KR101729901B1 - 하이브리드 건설 기계 - Google Patents

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KR101729901B1
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unit
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신지 이시하라
마사토시 호시노
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히다찌 겐끼 가부시키가이샤
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    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2058—Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2062—Control of propulsion units
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B60L15/2045—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed for optimising the use of energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B60L50/10—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B60L58/15—Preventing overcharging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
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    • B60W10/00—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
    • B60W10/24—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of energy storage means
    • B60W10/26—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of energy storage means for electrical energy, e.g. batteries or capacitors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W10/00—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
    • B60W10/30—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of auxiliary equipment, e.g. air-conditioning compressors or oil pumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W20/00—Control systems specially adapted for hybrid vehicles
    • B60W20/10—Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand
    • B60W20/11—Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand using model predictive control [MPC] strategies, i.e. control methods based on models predicting performance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W30/00—Purposes of road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub-unit, e.g. of systems using conjoint control of vehicle sub-units
    • B60W30/18—Propelling the vehicle
    • B60W30/188—Controlling power parameters of the driveline, e.g. determining the required power
    • B60W30/1882—Controlling power parameters of the driveline, e.g. determining the required power characterised by the working point of the engine, e.g. by using engine output chart
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/30—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets with a dipper-arm pivoted on a cantilever beam, i.e. boom
    • E02F3/32—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets with a dipper-arm pivoted on a cantilever beam, i.e. boom working downwardly and towards the machine, e.g. with backhoes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/22—Hydraulic or pneumatic drives
    • E02F9/2221—Control of flow rate; Load sensing arrangements
    • E02F9/2232—Control of flow rate; Load sensing arrangements using one or more variable displacement pumps
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/22—Hydraulic or pneumatic drives
    • E02F9/2278—Hydraulic circuits
    • E02F9/2296—Systems with a variable displacement pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D29/00—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D29/00—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
    • F02D29/04—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto peculiar to engines driving pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D29/00—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
    • F02D29/06—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto peculiar to engines driving electric generators
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Abstract

축전 장치의 잔량을 적절한 범위로 유지하면서, 엔진을 적정한 운전 상태로 동작시키는 것. 본 발명에 따른 하이브리드 건설 기계는, 엔진을, 부하 토크와 회전수와의 관계가, 부하 토크의 증가에 따라서 회전수가 감소하는 소정의 기울기를 가진 거버너 특성으로 제어하는 컨트롤러를 구비한다. 컨트롤러 내의 목표 엔진 동력 연산부(2-5)는, 부하 동력 연산부(2-1) 및 충방전 요구 연산부(2-3)로부터의 출력값의 증감에 따라, 증감하는 제1 목표 엔진 동력을 연산하고, 목표 회전수 연산부(2-6)는, 회전수-토크 특성 선도 상에서의 거버너 특성 변경부(2-4)에서 변경된 거버너 특성선과 제1 목표 엔진 동력에 따르는 등동력선과의 교점의 회전수를 전동·발전기의 목표 회전수 명령값으로서 산출한다.

Description

하이브리드 건설 기계{HYBRID CONSTRUCTION MACHINE}
본 발명은, 동력원으로서, 엔진과, 엔진에 기계적으로 접속되어 엔진의 동력 어시스트를 행하는 전동·발전기를 구비한 하이브리드 건설 기계에 관한 것이다.
에너지 절약화(저연비화)나 엔진으로부터 배출되어 환경 부하의 원인이 되는 배기 가스(이산화탄소나 질소 산화물, 입자상 물질 등)의 양을 저감하는 것을 목적으로, 엔진 외에 전동·발전기를 동력원으로서 구비한 하이브리드 건설 기계가 공지이다. 에너지 절약화, 환경 부하의 원인이 되는 배기 가스량을 저감하기 위해서는, 엔진을 적절한 운전 조건하에서 동작시키는 것이 특히 중요하다. 하이브리드 건설 기계에 있어서는, 작업에 필요한 동력이 유압 펌프에 적절하게 분배되도록 엔진과 전동·발전기의 2개의 동력원을 제어함으로써, 엔진을 적절한 운전 상태로 동작시킬 수 있게 된다.
엔진과 전동·발전기의 동력 분배를 적절하게 행하는 방법에 대해서는, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 나타내고 있는 기술이 공지이다. 특허문헌 1에서는, 유압 펌프에 요구되는 파워인 펌프 요구 파워와, 액셀러레이터 신호에 기초해서 결정되는 엔진의 목표 회전수에 대응하는 엔진 최대 파워와의 비교를 행하여, 펌프 요구 파워에 대한 엔진 최대 파워의 과부족분을 전동·발전기 파워로서 산출한다. 또한, 펌프 요구 파워의 연산값과 실제 값의 어긋남에 의해 발생하는 엔진 회전수와의 편차에 따라, 전동·발전기 파워를 보정함으로써, 엔진 및 전동·발전기의 파워 분배를 실현한다.
또한, 특허문헌 2에서는, 액추에이터가 요구하는 파워인 액추에이터 요구 파워와, 축전 장치의 충전량이 일정 범위 내로 유지되는 방향으로 설정되는 충전량에 따른 충전 파워, 및 발전 파워와 축전 장치의 충전량에 따라서 설정되는 엔진 파워에 기초하여, 엔진 및 전동·발전기의 파워 분배를 결정하는 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 제4725406호 공보 미국 특허 출원 공개 제2007/0187180호 명세서
상술한 특허문헌 1에서의 동력 분배 방법은, 엔진을 액셀러레이터 신호에 기초해서 결정되는 엔진의 목표 회전수에 대응하는 엔진 최대 파워로 구동하고, 펌프 요구 파워에 대한 엔진 동력의 과부족분을, 전동·발전기에서의 역행·회생 동력으로서 부담하는 구성으로 되어 있다. 즉, 엔진은 항상 액셀러레이터 신호에 따른 최대 파워로 계속해서 동작하게 된다. 이 때문에, 엔진은 항상 연료를 최대로 계속해서 분사하게 되어버린다. 이것은, 에너지 절약이라는 관점에서 보면 적절한 운전 상태라고는 하기 어렵다.
또한, 특허문헌 1의 하이브리드 건설 기계에서는, 발전·전동기에 전력의 수수를 행하는 축전 장치의 충전량을 감시하고 있지 않다. 이 때문에, 펌프 요구 파워가 적은 상태(경작업)가 계속되는 경우, 엔진 최대 파워의 잉여분이 전동·발전기에서 회생 동력으로서 이용되고, 축전 장치는 과충전이 되어버린다. 한편, 펌프 요구 파워가 많은 상태(중작업)가 계속되는 경우, 엔진 최대 파워의 부족분이 전동·발전기에서 회생 동력으로서 이용되고, 축전 장치는 과방전이 되어버린다.
특허문헌 2의 기술에서는, 축전 장치의 충전량을 감시한 파워 분배를 행하고 있다. 그러나, 이 기술에서는 엔진의 파워를 축전 장치의 충전량에 따라서 변경하고 있기 때문에, 엔진을 최대 파워로 계속해서 움직이게 하는 특허문헌 1의 기술은, 특허문헌 2의 기술과 직접 조합할 수는 없다.
또한, 특허문헌 1, 2는 펌프 요구 파워, 또는, 액추에이터 요구 파워의 추정에 기초한 동력 분배를 행할 때, 전동·발전기를 동력(토크)으로 제어하고 있다. 그러나, 이 구성에서는, 요구 파워의 참값을 알기 어려울 때, 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다.
도 16의 (a)는, 엔진이 최대 동력 60kW인 회전수 Na로 동작하고 있을 때, 실제의 요구 동력(펌프, 액추에이터)이 50kW 걸려 있는데, 요구 동력을 40kW로 적게 연산해버린 경우를 상정하고 있다. 특허문헌 1 또는 2의 연산에 따르면, 전동·발전기의 동력은 엔진 동력: 60kW와 요구 동력(연산값): 40kW의 과부족을 없애도록, 20kW분의 회생을 행하도록 계산된다. 그러면, 엔진에는 요구 동력(참값): 50kW와 전동·발전기의 회생 동력: 20kW의 합계: 70kW가 걸리게 된다.
일반적으로, 엔진에 비해 전동·발전기는 출력 응답이 빠르기 때문에, 이상의 연산값이 명령되면, 바로 엔진은 10kW분 과부하 상태가 되어버린다. 그 결과, 일정 시간이 경과된 후에, 도 16의 (b)와 같이 엔진 회전수가 Nb로 감소되어버리고, 이에 따라서 엔진의 최대 동력도 감소되어버린다. 이와 같이, 요구 동력의 잘못된 추정값에 기초하여 전동·발전기의 동력을 연산하면, 의도하지 않은 엔진 회전수의 저하를 발생시킬 수 있다. 또한, 상기의 상태가 계속되면, 엔진의 회전수는 더욱 저하되어, 최종적으로는 엔진 정지되어버린다.
특허문헌 1에서는, 이상의 상태를 회피하기 위해서, 전동·발전기의 파워를 목표 회전수와 실제 회전수의 편차에 따라, 보정 파워를 연산하여, 전동·발전기의 동력을 수정하려고 하고 있지만, 그 동안에는 도 16의 (b)에 도시한 바와 같이 엔진을 원하는 동력(회전수 Na에서의 최대 엔진 동력)으로 움직이게 할 수 없었다.
또한, 특허문헌 1의 제2 발명에 의하면, 펌프 동력도 보정되어버리기 때문에, 작업성이 확보되지 않을 우려가 있다. 또한, 하이브리드 건설 기계에서는 에너지 절약화를 위해서 엔진을 소형화하여, 종래의 건설 기계에 비해 엔진 토크가 낮게 되어 있는 경우가 많다. 이 때문에, 상기의 문제가 발생한 경우, 회전수가 Nb까지 내려가는 동안에 엔진 스톨이 발생할 가능성도 있다.
본 발명은 이상의 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 축전 장치의 잔량을 적절한 범위로 유지하면서, 엔진을 적정한 운전 상태로 동작시킬 수 있는 하이브리드 건설 기계를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 하이브리드 건설 기계는, 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 유압 작업부와, 상기 엔진과의 사이에서 토크의 전달을 행하는 전동·발전기와, 상기 전동·발전기에 전력을 공급하는 축전 장치와, 상기 엔진을, 부하 토크와 회전수와의 관계가, 부하 토크의 증가에 따라서 회전수가 감소하는 소정의 기울기를 가진 거버너 특성으로 제어하는 컨트롤러를 구비하고, 상기 컨트롤러는, 상기 거버너 특성의 설정을 변경하는 거버너 특성 변경부와, 엔진 축 상의 부하 동력을 연산하는 부하 동력 연산부와, 상기 축전 장치의 잔량을 연산하는 축전 잔량 연산부와, 상기 축전 잔량 연산부의 출력에 기초하여 상기 축전 장치의 전력을 적절한 범위로 유지하기 위해서 필요한 충전/방전 요구를 연산하는 충방전 요구 연산부와, 상기 엔진의 목표 동력을 연산하는 목표 엔진 동력 연산부와, 상기 전동·발전기의 목표 회전수 명령을 연산하는 목표 회전수 연산부와, 상기 목표 회전수 연산부에 의해 연산된 목표 회전수 명령값에 따라서 상기 전동·발전기를 제어하는 전동·발전기 제어부를 갖고, 상기 목표 엔진 동력 연산부는, 상기 부하 동력 연산부 및 상기 충방전 요구 연산부에서의 출력값의 증감에 따라, 증감하는 제1 목표 엔진 동력을 연산하고, 상기 목표 회전수 연산부는, 회전수-토크 특성 선도 상에서의 상기 거버너 특성 변경부에서 변경된 거버너 특성선과 상기 제1 목표 엔진 동력에 따르는 등동력선과의 교점의 회전수를 상기 전동·발전기의 목표 회전수 명령값으로서 산출하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명은, 부하 토크의 증가에 따라서 회전수가 감소하는 소정의 기울기를 가진 거버너 특성(이하, 간략화를 위해 「드룹 특성」이라고 칭함)으로 제어되는 엔진과, 목표 회전수 명령에 따라서 제어되는 전동·발전기를 조합한 구성으로 함으로써, 엔진의 동력을 자유롭게 제어할 수 있다는 우수한 효과를 발휘할 수 있다. 이 효과에 대해서, 도 14를 사용하여 상세하게 설명한다. 최초로, 드룹 특성을 가진 엔진 단체에서의 동작을 도 14의 (a)에 따라서 설명한다.
드룹 특성은 무부하 시에 회전수 N0, 최대 동력 시에 회전수 N1로 부여되는 것으로 하였다. 드룹 특성을 갖는 엔진의 토크는 이 직선 형상으로 결정되기 때문에, 부하 토크가 높아질수록 회전수가 낮아지는 특징이 있다. 예를 들어, 엔진에 대한 부하가 부하 동력 A일 때는 엔진 회전수는 Ne1이 되고, 엔진에 대한 부하가 부하 동력 B일 때는 엔진 회전수는 Ne2가 되도록 속도 조절한다.
이어서, 목표 회전수 명령에 따라서 제어되는 전동·발전기를 조합한 경우의 동작을 도 14의 (b)에서 설명한다. 전동·발전기에의 목표 회전수를 드룹 특성선과 목표 엔진 동력에 따르는 등동력선과의 교점 I의 회전수 N*로 부여하면, 전동·발전기와 기계적으로 접속된 엔진은 전동·발전기와 동일한 회전수의 N*로 동작하게 된다. 그러면, 엔진은 드룹 특성에 따라, 회전수 N*에 대응하는 토크 T*(동력 P*=T*×N*)를 출력한다. 이때, 실제의 부하 동력과 엔진 동력과의 동력 차는 전동·발전기의 회전수 제어에 의해, 자동으로 해소되고 있다.
또한, 전동·발전기는 엔진에 대하여 출력 응답이 빠르기 때문에, 유압 펌프의 동력이 급준하게 변동된 경우에는, 부하 변동에 의해 약간 발생하는 회전수 편차를 전동·발전기가 바로 해소하도록 동작한다. 즉, 「부하 변동 후의 동력 차」를 보증하도록 전동·발전기가 동력을 내게 된다. 이상의 동작에 의해, 엔진 회전수는 즉각 N*로 유지됨으로써, 엔진 동력을 P*로 고정할 수 있다.
또한, 유압 펌프 동력이나 엔진 보조기 동력 등의 부하 동력을 정확하게 알 수 없는 경우에도, 전동·발전기에는 목표 회전수 N*를 명령하였으면, 엔진 동력을 P*로 계속해서 고정할 수 있기 때문에, 선행 기술에 대하여 견고한 동력 제어를 실현할 수 있다는 이점도 있다.
이상으로, 본 발명의 구성에 있어서, 전동·발전기의 목표 회전수 N*를 제어함으로써, 엔진의 실제 동력을 목표 엔진 동력 P*로 동작시키는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 또한, 엔진을 목표 동력으로 유지하는 것이 가능하다는 것은, 엔진을 정상 상태에 가까운 적정한 운전 상태로 동작시키게 된다. 그 때문에, 엔진은 정상 상태에서 연소가 안정되기 때문에, 에너지 절약화와, 환경 부하를 갖는 배기 가스의 억제가 실현된다.
또한, 본 발명에서는 엔진의 목표 동력을 부하 동력 연산부와 충방전 요구 연산부의 출력값에 따라서 증감하도록 설정하고 있다. 이에 의해, 함부로 목표 엔진 동력을 계속해서 낮게 설정하는 것을 피할 수 있기 때문에, 전동·발전기에 의한 역행 빈도를 억제하여, 축전 장치의 전력 소비를 억제할 수 있다. 이에 의해, 축전 잔량 부족에 빠져서 어시스트 불능이 되어, 엔진 정지되는 사태를 회피할 수 있다. 마찬가지로, 목표 엔진 동력을 계속해서 높게 설정하는 것을 피할 수 있고, 전동·발전기에 의한 회생 빈도를 억제하여, 축전 장치에의 과충전을 억제할 수 있다. 즉, 축전 장치의 잔량을 적절한 범위로 유지하면서, 엔진을 적정한 운전 상태로 동작시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 축전 장치의 잔량을 적절한 범위로 유지하면서, 엔진을 적정한 운전 상태로 동작시킬 수 있다. 또한, 상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시 형태의 설명에 의해 밝혀진다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 하이브리드 셔블의 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 하이브리드 셔블의 유압 구동 장치를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시하는 컨트롤러의 내부 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시하는 부하 동력 연산부의 제1 예를 도시하는 도면이다.
도 5는 도 3에 도시하는 부하 동력 연산부의 제2 예를 도시하는 도면이다.
도 6은 모드 스위치 선택에 의한 가변 레이트 리미터의 변화를 도시하는 도면이다.
도 7은 역행 가능량에 의한 가변 레이트 리미터의 변화를 도시하는 도면이다.
도 8은 회생 가능량에 의한 가변 레이트 리미터의 변화를 도시하는 도면이다.
도 9는 도 3에 도시하는 목표 동력 보정부의 연산 내용을 설명하는 도면이다.
도 10은 도 3에 도시하는 목표 회전수 연산부의 연산 내용을 설명하는 도면이다.
도 11은 도 2에 도시하는 컨트롤러에 의한 처리의 액티비티 도이다.
도 12는 도 3에 도시하는 목표 엔진 동력 연산부에 의한 처리의 액티비티 도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태에 따른 하이브리드 셔블의 각종 동력, 목표 회전수, 축전 잔량의 시계열 그래프이다.
도 14는 드룹 특성을 갖는 엔진과 회전수 제어로 구동되는 전동·발전기에 의한 제어 동작을 도시하는 도면이다.
도 15는 도 2에 도시하는 컨트롤러의 내부 구성의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 16은 종래 기술에 관한 엔진의 제어 동작을 도시하는 도면이다.
본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태인 하이브리드 셔블의 전체 구성을 도시하는 측면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 하이브리드 셔블(하이브리드 건설 기계)은, 주행체(16-1) 및 선회체(16-2)를 갖는다. 주행체(16-1)는, 주행용 유압 모터(16-10, 16-11)에 의해 하이브리드 셔블을 주행시키는 기능을 구비한다. 또한, 도시하지 않은 주행용 유압 모터(16-11)는 차체 우측에 탑재되어 있다.
선회체(16-2)는, 선회 기구(16-13)에 의해 주행체(16-1)에 대하여 회전하고, 선회체(16-2)의 전방부 다른 쪽의 편측(예를 들어 전방을 향해서 우측)에는, 굴삭 작업을 행하는 붐(16-3), 아암(16-4) 및 버킷(16-5)을 구비한다. 이들 붐(16-3), 아암(16-4) 및 버킷(16-5)으로 프론트 작업기가 구성된다. 붐(16-3), 아암(16-4) 및 버킷(16-5)은, 각각 유압 실린더(16-9), 유압 실린더(16-8) 및 유압 실린더(16-7)에 의해 구동된다. 또한, 선회체(16-2)는 캡(16-6)을 구비하고, 조작자는, 캡(16-6)에 탑승하여, 하이브리드 셔블을 조작한다.
이어서, 본 실시 형태에 따른 하이브리드 셔블의 유압 구동 장치에 대해서 설명한다. 도 2는, 본 실시 형태에 따른 하이브리드 셔블의 유압 구동 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서 사용되는 유압 구동 장치는, 하이브리드 셔블의 유압 작업부인 프론트 작업기(16-3, 4, 5), 선회체(16-2) 및 주행체(16-1)의 구동에 사용되는 것이며, 엔진(1-1)과, 엔진 회전수를 검출하는 회전수 센서(1-6)와, 엔진(1-1)의 연료 분사량을 조정하는 거버너(1-7)와, 엔진(1-1)에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프(이하, 간단히 「유압 펌프」라고 함)(1-3)와, 엔진 구동축 상에 배치된 전동·발전기(1-2)와, 축전 장치(1-19)와, 전동·발전기(1-2)를 제어해서 필요에 따라 축전 장치(1-19)와 전력의 수수를 행하는 전동·발전기 제어부(2-7)(도 3 참조)로서의 인버터(1-9)와, 거버너(1-7)를 제어하고, 연료 분사량을 조정해서 엔진 회전수를 제어함과 함께, 인버터(1-9)를 통해서 전동·발전기(1-2)를 제어하는 컨트롤러(1-8)를 구비하고 있다.
유압 펌프(1-3)로부터 토출된 압유는 밸브 장치(1-4)를 통해서, 유압 액추에이터(1-5)(유압 실린더(16-7, 8, 9) 등)에 공급된다. 이 유압 액추에이터(1-5)에 의해 하이브리드 셔블의 각종 유압 작업부가 구동된다. 또한, 유압 펌프(1-3)에는 토출된 압유의 압력을 계측하는 토출압 센서(1-16), 유량을 계측하는 유량 센서(1-17), 펌프 틸팅을 계측하는 틸팅각 센서(1-20) 등의 각종 센서를 구비하고 있고, 이 센서 값을 바탕으로 컨트롤러(1-8)에서 펌프 부하의 연산을 실시하는 것이 가능하다. 이 구성은 본 발명의 「부하 동력 연산부」에 이용할 수 있다.
레귤레이터(1-14) 및 전자 비례 밸브(1-15)는, 유압 펌프(1-3)의 용량(배출량)을 조정하기 위한 것이다. 레귤레이터(1-14)는, 유압 펌프(1-3)의 경사판의 틸팅각을 조작함으로써, 유압 펌프(1-3)의 흡수 동력을 제어한다. 전자 비례 밸브(1-15)는, 컨트롤러(1-8)에서 연산된 구동 신호에 의해 레귤레이터(1-14)의 작동량을 제어한다. 축전 장치(1-19)는, 배터리나 캐패시터로 이루어지는 축전기(1-10)와, 이 축전기(1-10)에 부설된 전류 센서(1-11), 전압 센서(1-12), 온도 센서(1-13) 등으로 구성되어 있고, 이들 센서에 의해 검출된 전류, 전압, 온도 등의 정보로부터 컨트롤러(1-8)에서, 축전량의 관리가 행하여진다. 이상의 구성은, 본 발명에서의 「축전 잔량 연산부」 및 「축전 장치 관리부」에서 이용된다.
이어서, 컨트롤러(1-8)의 상세에 대해 설명한다. 도 3은, 컨트롤러(1-8)의 내부 구성을 도시하는 도면이다. 또한, 엔진(1-1), 유압계, 각종 전장품 등도, 컨트롤러(1-8)에서 어떠한 제어가 실시되고 있지만, 본 발명과는 직접 관련이 없기 때문에, 도 3 중에 이들 구성은 도시하지 않았다.
도 3에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(1-8)는, 부하 동력 연산부(2-1), 축전 잔량 연산부(2-2), 거버너 특성 변경부(2-4), 차체 상태 관리부(2-8), 요구 펌프 유량 연산부(2-9)의 연산 결과에 따라, 유압 펌프(1-3)의 목표 틸팅각을 연산해서 펌프 제어부(2-11)에, 전동·발전기(1-2)의 목표 회전수 명령값을 연산해서 전동·발전기 제어부(2-7)에 각각 출력하는 역할을 하고 있다.
부하 동력 연산부(2-1)의 실현 방법의 예를 도 4에 도시한다. 도 4에서는, 엔진(1-1)과 전동·발전기(1-2)의 동력과의 합으로부터 부하 동력의 산출을 행하는 구성으로 되어 있다. 이 구성을 취하면, 엔진(1-1)의 축동력을 계산에 포함하고 있기 때문에, 보조 기계류(예를 들어 에어컨 등)의 부하를 포함해서 부하 동력을 구할 수 있다. 또한, 엔진의 가감속에 의한 관성체(주로 플라이 휠)로부터의 에너지 수수도 고려하는 것이 가능해진다. 이들은, 유압 펌프(1-3)에 설치된 센서 군으로부터 부하 동력을 산출하는 경우에는, 고려하는 것이 어렵다.
도 4의 연산에서는, 엔진 회전수 검출부(3-1)와 엔진 토크 검출부(3-2)와의 곱으로부터 엔진 동력을 산출한다. 엔진 토크 검출부(3-2)는, 엔진(1-1)에 토크 미터를 달아서 직접 토크를 계측해도 되고, 연료 분사량 등으로부터 간접적으로 연산해도 된다. 마찬가지로, 전동 발전기 토크 검출부(3-4)도 토크 미터를 사용해도 되지만, 전동·발전기(1-2) 또는 인버터(1-9)의 전류값으로부터 간접적으로 연산하는 방법을 취해도 된다.
동력 변환(3-5, 3-6)은, 토크와 회전수와의 곱에 의해 동력에의 변환을 행하는 것이 기본 기능이지만, 각종 효율을 고려해서 엔진 축 상의 부하를 산출할 수 있는 변환도 포함하고 있다. 마지막으로, 얻어진 엔진 동력과 전동 발전기 동력을 가산부(3-7)에서 더함으로써 부하 동력의 추정이 행하여진다.
또한, 부하 동력 연산부(2-1)의 다른 실현 방법의 일례를 도 5에 도시한다. 이 방법에서는, 도 4의 부하 동력 연산 방법 외에, 펌프 압력 검출부(4-1)와 펌프 유량 검출부(4-2)를 사용해서 유압 펌프(1-3)의 출력을 구함으로써 부하 동력의 계산을 행한다.
펌프 유량 검출부(4-2)는, 유량계를 사용해서 유압 펌프(1-3)의 토출 유량을 직접 검출해도 되고, 레버 조작량이나 펌프 명령 압 등의 제어 명령값이나 유압 펌프(1-3)의 틸팅각을 바탕으로 해서 간접적으로 토출 유량을 계산하는 방법으로 실현해도 된다. 또한, 요구 펌프 유량 연산부(2-9)의 출력값을 그대로 이용해도 된다.
동력 변환(4-3)으로 산출되는 유압 펌프(1-3)가 토출하는 펌프 동력에 대하여, 펌프 효율(4-4)로 나눔으로써 유압 펌프(1-3)의 흡수 동력이 산출된다. 이에 의해, 엔진 축 상의 부하 동력을 산출할 수 있다. 도 5에서는, 유압 펌프(1-3)의 센서를 기초로 해서 구해지는 제1 부하 동력과, 엔진(1-1)과 전동·발전기(1-2)의 동력과의 합으로부터 구해지는 제2 부하 동력 중, 큰 것을 최종적인 출력으로 하는 방법을 취하고 있다. 이 방법을 취함으로써, 부하를 항상 많게 어림잡기 때문에, 동력 부족에 의한 엔진 정지나 조작감의 악화를 회피할 수 있다.
도 3으로 돌아가서, 축전 잔량 연산부(2-2)는, 축전기(1-10)에 부설된 전류 센서(1-11), 전압 센서(1-12), 온도 센서(1-13)의 값을 이용해서 축전 장치(1-19)의 축전 잔량을 산출한다. 충방전 요구 연산부(2-3)는, 축전기(1-10)의 전력을 적절한 범위로 유지하기 위해서 전동·발전기(1-2)에 대한 역행/회생 요구를 연산한다. 구체적으로는, 축전 잔량 연산부(2-2)에서 연산된 축전 잔량을, 충방전 요구 연산부(2-3)가 내부에서 연산하고 있는 목표 축전 잔량에 추종시키도록 역행/회생 요구를 산출한다. 이것은, 예를 들어 축전 잔량이 목표 축전 잔량보다도 높으면 역행 요구를, 한편, 축전 잔량이 목표 축전 잔량보다도 낮으면 회생 요구를 냄으로써 실현할 수 있다.
또한, 충방전 요구 연산부(2-3)는, 엔진(1-1)에 기계적으로 접속된 전동·발전기(1-2) 이외에도 전동·발전기를 구비한 하이브리드 건설 기계에 있어서는, 이 엔진(1-1)에 접속되어 있지 않은 전동·발전기의 역행/회생 동작에 따라, 엔진(1-1)에 기계적으로 접속된 전동·발전기(1-2)에 대한 역행/회생 요구를 산출하는 기능도 갖고 있다.
거버너 특성 변경부(2-4)는, 엔진(1-1)의 제어에 이용되는 드룹 특성을 변경하는 기능을 행한다. 요구 펌프 유량 연산부(2-9)는, 오퍼레이터의 조작에 따라서 필요해지는 유압 펌프(1-3)의 토출 유량을 연산한다. 이것은, 예를 들어 레버의 조작량에 기초하여 계산하는 것이 가능하다.
차체 상태 관리부(2-8)는, 건설 기계의 차체 전체의 상태를 감시, 및 관리하는 수단이다. 도 3에서는, 차체 상태 관리부(2-8) 중에서도 대표적인 것으로서 엔진(1-1)의 동작 상태를 관리하는 엔진 상태 관리부(2-12)와, 축전 장치(1-19)의 동작 상태를 관리하는 축전 장치 관리부(2-13)와, 차체의 동작 모드를 규정하는 모드 판정부(2-14)를 나타내고 있다. 모드 판정부(2-14)는, 모드 스위치(1-18)를 참조하여, 차체의 동작 모드를 판단하는 것이다. 또한, 도 3에는 도시하지 않지만, 작동유 온도나 외기온 등 기온 정보에 기초하여 제어를 전환하는 경우에도, 차체 상태 관리부(2-8)가 동작한다.
엔진 상태 관리부(2-12)는, 엔진(1-1)의 부하율이나 냉각수 온도 등을 감시하여, 엔진(1-1)이 과잉의 부하 상황으로 되어 있지 않은지 등의 판단을 실시한다. 축전 장치 관리부(2-13)는, 각 시각에서 연산된 축전 잔량뿐만 아니라, 축전 장치(1-19)를 적당한 상태로 이용할 수 있는 범위의 역행 가능량과 회생 가능량을 산출하는 기능을 가지고 있다. 예를 들어, 축전기(1-10)에 대한 충전/방전 동작이 매우 오랫동안 계속됨으로써, 축전기(1-10)가 고온으로 된 경우에는, 더 이상의 온도 상승을 방지하기 위해서, 전동·발전기(1-2)에의 전력의 수수를 제한함으로써, 전류량을 제한하여, 발열량을 내리도록 제어를 실시한다. 이와 같이, 축전 장치 관리부(2-13)는, 축전 잔량이 충분히 있는 경우에도 기기의 안전성을 고려하여, 축전기(1-10)의 사용 범위를 관리하는 것이다.
또한, 축전기(1-10)가 리튬 이온 배터리인 경우, 축전기(1-10)가 풀 충전되어 있어도, 극저온 시에는 전압이 강하하는 특성이 있기 때문에, 축전 장치 관리부(2-13)에서 역행 가능량은 낮게 산출된다. 이렇게 역행 가능량을 축전 잔량 이외의 정보에 기초하여 산출함으로써, 엔진(1-1)과 전동·발전기(1-2)로 이루어지는 파워 소스로부터 공급할 수 있는 동력을 적절하게 관리할 수 있기 때문에, 과도한 펌프 흡수 동력을 제한하여, 엔진 정지의 방지에 도움될 수 있다. 또한, 축전기(1-10)의 수명에 영향을 주는 인자(예를 들어, 온도, 전류량)를 기초로 하여, 역행/회생 가능량을 산출함으로써, 축전기(1-10)의 과도한 열화를 방지하는 것도 가능해진다.
목표 엔진 동력 연산부(2-5)는, 엔진(1-1)에 출력시키는 목표 동력을 산출하는 기능을 행한다. 도 3의 목표 엔진 동력 연산부(2-5)는, 부하 동력 연산부(2-1), 충방전 요구 연산부(2-3), 차체 상태 관리부(2-8)의 출력에 따라, 목표 엔진 동력을 산출한다.
목표 엔진 동력 연산부(2-5)에서의 연산 내용을 순서대로 설명한다. 먼저, 부하 동력 연산부(2-1)에서 산출된 엔진 축 상의 부하, 즉, 유압 펌프(1-3)의 흡수 동력, 엔진 보조 기계의 구동에 필요한 동력 등의 합에 충방전 요구 연산부(2-3)에서 산출된 전동·발전기에의 역행/회생 요구를 합산함으로써, 제1 목표 엔진 동력을 계산한다.
제1 목표 엔진 동력은, 「목표 엔진 동력=부하 동력- 전동·발전기 동력」이라는 계산식에 따라서 산출된다. 예를 들어, 부하 동력 연산부(2-1)에서 부하 동력이 50kW로 산출되고, 축전 잔량이 높기 때문에, 충방전 요구 연산부(2-3)에서 산출된 전동·발전기(1-2)에의 역행 요구가 30kW이었다면, 제1 목표 엔진 동력은 20kW가 된다. 또한, 부하 동력이 동일해도, 축전 잔량이 낮아, 충방전 요구 연산부(2-3)에서 전동·발전기(1-2)에의 회생 요구가 30kW로 산출되면, 제1 목표 엔진 동력은 80kW가 된다. 이와 같이, 제1 목표 엔진 동력은, 부하 동력과 축전 잔량에 따라, 엔진 동력의 목표 값을 결정한다.
이어서, 목표 엔진 동력 연산부(2-5)는, 상술한 제1 목표 엔진 동력에 대하여, 가변 리미터(2-5a)와 가변 레이트 리미터(2-5b)를 사용해서 제한을 둔 제2 목표 엔진 동력을 계산한다. 상술한 제1 목표 엔진 동력은 「엔진 동력=부하 동력- 전동·발전기 동력」이라는 연산이기 때문에, 부하 동력의 급준한 변동이 그대로 목표 동력에 반영되어 있다. 제2 목표 엔진 동력은, 레이트 리미터를 통한 신호가 되기 때문에, 제1 목표 엔진 동력에 나타나는 급준한 변동은 억제되어, 평활화된 목표 값이 산출된다. 이 때문에, 엔진(1-1)의 동력이 이 제2 목표 엔진 동력에 추종할 수 있으면, 연비의 개선이나, 환경에 부하를 주는 배기 가스의 발생이 억제된다. 또한, 엔진(1-1)의 동작점이 안정되기 때문에, 진동 등에 의한 소음도 억제하는 것이 가능하다. 특히, 가변 레이트 리미터(2-5b)는, 배기 가스의 발생 방지에 기여한다.
상기의 가변 리미터(2-5a)와 가변 레이트 리미터(2-5b)는, 차체 상태 관리부(2-8)의 출력에 따라, 상하한값, 증가감율을 변경하는 것이다. 이하에, 각각의 변경 방법의 일례를 설명한다. 가변 리미터(2-5a)는, 제1 목표 엔진 동력의 상하한값에 대한 제약을 부여한다. 예를 들어, 엔진 상태 관리부(2-12)에서, 엔진(1-1)이 중부하 상태에서 연속 운전이 계속되고 있다고 판단되었을 때, 가변 리미터(2-5a)의 상한값을 낮게 함으로써, 목표 엔진 동력의 최댓값을 제한해서 엔진(1-1)의 부하율을 내린다. 엔진(1-1)이 백업 모드(엔진의 출력이 제한되는 모드)로 되어서 최대 출력이 제한되는 경우에도 마찬가지의 제한이 실시된다.
또한, 가변 리미터(2-5a)의 하한값을 높게 취함으로써, 엔진(1-1)을 의도적으로 고출력으로 운전할 수도 있다. 이 기능은, 한냉지에서의 운전 개시시 등, 축전기(1-10)나 작동유를 따뜻하게 하고 싶은 경우에 유효하다.
이어서, 모드 판정부(2-14)가 가변 레이트 리미터(2-5b)에 끼치는 영향을 도 6에 따라서 설명한다. 도 6은, 모드 스위치 선택에 의한 가변 레이트 리미터의 변화를 도시하는 도면이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 모드 스위치(1-18)가 파워 모드로 설정되어 있는 경우에는, 연비 개선이나 배기 가스 억제의 효과가 작아지는데, 엔진(1-1)의 동력을 크게 변동시켜서 유압 펌프(1-3)에의 공급 동력을 확보하기 위해, 증가율을 기준값(6-a)보다도 높게 취한다(6-b). 반대로, 에코 모드로 설정되어 있는 경우에는, 증가율을 기준값보다도 조금 낮게 취하게 된다(6-c). 또한, 감소율(변화율이 마이너스)에 대해서는, 펌프 동력이 낮아질 때 관계하는 요건이며, 조작성에 영향을 주지 않으므로, 파워 모드, 에코 모드의 전환에 의존하지 않고 정해도 상관없다.
이어서, 축전 장치 관리부(2-13)가 가변 레이트 리미터(2-5b)에 끼치는 영향을 설명한다. 먼저, 축전 장치 관리부(2-13)에서 연산된 역행 가능량으로 가변 레이트 리미터(2-5b)의 증가율이 변화하는 모습을 도 7에 나타내었다. 도 7에 도시한 바와 같이, 모드 판정부(2-14) 등에서 결정된 증가율의 기준값을 7-a라 정의한다. 이 상태에 대하여, 역행 가능량이 높아지면, 전동·발전기(1-2)에 의한 엔진 어시스트량을 크게 취할 수 있기 때문에, 부하 동력이 급준하게 증가했다고 해도, 엔진(1-1)의 동력을 천천히 증가시키는 것이 가능해진다. 이 때문에, 가변 레이트 리미터(2-5b)의 증가율은 7-b의 방향으로 천이시킨다.
반대로, 역행 가능량이 낮아지면, 전동·발전기(1-2)에 의한 엔진 어시스트량이 적어지기 때문에, 엔진(1-1)의 동력을 천천히 증가시키고 있으면 엔진 정지되어버리기 때문에, 기준인 7-a보다도 엔진(1-1)을 적극적으로 이용하도록, 증가율이 높은 7-c 또는 7-d의 방향으로 천이하게 된다. 또한, 역행 가능량이 0으로 산출된 경우에는, 엔진 어시스트를 실시할 수 없기 때문에, 엔진 동력은 제1 목표 엔진 동력대로 출력해야 하므로, 가변 레이트 리미터(2-5b)의 증가율은 도 7 중의 기울기(1)의 증가율을 선택하는 것이 기본이 된다.
이어서, 축전 장치 관리부(2-13)에서 연산된 역행 가능량으로 가변 레이트 리미터(2-5b)의 감소율이 변화하는 모습을 도 8에 나타내었다. 모드 판정부(2-14) 등에서 결정된 감소율의 기준값을 8-a라 정의한다. 이 상태에 대하여, 회생 가능량이 높아지면, 전동·발전기(1-2)에서 발전함으로써 엔진(1-1)에 부하를 가할 수 있기 때문에, 부하 동력이 급준하게 줄어들었다고 해도 엔진(1-1)의 동력을 천천히 감소시키는 것이 가능해진다. 이 때문에, 가변 레이트 리미터(2-5b)의 감소율은 8-b의 방향으로 천이시킨다. 반대로, 회생 가능량이 낮아지면, 전동·발전기(1-2)에 의한 발전량이 적어지기 때문에, 엔진(1-1)에 부하를 가할 수 없으므로, 기준인 8-a보다도, 감소율이 높은 8-c의 방향으로 천이시킨다.
상기의 설명에서는, 제1 목표 엔진 동력으로부터 제2 목표 엔진 동력에의 변환에 있어서, 가변 레이트 리미터(2-5b)를 사용하는 구성의 설명을 행하고 있지만, 본 발명의 실현 방법은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 시상수를 바꿀 수 있는 저역 통과 필터나, 샘플 수를 바꿀 수 있는 이동 평균 필터를 사용하는 방법을 대체 수단으로서 이용할 수 있고, 상기의 설명과 마찬가지의 방법으로 제2 목표 엔진 동력을 생성할 수 있다.
연비를 향상시킬 목적으로 목표 동력 보정부(2-5c)가 사용된 경우의 동작을 도 9에 따라서 설명한다. 또한, 여기에서는 설명의 간략화를 위해, 제2 목표 엔진 동력이 가변 레이트 리미터를 사용하지 않고 연산되는 경우를 생각한다. 제1 목표 엔진 동력이 도 9 중의 점선으로 부여되었다고 하자. 이에 대해, 차체 상태 관리부(2-8)에서 산출되는 제2 목표 엔진 동력은 그 상하한값을 가진 형태로, 도 9 중의 해칭 영역 내에서 정의되게 된다.
이 해칭 영역의 제2 목표 엔진 동력의 범위에서, 연비가 가장 좋아지는 「최적 연비 토크 선」이 정의되었다고 하면, 목표 동력 보정부(2-5c)는, 엔진(1-1)의 드룹선과 최적 연비 토크 선과의 회전수-토크 특성 선도에 있어서의 교점에 상당하는 동력을 제3 목표 엔진 동력으로서 산출한다.
도 9에 나타낸 예에서는, 원래의 요구 동력인 제1 엔진 목표 동력에 대하여, 최종 출력의 제3 엔진 목표 동력이 더 높게 되어 있기 때문에 엔진의 출력이 높아진다. 그러나, 제3 엔진 목표 동력을 선택하는 것이 연비 효율은 더 높을 뿐 아니라, 고의로 엔진(1-1)을 고출력으로 유지해도, 잉여 동력을 축전기(1-10)에 충전에 이용해서 에너지를 낭비하기 않기 때문에, 전체적인 동작으로서 연비의 개선을 기대할 수 있다. 또한, 도 9의 「최적 연비 토크 선」 대신에, 환경에 부하를 주는 배기 가스가 최소가 되는 「최적 배기 가스 토크 선」을 사용하면, 흑연이나 NOx 등의 발생을 억제하는 것도 가능해진다.
상기의 설명에서는, 목표 엔진 동력 연산부(2-5)의 최종 출력을 제3 목표 엔진 동력으로 부여하고 있지만, 본 발명의 실시 형태는 이것에 한정되는 것은 아니며, 제1 목표 엔진 동력 또는 제2 목표 엔진 동력을 목표 엔진 동력 연산부(2-5)의 최종 출력으로서 이용해도 된다. 또한, 「가변 리미터(2-5a)→가변 레이트 리미터(2-5b)→목표 동력 보정부(2-5c)」의 순서는, 도 3에 도시한 것에 한정되지 않고, 예를 들어 도 3과는 역순으로 「목표 동력 보정부(2-5c)→가변 레이트 리미터(2-5b)→가변 리미터(2-5a)」와 같은 처리를 채용해도 된다. 또한, 예를 들어 도 15에 도시한 바와 같이, 「목표 동력 보정부(2-5c)→가변 리미터(2-5a)→가변 레이트 리미터(2-5b)」라는 처리를 채용하고, 목표 동력 보정부(2-5c)에서 제1 목표 엔진 동력에 기초하여 제4 목표 엔진 동력을 연산하고, 가변 리미터(2-5a), 가변 레이트 리미터(2-5b)의 순서대로 연산을 행하여, 최종적으로 제5 목표 엔진 동력을 출력할 수도 있다.
목표 회전수 연산부(2-6)는, 목표 엔진 동력 연산부(2-5)에서 산출된 목표 엔진 동력과, 거버너 특성 변경부(2-4)에서 결정되는 드룹 특성을 기초로, 전동·발전기(1-2)의 회전수를 제어하는 전동·발전기 제어부(2-7)에 대한 목표 회전수 명령을 연산한다. 구체적인 연산 방법을 도 10에 따라서 설명한다. 도 10에 도시한 바와 같이, 먼저, 거버너 특성 변경부(2-4)에서, 무부하 회전수 N0으로부터 부하가 증가(엔진 토크가 증가)함에 따라서 회전수가 N1까지 감소하는 드룹 특성이 결정된다. 또한, 거버너 특성 변경부(2-4)는, 예를 들어 엔진 컨트롤 다이얼에 대응시켜서 무부하 회전수 N0을 변경시킬 수 있다.
이어서, 상기 목표 엔진 동력 연산부(2-5)로부터 출력된 「목표 엔진 동력」의 등동력선을 회전수-토크 특성 선도 상에 플롯한다. 또한, 상기의 「목표 엔진 동력」에는 상술한 바와 같이, 제1 내지 3의 목표 엔진 동력의 어느 것을 선택해도 된다. 목표 회전수 연산부(2-6)는, 이상의 2선의 회전수-토크 특성 선도에 있어서의 교점 I의 회전수 N*를 목표 회전수로서 출력한다.
여기서, 이상의 연산은 맵을 사용한 연산 방법뿐만 아니라, 대수적으로 목표 회전수를 구하는 것도 가능하다. 엔진 토크를 y, 엔진 회전수를 x로 해서 대수적으로 목표 회전수를 구하는 방법에 대해 이하 설명한다. 드룹 특성은, 무부하 T0에 대응하는 회전수 N0과 최대 부하 T1에 대응하는 회전수 N1의 2점을 지나는 직선으로서, 이하에 나타내는 (식 1)로 부여된다.
[수학식 1]
Figure 112016018447432-pct00001
식 1의 a와 b는 (y, x)=(T0, N0), (y, x)=(T1, N1)로 한 연립방정식의 해로서, 이하에 나타내는 (식 2)로 부여된다.
[수학식 2]
Figure 112016018447432-pct00002
다음으로 목표 엔진 동력을 c로 하면, 도 9의 등동력선은, 이하에 나타내는 (식 3)으로 부여할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112016018447432-pct00003
N*는 드룹 특성과 등동력선의 교점이므로, (식 1)과 (식 3)으로부터 유도되는 2차 방정식(식 4)의 x에 관한 해로서 구할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112016018447432-pct00004
(식 4)는 해의 공식에 따라서 용이하게 푸는 것이 가능하고, 그 해는 이하에 나타내는 (식 5)와 같다.
[수학식 5]
Figure 112016018447432-pct00005
(식 5) 중 N1<x<N0을 만족하는 것이 목표 회전수 N*가 된다. 도 10으로부터 N*는 명백하게 (식 5)의 x 중 큰 쪽이므로, 최종적으로 목표 회전수 N*는 이하에 나타내는 (식 6)으로 부여된다. 또한, (식 6)의 a, b는 (식 2)에 따르는 것이다.
[수학식 6]
Figure 112016018447432-pct00006
도 3으로 돌아가서, 목표 틸팅각 연산부(2-10)는, 목표 회전수 연산부(2-6)에서 산출된 목표 회전수와, 요구 펌프 유량 연산부(2-9)에서 산출된 요구 펌프 유량을 기초로, 유압 펌프(1-3)의 틸팅각을 제어하는 펌프 제어부(2-11)에 대한 틸팅각 명령을 연산한다. 요구 펌프 유량 연산부(2-9)는, 오퍼레이터의 레버 조작에 따라, 하이브리드 셔블이 각종 작업을 행하는데 필요한 유압 펌프(1-3)의 토출 유량을 요구 펌프 유량으로서 산출하는 기능을 가지고 있다.
목표 틸팅각 연산부(2-10)에서는, 요구 펌프 유량을 목표 회전수 연산부(2-6)에서 산출된 목표 회전수로 나눔으로써, 요구 펌프 유량을 확보할 수 있는 유압 펌프(1-3)의 배출량을 구하고, 이 배출량을 실현할 수 있도록 틸팅각의 명령값을 산출한다. 또한, 목표 회전수 대신에 실제의 회전수를 이용해서 틸팅각 명령을 산출해도 된다. 이 경우, 목표 회전수 연산부(2-6)로부터의 신호를 목표 틸팅각 연산부(2-10)에 입력하지 않아도 된다는 이점이 있다.
이어서, 도 11의 액티비티 도에 따라서 컨트롤러(1-8)의 연산 수순을 나타낸다. 연산이 개시되면, 먼저 각종 차체 상태의 판단이 행하여진다. 이것은, 도 3의 좌측에 배치된 기능 블록의 연산이 해당된다. 즉, 부하 동력 연산부(2-1)의 연산 내용이 부하 연산(10-1)에 해당하고, 차체 상태 관리부(2-8)의 연산 내용이 차체 상태 판단(10-4)에, 그리고, 축전 잔량 연산부(2-2)와 충방전 요구 연산부(2-3)의 연산 내용이 각각 축전 잔량 연산(10-2), 충방전 요구 연산(10-3)에 해당한다.
이상의 연산 결과에 기초하여, 목표 엔진 동력 연산부(2-5)를 이용하여, 엔진(1-1)의 목표 동력을 산출한다. 이것이 도 11 중의 목표 엔진 동력 연산(10-5)이다. 또한, 목표 엔진 동력의 연산과 병행해서 드룹 특성 파악(10-6)에서, 거버너 특성 변경부(2-4)에 의해 결정된 드룹 특성의 파악을 실시한다.
계속해서, 상기의 연산 결과에 기초하여, 목표 회전수 연산(10-7)에서 전동·발전기(1-2)의 목표 회전수가 연산된다. 이 연산에는, 상술한 목표 회전수 연산부(2-6)가 이용되고 있다. 목표 회전수가 연산된 후에는, 전동·발전기 회전수 제어(10-11)에서 전동·발전기 제어부(2-7)에 회전수 지시를 송신하는 제어와, 요구 펌프 유량 연산(10-8), 목표 틸팅각 연산(10-9), 유압 펌프 틸팅각 제어(10-10)에서 펌프 유량을 확보하는 제어가 병행해서 실행된다. 이상의 연산이 컨트롤러(1-8)의 연산 주기마다(예를 들어 10밀리초마다) 실행된다.
상기의 목표 엔진 동력 연산(10-5)의 상세를 도 12의 액티비티 도에 나타내었다. 먼저, 제1 목표 엔진 동력 연산(11-1) 블록에서, 부하 동력 연산(10-1)과 충방전 요구 연산(10-3)의 연산 결과에 따라, 제1 목표 엔진 동력을 산출한다. 분기(11-a)에서 제한 값을 둔 제2 목표 엔진 동력의 연산을 할 것인지의 판단을 실시한다. 제2 목표 엔진 동력의 연산을 하지 않는 경우에는, 합류(11-b)로 천이한다.
제2 목표 엔진 동력의 연산을 하는 경우에는, 도 3의 기능 블록의 배치에 따라, 가변 리미터 적용(11-2)과 가변 레이트 리미터 적용(11-3)을 행한다. 분기(11-c)에서 동력 보정을 이용한 제3 목표 엔진 동력의 연산을 할 것인지의 판단을 실시한다. 제3 목표 엔진 동력의 연산을 하지 않는 경우에는, 합류(11-d)로 천이한다. 제3 목표 엔진 동력의 연산을 하는 경우에는, 상술한 목표 동력 보정부(2-5c)에 의해, 목표 동력 보정 적용(11-4)을 행한다. 이상의 연산의 결과가 최종적인 목표 엔진 동력으로서 계산되어, 도 11의 목표 엔진 동력 연산(10-5)의 출력이 된다.
이어서, 본 실시 형태에 따른 하이브리드 셔블이 「굴삭 동작」을 연속해서 행하고 있을 때의 제어 동작을 설명한다. 「굴삭 동작」은 셔블이 자갈이나 토사를 퍼서, 덤프 트럭에 싣는 동작이며, 굴삭 개시 시부터 적재까지 큰 유압 부하가 걸리는 한편, 적재 방토 후에 유압 부하가 급속하게 감소한다는 특징이 있다.
도 13은 제1 단에 펌프 흡수 동력과 엔진 동력(목표 엔진 동력), 제2 단에 전동·발전기(1-2)에 보내지는 목표 회전수 명령값, 제3 단에 목표 회전수에 추종하기 위해서 출력된 전동·발전기(1-2)의 동력, 제4 단에 축전 잔량의 시계열의 파형을 나타낸 것이다. 또한, 제3 단의 전동·발전기 동력은 플러스 값이 역행, 마이너스 값이 회생을 나타내고 있다.
도 13의 시계열 데이터는, 설명을 간단하게 하기 위해서 다음의 조건 (1) 내지 (3)을 상정하였다.
(1) 차체 상태 관리부(2-8)에서 판단되는 상황은 항상 일정 조건, 즉, 목표 엔진 동력 연산부(2-5)에서 이용되는 가변 리미터(2-5a), 가변 레이트 리미터(2-5b)의 값은 일정한 것으로 한다.
(2) 상술한 목표 동력 보정부(2-5c)는 사용하지 않고, 제2 목표 엔진 동력을 목표 엔진 동력 연산부(2-5)의 최종 출력으로 한다.
(3) 거버너 특성은 항상 일정하게 한다.
시각 t1에서 굴삭 동작을 개시한다. 굴삭 동작시는, 붐(16-3)을 올리면서, 아암(16-4) 또는 버킷(16-5)을 클라우드시키는 복합 동작을 행하고 있다. 이 때문에, 각 유압 실린더(16-7 내지 9)에 대량의 압유를 공급하기 위해서, 펌프 흡수 동력이 급준하게 상승한다. 이때, 본 실시 형태에서는 부하 동력 연산부(2-1)에서 산출되는 부하 동력이 펌프 흡수 동력에 따라서 급준하게 상승한다. 이에 의해, 제1 목표 엔진 동력도 급변화한다. 이 제1 목표 엔진 동력을 가변 레이트 리미터(2-5b)에 통과시킴으로써 증가율이 제한된 제2 목표 엔진 동력이 생성된다.
제2 목표 엔진 동력에 대응하여, 목표 회전수 명령도 서서히 감소해 간다. 엔진(1-1)의 토크는 드룹 특성을 따르기 때문에, 엔진(1-1)의 회전수 변화가 늦으면, 엔진 동력의 증가도 느려진다. 이때, 펌프 흡수 동력에 대하여, 엔진(1-1)이 공급할 수 있는 동력이 부족하다. 그리고, 제3 단에 나타낸 바와 같이 부족한 동력에 의해 발생하는 약간의 회전수 편차를 해소하도록 전동·발전기(1-2)가 고응답으로 동력 어시스트를 실시한다.
이상의 동작은 엔진 동력이 펌프 흡수 동력과 일치하는 시각 t2까지 계속되게 된다. 또한, 차체 상태 관리부(2-8)의 출력에 따라서는 가변 레이트 리미터(2-5b)에서 제한되는 증가율이 증감하기 때문에, 도면 중의 t2보다도 빠른, 또는, 늦은 시각에 엔진 동력이 펌프 흡수 동력과 일치하는 경우가 있다.
시각 t2 내지 t3은, 버킷(16-5)에 실은 토사를 덤프 트럭의 짐받이에 싣기 위해서, 붐(16-3)을 올리면서 버킷(16-5)의 위치를 덤프 트럭의 짐받이 위치에 맞추도록 선회체(16-2)를 회전시키는 「선회 붐 상승」 동작에 해당한다. 선회 붐 상승 동작은 큰 동력이 필요한데, 펌프 흡수 동력의 변화가 충분히 늦기 때문에, 그 동안에는 제1 목표 엔진 동력이 가변 리미터(2-5a)나 가변 레이트 리미터(2-5b)의 제한을 받지 않는다. 이 때문에, 목표 엔진 동력 연산부(2-5)의 출력은 펌프 흡수 동력과 일치한다. 이때는 엔진 동력과 펌프 흡수 동력이 균형을 이루기 때문에, 회전수 편차를 발생하지 않으므로 전동·발전기(1-2)의 동력은 0이 된다.
시각 t3 내지 t4는, 버킷(16-5)에 실은 토사를 덤프 트럭의 짐받이에 적재하는 「방토」 동작에 해당한다. 방토 동작은, 버킷(16-5)을 조작하는 것 이외에 큰 동력이 필요 없기 때문에, 선회 붐 상승 동작시부터 펌프 흡수 동력이 급준하게 감소한다. 이때, 본 실시 형태에서는 부하 동력 연산부(2-1)에서 산출되는 부하 동력이 펌프 흡수 동력에 따라서 급준하게 감소하기 때문에, 제1 목표 엔진 동력도 급변화한다. 그러나, 제2 목표 엔진 동력은 가변 레이트 리미터(2-5b)에 의해 감소율이 제한되므로, 목표 엔진 동력 연산부(2-5)의 출력은 도 13과 같이 서서히 감소한다. 이것에 따라, 전동·발전기(1-2)에의 목표 회전수 명령은 서서히 증가한다.
펌프 흡수 동력에 대하여 엔진 동력이 높기 때문에 발생하는 목표 회전수로부터의 분출을 방지하도록, 전동·발전기(1-2)의 회전수 제어에서, 자동으로 발전 동작이 실시된다. 또한, 전동·발전기(1-2)에서 발전 동작을 행하고 있기 때문에, 축전 잔량이 증가한다.
시각 t4 내지 t5는, 「복귀」라고 불리는 동작이며, 방토를 행하여 빈 버킷(16-5)의 끝을 굴삭 위치로 복귀시키기 위해서 붐(16-3), 아암(16-4), 버킷(16-5), 선회체(16-2)를 복합적으로 조작한다. 이 복귀 동작에서는 많은 액추에이터가 동작하기 때문에, 다시, 펌프 흡수 동력이 급준하게 상승된다. 이때의 제어 동작은 시각 t1 내지 t2의 때와 마찬가지이다. 단, 시각 t3 내지 t4 사이에 엔진 동력을 서서히 감소시키고 있기 때문에, 엔진 동력이 높은 상태로부터 제어를 개시할 수 있으므로, 전동·발전기(1-2)에 의한 어시스트량이 작아진다.
시각 t5에서 굴삭 동작의 제1 사이클이 종료하고, 다시 시각 t1과 마찬가지의 큰 펌프 흡수 동력이 필요하게 된다. 시각 t5 내지 t6의 제어 동작도 시각 t1 내지 t2의 때와 마찬가지인데, 시각 t3 내지 t4와 같이 엔진 동력이 높은 상태로부터 제어를 개시할 수 있으므로, 전동·발전기(1-2)에 의한 어시스트량이 작아진다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 제2 사이클의 굴삭 동작 이후에는 축전 잔량이 어떤 일정 값을 중심으로 해서 고정되어 있는 것을 알 수 있다. 이것으로부터, 이후의 사이클에서도 전동·발전기(1-2)에 의한 엔진 어시스트를 행하여, 엔진(1-1)에 급격한 부하를 가하지 않고, 굴삭 동작을 계속할 수 있다고 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 하이브리드 셔블에 의하면, 드룹 특성으로 제어되는 엔진(1-1)과, 목표 회전수 N*에 따라서 제어되는 전동·발전기(1-2)를 조합한 구성을 채용함으로써, 엔진(1-1)의 동력을 목표 엔진 동력으로 동작시킬 수 있고, 엔진을 적정한 상태로 운전할 수 있다. 이것은, 엔진의 연소가 안정되는 것으로 이어지고, 연비의 향상, 배기 가스의 억제에도 공헌한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 축전 장치(1-19)의 충방전 요구를 고려해서 엔진 목표 동력이 구해지기 때문에, 축전 장치(1-19)의 전력을 적절한 범위로 유지할 수 있다. 그 결과, 축전 장치(1-19)의 축전 잔량 부족에 의한 엔진 정지나 과충전을 방지할 수 있다.
반복해서 말하면, 본 실시 형태에서는, 목표 엔진 동력의 연산에 엔진(1-1)과 축전 장치(1-19)의 상태를 고려한 제한을 두고 있기 때문에, 엔진(1-1)이나 축전 장치(1-19)의 보호를 실현하는 것도 가능해진다. 예를 들어, 엔진(1-1)에 연속해서 중부하가 걸려 있을 경우에, 제1 목표 엔진 동력에 대하여, 작은 상한값을 가진 제2 목표 엔진 동력을 연산함으로써, 엔진 동력을 내릴 수 있게 된다. 이에 의해, 엔진(1-1)의 과부하나 오버 히트를 회피하는 것이 가능하다.
또한, 제1 목표 동력의 변화율 및 상하한값에 제한을 둔 제2 목표 엔진 동력을 연산하고, 엔진 동력이 이 제2 목표 엔진 동력에 추종하도록 제어함으로써, 엔진(1-1)을 정상 운전에 준하는 동작 상태로 운전 가능하게 된다. 이 상태에서도, 엔진(1-1)은 과도 운전 시에 대하여 연소 상태가 안정되어 있기 때문에, 연비의 개선이나, 환경에 부하를 부여하는 배기 가스의 발생이 억제된다. 또한, 엔진(1-1)의 동작점이 안정되기 때문에 진동 등에 기인하는 소음도 억제하는 것이 가능하다.
또한, 축전 장치(1-19)의 상태 관리에 대해서는, 축전 장치(1-19)의 온도나 충방전 전류의 적산값을 고려하여, 축전 장치(1-19)를 보호하도록 제2 목표 엔진 동력을 부하 동력에 가까운 것으로 수정하여, 전동·발전기(1-2)의 역행·회생을 모두 억제함으로써, 축전 장치(1-19)의 보호가 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 엔진(1-1)의 특성을 고려해서 연비의 개선이나 배기 가스의 억제가 가능한 동작점이 되도록 목표 엔진 동력을 보정하기 때문에, 연비의 개선이나 배기 가스의 억제가 더욱 향상된다.
또한, 제4 목표 동력의 변화율 및 상하한값에 제한을 둔 제5 목표 엔진 동력을 연산하고, 엔진 동력이 이 제5 목표 엔진 동력에 추종하도록 제어함으로써, 엔진(1-1)을 정상 운전에 준하는 동작 상태로 운전 가능하게 된다. 이 상태에서도, 엔진(1-1)은 과도 운전 시에 대하여 연소 상태가 안정되어 있기 때문에, 연비의 개선이나, 환경에 부하를 부여하는 배기 가스의 발생이 억제된다. 또한, 엔진(1-1)의 동작점이 안정되기 때문에 진동 등에 기인하는 소음도 억제하는 것이 가능하다.
또한, 축전 장치(1-19)의 상태 관리에 대해서는, 축전 장치(1-19)의 온도나 충방전 전류의 적산값을 고려하여, 축전 장치(1-19)를 보호하도록 제5 목표 엔진 동력을 부하 동력에 가까운 것으로 수정하여, 전동·발전기(1-2)의 역행·회생을 모두 억제함으로써, 축전 장치(1-19)의 보호가 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 엔진(1-1)을 드룹 특성으로 제어하고 있기 때문에, 엔진 회전수를 낮춤으로써, 엔진(1-1)의 부하 토크가 증가한다. 그 부하 토크의 증가분으로 전동·발전기(1-2)를 회생 제어함으로써, 전동·발전기(1-2)로부터의 회생 전력을 축전 장치(1-19)에 충전할 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 엔진 회전수를 제어하는 것만으로, 축전 장치(1-19)의 충전을 효과적으로 행할 수 있다. 게다가, 엔진 회전수를 제어할 뿐이므로, 축전 장치(1-19)의 충전 중에도 엔진 동작은 안정된다. 또한, 본 발명에서의 「상기 엔진 축 상의 부하 동력이 동일」이란, 본 실시 형태에서, 붐(16-3), 아암(16-4), 버킷(16-5)의 조작 중에 있어서 부하 동력이 동일한 경우와, 붐(16-3), 아암(16-4), 버킷(16-5)을 조작하고 있지 않을 때(무조작 중)에 부하 동력이 동일한 경우의 양쪽을 포함한다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 유압 펌프(1-3)에서 요구되는 펌프 유량과 전동·발전기(1-2)에의 목표 회전수 명령값에 따라서 유압 펌프(1-3)의 목표 틸팅각을 연산하기 때문에, 전동·발전기(1-2)의 제어로 유압 펌프(1-3)의 회전수가 변경되어도, 유압 펌프(1-3)의 토출 유량을 요구대로 유지할 수 있다. 이 때문에, 엔진 회전수가 드룹 특성에 따라서 변경되어도, 하이브리드 셔블의 조작성이 손상되지 않는다.
상술한 실시 형태는, 본 발명을 실시하기 위해 적합한 것이지만, 그 실시 형식은 이들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형되는 것이 가능하다. 예를 들어, 본 발명에 따른 하이브리드 건설 기계를, 휠 로더 등의 유압 셔블 이외의 건설 기계에 대하여 적용해도 된다.
1-1 : 엔진 1-2 : 전동·발전기
1-3 : 유압 펌프 1-8 : 컨트롤러
1-19 : 축전 장치 2-1 : 부하 동력 연산부
2-2 : 축전 잔량 연산부 2-3 : 충방전 요구 연산부
2-4 : 거버너 특성 변경부 2-5 : 목표 엔진 동력 연산부
2-6 : 목표 회전수 연산부 2-7 : 전동·발전기 제어부
2-9 : 요구 펌프 유량 연산부 2-10 : 목표 틸팅각 연산부
2-11 : 펌프 제어부 2-12 : 엔진 상태 관리부
2-13 : 축전 장치 관리부 16-3 : 붐(유압 작업부)
16-4 : 아암(유압 작업부) 16-5 : 버킷(유압 작업부)
I : 교점 N* : 목표 회전수 명령값

Claims (7)

  1. 엔진(1-1)과, 상기 엔진(1-1)에 의해 구동되는 유압 펌프(1-3)와, 상기 유압 펌프(1-3)로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 유압 작업부(16-3, 4, 5)와, 상기 엔진(1-1)과의 사이에서 토크의 전달을 행하는 전동·발전기(1-2)와, 상기 전동·발전기(1-2)에 전력을 공급하는 축전 장치(1-19)와, 상기 엔진(1-1)을, 부하 토크와 회전수와의 관계가, 부하 토크의 증가에 따라서 회전수가 감소하는 소정의 기울기를 가진 거버너 특성으로 제어하는 컨트롤러(1-8)를 구비하고,
    상기 컨트롤러(1-8)는,
    상기 거버너 특성의 설정을 변경하는 거버너 특성 변경부(2-4)와,
    엔진 축 상의 부하 동력을 연산하는 부하 동력 연산부(2-1)와,
    상기 축전 장치(1-19)의 잔량을 연산하는 축전 잔량 연산부(2-2)와,
    상기 축전 잔량 연산부(2-2)의 출력에 기초하여 상기 축전 장치(1-19)의 전력을 적절한 범위로 유지하기 위해서 필요한 충전/방전 요구를 연산하는 충방전 요구 연산부(2-3)와,
    상기 엔진(1-1)의 목표 동력을 연산하는 목표 엔진 동력 연산부(2-5)와,
    상기 전동·발전기(1-2)의 목표 회전수 명령을 연산하는 목표 회전수 연산부(2-6)와,
    상기 목표 회전수 연산부(2-6)에 의해 연산된 목표 회전수 명령값에 따라서 상기 전동·발전기(1-2)를 제어하는 전동·발전기 제어부(2-7)를 갖고,
    상기 목표 엔진 동력 연산부(2-5)는, 상기 부하 동력 연산부(2-1) 및 상기 충방전 요구 연산부(2-3)로부터의 출력값의 증감에 따라, 증감하는 제1 목표 엔진 동력을 연산하고,
    상기 목표 회전수 연산부(2-6)는, 회전수-토크 특성 선도 상에서의 상기 거버너 특성 변경부(2-4)에서 변경된 거버너 특성선과 상기 제1 목표 엔진 동력에 따르는 등동력선과의 교점의 회전수를 상기 전동·발전기(1-2)의 목표 회전수 명령값으로서 산출하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 건설 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러(1-8)는,
    상기 엔진(1-1)의 동작 상태를 관리하는 엔진 상태 관리부(2-12)와,
    상기 축전 장치(1-19)의 동작 상태를 관리하는 축전 장치 관리부(2-13)를 더 구비하고,
    상기 목표 엔진 동력 연산부(2-5)는, 상기 엔진 상태 관리부(2-12) 및 상기 축전 장치 관리부(2-13)의 출력에 기초하여, 상기 제1 목표 엔진 동력의 변화율 및 상하한값에 제한을 둔 제2 목표 엔진 동력을 연산하고,
    상기 목표 회전수 연산부(2-6)는, 회전수-토크 특성 선도 상에서의 상기 거버너 특성 변경부(2-4)에서 변경된 거버너 특성선과 상기 제2 목표 엔진 동력에 따르는 등동력선과의 교점의 회전수를 상기 전동·발전기(1-2)의 목표 회전수 명령값으로서 산출하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 건설 기계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 목표 엔진 동력 연산부(2-5)는, 상기 제2 목표 엔진 동력으로부터 적어도 연비 또는 배기 가스의 특성을 개선한 제3 목표 엔진 동력을 연산하고,
    상기 목표 회전수 연산부(2-6)는, 회전수-토크 특성 선도 상에서의 상기 거버너 특성 변경부(2-4)에서 변경된 거버너 특성선과 상기 제3 목표 엔진 동력에 따르는 등동력선과의 교점의 회전수를 상기 전동·발전기(1-2)의 목표 회전수 명령값으로서 산출하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 건설 기계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 목표 엔진 동력 연산부(2-5)는, 상기 제1 목표 엔진 동력으로부터 적어도 연비 또는 배기 가스의 특성을 개선한 제4 목표 엔진 동력을 연산하고,
    상기 목표 회전수 연산부(2-6)는, 회전수-토크 특성 선도 상에서의 상기 거버너 특성 변경부(2-4)에서 변경된 거버너 특성선과 상기 제4 목표 엔진 동력에 따르는 등동력선과의 교점의 회전수를 상기 전동·발전기(1-2)의 목표 회전수 명령값으로서 산출하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 건설 기계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 컨트롤러(1-8)는,
    상기 엔진(1-1)의 동작 상태를 관리하는 엔진 상태 관리부(2-12)와,
    상기 축전 장치(1-19)의 동작 상태를 관리하는 축전 장치 관리부(2-13)를 더 구비하고,
    상기 목표 엔진 동력 연산부(2-5)는, 상기 엔진 상태 관리부(2-12) 및 상기 축전 장치 관리부(2-13)의 출력에 기초하여, 상기 제4 목표 엔진 동력의 변화율 및 상하한값에 제한을 둔 제5 목표 엔진 동력을 연산하고,
    상기 목표 회전수 연산부(2-6)는, 회전수-토크 특성 선도 상에서의 상기 거버너 특성 변경부(2-4)에서 변경된 거버너 특성선과 상기 제5 목표 엔진 동력에 따르는 등동력선과의 교점의 회전수를 상기 전동·발전기(1-2)의 목표 회전수 명령값으로서 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러(1-8)는, 상기 엔진 축 상의 부하 동력이 동일해도, 상기 축전 장치(1-19)의 잔량이 적은 경우에는 상기 엔진(1-1)의 회전수를 상기 목표 회전수 명령값보다 낮춰서 상기 축전 장치(1-19)의 충전을 행하고, 상기 축전 장치(1-19)에 충전이 행하여져 감에 따라서, 상기 엔진(1-1)의 회전수를 상기 목표 회전수 명령값으로 되돌리도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 건설 기계.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유압 펌프(1-3)로서 가변 용량형이 사용되고,
    상기 컨트롤러(1-8)는, 상기 유압 펌프(1-3)에 요구되는 펌프 유량을 연산하는 요구 펌프 유량 연산부(2-9)와, 상기 요구 펌프 유량 연산부(2-9)에서 연산된 펌프 유량 및 상기 전동·발전기(1-2)의 목표 회전수 명령값으로부터 상기 유압 펌프(1-3)의 목표 틸팅각을 연산하는 목표 틸팅각 연산부(2-10)와, 상기 목표 틸팅각 연산부(2-10)에서 연산된 목표 틸팅각과 상기 유압 펌프의 틸팅각이 일치하도록 상기 유압 펌프를 제어하는 펌프 제어부(2-11)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계.
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