플러그인 하이브리드 굴삭기 시스템의 모델링과 제어 전략

Abstract

본 논문은 플러그인 하이브리드 굴삭기 시스템의 모델링과 제어 전략에 대해서 연구하였다. 최근, 전기굴삭기 시스템이 건설장비 분야에서 에너지 절약과 배출가스를 줄이기 위하여 개발되고 있다. 하지만 현재의 배터리 용량으로는 작업시간을 충당하기가 어려운 실정이다. 그래서 우리는 보조 엔진/발전기로 배터리의 작업시간을 보조하는 방식인 플러그인 하이브리드 굴삭기 시스템의 설계가 필요하다. 플러그인 하이브리드 굴삭기 시스템은 유압 펌프를 구동하기 위한 메인 모터와 전기 에너지를 생산하는 배터리, 그리고 배터리를 보조하기 위한 보조 엔진/발전기로 이루어져 있다. 이 시스템은 기본적으로 배터리의 전기 에너지를 소모하여 동작하도록 설계되어 있지만 배터리의 SOC가 일정 범위 아래로 내려가게 되면 보조 엔진/발전기 시스템이 배터리의 역할을 돕는다. 본 논문에서는 플러그인 하이브리드 굴삭기 시스템을 직렬형, 병렬형, 그리고 듀얼 모드 동력 분기식 하이브리드 시스템을 적용하여 설계하고 각 시스템의 제어 전략을 제안한다. 직렬형의 경우에는 보조 엔진/발전기가 배터리를 충전하는 역할을 하고 병렬형의 경우에는 보조 엔진이 메인 모터와 한 축으로 연결되어 작업을 수행한다. 마지막으로 듀얼 모드 동력 분기식 하이브리드 시스템의 경우에는 메인 모터, 엔진, 발전기가 동력분배기구에 맞물려 있어 작업 상황에 따라 2가지 방식으로 동작하게 된다. 본 논문에서는 세 가지 플러그인 하이브리드 굴삭기 시스템의 구조와 동작 방식을 비교하고 에너지 효율을 비교하는 것이 목적이다. 시뮬레이션 환경은 Matlab/SimulinkⓇ로 프로그래밍 하였고 시뮬레이션을 통해 세 가지 시스템의 동력 분배 제어 방식의 검증과 에너지 효율을 비교하였다. |This paper presents Modeling and Control Strategy of Plug-In Hybrid Excavator System. The electric excavator is being developed in the field of construction machine for energy cost savings and the reduction of the exhaust gas compared to the conventional engine-driven excavator. However, the current battery capacity is insufficient to cover the working hours. So, we need to design the Plug-In Hybrid Excavator in the form of auxiliary engine & generator to charge the battery. The Plug-In Hybrid Excavator is composed of an electric motor to drive a hydraulic pump, a battery to generate electrical energy and an auxiliary engine/generator to charge a battery. It is designed to work by consuming the electrical energy of a battery. In this system, when the battery SOC drops below a certain range, an auxiliary engine & generator charges the battery. In this paper, the Plug-In Hybrid Excavators are modeled which applied the control strategy of the Series, Parallel, and Dual-Mode Power-Split type Hybrid system. This paper aims at the comparison of their control structures, operation modes, and energy efficiency. The simulation is conducted by Matlab/SimulinkⓇ to verify the feasibility of the power distribution mechanism and to compare with the performance of energy efficiency of through results.; This paper presents Modeling and Control Strategy of Plug-In Hybrid Excavator System. The electric excavator is being developed in the field of construction machine for energy cost savings and the reduction of the exhaust gas compared to the conventional engine-driven excavator. However, the current battery capacity is insufficient to cover the working hours. So, we need to design the Plug-In Hybrid Excavator in the form of auxiliary engine & generator to charge the battery. The Plug-In Hybrid Excavator is composed of an electric motor to drive a hydraulic pump, a battery to generate electrical energy and an auxiliary engine/generator to charge a battery. It is designed to work by consuming the electrical energy of a battery. In this system, when the battery SOC drops below a certain range, an auxiliary engine & generator charges the battery. In this paper, the Plug-In Hybrid Excavators are modeled which applied the control strategy of the Series, Parallel, and Dual-Mode Power-Split type Hybrid system. This paper aims at the comparison of their control structures, operation modes, and energy efficiency. The simulation is conducted by Matlab/SimulinkⓇ to verify the feasibility of the power distribution mechanism and to compare with the performance of energy efficiency of through results.