KR102167069B1

KR102167069B1 - 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기

Info

Publication number: KR102167069B1
Application number: KR1020190039548A
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: KR20200117439A

Abstract

본 발명은 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기에 관한 것으로, 선회체와 몸체로 구성되는 굴삭기에 있어서, 상기 몸체의 내부에 구비되며, 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기 에너지를 생산하여 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하는 연료전지스택; 상기 연료전지스택과 연결되고, 상기 연료전지스택에서 생산된 전기 에너지를 저장하며, 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 선택적으로 공급하는 커패시터; 상기 연료전지스택 또는 상기 커패시터에서 전력을 공급받는 전기모터에 의해 구동되는 유압펌프; 상기 유압펌프와 연결되고, 상기 유압펌프에 의해 구동되어 상기 선회체를 회전시키는 동력을 발생시키는 유압모터; 상기 유압펌프 및 유압모터 사이에 구비되며, 상기 유압펌프의 유압을 제어하여 상기 유압모터의 출력을 조절하는 메인밸브; 상기 유압모터와 클러치에 의해 연결되고, 상기 선회체가 회전하면서 발생하는 선회 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전기; 및 상기 연료전지스택 또는 상기 커패시터가 선택적으로 또는 동시에 굴삭기에 전력을 공급하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하여 유압모터에 의해 좌우로 회전하는 굴삭기의 선회체에서 발생하는 선회 에너지를 전기 에너지로 변환하여 수소연료전지와 함께 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 구성되는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기에 관한 것이다.

Description

선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기{NOVEL SWING SYSTEM WITH ENERGY REGENERATION FOR FUEL CELL EXCAVATOR}

본 발명은 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유압모터에 의해 회전하는 굴삭기의 선회체에서 발생하는 선회 에너지를 전기 에너지로 변환하여 수소연료전지와 함께 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 구성되는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기에 관한 것이다.

굴삭기는 일반적으로 '포크레인'이라 불리는 건설기계장비로서, 건설현장에서 배수로 묻기, 파이프 묻기, 건물 기초 바닥파기, 토사적재 등 다양한 기능을 수행하며, 엔진과 연결된 유압펌프로부터 형성된 작동유의 유압에 따라 구동되는 구조를 갖고 있다.

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.

상기와 같은 문제를 해결하고 에너지 소비 및 배출량을 줄이기 위하여 다양한 기술이 개발되고 있으며, 이러한 친환경과 에너지 절약을 모토로 하는 기술 중 하이브리드 파워 시스템(Hybrid power system)은 화석연료와 전기에너지를 동시에 이용하는 시스템으로, 통상적으로 내연 기관과 이차전지(축전지)를 포함하는 두 가지 에너지 원을 가지고 있으며, 상기와 같은 하이브리드 파워 시스템은 자동차 분야에 이어서 굴삭기와 같은 중장비 분야에서도 이용되기 시작하였다.

그러나 내연 기관은 낮은 효율, 소음 및 환경 오염을 유발하는 많은 유해 가스를 배출하며, 이차전지는 공해와 소음이 없다는 장점이 있는 반면, 한 번의 충전으로 작업할 수 있는 시간이 약 3~4시간으로 짧으며, 한 번 작업 후 재충전 하는데 장시간(약 6~9시간)이 소요될 뿐만 아니라 충전과 방전을 계속 반복함에 따라 수명이 단축되어 약 2년 정도 사용하면 새로운 이차전지로 교체하여야 함으로써 많은 비용이 발생하게 된다.

또한, 화석연료는 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.

일반적으로 사용되어왔던 하이브리드 굴삭기를 도1을 참조하여 살펴보면, 엔진(1)에서 출력된 에너지는 전동기 발전기(2)를 통해 유압 펌프(3)에 공급되어 유압 펌프(3)를 동작시킨다.

또한, 동작된 유압 펌프(3)는 콘트롤 밸브(4)를 거쳐 붐 실린더(8), 암, 버켓 실린더(7) 및 유압 모터(5)를 동작시킨다.

그리고, 유압 모터(5)에 의해 주행부(6)가 동작되며, 전동기 발전기(2)에서 발생된 전기 에너지를 인버터(9)를 통해 제어하며 전동 모터(11)를 동작시켜 선회부(12)를 구동한다.

또한, 전동기 발전기에서 발생되는 에너지는 축전지(10)에 저장하여 엔진 효율을 증대시키도록 하고 있다.

하지만, 일반적인 하이브리드 굴삭기의 경우 주행부가 엔진 출력과 연결된 유압 펌프로 동작되고 있어 주행 동작 또는 정지에 따른 연료 소비가 여전히 많다는 단점이 있으며, 이로 인해 연료의 불필요한 낭비를 초래한다는 문제점이 있다.

또 다른 종래의 기술 중 연료전지를 동력원으로 사용하는 차량의 구조를 살펴보면 도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 연료 공급원(1a)과 공급되는 연료의 화학반응을 통해 수소를 발생시키는 연료개질기(1b) 및 연료개질기(1b)로부터 공급되는 수소를 공급받아 전기 에너지를 생성시켜 축적하는 축전지(1c)를 포함하여 구성되는 연료전지(1)와, 연료전지(1)에서 공급되는 전기적 에너지를 일정 전압으로 출력되도록 하며, 모터 제어기를 포함하여 모터(3)의 구동을 제어하는 인버터(2)로 이루어진다.

상기한 바와 같은 연료전지를 사용하는 차량의 경우 차량 부하 모두를 연료전지가 담당하는 구조로, 전지모터는 고속 운전 영역에서 저속 운전 영역보다 높은 DC 전압을 요구하게 되나, 연료전지는 출력량이 증대되면 출력전압이 급격하게 감소하는 출력 특성을 가지고 있으므로 모터가 요구하는 충분한 DC 전압을 공급 못하게 된다.

또한, 초기 시동 시 연료개질기로부터 수소를 추출하고 화학반응을 일으켜 전기 에너지를 공급하기까지의 시간이 최소 1분 내지 최대 수 분의 시간이 소모되며, 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우 연료개질기를 통한 충분한 수소가 공급되기까지의 지연기간이 존재하게 되어 연료전지 출력전압이 순간적으로 급 강하 하는 현상이 발생하여 모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하되는 문제점이 있다.

KR 10-1488984 B1 KR 10-1060600 B1 KR 10-2014-0107213 A KR 10-1908135 B1

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 선회 에너지를 전기 에너지로 변환하여 커패시터에 저장하고, 굴삭기를 구동함에 있어서 높은 전력을 필요로 할 때 수소연료전지와 커패시터에서 동시에 전력을 공급함으로써 소비되는 수소의 양을 감소시키고, 수소연료전지의 과부하를 방지하며, 수소연료전지의 에너지 출력을 안정적으로 유지시켜 수소연료전지의 수명을 연장시키고, 수소연료전지에서 생성된 전기 에너지가 충분하지 않더라도 미리 전력이 저장되어 있던 커패시터와 연계함으로써 수소연료전지를 이용하는 굴삭기의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 선회체와 몸체로 구성되는 굴삭기에 있어서, 상기 몸체의 내부에 구비되며, 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기 에너지를 생산하여 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하는 연료전지스택; 상기 연료전지스택과 연결되고, 상기 연료전지스택에서 생산된 전기 에너지를 저장하며, 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 선택적으로 공급하는 커패시터; 상기 연료전지스택 또는 상기 커패시터에서 전력을 공급받는 전기모터에 의해 구동되는 유압펌프; 상기 유압펌프와 연결되고, 상기 유압펌프에 의해 구동되어 상기 선회체를 회전시키는 동력을 발생시키는 유압모터; 상기 유압펌프 및 유압모터 사이에 구비되며, 상기 유압펌프의 유압을 제어하여 상기 유압모터의 출력을 조절하는 메인밸브; 상기 유압모터와 클러치에 의해 연결되고, 상기 선회체가 회전하면서 발생하는 선회 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전기; 및 상기 연료전지스택 또는 상기 커패시터가 선택적으로 또는 동시에 굴삭기에 전력을 공급하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기를 제공한다.

이때, 상기 클러치는 상기 선회체의 회전을 위해 가속하는 경우, 상기 유압모터와 상기 발전기의 연결을 끊고, 상기 선회체의 회전을 감속하는 경우, 상기 유압모터와 상기 발전기를 연결시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 클러치는 상기 선회체의 회전을 위해 가속하는 경우, 상기 유압모터와 상기 발전기의 연결을 끊고, 상기 선회체의 감속이 상기 선회체 최대 속도의 80% 이상에서 이루어지는 고속 감속에 해당하는 경우에는, 상기 유압모터와 상기 발전기의 연결을 끊고, 상기 선회체의 감속이 상기 선회체 최대 속도의 20% 이하에서 이루어지는 저속 감속에 해당하는 경우에는, 상기 유압모터와 상기 발전기를 연결시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 유압모터와 상기 메인밸브 사이에는 상기 유압모터에 과부하가 발생하지 않고 상기 선회체가 멈출 수 있도록 상기 선회체를 멈추기 위해 가해지는 압력을 조절하는 릴리프밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 릴리프밸브에 연결되며, 상기 릴리프밸브를 통해 유입되고 배출되는 유체의 역류를 방지하여 압력의 흐름을 일정하게 유지시키는 복수의 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 굴삭기의 구동에 필요한 전력이 상기 연료전지스택의 전력보다 낮은 경우, 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하고 남은 전력을 상기 커패시터에 저장하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 굴삭기의 구동에 필요한 전력이 상기 연료전지스택의 전력보다 낮을 경우, 상기 연료전지스택으로부터 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하고, 상기 굴삭기의 구동에 필요한 전력이 상기 연료전지스택의 전력보다 높은 경우, 상기 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 상기 연료전지스택과 상기 커패시터의 전력의 합과 비교하여 상기 연료전지스택과 상기 커패시터의 전력의 합보다 작다면 상기 연료전지스택 및 상기 커패시터로부터 동시에 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하며, 상기 연료전지스택 및 상기 커패시터의 전력의 합이 굴삭기의 구동에 필요한 전력보다 낮을 경우, 경고메시지를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 버려지는 선회 에너지를 전기 에너지로 재생산하여 수소연료전지에서 소비되는 수소의 양을 감소시킬 수 있으며, 수소연료전지의 에너지 출력을 안정적으로 유지시켜 수소연료전지의 과부하를 방지하고 수명을 연장시키며, 수소연료전지에서 생성된 전기 에너지가 충분하지 않더라도 미리 전력이 저장되어 있던 커패시터와 연계함으로써, 굴삭기의 구동 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래 하이브리드 굴삭기를 나타내는 예시도.
도2는 종래 연료전지를 동력원으로 사용하는 차량의 구조를 나타내는 예시도.
도3은 종래 연료전지를 동력원으로 사용하는 차량의 구조를 나타내는 예시도.
도4는 본 발명에 따른 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기를 나타내는 유압회로도.
도5는 본 발명에 따른 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기의 선회 가속 모드를 나타내는 유압회로도.
도6은 본 발명에 따른 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기의 저속 감속 모드를 나타내는 유압회로도.
도7은 본 발명에 따른 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기의 고속 감속 모드를 나타내는 유압회로도.
도8은 본 발명에 따른 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기의 제어 흐름을 나타내는 흐름도.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 유압모터에 의해 좌우로 회전하는 굴삭기의 선회체에서 발생하는 선회 에너지를 전기 에너지로 변환하여 수소연료전지와 함께 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 구성되는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기는 도4 내지 도8에 도시된 바와 같이, 연료전지스택(100), 커패시터(200), 전기모터(300), 유압펌프(400), 유압모터(500), 메인밸브(MV), 발전기(G) 및 제어부(700)로 구성될 수 있다.

이때, 상기 굴삭기는 이동수단 및 굴삭기의 구동에 필요한 구성이 구비되는 몸체와 상기 몸체의 상부에 구비되어 좌우로 선회 가능하여 작업을 용이하게 수행할 수 있도록 하는 선회체(900)로 구성될 수 있으며, 이는 통상적으로 사용되어지는 굴삭기의 구성과 동일한 것으로 이해 할 수 있도록 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지스택(100)은 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기 에너지를 생산하여 상기 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하는 장치로 상기 몸체의 내부에 구비될 수 있다.

이때, 상기 연료전지스택(100)을 구성하는 연료전지는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)를 사용하는 것이 바람직하며, 이는 고분자전해질 연료전지가 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지이고, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되며, 구조가 간단하고, 시동과 반응속도가 빠르며, 내구성이 우수하여 안전성의 확보가 보다 용이하기 때문이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 연료전지스택(100)과 DC bus(DC)에 의해 연결될 수 있는 상기 커패시터(200)는 상기 연료전지스택(100)에서 생산된 전기 에너지 중 굴삭기를 구동하는데 사용되고 남은 전력을 저장해 둘 수 있는 역할을 수행할 수 있으며, 굴삭기를 구동하는데 있어서 상기 연료전지스택(100)이 가지는 전력을 초과하여 필요로 하는 경우에는 선택적으로 상기 커패시터(200)에 저장된 전력을 함께 공급하여 줌으로써, 굴삭기의 구동이 원활히 이루어 질 수 있도록 하는 상기 연료전지스택(100)의 보조적인 역할도 수행할 수 있다.

여기서 말하는 상기 DC bus(DC)는 직류신호버스를 말하며, 상기 DC bus(DC)는 굴삭기의 구동에 필요한 전력의 전반적인 흐름을 이어주는 역할을 수행할 수 있다.

즉, 상기 DC bus(DC)는 상기 연료전지스택(100), 커패시터(200), 전기모터(300) 및 발전기(G) 간에 서로 필요에 따라 흐르는 전기 에너지의 통로 역할을 수행할 수 있으며, 단순한 전기 에너지의 통로 역할 뿐만 아니라, 상기 제어부(700)의 제어 정보를 전달하여 굴삭기의 구동에 필요한 제어가 즉각적으로 이루어 질 수 있도록 하는 역할도 수행할 수 있다. 다만 연료전지스택(100), 커패시터(200), 전기모터(300) 및 발전기(G)는 상기 DC bus(DC)가 아닌 다른 전기적 연결수단에 의하여서도 연결될 수 있다.

또한, 상기 DC bus(DC)를 통해 상기 연료전지스택(100), 커패시터(200), 전기모터(300) 및 발전기(G) 간에 주고받는 전기 에너지의 전력 변환을 위해 복수의 변환기 또는 컨버터(800)가 상기 연료전지스택(100)과 상기 커패시터(200) 사이, 상기 커패시터(200)와 상기 전기모터(300) 사이, 그리고 상기 발전기(G)와 상기 커패시터(200) 사이에 각각 구비될 수 있으며, 경우에 따라 중복되는 변환기(800)는 하나로 합침으로써 구조를 단순화 시킬 수도 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 DC bus(DC)에 연결되어 상기 연료전지스택(100) 및 상기 커패시터(200)에서 전력을 공급받는 상기 전기모터(300)는 상기 유압펌프(400)를 구동시킴으로써, 굴삭기가 구동될 수 있도록 할 수 있다.

상기 유압펌프(400)는 외부에서 공급되는 기계적 에너지를 유압 시스템 유체의 압력 에너지로 변환시키는 장치로써, 상기한 유압펌프(400)는 종래의 굴삭기 및 각종 중장비 등에 이미 널리 쓰이는 장치인 바, 그 구성에 대한 자세한 설명은 생략 하기로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 유압모터(500)는 상기 유압펌프(400)와 배관(P)으로 연결될 수 있으며, 상기 배관(P)을 따라 상기 유압펌프(400)에서 발생된 고유압의 유체를 전달받아 구동되며, 상기 유압모터(500)에서 발생되는 동력에 의해 상기 선회체(900)를 회전시키는 역할을 수행할 수 있다.

이때, 상기 유압모터(500)의 유입로(미도시)로 유입된 고유압의 유체는 상기 유압모터(500)를 구동시킨 후 저유압의 유체 상태로 상기 유압모터(500)의 배출로(미도시)로 빠져나오게 되며, 빠져나온 저유압의 유체는 배관(P)을 따라 다시 상기 유압펌프(400)로 이송되고, 상기 유압펌프(400)에 의해 다시 고유압의 유체 상태가 되어 상기 유압모터(500)에 전달되는 일련의 순환 과정을 반복함으로써, 굴삭기가 지속적으로 구동될 수 있도록 할 수 있다.

이러한 상기 유압모터(500)의 출력은 세밀하게 조절되어 굴삭기의 움직임을 유연하게 할 수 있어야 하며, 그로 인해 굴삭기를 사용하는 작업을 원활하게 수행할 수 있어야 한다.

이를 위하여 상기 유압펌프(400) 및 상기 유압모터(500)의 사이에 위치하는 배관(P)에는 메인밸브(MV)가 구비될 수 있으며, 상기 메인밸브(MV)를 통해 상기 유압펌프(400) 및 상기 유압모터(500)를 연결하는 배관(P)의 내부를 흐르는 유체의 압력을 제어하여 줄 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 발전기(G)는 상기 유압펌프(400) 및 유압모터(500)의 연계에 의해 좌우로 회전하는 상기 선회체(900)에서 발생하는 선회 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 역할을 수행할 수 있다.

종래 굴삭기의 경우, 선회체(900)가 회전하면서 발생하는 선회 에너지는 결코 무시하지 못할 양임에도 불구하고, 이용되지 않아 쉽게 버려져 왔으며, 그로 인해 유압펌프(400) 및 유압모터(500)와 같은 유압장치들에 과부하가 발생하여 상기 유압장치들이나 엔진의 수명이 단축되는 결과를 초래하였다.

본 발명의 상기 발전기(G)는 이와 같이 버려지는 선회 에너지를 재활용하여 굴삭기의 구동에 필요한 전기 에너지로 변환할 수 있으며, 변환된 전기 에너지를 상기 DC bus(DC) 또는 다른 전기적 연결수단을 통해 상기 커패시터(200)에 저장하도록 할 수 있다.

이와 같은 역할을 수행하는 상기 발전기(G)에 의하여 상기 유압펌프(400) 및 유압모터(500)에 발생할 수 있는 과부하를 방지하고, 상기 커패시터(200)에 충분한 양의 전기 에너지가 저장될 수 있도록 하여 상기 연료전지스택(100)의 과부하 역시 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 발전기(G)에서 전기 에너지로 변환하는 선회 에너지는 특히, 상기 선회체(900)를 감속하는 제동 과정에서 발생되는 에너지가 해당 할 수 있으며, 상기 선회체(900)가 감속하는 경우에만 선택적으로 상기 발전기(G)가 가동될 수 있도록 상기 유압모터(500)와 상기 발전기(G)는 그 사이에 구비될 수 있는 클러치(600)에 의해 연결될 수 있다.

즉, 상기 클러치(600)는 상기 선회체(900)의 회전을 멈추기 위해 감속하는 경우에는 상기 유압모터(500)와 상기 발전기(G)가 연결되도록 하여 상기 선회체(900)에서 발생하는 선회 에너지를 상기 발전기(G)에서 전기 에너지로 변환할 수 있도록 할 수 있으며, 상기 선회체(900)가 작업을 위해 좌우로 회전하기 위해 가속하는 경우에는 상기 유압모터(500)와 상기 발전기(G) 간의 연결을 끊어 상기 발전기(G)가 작동되지 않도록 할 수 있는 것이다.

또한, 상기 유압모터(500)와 상기 메인밸브(MV) 사이에는 상기 선회체(900)를 멈추기 위해 가해지는 압력을 조절할 수 있는 릴리프밸브(RV)를 더 구비할 수 있음으로써, 상기 유압모터(500) 및 배관(P)에 과부하가 발생하지 않고 상기 선회체(900)가 감속할 수 있도록 할 수 있다.

이때, 상기 릴리프밸브(RV)가 연결되는 상기 배관(P)에는 복수의 체크밸브(CV)를 더 구비할 수 있으며, 상기 복수의 체크밸브(CV)를 통해 상기 릴리프밸브(RV)에 유입되고 배출되는 유체가 역류하는 것을 방지하여 유체의 압력 흐름을 일정하게 유지시킬 수 있도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제어부(700)는 굴삭기에 필요한 전력과 상기 연료전지스택(100) 및 상기 커패시터(200)가 갖는 가용 전력을 비교하여 상기 연료전지스택(100)과 상기 커패시터(200)가 선택적으로 또는 동시에 굴삭기에 필요한 전력을 공급하도록 할 수 있으며, 굴삭기에 공급할 수 있는 전력이 모자란 경우 경고메시지를 발생시켜 굴삭기가 멈추는 상황에 대비하거나, 굴삭기의 출력을 조절하여 사용할 수 있도록 할 수 있다.

이때, 상기 제어부(700)에 의해 작업자에게 경고를 하는 것은 상기 제어부(700)에 의해 신호 제어되며, 작업자의 인지 범위 내에 구비될 수 있도록 하는 경고장치(A)를 통해 할 수 있으며, 상기 경고장치(A)는 경고음 또는 발광 중 어느 하나 또는 둘을 조합하여 사용함으로써, 작업자가 경고 신호를 쉽게 인지하고 굴삭기의 구동을 원활히 하도록 할 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기는 도4를 참조하여 전체적인 구성을 이해할 수 있도록 하며, 도5 내지 도7에 도시된 유압회도로를 참조하여 작동 방식을 이해할 수 있도록 한다.

도5는 본 발명인 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기의 선회체(900)가 좌우로 회전하기 위해 작동하는 가속 모드를 나타내는 것이다.

도5를 참조하여 보면, 굴삭기의 상부에서 작업 간에 방향 전환을 위해 좌우로 회전하는 상기 선회체(900)는 상기 유압펌프(400)가 구동하면서 배출한 고유압의 유체가 배관(P)을 따라 이동하여 상기 유압모터(500)에 유입되어 발생시키는 동력에 의해 회전하게 되며, 상기 유압모터(500)에 유입된 고유압의 유체는 저유압의 유체 상태로 다시 배관(P)을 따라 상기 유압펌프(400)로 이동하게 되고, 상기 유압펌프(400)에 의해 다시 고유압의 상태로 상기 유압모터(500)로 배출되는 일련의 순환 과정을 통해 상기 선회체(900)가 지속적으로 회전할 수 있는 것이다.

또한, 유압이 흐르는 배관(P)은 상기 제어부(700)에 의해 제어되는 상기 메인밸브(MV)를 통과하게 되며, 상기 메인밸브(MV)에 의해 유체의 압력이 조절되어 상기 유압모터(500)의 출력을 조절하여 줄 수 있다.

이때, 상기 전기모터(300)는 상기 유압펌프(400)에 연결되어 이를 구동시킬 수 있다.

본 발명의 상기 전기모터(300)는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기 에너지를 생산하는 상기 연료전지스택(100)으로부터 상기 DC bus(DC) 또는 다른 전기적 연결수단을 통해 전력을 공급받아 구동될 수 있다.

이때, 굴삭기의 구동에 필요한 전력이 상기 연료전지스택(100)이 갖는 전력보다 낮은 경우에는 상기 연료전지스택(100)에서 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하고 남은 초과 전력을 상기 DC bus(DC) 또는 다른 전기적 연결수단을 통해 상기 커패시터(200)로 전송하여 저장해 둠으로써, 굴삭기의 구동과 상기 커패시터(200)의 충전을 동시에 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 커패시터(200)에 저장된 전력은 굴삭기의 급격한 변동으로 인해 많은 전력이 요구될 때, 상기 연료전지스택(100)의 전력과 함께 사용되어 굴삭기가 작업 간에 갑자기 멈추거나 구동이 원활히 이루어지지 못하는 것을 방지하도록 할 수 있다.

즉, 굴삭기의 구동에 필요한 전력이 상기 연료전지스택(100)이 갖는 전력보다 높은 경우에는 상기 연료전지스택(100) 뿐만 아니라 상기 연료전지스택(100)에 의해 충전되어 있던 상기 커패시터(200)의 전력을 함께 사용함으로써, 급격한 변동에도 즉각 대응하여 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급할 수 있는 것이다.

이때, 굴삭기를 사용하는 작업이 길어지거나 과중한 작업으로 인해 굴삭기의 구동에 과도한 출력이 요구되어 상기 연료전지스택(100) 및 상기 커패시터(200)를 모두 합한 전력이 굴삭기의 구동에 필요한 전력보다 낮다고 판단되는 경우에는 작업자가 즉각 인지하여 굴삭기의 구동을 멈추거나, 유연하게 대처할 수 있도록 경고를 보낼 수 있다.

이와 같은 경고는 상기 제어부(700)에 의해 제어되는 경고장치(A)를 통해 경고음 또는 발광 중 어느 하나 또는 둘 모두를 사용하여 작업자가 놓치지 않고 바로 인지할 수 있도록 할 수 있으며, 상기 연료전지스택(100) 및 상기 커패시터(200)에는 보유한 전기 에너지를 측정할 수 있는 전력측정수단(미도시)이 각각 구비되어 굴삭기에 공급할 수 있는 가용 전력을 상기 제어부(700)에서 실시간으로 파악할 수 있도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 커패시터(200)에 전기 에너지를 충전하는 것은 상기 연료전지스택(100) 뿐만 아니라 도6에 도시된 바와 같이 상기 발전기(G)를 통해서도 충전할 수 있다.

도6은 본 발명인 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기의 선회체(900)가 회전을 멈추기 위해 감속하는 과정 중 저속 감속 모드에 해당한다. 일 실시 예로서, 상기 저속 감속 모드는 굴삭기의 선회체(900)의 최대 속도의 20%이하에서 감속하는 경우일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 선회체(900)를 멈추기 위하여 서서히 감속을 하는 저속 감속 모드에서 상기 선회체(900)의 제동에 따라 발생하는 선회 에너지를 상기 발전기(G)에서 전기 에너지로 변환할 수 있으며, 변환된 전기 에너지를 상기 DC bus(DC) 또는 다른 전기적 연결수단을 통해 상기 커패시터(200)로 전달하여 상기 커패시터(200)를 충전할 수 있다.

이때, 저속 감속 모드에서 상기 유압모터(500)와 상기 발전기(G)의 사이에 구비되어 상기 유압모터(500)와 상기 발전기(G)의 연결 유무를 조절하는 상기 클러치(600)가 상기 제어부(700)에 의해 연결 상태로 조절되어 선회 에너지가 상기 발전기(G)로 전달되어 전기 에너지로 변환되도록 할 수 있는 것이다.

또한, 상기 메인밸브(MV)를 계속 열어두어 상기 유압펌프(400)와 상기 유압모터(500)를 순환하는 유체를 저유압 유체 상태로 조절하여 순환시킴으로써, 상기 선회체(900)가 서서히 멈출 수 있도록 할 수 있다.

도7은 본 발명인 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기의 선회체(900)가 회전을 멈추기 위해 감속하는 과정 중 고속 감속 모드를 나타낸다. 일 실시 예로서, 상기 고속 감속 모드는 굴삭기의 선회체(900)의 최대 속도의 80%이상에서 감속하는 경우일 수 있다

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 선회체(900)를 급격히 멈추어야 하는 고속 감속 모드에서는 상기 발전기(G)를 가동하지 않으며, 상기 유압모터(500) 및 배관(P)에 과부하가 발생하지 않고 상기 선회체(900)가 멈출 수 있도록 압력을 조절하는 상기 릴리프밸브(RV)를 통해 상기 선회체(900)를 신속하게 멈출 수 있다.

즉, 고속 감속 모드에서는 상기 유압모터(500)와 상기 발전기(G)의 사이에 구비되어 상기 유압모터(500)와 상기 발전기(G)의 연결 유무를 조절하는 상기 클러치(600)가 상기 제어부(700)에 의해 상기 유압모터(500)와 상기 발전기(G)의 연결이 끊어지도록 조절되어 상기 발전기(G)에서 전기 에너지의 변환을 하지 않고 상기 선회체(900)를 신속하게 멈추도록 하는 것이다.

이때, 상기 제어부(700)를 통해 상기 메인밸브(MV)는 폐쇄되도록 하여, 상기 유압펌프(400)에서 배출된 유체가 상기 유압모터(500)를 지나 다시 상기 유압펌프(400)로 유입되지 않고 상기 선회체(900)를 급제동 시키는 역할을 하는 상기 릴리프밸브(RV)로 유입되도록 함으로써, 상기 선회체(900)의 급제동으로 발생하는 고유압의 유체가 상기 릴리프밸브(RV)를 통과하며 압력이 해소되고, 상기 릴리프밸브(RV)에서 배출된 저유압 상태의 유체가 상기 유압모터(500)에 유입되도록 하여 상기 선회체(900)를 안전하게 급제동 시키도록 할 수 있다.

또한, 이러한 유체의 흐름이 일정한 방향성을 갖도록 제어하고, 압력에 의한 유체의 역류를 방지할 수 있도록 상기 릴리프밸브(RV)로 이어지는 상기 배관(P)에는 복수의 체크밸브(CV)가 구비되도록 할 수 있다.

도8은 본 발명에 따른 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기의 제어 흐름을 나타내는 것으로, 상술한 본 발명에 대한 유압흐름 및 구동에 대한 전반적인 흐름을 나타낸다.

즉, 굴삭기의 구동 시, 굴삭기의 요구전력(

)보다 상기 연료전지스택(100)의 전력(

)이 높은 경우 상기 연료전지스택(100)의 전력에서 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 뺀 나머지 전력을 상기 커패시터(200)에 저장하여 굴삭기의 급격한 변동에도 즉시 대응할 수 있도록 할 수 있으며, 굴삭기의 요구전력(

)이 상기 연료전지스택(100)의 전력(

)보다 낮은 경우에는 상기 연료전지스택(100)에 의해서만 굴삭기에 전력이 공급될 수 있다.

한편 상기 커패시터(200)는 상기 저속 감속 모드 시에 발전기(G)에 의하여 변환한 전기 에너지에 의하여 충전될 수도 있다.

즉, 저속 감속 모드에서 상기 발전기(G)를 구동하여 상기 선회체(900)의 선회 에너지를 전기 에너지로 변환하여 상기 커패시터(200)를 충전하여 줌으로써, 상기 연료전지스택(100)을 보조하여 함께 사용할 수 있는 상기 커패시터(200)에 충분한 전력이 유지될 수 있도록 할 수 있다.

또한, 굴삭기의 요구전력(

)이 상기 연료전지스택(100)의 전력(

)보다 높으면, 다시 굴삭기의 요구전력(

)을 상기 연료전지스택(100)의 전력(

)과 상기 커패시터(200)의 전력(

)의 합과 비교한다.

이 경우, 굴삭기의 요구전력(

)이 상기 연료전지스택(100)의 전력(

)과 상기 커패시터(200)의 전력(

)의 합보다 크다면 경고메시지를 발생시킨다.

굴삭기의 요구전력(

)이 상기 연료전지스택(100)의 전력(

)과 상기 커패시터(200)의 전력(

)의 합보다 작다면, 상기 커패시터의 충전 잔존량(

)을 상기 커패시터의 최소 충전량(

)과 비교한다.

이 경우 상기 커패시터의 충전 잔존량(

)이 상기 커패시터의 최소 충전량(

)보다 낮다면 경고메시지를 발생시킨다.

그리고 상기 커패시터의 충전 잔존량(

)이 상기 커패시터의 최소 충전량(

)보다 크다면 상기 연료전지스택(100)의 전력(

) 및 상기 커패시터(200)의 전력(

)을 함께 굴삭기로 공급한다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100 : 연료전지스택 200 : 커패시터
300 : 전기모터 400 : 유압펌프
500 : 유압모터 600 : 클러치
700 : 제어부 800 : 변환기
900 : 선회체 A : 경고장치
CV : 체크밸브 DC : DC bus
G : 발전기 MV : 메인밸브
P : 배관 RV : 릴리프밸브

Claims

선회체와 몸체로 구성되는 굴삭기에 있어서,
상기 몸체의 내부에 구비되며, 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기 에너지를 생산하여 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하는 연료전지스택;
상기 연료전지스택과 연결되고, 상기 연료전지스택에서 생산된 전기 에너지를 저장하며, 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 선택적으로 공급하는 커패시터;
상기 연료전지스택 또는 상기 커패시터에서 전력을 공급받는 전기모터에 의해 구동되는 유압펌프;
상기 유압펌프와 연결되고, 상기 유압펌프에 의해 구동되어 상기 선회체를 회전시키는 동력을 발생시키는 유압모터;
상기 유압펌프 및 유압모터 사이에 구비되며, 상기 유압펌프의 유압을 제어하여 상기 유압모터의 출력을 조절하는 메인밸브;
상기 유압모터와 클러치에 의해 연결되고, 상기 선회체가 회전하면서 발생하는 선회 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전기; 및
상기 연료전지스택 또는 상기 커패시터가 선택적으로 또는 동시에 굴삭기에 전력을 공급하도록 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 제어부는,
상기 굴삭기의 구동에 필요한 전력이 상기 연료전지스택의 전력보다 낮을 경우, 상기 연료전지스택으로부터 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하고,
상기 굴삭기의 구동에 필요한 전력이 상기 연료전지스택의 전력보다 높은 경우, 상기 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 상기 연료전지스택과 상기 커패시터의 전력의 합과 비교하여 상기 연료전지스택과 상기 커패시터의 전력의 합보다 작다면 상기 연료전지스택 및 상기 커패시터로부터 동시에 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하며,
상기 연료전지스택 및 상기 커패시터의 전력의 합이 굴삭기의 구동에 필요한 전력보다 낮을 경우, 경고메시지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기.
제1항에 있어서,
상기 클러치는,
상기 선회체의 회전을 위해 가속하는 경우, 상기 유압모터와 상기 발전기의 연결을 끊고,
상기 선회체의 회전을 감속하는 경우, 상기 유압모터와 상기 발전기를 연결시키는 것을 특징으로 하는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기.
제1항에 있어서,
상기 클러치는,
상기 선회체의 회전을 위해 가속하는 경우, 상기 유압모터와 상기 발전기의 연결을 끊고,
상기 선회체의 감속이 상기 선회체 최대 속도의 80% 이상에서 이루어지는 고속 감속에 해당하는 경우에는, 상기 유압모터와 상기 발전기의 연결을 끊고,
상기 선회체의 감속이 상기 선회체 최대 속도의 20% 이하에서 이루어지는 저속 감속에 해당하는 경우에는, 상기 유압모터와 상기 발전기를 연결시키는 것을 특징으로 하는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기.
제1항에 있어서,
상기 유압모터와 상기 메인밸브 사이에는,
상기 유압모터에 과부하가 발생하지 않고 상기 선회체가 멈출 수 있도록 상기 선회체를 멈추기 위해 가해지는 압력을 조절하는 릴리프밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기.
제4항에 있어서,
상기 릴리프밸브에 연결되며,
상기 릴리프밸브를 통해 유입되고 배출되는 유체의 역류를 방지하여 압력의 흐름을 일정하게 유지시키는 복수의 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기.
제1항에 있어서,
굴삭기의 구동에 필요한 전력이 상기 연료전지스택의 전력보다 낮은 경우, 굴삭기의 구동에 필요한 전력을 공급하고 남은 전력을 상기 커패시터에 저장하는 것을 특징으로 하는 선회 에너지 회생 기능을 갖는 수소연료전지 굴삭기.
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