WO2022015086A1 - 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a hybrid power distribution system for construction machines such as a hybrid wheel loader, and more particularly, to a hybrid power distribution system for construction machines including a power distribution device.
  • Construction machinery is equipped with a diesel engine with high output power as a power source, drives a hydraulic pump connected to the engine using the power of the engine, and supplies hydraulic oil discharged from the hydraulic pump to a hydraulic actuator such as a hydraulic motor or hydraulic cylinder By doing so, the required power is supplied to the crawler for the traveling part or the rotation of the tire or the work device such as the boom, arm, or bucket to perform the required work.
  • a hydraulic actuator such as a hydraulic motor or hydraulic cylinder
  • diesel is a fossil fuel, so it is gradually depleted.
  • fuel consumption is high, and fuel efficiency and operating costs are increased.
  • an electric power system having a motor and an electric storage device is additionally installed in a general excavator or wheel loader using an engine as a power source, and the power of the engine is converted into electric power through a generator, and then the electric motor
  • the driving part and the working part it is possible to improve the overall efficiency of the construction machine system.
  • Hybrid wheel loader one of hybrid construction machines, requires a number of actuators compared to other construction machines, such as an actuator for the power generation unit for power generation/storage, an actuator for the working unit for power consumption/regeneration, and an actuator for the driving unit. Therefore, it is required to distribute power stably.
  • An embodiment of the present invention aims to provide a hybrid power distribution system for construction machines that includes a power distribution device equipped with an initial charging unit, achieves miniaturization, and can distribute power more conveniently and stably.
  • a hybrid power distribution system for a construction machine includes: an inverter for a power generation unit that receives three-phase AC power from a generator for a power generation unit of a driver for a power generation unit operated by an engine and outputs a DC current; a power distribution device connected to the inverter for the power generation unit, connected to the driving unit and the working unit of the construction machine, receiving the DC current, and distributing power to the driving unit and the working unit; and a control unit that calculates the required load amounts of the traveling unit and the work unit, and controls the generator for the power generation unit through the inverter for the power generation unit based on the required load amounts of the traveling unit and the work unit, wherein the power distribution device includes the driving unit It includes an initial charging unit for the driving unit electrically connected to the unit.
  • the driving unit includes a plurality of driving units electrically connected to the initial charging unit for the driving unit, and each of the plurality of driving units includes an inverter for the driving unit and a motor for the driving unit.
  • each of the plurality of inverters for the driving unit includes a DC link capacitor, and the plurality of DC link capacitors have the same capacitance value.
  • the number of initial charging units for the traveling unit is smaller than the number of inverters for the traveling unit.
  • the initial charging unit for the driving unit the initial charging resistor electrically connected to the inverter for the power generation unit; at least one first relay connected in parallel to the initial charging resistor; and a second relay disposed between the initial charging resistor and the driving part driver.
  • the first relay in the initial operation of the driving part driver, the first relay is controlled in an open state, the second relay is controlled in a connected state, and in normal operation, the first relay is in a connected state controlled, and the second relay is controlled to an open state.
  • the hybrid power distribution system for a construction machine further includes an initial charging unit for the power generation unit disposed between the inverter for the power generation unit and the power distribution device.
  • the hybrid power distribution system for construction equipment includes: a current sensor disposed between the inverter for the power generation unit and the initial charging unit for the power generation unit, and measuring a current value output from the inverter for the power generation unit; and a battery sensor configured to measure a battery remaining charge amount of a battery connected to the power distribution device, wherein the controller controls power distribution of the power distribution device based on the current value and the battery remaining charge amount.
  • a hybrid power distribution system for a construction machine includes: an inverter for a power generation unit that receives three-phase AC power from a generator for a power generation unit of a driver for a power generation unit operated by an engine and outputs a DC current; a power distribution device connected to the inverter for the power generation unit, connected to the driving unit and the working unit of the construction machine, receiving the DC current, and distributing power to the driving unit and the working unit; and a control unit configured to calculate the required load amount of the traveling unit and the work unit, and control the generator for the power generation unit through the inverter for the power generation unit based on the required load amount of the traveling unit and the work unit, wherein the power distribution device includes the work It includes an initial charging unit for the working unit that is electrically connected to the unit.
  • the work unit includes a plurality of actuators for the work unit electrically connected to the initial charging unit for the work unit, and each of the plurality of actuators for the work unit includes an inverter for the work unit and a motor for the work unit.
  • each of the plurality of inverters for the work unit includes a DC link capacitor, and the plurality of DC link capacitors have the same capacitance value.
  • the number of the initial charging unit for the work unit is smaller than the number of inverters for the work unit.
  • the initial charging unit for the work unit the initial charging resistor electrically connected to the inverter for the power generation unit; at least one first relay connected in parallel to the initial charging resistor; and a second relay disposed between the initial charging resistor and the driver for the work unit.
  • the first relay is controlled in an open state
  • the second relay is controlled in a connected state
  • in normal operation the first relay is in a connected state controlled
  • the second relay is controlled to an open state
  • the hybrid power distribution system for a construction machine further includes an initial charging unit for the power generation unit disposed between the inverter for the power generation unit and the power distribution device.
  • the hybrid power distribution system for construction equipment includes: a current sensor disposed between the inverter for the power generation unit and the initial charging unit for the power generation unit, and measuring a current value output from the inverter for the power generation unit; and a battery sensor configured to measure a battery remaining charge amount of a battery connected to the power distribution device, wherein the controller controls power distribution of the power distribution device based on the current value and the battery remaining charge amount.
  • a hybrid power distribution system for a construction machine includes: an inverter for a power generation unit that receives three-phase AC power from a generator for a power generation unit of a driver for a power generation unit operated by an engine and outputs a DC current; a power distribution device connected to the inverter for the power generation unit, connected to the driving unit and the working unit of the construction machine, receiving the DC current, and distributing power to the driving unit and the working unit; and a control unit that calculates the required load amounts of the traveling unit and the work unit, and controls the generator for the power generation unit through the inverter for the power generation unit based on the required load amounts of the traveling unit and the work unit, wherein the power distribution device includes the driving unit It includes an initial charging unit for the traveling unit electrically connected to the unit and an initial charging unit for the working unit electrically connected to the working unit, wherein the traveling unit includes a plurality of driving units electrically connected to the initial charging unit for the traveling unit,
  • the work unit includes a plurality of actuators
  • the working unit includes two actuators for the working unit
  • the driving unit includes six actuators for the driving unit
  • each of the six driving units is connected to a speed reducer, and a 2in1 gear box.
  • Two actuators for the traveling part can be connected to one reducer.
  • a hybrid power distribution system for a construction machine includes a power distribution device equipped with an initial charging unit for a driving unit or an initial charging unit for a working unit, and achieves miniaturization, and can distribute power more conveniently and stably There is an advantage to being there.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a hybrid power distribution system for a construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an apparatus for measuring power generation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a connection state of a power sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a connection state of a switching element inside a three-phase inverter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a hybrid electric power system of a construction machine vehicle including a power distribution system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the hybrid power distribution system of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an internal configuration of the hybrid power distribution system of FIG. 6 .
  • first, second, etc. used in the present invention may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a hybrid power distribution system for a construction machine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a generation power measuring device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram of the present invention It is a diagram illustrating a connection state of a power sensor according to an embodiment.
  • the hybrid power distribution system for construction machinery includes an engine 10, a generator 110 for a power generation unit, an inverter 120 for a power generation unit, a current sensor 130, It may include a control unit 140 , a power distribution device 150 , a battery 160 , a battery sensor 170 , a driving unit 20 , and a work unit 21 .
  • the generator 110 for the power generation unit is driven at the same speed as the engine RPM to produce three-phase AC power.
  • the inverter 120 for the power generation unit is connected to the generator 110 for the power generation unit, receives the three-phase AC power produced by the generator 110 for the power generation unit, and outputs direct current.
  • the inverter 120 for the power generation unit controls the RPM of the engine 10 and the torque of the generator 110 for the power generation unit according to the instruction of the control unit 140 .
  • the inverter 120 for the power generation unit includes a plurality of switching elements and a DC link capacitor 125 .
  • the DC link capacitor 125 accumulates voltages output from the switching elements of the inverter 120 for the power generation unit, and outputs a DC current.
  • the current sensor 130 is disposed on one pole of the DC link of the DC link capacitor 125 of the inverter 120 for the power generation unit and the connection line of the power distribution device 150, the DC link terminal of the inverter 120 for the power generation unit. The current is measured and the measured value is transmitted to the controller 140 .
  • the position of the current sensor 130 is located at the output terminal of the inverter 120 for the power generation unit, it is possible to measure the power in which the inverter efficiency is reflected.
  • three-phase AC power generated from a generator generates reactive power by a phase difference. Accordingly, the generator supplies both active power and reactive power to the inverter 120 for the power generation unit. However, only active power is transmitted as the power transmitted to the power distribution device 150, and the reactive power remains in the generator and inverter systems. Therefore, by mounting the current sensor 130 to the DC link terminal of the inverter 120 for the power generation unit and measuring the voltage and current, it is possible to calculate the correct active power delivered to the electric power system.
  • the control unit 140 is constituted by a central processing unit (CPU) and an arithmetic processing unit including an internal memory, and is executed by the CPU executing a drive control program stored in the internal memory.
  • CPU central processing unit
  • arithmetic processing unit including an internal memory
  • the controller 140 controls the operation of the power distribution device 150 based on the current value measured by the current sensor 130 .
  • the control unit 140 calculates the required load amounts of the traveling unit 20 and the work unit 21, and based on the required load amounts of the traveling unit 20 and the work unit 21, the inverter 120 for the power generation unit ) through the generator 110 for the power generation unit can be controlled.
  • the driving unit 20 includes a plurality of traveling machines 200 and a plurality of driving units 201 for driving the plurality of traveling machines 200
  • the working unit 21 includes a plurality of working machines 210 and It may include a plurality of actuators 211 for a plurality of work units for driving the plurality of work units (210).
  • the driving unit 201 of the driving unit 20 includes a driving unit motor 2011 and an inverter 2012 for controlling the rotation speed of the traveling unit motor 2011, respectively, and of the working unit 21 .
  • the actuator 211 for the working part includes a motor 2111 for the working part and an inverter 2112 for the working part for controlling the rotation speed of the motor 2111 for the working part, respectively.
  • the driving machine 200 includes components for driving the construction machine, and may include, for example, a reducer, an accelerator, a gear, a brake, and the like.
  • the work machine 210 includes components for the work of a construction machine, and may include, for example, a bucket, an arm, a boom, and the like. The relationship between the power distribution device 15 and the driving unit 20 and the work unit 21 will be described in detail with reference to FIG. 5 to be described later.
  • the driving unit 20 and the working unit 21 are driven by the power distributed by the power distribution device 150 in the embodiment of the present invention.
  • the control unit 140 controls the traveling unit 20 and the working unit 21 based on the power consumed by the traveling machine 200 and the working machine 210 by the traveling machine sensor (not shown) and the working machine sensor (not shown). can calculate the required load.
  • the controller 140 calculates the total power consumption measured value by summing the power consumption of each travel machine 200 and the work machine 210, or Power consumption for each of the driving unit 20 and the working unit 21 may be calculated.
  • the controller 140 may receive a signal indicating an operation amount for operating the connected work machine and calculate a load amount corresponding to the operation amount.
  • the power distribution device 150 distributes the current input from the inverter 120 and the battery 160 for the power generation unit to the connected driving unit 20 and the working unit 21 according to the instruction of the control unit 140 , etc. can do.
  • the power distribution device 150 includes initial charging units (155-1, 155-2) and power distribution units (151, 152, 153, 154).
  • the power distribution units 151 , 152 , 153 , 154 distribute the DC current (voltage) applied from the inverter 120 for the power generation unit to the driving unit 20 and the working unit 21 per panel, bus bar, cable, etc. It may include various configurations known in the art. However, the embodiment of the present invention is not limited thereto, and the power distribution device 150 may further include an additional functional unit and additional wiring. The power distribution device 150 will be described in more detail with reference to FIG. 5 to be described later.
  • an initial charging unit 155 for the power generation unit may be disposed.
  • the initial charging unit 155 is connected in series with the current sensor 130 and disposed between the current sensor 130 and the power distribution device 150 , and includes an initial charging resistor R and relays R1 and R2 . Therefore, the initial charging unit 155 serves as a switch (eg, serves as a cut-off switch) and serves to provide a bypass power line, for example, an initial inrush current generated in the DC link capacitor of the inverter 120 for a generator. can be suppressed
  • the initial charging unit 155 for the power generation unit may be built in the power distribution device (150).
  • the initial charging resistor (R) is connected in series with the current sensor 130, the first relay (R1) is connected in parallel to the initial charging resistor (R), the second relay (R2) is It may be connected in series with the initial charging resistor (R).
  • the initial charging unit 155 of the present invention is not limited thereto, and the initial charging unit 155 includes a plurality of first relays R1 and/or the initial charging resistor R connected in parallel to the initial charging resistor R. ) and a set of the second relay R2 connected in series to the initial charging resistor R may include various well-known initial charging circuits, such as a circuit connected in parallel in plurality.
  • the first relay (R1) In the initial operation of the inverter 120 for the power generation unit, the first relay (R1) is controlled to the open state and the second relay (R2) is controlled to the connected state, and the input current is transmitted through the initial charging resistor (R), In a normal operation, the first relay R1 is controlled to be in the connected state and the second relay R2 is controlled to be in the open state, and is transmitted through the first relay R1.
  • the battery 160 serves to supply power to the starting motor and the ignition device when starting the construction machine. When the engine is stopped, it supplies the power required for the operation of the electrical equipment installed in the construction machine.
  • the battery sensor 170 is electrically connected to the battery 160 and monitors any one or more of voltage, current, and/or temperature of the battery 160 to check the state of charge and the remaining charge amount (charge amount) of the battery 160 . make it possible
  • the battery sensor 170 may be an Intelligent Battery Sensor (IBS).
  • IBS Intelligent Battery Sensor
  • the IBS basically includes sensors that sense the voltage, current, and internal temperature of the vehicle battery, respectively, and using the values sensed by each sensor, the remaining battery charge (SOC: State Of Charge) value and the battery life (SOH: State Of) value are used. Health) (or battery capacity deterioration state), battery internal temperature (BTM: Battery Of Model) value, battery start function (SOF: State Of Function) value, etc. can be calculated.
  • SOC State Of Charge
  • BTM Battery Of Model
  • SOF State Of Function
  • the battery sensor 170 transmits the monitored information to the control unit 140 .
  • the control unit 140 receives the measurement values of the current sensor 130 and the battery sensor 170, and comprehensively determines the remaining battery charge (SOC) of the battery and the required load amount of the work machine to generate power of the generator. decide The controller 140 determines the RPM of the engine and the torque of the generator according to the determined power generation.
  • SOC remaining battery charge
  • the following is a table for explaining the generation power measurement efficiency to which the inverter efficiency according to an embodiment of the present invention is applied.
  • Table 1 shows fuel efficiency according to the rotational speed of the engine.
  • Table 2 shows the torque of the generator according to the rotational speed of the engine.
  • Table 3 shows the inverter efficiency according to the rotational speed of the engine and the torque of the generator.
  • the efficiency of the inverter is 95.79% to 97.9%, and the efficiency error is 2.11% in the operating region of the inverter, that is, in the region where the engine speed is 1250 or more and 1875 or less and the torque of the generator is 0 to 1528 or less.
  • the engine is turned off and the driving range of the inverter is changed.
  • the engine speed in the inverter region in the case of EV is 0 or more and 1250 or less, and the torque of the generator is 0 to 356 or less, and the efficiency of the inverter in this inverter region is 85.93% to 95.98%, and the efficiency error is 10.05%.
  • the current sensor 130 is illustrated and described to be disposed outside the power distribution device 150, but the present invention is not limited thereto, and in the present invention, the current sensor 130 is the power distribution device 150 ) is arranged inside and it is possible to consist of one component.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a connection state of a switching element inside a three-phase inverter according to an embodiment of the present invention.
  • the switching element of the three-phase inverter 120 is an upper switching element S1 disposed between the input line for each of the three phases (U, V, W) and the first pole of the DC link capacitor 125, respectively.
  • S2, S3) and the lower switching elements (S4, S5, S6) respectively disposed between the input line for each of the three phases (U, V, W) and the second pole of the DC link capacitor 125 may be included.
  • the switching elements arranged in the same column are connected to the input line for the same phase, and the upper and lower switching elements for U phase are Sa, the upper and lower switching elements for V phase are Sb, and the upper and lower switching elements for the W phase are Sb.
  • the switching element is denoted by Sc.
  • the two switching elements in the same column that is, Sa, Sb, and Sc are alternately switched according to the phase of the input voltage to output a DC current.
  • the inverter included in the generated power measuring device may use the same model as an inverter connected to a motor used in a working machine of a construction machine.
  • the motor 2011 for the driving unit of the driving unit 20 may correspond to the generator 110 of FIG. 4
  • an inverter 2012 for the driving unit of the driving unit 20 may correspond to the inverter 120 of FIG. 4
  • the motor 2111 for the work unit of the work unit 21 may correspond to the generator 110 of FIG. 4
  • the inverter 2112 for the work unit of the work unit 21 may correspond to the inverter 120 of FIG. 4 . have.
  • the inverter 2012 for the driving unit and the inverter 2112 for the working unit receive the DC current (or voltage) distributed from the power distribution device, and convert it into an alternating current (or voltage) to the motor for the driving unit ( 2111) and the motor 2112 for the work unit, so that the traveling machine 200 and the work machine 210 are driven, respectively.
  • the inverter 2012 for the driving part and the inverter 2112 for the working part may each include a DC link capacitor (see FIG. 7 ).
  • the DC link capacitor of the inverter 2012 for the driving part and the inverter 2112 for the working part may correspond to the DC link capacitor 125 of FIG. 4 .
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a hybrid electric power system of a construction machine vehicle including a power distribution system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the hybrid power distribution system of FIG. is a diagram illustrating an internal configuration of the hybrid power distribution system of FIG. 6 .
  • 5 to 7 are the second half of the schematic diagram of the hybrid electric power system for construction machinery according to the embodiment of the present invention in FIG. The relationship is shown in more detail, and since the same reference numerals indicate the same components throughout FIGS. 1 to 5 , detailed descriptions of overlapping parts will be omitted.
  • the generator 110 for the power generation unit, the inverter 120 for the power generation unit, the current sensor 130, the control unit 140, the battery 160, and the battery sensor 170 is omitted, and the power distribution device ( 150) and the driving unit 20, the connection relationship between the driving unit motor and the driving unit inverter connected between the power distribution device 150 and the driving unit 20, and the power distribution device 150 and the working unit 21 , a connection relationship between the inverter for the work unit and the motor for the work unit connected between the power distribution device 150 and the work unit 21 will be described in detail.
  • the power distribution device 150 includes an initial charging unit 155-1 for the driving unit, an initial charging unit 155-2 for the working unit, a main power power distribution unit 151, a working unit power distribution unit 152, and a driving unit power distribution unit. 153 , and a power distribution unit 154 for grounding.
  • the power distribution unit 151 for the main power of the power distribution device 150 has one terminal connected to the inverter 120 for the power generation unit and one terminal of the initial charging unit 155-1 for the driving unit and the initial charging unit for the working unit. It has other terminals respectively connected to one terminal of (155-2).
  • the power distribution unit 152 for the work unit of the power distribution device 150 has one terminal connected to the other terminal of the initial charging unit 155-2 for the work unit and the other terminal connected to one terminal of the driver 211 for the work unit.
  • the power distribution unit 153 for the driving unit of the power distribution device 150 has one terminal connected to the other terminal of the initial charging unit 155-1 for the driving unit and the other terminal connected to one terminal of the driving unit 201 for the driving unit.
  • the grounding power distribution unit 154 of the power distribution device 150 is connected to the other terminal of the driving unit driver 201 and the other terminal of the working unit driving unit 211 .
  • the work unit 21 includes two work units 210 and two work units actuators 211 for respectively driving the work units 210 , and each actuator 211 for the work unit is a motor for the work unit. (2111-1, 2111-2) and inverters for the work unit (2112-1, 2112-2) may be included. Accordingly, the power distribution unit 152 for the work unit of the power distribution device 150 is at one terminal connected to the initial charging unit 155-2 for the work unit and one terminal of the inverters 2112-1 and 2111-2 for the work unit, respectively. It has other terminals to be connected.
  • the traveling unit 20 includes 6 traveling units (eg, reducers) 200 and 6 driving units 201 for driving the traveling unit 200, respectively, each traveling
  • the bouillon driver 201 may include motors for the driving unit (2011-1 to 2011-6) and inverters for the driving unit (2012-1 to 2012-6).
  • the power distribution unit 153 for the traveling unit of the power distribution device 150 is connected to one terminal connected to the initial charging unit 155-1 for the traveling unit and one terminal of the inverters 2012-1 to 2012-6 for the traveling unit, respectively. It has other terminals to be connected.
  • the working unit 21 and the traveling unit 20 may include different numbers of the working machine 210 and the traveling machine 200, respectively, and a plurality of drivers It may be connected to one working machine or one traveling machine.
  • the six driving units 200 may be arranged in four on the front wheel and two on the rear wheel for 4-axis driving.
  • the six driving units 200 may each include a speed reducer, and in the case of some driving units 200 , the two driving units 201 may be connected to one driving unit 200 by a 2in1 gearbox. have.
  • the power distribution device 150 accurately measures the active power among the generated current generated/stored by the driver 156 for the power generation unit, and based on the measured active power by the control unit 140, Power may be distributed by connecting the battery 160 and the driving device 200 and the working device 210 for power consumption/regeneration.
  • the initial charging unit 155-1 for the traveling unit and the initial charging unit 155-2 for the working unit may have a structure substantially similar to the initial charging unit 155 for the power generation unit described in relation to FIG. 3 .
  • the initial charging unit 155 - 1 for the driving unit may be electrically connected to the main power power distribution unit 151 and the driving unit power distribution unit 153 .
  • the initial charging unit 155-1 for the driving unit includes an initial charging resistor (R) electrically connected to the power distribution unit 151 for the main power, and one or more first relays connected in parallel to the initial charging resistor (R) ( R1), and a second relay R2 connected between the initial charging resistor R and the power distribution unit 153 for the driving unit.
  • the initial charging unit 155 - 2 for the work unit may be electrically connected to the main power power distribution unit 151 and the work unit power distribution unit 152 . More specifically, the initial charging unit 155-1 for the work unit is an initial charging resistor (R) electrically connected to the power distribution unit 151 for the main power, and one or more first relays connected in parallel to the initial charging resistor (R) ( R1), and a second relay R2 connected between the initial charging resistor R and the power distribution unit 152 for the work unit.
  • R initial charging resistor
  • the first relay R1 In the initial operation of the inverter 2012 for the driving part and the inverter 2112 for the working part, the first relay R1 is controlled in the open state and the second relay R2 is controlled in the connected state, and the input current is the initial charging resistance It is transmitted through R, and during normal operation, the first relay R1 is controlled to the connected state and the second relay R2 is controlled to the open state, and is transmitted through the first relay R1.
  • the initial charging unit (155-1, 155-2) includes the initial charging resistor (R) and the relay (R1, R2), serves as a switch (eg, serves as a cut-off switch) and serves to provide a bypass power line
  • a switch eg, serves as a cut-off switch
  • each of the initial charging units 155, 155-1, and 155-2 may be installed in the power generation unit, the work unit, and the driving unit.
  • the initial charging unit 155-1 for the traveling unit may be connected to a plurality of traveling units 200, for example, six traveling units 200 through the plurality of driving units 201, and may be an initial charging unit for the working unit.
  • the charging unit 155 - 2 may be connected to the plurality of work units 210 , for example, the two work units 210 through the plurality of work unit actuators 211 .
  • a plurality of inverters 2012 for driving units included in the plurality of driving units 201 are connected to one initial charging unit 155-1 for driving units, and a plurality of actuators 211 for working units included in the plurality of driving units are connected to each other.
  • Inverter 2112 for the work unit may be connected to the initial charging unit 155-2 for one work unit.
  • the power distribution device may include a plurality of initial charging units for a plurality of inverters, and in this case, the number of initial charging units may be smaller than the number of inverters.
  • the initial charging unit 155-1 for the traveling unit may include a plurality of initial charging units 155-1 respectively connected to a plurality of different sets of driving units 201, and in this case, the initial charging unit for the traveling unit ( 155-1) may be smaller than the number of inverters 2012 for the driving unit.
  • the initial charging unit 155-2 for the working unit may include a plurality of initial charging units 155-2 connected to a plurality of different sets of actuators 211 for the working unit, and in this case, the initial charging unit 155- for the working unit.
  • the number of 2) may be smaller than the number of inverters 2112 for the work unit.
  • the power distribution device 150 includes the initial charging unit 155-1 for the driving unit 20 and the initial charging unit 155-2 for the working unit 21 inside, so that from the outside Without separately considering whether the installed inverter 2012 for the driving unit and/or the inverter 2112 for the working unit requires an initial charging circuit, the driving unit 200, the working unit 210, and the driving unit inverter (2012) , the inverter 2112 for the work unit can be freely used.
  • a common initial charging circuit for example, one initial charging unit 155-1, 155-2 for each of the driving unit 20 and the working unit 21
  • power distribution It is possible to achieve miniaturization of the device.
  • the initial charging unit 155 for the power generation unit, the initial charging unit 155-1 for the driving unit, and the initial charging unit 155-2 for the working unit may be used separately because the power generation form, noise, and load used are different from each other. have.
  • the physical characteristics of the DC link capacitors of the inverters 2012 and 2112 for the driving part and the working part connected to the same among the initial charging units 155-1 and 155-2 for the driving part and the working part may be the same.
  • all six DC link capacitors included in the six inverters 2012-1 to 2012-6 for the driving unit connected to the initial charging unit 155-1 for the driving unit may have the same capacitance value.
  • the two DC link capacitors respectively included in the two inverters 2112-1 and 2112-2 for the work unit connected to the initial charging unit 155-2 for the work unit may have the same capacitance value. This is because the current distributed through the initial charging units 155 - 1 and 155 - 2 can be evenly distributed only when the DC link capacitors are the same.
  • the initial charging of the DC link capacitor 125 may be designed as a value of the number of each inverter x the capacitance of one inverter.
  • the initial charging time T precharge may be calculated by the following equation.
  • T precharge -RC*ln(1-V o /V in)
  • R may be a resistance of an initial charging resistor of the initial charging circuit
  • C may be a capacitance of the inverter
  • Vin may be an input voltage value of the initial charging circuit
  • Vo may be an output voltage value (charging voltage value) of the initial charging circuit.
  • the resistance value of the initial charging resistance of the initial charging circuit can be obtained by the above formula.
  • the hybrid power distribution system for construction machinery accurately measures the active power among the generated current generated/stored by the generator for the power generation unit, and based on the measured active power, the battery and Power can be distributed by connecting the actuator for the working part and the actuator for the driving part for power consumption/regeneration.
  • control unit 150 power distribution device
  • initial charging unit 155-1 initial charging unit for driving unit

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은, 엔진에 의해 동작하는 발전부용 구동기의 발전부용 발전기로부터 3상의 교류전원을 입력받아 DC 전류를 출력하는 발전부용 인버터; 상기 발전부용 인버터에 연결되고, 건설기계의 주행부 및 작업부에 연결되어, 상기 DC 전류를 인가받아서, 상기 주행부 및 상기 작업부에 전력을 분배하는 전력분배장치; 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량을 연산하고, 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량에 기초하여 상기 발전부용 인버터를 통해 상기 발전부용 발전기를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력분배장치는 상기 주행부와 전기적으로 연결되는 주행부용 초기충전부를 포함한다.

Description

건설기계용 하이브리드 전력분배시스템
본 발명은 하이브리드 휠로더 등의 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력분배장치를 포함하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템에 관한 것이다.
건설기계는 동력원으로서 고출력의 파워를 갖는 디젤 엔진을 탑재하고, 그러한 엔진의 파워를 이용하여 엔진에 연결된 유압 펌프를 구동하며, 유압 펌프에서 토출되는 작동유를 유압 모터나 유압 실린더 등의 유압 액추에이터로 공급함으로써 주행부용 크롤러 또는 타이어의 회전이나 붐, 아암, 버켓 등의 작업장치에 필요한 동력을 제공하여 요구되는 작업을 수행한다.
그러나, 디젤 엔진의 연료로서 경유는 화석연료이기 때문에 점차 고갈되어 가는 실정이며, 특히 건설기계의 특성상 때문에 연료 소모량이 많아 연비 및 운전비용이 증대되는 단점이 있어 왔다.
이를 해소하기 위한 대안의 하나로서, 전기에너지의 활용이 주목되고 있으며, 전기에너지를 이용한 전기동력시스템 적용한 건설기계의 사례, 예를 들면 하이브리드 굴삭기, 휠로더 등에 전기동력시스템을 적용한 건설기계에 관한 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 하이브리드 건설기계 시스템은 엔진을 동력원으로 하는 일반적인 굴삭기, 휠로더 등에 모터와 전기저장 장치를 구비한 전기동력시스템을 추가로 설치하여, 엔진의 동력을 발전기를 통하여 전력으로 변환한 후, 전동기를 이용하여 주행부와 작업부를 구동함으로써, 건설기계 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
하이브리드 건설 기계의 하나인 하이브리드 휠로더는 전력생성/저장을 위한 발전부용 구동기, 전력소모/회생을 위한 작업부용 구동기, 주행부용 구동기 등 특히 타 건설기계에 비하여 다수의 구동기가 필요하여 각각의 구동기를 연결하여 안정적으로 전력을 분배하는 것이 요구된다.
본 발명의 일 실시예는 초기충전부가 구비된 전력분배장치를 포함하여, 소형화를 달성하고, 보다 편리하고 안정적으로 전력을 분배할 수 있는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은, 엔진에 의해 동작하는 발전부용 구동기의 발전부용 발전기로부터 3상의 교류전원을 입력받아 DC 전류를 출력하는 발전부용 인버터; 상기 발전부용 인버터에 연결되고, 건설기계의 주행부 및 작업부에 연결되어, 상기 DC 전류를 인가받아서, 상기 주행부 및 상기 작업부에 전력을 분배하는 전력분배장치; 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량을 연산하고, 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량에 기초하여 상기 발전부용 인버터를 통해 상기 발전부용 발전기를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력분배장치는 상기 주행부와 전기적으로 연결되는 주행부용 초기충전부를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 주행부는, 상기 주행부용 초기충전부에 전기적으로 연결되는 복수의 주행부용 구동기를 포함하고, 상기 복수의 주행부용 구동기의 각각은 주행부용 인버터 및 주행부용 모터를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 복수의 주행부용 인버터 각각은 DC 링크 커패시터를 포함하고, 상기 복수의 DC 링크 커패시터는 동일한 커패시턴스 값을 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 주행부용 초기충전부의 개수는 상기 주행부용 인버터의 개수보다 작다.
일부 실시예에서, 상기 주행부용 초기충전부는, 상기 발전부용 인버터에 전기적으로 연결되는 초기충전저항; 상기 초기충전저항에 병렬 연결되는 하나 이상의 제1 릴레이; 및 상기 초기충전저항과 상기 주행부용 구동기 사이에 배치되는 제2 릴레이를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 주행부용 구동기의 초기 동작 시에, 상기 제1 릴레이는 개방상태로 제어되고, 상기 제2 릴레이는 접속상태로 제어되고, 정상 동작 시에, 상기 제1 릴레이는 접속상태로 제어되고, 상기 제2 릴레이는 개방상태로 제어된다.
일부 실시예에서, 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은, 상기 발전부용 인버터와 상기 전력분배장치 사이에 배치되는 발전부용 초기충전부를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은, 상기 발전부용 인버터와 상기 발전부용 초기충전부 사이에 배치되어, 상기 발전부용 인버터로부터 출력되는 전류값을 측정하는 전류 센서; 및 상기 전력분배장치와 연결된 배터리의 배터리 잔존 충전량을 측정하는 배터리 센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전류값 및 상기 배터리 잔존 충전량에 기초하여 상기 전력분배장치의 전력분배를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은, 엔진에 의해 동작하는 발전부용 구동기의 발전부용 발전기로부터 3상의 교류전원을 입력받아 DC 전류를 출력하는 발전부용 인버터; 상기 발전부용 인버터에 연결되고, 건설기계의 주행부 및 작업부에 연결되어, 상기 DC 전류를 인가받아서, 상기 주행부 및 상기 작업부에 전력을 분배하는 전력분배장치; 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량을 연산하고, 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량에 기초하여 상기 발전부용 인버터를 통해 상기 발전부용 발전기를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력분배장치는 상기 작업부와 전기적으로 연결되는 작업부용 초기충전부를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 작업부는, 상기 작업부용 초기충전부에 전기적으로 연결되는 복수의 작업부용 구동기를 포함하고, 상기 복수의 작업부용 구동기의 각각은 작업부용 인버터 및 작업부용 모터를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 복수의 작업부용 인버터 각각은 DC 링크 커패시터를 포함하고, 상기 복수의 DC 링크 커패시터는 동일한 커패시턴스 값을 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 작업부용 초기충전부의 개수는 상기 작업부용 인버터의 개수보다 작다.
일부 실시예에서, 상기 작업부용 초기충전부는, 상기 발전부용 인버터에 전기적으로 연결되는 초기충전저항; 상기 초기충전저항에 병렬 연결되는 하나 이상의 제1 릴레이; 및 상기 초기충전저항과 상기 작업부용 구동기 사이에 배치되는 제2 릴레이를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 작업부용 구동기의 초기 동작 시에, 상기 제1 릴레이는 개방상태로 제어되고, 상기 제2 릴레이는 접속상태로 제어되고, 정상 동작 시에, 상기 제1 릴레이는 접속상태로 제어되고, 상기 제2 릴레이는 개방상태로 제어된다.
일부 실시예에서, 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은, 상기 발전부용 인버터와 상기 전력분배장치 사이에 배치되는 발전부용 초기충전부를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은, 상기 발전부용 인버터와 상기 발전부용 초기충전부 사이에 배치되어, 상기 발전부용 인버터로부터 출력되는 전류값을 측정하는 전류 센서; 및 상기 전력분배장치와 연결된 배터리의 배터리 잔존 충전량을 측정하는 배터리 센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전류값 및 상기 배터리 잔존 충전량에 기초하여 상기 전력분배장치의 전력분배를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은, 엔진에 의해 동작하는 발전부용 구동기의 발전부용 발전기로부터 3상의 교류전원을 입력받아 DC 전류를 출력하는 발전부용 인버터; 상기 발전부용 인버터에 연결되고, 건설기계의 주행부 및 작업부에 연결되어, 상기 DC 전류를 인가받아서, 상기 주행부 및 상기 작업부에 전력을 분배하는 전력분배장치; 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량을 연산하고, 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량에 기초하여 상기 발전부용 인버터를 통해 상기 발전부용 발전기를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력분배장치는 상기 주행부와 전기적으로 연결되는 주행부용 초기충전부 및 상기 작업부와 전기적으로 연결되는 작업부용 초기충전부를 포함하고, 상기 주행부는, 상기 주행부용 초기충전부에 전기적으로 연결되는 복수의 주행부용 구동기를 포함하고, 상기 작업부는, 상기 작업부용 초기충전부에 전기적으로 연결되는 복수의 작업부용 구동기를 포함하며, 상기 전력분배장치는, 상기 발전부용 인버터에 연결되는 일단자와, 상기 주행부용 초기충전부의 일단자와 상기 작업부용 초기충전부의 일단자에 각각 연결되는 타단자들을 갖는 주전원용 전력분배부; 상기 주행부용 초기충전부의 타단자에 연결되는 일단자와, 상기 복수의 주행부용 구동기의 일단자들에 연결되는 타단자들을 갖는 주행부용 전력분배부; 상기 작업부용 초기충전부의 타단자에 연결되는 일단자와, 상기 복수의 작업부용 구동기의 일단자들에 연결되는 타단자들을 갖는 작업부용 전력분배부; 및 상기 복수의 주행부용 구동기의 타단자들 및 상기 복수의 작업부용 구동기의 타단자들에 연결되는 접지용 전력분배부를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 작업부는 2개의 작업부용 구동기를 포함하고, 상기 주행부는 6개의 주행부용 구동기를 포함하며, 상기 6개의 주행부용 구동기는 각각 감속기와 연결되며, 2in1 기어 박스(2in1 gear box)에 의해 2개의 주행부용 구동기가 하나의 감속기에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은 주행부용 초기충전부 또는 작업부용 초기충전부가 구비된 전력분배장치를 포함하여, 소형화를 달성하고, 보다 편리하고 안정적으로 전력을 분배할 수 있게 된다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템의 계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전전력 측정장치를 도시한 도시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력센서의 연결 상태를 도시한 도시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 인버터 내부의 스위칭 소자의 연결 상태를 도시한 도시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력분배시스템을 포함한 건설기계 차량의 하이브리드 전기동력시스템을 도시한 도시도이다.
도 6은 도 5의 하이브리드 전력분배시스템을 도시한 도시도이다.
도 7은 도 6의 하이브리드 전력분배시스템의 내부 구성을 도시한 도시도이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 발명에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 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 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템의 계통도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전전력 측정장치를 도시한 도시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력센서의 연결 상태를 도시한 도시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은 엔진(10), 발전부용 발전기(110), 발전부용 인버터(120), 전류센서(130), 제어부(140), 전력분배장치(150), 배터리(160), 배터리센서(170), 주행부(20), 및 작업부(21)를 포함할 수 있다.
발전부용 발전기(110)는 엔진의 RPM과 동일한 속도로 구동하여 3상 교류전력을 생산한다.
발전부용 인버터(120)는 발전부용 발전기(110)와 연결되어, 발전부용 발전기(110)에 의해 생산되는 3상 교류전력을 입력받아, 직류를 출력한다.
발전부용 인버터(120)는 제어부(140)의 지시에 따라 엔진(10)의 RPM 및 발전부용 발전기(110)의 토크(torque)를 제어한다.
발전부용 인버터(120)는 복수개의 스위칭 소자 및 DC 링크 커패시터(125)를 포함한다.
DC 링크 커패시터(125)는 발전부용 인버터(120)의 스위칭 소자들로부터 출력되는 전압을 축적하여, DC 전류를 출력한다.
전류센서(130)는 발전부용 인버터(120)의 DC 링크 커패시터(125)의 직류링크의 한 극과 전력분배장치(150)의 연결선 상에 배치되어, 발전부용 인버터(120)의 직류링크 단의 전류를 측정하여 제어부(140)에 측정값을 전달한다.
전류센서(130)의 위치가 발전부용 인버터(120)의 출력단에 위치하므로, 인버터 효율이 반영된 전력을 측정할 수 있다.
보다 구체적으로, 일반적으로 발전기로부터 발생되는 3상의 교류전력은 위상차에 의해 무효전력을 발생시킨다. 따라서, 발전기는 유효전력과 무효전력을 모두 발전부용 인버터(120)로 공급하게 된다. 그런데, 전력분배장치(150)로 전달되는 전력은 유효전력만이 전달되며, 무효전력은 발전기와 인버터 계통에 남아 있게 된다. 따라서, 발전부용 인버터(120)의 DC 링크 단에 전류센서(130)를 장착하여 전압과 전류를 측정함으로써, 전기동력시스템으로 전달되는 정확한 유효전력을 계산할 수 있다.
제어부(140)는 중앙연산처리장치(CPU: Central Processing Unit) 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치에 의하여 구성되고, 내부메모리에 격납된 구동제어용 프로그램을 CPU가 실행함으로써 실행된다.
제어부(140)는 전류센서(130)에 의해 측정된 전류값에 기초하여, 전력분배장치(150)의 동작을 제어한다.
제어부(140)는, 예를 들어, 주행부(20)와 작업부(21)의 필요 부하량을 연산하고, 주행부(20)와 작업부(21)의 필요 부하량에 기초하여 발전부용 인버터(120)를 통해 발전부용 발전기(110)를 제어할 수 있다.
주행부(20)는 복수의 주행기(200) 및 복수의 주행기(200)를 구동시키기 위한 복수의 주행부용 구동기(201)를 포함하고, 작업부(21)는 복수의 작업기(210) 및 복수의 작업기(210)를 구동시키기 위한 복수의 작업부용 구동기(211)를 포함할 수 있다. 주행부(20)의 주행부용 구동기(201)는 주행부용 모터(2011) 및 주행부용 모터(2011)의 회전 속도를 제어하기 위한 주행부용 인버터(2012)를 각각 포함하고, 작업부(21)의 작업부용 구동기(211)는 작업부용 모터(2111) 및 작업부용 모터(2111)의 회전 속도를 제어하기 위한 작업부용 인버터(2112)를 각각 포함한다. 주행기(200)는 건설기계의 주행을 위한 구성요소를 포함하며, 예를 들어, 감속기, 가속기, 기어, 제동기 등을 포함할 수 있다. 작업기(210)는 건설기계의 작업을 위한 구성요소를 포함하며, 예를 들어, 버킷, 아암, 붐 등을 포함할 수 있다. 전력분배장치(15)와 주행부(20) 및 작업부(21)와의 관계는 후술할 도 5와 관련하여 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 일 실시예에서의 전력분배장치(150)에 의해 분배되는 전력에 의해 주행부(20)와 작업부(21)가 구동하게 된다.
제어부(140)는 주행기 센서(미도시) 및 작업기 센서(미도시) 등에 의해 주행기(200) 및 작업기(210)에서 소모되는 소모전력에 기초하여 주행부(20) 및 작업부(21)의 필요 부하량을 연산할 수 있다. 다수의 주행기(200) 및 작업기(210)가 포함된 경우, 제어부(140)는, 각 주행기(200) 및 작업기(210)의 소모전력을 합산하여 전체의 소모전력 측정값을 연산하거나, 주행부(20) 및 작업부(21) 각각을 위한 소모전력을 연산할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 연결된 작업기를 조작하기 위한 조작량을 나타내는 신호를 수신하여 이러한 조작량에 대응하는 부하량을 연산할 수도 있다.
전력분배장치(150)는, 제어부(140)의 지시에 따라, 발전부용 인버터(120) 및 배터리(160) 등으로부터 입력되는 전류를, 연결된 주행부(20) 및 작업부(21) 등으로 분배할 수 있다. 일 실시예에서, 전력분배장치(150)는 초기충전부(155-1, 155-2) 및 전력분배부(151, 152, 153, 154)를 포함한다. 전력분배부(151, 152, 153, 154)는 발전부용 인버터(120)로부터 인가받는 DC 전류(전압)를 주행부(20) 및 작업부(21)로 분배하도록 분전반, 버스바, 케이블 등 당업계에 공지된 다양한 구성을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 전력분배장치(150)는 추가의 기능부 및 추가의 배선 등을 더 포함할 수 있다. 전력분배장치(150)는 후술할 도 5와 관련하여 보다 상세히 설명될 것이다.
일 실시예에서, 발전부를 위한 초기충전부(155)가 배치될 수 있다. 초기충전부(155)는 전류센서(130)와 직렬로 연결되어 전류센서(130)와 전력분배장치(150) 사이에 배치되고, 초기충전저항(R) 및 릴레이(R1, R2)를 포함한다. 따라서, 초기충전부(155)는 스위치 역할(예를 들어, 차단 스위치로서의 역할) 및 우회전력선을 제공하는 역할을 하여, 예를 들어 발전기용 인버터(120)의 DC 링크 커패시터에 발생하는 초기 돌입전류를 억제할 수 있다. 도시되지 않았지만, 대안적인 실시예에서는, 발전부용 초기충전부(155)가 전력분배장치(150)에 내장될 수 있다.
도 3을 참조하면, 초기충전저항(R)은 전류센서(130)와 직렬로 연결되며, 제1 릴레이(R1)는 초기충전저항(R)에 병렬로 연결되고, 제2 릴레이(R2)는 초기충전저항(R)과 직렬로 연결될 수 있다. 다만, 본 발명의 초기충전부(155)가 이에 한정되는 것은 아니며, 초기충전부(155)는, 초기충전저항(R)에 병렬로 연결된 복수의 제1 릴레이(R1) 및/또는 초기충전저항(R)과 초기충전저항(R)에 직렬로 연결된 제2 릴레이(R2)의 세트가 복수개로 병렬로 연결된 회로와 같이 다양한 공지의 초기충전회로를 포함할 수 있다.
발전부용 인버터(120)의 초기 동작 시에 제1 릴레이(R1)는 개방 상태로 제어되고 제2 릴레이(R2)는 접속상태로 제어되어, 입력전류는 초기충전저항(R)을 통해 전달되며, 정상 동작시에는 제1 릴레이(R1)는 접속 상태로 제어되고 제2 릴레이(R2)는 개방 상태로 제어되어, 제1 릴레이(R1)를 통해 전달된다.
배터리(160)는 건설기계의 시동을 걸 때 시동 모터와 점화장치에 전원을 공급하는 역할을 한다. 엔진 정지 시 건설기계 내 장착된 전장품의 동작에 필요한 전원을 공급한다.
배터리센서(170)는 배터리(160)와 전기적으로 연결되어, 배터리(160)의 전압, 전류 및/또는 온도 중 어느 하나 이상을 모니터링하여 배터리(160)의 충전 상태와 잔존 충전량(충전량)을 확인가능하게 한다.
배터리센서(170)는 지능형 배터리 센서(IBS:Intelligent Battery Sensor)일 수 있다. IBS는 기본적으로 차량 배터리의 전압, 전류 및 내부 온도를 각각 센싱하는 센서를 구비하며, 각 센서의 센싱한 값을 이용하여 배터리 잔존 충전량(SOC: State Of Charge)값, 배터리 수명(SOH: State Of Health)(또는 배터리 용량 열화상태), 배터리 내부 온도(BTM: Battery Of Model)값, 배터리 시동 기능(SOF: State Of Function)값 등과 같은 배터리 성능을 계산할 수 있다. 여기서, SOC값, SOH값, BTM값, SOF값 등과 같은 배터리 성능 인자의 계산은 공지된 기술이며, 이러한 계산 과정은 본 발명의 기술적 요지가 아니므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
배터리센서(170)는 모니터링된 정보들을 제어부(140)에 전달한다.
제어부(140)는 전류센서(130)와 배터리센서(170)의 측정값을 수신하여, 배터리의 배터리 잔존 충전량(SOC: State Of Charge) 및 작업기의 필요 부하량을 종합적으로 판단하여 발전기의 발전전력을 결정한다. 제어부(140)는 결정된 발전전력에 따라 엔진의 RPM 및 발전기의 토크를 결정한다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 효율이 적용된 발전 전력 측정 효율을 설명하기 위한 표이다.
먼저, 이하에 도시된 바와 같이, 표 1은 엔진의 회전속도에 따른 연비를 나타낸다.
데이터 기록
연비
g/kWh		 198.6 196.6 195.8 198.0 197.2
198.5 196.7 194.9 194.1 195.3
198.1 197.0 195.6 195.8 195.8
196.7 197.4 197.5 195.4 198.1
199.9 197.6 197.2 196.6 197.6
200.1 202.0 198.3 197.6 199.7
202.3 203.5 201.4 204.8 208.4
209.6 210.7 210.7 212.7 214.5
221.3 224.0 229.4 233.7 232.2
273.0 272.9 275.5 281.0 293.9
373.7 375.1 360.2 376.0 417.3
속도 1300 1400 1500 1600 1700
또한, 이하에 도시된 바와 같이, 표 2는 엔진의 회전속도에 따른 발전기의 토크를 나타낸다.
데이터 기록
토크
(Nm)		 1284.005 1278.898 1287.902 1264.197 1198.480
1151.211 1148.630 1162.077 1157.175 1084.144
1019.128 1024.568 1018.561 1032.248 966.148
897.551 897.865 902.984 897.647 837.192
768.251 764.643 773.255 768.107 726.960
641.841 644.172 646.470 648.078 607.046
517.350 511.142 517.207 505.301 479.212
384.887 388.592 385.744 378.904 357.766
259.507 261.240 261.346 256.041 240.514
129.976 134.777 133.314 131.469 124.977
65.774 68.683 65.304 70.156 58.701
속도(rpm) 1300 1400 1500 1600 1700
또한, 이하에 도시된 바와 같이, 표 3은 엔진의 회전속도와 발전기의 토크에 따른 인버터 효율을 나타낸다.
토크
(Nm)		 데이터 기록
2450 83.85 84.85 91.73 94.32
2178 84.39 85.39 91.97 94.38 95
2033 85.05 86.05 92.31 94.44 95.03
1866 85.69 86.69 92.64 94.48 95.04
1742 86.25 87.25 92.85 94.67 95.11 96.7
1528 86.94 87.94 93.19 94.89 95.29 96.7
1310 87.65 88.65 93.45 95.06 95.44 96.69 97.55
1212 87.88 88.88 93.63 95.17 95.5 96.69 97.5
1042 88.16 89.16 93.67 95.2 95.58 96.7 97.44 97.88
969 88.41 89.41 93.73 95.27 95.54 96.72 97.41 97.83 97.9
882 88.5 89.5 93.79 95.27 95.58 96.71 97.39 97.79 97.85
871 88.55 89.55 93.81 95.29 95.61 96.71 97.39 97.76 97.8
831 88.56 89.56 93.8 95.28 95.59 96.68 97.38 97.77 97.79
755 88.39 89.39 93.74 95.19 95.58 96.65 97.33 97.75 97.8 97.9
740 88.44 89.44 93.74 95.2 95.57 96.63 97.31 97.77 97.79 97.88
693 88.41 89.41 93.7 95.16 95.49 96.6 97.3 97.7 97.8 97.38
635 88.38 89.38 93.66 95.1 95.47 96.59 97.28 97.74 97.78 97.83
555 88.26 89.26 93.58 95 95.42 96.53 97.23 97.7 97.76 97.79 97.8
523 88.14 89.14 93.59 94.97 95.34 96.5 97.23 97.7 97.75 97.78 97.73
505 88.13 89.13 93.54 94.93 95.33 96.45 97.2 97.71 97.74 97.76 97.65
465 87.78 88.78 93.49 94.82 95.22 96.39 97.14 97.68 97.72 97.71 97.53
396 87.57 88.57 93.24 94.8 95.07 96.27 97.03 97.59 97.69 97.63 97.49 97.45
356 87.36 88.36 93.08 94.71 95.09 96.19 96.94 97.52 97.63 97.58 97.35 97.3
305 86.93 87.93 92.82 94.48 94.84 95.98 96.79 97.44 97.55 97.51 97.3 97.14
0 85.93 86.93 91.82 93.48 93.84 94.98 95.79 96.44 96.55 96.51 96.3 96.14
속도
(rpm)		 0 313 531 697 747 994 1250 1563 1719 1875 2188 2500
표 3을 참조하면, 인버터의 운전영역 즉, 엔진 속도가 1250 이상 1875 이하이고, 발전기의 토크가 0에서 1528 이하인 영역에서 인버터의 효율은 95.79% ~ 97.9%이고, 효율 오차는 2.11%이다.
또한, 하이브리드 사용에서 EV(Electric Vehicle) 모드인 경우, 엔진이 오프되는 경우가 발생되어 인버터의 운전영역이 변경된다. 이와 같이 하이브리드 사용에서 EV 경우의 인버터의 영역에서의 엔진 속도는 0 이상 1250 이하이고 발전기의 토크는 0에서 356 이하이며, 이러한 인버터의 영역에서 인버터의 효율은 85.93% ~ 95.98%이며, 효율 오차는 10.05% 이다.
본 발명의 도 2에서 전류센서(130)는 전력분배장치(150) 외부에 배치되도록 도시하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 의해 한정되지 아니하며, 본 발명에서 전류센서(130)는 전력분배장치(150) 내부에 배치되어 하나의 구성요소로 이루어지는 것이 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 인버터 내부의 스위칭 소자의 연결 상태를 도시한 도시도이다.
도 4를 참조하면 3상 인버터(120)의 스위칭 소자는 3상 각각(U, V, W)에 대한 입력선과 DC 링크 커패시터(125)의 제1 극 사이에 각각 배치되는 상단 스위칭 소자(S1, S2, S3) 및 3상 각각(U, V, W)에 대한 입력선과 DC 링크 커패시터(125)의 제2 극 사이에 각각 배치되는 하단 스위칭 소자(S4, S5, S6)을 포함할 수 있다.
동일한 열에 배치되는 스위칭 소자는 같은 상에 대한 입력선에 연결되고 U상에 대한 상단 및 하단의 스위칭 소자를 Sa, V상에 대한 상단 및 하단의 스위칭 소자를 Sb, W상에 대한 상단 및 하단의 스위칭 소자를 Sc로 표시하기로 한다.
여기서, 동일한 열 즉, Sa, Sb, Sc에 있는 두 개의 스위칭 소자는 입력 전압의 위상에 따라 교번적으로 스위칭되어 DC 전류를 출력할 수 있게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전전력 측정장치에 포함된 인버터는 건설기계의 작업기에 사용되는 모터와 연결된 인버터와 동일한 모델을 사용할 수 있다. 일 예로서, 도 1 및 도 4를 참조하면, 주행부(20)의 주행부용 모터(2011)는 도 4의 발전기(110)에 대응할 수 있고, 주행부(20)의 주행부용 인버터(2012)는 도 4의 인버터(120)에 대응할 수 있다. 또한, 작업부(21)의 작업부용 모터(2111)는 도 4의 발전기(110)에 대응할 수 있고, 작업부(21)의 작업부용 인버터(2112)는 도 4의 인버터(120)에 대응할 수 있다. 일 실시예에서, 주행부용 인버터(2012) 및 작업부용 인버터(2112)는 전력분배장치에서 분배되는 DC 전류(또는 전압)을 인가받고, 이를 교류 전류(또는 전압)으로 변환하여 이를 주행부용 모터(2111) 및 작업부용 모터(2112)에 전달하여, 주행기(200) 및 작업기(210)가 각각 구동되도록 할 수 있다. 주행부용 인버터(2012) 및 작업부용 인버터(2112)는 DC 링크 커패시터를 각각 포함할 수 있다(도 7 참조). 주행부용 인버터(2012) 및 작업부용 인버터(2112)의 DC 링크 커패시터는 도 4의 DC 링크 커패시터(125)에 대응할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력분배시스템을 포함한 건설기계 차량의 하이브리드 전기동력시스템을 도시한 도시도이며, 도 6은 도 5의 하이브리드 전력분배시스템을 도시한 도시도이며, 도 7은 도 6의 하이브리드 전력분배시스템의 내부 구성을 도시한 도시도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계 차량의 하이브리드 전기동력시스템과, 이 시스템에 포함된 전력분배시스템을 살펴보고자 한다.
도 5 내지 도 7은 도 1의 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 하이브리드 전기동력시스템의 계통도의 후반부, 즉 전력분배장치(150)와 주행부(20) 및 작업부(21) 간의 연결관계를 보다 상세히 도시한 것으로, 도 1 내지 도 5에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 나타내므로, 중복되는 부분에 대해서는 자세한 설명이 생략된다.
따라서, 발전부용 발전기(110), 발전부용 인버터(120), 전류센서(130), 제어부(140), 배터리(160), 및 배터리센서(170)에 대한 추가 설명은 생략되며, 전력분배장치(150)와 주행부(20)와, 전력분배장치(150)와 주행부(20) 사이에 연결된 주행부용 모터 및 주행부용 인버터의 연결관계와, 전력분배장치(150)와 작업부(21)와, 전력분배장치(150)와 작업부(21) 사이에 연결된 작업부용 인버터 및 작업부용 모터의 연결관계를 상세히 설명하고자 한다.
전력분배장치(150)는 주행부용 초기충전부(155-1), 작업부용 초기충전부(155-2), 주전원용 전력분배부(151), 작업부용 전력분배부(152), 주행부용 전력분배부(153), 및 접지용 전력분배부(154)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 전력분배장치(150)의 주전원용 전력분배부(151)는 발전부용 인버터(120)에 연결되는 일단자 및 주행부용 초기충전부(155-1)의 일단자와 작업부용 초기충전부(155-2)의 일단자에 각각 연결되는 타단자들을 갖는다. 전력분배장치(150)의 작업부용 전력분배부(152)는 작업부용 초기충전부(155-2)의 타단자에 연결되는 일단자 및 작업부용 구동기(211)의 일단자에 연결되는 타단자를 갖는다. 전력분배장치(150)의 주행부용 전력분배부(153)는 주행부용 초기충전부(155-1)의 타단자에 연결되는 일단자 및 주행부용 구동기(201)의 일단자에 연결되는 타단자를 갖는다. 전력분배장치(150)의 접지용 전력분배부(154)는 주행부용 구동기(201)의 타단자 및 작업부용 구동기(211)의 타단자에 연결된다.
일 실시예에서, 작업부(21)는 2개의 작업기(210) 및 작업기(210)를 각각 구동하는 2개의 작업부용 구동기(211)를 포함하고, 각각의 작업부용 구동기(211)는 작업부용 모터(2111-1, 2111-2) 및 작업부용 인버터(2112-1, 2112-2)를 포함할 수 있다. 따라서, 전력분배장치(150)의 작업부용 전력분배부(152)는 작업부용 초기충전부(155-2)에 연결되는 일단자 및 작업부용 인버터(2112-1, 2111-2)의 일단자에 각각 연결되는 타단자들을 갖는다. 일 실시예에서, 주행부(20)는 6개의 주행기(예를 들어, 감속기)(200) 및 주행기(200)를 각각 구동하는 6개의 주행부용 구동기(201)를 포함하고, 각각의 주행부용 구동기(201)는 주행부용 모터(2011-1 ~ 2011-6) 및 주행부용 인버터(2012-1 ~ 2012-6)를 포함할 수 있다. 따라서, 전력분배장치(150)의 주행부용 전력분배부(153)는 주행부용 초기충전부(155-1)에 연결되는 일단자 및 주행부용 인버터(2012-1 ~ 2012-6)의 일단자에 각각 연결되는 타단자들을 갖는다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되는 것은 아니며, 작업부(21) 및 주행부(20)는 상이한 개수의 작업기(210) 및 주행기(200)를 각각 포함할 수 있으며, 복수의 구동기가 하나의 작업기 또는 하나의 주행기에 연결될 수도 있다. 예를 들어, 6개의 주행기(200)는 4축 구동을 위해 전륜에 4개 후륜에 2개가 배치될 수 있다. 6개의 주행기(200)는 감속기를 각각 포함할 수 있고, 일부 주행기(200)의 경우에는, 2in1 기어 박스에 의해 2개의 주행부용 구동기(201)가 하나의 주행기(200)에 연결될 수도 있다.
일 실시예에서, 전력분배장치(150)는, 발전부용 구동기(156)에 의해 생성/저장되는 발전전류 중 유효전력을 정확히 측정하고, 제어부(140)에 의해, 측정된 유효전력에 기초하여, 배터리(160)와 전력소모/회생을 위한 주행기(200) 및 작업기(210)를 연결하여 전력을 분배할 수 있다.
이하에서, 주행부용 초기충전부(155-1) 및 작업부용 초기충전부(155-2)에 대해서 보다 자세히 설명한다.
일 실시예에서, 주행부용 초기충전부(155-1) 및 작업부용 초기충전부(155-2)는 도 3과 관련하여 설명한 발전부를 위한 초기충전부(155)와 실질적으로 유사한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 주행부용 초기충전부(155-1)는 주전원용 전력분배부(151) 및 주행부용 전력분배부(153)에 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 주행부용 초기충전부(155-1)는 주전원용 전력분배부(151)에 전기적으로 연결되는 초기충전저항(R), 초기충전저항(R)에 병렬 연결되는 하나 이상의 제1 릴레이(R1), 및 초기충전저항(R)과 주행부용 전력분배부(153) 사이에 연결되는 제2 릴레이(R2)를 포함할 수 있다. 또한, 작업부용 초기충전부(155-2)는 주전원용 전력분배부(151) 및 작업부용 전력분배부(152)에 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 작업부용 초기충전부(155-1)는 주전원용 전력분배부(151)에 전기적으로 연결되는 초기충전저항(R), 초기충전저항(R)에 병렬 연결되는 하나 이상의 제1 릴레이(R1), 및 초기충전저항(R)과 작업부용 전력분배부(152) 사이에 연결되는 제2 릴레이(R2)를 포함할 수 있다.
주행부용 인버터(2012) 및 작업부용 인버터(2112)의 초기 동작 시에, 제1 릴레이(R1)는 개방 상태로 제어되고 제2 릴레이(R2)는 접속상태로 제어되어, 입력전류는 초기충전저항(R)을 통해 전달되며, 정상 동작시에는 제1 릴레이(R1)는 접속 상태로 제어되고 제2 릴레이(R2)는 개방 상태로 제어되어, 제1 릴레이(R1)를 통해 전달된다. 초기충전부(155-1, 155-2)는 초기충전저항(R) 및 릴레이(R1, R2)를 포함하여, 스위치로서의 역할(예를 들어, 차단스위치로서의 역할) 및 우회전력선을 제공하는 역할을 하여, 예를 들어 주행부용 인버터(2012) 및 작업부용 인버터(2112)의 DC 링크 커패시터에 발생하는 초기 돌입전류를 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 초기충전부(155, 155-1, 155-2)는 발전부, 작업부, 주행부에 각 1개가 설치될 수 있다. 예를 들어, 주행부용 초기충전부(155-1)는 복수의 주행부용 구동기(201)를 통해 복수의 주행기(200), 예를 들어 6개의 주행기(200)에 연결될 수 있고, 작업부용 초기충전부(155-2)는 복수의 작업부용 구동기(211)를 통해 복수의 작업기(210), 예를 들어, 2개의 작업기(210)에 연결될 수 있다. 다시 말해서, 복수의 주행부용 구동기(201)에 포함된 복수의 주행부용 인버터(2012)가 하나의 주행부용 초기충전부(155-1)에 연결되고, 복수의 작업부용 구동기(211)에 포함된 복수의 작업부용 인버터(2112)가 하나의 작업부용 초기충전부(155-2)에 연결될 수 있다.
다만, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 전력분배장치는 복수의 인버터를 위한 복수의 초기충전부를 포함할 수 있으며, 이 경우, 초기충전부의 개수는 인버터의 개수보다 작을 수 있다. 예를 들어, 주행부용 초기충전부(155-1)는 서로 다른 복수의 주행부용 구동기(201) 세트에 각각 연결된 복수의 초기충전부(155-1)를 포함할 수 있으며, 이 경우 주행부용 초기충전부(155-1)의 개수는 주행부용 인버터(2012)의 개수보다 작을 수 있다. 또한, 작업부용 초기충전부(155-2)는 서로 다른 복수의 작업부용 구동기(211) 세트에 각각 연결된 복수의 초기충전부(155-2)를 포함할 수 있으며, 이 경우 작업부용 초기충전부(155-2)의 개수는 작업부용 인버터(2112)의 개수보다 작을 수 있다.
이와 같은 구성으로 인해, 전력분배장치(150)가 주행부(20)를 위한 초기충전부(155-1) 및 작업부(21)를 위한 초기충전부(155-2)를 내부에 포함함으로써, 외부에서 장착되는 주행부용 인버터(2012) 및/또는 작업부용 인버터(2112)가 초기충전회로를 필요로 하는 지 여부를 별도로 고려하지 않고, 주행기(200), 작업기(210), 주행부용 인버터(2012), 작업부용 인버터(2112)를 자유롭게 사용 가능하다. 또한, 복수의 인버터에 공통의 초기충전회로(예를 들어, 주행부(20) 및 작업부(21) 각각을 위한 하나의 초기충전부(155-1, 155-2))를 배치함으로써, 전력분배장치의 소형화를 달성할 수 있다.
한편, 발전부용 초기충전부(155), 주행부용 초기충전부(155-1) 및 작업부용 초기충전부(155-2)는 그 전력의 발생형태, 노이즈, 사용부하 등이 서로 다르므로 서로 구분되어 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 주행부용 및 작업부용 초기충전부(155-1, 155-2) 중 동일한 것에 연결된 주행부용 및 작업부용 인버터(2012, 2112)의 DC 링크 커패시터의 물리적 특성은 동일할 수 있다. 예를 들어, 주행부용 초기충전부(155-1)에 연결된 6개의 주행부용 인버터(2012-1 ~ 2012-6)에 각각 포함된 6개의 DC 링크 커패시터는 모두 동일한 커패시턴스 값을 가질 수 있다. 또한, 작업부용 초기충전부(155-2)에 연결된 2개의 작업부용 인버터(2112-1, 2112-2)에 각각 포함된 2개의 DC 링크 커패시터는 모두 동일한 커패시턴스 값을 가질 수 있다. 이는 DC 링크 커패시터가 동일하여야 초기충전부(155-1, 155-2)를 통해 분배되는 전류가 균등히 분배될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 주행부용 및 작업부용 초기충전부(155-1, 155-2)에 각각 연결된 복수의 주행부용 및 작업부용 인버터(2012, 2112)의 복수의 DC 링크 커패시터의 물리적 특성이 서로 상이하다면, 전류의 쏠림 현상으로 인하여 과전류를 야기할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 동일한 초기충전부에 연결된 서로 다른 DC 링크 커패시터가 동일한 커패시턴스 값을 가짐으로써, 이러한 전류 쏠림 현상을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 주행부용 및 작업부용 초기충전부(155-1, 155-2) 중 동일한 것에 연결된 주행부용 및 작업부용 인버터(2012, 2112)의 DC 링크 커패시터(125)의 물리적 특성이 동일하다면, DC 링크 커패시터(125)의 초기 충전은 각 인버터 개수 x 인버터 1개의 커패시턴스의 값으로 설계될 수 있다.
예를 들어, 초기충전 시간(Tprecharge)은 이하의 식으로 계산될 수 있다.
Tprecharge = -RC*ln(1-Vo/Vin)
여기서, R은 초기충전회로의 초기충전저항의 레지스턴스, C는 인버터의 커패시턴스, Vin는 초기충전회로의 입력 전압값, Vo는 초기충전회로의 출력 전압값(충전 전압값)일 수 있다. 상기 식으로 초기충전회로의 초기충전저항의 레지스턴스 값을 구할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템은 발전부용 구동기에 의해 생성/저장되는 발전전류 중 유효전력을 정확히 측정하고, 측정된 유효전력에 기초하여, 배터리와 전력소모/회생을 위한 작업부용 구동기, 주행부용 구동기를 연결하여 전력을 분배할 수 있게 된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
<부호의 설명>
110: 발전부용 발전기 120: 발전부용 인버터
125: DC 링크 커패시터 130: 전류센서
140: 제어부 150: 전력분배장치
151: 주전원용 전력분배부 152: 작업부용 전력분배부
153: 주행부용 전력분배부 154: 접지용 전력분배부
155: 초기충전부 155-1: 주행부용 초기충전부
155-2: 작업부용 초기충전부 160: 배터리
170: 배터리센서 20: 주행부
21: 작업부 200: 주행기
210: 작업기 201: 주행부용 구동기
211: 작업부용 구동기
2011(2011-1 ~ 2011-6): 주행부용 모터
2012(2012-1 ~ 2012-6): 주행부용 인버터
2111(2111-1 ~ 2111-2): 작업부용 모터
2112(2112-1 ~ 2112-2): 작업부용 인버터

Claims (18)

  1. 엔진에 의해 동작하는 발전부용 구동기의 발전부용 발전기로부터 3상의 교류전원을 입력받아 DC 전류를 출력하는 발전부용 인버터;
    상기 발전부용 인버터에 연결되고, 건설기계의 주행부 및 작업부에 연결되어, 상기 DC 전류를 인가받아서, 상기 주행부 및 상기 작업부에 전력을 분배하는 전력분배장치;
    상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량을 연산하고, 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량에 기초하여 상기 발전부용 인버터를 통해 상기 발전부용 발전기를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력분배장치는 상기 주행부와 전기적으로 연결되는 주행부용 초기충전부를 포함하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주행부는, 상기 주행부용 초기충전부에 전기적으로 연결되는 복수의 주행부용 구동기를 포함하고,
    상기 복수의 주행부용 구동기의 각각은 주행부용 인버터 및 주행부용 모터를 포함하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 주행부용 인버터 각각은 DC 링크 커패시터를 포함하고, 상기 복수의 DC 링크 커패시터는 동일한 커패시턴스 값을 갖는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 주행부용 초기충전부의 개수는 상기 주행부용 인버터의 개수보다 작은 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 주행부용 초기충전부는,
    상기 발전부용 인버터에 전기적으로 연결되는 초기충전저항;
    상기 초기충전저항에 병렬 연결되는 하나 이상의 제1 릴레이; 및
    상기 초기충전저항과 상기 주행부용 구동기 사이에 배치되는 제2 릴레이를 포함하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 주행부용 구동기의 초기 동작 시에, 상기 제1 릴레이는 개방상태로 제어되고, 상기 제2 릴레이는 접속상태로 제어되고,
    정상 동작 시에, 상기 제1 릴레이는 접속상태로 제어되고, 상기 제2 릴레이는 개방상태로 제어되는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 발전부용 인버터와 상기 전력분배장치 사이에 배치되는 발전부용 초기충전부를 더 포함하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발전부용 인버터와 상기 발전부용 초기충전부 사이에 배치되어, 상기 발전부용 인버터로부터 출력되는 전류값을 측정하는 전류 센서; 및
    상기 전력분배장치와 연결된 배터리의 배터리 잔존 충전량을 측정하는 배터리 센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전류값 및 상기 배터리 잔존 충전량에 기초하여 상기 전력분배장치의 전력분배를 제어하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  9. 엔진에 의해 동작하는 발전부용 구동기의 발전부용 발전기로부터 3상의 교류전원을 입력받아 DC 전류를 출력하는 발전부용 인버터;
    상기 발전부용 인버터에 연결되고, 건설기계의 주행부 및 작업부에 연결되어, 상기 DC 전류를 인가받아서, 상기 주행부 및 상기 작업부에 전력을 분배하는 전력분배장치;
    상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량을 연산하고, 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량에 기초하여 상기 발전부용 인버터를 통해 상기 발전부용 발전기를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력분배장치는 상기 작업부와 전기적으로 연결되는 작업부용 초기충전부를 포함하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 작업부는, 상기 작업부용 초기충전부에 전기적으로 연결되는 복수의 작업부용 구동기를 포함하고,
    상기 복수의 작업부용 구동기의 각각은 작업부용 인버터 및 작업부용 모터를 포함하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 작업부용 인버터 각각은 DC 링크 커패시터를 포함하고, 상기 복수의 DC 링크 커패시터는 동일한 커패시턴스 값을 갖는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 작업부용 초기충전부의 개수는 상기 작업부용 인버터의 개수보다 작은 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 작업부용 초기충전부는,
    상기 발전부용 인버터에 전기적으로 연결되는 초기충전저항;
    상기 초기충전저항에 병렬 연결되는 하나 이상의 제1 릴레이; 및
    상기 초기충전저항과 상기 작업부용 구동기 사이에 배치되는 제2 릴레이를 포함하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 작업부용 구동기의 초기 동작 시에, 상기 제1 릴레이는 개방상태로 제어되고, 상기 제2 릴레이는 접속상태로 제어되고,
    정상 동작 시에, 상기 제1 릴레이는 접속상태로 제어되고, 상기 제2 릴레이는 개방상태로 제어되는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  15. 제9항에 있어서, 상기 발전부용 인버터와 상기 전력분배장치 사이에 배치되는 발전부용 초기충전부를 더 포함하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 발전부용 인버터와 상기 발전부용 초기충전부 사이에 배치되어, 상기 발전부용 인버터로부터 출력되는 전류값을 측정하는 전류 센서; 및
    상기 전력분배장치와 연결된 배터리의 배터리 잔존 충전량을 측정하는 배터리 센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전류값 및 상기 배터리 잔존 충전량에 기초하여 상기 전력분배장치의 전력분배를 제어하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  17. 엔진에 의해 동작하는 발전부용 구동기의 발전부용 발전기로부터 3상의 교류전원을 입력받아 DC 전류를 출력하는 발전부용 인버터;
    상기 발전부용 인버터에 연결되고, 건설기계의 주행부 및 작업부에 연결되어, 상기 DC 전류를 인가받아서, 상기 주행부 및 상기 작업부에 전력을 분배하는 전력분배장치; 및
    상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량을 연산하고, 상기 주행부 및 상기 작업부의 필요 부하량에 기초하여 상기 발전부용 인버터를 통해 상기 발전부용 발전기를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력분배장치는, 상기 주행부와 전기적으로 연결되는 주행부용 초기충전부 및 상기 작업부와 전기적으로 연결되는 작업부용 초기충전부를 포함하고,
    상기 주행부는, 상기 주행부용 초기충전부에 전기적으로 연결되는 복수의 주행부용 구동기를 포함하고,
    상기 작업부는, 상기 작업부용 초기충전부에 전기적으로 연결되는 복수의 작업부용 구동기를 포함하며,
    상기 전력분배장치는,
    상기 발전부용 인버터에 연결되는 일단자와, 상기 주행부용 초기충전부의 일단자와 상기 작업부용 초기충전부의 일단자에 각각 연결되는 타단자들을 갖는 주전원용 전력분배부;
    상기 주행부용 초기충전부의 타단자에 연결되는 일단자와, 상기 복수의 주행부용 구동기의 일단자들에 연결되는 타단자들을 갖는 주행부용 전력분배부;
    상기 작업부용 초기충전부의 타단자에 연결되는 일단자와, 상기 복수의 작업부용 구동기의 일단자들에 연결되는 타단자들을 갖는 작업부용 전력분배부; 및
    상기 복수의 주행부용 구동기의 타단자들 및 상기 복수의 작업부용 구동기의 타단자들에 연결되는 접지용 전력분배부를 더 포함하는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
  18. 17항에 있어서,
    상기 작업부는 2개의 작업부용 구동기를 포함하고, 상기 주행부는 6개의 주행부용 구동기를 포함하며,
    상기 6개의 주행부용 구동기는 각각 감속기와 연결되며, 2in1 기어 박스(2in1 gear box)에 의해 2개의 주행부용 구동기가 하나의 감속기에 연결될 수 있는 건설기계용 하이브리드 전력분배시스템.
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