KR20100069725A - 하이브리드 건설기계의 동력제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 건설기계의 동력제어장치는 엔진(10)과, 상기 엔진(10)에 의해 구동되는 펌프(30)와, 전기에너지 저장장치(20)와, 상기 엔진(10)과 펌프(30) 사이에 직결되며 상기 전기에너지 저장장치(20)에 저장된 에너지에 의해 구동되어 상기 엔진(10)의 토크에 부가하여 상기 펌프(30)를 구동하거나 상기 엔진(10)의 회전력을 이용하여 전기를 발전하여 상기 전기에너지 저장장치(20)에 저장하는 전동기(40)를 포함하는 하이브리드 건설기계에 적용되는 것으로서, 입력된 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격 회전속도(NR)에서의 정격토크(TR)와 기준 토크값(A)을 합산한 토크 값보다 높은 경우, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이 값 보다 낮은 토크 값을 상기 엔진(10)의 토크에 부가하도록 상기 전동기(40)를 제어하는 제어부(50)를 포함한다.
펌프 요구 토크, 엔진 정격토크, 엔진 회전속도, 부하 감지, 연비 향상

Description

하이브리드 건설기계의 동력제어장치{POWER CONTROL APPARATUS FOR HYBRID CONTRUCTION MACHINERY}
본 발명은 건설기계에 관한 것으로서, 특히 엔진과 발전 가능한 전동기에 의해 펌프가 구동되는 하이브리드 건설기계의 동력제어장치에 관한 것이다.
최근 유가의 상승과 함께 굴삭기와 같은 건설기계에도 엔진의 잉여 동력을 배터리에 저장하고 엔진의 부족한 동력을 배터리로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 하이브리드 건설기계의 일 예가 미국등록특허 제6,708,787에 개시되어 있다.
도 1은 상기 미국등록특허의 엔진 토크 선도를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 실선은 엔진의 특성에 의해 정해지는 엔진 토크 선도이고, 점선은 엔진과 전동기에 의한 토크 선도이다. 펌프가 요구하는 동력이 최대 동력인 LH인 경우, 펌프의 요구 토크는 TT가 되며, 엔진의 소정 회전속도(NR)에서의 출력토크는 TE이다. 이때, 전동기에 의해 TT-TE의 토크값이 엔진에 제공되고, 이에 의해 엔진은 소정 회전속도(NR)로 회전할 수 있게 된다.
또한, 펌프에 의해 요구되는 동력이 LM인 경우, 전동기는 엔진에 토크를 제 공하지 않게 되고, 이에 의해 엔진은 소정 회전속도(NR)로 회전할 수 있게 된다.
반면, 펌프에 의해 요구되는 동력이 LL인 경우, 엔진에서 제공할 수 있는 토크는 펌프에 의해 요구되는 토크인 TI보다 크며, 이때 전동기는 TE-TI의 토크를 발전하게 되고 이에 의해 엔진은 소정 회전속도(NR)로 회전하게 된다.
이와 같이, 엔진은 항상 소정 회전속도(NR)에서 회전하도록 전동기가 제어되기 때문에 작업자는 작업 부하을 느낄 수가 없게 되고, 이러한 작업 부하를 반영하지 못한 채 작업을 수행하게 되어 건설기계에 무리가 갈 수 있을 뿐만 아니라 작업의 효율성이 떨어지게 된다.
한편, 상기 미국특허에서는 엔진의 토크와 펌프의 토크를 비교하기 위하여 엔지에 토크 미터를 설치해야 한다. 그러나 토크 미터를 엔진에 설치할 경우, 원가를 상승시킬 뿐만 아니라 설치 공간의 소비를 초래하게 된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 연비를 악화시키지 않으면서도 작업자가 작업부하를 느낄 수 있도록 한 하이브리드 건설기계의 동력제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 엔진의 토크 미터를 생략할 수 있어 원가를 절감하고 설치 공간을 절약할 수 있는 하이브리드 건설기계의 동력제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계의 동력제어장치는 엔진(10)과, 상기 엔진(10)에 의해 구동되는 펌프(30)와, 전기에너지 저장장치(20)와, 상기 엔진(10)과 펌프(30) 사이에 직결되며 상기 전기에너지 저장장치(20)에 저장된 에너지에 의해 구동되어 상기 엔진(10)의 토크에 부가하여 상기 펌프(30)를 구동하거나 상기 엔진(10)의 회전력을 이용하여 전기를 발전하여 상기 전기에너지 저장장치(20)에 저장하는 전동기(40)를 포함하는 하이브리드 건설기계에 적용되는 것으로서, 입력된 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격 회전속도(NR)에서의 정격토크(TR)와 기준 토크값(A)을 합산한 토크 값보다 높은 경우, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이 값 보다 낮은 토크 값을 상기 엔진(10)의 토크에 부가하도록 상기 전동기(40)를 제어하는 제어부(50)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 기준토크값은 0으로 설정되며, 상기 제 어부(50)는 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR) 보다 낮은 경우, 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)와 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)의 차이보다 낮은 엔진(10)의 토크 값으로 전기를 발전하도록 상기 전동기(40)를 제어한다.
또한, 상기 제어부(50)는 상기 엔진(10)의 정격 회전속도(NR)보다 낮은 최저 회전속도(N1)와 상기 정격 회전속도(NR)보다 큰 최대 회전속도(N3)를 설정하고, 상기 엔진(10)의 회전속도를 상기 최저 회전속도(N1)와 상기 최대 회전속도 (N3)사이에서 가변되되어 엔진의 출력 토크가 전기를 발전하도록 상기 전동기(40)를 제어하며, 상기 엔진(10)의 효율은 상기 최저 회전속도(N1)와 상기 최대 회전속도(N3)에서 동일하다.
한편, 상기 제어부(50)는 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)와 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)의 차이가 클수록 상기 전동기(40)가 발전기 역할을 하거나 상기 엔진(10)에 제공되는 토크 값을 상승시키도록 상기 전동기(40)를 제어하고, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR) 보다 높을 경우 상기 전동기(40)로부터 상기 엔진(10)에 제공되는 토크 값의 상승율이 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)이 정격토크(TR) 보다 높을 경우의 발전되는 토크 값의 상승율 보다 낮도록 상기 전동기(40)를 제어한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 기준 토크값은 0 이상으로 설정되며, 상기 제어부(50)는 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)와 상기 기준 토크값(A)을 합산한 토크값(TR+A) 보다 낮은 경우, 상기 펌 프(30)의 요구 토크(TP)와 상기 합산한 토크값(TR+A)의 차이 보다 낮은 토크값이 발전되도록 상기 전동기(40)를 제어한다.
여기서, 상기 제어부(50)는 상기 정격 회전속도(NR)와 상기 정격 회전속도(NR)보다 낮은 상기 엔진의 최저 회전속도(N1)를 설정하고, 상기 엔진(10)의 회전속도를 상기 정격 회전속도(NR)와 상기 최저 회전속도(N1) 사이에서 가변되도록 상기 전동기(40)를 제어하며, 상기 엔진(10)의 효율은 상기 정격 회전속도(NR)와 상기 최저 회전속도(N1)에서 동일하다.
또한, 상기 제어부(50)는 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)와 상기 기준 토크값(A)을 합산한 토크값(TR+A)와의 차이가 클수록 상기 전동기(40)에 의해 발전되거나 상기 엔진(10)에 제공되는 토크값이 상승하도록 상기 전동기(40)를 제어하고, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 합산한 토크값(TR+A) 보다 높을 경우 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 상기 합산한 토크값(TR+A)의 차이값에 따른 상기 전동기(40)에 의해 상기 엔진(10)에 제공되는 토크값의 상승율이, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 합산한 토크값(TR+A) 보다 낮을 경우 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 상기 합산한 토크값(TR+A)의 차이값에 따른 상기 전동기(40)에 의해 발전되는 토크값의 상승율보다 크도록 상기 전동기(40)를 제어한다.
전술한 바와 같은 과제 해결 수단에 의하면, 펌프의 요구 토크가 엔진의 정격토크보다 기준 토크값 이상으로 높은 경우, 제어부가 상기 펌프의 요구 토크와 상기 엔진의 정격토크의 차이값보다 낮은 토크를 상기 엔진에 제공하도록 상기 전동기를 제어함으로써, 엔진의 회전속도는 정격 회전속도 이하로 떨어지게 되고 이에 의해 작업자는 고부하가 작용하고 있음을 알 수 있게 된다. 뿐만 아니라 엔진의 정격 회전속도를 기준으로 엔진 회전속도가 낮은 영역에 고효율 영역(HEA)이 넓게 분포함으로써 연비가 향상될 수 있게 된다.
또한, 펌프의 요구 토크가 엔진의 정격토크보다 낮을 경우, 펌프의 요구 토크와 엔진의 정격토크의 차이 토크값보다 낮은 토크를 발전하도록 제어부가 전동기를 제어함으로써, 엔진의 회전속도가 정격 회전속도보다 상승하게 되고, 이에 의해 작업자는 저부하가 작용하고 있음을 알 수 있게 된다.
또한, 상기 제어부는 상기 정격 회전속도(NR)보다 낮은 상기 엔진(10)의 최저 회전속도(N1)와 상기 정격 회전속도(NR)보다 큰 상기 엔진(10)의 최대 회전속도(N3)를 설정하고,
또한, 고효율 영역의 최저 회전속도(N1)와 상기 최대 회전속도 (N3)사이에서 가변되도록 제어부가 전동기를 제어함으로써, 펌프의 부하를 감지하면서도 연비를 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 엔진의 정격토크(TR)와 펌프의 요구 토크(TP)의 차이가 클수록 상기 전동기에 의해 발전되거나 상기 엔진에 제공되는 토크값이 상승하도록 상기 전동기를 제어함으로써, 부하의 크기에 따라 엔진의 회전속도를 가변시킬 수 있게 되고 이에 의해 작업자가 부하의 크기를 보다 정밀하게 감지할 수 있게 된다.
한편, 펌프의 요구 토크(TP)가 엔진의 정격토크(TR) 보다 높을 경우의 상기 엔진에 제공되는 토크값의 상승율이 상기 펌프의 요구 토크(TP)가 상기 엔진이 정격토크(TR) 보다 높을 경우의 발전되는 토크값의 상승율보다 낮도록 상기 전동기를 제어함으로써, 엔진의 정격 회전수를 기준으로 엔진의 회전속도가 낮은 영역에 넓게 분포하고 엔진의 회전속도가 높은 영역에 좁게 분포한 고효율 영역에 적합하게 엔진의 회전속도를 제어할 수 있게 된다.
한편, 기준 토크값은 0 이상으로 설정되고 제어부가 상기 펌프의 요구 토크(TP)가 상기 엔진의 정격토크(TR)와 기준 토크값(A)을 합산한 토크값(TR+A) 보다 낮은 경우, 펌프의 요구 토크(TP)와 합산한 토크 값(TR+A)의 차이 보다 낮은 토크값이 발전되도록 상기 전동기(40)를 제어함으로써, 정격 회전수보다 낮은 회전수의 영역에만 고효율 영역이 형성된 엔진의 경우에도 높은 연비로 엔진의 회전속도를 가변시킬 수 있게 된다.
또한, 엔진이 정격토크를 기준으로 펌프의 요구 토크를 산출하여 전동기를 제어함으로써, 별도의 엔진 토크를 검출할 필요가 없게 되고, 이에 의해 엔진의 토크 미터를 생략할 수 있게 된다. 즉, 원가를 절감하고 설치 공간을 절약할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 동력제어장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 동력제어장치는 엔진(10)과, 상기 엔진(10)에 의해 구동되는 펌프(30)와, 전기에너지 저장장치(20)와, 전동기(40) 및 제어부(50)를 포함한다.
엔진(10)은 전동기(40)와 함께 건설기계의 작업장치들을 구동시키기 위한 구동력을 제공하기 위한 것으로서, 도 4에 도시된 토크 선도와 같은 특성을 가진다. 이러한 엔진(10)의 일측에 상기 펌프(30)와 동력 전달 가능하게 연결되어 있으며, 상기 엔진(10)과 상기 펌프(30)의 사이에는 상기 전동기(40)가 선택적으로 동력 전달 가능하게 연결되어 있다.
이러한 엔진(10)은 도 4에 도시된 바와 같은 정격 회전속도(NR)가 정해지며, 이러한 정격 회전속도(NR)에서의 토크를 정격토크(TR)라 한다. 통상 정격 회전속도(NR) 및 정격토크(TR)는 엔진(10)이 발생시킬 수 있는 최대의 동력으로 간주되고 있으며, 이와 같은 특성값은 엔진(10)의 특성에 의해 결정된다. 따라서, 동일한 엔진(10)은 동일한 정격 회전속도(NR) 및 정격토크(TR)를 가지게 된다. 이러한 이유로 기존에 펌프(30)가 발생할 수 있는 최대 동력은 엔진(10)의 정격 회전속도(NR)에서 정격토크(TR)를 발생시키는 지점(정격 출력점)에서의 동력이 된다. 한편, 상기 엔진(10)이 최대의 동력으로 구동되도록 설정되고 전동기(40)에 의해 엔진(10)에 동력이 공급되지 않는 상황에서는, 상기 엔진(10)의 회전속도는 펌프(30)에 의해 가해지는 부하에 따라 엔진 토크 곡선을 따라 가변한다.
이러한 엔진(10)에는 회전 속도를 측정할 수 있는 속도감지센서가 마련되며, 속도감지센서에 의해 감지된 엔진(10)의 회전속도에 대한 정보는 제어부(50)로 전송된다.
상기 펌프(30)는 토출압력에 따라 그 유량이 가변되는 가변 용량형 펌프로 구성되며, 경우에 따라 제어부(50)로부터 출력되는 신호에 따라 유량이 제어되기도 한다. 보다 구체적으로, 상기 펌프(30)에는 사판(31)이 마련되며 작동유를 토출하는 복수의 실린더 및 피스톤은 상기 사판(31)의 각도에 따라 단위 스트로크당 토출되는 작동유의 량이 가변되게 된다. 즉, 상기 펌프(30)는 사판(31)의 각도에 따라 토출하는 유량이 가변되게 된다. 한편, 상기 펌프(30)에는 사판(31)의 각도를 감지할 수 있는 사판각 감지센서를 부착하거나 사판각을 조절하는 레귤레이터에 의해 출력되는 정보로부터 현재의 사판각에 대한 정보가 제어부(50)로 입력된다.
한편, 상기 펌프(30)로부터 토출되는 작동유가 흐르는 유로상에는 작동유의 압력을 감지하기 위한 압력센서(32)가 마련되며, 이 압력센서(32)에 의해 감지된 작동유의 압력은 제어부(50)로 전송된다.
이와 같이, 제어부(50)로 전송된 사판각에 대한 정보와 토출 작동유의 압력에 대한 정보는 펌프(30)의 회전속도와 함께 펌프(30)의 요구 토크(현재 필요 토크)를 산출하기 위한 자료가 된다. 펌프(30)의 요구 토크는 상기 제어부(50)에 의해 산출될 수 있다.
상기 전기에너지 저장장치(20)는 상기 엔진(10)의 잉여 토크가 전기에너지의 형태로 저장되는 곳으로서, 일반 배터리(battery)나 다수의 캐패시터로 구성되는 슈퍼 캐패시터로 구성될 수 있다. 상기 전기에너지 저장장치(20)는 상기 제어부(50)에 의해 제어되어 상기 전동기(40)에 의해 발전된 에너지가 저장되거나 상기 전동기(40)를 구동시키기 위한 에너지를 출력하게 된다.
상기 전동기(40)는 인가되는 전류에 따라 구동되어 상기 엔진(10)에 토크를 제공(모터링(motoring) 이라고도 함)할 뿐만 아니라 상기 엔진(10)의 잉여 토크를 발전하는 발전기의 기능도 한다. 모터링 및 발전의 기능을 하는 전동기(40)는 이미 공지된 제품이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제어부(50)는 전동기(40) 및 전기에너지 저장장치(20)를 제어하여 상기 엔진(10)에 토크를 제공하거나 상기 엔진(10)의 잉여 토크를 상기 전기에너지 저장장치(20)에 저장하는 제어를 한다.
보다 구체적으로, 상기 제어부(50)는 상기 펌프(30) 및 압력센서(32)로부터 전송된 펌프(30)의 사판각과 펌프(30)의 회전속도 및 토출 압력으로부터 현재 펌프(30)의 요구 토크를 산출한다. 그런 후에, 상기 제어부(50)는 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)와 비교하여 그 비교결과에 따라 상기 전동기(40)를 제어하게 된다.
비교결과, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)와 동일한 경우, 상기 제어부(50)는 상기 전동기(40)를 구동시키지 않는다. 즉, 상기 엔진(10)의 동력만 상기 펌프(30)에 전달된다.
반면, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR) 보다 큰 경우, 상기 제어부(50)는 상기 전동기(40)를 구동시켜 상기 엔진(10)에 토크를 제공하게 된다. 이때, 상기 전동기(40)로부터 상기 엔진(10)에 공급되는 토크값은 도 3에 도시된 바와 같다.
도 3에 대해 설명하면, 세로축은 전동기(40)에 의해 엔진(10)에 제공되는 토크와 전동기(40)에 의해 발전되는 상기 엔진(10)의 잉여 토크를 나타내고, 가로축은 펌프(30)의 요구 토크(TP)를 나타내며, 원점은 엔진(10)의 정격토크(TR)를 나타 낸다. 또한 실선은 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이값에 해당하는 토크값이 엔진(10)에 제공되거나 발전되는 경우를 나타낸 것으로 이 실선에 따라 제어될 경우 엔진은 항상 정격점에서 작동하게 되며, 점선으로 나타낸 그래프는 본 실시예에서 전동기(40)를 제어하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR) 보다 큰 경우, 상기 제어부(50)는 도 3의 우측에 점선으로 나타낸 그래프를 따라 엔진(10)에 토크를 제공하도록 전동기(40)를 제어한다. 보다 구체적으로, 상기 제어부(50)는 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이 토크값 보다 낮은 토크를 엔진(10)에 제공한다. 이에 의해 엔진(10)의 회전속도는, 도 4에 도시된 바와 같이, 정격 회전속도(NR)로부터 엔진 토크 선도를 따라 낮아지게 되고, 이에 의해 엔진(10)의 출력 토크는 상승하게 된다. 상기 엔진(10)의 회전속도는 엔진(10)의 출력 토크와 전동기(40)가 제공하는 토크를 합산한 토크값이 펌프(30) 요구 토크(TP)와 동일한 선까지 낮아지게 된다.
일 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 펌프의 요구 토크가 TP2인 경우, 엔진(10)이 정격 회전속도(NR)로 회전하기 위해서는 전동기(40)에 의해 발전되는 토크는 TR2이어야 한다. 그러나 제어부(50)는 TR2보다 낮은 T2의 토크값은 전동기(40)에 의해 제공되도록 제어한다. 이에 의해 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진(10)은 TR2-T2에 해당하는 토크를 더 출력해야 하고, 이로 인해 엔진(10)은 N2까지 회전속도가 떨어지게 된다.
이와 같이, 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 엔진(10)의 정격토크(TR)보다 큰 경 우, 큰 부하가 펌프(30)에 가해지는 것을 의미하며, 이러한 부하는 작업자가 엔진(10)의 회전속도가 낮아지는 것을 감지하여 알 수 있게 된다. 이를 감지한 작업자는 건설기계에 큰 부하가 가는 것을 감지하고 부하를 줄일 수 있는 방향으로 건설기계를 조작할 수 있게 된다. 이에 의해 작업의 효율성은 물론 건설기계의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 엔진(10)의 정격토크(TR) 보다 큰 상황에서, 상기 제어부(50)는 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이값이 높을 수록 상기 전동기(40)가 엔진(10)에 제공하는 토크값을 점진적으로 상승시킨다. 그러나 전동기(40)에 의해 제공되는 토크값의 상승율은 도 3의 실선과 같이 엔진(10)의 정격 회전속도에서 회전하도록 제어하는 상승율보다는 작게 설정되어 전동기(40)가 엔진(10)에 제공하는 토크값은 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이값보다는 낮게 된다.
한편, 상기 제어부(50)는 도 4에 도시된 바와 같은 고효율 영역(HEA)에 해당하는 엔진의 최저 회전속도(N1) 이하로 회전되지 않도록 한다. 이와 같은 제어는 도 3에 도시된 바와 같은 점선의 기울기를 건설기계가 주로 필요로 하는 작업부하에 대응할 수 있도록 설정함으로써 해결될 수 있다. 한편, 펌프(30)에 가해지는 부하가 전동기(40)의 용량과 대비하여 엔진(10)의 회전속도를 최저 회전속도(N1) 이하가 되는 지점으로 떨어지도록 커지는 경우, 상기 제어부(50)는 펌프(30)의 사판각을 줄여 펌프(30)에 의해 엔진(10)에 가해지는 부하를 줄이는 방법으로 제어할 수도 있다.
한편, 제어부(50)는 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 엔진(10)의 정격토크(TR)보다 낮은 경우, 전동기(40)를 제어하여 엔진(10)의 잉여 토크를 발전하게 한다. 잉여 토크에 의해 발전된 전기 에너지는 전기에너지 저장장치(20)에 저장된다. 도 3의 좌측에 점선으로 나타낸 그래프는 펌프(30)의 요구 토크(TP)에 대한 전동기(40)의 발전 토크를 나타낸 것이다. 제어부(50)는 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 엔진(10)의 정격토크(TR) 보다 낮은 경우, 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이 토크값보다 낮은 토크를 발전하도록 상기 전동기(40)를 제어한다.
일 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 TP5인 경우, 엔진(10)의 정격 회전속도(NR)로 회전시키기 위해서는 TR5 만큼 발전을 해야 한다. 그러나 제어부(50)는 TR5보다 낮은 T5의 토크값을 발전하도록 전동기(40)를 제어한다. 그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 회전속도는 N5까지 상승하여 엔진(10)의 출력토크를 TR5-T5 만큼 낮추게 된다. 이에 의해 작업자는 엔진(10)의 회전속도가 상승하고 있는 것을 감지하여 펌프(30)에 작용하는 작업 부하 낮은 것을 감지하게 된다.
한편, 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 엔진(10)의 정격토크(TR) 보다 낮은 상황에서, 상기 제어부(50)는 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이값이 높을수록 상기 전동기(40)가 발전하는 토크값을 점진적으로 상승시킨다. 그러나 전동기(40)가 발전하는 토크값의 상승율(도 3의 좌표 좌측에 도시된 점선 그래프의 기울기)은 도 3의 좌측에 나타난 실선과 같이 엔진(10)의 정격 회전속 도(NR)에서 회전하도록 제어하는 상승율보다는 낮게 설정되어 전동기(40)가 발전하는 토크값은 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이값보다는 낮게 된다.
한편, 상기 제어부(50)는 도 4에 도시된 바와 같은 고효율 영역(HEA)에 해당하는 엔진의 최고 회전속도(N3) 이상로 회전되지 않도록 한다. 이와 같은 제어는 도 3의 좌표 좌측에 도시된 바와 같은 점선의 기울기를 건설기계가 주로 필요로 하는 작업부하에 대응할 수 있도록 설정함으로써 해결될 수 있다.
또한, 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 감소함에 따라 전동기(40)가 발전하는 토크값은 의 상승율(도 3의 좌표 좌측에 도시된 점선 그래프의 기울기)는 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 증가함에 따라 전동기(40)가 엔진(10)에 제공하는 토크값의 상승율(도 3 좌표 우측에 도시된 점선 그래프의 기울기) 보다 크다. 이는 도 4에 도시된 바와 같이 엔진(10)의 정격 회전속도(NR)를 기준으로 회전 속도가 낮은 영역이 회전 속도가 높은 영역보다 고효율 영역(HEA)이 분포하는 넓기 때문이다. 따라서, 전동기(40)가 발전하는 토크값의 상승율을 빠르게 높임으로써, 엔진(10)의 최대 회전속도를 고효율 영역(HEA)의 이내에 포함될 수 있도록 할 수 있게 된다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래프를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진(10)의 고효율 영역(HEA)은 정격 회전속도(NR)보다 엔진(10)의 회전속도가 낮은 영역에 분포한다. 따라서 고효율 영역(HEA)의 내에서 엔진(10)의 회전속도가 유지되도록 전동기(40) 를 제어해야 한다. 이를 위해 제어부(50)는 도 7에 점선으로 도시된 바와 같은 선도를 따라 전동기(40)를 제어한다. 그러나 고효율 영역(HEA)이 엔진(10)이 정격 회전속도(NR)보다 낮은 회전속도 영역에 분포되어 있기 때문에 전동기(40)의 발전지점을 엔진(10)의 정격토크(TR) 보다 높은 토크값으로 설정하였다.
보다 구체적으로, 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 엔진(10)의 정격토크(TR)와 기준 토크값(A)을 합산한 합산 토크값(TR+A)과 같은 경우, 상기 제어부(50)는 상기 전동기(40)가 엔진(10)에 토크를 제공하지 않도록 상기 전동기(40)를 제어한다. 따라서, 엔진(10)의 회전속도는 정격 회전속도(NR)로부터 상기 기준 토크값(A)에 해당하는 만큼 낮아진다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이 엔진(10)의 회전속도는 정격 회전속도(NR)로부터 TR+A에 해당하는 토크(T2)를 발생시키는 N6까지 떨어지게 된다.
또한, 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 합산 토크값(TR+A) 보다 큰 경우가 되어야 상기 제어부(50)는 전동기(40)가 엔진(10)에 토크를 제공하도록 제어한다. 이때, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 증가함에 따라 전동기(40)가 엔진(10)에 제공하는 토크의 상승율(도 7의 좌표 우측에 점선으로 표시된 선의 기울기)는 엔진(10)을 정격 회전속도(NR)로 유지시키기 위한 전동기(40)의 토크 상승율(도 7에 좌표 우측에 실선으로 표시된 선의 기울기) 보다 작게 설정된다. 따라서, 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 증가할 수록 상기 엔진(10)의 회전속도는 N6 이하로 떨어지게 된다. 이에 의해 작업자는 엔진(10)의 회전속도를 감지하여 작업 부하를 감지할 수 있게 된다.
반면, 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 합산 토크값(TR+A) 보다 작은 경우, 상기 제어부(50)는 상기 엔진(10)의 출력 토크 중 일부를 발전하도록 상기 전동기(40)를 제어한다. 따라서, 상기 엔진(10)의 회전속도는 N6로부터 점진적으로 높아지기 시작한다.
한편, 상기 제어부(50)는 상기 엔진(10)의 회전속도가 정격 회전속도(NR)보다 높지 않도록 제어한다. 이를 위해 상기 제어부(50)는 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 합산 토크값(TR+A)보다 작은 경우 상기 전동기 (40)에 의해 발전되는 토크값이 정격회전속도에서 회전하기 위한 토크선도(a)보다는 크고, 회전속도 N6에서 회전시키기 위한 토크선도 (b)보다는 작도록 c와 같이 제어하며, 최대 발전되는 토크값은 정격회전속도에서 회전하기 위한 TG와 같다.
이는 엔진(10)의 회전속도를 N6로부터 NR까지 상승시키기 위한 것이다. 즉, 상기 전동기(40)의 발전 토크의 상승률이 상기 엔진(10)의 정격 회전속도(NR)에서 회전하기 위한 토크보다는 큰 토크만큼 발전함으로써 정격속도 이상으로 상기 엔진(10)이 회전하는 것을 방지할 수 있고, N6에서 회전하기 위한 필요한 발전 토크의 기울기보다는 작은 기울기로 제어함으로써 부하감소에 따른 상기 엔진(10)의 회전속도 상승을 유도할 수 있다.
이와 같이, 고효율 영역(HEA)은 정격 회전속도(NR)를 기준으로 회전속도가 낮은 영역에만 분포되어 있는 특성을 가지는 엔진(10)의 경우에도 고효율 영역(HEA) 내에서 엔진(10)의 회전속도를 가변시킬 수 있게 되어 작업자가 펌프(30)에 가해지는 부하, 즉 외부로부터 건설기계에 가하지는 부하를 감지할 수 있게 된 다.
여기서, 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 다른 실시예에서의 기준 토크값은 0으로 설정하는 것으로 일반화될 수 있을 것이며, 본 발명의 일 실시예와 다른 실시예는 모두 펌프(30) 요구 토크(TP)와 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이값 보나 낮은 토크값을 엔진(10)에 제공하거나 발전하여 엔진(10)의 회전속도를 변화시키되 고효율 영역(HEA)내의 엔진(10)의 회전속도의 범위에 포함되도록 하는 점에서 동일하다.
도 1은 종래 하이브리드 건설기계의 엔진 및 전동기의 토크선도를 개략적으로 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 건설기계의 동력제어장치의 제어 블록도,
도 3은 도 2에 도시된 동력제어장치의 펌프 요구 토크에 대한 전동기의 토크 제어 선도를 개략적으로 나타낸 그래프,
도 4는 도 2에 도시된 동력제어장치의 엔진 토크 선도를 개략적으로 나타낸 그래프,
도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 엔진 토크 선도를 설명하기 위한 그래프,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 동력제어장치의 펌프 요구 토크에 대한 전동기의 토크 제어 선도를 개략적으로 나타낸 그래프,
도 8은 도 7에 의해 제어되는 엔진의 토크 선도를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
10; 엔진 20; 전기에너지 저장장치
30; 펌프 40; 전동기
50; 제어부 NR; 엔진 정격 회전속도
TR; 엔진 정격토크 HEA; 고효율 영역
TM; 모터링 토크 TG; 발전토크
TP; 펌프 요구 토크

Claims (7)

  1. 엔진(10)과, 상기 엔진(10)에 의해 구동되는 펌프(30)와, 전기에너지 저장장치(20)와, 상기 엔진(10)과 펌프(30) 사이에 직결되며 상기 전기에너지 저장장치(20)에 저장된 에너지에 의해 구동되어 상기 엔진(10)의 토크에 부가하여 상기 펌프(30)를 구동하거나 상기 엔진(10)의 회전력을 이용하여 전기를 발전하여 상기 전기에너지 저장장치(20)에 저장하는 전동기(40)를 포함하는 하이브리드 건설기계의 동력제어장치에 있어서,
    입력된 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격 회전속도(NR)에서의 정격토크(TR)와 기준 토크값(A)을 합산한 토크 값보다 높은 경우, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)의 차이 값 보다 낮은 토크 값을 상기 엔진(10)의 토크에 부가하도록 상기 전동기(40)를 제어하는 제어부(50)를 포함하는 하이브리드 건설기계의 동력제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준토크값은 0으로 설정되며,
    상기 제어부(50)는 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR) 보다 낮은 경우, 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)와 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)의 차이보다 낮은 엔진(10)의 토크 값으로 전기를 발전하도록 상기 전동기(40)를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 동력제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부(50)는,
    상기 엔진(10)의 정격 회전속도(NR)보다 낮은 최저 회전속도(N1)와 상기 정격 회전속도(NR)보다 큰 최대 회전속도(N3)를 설정하고,
    상기 엔진(10)의 회전속도를 상기 최저 회전속도(N1)와 상기 최대 회전속도 (N3)사이에서 가변되되어 엔진의 출력 토크가 전기를 발전하도록 상기 전동기(40)를 제어하며,
    상기 엔진(10)의 효율은 상기 최저 회전속도(N1)와 상기 최대 회전속도(N3)에서 동일한 것을 특징으로 하이브리드 건설기계의 동력제어장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어부(50)는,
    상기 엔진(10)의 정격토크(TR)와 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)의 차이가 클수록 상기 전동기(40)가 발전기 역할을 하거나 상기 엔진(10)에 제공되는 토크 값을 상승시키도록 상기 전동기(40)를 제어하고,
    상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR) 보다 높을 경우 상기 전동기(40)로부터 상기 엔진(10)에 제공되는 토크 값의 상승율이 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)이 정격토크(TR) 보다 높을 경우의 발전되는 토크 값의 상승율 보다 낮도록 상기 전동기(40)를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 동력제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기준 토크값은 0 이상으로 설정되며,
    상기 제어부(50)는 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)와 상기 기준 토크값(A)을 합산한 토크값(TR+A) 보다 낮은 경우, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 상기 합산한 토크값(TR+A)의 차이 보다 낮은 토크값이 발전되도록 상기 전동기(40)를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 동력제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부(50)는,
    상기 정격 회전속도(NR)와 상기 정격 회전속도(NR)보다 낮은 상기 엔진의 최저 회전속도(N1)를 설정하고,
    상기 엔진(10)의 회전속도를 상기 정격 회전속도(NR)와 상기 최저 회전속도(N1) 사이에서 가변되도록 상기 전동기(40)를 제어하며,
    상기 엔진(10)의 효율은 상기 정격 회전속도(NR)와 상기 최저 회전속도(N1)에서 동일한 것을 특징으로 하이브리드 건설기계의 동력제어장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제어부(50)는,
    상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 엔진(10)의 정격토크(TR)와 상기 기 준 토크값(A)을 합산한 토크값(TR+A)와의 차이가 클수록 상기 전동기(40)에 의해 발전되거나 상기 엔진(10)에 제공되는 토크값이 상승하도록 상기 전동기(40)를 제어하고,
    상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 합산한 토크값(TR+A) 보다 높을 경우 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 상기 합산한 토크값(TR+A)의 차이값에 따른 상기 전동기(40)에 의해 상기 엔진(10)에 제공되는 토크값의 상승율이, 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)가 상기 합산한 토크값(TR+A) 보다 낮을 경우 상기 펌프(30)의 요구 토크(TP)와 상기 합산한 토크값(TR+A)의 차이값에 따른 상기 전동기(40)에 의해 발전되는 토크값의 상승율보다 크도록 상기 전동기(40)를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 동력제어장치.
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