KR101988052B1 - 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법 - Google Patents

하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 하이브리드 굴삭기 또는 차량과 같이 엔진과 전기모터를 공통으로 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장장치가 있는 하이브리드 건설기계에서 일반적인 하이브리드 건설기계에서 사용되었던 시동 모터와, 배터리 충전을 위한 얼터네이터(Alternator)를 생략함으로써, 엔진 부하 경감으로 엔진 효율 향상을 도모할 수 있는, 하이브리드 건설 기계용 전원 공급 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.

Description

하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법{ELECTRICAL SOURCE SUPPLYING APPARATUS FOR HYBRID CONSTRUCTION EQUIPMENT AND METHOD THEREOF}
본 발명은 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 하이브리드 굴삭기 또는 차량과 같이 엔진과 전기모터를 공통으로 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장장치가 있는 하이브리드 건설기계에서 일반적인 하이브리드 건설기계에서 사용되었던 시동 모터와, 배터리 충전을 위한 얼터네이터(Alternator)를 생략함으로써, 엔진 부하 경감으로 엔진 효율 향상을 도모할 수 있는, 하이브리드 건설 기계용 전원 공급 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근에는 유가의 급격한 상승과 함께 엔진의 잉여 동력을 배터리에 저장하고 엔진의 부족한 동력을 배터리로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 같이, 엔진과 전기 모터를 공통 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장 장치가 있는 시스템을 하이브리드 시스템이라 한다. 예를 들어, 하이브리드 시스템에는 하이브리드 자동차 및 굴삭기와 같은 중장비용 하이브리드 시스템이 있다.
한편, 일반적인 굴삭기 시스템은 엔진을 동력원으로 하여 유압이라는 매개체를 통해서 최종 부하인 붐, 암 및 버켓을 구동하고, 선회시키거나 주행시키는 동작을 수행한다. 이와 달리, 하이브리드 굴삭기 시스템은 일반적인 굴삭기에 2개의 모터와 전기저장 장치를 추가로 설치함으로써, 굴삭기 시스템의 전체효율을 향상시킬 수 있다. 하이브리드 굴삭기 시스템에 추가되는 주요부품은 모터, 전기 저장 장치, 인버터 및 컨버터를 포함한다. 여기서, 전기 저장 장치는 배터리(Battery) 및 울트라 커패시터(Ultra-Capacitor, UC)를 포함한다.
도 1a는 종래의 유압식 굴삭기 시스템을, 도 1b는 종래의 하이브리드 굴삭기 시스템을 도시하고 있다.
도 1b의 하이브리드 굴삭기 시스템의 경우 엔진 이외에 전기 모터를 동력원으로 추가로 사용하므로 전기 모터 구동 및 전기 에너지 저장에 관련된 구성, 즉 엔진 보조모터(103), 엔진 보조모터 인버터(130), 선회 모터(104), 선회 모터 인버터(140), DC 링크 커패시터(150), 전기 에너지 저장을 위한 울트라 커패시터(105) 및 울트라 커패시터(105)에 전기 에너지 공급을 위한 UC 컨버터(160)가 추가되었다는 점을 제외하고 기본적인 구성은 동일하다.
즉, 양 시스템 공통적으로 엔진(30) 시동을 위한 시동 모터(10)와, 굴삭기 전기 시스템(106)에 전기 에너지를 공급하기 위한 배터리(101)의 충전을 위한 얼터네이터(20)의 장착이 필수적으로 요구된다.
한편, 종래의 하이브리드 굴삭기의 경우, 전기 에너지 저장을 위한 울트라 커패시터에 전기 에너지를 공급하기 위한 수단으로 울트라 커패시터 컨버터를 사용하는 컨버터 방식(도 2a)과, 컨버터를 생략하고 대신 초기 충전부를 활용하는 컨버터리스(Converter Less) 방식(도 2b)의 2가지 방식이 존재한다.
도 2a는 컨버터 방식을, 도 2b는 컨버터리스 방식을 각각 도시하고 있다.
먼저, 도 2a의 컨버터 방식에 따른 하이브리드 굴삭기 시스템의 전력 공급 장치(100)는 스위칭 모드 전원 공급부(110), 로직 제어 보드(120), 엔진 보조 모터 인버터(130), 선회 모터 인버터(140), DC 링크 커패시터(150) 및 DC-DC 컨버터인 울트라 커패시터 컨버터(160)를 포함한다. 여기서, 스위칭 모드 전원공급부(110), 로직 제어 보드(120), 엔진 보조 모터 인버터(130), 선회 모터 인버터(140) 및 울트라 커패시터 컨버터(160)는 각각 제어 보드용 배터리(101), 굴삭기 전기 장치(102), 엔진 보조 모터(103), 선회 모터(104) 및 울트라 커패시터(105)와 연결되어 있다.
스위칭 모드 전원공급부(SMPS: Switched-Mode Power Supply)(110)는 제어 보드용 배터리(101)와 연결되어 로직 제어 보드(120)에 전원을 공급한다.
로직 제어 보드(120)는 울트라 커패시터(105)의 전압 및 DC 링크 커패시터(150)의 전압을 센싱하고 초기 구동 로직을 제어하는 기능을 수행한다.
엔진 보조 모터 인버터(130)는 엔진 보조 모터(103)에 의해 DC 링크 커패시터(150)를 충전시키는 기능을 수행한다. 여기서, 엔진 보조 모터(103)는 엔진(30)과 직접적으로 연결되어 있으며, 엔진 구동시 엔진(30)과 같은 회전수(rpm)로 회전한다.
선회 모터 인버터(140)는 울트라 커패시터(105)의 전력 컨텍터가 온(ON) 상태가 되면, 충전된 전압에 따라 선회 모터(104)를 구동시키는 기능을 수행한다. 여기서, 선회 모터(104)는 굴삭기의 선회 동작에 필요한 동력을 발생시킨다.
DC 링크 커패시터(150)는 엔진 보조 모터 인버터(130)에 의해 변환된 DC 전압을 충전한다. DC 링크 커패시터(150)는 울트라 커패시터 컨버터(160)와 연결되어 있다.
울트라 커패시터 컨버터(160)는 DC 링크 커패시터(150)에 저장된 전기 에너지를 이용하여 울트라 커패시터(105)를 충전시키는 기능을 수행한다. 울트라 커패시터 컨버터(160)는 DC 링크 커패시터(150)와 울트라 커패시터(105) 사이에 연결되어 있다. 여기서, 울트라 커패시터(105)는 울트라 커패시터(105)에 의해 변환된 전압으로 충전된다.
이와 같은 구성을 가진 DC-DC 컨버터를 구비한 전력 변환 장치(100)는 모터를 구동하는 인버터(예컨대, 엔진 보조 모터 인버터(130) 및 선회 모터 인버터(140))와 울트라 커패시터를 구동하는 컨버터(예컨대, 울트라 커패시터 컨버터(160))를 포함한다. 여기서, 울트라 커패시터 컨버터(160)는 울트라 커패시터(105)에 충전할 DC 링크의 전압을 변환하는 과정에서 동작 손실을 수반한다.
그러나 울트라 커패시터 컨버터(160)의 존재로 인해 울트라 커패시터(105)에 충전할 DC 링크의 전압을 변환하는 과정에서 동작 손실이 발생하고, 전력 변환 장치(100)의 크기가 비대해 지며, 과다한 비용이 발생하는 등의 문제점이 발생하였고, 이를 해결하기 위해 도 2b와 같이 울트라 커패시터 컨버터(160)를 생략한 컨버터리스(Converter Less) 전력 변환 장치가 제안되었다.
도 2b를 참조하면, 컨버터리스(Converter Less) 전력 변환 장치는 도 2a의 컨버터 방식과 나머지 구성은 동일하고, 울트라 커패시터 컨버터(160)를 생략하는 대신 DC 링크 커패시터(250)와 울트라 커패시터(105) 사이에 초기 충전부(260)를 마련하여 울트라 커패시터(105)를 충전하도록 한다는 점이 상이하다. 또한, 울트라 커패시터(105)의 전압을 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 일치시키기 위해 초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270) 및 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)를 마련하여, 울트라 커패시터(105)는 초기 충전 제어부(220)에 의해 제어되는 초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270) 및 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)의 동작에 따라, 울트라 커패시터(105)의 전압을 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 일치시키도록 한다. 이러한 컨버터리스 방식의 경우 컨버터의 존재로 인한 문제점(비용, 크기 등 감소)을 개선하였다.
그러나 도 2a의 컨버터 방식 및 도 2b의 컨버터 리스 방식 모두 엔진시동을 위한 시동모터와 배터리 충전을 위한 얼터네이터의 장착이 필수적이라는 문제점은 공통적으로 존재한다(도 1b 참조). 즉, 시동모터는 고가이고, 얼터네이터를 통해 배터리의 충방전을 반복하므로 손실되는 에너지가 발생하며, 시동시 배터리에 대전류가 출력되므로 배터리의 수명이 단축되고, 얼터네이터의 존재로 인해 엔진 효율이 떨어지는 문제가 있으며 이를 개선할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명은 하이브리드 건설기계에 있어서 엔진 시동을 위한 시동 모터와, 배터리 충전을 위한 얼터네이터를 제거하면서도 효율적으로 전원을 공급할 수 있는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이상의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법은 엔진 시동을 위한 시동모터와, 배터리 충전을 위한 얼터네이터를 제거함으로써 함으로써 원가 절감을 도모하고, 엔진 동작 효율을 향상시키며, 배터리의 충방전 과정 없이 전기 시스템에 전기 에너지 공급을 가능하게 함으로써 에너지 절감 효과를 도모하였다.
즉, 엔진 시동을 위해 사용되던 시동모터를 제거하는 대신 엔진 보조 모터를 이용하여 엔진 시동을 수행하도록 하였다. 또한, 엔진 보조 모터에서 발생한 에너지를 저장한 제1 축전 수단(DC 링크 커패시터)에 직접 연결된 전력 변환 장치(DC/DC 컨버터)를 마련하여 얼터네이터 없이 배터리 충전을 수행함과 동시에 배터리 대신 전력 변환 장치(DC/DC 컨버터)가 전기 시스템에 에너지를 공급하도록 하였다.
보다 구체적으로, 본 발명은 엔진과, 부하 모터와, 배터리와, 전기 시스템을 구비한 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치에 있어서, 상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 엔진을 시동하는 엔진 보조 모터; 상기 엔진 보조 모터와 연결된 제1 인버터와 상기 부하 모터에 연결된 제2 인버터 사이에 위치하고 발생된 전기 에너지를 축적하는 제1 축전 수단; 상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제1 축전 수단을 통해 상기 엔진 보조 모터로 전기 에너지를 공급하는 제2 축전 수단; 상기 제2 축전 수단에 연결된 컨버터와 상기 배터리 사이에 위치하고, 상기 제1 축전 수단과 상기 전기 시스템과 연결되어 전력을 변환하는 전력 변환 수단; 및 상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 전기 에너지를 이용하여 상기 제2 축전 수단을 축전시키고, 상기 하이브리드 건설기계의 정상 동작시 상기 제1 축전 수단에 축적된 전기 에너지를 상기 전기 시스템으로 공급하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 상기 하이브리드 건설기계의 시동시 제2 축전 수단의 전압을 확인하는 전압 확인 단계; 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우 배터리의 전기 에너지를 이용하여 상기 제2 축전 수단을 축전시키는 축전 단계; 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상이 되면 상기 제2 축전 수단으로부터 엔진 보조 모터로 전기 에너지를 공급하여 엔진을 시동시키는 시동 단계; 및 상기 하이브리드 건설기계의 정상 동작시 제1 축전 수단에 축적된 전기 에너지를 전기 시스템으로 공급하는 정상 동작 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법은 엔진 시동을 위한 시동모터와, 배터리 충전을 위한 얼터네이터를 제거함으로써 함으로써 원가 절감을 도모하고, 엔진 동작 효율을 향상시키며, 배터리의 충방전 과정 없이 전기 시스템에 전기 에너지 공급을 가능하게 함으로써 에너지 절감 효과를 도모하였다.
즉, 엔진 시동을 위해 사용되던 시동모터를 제거하는 대신 엔진 보조 모터를 이용하여 엔진 시동을 수행하도록 하였다. 또한, 엔진 보조 모터에서 발생한 에너지를 저장한 제1 축전 수단(DC 링크 커패시터)에 직접 연결된 전력 변환 장치(DC/DC 컨버터)를 마련하여 얼터네이터 없이 배터리 충전을 수행함과 동시에 배터리 대신 전력 변환 장치(DC/DC 컨버터)가 전기 시스템에 에너지를 공급하도록 하였다.
도 1a는 종래의 유압식 굴삭기 시스템 구성도.
도 1b는 종래 하이브리드 굴삭기 시스템 구성도.
도 2a는 종래 컨버터 방식에 따른 하이브리드 굴삭기 시스템의 상세도.
도 2b는 종래 컨버러 리스(Converter Less) 방식에 따른 하이브리드 굴삭기 시스템의 상세도.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치의 개념도.
도 4a는 본 발명에 따른 컨버터 방식 하이브리드 굴삭기 시스템의 상세도.
도 4b는 본 발명에 따른 컨버러 리스(Converter Less) 방식 하이브리드 굴삭기 시스템의 상세도.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치에서의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 장치의 동작 모드별 작동 상태를 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치의 개념도이다. 도 3의 장치를 도 1b의 종래의 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치와 비교할 때 차이점은 기존의 시동 모터(10)와 얼터네이터(20)가 제거되었다는 점이다. 즉, 엔진 시동을 위해 사용되던 시동 모터(10)를 제거하는 대신 엔진 보조 모터(103)를 이용하여 엔진 시동이 수행되도록 하는 점이다.
또한, 엔진 보조 모터(103)에서 발생한 에너지를 저장한 제1 축전 수단(DC 링크 커패시터, 150)은 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)과 직접 연결된다. 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)은 얼터네이터 대신 배터리(101) 충전을 수행함과 동시에, 배터리(101) 대신 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)이 전기 시스템(106)에 에너지를 공급한다.
또한, 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치는 스위칭 수단(291)은 하이브리드 건설기계의 시동시 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에만 배터리(101)와 제2 축전 수단(105)을 통전시켜 배터리(101)에 의해 제2 축전 수단(105)을 충전시키도록 한다.
또한, 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치는 전류 제어 수단(다이오드, 292)을 구비할 수도 있는데, 전류 제어 수단(292)은 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)이 고장인 경우 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290) 대신 배터리(101)가 전기 시스템(106)에 전기 에너지를 공급하도록 한다.
이하, 도 4a 및 도 4b를 참조로 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다. 종래 기술과 동일한 내용에 대해서는 구체적인 설명을 생략하고 상이한 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 4a는 컨버터 방식에 대한 본 발명의 실시예이고, 도 4b는 컨버터 리스(Converter Less) 방식에 대한 본 발명의 실시예이다.
도 4a의 컨버터 방식의 경우 도 2a에 도시된 종래의 컨버터 방식과 상이한 점은 종래의 시동 모터(10) 및 얼터네이터(20)가 생략되었다는 것이다.
즉, 엔진 시동을 위해 사용되던 시동모터(10)를 제거하는 대신 엔진 보조 모터(103)를 이용하여 엔진 시동을 수행하도록 한다.
또한, 기존의 컨버터 방식과 상이한 점은 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)을 마련했다는 점이다. 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)은 엔진 보조 모터(103)에서 발생한 에너지를 저장한 제1 축전 수단(DC 링크 커패시터, 150)에 직접 연결되어 있다. 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)은 얼터네이터 대신 배터리(101) 충전을 수행함과 동시에, 배터리(101) 대신 전기 시스템(106)에 에너지를 공급한다.
또한, 스위칭 수단(291)은 하이브리드 건설기계의 시동시 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에만 배터리(101)와 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)을 통전시켜 배터리(101)에 의해 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)을 충전시키도록 한다.
한편, 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상인 경우에는 스위칭 수단(291)은 오픈되고, 그 대신 제2 축전 수단(105)이 엔진 보조 모터(103)에 전기 에너지를 공급하여 엔진을 시동하도록 한다.
이상의 제어는 제어부(280)에 의해 수행된다. 즉, 제어부(280)는 시동시 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에는 배터리(101)로부터 제2 축전 수단(105)에 충전 에너지를 공급시키도록 하고, 제2 축전 수단(105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상이 되면 제2 축전 수단(105)으로부터 엔진 보조 모터(103)에 전기 에너지를 공급하여 엔진(30)을 시동하도록 제어한다.
도 4b의 컨버터 리스 방식의 경우에도 도 2b에 도시된 종래의 컨버터 리스 방식과 상이한 점은 종래의 시동 모터 및 얼터네이터가 생략되었다는 점이다.
전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)은 엔진 보조 모터(103)에서 발생한 에너지를 저장한 제1 축전 수단(DC 링크 커패시터, 150)에 직접 연결되어 있다. 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)은 얼터네이터 대신 배터리(101) 충전을 수행함과 동시에, 배터리(101) 대신 전기 시스템(106)에 에너지를 공급한다는 점은 도 4a의 컨버터 방식과 유사하다.
또한, 스위칭 수단(291)은 하이브리드 건설기계의 시동시 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에만 배터리(101)와 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)을 통전시켜 배터리(101)에 의해 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)을 충전시키도록 한다.
한편, 도 4b의 컨버터 리스 방식의 경우에는 도 4a의 컨버터 방식과 달리 전류 제어 수단(다이오드, 292)을 더 구비할 수 있다. 전류 제어 수단(292)은 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)이 고장인 경우 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290) 대신 배터리(101)가 전기 시스템(106)에 전기 에너지를 공급하도록 한다.
대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC)(280-1)의 동작에 따라, 울트라 커패시터(105)의 전압을 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 일치시키도록 한다.
이상의 제어는 제어부(280)에 의해 수행된다. 즉, 제어부(280)는 시동시 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에는 배터리(101)로부터 제2 축전 수단(105)에 충전 에너지를 공급시키도록 하고, 제2 축전 수단(105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상이 되면 제2 축전 수단(105)으로부터 엔진 보조 모터(103)에 전기 에너지를 공급하여 엔진(30)을 시동하도록 제어한다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치에서의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
초기에 운전자가 Key On을 하면(S10), 제어부(280)는 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 충전 상태를 확인한다(S20).
상기 확인 결과(S20), 제어부(280)는 울트라 커패시터(105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 최소 전압인 기준 전압 이상이면, 울트라 커패시터(105)의 에너지가 엔진(30)을 시동하기에 충분한 경우에는 바로 엔진 시동 모드로 진행하여 울트라 커패시터(105)의 전원을 이용하여 엔진(30)을 시동한다(S40).
반면, 상기 확인 결과(S20), 제어부(280)는 울트라 커패시터(105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 최소 전압인 기준 전압보다 낮은 경우에는 배터리(101)의 에너지를 이용하여 울트라 커패시터(105)를 충전한 후(S30), 울트라 커패시터(105)의 충전 상태를 확인하는 S20 과정을 다시 수행한다. 그리고 제어부(280)는 울트라 커패시터(105)의 전압이 기준 전압에 도달하면 엔진 시동 모드로 진행한다(S40).
한편, 제어부(280)는 엔진(30)이 시동되면 DC 링크 커패시터(150, 250)에 저장된 에너지를 DC/DC 컨버터(290)를 이용하여 전기 시스템(106)에 필요한 +24 전원을 공급하고(S50), 굴삭기를 정상 동작시킨다(S60).
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 장치의 동작 모드별 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도시된 것과 같이 본 발명에 따른 전원 공급 장치는 울트라 커패시터(UC) 충전 모드(도 6a, 도 7a), 엔진 시동 모드(도 6b), 정상 동작 모드(도 6c, 도 7b) 배터리 충전 모드(도 7c) 및 고장 모드(도 7d)의 총 5가지의 동작 모드가 존재한다.
도 6a 및 도 7a을 참조하여 울트라 커패시터(UC) 충전 모드를 살펴보기로 한다.
도 6a 및 도 7a는 울트라 커패시터(UC) 충전 모드로서, 초기 시동시 울트라 커패시터(UC)가 방전되어 엔진 시동에 필요한 최소 전압인 기준 전압보다 낮은 경우, 스위칭 수단(291)이 ON되고, 배터리(101)의 에너지를 이용하여 DC/DC 컨버터(290) 및 DC 링크(150)를 통해 UC 컨버터를 거쳐 울트라 커패시터를 충전한다.
도 6b를 참조하여 엔진 시동 모드를 살펴보기로 한다.
도 6b는 엔진 시동 모드로서, 울트라 커패시터의 전압이 기준 전압 이상인 경우, 엔진 시동을 위하여 울트라 커패시터의 에너지를 이용하여 UC 컨버터 및 DC 링크를 통해 인버터 및 발전기로 전력을 공급하고 공급된 전력을 통해 엔진(30)을 회전시켜 엔진 시동을 수행한다.
도 6c 및 도 7b를 참조하여 정상 동작 모드를 살펴보기로 한다.
도 6c 및 도 7b는 엔진 시동이 이루어진 후의 정상 동작 모드이다. 정상 동작 모드에서는 스위칭 수단(291)이 OFF되고, DC 링크(150)의 에너지가 DC/DC 컨버터(290)를 거쳐 필요한 전압(+24V)으로 변환된 후 전기 시스템(106)에 필요한 전원을 발생 및 공급한다.
도 7c를 참조하여 배터리 충전 모드를 살펴보기로 한다.
도 7c는 배터리 충전 모드로서, 스위칭 수단(291)이 ON되어, DC 링크 커패시터(150)에 저장된 에너지가 DC/DC 컨버터(290)를 거쳐 필요한 전압(+24V)으로 변환된 후 배터리(101)를 필요 전압(+24V)으로 충전한다.
도 7d를 참조하여 고장 모드를 살펴보기로 한다.
도 7d는 고장 모드로서, DC/DC 컨버터(290)에 고장이 발생한 경우이다. 이 경우에는 DC/DC 컨버터(290) 대신 전류 제어 수단(292)을 통해 자동적으로 배터리(101)의 에너지가 전기 시스템(106)에 공급된다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
10: 시동 모터 30: 엔진
20: 얼터네이터 101: 배터리
106: 전기 시스템 103: 엔진 보조 모터
280: 제어부 130: 엔진 보조 모터 인버터
150: DC 링크 140: 선회 모터 인버터
104: 선회 모터 160: 울트라 커패시터 컨버터
105: 울트라 커패시터 290: DC/DC 컨버터
291: 스위칭 수단 292: 다이오드

Claims (6)

  1. 엔진과, 부하 모터와, 배터리와, 전기 시스템을 구비한 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치에 있어서,
    상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 엔진을 시동하고, 상기 엔진의 동력을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 엔진 보조 모터;
    상기 엔진 보조 모터와 연결된 제1 인버터와 상기 부하 모터에 연결된 제2 인버터 사이에 위치하고 상기 엔진 보조 모터에서 발생된 상기 전기 에너지를 축적하는 제1 축전 수단;
    상기 제1 축전 수단을 통해 상기 엔진 보조 모터에 연결되어 상기 엔진 보조 모터에서 발생된 상기 전기 에너지를 상기 제1 축전 수단을 통해 전달받아 축전하며, 상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제1 축전 수단으로부터 상기 엔진 보조 모터로 공급될 전기 에너지를 상기 제1 축전 수단으로 공급하는 제2 축전 수단;
    상기 제2 축전 수단에 연결된 컨버터와 상기 배터리 사이에 위치하고, 상기 제1 축전 수단과 상기 전기 시스템과 연결되어 전력을 변환하는 전력 변환 수단; 및
    상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 전기 에너지를 이용하여 상기 제2 축전 수단을 축전시키고, 상기 하이브리드 건설기계의 정상 동작시 상기 제1 축전 수단에 축적된 전기 에너지를 상기 전기 시스템으로 공급하는 제어부
    를 포함하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에는 상기 배터리로부터 상기 제2 축전 수단에 충전 에너지를 공급시키도록 상기 전력 변환 수단을 제어하고, 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상이 되면 상기 제2 축전 수단으로부터 상기 엔진 보조 모터로 전기 에너지를 공급하여 엔진을 시동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에만 상기 배터리와 상기 제2 축전 수단을 통전시켜 상기 배터리에 의해 상기 제2 축전 수단을 충전시키도록 하는 스위칭 수단
    을 더 포함하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환 수단이 고장인 경우 상기 전력 변환 수단 대신 상기 배터리로부터 상기 전기 시스템에 전기 에너지를 공급하도록 하는 전류 제어 수단
    을 더 포함하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치.
  5. 제1항에 기재된 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치를 이용한 전원 공급 방법으로서,
    상기 하이브리드 건설기계의 시동시 제2 축전 수단의 전압을 확인하는 전압 확인 단계;
    상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우 배터리의 전기 에너지를 이용하여 상기 제2 축전 수단을 축전시키는 축전 단계;
    상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상이 되면 상기 제2 축전 수단으로부터 엔진 보조 모터로 전기 에너지를 공급하여 엔진을 시동시키는 시동 단계; 및
    상기 하이브리드 건설기계의 정상 동작시 제1 축전 수단에 축적된 전기 에너지를 전기 시스템으로 공급하는 정상 동작 단계
    를 포함하는 것을 특징을 하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    전력 변환 수단이 고장인 경우 상기 전력 변환 수단 대신 상기 배터리로부터 상기 전기 시스템에 전기 에너지를 공급하는 고장 대응 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 방법.
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