1 및 제2 압력들이 30bar인 경우 요구 동력 계산부(230)는 부하물의 중량이 1ton에 해당하는 것으로 추정할 수 있다.
동력 분배 제어부(240)는 계산된 주행부의 요구 전기 동력과 유압부의 요구 기계 동력을 기초로 총 요구 동력을 계산할 수 있다. 예를 들어, 동력 분배 제어부(240)는 총 요구 동력을 요구 전기 동력과 요구 기계 동력의 합으로 계산할 수 있다.
동력 분배 제어부(240)는 엔진 및 발전 전동기 각각의 효율, 배터리의 충전 상태(SOC) 및 충방전 효율을 기초로 엔진-발전 전동기 셋(엔진과 발전 전동기를 총칭하는 표현에 해당한다.)과 배터리간의 동력 분배를 제어한다. 여기에서, 배터리에 충전 또는 방전 가능한 동력은 배터리의 충전 상태에 따라 제한될 수 있고, 배터리의 충방전 효율도 배터리의 충전 상태에 따라 달라질 수 있다.
동력 분배 제어부(240)는 조작 신호, 측정된 압력들 및 모니터링 신호 수신부(250)을 통해 수신된 하이브리드 지게차의 상태, 즉, 각 구성 장치의 상태에 따라 각 구성 장치의 동작 모드를 결정하여 동력을 분배할 수 있다. 이를 통해, 하이브리드 지게차는 최대의 효율로 운용될 수 있다.
이하 동작 모드 및 동력을 분배하는 동력 분배 전략에 대해 구체적인 예를 들어 설명한다.
동작 모드와 관련하여, 주행부는 가속, 정속, 감속, 정지, 크루즈(Cruise, 자동 주행 속도 유지) 등에 해당하는 동작 모드를 포함하고, 유압부는 하역 유압 시스템의 동작, 조향, 감속, 디폴트 등에 해당하는 동작 모드를 포함한다. 하이브리드 지게차는 주행부와 유압부 각각의 동작모드의 조합을 통해 다양한 동작 모드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 지게차는 주행부 가속과 유압부 디폴트라는 동작 모드를 가질 수 있다.
동력 분배 전략과 관련하여, 이하 주행부 가속 및 유압부의 하역 유압 시스템의 동작 모드인 경우를 설명한다.
해당 동작 모드의 경우, 하이브리드 지게차는 주행 전동기에 대한 전기 동력의 공급과 유압부에 대한 기계 동력 공급이 요구된다.
첫번째 동력 분배 전략으로, 배터리가 주행 전동기로 전기 동력을 제공하고, 엔진-발전 전동기 셋이 유압부에 기계 동력을 제공할 수 있다. 이 때, 동력 분배 제어부(240)는 유압 펌프의 요구 회전 속도, 부하 중량을 고려한 요구 토크를 유압부에 공급하기 위해 엔진-발전 전동기 셋 최적의 효율 동작점(속도, 토크)을 도출하고 동력 손실을 분석할 수 있다.
여기에서, 동력 분배 제어부(240)는 발전 전동기로 하여금 엔진을 어시스트하고, 배터리로 하여금 발전 전동기에 필요한 전기동력을 제공하도록 제어할 수 있다. 이를 통해 엔진-발전 전동기 셋의 효율을 높일 수 있다. 이 때, 동력 분배 제어부(240)는 배터리로부터 주행 전동기에 제공하는 전기 동력에 따른 손실을 분석할 수 있다.
두번째 동력 분배 전략으로, 엔진-발전기 셋이 유압부에 기계 동력을 제공함과 동시에 주행 전동기에 전기 동력의 일부를 제공하고, 배터리가 부족한 전기 동력을 제공할 수 있다.
세번째 동력 분배 전략으로, 엔진-발전기 셋이 유압부에 기계 동력을 제공하고 주행 전동기의 전기 동력을 제공하며 배터리를 충전 할 수 있다.
동력 분배 전략은 앞서 설명한 예에 한정하지 않으며, 동력 분배 제어부(240)는 동력 분배가 가능한 모든 경우에 있어서 각각의 동력 손실을 분석하고, 동력 제어 시스템의 효율이 최대가 될 수 있도록 동력을 분배하는 것을 기본 전략으로 한다.
동력 분배 전략은 배터리의 충전 상태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 배터리의 충전 상태가 최소 제한 값을 하회하는 경우, 동력 분배 제어부(240)는 엔진-발전 전동기 셋으로 하여금 배터리를 충전하도록 동력 분배 전략을 수정할 수 있다.
일 실시예에서, 동력 분배 제어부(240)는 동력 분배 전략을 결정하여 엔진 장치(110)로 엔진에 유입되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브(Throttle Valve) 제어 신호를, 발전기 제어 장치(120)로 회전 속도 신호 또는 토크(Torque) 신호를 각각 송신할 수 있다.
또한, 동력 분배 제어부(240)는 APS 및 BPS에 상응하여 주행 전동기가 동작하도록 주행 전동기의 회전 속도 또는 토크에 관한 신호를 제공할 수 있고, 이를 통해 하이브리드 지게차의 주행 속도를 제어할 수 있다.
동력 분배 제어부(240)는 하이브리드 지게차의 감속 또는 제동시 주행 전동기를 통해 회생제동(Regenerative Braking)을 수행할 수 있다. 여기에서, 회생제동이란 하이브리드 지게차의 감속 또는 제동 시 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 배터리를 충전하는 기능에 해당한다. 사용자의 요구 감속율이 특정 수치 이상인 경우 제동 장치가 동작하므로, 동력 분배 제어부(240)는 사용자의 요구 감속율과 지게차의 속도를 고려하여 기계적인 제동(예를 들어, 브레이크 장치에 의한 제동)과 주행 전동기에 의한 제동이 분담되도록 제어할 수 있다.
모니터링 신호 수신부(250)는 엔진의 상태, 발전 전동기의 상태, 주행 전동기의 상태, 배터리의 상태에 대한 모니터링 신호를 수신한다. 여기에서, 엔진의 상태는 엔진의 동작 유무, 엔진의 온도, 속도, 토크, 장애 발생 여부 등에 해당할 수 있고, 발전 전동기의 상태는 발전 전동기의 동작 유무, 속도, 토크 장애 발생 여부 등에 해당할 수 있으며, 주행 전동기의 상태는 동작 유무, 속도, 장애 발생 여부 등에 해당할 수 있고, 배터리의 상태는 배터리의 충전 상태(SOC), 온도 등에 해당할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템에서 수행되는 하이브리드 지게차의 동력 제어 과정을 설명하는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 조작 신호 수신부(210)는 조작 제어 장치(160)를 통해 하이브리드 지게차의 동작에 대한 조작 신호를 수신하고, 압력 수신부(220)는 유압 펌프와 메인 제어 밸브 간의 제1 압력 및 메인 제어 밸브와 유압 실린더 간의 제2 압력을 수신하며, 모니터링 신호 수신부(250)는 엔진, 발전 전동기, 주행 전동기 및 배터리의 상태에 대한 모니터링 신호를 각각 실시간으로 수신한다(S310).
요구 동력 계산부(230)는 수신한 신호들을 기초로 주행부와 유압부의 동작 모드를 결정한다(S320).
여기에서, 주행부와 유압부 각각의 동작 모드는 앞서 설명한 바와 같다.
요구 동력 계산부(230)는 수신한 신호들과 결정된 동작 모드를 기초로 주행부의 요구 기계 동력을 계산한다(S330).
보다 구체적으로, 요구 동력 계산부(230)는 주행부 내 주행 전동기와 트랜스액슬의 효율을 고려하여 트랜스액슬의 기어 단수와 주행 전동기의 요구 전기 동력을 각각 계산할 수 있다.
요구 동력 계산부(230)는 수신한 신호들과 결정된 동작 모드를 기초로 부하물의 무게를 추정하고 유압펌프의 요구 속도와 요구 기계 동력을 계산한다(S340).
보다 구체적으로, 요구 동력 계산부(230)는 수신된 유압 신호를 기초로 부하물의 무게를 추정하고, LPS에 따라 유압 펌프의 요구 속도를 계산할 수 있으며, 추정된 부하물의 무게와 계산된 유압 펌프의 요구 속도를 기초로 유압 펌프의 요구 기계 동력을 계산할 수 있다.
요구 동력 계산부(230)는 앞서 설명한 요구 전기 동력 및 요구 기계 동력에 대한 계산을 순차적 또는 병렬적(예를 들어, 동시에) 수행할 수 있다.
요구 동력 계산부(230)는 주행 전동기의 요구 전기 동력과 유압 펌프의 요구 기계 동력을 합하여 하이브리드 지게차의 총 요구 동력을 계산할 수 있다.
동력 분배 제어부(240)는 계산된 총 요구 동력, 배터리의 충전 상태(SOC) 및 동력 시스템의 효율을 기초로 하이브리드 지게차의 구성 장치 각각에 대한 동력 분배를 제어한다(S350).
보다 구체적으로, 동력 분배 제어부(240)는 계산된 총 요구 동력, 배터리 충전 상태(SOC) 및 배터리의 온도를 고려하여 배터리의 충방전 가능한 전기 동력을 계산하고, 유압 펌프의 요구 속도 이상의 범위에서 가능한 엔진-발전 전동기 셋의 기계 동력 및 전기 동력의 범위를 계산한다.
동력 분배 제어부(240)는 발전 전동기로 하여금 엔진을 어시스트 하도록 배터리로부터 발전 전동기로의 전기 동력의 공급를 제어할 수 있고, 다만, 공급되는 전기 동력의 크기는 방전 가능 전기 동력과 회생 제동을 통해 생성되는 전기 동력의 합을 초과하지 못하도록 제어할 수 있다.
동력 분배 제어부(240)는 배터리의 충방전 가능한 전기 동력의 범위와 엔진-발전 전동기 셋의 공급 가능한 기계 동력 및 전기 동력의 범위에서 동력의 분배에 따른 배터리와 엔진-발전기 셋의 동력 손실을 분석한다.
여기에서, 배터리의 충방전 가능한 전기 동력의 범위는 배터리의 충전 상태(SOC), 충방전 효율 및 배터리의 온도 들에 따라 변동될 수 있다. 엔진-발전 전동기 셋의 효율은 엔진의 동작점과 발전 전동기의 동작점 등의 요인에 따라 달라질 수 있다.
동력 분배 제어부(240)는 동력 시스템의 동력 손실을 계산하기 위해 엔진, 발전 전동기 및 배터리 각각의 효율에 대한 정보를 수신할 수 있다.
동력 분배 제어부(240)는 동력 시스템의 손실을 최소화하여 하이브리드 동력 시스템의 연비 성능을 극대화하면서 주행부의 요구 동력과 유압부의 요구 동력을 충족시키는 엔진-발전 전동기 셋의 동작점과 배터리의 충방전 동력을 결정한다. 동력 분배 제어부(240)는 결정된 동력 각각을 엔진 제어 장치(110), 발전 전동기 제어 장치(120) 및 배터리 제어 장치(140)에 전송함으로써 동력 시스템이 원활하게 동작하도록 제어 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템
110 : 엔진 제어 장치 120 : 발전 전동기 제어 장치
130 : 주행 전동기 제어 장치 140 : 배터리 제어 장치
150 : 유압 측정 장치 160 : 조작 제어 장치
170 : 동력 분배 제어 장치
210 : 조작 신호 수신부 220 : 압력 수신부
230 : 요구 동력 계산부 240 : 동력 분배 제어부
250 : 모니터링 신호 수신부

Claims (5)

  1. 일 축으로 연결된 엔진 발전 전동기 및 유압 펌프;와 상기 유압 펌프, 유압 실린더 및 메인 제어 밸브로 구성된 유압부; 주행 전동기와 트랜스액슬(Transaxle)로 구성된 주행부; 및 상기 발전 전동기를 제어하는 발전 전동기 제어 장치 및 상기 주행 전동기를 제어하는 주행 전동기 제어 장치와 전기적으로 연결된 배터리;를 포함하고, 상기 유압 펌프는 조향 장치와 제동 장치에 유압 동력을 제공하며 메인 제어 밸브를 통해 유압 실린더에 유압을 제공하는 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템에 있어서,
    상기 하이브리드 지게차의 동작에 대한 조작 신호(Operating Signal)를 수신하는 조작 신호 수신부;
    상기 유압 펌프와 상기 메인 제어 밸브 간의 제1 압력 및 상기 메인 제어 밸브와 상기 유압 실린더 간의 제2 압력을 수신하는 압력 수신부;
    상기 엔진을 제어하는 엔진 제어 장치, 상기 발전 전동기 제어 장치, 상기 주행 전동기 제어 장치 및 상기 배터리를 제어하는 배터리 제어 장치로부터 각각의 상태에 대한 모니터링 신호를 수신하는 모니터링 신호 수신부; 및
    상기 수신된 조작 신호, 상기 수신된 제1 및 제2 압력 및 상기 수신된 모니터링 신호를 기초로 상기 하이브리드 지게차의 동작 모드를 판단하고, 부하물의 무게를 추정하며, 상기 유압 펌프의 요구 회전 속도와 요구 기계 동력을 계산하고, 상기 주행 전동기에 대한 요구 기계 동력을 계산하며, 상기 계산된 요구 기계 동력들을 기초로 상기 트랜스액슬과 상기 주행 전동기의 효율을 판단하여 상기 트랜스액슬의 요구 기어 단수, 상기 주행 전동기의 요구 전기 동력, 상기 기계 요구 동력들과 상기 전기 요구 동력을 기초로 총(Total) 요구 동력을 계산하는 요구 동력 계산부를 포함하는 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계산된 총 요구 동력과 상기 배터리의 충전 상태(SOC, State of Charge), 상기 엔진과 발전 전동기 셋(Set)의 동작점별 효율, 상기 배터리의 충전 상태별 충방전 효율 및 상기 배터리의 온도별 충방전 효율을 고려하여 상기 엔진, 상기 발전 전동기 및 상기 배터리 간의 동력을 분배하고,
    상기 하이브리드 지게차의 감속시 상기 조작 수신부를 통한 요구 감속량, 상기 하이브리드 지게차의 속도, 상기 트랜스액슬의 기어 단수 및 회생제동 수행 조건을 고려하여 상기 주행 전동기와 제동 장치간의 제동력 분배를 제어하는 동력 분배 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 동력 분배 제어부는
    상기 엔진 제어기에 대하여 상기 엔진에 유입되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브(Throttle Valve) 제어 신호를, 상기 발전 전동기 제어기 및 상기 주행 전동기 제어기에 대하여 회전 속도 신호 또는 토크(Torque) 신호를, 상기 배터리 제어기에 배터리 충방전 요구 동력을 송신하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 조작 신호는
    상기 지게차의 가속 정도를 나타내는 가속 페달 신호(APS, Accel Pedal Signal), 상기 지게차의 감속 정도를 나타내는 감속 페달 신호(BPS, Brake Pedal Signal) 및 상기 지게차의 포크 위치 또는 포크의 인상 및 하강 속도(Lifting and Lowering Speed)를 나타내는 레버 위치 신호(LPS, Lever Position Signal)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압력 측정부는
    상기 유압 펌프와 상기 메인 제어 밸브간에 위치하는 제1 압력 측정 센서 및 상기 메인 메인 제어 밸브에서 적어도 하나의 리프트 실린더 각각에 설치되는 제2 압력 측정 센서를 포함하는 하이브리드 지게차 동력 제어 시스템.
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