[논문]에너지 회생 하이브리드 유압시스템 기술 소개

안경관; 윤종일; 도황틴

doi:10.7839/ksfc.2012.9.3.067

[국내논문] 에너지 회생 하이브리드 유압시스템 기술 소개
Introduction of Energy Regenerative Hybrid Hydraulic System Technologies 원문보기

유공압건설기계학회지 = Journal of the Korean Society for Fluid Power and Construction Equipments, v.9 no.3, 2012년, pp.67 - 76

안경관 (울산대학교) , 윤종일 (울산대학교 특성화연구실) , 도황틴 (울산대학교 기계자동차공학과)

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문제 정의

은 단일 에너지 저장의 단점을 극복하기 위해 유압 하이브리드 차량을 위한 hydraulic/electric synergy system (HESS)을 제시하였다. 시너지 시스템의 주요 목표는 차량 성능을 만족하면서 연료 소비량을 개선하는 것이다. 본 연구에서는 효율성을 극대화 하여 연료 소비량을 20.
그러나, 이 시스템에서 플라이휠 펌프/모터의 사판각은 좋은 에너지 회수 효율을 위하여 최대의 사판각 영역에서 작동되도록 제어되며, 이 사판각의 급격한 영역 변환에 의하여 고압 관로에서 큰 압력 맥동과 소음이 발생하게 된다. 내구성의 관점에서도 이와 같은 현상은 해결되어야하며, 그 해결책으로서 본 논문에서는 SCL-CPS를 제안하고자 한다.
본 해설에서는 에너지 회생을 이용한 하이브리드 유압시스템에 대한 논의를 하였다. 정유압 변속기의 작동원리와 에너지 회생이 가능한 정유압 변속기에 대한 소개를 하였으며, 이에 따른 관련 문헌 및 기술 내용을 소개하였다.
본 해설에서는 에너지 회생을 이용한 하이브리드 유압시스템에 대한 논의를 하였다. 정유압 변속기의 작동원리와 에너지 회생이 가능한 정유압 변속기에 대한 소개를 하였으며, 이에 따른 관련 문헌 및 기술 내용을 소개하였다. 현재는 차량을 필두로 많은 연구자들이 연구를 진행하고 있으나, 추후 산업기계 전반에 유압시스템을 이용한 에너지 회생에 대한 많은 논의와 연구가 이루어질 것이다.

제안 방법

11과 같이 Secondary Regulation Hydrostatic Transmission Technology (SRHT)를 적용하여 굴삭기 정지 특성과 유압 변속기 기술의 높은 정밀도의 분석을 기초로 하여 새로운 굴삭기의 제동 제어 기술을 제시하였다. 변수가 불확실성에 대하여 강건한 제어 문제를 처리하기 위해서 슬라이딩 모드 제어 방법을 유압 펌프/모터의 제어기 설계에 사용되었다. SRHT 굴삭기의 시뮬레이션 결과는 기존의 굴삭기와 비슷하다.
기존의 CPS는 플라이휠 펌프/모터의 용적의 급격한 변화에 의해 발생되는 압력 피크와 같은 문제를 가지고 있다. 이 논문에서는 기존의 CPS의 에너지 절감 방법의 새로운 대안으로서, 스위칭 폐루프 정압력원시스템(Switching type Closed Loop Constant Pressure System, 이하 SCL-CPS라고 함)을 새롭게 제안한다. 우선, SCL-CPS의 해석적 모델을 수립하고, 에너지 절감의 가능성을 평가하기 위한 시뮬레이션을 실시한다.
이 논문에서는 기존의 CPS의 에너지 절감 방법의 새로운 대안으로서, 스위칭 폐루프 정압력원시스템(Switching type Closed Loop Constant Pressure System, 이하 SCL-CPS라고 함)을 새롭게 제안한다. 우선, SCL-CPS의 해석적 모델을 수립하고, 에너지 절감의 가능성을 평가하기 위한 시뮬레이션을 실시한다. 다음으로, 실험실의 벤치 시험장치를 제작하고, SCL-CPS의 주요 파라메터의 영향을 실험에 의해서 검토하였다.
우선, SCL-CPS의 해석적 모델을 수립하고, 에너지 절감의 가능성을 평가하기 위한 시뮬레이션을 실시한다. 다음으로, 실험실의 벤치 시험장치를 제작하고, SCL-CPS의 주요 파라메터의 영향을 실험에 의해서 검토하였다.
21은 제안한 에너지 절감 유압시스템의 시뮬레이션 및 실험결과를 각각 나타내고 있다. 시뮬레이션에서는 구동축 펌프/모터의 사판각과 플라이휠 펌프/모터의 사판각을 각각 90%와 50%로 설정하였다. 구동용 펌프/모터에 부착된 플라이휠과 에너지 축척을 위한 플라이휠의 초기속도는 각각 900[RPM]과 400[RPM]으로 각각 설정하였다.
시뮬레이션에서는 구동축 펌프/모터의 사판각과 플라이휠 펌프/모터의 사판각을 각각 90%와 50%로 설정하였다. 구동용 펌프/모터에 부착된 플라이휠과 에너지 축척을 위한 플라이휠의 초기속도는 각각 900[RPM]과 400[RPM]으로 각각 설정하였다. 이 결과로부터 시뮬레이션과 실험 결과가 잘 일치하고 있음을 알 수 있으며, 시뮬레이션 모델이 유효함을 알 수 있다.
차량을 모사하는 플라이휠의 초기 속도와 구동형 펌프/모터의 사판각은 각각 850 rpm과 100[%]로 설정하였다. 구동측 라인에서, 릴리프 밸브의 압력설정치는 100bar이고, 4L용적의 어큐뮬레이터가 부착되어 있다.
실험을 통하여 에너지 절감에 미치는 각 설계 변수의 효과를 검토하기 위하여, 다른 설계변수를 가진 4가지 실험을 실시하였다. 각 실험에서, 에너지 회수효율은 다음 식과 같이 계산되어진다.
22은 4가지 설계변수에 대한 에너지 회수 실험결과를 나타내고 있다. 실험결과로부터, 에너지 회수를 위한 펌프/모터의 용적, 에너지회수용 플라이휠의 초기속도 및 에너지 회수라인의 릴리프밸브의 압력 설정이 주요 설계변수로 선정되었고, 이 3가지 변수가 실험에서 변경되었다. 실험결과로부터, 가장 좋은 에너지 효율은 Vf = 60%, Prelief =250bar and wf =400rpm일 때, 56%였고, 가장 나쁜 효율은 30.

대상 데이터

이 중 플라이휠 펌프/모터에 부착된 것은 에너지 흡수용이고, 다른 하나는 차량의 부하를 모사하기 위한 것이다. 이 실험에서는 관성모우멘트가 3.5kgm2인 플라이휠과, 초기 예압이 10MPa이고 체적이 4L인 두개의 어큐뮬레이터를 사용하고 있다.

성능/효과

그리고 차량의 하중 변화가 토크 제어 전략으로 인해 연료 경제성이 최대로 실현되는 것을 보여준다. 또한 연료 경제성이 기존의 차량에 비해 15.6% 향상되는 것을 볼 수 있다.
시너지 시스템의 주요 목표는 차량 성능을 만족하면서 연료 소비량을 개선하는 것이다. 본 연구에서는 효율성을 극대화 하여 연료 소비량을 20.05% 개선하였다.
2004 SAE World Congress에서 EPA사의 첫 번째 유압 하이브리드 차량이 발표되었다. 연료절감을 55%로 개선하였다. 또한 Fig.
제동하는 동안 에너지의 저장이 이루어지고 저장된 에너지는 가속 시 재 사용되어진다. 이는 연비 절감을 가져올 뿐만 아니라 브레이크 패드가 어긋나는 현상도 막아주어 브레이크 수명을 기존의 차량보다 2～4배 정도 증가함을 확인하였다. Bohlman이 자동차는 1000번의 출발과 정지를 반복해서 실험을 한 결과 약 19～28%의 연비 절감의 효과가 있음을 발표하였다.
이는 연비 절감을 가져올 뿐만 아니라 브레이크 패드가 어긋나는 현상도 막아주어 브레이크 수명을 기존의 차량보다 2～4배 정도 증가함을 확인하였다. Bohlman이 자동차는 1000번의 출발과 정지를 반복해서 실험을 한 결과 약 19～28%의 연비 절감의 효과가 있음을 발표하였다. Eaton사 는 2020년까지 연비 절감 15%, 배출 가스 15%감소의 목표를 가지고 있다¹⁵⁾.
이 압력상승을 받아서 플라이휠 펌프/모터는 모터작용을 한다. 결과로서, 차량의 제동에너지는 플라이휠의 회전관성에너지로 회수되어, 가속 시에 재이용된다. 엔진은 플라이휠의 회전속도가, 설정한 하한치가 되면 시동되고, 공통고압라인의 압력을 높이게 된다.
구동용 펌프/모터에 부착된 플라이휠과 에너지 축척을 위한 플라이휠의 초기속도는 각각 900[RPM]과 400[RPM]으로 각각 설정하였다. 이 결과로부터 시뮬레이션과 실험 결과가 잘 일치하고 있음을 알 수 있으며, 시뮬레이션 모델이 유효함을 알 수 있다.
실험결과로부터, 에너지 회수를 위한 펌프/모터의 용적, 에너지회수용 플라이휠의 초기속도 및 에너지 회수라인의 릴리프밸브의 압력 설정이 주요 설계변수로 선정되었고, 이 3가지 변수가 실험에서 변경되었다. 실험결과로부터, 가장 좋은 에너지 효율은 Vf = 60%, Prelief =250bar and wf =400rpm일 때, 56%였고, 가장 나쁜 효율은 30.1%였다. 이로부터 에너지 회수효율에 가장 영향을 미치는 주요변수가 에너지 회수용 펌프/모터임을 알 수 있었다.
1%였다. 이로부터 에너지 회수효율에 가장 영향을 미치는 주요변수가 에너지 회수용 펌프/모터임을 알 수 있었다. Fig.

후속연구

정유압 변속기의 작동원리와 에너지 회생이 가능한 정유압 변속기에 대한 소개를 하였으며, 이에 따른 관련 문헌 및 기술 내용을 소개하였다. 현재는 차량을 필두로 많은 연구자들이 연구를 진행하고 있으나, 추후 산업기계 전반에 유압시스템을 이용한 에너지 회생에 대한 많은 논의와 연구가 이루어질 것이다. 이러한 제품의 실질적 상용화를 위해서는 성능면에서는 기존의 장비와 대등하면서 가격은 기존 장비 수준으로 떨어져야한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HST 시스템의 단점은?	따라서 휠로더, 견인차, 지게차 등과 같은 토목기계에 적합하다1). 그러나 HST 시스템은 하중의 운동에너지를 회수할 수 없으므로 잠재된 에너지 절감이 제한된다. CPS 시스템은 하중의 운동에너지를 회수하고 회수된 에너지를 재사용이 가능한 보조 유압펌프모터와 플라이휠을 사용한다.
	유압시스템에서 에너지절감 시스템으로 고려되는 것은?	따라서 배기가스의 저감뿐만 아니라 에너지를 절감하기 위한 승용차의 회생제동에 집중된 에너지 절감에 관한 연구가 계속되고 있다. 유압시스템에서 유압변속기(HST), 정압시스템(CPS), 전기유압 액추에이터(EHA), 두 개의 커먼레일이 있는 이차제어시스템(CPR)은 에너지절감 시스템으로 고려되고 있다. HST시스템에서 모터의 속도는 펌프유량 조절에 의해 연속적으로 제어된다.
	CPR 시스템의 고압라인은 무엇과 연결되어 있는가?	CPR 시스템에서 두 개의 커먼레일은 사용된다. 고압라인은 고압 어큐물레이터와 연결되어 있고 저압라인은 탱크와 바로 연결되어 있다. CPR 시스템은 차량에 적용되고 이것은 에너지 소비감소를 보여준다5,6).

참고문헌 (16)

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Kim A. STELSON, Jonathan J. MEYER, Andrew G. ALLEYNE, Brandon HENCEY, "Optimization of a passenger hydraulic hybrid vehicle to improve fuel economy", Proceedings of the 7th JFPS International Symposium on Fluid Power, TOYAMA 2008 September 15-18, 2008.
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상세보기
Sun Hui, Yang Lifu, Jing Junqing, "Hydraulic/electric synergy system (HESS) design for heavy hybrid vehicles", Energy 35, pp. 5328-5335, 2010.

상세보기
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Yu Ancai Jiang Jihai, "Research on the Regenerative Braking Control Strategy for Secondary Regulation Hydrostatic Transmission Excavators", Proc. of the IEEE Int. Conf. on Mechatronics and Automation, China, 2009.
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http://hydraulicspneumatics.com/200/TechZone /HydraulicPumpsM/Article/False/83395/TechZ one-HydraulicPumpsM
Kyoung Kwan AHN, Triet Hung HO and Quang Truong DINH, "A Study On Energy Saving Potential Of Hydraulic Control System Using Switching Type Closed Loop Constant Pressure System", Proc. of the 7th JFPS Int. Symposium on Fluid Power, TOYAMA, 2008.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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