KR101507952B1 - 전기 굴삭기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 굴삭기 시스템에 관한 것으로, 전력공급부와 전력수신부를 구비한 전기굴삭기를 포함한 전기 굴삭기 시스템에 있어서; 상기 전력수신부는 외부전원을 전기 굴삭기로 공급하는 전력공급부의 케이블이 접속/분리될 수 있는 케이블커넥터와 전동발전기 및 컨트롤러를 포함하고, 공급된 전력 및 전동발전기의 회생제동을 통해 얻은 전기를 충전하는 하나 이상의 축전지, 상기 축전지에 연결되고 컨트롤러의 제어하에 과충전을 방지하는 과충전방지부, 상기 축전지에 연결되고 축전지의 전위차를 검출하여 컨트롤러로 출력하는 충전량검출부, 축전지에 연결되고 컨트롤러의 제어하에 축전지의 직류 전원을 교류 전원으로 바꾸어 전동발전기로 공급하는 인버터, 컨트롤러에 연결되어 축전지의 검출전위가 기준전위보다 낮을 때 알람을 송출하는 알람부, 상기 축전지들의 충전 또는 방전 상태를 검출하여 각각의 축전지가 기 설정된 전압 또는 전류 범위 내에서 구동 중의 충방전이 수행되도록 하는 충방전제어부를 포함하며, 상기 전력공급부는 각 축전지의 전위가 기준전위보다 낮아질 때 컨트롤러의 제어하에 축전지와 인버터 간의 연결을 전환시키는 전환스위치가 설치되고, 상기 컨트롤러에는 축전지의 SOC(State Of Charge) 및 온도별 내부저항값에 따른 방전 출력값이 테이블로 저장된 메모리부가 더 연결설치되며, 상기 축전지에는 온도센서가 더 설치되며, 상기 컨트롤러에는 상기 온도센서와 충전량검출부로부터 검출된 전위값을 토대로 전류와 전압을 산출한 뒤 전압을 전류로 나누어 내부저항을 산출하는 연산부가 구비되어, 상기 충방전제어부가 산출된 내부저항에 대응되는 메모리부에 저장된 실험적 내부저항 테이블값에 따라 방전 출력을 제어하는 것을 특징으로 하여, 전력공급부와 전력수신부를 분리 결합 가능하게 함으로써 작업 공간의 제약을 없애고, 작업효율을 향상시키며, 친환경적이고, 연료비를 절감하며, 장시간 동안 원거리 작업이 가능함은 물론 축전지의 수명이 연장되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

전기 굴삭기 시스템{ELECTRIC EXCAVATOR SYSTEM}

본 발명은 전기 굴삭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 축전지를 구비하여 전력공급부와 전력수신부가 분리된 상태로 작업이 가능하여 공간적 제약없이 원거리 작업이 가능하도록 하며, 내부에 구비된 축전지의 충방전이 균일하게 수행되도록 제어하여 축전지의 수명을 늘릴 수 있도록 개선된 전력공급부와 전력수신부를 구비한 전기 굴삭기로 이루어지는 전기 굴삭기 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 굴삭기는 건축 및 토목 공사시 땅을 파거나 메우는 굴삭작업, 경토ㆍ암반 파쇄 등의 브레이커 작업, 흙다짐과 같은 컴팩터 작업, 절단 등의 크라샤 작업과 같은 다양한 작업 기능을 가진 건설기계를 말한다.

이러한 굴삭기는 보통 주행 동력을 얻기 위해 디젤 엔진 등의 엔진을 탑재하고 있고, 이 엔진의 힘을 이용하여 유압 펌프를 구동하며, 유압 펌프에서 토출되는 작동유를 유압 모터나 유압 실린더 등의 유압 액추에이터로 공급함으로써 주행용 크롤러 또는 타이어의 회전이나 붐, 아암, 버켓 등의 각 작업 부위를 동작시키고 있다.

이와 같이 주지된 굴삭기는 디젤 엔진과 같은 엔진을 탑재하고 있기 때문에 작업장소에 제한을 받지 않고 자유롭게 작업할 수 있는 장점을 가진다.

하지만, 화석연료인 경유는 갈수록 고갈되어 가고 있어 대체 에너지의 필요성이 심각하게 대두되고 있을 뿐만 아니라, 연료값이 비싸고, 중장비라는 특수성 때문에 특히 연료 소모량이 많아 운전비용이 증대되는 단점이 있어 왔다.

이를 해소하기 위한 일환으로, 전기에너지를 이용한 전기 굴삭기가 개시된 바 있다.

개시된 전기 굴삭기는 예컨대, 도 1의 예시와 같이, 굴삭기의 주행을 위한 엔진을 전동기로 대체하고, 전동기 구동용 전원을 케이블(10)을 통해 외부전원으로부터 공급함으로써 연료비를 70% 이상 줄일 수 있도록 한 것을 들 수 있는데, 이를 위해 외부에서 전원을 공급할 수 있도록 외부전원박스(20)와, 케이블(10)을 감을 수 있는 케이블드럼(22)과, 케이블(10)을 선회 분배시키는 케이블가이드(24)와, 케이블가이드(24)를 통해 인출 안내된 케이블(10)을 안전하게 굴삭기로 선회 유도하도록 굴삭기에 설치된 유도가이드(30)를 구비하고 있다.

그리하여, 굴삭기의 주행은 굴삭기에 탑재된 엔진 대용 전동기를 이용하고, 굴삭기가 갖는 여러가지 작업기능은 기존처럼 유압 펌프를 통한 유압 작동을 그대로 사용하되 유압 펌프의 구동을 전동기로 제어함으로써 기존 엔진형 굴삭기의 기능을 그대로 수행하였다.

그런데, 이러한 전기 굴삭기는 케이블(10)을 이용하여 전원을 공급받는 구조이기 때문에 굴삭기가 가동될 수 있는 범위가 제한되는 한계를 가진다.

즉, 케이블(10)이 미치는 범위 내에서만 작업을 할 수 있기 때문에 작업반경이 매우 제한적이고, 원거리 작업이 불가하여 작업상 많은 불편함이 있었다.

또한, 축전지를 이용하여 원거리 작업이 가능하게 한다고 하더라도 축전지의 용량이 한계를 가지기 때문에 장시간 동안 작업하기 어려운 점도 있다.

이를 해결하기 위한 수단으로, 복수의 축전지를 사용하여 필요에 따라 선택적으로 축전지를 절환하여 사용하는 방법이 제안될 수 있는데, 이에 더하여 사용수명을 연장할 수 있는 방안이 함께 강구되면 더욱 좋다.

통상, 전기 굴삭기에 사용되는 축전지는 다수의 셀들로 이루어져 있고, 초기 장착시에는 모두 동일한 성능을 갖지만, 전기 굴삭기의 운행 증가에 따라 축전지의 셀들 성능에도 편차를 가지게 된다.

그럼에도 불구하고, 전동기의 출력은 통상 축전지가 낼 수 있는 최대 출력을 기준으로 방전이 제어되기 때문에 어느 시점을 지난 후에는 축전지 셀들이 허용 가능한 방전 출력을 초과한 상태로 방전되게 되어 축전지의 수명을 급격히 단축시키게 된다.

또한, 축전지의 충방전이 균일하게 수행되지 않는 경우 축전지의 수명 단축은 더욱 가속된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 케이블식 전기 굴삭기에서 굴삭기의 가동범위를 케이블보다 먼거리까지 넓힘으로써 작업이 가능한 적용범위를 확대시켜 작업효율을 극대화시킴은 물론 복수의 축전지를 절환사용하는 형태로 응용폭을 넓여 장시간 동안 원거리 작업을 안정적으로 수행하되 배터리의 상태에 따라서 과충전 및 과방전을 방지할 수 있도록 하며, 개별적인 충전지의 충방전이 균일하게 수행되는 충방전 제어부를 구비한 전기 굴삭기 시스템을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 충방전 제어부를 구비한 전기 굴삭기 시스템은, 외부전원을 입력받아 충전전압으로 전환하고 다수의 제어용 버튼을 포함한 전원박스, 송전용 케이블을 감거나 풀도록 구비된 케이블드럼, 케이블드럼의 회전구동을 제어하는 드럼구동부, 전원박스에 연결되고 케이블드럼에 권취된 충전용 케이블이 엉키거나 꼬이지 않도록 선회되게 안내하는 케이블가이드로 구성된 전력공급부와, 케이블이 접속/분리될 수 있는 케이블커넥터와 전동발전기 및 컨트롤러를 포함하고 공급된 전력 및 전동발전기의 회생제동을 통해 얻은 전기를 충전하는 하나 이상의 축전지, 상기 축전지에 연결되고 컨트롤러의 제어하에 과충전을 방지하는 과충전방지부, 상기 축전지에 연결되고 축전지의 전위차를 검출하여 컨트롤러로 출력하는 충전량검출부, 축전지에 연결되고 컨트롤러의 제어하에 축전지의 직류 전원을 교류 전원으로 바꾸어 전동발전기로 공급하는 인버터, 컨트롤러에 연결되어 축전지의 검출전위가 기준전위보다 낮을 때 알람을 송출하는 알람부로 구성된 전력수신부로 이루어지되, 상기 전력수신부는 상기 축전지들의 충전 또는 방전 상태를 검출하여 각각의 축전지가 기 설정된 전압 또는 전류를 범위 내에서 구동 중의 충방전이 수행되도록 하는 충방전제어부를 포함한다.

상기 전력공급부는 또한, 각 축전지의 전위가 기준전위보다 낮아질 때 컨트롤러의 제어하에 축전지와 인버터 간의 연결을 전환시키는 전환스위치가 더 설치되고; 상기 컨트롤러에는 축전지의 SOC(State Of Charge) 및 온도별 내부저항값에 따른 방전 출력값이 테이블로 저장된 메모리부가 더 연결설치되며; 상기 축전지에는 온도센서가 더 설치되며; 상기 컨트롤러에는 상기 온도센서와 충전량검출부로부터 검출된 전위값을 토대로 전류와 전압을 산출한 뒤 전압을 전류로 나누어 내부저항을 산출하는 연산부가 더 구비되어, 산출된 내부저항에 대응되는 메모리부에 저장된 실험적 내부저항 테이블값에 따라 방전 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 굴삭기의 축전지 방전 출력 조정장치를 제공한다.

이때, 상기 컨트롤러는 축전지가 기준전위 이하로 떨어지면 축전지의 방전 출력 제어를 중지시키는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 전력공급부와 전력수신부를 분리 결합 가능하게 함으로써 작업 공간의 제약을 없애고, 작업효율을 향상시키며, 친환경적이고, 연료비를 절감하며, 장시간 동안 원거리 작업이 가능함은 물론, 개별적인 축전지의 충방전을 일정한 전압 및 전류 범위에서 수행할 수 있도록 하여 축전지의 수명이 연장되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 케이블식 전기 굴삭기의 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 굴삭기 시스템의 구성 블럭도이다.
도 3은 충방전제어부의 실시예에 따른 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 전기 굴삭기의 축전지 제어를 위한 구성을 보인 개략적인 블럭도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 전기 굴삭기 시스템은 앞서 설명한 종래 케이블식 전기 굴삭기의 개념을 그대로 가지면서 충전 개념을 포함하여 필요시 전력을 공급받아 충전하고, 작업시에는 충전된 전력을 사용하며, 작업에 필요한 전압을 확보하고 있는지를 검출하여 필요시 충전할 수 있도록 구성된다.

이와 관련하여, 본 발명에 따른 전기 굴삭기 시스템의 구성 블럭도를 보여 주는 도 2를 참조한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 굴삭기 시스템은 전력공급부(100)와 전력수신부(200)를 구비한 전기굴삭기가 분리 구성된다.

이때, 전력공급부(100)는 기존처럼 외부에서 전원을 공급하는 장소에 설치되고, 전력수신부(200)는 굴삭기 본체에 설치된다.

그리고, 상기 전력수신부(200)에는 상기 전력공급부(100)와 접속할 수 있도록 케이블커넥터(플러그와 소켓을 의미함)가 구비된다.

보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 전력공급부(100)는 전원박스(110)와, 케이블드럼(120), 케이블드럼(120)을 회전제어하는 드럼구동부(122) 및 케이블가이드(130)를 포함한다.

이때, 상기 전원박스(110)는 다수의 컨트롤스위치를 구비하고 있으며, 외부전원이 연결되어 상기 전력수신부(200)와 접속시 외부전원으로부터 공급된 필요한 전력을 상기 전력수신부(200)로 공급할 수 있도록 설계되어 있다.

또한, 상기 전력공급부(100)는 필요에 따라 복수로 설치될 수 있는데, 작업반경이 큰 경우 적정간격을 두고 다수 설치됨으로써 상기 전력수신부(200)를 통한 접속의 용이성을 제공하여 작업성을 더욱 높일 수 있다.

그리고, 상기 케이블드럼(120)은 전원박스(110)를 통해 컨트롤된 전력을 송전하는 케이블(Cable)을 감거나 풀어 주면서 근거리는 물론 원거리까지 케이블 관리를 원활하게 하여 준다.

이 경우, 상기 케이블드럼(120)은 동력원에 의해 구동될 수 있는데, 동력원으로는 구동모터를 들 수 있고, 또한 드럼구동부(122)에 의해 제어될 수 있다.

아울러, 상기 케이블가이드(130)는 전력이 공급되는 케이블이 엉키거나 꼬이지 않도록 안내하는 구조의 구조물로 도 1에 예시된 기존 케이블가이드 형태를 그대로 가질 수 있다.

이 경우, 상기 케이블가이드(130)는 케이블이 권취된 케이블드럼(120)으로부터 인출된 케이블을 일정길이 범위까지 원활하게 인출될 수 있도록 안내한다.

한편, 전력수신부(200)는 주행 구동원인 엔진으로 주행 전동발전기(230)를 포함하며, 상기 주행 전동발전기(230)는 인버터(220)를 통해 직류 전원을 교류 전원으로 전환된 상태에서 교류 전원 형태로 전력을 공급받게 된다.

이때, 상기 인버터(220)는 컨트롤러(240)에 의해 제어된다.

또한, 상기 주행 전동발전기(230)에는 컨트롤러(240)를 통해 제어될 수 있도록 유압펌프(260)가 연결된다.

아울러, 본 발명에 따른 전력공급부(200)는 붐(Boom)을 탑재한 굴삭기 바디를 본체에 대해 360°회전시킬 수 있는 선회 전동발전기(232)도 더 포함한다.

그리고, 이들은 회생제동을 통해 전기에너지를 얻을 수 있도록 전동기 겸 발전기 형태를 취하고 있는데, 회생제동을 통해 얻어진 회생전기는 축전지(210)로 회수되어 축전된다.

이와 같이, 회생제동을 통해 회생된 전기를 축전지(210)에 축전하여 사용할 수 있으므로 구동에 따른 열 발생을 줄이고, 에너지의 재활용이 가능한 장점을 가진다.

물론, 상기 선회 전동발전기(232)도 상기 컨트롤러(240)에 의해 제어된다.

나아가, 상기 컨트롤러(240)는 소정의 메모리를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 유압펌프(260)에는 유압제어밸브(270)가 접속되며, 유압펌프(260)에 의해 토출된 작동유는 상기 유압제어밸브(270)의 제어순서에 따라 붐 실린더(274), 아암 실린더(276), 버켓 실린더(278)를 구동하게 된다.

즉, 유압펌프(260)의 구동까지만 전기적 결합으로 이루어져 있기 때문에 주행 전동발전기(230)의 구동력을 선택적으로 전달받도록 컨트롤러(240)에 의해 제어되지만, 이후 유압펌프(260)의 구동으로 발생된 작동유의 공급과 관련된 유압회로는 유압제어밸브(270)의 개폐제어를 통해 기존처럼 이루어지는 것이다.

그리고 전력수신부(200)에는 상기 주행 전동발전기(230)에 전력을 공급하는 축전지(210a,210b,210c)가 구비되는데, 상기 축전지(210a,210b,210c)는 굴삭기의 구동을 위해 충분한 전력을 공급할 수 있는 용량을 가진다. 상기 축전지(210a,210b,210c)는 직류형이기 때문에 앞서 설명하였듯이, 인버터(220)를 통해 주행 전동발전기(230)로 직류 전원을 교류 전원으로 바꾸어 공급하게 되며, 복수개 설치되고 충전 전압이 일정수준, 즉 작업할 수 있는 기준전위보다 떨어질 경우 다른 축전지로 바꾸어 사용할 수 있도록 전환스위치(280)를 포함한다.

이때, 상기 전환스위치(280)는 인버터(220)와 축전지(210a,210b,210c) 사이에 설치되며, 컨트롤러(240)에 의해 제어된다.

여기에서, 상기 축전지(210a,210b,210c)가 3개 설치된 것을 예시적으로 설명하였으나, 이는 바람직한 실시예를 보인 것에 불과하며 그 이상 더 설치될 수 있음은 물론이다.

따라서, 하나의 축전지를 사용할 때 보다 3개 혹은 그 이상의 축전지를 바꾸어 가면서 사용하게 되면 그만큼 작업시간을 연장할 수 있어 원거리에서도 장시간 작업할 수 있게 되어 작업효율이 향상된다.

뿐만 아니라, 상기 축전지(210a,210b,210c)는 케이블가이드(120)를 통해 인출된 케이블과 케이블커넥터를 통해 접속되어 충전가능하게 구성된다.

다시 말해, 적정량의 전원이 충전되어 있는 상태에서는 전력공급부(100)로부터 분리되어 주행 전동발전기(230)를 구동할 수 있으므로 굴삭기의 작업범위를 자유롭게 할 수 있고 확장할 수 있다.

다만, 앞서 설명하였듯이 충전된 전력이 일정 이하로 떨어지게 되면 굴삭기의 작업을 수행하기 어려우므로 미리 확인한 후 충분한 축전량을 갖고 있는 다른 축전지로 연결을 전환시킴으로써 이를 해결할 수 있다. 이에 따라, 원거리 작업시 충전을 위해 전력공급부(100) 쪽으로 다시 이동할 필요가 없게 되어 작업효율이 향상된다.

이를 위해, 본 발명에서는 상기 축전지(210a,210b,210c)에 충전량검출부(214)를 더 설치하고, 동시에 과충전에 의한 축전지(210a,210b,210c) 손상을 방지할 수 있도록 과충전방지부(212)와 충방전제어부(215)를 더 포함하여 설치된다.

이때, 상기 과충전방지부(212) 및 충전량검출부(214)는 모두 컨트롤러(240)와 연결되어 컨트롤러(240)에 의해 제어되도록 구성되는데, 이들 과충전방지부(212)와 충전량검출부는 과충전방지회로, 충전량검출회로 등과 같이 일종의 회로 형태를 갖는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 충전량검출부(214)는 축전지(210a,210b,210c)의 잔존용량(SOC:State Of Charge) 및 온도에 따라 변화되는 내부저항을 검출하여 전위를 추정하는 방법 등 여러가지 방식으로 축전지(210a,210b,210c)에 축전된 전기량, 즉 전위를 검출할 수 있는데 가장 간단한 방식인 축전지(210a,210b,210c)의 양단 전압을 검출하고, 이를 컨트롤러(240)에 송신하며, 컨트롤러(240)는 수신된 검출전위를 구동에 필요한 기준전위와 비교하여 충전 여부를 확인하고 제어하도록 구성함이 바람직하다.

그리고, 상기 충전량검출부(214)를 통해 현재 사용중인 축전지의 전위가 기준전위보다 낮다고 판단될 경우 전환스위치(280)는 컨트롤러(240)의 제어하에 축전량이 충분한 인접 축전지로 인버터(220)의 연결을 전환시킨다.

상기 충방전제어부(215)는 케이블가이드(130)와 전원스위치(280)와 선회전동발전기(232)와 주행전동발전기(230) 및 축전지(210a,210b,210c)들의 사이에 접속구성되어 기준전압과 축전지(210a,210b,210c)의 전압을 비교하고, 기준전류와 축전지(210a,210b,210c)의 방전 전류를 비교하여 축전지(210a,210b,210c)의 충전 또는 방전이 기준전압과 기준전류의 범위 내에서 수행되도록 축전지(210a,210b,210c)의 충방전을 제어한다.

즉, 충방전제어부(215)는 기준전압과 각각의 축전지(210a,210b,210c)의 전압을 비교하여 각각의 축전지(210a,210b,210c)의 전압이 기준전압을 포함하는 일정 전압 범위를 초과하는 경우 각각의 축전지(210a,210b,210c)의 충전을 차단시킨다. 또한 각각의 축전지(210a,210b,210c)의 방전 전류와 기준전류를 비교하여 각각의 축전지(210a,210b,210c)의 방전 전류가 기준전류를 포함하는 일정 범위의 전류 값을 벗어나는 경우 각각의 축전지(210a,210b,210c)의 방전을 차단시키도록 한다. 이에 의해 충방전제어부(215)는 각각의 축전지(210a,210b,210c)가 균일하게 충전 또는 방전이 되도록 한다.

도 2에서 충방전제어부(215)와 전원스위치(280)가 하나의 제어 및 전원선으로 접속되고 충방전제어부(215)와 모든 축전지(210a,210b,210c) 또한 하나의 제어 및 전원선으로 연결되는 것으로 도시하였으나, 충방전제어부(215)각 각각의 축전지(210a,210b,210c)를 독립적으로 제어할 수 있도록 충방전제어부(215)와 전원스위치(280)는 각각의 축전지(210a,210b,210c)들의 전력을 전원스위치(280)로 개별적으로 공급하도록 축전지(210a,210b,210c)의 개수에 대응하는 제어 및 전원으로 접속된다. 그리고 충방전제어부(215)와 축전지(210a,210b,210c)들 또한 충방전제어부(215)가 각각의 축전지(210a,210b,210c)들의 충전을 독립적으로 제어할 수 있도록 케이블 가이드(130) 또는 선회전동발전기(232) 또는 주행전동발전기(230)의 입력 전원을 각각 분할하여 각각의 축전지(210a,210b,210c)들에 독립적으로 공급하도록 축전지(210a,210b,210c)의 개수에 대응하는 제어 및 전원선에 의해 각각의 축전지(210a,210b,210c)와 접속된다.

도 3은 상기 충방전제어부(215)를 구성하는 회로의 예이다.

도 3과 같이 상기 충전전제어부는 전압명령(V_ref)과 캐패시터 및 배터리 궤환전압(V_fb)의 오차(ERROR)를 증폭하여 출력하는 전압 오차 증폭기(ERROR AMP)와, 전류명령(I_ref)과 충방전시 캐패시터 및 배터리에 흐르는 궤환전류(I_fb)의 오차를 증폭하여 출력하는 전류 오차 증폭기로 구성된 출력오차 증폭부와, 전압 오차 증폭기 출력에 연결된 두개의 다이오드와 전류 오차 증폭기 출력에 연결된 두개의 저항으로 구성된 충방전 전환회로부가 있고, 다이오드와 저항이 공통 연결되어 충전제어 신호를 드라이브 할 수 있도록 전압 플로워 증폭기의 비반전 입력(+) 단자에 연결되고, 다이오드와 저항이 공통 연결되어 방전제어 신호를 드라이브 할 수 있도록 전압 플로워 증폭기의 비반전 입력(+)단자에 연결되어 충방전 제어신호를 드라이브 할 수 있도록 구성된 드라이버(driver: 구동)회로부가 있으며, 충전부의 경우 N형 FET(Field Effect Transistor:전계 효과 트랜지스터)(FET1,FET2)의 드레인이 정(+)의 전원단자(+V)에 연결되고, 전압 플로워 증폭기의 출력이 FET(FET1,FET2)의 게이트 저항(R3)(R4)에 각각 연결되어 있고, 방전부의 경우 P형 FET(FET3,FET4)의 드레인이 부(-)의 전원단자(-V)에 연결되고, 전압플로워 증폭기(IC4)의 출력이 FET(FET3,FET4)의 게이트 저항에 각각 연결되는 회로를 들 수 있다.

그리고 충전부의 경우 N형 FET(FET1,FET2)의 소스와 방전부의 경우 P형 FET(FET3,FET4)의 소스와 공통 연결된 충전 및 방전시 전류 제한용으로 이용되는 저항들이 연결되어 있다. FET의 병렬 접속시 드레인-소스 저항값이 작기 때문에 저항들이 없을 경우 병렬 접속된 FET중 RDS값이 작은쪽으로 과전류가 흐를 수 있게 된다. 그래서 RDS 보다 큰 저항 값의 저항들을 추가하여 병렬 접속된 FET의 충방전 전류의 균형을 맞춰주도록 하는 것을 들 수 있다.

상기 구성에서 궤한전압(V_fb)과 궤환전류(I-fb)가 각각의 축전지(210a,210b,210c)들의 전압과 전류로서 기준전압(V_ref)와 기준전류(I_ref)와 각각 비교되어 축전지(210a,210b,210c)들의 구동 시 각각의 축전지(210a,210b,210c)들의 전압과 전류를 기준전압과 기준전류와 비교하여 일정한 전압 범위와 전류 범위에서 충방전이 수행되도록 제어하게 된다.

상기 충방전제어부(215)는 상기 예에 국한되는 것은 아니며, 기준 전압과 기준 전류 값에 따라 축전지의 충전과 방전을 제어하는 다양한 회로 구성이 적용될 수 있다.

나아가, 도 4에서와 같이 상기 축전지(210a,210b,210c)에는 각각 온도센서(290)가 설치되고, 상기 온도센서(290)는 상기 컨트롤러(240)와 연결되어 검출한 온도값을 상기 컨트롤러(240)로 출력한다.

뿐만 아니라, 상기 컨트롤러(240)에는 연산부(292)와 메모리부(294)가 구비되며, 상기 온도센서(290)의 온도 검출값과 충전량검출부(214)의 검출값에 따라 연산부(292)와 메모리부(294)를 이용하여 상기 축전지(210a,210b,210c)의 방전 출력을 제어한다.

즉, 최대 허용 가능 방전 출력은 축전지(210a,210b,210c)의 잔존용량(SOC:State Of Charge) 및 온도를 기준으로 제어하게 되는데, 이는 이들 요소에 의해 축전지(210a,210b,210c)의 내부저항이 달라지기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 SOC 및 온도별 축전지(210a,210b,210c)의 내부저항 변화와 그에 따른 이상적인 방전 출력값을 미리 실험을 통해 테이블값으로 상기 메모리부(294)에 저장해 둔 상태에서 본 발명 구동조건에 따라 내부저항을 산출하고, 그 값을 메모리부(294)에 저장된 저장값과 비교하여 그에 대응되는 값으로 축전지(210a,210b,210c)의 방전 출력을 제어하도록 함으로써 가장 이상적인 축전지(210a,210b,210c) 관리를 가능하게 한다.

이때, 내부저항을 측정하는 방법은 실험 대상 축전지에 전류를 흘렀을 때 전압의 변화량을 전류로 나눈 값에 의해 결정되며, 이렇게 하여 내부저항이 결정되면 하기한 (식 1), (식 2)를 통해 방전 출력(P)이 결정될 수 있다.

----------------(식1)

------------------------(식2)

(R:내부저항, △V:축전지의 최대 전압(V_LIMIT)와 현재 전압(V_CURRENT)의 차이값)

여기에서, 출력(P)가 음의 값이면 방전 출력이 되고, 양의 값이면 충전 출력이 되는데, 본 발명에서는 발전기를 배제시킨 전동기만 사용되므로 충전 출력에 대하여는 논의하지 않는 것으로 한다.

결국, 본 발명에서는 상기 충전량검출부(214)를 통해 검출된 전위값을 컨트롤러(240)가 수신하여 전류와 전압 변화량을 연산부(292)에서 연산하여 내부저항을 산출하고, 그때의 축전지 온도를 온도센서(290)로 검출하여 검출된 온도와, 산출된 내부저항에 대응되는 값을 메모리부(294)에 저장된 테이블값에서 찾아 그에 맞게 테이블로 제시되어 있는 방전 출력으로 조절함으로써 축전지(210a,210b,210c)의 수명을 연장시킬 수 있다.

아울러, 각 축전지(210a,210b,210c)가 기준전압 이하로 되면 방전 출력 조절을 중지시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 컨트롤러(240)에는 알람부(250)가 연결된다.

상기 알람부(250)는 굴삭기 운전자가 시청각적으로 확인할 수 있도록 경보음을 발하면서 경광등을 점멸시킬 수 있도록 구성됨이 바람직하다.

이러한 알람부(250)는 앞서 설명한 충전량검출부(214)의 축전지(210a,210b,210c) 검출 전위가 기준전위에 미치지 못할 경우 컨트롤러(240)의 제어하에 동작되는 것으로, 이를 통해 운전자가 굴삭기를 전력공급부(100) 쪽으로 주행시켜 전력공급부(100)에 마련된 케이블을 전력수신부(200)에 접속함으로써 충전작업을 수행하도록 하기 위한 것이다.

이 경우, 상기 알람부(250)는 각 축전지의 방전시마다 알람을 행할 수도 있고, 모든 축전지가 전부 방전되었을 때 알람을 행하도록 구성할 수 있는데, 바람직하기로는 각 축전지의 방전시에는 경광등만 점멸하도록 하고, 모든 축전지가 방전되었을 때에는 경광등과 경보음을 함께 발생시켜 시청각적으로 인식할 수 있도록 구성함이 특히 바람직하다.

덧붙여, 본 발명에서 기재하고 있는 용어인 '방전'은 통상적으로 사용되는 방전 개념이 아니라, 축전지의 전위가 기준전위(굴삭기 구동에 필요한 적정 전위) 이하로 떨어질 때를 의미하는 것으로 정의한다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

먼저, 작업반경이 전력공급부(100)로부터 멀지 않아 케이블의 길이 내에 있을 경우에는 굳이 전력공급부(100)와 전력수신부(200)를 분리할 필요없이 케이블커넥터를 통해 전력공급부(100)와 전력수신부(200)를 접속한 상태를 유지하면서 전기 굴삭기를 통해 할 수 있는 작업, 예컨대 굴삭작업, 브레이커작업, 크라샤작업 등 원하는 작업을 수행하게 된다.

이 경우에는 전력공급부(100)를 통해 전력이 지속적으로 공급되고 있는 상태이므로 주행동력 및 작업동력(유압펌프 구동용)이 충분한 상태에서 큰 무리없이 작업이 가능하게 된다.

반면, 작업반경이 케이블 길이를 벗어나는 경우라면 전력공급부(100)로부터 충분한 전력을 공급받아 전력수신부(200)에 구비된 축전지(210a,210b,210c)에 필요한 전력을 충분히 충전시키거나 이미 충전된 상태에 있도록 한다.

그리하여, 충전이 완료되면 케이블커넥터의 접속을 해제하여 전력공급부(100)와 전력수신부(200)가 분리되도록 한다.

여기에서, 방전에 따른 축전지(210a,210b,210c)의 출력 제어는 앞서 설명한 바와 같이, 온도센서(290)에서 검출된 온도값과, 산술된 내부저항값에 대응되는 테이블값(메모리부에 저장되어 있음)에 맞춰 제어되기 때문에 급격한 방전 변화가 억제되어 사용수명이 연장되는 장점을 가진다.

이후, 굴삭기는 축전지(210a,210b,210c)에 축전된 전력을 이용하여 주행 구동되며, 작업 장소로 이동 후 컨트롤러(240)의 제어하에 유압펌프(260)를 구동시켜 필요로 하는 작업을 하게 된다.

아울러, 작업중 알람부(250)를 통해 경광등이 점멸하면 운전자는 축전지가 바뀌고 있다는 사실만 인지하면 된다.

동시에, 전환스위치(280)는 컨트롤러(240)의 제어하에 새로운 축전지로 축전지와 인버터(220) 간의 연결을 전환시킨다.

그러면, 굴삭기는 항상 기준전위 이상의 동력원을 공급받을 수 있게 되므로 주행 전동발전기(230)의 구동에 무리가 없게 되고, 결국 장시간 동안 원거리 작업이 가능하게 된다.

이러한 작업이 지속된 후 혹은 지속되던 도중이라도 알람부(250)를 통해 시청각적인 알람이 발생되면 운전자는 축전지를 축전할 필요가 있음을 인지하고, 굴삭기를 전력공급부(100) 쪽으로 주행하여 케이블커넥터를 접속함으로써 전력공급부(100)로부터 전력을 공급받아 축전지(210a,210b,210c)에 충전하고, 충분한 축전이 이루어지면 다시 케이블을 분리한 다음 작업장소로 이동하여 작업하게 된다.

이때, 상기 전력공급부(100)를 작업반경에 맞춰 복수로 설치해 두면 충전을 위해 굴삭기가 이동하는 시간이 줄어들고, 그에 따라 충전시간도 줄어들게 되어 작업효율이 향상되는 장점을 갖게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 전기 굴삭기 시스템은 축전지(210a,210b,210c)를 활용하여 엔진을 대체한 주행 전동발전기(230)를 구동시킴으로써 주행은 물론 유압펌프(260)를 구동시켜 굴삭기가 수행할 수 있는 여러가지 작업을 할 수 있으므로 작업효율이 향상되고, 에너지를 절감하는 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 복수의 축전지(210a,210b,210c)를 사용함으로써 원거리 작업시에도 장시간 동안 작업할 수 있어 작업효율의 현격히 향상되는 장점을 가진다.

100 : 전력공급부 110 : 전원박스
120 : 케이블가이드 200 : 전력수신부
210a,210b,210c : 축전지
215: 충방전제어부 220 : 인버터
230 : 전동기 240 : 컨트롤러
250 : 알람부 260 : 유압펌프
270 : 유압제어밸브 280 : 전환스위치
290 : 온도센서 292 : 연산부
294 : 메모리부

Claims (3)

1. 전력공급부와 전력수신부를 구비한 전기굴삭기를 포함한 전기 굴삭기 시스템에 있어서,
   상기 전력수신부는 외부전원을 전기 굴삭기로 공급하는 전력공급부의 케이블이 접속/분리될 수 있는 케이블커넥터 및 컨트롤러를 포함하고, 공급된 전력 및 전동발전기의 회생제동을 통해 얻은 전기를 충전하는 하나 이상의 축전지, 상기 축전지에 연결되고 컨트롤러의 제어하에 과충전을 방지하는 과충전방지부, 상기 축전지에 연결되고 축전지의 전위차를 검출하여 컨트롤러로 출력하는 충전량검출부, 축전지에 연결되고 컨트롤러의 제어하에 축전지의 직류 전원을 교류 전원으로 바꾸어 전동발전기로 공급하는 인버터, 컨트롤러에 연결되어 축전지의 검출전위가 기준전위보다 낮을 때 알람을 송출하는 알람부, 상기 축전지들의 충전 또는 방전 상태를 검출하여 각각의 축전지가 기 설정된 전압 또는 전류 범위 내에서 구동 중의 충방전이 수행되도록 하는 충방전제어부를 포함하며,
   상기 전력공급부는 각 축전지의 전위가 기준전위보다 낮아질 때 컨트롤러의 제어하에 축전지와 인버터 간의 연결을 전환시키는 전환스위치가 설치되고, 상기 컨트롤러에는 축전지의 SOC(State Of Charge) 및 온도별 내부저항값에 따른 방전 출력값이 테이블로 저장된 메모리부가 더 연결설치되며, 상기 축전지에는 온도센서가 더 설치되며, 상기 컨트롤러에는 상기 온도센서와 충전량검출부로부터 검출된 전위값을 토대로 전류와 전압을 산출한 뒤 전압을 전류로 나누어 내부저항을 산출하는 연산부가 구비되어, 상기 충방전제어부가 산출된 내부저항에 대응되는 메모리부에 저장된 실험적 내부저항 테이블값에 따라 방전 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 굴삭기 시스템.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 컨트롤러는 축전지가 기준전위 이하로 떨어지면 축전지의 방전 출력 제어를 중지시키는 것을 특징으로 하는 전기 굴삭기 시스템.

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