환경 문제 및 화석연료 고갈에 대한 관심으로 인하여 배기가스에 대한 규제는 나날이 엄격해지고 있으며 높은 연비에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 시대적 요구를 뒷받침하기 위하여 저배기-고연비가 특징인 하이브리드 굴삭기가 현실적인 대안으로서 각광받고 있으며 지속적으로 연구되고 있다. 본 연구에서는 선회 구동 전동기, 엔진보조 전동기, 울트라 캐패시터, 전력변환장치를 중형 굴삭기에 탑재한 복합형 하이브리드 굴삭기를 개발하였으며, 일반적인 복합형 하이브리드 굴삭기의 연비개선요소(선회 구동 에너지 회생, 엔진 작동 속도 변경)외에 추가적으로 적용된 연비개선 방법론들에 대하여 다루고 있다. 본 방법론들을 적용함으로써 연비와 운전 조작성을 동시에 개선할 수 있었다.
환경 문제 및 화석연료 고갈에 대한 관심으로 인하여 배기가스에 대한 규제는 나날이 엄격해지고 있으며 높은 연비에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 시대적 요구를 뒷받침하기 위하여 저배기-고연비가 특징인 하이브리드 굴삭기가 현실적인 대안으로서 각광받고 있으며 지속적으로 연구되고 있다. 본 연구에서는 선회 구동 전동기, 엔진보조 전동기, 울트라 캐패시터, 전력변환장치를 중형 굴삭기에 탑재한 복합형 하이브리드 굴삭기를 개발하였으며, 일반적인 복합형 하이브리드 굴삭기의 연비개선요소(선회 구동 에너지 회생, 엔진 작동 속도 변경)외에 추가적으로 적용된 연비개선 방법론들에 대하여 다루고 있다. 본 방법론들을 적용함으로써 연비와 운전 조작성을 동시에 개선할 수 있었다.
Emission gas regulations and constantly increasing fuel costs call for the worldwide use of environmentally friendly and energy-efficient machines in industry. To meet these requirements, a hybrid excavator prototype has been developed that incorporates an electric swing motor, engine assist motor, ...
Emission gas regulations and constantly increasing fuel costs call for the worldwide use of environmentally friendly and energy-efficient machines in industry. To meet these requirements, a hybrid excavator prototype has been developed that incorporates an electric swing motor, engine assist motor, and ultra-capacitor module into a conventional hydraulic excavator of the 22-ton class. This paper mainly describes a few techniques to optimize its energy efficiency. These include 1) controlling the engine speed in proportion to the load torque, 2) controlling the pump displacement when driving the electric swing system, 3) managing the ultra-capacitor voltage to minimize the electrical energy loss, and 4) reducing the cooling fan speed to improve the energy efficiency of the system.
Emission gas regulations and constantly increasing fuel costs call for the worldwide use of environmentally friendly and energy-efficient machines in industry. To meet these requirements, a hybrid excavator prototype has been developed that incorporates an electric swing motor, engine assist motor, and ultra-capacitor module into a conventional hydraulic excavator of the 22-ton class. This paper mainly describes a few techniques to optimize its energy efficiency. These include 1) controlling the engine speed in proportion to the load torque, 2) controlling the pump displacement when driving the electric swing system, 3) managing the ultra-capacitor voltage to minimize the electrical energy loss, and 4) reducing the cooling fan speed to improve the energy efficiency of the system.
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문제 정의
본 연구에서는, 엔진보조전동기, 선회전동기, 울트라 캐패시터가 탑재된 복합형 하이브리드 굴삭기를 개발하여 연비를 개선하였다. 일반적으로 알려진 연비개선 요소(선회동력 회생, 엔진속도 이동)외에 엔진 가변속도 제어, 선회복합동작 펌프 제어, 울트라 캐패시터 전압제어, 냉각 팬 출력 저감 등의 기능을 추가적으로 적용하여, 엔진식 대비 높은 연비와 동등 수준의 운전조작성을 달성하였다.
제안 방법
복합형 하이브리드 굴삭기는 선회 전동기를 통해 기존에는 버려졌던 선회 구동에너지의 일부를 회수할 수 있으며, 엔진 작동 속도를 엔진 효율이 높은 저속 영역으로 이동시킴으로써 고연비, 저배기의 목표를 달성할 수 있었다.(1~7) 본 연구의 목표는, 기존 연구에서 한 발 더 나아가 하드웨어의 큰 변경 없이 시스템의 효율과 운전 조작성을 추가적으로 개선하는데 있으며, 이를 달성하기 위해 4 가지 방법이 사용되었다.
하이브리드 굴삭기의 경우, 엔진의 작동 효율을 높이기 위해 엔진속도를 효율이 좋은 영역으로 낮추었다. 그러나, 단순히 엔진 속도만 낮추게 될 경우, 펌프의 유량도 낮아져 작업기의 성능을 악화시키므로, 이를 보상하기 위해 기존의 유압펌프보다 용적이 더 큰 펌프를 장착하였다. 그 결과 낮은 엔진속도에도 불구하고 기존 굴삭기와 동등한 작업 성능을 갖게 되었다.
따라서, 선회구동을 제외한 나머지 작업기들은 기존 엔진식 굴삭기와 동일한 방식으로 움직인다. 그리고 엔진과 동축으로 엔진보조 전동기를 장착하였다. 엔진 보조 전동기의 주요 목적은 크게 두 가지로서, 첫 번째는 엔진 단독으로 감당할 수 없는 큰 부하가 펌프로부터 가해졌을 때 엔진 동력을 보조해 주는 것이고, 두 번째는 발전을 통해 선회 전동기가 작동을 할 수 있도록 동력을 공급해주거나 울트라 캐패시터를 충전하는 것이다.
그러나, 펌프의 부하 상태만으로 엔진속도를 결정하게 될 경우 저부하 상태에서 울트라 캐패시터의 충전이 필요한 상황이 되더라도 충분한 충전이 이뤄지지 못 한다는 문제점이 있다. 따라서 본 로직은 Fig. 4 와 같이, 펌프의 요구부하와 울트라 캐패시터의 요구충전력을 고려하여 각각의 엔진속도를 선정한 후, 그 중에 높은 값을 채택하도록 한다. 각각의 엔진속도를 결정하는 1-D map 은 Fig.
엔진과 유압펌프의 평균 출력이 크게 낮아지면서 냉각 유체의 온도도 크게 낮아졌다. 따라서, 냉각 팬 속도를 줄여 냉각 손실을 감소시킴으로써 추가적인 연비개선을 달성하였다.
따라서, 운전자의 편의성과 연비 개선을 위해 최대한 엔진식 굴삭기와 비슷한 동력특성을 가지도록 Fig. 6 과 같이 선회의 동작상황을 고려하여 유압펌프의 출력을 제한하는 로직을 구현하였다.
본 하이브리드 굴삭기의 냉각 시스템은 기본적으로 엔진식 굴삭기와 동일한 구조를 가지며, 여기에 각종 전력장치(울트라 캐패시터, 전동기, 전력변환장치)를 냉각시킬 수 있는 라디에이터를 추가하였다. 그러나 하이브리드 시스템을 적용함으로써, 엔진에서 생성되는 에너지가 크게 감소했기 때문에 요구 냉각량도 이에 비례하여 줄었다.
두 번째는 선회복합동작 펌프 제어이다. 선회 전동기의 토크와 속도와 비례하게 펌프의 출력을 낮춰줌으로써, 선회 복합동작에서의 과도한 펌프 출력 생성을 막아 연비를 향상시키면서 기존 굴삭기와 동일한 작업 특성을 구현하였다
세 번째 방법은 울트라 캐패시터의 충전량 제어로직 개선이다. 선회 구동에너지가 회생될 전력량을 고려하여 캐패시터의 목표 전압을 제어해줌으로써, 선회 동력의 회생량을 극대화하고 전력손실을 최소화하였다.
8 와 같이 설계하였다. 울트라 캐패시터에서의 요구충전량과 선회 전동기의 출력을 이용하여 울트라 캐패시터의 목표전압을 계산하였으며 측정 전압과의 차이를 엔진보조 전동기가 충전해줌으로써, 선회회생량 및 캐패시터의 전압을 최대화하였다.
따라서 본 복합형 하이브리드 굴삭기는 엔진 가변 속도 제어로직을 적용하였다. 유압 펌프의 부하가 낮은 구간에서는 엔진속도를 낮춰줌으로써 엔진이 고효율 구간에서 작동하도록 하였다. 그러나, 펌프의 부하 상태만으로 엔진속도를 결정하게 될 경우 저부하 상태에서 울트라 캐패시터의 충전이 필요한 상황이 되더라도 충분한 충전이 이뤄지지 못 한다는 문제점이 있다.
7 과 같이 선회 전동기의 전류와 속도에 따라 펌프의 제어전류 지령값을 계산하며, 이 전류 지령에 따라 유압펌프의 출력감소율이 결정된다. 즉, 선회 출력이 클수록 유압펌프의 출력을 감소시킴으로써 엔진식 굴삭기와 비슷한 동작 특성을 갖도록 했으며, 이를 통해 운전 조작성과 연비개선을 동시에 달성하도록 하였다.
이론/모형
위 연비 및 운전조작성 개선 방법론을 기존 복합형 하이브리드 굴삭기에 적용하여, 표준 굴삭시험을 수행하였다.
성능/효과
12(b)를 통해 이 구간에서 펌프 제어 전류가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있으며, 그 결과 Fig. 12(a)의 펌프 출력 역시 비례하게 감소하여 운전조작성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
14 는 위 표준 굴삭시험에서의 엔진 작동점 빈도수 그래프이다. 고정된 엔진속도를 낮춰 연비 개선을 이뤄낸 Fig. 2 에서 더 발전하여, 엔진 가변 속도 제어로직을 추가한 결과, 작업기의 요구출력이 낮은 구간에서는 엔진 작동점을 저속-고부하 영역으로 움직임으로써, 엔진의 사용 영역이 더 넓어졌고, 더 고효율화된 것을 확인할 수 있다.
(1,2) 본 연구의 선행 연구(1,2)에서는 기존 연구를 통해 22 톤 굴삭기에 선회 전동기, 엔진보조 전동기, 울트라 캐패시터 모듈을 장착한 복합형 하이브리드 굴삭기를 다루었다. 복합형 하이브리드 굴삭기는 선회 전동기를 통해 기존에는 버려졌던 선회 구동에너지의 일부를 회수할 수 있으며, 엔진 작동 속도를 엔진 효율이 높은 저속 영역으로 이동시킴으로써 고연비, 저배기의 목표를 달성할 수 있었다.(1~7) 본 연구의 목표는, 기존 연구에서 한 발 더 나아가 하드웨어의 큰 변경 없이 시스템의 효율과 운전 조작성을 추가적으로 개선하는데 있으며, 이를 달성하기 위해 4 가지 방법이 사용되었다.
세 번째 방법은 울트라 캐패시터의 충전량 제어로직 개선이다. 선회 구동에너지가 회생될 전력량을 고려하여 캐패시터의 목표 전압을 제어해줌으로써, 선회 동력의 회생량을 극대화하고 전력손실을 최소화하였다.
후속연구
추가적으로, 붐 동작에 사용되는 유압에너지를 전기에너지로 회생하여 사용할 수 있는 기능이 추가될 예정이며 이를 통해 더 높은 연비개선이 가능할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합형 하이브리드 굴삭기의 연비 향상에 영향을 미치는 두 가지 주요 요소는 무엇인가?
복합형 하이브리드 굴삭기의 연비를 향상시키는 두 가지 주요 요소는 엔진 회전속도 이동과 선회 동력 회생이다.
복합형 하이브리드 굴삭기에서 선회 운동에너지를 전기에너지로 회생시켜 얻는 장점은 무엇인가?
기존 유압식 선회 모터의 경우 선회 운동 에너지는 감속과정에서 소산되나, 복합형 하이브리드 굴삭기의 경우 선회 전동기가 선회 운동에너지를 전기에너지로 회생하여 저장할 수 있다. 회생된 에너지는 선회 전동기를 다시 가속하는데 쓰이거나, 엔진 보조 전동기가 엔진의 동력을 보조하는데 쓰일 수 있기 때문에, 시스템의 연비를 크게 높일 수 있다.
엔진 보조 전동기의 주요 목적은 무엇인가?
그리고 엔진과 동축으로 엔진보조 전동기를 장착하였다. 엔진 보조 전동기의 주요 목적은 크게 두 가지로서, 첫 번째는 엔진 단독으로 감당할 수 없는 큰 부하가 펌프로부터 가해졌을 때 엔진 동력을 보조해 주는 것이고, 두 번째는 발전을 통해 선회 전동기가 작동을 할 수 있도록 동력을 공급해주거나 울트라 캐패시터를 충전하는 것이다. 울트라캐패시터는 전기에너지 저장장치로서 전동기에서 발전된 에너지를 저장한다.
참고문헌 (7)
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