건설기계 붐 실린더 구동을 위한 에너지 회생 하이브리드 파워트레인 개발

울산대학교 미래모빌리티공학부 안경관 교수 연구팀

기계자동차공학전공 안경관 교수

■ 연구필요성

· 건설·농업 현장에서 널리 사용되는 유압 굴착기는 높은 에너지 소비 및 탄소 배출로 환경 부담이 큼

· 기존 굴착기는 내연기관 기반으로 연료 소모가 많고, 하이브리드 시스템도 붐 실린더 하강 시 에너지 회수율이 낮은 한계 존재

· 에너지 효율 극대화 및 시스템 내구성 향상을 위한 첨단 하이브리드 파워트레인 기술 개발 필요

■ 연구 성과 및 기대 효과

· 울산대학교 안경관 교수 연구팀, 듀얼 에너지 회생 시스템 기반 첨단 전기 유압 연속 가변 파워트레인(AEHCVP) 개발

· 주요 성과

  · 에너지 소비 최대 61.64% 절감

  · 붐 하강 시 에너지 회수 효율 최대 73% 달성

  · 배터리 수명 16% 연장

·  정유압 트랜스미션(HST) + 등가 소비 최소화 전략(ECMS) 도입

→ 내연기관과 전기모터 동력 최적 분배 실현

· 다양한 하중·운전 조건에서의 확장 가능성 입증
  → 친환경 건설기계 실용화 기대

■ 연구 내용 요약

· AEHCVP 시스템 구성

· HST: 내연기관의 토크와 속도 실시간 최적 제어

· HPM(펌프/모터): 유압펌프 대체, 에너지를 전기에너지로 변환·저장

· HM(고정식 유압 모터) 또는 HPM의 모터 모드로 에너지 회수

· ECMS: 배터리 상태 및 하중 조건 반영, 동력 최적 분배

· 실험 결과

· 기존 시스템 대비 에너지 소비 62% 절감

· 회생 효율 73% 달성
→ 경제성과 친환경성 동시 확보

■ 시스템 작동 방식

· 내연기관, 전기모터, HST, HPM → 행성기어박스 통해 연계
· 붐 상승 시: 내연기관/전기모터가 HPM 구동
· 붐 하강 시: HM 또는 HPM의 모터 모드 통해 배터리 충전
· 센서 기반 실시간 모니터링(토크·속도·압력)으로 효율 최적화

[용어 설명]

1. 정유압 트랜스미션(HST)

유압유를 이용해 토크와 속도를 연속적으로 조절하는 동력전달 시스템

2. 에너지 회생 시스템(ERS)

붐 하강 등에서 발생하는 잠재 에너지를 회수해 전기 또는 유압 에너지로 변환·재사용하는 기술

3. ECMS(등가 소비 최소화 전략)

내연기관과 전기모터의 동력 분배를 실시간으로 최적화해 연료 소비를 최소화하는 제어 전략

4. SOC(충전 상태)

배터리의 현재 충전 정도를 나타내는 지표

[그림 설명]AEHCVP 시스템의 동력 흐름 및 듀얼 에너지 회생 구조도

■ 연구 시작 계기

· 기존 하이브리드 굴착기의

· 고정 기어비, 비효율적 에너지 관리,
· 낮은 회수율, 배터리 노화 고려 부족 등의 한계 인식

· HST + 듀얼 회생 시스템 + ECMS를 통합하여

→ 현장 실사용 조건에서의 효율성과 내구성 동시 확보 목표

■  타 연구와의 차별점

· 정유압 트랜스미션(HST) 도입 → 내연기관 토크·속도 최적화 가능
· 듀얼 회생 시스템(HM + HPM) → 에너지 회수 효율 극대화
· 배터리 상태 및 노화 반영한 적응형 ECMS → 실제 현장 적용성 + 배터리 수명 연장 효과 동시 확보
· 기존 하이브리드 시스템 대비 친환경·경제성·실효성 면에서 우위 확보