KR101325562B1 - 하이브리드형 작업기계 - Google Patents

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KR101325562B1
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가즈야 요코야마
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

전동발전기가, 발전기 및 전동기로서 동작한다. 컨버터가, 커패시터로부터 전동발전기에 전력을 공급하는 방전상태와, 전동발전기로 발전된 전력에 의하여 커패시터를 충전하는 충전상태를 전환한다. 방전상태일 때에 커패시터로부터 출력되는 전기적 파워, 및 충전상태일 때에 커패시터에 입력되는 전기적 파워가 제어된다. 커패시터 전압계가, 커패시터의 단자간 전압을 측정한다. 커패시터 전류계가, 커패시터의 충방전전류를 측정한다. 커패시터 전압계 및 커패시터 전류계로부터, 제어장치에 측정결과가 입력된다. 제어장치는, 측정결과에 근거하여 컨버터를 제어한다.

Description

하이브리드형 작업기계{Hybrid operating machinery}
본 발명은, 커패시터의 열화(劣化)상태에 따라서 출력제어를 행하는 하이브리드형 작업기계에 관한 것이다.
최근, 건설작업기계 등의 동력발생기계에 대하여, 지구환경을 배려한 연비절감, 저공해, 저소음 등의 성능이 요구되고 있다. 이러한 요청을 충족시키기 위하여, 유압펌프 대신에, 또는 유압펌프의 보조로서 전동기를 이용한 유압쇼벨 등의 작업기계가 등장하고 있다. 전동기를 장착한 작업기계에 있어서는, 전동기로부터 발생하는 잉여의 운동에너지가 전기에너지로 변환되어, 커패시터 등에 축적된다.
커패시터는, 충방전을 반복하는 장기간의 사용에 의하여, 또는 과충전, 과방전이나 발열 등에 의하여, 열화가 진행된다. 커패시터의 내부저항을 측정함으로써, 열화상태를 판정할 수 있다(일본 특허공개공보 2007-155586호).
커패시터가 열화되어 있음에도 불구하고, 통상의 운전이 계속되면, 열화가 빨라져서, 커패시터의 수명을 줄이게 된다.
본 발명의 하나의 관점에 의하면,
커패시터와,
발전기 및 전동기로서 동작하는 전동발전기와,
상기 커패시터로부터 상기 전동발전기에 전력을 공급하는 방전상태와, 상기 전동발전기로 발전된 전력에 의하여 상기 커패시터를 충전하는 충전상태를 전환하고, 방전상태일 때에 그 커패시터로부터 출력되는 전기적 파워, 및 충전상태일 때에 그 커패시터에 입력되는 전기적 파워를 제어할 수 있는 컨버터와,
상기 커패시터의 단자간 전압을 측정하는 커패시터 전압계와,
상기 커패시터의 충방전전류를 측정하는 커패시터 전류계와,
상기 커패시터 전압계 및 상기 커패시터 전류계로부터 측정결과가 입력되고, 측정결과에 근거하여 상기 커패시터의 입출력 전력의 적정범위를 결정하며, 상기 커패시터의 입출력 전력이, 상기 적정범위로부터 벗어나지 않도록 상기 컨버터를 제어하는 제어장치
를 가지는 하이브리드형 작업기계가 제공된다.
커패시터 전압계 및 커패시터 전류계에 의한 측정결과로부터, 커패시터의 열화상태를 추측할 수 있다. 이 측정결과에 근거하여, 커패시터의 입출력 전력의 적정범위로 되기 때문에, 커패시터의 열화를 억제할 수 있다.
[도 1] 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계의 측면도이다.
[도 2] 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계의 블록도이다.
[도 3] 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계에 탑재되는 축전회로의 등가회로도이다.
[도 4] 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계의 기동에서부터 정지까지의 흐름을 나타내는 도면이다.
[도 5] 제1 계측방법으로 커패시터의 내부저항을 측정하여, 운전상태를 결정하는 플로우차트이다.
[도 6] 커패시터의 등가회로도이다.
[도 7] 제1 계측방법으로 커패시터의 내부저항을 측정할 때의 충전율과 충방전전류, 단자간 전압의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
[도 8] 제2 계측방법으로 커패시터의 내부저항을 측정하여, 운전상태를 결정하는 플로우차트이다.
[도 9] 제2 계측방법으로 커패시터의 내부저항을 측정할 때의 단자간 전압과 충방전전류의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
[도 10a] 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계의 간단한 블록도이다.
[도 10b] 제어장치의 기능블록도이다.
[도 10c) 제어장치의 기능블록도의 다른 예이다.
[도 11] (a)는, 전기이중층 커패시터의 등가회로도이고, (b)는, 간략화한 등가회로도이며, (c)는, 정전용량 CL와 CH의 양단의 전압의 시간변화의 한 예를 나타내는 그래프이다.
[도 12] (a)는, 내부저항의 과도(過渡)특성을 나타내는 그래프이고, (b)는, 단자간 전압(Vm)의 실측치, 정전용량 C의 양단의 전압(Vc)의 이론치, 및 정전용량 C의 양단의 전압의 근사계산치(Vca)를 나타내는 그래프이며, (c)는, 커패시터의 충방전전류의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
[도 13] (a)는, 내부저항의 과도특성을 나타내는 그래프이고, (b)는, 단자간 전압(Vm)의 실측치, 정전용량 C의 양단의 전압(Vc)의 이론치, 및 정전용량 C의 양단의 전압의 근사계산치(Vca)를 나타내는 그래프이며, (c)는, 커패시터의 충방전전류의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
[도 14] (a)는, 내부저항의 과도특성을 나타내는 그래프이고, (b)는, 단자간 전압(Vm)의 실측치, 정전용량 C의 양단의 전압(Vc)의 이론치, 및 정전용량 C의 양단의 전압의 근사계산치(Vca)를 나타내는 그래프이며, (c)는, 커패시터의 충방전전류의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
[도 15] (a)는, 내부저항의 과도특성 및 근사치를 나타내는 그래프이고, (b)는, 단자간 전압(Vm)의 실측치, 정전용량 C의 양단의 전압(Vc)의 이론치, 및 정전용량 C의 양단의 전압의 근사계산치(Vc1)를 나타내는 그래프이며, (c)는, 커패시터의 충방전전류의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
[도 16] (a)는, 내부저항의 과도특성 및 근사치를 나타내는 그래프이고, (b)는, 단자간 전압(Vm)의 실측치, 정전용량 C의 양단의 전압(Vc)의 이론치, 및 정전용량 C의 양단의 전압의 근사계산치(Vc2)를 나타내는 그래프이며, (c)는, 커패시터의 충방전전류의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
[도 17] 실시예 6의 동력분배방법(wp)을 적용하였을 때의 선회용 전동기 출력과 선회용 전동기 요구출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
[도 18] 실시예 6의 동력분배방법(wp)을 적용하였을 때의 유압부하 출력과 유압부하 요구출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
[도 19] (a) 및 (b)는, 실시예 6의 동력분배방법(wp)을 적용하였을 때의 커패시터출력과 제2 커패시터출력 목표치의 관계를 나타내는 그래프이다.
[도 20] (a) 및 (b)는, 실시예 6의 동력분배방법(wp)을 적용하였을 때의 전동발전기 출력과, 커패시터출력과, 선회용 전동기 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
[도 21] 실시예 7에 의한 동력분배 처리의 플로우차트이다.
[도 22] 실시예 7에 의한 동력분배 처리의 처리 A의 플로우차트이다.
[도 23] 실시예 7에 의한 동력분배 처리를 적용하였을 때의 요구출력 합계치와, 분배 후의 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하면서 실시예에 대하여 설명한다.
< 실시예 1>
도 1에, 실시예 1에 의한 하이브리드형 작업기계의 측면도를 나타낸다. 하부주행체(베이스바디)(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부선회체(3)가 탑재되어 있다. 선회기구(2)는, 전동기(모터)를 포함하고, 상부선회체(3)를 시계방향, 또는 반시계방향으로 선회시킨다. 상부선회체(3)에는, 붐(4)이 장착되어 있다. 붐(4)은, 유압구동되는 붐 실린더(7)에 의하여, 상부선회체(3)에 대하여 상하방향으로 요동한다. 붐(4)의 선단에, 암(5)이 장착되어 있다. 암(5)은, 유압구동되는 암 실린더(8)에 의하여, 붐(4)에 대하여 전후방향으로 요동한다. 암(5)의 선단에는 버킷(6)이 장착되어 있다. 버킷(6)은, 유압구동되는 버킷 실린더(9)에 의하여, 암(5)에 대하여 상하방향으로 요동한다. 상부선회체(3)에는, 또한 운전자를 수용하는 캐빈(10)이 탑재되어 있다.
도 2에, 하이브리드형 작업기계의 블록도를 나타낸다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계를 이중선으로 나타내고, 고압 유압라인을 굵은 실선으로 나타내며, 전기계통을 가는 실선으로 나타내고, 파일럿라인을 파선으로 나타낸다.
엔진(11)의 구동축이 감속기(13)의 입력축에 연결되어 있다. 엔진(11)에는, 전기 이외의 연료에 의하여 구동력을 발생하는 엔진, 예컨대 디젤엔진 등의 내연기관이 이용된다. 엔진(11)은, 작업기계의 운전 중에는, 상시 구동되고 있다.
전동발전기(12)의 구동축이, 감속기(13)의 다른 입력축에 연결되어 있다. 전동발전기(12)는, 전동(어시스트)운전과, 발전운전의 쌍방의 운전동작을 행할 수 있다. 전동발전기(12)로는, 예컨대 자석이 로터 내부에 내장된 내부자석 내장형(IMP) 모터가 이용된다.
감속기(13)는, 2개의 입력축과 하나의 출력축을 가진다. 이 출력축에는, 메인펌프(14)의 구동축이 연결되어 있다.
엔진(11)에 가하여지는 부하가 큰 경우에는, 전동발전기(12)가 어시스트운전을 행하고, 전동발전기(12)의 구동력이 감속기(13)를 통하여 메인펌프(14)에 전달된다. 이로써, 엔진(11)에 가하여지는 부하가 경감된다. 한편, 엔진(11)에 가하여지는 부하가 작은 경우에는, 엔진(11)의 구동력이 감속기(13)를 통하여 전동발전기(12)에 전달됨으로써, 전동발전기(12)가 발전운전된다. 전동발전기(12)의 어시스트운전과 발전운전의 전환은, 전동발전기(12)에 접속된 인버터(18)에 의하여 행하여진다. 인버터(18)는, 제어장치(30)에 의하여 제어된다.
제어장치(30)는, 중앙처리장치(CPU)(30A) 및 내부메모리(30B)를 포함한다. CPU(30A)는, 내부메모리(30B)에 격납되어 있는 구동제어용 프로그램을 실행한다. 제어장치(30)는, 표시장치(35)에, 각종 장치의 열화상태 등을 표시함으로써, 운전자의 주의를 환기한다.
메인펌프(14)는, 고압 유압라인(16)을 통하여, 컨트롤밸브(17)에 유압을 공급한다. 컨트롤밸브(17)는, 운전자로부터의 지령에 의하여, 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)에 유압을 분배한다. 유압모터(1A 및 1B)는, 각각 도 1에 나타낸 하부주행체(1)에 구비된 좌우 2개의 크롤러를 구동한다.
전동발전기(12)의 전기계통의 입출력단자가, 인버터(18)를 통하여 축전회로(90)에 접속되어 있다. 축전회로(90)에는, 또한, 다른 인버터(20)를 통하여 선회용 전동기(부하전동기)(21)가 접속되어 있다. 축전회로(90) 및 인버터(20)는, 제어장치(30)에 의하여 제어된다.
전동발전기(12)가 어시스트운전되고 있는 기간에는, 필요한 전력이, 축전회로(90)로부터 전동발전기(12)에 공급되어, 전동발전기(12)가 기계적 파워를 출력한다. 전동발전기(12)가 발전운전되고 있는 기간에는, 엔진(11)으로부터 필요한 기계적 파워가 공급되어, 전기적 파워(전력)를 출력한다. 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력이, 축전회로(90)에 공급된다. 인버터(18)가, 제어장치(30)로부터의 지령을 받아서, 지령된 기계적 파워 또는 전기적 파워를 출력하도록 전동발전기(12)의 운전제어를 행한다.
선회용 전동기(21)는, 인버터(20)로부터의 펄스폭변조(PWM) 제어신호에 의하여 교류구동되고, 기계적 파워를 출력하는 역행(力行)동작, 및 전기적 파워를 출력하는 회생(回生)동작의 쌍방의 운전을 행할 수 있다. 인버터(20)는, 제어장치(30)로부터의 지령을 받아서, 지령된 기계적 파워를 출력하도록 선회용 전동기(21)의 운전제어를 행한다. 선회용 전동기(21)로서는, 예컨대 IMP 모터가 이용된다. IMP 모터는, 회생시에 큰 유도기전력을 발생한다.
선회용 전동기(21)의 역행동작 중에는, 선회용 전동기(21)의 회전력이 감속기(24)를 통하여, 도 1에 나타낸 선회기구(2)에 전달된다. 이때, 감속기(24)는, 회전속도를 느리게 한다. 이로써, 선회용 전동기(21)에서 발생한 회전력이 증대되어, 선회기구(2)에 전달된다. 또한, 회생운전시에는, 상부선회체(3)의 회전운동이, 감속기(24)를 통하여 선회용 전동기(21)에 전달됨으로써, 선회용 전동기(21)가 회생전력을 발생한다. 이때, 감속기(24)는, 역행운전시와는 반대로, 회전속도를 빠르게 한다. 이로써, 선회용 전동기(21)의 회전수를 상승시킬 수 있다.
리졸버(22)가, 선회용 전동기(21)의 회전축의 회전방향의 위치를 검출한다. 검출결과는, 제어장치(30)에 입력된다. 선회용 전동기(21)의 운전 전과 운전 후에 있어서의 회전축의 회전방향의 위치를 검출함으로써, 선회각도 및 선회방향이 도출된다.
메카니컬 브레이크(23)가, 선회용 전동기(21)의 회전축에 연결되어 있어서, 기계적인 제동력을 발생한다. 메카니컬 브레이크(23)의 제동상태와 해제상태는, 제어장치(30)로부터의 제어를 받아서, 전자(電磁)적 스위치에 의하여 전환된다.
파일럿펌프(15)가, 유압조작계에 필요한 파일럿압을 발생한다. 발생된 파일럿압은, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)에 공급된다. 조작장치(26)는, 레버나 페달을 포함하고, 운전자에 의하여 조작된다. 조작장치(26)는, 파일럿라인(25)으로부터 공급되는 1차측의 유압을, 운전자의 조작에 따라서, 2차측의 유압으로 변환한다. 2차측의 유압은, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)에 전달됨과 함께, 다른 유압라인(28)을 통하여 압력센서(29)에 전달된다.
압력센서(29)에서 검출된 압력의 검출결과가, 제어장치(30)에 입력된다. 이로써, 제어장치(30)는, 하부주행체(1), 선회기구(2), 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)의 조작의 상황을 검지할 수 있다. 특히, 실시예 1에 의한 하이브리드형 작업기계에서는, 선회용 전동기(21)가 선회기구(2)를 구동하기 때문에, 선회기구(2)를 제어하기 위한 레버의 조작량을 고정밀도로 검출하는 것이 요망된다. 제어장치(30)는, 압력센서(29)를 통하여, 이 레버의 조작량을 고정밀도로 검출할 수 있다.
또한, 제어장치(30)는, 하부주행체(1), 선회기구(2), 붐(4), 암(5), 및 버킷(6) 중의 어느 것도 운전되지 않고, 축전회로(90)로의 전력의 공급 및 축전회로(90)로부터의 전력의 강제적인 인출 중의 어느 것도 행하여지지 않는 상태(비운전상태)를 검출할 수 있다.
도 3에, 축전회로(90)의 등가회로도를 나타낸다. 축전회로(90)는, 커패시터(19), 컨버터(100), 및 DC버스라인(110)을 포함한다. 컨버터(100)의 1쌍의 전원접속단자(103A, 103B)에 커패시터(19)가 접속되어 있고, 1쌍의 출력단자(104A, 104B)에 DC버스라인(110)이 접속되어 있다. 일방의 전원접속단자(103B), 및 일방의 출력단자(104B)는 접지되어 있다.
DC버스라인(110)은, 인버터(18, 20)를 통하여, 각각 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)에 접속되어 있다. DC버스라인(110)은, 출력단자(104B)에 접속된 접지선과, 다른 일방의 출력단자(104A)에 접속된 전원선을 포함하고, 접지선과 전원선 사이에, 평활용의 콘덴서(105)가 삽입되어 있다. DC버스라인(110)에 발생되어 있는 전압이, DC버스용 전압계(111)에 의하여 측정되고, 측정결과가 제어장치(30)에 입력된다.
승압용의 절연게이트 바이폴러 트랜지스터(IGBT)(102A)의 컬렉터와, 강압용의 IGBT(102B)의 이미터가 서로 접속된 직렬회로가, 출력단자(104A와 104B) 사이에 접속되어 있다. 승압용 IGBT(102A)의 이미터가 접지되고, 강압용 IGBT(102B)의 컬렉터가, 고압측의 출력단자(104A)에 접속되어 있다. 승압용 IGBT(102A)와 강압용 IGBT(102B)의 상호 접속점이, 리액터(101)을 통하여, 고압측의 전원접속단자(103A)에 접속되어 있다.
승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)에, 각각 다이오드(102a, 102b)가, 이미터로부터 컬렉터로 향하는 방향이 순방향이 되는 방향으로 병렬접속되어 있다.
전원접속단자(103A와 103B) 사이에 접속된 전압계(106)가, 커패시터(19)의 단자간 전압을 측정한다. 리액터(101)에 직렬로 삽입된 전류계(107)가, 커패시터(19)의 충방전전류를 측정한다. 전압 및 전류의 측정결과는, 제어장치(30)에 입력된다.
제어장치(30)가, 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 게이트전극에, 제어용의 펄스폭변조(PWM) 전압을 인가한다. 또한, 제어장치(30)의 내부메모리(30B)에는, 운전상태 기억부(31)가 확보되어 있다. 운전상태 기억부(31)에는, 현재의 운전상태가 기억된다. 운전상태는, 후에 설명한 바와 같이, “통상운전상태” 및 “출력제한상태”의 2가지의 상태 중 어느 하나이다.
이하, 승압동작(방전동작)에 대하여 설명한다. 승압용 IGBT(102A)의 게이트전극에 PWM전압을 인가한다. 승압용 IGBT(102A)의 오프시에, 리액터(101)에, 고압측의 전원접속단자(103A)로부터 승압용 IGBT(102A)의 컬렉터를 향하여 전류를 흘리는 방향의 유도기전력이 발생한다. 이 기전력이, 다이오드(102b)를 통하여 DC버스라인(110)에 인가된다. 이로써, DC버스라인(110)이 승압된다.
다음으로, 강압동작(충전동작)에 대하여 설명한다. 강압용 IGBT(102B)의 게이트전극에, PWM전압을 인가한다. 강압용 IGBT(102B)의 오프시에, 리액터(101)에, 강압용 IGBT(102B)의 이미터로부터 고압측의 전원접속단자(103A)를 향하여 전류를 흘리는 방향의 유도기전력이 발생한다. 이 유도기전력에 의하여, 커패시터(19)가 충전된다. 다만, 커패시터(19)를 방전하는 방향의 전류를 플러스로 하고, 충전하는 방향의 전류를 마이너스로 한다.
도 4에, 실시예 1에 의한 작업기계의 기동에서부터 정지까지의 일련의 처리를 나타낸다. 작업자가 작업기계의 기동스위치를 ON으로 함으로써 작업기계가 기동되면, 스텝 SA1에 있어서, 축전회로(90), 전동발전기(12) 등의 동작준비가 행하여진다. 구체적으로는, 엔진(11)이 구동되어, 전동발전기(12)가 회전을 개시한다. 이로써, 전동발전기(12)가 발전을 개시하고, DC버스(110)의 평활콘덴서(105)가 충전된다.
동작준비가 완료되면, 스텝 SA2에 있어서, 제어장치(30)가, 제1 계측방법으로 커패시터(19)의 내부저항을 측정하여, 운전상태를 결정한다. 제1 계측방법에 대해서는, 후에 도 5를 참조하여 설명한다. 그 후, 스텝 SA3에 있어서, 동작지령을 입력함으로써, 작업기계의 동작이 개시된다. 동작지령은, 운전자가 조작장치(26)(도 2)를 조작함으로써 행하여진다.
작업기계의 동작 중에는, 스텝 SA4에 있어서, 제어장치(30)가 제2 계측방법으로 커패시터의 내부저항을 측정하여, 운전상태를 결정한다. 제2 계측방법에 대해서는, 후에 도 8을 참조하여 설명한다.
스텝 SA5에서, 작업기계가 아이들링 중인지 아닌지를 제어장치(30)가 판정하고, 아이들링 중이라고 판정된 경우에는, 스텝 SA6에 있어서, 제1 계측방법으로 커패시터의 내부저항을 측정하여, 운전상태를 결정한다. 그 후, 스텝 SA7에 있어서, 제어장치(30)가, 작업기계 정지의 지령이 입력되었는지 아닌지를 판정한다. 작업기계의 정지의 지령은, 조작자가 조작장치(26)(도 2)를 조작함으로써 행하여진다. 스텝 SA5에서, 아이들링 중이 아니라고 판정된 경우에는, 스텝 SA6의 처리를 행하지 않고, 스텝 SA7에 있어서, 작업기계 정지의 지령이 입력되었는지 아닌지를 판정한다.
작업기계 정지의 지령이 입력되어 있는 경우에는, 제어장치(30)는, 작업기계를 정지시킨다. 작업기계 정지의 지령이 입력되어 있지 않은 경우에는, 스텝 SA4로 되돌아가서, 제어장치(30)가, 제2 계측방법에 의한 커패시터의 내부저항의 측정, 및 운전상태의 결정을 행한다.
도 5에, 제1 계측방법의 플로우차트를 나타낸다. 먼저, 스텝 SB1에 있어서, 제어장치(30)가, 커패시터(19)의 내부저항의 측정을 개시한다. 측정방법에 대해서는, 후에, 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.
스텝 SB2에 있어서, 계측완료까지, 동작지령의 입력이 있었는지 아닌지를, 제어장치(30)가 판정한다. 계측 중에, 동작지령의 입력이 있었을 경우에는, 스텝 SB3에 있어서 계측을 중단한다. 그 후, 스텝 SB4에 있어서, 제어장치(30)가, 직전의 측정처리에서 얻어져 있는 계측치를 판정치로서 채용한다. 그 후, 스텝 SB5에 있어서, 판정치에 근거하여, 제어장치(30)가 출력제한의 필요여부를 판단한다.
스텝 SB2에 있어서, 계측완료까지 동작지령의 입력이 없었던 경우에는, 스텝 SB6에 있어서, 제어장치(30)가, 계측치를 판정치로서 채용하고, 기억한다. 그 후, 스텝 SB5에 있어서, 판정치에 근거하여, 제어장치(30)가 출력제한의 필요여부를 판단한다.
스텝 SB5에 있어서는, 예컨대, 판정치를 기준치와 비교한다. 판정치가 기준치 이하인 경우에는, 출력제한 불요로 판정된다. 판정치가 기준치를 넘고 있는 경우에는, 커패시터(19)가 열화되어 있다고 생각된다. 이 경우에는, 출력제한 필요로 판정된다.
출력제한 필요로 판정된 경우에는, 스텝 SB7에 있어서, 제어장치(30)가, 운전상태 기억부(31)(도 3)에, “출력제한상태”를 설정한다. 출력제한 불요로 판정된 경우에는, 스텝 SB8에 있어서, 제어장치(30)가, 운전상태 기억부(31)에, “통상출력상태”를 설정한다. 통상운전상태 및 출력제한상태에 대해서는, 후에 도 10a 및 도 10b를 참조하여 자세히 설명한다.
다음으로, 내부저항의 측정방법에 대하여 설명한다.
도 6에, 커패시터(19)의 등가회로도를 나타낸다. 커패시터(19)는, 서로 직렬로 접속된 정전용량 C과 내부저항 R으로 나타낼 수 있다. 커패시터(19)의 단자간 전압(Vm)은, 정전용량 C에 발생되어 있는 전압(Vc)과, 내부저항 R에 의한 전압강하(Vr)의 합으로 나타난다. 커패시터(19)의 충방전전류를 I라 하면, 방전전류의 방향을 플러스로 하였기 때문에, Vr = -R × I 가 성립된다.
단자간 전압(Vm)은, 도 3에 나타낸 커패시터 전압계(106)로 측정되고, 전류(I)는, 커패시터 전류계(107)로 측정된다.
도 7에, 정전용량 C의 충전율(SOC), 전류(I), 전압(Vm)의 시간변화의 한 예를 나타낸다. 시각 0 ~ t1의 기간은, 예컨대 도 4에 나타낸 스텝 SA1의 동작준비의 기간에 상당하고, 전류(I)가 마이너스이다. 즉, 커패시터(19)의 충전이 행하여지고 있다. 이로 인하여, 충전율(SOC)이 서서히 상승하고 있다. 시각 t1 ~ t4의 기간은, 예컨대 도 4에 나타낸 스텝 SA2의 내부저항 측정기간에 상당한다.
시각 t1 ~ t2의 기간은, 전류(I)가 거의 0이다. 즉, 커패시터(19)에는 충전이 행하여지지 않고, 커패시터(19)로부터의 방전도 행하여지지 않는다. 이때, 작업기계는 비동작상태이고, 엔진(11)은, 일정 회전수가 유지되고 있는 아이들링 상태이다. 또한, 커패시터(19)의 단자간 전압(Vm) 및 충전율(SOC)은 거의 일정하다. 도 4에 나타내는 스텝 SA1의 축전회로 및 전동기 등의 동작준비가 완료된 시점은, 시각 t1 ~ t2의 기간에 상당한다. 또한, 스텝 SA5에서 아이들링 중이라고 판단된 기간도, 시각 t1 ~ t2의 기간에 상당한다.
시각 t2에 있어서, 엔진(11)의 회전수를 일정하게 유지한 채로, 전동발전기(12)를 발전상태로 함과 함께, 컨버터(100)를 충전상태로 한다. 시각 t2 또는 그 직후의 전류(I) 및 전압(Vm)을 측정한다. 시각 t2에 있어서의 전류의 측정결과를 I1, 전압의 측정결과를 V1이라 한다.
컨버터(100)의 충전동작이 안정될 때까지 대기한다. 전류가, 미리 정해진 값이 되었을 때, 전류가 안정되었다고 판단한다. 이때의 시각을 t3라 한다. 시각 t3 또는 그 직후에 있어서의 전류 I 및 전압 Vm을 측정한다. 전류의 측정결과를 I2, 전압의 측정결과를 V2라 한다.
시각 t3 ~ t4의 기간은, 충전전류가 단조롭게 증가하여, 충전율(SOC)이 상승된다. 시각 t2에서부터 t3까지의 시간, 및 시각 t3에서부터 t4까지의 시간은, 실제로는, 각각 수십 밀리 초, 및 수십 ~ 수백 밀리 초이다.
시각 t2에서부터 t3까지의 커패시터(19)의 축적전하량의 증가량을 ΔQ라 하면, 내부저항 R은 이하의 식으로 표시된다.
Figure 112011076478592-pct00001
시각 t2에서부터 t3까지의 대기시간은 충분히 짧고, 정전용량 C가 충분히 크기 때문에, 상기 식의 우변 제2항은 거의 0으로 근사할 수 있다. 따라서, 전압 및 전류의 측정치로부터, 내부저항 R을 산출할 수 있다. 다만, 전류 I1 및 전압 V1으로서, 시각 t1 ~ t2의 기간의 전류 및 전압의 평균치를 채용하고, 전류 I2 및 전압 V2로서, 시각 t3 ~ t4의 기간의 전류 및 전압의 평균치를 채용하여도 된다.
도 8에, 제2 계측방법의 플로우차트를 나타낸다. 제2 계측방법에서는, 도 5에 나타낸 제1 계측방법의 스텝 SB2 ~ SB4가 생략되어 있다. 스텝 SB1에 있어서 내부저항의 측정을 행한 후, 스텝 SB6에 있어서, 측정치를 판정치로서 채용한다. 그 후, 스텝 SB5에 있어서, 판정치에 근거하여, 출력제한 필요여부를 판정한다. 스텝 SB7 및 SB8은, 제1 계측방법의 경우와 동일하다.
다음으로, 도 9를 참조하여, 스텝 SB1에 있어서의 내부저항의 측정방법에 대하여 설명한다. 도 9의 상측도면 및 하측도면은, 각각 커패시터(19)의 단자간 전압(Vm), 및 충방전전류(I)의 시간변화의 한 예를 나타낸다.
시각 0 ~ t1의 기간에, 방전전류(I)가 서서히 감소함과 함께, 단자간 전압(Vm)도 서서히 저하한다. 시각 t1에서부터 t2 사이에, 방전상태로부터 충전상태로 전환된다. 시각 t2 이후는, 충전전류가 서서히 증가(전류(I)가 마이너스이고, 그 절대치가 서서히 증가)한다. 시각 t1에 있어서의 방전전류를 I1이라 하고, 단자간 전압을 Vm1이라 한다. 시각 t2에 있어서의 충전전류를 I2(<0)라 하고, 단자간 전압을 Vm2라 한다. 또한, 도 6에 나타내는 등가회로에 있어서, 시각 t1 및 t2에 있어서의 커패시터 전압 Vc을, 각각 Vc1 및 Vc2라 하면, 이하의 식이 성립된다.
Figure 112011076478592-pct00002
시각 t1에서부터 t2까지의 시간은, 예컨대 수밀리 초 정도이다. 또한, 정전용량 C는, 예컨대 10F 정도로서, 충분히 크다. 이로 인하여, 정전용량 C에 발생하고 있는 전압 Vc은, 시각 t1에서부터 t2까지의 사이에 거의 변화하지 않는다. 한 예로서 Vc1과 Vc2의 차는, Vc1의 0.01 ~ 0.1% 정도이다. 이로 인하여, Vc1 = Vc2로 근사할 수 있다. 그렇게 하면, 상기 서술한 식으로부터, 이하의 식이 얻어진다.
Figure 112011076478592-pct00003
시각 t1에 있어서의 단자간 전압 Vm1 및 충방전전류 I1와, 시각 t2에 있어서의 단자간 전압 Vm2 및 충방전전류(I2)를 측정함으로써, 커패시터(19)의 내부저항 R을 산출할 수 있다. 단자간 전압(Vm) 및 충방전전류(I)는, 각각 도 3에 나타낸 커패시터 전압계(106) 및 커패시터 전류계(107)에 의하여 측정할 수 있다.
다만, 내부저항의 측정시기는, 방전상태로부터 충전상태로 전환될 때로 한하지 않는다. 충전상태로부터 방전상태로 전환될 때에, 내부저항을 측정하여도 된다. 또한, 충전상태와 방전상태의 전환시기에 한하지 않고, Vc1 = Vc2의 근사가 성립되는 단시간 동안에 측정을 행하여도 된다. 다만, 내부저항의 산출오차를 작게 하기 위하여, 정전용량 C의 전압 Vc의 변화폭이 작고, 또한 전류 I의 변화폭이 큰 기간에 측정을 행하는 것이 바람직하다. 충전상태와 방전상태의 전환시에는, 큰 전류 변화를 기대할 수 있기 때문에, 계측오차가 작아진다.
도 4에서는, 제1 계측방법에 의한 내부저항의 측정과, 제2 계측방법에 의한 내부저항의 측정을 병용하였지만, 어느 일방의 계측방법만을 채용하여도 된다. 일방의 계측방법만을 채용하는 경우에는, 전류가 안정되어 있는 기간에 계측이 행하여지는 제1 계측방법을 채용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 10a 및 도 10b를 참조하여, 통상운전상태 및 출력제한상태에 대하여 설명한다.
도 10a에, 실시예 1에 의한 하이브리드형 작업기계의 간단한 블록도, 및 기계적, 전기적 파워의 흐름을 나타낸다. 엔진(11)으로부터의 출력(Pgo)이, 메인펌프(14) 및 전동발전기(12)에 공급된다. 전동발전기(12)가 어시스트운전되고 있을 때는, 전동발전기(12)로부터 메인펌프(14)에, 전동발전기 출력(기계적 파워)(Pao)이 공급된다. 전동발전기(12)가 발전운전되고 있을 때는, 발전된 전동발전기 출력(전기적 파워)(-Pao)이 축전회로(90)에 입력된다. 여기서, 전동발전기(12)가 어시스트운전하고 있을 때의 출력을 플러스, 발전운전하고 있을 때의 출력을 마이너스로 정의하였다.
축전회로(90)로부터의 커패시터출력(Pbo)이, 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)에 공급된다. 선회용 전동기(21)는, 역행운전상태일 때, 선회용 전동기 출력(기계적 파워)(Peo)을 출력한다. 회생운전상태일 때, 선회용 전동기 출력(전기적 파워)(-Peo)을 출력하여, 축전회로(90)에 공급한다. 여기서, 역행운전상태일 때의 출력을 플러스로 하고, 회생운전상태일 때의 출력을 마이너스로 정의하였다.
도 10b에, 제어장치(30)의 기능블록도를 나타낸다. 유압부하 요구출력(Phr), 선회용 전동기 요구출력(Per), 엔진회전수(Nact), 및 커패시터 전압(Vm)이, 제어장치(30)에 입력된다.
유압부하 요구출력(Phr)은, 도 2에 나타낸 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9) 등의 유압에 의하여 구동되는 유압기구에 필요하게 되는 기계적 파워의 합계이다. 예컨대, 유압부하 요구출력(Phr)은, 조작자가 조작하는 조작레버의 조작량으로부터 산출된다.
선회용 전동기 요구출력(Per)은, 도 2에 나타낸 선회용 전동기가 필요로 하는 전기적 파워에 상당한다. 예컨대, 선회용 전동기 요구출력(Per)은, 조작자가 조작하는 조작레버의 조작량으로부터 산출된다.
엔진회전수(Nact)는, 도 2에 나타낸 엔진(11)의 실제의 회전수에 상당한다. 엔진(11)은, 작업기계의 운전시에는 상시 구동되고 있고, 그 회전수(Nact)가 검출되고 있다.
커패시터 전압(Vm)은, 도 3에 나타낸 커패시터(19)의 단자간 전압에 상당하고, 커패시터 전압계(106)로 측정된다.
엔진회전수(Nact)가, 엔진출력범위 결정블록(32)에 입력된다. 엔진출력범위 결정블록(32)에는, 엔진회전수로부터, 엔진출력 상한치 및 엔진출력 하한치를 구하기 위한 맵 또는 변환테이블이 기억되어 있다. 엔진출력범위 결정블록(32)은, 입력된 엔진회전수(Nact)로부터, 엔진출력 상한치(Pgou) 및 엔진출력 하한치(Pgol)를 산출하여, 동력분배블록(35)에 보낸다.
커패시터 전압(Vm)이, 커패시터출력 결정블록(33)에 입력된다. 커패시터출력 결정블록(33)은, 커패시터출력범위 결정블록(33A), 커패시터출력 목표치 결정블록(33B), 및 충전율 산출블록(33C)을 포함한다. 충전율 산출블록(33C)은, 입력된 커패시터 전압(Vm)으로부터 충전율(SOC)을 산출한다. 산출된 충전율(SOC)은, 커패시터출력범위 결정블록(33A) 및 커패시터출력 목표치 결정블록(33B)에 보내진다.
여기서, 충전율(SOC)은, 예컨대 Vm2 / V0 2으로 정의할 수 있다. V0는, 커패시터(19)의 정격전압(급속충전 및 완화충전에 의하여 충전되는 최대전압)을 나타낸다.
커패시터출력범위 결정블록(33A)에는, 충전율(SOC)로부터, 커패시터출력 상한치, 및 커패시터출력 하한치를 산출하기 위한 맵 또는 변환테이블이 기억되어 있다. 커패시터출력 목표치 결정블록(33B)에는, 충전율(SOC)로부터 커패시터출력 목표치를 산출하기 위한 맵 또는 변환테이블이 기억되어 있다. 커패시터출력범위 결정블록(33A)은, 충전율(SOC)로부터, 제1 커패시터출력 상한치(Pbou0), 및 제1 커패시터출력 하한치(Pbol0)를 구하여, 보정블록(34)에 보낸다. 커패시터출력 목표치 결정블록(33B)은, 입력된 충전율(SOC)로부터, 제1 커패시터출력 목표치(Pbot0)를 구하여, 보정블록(34)에 보낸다.
커패시터 열화정보 판정블록(36)에, 전압전류 측정치(Dva)가 입력된다. 전압전류 측정치(Dva)로부터, 예컨대 도 4의 스텝 SA2, SA4, SA6에 나타낸 바와 같이 커패시터(19)의 내부저항이 산출된다. 커패시터 열화정보 판정블록(36)은, 도 5 및 도 8에 나타내는 스텝 SB5의 처리를 실행한다. 결정된 운전상태, 즉 “통상출력상태”또는 “출력제한상태”가, 운전상태 기억부(31)에 기억된다.
보정블록(34)은, 출력범위 보정블록(34A) 및 출력목표치 보정블록(34B)을 포함한다. 제1 커패시터출력 상한치(Pbou0), 및 제1 커패시터출력 하한치(Pbol0)가, 출력범위 보정블록(34A)에 보내진다. 출력범위 보정블록(34A)은, 현시점의 운전상태에 근거하여, 제1 커패시터출력 상한치(Pbou0), 및 제1 커패시터출력 하한치(Pbol0)를 보정함으로써, 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1), 및 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)를 생성한다. 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1), 및 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)는, 출력목표치 보정블록(34B)에 보내진다.
제1 커패시터출력 상한치(Pbou0)는, 방전전력의 상한치에 상당한다. 제1 커패시터출력 하한치(Pbol0)는 마이너스이고, 그 절대치는, 충전전력의 상한치에 상당한다. 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)와 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)에 의하여, 커패시터의 입출력 전력의 적정범위가 정의된다.
예컨대, 현시점의 운전상태가 통상운전상태인 경우에는, Pbou1 = Pbou0, Pbol1 = Pbol0이다. 즉, 출력은 제한되지 않는다. 현시점의 운전상태가 출력제한상태인 경우에는, Pbou1 < Pbou0, Pbol1 > Pbol0이다. 부등식 Pbou1 < Pbou0는, 커패시터의 방전전력의 상한치를, 통상운전상태시의 상한치보다 작게 하는 것을 의미한다. 부등식 Pbol1 > Pbol0는, 커패시터의 충전전력의 상한치를, 통상운전상태시의 상한치보다 작게 하는 것을 의미한다.
출력목표치 보정블록(34B)은, 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1), 및 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)에 근거하여, 제1 커패시터출력 목표치(Pbot0)를 보정하여, 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)를 생성한다. 예컨대, 제1 커패시터출력 목표치(Pbot0)가, 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)와 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)로 정의되는 범위에서 벗어나 있는 경우에는, 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)가, 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)와 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)로 정의되는 범위 내에 들도록, 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)를 생성한다. 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1), 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1), 및 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)가, 동력분배블록(35)에 입력된다.
동력분배블록(35)은, 유압부하 요구출력(Phr), 선회용 전동기 요구출력(Per), 엔진출력 상한치(Pgou), 엔진출력 하한치(Pgol), 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1), 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1), 및 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)에 근거하여, 실제의 유압부하 출력(Pho), 전동발전기 출력(Pao), 및 선회용 전동기 출력(Peo)을 결정한다. 이때, 엔진출력(Pgo)이, 엔진출력 상한치(Pgou)와 엔진출력 하한치(Pgol)의 범위 내가 되고, 커패시터출력(Pbo)이, 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)와 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)의 범위 내가 되도록, 각 출력이 결정된다.
예컨대, 통상상태일 때에는, 커패시터의 입출력 전력이, 보정 전의 제1 커패시터출력 상한치(Pbou0)와 제1 커패시터출력 하한치(Pbol0)로 정의되는 범위 내에 들도록 컨버터가 제어된다. 출력제한상태일 때에는, 커패시터의 입출력 전력이, 보정 후의 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)와 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)로 정의되는 범위 내에 들도록 컨버터가 제어된다.
제어장치(30)는, 이들 결정된 출력에 근거하여, 도 2에 나타낸 엔진(11), 인버터(18, 20), 도 3에 나타낸 컨버터(100)를 제어한다.
운전상태가 “출력제한상태”일 때, 커패시터출력 상한치가 통상운전상태일 때보다 작아지고, 커패시터출력 하한치의 절대치가, 통상운전상태일 때보다 작아진다. 이로 인하여, 출력제한상태일 때에는, 커패시터(19)의 충방전전류의 최대치가, 통상운전상태일 때의 충방전전류의 최대치에 비하여 작아진다. 이로써, 커패시터(19)의 열화를 억제할 수 있다.
도 10c에, 제어장치(30)의 기능블록도의 다른 예를 나타낸다. 이하, 도 10b의 예와의 상이점에 주목한다. 보정블록(34)은, 제1 커패시터출력 상한치(Pbou0), 제1 커패시터출력 하한치(Pbol0), 제1 커패시터출력 목표치(Pbot0), 및 현재의 운전상태에 근거하여, 제1 커패시터출력 목표치(Pbot0)를, 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)로 보정한다. 예컨대, 현시점의 운전상태가 “출력제한상태”인 경우에는, 보정 후의 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)를, 제1 커패시터출력 목표치(Pbot0)보다 작게 한다. 현시점의 운전상태가 “통상운전상태”인 경우에는, 보정을 행하지 않는다. 즉, Pbot1 = Pbot0로 한다.
동력분배부(35)는, 유압부하 요구출력(Phr), 선회용 전동기 요구출력(Per), 엔진출력 상한치(Pgou), 엔진출력 하한치(Pgol), 및 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)에 근거하여, 실제의 유압부하 출력(Pho), 전동발전기 출력(Pao), 및 선회용 전동기 출력(Peo)을 결정한다. 이 경우, 출력제한상태일 때의 커패시터출력(Pbo)의 절대치가, 통상운전상태일 때의 커패시터출력(Pbo)의 절대치와 동일하거나, 또는 통상운전상태일 때의 커패시터출력(Pbo)의 절대치보다 작아지도록, 컨버터(100)가 제어된다.
여기에서는, 내부저항의 계측방법으로서 도 5에 나타내는 제1 계측방법, 및 도 8에 나타내는 제2 계측방법을 나타내었지만, 다른 방법으로 내부저항을 계측하는 것도 가능하다.
작업기계의 동작 중에 내부저항을 계측함으로써, 내부저항의 최신의 계측치를 이용하여, 충전율(SOC)을 산출할 수 있다. 이 경우, 충전율(SOC)은, 예컨대 Vc2 / V0 2으로 정의할 수 있다. Vc는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 정전용량 C에 인가되는 전압을 나타내고, V0는, 커패시터(19)의 정격전압을 나타낸다.
전압 Vc는, 커패시터(19)의 단자간 전압(Vm), 충방전전류(I), 및 내부저항(R)으로부터 산출할 수 있다. 단자간 전압(Vm)은, 도 3에 나타낸 커패시터 전압계(106)로 측정되고, 충방전전류(I)는, 커패시터 전류계(107)로 측정된다. 내부저항(R)은, 수학식 1의 우변의 제2항을 0에 근사함으로써, 산출된다.
내부저항(R)의 최신의 계측치를 이용하여 충전율(SOC)을 산출함으로써, 커패시터(19)의 최신의 상태에 근거하여, 커패시터출력 상한치(Pbou0), 커패시터출력 하한치(Pbol0), 및 커패시터출력 목표치(Pbot0)를 결정할 수 있다. 내부저항(R)의 최신의 계측치에는, 커패시터(19)의 열화상태가 반영되어 있다. 이로 인하여, 동력분배제어에도, 커패시터(19)의 열화상태가 반영되는 것이 된다. 이로써, 작업기계의 제어의 안정성을 높일 수 있다.
< 실시예 2>
다음으로, 도 11의 (a) ~ (c)를 참조하여, 실시예 2에 대하여 설명한다. 상기 실시예 1에서는, 커패시터(19)의 내부저항에 근거하여 커패시터의 출력제한 필요여부의 판정(도 5 및 도 8의 스텝 SB5)을 행하였다. 실시예 2에서는, 커패시터의 정전용량에 근거하여 출력제한 필요여부의 판정을 행한다. 이하, 커패시터(19)의 정전용량의 측정방법에 대하여 설명한다.
도 11 (a)에, 커패시터(19)로 전기이중층 커패시터를 이용한 경우의 등가회로도를 나타낸다. 전기이중층 커패시터에서는, 활성층이 아니온(음이온)과 카티온(양이온)을 보충하는 전극으로서 기능한다. 이 활성층에는 다수의 구멍이 존재한다. 활성층의 표면에 기인하는 정전용량과, 구멍의 내부에 기인하는 정전용량에서는, 내부저항이 크게 상이하다. 이로 인하여, 커패시터(19)는, 내부저항이 상이한 n개의 정전용량(C1 ~ Cn)의 병렬접속으로서 나타낼 수 있다. 정전용량(C1 ~ Cn)에는, 각각 내부저항(R1 ~ Rn)이 직렬로 삽입되어 있다.
도 11 (b)에, 커패시터(19)의, 보다 단순화된 등가회로도를 나타낸다. 단순화된 등가회로도에서는, 내부저항이 상대적으로 작은 정전용량 CL과, 내부저항이 상대적으로 큰 정전용량 CH로 표시된다. 1쌍의 전극 사이에, 정전용량 CL과 내부저항 RL의 직접회로가 삽입된다. 또한, 정전용량 CH와 내부저항 RH의 직접회로가, 정전용량 CL에 병렬로 접속된다.
정전용량 CL에 인가되는 전압을 VL이라 하고, 정전용량 CH에 인가되는 전압을 VH라 한다. 정전용량 CL과 CH, 및 내부저항 RH으로 구성되는 폐회로의 시정수가, 정전용량 CL과 내부저항 RL로 구성되는 직렬회로의 시정수에 비하여 충분히 크다. 이로 인하여, 몇 초 이하의 급속충전시, 및 급속방전시에는, 정전용량 CL만이 충방전된다. 몇 시간 정도의 완화충전시, 및 완화방전시에는, 정전용량 CH의 충방전도 행하여진다.
도 11 (c)에, 전압 VL과 VH의 시간변화의 한 예를 나타낸다. 도면 중의 실선이 전압 VL을 나타내고, 파선이 전압 VH를 나타낸다. 시각 0에서부터 t1까지의 기간은, 운전동작이 행하여지고 있다. 즉, 커패시터(19)의 충전 및 방전이 행하여지고 있다. 커패시터(19)가 방전되고 있는 기간에는 전압 VL이 저하되고, 충전되고 있는 기간에는 전압 VL이 상승된다. 전압 VL이 전압 VH보다 높은 기간에는, 정전용량 CH로의 충전이 행하여지기 때문에, 전압 VH가 상승되고, 전압 VL이 전압 VH보다 낮은 기간에는, 정전용량 CH로부터의 방전이 행하여지기 때문에, 전압 VH가 저하된다. 다만, 정전용량 CH의 충방전의 시정수가 크기 때문에, 전압 VH의 변화는, 전압 VL의 변화에 비하여 완만하다.
시각 t1에 있어서, 운전을 정지시킨다. 즉, 커패시터(19)로의 충방전이 행하여지지 않게 된다. 이로 인하여, 전압 VL과 전압 VH가 동일하여질 때까지, 정전용량 CL과 CH 사이에서 전하가 이동한다. 시각 t2에 있어서, 전압 VL과 전압 VH가 동일하여진다. 이때의 전압을 VA라 한다.
시각 t3에 있어서, 커패시터(19)의 충전을 개시한다. 이 충전은, 인버터(18)를 제어하여 전동발전기(12)를 발전상태로 하고, 컨버터(100)를 제어하여 충전상태로 함으로써 행하여진다. 커패시터(19)가 충전됨으로써, 전압 VL 및 VH가 상승한다. 커패시터 CH의 충전은 완만하게 진행되기 때문에, 전압 VH의 상승은 완만하다. 시각 t4에 있어서, 충전동작을 정지시킨다. 충전동작을 정지시킨 직후의 전압 VL의 값을 VB라 한다.
시각 t4 이후는, 전압 VH와 VL이 동일하여질 때까지, 정전용량 CL로부터 정전용량 CH로의 전하의 이동이 완만하게 발생한다. 시각 t3에서부터 t4까지의 기간이 충분히 짧은 경우에는, 정전용량 CL로부터 정전용량 CH로의 전하의 이동을 거의 무시할 수 있다. 이 조건하에서, 정전용량 CL은, 다음의 식으로 구할 수 있다.
Figure 112011076478592-pct00004
여기서, 전류 I는, 커패시터(19)에 흐르는 전류이다. I(t)에 마이너스 부호를 붙이고 있는 것은, 방전전류의 방향을 플러스로 하였기 때문이다. 전류 I(t)는, 커패시터 전류계(107)로 측정할 수 있다. 예컨대, 극히 짧은 시간간격으로 전류를 측정하고, 측정결과를 수치적분함으로써, 상기 서술한 식의 적분항의 값이 구하여진다.
시각 t3에 있어서의 충전동작 개시의 직전, 및 시각 t4에 있어서의 충전동작 정지의 직후는, 커패시터(19)의 충방전전류는 0이기 때문에, 내부저항 RL에 의한 전압강하는 발생하지 않는다. 이로 인하여, 전압 VA 및 VB는, 각각 시각 t3 및 t4에 있어서 커패시터 전압계(106)로 측정되는 전압과 동일하다. 수치적분의 결과, 및 시각 t3 및 t4에 있어서 각각 측정된 전압 VA 및 VB로부터, 정전용량 CL을 산출할 수 있다.
실시예 1에서는, 도 8에 나타낸 스텝 SB1에 있어서 커패시터(19)의 내부저항을 측정하였지만, 실시예 2에서는, 상기 서술한 수학식 4에 근거하여, 정전용량 CL을 산출한다. 스텝 SB5에 있어서, 정전용량 CL에 근거하여, 출력제한의 필요여부를 판단한다. 출력제한의 필요여부가 결정된 후의 처리는, 실시예 1의 처리와 공통이다.
다만, 내부저항과 정전용량의 양방에 근거하여, 출력제한의 필요여부를 판단하여도 된다.
< 실시예 3>
다음으로, 도 12의 (a) 내지 도 14의 (c)를 참조하여, 실시예 3에 대하여 설명한다. 실시예 3은, 도 10b에 나타내는 충전율 산출블록(33C)의 처리가, 상기 실시예 1에 의한 처리와 상이하고, 다른 구성은 실시예 1의 구성과 동일하다.
도 12 (a)에, 커패시터(19)의 충방전전류가 0인 상태로부터 방전전류가 흐르기 시작하였을 때의 내부저항 R의 과도(過渡)특성을 나타낸다. 도 12 (c)에, 커패시터(19)의 충방전전류의 변화를 나타낸다. 시각 t1에 있어서 방전전류가 흐르기 시작한다. 방전전류는, 실제로는 일정한 시정수로 감소하지만, 내부저항 R이 정상(定常)상태로 되돌아갈 때까지의 과도기간은, 방전전류의 시정수에 비하여 충분히 짧다. 이로 인하여, 내부저항 R의 과도특성을 고려할 때는, 방전전류는 거의 일정하다고 생각할 수 있다. 일정한 방전전류를 I1이라 한다.
커패시터(19)의 정상상태에 있어서의 내부저항을 Ri1이라 한다. 이 내부저항 Ri1은, 실시예 1에 의한 방법으로 산출할 수 있다. 시각 t1에 있어서 커패시터(19)에 방전전류가 흐르기 시작하면, 내부저항 R이 Ri2까지 저하되고, 그 후, 서서히 정상상태의 내부저항 Ri1을 향하여 상승한다.
시각 t1 이후의 내부저항 R은, 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112011076478592-pct00005
시각 t가 무한대가 되면, 내부저항 R은, 정상상태의 내부저항 Ri1에 점근(漸近)한다.
커패시터(19)의 충전율(SOC)을 산출할 때는, 도 6에 나타내는 정전용량 C에 인가되는 전압 Vc를 산출해야 한다. 그런데, 커패시터 전압계(106)로 실제로 측정되는 전압은, 단자간 전압 Vm이다. 내부저항 R에 의한 전압강하 Vr, 정전용량 C에 인가되는 전압 Vc, 및 단자간 전압 Vm 사이에서, 이하의 관계식이 성립한다.
Figure 112011076478592-pct00006
전압강하 Vr를 나타내는 수학식의 우변에 마이너스 부호를 붙인 것은, 커패시터(19)를 흐르는 방전전류의 방향을 플러스로 정의하였기 때문이다. 수학식 6의 파라미터 중, 단자간 전압 Vm 및 전류 I는 실측 가능하다.
도 12 (b)에, 단자간 전압 Vm, 및 정전용량 C에 인가되는 전압 Vc의 시각이력을 나타낸다. 시각 t1까지의 기간은, 커패시터(19)를 흐르는 전류가 0이기 때문에, 전압 Vc와, 단자간 전압 Vm은 동일하다.
시각 t1에 있어서, 전류 I1이 흐르기 시작한다. 전류 I1이 일정하다고 가정하였기 때문에, 정전용량 C의 축적전하량 Q는, 선형으로 감소한다. 이로 인하여, 전압 Vc도 선형으로 저하된다. 단자간 전압 Vm은, 이하의 식으로 표시된다.
Figure 112011076478592-pct00007
즉, 단자간 전압 Vm은, 전압 Vc보다 R×I1만큼 작은 값을 취한다. 전압 Vc가 선형으로 저하되고, 내부저항 R이 도 12 (a)에 나타내는 바와 같이 과도적으로 변화하기 때문에, 단자간 전압 Vm에도, 과도기적인 변화가 나타난다. 즉, 시각 t1에 있어서, (Ri1 - Ri2) × I1에 상당하는 전압만큼의 저하가 발생한다. 시간이 경과함에 따라서, 내부저항 R이 Ri1을 향하여 상승하기 때문에, 단자간 전압 Vm과 전압 Vc의 차가 확대된다. 정상상태, 즉 내부저항 R이 Ri1까지 회복하면, 단자간 전압 Vm과 전압 Vc의 차는 Ri1 × I1이 된다.
전압 Vc는, 단자간 전압 Vm의 측정치, 전류 I1의 측정치, 및 내부저항 R로부터, 수학식 7에 의하여 산출할 수 있다. 내부저항 R은, 수학식 5에 나타낸 파라미터 Ri1, Ri2, 및 τ로부터 산출할 수 있다. 이들 파라미터는, 도 10b에 나타내는 충전율 산출블록(33C)에 기억되어 있다.
충전율 산출블록(33C)은, 파라미터 Ri1, Ri2, τ, 단자간 전압 Vm의 측정치, 및 전류 I1의 측정치에 근거하여, 전압 Vc을 산출한다. 또한, 충전율 산출블록(33C)은, 산출된 전압 Vc에 근거하여 충전율(SOC)을 산출한다.
내부저항 R의 과도현상을 고려하지 않고, R = Ri1로 가정하여 계산한 정전용량 C에 인가되는 전압 Vca를, 도 12 (b)에 파선으로 나타낸다. 단자간 전압 Vm과 전압 Vca의 차는, Ri1 × I1이 되며, 일정하다. 이로 인하여, 정전용량 C에 인가되는 전압으로서 Vca를 채용하면, 시각 t1에 있어서, 전압의 불연속이 발생되어 버린다. 이 전압 Vca에 근거하여 충전율(SOC)을 산출하면, 산출된 충전율(SOC)도, 시각 t1에 있어서 불연속으로 되어 버린다. 충전율(SOC)이 불연속하게 변화하면, 그에 근거하여 산출되는 제1 커패시터출력 상한치(Pbou0), 제1 커패시터출력 하한치(Pbol0), 제1 커패시터출력 목표치(Pbot0)도, 불연속하게 변화되어 버린다. 이로써, 동력분배블록(35)에 의한 분배제어가 불안정해진다.
내부저항 R의 과도현상을 고려하여 충전율(SOC)을 산출함으로써, 충전율(SOC)의 산출치의 불연속적인 변화가 방지된다. 이로써, 동력분배제어가 불안정해지는 것을 회피할 수 있다.
시각 t1으로부터 충분히 긴 시간이 경과하면, 내부저항 R과 정상상태의 내부저항 Ri1의 차가 작아진다. 양자의 차가, 어떤 기준치보다 작아진 후는, 내부저항 R로서, 수학식 5를 이용하여 계산한 값이 아니라, 정상상태의 내부저항 Ri1을 이용하여도 된다.
내부저항 R의 과도적인 변동은, 커패시터(19)에 전류가 흐르지 않는 상태에서부터, 충전전류가 흐르기 시작하였을 때, 방전상태로부터 충전상태로 전환되었을 때, 및 충전상태로부터 방전상태로 전환되었을 때에도 발생한다.
도 13의 (a), (b), 및 (c)에, 각각 충전전류가 흐르기 시작하였을 때의 내부저항 R의 변화, 전압의 변화, 및 전류의 변화를 나타낸다. 도 13 (a)에 나타낸 내부저항 R의 변화는, 도 12 (a)에 나타낸 변화와 동일하다. 시각 t1 이후의 충전전류는 일정치 I2 (I2 < 0)이다.
정전용량 C에 인가되는 전압 Vc는, 도 13 (b)에 나타낸 바와 같이 선형으로 증가한다. 이 전압 Vc는, 단자간 전압 Vm의 실측치, 충전전류의 실측치 I2, 및 과도현상을 고려한 내부저항 R에 의하여 산출된다. 과도현상을 고려하지 않고, 내부저항 R을 항상 Ri1로 가정하여 산출한 정전용량 C에 인가되는 전압 Vca는, 시각 t1에 있어서 불연속하게 되어 버린다.
도 14의 (a), (b), 및 (c)에, 각각 방전상태로부터 충전상태로 전환되었을 때의 내부저항 R의 변화, 전압의 변화, 및 전류의 변화를 나타낸다. 도 14 (a)에 나타낸 내부저항 R의 변화는, 도 12 (a)에 나타내는 변화와 동일하다. 시각 t1 이전의 방전전류는 I1이고, 시각 t1 이후의 충전전류는 I2이다.
시각 t1에 있어서, 커패시터(19)를 흐르는 전류의 방향이 반전되기 때문에, 단자간 전압 Vm은 불연속하게 변화한다. 내부저항 R을 정상상태의 내부저항 Ri1으로 가정하여 정전용량 C에 인가되는 전압 Vca를 산출하면, 전압 Vca가 시각 t1에서 불연속하게 되어 버린다. 내부저항 R의 과도현상을 고려하여 전압 Vc를 산출함으로써, 전압 Vc가 불연속하게 변화하는 것을 방지할 수 있다.
< 실시예 4>
다음으로, 도 15의 (a) ~ (c)를 참조하여, 실시예 4에 대하여 설명한다. 실시예 3에서는, 커패시터(19)의 내부저항 R이 과도적으로 변화하고 있는 기간에, 내부저항 R로서, 실제의 변화에 충실히 따르는 수학식 5로 산출된 값을 이용하여, 정전용량 C에 인가되는 전압 Vc을 산출하였다. 실시예 4에서는, 전압 Vc의 산출에 이용하는 내부저항 R이, 과도기에 있어서의 내부저항 R의 최소치 Ri2로 일정하다고 가정한다.
도 15 (c)에 나타내는 바와 같이, 시각 t1에 있어서 방전전류 I1이 흐르기 시작한다. 도 15 (a)에 나타내는 바와 같이, 내부저항 R은 과도적으로 변화하지만, 전압 Vc의 산출에 있어서는, 내부저항이 일정치 Ri2라고 가정한다. 이 가정하에서 계산한 정전용량 C에 인가되는 전압 Vc1 및 실제로 정전용량 C에 인가되는 전압 Vc는, 이하의 식으로 표시된다.
Figure 112011076478592-pct00008
시각 t1에 있어서 R = Ri2이기 때문에, 시각 t1에서는, Vc1 = Vc가 성립한다. 이로 인하여, 전압 Vc1은, 시각 t1에서 불연속하게 변화하는 것이 아니다. 이로 인하여, 실시예 3과 마찬가지로, 동력분배제어가 불안정해지는 것을 회피할 수 있다.
실시예 4에서는, 충전율 산출블록(33C)은, 단자간 전압 Vm의 측정치, 전류 I1의 측정치, 및 내부저항의 최저치 Ri2에 의하여, 수학식 8에 근거하여, 정전용량 C에 발생하는 전압 Vc1을 산출한다. 내부저항의 최저치 Ri2는, 미리, 충전율 산출블록(33C)에 기억되어 있다.
실시예 4에서는, 내부저항 R이 정상상태에 이른 후에도, R = Ri2로서 전압 Vc1을 산출한다. 이로 인하여, 정상상태에 있어서, 충전율(SOC)을 산출하기 위한 전압 Vc1이, 실제로 정전용량 C에 인가되고 있는 전압 Vc와 상이한 것이 된다. 다만, 충전율(SOC)의 산출에 이용하는 전압 Vc1이 불연속하게 변화하는 것은 아니기 때문에, 동력분배제어의 안정성이 확보된다.
실시예 4의 방법은, 전류가 0인 상태에서부터 충전전류가 흐르기 시작하였을 때에도 적용할 수 있다.
실시예 4의 방법에서는, 방전상태로부터 전류가 0인 상태로 이행하였을 때, 및 충전상태로부터 전류가 0인 상태로 이행하였을 때에, 전압 Vc1의 산출결과가 불연속하게 된다. 다만, 전류가 0, 즉 커패시터(19)의 에너지의 입출력이 0이기 때문에, 동력분배제어가 불안정해지는 경우는 없다.
또한, 충전상태로부터 방전상태, 또는 방전상태로부터 충전상태로 전환되었을 때에도, 전압 Vc1이 불연속하게 변화한다. 다만, 내부저항을 Ri1으로 고정하여 산출한 전압 Vca의 불연속의 크기에 비하여, 내부저항을 Ri2로 고정하여 산출한 전압 Vc1의 불연속의 크기가 작다. 이로 인하여, 전압 Vca에 근거하여 충전율(SOC)을 산출하는 경우에 비하여, 동력분배제어의 불안정도가 저감된다.
< 실시예 5>
다음으로, 도 16의 (a) ~ (c)를 참조하여, 실시예 5에 대하여 설명한다. 실시예 3에서는, 커패시터(19)의 내부저항 R이 과도적으로 변화하고 있는 기간에, 내부저항 R로서, 실제의 변화에 충실히 따르는 값을 이용하여, 정전용량 C에 인가되는 전압 Vc를 산출하였다. 실시예 5에서는, 전압 Vc의 산출에 이용하는 내부저항 R이, 선형으로 변화한다고 근사(近似)한다.
도 16 (c)에 나타내는 바와 같이, 시각 t1에 있어서 방전전류 I1이 흐르기 시작한다. 도 16 (a)에, 내부저항 R의 변화와, 그 근사치 Ri3를 나타낸다. 내부저항의 근사치 Ri3는, 이하의 식으로 정의된다.
Figure 112011076478592-pct00009
정전용량 C에 인가되는 전압 Vc의 근사치 Vc2는, 하기의 식으로 계산된다.
Figure 112011076478592-pct00010
시각 t1에 있어서 Ri3 = R이 성립하기 때문에, Vc2 = Vc가 된다. 이로 인하여, Vc2는 시각 t1에 있어서 불연속하게 변화하는 경우는 없다. 내부저항 R이 정상상태, 즉 R = Ri1이 되면, 근사치 Vc2는 정전용량 C에 인가되는 전압 Vc와 동일해진다.
또한, 시각 t2에 있어서, 내부저항의 근사치 Ri3의 기울기가 불연속해지기 때문에, 전압의 근사치 Vc2의 기울기도 불연속하게 변화한다. 다만, 근사치 Vc2의 크기가 불연속하게 변화하는 경우는 없다.
실시예 5의 방법은, 전류가 0인 상태로부터 충전상태로 전환되었을 때, 방전상태로부터 전류가 0이 되었을 때, 충전상태로부터 방전상태로 전환되었을 때, 방전상태로부터 충전상태로 전환되었을 때 중의 어느 경우에도 적용하는 것이 가능하다.
< 실시예 6>
다음으로, 도 17 ~ 도 20 (b)를 참조하여, 실시예 6에 대하여 설명한다. 실시예 6에서는, 도 10b에 나타내는 동력분배블록(35)의 처리의 한 예에 대하여 설명한다.
도 17은, 선회용 전동기 요구출력(Per)과 선회용 전동기 출력(Peo)의 관계를 나타낸다. 선회용 전동기 요구출력(Per)이, 엔진출력 상한치(Pgou)와 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)의 합계치(Peomax)보다 큰 경우, 선회용 전동기 출력(Peo)을, 이 합계치(Peomax)와 동일하게 한다. 즉,
Peo = Pgou + Pbou
로 한다. 이는, 선회용 전동기 출력(Peo)이, 엔진(11)과 축전회로(90)로부터 인출되는 최대파워를 넘지 않는 것을 의미한다.
선회용 전동기 요구출력(Per)이, 엔진출력 하한치(Pgol)로부터 유압부하 요구출력(Phr)과 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)의 절대치를 뺀 값(Peomin)보다 작은 경우에는, 선회용 전동기 출력(Peo)을, 이 값(Peomin)과 동일하게 한다. 즉,
Peo = Pgol - Phr + Pbomin
으로 한다. Pbomin은 마이너스 값이기 때문에, 상기 서술한 식에 있어서, Pbomin에 붙여진 연산자는 “+”(플러스)이다. 이 식은, 엔진(11)으로부터 인출하는 동력이 가장 작아지도록 엔진(11)을 동작시킨 상태에서, 선회용 전동기(21)의 발전전력이, 유압부하 요구출력(Phr)과 축전회로(90)에 공급할 수 있는 전력의 상한치와의 합계치를 넘지 않는 것을 의미한다.
선회용 전동기 요구출력(Per)이, Peomax와 Peomin 사이인 경우, 선회용 전동기 출력(Peo)을, 선회용 전동기 요구출력(Per)과 동일하게 한다. 즉,
Peo = Per
로 한다. 이 식은, 선회용 전동기에 대하여, 요구한 바와 같은 출력이 확보되는 것을 의미한다.
도 18은, 유압부하 요구출력(Phr)과 유압부하 출력(Pho)의 관계를 나타낸다. 유압부하 요구출력(Phr)이, 엔진출력 상한치(Pgou)와 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)의 합계치로부터, 선회용 전동기 출력(Peo)을 뺀 값(Phomax)을 넘는 경우, 유압부하 출력(Pho)을, 이 값(Phomax)과 동일하게 한다. 즉,
Pho = Pgou + Pbou1 - Peo
로 한다. 이는, 유압부하 출력(Pho)이, 엔진(11)과 축전회로(90)로부터 인출할 수 있는 최대파워로부터, 이미 결정된 선회용 전동기 출력(Peo)만큼의 파워를 뺀 나머지의 파워를 넘지 않는 것을 의미한다.
유압부하 요구출력(Phr)이, Phomax 이하인 경우, 유압부하 출력(Pho)을, 유압부하 요구출력(Phr)과 동일하게 한다. 즉,
Pho = Phr
로 한다. 이는, 유압부하에 대하여, 요구한 바와 같은 출력이 확보되는 것을 의미한다.
도 19의 (a) 및 (b)는, 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)와 커패시터출력(Pbo)의 관계를 나타낸다. 도 17에 나타낸 그래프에 근거하여 결정된 선회용 전동기 출력(Peo)과, 도 18에 나타낸 그래프에 근거하여 결정된 유압부하 출력(Pho)의 합계치로부터, 엔진출력 하한치(Pgol)를 뺀 값을 Pbomax1이라 한다. 선회용 전동기 출력(Peo)과 유압부하 출력(Pho)의 합계치로부터, 엔진출력 상한치(Pgou)를 뺀 값을 Pbomin1이라 한다.
도 19 (a)는, Pbomax1이, 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)보다 작고, 또한 Pbomin1이, 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)보다 큰 경우를 나타낸다. 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)가, Pbomax1을 넘는 경우, 커패시터출력(Pbo)을, Pbomax1과 동일하게 한다. 이는, 축전회로(90)로부터 인출할 수 있는 전력이 충분히 크기 때문에, 엔진(11)을 그 출력 하한치(Pgol)로 동작시키고, 축전회로(90)로부터 여분의 전력은 인출하지 않는 것을 의미한다. 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)가, Pbomin1을 밑돌았을 경우, 커패시터출력(Pbo)을, Pbomax1과 동일하게 한다. 이는, 축전회로(90)의 충전율이 충분하지 않기 때문에, 엔진(11)을 그 출력 상한치(Pgou)로 동작시켜서, 축전회로(90)에 전력을 공급하는 것을 의미한다.
제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)가, Pbomax1과 Pbomin1 사이인 경우에는, 커패시터출력(Pbo)을, 제2 커패시터출력 목표치(Pbot1)와 동일하게 한다. 이로써, 축전회로(90)의 충전율을, 충전율의 목표치에 근접시킬 수 있다.
도 19 (b)는, Pbomax1이, 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)보다 크고, 또한 Pbomin1이, 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)보다 작은 경우를 나타낸다. 이 경우에는, 커패시터출력(Pbo)이, 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)와 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1) 사이(적정범위)에 들도록, 커패시터출력(Pbo)의 상하한치가 제한된다.
이와 같이, 커패시터출력(Pbo)의 상한은, Pbou1과 Pbomax1 중 작은 쪽의 값으로 제한되고, 하한은, Pbol1과 Pbomin1 중 큰 쪽의 값으로 제한된다.
도 20의 (a) 및 (b)는, 전동발전기 출력(Pao)의 결정방법을 나타내는 선도이다. 도 10a로부터,
Pbo = Pao + Peo
가 성립하는 것을 알 수 있다. 커패시터출력(Pbo) 및 선회용 전동기 출력(Peo)이 결정되면, 상기 서술한 식으로부터 전동발전기(12)의 출력(Pao)이 산출된다.
도 20 (a)에 나타내는 바와 같이, 커패시터출력(Pbo)이 선회용 전동기 출력(Peo)보다 큰 경우, 잉여전력으로 전동발전기(12)를 어시스트 동작시켜서, 동력(Pao)을 출력한다. 도 20 (b)에 나타내는 바와 같이, 커패시터출력(Pbo)이 선회용 전동기 출력(Peo)보다 작은 경우, 부족전력을 공급하기 위하여 전동발전기(12)를 발전동작시켜서, 전력(Pao)을 출력한다.
< 실시예 7>
다음으로, 도 21 ~ 도 23을 참조하여, 실시예 7에 대하여 설명한다. 실시예 7에서는, 도 10b에 나타내는 동력분배블록(35)의 처리의 다른 예에 대하여 설명한다. 도 21은, 실시예 7에 의한 동력분배방법의 플로우차트를 나타내고, 도 22는, 도 21에 나타내는 처리 A의 상세한 플로우차트를 나타내며, 도 23은, 요구출력과, 분배 후의 출력의 관계를 나타낸다. 엔진출력(Pgo)과 커패시터출력(Pbo)의 합계가, 출력 합계치(Psum)로 표시되어 있다.
도 21에 나타내는 바와 같이, 스텝 S1에 있어서, 유압부하 요구출력(Phr)과 선회용 전동기 요구출력(Per)의 합계치를, 요구출력(Pr)이라 한다. 요구출력(Pr)은, 동력 및 전력의 합계의 출력요구치를 나타낸다.
스텝 S2에 있어서, 요구출력(Pr)에 따라서 분기한다. 요구출력(Pr)이 엔진출력 하한치(Pgol) 미만인 경우, 처리 A를 행한다. 처리 A에 대해서는, 후에 도 22를 참조하여 설명한다.
요구출력(Pr)이, 엔진출력 하한치(Pgol) 이상이고, 또한 엔진출력 상한치(Pgou) 미만인 경우, 스텝 S3를 실행한다. 스텝 S3에서는, 도 23에 나타내는 바와 같이, 엔진출력(Pgo)을 요구출력(Pr)과 동일하게 하고, 커패시터출력(Pbo)을 0으로 한다. 즉, 모든 요구출력(Pr)이 엔진(11)에 의하여 공급된다.
요구출력(Pr)이, 엔진출력 상한치(Pgou) 이상이고, 또한 엔진출력 상한치(Pgou)와 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)의 합계치 미만인 경우, 스텝 S4를 실행한다. 스텝 S4에서는, 도 23에 나타내는 바와 같이, 엔진출력(Pgo)을, 엔진출력 상한치(Pgou)와 동일하게 하고, 커패시터출력(Pbo)을, 요구출력(Pr)에서 엔진출력(Pgo)을 뺀 값으로 한다. 즉, 엔진(11)을 출력 상한치로 동작시키고, 동력의 부족분을 커패시터(19)로부터 인출한다.
요구출력(Pr)이, 엔진출력 상한치(Pgou)와 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)의 합계치 이상인 경우, 스텝 S5를 실행한다. 스텝 S5에서는, 도 23에 나타내는 바와 같이, 엔진출력(Pgo)을, 엔진출력 상한치(Pgou)와 동일하게 하고, 커패시터출력(Pbo)을, 제2 커패시터출력 상한치(Pbou1)와 동일하게 한다. 즉, 엔진(11) 및 커패시터(19)로부터, 출력 상한치에 상당하는 파워를 인출한다. 이때, 실제의 합계 출력(Psum)은, 요구출력(Pr)보다 작아진다.
도 22에, 처리 A의 플로우차트를 나타낸다. 스텝 SS1에 있어서, 도 23에 나타내는 바와 같이, 엔진출력(Pgo)을 엔진출력 하한치(Pgol)와 동일하게 하고, 커패시터출력(Pbo)을, 요구출력(Pr)에서 엔진출력(Pgo)을 뺀 값으로 한다. 즉, 엔진(11)을 그 출력 하한치(Pgol)로 동작시키고, 여분의 동력으로 커패시터(19)를 충전한다.
스텝 SS2에 있어서, 커패시터출력(Pbo)과 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)를 비교한다. 커패시터출력(Pbo)이 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1) 이상일 때, 처리 A를 종료하고, 도 21의 플로우차트로 되돌아간다. 즉, 커패시터(19)의 충전전력이, 그 허용 상한치 이하인 경우에는, 엔진(11)을 그 출력 하한치(Pgol)로 동작시키고, 여분의 동력에 의하여 커패시터(19)가 충전된다.
커패시터출력(Pbo)이 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)보다 작을 때, 스텝 SS3를 실행한다. 스텝 SS3에서는, 도 23에 나타내는 바와 같이, 커패시터출력(Pbo)을 제2 커패시터출력 하한치(Pbol1)와 동일하게 한다. 즉, 커패시터(19)의 충전전력이, 그 허용 상한치를 넘는 것을 방지한다. 또한, 엔진출력(Pgo)을, 요구출력(Pr)으로부터 커패시터출력(Pbo)을 뺀 값으로 한다. 엔진(11)을, 그 출력 하한치(Pgol)로 동작시키더라도, 엔진(11)이 발생한 동력의 일부는, 커패시터(19)의 충전전력으로서 유효하게 활용할 수 없다. 이로 인하여, 엔진(11)을, 그 출력 하한치(Pgol) 이하로 동작시킨다.
스텝 SS4에 있어서, 엔진출력(Pgo)이 마이너스인지 아닌지를 판정한다. 엔진출력(Pgo)이 플러스 또는 0일 때, 처리 A를 종료하고 도 21에 나타낸 플로우차트로 되돌아간다. 엔진출력(Pgo)이 마이너스일 때, 스텝 SS5에 있어서 엔진출력(Pgo)을 0으로 설정한다. 엔진출력(Pgo)을 마이너스로 하도록, 엔진(11)을 제어할 수는 없기 때문이다. 그 후, 도 21에 나타낸 플로우차트로 되돌아간다.
동력분배블록(35)의 처리는, 상기 실시예 6 및 실시예 7의 방법으로 한정되지 않는다. 기타, 여러 가지의 동력분배 처리가 가능하다.
이상 실시예에 따라서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 다양한 변경, 개량, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명할 것이다.
1 하부주행체
1A, 1B 유압모터
2 선회기구
3 상부선회체
4 붐
5 암
6 버킷
7 붐 실린더
8 암 실린더
9 버킷 실린더
10 캐빈
11 엔진
12 전동발전기
13 감속기
14 메인펌프
15 파일럿펌프
16 고압 유압라인
17 컨트롤밸브
18 인버터
19 커패시터
21 선회용 전동기(부하전동기)
22 리졸버
23 메카니컬 브레이크
24 감속기
25 파일럿라인
26 조작장치
27, 28 유압라인
29 압력센서
30 제어장치
31 운전상태 기억부
32 엔진출력범위 결정블록
33 커패시터출력 결정블록
34 보정블록
35 동력분배블록
36 커패시터 열화정보 판정블록
35 표시장치
90 축전회로
100 컨버터
102A 승압용 IGBT
102B 강압용 IGBT
102a, 102b 다이오드
103A, 103B 전원접속단자
104A, 104B 출력단자
105 평활용 콘덴서
106 커패시터 전압계
107 커패시터 전류계
110 DC버스라인
111 DC버스용 전압계

Claims (9)

  1. 커패시터와,
    발전기 및 전동기로서 동작하는 전동발전기와,
    상기 커패시터로부터 방전된 전력을 기계적 파워로 변환하여 출력하는 역행(力行)운전과, 기계적 파워를 전기적 파워로 변환하여 출력하는 회생(回生)운전을 행할 수 있는 부하전동기와,
    상기 커패시터로부터 상기 전동발전기에 전력을 공급하는 방전상태와, 상기 전동발전기로 발전된 전력에 의하여 상기 커패시터를 충전하는 충전상태를 전환하고, 방전상태일 때에 상기 커패시터로부터 출력되는 전기적 파워, 및 충전상태일 때에 상기 커패시터에 입력되는 전기적 파워를 제어할 수 있는 컨버터와,
    상기 커패시터의 단자간 전압을 측정하는 커패시터 전압계와,
    상기 커패시터의 충방전전류를 측정하는 커패시터 전류계와,
    상기 커패시터 전압계 및 상기 커패시터 전류계로부터 측정결과가 입력되고, 측정결과에 근거하여 상기 컨버터를 제어하는 제어장치
    를 가지고,
    상기 제어장치는,
    상기 커패시터 전압계 및 상기 커패시터 전류계에 의한 측정결과에 근거하여 얻어지는 커패시터의 열화상태에 대응시켜서, 상기 커패시터의 입출력 전력의 적정범위를 작아지도록 결정하고,
    작아지도록 결정된 커패시터의 입출력 전력의 적정범위에 근거하여 상기 부하전동기의 출력치를 결정하고, 상기 출력치에 근거하여 상기 부하전동기를 제어하는
    하이브리드형 작업기계.
  2. 커패시터와,
    발전기 및 전동기로서 동작하는 전동발전기와,
    상기 커패시터로부터 상기 전동발전기에 전력을 공급하는 방전상태와, 상기 전동발전기로 발전된 전력에 의하여 상기 커패시터를 충전하는 충전상태를 전환하고, 방전상태일 때에 상기 커패시터로부터 출력되는 전기적 파워, 및 충전상태일 때에 상기 커패시터에 입력되는 전기적 파워를 제어할 수 있는 컨버터와,
    상기 커패시터의 단자간 전압을 측정하는 커패시터 전압계와,
    상기 커패시터의 충방전전류를 측정하는 커패시터 전류계와,
    상기 커패시터 전압계 및 상기 커패시터 전류계로부터 측정결과가 입력되고, 측정결과에 근거하여 상기 컨버터를 제어하는 제어장치
    를 가지고,
    상기 제어장치는,
    상기 커패시터 전압계 및 상기 커패시터 전류계에 의한 측정결과에 근거하여 얻어지는 커패시터의 열화상태에 대응시켜서, 상기 커패시터의 입출력 전력의 적정범위를 작아지도록 결정하고,
    작아지도록 결정된 커패시터의 입출력 전력의 적정범위에 근거하여 상기 전동발전기의 출력치를 결정하고, 상기 출력치에 근거하여 상기 전동발전기를 제어하는
    하이브리드형 작업기계.
  3. 커패시터와,
    발전기 및 전동기로서 동작하는 전동발전기와,
    상기 전동발전기에 기계적 파워를 주는 엔진과,
    상기 엔진 및 상기 전동발전기로부터 기계적 파워를 받아서 유압을 발생하는 유압펌프와,
    상기 커패시터로부터 상기 전동발전기에 전력을 공급하는 방전상태와, 상기 전동발전기로 발전된 전력에 의하여 상기 커패시터를 충전하는 충전상태를 전환하고, 방전상태일 때에 상기 커패시터로부터 출력되는 전기적 파워, 및 충전상태일 때에 상기 커패시터에 입력되는 전기적 파워를 제어할 수 있는 컨버터와,
    상기 커패시터의 단자간 전압을 측정하는 커패시터 전압계와,
    상기 커패시터의 충방전전류를 측정하는 커패시터 전류계와,
    상기 커패시터 전압계 및 상기 커패시터 전류계로부터 측정결과가 입력되고, 측정결과에 근거하여 상기 컨버터를 제어하는 제어장치
    를 가지고,
    상기 제어장치는,
    상기 커패시터 전압계 및 상기 커패시터 전류계에 의한 측정결과에 근거하여 얻어지는 커패시터의 열화상태에 대응시켜서, 상기 커패시터의 입출력 전력의 적정범위를 작아지도록 결정하고,
    상기 엔진의 출력의 적정범위를 결정하고,
    작아지도록 결정된 커패시터의 입출력 전력의 적정범위 및 상기 엔진의 출력의 적정범위에 근거하여, 상기 유압펌프가 발생하는 기계적 파워를 결정하는
    하이브리드형 작업기계.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 커패시터 전압계 및 상기 커패시터 전류계로부터 입력된 측정결과에 근거하여, 상기 커패시터의 내부저항을 산출하고, 산출된 내부저항에 근거하여 상기 적정범위를 결정하는 하이브리드형 작업기계.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 커패시터 전압계 및 상기 커패시터 전류계로부터 입력된 측정결과에 근거하여, 상기 커패시터의 정전용량을 산출하고, 산출된 정전용량에 근거하여 상기 적정범위를 결정하는 하이브리드형 작업기계.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 커패시터 전압계 및 커패시터 전류계로부터 입력된 측정결과에 근거하여, 운전상태가, 통상상태인지 출력제한상태인지를 판정하고, 출력제한상태로 판정된 경우의 상기 커패시터의 입출력 전력의 절대치가, 통상상태로 판정된 경우의 상기 커패시터의 입출력 전력의 절대치와 동일하거나, 또는 작아지도록, 상기 컨버터를 제어하는 하이브리드형 작업기계.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 커패시터에 통전을 개시하였을 때의 상기 커패시터의 내부저항의 과도(過渡)특성을 나타내는 정보를 기억하고 있고, 상기 과도특성에 근거하여, 상기 커패시터의 입출력 전력의 적정범위를 결정하는 하이브리드형 작업기계.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 커패시터의 입출력 전력이 제1 범위 내에 들도록 상기 컨버터를 제어하는 통상상태, 또는 상기 커패시터의 입출력 전력이, 상기 제1 범위보다 좁은 제2 범위 내에 들도록 상기 컨버터를 제어하는 출력제한상태로 상기 컨버터를 제어하고, 상기 측정결과에 근거하여 상기 통상상태와 상기 출력제한상태를 전환하는 하이브리드형 작업기계.
  9. 삭제
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