KR101268848B1 - 하이브리드형 건설기계 및 하이브리드형 건설기계의 제어 방법 - Google Patents

하이브리드형 건설기계 및 하이브리드형 건설기계의 제어 방법 Download PDF

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히데아키 간바야시
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

내연기관과, 전동발전기와, 유압에 의해 구동되는 작업요소와, 선회용 전동기로 선회구동되는 선회기구를 포함한 하이브리드형 건설기계에 있어서, 상기 전동발전기와 상기 선회용 전동기 사이에 배치된 축전수단을 구비함과 함께, 상기 축전수단은, 일정한 범위 내의 전압치가 유지되는 일정 전압 축전부와, 상기 전동발전기의 전동발전 운전 또는 상기 선회용 전동기의 역행회생 운전에 의한 전압치의 변동을 허용하는 변동 전압 축전부를 구비한다.

Description

하이브리드형 건설기계 및 하이브리드형 건설기계의 제어 방법{Hybrid construction machine and control method of hybrid construction machine}
본 발명은 승압용 스위칭 소자 및 강압용 스위칭 소자를 가지며, 부하로의 전력 공급 제어와, 부하에서 얻어지는 회생전력의 축전기로의 공급을 제어하는 승강압 컨버터를 이용한 하이브리드형 건설기계 및 하이브리드형 건설기계의 제어 방법에 관한 것이다.
종래부터 구동기구의 일부를 전동화한 하이브리드형 건설기계가 제안되어 있다. 이러한 건설기계는 붐, 암 및 버킷 등의 작업요소를 유압 구동하기 위한 유압펌프를 구비하고, 이 유압 펌프를 구동하기 위한 엔진에 증속기를 개재하여 전동발전기를 접속하고, 전동발전기로 엔진의 구동을 어시스트함과 함께, 발전에 의해 얻는 전력을 배터리에 충전하고 있다.
또한 상부 선회체를 선회시키기 위한 선회기구의 동력원으로서 유압 모터에 더하여 전동기를 구비하고, 선회기구의 가속시에 전동기로 유압 모터의 구동을 어시스트하고, 선회기구의 감속시에 전동기로 회생 운전을 하여, 발전되는 전력을 배터리에 충전하고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본 특허공개공보 평10-103112호
그런데 이러한 하이브리드형 건설기계에서는, 전동발전기 등과 같은 부하에 의한 전력소비와 회생전력의 생성이 반복해서 행해지기 때문에 축전수단의 전압치는 크게 변동한다.
축전수단의 전압치 변동은 부하의 제어성의 불균일이나 과전류에 의한 부하의 드라이버의 손상 등을 가져오는 경우가 있다는 과제가 있었다.
그래서 본 발명은, 축전수단의 전압치의 변동을 억제하고, 부하의 제어성의 불균일이나, 과전류에 의한 부하의 드라이버의 손상 등의 발생을 억제한 하이브리드형 건설기계 및 하이브리드형 건설기계의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 국면에 의한 하이브리드형 건설기계는, 내연기관과, 전동발전기와, 유압에 의해 구동되는 작업요소와, 선회용 전동기로 선회구동되는 선회기구를 포함한 하이브리드형 건설기계에 있어서, 상기 전동발전기와 상기 선회용 전동기 사이에 배치된 축전수단을 구비함과 함께, 상기 축전수단은, 일정한 범위 내의 전압치가 유지되는 일정 전압 축전부와, 상기 전동발전기의 전동발전 운전 또는 상기 선회용 전동기의 역행(力行)회생 운전에 의한 전압치의 변동을 허용하는 변동 전압 축전부를 구비한다.
또, 일측이 상기 일정 전압 축전부에 접속되고 타측이 상기 변동 전압 축전부에 접속되며, 상기 변동 전압 축전부의 전압치를 변동시켜 상기 일정 전압 축전부의 전압치를 승압 또는 강압하는 승강압 컨버터와, 상기 승강압 컨버터의 승압 동작과 강압 동작의 전환을 제어하는 승강압 구동 제어부를 가져도 된다.
또, 상기 일정 전압 축전부의 전압치를 검출하는 전압치 검출부를 추가로 구비하고, 상기 승강압 구동 제어부는, 상기 전압치 검출부에 의해 검출된 전압치에 기초하여 승압 동작과 강압 동작의 전환을 제어해도 된다.
또, 상기 승강압 구동 제어부는, 상기 선회용 전동기의 운전 상태에 따라 상기 일정 전압 축전부의 전압치가 일정한 범위 내에 들어가도록 상기 승강압 컨버터의 승압 동작과 강압 동작의 전환을 제어해도 된다.
또, 상기 승강압 구동 제어부는, 상기 승강압 컨버터의 승압 동작 또는 강압 동작 중 어느 하나를 타방으로 전환할 때 무동작 시간을 마련해도 된다.
또한, 상기 승강압 컨버터는, 상기 변동 전압 축전부로부터 상기 일정 전압 축전부로의 전력 공급을 제어하기 위한 승압용 스위칭 소자와, 상기 일정 전압 축전부로부터 상기 변동 전압 축전부로의 전력 공급을 제어하기 위한 강압용 스위칭 소자와, 상기 승압용 스위칭 소자와 상기 강압용 스위칭 소자에 접속되는 리액터를 가지고, 상기 승강압 구동 제어부는, 상기 전압치 검출부의 전압치가 전압 목표치로 되도록 상기 승압용 스위칭 소자 또는 상기 강압용 스위칭 소자를 구동 제어하는 전압 제어 수단과, 상기 리액터를 흐르는 전류의 값이 소정의 전류 임계값으로 되도록, 상기 승압용 스위칭 소자 또는 상기 강압용 스위칭 소자를 구동 제어하는 전류 제어 수단을 가짐과 함께, 상기 승강압 컨버터의 부하가 소정 부하 이하로 되도록 상기 전압 제어 수단 또는 상기 전류 제어 수단 중 어느 하나를 선택적으로 전환하는 제어 전환 수단을 구비해도 된다.
또한, 상기 제어 전환 수단은, 상기 전압 제어 수단에 의한 구동 제어가 행해지고 있을 때, 상기 리액터를 흐르는 전류의 절대치가 상기 전류 임계값보다 커지면, 상기 전류 제어 수단에 의한 구동 제어로 전환해도 된다.
또한, 상기 제어 전환 수단은, 상기 전류 제어 수단에 의한 구동 제어가 행해지고 있을 때, 상기 전압치 검출부의 전압치가 전압 목표치로 복귀되면, 상기 전압 제어 수단에 의한 구동 제어로 전환해도 된다.
또한, 상기 승강압 구동 제어부는, 상기 전압 제어 수단 또는 상기 전류 제어 수단 중 어느 하나를 타방으로 전환할 때, 전환 후의 제어 목표치의 초기값을 보정해도 된다.
또, 상기 승강압 구동 제어부는, 상기 승강압 컨버터의 불감대 영역 내에 있어서, 충방전 전류를 촉진하는 제어를 해도 된다.
또한, 상기 승강압 구동 제어부는, 일정 전압 축전부의 전압치가 목표 전압치를 추종하도록, 상기 승강압 컨버터를 구동하기 위한 PWM 듀티치를 연산하는 주제어부와, 상기 승강압 컨버터의 PWM 듀티치에 대한 전류치의 특성에 있어서의 소정의 저전류 영역에서 상기 PWM 듀티치를 보상하기 위한 보상 듀티치를 연산하는 보상 듀티치 연산부와, 상기 주제어부에 의해 연산되는 PWM 듀티치에 상기 보상 듀티치를 합산하는 합산 처리를 하는 합산부를 포함해도 된다.
또한, 상기 주제어부는, 상기 일정 전압 축전부의 전압치와 상기 목표 전압치의 편차에 기초한 PI 제어에 의해 상기 PWM 듀티치를 연산하도록 구성되어 있고, 상기 합산 처리의 기동 개시시에, 상기 PWM 듀티치에 포함되는 적분 성분치를 비례 성분치의 반수(反數)로 치환하는 치환부를 추가로 구비해도 된다.
또한, 상기 보상 듀티치 연산부는, 상기 승강압 컨버터의 PWM 듀티치에 대한 전류치의 특성에 있어서의 승압측 또는 강압측의 변곡점에서의 PWM 듀티치에 상당하는 듀티치를 상기 보상 듀티치로서 연산해도 된다.
본 발명의 한 국면의 하이브리드형 건설기계의 제어 방법은, 내연기관과, 전동발전기와, 유압에 의해 구동되는 작업요소와, 선회용 전동기로 선회구동되는 선회기구와, 상기 전동발전기와 상기 선회용 전동기 사이에 배치되고, 일정 전압 축전부와 변동 전압 축전부를 구비하는 축전수단을 포함한 하이브리드형 건설기계의 제어 방법에 있어서, 상기 일정 전압 축전부는, 일정한 범위 내의 전압치가 유지됨과 함께, 상기 변동 전압 축전부에 의해, 상기 전동발전기의 전동발전 운전 또는 상기 선회용 전동기의 역행회생 운전에 의한 전압치의 변동을 허용한다.
본 발명에 의하면, 축전수단의 전압치의 변동을 억제하여 부하의 제어성 불균일이나 과전류에 의한 부하의 드라이버의 손상 등의 발생을 억제한 하이브리드형 건설기계 및 하이브리드형 건설기계의 제어 방법을 제공할 수 있다고 하는 특유의 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계를 나타내는 측면도이다.
도 2는 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계에 이용하는 승강압 컨버터의 회로구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 실시형태 2의 하이브리드형 건설기계에 이용하는 승강압 컨버터(100)의 제어장치의 회로구성을 제어 블록으로 나타내는 도면이다.
도 5는 승강압 전환부에 의해 승강압 동작이 전환될 때의 상태 천이를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 나타내는 상태 천이를 시계열적으로 나타내는 동작 설명도이다.
도 7은 전압 제어와 전류 제어의 전환 조건을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 승압 동작 중에 있어서의 전압 제어와 전류 제어의 전환 동작을 설명하기 위한 동작예를 나타내는 도면이다.
도 9는 강압 동작 중에 있어서의 전압 제어와 전류 제어의 전환 동작을 설명하기 위한 동작예를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계의 승강압 컨버터의 구동 제어 장치의 회로구성을 나타내는 제어 블록도이다.
도 11은 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계의 승강압 컨버터의 구동 제어 장치의 보상치 전환부에서 도출하는 플래그와, 승강압 컨버터의 구동 영역의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계의 승강압 컨버터의 구동 제어 장치에서의 강압시의 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리를 설명하기 위한 원리도이며, (a)는 불감대 보상 기능의 기동 개시시의 처리, (b)는 불감대 보상 기능의 기동 종료시의 처리, (c)는 불감대 보상 기능 기동중의 처리를 각각 시간 경과로 나타내는 도면이다.
도 13은 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계의 승강압 컨버터의 구동 제어 장치에서의 승압시의 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리를 설명하기 위한 원리도이며, (a)는 불감대 보상 기능의 기동 개시시의 처리, (b)는 불감대 보상 기능의 기동 종료시의 처리, (c)는 불감대 보상 기능 기동중의 처리를 각각 시간 경과로 나타내는 도면이다.
도 14는 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계의 승강압 컨버터의 구동 제어 장치에 의한 동작 특성의 일례를 나타내는 특성도이다.
도 15는 종래의 승강압 컨버터의 구동 제어장치에서의 PWM 듀티에 대한 전류의 변화량을 나타내는 도면이다.
도 16은 실시형태 4의 하이브리드형 건설기계의 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 본 발명의 하이브리드형 건설기계 및 하이브리드형 건설기계의 제어 방법을 적용한 실시형태에 대해 설명한다.
[실시형태 1]
도 1은 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계를 포함한 건설기계를 나타내는 측면도이다.
이 하이브리드형 건설기계의 하부 주행체(1)에는 선회기구(2)를 개재하여 상부 선회체(3)가 탑재되어 있다. 또한 상부 선회체(3)에는 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)과, 이들을 유압 구동하기 위한 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)에 더하여 캐빈(10) 및 동력원이 탑재된다.
[전체 구성]
도 2는 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계의 구성을 나타내는 블록도이다. 이 도 2에서는, 기계적 동력계를 이중선, 고압 유압 라인을 굵은 실선, 파일럿 라인을 파선, 전기 구동·제어계를 실선으로 각각 나타낸다.
기계식 구동부로서의 엔진(11)과 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는 모두 증력기로서의 감속기(13)의 입력축에 접속되어 있다. 또 이 감속기(13)의 출력축에는 메인 펌프(14) 및 파일럿 펌프(15)가 접속되어 있다. 메인 펌프(14)에는 고압 유압 라인(16)을 개재하여 컨트롤 밸브(17)가 접속되어 있다.
컨트롤 밸브(17)는 실시형태 1의 건설기계에서의 유압계의 제어를 하는 제어장치이며, 이 컨트롤 밸브(17)에는 하부 주행체(1)용의 유압 모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)가 고압 유압 라인을 개재하여 접속된다.
또 전동발전기(12)에는 인버터(18)를 개재하여 축전수단이 접속된다. 이 축전수단은 인버터(18)를 개재하여 전동발전기(12)와의 사이에서 전력을 주고 받는다.
또한 축전수단에는 인버터(20)를 개재하여 전동작업요소로서의 선회용 전동기(21)가 접속되어 있다. 축전수단은 인버터(20)를 개재하여 선회용 전동기(21)와의 사이에서 전력을 주고 받는다.
즉, 축전수단은 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)와의 사이에서 전력을 주고 받기 위해서 배치되어 있다.
선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는 리졸버(22), 메카니컬 브레이크(23) 및 선회 감속기(24)가 접속된다. 또 파일럿 펌프(15)에는 파일럿 라인(25)을 개재하여 조작 장치(26)가 접속된다. 선회용 전동기(21), 인버터(20), 리졸버(22) 및 선회용 감속기(24)로 부하 구동계를 구성한다.
조작 장치(26)는 레버(26A), 레버(26B), 페달(26C)을 포함하고, 레버(26A), 레버(26B) 및 페달(26C)에는 유압 라인(27 및 28)을 개재하여 컨트롤 밸브(17) 및 압력 센서(29)가 각각 접속된다. 이 압력 센서(29)에는 실시형태 1의 건설기계의 전기계의 구동 제어를 하는 컨트롤러(30)가 접속되어 있다.
이러한 실시형태 1의 건설기계는 엔진(11), 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 동력원으로 하는 하이브리드형 건설기계이다. 이들 동력원은 도 1에 나타내는 상부 선회체(3)에 탑재된다. 이하, 각 부에 대해 설명한다.
[각 부의 구성]
엔진(11)은 예를 들면 디젤 엔진으로 구성되는 내연기관이며, 그 출력축은 감속기(13)의 일방의 입력축에 접속된다. 이 엔진(11)은 건설기계의 운전중에는 항상 운전된다.
전동발전기(12)는 전동(어시스트) 운전 및 발전 운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 된다. 여기에서는 전동발전기(12)로서, 인버터(20)에 의해 교류 구동되는 전동발전기를 나타낸다. 이 전동발전기(12)는 예를 들면 자석이 로터 내부에 매립된 IPM(Interior Permanent Magnetic) 모터로 구성할 수 있다. 전동발전기(12)의 회전축은 감속기(13)의 타방의 입력축에 접속된다.
감속기(13)는 2개의 입력축과 1개의 출력축을 가진다. 2개의 입력축 각각에 는 엔진(11)의 구동축과 전동발전기(12)의 구동축이 접속된다. 또한 출력축으로는 메인 펌프(14)의 구동축이 접속된다. 엔진(11)의 부하가 큰 경우에는 전동발전기(12)가 전동(어시스트) 운전을 하고, 전동발전기(12)의 구동력이 감속기(13)의 출력축을 거쳐 메인 펌프(14)에 전달된다. 이것에 의해 엔진(11)의 구동이 어시스트된다. 한편, 엔진(11)의 부하가 작은 경우에는 엔진(11)의 구동력이 감속기(13)를 거쳐 전동발전기(12)에 전달되는 것에 의해, 전동발전기(12)가 발전 운전에 의한 발전을 한다. 전동발전기(12)의 역행 운전과 발전 운전의 전환은 컨트롤러(30)에 의해, 엔진(11)의 부하 등에 따라 행해진다.
메인 펌프(14)는 컨트롤 밸브(17)에 공급하기 위한 유압을 발생시키는 펌프이다. 이 유압은 컨트롤 밸브(17)를 개재하여 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9) 각각을 구동하기 위해 공급된다.
파일럿 펌프(15)는 유압 조작계에 필요한 파일럿압을 발생시키는 펌프이다. 이 유압 조작계의 구성에 대해서는 후술한다.
컨트롤 밸브(17)는 고압 유압 라인을 개재하여 접속되는 하부 주행체(1)용의 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)의 각각에 공급하는 유압을 운전자의 조작 입력에 따라 제어하는 것에 의해 이들을 유압 구동 제어하는 유압제어장치다.
인버터(18)는 상기 서술한 바와 같이 전동발전기(12)와 축전수단 사이에 형성되며, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 기초하여 전동발전기(12)의 운전 제어를 한다. 이것에 의해 인버터(18)가 전동발전기(12)의 역행을 운전 제어하고 있을 때에는 필요한 전력을 축전수단으로부터 전동발전기(12)에 공급한다. 또한 전동발전기(12)의 회생을 운전 제어하고 있을 때에는 전동발전기(12)에 의해 발전된 전력을 축전수단에 충전한다. 또한 전동발전기(12)와 인버터(18)로 전동발전계를 구성하고 있다.
선회용 전동기(21)는 역행 운전 및 회생 운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 되고, 상부 선회체(3)의 선회기구(2)를 구동하기 위해 구비되어 있다. 역행 운전시에는 선회용 전동기(21)의 회전 구동력의 회전력이 감속기(24)에서 증폭되고, 상부 선회체(3)가 가감속 제어되어 회전운동을 한다. 또한 상부 선회체(3)의 관성 회전에 의해 감속기(24)에서 회전수가 증가되어 선회용 전동기(21)에 전달되고, 회생전력을 발생시킬 수 있다. 여기에서는, 선회용 전동기(21)로서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호에 의해 인버터(20)에 의해 교류 구동되는 전동기를 나타낸다. 이 선회용 전동기(21)는, 예를 들면 자석 매립형 IPM 모터로 구성할 수 있다. 이것에 의해 보다 큰 유도 기전력을 발생시킬 수 있으므로, 회생시에 선회용 전동기(21)에서 발전되는 전력을 증대시킬 수 있다.
리졸버(22)는 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전 위치 및 회전 각도를 검출하는 센서이며, 선회용 전동기(21)와 기계적으로 연결함으로써 선회용 전동기(21)의 회전 전의 회전축(21A)의 회전 위치와, 좌회전 또는 우회전한 후의 회전 위치의 차를 검출하는 것에 의해, 회전축(21A)의 회전 각도 및 회전 방향을 검출하도록 구성되어 있다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전 각도를 검출하는 것에 의해 선회기구(2)의 회전 각도 및 회전 방향이 도출된다. 또한 도 2에는 리졸버(22)를 장착한 형태를 나타내지만, 전동기의 회전 센서를 가지지 않는 인버터 제어 방식을 이용해도 된다.
메카니컬 브레이크(23)는 기계적인 제동력을 발생시키는 제동 장치이며, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)을 기계적으로 정지시킨다. 이 메카니컬 브레이크(23)는 전자식 스위치에 의해 제동/해제가 전환된다. 이 전환은 컨트롤러(30)에 의해 행해진다.
선회 감속기(24)는 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전 속도를 감속해 선회기구(2)에 기계적으로 전달하는 감속기이다. 이것에 의해, 역행 운전시에는 선회용 전동기(21)의 회전력을 증력시켜, 보다 큰 회전력으로서 선회체에 전달할 수 있다. 이와는 반대로 회생 운전시에는 선회체에서 발생한 회전수를 증가시켜 보다 많은 회전 동작을 선회용 전동기(21)에 발생시킬 수 있다.
선회기구(2)는 선회용 전동기(21)의 메카니컬 브레이크(23)가 해제된 상태에서 선회 가능해지며, 이것에 의해 상부 선회체(3)가 좌방향 또는 우방향으로 선회된다.
조작 장치(26)는 선회용 전동기(21), 하부 주행체(1), 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)을 조작하기 위한 조작 장치이며, 하이브리드형 건설기계의 운전자에 의해 조작된다.
이 조작 장치(26)는 파일럿 라인(25)을 통해 공급되는 유압(1차측의 유압)을 운전자의 조작량에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작 장치(26)로부터 출력되는 2차측의 유압은 유압 라인(27)을 통해 컨트롤 밸브(17)에 공급됨과 함께, 압력 센서(29)에 의해 검출된다.
조작 장치(26)가 조작되면, 유압 라인(27)을 통해 컨트롤 밸브(17)가 구동되고, 이것에 의해 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9) 내의 유압이 제어되는 것에 의해 하부 주행체(1), 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 구동된다.
또한 유압 라인(27)은 유압 모터(1A 및 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)의 구동에 필요한 유압을 컨트롤 밸브(17)에 공급한다.
선회용 조작 검출부로서의 압력 센서(29)에서는 조작 장치(26)에 대해 선회기구(2)를 선회시키기 위한 조작이 입력되면, 이 조작량을 유압 라인(28) 내의 유압의 변화로서 검출한다. 압력 센서(29)는 유압 라인(28) 내의 유압을 나타내는 전기신호를 출력한다. 이것에 의해 조작 장치(26)에 입력되는 선회기구(2)를 선회시키기 위한 조작량을 적확하게 파악할 수 있다. 이 전기신호는 컨트롤러(30)에 입력되어 선회용 전동기(21)의 구동 제어에 이용된다. 또한 실시형태 1에서는 레버 조작 검출부로서의 압력 센서를 이용하는 형태에 대해 설명하지만, 조작 장치(26)에 입력되는 선회기구(2)를 선회시키기 위한 조작량을 그대로 전기신호로 읽어내는 센서를 이용해도 된다.
축전수단은 인버터(18) 및 인버터(20)에 접속되어 있다. 이것에 의해, 전동발전기(12)의 전동(어시스트) 운전과 선회용 전동기(21)의 역행 운전 중 적어도 어느 한 쪽이 행해지고 있을 때에는 전동(어시스트) 운전 또는 역행 운전에 필요한 전력을 공급함과 함께, 또한 전동발전기(12)의 발전 운전과 선회용 전동기(21)의 회생 운전 중 적어도 어느 한 쪽이 행해지고 있을 때에는 발전 운전 또는 회생 운전에 의해 발생된 전력을 전기 에너지로서 축적하기 위한 전원이다.
이 축전수단의 충방전 제어는 축전수단의 충전 상태, 전동발전기(12)의 운전 상태(전동(어시스트) 운전 또는 발전 운전), 선회용 전동기(21)의 운전 상태(역행 운전 또는 회생 운전)에 기초하여 컨트롤러(30)에 의해 행해진다.
인버터(20)는 상기 서술한 바와 같이 선회용 전동기(21)와 축전수단 사이에 형성되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 기초하여 선회용 전동기(21)에 대해 운전 제어를 한다. 이것에 의해, 인버터가 선회용 전동기(21)의 역행을 운전 제어하고 있을 때에는 필요한 전력을 축전수단으로부터 선회용 전동기(21)에 공급한다. 또한 선회용 전동기(21)가 회생 운전을 하고 있을 때에는 선회용 전동기(21)에 의해 발전된 전력을 축전수단에 충전한다. 도 2에는 선회용 전동기(1대) 및 인버터(1대)를 포함한 실시형태를 나타내지만, 그 밖에 마그넷 기구나 선회기구부 이외의 구동부로서 구비함으로써 복수의 전동기 및 복수의 인버터를 축전수단에 접속하도록 해도 된다.
그런데 이러한 하이브리드형 건설기계에서는, 전동발전기(12) 등과 같은 부하에 의한 전력소비와 회생전력의 생성이 반복해서 행해지기 때문에, 축전수단의 전압치는 크게 변동한다. 그리고 축전수단의 전압치의 변동은 부하 제어성의 불균일을 발생시키므로 선회용 전동기(21)의 출력이 불균일해지고, 이 때문에 작업성이 저하해 버린다. 또 과전류에 의한 부하의 드라이버의 손상 등을 초래하여 운전 계속성에 영향을 미치는 경우가 있다.
그래서 본 실시형태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 축전수단은 일정 전압 축전부로서의 DC 버스(110)와 변동 전압 축전부로서의 배터리(19)로 구성하고, 인버터(18, 20)를 DC 버스(110)와 접속한다. 이것에 의해, 인버터(18, 20)에 공급하는 전압을 미리 정한 일정한 범위 내에 들어가도록 유지할 수 있다. 그 결과, 부하 제어성의 불균일을 억제할 수 있으며, 전동발전기(12), 선회용 전동기(21)의 출력의 불균일을 방지할 수 있다. 게다가 배터리(19)의 축전 전압을 변동시킴으로써 전동발전기(12)의 전동발전 운전 또는 선회용 전동기(21)의 역행회생 운전에 의한 전압치의 변동을 허용할 수 있다. 그것에 의해 과전류에 의한 부하의 인버터(18, 20)에서의 손상 등을 방지할 수 있으며, 운전 계속성을 향상시킬 수 있다.
[컨트롤러(30)]
컨트롤러(30)는 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계의 구동 제어를 하는 제어장치이며, 승강압 제어를 하는 승강압 제어부로서의 승강압 구동 제어부(120)를 포함하고, CPU(Central Processing Unit) 및 내부 메모리를 포함한 연산처리장치로 구성되며, CPU가 내부 메모리에 격납되는 구동 제어용 프로그램을 실행하는 것에 의해 실현되는 장치이다.
승강압 구동 제어부(120)는 전동발전기(12)의 운전 제어(전동(어시스트) 운전 또는 발전 운전의 전환) 및 축전수단의 충방전 제어를 하기 위한 제어장치이다. 승강압 구동 제어부(120)는 축전수단의 충전 상태, 전동발전기(12)의 운전 상태(전동(어시스트) 운전 또는 발전 운전) 및 선회용 전동기(21)의 운전 상태(역행 운전 또는 회생 운전)에 기초하여 축전수단의 충방전 제어를 한다.
도 3은 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계에 이용하는 축전수단의 상세도이다.
이 축전수단은 배터리(19), 승강압 컨버터(100) 및 DC 버스(110)를 포함한다. DC 버스(110)에는 인버터(105)가 접속되어 있다. 일정 전압 축전부로서의 배터리(19)와 변동 전압 축전부로서의 DC 버스(110)는 축전수단을 구성한다.
승강압 컨버터(100)는 리액터(101), 승압용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(102A), 강압용 IGBT(102B), 배터리(19)를 접속하기 위한 전원 접속 단자(104) 및 인버터(105)를 접속하기 위한 출력 단자(106)을 갖춘다. 승강압 컨버터(100)의 출력 단자(106)와 인버터(105) 사이는 DC 버스(110)에 의해 접속된다. 인버터(105)는 인버터(18, 20)에 상당한다.
리액터(101)는 일단이 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 중간점에 접속됨과 함께 타단이 전원 접속 단자(104)에 접속되어 있으며, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 수반되어 생기는 유도 기전력을 DC 버스(110)에 공급하기 위해 형성되어 있다.
승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 게이트부에 장착한 바이폴라 트랜지스터로 구성되며, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체소자이다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는 승강압 구동 제어부(120)에 의해, 게이트 단자에 PWM 전압이 인가되는 것에 의해 구동된다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)에는 정류소자인 다이오드(102a 및 102b)가 병렬 접속된다.
배터리(19)는 승강압 컨버터(100)를 개재하여 DC 버스(110)와의 사이에서 전력을 주고 받을 수 있도록, 충방전 가능한 축전기이면 된다.
전원 접속 단자(104) 및 출력 단자(106)는 배터리(19) 및 인버터(105)가 접속 가능한 단자이면 된다. 한 쌍의 전원 접속 단자(104)와 병렬로 배터리 전압을 검출하는 배터리 전압 검출부(112)가 접속된다. 한 쌍의 출력 단자(106)와 병렬로 DC 버스 전압을 검출하는 DC 버스 전압 검출부(111)가 접속된다.
배터리 전압 검출부(112)는 배터리(19)의 전압치(vbat_det)를 검출하고, DC 버스 전압 검출부(111)는 DC 버스(110)의 전압(이하, DC 버스 전압: vdc_det)을 검출한다.
배터리 전류 검출부(113)는 배터리(19)에 흐르는 전류의 값을 검출할 수 있는 검출 수단이면 되고, 전류 검출용 저항기를 포함한다. 이 배터리 전류 검출부(113)는 배터리(19)에 흐르는 전류치(ibat_det)를 검출한다.
[승강압 동작]
이러한 승강압 컨버터(100)에 있어서, DC 버스(110)를 승압할 때에는 승압용 IGBT(102A)의 게이트 단자에 PWM 전압을 인가하고, 강압용 IGBT(102B)에 병렬로 접속된 다이오드(102b)를 개재하여 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 수반되어 리액터(101)에 발생하는 유도 기전력을 DC 버스(110)에 공급한다. 이것에 의해 DC 버스(110)가 승압된다.
또한 DC 버스(110)를 강압할 때에는 강압용 IGBT(102B)의 게이트 단자에 PWM
전압을 인가하고, 강압용 IGBT(102B), 인버터(105)를 개재하여 공급되는 회생전력을 DC 버스(110)로부터 배터리(19)에 공급한다. 이것에 의해 DC 버스(110)에 축적된 전력이 배터리(19)에 충전되어 DC 버스(110)가 강압된다.
또 실제로는 승강압 구동 제어부(120)와 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B) 사이에는 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)를 구동하는 PWM 신호를 생성하는 구동부가 존재하지만, 도 3에서는 생략한다. 이러한 구동부는 전자 회로 또는 연산처리장치의 어느 것으로도 실현될 수 있다.
다음에 도 3에 나타내는 구성을 도 2와의 관계로 설명한다.
배터리(19)는 승강압 컨버터(100) 및 DC 버스(110)를 개재하여 인버터(105)(인버터(18) 및 인버터(20))에 접속되어 있다. 이것에 의해 전동발전기(12)의 전동(어시스트) 운전과 선회용 전동기(21)의 역행 운전 중 적어도 어느 한 쪽이 행해지고 있을 때에는 전동(어시스트) 운전 또는 역행 운전에 필요한 전력을 공급함과 함께, 또한 전동발전기(12)의 발전 운전과 선회용 전동기(21)의 회생 운전 중 적어도 어느 한 쪽이 행해지고 있을 때에는 발전 운전 또는 회생 운전에 의해 발생한 전력을 전기 에너지로서 축적하기 위한 전원이다.
DC 버스(110)는 인버터(105)(인버터(18) 및 인버터(20))와 승강압 컨버터(100) 사이에 배치되어 있으며, 배터리(19), 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21) 사이에서 전력을 주고 받을 수 있게 구성되어 있다. 그리고 DC 버스(110)에는 승강압 컨버터(100)의 한 쌍의 출력 단자(106)에 병렬로 삽입되는 평활용 콘덴서(107)를 갖춘다. 이 평활용 콘덴서(107)는 출력 단자(106)의 정극 단자와 부극 단자 사이에 삽입되며, DC 버스 전압을 평활화할 수 있는 축전 소자이면 된다.
DC 버스 전압 검출부(111)는 DC 버스 전압치를 검출하기 위한 전압 검출부이다. 검출되는 DC 버스 전압치는 컨트롤러(30)에 입력되고, 이 DC 버스 전압치를 일정한 범위 내에 넣기 위한 승압 동작과 강압 동작의 전환을 제어하기 위해 이용된다. 이 DC 버스 전압 검출부(111)로 검출된 DC 버스 전압치는 승강압 구동 제어부(120)에 입력된다.
배터리 전압 검출부(112)는 배터리(19)의 전압치를 검출하기 위한 전압 검출부이며, 배터리의 충전 상태를 검출하기 위해 이용된다. 검출되는 배터리 전압치는 컨트롤러(30)에 입력되고, 승강압 컨버터(100)의 승압 동작과 강압 동작의 전환을 제어하기 위해 이용된다. 이 배터리 전압 검출부(112)로 검출된 배터리 전압치는 승강압 구동 제어부(120)에 입력된다.
배터리 전류 검출부(113)는 배터리(19)의 전류치를 검출하기 위한 전류 검출부이다. 배터리 전류치는 배터리(19)로부터 승강압 컨버터(100)에 흐르는 전류를 정의 값으로 하여 검출된다. 검출되는 배터리 전류치는 컨트롤러(30)에 입력되고, 승강압 컨버터(100)의 승압 동작과 강압 동작의 전환을 제어하기 위해 이용된다. 이 배터리 전류 검출부(113)로 검출된 배터리 전류치는 승강압 구동 제어부(120)에 입력된다.
이 배터리(19)의 충방전 제어는 배터리(19)의 충전 상태, 전동발전기(12)의 운전 상태(전동(어시스트) 운전 또는 발전 운전), 선회용 전동기(21)의 운전 상태(역행 운전 또는 회생 운전)에 기초하여 승강압 컨버터(100)에 의해 행해진다. 이 승강압 컨버터(100)의 승압 동작과 강압 동작의 전환 제어는 DC 버스 전압 검출부(111)에 의해 검출되는 DC 버스 전압치, 배터리 전압 검출부(112)에 의해 검출되는 배터리 전압치 및 배터리 전류 검출부(113)에 의해 검출되는 배터리 전류치에 기초하여 승강압 구동 제어부(120)에 의해 행해진다.
승강압 컨버터(100)는 일측이 DC 버스(110)를 개재하여 인버터(105)(인버터(18) 및 인버터(20))에 접속됨과 함께 타측이 배터리(19)에 접속되어 있으며, DC 버스 전압치가 일정한 범위 내에 들어가도록 승압 또는 강압을 전환한다. 구체적으로는, 승강압 구동 제어부(120)에 있어서, DC 버스 전압 검출부(111)에 의한 DC 버스 전압 검출치와 DC 버스의 목표 전압치를 대비하여 제어 지령치를 산출하고, 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 스위칭 제어를 한다. 전동발전기(12)가 전동(어시스트) 운전을 실시하는 경우에는 인버터(18)를 개재하여 전동발전기(12)에 전력을 공급할 필요가 있기 때문에, DC 버스 전압치를 승압할 필요가 있다. 한편, 전동발전기(12)가 발전 운전을 하는 경우에는 발전된 전력을 인버터(18)를 개재하여 배터리(19)에 충전할 필요가 있기 때문에, DC 버스 전압치를 강압할 필요가 있다. 이것은 선회용 전동기(21)의 역행 운전과 회생 운전에 있어서도 마찬가지이며, 그리고 전동발전기(12)는 엔진(11)의 부하 상태에 따라 운전 상태가 전환되고, 선회용 전동기(21)는 상부 선회체(3)의 선회 동작에 따라 운전 상태가 전환되기 때문에, 전동발전기(12)와 선회용 전동기(21)에는 어느 일방이 전동(어시스트) 운전 또는 역행 운전을 하고, 타방이 발전 운전 또는 회생 운전을 하는 상황이 생길 수 있다.
이 때문에, 승강압 컨버터(100)는 전동발전기(12)와 선회용 전동기(21)의 운전 상태에 따라 DC 버스 전압치를 일정한 범위 내에 들어가도록 승압 동작과 강압 동작을 전환하는 제어를 한다.
이와 같이 일정 전압 축전부로서의 DC 버스(110)와 변동 전압 축전부로서의 배터리(19) 사이에 승강압 컨버터(100)를 배치함으로써 DC 버스(110)의 전압치를 미리 정한 일정한 범위 내에 들어가도록 유지할 수 있다. 따라서 인버터(18, 20)에 공급하는 전압을 안정시킴으로써 전동발전기(12), 선회용 전동기(21)의 출력을 안정시킬 수 있다.
또한 도 3에는 축전기로서 배터리(19)를 나타내지만, 배터리(19) 대신에 콘덴서, 충방전 가능한 이차전지, 또는 전력을 주고 받을 수 있는 그 외의 형태의 전원을 축전기로서 이용해도 된다.
그러나 일반적인 승강압 컨버터에는, 전압 제어를 행하는 것에서의 과제가 있다. 예를 들면, 승강압 컨버터에서는 그 구조상, 승압용 스위칭 소자와 강압용 스위칭 소자를 동시에 온으로 하면 대전류가 흘러 위험하다. 그리고 전압 제어에 의한 승압 동작 또는 강압 동작을 하고 있을 때, 전동발전기 등의 부하가 많은 전력을 필요로 하고 있는 경우나, 부하의 회생 운전에 의해 많은 전력이 충전용으로 공급되는 경우에는, 승강압 컨버터(100)가 과부하 상태가 되고 스위칭 소자에 과대한 전류가 흘러 스위칭 소자가 손상될 우려가 있었다.
그래서 실시형태 2에서는 승강압 구동 제어부(120)에 전압 제어부(121), 전류 제어부(122)를 구비함으로써 전압 제어와 전류 제어를 전환하고 승강압 컨버터(100)의 부하가 미리 정해진 부하 이하로 되도록 전환을 제어하는 것으로 했다.
[실시형태 2]
도 4는 실시형태 2의 하이브리드형 건설기계에 이용하는 승강압 컨버터(100)의 제어장치의 회로구성을 제어 블록으로 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이 승강압 컨버터(100)의 승강압 구동 제어부(120)는 전압 제어부(121), 전류 제어부(122), 제어 전환부(123) 및 승강압 전환부(124)를 갖춘다.
이 승강압 구동 제어부(120)에는 전원 접속 단자(104), 출력 단자(106), 승압용 PM(Power Module)(125) 및 강압용 PM(126)이 접속된다. 이들은 도 3에 나타내는 하드웨어 구성을 실현 가능하게 하도록 접속된다. 즉, 승강압 구동 제어부(120)에 의해 승압용 PM(125) 및 강압용 PM(126)에 포함되는 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)가 PWM 구동되고, 그 결과, 전원 접속 단자(104)로부터 배터리 전압 Vbat(=vbat_det) 및 배터리 전류 Ibat(=ibat_det)가 출력되고, 출력 단자(106)로부터 DC 버스 전압 Vout(=vdc_det)가 출력되도록 접속된다.
전압 제어부(121)는 목표 전압치 Vout_ref와 출력 단자(106)로부터 출력되는 DC 버스 전압 Vout의 차에 기초하여 PI(Proportional Integral) 제어를 하는 것에 의해 승압용 IBGT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)를 구동 제어하기 위한 제1 스위칭 듀티 duty_v를 연산한다. 이 제1 스위칭 듀티 duty_v의 연산 과정에서는, 제어 전환부(123)에 있어서 전압 적분치 Vout_I가 보정된다. 이 보정의 방법에 대해서는 후술한다.
전류 제어부(122)는 전류 임계값 Ibat_ref와, 전원 접속 단자(104)로부터 출력되는 배터리 전류 Ibat의 차에 기초하여 PI 제어를 하는 것에 의해 승압용 IBGT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)를 구동 제어하기 위한 제2 스위칭 듀티 duty_i를 연산한다. 이 제2 스위칭 듀티 duty_i의 연산 과정에서는, 제어 전환부(123)에 있어서 전류 적분치 Ibat_I가 보정된다. 이 보정의 방법에 대해서는 후술한다.
여기에서는 승압용 IGBT(102A)를 구동하기 위한 스위칭 듀티와 강압용 IGBT(102B)를 구동하기 위한 스위칭 듀티에 서로 다른 부호를 이용하여 구별을 꾀하고 있다. 이 때문에, 상기 서술한 제1 스위칭 듀티 및 상기 제2 스위칭 듀티 각각에는 승압용 IGBT(102A)의 구동용으로 정의 부호를 붙이고, 강압용 IGBT(102B)의 구동용으로 부의 부호를 붙인다.
제어 전환부(123)는 리액터(101) 또는 인버터(105)의 부하가 소정 부하 이하로 되도록 전압 제어부(121) 또는 전류 제어부(122) 중 어느 하나를 선택적으로 전환한다. 구체적으로는, 전압 제어부(121)에 의한 구동 제어가 행해지고 있을 때, 리액터(101)를 흐르는 전류의 절대치가 전류 임계값보다 커지면 전류 제어부(122)에 의한 구동 제어로 전환한다. 또한 전류 제어부(122)에 의한 구동 제어가 행해지고 있을 때, 출력 단자(106)의 단자전압치가 목표 전압치보다 높아지면 전압 제어부(121)에 의한 구동 제어로 전환한다.
이러한 전압 제어와 전류 제어의 전환은 제어 전환부(123)의 전환부(123A)에 의해 행해진다. 전환부(123A)가 플러스(+)에 접속되어 있으면 전압 제어가 행해지고, 마이너스(-)에 접속되어 있으면 전류 제어가 행해진다.
또한 제어 전환부(123)는 상기 서술과 같이 전압 제어부(121)가 연산하는 전압 적분치를 제2 스위칭 듀티를 이용해 보정함과 함께, 전류 제어부(122)가 연산하는 전류 적분치를 제1 스위칭 듀티를 이용해 보정한다.
또한 보정 방법에 대해서는 이하에서 서술하는데, 전압 제어시는 제어 전환부(123)의 전환부(123B 및 123C)는 플러스(+)측에 접속되고, 전류 제어시는 전환부(123B 및 123C)는 마이너스(-)측에 접속된다.
여기서, 전압 적분치 Vout_I 및 전류 적분치 Ibat_I의 보정에 대해 설명한다. 전압 제어부(121)와 전류 제어부(122)로 전압 제어용의 제1 스위칭 듀티와 전류 제어용의 제2 스위칭 듀티를 연산하면, 통상은 전압 지령과 전류 지령은 일치하지 않기 때문에, 전압 제어와 전류 제어의 전환시에, 승압용 IGBT(102A) 또는 강압용 IGBT(102B)에 공급되는 듀티가 불연속이 되지만, 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계의 승강압 컨버터(100)에서는 전압 제어부(121)와 전류 제어부(122)를 전환할 때, 하기 조건 (1) 및 (2)를 이용하여 스위칭 듀티의 초기값을 보정하고 있다.
(1) Vout_I를 (duty_i - Vout_P)로 설정한다.
(2) Ibat_I를 (duty_v - Ibat_P)로 설정한다.
여기서 Vout_I는 전압 제어부(121)에서 연산되는 전압 적분치, duty_i는 전류 제어부(122)에서 연산되는 제2 스위칭 듀티, Vout_P는 전압 제어부(121)에서 연산되는 전압 비례치이다.
또, Ibat_I는 전류 제어부(122)에서 연산되는 전류 적분치, duty_v는 전압 제어부(121)에서 연산되는 제1 스위칭 듀티, Ibat_P는 전류 제어부(122)에서 연산되는 전류 비례치이다.
제어 전환부(123)는, 조건 (1)에 나타내는 바와 같이 전압 제어부(121)에서 연산되는 전압 적분치 Vout_I를 제2 스위칭 듀티 duty_i 및 전압 비례치 Vout_P를 이용해 보정한다. 또한 제어 전환부(123)는, 조건 (2)에 나타내는 바와 같이 전류 제어부(122)에서 연산되는 전류 적분치 Ibat_I를 제1 스위칭 듀티 duty_v 및 전류 비례치 Ibat_P를 이용해 보정한다.
전류 제어 상태에서는 제어 전환부(123)의 전환부(123A 내지 123C)가 모두 마이너스(-)측에 접속된 상태로 되어 있다. 이 상태에서 전환부(123A)의 마이너스(-)측에는 전류 제어부(122)에서 PI 제어에 의해 생성되는 전류 제어 지령치(duty_i)가 입력되어 전류 제어가 실행되고 있다. 한편 전환부(123A)의 플러스(+)측에서는 전환부(123B)에 있어서 마이너스(-)측에 접속된 상태로 되어 있으므로, 전압 적분치의 보정치로서 (duty_i-Vout_P)가 입력된 상태로 되어 있다.
여기서, 전류 제어로부터 전압 제어로 전환되면 제어 전환부(123)의 전환부(123A 내지 123C)가 모두 마이너스(-)측으로부터 플러스(+)측으로 전환된다. 이것에 의해 전환부(123B)에서는 마이너스(-)측으로부터 플러스(+)측으로 전환된 직후에 있어서의 전압 적분치 Vout_I는 (duty_i-Vout_P)로 설정된다. 이 전압 적분치 Vout_I(=duty_i-Vout_P)는 전압 비례치 Vout_P와 가산되기 때문에, 제1 스위칭 듀티 duty_v는 전류 제어의 마지막에 얻어진 제2 스위칭 듀티 duty_i와 동일한 값이 된다. 이와 같이 제어 전환부(123)를 마이너스(-)측으로부터 플러스(+)측으로 전환할 때에는 전환 전의 전류 제어 지령치(제2 스위칭 듀티)의 최후치와 전환 후의 전압 제어 지령치(제1 스위칭 듀티)의 초기값이 동일해지도록 전환 후의 전압 목표치의 초기값이 보정된다.
이것에 의해, 전류 제어로부터 전압 제어로 전환할 때, 전환부(123A)가 마이너스(-)로부터 플러스(+)측으로 전환되어도 전환부(123A)의 플러스(+)측과 마이너스(-)측에서의 듀티의 값은 전류 제어의 마지막에 얻어진 제2 스위칭 듀티 duty_i이기 때문에, 전압 제어로 전환될 때의 불연속성을 해소할 수 있다.
또한 마찬가지로 전압 제어로부터 전류 제어로 전환되면 전환부(123C)에서는 플러스(+)측으로부터 마이너스(-)측으로 전환된 직후에서의 전류 적분치 Ibat_I는 (duty_v-Ibat_P)로 설정된다. 이 전류 적분치 Ibat_I(=duty_v-Ibat_P)는 전류 비례치 Ibat_P와 가산되기 때문에, 제2 스위칭 듀티 duty_i는 전압 제어의 마지막에 얻어진 제1 스위칭 듀티 duty_v와 동일한 값이 된다. 이와 같이 제어 전환부(123)를 플러스(+)측으로부터 마이너스(-)측으로 전환할 때에는 전환 전의 전류 제어 지령치(제1 스위칭 듀티)의 최후치와 전환 후의 전압 제어 지령치(제2 스위칭 듀티)의 초기값이 동일해지도록 전환 후의 전압 목표치의 초기값이 보정된다.
이것에 의해, 전압 제어로부터 전류 제어로 전환할 때, 전환부(123A)가 플러스(+)측으로부터 마이너스(-)측으로 전환되어도 전환부(123A)의 플러스(+)측과 마이너스(-)측에서의 듀티의 값은 전압 제어의 마지막에 얻어진 제1 스위칭 듀티 duty_v이기 때문에, 전류 제어로 전환될 때의 불연속성을 해소할 수 있다.
제어 전환부(123)는 상기 서술과 같이 전환부(123A)를 전환하는 것에 의해 전압 제어부(121)로부터 얻어지는 제1 스위칭 듀티와 전류 제어부(122)로부터 얻어지는 제2 스위칭 듀티 중 어느 하나를 승압용 PM(125) 및 강압용 PM(126)을 구동하기 위한 구동용 듀티 duty_ref로서 선택한다. 이 선택은 배터리 전류 Ibat가 전원 공급 전류 임계값 Ibat_ref를 넘으면 전류 제어부(122)(즉, 제2 스위칭 듀티)에 의한 구동 제어로 전환되고, DC 버스 전압 Vout가 출력 목표 전압치 Vout_ref로 복귀되면 전압 제어부(121)(즉, 제1 스위칭 듀티)에 의한 구동 제어로 복귀시키는 것에 의해 실현된다.
선택된 구동용 듀티 duty_ref는 승강압 전환부(124)에 전송된다. 또한 이 구동용 듀티 duty_ref는 제1 스위칭 듀티 또는 제2 스위칭 듀티 중 어느 하나이기 때문에, 승압 구동용의 구동용 듀티에는 정의 부호가 붙여지고, 강압 구동용의 구동용 듀티에는 부의 부호가 붙여지게 된다.
승강압 전환부(124)는 제어 전환부(123)로부터 전송되는 구동용 듀티 duty_ref의 부호에 기초하여 이 구동용 듀티 duty_ref에 의해 구동되는 파워 모듈을 승압용 PM(125) 또는 강압용 PM(126) 중 어느 하나로 결정한다.
승압용 PM(Power Module)(125)은 상기 서술한 승압용 IGBT(102A)와 이 승압용 IGBT(102A)를 구동하기 위한 구동 회로 및 자기 보호 기능을 장착한 파워 모듈이다.
마찬가지로, 강압용 PM(126)은 상기 서술한 강압용 IGBT(102B)와 이 강압용 IGBT(102B)를 구동하기 위한 구동 회로 및 자기 보호 기능을 장착한 파워 모듈이다.
또한 도 4에는 리액터를 도시하지 않지만, 전원 접속 단자(104)로부터 출력되는 배터리 전류 Ibat는 리액터를 흐르는 전류이다.
또한 상기 서술과 같이, 강압용 PM(126)에 포함되는 강압용 IGBT(102B)에는 승강압 전환부(124)로부터 부의 구동용 듀티 duty_ref가 전송되기 때문에, 부호를 반전(-1배)하도록 구성되어 있다.
도 5는 승강압 전환부(124)에 의해 승강압 동작이 전환될 때의 상태 천이를 개념적으로 나타내는 도면이다. 표 1은 도 5에 나타내는 상태 천이와 구동용 듀티의 관계를 나타낸다. 여기서, 설명의 편의상 모드 0(Mode=0)을 운전 개시 전의 정지중, 모드 1(Mode=1)을 승압중, 모드 2(Mode=2)를 강압중, 모드 3(Mode=3)을 무동작(승강압 전환 동안 정지중)으로 한다.
현재 모드 현재의 구동용 듀티 다음 모드
0
 duty≥0 1
duty<0 2
1
 duty≥0 1
duty<0 3
2
 duty≥0 3
duty<0 2
3
 duty≥0 1
duty<0 2
도 5 및 표 1에 나타내는 바와 같이, 승강압 컨버터(100)의 운전 개시시(모드 0)에 구동용 듀티가 0 이상인 경우는 승강압 전환부(124)는 승압용 PM(125)의 구동 제어를 실행시킨다. 한편, 구동용 듀티가 부의 값인 경우는 승강압 전환부(124)는 전압 제어부(121)에 강압용 PM(126)의 구동 제어를 실행시킨다.
또 승압용 PM(125)의 구동 제어가 행해지고 있을 때(모드 1) 구동용 듀티가 0 이상인 경우는 승강압 전환부(124)는 승압용 PM(125)의 구동 제어를 계속시킨다. 한편, 구동용 듀티가 부의 값인 경우는 승강압 전환부(124)는 승압용 PM(125)의 구동 제어를 정지시킨다.
또 강압용 PM(126)의 구동 제어가 행해지고 있을 때(모드 2) 구동용 듀티가 0 이상인 경우는 승강압 전환부(124)는 강압용 PM(126)의 구동 제어를 정지시킨다. 한편, 구동용 듀티가 부의 값인 경우는 승강압 전환부(124)는 강압용 PM(126)의 구동 제어를 계속시킨다.
그리고 전압 제어부(121) 및 전류 제어부(122)에 의한 구동 제어가 승강압 전환 동안 모두 정지상태일 때(모드 3) 구동용 듀티가 0 이상인 경우는 승강압 전환부(124)는 승압용 PM(125)의 구동 제어를 하게 한다. 한편, 구동용 듀티가 부의 값인 경우는 승강압 전환부(124)는 강압용 PM(126)의 구동 제어를 실행시킨다.
또한 승강압 전환부(124)는 모드 3에서의 정지 기간에는 구동용 듀티를 오프로 한다.
도 6은 도 5에 나타내는 상태 천이를 시계열적으로 나타내는 동작 설명도이다.
도 6(a)는 승압 동작으로부터 무동작을 거쳐 강압 동작으로 천이하는 경우의 동작예를 나타낸다. 이와 같이 승압 동작과 강압 동작 사이에는 구동용 듀티를 오프로 하는 무동작(상기 서술한 모드 3)의 시간을 마련한다. 예를 들면, 200μ초마다 승강압을 제어하는 경우는 승압 동작으로부터 강압 동작으로 천이하는 동안의 200μ초만큼 무동작에 의한 정지 기간이 마련된다. 이것에 의해, 승강압 전환시에 안정적인 동작을 실현할 수 있다.
마찬가지로, 도 6(b)는 강압 동작으로부터 무동작을 거쳐 승압 동작으로 천이하는 경우의 동작예를 나타낸다. 도 6(c)는 승압 동작으로부터 무동작을 거쳐 강압 동작으로 천이하고, 다시 무동작을 거쳐 승압 동작으로 천이하는 경우의 예를 나타낸다. 이들은 도 6(a)에 나타내는 경우와 동일하며, 승압 동작으로부터 강압 동작으로 천이하는 경우에 무동작 상태를 거치는 여러 가지의 경우를 나타낸다.
도 6(d)는 승압 동작과 강압 동작의 전환이 빈번하게 행해지는 경우의 동작예를 나타낸다. 이와 같이 승강압의 전환이 빈번하게 행해지는 경우에는 승압 동작과 강압 동작의 전환 동작에 추가하여 승압 동작으로부터 무동작을 거쳐 다시 승압 동작이 되는 경우도 포함된다. 이와 같이 동일한 동작으로 복귀하는 경우에도 무동작의 시간은 제어 주기의 1 주기(200μ초)로 짧기 때문에, 안정적인 승강압 제어를 실현할 수 있다.
도 7은 전압 제어와 전류 제어의 전환 조건을 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 8은 승압 동작 중에서의 전압 제어와 전류 제어의 전환 동작을 설명하기 위한 동작예를 나타내는 도면이다. 도 9는 강압 동작 중에서의 전압 제어와 전류 제어의 전환 동작을 설명하기 위한 동작예를 나타내는 도면이다. 이러한 전압 제어와 전류 제어의 전환 동작은 제어 전환부(123)에 의해 실행된다.
도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 승압 동작 중에 전압 제어부(121)에 의한 전압 제어가 행해지고 있을 때 배터리 전류 Ibat의 전류치가 전원 공급 전류 임계값 Ibat_ref보다 커지면, 리액터(101)에 출력 단자(106)를 향한 방향의 과대 전류가 흐르는 것을 막기 위해 제어 전환부(123)는 전류 제어부(122)에 의한 구동 제어로 전환한다. 이것은 도 8에 나타내는 시계열에 있어서 최초의 전압 제어로부터 전류 제어로 천이한 경우에 대응한다.
예를 들면, 인버터(105)의 전력소비량이 많은 경우, 즉 전동발전기(12)의 전동량이나 선회용 전동기(21)의 역행량이 많은 경우에는 리액터(101)를 비롯한 회로 소자에 허용 전류치보다 많은 과전류가 흐르는 것에 의해 회로 소자가 손상을 받는 경우가 있다. 이 때문에 리액터(101)에 흐르는 배터리 전류 Ibat의 전류치가 전원 공급 전류 임계값 Ibat_ref 이상으로 커졌을 경우에는, 전류 제어부(122)에 의한 구동 제어로 전환한다.
또 전류 제어부(122)에 의한 구동 제어로 전환되면, 전동발전기(12)나 선회용 전동기(21)의 요구량 이상으로 전류를 흐르게 할 수 없게 되기 때문에, DC 버스(110)에 축전된 전력을 소비하여 운전을 계속한다. 따라서 도 8에 나타내는 바와 같이 DC 버스 전압 Vout는 출력 목표 전압치 Vout_ref로부터 크게 저하하기 시작한다. 인버터(105)의 부하 상태가 변하지 않는 한 변화하지 않는다.
그리고 전류 제어부(122)에 의한 구동 제어가 행해지고 있을 때, 전동발전기(12)의 전동량, 또는 선회용 전동기(21)의 역행량이 작아지는 것에 의해 DC 버스 전압 Vout가 출력 목표 전압치 Vout_ref로 복귀되면, 즉 DC 버스 전압 Vout가 출력 목표 전압치 Vout_ref 이상이 되면, 제어 전환부(123)는 전압 제어부(121)에 의한 구동 제어로 전환한다. 이것은 도 8에 나타내는 전류 제어로부터 시계열에 있어서 마지막 전압 제어로 천이한 경우에 대응한다. 이것에 의해 DC 버스(110)의 전압치가 과잉되게 높아지는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, DC 버스(110)의 전압치를 안정시킬 수 있으며, 인버터(18, 20)의 제어성을 안정시킬 수 있다.
반대로 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 강압 동작중에 전압 제어부(121)에 의한 전압 제어가 행해지고 있을 때, 예를 들면 전동발전기(12)의 발전량 또는 선회용 전동기(21)의 회생량이 많은 경우에도 마찬가지로 리액터(101)를 비롯한 회로 소자에 허용 전류치보다 많은 과전류가 흐르는 것에 의해 회로 소자가 손상을 받는 경우가 있다. 이 때문에 배터리 전류 Ibat가 전원 공급 전류 임계값 Ibat_ref 이하가 되면 리액터(101)에 전원 접속 단자(104)를 향한 방향의 과대 전류가 흐르는 것을 막기 위해 제어 전환부(123)는 전류 제어부(122)에 의한 구동 제어로 전환한다. 이것은 도 9에 나타내는 시계열에 있어서 최초의 전압 제어로부터 전류 제어로 천이한 경우에 대응한다. 여기서 강압중의 배터리 전류 Ibat와 전원 공급 전류 임계값 Ibat_ref는 부의 값을 가진다.
또한 전류 제어부(122)에 의한 구동 제어가 행해지고 있을 때, DC 버스 전압 Vout가 출력 목표 전압치 Vout_ref로 복귀되면, 즉, DC 버스 전압 Vout가 출력 목표 전압치 Vout_ref 이하가 되면, 제어 전환부(123)는 전압 제어부(121)에 의한 구동 제어로 전환된다. 이것은 도 9에 나타내는 전류 제어로부터 시계열에 있어서 마지막 전압 제어로 천이한 경우에 대응한다. 그 결과, DC 버스(110)의 전압치를 안정시킬 수 있으며, 인버터(18, 20)의 제어성을 안정시킬 수 있다.
이상과 같이, 실시형태 2의 하이브리드형 건설기계에 의하면, 전류 제어부(122)에서 연산되는 제2 스위칭 듀티를 이용해 전압 제어부(121)로 전압 적분치를 연산하고, 또한 전압 제어부(121)에서 연산되는 제1 스위칭 듀티를 이용해 전류 제어부(122)로 전류 적분치를 연산한다. 그 후, 배터리 전류 Ibat의 절대치가 전원 공급 전류 임계값 Ibat_ref를 넘으면, 전류 제어부(122)에 의한 구동 제어로 전환하고 DC 버스 전압 Vout가 출력 목표 전압치 Vout_ref로 복귀되면, 전압 제어부(121)에 의한 구동 제어부에 복귀시킨다.
이와 같이 전압 제어를 기본으로 하면서 배터리 전류 Ibat가 과대해지면 회로를 보호하기 위해 전류 제어로 전환한다. 그리고 그 전환시에 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 양쪽을 정지시키는 정지 기간(무동작)을 마련하기 때문에, 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)를 손상시키는 일 없이 승압 동작과 강압 동작의 전환을 안정적으로 행할 수 있는 하이브리드형 건설기계를 제공할 수 있다.
이상에서는 출력 단자(106)에 인버터(105)를 직접 접속하는 형태에 대해 설명했지만, 그 대신에 출력 단자(106)에 인버터를 개재하여 교류 구동되는 모터를 접속해도 된다.
그런데 승강압 컨버터(100)를 피드백 제어하는 경우에는, 승압 동작과 강압 동작의 전환점에 가까운 전류치가 미소한 영역 (저전류 영역)에 있어서, 전류의 상승이 늦어지기 때문에 듀티 지령에 대해 전류의 응답이 늦어진다고 하는 과제가 있다.
이러한 전류 응답의 지연은 듀티 지령에 대한 전류의 특성에 도 15에 나타내는 것 같은 불감대 영역으로서 나타난다. 이 불감대 영역 내에서는 전류치가 작기 때문에 승압 동작 또는 강압 동작이 적절하게 행해지지 않고, 승강압 컨버터와 전동발전기 등의 부하 사이에 있는 DC 버스의 전압치가 변동하기 쉬워진다. 이 때문에 불감대 영역 내에서 DC 버스 전압치가 변동하면 DC 버스로부터 부하에 공급되는 전압도 변동하기 때문에 전동발전기 등의 부하를 정확하게 제어하기 어려워진다고 하는 과제가 있었다.
또한 강압 동작을 할 때, 전류 응답의 지연에 의해 DC 버스 전압이 과도하게 상승하면 전동발전기 등의 부하의 드라이버는 과전압으로 손상될 우려가 있었다. 이와는 반대로, 승압 동작을 할 때, DC 버스 전압이 과도하게 저하하여 축전기의 전압과 동등해지면, 축전기로부터 부하에 항상 전류가 흐르는 것에 의해 전동발전기 등의 부하를 제어하기 어려워진다고 하는 과제가 있었다.
그래서 실시형태 3에 있어서 스위칭 소자를 손상시키는 일 없이 승압 동작과 강압 동작을 할 수 있음과 함께 승압 동작과 강압 동작의 전환점 부근에서의 응답성을 향상시킨 승강압 컨버터를 이용한 하이브리드형 건설기계를 제공한다.
[실시형태 3]
실시형태 3의 하이브리드형 건설기계는 실시형태 1과 동일한 승강압 컨버터(100)를 이용한다. 이 때문에 실시형태 3에서는 도 3을 원용한다. 실시형태 3은 도 2에 나타내는 실시형태 1의 승강압 구동 제어부(120) 대신에 구동 제어부(200)를 이용하는 점이 실시형태 1과 다르다.
승강압 컨버터(100)에 있어서, DC 버스(110)를 승압시킬 때에는, 승압용 IGBT(102A)의 게이트 단자에 PWM 전압을 인가하고, 강압용 IGBT(102B)에 병렬로 접속된 다이오드(102b)를 개재하여 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 수반해 리액터(101)에 발생하는 유도 기전력을 DC 버스(110)에 공급한다. 이것에 의해 DC 버스(110)가 승압된다.
또한 DC 버스(110)를 강압시킬 때에는, 강압용 IGBT(102B)의 게이트 단자에 PWM 전압을 인가하고, 강압용 IGBT(102B)를 개재하여 인버터(105)로부터 공급되는 회생전력을 DC 버스(110)로부터 배터리(19)에 공급한다. 이것에 의해 DC 버스(110)에 축적된 전력이 배터리(19)에 충전되어 DC 버스(110)가 강압된다.
그런데, 모터의 역행 운전 및 회생 운전에 있어서는, 역행 운전에 필요한 전력은 DC 버스(110)로부터 인버터(105)를 개재하여 모터에 공급됨과 함께 회생 운전에 의해 얻어지는 전력은 모터로부터 인버터(105)를 개재하여 DC 버스(110)에 공급되기 때문에, DC 버스(110)의 전압치는 변동한다.
그러나 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계에 의하면, 이하에서 설명하는 제어 방법에 의해 승압 동작과 강압 동작의 전환점 부근에서의 전류의 응답성을 향상시키고, 이것에 의해 DC 버스(110)의 전압치를 일정한 범위 내로 유지한다.
도 10은 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계의 승강압 컨버터의 구동 제어 장치의 회로구성을 나타내는 제어 블록도이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 실시형태 3의 승강압 컨버터의 구동 제어부(200)는 도 2에 나타내는 실시형태 1에 있어서의 승강압 구동 제어부(120)를 대신하는 것이며, 전압 제어 지령 생성부(201), 전압 제어부(202), PWM 지령 산출부(203), PWM 지령 합산부(204), 승강압 전환 제어부(205), 보상치 산출부(206) 및 보상치 전환부(207)를 포함한다.
이들 중, 전압 제어 지령 생성부(201), 전압 제어부(202), PWM 지령 산출부(203), PWM 지령 합산부(204) 및 승강압 전환 제어부(205)는 DC 버스 전압치(vdc_det)와 DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)의 편차에 기초한 PI 제어에 의해 승강압 컨버터(100)를 구동하기 위한 구동 지령을 생성하는 피드백 루프를 형성한다. 이 피드백 루프는 구동 지령을 생성하기 위한 주제어부로서 기능한다.
또 PWM 지령 합산부(204), 보상치 산출부(206) 및 보상치 전환부(207)는 DC 버스 전압치(vdc_det), 배터리 전압치(vbat_det) 및 배터리 전류치(ibat_det)를 이용해 승강압 컨버터(100)의 구동 지령을 보상하기 위한 보상치를 연산하고, 이 보상치를 구동 지령에 합산하기 위한 피드포워드 루프를 형성한다.
또한 배터리 전류치(ibat_det)는 배터리(19)로부터 DC 버스(110)에 흐르는 방향을 정으로 한다.
[각 부의 설명]
전압 제어 지령 생성부(201)는 DC 버스(110)의 목표 전압이 되는 DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)를 출력한다. 모터의 구동 개시 전에서의 DC 버스 전압은 0(V)이기 때문에, 이 DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)는 모터의 구동 개시에 의해 0(V)으로부터 서서히 상승하여, 모터의 구동이 개시되어 DC 버스 전압이 소정치를 넘으면 일정치로 유지되도록 설정되어 있다. DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)는 전압 제어부(202)와 보상치 전환부(207)에 입력된다.
전압 제어부(202)는 DC 버스 전압치(vdc_det)와 DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)에 가까워지도록(즉, 이 편차를 작게 하도록) PI 제어를 하고, 그러기 위해 필요한 전압 제어 지령(datl)을 연산한다. 생성된 전압 제어 지령(datl)은 PWM 지령 산출부(203)에 입력된다.
PWM 지령 산출부(203)는 전압 제어 지령(datl)을 PWM 제어에 필요한 듀티치를 나타내는 PWM 전압 지령치(pwm_v)로 변환하기 위한 산출 처리를 한다. 산출된 PWM 전압 지령치(pwm_v)는 PWM 지령 합산부(204)에 입력된다.
PWM 지령 합산부(204)는 PWM 지령 산출부(203)로부터 입력되는 PWM 전압 지령치(pwm_v)와 보상치 산출부(206)로부터 입력되는 보상 듀티치(pwm_duty)를 보상치 전환부(207)로부터 입력되는 플래그(duty.flg)의 값에 따라 합산하여, 합산 듀티치(pwm_sum)를 출력하는 합산 처리를 한다(합산부로서의 기능). 이 합산 처리는 PWM 지령 합산부(204)의 불감대 보상 기능에 의해 플래그(duty.flg)의 값에 따라 PWM 전압 지령치(pwm_v)와 보상 듀티치(pwm_duty)의 합산의 방법이 변경된다. 이 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리에 대해서는 후술한다.
또한 PWM 지령 합산부(204)에서 출력되는 합산 듀티치(pwm_sum)는 PWM 듀티치로 변환되기 전의 제어량(%)이다.
승강압 전환 제어부(205)는 합산 듀티치(pwm_sum)를 PWM 듀티치인 듀티 지령치(pwm_ref)로 변환한다. 이 듀티 지령치(pwm_ref)는 승강압 컨버터(100)의 승압용 IGBT(102A)와 강압용 IGBT(102B)를 구동하기 위한 PWM 듀티를 나타내는 값(%)이다.
여기서 듀티 지령치(pwm_ref)는 승압용의 값에 정의 부호를 붙이고, 강압용의 값에 부의 부호를 붙여 승강압용의 값을 구별한다. 이 때문에 승강압 전환 제어부(205)는 듀티 지령치(pwm_ref)가 정의 값인 경우에는 듀티 지령치(pwm_ref)를 승압용 IGBT(102A)에 보내고, 듀티 지령치(pwm_ref)가 부의 값인 경우에는 듀티 지령치(pwm_ref)를 강압용 IGBT(102B)에 보낸다.
보상치 산출부(206)는 DC 버스 전압치(vdc_det), 배터리 전압치(vbat_det) 및 배터리 전류치(ibat_det)에 기초하여 PWM 전압 지령치(pwm_v)를 보상하기 위한 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리에 필요한 보상 듀티치(pwm_duty)를 산출한다. 이 보상 듀티치(pwm_duty)는 승강압 컨버터(100)의 PWM 듀티에 대한 전류의 특성(도 15 참조)에서의 승압측 또는 강압측의 변곡점을 나타내는 PWM 듀티치에 상당하는 제어량이다. 변곡점을 나타내는 PWM 듀티치에 상당하는 제어량은, 강압측의 값은 DC 버스 전압치(vdc_det)에 대한 배터리 전압치(vbat_det)의 비 (vbat_det)/(vdc_det)로 주어지고, 승압측의 값은 {1-(vbat_det)/(vdc_det)}로 주어진다. 보상치 산출부(206)는 DC 버스 전압치(vdc_det)에 대한 배터리 전압치(vbat_det)의 비 (vbat_det)/(vdc_det)를 나타내는 제어량을 보상 듀티치(pwm_duty)로서 산출하고 보상치 전환부(207)에 입력한다.
보상치 전환부(207)는 DC 버스 목표 전압치(vdc_ref), DC 버스 전압치(vdc_det) 및 배터리 전류치(ibat_det)에 기초하여 플래그(duty.flg)를 도출하고, 이 플래그(duty.flg)와 보상 듀티치(pwm_duty)를 PWM 지령 합산부(204)에 입력하는 처리를 한다. 플래그(duty.flg)는 "-1", "0" 또는 "+1" 중 어느 하나의 값을 취한다. 이 플래그(duty.flg)는 후술하는 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리에 이용된다.
도 11은 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계의 승강압 컨버터의 구동 제어 장치의 보상치 전환부(207)로 도출하는 플래그(duty.flg)와, 승강압 컨버터(100)의 구동 영역의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11에 있어서, 가로축은 배터리 전류치(ibat_det), 세로축은 DC 버스 전압 편차{DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)-DC 버스 전압치(vdc_det)}이다.
여기서 배터리 전류치(ibat_det)는 배터리(19)로부터 DC 버스(110)에 흐르는 방향을 정으로 하기 때문에, 가로축이 정인 영역은 DC 버스(110)를 승압하는(리액터(101)로부터 DC 버스(110)에 전력을 공급하는) 영역이다. 이 동작이 계속되면, 배터리(19)에 축적된 전력이 DC 버스(110)에 공급된다(배터리(19)로부터 DC 버스(110)로의 방전이 행해진다). 이에 반해 가로축이 부인 영역은 DC 버스(110)를 강압하는(배터리(19)를 충전하는) 영역이다.
또, 세로축의 DC 버스 전압 편차는 {DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)-DC 버스 전압치(vdc_det)}로 나타내지기 때문에, 세로축이 정인 영역은 DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)보다 DC 버스 전압치(vdc_det)가 낮아, DC 버스(110)의 전압이 강하하고 있는 영역이다. 이 영역에서는 모터 등의 부하의 변동에 의해 DC 버스 전압치(vdc_det)가 저하되므로, 승강압 컨버터(100)는 DC 버스 전압치(vdc_det)를 승압하기 위한 제어를 한다. 그 결과, 배터리(19)로부터 DC 버스(110)로 방전된다. 이에 반해 세로축이 부인 영역은 DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)보다 DC 버스 전압치(vdc_det)가 높아, DC 버스(110)의 전압이 상승하고 있는 영역이다. 이 영역에서는 모터 등의 부하의 변동에 의해 DC 버스 전압치(vdc_det)가 상승하므로, 승강압 컨버터(100)는 DC 버스 전압치(vdc_det)를 저하시키기 위해 배터리(19)를 충전하기 위한 제어를 한다.
가로축에는 중앙의 배터리 전류치(ibat_det)=0의 축을 사이에 두고 -bat_I와 +bat_I의 2개의 임계값이 설정되어 있다. 이것에 의해 승강압 컨버터(100)의 구동 영역은, 가로축 방향에 있어서 배터리 전류치(ibat_det)에 따라 -bat_I≤배터리 전류치(ibat_det), -bat_I<배터리 전류치(ibat_det)<+bat_I, +bat_I≤배터리 전류치(ibat_det)의 3개의 영역으로 나뉘어져 있다. 또한 미리 정해진 임계값인 -bat_I와 +bat_I 사이는 종래의 승강압 컨버터라면 불감대 영역 (도 15 참조)이 생기는 것 같은 전류치가 미소한 영역이다.
또한 세로축에는 DC 버스 전압 편차{DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)-DC 버스 전압치(vdc_det)}=-dc_V, 0, +dc_V의 3개의 미리 정해진 임계값이 설정되어 있다. 이것에 의해 승강압 컨버터(100)의 구동 영역은 세로축 방향에 있어서 DC 버스 전압 편차에 따라 DC 버스 전압 편차≤-dc_V, -dc_V<DC 버스 전압 편차<0, 0≤DC 버스 전압 편차<+dc_V, +dc_V≤DC 버스 전압 편차의 4개의 영역으로 나뉜다.
여기서, 세로축에서의 미리 정해진 임계값은 DC 버스(110)의 특성에 기초한 제어 정밀도에 대응하여 결정된다. 임계값 +dc_V를 크게 하면 전환이 생기기 어려워지고, DC 버스(110)가 과전압이 되어 버린다. 한편, 임계값 +dc_V를 작게 하면 전환이 빈번하게 행해져 전류 보상이 과다해지고, 그 결과 DC 버스(110)를 흐르는 전류의 손실이 커져 버린다. 이것은 임계값 -dc_V의 절대치에 대해서도 마찬가지이다.
이와 같이 가로축 및 세로축에 임계값을 설정하는 것에 의해 승강압 컨버터(100)의 구동 영역은 도 11에 나타내는 바와 같이 매트릭스상으로 배치되는 12개의 영역 (1)∼(12)로 구분된다. 승강압 컨버터(100)의 구동시에는 배터리 전류치(ibat_det)와 DC 버스 전압 편차{DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)-DC 버스 전압치(vdc_det)}가 변동하기 때문에, 구동 영역은 (1)∼(12) 중에서 천이된다. 이것에 의해 다른 처리 형태로의 전환 판단을 간단하게 하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 신속하게 불감대 보상 기능을 기동할 수 있다.
또한 상기 서술한 바와 같이 플래그(duty.flg)는 후술하는 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리에 이용되는 플래그이며, 플래그(duty.flg)가 "+1"인 것은 승압 동작중에 있어서 불감대 보상 기능이 기동 상태인 것을 나타내고, 플래그(duty.flg)가 "-1"인 것은 강압 동작중에 불감대 보상 기능이 기동 상태인 것을 나타낸다. 또, 플래그(duty.flg)가 "0"인 것은 불감대 보상 기능이 해제 상태인 것을 나타낸다. 또한 불감대 기능은 기동 개시되어 기동 상태가 되고, 기동 종료되어 해제 상태가 된다.
[구동 영역 (1)∼(12)의 설명]
영역 (1)은 "배터리 전류치(ibat_det)≤-bat_I, 또한 +dc_V≤DC 버스 전압 편차"의 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (1)로 천이해도 충방전의 전환으로부터 떨어진 영역, 즉 DC 버스(110)의 전류 불감대로부터 떨어진 영역이기 때문에, 그대로의 플래그를 이용할 수 있다. 구체적으로는, 플래그(duty.flg)를 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)와 동일한 값으로 설정한다(duty.flg=전회의 duty.flg).
영역 (2)는 "-bat_I<배터리 전류치(ibat_det)<+bat_I, 또한 +dc_V≤DC 버스 전압 편차"의 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (2)로 천이한 경우는 플래그(duty.flg)를 "+1"로 설정한다(duty.flg=+1). 여기서 영역 (2)로 천이한 경우에 플래그(duty.flg)를 "+1"로 설정하는 것은, 승압 동작중에 있어서 배터리 전류치(ibat_det)가 절대치로 임계값보다 작고 또 DC 버스 전압 편차가 임계값(+dc_V) 이상인 경우에는 DC 버스 전압치(vdc_det)가 비교적 낮아서 DC 버스(110)의 승압이 필요한 상태인데 전류가 충분히 흐르고 있지 않은 상태이기 때문에, 불감대 보상 기능을 기동 개시시켜 배터리 전류치(ibat_det)를 증대시키는 것에 의해 승압 동작을 촉진하기 위해서이다. 여기서 플래그(duty.flg)의 "+1"로의 전환은, 예를 들면 영역 (5)에 있어서 플래그(duty.flg)가 "0" 상태로부터 DC 버스 전압 편차가 커지고, +dc_V를 초과해 영역 (2)가 되었을 경우에 실행된다. 이것에 의해 DC 버스 전압 편차에 기초한 충방전 제어를 할 때 DC 버스(110)의 불감대에 있어서 억지로 전류를 흘려보내기 위해 후술하는 PWM 전압 지령치(pwm_v)를 보상하는 조작이 기동된다.
영역 (3)은 "+bat_I≤배터리 전류치(ibat_det), 또 +dc_V≤DC 버스 전압 편차"의 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (3)으로 천이한 경우는 플래그(duty.flg)를 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)와 동일한 값으로 설정한다(duty.flg=전회의 duty.flg).
영역 (4)는 "배터리 전류치(ibat_det)≤-bat_I, 또 0≤DC 버스 전압 편차<+dc_V"의 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (4)로 천이한 경우는 플래그(duty.flg)를 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)와 동일한 값으로 설정한다(duty.flg=전회의 duty.flg).
영역 (5)는 "-bat_I<배터리 전류치(ibat_det)<+bat_I, 또 0≤DC 버스 전압 편차<+dc_V"의 구동 영역이다. 즉, DC 버스 전압 편차가 작고, 배터리 전류치(ibat_det)도 충방전이 전환되는 천이 영역에 상당한다. 구동 영역이 영역 (5)로 천이한 경우에 있어서, 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)가 "-1" 또는 "0"인 경우는 (금회의) 플래그(duty.flg)를 "0"으로 설정하고, 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)가 "+1"인 경우는 (금회의) 플래그(duty.flg)를 (전회의) 플래그(duty.flg)와 동일한 값 "+1"로 설정한다.
여기서, 영역 (5)로 천이한 경우에 있어서, 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)가 "-1"인 경우에 (금회의) 플래그(duty.flg)를 "0"으로 설정하는 것은, 플래그(duty.flg)가 "-1"이며 강압 동작시에 있어서 불감대 보상 기능이 기동되고 있는 상태로부터, 배터리 전류치(ibat_det)가 절대치로 임계값보다 작고, 또 DC 버스 전압 편차가 임계값(+dc_V) 미만인 상태(영역 (5))로 천이한 경우에는 천이 전의 강압 동작시에서의 불감대 보상 기능에 의해 DC 버스 전압치(vdc_det)는 충분히 강압되고 있으며, 영역 (5)로 천이한 후는 불감대 보상 기능에 의한 배터리 전류치(ibat_det)의 증대는 불필요하다고 생각되기 때문이다. 이것에 의해 DC 버스 전압 편차에 기초한 충방전 제어에 있어서 후술하는 PWM 전압 지령치(pwm_v)를 보상하는 조작이 해제된다.
영역 (6)은 "+bat_I≤배터리 전류치(ibat_det), 또한 0≤DC 버스 전압 편차<+dc_V"인 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (6)로 천이한 경우는 플래그(duty.flg)를 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)와 동일한 값으로 설정한다(duty.flg=전회의 duty.flg).
영역 (7)은 "배터리 전류치(ibat_det)≤-bat_I, 또한 -dc_V<DC 버스 전압 편차<0"의 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (7)로 천이한 경우는 플래그(duty.flg)를 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)와 동일한 값으로 설정한다(duty.flg=전회의 duty.flg).
영역 (8)은 "-bat_I<배터리 전류치(ibat_det)<+bat_I, 또한 -dc_V<DC 버스 전압 편차<0"의 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (8)로 천이한 경우에 있어서, 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)가 "-1"인 경우는 (금회의) 플래그(duty.flg)를 (전회의) 플래그(duty.flg)와 동일한 값 "-1"로 설정하고, 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)가 "0" 또는 "+1"인 경우는 (금회의) 플래그(duty.flg)를 "0"으로 설정한다.
여기서, 영역 (8)로 천이한 경우에 있어서, 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)가 "+1"인 경우에 (금회의) 플래그(duty.flg)를 "0"으로 설정하는 것은, 플래그(duty.flg)가 "+1"이며 승압 동작시에 있어서 불감대 보상 기능이 기동되고 있는 상태로부터, 배터리 전류치(ibat_det)가 절대치로 임계값보다 작고, 또한 DC 버스 전압 편차가 임계값(-dc_V)보다 높은 상태(영역 (8))로 천이한 경우에는 천이 전의 승압 동작시에 있어서의 불감대 보상 기능에 의해 DC 버스 전압치(vdc_det)는 충분히 승압되고 있으며, 영역 (8)로 천이한 후는 불감대 보상 기능에 의한 배터리 전류치(ibat_det)의 증대는 불필요해졌다고 생각되기 때문이다. 이것에 의해, DC 버스 전압 편차에 기초한 충방전 제어에 있어서 후술하는 PWM 전압 지령치(pwm_v)를 보상하는 조작이 해제된다.
영역 (9)는 "+bat_I≤배터리 전류치(ibat_det), 또한 -dc_V<DC 버스 전압 편차<0"인 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (9)로 천이한 경우는 플래그(duty.flg)를 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)와 동일한 값으로 설정한다(duty.flg=전회의 duty.flg).
영역 (10)은 "배터리 전류치(ibat_det)≤-bat_I, 또한 DC 버스 전압 편차≤-dc_V"의 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (10)으로 천이한 경우는 플래그(duty.flg)를 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)와 동일한 값으로 설정한다(duty.flg=전회의 duty.flg).
영역 (11)은 "-bat_I<배터리 전류치(ibat_det)<+bat_I, 또한 DC 버스 전압 편차≤-dc_V"인 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (11)로 천이한 경우는 플래그(duty.flg)를 "-1"로 설정한다(duty.flg=+1). 여기서 영역 (11)로 천이한 경우에 플래그(duty.flg)를 "-1"로 설정하는 것은, 강압 동작중에 있어서 배터리 전류치(ibat_det)가 절대치로 임계값보다 작고, 또한 DC 버스 전압 편차가 임계값(-dc_V) 이하인 경우에는 DC 버스 전압치(vdc_det)가 비교적 상승하고 있어 DC 버스(110)의 강압이 필요한 상태인데, DC 버스(110)로부터 배터리(19)에 전류가 충분히 흐르지 않은 상태이기 때문에, 불감대 보상 기능을 기동 개시시키는 것에 의해 DC 버스(110)로부터 배터리(19)의 방향으로 흐르는 전류로서 부의 값으로 나타내지는 배터리 전류치(ibat_det)를 절대치로 증대시키는 것에 의해 강압 동작을 촉진하기 위해서이다.
영역 (12)는 "+bat_I≤배터리 전류치(ibat_det), 또한, DC 버스 전압 편차≤-dc_V"인 구동 영역이다. 구동 영역이 영역 (12)로 천이한 경우는 플래그(duty.flg)를 천이 전의 (전회의) 플래그(duty.flg)와 동일한 값으로 설정한다(duty.flg=전회의 duty.flg).
여기서 승강압 컨버터(100)의 기동시는 "배터리 전류치(ibat_det)=0, 또한 DC 버스 전압 편차{DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)-DC 버스 전압치(vdc_det)}=0"이며, 이 구동 상태는 영역 (5)에 포함된다. 이 때문에, 승강압 컨버터(100)의 기동시에는 도 11에 나타내는 구동 영역은 영역 (5)로부터 시작되고, 배터리 전류치(ibat_det)와 DC 버스 전압 편차{DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)-DC 버스 전압치(vdc_det)}의 변화에 의해 다른 영역으로 천이한다.
따라서 불감대 보상 기능이 기동 개시되는 것은, 플래그(duty.flg)가 "0" 상태로부터 구동 영역이 영역 (2)로 천이하여 플래그(duty.flg)가 "+1"로 변화한 경우, 또는 플래그(duty.flg)가 "0" 상태로부터 구동 영역이 영역 (11)로 천이하여 플래그(duty.flg)가 "-1"로 변화한 경우이다. 즉, 불감대 보상 기능은 DC 버스 전압 편차가 절대치로 소정 전압치(dc_V) 이상이고, 또한 배터리 전류치(ibat_det)가 절대치로 소정의 저전류치(bat_I) 미만이 되면 기동 개시된다.
또한 불감대 보상 기능이 기동 종료되는 것은 플래그(duty.flg)가 "-1" 상태로부터 구동 영역이 영역 (5)로 천이하여 플래그(duty.flg)가 "0"으로 변화한 경우, 또는 플래그(duty.flg)가 "+1" 상태로부터 구동 영역이 영역 (8)로 천이하여 플래그(duty.flg)가 "0"으로 변화한 경우이다. 즉, 불감대 보상 기능은 배터리 전류치(ibat_det)가 절대치로 소정의 저전류치(bat_I) 미만이고, 또한 DC 버스 전압 편차가 영이 된 경우, 또는 DC 버스 전압 편차의 부호가 반전된 경우에 기동 종료된다.
그 밖의 경우에 있어서, 구동 영역이 천이해도 플래그(duty.flg)가 "0" 그대로인 경우는 불감대 보상 기능은 해제 상태로 유지되고, 구동 영역이 천이해도 플래그(duty.flg)가 "-1" 또는 "+1" 그대로인 경우는 불감대 보상 기능은 기동 상태로 유지된다.
또한 상기 서술한 바와 같이 가로축이 부인 영역은 DC 버스(110)를 강압하는 (배터리(19)를 충전하는) 영역이며, 세로축이 정인 영역은 DC 버스(110)의 전압이 강하하고 있는 영역이기 때문에, 영역 (1)과 영역 (4)는 통상 경유하지 않는 구동 영역이다.
마찬가지로 가로축이 정인 영역은 DC 버스(110)를 승압하는 (리액터(101)로부터 DC 버스(110)에 전력을 공급하는) 영역이며, 세로축이 부인 영역은 DC 버스(110)의 전압이 상승하고 있는 영역이기 때문에, 영역 (9)과 영역 (12)는 통상 경유하지 않는 구동 영역이다.
[불감대 보상 기능에 의한 합산 처리]
다음에, PWM 지령 합산부(204)의 처리 내용(불감대 보상 기능에 의한 합산 처리)에 대해 설명한다. 여기서, 불감대 보상 기능은 플래그(duty.flg)가 "-1" 또는 "+1"인 경우에 기동 상태로 되고, 플래그(duty.flg)가 "0"인 경우는 해제 상태로 된다.
PWM 지령 합산부(204)는 플래그(duty.flg)의 값에 따라 합산의 방법을 이하와 같이 전환한다.
플래그(duty.flg)가 "0"인 경우는 보상 듀티치(pwm_duty)는 합산되지 않고 (보상 듀티치(pwm_duty)를 영으로서 합산하고), 합산 듀티치(pwm_sum)로서 PWM 전압 지령치(pwm_v)를 출력한다. 즉, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 된다.
플래그(duty.flg)가 "1"인 경우는 승압용의 보상 듀티치(pwm_duty)를 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 합산한다. 즉, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)+승압용의 보상 듀티치(pwm_duty)가 된다.
플래그(duty.flg)가 "-1"인 경우는 승압용의 보상 듀티치(pwm_duty)를 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 합산한다. 즉, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)-승압용의 보상 듀티치(pwm_duty)가 된다.
이와 같이 보상 듀티치(pwm_duty)는, 플래그(duty.flg)가 "1" 또는 "-1"인 경우에 합산된다.
또, PWM 지령 합산부(204)는, 플래그(duty.flg)가 "0"에서 "1" 또는 "-1"로 변화할 때(불감대 보상 기능이 기동 개시될 때)에는, 변곡점을 나타내는 PWM 듀티치에 상당하는 제어량이 보상 듀티치(pwm_duty)로서 더해진다. 그리고 PWM 지령 산출부(203)로부터 출력되는 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 포함되는 적분 성분치(I성분치)와 비례 성분치(P성분치)에 대해, 적분 성분치(I성분치)를 비례 성분치(P성분치)의 반수로 치환하는 처리를 한다. 이것에 의해 PWM 전압 지령치(pwm_v)의 값은 영이 된다(치환부로서의 기능).
또한 이것과는 반대로, PWM 지령 합산부(204)는 플래그(duty.flg)가 "1" 또는 "-1"에서 "0"으로 변화할 때(불감대 보상 기능이 기동 종료될 때)에는, PWM 지령 산출부(203)로부터 출력되는 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 포함되는 적분 성분치(I성분치)의 값을 불감대 보상 기능을 기동 종료 직전의 적분 성분치(I성분치)와 보상 듀티치(pwm_duty)의 합계치로 치환한다(치환부로서의 기능).
다음에, 상기 서술한 바와 같은 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리에 대해 도 12 및 도 13을 이용해 설명한다.
[강압시의 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리]
도 12는 실시형태 3의 승강압 컨버터(100)의 구동 제어장치에서의 강압시의 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리를 설명하기 위한 원리도이며, (a)는 불감대 보상 기능의 기동 개시시의 처리, (b)는 불감대 보상 기능의 기동 종료시의 처리, (c)는 불감대 보상 기능의 기동중의 처리를 각각 시간 경과로 나타낸다. 이 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리는 PWM 지령 합산부(204)에 의해 실행된다.
또한 도면 중 PWM 전압 지령치(pwm_v)의 막대그래프 중에 나타내는 P 및 I는 비례 성분치(P성분치)와 적분 성분치(I성분치)의 비율을 나타낸다.
여기서, 강압시에 불감대 보상 기능이 기동 개시되는 것은 플래그(duty.flg)가 "0" 상태로부터 구동 영역이 영역 (11)로 천이하여 플래그(duty.flg)가 "-1"로 변화하는 경우이다. 또, 이 불감대 보상 기능이 기동 종료되는 것은, 플래그(duty.flg)가 "-1" 상태로부터 구동 영역이 영역 (5)로 천이하여 플래그(duty.flg)가 "0"으로 변화한 경우이다.
도 12(a)에 나타내는 바와 같이, 불감대 보상 기능의 기동 개시전(플래그(duty.flg)="0"의 경우)은 보상치 전환부(207)로부터 입력되는 보상 듀티치(pwm_duty)는 영으로 되어 있기 때문에, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 된다.
다음에, 구동 영역이 영역 (11)로 천이하는 것에 의해 플래그(duty.flg)가 "-1"로 변화하여 불감대 보상 기능이 기동 개시되면, 보상 듀티치(pwm_duty)가 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 합산되고, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)+보상 듀티치(pwm_duty)가 된다.
이 때, 도 12(a)에 나타내는 바와 같이 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 포함되는 비례 성분치(P성분치)는 불감대 보상 기능의 기동 개시 전후에서 동일한 값을 가지지만, 불감대 보상 기능의 기동 개시 직후의 적분 성분치(I성분치)는 비례 성분치(P성분치)의 반수로 치환되어 있다. 이와 같이, 불감대 보상 기능이 기동 개시된 직후는 PWM 전압 지령치(pwm_v)의 값은 영이 되도록 한다.
이 때문에, 실제로는 합산 듀티치(pwm_sum)=보상 듀티치(pwm_duty)가 된다.
여기서, 보상 듀티치(pwm_duty)의 값은, 승강압 컨버터(100)의 PWM 듀티치에 대한 전류치의 특성에서의 강압측의 변곡점을 나타내는 PWM 듀티치에 상당하는 제어량이 된다. 그 후, 보상 듀티치(pwm_duty)와 PWM 듀티치를 합산한 값에 기초하여 듀티 지령치(pwm_ref)가 구해지고, 충방전 제어가 행해진다.
따라서, 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계에 의하면, 승강압 컨버터(100)의 배터리 전류치(ibat_det)의 절대치가 소정치 미만이고, 또한 DC 버스 전압 편차가 절대치로 소정치 이상이며, DC 버스 전압치(vdc_det)가 상승하여 강압 동작이 필요한 경우에 충분한 배터리 전류치(ibat_det)를 얻을 수 없다고 판정한 경우는, 불감대 보상 기능을 기동 개시하는 것에 의해 PWM 지령 합산부(204)에 있어서 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 보상 듀티치(pwm_duty)를 합산하므로, 도 12(c)에 나타내는 바와 같이 합산 듀티치(pwm_sum)가 절대치로 증대되고, 이것에 의해 승강압 컨버터(100)를 구동하기 위한 최종적인 듀티 지령치(pwm_ref)가 절대치로 증대된다. 이 때문에, DC 버스(110)로부터 배터리(19)의 방향으로 흐르는 전류가 증대되어, 종래와 같이 저전류 영역에 있어서 PWM 듀티에 대해 전류의 응답이 늦어지는 일이 없어, 전류 응답성이 양호하여 DC 버스(110)의 전압치를 일정한 범위 내로 유지할 수 있는 승강압 컨버터(100)의 구동 제어장치를 제공할 수 있다.
다음에, 도 12(b)를 이용해 강압시에서의 불감대 보상 기능을 기동 종료할 때의 동작을 설명한다. 불감대 보상 기능의 기동 상태(플래그(duty.flg)="-1"의 경우)에서는 보상치 전환부(207)로부터 입력되는 보상 듀티치(pwm_duty)가 합산되어 있기 때문에, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)+보상 듀티치(pwm_duty)가 된다.
다음에, 플래그(duty.flg)가 "0"으로 변화하여 불감대 보상 기능이 기동 종료되면, 보상 듀티치(pwm_duty)가 영으로 되고 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 된다.
이 때, 도 12(b)에 나타내는 바와 같이 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 포함되는 비례 성분치(P성분치)는 불감대 보상 기능의 기동 개시 전후에서 동일한 값을 가지지만, 불감대 보상 기능의 기동 종료 직후의 적분 성분치(I성분치)는 불감대 보상 기능의 기동 종료 직전의 적분 성분치(I성분치)와 보상 듀티치(pwm_duty)의 합계치로 치환하는 조작을 한다.
따라서, 불감대 보상 기능의 기동 종료의 전후에 있어서, 합산 듀티치(pwm_sum)의 값은 동일해져 연속성이 유지되므로, 불감대 보상 기능을 기동 종료해도 승강압 컨버터(100)의 제어성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한 불감대 보상 기능이 기동 종료된 후는, 플래그(duty.flg)가 "0"이 되어 보상 듀티치(pwm_duty)는 합산 듀티치(pwm_sum)에 합산되지 않고, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 되기 때문에, 승강압 컨버터(100)는 PWM 지령 산출부(203)에서의 PI 제어에 의해 생성되는 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 의해 구동되게 된다.
[승압시의 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리]
도 13은 실시형태 3의 승강압 컨버터(100)의 구동 제어장치에서의 승압시의 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리를 설명하기 위한 원리도이며, (a)는 불감대 보상 기능의 기동 개시시의 처리, (b)는 불감대 보상 기능의 기동 종료시의 처리, (c)는 불감대 보상 기능의 기동중의 처리를 각각 시간 경과로 나타낸다. 이 승압시의 불감대 보상 기능에 의한 합산 처리는, 강압시의 처리와 마찬가지로 PWM 지령 합산부(204)에 의해 실행된다. 또한 도면 중 PWM 전압 지령치(pwm_v)의 막대그래프 중에 나타내는 P 및 I는 비례 성분치(P성분치)와 적분 성분치(I성분치)의 비율을 나타낸다.
여기서, 승압시에 불감대 보상 기능이 기동 개시되는 것은 DC 버스 전압 편차의 변동에 의해 플래그(duty.flg)가 "0" 상태로부터 구동 영역이 영역 (2)로 천이하여 플래그(duty.flg)가 "+1"로 변화하는 경우이다. 또, 이 불감대 보상 기능이 기동 종료되는 것은, 플래그(duty.flg)가 "+1" 상태로부터 구동 영역이 영역 (8)로 천이하여 플래그(duty.flg)가 "0"으로 변화한 경우이다.
도 13(a)에 나타내는 바와 같이, 불감대 보상 기능의 기동 개시전(플래그(duty.flg)="0"의 경우)은 보상치 전환부(207)로부터 입력되는 보상 듀티치(pwm_duty)는 영으로 되어 있기 때문에, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 된다.
다음에, 구동 영역이 영역 (2)로 천이하는 것에 의해 플래그(duty.flg)가 "+1"로 변화하여 불감대 보상 기능이 기동 개시되면, 보상 듀티치(pwm_duty)가 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 합산되고, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)+보상 듀티치(pwm_duty)가 된다.
이 때, 도 13(a)에 나타내는 바와 같이 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 포함되는 비례 성분치(P성분치)는 불감대 보상 기능의 기동 개시 전후에서 동일한 값을 가지지만, 불감대 보상 기능의 기동 개시 직후의 적분 성분치(I성분치)는 비례 성분치(P성분치)의 반수로 치환되어 있다. 이것에 의해, 불감대 보상 기능이 기동 개시된 직후는 PWM 전압 지령치(pwm_v)의 값은 영이 된다.
이 때문에, 실제로는 합산 듀티치(pwm_sum)=보상 듀티치(pwm_duty)가 된다.
여기서, 보상 듀티치(pwm_duty)의 값은, 보상 듀티치(pwm_duty)는 승강압 컨버터(100)의 PWM 듀티치에 대한 전류치의 특성에서의 승압측의 변곡점을 나타내는 PWM 듀티치에 상당하는 제어량이다.
따라서, 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계에 의하면, 승강압 컨버터(100)의 배터리 전류치(ibat_det)의 절대치가 소정치 미만이고, 또한 DC 버스 전압 편차가 절대치로 소정치 이상이며, DC 버스 전압치(vdc_det)가 저하하여 승압 동작이 필요한 경우에 충분한 배터리 전류치(ibat_det)를 얻을 수 없다고 판정한 경우는, 불감대 보상 기능을 기동 개시하는 것에 의해 PWM 지령 합산부(204)에 있어서 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 보상 듀티치(pwm_duty)를 합산하므로, 도 13(c)에 나타내는 바와 같이 합산 듀티치(pwm_sum)가 절대치로 증대되고, 이것에 의해 승강압 컨버터(100)를 구동하기 위한 최종적인 듀티 지령치(pwm_ref)가 절대치로 증대된다. 이 때문에, 배터리(19)로부터 DC 버스(110)의 방향으로 흐르는 전류가 증대되어, 종래와 같이 저전류 영역에 있어서 PWM 듀티에 대해 전류의 응답이 늦어지는 일이 없어, 전류 응답성이 양호한 승강압 컨버터(100)의 구동 제어장치를 제공할 수 있다.
다음에, 도 13(b)를 이용해 승압시에서의 불감대 보상 기능을 기동 종료할 때의 동작을 설명한다. 불감대 보상 기능의 기동 상태(플래그(duty.flg)="+1"의 경우)에서는 보상치 전환부(207)로부터 입력되는 보상 듀티치(pwm_duty)가 합산되어 있기 때문에, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)+보상 듀티치(pwm_duty)가 된다.
다음에, 플래그(duty.flg)가 "0"로 변화하여 불감대 보상 기능이 기동 종료되면, 보상 듀티치(pwm_duty)가 영으로 되고 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 된다.
이 때, 도 13(b)에 나타내는 바와 같이 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 포함되는 비례 성분치(P성분치)는 불감대 보상 기능의 기동 개시 전후에서 동일한 값을 가지지만, 불감대 보상 기능의 기동 종료 직후의 적분 성분치(I성분치)는 불감대 보상 기능의 기동 종료 직전의 적분 성분치(I성분치)와 보상 듀티치(pwm_duty)의 합계치로 치환되어 있다.
따라서, 불감대 보상 기능의 기동 종료의 전후에 있어서, 합산 듀티치(pwm_sum)의 값은 동일해져 연속성이 유지되므로, 불감대 보상 기능을 기동 종료해도 승강압 컨버터(100)의 제어성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한 불감대 보상 기능이 기동 종료된 후는, 플래그(duty.flg)가 "0"이 되고 보상 듀티치(pwm_duty)는 합산 듀티치(pwm_sum)에 합산되지 않고, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 되기 때문에, 승강압 컨버터(100)는 PWM 지령 산출부(203)에서의 PI 제어에 의해 생성되는 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 의해 구동되게 된다.
도 14는 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계의 승강압 컨버터의 구동 제어 장치에 의한 동작 특성의 일례를 나타내는 특성도이다.
승강압 컨버터(100)의 구동을 개시한 직후는 구동 영역은 영역 (5)이기 때문에, 플래그(duty.flg)는 "0"으로 유지되므로 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 되고, 승강압 컨버터(100)는 PWM 지령 산출부(203)에 의해 생성된 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 의해 PI 제어된다.
구동 개시 직후부터 A 시점까지는 선회용 전동기(21)를 가속(역행 운전)하기 위해 대략 일정한 배터리 전류치(ibat_det)가 흐르고, DC 버스 전압치(vdc_det)는 -dc_V∼+dc_V의 사이를 추이하고 있다. 이 상태는 도 11에 나타내는 영역 (5)와 영역 (8)을 DC 버스 전압 편차의 약간의 변동에 의해 왕래하고 있는 상태에 상당한다.
이와 같이 구동 영역이 영역 (5) 또는 영역 (8)에 있는 상태에서는, 플래그(duty.flg)는 "0"으로 유지되기 때문에 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 되고, 승강압 컨버터(100)는 PWM 지령 산출부(203)에 의해 생성된 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 의해 PI 제어된다.
다음에, A 시점을 넘으면 선회용 전동기(21)이 감속하기 시작한다(회생 운전을 한다). 이것에 의해, 배터리(19)로부터 선회용 전동기(21)에 공급되는 배터리 전류치(ibat_det)가 감소되고 DC 버스 전압치(vdc_det)가 커져, 그 결과 DC 버스 전압 편차{DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)-DC 버스 전압치(vdc_det)}가 영보다 작아진다.
이 때, 구동 영역은 영역 (8)로 천이하지만, 플래그(duty.flg)는 "0"으로 유지된 상태가 계속된다.
또한 모터 등의 전기 부하가 회생 운전을 하면 회생 전류가 발생하므로, DC 버스 전압치(vdc_det)가 상승하고, 배터리 전압치(vbat_det)/DC 버스 전압치(vdc_det)의 비도 작아진다. 이것은 DC 버스 전압 검출치의 상승에 의해 DC 버스(110)의 강압(배터리(19)의 충전)이 필요해지기 때문에, 배터리(19)로부터 DC 버스(110)에 흐르는 전류치가 줄어들기 때문이다.
또한 도 14에는 나타내지 않지만, 모터 등의 전기 부하가 역행 운전을 한 경우에는 전기 부하로부터 전력 공급이 요구되고, DC 버스 전압치(vdc_det)가 저하한다. 이 경우에는 DC 버스 전압치(vdc_det)의 저하에 의해 DC 버스(110)의 승압(배터리(19)의 방전)이 필요해진다.
다음에, B 시점을 넘으면 선회용 전동기(21)에 의해 회생전력이 발생되는 것에 의해 배터리 전류치(ibat_det)의 방향이 반대가 되어, 회생전력에 의한 전류가 배터리(19)에 흐르기 시작한다. 이것에 의해 더욱 DC 버스 전압치(vdc_det)가 커지면, DC 버스 전압 편차{DC 버스 목표 전압치(vdc_ref)-DC 버스 전압치(vdc_det)}가 임계값 "-dc_v"보다 작아진다.
이 보상을 하지 않으면, 이와 같이 DC 버스 전압 편차의 절대치가 계속 커지는 상태가 계속되면, DC 버스의 특성상, 승압 동작과 강압 동작의 전환점 부근의 저전류 영역에서는 불감대 영역의 영향을 받기 때문에 전류가 저하되는 속도가 늦어지고, DC 버스 전압치(vdc_det)가 과도하게 상승하여 과전압이 되어, 모터의 드라이버 등의 기기가 손상되는 과제가 있었다.
그러나 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계에 의하면, 저전류 영역에서 DC 버스 전압 편차가 큰 상태에서는, 불감대 보상 기능이 기동 개시되는 것에 의해 DC 버스 전압치(vdc_det)를 저하시키기 위해 적극적으로 전류를 흘려보내게 된다. 이 상태는 도 11에 나타내는 구동 영역에서는 영역 (8)로부터 영역 (11)로 천이하고, 플래그(duty.flg)는 "-1"로 설정된다.
이것에 의해, PWM 지령 합산부(204)에 있어서 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 보상 듀티치(pwm_duty)가 합산되게 되어, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)+보상 듀티치(pwm_duty)인 합산 듀티치(pwm_sum)가 출력된다.
이 때, PWM 전압 지령치(pwm_v)에 포함되는 비례 성분치(P성분치)는 불감대 보상 기능의 기동 개시 전후에서 동일한 값을 가지지만, 불감대 보상 기능의 기동 개시 직후의 적분 성분치(I성분치)는 비례 성분치(P성분치)의 반수로 치환되어 있다. 이것에 의해, 불감대 보상 기능이 기동 개시된 직후는 PWM 전압 지령치(pwm_v)의 값은 영(P+I=0)이 되기 때문에, 실제로는 합산 듀티치(pwm_sum)=보상 듀티치(pwm_duty)가 된다.
이것에 의해 도 14에 나타내는 배터리 전류치(ibat_det)와 같이 DC 버스(110)를 강압시키기 위해 DC 버스(110)로부터 배터리(19)를 향하는 전류가 증대되고(즉 배터리 전류치(ibat_det)가 절대치로 증대되고), 이것에 의해 DC 버스 전압치(vdc_det)를 저하시킬 수 있다.
그 결과, 승압 동작과 강압 동작의 전환점 부근의 저전류 영역에서의 전류의 응답성을 향상시킬 수 있고, 이것에 의해 DC 버스 전압치(vdc_det)를 크게 변동시키는 일 없이 일정한 범위 내로 유지할 수 있다.
그 후는, PWM 지령 합산부(204)에 있어서 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 보상 듀티치(pwm_duty)가 합산되는 상태가 계속되고, 이 중 PWM 전압 지령치(pwm_v)는 PWM 지령 산출부(203)에서의 PI 제어에 의해 생성된 값이기 때문에, 강압 동작이 계속되어 DC 버스 전압치(vdc_det)는 강압된다. DC 버스 전압치(vdc_det)의 저하에 의해 DC 버스 전압 편차가 절대치로 작아지고, 임계값 "-dc_V"를 넘은 시점에서 구동 영역은 영역 (8)로 천이한다(되돌아간다). 이것이 시점 C에 상당한다.
C 시점을 넘어 구동 영역이 영역 (8)로 천이해도 플래그(duty.flg)는 "-1"로 유지된다. 그 후는 PWM 지령 합산부(204)에 있어서 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 보상 듀티치(pwm_duty)가 합산되는 상태가 계속되고, 이 중 PWM 전압 지령치(pwm_v)는 PWM 지령 산출부(203)에서의 PI 제어에 의해 생성된 값이기 때문에, 강압 동작이 계속되어 DC 버스 전압 편차가 안정된다. 이 때, DC 버스 전압 편차가 0(V) 이상이 되면 구동 영역이 영역 (5)로 천이한다. 이것이 시점 D에 상당한다.
시점 D에 있어서, 구동 영역이 영역 (8)로부터 영역 (5)로 천이하면, 플래그(duty.flg)가 "-1" 상태로부터 영역 (5)로 천이한 것이 되므로, 플래그(duty.flg)는 "0"으로 전환되고, 불감대 보상 기능이 기동 종료된다.
이와 같이 불감대 보상 기능을 기동 종료하는 것은, 강압 동작시에서의 불감대 보상 기능에 의해 DC 버스 전압치(vdc_det)는 충분히 강압되어 있어, 불감대 보상 기능에 의한 배터리 전류치(ibat_det)의 증대는 불필요해졌다고 생각되기 때문이다.
불감대 보상 기능이 기동 종료되면, 보상 듀티치(pwm_duty)가 영으로 되어 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 된다. 이 때, 도 12(b)에 나타내는 바와 같이, PWM 전압 지령치(pwm_v)에 포함되는 비례 성분치(P성분치)는 불감대 보상 기능의 기동 개시 전후에서 동일한 값을 가지지만, 불감대 보상 기능의 기동 종료 직후의 적분 성분치(I성분치)는 불감대 보상 기능의 기동 종료 직전의 적분 성분치(I성분치)와 보상 듀티치(pwm_duty)의 합계치로 치환되어 있다.
따라서 불감대 보상 기능의 기동 종료의 전후에 있어서, 도 12(c)에 나타내는 바와 같이 합산 듀티치(pwm_sum)의 값은 동일해지고 연속성이 유지되므로, 불감대 보상 기능을 기동 종료해도 도 14에 나타내는 바와 같이 승강압 컨버터(100)의 DC 버스 전압치(vdc_det)를 대략 일정치로 안정시킬 수 있다.
또한 불감대 보상 기능이 기동 종료된 후는, 플래그(duty.flg)가 "0"이 되고 보상 듀티치(pwm_duty)는 합산 듀티치(pwm_sum)에 합산되지 않고, 합산 듀티치(pwm_sum)=PWM 전압 지령치(pwm_v)가 되기 때문에, 승강압 컨버터(100)는 PWM 지령 산출부(203)에서의 PI 제어에 의해 생성되는 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 의해 구동되게 된다.
또한 불감대 보상 기능이 기동 종료되고 플래그(duty.flg)가 "0"이 되어 영역 (5)에서 구동되고 있을 때, DC 버스 전압 편차가 미소 변화에 의해 0(V)을 밑돌면, 구동 영역이 다시 영역 (8)로 천이하지만, 영역 (5)로부터 영역 (8)로 천이한 경우는 플래그(duty.flg)는 "0"으로 유지되기 때문에, 그 후도 승강압 컨버터(100)는 PWM 지령 산출부(203)에서의 PI 제어에 의해 생성되는 PWM 전압 지령치(pwm_v)에 의해 구동되게 된다.
이상과 같이, 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계에 의하면, 승압 동작과 강압 동작의 전환점 부근에서의 저전류 영역에서의 전류 응답성을 개선하고 이것에 의해 DC 버스(110)의 전압치를 일정한 범위 내로 유지하여 과전압에 의한 부하의 드라이버의 손상을 억제할 수 있어, 부하의 제어성을 양호한 상태로 유지할 수 있다.
또한 도 14의 동작예에는 영역 (5), (8), 및 (11)을 천이하는 것에 의해 강압시에서의 불감대 보상 기능이 기동 개시되고, 그 후 기동 종료되는 경우를 나타내지만, 승압시에서의 불감대 보상 기능의 기동 개시/기동 종료는 영역 (2), (5), 및 (8)을 천이하는 것에 의해 동일하게 행해지기 때문에, 그 설명을 생략한다.
또한 도 14의 동작예에는 -bat_I<배터리 전류치(ibat_det)<+bat_I인 경우를 나타내지만, 배터리 전류치(ibat_det)≤-bat_I의 경우(영역 (1), (4), (7), 및 (10)의 경우)는 플래그(duty.flg)의 값은 천이 전의 값(전회의 값)으로 유지되기 때문에, 배터리 전류치(ibat_det)≤-bat_I가 되어도 불감대 보상 기능의 기동 상태 또는 해제 상태가 유지되는 것에 불과하다. 이 때문에, 배터리 전류치(ibat_det)≤-bat_I의 경우의 동작 설명을 생략한다. 또한 이것은 마찬가지로 +bat_I≤배터리 전류치(ibat_det)인 경우(영역 (3), (6), (9) 및 (12)의 경우)에서도 마찬가지이다.
또한 실시형태 3의 하이브리드형 건설기계에 이용하는 승강압 컨버터의 구동 제어장치의 제어부는 전자회로 또는 연산처리장치 모두에서 실현할 수 있다.
[실시형태 4]
도 16은 실시형태 4의 하이브리드형 건설기계의 구성을 나타내는 블록도이다. 실시형태 4의 하이브리드형 건설기계는 메인 펌프(14)의 구동이 펌프용 전동기(400)에 의해 행해지고, 전동발전기(12)는 엔진(11)의 어시스트(전동 운전), 또는 엔진(11)에 의해 구동되는 것에 의한 전력의 회수(발전 운전)를 하도록 구성되어 있는 점이 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계와 다르다. 그 밖의 구성은 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계와 동일하기 때문에, 동일한 구성요소에는 동일 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
펌프용 전동기(400)는 메인 펌프(14)를 구동하기 위한 역행 운전만 행하도록 구성되어 있으며, 인버터(410)를 개재하여 DC 버스(110)에 접속되어 있다.
이 펌프용 전동기(400)는 승강압 구동 제어부(120)에 의해 구동되도록 구성되어 있다. 레버(26A∼26C) 중 어느 하나가 조작되면, 펌프용 전동기(400)에는 DC 버스(110)로부터 인버터(410)를 개재하여 전력이 공급되고, 이것에 의해 역행 운전되어 메인 펌프(14)가 구동되어 압유가 토출된다.
이 때문에 전동발전기(12), 펌프용 전동기(400) 및 선회용 전동기(21)에는 어느 하나에 DC 버스(110)를 개재하여 전력이 공급되는 상황이 생길 수 있다. 또한 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)에는 어느 하나로부터 DC 버스(110)에 전력이 공급되는 상황이 생길 수 있다.
실시형태 4에서는 승강압 컨버터(100)는 전동발전기(12), 펌프용 전동기(400) 및 선회용 전동기(21)의 운전 상태에 따라 DC 버스 전압치를 일정한 범위 내에 들어가도록 승압 동작과 강압 동작을 전환하는 제어를 한다.
DC 버스(110)는 인버터(18, 410 및 20)와 승강압 컨버터(100) 사이에 배치되어 있으며, 배터리(19), 펌프용 전동기(400) 및 선회용 전동기(21) 사이에서 전력을 주고 받는다.
이러한 실시형태 4의 하이브리드형 건설기계에서도 실시형태 1의 하이브리드형 건설기계와 마찬가지로 부하의 제어성의 불균일을 억제할 수 있다. 그리고 과전류에 의한 부하의 인버터(18, 20)에서의 손상 등을 방지할 수 있으며, 운전 계속성을 향상시킬 수 있다. 게다가 실시형태 2 및 3과 마찬가지로 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)를 손상시키는 일 없이, 승압 동작과 강압 동작의 전환을 안정적으로 행할 수 있으며, 과전압에 의한 부하의 드라이버의 손상을 억제할 수 있고, 부하의 제어성을 양호한 상태로 유지할 수 있는 하이브리드형 건설기계를 제공할 수 있다.
또한, 이상에서는 PI 제어를 이용하는 형태에 대해 설명했지만, 제어 방식은 PI 제어 방식에 한정되는 것은 아니며, 히스테리시스 제어, 로버스트 제어, 적응 제어, 비례 제어, 적분 제어, 게인 스케줄링 제어, 또는 슬라이딩 모드 제어여도 된다.
이상 본 발명의 예시적인 실시형태의 하이브리드형 건설기계에 대해 설명했지만, 본 발명은 구체적으로 개시된 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 특허청구의 범위로부터 일탈하는 일 없이 여러 가지의 변형이나 변경이 가능하다.
이 국제출원은 2007년 12월 26일에 출원한 일본 특허출원2007-334350호에 기초한 우선권을 주장하는 것이며, 일본 특허출원2007-334350호의 모든 내용을 이 국제출원에 원용한다.
1: 하부 주행체 1A, 1B: 주행 기구
2: 선회기구 3: 상부 선회체
4: 붐 5: 암
6: 버킷 7: 붐 실린더
8: 암 실린더 9: 버킷 실린더
10: 캐빈 11: 엔진
12: 전동발전기 13: 감속기
14: 메인 펌프 15: 파일럿 펌프
16: 고압 유압 라인 17: 컨트롤 밸브
18A, 18B: 인버터 19: 배터리
21: 선회용 전동기 22: 리졸버
23: 메카니컬 브레이크 24: 선회 감속기
25: 파일럿 라인 26: 조작 장치
26A, 26B: 레버 26C: 페달
27: 유압 라인 28: 유압 라인
29: 압력 센서 30: 컨트롤러
100: 승강압 컨버터 101: 리액터
102A: 승압용 IGBT 102B: 강압용 IGBT
104: 전원 접속 단자 105: 인버터
106: 출력 단자 107: 콘덴서
110: DC 버스 111: DC 버스 전압 검출부
112: 배터리 전압 검출부 113: 배터리 전류 검출부
120: 구동 제어부 121: 전압 제어부
122: 전류 제어부 123: 제어 전환부
124: 승강압 전환부 125: 승압용 PM
126: 강압용 PM 201: 전압 제어 지령 생성부
202: 전압 제어부 203: PWM 지령 산출부
204: PWM 지령 합산부 205: 승강압 전환 제어부
206: 보상치 산출부 207: 보상치 전환부

Claims (14)

  1. 내연기관과, 전동발전기와, 유압에 의해 구동되는 작업요소와, 선회용 전동기로 선회구동되는 선회기구를 포함한 하이브리드형 건설기계에 있어서,
    상기 전동발전기의 인버터와 상기 선회용 전동기의 인버터에 접속된 축전수단을 구비함과 함께,
    상기 축전수단은,
    일정한 범위 내의 전압치가 유지되고, 또한, 상기 전동발전기의 인버터와 상기 선회용 전동기의 인버터 사이에 배치된 콘덴서를 가지는 일정 전압 축전부와,
    상기 일정 전압 축전부에 전기적으로 접속되는 승강압 컨버터와,
    상기 승강압 컨버터에 의하여 충방전 제어되는 변동 전압 축전부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    일측이 상기 일정 전압 축전부에 접속되고 타측이 상기 변동 전압 축전부에 접속되며, 상기 변동 전압 축전부의 전압치를 변동시켜 상기 일정 전압 축전부의 전압치를 승압 또는 강압하는 상기 승강압 컨버터와,
    상기 승강압 컨버터의 승압 동작과 강압 동작의 전환을 제어하는 승강압 구동 제어부를 가지는 하이브리드형 건설기계.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 일정 전압 축전부의 전압치를 검출하는 전압치 검출부를 추가로 구비하고,
    상기 승강압 구동 제어부는, 상기 전압치 검출부에 의해 검출된 전압치에 기초하여 승압 동작과 강압 동작의 전환을 제어하는 하이브리드형 건설기계.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 승강압 구동 제어부는, 상기 선회용 전동기의 운전 상태에 따라 상기 일정 전압 축전부의 전압치가 일정한 범위 내에 들어가도록 상기 승강압 컨버터의 승압 동작과 강압 동작의 전환을 제어하는 하이브리드형 건설기계.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 승강압 구동 제어부는, 상기 승강압 컨버터의 승압 동작 또는 강압 동작 중 어느 하나를 타방으로 전환할 때 무동작 시간을 마련하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 승강압 컨버터는,
    상기 변동 전압 축전부로부터 상기 일정 전압 축전부로의 전력 공급을 제어하기 위한 승압용 스위칭 소자와,
    상기 일정 전압 축전부로부터 상기 변동 전압 축전부로의 전력 공급을 제어하기 위한 강압용 스위칭 소자와,
    상기 승압용 스위칭 소자와 상기 강압용 스위칭 소자에 접속되는 리액터를 가지고,
    상기 승강압 구동 제어부는,
    상기 전압치 검출부에 의하여 검출된 전압치가 전압 목표치로 되도록 상기 승압용 스위칭 소자 또는 상기 강압용 스위칭 소자를 구동 제어하는 전압 제어 수단과,
    상기 리액터를 흐르는 전류의 값이 소정의 전류 임계값으로 되도록, 상기 승압용 스위칭 소자 또는 상기 강압용 스위칭 소자를 구동 제어하는 전류 제어 수단을 가짐과 함께,
    상기 승강압 컨버터의 부하가 소정 부하 이하로 되도록 상기 전압 제어 수단 또는 상기 전류 제어 수단 중 어느 하나를 선택적으로 전환하는 제어 전환 수단을 구비하는 하이브리드형 건설기계.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어 전환 수단은, 상기 전압 제어 수단에 의한 구동 제어가 행해지고 있을 때, 상기 리액터를 흐르는 전류의 절대치가 상기 전류 임계값보다 커지면, 상기 전류 제어 수단에 의한 구동 제어로 전환하는 하이브리드형 건설기계.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어 전환 수단은, 상기 전류 제어 수단에 의한 구동 제어가 행해지고 있을 때, 상기 전압치 검출부에 의하여 검출된 전압치가 전압 목표치로 복귀되면, 상기 전압 제어 수단에 의한 구동 제어로 전환하는 하이브리드형 건설기계.
  9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 승강압 구동 제어부는, 상기 전압 제어 수단 또는 상기 전류 제어 수단 중 어느 하나를 타방으로 전환할 때, 전환 후의 제어 목표치의 초기값을 보정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계.
  10. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 승강압 구동 제어부는, 상기 승강압 컨버터의 불감대 영역 내에 있어서, 충방전 전류를 촉진하는 제어를 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계.
  11. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 승강압 구동 제어부는,
    상기 일정 전압 축전부의 전압치가 목표 전압치를 추종하도록, 상기 승강압 컨버터를 구동하기 위한 PWM 듀티치를 연산하는 주제어부와,
    상기 승강압 컨버터의 PWM 듀티치에 대한 전류치의 특성에서의 소정의 저전류 영역에서 상기 PWM 듀티치를 보상하기 위한 보상 듀티치를 연산하는 보상 듀티치 연산부와,
    상기 주제어부에 의해 연산되는 PWM 듀티치에 상기 보상 듀티치를 합산하는 합산 처리를 하는 합산부
    를 포함하는 하이브리드형 건설기계.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 주제어부는, 상기 일정 전압 축전부의 전압치와 상기 목표 전압치의 편차에 기초한 PI 제어에 의해 상기 PWM 듀티치를 연산하도록 구성되어 있고,
    상기 합산 처리의 기동 개시시에, 상기 PWM 듀티치에 포함되는 적분 성분치를 비례 성분치의 반수로 치환하는 치환부를 추가로 구비하는 하이브리드형 건설기계.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 보상 듀티치 연산부는, 상기 승강압 컨버터의 PWM 듀티치에 대한 전류치의 특성에 있어서의 승압측 또는 강압측의 변곡점에서의 PWM 듀티치에 상당하는 듀티치를 상기 보상 듀티치로서 연산하는 하이브리드형 건설기계.
  14. 내연기관과, 전동발전기와, 유압에 의해 구동되는 작업요소와, 선회용 전동기로 선회구동되는 선회기구와, 상기 전동발전기와 상기 선회용 전동기 사이에 배치되고, 일정 전압 축전부, 승강압 컨버터와 변동 전압 축전부를 구비하는 축전수단을 포함한 하이브리드형 건설기계의 제어 방법에 있어서,
    상기 일정 전압 축전부는, 상기 전동발전기의 인버터와 상기 선회용 전동기의 인버터 사이에 배치된 콘덴서를 가지고, 상기 승강압 컨버터에 의하여 일정한 범위 내의 전압치가 유지됨과 함께,
    상기 변동 전압 축전부는, 상기 승강압 컨버터에 의하여 충방전 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계의 제어 방법.
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