KR20110012036A - 하이브리드식 건설기계의 제어시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드식 건설기계의 제어시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 모습에 따라, 엔진과, 엔진에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액추에이터를 구동시키는 유압펌프와, 엔진에 의해 구동되어 발전하고 엔진을 보조하는 모터로서 유압펌프를 구동시키는 모터-발전기와, 모터-발전기에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 모터-발전기의 모터 작동을 위한 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템에 있어서, 엔진의 작업모드를 검출하는 모드검출수단; 유압 액추에이터의 구동에 필요한 유압펌프의 출력토크를 검출하는 토크 검출수단; 엔진의 작업모드별로 설정된 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 저장하고 있는 메모리수단; 및 모드검출수단에 의해 검출된 작업모드에 따라 설정된 하한 및 상한 기준과 토크 검출수단에 의해 검출된 출력토크를 비교하여, 유압펌프의 출력토크가 하한 기준에 미달하는 경우 미달되는 값 만큼 엔진에 부하가 되도록 모터-발전기의 발전을 제어하며 유압펌프의 출력토크가 상한 기준을 초과하는 경우 초과하는 값 만큼 엔진 출력을 보조하도록 모터-발전기의 모터 작동을 제어하는 하이브리드 제어수단; 을 더 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템이 제안된다.

하이브리드, 건설기계, 굴삭기, 모터-발전기, 제어, 출력토크, 작업모드, 엔진토크, 상한, 하한

Description

하이브리드식 건설기계의 제어시스템 및 방법{Control System and Method Of Hybrid Type Construction Machine}

본 발명은 하이브리드식 건설기계의 제어시스템 및 방법에 관한 것이다.

구체적으로는 모터-발전기와 통상 연료 엔진으로 구성된 하이브리드 건설기계 시스템의 연비효율을 최적화하는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템 및 방법에 관한 것이다.

종래의 굴삭기 등의 건설 기계는 일반적으로 연료엔진에 의해 유압 펌프를 구동하고 그 유압에 의해 액추에이터를 구동하는 유압구동방식이 일반적이다. 이러한 종래의 굴삭기 등의 건설기계는 최대출력을 필요로 하는 작업뿐만 아니라, 이보다 작은 출력, 예컨대 80% 또는 50%의 출력으로 충분히 할 수 있는 작업도 많아, 이러한 저출력으로 충분히 작업을 수행하는 경우에는 엔진 효율이나 연비효율이 떨어지게 된다.

도 1은 종래의 굴삭기 시스템의 필요토크 출력 관계도로, 도 1에서 도시한 바와 같이 일반적인 종래의 유압 굴삭기는 사용자의 레버(5) 조작에 의한 파일럿밸브(6)의 출력에 따라 메인제어밸브(MCV)(7)의 개구면적이 조절된다. 유압펌프(13)의 토출유량은 MCV(7)의 개구면적에 따라 각 유압시스템에 전달되는 유량이 조절되어 굴삭기의 필요토크를 출력한다. 유압펌프(13)의 구동은 연료 엔진(10)에 의해 이루어지기 때문에 효율이 낮은 편이다.

도 4는 종래의 유압 굴삭기의 엔진 연비효율 맵으로, 도 4를 참조하면, 모든 종래 엔진 시스템이 그러하듯 가장 사용빈도가 높은 영역의 효율이 최적화되어 설계되므로 사용빈도가 낮은 저출력(22), 고출력(20) 영역에서는 효율이 떨어질 수 밖에 없다.

종래의 유압식 굴삭기 등의 건설기계에서의 위와 같은 큰 부하 변동에 대응하도록 엔진 출력을 대폭 변동시키면서 작업을 행할 필요가 있고, 또한 엔진의 출력을 효과적으로 활용하여 연비의 향상을 도모할 필요가 있다. 이에 하이브리드 차량에서 적용한 전기 모터-발전기를 이용한 하이브리드 기술을 굴삭기에 적용하려고 하고 있다. 즉, 엔진에 모터-발전기를 연결하여 경부하 작업시에 엔진 출력의 일부를 이용하여 발전하여 충전해 두고, 중부하의 작업시에 배터리에서 전기에너지를 공급받아 엔진을 보조하는 하이브리드 굴삭기 등의 하이브리드식 건설기계가 제안되고 있다.

그러나, 굴삭기 등의 건설기계는 엔진 출력, 토크/속도 동작영역, 동력전달장치의 특성이 하이브리드 차량과 매우 달라 하이브리드 기술 적용이 쉽지 않다. 종래에 제안되는 하이브리드 건설기계 제어시스템에서의 유압펌프의 구동토크와 엔진의 출력토크를 단순 비교하여 경부하 작업시 잉여분의 엔진 출력토크를 이용하여 모터-발전기를 발전하여 배터리에 충전하고 중부하 작업시 부족분의 엔진 출력토크 만큼 보조하기 위해 배터리에 충전된 전기에너지를 공급받아 모터-발전기를 모터로 동작시키는 기술만으로는 다양한 부하의 작업영역, 엔진 출력, 토크/속도 동작영역, 동력전달장치 등의 특성이 차이가 있는 굴삭기 등의 건설기계의 엔진의 출력을 효과적으로 활용하여 연비의 향상을 도모하는데 어려움이 있다. 특히, 건설기계, 예컨대 굴삭기의 작업은 굴삭, 퍼담기, 수평고르기, 다지기 등의 다양하게 존재하며 작업부하가 크게 다른 각종 작업을 수행하고 있으므로, 종래의 하이브리드 굴삭기의 경우 하이브리드 차량에서와 같은 변속기 기술이 적용되지 않아 연비효율을 최적화하기에 어려움이 많다.

게다가, 건설기계, 예컨대 굴삭기의 경우 작업의 종류 또는 모드와 엔진 출력과 배터리의 충전상태와의 관계를 고려하지 않으면, 에너지의 낭비나 작업효율의 저하 등의 문제가 발생한다.

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 변속기가 없으며 요구하는 출력변화의 빈도가 급격히 변하는 기존 굴삭기 등의 건설기계에 적용이 가능한 하이브리드 기술을 제안하며, 연비 효율을 최적화 할 수 있는 하이브리드 건설기계 제어 기술을 제공하고자 한다.

본 발명은 굴삭기 등의 건설기계의 다양한 작업영역에서 그리고 부하변동이 심한 조건에서도 연비 효율을 최적화하기 위하여 다양한 작업영역별 엔진 출력효율이 높은 엔진 출력토크의 범위를 상한, 하한기준으로 설정하여 상한 및 하한 기준의 베이스라인 제어방식(Baseline Control Algorithm)으로 제어하고자 한다.

또한 본 발명에서는 상부선회체의 선회를 위한 선회용 모터-발전기를 장착하여 전기에너지로 선회를 가속하고 선회 감속시 발전을 하여 충전하도록 함으로써, 더욱 연비효율을 최적화하는 기술을 제공하고자 한다.

게다가, 본 발명에서는 유압액추에이터에 필요한 파워를 일정시간 측정하여 보다 연비를 개선할 수 있는 작업모드별 엔진 출력토크의 상한 및 하한 기준 등을 수정하여 적용하도록 하고자 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 하나의 모습에 따라, 엔진과, 엔진에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액추에이터를 구동시키는 유압펌프와, 엔 진에 의해 구동되어 발전하고 엔진을 보조하는 모터로서 유압펌프를 구동시키는 모터-발전기와, 모터-발전기에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 모터-발전기의 모터 작동을 위한 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템에 있어서, 엔진의 작업모드를 검출하는 모드검출수단; 유압 액추에이터의 구동에 필요한 유압펌프의 출력토크를 검출하는 토크 검출수단; 엔진의 작업모드별로 설정된 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 저장하고 있는 메모리수단; 및 모드검출수단에 의해 검출된 작업모드에 따라 설정된 하한 및 상한 기준과 토크 검출수단에 의해 검출된 유압펌프의 출력토크를 비교하여, 유압펌프의 출력토크가 하한 기준에 미달하는 경우 미달되는 값 만큼 엔진에 부하가 되도록 모터-발전기의 발전을 제어하며 유압펌프의 출력토크가 상한 기준을 초과하는 경우 초과하는 값 만큼 엔진 출력을 보조하도록 모터-발전기의 모터 작동을 제어하는 하이브리드 제어수단; 을 더 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템을 제안한다.

바람직한 하나의 모습으로, 전술한 하이브리드식 건설기계의 제어시스템은 에너지저장장치의 충전량을 검출하는 충전량검출수단을 더 포함하여 이루어진다. 게다가, 하이브리드 제어수단은, 유압펌프의 출력토크가 하한 기준에 미달하는 경우에 있어서 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최고 기준치 이상인 경우 모터-발전기가 발전하지 않도록 제어하고 충전량이 최고 기준치 미만인 경우 모터-발전기가 발전하도록 제어하며, 유압펌프의 출력토크가 상한 기준에 초과하는 경우에 있어서 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최소 기준치 이하인 경우 모터-발 전기가 모터작동하지 않도록 제어하고 충전량이 최소 기준치 초과하는 경우 모터-발전기가 모터 작동하도록 제어하며, 유압펌프의 출력토크가 하한과 상한 기준 범위 내이고 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최소 기준치 이하인 경우 모터-발전기가 발전하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또 바람직한 하나의 모습으로, 모드검출수단은 엔진의 시동영역 또는 출력대기상태인 아이들링(idling) 모드를 또는 엔진의 작업모드별 저토크 아이들링(idling) 영역을 검출하고, 메모리수단은 아이들링 상태에서 모터-발전기의 발전 동작시 연비개선이 이루어지는 미리 설정된 엔진 회전속도 및 엔진 토크의 작동 포인트를 저장하고, 하이브리드 제어수단은 모드검출수단에 의해 아이들링 모드 또는 저토크 아이들링 영역이 검출된 경우 작동포인트의 엔진 회전속도와 엔진 토크에 따른 엔진 구동에 의해 모터-발전기가 발전하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

게다가, 바람직하게는, 전술한 하이브리드식 건설기계의 제어시스템은 에너지저장장치의 충전량을 검출하는 충전량검출수단을 더 포함하여 이루어지고, 아이들링 모드 또는 저토크 아이들링 영역이 검출된 경우에 있어서 하이브리드 제어수단은, 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최소 기준치 이하인 경우 최고 기준치까지 충전되도록 모터-발전기의 발전을 제어하며, 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최고 기준치 이상인 경우 엔진이 오프(off)되도록 제어하며, 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최소 기준치와 최고 기준치 사이인 경우 최고 기준치까지 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직한 또 다른 하나의 모습으로, 전술한 하이브리드식 건설기계의 제어시스템들의 하나는 에너지저장장치로부터 공급된 에너지로 상부선회체의 선회를 가속시키는 모터로서 작동하며 상부선회체의 선회 감속시 관성 모멘트에 의해 발전하는 발전기로 작동하는 선회용 모터-발전기를 더 포함하여 이루어진다. 게다가, 하이브리드 제어수단은 상부선회체의 선회 감속시 선회용 모터-발전기를 발전기로 작동시켜 발전된 전기에너지를 에너지저장장치에 충전하도록 제어하며 선회용 모터-발전기의 모터 작동을 위한 에너지저장장치로부터의 전기에너지 공급을 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 하나의 모습으로, 전술한 하이브리드식 건설기계의 제어시스템들의 하나는 엔진의 출력을 산출하는 엔진출력 산출수단을 더 포함하여 이루어진다. 게다가, 하이브리드 제어수단은 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안의 엔진출력 산출수단에 의해 산출된 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 엔진 출력에 따른 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 설정하여 메모리수단에 저장하고, 설정 저장된 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 적용하여 모터-발전기의 발전 또는 모터 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또 하나의 모습으로, 전술한 하이브리드식 건설기계의 제어시스템들의 하나는 엔진의 출력을 산출하는 엔진출력 산출수단을 더 포함하여 이루어지고, 하이브리드 제어수단은 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안의 엔진출력 산출수단에 의해 산출된 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 엔진 출력에 따른 작동포 인트에서의 엔진 회전속도와 엔진토크를 설정하여 메모리수단에 저장하고 설정 저장된 작동포인트에서의 엔진회전속도와 엔진토크를 적용하여 모터-발전기의 발전을 제어하는 것을 특징으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 하나의 모습에 따라, 엔진과, 엔진에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액추에이터를 구동시키는 유압펌프와, 엔진에 의해 구동되어 발전하고 엔진을 보조하는 모터로서 유압펌프를 구동시키는 모터-발전기와, 모터-발전기에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 모터-발전기의 모터 작동을 위한 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템에서의 하이브리드식 건설기계의 제어방법에 있어서, 엔진의 작업모드를 검출하는 모드검출단계; 유압 액추에이터의 구동에 필요한 유압펌프의 출력토크를 검출하는 토크 검출단계; 모드검출단계에서 검출된 작업모드에 따른 미리 설정된 엔진토크의 하한 및 상한 기준과 토크 검출단계에서 검출된 유압펌프의 출력토크를 비교하고, 유압펌프의 출력토크가 하한 기준에 미달하는 경우 미달되는 값 만큼 엔진에 부하가 되도록 모터-발전기의 발전을 제어하며 유압펌프의 출력토크가 상한 기준을 초과하는 경우 초과하는 값 만큼 엔진 출력을 보조하도록 모터-발전기의 모터 작동을 제어하는 하이브리드 제어단계; 를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어방법을 제안한다.

바람직한 하나의 모습으로, 모드검출단계는 엔진의 시동영역 또는 출력대기상태인 아이들링(idling) 모드를 또는 엔진의 작업모드별 저토크 아이들링(idling) 영역을 검출하고, 모드검출단계에서 아이들링 모드 또는 저토크 아이들링 영역이 검출되는 경우에 하이브리드 제어단계는 아이들링 상태에서 모터-발전기의 발전 동작시 연비개선이 이루어지는 미리 설정된 엔진 회전속도 및 엔진 토크의 작동 포인트에서의 엔진 회전속도 및 엔진 토크 따른 엔진 구동에 의해 모터-발전기가 발전하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또 바람직한 하나의 모습에 따라, 하이브리드 제어단계는: 엔진의 출력을 산출하는 엔진출력 산출과정과; 모드검출단계에서 검출된 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안 엔진출력 산출과정에서 산출된 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 엔진 출력에 따른 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 설정하여 저장하는 수정토크기준 설정과정과; 설정 저장된 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 적용하여 모터-발전기의 발전 또는 모터 작동을 제어하는 수정작동 제어과정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 하나의 모습에 따라, 하이브리드 제어단계는: 엔진의 출력을 산출하는 엔진출력 산출과정과; 모드검출단계에서 검출된 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안 엔진출력 산출과정에서 산출된 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 엔진 출력에 따른 작동포인트에서의 엔진 회전속도와 엔진토크를 설정하여 저장하는 수정작동포인트 설정과정과; 설정 저장된 작동포인트에서의 엔진 회전속도와 엔진토크를 적용하여 모터-발전기의 발전을 제어하는 수정발전 제어과정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로 앞서 언급된 기술적 특징의 가능한 다양한 조합에 따른 실시예들이 포함될 수 있음은 자명하다.

본 발명의 모습에 따라, 기존 굴삭기의 변속기의 부재 및 출력토크의 급격한 빈도 변화로 인해 기존 하이브리드 차량을 통해 개발된 하이브리드 기술의 적용이 곤란했던 점이 있었으나, 다양한 작업영역별 엔진 출력효율이 높은 엔진 출력토크의 범위를 상한, 하한기준으로 설정하여 상한 및 하한 기준으로 제어하는 베이스라인 제어(Baseline Control) 기술을 개발하여 건설기계에 적용함으로써 우수한 연비 개선효과를 기대할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 하나의 모습에 따라, 상부선회체의 선회를 위한 선회용 모터-발전기를 장착하여 전기에너지로 선회를 가속하고 선회 감속시 발전을 하여 충전하도록 함으로써, 더 향상된 엔진효율과 연비효율을 기대할 수 있다.

게다가, 본 발명의 또 다른 하나의 모습에 따라, 유압액추에이터에 필요한 파워를 일정시간 측정하여 작업모드별 엔진 출력토크의 상한 및 하한 기준 등을 수정하여 적용하도록 함으로써, 보다 연비를 개선할 수 있게 된다.

본 발명의 다양한 실시예에 따라 직접적으로 언급되지 않은 다양한 효과들이 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 구성들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 도출될 수 있음은 자명하다.

전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일부호는 동일한 구성을 의미하고, 중복되거나 발명의 의미를 한정적으로 해석되게 할 수 있는 부가적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 생략될 수 있다.

우선, 본 발명의 하나인 하이브리드식 건설기계의 제어시스템을 살펴본다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계의 제어시스템을 나타내는 개략적인 블럭도이고, 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계 제어시스템의 필요토크 출력관계도를 나타낸다.

도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 하나의 모습에 따른 하이브리드식 건설기계의 제어시스템은 엔진(10)과, 엔진(10)에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액추에이터(15)를 구동시키는 유압펌프(13)와, 엔진(10)에 의해 구동되어 발전하고 엔진(10)을 보조하는 모터로서 유압펌프(13)를 구동시키는 모터-발전기(17)와, 모터-발전기(17)에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 모터-발전기(17)의 모터 작동을 위한 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치, 즉 배터리(19)를 포함하여 이루어지는 제어시스템의 하나이다.

도 3을 참조하면, 엔진(10)의 구동과정을 살펴보면, 모드선택스위치(1)로 작업모드를 예컨대, P-모드, H-모드, G-모드 또는 F-모드로 선택하는 하는 경우에, 예를 들면, 각각 1900rpm, 1800rpm, 1700rpm, 1400rpm 등으로 엔진회전수가 셋팅되 며, 이 엔진회전수가 기준회전수가 된다. 연료탱크(4)에 저장된 연료가 연료분사시스템(3)을 통해 엔진(10)으로 주입되어 엔진(10)이 구동된다. 본 발명에서는, 바람직하게는, 유압액추에이터(15)에서 요구되는 유압펌프(13)의 출력토크에 따른 엔진(10)의 출력 결정은 하이브리드 제어수단(50)에서 작업모드별 연비 효율이 높은 엔진 출력토크의 상한 및 하한기준에 따른 베이스라인 제어 알고리즘에 의해 정해진다. 베이스라인 제어 알고리즘에 의한 제어의 구체적인 설명은 다음을 참조한다.

하이브리드 제어수단(50)에서 시스템에 필요한 토크, 즉 유압액추에이터(15)에 필요한 토크에 상응하는 유압펌프(13)로부터 제공되는 출력토크를 피드백받아 베이스라인 제어 알고리즘에 의해 모터-발전기(17)의 발전 또는 모터 작동을 제어하고, 모터-발전기(17)의 발전 또는 모터 작동에 따라서 유압액추에이터(15)에 필요한 유압펌프(13)의 출력토크를 제공하기 위한 기존 엔진(10)에서의 필요 출력이 결정되게 된다. 모터-발전기(17)는 하이브리드 제어수단(50)의 제어에 따라 모터-발전기 드라이버(18)에 의해 구동된다. 기존 엔진(10)에서 필요한 출력을 제공할 수 있도록 하기 위해, 엔진(10)의 출력회전수와 요구되는 출력 또는 출력토크가 전자제어유닛(E-ECU)(2)으로 피드백된다. 전자제어유닛(E-ECU)(2)에서는 요구되는 엔진(10)의 출력을 나타내도록 하기 위해, 피드백된 엔진(10)의 출력 회전수와 기준 엔진회전수에 따라 엔진(10)의 회전속도(speed)가 작업모드별로 거의 일정하게 유지되도록 하면서 엔진(10)의 출력 또는 출력토크를 가변시킬 수 있도록 연료분사시스템(3)을 제어한다. 전자제어유닛(E-ECU)(2)에 의해 제어되는 연료분사시스템(3)을 통한 연료탱크(4)로부터의 연료 주입량이 가변되어 엔진(10)의 출력토크가 가변 되게 된다.

도 2를 참조하면, 특히 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계의 제어시스템은 모드검출수단(60), 토크 검출수단(70), 메모리수단(40) 및 하이브리드 제어수단(50)을 더 포함하여 이루어진다. 각각의 구성에 대해 구체적으로 살펴본다.

모드검출수단(60)은 엔진(10)의 작업모드를 검출한다. 건설기계, 예컨대 굴삭기의 엔진(10)의 작업모드는 예를들면 P-모드, H-모드, G-모드, F-모드 등이 있다. 도 4는 종래의 유압 굴삭기의 엔진 연비효율 맵으로, 도 4를 참조하면, 종래 굴삭기의 엔진(10)의 작업모드가 P-모드, H-모드, G1-모드, G1-모드, F1-모드 등으로 표시되어 있다. 이러한 작업모드는 예컨대 굴삭기의 엔진 회전수를 고정하는 것이다. 예를 들어, 굴삭기 모드를 P-모드에 두면 엔진은 1900rpm으로 셋팅되고, H-모드에 두면 엔진은 1800rpm으로 셋팅된다. 엔진의 작업모드는 도 3의 모드선택스위치(1)에 의해 선택되어 결정된다.

토크 검출수단(70)은 유압 액추에이터(15)의 구동에 필요한 유압펌프(13)의 출력토크를 검출한다. 유압액추에이터(15)의 구동에 필요한 토크는 유압펌프(13)에서 제공되는 출력에 상응한다. 바람직하게는, 토크 검출수단(70)은 유압펌프(13)에서 사각판(14)조정을 통해 출력되는 출력토크를 검출한다. 혹은 메인제어밸브(MCV)(7)의 개구면적 또는 출력을 검출하여 시스템의 필요토크를 검출할 수도 있 다. 도 3을 참조하면, 사용자의 레버(5) 조작에 의한 파일럿밸브(6)의 출력에 따라 메인제어밸브(MCV)(7)의 개구면적이 조절된다. 또는 사용자의 레버(5) 조작에 의한 파일럿밸브(6)의 출력에 따라 도시되지 않았으나 밸브전자제어유닛을 통해 유압펌프(13)의 사각판(14)을 조정하여 유압펌프(13)의 출력을 직접적으로 제어할 수 있다. 유압펌프(13)의 토출유량은 MCV(7)의 개구면적에 따라 각 유압시스템에 전달되는 유량이 조절되거나 밸브전자제어유닛(도시되지 않음)의 제어에 의한 사각판(14)이 조정되어 유량이 조절되어 건설기계, 예컨대 굴삭기의 필요토크를 출력한다. 유압펌프(13)로부터 최종 출력 토크가 발생하는 과정은 종래 굴삭기 시스템과 하이브리드 굴삭기 시스템 모두 동일하다. 본 발명에서 시스템의 필요토크 또는 요구토크 혹은 유압액추에이터(15)의 필요토크 또는 요구토크는 유압펌프(13)에서의 출력토크에 상응하고, 시스템의 필요토크 또는 요구토크 혹은 유압액추에이터(15)의 필요토크 또는 요구토크의 검출은, 바람직하게는, 유압펌프(13)에서의 출력토크를 검출함으로써 검출될 수 있다.

메모리수단(40)은 엔진(10)의 작업모드별로 설정된 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 저장하고 있다. 엔진(10)의 작업모드별로 설정된 엔진토크의 하한 및 상한 기준은 본 발명에 따른 제어 알고리즘의 파라미터가 된다. 본 발명에서 베이스라인 제어 알고리즘의 파라미터가 되는 작업모드별 엔진 출력토크의 상한 및 하한 기준 값은 엔진의 작업 Mode별로 각각 도출하여 적용된다. 바람직하게는 하나의 실시예에서, 아이들링 작동포인트의 엔진 회전속도(Speed) 및 엔진 출력토크도 연비 효율 을 최적화하는 값을 본 발명의 하나의 실시예에서의 제어 파라미터로 도출하여 적용된다. 본 발명의 제어 알고리즘에 대한 구체적인 설명은 다음을 참조한다.

그리고 하이브리드 제어수단(50)은 모드검출수단(60)에 의해 검출된 작업모드와 토크 검출수단(70)에 의해 검출된 유압펌프(13)의 출력토크를 입력받아 제어알고리즘(51)에 의해 제어한다. 구체적으로 모드검출수단(60)에 의해 검출된 작업모드에 따라 설정된 엔진(10) 출력토크의 하한 및 상한 기준과 토크 검출수단(70)에 의해 검출된 출력토크를 비교한다. 엔진(10) 출력토크의 하한 및 상한 기준과 유압펌프(13)의 출력토크를 비교하여, 유압펌프(13)의 출력토크가 하한 기준에 미달하는 경우 미달되는 값 만큼 엔진(10)에 부하가 되도록 모터-발전기(17)의 발전을 제어하고, 유압펌프(13)의 출력토크가 상한 기준을 초과하는 경우 초과하는 값 만큼 엔진(10) 출력을 보조하도록 모터-발전기(17)의 모터 작동을 제어한다.

도 3 및 5를 참조하면, 효율이 높은 전기 모터-발전기(M/G)(17)를 엔진(10) 외의 동력원으로 추가함으로써, 고출력을 요하는 동작(20)에서는 엔진(10)은 효율이 이득인 경계지점1(Upper Baseline)(23)에서 동작하고, 나머지의 출력을 전기 모터-발전기(M/G)(17)가 모터 동작(Motoring)에 의해 담당한다. 반대로 효율이 매우 낮은 저출력을 요하는 동작(22)에서는 전기 모터-발전기(M/G)(17)를 발전기로 작동시킨다. 전기 모터-발전기(M/G)(17)의 발전으로 엔진(10)에 부하를 가해, 효율이 이득인 경계지점2(Lower Baseline)(24)에서 엔진(10)을 동작시킴과 동시에 전기 모터-발전기(M/G)(17)에서 발전된 전기에너지를 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)(19)에 저장한다. 이때 발전된 전기에너지는 모터-발전기(M/G)(17)의 모터 작동 시에 사용된다.

바람직하게는, 유압펌프(13)의 출력토크, 보다 바람직하게는 유압펌프(13)의 출력토크와 에너지저장장치(ESS)(19)의 충전상태(SOC)가 하이브리드 제어수단(Hybrid-ECU)(50)에 전달되면, 예컨대 고출력을 요하는 동작(20)의 경우에 베이스라인 제어 알고리즘(Baseline Control Algorithm)(51)에 의해 전기 모터-발전기(M/G)(17)의 토크출력 명령이 인가되고 모터-발전기 드라이버(M/G Driver)(18)에 의해 모터-발전기(M/G)(17)가 모터로 동작하여 출력토크를 출력한다. 만일 저출력을 요하는 동작(22)의 경우에 베이스라인 제어 알고리즘(Baseline Control Algorithm)(51)에 의해 전기 모터-발전기(M/G)(17)의 발전 명령이 인가되고 모터-발전기 드라이버(M/G Driver)(18)에 의해 모터-발전기(M/G)(17)가 발전기로 동작하도록 하여 엔진(10)의 부하로서 엔진(10)의 출력을 소모한다.

유압시스템의 필요토크, 즉 유압액추에이터(15)의 구동에 필요한 유압펌프(13)의 출력토크는 유압펌프(13)의 사각판(14) 조정에 의한 토출유량에 의해 결정되고, 유압펌프(13)의 구동 입력인 하이브리드 엔진 시스템의 출력(11)은 엔진(10)과 모터-발전기(M/G)(17)의 출력의 합에 의해 발생한다. 구체적으로, 베이스라인 제어알고리즘(51)에 의해 모터-발전기(17)가 모터로 동작하는 경우 유압펌프(13)의 구동 입력인 하이브리드 엔진 시스템의 출력(11)은 엔진(10)과 모터-발전기(M/G)(17)의 출력의 합에 의해 발생하고, 베이스라인 제어알고리즘(51)에 의해 모터-발전기(17)가 발전기로 동작하는 경우 유압펌프(13)의 구동 입력인 하이브리 드 엔진 시스템의 출력(11)은 엔진(10)의 출력에서 모터-발전기(M/G)(17)에서 소모되는 부하를 뺀 값에 의해 발생한다. 엔진(10)의 출력토크는 하이브리드 엔진 시스템의 출력에서 모터-발전기(M/G)(17)의 출력토크를 제외한 값이므로 모터-발전기(M/G)(17)의 출력을 하이브리드 제어를 통해 조절함으로써 엔진(10)의 동작영역을 결정하여, 연비효율이 좋은 영역에서 동작하도록 유도하고 연비개선 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예에서의 하이브리드 건설기계 제어 알고리즘(베이스라인 제어 알고리즘)의 제어 파라미터는 엔진 출력토크의 상한기준(Upper Baseline)(23)과 하한기준(Lower Baseline)(24)을 포함하고 있으며, 바람직하게는, 아이들링 발전포인트(Idling Generation Point)(30)의 엔진회전속도 및 엔진출력토크를 더 포함하여 4종류의 값을 1세트로 제네틱 알고리즘에서의 염색체(Chromosome)로 구성하여 제네틱 알고리즘(Genetic Algorithm)을 통해 최적의 파라미터 세트를 도출한다.

본 발명의 하나의 실시예에서의 베이스라인 제어 알고리즘의 파라미터인 베이스라인(Baseline)은 도 4에 도시된 기존 굴삭기의 종래 연료 엔진의 연비효율맵(Fuel Efficiency Map)과 도 5에 도시된 엔진 연료소모 맵으로부터 도출된다. 도 5에서 그래프의 X축 값은 엔진(10)의 회전속도로 RPM을 나타내고, Y축 값은 엔진(10)의 출력토크를 나타낸다. 그리고 도 5에서 등고선 형식으로 그려진 데이터는 종래 굴삭기에서의 엔진(10)의 연료소모량을 나타내고 우측에 표시된 값은 엔진(10)의 출력(power)을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 에너지 변환하였을 때의 효율이 이득인 경계지점, 즉 상한기준(Upper Baseline)(23)과 하한기준(Lower Baseline)(24)을 설정하였다. 도 5에서 참조부호 23 및 24는 작업모드가 H-모드인 경우에 각각 설정된 엔진(10) 출력토크의 상한기준과 하한기준이다. 즉, 하한(Lower Baseline) 이하의 동작일 때 하한기준까지 토크 부하를 가하면서 발전동작하여 더 소모한 연료량과 상한기준 이상의 동작일 때 모터 동작하여 덜 소모한 연료량을 비교해 연료개선이 이득이 되는 경계 지점을 기준(Baseline)으로 설정한다. 바람직하게는, 상한기준(Upper Baseline)(23)과 하한기준(Lower Baseline)(24)은 제네틱 알고리즘(Genetic Algorithm)을 적용한 시뮬레이션에 실제 굴삭기의 표준 작업 사이클을 적용한 결과로부터 결정될 수 있으며, 엔진모드별로 연비개선이 최적인 점이 각각 다른 값으로 설정된다.

도 2를 참조하여, 본 발명의 하나의 다른 실시예를 살펴보면, 하이브리드식 건설기계의 제어시스템은 에너지저장장치(19)의 충전량(SOC)을 검출하는 충전량검출수단(80)을 더 포함하여 이루어진다. 바람직하게, 에너지저장장치, 즉 배터리(19)의 충전상태(SOC)의 최소기준치와 최고기준치가 미리 설정되어 있다.

본 실시예에서, 바람직하게는, 하이브리드 제어수단(50)은 작업모드에 따라 설정된 엔진(10) 출력토크의 하한 및 상한 기준과 유압펌프(13)의 출력토크를 비교하고 나아가 에너지저장장치(19)의 충전량(SOC)를 파악하여 하이브리드 제어를 수행한다. 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이브리드 건설기계 제어시스템에서의 베이스라인 제어 알고리즘 흐름도를 나타내는 도 7을 참조하면, 유압펌프(13)의 출력토크가 엔진(10) 출력토크의 하한 기준에 미달하는 경우, 예컨대 도 5에서 참조 부호 22의 영역에 있는 경우에 있어서, 충전량검출수단(80)에 의해 검출된 충전량(SOC)이 최고 기준치 이상인 경우 모터-발전기(17)가 발전하지 않도록 제어한다. 또한 충전량(SOC)이 최고 기준치 미만인 경우 모터-발전기(17)가 발전하도록 제어한다.

도 7에서 유압펌프(13)의 출력토크가 상한 기준에 초과하는 경우, 예컨대 도 5에서 참조부호 20의 영역에 있는 경우에 있어서, 충전량검출수단(80)에 의해 검출된 충전량(SOC)이 최소 기준치 이하인 경우 모터-발전기(17)가 모터작동하지 않도록 제어하고 충전량(SOC)이 최소 기준치 초과하는 경우 모터-발전기(17)가 모터 작동하도록 제어한다.

그리고, 도 5에서와 같이 유압펌프(13)의 출력토크가 하한과 상한 기준 범위 내(21)이고 충전량검출수단(80)에 의해 검출된 충전량(SOC)이 최소 기준치 이하인 경우 모터-발전기(17)가 발전하도록 제어한다.

바람직한 실시예에서, 하이브리드 건설기계 제어 알고리즘은 도 7에 도시된 제어 흐름도를 따른다. 엔진(10)의 동작모드(S100)를 판단하여, 작업모드일 경우 유압시스템의 출력토크가 엔진(10) 출력토크의 하한기준(Lower Baseline) 이하일 때는 M/G(17)가 발전동작하고, 유압시스템의 필요토크, 바람직하게 유압펌프(13)의 출력토크가 엔진(10) 출력토크의 상한기준(Upper Baseline) 이상일 때는 M/G(17)가 모터로 작동하여 엔진(10)을 보조하고, 그리고 하한기준과 상한기준 사이일 때는 엔진(10)만 단독으로 동작한다. 다만, M/G(17)의 발전영역에서 충전량(SOC)이 충분할 경우에는 발전하지 않으며, 엔진(10) 단독으로 동작 시 충전량(SOC)이 부족할 경우에는 발전하며, M/G(17)의 모터작동영역에서 충전량(SOC)이 부족할 경우에는 모터 작동하지 않는다.

본 발명의 바람직한 하나의 실시예를 도 6을 참조하여 살펴본다. 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 적용되는 아이들링 작동포인트의 이동 예를 나타내는 도면이다.

하나의 실시예에서, 모드검출수단(60)은 엔진(10)의 시동영역(26) 또는 출력대기상태(25)인 아이들링(idling) 모드를 또는 엔진(10)의 작업모드별 저토크 아이들링(idling) 영역(27, 28, 29)을 검출한다. 메모리수단(40)은 아이들링 상태(25, 26, 27, 28, 29)에서 모터-발전기(17)의 발전 동작시 연비개선이 이루어지는 미리 설정된 엔진 회전속도 및 엔진 토크의 작동포인트(발전포인트)를 아이들링 작동포인트(아이들링 발전포인트)(30)로 저장하고 있다. 하이브리드 제어수단(50)은 모드검출수단(60)에 의해 아이들링 모드(25, 26) 또는 저토크 아이들링 영역(27, 28, 29)이 검출된 경우 작동포인트(30)의 엔진 회전속도와 엔진 토크에 따른 엔진(10) 구동에 의해 모터-발전기(17)가 발전하도록 제어한다.

도 6을 참조하면, 각 작업모드별 저토크 아이들링(Idling) 영역(27, 28, 29)과 엔진 시동 영역인 아이들링 모드1(25)과 출력대기 상태에 해당하는 아이들링 모드2(26)가 존재하는데, 각 아이들링 영역도 연비효율이 매우 낮은 영역이므로 발전동작하였을 때 연비개선이 최대인 작동포인트(30)로 엔진(10)의 동작 영역을 이동시켜 엔진(10)의 출력을 모터-발전기(17)의 발전에 전부 또는 거의 전부 이용하는 아이들링 발전(Idling Generation)을 수행하여 에너지저장장치(19)에 전기에너지를 저장한다.

게다가, 도 6 및 7을 참조하여, 본 발명의 바람직한 하나의 실시예에 따르면, 하이브리드식 건설기계의 제어시스템은 에너지저장장치(19)의 충전량(SOC)을 검출하는 충전량검출수단(80)을 더 포함하여 이루어진다. 본 실시예에서, 모드검출수단(60)에 의해 아이들링 모드(25, 26) 또는 저토크 아이들링 영역(27, 28, 29)이 검출된 경우에 있어서, 하이브리드 제어수단(50)은, 충전량검출수단(80)에 의해 검출된 충전량이 최소 기준치 이하인 경우 최고 기준치까지 충전되도록 모터-발전기(17)의 발전을 제어한다. 또한, 충전량검출수단(80)에 의해 검출된 충전량이 최고 기준치 이상인 경우 엔진(10)이 오프(off)되도록 제어한다. 그리고, 충전량검출수단(80)에 의해 검출된 충전량이 최소 기준치와 최고 기준치 사이인 경우 최고 기준치까지 충전하도록 제어한다.

도 7을 참조하면, 아이들링모드일 경우에는 충전상태에 따라 아이들링 발전(Idling Generating) 여부를 결정한다. 충전량(SOC)이 부족할 경우에는 에너지저장장치(ESS)(19)가 충분히 충전될 때까지, 예컨대 최고기준치(High Limit)까지 발전하며, 충전량(SOC)이 충분할 경우, 예컨대 최고기준치까지 충전된 경우에는 엔진(10)을 Off하여 불필요한 연료소모를 줄인다. 충전량(SOC)이 최소기준치(Low Limit)와 최고기준치(High Limit) 사이일 경우에는 당시 상태가 충전중이었다면 최고기준치(High Limit)까지 충전한다. 경우에 따라, 방전, 예컨대 모터-발전기(17) 로 에너지공급 중이었다면 충전량(SOC)이 최소기준치(Low Limit)에 도달할 때까지 엔진(10)을 Off한다.

도 9를 참조하여 본 발명의 하나의 실시예를 살펴본다. 도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 구성의 개략도이다. 도 9를 참조하면, 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계의 제어시스템은 상부선회체 선회용 모터-발전기(117)를 더 포함하여 이루어진다. 선회용 모터-발전기(117)는 에너지저장장치(19)로부터 공급된 에너지로 상부선회체의 선회를 가속시키는 모터로서 작동하며 상부선회체의 선회 감속시 관성 모멘트에 의해 발전하는 발전기로 작동한다. 선회용 모터-발전기(117)는 선회용 모터 드라이버(118)에 의해 모터 구동된다. 선회용 모터-발전기(117)는 종래의 선회용 유압모터를 대체하는 선회모터로 사용되며, 선회감속시 관성모멘트에 의한 발전을 수행하여 에너지효율을 높인다.

본 실시예에서, 하이브리드 제어수단(50)은 상부선회체의 선회 감속시 선회용 모터-발전기(117)를 발전기로 작동시켜 발전된 전기에너지를 에너지저장장치(19)에 충전하도록 제어하며 선회용 모터-발전기(117)의 모터 작동을 위한 에너지저장장치(19)로부터의 전기에너지 공급을 제어한다.

바람직한 또 하나의 실시예로, 하이브리드식 건설기계의 제어시스템은 엔진의 출력을 산출하는 엔진출력 산출수단(도시되지 않음)을 더 포함하여 구성된다. 본 실시예에서 하이브리드 제어수단(50)은 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안 의 엔진출력 산출수단에 의해 산출된 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 엔진 출력에 따른 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 설정하여 메모리수단(40)에 저장하고, 설정 저장된 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 적용하여 모터-발전기(17)의 발전 또는 모터 작동을 제어한다.

또 하나의 바람직한 실시예로, 하이브리드 제어수단(50)은 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안의 엔진출력 산출수단에 의해 산출된 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 엔진 출력에 따른 작동포인트에서의 엔진 회전속도와 엔진토크를 설정하여 메모리수단(40)에 저장하고 설정 저장된 작동포인트에서의 엔진회전속도와 엔진토크를 적용하여 모터-발전기(17)의 발전을 제어한다.

굴삭기는 작업의 특성상, 덤프 트럭에 흙을 파서 담고, 다른 트럭이 준비할 때까지 기다렸다가 다시 흙을 담는 작업을 많이 한다. 이때 굴삭기에 작업에 필요한 엔진의 동력은 도 8a와 같이 나타난다. 경우에 따라서, 굴삭기가 큰 작업장에서 흙을 파는 작업을 할 경우, 쉬는 시간 없이 작업을 하게 되고 도 8b와 같이 나타나는 엔진동력이 필요하다.

도 8a와 8b에서 나타내는 작업의 특성에 대한 최적의 엔진토크의 상한기준(Upper baseline)(23)과 하한기준(Lower baseline)(24)은 차이가 있다. 또한 경우에 따라서 아이들링 작동포인트(idling operating point)(30)도 다를 수 있다. 따라서 일정시간 동안 엔진(10)의 출력을 체크하여 엔진 출력에 적합한 상한기준과 하한기준, 바람직하게는 상한기준과 하한기준 및 작동포인트를 적용하면, 하이브리드 굴삭기의 효율이 더 좋아진다.

다음으로 본 발명의 다른 모습인 하이브리드식 건설기계의 제어방법을 도면을 참조하여 구체적으로 살펴본다. 본 발명의 모습을 설명함에 있어서, 앞서 하이브리드식 건설기계의 제어시스템의 실시예에서 설명된 부분과 중복되는 부분에 대해서는 앞선 실시예의 설명을 참조하기로 하고 가급적 생략된다. 본 발명의 모습에 따른 하이브리드식 건설기계의 제어방법은 엔진(10)과, 엔진(10)에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액추에이터(15)를 구동시키는 유압펌프(13)와, 엔진(10)에 의해 구동되어 발전하고 엔진(10)을 보조하는 모터로서 유압펌프(13)를 구동시키는 모터-발전기(17)와, 모터-발전기(17)에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 모터-발전기(17)의 모터 작동을 위한 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치(19)를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템에서 적용된다.

도 10은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

도 7과 도 10을 참조하면, 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계의 제어방법은 엔진(10)의 작업모드를 검출하는 모드검출단계(S100), 유압시스템, 구체적으로 유압 액추에이터(15)의 구동에 필요한 유압펌프(13)의 출력토크를 검출하는 토크 검출단계(S200) 및 하이브리드 제어단계(S300)를 포함하여 이루어진다.

하이브리드 제어단계(S300)에서는 우선, 모드검출단계(S100)에서 검출된 작업모드에 따른 미리 설정된 엔진토크의 하한 및 상한 기준과 토크 검출단계(S200)에서 검출된 유압펌프(13)의 출력토크를 비교한다(S310). 엔진토크의 하한 및 상한 기준과 유압펌프(13)의 출력토크를 비교하여 유압펌프(13)의 출력토크가 하한 기준에 미달하는 경우 미달되는 값 만큼 엔진(10)에 부하가 되도록 모터-발전기(17)의 발전을 제어한다(S320). 반면에 유압펌프(13)의 출력토크가 상한 기준을 초과하는 경우 초과하는 값 만큼 엔진(10) 출력을 보조하도록 모터-발전기(17)의 모터 작동을 제어한다(S330).

바람직한 하나의 실시예에서, 도 7을 참조하면, 모드검출단계(S100)는 엔진의 시동영역(25) 또는 출력대기상태(26)인 아이들링(idling) 모드를 또는 엔진의 작업모드별 저토크 아이들링(idling) 영역(27, 28, 29)을 검출한다. 모드검출단계(S100)에서 아이들링 모드(25, 26) 또는 저토크 아이들링 영역(27, 28, 29)이 검출되는 경우에 하이브리드 제어단계(S300)는 아이들링 상태(25, 26, 27, 28, 29)에서 모터-발전기(17)의 발전 동작시 연비개선이 이루어지는 미리 설정된 엔진 회전속도 및 엔진 토크의 작동 포인트(30)에서의 엔진 회전속도 및 엔진 토크 따른 엔진(10) 구동에 의해 모터-발전기(17)가 발전하도록 제어한다.

도 8a와 8b에서 나타내는 작업의 특성에 대한 최적의 엔진토크의 상한기준(Upper baseline)(23)과 하한기준(Lower baseline)(24)은 차이가 있다. 또한 경우에 따라서 아이들링 작동포인트(idling operating point)(30)도 다를 수 있다. 그러므로, 최적의 베이스라인 제어 파라미터를 다시 설정하여 제어할 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계의 제어방법을 나타내는 흐름도이다. 도 11을 참조하면, 하이브리드식 건설기계의 제어방법에서 최적의 베이스라인 제어 파라미터를 다시 설정하여 제어하는 과정을 포함하고 있다. 구체적으로 본 실시예에서의 하이브리드 제어단계(S1300)는 다음의 과정들을 더 포함하고 있다.

엔진출력 산출과정(S1310)에서 엔진의 출력을 산출한다. 수정토크기준 설정과정(S1320)에서는 모드검출단계(S100)에서 검출된 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안 엔진출력 산출과정에서 산출된 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 엔진 출력에 따른 엔진토크의 하한기준(24) 및 상한기준(23)을 설정하여 저장한다. 그리고 수정작동 제어과정(S1330)에서는 설정 저장된 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 적용하여 모터-발전기(17)의 발전 또는 모터 작동을 제어한다.

바람직한 또 하나의 실시예를 도 11을 참조하여 살펴보면, 수정토크기준 설정과정(S1321)에서는 모드검출단계(S100)에서 검출된 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안 엔진출력 산출과정에서 산출된 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 엔진 출력에 따른 작동포인트(30)에서의 엔진 회전속도와 엔진토크를 설정하여 저장한다. 또한 수정작동 제어과정(S1331)에서는 설정 저장된 작동포인트(30)에서의 엔진 회전속도와 엔진토크를 적용하여 모터-발전기(17)의 발전을 제어한다.

이상에서, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예들을 중심으로 설명되었다. 첨부된 도면 및 전술한 실시예들은 본 발명에 대한 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것이다. 그러므로, 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있고, 전술한 실시예들은 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예들이 아니라 첨부된 특허청구범위에 기재된 발명에 따라 해석되어야 하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변경, 대안, 균등물들이 전술한 발명의 범위에 포함되어 있음은 자명하다.

도 1은 종래의 굴삭기 시스템의 필요토크 출력 관계도이다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계 제어시스템의 개략적인 블럭도이다.

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계 제어시스템의 필요토크 출력 관계도이다.

도 4는 종래의 유압 굴삭기의 엔진 연비효율 맵이다.

도 5는 종래의 유압 굴삭기의 엔진 연료소모 맵 및 엔진모드별 표준 작업 데이터 Data, 그리고 본 발명의 하나의 실시예에 적용되는 상한/하한 기준(Upper/Lower Baseline)에 대한 예를 나타내는 도면이다.

도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 적용되는 아이들링 작동포인트의 이동 예를 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이브리드 건설기계 제어시스템에서의 베이스라인 제어 알고리즘 흐름도이다.

도 8a는 작업과 기다림을 반복하는 굴삭기 운전에 필요한 엔진의 출력을 나타내는 그래프이다.

도 8b는 기다림 없이 작업만을 반복하는 굴삭기 운전에 필요한 엔진의 출력을 나타내는 그래프이다.

도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 구성의 개략도이다.

도 10은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

도 11은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 하이브리드식 건설기계의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 엔진 13 : 유압펌프

15 : 유압액추에이터 17 : 모터-발전기

19 : 에너지저장장치(배터리) 23 : H-모드 엔진출력토크 상한기준

24 : H-모드 엔진출력토크 하한기준 30 : 아이들링 작동포인트

40 : 메모리 50 : 하이브리드 제어수단

60 : 모드검출수단 70 : 토크 검출수단

80 : 충전량 검출수단 117 : 선회용 모터-발전기

Claims (11)

1. 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액추에이터를 구동시키는 유압펌프와, 상기 엔진에 의해 구동되어 발전하고 상기 엔진을 보조하는 모터로서 상기 유압펌프를 구동시키는 모터-발전기와, 상기 모터-발전기에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 상기 모터-발전기의 모터 작동을 위한 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템에 있어서,

   상기 엔진의 작업모드를 검출하는 모드검출수단;

   상기 유압 액추에이터의 구동에 필요한 상기 유압펌프의 출력토크를 검출하는 토크 검출수단;

   상기 엔진의 작업모드별로 설정된 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 저장하고 있는 메모리수단; 및

   상기 모드검출수단에 의해 검출된 작업모드에 따라 설정된 하한 및 상한 기준과 상기 토크 검출수단에 의해 검출된 유압펌프의 출력토크를 비교하여, 상기 출력토크가 상기 하한 기준에 미달하는 경우 상기 미달되는 값 만큼 상기 엔진에 부하가 되도록 상기 모터-발전기의 발전을 제어하며 상기 출력토크가 상기 상한 기준을 초과하는 경우 상기 초과하는 값 만큼 상기 엔진 출력을 보조하도록 상기 모터-발전기의 모터 작동을 제어하는 하이브리드 제어수단; 을 더 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 에너지저장장치의 충전량을 검출하는 충전량검출수단을 더 포함하여 이루어지고,

   상기 하이브리드 제어수단은,

   상기 출력토크가 상기 하한 기준에 미달하는 경우에 있어서 상기 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최고 기준치 이상인 경우 상기 모터-발전기가 발전하지 않도록 그리고 상기 충전량이 최고 기준치 미만인 경우 상기 모터-발전기가 발전하도록 제어하며,

   상기 출력토크가 상기 상한 기준에 초과하는 경우에 있어서 상기 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최소 기준치 이하인 경우 상기 모터-발전기가 모터작동하지 않도록 그리고 상기 충전량이 최소 기준치 초과하는 경우 상기 모터-발전기가 모터 작동하도록 제어하며,

   상기 출력토크가 상기 하한과 상한 기준 범위 내이고 상기 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최소 기준치 이하인 경우 상기 모터-발전기가 발전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 모드검출수단은 상기 엔진의 시동영역 또는 출력대기상태인 아이들링(idling) 모드를 또는 상기 엔진의 작업모드별 저토크 아이들링(idling) 영역을 검출하고,

   상기 메모리수단은 아이들링 상태에서 상기 모터-발전기의 발전 동작시 연비개선이 이루어지는 미리 설정된 엔진 회전속도 및 엔진 토크의 작동 포인트를 저장하고,

   상기 하이브리드 제어수단은 상기 모드검출수단에 의해 상기 아이들링 모드 또는 상기 저토크 아이들링 영역이 검출된 경우 상기 작동포인트의 엔진 회전속도와 엔진 토크에 따른 상기 엔진 구동에 의해 상기 모터-발전기가 발전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 에너지저장장치의 충전량을 검출하는 충전량검출수단을 더 포함하여 이루어지고,

   상기 아이들링 모드 또는 상기 저토크 아이들링 영역이 검출된 경우에 있어서 상기 하이브리드 제어수단은, 상기 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최소 기준치 이하인 경우 최고 기준치까지 충전되도록 상기 모터-발전기의 발전을 제어하며, 상기 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량이 최고 기준치 이상인 경우 상기 엔진이 오프(off)되도록 제어하며, 상기 충전량검출수단에 의해 검출된 충전량 이 최소 기준치와 최고 기준치 사이인 경우 최고 기준치까지 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템.
5. 청구항 1 내지 4 중의 어느 하나의 청구항에 있어서,

   상기 에너지저장장치로부터 공급된 에너지로 상부선회체의 선회를 가속시키는 모터로서 작동하며 상기 상부선회체의 선회 감속시 관성 모멘트에 의해 발전하는 발전기로 작동하는 선회용 모터-발전기를 더 포함하고,

   상기 하이브리드 제어수단은 상기 상부선회체의 선회 감속시 상기 선회용 모터-발전기를 발전기로 작동시켜 발전된 전기에너지를 상기 에너지저장장치에 충전하도록 제어하며 상기 선회용 모터-발전기의 모터 작동을 위한 상기 에너지저장장치로부터의 전기에너지 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템.
6. 청구항 1 내지 4 중의 어느 하나의 청구항에 있어서,

   상기 엔진의 출력을 산출하는 엔진출력 산출수단을 더 포함하여 이루어지고,

   상기 하이브리드 제어수단은 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안의 상기 엔진출력 산출수단에 의해 산출된 상기 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 상기 엔진 출력에 따른 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 설정하여 상기 메모리 수단에 저장하고 상기 설정하여 저장된 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 적용하여 상기 모터-발전기의 발전 또는 모터 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템.
7. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 엔진의 출력을 산출하는 엔진출력 산출수단을 더 포함하여 이루어지고,

   상기 하이브리드 제어수단은 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안의 상기 엔진출력 산출수단에 의해 산출된 상기 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 상기 엔진 출력에 따른 작동포인트에서의 엔진 회전속도와 엔진토크를 설정하여 상기 메모리수단에 저장하고 상기 설정하여 저장된 작동포인트에서의 엔진회전속도와 엔진토크를 적용하여 상기 모터-발전기의 발전을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 제어시스템.
8. 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되며 토출유에 의해 유압 액추에이터를 구동시키는 유압펌프와, 상기 엔진에 의해 구동되어 발전하고 상기 엔진을 보조하는 모터로서 상기 유압펌프를 구동시키는 모터-발전기와, 상기 모터-발전기에 의해 발전된 전기에너지를 충전하며 상기 모터-발전기의 모터 작동을 위한 전기에너지를 공급하는 에너지저장장치를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어시스 템에서의 하이브리드식 건설기계의 제어방법에 있어서,

   상기 엔진의 작업모드를 검출하는 모드검출단계;

   상기 유압 액추에이터의 구동에 필요한 유압펌프의 출력토크를 검출하는 토크 검출단계; 및

   상기 모드검출단계에서 검출된 작업모드에 따른 미리 설정된 엔진토크의 하한 및 상한 기준과 상기 토크 검출단계에서 검출된 유압펌프의 출력토크를 비교하고, 상기 출력토크가 상기 하한 기준에 미달하는 경우 상기 미달되는 값 만큼 상기 엔진에 부하가 되도록 상기 모터-발전기의 발전을 제어하며 상기 출력토크가 상기 상한 기준을 초과하는 경우 상기 초과하는 값 만큼 상기 엔진 출력을 보조하도록 상기 모터-발전기의 모터 작동을 제어하는 하이브리드 제어단계; 를 포함하여 이루어지는 하이브리드식 건설기계의 제어방법.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 모드검출단계는 상기 엔진의 시동영역 또는 출력대기상태인 아이들링(idling) 모드를 또는 상기 엔진의 작업모드별 저토크 아이들링(idling) 영역을 검출하고,

   상기 모드검출단계에서 상기 아이들링 모드 또는 상기 저토크 아이들링 영역이 검출되는 경우 상기 하이브리드 제어단계는 아이들링 상태에서 상기 모터-발전기의 발전 동작시 연비개선이 이루어지는 미리 설정된 엔진 회전속도 및 엔진 토크 의 작동 포인트에서의 상기 엔진 회전속도 및 엔진 토크 따른 상기 엔진 구동에 의해 상기 모터-발전기가 발전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 제어방법.
10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서, 상기 하이브리드 제어단계는:

    상기 엔진의 출력을 산출하는 엔진출력 산출과정과;

    상기 모드검출단계에서 검출된 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안 상기 엔진출력 산출과정에서 산출된 상기 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 상기 엔진 출력에 따른 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 설정하여 저장하는 수정토크기준 설정과정과;

    상기 설정하여 저장된 엔진토크의 하한 및 상한 기준을 적용하여 상기 모터-발전기의 발전 또는 모터 작동을 제어하는 수정작동 제어과정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 제어방법.
11. 청구항 9에 있어서, 상기 하이브리드 제어단계는:

    상기 엔진의 출력을 산출하는 엔진출력 산출과정과;

    상기 모드검출단계에서 검출된 일정한 작업모드 하에서 일정시간 동안 상기 엔진출력 산출과정에서 산출된 상기 엔진 출력을 체크하고 연비개선이 이루어지는 상기 엔진 출력에 따른 작동포인트에서의 엔진 회전속도와 엔진토크를 설정하여 저장하는 수정작동포인트 설정과정과;

    상기 설정하여 저장된 작동포인트에서의 엔진 회전속도와 엔진토크를 적용하여 상기 모터-발전기의 발전을 제어하는 수정발전 제어과정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 제어방법.

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