KR20190071888A - 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 작업자의 조작에 의해 상기 파워들을 선택적으로 입력하는 입력장치;
상기 배터리 및 파워팩을 포함하는 동력 공급부;
상기 동력 공급부의 파워팩 일측에 설치되며, 상기 파워팩의 수소 연료 소모량을 검출하는 제1센서;
상기 동력 공급부의 배터리 셀 일측에 설치되며, 상기 배터리의 SOC(충전상태)를 검출하는 제2센서;
상기 엔진 출력의 운전에 상응하여 미리 정해진 단위 시간별로 설정되는 연산 노드의 단계별로 엔진파워를 할당하여 실제 파워팩 파워 및 배터리 파워를 산출하되,
상기 실제 파워팩 파워는 상기 제1센서에서 검출되는 수소 연료 소모량에 의존하여 산출하고, 상기 실제 배터리의 파워는 제2센서에서 검출되는 상기 배터리 SOC의 변화율에 의존하여 산출하는 상기 제1 연산부;
상기 연산 노드의 단계별로 상기 제1 연산부에서 산출되는 수소 연료 사용량과 배터리 SOC 변동량을 부가하여 상기 엔진 출력에 상응하는 개별적인 동력원 용량 설정 비용을 추정하고, 상기 개별적인 추정 비용 중에서 최소 비용에 상응하는 배터리 및 파워팩의 조합을 상기 건설기계의 최적 전기 동력원으로 출력하되,
상기 SOC 변동량은 상기 배터리 SOC와 요구(희망) SOC의 차이에 의존해서 설정하는 컨트롤러;를 포함하는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터를 제공한다.

Description

전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터{SIMULATOR FOR ELECTRIC EXCAVATOR HAVING POWER CONTROL}

본 명세서에 개시된 내용은 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터에 관한 것이며, 보다 상세하게는 종래 건설기계의 다양한 디젤엔진 출력 사양에 요구되는 파워팩 효율 및 성능에 부합되는 전기식 건설기계를 설계 및 장비제어유닛(VCU)에 적용하여 활용할 수 있는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 식별항목에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 식별항목에 기재된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

굴삭기를 포함하는 건설기계는 건축 및 토목 공사시 현장의 자재를 소정의 트럭에 적재하는 상차작업이나, 땅을 파거나 메우는 굴삭작업, 경토ㆍ암반 파쇄 등의 브레이커 작업, 흙다짐과 같은 컴팩터 작업, 절단 등의 크라샤 작업과 같은 다양한 작업을 수행하는데 유용하게 활용되고 있다.

통상적으로, 건설기계는 동력원으로서 고출력의 파워를 갖는 디젤 엔진을 탑재하고, 그러한 엔진의 파워를 이용하여 엔진에 연결된 유압 펌프를 구동하며, 유압 펌프에서 토출되는 작동유를 유압 모터나 유압 실린더 등의 유압 액추에이터로 공급함으로써 주행용 크롤러 또는 타이어의 회전이나 붐, 아암, 버켓 등의 작업장치에 요구되는 동력을 제공하여 요구되는 작업을 수행한다.

하지만, 디젤 엔진의 연료로서 경유는 화석연료이기 때문에 점차 고갈되어 가는 실정이며, 특히 건설기계의 특성상 때문에 연료 소모량이 많아 연비 및 운전비용이 증대되는 단점이 있어 왔다.

이를 해소하기 위한 대안의 하나로서, 전기에너지의 활용이 주목되고 있으며, 전기에너지를 이용한 전기 동력 시스템 적용한 건설기계의 사례, 예를 들면 하이브리드 굴삭기, 휠로더 등에 전기 동력시스템을 적용한 건설기계에 관한 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다.

전기식 굴삭기에 관련된 잘 알려진 기술로서 한국특허등록 제10-1643023호에 굴삭기 전기 동력시스템이 개시되어 있다.

이 특허에 개시된 전기 동력 시스템은, 주동력원으로 사용되고, BMS(battery management system)가 구비되는 배터리; 상기 배터리를 보조하는 동력원으로 사용되는 엔진; 상기 엔진의 출력축에 연결되어 동력을 생산하는 엔진발전기; 상기 엔진발전기의 회전속도 및 토크를 제어하는 엔진발전기용 인버터; 상기 배터리 및 엔진발전기로부터 동력을 전달받아 구동력이 발생하는 메인전동기; 상기 메인전동기와 연결되어 그로부터 구동력을 제공받는 유압펌프; 상기 메인전동기의 회전속도 및 토크를 제어하는 메인전동기용 인버터; 상기 유압펌프로부터 구동력을 제공받는 유압액추에이터; 전기 굴삭기에 선회 구동력을 제공하는 경우 전동기로 작동하고, 전기 굴삭기의 선회운동을 이용하여 전력을 생산하는 경우 발전기로 작동하는 선회용 발전전동기; 상기 선회용 발전전동기의 회전속도 및 토크를 제어하는 선회용 인버터; 상기 선회용 전동발전기에 의해 구동되는 상부선회체; 상기 메인전동기용 인버터, 상기 엔진발전기용 인버터 및 상기 선회용 인버터에 회전속도 및 토크 제어를 지령하는 메인컨트롤러; 를 포함하는 굴삭기 전기 동력시스템에 있어서, 굴삭기의 주행, 선회 및 상기 유압시스템을 조작하는 조작스틱이 더 포함되고, 상기 메인컨트롤러는 상기 조이스틱 조작량과 상기 유압펌프의 토출압력을 입력받아 이에 상응하는 상기 메인전동기의 회전속도 연산하고, 연산된 회전속도를 상기 메인전동기용 인버터에 지령하고, 상기 메인전동기용 인버터는 그 지령된 회전속도로 상기 메인전동기가 회전하도록 제어된다.

이와 같은 전기식 굴삭기는, 굴삭기에 탑재된 엔진 대용 전동기를 보조 동력원으로 이용하고, 굴삭기가 갖는 여러가지 작업기능은 기존처럼 유압 펌프를 통한 유압 작동을 그대로 사용하되 유압 펌프의 구동을 전동기 혹은 모터-발전기로 제어함으로써 기존 엔진형 굴삭기의 기능을 그대로 수행하였다.

그런데, 이러한 전기 굴삭기는 축전지를 이용하여 원거리 작업이 가능하게 한다고 하더라도 축전지의 용량이 한계를 가지기 때문에 장시간 동안 작업하기 어려운 점이 있다.

이를 해결하기 위한 하나의 수단으로, 다수의 축전지를 조합하여 사용할 수 있지만, 축전지의 충방전이 균일하게 수행되지 않는 경우 축전지의 수명 단축을 초래하는 문제가 있으며, 특히 엔진 파워와 축전지에 의한 파워를 병용하는 시스템을 구현해야 함으로서 구조가 복잡하고 운전 효율을 관리하기 어려운 문제점이 있다.

한편, 연료전기를 활용하기 위한 하나의 기술로서 한국특허등록 제10-0396198호에 실시간 연료전지 시뮬레이터가 개시되어 있다.

도 1은 종래의 실시간 연료전지 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 실시간 연료전지 시뮬레이터는, 수소가스를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료전지의 동작 특성을 시뮬레이션하는 장치로서, 직류 전력을 공급하는 에너지 공급 장치(1)와, 에너지 공급 장치(1)로부터 공급되는 전력을 조절하여 필요로 되는 전압과 전류를 갖는 직류 전력을 출력하는 전력 변환 장치(2)로 구성된 전력 시스템(3)을 포함한다.

또한, 상기 시뮬레이터는, 연료전지가 작동되어야 할 운전조건 및 외부 부하에서 필요로 되는 출력 전력에 관한 지령 정보들을 외부로부터 입력받는 데이터 통신부(4)와 연료전지의 동작 특성과 관련된 기본 데이터가 저장되는 연료전지 정보 저장 장치(5)와, 상기 연료전지 정보 저장 장치(5)에서 제공되는 연료전지의 출력 특성과 상기 데이터 통신부(4)를 통하여 입력되는 운전 조건 및 외부 부하 조건을 비교연산하여 실제 연료전지가 동작되어야 할 전력 시스템(3)의 출력 전압과 전류에 대한 동작점의 위치를 추론하는 동작점 추론부(6) 및 상기 전력 시스템(3)으로부터 출력되는 실시간 전압 및 전류의 측정값이 동작점 추론부(6)에서 추론된 동작점에 실제 도달하기까지의 지연시간 및 상승시간을 조절하여 추론된 동작점과 실제 측정값이 일치되도록 하는 역할을 수행하는 동특성 구현 모듈(7)로 구성되는 정보 처리 및 제어 시스템(8);을 포함하여 구성된다.

이 특허에 제시된 시뮬레이터는 실제 운전 중인 연료전지 시스템의 운전 조건과 동일한 상태에서 발휘될 수 있는 연료전지의 동적 및 정적특성을 연료전지 없이 실시간으로 가상구현시킬 수 있는 것으로 제시되었다.

하지만, 건설기계의 운전은 작업에 요구되는 부하의 특성상 연료전지 및 슈퍼 커패시터 혹은 배터리의 파워를 동시에 혹은 효율적 조합으로 구성해야 하고, 그러한 파워의 조합을 토대로 전기 동력의 제어가 이뤄져야 하기 때문에 기술적으로 종래의 실시간 연료전지 시뮬레이터를 전용하거나 활용할 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터에 대한 연구 및 개발이 매우 시급한 실정이다.

- 한국특허등록 제10-1643023호(2016.07.20일자 등록) - 한국특허등록 제10-0396198호(2003.03.18일자 등록)

본 명세서에 개시된 내용은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 파워팩 시스템을 구비한 건설기계의 다양한 사양에 상응하여 요구되는 동력전달 구조를 모델링하여 전기식 건설기계의 요구 동력 용량을 미리 분석 및 제어할 수 있는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 개시된 내용은, 건설기계의 다양한 사양에 요구되는 파워팩 효율 및 성능, 배터리 SOC 분석 등을 토대로 최적의 동력 용량에 맞게 건설기계에 적응시킬 수 있는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터를 제공한다.

개시된 내용의 일 실시예에 의하면, 하나의 기술적 특징으로서,

다양한 사양의 건설기계용 디젤엔진에 대응되는 다수의 엔진 출력에 상응하는 엔진파워를 입력하고, 다수의 배터리의 셀 수효와 상기 배터리 각각의 최대 파워 및 소정의 파워팩의 최대 파워를 입력하되, 작업자의 조작에 의해 상기 파워들을 선택적으로 입력하는 입력장치;

상기 배터리 및 파워팩을 포함하는 동력 공급부;

상기 동력 공급부의 파워팩 일측에 설치되며, 상기 파워팩의 수소 연료 소모량을 검출하는 제1센서;

상기 동력 공급부의 배터리 셀 일측에 설치되며, 상기 배터리의 SOC(충전상태)를 검출하는 제2센서;

상기 엔진 출력의 운전에 상응하여 미리 정해진 단위 시간별로 설정되는 연산 노드의 단계별로 엔진파워를 할당하여 실제 파워팩 파워 및 배터리 파워를 산출하되,

상기 실제 파워팩 파워는 상기 제1센서에서 검출되는 수소 연료 소모량에 의존하여 산출하고, 상기 실제 배터리의 파워는 제2센서에서 검출되는 상기 배터리 SOC의 변화율에 의존하여 산출하는 상기 제1 연산부;

상기 연산 노드의 단계별로 상기 제1 연산부에서 산출되는 수소 연료 사용량과 배터리 SOC 변동량을 부가하여 상기 엔진 출력에 상응하는 개별적인 동력원 용량 설정 비용을 추정하고, 상기 개별적인 추정 비용 중에서 최소 비용에 상응하는 배터리 및 파워팩의 조합을 상기 건설기계의 최적 전기 동력원으로 출력하되,

상기 SOC 변동량은 상기 배터리 SOC와 요구(희망) SOC의 차이에 의존해서 설정하는 컨트롤러; 및

상기 컨트롤러에 전기적으로 연결 설치되며, 상기 연산 노드의 단계별로 할당되는 실제의 파워들에 관한 변화를 미리 설정된 화면으로 출력하는 디스플레이 유닛;을 포함하여 구성되는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터를 제공한다.

개시된 내용은 다른 기술적 특징으로서, 상기 동력 공급부는 슈퍼 커패시터와, 상기 슈퍼 커패시터의 SOC를 검출하는 제3센서를 포함하여 구성되는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터를 제공한다.

개시된 내용은 또 다른 기술적 특징으로서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 연산부에서 산출되는 수소 연료 사용량과 배터리 SOC 변동량 및 슈퍼 커패시터의 SOC 변동량을 부가하여 상기 엔진 출력에 상응하는 개별적인 동력원 용량 설정 비용을 추정하고, 상기 개별적인 추정 비용 중에서 최소 비용에 상응하는 배터리, 파워팩 및 슈퍼 커패시터의 조합을 상기 건설기계의 최적 전기 동력원으로 출력하는 제2 연산부를 포함하여 구성되는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터를 제공한다.

개시된 내용은 또 다른 기술적 특징으로서, 상기 컨트롤러는 건설기계의 장비제어컨트롤러(VCU)에 연통되는 데이타 통신부를 포함하여 구성되는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터를 제공한다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 파워팩 시스템을 구비한 건설기계의 다양한 사양에 상응하여 요구되는 동력전달 구조를 모델링하여 전기식 건설기계의 요구 동력 용량을 미리 분석할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 종래 건설기계의 다양한 디젤엔진 출력 사양에 요구되는 파워팩 효율 및 성능, 배터리 SOC를 분석하여 전기식 건설기계의 장비제어유닛(VCU)과 연통시에 최적의 동력 용량에 맞는 전기식 건설기계로서 적응시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 명세서의 전체적인 기재에 의해서 추가로 파악되어야 할 것이며, 설사 명시적인 문장으로 기재되어 있지 않더라도 기재된 내용이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서를 통해 그러한 효과가 있는 것으로 인정할 수 있는 효과라면 본 명세서에 기재된 효과로 보아야 할 것이다.

도 1은 종래의 실시간 연료전지 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기식 굴삭기로서 최적 전기 동력원의 조합을 선정하기 위한 연산 및 결정과정에 관한 플로우 챠트,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 노드별로 배터리 최대 파워에 상응한 실제 파워의 산출과 엔진 프로파일의 변화를 도시한 도면,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 비용함수의 설정 및 산출과정에서 출력되는 파워분배 및 운전점 분석 예시를 도시한 도면,

이하에는, 개시된 내용의 바람직한 실시예와 구성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

도 1은 종래의 실시간 연료전지 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터의 구성을 개략적으로 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기식 굴삭기로서 최적 전기 동력원의 조합을 선정하기 위한 연산 및 결정과정에 관한 플로우 챠트, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 노드별로 배터리 최대 파워에 상응한 실제 파워의 산출과 엔진 프로파일의 변화를 도시한 도면, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 비용함수의 설정 및 산출과정에서 출력되는 파워분배 및 운전점 분석 예시를 도시한 도면이다.

개시된 내용은 종래의 디젤 엔진 굴삭기를 운전 및 구동시키는데 필요한 전기 동력원으로서 파워팩과 에너지회생시스템을 포함하는 전기식 굴삭기로 개조시에 다수의 전기 동력원을 토대로 최적의 용량 조합을 미리 분석 및 장비제어유닛(VCU: Vehicle Control Unit)에 적응시키는데 활용할 수 있다.

도 2를 참조하면, 개시된 내용의 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터는,

다양한 사양의 건설기계용 디젤엔진에 대응되는 다수의 엔진 출력에 상응하는 엔진파워(E1, E2, E3, E4,...En)를 입력하고, 다수의 배터리의 셀 수효와 상기 배터리 각각의 최대 파워 및 소정의 파워팩의 최대 파워를 입력하되, 작업자의 조작에 의해 상기 파워들을 선택적으로 입력하는 입력장치(11)과, 상기 배터리(12) 및 파워팩(13)을 포함하는 동력 공급부(10)를 포함하여 구성된다.

상기 엔진파워(E1, E2, E3, E4,...En)은 건설기계의 엔진 출력에 상응하는 마력 혹은 출력 토크를 포함하며, 경우에 따라서 배터리나 파워팩을 포함하는 전기동력원의 출력값을 포함할 수 있다.

상기 엔진파워(E1, E2, E3, E4,...En)의 입력은 종래의 건설기계의 사양에 맞춰서 설치되는 각각의 디젤엔진에서 출력가능한 토크 또는 마력에 상응하는 설정값이며, 상기 입력장치(11)은 상기 설정값을 입력하기 위한 키보드 입력방식 혹은 터치패드 입력방식을 구비한 컴퓨터 호환이 가능한 키보드를 포함하는 포터블 단말기를 포함하고, 상기 배터리(12) 및 파워팩(13)은 주지의 전기 배터리 및 수소 이용 연료전지 파워팩을 포함한다.

상기 동력 공급부(10)의 파워팩(13) 일측에, 상기 파워팩(13)의 수소 연료 소모량을 검출하기 위하여 제1센서(16)가 설치된다. 또한, 상기 동력 공급부(10)의 배터리 셀 일측에는 상기 배터리(12)의 SOC(State Of Charge)를 검출하는 제2센서(17)가 설치된다.

상기 제1 센서(15)는 후술하는 컨트롤러(20)에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 센서(16)에서 검출되는 수소 연료 소모량 혹은 사용량이 상기 컨트롤러(20)의 연산부(19)에 미리 설정된 입력파라메타로 제공된다. 마찬가지로, 상기 제2 센서(17)가 상기 컨트롤러(20)에 전기적으로 연결되어 배터리(12) 및 파워팩(13)에 관한 충전상태를 제공한다.

개시된 내용의 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터는, 상기 엔진 출력의 운전에 상응하여 미리 정해진 단위 시간별로 설정되는 연산 노드(C1, C2, C3,...Cn)의 단계별 엔진파워를 할당하여 실제 파워팩 파워 및 배터리 파워를 산출하는 제1 연산부(19a)를 포함하여 구성된다.

상기 제1 연산부(19a)는, 상기 제1센서(16)에서 검출되는 수소 연료 소모량에 의존하여 산출하고, 상기 제2센서(17)에서 검출되는 상기 배터리 SOC의 변화율에 의존하여 상기 실제 파워팩 파워를 상기 연산 노드(C1, C2, C3,...Cn)의 단계별로 연산한다.

컨트롤러(20)는, 상기 연산 노드((C1, C2, C3,...Cn))의 단계별로 상기 제1 연산부(19a)에서 산출되는 수소 연료 사용량과 배터리 SOC 변동량을 부가하여 상기 엔진 파워에 상응하는 개별적인 동력원 용량 설정 비용을 추정하고, 상기 개별적인 추정 비용 중에서 최소 비용에 상응하는 배터리 및 파워팩의 조합을 상기 건설기계의 최적 전기 동력원으로 출력한다.

바람직하게는, 디스플레이 유닛(21)이 상기 컨트롤러(20)에 전기적으로 연결 설치되며, 상기 디스플레이 유닛(21)을 통해서 상기 연산 노드(C1, C2, C3,...Cn)의 단계별로 산출 혹은 할당되는 실제의 파워들에 관한 변화를 미리 설정된 화면으로 출력한다.

전술한 SOC 변동량은 상기 배터리 SOC와 요구(Desired) SOC의 차이에 의존해서 설정된다. 바람직하게는, 도 4를 참조하면, 계산 단계(tx) 별로 배터리 SOC의 변화(

)에 관한 함수에 의해 산출 및 결정될 수 있다. 상기 함수는 다음과 같이 정의될 수 있다.

여기서,V는 배터리 전압, R은 배터리 저항,

는 시간 tx-1 (x=1,2,3,4,5…) 에서의 배터리 실제 파워가 tx에서 배터리 SOC를 결정하게 되며, 상기 tx 와 tx-1 에서 배터리 SOC 변화를 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다.

상기 동력 공급부(10)는 상부선회체의 선회 구동시에 모터-발전기를 통하여 재생되는 전기를 저장 및 활용되는 슈퍼 커패시터(14)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 동력 공급부(10)는 상기 슈퍼 커패시터(14)의 SOC를 검출하는 제3센서(18)를 포함하여 구성된다.

상기 컨트롤러(20)는 상기 제1 연산부(19a)에서 산출되는 수소 연료 사용량과 배터리 SOC 변동량 및 슈퍼 커패시터 SOC 변동량을 부가하여 상기 엔진 출력에 상응하는 개별적인 동력원 용량 설정 비용을 추정하고, 상기 개별적인 추정 비용 중에서 최소 비용에 상응하는 배터리(12), 파워팩(13) 및 슈퍼 커패시터(14)의 조합을 상기 건설기계의 최적 전기 동력원으로 출력하는 제2 연산부(19b)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 컨트롤러(20)는 건설기계의 장비제어컨트롤러(VCU)에 연통되는 데이타 통신부(22)를 포함하여 구성된다. 상기 데이타 통신부(22)는 전기식 건설기계의 장비제어컨트롤러(VCU)에 대한 데이타 통신을 위해 RS 232나 RS 485 등을 포함하는 직렬통신 방식으로 구성되며, 네트워크 인터페이스를 포함하여 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기식 굴삭기로서 최적 전기 동력원의 조합을 선정하기 위한 연산 및 결정과정을 도시한 플로우 챠트이다.

도 3을 참조하면, 개시된 내용의 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터는 제1 연산부(19a) 및 제2 연산부(19b)를 구비한 컨트롤러(20)의 제어에 의해, 단말장치 혹은 키보드를 포함하는 입력장치(11)를 통하여 개조가 요구되는 건설기계의 디젤엔진 기종별 엔진파워가 입력되며, 전기 동력원으로서 배터리(12)나 다수의 배터리 셀을 구비한 파워팩(13) 및 슈퍼 커패시터(14) 각각의 최대 파워가 입력(S100)되면, 동력원별 최대 파워에 따른 개별적인 실제 파워가 미리 설정된 로직에 의해 설정(S200)된다.

이후, 연산 노드(C1, C2, C3,...Cn)의 단계(tx)별로 조합 가능한 동력원으로서 배터리(12)와 파워팩(13) 혹은 슈퍼 커패시터(14)의 실제 파워를 아래와 같은 비용함수(예를 들면, K번째 연산노드에서의 비용(J)를 산출)를 토대로 설정(S300)한다.

여기서, x는 연료전지 상태에 관한 변수를 의미하며, k는 연산노드의 갯수 혹은 단계값, L은 k번째 노드에서의 연료전지(파워팩) 사용량, u는 control variable로서 배터리 파워, 는 가중치, SOC(k)는 k번째 노드에서의 배터리 SOC, SOCDesred는 유지하고자 하는 배터리 충전 상태를 의미한다.

개시된 내용의 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터의 제어는, 전술한 바와 같디, 최적의 전기 동력원 조합을 설정하기 위해서, 미리 정해진 연산 노드의 단계(tx)별로 동력원(배터리 및 파워팩)의 실제 파워를 설정할 수 있다.

전술한 연산노드의 단계(tx)를 거치는 과정에서, 엔진 동력 프로파일에 관한 상기 비용함수를 토대로 최소 비용을 만족하는 동원의 조합을 선정 및 출력할 수 있으며, 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이 제1 단계(t1)로부터 제5 단계(t5)에 이르는 최단 경로를 추종하게 되며 최단경로의 추종을 위해 상기 연산노드는 tn의 단계를 포함할 수 있다.

예를 들면, 배터리 최대 파워가 6.25kw(파워팩 40 cells) 일 경우에는, 실제 파워를 -6.25, -6.15, -6.05, … 6.05, 6.15, 6.25 등으로 설정된다. 상기 제어노드 혹은 단위별 제어 tx (x=1,2,3,4,5…n) 에서 요구되는 엔진 파워는 파워팩과 배터리의 실제 파워의 합으로 결정된다. 다른 실시예에 따라 상부선회체의 구동시 재생시스템을 고려하여 슈퍼 커패시터가 추가되는 경우에는 전술한 요구 엔진 파워는 파워팩과 배터리 및 슈퍼 커패시터의 총합으로 결정될 수 있다.

또한, 제어 tx (x=1,2,3,4,5…) 에서 파워팩 실제 파워은 상기 엔진 파워와 배터리 실제 파워의 합으로 산출되며, 미리 설정된 파워팩 제원에 의존해서 파워팩 실제 파워가 설정되면 제어 tx에서 파워팩 연료전지에 관한 수소 연료 사용량도 산출된다.

개시된 내용의 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터의 제어는, 비용함수값을 토대로 실체 파워에 관한 각각의 동력원별 조합을 비교하여, 최소의 비용함수값을 최적 전기 동력원 조합을 결정하여 출력하게 된다.

예를 들면, 제어 tx (x=1,2,3,4,5…,n)에서 비용함수는 tx에서의 수소 연료 사용량 + |tx에서 배터리 SOC- 요구 SOC|으로 산출된다. 이어서, tx에서 파워팩과 배터리 실제 파워에 따른 비용함수 값들 중 최소치를 선정하며, 상기 tx에서 파워팩과 배터리 실제 파워가 산출되면 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같은 아래와 같은 엔진 파워에 따른 파워팩과 배터리 파워 분배에 관한 프로파일을 획득하여 디스플레이(21)를 통하여 모니터링할 수 있다.

즉, 상기 tx에서 비용함수에 의해 획득된 값들의 합에 의해 개별적인 전기 동력의 후보에 상응하는 비용값들로 정해지는데, 최적의 전기 동력원은 상기 비용 값들의 합 중 최소치에 상응하는 동력원의 조합(예를 들면 배터리와 파워팩의 용량 혹은 슈퍼커패시터의 용량을 포함하는 조합)이 출력될 수 있으며, 전술한 최적의 전기 동력원의 조합은, 종래 건설기계의 다양한 디젤엔진 출력 사양에 요구되는 파워팩 효율 및 성능에 부합되는 전기식 건설기계를 설계 및 장비제어유닛(VCU)에 적용하여 활용할 수 있다.

한편, 상술한 기술내용은 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 동력 공급부
11: 입력장치
12 : 배터리
13 : 파워팩
14 : 슈퍼 커패시터
19 : 연산부
20 : 컨트롤러

Claims (4)

1. 다양한 사양의 건설기계용 디젤엔진에 대응되는 다수의 엔진 출력에 상응하는 엔진파워를 입력하고, 다수의 배터리의 셀 수효와 상기 배터리 각각의 최대 파워 및 소정의 파워팩의 최대 파워를 입력하되, 작업자의 조작에 의해 상기 파워들을 선택적으로 입력하는 입력장치;
   상기 배터리 및 파워팩을 포함하는 동력 공급부;
   상기 동력 공급부의 파워팩 일측에 설치되며, 상기 파워팩의 수소 연료 소모량을 검출하는 제1센서;
   상기 동력 공급부의 배터리 셀 일측에 설치되며, 상기 배터리의 SOC(충전상태)를 검출하는 제2센서;
   상기 엔진 출력의 운전에 상응하여 미리 정해진 단위 시간별로 설정되는 연산 노드의 단계별로 엔진파워를 할당하여 실제 파워팩 파워 및 배터리 파워를 산출하되,
   상기 실제 파워팩 파워는 상기 제1센서에서 검출되는 수소 연료 소모량에 의존하여 산출하고, 상기 실제 배터리의 파워는 제2센서에서 검출되는 상기 배터리 SOC의 변화율에 의존하여 산출하는 상기 제1 연산부;
   
   상기 연산 노드의 단계별로 상기 제1 연산부에서 산출되는 수소 연료 사용량과 배터리 SOC 변동량을 부가하여 상기 엔진 출력에 상응하는 개별적인 동력원 용량 설정 비용을 추정하고, 상기 개별적인 추정 비용 중에서 최소 비용에 상응하는 배터리 및 파워팩의 조합을 상기 건설기계의 최적 전기 동력원으로 출력하되,
   상기 SOC 변동량은 상기 배터리 SOC와 요구(희망) SOC의 차이에 의존해서 설정하는 컨트롤러; 및
   상기 컨트롤러에 전기적으로 연결 설치되며, 상기 연산 노드의 단계별로 할당되는 실제의 파워들에 관한 변화를 미리 설정된 화면으로 출력하는 디스플레이 유닛;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 동력 공급부는 슈퍼 커패시터와, 상기 슈퍼 커패시터의 SOC를 검출하는 제3센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는 상기 제1 연산부에서 산출되는 수소 연료 사용량과 배터리 SOC 변동량 및 슈퍼 커패시터의 SOC 변동량을 부가하여 상기 엔진 출력에 상응하는 개별적인 동력원 용량 설정 비용을 추정하고, 상기 개별적인 추정 비용 중에서 최소 비용에 상응하는 배터리, 파워팩 및 슈퍼 커패시터의 조합을 상기 건설기계의 최적 전기 동력원으로 출력하는 제2 연산부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 컨트롤러는 건설기계의 장비제어컨트롤러(VCU)에 연통되는 데이타 통신부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기식 건설기계 동력제어용 시뮬레이터.

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