KR101716943B1 - 하이브리드식 건설 기계 - Google Patents

Abstract

엔진(1)과의 사이에서 토크의 전달을 행하는 전동·발전기(2)와, 엔진 및 전동·발전기 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 유압 펌프(3)와, 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 유압 액추에이터(5)와, 전동·발전기에 전력을 공급하기 위한 축전 장치(10)와, 유압 펌프의 요구 동력을 만족하도록 엔진 및 전동·발전기의 목표 동력을 설정하는 컨트롤러(8)를 구비하고, 컨트롤러는, 축전 장치의 축전 잔량의 감소에 따라, 엔진의 목표 동력이 단조 증가하도록 설정한다. 이에 의해, 연료 소비량 및 배출 가스의 삭감을 도모하면서도, 작업자의 조작 필링을 양호하게 유지할 수 있다.

Description

하이브리드식 건설 기계 {HYBRID CONSTRUCTION MACHINERY}

본 발명은 동력원으로서 엔진과 전동·발전기를 구비하는 유압 셔블이나 휠 로더 등의 하이브리드식 건설 기계에 관한 것이다.

에너지 절약화(저연비화)나, 엔진으로부터 배출되어 환경 부하로 되는 배기 가스(이산화탄소, 질소산화물, 입자상 물질 등)의 배출량 삭감을 목적으로 한 건설 기계(유압 셔블이나 휠 로더 등)에는, 엔진에 더하여 전동·발전기를 동력원으로서 구비한 소위 하이브리드식 건설 기계가 있다.

하이브리드식 건설 기계의 기술로서는, 엔진 연소 효율의 저하를 회피하고, 흑연(배기 가스)의 발생을 방지하는 기술이 일본 특허 제4633813호에 개시되어 있다. 당해 기술은, 엔진의 출력 상한값을 어느 증가율에 따라 증가시킴으로써, 엔진이 급준하게 동력을 증가시키는 것을 회피하여 배기 가스의 억제를 도모하고 있다.

일본 특허 제4512283호에는, 유압 펌프의 요구 동력에 대한 엔진의 공급 동력의 과부족분을 전동·발전기에 의한 충방전 조작을 통해 조정함으로써, 엔진과 전동·발전기의 합계 동력의 과잉 공급을 방지하여 연비의 개선을 도모하고, 나아가서는, 유압 펌프에 동력 공급 부족에 의해 발생하는 엔진 스톨의 방지를 도모한 기술이 개시되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2003-9308호 공보에는, 엔진을 완전히 정지시켜 전동기만으로 건설 기계를 구동하는 구성을 선택 가능하게 함으로써, 당해 구성의 선택 중에는 연료를 소비하지 않고 또한 배기 가스도 배출하는 일 없이 작업 가능하게 한 기술이 개시되어 있다.

일본 특허 제4633813호 일본 특허 제4512283호 일본 특허 출원 공개 제2003-9308호 공보

상기한 일본 특허 제4633813호에서는, 엔진의 출력 상한값을 소정의 증가율로 증가함으로써 엔진의 동력 변화 속도를 제한하고 있지만, 펌프의 요구 동력이 엔진의 출력 상한을 상회한 경우에는, 그 차분을 전동기의 동력으로 보충하고 있다. 그로 인해, 예를 들어 셔블의 굴삭 동작과 같이 필요한 동력이 급격하게 증가하는 작업 중에, 축전 잔량이 적어 전동기로부터 충분한 동력 보조를 행할 수 없는 경우에는, 펌프에 공급 가능한 동력이 부족하므로, 셔블의 동작이 완만해지는 것을 피할 수 없다. 또한, 당해 상황에 있어서, 엔진과 전동·발전기로부터 공급 가능한 동력이, 필요한 펌프 동력에 대해 대폭으로 낮은 경우에는, 엔진이 스톨해 버릴 우려도 있다.

상기한 일본 특허 제4512283호의 건설 기계에서는, 엔진을 정격 출력 부근에서 동작시키면, 엔진의 잉여 동력을 이용하여 발전기로부터 축전 장치에의 충전을 상시 행할 수 있다. 그로 인해, 축전 잔량이 부족한 상황을 회피할 수 있고, 펌프 요구 동력에 대해 엔진의 동력이 낮은 경우에도 확실하게 전동·발전기로 동력 어시스트를 실시할 수 있다. 따라서, 상술한 일본 특허 제4633813호에 관한 기술과 같이 셔블의 동작이 완만해지는 것은 피할 수 있다. 그러나, 본 기술에서는, 엔진 출력에 대한 제한이 존재하지 않으므로, 과도적인 연소 상황의 악화를 피할 수 없다. 또한, 엔진을 항상 정격 출력점(즉, 엔진의 동력 증가 속도가 「±0」인 상태)에서 동작시키면, 상기한 과도적인 상황의 발생은 피할 수 있지만, 축전 장치의 충방전이 항상 필요해진다. 그로 인해, 여러 가지 전기 기기(예를 들어, 전동·발전기, 인버터 등의 변압 디바이스, 축전 장치)의 효율에 의존한 에너지 손실이 상시 발생하게 되고, 에너지 절약의 효과가 작아진다. 또한, 유압 펌프가 동력을 요구하지 않는 경우에 엔진을 정격 출력으로 계속해서 움직이게 하는 것은, 배출 가스 삭감의 관점에서는 바람직하다고는 할 수 없다.

상기한 일본 특허 출원 공개 제2003-9308호 공보에서는, 엔진을 정지한 상태에서 작업함으로써, 저연비와 저배출 가스의 양립을 도모할 수 있지만, 「배기 가스 제로 운전」으로 조작성을 확보하기 위해서는, 엔진의 최대 동력과 동 수준의 출력을 구비한 전동·발전기가 필요해진다. 전동·발전기의 용량은 그 동력과 상관 관계가 있으므로, 건설 기계의 대형화를 피할 수 없다. 건설 기계가 대형화되면, 선회 동작을 행할 때에 필요해지는 에너지가 증가하므로 연비가 악화된다. 또한, 대형화에 의한 중량 증가는 건설 기계의 오르막 주행 능력에도 큰 영향을 미치므로 바람직하지 않다. 또한, 본 기술에서는, 엔진의 정지 시로부터 사용 시에 걸쳐 당해 엔진에 요구하는 동력 변화가 과대해지고, 급격한 연료 분사에 의해 흑연이 발생할 가능성이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 과제에 비추어 이루어진 것이며, 연료 소비량 및 배출 가스의 삭감을 도모하면서도, 작업자의 조작 필링을 양호하게 유지할 수 있는 하이브리드식 건설 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 엔진과, 상기 엔진과의 사이에서 토크의 전달을 행하는 전동·발전기와, 상기 엔진 및 상기 전동·발전기 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 유압 펌프와, 당해 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 유압 액추에이터와, 상기 전동·발전기에 전력을 공급하기 위한 축전 장치와, 상기 유압 펌프의 요구 동력을 만족하도록 상기 엔진 및 상기 전동·발전기의 목표 동력을 설정하는 제어 수단을 구비하고, 상기 제어 수단은, 상기 축전 장치의 축전 잔량의 감소에 따라, 상기 엔진의 목표 동력의 제한값을 단조 증가하는 것으로 한다.

본 발명에 따르면, 축전 잔량이 비교적 많은 경우에는 응답성이 높은 전동·발전기가 우선적으로 펌프 요구 동력을 출력하고, 축전 잔량이 비교적 적은 경우에는 축전 잔량에 의존하지 않는 엔진이 우선적으로 펌프 요구 동력을 출력하므로, 축전 잔량에 관계없이 양호한 조작 필링을 확보할 수 있음과 함께 연료 소비량 및 배출 가스의 삭감도 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 하이브리드식 유압 셔블에 있어서의 유압 구동 제어 장치의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 레귤레이터(14)에 의한 펌프 흡수 토크의 제어 특성도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 컨트롤러(8)의 개략 구성도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 동력 연산 테이블을 나타내는 도면.
도 5는 SOC가 큰 경우에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력의 변화를 나타내는 도면.
도 6은 SOC가 소정의 수준까지 감소한 경우에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력의 변화를 나타내는 도면.
도 7은 SOC가 작은 경우에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력의 변화를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 컨트롤러의 개략 구성도.
도 9는 엔진 목표 동력 연산부(23A)에 있어서의 연산 처리의 내용의 일례를 나타내는 도면.
도 10은 엔진 목표 동력의 기준값에 관한 최솟값의 설명도.
도 11은 기준 동력 연산 테이블(31)의 다른 예를 나타내는 도면.
도 12는 SOC가 큰 경우에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력의 변화를 나타내는 도면.
도 13은 SOC가 소정의 수준까지 감소한 경우에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력의 변화를 나타내는 도면.
도 14는 SOC가 작은 경우에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력의 변화를 나타내는 도면.
도 15는 SOC가 낮은 경우에 있어서의 엔진 목표 동력의 결정 방법에 대한 간이 설명도.
도 16은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 엔진 목표 회전수 연산부(35)가 이용하는 등연비 테이블을 나타내는 도면.
도 17은 엔진 목표 동력 연산부(23B)에 있어서의 연산 처리의 내용의 일례를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 하이브리드식 유압 셔블에 있어서의 유압 구동 제어 장치의 개략 구성도이다. 이 도면에 도시하는 유압 구동 제어 장치는, 엔진(1)과, 엔진(1)의 연료 분사량을 조정하는 거버너(7)와, 엔진(1)의 실제 회전수를 검출하는 회전수 센서(실제 회전수 검출 수단)(6)와, 엔진(1)의 출력축에 기계적으로 연결되고, 엔진(1)과의 사이에서 토크의 전달을 행하는 전동·발전기(2)와, 엔진(1) 및 전동·발전기(2)의 출력축에 기계적으로 연결되고, 엔진(1) 및 전동·발전기(2) 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프(3)[이하, 단순히 「유압 펌프(3)」라고 칭하는 경우가 있음] 및 파일럿 펌프(32)와, 유압 펌프(3)로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 유압 액추에이터(5)와, 파일럿 펌프(32)로부터 토출되는 압유를 감압하여 밸브 장치(4)에 출력함으로써 유압 액추에이터(5)를 제어하기 위한 조작 레버(조작 장치)(16)와, 주로 전동·발전기(2)를 구동하기 위한 전력을 축적하기 위한 축전 장치(축전 수단)(10)와, 유압 펌프(3)의 용량을 조절하는 펌프 용량 조절 장치(펌프 용량 조절 수단)(14)와, 펌프 용량 조절 장치(14)를 제어하는 전자기 비례 밸브(15)와, 전동·발전기(2)의 제어와 함께, 전동·발전기(2)와 축전 장치(10) 사이에서의 전력의 수수를 제어하는 인버터(전력 변환 장치)(9)와, 엔진(1), 전동·발전기(2) 및 유압 펌프(3)를 비롯한 각종 장치를 제어하기 위한 컨트롤러(제어 수단)(8)를 구비하고 있다.

도 1에 도시하는 유압 구동 제어 장치는, 유압 펌프(3)에서 토출한 압유를 우선 복수의 컨트롤 밸브를 구비하는 밸브 장치(4)에 공급하고, 당해 밸브 장치(4)에서 압유의 유량·방향·압력을 적절히 변경한 후에 각 유압 액추에이터(5)에 공급함으로써 각 유압 액추에이터(5)의 구동을 제어하고 있다. 밸브 장치(4)에 있어서의 컨트롤 밸브는, 파일럿 펌프(32)로부터 토출되고, 조작 레버(16)의 조작량에 따라 감압된 압유에 의해 제어된다. 조작 레버(16)의 조작량은, 파일럿 펌프(32)로부터 밸브 장치(4)(컨트롤 밸브)에 출력되는 압유의 압력을 압력 센서(18a, 18b)(도 1 참조) 등의 압력 검출 수단에서 검출함으로써 검출할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 관한 유압 셔블에 설치되는 유압 액추에이터(5)로서는, 상부 선회체의 전방에 장착된 다관절형의 작업 장치를 구동하기 위한 유압 실린더(붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더 등)나, 상부 선회체를 선회시키기 위한 유압 모터(선회 모터)나, 상부 선회체의 하부에 장착된 하부 주행체를 주행시키기 위한 유압 모터(주행 모터) 등이 있지만, 도 1에서는 이들을 통합하여 유압 액추에이터(5)라고 표기하고 있다.

엔진(1)은, 거버너(7)에 의해 연료 분사량을 제어함으로써 조속(調速)된다. 유압 펌프(3)에는, 유압 펌프(3)의 부하를 연산하기 위해 필요한 정보를 검출하는 수단(펌프 정보 검출 수단)으로서, 유압 펌프(3)로부터 토출되는 압유의 압력을 계측하는 압력 센서(19)(압력 검출 수단)와, 당해 압유의 유량을 계측하는 도시하지 않은 유량 센서(유량 검출 수단)와, 유압 펌프(3)의 틸팅각을 계측하는 도시하지 않은 각도 센서(각도 검출 수단)가 설치되어 있고, 이들 압력 센서(19), 유량 센서 및 각도 센서는, 검출한 센서값을 컨트롤러(8)에 출력하고 있다.

레귤레이터(14)와 전자기 비례 밸브(15)는, 컨트롤러(8)로부터 출력되는 조작 신호에 기초하여 유압 펌프(3)의 용량을 조절하는 펌프 용량 조절 장치이다. 레귤레이터(14)는 유압 펌프(3)에 구비되어 있고, 레귤레이터(14)에 의해 유압 펌프(3)의 경사판 혹은 경사축의 틸팅각을 조작하면, 유압 펌프(3)의 용량(배출 용적)이 변경되어 유압 펌프(3)의 흡수 토크(입력 토크)를 제어할 수 있다(펌프 흡수 토크 제어). 전자기 비례 밸브(15)에는, 파일럿 펌프(32)에 접속된 배관(도시하지 않음)을 통해 압유가 공급된다. 본 실시 형태에 있어서의 레귤레이터(14)는, 전자기 비례 밸브(15)가 발생시키는 제어압에 의해 제어되고 있다. 전자기 비례 밸브(15)는, 컨트롤러(8)로부터 출력되는 지령값에 기초하여 작동한다.

본 실시 형태에 관한 레귤레이터(14)는, 예를 들어 도 2에 나타낸 제어 특성도에 따라 유압 펌프(3)의 용량을 제어하고 있다. 도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 레귤레이터(14)에 의한 펌프 흡수 토크의 제어 특성도이다. 이 도면에 나타내는 꺾은선(31A)은, 유압 펌프(3)의 토출압에 대해 설정되는 유압 펌프(3)의 용량의 특성을 나타내고 있고, 엔진(1)과 전동·발전기(2)의 합계 출력의 최댓값[도 2 중의 파선으로 나타낸 쌍곡선(일정 토크 선도)]을 초과하지 않는 범위에서 유압 펌프(3)의 토크(펌프 용량과 펌프 토출 압력의 곱)가 거의 일정해지도록 설정되어 있다. 즉, 그때마다의 펌프 토출 압력에 따라 꺾은선(31A)을 이용하여 유압 펌프(3)의 용량을 설정하면, 엔진(1)과 전동·발전기(2)에 의한 최대 출력을 초과하지 않도록 유압 펌프(3)의 토크를 제어할 수 있다. 펌프 토출 압력이 P1 이하일 때에는 펌프 흡수 토크 제어는 실시되지 않고, 펌프 용량은 밸브 장치(4)의 각 컨트롤 밸브를 조작하기 위한 조작 레버의 조작량에 의해 결정된다(예를 들어, 어느 하나의 조작 레버의 조작량이 최대일 때에 q1로 됨). 한편, 펌프 토출 압력이 P1∼P2로 되면, 레귤레이터(14)에 의한 펌프 흡수 토크 제어가 실시되고, 펌프 토출압의 증가에 수반하여 꺾은선(31A)을 따라 펌프 용량이 감소하도록 레귤레이터(14)에 의해 펌프 틸팅각이 조작된다. 이에 의해, 펌프 흡수 토크는, 꺾은선(31A)으로 규정한 토크 이하로 되도록 제어된다. 또한, P2는 펌프 토출 압력의 최댓값이며, 밸브 장치(4)에 있어서 유압 펌프(3)측의 회로에 접속되는 릴리프 밸브의 설정 압력과 동등하고, 펌프 토출 압력은 이 값 이상으로 상승하지 않는다. 또한, 여기에서는, 유압 펌프의 흡수 토크의 제어 특성도로서, 2개의 직선을 조합한 꺾은선(31A)을 사용하였지만, 도 2 중의 일정 토크 선도(쌍곡선)를 초과하지 않는 범위에서 설정하면 다른 제어 특성도를 이용해도 된다.

컨트롤러(8)는, 유압 펌프(3)의 흡수 토크에 기초하여 생성한 조작 신호(전기 신호)를 전자기 비례 밸브(15)에 출력하고, 전자기 비례 밸브(15)는 당해 조작 신호에 따른 제어 압력을 생성함으로써 레귤레이터(14)를 구동한다. 이에 의해 레귤레이터(14)에 의해 유압 펌프(3)의 용량이 변경되고, 유압 펌프(3)의 흡수 토크는 엔진 스톨이 발생하지 않는 범위로 조정된다.

배터리 또는 캐패시터 등으로 구성되는 축전 장치(10)에는, 축전 장치(10)의 축전량을 연산하기 위해 필요한 정보를 검출하는 수단(축전 정보 검출 수단)으로서, 전류 센서(11), 전압 센서(12) 및 온도 센서(13)가 장착되어 있다. 컨트롤러(8)는, 이들 센서(11, 12, 13)에 의해 검출된 전류, 전압 및 온도 등의 정보에 기초하여 축전 잔량 연산부(21)(후술)에 있어서 축전 장치(10)의 축전 잔량을 연산하고, 축전 장치(10)의 축전량을 관리하고 있다.

도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 컨트롤러(8)의 개략 구성도이다. 또한, 상술한 도면에 나타낸 부분과 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하여 설명은 적절히 생략하는 경우가 있다(이후의 도면에 대해서도 동일). 이 도면에 나타내는 컨트롤러(8)는, 주로 유압 펌프(3)의 요구 동력을 만족하도록 엔진(1) 및 전동·발전기(2)의 목표 동력을 설정하는 처리를 실행하는 부분이며, 축전 잔량 연산부(21)와, 엔진 목표 동력 연산부(23)와, 펌프 동력 연산부(22)와, 전동·발전기 목표 동력 연산부(34)와, 어시스트 동력 제어부(28)와, 엔진 목표 회전수 연산부(35)와, 엔진 목표 회전수 제어부(36)를 구비하고 있다. 또한, 컨트롤러(8)는, 하드웨어 구성으로서, 본 발명에 관한 각종 처리 프로그램을 실행하기 위한 연산 처리 장치(예를 들어, CPU), 당해 제어 프로그램을 비롯해 각종 데이터를 기억하기 위한 기억 장치(예를 들어, ROM, RAM) 등을 구비하고 있다(모두 도시하지 않음). 또한, 유압계나 각종 전장품 등에 관해서도 컨트롤러(8)로 제어가 실시되고 있지만, 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.

축전 잔량 연산부(축전 잔량 연산 수단)(21)는, 축전 장치(10)의 축전 잔량[SOC:State Of Charge(이하, SOC라고 칭하는 경우가 있음)]을 연산하고, 당해 축전 잔량을 출력하는 처리를 실행하는 부분이다. 축전 잔량을 연산하는 방법으로서는, 공지의 것을 이용하면 되고, 예를 들어 전류 센서(11)와, 전압 센서(12)와, 온도 센서(13)에 의해 검출된 전류, 전압 및 온도 등의 정보에 기초하여 축전 잔량을 산출하는 것이 있다.

엔진 목표 동력 연산부(엔진 목표 동력 연산 수단)(23)는, 축전 잔량 연산부(21)로부터 출력된 SOC에 기초하여, 엔진(1)의 목표 동력(엔진 목표 동력)을 연산하는 처리를 실행하는 부분이다. 엔진 목표 동력은, 엔진 목표 동력 연산부(23)에 의해, SOC의 감소와 함께 단조 증가하도록 설정되어 있다. 또한, 여기에 있어서의 「단조 증가」에는, (1) SOC의 감소와 함께 엔진 목표 동력이 항상 증가해 가는 「좁은 의미의 단조 증가」뿐만 아니라, (2) SOC의 감소와 함께, 엔진 목표 동력이 소정의 SOC 구간에서 일정하게 유지되면서 계단 형상(이산적)으로 증가해 가는 「넓은 의미의 단조 증가」도 포함되는 것으로 한다(또한, 「넓은 의미의 단조 증가」는, SOC의 감소와 함께, 엔진 목표 동력이 감소하는 일 없이 증가하므로 「단조 비감소」라고 불리는 경우도 있음). 본 실시 형태에 있어서의 엔진 목표 동력 연산부(23)는, SOC에 기초하여 엔진 목표 동력을 산출하는 데 있어서, 도 4에 나타내는 동력 연산 테이블을 사용하고 있다.

도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 동력 연산 테이블을 나타내는 도면이다. 이 테이블은, 축전 잔량 연산부(21)로부터의 입력인 SOC를 횡축에 취하고 있고, 엔진 목표 동력 연산부(23)의 출력인 목표 동력을 종축에 취하고 있다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 동력 연산 테이블에서는, SOC의 감소에 따라 엔진 목표 동력이 계단 형상으로 증가(넓은 의미의 단조 증가)하도록 설정되어 있고, 테이블 전체에서 보면 엔진 목표 동력은 좌측 견부 상향으로 증가하고 있고, 좌측 견부 하향의 부분은 존재하고 있지 않다. 이에 의해, 축전 잔량이 상대적으로 많은(SOC가 상대적으로 높은) 경우에는, 엔진 목표 동력이 낮게 설정되도록 되어 있고, 엔진(1)의 목표 동력을 낮게 함으로써 연료 소비량의 저감을 도모하고 있다. 한편, 축전 잔량이 상대적으로 적은(SOC가 상대적으로 낮은) 경우에는, 엔진 목표 동력이 크게 설정되도록 되어 있다. 즉, SOC가 낮은 경우에는, 전동·발전기(2)를 발전기로서 이용하는 빈도를 높이고, 축전 장치(10)가 과방전으로 되는 상황의 회피를 도모하고 있다.

또한, 도 4의 예에서는, SOC가 S1(제1 설정값) 이하의 값에 달하면, 엔진 목표 동력을 엔진(1)의 최대 동력으로 설정하고 있고, 또한, SOC가 S2[제2 설정값(S2는 S1보다 큰 값으로 함)] 이상에 달하면, 엔진 목표 동력을 유압 펌프(3)의 최소 동력보다 작은 값으로 설정하고 있다. 즉, SOC가 S2 이상일 때에는, 전동·발전기(2)가 전동기로서 동작하게 된다.

또한, 여기에서는, SOC의 변화에 추종하여 엔진 목표 동력이 용이하게 변화하는 것을 억제하는 관점에서, SOC의 감소와 함께 엔진 목표 동력이 계단 형상으로 단조 증가(넓은 의미의 단조 증가)하는 테이블을 사용하였다. 이와 같이 테이블을 설정하면, 또한, 기억 장치의 사용 용량을 억제할 수 있는 점이나, 연산 처리 장치의 연산 속도의 향상을 예상할 수 있는 점에도 장점이 있다. 또한, 테이블의 설계 방법은 이것에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 후술하는 바와 같이, SOC의 감소에 따라 엔진 목표 동력이 항상 증가(좁은 의미의 단조 증가)하는 것(예를 들어, 곡선 형상의 그래프)을 이용해도 된다.

펌프 동력 연산부(펌프 동력 연산 수단)(22)는, 유압 펌프(3)의 요구 동력(펌프 요구 동력)을 연산하고, 당해 펌프 요구 동력을 출력하는 처리를 실행하는 부분이다. 유압 펌프(3)의 요구 동력을 연산하는 방법으로서는, 예를 들어, 조작 레버(16)의 조작량(레버 조작량)을 입력하고, 당해 조작량의 대소에 기초하여 요구 동력을 산출하는 것이 있다. 또한, 조작 레버(16)의 조작량을 구하는 방법으로서는, 압력 센서(18a, 18b)의 검출값을 이용하는 것이 있다. 또한, 펌프 요구 동력 대신에, 유압 펌프(3)가 출력하고 있는 실제의 펌프 동력을 펌프 요구 동력으로서 간주해도 된다. 이 실제의 펌프 동력을 산출하는 방법으로서는, 예를 들어, 압력 센서(19)를 통해 검출되는 펌프 토출압과, 유량 센서를 통해 검출되는 펌프 토출 유량을 곱하는 것이 있다.

전동·발전기 목표 동력 연산부(전동·발전기 목표 동력 연산 수단)(34)는, 엔진 목표 동력과 펌프 요구 동력에 기초하여 전동·발전기(2)의 목표 동력(어시스트 목표 동력)을 연산하는 처리를 실행하는 부분이다. 본 실시 형태에서는, 펌프 동력 연산부(22)로부터 출력되는 펌프 요구 동력으로부터, 엔진 목표 동력 연산부(23)로부터 출력되는 엔진 목표 동력을 감함으로써, 어시스트 목표 동력이 산출되고 있다. 즉, 「어시스트 목표 동력＝펌프 요구 동력－엔진 목표 동력」. 여기서 산출된 어시스트 목표 동력은, 어시스트 동력 지령으로 변환되어 어시스트 동력 제어부(28)에 출력된다. 또한, 어시스트 목표 동력이 양의 값인 경우(즉, 「펌프 요구 동력＞엔진 목표 동력」의 경우)에는 전동·발전기(2)는 충전 장치(10)의 전력을 이용하여 전동기로서 동작하고, 음의 값인 경우(즉, 「펌프 요구 동력＜엔진 목표 동력」의 경우)에는 엔진(1)에 구동되어 발전기로서 동작한다.

어시스트 동력 제어부(어시스트 동력 제어 수단)(28)는, 어시스트 동력 지령에 기초하여 전동·발전기(2)를 제어하는 부분이며, 도 1 중의 인버터(9)에 상당한다.

엔진 목표 회전수 연산부(목표 회전수 연산 수단)(35)는, 엔진 목표 동력 연산부(23)로부터 출력되는 엔진 목표 동력에 기초하여 엔진(1)의 목표 회전수를 연산하는 처리를 실행하는 부분이다. 목표 회전수의 산출 방법으로서는, 예를 들어, 엔진 목표 동력 연산부(23)로부터 입력된 엔진 목표 동력을 달성 가능한 회전수와 토크의 복수의 조합 중에서, 원하는 연비가 달성되는 조합을 선택하고, 당해 조합에 관한 회전수를 목표 회전수로 하는 것이 있다. 여기서 산출된 엔진 목표 회전수는, 목표 회전수 지령으로 변환되어 엔진 목표 회전수 제어부(36)에 출력된다.

엔진 목표 회전수 제어부(엔진 제어 수단)(36)는, 목표 회전수 지령에 기초하여 엔진(1)을 제어하는 부분이며, 도 1 중의 거버너(7)에 상당한다.

다음으로 상기한 바와 같이 구성되는 유압 셔블에 있어서, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력이 SOC에 따라 어떻게 산출되는지 시계열에 따라 설명한다.

도 5는 SOC가 S2 이상이며 충분히 큰 경우(예를 들어, 야간 충전 등을 실시한 다음날의 작업 개시 시)에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력이 전동·발전기 목표 동력 연산부(34)에서 변환된 전술한 어시스트 동력 지령의 변화를 나타내는 도면이다. 이 도면과 같이 SOC가 S2 이상인 경우에는, 엔진 목표 동력은 최솟값으로부터 개시한다. 도면에 나타낸 예에서는, SOC는 S2 이상이며, 엔진 목표 동력의 최솟값은, 유압 펌프(3)의 최소 동력 이하로 설정되어 있다. 이 경우, 전동·발전기(2)가 발전기로서 동작되는 일은 없고, 전동기로서 동작하거나 동작을 정지할 뿐으로 된다.

축전 장치(10)로부터의 방전이 진행되면, 도 5의 (a)에 나타내는 바와 같이 SOC가 서서히 낮아진다. 그러나, 도면에 나타낸 시간에서는 S2 미만까지는 SOC가 낮아지지 않으므로, 엔진 목표 동력은 일정(최솟값)하게 유지된다. 이와 같이, SOC가 높은 경우에는, 엔진 목표 동력이 비교적 낮게 설정되므로, 펌프 요구 동력으로부터 엔진 목표 동력을 감한 값은 양의 값을 취한다. 그로 인해, 도 5의 (c)에 나타낸 전동·발전기(2)에의 어시스트 동력 지령(어시스트 목표 동력)은 조력측(어시스트측)에 작용하므로, 엔진(1)의 실제 동력이 대략 일정하게 유지되어도 펌프 요구 동력의 변화에 용이하게 추종할 수 있다. 특히, 전동·발전기(2)는 엔진(1)보다도 응답성이 우수하므로, 작업자의 조작 필링을 양호하게 유지할 수 있다. 또한, 엔진(1)에 의한 연료 소비량을 억제할 수 있으므로, 연료 소비량 및 배출 가스의 삭감을 도모할 수 있다.

다음으로, 어느 정도의 동안에, 도 5에 나타낸 동작을 계속하고, SOC가 S1보다 크고 또한 S2 미만의 값까지 감소한 시점에서의 거동에 대해 도 6을 사용하여 설명한다. 도 6은 SOC가 S1보다 크고 S2 미만인 경우(보다 구체적으로는, 도 4에 있어서의 Sa보다 크고 Sb보다 작은 경우)에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력(즉, 어시스트 동력 지령)의 변화를 나타내는 도면이다.

이 경우에는, SOC의 감소에 따라 엔진 목표 동력 연산부(23)에서 산출되는 엔진 목표 동력이 도 5의 경우보다도 높은 값으로 되어 있다. 그로 인해, 엔진 목표 동력은 일정하게 유지되면서도, 「펌프 요구 동력－엔진 목표 동력」으로 산출되는 전동·발전기(2)의 어시스트 동력 지령은 도 6의 (c)에 나타내는 바와 같이 충전과 방전을 반복한다.

또한, SOC의 값이 상기한 바와 같이 변화하는 경우에는, 엔진 목표 동력이, 펌프 요구 동력의 대략 중앙값(예를 들어, 이동 평균값) 또는 당해 중앙값보다도 약간 높은 값으로 되도록 조정해 두는 것이 바람직하다. 엔진 목표 동력의 조정은, 조작 레버(16)의 조작량으로부터 펌프 요구 동력을 예측하여 연산 테이블을 순차적으로 재기입함으로써 행해도 되고, 유압 셔블의 작업 내용을 사전에 알고 있는 경우에는 당해 작업 내용에 맞추어 행해도 된다. 이에 의해, SOC가 감소한 경우에는, 엔진 목표 동력이 펌프 요구 동력의 중앙값을 취하므로, 전동·발전기(2)의 어시스트 동력 지령은 도 6의 (c)에 나타내는 바와 같이 충전과 방전을 반복하고, 엔진(1)의 동력이 급준하게 변화하는 것이 억제되면서, SOC가 일정 수준으로 유지된다. 이에 의해, 전동·발전기(2)에 의한 조력(어시스트)이 불가능한 상황을 회피할 수 있다. 또한, 엔진 목표 동력을 펌프 요구 동력의 중앙값보다도 높게 설정하는 것은, 충전측의 빈도를 높이게 되고, 충방전에 수반하는 에너지 손실에 의해 SOC가 감소하는 것을 방지하는 효과가 있다.

마지막으로, SOC가 S1을 하회한 경우의 거동에 대해 도 7을 사용하여 설명한다. 도 7은 SOC가 S1 미만인 경우에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력(즉, 어시스트 동력 지령)의 변화를 나타내는 도면이다.

이 경우에는, 엔진 목표 동력 연산부(23)에서 산출되는 엔진 목표 동력이 엔진 동력의 최댓값으로 설정된다. 그로 인해, 전동·발전기(2)가 전동기로서 동작되는 일은 없고, 발전기로서 동작하거나 동작을 정지할 뿐으로 된다. 그로 인해, 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 시간의 경과와 함께 SOC가 증가하는 경향이 있다.

이와 같이 엔진 목표 동력을 설정하면, SOC가 적은 경우에는, SOC의 대소에 의존하지 않는 엔진이 우선적으로 펌프 요구 동력을 출력하므로, 작업자의 조작 필링을 양호하게 유지할 수 있다. 또한, 그때, 엔진(1)은 정격 출력점(최대 동력)에서 운전되므로, 엔진(1)의 연소 상태가 안정되고 배출 가스 중에 포함되는 환경 부하를 부여하는 물질의 함유량이 억제된다. 또한, 펌프 요구 동력이 작을 때에는, 엔진(1)의 효율이 좋은 고출력점에서 발전하게 되므로 연비의 향상도 기대할 수 있다. 또한, 펌프 요구 동력의 최댓값 이상의 동력을 출력할 수 있는 엔진(1)을 이용하면, 펌프 요구 동력에 대해 동력 부족으로 되는 일도 없으므로, 작업자의 조작 필링을 항상 양호하게 유지할 수 있다.

또한, SOC의 설정값 S1(도 4 참조)은, 본 발명이 적용되는 건설 기계에 관한 펌프 요구 동력의 변화 프로파일에 기초하여 설계하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 유압 셔블에 적응하는 경우라면, 주로 굴삭 동작 시에 펌프 요구 동력이 순간적으로 증가하는 일이 있지만, 그러한 경우에도, 엔진 동력의 급격한 변화가 억제 가능한 어시스트 동력을 발생시킬 수 있는 정도의 전력을 확보할 수 있도록 S1을 설정하는 것이 바람직하다. S1은, 이 최소 전력에 대해 얼마간의 여유를 어림하여 설계하는 것이 바람직하다. 이와 같이 S1을 설계하면, 엔진 동력이 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있고, 또한, 여유분의 어림에 의해 과방전으로 되는 것도 회피 가능하다.

상기한 바와 같이 구성한 본 실시 형태에 의하면, SOC가 비교적 높은 경우에는, 주로 전동·발전기(2)의 동력(어시스트 동력)으로 펌프 요구 동력을 부담하게 되므로, 엔진(1)에서는 과도적인 연료 분사가 억제되고 배출 가스 중의 환경 부하를 갖는 물질의 함유량이 억제된다. 또한, SOC가 감소하면, 엔진(1)에 의한 부담분을 증가시키는 구성을 취하고 있으므로, SOC가 적기 때문에 충분한 어시스트 동력을 출력할 수 없는 경우라도, 펌프 요구 동력을 엔진(1)으로 확보할 수 있다. 즉, 도 5 내지 7의 모든 상태에 있어서, 유압 펌프(3)의 요구 동력이 엔진(1)과 전동·발전기(2)의 동력의 합에 의해 확보되어 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 의하면, 축전 장치(10)의 축전 잔량에 상관없이, 종래의 건설 기계와 동등한 속도로 유압 액추에이터(5)를 동작시킬 수 있는, 즉, 작업자의 조작 필링을 양호하게 유지할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같은 제어 구성을 채용하면, 하이브리드식 셔블에 있어서의 굴삭 동작과 같이 일정한 작업을 반복하는 조작에서는, 유압 펌프(3)의 요구 동력은 마찬가지의 파형을 주기적으로 반복하므로, 전동·발전기(2)에 의한 충전과 방전이 밸런스가 맞추어지기 쉽다. 그로 인해, SOC가 일정 범위 내에 들어가고, 안정된 동작을 행하는 것이 가능하다.

도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 컨트롤러의 개략 구성도이다. 이 도면에 나타내는 컨트롤러는, 제1 실시 형태와는 다른 엔진 목표 동력 연산부(23A)를 구비하고 있다. 엔진 목표 동력 연산부(23A)는, 엔진 목표 동력의 변화 속도를 펌프 요구 동력의 변화 속도에 어느 정도까지 추종시킬지를 고려하고 있는 점에서 상술한 실시 형태의 것과 다르다. 구체적으로는, 목표 동력 연산부(23A)는, 축전 장치(10)의 SOC가 감소함에 따라 엔진 목표 동력의 변화 속도를 크게 하기(펌프 요구 동력의 변화 속도에 근접시키기) 위한 연산을 실행하고 있다.

엔진 목표 동력 연산부(23A)는, 엔진(1)의 목표 동력의 기준값을 SOC에 기초하여 연산하는 처리를 실행하는 기준 동력 연산부(기준 동력 연산 수단)(24)와, 엔진(1)의 목표 동력의 변동폭이나 변동 속도를 SOC에 기초하여 연산하는 처리를 실행하는 동력 속도 연산부(동력 속도 연산 수단)(25)를 구비하고 있다. 동력 속도 연산부(25)는, SOC에 따라 엔진 목표 동력의 변화 속도(시상수 T)를 규정하는 변화 속도 연산부(변화 속도 연산 수단)(26)와, 기준 동력 연산부(24)에서 산출되는 기준값으로부터의 동력 변화량을 펌프 요구 동력에 따라 규정하는 평준 동력 연산부(평준 동력 연산 수단)(27)를 구비하고 있다. 목표 동력 연산부(23A)에서는, 기준 동력 연산부(24)와 동력 속도 연산부(25)의 연산 결과의 합을 엔진 목표 동력으로 하고, 당해 엔진 목표 동력을 엔진 목표 회전수 연산부(35)와 전동·발전기 목표 동력 연산부(34)에 출력한다. 엔진 목표 회전수 연산부(35)에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 당해 엔진 목표 동력을 사용하여 목표 회전수 지령을 산출한다. 또한, 전동·발전기 목표 동력 연산부(34)에서는, 당해 엔진 목표 동력과 펌프 동력 연산부(22)에서 연산된 펌프 요구 동력의 차로부터 어시스트 동력 지령을 산출하고 있다. 다음으로, 본 실시 형태에 있어서의 기준 동력 연산부(24), 변화 속도 연산부(26) 및 평준 동력 연산부(27)에서 실행되는 구체적인 연산 처리의 내용에 대해 도 9를 사용하여 설명한다.

도 9는 엔진 목표 동력 연산부(23A)에 있어서의 연산 처리의 내용의 일례를 나타내는 도면이다. 기준 동력 연산부(24)는, 축전 잔량 연산부(21)에서 연산된 SOC에 기초하여 엔진 목표 동력의 기준값을 결정하는 데 있어서, 도 9에 나타내는 기준 동력 연산 테이블(31)을 사용한다. 기준 동력 연산 테이블(31)에서는, 기준 동력 연산부(24)에의 입력인 SOC를 횡축에 취하고 있고, 기준 동력 연산부(24)로부터의 출력인 기준 동력을 종축에 취하고 있다. 도 9의 기준 동력 연산 테이블(31)에서는, SOC와 기준 동력의 관계를 곡선으로 정의하고 있는 점에서 도 4에 나타낸 제1 실시 형태의 것과 다르지만, SOC가 감소함에 따라 기준 동력이 커지도록 규정하고 있는 점에서 양자는 공통되어 있다. 또한, 도 9의 예에서도, SOC가 S1 이하의 값에 달하면 기준값(엔진 목표 동력)이 최댓값에 달하고, SOC가 S2 이상에 달하면 기준값이 최솟값에 달하는 것으로 한다. 다음으로, 기준값의 최솟값에 대해 설명한다.

도 10은 엔진 목표 동력의 기준값에 관한 최솟값의 설명도이다. 기준 동력 연산 테이블(31)에 있어서의 기준값(엔진 목표 동력)의 최솟값은, 「유압 펌프(3)의 최대 동력－전동·발전기(2)의 최대 동력」으로 규정해 두는 것이 바람직하다. 이 값을 기준값의 최솟값으로 하면, 도 10과 같이 펌프 요구 동력이 급준하게 증가한 경우라도, 엔진 동력을 변화시키는 일 없이, 펌프 요구 동력을 확보할 수 있으므로, 엔진(1)의 연소 상황을 악화시키는 일이 없고, 또한 유압 기기의 조작성을 손상시키는 일도 없다. 또한, 펌프 요구 동력이 낮은 경우에는 전동·발전기(2)에서 충전을 행함으로써, 어시스트가 필요할 때에 구비할 수도 있다. 단, 축전 장치(10)가 풀 충전일 때에는 충전을 행할 수 없으므로, 엔진(1)을 정지시키거나, 엔진 목표 동력의 기준값을 일시적으로 낮춤으로써 과충전의 방지를 행할 필요가 있다.

또한, 엔진 목표 동력의 최솟값을, 「전동·발전기(2)의 응답성」에 따라 결정할 수도 있다. 이 경우에는, 도 10에 있어서, 엔진 동력점 B로부터 펌프 최대 동력점 A에 도달할 때까지의 시간 「t2－t1」로 규정되는 동력 변화 속도 「(A－B)/(t2－t1)」이 전동·발전기(2)의 최대 동력 변화 속도 이하로 되도록 B점을 설계하면 된다. 실제의 이용에 있어서는, 최대 동력으로 정의되는 엔진 목표 동력과, 동력 변화 속도로 규정되는 엔진 목표 동력을 비교하고, 어느 큰 쪽을 선택하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 동력 변화 속도라 함은, 동력의 단위 시간당 변화량을 나타내고, 엔진(1), 발전·전동기(2) 등의 출력 응답성을 나타낸다.

도 11은 기준 동력 연산 테이블(31)의 다른 예를 나타내는 도면이다. SOC의 저하 후에 전동·발전기(2)에 의해 발전을 행하여 SOC를 상승시키면, 엔진(1)의 목표 동력의 기준값을 다시 낮추게 된다. 그때, 제어 목표값의 전환에 기인하여, 충방전의 반복(헌팅)이 발생할 가능성이 있다. 이 점에 대응하는 경우에는, 도 11에 나타낸 기준 동력 연산 테이블(31)과 같이 히스테리시스 특성을 가진 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이 동력 연산 테이블(31)에서는, SOC가 감소할 때에는 실선(51)에 따라 기준 동력을 높여 가고, SOC가 증가할 때에는 점선(52)에 따르도록 기준 동력을 낮추고 있다. 이러한 기준 동력 연산 테이블(31)을 이용하면 헌팅을 방지할 수 있다.

도 9로 되돌아가, 동력 속도 연산부(25)에 대해 설명한다. 동력 속도 연산부(25)에서는 1차의 로우 패스 필터를 이용한 구성을 채용하고 있다. 본 실시 형태에 있어서의 동력 속도 연산부(25)에서는, 우선, 축전 잔량 연산부(21)에 의해 연산된 SOC에 따라 로우 패스 필터의 시상수 T를 결정한다. 이 연산에는 도 9에 나타낸 시상수 연산 테이블(32)을 사용한다. 시상수 연산 테이블(32)은, 변화 속도 연산부(26)에의 입력인 SOC를 횡축에 취하고 있고, 변화 속도 연산부(26)로부터의 출력인 시상수 T를 종축에 취하고 있다. 시상수 연산 테이블(32)에서는, 축전 잔량이 많은(SOC가 높은) 경우에는 시상수 T가 크게 설정되고, 축전 잔량이 적은(SOC가 낮은) 경우에는 시상수 T가 작게 설정된다.

평준 동력 연산부(27)는, 1차의 로우 패스 필터로 되어 있고, 그 시상수 T가 변화 속도 연산부(26)에서 연산된 출력에 따라 변화하는 구성으로 되어 있다. 펌프 동력 연산부(22)에서 계산된 펌프 요구 동력을, 이 로우 패스 필터에 가함으로써, 펌프 요구 동력이 평준화된 값이 동력 속도 연산부(25)의 출력으로서 산출된다. 또한, 도면 중의 「s」는 라플라스 연산자, 「K」는 게인을 의미한다(이후의 도면도 마찬가지).

동력 속도 연산부(25)를 이러한 구성으로 하면, 축전 잔량이 많을(SOC가 높을) 때에는 시상수 T가 큰 값을 취하고, 동력 속도 연산부(25)의 출력은, 펌프 요구 동력의 변화 속도에 대해 매우 천천히 상승하게 된다. 이로 인해, 펌프 요구 동력이 급준하게 상승하였다고 해도, 엔진 목표 동력은 기준 동력 연산부(24)에서 산출된 기준 동력으로부터 거의 변화하는 일이 없다. 따라서, 엔진(1)은 연소 상태가 안정된 상황을 유지할 수 있다.

한편, 축전 잔량이 적을(SOC가 낮을) 때에는 시상수 T가 작은 값을 취하고, 동력 속도 연산부(25)의 출력은, 시상수 T가 클 때(SOC가 높을 때)보다도 상대적으로 빠르게 상승하게 된다. 이로 인해, SOC가 적고 전동 어시스트를 충분히 행할 수 없을 것 같은 경우에는, 엔진(1)의 출력 변화 속도를 크게 취하여 펌프 요구 동력을 확보함으로써, 양호한 조작성이 유지된다.

여기서, 시상수 연산 테이블(32)[변화 속도 연산부(26)]에서 결정되는 시상수 T의 최솟값(최소 시상수)은, 엔진의 동력 변화 속도의 최댓값을 규정하게 되므로, 최소 시상수 T에 있어서의 로우 패스 필터를 통과하는 주파수 영역이, 엔진의 연비나 배출 가스의 과도 응답 특성을 악화시키지 않는 범위로 되도록 설계할 필요가 있다. 또한, 평준 동력 연산부(27)에서 이용되는 로우 패스 필터의 게인 K도 엔진 목표 동력의 변화율을 결정하는 파라미터로 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 간략하게 게인 K를 일정값으로 하고 있지만, 시상수 T와 마찬가지로 게인 K의 값을 SOC에 따라 변경하는 구성으로 해도 된다.

또한, 도 9의 예에서는 평준 동력 연산부(27)에 1차의 로우 패스 필터를 사용하였지만, 컨트롤러의 실현 방법은, 당연히, 이 예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 예에 있어서 「1차의 로우 패스 필터를 사용한 경우의 시상수를 변경하는」 것은, 「이동 평균을 이용한 경우의 데이터점의 개수를 변경하는」 것이나, 「레이트 리미터를 이용한 경우의 변화율을 변화하는」 것 등에 상당한다. 또한, 물론 「고차의 로우 패스 필터」를 이용해도 된다. 이 경우에는, 컷오프 주파수를 변화시키는 파라미터를 변경하게 된다.

그런데, 전동·발전기(2)의 동력 변화 속도는, 엔진(1)의 동력 변화 속도보다 빠르고, 전동·발전기(2)가 실제로 출력하는 동력은 순시에 「어시스트 동력 지령」에 일치한다. 이로 인해, 상기한 바와 같은 구성을 취함으로써, 엔진(1)이 실제로 출력하는 동력은 「펌프 동력－어시스트 동력 지령」과 동등해진다. 즉, 본 실시 형태에서는 엔진(1)의 동력을 직접 제어하는 일은 없지만, 간접적으로 엔진(1)의 동력을 목표 동력 연산부(23)에서 연산한 목표 동력에 추종시킬 수 있다.

다음으로 상기한 바와 같이 구성되는 유압 셔블에 있어서, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력(즉, 어시스트 동력 지령)이 SOC에 따라 어떻게 산출되는지 시계열에 따라 설명한다.

도 12는 SOC가 충분히 있는 경우(예를 들어, 야간 충전 등을 실시한 다음날의 작업 개시 시)에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 동력 지령의 변화를 나타내는 도면이다. 이 도면의 예에서는, 시각 제로의 SOC일 때, 엔진 목표 동력의 기준값은 최솟값으로부터 개시하고 있다. 또한, 이때, 시상수 연산 테이블(31)에서 결정되는 시상수 T는 최댓값으로 된다. 이로 인해, 엔진 목표 동력의 변화 속도는 펌프 동력의 그것에 추종하는 일 없이, 기준값에 가까운 값을 계속해서 취한다.

축전 장치(10)로부터의 방전이 진행되면, 도 12의 (a)와 같이 SOC가 서서히 낮아진다. 이에 따라, 기준 동력 연산부(24)에서 산출되는 기준 동력은 서서히 증가하지만, 시상수 T는 여전히 크다. 그로 인해, 엔진 목표 동력은, 도 12의 (b)와 같이 SOC의 감소와 상반되도록 증가하는 거동을 나타낸다. 이와 같이 엔진 목표 동력은 낮게 설정되므로, 「펌프 동력－엔진 목표 동력」은 거의 양의 값을 취한다. 그로 인해, 전동·발전기(2)에의 어시스트 동력 지령[도 12의 (c)]은, 조력측에 작용하는 빈도가 높고, 또한, 크게 변동한다. 이와 같이, 변화가 빠른 펌프 요구 동력에 대해, 전동·발전기(2)로부터 빠르게 동력을 공급하면, 엔진(1)의 실제 동력은 매끄럽게 변화한다.

다음으로, 도 12의 상태로부터 어느 정도 시간이 경과하고, SOC가 소정의 수준까지 감소한 시점에서의 거동에 대해 도 13을 사용하여 설명한다. 도 13은 도 13의 (a) 중에 파선으로 나타낸 소정의 수준 Sc(S1보다 크고 또한 S2 미만의 값)의 근방까지 SOC가 감소한 경우에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력의 변화를 나타내는 도면이다.

이 경우에는, SOC의 감소에 따라 기준 동력 연산부(24)에서 산출되는 기준 동력이 상술한 경우보다도 어느 정도 높은 값으로 되어 있고, 또한, 변화 속도 연산부(26)에서 구해지는 시상수 T의 값도 상술한 경우보다도 작게 되어 있다.

이 경우에 대해서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 엔진 목표 동력을, 펌프 요구 동력의 대략 중앙값(예를 들어, 이동 평균값) 또는 당해 중앙값보다도 약간 높은 값으로 되도록 조정해 두는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 엔진 목표 동력이 펌프 요구 동력의 중앙값을 취하므로, 「펌프 요구 동력－엔진 목표 동력」으로 산출되는 전동·발전기(2)의 어시스트 동력 지령은 도 13의 (c)에 나타낸 바와 같이 충방전을 반복한다. 이에 의해, 엔진(1)의 동력이 급준하게 변화하는 것을 방지할 수 있음과 함께, SOC가 일정 수준으로 유지되므로 전동·발전기(2)에 의해 엔진(1)의 조력이 불가능한 상황에 빠지는 것을 회피할 수 있다. 또한, 엔진 목표 동력을 펌프 요구 동력의 중앙값보다도 높게 취하는 것은, 충방전에 수반하는 에너지 손실에 의해 SOC가 감소하는 것을 방지하는 효과가 있다.

마지막으로, SOC가 S1을 하회한 경우의 거동에 대해 도 14를 사용하여 설명한다. 도 14는 SOC가 S1 미만인 경우에 있어서의 SOC, 펌프 요구 동력, 엔진 목표 동력 및 어시스트 목표 동력의 변화를 나타내는 도면이다.

이 경우에는, 기준 동력 연산부(24)에서 산출되는 엔진(1)의 기준 동력이 엔진 동력의 최댓값보다도 높은 값을 취한다. 또한, 기준 동력 연산 테이블(31)로서 도 11에 나타낸 것을 이용한 경우에는, 점선(52)의 라인으로 천이하므로, SOC가 어느 정도의 값으로 회복할 때까지는 이 기준 동력이 유지된다.

또한, 이때의 SOC는 작으므로, 변화 속도 연산부(26)에서 산출되는 시상수 T는 작은 값을 취하게 된다. 그로 인해, 평준 동력 연산부(27)에서 산출되는 동력의 변화 속도는 펌프 요구 동력의 그것에 근접한다. 또한, 도 14와 같은 조건으로 되는 SOC의 임계값(S1)은, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 적용처의 건설 기계에서의 펌프 요구 동력의 변화 프로파일에 기초하여 설계하는 것이 바람직하다.

도 14와 같은 상태에 있는 경우의 엔진 목표 동력의 변화의 모습에 대해, 도 15의 엔진(1)의 토크-회전수 특성도(T-N 특성도)를 이용하여 설명한다. 도 15는 SOC가 낮은 경우에 있어서의 엔진 목표 동력의 결정 방법에 대한 간이 설명도이다.

우선, 전술한 바와 같이, 엔진 목표 동력의 기준 동력은, 도 15에 나타내는 바와 같이 엔진(1)의 최대 동력선보다도 높은 값을 취하고 있다. 로우 패스 필터에서 행해지는 연산은, 기준 동력에 대한 변화분(91)에 상당한다. 또한, 도 15에 있어서의 변화분(91)은, 설명을 이해하기 쉽게 하기 위한 일례이며, 그 정도는 도시한 것에 한정되는 것은 아니다. 도 15와 같이 기준 동력[기준 동력 연산부(24)의 출력]을 충분히 높게 설정하면, 변화분(91)[동력 속도 연산부(25)의 출력]을 고려하여 생성되는 엔진 목표 동력[기준 동력 연산부(24)와 동력 속도 연산부(25)의 출력의 합]도 엔진(1)의 최대 동력선보다 항상 높아진다. 그러나, 엔진(1)의 목표 동력을 최대 동력보다 높게 취할 수는 없으므로, 최종적인 엔진 목표 동력[엔진 목표 동력 연산부(23A)의 출력]은 최대 동력으로 제한되고, 그 값을 계속해서 취한다. 이와 같이, 도 14와 같이 SOC가 낮은 경우에는, 전동·발전기(2)에의 어시스트 동력 지령은 「엔진 최대 동력－펌프 요구 동력」의 값으로 정의되고, 항상 「발전 요구」로서 계속해서 부여된다. 또한, 엔진의 소형화 등을 도모하는 목적으로, 펌프 요구 동력이 엔진의 최대 동력을 상회하는 엔진을 탑재한 경우에는, 펌프 요구 동력을 제한하는 등의 제어가 필요하다.

도 15와 같이 기준 동력을 취함으로써, 엔진(1)은 정격 출력점에서 운전을 하므로, 엔진(1)의 연소 상태가 안정되고 배출 가스 중에 포함되는 환경 부하를 갖는 물질의 함유량이 억제되고, 또한, 펌프 요구 동력에 대해 동력 부족으로 되는 일도 없으므로 조작성도 유지된다. 또한, 엔진(1)의 효율이 좋은 고출력점에서 발전에 전념하므로 연비의 향상도 기대할 수 있다.

상기한 바와 같이 구성한 본 실시 형태에 의하면, 축전 장치(10)의 축전 잔량이 많은 경우에는, 펌프 요구 동력의 변화 속도에 대해 엔진의 목표 동력의 변화는 충분히 완만해진다. 또한, 엔진 목표 동력과 펌프 요구 동력의 차분을 어시스트 동력 지령(어시스트 목표 동력)으로 함으로써, 고응답의 전동·발전기(2)로 신속한 동력 보조가 실현되고, 엔진(1)과 전동·발전기(2)에 의해 펌프 요구 동력을 만족할 수 있다. 그때, 전동·발전기(2)에 비해 응답이 늦은 엔진(1)의 동력은 완만하게 변화하게 된다. 이로 인해, 엔진(1)에서는 과도적인 연료 분사가 억제되고, 배출 가스 중의 환경 부하를 갖는 물질의 함유량이 억제된다. 또한, 펌프 요구 동력이 급격하게 감소한 경우에는, 엔진 동력의 잉여분이 발전 동력에 이용되므로, 엔진(1)에서 발생한 에너지를 낭비 없이 이용할 수 있다.

한편, 축전 장치(10)의 축전 잔량이 감소하면, 엔진 목표 동력의 변화 속도가 상승함과 함께 엔진 동력에 의한 부담분을 증가시키는 구성을 취하고 있음으로써, 충전 잔량이 적고 전동·발전기(2)에 의한 충분한 어시스트를 행할 수 없는 경우라도, 유압 펌프(3)의 요구 동력을 엔진 단독으로 확보할 수 있다. 이에 의해, 축전 장치(10)의 축전 잔량에 상관없이 양호한 조작성을 확보하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시 형태에 의하면, 엔진 목표 동력이 상대적으로 작은 영역(저출력 영역)에서, 엔진 동력의 변화 속도가 상대적으로 작게 설정되고, 엔진 목표 동력이 상대적으로 큰 영역(고출력 영역)에서, 엔진 동력의 변화 속도가 상대적으로 크게 설정되게 된다. 이와 같이 제어하면, 저출력 영역에서는, 배출 가스에 의한 환경 부하의 증가가 우려되는 동작을 억제할 수 있고, 고출력 영역에서는, 낭비되는 연료 소비를 억제할 수 있다. 즉, 연비 향상과 배출 가스 억제의 양쪽에 관해 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, SOC와 펌프 요구 동력에 기초하여 엔진 동력의 변화 속도를 변화시키는 구성을 이용함으로써, 상기한 작용·효과를 발휘하는 것으로 하였지만, 엔진 목표 동력의 대소에 따라 엔진 동력의 변화 속도의 제한값을 설정하고, 당해 설정값을 엔진 목표 동력의 대소에 따라 변화시키는 구성(즉, 엔진 목표 동력이 증가함에 따라, 엔진 동력의 변화 속도의 제한값을 크게 설정함)을 이용해도, 마찬가지의 작용·효과를 발휘할 수 있다.

그런데, 상기한 각 실시 형태에서는, 엔진 목표 회전수 제어부(36)(도 3 참조)에 의해 엔진(1)을 회전수 제어하고 있는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 엔진 목표 회전수 연산부(35)(도 3 참조)에 있어서의 엔진 목표 회전수의 구체적인 산출 방법에 대해서는 특별히 언급하지 않았다. 엔진 목표 회전수는, 질소산화물 등의 배출 가스 성분의 양 및 연비와 엔진 회전수 및 토크의 관계를 나타내는 엔진 특성 데이터에 기초하여 산출하는 것이 바람직하다. 따라서, 다음으로, 엔진 목표 회전수 연산부(35)에 있어서의 목표 회전수의 바람직한 산출예에 대해 설명한다.

도 16은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 엔진 목표 회전수 연산부(35)가 이용하는 등연비 테이블을 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 등연비 테이블은, 소정의 회전수 및 토크에 있어서의 엔진의 연비를 나타내는 엔진 특성 데이터를 테이블 형식으로 나타낸 것이며, 횡축에 엔진 회전수를 취하고, 종축에 엔진 토크를 취한 2차원 평면 상에, 연비의 동등한 회전수와 토크의 조합을 등고선으로 플롯함으로써 엔진(1)의 연비 특성을 나타내고 있다.

전술한 엔진 목표 회전수 연산부(35)는, 전술한 엔진 목표 동력 연산부(23)로부터 입력되는 엔진 목표 동력에 기초하여, 당해 엔진 목표 동력을 출력 가능한 토크와 회전수의 복수의 조합 중에서, 원하는 연비를 실현할 수 있는 하나의 조합(또는 원하는 연비에 가장 가까운 하나의 조합)을 추출하고, 당해 하나의 조합에 관한 회전수를 목표 회전수로서 출력한다. 또한, 엔진 동력은 토크와 회전수의 곱이며, 소정의 엔진 목표 동력이 달성 가능한 토크와 회전수의 조합은 등연비 테이블 상에 곡선[등동력선(101)]으로서 그릴 수 있다. 그로 인해, 도 16에 나타내는 바와 같이, 엔진 목표 동력 연산부(23)로부터의 입력값에 기초하여 등동력선(101)을 그리고, 그 등동력선(101) 상의 점으로부터 연비가 가장 좋은 동작점에 관한 회전수(N1)를 목표 회전수로서 출력해도 된다. 엔진 목표 회전수 연산부(35)의 출력은 엔진(1)의 목표 회전수로서 이용된다.

또한, 도 16에 나타낸 등연비 테이블과 마찬가지로, 소정의 회전수 및 토크에 있어서의 질소산화물 등의 배출 가스 성분의 양을 나타내는 엔진 특성 데이터를 테이블 형식으로 나타낸 「등배출 가스 테이블」을 이용하여 목표 회전수를 결정하는 것도 가능하다. 등배출 가스 테이블로서는, 횡축에 회전수, 종축에 토크를 취하고, 질소산화물, 입자상 물질, 이산화탄소 등의 각종 배출 가스 성분의 정상 특성(예를 들어, 각 배출 가스 성분의 양)이 동등한 회전수 및 토크의 조합을 등고선으로 플롯함으로써 엔진(1)의 배출 가스 성분의 특성을 나타낸 것이 있다. 이 등배출 가스 테이블을 전술한 등연비 테이블과 마찬가지로 사용하면, 정상 상태에서의 배출 가스 중의 환경 부하를 갖는 물질의 양을 최적화할 수 있으므로, 부하의 평준화에 의한 배기 가스 정화의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 상기한 「등연비 테이블」과 「등배출 가스 테이블」을 병용함으로써, 저연비 또한 저배출 가스를 실현할 수 있는 동작점에서 엔진(1)을 구동하는 것도 가능해진다. 또한, 상기한 연비 및 배출 가스뿐만 아니라, 다른 엔진 특성 데이터에 기초하여 목표 회전수를 결정해도 된다.

상기한 바와 같이 엔진 목표 회전수 연산부(35)를 구성하면, 작업자가 순차적으로 엔진 회전수를 설정하는 일 없이, 연비나 배출 가스의 관점에서 바람직한 동작 회전수로 엔진(1)을 움직이게 할 수 있다. 이것은 에너지 절약, 배출 가스 중의 환경 부하를 갖는 물질의 저감을 실현할 뿐만 아니라, 작업자의 작업 부담의 경감에도 연결된다.

그런데, 도 9에 나타낸 엔진 목표 동력 연산부(23A)의 구성은, 축전 장치(10)로서, 리튬 이온 배터리 등의 에너지 밀도가 높고, 높은 출력을 지속적으로 이용할 수 있는 것을 이용한 경우에 유효한 구성이다. 그러나, 캐패시터와 같이 순간적으로밖에 에너지를 공급할 수 없는 축전 디바이스의 경우에도 도 9와 같이 기준 동력을 SOC에 따라 결정하면, 기준 동력이 급격하게 상승 저하해 버리고, 엔진 동력의 감소 시에 엔진이 스톨해 버릴 우려가 있다. 따라서, 다음으로, 축전 장치(10)로서, 캐패시터와 같은 것을 이용한 경우에 유효해지는 구성에 대해 도 17을 사용하여 설명한다.

도 17은 엔진 목표 동력 연산부(23B)에 있어서의 연산 처리의 내용의 일례를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 엔진 목표 동력 연산부(23B)는, 기준 동력 연산부(24B)와, 동력 속도 연산부(25B)를 구비하고 있다.

기준 동력 연산부(24B)는, 로우 패스 필터(111)로 구성되고, 펌프 동력 연산부(22)로부터 출력되는 펌프 요구 동력에 대해 로우 패스 필터(111)를 가함으로써 기준 동력을 생성하는 처리를 실행하는 부분이다. 또한, 도면 중의 Kl은 게인이며, 시상수 Tl은 SOC에 의존하지 않는 값이다. 이와 같이 로우 패스 필터(111)에서 기준 동력을 생성하면, 엔진 목표 동력이 펌프 요구 동력의 중앙값으로 설정되는 경향(예를 들어, 도 13과 같은 상태)이 나타나므로, 도 9의 경우와 비교하여 장시간에 걸쳐 고출력의 동력 어시스트를 행하는 빈도가 낮아진다.

동력 속도 연산부(25B)는, 펌프 동력 연산부(22)로부터 출력되는 펌프 요구 동력에 대해 하이 패스 필터(112)를 가함으로써 엔진 목표 동력의 변동 속도, 변동폭을 규정하는 처리를 실행하는 부분이다. 또한, 도면 중의 Kh는 게인이다. 또한, 동력 속도 연산부(25B)는, 하이 패스 필터(112)에서 이용되는 시상수 Th를, 축전 잔량 연산부(21)로부터 출력되는 SOC에 따라 규정하기 위한 시상수 연산 테이블(113)을 구비하고 있다. 시상수 연산 테이블(113)은, 도 9의 시상수 연산 테이블(32)과 마찬가지로, 축전 잔량이 많을수록(SOC가 높을수록) 시상수 Th는 작게 설정되고, 축전 잔량이 적을수록(SOC가 낮을수록) 시상수 Th는 크게 설정된다.

이와 같이 설정되는 시상수 Th를 하이 패스 필터(112)에서 이용하면, SOC가 높을 때에는 하이 패스 필터(112)의 시상수가 작아지므로 통과하는 고주파 성분이 적어진다. 이에 의해, 축전 잔량이 많은 경우에는, 엔진 목표 동력의 변동폭은 작아지고, 전동·발전기(2)에서 부담하는 동력 변동이 커진다. 한편, 축전 잔량이 적어지면, 하이 패스 필터(112)의 시상수는 커지므로, 통과하는 고주파 성분이 많아진다. 또한, 하이 패스 필터(112)의 시상수의 변화가 크면, 엔진 목표 동력이 급준하게 증가할 수 있다. 이것을 피하기 위해, 시상수 연산 테이블(113)에서는, SOC의 변화에 수반하는 시상수의 변화량(도 17 중의 ΔT)을 비교적 작게 취하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 구성한 엔진 목표 동력 연산부(23B)에 의하면, 기준 동력 연산부(24B)와 동력 속도 연산부(25B)의 출력값의 합이 최종적인 엔진 목표 동력으로 출력된다. 이때, 기준 동력은 기준 동력 연산부(24B)에서 축전 장치(10)의 SOC와 관계없이 산출되지만, 엔진 목표 동력 연산부(23B)로부터 최종적으로 출력되는 엔진 목표 동력은 동력 속도 연산부(25B)의 작용에 의해 SOC가 감소함에 따라 크게 설정되게 된다. 그리고, 이와 같이 구성한 경우의 거동은, 축전 장치(10)의 SOC가 변화해도 기본적으로 도 13과 동일한 동작을 반복하게 된다. 따라서, 상기한 바와 같이 엔진 목표 동력 연산부(23B)를 구성하면, 축전 장치(10)에 캐패시터를 이용해도, 엔진 동력의 감소 시에 엔진 스톨이 발생하는 것을 회피할 수 있다.

또한, 상기한 각 실시 형태에서는, 축전 장치(10)의 SOC가 감소함에 따라 엔진 목표 동력이 커지도록 제어하였지만, 엔진 목표 동력의 제한값을 설정하고, 당해 제한값을 SOC의 감소에 따라 크게 하도록 제어해도 된다. 즉, 엔진 목표 동력이 아니라, 「엔진 목표 동력의 제한값」을 SOC에 따라 제어해도 된다. 또한, 상기한 각 실시 형태에서는, 유압 셔블을 예로 들어 설명하였지만, 유압 액추에이터에 압유를 공급하기 위한 유압 펌프를 엔진 및 전동·발전기로 구동하고 있는 그 밖의 하이브리드식의 건설 기계에도 본 발명이 적용 가능한 것은 물론이다.

그런데, 발명자들은, 상기 각 실시 형태로 대표되는 본 발명을 하이브리드식 유압 셔블에 적용함으로써, 유압 셔블의 표준적인 동작에 있어서, 배출 가스 중의 입자상 물질을 약 30％, 질소산화물을 약 20％ 억제할 수 있는 것을 확인하고 있다.

1 : 엔진
2 : 전동·발전기
3 : 유압 펌프
5 : 유압 액추에이터
9 : 인버터
10 : 축전 장치
16 : 조작 레버
21 : 축전 잔량 연산부
22 : 펌프 동력 연산부
23, 23A, 23B : 엔진 목표 동력 연산부
24, 24B : 기준 동력 연산부
25, 25B : 동작 속도 연산부
26 : 변화 속도 연산부
27 : 평준 동력 연산부
28 : 어시스트 동력 제어부
31 : 기준 동력 연산 테이블
32 : 시상수 연산 테이블
34 : 전동·발전기 목표 동력 연산부
35 : 엔진 목표 회전수 연산부
36 : 엔진 목표 회전수 제어부
111 : 로우 패스 필터
112 : 하이 패스 필터
113 : 시상수 연산 테이블

Claims (6)

1. 엔진과,
   상기 엔진과의 사이에서 토크의 전달을 행하는 전동·발전기와,
   상기 엔진 및 상기 전동·발전기 중 적어도 한쪽에 의해 구동되는 유압 펌프와,
   당해 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 유압 액추에이터와,
   상기 전동·발전기에 전력을 공급하기 위한 축전 장치와,
   상기 축전 장치의 축전 잔량에 기초하여 상기 엔진의 목표 동력을 설정하고, 당해 엔진의 목표 동력과 상기 펌프의 요구 동력에 기초하여 상기 전동·발전기의 목표 동력을 설정하는 제어 수단을 구비하고,
   상기 엔진의 목표 동력은, 상기 축전 장치의 축전 잔량이 감소함에 따라 단조 증가하도록 설정되어 있고,
   상기 제어 수단은, 상기 축전 잔량이 감소함에 따라, 상기 엔진의 목표 동력의 변화 속도가 증가되도록 설정하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 엔진의 목표 동력이 증가함에 따라, 상기 엔진의 동력의 변화 속도의 제한값이 증가되도록 설정하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 축전 잔량이 제1 설정값 이하의 값에 달하면, 상기 엔진의 목표 동력을 상기 엔진의 최대 동력으로 설정하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
4. 제3항에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 제1 설정값보다 큰 제2 설정값 이상의 값에 상기 축전 잔량이 달하면, 상기 엔진의 목표 동력을 상기 유압 펌프의 최소 동력보다 작은 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 건설 기계.
5. 삭제
6. 삭제

Images