KR101364396B1 - 하이브리드식 작업기계의 제어방법, 및 하이브리드식 작업기계의 펌프출력 제한방법 - Google Patents

하이브리드식 작업기계의 제어방법, 및 하이브리드식 작업기계의 펌프출력 제한방법 Download PDF

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Abstract

하이브리드식 작업기계에 있어서, 유압펌프(21)를 엔진(30)의 출력과 전동발전기(34)의 출력으로 구동한다. 유압펌프(21)의 입력측의 동력 Win을 산출하고, 산출한 동력 Win에 근거하여 전동발전기(34)의 출력을 제어한다. 이로써, 유압펌프(21)의 입력측의 동력을 정확하게 구하여, 입력측의 동력에 근거하여 엔진의 부하를 제어할 수 있다.

Description

하이브리드식 작업기계의 제어방법, 및 하이브리드식 작업기계의 펌프출력 제한방법{Method of controlling hybrid working machine and pump output limiting method for hybrid working machine}
본 발명은 하이브리드식 작업기계의 제어방법 및 펌프출력 제어방법에 관한 것으로서, 특히 내연기관을 전동모터에 의하여 어시스트하여 펌프를 구동하여 유압을 발생시키는 하이브리드식 작업기계의 제어방법 및 펌프출력 제어방법에 관한 것이다.
하이브리드식 작업기계는, 일반적으로 엔진(내연기관)의 출력으로 유압펌프를 구동하고, 발생한 유압에 의하여 작업을 행한다. 그리고, 전동모터로 엔진을 어시스트함으로써 엔진을 효율적으로 운전한다. 전동모터는 주로 배터리로부터의 전력에 의하여 구동된다. 배터리는 충방전식이며, 엔진을 어시스트할 때는 방전하여 전동모터에 전력을 공급한다. 한편, 엔진을 어시스트하지 않을 때에는, 엔진으로 구동되는 발전기로부터의 전력이나 유압부하로부터의 회생전력에 의하여 충전된다. 이로써, 배터리가 항상 어느 정도 충전된 상태로 유지하여 전동모터를 어시스트할 수 있도록 한다.
이와 같이 하이브리드식 작업기계에서는, 엔진을 전동모터로 어시스트할 수 있기 때문에, 엔진의 최대출력을 작게 하여 소형의 엔진으로 할 수 있다. 엔진의 최대출력보다 큰 출력이 유압펌프에 요구된 경우에는, 전동모터로 어시스트하여 그 요구에 응할 수 있다.
전동모터를 전동발전기로 함으로써, 전동모터와 발전기의 기능을 하나로 통합할 수 있다. 이 경우, 전동모터로서 어시스트기능을 실행할지, 혹은 발전기로서 발전기능을 실행할지를 제어할 필요가 있다.
따라서, 유압펌프의 출력을 연산에 의하여 구하고, 구한 유압펌프출력과 임계값을 비교하여 전동발전기를 전동모터로서 기능시킬지 발전기로서 기능시킬지를 전환 제어하는 것이 제안되고 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조.).
또한, 하이브리드식 작업기계에서는, 유압부하의 요구에 따라서 발생할 유압을 변화시킬 수 있도록, 가변용량식 유압펌프가 이용되는 경우가 많다(예컨대, 특허문헌 2 참조).
일본 공개특허 2004-11256호 공보 일본 공개특허 평10-103112호 공보
유압펌프의 출력은, 유압펌프의 압력과 유량으로부터 연산에 의하여 구할 수 있다. 이 출력은 유압펌프의 출력측의 동력에 상당한다. 따라서, 종래는, 유압펌프의 출력측의 동력을 연산에 의하여 구하고, 이 동력에 근거하여 전동발전기의 출력제어를 행하고 있었다.
그런데, 유압펌프에 실제로 입력되는 입력측의 동력은, 출력측의 동력과 전혀 동일하지 않아서, 유압펌프의 출력측의 동력을 알 수 있었다고 하여도, 입력측의 동력을 정확하게 파악할 수는 없다. 유압펌프의 입력측의 동력은 엔진과 전동발전기의 동력의 합이고, 유압펌프의 출력측의 동력은 엔진의 부하와 전동발전기의 부하의 합을 정확하게 반영한 것은 아니다.
엔진을 효율적으로 운전하기 위해서는, 엔진의 부하를 정밀도 좋게 구하고 이에 근거하여 전동발전기의 출력을 조정할 필요가 있다. 따라서, 엔진을 효율적으로 운전하기 위해서는, 유압펌프의 입력측의 동력을 정밀도 좋게 구할 필요가 있다.
또한, 상기 서술한 바와 같은 하이브리드식 작업기계에 있어서, 배터리를 어느 정도의 충전상태로 유지하여 전동모터를 항상 구동할 수 있는 상태로 하고 있다. 그런데, 유압부하가 연속하여 큰 유압을 요구했을 경우, 배터리의 충전량이 부족하여, 전동모터로 엔진을 어시스트할 수 없게 되는 상태가 생길 수 있다. 이러한 경우, 유압펌프가 엔진에 요구하는 출력 쪽이, 엔진의 최대출력보다 커져서, 엔진에 과부하가 걸린 상태가 되어, 엔진의 운전효율이 낮아질 뿐만 아니라, 최악의 경우에는 엔진 스톨을 일으켜 엔진이 정지하여 버릴 우려가 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 유압펌프의 입력측의 동력을 정확하게 구하고, 입력측의 동력에 근거하여 엔진의 부하를 제어하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 다른 실시형태는, 엔진의 최대출력을 넘는 출력이 요구된 경우에, 유압펌프의 출력을 제한함으로써, 엔진으로의 출력요구를 저감시켜서, 엔진이 정상적으로 운전을 계속할 수 있도록 하는 하이브리드식 작업기계의 펌프출력 제한방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태에 의하면, 유압펌프를 엔진의 출력과 전동발전기의 출력으로 구동하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법으로서, 유압펌프의 입력측의 동력을 산출하고, 산출한 동력에 근거하여 상기 전동발전기의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 가변용량식 유압펌프를 엔진으로 구동하고, 전동발전기에 의하여 이 엔진을 어시스트하는 하이브리드식 작업기계의 펌프출력 제어방법으로서, 가변식 유압펌프의 출력으로부터 엔진의 출력 및 전동발전기의 출력을 감산하여 구한 출력초과분을 이용하여, 미리 정하여진 알고리즘에 따라서 가변용량식 유압펌프의 출력을 제한하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 펌프출력 제어방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 유압펌프의 입력측의 동력을 정밀도 좋게 구할 수 있고, 이 입력측의 동력에 근거하여 전동발전기에 의한 엔진의 어시스트량을 제어한다. 이로 인하여, 엔진의 부하를 정밀도 좋게 제어할 수 있어서, 엔진을 운전효율이 좋은 상태로 항상 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 엔진의 최대출력을 넘는 출력이 요구된 경우에, 유압펌프의 출력을 제한함으로써, 엔진으로의 출력요구를 저감시켜, 엔진이 정상적으로 운전을 계속할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 적용되는 유압쇼벨의 제어회로이다.
도 2는, 도 1의 제어회로에 의하여 실현시키는 유압펌프의 토출압력과 토출유량의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 3은, 도 1에 나타내는 제어장치가 설치된 유압쇼벨의 구동계의 블록도이다.
도 4는, 유압부하산출 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 5는, 유압펌프효율 맵을 나타내는 도면이다.
도 6은, 도 5에 나타내는 펌프효율 맵을 이용하여 보간법에 의하여 펌프효율을 구할 때의 연산처리의 플로우차트이다.
도 7은, 네가콘 압력을 고려하였을 때의 유압부하산출 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 8은, 유압펌프의 구동토크와 회전수로부터 직접 유압펌프출력(축 입력측)을 산출하는 유압부하추정 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 9는, 포지콘 제어를 행하도록 펌프의 제어회로가 구성된 경우에 있어서, 축 입력측의 출력(동력)을 산출할 때 이용하는 유압부하산출 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 10은, 로드센싱 제어를 행하도록 펌프의 제어회로가 구성된 경우에 있어서, 축 입력측의 출력(동력)을 산출할 때 이용하는 유압부하산출 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 11은, 선형보간에 의하여 펌프전류 제한량을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는, 도 11에 나타내는 펌프출력 연산부의 블록도이다.
도 13은, 도 11에 나타내는 P-W선도를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는, 펌프전류에 의하여 정하여지는 펌프토출압과 펌프 구동토크의 관계를 나타내는 선도로부터, P-T맵의 테이블을 작성하는 것을 설명하는 도면이다.
도 15는, 도 14에 나타내는 P-T맵 테이블을 이용하여 펌프출력 제한량으로부터 제한 후의 펌프전류를 구하는 처리의 플로우차트이다.
도 16은, 도 15에 나타내는 처리의 각 스텝에 대응하는 부분이 나타내어진 P-T맵 테이블을 나타내는 도면이다.
도 17은, 펌프전류에 의하여 정하여지는 펌프토출압과 펌프토출량의 관계를 나타내는 선도로부터, P-Q맵의 테이블을 작성하는 것을 설명하는 도면이다.
도 18은, 도 17에 나타내는 P-Q맵 테이블을 이용하여 펌프출력 제한량으로부터 제한 후의 펌프전류를 구하는 처리의 플로우차트이다.
도 19는, 도 18에 나타내는 처리의 각 스텝에 대응하는 부분이 나타내어진 P-Q맵 테이블을 나타내는 도이다.
도 20은, 컨트롤러에 의하여 실행되는 동력분배처리의 일 예를 나타내는 제어블록도이다.
본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 출력 제한방법이 적용되는 하이브리드식 작업기계의 일 예로서의 유압쇼벨의 제어장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 제어방법이 적용되는 유압쇼벨의 제어회로를 나타내는 블록도이다. 다만, 본 발명이 적용되는 하이브리드식 작업기계는, 유압쇼벨로 한정되는 것은 아니다.
먼저, 도 1에 나타내는 유압쇼벨의 제어회로의 구성에 대하여 설명한다. 엔진모터(1)에 의하여 구동되는 가변용량식 유압펌프(이하, 간단히 유압펌프라고 한다)(21)의 유로에는, 각각, 전환밸브(22a, 22b, 22c)가 접속되어 있다. 그리고, 전환밸브(22a)의 상류측의 유로에는, 펌프토출압센서(23)가 접속되어 있다. 펌프토출압센서(23)는, 유압펌프(21)의 토출압을 검출한다. 또한, 전환밸브(22c)의 하류측의 유로는, 네가티브 컨트롤 스로틀밸브(이하, 네가콘 스로틀밸브라고 한다)(24)를 통하여 탱크(25)에 접속되어 있다.
가변용량식 유압펌프(21)는, 예컨대 가변 경사판식 유압펌프이고, 경사판의 각도를 변경함으로써 펌프출력을 변경할 수 있다. 즉, 유압펌프(21)로의 제어전류를 변경함으로써 경사판의 각도를 조정하고, 이로써 유압펌프(21)의 출력을 변경할 수 있다.
네가콘 스로틀밸브(24)의 상류측에는, 네가티브 컨트롤 센서(이하, 네가콘 센서)(26)가 접속되어 있다. 네가콘 센서(26)는 컨트롤러(2)에 결선되며, 각각의 탱크(25)로의 유압 유로의 유압을 검출하여, 검출압력의 신호를 컨트롤러(2)에 입력한다.
네가콘 스로틀밸브(24), 네가콘 센서(26) 및 컨트롤러(2)로 이루어지는 네가티브 컨트롤러(이하, 네가콘이라고 한다)는, 탱크(25)로 되돌아가는 유압펌프(21)의 토출유량의 손실을 저감시키기 위한 제어시스템이다.
컨트롤러(2)에는, 중(重)굴삭 모드(H모드), 표준굴삭 모드(S모드), 마무리굴삭 모드(L모드) 등의 각 작업모드로 전환하기 위한 모드전환기(3), 및 엔진회전수를 설정하기 위한 스로틀 볼륨(4)이 접속되어 있다. 또한, 컨트롤러(2)에는, 전자(電磁)비례밸브(5)와 토출압센서(23)가 결선되어 있다. 또한, 전자비례밸브(5)는 레귤레이터(27)에 접속되고, 레귤레이터(27)가 유압펌프(21)의 토출유량을 제어한다.
통상, 유압쇼벨에는, 중굴삭 모드(H모드), 표준굴삭 모드(S모드), 마무리굴삭 모드(L모드) 등의 각 작업모드로 전환하기 위한 전환기구가 장비되어 있다. 즉, 모드전환기(3)의 전환조작에 의하여 컨트롤러(2)가 펌프전류 I를 변경함으로써, 각 작업모드로 적당히 전환하고 있다. 이러한 제어회로의 전환기구에 의하여, 레귤레이터(27)에 의하여 변경된 펌프전류 I에 대응하여 경사판(21a)의 경동각을 변경하여, 유압펌프(21)의 토출유량을 제어하고 있다. 또한, 전자비례밸브(5)에 의하여 유압펌프(21)의 입력마력(馬力)을 변화시킴과 함께, 컨트롤러(2)에 의하여 엔진모터(1)의 회전수를 변화시켜서 상기의 각 작업모드를 전환하고, 도 2에 나타내는 유압펌프의 토출압력-토출유량 특성(P-Q특성)을 실현시키고 있다.
그리고, 네가콘 센서(26)에 의하여 펌프토출량을 제어하고, 또한, 펌프토출압센서(23)에 의하여 펌프토출압 P의 변동을 검출하여 유압펌프(21)의 토출량을 제어한다.
도 3은 도 1에 나타내는 제어장치가 설치된 유압쇼벨의 구동계의 블록도이다. 내연기관으로 이루어지는 엔진(30)과 전동발전기로 이루어지는 어시스트모터(34)는, 동력분배기인 스플리터(32)에 접속된다. 엔진(30)과 어시스트모터(34)와 스플리터(32)로, 도 1에 나타내는 엔진모터(1)를 구성한다. 가변용량식 유압펌프(21)는 스플리터(32)에 접속되고, 스플리터(32)로부터의 출력에 의하여 구동되어 고압의 작동유를 토출한다.
유압펌프(21)로부터 토출된 작동유는, 도 1에 나타내는 전환밸브(22a, 22b, 22c)로 이루어지는 컨트롤러 밸브(22)에 보내지고, 컨트롤 밸브(22)로부터 유압실린더나 유압모터 등의 유압부하에 공급된다. 유압펌프(21)에는 유압출력을 검출하여 제어하기 위한 파일럿·기어펌프(21A)가 접속되어 있다. 이 파일럿·기어펌프(21A)에서 검출한 압력 P 및 토출유량 Q에 근거하여, 유압펌프(21)의 축 출력측의 출력(동력) Wout을 구할 수 있다.
어시스트모터(34)는 인버터(INV)(36)를 통하여 축전기인 배터리(38)에 접속되어 있다. 어시스트모터(34)는 배터리(38)로부터 전력의 공급을 받아서 구동되고, 전동기로서 기능하여 엔진(30)을 어시스트한다. 또한, 어시스트모터(34)는 엔진의 동력을 스플리터(32)를 통하여 받음으로써, 발전기로서 기능하여 배터리(38)를 충전한다. 전동모터나 전동액츄에이터 등의 전기부하는, 인버터(INV)(40)를 통하여 배터리(38)에 접속되고, 배터리(38)로부터의 전력의 공급을 받아 작동한다.
도 3에 나타내는 시스템에 있어서, 엔진(30), 어시스트모터(34) 및 유압펌프(21)의 작동은, 컨트롤러(42)에 의하여 제어된다. 특히, 컨트롤러(42)는, 유압펌프(21)의 축 입력측의 출력(동력) Win을 정확하게 산출하여 어시스트모터(34)의 출력(어시스트량)을 제어한다. 이로써, 엔진(30)의 출력을 항상 적절한 값으로 유지하여, 엔진의 작동이 이상(異常, 비정상)이 되지 않도록 또한 효율이 좋은 범위에서 운전되도록 제어한다.
여기서, 컨트롤러(42)가 유압펌프(21)의 축 입력측의 출력(동력) Win을 산출할 때에 이용하는 알고리즘에 대하여, 도 4를 참조하면서 설명한다.
유압부하는 유압펌프출력(축 출력측) Wout에 상당하고, 유압펌프(21)의 토출압력 Pi와 토출유량 Q의 곱으로 산출된다(Wout = Pi×Q). 토출압력 Pi로서는, 유압센서에 의하여 실측된 값이 이용된다. 토출유량 Q는, 펌프토출량 V에 펌프회전속도(회전수) Np를 곱함으로써 산출된다. 펌프토출량 V는, 유압펌프(21)의 토출압력-토출량 특성을 나타내는 PQ선도(線圖)에 근거하여, 토출압력 Pi와 유압펌프(21)에 공급하는 제어전류 I로부터 구할 수 있다.
이상과 같이, 먼저 유압펌프(21)의 토출압력 Pi와 펌프제한전류 I를 이용하여 펌프마력제어 PQ선도로부터 펌프토출량 V를 구하고, 구한 펌프토출량 V에 펌프회전속도(회전수) Np를 곱함으로써 유압펌프 유량 Q를 산출한다. 그리고, 산출한 유압펌프 유량 Q에 토출압력 Pi를 곱함으로써 유압펌프출력(축 출력측) Wout을 산출한다.
다음으로, 유압펌프출력(축 출력측) Wout을 유압펌프효율 ηo로 나눔으로써 유압펌프출력(축 입력측) Win을 산출한다. 유압펌프효율 ηo를 고려함으로써, 유압펌프출력(축 입력측) Win을 정밀도 좋게 구할 수 있다. 유압펌프효율 ηo는, 유압펌프(21)의 토출압력 Pi나 경사판각도 Ki에 따라 변동되지만, 변동범위의 평균을 고정치로 하여도 좋다. 다만, 보다 정밀도 좋게 유압펌프출력(축 입력측) Win을 산출하기 위해서는, 유압펌프(21)의 토출압력 Pi 및 경사판각도 Ki에 근거하여 유압펌프효율 ηo를 산출하고, 산출한 값으로 유압펌프출력(축 출력측) Wout을 나눠서 유압펌프출력(축 입력측) Win을 산출하는 것이 바람직하다.
유압펌프효율 ηo는, 토출압력 Pi와 경사판각도 Ki를 이용하여 유압펌프효율 맵에 의하여 구할 수 있다. 경사판각도 Ki는, 상기 서술한 PQ선도로부터 구한 펌프토출량 V를 펌프 최대토출량 Vmax로 나눔으로써 산출한다. 즉, 산출한 펌프토출량 V와 토출압력 Pi를 이용하여 유압펌프효율 맵에 의하여 유압펌프효율 ηo를 정밀도 좋게 산출할 수 있다.
유압펌프효율 맵은, 미리 토출압력과 경사판각도를 바꾸면서 유압펌프를 운전하여 효율을 구하여 작성한다. 도 5는 유압펌프효율 맵을 나타내는 도면이다. 도 5에 나타내는 예에서는, 토출압력을 세로축으로 하여 P1에서부터 Pn까지 변화시키고, 펌프경사판각도를 가로축으로 하여 K1에서부터 Kn까지 변화시켰을 때의, 펌프효율의 값이 테이블화되어 있다. 예컨대, 펌프경사판각도가 Kj이고, 펌프토출압력이 Pj이었을 경우, 펌프경사판각도 Kj의 열과 펌프토출압력 Pj의 행의 교점인 η(j, j)가 펌프효율로서 구해진다.
펌프토출압력 및 펌프경사판각도가 테이블화된 값이 아니었을 경우는, 보간법(補間法)에 의하여 산출하여 구할 수 있다. 도 6은 도 5에 나타내는 펌프효율 맵을 이용하여 보간법에 의하여 펌프효율을 구할 때의 연산처리의 플로우차트이다. 도 6에 나타내는 처리에서는, 펌프토출압력이 Pj와 Pj +1 사이의 값인 Pi이고, 펌프경사판각도가 Kj와 Kj +1 사이의 값인 Ki인 경우의 펌프효율 ηo를 선형(線形)보간에 의하여 구하고 있다.
먼저, 스텝 S1-1에 있어서, 펌프토출압력 Pi 전후의 토출압력 Pj 및 Pj +1을 구한다. 이는 도 5의 펌프효율 맵의 (1)에 상당한다. 토출압력 Pj와 Pj +1 사이가 토출압력에 관한 보간구간이 된다. 마찬가지로, 스텝 S1-2에 있어서, 펌프경사판각도 Ki 전후의 경사판각도 Kj 및 Kj + 1를 구한다. 이는 도 5의 펌프효율 맵의 (2)에 상당한다. 경사판각도 Kj와 Kj +1 사이가 경사판각도에 관한 보간구간이 된다.
다음으로, 스텝 S2에 있어서, 토출압력 Pj와 경사판각도 Kj에 의한 펌프효율 η(j, j)를 취득하고, 토출압력 Pj와 경사판각도 Kj+1에 의한 펌프효율 η(j, j+1)을 취득하고, 토출압력 Pj+1과 경사판각도 Kj에 의한 펌프효율 η(j+1, j)를 취득하고, 토출압력 Pj+1과 경사판각도 Kj+1에 의한 펌프효율 η(j+1, j+1)을 취득한다. 이는 도 5의 펌프효율 맵의 (3)에 상당한다.
다음으로, 스텝 S3에 있어서, 취득한 펌프효율 η(j, j)와 η(j, j+1)과 η(j+1, j)와 η(j+1, j+1)을 이용하여 이하의 식에 의하여 펌프효율 η(i, j)와 η(i, j+1)을 산출한다. 이는, 도 5에 있어서의 (4)에 상당한다.
η(i, j)=η(j, j)-(Pj-Pi)(η(j, j)-η(j+1, j))/(Pj-Pj +1)
η(i, j+1)=η(j, j+1)-(Pj-Pi)(η(j, j+1)-η(j+1, j+1))/(Pj-Pj +1)
계속하여, 스텝 S4에 있어서, 산출한 펌프효율 η(i, j)와 η(i, j+1)을 이용하여 이하의 식에 의하여 펌프효율 ηo를 산출한다. 이는, 도 5에 있어서의 (5)에 상당한다.
ηo=η(i, j)-(Kj-Ki)(η(i, j)-η(j, j+1))/(Kj-Kj +1)
이상과 같은 연산처리에 의하여, 펌프토출압력이 Pi이고 펌프경사판각도가 Ki일 때의 펌프효율 ηo를 정밀도 좋게 구할 수 있다. 즉, 펌프토출압력과 펌프경사판각도를 파라미터로 하여 펌프효율을 구함으로써, 정밀도 좋게 펌프효율을 산출할 수 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 연산에 의하여 구한 유압펌프출력(축 출력측) Wout을, 이상의 연산처리에 의하여 구한 펌프효율 ηo로 나눔으로써, 유압펌프출력(축 입력측) Win을 정밀도 좋게 추정하여 구할 수 있다. 이와 같이 하여 추정 연산에 의하여 산출한 유압펌프출력(축 입력측) Win은, 유압펌프(21)에 입력하는 동력에 상당한다. 유압펌프(21)에 입력하는 동력은, 엔진(30)의 출력과 어시스트모터(34)의 출력의 합이기 때문에, 엔진(30)의 출력과 어시스트모터(34)의 출력의 합이 구한 유압펌프출력(축 입력측) Win이 되도록 어시스트모터(34)의 출력을 제어함으로써, 엔진(30)의 출력(즉, 엔진(30)의 부하)을 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 따라서, 엔진(30)으로의 부하가 항상 적절한 부하가 되도록 제어할 수 있어서, 엔진(30)을 효율 좋은 상태로 운전할 수 있다.
이상 설명한 유압부하추정 알고리즘에서는 네가티브 컨트롤 압력(네가콘 압력 Nc)이 고려되어 있지 않은데, 네가콘 압력 Nc를 고려함으로써, 보다 정밀도 좋게 유압펌프출력(축 입력측) Win을 구할 수 있다.
도 7은 네가콘 압력 Nc를 고려하여 축 입력측의 출력(동력) Win을 산출할 때에 이용하는 유압부하산출 알고리즘을 나타내는 도면이다. 네가콘 압력 Nc를 고려한 경우, 펌프토출량 V를 구하기까지의 처리가 도 4에 나타내는 유압부하추정 알고리즘과 상이하고, 다른 부분은 동일하므로, 펌프토출량 V를 구하기까지의 처리에 대하여 설명한다.
펌프토출량 V를 구할 때, 유압펌프토출압력 Pi와 펌프제어전류 I로부터 PQ선도를 이용하여 마력제어 토출량 Vp를 구함과 동시에, 네가콘 압력 Nc로부터 네가콘 제어 토출량 Vn을 구한다. 다만, 도 4에 나타내는 유압부하추정 알고리즘에서는, 마력제어 토출량 Vp를 그대로 펌프토출량 V로 하고 있다.
도 7에 나타내는 PQ선도에 있어서, 가로축이 토출압력 P를 나타내고, 세로축이 마력제어 토출량 Vp를 나타낸다. 유압펌프(21)의 토출압력 P와 마력제어 토출량 Vp는 반비례 관계에 있고, PQ선도는 펌프제어전류 I에 의하여 변화된다. 이 PQ선도에 있어서, 펌프제어전류 I와 토출압력 P가 정하여지면, 마력제어 토출량 Vp를 구할 수 있다.
네가콘 제어 토출량 Vn은, 네가티브 컨트롤압-토출량 특성선도에 근거하여, 네가티브 컨트롤 압력(네가콘압) Nc로부터 구할 수 있다. 도 7에 나타내는 네가콘압-토출량 특성선도에 네가콘압을 넣음으로써, 네가콘 제어 토출량 Vn을 구할 수 있다.
펌프토출량 V는, 상기 서술한 마력제어 토출량 Vp와 네가콘 제어 토출량 Vn 중 어느 작은 쪽이 된다. 이와 같이 하여 구한 펌프토출량 V를, 유압펌프출력(축 출력측) Wout의 산출 및 유압펌프효율 ηo의 산출에 이용함으로써, 보다 정밀도 좋게 유압펌프출력(축 입력측) Win을 산출할 수 있다.
이상 설명한 유압부하추정 알고리즘에서는, 유압펌프효율을 이용하여 유압펌프출력(축 출력측) Wout으로부터 유압펌프출력(축 입력측) Win을 산출하였지만, 유압펌프(21)의 구동토크 T와 유압펌프(21)의 회전수 Np로부터 직접 유압펌프출력(축 입력측) Win을 산출하는 것으로 하여도 좋다.
도 8은 유압펌프(21)의 구동토크 T와 유압펌프(21)의 회전수 Np로부터 직접 유압펌프출력(축 입력측) Win을 산출하는 유압부하추정 알고리즘을 나타내는 도면이다.
유압펌프(21)의 구동토크 T는, 유압펌프(21)의 구동축에 토크센서를 설치하여 측정할 수 있다. 스플리터(32)의 출력축에 토크센서를 설치하여 유압펌프(21)의 구동토크 T를 측정하여도 좋다. 즉, 엔진(30)의 동력을 유압펌프(21)에 공급하는 연결축에 토크센서를 설치하고, 토크센서의 검출치로부터 유압펌프(21)의 입력측의 동력을 산출한다.
유압펌프(21)의 회전속도(회전수) Np는, 유압펌프(21) 출력축에 인코더 등을 설치함으로써 측정할 수 있다. 유압펌프(21)의 구동토크 T에 회전속도 Np를 곱함으로써, 유압펌프출력(축 입력측) Win을 산출할 수 있다.
이상 설명한 도 4, 7, 8에 나타내는 유압부하추정 알고리즘을 이용하여 유압펌프출력(축 입력측) Win을 정밀도 좋게 산출하고, 어시스트모터(34)의 어시스트량을 제어함으로써, 엔진(30)의 부하를 항상 적절히 할 수 있다. 따라서, 엔진(30)으로의 과부하가 방지되어, 항상 효율 좋은 조건으로 운전할 수 있다.
즉, 어시스트모터(34)의 출력(전동(電動)상태를 플러스의 값으로 하였을 경우)이, 가변용량식 유압펌프(21)의 출력(축 입력측) Win과 엔진(30)의 출력 We의 차분(差分)과 동일하여지도록 제어한다(Wa = Win - We). 또한, 유압펌프(21)의 출력 Win이 엔진(30)의 출력 We와 어시스트모터(34)의 출력 Wa의 합보다 커지면(Win > We + Wa), 엔진(30)에 과대한 부하가 가하여지게 되므로, 어시스트모터(34)의 최대출력 Wamax가, 가변용량식 유압펌프(21)의 출력 Win과 엔진의 최대출력 Wemax의 차분보다 커지도록 제어한다(Wamax > Win - Wemax). 여기서, 전동상태에 있는 어시스트모터(34)의 최대출력 Wamax는, 전기부하에 출력요구 Wout이 있는 경우에 배터리(38)의 최대출력 Wbmax를 고려하면, 배터리(38)의 최대출력 Wbmax와 전기부하의 출력요구 Wout의 차분보다 작은 범위로 제한된다(Wamax < Wbmax - Wout).
이상의 설명에서는, 유압펌프(21)의 구동을 네가티브 컨트롤(간략하게, 네가콘 제어)에 근거하여 제어하고 있지만, 유압펌프(21)의 구동제어방법에는, 네가콘 제어 외에도, 포지티브 컨트롤(간략하게, 포지콘 제어) 및 로드센싱 제어와 같은 구동제어방법이 있다.
먼저, 포지콘 제어에 의하여 유압펌프(21)의 구동을 제어하는 경우에 대하여 설명한다. 도 9는 포지콘 제어를 행하도록 펌프의 제어회로가 구성된 경우에 있어서, 축 입력측의 출력(동력) Win을 산출할 때에 이용하는 유압부하추정 알고리즘을 나타내는 도면이다. 포지콘 제어를 행하는 경우, 펌프토출량 V를 구하기까지의 처리가, 도 7에 나타내는 네가콘 제어를 행하는 경우의 유압부하추정 알고리즘과 상이하고, 다른 부분은 동일하므로, 펌프토출량 V를 구하기까지의 처리에 대하여 설명한다.
포지콘 제어를 행하는 경우에는, 유압구동부를 구동하기 위하여 운전자가 조작하는 조작레버의 레버조작량 θ1, θ2, ··· 로부터, 각 조작레버의 조작량에 따른 유압펌프(21)에 요구되는 토출량 VL1, VL2, ···가, 레버조작량 θ1, θ2, ···과 토출량 VL1, VL2, ···의 관계를 나타내는 맵으로부터 구하여진다. 그리고, 모든 토출량 VL1, VL2, ···을 가산한 것이, 유압펌프(21)에 요구되는 요구토출량 VL이 된다.
그리고, 펌프토출량 V는, 마력제어 토출량 Vp와 요구토출량 VL 중 어느 작은 쪽이 된다. 이와 같이 하여 구한 펌프토출량 V를, 유압펌프출력(축 출력측) Wout의 산출 및 유압펌프효율 ηo의 산출에 이용함으로써, 도 7에 나타내는 알고리즘을 이용하여 유압펌프출력(축 입력측) Win을 산출할 수 있다.
다음으로, 로드센싱 제어에 의하여 유압펌프(21)의 구동을 제어하는 경우에 대하여 설명한다. 도 10은 로드센싱 제어를 행하도록 펌프의 제어회로가 구성된 경우에 있어서, 축 입력측의 출력(동력) Win을 산출할 때에 이용하는 유압부하산출 알고리즘을 나타내는 도면이다. 로드센싱 제어를 행하는 경우, 펌프토출량 V를 구하기까지의 처리가, 도 4에 나타내는 유압부하추정 알고리즘과 상이하고, 다른 부분은 동일하므로, 펌프토출량 V를 구하기까지의 처리에 대하여 설명한다.
로드센싱 제어를 행하는 경우에는, 도 4에 있어서의 유압펌프토출압력 Pi를, 최대 부하압력 Pmax에 차압 ΔP를 가산한 값으로 한다. 차압 ΔP는 펌프의 토출량에 어느 정도 여유를 갖게 하기 위하여 가산하는 것으로서, 일정치로 하여도 가변치로 하여도 좋다. 그리고, 펌프토출량 V는, 유압펌프(21)의 토출압력-토출량 특성을 나타내는 PQ선도에 근거하여, 상기 서술과 같이 하여 구하여진 유압펌프토출압력 Pi와 유압펌프(21)에 공급하는 제어전류 I로부터 구한다. 이와 같이 하여 구한 펌프토출량 V를, 유압펌프출력(축 출력측) Wout의 산출 및 유압펌프효율 ηo의 산출에 이용함으로써, 도 4에 나타내는 알고리즘을 이용하여 유압펌프출력(축 입력측) Win을 산출할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에서는, 본 발명에 의한 출력 제한방법이 도 1에 나타내는 유압쇼벨에 적용된 것으로 하여 설명한다. 다만, 본 발명이 적용되는 하이브리드식 작업기계는, 유압쇼벨로 한정되는 것은 아니다.
도 3에 나타내는 바와 같은 하이브리드 시스템에 있어서, 유압부하가 증대되어 엔진(30)에 과대한 부하가 걸렸을 경우, 유압펌프(21)의 출력을 제한하여 유압펌프(21)가 엔진(30)에 요구하는 출력(즉, 엔진(30)으로의 부하)을 저감시킬 필요가 있다. 유압펌프(21)는 가변용량식 유압펌프이고, 유압펌프(21)에 공급하는 제어전류를 조정함으로써 유압펌프(21)의 출력을 조정할 수 있다.
이상과 같이, 엔진(30)에 과대한 부하가 걸리는 경우는, 제한전류를 조정하여 유압펌프(21)의 출력을 낮춤으로써, 엔진(30)으로의 부하를 저감시킬 수 있다. 여기서, 유압펌프(21)의 출력을 낮추는 경우는, 유압부하의 요구를 가능한 한 만족하도록 출력을 너무 낮추지 않도록 할 필요가 있고, 스플리터(32)로부터의 실제의 출력(엔진(30)의 출력과 어시스트모터(34)의 출력의 합에 상당한다)을 정밀도 좋게 제어할 필요가 있다. 스플리터(32)로부터의 실제의 출력은 유압펌프(21)에 그대로 입력되므로, 유압펌프의 펌프효율이 일정하다고 가정하면, 스플리터(32)로부터의 실제의 출력은 유압펌프(21)의 출력에 상당하는 것으로 간주할 수 있다.
따라서, 스플리터(32)로부터의 현재의 출력을 유압펌프(21)의 현재의 출력 Wi로 하면, 유압펌프(21)의 현재의 출력 Wi가 엔진(30)의 출력 We와 어시스트모터(34)의 출력 Wa의 합보다 커지면(Wi > We + Wa), 엔진(30)에 과대한 부하가 가하여지게 된다. 유압펌프(21)의 현재의 출력 Wi의 초과분 ΔWr은, Wi - (We + Wa)로서 구하여진다. 여기서, 엔진출력 We는, 엔진(30)의 회전수와 토크로부터, 혹은, 엔진(30)의 연료분사량으로부터 구할 수 있다. 또한, 어시스트모터 출력 Wa는, 어시스트모터(34)의 회전수와 토크로부터 구할 수 있다.
따라서, 유압펌프(21)의 현재의 출력 Wi의 초과분 ΔWr이 플러스의 값이 되었을 경우(ΔWr > 0), 엔진에 과대한 부하가 걸려 있다고 판단하고, 유압펌프(21)의 출력을 제한한다. 유압펌프(21)의 출력의 제한량은, 출력초과분 ΔWr과 동일하다. 즉, 출력초과분 ΔWr은 펌프출력 제한량에 상당하고, 펌프출력 제한량의 목표치를 출력초과분 ΔWr로 한다.
유압펌프(21)의 출력은 공급하는 제어전류 I(이하, 펌프전류 I라 한다)에 의하여 조정할 수 있기 때문에, 상기 서술한 출력초과분 ΔWr에 상당하는 분량만큼 펌프전류 I를 변경(작게 제한)하면 된다. 따라서, 펌프출력 제한량 ΔWr로부터, 유압펌프(21)의 펌프전류 제한량 ΔI를 구하고, 현재의 펌프전류 I로부터 펌프전류 제한량 ΔI를 뺌으로써, 제한 후의 펌프전류 Io를 구할 수 있다. 이상과 같은 알고리즘을 이용함으로써, 펌프출력 제한량 ΔWr로부터 제한 후의 펌프전류 Io를 정밀도 좋게 구할 수 있다.
여기서, 제한 후의 펌프전류 Io는 이하의 방법으로 산출할 수 있다.
1) 선형보간에 의한 산출방법
펌프출력 제한량 ΔWr을 이용하여, ΔWr와 ΔI의 관계에 근거하는 선형보간에 의하여, 제어 후의 펌프전류 Io를 산출한다.
Figure 112011039779685-pct00001
2) 펌프토크 맵(P-T맵)에 의한 산출방법
펌프출력 제한량 ΔWr과 펌프토크 제한량(ΔTr)의 관계로부터, 제어 후의 펌프전류 Io를 산출한다.
Figure 112011039779685-pct00002
3) 펌프토출량 맵(P-Q맵)에 의한 산출방법
펌프출력 제한량 ΔWr과 펌프토출량 ΔQr의 관계로부터, 제어 후의 펌프전류(Io)를 산출한다.
Figure 112011039779685-pct00003
다음으로, 1) 선형보간에 의한 산출방법에 대하여 상세하게 설명한다. 도 11은 선형보간에 의한 펌프전류 제한량의 산출 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 펌프출력 제한량 ΔWr와 펌프전류 제한량 ΔI의 관계
Figure 112011039779685-pct00004
를 나타내는 선도(P-W선도)를 구한다.
제한 전의 펌프전류 Ii로부터 최소 펌프전류(고정치) Imin을 뺌으로써 최대 펌프전류 제한량 ΔImax를 구한다(ΔImax = Ii - Imin). ΔImax는, 현재의 펌프전류 Ii를 얼마나 작게 할 수 있는지를 나타내는 값이다.
다음으로, 최소 펌프전류 Imin과 펌프토출압 Pi와 네가콘압 Nc로부터 펌프 최소출력 Wmin을 연산에 의하여 구한다. 이 연산은 펌프출력 연산부에 의하여 행하여진다. 도 12는 펌프출력 연산부의 기능 구성도이다. 펌프출력 연산부는 펌프전류 I에 대한 펌프출력 W를 연산하는 부분이다. 펌프출력 연산부에는 펌프전류 I와 함께 유압펌프 압력 Pi와 네가콘 압력 Nc가 입력된다.
펌프출력 연산부는, 최소 펌프전류 Imin으로부터 최대 펌프전류 Imax까지의 사이의 각 펌프전류에 있어서의 펌프토출압 P와 유압펌프 토출유량의 관계를 나타내는 맵(유압펌프(21)의 토출압력-토출량 특성을 나타내는 PQ선도)을 가지고 있고, 입력된 펌프전류 I와 유압펌프 압력 Pi로부터, 유압펌프토출량을 구한다. 또한, 펌프출력 연산부는, 네가콘 압력 Nc와 네가콘 제어 토출유량의 관계를 나타내는 맵(네가티브 컨트롤압-토출량 특성도)을 가지고 있고, 입력된 네가콘 압력 Nc로부터 네가콘 제어 토출유량을 구한다. 그리고, 펌프출력 연산부는, 구하여진 유압펌프 토출유량과 네가콘 제어 토출유량 중 어느 적은 쪽을 펌프 토출유량 Q로 한다. 펌프 연산부는, 구하여진 펌프 토출유량에 유압펌프 압력 Pi를 곱하고, 이를 펌프효율 η로 나눔으로써 펌프출력 W를 산출하여, 출력한다.
다만, 본 실시형태에서는 네가콘 제어를 행하는 경우에 대하여 설명하고 있지만, 도 9에 나타내는 바와 같이 포지콘 제어를 행하는 경우, 혹은, 도 10에 나타내는 바와 같이 로드센싱 제어를 행하는 경우에도, 본 실시형태에 의한 펌프출력 제어방법을 적용할 수 있다.
이상과 같은 연산을 행하는 펌프출력 연산부에, 최소 펌프전류 Imin과, 펌프토출압 Pi와 네가콘 압력 Nc를 입력함으로써, 펌프 최소출력 Wmin을 구할 수 있다. 그리고, 도 11에 나타내는 바와 같이, 제한 전의 펌프출력 Wi로부터 펌프 최소출력 Wmin을 뺌으로써 최대출력 제한량 ΔWmax를 구한다(ΔWmax = Wi - Wmin).
또한, 유압펌프의 현재의 출력 Wi도 마찬가지로, 상기 서술한 펌프출력 연산부를 이용하여 산출된다. 이 경우, 현재의 펌프전류치 Ii를 유압펌프(21)의 토출압력-토출량 특성을 나타내는 PQ선도에 입력하고, 현재의 유압펌프토출량을 구하여, 현재의 펌프출력 Wi가 산출된다. 이와 같이, 현재의 펌프전류치 Ii를 근거로 펌프출력 연산부에서 산출된 현재의 펌프출력 Wi를 이용하여, 출력초과분 ΔWr은 구하여진다.
도 11에 있어서의 P-W선도에 있어서, 이상과 같이 하여 구하여진 최대 펌프전류 제한량 ΔImax와 최대출력 제한량에 의하여 정하여지는 점 A와 원점을 잇는 직선이 펌프전류 제한량 ΔI와 펌프출력 제한량 ΔWr의 관계를 나타내는 것으로서 P-W선도에 설정한다. 따라서, 이 P-W선도에 목표치로서의 펌프출력 제한량 ΔWr을 넣음으로써, 직선상의 점 B를 통하여 펌프전류 제한량 ΔIo가 구하여진다. 즉, 펌프전류 제한량 ΔIo를 이하의 연산에 의하여 구할 수 있다.
ΔIo = ΔImax - (ΔImax / ΔWmax)×(ΔWmax - ΔWr)
그리고, 제한 전의 펌프전류 Ii에, 이상과 같이 하여 구하여진 펌프전류 제한량 ΔIo를 더함으로써 제한 후의 펌프전류 Io를 구할 수 있다(Io = Ii + ΔIo).
이상과 같이 하여 구한 펌프전류(제한전류) Io에 근거하여 경사판(21a)의 경동각을 변경하고, 유압펌프(21)에 공급하여, 유압펌프(21)의 출력을 제한함으로써, 유압펌프(21)의 출력을, 현재의 출력 Wi의 초과분 ΔWr만큼을 공제한 출력으로 할 수 있어서, 엔진(30)에 걸리는 과대한 부하를 적당히 억제할 수 있다. 또한, 이상과 같이 하여 구하여진 펌프전류(제한전류) Io를 도 4 및 도 12에 나타내는 펌프출력 연산부에 펌프전류 I로서 입력함으로써, 제한 후의 펌프전류(제한전류) Io에 근거하는 유압펌프 입력측 출력을 구할 수 있다. 이로써, 어시스트모터(34)의 어시스트량을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 축전기인 배터리(38)로부터의 과도한 방전을 방지할 수 있어, 장시간의 운전이 가능하다.
다만, 도 11에 있어서의 P-W선도는, 도 13에 나타내는 바와 같이 최대 펌프전류 제한량 ΔImax(전류를 얼마나 낮출 수 있는지)와 최대출력 제한량 ΔWmax(네가콘 압력 Nc를 고려한 값)에 근거하여 결정된다. 도 13에 있어서, 사용예 1과 사용예 2에서는, P-W선의 기울기가 다르고, 구하여지는 펌프전류 제한량 ΔIo도 다른 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 서술한 선형보간에 의한 산출방법을 이용함으로써, 현재의 펌프전류 I의 값과 네가콘 압력 Nc의 영향을 고려한 유압펌프(21)의 출력 제한을 행할 수 있다.
다음으로, 2) 펌프토크 맵(P-T맵)에 의한 산출방법에 대하여 상세하게 설명한다. 이 산출방법에서는, 펌프토출압 P와 펌프전류 I로부터 정하여지는 펌프토크 T를 맵화한 펌프토크 맵(P-T맵)을 준비하여 두고, P-T맵을 이용하여 제한 후의 펌프전류 Io를 산출한다.
도 14는 펌프전류 I에 의하여 정하여지는 펌프토출압 P와 펌프 구동토크 T의 관계를 나타내는 선도로부터, P-T맵의 테이블을 작성하는 것을 설명하는 도면이다. 펌프전류 I를 일정하게 하면, 펌프토출압 P를 얻기 위한 펌프 구동토크 T가 정하여진다. 도 14에 나타내는 선도는, 펌프전류를 I1 ~ Im까지의 사이에서 바꾸어 각 펌프전류에 의하여 정하여지는 펌프토출압 P와 펌프 구동토크 T의 관계를 나타내고 있다. 이 선도의 관계로부터 P-T맵을 테이블화한다. 테이블에는, 펌프전류 I1 ~ Im의 각각에 있어서, 펌프토출압 P1 ~ Pn을 얻기 위하여 필요한 펌프 구동토크 T가 나타내어져 있다. 예컨대, 펌프전류를 Ij로 설정하고 있을 때에 펌프토출압 Pi를 얻기 위해서는, Ij의 열과 Pi의 열이 교차하는 부분에 나타난 펌프 구동토크 Tji로 하면 된다는 것을, 테이블화한 P-T맵으로부터 알 수 있다.
도 15는 도 14에 나타내는 P-T맵 테이블을 이용하여 펌프출력 제한량 ΔWr로부터 제한 후의 펌프전류 Io를 구하는 처리의 플로우차트이다. 도 16은 도 15에 나타내는 처리의 각 스텝에 대응하는 부분이 나타내어진 P-T맵 테이블이다.
먼저, 스텝 S1-1에 있어서, 펌프토출압 Pi와 제한 전의 펌프전류 Ii로부터 제한 전의 펌프토크 Tii를 구한다. 이는 도 16에 나타내는 펌프토크 맵 테이블의 (1)에 상당한다. 동시에 스텝 S1-2에 있어서, 펌프출력 제한량 ΔWr과 펌프회전수 Np로부터 펌프토크량 제한량 ΔTr을 산출한다. 펌프토크량 제한량 ΔTr은, 펌프출력 제한량 ΔWr을 펌프회전수 Np로 나눈 값이다(ΔTr = ΔWr / Np).
다음으로, 스텝 S2에 있어서, 스텝 S1-1에서 구한 제어 전의 펌프토크 Tii와 스텝 S1-2에서 산출한 펌프토크량 제한량 ΔTr로부터, 제어 후의 펌프토크 To를 산출한다. 제어 후의 펌프토크 To는, 제어 전의 펌프토크 Tii로부터 펌프토크량 제한량 ΔTr을 뺀 값이다(To = Tii - ΔTr). 여기서 얻어진 펌프토크 To는, 도 16의 (2)에 나타내는 바와 같이 펌프토크 Tji와 Tj +1, i 사이의 값이라 한다.
다음으로, 스텝 S3에 있어서, P-T맵 테이블 속에서 펌프토크 To의 상하의 펌프토크 Tji와 Tj +1, i를 구한다. 도 16에 있어서, 펌프토크 Tji와 Tj +1, i는 (3)으로 나타내어져 있다. 펌프토크 Tji와 펌프토크 Tj +1, i 사이가 토크의 보간구간이 된다.
그리고, 스텝 S4에 있어서, 펌프토크 Tji에 대응하는 펌프전류 Ij를 구하고, 또한 펌프토크 Tj +1, i에 대응하는 펌프전류 Ij + 1를 구한다. 도 16에 있어서, 펌프전류 Ij와 Ij +1은 (4)로 나타내어져 있다. 펌프전류 Ij와 펌프전류Ij +1 사이가 전류의 보간구간이 된다.
다음으로, 스텝 S5에 있어서, 제한 후의 펌프전류 Io를 보간에 의하여 산출한다. 제한 후의 펌프전류 Io의 산출은 이하의 식에 의하여 행한다.
Io = Ij - (Ij - Ij +1)(Tji - To) / (Tji - Tj +1, i)
= Ij - (Ij - Ij +1)ΔTr / (Tji - Tj +1, i)
도 16에 있어서, 이 식에 의하여 구하여진 제한 후의 펌프전류 Io는 (5)로 나타내어져 있다.
이상과 같이, 펌프토크 맵 테이블을 이용함으로써, 펌프출력 제한량 ΔWr로부터 제한 후의 펌프전류 Io를 용이하게 구할 수 있다. 이 펌프전류 Io에 근거하여 경사판(21a)의 경동각을 변경하여, 유압펌프(21)의 출력을 제한할 수 있다. 또한, 제한 후의 전류 Io를 펌프출력 연산부에 입력하여, 제한 후의 펌프전류(제한전류) Io에 근거하는 유압펌프 입력측 출력을 구할 수 있다.
다음으로, 3) 펌프토출량 맵(P-Q맵)에 의한 산출방법에 대하여 상세하게 설명한다. 이 산출방법에서는, 펌프토출압 P와 펌프전류 I로부터 정하여지는 펌프토출량 Q를 맵화한 펌프토출량 맵(P-Q맵)을 준비하여 두고, P-Q맵을 이용하여 제한 후의 펌프전류 Io를 산출한다.
도 17은 펌프전류 I에 의하여 정하여지는 펌프토출압 P와 펌프토출량 Q의 관계를 나타내는 선도로부터, P-Q맵의 테이블을 작성하는 것을 설명하는 도면이다. 펌프전류 I를 일정하게 하면, 펌프토출압 P를 얻기 위한 펌프토출량 Q가 정하여진다. 도 17에 나타내는 선도는, 펌프전류를 I1 ~ Im까지의 사이에서 바꾸어 각 펌프전류에 의하여 정하여지는 펌프토출압 P와 펌프토출량 Q의 관계를 나타내고 있다. 이 선도의 관계로부터 P-Q맵을 테이블화한다. 테이블에는, 펌프전류 I1 ~ Im의 각각에 있어서, 펌프토출압 P1 ~ Pn을 얻기 위하여 필요한 펌프토출량 Q가 나타나 있다. 예컨대, 펌프전류를 Ij로 설정하고 있을 때에 펌프토출압 Pi를 얻기 위해서는, Ij의 열과 Pi의 열이 교차하는 부분에 나타난 펌프토출량 Qji로 하면 된다는 것을, 테이블화한 P-Q맵으로부터 알 수 있다.
도 18은 도 17에 나타내는 P-Q맵 테이블을 이용하여 펌프출력 제한량 ΔWr로부터 제한 후의 펌프전류 Io를 구하는 처리의 플로우차트이다. 도 19는 도 18에 나타내는 처리의 각 스텝에 대응하는 부분이 나타난 P-Q맵 테이블이다.
먼저, 스텝 S11-1에 있어서, 펌프토출압 Pi와 제한 전의 펌프전류 Ii로부터 제한 전의 펌프토출량 Qii를 구한다. 이는 도 19에 나타내는 P-Q맵 테이블의 (1)에 상당한다. 동시에 스텝 S11-2에 있어서, 펌프출력 제한량 ΔWr과 펌프토출압 Pi와 펌프회전수 Np로부터 펌프토출량 제한량 ΔQr을 산출한다. 펌프토출량 제한량 ΔQr은, 펌프출력 제한량 ΔWr을 펌프토출압 Pi와 펌프회전수 Np로 나눈 값이다(ΔQr = ΔWr / Pi / Np).
다음으로, 스텝 S12에 있어서, 스텝 S11-1에서 구한 제어 전의 펌프토출량 Qii와 스텝 S11-2에서 산출한 펌프토출량 제한량 ΔQr로부터, 제어 후의 펌프토출량 Qo를 산출한다. 제어 후의 펌프토출량 Qo는, 제어 전의 펌프토출량 Qii로부터 펌프토출량 제한량 ΔQr을 뺀 값이다(Qo = Qii - ΔQr). 여기서 얻어진 펌프토출량 Qo는, 도 19의 (2)에 나타내는 바와 같이 펌프토출량 Qji과 Qj +1, i 사이의 값이라 한다.
다음으로, 스텝 S13에 있어서, P-Q맵 테이블 속에서 펌프토출량 Qo의 상하의 펌프토출량 Qji와 Qj +1, i를 구한다. 도 19에 있어서, 펌프토출량 Qji와 Qj +1, i는 (3)으로 나타나 있다. 펌프토출량 Qji와 펌프토출량 Qj +1, i 사이가 펌프토출량의 보간구간이 된다.
그리고, 스텝 S14에 있어서, 펌프토출량 Qji에 대응하는 펌프전류 Ij를 구하고, 또한 펌프토출량 Qj +1, i에 대응하는 펌프전류 Ij +1을 구한다. 도 19에 있어서, 펌프전류 Ij와 Ij +1은 (4)로 나타나 있다. 펌프전류 Ij와 펌프전류 Ij +1 사이가 전류의 보간구간이 된다.
다음으로, 스텝 S15에 있어서, 제한 후의 펌프전류 Io를 보간에 의하여 산출한다. 제한 후의 펌프전류 Io의 산출은 이하의 식에 의하여 행한다.
Io = Ij - (Ij - Ij +1)(Qji - Qo) / (Qji - Qj +1, i)
= Ij - (Ij - Ij+1)ΔQr / (Qji - Qj+1, i)
도 19에 있어서, 이 식에 의하여 구하여진 제한 후의 펌프전류 Io는 (5)로 나타나 있다.
이상과 같이, P-Q 토크 맵 테이블을 이용함으로써, 펌프출력 제한량 ΔWr로부터 제한 후의 펌프전류 Io를 용이하게 구할 수 있다. 이 펌프전류 Io에 근거하여 경사판(21a)의 경동각을 변경하여, 유압펌프(21)의 출력을 제한할 수 있다. 또한, 제한 후의 전류 Io를 펌프출력 연산부에 입력하여, 제한 후의 펌프전류(제한전류) Io에 근거하는 유압펌프 입력측 출력을 구할 수 있다.
그리고, 상기 서술한 1) 2) 3) 중 어느 하나의 산출방법에 의하여 구한 펌프전류 Io를 가변용량식 유압펌프(21)에 공급하면서, 어시스트모터(34)의 출력(전동(電動)상태를 플러스의 값으로 하였을 경우)이, 가변용량식 유압펌프(21)의 출력 Whyd와 엔진(30)의 출력 We의 차분과 동일하여지도록 제어한다(Wa = Whyd - We). 또한, 유압펌프(21)의 출력 Whyd이 엔진(30)의 출력 We와 어시스트모터(34)의 출력 Wa의 합보다 커지면(Whyd > We + Wa), 엔진(30)에 과대한 부하가 가하여지게 되므로, 펌프전류 Io에 의하여 가변용량식 유압펌프(21)의 출력 Whyd를 제한하고, 가변용량식 유압펌프(21)의 출력 Whyd과 어시스트모터(34)의 최대출력 Wamax의 차분이, 엔진의 최대출력 Wemax보다 작아지도록 제어한다(Wemax > Whyd - Wamax). 여기서, 전동상태에 있는 어시스트모터(34)의 최대출력 Wamax는, 전기부하에 출력요구 Wout이 있는 경우에 배터리의 최대출력 Wbmax를 고려하면, 배터리의 최대출력 Wbmax와 전기부하의 출력요구 Wout의 차분보다 작은 범위로 제한된다(Wamax < Wbmax - Wout).
여기서, 상기 서술한 본 발명의 실시형태 및 본 발명의 다른 실시형태를 이용하여, 각 유압부하산출 알고리즘에 근거하여 구하여진 유압부하에 근거하여, 엔진 및 배터리로부터의 동력을 분배하는 동력분배처리를 이용하는 경우에 있어서, 그 일 예에 대하여 설명한다. 이하에 설명하는 예는, 도 4에 나타내는 유압부하산출 알고리즘을 이용하여 유압펌프출력(축 입력측)을 추정 연산에 의하여 구한 경우이다. 유압펌프출력(축 입력측)을 정밀도 좋게 산출하고, 어시스트모터(34)의 어시스트량을 제어함으로써, 엔진(30)의 부하를 항상 적절히 할 수 있다. 따라서, 엔진(30)으로의 과부하가 방지되어, 항상 효율 좋은 조건으로 운전할 수 있다. 다만, 동력분배처리는 컨트롤러(42)에 의하여 행하여진다.
도 20은, 컨트롤러(42)의 동력분배처리의 일 예를 나타내는 제어블록도이다. 컨트롤러(42)에는, 펌프제어전류 I, 펌프토출압력 Pi, 선회용 전동기 요구출력 Per, 엔진회전수 Nact, 및 배터리전압 Vm이 입력된다.
선회용 전동기 요구출력 Per은, 전기부하가 필요로 하는 전기적 파워에 상당한다. 예컨대, 선회용 전동기 요구출력 Per은, 예컨대, 조종자가 조작하는 조작레버의 조작량에 근거하여 산출된다.
엔진회전수 Nact는, 엔진(30)의 실제 회전수에 상당한다. 엔진(30)은, 유압쇼벨의 운전시에는 상시 구동되고 있고, 그 회전수 Nact가 검출되고 있다. 배터리전압 Vm은, 배터리(38)의 단자간 전압에 상당하고, 전압계에 의하여 검출된다.
펌프제어전류 I 및 펌프토출압력 Pi는, 유압부하추정 연산부(50)에 입력된다. 유압부하추정 연산부(50)는, 펌프제어전류 I 및 펌프토출압력 Pi를 이용하여, 상기 서술한 유압부하산출 알고리즘에 따라서, 유압부하로서 유압펌프출력 Win을 산출한다. 산출한 유압펌프출력 Win은 동력분배부(60)에 공급된다.
엔진회전수 Nact는, 엔진출력범위 결정부(52)에 입력된다. 엔진출력범위 결정부(52)에는, 엔진회전수 Nact로부터, 엔진출력 상한치 및 엔진출력 하한치를 구하기 위한 맵 또는 변환테이블이 격납되어 있다. 엔진출력범위 결정부(52)는, 입력된 엔진회전수 Nact로부터, 엔진출력 상한치 Pgou 및 엔진출력 하한치 Pgol를 산출하고, 동력분배부(60)에 공급한다.
배터리전압 Vm 및 목표 SOC는, 배터리 출력 결정부(54)에 입력된다. 배터리 출력 결정부(54)는, 배터리 출력범위 결정부(54A), 배터리 출력목표치 결정부(54B), 및, 충전상태 산출부(54C)를 포함한다. 충전상태 산출부(54C)는, 입력된 배터리전압 Vm으로부터 충전상태(SOC)를 산출한다. 산출된 SOC는, 배터리 출력범위 결정부(54A) 및 배터리 출력목표치 결정부(54B)에 주어진다.
배터리 출력범위 결정부(54A)에는, SOC로부터 배터리 출력 상한치 및 하한치를 산출하기 위한 맵 또는 변환테이블이 격납되어 있다. 배터리 출력목표치 결정부(54B)에는, SOC 및 목표 SOC로부터 배터리 출력목표치를 산출하기 위한 맵 또는 변환테이블이 격납되어 있다. 이 맵 또는 변환테이블은, 예컨대, 입력된 SOC와 목표 SOC 사이의 편차와, 배터리 출력목표치와의 관계를 정의하는 것이어도 된다. 다만, 목표 SOC는, 임의의 태양으로 결정되어도 좋고, 통상시는(즉 후술하는 내부저항 계측패턴으로서 목표 SOC의 패턴이 생성되는 경우를 제외한 통상시는), 고정치이어도 좋고, 가변치이어도 좋다. 배터리 출력범위 결정부(54A)는, SOC로부터 제1 배터리 출력 상한치 및 하한치 Pbou0, Pbol0를 구하여, 동력분배부(60)에 공급한다. 배터리 출력목표치 결정부(54B)는, 입력된 SOC 및 목표 SOC로부터 제1 배터리 출력목표치 Pbot0를 산출하여, 동력분배부(60)에 공급한다.
제1 배터리 출력 상한치 Pbou0는, 방전전력의 상한치에 상당한다. 제1 배터리 출력 하한치 Pbol0는, 마이너스이며, 그 절대치는, 충전전력의 상한치에 상당한다. 제2 배터리 출력 상한치 및 하한치 Pbou1, Pbol1에 의하여, 배터리(38)의 입출력전압의 적정범위가 정의된다. 예컨대, 배터리(38)의 내부저항 계측결과에 근거하여 배터리(38)의 열화가 검출되지 않는 경우는, Pbou1 = Pbou0, Pbol1 = Pbol0가 되는 한편, 배터리(38)의 열화가 검출되었을 경우는, Pbou1 < Pbou0, Pbol1 > Pbol0가 된다.
동력분배부(60)는, 유압부하 요구출력 Phr, 선회용 전동기 요구출력 Per, 엔진출력 상한치 Pgou 및 엔진출력 하한치 Pgol, 제1 배터리 출력 상한치 및 하한치 Pbou0, Pbol0 및 제1 배터리 출력목표치 Pbot0에 근거하여, 최종적인 유압부하 출력 Pho, 어시스트모터(34)에 대한 전동발전기 출력 Pao, 및, 전기부하 출력 Peo를 결정한다. 이때, 동력분배부(60)는, 엔진출력이 엔진출력 상한치 Pgou 및 엔진출력 하한치 Pgol에 의하여 정의되는 범위 내에 들고, 또한, 배터리 출력이 제1 배터리 출력 상한치 및 하한치 Pbou0, Pbol0에 의하여 정의되는 범위에 들도록, 최종적인 유압부하 출력 Pho, 어시스트모터(34)에 대한 전동발전기 출력 Pao, 및, 전기부하 출력 Peo를 결정하고, 출력한다.
컨트롤러(42)는, 이들 결정된 출력에 근거하여, 어시스트모터(34)를 제어한다.
이상과 같이, 유압부하추정 알고리즘을 이용하여 유압펌프출력(축 입력측) Win을 정밀도 좋게 산출하고, 어시스트모터(34)의 어시스트량을 제어함으로써, 엔진(30)의 부하를 항상 적절히 할 수 있다. 따라서, 엔진(30)으로의 과부하가 방지되어, 항상 효율 좋은 조건으로 운전할 수 있다.
또한, 포지콘의 경우에는 펌프토출압 Pi 대신에 레버조작량 θi가, 로드센싱의 경우에는 최대 부하압력 Pmax 및 차압 ΔP가, 컨트롤러(42)에 입력된다. 또한, 유압펌프의 제한 제어를 행하는 경우에는, 펌프제한전류 I 대신에, 본 발명의 다른 실시형태 중의 1) 2) 3) 중 어느 하나의 산출방법에 의하여 구한 펌프전류 Io를, 컨트롤러(42)에 입력하여 어시스트모터의 출력 Pao를 구할 수 있다.
이상, 본 발명의 예시적인 실시형태인 하이브리드식 작업기계에 대하여 설명하였지만, 본 발명은, 구체적으로 개시된 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 특허 청구의 범위로부터 일탈하지 않고, 다양한 변형이나 변경이 가능하다.
본 출원은 2008년 11월 28일 출원된 일본 특허출원 2008-304530호 및 2008년 12월 3일 출원된 일본 특허출원 2008-308698호에 근거하는 것으로서, 그 전체 내용은 여기에 원용된다.
본 발명은, 내연기관을 전동모터에 의하여 어시스트하여 펌프를 구동하여 유압을 발생시키는 하이브리드식 작업기계에 적용 가능하다.
1 엔진모터
2 컨트롤러
3 모드전환기
4 스로틀 볼륨
5 전자(電磁)비례밸브
21 유압펌프
21a 경사판
21A 파일럿·기어펌프
22 컨트롤러 밸브
22a, 22b, 22c 전환밸브
23 펌프토출압센서
24 네가티브 컨트롤 스로틀밸브(네가콘 스로틀밸브)
25 탱크
26 네가티브 컨트롤 센서(네가콘 센서)
27 레귤레이터
30 엔진
32 스플리터
34 어시스트모터
36, 40 인버터
38 배터리
42 컨트롤러
50 유압부하추정 연산부
52 엔진출력범위 결정부
54 배터리 출력 결정부
54A 배터리 출력범위 결정부
54B 배터리 출력목표치 결정부
54C 충전상태 산출부

Claims (16)

  1. 가변 경사판식 유압펌프를 엔진의 출력과 전동발전기의 출력으로 구동하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법으로서,
    상기 가변 경사판식 유압펌프의 출력측의 동력을 산출하고,
    산출된 상기 가변 경사판식 유압펌프의 출력측의 동력을 상기 가변 경사판식 유압펌프의 펌프효율로 나눔으로써, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 입력측의 동력을 산출하고,
    산출한 상기 가변 경사판식 유압펌프의 입력측의 동력에 근거하여 상기 전동발전기의 출력을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  2. 유압펌프를 엔진의 출력과 전동발전기의 출력으로 구동하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법으로서,
    상기 엔진의 동력을 상기 유압펌프에 공급하는 연결축에 토크센서를 설치하고,
    상기 토크센서의 검출치로부터 상기 유압펌프의 입력측의 동력을 산출하고,
    산출한 동력에 근거하여 상기 전동발전기의 출력을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변 경사판식 유압펌프의 경사판각도와 토출압력을 이용하여 상기 펌프효율을 산출하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출압력을 구하고,
    상기 구하여진 토출압력과 상기 가변 경사판식 유압펌프의 PQ선도로부터 토출량을 구하고,
    구하여진 토출량과 토출압력에 근거하여, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 출력측의 동력을 산출하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출압력을 구하고,
    상기 구하여진 토출압력과 상기 가변 경사판식 유압펌프의 PQ선도로부터 토출량을 구하고,
    구하여진 토출량과 토출압력에 근거하여, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 경사판각도를 산출하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    네가티브 컨트롤 압력으로부터 구한 상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출량인 네가콘 제어 토출량과, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출압력으로부터 구한 상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출량인 마력(馬力)제어 토출량을 비교하여, 어느 작은 쪽을 상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출량으로서 선정하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  7. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    가변 경사판식 유압부하를 구동하기 위한 지령을 보내는 복수의 조작레버의 레버조작량으로부터 구한 상기 가변 경사판식 유압펌프에 요구되는 토출량을 가산하여 구한 요구토출량과, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출압력으로부터 구한 상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출량인 마력제어 토출량을 비교하여, 어느 작은 쪽을 상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출량으로서 선정하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  8. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    최대 부하압력에 소정의 차압을 가산하여 구한 가변 경사판식 유압펌프의 토출압력을 이용하여, 펌프마력제어 PQ선도로부터 상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출량을 구하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변 경사판식 유압펌프의 입력측의 동력으로부터 상기 엔진의 출력 및 상기 전동발전기의 출력을 감산하여 구한 출력초과분을 이용하여, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 출력을 제한하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 가변 경사판식 유압펌프의 출력을 제한하기 위하여, 상기 출력초과분과 상기 가변 경사판식 유압펌프의 토출압력을 이용하여 상기 가변 경사판식 유압펌프의 제어전류를 결정하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 가변 경사판식 유압펌프의 출력을 제한하기 위하여 작성한 맵을 이용하여 상기 가변 경사판식 유압펌프의 제어전류를 결정하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 가변 경사판식 유압펌프의 출력을 제한하기 위하여, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 제어전류 제한량과 펌프출력 제한량의 관계를 나타내는 선도를 이용하여, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 제어전류를 결정하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 가변 경사판식 유압펌프의 출력을 제한하기 위하여, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 제어전류 제한량과 토크 제한량의 관계를 나타내는 선도를 이용하여, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 제어전류를 결정하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 가변 경사판식 유압펌프의 출력을 제한하기 위하여, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 제어전류 제한량과 펌프토출량 제한량의 관계를 나타내는 선도를 이용하여, 상기 가변 경사판식 유압펌프의 제어전류를 결정하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 작업기계의 제어방법.
  15. 삭제
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