KR101199244B1 - 하이브리드식 건설기계 - Google Patents

Abstract

하이브리드식 건설기계는, 엔진(11)과, 엔진(11)에 의하여 구동되는 유압펌프(14)와, 엔진(11)의 구동을 어시스트하는 전동기(12)와, 엔진(11)에 의하여 구동되어 발전하는 발전기(12)를 포함한다. 엔진(11)에의 부하의 크기에 따라, 엔진(11)의 회전수를 가변한다. 엔진(11)에의 요구부하가 저감되면, 발전기(12)에 의하여 발전을 행함으로써 엔진(11)을 감속한다. 엔진(11)에의 요구부하가 증대하면, 전동기(12)를 구동하여 엔진(11)을 어시스트하는 것에 의하여 엔진(11)을 가속한다.

Description

하이브리드식 건설기계{Hybrid construction machine}

본 발명은 건설기계에 관한 것으로서, 특히 엔진의 구동을 전동기에 의하여 어시스트하는 하이브리드식 건설기계에 관한 것이다.

건설기계는 유압구동인 것이 많다. 유압구동식 건설기계의 일례로서, 유압쇼벨(shovel)이 있다. 유압쇼벨에서는, 일반적으로, 쇼벨의 구동, 상부선회체의 선회, 및 하부주행체의 주행을, 유압액추에이터(유압실린더, 유압모터)를 이용하여 행하고 있다. 일반적으로, 유압액추에이터에 공급하는 유압은, 엔진을 구동원으로 하는 유압펌프에 의하여 발생하는 경우가 많다. 이 경우, 유압액추에이터의 출력은 엔진의 출력에 의하여 정하여진다.

유압쇼벨의 작업은, 엔진의 능력에 대하여서 항상 100%의 능력을 필요로 하는 작업뿐만 아니라, 예컨대, 90%, 80%의 능력을 발휘하면 되는 작업이 많다. 따라서, 유압쇼벨의 동작모드를 작업부하에 따라서 바꿈으로써, 상이한 작업부하의 각각에 있어서 최적의 엔진출력제어를 행하여, 엔진을 효율적으로 구동하여 연비를 향상시키는 것이 행하여지고 있다.

예컨대, 엔진의 최대출력에 상당하는 부하작업을 행하는 「고(高)부하 모드」와, 통상의 부하작업을 행하는 「통상부하 모드」와, 가벼운 부하작업을 행하는 「저(低)부하 모드」와 같이 상이한 작업모드를 설정 가능하게 한다. 그리고, 각 작업모드에 있어서, 유압액추에이터를 구동하기 위하여 유압펌프가 필요로 하는 구동토크가 엔진의 출력토크에 동일해지도록 등(等)마력제어를 행하고, 엔진의 출력을 유효하게 활용하여 연비의 향상을 도모한다.

최근, 엔진의 연료소비량을 저감시키려는 요망이 있다. 단순히 엔진을 소형화하면 「고부하 모드」에서의 운전시에 충분한 유압출력을 얻을 수 없다. 따라서, 엔진과, 엔진에 의하여 구동되는 발전기와, 발전기에 의하여 충전되는 배터리와, 배터리의 전력에 의하여 구동되는 전동기를 구비한 이른바 하이브리드식 유압쇼벨이 개발되어 있다.

일반적인 하이브리드식 유압쇼벨에서는, 엔진의 회전수가 항상 일정하게 되도록 엔진의 구동을 제어하고 있다. 아암이나 버킷 등을 요동 구동할 때의 저부하 모드(저부하 상태)에서의 운전 중에는 엔진토크는 작기 때문에, 저부하 모드에서는, 엔진회전수를 일정하게 한 채로 엔진토크를 상승시켜서 잉여토크를 발생시키고, 잉여토크로 발전기를 구동하여 발전시켜서, 배터리를 충전한다.

한편, 유압펌프에 있어서 필요한 구동토크가 엔진의 정격출력점보다도 큰 고부하 모드(고부하 상태)에서는, 엔진회전수를 일정하게 한 채로 엔진토크를 상승시키고, 또한 배터리로부터의 전력으로 전동기를 구동하여 엔진의 출력에 전동기의 출력을 더하는 (어시스트하는) 것에 의하여 대응하고 있다.

또한, 저부하 모드시(엔진의 필요 마력의 등(等)마력선과 거버너 특성선의 교점이 이 엔진의 정격출력보다도 작은 엔진토크가 되는 모드시)에 엔진토크를 상승시켜서 연료소비율의 향상을 도모하고, 그 잉여토크에 의하여 발전기를 구동하여 배터리에 충전하는 건설기계가 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 1 참조.).

이상과 같은 원 형상의 엔진 연료소비율 특성은, 엔진회전수에 의존하여 분사압이 결정되고 있다. 또한, 엔진의 구동제어에 있어서, 저부하 모드시에 있어서의 연료소비율은, 저부하 모드시의 회전수가 가장 양호한 원의 중심 부근으로 설정되어 있기 때문에, 약간 향상되는 것을 전망할 수 있지만, 고부하 모드시에는, 연료소비율이 높은 영역에서 운전하게 되어, 향상을 전망할 수 없다.

일본 특허공개 2004-100621호 공보

상기 서술한 바와 같이, 유압부하의 요구가 엔진출력 상한치를 넘는 고부하시에 있어서는, 어시스트 발전으로 엔진출력의 부족분을 보충하고 있다. 이 경우, 엔진에 대한 과잉부하를 보충하기 위하여, 배터리의 방전시에 있어서의 전기적 에너지 손실, 도시하지 않은 인버터에 의한 전기적 에너지 손실, 발전기에 있어서의 손실, 나아가서는, 기어에 있어서의 기계적인 에너지 손실이 겹쳐서, 건설기계 전체적인 에너지 손실이 커져 버린다.

본 발명은 상기 서술한 문제를 감안한 것으로서, 엔진의 부하상황에 따라서 엔진회전수를 가변하여 엔진을 효율적으로 구동하여, 저부하시에도 고부하시에도 연료소비율을 향상할 수 있는 하이브리드식 건설기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 서술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 엔진과, 그 엔진에 의하여 구동되는 유압펌프와, 그 유압펌프로부터의 유압에 의하여 구동되는 유압액추에이터와, 그 엔진의 구동을 어시스트하는 전동기와, 그 엔진에 의하여 구동되어 발전하는 발전기를 가지는 하이브리드식 건설기계로서, 그 엔진에의 부하의 크기에 따라서, 그 엔진의 회전수를 가변하고, 그 엔진에의 요구부하가 저감되면, 그 발전기에 의하여 발전함으로써 그 엔진을 감속하고, 그 엔진에의 요구부하가 증대하면, 그 전동기를 구동하여 그 엔진을 어시스트함으로써 그 엔진을 가속하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계가 제공된다.

상기 서술한 하이브리드식 건설기계에 있어서, 그 엔진의 회전수가 미리 정하여진 저(低)회전수 또는 미리 정하여진 고(高)회전수에 이를 때까지는, 그 발전기 또는 그 전동기를 구동하고, 그 엔진의 회전수가 그 미리 정하여진 저회전수 또는 그 미리 정하여진 고회전수에 이른 후는, 그 발전기 또는 그 전동기의 가감속분의 출력을 정지하는 것이 바람직하다. 또한, 그 엔진의 최대정격출력을, 그 유압펌프의 요구부하가 넘지 않도록 설정하는 것이 바람직하다. 또는, 그 엔진의 최대정격출력을, 전기부하와 유압부하의 합계가 넘지 않도록 설정하여도 좋다.

또한, 상기 서술한 하이브리드식 건설기계에 있어서, 그 엔진의 등(等)연비선도에 있어서의 저연비 영역에 근거하여 기준토크선을 설정하고, 그 엔진의 회전수가 그 기준토크선에 대응하여 변화하도록 그 엔진의 운전상태를 제어하는 것으로 하여도 좋다. 그 기준토크선은, 연료소비율이 양호한 값이 되도록 설정하여도 좋다.

또한, 상기 서술한 하이브리드식 건설기계에 있어서, 그 엔진의 등연비선도에 있어서 연료소비율이 소정의 양호한 값이 되는 기준토크선을 설정하고, 그 엔진의 회전수가 그 기준토크선을 따라서 변화하도록 그 엔진의 운전상태를 제어하는 것으로 하여도 좋다. 그 엔진에 요구되는 토크가, 그 기준토크선을 중심으로 한 소정의 토크범위를 넘었을 때에, 그 엔진의 회전수를 가변 제어하는 것으로 하여도 좋다.

또한, 그 전동기 및 그 발전기를, 1대의 전동발전기로 공용하는 것으로 하여도 좋다.

또한, 상기 서술한 하이브리드식 건설기계는, 그 전동기에 전력을 공급하고, 또한 전기부하에 전력을 공급하는 축전기를 더욱 가지고, 그 유압액추에이터에 공급하여야 할 출력과 그 전기부하에 공급하여야 할 출력을 합산하여 얻어지는 종합출력이 소정의 임계값 이하인 경우에 그 전동기의 출력을 주(主)동력으로 하여 상기 유압펌프를 구동하고, 그 종합출력이 그 소정의 임계값보다 큰 경우는, 그 엔진의 출력을 주동력으로 하여 그 유압펌프를 구동하는 것으로 하여도 좋다.

또한, 그 유압액추에이터에 공급하여야 할 출력과 그 전기부하에 공급하여야 할 출력을 합산하여 얻어지는 그 종합출력이 그 소정의 임계값 이하인 경우에, 그 전동기의 출력만을 동력으로 하여 그 유압펌프를 구동하는 것으로 하여도 좋다.

또한, 그 유압액추에이터에 공급하여야 할 출력과 그 전기부하에 공급하여야 할 출력을 합산하여 얻어지는 그 종합출력이 그 소정의 임계값보다 큰 경우는, 그 엔진의 출력만을 동력으로 하여 그 유압펌프를 구동하는 것으로 하여도 좋다.

또한, 그 소정의 임계값은, 그 엔진의 소정의 특성에 근거하여 설정되는 것으로 하여도 된다. 그 소정의 특성으로서, 엔진회전수와 엔진토크의 관계에 의하여 나타나는 특성을 이용할 수도 있다. 또한, 그 종합출력이 그 전기부하에 공급하여야 할 출력뿐이고, 또한 그 소정의 임계값 이하일 때에, 그 축전기로부터 그 전기부하에 전력을 공급하는 것으로 하여도 좋다. 또한, 그 종합출력이 그 유압액추에이터에 공급하여야 할 출력뿐이고, 또한 그 소정의 임계값 이하일 때에, 그 축전기로부터 그 전동기에 전력을 공급하여 그 전동기의 출력만으로 그 유압펌프를 구동하는 것으로 하여도 좋다.

본 발명의 일 실시형태에 의하면, 커먼레일 방식과 같은 저회전수 시에도 고회전수 시에도 연료소비율이 낮은 연료소비율 맵을 가지는 엔진에 있어서, 엔진의 부하상황에 따라서 엔진회전수를 가변하여 엔진을 효율적으로 구동하여, 저부하시에도 고부하시에도 연료소비율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 연료소비율이 양호한 고부하시에는 엔진을 구동하여 엔진의 출력을 이용하고, 저부하시에는 엔진의 출력을 사용하지 않고 전동발전기의 출력만을 이용하여 유압펌프를 구동할 수 있다. 따라서, 엔진을 연료소비율이 양호한 고부하에서 구동하고, 연료소비율이 나쁜 저부하시에는, 엔진에는 회전수를 유지하기 위해서만 연료가 공급되어, 연료소비를 억제할 수 있다. 이로써, 기존의 엔진제어를 크게 변경하지 않고, 엔진의 연료소비율을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 하이브리드식 유압쇼벨의 측면도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 하이브리드식 유압쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은, 도 1에 나타내는 하이브리드식 유압쇼벨의 동력계를 모델화하여 나타내는 도면이다.
도 4는, 제1 실시형태에 의한 엔진의 구동제어처리의 플로우차트이다.
도 5는, 제1 실시형태에 의한 엔진의 구동제어처리를 행할 때의 엔진의 상태를 나타내는 등연비선도이다.
도 6은, 제2 실시형태에 의한 엔진의 구동제어처리를 행할 때의 엔진의 상태를 나타내는 등연비선도이다.
도 7은, 회전수를 기준토크선을 따라서 변화시킬 때의 제어처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 제2 실시형태에 의한 엔진의 구동제어처리의 플로우차트이다.
도 9는, 제3 실시형태에 의한 엔진의 구동제어처리의 플로우차트이다.
도 10은, 제3 실시형태에 의한 엔진의 구동제어의 개념을 나타내는 도면이다.
도 11은, 유압부하 출력요구와 전기부하 출력요구와 그들을 합산한 종합출력요구의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는, 도 11에 있어서의 종합출력의 그래프 중에 임계값을 나타내는 그래프이다.
도 13은, 유압부하 출력요구, 모터부하 출력요구, 배터리 출력요구, 및 그들을 합산한 종합출력요구의 시간적 변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는, 종합출력요구가 임계값 이하인 경우에 있어서, 전동발전기의 출력, 배터리의 출력, 및 엔진의 출력상태를 나타내는 표이다.
도 15는, 종합출력요구가 임계값보다 큰 경우에 있어서, 전동발전기의 출력, 배터리의 출력, 및 엔진의 출력상태를 나타내는 표이다.

다음으로, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

우선, 본 발명이 적용되는 하이브리드식 건설기계의 일례로서 하이브리드식 유압쇼벨에 대하여 설명한다.

도 1은 하이브리드식 유압쇼벨의 측면도이다. 하이브리드식 유압쇼벨의 하부주행체(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부선회체(3)로부터 붐(4)이 뻗어 있고, 붐(4)의 선단에 아암(5)이 접속된다. 또한, 아암(5)의 선단에 버킷(6)이 접속된다. 붐(4), 아암(5) 및 버킷(6)은, 붐 실린더(7), 아암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)에 의하여 각각 유압구동된다. 또한, 상부선회체(3)에는, 캐빈(10)및 동력원(도시하지 않음)이 탑재된다.

도 2는, 도 1에 나타내는 하이브리드식 유압쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계는 이중선, 고압 유압라인은 실선, 파일럿 라인은 파선, 전기 구동·제어계는 일점쇄선으로 각각 표시되어 있다.

기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 모두 증력기로서의 감속기(13)의 입력축에 접속되어 있다. 감속기(13)의 출력축에는, 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는 고압 유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다. 여기서, 감속기를 이용하지 않고, 엔진(11)과 전동발전기(12)를 직접 접속하도록 하여도 된다.

컨트롤밸브(17)는, 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 컨트롤밸브(17)에는, 하부주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐 실린더(7), 아암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)가 고압 유압라인을 통하여 접속된다.

전동발전기(12)에는, 인버터(18)를 통하여 축전기로서의 배터리(19)가 접속되어 있다. 배터리(19)에는, 인버터(20)를 통하여 선회용 전동기(21)가 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)는 하이브리드식 유압쇼벨에 있어서의 전기부하이다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메카니컬 브레이크(23), 및 선회 감속기(24)가 접속된다. 파일럿펌프(15)에는, 파일럿 라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 조작장치(26)에는, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 레버조작 검출부로서의 압력센서(29)가 각각 접속된다. 압력센서(29)는, 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 접속되어 있다.

이상의 구성을 가지는 하이브리드식 유압쇼벨은, 엔진(11), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21)를 동력원으로 하는 하이브리드형의 건설기계이다. 이들 동력원은, 도 1에 나타내는 상부선회체(3)에 탑재된다. 이하, 각 부에 대하여 설명한다.

엔진(11)은, 예컨대, 디젤엔진으로 구성되는 내연기관이며, 그 출력축은 감속기(13)의 일방의 입력축에 접속된다. 엔진(11)은, 건설기계의 운전 중에는 상시 운전된다.

전동발전기(12)는, 역행(力行)운전 및 발전(發電)운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 된다. 여기에서는, 전동발전기(12)로서, 인버터(18)에 의하여 구동되는 전동발전기를 나타낸다. 이 전동발전기(12)는, 예컨대, 자석이 로터 내부에 내장된 IPM(Interior Permanent Magnetic) 모터로 구성할 수 있다. 전동발전기(12)의 회전축은 감속기(13)의 타방의 입력축에 접속된다. 여기서, 본 실시형태에서는 역행운전 및 발전운전의 쌍방이 가능한 전동발전기(12)를 이용하고 있지만, 역행운전을 행하는 전동기와 발전운전을 행하는 발전기를 감속기를 통하여 엔진(11)에 접속하는 것으로 하여도 된다. 또한, 전동발전기(12)를 엔진(11)에 직접 접속하여도 된다.

감속기(13)는, 2개의 입력축과 1개의 출력축을 가진다. 2개의 입력축에는, 엔진(11)의 구동축과 전동발전기(12)의 구동축이 각각 접속된다. 또한, 출력축에는 메인펌프(14)의 구동축이 접속된다. 전동발전기(12)의 역행운전과 발전운전의 전환은, 컨트롤러(30)에 의하여, 엔진(11)의 부하 등에 따라 행하여진다. 또한, 메인펌프(14)는 전동발전기(12)에 직접 접속하여도 된다.

메인펌프(14)는, 컨트롤밸브(17)에 공급하기 위한 유압을 발생하는 유압펌프이다. 메인펌프(14)에서 발생한 유압은, 컨트롤밸브(17)를 통하여 유압부하인 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 아암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)의 각각을 구동하기 위하여 공급된다. 파일럿펌프(15)는, 유압조작계에 필요한 파일럿압을 발생하는 펌프이다.

컨트롤밸브(17)는, 고압 유압라인을 통하여 접속되는 하부주행체(1)용의 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 아암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)의 각각에 공급하는 유압을 운전자의 조작입력에 따라 제어함으로써, 이들을 유압구동제어하는 유압제어장치이다.

인버터(18)는, 상기 서술한 바와 같이 전동발전기(12)와 배터리(19) 사이에 설치되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 전동발전기(12)의 운전제어를 행한다. 이로써, 인버터(18)가 전동발전기(12)의 전동운전을 운전제어하고 있을 때에는, 필요한 전력을 배터리(19)로부터 전동발전기(12)에 공급한다. 또한, 전동발전기(12)의 발전운전을 제어하고 있을 때에는, 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력을 배터리(19)에 충전한다.

축전기인 배터리(19)는, 인버터(18)와 인버터(20) 사이에 배치되어 있다. 이로써, 전동발전기(12)와 선회용 전동기(21) 중의 적어도 어느 일방이 역행운전을 행하고 있을 때에는, 역행운전에 필요한 전력을 공급함과 함께, 또한, 적어도 어느 일방이 발전운전 또는 회생운전을 행하고 있을 때에는, 발전운전 또는 회생운전에 의하여 발생한 전력을 전기에너지로서 축적하기 위한 전원이다. 배터리(19)로서 커패시터(전기 이중층 콘덴서)를 이용할 수 있지만, 커패시터로 한정되지 않고, 반복 충방전 가능한 전지이면 어떠한 전지이어도 된다.

인버터(20)는, 상기 서술한 바와 같이 선회용 전동기(21)와 배터리(19) 사이에 설치되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 선회용 전동기(21)에 대하여 운전제어를 행한다. 이로써, 선회용 전동기(21)가 역행운전하고 있을 때에는, 필요한 전력이 배터리(19)로부터 선회용 전동기(21)에 공급된다. 또한, 선회용 전동기(21)가 회생운전을 하고 있을 때에는, 선회용 전동기(21)에 의하여 발전된 전력이 배터리(19)에 충전된다. 여기서, 도 2에서는 전동기를 선회용 전동기(21)로서 사용하고 있지만, 선회용 이외에도 사용하는 것이 가능하고, 또한, 배터리(19)에 복수의 전동기를 접속하여 제어하는 것도 가능하다. 또한, 인버터(18), 인버터(20)와 배터리(19) 사이에, 배터리(19)의 전압을 안정시키기 위하여 DC-DC컨버터가 설치되어도 된다.

선회용 전동기(21)는, 역행운전 및 회생운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 되고, 상부선회체(3)의 선회기구(2)를 구동하기 위하여 설치되어 있다. 역행운전시에는, 선회용 전동기(21)의 회전 구동력의 회전력이 감속기(24)에서 증폭되고, 상부선회체(3)는 가감속 제어되면서 회전운동을 행한다. 또한, 상부선회체(3)의 관성 회전에 의하여, 감속기(24)에서 회전수가 증대되어 선회용 전동기(21)에 전달되어, 회생전력을 발생시킬 수 있다. 여기에서는, 선회용 전동기(21)로서, PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라 인버터(20)에 의하여 교류 구동되는 전동기를 나타낸다. 이 선회용 전동기(21)는, 예컨대, 자석 내장형의 IPM 모터로 구성할 수 있다.

조작장치(26)는, 하이브리드식 유압쇼벨의 운전자가, 선회용 전동기(21), 하부주행체(1), 붐(4), 아암(5), 및 버킷(6)을 조작하기 위한 입력장치이며, 레버(26A 및 26B)와 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A)는, 선회용 전동기(21) 및 아암(5)을 조작하기 위한 레버로서, 상부선회체(3)의 운전석 근방에 설치된다. 레버(26B)는, 붐(4) 및 버킷(6)을 조작하기 위한 레버로서, 운전석 근방에 설치된다. 또한, 페달(26C)은, 하부주행체(1)를 조작하기 위한 한 쌍의 페달로서, 운전석의 발 밑에 설치된다.

조작장치(26)는, 파일럿 라인(25)을 통하여서 공급되는 유압(1차측의 유압)을 운전자의 조작량에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작장치(26)로부터 출력되는 2차측의 유압은, 유압라인(27)을 통하여서 컨트롤밸브(17)에 공급됨과 함께, 압력센서(29)에 의하여 검출된다.

레버(26A 및 26B)와 페달(26C)의 각각이 조작되면, 유압라인(27)을 통하여서 컨트롤밸브(17)가 구동되고, 이로써, 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 아암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9) 내의 유압이 제어됨으로써, 하부주행체(1), 붐(4), 아암(5), 및 버킷(6)이 구동된다.

여기서, 유압라인(27)은, 유압모터(1A 및 1B)를 조작하기 위하여 2개씩(즉 합계 4개), 붐 실린더(7), 아암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)를 각각 조작하기 위하여 2개씩(즉 합계 6개) 설치되므로, 실제로는 전부 10개 있지만, 설명의 편의상, 하나의 유압라인으로서 나타내고 있다.

레버조작 검출부로서의 압력센서(29)에서는, 레버(26A)의 선회조작에 의한, 유압라인(28) 내의 유압의 변화가 압력센서(29)로 검출된다. 압력센서(29)는, 유압라인(28) 내의 유압을 나타내는 전기신호를 출력한다. 이 전기신호는, 컨트롤러(30)에 입력된다. 이로써, 레버(26A)의 선회조작량을 정확하게 파악할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 레버조작 검출부로서 압력센서를 이용하였지만, 레버(26A)의 선회조작량을 그대로 전기신호로 읽어들이는 센서를 이용하여도 된다.

컨트롤러(30)는, 하이브리드식 유압쇼벨의 구동제어를 행하는 제어장치이며, 엔진제어부(32), 및 구동제어장치(40)를 포함한다. 엔진제어부(32)는 엔진 운전시의 목표 회전수의 설정이나, 회전수를 유지하기 위한 연료 분사량의 제어를 행한다.

구동제어장치(40)는 압력센서(29), 인버터(18, 20) 및 리졸버(28) 등으로부터의 신호에 근거하여 선회용 전동기(21), 전동발전기(12) 및 메인펌프(14)의 출력제어를 행한다. 또한, 메인펌프(14)에 의한 부하와 전기부하의 게재를 행한다.

다음으로, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 하이브리드식 건설기계의 구동제어에 대하여, 상기 서술한 하이브리드식 유압쇼벨의 구동제어를 예로 들어 설명한다.

도 3은 상기 서술한 하이브리드식 유압쇼벨의 동력계를 모델화하여 나타내는 도면이다. 도 3의 모델도에 있어서, 유압부하(54)는 유압에 의하여 구동되는 구성부품에 상당하며, 상기 서술한 붐 실린더(7), 아암 실린더(8), 패킷 실린더(9), 유압모터(1A, 1B)를 포함한다. 다만, 유압을 발생시키기 위한 부하로서 생각하였을 경우, 유압부하(54)는, 유압을 발생시키는 유압펌프로서의 메인펌프(14)에 상당한다. 전기부하(56)는 전동모터나 전동액추에이터 등과 같이 전력으로 구동되는 구성부품에 상당하며, 상기 서술한 선회용 전동기(21)를 포함한다. 본 실시형태에서는 배터리(19)로서 커패시터(전기 이중층 콘덴서)를 이용하는 것으로 한다.

여기서, 엔진(11)은, 저회전수부터 고회전수까지의 전 영역에 있어서 분사압을 일정한 높은 분사압으로 할 수 있는 분사가능 영역을 가지고 있는 엔진이다. 그러한 분사가능 영역에 있어서, 저회전수시에도 예컨대 고회전수시와 같은 고분사압으로 함으로써, 저회전수에서부터 고회전수까지의 회전수 영역에 있어서, 한계토크선(M)에 따른 고토크 영역에서 연료소비율을 낮게 유지할 수 있는 연료소비 특성을 얻을 수 있다. 여기서, 한계토크선(M)이란, 엔진(11)이 낼 수 있는 성능을 나타내는 최대 토크이다.

유압부하(54)에는, 유압을 발생하는 유압펌프(상기 서술한 메인펌프(14))에서 발생한 유압이 공급된다. 엔진(11)은 이 유압펌프에 동력을 공급하여 구동한다. 즉, 엔진(11)이 발생시킨 동력은 유압펌프에 의하여 유압으로 변환되어 유압부하(54)에 공급된다.

전기부하(56)에는 배터리(19)로부터 전력이 공급되어 구동된다. 전기부하(56)가 구동되고 있는 경우를 역행운전이라 칭한다. 전기부하(56)는, 예컨대 전동기 겸 발전기와 같이 회생전력을 발생할 수 있는 것으로서, 발생된 회생전력은 배터리(19)에 공급되어 축적되거나, 혹은 어시스트 모터(12)에 공급되어 어시스트 모터(12)를 구동하는 전력이 된다.

배터리(19)는, 상기 서술한 바와 같이 전기부하(56)로부터의 회생전력에 의하여 충전된다. 또한, 어시스트 모터(12)가 엔진(11)으로부터의 동력을 받아 발전기로서 기능하였을 경우, 어시스트 모터(12)가 발생시킨 전력을 배터리(19)에 공급하여 충전할 수도 있다.

본 발명의 제1 실시형태에 의한 엔진의 구동제어에 의하면, 엔진(11)에의 부하의 크기에 따라 엔진(11)의 회전수가 가변된다. 저부하시에 엔진(11)의 회전수를 저감시킬 때에는, 전동발전기(12)(어시스트 모터)를 발전운전하여 발전을 행함으로써 엔진(11)을 감속한다. 즉, 저부하시에 엔진(11)의 회전수를 낮출 때의 감속에 필요한 토크는, 전동발전기(12)를 발전운전함으로써 발생시킨다. 한편, 고부하시에 엔진(11)의 회전수를 증대시킬 때에는, 전동발전기(12)를 역행운전하여 엔진(11)을 어시스트함으로써 엔진(11)을 가속한다. 즉, 고부하시에 엔진(11)의 회전수를 올릴 때의 가속에 필요한 토크는, 전동발전기(12)를 역행운전함으로써 발생시킨다.

도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 의한 엔진의 구동제어처리의 플로우차트이다.

먼저, 엔진(11)의 현재의 회전수에 대한 부하의 상태를 산출하여, 스텝 S1에 있어서, 저(低)부하인지 어떤지, 고(高)부하가 가하여지고 있는지 어떤지를 판정한다. 구체적으로는 아이들링시, 선회 구동부의 회생 운동시, 및 붐 내리기 운동시가 저부하인 경우에 상당한다. 또한, 복수의 구동부에 동시에 부하가 가하여지는 경우에 고부하가 되고, 단일 구동부에 부하가 가하여지고 있는 경우에는 중(中)부하로 판정된다.

통상의 부하(중부하)인지, 저부하인지, 고부하인지의 판단의 기준은 하이브리드식 유압쇼벨의 설계 사항에 근거하여 임의로 결정하여 둘 수 있다. 하이브리드식 유압쇼벨의 운전상황이나 작업환경에 따라 수시 변경하는 것으로 하여도 된다.

스텝 S1에 있어서 엔진(11)의 부하가 통상의 부하라고 판정되었을 경우는, 처리는 스텝 S2로 진행되어, 엔진(11)의 회전수를 그대로 유지한다. 본 실시형태에서는 통상의 부하일 때에 엔진(11)의 회전수를 소정의 통상 회전수로 유지하도록 엔진(11)이 제어되고 있다. 통상의 부하의 범위 내에서 엔진(11)에의 부하가 변동하여도, 이 통상의 회전수를 일정하게 유지하도록 엔진(11)의 출력토크가 조정된다.

스텝 S1에 있어서 엔진(11)의 부하가 저부하라고 판정되었을 경우는, 처리는 스텝 S3로 진행된다. 스텝 S3에서는, 엔진(11)의 회전수가 감소하도록 엔진(11)의 구동을 제어한다. 여기서, 엔진(11)의 출력은 엔진회전수와 엔진토크로 결정된다. 따라서, 엔진회전수를 감소시킴으로써, 엔진출력을 작게 하여, 엔진부하를 감소시킬 수 있다. 이를 위하여, 본 실시형태에서는, 전동발전기(12)를 발전운전하여 엔진(11)의 출력토크를 발전에 사용함으로써, 회전수를 감소시키고 있다. 전동발전기(12)의 발전운전에 의하여 발생한 전력은 배터리(19)에 공급되어 배터리(19)의 충전에 이용되는데, 선회용 전동기(21) 등의 다른 전기부하에 공급되어 소비되어도 된다.

다음으로, 스텝 S4에 있어서, 엔진(11)의 회전수가 소정의 저회전수까지 내려갔는지 아닌지가 판정된다. 엔진(11)의 회전이 소정의 저회전수로 내려가 있지 않다고 판정되었을 경우는, 처리는 스텝 S3로 되돌아와서 엔진의 회전수를 낮추는 처리를 계속한다. 이 소정의 저회전수는, 엔진(11)의 특성에 근거하여 임의의 값으로 설정할 수 있다. 소정의 저회전수는, 미리 설정한 고정된 회전수이어도 되고, 하이브리드식 유압쇼벨의 운전상황이나 작업환경에 따라 수시 변경하는 것으로 하여도 된다. 소정의 저회전수는, 엔진(11)을 연료소비율이 낮은 조건에서 운전할 수 있게 되는 회전수이면 된다.

스텝 S4에 있어서 엔진(11)의 회전수가 소정의 저회전수까지 내려갔다고 판정되었을 경우, 처리는 스텝 S5로 진행되고, 전동발전기(12)의 발전운전을 정지한다. 이상의 제어처리에 의하여, 동일한 엔진출력(저출력상태)을 유지하면서, 엔진(11)의 회전수를 미리 정하여진 저회전수까지 낮출 수 있다.

한편, 스텝 S1에 있어서 엔진(11)의 부하가 고부하라고 판정되었을 경우는, 처리는 스텝 S6로 진행된다. 스텝 S6에서는, 엔진(11)의 회전수가 상승하도록 엔진(11)의 구동을 제어한다. 여기서, 엔진(11)의 출력은 엔진회전수와 엔진토크로 결정된다. 따라서, 엔진회전수를 증대시킴으로써, 엔진출력을 크게 하여, 엔진부하를 증대시킬 수 있다. 이를 위하여, 본 실시형태에서는, 전동발전기(12)를 역행운전하여 엔진(11)을 어시스트함으로써 엔진(11)의 회전수를 증대시키고 있다. 전동발전기(12)의 역행운전에 필요한 전력은 배터리(19)로부터 공급되는데, 선회용 전동기(21) 등의 다른 전기부하로부터의 회생전력을 이용하여도 된다.

다음으로, 스텝 S7에 있어서, 엔진(11)의 회전수가 소정의 높은 회전수까지 올라갔는지 아닌지가 판정된다. 엔진(11)의 회전이 소정의 높은 회전수로 올라가 있지 않았다고 판정되었을 경우는, 처리는 스텝 S6로 되돌아와 엔진의 회전수를 올리는 처리를 계속한다. 이 소정의 높은 회전수는, 엔진(11)의 특성에 근거하여 임의의 값으로 설정할 수 있다. 소정의 고회전수는, 미리 설정한 고정된 회전수이어도 되고, 하이브리드식 유압쇼벨의 운전상황이나 작업환경에 따라 수시 변경하는 것으로 하여도 된다. 소정의 고회전수는, 엔진(11)을 연료소비율이 낮은 조건에서 운전할 수 있게 되는 회전수이면 된다.

스텝 S7에 있어서 엔진(11)의 회전수가 소정의 고회전수까지 올라갔다고 판정되었을 경우, 처리는 스텝 S8로 진행되고, 전동발전기(12)의 역행운전을 정지한다. 이상의 제어처리에 의하여, 동일한 엔진출력(고출력상태)을 유지하면서, 엔진(11)의 회전수를 미리 정하여진 고회전수까지 올릴 수 있다.

상기 서술한 엔진 구동제어처리에 대하여, 도 5의 등연비선도를 참조하면서 더욱 설명한다.

도 5의 등연비선도에 있어서, 엔진(11)의 통상의 부하시에 유지되는 회전수가 회전수(N)로서 나타나 있다. 또한, 고부하시의 소정의 고회전수가 회전수(H)로서 나타나고, 저부하시의 소정의 저회전수가 회전수(L)로서 나타나 있다. 도 5의 등연비선도의 세로축은 엔진토크를 나타내고 있고, 등출력선이 점선으로 나타나 있다. 등연비선은 굵은 실선으로 나타나 있다. 또한, 엔진(11)이 낼 수 있는 성능을 나타내는 최대 토크선은 M으로서 나타나 있다.

여기서, 도 5의 등연비선도는, 저회전수에서부터 고회전수까지의 회전수영역에 있어서, 한계토크선(M)에 따른 고토크 영역에서 연료소비율을 낮게 유지할 수 있는 연료소비 특성을 나타내는 도면이다. 도 5에는, 회전수의 영향을 받지 않는 띠 형상의 연료소비 특성이 나타나 있다.

상기 서술한 엔진 구동제어처리에 있어서, 고부하시에 엔진(11)의 회전수를 증대시키는 처리(스텝 S6~S8)에서는, 예컨대, 통상의 부하로부터 고부하로 이행하였을 때의 회전수의 증대 및 엔진토크의 감소가, 점(A)으로부터 점(B)으로 이행하는 것으로 표시되어 있다. 점(A)에서의 엔진(11)의 운전상황은, 통상의 회전수(N)로 운전하고 있었을 때에, 예컨대 급격하게 유압부하가 증대하여 엔진(11)에의 부하가 증대하여, 통상의 출력범위를 크게 넘어 버린 등의 상황이다. 이때에 엔진(11)의 회전수를 일정(회전수(N))하게 유지하는 경우는, 엔진(11)의 출력상한을 넘는 요구에 대하여, 엔진(11)의 출력의 부족분을 전동발전기(12)가 어시스트하여 점(X)(130kW)의 출력상태를 유지한다. 그러나, 이 경우에는, 엔진(11)의 연료소비율은 악화되어 버린다. 또한, 높은 출력요구가 연속되는 경우에는, 결국 배터리 전력이 부족하게 된다. 따라서, 본 실시형태에서는, 엔진(11)의 회전수를 일정하게 유지하는 것을 해제하고, 전동발전기(12)로 어시스트하면서 엔진(11)의 회전수가 회전수(H)가 될 때까지 증대시킨다. 즉, 전동발전기(12)(어시스트 모터)를 역행운전함으로써, 엔진(11)을 가속하기 위한 토크를 공급한다. 이 처리가 상기 서술한 스텝 S6~S8의 처리가 된다.

엔진(11)의 회전수가 회전수(H)가 되면, 회전수를 일정하게 유지하는 제어를 재개하여, 회전수를 일정(회전수(H))하게 유지한다. 엔진(11)의 출력은 엔진토크에 엔진회전수를 곱한 값으로 나타나기 때문에, 점(B)에 있어서는, 점(A)보다 회전수가 높아진 만큼 엔진토크는 감소한다. 이로써, 엔진(11)의 운전상황은 점(A)(120kW)로부터 점(B)(130kW)로 이행하고, 출력을 올리면서 연료소비율을 향상시킨다.

한편, 상기 서술한 엔진 구동제어처리에 있어서, 저부하시에 엔진(11)의 회전수를 감소하는 처리(스텝 S3~S5)에서는, 예컨대, 고부하로부터 저부하로 이행하였을 때의 회전수의 감소 및 엔진토크의 증대가, 점(C)으로부터 점(D)으로 이행하는 것으로 나타나 있다. 점(C)에서의 엔진(11)의 운전상황은, 고부하시의 회전수(H)로 운전하고 있었을 때에, 예컨대 급격하게 유압부하가 감소하여 엔진(11)에의 부하가 감소하여 버렸다는 등의 상황이다. 이때에 엔진(11)의 회전수를 일정(회전수(H))하게 유지하는 경우는, 엔진(11)의 출력의 잉여분을 전동발전기(12)가 발전운전하여 소비함으로써 점(Y)(73kW)의 출력상태를 유지한다. 그러나, 이 경우에는, 엔진(11)의 소비효율은 출력 저하되고 있음에도 불구하고 악화되어 버린다. 따라서, 본 실시형태에서는, 엔진(11)의 회전수를 일정하게 유지하는 것을 해제하고, 전동발전기(12)로 발전운전하면서 엔진(11)의 회전수가 회전수(L)가 될 때까지 감소시킨다. 즉, 전동발전기(12)(어시스트 모터)를 발전운전함으로써, 엔진(11)을 감속하기 위한 토크를 흡수한다. 이 처리가 상기 서술한 스텝 S3~S5의 처리가 된다.

엔진(11)의 회전수가 회전수(L)가 되면, 회전수를 일정하게 유지하는 제어를 재개하고, 회전수를 일정(회전수(L))하게 유지한다. 엔진(11)의 출력은 엔진토크에 엔진회전수를 곱한 값으로 나타나기 때문에, 점(D)에 있어서는, 점(C)보다 회전수가 낮아진 만큼 엔진출력은 감소한다. 이로써, 엔진(11)의 연료소비율은 점(C)(80kW)으로부터 점(D)(70kW)으로 이행하여, 출력을 낮추면서 연료소비율을 향상시킨다.

이상과 같이, 상기 서술한 실시형태에서는, 엔진(11)에의 부하의 크기에 따라 엔진(11)의 회전수를 가변한다. 저부하가 되었을 때에 엔진(11)의 회전수를 저감함에 있어서는, 전동발전기(12)를 발전운전하여 발전을 행함으로써 엔진(11)을 감속한다. 한편, 고부하가 되었을 때에 엔진(11)의 회전수를 증대함에 있어서는, 전동발전기(12)를 역행운전하여 엔진(11)을 어시스트함으로써 엔진(11)을 가속한다. 이로써, 저부하시에 있어서도 고부하시에 있어서도, 엔진(11)의 연료소비율을 향상할 수 있다. 또한, 한계토크선을 넘지 않도록 최대 유압부하를 설정하고 있기 때문에, 엔진(11)의 출력을 넘은 유압부하가 걸리지 않아, 과잉부하를 전동발전기(12)로 보충할 필요가 없어진다. 이로 인하여, 엔진(11)으로부터 메인펌프(14)(유압펌프)에 동력을 전달하기만 하면, 유압부하의 요구에 대응할 수 있다. 또한, 전동발전기(12)는 엔진회전수를 증대시키는 만큼의 어시스트 운전을 행하기만 하면 된다. 따라서, 전동발전기(12)가 어시스트 운전할 때의 전기적 에너지 손실이나, 기어에 있어서의 기계적인 에너지 손실을 저감할 수 있다.

또한, 엔진회전수의 저회전과 고회전을 전환할 때의 응답성이나 엔진출력이 안정된다. 또한, 고부하가 걸렸을 때에는, 가속분을 어시스트함으로써, 엔진회전수를 안정적으로 올리는 것이 가능하게 되고, 부하분은 주로 엔진(11)으로부터 출력함으로써, 전동발전기(12)를 구동하기 위한 배터리의 소용량화, 공간절약화를 도모할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시형태에 의한 하이브리드식 건설기계의 구동제어에 대하여, 상기 서술한 하이브리드식 유압쇼벨의 구동제어를 예로 들어 설명한다.

본 발명의 제2 실시형태에 의한 엔진의 구동제어에서는, 상기 서술한 제1 실시형태와 마찬가지로, 엔진(11)에의 부하의 크기에 따라 엔진(11)의 회전수가 가변된다. 또한, 등연비 특성에 대하여서도 마찬가지로, 한계토크선(M)에 따른 고토크 영역에서 연료소비율을 낮게 유지할 수 있는 연료소비 특성을 가진다. 저부하시에 엔진(11)의 회전수를 저감할 때에는, 전동발전기(12)(어시스트 모터)를 발전운전하여 발전을 행함으로써 엔진(11)을 감속한다. 즉, 저부하시에 엔진(11)의 회전수를 낮출 때의 감속에 필요한 토크는, 전동발전기(12)를 발전운전함으로써 발생시킨다. 한편, 고부하시에 엔진(11)의 회전수를 증대할 때에는, 전동발전기(12)를 역행운전하여 엔진(11)을 어시스트함으로써 엔진(11)을 가속한다. 즉, 고부하시에 엔진(11)의 회전수를 올릴 때의 가속에 필요한 토크는, 전동발전기(12)를 역행운전함으로써 발생시킨다.

본 발명의 제2 실시형태에 의한 엔진의 구동제어에서는, 엔진(11)의 회전수의 가변범위가 결정되어 있고, 엔진(11)의 회전수는 가변범위 내에서 수시 적절한 회전수로 설정된다. 가변범위는 소정의 하한치와 소정의 상한치 사이의 범위이며, 가변범위 내에서는, 엔진(11)의 회전수는 기준토크선에 따른 값으로 설정된다. 기준토크선이란, 등연비선도에 있어서, 동일한 토크를 발생할 때에 엔진(11)의 연료소비율이 가능한 한 양호하여지는 엔진회전수를 이은 선이다.

여기서, 기준토크선에 대하여, 도 6 및 도 7을 참조하면서 설명한다. 도 6의 등연비선도에 있어서, 엔진(11)의 회전수의 하한치가 회전수(L)로서 나타나고, 상한치가 회전수(H)로서 나타나 있다. 엔진(11)의 회전수는, 회전수(L)와 회전수(H) 사이에서 임의의 적절한 값이 되도록 제어된다. 도 6의 등연비선도의 세로축은 엔진토크를 나타내고 있고, 등출력선이 점선으로 나타나 있다. 등연비선은 굵은 실선으로 나타나 있다. 또한, 기준토크선(Tr)은 굵은 일점쇄선으로 나타나 있다.

기준토크선(Tr)은, 도 6의 등연비선도에 있어서, 토크가 최대치에 가까운 영역에 있어서 연료소비율이 가능한 한 양호하여지는 점을 이은 연속선으로서 정의된다. 바꾸어 말하면, 기준토크선(Tr)은, 회전수가 변화하였을 때에, 그 회전수에서의 토크의 최대치에 가까운 영역에 있어서 양호한 연료소비율이 얻어지는 점을 이은 선이며, 저연비 영역에 근거하여 설정된다.

엔진(11)의 토크가 작을 때, 즉, 도 6의 등연비선도에 있어서, 기준토크선(Tr)보다 작은 토크를 출력할 때에는, 회전수는 하한치인 회전수(L)로 설정되어 있고, 엔진(11)이 출력하여야 할 토크가 상승하여도 회전수는 일정(회전수(L))하게 유지된다. 즉, 엔진(11)의 운전상태는 도 6의 화살표(X)에 따라 변화한다. 엔진(11)이 출력하여야 할 토크가 상승하여 기준토크선(Tr)을 넘으면, 회전수를 가변으로 하여 엔진(11)의 운전이 제어된다. 구체적으로는, 회전수가 기준토크선(Tr)을 따라 화살표(Y)의 방향으로 변화하도록 엔진(11)의 운전이 제어된다.

도 7은 회전수를 기준토크선(Tr)을 따라 변화시킬 때의 제어처리를 설명하기 위한 도면이며, 도 6의 등연비선도의 일부를 나타내고 있다. 기준토크선(Tr)을 중심으로 하여 토크가 큰 측에 상한토크선(Tmax)이 설정되고, 작은 측에 하한토크선(Tmin)이 설정된다. 상한토크선(Tmax)보다 위의 영역에서는 엔진(11)에의 부하는 고부하이고, 하한토크선(Tmin)보다 아래의 영역에서는 엔진(11)에의 부하는 저부하라고 판단할 수 있다. 기준토크선(Tr)에 있어서의 회전수 및 토크로 운전하고 있던 엔진(11)에(도 7에 있어서의 점(A)의 상태), 보다 큰 토크의 출력이 요구되었을 경우(엔진부하가 증대하였을 경우), 먼저 그때의 회전수를 유지하면서 출력토크가 증대하도록 엔진(11)의 제어가 행하여진다. 이때, 도 7에 있어서의 등연비선도에 있어서, 엔진(11)의 운전상태는, 회전수가 일정하고 토크가 상승하는 방향으로 변화한다. 즉, 도 7에 있어서 점(A)으로부터 상방을 향하여 화살표(a)의 방향으로 운전상태가 변화한다.

회전수 일정에서 토크를 상승하여 가서, 토크가 Δt1만큼 상승하여 상한토크선(Tmax)에 이르면(도 7에 있어서의 점(B)의 상태가 된다), 그때까지 일정하게 유지하여 온 회전수를 증대하는 제어가 행하여진다. 이때 회전수는 소정의 회전수(Δr)만큼 증대시킨다. 이 회전수의 증대는 도 7에 있어서 화살표(b)로 나타난다. 이때의 회전수의 증대는, 회전수(Δr)에 상당하는 만큼 전동발전기(12)(어시스트 모터)를 역행운전하여 엔진(11)을 어시스트함으로써 행하여진다.

엔진(11)의 회전수를 Δr만큼 증대시키면, 그에 따라 출력도 증대되어, 엔진(11)의 운전상태는 점(C)으로 옮겨진다. 여기서, 현재 엔진(11)에 요구되고 있는 토크는 점(B)에 있어서의 토크이며, 점(C)에 있어서의 회전수로 함으로써, 점(C)에 있어서의 토크를 저감시키고, 점(B)에 있어서의 출력과 동일하여지도록 제어가 행하여진다. 즉, 점(C)의 상태로부터 화살표(c)로 나타내는 바와 같이 엔진에 걸리는 토크를 Δt2만큼 작게 할 수 있다. 이 제어의 결과, 엔진(11)의 운전상태는 점(C)으로부터 점(D)으로 변화한다. 점(B)과 점(D)은 동일한 출력의 점이며, 점(D)은 점(B)으로부터 등출력선을 따라 이동한 점이 된다. 따라서, 점(D)은 점(B)을 통과하는 등출력선과 기준토크선(Tr)과의 교점이다.

점(B)(즉 점(D))에 있어서의 출력이 요구되는 출력이라면, 엔진(11)의 회전수는 점(A)에서의 회전수로부터 Δr만큼 증대한 회전수, 즉 점(D)에 있어서의 회전수로 유지된다. 보다 큰 토크가 요구되면, 점(D)으로부터 시작하여, 상기 서술한 점(A)~점(D)까지의 제어와 동일하도록 운전상태가 제어되고, 엔진(11)의 회전수는 보다 높은 회전수가 되도록 제어된다.

이상과 같이, 엔진(11)에 고부하가 가하여져서 출력토크를 증대할 때에는, 기준토크선(Tr)으로부터의 토크 편차분(Δt)에 상당하는 엔진회전수의 증대분(Δr)을 구하고, 엔진(11)의 목표 회전수를 현재의 회전수(R)에 Δr을 더한 값(R+Δr)으로 갱신한다. 그리고, 엔진(11)의 회전수가 갱신된 목표 회전수(R+Δr)가 되도록, 전동발전기(12)(어시스트 모터)에 역행운전지령을 내린다. 이로써, 엔진(11)의 회전수를 증대시켜 출력을 증대시키면서, 기준토크선(Tr)을 따르는 연료소비율을 달성할 수 있다.

엔진(11)의 부하가 내려갔을 경우에는, 상기 서술한 제어와 반대의 제어를 행하면 된다. 즉, 엔진(11)의 부하가 고부하로부터 내려갔을 경우에는, 먼저, 현재의 회전수를 유지하면서 토크가 저감되고, 토크가 Δt1만큼 작아져 하한토크선(Tmin)에 이르면(도 7에 있어서의 점(F)의 상태가 된다), 그때까지 일정하게 유지하여 온 회전수를 저감하는 제어가 행하여진다. 이때 회전수는 소정의 회전수(Δr)만큼 저감시킨다. 이 회전수의 저감은 도 7에 있어서 화살표(f)로 나타난다. 이때의 회전수의 저감은, 회전수(Δr)에 상당하는 만큼 전동발전기(12)(어시스트 모터)를 발전운전하여 엔진(11)에 부하를 부여함으로써 행하여진다.

엔진(11)의 회전수를 Δr만큼 저감시키면, 그에 따라 출력도 저감되고, 엔진(11)의 운전상태는 점(G)로 옮겨진다. 여기서, 현재 엔진(11)에 요구되고 있는 출력은 점(F)에 있어서의 출력이며, 점(G)에 있어서의 토크로는 너무 작다. 따라서, 점(G)에 있어서의 회전수를 유지한 채로 토크를 증대하여 점(F)에 있어서의 출력에 동일하여지도록 엔진(11)의 제어가 행하여진다. 즉, 점(G)의 상태로부터 화살표(g)로 나타내듯이 토크가 Δt2만큼 커지도록 엔진(11)의 제어가 행하여진다. 이 제어의 결과, 엔진(11)의 운전상태는 점(G)으로부터 점(D)으로 변화한다. 점(F)과 점(D)은 동일한 출력의 점이며, 점(D)은 점(F)으로부터 등출력선을 따라 이동한 점이 된다. 따라서, 점(D)은 점(F)을 통과하는 등출력선과 기준토크선(Tr)의 교점이다.

점(F)(즉 점(D))에 있어서의 토크가 요구되는 토크라면, 엔진(11)의 회전수는 점(F)에서의 회전수로부터 Δr만큼 저감된 회전수, 즉 점(D)에 있어서의 회전수로 유지된다. 보다 작은 토크가 요구되면, 점(D)으로부터 시작하여, 상기 서술한 점(E)~점(D)까지의 제어와 동일하도록 운전상태가 제어되고, 엔진(11)의 회전수는 보다 낮은 회전수가 되도록 제어된다.

이상과 같이, 엔진(11)에의 부하가 감소하여 출력토크를 저감할 때에는, 기준토크선(Tr)으로부터의 토크 편차분(Δt)에 상당하는 엔진회전수의 저감분(Δr)을 구하여, 엔진(11)의 목표 회전수를 현재의 회전수(R)로부터 Δr을 뺀 값(R-Δr)으로 갱신한다. 그리고, 엔진(11)의 회전수가 갱신된 목표 회전수(R-Δr)가 되도록, 전동발전기(12)(어시스트 모터)에 발전운전지령을 내린다. 이로써, 엔진(11)의 회전수를 저감시켜 토크를 저감시키면서, 기준토크선(Tr)을 따른 연료소비율을 달성할 수 있다. 또한, 한계토크선(M)을 넘지 않도록 최대 유압부하를 설정하고 있기 때문에, 엔진(11)의 출력을 넘은 유압부하가 걸리지 않아, 과잉부하를 전동발전기(12)로 보충할 필요가 없어진다. 이로 인하여, 엔진(11)으로부터 메인펌프(14)(유압펌프)에 동력을 전달하기만 하면, 유압부하의 요구에 대응할 수 있다. 또한, 전동발전기(12)는 엔진회전수를 증대시키는 만큼의 어시스트 운전을 행하기만 하면 된다. 따라서, 전동발전기(12)가 어시스트 운전할 때의 전기적 에너지 손실이나, 기어에 있어서의 기계적인 에너지 손실을 저감할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 의한 엔진의 구동제어처리의 플로우차트이다.

먼저, 스텝 S11에 있어서, 요구되는 부하를 산출하고, 현재의 엔진회전수에 있어서의 출력하여야 할 토크를 구한다. 다음으로, 스텝 S12에 있어서, 현재의 엔진회전수에 있어서의 토크와, 출력하여야 할 토크의 편차(Δt)를 산출한다. 여기서, 현재의 출력토크는 기준토크선(Tr) 상의 토크이다.

이어서, 처리는 스텝 S13으로 진행되고, 스텝 S11에서 산출한 부하가 저부하인지, 중부하인지, 고부하인지를 판정한다. 저부하란, 스텝 S12에서 산출한 Δt가, 기준토크선(Tr)과 하한토크선(Tmin)의 차와 동일하거나 그보다 큰 경우이다. 중부하란, 스텝 S12에서 산출한 Δt가, 기준토크선(Tr)과 하한토크선(Tmin)의 차보다 작거나, 기준토크선(Tr)과 상한토크선(Tmax)의 차보다 작은 경우이다. 고부하란, 스텝 S12에서 산출한 Δt가, 기준토크선(Tr)과 상한토크선(Tmax)의 차와 동일하거나 그보다 큰 경우이다.

스텝 S13에 있어서, 저부하라고 판정되면, 처리는 스텝 S14로 진행된다. 스텝 S14에서는, 토크편차(Δt)에 근거하여 저감하여야 할 엔진(11)의 회전수(Δr)를 산출한다. 그리고, 스텝 S15에 있어서, 엔진(11)의 목표 회전수를, 현재의 회전수(R)로부터 회전수(Δr)를 뺀 값(R-Δr)으로 변경한다. 이어서, 스텝 S16에 있어서, 메인펌프(14)(유압펌프)의 출력을 보정한다. 즉, 회전수를 저감하기 위하여 메인펌프(14)의 출력이 작아지는 만큼 메인펌프의 출력을 보정하고, 메인펌프(14)의 출력이 일정하게 되도록 펌프 마력을 설정한다. 다음으로, 스텝 S17에 있어서, 전동발전기(12)(어시스트 모터)를 발전운전시키기 위한 어시스트 모터 토크지령을 전동발전기(12)에 출력하고, 처리를 종료한다. 이 어시스트 모터 토크지령에 의하여, 전동발전기(12)(어시스트 모터)가 발전운전을 행함으로써, 엔진(11)에 부하를 부여하고, 이로써 엔진(11)의 회전수가 목표치(R-Δr)가 된다.

스텝 S13에 있어서, 중부하라고 판정되면, 처리는 스텝 S18로 진행된다. 스텝 S18에서는, 엔진(11)의 회전수를 현재의 회전수로 유지하는 제어가 행하여진다. 즉, 토크의 변화분이 토크편차(Δt) 이내이므로, 회전수를 일정하게 유지한 채로 출력토크를 저감 혹은 증대시킨다.

한편, 스텝 S13에 있어서, 고부하라고 판정되면, 처리는 스텝 S19로 진행된다. 스텝 S19에서는, 토크편차(Δt)에 근거하여 증대하여야 할 엔진(11)의 회전수(Δr)를 산출한다. 그리고, 스텝 S20에 있어서, 엔진(11)의 목표 회전수를, 현재의 회전수(R)에 회전수(Δr)를 더한 값(R+Δr)으로 변경한다. 이어서, 스텝 S21에 있어서, 메인펌프(14)(유압펌프)의 출력을 보정한다. 즉, 회전수를 증대하기 위하여서 메인펌프(14)의 출력이 커지는 만큼 메인펌프(14)의 출력을 보정하고, 메인펌프(14)의 출력이 일정하게 되도록 펌프 마력을 설정한다. 다음으로, 스텝 S22에 있어서, 전동발전기(12)(어시스트 모터)를 역행운전시키기 위한 어시스트 모터 토크지령을 전동발전기(12)에 출력하고, 처리를 종료한다. 이 어시스트 모터 토크지령에 의하여, 전동발전기(12)(어시스트 모터)가 역행운전을 행함으로써, 엔진(11)을 어시스트하고, 이로써 엔진(11)의 회전수가 목표치(R+Δr)가 된다.

이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 엔진(11)의 회전수를 소정의 범위 내에서 기준토크선(Tr)을 따라 임의의 회전수로 제어하면서, 연료소비율이 가능한 한 낮아지는 조건에서 엔진(11)을 운전할 수 있다. 또한, 토크가 기준토크선을 중심으로 한 소정의 범위를 넘었을 때에 회전수를 가변 제어하고, 연료소비율이 가능한 한 낮아지는 조건에서 엔진(11)을 운전할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 실시형태에 의한 하이브리드식 건설기계의 구동제어에 대하여, 상기 서술한 하이브리드식 유압쇼벨의 구동제어를 예로 들어 설명한다.

본 발명의 제3 실시형태에 의한 엔진의 구동제어는, 엔진(11)에의 부하가 중부하 및 고부하인 때에는, 상기 서술한 제2 실시형태에 의한 구동제어와 동일하지만, 엔진(11)에의 부하가 극히 작은 경우에 전동발전기(12)의 출력만으로 엔진(11)을 구동한다는 점이 다르다. 이하, 제3 실시형태에 의한 하이브리드식 건설기계의 구동제어에 대하여, 상기 서술한 제2 실시형태에 의한 하이브리드식 건설기계의 구동제어와 상위한 부분을 중심으로 하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 제3 실시형태에 의한 엔진의 구동제어처리의 플로우차트이다. 도 9에 있어서, 도 8에 나타내는 스텝과 동일한 스텝에는 동일한 스텝 번호를 붙이고, 그 설명은 적절히 생략한다.

도 9에 있어서, 부하 추정으로부터 부하 판정까지는 도 8의 스텝 S11~S13의 처리와 동일하다. 그리고, 스텝 S13에서 중부하로 판정된 경우는, 스텝 S18로 진행되어 엔진의 회전수를 현재의 회전수로 유지하는 제어를 행한다. 또한, 스텝 S13에서 고부하로 판정된 경우도, 스텝 S19~스텝 S22까지의 처리를 행하고, 전동발전기(12)를 역행운전시키기 위한 어시스트 모터 토크지령(가속분의 토크지령)을 전동발전기(12)에 출력한다. 이상의 처리는 도 8에 나타내는 제2 실시형태에 의한 구동제어와 동일하다.

한편, 스텝 S13에 있어서, 저부하라고 판정되었을 경우, 본 실시형태에서는, 스텝 S30으로 진행된다. 스텝 S30에서는, 엔진(11)에의 부하가 소정의 임계값 이하인지 아닌지가 판정된다. 엔진(11)에의 부하는, 유압부하 출력요구와 전기부하 출력요구를 합산한 부하이며, 이하의 설명에서는 종합출력요구라고도 칭한다.

종합부하가 소정의 임계값보다 큰 경우(즉 소정의 임계값 이하가 아닌 경우)는, 처리는 스텝 S14로 진행되고, 도 8에 나타내는 스텝 S14~스텝 S17까지의 처리가 행하여진다. 한편, 스텝 S13에 있어서 종합출력요구가 소정의 임계값 이하라고 판정된 경우는, 처리는 스텝 S31로 진행된다. 스텝 S31에서는, 전동발전기(12)(어시스트 모터)의 출력만으로 종합출력요구를 처리하도록 제어를 행한다. 즉, 스텝 S13에 있어서 종합출력요구가 소정의 임계값 이하라고 판정된 경우는, 종합출력요구가 극히 작기 때문에(극저부하), 엔진(11)의 출력을 이용하지 않고, 전동발전기(12)의 출력만(즉, 배터리(19)의 출력만)을 이용한다.

이하, 스텝 S30~스텝 S31에서의 제어에 대하여 상세하게 설명한다. 도 10은 본 실시형태에 의한 구동제어의 개념을 나타내는 도면이다.

먼저, 제어에 이용되는 파라미터로서, 배터리 정보, 전기부하 출력요구, 및 유압부하 출력요구가 있다. 배터리 정보는, 배터리(19)의 현재의 상태를 나타내는 정보이며, 목표 충전율(SOC), 현재의 충전율(SOC), 충전 시간·방전 시간, 최대 및 최소 충전율(SOC) 등의 정보가 포함된다. 전기부하 출력요구는, 전기부하(56)가 필요로 하고 있는 전력이며, 구체적으로는 본 실시형태에서는 선회용 전동기(21)를 역행운전하기 위한 전력이다. 유압부하 출력요구는, 유압부하(54)가 필요로 하고 있는 출력이며, 유압펌프인 메인펌프(14)를 구동하기 위하여 필요로 하는 동력에 상당한다.

먼저, 상기 서술한 유압부하 출력요구와 전기부하 출력요구는 모두 엔진(11)으로부터의 출력으로 처리하는 것으로 가정하고, 엔진(11)이 출력하여야 할 동력을 구한다. 즉, 유압부하 출력요구와 전기부하 출력요구를 합산하여 종합출력요구를 구한다. 유압부하 출력요구와 전기부하 출력요구는, 건설기계의 운전상황에 따라 시간과 함께 변화한다.

도 11은 유압부하 출력요구와 전기부하 출력요구와 그들을 합산한 종합출력요구의 시간변화를 나타내는 그래프이다. 도 11에 있어서, 유압부하 출력요구는 일점쇄선으로 나타나고, 전기부하 출력요구는 점선으로 나타나 있다. 또한, 유압부하 출력요구와 전기부하 출력요구와 그들을 합산한 종합출력요구는 실선으로 나타나 있다.

여기서, 종합출력요구를 엔진(11)의 출력으로 처리하는 것으로 하지만, 종합출력요구에 대한 임계값을 설정하여 두고, 엔진(11)이 출력하여야 할 종합출력요구가 이 임계값 이하인 경우는, 엔진(11)의 출력을 이용하지 않고 배터리(19)의 출력으로 처리하는 것으로 한다. 즉, 종합출력요구가 임계값 이하인 경우는, 엔진(11)은 일정한 회전수를 유지하기 위하여서만 운전된다. 그리고, 종합출력요구가 임계값 이하인 경우는, 전동발전기(12)를 역행운전함으로써 유압펌프(14)를 구동하여 유압부하 출력요구를 만족시키고, 또한 배터리(19)로부터의 전력을 공급함으로써 전기부하 출력요구를 만족시키는 것으로 한다. 종합출력요구가 임계값 이하인 경우는, 엔진(11)이 출력하여야 할 동력이 작기 때문에 엔진(11)의 연료소비율이 나쁜 조건이라고 판단하고, 일부러 엔진(11)의 회전수를 유지하기 위한 운전으로 하고, 유압부하가 필요로 하는 출력은 모두 전동발전기(12)의 역행운전으로 처리하도록 제어한다.

한편, 엔진(11)이 출력하여야 할 종합출력요구가 임계값보다 큰 경우는, 엔진(11)이 내야 할 출력은 충분히 크고, 엔진(11)을 연료소비율이 양호한 조건에서 운전할 수 있다고 판단하고, 종합출력요구를 전부 엔진(11)으로부터의 출력으로 처리하는 것으로 한다. 구체적으로는, 유압부하 출력요구는 엔진(11)의 출력에 의하여 유압펌프(14)를 구동하여 처리하고, 전기부하 출력요구는 엔진(11)의 출력에 의하여 전동발전기(12)를 발전운전함으로써 처리한다.

도 12는 상기 서술한 임계값을, 도 11에 있어서의 종합출력의 그래프에 추가한 그래프이다. 종합출력요구가 임계값 이하인 부분에 사선이 처리되어 있고, 이 사선의 부분에서는 배터리(19)로부터의 전력에 의하여 종합출력요구가 처리되고, 종합출력요구가 임계값보다 큰 부분에서는 엔진(11)의 출력으로 종합출력요구가 처리되고 있다.

상기 서술한 제어는, 배터리(19)에 대한 충전을 고려하고 있지 않지만, 배터리(19)에 충전을 행하는 경우는, 배터리(19)는 전기부하로서 작용한다. 따라서, 배터리(19)에의 충전도 고려한 구동제어에 대하여 이하에 설명한다.

먼저, 상기 서술한 종합출력요구를 산출할 때에, 유압부하 출력요구와 전기부하 출력요구에 더하여 배터리 출력요구도 합산하는 것으로 한다. 전기부하에는, 선회용 전동기(21)와 배터리(19)가 포함되므로, 선회용 전동기(21)가 요구하는 전력을 모터부하 출력요구라 칭하고, 배터리(19)가 요구하는 충전전력을 배터리 출력요구라 칭한다.

도 13은, 유압부하 출력요구, 모터부하 출력요구, 배터리 출력요구, 및 그들을 합산한 종합출력요구의 시간적 변화를 나타내는 그래프이다. 건설기계의 운전 중에 시시각각 조건이 변화한다. 도 13에 나타내는 조건 A1~A7는, 종합출력요구가 임계값 이하인 경우이며, 조건 B1~B7에서는, 종합출력요구가 임계값보다 크게 되어 있다.

도 14는, 조건 A1~A7에 있어서, 유압부하 출력요구, 모터부하 출력요구, 배터리 출력요구의 상태를 나타내고, 또한 그때의 전동발전기(12)의 출력(어시스트 출력), 배터리(19)의 출력(배터리 출력), 엔진(11)의 출력상태도 나타내는 표이다. 도 14에 있어서 ○표시는 출력의 요구가 있거나, 혹은 출력이 있는 것을 나타내고, ×표시는 출력의 요구가 없거나, 혹은 출력이 없는 것을 나타내고 있다. 또한, 어시스트 출력의 난(欄)에 있어서의 「어시스트」는 전동발전기(12)가 역행운전되어 엔진(11)을 어시스트하고 있는 것을 나타내고, 「공전」은 전동발전기(12)가 역행운전도 발전운전도 하고 있지 않고, 공회전하고 있는 것을 나타내고 있다.

마찬가지로, 도 15는, 조건 B1~B7에 있어서, 유압부하 출력요구, 모터부하 출력요구, 배터리 출력요구의 상태를 나타내고, 또한 그때의 전동발전기(12)의 출력(어시스트 출력), 배터리(19)의 출력(배터리 출력), 엔진(11)의 출력상태도 나타내는 표이다. 도 15에 있어서 ○표시는 출력의 요구가 있거나, 혹은 출력이 있는 것을 나타내고, ×표시는 출력의 요구가 없거나, 혹은 출력이 없는 것을 나타내고 있다. 또한, 어시스트 출력의 난에 있어서의 「발전」은 전동발전기(12)가 엔진(11)의 출력에 의하여 발전운전되어 전력을 발생하고 있는 것을 나타내고, 「공전」은 전동발전기(12)가 역행운전도 발전운전도 하고 있지 않고, 공회전하고 있는 것을 나타내고 있다.

예컨대, 도 13에 나타내는 시간(t1)에서는 조건 A3로 되어 있고, 도 14의 조건 A3의 난에 나타내는 바와 같이, 유압부하 출력요구 및 모터부하 출력요구는 없고, 배터리 출력요구만이 있다. 따라서, 종합출력요구는 배터리 출력요구와 동일하다. 그리고, 시간(t1)에서는, 종합출력요구는 임계값 이하로 되어 있다. 이로 인하여, 엔진(11)은 동력을 출력하지 않고 일정 회전수를 유지하여 운전하도록 제어되고, 전동발전기(12)는 공회전하도록 제어된다. 따라서 배터리 출력요구는 있지만, 엔진(11)의 출력이 정지되어 있으므로, 배터리에의 충전은 행하여지지 않고, 배터리 출력요구는 무시된다.

시간(t1)에 이어지는 시간(t2)에서는 조건 B3로 되어 있고, 도 15의 조건 B3의 난에 나타내는 바와 같이, 배터리 출력요구만으로 이루어지는 종합출력요구가 임계값을 넘기 때문에, 엔진(11)의 출력이 허용되고, 엔진(11)의 출력에 의하여 전동발전기(12)가 발전운전된다. 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력은 배터리(19)에 공급되고, 배터리(19)는 충전된다.

이어서, 시간(t3) 동안은 조건 B7로 되어 있고, 도 15의 B7의 난에 나타내는 바와 같이, 배터리 출력요구에 더하여 모터부하 출력요구가 발생하고, 배터리 출력요구와 모터부하 출력요구를 합산한 종합출력요구가 임계값을 넘고 있다. 따라서, 엔진(11)의 출력이 허용되고, 엔진(11)의 출력에 의하여 전동발전기(12)가 발전운전된다. 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력은 배터리(19)에 공급됨과 함께, 모터부하 출력요구를 내고 있는 선회용 전동기(21)에도 공급된다.

이어서, 시간(t4)에서는 조건 A2로 되어 있고, 도 13에 나타내는 바와 같이 배터리 출력요구와 모터부하 출력요구가 감소하고, 배터리 출력요구와 모터부하 출력요구를 합산한 종합출력요구가 임계값 이하로 되어 있다. 따라서, 도 14의 조건 A2의 난에 나타내는 바와 같이, 엔진(11)은 일정한 회전수를 유지하기만 하고 동력을 출력하지 않도록 제어되고, 전동발전기(12)도 공회전하도록 제어된다. 따라서 배터리 출력요구는 있지만, 엔진(11)의 출력이 정지되어 있으므로, 배터리(19)에의 충전은 행하여지지 않고, 배터리 출력요구는 무시된다. 다만, 모터부하 출력요구가 있으므로, 배터리(19)로부터 전력이 전기부하인 선회용 전동기(21)에 공급되고, 선회용 전동기(21)는 요구한 바와 같이 역행운전된다.

이어서, 시간(t5) 동안은 조건 A6으로 되어 있고, 도 13에 나타내는 바와 같이 유압부하 출력요구가 발생하고, 종합출력요구는 배터리 출력요구와 유압부하 출력요구를 합산한 것이 된다. 다만, 시간(t5)에서는, 종합출력요구는 임계값 이하이기 때문에, 도 14의 조건 A6의 난에 나타내는 바와 같이, 엔진(11)은 일정한 회전수를 유지하기만 하고 동력을 출력하지 않도록 제어된다. 다만, 유압부하 출력요구가 있으므로, 배터리(19)로부터 전력이 전동발전기(12)에 공급되고, 전동발전기(12)가 역행운전되어 유압펌프(14)가 구동된다. 따라서, 유압펌프(14)로부터 유압이 유압부하에 공급된다. 즉, 유압펌프(14)는 엔진(11)의 출력이 아니라 배터리(19)의 출력(전력)에 의하여 구동된다. 여기서, 이 경우도, 배터리 출력요구는 있지만, 엔진(11)의 출력이 정지되어 있으므로, 배터리(19)에의 충전은 행하여지지 않고, 배터리 출력요구는 무시된다.

이어서, 시간(t6) 동안은 조건 B6로 되어 있고, 유압부하 출력요구가 증대하였기 때문에 종합출력요구가 임계값을 넘고 있다. 따라서, 엔진(11)의 출력이 허용되고, 엔진(11)의 출력에 의하여 유압펌프(14)가 구동됨과 함께 전동발전기(12)가 발전운전된다. 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력은 배터리(19)에 공급되고, 배터리(19)는 충전된다.

여기서, 도 13에 있어서, 해칭이 실시된 부분은, 엔진(11)으로부터의 출력에 의하여 유압부하, 혹은 전기부하의 출력요구가 처리되거나, 또는 배터리(19)에 전력이 공급되고 있는 부분이다. 한편, 크로스 해칭이 실시된 부분은, 배터리(19)의 출력에 의하여 유압부하 혹은 전기부하의 출력요구가 처리되고 있는 부분이다.

다만, 본 실시형태에서는 하나의 임계값을 설정하여, 엔진(11)만의 출력으로 종합출력요구에 대응시키는 경우와, 전동발전기(12)만의 출력으로 종합출력요구에 대응시키는 경우만을 설명하였다. 그러나, 복수의 임계값을 설정하여, 엔진(11)과 전동발전기(12)의 출력비율을 서서히 바꾸도록 하여도 좋다. 이 경우, 종합출력요구가 작은 경우에는 전동발전기(12)만의 출력으로 대응한다. 그리고, 서서히 종합출력요구가 커져서 제1 임계값에 도달하면, 전동발전기(12)의 출력에 엔진(11)으로부터의 출력을 더하여 간다. 그 후, 종합출력요구가 커짐에 따라, 전동발전기(12)에 대한 엔진(11)의 출력의 비율을 증가시킨다. 그리고, 전동발전기(12)의 출력보다도 엔진(11)의 출력의 비율이 커지고, 더욱 종합출력요구가 증가하면, 전동발전기(12)로부터의 출력을 정지시키고, 엔진(11)의 출력만으로 대응하도록 하여도 좋다. 이와 같이, 엔진(11) 혹은 전동발전기(12)만으로 구동시킬 뿐 아니라, 어느 하나를 주로 하여 이용하도록 하여도 좋다.

이상과 같이, 본 실시형태에서는, 유압부하 출력요구, 모터부하 출력요구, 및 배터리 출력요구의 유무, 및 그들을 합산한 종합출력요구와 임계값의 비교에 근거하여, 시간의 경과에 의하여 시시각각 바뀌는 건설기계의 운전상황을 판단하면서, 연료소비율이 양호한 고부하시에만 엔진(11)의 출력을 이용하고 있다. 이로써, 배터리(19)의 충전율을 양호한 상태로 유지하면서, 엔진(11)의 구동을 제어하여 엔진(11)의 연료소비율을 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 예시적인 실시형태의 하이브리드형 작업기계에 대하여 설명하였지만, 본 발명은, 구체적으로 개시된 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 특허청구의 범위로부터 일탈하지 않고, 다양한 변형이나 변경이 가능하다.

본 출원은 2008년 6월 27일 출원된 우선권주장 일본 특허출원 2008-169472호, 2008년 9월 8일 출원된 우선권주장 일본 특허출원 2008-230000호, 및 2008년 9월 18일 출원된 우선권주장 일본 특허출원 2008-239851호에 근거하는 것이고, 그 전체 내용은 여기에 원용된다.

본 발명은, 엔진의 구동을 전동기에 의하여 어시스트하는 하이브리드식 건설기계에 적용 가능하다.

1 하부주행체
1A, 1B 주행기구
2 선회기구
3 상부선회체
4 붐
5 아암
6 버킷
7 붐 실린더
8 아암 실린더
9 버킷 실린더
10 캐빈
11 엔진
12 전동발전기
13 감속기
14 메인펌프
15 파일럿펌프
16 고압 유압라인
17 컨트롤밸브
18 인버터
19 배터리
20 인버터
21 선회용 전동기
23 메카니컬 브레이크
24 선회 감속기
25 파일럿 라인
26 조작장치
26A, 26B 레버
26C 페달
27 유압라인
28 유압라인
29 압력센서
30 컨트롤러
32 엔진제어부
40 구동제어장치
54 유압부하
56 전기부하

Claims (17)

1. 엔진과, 상기 엔진에 의하여 구동되는 유압펌프와, 상기 유압펌프로부터의 유압에 의하여 구동되는 유압액추에이터와, 상기 엔진의 구동을 어시스트하는 전동기와, 상기 엔진에 의하여 구동되어 발전하는 발전기를 가지는 하이브리드식 건설기계로서,
   상기 엔진에의 부하의 크기에 따라, 상기 엔진의 회전수를 가변하고,
   상기 엔진에의 요구부하가 저감하면, 상기 발전기에 의하여 발전을 행함으로써 상기 엔진을 감속하고,
   상기 엔진에의 요구부하가 증대하면, 상기 전동기를 구동하여 상기 엔진을 어시스트함으로써 상기 엔진을 가속하고,
   상기 엔진의 회전수가 미리 정하여진 저(低)회전수 또는 미리 정하여진 고(高)회전수에 이를 때까지는, 상기 발전기 또는 상기 전동기를 구동하고,
   상기 엔진의 회전수가 상기 미리 정하여진 저회전수 또는 상기 미리 정하여진 고회전수에 이른 후는, 상기 발전기 또는 상기 전동기의 가감속분의 출력을 정지하는 것
   을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 엔진의 최대정격출력을, 상기 유압펌프의 요구부하가 넘지 않도록 설정한 것
   을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 엔진의 최대정격출력을, 전기부하와 유압부하의 합계가 넘지 않도록 설정한 것
   을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 엔진의 등(等)연비선도에 있어서의 저연비 영역에 근거하여 기준토크선을 설정하고, 상기 엔진의 회전수가 상기 기준토크선에 대응하여 변화하도록 상기 엔진의 운전상태를 제어하는 것
   을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 기준토크선은, 연료소비율이 양호한 값이 되도록 설정되는 것
   을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 엔진의 등연비선도에 있어서 연료소비율이 미리 정해져 있는 양호한 값이 되는 기준토크선을 설정하고, 상기 엔진의 회전수가 상기 기준토크선에 따라 변화하도록 상기 엔진의 운전상태를 제어하는 것
   을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 엔진에 요구되는 토크가, 상기 기준토크선을 중심으로 한 미리 정해져 있는 토크범위를 넘었을 때에, 상기 엔진의 회전수를 가변 제어하는 것
   을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 전동기 및 상기 발전기를, 1대의 전동발전기로 공용하는 것
   을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
9. 엔진과, 상기 엔진에 의하여 구동되는 유압펌프와, 상기 유압펌프로부터의 유압에 의하여 구동되는 유압액추에이터와, 상기 엔진의 구동을 어시스트하는 전동기와, 상기 엔진에 의하여 구동되어 발전하는 발전기를 가지는 하이브리드식 건설기계로서,
   상기 엔진에의 부하의 크기에 따라, 상기 엔진의 회전수를 가변하고,
   상기 엔진에의 요구부하가 저감하면, 상기 발전기에 의하여 발전을 행함으로써 상기 엔진을 감속하고,
   상기 엔진에의 요구부하가 증대하면, 상기 전동기를 구동하여 상기 엔진을 어시스트함으로써 상기 엔진을 가속하고,
   상기 엔진의 최대정격출력을, 상기 유압펌프의 요구부하가 넘지 않도록 설정한 것
   을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
10. 엔진과, 상기 엔진에 의하여 구동되는 유압펌프와, 상기 유압펌프로부터의 유압에 의하여 구동되는 유압액추에이터와, 상기 엔진의 구동을 어시스트하는 전동기와, 상기 엔진에 의하여 구동되어 발전하는 발전기를 가지는 하이브리드식 건설기계로서,
    상기 엔진에의 부하의 크기에 따라, 상기 엔진의 회전수를 가변하고,
    상기 엔진에의 요구부하가 저감하면, 상기 발전기에 의하여 발전을 행함으로써 상기 엔진을 감속하고,
    상기 엔진에의 요구부하가 증대하면, 상기 전동기를 구동하여 상기 엔진을 어시스트함으로써 상기 엔진을 가속하고,
    상기 엔진의 최대정격출력을, 전기부하와 유압부하의 합계가 넘지 않도록 설정한 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
11. 엔진과, 상기 엔진에 의하여 구동되는 유압펌프와, 상기 유압펌프로부터의 유압에 의하여 구동되는 유압액추에이터와, 상기 엔진의 구동을 어시스트하는 전동기와, 상기 엔진에 의하여 구동되어 발전하는 발전기를 가지는 하이브리드식 건설기계로서,
    상기 엔진에의 부하의 크기에 따라, 상기 엔진의 회전수를 가변하고,
    상기 엔진에의 요구부하가 저감하면, 상기 발전기에 의하여 발전을 행함으로써 상기 엔진을 감속하고,
    상기 엔진에의 요구부하가 증대하면, 상기 전동기를 구동하여 상기 엔진을 어시스트함으로써 상기 엔진을 가속하고,
    상기 전동기에 전력을 공급하고, 또한 전기부하에 전력을 공급하는 축전기를 더 가지고,
    상기 유압액추에이터에 공급하여야 할 출력과 상기 전기부하에 공급하여야 할 출력을 합산하여 얻어지는 종합출력이 미리 정해져 있는 임계값 이하인 경우에, 상기 전동기의 출력을 주동력으로 하여 상기 유압펌프를 구동하고, 상기 종합출력이 상기 미리 정해져 있는 임계값보다 큰 경우는, 상기 엔진의 출력을 주동력으로 하여 상기 유압펌프를 구동하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 유압액추에이터에 공급하여야 할 출력과 상기 전기부하에 공급하여야 할 출력을 합산하여 얻어지는 상기 종합출력이 상기 미리 정해져 있는 임계값 이하인 경우에, 상기 전동기의 출력만을 동력으로 하여 상기 유압펌프를 구동하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 유압액추에이터에 공급하여야 할 출력과 상기 전기부하에 공급하여야 할 출력을 합산하여 얻어지는 상기 종합출력이 상기 미리 정해져 있는 임계값보다 큰 경우는, 상기 엔진의 출력만을 동력으로 하여 상기 유압펌프를 구동하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
14. 청구항 11에 있어서,
    상기 미리 정해져 있는 임계값은, 상기 엔진의 미리 정해져 있는 특성에 근거하여 설정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 미리 정해져 있는 특성으로서, 엔진회전수와 엔진토크의 관계에 의하여 나타나는 특성을 이용하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
16. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 종합출력이 상기 전기부하에 공급하여야 할 출력뿐이고, 또한 상기 미리 정해져 있는 임계값 이하일 때에, 상기 축전기로부터 상기 전기부하에 전력을 공급하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
17. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 종합출력이 상기 유압액추에이터에 공급하여야 할 출력뿐이고, 또한 상기 미리 정해져 있는 임계값 이하일 때에, 상기 축전기로부터 상기 전동기에 전력을 공급하여 상기 전동기의 출력만으로 상기 유압펌프를 구동하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.

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