KR20210075258A - 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기 - Google Patents

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KR20210075258A
KR20210075258A KR1020190165577A KR20190165577A KR20210075258A KR 20210075258 A KR20210075258 A KR 20210075258A KR 1020190165577 A KR1020190165577 A KR 1020190165577A KR 20190165577 A KR20190165577 A KR 20190165577A KR 20210075258 A KR20210075258 A KR 20210075258A
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Abstract

본 발명은 실린더계 작동부와 회전계 작동부의 동력 전달 계통을 분리함에 따라 전력을 유압으로 변환시나 유압 공급시 발생하는 손실을 최소화하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 배터리와 슈퍼캐패시터가 병렬 연결된 에너지 저장장치로 회생 제동 에너지 저장, 초기 기동 전류 보상 및 순간 충방전 효율의 향상이 가능한 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기에 관한 것이다.

Description

에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기{ELECTRIC EXCAVATOR USING ENERGY STORAGE APPARATUS}
본 발명은 실린더계 작동부와 회전계 작동부의 동력 전달 계통을 분리함에 따라 전력을 유압으로 변환시나 유압 공급시 발생하는 손실을 최소화하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 배터리와 슈퍼캐패시터가 병렬 연결된 에너지 저장장치로 회생 제동 에너지 저장, 초기 기동 전류 보상 및 순간 충방전 효율의 향상이 가능한 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기에 관한 것이다.
굴착기(excavator)는 주행이 가능한 하부체 위에 상부체를 회전 가능하게 설치하고, 상부체에 설치된 붐, 암 및 버킷의 프런트 툴을 이용하여 각종 굴착 작업을 수행할 수 있도록 하는 중장비이다.
이러한 굴착기 중 종래부터 사용되어 오고 있는 엔진식 굴착기는 엔진 구동시 발생된 동력으로 유압을 발생시키고, 발생된 유압은 메인 컨트롤 밸브를 통해 프런트 툴의 실린더를 작동시킨다.
그러나, 디젤 등의 연료를 사용하는 엔진식 굴착기는 탄소가스 배출로 인한 환경 오염의 문제가 있음은 물론, 에너지 효율이 낮은 문제와 함께 회생 제동 에너지 축적이 어렵다는 문제가 있다.
이에, 도 1과 같이 하이브리드 굴착기나 전기식 굴착기는 전기릴이나 리드 와이어(11)로 전원을 공급받는 전기 모터(10)로 유압 펌프(20)를 가동시키고, 유압 펌프(20)로 모든 작동부(30, 40)를 가동시킨다.
따라서, 전기 모터(10)로 유압 펌프(20)를 가동시키는 과정에서 에너지 변환에 따른 손실이 발생하고, 메인 컨트롤 밸브(21) 및 배관을 통해 실린더 작동부(30)로 유압 공급시 마찰 저항 등에 따른 손실이 발생된다.
또한, 유압 펌프(20)로 선회 모터나 주행 모터와 같은 유압 모터(40)를 작동시키기 때문에 유압을 선회, 감속기 회전 및 주행에 필요한 회전 동력으로 변환시 또 다시 에너지 손실이 발생한다.
대한민국 공개특허 제2012-0097641호 대한민국 공개특허 제2016-0009586호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실린더계 작동부와 회전계 작동부의 동력 전달 계통을 분리하고 회전계는 전기 모터로 직접 구동시킴에 따라 전력을 유압으로 변환시나 유압 공급시 발생하는 손실을 최소화하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기를 제공하고자 한다.
더 나아가, 본 발명은 배터리와 슈퍼캐패시터가 병렬 연결된 에너지 저장장치로 회전계 작동부에서 발생한 회생 제동 에너지 저장, 초기 기동 전류 보상 및 순간 충방전 효율의 향상이 가능한 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기는 실린더계 작동부에 제공되는 동력을 발생시키는 메인 전기 모터와; 상기 메인 전기 모터에 의해 작동되어 유압을 제공하는 유압 펌프와; 상기 유압 펌프에서 발생된 유압을 조절하여 상기 실린더계 작동부에 인가하는 메인 컨트롤 밸브와; 회전계 작동부에 제공되는 동력을 발생시키는 회전계 전기 모터; 및 상기 메인 전기 모터와 회전계 전기 모터에 각각 전력을 공급하는 에너지 저장장치;를 포함하여, 실린더에 의해 실린더 구동이 이루어지는 상기 실린더계 작동부와 전기 모터에 의해 회전 구동이 이루어지는 상기 회전계 작동부가 분리하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 메인 전기 모터에 의해 실린더 구동이 이루어지는 실린더계 작동부는 붐(boom), 암(arm), 버킷(bucket) 및 붐 스윙(boom swing) 장치를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 회전계 전기 모터는 굴착기의 상부체 회전을 위한 선회 전기 모터; 및 상기 굴착기의 하부체 주행을 위한 주행 전기 모터;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 에너지 저장장치는 충전용 배터리; 및 상기 충전용 배터리에 회로적으로 병렬 연결되며, 내부저항이 상기 충전용 배터리보다 작은 슈퍼캐패시터;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 에너지 저장장치를 상기 선회 전기 모터 및 주행 전기 모터에 각각 연결시키는 양방향 전력변환 인버터(inverter)를 더 포함하여, 상기 선회 전기 모터 및 주행 전기 모터에서 회생 제동시 상기 에너지 저장장치에 회생 에너지가 충전되는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 실린더계 작동부와 회전계 작동부의 동력 전달 계통을 분리하여 동력 전달 계통은 전기 모터로 직접 구동시킨다. 따라서, 실린더계 작동부만 유압으로 작동시키므로 전력을 유압으로 변환시나 유압 공급시 발생하는 손실을 최소화한다.
또한, 본 발명은 배터리 및 슈퍼캐패시터가 병렬 연결된 에너지 저장장치로 전력을 제공한다. 따라서, 회생 제동 에너지의 저장이 가능하면서도 내부저항이 작고 캐패시터의 특성을 갖는 슈퍼캐패시터로 인해 초기 기동 전류 보상 및 순간 충방전 효율을 향상시킨다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기식 굴착기를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기를 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 '에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기'는 에너지 저장장치로부터 제공되는 전력을 이용하여 굴착 작업을 하는 굴착기로서, 도시는 생략하였지만 하부체, 상부체 및 프론트 툴을 포함한다.
하부체는 일 예로 차륜이나 무한궤도(캐터필러)와 같은 공지의 주행 장치가 구비되어 작업 위치로 주행을 가능하게 하고, 상부체는 하부체의 위에 회전 가능하게 조립되며 운전석 및 조종장치 등이 구비된다.
프론트 툴은 상부체의 전방부에 장착되며, 굴착기의 경우 붐(boom), 암(arm) 및 버킷(bucket)이 힌지축을 통해 서로 연결되어 있으며, 붐은 붐 스윙(boom swing) 장치에 의해 상부체를 기준으로 좌우 스윙 운동한다.
특히, 도 2와 같이, 본 발명이 적용되는 굴착기는 실린더에 의해 실린더 구동이 이루어지는 실린더계 작동부(110)와 전기 모터(150)에 의해 회전 구동이 이루어지는 회전계 작동부가 분리하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로 실린더계 작동부(110)는 상술한 바와 같이 프런트 툴(front tool)을 구성하는 붐(111), 암(112), 버킷(113) 및 붐 스윙 장치(114)가 있으며, 이들은 유압 실린더에 의해 구동되는 것들이다.
반면, 도시는 생략하였지만 회전계 작동부는 하부체를 주행시키는 주행 장치 및 상부체를 회전시키는 스윙 장치를 포함하며, 주행 장치는 차륜이나 무한궤도 등의 회전이 필요하고, 스윙 장치는 축회전이 필요하다.
따라서, 본 발명은 불가피하게 유압을 이용해야 하는 실린더계 작동부(110)만 유압계를 이용하고, 회전계 작동부의 경우에는 유압으로의 변환 없이 전기 모터(150)를 이용하여 직접 구동시킨다.
즉, 종래에는 전기 모터(도 1의 '10' 참조)에 의해 작동되는 유압 펌프(도 1의 '20' 참조)로 회전계 작동부는 물론 회전계 작동부까지 가동시킴에 따라 회전계 작동부에서 전기와 유압 사이의 변환에 따른 손실 및 유압 전달에 따른 손실이 발생하지만, 본 발명은 이러한 문제를 해결한다.
이를 위해, 본 발명은 실린더계 작동부(110), 메인 전기 모터(120), 유압 펌프(130), 메인 컨트롤 밸브(140), 회전계 전기 모터(150) 및 에너지 저장장치(160)를 포함한다. 물론, 그 외 굴착기를 구성하기 위한 여러 다른 구성들도 포함한다.
이러한 구성에서 메인 전기 모터(120), 회전계 전기 모터(150) 및 에너지 저장장치(160)는 단방향 인버터(121)나 양방향 인버터(163)와 함께 전기 시스템을 구성하고, 유압 펌프(130) 및 메인 컨트롤 밸브(140)는 실린더계 작동부(110)와 함께 유압 시스템을 구성한다.
상기 실린더계 작동부(110)는 유압식 실린더에 의해 그 구동이 이루어지는 것으로, 대표적으로는 굴착기의 상부체 전방에 장착되는 프런트 툴이 있다. 굴착기의 프턴트 툴은 붐(111), 암(112), 버킷(113) 및 붐 스윙 장치(114)를 포함한다.
굴착기의 상부체에 인접한 부분부터 순차 연결된 붐(111), 암(112) 및 버킷(113)은 그 단부가 힌지축이나 축핀에 의해 서로 간에 회동 가능하게 연결되어 굴착(굴삭) 작업을 수행하고 붐 스윙 장치(114)는 붐(111)이 상부체에서 좌우 스윙 운동을 한다.
이때, 메인 전기 모터(120)는 실린더계 작동부(110)에 제공되는 동력을 발생시키는 것으로, 종래에는 전기릴이나 리드와이어로 전원을 공급받던 것과 다르게 에너지 저장장치(160)로부터 충전 전원을 공급받아 구동된다.
에너지 저장장치(160)에서 공급된 전원은 전력변환 인버터(inverter, 121)에 의해 메인 전기 모터(120)의 용량에 맞게 설계된 정격 전원으로 변환된 후 메인 전기 모터(120)에 제공된다.
유압 펌프(hydraulic oil pump, 130)는 외부에서 공급되는 기계적 에너지를 유압 시스템 작동유의 압력 에너지로 변환시키는 것으로, 일 예로 메인 전기 모터(120)로 펌프 내 기어를 회전시켜 유압을 발생 및 제공한다.
메인 컨트롤 밸브(140)는 유압 펌프(130)에서 발생된 유압을 조절하여 실린더계 작동부(110)에 인가한다. 유압 조절은 공급량 뿐만 아니라 공급방향까지 결정하며 통상은 다수의 메인 컨트롤 밸브(140)가 붐(111), 암(112), 버킷(113) 및 붐 스윙 장치(114) 각각에 설치된다.
한편, 회전계 전기 모터(150)는 회전계 작동부를 구동시키는 것으로, 도 1에서 설명한 종래 기술에서는 유압 모터(hydraulic motor)를 사용함에 반해, 본 발명에서는 전기 모터(electric motor)로 구성되어 직접 회전계 작동부를 작동시킨다.
이러한 회전계 전기 모터(150)는 선회 전기 모터(151) 및 주행 전기 모터(152)를 포함하는데, 선회 전기 모터(151)는 굴착기의 상부체 회전을 위한 스윙 모터로 사용되고, 주행 전기 모터(152)는 굴착기의 하부체 주행장치로 사용된다.
따라서, 본 발명은 회전계 작동부의 경우에는 유압 시스템과의 연계 없이 회전계 전기 모터(150)를 이용하여 직접 구동시키므로, 전기를 유압으로 변환 과정에서의 손실, 유압 배관 및 배관에서 유동 중 발생하는 손실 등을 방지한다.
에너지 저장장치(ESS: Energy Storagy System)(160)는 충전된 전원을 이용하여 메인 전기 모터(120)와 회전계 전기 모터(150)에 각각 전력을 공급하기 위한 것으로, 충전 전원에는 후술하는 회생 에너지를 포함한다.
또한, 에너지 저장장치(160)에서 메인 전기 모터(120)로 정격의 전원을 공급하기 위해 상술한 바와 같이 인버터(121)를 통해 회로적으로 메인 전기 모터(120)에 연결되며, 그 외 필요에 따른 전원 안정회로나 감시회로를 더 포함한다.
특히, 본 발명의 에너지 저장장치(160)는 충전용 배터리(161) 및 상기 충전용 배터리(161)에 회로적으로 병렬 연결되어 있는 슈퍼캐패시터(162)를 포함하는데, 슈퍼캐패시터(162)는 충전용 배터리(161)보다 내부저항이 작은 것을 이용한다.
슈퍼캐패시터(162)는 일 예로 그 내부에 다수개의 단위 캐패시터가 직/병렬 연결되어 구성됨에 따라 고용량의 충전 용량을 제공하며, 캐패시터 고유의 전원 안정화 기능을 제공한다.
따라서, 굴착기의 초기 구동시나, 모터의 구동 또는 정지시 발생하는 기동 전류나 서지 전압으로부터 회로를 보호하고, 회생 제동시 생성된 재생 전원을 슈퍼캐패시터(162)에 먼저 저장하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 한다.
나아가, 에너지 저장장치(160)는 양방향 전력변환 인버터(163)를 통해 회전계 전기 모터(150)에 연결된다. 즉, 선회 전기 모터(151) 및 주행 전기 모터(152)는 각각 양방향 전력변환 인버터(163)를 통해 에너지 저장장치(160)에 회로적으로 연결된다.
또한, 회전계 전기 모터(150)는 공지의 회생 제동 회로를 통해 양방향 전력변환 인버터(163)에 연결되고, 양방향 전력변환 인버터(163)는 공지의 에너지 회생 시스템을 통해 에너지 저장장치(160)에 연결된다.
따라서, 에너지 저장장치(160)에 저장된 충전 전원이 양방향 전력변환 인버터(163)를 통해 회전계 전기 모터(150)에 공급되거나 혹은 회전계 전기 모터(150)에서 회생 제동시 발생한 회생 전원이 에너지 저장장치(160)에 저장된다.
예컨대, 선회 전기 모터(151)는 굴착기의 상부체가 스윙 회전을 하다가 멈추는 과정에서 발생한 회생 전원을 에너지 저장장치(160)에 저장한다. 또한, 주행 전기 모터(152)는 굴착기의 하부체가 탄성 주행을 하거나 멈추는 과정에서 발생한 회생 전원을 에너지 저장장치(160)에 저장한다.
이와 같이 생성된 회생 전원은 상술한 바와 같이 에너지 저장장치(160) 중 내부저항이 작은 슈퍼캐패시터(162)에 먼저 저장되어 충전 효율을 향상시키고, 굴착기 작업 중 에너지 저장장치(160)의 사용 시간을 월등히 향상시키게 한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
110: 실린더계 작동부
111: 붐(Boom)
112: 암(Arm)
113: 버킷(bucket)
114: 붐 스윙 장치(Boom Swing)
120: 메인 전기 모터
130: 유압 펌프
140: 메인 컨트롤 밸브(MCV)
150: 회전계 전기 모터
151: 선회 전기 모터(스윙 모터)
152: 주행 전기 모터
160: 에너지 저장장치
161: 충전 배터리
162: 슈퍼 캐패시터

Claims (5)

  1. 실린더계 작동부(110)에 제공되는 동력을 발생시키는 메인 전기 모터(120)와;
    상기 메인 전기 모터(120)에 의해 작동되어 유압을 제공하는 유압 펌프(130)와;
    상기 유압 펌프(130)에서 발생된 유압을 조절하여 상기 실린더계 작동부(110)에 인가하는 메인 컨트롤 밸브(140)와;
    회전계 작동부에 제공되는 동력을 발생시키는 회전계 전기 모터(150); 및
    상기 메인 전기 모터(120)와 회전계 전기 모터(150)에 각각 전력을 공급하는 에너지 저장장치(160);를 포함하여,
    실린더에 의해 실린더 구동이 이루어지는 상기 실린더계 작동부(110)와 전기 모터에 의해 회전 구동이 이루어지는 상기 회전계 작동부가 분리하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 전기 모터(120)에 의해 실린더 구동이 이루어지는 실린더계 작동부(110)는 붐(boom, 111), 암(arm, 112), 버킷(bucket, 113) 및 붐 스윙(boom swing) 장치(114)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전계 전기 모터(150)는,
    굴착기의 상부체 회전을 위한 선회 전기 모터(151); 및
    상기 굴착기의 하부체 주행을 위한 주행 전기 모터(152);를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 저장장치(160)는,
    충전용 배터리(161); 및
    상기 충전용 배터리(161)에 회로적으로 병렬 연결되며, 내부저항이 상기 충전용 배터리(161)보다 작은 슈퍼캐패시터(162);를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 저장장치(160)를 상기 선회 전기 모터(151) 및 주행 전기 모터(152)에 각각 연결시키는 양방향 전력변환 인버터(163)를 더 포함하여,
    상기 선회 전기 모터(151) 및 주행 전기 모터(152)에서 회생 제동시 상기 에너지 저장장치(160)에 회생 에너지가 충전되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기.















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