WO2012087080A2 - 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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WO2012087080A2
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    • F15B2211/80—Other types of control related to particular problems or conditions
    • F15B2211/88—Control measures for saving energy

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid excavator boom driving system and a control method thereof, and more particularly, a hybrid excavator in which a hydraulic pump motor is driven by an electric motor to operate a boom, and the regenerative power of the boom is recovered by an electric motor to improve fuel efficiency.
  • the present invention relates to a boom drive system and a control method thereof.
  • an excavator is provided by a main control valve having a plurality of spools for distributing and recovering the pressurized hydraulic oil from two main pumps and two main pumps driven by an engine to a boom, an arm, a bucket cylinder, and a swing motor. It works.
  • the excavator boom drive system is configured such that when the hydraulic oil is supplied to the cylinder head side of the boom cylinder by the main pump, the boom is raised, and when the hydraulic oil is supplied to the rod side of the cylinder, the boom is lowered.
  • the raising and lowering of the boom is determined by the operation direction of the boom joystick, and the raising and lowering speed of the boom is determined by the operation amount of the joystick.
  • the boom is initially supplied with hydraulic oil to the boom cylinder by one main pump, and when the large flow rate is required, the hydraulic oil is supplied from the two main pumps by the main control valve.
  • the hydraulic system for driving the boom is very low in efficiency, and in particular, the low flow rate section for driving the boom cylinder by one main pump is much lower in energy efficiency than the large flow rate section using two main pumps. That is, when the boom is raised, a large flow loss occurs in the main control valve until the micromanipulation operation section corresponding to about 1/2 of the maximum supply flow rate of the main pump, and the energy efficiency is very low.
  • the energy supplied when the boom is raised is stored in the form of potential energy of the boom, and the amount of renewable energy of the boom is estimated to be approximately 90% of the supply energy.
  • the hydraulic system of the conventional excavator most of the regenerative energy of the boom stored in the form of the potential energy of the boom is converted into heat by the meter-out control at the main control valve when the boom lowers and is lost.
  • the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, while minimizing the energy loss during the excavation work, which is the main use of the excavator while using the electric motor, to ensure the operation performance of the boom, and to recover the energy of the boom It is to provide a hybrid excavator boom drive system and a control method for recovering.
  • the hybrid excavator boom driving system includes an electric motor operated by a motor or a generator, an ultracapacitor for storing electricity produced by the electric motor, a hydraulic pump motor driven by the electric motor to supply hydraulic oil to the boom, and the hydraulic pressure.
  • a boom control valve constituting a closed circuit for selectively connecting or disconnecting the discharge line and the inlet line of the pump motor with the head or rod side of the boom, and a main pump driven by the engine to supply hydraulic oil to the bucket, the traveling motor or the arm.
  • a motor bypass valve connected to the discharge line and the inflow line, respectively, to connect or disconnect the discharge line and the inflow line, the motor, the hydraulic pump motor, the boom control valve, and the motor bypass valve. It includes a control unit for controlling.
  • control unit when the lowering of the boom is started, the control unit is characterized in that the operation of the hydraulic pump motor is stopped, the motor bypass valve is switched to connect between the discharge line and the inlet line.
  • control unit operates the hydraulic pump motor, the motor bypass valve between the discharge line and the inlet line It is characterized by switching to block.
  • the control method of the hybrid excavator boom driving system includes the steps of detecting the operation amount of the boom joystick, determining whether the boom is lowered according to the operation of the boom joystick, and when the lowering of the boom is started, Stopping the operation of the pump motor, switching the motor bypass valve to connect between the discharge line and the inlet line, determining whether the flow rate discharged from the head of the boom is equal to or greater than a preset value; And operating the hydraulic pump motor when the flow rate is greater than or equal to a preset value, and switching the motor bypass valve to cut off between the discharge line and the inlet line.
  • Hybrid excavator boom drive system and control method according to the present invention as described above to minimize the energy loss during the excavation work, the main use of the excavator while using an electric motor, to ensure the operating performance of the boom, and to regenerate the energy of the boom The effect of recovering can be obtained.
  • the discharge line and the inlet line are connected by the motor bypass valve so that the flow rate of the inlet line is supplied to the discharge line, thereby stably driving the system even if the discharge flow rate of the boom cylinder is not sufficient. Can be.
  • the flow rate of the inflow line is controlled to be supplied to the discharge line at the beginning of the boom lowering, in which the hydraulic pump motor may operate unstable, thereby preventing cavitation that may occur in the discharge line.
  • FIG. 1 is a block diagram of a hybrid excavator boom driving system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a boom raised state of FIG. 1.
  • 3 to 5 are configuration diagrams showing the boom lowered state of FIG.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a control method of a hybrid excavator boom driving system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a hybrid excavator boom driving system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a block diagram showing a boom raised state of Figure 1
  • the hybrid excavator boom driving system includes an electric motor 110 operated by a motor or a generator, an ultracapacitor 115 for storing electricity produced by the electric motor 110, and the like.
  • the electric storage device 116 including the hydraulic pump motor 120 is driven by the motor 110 to supply the hydraulic oil to the boom 100, the discharge line 121 and the inlet line 122 of the hydraulic pump motor 120 To the boom control valve 125 and the discharge line 121 and the inlet line 122 to selectively connect or block the head 106 or the rod 107 side of the boom 100, respectively, the discharge line 121 And a motor bypass valve 200 that connects or blocks the inflow line 122.
  • the electrical storage device 116 may receive most of the power by driving the motor / generator 142 connected to the engine 141.
  • the connection structure of the motor / generator 142 and the engine 141 is not shown in this drawing, it may be connected by various known methods, such as being connected between the engine 141 and the main pump 140 to be described later.
  • the electric storage device 116 uses the ultra-capacitor 115 that can achieve a faster charging and charging efficiency than other electrical storage means as a device for storing the electrical energy.
  • this is not limited to the present embodiment, and any type of secondary battery generally used in a hybrid system other than the ultracapacitor 115 may be used.
  • the boom control valve 125 is connected to the main pump 140 by the boom auxiliary line 145 to which hydraulic oil is supplied.
  • the main pump 140 is composed of two, driven by a separate power source separate from the electric motor 110 for providing power to the hydraulic motor pump 120, such as an engine 141 or an electric generator (not shown)
  • the hydraulic fluid is provided to other work devices except the boom such as a bucket, a traveling motor or an arm.
  • the hydraulic pump motor 120 is connected to a discharge line 121 through which hydraulic fluid is discharged and an inflow line 122 through which hydraulic fluid is introduced. have.
  • the discharge line 121 and the inlet line 122 are connected to the head 106 or the rod 107 side of the boom cylinder 105 by the boom control valve 125. That is, the discharge line 121 and the inlet line 122 is connected or blocked by the boom control valve 125.
  • the boom control valve 125 connects the discharge line 121 and the inflow line 122 in the forward direction to connect the forward connection portion 126, the discharge line 121 and the inflow line 122, which raise the boom 100. On the contrary, it is composed of a cross connection portion 127 and a blocking portion 128 which disconnects the discharge line 121 and the inflow line 122.
  • Boom control valve 125 is operated by an electronic proportional control valve or a separate pilot hydraulic line, the connection state of the discharge line 121 and the inlet line 122 is switched.
  • the boom control valve 125 is configured as an example of an electromagnetic proportional control valve controlled by the controller 160.
  • the boom control valve 125 may be configured to be operated by a known pilot hydraulic line. In this case, the boom control valve 125 may be controlled by a pilot hydraulic line which is discharged by the operation of the boom joystick 161 and not supplied to the pilot hydraulic line rather than the controller 160.
  • the motor bypass valve 200 is connected between the discharge line 121 and the inlet line 122, and the discharge line 121 and the inlet line (so that the flow rate of the inlet line 122 is supplied to the discharge line 121) It is configured to connect 122 or to block the connection of the discharge line 121 and the inlet line 122.
  • the discharge line 121 of the hydraulic pump motor 120 is provided with a check valve 129 to prevent reverse flow, and the boom auxiliary line 145 is provided on the discharge line 121 upstream of the check valve 129.
  • a first control valve 151 connecting with the tank is connected between the hydraulic pump motor 120 and the discharge line 121 of the boom control valve 125.
  • a second control valve 152 connected to the tank is connected between the connection portion of the boom auxiliary line 145 and the hydraulic pump motor 120.
  • the motor 110, the hydraulic pump motor 120, the boom control valve 125, the motor bypass valve 200, the first control valve 151, and the second control valve 152 are controlled by the controller 160. The operation is controlled.
  • the controller 160 controls the electric motor 110 in response to an operation of the boom joystick 161.
  • the pump motor 120 is driven by a pump.
  • the outlet side of the hydraulic pump motor 120 is connected to the boom 100 head 106 side through the discharge line 121 by the switching of the boom control valve 125, the boom 100, the rod 107
  • the side is connected to the suction side of the hydraulic pump motor 120 by the inlet line 122 of the hydraulic pump motor 120.
  • the motor bypass valve 200 is a state in which the connection of the discharge line 121 and the inlet line 122 is blocked.
  • the boom 100 starts to rise by the flow rate discharged from the hydraulic pump motor 120, the boom 100 by the swash plate angle control made by the rotational speed of the electric motor 110 and the swash plate angle control device 170. Speed control is achieved.
  • a closed circuit is configured between the hydraulic pump motor 120 and the boom cylinder 105, the flow rate supplied from the boom cylinder 105 to the hydraulic pump motor 120 by the cylinder area difference from the hydraulic pump motor 120 It is shorter than the flow rate supplied to the boom cylinder 105. At this time, the insufficient flow rate is connected to the first control valve 151 is supplied from the tank.
  • the controller 160 calculates the power of the motor 110 from the torque, the rotational speed of the motor 110, the hydraulic pump motor 120 through the swash plate angle and rotational speed output from the swash plate angle control device 170 Monitor the flow rate.
  • the control unit 160 controls the boom auxiliary valve 144.
  • the flow rate of the main pump 140 is supplied to the boom cylinder 105.
  • the controller 160 controls the opening and closing of the boom auxiliary valve 144 so that the boom cylinder 105 can follow the signal of the boom joystick 161.
  • the boom auxiliary valve 144 is switched to the right by the control unit 160 in the disconnected state, the boom auxiliary line 145 is connected to the main pump 140 driven by the engine 141.
  • the boom auxiliary valve 144 can be kept open at all times when the boom is raised. However, if the boom auxiliary valve 144 is opened when the boom is raised in this way, a pressure load may be applied to the main pump 140 to cause another energy loss. More preferably, the boom auxiliary valve 144 is opened.
  • the hydraulic pump motor 120 flows back from the chamber of the head 106 side of the boom cylinder 105 by the controller 160. It works by The electric motor 110 operates as a generator by the driving force of the hydraulic pump motor 120, and the generated power is stored in the electric storage device 116.
  • the controller 160 stops the lifting operation of the boom 100.
  • the boom control valve 125 is switched to the blocking portion 128, and the motor bypass valve 200 blocks the connection of the discharge line 121 and the inlet line 122.
  • the connection of the motor bypass valve 200 is cut off while the lifting operation of the boom 100 is stopped, but according to the embodiment, the discharge line 121 and the inflow line 122 are Of course, it can be configured to be connected.
  • the controller 160 starts the lowering operation of the boom 100.
  • the descending speed of the boom 100 is controlled by controlling the swash plate angle through the swash plate angle control device 170 to control the rotational speed of the hydraulic pump motor 120, and the amount of generation of the motor 110 is also controlled.
  • the flow rate supplied to the suction side of the hydraulic pump motor 120 is small at the beginning of the boom lowering.
  • the flow rate supplied to the hydraulic pump motor 120 should be supplied to the rod 107 side chamber of the boom cylinder 100 via the hydraulic pump motor 120 and the boom control valve 125.
  • the hydraulic pump motor 120 is supplied to the rod 107 side chamber of the boom cylinder 100 while driving. Pressure is hard to form. As a result, cavitation occurs because a sufficient flow rate for lowering the boom is not supplied to the rod 107 side chamber of the boom cylinder 100, and the boom cylinder 100 and the hydraulic pump motor ( Damage to hydraulic components such as 120) may occur. In addition, the control and operation characteristics of the hydraulic pump motor 120 is very unstable, there is a fear that the boom drive system becomes unstable.
  • the head 106 side of the boom 100 is switched to the suction side of the hydraulic pump motor 120 by the inflow line 122 by switching of the boom control valve 125. It is connected to, the boom 100, the rod 107 side is connected to the discharge side of the hydraulic pump motor 120 by the discharge line 121.
  • the motor bypass valve 200 is switched to connect the discharge line 121 and the inflow line 122.
  • connection state of the motor bypass valve 200 is configured to supply the flow rate discharged from the inflow line 122 to the discharge line 121, and the supply to the discharge line 121 is performed.
  • the discharge flow rate of the boom cylinder 105 may be increased to stably drive the boom driving system.
  • the controller 160 controls the hydraulic pump motor ( 120) that it can operate stably. Accordingly, as shown in FIG. 5, the motor bypass valve 200 is switched to cut off the connection between the discharge line 121 and the inflow line 122, and the hydraulic pump motor 120 is operated.
  • a closed circuit is configured between the hydraulic pump motor 120 and the cylinder, and as the flow rate supplied to the hydraulic pump motor 120 increases, the area of the boom cylinder 105 according to the presence or absence of the rod 107 is increased.
  • the flow rate supplied from the boom cylinder 105 to the hydraulic pump motor 120 is greater than the flow rate supplied from the hydraulic pump motor 120 to the boom cylinder 105.
  • the surplus flow rate supplied from the hydraulic pump motor 120 to the boom cylinder 105 is discharged to the tank by the second control valve 152 connected to the discharge line 121 is connected by the signal of the control unit 160 do.
  • the control unit 160 When the flow rate exceeding the allowable flow rate of the hydraulic pump motor 120 or exceeding the generating capacity of the electric motor 110 is discharged from the boom cylinder 105 and supplied to the hydraulic pump motor 120, the control unit 160. By operating the first control valve 151 in a connected state can discharge the excess flow rate exceeding the capacity of the hydraulic pump motor 120 and the motor 110 to the tank. At this time, the first control valve 151 discharges the surplus flow rate of the working oil flowing from the boom cylinder 105 to the hydraulic pump motor 120 through the inlet line 122 to the tank.
  • the first control valve 151 may connect a tank when the boom 100 is raised to supply insufficient hydraulic oil to the boom cylinder 105, and conversely, when the boom 100 is lowered. Except when the excess flow is generated from the boom cylinder 105 to the hydraulic pump motor 120 side is blocked.
  • the second control valve 152 is blocked when the boom 100 is raised and is connected when the boom 100 is lowered. Accordingly, the flow rate discharged from the chamber of the head 106 side of the boom cylinder 100 passes through the cross connection portion 127 of the boom control valve 125, the inflow line 122, and the hydraulic pump motor 120. Thereafter, the tank is returned to the tank via the second control valve 152 or supplied to the rod 107 side chamber of the boom cylinder 100.
  • the electric motor 110 is operated as a generator by the hydraulic pump motor 120 driven by the flow rate, the electric energy thus generated is stored in the electrical storage device 116.
  • the hydraulic pump motor 120 is operated as a load, which may cause a problem that the flow rate is not sufficiently supplied to the rod 107 side of the boom cylinder 100 by this load.
  • the motor bypass valve 200 by driving the motor bypass valve 200 so that a sufficient flow rate is supplied to the rod 107 side of the boom cylinder 100, it is possible to solve the problem occurring in the initial stage of the boom lowering as described above.
  • the boom auxiliary valve 144 is the flow rate of the main pump 140 when the control signal of the boom joystick 161 rises to exceed the supply flow rate of the hydraulic pump motor 120 or exceeds the capacity of the electric motor 110 It is connected by the control part 160 so that it may be supplied to this boom cylinder 105 side.
  • an operation amount of the boom joystick 161 is detected (S10), and the rising or falling of the boom 100 is determined according to the detected operation amount (S20).
  • the first control valve 151 is opened (S30), and the driving power of the boom 100 and the maximum supplyable power of the electric motor 110 are adjusted according to the operation amount of the boom joystick 161. Compare (S40). If the driving power of the boom 100 is smaller than the maximum supplyable power of the electric motor 110, the required flow rate of the boom cylinder 105 and the maximum flow rate of the hydraulic pump motor 120 is compared (S50).
  • the controller determines whether the discharge flow rate of the boom head 106 is equal to or greater than a preset flow rate (S110). When the discharge flow rate of the boom head 106 is less than the preset flow rate, the current set state is maintained.
  • the motor bypass valve 200 is switched to switch the discharge line 121 and the inflow line Block the connection of (122) (S130). Accordingly, the flow rate discharged from the boom cylinder head 106 is supplied to the hydraulic motor pump 120, the hydraulic motor pump 120 operates as a hydraulic motor by the supplied high pressure pressure oil and regenerates the boom energy.
  • the regenerative power of the boom 100 and the maximum regenerative power of the electric motor 110 are compared (S140).
  • the regenerative power of the boom 100 is less than the maximum regenerative power of the electric motor 110
  • the regenerative flow rate of the boom cylinder 105 and the allowable flow rate of the hydraulic pump motor 120 are compared (S150).
  • the first control valve 151 is blocked (S160).
  • the regenerative flow rate of the boom cylinder 105 is larger than the allowable flow rate of the hydraulic pump motor 120, the surplus flow rate is discharged to the tank by connecting the first control valve 151, and the regenerative power of the boom 100 is increased. Even when greater than the maximum regenerative power of the motor 110, the first control valve 151 is connected to discharge the surplus flow rate to the tank (S170).
  • the hybrid excavator boom driving system and its control method drive the boom 100 by using the electric motor 110 and the hydraulic pump motor 120 when the boom 100 is raised, and thus the flow rate is fine. It is possible to improve fuel economy by eliminating the loss of hydraulic system during operation.
  • the system can be stably operated.
  • the motor bypass valve 200 is switched to switch the boom. Since the flow rate discharged from the cylinder head 106 can be supplied to the hydraulic motor pump 120, it is possible to prevent the control and operating characteristics of the hydraulic motor pump 120 from becoming unstable.
  • the flow rate required in the initial micro-manipulation section when the boom 100 is operated alone is supplied from the electric motor 110 and the hydraulic pump motor 120, and the boom 100 is approximately the maximum supply flow rate and power level that exceeds the corresponding portion
  • the part can be supplied using an existing hydraulic system with a main pump 140.
  • the present invention can be used to minimize the energy loss during operation with an excavator, to ensure the operation performance of the boom, and to provide the effect of recovering the regenerative energy of the boom.

Abstract

본 발명은 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템은 모터 또는 발전기로 작동되는 전동기와, 상기 전동기에서 생산된 전기를 저장하는 울트라 캐패시터와, 상기 전동기로 구동되어 붐에 작동유를 공급하는 유압펌프모터와, 상기 유압펌프모터의 토출라인과 유입라인을 상기 붐의 헤드 또는 로드 측과 선택적으로 연결하거나 차단하는 폐회로를 구성하는 붐 제어밸브와, 엔진에 의해 구동되어 버켓, 주행모터 또는 암에 작동유를 공급하는 메인펌프와, 상기 토출라인과 상기 유입라인에 각각 연결되어 상기 토출라인과 상기 유입라인 사이를 연결 또는 차단하는 모터 바이패스 밸브와, 상기 전동기, 상기 유압펌프모터, 상기 붐 제어밸브 및 상기 모터 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 포함한다. 이와 같은 본 발명은 붐 하강 시 유압펌프모터 및 시스템이 불안정하게 동작하는 것을 방지하면서, 붐의 작동성능을 확보하여 붐의 회생 가능한 에너지를 회수할 수 있다.

Description

하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법
본 발명은 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전동기에 의해 유압펌프모터를 구동하여 붐을 작동시키고, 붐의 회생동력을 전동기에 의해 회수하여 연비가 향상되는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 굴삭기는 엔진에 의해 구동되는 2개의 메인펌프 및 2개의 메인펌프에서 가압된 작동유를 붐, 암, 버켓 실린더 및 스윙모터에 분배하고 회수하는 복수의 스풀이 내부에 구성된 메인컨트롤 밸브에 의해 작동된다.
그리고, 굴삭기 붐 구동시스템은, 메인펌프에 의해 작동유가 붐 실린더의 실린더 헤드 측으로 공급되면 붐이 상승되고, 실린더의 로드 측으로 작동유가 공급되면 붐이 하강하도록 구성되어 있다. 붐의 상승 및 하강은 붐 조이스틱의 조작방향에 따라 결정되고, 붐의 상승 및 하강속도는 조이스틱의 조작량에 따라 결정된다.
붐은 초기에 하나의 메인펌프에 의해 작동유가 붐 실린더에 공급되며, 대유량이 필요한 경우에는 메인컨트롤 밸브에 의해 두 개의 메인펌프에서 작동유를 공급받는다.
통상적으로 붐을 구동시키는 유압시스템은 효율이 매우 낮으며, 특히 하나의 메인펌프에 의해 붐 실린더를 구동시키는 저유량 구간은 2개의 메인펌프를 사용하는 대유량 구간보다 에너지 효율이 매우 낮다. 즉, 붐의 상승 시에는 메인펌프의 최대 공급 유량의 약 1/2에 해당하는 미세조작 작동구간까지 메인컨트롤 밸브에서 많은 유동손실이 발생하여, 에너지 효율이 매우 낮다.
또한, 붐 상승 시 공급된 에너지는 붐의 위치에너지 형태로 저장되고, 붐의 회생가능한 에너지량은 대략 공급에너지의 90%로 예측된다. 그러나, 종래의 굴삭기의 유압시스템에 따르면, 붐의 위치에너지인 형태로 저장된 붐의 회생가능한 에너지 대부분은 붐 하강 시 메인컨트롤 밸브에서 미터아웃(Meter-out)제어에 의해 열로 변환되어 손실된다.
통상적인 굴삭작업에서 각 액츄에이터로 유량배분에 의해 붐 실린더에 공급되는 유량의 경우, 메인펌프의 최대유량 대비 일정 비율이상을 초과하는 경우는 많지 않고, 동력 또한 엔진 최대 동력을 모두 사용하는 경우는 거의 발생하지 않는다. 따라서, 순간적으로 상승하는 요구동력/회생동력 및 대유량에 대응하기 위해 대용량의 유압펌프모터를 사용하는 것은 비효율적이다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전동기를 이용하면서도 굴삭기의 주된 사용 용도인 굴삭 작업 시 에너지 손실을 최소화하고, 붐의 작동성능을 확보하며, 붐의 회생 가능한 에너지를 회수하도록 하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 붐이 하강하는 경우, 초기에 붐 구동시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템은 모터 또는 발전기로 작동되는 전동기와, 상기 전동기에서 생산된 전기를 저장하는 울트라 캐패시터와, 상기 전동기로 구동되어 붐에 작동유를 공급하는 유압펌프모터와, 상기 유압펌프모터의 토출라인과 유입라인을 상기 붐의 헤드 또는 로드 측과 선택적으로 연결하거나 차단하는 폐회로를 구성하는 붐 제어밸브와, 엔진에 의해 구동되어 버켓, 주행모터 또는 암에 작동유를 공급하는 메인펌프와, 상기 토출라인과 상기 유입라인에 각각 연결되어 상기 토출라인과 상기 유입라인 사이를 연결 또는 차단하는 모터 바이패스 밸브와, 상기 전동기, 상기 유압펌프모터, 상기 붐 제어밸브 및 상기 모터 바이패스 밸브를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 붐의 하강이 개시된 경우, 상기 제어부는, 상기 유압펌프모터의 작동을 정지시키고, 상기 모터 바이패스 밸브가 상기 토출라인과 상기 유입라인 사이를 연결하도록 절환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 붐의 하강이 개시된 후 상기 붐의 헤드에서 토출되는 유량이 미리 설정된 값 이상일 경우, 상기 제어부는, 상기 유압펌프모터를 작동시키고, 상기 모터 바이패스 밸브가 상기 토출라인과 상기 유입라인 사이를 차단하도록 절환하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법은 붐 조이스틱의 조작량을 검출하는 단계와, 상기 붐 조이스틱의 조작에 따른 붐의 하강 여부를 판단하는 단계와, 상기 붐의 하강이 개시되면, 유압펌프모터의 작동을 정지시키고, 모터 바이패스 밸브가 토출라인과 유입라인 사이를 연결하도록 절환하는 단계와, 상기 붐의 헤드에서 토출되는 유량이 미리 설정된 값 이상인지의 여부를 판단하는 단계와, 상기 유량이 미리 설정된 값 이상일 경우, 상기 유압펌프모터를 작동시키고, 상기 모터 바이패스 밸브가 상기 토출라인과 상기 유입라인 사이를 차단하도록 절환하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법은 전동기를 이용하면서도 굴삭기의 주된 사용 용도인 굴삭 작업 시 에너지 손실을 최소화하고, 붐의 작동성능을 확보하며, 붐의 회생 가능한 에너지를 회수하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 붐 하강이 개시된 초기에, 모터 바이패스 밸브에 의해 토출라인과 유입라인을 연결하여 유입라인의 유량이 토출라인으로 공급되도록 하여, 붐 실린더의 배출 유량이 충분하지 않아도 시스템을 안정적으로 구동시킬 수 있다.
또한, 유압펌프모터가 불안정하게 동작할 수 있는 붐 하강의 초기에 유입라인의 유량이 토출라인으로 공급되도록 제어하여, 토출라인에서 발생할 수 있는 공동 현상(Cavitation)을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 구성도다.
도 2는 도 1의 붐 상승상태를 도시한 구성도이다.
도 3 내지 도 5는 도 1의 붐 하강상태를 도시한 구성도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법에 대한 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1의 붐 상승상태를 도시한 구성도이며, 도 3 내지 도 5는 도 1의 붐 하강상태를 도시한 구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법에 대한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템은 모터 또는 발전기로 작동되는 전동기(110), 전동기(110)에서 생산된 전기를 저장하기 위한 울트라 캐패시터(115) 등을 포함하는 전기저장장치(116), 전동기(110)로 구동되어 붐(100)에 작동유를 공급하는 유압펌프모터(120), 유압펌프모터(120)의 토출라인(121)과 유입라인(122)을 붐(100)의 헤드(106) 또는 로드(107) 측과 선택적으로 연결하거나 차단하는 붐 제어밸브(125) 및 토출라인(121)과 유입라인(122)에 각각 연결되어 토출라인(121)과 유입라인(122) 사이를 연결하거나 차단하는 모터 바이패스 밸브(200)를 포함한다. 본 실시예에서 전기저장장치(116)는 엔진(141)에 연결된 모터/발전기(142)의 구동에 의해 대부분의 전력을 공급받을 수 있다. 본 도면에서 모터/발전기(142)와 엔진(141)의 연결구조는 도시하지 않았으나, 엔진(141)과 후술될 메인펌프(140)의 사이에 연결될 수 있는 등 다양한 공지된 방법에 의해 연결 가능하다. 한편, 본 실시예에서는 전기저장장치(116)가 전기에너지를 저장하는 장치로 다른 전기저장수단에 비해 빠른 충전 및 충전효율을 도모할 수 있는 울트라 캐패시터(115)를 사용하는 것을 일례로 설명하였다. 하지만, 이는 본 실시예에 한정되는 것은 아니며, 상기 울트라 캐패시터(115) 이외에 하이브리드 시스템에서 일반적으로 사용되는 다양한 종류의 2차 전지라면 어느 것이든 사용 가능하다.
붐 제어밸브(125)는 작동유가 공급되는 붐 보조라인(145)에 의해 메인펌프(140)에 연결된다. 메인펌프(140)는 두 개로 구성되며, 엔진(141) 또는 전동발전기(미도시)와 같이 상기 유압모터펌프(120)에 동력을 제공하는 전동기(110)와 별치된 별도의 동력원에 의해 구동되어 버켓, 주행모터 또는 암과 같은 붐을 제외한 다른 작업장치들에 작동유를 제공한다.유압펌프모터(120)는 작동유가 토출되는 토출라인(121)과 작동유가 유입되는 유입라인(122)이 연결되어 있다. 토출라인(121)과 유입라인(122)은 붐 제어밸브(125)에 의해 붐 실린더(105)의 헤드(106) 또는 로드(107) 측에 연결된다. 즉, 토출라인(121)과 유입라인(122) 은 붐 제어밸브(125)에 의해 연결되거나 차단된다.
붐 제어밸브(125)는 토출라인(121)과 유입라인(122)을 순방향으로 연결하여 붐(100)을 상승시키는 순 방향 연결부위(126), 토출라인(121)과 유입라인(122)을 반대로 연결하는 교차 연결부위(127) 및 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 끊는 차단부위(128)로 구성되어 있다. 붐 제어밸브(125)는 전자비례제어밸브 또는 별도의 파일롯 유압라인에 의해 작동되고, 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결 상태가 전환된다. 본 실시예에서는 붐 제어밸브(125)가 제어부(160)에 의해 제어되는 전자비례제어밸브 형태로 구성된 것을 일례로 설명한다. 이 외에도 붐 제어밸브(125)는 공지의 파일롯 유압라인에 의해 작동되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 붐 제어밸브(125)는 제어부(160)가 아닌 붐 조이스틱(161)의 조작에 의해 토출되어 파일롯 유압라인을 통해 공급되는 파일롯 유압라인에 의해 제어될 것이다.
모터 바이패스 밸브(200)는 토출라인(121)과 유입라인(122) 사이에 연결되어 있으며, 유입라인(122)의 유량이 토출라인(121)으로 공급되도록 토출라인(121)과 유입라인(122)을 연결하거나, 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 차단할 수 있도록 구성된다.
유압펌프모터(120)의 토출라인(121)에는 역 방향 유동을 방지하는 체크밸브(129)가 구비되어 있으며, 체크밸브(129)의 상류측 토출라인(121)에 붐 보조라인(145)이 연결된다. 유압펌프모터(120)와 붐 제어밸브(125)의 토출라인(121) 사이에는 탱크와 연결하는 제1 제어밸브(151)가 연결된다. 붐 보조라인(145)의 연결부위와 유압펌프모터(120) 사이에는 탱크와 연결하는 제2 제어밸브(152)가 연결된다. 전동기(110), 유압펌프모터(120), 붐 제어밸브(125), 모터 바이패스 밸브(200), 제1 제어밸브(151), 및 제2 제어밸브(152)는 제어부(160)에 의해 작동이 제어된다.
먼저, 붐의 상승 시, 붐 구동시스템의 동작은 하기와 같다.
도 2를 참조하면, 붐 조이스틱(161)으로부터 붐(100) 상승신호가 제어부(160)로 입력되면, 제어부(160)는 붐 조이스틱(161)의 조작에 대응하여 전동기(110)를 제어하여 유압펌프모터(120)를 펌프로 구동시킨다. 그리고, 붐 제어밸브(125)의 절환에 의해 유압펌프모터(120)의 출구 측이 토출라인(121)을 통해 붐(100) 헤드(106) 측과 연결되고, 붐(100) 로드(107) 측은 유압펌프모터(120)의 유입라인(122)에 의해 유압펌프모터(120)의 흡입 측에 연결된다. 또한, 모터 바이패스 밸브(200)는 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 차단한 상태이다. 이때, 붐(100)은 유압펌프모터(120)로부터 토출된 유량에 의해 상승을 시작하고, 전동기(110)의 회전속도와 사판각 제어장치(170)에 의해 이루어지는 사판각 제어에 의해 붐(100)의 속도 제어가 이루어진다.
여기서, 유압펌프모터(120)와 붐 실린더(105) 사이에서는 폐회로가 구성되는데, 실린더 면적 차에 의해 붐 실린더(105)로부터 유압펌프모터(120)로 공급되는 유량은 유압펌프모터(120)로부터 붐 실린더(105)로 공급되는 유량보다 부족하다. 이때, 부족한 유량은 제1 제어밸브(151)가 연결되어 탱크로부터 공급된다.
그리고, 제어부(160)는 전동기(110)의 토크, 회전속도로부터 전동기(110)의 동력을 계산하고, 사판각 제어장치(170)로부터 출력되는 사판각 및 회전속도를 통해 유압펌프모터(120)의 유량을 모니터링한다.
한편, 붐 조이스틱(161)의 제어신호가 상승하여, 유압펌프모터(120)의 공급유량을 초과하거나, 전동기(110)의 용량을 초과할 경우, 제어부(160)는 붐 보조밸브(144)를 제어하여 메인펌프(140)의 유량을 붐 실린더(105)로 공급한다. 제어부(160)는 붐 실린더(105)가 붐 조이스틱(161) 신호를 추종할 수 있도록 붐 보조밸브(144)의 개폐를 제어한다. 붐 보조밸브(144)는 연결이 끊겨 있는 상태에서 제어부(160)에 의해 우측으로 절환되고, 붐 보조라인(145)은 엔진(141)에 의해 구동되는 메인펌프(140)에 연결된다. 상술한 붐 보조라인(145)은 체크밸브에 의해 필요시에만 토출라인(121)에 작동유를 공급할 수 있기 때문에, 붐 상승시에는 상시 붐 보조밸브(144)가 개방상태를 유지시키는 것도 가능하다. 하지만, 이렇게 붐 상승시 붐 보조밸브(144)가 개방되어 있다면, 메인펌프(140)에 압력부하를 작용시켜 또 다른 에너지 손실을 유발시킬 수 있는 바, 상술한 바와 같이 유량 부족 등이 필요한 경우에만 붐 보조밸브(144)를 개방시키는 것이 더욱 바람직하다.
다음으로, 붐의 하강 시, 붐 구동시스템의 동작은 하기와 같다.
붐 조이스틱(161)으로부터 붐(100) 하강신호가 제어부(160)로 입력되면, 제어부(160)에 의해 유압펌프모터(120)는 붐 실린더(105)의 헤드(106)측 챔버로부터 복귀하는 유량에 의해 동작한다. 전동기(110)는 유압펌프모터(120)의 구동력에 의해 발전기로 작동하며, 발전된 전력은 전기저장장치(116)에 저장된다.
구체적으로, 붐(100) 하강신호가 입력되면, 제어부(160)는 붐(100)의 상승 동작을 정지시킨다. 이 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 붐 제어밸브(125)가 차단부위(128)로 절환되고, 모터 바이패스 밸브(200)는 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 차단한 상태를 유지한다. 단, 본 실시예에서는 붐(100)의 상승 동작이 정지한 상태에서 모터 바이패스 밸브(200)의 연결이 차단된 것으로 설명하였으나, 실시예에 따라 토출라인(121)과 유입라인(122)을 연결된 상태로 구성할 수 있음은 물론이다.
이어서, 제어부(160)는 붐(100)의 하강 동작을 개시시킨다. 붐(100)의 하강속도는 사판각 제어장치(170)를 통해 사판각을 제어하여 유압펌프모터(120)의 회전속도를 제어함으로써 제어되고, 전동기(110)의 발전량도 함께 제어된다. 이 경우, 붐 하강의 초기에는 유압펌프모터(120)의 흡입측에 공급되는 유량이 적다. 상술한 바와 같이 유압펌프모터(120)에 공급되는 유량은 유압펌프모터(120) 및 붐 제어밸브(125)를 경유하여 붐 실린더(100)의 로드(107)측 챔버에 공급되어야 한다. 하지만, 붐 하강 초기에는 붐 실린더(100)의 챔버(106)측 챔버에서 공급되는 유량이 미량이기 때문에 유압펌프모터(120)를 구동시키면서 붐 실린더(100)의 로드(107)측 챔버에 공급되기 위한 압력이 형성되기 힘들다. 이에 의해 붐 실린더(100)의 로드(107)측 챔버에는 붐 하강을 위한 충분한 유량이 공급되지 않음으로써 공동현상(cavitation)이 발생되며, 이로 인한 충격에 의해 붐 실린더(100) 및 유압펌프모터(120) 등의 유압부품에 손상이 발생될 수 있다. 아울러, 유압펌프모터(120)의 제어 및 작동특성이 매우 불안정해져 붐 구동시스템이 불안정해질 우려가 있다.
따라서, 본 발명에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 붐 제어밸브(125)의 절환에 의해 붐(100)의 헤드(106) 측은 유입라인(122)에 의해 유압펌프모터(120)의 흡입 측에 연결되고, 붐(100) 로드(107) 측은 토출라인(121)에 의해 유압펌프모터(120)의 토출 측에 연결된다. 모터 바이패스 밸브(200)를 절환하여 토출라인(121)과 유입라인(122)이 연결되도록 한다.
이에 따라, 붐 실린더(105)의 헤드(106) 측의 모든 유량은 유입라인(122)을 따라 방출되고 모터 바이패스 밸브(200)를 통해 토출라인(121) 측으로 공급된다. 토출라인(121) 측으로 공급된 유량 중 일부는 붐 실린더(105)의 로드(107) 측으로 공급되고, 잉여 유량은 제2 제어밸브(152)를 거쳐 탱크로 드레인되거나, 유압펌프모터(120)을 구동시켜 전동기(110)을 발전기로 구동시킨다.
이와 같이, 붐 하강의 초기에, 유입라인(122)에서 방출된 유량이 토출라인(121)으로 공급될 수 있도록 모터 바이패스 밸브(200)의 연결 상태를 구성하고, 토출라인(121)으로 공급된 유량을 이용하여 붐 실린더(105)의 배출 유량을 증가시켜 붐 구동시스템을 안정적으로 구동할 수 있다.
붐 하강이 시작되고 소정의 시간이 경과한 후, 붐 실린더(105)의 하강속도가 상승하여 붐 헤드(106) 측의 유량이 미리 설정된 유량 이상으로 충분해지면, 제어부(160)는 유압펌프모터(120)가 안정적으로 작동할 수 있다고 판단한다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 모터 바이패스 밸브(200)를 절환하여 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 차단하고, 유압펌프모터(120)를 작동시킨다.
이 경우, 유압펌프모터(120)와 실린더 사이에서는 폐회로가 구성되며, 유압펌프모터(120)로 공급되는 유량이 증가함에 따라, 로드(107)의 유무에 따른 붐 실린더(105) 면적 차에 의해 붐 실린더(105)로부터 유압펌프모터(120)로 공급되는 유량은 유압펌프모터(120)에서 붐 실린더(105)로 공급되는 유량보다 많아진다. 이때, 유압펌프모터(120)로부터 붐 실린더(105)로 공급되는 잉여유량은 토출라인(121)에 연결된 제2 제어밸브(152)가 제어부(160)의 신호에 의해 연결상태로 됨으로써 탱크로 배출된다.
그리고, 유압펌프모터(120)의 허용유량을 초과하거나, 전동기(110)의 발전용량을 초과하는 유량이 붐 실린더(105)로부터 배출되어 유압펌프모터(120)로 공급될 경우, 제어부(160)는 제1 제어밸브(151)를 연결상태로 작동시켜 유압펌프모터(120)와 전동기(110)의 용량을 초과하는 잉여유량을 탱크로 배출시킬 수 있다. 이때, 제1 제어밸브(151)는 붐 실린더(105)로부터 유입라인(122)을 통해 유압펌프모터(120)로 유동하는 작동유의 잉여유량을 탱크로 배출하는 기능을 수행한다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 정리하면, 제1 제어밸브(151)는 붐(100) 상승 시에 탱크를 연결하여 부족한 작동유를 붐 실린더(105)에 공급할 수 있으며, 반대로 붐(100) 하강 시에는 붐 실린더(105)로부터 유압펌프모터(120) 측으로 잉여유량이 발생될 때를 제외하고는 차단된다.
그리고, 제2 제어밸브(152)는 붐(100) 상승 시에 차단된 상태로 있다가 붐(100) 하강 시에 연결된다. 이에 따라, 붐 실린더(100)의 헤드(106)측 챔버로부터 배출되는 유량은, 붐 제어밸브(125)의 교차 연결부위(127), 유입라인(122), 유압펌프모터(120)를 경유한 후 제2 제어밸브(152)를 경유하여 탱크로 귀환되거나, 붐 실린더(100)의 로드(107)측 챔버로 공급된다. 이러한 유량에 의해 구동되는 유압펌프모터(120)에 의해 전동기(110)은 발전기로 작동되며, 이렇게 발전된 전기에너지는 전기저장장치(116)에 저장된다. 즉, 붐 하강시에는 유압펌프모터(120)가 부하로 작동되는데, 이러한 부하에 의해 붐 실린더(100)의 로드(107)측에 유량이 충분히 공급되지 않는 문제가 발생될 수 있다. 본 실시예에서는 모터 바이패스 밸브(200)를 구동시켜 붐 실린더(100)의 로드(107)측에 충분한 유량이 공급되게 함으로써, 상술한 바와 같은 붐 하강 초기에 발생되는 문제를 해결할 수 있다.
한편, 붐 보조밸브(144)는 붐 조이스틱(161)의 제어신호가 상승하여 유압펌프모터(120)의 공급유량을 초과하거나 전동기(110)의 용량을 초과하는 경우, 메인펌프(140)의 유량이 붐 실린더(105) 측으로 공급되도록 제어부(160)에 의해 연결된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법에 대해 설명한다.
도 6을 참조하면, 먼저, 붐 조이스틱(161)의 조작량을 검출하고(S10), 상기 검출한 조작량에 따라, 붐(100)의 상승 또는 하강을 판단한다(S20).
붐(100)이 상승하는 경우에는 제1 제어밸브(151)를 개방하고(S30), 붐 조이스틱(161)의 조작량에 따른 붐(100)의 구동동력과 전동기(110)의 최대공급 가능한 동력을 비교한다(S40). 붐(100)의 구동동력이 전동기(110)의 최대공급 가능한 동력보다 작으면, 붐 실린더(105)의 소요유량과 유압펌프모터(120)의 최대유량을 비교한다(S50).
비교 결과, 붐 실린더(105)의 소요유량이 유압펌프모터(120)의 최대유량보다 작을 경우에는 붐 보조밸브(144)를 차단하는 동작이 수행된다(S60). 한편, 붐(100)의 구동동력이 전동기(110)의 최대공급 가능한 동력보다 클 경우에는 붐 보조밸브(144)를 개방하여(S70) 메인펌프(140)를 연결함으로써 부족한 작동유를 공급하는 과정이 수행된다.
한편, 붐(100)이 하강하는 경우에는 상기 제2 제어밸브(152)를 개방시킨다(S80). 그리고, 유압모터펌프(120)의 작동을 정지, 즉 전동기(110)로부터 유압모터펌프(120)으로 동력공급을 중단시키고, 모터 바이패스 밸브(200)를 절환하여 토출라인(121)과 유입라인(122) 사이를 연결시킨다(S90, S100). 이에 따라, 붐 실린더 헤드(106) 측의 모든 유량이 유입라인(122)과 모터 바이패스 밸브(200)를 거쳐 토출라인(121)으로 전달된다. 토출라인(121)으로 공급된 유량 중 일부는 붐 실린더 로드(107) 측으로 공급되고 잉여 유량은 탱크로 배출되게 된다.
이어서, 제어부는 붐 헤드(106)의 토출 유량이 미리 설정된 유량 이상인지를 판단한다(S110). 붐 헤드(106)의 토출 유량이 미리 설정된 유량 미만일 경우 현재의 설정 상태를 계속 유지한다.
한편, 붐 헤드(106)의 토출 유량이 미리 설정된 유량 이상일 경우, 붐 헤드(106) 측의 토출 유량이 충분한다고 판단하여, 모터 바이패스 밸브(200)를 절환하여 토출라인(121)과 유입라인(122)의 연결을 차단시킨다(S130). 이에 따라 붐 실린더 헤드(106)에서 토출된 유량은 유압모터펌프(120)로 공급되어, 유압모터펌프(120)는 공급된 고압의 압유에 의해 유압모터로 작동하며 붐 에너지를 회생시킨다.
구체적으로, 붐(100) 회생동력과 전동기(110)의 최대회생 가능한 동력을 비교한다(S140). 비교 결과, 붐(100) 회생동력이 전동기(110)의 최대회생 가능한 동력보다 작으면 붐 실린더(105) 회생유량과 유압펌프모터(120)의 허용유량을 비교한다(S150). 이때, 붐 실린더(105)의 회생유량이 유압펌프모터(120)의 허용유량보다 작으면 제1 제어밸브(151)를 차단한다(S160). 한편, 붐 실린더(105) 회생유량이 유압펌프모터(120)의 허용유량보다 클 경우, 제1 제어밸브(151)를 연결하여 잉여유량을 탱크로 배출하고, 또한, 붐(100) 회생동력이 전동기(110)의 최대회생 가능한 동력보다 클 경우에도, 제1 제어밸브(151)를 연결하여 잉여유량을 탱크로 배출한다(S170).
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템 및 그 제어방법은 붐(100) 상승 시 전동기(110)와 유압펌프모터(120)를 이용해 붐(100)을 구동함으로써 저유량 미세조작 시 유압시스템에서 발생하는 손실 제거를 통한 연비 향상이 가능하다.
또한, 붐(100) 하강 초기에 모터 바이패스 밸브(200)를 이용하여 붐 실린더 헤드(106)에서 토출되는 유량을 토출라인(121) 쪽으로 공급하여, 시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 한다.
또한, 붐(100) 하강이 개시되고 붐 실린더 헤드(106)의 토출 유량이 충분하여 유압모터펌프(120)가 안정적으로 구동할 수 있다고 판단되었을 때, 모터 바이패스 밸브(200)를 절환하여 붐 실린더 헤드(106)에서 토출되는 유량이 유압모터펌프(120)로 공급될 수 있도록 하기 때문에 유압모터펌프(120)의 제어 및 작동 특성이 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 붐(100) 단독 동작 시 초기 미세조작 구간에서 필요한 유량은 전동기(110) 및 유압펌프모터(120)에서 공급하고, 대략적으로 붐(100) 최대 공급 유량과 동력의 수준 해당 부분을 초과하는 부분은 메인펌프(140)가 있는 기존의 유압시스템을 이용하여 공급할 수 있다.
본 발명은 굴삭기를 이용한 작업시 에너지 손실을 최소화하고, 붐의 작동성능을 확보하며, 붐의 회생 가능한 에너지를 회수하는 효과를 제공하는데 이용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 모터 또는 발전기로 작동되는 전동기(110);
    상기 전동기(110)에서 생산된 전기를 저장하는 전기저장장치(116);
    상기 전동기(110)로 구동되어 붐(100)에 작동유를 공급하는 유압펌프모터(120);
    상기 유압펌프모터(120)의 토출라인(121)과 유입라인(122)을 상기 붐(100)을 동작시키는 붐 실린더(105)의 헤드(106) 또는 로드(107) 측과 선택적으로 연결하거나 차단시키는 붐 제어밸브(125);
    상기 토출라인(121)과 상기 유입라인(122)에 각각 연결되어 상기 토출라인(121)과 상기 유입라인(122) 사이를 연결 또는 차단하는 모터 바이패스 밸브(200); 및
    상기 전동기(110), 상기 유압펌프모터(120), 상기 붐 제어밸브(125) 및 상기 모터 바이패스 밸브(200)를 제어하는 제어부(160);를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 붐(100)의 하강이 개시된 경우, 상기 제어부(160)는, 상기 모터 바이패스 밸브(200)가 상기 토출라인(121)과 상기 유입라인(122) 사이를 연결하도록 절환시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 붐(100)의 하강이 개시된 후 상기 붐(100)의 헤드(106)에서 토출되는 유량이 미리 설정된 값 이상일 경우, 상기 제어부(160)는, 상기 유압펌프모터(120)가 작동되도록 상기 모터 바이패스 밸브(200)를 절환시켜 상기 토출라인(121)과 상기 유입라인(122) 사이를 차단되게 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 붐을 제외한 다른 작업장치에 작동유를 공급하며, 상기 전동기와 별도로 설치된 동력원으로부터 동력을 제공받는 메인펌프(140);
    상기 메인펌프(140)로부터 공급된 유량을 상기 토출라인(121)으로 안내하는 붐 보조라인(145); 및
    상기 붐 보조라인(145)를 선택적으로 개폐하는 붐 보조밸브(144);를 더 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 유압모터펌프(120)으로부터 토출되어 상기 토출라인(121)을 통해 상기 붐으로 공급되는 유량이 필요한 유량보다 부족한 경우, 상기 붐 보조밸브(144)를 개방하여 상기 메인펌프(140)로부터 공급되는 유량이 추가로 상기 붐으로 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토출라인(121)과 탱크를 선택적으로 연결시키는 제2 제어밸브(152)를 더 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 붐(100)의 하강 시, 상기 제2 제어밸브(152)를 절환시켜 상기 토출라인(121)과 탱크를 연결시킴으로써, 상기 붐(100)의 일측으로부터 배출되는 유량이 상기 붐 제어밸브(125), 유입라인(122) 및 유압모터펌프(120)를 경유한 후 상기 제2 제어밸브(152)를 통해 탱크로 귀환되거나 상기 붐(100)의 타측으로 공급되게 하며,
    상기 전동기는, 상기 붐(100)의 하강시 상기 붐(100)의 일측으로부터 공급되어 상기 붐(100)의 타측 또는 상기 탱크로 공급되는 유량에 의해 구동되는 상기 유압모터펌프(120)에 의해 발전기로 작동하며, 발전된 전력은 전기저장장치(116)에 저장되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템.
  6. 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법에 있어서,
    붐 조이스틱(161)의 조작량을 검출하는 단계(S10);
    상기 붐 조이스틱(161)의 조작에 따른 붐(100)의 하강 여부를 판단하는 단계(S20);
    상기 붐(100)의 하강이 개시되면, 모터 바이패스 밸브(200)가 토출라인(121)과 유입라인(122) 사이를 연결하도록 절환하는 단계(S90, S100);
    상기 붐(100)의 헤드(106)에서 토출되는 유량이 미리 설정된 값 이상인지의 여부를 판단하는 단계(S110); 및
    상기 유량이 미리 설정된 값 이상일 경우, 상기 유압펌프모터(120)를 작동시키고, 상기 모터 바이패스 밸브(200)가 상기 토출라인(121)과 상기 유입라인(122) 사이를 차단하도록 절환하는 단계(S120, S130);를 포함하며,
    를 포함하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법.
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