KR101368031B1

KR101368031B1 - 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템

Info

Publication number: KR101368031B1
Application number: KR1020127008486A
Authority: KR
Inventors: 하루히꼬 가와사끼; 마사히로 에가와
Original assignee: 카야바 고교 가부시기가이샤
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2014-02-26
Also published as: KR20120061954A; US20140107880A1; WO2011099437A1; US8655558B2; CN102482867A; US9026297B2; US20120245782A1; CN102482867B; DE112011100518T5

Abstract

컨트롤러는 압력 센서에 접속한다. 컨트롤러는, 압력 센서로부터의 압력 신호에 따라서 서브 펌프의 레귤레이터를 제어하고, 메인 펌프의 출력을 검출해서 메인 펌프의 출력에 따라서 미리 기억된 테이블에 기초하여 전동 모터의 출력을 제어한다.

Description

하이브리드 건설 기계의 제어 시스템{CONTROL SYSTEM FOR HYBRID CONSTRUCTION MACHINERY}

본 발명은 전동기의 구동력으로 회전하는 서브 펌프를 구비한 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템에 관한 것이다.

일본 특허 공개 제2009-235717 A호는 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템을 개시하고 있다.

이 종래의 제어 시스템에서는, 가변 용량의 메인 펌프의 토출측에 가변 용량의 서브 펌프의 토출유를 합류시켜, 서브 펌프를 전동 모터로 구동한다. 메인 펌프는 조작 밸브의 조작량에 따라서 발생하는 파일럿압의 작용으로 그 틸팅각이 제어된다.

메인 펌프에 대한 서브 펌프의 어시스트력은 파일럿압에 대응해서 가장 효율적으로 되도록 미리 설정되어 있다.

이 종래의 제어 시스템에서는, 서브 펌프의 어시스트력이, 메인 펌프의 파일럿압에 대응하고 있지만, 미리 설정되어 있으므로, 예를 들어 경작업이나 중작업 등의 작업 상태가 변화되어도 그 어시스트력이 바뀌지 않는다. 그 때문에, 어시스트 펌프는 경작업시에도 필요 이상의 출력을 해 버려, 배터리 소비가 커진다.

전동 모터는 배터리의 전력으로 구동하고, 배터리의 수명은 소모한 전력의 누적량에 비례하므로, 경작업시에 필요 이상의 전력을 소비하면, 그만큼 배터리의 수명도 짧아진다.

본 발명의 목적은, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템에 있어서, 서브 펌프의 구동원인 전동 모터의 출력을 경작업이나 중작업 등의 작업 상태에 대응해서 제어하고, 배터리 소비를 적게 하여, 배터리의 수명을 연장시키는 것이다.

본 발명의 일 형태에 따르면, 하이브리드 건설 기계의 제어 시스템이며, 가변 용량의 메인 펌프와, 상기 메인 펌프에 접속되어, 복수의 조작 밸브를 갖는 회로 계통과, 상기 메인 펌프의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터와, 상기 회로 계통에 설치되고, 상기 복수의 조작 밸브의 어느 하나를 전환 조작했을 경우에 발생하는 파일럿압을 상기 레귤레이터에 유도하는 파일럿 유로와, 전동 모터와, 상기 메인 펌프의 토출측에 접속되어, 상기 전동 모터의 출력으로 구동하는 가변 용량의 서브 펌프와, 상기 서브 펌프에 설치되고, 상기 서브 펌프의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터와, 상기 파일럿 유로에 설치되고, 상기 파일럿압을 검출하는 압력 센서와, 상기 압력 센서에 접속하고, 상기 압력 센서로부터의 압력 신호에 따라서 상기 서브 펌프의 상기 레귤레이터를 제어하고, 상기 메인 펌프의 출력을 검출해서 상기 메인 펌프의 출력에 따라서 미리 기억된 테이블에 기초하여 상기 전동 모터의 출력을 제어하는 컨트롤러를 구비하는 제어 시스템이 제공된다.

상기 형태에 따르면, 예를 들어 경작업 또는 중작업 등의 작업 상태에 대응하여, 전동 모터의 어시스트력을 제어할 수 있으므로, 경작업시에 필요 이상의 어시스트력을 발휘하는 일이 없어져, 그만큼 배터리 소비가 적어진다.

경작업시에 전동 모터의 출력을 상대적으로 작게 할 수 있으므로, 배터리의 수명을 연장시킬 수도 있다.

본 발명의 실시형태 및 본 발명의 이점에 대해서는, 첨부된 도면을 참조하면서 이하에 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시형태를 도시하는 유압 회로도이다.
도 2는 어시스트 모터의 배출 용적과 붐 실린더의 복귀 오일에 의한 압력과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 릴리프 밸브의 릴리프 유량과 붐 실린더의 복귀 오일에 의한 압력과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 컨트롤러의 제어 내용을 도시하는 흐름도이다.

도 1에 도시한 실시형태는 파워 셔블의 제어 시스템이다. 제어 시스템은 가변 용량의 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)를 구비한다. 제1 메인 펌프(MP1)에는 제1 회로 계통이 접속되고, 제2 메인 펌프(MP2)에는 제2 회로 계통이 접속된다.

제1 회로 계통에는, 상류측으로부터 순서대로, 선회 모터(RM)를 제어하는 조작 밸브(1), 도시하지 않은 아암 실린더를 제어하는 조작 밸브(2), 붐 실린더(BC)를 제어하는 조작 밸브(3), 도시하지 않은 예비용 어태치먼트를 제어하는 조작 밸브(4) 및 도시하지 않은 좌측 주행용 모터를 제어하는 조작 밸브(5)가 접속된다.

각 조작 밸브(1 내지 5)의 각각은 중립 유로(6) 및 패럴렐 통로(7)를 통해서 제1 메인 펌프(MP1)에 접속된다.

중립 유로(6)의 조작 밸브(5)의 하류측에는 파일럿압 생성 기구(8)를 설치하고 있다. 파일럿압 생성 기구(8)는 그곳을 흐르는 유량이 많으면 높은 파일럿압을 생성하고, 그 유량이 적으면 낮은 파일럿압을 생성한다.

중립 유로(6)는, 조작 밸브(1 내지 5)의 모두가 중립 위치 또는 중립 위치 근방에 있는 경우에는, 제1 메인 펌프(MP1)로부터 토출된 유체의 전부 또는 일부를 탱크(T)로 유도한다. 이 경우에는, 파일럿압 생성 기구(8)를 통과하는 유량도 많아지므로, 높은 파일럿압이 생성된다.

조작 밸브(1 내지 5)가 풀 스트로크의 상태에서 전환되면, 중립 유로(6)가 폐쇄되어서 유체의 유통이 없어진다. 이 경우에는, 파일럿압 생성 기구(8)를 흐르는 유량이 거의 없어져, 파일럿압은 제로를 유지한다.

단, 조작 밸브(1 내지 5)의 조작량에 따라서는, 펌프 토출량의 일부가 액추에이터로 유도되고, 일부가 중립 유로(6)로부터 탱크(T)로 유도되므로, 파일럿압 생성 기구(8)는 중립 유로(6)로 흐르는 유량에 따른 파일럿압을 생성한다. 환언하면, 파일럿압 생성 기구(8)는 조작 밸브(1 내지 5)의 조작량에 따른 파일럿압을 생성한다.

파일럿압 생성 기구(8)에는 파일럿 유로(9)가 접속된다. 파일럿 유로(9)는 제1 메인 펌프(MP1)의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터(10)에 접속된다. 레귤레이터(10)는 파일럿압과 역비례해서 제1 메인 펌프(MP1)의 토출량을 제어한다. 조작 밸브(1 내지 5)가 풀 스트로크해서 중립 유로(6)의 흐름이 제로가 되었을 경우, 환언하면 파일럿압 생성 기구(8)가 발생하는 파일럿압에서 제로가 되었을 경우에, 제1 메인 펌프(MP1)의 토출량이 최대로 유지된다.

파일럿 유로(9)에는 제1 압력 센서(11)가 접속된다. 제1 압력 센서(11)에서 검출한 압력 신호는 컨트롤러(C)에 입력된다.

제2 회로 계통에는, 상류측으로부터 순서대로, 도시하지 않은 우측 주행용 모터를 제어하는 조작 밸브(12), 도시하지 않은 버킷 실린더를 제어하는 조작 밸브(13), 붐 실린더(BC)를 제어하는 조작 밸브(14) 및 도시하지 않은 아암 실린더를 제어하는 조작 밸브(15)가 접속된다. 조작 밸브(14)에는, 그 조작 방향 및 조작량을 검출하는 센서(14a)가 설치된다.

각 조작 밸브(12 내지 15)는 중립 유로(16)를 통해서 제2 메인 펌프(MP2)에 접속된다. 조작 밸브(13) 및 조작 밸브(14)는 패럴렐 통로(17)를 통해서 제2 메인 펌프(MP2)에 접속된다.

중립 유로(16)의 조작 밸브(15)의 하류측에는 파일럿압 생성 기구(18)가 설치된다. 파일럿압 생성 기구(18)는 파일럿압 생성 기구(8)와 완전히 동일하게 기능한다.

파일럿압 생성 기구(18)에는 파일럿 유로(19)가 접속된다. 파일럿 유로(19)는 제2 메인 펌프(MP2)의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터(20)에 접속된다. 레귤레이터(20)는 파일럿압과 역비례해서 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량을 제어한다. 따라서, 조작 밸브(12 내지 15)를 풀 스트로크해서 중립 유로(16)의 흐름이 제로가 되었을 경우, 환언하면 파일럿압 생성 기구(18)가 발생하는 파일럿압이 제로가 된 경우에는, 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량이 최대로 유지된다.

파일럿 유로(19)에는 제2 압력 센서(21)가 접속된다. 제2 압력 센서(21)에서 검출된 압력 신호는 컨트롤러(C)에 입력된다.

제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)는 하나의 엔진(E)의 구동력으로 동축 회전한다. 엔진(E)에는 제너레이터(22)가 설치된다. 제너레이터(22)는 엔진(E)의 잉여 출력으로 회전하고, 발전한다. 제너레이터(22)가 발전한 전력은 배터리 챠저(23)를 통해서 배터리(24)에 충전된다.

배터리 챠저(23)는 통상의 가정용 전원(25)에 접속했을 경우에도, 배터리(24)에 전력을 충전할 수 있다. 즉, 배터리 챠저(23)는 다른 독립계 전원에도 접속 가능하다.

제1 회로 계통에 접속하는 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트에는, 선회 모터(RM)에 연통하는 통로(26, 27)가 접속된다. 양쪽 통로(26, 27)의 각각에는 브레이크 밸브(28, 29)가 접속된다. 조작 밸브(1)를 도시한 중립 위치에 유지하고 있는 경우에는, 액추에이터 포트가 폐쇄되어 선회 모터(RM)는 정지 상태를 유지한다.

이 상태로부터 조작 밸브(1)를 예를 들어 도면 우측 위치로 전환하면, 한쪽의 통로(26)가 제1 메인 펌프(MP1)에 접속되고, 다른쪽의 통로(27)가 탱크(T)에 연통한다. 따라서, 통로(26)로부터 압력 유체가 공급되어서 선회 모터(RM)가 회전하고, 선회 모터(RM)로부터의 복귀 유체가 통로(27)를 통해서 탱크(T)에 복귀된다.

조작 밸브(1)를 반대로 좌측 위치로 전환하면, 이번은 통로(27)에 펌프 토출 유체가 공급되고, 통로(26)가 탱크(T)에 연통하고, 선회 모터(RM)는 역회전한다.

선회 모터(RM)를 구동하고 있는 경우에는, 브레이크 밸브(28 또는 29)가 릴리프 밸브의 기능을 발휘한다. 통로(26, 27)가 설정압 이상으로 된 경우에는, 브레이크 밸브(28, 29)가 밸브 개방해서 고압측의 유체를 저압측으로 유도한다. 선회 모터(RM)가 회전하고 있는 상태에서, 조작 밸브(1)를 중립 위치로 복귀시키면, 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트가 폐쇄된다. 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트를 폐쇄되어도, 선회 모터(RM)는 그 관성 에너지로 계속해서 회전해, 선회 모터(RM)가 관성 에너지로 회전함으로써, 선회 모터(RM)가 펌프 작용을 한다. 이 경우에는, 통로(26, 27), 선회 모터(RM), 브레이크 밸브(28 또는 29)로 폐쇄 회로가 구성되고, 브레이크 밸브(28 또는 29)에 의해, 관성 에너지가 열 에너지로 변환된다.

조작 밸브(14)를 중립 위치로부터 도면 우측 위치로 전환하면, 제2 메인 펌프(MP2)로부터의 압력 유체는 통로(30)를 경유해서 붐 실린더(BC)의 피스톤측 실(31)에 공급된다. 로드측 실(32)로부터의 복귀 유체는 통로(33)를 경유해서 탱크(T)에 복귀되고, 붐 실린더(BC)는 신장한다.

반대로, 조작 밸브(14)를 도면 좌측 방향으로 전환하면, 제2 메인 펌프(MP2)로부터의 압력 유체는 통로(33)를 경유해서 붐 실린더(BC)의 로드측 실(32)에 공급된다. 피스톤측 실(31)로부터의 복귀 유체는 통로(30)를 경유해서 탱크(T)에 복귀되고, 붐 실린더(BC)는 수축한다. 조작 밸브(3)는 조작 밸브(14)와 연동해서 전환한다.

붐 실린더(BC)의 피스톤측 실(31)과 조작 밸브(14)를 연결하는 통로(30)에는, 컨트롤러(C)에 의해 개방도가 제어되는 비례 전자기 밸브(34)가 설치된다. 비례 전자기 밸브(34)는 그 노멀 상태에서 완전 개방 위치를 유지하도록 하고 있다.

다음에, 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 출력을 어시스트하는 가변 용량의 서브 펌프(SP)에 대해서 설명한다.

서브 펌프(SP)는 발전기 겸용의 전동 모터(MG)의 구동력으로 회전한다. 전동 모터(MG)의 구동력에 의해, 가변 용량의 어시스트 모터(AM)도 동축 회전한다. 전동 모터(MG)에는 인버터(I)가 접속된다. 인버터(I)에는 컨트롤러(C)가 접속되어, 컨트롤러(C)에서 전동 모터(MG)의 회전 속도 등을 제어할 수 있다.

서브 펌프(SP) 및 어시스트 모터(AM)의 틸팅각은 레귤레이터(35, 36)로 제어되고, 레귤레이터(35, 36)는 컨트롤러(C)의 출력 신호로 제어된다.

서브 펌프(SP)에는 토출 통로(37)가 접속된다. 토출 통로(37)는 제1 메인 펌프(MP1)의 토출측에 합류하는 제1 합류 통로(38)와, 제2 메인 펌프(MP2)의 토출측에 합류하는 제2 합류 통로(39)로 분기한다. 제1, 제2 합류 통로(38, 39)의 각각에는, 컨트롤러(C)의 출력 신호로 개방도가 제어되는 제1, 제2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)가 설치된다.

어시스트 모터(AM)에는 접속용 통로(42)가 접속된다. 접속용 통로(42)는 합류 통로(43) 및 체크 밸브(44, 45)를 통해서, 선회 모터(RM)에 접속한 통로(26, 27)에 접속된다. 합류 통로(43)에는 컨트롤러(C)에 의해 개폐 제어되는 전자기 전환 밸브(46)가 설치된다. 전자기 전환 밸브(46)와 체크 밸브(44, 45) 사이에는, 선회 모터(RM)의 선회시의 압력 또는 브레이크시의 압력을 검출하는 압력 센서(47)가 설치된다. 압력 센서(47)의 압력 신호는 컨트롤러(C)에 입력된다.

합류 통로(43)의, 선회 모터(RM)로부터 접속용 통로(42)로의 흐름에 대하여 전자기 전환 밸브(46)보다도 하류측으로 되는 위치에는, 안전 밸브(48)가 설치된다. 안전 밸브(48)는, 예를 들어 전자기 전환 밸브(46) 등 접속용 통로(42), 합류 통로(43) 등에 고장이 발생했을 경우에, 통로(26, 27)의 압력을 유지해서 선회 모터(RM)가 일주(逸走)하는 것을 방지한다.

붐 실린더(BC)와 비례 전자기 밸브(34) 사이에는, 접속용 통로(42)에 연통하는 통로(49)가 설치된다. 통로(49)에는 컨트롤러(C)에 의해 제어되는 전자기 개폐 밸브(50)가 설치된다.

통로(42)에는 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터(36)에 연통하는 통로(51)가 설치된다. 통로(51)에는 릴리프 밸브(52)가 설치된다. 릴리프 밸브(52)의 상류측에는 스로틀(53)이 설치된다.

통로(42)에 연통한 레귤레이터(36)는, 예를 들어 통로(42)로 유도된 붐 실린더(BC)의 복귀 오일에 의한 압력이 커지면, 도 2에 도시한 바와 같이, 그 1회전당의 배출 용적(D)을 작게 한다. 따라서, 어시스트 모터(AM)에 작용하는 토크(T)가 T=(D·P)/2π라고 하면, 레귤레이터(36)는 압력(P)이 올랐을 경우에, 배출 용적(D)을 작게 하고, 토크(T)를 전동기 흡수 토크 이하로 유지한다.

릴리프 밸브(52)는, 상류측에 스로틀(53)을 설치함으로써, 실질적으로 압력 오버라이드를 나빠지게 하고 있다. 압력 오버라이드를 실질적으로 나빠지게 한 것은, 도 3의 실선으로 나타낸 것과 같이, 릴리프 유량이 서서히 커지도록 하기 위해서이다. 즉, 접속용 통로(42)에 붐 실린더(BC)의 복귀 오일에 의한 압력이 상승했을 경우에, 릴리프 밸브(52)가 도 3의 파선으로 나타내는 것과 같이 그 릴리프 유량을 한번에 크게 하면, 붐 실린더(BC)를 위화감 없게 정지시킬 수 없게 되기 때문이다.

또한, 본 실시형태에서는, 제1, 제2 압력 센서(11, 21)의 압력 신호에 따라서 서브 펌프(SP)의 어시스트 유량을 미리 설정해 두고, 그중에서 컨트롤러(C)가, 서브 펌프(SP)의 틸팅각, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각, 전동 모터(MG)의 회전 속도 등을 어떻게 제어하면 가장 효율적인가를 판단해서 각각의 제어를 실시한다.

단, 본 실시형태의 컨트롤러(C)는 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 출력을 검출하고, 그 출력 상태로부터 경작업 상태에서 조작되고 있는지, 또는 중작업 상태에서 조작되고 있는지를 추정한다.

즉, 컨트롤러(C)는 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 토출압과 그 토출 유량으로부터 그 출력을 추정한다. 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 토출량은 그것을 도시하지 않은 유량 검출기에서 직접 계측해도 좋지만, 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 1회전당의 배출 용적과, 그때의 회전 속도로부터 추측해도 좋다.

또한, 컨트롤러(C)에는, 도 4에 도시하는 테이블이 미리 기억되어 있다. 이 테이블은 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 출력에 대응하는 어시스트 수정 계수의 데이터이다. 어시스트 수정 계수는 중작업 상태의 경우는 1로 하고, 경작업 상태의 경우는 1미만이다.

컨트롤러(C)는 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 출력을 추정하여, 그 값에 따른 어시스트 수정 계수를 특정하고, 어시스트 수정 계수를 로 패스 필터에서 필터링해서 어시스트 유량 파워 수정 지령값을 연산한다. 그리고, 컨트롤러(C)는 어시스트 유량 파워 수정 지령값에 기초하여 컨트롤러(C)는 서브 펌프(SP)를 구동하는 전동 모터(MG)의 출력을 제어한다.

굴삭 작업 등 작업 내용에 따라 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 출력이 크게 변동하므로, 로 패스 필터에 의해, 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 출력 변동을 억제해서 수정 지령을 내고, 전동 모터(MG)의 급격한 변화를 억제해서 제어한다.

제1 회로 계통의 조작 밸브(1 내지 5)가 중립 위치를 유지하고 있는 경우에는, 제1 메인 펌프(MP1)로부터 토출하는 유체의 전량이 중립 유로(6) 및 파일럿압 생성 기구(8)를 경유해서 탱크(T)에 유도된다. 제1 메인 펌프(MP1)의 토출 전량이 파일럿압 생성 기구(8)를 흐를 경우에는, 그곳에서 생성되는 파일럿압이 높아져, 파일럿 유로(9)에도 상대적으로 높은 파일럿압이 유도된다. 파일럿 유로(9)에 유도된 높은 파일럿압의 작용에 의해, 레귤레이터(10)가 동작하고, 제1 메인 펌프(MP1)의 토출량이 최소로 유지된다. 이 경우의 높은 파일럿압의 압력 신호는 제1 압력 센서(11)로부터 컨트롤러(C)에 입력된다.

제2 회로 계통의 조작 밸브(12 내지 15)가 중립 위치에 유지하고 있는 경우도, 제1 회로 계통의 경우와 마찬가지로 파일럿압 생성 기구(18)가 상대적으로 높은 파일럿압이 생성되어, 그 높은 압력이 레귤레이터(20)에 작용하고, 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량이 최소로 유지된다. 이 경우의 높은 파일럿압의 압력 신호는 제2 압력 센서(21)로부터 컨트롤러(C)에 입력된다.

제1, 제2 압력 센서(11, 21)로부터 컨트롤러(C)에 상대적으로 높은 압력 신호가 입력되면, 컨트롤러(C)는 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)가 최소 토출량을 유지하고 있는 것이라고 판정해서 레귤레이터(35, 36)를 제어하고, 서브 펌프(SP) 및 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 제로 또는 최소로 한다.

컨트롤러(C)는, 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 토출량이 최소인 취지의 신호를 수신했을 경우에, 전동 모터(MG)의 회전을 정지해도 좋고, 그 회전을 계속시켜도 좋다.

전동 모터(MG)의 회전을 멈추는 경우에는, 소비 전력을 절약할 수 있다는 효과가 있다. 전동 모터(MG)를 계속해서 회전한 경우에는, 서브 펌프(SP) 및 어시스트 모터(AM)도 계속해서 회전하므로, 서브 펌프(SP) 및 어시스트 모터(AM)의 기동시의 쇼크를 적게 할 수 있다는 효과가 있다. 어쨌든, 전동 모터(MG)를 멈출지 또는 계속해서 회전할지는 당해 건설 기계의 용도나 사용 상황에 따라서 결정된다.

상기한 상황에서 제1 회로 계통 또는 제2 회로 계통의 어느 하나의 조작 밸브를 전환하면, 그 조작량에 따라서 중립 유로(6 또는 16)를 흐르는 유량이 적어지고, 그에 따라 파일럿압 생성 기구(8 또는 18)에서 생성되는 파일럿압이 낮아진다. 파일럿압이 낮아지면, 그에 따라 제1 메인 펌프(MP1) 또는 제2 메인 펌프(MP2)는 그 틸팅각을 크게 해서 토출량을 증대시킨다.

제1 메인 펌프(MP1) 또는 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량을 증대시킬 경우에는, 컨트롤러(C)는 전동 모터(MG)를 항상 회전한 상태로 유지한다. 즉, 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 토출량이 최소인 경우에 전동 모터(MG)를 정지했을 경우에는, 컨트롤러(C)는 파일럿압이 낮아진 것을 검지하고, 전동 모터(MG)를 재기동시킨다.

이 경우, 컨트롤러(C)는 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 합계 출력을 연산하고, 그것이 기준값보다도 높은가 낮은가를 판정한다. 경작업 기준값보다도 낮으면, 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)가 경작업 상태에서 구동하고 있다고 판정하고, 중작업 기준값보다도 높으면, 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)가 중작업 상태에서 구동하고 있다고 판정하고, 경작업과 중작업의 사이는 중간 상태에서 구동하고 있다고 판정한다.

컨트롤러(C)는 각각의 작업 상태에 따른 어시스트 유량 파워 수정 지령값을 연산하고, 어시스트 유량 파워 수정 지령값에 기초하여 전동 모터(MG)의 출력을 제어한다.

따라서, 컨트롤러(C)는 중작업에 있어서 전동 모터(MG)의 지령에 수정 계수=1을 곱해서 전동 모터(MG)를 구동한다. 경작업에서는, 컨트롤러(C)는 중작업일 때보다도 작은 미리 설정한 수정 계수를 곱해서 전동 모터(MG)를 구동한다. 경작업과 중작업의 중간 영역에서는, 컨트롤러(C)는 미리 설정한 작은 수정 계수와 수정 계수=1 사이의 수정 계수를 곱해서 전동 모터(MG)를 구동한다.

컨트롤러(C)는, 제1, 제2 압력 센서(11, 21)의 압력 신호에 따라, 제1, 제2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)의 개방도를 제어하고, 서브 펌프(SP)의 토출량을 비례배분하여, 제1, 제2 회로 계통에 공급한다.

2개의 제1, 제2 압력 센서(11, 21)의 압력 신호만으로, 컨트롤러(C)가 서브 펌프(SP)의 틸팅각 및 제1, 제2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)의 개방도를 제어할 수 있으므로, 압력 센서의 수를 적게 할 수 있다.

제1 회로 계통에 접속한 선회 모터(RM)를 구동하기 위해서, 조작 밸브(1)를 좌우 중 어느 한쪽, 예를 들어 도면 우측 위치로 전환하면, 한쪽의 통로(26)가 제1 메인 펌프(MP1)에 연통하고, 다른쪽의 통로(27)가 탱크(T)에 연통하여, 선회 모터(RM)를 회전시킨다. 이 경우, 선회압은 브레이크 밸브(28)의 설정압으로 유지된다. 조작 밸브(1)를 도면 좌측 방향으로 전환하면, 다른쪽의 통로(27)가 제1 메인 펌프(MP1)에 연통하고, 한쪽의 통로(26)가 탱크(T)에 연통하여, 선회 모터(RM)를 회전시킨다. 이 경우도 선회압은 브레이크 밸브(29)의 설정압으로 유지된다.

선회 모터(RM)가 선회하고 있는 중에 조작 밸브(1)를 중립 위치로 전환하면, 통로(26, 27) 사이에서 폐쇄 회로가 구성되고, 브레이크 밸브(28 또는 29)가 폐쇄 회로의 브레이크압을 유지하여, 관성 에너지를 열 에너지로 변환한다.

압력 센서(47)는 선회압 또는 브레이크압을 검출하고, 그 압력 신호는 컨트롤러(C)에 입력된다. 컨트롤러(C)는, 선회 모터(RM)의 선회 또는 브레이크 동작에 영향을 미치지 않는 범위 내이며, 브레이크 밸브(28, 29)의 설정압보다도 낮은 압력을 검출했을 경우에, 전자기 전환 밸브(46)를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 전환한다. 전자기 전환 밸브(46)가 개방 위치로 전환되면, 선회 모터(RM)에 유도된 압력 유체는 합류 통로(43)로 흘러, 안전 밸브(48) 및 접속용 통로(42)를 경유해서 어시스트 모터(AM)에 공급된다.

컨트롤러(C)는, 압력 센서(47)로부터의 압력 신호에 따라, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 제어한다. 그것은 다음과 같다.

통로(26 또는 27)의 압력은 선회 동작 또는 브레이크 동작에 필요한 압력으로 유지되어 있지 않으면, 선회 모터(RM)를 선회시키거나, 또는 브레이크를 걸거나 할 수 없다.

따라서, 통로(26 또는 27)의 압력을 선회압 또는 브레이크압으로 유지하기 위해서, 컨트롤러(C)는 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 제어하면서, 선회 모터(RM)의 부하를 제어한다. 즉, 컨트롤러(C)는 압력 센서(47)로 검출되는 압력이 선회 모터(RM)의 선회압 또는 브레이크압과 대략 동등해지도록, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 제어한다.

어시스트 모터(AM)가 회전력을 얻으면, 그 회전력은 동축 회전하는 전동 모터(MG)에 작용한다. 어시스트 모터(AM)의 회전력은 전동 모터(MG)에 대한 어시스트력으로서 작용한다. 따라서, 어시스트 모터(AM)의 회전력의 분만큼, 전동 모터(MG)의 소비 전력을 적게 할 수 있다.

어시스트 모터(AM)의 회전력에 의해 서브 펌프(SP)의 회전력을 어시스트할 수도 있다. 이 경우, 어시스트 모터(AM)와 서브 펌프(SP)가 서로 어울려 압력 변환 기능을 발휘한다.

즉, 접속용 통로(42)에 유입하는 유체압은 펌프 토출압보다도 반드시 낮다. 이 낮은 압력을 이용해서 서브 펌프(SP)에 높은 토출압을 유지시키기 위해서, 어시스트 모터(AM) 및 서브 펌프(SP)에 의해 증압 기능을 발휘시킨다.

즉, 어시스트 모터(AM)의 출력은 1회전당의 배출 용적(Q1)과 그때의 압력(P1)의 곱으로 결정된다. 서브 펌프(SP)의 출력은 1회전당의 배출 용적(Q2)과 토출압(P2)의 곱으로 결정된다. 본 실시형태에서는, 어시스트 모터(AM)와 서브 펌프(SP)가 동축 회전하므로, Q1×P1=Q2×P2가 성립하지 않으면 안된다. 따라서, 예를 들어, 어시스트 모터(AM)의 상기 배출 용적(Q1)을 서브 펌프(SP)의 배출 용적(Q2)의 3배 즉 Q1=3Q2로 했다고 하면, 상기 등식이 3Q2×P1=Q2×P2로 된다. 이 식으로부터 양변을 Q2로 나누면, 3P1=P2가 성립한다.

따라서, 서브 펌프(SP)의 틸팅각을 바꾸고, 배출 용적(Q2)을 제어하면, 어시스트 모터(AM)의 출력으로, 서브 펌프(SP)에 소정의 토출압을 유지시킬 수 있다. 환언하면, 선회 모터(RM)로부터의 유체압을 증압해서 서브 펌프(SP)로부터 토출시킬 수 있다.

단, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각은 통로(26, 27)의 압력을 선회압 또는 브레이크압으로 유지하도록 제어된다. 따라서, 선회 모터(RM)로부터의 유체를 이용할 경우에는, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각은 필연적으로 결정된다. 어시스트 모터(AM)의 틸팅각이 정해진 가운데, 압력 변환 기능을 발휘시키기 위해서는, 서브 펌프(SP)의 틸팅각을 제어한다.

접속용 통로(42), 합류 통로(43) 등의 압력이 어떠한 원인으로, 선회압 또는 브레이크압보다도 낮아진 경우에는, 압력 센서(47)로부터의 압력 신호에 기초하여, 컨트롤러(C)는 전자기 전환 밸브(46)를 폐쇄하여, 선회 모터(RM)에 영향을 미치지 않도록 한다.

접속용 통로(42)에 유체의 누설이 발생한 경우에는, 안전 밸브(48)가 기능해 통로(26, 27)의 압력이 필요 이상으로 낮아지지 않도록 하여, 선회 모터(RM)의 일주를 방지한다.

다음에, 조작 밸브(14) 및 그에 연동해서 제1 회로 계통의 조작 밸브(3)를 전환하고, 붐 실린더(BC)를 제어하는 경우에 대해서 설명한다.

붐 실린더(BC)를 작동시키기 위해서, 조작 밸브(14) 및 그것에 연동하는 조작 밸브(3)를 전환하면, 센서(14a)에 의해, 조작 밸브(14)의 조작 방향과 그 조작량이 검출된다. 조작 신호는 컨트롤러(C)에 입력된다.

센서(14a)의 조작 신호에 따라, 컨트롤러(C)는 오퍼레이터가 붐 실린더(BC)를 상승시키려고 하고 있는지, 또는 하강시키려고 하고 있는 것인지를 판정한다. 붐 실린더(BC)를 상승시키기 위한 신호가 컨트롤러(C)에 입력되면, 컨트롤러(C)는 비례 전자기 밸브(34)를 노멀 상태로 유지한다. 환언하면, 비례 전자기 밸브(34)를 완전 개방 위치로 유지한다. 이 경우에는, 서브 펌프(SP)로부터 소정의 토출량이 확보되도록, 컨트롤러(C)는 전자기 개폐 밸브(50)를 도시한 폐쇄 위치로 유지하고, 전동 모터(MG)의 회전 속도나 서브 펌프(SP)의 틸팅각을 제어한다.

붐 실린더(BC)를 하강시키는 신호가 센서(14a)로부터 컨트롤러(C)에 입력되면, 컨트롤러(C)는, 조작 밸브(14)의 조작량에 따라, 오퍼레이터가 구하고 있는 붐 실린더(BC)의 하강 속도를 연산하고, 비례 전자기 밸브(34)를 폐쇄하고, 전자기 개폐 밸브(50)를 개방 위치로 전환한다.

비례 전자기 밸브(34)를 폐쇄하고 전자기 개폐 밸브(50)를 개방 위치로 전환하면, 붐 실린더(BC)의 복귀 유체의 전체량이 어시스트 모터(AM)에 공급된다. 그러나, 어시스트 모터(AM)에서 소비하는 유량이 오퍼레이터가 구한 하강 속도를 유지하기 위해서 필요한 유량보다도 적으면, 붐 실린더(BC)는 오퍼레이터가 구한 하강 속도를 유지할 수 없다. 이 경우에는, 컨트롤러(C)는 조작 밸브(14)의 조작량, 어시스트 모터(AM)의 틸팅각이나 전동 모터(MG)의 회전 속도 등을 기초로 하여, 어시스트 모터(AM)가 소비하는 유량 이상의 유량을 탱크(T)에 복귀시키도록 비례 전자기 밸브(34)의 개방도를 제어하고, 오퍼레이터가 구하는 붐 실린더(BC)의 하강 속도를 유지한다.

어시스트 모터(AM)에 유체가 공급되면, 어시스트 모터(AM)가 회전한다. 어시스트 모터(AM)의 회전력은 동축 회전하는 전동 모터(MG)에 작용한다. 어시스트 모터(AM)의 회전력은 전동 모터(MG)에 대한 어시스트력으로서 작용한다. 따라서, 어시스트 모터(AM)의 회전력의 분만큼, 소비 전력을 적게 할 수 있다.

전동 모터(MG)에 대하여 전력을 공급하지 않고, 어시스트 모터(AM)의 회전력만으로, 서브 펌프(SP)를 회전시킬 수도 있다. 이 경우에는, 어시스트 모터(AM) 및 서브 펌프(SP)가 압력 변환 기능을 발휘한다.

전자기 개폐 밸브(50)를 개방 위치로 전환한 상태에서, 오퍼레이터가 붐 실린더(BC)의 하강을 급정지시키기 위해서, 조작 밸브(3, 14)를 급격하게 중립 위치로 복귀시키면, 전자기 개폐 밸브(50)를 추종할 수 없어 전환 지연이 발생하는 일이 있다.

전자기 개폐 밸브(50)에 전환 지연이 발생하면, 붐 실린더(BC)의 복귀 오일의 대부분 접속용 통로(42)로 유입된다. 복귀 오일의 압력은 레귤레이터(36)에 작용하므로, 어시스트 모터(AM)의 1회전당의 배출 용적을 작게 하여, 그 토크를 전동 모터(MG)의 흡수 토크 이내로 억제할 수 있다.

어시스트 모터(AM)의 토크가 전동 모터(MG)의 흡수 토크 이내로 억제되기 때문에, 붐 실린더(BC)의 압력이 상승하고, 브레이크 작용이 증대하기 때문에 일주하지 않는다. 제동 거리를 짧게 할 수 있고, 오퍼레이터의 조작에 위화감을 부여하는 일이 없어진다.

어시스트 모터(AM)가 그 배출 용적을 내릴때 까지 다소의 시간이 걸릴 경우가 있고, 이 경우에는, 접속용 통로(42)의 압력이 다소 상승한다. 그러나, 릴리프 밸브(52)를 동시에 릴리프 기능을 발휘할 수 있게 설정하고 있기 때문에, 전자기 개폐 밸브(50)의 전환 지연에 의해, 어시스트 모터(AM)의 토크가 발전기의 흡수 토크 이상으로는 되지 않는다.

게다가, 릴리프 밸브(52)는 스로틀(53)에 의해 실질적으로 압력 오버라이드가 나쁘게 되어 있으므로, 붐 실린더(BC)에 대해서는 쇼크 없이 제동력을 크게 할 수 있다.

다음에, 선회 모터(RM)의 선회 작동과 붐 실린더(BC)의 하강 작동을 동시에 행할 경우에 대해서 설명한다.

선회 모터(RM)를 선회시키면서, 붐 실린더(BC)를 하강시키는 경우에는, 선회 모터(RM)로부터의 유체와, 붐 실린더(BC)로부터의 복귀 유체가 접속용 통로(42)에서 합류해서 어시스트 모터(AM)에 공급된다.

접속용 통로(42)의 압력이 상승하면, 그에 따라 합류 통로(43)측의 압력도 상승한다. 그 압력이 선회 모터(RM)의 선회압 또는 브레이크압보다도 높아졌다고 하더라도, 체크 밸브(44, 45)가 있으므로, 선회 모터(RM)에는 영향을 미치지 않는다.

접속용 통로(42)측의 압력이 선회압 또는 브레이크압보다도 낮아지면, 컨트롤러(C)는 압력 센서(47)로부터의 압력 신호에 기초하여 전자기 전환 밸브(46)를 폐쇄한다.

따라서, 선회 모터(RM)의 선회 동작과 붐 실린더(BC)의 하강 동작을 동시에 행하는 경우에는, 선회압 또는 브레이크압에 관계 없이, 붐 실린더(BC)의 필요 하강 속도를 기준으로 해서 어시스트 모터(AM)의 틸팅각을 정하면 좋다.

어떻든, 어시스트 모터(AM)의 출력으로, 서브 펌프(SP)의 출력을 어시스트할 수 있고, 서브 펌프(SP)로부터 토출된 유량을 제1, 제2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)에서 비례배분하여, 제1, 제2 회로 계통에 공급할 수 있다.

어시스트 모터(AM)를 구동원으로하여 전동 모터(MG)를 발전기로서 사용할 경우에는, 서브 펌프(SP)의 틸팅각을 제로로 해서 거의 무부하 상태로 하고, 어시스트 모터(AM)에는, 전동 모터(MG)를 회전시키기 위해서 필요한 출력을 유지해 두면, 어시스트 모터(AM)의 출력을 이용하여, 전동 모터(MG)에 발전 기능을 발휘시킬 수 있다.

본 실시형태에서는, 엔진(E)의 출력을 이용해서 제너레이터(22)로 발전하거나, 어시스트 모터(AM)를 이용해서 전동 모터(MG)에 발전시키거나 할 수 있다. 발전한 전력은 배터리(24)에 축전된다. 그러나, 본 실시형태에서는 가정용의 전원(25)을 이용해서 배터리(24)에 축전할 수 있도록 하고 있으므로, 전동 모터(MG)의 전력을 다방면에 걸쳐서 조달할 수 있다.

본 실시형태에서는, 선회 모터(RM)나 붐 실린더(BC)로부터의 유체를 이용해서 어시스트 모터(AM)를 회전시키고, 어시스트 모터(AM)의 출력으로 서브 펌프(SP)나 전동 모터(MG)를 어시스트할 수 있으므로, 회생 동력을 이용하기까지의 사이의 에너지 로스가 최소한으로 억제된다.

경작업 상태로부터 중작업 상태에 따라 전동 모터(MG)의 출력을 제어할 수 있으므로, 특히 땅고르기 등의 경작업에서는, 전동 모터(MG)의 출력을 상대적으로 작게 할 수 있다. 따라서, 배터리 소비가 작아져, 소비 전력이 적어진 만큼, 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.

경우에 따라서는, 탑재하는 배터리의 축전 용량을 작게 하고, 배터리를 소형화할 수도 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만, 상기 실시형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시형태의 구체적으로 한정하는 취지가 아니다.

본원은 일본 특허청에 2010년 2월 12일에 출원된 일본 특허 출원 제2010-29345호 및 2010년 3월 26일에 출원된 일본 특허 출원 제2010-72560호에 기초하여 우선권을 주장하고, 이들 출원의 모든 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.

파워 셔블 등의 하이브리드 건설 기계에 이용 가능하다.

Claims

하이브리드 건설 기계의 제어 시스템이며,
가변 용량의 메인 펌프와,
상기 메인 펌프에 접속되어, 복수의 조작 밸브를 갖는 회로 계통과,
상기 메인 펌프의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터와,
상기 회로 계통에 설치되고, 상기 복수의 조작 밸브의 어느 하나를 전환 조작했을 경우에 발생하는 파일럿압을 상기 레귤레이터로 유도하는 파일럿 유로와,
전동 모터와,
상기 메인 펌프의 토출측에 접속되어, 상기 전동 모터의 출력으로 구동하는 가변 용량의 서브 펌프와,
상기 서브 펌프에 설치되고, 상기 서브 펌프의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터와,
상기 파일럿 유로에 설치되고, 상기 파일럿압을 검출하는 압력 센서와,
상기 압력 센서에 접속하고, 상기 압력 센서로부터의 압력 신호에 따라서 상기 서브 펌프의 상기 레귤레이터를 제어하고, 상기 메인 펌프의 출력을 검출하고, 검출된 상기 메인 펌프의 출력에 기초하여 중작업과 경작업을 판정하고, 중작업으로 판정된 경우에는 경작업으로 판정된 경우보다 크게 출력 제어값을 설정하고, 설정된 상기 출력 제어값에 기초하여 상기 전동 모터의 출력을 제어하는 컨트롤러를 구비하는, 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 출력 제어값을 필터링하고, 상기 필터링된 상기 출력 제어값에 기초하여 상기 전동 모터의 출력을 제어하는, 제어 시스템.
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