KR20220090644A

KR20220090644A - 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기

Info

Publication number: KR20220090644A
Application number: KR1020200180966A
Authority: KR
Inventors: 홍용; 유석준
Original assignee: 주식회사 호룡
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-06-30

Abstract

본 발명은 실린더계 작동부와 회전계 작동부가 모두 전기식으로 된 굴착기에 관한 것으로, 더 상세하게는 배터리와 슈퍼 캐패시터가 병렬로 연결된 에너지 저장장치로 회생 에너지의 저장, 초기 기동 전류 보상 및 순간 충전과 방전 효율 향상과 아울러 동작의 우선 순위에 따라서 제어가 가능하도록 하여 효율적인 에너지 사용이 가능하도록 한 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기에 관한 것이다.
본 발명의 구성은 전기 실린더들로 구성되는 실린더계 작동부(110)와;
굴착기의 회전을 위한 전기 모터들로 구성되는 회전계 작동부(150)와;
상기 실린더계 작동부(110)와 회전계 작동부(150)에 각각 전력을 공급하는 에너지 저장장치(160);를 포함하며,
상기 실린더계 작동부(110)와 상기 회전계 작동부(150)가 분리하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기{ELECTRIC EXCAVATOR USING ENERGY STORAGE APPARATUS}

본 발명은 실린더계 작동부와 회전계 작동부가 모두 전기식으로 된 굴착기에 관한 것으로, 더 상세하게는 배터리와 슈퍼 캐패시터가 병렬로 연결된 에너지 저장장치로 회생 에너지의 저장, 초기 기동 전류 보상 및 순간 충전과 방전 효율 향상과 아울러 동작의 우선 순위에 따라서 제어가 가능하도록 하여 효율적인 에너지 사용이 가능하도록 한 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.

그리고, 회전부는 전기모터를 사용해서 동작시키게 된다.

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.

본 발명의 다른 목적은 실린더 작동부 또한 전기구동 실린더를 적용하여 저장된 전기 에너지로 동작되는 풀(Full) 전기식 굴착기를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 배터리와 슈퍼 캐패시터가 병렬 연결된 에너지 저장장치로 회전계 작동부와 실린더계 작동부에서 발생한 회생 제동 에너지 저장, 초기 기동 전류 보상 및 순간 충방전 효율의 향상이 가능한 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기를 제공하는데 있다.

이러한 본 발명의 목적은, 전기 실린더들로 구성되는 실린더계 작동부와;

굴착기의 회전을 위한 전기 모터들로 구성되는 회전계 작동부와;

상기 실린더계 작동부와 회전계 작동부에 각각 전력을 공급하는 에너지 저장장치;를 포함하며,

상기 실린더계 작동부와 상기 회전계 작동부가 분리하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 전기 실린더들로 구동이 이루어지는 실린더계 작동부는 붐(boom), 암(arm), 버킷(bucket) 및 붐 스윙(boom swing) 장치를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 회전계 작동부는, 굴착기의 상부체 회전을 위한 선회 전기 모터 및 상기 굴착기의 하부체 주행을 위한 주행 전기 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에너지 저장장치는 충전용 배터리, 및 상기 충전용 배터리에 회로적으로 병렬 연결되며, 내부저항이 상기 충전용 배터리보다 작은 슈퍼캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 에너지 저장장치를 상기 실린더계 작동부와 회전계 작동부에 에 각각 연결시키는 양방향 전력변환 인버터(inverter)를 더 포함하여, 상기 전기 실린더들과 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 모터와 전기 실린더들로 모두 전동화 시키게 된다.

따라서, 전력을 유압으로 변환시나 유압 공급시 발생하는 손실 등을 방지할 수 있다.

더 나아가 배터리 및 슈퍼캐패시터가 병렬 연결된 에너지 저장장치로 전력을 제공되며, 회전계 모터로부터 회생 제동 에너지의 저장이 가능하면서도 내부저항이 작고 캐패시터의 특성을 갖는 슈퍼캐패시터로 인해 초기 기동 전류 보상 및 순간 충방전 효율을 향상시키게 된다.

또, 실린더계 작동부는 각 전동구동 실린더를 구동하게 되며 내부저항이 작고 캐패시터의 특성을 갖는 슈퍼캐패시터로 인해 초기 기동 전류 보상 및 순간 충방전 효율을 향상시키게 된다.

그리고, 양방향 인버터와 실린더계 모터와 연결이 되어 Boom, Arm, Bucket, Boom Swing Bracket, Dozer 을 구동하게 돼서 현재 유압식으로 구동하는 굴착기 대비하여 보다 효율적인 전기 에너지 사용이 가능하게 되는 효과가 있다. (도2)

또한, 양방향 인버터를 실린더계 모터와 그룹(Group)으로 제어 가능하여 소형화가 가능하고, 굴착기 실린더 동작에 맞는 인버터와 각부 전동구동 실린더를 매치하여 보다 효율적인 에너지 사용이 가능하게 되는 효과가 있다.(도 3)

도 1은 종래 기술에 따른 전기식 굴착기를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기를 나타낸 구성도이다.
도 3는 본 발명에 방향 인버터를 실린더계 모터와 그룹(Group)으로 제어 가능한 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기를 나타낸 구성도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

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 전기 실린더에 의해 실린더 구동이 이루어지는 실린더계 작동부(110)와 전기 모터에 의해 회전 구동이 이루어지는 회전계 작동부(150)가 분리하여 구성되어 있다.

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)와 도저(Dozer, 115)가 있으며, 이들은 모두 전기 실린더에 의해 구동되는 것들이다.

전기 실린더는 여러 종류가 시중에 알려져 있으나, 그중에 출력과 에너지 효율이 높으면서 정밀 제어가 가능한 롤러 스크류 방식이 적용된 제품이 적합하다.

반면, 도시는 생략하였지만 회전계 작동부(150)는 하부체를 주행시키는 주행 장치 및 상부체를 회전시키는 스윙 장치를 포함하며, 주행 장치는 차륜이나 무한궤도 등의 회전이 필요하고, 스윙 장치는 축회전이 필요하다.

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)와, 회전계 작동부(150) 및 에너지 저장장치(160)를 포함한다.

물론, 그 외 굴착기를 구성하기 위한 여러 다른 구성들도 포함한다.

이러한 구성에서 실린더계 작동부(110)와, 회전계 작동부(150) 및 에너지 저장장치(160)는 각각 양방향 인버터(163)와 함께 전기 시스템을 구성하게 된다.

상기 실린더계 작동부(110)는 전기 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)와 도저(115)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.

또 굴착기의 전방 또는 후방에는 도저(Dozer, 115)가 마련되어 있다.

이때, 실린계 작동부(110)에 제공되는 동력은 종래의 경우 전기릴이나 리드와이어로 전원을 공급받던 것과 다르게 에너지 저장장치(160)로부터 충전 전원을 공급받아 구동된다.

에너지 저장장치(160)에서 공급된 전원은 양방향 인버터(inverter, 163)에 의해 각 전기 실린더들의 용량에 맞게 설계된 정격 전원으로 변환된 후 실린더계 작동부(110)에 제공된다.

한편, 회전계 작동부(150)는 전기 모터에 의해 굴착기의 주로 회전계통을 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 작동부(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 작동부(150)의 경우에는 유압 시스템과의 연계 없이 회전계 전기 모터들을 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 실린더계 작동부(110)와 회전계 작동부(150)에 각각 전력을 공급하기 위한 것으로, 충전 전원에는 후술하는 회생 에너지를 포함한다.

또한, 에너지 저장장치(160)에서 실린더계 작동부(110)와 회전계 작동부(150)로 정격의 전원을 공급하기 위해 상술한 바와 같이 양방향 인버터(163)를 통해 회로적으로 전기 실린더들과 전기 모터들에 각각 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 실린더계 작동부(110)와 회전계 작동부(150)에 각각 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.

또, 프런트 툴(front tool)을 구성하는 붐(111), 암(112), 버킷(113) 및 붐 스윙 장치(114)와 도저(115)를 구동시키기 위한 각각의 전기 실린더들과 양방향 전력변환 인버터(163)를 통해 에너지 저장장치(160)에 회로적으로 연결된다.

여기서, 회전계 구동부(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)
115 - 도져(Dozer)
150 - 회전계 작동부
151 - 선회 전기 모터(스윙 모터)
152 - 주행 전기 모터
160 - 에너지 저장장치
161 - 충전 배터리
162 - 슈퍼 캐패시터
163 - 양방향 인버터

Claims

전기 실린더들로 구성되는 실린더계 작동부(110)와;
굴착기의 회전을 위한 전기 모터들로 구성되는 회전계 작동부(150)와;
상기 실린더계 작동부(110)와 회전계 작동부(150)에 각각 전력을 공급하는 에너지 저장장치(160);를 포함하며,
상기 실린더계 작동부(110)와 상기 회전계 작동부(150)가 분리하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기.
청구항 1에 있어서,
상기 전기 실린더들로 구동이 이루어지는 실린더계 작동부는 붐(111), 암(112), 버킷(113) 및 붐 스윙(114) 장치가 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기.
청구항 1에 있어서,
상기 회전계 작동부(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.
청구항 1에 있어서,
상기 에너지 저장장치(160)는 충전용 배터리(161), 및 상기 충전용 배터리(161)에 회로적으로 병렬 연결되며, 내부저항이 상기 충전용 배터리보다 작은 슈퍼캐패시터(162)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기.
청구항 1에 있어서,
상기 에너지 저장장치(160)를 상기 실린더계 작동부(110)와 회전계 작동부(150)에 각각 연결시키는 양방향 전력변환 인버터(inverter, 163))를 더 포함하여, 상기 전기 실린더들과 선회 전기 모터(151) 및 주행 전기 모터(152)에서 회생 제동시 상기 에너지 저장장치에 회생 에너지가 충전되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기.
청구항 1에 있어서,
상기 에너지 저장장치(160)는 상기 붐(111), 암(112), 버킷(113), 붐스윙(114), 도저(115)로 구성된 상기 실린더계 작동부(110)에 각각의 양방향 전력변환 인버터(inverter, 163))를 더 포함하여, 상기 각각의 전기 실린더들이 발생하는 각각의 회생전력을 충전해 두는 장치와 선회 전기 모터(151) 및 주행 전기 모터(152)에서 회생 제동시 상기 에너지 저장장치에 회생 에너지가 충전되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치를 이용한 전기식 굴착기.