울산대학교 대학원 건설기계공학과

하이브리드 유압구동시스템을 이용한 굴삭기 시스템의 제안 및 효율향상에 관한 연구. 현재 이러한 환경오염 및 연비 문제를 해결하기 위해 건설기계의 에너지 절감에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 에너지 회수를 포함한 하이브리드 시스템이 각광받고 있는 에너지 솔루션 중 하나이다.

서 론

• 연구 배경 및 목적
• 본문의 구성
• 굴삭기 시스템
• 엔진식 굴삭기 시스템
• 하이브리드 시스템
• 전기식 하이브리드 시스템
• 제안된 하이브리드 굴삭기 시스템
• 하이브리드 파워트레인 시스템 작동 모드
• 에너지 회생 시스템
• 시스템 요소
• 유압 펌프
• 유압 모터
• 동력원
• 발전기
• 유성 기어

그러나 직렬 구조 제어 전략은 상대적으로 복잡하여 전체 하이브리드 시스템의 에너지 효율에 부정적인 영향을 미친다[12]. 이러한 특성 덕분에 현재 많은 중장비 건설업체에서 병렬 하이브리드 시스템을 이용한 하이브리드 굴삭기를 생산하고 있다[12]. 사용부하가 낮고 저장장치의 충전율이 낮을 때 사용하며 전동기 효율과 사용부하를 고려하여 발전기 부하토크를 조절하여 에너지 효율을 극대화한다. g) 발전기가 직접 회전하여 엔진을 이용하여 에너지를 재생하는 방식이다.

Fig. 1 Changes in exhaust gas regulations by year

제어 전략 및 제어기 설계

고 수준 제어기

• Fuzzy Logic Control
• 동력 분배 및 구동 모드 선택

그리고 운전 속도와 에너지 배분비를 이용하여 시스템의 운전 모드를 선택하고 커플링 제어 신호(λ)와 이중 커플링 제어 신호(ψ)를 결정한다. 보조 전동기의 회전수는 표 4의 규칙에 따라 결정되며, 입력값에 대한 언어변수는 P(positive), N(negative), L(low), M(medium)으로 설정한다. ) 및 H(높음). 이러한 구동방식을 결정하기 위해서는 메인모터와 보조모터의 속도를 결정해야 한다.

이 동력 분배를 위해서는 먼저 목표 회전 속도를 구해야 합니다. 캐리어의 회전속도와 선기어의 회전속도는 표 5와 같다. 이때 사용 중인 시스템의 유휴 속도는 200RPM으로 설정되어 있습니다.

캐리어의 회전속도, 선기어의 회전속도, 유압모터측 유량제어밸브의 개구면적(β3)은 표 6과 같다. 이와 같이 각 조건에서 표 5의 식을 사용하여 동작 속도를 구합니다.

Fig. 23 conventional rule based control strategy flow chartFig. 22 Structure of Fuzzy Controller

저 수준 제어기

• 유전 알고리즘(Genetic algorithm)
• 목적 함수
• GA 변수 및 옵션

마찬가지로 최적화가 필요한 변수는 자연선택과 진화과정을 통해 다음 세대를 생산하기 위한 목적으로 사용된다. 본 연구에서 사용된 목적함수는 시스템에서 소모되는 에너지의 총량이다. 그리고 시스템 구동에 사용되는 에너지는 식 (33)을 이용하여 구하고, 이 시스템이 소모하는 에너지를 GA의 목적함수로 사용한다.

본 연구에서는 펌프 디스크 각도, FLC의 MF 및 평가 규칙을 유전 알고리즘의 변수로 사용하였다. 본 연구의 FLC에서 사용된 MF는 사다리꼴 MF 방법을 사용하였으며, 사다리꼴 형태의 정의는 Fig.32와 같다. MF에서 사다리꼴의 위치와 모양을 설정하기 위해 4개의 변수가 사용되었습니다.

이러한 MF의 모양에 대한 변수는 유전자 알고리즘에서 모집단 변수로도 사용됩니다. 확장된 라그랑주 방법은 비선형 제약 알고리즘으로 사용되었습니다.

Fig. 27 Structure of the PID controller

시뮬레이션

• 시뮬레이션 모델링
• 시뮬레이션 결과

GA를 사용하여 최적화된 변수는 부록 3과 같다. SoC가 낮으면 충전량이 1주기 동안 소모된 양보다 많고, SoC가 높으면 충전량이 충전량보다 많다. . 이러한 결과를 바탕으로 실제 실험을 통해 제안하는 시스템의 유효성을 입증한다.

각 시스템의 에너지 소비 결과는 표 9와 같다.

Fig. 36 Reference joystick signal

실험 및 결과

각 실험에서 사용된 힘을 살펴보면 실린더를 올릴 때 상대적으로 많은 힘이 사용되었고, 실린더를 정지시켰을 때와 내렸을 때 상대적으로 적은 힘이 사용되었음을 알 수 있다. 이는 엔진 구동에 사용되는 동력에 대해 엔진 충전 모드와 회생 모드를 이용해 ES 유닛에 저장된 동력을 뺀 값이기 때문이다. 실린더의 속도가 0일 때는 엔진을 공회전 상태로 사용하여 직접 전기를 생산하고, 내리막길에서는 직접 충전 외에 실린더가 하강할 때 발생하는 수력 에너지를 이용해 전기를 생산하므로 그 때 사용되는 동력은 시간은 더 감소하는 것을 볼 수 있습니다.

이러한 실험 결과의 도움으로 실험 장치의 거동과 에너지 소비 추이가 앞 장에서 보여준 시뮬레이션 결과와 거의 동일함을 알 수 있다. 본 연구에서는 유성기어를 이용한 하이브리드 동력분배 시스템과 병렬 하이브리드 시스템을 결합한 하이브리드 유압구동 시스템을 이용한 굴삭기 시스템을 제안하였으며 주요 결과는 다음과 같다. 다양한 시스템 요소, 설계된 제어 전략 및 컨트롤러의 성능 맵을 사용하여 시뮬레이션을 수행하고 작업 부하 및 작동 속도에 대한 토크 및 회전 속도를 도출하고 도출된 데이터를 사용하여 에너지 소비 및 재생 에너지를 계산했습니다. 시스템을 확보했습니다.

보조 전동기와 발전기의 회전 속도를 최적화된 변수로 조절하여 시스템의 효율을 높였습니다. 향후 연구에서는 다양한 조건에서의 첨단 제어 전략 및 실험을 통해 다양한 환경에서 에너지 소비를 최소화할 수 있는 시스템 개발에 대한 연구를 수행할 예정이다.

Fig. 41 Result of experiment at 200kg

그림 목차