KR102167068B1

KR102167068B1 - 수소연료전지를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템

Info

Publication number: KR102167068B1
Application number: KR1020190039547A
Authority: KR
Inventors: 안경관; 영 소 어; 꽁 민 호; 찌 둥 장
Original assignee: 울산대학교 산학협력단
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2020-10-16
Also published as: KR20200117438A

Abstract

본 발명은 굴삭기의 상부선회체 선회 시 발생되는 고압의 에너지를 회생시키며 에너지 공급 구조를 개선한 굴삭기 에너지 재생 시스템에 관한 것으로, 유압에 의해 상부선회체를 회전시키는 선회부, 상기 선회부와 연결되고 상기 선회부로부터 유압을 공급받아 전기에너지를 생성하는 재생발전부 및 상기 선회부 및 상기 재생발전부와 각각 연결되고, 상기 재생발전부로부터 전기에너지를 제공받아 상기 선회부로 전달하는 전력공급부를 포함하고, 상기 선회부는, 유압펌프, 상기 유압펌프와 연결되며 상기 전력공급부로부터 전기에너지를 공급받아 상기 유압펌프를 가동시키는 DC모터, 상기 유압펌프로 공급되는 유체가 저장되는 저장탱크, 상기 유압펌프와 제1유로 및 제2유로를 통해 연결되며, 상기 상부선회체를 회전시키는 선회모터 및 상기 제1유로 및 상기 제2유로와 연결되며, 상기 제1유로 및 상기 제2유로와 상기 유압펌프를 선택적으로 연결시키는 제1제어밸브를 포함하고, 상기 재생발전부는, 상기 제1유로 또는 제2유로와 연통된 제3유로, 상기 제1유로 또는 제2유로와 연통되고 상기 제3유로와 병렬로 배치된 제4유로, 상기 제3유로에 구비되며 유체를 공급받아 회전하는 재생모터, 상기 재생모터에 연결되며 상기 재생모터의 기계적에너지를 전기에너지로 변환시키는 재생발전기 및 상기 제3유로에 구비되며 상기 제3유로를 선택적으로 개폐시키는 제2제어밸브를 포함한다.
위와 같은 구성을 갖는 본 발명의 상부선회체의 제동 시 안정적으로 에너지를 회생할 수 있으며, 수소연료전지를 이용하여 에너지 효율성을 증대시킬 수 있다.

Description

수소연료전지를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템{EXCAVATOR SWING ENERGY REGENERATION SYSTEM USING FUEL CELL}

본 발명은 수소연료전지를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굴삭기의 선회 또는 선회 제동 시 발생되는 고압을 이용하여 전기에너지를 생산하며, 수소연료전지를 통해 효율적인 에너지 공급이 가능한 굴삭기 에너지 재생 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 굴삭기 등의 건설기계는 엔진과 연결된 유압펌프로부터 형성된 작동유의 유압에 따라 건설기계를 구동시키는 유압 구조를 갖는다.

이러한 유압을 이용한 유압 장비는 작동유의 유압을 이용하여 유압 장비를 원하는 방향으로 즉각적으로 구동시키는데 많은 에너지가 열, 진동, 소음 등으로 소모되고, 소모되는 에너지가 많을수록 에너지 효율이 감소하여 엔진의 연비에 많은 영향을 미쳐 유압 장비의 운용비용을 증가시키는 문제로 이어진다.

상기 소모되는 에너지 중 일부는 유압 장비의 상부선회체를 선회모터로 선회시키는 작업에서 발생된다. 엔진을 구동하여 유압펌프에서 토출된 고압의 작동유는 선회모터로 공급되어 상부선회체의 선회시키는데 제동을 위하여 작동유를 차단시키는 경우 선회모터의 토출 포트에서 압력이 급격히 상승되어 제동토크가 발생하고 이에 따라 릴리프밸브 등에서 손실이 발생된다.

상기 문제점을 해결하고자 종래에는 소모되는 에너지의 일부를 회생하여 재활용하는 방법의 연구 및 노력이 진행되고 있다.

종래 기술로, 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0052041호에서는 선회모터에 연결된 제1통로 및 제2통로에 각각 어큐뮬레이터가 연결되어 어큐뮬레이터에 유압에너지를 저장한 후 선회모터로 다시 공급시키는 구조가 개시되어 있다.

위 공개특허의 경우 하나의 회로 내에서 유압에너지를 공급하거나 공급받는 구조로 작동유의 이동 경로와 방향을 조절하기 위하여 복잡한 구성이 요구되고, 어느 하나의 구성이 오작동하는 경우 전체 유압 시스템에 영향을 미치는 문제점이 있으며, 어큐뮬레이터의 에너지 저장 한계와 압력차에 의한 수동적인 에너지저장 구조로 높은 에너지 효율을 기대하기 어렵다.

한편, 수소연료전지는 전기분해의 역반응을 이용하여 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기와 열을 생산하는 장치의 일종으로, 에너지 효율이 높으며 친환경 에너지원으로서 각광받고 있다.

(문헌 001) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0052041호(공개일:2011.05.18.)

위와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은 굴삭기의 선회 에너지 재생 구조와 전력 공급 구조를 개선하여 에너지 효율이 높은 굴삭기 에너지 재생 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 에너지 재생 시스템은 유압에 의해 상부선회체를 회전시키는 선회부, 선회부와 연결되고 선회부로부터 유압을 공급받아 전기에너지를 생성하는 재생발전부 및 선회부 및 재생발전부와 각각 연결되고, 재생발전부로부터 전기에너지를 제공받아 선회부로 전달하는 전력공급부를 포함하고, 선회부는, 유압펌프, 유압펌프와 연결되며 전력공급부로부터 전기에너지를 공급받아 유압펌프를 가동시키는 DC모터, 유압펌프로 공급되는 유체가 저장되는 저장탱크, 유압펌프와 제1유로 및 제2유로를 통해 연결되며, 상부선회체를 회전시키는 선회모터 및 제1유로 및 제2유로와 연결되며, 제1유로 및 제2유로와 유압펌프를 선택적으로 연결시키는 제1제어밸브를 포함하고, 재생발전부는, 제1유로 또는 제2유로와 연통된 제3유로, 제1유로 또는 제2유로와 연통되고 제3유로와 병렬로 배치된 제4유로, 제3유로에 구비되며 유체를 공급받아 회전하는 재생모터, 재생모터에 연결되며 재생모터의 기계적에너지를 전기에너지로 변환시키는 재생발전기 및 제3유로에 구비되며 제3유로를 선택적으로 개폐시키는 제2제어밸브를 포함한다.

또한, 재생발전부는, 제4유로에 구비되며 제4유로를 통과하는 유체의 유량을 제어하는 유량조절밸브를 더 포함할 수 있다.

또한, 제4유로는 제1유로와 연통되며, 제4유로를 통과하는 유체는 재차 선회모터로 공급될 수 있다.

또한, 선회부, 재생발전부 및 전력공급부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하고, 제어부는, 제1제어밸브를 조절하여 유압펌프에서 공급된 유체를 제1유로를 통해 선회모터로 공급하고, 선회모터에서 배출된 유체를 제2유로를 통해 저장탱크로 배출시키는 제1모듈 및 제1제어밸브를 조절하여 유압펌프와 제1유로 또는 유압펌프와 제2유로의 연결을 차단하고, 제3유로 또는 제4유로를 통과한 유체를 제1유로를 통하여 선회모터로 공급시키며, 제2제어밸브를 조절하여 선회모터에서 배출된 유체를 제3유로 또는 제4유로로 이동시키는 제2모듈을 포함할 수 있다.

또한, 전력공급부는, 슈퍼커패시터, 배터리 및 수소연료전지를 통해 DC모터로 전력을 공급하고, 제어부는, 설정된 알고리즘에 따라 슈퍼커패시터, 배터리 및 수소연료전지 각각의 전력 공급과, 슈퍼커패시터 및 배터리 각각의 충전 여부를 결정하는 제3모듈을 더 포함하고, 제3모듈은, 수소연료전지, 슈퍼커패시터, 배터리의 순서로 요구되는 전력을 DC모터로 공급시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 수소연료전지와 슈퍼커패시터 및 배터리를 이용하여 전력 효율을 증대시킬 수 있으며, 굴삭기의 선회에너지를 재생하여 사용하므로 에너지 절감에 우수한 효과가 있다.

또한, 제어부를 통해 유압의 이동 경로를 조절하는 한편, 수소연료전지, 슈퍼커패시터 및 배터리의 전력 공급을 차등적으로 결정하여 안정적인 차량의 요구전력 충족이 가능하며 배터리의 수명을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템을 나타낸 유압회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 제1모듈을 나타낸 유압회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 제2모듈을 나타낸 유압회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 제3모듈을 나타낸 흐름도이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지(320)를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템을 나타낸 유압회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지(320)를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템은 유압에 의해 상부선회체를 회전시키는 선회부(100), 상기 선회부(100)와 연결되고 상기 선회부(100)로부터 유압을 공급받아 전기에너지를 생성하는 재생발전부(200) 및 상기 선회부(100) 및 상기 재생발전부(200)와 각각 연결되고, 상기 재생발전부(200)로부터 전기에너지를 제공받아 상기 선회부(100)로 전달하는 전력공급부(300)를 포함한다.

본 발명의 전체 구조를 설명하면, 선회부(100)는 유압으로 구동되는 장비의 상부선회체를 회전시키며, 상부선회체의 선회 감속에 따른 유압을 재생발전부(200)를 통해 전기에너지로 변환하고, 변환된 전기에너지는 전력공급부(300)로 전달된다. 전력공급부(300)는 수소연료전지(320) 등을 통해 생산된 전기에너지를 다시 선회부(100)로 공급한다.

본 발명의 선회부(100)는 유압펌프(110), 상기 유압펌프(110)와 연결되며 상기 전력공급부(300)로부터 전기에너지를 공급받아 상기 유압펌프(110)를 가동시키는 DC모터(111), 상기 유압펌프(110)로 공급되는 유체가 저장되는 저장탱크, 상기 유압펌프(110)와 제1유로(130) 및 제2유로(140)를 통해 연결되며, 상기 상부선회체를 회전시키는 선회모터(160) 및 상기 제1유로(130) 및 상기 제2유로(140)와 연결되며, 상기 제1유로(130) 및 상기 제2유로(140)와 상기 유압펌프(110)를 선택적으로 연결시키는 제1제어밸브(120)를 포함한다.

DC모터(111)는 전력공급부(300)에서 공급된 전기에너지에 의해 작동되며, 유압펌프(110)와 연결되어 유압펌프(110)를 가동시킨다. 유압펌프(110)는 저장탱크와 연결되어 가동 시 저장탱크로부터 유체, 즉 작동유를 제1제어밸브(120)로 공급한다.

유압펌프(110)와 제1제어밸브(120) 사이에는 릴리프밸브(150)가 구비되어 과도한 압력 시 유압펌프(110)에서 공급되는 유체를 릴리프밸브(150)를 통과시켜 저장탱크로 배출시키는 것이 바람직하다.

제1제어밸브(120)는 일측에서 유압펌프(110) 및 저장탱크와 연결되고, 타측에서 제1유로(130) 및 제2유로(140)와 연결되어 유압펌프(110)로부터 공급된 유체의 방향성을 결정한다.

제1제어밸브(120)는 3위치 밸브로, 3개의 절환위치를 가지며, 제1위치에서 제2유로(140)와 유압펌프(110)를 연통시키고, 제1유로(130)와 저장탱크를 연통시킨다. 제2위치에서 유압펌프(110)로 공급되는 유체나 저장탱크로 배출되는 유체를 차단하고, 제3위치에서 제1유로(130)와 유압펌프(110)를 연통시키고, 제2유로(140)와 저장탱크를 연통시킨다.

예컨대, 상부선회체의 선회 가속 상태를 가정하면, 유압펌프(110)로부터 공급된 유체는 제1유로(130)를 통하여 선회모터(160)로 공급되고, 선회모터(160)에서 배출된 유체는 제2유로(140)를 따라 저장탱크로 배출된다. 상부선회체의 선회 감속 상태를 가정하면, 제1제어밸브(120)는 유압펌프(110)나 저장탱크로의 유체 이동을 차단한다.

제1유로(130)와 제2유로(140)에는 각각 체크밸브(C)가 구비되어 제1유로(130)를 통과하는 유체나 제2유로(140)를 통과하는 유체의 이동 방향을 통제 가능한 것이 바람직하며, 상기 체크밸브(C)는 파일럿체크밸브(P)(pilot check valve)인 것이 바람직하다.

상기 제1유로(130)에는 제1배출라인(131) 및 제1공급라인(132)이 각각 연결되며 상기 제1배출라인(131) 및 제1공급라인(132)에는 서로 방향성을 달리하는 체크밸브(C)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 제2유로(140)에는 제2배출라인(141) 및 제2공급라인(142)이 각각 연결되며 상기 제2배출라인(141) 및 제2공급라인(142)에는 상기 제1배출라인(131) 및 제1공급라인(132)과 각각 대응되도록 서로 방향성을 달리하는 체크밸브(C)가 구비될 수 있다. 상기 제1배출라인(131) 또는 상기 제2배출라인(141)을 통과하는 유체는 릴리프밸브(150)의 방향으로 이동하고, 기 설정된 압력 이상에서 릴리프밸브(150)를 통과하여 저장탱크로 배출된다. 상기 릴리프밸브(150)를 통과한 유체 중 일부는 상기 제1공급라인(132) 및/또는 상기 제2공급라인(142)을 통과하여 제1유로(130) 또는 제2유로(140)로 재차 공급될 수 있다.

본 발명의 재생발전부(200)는, 상기 제1유로(130) 또는 제2유로(140)와 연통된 제3유로(220), 상기 제1유로(130) 또는 제2유로(140)와 연통되고 상기 제3유로(220)와 병렬로 배치된 제4유로(230), 상기 제3유로(220)에 구비되며 유체를 공급받아 회전하는 재생모터(222), 상기 재생모터(222)에 연결되며 상기 재생모터(222)의 기계적에너지를 전기에너지로 변환시키는 재생발전기(223) 및 상기 제3유로(220)에 구비되며 상기 제3유로(220)를 선택적으로 개폐시키는 제2제어밸브(221)를 포함한다.

제3유로(220)와 제4유로(230)는 제1유로(130) 또는 제2유로(140)에 직접 연결되거나 셔틀밸브(210)(shuttle valve)를 통해 연결될 수 있다. 예컨대, 제1유로(130)와 제2유로(140)를 연결하는 셔틀밸브(210)가 구비되는 경우 상기 셔틀밸브(210)의 출구로 배출되는 유체는 제3유로(220) 및/또는 제4유로(230) 공급될 수 있다. 즉, 선회모터(160)에서 배출된 유체는 제2유로(140)를 통해 셔틀밸브(210)로 공급되고, 셔틀밸브(210)의 출구로 배출되어 제3유로(220) 및/또는 제4유로(230)로 이동될 수 있다.

상기 제3유로(220)에는 재생모터(222)와 제2제어밸브(221)가 구비되는데, 제2제어밸브(221)는 재생모터(222)의 방향으로 공급되는 유체의 이동 방향을 결정한다. 예를 들어, 제2제어밸브(221)는 2개의 절환위치를 가지며, 재생모터(222)의 방향으로 공급되는 유체를 차단한다.

재생모터(222)에는 재생발전기(223)가 연결되며, 재생모터(222)를 통과하는 유체에 의해 재생모터(222)가 회전하면서 생성되는 기계적에너지를 재생발전기(223)가 전기에너지로 변환시킨다. 재생발전기(223)에는 컨버터가 연결될 수 있으며, 재생발전기(223)에서 생성된 전기에너지는 후술하는 전력공급부(300)로 전달된다.

상기 제4유로(230)에는 유량조절밸브(231)가 구비되며, 상기 제4유로(230)를 통과하는 유체의 유량을 조절한다. 제4유로(230)가 제3유로(220)와 병렬로 연결됨에 따라 재생모터(222)의 허용 용량을 초과하는 과도한 유량의 유체가 제3유로(220)를 통과하는 것을 방지하여 재생모터(222)의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 위와 같이 병렬로 연결된 제3유로(220)와 제4유로(230)의 구조와 제4유로(230)에 구비된 유량조절밸브(231)를 통해 간접적으로 제3유로(220)를 통과하는 유체의 유량을 조절함에 따라 선회모터(160)에서 토출되는 유체의 용량에 관계없이 안정적으로 재생모터(222)를 가동시킬 수 있는 장점이 있다.

제3유로(220)와 제4유로(230)는 저장탱크에 연결되며, 상기 제3유로(220) 및 제4유로(230)를 통과한 유체는 저장탱크로 복귀하거나 상기 제1유로(130) 또는 제2유로(140)로 공급될 수 있다. 제1유로(130) 또는 제2유로(140)로 공급되는 경우 상술한 제1공급라인(132) 또는 제2공급라인(142)을 통해 공급될 수 있다. 이 경우 상기 제4유로(230)가 상기 제1유로(130)와 연통됨에 따라 재생모터(222)를 가동시키는 제4유로(230)를 통과하는 유체는 재차 제1유로(130)를 통해 상기 선회모터(160)로 공급될 수 있다.

본 발명의 전력공급부(300)는, 슈퍼커패시터(330), 배터리(340) 및 수소연료전지(320)를 포함하고, 상기 재생발전기(223)로부터 전달된 전기에너지와, 슈퍼커패시터(330), 배터리(340)에 저장된 전기에너지와, 수소연료전지(320)를 통해 생성된 전기에너지를 상기 DC모터(111)로 공급한다. 재생발전기(223), 슈퍼커패시터(330), 배터리(340) 및 수소연료전지(320)는 모두 또는 선택적으로 DC모터(111)로 전력을 공급할 수 있다. 또한, 상기 슈퍼커패시터(330), 배터리(340) 및 수소연료전지(320)는 각각 컨버터에 연결되어 교류에서 직류로 변환 가능한 것이 바람직하다.

구체적으로, 전력공급부(300)는 직류신호버스(310)(DC BUS)를 가지며, 직류선호버스는 재생발전기(223), 슈퍼커패시터(330), 배터리(340) 및 수소연료전지(320)로부터 전기에너지를 제공받아 분배한다. 상기 직류선호버스는 DC모터(111)로 전기에너지를 제공하며, 추가로 수소연료전지(320), 슈퍼커패시터(330) 및 배터리(340)의 가동을 위하여 요구되는 전력을 제공한다.

수소연료전지(320)는, 수소와 공기 중 산소의 전기적 반응을 통해 전기에너지를 생성하여 직류선호버스로 전달하며, 구체적으로, 모터, 압축기, 밸브, 연료전지스택, 냉각기 등을 포함하여, 모터의 작동에 따라 압축기에서 공기가 공급되고 수소탱크에서 수소가 공급되며, 연료전지스택에서 전기가 생산된다. 연료전지스택은 수소와 산소의 화학에너지를 전기화학적 반응에 의해 전력으로 변환시키는 역할을 수행하며, 수소의 이온화 과정에서 방출된 전자를 이용하여 전기에너지를 생산한다. 연료전지스택에 의해 전기화학적 반응에 의해 생성된 물은 상기 연료전지스택을 냉각시키기 위한 냉각기로 공급된다. 연료전지스택에서 반응 후 잔존한 수소기체와 공기를 외부로 배출시킨다. 연료전지스택으로 공급되는 수소와 산소를 포함한 공기는 전기 생산 효율을 증대시키기 위해여 수분이 제어될 수 있으며, 일 실시예에서 연료전지스택에서 배출되는 공기 중의 수분을 응집하고, 상기 응집된 수분을 연료전지스택으로 공급되는 수소와 공기에 공급할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 선회부(100), 재생발전부(200) 및 전력공급부(300)의 작동을 제어하는 제어부(400)(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부(400)는 선회부(100)의 유압펌프(110), 제1제어밸브(120), 체크밸브(C), 릴리프밸브(150), 선회모터(160), DC모터(111) 등과, 재생발전부(200)의 셔틀밸브(210), 유량조절밸브(231), 제2제어밸브(221), 재생모터(222), 재생발전기(223) 등과, 전력공급부(300)의 수소연료전지(320), 슈퍼커패시터(330), 배터리(340), 직류신호버스(310) 등을 제어하여 유체의 이동방향이나 전력 공급을 제어한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(400)의 제1모듈(410)을 나타낸 유압회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(400)의 제2모듈(420)을 나타낸 유압회로도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 상기 제어부(400)는 상기 제1제어밸브(120)를 조절하여 상기 유압펌프(110)에서 공급된 유체를 상기 제1유로(130)를 통해 상기 선회모터(160)로 공급하고, 상기 선회모터(160)에서 배출된 유체를 상기 제2유로(140)를 통해 상기 저장탱크로 배출시키는 제1모듈(410) 및 상기 제1제어밸브(120)를 조절하여 상기 유압펌프(110)와 상기 제1유로(130) 또는 상기 유압펌프(110)와 상기 제2유로(140)의 연결을 차단하고, 상기 제3유로(220) 또는 제4유로(230)를 통과한 유체를 상기 제1유로(130)를 통하여 상기 선회모터(160)로 공급시키며, 상기 제2제어밸브(221)를 조절하여 상기 선회모터(160)에서 배출된 유체를 상기 제3유로(220) 또는 제4유로(230)로 이동시키는 제2모듈(420)을 포함한다.

제1모듈(410)은 상부선회체의 선회 가속 시 적용될 수 있으며, 유압펌프(110)와 제1유로(130)를 연통시키고 제2유로(140)와 저장탱크를 연통시키도록 제1제어밸브(120)를 조절하며, 유압펌프(110)를 통해 공급되는 유체는 제1유로(130)를 통해 선회모터(160)로 공급되고, 선회모터(160)에서 상부선회체를 선회시키는데 이용된 후 배출되는 유체는 제2유로(140)를 통해 저장탱크로 복귀한다.

상기 제1모듈(410)에서 슈퍼커패시터(330) 및 배터리(340)에 저장된 에너지나 수소연료전지(320)를 통해 생성된 에너지는 직류신호버스(310)를 통해 DC모터(111)로 제공되고, DC모터(111)는 유압펌프(110)를 가동시킨다.

제2모듈(420)은 상부선회체의 제동 시 적용될 수 있으며, 유압펌프(110)는 가동이 중지될 수 있다. 상부선회체의 제동 시 상부선회체 또는 선회모터(160)의 관성에 따라 제1유로(130) 또는 제2유로(140)에서 토출압력이 높아지고, 릴리프밸브(150)를 통하여 유압에너지가 손실될 수 있는데, 본 발명의 제2모듈(420)에서는 손실되는 유압에너지를 재생발전부(200)의 방향으로 제공하여 재생모터(222)를 작동시킴으로써 손실되는 에너지를 재생한다.

구체적으로, 상기 제2모듈(420)은 유압펌프(110)로부터 공급되는 유체를 차단하도록 제1제어밸브(120)를 조절하고, 제2유로(140)를 통해 선회모터(160)에서 토출된 유체를 제3유로(220)로 이동시킨다. 이 경우 셔틀밸브(210)를 통해 유체의 방향성을 조절할 수 있다. 제3유로(220)를 통과하는 유체는 제2제어밸브(221)를 통해 재생모터(222)로 공급되며, 재생모터(222)의 작동에 따라 재생발전기(223)에서 재생모터(222)의 기계적에너지를 전기에너지로 변환하여 직류신호버스(310)로 전달한다. 재생모터(222)를 통과한 유체는 재차 제1유로(130)로 공급될 수 있으며, 저장탱크에 구비된 유체가 추가로 제1유로(130)로 보충될 수 있다. 또한, 제2모듈(420)은 제3유로(220)를 통과하는 유체의 용량이 과도한 경우 제4유로(230)의 유량조절밸브(231)를 조절하여 제4유로(230)로 유체의 일부 유량을 통과시킴으로써 재생모터(222)를 안정적으로 작동시킬 수 있으며, 제4유로(230)를 통과한 유체는 재차 제1유로(130)로 공급될 수 있다.

위와 같은 제1모듈(410) 및 제2모듈(420)으로 구성된 제어부(400)는 상부선회체의 선회 가속 시 유압펌프(110)를 이용하고, 상부선회체의 제동 시 손실되는 유압에너지를 전기에너지로 변환하여 저장하며, 제동 시 유압펌프(110)의 작동을 중단하더라도 제1유로(130) 또는 제2유로(140)에서 요구되는 유체의 용량을 충족시킬 수 있는 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(400)의 제3모듈(430)을 나타낸 흐름도이다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 제어부(400)는 설정된 알고리즘에 따라 상기 슈퍼커패시터(330), 배터리(340) 및 수소연료전지(320) 각각의 전력 공급과, 상기 슈퍼커패시터(330) 및 배터리(340) 각각의 충전 여부를 결정하는 제3모듈(430)을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서 제3모듈(430)은 수소연료전지(320), 슈퍼커패시터(330), 배터리(340)의 순서로 요구되는 전력을 DC모터(111)로 공급시킬 수 있다.

도 4을 참조하여 구체적으로 설명하면, 제3모듈(430)은 DC모터(111)에서 요구되는 전력(Preq)과 수소연료전지(320)를 통해 생산된 전력(Pfc)을 비교하여 Preq가 Pfc보다 작은 경우 수소연료전지(320)에서 생산된 전력을 DC모터(111)에 공급한다. Preq가 Pfc보다 큰 경우 Pfc와 슈퍼커패시터(330)에 저장된 전력(Psc)을 더한 값과 Preq를 비교하여, Pfc+Psc의 값이 Preq보다 큰 경우 슈퍼커패시터(330)의 현재 저장용량(SoCsc)과 슈퍼커패시터(330)의 최소 요구 저장용량(SoCsc_min)을 비교하고, 현재 저장용량이 더 큰 경우 수소연료전지(320)에서 생산된 전력과 슈퍼커패시터(330)에 저장된 전력의 합을 DC모터(111)에 공급한다. 현재 저장용량이 더 작은 경우에는 배터리(340)에 저장된 전력(Pbat)과 Pfc를 더한 값과 Preq를 비교하여, Preq가 더 큰 경우 알람신호를 생성하여 작업자에게 이를 인지시키고, Preq가 더 작은 경우 배터리(340)의 현재 저장용량(SoCbat)과 배터리(340)의 최소 요구 저장용량(SoCbat_min)을 비교하여 현재 저장용량이 더 큰 경우 수소연료전지(320)에서 생산된 전력과 배터리(340)의 전력의 합을 DC모터(111)에 공급한다. 현재 저장용량이 더 작은 경우에는 배터리(340)를 충전시킨다. Pfc+Psc의 값이 Preq보다 작은 경우 Pfc+Psc+Pbat의 값을 Preq와 비교하여, Preq가 더 큰 경우 알람신호를 생성하여 작업자에게 이를 인지시키고, Preq가 더 작은 경우 SoCsc과 SoCsc_min, SoCbat과 SoCbat_min을 각각 비교하여, SoCsc와 SoCbat가 각각 더 큰 경우 수소연료전지(320)에서 생산된 전력과 슈퍼커패시터(330)에 저장된 전력과 배터리(340)의 전력의 합을 DC모터(111)에 공급한다. SoCsc가 SoCsc_min보다 작은 경우 슈퍼커패시터(330)를 충전한다.

위와 같이 제3모듈(430)은 연료전지, 슈퍼커패시터(330), 배터리(340)의 순서로 요구되는 전력을 공급하여 에너지 공급 효율을 증대시킬 수 있다. 슈퍼커패시터(330)의 경우 배터리(340)와 비교할 때 저장 용량은 작으나 출력 값은 크다. 또한, 수소연료전지(320)는 유지비가 저렴하며 발전 효율이 높다. 이에 본 발명에서 DC모터(111)에서 요구되는 전력을 먼저 수소연료전지(320)로 공급하고, 부족분을 순차적으로 슈퍼커패시터(330), 배터리(340)의 순서로 충당하여 배터리(340)의 출력 변동에 따른 내부 저항에 의한 내부 손실을 감소시키고 배터리(340)의 수명을 증대시킬 수 있으며, 작업 부하가 급격하게 변화될 때 출력 값이 큰 슈퍼커패시터(330)를 먼저 사용하여 안정적으로 작업 부하에 요구되는 전력을 공급할 수 있다.

보다 전력 공급 효율을 증대시키기 위하여 본 발명의 일 실시예에서 상기 제3모듈(430)은 상기 직류신호버스(310)를 통해 재생발전기(223)에서 생성된 전기에너지를 수소연료전지(320)에서 생성된 전력보다 먼저 DC모터(111)에 공급할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 상부선회체의 선회 및 제동에 따른 에너지를 축적 및 회생시키는 동시에 기존의 유압 시스템에 쉽게 적용 가능하며, 기존의 유압 시스템과 독립된 구조를 가져 유지관리가 용이한 장점이 있다. 또한, 상기 제어부(400)를 통해 제1 내지 제3모듈(430)을 선택 또는 중첩 적용하여 에너지 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

100 : 선회부
110 : 유압펌프 111 : DC모터
120 : 제1제어밸브 130 : 제1유로
131 : 제1배출라인 132 : 제1공급라인
140 : 제2유로 141 : 제2배출라인
142 : 제2공급라인
150 : 릴리프밸브 160 : 선회모터
200 : 재생발전부
210 : 셔틀밸브 220 : 제3유로
221 : 제2제어밸브 222 : 재생모터
223 : 재생발전기 230 : 제4유로
231 : 유량조절밸브
300 : 전력공급부
310 : 직류신호버스 320 : 수소연료전지
330 : 슈퍼커패시터 340 : 배터리
400 : 제어부
410 : 제1모듈 420 : 제2모듈
430 : 제3모듈
C : 체크밸브 P : 파일럿체크밸브

Claims

유압에 의해 상부선회체를 회전시키는 선회부;
상기 선회부와 연결되고 상기 선회부로부터 유압을 공급받아 전기에너지를 생성하는 재생발전부; 및
상기 선회부 및 상기 재생발전부와 각각 연결되고, 상기 재생발전부로부터 전기에너지를 제공받아 상기 선회부로 전달하는 전력공급부;를 포함하고,
상기 선회부는,
유압펌프;
상기 유압펌프와 연결되며 상기 전력공급부로부터 전기에너지를 공급받아 상기 유압펌프를 가동시키는 DC모터;
상기 유압펌프로 공급되는 유체가 저장되는 저장탱크;
상기 유압펌프와 제1유로 및 제2유로를 통해 연결되며, 상기 상부선회체를 회전시키는 선회모터; 및
상기 제1유로 및 상기 제2유로와 연결되며, 상기 제1유로 및 상기 제2유로와 상기 유압펌프를 선택적으로 연결시키는 제1제어밸브;를 포함하고,
상기 재생발전부는,
상기 제1유로 또는 제2유로와 연통된 제3유로;
상기 제1유로 또는 제2유로와 연통되고 상기 제3유로와 병렬로 배치된 제4유로;
상기 제3유로에 구비되며 유체를 공급받아 회전하는 재생모터;
상기 재생모터에 연결되며 상기 재생모터의 기계적에너지를 전기에너지로 변환시키는 재생발전기; 및
상기 제3유로에 구비되며 상기 제3유로를 선택적으로 개폐시키는 제2제어밸브;를 포함하며,
상기 선회부, 재생발전부 및 전력공급부의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
상기 전력공급부는,
슈퍼커패시터, 배터리 및 수소연료전지를 통해 상기 DC모터로 전력을 공급하고,
상기 제어부는,
설정된 알고리즘에 따라 상기 슈퍼커패시터, 배터리 및 수소연료전지 각각의 전력 공급과, 상기 슈퍼커패시터 및 배터리 각각의 충전 여부를 결정하는 제3모듈;을 더 포함하고,
상기 제3모듈은, 상기 DC모터에서 요구되는 전력(Preq)이 상기 수소연료전지를 통해 생산된 전력(Pfc)보다 작은 경우 상기 수소연료전지에서 생산된 전력을 상기 DC모터에 공급하고,
상기 DC모터에서 요구되는 전력(Preq)이 상기 수소연료전지를 통해 생산된 전력(Pfc)보다 큰 경우 상기 DC모터에서 요구되는 전력(Preq)을 상기 수소연료전지를 통해 생산된 전력(Pfc)과 상기 슈퍼커패시터에 저장된 전력(Psc)을 더한 값과 비교하여 상기 수소연료전지를 통해 생산된 전력(Pfc)과 상기 슈퍼커패시터에 저장된 전력(Psc)을 더한 값이 상기 DC모터에서 요구되는 전력(Preq) 보다 큰 경우 상기 슈퍼커패시터의 현재 저장용량(SoCsc)과 상기 슈퍼커패시터의 최소 요구 저장용량(SoCsc_min)을 비교하여 상기 슈퍼커패시터의 현재 저장용량이 상기 슈퍼커패시터의 최소 요구 저장용량(SoCsc_min)보다 더 큰 경우 상기 수소연료전지에서 생산된 전력과 상기 슈퍼커패시터의 전력의 합을 상기 DC모터에 공급하고, 상기 슈퍼커패시터의 현재 저장용량이 상기 슈퍼커패시터의 최소 요구 저장용량(SoCsc_min)보다 작은 경우 상기 DC모터에서 요구되는 전력(Preq)을 상기 수소연료전지를 통해 생산된 전력(Pfc)과 상기 배터리에 저장된 전력(Pbat)을 더한 값과 비교하여 상기 DC모터에서 요구되는 전력(Preq)이 더 작은 경우 상기 배터리의 현재 저장용량(SoCbat)과 상기 배터리의 최소 요구 저장용량(SoCbat_min)을 비교하여 상기 배터리의 현재 저장용량이 더 큰 경우 상기 수소연료전지에서 생산된 전력과 상기 배터리의 전력의 합을 상기 DC모터에 공급하며,
상기 수소연료전지를 통해 생산된 전력(Pfc)과 상기 슈퍼커패시터에 저장된 전력(Psc)을 더한 값이 상기 DC모터에서 요구되는 전력(Preq) 보다 작은 경우 상기 수소연료전지를 통해 생산된 전력(Pfc)과 상기 슈퍼커패시터에 저장된 전력(Psc)과 상기 배터리에 저장된 전력(Pbat)을 더한 값과 상기 DC모터에서 요구되는 전력(Preq)을 비교하여, 상기 DC모터에서 요구되는 전력(Preq)이 더 작고 상기 배터리의 현재 저장용량(SoCbat)이 상기 배터리의 최소 요구 저장용량(SoCbat_min)보다 크며 상기 슈퍼커패시터의 현재 저장용량이 상기 슈퍼커패시터의 최소 요구 저장용량(SoCsc_min)보다 크다면 상기 수소연료전지에서 생산된 전력과 상기 배터리의 전력과 상기 슈퍼커패시터의 전력의 합을 상기 DC모터에 공급하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 재생발전부는,
상기 제4유로에 구비되며 상기 제4유로를 통과하는 유체의 유량을 제어하는 유량조절밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 제4유로는 상기 제1유로와 연통되며, 상기 제4유로를 통과하는 유체는 재차 상기 선회모터로 공급되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1제어밸브를 조절하여 상기 유압펌프에서 공급된 유체를 상기 제1유로를 통해 상기 선회모터로 공급하고, 상기 선회모터에서 배출된 유체를 상기 제2유로를 통해 상기 저장탱크로 배출시키는 제1모듈; 및
상기 제1제어밸브를 조절하여 상기 유압펌프와 상기 제1유로 또는 상기 유압펌프와 상기 제2유로의 연결을 차단하고, 상기 제3유로 또는 제4유로를 통과한 유체를 상기 제1유로를 통하여 상기 선회모터로 공급시키며, 상기 제2제어밸브를 조절하여 상기 선회모터에서 배출된 유체를 상기 제3유로 또는 제4유로로 이동시키는 제2모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지를 이용한 굴삭기 에너지 재생 시스템.
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