KR20130022869A - 하이브리드 전원 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

굴삭기와 같은 산업용 장비에 전원을 공급하는 하이브리드 전원 장치가 개시된다. 본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치는, 하이브리드 장비의 동작 부하에 전원을 공급하기 위한 동력 전원부, 상기 동작 부하의 움직임을 제어하기 위한 하이브리드 제어부, 상기 하이브리드 제어부에 전원을 공급하기 위한 제어 전원부, 상기 제어 전원부를 대신해 상기 동력 전원부의 전압을 변환하여 상기 하이브리드 제어부에 전원을 공급하거나, 상기 제어 전원부를 충전하기 위한 보조 전원부 및 상기 제어 전원부와 상기 보조 전원부 중 어느 하나를 상기 하이브리드 제어부에 연결하기 위한 제 1 스위치부를 포함한다.

Description

하이브리드 전원 장치 및 그 제어 방법{HYBRID POWER SUPPLY AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 굴삭기와 같은 산업용 장비에 전원을 공급하는 하이브리드 전원 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 국제 유가의 급격한 상승으로 인해 각종 산업 기계의 연비 문제가 크게 대두됨에 따라, 엔진의 잉여 동력을 배터리에 저장하고 엔진의 부족한 동력을 배터리를 통해 보충하여 연비를 개선하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이와 같이, 엔진과 전기 모터를 공통 동력원으로 사용하고, 전기 에너지의 저장 장치가 있는 시스템을 하이브리드(Hybrid) 시스템이라 한다. 하이브리드 시스템은 각종 자동차 및 굴삭기와 같은 산업용 장비에 두루 사용된다.
일반적인 굴삭기 장비는 엔진을 동력원으로 하여 유압이라는 매개체를 통해서 최종 부하인 붐, 암 및 버켓을 선회시키거나 주행시키는 동작을 수행한다. 이와 달리, 하이브리드 형태의 굴삭기 장비는 일반적인 굴삭기의 엔진에 전기 생산용 모터를 연결하고, 생산된 전기 에너지의 저장이 가능한 배터리(Battery), 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 등의 축전 장치와 각종 제어회로 등을 추가로 설치하여 시스템을 구현함으로써 전체 동력 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 위와 같은 하이브리드 장비에서는 전기를 동력원으로 구동되는 기기 부분을 제어하기 위한 전자 제어회로가 추가되면서 그 안정성의 확보 여부가 매우 중요한 요소가 된다. 기존의 기계식 유압 시스템은 운전 중에 동력 공급이 중단되면 장비의 동작이 곧바로 멈춰 버리기 때문에 큰 문제가 없었으나, 하이브리드 시스템의 경우 제어회로에 이상이 생기거나 제어 전원이 꺼지는 등의 돌발 상황 발생시 굴삭기 장비가 수초 이상 주행 또는 선회 운동을 계속할 수 있고, 이에 따라 심각한 인적, 물적 피해가 발생할 수도 있기 때문이다. 따라서, 이러한 제어회로 또는 제어 전원의 이상에 대비할 수 있는 안정 장치가 필수적으로 요구된다.
일반적으로 하이브리드 장비의 제어장치는, 하이브리드 제어부, 제어 전원부, 키 구동부, 스위치부 및 스위칭 모드 전원 공급부를 포함한다. 하이브리드 제어부는 HCU(Hybrid Control Unit)라고도 불리며, 굴삭기와 같은 산업용 장비에서 배터리, 울트라 커패시터 등의 전기 에너지를 동력원으로 하는 구동장치의 구동을 제어한다. 예를 들어 하이브리드 굴삭기의 경우 선회체 또는 붐 구동체 등이 이러한 전기 에너지로 구동이 되는 것이 일반적이다. 한편, 제어 전원부는 하이브리드 제어부에 전원을 공급하기 위한 배터리 형태의 에너지원이다. 스위칭 모드 전원 공급부는 일반적으로 SMPS(Switching Mode Power Supply)라고 불리며, 제어 전원부의 전압을 적절한 크기로 변환하여 하이브리드 제어부에 공급한다.
이러한 구성의 종래의 하이브리드 제어장치는 하이브리드 제어부에 동력원을 공급하는 제어 전원부가 별다른 문제 없이 정상적으로 동작한다는 전제 하에서 그 신뢰성이 보장된다. 그러나, 만약 제어 전원부를 구성하는 배터리가 방전되었거나, 수명이 다하여 더 이상 사용할 수 없는 경우, 배터리 연결 케이블(cable)에 문제가 생겨 전원 공급이 원할하지 않은 경우 및 배터리의 충전 장치가 고장난 경우 등 제어 전원부 자체에 문제가 생긴 경우에는 그에 대한 수리가 이루어질 때까지 장비 전체를 운용할 수 없고, 특히 굴삭기의 작업 중에 제어 전원이 오프(OFF)되어 회전하는 선회체를 제어할 수 없게 될 경우에는 크나큰 인적, 물적 피해를 야기할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 제어 전원부에 문제가 발생하더라도 보조 전원부를 통해 하이브리드 제어부에 안정적으로 동작 전원을 공급함으로써 하이브리드 장비의 안정성을 보장할 수 있는 하이브리드 전원 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 엔진에 연결된 발전기를 이용하지 않고서도 축적된 전기 에너지를 이용하여 제어 전원부를 충전할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치는, 하이브리드 장비의 동작 부하에 전원을 공급하기 위한 동력 전원부, 상기 동작 부하의 움직임을 제어하기 위한 하이브리드 제어부, 상기 하이브리드 제어부에 전원을 공급하기 위한 제어 전원부, 상기 제어 전원부를 대신해 상기 동력 전원부의 전압을 변환하여 상기 하이브리드 제어부에 전원을 공급하거나, 상기 제어 전원부를 충전하기 위한 보조 전원부 및 상기 제어 전원부와 상기 보조 전원부 중 어느 하나를 상기 하이브리드 제어부에 연결하기 위한 제 1 스위치부를 포함한다.
상기 제 1 스위치부는 상기 제어 전원부로부터 상기 하이브리드 제어부를 구동시키기 위한 기준 전압이 공급되지 않는 경우, 상기 하이브리드 제어부로부터 제어신호가 입력되는 경우 또는 외부로부터 절환신호가 입력되는 경우에 상기 하이브리드 제어부를 상기 보조 전원부에 연결할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치는 상기 보조 전원부와 상기 제어 전원부를 연결하기 위한 제 2 스위치부를 더 포함하고, 상기 제 2 스위치부에 의해 상기 보조 전원부와 상기 제어 전원부가 연결되는 경우, 상기 보조 전원부는 상기 동력 전원부의 전압을 이용하여 상기 제어 전원부를 충전할 수 있다.
본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치의 제어 방법은, 동작 부하에 전원을 공급하는 동력 전원부와, 상기 동작 부하의 움직임을 제어하기 위한 하이브리드 제어부에 전원을 공급하는 제어 전원부를 포함하는 하이브리드 전원 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 제어 전원부의 이상 발생 여부를 감지하는 단계 및 상기 이상 발생이 감지되면 상기 동력 전원부의 전원을 상기 하이브리드 제어부에 공급하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 제어 전원부의 충전 가능 여부를 확인하는 단계 및 상기 제어 전원부의 충전이 가능한 경우 상기 동력 전원부의 전원을 상기 제어 전원부에 공급하여 상기 제어 전원부를 충전하든 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 동력 전원부에 축적된 전기 에너지를 하이브리드 제어부의 동작 전원으로 제공할 수 있는 보조 전원부를 두고, 제어 전원부에 문제가 발생할 경우 스위치 조작을 통해 하이브리드 제어부와 보조 전원부를 연결함으로써, 하이브리드 제어부에 안정적으로 전원을 공급할 수 있다. 이를 통해 하이브리드 장비 제어의 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 엔진에 연결되어 제어 전원부의 충전 기능을 수행하는 발전기가 고장나거나 그 연결 배선에 문제가 발생할 경우에는 보조 전원부를 제어 전원부의 충전기로 대체함으로써 동력 전원부에 축적된 전기 에너지를 이용하여 제어 전원부를 충전할 수 있다. 이와 같이 보조 전원부를 충전기로 활용할 경우 엔진에 연결된 발전기를 없앨 수 있어, 소모 면적을 줄이고 시스템을 보다 용이하게 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치의 일 실시예 구성도.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 보조 전원부(219)의 충전기(Charger)로서의 기능을 설명하기 위한 도면.
도 3는 본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치의 다른 실시예 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치의 일 실시예 동작 순서도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치의 일 실시예 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 전원 장치는, 제어 전원부(201), 키 구동부(203), 제 1 스위치부(205), 제 2 스위치부(207), 하이브리드 제어부(209), 동력 전원부(213), 보조 전원부(219) 및 발전기(Alternator)(221)를 포함한다.
제어 전원부(201)는 하이브리드 제어부(209)에 전원을 공급하기 위한 전기 에너지원이며, 12V, 24V 또는 48V 크기의 소용량 배터리로 구현될 수 있다.
하이브리드 제어부(209)는 굴삭기 등의 하이브리드 장비의 동작 부하(217)의 움직임을 제어하기 위한 각종 제어회로를 포함하는 통합 제어부(Hybrid Control Unit, HCU)를 의미한다. 여기에서 동작 부하(217)란, 예를 들어 굴삭기의 상부 선회체와 같이, 하이브리드 시스템에 의해 전기 에너지를 주요 또는 보조 동력원으로 하여 구동되는 운동체를 의미한다.
하이브리드 제어부(209)는 SMPS(211)를 포함한다. SMPS(211)는 제어 전원부(201)로부터 공급되는 전압을 하이브리드 제어부(209) 내의 각종 제어회로를 구동시키기에 적합한 크기로 다운(Down)시켜 제공할 수 있다.
동력 전원부(213)는 하이브리드 장비의 동작 부하(217)에 전원을 공급하며, 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 또는 300V 내지 500V 크기의 전력 공급용 대용량 배터리를 포함할 수 있다. 동력 전원부(213)는 엔진(215)으로부터 공급되는 에너지의 일부를 울트라 커패시터나 배터리와 같은 축전수단에 전기 에너지로 축적해 두었다가, 필요시 동작 부하(217)의 동력원으로 제공할 수 있다.
보조 전원부(219)는 제어 전원부(201)에 이상이 생길 경우 이를 대신해 하이브리드 제어부(209)에 전원을 공급하거나, 제어 전원부(201)를 충전시키는 기능을 수행한다. 따라서 보조 전원부(219)는 동력 전원부(213)의 울트라 커패시터 또는 대용량 배터리의 전압을 제어 전원부(201)의 전압 크기로 낮출(Step-down) 수 있는 DC/DC 컨버터(Converter)로 구현될 수 있다. 또한, 제어 전원부(201)의 전압이 일정 기준 전압 이하로 떨어지는 경우, 엔진(215)에 연결되는 발전기(221)를 대신하여 제어 전원부(201)를 충전시킬 수도 있다. 이에 대해서는 도 2a 및 도 2b를 통해 상세히 설명하기로 한다.
키 구동부(203)는 하이브리드 장비의 운전자가 온(ON)시킴으로써 하이브리드 제어부(209)에 제어 전원을 제공할 수 있도록 하는 스위치 장치이다.
제 1 스위치부(205)는 하이브리드 제어부(209)를 제어 전원부(201)와 보조 전원부(207) 중 어느 하나에 연결함으로써 안정적으로 제어 전원을 공급받도록 하는 스위치 장치이다. 제 1 스위치부(205)는 일반적인 동작 상황에서는 제어 전원부(205)에 연결되어 있다가, 제어 전원부(205)에 문제가 발생하여 하이브리드 제어부(209)를 구동시키기 위한 일정한 기준 전압이 공급되지 않는 경우 하이브리드 제어부(209)의 제어신호(CSW1)에 의해 스위칭되어 보조 전원부(219)에 연결될 수 있다. 이 경우 하이브리드 제어부(209)는 보조 전원부(219)를 통해 동력 전원부(213)로부터 전원을 공급받게 된다.
제 2 스위치부(207)는 제어 전원부(201)의 충전을 위해 보조 전원부(219)와 제어 전원부(201)를 연결해 주는 스위치 장치이다. 제 2 스위치부(207)가 온(ON)되어 양 전원부(201, 209)가 연결되는 경우, 보조 전원부(219)는 엔진(215)에 연결되는 발전기를 대신해 동력 전원부(213)에 축적된 전기 에너지를 이용하여 제어 전원부(201)를 충전할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 보조 전원부(219)의 충전기(Charger)로서의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 동력 전원부(213)는 엔진 보조 모터(301), 인버터(303), DC-링크 커패시터(305), 컨버터(307) 및 울트라 커패시터(309)를 포함하여 구성될 수 있다.
인버터(303)는 엔진 보조 모터(301)에 의해 DC-링크 커패시터(305)를 충전시킨다. 여기에서 엔진 보조 모터(301)는 엔진(215)에 직접 연결되어, 엔진 구동시 엔진과 같은 회전수(rpm)로 회전할 수 있다. 컨버터(307)는 DC-링크 커패시터(305)에 저장된 전기 에너지를 이용하여 울트라 커패시터(309)를 충전시킨다. 이러한 동력 전원부(213)의 상세 구성 및 그 기능은 널리 알려진 사항이므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
보조 전원부(219)는 도 2a와 같이 DC-링크 커패시터(305)에 연결되거나, 도 2b와 같이 울트라 커패시터(307)에 연결되어 축적된 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 여기에서 울트라 커패시터(307)는 대용량 배터리로 대체될 수도 있다.
만약 제어 전원부(201)가 일정 전압 이하로 떨어질 경우, 제 2 스위치부(207)를 온(ON)시켜 보조 전원부(219)와 제어 전원부(201)를 연결하고, 보조 전원부(219)를 충전기로 구동하여 제어 전원부(201)를 충전할 수 있다. 또한, 엔진에 연결된 발전기(221)가 고장난 것이 인지된 경우라면 보조 전원부(219)를 발전기(221) 대용으로 사용할 수도 있다. 더 나아가, 발전기(221)를 없애고 보조 전원부(219) 및 스위치부(207)의 제어를 통해 제어 전원부(201)를 충전하는 구조로 시스템을 변경할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치의 다른 실시예 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 하이브리드 전원 장치는, 제어 전원부(201), 키 구동부(203), 제 1 스위치부(205), 제 2 스위치부(207), 하이브리드 제어부(209), 동력 전원부(213), 보조 전원부(219), 발전기(221) 및 스위칭 신호 입력부(401)를 포함한다.
본 실시예에서는 스위칭 신호 입력부(401)를 통해 하이브리드 제어부(209) 뿐만 아니라 외부에서도 제 1 스위치부(205)의 스위칭 동작을 위한 제어신호(EXTCSW1)를 입력받을 수 있다. 따라서, 제어 전원부(201)가 저전압이거나 연결 케이블에 단선 등의 문제가 생겨 시동이 걸리지 않는 경우라도 외부에서 제어신호(EXTCSW1)를 인가하여 제 1 스위치부(205)의 연결을 보조 전원부(219)로 절환시킴으로써 하이브리드 제어부(209)의 구동 전원을 공급할 수 있게 된다.
나머지 구성들의 기능 및 동작은 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 동일하다.
도 4는 본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치의 일 실시예 동작 순서도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 전원 장치의 동작 과정을 살펴보면, 먼저 장비 운전자가 키 구동부(203)를 온(ON)시킴으로써 제어 전원부(201)로부터 하이브리드 제어부(209)에 전원이 공급되고(S501), 하이브리드 제어부(209)의 제어에 의해 동작 부하(217)가 구동된다(S503). 이 때, 예를 들어 동작 부하(217)가 굴삭기의 상부 선회체인 경우, 하이브리드 제어부(209)는 선회체의 회전 방향, 각도 및 회전 속도 등을 제어할 수 있다.
하이브리드 장비의 동작 중에 제어 전원부(201)의 방전, 케이블 단선 등의 문제가 발생하면(S205), 하이브리드 제어부(209)는 제 1 스위치부(205)를 절환시켜 보조 전원부(219)를 통해 동력 전원부(213)로부터 하이브리드 제어부(209)에 전원을 공급할 수 있다. 따라서, 만약 선회체의 회전 중 제어 전원부(201)의 전원 공급이 차단되는 비상 상황이 발생하더라도, 보조 전원부(219)에 의해 하이브리드 제어부(209)에 동작 전원이 계속 공급되므로, 선회체를 신속히 정지시키는 등 안전하게 장비를 제어할 수 있게 된다.
이어서 제어 전원부(201)의 문제점을 확인하고(S509), 제어 전원부(201)의 충전 여부를 파악하여(S511), 충전이 가능한 경우에는 보조 전원부(219)를 통해 제어 전원부(201)를 충전한다. 예를 들어, 엔진(215)에 연결된 발전기(221)가 고장이 난 경우에는 보조 전원부(219)를 충전기로 사용할 수 있다. 만약 제어 전원부(201)의 수명이 다하였거나 케이블의 단선 등으로 충전이 불가능한 경우에는 해당 부분을 수리하거나 교체함으로써(S515) 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 하이브리드 장비의 동작 부하에 전원을 공급하기 위한 동력 전원부;
    상기 동작 부하의 움직임을 제어하기 위한 하이브리드 제어부;
    상기 하이브리드 제어부에 전원을 공급하기 위한 제어 전원부;
    상기 제어 전원부를 대신해 상기 동력 전원부의 전압을 변환하여 상기 하이브리드 제어부에 전원을 공급하거나, 상기 제어 전원부를 충전하기 위한 보조 전원부; 및
    상기 제어 전원부와 상기 보조 전원부 중 어느 하나를 상기 하이브리드 제어부에 연결하기 위한 제 1 스위치부
    를 포함하는 하이브리드 전원 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 스위치부는
    상기 제어 전원부로부터 상기 하이브리드 제어부를 구동시키기 위한 기준 전압이 공급되지 않는 경우, 상기 하이브리드 제어부로부터 제어신호가 입력되는 경우 또는 외부로부터 절환신호가 입력되는 경우에 상기 하이브리드 제어부를 상기 보조 전원부에 연결하는
    하이브리드 전원 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 보조 전원부와 상기 제어 전원부를 연결하기 위한 제 2 스위치부를 더 포함하고,
    상기 제 2 스위치부에 의해 상기 보조 전원부와 상기 제어 전원부가 연결되는 경우, 상기 보조 전원부는 상기 동력 전원부의 전압을 이용하여 상기 제어 전원부를 충전하는
    하이브리드 전원 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 전원부의 충전을 위한 발전기를 더 포함하고,
    상기 제어 전원부는 상기 보조 전원부와의 연결이 끊어진 경우 상기 발전기로부터 공급받은 전원에 의해 충전되는
    하이브리드 전원 장치.
  5. 하이브리드 장비의 동작 부하에 전원을 공급하기 위한 동력 전원부;
    상기 동작 부하의 움직임을 제어하기 위한 하이브리드 제어부;
    상기 하이브리드 제어부에 전원을 공급하기 위한 제어 전원부; 및
    상기 동력 전원부와 상기 제어 전원부를 연결하기 위한 제 2 스위치부
    를 포함하고,
    상기 제 2 스위치부에 의해 상기 동력 전원부와 상기 제어 전원부가 연결되는 경우, 상기 제어 전원부는 상기 동력 전원부로부터 공급되는 전원에 의해 충전되는
    하이브리드 전원 장치.
  6. 하이브리드 장비의 동작 부하에 전원을 공급하는 동력 전원부와, 상기 동작 부하의 움직임을 제어하기 위한 하이브리드 제어부에 전원을 공급하는 제어 전원부를 포함하는 하이브리드 전원 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 제어 전원부의 이상 발생 여부를 감지하는 단계; 및
    상기 이상 발생이 감지되면 상기 동력 전원부의 전원을 상기 하이브리드 제어부에 공급하는 단계
    를 포함하는 하이브리드 전원 장치의 제어 방법.
  7. 하이브리드 장비의 동작 부하에 전원을 공급하는 동력 전원부와, 상기 동작 부하의 움직임을 제어하기 위한 하이브리드 제어부에 전원을 공급하는 제어 전원부를 포함하는 하이브리드 전원 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 제어 전원부의 충전 가능 여부를 확인하는 단계; 및
    상기 제어 전원부의 충전이 가능한 경우 상기 동력 전원부의 전원을 상기 제어 전원부에 공급하여 상기 제어 전원부를 충전하는 단계
    를 포함하는 하이브리드 전원 장치의 제어 방법.
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