KR101360698B1

KR101360698B1 - 하이브리드식 쇼벨 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR101360698B1
Application number: KR1020117029363A
Authority: KR
Inventors: 고지 가와시마; 유타 스기야마
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2014-02-07
Also published as: KR20120024736A; CN102459769B; EP2441894B1; US8768578B2; EP2441894A1; CN102459769A; WO2010143628A1; EP2441894A4; US20120082536A1; JP5198660B2; JPWO2010143628A1

Abstract

전동발전기 제어부는, 엔진으로부터 전달된 구동력으로 발전동작을 행하는 전동발전기의 동작을 제어한다. 충방전제어부는, 제1 축전기와 제2 축전기 사이를 전기적으로 접속하고, 외부로부터의 제어신호에 의하여, 제1 축전기와 제2 축전기 사이의 충방전동작을 제어한다. 제2 축전기에 전기적으로 접속된 모터는, 회생동작이 가능하고, 회생동작에 의하여 발생한 전기에너지를 제2 축전기에 축전 가능하다. 제어장치는, 전동발전기 제어부와 충방전제어부 중 적어도 일방에 제어신호를 공급하여, 제1 축전기 및 제2 축전기 중 적어도 일방의 축전목표치를, 모터가 회생동작을 행하기 전에 저감시킨다.

Description

하이브리드식 쇼벨 및 그 제어방법{Hybrid excavator and controlling method therefor}

본 발명은 하이브리드식 쇼벨에 관한 것으로서, 특히, 전기부하에 의하여 발생하는 회생(回生)전력을 축전기에 충전하는 하이브리드식 쇼벨에 관한 것이다.

일반적으로, 하이브리드식 쇼벨은, 붐, 암, 및 버킷 등의 작업요소를 탑재한 상부선회체를 구비하고, 상부선회체를 선회시키면서 붐 및 암을 구동하여, 버킷을 목적하는 작업위치까지 이동시킨다.

상부선회체를 선회시키기 위한 선회기구의 동력원으로서 전동모터를 이용하고, 전동모터로 선회기구를 구동하여 상부선회체를 가속하여 선회시키는 하이브리드식 쇼벨이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 상부선회체를 감속할 때에는, 전동모터를 발전기로서 기능시켜 발전하고, 얻어진 회생전력은 축전기에 축적된다.

일본공개특허공보 2007-218003호

하이브리드식 쇼벨에 있어서, 큰 회생전력이 발생하여 축전기에 공급되면 과전압이 되어, 상한치를 초과하여 축전기가 과충전이 되어 버릴 우려가 있다. 축전기가 과충전이 되면 과전압상태가 되어, 축전기의 열화가 촉진된다. 이로 인하여, 축전기의 수명이 짧아져 버린다.

따라서, 본 발명은, 축전기의 축전목표치, 혹은, DC버스의 축전목표치 중 적어도 어느 일방을 가변으로 제어함으로써, 큰 회생전력이 발생하더라도 과충전을 방지할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의하면, 하부주행체와, 그 하부주행체 상에서 선회동작을 행하는 상부선회체와, 그 상부선회체 상에 일단이 회전운동 가능하게 장착된 붐과, 그 붐의 타단에 일단이 회전운동 가능하게 장착된 암과, 그 암의 타단에 회전운동 가능하게 장착된 작업요소를 구비한 하이브리드식 쇼벨로서, 그 상부선회체에 구비되어, 구동력을 발생하는 엔진과, 그 상부선회체에 구비되어, 그 엔진으로부터 전달된 구동력으로 발전동작을 행하는 전동발전기와, 그 상부선회체에 구비되어, 외부로부터의 제어신호에 의하여, 그 전동발전기의 동작을 제어하는 전동발전기 제어부와, 그 상부선회체에 구비되어, 축전 가능한 제1 축전기와, 그 상부선회체에 구비되어, 그 전동발전기 제어부에 전기적으로 접속된 축전 가능한 제2 축전기와, 그 상부선회체에 구비되어, 그 제1 축전기와 그 제2 축전기 사이를 전기적으로 접속하고, 외부로부터의 제어신호에 의하여, 그 제1 축전기와 그 제2 축전기 사이의 충방전동작을 제어하는 충방전제어부와, 그 상부선회체에 구비되고, 그 제2 축전기에 전기적으로 접속되어, 적어도 기계적 에너지로부터 전기에너지를 발생시키는 회생동작이 가능하며, 그 회생동작에 의하여 발생한 전기에너지를 그 제2 축전기에 축전 가능한 모터와, 그 상부선회체에 구비되어, 그 전동발전기 제어부와 그 충방전제어부 중 적어도 일방에 제어신호를 공급하는 제어장치를 가지고, 그 제어장치는, 그 제1 축전기 및 그 제2 축전기 중 적어도 일방의 축전목표치를, 그 모터가 회생동작을 행하기 전에 저감하는 하이브리드식 쇼벨이 제공된다.

또한, 구동력을 발생하는 엔진과, 그 엔진으로부터 전달된 구동력으로 발전동작을 행하는 전동발전기와, 외부로부터의 제어신호에 의하여, 그 전동발전기의 동작을 제어하는 전동발전기 제어부와, 축전 가능한 제1 축전기와, 그 전동발전기 제어부에 전기적으로 접속된 축전 가능한 제2 축전기와, 그 제1 축전기와 그 제2 축전기 사이를 전기적으로 접속하고, 외부로부터의 제어신호에 의하여, 그 제1 축전기와 그 제2 축전기 사이의 충방전동작을 제어하는 충방전제어부와, 그 제2 축전기에 전기적으로 접속되어, 기계적 에너지로부터 전기에너지를 발생시키는 회생동작이 가능하고, 그 회생동작에 의하여 발생한 전기에너지를 그 제2 축전기에 축전 가능한 모터와, 그 전동발전기 제어부와 그 충방전제어부 중 적어도 일방에 제어신호를 공급하는 제어장치를 가지는 하이브리드식 쇼벨의 제어방법으로서, 그 제1 축전기 및 그 제2 축전기 중 적어도 일방의 축전목표치를, 그 모터가 회생동작을 행하기 전에 저감하도록 제어하는 하이브리드식 쇼벨의 제어방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 회생전력이 발생할 것으로 추정되는 경우에는 축전기의 축전목표치를 낮춰 둠으로써, 축전기의 과충전을 억제할 수 있다. 즉, 하이브리드식 쇼벨의 운전상황에 따라서 축전기의 축전목표치를 변경함으로써, 축전기가 과충전이 되는 것을 억제할 수 있다.

도 1은, 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다.
도 2는, 제1 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은, 축전계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는, 축전계의 회로도이다.
도 5는, SOC의 목표치를 설정하는 처리의 플로우차트이다.
도 6은, 추정 회생전력을 산출하는 처리의 플로우차트이다.
도 7은, 추정 붐 회생전력을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 회생예상 목표치를 산출하는 처리의 플로우차트이다.
도 9는, 굴삭·적재작업에 있어서 SOC 목표치를 설정하는 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 시리즈형의 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 11은, 제2 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 12는, 제2 실시형태에 의한 축전계의 등가회로도이다.
도 13 (A) 및 (B)는, 각각 제2 실시형태에 있어서의 제1 비교예, 제1 실시예에 의한 하이브리드식 쇼벨의 제어방법을 나타내는 타이밍차트이다.
도 14 (A) 및 (B)는, 각각 제2 실시형태에 있어서의 제2 비교예, 제2 실시예에 의한 하이브리드식 쇼벨의 제어방법을 나타내는 타이밍차트이다.
도 15는, 모든 구동부가 유압에 의하여 작동하는 구성의 하이브리드식 쇼벨의 구동계를 나타내는 블록도이다.

도 1은, 본 발명이 적용되는 하이브리드식 쇼벨을 나타내는 측면도이다.

하이브리드식 쇼벨의 하부주행체(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부선회체(3)에는, 붐(4)이 장착되어 있다. 붐(4)의 선단에, 암(5)이 장착되고, 암(5)의 선단에 버킷(6)이 장착되어 있다. 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)은, 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)에 의하여 각각 유압구동된다. 상부선회체(3)에는, 캐빈(10)이 설치되고, 또한 엔진 등의 동력원이 탑재된다.

도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계는 이중선, 고압 유압라인은 실선, 파일럿라인은 파선, 전기구동·제어계는 실선으로 각각 나타내고 있다.

기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 변속기(13)의 2개의 입력축에 각각 접속되어 있다. 변속기(13)의 출력축에는, 유압펌프로서 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압 유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다.

컨트롤밸브(17)는, 하이브리드식 쇼벨에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 하부주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)는, 고압 유압라인을 통하여 컨트롤밸브(17)에 접속된다.

전동발전기(12)에는, 인버터(18A)를 통하여, 축전기로서의 커패시터를 포함하는 축전계(120)가 접속된다. 축전계(120)에는, 인버터(20)를 통하여 전동작업요소로서의 선회용 전동기(21)가 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메커니컬 브레이크(23), 및 선회변속기(24)가 접속된다. 또한, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 선회용 전동기(21)와, 인버터(20)와, 리졸버(22)와, 메커니컬 브레이크(23)와, 선회변속기(24)로 부하구동계가 구성된다.

조작장치(26)는, 레버(26A), 레버(26B), 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A), 레버(26B), 및 페달(26C)은, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 압력센서(29)에 각각 접속된다. 압력센서(29)는, 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 접속되어 있다.

본 실시형태에서는, 붐 회생전력을 얻기 위한 붐 회생용 모터(300)(발전기(300)라고도 칭함)가 인버터(18C)를 통하여 축전계(120)에 접속되어 있다. 발전기(300)는, 붐 실린더(7)로부터 토출되는 작동유에 의하여 구동되는 유압모터(310)에 의하여 구동된다. 발전기(300)는, 붐(4)이 중력에 따라서 내려갈 때 붐 실린더(7)로부터 토출되는 작동유의 압력을 이용하여, 붐(4)의 위치에너지를 전기에너지로 변환한다. 다만, 도 2에 있어서, 설명의 편의상, 유압모터(310)와 발전기(300)는 떨어진 위치에 나타나 있지만, 실제로는, 발전기(300)의 회전축은 유압모터(310)의 회전축에 기계적으로 접속되어 있다.

즉, 유압모터(310)는, 붐(4)이 내려갈 때에 붐 실린더(7)로부터 토출되는 작동유에 의하여 회전되도록 구성되어 있고, 붐(4)이 중력에 따라서 내려갈 때의 에너지를 회전력으로 변환하기 위하여 설치되어 있다. 유압모터(310)는, 컨트롤밸브(17)와 붐 실린더(7) 사이의 유압배관(7A)에 설치되어 있고, 상부선회체(3) 내의 적당한 장소에 장착할 수 있다.

발전기(300)에서 발전된 전력은, 회생전력으로서 인버터(18C)를 거쳐서 축전계(120)에 공급된다. 발전기(300)와 인버터(18C)로 부하구동계가 구성된다.

다만, 본 실시형태에서는, 붐(4)의 각도를 검출하기 위한 붐 각도센서(7B)가 붐(4)의 지지축에 장착되어 있다. 붐 각도센서(7B)는, 검출한 붐 각도(θB)를 컨트롤러(30)에 공급한다.

도 3은 축전계(120)의 구성을 나타내는 블록도이다. 축전계(120)는, 축전기로서의 커패시터(19)와, 승강압 컨버터와 DC버스(110)를 포함한다. 제2 축전기로서의 DC버스(110)는, 제1 축전기로서의 커패시터(19), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21)의 사이에서의 전력의 수수(授受; 주고받음)를 제어한다. 커패시터(19)에는, 커패시터 전압치를 검출하기 위한 커패시터 전압검출부(112)와, 커패시터 전류치를 검출하기 위한 커패시터 전류검출부(113)가 설치되어 있다. 커패시터 전압검출부(112)와 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치와 커패시터 전류치는, 컨트롤러(30)에 공급된다.

승강압 컨버터(100)는, 전동발전기(12), 발전기(300), 및 선회용 전동기(21)의 운전상태에 따라서, DC버스 전압치를 일정한 범위 내에 들도록 승압동작과 강압동작을 전환하는 제어를 행한다. DC버스(110)는, 인버터(18A, 18C, 및 20)와 승강압 컨버터(100) 사이에 배치되어 있고, 커패시터(19), 전동발전기(12), 발전기(300), 및 선회용 전동기(21) 사이에서의 전력의 수수를 행한다.

도 2로 되돌아와서, 컨트롤러(30)는, 하이브리드식 쇼벨의 구동제어를 행하는 주(主)제어부로서의 제어장치이다. 컨트롤러(30)는, CPU(Central Processing Unit) 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성되고, CPU가 내부메모리에 격납된 구동제어용의 프로그램을 실행함으로써 실현되는 장치이다.

컨트롤러(30)는, 압력센서(29)로부터 공급되는 신호를 속도지령으로 변환하여, 선회용 전동기(21)의 구동제어를 행한다. 압력센서(29)로부터 공급되는 신호는, 선회기구(2)를 선회시키기 위하여 조작장치(26)를 조작한 경우의 조작량을 나타내는 신호에 상당한다.

컨트롤러(30)는, 전동발전기(12)의 운전제어(전동(어시스트)운전 또는 발전운전의 전환)를 행함과 함께, 승강압 제어부로서의 승강압 컨버터(100)를 구동제어함에 의한 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(전동(어시스트)운전 또는 발전운전), 및 선회용 전동기(21)의 운전상태(역행(力行)운전 또는 회생(回生)운전)에 근거하여, 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하고, 이로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다.

이 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스 전압검출부(111)에 의하여 검출되는 DC버스 전압치, 커패시터 전압검출부(112)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치, 및 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전류치에 근거하여 행하여진다.

이상과 같은 구성에 있어서, 어시스트 모터인 전동발전기(12)가 발전한 전력은, 인버터(18A)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 선회용 전동기(21)가 회생운전하여 생성한 회생전력은, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 또한, 붐 회생용의 발전기(300)가 발전한 전력은, 인버터(18C)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다.

선회용 전동기(21)의 회전속도(각속도(ω))는 리졸버(22)에 의하여 검출된다. 또한, 붐(4)의 각도(붐 각도(θB))는 붐(4)의 지지축에 설치된 로터리 인코더 등의 붐 각도센서(7B)에 의하여 검출된다. 컨트롤러(30)는, 선회용 전동기(21)의 각속도(ω)에 근거하여 추정 선회 회생전력(에너지)을 연산으로 구하고, 또한, 붐 각도(θB)에 근거하여 추정 붐 회생전력(에너지)을 연산으로 구한다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 연산으로 구한 추정 선회 회생전력과 추정 붐 회생전력에 근거하여, SOC의 회생예상 목표치를 연산에 의하여 구한다. 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 SOC를, 구한 회생예상 목표치에 가까워지도록 하이브리드식 쇼벨의 각 부를 제어한다.

도 4는, 축전계(120)의 회로도이다. 승강압 컨버터(100)는, 리액터(101), 승압용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(102A), 강압용 IGBT(102B), 커패시터(19)를 접속하기 위한 전원접속단자(104), DC버스(110)를 접속하기 위한 출력단자(106), 및, 한 쌍의 출력단자(106)에 병렬로 삽입되는 평활용 콘덴서(107)를 구비한다. 승강압 컨버터(100)의 출력단자(106)와 인버터(18A, 18C, 20) 사이는, DC버스(110)에 의하여 접속된다.

리액터(101)의 일단은 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 중간점에 접속되고, 타단은 전원접속단자(104)에 접속된다. 리액터(101)는, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 따라서 발생하는 유도기전력을 DC버스(110)에 공급하기 위하여 설치되어 있다.

승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)을 게이트부에 장착한 바이폴러 트랜지스터로 구성되고, 대(大)전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체소자이다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는, 컨트롤러(30)에 의하여, 게이트 단자에 PWM 전압이 인가됨으로써 구동된다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)에는, 정류소자인 다이오드(102a 및 102b)가 병렬접속된다.

커패시터(19)는, 승강압 컨버터(100)를 통하여 DC버스(110)와의 사이에서 전력의 수수를 행할 수 있도록, 충방전 가능한 축전기이면 된다. 다만, 도 4에는, 축전기로서 커패시터(19)를 나타내지만, 커패시터(19) 대신, 리튬이온전지 등의 충방전 가능한 이차전지, 리튬이온 커패시터, 또는, 전력의 수수가 가능한 기타 형태의 전원을 축전기로서 이용하여도 된다.

전원접속단자(104) 및 출력단자(106)는, 커패시터(19) 및 DC버스(110)가 접속 가능한 단자이면 된다. 한 쌍의 전원접속단자(104) 사이에는, 커패시터 전압을 검출하는 커패시터 전압검출부(112)가 접속된다. 한 쌍의 출력단자(106) 사이에는, DC버스 전압을 검출하는 DC버스 전압검출부(111)가 접속된다.

커패시터 전압검출부(112)는, 커패시터(19)의 전압치(vbat_det)를 검출한다. DC버스 전압검출부(111)는, DC버스(110)의 전압(이하, DC버스 전압：vdc_det)을 검출한다. 평활용 콘덴서(107)는, 출력단자(106)의 플러스극 단자와 마이너스극 단자 사이에 삽입되어, DC버스 전압을 평활화하기 위한 축전소자이다. 이 평활용 콘덴서(107)에 의하여, DC버스(110)의 전압은 미리 정하여진 전압으로 유지되고 있다. 커패시터 전류검출부(113)는, 커패시터(19)에 흐르는 전류의 값을 검출하는 검출수단이며, 전류검출용의 저항기를 포함한다. 즉, 커패시터 전류검출부(113)는, 커패시터(19)에 흐르는 전류치(ibat_det)를 검출한다.

승강압 컨버터(100)에 있어서, DC버스(110)를 승압할 때는, 승압용 IGBT(102A)의 게이트 단자에 PWM 전압이 인가되고, 강압용 IGBT(102B)에 병렬로 접속된 다이오드(102b)를 통하여, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 따라서 리액터(101)에 발생하는 유도기전력이 DC버스(110)에 공급된다. 이로써, DC버스(110)가 승압된다.

DC버스(110)를 강압할 때는, 강압용 IGBT(102B)의 게이트 단자에 PWM 전압이 인가되고, 강압용 IGBT(102B), DC버스(110)를 통하여 공급되는 회생전력이 DC버스(110)로부터 커패시터(19)에 공급된다. 이로써, DC버스(110)에 축적된 전력이 커패시터(19)에 충전되어, DC버스(110)가 강압된다.

다만, 실제로는, 컨트롤러(30)와 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B) 사이에는, 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)를 구동하는 PWM 신호를 생성하는 구동부가 존재하지만, 도 4에서는 생략한다. 이러한 구동부는, 전자회로 또는 연산처리장치 중 어느 것으로도 실현될 수 있다.

상기 서술한 바와 같은 구성의 하이브리드식 쇼벨에 있어서, 커패시터(19)의 충전율 SOC를 항상 높은 상태로 유지함으로써, 축전기로부터의 전력으로 전기부하를 에너지효율이 좋은 상태로 구동할 수 있다.

종래의 하이브리드식 쇼벨에서는, 전기부하 등으로부터 큰 회생전력이 발생하여 축전기에 공급되어도 축전기가 과충전이 되지 않도록, 축전기의 목표 SOC를 예컨대 80%로 작게 설정하고 있었다. 즉, 불의의 발전이나 회생에 의하여 큰 전력이 축전기에 공급되더라도, 그것을 흡수하더라도 아직 SOC가 100%는 되지 않도록, 여유를 가지고 목표 SOC를 예컨대 70%로 설정하고 있었다. 이로써, 축전기의 SOC는 항상 70% 이하가 되도록 제어되고, 축전기의 출력전압은 SOC가 70% 이하에 대응하는 낮은 전압이었다.

여기서, 축전기의 목표 SOC를 종래보다 높은 값으로 하면, 축전기의 출력전압도 높아져서, 전기부하를 효율적으로 구동할 수 있다. 즉, 축전기의 출력전압을 높게 하여 종래보다 높은 전압으로 전기부하를 구동함으로써, 전기부하를 종래보다 효율적으로 구동할 수 있다.

또한, 축전기를 소형화하여 축전계에 드는 비용을 삭감하기 위하여 축전용량이 작은 축전기를 이용하는 경우, 축전기의 목표 SOC를 높게 설정함으로써, 가능한 한 많은 전력을 축전기에 유지할 수 있다. 예컨대, 축전기로서 커패시터를 이용하였을 경우에는, 소형의 커패시터를 이용함과 함께 목표 SOC를 높게 설정함으로써, 종래의 축전량을 감소시키지 않고도 커패시터를 작게 할 수 있다.

여기서, 하이브리드식 쇼벨의 구동시스템에 있어서의 구동부의 통상시에 운전상황이나 축전기의 충전량 및 충전율을 고려하면, 축전기의 SOC를 90% 이하로 하여 두면, 통상의 사용에 있어서 문제가 없다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 축전기의 목표 SOC를 90%로 설정함으로써, 전기부하를 고전압에서 효율적으로 구동할 수 있음과 함께, 축전기를 소형화하여 비용을 절감할 수 있다.

단, 축전기의 목표 SOC를 90%와 같이 높은 값으로 설정하였을 경우, 예컨대, 축전기의 SOC가 높아져 있는 상태에서 큰 회생전력이 발생하면, 과충전이 될 우려가 있다. 그래서, 이하에 설명하는 제1 실시형태에서는, 축전기(커패시터)의 충전율(SOC)을 가변 제어하고 있다. 즉, 큰 회생전력이 생긴다고 예측되는 경우에는, SOC를 미리 낮춰둠으로써, 회생전력을 흡수하여도 SOC가 시스템의 상한치를 초과하지 않도록 제어한다.

다음으로, 제1 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨에 있어서의 커패시터(19)의 충전율(SOC)을 제어하는 방법에 대하여 설명한다.

제1 실시형태에서는, 상부선회체(3)의 감속시에 선회용 전동기(21)가 발전기로서 기능하고, 회생전력(선회 회생전력)을 생성하여 축전계(120)에 공급하는 것으로 한다. 또한, 붐(4)을 내릴 때 붐 실린더(7)로부터의 복귀 작동유를 이용하여 발전기(300)를 구동하여 발전하고, 회생전력(붐 회생전력)을 축전계(120)에 공급하는 것으로 한다.

본 실시형태에서는, 축전기로서의 커패시터(19)의 SOC를 가능한 한 높은 영역에서 사용함으로써, 축전량을 항상 크게 하여 커패시터(19)의 방전전압을 높은 상태로 유지하여 두고, 전력의 부족을 방지하면서, 커패시터(19)로부터 높은 전압으로 방전하여 에너지효율을 높이고 있다. 이때, 큰 선회 회생전력이나 붐 회생전력이 발생하여 커패시터(19)에 공급되면, SOC가 높은 상태에서 더욱 큰 전력이 충전되기 때문에, 커패시터(19)가 과충전상태가 되어 버린다.

따라서, 본 실시형태에서는, 선회 회생전력이나 붐 회생전력이 생성될 것을 미리 예측하여 두고, 그러한 때에는 커패시터(19)의 SOC를 낮춰 둠으로써, 커패시터(19)가 과충전상태가 되는 것을 억제한다. 즉, 선회 회생전력 및 붐 회생전력의 추정치를 연산에 의하여 구하고, 추정 선회 회생전력(추정 선회 회생에너지)과 추정 붐 회생전력(붐 회생에너지)에 근거하여 SOC의 목표치를 결정하여 변경한다. 통상은 SOC의 목표치는 시스템의 제어조건에 근거하여 일정한 값으로 설정되어 있지만, 본 실시형태에서는, SOC의 목표치는, 앞으로 생성될 것으로 예측되는 추정 회생전력(추정 회생에너지)에 근거하여 수시 변경되게 된다.

도 5는 SOC의 목표치를 설정하는 처리의 플로우차트이다. 우선, 스텝 S1에 있어서, 추정 회생전력(QA)을 산출한다. 본 실시형태에서는, 추정 회생전력(QA)은, 추정 선회 회생전력(추정 선회 회전에너지)(QS)과 추정 붐 회생전력(추정 붐 위치에너지)(QB)을 합산한 것이 된다.

계속하여, 스텝 S2에 있어서, 추정 회생전력(QA)이 제로보다 큰지 아닌지가 판정된다. 즉, 추정 회생전력(QA)이 있는지 아닌지가 판정된다. 추정 회생전력(QA)이 제로인 (즉, 선회, 붐 이외의 주행, 버킷, 암을 구동시키는 경우에는, 회생전력이 발생하지 않는다고 추정된다) 경우에는, 처리는 스텝 S3으로 진행된다. 스텝 S3에서는, 축전목표치로서의 SOC 목표치(SOCtg)를 시스템 제어상한치(SOCcul)로 설정하고, 이번 처리는 종료된다. 시스템 제어상한치(SOCcul)는, 하이브리드식 쇼벨의 제어에 의하여 정하여지는 SOC의 상한치이며, SOC의 검출치가 시스템 제어상한치(SOCcul)를 초과한 경우에는, 커패시터(19)가 오버플로우하고 있다고 판단된다.

한편, 추정 회생전력(QA)이 제로보다 큰 (즉, 회생전력이 발생한다고 추정되는) 경우는, 처리는 스텝 S4로 진행된다. 스텝 S4에서는, 산출한 추정 회생전력(QA)에 근거하여, 회생예상 목표치(SOCetg)를 산출한다. 회생예상 목표치(SOCetg)는, 추정 회생전력(QA)이 커패시터(19)에 공급되더라도, 커패시터(19)의 SOC가 상기 서술한 시스템 제어상한치(SOCcul)보다 커지지 않는 SOC 값이며, 시스템 제어상한치(SOCcul)보다 작은 값이다.

스텝 S4에서 회생예상 목표치(SOCetg)가 산출되면, 계속하여 처리는 스텝 S5로 진행된다. 스텝 S5에서는, 축전목표치로서의 SOC 목표치(SOCtg)를 회생예상 목표치(SOCetg)로 설정하고, 이번 처리는 종료된다. 회생예상 목표치(SOCetg)는 추정 회생전력(QA)의 값에 따라서 더욱 변화하는 값이며, SOC 목표치(SOCtg)도 추정 회생전력(QA)의 값에 따라서 변화하게 된다.

다만, 상기 서술한 스텝 S3의 처리 및 스텝 S5의 처리는, 컨트롤러(30)의 축전목표치 제어부에서 행하여진다.

다음으로, 상기 서술한 스텝 S1에 있어서의 추정 회생전력(QA)의 산출처리에 대하여 설명한다. 추정 회생전력(QA)의 산출은, 컨트롤러(30)의 추정 회생에너지 연산부에 의하여 행하여진다.

도 6은 추정 회생전력(QA)을 산출하는 처리의 플로우차트이다. 우선, 스텝 S11에 있어서, 추정 붐 회생전력(QB)이 산출된다. 추정 붐 회생전력(QB)은, 붐(4)의 위치에너지에 의하여 정하여진다. 즉, 추정 붐 회생전력(QB)은, 붐(4)이 올라간 위치에 있어서의 위치에너지가 추정 붐 회생전력(QB)이 된다.

도 7은 추정 붐 회생전력(QB)을 설명하기 위한 도면이다. 하이브리드식 쇼벨의 붐(4)이 올라가면, 붐(4), 암(5), 버킷(6)의 중량을 들어올린 만큼의 위치에너지가 축적된다. 그 후, 붐(4)이 내려가면, 축적된 위치에너지가 방출되고(붐 실린더(7)의 복귀 작동유), 붐 회생용의 유압모터(310)가 구동된다. 이에 따라, 붐 회생용의 발전기(300)가 구동되어 발전이 행하여진다. 이 발전에 의하여 얻어지는 전력이 붐 회생전력이 된다. 본 실시형태에서는, 붐 회생전력이 생성되기 전에, 붐(4)이 들어 올려진 위치(높이)로부터 붐(4)이 수평이 되는 위치까지 내려갔을 때에 발생하는 붐 회생전력을, 추정 붐 회생전력(QB)으로서 산출한다.

붐(4)의 지면으로부터의 높이(H)는, 붐(4)의 지지점에서부터 붐(4)의 선단까지의 거리(RB)에 sinθB를 곱하고, 거기에 지면에서부터 붐(4)의 지지점까지의 거리(높이)(RS)를 더하여 산출할 수 있다(H = RB × sinθB ＋ RS). 여기서, 붐 각도(θB)는 상기 서술한 붐 각도센서(7B)로 검출한 값이다. 붐(4)이 올라가고 나서 붐(4)이 내려지는 위치는, 붐(4)이 수평이 되는 위치에 한할 수 없지만, 붐(4)이 수평이 되는 위치까지 내려진다는 추정하에서 회생전력을 구하여 두면, 붐(4)이 들어 올려진 위치로부터 얻어지는 최대의 회생전력에 가까운 값이 된다.

이상과 같이, 추정 붐 회생전력(QB)은, 붐(4), 암(5), 버킷(6)의 중량에 버킷(6)에 담기는 토사의 최대 중량을 더한 중량(m)에, 중력가속도(g)를 곱하고, 또 붐(4)의 선단의 지면으로부터의 높이(H)를 곱하여 산출할 수 있다.

　　　QB = m × g × H

　　　 = m × g × (RB × sinθB ＋ RS)

이상과 같이, 스텝 S11에 있어서 추정 붐 회생전력(QB)을 산출하면, 처리는 스텝 S12로 진행된다. 스텝 S12에서는, 추정 선회 회생전력(QS)의 산출이 행하여진다. 추정 선회 회생전력(QS)의 산출은 이하의 식에 근거하여 산출할 수 있다.

　　　QS = 1/2 × Mi × ω²

여기서, Mi는 상부선회체(3)의 관성모멘트이며, 붐(4) 및 암(5)을 뻗은 상태에 있어서의 최대치로 하여 둔다. ω는 상부선회체(3)의 선회운동의 각속도이다. 각속도(ω)는 리졸버(22)가 검출한 선회용 전동기(21)의 회전속도로부터 구할 수 있다.

스텝 S12에 있어서 추정 선회 회생전력(QS)을 산출하면, 처리는 스텝 S13으로 진행된다. 스텝 S13에서는, 추정 붐 회생전력(QB)과 추정 선회 회생전력(QS)을 가산하여 추정 회생전력을 연산에 의하여 구한다(QA = QB ＋ QS).

다음으로, 도 5에 있어서의 스텝 S4의 처리에 대하여 설명한다. 스텝 S4의 처리는, 회생예상 목표치(SOCetg)를 산출하는 처리이다. 회생예상 목표치(SOCetg)는, 컨트롤러(30)의 축전목표치 결정부에 의하여 행하여진다. 도 8은 회생예상 목표치(SOCetg)를 산출하는 처리의 플로우차트이다. 우선, 스텝 S41에 있어서, 커패시터(19)의 충전율(SOC)이 시스템 제어상한치(SOCcul)가 되었을 때의, 커패시터(19)에 축적되어 있는 전력인 축전 일량(Qmax)을 산출한다. 축전 일량(Qmax)은, 시스템 제어상, 커패시터(19)에 축적할 수 있는 최대전력에 상당한다. 커패시터를 이용하였을 경우, 축전 일량(Qmax)은, 이하의 식을 이용하여 산출할 수 있다.

　　　Qmax = 1/2 × C × V²

　　　　　= 1/2 × C × (360 × √SOCcul)²

여기서, C는 커패시터(19)의 정전용량이다.

다음으로, 스텝 S42에 있어서, 축전 일량(Qmax)으로부터 추정 회생전력(QA)을 감산함으로써, 커패시터(19)에 축적하여 둘 수 있는 전력의 목표치(Q)를 산출한다(Q = Qmax - QA).

그리고, 스텝 S43에 있어서, 전력의 목표치(Q)로부터 회생예상 목표치(SOCetg)를 구한다. 회생예상 목표치(SOCetg)는 이하의 식에 의하여 산출할 수 있다.

　　　　SOCetg = 2 × Q / (C×360²)

이상과 같이 하여 회생예상 목표치(SOCetg)를 산출하면, 도 5에 나타내는 스텝 S5에 있어서, SOC 목표치(SOCtg)를 회생예상 목표치(SOCetg)로 설정한다.

여기서, 하이브리드식 쇼벨로 행하는 굴삭·적재작업에 있어서의 SOC 목표치의 설정에 대하여 설명한다. 도 9는 굴삭·적재작업에 있어서 SOC 목표치(SOCtg)를 설정하는 처리를 설명하기 위한 도면이다. 도 9에 있어서의 시각 0~t4까지의 작업시에 있어서는, 추정 회생전력(QA)을 예상할 수 있기 때문에, 축전목표치로서의 SOC 목표치(SOCtg)에, 회생예상 목표치(SOCetg)가 설정된다.

굴삭·적재작업에 있어서, 붐(4)의 높이(H)는 도 9 (a)에 나타내는 바와 같이 추이된다. 추정 붐 회생전력(QB)은 상기 서술한 바와 같이 붐(4)의 높이(H)에 비례하기 때문에(QB = m × g × H), 추정 붐 회생전력(QB)은 도 9 (b)에 나타내는 바와 같이 붐(4)의 높이(H)와 동일 패턴이 된다. 여기서, 붐(4)의 높이(H)가 피크가 되는 시각 이후에는, 붐(4)이 내려가므로, 붐 회생전력이 발생하게 된다.

한편, 굴삭·적재작업에 있어서, 상부선회체(3)의 선회속도는, 선회용 전동기(21)의 각속도(ω)에 비례하여, 굴삭·적재작업에 있어서 도 9 (c)에 나타내는 바와 같이 추이된다. 추정 선회 회생전력(QS)은, 상기 서술한 바와 같이 선회용 전동기(21)의 각속도(ω)의 제곱에 비례하기 때문에(QS = 1/2 × Mi × ω²), 추정 선회 회생전력(QS)은 도 9 (d)에 나타내는 바와 같이 추이된다. 여기서, 선회속도(ω)가 피크가 되는 시각 이후에는, 선회속도가 감속동작이 되므로, 선회 회생전력이 발생하게 된다. 다만, 선회속도의 마이너스 방향(마이너스의 값)은 역회전을 의미하는 것이기 때문에, 추정 선회 회생전력은 선회속도의 절대치로 산출한다.

추정 회생전력(QA)은, 추정 붐 회생전력(QB)과 추정 선회 회생전력(QS)의 합이며, 도 9 (e)에 나타내는 바와 같이, 도 9 (b)와 도 9 (d)를 합성한 패턴이 된다.

그리고, 회생예상 목표치(SOCetg)는, 추정 회생전력(QA)이 커패시터(19)에 공급되어 충전된 경우에, 시스템 제어상에서 허용되는 커패시터(19)의 최대 충전율(시스템 제어상한치(SOCcul))이 되는 값으로 설정된다. 따라서, 회생예상 목표치(SOCetg)는, 시스템 제어상한치(SOCcul)로부터 추정 회생전력(QA)을 감산한 값이 되고, 추정 회생전력(QA)을 반전하여 제로를 시스템 제어상한치(SOCcul)에 맞춘 것이 되어, 도 9 (f)에 나타내는 패턴이 된다.

도 9 (f)에 있어서, 시각 t=0에서의 커패시터(19)의 축전전압치가, 정격전압에 대하여 100%라 하였을 경우에 대하여 설명한다. 시각 0~t10에 있어서는, 붐(4)이 상승됨과 함께, 선회동작이 실행되고 있다. 이로 인하여, 연산된 추정 회생전력의 증가에 따라서, SOC 목표치(SOCtg)(이 경우, 회생예상 목표치(SOCetg))가 낮춰진다. 회생예상 목표치(SOCetg)가 낮춰지기 때문에, 시스템 제어상한치(SOCcul)까지 축전(충전)되어 있던 전력은, 회생예상 목표치(SOCetg)의 저하분만큼 방전된다. 이때에 방전되는 전력은 붐(4)의 상승이나 선회의 역행(力行)운전에 사용할 수 있다.

도 9 (f)에 있어서, 시각 t1~t3에 있어서는, 붐(4)이 내려가고 선회속도도 저감되기 때문에, 연산된 추정 회생전력도 저하된다. 이에 따라, SOC 목표치(SOCtg)(이 경우, 회생예상 목표치(SOCetg))는 상승한다. 동시에, 붐(4)이 내려가기 때문에 붐 회생전력이 발생함과 함께, 선회 전동기도 제동운전(감속운전)되기 때문에 선회 회생전력도 발생하지만, 이들 회생전력은, 회생예상 목표치(SOCetg)의 상승분만큼 커패시터(19)에 충전할 수 있다.

마찬가지로, 시각 t3~t11에 있어서는, 회생예상 목표치(SOCetg)가 저하되고, 회생예상 목표치(SOCetg)의 저하분만큼 방전이 행하여진다. 또한, 시각 t11~t4에 있어서는, 회생예상 목표치(SOCetg)가 상승하고, 회생예상 목표치(SOCetg)의 상승분만큼 충전이 행하여진다.

여기서, 커패시터(19)의 정전용량을 C, 축전전압(단자간 전압)을 V라 하면, 커패시터(19)에 축전되는 축전에너지(E)는, E = (1/2) C V²로 표현된다. 따라서, 축전전압(V)을 높게 하면 동일 에너지를 유지하기 위한 커패시터(19)의 용량을 작게 할 수 있다. 예컨대, 종래에는, SOC가 시스템 제어상한치를 넘지 않도록 하기 위하여, 회생전력을 충분히 고려하여 SOC 목표치를 결정하였었다. 즉, 큰 회생전력이 발생하여도 그것을 흡수할 수 있도록, 종래의 SOC 목표치는, 충전전압(V)이 정격전압(Vmax)에 대하여서 예컨대 67%(= V / Vmax：충전비)가 되도록 설정되어 있었다. 여기서, 시스템 제어상한치에 있어서, 충전전압이 정격전압에 대하여 100%(= V / Vmax：충전비)가 되는 SOC로 설정된다.

그런데, E = (1/2) C V²로 표현되는 바와 같이 커패시터(19)에 축전되는 충전전압치(V)를 √2배로 하여 높게 하면, 정전용량을 1/2로 하여도 동일한 축전에너지(E)를 얻을 수 있다. 바꾸어 말하면, 충전전압치(V)를 √2배로 높게 하면, 커패시터의 정전용량을 1/2로 저감할 수 있다.

구체적으로는, 종래에는 충전전압이 정격전압에 대하여 67%가 되는 SOC를 이용하여 제어를 행하였었던 것에 대하여, SOC를 √2배로 한 95%로 함으로써, 동일 축전에너지를 유지한 상태로, 커패시터(19)의 용량을 1/2로 할 수 있다. 즉, 충전율 SOC를 95%로 함으로써, SOC를 67%로 하였을 경우와 동일 축전에너지를 유지하면서, 1/2의 정전용량의 커패시터를 이용할 수 있다. 여기서, 충전비가 95%인 경우에는, SOC는 전압(V)의 제곱의 비로 나타나기 때문에, SOC는 약 90%가 된다(SOC = (1/2) C V² / (1/2) C Vmax²).

도 9 (f)에서는, SOC를 90%(충전비 95%)로 하여 설명하였지만, 회생전력의 예상이 없는 상태에 있어서, 설정되는 SOC(충전비)는 높은 쪽이 정전용량을 작게 할 수 있으므로 바람직하다.

본 실시형태에서는, 회생전력의 예상이 없는 상태에 있어서 SOC는 약 90% (충전비가 95%) 이상으로 제어할 수 있다. 즉, 종래보다 커패시터 용량을 절반으로 할 수 있다. 따라서, 본 실시형태를 하이브리드식 쇼벨에 적용함으로써, 커패시터(19)의 선택의 자유도가 커진다. 또한, SOC의 목표치를 가변 제어하기 때문에, 회생전력이 발생하는 예상이 있는 경우에는, 미리 SOC의 비율을 저감하여 둘 수 있기 때문에, 과충전을 방지할 수 있다.

다만, 도 9 (f)로부터 알 수 있듯이, 본 실시형태에 있어서 구하여지는 회생예상 목표치(SOCetg)는, 회생전력이 발생하지 않는다고 추정될 때는(QA=0) 종래의 SOC 목표 상한치보다 높은 시스템 제어상한치(SOCcul)와 동일하여진다. 또한, 본 실시형태에 있어서 구하여지는 회생예상 목표치(SOCetg)는, 회생전력이 발생한다고 추정될 때는(QA＞0), 시스템 제어상한치(SOCcul)로부터 추정 회생전력(QA)이 커패시터(19)에 충전된 경우에 상승하는 충전율을 시스템 제어상한치(SOCcul)로부터 감산한 값이 된다. 이로써, 커패시터(19)의 충전율을 시스템 제어상한치(SOCcul)에 가까운 값으로 유지하면서, 회생전력이 커패시터(19)에 공급되더라도 커패시터(19)의 충전율이 시스템 제어상한치(SOCcul)를 초과하는 일이 없도록 제어할 수 있다.

상기 서술한 실시형태에서는, 추정 회생전력(QA)을 추정 붐 회생전력(QB)과 추정 선회 회생전력(QS)을 합산한 값으로 하였지만, 반드시 추정 붐 회생전력(QB)과 추정 선회 회생전력(QS)을 합산할 필요는 없다. 예컨대, 붐 회생기능을 가지지 않은 쇼벨이라면, 추정 선회 회생전력(QS)만을 추정 회생전력(QA)으로서 이용하여도 된다. 혹은, 버킷 대신 리프팅마그넷을 암의 선단에 장착한 리프마그식 쇼벨과 같이, 선회 회생 및 붐 회생 이외의 회생기능으로서, 리프마그 회생기능을 가지는 경우는, 추정 리프마그 회생전력(QL)도 합산한 추정 회생전력(QA)을 구하는 것으로 하면 된다. 리프팅마그넷으로부터의 회생전력은, 리프팅마그넷을 오프로 하였을 때에 흐르는 역전류이며, 거의 일정한 전류치이다. 따라서, 추정 리프마그 회생전력(QL)은, 고정치로서 설정하여 둘 수 있다. 또한, 시각 0부터 t10에 있어서 커패시터(19)의 전압치가 축전목표치보다 작은 경우에는, 커패시터(19)에의 충전이 행하여진다. 마찬가지로, 시각 t3~t11에 있어서도, 커패시터(19)의 전압치가 축전목표치보다 작은 경우에는, 커패시터(19)에의 충전이 행하여진다.

또한, 회생예상이 없는 경우에 있어서, 축전목표치는 시스템 제어상한치와 동일한 값으로 설정되어 있다. 그러나, 회생예상이 없는 경우에 있어서, 축전목표치는, 시스템 상한치로부터 수% 여유를 가지게 한 값으로 설정하여도 된다. 또한, 축전목표치는, 미리 정하여진 범위로 설정하여도 된다.

상기 서술한 실시형태에서는, 엔진(11)과 전동발전기(12)를 유압펌프인 메인펌프(14)에 접속하여 메인펌프를 구동하는, 이른바 패럴랠형의 하이브리드식 쇼벨에 본 발명을 적용한 예에 대하여 설명하였다. 본 실시형태는, 도 10에 나타내는 바와 같이 엔진(11)으로 전동발전기(12)를 구동하고, 전동발전기(12)가 생성한 전력을 축전계(120)에 축적하고 나서 축적된 전력에 의해서만 메인펌프(14)를 구동하는, 이른바 시리즈형의 하이브리드식 쇼벨에도 적용할 수도 있다. 이 경우, 전동발전기(12)는, 본 실시형태에서는 엔진(11)에 의하여 구동시키는 것에 의한 발전운전만을 행하는 발전기로서의 기능을 구비하고 있다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시형태에 대하여 설명한다.

도 11은, 제2 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 11에 있어서, 도 2에 나타내는 구성부품과 동등한 부품에는 동일 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.

도 11에 나타내는 구성의 하이브리드식 쇼벨에 있어서, 엔진(11)에 가하여지는 부하가 큰 경우에는, 전동발전기(12)가 전기에너지를 기계적 에너지로 변환하여 엔진(11)을 어시스트하는 어시스트운전을 행한다. 전동발전기(12)의 기계적 에너지가 변속기(13)를 통하여 메인펌프(14)에 전달됨으로써, 엔진(11)에 가하여지는 부하가 경감된다. 한편, 엔진(11)에 가하여지는 부하가 작은 경우에는, 엔진(11)의 구동력이 변속기(13)를 통하여 전동발전기(12)에 전달됨으로써, 전동발전기(12)가 발전운전된다. 전동발전기(12)의 어시스트운전과 발전운전의 전환 등의 제어는, 전동발전기(12)에 접속(전기적으로 접속)된 인버터(18A)를 이용하여 행하여진다. 인버터(18A)는, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 의하여 제어된다.

컨트롤러(30)는, 중앙처리장치(CPU) 및 내부메모리를 포함한다. CPU는, 내부메모리에 격납되어 있는 구동제어용 프로그램을 실행한다. 컨트롤러(30)는, 표시장치(도시하지 않음)에, 각종 장치의 열화상태 등을 표시함으로써, 운전자의 주의를 환기한다.

전동발전기(12)의 전기계통의 입출력단자가, 인버터(18A)를 통하여 DC버스(110)에 접속되어 있다. DC버스(110)는, 컨버터(배터리 충방전 회로)(100)를 통하여 커패시터(19)에 접속되어 있다. 커패시터(19)는, 예컨대 직렬접속된 복수의 전기이중층 콘덴서를 포함한다. DC버스(110)의 전압은, 컨버터(100)를 이용하여 제어할 수 있다. 예컨대, 컨버터(100)에 충전전류를 흘려 보냄으로써, DC버스(110)의 전기에너지가 커패시터(19)로 이동하고, DC버스(110)의 전압은 강하한다. 반대로, 컨버터(100)에 방전전류를 흘려 보냄으로써, 커패시터(19)의 전기에너지가 DC버스(110)로 이동하고, DC버스(110)의 전압은 상승한다. 이와 같이 컨버터(100)는, 커패시터(19)와 DC버스(110) 사이의 충방전동작을 제어한다.

이와 같이, 커패시터(19)는 축전 가능한 제1 축전기에 상당하고, DC버스(110)도 축전 가능한 제2 축전기에 상당한다. 그리고, 컨버터(100)는 커패시터(19)와 DC버스(110) 사이를 전기적으로 접속하고, 외부로부터의 신호에 의하여 커패시터(19)와 DC버스 사이의 충방전동작을 제어하는 충방전제어부에 상당한다. 커패시터(19), 컨버터(100), DC버스(110)를 포함하는 축전계(120)는 상부선회체(3)에 탑재되어 있다.

또한, DC버스(110)는, 인버터(18C)를 통하여 붐 회생용 모터(300)와 접속되어 있다. 붐 회생용 유압모터(310)는, 붐 회생용 발전기(300)와 접속되고, 유압모터(310)의 구동력에 의하여 발전을 행할 수 있다. 붐 회생용 발전기(300)에서 생성된 전기에너지는, 삼상 교류를 직류로 변환하는 인버터(18C)를 통하여 DC버스(110)에 공급된다. 또한, DC버스(110)는, 다른 인버터(20)를 통하여 선회용 전동기(21)에 접속되어 있다. 인버터(20)를 통하여, DC버스(110)와 선회용 전동기(21) 사이에서 전기에너지의 수수가 행하여진다. 인버터(20, 18C), 컨버터(100)는, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 의하여 제어된다.

도 12는, 본 실시형태에 있어서의 축전계(120)의 등가회로도이다. 승강압 컨버터(100)는, 제1 축전기인 커패시터(19)의 충방전전류를 제어한다. 제2 축전기로서의 DC버스(110)는, 평활용 콘덴서(107)를 포함한다. 컨버터(100)의 한 쌍의 전원접속단자(103A, 103B)에 커패시터(19)가 접속되어 있고, 한 쌍의 출력단자(106A, 106B)에 DC버스(110)의 평활용 콘덴서(107)가 접속되어 있다. 일방의 전원접속단자(103B), 및 일방의 출력단자(106B)는 접지되어 있다.

DC버스(110)는, 인버터(18A, 18C, 20)를 통하여, 전동발전기(12), 선회용 전동기(21) 및 붐 회생용 모터(300)에 접속되어 있다.

전동발전기(12)가 발전운전되고 있는 기간은, 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력을, 인버터(18A)를 통하여 커패시터(19) 또는 DC버스(110)에 공급할 수 있다. 전동발전기(12)가 어시스트운전되고 있는 기간은, 필요한 전력을, 커패시터(19) 또는 DC버스(110)로부터 인버터(18A)를 통하여 전동발전기(12)에 공급할 수 있다.

선회용 전동기(21)에는, 커패시터(19) 또는 DC버스(110)로부터 전기에너지가 공급된다. 또한, 선회용 전동기(21)에서 발생한 회생에너지는, 커패시터(19) 또는 DC버스(110)에 축전된다.

평활용 콘덴서(107)의 양단에 발생하고 있는 전압이, 전압계(111)에 의하여 검출되고, 검출결과가 컨트롤러(30)에 입력된다. 전압계(111)에 의한 검출치와, DC버스(110)의 목표치에 근거하여, 컨버터(100)는, DC버스의 전압이 일정하여지도록 제어한다.

다만, 컨트롤러(30)는, 하부주행체(1), 선회기구(2), 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)의 어느 것도 동작되고 있지 않고, 커패시터(19), DC버스(110)의 충전 및 방전의 어느 것도 행하여지지 않는 상태(비운전상태)를 검출할 수 있다.

승압용 절연게이트 바이폴러 트랜지스터(IGBT)(102A)의 콜렉터와, 강압용 IGBT(102B)의 이미터가 서로 접속된 직렬회로가, 출력단자(106A와 106B) 사이에 접속되어 있다. 승압용 IGBT(102A)의 이미터가 접지되고, 강압용 IGBT(102B)의 콜렉터가, 고압측의 출력단자(106A)에 접속되어 있다. 승압용 IGBT(102A)와 강압용 IGBT(102B)의 상호 접속점이, 리액터(101)를 통하여, 고압측의 전원접속단자(103A)에 접속되어 있다.

승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)에, 각각 다이오드(102a, 102b)가, 이미터로부터 콜렉터를 향하는 방향이 순방향이 되는 방향으로 병렬접속되어 있다.

전원접속단자(103A와 103B) 사이에 접속된 전압계(112)가, 커패시터(19)의 단자간 전압을 측정한다. 리액터(101)에 직렬로 삽입된 전류계(113)가, 커패시터(19)의 충방전전류를 검출한다. 전압 및 전류의 검출결과는, 컨트롤러(30)에 입력된다.

컨트롤러(30)는, 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 게이트 전극에 제어용 펄스폭 변조(PWM) 전압을 인가한다.

이하, 승압동작(방전동작)에 대하여 설명한다. 승압용 IGBT(102A)의 게이트 전극에 PWM 전압을 인가하면, 승압용 IGBT(102A)의 오프시에, 리액터(101)에, 고압측의 전원접속단자(103A)로부터 승압용 IGBT(102A)의 콜렉터를 향하여 전류를 흘려 보내는 방향의 유도기전력이 발생한다. 이 기전력이, 다이오드(102b)를 통하여 DC버스(110)에 인가된다. 이로써, DC버스(110)는 승압된다.

다음으로, 강압동작(충전동작)에 대하여 설명한다. 강압용 IGBT(102B)의 게이트 전극에 PWM 전압을 인가하면, 강압용 IGBT(102B)의 오프시에, 리액터(101)에, 강압용 IGBT(102B)의 이미터로부터 고압측의 전원접속단자(103A)를 향하여 전류를 흘려 보내는 방향의 유도기전력이 발생한다. 이 유도기전력에 의하여, 커패시터(19)가 충전된다. 이와 같이 하여, DC버스(110)를, 상시, 일정 전압으로 하여 둘 수 있다.

다음으로, 도 13 (A) 및 (B)를 참조하면서, 제2 실시형태에 있어서의 제1 비교예 및 제1 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계의 제어방법에 대하여 설명한다. 이들 제어방법에 의한 제어는, 컨트롤러(30)에 의하여 행하여진다.

도 13 (A)는, 제1 비교예에 의한 제어방법을 나타내는 타이밍차트이다. “붐 레버” 및 “붐(4) 각도”의 그래프를 참조하면, 쇼벨의 운전자가, 시각 t1부터 시각 t2까지의 사이, 조작장치(26)의 붐 레버를 “올림”상태로 유지함으로써, 붐(4)은 상부선회체(3)에 대하여서, 서서히 상측방향으로 들어 올려진다. 예컨대 시각 t2에 있어서 붐(4)은 그 스트로크 상한까지 상승한다(역행(力行)동작). 시각 t2에 있어서, 운전자는 붐 레버를 중립위치로 되돌리고, 시각 t3까지 그 상태를 유지한다. 붐(4)은 그 동안, 스트로크 상한의 위치에서 정지한다. 그 후, 시각 t3부터 시각 t4까지, 운전자가 붐 레버를 “내림”상태로 유지함으로써, 붐(4)은 서서히 하강하고, 예컨대, 시각 t4에 있어서 원래의 위치(시각 t1에 있어서의 위치, 완전히 내린 위치)로 되돌아간다(회생(回生)동작).

“DC버스(110) 목표전압”, “메인펌프(14) 설정”, “전동발전기(12) 출력상태”, 및 “컨버터(100) 전류상태”의 차트를 참조하면, 제1 비교예에 의한 제어방법에 있어서는, 붐(4)의 상승을 엔진(11)의 구동력만으로 행하고, 전동발전기(12)는, 전동(어시스트)운전을 행하지 않는다. 이로 인하여, DC버스(110)는 일정 전압(고압상태(VM))으로 유지된다. 다만, 이하의 설명에 있어서, “DC버스(110) 목표전압”이란, DC버스(110)의 전압을 근접시킬 목표치를 나타낸다.

이로 인하여, 시각 t1부터 시각 t2까지의 동안, “DC버스(110) 목표전압”, “메인펌프(14) 설정”, “전동발전기(12) 출력상태”, 및 “컨버터(100) 전류상태”는 모두 일정하게 유지된다. 즉, “DC버스(110) 목표전압”은 고압상태(VM)인 채이고, “메인펌프(14) 설정”은 저출력상태(PN)인 채이다. 또한, 전동발전기(12)는, 어시스트 동작도 발전동작도 행하지 않고, 컨버터(100)는 충방전을 행하지 않는다. 다만, 컨버터(100)가 충방전하지 않기 때문에, 커패시터(19)의 전압은 변화하지 않는다.

붐(4)이 정지하고 있는 시각 t2부터 시각 t3에 있어서도, “DC버스(110) 목표전압”, “메인펌프(14) 설정”, “전동발전기(12) 출력상태”, 및 “컨버터(100) 전류상태”는 모두 일정하게 유지된다.

시각 t3부터 시각 t4까지의 동안, 붐(4)이 하강함으로써, 붐 회생용 유압모터(310)에 구동력(토크)이 발생한다. 구동력은 붐 회생용 발전기(300)에 전달되어, 붐 회생용 발전기(300)에서 발전이 행하여진다(회생동작). 발생한 전기에너지는, 인버터(18C), DC버스(110), 및 컨버터(100)를 경유하여 커패시터(19)에 축전된다. 따라서, 이 기간, DC버스(110)는 고압상태(VM)인 채로 변화하지 않고, 컨버터(100)는 충전동작을 행한다. 시각 t3부터 시각 t4에 있어서, 붐 회생용 발전기(300)에서 발전된 에너지가, 컨버터(100)의 충전동작으로 커패시터(19)에 축적되는 것을, 도 13 (A)에서는 “붐 회생용 모터(300) 출력상태”의 차트로부터 “컨버터(100) 전류상태”의 행으로 향하는 화살표로 개념적으로 나타내고 있다. 다만, 메인펌프(14) 설정은 저출력상태(PN)인 채이며, 전동발전기(12)는, 어시스트 동작도 발전동작도 행하지 않는다. 이와 같이, 컨버터(100)는, DC버스(110)를 고압상태(VM)인 채 일정하게 유지하려고, 커패시터(19)와의 사이에서 충방전제어를 행한다. 따라서, 충방전시에 전력소비(에너지손실)가 생겨 버린다.

도 13 (A)의 충전율 SOC의 차트는, 제1 비교예에 있어서, 회생전력이 발생할 예상이 없는 상태에 있어서 SOC를 90%로 제어하는 경우의 SOC의 변화를 나타내고 있다. 이 경우, 시각 t3부터 시각 t4까지의 사이에 있어서, 붐 내림 동작에 따라서 붐 회생전력이 발생하면, 커패시터(19)에 충전되는 전력이 상승하여, SOC가 상승한다. 원래, SOC는 90%로 높은 목표치로 설정되어 있기 때문에, 시각 t3부터 시각 t4까지의 사이에 있어서, SOC는 시스템 제어상한치(SOC가 100%)를 초과하여 버려서, 커패시터(19)는 과충전이 되어 버린다.

도 13 (B)는, 제2 실시형태에 있어서의 제1 실시예에 의한 제어방법을 나타내는 타이밍차트이다. “붐 레버” 및 “붐(4) 각도”의 차트는, 도 13 (A)에 나타내는 제1 비교예와 동일하다.

제1 실시예에 의한 제어방법에 있어서는, 엔진(11)의 구동력과, 전동발전기(12)의 어시스트 동력을 이용하여, 붐(4)을 상승시킨다. 또한, 전동발전기(12)를 어시스트운전시키기 위하여, 커패시터(19)가 아닌, DC버스(110)에 축적되어 있는 전기에너지를 사용한다.

이로 인하여, 붐(4) 상승 중인 시각 t1부터 시각 t2에 있어서, “전동발전기(12) 출력상태”는 어시스트가 되고, 축전목표치로서의 “DC버스(110) 목표전압”은 저압상태(VL)로 설정된다. 또한, 컨버터(100)는 충방전을 행하지 않는다. 또한, 전동발전기(12)가 어시스트운전을 하기 때문에, 메인펌프(14)는 고출력을 발생 가능한 상태(고출력상태)(PH)로 이행한다.

다만, “DC버스(110) 목표전압”의 차트에, 실제의 DC버스(110)의 전압계(111)에 의하여 검출한 전압치를 점선으로 나타냈다. 시각 t1부터 시각 t2에 있어서는, 전동발전기(12)에 의하여 엔진(11)을 어시스트하므로, DC버스(110)의 전압은, 고압상태(VM)로부터 서서히 감소하고, 시각 t2에 있어서 저압상태(VL)가 된다. 도 13 (B)에 있어서, DC버스(110)의 전압 감소분으로 전동발전기(12)의 어시스트 동작이 행하여지는 것을, “DC버스(110) 목표전압”의 차트로부터 “전동발전기(12) 출력상태”의 차트를 향하는 화살표로 개념적으로 나타내고 있다.

붐(4)이 스트로크 상한위치에 유지되어 있는 시각 t2부터 시각 t3에 있어서는, 전동발전기(12)는, 어시스트 동작도 발전동작도 행하지 않는다. 여기서, 커패시터(19) 및 DC버스(110)에 축전되어 있는 전기에너지는 변화하지 않는다. 따라서, 컨버터(100)는 충방전동작을 행하지 않고, DC버스(110)의 목표전압 및 실제전압은 저압상태(VL)로 유지된다. 또한, 메인펌프(14)는 저출력상태(PN)가 된다. 이와 같이, DC버스(110)가 저압상태(VL)로 유지되고, 커패시터(19)와의 충방전제어가 이루어지지 않으므로, 전력손실을 방지할 수 있다.

시각 t3부터 시각 t4에 걸쳐서, 붐(4)이 하강하고, 붐(4)의 위치에너지가 붐 회생용 유압모터(310), 및 붐 회생용 모터(발전기)(300)를 통하여 전기에너지로 변환된다(회생동작). 변환된 전기에너지는, 커패시터(19)가 아닌, DC버스(110)에 축전된다.

여기서, 컨버터(100)는 커패시터와의 사이에서 충방전동작을 행하지 않는다. 한편, DC버스(110)의 목표전압은 고압상태(VM)가 된다. 이로 인하여, 시각 t3부터 시각 t4에 있어서의 DC버스(110)의 실제전압은, 저압상태(VL)로부터 서서히 상승한다. 그러나, 시각 t1부터 시각 t2에 있어서 붐(4)이 상승하기 때문에, DC버스(110)로부터 방전된 전기에너지는, 붐(4)의 하강에 의하여 완전하게는 회수되지 않고, 시각 t4에 있어서의 DC버스(110)의 실제전압은, 고압상태(VM)보다 낮은 전압이 된다. 붐 회생용 모터(300)에서 발전된 전기에너지가 DC버스(110)에 축적되어, DC버스(110)의 전압이 상승하는 것을, 도 13 (B)에 있어서 화살표로 개념적으로 나타내고 있다. 다만, 메인펌프(14)는 저출력상태(PN)인 채이다.

시각 t4부터 시각 t5에 있어서는, DC버스(110)의 전압을 고압상태(VM)까지의 부족분을 회복시킨다. 이를 위하여 DC버스(110) 목표전압은 고압상태(VM)인 채로 되고, 이 목표전압치(VM)가 실현될 때까지, 컨버터(100)가 방전동작을 행한다. 커패시터(19)의 전기에너지가, 컨버터(100)의 방전동작에 의하여 DC버스(110)에 축적되는 것을, 도 13 (B)에서는 “컨버터(100) 전류상태”의 차트로부터 “DC버스(110) 목표전압”의 차트를 향하는 화살표로 개념적으로 나타내고 있다.

도 13 (B)의 충전율 SOC의 차트는, 제1 실시예에 있어서의 DC버스(110)의 전압의 변화에 따라서 변화하는 SOC를 나타내고 있다. 제1 실시예에 있어서는, 시각 t3부터 시각 t4까지의 사이에 있어서 회생전력이 발생하였을 때는, 붐 회생전력을 DC버스(110)에 축적하여 DC버스(110)의 전압이 상승하도록 제어가 행하여진다. 이로 인하여, 커패시터(19)에는 회생전력이 공급되지 않아, 커패시터(19)의 SOC를 높은 상태인 채로 유지할 수 있다. 즉, 회생전력을 DC버스(110)에 축적함으로써, 회생전력을 커패시터(19)에 충전하지 않도록 제어하여, SOC가 높아져 있는 커패시터(19)에 더욱 회생전력이 충전되어 과충전이 되는 것을 방지하고 있다.

다만, 시각 t4부터 시각 t5의 사이에 있어서만, DC버스(110)의 전압을 회복시키기 위하여, 커패시터(19)는 약간 방전하여 DC버스(110)에 전력을 공급한다. 그리고, 시각 t5 이후에 전동발전기(12)를 발전운전하여 커패시터(19)의 충전을 행하여, 커패시터(19)의 충전율 SOC가 목표 충전율(90%)이 되도록 제어를 행한다. 이 경우, 전압비로 환산하면 약 95%가 된다. 또한, 시각 t4부터 시각 t5의 사이에 있어서, 커패시터(19)의 충전율이 목표 충전율보다 작은 경우에는, 커패시터(19)에의 충전이 행하여진다.

상기 서술한 제2 실시형태에 있어서의 제1 실시예에 의한 제어방법은, 시각 t1부터 시각 t2에 있어서, DC버스(110)에 축적되어 있는 전기에너지를 이용하여 전동발전기(12)의 어시스트운전을 행하여, 어시스트 구동력을 엔진(11)의 구동력에 가하여 붐(4)을 상승시킨다. 붐(4)을 상승시킬 때, 메인펌프(14)가 방출하는 에너지의 일부가 전동발전기(12)로부터 공급되기 때문에, 엔진(11)의 부하를 감소시킬 수 있다. 이로써 붐(4) 상승시의 펌프 마력설정(메인펌프(14) 설정)을 크게 할 수 있다. 이로 인하여 붐(4)을 상승시키는 파워를 크게 할 수 있다.

또한, 전동발전기(12)를 어시스트운전시키는 전기에너지를 커패시터(19)가 아니라, DC버스로부터 공급하기 때문에, 컨버터(100)에 있어서의 전력소비를 억제하는(에너지손실을 줄이는) 것이 가능하다.

또한, 시각 t3부터 시각 t4에 있어서, 붐(4)의 하강에 따라서 발생하는 에너지가 커패시터(19)가 아니라, DC버스(110)에 축전된다. 따라서 이 기간에 있어서도 컨버터(100)에 있어서의 전력소비가 억제된다.

또한, 시각 t4부터 시각 t5에 있어서의 컨버터(100)의 방전동작에 의하여, 커패시터(19)의 전기에너지를 DC버스(110)로 옮겨서, DC버스(110)의 전압상태를 일정(고압상태(VM))하게 유지함으로써, 다시 붐(4)을 상승시킬 필요가 있는 경우 등, 사정에 따라서, 신속히 DC버스(110)의 에너지를 사용할 수 있다. 다만, 시각 t5 이후의, DC버스(110)의 일정 유지전압(고압상태(VM))은, 예컨대 커패시터(19)의 유지전압보다 높은 전압으로 한다.

다음으로, 도 14 (A) 및 (B)를 참조하면서, 제2 실시형태에 있어서의 제2 비교예 및 제2 실시예에 의한 하이브리드식 쇼벨의 제어방법에 대하여 설명한다. 이들 제어방법에 의한 제어는, 컨트롤러(30)에 의하여 행하여진다.

도 14 (A)는, 제2 비교예에 의한 제어방법을 나타내는 타이밍차트이다. “선회레버”, “상부선회체(3) 선회각도” 및 “선회용 전동기(21) 출력상태”의 차트를 참조하면, 작업기계의 운전자가, 시각 t1부터 시각 t3까지의 동안, 조작장치(26)의 선회레버를 “정회전”상태로 유지함으로써, 상부선회체(3)가 초기치로부터 목표치까지 선회한다. 상부선회체(3)는, 시각 t1에 있어서, 정지상태로부터 초(初)속도 제로에서부터 정회전방향으로 선회를 개시하여, 시각 t4에 있어서 목표위치에 도달하고, 종(終)속도 제로가 되어 선회를 종료한다. 시각 t1부터 시각 t2에 있어서는, 상부선회체(3)의 선회 각속도는, 서서히 증가한다. 시각 t2부터 시각 t3에 있어서는, 상부선회체(3)는 등각속도로 선회한다. 시각 t3부터 시각 t4에 있어서는, 상부선회체(3)의 선회 각속도는, 서서히 감소한다. 선회용 전동기(21)는, 시각 t1부터 시각 t2에 있어서는 전기에너지로부터 회전력을 발생하여, 상부선회체(3)를 선회시키는 역행(力行)동작을 행하고, 시각 t3부터 시각 t4에 있어서는, 상부선회체(3)의 회전운동으로부터 전기에너지를 발생하는 회생(回生)동작을 행한다. 시각 t2부터 시각 t3에 있어서는, 역행, 회생의 어느 동작도 행하지 않는다.

“컨버터(100) 전류상태”의 차트를 참조하면, 제2 비교예에 의한 제어방법에서는, DC버스(110)의 전압을 유지하기 위하여, 선회용 전동기(21)의 역행동작은 커패시터(19)에 축적되어 있는 전기에너지를 이용하여 행한다. 또한, 선회용 전동기(21)가 발생하는 회생에너지는 커패시터(19)에 축전한다. 이로 인하여, 시각 t1부터 시각 t2에 걸친 역행운전에 있어서는, 컨버터(100)는 방전동작을 행하여, 커패시터(19)에 축적되어 있는 전기에너지를 방출한다. 또한, 시각 t3부터 시각 t4의 기간은, 컨버터(100)는 충전동작을 행하여, 발생하는 회생에너지를 커패시터(19)에 축전한다.

“전동발전기(12) 출력상태”의 차트를 참조하면, 시각 t3부터 시각 t4에 커패시터(19)에 축전되는 회생에너지는, 시각 t1부터 시각 t2에 커패시터(19)로부터 방출되는 에너지보다 작다. 이로 인하여, 커패시터(19)의 전압레벨을 일정하게 할 목적으로, 시각 t3부터 시각 t4에 걸쳐서 전동발전기(12)는, 부족분을 보충하도록 발전동작을 행한다. 전동발전기(12)에서 발전된 전기에너지는, 컨버터(100)의 충전동작에 의하여 커패시터(19)에 축적된다.

“DC버스(110) 목표전압”의 차트를 참조하면, 상기 서술한 바와 같이, 제2 비교예에 있어서는, 커패시터(19)의 에너지로 역행운전을 행하고, 발생하는 회생에너지를 커패시터(19)에 축전한다. 이로 인하여, DC버스(110)의 목표전압은 고압상태(VM)인 채 변화하지 않는다. 이와 같이, 컨버터(100)는, DC버스(110)를 고압상태(VM)인 채 일정하게 유지하기 위하여, 커패시터(19)와의 사이에서 충방전제어를 실시한다. 따라서, 충방전시에 전력소비(에너지손실)가 생겨 버린다.

도 14 (B)는, 제2 실시예에 의한 제어방법을 나타내는 타이밍차트이다. “선회레버”, “상부선회체(3) 선회각도” 및 “선회용 전동기(21) 출력상태”의 차트의 꺾은선 또는 곡선은, 도 14 (A)에 나타내는 제2 비교예와 동일하다.

제2 실시형태에 있어서의 제2 실시예에 의한 제어방법에 있어서는, 선회용 전동기(21)의 역행동작을, 커패시터(19) 및 DC버스(110)에 축적되어 있는 전기에너지를 이용하여 행한다. 또한, 선회용 전동기(21)가 회생동작에 의하여 발생하는 에너지를, 커패시터(19)가 아닌, DC버스(110)에 축전한다.

축전목표치로서의 “DC버스(110) 목표전압”, “전동발전기(12) 출력상태”, 및 “컨버터(100) 전류상태”의 차트를 참조하면, 시각 t1부터 시각 t2에 걸친 역행운전에는, DC버스(110)의 전기에너지가 이용되기 때문에, DC버스(110)의 목표전압은, 고압상태(VM)로부터 저압상태(VL)로 이행한다. 또한, 컨버터(100)가 방전동작을 행함으로써, 커패시터(19)의 전기에너지도 역행운전에 사용된다. 전동발전기(12)는, 어시스트 동작도 발전동작도 행하지 않는다. DC버스(110)의 실제전압은, 시각 t1에 있어서의 고압상태(VM)로부터 서서히 감소하여, 시각 t2에 있어서 저압상태(VL)가 된다.

상부선회체(3)가 등각속도로 선회하는 시각 t2부터 시각 t3에 있어서는, 선회용 전동기(21)는, 전기에너지의 공급을 받는 일도 없고, 회생에너지를 발생하는 일도 없다. DC버스(110)의 목표전압 및 실제전압은, 저압상태(VL)인 채가 된다. 컨버터(100)는 충방전을 행하지 않고, 전동발전기(12)는 어시스트 동작도 발전동작도 행하지 않는다. 이와 같이, DC버스(110)가 저압상태(VL)로 유지되고, 커패시터(19)와의 충방전제어가 이루어지지 않으므로, 전력손실을 방지할 수 있다.

시각 t3부터 시각 t4에 있어서, 선회용 전동기(21)는, 상부선회체(3)의 회전운동으로부터 회생에너지를 발생한다(회생동작). DC버스(110)의 목표전압은, 저압상태(VL)로부터 고압상태(VM)로 전환되고, 회생에너지는, DC버스(110)에 축적된다. 컨버터(100)의 충방전동작, 및 전동발전기(12)의 어시스트 또는 발전동작은 행하여지지 않는다. DC버스(110)의 실제전압은, 시각 t3부터 시각 t4까지 저압상태(VL)로부터 서서히 상승하지만, 고압상태(VM)에는 이르지 않는다.

시각 t4부터 시각 t5에 있어서는, DC버스(110)의 전압을 고압상태(VM)까지 회복시킨다. 이를 위하여 DC버스(110) 목표전압은 고압상태(VM)인 채로 되고, 이 목표전압치(VM)가 실현될 때까지, 컨버터(100)가 방전동작을 행한다.

도 14 (B)에 있어서의 충전율(SOC)의 차트를 참조하면, 제2 실시예에서는, DC버스(110)의 전압을 가변 제어하기 때문에, 커패시터(19)의 SOC를 높은 상태로 유지할 수 있다. 시각 t2부터 시각 t3까지의 사이에서는, 저하한 커패시터(19)의 전압을 회복시키기 위하여, 전동발전기(12)의 발전운전을 행하여, 커패시터(19)에 충전을 행한다.

제2 실시예에 의한 제어방법에 있어서는, 역행운전의 에너지를 DC버스(110)로부터도 공급한다. 역행운전의 에너지의 전부를 커패시터(19)로부터 공급하는 제2 비교예와 비교하여, 컨버터(100)를 흐르는 전류를 작게 할 수 있다. 따라서, 전력소비를 억제할 수 있다.

또한, 시각 t3부터 시각 t4에 있어서의 선회용 전동기(21)의 회생동작에 의하여 발생하는 에너지가 커패시터(19)가 아니라, DC버스(110)에 축전된다. 따라서 이 기간에 있어서도 컨버터(100)에 있어서의 전력소비가 억제된다.

또한, 시각 t4부터 시각 t5에 있어서의 컨버터(100)의 방전동작에 의하여, 커패시터(19)의 전기에너지를 DC버스(110)로 옮겨서, DC버스(110)의 전압상태를 일정(고압상태(VM))하게 유지함으로써, 재차 선회동작을 행할 필요가 있는 경우 등, 상황에 따라서, 신속히 DC버스(110)의 에너지를 사용할 수 있다. 다만, 시각 t5 이후의, DC버스(110)의 일정 유지전압(고압상태(VM))은, 예컨대 커패시터(19)의 유지전압보다 고압으로 한다. 즉, 시각 t5 이후에 있어서, 저하된 커패시터(19)의 전압을 회복시키도록, 전동발전기(12)를 발전운전하여, 커패시터(19)의 충전을 행한다.

제2 실시형태의 제1, 제2 실시예에 의한 제어방법에 있어서는, 각각 붐(4)의 하강, 선회용 전동기(21)의 회생동작에 따라서 회수 가능한 에너지를 예측하고, 적어도 회수 가능한 에너지를 방출하여, 붐(4)의 상승, 선회용 전동기(21)의 역행동작을 행한다. 붐 실린더는 스트로크가 정해져 있기 때문에, 붐(4)을 올린 후, 올린 만큼의 붐(4) 내림 동작이 들어간다. 이로 인하여, 이 붐(4) 내림 동작에 의하여 발생하는 에너지에 대응하는 에너지를 방출할 수 있다. 마찬가지로, 선회용 전동기(21)에 의하여 가속된 상부선회체(3)는, 감속하여 정지한다. 이로 인하여, 상부선회체(3)의 감속에 따라서 발생하는 에너지에 대응하는 에너지를 방출할 수 있다. 또한, 시각 t1부터 시각 t2의 사이에 있어서, 커패시터(19)의 충전율이 목표 충전율보다 작은 경우에는, 커패시터(19)에의 충전이 행하여진다. 마찬가지로, 시각 t4부터 시각 t5의 사이에 있어서도, 커패시터(19)의 충전율이 목표 충전율보다 작은 경우에는, 커패시터(19)에의 충전이 행하여진다.

이상, 실시예에 따라서 본 발명의 제2 실시형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

예컨대 실시예에 있어서는, 붐(4)의 상하와, 상부선회체(3)의 선회를 다른 시간에 행하였지만, 이들을 동시에 행하는 경우에는, 예컨대 붐(4)으로부터의 회생에너지는 DC버스(110)에 축적하고, 상부선회체(3)로부터의 회생에너지는 커패시터(19)에 축적하는 제어를 행할 수 있다. 양 회생에너지를 모두 커패시터(19)에 축적하는 경우, 컨버터(100)를 흐르는 전류가 커져서 에너지손실이 증대하지만, 붐(4)으로부터의 회생에너지를 DC버스(110)에 축적하는 제어를 행하면, 컨버터(100)에 있어서의 에너지손실을 억제할 수 있다.

또한, 실시예에 있어서는 하이브리드식 쇼벨을 이용하였지만, 예컨대 크레인이더라도 된다. 이 경우, 크레인의 감아올림, 감아내림을, 붐의 오름 내림과 마찬가지로 생각할 수 있다. 크레인이 붐에 대응하고, 크레인의 감아올림용 모터가 붐 회생용 모터에 대응한다.

또한, 도 15에 나타내는 바와 같이 모든 구동부가 유압에 의하여 작동하는 구성의 하이브리드식 쇼벨에도 본 발명을 적용할 수 있다. 도 15에 나타내는 구성의 하이브리드식 쇼벨에서는, 엔진(11)의 잉여출력에 의하여 전동발전기(12)에서 발전된 발전전력, 및, 붐 회생모터(300)에 의하여 발전된 발전전력이, 축전계(120)에 축전된다. 축전계(120)에 축전된 축전전력은, 엔진(11)의 출력을 어시스트하기 위하여 이용된다.

본 발명은 상기 서술한 구체적으로 개시된 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이 다양한 변형예, 개량예가 이루어질 것이다.

본 출원은 2009년 6월 9일 출원의 우선권주장 일본특허출원 2009－137970호에 근거하는 것으로, 그 모든 내용은 여기에 원용된다.

본 발명은, 발전기로 엔진을 어시스트하는 하이브리드식 쇼벨에 적용 가능하다.

1　하부주행체
1A, 1B　유압모터
2　선회기구
3　상부선회체
4　붐
5　암
6　버킷
7　붐 실린더
7A　유압배관
7B　붐 각도센서
8　암 실린더
9　버킷 실린더
10　캐빈
11　엔진
12　전동발전기
13　변속기
14　메인펌프
15　파일럿펌프
16　고압 유압라인
17　컨트롤밸브
18, 18A, 18B, 20 인버터
19　커패시터
21　선회용 전동기
22　리졸버
23　메커니컬 브레이크
24　선회변속기
25　파일럿라인
26　조작장치
26A, 26B　레버
26C　페달
26D　버튼스위치
27　유압라인
28　유압라인
29　압력센서
30　컨트롤러
35　표시장치
100　승강압 컨버터
101　리액터
102A　승압용 IGBT
102B　강압용 IGBT
104　전원접속단자
105　인버터
106　출력단자
107　콘덴서
110　DC버스
111　DC버스 전압검출부
112　커패시터 전압검출부
113　커패시터 전류검출부
120　축전계
300　붐 회생용 모터(발전기)
310　붐 회생용 유압모터

Claims

하부주행체와,
상기 하부주행체 상에서 선회동작을 행하는 상부선회체와,
상기 상부선회체 상에 일단이 회전운동 가능하게 장착된 붐과,
상기 붐의 타단에 일단이 회전운동 가능하게 장착된 암과,
상기 암의 타단에 회전운동 가능하게 장착된 작업요소
를 구비한 하이브리드식 쇼벨로서,
상기 상부선회체에 구비되어, 구동력을 발생하는 엔진과,
상기 상부선회체에 구비되어, 상기 엔진의 구동력으로 회전하는 메인펌프와,
상기 상부선회체에 구비되어, 상기 엔진에의 어시스트동작과, 상기 엔진으로부터 전달된 구동력으로 발전동작을 행하는 전동발전기와,
상기 상부선회체에 구비되어, 제어장치로부터의 제어신호에 의하여, 상기 전동발전기의 어시스트동작과 발전동작의 전환을 제어하는 전동발전기 제어부와,
상기 상부선회체에 구비되어, 축전 가능한 제1 축전기와,
상기 상부선회체에 구비되어, 상기 전동발전기 제어부에 전기적으로 접속된 축전 가능한 제2 축전기와,
상기 상부선회체에 구비되어, 상기 제1 축전기와 상기 제2 축전기 사이를 전기적으로 접속하고, 외부로부터의 제어신호에 의하여, 상기 제1 축전기와 상기 제2 축전기 사이의 충방전동작을 제어하는 충방전제어부와,
상기 상부선회체에 구비되고, 상기 제2 축전기에 전기적으로 접속되어, 적어도 기계적 에너지로부터 전기에너지를 발생시키는 회생동작이 가능하며, 상기 회생동작에 의하여 발생한 전기에너지를 상기 제2 축전기에 축전 가능한 모터
를 가지고,
상기 제어장치는, 상기 상부선회체에 구비되어, 상기 전동발전기 제어부와 상기 충방전제어부 중 적어도 일방에 제어신호를 공급함과 함께,
상기 제어장치는, 상기 제1 축전기 및 상기 제2 축전기 중 적어도 일방의 축전목표치를, 상기 모터가 회생동작을 행하기 전에 저감하는 하이브리드식 쇼벨.
청구항 1에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 모터가 회생동작을 행하는 기간에는, 상기 축전목표치를, 상기 회생동작을 행하기 전에 설정되어 있던 값보다 높은 값으로 설정하는 하이브리드식 쇼벨.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 전동발전기가 전동동작을 행하는 기간에는, 상기 축전목표치를, 상기 전동동작이 행하여지기 전의 값보다 낮은 값으로 설정하는 하이브리드식 쇼벨.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 모터가 역행동작을 행하는 기간에는, 상기 축전목표치를, 상기 역행동작이 행하여지기 전의 값보다 낮은 값으로 설정하는 하이브리드식 쇼벨.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 모터는 붐 회생용 모터이고, 붐의 각도를 검출하는 각도검출부를 더욱 가지며,
상기 제어장치는,
상기 각도검출부가 검출한 붐의 각도에 근거하여 추정 회생에너지를 연산하는 추정 회생에너지 연산부와,
상기 추정 회생에너지 연산부에서 연산한 추정 회생에너지에 근거하여 상기 축전목표치를 결정하는 축전목표치 결정부와,
상기 축전목표치 결정부에서 결정한 상기 축전목표치가 설정되도록, 상기 전동발전기 제어부와 상기 충방전제어부 중 적어도 일방을 제어하는 축전목표치 제어부
를 포함하는 하이브리드식 쇼벨.
청구항 5에 있어서,
상기 추정 회생에너지 연산부는, 상기 붐의 위치에너지에 근거하여 상기 붐의 추정 회생에너지를 연산에 의하여 구하는 하이브리드식 쇼벨.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 모터는 선회용 모터이고, 상기 상부선회체의 선회속도를 검출하는 선회속도 검출부를 더욱 가지며,
상기 제어장치는,
상기 선회속도 검출부가 검출한 선회속도에 근거하여 추정 회생에너지를 연산하는 추정 회생에너지 연산부와,
상기 추정 회생에너지 연산부에서 연산한 추정 회생에너지에 근거하여 상기 축전목표치를 결정하는 축전목표치 결정부와,
상기 축전목표치 결정부에서 결정한 상기 축전목표치가 설정되도록, 상기 전동발전기 제어부와 상기 충방전제어부 중 적어도 일방을 제어하는 축전목표치 제어부
를 포함하는 하이브리드식 쇼벨.
청구항 7에 있어서,
상기 추정 회생에너지 연산부는, 상기 상부선회체의 운동에너지에 근거하여 상기 상부선회체의 추정 회생에너지를 연산에 의하여 구하는 하이브리드식 쇼벨.
청구항 7에 있어서,
작업요소로서 리프팅마그넷을 더욱 가지고,
상기 추정 회생에너지 연산부는, 상기 리프팅마그넷이 흡착동작을 행하고 있는 동안은, 상기 리프팅마그넷의 추정 회생에너지를 일정하게 유지하는 하이브리드식 쇼벨.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 모터가 회생운전을 행한다고 추정되기 전의 상기 제1 축전기의 충전비를 95% 이상이 되도록 제어하는 하이브리드식 쇼벨.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 모터가 회생운전을 행한다고 추정되기 전의 상기 제2 축전기의 전압을 상기 제1 축전기의 전압보다 높은 값으로 설정하는 하이브리드식 쇼벨.
구동력을 발생하는 엔진과,
상기 엔진의 구동력으로 회전하는 메인펌프와,
상기 엔진에의 어시스트동작과, 상기 엔진으로부터 전달된 구동력으로 발전동작을 행하는 전동발전기와,
제어장치로부터의 제어신호에 의하여, 상기 전동발전기의 어시스트동작과 발전동작의 전환을 제어하는 전동발전기 제어부와,
축전 가능한 제1 축전기와,
상기 전동발전기 제어부에 전기적으로 접속된 축전 가능한 제2 축전기와,
상기 제1 축전기와 상기 제2 축전기 사이를 전기적으로 접속하고, 외부로부터의 제어신호에 의하여, 상기 제1 축전기와 상기 제2 축전기 사이의 충방전동작을 제어하는 충방전제어부와,
상기 제2 축전기에 전기적으로 접속되고, 기계적 에너지로부터 전기에너지를 발생시키는 회생동작이 가능하며, 상기 회생동작에 의하여 발생한 전기에너지를 상기 제2 축전기에 축전 가능한 모터
를 가지는 하이브리드식 쇼벨의 제어방법으로서,
상기 제어장치는, 상기 전동발전기 제어부와 상기 충방전제어부 중 적어도 일방에 제어신호를 공급함과 함께,
상기 제어장치는, 상기 제1 축전기 및 상기 제2 축전기 중 적어도 일방의 축전목표치를, 상기 모터가 회생동작을 행하기 전에 저감하도록 제어하는 하이브리드식 쇼벨의 제어방법.