WO2014104676A1 - 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법 - Google Patents

하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a power supply device and method for a hybrid construction machine, and more particularly, a hybrid that is commonly used in a hybrid construction machine having an electric energy storage device using an engine and an electric motor as a common power source, such as a hybrid excavator or a vehicle.
  • the present invention relates to a power supply device for a hybrid construction machine and a method thereof, by which an engine efficiency can be improved by reducing an engine load by omitting an alternator for charging a battery and a starter motor used in a construction machine.
  • hybrid systems include hybrid systems for heavy equipment such as hybrid cars and excavators.
  • the general excavator system drives the boom, the arm and the bucket, the final load, and rotates or runs through the medium of hydraulic power using the engine as a power source.
  • the hybrid excavator system can improve the overall efficiency of the excavator system by installing two motors and an electric storage device in the general excavator.
  • Major components added to the hybrid excavator system include motors, electrical storage devices, inverters and converters.
  • the electrical storage device includes a battery and an ultra-capacitor (UC).
  • FIG. 1 shows a conventional hydraulic excavator system
  • FIG. 2 shows a conventional hybrid excavator system.
  • an electric motor is additionally used as a power source in addition to the engine, and thus a configuration related to electric motor driving and electric energy storage, that is, the engine auxiliary motor 103, the engine auxiliary motor inverter 130, and the turning motor 104. ), Except for the turning motor inverter 140, the DC link capacitor 150, the ultra capacitor 105 for storing electrical energy, and the UC converter 160 for supplying electrical energy to the ultra capacitor 105.
  • the basic configuration is the same.
  • the mounting of the alternator 20 for charging the battery 101 for supplying electrical energy to the electric system of the excavator and the excavator electric system 106 is essentially necessary for both systems. Required.
  • FIG. 3 illustrates a converter scheme
  • FIG. 4 illustrates a converterless scheme, respectively.
  • the power supply apparatus 100 of the hybrid excavator system includes a switching mode power supply unit 110, a logic control board 120, an engine auxiliary motor inverter 130, a turning motor inverter 140, DC link capacitor 150 and ultra-capacitor converter 160, which is a DC-DC converter.
  • the switching mode power supply unit 110, the logic control board 120, the engine auxiliary motor inverter 130, the swing motor inverter 140 and the ultra capacitor converter 160 respectively, the control board battery 101, excavator electric It is connected to the device 102, the engine auxiliary motor 103, the turning motor 104 and the ultra capacitor 105.
  • the switched-mode power supply (SMPS) 110 is connected to the control board battery 101 to supply power to the logic control board 120.
  • the logic control board 120 senses the voltage of the ultra capacitor 105 and the voltage of the DC link capacitor 150 and controls the initial driving logic.
  • the engine auxiliary motor inverter 130 performs a function of charging the DC link capacitor 150 by the engine auxiliary motor 103.
  • the engine auxiliary motor 103 is directly connected to the engine 30, and rotates at the same rotation speed (rpm) as the engine 30 when the engine is driven.
  • the swing motor inverter 140 drives the swing motor 104 according to the charged voltage.
  • the swing motor 104 generates power required for the swing operation of the excavator.
  • the DC link capacitor 150 charges the DC voltage converted by the engine auxiliary motor inverter 130.
  • the DC link capacitor 150 is connected to the ultra capacitor converter 160.
  • the ultra capacitor converter 160 functions to charge the ultra capacitor 105 by using the electric energy stored in the DC link capacitor 150.
  • the ultra capacitor converter 160 is connected between the DC link capacitor 150 and the ultra capacitor 105.
  • the ultra capacitor 105 is charged with the voltage converted by the ultra capacitor 105.
  • the power converter 100 having a DC-DC converter having such a configuration includes an inverter for driving a motor (for example, an engine auxiliary motor inverter 130 and a turning motor inverter 140) and a converter for driving an ultracapacitor ( For example, ultracapacitor converter 160).
  • the ultracapacitor converter 160 involves an operation loss in the process of converting the voltage of the DC link to be charged in the ultracapacitor 105.
  • the converter less power converter has the same structure as the converter method of FIG. 3, and instead of omitting the ultracapacitor converter 160, the DC link capacitor 250 and the ultracapacitor 105 may be used. The difference is that the initial charging unit 260 is provided to charge the ultracapacitor 105.
  • the initial charge small capacity relays (SR1, SR2) 270 and large current conduction large capacity contactors (MC1, MC2) 280 The ultracapacitor 105 is operated by the initial charging small capacity relays SR1 and SR2 270 and the large current conducting large capacity contactors MC1 and MC2 280 controlled by the initial charging control unit 220. Accordingly, the voltage of the ultra capacitor 105 is matched with the voltage of the DC link capacitor 250. In the case of the converterless method, problems due to the presence of the converter (reduced cost, size, etc.) are improved.
  • both the converter method of FIG. 3 and the converterless method of FIG. 4 have a problem in that mounting of a starter motor for engine start and an alternator for battery charging is essential (see FIG. 2).
  • the starting motor is expensive, and the energy lost due to repeated charging / discharging of the battery through the alternator, and a large current is output to the battery during start-up, which shortens the life of the battery and decreases the engine efficiency due to the existence of the alternator.
  • the present invention was derived to solve the above-described problems, the present invention is a hybrid construction machine power supply that can efficiently supply power while removing the starter motor for starting the engine, and the alternator for charging the battery in the hybrid construction machine It is an object to provide a supply device and a method thereof.
  • the power supply device and method for a hybrid construction machine according to the present invention by reducing the starter motor for starting the engine, and the alternator for charging the battery to reduce the cost, improve the engine operating efficiency In addition, it is possible to save energy by enabling the supply of electrical energy to the electrical system without charging and discharging the battery.
  • the present invention provides a power supply device for a hybrid construction machine having an engine, a load motor, a battery, and an electrical system, comprising: an engine auxiliary motor for starting the engine when the hybrid construction machine is started; First power storage means located between a first inverter connected to the engine auxiliary motor and a second inverter connected to the load motor, and accumulating generated electrical energy; Second power storage means for supplying electrical energy to the engine auxiliary motor through the first power storage means when the hybrid construction machine starts up; Power conversion means located between the converter connected to the second power storage means and the battery and connected to the first power storage means and the electrical system to convert power; And when the voltage of the second power storage means is lower than a reference voltage required for initial engine start when the hybrid construction machine starts, accumulate the second power storage means using electrical energy of the battery, and operate normally of the hybrid construction machine. And a control unit for supplying the electric energy accumulated in the first power storage means to the electric system.
  • the present invention the voltage confirmation step of confirming the voltage of the second power storage means at the start of the hybrid construction machine;
  • a normal operation step of supplying the electric energy accumulated in the first power storage means to the electric system during the normal operation of the hybrid construction machine.
  • Power supply device and method for a hybrid construction machine by reducing the starter motor for starting the engine, and the alternator for charging the battery to reduce the cost, improve the engine operating efficiency, the process of charging and discharging the battery Energy savings were achieved by enabling the supply of electrical energy to the electrical system without the need.
  • 1 is a configuration diagram of a conventional hydraulic excavator system.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional hybrid excavator system.
  • FIG 3 is a detailed view of a hybrid excavator system according to a conventional converter method.
  • FIG. 4 is a detailed view of a hybrid excavator system according to a conventional converter less (Converter Less) method.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of a power supply device for a hybrid construction machine according to the present invention.
  • FIG. 6 is a detailed view of a converter hybrid excavator system according to the present invention.
  • FIG. 7 is a detailed view of a converter less hybrid excavator system according to the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a power supply method in a power supply device for a hybrid construction machine according to the present invention.
  • 9 and 10 to 13 are views for explaining the operating state of each operation mode of the device according to the present invention.
  • control unit 130 engine auxiliary motor inverter
  • DC link 140 swing motor inverter
  • swing motor 160 ultra capacitor converter
  • ultracapacitor 290 DC / DC converter
  • switching means 292 diode
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of a power supply device for a hybrid construction machine according to the present invention.
  • the difference when comparing the apparatus of FIG. 5 with the power supply for the conventional hybrid construction machine of FIG. 2 is that the existing starting motor 10 and alternator 20 have been removed. That is, instead of removing the starter motor 10 used for starting the engine, the engine start is performed using the engine auxiliary motor 103.
  • the first power storage means (DC link capacitor) 150 that stores the energy generated by the engine auxiliary motor 103 is directly connected to the power conversion means (DC / DC converter) 290.
  • the power conversion means (DC / DC converter) 290 performs charging of the battery 101 instead of the alternator, and the power conversion means (DC / DC converter) 290 instead of the battery 101 supplies energy to the electrical system 106. do.
  • the power supply device for the hybrid construction machine the switching means 291 is the battery 101 only when the voltage of the second power storage means (ultra capacitor, 105) at the start of the hybrid construction machine is lower than the reference voltage required for the initial engine start-up And the second power storage means 105 is energized so that the second power storage means 105 is charged by the battery 101.
  • the power supply device for a hybrid construction machine may include a current control means (diode 292), the current control means 292 is a power conversion means (DC / DC converter, 290) in case of failure
  • the battery 101 instead of the DC / DC converter 290 allows the electrical system 106 to supply electrical energy.
  • FIG. 6 is an embodiment of the present invention for a converter method
  • FIG. 7 is an embodiment of the present invention for a converter less method.
  • the engine is started using the engine auxiliary motor 103.
  • a power conversion means (DC / DC converter) 290 is provided.
  • the power conversion means (DC / DC converter) 290 is directly connected to the first power storage means (DC link capacitor) 150 that stores the energy generated by the engine auxiliary motor 103.
  • the power conversion means (DC / DC converter) 290 performs charging of the battery 101 instead of the alternator and simultaneously supplies energy to the electrical system 106 instead of the battery 101.
  • the switching means 291 is the battery 101 and the second power storage means (ultra capacitor) only when the voltage of the second power storage means (ultra capacitor 105) is lower than the reference voltage required for initial engine start-up at the start of the hybrid construction machine. , 105 to energize the second power storage means (ultra capacitor 105) by the battery 101.
  • the switching means 291 is opened, and instead, the second power storage means 105 is the engine auxiliary motor 103. Supply electrical energy to start the engine.
  • the above control is performed by the controller 280. That is, the controller 280 supplies charging energy from the battery 101 to the second power storage means 105 when the voltage of the second power storage means (ultra capacitor) 105 is lower than the reference voltage required for initial engine start-up at start-up. When the voltage of the second power storage means 105 becomes equal to or higher than the reference voltage required for initial engine starting, electric energy is supplied from the second power storage means 105 to the engine auxiliary motor 103 to start the engine 30. To control.
  • the power conversion means (DC / DC converter) 290 is directly connected to the first power storage means (DC link capacitor) 150 that stores the energy generated by the engine auxiliary motor 103.
  • the power conversion means (DC / DC converter) 290 is similar to the converter method of FIG. 6 in that it performs charging of the battery 101 instead of the alternator and supplies energy to the electrical system 106 instead of the battery 101.
  • the switching means 291 is the battery 101 and the second power storage means (ultra capacitor) only when the voltage of the second power storage means (ultra capacitor 105) is lower than the reference voltage required for initial engine start-up at the start of the hybrid construction machine. , 105 to energize the second power storage means (ultra capacitor 105) by the battery 101.
  • a current control means (diode) 292 may be further provided.
  • the current control means 292 is adapted to allow the battery 101 to supply electrical energy to the electrical system 106 instead of the power conversion means (DC / DC converter) 290 when the power conversion means (DC / DC converter) 290 has failed. do.
  • the voltage of the ultracapacitor 105 is matched with the voltage of the DC link capacitor 250.
  • the above control is performed by the controller 280. That is, the controller 280 supplies charging energy from the battery 101 to the second power storage means 105 when the voltage of the second power storage means (ultra capacitor) 105 is lower than the reference voltage required for initial engine start-up at start-up. When the voltage of the second power storage means 105 becomes equal to or higher than the reference voltage required for initial engine starting, electric energy is supplied from the second power storage means 105 to the engine auxiliary motor 103 to start the engine 30. To control.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a power supply method in a power supply device for a hybrid construction machine according to the present invention.
  • the controller 280 checks the state of charge of the second power storage means (ultra capacitor) 105 (S20).
  • the control unit 280 if the voltage of the ultra-capacitor 105 is higher than the reference voltage which is the minimum voltage required for the initial engine start, the energy of the ultra-capacitor 105 is sufficient to start the engine 30 In this case, the engine 30 is immediately started and the engine 30 is started by using the power of the ultra capacitor 105 (S40).
  • the control unit 280 when the check result (S20), the control unit 280 is lower than the reference voltage which is the minimum voltage required for the initial engine start, the ultracapacitor 105 by using the energy of the battery 101 After charging (S30), and performs the step S20 to check the state of charge of the ultra-capacitor 105 again.
  • the controller 280 proceeds to the engine start mode (S40).
  • the controller 280 supplies the +24 power required for the electric system 106 to the energy stored in the DC link capacitors 150 and 250 by using the DC / DC converter 290 ( S50), the excavator is normally operated (S60).
  • the power supply apparatus has an ultracapacitor (UC) charging mode (FIG. 9 (a), FIG. 10), an engine start mode (FIG. 9 (b)), and a normal operation mode (FIG. 9). (c), FIG. 11) There are a total of five operating modes, a battery charging mode (FIG. 12) and a failure mode (FIG. 13).
  • UC ultracapacitor
  • FIG. 12 battery charging mode
  • FIG. 13 failure mode
  • FIGS. 9A and 10 illustrate an ultracapacitor (UC) charging mode, in which the switching means 291 is turned on when the ultracapacitor (UC) is discharged at an initial startup and lower than a reference voltage which is the minimum voltage required for starting the engine.
  • the energy of the battery 101 is used to charge the ultracapacitor through the UC converter through the DC / DC converter 290 and the DC link 150.
  • 9 (b) is an engine start mode, when the voltage of the ultracapacitor is greater than or equal to the reference voltage, power is supplied to the inverter and the generator through the UC converter and the DC link using the energy of the ultracapacitor to start the engine.
  • the engine 30 is rotated through the electric power to start the engine.
  • a battery charging mode will be described with reference to FIG. 12.
  • the switching means 291 is turned on so that the energy stored in the DC link capacitor 150 is converted to the required voltage (+ 24V) via the DC / DC converter 290 and then the battery 101. Charge to the required voltage (+ 24V).
  • a failure mode will be described with reference to FIG. 13.
  • FIG. 13 illustrates a failure mode in which a failure occurs in the DC / DC converter 290.
  • the energy of the battery 101 is automatically supplied to the electrical system 106 via the current control means 292 instead of the DC / DC converter 290.

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Abstract

본 발명은 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 하이브리드 굴삭기 또는 차량과 같이 엔진과 전기모터를 공통으로 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장장치가 있는 하이브리드 건설기계에서 일반적인 하이브리드 건설기계에서 사용되었던 시동 모터와, 배터리 충전을 위한 얼터네이터(Alternator)를 생략함으로써, 엔진 부하 경감으로 엔진 효율 향상을 도모할 수 있는, 하이브리드 건설 기계용 전원 공급 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.

Description

하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법
본 발명은 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 하이브리드 굴삭기 또는 차량과 같이 엔진과 전기모터를 공통으로 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장장치가 있는 하이브리드 건설기계에서 일반적인 하이브리드 건설기계에서 사용되었던 시동 모터와, 배터리 충전을 위한 얼터네이터(Alternator)를 생략함으로써, 엔진 부하 경감으로 엔진 효율 향상을 도모할 수 있는, 하이브리드 건설 기계용 전원 공급 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근에는 유가의 급격한 상승과 함께 엔진의 잉여 동력을 배터리에 저장하고 엔진의 부족한 동력을 배터리로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 같이, 엔진과 전기 모터를 공통 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장 장치가 있는 시스템을 하이브리드 시스템이라 한다. 예를 들어, 하이브리드 시스템에는 하이브리드 자동차 및 굴삭기와 같은 중장비용 하이브리드 시스템이 있다.
한편, 일반적인 굴삭기 시스템은 엔진을 동력원으로 하여 유압이라는 매개체를 통해서 최종 부하인 붐, 암 및 버켓을 구동하고, 선회시키거나 주행시키는 동작을 수행한다. 이와 달리, 하이브리드 굴삭기 시스템은 일반적인 굴삭기에 2개의 모터와 전기저장 장치를 추가로 설치함으로써, 굴삭기 시스템의 전체효율을 향상시킬 수 있다. 하이브리드 굴삭기 시스템에 추가되는 주요부품은 모터, 전기 저장 장치, 인버터 및 컨버터를 포함한다. 여기서, 전기 저장 장치는 배터리(Battery) 및 울트라 커패시터(Ultra-Capacitor, UC)를 포함한다.
도 1은 종래의 유압식 굴삭기 시스템을, 도 2는 종래의 하이브리드 굴삭기 시스템을 도시하고 있다.
도 2의 하이브리드 굴삭기 시스템의 경우 엔진 이외에 전기 모터를 동력원으로 추가로 사용하므로 전기 모터 구동 및 전기 에너지 저장에 관련된 구성, 즉 엔진 보조모터(103), 엔진 보조모터 인버터(130), 선회 모터(104), 선회 모터 인버터(140), DC 링크 커패시터(150), 전기 에너지 저장을 위한 울트라 커패시터(105) 및 울트라 커패시터(105)에 전기 에너지 공급을 위한 UC 컨버터(160)가 추가되었다는 점을 제외하고 기본적인 구성은 동일하다.
즉, 양 시스템 공통적으로 엔진(30) 시동을 위한 시동 모터(10)와, 굴삭기 전기 시스템(106)에 전기 에너지를 공급하기 위한 배터리(101)의 충전을 위한 얼터네이터(20)의 장착이 필수적으로 요구된다.
한편, 종래의 하이브리드 굴삭기의 경우, 전기 에너지 저장을 위한 울트라 커패시터에 전기 에너지를 공급하기 위한 수단으로 울트라 커패시터 컨버터를 사용하는 컨버터 방식(도 3)과, 컨버터를 생략하고 대신 초기 충전부를 활용하는 컨버터리스(Converter Less) 방식(도 4)의 2가지 방식이 존재한다.
도 3은 컨버터 방식을, 도 4는 컨버터리스 방식을 각각 도시하고 있다.
먼저, 도 3의 컨버터 방식에 따른 하이브리드 굴삭기 시스템의 전력 공급 장치(100)는 스위칭 모드 전원 공급부(110), 로직 제어 보드(120), 엔진 보조 모터 인버터(130), 선회 모터 인버터(140), DC 링크 커패시터(150) 및 DC-DC 컨버터인 울트라 커패시터 컨버터(160)를 포함한다. 여기서, 스위칭 모드 전원공급부(110), 로직 제어 보드(120), 엔진 보조 모터 인버터(130), 선회 모터 인버터(140) 및 울트라 커패시터 컨버터(160)는 각각 제어 보드용 배터리(101), 굴삭기 전기 장치(102), 엔진 보조 모터(103), 선회 모터(104) 및 울트라 커패시터(105)와 연결되어 있다.
스위칭 모드 전원공급부(SMPS: Switched-Mode Power Supply)(110)는 제어 보드용 배터리(101)와 연결되어 로직 제어 보드(120)에 전원을 공급한다.
로직 제어 보드(120)는 울트라 커패시터(105)의 전압 및 DC 링크 커패시터(150)의 전압을 센싱하고 초기 구동 로직을 제어하는 기능을 수행한다.
엔진 보조 모터 인버터(130)는 엔진 보조 모터(103)에 의해 DC 링크 커패시터(150)를 충전시키는 기능을 수행한다. 여기서, 엔진 보조 모터(103)는 엔진(30)과 직접적으로 연결되어 있으며, 엔진 구동시 엔진(30)과 같은 회전수(rpm)로 회전한다.
선회 모터 인버터(140)는 울트라 커패시터(105)의 전력 컨텍터가 온(ON) 상태가 되면, 충전된 전압에 따라 선회 모터(104)를 구동시키는 기능을 수행한다. 여기서, 선회 모터(104)는 굴삭기의 선회 동작에 필요한 동력을 발생시킨다.
DC 링크 커패시터(150)는 엔진 보조 모터 인버터(130)에 의해 변환된 DC 전압을 충전한다. DC 링크 커패시터(150)는 울트라 커패시터 컨버터(160)와 연결되어 있다.
울트라 커패시터 컨버터(160)는 DC 링크 커패시터(150)에 저장된 전기 에너지를 이용하여 울트라 커패시터(105)를 충전시키는 기능을 수행한다. 울트라 커패시터 컨버터(160)는 DC 링크 커패시터(150)와 울트라 커패시터(105) 사이에 연결되어 있다. 여기서, 울트라 커패시터(105)는 울트라 커패시터(105)에 의해 변환된 전압으로 충전된다.
이와 같은 구성을 가진 DC-DC 컨버터를 구비한 전력 변환 장치(100)는 모터를 구동하는 인버터(예컨대, 엔진 보조 모터 인버터(130) 및 선회 모터 인버터(140))와 울트라 커패시터를 구동하는 컨버터(예컨대, 울트라 커패시터 컨버터(160))를 포함한다. 여기서, 울트라 커패시터 컨버터(160)는 울트라 커패시터(105)에 충전할 DC 링크의 전압을 변환하는 과정에서 동작 손실을 수반한다.
그러나 울트라 커패시터 컨버터(160)의 존재로 인해 울트라 커패시터(105)에 충전할 DC 링크의 전압을 변환하는 과정에서 동작 손실이 발생하고, 전력 변환 장치(100)의 크기가 비대해 지며, 과다한 비용이 발생하는 등의 문제점이 발생하였고, 이를 해결하기 위해 도 4와 같이 울트라 커패시터 컨버터(160)를 생략한 컨버터리스(Converter Less) 전력 변환 장치가 제안되었다.
도 4를 참조하면, 컨버터리스(Converter Less) 전력 변환 장치는 도 3의 컨버터 방식과 나머지 구성은 동일하고, 울트라 커패시터 컨버터(160)를 생략하는 대신 DC 링크 커패시터(250)와 울트라 커패시터(105) 사이에 초기 충전부(260)를 마련하여 울트라 커패시터(105)를 충전하도록 한다는 점이 상이하다. 또한, 울트라 커패시터(105)의 전압을 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 일치시키기 위해 초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270) 및 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)를 마련하여, 울트라 커패시터(105)는 초기 충전 제어부(220)에 의해 제어되는 초기 충전용 소용량 릴레이(SR1, SR2)(270) 및 대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC1, MC2)(280)의 동작에 따라, 울트라 커패시터(105)의 전압을 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 일치시키도록 한다. 이러한 컨버터리스 방식의 경우 컨버터의 존재로 인한 문제점(비용, 크기 등 감소)을 개선하였다.
그러나 도 3의 컨버터 방식 및 도 4의 컨버터 리스 방식 모두 엔진시동을 위한 시동모터와 배터리 충전을 위한 얼터네이터의 장착이 필수적이라는 문제점은 공통적으로 존재한다(도 2 참조). 즉, 시동모터는 고가이고, 얼터네이터를 통해 배터리의 충방전을 반복하므로 손실되는 에너지가 발생하며, 시동시 배터리에 대전류가 출력되므로 배터리의 수명이 단축되고, 얼터네이터의 존재로 인해 엔진 효율이 떨어지는 문제가 있으며 이를 개선할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명은 하이브리드 건설기계에 있어서 엔진 시동을 위한 시동 모터와, 배터리 충전을 위한 얼터네이터를 제거하면서도 효율적으로 전원을 공급할 수 있는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이상의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법은 엔진 시동을 위한 시동모터와, 배터리 충전을 위한 얼터네이터를 제거함으로써 함으로써 원가 절감을 도모하고, 엔진 동작 효율을 향상시키며, 배터리의 충방전 과정 없이 전기 시스템에 전기 에너지 공급을 가능하게 함으로써 에너지 절감 효과를 도모하였다.
즉, 엔진 시동을 위해 사용되던 시동모터를 제거하는 대신 엔진 보조 모터를 이용하여 엔진 시동을 수행하도록 하였다. 또한, 엔진 보조 모터에서 발생한 에너지를 저장한 제1 축전 수단(DC 링크 커패시터)에 직접 연결된 전력 변환 장치(DC/DC 컨버터)를 마련하여 얼터네이터 없이 배터리 충전을 수행함과 동시에 배터리 대신 전력 변환 장치(DC/DC 컨버터)가 전기 시스템에 에너지를 공급하도록 하였다.
보다 구체적으로, 본 발명은 엔진과, 부하 모터와, 배터리와, 전기 시스템을 구비한 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치에 있어서, 상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 엔진을 시동하는 엔진 보조 모터; 상기 엔진 보조 모터와 연결된 제1 인버터와 상기 부하 모터에 연결된 제2 인버터 사이에 위치하고 발생된 전기 에너지를 축적하는 제1 축전 수단; 상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제1 축전 수단을 통해 상기 엔진 보조 모터로 전기 에너지를 공급하는 제2 축전 수단; 상기 제2 축전 수단에 연결된 컨버터와 상기 배터리 사이에 위치하고, 상기 제1 축전 수단과 상기 전기 시스템과 연결되어 전력을 변환하는 전력 변환 수단; 및 상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 전기 에너지를 이용하여 상기 제2 축전 수단을 축전시키고, 상기 하이브리드 건설기계의 정상 동작시 상기 제1 축전 수단에 축적된 전기 에너지를 상기 전기 시스템으로 공급하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 상기 하이브리드 건설기계의 시동시 제2 축전 수단의 전압을 확인하는 전압 확인 단계; 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우 배터리의 전기 에너지를 이용하여 상기 제2 축전 수단을 축전시키는 축전 단계; 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상이 되면 상기 제2 축전 수단으로부터 엔진 보조 모터로 전기 에너지를 공급하여 엔진을 시동시키는 시동 단계; 및 상기 하이브리드 건설기계의 정상 동작시 제1 축전 수단에 축적된 전기 에너지를 전기 시스템으로 공급하는 정상 동작 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법은 엔진 시동을 위한 시동모터와, 배터리 충전을 위한 얼터네이터를 제거함으로써 함으로써 원가 절감을 도모하고, 엔진 동작 효율을 향상시키며, 배터리의 충방전 과정 없이 전기 시스템에 전기 에너지 공급을 가능하게 함으로써 에너지 절감 효과를 도모하였다.
즉, 엔진 시동을 위해 사용되던 시동모터를 제거하는 대신 엔진 보조 모터를 이용하여 엔진 시동을 수행하도록 하였다. 또한, 엔진 보조 모터에서 발생한 에너지를 저장한 제1 축전 수단(DC 링크 커패시터)에 직접 연결된 전력 변환 장치(DC/DC 컨버터)를 마련하여 얼터네이터 없이 배터리 충전을 수행함과 동시에 배터리 대신 전력 변환 장치(DC/DC 컨버터)가 전기 시스템에 에너지를 공급하도록 하였다.
도 1은 종래의 유압식 굴삭기 시스템 구성도.
도 2는 종래 하이브리드 굴삭기 시스템 구성도.
도 3은 종래 컨버터 방식에 따른 하이브리드 굴삭기 시스템의 상세도.
도 4는 종래 컨버러 리스(Converter Less) 방식에 따른 하이브리드 굴삭기 시스템의 상세도.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치의 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 컨버터 방식 하이브리드 굴삭기 시스템의 상세도.
도 7은 본 발명에 따른 컨버러 리스(Converter Less) 방식 하이브리드 굴삭기 시스템의 상세도.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치에서의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 9 및 도 10 내지 13은 본 발명에 따른 장치의 동작 모드별 작동 상태를 설명하기 위한 도면.
<부호의 설명>
10: 시동 모터 30: 엔진
20: 얼터네이터 101: 배터리
106: 전기 시스템 103: 엔진 보조 모터
280: 제어부 130: 엔진 보조 모터 인버터
150: DC 링크 140: 선회 모터 인버터
104: 선회 모터 160: 울트라 커패시터 컨버터
105: 울트라 커패시터 290: DC/DC 컨버터
291: 스위칭 수단 292: 다이오드
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치의 개념도이다. 도 5의 장치를 도 2의 종래의 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치와 비교할 때 차이점은 기존의 시동 모터(10)와 얼터네이터(20)가 제거되었다는 점이다. 즉, 엔진 시동을 위해 사용되던 시동 모터(10)를 제거하는 대신 엔진 보조 모터(103)를 이용하여 엔진 시동이 수행되도록 하는 점이다.
또한, 엔진 보조 모터(103)에서 발생한 에너지를 저장한 제1 축전 수단(DC 링크 커패시터, 150)은 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)과 직접 연결된다. 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)은 얼터네이터 대신 배터리(101) 충전을 수행함과 동시에, 배터리(101) 대신 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)이 전기 시스템(106)에 에너지를 공급한다.
또한, 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치는 스위칭 수단(291)은 하이브리드 건설기계의 시동시 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에만 배터리(101)와 제2 축전 수단(105)을 통전시켜 배터리(101)에 의해 제2 축전 수단(105)을 충전시키도록 한다.
또한, 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치는 전류 제어 수단(다이오드, 292)을 구비할 수도 있는데, 전류 제어 수단(292)은 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)이 고장인 경우 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290) 대신 배터리(101)가 전기 시스템(106)에 전기 에너지를 공급하도록 한다.
이하, 도 6은 및 도 7을 참조로 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다. 종래 기술과 동일한 내용에 대해서는 구체적인 설명을 생략하고 상이한 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 6은 컨버터 방식에 대한 본 발명의 실시예이고, 도 7은 컨버터 리스(Converter Less) 방식에 대한 본 발명의 실시예이다.
도 6의 컨버터 방식의 경우 도 3에 도시된 종래의 컨버터 방식과 상이한 점은 종래의 시동 모터(10) 및 얼터네이터(20)가 생략되었다는 것이다.
즉, 엔진 시동을 위해 사용되던 시동모터(10)를 제거하는 대신 엔진 보조 모터(103)를 이용하여 엔진 시동을 수행하도록 한다.
또한, 기존의 컨버터 방식과 상이한 점은 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)을 마련했다는 점이다. 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)은 엔진 보조 모터(103)에서 발생한 에너지를 저장한 제1 축전 수단(DC 링크 커패시터, 150)에 직접 연결되어 있다. 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)은 얼터네이터 대신 배터리(101) 충전을 수행함과 동시에, 배터리(101) 대신 전기 시스템(106)에 에너지를 공급한다.
또한, 스위칭 수단(291)은 하이브리드 건설기계의 시동시 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에만 배터리(101)와 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)을 통전시켜 배터리(101)에 의해 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)을 충전시키도록 한다.
한편, 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상인 경우에는 스위칭 수단(291)은 오픈되고, 그 대신 제2 축전 수단(105)이 엔진 보조 모터(103)에 전기 에너지를 공급하여 엔진을 시동하도록 한다.
이상의 제어는 제어부(280)에 의해 수행된다. 즉, 제어부(280)는 시동시 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에는 배터리(101)로부터 제2 축전 수단(105)에 충전 에너지를 공급시키도록 하고, 제2 축전 수단(105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상이 되면 제2 축전 수단(105)으로부터 엔진 보조 모터(103)에 전기 에너지를 공급하여 엔진(30)을 시동하도록 제어한다.
도 7의 컨버터 리스 방식의 경우에도 도 4에 도시된 종래의 컨버터 리스 방식과 상이한 점은 종래의 시동 모터 및 얼터네이터가 생략되었다는 점이다.
전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)은 엔진 보조 모터(103)에서 발생한 에너지를 저장한 제1 축전 수단(DC 링크 커패시터, 150)에 직접 연결되어 있다. 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)은 얼터네이터 대신 배터리(101) 충전을 수행함과 동시에, 배터리(101) 대신 전기 시스템(106)에 에너지를 공급한다는 점은 도 6의 컨버터 방식과 유사하다.
또한, 스위칭 수단(291)은 하이브리드 건설기계의 시동시 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에만 배터리(101)와 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)을 통전시켜 배터리(101)에 의해 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)을 충전시키도록 한다.
한편, 도 7의 컨버터 리스 방식의 경우에는 도 6의 컨버터 방식과 달리 전류 제어 수단(다이오드, 292)을 더 구비할 수 있다. 전류 제어 수단(292)은 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290)이 고장인 경우 전력 변환 수단(DC/DC 컨버터, 290) 대신 배터리(101)가 전기 시스템(106)에 전기 에너지를 공급하도록 한다.
대전류 도통용 대용량 컨텍터(MC)(280-1)의 동작에 따라, 울트라 커패시터(105)의 전압을 DC 링크 커패시터(250)의 전압과 일치시키도록 한다.
이상의 제어는 제어부(280)에 의해 수행된다. 즉, 제어부(280)는 시동시 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에는 배터리(101)로부터 제2 축전 수단(105)에 충전 에너지를 공급시키도록 하고, 제2 축전 수단(105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상이 되면 제2 축전 수단(105)으로부터 엔진 보조 모터(103)에 전기 에너지를 공급하여 엔진(30)을 시동하도록 제어한다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치에서의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
초기에 운전자가 Key On을 하면(S10), 제어부(280)는 제2 축전 수단(울트라 커패시터, 105)의 충전 상태를 확인한다(S20).
상기 확인 결과(S20), 제어부(280)는 울트라 커패시터(105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 최소 전압인 기준 전압 이상이면, 울트라 커패시터(105)의 에너지가 엔진(30)을 시동하기에 충분한 경우에는 바로 엔진 시동 모드로 진행하여 울트라 커패시터(105)의 전원을 이용하여 엔진(30)을 시동한다(S40).
반면, 상기 확인 결과(S20), 제어부(280)는 울트라 커패시터(105)의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 최소 전압인 기준 전압보다 낮은 경우에는 배터리(101)의 에너지를 이용하여 울트라 커패시터(105)를 충전한 후(S30), 울트라 커패시터(105)의 충전 상태를 확인하는 S20 과정을 다시 수행한다. 그리고 제어부(280)는 울트라 커패시터(105)의 전압이 기준 전압에 도달하면 엔진 시동 모드로 진행한다(S40).
한편, 제어부(280)는 엔진(30)이 시동되면 DC 링크 커패시터(150, 250)에 저장된 에너지를 DC/DC 컨버터(290)를 이용하여 전기 시스템(106)에 필요한 +24 전원을 공급하고(S50), 굴삭기를 정상 동작시킨다(S60).
도 9 및 도 10 내지 13은 본 발명에 따른 장치의 동작 모드별 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도시된 것과 같이 본 발명에 따른 전원 공급 장치는 울트라 커패시터(UC) 충전 모드(도 9의 (a), 도 10), 엔진 시동 모드(도 9의 (b)), 정상 동작 모드(도 9의 (c), 도 11) 배터리 충전 모드(도 12) 및 고장 모드(도 13)의 총 5가지의 동작 모드가 존재한다.
도 9 및 도 10을 참조하여 울트라 커패시터(UC) 충전 모드를 살펴보기로 한다.
도 9의 (a) 및 도 10은 울트라 커패시터(UC) 충전 모드로서, 초기 시동시 울트라 커패시터(UC)가 방전되어 엔진 시동에 필요한 최소 전압인 기준 전압보다 낮은 경우, 스위칭 수단(291)이 ON되고, 배터리(101)의 에너지를 이용하여 DC/DC 컨버터(290) 및 DC 링크(150)를 통해 UC 컨버터를 거쳐 울트라 커패시터를 충전한다.
도 9의 (b)를 참조하여 엔진 시동 모드를 살펴보기로 한다.
도 9의 (b)는 엔진 시동 모드로서, 울트라 커패시터의 전압이 기준 전압 이상인 경우, 엔진 시동을 위하여 울트라 커패시터의 에너지를 이용하여 UC 컨버터 및 DC 링크를 통해 인버터 및 발전기로 전력을 공급하고 공급된 전력을 통해 엔진(30)을 회전시켜 엔진 시동을 수행한다.
도 9의 (c) 및 도 11을 참조하여 정상 동작 모드를 살펴보기로 한다.
도 9의 (c) 및 도 11은 엔진 시동이 이루어진 후의 정상 동작 모드이다. 정상 동작 모드에서는 스위칭 수단(291)이 OFF되고, DC 링크(150)의 에너지가 DC/DC 컨버터(290)를 거쳐 필요한 전압(+24V)으로 변환된 후 전기 시스템(106)에 필요한 전원을 발생 및 공급한다.
도 12를 참조하여 배터리 충전 모드를 살펴보기로 한다.
도 12를 배터리 충전 모드로서, 스위칭 수단(291)이 ON되어, DC 링크 커패시터(150)에 저장된 에너지가 DC/DC 컨버터(290)를 거쳐 필요한 전압(+24V)으로 변환된 후 배터리(101)를 필요 전압(+24V)으로 충전한다.
도 13을 참조하여 고장 모드를 살펴보기로 한다.
도 13은 고장 모드로서, DC/DC 컨버터(290)에 고장이 발생한 경우이다. 이 경우에는 DC/DC 컨버터(290) 대신 전류 제어 수단(292)을 통해 자동적으로 배터리(101)의 에너지가 전기 시스템(106)에 공급된다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 엔진과, 부하 모터와, 배터리와, 전기 시스템을 구비한 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치에 있어서,
    상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 엔진을 시동하는 엔진 보조 모터;
    상기 엔진 보조 모터와 연결된 제1 인버터와 상기 부하 모터에 연결된 제2 인버터 사이에 위치하고 발생된 전기 에너지를 축적하는 제1 축전 수단;
    상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제1 축전 수단을 통해 상기 엔진 보조 모터로 전기 에너지를 공급하는 제2 축전 수단;
    상기 제2 축전 수단에 연결된 컨버터와 상기 배터리 사이에 위치하고, 상기 제1 축전 수단과 상기 전기 시스템과 연결되어 전력을 변환하는 전력 변환 수단; 및
    상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우 상기 배터리의 전기 에너지를 이용하여 상기 제2 축전 수단을 축전시키고, 상기 하이브리드 건설기계의 정상 동작시 상기 제1 축전 수단에 축적된 전기 에너지를 상기 전기 시스템으로 공급하는 제어부
    를 포함하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에는 상기 배터리로부터 상기 제2 축전 수단에 충전 에너지를 공급시키도록 상기 전력 변환 수단을 제어하고, 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상이 되면 상기 제2 축전 수단으로부터 상기 엔진 보조 모터로 전기 에너지를 공급하여 엔진을 시동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 건설기계의 시동시 상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우에만 상기 배터리와 상기 제2 축전 수단을 통전시켜 상기 배터리에 의해 상기 제2 축전 수단을 충전시키도록 하는 스위칭 수단
    을 더 포함하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환 수단이 고장인 경우 상기 전력 변환 수단 대신 상기 배터리로부터 상기 전기 시스템에 전기 에너지를 공급하도록 하는 전류 제어 수단
    을 더 포함하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치.
  5. 상기 하이브리드 건설기계의 시동시 제2 축전 수단의 전압을 확인하는 전압 확인 단계;
    상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압보다 낮은 경우 배터리의 전기 에너지를 이용하여 상기 제2 축전 수단을 축전시키는 축전 단계;
    상기 제2 축전 수단의 전압이 초기 엔진 시동에 필요한 기준 전압 이상이 되면 상기 제2 축전 수단으로부터 엔진 보조 모터로 전기 에너지를 공급하여 엔진을 시동시키는 시동 단계; 및
    상기 하이브리드 건설기계의 정상 동작시 제1 축전 수단에 축적된 전기 에너지를 전기 시스템으로 공급하는 정상 동작 단계
    를 포함하는 것을 특징을 하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전력 변환 수단이 고장인 경우 상기 전력 변환 수단 대신 상기 배터리로부터 상기 전기 시스템에 전기 에너지를 공급하는 고장 대응 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설기계용 전원 공급 방법.
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