KR100510222B1

KR100510222B1 - 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치

Info

Publication number: KR100510222B1
Application number: KR10-2003-7014028A
Authority: KR
Inventors: 가고시마마사유끼; 소라도시오; 고미야마마사유끼
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼; 코벨코 겐키 가부시키가이샤
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2005-08-30
Also published as: US20040148817A1; EP1918154A3; EP1918154A2; JP2002325379A; DE60224380D1; DE60224380T2; US7069673B2; KR20040015170A; JP3859982B2; EP1383224B1; EP1383224A4; WO2002089290A1; ATE382503T1; EP1383224A1

Abstract

배터리 충전 전력 설정부(75)에 의해 배터리(63)의 최대 충전 전력을 설정하고, 배터리 방전 전력 설정부(76)에 의해 배터리(63)의 최대 방전 전력을 설정한다. 발전기 출력 전력 설정부(77)에 의해 발전기 출력 전력의 발전기 하한 전력과 발전기 상한 전력을 설정한다. 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 이들 설정치를 이용하여 배터리(63)와 발전기(62)의 동력 배분을 행한다.

Description

하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치{HYBRID CONSTRUCTION EQUIPMENT POWER CONTROL APPARATUS}

본 발명은, 하이브리드 건설 기계에 탑재되어 있는 발전기의 출력 전력 및 축전 장치의 충방전 전력을 제어하는 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치에 관한 것이다.

유압 쇼벨 등의 건설 기계에는 자주용 엔진이 탑재되어 있고, 이 엔진을 동력원으로 하여 유압 펌프를 구동하여 유압 펌프로부터 토출되는 작동유를 선회 작동기, 붐 실린더, 아암 실린더 등의 각 유압 작동기에 공급하고, 이에 의해 각 부위의 구동이 행해지고 있었다. 그러나, 엔진을 동력원으로 하는 건설 기계는 부하 변동이 커 엔진에의 부담이 크기 때문에 연비가 나빠지고, 또한 소음이나 배기 가스가 발생하게 되는 문제가 있었다. 그래서, 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 발전기와 축전 장치(배터리)의 조합에 의해 구동되는 전동기를 장착 구비하는 하이브리드 건설 기계가 개발되고 있다. 이러한 하이브리드 건설 기계로서는, 일본 특허 공개 2000-283107호 공보 등에 개시되어 있는 시리즈 방식의 것과, 일본 특허 공개 평10-42587호 공보나 일본 특허 공개 2000-226183호 공보 등에 개시되어 있는 병렬 방식의 것이 있다.

어떠한 방식의 하이브리드 건설 기계에 있어서도, 일반적으로 배터리의 단자간 전압을 계측하여 이 계측 결과를 기초로 배터리의 충전 상태(SOC, State of Charge)를 산출한다. 그리고, 이 충전 상태(SOC)가 일정치 이하가 되면 발전기를 작동시키고, 한편 충전 상태(SOC)가 일정치 이상이 되면 발전기를 정지 또는 발전기의 출력을 저하시키고 있었다. 이와 같은 제어에 의해, 배터리의 충전 상태(SOC)가 일정한 범위 내로 유지되고 있었다.

그런데, 상술한 바와 같은 충전 상태(SOC)를 기초로 하는 제어에서는, 부하가 작고 충전 상태(SOC)가 큰 경우에는 발전기를 정지 또는 발전기의 출력을 저하시키기 때문에, 엔진 및 발전기의 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 상기한 경우에 있어서, 엔진을 정지시키면 엔진의 재시동 타임 래그로 인해 전동 작동기의 동작에 필요한 전력을 상기 전동 작동기로 공급할 수 없게 되는 사태가 생기는 문제점도 있어, 이 문제점을 해결하기 위해서는 배터리의 용량을 크게 할 필요가 있었다. 따라서, 전동 작동기의 요구에 맞는 상기 전동 작동기에의 전력 공급, 배터리 충전 상태의 제어, 엔진과 발전기의 고효율 운전을 동시에 실현하는 것은 곤란하였다. 예를 들어, 엔진과 발전기의 고효율 운전을 우선으로 하면, 전동 작동기의 부하가 작은 경우에 배터리의 충전량이 커져 배터리의 충전 상태(SOC)를 일정한 범위 내로 제어하는 것은 곤란하였다. 또한, 배터리의 충전 상태(SOC)를 일정한 범위 내로 하는 것을 우선으로 하면, 부하 변동에 수반하여 엔진과 발전기의 출력의 변동이 커 엔진과 발전기의 효율이 저하된다.

또한, 배터리 특성으로서 그 충방전 능력이 온도에 의존하므로, 배터리의 온도가 낮은 경우에는 배터리의 능력을 넘는 충방전이 행해져 배터리의 열화를 초래할 우려가 있었다. 또한, 엔진과 발전기의 손실은 발전기와 엔진의 출력에 의해 변화되고, 배터리의 내부 손실은 배터리의 입력 전력에 의해 변화되는 것이고, 배터리의 충전 상태(SOC)만을 기초로 하는 제어에서는 손실이 커지게 되는 일도 있었다.

본 발명 중 하나의 목적은 배터리 능력을 넘는 충방전이 행해짐으로써 배터리의 열화를 방지할 수 있는 동시에, 엔진의 연비 향상을 도모할 수 있는 하이브리드 건설 기기의 전력 제어 장치를 제공하는 것이고, 또한 다른 목적은 엔진의 연비 향상을 도모할 수 있는 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치를 제공하는 것이다.

도1은 제1 실시 형태의 전력 제어 기구가 적용되는 하이브리드 쇼벨의 개략 구성을 도시하는 개략도이다.

도2는 도1에 도시한 하이브리드 쇼벨의 전력 제어 기구를 설명하기 위한 블럭도이다.

도3은 도1에 도시한 하이브리드 쇼벨에 탑재되는 배터리의 충전 상태(SOC)에 대한 이 배터리의 충전 전력의 특성을 나타내는 도면이다.

도4는 도1에 도시한 하이브리드 쇼벨에 탑재되는 배터리의 충전 상태(SOC)에 대한 이 배터리의 방전 전력의 특성을 나타내는 도면이다.

도5는 도1에 도시한 하이브리드 쇼벨에 탑재되는 배터리의 충전 상태(SOC)에 대한 발전기의 발전기 상한 출력의 특성을 나타내는 도면이다.

도6은 도1에 도시한 하이브리드 쇼벨에 탑재되는 배터리의 충전 상태(SOC)에 대한 발전기의 발전기 하한 출력의 특성을 나타내는 도면이다.

도7은 도2에 도시한 전력 제어 기구에 의한 전력 제어 방법의 순서를 도시하는 흐름도이다.

도8은 도7의 흐름도에 도시한 발전기와 배터리의 전력 배분 결정 처리의 순서를 도시하는 흐름도이다.

도9는 도8의 흐름도에 도시한 동력 배분 결정 처리의 보충 설명도이다.

도10은 제2 실시 형태에 있어서의 하이브리드 쇼벨의 전력 제어 기구를 설명하기 위한 블럭도이다.

도11은 도1에 도시한 하이브리드 쇼벨에 탑재되는 배터리의 입력 전력에 대한 이 배터리의 손실 전력의 특성을 나타내는 도면이다.

도12는 도1에 도시한 하이브리드 쇼벨에 탑재되는 배터리의 입력 전력에 대한 이 배터리의 손실 전력의 특성을 나타내는 도면이다.

도13은 도1에 도시한 하이브리드 쇼벨에 탑재되는 발전기의 출력 전력에 대한 이 발전기와 엔진의 손실 전력의 특성을 나타내는 도면이다.

도14는 도10에 도시한 전력 제어 기구에 의한 동력 배분의 결정 방법을 설명하기 위한 설명도이다.

도15는 도10에 도시한 전력 제어 기구에 의한 전력 제어 방법의 순서를 도시하는 흐름도이다.

본 발명의 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치는 엔진과, 상기 엔진으로 구동되는 발전기와, 상기 발전기에 의해 발전되는 전력을 축적하는 축전 장치와, 상기 발전기 및 상기 축전 장치에 의해 구동되는 1 또는 복수의 전동 작동기를 구비한 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치에 있어서, 전동 작동기의 요구 전력을 검출하는 부하 전력 검출 수단과, 상기 축전 장치의 충전 전력의 최대치를 설정하는 충전 전력 설정 수단과, 상기 축전 장치의 방전 전력의 최대치를 설정하는 방전 전력 설정 수단과, 상기 발전기 출력 전력의 상한치 및 하한치를 설정하는 발전기 출력 전력 설정 수단과, 상기 충전 전력 설정 수단에 의한 설정치, 상기 방전 전력 설정 수단에 의한 설정치, 상기 발전기 출력 전력 설정 수단에 의한 설정치 및 상기 부하 전력 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 발전기와 상기 축전 장치의 전력 배분을 결정하는 전력 배분 결정 수단과, 상기 전력 배분 결정 수단에 의한 결정 결과를 기초로 상기 발전기의 출력 전력을 제어하는 발전기 전력 제어 수단과, 상기 전력 배분 결정 수단에 의한 결정 결과를 기초로 상기 축전 장치의 충방전 전력을 제어하는 축전 장치 전력 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

이 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치에 따르면, 엔진과 발전기의 고효율 운전이 가능해지는 범위 내가 되도록 발전기 출력의 상한치와 하한치를 설정하는 동시에, 축전 장치의 능력을 넘어 충방전이 되지 않도록 축전 장치의 충방전 전력의 최대치를 설정한 경우에는 엔진의 연비가 향상되고, 또한 축전 장치의 열화를 방지하는 것이 가능해진다.

상기한 전력 제어 장치에 있어서, 전력 제어 장치가 상기 축전 장치의 충전 상태를 검출하는 충전 상태 검출 수단을 더 구비하고, 상기 발전기 출력 전력 설정 수단은 상기 충전 상태 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 발전기 출력 전력의 상한치 및 하한치를 설정하는 것을 특징으로 한다. 이 전력 제어 장치에 따르면, 축전 장치의 충전 상태에 따라서 발전기 출력 전력의 상한치 및 하한치의 값을 설정하므로, 축전 장치의 충전 상태에 따라서 발전기의 출력 전력과 축전 장치의 충방전 전력을 제어하는 것이 가능해진다.

상기한 전력 제어 장치에 있어서, 전력 제어 장치가 상기 축전 장치의 충전 상태를 검출하는 충전 상태 검출 수단을 더 구비하고, 상기 충전 전력 설정 수단은 상기 충전 상태 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 충전 전력의 최대치를 설정하고, 상기 방전 전력 설정 수단은 상기 충전 상태 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 방전 전력의 최대치를 설정하는 것을 특징으로 한다. 이 전력 제어 장치에 따르면, 축전 장치의 충방전 능력은 축전 장치의 충전 상태에 따라서 변화되지만, 축전 장치의 충전 상태에 따라서 축전 장치의 충전 전력의 최대치와 방전 전력의 최대치를 설정하고 있으므로, 축전 장치의 충전 상태에 상관없이 축전 장치의 능력을 넘어 충방전이 되는 것을 방지할 수 있고, 이 결과, 축전 장치의 능력을 넘어 충방전이 행해짐으로써 축전 장치의 열화를 방지할 수 있다.

상기한 전력 제어 장치에 있어서, 전력 제어 장치가 상기 축전 장치의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 더 구비하고, 상기 충전 전력 설정 수단은 상기 온도 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 충전 전력의 최대치를 설정하고, 상기 방전 전력 설정 수단은 상기 온도 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 방전 전력의 최대치를 설정하는 것을 특징으로 한다. 이 전력 제어 장치에 따르면, 축전 장치의 충방전 능력은 축전 장치의 온도에 의해 변화되지만, 축전 장치의 온도에 따라서 축전 장치의 충전 전력의 최대치와 방전 전력의 최대치를 설정하고 있으므로, 축전 장치의 온도에 상관없이 축전 장치의 능력을 넘어 충방전이 되는 것을 방지할 수 있고, 이 결과, 축전 장치의 능력을 넘어 충방전이 행해짐으로써 축전 장치의 열화를 방지할 수 있다.

다른 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치는 엔진과, 상기 엔진으로 구동되는 발전기와, 상기 발전기에 의해 발전되는 전력을 축적하는 축전 장치와, 상기 발전기 및 상기 축전 장치에 의해 구동되는 1 또는 복수의 전동 작동기를 구비한 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치에 있어서, 전동 작동기의 요구 전력을 검출하는 부하 전력 검출 수단과, 상기 부하 전력 검출 수단에 의해 검출된 요구 전력, 상기 발전기의 출력에 대한 이 발전기 및 상기 엔진의 손실 특성, 상기 축전 장치의 입력 전력에 대한 이 축전 장치의 손실 특성을 이용하여 상기 엔진에 의한 소비 전력의 효율이 최대가 되도록 상기 발전기와 상기 축전 장치의 전력 배분을 결정하는 전력 배분 결정 수단과, 상기 전력 배분 결정 수단에 의한 결정 결과를 기초로 상기 발전기의 출력 전력을 제어하는 발전기 전력 제어 수단과, 상기 전력 배분 결정 수단에 의한 결정 결과를 기초로 상기 축전 장치의 입력 전력을 제어하는 축전 장치 전력 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

이 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치에 따르면, 발전기의 출력에 대한 이 발전기 및 엔진의 손실 특성, 축전 장치의 입력 전력에 대한 이 축전 장치의 손실 특성을 고려하여 발전기의 출력 전력과 축전 장치의 충방전 전력이 결정되어 있으므로, 하이브리드 건설 기계 전체의 에너지 손실을 작게 할 수 있어 엔진의 연비가 향상된다.

상기한 전력 제어 장치에 있어서, 전력 제어 장치가 상기 축전 장치의 온도를 검출하는 온도 검출 수단과, 상기 온도 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 입력 전력에 대한 이 축전 장치의 손실 특성을 결정하는 축전 장치 전력-손실 특성 결정 수단을 더 구비한 것을 특징으로 한다. 이 전력 제어 장치에 따르면, 축전 장치의 온도에 따라서 상기 손실 특성을 결정하고 있으므로, 축전 장치의 온도에 상관없이 에너지 손실을 작게 할 수 있어 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.

상기한 전력 제어 장치에 있어서, 전력 제어 장치가 상기 축전 장치의 충전 상태를 검출하는 충전 상태 검출 수단과, 상기 충전 상태 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 입력 전력에 대한 이 축전 장치의 손실 특성을 결정하는 축전 장치 전력-손실 특성 결정 수단을 더 구비한 것을 특징으로 한다. 이 전력 제어 장치에 따르면, 축전 장치의 충전 상태에 따라서 상기 손실 특성을 결정하고 있으므로, 축전 장치의 충전 상태에 상관없이 에너지 손실을 작게 할 수 있어 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하에 있어서는 하이브리드 건설 기계로서 시리즈 방식의 하이브리드 쇼벨을 예로 들어 설명하지만, 병렬 방식의 하이브리드 쇼벨 등 각종 하이브리드 건설 기계에 적용할 수 있다.

[제1 실시 형태]

이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 하이브리드 쇼벨의 전력 제어 장치에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

우선, 제1 실시 형태에 관한 전력 제어 장치가 적용되는 하이브리드 쇼벨에 대해 도1을 참조하면서 설명한다. 단, 도1은 하이브리드 쇼벨의 개략 구성을 도시하는 개략도이다.

도1에 있어서, 하이브리드 쇼벨(1)은 하부 주행 부재(2)와, 하부 주행 부재(2)의 상면 중심부에 선회 가능하게 설치된 상부 선회 부재(3)와, 상부 선회 부재(3)의 전방부에 설치된 굴삭 어태치먼트(4)를 구비하고 있다.

하부 주행 부재(2)는 양단부에 평행 배치된 한 쌍의 크롤러 프레임(21)과, 각 크롤러 프레임(21)의 주위에 회전 가능하게 설치되어 지면에 대해 면 상에 접지하는 크롤러(22)와, 크롤러(22)를 회전 구동하는 주행용 감속기(23) 및 주행용 전동기(24)를 갖고 있다. 이와 같이 구성된 하부 주행 부재(2)는 각 크롤러(22)를 주행용 감속기(23)를 거쳐서 주행용 전동기(24)에 의해 개별적으로 정방향 및 역방향으로 회전 구동함으로써, 하이브리드 쇼벨(1) 전체를 전진, 후퇴, 회전, 선회시킨다.

하부 주행 부재(2)의 상면 중심부에는 선회축(5)이 하부 주행 부재(2)에 대해 직교하여 설치되어 있다. 선회축(5)의 상부에는 상부 선회 부재(3)의 일부를 구성하는 선회 프레임(31)이 회전 가능하게 설치되어 있다. 선회 프레임(31)의 상면에는 오퍼레이터의 조종실이 되는 캐빈(32)과, 보호 커버(33)로 덮인 기계 수납부(34)가 설치되어 있는 동시에, 굴삭 어태치먼트(4)의 붐(41) 및 붐 실린더(42)의 일단부가 상하로 회전 가능하게 설치되어 있다.

기계 수납부(34)에는 선회용 전동기(35) 및 선회용 감속기(36)가 설치되어 있는 동시에, 붐용 전동기(37)와 붐 펌프(38)를 일체화하여 구비한 붐용 일체형 작동기(A1)가 설치되어 있다. 선회용 전동기(35)는 선회용 감속기(36)를 거쳐서 선회 프레임(31)을, 선회축(5)을 선회 중심으로 하여 선회 구동한다. 붐용 일체형 작동기(A1)는 붐 실린더(42)에 도시하지 않은 유압 배관을 거쳐서 접속되어 있고, 붐(41)의 선단부측을 상하로 회전시킨다.

붐(41)의 선단부에는 아암(43)이 회전 가능하게 설치되어 있다. 아암(43)의 선단부에는 버킷(44)이 회전 가능하게 설치되어 있다. 또한, 붐(41)과 아암(43)은 아암 실린더(45)를 거쳐서 연결되어 있고, 아암(43)과 버킷(44)은 버킷 실린더(46)를 거쳐서 연결되어 있다. 이들 실린더(45, 46)에는 아암용 일체형 작동기(A2)와 버킷용 일체형 작동기(A3)가 각각 설치되어 있고, 아암용 일체형 작동기(A2)는 아암용 전동기(47a)와 아암 펌프(47b)를 일체화하여 구성되어 있고, 버킷용 일체형 작동기(A3)는 버킷용 전동기(48a)와 버킷 펌프(48b)를 일체화하여 구성되어 있다. 각 작동기(A2, A3)는 실린더(45, 46)의 실린더 로드를 유압에 의해 진퇴 이동시킴으로써, 아암(43)과 버킷(44)을 각각 상하로 회전시킨다.

기계 수납부(34) 내에는 엔진(61), 엔진(61)의 회전 속도(엔진 출력)에 따른 교류 전력을 발전시키는 발전기(62)가 수납되어 있는 외에, 배터리(축전 장치, 63) 등이 수납되어 있다.

다음에, 상기 구성을 갖는 하이브리드 쇼벨(1)의 전력 제어의 기구에 대해 도2를 참조하면서 설명한다. 단, 도2는 하이브리드 쇼벨(1)의 전력 제어 기구를 설명하기 위한 블럭도이다.

도2에 도시하는 블럭도는 엔진(61)과, 발전기(62)와, 발전기(62)에 의해 발전되는 잉여 전력 등을 모으는 동시에, 적절히 전동 작동기(64)로 전력을 공급하는 배터리(63)와, 전동 작동기(64)와, 전력 제어 기구(7)로 구성되어 있다. 또한, 배터리(63)로부터 전동 작동기(64)에의 전력 공급, 발전기(62)로부터 전동 작동기(64) 또는 배터리(63)에의 전력 공급은 직류 전압선을 거쳐서 행해진다. 또한, 전동 작동기(64)는 붐용 일체형 작동기(A1), 아암용 일체형 작동기(A2), 버킷용 일체형 작동기(A3) 등이고, 도2에 있어서는 하나만 도시하고 있다.

도2에 도시하는 전력 제어 기구(7)는 배터리 온도 센서(71)와, 배터리 전류 센서(72)와, 배터리 전압 센서(73)와, 배터리 충전 상태 검출부(74)와, 배터리 충전 전력 설정부(75)와, 배터리 방전 전력 설정부(76)와, 발전기 출력 전력 설정부(77)와, 부하 전압 센서(78)와, 부하 전류 센서(79)와, 부하 전력 검출부(80)와, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)와, 배터리 전력 제어부(82)와, 발전기 전력 제어부(83)를 구비하고 있다.

배터리 온도 센서(71)는 배터리(63)의 온도를 검출하여 검출 결과인 배터리 온도(TEMP_b)를 배터리 충전 상태 검출부(74), 배터리 충전 전력 설정부(75) 및 배터리 방전 전력 설정부(76)로 출력한다. 배터리 전류 센서(72)는 배터리(63)의 출력 전류를 검출하여 검출 결과인 출력 전류(I_b)를 배터리 충전 상태 검출부(74)로 출력한다. 또한, 배터리 전압 센서(73)는 배터리(63)의 단자간 전압을 검출하여 검출 결과인 단자간 전압(I_b)을 배터리 충전 상태 검출부(74)로 출력한다.

배터리 충전 상태 검출부(74)는 배터리 전류 센서(72)로부터 입력되는 배터리(63)의 출력 전류(I_b)와 배터리 전압 센서(73)로부터 입력되는 배터리(63)의 단자간 전압(V_b)을 이용하여 배터리(63)의 전력을 산출하고, 이 전력을 기초로 배터리의 충전량(J)을 산출한다. 그리고, 배터리 충전 상태 검출부(74)는 하기 식을 연산함으로써 배터리(63)의 최대 충전량(J_max)에 대한 충전량(J)의 비율, 즉 충전 상태(SOC)(%)를 산출하여, 산출 결과인 충전 상태(SOC)를 배터리 충전 전력 설정부(75), 배터리 방전 전력 설정부(76) 및 발전기 출력 전력 설정부(77)로 출력한다.

단, 배터리 전압 센서(73)에 의해 검출되는 배터리의 단자간 전압(V_b)은 온도에 의존하므로, 배터리 온도 센서(71)에 의해 검출된 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)에 의해 배터리의 단자간 전압(V_b)을 적절하게 보정함으로써 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 산출한다.

또한, 배터리(63)의 충전량(J)을 전력으로부터 적산하여 산출하는 대신에, 배터리(63)의 단자간 전압(V_b), 또는 배터리의 출력 전류(I_b)를 적산하여 산출할 수도 있다.

배터리 충전 전력 설정부(75)는 배터리 온도 센서(71)로부터 입력된 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)와, 배터리 충전 상태 검출부(74)로부터 입력된 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 이용하여 배터리(63)의 충전 전력의 최대치를 결정하고, 결정 결과인 최대 충전 전력(P_bc)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

상세하게는, 배터리 충전 전력 설정부(75)의 테이블(기억부)에는 도3에 도시한 바와 같은 미리 설정된 배터리(63)의 충전 상태 및 온도에 대한 배터리(63)의 충전 전력의 값이 격납되어 있다. 또한, 상기 충전 전력의 값은 배터리(63)의 충전 능력을 넘지 않도록 설정되어 있다. 배터리 충전 전력 설정부(75)는 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)와 충전 상태(SOC)를 기초로, 이 배터리 온도(TEMP_b)와 이 충전 상태(SOC)에 대응하는 미리 설정된 충전 전력의 설정치를 테이블로부터 취출한다. 배터리 충전 전력 설정부(75)는 취출한 설정치를 배터리(63)의 충전 전력의 최대치[최대 충전 전력(P_bc)]로서 결정하고, 최대 충전 전력(P_bc)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

배터리 방전 전력 설정부(76)는 배터리 온도 센서(71)로부터 입력된 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)와, 배터리 충전 상태 검출부(74)로부터 입력된 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 이용하여 배터리(63)의 방전 전력의 최대치를 결정하고, 결정 결과인 최대 방전 전력(P_bd)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

상세하게는, 배터리 방전 전력 설정부(76)의 테이블(기억부)에는 도4에 도시한 바와 같은 미리 설정된 배터리(63)의 충전 상태 및 온도에 대한 배터리(63)의 방전 전력의 값이 격납되어 있다. 또한, 상기 방전 전력의 값은 배터리(63)의 방전 능력을 넘지 않도록 설정되어 있다. 배터리 방전 전력 설정부(76)는 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)와 충전 상태(SOC)를 기초로, 이 배터리 온도(TEMP_b)와 이 충전 상태(SOC)에 대응하는 미리 설정된 방전 전력의 설정치를 테이블로부터 취출한다. 배터리 방전 전력 설정부(76)는 취출한 설정치를 배터리(63)의 방전 전력의 최대치[최대 방전 전력(P_bd)]로서 결정하고, 최대 방전 전력(P_bd)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

발전기 출력 전력 설정부(77)는 배터리 충전 상태 검출부(74)로부터 입력된 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 이용하여 발전기(62)의 출력 전력의 상한치[발전기 상한 전력(P_gu)]와 하한치[발전기 하한 전력(P_gl)]를 결정하고, 결정 결과인 발전기 상한 전력(P_gu)과 발전기 하한 전력(P_gl)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

상세하게는, 발전기 출력 전력 설정부(77)의 테이블(기억부)에는 도5에 도시한 바와 같은 미리 설정된 배터리(63)의 충전 상태에 대한 발전기 출력 전력의 상한치가 저장되어 있는 동시에, 도6에 도시한 바와 같은 미리 설정된 충전 상태에 대한 발전기 출력 전력의 하한치가 격납되어 있다. 또한, 상기 상한치, 하한치는 엔진(61)과 발전기(62)의 효율이 양호해지는 값으로 설정되어 있다. 발전기 출력 전력 설정부(77)는 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 기초로, 이 충전 상태(SOC)에 대응하는 미리 설정된 출력 전력의 상한치를 테이블로부터 취출하고, 취출한 상한치를 발전기(62)의 출력 전력의 상한치[발전기 상한 전력(P_gu)]로서 결정한다. 또한, 발전기 출력 전력 설정부(77)는 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 기초로, 이 충전 상태(SOC)에 대응하는 미리 설정된 출력 전력의 하한치를 테이블로부터 취출하고, 취출한 하한치를 발전기(62)의 출력 전력의 하한치[발전기 하한 전력(P_g)]로서 결정한다. 그리고, 발전기 출력 전력 설정부(77)는 상기 결정된 발전기 상한 전력(P_gu)과 발전기 하한 전력(P_gl)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

부하 전압 센서(78)는 전동 작동기(64)의 입력부의 전압을 검출하여 검출 결과인 부하 전압(V_L)을 부하 전력 검출부(80)로 출력한다. 또한, 부하 전류 센서(79)는 전동 작동기(64)의 입력부의 전류를 검출하여 검출 결과인 부하 전류(I_L)를 부하 전력 검출부(80)로 출력한다.

부하 전력 검출부(80)는 부하 전압 센서(78)로부터 입력되는 부하 전압(V_L)과, 부하 전류 센서(79)로부터 입력되는 부하 전류(I_L)를 이용하여 하기 식을 연산함으로써 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)을 검출하고, 검출 결과인 요구 전력(P_L)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

P_L = V_L × I_L

발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 부하 전력 검출부(80)로부터 입력되는 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)과, 배터리 충전 전력 설정부(75)로부터 입력되는 최대 충전 전력(P_bc)과, 배터리 방전 전력 설정부(76)로부터 입력되는 최대 방전 전력(P_bd)과, 발전기 출력 전력 설정부(77)로부터 입력되는 발전기 상한 전력 (P_gu) 및 발전기 하한 전력(P_gl)을 기초로, 배터리 전력(P_b)과 발전기 전력(P_g)을 결정한다. 그리고, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 결정 결과인 배터리 전력(P_b)을 내용으로 하는 지령 신호를 배터리 전력 제어부(82)로 출력하고, 발전기 전력(P_g)을 내용으로 하는 지령 신호를 발전기 전력 제어부(83)로 출력한다. 또한, 이 처리의 상세에 대해 도8의 흐름도를 이용하여 후술한다.

배터리 전력 제어부(82)는 배터리(63)의 충방전을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로부터 입력되는 지령 신호가 나타내는 배터리 전력(P_b)으로 제어한다. 또한, 발전기 전력 제어부(83)는 발전기(62)의 발전을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로부터 입력되는 지령 신호가 나타내는 발전기 전력(P_g)으로 제어한다.

또한, 상기 구성을 갖는 전력 제어 기구(7)에 있어서의 전력 제어 방법에 대해 도7, 도8 및 도9를 참조하면서 설명한다. 단, 도7은 전력 제어 방법의 순서를 도시하는 흐름도이다. 도8은 도7의 흐름도에 도시한 발전기와 배터리의 전력 배분 결정 처리의 순서를 도시하는 흐름도이다. 도9는 발전기와 배터리의 전력 배분을 설명하기 위한 설명도이고, 도면 중 실선은 발전기 전력(P_g)을 나타내고, 일점 쇄선은 배터리 전력(P_b)을 나타내고 있다.

스텝 S101에 있어서, 배터리 충전 상태 검출부(74)는 배터리 전류 센서(72)로부터 입력되는 배터리(63)의 출력 전류(I_b)와 배터리 전압 센서(73)로부터 입력되는 배터리(63)의 단자간 전압(Vb)을 이용하여 배터리 온도 검출부(71)로부터 입력되는 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)에서 단자간 전압(Vb)을 보정하면서 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 산출한다. 그리고, 배터리 충전 상태 검출부(74)는 산출 결과인 충전 상태(SOC)를 배터리 충전 전력 설정부(75), 배터리 방전 전력 설정부(76) 및 발전기 출력 전력 설정부(77)로 출력한다.

스텝 S102에 있어서, 배터리 충전 전력 설정부(75)는 배터리 온도 센서(71)로부터 입력된 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)와, 배터리 충전 상태 검출부(74)로부터 입력된 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 이용하여 배터리(63)의 충전 전력의 최대치를 결정하고, 결정 결과인 최대 충전 전력(P_bc)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

스텝 S103에 있어서, 배터리 방전 전력 설정부(76)는 배터리 온도 센서(71)로부터 입력된 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)와, 배터리 충전 상태 검출부(74)로부터 입력된 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 이용하여 배터리(63)의 방전 전력의 최대치를 결정하고, 결정 결과인 최대 방전 전력(P_bd)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

스텝 S104에 있어서, 발전기 출력 전력 설정부(77)는 배터리 충전 상태 검출부(74)로부터 입력된 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 이용하여 발전기(62)의 출력 전력의 상한치[발전기 상한 전력(P_gu)]와 하한치[발전기 하한 전력(P_gl)]를 결정하고, 결정 결과인 발전기 상한 전력(P_gu)과 발전기 하한 전력(P_gl)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

스텝 S105에 있어서, 부하 전력 검출부(80)는 부하 전압 센서(78)로부터 입력되는 부하 전압(V_L)과, 부하 전류 센서(79)로부터 입력되는 부하 전류(I_L)를 기초로, 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)을 검출하여 검출 결과인 요구 전력(P_L)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로 출력한다.

스텝 S106에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 발전기 전력(P_g)과 배터리 전력(P_b)을 결정하여 발전기 전력(P_g)을 내용으로 하는 지령 신호를 발전기 전력 제어부(83)로 출력하는 동시에, 배터리 전력(P_b)을 내용으로 하는 지령 신호를 배터리 전력 제어부(82)로 출력한다. 즉, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 발전기와 배터리의 전력 배분 결정 처리를 행한다(도8 참조).

스텝 S107에 있어서, 배터리 전력 제어부(82)는 배터리(63)의 충방전을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로부터 입력되는 지령 신호가 나타내는 배터리 전력(P_b)으로 제어한다. 한편, 발전기 전력 제어부(83)는 발전기(62)의 발전을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)로부터 입력되는 지령 신호가 나타내는 발전기 전력(P_g)으로 제어한다.

다음에, 전력 제어 기구(7)에 의한 발전기와 배터리의 전력 배분 결정 처리에 대해 도8을 참조하면서 설명한다.

스텝 S201에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)의 값이 배터리(63)의 최대 충전 전력(P_bc)의 부의 값보다 작은지 여부(P_L ＜－P_bc)를 판정한다. 요구 전력(P_L)이 최대 충전 전력(P_bc)의 부의 값보다 작은 경우에는(스텝 S201 : 예) 스텝 S202의 처리로 이행하고, 한편 작지 않은 경우에는(스텝 S201 : 아니오) 스텝 S203의 처리로 이행한다.

스텝 S202에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 배터리(63)의 배터리 전력(P_b)을“－P_bc”로 하고, 발전기(62)의 발전기 전력(P_g)을“0”으로 결정하여(도9 중 구간 A1) 동력 배분 결정 처리를 종료한다. 즉, 배터리(63)는 최대 충전 전력(P_bc)으로 충전되게 된다.

스텝 S203에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)의 값이 배터리(63)의 최대 충전 전력(P_bc)의 부의 값 이상이고, 또한 발전기 하한 전력(P_gl)보다 작은 범위 내에 있는지 여부(－P_bc ≤ P _L ＜ P_gl)를 판정한다. 요구 전력(P_L)이 그 범위 내에 있는 경우에는(스텝 S203 : 예) 스텝 S204의 처리로 이행하고, 한편 그 범위 내에 없는 경우에는(스텝 S203 : 아니오) 스텝 S207의 처리로 이행한다.

계속해서, 스텝 S204에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 배터리(63)의 최대 충전 전력(P_bc)의 부의 값이 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)의 값으로부터 발전기 하한 전력(P_gl)의 값을 감산하여 얻게 되는 감산치보다 큰지 여부(P_L － P_gl ＜－P_bc)를 판정한다. 배터리(63)의 최대 충전 전력(P _bc)의 부의 값 쪽이 큰 경우에는(스텝 S204 : 예) 스텝 S205의 처리로 이행하고, 한편 크지 않은 경우에는(스텝 S204 : 아니오) 스텝 S206의 처리로 이행한다.

스텝 S205에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 배터리(63)의 배터리 전력(P_b)을“－P_bc”로 하고, 발전기(62)의 발전기 전력(P_g)을“P _L － (－P_bc)”로 결정하여(도9 중 구간 A2) 동력 배분 결정 처리를 종료한다. 즉, 배터리(63)는 최대 충전 전력(P_bc)으로 충전되어 배터리(63)를 최대 충전 전력(P_bc)으로 충전하기 위한 전력의 부족한 만큼이 발전기(62)에 의해 보충되게 된다. 또한, 발전기(62)의 발전기 전력(P_g)은 발전기(62)의 발전기 하한 전력(P_gl)을 하회하고 있지만, 발전기(62)에 의한 전력(P_g)을 발전기 하한 전력(P_gl)으로 하면, 배터리(63)의 최대 충전 전력(P_bc)을 초과한 전력에 의해 배터리(63)가 충전되게 되고, 이를 회피하기 위해 발전기 하한 전력(P_gl) 이하에서 발전기(62)를 가동시키고 있다.

스텝 S206에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 배터리(63)의 배터리 전력(P_b)을“P_L － P_gl”로 하고, 발전기(62)의 발전기 전력(P_g)을“P_gl”로 결정하여(도9 중 구간 A3) 동력 배분 결정 처리를 종료한다. 즉, 발전기(62)의 발전기 전력(P_g)을 발전기(62)의 발전기 하한 전력(P_gl)으로 제어하고, 발전기(62)에 의해 발전된 전력의 잉여분을 배터리(63)에 충전시키고 있다.

스텝 S207에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)의 값이 발전기 하한 전력(P_gl)의 값 이상이고, 또한 발전기 상한 전력(P_gu)보다 작은 범위 내에 있는지 여부(P_gl ≤ P_L ＜ P_gu)를 판정한다. 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)이 그 범위 내에 있는 경우에는(스텝 S207 : 예) 스텝 S208의 처리로 이행하고, 한편 그 범위 내에 없는 경우에는(스텝 S207 : 아니오) 스텝 S209의 처리로 이행한다.

스텝 S208에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 배터리(63)의 배터리 전력(P_b)을“0”으로 하고, 발전기(62)의 발전기 전력(P_g)을“P_L”로 결정하여(도9 중 구간 A4) 동력 배분 결정 처리를 종료한다. 즉, 발전기(62)의 발전기 전력(Pg)이 발전기 하한 전력(P_gl) 이상 발전기 상한 전력(P_gu) 미만의 범위 내이고, 배터리(63)는 충방전되어 있지 않다.

스텝 S209에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)의 값이 발전기 상한 전력(P_gu)의 값 이상이고, 또한 발전기 상한 전력(Pgu)의 값에 배터리(63)의 최대 방전 전력(P_bd)의 값을 가산하여 얻게 되는 가산치보다 작은 범위 내에 있는지 여부(P_gu ≤ P_L ＜ P_gu + P _bd)를 판정한다. 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)이 그 범위 내에 있는 경우에는(스텝 S209 : 예) 스텝 S210의 처리로 이행하고, 한편 그 범위 내에 없는 경우에는(스텝 S209 : 아니오) 스텝 S211의 처리로 이행한다.

스텝 S210에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 배터리(63)의 배터리 전력(P_b)을“P_L － P_gu”로 결정하고, 발전기(62)의 발전기 전력(P _g)을“P_gu”로 결정하여(도9 중 구간 A5) 동력 배분 결정 처리를 종료한다. 즉, 발전기(62)에 의해 발전되는 전력(P_g)이 발전기 상한 전력(P_u)으로 제한되는 동시에, 발전기(62)의 발전 전력의 부족한 부분“P_L － P_gu”이 배터리(63)에 의해 보충된다. 또한, 배터리(63)의 방전 전력은 최대 방전 전력(P_bd) 이하이다.

스텝 S211에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)의 값이 발전기 상한 전력(P_gu)의 값에 배터리(63)의 최대 방전 전력(P_bd)의 값을 가산한 가산치 이상이고, 또한 발전기 최대 전력(P_gmax)의 값에 배터리(63)의 최대 방전 전력(P_bd)의 값을 가산하여 얻게 되는 가산치보다 작은 범위 내에 있는지 여부(P_gu + P_bd ≤ P_L ＜ P_gmax + P_bd)를 판정한다. 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)이 그 범위 내에 있는 경우에는(스텝 S211 : 예) 스텝 S212의 처리로 이행하고, 한편 그 범위 내에 없는 경우에는(스텝 S211 : 아니오) 스텝 S213의 처리로 이행한다. 또한, 발전기 최대 전력(P_gmax)은 엔진(61)과 발전기(62)의 성능에 의해 결정되는 발전기(62)의 출력 전력의 최대치이다.

스텝 S212에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 배터리(63)의 배터리 전력(P_b)을“P_bd”로 결정하고, 발전기(62)의 발전기 전력(P_g)을“P _L － P_bd”로 결정하여(도9 중 구간 A6) 동력 배분 결정 처리를 종료한다. 즉, 배터리(63)는 최대 방전 전력(P_bd)으로 방전되도록 제어되고, 발전기(62)는“P_L － P_bd”의 전력을 발전하도록 제어된다. 또한, 발전기(62)와 배터리(63)에 의해 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L)을 전동 작동기(64)로 공급할 수 있도록, 발전기(62)는 발전기 상한 전력(P_gu)을 초과하는 전력을 발전하도록 가동하고 있다.

스텝 S213에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(81)는 배터리(63)의 배터리 전력(P_b)을“P_bd”로 결정하고, 발전기(62)의 발전기 전력(P_g)을“P _gmax”로 결정하여(도9 중 구간 A7) 동력 배분 결정 처리를 종료한다. 즉, 배터리(63)는 최대 방전 전력(P_bd)으로 방전되도록 제어되고, 발전기(62)는 발전기 최대 전력(P_gmax)의 전력을 발전하도록 제어된다. 또한, 이 경우, 전동 작동기(64)의 요구 전력(P_L) 전체가 전동 작동기(64)에 공급되지 않게 된다.

이상 설명한 제1 실시 형태에 관한 하이브리드 쇼벨(1)의 전력 제어 기구(7)에 따르면, 배터리(63)의 방전은 배터리(63)의 방전 능력을 넘지 않는 최대 방전 전력(P_bd) 이하에서 행해지도록, 또한 배터리(63)의 충전은 배터리(63)의 충전 능력을 넘지 않는 최대 충전 전력(P_bc) 이하에서 행해지도록 제어되어 있으므로, 배터리(63)의 능력을 넘어 충방전됨으로써 배터리(63)의 열화를 방지할 수 있다.

또한, 발전기(62)의 출력 전력은 엔진(61)과 발전기(62)의 효율이 양호해지는 발전기 하한 전력(P_gl) 이상 발전기 상한 전력(P_gu) 이하가 되도록 제어되어 있으므로(도9 중 구간 A2, A6, A7 제외함), 엔진(61)의 연비가 향상된다.

또한, 배터리(63)의 충방전 능력은 배터리(63)의 충전 상태에 따라서 변화되지만, 배터리(63)의 충전 상태에 따라서 배터리(63)의 최대 충전 전력(P_bc)과 최대 방전 전력(P_bd)을 설정하고 있으므로, 배터리(63)의 충전 상태에 상관없이 배터리(63)의 능력을 넘어 충방전이 되는 것을 방지할 수 있고, 배터리(63)의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 배터리(63)의 충방전 능력은 배터리(63)의 온도에 의해 변화되지만, 배터리(63)의 온도에 따라서 배터리(63)의 최대 충전 전력(P_bc)과 최대 방전 전력(P_bd)을 설정하고 있으므로, 배터리(63)의 온도에 상관없이 배터리(63)의 능력을 넘어 충방전이 되는 것을 방지할 수 있고, 배터리(63)의 열화를 방지할 수 있다.

[제2 실시 형태]

이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 하이브리드 쇼벨의 전력 제어 장치에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 제2 실시 형태에 관한 엔진 제어 장치가 적용되는 하이브리드 쇼벨로서, 제1 실시 형태에 있어서 도1을 이용하여 설명한 하이브리드 쇼벨(1)을 이용할 수 있다.

우선, 제2 실시 형태에 있어서의 하이브리드 쇼벨의 전력 제어의 기구에 대해 도10을 참조하면서 설명한다. 단, 도10은 제2 실시 형태에 관한 전력 제어 기구를 설명하기 위한 블럭도이다. 또한, 제1 실시 형태와 실질적으로 동등한 구성요소에 대해서는 동일 부호를 붙이고 있다.

도10에 도시하는 블럭도는 엔진(61)과, 발전기(62)와, 배터리(63)와, 전동 작동기(64)와, 전력 제어 기구(9)로 구성되어 있다. 또한, 배터리(63)로부터 전동 작동기(64)에의 전력 공급, 발전기(62)로부터 전동 작동기(64) 또는 배터리(63)에의 전력 공급은 직류 전압선을 거쳐서 행해진다. 또한, 전동 작동기(64)는 붐용 일체형 작동기(A1), 아암용 일체형 작동기(A2), 버킷용 일체형 작동기(A3) 등이고, 도10에 있어서는 하나만 도시하고 있다.

도10에 도시하는 전력 제어 기구(9)는 배터리 온도 센서(71)와, 배터리 전류 센서(72)와, 배터리 전압 센서(73)와, 배터리 충전 상태 검출부(74)와, 배터리 전력-손실 특성 결정부(91)와, 발전기 출력 전력-손실 특성 결정부(92)와, 부하 전압 센서(78)와, 부하 전류 센서(79)와, 부하 전력 검출부(80)와, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)와, 배터리 전력 제어부(82)와, 발전기 전력 제어부(83)를 구비하고 있다. 또한, 배터리 온도 센서(71), 배터리 전류 센서(72), 배터리 전압 센서(73), 배터리 충전 상태 검출부(74), 부하 전압 센서(78), 부하 전류 센서(79), 부하 전력 검출부(80), 배터리 전력 제어부(82) 및 발전기 전력 제어부(83)의 처리 내용은 제1 실시 형태에 있어서 설명한 처리 내용과 실시적으로 동등하다.

배터리 전력-손실 특성 결정부(91)는 배터리 온도 센서(71)로부터 입력된 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)와, 배터리 충전 상태 검출부(74)로부터 입력된 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 이용하여 배터리(63)에의 입력 전력에 대한 배터리(63) 손실의 특성을 결정하고, 결정한 특성을 2차식에 근사한 경우에 있어서의 2차식의 계수(a, b, c)를 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)로 출력한다.

상세하게는, 배터리 전력-손실 특성 결정부(91)의 테이블(기억부)에는 미리 실험 등을 행함으로써 얻게 된 도11 및 도12에 도시한 바와 같은 배터리(63)에의 입력 전력(P2_b)에 대한 배터리(63)의 손실 전력(P2_bross)의 특성을 하기 식으로 나타내는 2차식에 근사하여 얻게 된 2차식의 계수(a, b, c)가 배터리(63)의 충전 상태(SOC) 및 배터리 온도(TEMP_b)마다 격납되어 있다. 또한, 도11의 경우에는 (a, b, c) = (0.0025, 0.2032, 0)이다.

P2_bross = a × P2_b ² + P2_b + c

그리고, 배터리 전력-손실 특성 결정부(91)는 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)와 충전 상태(SOC)를 기초로, 이 배터리 온도(TEMPb)와 이 충전 상태(SOC)에 대응하는 계수(a, b, c)를 테이블로부터 취출한다. 배터리 전력-손실 특성 결정부(91)는 취출한 계수(a, b, c)를 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)로 출력한다.

발전기 출력 전력-손실 특성 결정부(92)의 테이블(기억부)에는 미리 실험 등을 행함으로써 얻게 된, 도13에 도시한 바와 같은 발전기의 출력 전력(P2_g)에 대한 엔진과 발전기(62)의 손실 전력(P2_gross)의 특성을 하기 식으로 나타내는 2차식에 근사하여 얻게 된 2차식의 계수(α, β, γ)가 격납되어 있다. 그리고, 배터리 전력-손실 특성 결정부(91)는 미리 격납되어 있는 계수(α, β, γ)를 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)로 출력한다. 또한, 도13의 경우, (α, β, γ) = (0.00478, 0.0873, 12.303)이다.

P2_gross = α × P2_g ² + β × P2_g + γ

발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)는 배터리 전력-손실 특성 결정부(91)로부터 입력되는 계수(a, b, c)와, 발전기 출력 전력-손실 특성 결정부(92)로부터 입력되는 계수(α, β, γ)와, 부하 전력 검출부(80)로부터 입력되는 전동 작동기(64)의 요구 전력(P2_L)을 기초로, 배터리(63)의 입력 전력(P2_b)과, 발전기(62)의 출력 전력(P2_g)을 결정한다. 그리고, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)는 결정 결과인 배터리(63)의 입력 전력(P2_g)을 내용으로 하는 지령 신호를 배터리 전력 제어부(82)로 출력하고, 발전기(62)의 출력 전력(P2_g)을 내용으로 하는 지령 신호를 발전기 전력 제어부(83)로 출력한다.

여기서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)에 의해 행해지는 동력 배분의 결정 방법에 대해 도14를 참조하면서 설명한다. 단, 도14는 동력 배분의 결정 방법을 설명하기 위한 설명도이다. 도14 중, 소비 전력(P2_gas)은 엔진에 의해 소비되는 전력, 손실 전력(P2_gross)은 엔진(61)과 발전기(62)가 손실되는 전력, 출력 전력(P2_g)은 발전기(62)가 출력하는 전력, 입력 전력(P2_b)은 배터리(63)에 입력되는 전력, 손실 전력(P2_bross)은 배터리(63)가 손실되는 전력, 소비 전력(P2_L)은 전동 작동기(64)가 소비하는 전력이다.

도14에 도시하는 시스템에 있어서의 전체 손실 전력(P2_tross)은 하기 수학식 1로 나타낸다.

[수학식 1]

P2_tross = P2_gross + P2_bross

또한, 배터리(63)의 입력 전력(P2_b) 중 전동 작동기(64)의 구동에 이용할 수 있는 배터리(63)의 유효 충전 전력(P2_bavl)은 하기 수학식 2로 나타낸다.

[수학식 2]

P2_bavl = P2_b － P2_bross

또한, 도14에 도시하는 시스템 전체의 효율(n)은 하기 수학식 3으로 나타낸다.

[수학식 3]

상술한 바와 같이 배터리(63)의 입력 전력(P2_b)에 대한 손실 전력(P2_bross)의 특성 및 발전기(62)의 출력 전력(P2_g)에 대한 엔진과 발전기의 손실 전력(P2_gross)의 특성을 각각 하기 수학식 4, 수학식 5로 나타내는 2차식에 근사한다.

[수학식 4]

P2_bross = a × P2_b ² + b × P2_b + c

[수학식 5]

P2_gross = α × P2_g ² + β × P2_g + γ

또한, 발전기(62)의 출력 전력(P2_g), 배터리(63)의 입력 전력(P2_b), 작동기(64)의 소비 전력(P2_L)은 하기 수학식 6의 관계를 만족시킨다.

[수학식 6]

P2_b = P2_g － P2_L

상기 수학식 3을 상기 수학식 4, 상기 수학식 5, 상기 수학식 6을 이용하여 변형하면, 하기 수학식 7을 얻을 수 있다.

[수학식 7]

상기 수학식 7에서 얻게 되는 η을 최대로 하는 발전기의 출력 전력(P2_g)은 P2_g ≥ 0, P2_b ≥ 0의 조건 하에서 하기 수학식 8로부터 얻을 수 있다.

[수학식 8]

이 수학식 8로부터 하기 수학식 9의 관계를 유도할 수 있다.

[수학식 9]

k × P2_g ² + l × P2_g + m = 0

단,

k = －2 × a × α × P2_L － a × β + b × α － a － α

l = 2 × a × α × P2_L ² － 2 × b × α × P2_L － 2 × a × γ + 2 × c × α

m = c + c × β + γ － b × γ － b × P2_L － b × β × P2_L + 2 × a × γ × P2_L + a × P2_L ² + a × β × P2_L ²

상기 수학식 9를 풀면 하기 수학식 10의 값을 얻을 수 있다.

[수학식 10]

또한, 부하 전력 검출부(80)에서 검출된 전동 작동기(64)의 소비 전력(요구 전력, P2_L)을 상기 수학식 10에 대입하여 발전기(62)의 출력 전력(P2_g)을 산출한다. 또한, 전동 작동기(64)의 소비 전력(P2_L)과 산출된 발전기(62)의 출력 전력(P2_g)을 상기 수학식 6에 대입하여 배터리(62)의 입력 전력(P2_b)을 산출한다.

이와 같이 하여 얻게 된 배터리(63)의 입력 전력(P2_b)과 발전기(62)의 출력 전력(P2_g)에 발전기(62)의 발전과 배터리(63)의 충전을 제어하면, 시스템 전체의 효율(η)이 최고가 되어 엔진의 연비가 향상된다.

또한, 상기 구성을 갖는 전력 제어 기구(9)에 있어서의 전력 제어 방법에 대해 도15를 참조하면서 설명한다. 단, 도15는 도10에 도시한 전력 제어 기구에 의한 전력 제어 방법의 순서를 도시하는 흐름도이다.

스텝 S301에 있어서, 배터리 충전 상태 검출부(74)는 배터리 전류 센서(72)로부터 입력되는 배터리(63)의 출력 전류(I_b)와 배터리 전압 센서(73)로부터 입력되는 배터리(63)의 단자간 전압(V_b)을 이용하여 배터리 온도 검출부(71)로부터 입력되는 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)에서 단자간 전압(V_b)을 보정하면서 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 산출하고, 산출 결과인 충전 상태(SOC)를 배터리 전력-손실 특성 결정부(91)로 출력한다.

스텝 S302에 있어서, 배터리 전력-손실 특성 결정부(91)는 배터리 온도 센서(71)로부터 입력된 배터리(63)의 배터리 온도(TEMP_b)와, 배터리 충전 상태 검출부(74)로부터 입력된 배터리(63)의 충전 상태(SOC)를 이용하여 배터리(63)의 손실 특성을 2차식으로 근사한 경우에 있어서의 2차식의 계수(a, b, c)를 결정하고, 결정 결과인 계수(a, b, c)를 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)로 출력한다.

스텝 S303에 있어서, 발전기 출력 전력-손실 특성 결정부(92)는 엔진(61)과 발전기(62)의 손실 특성을 2차식으로 근사한 경우에 있어서의 2차식의 계수(α, β, γ)를 결정하고, 결정 결과인 계수(a, b, c)를 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)로 출력한다.

스텝 S304에 있어서, 부하 전력 검출부(80)는 부하 전압 센서(78)로부터 입력되는 부하 전압과, 부하 전류 센서(79)로부터 입력되는 부하 전류를 기초로, 전동 작동기(64)의 요구 전력(P2_L)을 검출하여 검출 결과인 요구 전력(P2_L)을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)로 출력한다.

스텝 S305에 있어서, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)는 전동 작동기(64)의 요구 전력(P2_L)과, 배터리 전력-손실 특성 결정부(91)로부터 입력되는 계수(a, b, c)와, 발전기 출력 전력-손실 특성 결정부(92)로부터 입력되는 계수(α, β, γ)를 이용하여 상기 수학식 10을 연산하여 발전기의 출력 전력(P2_g)을 산출하고, 산출된 출력 전력(P2_g)을 내용으로 하는 지령 신호를 발전기 전력 제어부(83)로 출력한다. 또한, 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)는 전동 작동기(64)의 요구 전력(P2_L)과, 산출된 발전기(62)의 출력 전력(P2_g)을 이용하여 상기 수학식 6을 연산하여 배터리(63)의 입력 전력(P2_b)을 산출하고, 산출된 입력 전력(P2_b)을 내용으로 하는 지령 신호를 배터리 전력 제어부(82)로 출력한다.

스텝 S306에 있어서, 배터리 전력 제어부(82)는 배터리(63)의 충전을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)로부터 입력되는 지령 신호가 나타내는 입력 전력(P2_b)으로 제어한다. 한편, 발전기 전력 제어부(83)는 발전기(62)의 발전을 발전기/배터리 전력 배분 결정부(93)로부터 입력되는 지령 신호가 나타내는 출력 전력(P2_g)으로 제어한다.

이상 설명한 제2 실시 형태에 관한 하이브리드 쇼벨(1)의 전력 제어 기구(9)에 따르면, 발전기(62)의 출력에 대한 발전기(62) 및 엔진(61)의 손실 특성, 배터리(61)의 입력 전력에 대한 배터리(61)의 손실 특성을 고려하여 발전기(62)의 출력 전력과 배터리의 입력 전력이 결정되어 있으므로, 하이브리드 건설 기계 전체의 에너지 손실을 작게 할 수 있어 엔진의 연비가 향상된다.

이상, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 특허 청구의 범위에 기재된 범위에 있어서 다양한 설계 변경이 가능한 것이다.

이상 설명한 전력 제어 장치는 발전기와 축전 장치를 탑재한 하이브리드 쇼벨 등의 하이브리드 건설 기계에 적용할 수 있다.

Claims

엔진과, 상기 엔진으로 구동되는 발전기와, 상기 발전기에 의해 발전되는 전력을 축적하는 축전 장치와, 상기 발전기 및 상기 축전 장치에 의해 구동되는 하나 또는 복수의 전동 작동기를 구비한 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치에 있어서,

전동 작동기의 요구 전력을 검출하는 부하 전력 검출 수단과,

상기 축전 장치의 충전 전력의 최대치를 설정하는 충전 전력 설정 수단과,

상기 축전 장치의 방전 전력의 최대치를 설정하는 방전 전력 설정 수단과,

상기 발전기 출력 전력의 상한치 및 하한치를 설정하는 발전기 출력 전력 설정 수단과,

상기 충전 전력 설정 수단에 의한 설정치, 상기 방전 전력 설정 수단에 의한 설정치, 상기 발전기 출력 전력 설정 수단에 의한 설정치 및 상기 부하 전력 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 발전기와 상기 축전 장치의 전력 배분을 결정하는 전력 배분 결정 수단과,

상기 전력 배분 결정 수단에 의한 결정 결과를 기초로 상기 발전기의 출력 전력을 제어하는 발전기 전력 제어 수단과,

상기 전력 배분 결정 수단에 의한 결정 결과를 기초로 상기 축전 장치의 충방전 전력을 제어하는 축전 장치 전력 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 축전 장치의 충전 상태를 검출하는 충전 상태 검출 수단을 더 구비하고,

상기 발전기 출력 전력 설정 수단은 상기 충전 상태 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 발전기 출력 전력의 상한치 및 하한치를 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 축전 장치의 충전 상태를 검출하는 충전 상태 검출 수단을 더 구비하고,

상기 충전 전력 설정 수단은 상기 충전 상태 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 충전 전력의 최대치를 설정하고,

상기 방전 전력 설정 수단은 상기 충전 상태 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 방전 전력의 최대치를 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 축전 장치의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 더 구비하고,

상기 충전 전력 설정 수단은 상기 온도 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 충전 전력의 최대치를 설정하고,

상기 방전 전력 설정 수단은 상기 온도 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 방전 전력의 최대치를 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치.
엔진과, 상기 엔진으로 구동되는 발전기와, 상기 발전기에 의해 발전되는 전력을 축적하는 축전 장치와, 상기 발전기 및 상기 축전 장치에 의해 구동되는 하나 또는 복수의 전동 작동기를 구비한 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치에 있어서,

전동 작동기의 요구 전력을 검출하는 부하 전력 검출 수단과,

상기 부하 전력 검출 수단에 의해 검출된 요구 전력, 상기 발전기의 출력에 대한 상기 발전기 및 상기 엔진의 손실 특성, 상기 축전 장치의 입력 전력에 대한 상기 축전 장치의 손실 특성을 이용하여 상기 엔진에 의한 소비 전력의 효율이 최대가 되도록 상기 발전기와 상기 축전 장치의 전력 배분을 결정하는 전력 배분 결정 수단과,

상기 전력 배분 결정 수단에 의한 결정 결과를 기초로 상기 발전기의 출력 전력을 제어하는 발전기 전력 제어 수단과,

상기 전력 배분 결정 수단에 의한 결정 결과를 기초로 상기 축전 장치의 입력 전력을 제어하는 축전 장치 전력 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치.
제5항에 있어서, 상기 축전 장치의 온도를 검출하는 온도 검출 수단과,

상기 온도 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 입력 전력에 대한 상기 축전 장치의 손실 특성을 결정하는 축전 장치 전력-손실 특성 결정 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치.
제5항에 있어서, 상기 축전 장치의 충전 상태를 검출하는 충전 상태 검출 수단과,

상기 충전 상태 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 상기 축전 장치의 입력 전력에 대한 상기 축전 장치의 손실 특성을 결정하는 축전 장치 전력-손실 특성 결정 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 전력 제어 장치.