KR102149155B1

KR102149155B1 - 건설기계의 에너지 회생 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR102149155B1
Application number: KR1020160153992A
Authority: KR
Inventors: 나진규
Original assignee: 현대건설기계 주식회사
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2020-08-28
Also published as: KR20180056136A

Abstract

본 발명은 건설기계의 에너지 회생 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
시스템은 건설기계의 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 회생하여 재사용하기 위한 에너지 회생 시스템으로서, 붐 다운 동작시 중력에너지에 의해 유량이 공급되는 제1 유압라인; 제1 유압라인과 연결되어 붐 다운 동작시 발생하는 유압을 저장하는 어큐뮬레이터; 어큐뮬레이터에서 방출되는 유량을 제어하는 제2 유압라인; 및 제2 유압라인과 연결되어 어큐뮬레이터에 저장된 유압으로 엔진 토크를 어시스트하는 유압모터를 포함하며, 어큐뮬레이터의 압력 상태를 기반으로 제2 유압라인을 통한 유량 방출 시점을 조절한다.
이에 따라, 어큐뮬레이터에 저장된 붐 다운 중력에너지를 적절한 시점에 재사용하여 에너지의 회생 비율을 높이고 에너지 효율을 극대화할 수 있으며, 에너지 회생으로 어시스트 되는 토크를 제어하여 시스템 안정성을 확보할 수 있다.

Description

건설기계의 에너지 회생 시스템 및 그 방법{ENERGY RECOVERY SYSTEM FOR CONSTRUCTION EQUIPMENT AND METHOD THEREOF}

본 발명은 건설기계의 에너지 회생 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 건설기계의 붐 다운 동작시 소모되는 에너지를 회생하여 재사용함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 건설기계의 에너지 회생 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 굴삭기와 같은 건설기계는 엔진의 힘으로부터 펌프를 회전시켜 유량 및 유압을 형성시킨 후 각 작업기(actuator)를 거쳐 탱크로 배출되는 일련의 과정으로 이루어진다.

이러한 과정 속에 많은 부분의 에너지가 열, 진동, 소음 등으로 소모되고 소모되는 에너지가 많을수록 에너지 효율은 감소하며 이는 엔진의 연비에 많은 영향을 미쳐 건설기계 운용 비용을 증가시키는 문제로 이어진다.

한편, 이렇게 소모되는 에너지로 인해 에너지 효율이 떨어지는 문제를 해결하고자 종래에는 소모되는 에너지 일부를 회생하여 재사용하려는 노력이 꾸준히 제기되고 있다.

소모되는 에너지 중 회생하여 재사용하기에 가장 유용한 에너지 중 하나로 붐 다운(down, 하강) 작업시의 자중에 의한 중력에너지가 있다.

붐 업(up, 상승) 작업시에는 많은 에너지가 투입되고, 이렇게 투입된 에너지는 붐의 위치에너지로 저장되며, 붐 다운 작업시 저장된 붐 위치에너지가 유용하게 재사용되지 않고 그대로 배출되고 있어 에너지 효율이 떨어지게 된다.

종래 이러한 붐 다운 작업시 소모되는 중력에너지를 회생하여 재사용하기 위한 기술의 하나로서, 붐 다운 중력에너지 중 일부를 유체로써 어큐뮬레이터(Accumulator)에 저장하고 붐 업 동작 또는 타 작업장치 사용시 모터에 동력을 보조하는 에너지 회생 시스템이 제시되어 있다.

그런데, 이러한 에너지 회생 시스템에서 어큐뮬레이터에 저장된 붐 다운 중력에너지를 적절한 시점에 재사용하도록 제어하지 못하면 에너지의 회생 비율이 크게 저하될 수 있다.

또한, 붐 다운 중력에너지의 재사용 시점을 적절히 제어하지 못할 경우, 예컨대 부적절한 시점에 어큐뮬레이터에서 모터로 고압의 유량을 공급하여 엔진 토크를 어시스트(Assist)할 경우, 어시스트 되는 토크가 과다하여 엔진 오버토크가 발생하는 등 시스템 안정성이 확보되지 않는 문제점이 있다.

이에 따라, 어큐뮬레이터에 저장된 에너지의 재사용 시점을 결정하기 위한 적절한 제어 알고리즘이 요구된다.

KR 10-2014-0039899 A (공개일: 2014.04.02.)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 어큐뮬레이터에 저장된 붐 다운 중력에너지의 재사용 시점을 결정하기 위한 최적의 제어 알고리즘을 구현함으로써 에너지의 회생 비율을 높여 에너지 효율을 극대화하고 시스템 안정성을 확보할 수 있는 건설기계의 에너지 회생 시스템 및 그 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템은 건설기계의 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 회생하여 재사용하기 위한 에너지 회생 시스템에 있어서, 붐 다운 동작시 중력에너지에 의해 유량이 공급되는 제1 유압라인; 상기 제1 유압라인과 연결되어 붐 다운 동작시 발생하는 유압을 저장하는 어큐뮬레이터; 상기 어큐뮬레이터에서 방출되는 유량을 제어하는 제2 유압라인; 및 상기 제2 유압라인과 연결되어 상기 어큐뮬레이터에 저장된 유압으로 엔진 토크를 어시스트하는 유압모터를 포함하며, 상기 어큐뮬레이터의 압력 상태를 기반으로 상기 제2 유압라인을 통한 유량 방출 시점을 조절한다.

상기 시스템은 상기 어큐뮬레이터의 압력 상태에 따라 동작 모드를 제1 모드, 제2 모드 및 제3 모드 중의 어느 하나로 선택하고, 상기 선택된 모드에 따라 상기 제2 유압라인을 통한 유량 방출 시점을 조절할 수 있다.

상기 시스템은 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1)보다 작은 값인 경우 미충전 상태로 판별하여 제1 모드를 선택하고, 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1)과 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2) 사이의 값인 경우 충전중 상태로 판별하여 제2 모드를 선택하며, 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2) 이상의 값인 경우 완충 상태로 판별하여 제3 모드를 선택할 수 있다.

상기 시스템은 제1 모드에서, 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)보다 크고, 현재 어시스트 토크량(Tc)이 어시스트 최소토크(Tmin)보다 작은 경우, 상기 제2 유압라인 상의 배출밸브를 열어 상기 어큐뮬레이터로부터 유량을 방출할 수 있다.

상기 시스템은 제2 모드에서, 어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc)이 설정값보다 크고, 현재 어시스트 토크량(Tc)이 엔진 부하(TL)보다 작은 경우, 상기 제2 유압라인 상의 배출밸브를 열어 상기 어큐뮬레이터로부터 유량을 방출할 수 있다.

상기 시스템은 제3 모드에서, 현재 어시스트 토크량(Tc)이 허용 어시스트 최대토크(Tmax)보다 작으면서 엔진 부하(TL)보다 작은 경우, 상기 제2 유압라인 상의 배출밸브를 열어 상기 어큐뮬레이터로부터 유량을 방출할 수 있다.

상기 시스템은 상기 제1 유압라인으로부터 분기되며 붐 다운 동작시 발생하는 유압이 상기 어큐뮬레이터에 저장되지 않도록 상기 어큐뮬레이터를 우회하는 우회압력라인을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 유압모터는 상기 어큐뮬레이터에 저장된 유압 또는 상기 우회압력라인을 통해 공급되는 유압으로 엔진 토크를 어시스트할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 방법은 건설기계의 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 회생하여 재사용하기 위한 시스템의 에너지 회생 방법에 있어서, 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 전달받아 유압으로 저장하는 어큐뮬레이터의 압력 상태를 확인하는 단계; 상기 어큐뮬레이터의 압력 상태에 따라 기설정된 복수의 모드 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및 상기 어큐뮬레이터에 저장된 유압으로 작동하여 엔진 토크를 어시스트하는 유압모터에 유량을 방출하되, 상기 선택된 모드에 따라 상기 유압모터로의 유량 방출 시점을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 어큐뮬레이터의 압력 상태에 따라 기설정된 복수의 모드 중 어느 하나를 선택하는 단계에서, 상기 어큐뮬레이터의 압력 상태에 따라 동작 모드를 기설정된 제1 모드, 제2 모드 및 제3 모드 중의 어느 하나를 선택할 수 있다.

상기 어큐뮬레이터의 압력 상태에 따라 기설정된 복수의 모드 중 어느 하나를 선택하는 단계에서, 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1)보다 작은 값인 경우 미충전 상태로 판별하여 제1 모드를 선택하고, 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1)과 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2) 사이의 값인 경우 충전중 상태로 판별하여 제2 모드를 선택하며, 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2) 이상의 값인 경우 완충 상태로 판별하여 제3 모드를 선택할 수 있다.

또한, 상기 방법은 제1 모드에서, 어큐뮬레이터 압력(Pc)을 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)과 비교하는 제1 단계; 상기 제1 단계의 비교 결과 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)보다 크면, 현재 어시스트 토크량(Tc)과 어시스트 최소토크(Tmin)를 비교하는 제2 단계; 제2 모드에서, 어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc)을 설정값과 비교하는 제3 단계; 상기 제3 단계의 비교 결과 어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc)이 설정값보다 크면, 현재 어시스트 토크량(Tc)을 엔진 부하(TL)와 비교하는 제4 단계; 제3 모드에서, 현재 어시스트 토크량(Tc)을 허용 어시스트 최대토크(Tmax)와 비교하는 제5 단계; 상기 제5 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 허용 어시스트 최대토크(Tmax)보다 작으면, 현재 어시스트 토크량(Tc)을 엔진 부하(TL)와 비교하는 제6 단계; 및 상기 제2 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 어시스트 최소토크(Tmin)보다 작은 경우, 상기 제4 단계 또는 상기 제6 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 엔진 부하(TL)보다 작은 경우, 상기 제2 유압라인 상의 배출밸브를 열어 상기 어큐뮬레이터로부터 유량을 배출하는 제7 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 어큐뮬레이터에 저장된 붐 다운 중력에너지의 재사용(회생) 시점을 결정하기 위한 최적의 제어 알고리즘을 구현할 수 있다.

이로 인해, 어큐뮬레이터에 저장된 붐 다운 중력에너지를 적절한 시점에 재사용하여 에너지의 회생 비율을 높이고 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 회생에너지로 어시스트 되는 토크를 적정 범위로 제어하여 엔진 오버토크로 인한 회전수 상승 등을 방지함으로써 시스템 안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템을 나타낸 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템에서 붐 다운 중력에너지로 유압모터를 구동하는 흐름 및 붐 다운 중력에너지를 어큐뮬레이터로 저장하는 흐름을 함께 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템의 어큐뮬레이터에 저장된 유압에너지를 방출하는 흐름을 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 방법을 설명하기 위한 순서도.

이하에서는 첨부한 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템을 나타낸 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템은 크게, 제1 유압라인(200) 상의 유량조절 밸브(10) 및 컴펜세이터(30), 붐 다운 중력에너지를 유압으로 저장하는 어큐뮬레이터(20), 제2 유압라인(500) 상의 배출밸브(40), 회생에너지의 사용처인 유압모터(50)를 포함한다.

시스템의 기본적인 구성과 각 구성요소를 살펴보면 다음과 같다.

유량조절 밸브(10)는 붐 실린더(3)로부터 중력에너지를 전달받고 유체의 흐름을 제어하는 역할을 한다.

작업자의 붐 레버(2) 조작시 유량조절 밸브(10)는 붐 다운 동작을 위한 신호를 입력받아 유로의 개구 면적을 증가시킴으로써 붐 실린더(3)의 피스톤이 하강하여 붐 다운 동작이 이루어질 수 있도록 한다. 즉, 굴삭기와 같은 건설기계의 붐 다운 동작시 중력에 의해 붐 실린더(3)의 피스톤이 하강하여 붐 실린더(3)에 수용된 작동유가 피스톤의 중력에 의해 하측으로 내려오게 되면 붐 실린더(3)로부터 이송되는 유체의 압력을 입력받게 된다.

이와 같이 붐 다운 동작이 이루어지면 중력에너지에 의해 붐 실린더(3)로부터 제1 유압라인(200)으로 유량이 공급된다. 제1 유압라인(200) 상에는 전술한 유량조절 밸브(10)가 설치되어 있다.

유량조절 밸브(10)는 붐 실린더(3)로부터 이송되는 유량을 제어하기 위해 유체가 이송하는 유로의 면적을 가변적으로 조절한다.

여기서, 유량조절 밸브(10)는 유로의 면적을 가변적으로 조절할 수 있는 밸브이면 충분하다.

일 예로, 유량조절 밸브(10)는 스풀밸브(spool valve)일 수 있다. 스풀밸브는 내부에 유로가 형성된 본체에 원통형 막대인 스풀이 내장되고 스풀에는 유로와 접하는 부분에 홈이 형성되어 있어, 파일롯 압력에 의해 스풀이 좌우로 이동하면 스풀에 형성된 홈이 본체 내부에 형성된 유로와 일치되면서 유로가 연통되어 개방된 상태로 되면서 유로의 입구에서 출구로 유체가 이송되도록 형성된, 유체 흐름을 제어하는 밸브이다.

또는, 유량조절 밸브(10)는 포핏밸브(poppet valve)일 수 있다. 포핏밸브는 평상시에 유로를 막고 있는 포핏이 스프링에 의해 유로를 폐쇄시킨 상태를 유지하고 있다가 본체 일측에서 파일롯 압력이 입력되면 유압에 의해 스프링이 압축되고 포핏이 이동되면서 유로가 개방되어 오리피스를 통해 유량이 배출될 수 있도록 형성된, 유체 흐름을 제어하는 밸브이다.

한편, 붐 다운 실린더(3)로부터 배출되는 유량 중 유량조절 밸브(10)의 개구 면적에 따라 발생하는 부하압력은 유량조절 밸브(10)로 유입되기 전 부하압력라인(100)으로 유입된다.

즉, 붐 다운 실린더(3)로부터 배출되는 유량의 일부는 유량조절 밸브(10)를 통과해 제1 유압라인(200)으로 유입되고 나머지 일부는 부하압력으로 작용하여 부하압력라인(100)으로 이송된다.

이처럼 작업자가 붐 레버(2)를 조작하면 유량조절 밸브(10)의 개구 면적을 가변적으로 제어하여 제1 유압라인(200)으로 이송되는 유량의 흐름을 제어할 수 있고, 유량조절 밸브(10)의 유로 면적에 따라 붐 실린더(3) 피스톤의 하강 속도가 정해져 붐 다운 동작의 속도를 제어할 수 있게 된다.

어큐뮬레이터(20)는 유량조절 밸브(10)를 관통한 유체에 의해 형성된 유압을 저장하는 역할을 한다. 즉, 어큐뮬레이터(200)는 유압을 축적하기 위한 수단으로, 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 유압 형태로 저장해 추후 재사용(에너지 회생)할 수 있도록 한다. 이러한 어큐뮬레이터(20)는 복수 개가 병렬로 배치될 수 있다.

유량조절 밸브(10)를 통과해 제1 유압라인(200)으로 유입된 유량이 어큐뮬레이터(20)로 이송되도록 하기 위해 제1 유압라인(200)과 어큐뮬레이터(20)를 연결하는 입출라인(400)이 설치된다.

어큐뮬레이터(20)는 입출라인(400)을 통해 제1 유압라인(200)과 연결되어 유량조절 밸브(10)로부터 이송되는 유량을 저장한다. 이러한 어큐뮬레이터(20)는 내부에 공간이 구비되고 내부 공간에 질소 등의 기체가 충진되어 있어 내부 공간으로 유입되는 유량이 서서히 차오르면서 유체가 저압부터 고압으로 축적된다.

컴펜세이터(30)는 붐 다운 시 발생하는 유압에너지를 어큐뮬레이터(20)로 저장하지 않고 사용처인 유압모터(50)로 직접 보내기 위해 유량의 흐름을 제어하는 것으로, 제1 유압라인(200) 상에 설치되며, 유량조절 밸브(10)와 어큐뮬레이터(20) 사이에 배치된다.

이러한 컴펜세이터(30)는 붐 실린더(3)에서 보내지는 압력 중 유량조절 밸브(10)를 통과하지 않는 부하압력에 의해 폐쇄되어, 붐 다운시 발생하는 유압에너지를 어큐뮬레이터(20)로 저장하지 않고 컴펜세이터(30) 전단에 연결된 우회압력라인(300)으로 유량이 이송되도록 한다.

우회압력라인(300)은 제1 유압라인(200), 구체적으로 컴펜세이터(30)의 전단에서 분기되며 붐 다운 동작시 발생하는 유압이 어큐뮬레이터(20)에 저장되지 않도록 어큐뮬레이터(20)를 우회하여 유압모터(50)로 직접 연결되는 유로를 구성한다.

이때 컴펜세이터(30)는 기설정된 압력이 입력되면 유로가 개방되도록 형성되는 밸브 형태로, 일측에 부하압력라인(100)이 연결되고, 타측은 제1 유압라인(200)에서 분기된 세팅라인(210)이 연결되며, 탄성을 갖는 스프링이 일정 압력을 유지한 채 유로를 폐쇄된 상태로 유지하도록 형성되어, 평상시에는 부하압력라인(100)으로 이송되는 유량의 압력에 의해 유로가 폐쇄되어 있다가 제1 유압라인(200)으로 이송하는 유량의 압력이 기설정된 압력 이상으로 형성되어 세팅라인(210)으로 유입되면 유로가 개방되어 유량이 통과할 수 있는 구조로 형성된다.

예컨대, 부하압력라인(100)을 통해 컴펜세이터(30)로 이송되는 유체의 압력이 기설정된 압력 이상으로 형성되면, 제1 유압라인(200)의 유체의 압력과 스프링의 압축 압력을 더한 압력이 낮은 상태로서 컴펜세이터(30)의 유로가 폐쇄된다. 이와 반대로 제1 유압라인(200)의 유체의 압력과 스프링의 압축 압력을 더한 압력이 부하압력라인(100)을 통해 이송되는 유체의 압력보다 클 경우에는 컴펜세이터(30)의 유로가 개방되어 유량이 흐를 수 있는 상태가 된다.

즉, 유량조절 밸브(10)를 통과한 유량은 제1 유압라인(200)을 통해 컴펜세이터(30) 측으로 이송되고, 유압이 기설정된 압력 이하일 경우에는 우회압력라인(300)으로 우회하여 유압에너지를 사용하는 유압모터(50)로 유입될 수 있게 되는 것이다.

따라서, 컴펜세이터(30)는 유량조절 밸브(10)를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이하일 경우에는 우회압력라인(100)을 통해 사용처로 유량을 보내 유압모터(50)가 가동될 수 있도록 하고, 유량조절 밸브(10)를 통해 이송되는 유량이 기설정된 압력 이상일 경우에는 개방되어 어큐뮬레이터(20)로 압력이 저장될 수 있도록 한다.

컴펜세이터(30)와 어큐뮬레이터(20) 사이 또는 우회압력라인(300)에는 유체가 역류하는 것을 방지하기 위해 체크밸브가 설치될 수 있다.

다음으로, 제2 유압라인(500)은 어큐뮬레이터(20)에서 방출되는 유량을 사용처인 유압모터(50)로 이송한다.

배출밸브(40)는 솔레노이드 밸브 또는 유압밸브 등으로 구현되어 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압의 방출 흐름을 제어하는 역할을 한다.

즉, 배출밸브(40)는 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압을 유압모터(50)에서 사용할 수 있도록 유량의 흐름을 제어하는 것으로, 제2 유압라인(500) 상에 설치되며 제어부(4)의 제어 하에 개폐되어 어큐뮬레이터(20)에서 제2 유압라인(500)으로 방출되는 유량을 제어한다.

배출밸브(40)의 작동 여부를 제어하기 위해 제어부(4)가 설치될 수 있고, 제어부(4)는 소프트웨어적인 로직 및/또는 하드웨어 구성을 포함할 수 있다.

제어부(4)는 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압을 방출하여 재사용하기 위해 배출밸브(40)를 통해 유로를 개방하여 저장된 유압에너지를 사용처인 유압모터(50)로 공급한다. 이때 제어부(4)는 배출밸브(40)의 개도량을 설정함으로써 제2 유압라인(500)을 통해 유압모터(50)로 전달되는 유량을 일정하게 제어할 수 있다.

한편, 어큐뮬레이터(20)에 유입된 유압이 한계 체적량에 도달하면 어큐뮬레이터(20)는 제어부(4)로 신호를 보내고, 제어부(4)는 어큐뮬레이터(20)로부터 신호를 전달받아 배출밸브(40)를 개방한다. 이 경우 컴펜세이터(30)를 통과한 유압이 어큐뮬레이터(20)로 저장되지 않고 유압모터(50)로 공급되거나 배출라인(600)을 통해 제2 탱크(610)로 배출된다. 이때 배출라인(600)에는 유체가 역류하는 것을 방지하기 위해 체크밸브가 설치될 수 있다. 유압모터(50)는 고압의 유량을 공급받아 해당 유압에너지로 엔진 토크를 어시스트하여 에너지를 절감할 수 있다.

또한, 유량조절 밸브(10)를 통과한 유량이 우회압력라인(100)을 거쳐 유압모터(50)로 이송될 경우에는, 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압이 배출되지 못하도록 배출밸브(40)를 폐쇄 상태로 제어하여, 우회압력라인(100)에서 이송되는 유량과 어큐뮬레이터(20)에서 방출되는 유량이 충돌되는 것을 방지할 수 있다.

유압모터(50)는 엔진(1)의 동력원으로서, 우회압력라인(300) 또는 어큐뮬레이터(20)에서 이송되는 유압에너지를 엔진(1)의 동력으로 재사용(회생)한다. 즉, 유압모터(50)는 유량조절 밸브(10)를 통과한 유압 또는 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압에 의해 작동하여 엔진(1)에 동력을 전달하고 엔진 토크를 어시스트한다. 이를 위해, 유압모터(50)의 입력단은 제2 유압라인(500)과 연결되도록 설치되고, 출력단은 엔진(1)에 연결되도록 설치된다.

유압모터(51)에는 유압모터(50)를 작동시키고 난 후 유체가 배출되기 위한 제1 탱크(51)가 구비된다.

유압모터(50)는 우회압력라인(300)과 어큐뮬레이터(20)에서 이송되는 유압에너지를 그대로 사용하여 엔진(1)에 동력을 전달할 수 있어 에너지 변환에 따른 압력 손실을 최소화할 수 있다.

이에 따라, 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 압력손실을 최소화한 상태로 유압에너지로 저장하거나 유압모터(50)를 동작시키기 위한 에너지로 사용(회생)할 수 있다. 이러한 회생 유압에너지는 엔진(1) 동력을 도모함으로써 엔진(1)의 부하를 줄이고, 복합동작시 필요한 토크를 용이하게 구현함으로써 연비를 향상시킬 수 있다.

이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템의 동작 흐름에 대하여 설명한다.

도 2는 도 1에 나타난 건설기계의 에너지 회생 시스템에서 붐 다운 중력에너지로 유압모터를 구동하는 흐름 및 붐 다운 중력에너지를 어큐뮬레이터로 저장하는 흐름을 함께 나타낸 도면이다.

건설기계의 붐 다운 동작시 중력에너지에 의해 붐 실린더(3)에서 이송되는 유량은 유량조절 밸브(10)를 통해 제1 유압라인(200)으로 유입된다. 이후, 붐 다운 동작시 발생하는 유압은 제1 유압라인(200) 상의 컴펜세이터(30)를 통과해 어큐뮬레이터(20)로 저장된다(유압이 기설정된 압력 이상인 경우). 혹은, 우회압력라인(300)을 통해 유압모터(50) 측으로 유도되어 즉시 사용될 수도 있다(유압이 기설정된 압력 이하인 경우).

도 2에서는 붐 다운 중력에너지를 즉시 사용하여 유압모터(50)를 구동한 후 남는 에너지를 어큐뮬레이터(20)로 저장하는 경우의 동작 흐름을 예시적으로 설명한다.

도 2에서 붐 다운 중력에너지로 유압모터(50)를 구동하는 흐름을 먼저 설명하면 다음과 같다.

작업자가 붐 다운 동작을 위해 붐 레버(2)를 조작하면 붐 레버(2)에서 입력된 신호에 따라 유량조절 밸브(10)의 개구 면적이 조절되어 붐 실린더(3)의 작동유가 중력에 의해 하측으로 이송되게 된다.

그 다음, 붐 실린더(3)에서 배출되는 유량은 유량조절 밸브(10)로 이송되고, 이때 발생되는 부하압력은 부하압력라인(100)을 통해 컴펜세이터(30)로 보내지게 된다.

그 다음, 유량조절 밸브(10)를 통과한 유량은 제1 유압라인(200)으로 이송되고 세팅라인(210)을 통해 컴펜세이터(30)의 유로를 개방하기 위한 압력으로 작용한다.

이때, 부하압력라인(100)으로 이송되는 유량의 압력보다 세팅라인(210)으로 입력되는 유량의 압력이 작을 경우 컴펜세이터(30)의 유로가 폐쇄되어 유량은 우회압력라인(300)으로 우회하여 이송된다.

그 다음, 우회압력라인(300)으로 이송되는 유량은 제2 유압라인(500)으로 이송되어 유압모터(50)를 작동시키게 된다.

이와 같이, 건설기계의 붐 다운 동작에 따라 붐 실린더(3)로부터 전달되는 유압에너지는 유량조절 밸브(10)를 통해 제1 유압라인(200)으로 이송되고 컴펜세이터(30)에 의해 우회압력라인(300)으로 유입되어 제2 유압라인(500)을 거쳐 유압모터(50)를 구동한다. 유압모터(50)로부터 발생되는 동력은 엔진(1)에 보내져 엔진(1)의 동력으로 사용된다.

또한, 유압모터(50)로 보내지는 유량이 한계치에 도달하면 붐 실린더(3)로부터 전달되는 유압은 컴펜세이터(30)를 통해 어큐뮬레이터(20)로 유입되어 유압에너지로 저장된다.

도 2에서 붐 다운 중력에너지를 어큐뮬레이터(20)로 저장하는 흐름은 다음과 같다.

그 다음, 붐 실린더(3)에서 배출되는 유량은 유량조절 밸브(10)로 이송되고, 유량조절 밸브(10)를 통과한 유량은 제1 유압라인(200)으로 유입되어 세팅라인(210)을 통해 컴펜세이터(30)의 유로를 개방하기 위한 압력으로 작용한다.

이때, 부하압력라인(100)으로 이송되는 유량의 압력보다 세팅라인(210)으로 입력되는 유량의 압력이 클 경우 컴펜세이터(30)의 유로가 개방되고, 컴펜세이터(30)의 개방된 유로를 통해 유량이 통과하여 입출라인(400)을 거쳐 어큐뮬레이터(20)로 압력이 저장된다.

도 3은 도 1에 나타난 건설기계의 에너지 회생 시스템에서 어큐뮬레이터에 저장된 유압에너지를 방출하는 흐름을 나타낸 도면이다. 예컨대 붐 업 동작시 이와 같은 동작 흐름으로 유압모터(50)에 고압의 유량을 공급하여 엔진 토크를 어시스트할 수 있다.

도 3에서 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압에너지를 방출하는 흐름은 다음과 같다.

건설기계의 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지는 전술한 도 2와 같은 흐름을 통해 어큐뮬레이터(20)에 저장된 후 필요시 방출되어 사용처인 유압모터(50)에서 재사용(에너지 회생)된다.

제어부(4)는 배출밸브(40)을 개폐하여 어큐뮬레이터(20)로부터 제2 유압라인(500)으로 방출되는 유량을 제어한다. 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압에너지는 배출밸브(40)의 개방 여부에 따라 유압모터(50)로 보내져 동력으로 사용된다.

이때, 유압모터(50)를 작동시키기 위해 어큐뮬레이터(20)에 저장되어 있는 압력을 방출하는 상황이 아니더라도 어큐뮬레이터(20)에 체적량 이상의 압력이 유입될 경우 어큐뮬레이터(20)는 제어부(4)로 신호를 전달하여 배출밸브(40)를 개방함으로써 저장된 유압이 유압모터(50) 또는 배출라인(600)으로 방출되도록 한다.

이와 같은 에너지 회생 시스템의 구성에 있어서, 어큐뮬레이터(20)에 저장된 에너지의 재사용 시점을 결정하는 적절한 제어 알고리즘이 필요하며, 적절한 제어를 하지 못하게 되면, 에너지 회생 효율이 크게 저하될 수 있고, 과다한 어시스트 토크로 인한 엔진 오버토크 등 시스템 안정성 문제가 발생할 수 있다.

이에 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템은 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압에너지의 재사용(회생) 시점을 결정하는 최적 제어 알고리즘을 구현하여, 에너지 회생 효율을 극대화시키고, 엔진 오버토크 등을 방지하여 시스템 안정성을 확보하고자 한다.

이를 위해, 제어부(4)는 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압에너지를 언제 방출할 것인지, 즉 에너지 회생 필요 시기를 결정하여 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압의 방출 여부를 제어한다.

전술한 바와 같이, 건설기계의 붐 다운 동작시 발생하는 유압은 제1 유압라인(200)을 통해 이송되어 어큐뮬레이터(20)로 저장된다.

유압모터(50)는 제2 유압라인(500)과 연결되어 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압을 입력받으며 이 유압으로 작동해 엔진(1)에 동력을 전달하여 엔진 토크를 어시스트한다.

이때 제어부(4)는 제2 유압라인(500) 상에 설치된 배출밸브(40)를 선택적으로 개폐하여 어큐뮬레이터(20)에서 제2 유압라인(500)으로 배출되는 유량을 제어할 수 있다.

특히, 제어부(4)는 건설기계의 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 회생하여 재사용함에 있어, 어큐뮬레이터(20)의 압력 상태(충전 상태)를 기반으로 어큐뮬레이터(20)의 유량 방출 시점을 조절하여 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압의 재사용 시점을 적절하게 제어한다.

일 예로, 제어부(4)는 어큐뮬레이터(20)의 압력에 따라 제1 모드, 제2 모드 및 제3 모드 중 어느 하나의 동작 모드를 선택하고, 선택된 모드에 따라 제2 유압라인(500)을 통한 유량 방출 시점, 즉 배출밸브(40)의 개방 시점을 제어할 수 있다.

본 실시예에서, 배출밸브(40)는 제2 유압라인(500) 상에 설치되어 어큐뮬레이터(20)로부터 배출되는 유량의 흐름을 제어하되, 도 2와 같은 어큐뮬레이터(20)의 충전(유압 저장) 동작시 기본적으로 닫힌 상태를 유지한다.

제어부(4)는 어큐뮬레이터(20)의 압력 상태에 따라 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압의 재사용(에너지 회생)이 필요한지 여부를 결정하고 에너지 회생시 도 3에 도시된 바와 같이 배출밸브(40)를 열어 어큐뮬레이터(20)의 유량을 방출함으로써 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압이 유압모터(50)를 통해 재사용될 수 있도록 한다.

즉, 제어부(4)는 어큐뮬레이터(20)의 압력 상태를 근거로 어큐뮬레이터(20)로부터 제2 유압라인(500)을 통해 사용처로 방출되는 유량을 제어하여 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압의 재사용 시점을 조절하게 된다.

제어부(4)에 의해 배출밸브(40)가 개방되면 어큐뮬레이터(20)에 저장되어 있는 압력이 유압모터(50)를 작동시키기 위한 유압에너지로 사용된다.

이하에서는 첨부한 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 건설기계의 에너지 회생 방법에 대해서 상세하게 설명한다.

우선 S110의 준비 단계로서, 도 4의 S100 단계를 통해 붐 다운 중력에너지의 재사용 시점을 결정하는데 필요한 각종 입력값(Input1 내지 Input 10)이 제어부(4)에 저장된다.

본 실시예에서는, S100 단계에서 어큐뮬레이터 압력(Pc, bar), 어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc, bar/sec), 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp, bar), 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1, bar), 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2, bar), 허용 어시스트 최대토크(Tmax, N-m), 어시스트 최소토크(Tmin, N-m), 엔진 부하(TL, N-m), 어시스트 모터용적(Vm, cc/rev), 시스템 효율(Ef, %) 등의 값이 입력값으로 저장된다.

허용 어시스트 최대토크(Tmax)는 토크 어시스트시 허용 가능한 최대토크, 즉 엔진(1)이 감당할 수 있는 토크량이고, 어시스트 최소토크(Tmin)는 엔진 아이들(Idle) 상태, 즉 무부하 상태의 엔진 토크이다.

이때 저장되는 입력값은 사양에 따라 주어지는 설정값일 수도 있고, 센서(미도시)를 통해 얻어지는 검출값일 수도 있으며, 각종 설정값/검출값으로부터 산출되는 연산값일 수도 있다.

특히, 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 전달받아 유압으로 저장하는 어큐뮬레이터(20)의 실시간 압력(Pc)은 에너지 재사용 시점, 즉 어큐뮬레이터(20)의 유량 방출 시점을 결정하는데 가장 주요한 역할을 하는 값이다.

일 예로, 제어부(4)는 주기적으로 또는 일정 시점마다 센서를 통해 어큐뮬레이터 압력(Pc)을 검출하여 어큐뮬레이터(20)의 압력 상태(충전 상태)를 파악할 수 있다.

전술한 입력값 중 어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc)은 어큐뮬레이터 압력(Pc)으로부터 산출될 수 있다. 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp), 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1), 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2), 어시스트 모터용적(Vm), 시스템 효율(Ef) 등은 어큐뮬레이터(20)의 사양에 따라 미리 결정되는 설정값이다.

아울러, 제어부(4)는 S105 단계에서 어큐뮬레이터 압력(Pc) 및 어시스트 모터용적(Vm)으로부터 현재 어시스트 토크량(Tc, N-m)을 산출하여 저장할 수 있다. 현재 어시스트 토크량(Tc)은 현재 어큐뮬레이터 압력(Pc)에 의해 어시스트할 수 있는 실제 토크량을 의미한다.

구체적으로, 현재 어시스트 토크량(Tc)은 다음의 수학식 1을 통해 산출될 수 있다.

여기서, Tc는 현재 어시스트 토크량(N-m), Vm은 어시스트 모터용적(cc/rev), Pc는 어큐뮬레이터 압력(bar)이다.

본 실시예에서는, 편의상 어시스트 모터용적(Vm)을 고정값(사양에 따라 미리 결정되는 값)으로 가정한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다른 실시예(예컨대 사양이 달라지는 경우 등)에서는 어시스트 모터용적(Vm)이 변수로서 가변될 수도 있다.

이와 같이 각종 입력값이 저장된 상태에서, 제어부(4)는 S110 단계로 진행하여 어큐뮬레이터(20)의 압력(충전) 상태에 따라 기설정된 복수의 모드 중 어느 하나를 선택한다. 즉, 어큐뮬레이터(20) 내 압력에 따라 복수의 동작 모드 중 하나를 선택하여 각기 다른 동작 모드를 선택적으로 실행하는 것이다.

제어부(4)는 어큐뮬레이터(20)의 압력 상태에 따라 시스템의 동작 모드를 S120의 제1 모드, S130의 제2 모드 및 S140의 제3 모드 중의 어느 하나로 선택할 수 있다.

이때 제1 모드는 어큐뮬레이터(20)의 미충전 상태, 제2 모드는 어큐뮬레이터(20)의 충전중 상태, 제3 모드는 어큐뮬레이터(20)의 충전이 완료된 완충 상태일 수 있다.

이 경우 제어부(4)는 어큐뮬레이터 압력(Pc)을 기설정된 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1) 및 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2)과 비교하여 비교 결과에 따라 동작 모드를 선택할 수 있다.

일 예로, 제어부(4)는 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1)보다 작은 값인 경우 미충전 상태로 판별하여 제1 모드를 선택한다. 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1)과 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2) 사이의 값인 경우에는 충전중 상태로 판별되어 제2 모드가 선택된다. 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2) 이상의 값인 경우에는 완충 상태로 판별되어 제3 모드가 선택된다.

다음으로, 제어부(4)는 도 5에 도시된 바와 같이 S120 내지 S140 단계를 실행함으로써 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압을 재사용하여 엔진 토크를 어시스트하는 유압모터(50)에 유량을 방출한다. 이때, 제어부(4)는 상기한 S110 단계에서 선택된 모드에 따라 배출밸브(40)를 개폐하여 유압모터(50)로의 유량 방출 시점을 조절하게 된다.

도 5는 각 모드별 실행 단계를 세분화한 것이다.

S120의 제1 모드가 선택된 경우, 제어부(4)는 S121 단계에서 어큐뮬레이터 압력(Pc)을 기설정된 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)과 먼저 비교한다.

이는 어큐뮬레이터(20) 내 현재 충전된 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)보다 큰 상태인지 확인하기 위한 것이다. 만약 어큐뮬레이터(20) 내 충전된 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)보다 작으면 배출밸브(40)가 열리더라도 유압모터(50)의 어시스트가 불가능하고 어큐뮬레이터(20)가 설치된 라인에 캐비에이션(Cavitation)이 발생하여 엔진(1) 등의 부품 파손, 내구성이나 시스템 안정성 저하 등의 문제를 유발할 수 있다.

상기한 S121 단계의 비교 결과, 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)보다 크면, 제어부(4)는 S122 단계로 진행하여 다시 현재 어시스트 토크량(Tc)과 기설정된 어시스트 최소토크(Tmin)를 비교한다.

이는 어큐뮬레이터(20) 내 현재 충전된 압력(Pc)에 의해 어시스트 가능한 토크(Tc)가 엔진 무부하일 때의 토크값(Tmin)보다 작은 경우에만 유압모터(50)를 작동하여 토크 어시스트를 실행함으로써 엔진(1)의 파손을 유발하는 오버토크를 방지하기 위한 것이다.

상기한 S122 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 어시스트 최소토크(Tmin)보다 작은 경우, 제어부(4)는 S123 단계로 진행하여 제2 유압라인(500) 상의 배출밸브(40)를 열어 어큐뮬레이터(20)로부터 유량을 배출한다. 이에 따라, 유압모터(50)는 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압을 재사용하여 엔진 토크를 어시스트할 수 있다.

상기한 S121 단계 또는 S122 단계의 비교 결과, 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)보다 작거나 현재 어시스트 토크량(Tc)이 어시스트 최소토크(Tmin)보다 큰 경우에는, S124 단계와 같이 배출밸브(40)가 닫힌 상태로 유지된다.

S130의 제2 모드가 선택된 경우, 제어부(4)는 S131 단계에서 어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc)을 미리 저장된 설정값(α, 타겟이 되는 특정 상수값)과 비교한다.

이는 어큐뮬레이터(20)의 충전 속도를 판단하여 유압이 어큐뮬레이터(20)로 충전되는 속도가 특정 상수값(α)보다 큰 경우에만 어시스트를 실행하기 위한 것이다. 어큐뮬레이터(20)로 유입되는 유량보다 유압모터(50)로 어시스트 되는 유량이 많으면 캐비테이션 현상이 발생할 수 있으므로, 적정 유량이라고 판단되는 경우에만 어시스트를 실행하여 캐비테이션을 방지하는 것이다.

상기한 S131 단계의 비교 결과 어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc)이 설정값보다 크면, 제어부(4)는 S132 단계로 진행하여 현재 어시스트 토크량(Tc)을 엔진 부하(TL)와 비교한다.

이는 어큐뮬레이터(20) 내 현재 충전된 압력(Pc)에 의해 어시스트 가능한 토크(Tc)가 엔진 부하(TL)보다 작은 경우에만 어시스트를 실행하기 위한 것이다. 만약 현재 어시스트 토크량(Tc)이 엔진 부하(TL)보다 큰 상태에서 어시스트가 실행되면 오버토크로 인해 엔진(1)이 파손될 위험이 있다.

상기한 S132 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 엔진 부하(TL)보다 작은 경우, 제어부(4)는 S133 단계로 진행하여 제2 유압라인(500) 상의 배출밸브(40)를 개방한다. 이에 따라, 어큐뮬레이터(20)로부터 유압모터(50)로 유량이 방출되어 토크 어시스트가 실행될 수 있다.

상기한 S131 단계의 비교 결과 어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc)이 설정값보다 작거나, 상기한 S132 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 엔진 부하(TL)보다 큰 경우에는, S134 단계와 같이 배출밸브(40)가 닫힌 상태로 유지된다.

S140의 제3 모드가 선택된 경우, 제어부(4)는 우선 S141 단계를 실행하여 현재 어시스트 토크량(Tc)을 기설정된 허용 어시스트 최대토크(Tmax)와 비교한다.

이는 어큐뮬레이터(20) 내 현재 충전된 압력(Pc)에 의해 어시스트 가능한 토크(Tc)가 유압모터(50)와 엔진(1)에 체결된 스플라인(Spline) 허용 사양에 의해 결정되는 어시스트 가능한 최대토크 사양(Tmax)보다 높은지 혹은 낮은지에 대해 판단하기 위한 것이다. 만약 현재 어시스트 토크량(Tc)이 허용 어시스트 최대토크(Tmax)보다 높으면 스플라인이 파손될 위험이 있다.

상기한 S141 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 허용 어시스트 최대토크(Tmax)보다 큰 경우에는, S142 단계와 같이 배출밸브(40)가 닫힌 상태로 유지된다.

상기한 S141 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 허용 어시스트 최대토크(Tmax)보다 작은 경우, 제어부(4)는 전술한 S132 단계로 진행하여 현재 어시스트 토크량(Tc)을 엔진 부하(TL)와 비교한다.

상기한 S132 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 엔진 부하(TL)보다 작으면, 제어부(4)가 전술한 S133 단계를 실행하여 제2 유압라인(500) 상의 배출밸브(40)를 열어 어큐뮬레이터(20)로부터 유량을 배출하게 된다.

이와 같이, 제어부(4)는 어큐뮬레이터(20)의 압력(충전) 상태를 기반으로 어큐뮬레이터(20)에 저장된 유압의 재사용 시점을 최적으로 조절할 수 있다.

이로 인해, 어큐뮬레이터(20)에 저장된 붐 다운 중력에너지를 적절한 시점에 재사용하여 에너지의 회생 비율을 높이고 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 회생에너지를 이용한 어시스트 토크를 제어하여 엔진 오버토크로 인한 회전수 상승 등을 방지함으로써 시스템 안정성을 확보할 수 있다.

본 발명에 따른 건설기계의 에너지 회생 시스템 및 그 방법의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

1: 엔진 2: 붐 레버
3: 붐 실린더 4: 제어부
10: 유량조절 밸브 20: 어큐뮬레이터
30: 컴펜세이터 40: 배출밸브
50: 유압모터 51: 제1 탱크
100: 부하압력라인 200: 제1 유압라인
210: 세팅라인 300: 우회압력라인
400: 입출라인 500: 제2 유압라인
600: 배출라인 610: 제2 탱크

Claims

건설기계의 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 회생하여 재사용하기 위한 에너지 회생 시스템에 있어서,
붐 다운 동작시 중력에너지에 의해 유량이 공급되는 제1 유압라인;
상기 제1 유압라인과 연결되어 붐 다운 동작시 발생하는 유압을 저장하는 어큐뮬레이터;
상기 어큐뮬레이터에서 방출되는 유량을 제어하는 제2 유압라인; 및
상기 제2 유압라인과 연결되어 상기 어큐뮬레이터에 저장된 유압으로 엔진 토크를 어시스트하는 유압모터를 포함하며,
상기 어큐뮬레이터의 압력 상태를 기반으로 상기 제2 유압라인을 통한 유량 방출 시점을 조절하며,
상기 제1 유압라인으로부터 분기되며 붐 다운 동작시 발생하는 유압이 상기 어큐뮬레이터에 저장되지 않도록 상기 어큐뮬레이터를 우회하는 우회압력라인와,
붐 다운 시 발생하는 유압에너지를 어큐뮬레이터로 저장하지 않고 유압모터로 직접 보내기 위해 유량의 흐름을 제어하는 것으로 유량조절 밸브와 어큐뮬레이터 사이의 제1 유압라인 상에 설치되는 컴펜세이터를 더 포함하며,
상기 유압모터는 상기 어큐뮬레이터에 저장된 유압 또는 상기 우회압력라인을 통해 공급되는 유압으로 엔진 토크를 어시스트하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
제1항에 있어서,
상기 어큐뮬레이터의 압력 상태에 따라 동작 모드를 제1 모드, 제2 모드 및 제3 모드 중의 어느 하나로 선택하고,
상기 선택된 모드에 따라 상기 제2 유압라인을 통한 유량 방출 시점을 조절하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
제2항에 있어서,
어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1)보다 작은 값인 경우 미충전 상태로 판별하여 제1 모드를 선택하고,
어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1)과 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2) 사이의 값인 경우 충전중 상태로 판별하여 제2 모드를 선택하며,
어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2) 이상의 값인 경우 완충 상태로 판별하여 제3 모드를 선택하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
제2항에 있어서,
제1 모드에서,
어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)보다 크고, 현재 어시스트 토크량(Tc)이 어시스트 최소토크(Tmin)보다 작은 경우,
상기 제2 유압라인 상의 배출밸브를 열어 상기 어큐뮬레이터로부터 유량을 방출하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
제2항에 있어서,
제2 모드에서,
어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc)이 설정값보다 크고, 현재 어시스트 토크량(Tc)이 엔진 부하(TL)보다 작은 경우,
상기 제2 유압라인 상의 배출밸브를 열어 상기 어큐뮬레이터로부터 유량을 방출하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
제2항에 있어서,
제3 모드에서,
현재 어시스트 토크량(Tc)이 허용 어시스트 최대토크(Tmax)보다 작으면서 엔진 부하(TL)보다 작은 경우,
상기 제2 유압라인 상의 배출밸브를 열어 상기 어큐뮬레이터로부터 유량을 방출하는 건설기계의 에너지 회생 시스템.
삭제
건설기계의 붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 회생하여 재사용하기 위한 시스템의 에너지 회생 방법에 있어서,
붐 다운 동작시 발생하는 중력에너지를 전달받아 유압으로 저장하는 어큐뮬레이터의 압력 상태를 확인하는 단계;
상기 어큐뮬레이터의 압력 상태에 따라 기설정된 복수의 모드 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및
상기 어큐뮬레이터에 저장된 유압으로 작동하여 엔진 토크를 어시스트하는 유압모터에 유량을 방출하되, 상기 선택된 모드에 따라 상기 유압모터로의 유량 방출 시점을 조절하는 단계를 포함하며,
상기 어큐뮬레이터의 압력 상태에 따라 기설정된 복수의 모드 중 어느 하나를 선택하는 단계에서, 상기 어큐뮬레이터의 압력 상태에 따라 동작 모드를 기설정된 제1 모드, 제2 모드 및 제3 모드 중의 어느 하나로 선택하며,
제1 모드에서, 어큐뮬레이터 압력(Pc)을 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)과 비교하는 제1 단계; 상기 제1 단계의 비교 결과 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 프리차지 압력(Pp)보다 크면, 현재 어시스트 토크량(Tc)과 어시스트 최소토크(Tmin)를 비교하는 제2 단계; 제2 모드에서, 어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc)을 설정값과 비교하는 제3 단계; 상기 제3 단계의 비교 결과 어큐뮬레이터 압력 증감률(Vc)이 설정값보다 크면, 현재 어시스트 토크량(Tc)을 엔진 부하(TL)와 비교하는 제4 단계; 제3 모드에서, 현재 어시스트 토크량(Tc)을 허용 어시스트 최대토크(Tmax)와 비교하는 제5 단계; 상기 제5 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 허용 어시스트 최대토크(Tmax)보다 작으면, 현재 어시스트 토크량(Tc)을 엔진 부하(TL)와 비교하는 제6 단계; 및 상기 제2 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 어시스트 최소토크(Tmin)보다 작은 경우, 상기 제4 단계 또는 상기 제6 단계의 비교 결과 현재 어시스트 토크량(Tc)이 엔진 부하(TL)보다 작은 경우, 배출밸브를 열어 상기 어큐뮬레이터로부터 유량을 배출하는 제7 단계를 포함하는 건설기계의 에너지 회생 방법.
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제8항에 있어서,
상기 어큐뮬레이터의 압력 상태에 따라 기설정된 복수의 모드 중 어느 하나를 선택하는 단계에서,
어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1)보다 작은 값인 경우 미충전 상태로 판별하여 제1 모드를 선택하고,
어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 시작압력(P1)과 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2) 사이의 값인 경우 충전중 상태로 판별하여 제2 모드를 선택하며,
어큐뮬레이터 압력(Pc)이 어큐뮬레이터 차지 최대압력(P2) 이상의 값인 경우 완충 상태로 판별하여 제3 모드를 선택하는 건설기계의 에너지 회생 방법.
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