KR20220070076A - 특장차 전용 배터리 구동 시스템 - Google Patents

특장차 전용 배터리 구동 시스템 Download PDF

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KR20220070076A
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Abstract

본 발명은 배터리 구동 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는, 특장차 전용 배터리 구동 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 차량의 엔진 구동에 따른 연료 소비를 감소시키고, 배기가스 오염배출 및 장시간 작업으로 인한 엔진 소음 등의 환경저해요인을 예방하며, 에너지의 효율성을 증대시키는 특장차용 배터리 구동 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 차량의 엔진에 연결되는 PTO에 모터제네레이터를 제 1 클러치를 통해 연결하고, 제 2 클러치를 통해 모터제네레이터와 차량에 탑재되는 특수 장비를 구동하는 유압펌프를 연결하는 것에 의해, i) 차량의 주행 중 주행과 정지가 반복되는 구간에서 차량 정지 시 엔진을 정지시킨 후 다시 출발하는 경우, 모터제네레이터를 모터로 사용하여 배터리에 의한 모터의 구동력으로 엔진을 구동시켜 주행함으로서 차량 정지 시 발생되는 엔진 연료 소모를 감소시키는 것과 동시에 엔진 소음을 방지하여 환경오염원을 줄이는 효과를 가질 수 있다. 또한, 차량의 주행 중 언덕길 등의 엔진 구동력이 크게 필요로 하는 주행 환경에서 모터제네레이터를 배터리에 의해 모터의 구동력을 발생시켜 차량 주행을 보조하도록 엔진 구동력에 힘을 더함으로써 주행 중의 발생 될 수 있는 과도한 연료소비를 감소시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다. 또한, 모터제네레이터를 발전기로 사용하여 주행 중 차량을 감속할 때 주행 관성을 이용하여 특수 작업을 위해 설치된 전기 동력 배터리에 발전기로 발생한 전력을 저장하게 함으로써 별도의 전기동력 배터리의 충전 장치를 설치하지 않게 됨으로써 장시간 충전을 방지하고, 연료 소모 없이 배터리에 충전된 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 효과를 가질 수 있다. 또한, 차량 감속 시 모터제네레이터가 발전기로 전기 발전할 때 발전 저항을 통해 자연적으로 차량 감속을 유도하게 되는 보조브레이크 기능을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 브레이크 장치로 인해 타이어에 장착된 브레이크 패드의 소모도 줄이면서 패드가 마모될 때 발생되는 환경 오염 물질이 저감되는 효과를 가질 수 있다. 또한, 배터리에 저장된 전기에너지는 특수 작업을 수행할 때 모터제네레이터를 모터로 사용하여 모터의 구동력을 발생시켜 유압 펌프용 모터 등의 구동 동력으로 사용함으로써 기존에 엔진 동력을 인출하여 사용하는 것에 비해 연료 소비를 감소시키고 작업 중의 장시간 사용에 대한 엔진소음을 감소시키는 효과를 가질 수 있다. 또한, 별도로 설치된 배터리의 용량이 한정되어 있어 장시간 특수한 작업을 수행 시 배터리가 방전되면 엔진 동력으로 모터제네레이터를 구동하여 전기를 발생시켜 배터리에 충전과 동시에 유압 펌프용 모터를 구동하는 것에 의해 엔진의 동력만으로 작업하는 것에 비해 연료 소모를 감소시키고, 유압 펌프용 모터를 구동하면서 발생되는 잉여 전력을 배터리에 충전하는 것에 의해 불필요한 에너지 소모를 방지하여 에너지 효율을 상승시키는 효과를 가질 수 있다. 또한, 특수 작업을 위해 차량의 이동 또는 정차 중에 엔진 동력으로 특수 장치용 배터리를 언제든지 장소에 구애받지 않고, 안전하게 충전할 수 있는 효과를 가질 수 있다.

Description

특장차 전용 배터리 구동 시스템{Specially equipped battery drive system}
본 발명은 배터리 구동 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는, 특장차 전용 배터리 구동 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 도로상 전선 작업을 하는 고소 작업차, 간판 및 건설 작업을 하는 고소 작업차 등과 같은 다양한 특장차들은 고소 작업을 위하여 매우 무거운 특수 장비를 포함하며, 특수 장비는 차량에 탑재되어 차량과 함께 이동된다. 특장차들에 장착된 특장 장비는 차량의 엔진 동력으로 작동하는 유압 펌프에 의해 구동 또는 특장차에 장착된 배터리에 연결된 전기 모터로 작동하는 유압 펌프에 의하여 구동된다. 특장차의 특수 장비를 배터리에 연결된 전기 모터로 유압 펌프를 작동하는 방식은 배터리의 용량에 따라서 작업을 하는 도중 배터리가 방전되어 작업을 할 수 없거나 배터리가 방전된 후 충전까지 많은 시간이 소요된다. 선행문헌 1(제10-2015-0098113호)은 이동형 충전 차량의 전력을 인출하는 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 자체 충전 발전기를 통하여 이동형 충전차량의 전력을 인출하여 직류-직류 충전기 및 충전용 커넥터를 통해 예비 배터리를 충전, 방전된 차량의 배터리를 충전 및 충전 스테이션의 배터리를 충전하는 구성을 개시하고 있다. 선행문헌 2(제10-2015-0097978호)는 전기차 전원공급 장치, 전원공급 방법 및 이를 구비한 차량에 관한 것으로서, 엔진에서 발생되는 동력을 전기를 변환하는 발전부, 하나 이상의 배터리를 수용하는 전원부, 상기 발전부에서 발생된 전기를 배터리로 공급하는 충전부를 포함하는 구성을 개시하고 있다. 그러나 상기 종래기술들은 PTO에 연결된 발전기를 이용하여 배터리를 충전하고 충전된 배터리의 전력을 이용하여 전기자동차를 충전하거나 PTO에 연결된 발전기로부터 직접 전기자동차를 충전하는 등 어느 하나의 충전 모드만을 제공하는 구성이므로, 다양한 충전 요구 조건에 상응하는 충전 모드를 제공하기 힘들다는 문제점이 있다.
본 발명은 차량의 엔진 구동에 따른 연료 소비를 감소시키고, 배기가스 오염배출 및 장시간 작업으로 인한 엔진소음 등의 환경저해요인을 예방하며, 에너지의 효율성을 증대시키는 특장차 전용 배터리 구동 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 특장차용 배터리 구동 시스템은 차량또는 장비를 구동시키는 동력을 발생시키는 엔진, 상기 엔진에 연결되어 엔진의 동력을 인출하는 동력인출장치, 상기 동력인출장치와 연결되며, 발전기 및 전동기의 기능을 모두 구비한 모터제네레이터, 상기 동력인출장치 또는 상기 모터제네레이터 중 어느 한 곳에 구비되며, 제 1 샤프트를 통해 상기 동력인출장치 및 상기 모터제네레이터를 연결하는 동력인출클러치, 상기 동력인출장치로부터 인출되는 상기 엔진의 동력을 변환하여 특장용 배터리을 충전하거나 상기 특장용 배터리에 충전된 전력을 변환하여 상기 장비를 구동하기 위한 유압펌프로 전달하는 양방향 AC/DC 인버터, 상기 양방향 AC/DC 인버터에 의해 DC 전류로 변환된 상기 엔진의 동력을 차량용 배터리에 충전하는 DC/DC 컨버터 및 상기 모터제네레이터 또는 상기 유압펌프 중 어느 한 곳에 구비되며, 제 2 샤프트를 통해 상기 모터제네레이터 및 상기 유압 펌프를 연결하는 모터클러치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 외부적으로 상기 특장용 배터리 및 상기 차량용 배터리를 충전하는 상용 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 동력인출클러치 및 상기 모터클러치는 상기 동력인출장치 및 상기 유압 펌프의 구동 여부에 따라 동시 또는 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 유압펌프 작동 시 상기 특장용 배터리가 방전되면 상기 동력인출클러치가 ON되어 상기 엔진의 동력으로 상기 유압펌프를 구동하는 것과 동시에 잉여전력을 상기 특장용 배터리에 충전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 동력인출클러치를 통해 차량의 엔진에 연결되는 동력인출장치와 모터제네레이터를 연결하고, 모터클러치를 통해 모터제네레이터와 차량에 탑재되는 특수 장비를 구동하는 유압펌프를 연결하는 것에 의해, i) 차량의 주행 중 주행과 정지가 반복되는 구간에서 차량 정지 시 엔진을 정지시킨 후 다시 출발하는 경우, 모터제네레이터를 모터로 사용하여 배터리에 의한 모터의 구동력으로 엔진을 구동시켜 주행함으로서 차량 정지 시 발생되는 엔진 연료 소모를 감소시키는 것과 동시에 엔진 소음을 방지하여 환경오염원을 줄이는 효과를 가질 수 있다. ii) 차량의 주행 중 언덕길 등의 엔진 구동력이 크게 필요로 하는 주행 환경에서 모터제네레이터를 배터리에 의해 모터의 구동력을 발생시켜 차량 주행을 보조하도록 엔진 구동력에 힘을 더함으로써 주행 중의 발생 될 수 있는 과도한 연료 소비를 감소시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다. iii) 모터제네레이터를 발전기로 사용하여 주행 중 차량을 감속할 때 주행 관성을 이용하여 특수 작업을 위해 설치된 전기 동력 배터리에 발전기로 발생한 전력을 저장하게 함으로써 별도의 전기동력 배터리의 충전 장치를 설치하지 않게 됨으로써 장시간 충전을 방지하고, 연료 소모 없이 배터리에 충전된 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 효과를 가질 수 있다. iv) 차량 감속 시 모터제네레이터가 발전기로 전기 발전할 때 발전 저항을 통해 자연적으로 차량 감속을 유도하게 되는 보조브레이크 기능을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 브레이크 장치로 인해 타이어에 장착된 브레이크 패드의 소모도 줄이면서 패드가 마모될 때 발생되는 환경 오염 물질이 저감되는 효과를 가질 수 있다. v) 배터리에 저장된 전기에너지는 특수 작업을 수행할 때 모터제네레이터를 모터로 사용하여 모터의 구동력을 발생시켜 유압 펌프용 모터 등의 구동 동력으로 사용함으로써 기존에 엔진 동력을 인출하여 사용하는 것에 비해 연료 소비를 감소시키고 작업 중의 장시간 사용에 대한 엔진소음을 감소시키는 효과를 가질 수 있다. vi) 별도로 설치된 배터리의 용량이 한정되어 있어 장시간 특수한 작업을 수행 시 배터리가 방전되면 엔진 동력으로 모터제네레이터를 구동하여 전기를 발생시켜 배터리에 충전과 동시에 유압 펌프용 모터를 구동하는 것에 의해 엔진의 동력만으로 작업하는 것에 비해 연료 소모를 감소시키고, 유압 펌프용 모터를 구동하면서 발생되는 잉여 전력을 배터리에 충전하는 것에 의해 불필요한 에너지 소모를 방지하여 에너지 효율을 상승시키는 효과를 가질 수 있다. vii) 특수 작업을 위해 차량의 이동 또는 정차 중에 엔진 동력으로 특수 장치용 배터리를 언제든지 장소에 구애받지 않고, 안전하게 충전할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 내용으로 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 특장차 전용 배터리 구동 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에 일 실시예에 따른 특장차용 배터리 구동 시스템은 차량의 엔진 구동에 따른 연료 소비를 감소시켜 에너지의 효율성을 증대시킬 수 있으며, 배기가스 오염배출 및 장시간 작업으로 인한 엔진 소음 등의 환경저해요인을 예방할 수 있다. 특장차용 배터리 구동 시스템은 엔진, 동력인출장치, 모터제네레이터, 동력인출클러치, 양방향 AC/DC 인버터, DC/DC 컨버터, 모터클러치, 유압펌프 및 상용전원을 포함할 수 있다. 엔진은 통상적으로 차량에 장착되어 동력을 발생시켜 차량 또는 장비를 구동시키는 구성이다. 본 발명에서 엔진의 사양이나 성능은 한정하지 않는다. 동력인출장치는 엔진에 연결될 수 있으며, 엔진의 동력을 인출하여 배터리을 충전하거나 인출된 동력을 유압펌프로 전달할 수 있다. 또한, 동력인출장치는 동력인출클러치 및 제 1샤프트를 통해 모터제네레이터와 연결될 수 있다. 모터제네레이터는 일측이 제 1 샤프트를 통해 동력인출장치와 연결될 수 있으며, 타측이 제 2샤프트를 통해 유압펌프와 연결될 수 있다. 모터제네레이터는 발전기 및 전동기의 기능을 모두 구비할 수 있으며, 동력인출클러치 및 모터클러치에 의해 동력인출장치 및 유압펌프와 연결될 수 있다. 모터제네레이터는 차량 주행 중 브레이크 패달을 밟으면 관성 주행력으로 발전기가 구동되어 전력을 생산할 수 있으며, 생산된 전력은 특장용 배터리에 충전될 수 있다. 이에 따라, 별도의 충전 장치를 설치하지 않게 됨으로써 차량을 사용하지 않는 시간에 따라 충전을 할 필요가 없으며, 모터제네레이터는 차량 감속시, 브레이크 패달을 밟는 것에 의해 발전기 기능이 발휘되어 발전기로 전력을 생산할 때 발생되는 기계적인 소모 동력, 즉, 저항에 의해 차량의 감속을 유도할 수 있으며, 이에 따라, 브레이크 패드의 소모를 줄이는 것과 동시에 패드 마모에 의해 발생되는 환경 오염 물질을 감소시킬 수 있다. 또한, 모터제네레이터는 차량이 정차하는 경우, 엔진을 정지시킨 후 재출발 시 특장용 배터리에 충전된 전력을 이용하여 엔진을 구동시킬 수 있으며, 이에 따라, 정차 시 발생되는 엔진 연료 소모를 감소시킬 수 있는 것과 동시에 엔진 소음을 방지하여 환경오염원을 감소시킬 수 있다. 또한, 차량이 주행중 오르막길이나 언덕길 등 엔진 구동력이 크게 필요한 주행 환경에서도 특장용 배터리에 충전된 전력을 이용하여 엔진의 구동력을 보조할 수 있으며, 이에 따라, 과도한 연료의 소비를 방지할 수 있다. 동력인출클러치는 동력인출장치 또는 모터제네레이터 중 어느 한 곳에 구비될 수 있으며, 제 1샤프트를 통해 동력인출장치 및 모터제네레이터를 연결할 수 있다. 또한, 동력인출클러치는 특수 장비의 사용 여부에 따라 ON/OFF 될 수 있으며, 특수 장비를 사용하고 있다고 하더라도 특장용 배터리의 방전 시에는 ON되어 엔진의 동력을 유압펌프로 전달하여 특수 장비를 사용할 수 있다. 이때, 특수 장비 사용 시 엔진의 동력을 모두 사용하지 않기 때문에 특수 장비에 사용되지 않는 잉여 동력은 특장용 배터리에 충전될 수 있다. 양방향 AC/DC 인버터는 동력인출장치로부터 인출되는 엔진의 동력을 변환하여 특장용 배터리를 충전할 수 있으며, 특장용 배터리에 충전된 전력을 변환하여 특수 장비를 구동하기 위한 유압펌프로 전달할 수 있다. DC/DC 컨버터는 양방향 AC/DC 인버터에 의해 DC 전류로 변환된 엔진의 동력을 차량용 배터리에 충전할 수 있으며, 특장용 배터리와 연동될 수 있다. 모터클러치는 모터제네레이터 또는 유압펌프 중 어느 한 곳에 구비될 수 있으며, 제 2 샤프트를 통해 모터제네레이터 및 유압펌프를 연결할 수 있다. 또한, 모터클러치는 특수 장비의 사용 여부에 따라 ON/OFF 될 수 있으며, 차량의 주행 중에는 항상 OFF 상태일 수 있다. 즉, 특수 장비를 사용하는 경우에만 연결될 수 있다. 여기서, 동력인출클러치 및 모터클러치는 모터제네레이터의 발전기 기능 또는 모터 기능 중 어느 하나의 기능이 수행되는 것에 의해 동력인출장치 및 유압펌프에 동시 또는 선택적으로 연결될 수 있다. 또한, 동력인출클러치 및 모터클러치의 연결에 의해 특장용 배터리의 충전과 동시에 특수장비의 구동을 원활하게 수행할 수 있으며, 장소에 구애받지 않고 안전하게 충전할 수 있다. 유압펌프는 모터클러치가 연결되면 양방향 AC/DC 인버터에 의해 특장용 배터리에 충전된 에너지로 구동될 수 있으며, 모터클러치가 ON되어 유압펌프가 구동되는 경우, 동력인출클러치는 OFF되어 특장용 배터리에 의해 엔진이 시동되지 않게 할 수 있다. 유압펌프가 구동되면 유압이 유압밸브으로 전달되어 특수 장비가 구동될 수 있다. 이에 따라, 종래의 엔진동력을 인출하여 특수 장비를 구동하는 것에 비해 연료의 소비를 절감할 수 있으며, 작업 중의 엔진 소음을 감소시킬 수 있다. 상용전원은 외부적으로 특장용 배터리 및 차량용 배터리을 충전할 수 있으며, 선택적으로 설치될 수 있다. 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 해당 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (1)

  1. 차량 또는 장비를 구동시키는 동력을 발생시키는 엔진, 상기 엔진에 연결되어 엔진의 동력을 인출하는 동력인출장치, 상기 동력인출장치와 연결되며, 발전기 및 전동기의 기능을 모두 구비한 모터제네레이터, 상기 동력인출장치 또는 상기 모터제네레이터 중 어느 한 곳에 구비되며, 제 1 샤프트를 통해 상기 동력인출장치 및 상기 모터제네레이터를 연결하는 동력인출클러치, 상기 동력인출장치로부터 인출되는 상기 엔진의 동력을 변환하여 특장용 배터리을 충전하거나 상기 특장용 배터리에 충전된 전력을 변환하여 상기 장비를 구동하기 위한 유압펌프로 전달하는 양방향 AC/DC 인버터, 상기 양방향 AC/DC 인버터에 의해 DC 전류로 변환된 상기 엔진의 동력을 차량용 배터리에 충전하는 DC/DC 컨버터 및 상기 모터제네레이터 또는 상기 유압펌프 중 어느 한 곳에 구비되며, 제 2 샤프트를 통해 상기 모터제네레이터 및 상기 유압 펌프를 연결하는 모터클러치를 포함하는 것을 특징으로 하는 특장차 전용 배터리 구동 시스템.
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