[논문]작업장치 위치에너지 회생을 위한 하이브리드 굴삭기 시스템 개발

윤종일; 안경관; 딩광졍; 강종민; 김재홍

[국내논문] 작업장치 위치에너지 회생을 위한 하이브리드 굴삭기 시스템 개발
Development of Hybrid Excavator for Regeneration of Boom Potential Energy 원문보기

유공압시스템학회논문집 = Transactions of the Korea Fluid Power Systems Society, v.6 no.4, 2009년, pp.1 - 8

윤종일 (울산대학교 기계자동차공학과) , 안경관 (울산대학교 기계자동차공학부) , 딩광졍 (울산대학교 기계자동차공학과) , 강종민 ((주)볼보그룹코리아) , 김재홍 ((주)볼보그룹코리아)

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Nowadays with the high fuel prices, the demands for energy saving and green emission of construction machinery have highly been increased without sacrifice of working performance, safety and reliability. The aim of this paper is to propose a new energy saving hybrid excavator system using an electro-hydraulic actuator driven by an electric motor/generator for the regeneration of potential energy. A 5 ton class excavator is analyzed, developed with the boom for the evaluation of the designed system. The hardware implementation is also presented in this paper. A control strategy for the hybrid excavator is proposed to operate the machine with a highest efficiency. The energy saving ability of the proposed excavator is clearly verified through simulation and experimental results in comparison with a conventional hydraulic excavator.

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문제 정의

본 연구에서는 전기-유압 액추에이터 시스템을 굴삭기 붐 부분에 적용한 하이브리드 굴삭기 시스템을 제안하고, 제안한 하이브리드 굴삭기 시스템의 에너지 절감효과를 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증하고자 한다.
일반적으로 유압 굴삭기는 붐, 암, 버켓의 3개의 실린더로 구성된다. 본 연구에서는 전기-유압 액추에이터를 굴삭기의 붐 구동 시스템에 적용하여 하이브리드 굴삭기를 구현하고자 한다. Fig.
본 연구에서는 전기-유압 액추에이터를 사용하는 하이브리드 굴삭기를 제안하여 에너지 절감을 증명하였다. 또한 작업장치의 회생방법을 제시하였다.

제안 방법

실린더의 구동 속도는 외부부하의 크기와 RCV Lever의 조작의 크기에 따라 달라진다. 기존의 굴삭기는 붐 하강시 작업장치가 가지고 있는 중력위치에너지를 그대로 낭비하게 되나, 본 연구에서 제안하는 전기-유압 액추에이터를 이용한 하이브리드 시스템은 붐 하강시에 작업장치가 가지고 있는 중력위치에너지를 전기모터/제너레이터를 이용하여 에너지를 회생시켜 배터리에 충전할 수 있는 구조로 되어 있다.
이상으로부터 아래와 같은 하이브리드 시스템을 구성하였으며, 또한 이 시스템은 테스트의 편의를 위하여 한 대의 굴삭기에 대하여 하이브리드 시스템과 기존의 시스템을 선택할 수 있도록 제작되었다. Fig.
본 연구에서 제안하는 하이브리드 굴삭기 시스템은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 크게 4가지 작동모드로 작동하게 된다.
기존의 굴삭기와 본 논문에서 제안한 굴삭기의 작업 효율성 비교를 위해 각각의 붐 시스템에 대하여 AMESim 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
6. 실험결과

실험조건은 급속 상승과 하강을 기준으로 무부하 상태로 실험하여 기존 굴삭기와 하이브리드 굴삭기의 붐 에너지의 연비를 측정하였다. 기존 굴삭기의 연비 측정은 연비계를 사용하였고, 측정결과 약 748kJ을 소비하였다.
본 연구에서는 전기-유압 액추에이터를 사용하는 하이브리드 굴삭기를 제안하여 에너지 절감을 증명하였다. 또한 작업장치의 회생방법을 제시하였다. 제안한 시스템을 5ton 굴삭기를 개조하여 하이브리드 굴삭기를 제작하였다.
또한 작업장치의 회생방법을 제시하였다. 제안한 시스템을 5ton 굴삭기를 개조하여 하이브리드 굴삭기를 제작하였다. AMESim 유압회로 해석 소프트웨어를 사용하여 붐 시뮬레이션 모델을 제작하였고, 그 결과 하이브리드 붐 시스템의 에너지 효율성을 증명하였다.

대상 데이터

5에 나타내고 있다. 본 시스템은 MCU(Main Control Unit), 제어부, 각종 밸브와 센서부와 모터/발전기로 구성되어 있다. 본 하이브리드 시스템의 제어 방법은 아래의 Fig.
8은 본 논문에서 제안하는 하이브리드 굴삭기의 AMESim 모델을 나타낸다. AMESim 모델의 각 변수들은 Table 4에서처럼 실제 굴삭기의 재원을 사용하였다. 붐의 입력 값은 조이스틱 신호와 피스톤 로드의 부하를 나타낸다.
9는 RCV Lever 신호와 부하를 나타내고 있다. RCV Lever 신호와 부하는 실차 실험에서 계측한 데이터를 이용하여 시뮬레이션의 입력데이터로 활용하였다. Fig.

성능/효과

속도 오차는 전압 제어를 위한 신호를 모터드라이버에 보내기 위해 속도 제어기로 입력되어 모터 속도가 조절된다. 그 결과, 운전자에게 기존의 시스템을 사용할 때와 동일한 작업 성능을 줄 수 있다.
붐의 입력 값은 조이스틱 신호와 피스톤 로드의 부하를 나타낸다. 입력 데이터는 숙련된 운전자로부터 실제 실험에서 얻어진 값이고, 기존의 5ton 굴삭기에서 붐의 상승과 하강을 10회 반복하였다.
이상의 결과로부터 하이브리드 굴삭기 시스템은 기존의 굴삭기 시스템에 비해 더 많은 작업 효율성을 가짐을 알 수 있다.
제안한 시스템을 5ton 굴삭기를 개조하여 하이브리드 굴삭기를 제작하였다. AMESim 유압회로 해석 소프트웨어를 사용하여 붐 시뮬레이션 모델을 제작하였고, 그 결과 하이브리드 붐 시스템의 에너지 효율성을 증명하였다. 이를 바탕으로 실험을 하여 기존 굴삭기 대비 약 60%에너지 절감의 효과를 증명하였다.
AMESim 유압회로 해석 소프트웨어를 사용하여 붐 시뮬레이션 모델을 제작하였고, 그 결과 하이브리드 붐 시스템의 에너지 효율성을 증명하였다. 이를 바탕으로 실험을 하여 기존 굴삭기 대비 약 60%에너지 절감의 효과를 증명하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Series type 하이브리드 굴삭기의 문제는 무엇인가?	그러나 Series type 하이브리드 굴삭기에서 엔진은 발전기를 구동하여 배터리에 에너지를 충전하는 경우와 인버터를 통해 전기모터의 구동에 사용되어진다. 이러한 경우, 다량의 배터리와 인버터 등을 장비에 탑재해야하므로 기계적 비용이 크게 증가한다.
	에너지 절감에 대한 기술이 절실히 요구되는 배경은 무엇인가?	오늘날 전 세계적으로 유가 상승, 기존의 원전 고갈 및 지구 온난화가 날이 갈수록 시급한 문제가 되고 있다. 이러한 문제로 인해 다양한 산업 분야에서 에너지 절감에 대한 기술이 절실히 요구되어지고 있다.
	기존의 굴삭기 유압시스템의 에너지 효율이 낮은 이유는 무엇인가?	한편 건설 중장비에서는 엔진/펌프제어 및 주제어 밸브에서의 압력손실 저감을 위주로 연비개선을 위하여 노력하고 있으나 아직도 에너지 효율이 다른 시스템에 비하여 상당히 낮은 상태이다. 이는 기존의 굴삭기 유압시스템은 엔진이 구동되면 엔진과 연결된 유압 펌프를 항시 구동하는 기계적 메커니즘으로 구성되어 있기 때문이다. 따라서 건설 중장비 시스템의 에너지 효율을 개선하기 위한 기술 개발의 필요성이 절실히 요구되어지고 있다.

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