KR101686004B1 - 하이브리드 작업 기계 및 하이브리드 작업 기계의 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 작업 기계 및 하이브리드 작업 기계의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

내연 기관의 구동축에 연결된 발전 전동기와, 적어도 상기 발전 전동기가 발전한 전력을 축전하는 축전기와, 상기 발전 전동기가 발전한 전력 및 상기 축전기가 축장하고 있는 전력 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 전동기와, 복수의 스위칭 소자를 가지는 브리지 회로를 2조 구비하고, 또한 상기 발전 전동기 및 상기 전동기와 상기 축전기와의 사이에 설치되는 승압기(昇壓器)와, 상기 발전 전동기 및 상기 전동기의 양쪽에 대한 서보 제어가 오프(OFF)인 대기 시에는, 각각의 상기 브리지 회로가 출력하는 전압의 위상차를 0으로 하는 승압기 제어부를 포함하는, 하이브리드 작업 기계.

Description

하이브리드 작업 기계 및 하이브리드 작업 기계의 제어 방법{HYBRID WORK EQUIPMENT, AND CONTROL METHOD FOR HYBRID WORK EQUIPMENT}
본 발명은, 내연 기관과, 발전 전동기와, 축전기와, 발전 전동기와, 축전기 중 적어도 한쪽으로부터의 전력을 받아 구동하는 전동기를 구비한 하이브리드 작업 기계 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
엔진에 의해 발전 전동기를 구동하고, 그 발전 전동기가 발전한 전력으로 전동기를 구동하여 작업기 등을 동작시키는 하이브리드 작업 기계가 있다. 하이브리드 작업 기계는, 예를 들면, 발전 전동기 및 전동기와, 커패시터 또는 배터리 등의 축전기와의 사이에 승압기(昇壓器)를 설치하고, 이 승압기를 통하여, 발전 전동기 및 전동기와 축전기와의 사이에서 전력을 교환하는 것이 있다. 특허 문헌 1에는, 배터리의 전압을 DC―DC 컨버터에 의해 변압하여, 전동기를 구동하는 인버터에 공급하는 기술이 기재되어 있다.
일본 공개특허 제2005―168167호 공보
그런데, 하이브리드 작업 기계는, 발전 전동기가 발전 및 역행(力行)하지 않고, 또한 전동기가 정지하고 있는 상태, 즉 발전 전동기 및 전동기가, 모두 서보 제어가 오프(OFF)로 되어 있는 상태가 있다. 이와 같은 경우, 승압기에 손실이 있으면, 축전기의 전력이 승압기에 의해 소비되어 축전기의 전압 저하를 초래한다. 그러면, 엔진에 의해 발전 전동기에 발전시켜 축전기를 충전하지만, 축전기를 충전하기 위해 엔진의 동력이 소비되므로, 그만큼 연료를 소비한다. 그러므로, 승압기를 구비한 하이브리드 작업 기계는, 발전 전동기 및 전동기가, 모두 서보 제어가 오프로 되어 있는 상태에 있어서, 승압기의 손실을 억제하는 것이 요구된다. 특허 문헌 1에는, 이와 같은 점에 대해서는 기재도 시사도 없어, 개선의 여지가 있다.
본 발명은, 하이브리드 작업 기계에 있어서, 발전 전동기 및 전동기가, 모두 서보 제어가 오프로 되어 있는 상태에서의 승압기의 손실을 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 내연 기관의 구동축에 연결된 발전 전동기와, 적어도 상기 발전 전동기가 발전한 전력을 축전하는 축전기와, 상기 발전 전동기가 발전한 전력 및 상기 축전기가 축전하고 있는 전력 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 전동기와, 복수의 스위칭 소자를 가지는 브리지 회로를 2조(組) 구비하고, 또한 상기 발전 전동기 및 상기 전동기와 상기 축전기와의 사이에 설치되는 승압기와, 상기 발전 전동기 및 상기 전동기의 양쪽에 대한 서보 제어가 오프인 대기 시에는, 각각의 상기 브리지 회로가 출력하는 전압의 위상차를 0으로 하는 승압기 제어부를 포함하는, 하이브리드 작업 기계이다.
상기 2조의 브리지 회로는 트랜스에 의해 결합되어 있고, 상기 승압기 제어부는, 상기 대기 시에 있어서, 상기 축전기가 출력하는 전압을 K배로 한 값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 경우에는, 상기 승압기가 출력하는 전압의 값과 상기 소정의 임계값과의 차이가 0으로 되도록 상기 위상차를 제어하는 것이 바람직하다. K는, 상기 트랜스의 승압비(昇壓比)이다.
본 발명은, 내연 기관의 출력축에 연결된 발전 전동기와, 상기 발전 전동기가 발전한 전력을 축전하는 축전기와, 상기 발전 전동기가 발전한 전력과 상기 축전기가 축전하고 있는 전력 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 전동기와, 복수의 스위칭 소자를 가지는 2조의 브리지 회로를 트랜스에 의해 결합한 트랜스 결합형의 DC―DC 컨버터이며, 상기 발전 전동기 및 상기 전동기와 상기 축전기와의 사이에 설치되는 승압기와, 상기 발전 전동기 및 상기 전동기의 양쪽에 대한 서보 제어가 오프인 대기 시에는, 각각의 상기 브리지 회로가 출력하는 전압의 위상차를 0으로 하고, 상기 대기 시에 있어서, 상기 축전기가 출력하는 전압을 K배로 한 값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 경우에는, 상기 승압기가 출력하는 전압의 값과 상기 소정의 임계값과의 차이가 0으로 되도록 상기 위상차를 제어하는 승압기 제어부를 포함하는, 하이브리드 작업 기계이다. K는, 승압기가 가지는 2조의 브리지 회로를 결합하는 트랜스의 승압비이다.
본 발명은, 내연 기관의 구동축에 연결된 발전 전동기와, 상기 발전 전동기가 발전한 전력을 적어도 축전하는 축전기와, 상기 발전 전동기가 발전한 전력 및 상기 축전기가 축전하고 있는 전력 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 전동기와, 복수의 스위칭 소자를 가지는 브리지 회로를 2조 구비하고, 또한 상기 발전 전동기 및 상기 전동기와 상기 축전기와의 사이에 설치되는 승압기를 포함하는 하이브리드 작업 기계를 제어하는 데 있어서, 상기 발전 전동기 및 상기 전동기 상태를 판정하는 수순과, 상기 발전 전동기 및 상기 전동기의 양쪽에 대한 서보 제어가 오프인 경우에는, 각각의 상기 브리지 회로가 출력하는 전압의 위상차를 0으로 하는 수순을 포함하는, 하이브리드 작업 기계의 제어 방법이다.
상기 2조의 브리지 회로는 트랜스에 의해 결합되어 있고, 상기 발전 전동기 및 상기 전동기의 양쪽에 대한 서보 제어가 오프인 경우에, 상기 축전기가 출력하는 전압을 K배로 한 값이 소정의 임계값 이상으로 되면, 상기 승압기가 출력하는 전압의 값과 상기 소정의 임계값과의 차이가 0으로 되도록 상기 위상차를 제어하는 것이 바람직하다. K는, 상기 트랜스의 승압비이다.
본 발명은, 하이브리드 작업 기계에 있어서, 발전 전동기 및 전동기가, 모두 서보 제어가 오프로 되어 있는 상태에서의 승압기의 손실을 억제할 수 있다.
도 1은, 하이브리드 작업 기계의 일례인 하이브리드 유압 셔블(hydraulic excavator)을 나타낸 사시도이다.
도 2는, 도 1에 나타낸 하이브리드 유압 셔블의 장치 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은, 승압기로서의 트랜스 결합형 승압기를 나타낸 도면이다.
도 4는, 승압기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 승압기의 출력 파워와 위상차와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6은, 하이브리드 컨트롤러가 가지는 승압기 제어부 및 승압기를 나타낸 도면이다.
도 7은, 본 실시형태에 관한 하이브리드 작업 기계의 제어 방법의 수순을 나타낸 플로우차트이다.
본 발명을 실시하기 위한 형태(실시형태)에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은, 하이브리드 작업 기계의 일례인 하이브리드 유압 셔블(1)을 나타낸 사시도이다. 도 2는, 도 1에 나타낸 하이브리드 유압 셔블(1)의 장치 구성을 나타낸 블록도이다. 그리고, 하이브리드는 아닌, 단순한 작업 기계의 개념에는, 유압 셔블, 불도저(bulldozer), 덤프 트럭 또는 휠 로더(wheel loader) 등의 건설 기계를 포함하고, 이들 건설 기계에 하이브리드 특유의 구성을 구비한 것을 하이브리드 작업 기계로 한다.
(하이브리드 유압 셔블)
하이브리드 작업 기계로서의 하이브리드 유압 셔블(1)은, 차량 본체(2)와 작업기(3)를 구비하고 있다. 차량 본체(2)는, 하부 주행체(4)와 상부 선회체(旋回體)(5)를 가진다. 하부 주행체(4)는, 한 쌍의 주행 장치(4a)를 가진다. 각각의 주행 장치(4a)는, 각각 크롤러 트랙(crawler track)(4b)을 가진다. 각각의 주행 장치(4a)는, 도 2에 나타낸 우측 주행용 유압(油壓) 모터(34)와 좌측 주행용 유압 모터(35)의 회전 구동에 의해 크롤러 트랙(4b)을 구동시켜 하이브리드 유압 셔블(1)을 주행시키는 것이다.
상부 선회체(5)는, 하부 주행체(4)의 상부에 설치된다. 상부 선회체(5)는, 하부 주행체(4)에 대하여 선회(旋回)한다. 상부 선회체(5)는, 자체를 선회시키기 위해, 전동기로서의 선회 모터(23)를 구비하고 있다. 선회 모터(23)는, 스윙 머시너리(swing mechinery)(24)(감속기)의 구동축에 연결되어 있다. 선회 모터(23)의 회전력은, 스윙 머시너리(24)를 통하여 전달되고, 전달된 회전력이, 도시하지 않은 선회 피니언 및 스윙 써클(swing circle) 등을 통하여 상부 선회체(5)에 전해져, 상부 선회체(5)를 선회시킨다.
상부 선회체(5)에는, 운전실(6)이 설치된다. 또한, 상부 선회체(5)는, 연료 탱크(7)와 작동유 탱크(8)와 엔진실(9)과 카운터웨이트(counterweight)(10)를 가진다. 연료 탱크(7)는, 내연 기관으로서의 엔진(17)을 구동시키기 위한 연료를 축전하고 있다. 작동유 탱크(8)는, 붐(boom)용 유압 실린더(14), 암(arm)용 유압 실린더(15) 및 버킷(bucket)용 유압 실린더(16) 등의 유압 실린더 및 우측 주행용 유압 모터(34) 및 좌측 주행용 유압 모터(35) 등의 유압 모터(유압 액추에이터)라는 유압 기기(機器)에 대하여, 유압 펌프(18)로부터 토출(吐出)되는 작동유를 축전하고 있다. 엔진실(9)에는, 엔진(17), 유압 펌프(18), 발전 전동기(19) 및 축전기로서의 커패시터(25) 등의 각종 기기가 수납되어 있다. 카운터웨이트(10)는, 엔진실(9)의 후방에 배치된다.
작업기(3)는, 상부 선회체(5)의 앞부분 중앙 위치에 장착되고, 붐(11), 암(12), 버킷(13), 붐용 유압 실린더(14), 암용 유압 실린더(15) 및 버킷용 유압 실린더(16)를 가진다. 붐(11)의 기단부(基端部)는, 상부 선회체(5)에 요동(搖動) 가능하게 연결된다. 또한, 붐(11)의 기단부의 반대측으로 되는 선단부는, 암(12)의 기단부에 회전 가능하게 연결된다. 암(12)의 기단부의 반대측으로 되는 선단부에는, 버킷(13)이 회전 가능하게 연결된다. 또한, 버킷(13)은, 버킷용 유압 실린더(16)와 링크를 통하여 연결되어 있다. 붐용 유압 실린더(14), 암용 유압 실린더(15) 및 버킷용 유압 실린더(16)는, 유압 펌프(18)로부터 토출된 작동유에 의해 신축(伸縮) 동작하는 유압 실린더(유압 액추에이터)이다. 붐용 유압 실린더(14)는, 붐(11)을 요동시킨다. 암용 유압 실린더(15)는, 암(12)을 요동 동작시킨다. 버킷용 유압 실린더(16)는, 버킷(13)을 요동시킨다.
도 2에 있어서, 하이브리드 유압 셔블(1)은, 구동원으로서의 엔진(17), 유압 펌프(18) 및 발전 전동기(19)를 가진다. 엔진(17)으로서 디젤 엔진이 사용되고, 유압 펌프(18)로서 가변(可變) 용량형 유압 펌프가 사용된다. 유압 펌프(18)는, 예를 들면, 경사판(18a)의 경전각(傾轉角)을 변화시킴으로써 펌프 용량을 변화시키는 경사판식 유압 펌프이지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 엔진(17)에는, 엔진(17)의 회전 속도(단위 시간당의 회전수)를 검출하기 위한 회전 센서(41)가 구비되어 있다. 회전 센서(41)가 검출한 엔진(17)의 회전 속도(기관 회전 속도)를 나타내는 신호는, 하이브리드 컨트롤러(C2)에 입력된다. 회전 센서(41)는, 도시하지 않은 배터리로부터의 전력을 받아 동작하고, 후술하는 키스위치(31)가 온(ON) 또는 스타트(ST)의 위치로 조작되고 있는 한 엔진(17)의 엔진 회전 속도를 검출한다.
엔진(17)의 구동축(20)에는, 유압 펌프(18) 및 발전 전동기(19)가 기계적으로 연결되어 있고, 엔진(17)이 구동됨으로써, 유압 펌프(18) 및 발전 전동기(19)가 구동된다. 유압 구동계로서는, 조작 밸브(33), 붐용 유압 실린더(14), 암용 유압 실린더(15), 버킷용 유압 실린더(16), 우측 주행용 유압 모터(34) 및 좌측 주행용 유압 모터(35) 등을 가지고, 유압 펌프(18)가 유압 구동계로의 작동유 공급원으로 되어 이들 유압 기기를 구동시킨다. 그리고, 조작 밸브(33)는, 유량(流量) 방향 제어 밸브이며, 조작 레버(32)의 조작 방향을 따라 도시하지 않은 스풀(spool)을 이동시켜, 각각의 유압 액추에이터로의 작동유의 흐름 방향을 규제하고, 조작 레버(32)의 조작량에 따른 작동유를, 붐용 유압 실린더(14), 암용 유압 실린더(15), 버킷용 유압 실린더(16), 우측 주행용 유압 모터(34) 또는 좌측 주행용 유압 모터(35) 등의 유압 액추에이터에 공급하는 것이다. 또한, 엔진(17)의 출력은, PTO(Power Take Off)축을 통하여 발전 전동기(19)에 전달되는 것이라도 된다.
전기 구동계는, 발전 전동기(19)에 파워 케이블을 통하여 접속되는 제1 인버터(21)와, 제1 인버터(21)에 와이어링 하네스(wiring harness)를 통하여 접속되는 제2 인버터(22)와, 제1 인버터(21)와 제2 인버터(22)와의 사이에, 와이어링 하네스를 통하여 설치되는 승압기(26)와, 승압기(26)에 콘택터(27)[전자(電磁) 접촉기]를 통하여 접속되는 커패시터(25)와, 제2 인버터(22)에 파워 케이블을 통하여 접속되는 선회 모터(23) 등을 포함한다. 그리고, 콘택터(27)는, 통상은 커패시터(25)와 승압기(26)와의 전기 회로를 폐쇄하여 통전 상태로 하고 있다. 한편, 하이브리드 컨트롤러(C2)는, 누전 검출 등에 의해 전기 회로를 개방할 필요가 있는 것으로 판단하도록 되어 있고, 하이브리드 컨트롤러(C2)가 그 판단을 했을 때, 콘택터(27)에 통전 가능 상태를 차단 상태로 전환하기 위한 지시 신호를 출력한다. 그리고, 하이브리드 컨트롤러(C2)로부터 지시 신호를 받은 콘택터(27)는 전기 회로를 개방한다.
선회 모터(23)는, 전술한 바와 같이 기계적으로 스윙 머시너리(24)에 연결하고 있다. 발전 전동기(19)가 발전한 전력 및 커패시터(25)에 축전된 전력 중 적어도 한쪽이 선회 모터(23)를 구동시키는 전력으로 된다. 선회 모터(23)는, 발전 전동기(19)와 커패시터(25) 중 적어도 한쪽으로부터 공급되는 전력으로 구동되어 역행 동작함으로써 상부 선회체(5)를 선회시킨다. 또한, 선회 모터(23)는, 상부 선회체(5)가 선회 감속할 때 회생 동작하고, 그 회생 동작에 의해 발전된 전력(회생 에너지)을 커패시터(25)에 공급(충전)한다. 그리고, 선회 모터(23)에는, 선회 모터(23)의 회전 속도(선회 모터 회전 속도)를 검출하는 회전 센서(55)가 구비하고 있다. 회전 센서(55)는, 역행 동작(선회 가속) 또는 회생 동작(선회 감속) 시에서의 선회 모터(23)의 회전 속도를 계측할 수 있다. 회전 센서(55)에 의해 계측된 회전 속도를 나타내는 신호는, 하이브리드 컨트롤러(C2)에 입력된다. 회전 센서(55)는, 예를 들면, 리졸버(resolver)를 사용할 수 있다.
발전 전동기(19)는, 발전한 전력을 커패시터(25)에 공급(충전)하는 동시에 상황에 따라서 선회 모터(23)에 전력을 공급한다. 발전 전동기(19)는, 엔진(17)의 출력이 부족한 경우에는 전동기로서 기능하고, 엔진(17)의 출력을 어시스트한다. 발전 전동기(19)로서는, 예를 들면, SR[스위치드 릴럭턴스(switched reluctance)] 모터가 사용된다. 그리고, SR 모터가 아니고, 영구 자석을 사용한 동기(同期) 전동기를 사용해도 커패시터(25) 및 선회 모터(23) 중 적어도 한쪽에 전력을 공급하는 역할을 행할 수 있다. 발전 전동기(19)에 SR 모터를 사용한 경우, SR 모터는 고가의 희소(稀少) 금속을 포함하는 자석을 이용하지 않기 때문에, 비용의 면에서 유효하다. 발전 전동기(19)는, 로터축(rotor shaft)이 엔진(17)의 구동축(20)에 기계적으로 결합되어 있다. 이와 같은 구조에 의해, 발전 전동기(19)는, 엔진(17)의 구동에 의해 발전 전동기(19)의 로터축이 회전하여, 발전하게 된다. 또한, 발전 전동기(19)의 로터축에는 회전 센서(54)가 장착되어 있다. 회전 센서(54)는, 발전 전동기(19)의 회전 속도를 계측하고, 회전 센서(54)에 의해 계측된 회전 속도를 나타내는 신호는, 하이브리드 컨트롤러(C2)에 입력된다. 회전 센서(54)는, 예를 들면, 리졸버를 사용할 수 있다.
승압기(26)는, 발전 전동기(19) 및 선회 모터(23)와 커패시터(25)와의 사이에 설치된다. 승압기(26)는, 제1 인버터(21) 또는 제2 인버터(22)를 통하여 발전 전동기(19) 또는 선회 모터(23)에 공급되는 전력[커패시터(25)에 축전된 전하]의 전압을 승압한다. 승압된 전압은, 선회 모터(23)를 역행 동작(선회 가속)시킬 때는 선회 모터(23)에 인가되고, 엔진(17)의 출력을 어시스트할 때는 발전 전동기(19)에 인가된다. 그리고, 승압기(26)는, 발전 전동기(19) 또는 선회 모터(23)에 의해 발전된 전력을 커패시터(25)에 충전할 때는, 전압을 하강[강압(降壓)]시키는 역할도 가진다. 승압기(26)와 제1 인버터(21) 및 제2 인버터(22)와의 사이의 와이어링 하네스에, 승압기(26)에 의해 승압된 전압의 크기 또는 선회 모터(23)의 회생에 의해 생성된 전력의 전압의 크기를 계측하기 위한 전압 검출 센서로서, 승압기 전압 검출 센서(53)가 장착되어 있다. 승압기 전압 검출 센서(53)에 의해 계측된 전압을 나타내는 신호는, 하이브리드 컨트롤러(C2)에 입력된다.
본 실시형태에 있어서, 승압기(26)는, 입력된 직류 전력을 승압 또는 강압시켜, 직류 전력으로서 출력하는 기능을 가지고 있다. 이와 같은 기능을 가지고 있으면, 승압기(26)의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다. 본 실시형태에 있어서는, 예를 들면, 승압기(26)에, 트랜스와 2개의 인버터를 조합한 트랜스 결합형 승압기라는 승압기를 사용하고 있다. 이와 같은 승압기로서는, 예를 들면, AC 링크 양 방향 DC―DC 컨버터가 있다. 다음에, 트랜스 결합형 승압기에 대하여 간단하게 설명한다.
도 3은, 승압기로서의 트랜스 결합형 승압기를 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 인버터(21)와 제2 인버터(22)가 와이어링 하네스로서의 플러스극 라인(60)과 마이너스극 라인(61)을 통하여 접속된다. 승압기(26)는, 플러스극 라인(60)과 마이너스극 라인(61)과의 사이에 접속되어 있다. 승압기(26)는, 2개의 인버터로서의 1차측 인버터인 저압측 인버터(62)와 2차측 인버터인 고압측 인버터(63)를, 트랜스(64)에 의해 AC(Alternating Current) 링크시켜, 결합하고 있다. 이와 같이, 승압기(26)는, 트랜스 결합형 승압기다. 다음의 설명에서는, 트랜스(64)의 저압측 코일(65)과 고압측 코일(66)과의 권선비는 1 대 1로 해 둔다.
저압측 인버터(62)와 고압측 인버터(63)는, 저압측 인버터(62)의 플러스극과 고압측 인버터(63)의 마이너스극이 가극성(加極性; additive polarity)으로 되도록 전기적으로 직렬 접속되어 있다. 즉, 승압기(26)는, 제1 인버터(21)와 동극성(同極性)으로 되도록 병렬로 접속되어 있다.
저압측 인버터(62)는, 복수의 스위칭 소자로서의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(71, 72, 73, 74)를 가지는 브리지 회로이다. 저압측 인버터(62)는, 트랜스(64)의 저압측 코일(65)에 브리지 접속된 4개의 IGBT(71, 72, 73, 74)와, IGBT(71, 72, 73, 74) 각각에 병렬로, 또한 극성(極性)이 역방향으로 접속된 다이오드(75, 76, 77, 78)를 포함하고 있다. 여기서 말하는 브리지 접속이란, 저압측 코일(65)의 일단이 IGBT(71)의 이미터와 IGBT(72)의 콜렉터와 접속되고, 타단이 IGBT(73)의 이미터와 IGBT(74)의 콜렉터에 접속되는 구성을 말한다. IGBT(71, 72, 73, 74)는, 게이트에 스위칭 신호가 인가되는 것에 의해 온(ON)되어, 콜렉터로부터 이미터에 전류가 흐른다.
커패시터(25)의 플러스극 단자(25a)는, 플러스극 라인(91)을 통하여 IGBT(71)의 콜렉터에 전기적으로 접속되어 있다. IGBT(71)의 이미터는 IGBT(72)의 콜렉터와 전기적으로 접속되어 있다. IGBT(72)의 이미터는, 마이너스극 라인(92)을 통하여 커패시터(25)의 마이너스극 단자(25b)에 전기적으로 접속되어 있다. 마이너스극 라인(92)은 마이너스극 라인(61)에 접속되어 있다.
마찬가지로, 커패시터(25)의 플러스극 단자(25a)는, 플러스극 라인(91)을 통하여 IGBT(73)의 콜렉터와 전기적으로 접속되어 있다. IGBT(73)의 이미터는 IGBT(74)의 콜렉터와 전기적으로 접속되어 있다. IGBT(74)의 이미터는, 마이너스극 라인(92)을 통하여 커패시터(25)와 마이너스극 단자(25b)와 전기적으로 접속되어 있다.
IGBT(71)의 이미터[다이오드(75)의 애노드] 및 IGBT(72)의 콜렉터[다이오드(76)의 캐소드]는, 트랜스(64)의 저압측 코일(65)의 한쪽의 단자에 접속되어 있는 동시에, IGBT(73)의 이미터[다이오드(77)의 애노드] 및 IGBT(74)의 콜렉터[다이오드(78)의 캐소드]는, 트랜스(64)의 저압측 코일(65)의 다른 쪽의 단자에 접속되어 있다.
고압측 인버터(63)는, 복수의 스위칭 소자로서의 IGBT(81, 82, 83, 84)를 가지는 브리지 회로이다. 고압측 인버터(63)는, 트랜스(64)의 고압측 코일(66)에 브리지 접속된 4개의 IGBT(81, 82, 83, 84)와, IGBT(81, 82, 83, 84) 각각에 병렬로, 또한 극성이 역방향으로 접속된 다이오드(85, 86, 87, 88)를 포함한다. 여기서 말하는 브리지 접속이란, 고압측 코일(66)의 일단이 IGBT(81)의 이미터와 IGBT(82)의 콜렉터에 접속되고, 타단이 IGBT(83)의 이미터와 IGBT(84)의 콜렉터에 접속되는 구성을 말한다. IGBT(81, 82, 83, 84)는, 게이트에 스위칭 신호가 인가되는 것에 의해 온(ON)되어 콜렉터로부터 이미터에 전류가 흐른다. 이와 같이, 승압기(26)는, 2조의 브리지 회로, 즉 저압측 인버터(62) 및 고압측 인버터(63)를 가지고 있다.
IGBT(81, 83)의 콜렉터는, 플러스극 라인(93)을 통하여 제1 인버터(21)의 플러스극 라인(60)과 전기적으로 접속되어 있다. IGBT(81)의 이미터는 IGBT(82)의 콜렉터와 전기적으로 접속되어 있다. IGBT(83)의 이미터는 IGBT(84)의 콜렉터와 전기적으로 접속되어 있다. IGBT(82, 84)의 이미터는, 플러스극 라인(91), 즉 저압측 인버터(62)의 IGBT(71, 73)의 콜렉터에 전기적으로 접속되어 있다.
IGBT(81)의 이미터[다이오드(85)의 애노드] 및 IGBT(82)의 콜렉터[다이오드(86)의 캐소드]는, 트랜스(64)의 고압측 코일(66)의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속되어 있는 동시에, IGBT(83)의 이미터[다이오드(87)의 애노드] 및 IGBT(84)의 콜렉터[다이오드(88)의 캐소드]는, 트랜스(64)의 고압측 코일(66)의 다른 쪽의 단자에 전기적으로 접속되어 있다.
IGBT(71, 73)의 콜렉터가 접속되는 플러스극 라인(91)과 IGBT(72, 74)의 이미터가 접속되는 마이너스극 라인(92)과의 사이에는 커패시터(67)가 전기적으로 접속되어 있다. IGBT(81, 83)의 콜렉터가 접속되는 플러스극 라인(93)과 IGBT(82, 84)의 이미터가 접속되는 플러스극 라인(91)과의 사이에는 커패시터(68)가 전기적으로 접속되어 있다. 커패시터(67, 68)는 리플(ripple) 전류 흡수용이다.
트랜스(64)는 일정값(L)의 누설 인덕턴스를 가지고 있다. 누설 인덕턴스는, 트랜스(64)의 저압측 코일(65)과 고압측 코일(66)의 간극(間隙)을 조정하여 얻을 수 있다. 도 3에서는 저압측 코일(65) 측에 L/2, 고압측 코일(66) 측에 L/2로 되도록 분할하고 있다. 다음에, 승압기(26)의 동작을 설명한다.
(승압기의 동작)
도 4는, 승압기의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 저압측 인버터(62)와 고압측 인버터(63)가 출력하는 전압(출력 전압) v1, v2는, 듀티가 50%, 즉 High 신호와 Low 신호와의 비가 1: 1의 사각형파이다. 출력 전압 v1, v2는, 각각 High 신호의 기간이 a, c로 나타낸 부분이며, Low 신호의 기간이 b, d로 나타낸 부분이다. 출력 전압 v1, v2는, High 신호의 기간 및 Low 신호의 기간이 모두 시간 t=T이다. 따라서, 듀티가 50%로 된다. 출력 전압 v1, v2는, 모두 주기가 2×T의 사각형파이다.
승압기(26)는, 저압측 인버터(62)의 출력 전압 v1과 고압측 인버터(63)의 출력 전압 v2와의 위상차를 조정하여, 승압기(26)가 출력하는 파워(출력 파워) Po 및 출력하는 전압(출력 전압) Vo를 조정한다. 승압기(26)의 출력 전압은, 하이브리드 유압 셔블(1)의 전기 구동계의 전압(계통 전압)이다. 도 4에 나타낸 예에서는, 출력 전압 v1과 출력 전압 v2에 의해, 시간 t=T1의 어긋남이 발생하고 있다. 이 어긋남을 사용하면, 출력 전압 v1과 출력 전압 v2과의 위상차 D는, 수식(1)과 같이 표현된다.
D= T1/T … (1)
승압기(26)의 출력 파워 Po는, 수식(2)로 표현된다. 수식(2) 중의 Vo는, 승압기(26)의 출력 전압, V1은 커패시터(25)의 전압, ω은 각(角) 주파수이며 π/T, L은 트랜스(64)의 누설 인덕턴스이다.
Po=π×Vo×V1×(D―D2)/(ω×L) … (2)
발전 전동기(19) 및 선회 모터(23)는, 하이브리드 컨트롤러(C2)에 의한 제어 하에, 각각 제1 인버터(21) 및 제2 인버터(22)에 의해 토크 제어된다. 제2 인버터(22)에 입력되는 직류 전류의 크기를 계측하기 위해, 제2 인버터(22)에는 전류계(52)가 설치된다. 전류계(52)가 검출한 전류를 나타내는 신호는, 하이브리드 컨트롤러(C2)에 입력된다. 커패시터(25)에 축전된 전력의 양(전하량 또는 전기 용량)은, 전압의 크기를 지표로서 관리할 수 있다. 커패시터(25)에 축전된 전력의 전압의 크기를 검출하기 위해, 커패시터(25)의 소정의 출력 단자에 축전기 전압 센서(28)가 설치되어 있다. 축전기 전압 센서(28)가 검출한 전압을 나타내는 신호는, 하이브리드 컨트롤러(C2)에 입력된다. 하이브리드 컨트롤러(C2)는, 커패시터(25)의 충전량[전력의 양(전하량 또는 전기 용량)]을 감시하여, 발전 전동기(19)가 발전하는 전력을 커패시터(25)에 공급(충전)하거나, 선회 모터(23)에 공급(역행 작용을 위한 전력 공급)하거나 하는 에너지 매니지먼트를 실행한다. 하이브리드 컨트롤러(C2), 보다 구체적으로는 승압기 제어부(C21)는, 승압기(26)의 출력 전압 Vo가 소정의 전압으로 되도록, 승압기(26)가 가지는 저압측 인버터(62)의 출력 전압 v1과 고압측 인버터(63)의 출력 전압 v2와의 위상차를 조정한다.
커패시터(25)는, 전술한 바와 같이, 적어도 발전 전동기(19)가 발전한 전력을 축전한다. 또한, 커패시터(25)는, 상부 선회체(5)가 선회 감속할 때 선회 모터(23)가 회생 동작함으로써 발전된 전력을 축전한다. 본 실시형태에 있어서, 커패시터(25)는, 예를 들면, 전기 이중층 커패시터가 사용된다. 커패시터(25) 대신에, 리튬 이온 전지나 니켈 수소 전지 등, 다른 2차 전지로서 기능하는 축전기를 사용해도 된다. 또한, 선회 모터(23)로서는, 예를 들면, 영구 자석식 동기 전동기가 사용되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
유압 구동계 및 전기 구동계는, 차량 본체(2)에 설치된 운전실(6)의 내부에 설치되는 작업기 레버, 주행 레버 및 선회 레버 등의 조작 레버(32)의 조작에 따라 구동한다. 하이브리드 유압 셔블(1)의 오퍼레이터가, 상부 선회체(5)를 선회시키기 위한 조작 수단으로서 기능하는 조작 레버(32)(선회 레버)를 조작한 경우, 선회 레버의 조작 방향 및 조작량은, 포텐셔미터(potentiometer) 또는 파일럿 압력 센서 등에 의해 검출되고, 검출된 조작량은 전기 신호로서 컨트롤러(C1), 또한 하이브리드 컨트롤러(C2)에 송신된다.
다른 조작 레버(32)가 조작된 경우에도 마찬가지로 전기 신호가 컨트롤러(C1) 및 하이브리드 컨트롤러(C2)에 송신된다. 이 선회 레버의 조작 방향 및 조작량 또는 다른 조작 레버(32)의 조작 방향 및 조작량에 따라, 컨트롤러(C1) 및 하이브리드 컨트롤러(C2)는, 선회 모터(23)의 회전 동작(역행 작용 또는 회생 작용), 커패시터(25)의 전기 에너지의 매니지먼트(충전 또는 방전을 위한 제어), 발전 전동기(19)의 전기 에너지의 매니지먼트[발전 또는 엔진 출력의 어시스트 또는 선회 모터(23)에 대한 역행 작용]라는 전력의 수수(授受)를 제어(에너지 매니지먼트)하기 위해, 제2 인버터(22), 승압기(26) 및 제1 인버터(21)의 제어를 실행한다.
운전실(6) 내에는, 조작 레버(32) 이외에, 모니터 장치(30) 및 키스위치(31)가 설치된다. 모니터 장치(30)는, 액정 패널이나 조작 버튼 등으로 구성된다. 또한, 모니터 장치(30)는, 액정 패널의 표시 기능과 조작 버튼의 각종 정보 입력 기능을 통합시킨 터치 패널이라도 된다. 모니터 장치(30)는, 하이브리드 유압 셔블(1)의 동작 상태(엔진 수온 상태, 유압 기기 등의 고장 유무 상태 또는 연료 잔량 등의 상태 등)를 나타내는 정보를 오퍼레이터 또는 서비스 맨에게 알리는 기능을 가지는 동시에, 오퍼레이터가 원하는 설정 또는 지시(엔진의 출력 레벨 설정이나 주행 속도의 속도 레벨 설정 등 또는 후술하는 커패시터 전하 추출(charge release) 지시를 하이브리드 유압 셔블(1)에 대하여 행하는 기능을 가지는, 정보 입출력 장치이다.
키스위치(31)는, 키 실린더를 주된 구성 부품으로 한 것이다. 키스위치(31)는, 키를 키 실린더에 삽입하고, 키를 회전 동작시킴으로써 엔진(17)에 부설된 스타터(엔진 시동용 전동기)를 시동시켜 엔진(17)을 구동(엔진 시동)시킨다. 또한, 키스위치(31)는, 엔진 구동 중에 엔진 시동과는 반대의 방향으로 키를 회전 동작시킴으로써 엔진을 정지(엔진 정지)시키는 지령을 내는 것이다. 이른바, 키스위치(31)는, 엔진(17) 및 하이브리드 유압 셔블(1)의 각종 전기 기기로의 지령을 출력하는 지령 출력 수단이다.
엔진(17)을 정지시키기 위해, 키를 회전 동작(구체적으로는 후술하는 오프의 위치로 조작)하면, 엔진(17)으로의 연료 공급 및 도시하지 않은 배터리로부터 각종 전기 기기로의 전기의 공급(통전)이 차단되어 엔진은 정지한다. 키스위치(31)는, 키를 회전 동작시켰을 때의 위치가 오프일 때, 도시하지 않은 배터리로부터 각종 전기 기기로의 통전을 차단하고, 키의 위치가 온(ON)일 때, 도시하지 않은 배터리로부터 각종 전기 기기로의 통전을 행하고, 또한 그 위치로부터 키를 회전 동작시켜 키 위치가 스타트(ST)일 때, 컨트롤러(C1)를 통하여 도시하지 않은 스타터를 시동시켜 엔진을 시동시킬 수 있는 것이다. 엔진(17)이 시동된 후, 엔진(17)이 구동되고 있는 동안은, 키 회전 위치는 온(ON)의 위치에 있다.
그리고, 전술한 바와 같은 키 실린더를 주된 구성 부품으로 하는 키스위치(31)가 아니고, 다른 지령 출력 수단, 예를 들면, 푸시 버튼식의 키스위치라도 된다. 즉, 엔진(17)이 정지하고 있는 상태로 버튼을 1회 누르면 온(ON)으로 되고, 다시 버튼을 누르면 스타트(ST)로 되고, 엔진(17)이 구동하고 있는 동안에 버튼을 누르면 오프로 되도록 기능하는 것이라도 된다. 또한, 엔진(17)이 정지하고 있는 상태에서, 소정 시간, 버튼을 계속 누르는 것을 조건으로 하여, 오프로부터 스타트(ST)로 이행하고, 엔진(17)을 시동시킬 수 있는 것이라도 된다.
컨트롤러(C1)는, CPU(Central Processing Unit) 등의 연산 장치 및 메모리(기억 장치)를 조합한 것이다. 컨트롤러(C1)는, 모니터 장치(30)로부터 출력되는 지시 신호, 키스위치(31)의 키 위치에 따라 출력되는 지시 신호 및 조작 레버(32)의 조작에 따라 출력되는 지시 신호(상기한 조작량이나 조작 방향을 나타내는 신호)를 기초로, 엔진(17) 및 유압 펌프(18)를 제어한다. 엔진(17)은, 코먼 레일식의 연료 분사 장치(40)에 의한 전자 제어가 가능한 엔진이다. 엔진(17)은, 컨트롤러(C1)에 의해 연료 분사량을 적절히 컨트롤함으로써, 목표로 하는 엔진 출력을 얻는 것이 가능하며, 하이브리드 유압 셔블(1)의 부하 상태에 따라, 엔진 회전 속도 및 출력 가능한 토크가 설정되어, 구동할 수 있다.
하이브리드 컨트롤러(C2)는, CPU 등의 연산 장치 및 메모리(기억 장치)를 조합한 것이다. 하이브리드 컨트롤러(C2)는, 컨트롤러(C1)와의 협조 제어 하에, 상기한 바와 같이 제1 인버터(21), 제2 인버터(22) 및 승압기(26)를 제어하여, 발전 전동기(19), 선회 모터(23) 및 커패시터(25)의 전력의 수수를 제어한다. 또한, 하이브리드 컨트롤러(C2)는, 축전기 전압 센서(28) 등의 각종 센서류에 의한 검출값을 취득하고, 이에 기초하여, 하이브리드 유압 셔블(1)을 제어한다.
하이브리드 컨트롤러(C2)는, 승압기 제어부(C21)를 구비하고 있다. 전술한 CPU 등이, 승압기 제어부(C21)의 기능을 실현한다. 다음에, 하이브리드 컨트롤러(C2)의 승압기 제어부(C21)에 의한 승압기(26)의 출력 전압의 제어에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
(승압기의 출력 전압의 제어)
도 5는, 승압기의 출력 파워와 위상차와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 역행(화살표 C측) 시에서의 승압기(26)의 출력 파워 Po는, 위상차 D가 0°에서 90°까지의 사이는 위상차 D의 증가에 따라 증가하고, 위상차 D가 90°에서 180°까지는 위상차 D의 증가에 따라 감소한다. 회생(화살표 G측) 시에서의 승압기(26)의 출력 파워 Po는, 위상차 D가 ―90°에서 0°까지의 사이는 위상차 D의 증가에 따라 증가하고, 위상차 D가 ―180°으로부터 ―90°까지는 위상차 D의 증가에 따라 감소한다. 하이브리드 컨트롤러(C2)가 가지는 승압기 제어부(C21)는, 발전 전동기(19)가 발전하고 있는 상태 및 선회 모터(23)가 동작하고 있는 상태 중 적어도 한쪽인 경우, 위상차 D가 ―90°이상 90°이하의 범위에서 승압기(26)가 동작하도록 제어한다.
도 6은, 하이브리드 컨트롤러가 가지는 승압기 제어부 및 승압기를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 하이브리드 컨트롤러(C2)가 구비하는 승압기 제어부(C21)는, 처리부(100)와, 위상차 제어부(101)와, 스위칭 패턴 생성부(102)를 포함한다. 처리부(100)에는, 축전기 전압 센서(28)로부터의 출력이 입력된다. 축전기 전압 센서(28)로부터의 출력은, 축전기 전압 센서(28)가 검출한 커패시터(25)의 전압(커패시터 전압 검출값) Vcm이다. 커패시터 전압 검출값 Vcm은, 커패시터(25)의 단자 간 전압(커패시터 전압) Vcr[참값(true value)]에 대응한다.
위상차 제어부(101)에는, 승압기 전압 검출 센서(53)로부터의 출력이 입력된다. 승압기 전압 검출 센서(53)로부터의 출력은, 승압기 전압 검출 센서(53)가 검출한 승압기(26)의 출력 전압(승압기 전압 검출값) Vsm이다. 승압기 전압 검출값 Vsm은, 승압기(26)의 출력 전압 Vo(참값)에 대응한다. 승압기(26)의 출력 전압 Vo는, 플러스극 라인(60)과 마이너스극 라인(61)과의 사이의 전압이며, 도 2, 도 3에 나타낸 제1 인버터(21) 및 제2 인버터(22)의 출력 전압 또는 입력 전압이다.
하이브리드 컨트롤러(C2)가 가지는 승압기 제어부(C21)는, 승압기(26)가 출력하는 전압이 미리 정한 소정값으로 되도록, 승압기(26)가 출력하는 전압의 지령값 Vcom을 위상차 제어부(101)에 출력한다. 또한, 처리부(100)는, 역행 시에서의 위상차 D의 제한값 Ddl과, 회생 시에서의 위상차 D의 제한값 Dgl을 스위칭 패턴 생성부(102)에 출력한다. 전자(前者)는 ＋90°이며, 후자는 ―90°이다. 스위칭 패턴 생성부(102)는, 승압기(26)의 위상차 D가 제한값 Ddl, Dgl을 초과하지 않도록, 승압기의 저압측 인버터(62) 및 고압측 인버터(63)를 제어한다.
위상차 제어부(101)는, 지령값 Vcom과 승압기 전압 검출값 Vsm과의 차분이 0으로 되도록 승압기(26)의 위상차 D를 구하고, 구한 위상차 D를 위상차 지령값 Dc로서 스위칭 패턴 생성부(102)에 출력한다. 스위칭 패턴 생성부(102)는, 저압측 인버터(62) 및 고압측 인버터(63)가 구비하는 각각의 스위칭 소자를 온―오프시키기 위한 스위칭 패턴 SPL, SPH를 생성한다. 스위칭 패턴 생성부(102)는, 승압기(26)의 위상차 D가 위상차 지령값 Dc로 되도록 생성한 스위칭 패턴 SPL, SPH를, 각각 저압측 인버터(62) 및 고압측 인버터(63)에 공급하여, 이들이 가지는 스위칭 소자를 온―오프한다. 즉, 스위칭 패턴 생성부(102)는, 승압기(26)의 위상차가 위상차 지령값 Dc로 되도록 구동한다. 결과로서, 승압기(26)의 출력 전압 Vo는, 처리부(100)가 출력한 지령값 Vcom으로 된다. 이와 같이, 승압기 제어부(C21)는, 승압기의 출력 전압 Vo가 소정값(이 예에서는 지령값 Vcom)으로 되도록, 승압기(26)를 피드백 제어한다.
전술한 승압기 제어부(C21)의 제어는, 역행 시[선회 모터(23)가 동력을 발생하고 있을 때) 또는 회생 시[선회 모터(23)가 전력을 발생하고 있을 때]의 것이다. 다음에, 대기 시에서의 승압기 제어부(C21)의 제어를 설명한다. 대기 시란, 발전 전동기(19)가 발전 및 역행하지 않고, 또한 선회 모터(23)가 정지하고 있을 때이다. 즉, 대기 시란, 발전 전동기 및 전동기가 모두 서보 제어가 오프로 되어 있을 때이다. 그리고, 대기 시에는, 스윙 머시너리(24)에 설치된, 도시하지 않은 선회 주차 브레이크가 작동하여, 상부 선회체(5)가 뜻하지 않게 선회하는 것을 억제한다. 대기 시에 있어서, 승압기 제어부(C21)는, 저압측 인버터(62)의 출력 전압 v1과 고압측 인버터(63)의 출력 전압 v2와의 위상차를 0으로 한다. 본 실시형태에서는, 승압기 제어부(C21)의 처리부(100)가, 제한값 Ddl, Dgl을 모두 0°로 하여 스위칭 패턴 생성부(102)에 출력한다. 이와 같이 하면, 스위칭 패턴 생성부(102)는, 위상차 지령값 Dc= 0°로 되도록 한 스위칭 패턴 SPL, SPH를 생성하여, 각각을 승압기(26)의 저압측 인버터(62) 및 고압측 인버터(63)에 공급한다. 결과로서, 승압기(26)의 위상차 D가 위상차 지령값 Dc, 즉 0°로 되도록, 저압측 인버터(62) 및 고압측 인버터(63)가 구동된다.
승압기(26)는, 도 3에 나타낸 트랜스(64)의 저압측 코일(65)과 고압측 코일(66)과의 권선비(捲線比)에 의해 결정되는 승압비 K로 동작할 때, 손실이 최소로 된다. 승압비 K는, 수식(3)에 의해 구할 수 있다. 수식(3) 중, N1은 저압측 코일(65)의 권취수이며, N2는 고압측 코일(66)의 권취수이다. 본 실시형태에서는, N1=N2이므로, 승압비 K=2이지만, N1, N2 및 K는 이들에 한정되는 것은 아니다.
K=(N1＋N2)/N1 … (3)
대기 시에서의 제어의 비교예로서, 승압기(26)의 손실이 최소로 되는 승압기(26)의 출력 전압 Vo로 되도록, 승압기 제어부(C21)가 승압기(26)를 제어하는 방법이 있다. 승압기(26)의 손실이 최소로 되는 승압기(26)의 출력 전압 Vo는, 커패시터 전압 Vcr×K이다. 비교예에 있어서, 처리부(100)는, Vcr×K를 지령값 Vcom로서 위상차 제어부(101)에 출력한다. 커패시터 전압 Vcr는, 실제는, 축전기 전압 센서(28)가 검출한 커패시터 전압 검출값 Vcm이 처리부(100)에 입력된다. 따라서, 처리부(100)는, Vcm×K를 지령값 Vcom로서 위상차 제어부(101)에 출력한다. 이와 같이 하면, 승압기(26)는, 승압비 K로 동작하므로, 손실이 최소로 된다.
비교예의 경우, 축전기 전압 센서(28)의 검출값, 즉 커패시터 전압 검출값 Vcm에 오차가 있으면, 지령값 Vcom에는 그만큼의 어긋남이 발생한다. 승압기(26)의 피드백 제어는, 지령값 Vcom와 승압기 전압 검출값 Vsm과의 차분이 0로 되도록 제어되지만, 승압기 전압 검출 센서(53)에 의해 검출되는 승압기 전압 검출값 Vsm에도 오차가 발생할 가능성이 있다. 그러므로, 전술한 지령값 Vcom 및 승압기 전압 검출값 Vsm을 사용하여 승압기(26)가 피드백 제어되면, 승압기(26)의 출력 전압 Vo에 어긋남이 생길 가능성이 높다. 대기 시에 있어서, 승압기(26)에 손실이 발생하면, 커패시터(25)의 전력이 소비되어 커패시터 전압 Vcr은 저하된다. 승압기(26)의 출력 전압 Vo가 어긋난 만큼, 승압기(26)의 손실이 불균일해지므로, 대기 시에서의 커패시터 전압 Vcr이 저하되는 속도에 불균일이 생긴다.
대기 시에 있어서, 커패시터 전압 Vcr(제어에 있어서는 커패시터 전압 검출값 Vcm)가 소정값보다 저하되었으면, 하이브리드 컨트롤러(C2)는, 발전 전동기(19)에 발전시켜 커패시터(25)를 충전한다. 발전 전동기(19)에 발전시키기 위해서는, 그만큼 엔진(17)에 작업을 행하게 하도록 되므로, 엔진(17)이 커패시터(25)를 충전하기 위해 한 작업만큼, 연료가 소비된다. 커패시터 전압 검출값 Vcm 및 승압기 전압 검출값 Vsm의 오차는, 동일 종류의 하이브리드 유압 셔블(1)의 기체(機體) 사이에서 발생할 가능성이 있다. 즉, 비교예는, 동일 종류의 하이브리드 유압 셔블(1)의 기체 간에 있어서, 대기 시에서의 연료 소비량에 불균일이 발생할 가능성이 있다.
본 실시형태에 있어서는, 전술한 바와 같이, 승압기 제어부(C21)는, 승압기(26)의 위상차 D를 0°로 되도록 저압측 인버터(62) 및 고압측 인버터(63)를 구동한다. 그러므로, 승압기(26)는, 커패시터 전압 검출값 Vcm 및 승압기 전압 검출값 Vsm의 불균일에 의하지 않고, 커패시터 전압 Vcr(참값)의 K배, 즉 승압기(26)의 손실이 최소로 되는 값이 출력 전압 Vo(참값)로 된다. 결과로서, 승압기(26)의 손실은, 커패시터 전압 검출값 Vcm 및 승압기 전압 검출값 Vsm의 불균일에 의하지 않고, 최소로 된다. 그러므로, 본 실시형태는, 발전 전동기(19)가 발전하지 않고, 또한 선회 모터(23)가 정지하고 있는 상태, 즉 이들의 대기 시에서의 승압기(26)의 손실을 억제할 수 있다. 예를 들면, 축전기 전압 센서(28) 또는 승압기 전압 검출 센서(53)의 시간 경과의 변화에 의해, 커패시터 전압 검출값 Vcm 또는 승압기 전압 검출값 Vsm의 불균일이 발생한 경우라도, 본 실시형태는, 대기 시에서의 승압기(26)의 손실을 억제할 수 있다. 특히, 본 실시형태는, 동일 종류의 하이브리드 유압 셔블(1)의 기체 간에 있어서, 대기 시에서의 연료 소비량의 불균일을 억제하는 것에 유효하다.
본 실시형태에 있어서, 승압기 제어부(C21)는, 대기 시에 있어서, 커패시터 전압 Vcr(제어에 있어서는 커패시터 전압 검출값 Vcm)이 소정의 임계값 Vcri 이상으로 되었을 경우에는, 소정의 임계값 Vcri를 K배로 된 값과 승압기(26)의 출력 전압 Vo(제어에 있어서는 승압기 전압 검출값 Vsm)와의 차이가 0으로 되도록 위상차 D를 제어한다. 소정의 임계값 Vcri는, 이것을 K배로 한 값이, 예를 들면, 하이브리드 유압 셔블(1)의 전기 구동계의 정격 전압(계통 전압의 정격값)으로 되도록 정해진다. 전기 구동계의 정격 전압은, 전기 구동계, 예를 들면, 제1 인버터(21) 및 제2 인버터(22) 등이 구비하는 전자 부품 등의 내압(耐壓) 등에 기초하여 정해진다.
승압기 제어부(C21)가, Vcr(Vcm)≥Vcri로 되었을 경우에, K×Vcri―Vo(Vsm)=0으로 되도록 승압기(26)를 제어한다. 이와 같이 함으로써, 승압기(26)의 출력 전압 Vo는, 하이브리드 유압 셔블(1)의 전기 구동계의 정격 전압, 즉 K×Vcri 이하로 되므로, 전기 구동계가 구비하는 전자 부품 등은, 이들의 내압(耐壓) 내에서 사용되게 된다. 그 결과, 전기 구동계가 구비하는 전자 부품 등의 내구성(耐久性) 저하가 억제된다. 다음에, 본 실시형태에 관한 하이브리드 작업 기계의 제어 방법의 수순을 간단하게 설명한다.
도 7은, 본 실시형태에 관한 하이브리드 작업 기계의 제어 방법의 수순을 나타낸 플로우차트이다. 본 실시형태에 관한 하이브리드 작업 기계의 제어 방법을 실행하는 데 있어서, 스텝 S101에 있어서, 승압기 제어부(C21)는, 발전 전동기(19) 및 선회 모터(23) 상태를 판정한다. 발전 전동기(19) 및 선회 모터(23)가 대기 시인지의 여부는, 예를 들면, 도 2에 나타낸 하이브리드 컨트롤러(C2)의 이들에 대한 제어 상태에 따라서 판정할 수 있다. 예를 들면, 하이브리드 컨트롤러(C2)가, 발전 전동기(19)의 발전량을 0으로 하고, 또한 발전 전동기(19)를 역행시키지 않고, 또한 선회 모터(23)의 속도 지령을 0으로 한 상태, 즉 발전 전동기(19) 및 선회 모터(23)의 양쪽의 서보 제어를 정지하고 있는 상태가 대기 시이다.
발전 전동기(19) 및 선회 모터(23)가 대기 시인 경우(스텝 S101, Yes), 스텝 S102에 있어서, 승압기 제어부(C21)는, 축전기 전압 센서(28)로부터 커패시터 전압 검출값 Vcm을 취득하고, Vcm을 K배로 된 값과 소정의 임계값으로서의 계통 전압의 정격값(Vcom)을 비교한다. Vcm×K<Vcom인 경우(스텝 S102, Yes), 스텝 S103에 있어서 승압기 제어부(C21)는, 위상차 D가 0으로 되도록 승압기(26)를 제어한다. 구체적으로는, 전술한 바와 같이, 승압기 제어부(C21)의 처리부(100)가, 제한값 Ddl, Dgl를 모두 0°로 하여 스위칭 패턴 생성부(102)에 출력한다. 이와 같이 하면, 승압기(26)의 위상차 D가 0°로 되도록 저압측 인버터(62) 및 고압측 인버터(63)가 구동되므로, 승압기(26)의 출력 전압 Vo(참값)는, 커패시터 전압 Vcr(참값)의 K배, 즉 승압기(26)의 손실이 최소로 되는 값으로 된다. 결과로서, 대기 시에 있어서, 승압기(26)의 손실이 최소로 된다.
Vcm×K≥Vcom인 경우(스텝 S102, No), 스텝 S104에 있어서, 승압기 제어부(C21)는, 승압기(26)가 소정의 전압으로 되도록, 승압기(26)를 피드백 제어한다. 이 때의 소정의 전압은, 예를 들면, 전술한 정격 전압의 정격값(Vcom, 소정의 임계값)이다. 발전 전동기(19) 및 선회 모터(23)가 대기 시가 아닐 경우(스텝 S101, No), 발전 전동기(19) 및 선회 모터(23) 중 적어도 한쪽은 가동(稼動)하고 있다. 즉, 발전 전동기(19) 및 선회 모터(23) 중 적어도 한쪽은 서보 제어가 ON으로 되어 있다. 이 경우, 스텝 S104에 있어서, 승압기 제어부(C21)는, 승압기(26)가 소정의 전압(예를 들면, 정격 전압의 정격값)으로 되도록, 승압기(26)를 피드백 제어한다.
이상, 본 실시형태에 대하여 설명하였으나, 전술한 내용에 의해 본 실시형태가 한정되는 것은 아니다. 본 실시형태에 있어서, 하이브리드 유압 셔블(1)은, 상부 선회체(5)의 선회 가속(역행)과 선회 감속(회생)을 행하게 하기 위한 전동기인 선회 모터(23)를 구비하고 있는 것으로 하여 설명하였다. 그러나, 하이브리드 유압 셔블(1)은, 선회 모터(23)와 유압 모터를 일체로 한 것을 구비하고 있는 것이라도 된다. 즉, 하이브리드 유압 셔블(1)의 상부 선회체(5)를 선회 가속시키려고 할 때, 유압 모터가 선회 모터(23)의 회전을 보조(어시스트)하도록 한 것이라도 된다.
또한, 전술한 실시형태의 구성 요소에는, 당업자가 용이하게 상정(想定)할 수 있는 것, 실질적으로 동일하지만, 이른바 균등한 범위의 것이 포함된다. 또한, 전술한 구성 요소는 적절히 조합시키는 것이 가능하다. 또한, 본 실시형태의 요지를 벗어나지 않는 범위에 의해 구성 요소의 각종 생략, 치환 및 변경을 행할 수 있다. 또한, 전동기는, 하이브리드 유압 셔블의 상부 선회체를 선회시키는 선회 모터에 한정되는 것은 아니다.
1; 하이브리드 유압 셔블
5; 상부 선회체
17; 엔진
19; 발전 전동기
20; 구동축
21; 제1 인버터
22; 제2 인버터
23; 선회 모터
25; 커패시터
25a; 플러스극 단자
25b; 마이너스극 단자
26; 승압기
27; 콘택터
28; 축전기 전압 센서
52; 전류계
53; 승압기 전압 검출 센서
60, 91, 93; 플러스극 라인
61, 92; 마이너스극 라인
62; 저압측 인버터
63; 고압측 인버터
64; 트랜스
65; 저압측 코일
66; 고압측 코일
67, 68; 커패시터
71∼74, 81∼84; IGBT
75∼78, 85∼88; 다이오드
100; 처리부
101; 위상차 제어부
102; 스위칭 패턴 생성부
C1; 컨트롤러
C2; 하이브리드 컨트롤러
C21; 승압기 제어부
D; 위상차
K; 승압비

Claims (5)

  1. 내연 기관의 구동축에 연결된 발전 전동기;
    적어도 상기 발전 전동기가 발전한 전력을 축전하는 축전기;
    상기 발전 전동기가 발전한 전력 및 상기 축전기가 축전하고 있는 전력 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 전동기;
    복수의 스위칭 소자를 가지는 브리지 회로를 2조(組) 구비하고, 또한 상기 발전 전동기 및 상기 전동기와 상기 축전기 사이에 설치되는 승압기(昇壓器); 및
    상기 발전 전동기 및 상기 전동기의 양쪽에 대한 서보 제어가 오프(OFF)인 대기 시에는, 각각의 상기 브리지 회로가 출력하는 전압의 위상차를 0으로 하는 승압기 제어부;
    를 포함하는 하이브리드 작업 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2조의 브리지 회로는 트랜스에 의해 결합되어 있고,
    상기 승압기 제어부는,
    상기 대기 시에 있어서, 상기 축전기가 출력하는 전압을 K배로 한 값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 경우에는, 상기 승압기가 출력하는 전압의 값과 상기 소정의 임계값과의 차이가 0으로 되도록 상기 위상차를 제어하고, 상기 K는 상기 트랜스의 승압비(昇壓比)인, 하이브리드 작업 기계.
  3. 내연 기관의 출력축에 연결된 발전 전동기;
    상기 발전 전동기가 발전한 전력을 축전하는 축전기;
    상기 발전 전동기가 발전한 전력과 상기 축전기가 축전하고 있는 전력 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 전동기;
    복수의 스위칭 소자를 가지는 2조의 브리지 회로를 트랜스에 의해 결합한 트랜스 결합형의 DC―DC 컨버터이며, 상기 발전 전동기 및 상기 전동기와 상기 축전기 사이에 설치되는 승압기; 및
    상기 발전 전동기 및 상기 전동기의 양쪽에 대한 서보 제어가 오프인 대기 시에는, 각각의 상기 브리지 회로가 출력하는 전압의 위상차를 0으로 하고, 상기 대기 시에 있어서, 상기 축전기가 출력하는 전압을 K배로 한 값이 소정의 임계값 이상으로 되었을 경우에는, 상기 승압기가 출력하는 전압의 값과 상기 소정의 임계값과의 차이가 0으로 되도록 상기 위상차를 제어하는 승압기 제어부;
    를 포함하고,
    상기 K는 승압기가 가지는 2조의 브리지 회로를 결합하는 트랜스의 승압비인,
    하이브리드 작업 기계.
  4. 내연 기관의 구동축에 연결된 발전 전동기; 상기 발전 전동기가 발전한 전력을 적어도 축전하는 축전기; 상기 발전 전동기가 발전한 전력 및 상기 축전기가 축전하고 있는 전력 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 전동기; 및 복수의 스위칭 소자를 가지는 브리지 회로를 2조 구비하고, 또한 상기 발전 전동기 및 상기 전동기와 상기 축전기 사이에 설치되는 승압기;를 포함하는 하이브리드 작업 기계의 제어 방법에 있어서,
    상기 발전 전동기 및 상기 전동기 상태를 판정하는 단계; 및
    상기 발전 전동기 및 상기 전동기의 양쪽에 대한 서보 제어가 오프인 경우에는, 각각의 상기 브리지 회로가 출력하는 전압의 위상차를 0으로 하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 작업 기계의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2조의 브리지 회로는 트랜스에 의해 결합되어 있고,
    상기 발전 전동기 및 상기 전동기의 양쪽에 대한 서보 제어가 오프인 경우에, 상기 축전기가 출력하는 전압을 K배로 한 값이 소정의 임계값 이상으로 되면, 상기 승압기가 출력하는 전압의 값과 상기 소정의 임계값과의 차이가 0으로 되도록 상기 위상차를 제어하고, 상기 K는 상기 트랜스의 승압비인, 하이브리드 작업 기계의 제어 방법.
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