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WO2013115530A1 - 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Publication number
WO2013115530A1
WO2013115530A1 PCT/KR2013/000661 KR2013000661W WO2013115530A1 WO 2013115530 A1 WO2013115530 A1 WO 2013115530A1 KR 2013000661 W KR2013000661 W KR 2013000661W WO 2013115530 A1 WO2013115530 A1 WO 2013115530A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
boom
control valve
motor
actuator
hydraulic pump
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2013/000661
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
강병일
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HD Hyundai Infracore Co Ltd
Original Assignee
Doosan Infracore Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Doosan Infracore Co Ltd filed Critical Doosan Infracore Co Ltd
Priority to CN201380007127.XA priority Critical patent/CN104093911B/zh
Priority to EP13743470.0A priority patent/EP2811077B1/en
Priority to US14/375,185 priority patent/US9732501B2/en
Publication of WO2013115530A1 publication Critical patent/WO2013115530A1/ko
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    • E02F3/36—Component parts
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Definitions

  • the present invention relates to a boom driving system and a control method of a hybrid excavator, and more particularly, a hybrid excavator for driving a hydraulic pump motor to lift and operate the boom, and recover the regenerative power of the boom by an electric motor to improve fuel efficiency. It relates to a boom drive system and its control method.
  • a hybrid excavator is provided with a hydraulic pump motor for elevating and operating a boom, and one side of the hydraulic pump motor is connected to an electric motor that implements power generation and electric power. And an energy storage device.
  • the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump motor is provided to the boom via the boom control valve, the boom is raised, stopped or lowered by the control of the boom control valve.
  • the boom actuator 100 is connected to the boom control valve 125, the boom control valve 125 is connected to the hydraulic pump motor 120.
  • the boom control valve 125 is a three position to allow the boom actuator 100 to move up in the first position 126, the boom actuator 100 to move down in the second position 127, the third position Position 128 is a neutral position to stop the lifting and lowering of the boom actuator 100.
  • the above-described hydraulic pump motor 120 may combine the operation of the hydraulic pump and the hydraulic motor.
  • the discharge line 121 and the inlet line 122 are connected to the hydraulic pump motor 120.
  • the other side of the discharge line 121 and the inlet line 122 is connected to the above-described boom control valve 125.
  • the first control valve 151 is connected to one side of the inflow line 122 on a path connected to the drain tank.
  • the first control valve 151 is closed-controlled when the renewable energy is recovered by the lowering of the boom actuator 100, and is controlled to open when the renewable energy is not recovered or when the allowable flow rate is exceeded to the hydraulic pump motor 120. Drain the fluid.
  • a second control valve 152 is connected to one side of the discharge line 121 on a path connected to the drain tank.
  • the second control valve 152 is closed-controlled when the boom is raised and operated, and is controlled to open when the boom actuator 100 is lowered to discharge the hydraulic fluid.
  • the motor bypass valve 200 is connected to the discharge line 121 and the inlet line 122, respectively, the motor bypass valve 200 is connected between the discharge line 121 and the inlet line 122. Or block it.
  • one side of the boom auxiliary line 145 may be connected to the above-described discharge line 121, and the other side of the boom auxiliary line 145 may be provided with a boom auxiliary valve 144.
  • the boom auxiliary valve 144 is controlled to supply the hydraulic oil to the discharge line 121 from the main hydraulic pump.
  • Hydraulic pump motor 120 is a hydraulic motor function is implemented by the pressure oil (working oil), to rotate the electric motor. As a result, the electric motor regenerates the potential energy of the boom into electric energy, and the electric energy is charged to the electric energy storage device.
  • the low pressure hydraulic oil passing through the hydraulic pump motor 120 is supplied to the boom cylinder rod side of the boom actuator 100, and the surplus flow rate due to the cylinder area difference is discharged to the drain tank via the second control valve 152.
  • the speed of contraction of the boom actuator 100 is controlled by the rotational speed of the boom motor. That is, as shown in Fig. 2A, the rotation speed of the motor increases in proportion to the boom lowering joystick pressure.
  • the boom motor is driven by the hydraulic pump motor 120 acting as a hydraulic motor.
  • the flow rate and pressure supplied from the boom head side of the boom actuator 100 are insufficient when the boom of the excavator, such as an inclined surface digging operation, is lowered.
  • the power supplied from the boom cylinder of the boom actuator 100 to the hydraulic pump motor 120 may not be sufficient.
  • the motor is operated by using electric power of an electric energy storage device (capacitor) as indicated by the dotted line in FIG. 2 (b) to rotate at a desired rotational speed.
  • an electric energy storage device capacitor
  • the torque of the motor has a positive value.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0072723 (2011.06.29.)
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to control the contraction speed and force of the boom actuator at the target speed when the boom is lowered, the boom drive system of the hybrid excavator to produce electricity normally in the motor (generator) and Its purpose is to provide a control method.
  • the boom drive system of the hybrid excavator for achieving the above technical problem, an electric motor operated by a motor or a generator;
  • An electric energy storage device for storing electricity produced by the electric motor: a hydraulic pump motor (120) driven by the electric motor to supply hydraulic oil to the boom actuator (100); Selectively connecting the discharge line 121 of the hydraulic pump motor 120 and the inflow line 122 of the hydraulic pump motor 120 to the head side or the rod side of the boom cylinder for operating the boom actuator 100 or A boom control valve 125 configured to shut off;
  • a first control valve 151 connecting the inlet line 122 and the drain tank;
  • a second control valve 300 which connects the discharge line 121 and the drain tank and is controlled to change an opening area according to a torque level applied to a boom motor when the boom actuator 100 is operated to lower;
  • a controller 160 for controlling the electric motor, the hydraulic pump motor 120, the boom control valve 125, and the first and second control valves 151 and 300.
  • the first control valve 151 of the hybrid excavator boom drive system is connected when the boom actuator 100 is in an up operation, and is blocked when the boom actuator 100 is in a downward operation, the The second control valve 300 may be shut off when the boom actuator 100 is operated up, and may be connected when the boom actuator 100 is operated down.
  • the control method of the boom drive system of the hybrid excavator according to the present invention, the first detection step (S10) for detecting the boom down joystick pressure value; A second detecting step S20 of detecting operating torque of the boom motor; A determination step (S30) of determining whether it is a positive (+) value or a negative (-) value of the operating torque in the second detection step (S20); A first performing step S40 of maximally opening the second control valve 300 when the operating torque value is negative in the determining step S30; And a second performing step S50 of controlling the opening area of the second control valve 300 when the operating torque value is positive (+) in the determining step S30.
  • the boom drive system and control method of the hybrid excavator according to the present invention made as described above can control the contraction speed of the boom actuator with the target speed and force when the boom lowers, thereby allowing the electric motor (generator) to normally Will be able to produce.
  • 1 and 2 are views for explaining a boom driving system of a conventional hybrid excavator.
  • FIG. 3 and 4 are views for explaining a boom driving system and a control method of a hybrid excavator according to an embodiment of the present invention for explaining the operation of the boom regeneration lowering and boom load lowering when the boom is lowered.
  • FIG. 5 is a graph for explaining the characteristics of the boom driving system of a hybrid excavator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a boom driving system and a control method of a hybrid excavator according to an embodiment of the present invention.
  • boom control valve 126, 127, 128 first, second, third position
  • first and second control valve 160 control unit
  • 3 and 4 are views for explaining a boom driving system and a control method of a hybrid excavator according to an embodiment of the present invention to explain the operation of the boom regenerative lowering and boom load lowering when the boom is lowered.
  • 5 is a graph illustrating the characteristics of a boom driving system of a hybrid excavator according to an embodiment of the present invention.
  • 6 is a flowchart illustrating a boom driving system of a hybrid excavator and a method of controlling the same according to an embodiment of the present invention.
  • the electronic device and the hydraulic device are combined.
  • Electronic devices include electric motors, electrical energy storage devices, inverters, and the like.
  • the electric motor is operated by a motor or a generator.
  • the inverter stabilizes the driving of the motor.
  • the electrical energy storage device stores the electricity produced by the electric motor.
  • the hydraulic device includes a boom actuator 100, a hydraulic pump motor 120, and a boom control valve 125.
  • the above-described hydraulic pump motor 120 may combine the operation of the hydraulic pump and the hydraulic motor.
  • the hydraulic pump motor 120 When the hydraulic pump motor 120 is operated as a hydraulic pump, it is driven by an electric motor to supply hydraulic oil to the boom actuator 100.
  • the hydraulic pump motor 120 When the hydraulic pump motor 120 is operated as a hydraulic motor, the hydraulic pump motor 120 is driven by the hydraulic oil discharged from the boom actuator 100 to drive the electric motor described above.
  • the discharge line 121 and the inlet line 122 are connected to one side of the hydraulic pump motor 120.
  • the other one of the discharge line 121 and the inlet line 122 is connected to the boom control valve 125 described above.
  • the boom control valve 125 described above may be connected in the forward direction to operate the boom actuator 100 in the upward direction, may be connected in a reverse direction to lower the boom actuator 100, the boom actuator 100 A neutral position can be provided to stop the lifting.
  • one side of the boom auxiliary line 145 may be connected to the above-described discharge line 121, and the other side of the boom auxiliary line 145 may be provided with a boom auxiliary valve 144.
  • the boom auxiliary valve 144 is controlled to supply the hydraulic oil to the discharge line 121 from the main hydraulic pump.
  • the boom drive system of the hybrid excavator connecting the inlet line 122 connecting the hydraulic pump motor 120 and the boom control valve 125 and the drain tank of the hydraulic oil It may further include a first control valve (151).
  • the hydraulic pump motor 120 may further include a discharge line 121 connecting the boom control valve 125 and a second control valve 300 connecting the drain tank of the working oil.
  • the controller 160 controls the first control valve 151 and the second control valve 152.
  • the first control valve 151 is connected when the boom actuator 100 is operated up, and is blocked when the boom actuator 100 is operated down.
  • the second control valve 300 is shut off when the boom actuator 100 is operated up, and is connected when the boom actuator 100 is operated down.
  • the second control valve 300 may be provided in a 3 position 2 port type.
  • the first position may be the fully open position 301
  • the second position may be the open area reduction position 302
  • the third position may be the fully closed position 303.
  • the second control valve 300 is an opening area through which the flow rate is variable depending on the position of the spool.
  • the boom auxiliary valve 144 is discharged from the first hydraulic pump 141 when the required flow rate corresponding to the boom up signal exceeds the supply flow rate of the hydraulic pump motor 120 or exceeds the capacity of the electric motor 110
  • the operating oil to be supplied may be controlled to be open to the boom actuator 100.
  • the first control valve 151 has a flow rate flowing into the hydraulic pump motor 120 from the boom actuator 100 when the boom actuator 100 is lowered operation exceeds the allowable flow rate of the hydraulic pump motor 120 or When exceeding the power generation capacity of 110, it may be connected to discharge the excess flow rate to the tank.
  • Second detection step S20 The operating torque of the boom motor is detected.
  • Determination step (S30) In the second detection step S20, it is determined whether the operating torque is a positive (+) value or a negative (-) value.
  • Second performing step S50 If the operating torque value is positive (+) in the determination step (S30), the second control valve 300 is controlled to reduce the opening area. That is, the opening area is controlled to have a narrow opening area rather than the maximum opening.
  • the working torque is the torque of the electric motor controlled to rotate at the rotational speed aimed at the electric motor.
  • the second control valve 300 is controlled to control the pressure in the discharge line 121 connected to the cylinder rod of the boom actuator when the boom is lowered.
  • the flow path connected to the drain tank can be reduced, thereby increasing the pressure in the discharge line 121.
  • the elevated pressure is transmitted to the cylinder rod side of the boom actuator 100, thereby controlling the speed at which the boom actuator 100 contracts at a desired speed.
  • the second control valve 300 When the boom regenerates and descends, the second control valve 300 is opened to the maximum.
  • the boom motor is driven by a hydraulic pump motor 120 acting as a hydraulic motor by the pressure oil supplied from the cylinder head of the boom actuator 100 through the inlet line 122.
  • the pressure of the joystick is p1 and the rotational speed of the motor is defined as w1.
  • the external load acting on the boom actuator 100 becomes f1, whereby the torque finally transmitted to the boom motor becomes T1.
  • the boom motor will regenerate as much power as w1 x T1.
  • the second control valve 300 is opened to the maximum as shown in Fig. 5C.
  • the pressure in the inflow line 122 may not be able to rotate the boom motor at the target rotational speed in FIG.
  • the boom motor rotates using the power of the electrical energy storage device, where the external load is f3 and the motor torque is defined as T3.
  • the controller 160 controls the second control valve 300 to control the opening area through which the fluid is to be reduced to a3. If the external load becomes larger than f3 and the required motor torque is larger, the second control valve 300 is finally closed to transfer all of the hydraulic oil discharged from the oil pump motor to the rod side of the boom actuator 100. It can increase the descending force when the boom lowers.
  • the boom drive system and control method of the hybrid excavator according to the embodiment of the present invention made as described above can control the contraction speed of the boom actuator at a target speed when the boom is lowered, whereby in the electric motor (generator) You can produce electricity normally.
  • the boom drive system and control method thereof of the hybrid excavator according to the present invention can be used to raise and lower the boom and to recover renewable energy when the boom is lowered.

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Description

하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법
본 발명은 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압펌프모터를 구동하여 붐을 승강 작동시키고, 붐의 회생동력을 전동기에 의해 회수하여 연비가 향상되도록 하는 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 굴삭기는 붐을 승강 작동시키기 위한 유압펌프모터가 구비되고, 유압펌프모터의 한쪽에는 발전과 전동을 구현하는 전동기가 연결되며, 전동기의 다른 한쪽에는 발전된 전력을 충전하는 울트라 커패시터 등의 전기 에너지 저장장치를 포함하여 구성된다.
또한, 유압펌프모터로부터 토출되는 작동유는 붐 제어밸브를 경유하여 붐에 제공되고, 붐 제어밸브의 제어에 의해 붐이 상승, 정지 또는 하강된다.
상술한 바와 같은 하이브리드 굴삭기의 구성을 첨부도면 도 1을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.
붐 액추에이터(100)은 붐 제어밸브(125)에 연결되고, 붐 제어밸브(125)는 유압펌프모터(120)에 연결된다.
붐 제어밸브(125)는 3위치로서 제1위치(126)에서는 붐 액추에이터(100)이 상승작동을 하도록 하고, 제2위치(127)에서는 붐 액추에이터(100)이 하강작동을 하도록 하며, 제3위치(128)는 중립위치로서 붐 액추에이터(100)의 승강이 멈추도록 하는 것이다.
상술한 유압펌프모터(120)는 유압펌프와 유압모터의 작동을 겸할 수 있다.
유압펌프모터(120)에는 토출라인(121)과 유입라인(122)이 연결된다. 또한, 토출라인(121)과 유입라인(122)의 다른 한쪽은 상술한 붐 제어밸브(125)에 연결된다.
또한, 유입라인(122)의 한쪽에는 드레인 탱크로 연결되는 경로 상에 제1 제어밸브(151)가 연결된다. 제1 제어밸브(151)는 붐 액추에이터(100)의 하강에 의해 재생에너지를 회수할 때에 폐쇄 제어되고, 재생에너지를 회수하지 않거나 유압펌프모터(120)에 허용유량을 초과하는 경우에 개방 제어되어 작동유를 배출시키도록 한다.
또한, 토출라인(121)의 한쪽에는 드레인 탱크로 연결되는 경로 상에 제2 제어밸브(152)가 연결된다. 제2 제어밸브(152)는 붐이 상승 작동할 때에 폐쇄 제어되고, 붐 액추에이터(100)가 하강 작동할 때에 개방 제어되어 작동유를 배출시키도록 한다.
또한, 토출라인(121)과 유입라인(122)에 각각 연결되는 모터 바이패스 밸브(200)가 구비되고, 모터 바이패스 밸브(200)는 토출라인(121)과 유입라인(122) 사이를 연결하거나 차단한다.
다른 한편으로, 상술한 토출라인(121)에는 붐 보조 라인(145)의 한쪽이 연결될 수 있고, 붐 보조 라인(145)의 다른 한쪽에는 붐 보조 밸브(144)가 구비될 수 있다. 붐 보조 밸브(144)는 메인유압펌프로부터 작동유를 토출라인(121)에 보충하여 공급할 수 있도록 제어된다.
상술한 바와 같은 종래의 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템은 다음과 같은 문제점이 지적된다.
도 1은 붐 구동 시스템에서 회생 유량보다 유압펌프모터의 허용 유량이 많은 경우를 가정한 것이다.
붐 액추에이터(100)의 붐 실린더 헤드 측 고압의 유체(작동유)는 유압펌프모터(120)의 흡입측으로 전달된다. 유압펌프모터(120)는 압유(작동유)에 의해 유압모터 기능이 구현되어, 전동기를 회전시킨다. 결국 전동기는 붐의 위치에너지를 전기에너지로 회생하고, 전기에너지는 전기 에너지 저장장치에 충전된다.
유압펌프모터(120)를 통과한 저압의 작동유는 붐 액추에이터(100)의 붐 실린더 로드 측으로 공급되며, 실린더 면적 차에 의한 잉여 유량은 제2제어밸브(152)를 경유하여 드레인 탱크로 배출된다.
붐 하강할 때, 붐 액추에이터(100)의 수축의 속도는 붐 전동기의 회전 속도에 의해 제어된다. 즉, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 붐 하강 조이스틱 압력에 비례해서 전동기의 회전 속도는 증가하게 된다.
붐 액추에이터(100)의 붐 헤드 측에서 공급되는 유량 및 압력이 충분 할 경우에는 붐 전동기는 유압모터로 작동하는 유압펌프모터(120)에 의해 구동되며, 이 때 전동기는 발전기 기능을 구현함으로, 전동기의 토크는 도 2의 (b)에 나타낸 실선과 같이 마이너스(-) 값을 가진다.
그러나 경사면 굴삭 작업 등과 같은 굴삭기의 붐이 하강할 때에 붐 액추에이터(100)의 붐 헤드 측에서 공급되는 유량 및 압력이 불충분하다. 이로써 붐 액추에이터(100)의 붐 실린더에서 유압펌프모터(120)로 공급되는 동력이 충분하지 못할 수 있다.
전동기는 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 소망하는 회전 속도로 회전하기 위하여 도 2의 (b)에 점선으로 나타낸 바와 같이, 전기 에너지 저장장치(capacitor)의 전력을 이용하여 전동기로 작동하게 되며, 이 때 전동기의 토크는 플러스(+)값을 가진다.
굴삭기의 붐 하강할 때와 같은 경우에 있어 붐 액추에이터에서 일정속도 이상의 수축하는 속도로 구현하기 위해서는 붐 액추에이터(100)의 실린더 로드 측에 고압을 형성시켜야 하지만. 종래의 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템에는 전동기는 목표로한 속도로 회전 가능하나, 토출유로(121)가 제2 제어밸브(152)를 경유하여 드레인 탱크와 연결되어 있으므로, 토출유로(121) 내의 압력이 낮게 유지된다.
이로써 붐 액추에이터(100)에서 로드가 수축되는 속도와 힘을 상향제어 할 수 없는 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
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따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 붐 하강할 때에 목표로 하는 속도로 붐 액추에이터의 수축 속도 및 힘을 제어할 수 있도록 하여 전동기(발전기)에서 정상적으로 전기를 생산할 수 있도록 하는 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템은, 모터 또는 발전기로 작동되는 전동기; 상기 전동기에서 생산된 전기를 저장하는 전기 에너지 저장장치: 상기 전동기로 구동되어 붐 액추에이터(100)에 작동유를 공급하는 유압펌프모터(120); 상기 유압펌프모터(120)의 토출라인(121)과 상기 유압펌프모터(120)의 유입라인(122)을 상기 붐 액추에이터(100)을 동작시키는 붐 실린더의 헤드 측 또는 로드 측에 선택적으로 연결하거나 차단하도록 폐회로를 구성하는 붐 제어밸브(125); 상기 유입라인(122)과 드레인 탱크를 연결하는 제1제어밸브(151); 상기 토출라인(121)과 상기 드레인 탱크를 연결하고, 상기 붐 액추에이터(100)가 하강 작동될 때에 붐 전동기에 작용 되는 토크 크기에 따라 개도 면적이 가변 되도록 제어되는 제2제어밸브(300); 및 상기 전동기와 상기 유압펌프모터(120)와 상기 붐 제어밸브(125)와 상기 제1, 제2 제어밸브(151, 300)을 제어하는 제어부(160);를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 상기 제1 제어밸브(151)는 상기 붐 액추에이터(100)가 상승 작동될 때에 연결되고, 상기 붐 액추에이터(100)가 하강 작동될 때에 차단되며, 상기 제2 제어밸브(300)는 상기 붐 액추에이터(100)가 상승 작동될 때에 차단되고, 상기 붐 액추에이터(100)가 하강 작동될 때에 연결되는 것일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템의 제어방법은, 붐 하강 조이스틱 압력 값을 검출하는 제1 검출 단계(S10); 붐 전동기의 작동 토크를 검출하는 제2 검출 단계(S20); 상기 제2 검출 단계(S20)에서 작동토크의 플러스(+) 값인지, 마이너스(-)값인지 판단하는 판단단계(S30); 상기 판단 단계(S30)에서 작동토크 값이 마이너스(-)이면, 제2제어밸브(300)를 최대 개방하는 제1 수행단계(S40); 및 상기 판단 단계(S30)에서 작동토크 값이 플러스(+)이면, 제2제어밸브(300)를 개도면적이 감소되도록 제어하는 제2 수행단계(S50);를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법은 붐 하강할 때에 목표로 하는 속도 및 힘으로 붐 액추에이터의 수축 속도를 제어할 수 있고, 이로써 전동기(발전기)에서 정상적으로 전기를 생산할 수 있는 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법을 설명하기 위한 도면으로써 붐 하강할 때에 붐 회생 하강과 붐 부하 하강의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템의 특성을 설명하기 위한 그래프 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
* 도면 부호의 설명 *
100: 붐 액추에이터
110: 전자장치(전동기, 전기 에너지 저장장치, 인버터 등)
120: 유압펌프모터
121: 토출라인 122: 유입라인
125: 붐 제어밸브 126, 127, 128: 제1, 제2, 제3 위치
144: 붐 보조 밸브 145: 붐 보조 라인
151, 152: 제1, 제2 제어밸브 160: 제어부
200: 모터 바이패스 밸브
300: 제2 제어밸브
301: 완전 개방위치
302: 개도 면적 감소 위치
303: 완전 폐쇄위치
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하고, 종래의 기술과 동일한 구성요소에 대하여 동일한 부호를 부여하고 중복된 상세한 설명은 생략한다.
한편, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법에 대해서 설명한다.
첨부도면 도 3 및 도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법을 설명하기 위한 도면으로써 붐 하강할 때에 붐 회생 하강과 붐 부하 하강의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 첨부도면 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템의 특성을 설명하기 위한 그래프 도면이다. 첨부도면 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템은, 전자장치와 유압장치가 결합된 것이다.
전자장치는 전동기, 전기 에너지 저장장치, 인버터 등을 포함한다. 전동기는 모터 또는 발전기로 작동된다. 인버터는 전동기의 구동을 안정화시킨다. 전기 에너지 저장장치는 전동기에서 생산된 전기를 저장한다.
유압장치는 붐 액추에이터(100)와 유압펌프모터(120)와 붐 제어밸브(125)를 포함하여 구성된다.
상술한 유압펌프모터(120)는 유압펌프와 유압모터의 작동을 겸할 수 있다. 유압펌프모터(120)가 유압펌프로 작동되는 경우에는 전동기로 구동되어 붐 액추에이터(100)에 작동유를 공급한다. 유압펌프모터(120)가 유압모터로 작동되는 경우에는 붐 액추에이터(100)로부터 배출되는 작동유에 의해 구동되어 상술한 전동기를 구동시킨다.
유압펌프모터(120)의 한쪽에는 토출라인(121)과 유입라인(122)이 연결된다. 토출라인(121)과 유입라인(122)의 다른 한쪽은 상술한 붐 제어밸브(125)에 연결된다.
상술한 붐 제어밸브(125)는 상기 붐 액추에이터(100)를 상승 작동시키기 위하여 순방향으로 연결될 수 있고, 상기 붐 액추에이터(100)를 하강 작동시키기 위하여 역방향으로 연결될 수 있으며, 상기 붐 액추에이터(100)의 승강을 정지하도록 중립위치가 제공될 수 있다.
다른 한편으로, 상술한 토출라인(121)에는 붐 보조 라인(145)의 한쪽이 연결될 수 있고, 붐 보조 라인(145)의 다른 한쪽에는 붐 보조 밸브(144)가 구비될 수 있다. 붐 보조 밸브(144)는 메인유압펌프로부터 작동유를 토출라인(121)에 보충하여 공급할 수 있도록 제어된다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템은, 유압펌프모터(120)와 붐 제어밸브(125)를 연결하는 유입라인(122)과 작동유의 드레인 탱크를 연결하는 제1제어밸브(151)를 더 포함할 수 있다. 또한, 유압펌프모터(120)와 붐 제어밸브(125)를 연결하는 토출라인(121)과 작동유의 드레인 탱크를 연결하는 제2제어밸브(300)를 더 포함할 수 있다.
제어부(160)는 제1 제어밸브(151)와 제2제어밸브(152)를 제어한다.
좀 더 상세하게는 제1 제어밸브(151)는 붐 액추에이터(100)가 상승 작동될 때에 연결되고, 붐 액추에이터(100)가 하강 작동될 때에 차단된다.
제2 제어밸브(300)는 붐 액추에이터(100)가 상승 작동될 때에 차단되고, 붐 액추에이터(100)가 하강 작동될 때에 연결된다.
또한, 제2 제어밸브(300)는 3위치 2포트 타입으로 제공될 수 있다. 제1위치완전 개방위치(301)이고, 제2위치는 개도면적 감소위치(302)이며, 제3위치는 완전 폐쇄위치(303)일 수 있다.
여기서 제2 제어밸브(300)는 스풀의 위치에 따라 유량이 통과될 개도 면적이 가변 되는 것이다.
한편, 붐 보조밸브(144)는 붐 상승 신호에 대응하는 요구 유량이 유압펌프모터(120)의 공급유량을 초과하거나 전동기(110)의 용량을 초과하는 경우, 제1 유압펌프(141)에서 토출되는 작동유가 붐 액추에이터(100)에 공급되도록 개방 제어될 수 있다.
또한, 제1 제어밸브(151)는 붐 액추에이터(100)가 하강 작동할 때 붐 액추에이터(100)로부터 유압펌프모터(120) 측으로 유입되는 유량이 유압펌프모터(120)의 허용유량을 초과하거나 전동기(110)의 발전용량을 초과하는 경우, 연결되어 잉여의 유량을 탱크로 배출시키는 것일 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템의 제어방법을 첨부도면 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.
제1 검출 단계(S10); 붐 하강 조이스틱 압력 값을 검출한다.
제2 검출 단계(S20); 붐 전동기의 작동 토크를 검출한다.
판단단계(S30); 제2 검출 단계(S20)에서 작동토크의 플러스(+) 값인지, 마이너스(-)값인지 판단한다.
제1 수행단계(S40); 판단 단계(S30)에서 작동토크 값이 마이너스(-)이면, 제2제어밸브(300)를 최대 개방한다. 즉 완전 개방위치(301)로 제어된다.
제2 수행단계(S50); 상기 판단 단계(S30)에서 작동토크 값이 플러스(+)이면, 제2제어밸브(300)를 개도면적이 감소되도록 제어한다. 즉 개도면적은 최대 개방보다는 좁은 개도면적을 가지도록 제어되는 것이다.
본 발명의 일실시예에서 회생 하강 또는 부하 하강을 판단하는 근거로, 전동기에 작용되는 작용토크 값으로 판단한다. 좀 더 상세하게는 작용 토크 값이 마이너스(-)일 경우 회생 하강으로 판단하고, 작용토크 값이 플러스(+)일 경우 부하 하강으로 판단한다. 여기서, 작용토크는 전동기를 목표로 하는 회전속도로 회전시키기 위해 제어되는 전동기의 토크이다.
붐이 부하 하강할 때에는 제2제어밸브(300)를 제어하여 붐 하강할 때 붐 액추에이터의 실린더 로드와 연결된 토출라인(121)의 내에 압력이 제어된다.
붐이 부하 하강할 때에 제2제어밸브(300)에서 개도면적 감소위치(302)로 제어함으로써 드레인 탱크와 연결되는 유로를 줄여줄 수 있고, 이로써 토출라인(121)내의 압력이 상승된다. 이렇게 상승한 압력은 붐 액추에이터(100)의 실린더 로드 측으로 전달되고, 이로써 붐 액추에이터(100)이 수축하는 속도를 원하는 속도로 제어할 수 있게 된다.
이하, 도 5에 제시된 그래프를 참조하여 제2제어밸브(300)의 작동을 설명한다.
붐이 회생 하강할 때에 제2제어밸브(300)는 최대로 열린다. 붐 전동기는 붐 액추에이터(100)의 실린더 헤드로부터 유입라인(122)을 통해 공급되는 압유에 의해 유압모터로 작동하는 유압펌프모터(120)에 의해 구동된다. 이 때 조이스틱의 압력은 p1이고, 전동기의 회전속도는 w1으로 정의한다.
이 때 붐 액추에이터(100)에 작용되는 외부 부하는 f1이 되고, 이에 의해 붐 전동기에 최종적으로 전달되는 토크는 T1이 된다. 붐 전동기는 w1 x T1 만큼의 동력을 회생하게 된다. 이 때 제2제어밸브(300)는 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이 최대로 개방되어 있다.
한편, 버킷에 외력이 작용하여 회생 가능한 부하가 f1에서 f2로 작아질 경우가 있다. 이때, 붐 전동기로 전달되는 토크는 T1에서 T2로 감소한다. 그러나 이 경우도 붐 전동기는 w1 x T2만큼의 동력을 회생하게 된다. 마찬가지로 제2제어밸브(300)는 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이 최대로 개방되어 있다.
다른 한편으로, 버킷에 더 큰 외력이 작용하면, 유입라인(122)의 압력이 붐 전동기를 도 5의 (a)에서 목표로 하는 회전 속도로 회전시킬 수 없는 경우가 발생한다. 붐 전동기는 전기 에너지 저장장치의 전력을 이용하여 회전하게 되는데, 이 때 외부 부하는 f3가 되고 전동기 토크는 T3로 정의된다.
이때 붐 전동기의 토크가 마이너스(-)에서 플러스(+)로 변경이 되면, 제어부(160)는 제2제어밸브(300)를 제어하여 유체가 통과될 개도 면적이 a3가 되도록 감소되게 제어한다. 만약, 외부 부하가 f3보다 커지게 되어 필요한 전동기 토크가 더 큰 경우에는 최종적으로 제2제어밸브(300)를 폐쇄시켜 유암펌프모터에 의해 토출되는 작동유 전부를 붐 액추에이터(100)의 로드 측으로 전달함으로써 붐 하강시의 하강 힘을 증가시킬 수 있다.
드레인 탱크로 연결되는 제2제어밸브(300)의 개도 면적이 감소하면, 토출라인(121)의 유로 압력이 상승한다. 이 압력은 붐 액추에이터(100)의 붐 실린더 로드 측으로 전달되어 붐 실린더를 원하는 속도로 제어 할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법은 붐 하강할 때에 목표로 하는 속도로 붐 액추에이터의 수축 속도를 제어할 수 있고, 이로써 전동기(발전기)에서 정상적으로 전기를 생산할 수 있는 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법은 붐을 승강 구현하도록 하고, 붐이 하강할 때에 재생에너지를 회수하도록 하는 데에 이용될 수 있다.

Claims (3)

  1. 모터 또는 발전기로 작동되는 전동기;
    상기 전동기에서 생산된 전기를 저장하는 전기 에너지 저장장치:
    상기 전동기로 구동되어 붐 액추에이터(100)에 작동유를 공급하는 유압펌프모터(120);
    상기 유압펌프모터(120)의 토출라인(121)과 상기 유압펌프모터(120)의 유입라인(122)을 상기 붐 액추에이터(100)을 동작시키는 붐 실린더의 헤드 측 또는 로드 측에 선택적으로 연결하거나 차단하도록 폐회로를 구성하는 붐 제어밸브(125);
    상기 유입라인(122)과 드레인 탱크를 연결하는 제1제어밸브(151);
    상기 토출라인(121)과 상기 드레인 탱크를 연결하고, 상기 붐 액추에이터(100)가 하강 작동될 때에 붐 전동기에 작용 되는 토크 크기에 따라 개도 면적이 가변 되도록 제어되는 제2제어밸브(300); 및
    상기 전동기와 상기 유압펌프모터(120)와 상기 붐 제어밸브(125)와 상기 제1, 제2 제어밸브(151, 300)을 제어하는 제어부(160);
    를 포함하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어밸브(151)는 상기 붐 액추에이터(100)가 상승 작용 될 때에 연결되고, 상기 붐 액추에이터(100)가 하강 작용 될 때에 차단되며,
    상기 제2 제어밸브(300)는 상기 붐 액추에이터(100)가 상승 작용 될 때에 차단되고, 상기 붐 액추에이터(100)가 하강 작용 될 때에 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템.
  3. 붐 하강 조이스틱 압력 값을 검출하는 제1 검출 단계(S10);
    붐 전동기의 작동 토크를 검출하는 제2 검출 단계(S20);
    상기 제2 검출 단계(S20)에서 작동토크의 플러스(+) 값인지, 마이너스(-)값인지 판단하는 판단단계(S30);
    상기 판단 단계(S30)에서 작동토크 값이 마이너스(-)이면, 제2제어밸브(300)를 최대 개방하는 제1 수행단계(S40); 및
    상기 판단 단계(S30)에서 작동토크 값이 플러스(+)이면, 제2제어밸브(300)를 개도면적이 감소되도록 제어하는 제2 수행단계(S50);
    를 포함하는 하이브리드 굴삭기 붐 구동시스템의 제어방법.
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