KR101981686B1 - 작동 기계용 전기기계 파워 전송 체인 - Google Patents

작동 기계용 전기기계 파워 전송 체인 Download PDF

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electrical energy
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키모 라우마
테로 자르벨라이넨
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단포스 에디트론 오와이
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Abstract

전기기계 파워 전송 체인은 연소 기관과 기계 부하장치에 연결 가능한 전기기계(101), 전기 에너지 저장을 위한 저장 회로(104), 상기 저장 회로와 전기기계 간에 전기 에너지 전달을 위한 전기 전력 변환기(109), 및 상기 연소 기관과 전자식 전력 변환기를 제어하기 위한 제어 시스템(110)을 포함한다. 상기 제어 시스템은 상기 기계 부하장치에서 요구되는 파워가 상기 연소 기관의 바람직한 파워 범위보다 높은 피크-부하 상황인 경우 전기 에너지를 상기 저장 회로로부터 상기 전기기계로 전달하도록 상기 전자식 전력 변환기를 제어한다. 상기 제어 시스템은 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 공급을 제한함으로써 상기 피크-부하 상황으로 인해 증가하는 연료 소비 증가를 제한한다.

Description

작동 기계용 전기기계 파워 전송 체인{AN ELECTROMECHANICAL POWER TRANSMISSION CHAIN FOR A WORKING MACHINE}
본 발명은 가령 작동 기계의 일부가 될 수 있는 전기기계 파워 전송 체인에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 방법 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 작동 기계에 관한 것이다.
전기기계 파워 전송 체인은 일반적으로 하나 이상의 전기기계와 하나 이상의 전자식 전력 변환기를 포함한다. 전기기계 파워 전송 체인은 전기기계들 중 하나가 발전기로서 작동하고 발전기에 의해 생산된 전압을 하나 이상의 다른 전기기계들에 적합한 진폭과 주파수를 갖는 전압으로 변환하도록 하는 하나 이상의 전자식 전력 변환기가 배열된 일련의 파워 전송 체인일 수 있다. 발전기는 가령 디젤 엔진, 오토-사이클 엔진(Otto-cycle engine), 또는 터빈 엔진 일 수 있는 연소 기관과 구동될 수 있다. 다른 전기기계들은 가령 바퀴, 체인 트랙(chain track), 및/또는 그 외 기계적 하중들을 구동하도록 배열된 전기 모터들일 수 있다. 전기기계 파워 전송 체인은 또한 연소 기관에 기계적으로 연결된 전기기계가 때론 전기 에너지 저장용 저장 회로를 충전하는 발전기로서 작동하고 때론 저장 회로에서 전기 에너지를 공급받아 높은 기계 출력이 필요할 때 연소 기관을 보조하는 모터로서 작동하는 병렬식 전송망일 수 있다. 전기기계 파워 전송 체인은 또한 하나 이상의 전기기계가 연소 기관과 기계 부하장치 둘 다에 기계적으로 연결되고 하나 이상의 다른 전기기계가 직렬 파워 전송 체인에서와 같은 방식으로 다른 기계 부하장치들을 구동하도록 구성된 결합식 직병렬 파워 전송 체인(combined series-parallel transmission chain) 일 수 있다.
상술한 유형의 전기기계 파워 전송 체인들은 종래의 기계 파워 전송 체인에 비해 이점들을 제공하는데, 가령 연소 기관의 작동 효율성의 관점에서 볼 때, 연소 기관의 작동 영역이 좀 더 자유롭게 선택될 수 있어, 연료 비용을 절감할 수 있기 때문이다. 그러나, 병렬 파워 전송 체인에서는 연소 기관의 작동 영역이 직렬 파워 전송 체인에서처럼 자유롭게 선택 가능하지 않은데, 이는 병렬 파워 전송 체인에서는 전기기계가 연소 기관과 기계 부하장치 둘 다에 기계적으로 연결되어 있어서 요구되는 기계 부하장치 회전 속도가 연소 기관의 회전 속도에도 영향을 주기 때문이다. 연소 기관이 그 최적의 작동 효율에서 작동하거나 적어도 근접하게 작동하는 파워(power) 범위보다 기계 부하장치에서 요구되는 파워가 높은 피크 부하(peak-load) 상황에서 특히 연소 기관의 연료 소비가 증가하는 경향이 있다.
본 발명에 따르면, 가령 작동 기계의 일부가 될 수 있는 새로운 전기기계 파워 전송 체인(electromechanical power transmission chain)이 제공된다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예들의 몇몇 측면들에 대한 기본적인 이해를 돕기 위한 본 발명의 간략한 개요를 설명한다. 이 개요는 본 발명의 광범위한 개관이 아니다. 이 개요는 본 발명의 주요 또는 필수 요소들을 식별하기 위한 목적으로 쓰인 것이 아니며, 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것도 아니다. 이 개요는 단지 본 발명의 실시 예들의 좀 더 상세한 설명에 대한 서두로서 본 발명의 몇몇 개념들을 간략한 형태로 제시하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 전기기계 파워 전송 체인은,
- 연소 기관의 샤프트(shaft) 및 구동될 기계 부하장치(mechanical load)와의 토크-전달식 연결(torque transfer connection)을 위한 로터(rotor)를 구비한 전기기계로서, 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 기설정 파워 범위보다 높을 때보다 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 기설정 범위 내에 있을 때 상기 연소 기관의 작동 효율이 나은, 전기기계,
- 전기 에너지 저장을 위한 저장 회로,
- 상기 저장 회로와 전기기계 간에 전기 에너지를 전달하기 위한 전자식 전력 변환기(electronic power converter), 및
- 상기 연소 기관과 전자식 전력 변환기를 제어하기 위한 제어 시스템을 포함한다.
상기 제어 시스템은, 상기 기계 부하장치에서 요구되는 파워가 상기 기설정된 파워 범위보다 높은 피크-부하(peak load) 상황인 경우, 전기 에너지를 상기 저장 회로로부터 상기 전기기계로 전달하도록 전자식 전력 변환기를 제어함으로써 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 상기 기설정된 파워 범위 내로 유지되도록 구성된다. 상기 제어 시스템은 또한 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 공급을 제한함으로써 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 소비가 증가하는 것을 제한하도록 구성된다. 상기 기설정된 파워 범위는 상기 연소 기관이 그것의 최적 작동 효율 또는 적어도 그 근처에서 작동하도록 하는 파워 범위인 것이 바람직하다.
연료 공급을 제한하면, 많은 연소 기관들이 회전 속도가 증가되는 피크-부하 상황에서는 그들의 연료 소비를 늘리는 내재적 특성이 보완된다. 가령, 회전 속도가 증가하는 일반적인 피크-부하 상황에서, 작동 행정(working stroke) 당 주입량이 일정하게 유지되거나 증가하면 디젤 엔진의 주입 펌프를 통해 흐르는 연료 유량이 증가한다. 작동 행정당 주입량을 줄이고, 피크-부하 상황 중에 전기기계의 도움을 받아 요구되는 추가 파워를 상기 저장 회로로부터 가져옴으로써, 그리고 상기 기계 부하장치에서 요구되는 파워가 상기 연소 기관이 그 최적 작동 효율 또는 적어도 그 근처에서 작동하는 파워 범위 미만일 때, 상기 저장 회로를 충전함으로써 상기 연료 소비의 시간 평균을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 새로운 작동 기계 또한 제공되는데, 이러한 새로운 작동 기계는 가령 트랙터, 버킷 충전기(bucket charger), 노면 고르는 기계(road drag), 굴착기, 불도저, 쇄석기, 또는 톱밥 제조기 일 수 있으나, 여기에 한정되지 않는다. 이러한 본 발명에 따른 작동 기계는,
- 연소 기관,
- 동력으로 구동되는 기능적 요소, 및
- 본 발명에 따른 전기기계 파워 전송 체인을 포함한다.
상기 전기기계 파워 전송 체인의 전기기계의 로터는 상기 연소 기관의 샤프트 및 상기 기능적 요소와 토크-전달식으로 연결되어 있다.
상술한 작동 기계의 기능적 요소는 가령 상기 작동 기계의 유압 시스템의 유압 펌프일 수 있다. 상기 유압 시스템은 가령 버킷 충전기의 버킷 또는 굴착기의 회전 베이스를 작동하는 유압 모터 등과 같은 작동 기계의 하나 이상의 엑추에이터(actuator)를 구동하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우, 상기 작동 기계는 상기 유압 시스템과 전기기계 파워 전송 체인 둘 다를 냉각시키도록 배열된 액체 냉각 시스템을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 새로운 방법 또한 제공되는데, 이러한 전기기계 파워 전송 체인 제어 방법은,
- 연소 기관의 샤프트 및 구동될 기계 부하장치와의 토크-전달식 연결(torque transfer connection)을 위한 로터(rotor)를 구비한 전기기계로서, 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 기설정 파워 범위보다 높을 때보다 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 기설정 범위 내에 있을 때 상기 연소 기관의 작동 효율이 나은 전기기계,
- 전기 에너지 저장을 위한 저장 회로, 및
- 상기 저장 회로와 전기기계 간에 전기 에너지를 전달하기 위한 전자식 전력 변환기(electronic power converter)를 포함한다.
본 발명에 따른 방법은,
- 상기 기계 부하장치에서 요구되는 파워가 기설정된 파워 범위보다 높은 피크-부하 상황인 경우, 전기 에너지를 상기 저장 회로로부터 상기 전기기계로 전달하도록 전자식 전력 변환기를 제어함으로써 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 상기 기설정된 파워 범위 내로 유지되도록 하는 단계, 및
- 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 공급을 제한함으로써 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 소비가 증가하는 것을 제한하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상술한 전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 새로운 컴퓨터 프로그램 또한 제공된다. 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 프로그램 가능한 처리 시스템을 제어하기 위한 컴퓨터에서 실행 가능한 명령어들을 포함하는데, 여기서 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 프로그램 가능한 처리 시스템이,
- 상기 기계 부하장치에서 요구되는 파워가 기설정된 파워 범위보다 높은 피크-부하 상황인 경우, 전기 에너지를 상기 저장 회로로부터 상기 전기기계로 전달하도록 전자식 전력 변환기를 제어함으로써 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 상기 기설정된 파워 범위 내로 유지되도록 제어하고, 및
- 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 공급을 제한함으로써 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 소비가 증가하는 것을 제한하도록 제어한다.
본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램 제품은 가령, 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램으로 부호화된 콤팩트 디스크("CD")와 같은 비활성 컴퓨터 독출 가능 매체를 포함한다.
본 발명의 예시적 및 비한정적 실시 예들 다수가 첨부된 종속항들에 기재되어 있다.
구성들 및 작동 방법들에 대한 본 발명의 다양한 예시적 및 비한정적 실시 예들 및 그에 대한 추가적인 물체들 및 이점들은 첨부된 도면을 참조로 했을 때 특정한 예시적 및 비한정적 실시 예들에 대한 아래의 설명으로부터 가장 잘 이해되어질 것이다.
본 명세서에서 사용된 "포함하다"라는 동사는 기재되지 않은 특징들의 존재 가능성을 배제하지도 요구하지도 않는 열린 표현이다. 종속항들에 기재된 특징들은 달리 명시되지 않는 한 상호 자유롭게 결합 가능하다. 또한, "하나의" 등의 단수 형태의 사용은 복수 형태의 존재 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해해야할 것이다.
이하, 본 발명의 예시적 및 비한정적 실시 예들 및 그 이점들을 예시적인 관점에서 및 첨부된 도면들을 참조로 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 전기기계 파워 전송 체인을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 방법의 흐름도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 작동 기계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 전기기계 파워 전송 체인을 개략적으로 도시한 도면이다. 이러한 전기기계 파워 전송 체인은 연소 기관(102)의 샤프트 및 구동될 기계 부하장치(103)와 토크-전달식으로 연결된 로터를 구비한 전기기계(101)를 포함한다. 상기 연소 기관(102)은 가령 디젤 엔진, 오토-사이클 엔진, 또는 터빈 엔진일 수 있다. 상기 전기기계(101)는 가령 전기적으로 여기된 동기기(synchronous machine), 영구 자석 동기기, 또는 유도기기(induction machine)일 수 있다. 상기 기계 부하장치(103)는 가령 유압 시스템의 유압 펌프일 수 있다. 도 1에 도시된 예시에서, 전기기계(101)의 로터는 연소 기관(102)의 샤프트와 기계 부하장치(103)에 직접 연결된다. 그러나, 전기기계와 연소 기관 사이 및/또는 전기기계와 기계 부하장치 사이에 기어(gear)가 있는 것도 가능하다. 전기기계 파워 전송 체인은 전기 에너지 저장을 위한 저장 회로(104)를 포함한다. 도 1에 도시된 예시에서, 저장 회로(104)는 정전 용량 회로(105)를 포함하는데, 이 정전 용량 회로(105)에 의해 저장된 전기 에너지(E)는 전압(UDC)의 제곱에 정비례한다. 즉, E = 1/2CUDC 2이다. 여기서, C는 정전 용량 회로(105)의 정전 용량이다. 정전 용량 회로(105)는 정전 용량 회로의 에너지 저장 용량을 늘리기 위해 전기이중층커패시터(electric double layer capacitor, "EDLC")(106)를 포함할 수 있다. EDLC는 종종 "슈퍼 커패시터(super capacitor)"라고도 불린다. 어떠한 경우, 저장 회로는 저장된 전기 에너지가 1/2LI2이고, L이 유도용량이고, I가 전류인 유도성 회로를 포함할 수 있다. 저장 회로(104)는 배터리 요소(107), 및 정전 용량 회로(105)와 배터리 요소(107) 간에 전기 에너지를 전달하기 위한 제어 가능한 직류 전압 변환기를 더 포함할 수 있다. 전기기계 파워 전송 체인은 저장 회로(104)와 전기기계(101) 간에 전기 에너지를 전달하기 위한 전자식 전력 변환기(109)를 포함한다. 전기기계 파워 전송 체인은 연소 기관(102)과 전자식 전력 변환기(109)를 제어하기 위한 제어 시스템(110)을 포함한다. 이러한 제어 시스템(110)은 전기기계(101)가 때론 저장 회로(104)를 충전하는 발전기로서 작동하고 때론 저장 회로(104)에서 전기 에너지를 공급받아 높은 기계 출력이 필요할 때 연소 기관(102)을 보조하는 모터로서 작동하도록 전자식 전력 변환기(109)를 제어하도록 구성된다. 제어 시스템(110)은 특히 기계 부하장치(103)에서 요구되는 파워가 연소 기관의 바람직한 파워 범위보다 높은 피크-부하 상황인 경우, 전기 에너지를 저장 회로(104)로부터 전기기계(101)로 전달하도록 전자식 전력 변환기(109)를 제어하도록 구성된다. 여기서 바람직한 파워 범위란 연소 기관(102)이 그 최적 작동 효율에서, 또는 적어도 그 근처에서 작동하는 파워 범위를 말한다. 바람직한 파워 범위는 일반적으로 연소 기관의 회전 속도에 따라 달라진다. 제어 시스템(110)은 피크-부하 상황 시 연소 기관의 연료 공급을 제한함으로써 피크-부하 상황 시 연소 기관의 연료 소비 증가를 제한하도록 구성된다. 상술한 작동 효율은 가령 연소 기관의 연료 소비에 대한 연소 기관의 동력의 비율로서 표현될 수 있다. 연료 소비는 가령 초당 그램으로 표현될 수 있다.
본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 전기기계 파워 전송 체인에서, 제어 시스템(110)은 피크-부하 상황 시 연소 기관(102)의 연료 공급을 중단하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 예시적 및 비한정적 실시 예에 따른 전기기계 파워 전송 체인에서, 제어 시스템(110)은 피크-부하 상황 시 연소 기관(12)이 그 최적 작동 효율에서 또는 적어도 그 근처에서 작동하는 바람직한 파워 범위 내의 연료 소비와 실질적으로 동일하도록 연소 기관(12)의 연료 소비를 제한하도록 구성된다.
도 1에 도시된 예시에서, 기계 부하장치(103)는 속도 기준 S_ref 및 토크에 따라 구동되는 것으로 추정되기 때문에 기계 부하장치(103)로 공급되는 동력은 기계 부하장치(103)의 특성들에 따라 결정된다. 기능적 블록(111)은 속도 기준 S_ref 및 회전 속도의 출력 신호 및/또는 위치 표시기(position indicator, 113)를 바탕으로 연소 기관(102)에 대한 제1 제어 신호 C_Eng 및 전자식 전력 변환기(109)에 대한 제2 제어 신호 C_EM을 생성한다. 가령, 기계 부하장치(103)로 들어가는 동력(mechanical power) P_load 이 기설정된 최소 및 최대값들 Pmin 및 Pmax 사이에 있을 때 전기기계에 의해 생성되는 동력 P_EM은 영(zero)이 되고, P_load > Pmax 일 때 P_EM = P_load - Pmax 이 되고, P_load < Pmin 일 때 P_EM = P_load - Pmin 이 되도록, 제어 신호 C_Eng 와 C_EM가 생성될 수 있다. 따라서, 높은 동력이 요구될 때, 즉 P_load > Pmax 인 경우에는, P_EM은 양수가 되고, 이에 따라 전기기계(101)는 모터로서 작동하고 연소 기관(102)을 보조하고, 낮은 동력만이 요구될 때, 즉 P_load < Pmin 인 경우, P_EM은 음수가 되고 이에 따라 전기기계(101)는 발전기로서 작동하고 저장 회로(104)를 충전한다. 기설정된 값들 Pmin 및 Pmax, 그리고 연소 기관(102)과 전기기계(101) 간의 동력 P_load의 분배는 회전 속도에 따라 달라지는 것이 바람직한데, 이는 연소 기관(102)의 바람직한 파워 범위가 일반적으로 회전 속도에 따라 달라지고 연소 기관(102)이 낮은 회전 속도에서 높은 동력을 생성할 역량이 제한적이기 때문이다. 또한, 동력의 분배는 배터리 요소(107)의 충전 상태 및/또는 저장 회로(104)의 전압(UDC)의 상태에 따라 달라지는 것이 바람직하다.
회전 속도가 증가하고 기계 부하장치(103)에서 요구되는 파워가 연소 기관(102)의 바람직한 파워 범위보다 높은 피크-부하 상황인 경우, 연소 기관(102)과 전기기계(101) 간의 동력 P_load 의 분배는, 연소 기관에 의해 생성된 동력 P_eng 이 최대 P_frozen 으로 제한되도록 이루어질 수 있다. 여기서, P_frozen 은 피크-부하 상황이 시작되기 직전의 연소 기관의 동력이다. 즉, 연소 기관의 동력은 최대 피크-부하 상황 이전의 수준으로 제한된다. 피크-부하 상황인 경우에 저장 회로(104)에서 충분한 양의 전기 에너지를 사용할 수 있을 때 이러한 연료 소비 감축 접근 방식을 사용할 수 있다. 그렇지 않으면, 피크-부하 상황과 관계된 파워 수요는 연소 기관(102)의 동력을 증가시킴으로써 충족되어야 한다.
도 1에 도시된 예시적 전기기계 파워 전송 체인은 또한 기계 부하장치(115)에 연결된 또 다른 전기기계(114)를 포함한다. 전기기계(114)는 토크 기준 T_ref 및 회전 속도의 출력 신호 및/또는 위치 표시기(117)를 바탕으로 전자식 전력 변환기(116)와 함께 제어된다. 따라서, 도 1에 도시된 예시적 전기기계 파워 전송 체인은 결합된 직병렬 파워 전송 체인으로서, 전기기계(101)는 연소 기관(102)과 기계 부하장치(103) 둘 다에 기계적으로 연결되고, 나머지 전기기계는 직렬 파워 전송 체인에서와 같은 방식으로 다른 기계 부하장치(115)를 구동하도록 구성된 것이다.
제어 시스템(110)은 하나 이상의 프로세서 회로와 함께 구현될 수 있고, 각각의 프로세스 회로는 적합한 소프트웨어, 또는 가령 주문형 집적 회로 (application specific integrated circuit "ASIC")와 같은 전용 하드웨어 프로세서, 또는 가령 필드 프로그램 가능 게이트 어레이 (field programmable gate array "FPGA") 등과 같은 설정 가능 하드웨어 프로세서가 제공된 프로그램 가능한 프로세서 회로일 수 있다. 또한, 제어 시스템(110)은 가령 임의 접근 기억 장치 (random-access memory "RAM") 회로 등과 같은 하나 이상의 기억 회로들을 포함할 수 있다.
도 2에서는 전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 방법의 흐름도를 도시한 것으로, 상기 전기기계 파워 전송 체인 제어 방법은,
-연소 기관의 샤프트 및 구동될 기계 부하장치와 토크-전달식으로 연결된 로터를 구비한 전기기계,
-전기 에너지 저장을 위한 저장 회로, 및
-상기 저장 회로와 전기기계 간의 전기 에너지 전달을 위한 전자식 전력 변환기를 포함한다.
상기 방법은 아래와 같은 동작을 포함한다.
- 동작(201): 상기 기계 부하장치에서 요구되는 파워가 상기 연소 기관의 기설정된 파워 범위보다 높은 피크-부하 상황인 경우, 전기 에너지를 상기 저장 회로로부터 상기 전기기계로 전달하도록 전자식 전력 변환기를 제어하는 단계, 및
- 동작(202): 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 공급을 제한함으로써 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 소비 증가를 제한하는 단계.
상기 기설정된 파워 범위는 상기 연소 기관이 그 최적 작동 효율에서 또는 그 근처에서 작동하는 파워 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 방법에서, 동작(202)은 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 공급을 중단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 예시적 및 비한정적 실시 예에 따른 방법에서, 동작(202)은 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 소비가 기설정된 파워 범위 내의 연료 소비와 실질적으로 동일하도록 제한하는 단계를 포함한다.
전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램은 상술한 본 발명의 예시적 실시 예들 중 어느 하나에 따른 방법을 수행하기 위해 프로그램 가능한 처리 시스템을 제어하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어들을 포함한다.
본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램은 전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 소프트웨어 모듈들을 포함하는데, 이러한 소프트웨어 모듈들은,
-연소 기관의 샤프트 및 구동될 기계 부하장치에 연결된 로터 샤프트를 구비한 전기기계,
-전기 에너지를 저장하기 위한 저장 회로, 및
-상기 저장 회로와 전기기계 간에 전기 에너지를 전달하기 위한 전자식 전력 변환기를 포함한다.
상기 소프트웨어 모듈들은,
-상기 기계 부하장치에서 요구되는 파워가 상기 연소 기관의 기설정된 파워 범위보다 높은 피크-부하 상황인 경우 전기 에너지를 상기 저장 회로로부터 상기 전기기계로 전달하도록 전자식 전력 변환기를 제어하고,
-상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 공급을 제한함으로써 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 소비 증가를 제한하도록, 프로그램 가능한 시스템을 제어하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어들을 포함한다.
상기 소프트웨어 모듈들은 가령 적합한 프로그래밍 언어 및 해당 프로그래밍 언어 및 프로그램 가능 처리 시스템에 적합한 컴파일러와 구현가능한 서브루틴들 또는 함수들일 수 있다. 주지할 사실은, 적합한 프로그래밍 언어에 상응하는 소스 코드 또한 컴퓨터 실행 가능 소프트웨어 모듈들을 나타낼 수 있다는 것인데, 이는 소스 코드가 상술한 동작들을 수행하기 위해 프로그램 가능한 처리 시스템을 제어하는데 필요한 정보를 포함하고 있고 컴파일링은 그러한 정보의 형식만 바꾸기 때문이다. 또한, 프로그램 가능한 처리 시스템에 번역기가 마련되는 경우에는 적합한 프로그래밍 언어로 구현된 소스 코드를 구동 전에 컴파일할 필요가 없게 된다.
본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램 제품은 상술한 소프트웨어 모듈들로 부호화된 콤팩트 디스크("CD") 등의 비활성 컴퓨터 독출 가능 매체를 포함한다.
본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 신호는 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨터 프로그램을 규정하는 정보를 포함하도록 부호화된다.
도 3에서는 본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 작동 기계(330)를 개략적으로 도시하고 있다. 이 경우, 상기 이동식 작동 기계는 버킷 충전기이나, 상기 작동 기계(330)는 트랙터, 노면 고르는 기계(road drag), 굴착기, 또는 그 외 작동 기계일 수 있다. 상기 작동 기계는 가령 디젤 엔진, 오토-사이클 엔진 또는 터빈 엔진 일 수 있는 연소 기관(302)을 포함한다. 상기 작동 기계는 전기기계(301), 전기 에너지 저장용 저장 회로(304), 및 상기 저장 회로(304)와 전기기계(301) 간에 전기 에너지를 전달하기 위한 전자식 전력 변환기(309)를 포함하는 전기기계 파워 전송 체인(331)을 포함한다. 이러한 전기기계 파워 전송 체인(331)은 또한 상기 연소 기관(302)과 전자식 전력 변환기(309)를 제어하기 위한 제어 시스템을 포함한다. 도 3에는 이러한 제어 시스템이 도시되어 있지 않다. 상기 전기기계(301)의 로터는 상기 연소 기관(302)의 샤프트 및 기능적 장치(303)와 토크-전달식으로 연결되어 있다. 이 예시에서, 상기 기능적 장치(303)는 상기 작동 기계의 유압 시스템(333)의 유압 펌프이다. 이러한 제어 시스템은 상기 기능적 장치(303)에서 요구되는 파워가 상기 연소 기관(302)의 바람직한 파워 범위, 즉 상기 연소 기관이 그 최적 작동 효율에서 또는 적어도 그 근처에서 작동하는 파워 범위보다 높은 피크-부하 상황인 경우 전기 에너지를 상기 저장 회로(304)로부터 상기 전기기계(301)로 상기 전자식 전력 변환기(309)가 전달하도록 제어하도록 구성된다. 상기 제어 시스템은 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관(302)의 연료 공급을 제한함으로써 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 소비 증가를 제한하도록 구성된다.
도 3에 도시된 예시적 작동 기계에서, 상기 전기기계 파워 전송 체인(331)은 상기 작동 기계의 바퀴들의 허브(hub)에 전기기계들을 더 포함한다. 도 3에서, 두 개의 바퀴들은 참조 부호 312a 와 312b로 표시되어 있고, 상기 바퀴들의 허브에 있는 두 개의 전기기계들은 참조 부호 311a 와 311b로 표시되어 있다. 전기기계 구동부는 저장 회로(304)의 직류 전압을, 전기기계들이 바퀴들을 구동하기에 적합한 진폭과 주파수들을 갖는 전압으로 변환하도록 구성된 전력 변환기(332)를 포함한다. 이러한 전력 변환기(332)는 바퀴를 구동하는 전기기계들에 대해 각각 별도의 변환 단계를 가짐으로써 각각의 전기기계가 개별적으로 제어되도록 할 수도 있고, 바퀴를 구동하는 모든 전기기계들이 하나의 동일한 변환 단계로 연결되어 모든 전기기계들이 하나의 그룹으로서 제어될 수도 있다. 상기 작동 기계의 전기기계 파워 전송 체인(331)은 결합된 직병렬 파워 전송 체인으로서, 전기기계(310)는 연소 기관(302)과 기능적 장치(303) 둘 다에 기계적으로 연결되고, 다른 전기기계들은 직렬 파워 전송 체인에서와 마찬가지로 바퀴들을 구동하도록 구성된다.
본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 이동식 작동 기계는 전기기계 파워 전송 체인(331)을 냉각시키도록 배열된 액체 냉각 시스템(334)을 포함한다.
본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 이동식 작동 기계에서, 상기 액체 냉각 시스템(334)은 전기기계 파워 전송 체인(331)을 냉각시키고, 유압 시스템(333)과 연소 기관(302) 중 하나 또는 둘 다를 냉각시키도록 구성된다.
본 발명의 예시적 및 비한정적 일 실시 예에 따른 이동식 작동 기계에서, 저장 회로(304)는 연소 기관(302) 및 저장 회로(304)의 정전 용량 회로로부터 가져올 수 있는 최대 파워를 초과하는 피크 파워 수요에 대응하도록 배열된 배터리 요소를 포함한다. 이러한 배터리 요소는 가령 제어 가능한 직렬 전압 변환기의 도움으로 상기 정전 용량 회로에 연결될 수 있다.
상술한 설명에 기재된 비한정적 특정 예시들은 첨부한 청구항들의 범위 및/또는 적용 가능성을 한정하기 위한 목적으로 해석되어져서는 안된다. 또한, 본 명세서에 제시된 모든 예시들의 리스트 및 그룹은 달리 명시되어 있지 않은 한 하나도 빠뜨리지 않은 완전한 리스트 및 그룹이 아니다.

Claims (13)

  1. 전기기계 파워 전송 체인으로서,
    - 연소 기관의 샤프트 및 구동될 기계 부하장치와의 토크-전달식 연결(torque transfer connection)을 위한 로터(rotor)를 구비한 전기기계(101)로서, 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 기설정 파워 범위보다 높을 때보다 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 상기 기설정 파워 범위 내에 있을 때 상기 연소 기관의 작동 효율이 나은, 전기기계(101),
    - 전기 에너지를 저장하는 저장 회로(104),
    - 상기 저장 회로와 전기기계 간에 전기 에너지를 전달하는 전자식 전력 변환기(electronic power converter, 109), 및
    - 상기 연소 기관과 전자식 전력 변환기를 제어하는 제어 시스템(110)을 포함하고,
    상기 제어 시스템은, ⅰ) 상기 기계 부하장치에서 요구되는 파워가 상기 기설정 파워 범위보다 높고, 그리고 ⅱ) 회전 속도가 증가하는 피크-부하 상황인 경우, 전기 에너지를 상기 저장 회로로부터 상기 전기기계로 전달하도록 전자식 전력 변환기를 제어함으로써 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 상기 기설정 파워 범위 내로 유지되도록 구성되고,
    상기 제어 시스템은 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 작동 행정당 주입량을 줄임으로써 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 소비 증가를 제한하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기기계 파워 전송 체인.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 공급을 중단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기기계 파워 전송 체인.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 피크-부하 상황 시, 상기 연소 기관의 연료 소비를 상기 기설정된 파워 범위 내의 연료 소비와 실질적으로 동일하도록 제한하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기기계 파워 전송 체인.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저장 회로(104)는 정전 용량 회로(105)를 포함하고, 상기 정전 용량 회로(105)에 의해 저장된 전기 에너지는 상기 정전 용량 회로의 전압의 제곱에 정비례하는 것을 특징으로 하는 전기기계 파워 전송 체인.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정전 용량 회로는 전기이중층커패시터(106)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계 파워 전송 체인.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 저장 회로는 배터리 요소(107) 및, 상기 정전 용량 회로와 배터리 요소 간에 전기 에너지를 전달하기 위한 제어 가능한 직류 전압 변환기(108)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계 파워 전송 체인.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 저장 회로는 배터리 요소(107) 및, 상기 정전 용량 회로와 배터리 요소 간에 전기 에너지를 전달하기 위한 제어 가능한 직류 전압 변환기(108)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계 파워 전송 체인.
  8. 작동 기계(330)로서,
    - 연소 기관(302),
    - 기계 동력으로 구동되는 기능적 요소(303), 및
    - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 전기기계 파워 전송 체인(331)을 포함하고,
    상기 파워 전송 체인의 전기기계(301)의 로터는 상기 연소 기관의 샤프트 및 상기 기능적 요소와 토크-전달식으로 연결된 것을 특징으로 하는 작동 기계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 작동 기계는 유압 시스템(333)을 포함하고, 상기 기능적 요소(303)는 상기 유압 시스템의 유압 펌프인 것을 특징으로 하는 작동 기계.
  10. 전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 방법으로서,
    - 연소 기관의 샤프트 및 구동될 기계 부하장치와 토크-전달식으로 연결된 로터를 구비한 전기기계로서, 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 기설정 파워 범위보다 높을 때보다 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 상기 기설정 파워 범위 내에 있을 때 상기 연소 기관의 작동 효율이 나은, 전기기계,
    - 전기 에너지를 저장하는 저장 회로, 및
    - 상기 저장 회로와 전기기계 간에 전기 에너지를 전달하는 전자식 전력 변환기를 포함하고,
    상기 방법은 ⅰ) 상기 기계 부하장치에서 요구되는 파워가 상기 기설정 파워 범위보다 높고, 그리고 ⅱ) 회전 속도가 증가하는 피크-부하 상황인 경우, 전기 에너지를 상기 저장 회로로부터 상기 전기기계로 전달하도록 전자식 전력 변환기를 제어함으로써 상기 연소 기관에 의해 생산된 파워가 상기 기설정 파워 범위 내로 유지되도록 하는 단계(201)를 포함하고,
    상기 방법은 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 작동 행정당 주입량을 줄임으로써, 상기 연소 기관의 연료 공급을 제한하여, 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 소비 증가를 제한하는 단계(202)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 방법은 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 공급을 중단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 방법은 상기 피크-부하 상황 시 상기 연소 기관의 연료 소비를 상기 기설정된 파워 범위 내의 연료 소비와 실질적으로 동일하도록 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계 파워 전송 체인을 제어하기 위한 방법.
  13. 프로그램 가능한 처리 시스템에서 구동되는, 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 제품을 저장하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체.


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