KR20140087094A

KR20140087094A - 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치

Info

Publication number: KR20140087094A
Application number: KR1020120153264A
Authority: KR
Inventors: 유승진
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-07-09
Also published as: US10239535B2; CN104870720B; US20150336582A1; KR101958027B1; CN104870720A; WO2014104698A1

Abstract

본 발명은 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선회장치가 종래의 유압식 동력전달계로부터 분리되어 전동식으로 구동되는 하이브리드 굴삭기에 있어서, 낮은 부하 작업 상황에서 엔진보조전동기의 목표 발전량이 적은 경우, 엔진의 회전속도를 종래의 다이얼 입력 및 모드 입력으로부터 결정된 엔진 회전속도보다 낮게 제어함으로써, 에너지 저장장치에서 요구되는 목표 충전량을 충족시키기 위해 필요한 엔진보조전동기의 최저 회전 속도를 충족시키는 한편, 경 부하시 불필요한 에너지 손실을 제거하여 연비를 개선하는 것을 목적으로 한다.

Description

하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING ENGINE OF HYBRID CONSTRUCTION EQUIPMENT}

본 발명은 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 전동식 선회장치를 구비한 하이브리드 건설기계의 연비 성능을 극대화하기 위해서, 낮은 펌프 부하 및 낮은 엔진 보조 전동기 목표 발전량에 대응하여 엔진 회전속도를 저감시킬 수 있는, 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치에 관한 것이다.

최근에는 유가의 급격한 상승과 함께 엔진의 잉여 동력을 배터리에 저장하고 엔진의 부족한 동력을 배터리로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이와 같이, 엔진과 전기 모터를 공통 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장 장치가 있는 시스템을 하이브리드 시스템이라 한다. 예를 들어, 하이브리드 시스템에는 하이브리드 자동차 및 굴삭기와 같은 중장비용 하이브리드 시스템이 있다.

한편, 일반적인 굴삭기 시스템은 엔진을 동력원으로 하여 유압이라는 매개체를 통해서 최종 부하인 붐, 암 및 버켓을 선회시키거나 주행시키는 동작을 수행한다. 이와 달리, 하이브리드 굴삭기 시스템은 일반적인 굴삭기에 모터와 전기저장 장치를 추가로 설치함으로써, 굴삭기 시스템의 전체효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 선회장치가 종래의 유압식 동력전달계로부터 분리되어 전동식으로 구동되는 하이브리드 굴삭기의 구성도이다.

도시된 것과 같이, 선회 전동기(70)는 에너지 저장장치(60)로부터 전기에너지를 공급받아 구동되고, 에너지 저장장치(60)는 엔진보조전동기(20)로부터 전력을 공급받는다. 선회 전동기(70)가 감속되는 상황에서는 에너지 저장장치(60)로 선회 장치의 운동에너지가 회생되며, 마찰 등에 의해 손실되는 전력은 엔진보조전동기(20)로부터 공급이 되어 에너지 저장장치(60)의 전압이 적정한 수준으로 유지되도록 한다. 한편, 엔진(10), 펌프(30), 제어밸브(40) 및 붐/암/버켓/주행 작동기(50)는 종래의 엔진식 굴삭기와 동일한 구성이다.

종래의 굴삭기 엔진은 목표 엔진회전속도를 도 2와 같이 운전자의 다이얼 입력, 모드입력 스위치[예: P(파워)모드, S(스탠다드)모드, E(이코노미)모드]로부터 입력 받아 기 설정된 일정한 값으로 유지시키도록 제어된다. 따라서 부하의 크기에 관계없이, 엔진은 일정한 회전속도로 구동되기 때문에, 낮은 부하작업에서 불필요한 에너지 손실이 발생하게 된다.

한편, 도 1과 같이 선회장치가 종래의 유압식 동력전달계로부터 분리되어 전동식으로 구동되는 하이브리드 굴삭기의 경우, 선회 전동기(70)는 에너지 저장장치(60)로부터 전기에너지를 공급받아 구동된다. 이와 같은 하이브리드 굴삭기의 경우, 선회 동작 시 엔진에 부하가 발생하지 않기 때문에 굴삭-선회-덤프 동작이 반복되는 대표적인 작업모드 하에서, 종래의 엔진식 굴삭기 보다 엔진에 높은 부하가 걸리는 시간이 작다. 따라서, 종래의 엔진 회전속도 제어 방법을 적용하게 되면, 하이브리드 굴삭기는 종래의 엔진식 굴삭기와 비교하여도, 낮은 부하작업에서 불필요하게 높은 엔진 회전속도에 의해 발생하는 에너지 손실이 더 크다고 할 수 있다.

다만, 도 1의 하이브리드 굴삭기의 경우, 에너지 저장장치(60)의 전압을 적정수준으로 유지시키기 위해서는 엔진(10)과 동일한 회전속도로 구동되는 엔진보조전동기(20)가 적정 속도 이상으로 회전하면서 충분한 발전전압을 생성해 낼 수 있어야만 한다. 이는 하이브리드 굴삭기의 경우, 종래의 엔진식 굴삭기와 다르게 낮은 부하 작업 하에서도 에너지 저장장치(60)의 충전을 위해서는 엔진회전속도가 높게 유지되어야 할 필요성이 있음을 의미한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 선회장치가 종래의 유압식 동력전달계로부터 분리되어 전동식으로 구동되는 하이브리드 굴삭기에 있어서, 낮은 부하 작업 상황에서 엔진보조전동기의 목표 발전량이 적은 경우, 엔진의 회전속도를 종래의 다이얼 입력 및 모드 입력으로부터 결정된 엔진 회전속도보다 낮게 제어함으로써, 에너지 저장장치에서 요구되는 목표 충전량을 충족시키기 위해 필요한 엔진보조전동기의 최저 회전 속도를 충족시키는 한편, 경 부하시 불필요한 에너지 손실을 제거하여 연비를 개선하는 것을 목적으로 한다.

이상의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 펌프 토크에 따른 엔진 목표 회전 속도에, 발전기의 목표출력량을 위한 최저 회전속도를 하한치로 설정하고, 종래의 다이얼 입력 및 모드입력으로부터 결정된 목표 회전속도를 상한치로 설정하여, 최종적인 엔진 목표회전속도를 산출한다.

보다 구체적으로 본 발명은 엔진과, 엔진 보조 전동기와, 에너지 저장 장치와, 선회 전동기와, 상기 엔진의 구동력에 의해 선회 작업 이외의 작동기를 작동시키기 위한 펌프를 구비한 하이브리드 건설기계에 있어서, 상기 엔진의 회전수에 대한 정보인 다이얼 입력값 및 작업 모드 입력값에 기초하여 상기 엔진의 제1 엔진 목표 회전수를 산출하는 제1 엔진 목표 회전수 연산부; 상기 엔진 보조 전동기의 목표 발전량에 기초하여 상기 엔진의 제2 목표 회전수를 산출하는 제2 엔진 목표 회전수 연산부; 및 상기 산출된 제1 엔진 목표 회전수의 산출값과 상기 산출된 제2 엔진 목표 회전수의 산출값을 비교하여 최저치를 최종 엔진 목표 회전 속도로 결정하는 엔진 속도 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명은, 상기 펌프의 토크에 기초하여 상기 엔진의 제3 엔진 목표 회전수를 산출하는 제3 엔진 목표 회전수 연산부를 더 포함하고, 상기 엔진 속도 결정부는, 상기 산출된 제2 엔진 목표 회전수의 산출값과 상기 산출된 제3 엔진 목표 회전수의 산출값을 비교하여 최대치를 산출하는 최대치 산출부; 및 상기 산출된 제1 엔진 목표 회전수의 산출값과 상기 최대치 산출부에서 산출된 최대치를 비교하여 최저치를 산출하는 최저치 산출부를 포함하여 상기 산출된 최저치를 최종 엔진 목표 회전 속도로 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3 엔진 목표 회전수 연산부는, 엔진 목표 회전수가 상승하는 시점의 펌프 토크를 엔진 목표 회전수가 하강하는 시점의 펌프 토크보다 높게 설정함으로써 펌프 토크와 엔진 목표 회전수의 관계에서 히스테리시스(Hysteresis)를 적용한 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명은, 상기 에너지 저장 장치의 전압 및 목표 전압으로부터 상기 엔진 보조 전동기의 목표 발전량을 산출하는 PID 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치는 선회장치가 종래의 유압식 동력전달계로부터 분리되어 전동식으로 구동되는 하이브리드 건설기계에서, 낮은 부하 작업 상황에서 엔진보조전동기의 목표 발전량이 적은 경우, 엔진의 회전속도를 종래의 다이얼 입력 및 모드 입력으로부터 결정된 엔진 회전속도보다 낮게 제어하여, 에너지 저장장치에서 요구되는 목표 충전량을 충족시키기 위해 필요한 엔진보조전동기의 최저 회전 속도를 충족시키는 한편, 경부하시 불필요한 에너지 손실을 제거하여 연비를 개선할 수 있다.

도 1은 선회장치가 종래의 유압식 동력전달계로부터 분리되어 전동식으로 구동되는 하이브리드 굴삭기의 구성도이다.
도 2는 종래의 엔진회전속도 제어 블록선도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치의 구성도이다.
도 4는 도 3의 펌프 토크에 따른 엔진 회전속도 제어 선도이다.
도 5는 종래의 엔진회전속도 제어와 본 발명에 따른 엔진 회전속도 제어 비교도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 도 1에 도시된 것과 같은 선회장치가 종래의 유압식 동력전달계로부터 분리되어 전동식으로 구동되는 하이브리드 건설기계에 적용되는 것이다.

즉, 본 발명은 도 1에 도시된 것과 같이, 엔진(10)과, 엔진(10)에 의해 구동되는 엔진 보조 전동기(20)와, 엔진 보조 전동기(20)로부터 전달받은 에너지를 저장하기 위한 에너지 저장 장치(60)와, 에너지 저장 장치(60)의 전기에너지에 의해 구동되는 선회 전동기(70)와, 엔진(10)의 구동력에 의해 선회 작업 이외의 제어 밸브(40)를 통해 작동기(50)를 작동시키기 위한 펌프(30)를 구비한 하이브리드 건설기계에 적용가능하다.

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치의 구성도이다.

도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치는 제1 엔진 목표 회전수 연산부(100), 제2 엔진 목표 회전수 연산부(200), 제3 엔진 목표 회전수 연산부(300) 및 엔진 속도 산출부(500, 600)를 포함한다. 여기서, 엔진 속도 산출부(500, 600)는 최대치 산출부(500)와 최저치 산출부(600)로 이루어져 있다.

본 발명에 따른 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치는 도 2에 도시된 종래의 엔진 회전 속도 제어에서 적용되었던 엔진(10)의 회전수에 대한 정보인 다이얼 입력값 및 작업 모드 입력값에 기초하여 엔진(10)의 제1 엔진 목표 회전수를 산출하는 제1 엔진 목표 회전수 연산부(100)와, 엔진 보조 전동기(20)의 목표 발전량에 기초하여 엔진(10)의 제2 엔진 목표 회전수를 산출하는 제2 엔진 목표 회전수 연산부(200)와, 펌프(30)의 토크에 기초하여 엔진(10)의 제3 엔진 목표 회전수를 산출하는 제3 엔진 목표 회전수 연산부(300)와, 엔진 속도 산출부(500, 600)를 포함한다.

여기서, 엔진 속도 산출부(500, 600)를 구체적으로 살펴보면, 최저치 산출부(600)는 제1 엔진 목표 회전수 연산부(100)에서 산출된 제1 엔진 목표 회전수의 산출값과 제2 엔진 목표 회전수 연산부(200)에서 산출된 제2 엔진 목표 회전수의 산출값을 비교하여 최저치를 최종 엔진 목표 회전 속도로 결정한다.

한편, 제3 엔진 목표 회전수가 고려되는 일 예를 살펴보면, 최대치 산출부(500)는 제2 엔진 목표 회전수 연산부(200)에서 산출된 제2 엔진 목표 회전수의 산출값과 제3 엔진 목표 회전수 연산부(300)에서 산출된 제3 엔진 목표 회전수의 산출값을 비교하여 최대치를 산출한다. 그리고 최저치 산출부(600)는 제1 엔진 목표 회전수 연산부(100)에서 산출된 제1 엔진 목표 회전수의 산출값과 최대치 산출부(500)에서 산출된 최대치를 비교하여 최저치를 최종 엔진 목표 회전 속도로 결정할 수 있다.

즉, 최저치 산출부(600) 및 최대치 산출부(500)에 의해 본 발명은 펌프 토크에 따른 엔진 목표 회전속도에, 발전기의 목표출력량을 위한 최저 회전속도를 하한치로 설정하고, 종래의 다이얼 입력 및 모드입력으로부터 결정된 목표 회전속도를 상한치로 설정하여, 최종적인 엔진 목표회전속도를 산출할 수 있게 된다.

한편, 제2 엔진 목표 회전수 연산부(200)의 입력단에는 PID 제어기(400)가 마련되어, 에너지 저장 장치(60)의 전압 및 목표 전압으로부터 엔진 보조 전동기(20)의 목표 발전량을 산출한다.

여기서, 도 1의 하이브리드 건설기계에서 에너지 저장장치(60)의 충전을 위 엔진 보조 전동기(20)의 목표 발전량은 에너지 저장장치(60)의 목표 전압과 실제 전압과의 차이를 보상하기 위한 것으로, 보조 전동기(20)의 목표 발전량을 출력하기 위해서는 엔진의 회전속도는 하기의 [수학식 1]로부터 결정되는 최저 회전속도보다는 높게 유지되어야만 한다.

이상의 구성에 따른 본 발명의 엔진 제어 장치의 동작 과정을 설명한다.

먼저, 제1 엔진 목표 회전수 연산부(100)에서는 사용자에 의해 입력된 엔진 회전 속도에 대한 다이얼 입력값과 운전 모드 입력값[예: P(파워)모드, S(스탠다드)모드, E(이코노미)모드]에 기초하여 제1 엔진 목표 회전 속도를 산출한다.

PID 제어기(400)가 마련되어, 에너지 저장 장치(60)의 전압 및 목표 전압으로부터 엔진 보조 전동기(20)의 목표 발전량을 산출한 후 이를 제2 엔진 목표 회전수 연산부(200)의 입력단에 전달한다.

제2 엔진 목표 회전수 연산부(200)는 PID 제어기(400)로부터 받은 엔진 보조 전동기(20)의 목표 발전량 값에 기초하여 제2 엔진 목표 회전 속도를 산출한다.

제3 엔진 목표 회전수 연산부(300)는 펌프(30)의 토크에 기초하여 엔진(10)의 제3 엔진 목표 회전수를 산출한다.

제3 엔진 목표 회전수가 고려되는 경우, 최대치 산출부(500)는, 제2 엔진 목표 회전수 연산부(200)의 산출값과 제3 엔진 목표 회전수 연산부(300)의 산출값 중 최대치를 산출한다.

다음으로, 최저치 산출부(600)는 제1 엔진 목표 회전수 연산부(100)의 산출값과 최대치 산출부(500)의 산출값 중 최저치를 산출한 다음, 최저치 산출부(600)의 산출값을 최종 엔진 목표 회전 속도로 결정하게 된다.

한편, 도 4에 도시된 것과 같이, 제3 엔진 목표 회전수 연산부(300)는 펌프(30)의 토크에 기초하여 엔진(10)의 목표 회전수를 산출할 때, 엔진에 인가되는 부하의 크기를 펌프압력 및 경전각도로부터 계산된 토크 정보를 바탕으로 경부하 작업시 엔진의 회전속도가 낮아지도록 도 4의 펌프 토크 대비 엔진 목표 회전속도 선도로부터 엔진의 목표 회전속도를 산출한다. 건설기계와 같은 건설장비의 경우, 펌프의 토크의 변동 폭이 크고 및 변동 속도가 빠르기 때문에, 부하에 따라 엔진의 목표회전 속도를 가변시키는 경우, 엔진의 회전속도가 헌팅(hunting)하는 문제점이 있다.

이를 해결 하기 위해, 도 4와 같이 경부하에서 고부하로, 고부하에서 경부하로 펌프 토크가 바뀌는 시점에 히스테리시스(Hysteresis)를 적용하여 엔진의 회전속도가 헌팅(hunting)함으로서 발생하는 소음, 진동을 예방할 수 있도록 한다. 즉, 제3 엔진 목표 회전수 연산부(300)는 엔진 목표 회전수가 상승하는 시점의 펌프 토크를 엔진 목표 회전수가 하강하는 시점의 펌프 토크보다 높게 설정함으로써 펌프 토크와 엔진 목표 회전수의 관계에서 히스테리시스(Hysteresis)를 적용하는 것이다.

한편, 경부하에서 고부하로 펌프 토크가 급증하여 급격한 엔진 회전속도 상승이 요구되는 경우에는 엔진 보조전동기는 모터링(Motoring) 동작을 수행하여 엔진회전속도가 빠르게 복귀되도록 한다.

펌프 토크에 따른 엔진 목표 회전속도에, 발전기의 목표출력량을 위한 최저 회전속도를 하한 치로, 종래의 다이얼 입력 및 모드입력으로부터 결정된 목표 회전속도를 상한치로 설정하여, 최종적인 엔진 목표회전속도를 산출한다.

도 5는 종래의 엔진 회전속도 및 본 발명인 하이브리드 건설기계 엔진제어 방법이 적용된 비교도를 나타낸다.

종래의 엔진 회전속도 제어 방법에서는 다이얼 입력 값이 일정한 경우, 부하에 관계없이 엔진의 속도가 일정하게 유지된다.

반면, 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 방법을 적용한 경우에는 다이얼 입력 값이 일정한 경우라도 부하와 관련있는 펌프 토크의 크기에 따라 엔진 목표 회전 속도가 증가하거나 감소한다. 즉, 펌프 토크의 크기가 커지면 엔진 목표 회전 속도가 증가하고, 펌프 토크가 감소하면 엔진 목표 회전 속도도 감소한다. 또한, 다이얼 입력 값과 펌프 토크의 크기 간의 상관 비율에 따라 엔진 목표 회전 속도가 일정하게 유지될 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진 보조 전동기(20)의 목표 발전량이 발생하는 경우에는 그 발생된 엔진 보조 전동기(20)의 목표 발전량만큼 엔진 목표 회전 속도가 감소함을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

10: 엔진 20: 엔진 보조 전동기
30: 펌프 40: 제어 밸브
50: 붐/암/버켓 주행 작동기 60:에너지 저장 장치
70: 선회 전동기 100: 제1 엔진 목표 회전수 연산부
200: 제2 엔진 목표 회전수 연산부 300: 제3 엔진 목표 회전수 연산부
400: PID 제어기 500: 최대치 산출부
600: 최저치 산출부

Claims

엔진과, 엔진 보조 전동기와, 에너지 저장 장치와, 선회 전동기와, 상기 엔진의 구동력에 의해 선회 작업 이외의 작동기를 작동시키기 위한 펌프를 구비한 하이브리드 건설기계에 있어서,
상기 엔진의 회전수에 대한 정보인 다이얼 입력값 및 작업 모드 입력값에 기초하여 상기 엔진의 제1 엔진 목표 회전수를 산출하는 제1 엔진 목표 회전수 연산부;
상기 엔진 보조 전동기의 목표 발전량에 기초하여 상기 엔진의 제2 목표 회전수를 산출하는 제2 엔진 목표 회전수 연산부; 및
상기 산출된 제1 엔진 목표 회전수의 산출값과 상기 산출된 제2 엔진 목표 회전수의 산출값을 비교하여 최저치를 최종 엔진 목표 회전 속도로 결정하는 엔진 속도 산출부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 펌프의 토크에 기초하여 상기 엔진의 제3 엔진 목표 회전수를 산출하는 제3 엔진 목표 회전수 연산부를 더 포함하고,
상기 엔진 속도 결정부는,
상기 산출된 제2 엔진 목표 회전수의 산출값과 상기 산출된 제3 엔진 목표 회전수의 산출값을 비교하여 최대치를 산출하는 최대치 산출부; 및
상기 산출된 제1 엔진 목표 회전수의 산출값과 상기 최대치 산출부에서 산출된 최대치를 비교하여 최저치를 산출하는 최저치 산출부를 포함하여 상기 산출된 최저치를 최종 엔진 목표 회전 속도로 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치.
제2항에 있어서,
상기 제3 엔진 목표 회전수 연산부는,
엔진 목표 회전수가 상승하는 시점의 펌프 토크를 엔진 목표 회전수가 하강하는 시점의 펌프 토크보다 높게 설정함으로써 펌프 토크와 엔진 목표 회전수의 관계에서 히스테리시스(Hysteresis)를 적용한 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치의 전압 및 목표 전압으로부터 상기 엔진 보조 전동기의 목표 발전량을 산출하는 PID 제어기
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계의 엔진 제어 장치.