KR20100014931A

KR20100014931A - 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법 및 하이브리드 건설 기계

Info

Publication number: KR20100014931A
Application number: KR1020097018670A
Authority: KR
Inventors: 준 모리나가; 다다시 가와구치; 히로아키 이노우에
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2010-02-11
Also published as: CN101663442B; JP5002004B2; KR101516830B1; CN101663442A; US20100097037A1; WO2008117748A1; JPWO2008117748A1; DE112008000589T5; DE112008000589B4; US8207708B2

Abstract

커패시터의 용량을 필요 최소한으로 억제하면서, 커패시터의 전압을 적정한 범위에서 유지할 수 있어, 시스템이 동작 불능이 되는 것을 확실하게 방지할 수 있는 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법 및 하이브리드 건설 기계를 제공한다. 이 목적을 위해, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터의 소비 전력에 대응하는 선회 파워를 순차 산출하고, 이 산출한 선회 파워의 값을 보다 작은 값으로 변환하고, 이 변환한 값을 이용함으로써 발전 전동기의 발전 지령을 순차 생성하고, 이 생성한 발전 지령을, 발전 전동기를 구동시키는 인버터에 출력한다.

Description

하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법 및 하이브리드 건설 기계{POWER GENERATION CONTROL METHOD OF HYBRID CONSTRUCTION MACHINE AND HYBRID CONSTRUCTION MACHINE}

본 발명은, 서로 연결된 엔진 및 발전 전동기를 구동원으로서 구비함과 함께, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터를 구비한 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법 및 하이브리드 건설 기계에 관한 것이다.

종래부터, 서로 연결된 엔진 및 발전 전동기를 구동원으로서 구비한 하이브리드 차량에 있어서는, 동작시의 발전 전동기의 발전 제어에 관해 여러 가지 시도가 이루어졌다.

예를 들어 차량의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터를 구비한 유압 셔블 (shovel) 등의 하이브리드 건설 기계에 있어서의 기술로서, 축전 장치인 커패시터의 소형화 및 장기 수명화를 도모하기 위해, 작업기의 각종 에너지에 기초하여 커패시터의 목표 축전량을 변화시켜, 발전 제어를 실시하는 기술이 개시되어 있다 (예를 들어 특허 문헌 1 을 참조).

선회 모터를 구비한 하이브리드 건설 기계에서는, 선회 모터의 소비 전력을 예측하기가 어렵다. 이는, 작업 내용이 다방면에 걸치는 데다, 오퍼레이터의 레버 조작에 편차가 있기 때문이다. 상기 서술한 종래 기술에서는, 그러한 하이브리드 건설 기계의 특성에 입각하여, 선회 모터의 소비 전력과는 거의 관계없이 발전 제어가 실시되었다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2002-359935호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

그러나, 선회 모터의 소비 전력을 충분히 고려하지 않고 발전 제어를 실시하면, 선회 모터의 회생시에 커패시터의 전압이 급상승하여 적정한 범위를 일탈할 우려가 있었다. 커패시터의 전압이 적정한 범위로부터 일탈하면, 시스템이 동작 불능이 됨과 함께 커패시터의 수명이 짧아진다. 그래서, 커패시터의 용량을 크게 하여 커패시터의 전압 급상승을 억제하는 것을 생각할 수 있으나, 이 경우에는 커패시터가 대형화되어, 커패시터를 탑재하는 스페이스, 커패시터의 중량, 비용 면 등에 문제가 발생하였다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 커패시터의 용량을 필요 최소한으로 억제하면서, 커패시터의 전압을 적정한 범위에서 유지할 수 있어, 시스템이 동작 불능이 되는 것을 확실하게 방지할 수 있는 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법 및 하이브리드 건설 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

상기 서술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법은, 서로 연결된 엔진 및 발전 전동기와, 상기 발전 전동기에 접속되어, 상기 발전 전동기를 구동시키는 인버터와, 상기 인버터에 병렬 접속되어, 상기 발전 전동기가 발전시킨 전력을 축전하는 한편, 상기 발전 전동기에 전력을 공급하는 커패시터와, 상기 발전 전동기 및 상기 커패시터로부터 전력이 공급되어, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터를 구비한 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법으로서, 상기 선회 모터의 소비 전력에 대응하는 선회 파워를 순차 산출하는 선회 파워 산출 단계와, 상기 선회 파워 산출 단계에서 산출한 상기 선회 모터의 역행 (力行) 시의 선회 파워의 값을 보다 작은 값으로 변환하는 선회 파워 변환 단계와, 상기 선회 파워 변환 단계에서 변환한 값을 이용함으로써 상기 발전 전동기의 발전 지령을 순차 생성하는 발전 지령 생성 단계와, 상기 발전 지령 생성 단계에서 생성한 발전 지령을 상기 인버터에 출력하는 출력 단계를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 선회 파워 변환 단계는, 상기 선회 모터의 회생시에 상기 커패시터의 전압이 변화하여도 그 전압이 소정의 범위에 포함되도록 상기 선회 파워의 값을 변환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 선회 파워 변환 단계는, 상기 선회 파워의 값에 1 보다 작은 계수를 곱하는 연산을 실시하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 선회 파워 변환 단계는, 상기 선회 파워의 값에 곱하는 계수를, 당해 하이브리드 건설 기계의 내부 또는 외부에서 계측되는 소정의 계측값에 따라 변경하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 선회 모터의 회전수에 따라 상기 커패시터의 목표 전압을 설정하는 목표 전압 설정 단계와, 상기 목표 전압 설정 단계에서 설정한 목표 전압과 상기 커패시터의 전압의 차이를 계산하는 전압차 계산 단계와, 상기 전압차 계산 단계에서 계산한 전압차를, 상기 선회 파워와 동일한 차원을 갖는 물리량으로 변환하는 전압차 변환 단계를 추가로 갖고, 상기 발전 지령 생성 단계는, 상기 전압차 변환 단계에서 변환한 값과 상기 선회 파워 변환 단계에서 변환한 값의 합을 계산하고, 이 계산한 합을 이용함으로써 상기 발전 지령을 생성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계는, 서로 연결된 엔진 및 발전 전동기를 구동원으로서 구비함과 함께, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터를 구비한 하이브리드 건설 기계로서, 상기 발전 전동기에 접속되어, 상기 발전 전동기를 구동시키는 인버터와, 상기 인버터에 병렬 접속되어, 상기 발전 전동기가 발전시킨 전력을 축전하는 한편, 상기 발전 전동기에 전력을 공급하는 커패시터와, 상기 선회 모터의 소비 전력에 대응하는 선회 파워를 순차 산출하고, 이 산출한 선회 파워의 값을 보다 작은 값으로 변환하고, 이 변환한 값을 이용함으로써 상기 발전 전동기의 발전 지령을 순차 생성하고, 이 생성한 발전 지령을 상기 인버터에 출력하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련된 하이브리드 건설 기계는, 상기 발명에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 선회 모터의 회전수에 따라 상기 커패시터의 목표 전압을 설정하고, 이 설정한 목표 전압과 상기 커패시터의 전압의 전압차를 계산하고, 이 계산한 전압차를, 상기 선회 파워와 동일한 차원을 갖는 물리량으로 변환하고, 상기 전압차를 변환한 값과 상기 선회 파워를 변환한 값의 합을 계산하고, 이 계산한 합을 이용함으로써 상기 발전 지령을 생성하는 것을 특징으로 한다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 선회 모터의 소비 전력에 대응하는 선회 파워를 순차 산출하고, 이 산출한 선회 파워를 보다 작은 값으로 변환하고, 이 변환한 값을 이용함으로써 발전 전동기의 발전 지령을 순차 생성하고, 이 생성한 발전 지령을 발전 전동기용의 인버터에 출력하기 때문에, 발전 전동기는, 선회 모터로부터 회생시로 되돌아오는 만큼의 에너지를 고려한 발전을 실시할 수 있다. 따라서, 커패시터의 용량을 필요 이상으로 크게 하지 않고, 커패시터가 그 성능을 발휘할 수 있는 동작 전압 범위 내에서의 제어를 실현할 수 있게 되어, 그 동작 전압 범위를 일탈하거나 하는 이유에 의해 시스템이 동작 불능이 되는 것을 확실하게 방지할 수 있게 된다.

도 1 은 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 하이브리드 건설 기계의 주요부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2 는 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 하이브리드 건설 기계의 외부 구성을 나타내는 도면이다.

도 3 은 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법의 처리 개요를 나타내는 플로우 차트이다.

도 4 는 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법의 처리 개요를 모식적으로 나타내는 도면이다.

도 5 는 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법의 보다 상세한 처리 개요를 나타내는 처리 플로우도이다.

도 6 은 선회 인버터 전력의 시간 변화예를 나타내는 도면이다.

도 7 은 선회 모터 회전수의 시간 변화예를 나타내는 도면이다.

도 8 은 선회 모터 회전수의 절대값과 커패시터 목표 전압의 관계를 부여하는 도면이다.

도 9 는 커패시터 전압의 시간 변화예를 나타내는 도면이다.

도 10 은 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법의 처리 개요를 나타내는 처리 플로우도이다.

도 11 은 선회 파워 출력에 곱하는 계수를 선회 모터 회전수에 따라 변화시키는 경우의 계수와 선회 모터 회전수의 관계를 나타내는 도면이다.

도 12 는 선회 파워 출력에 곱하는 계수를 선회 인버터 전력에 따라 변화시키는 경우의 계수와 선회 인버터 전력의 관계를 나타내는 도면이다.

도 13 은 선회 파워 출력에 곱하는 계수를 외기온에 따라 변화시키는 경우의 계수와 외기온의 관계를 나타내는 도면이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 유압 셔블 2 : 엔진

3 : 발전 전동기 4 : 유압 펌프

5 : 인버터 6 : 커패시터

7 : 선회 모터 8 : 선회 인버터

9 : 스윙 머시너리 10 : 컨트롤러

10a : 메모리 11 : 조작 입력부

21 : 붐용 조작 밸브 22 : 아암용 조작 밸브

23 : 버킷용 조작 밸브 24 : 좌주행용 조작 밸브

25 : 우주행용 조작 밸브 31 : 붐용 유압 실린더

32 : 아암용 유압 실린더 33 : 버킷용 유압 실린더

34 : 좌주행용 유압 모터 35 : 우주행용 유압 모터

101 : 주행체 102 : 선회체

103 : 붐 104 : 아암

105 : 버킷

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태 (이후, 「실시형태」로 칭한다) 를 설명한다.

(실시형태 1)

도 1 은 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 하이브리드 건설 기계의 주요부의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태 1 에 관련된 하이브리드 건설 기계는, 서로 연결된 엔진 및 발전 전동기를 구동원으로서 가짐과 함께, 전동 선회 기능을 갖는 것이다. 본 실시형태 1 에서는, 하이브리드 건설 기계로서, 굴삭 기능을 갖는 유압 셔블의 경우를 설명하는데, 이는 어디까지나 일례에 불과하다.

도 2 는 하이브리드 건설 기계인 유압 셔블의 외부 구성을 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 유압 셔블 (1) 은, 좌우 1 쌍의 크롤러 트랙을 갖는 주행체 (101) 와, 주행체 (101) 의 상방에 위치하고, 주행체 (101) 에 대해 소정의 방향을 지향하는 선회축 둘레로 선회할 수 있는 선회체 (102) 를 구비한다. 또한 유압 셔블 (1) 은, 붐 (103), 아암 (104), 버킷 (105) 으로 이루어지는 굴삭용 작업기를 갖는다. 이 중, 붐 (103) 은, 주행체 (101) 에 대해 상하 방향으로 회전 운동할 수 있게 접속된다.

다음으로, 도 1 을 참조하여 유압 셔블 (1) 의 내부 구성을 설명한다. 유압 셔블 (1) 은, 구동원인 엔진 (2) 과, 각각의 구동축이 엔진 (2) 의 출력축에 연결된 발전 전동기 (3) 및 유압 펌프 (4) 와, 발전 전동기 (3) 에 접속되어, 발전 전동기 (3) 를 구동시키는 인버터 (5) 와, 인버터 (5) 에 병렬 접속되어, 발전 전동기 (3) 로 발전시킨 전력을 축전하는 한편, 발전 전동기 (3) 에 전력을 공급하는 커패시터 (6) 를 구비한다.

또한 유압 셔블 (1) 은, 선회체 (102) 를 선회시키는 구동원인 선회 모터 (7) 와, 커패시터 (6) 에 병렬 접속됨과 함께 인버터 (5) 에 병렬 접속되어, 선회 모터 (7) 를 구동시키는 선회 인버터 (8) 와, 선회 모터 (7) 의 구동축에 연결되어, 선회체 (102) 를 선회시키는 스윙 머시너리 (9) 를 구비한다.

또한 유압 셔블 (1) 은, 엔진 (2), 유압 펌프 (4), 인버터 (5), 선회 인버터 (8) 를 전자적으로 제어하는 컨트롤러 (10) 와, 오퍼레이터가 원하는 조작을 입력하기 위해 조작 레버 등에 의해 구성되는 조작 입력부 (11) 를 구비한다.

유압 펌프 (4) 는, 붐용 조작 밸브 (21), 아암용 조작 밸브 (22), 버킷용 조작 밸브 (23), 좌주행용 조작 밸브 (24), 우주행용 조작 밸브 (25) 의 각종 조작 밸브에 배관을 통해 각각 접속된다. 유압 펌프 (4) 는 가변 용량형으로서, 사판의 경전각이 변화함으로써 용량이 변화한다.

유압 펌프 (4) 로부터 토출된 압유는, 붐용 조작 밸브 (21), 아암용 조작 밸브 (22), 버킷용 조작 밸브 (23), 좌주행용 조작 밸브 (24), 우주행용 조작 밸브 (25) 를 통해, 액츄에이터인 붐용 유압 실린더 (31), 아암용 유압 실린더 (32), 버킷용 유압 실린더 (33), 좌주행용 유압 모터 (34), 우주행용 유압 모터 (35) 에 각각 공급된다. 이로써, 붐 (103), 아암 (104), 버킷 (105), 좌크롤러 트랙, 우크롤러 트랙이 작동한다.

컨트롤러 (10) 는, 각각 소정의 계측 수단에 의해 계측된 엔진 (2) 의 회전수, 유압 펌프 (4) 의 토출압, 커패시터 (6) 의 전압, 선회 인버터 (8) 에 입력하는 직류 전류 (출력시에는 역부호), 선회 모터 (7) 의 회전수, 오퍼레이터에 의한 조작 입력부 (11) 의 조작량 등의 입력을 받아, 이들 각종 계측값의 입력에 기초하 여 유압 셔블 (1) 의 구동 제어를 실시한다. 각종 계측값은, 거의 실시간으로 계측되고 있다. 컨트롤러 (10) 는, 유압 셔블 (1) 의 각종 동작을 제어하기 위한 프로그램이나 상기 서술한 각종 계측값 등을 기억하는 메모리 (10a) 를 갖는다.

도 3 은 본 실시형태 1 에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법의 처리 개요를 나타내는 플로우 차트이다.

먼저, 컨트롤러 (10) 는, 선회 모터 (7) 가 소비하는 선회 파워를 산출한다 (단계 S1). 컨트롤러 (10) 는, 선회 모터 (7) 의 선회 파워가 정 (正) 인 경우 (역행시) 에만 (단계 S2, 예) 후술하는 처리를 실시한다. 선회 모터 (7) 의 선회 파워가 부 (負) 인 경우 (회생시) (단계 S2, 아니오) 에는 단계 S1 로 되돌아온다.

컨트롤러 (10) 가 산출한 선회 파워가 정인 경우, 컨트롤러 (10) 는 선회 파워의 값을 메모리 (10a) 로부터 판독하고, 이 판독한 선회 파워의 값을 보다 작은 값으로 변환한다 (단계 S3). 계속해서, 컨트롤러 (10) 는, 변환 후의 선회 파워를 이용하여 발전 전동기 (3) 에 대한 발전 지령을 생성하고 (단계 S4), 이 생성한 발전 지령을 인버터 (5) 에 출력한다 (단계 S5). 이 후, 컨트롤러 (10) 는 단계 S1 로 되돌아온다.

도 4 는 이상 설명한 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법의 처리 개요를 모식적으로 나타내는 도면이다. 곡선 C1 은, 단계 S5 에서 컨트롤러 (10) 가 출력하는 발전 지령에 기초하여 발전 전동기 (3) 가 발생시키는 발전량 (G) 의 시간 변화를 나타내고 있다. 또한 곡선 C2 는, 종래의 발전 제어 방법에 의해 제 어되는 발전 전동기 (3) 의 발전량 (G) 의 시간 변화를 나타내고 있다. 즉, 곡선 C2 는, 단계 S3 의 처리를 실시하지 않은 경우에 컨트롤러 (10) 가 출력하는 발전 지령에 기초하여 발전 전동기 (3) 가 발생시키는 발전량 (G) 의 시간 변화를 나타내고 있다.

곡선 C3 은, 선회 모터 (7) 의 선회 파워 (Ps) 의 시간 변화를 나타내고 있다. 곡선 C3 에 있어서, Ps ＞ 0 이 선회 모터 (7) 의 역행시에 대응하고, Ps ＜ 0 이 선회 모터 (7) 의 회생시에 대응하고 있다. 선회 파워 (Ps) 의 크기는, 오퍼레이터에 의한 조작 입력부 (11) 의 조작 레버의 조작량에 따라 정해지고, 조작 입력부 (11) 의 조작 레버가 원래의 위치로 되돌아올 때, 선회 모터 (7) 는 회생 동작을 실시한다. 일반적으로, 선회 모터 (7) 의 역행시에 소비되는 전력은, 선회 모터 (7) 의 회생시에 발생하는 전력보다 크다.

곡선 C4 는, 발전 전동기 (3) 의 발전량 (G) 이 곡선 C1 에 따라 시간 변화함과 함께, 선회 모터 (7) 의 선회 파워 (Ps) 가 곡선 C3 에 따라 시간 변화하는 경우의 커패시터 (6) 의 커패시터 전압 (V) 의 시간 변화를 나타내고 있다. 또한, 곡선 C5 는, 발전 전동기 (3) 의 발전량 (G) 이 곡선 C2 에 따라 시간 변화함과 함께, 선회 모터 (7) 의 선회 파워 (Ps) 가 곡선 C3 에 따라 시간 변화하는 경우의 커패시터 전압 (V) 의 시간 변화를 나타내고 있다. 도 4 에서는, 커패시터 (6) 가 그 성능을 발휘할 수 있는 동작 전압 범위를 (V1, V2) 로 하고 있다.

본 실시형태 1 에 있어서, 선회 모터 (7) 의 역행시에 소비되는 선회 파워 (Ps) 를 공급하기 위해서는, 발전 전동기 (3) 가 발전시키는 전력만으로는 부족하 여, 커패시터 (6) 로부터의 전력도 필요하다. 이 때문에, 커패시터 전압 (V) 은 선회 모터 (7) 의 역행시에 감소한다. 한편, 선회 모터 (7) 의 회생시에는, 커패시터 (6) 에 선회 모터 (7) 로부터 전력이 되돌아오기 때문에, 커패시터 (6) 의 전하량은 증가하고, 커패시터 전압 (V) 은 상승한다.

컨트롤러 (10) 는, 발전량 (G) 의 저감분을 시간으로 적분하여 얻어지는 에너지 (곡선 C1 과 곡선 C2 에 의해 둘러싸이는 영역 (D1) 의 면적) 와 선회 모터 (7) 의 회생시에 발생하는 전력을 시간으로 적분하여 얻어지는 에너지 (곡선 C3 과 t 축에 의해 둘러싸이는 영역 (D2) 의 면적) 가 거의 동등해지는 제어를 실시하는 것이 바람직하다. 발전량 (G) 의 저감분에 상당하는 에너지는 커패시터 (6) 가 선회 모터 (7) 의 역행시에 공급하는 에너지와 동등하므로, 상기 서술한 제어를 실시하면, 커패시터 (6) 가 선회 모터 (7) 의 역행시에 공급하는 에너지와 선회 모터 (7) 의 회생시에 커패시터 (6) 로 되돌아오는 에너지가 거의 동등해진다. 따라서, 선회 모터 (7) 가 선회 파워 (Ps) 를 발생시키는 전후의 커패시터 전압 (V) 은 거의 동등해진다 (도 4 의 V0).

여기서, 비교를 위해 종래의 발전 제어 방법을 설명한다. 종래의 발전 제어 방법의 경우, 선회 모터 (7) 의 역행시에 커패시터 (6) 가 전력을 공급할 필요는 없다. 따라서, 커패시터 전압 (V) 은, 선회 모터 (7) 의 역행시에 일정하다. 또한, 선회 모터 (7) 의 회생시에는 선회 모터 (7) 로부터 커패시터 (6) 로 전력이 되돌아오기 때문에, 커패시터 전압 (V) 은 선회 모터 (7) 가 선회 파워 (Ps) 를 발생시키기 전의 값 (V0) 보다 상승한다. 도 4 에 나타내는 곡선 C5 에서는, 커패시터 전압 (V) 의 최대값 (Vmax) 이 커패시터 (6) 의 동작 전압 범위의 상한값 (V2) 을 초과하고 있다.

이와 같이, 종래의 발전 제어 방법에서는, 커패시터 전압 (V) 이 커패시터 (6) 의 동작 전압 범위를 일탈하여, 시스템이 동작 불능 상태에 빠지는 경우가 있었다. 이에 대해, 본 실시형태 1 에 의하면, 선회 모터 (7) 에 전력을 공급할 때, 발전 전동기 (3) 의 발전량을 저감시키고, 그 저감시킨 만큼을 커패시터 (6) 로부터 공급함으로써 보충하고 있기 때문에, 커패시터 전압 (V) 을 항상 동작 가능 범위로 유지할 수 있다. 따라서, 안정적인 시스템의 동작을 실현할 수 있다.

도 5 는 도 3 및 도 4 를 이용하여 설명한 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법의 보다 상세한 처리 개요를 나타내는 처리 플로우도이다. 컨트롤러 (10) 는, 선회 모터 (7) 가 소비하는 선회 파워로서, 선회 인버터 (8) 의 전력 (선회 인버터 전력 (P)) 을 순서대로 산출하여, 메모리 (10a) 에 저장하고 있다 (단계 S11). 선회 인버터 전력 (P) 은, 커패시터 (6) 의 전압의 계측값과 선회 인버터 (8) 에 입력하는 직류 전류의 계측값의 곱을 구함으로써 산출된다. 도 6 은 오퍼레이터가 어느 특정한 조작 (이후, 「조작 A」라고 한다) 을 실시하였을 때의 선회 인버터 전력 (P) 의 시간 변화예를 나타내는 도면이다. 도 6 에 나타내는 곡선 L1 은, 역행 (P ＞ 0) 과 회생 (P ＜ 0) 을 반복하면서 변동하고 있고, 역행시의 최대값은 Pmax 이다.

이 후, 컨트롤러 (10) 는, 선회 인버터 전력 (P) 이 정인 경우, 즉 역행시에만 (단계 S12, 예) 후술하는 처리를 실시한다. 선회 인버터 전력 (P) 이 부인 경우, 즉 회생시 (단계 S12, 아니오) 에는 단계 S11 로 되돌아온다.

선회 인버터 전력 (P) 이 정인 경우, 컨트롤러 (10) 는, 선회 인버터 전력 (P) 에 소정의 계수 K2 를 곱하는 연산을 실시한다 (단계 S13). 계수 K2 는 1 보다 작은 상수이고, 그 구체적인 값은, 선회 모터 (7) 의 회생시에 선회 모터 (7) 의 발전에 의해 커패시터 (6) 로 되돌아오는 전력분 (도 6 의 P ＜ 0 인 부분에 상당) 을 고려하여 설정된다. 단, 선회 모터 (7) 가 회생시에 역행시보다 큰 전력을 커패시터 (6) 로 되돌리는 것은 물리적으로 거의 있을 수 없기 때문에, 계수 K2 는 0 이상의 값일 필요가 있다. 또한, 단계 S13 에 있어서의 연산은, 선회 인버터 전력 (P) 보다 작은 값이 되는 연산이면 되고, 예를 들어 선회 인버터 전력 (P) 으로부터 소정의 상수를 감산해도 된다.

컨트롤러 (10) 는, 선회 모터 (7) 의 회전수 (선회 모터 회전수 (ω)) 도 실시간으로 수취하고 있다 (단계 S14). 도 7 은 선회 모터 회전수 (ω) 의 시간 변화예를 나타내는 도면이다. 도 7 에 나타내는 곡선 L2 는, 도 6 에 나타내는 선회 인버터 전력 (P) 에 대응하는 것으로서, 오퍼레이터가 조작 A 를 실시하였을 때의 도 6 과 동일한 시간대의 시간 변화를 나타내고 있다. 이와 같은 곡선 L2 에 있어서, 선회 모터 (7) 는, 최대 회전수 (ωmax) 로서 선회 방향에 따른 회전을 실시하고 있다. 선회 모터 (7) 의 회전은, 오퍼레이터가 조작 입력부 (11) 로 실시하는 레버 조작에 따라 변화한다. 즉, 도 7 에 나타내는 시간 변화는, 오퍼레이터가 어느 레버 조작을 실시하였을 때의 것이다.

계속해서, 컨트롤러 (10) 는, 선회 모터 회전수 (ω) 의 절대값을 취하고 (단계 S15), 이 값에 따른 커패시터 (6) 의 목표 전압 (Vcap0) 을 설정한다 (단계 S16).

도 8 은 선회 모터 회전수 (의 절대값) (ω) 와 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 의 관계를 부여하는 도면이다. 일반적으로, 커패시터 (6) 에는, 그 성능을 발휘할 수 있는 동작 전압 범위가 존재한다. 이 때문에, 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 은, 선회 모터 회전수 (ω) 의 값에 상관없이 동작 전압 범위에 포함되도록 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 선회 모터 회전수 (ω) 의 절대값이 크면, 선회 모터 (7) 의 회생시로 되돌아오는 에너지가 큰 것으로 생각할 수 있으므로, 선회 모터 회전수 (ω) 의 절대값이 클수록 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 을 낮게 설정하여, 에너지를 축적할 여지를 남겨 두면 더욱 바람직하다.

도 8 에 나타내는 직선 L3 은, 선회 모터 회전수 (ω) 와 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 의 관계가 전술한 두 가지 성질을 만족하도록 설정된 것이다. 도 8 에서는, 커패시터 (6) 의 동작 전압 범위를 (Vcap1, Vcap2) 로 하고 있다. 또한 도 8 에서는, 컨트롤러 (10) 가 다른 제어를 실시하는 경우도 고려하여, 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 이 취하는 값의 범위를 동작 전압 범위 (Vcap1, Vcap2) 보다 좁게 설정할 수도 있다.

또한, 선회 모터 회전수 (ω) 와 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 의 관계는, 전술한 두 가지 성질을 적어도 만족하고 있으면, 반드시 선형일 필요는 없다. 또한, 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 을 선회 모터 회전수 (ω) 에 상관없이 일정하게 할 수도 있다.

단계 S16 에 계속하여, 컨트롤러 (10) 는, 설정한 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 과, 실시간으로 수취하고 있는 커패시터 (6) 의 전압 (Vcap) 의 차이 Vcap0 - Vcap 를 계산하고 (단계 S17), 이 차이에 계수 K1 을 곱한다 (단계 S18). 여기서의 계수 K1 은 미리 정해진 상수이고, 단계 S17 에서 구한 전압차 Vcap0 - Vcap 를 전력값 (선회 인버터 전력 (P) 의 차원) 으로 변환하는 계수로서, 상기 서술한 계수 K2 와는 달리 물리적인 차원 (여기서는 전류의 차원) 을 갖고 있다. 또한 K1 의 물리적인 차원은, 커패시터 용량의 차원이어도 되고, 전류와 커패시터의 곱의 차원이어도 된다.

컨트롤러 (10) 는, 단계 S13 에서 구한 P × K2 와, 단계 S18 에서 구한 (Vcap0 - Vcap) × K1 의 합을 취하고 (단계 S19), 이 합을 이용함으로써 인버터 (5) 에 출력하는 발전 지령을 생성한다 (단계 S20). 단계 S20 에 있어서, 컨트롤러 (10) 는, 단계 S19 의 출력이 정인 경우에만 발전 지령을 생성함과 함께, 생성한 발전 지령이 발전 전동기 (3) 의 발전 능력을 초과한 경우에는, 발전 전동기 (3) 의 발전 능력을 발전 지령으로서 출력한다. 또한 단계 S20 에 있어서, 소정 주파수의 필터를 개재시켜도 된다.

그런데, 단계 S19 에서 구한 합의 값은, 대개 P × K2 가 지배적이고, 유압 셔블 (1) 이 이상 동작을 실시하고 있는 경우에 (Vcap0 - Vcap) × K1 의 기여가 증가하도록 설정되어 있다. 구체적으로는, Vcap0 - Vcap 의 값은, 유압 셔블 (1) 이 통상적인 동작을 실시하고 있는 경우보다, 이상 동작을 실시하고 있는 경우인 편이 커지는 경향이 있다. 여기서 말하는 이상 동작으로는, 예를 들어 버킷 (105) 이 돌연 무언가에 충돌하여 정지하는 경우가 상정된다. 버킷 (105) 이 외적 요인에 의해 돌연 정지한 경우에는, 선회 모터 회전수 (ω) 가 돌연 0 이 되기 때문에, 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 은 갑자기 커진다 (도 8 을 참조). 그 결과, 커패시터 전압 (Vcap) 과의 차이 Vcap0 - Vcap 가 커지고, 단계 S19 에서 구한 합에 있어서 (Vcap0 - Vcap) × K1 이 기여하는 비율이 증가한다.

이 후, 컨트롤러 (10) 는 생성한 발전 지령을 인버터 (5) 에 출력한다. 인버터 (5) 는, 입력된 발전 지령에 따라 발전 전동기 (3) 를 구동시킨다. 이로써, 발전 전동기 (3) 는 발전을 실시한다 (단계 S21).

발전 전동기 (3) 에 의한 발전에 따라, 커패시터 전압 (Vcap) 은 시간 변화한다. 상기 서술한 바와 같이, 컨트롤러 (10) 는, 커패시터 전압 (Vcap) 의 계측값을 거의 실시간으로 수취하고 있다 (단계 S22). 따라서, 발전 전동기 (3) 의 발전에 의한 커패시터 전압 (Vcap) 의 변화는, 거의 실시간으로 컨트롤러 (10) 에 전달되게 된다.

도 9 는 커패시터 전압 (Vcap) 의 시간 변화예를 나타내는 도면이다. 도 9 에 나타내는 곡선 L4 는, 도 6 에 나타내는 선회 인버터 전력 (P) 이나 도 7 에 나타내는 선회 모터 회전수 (ω) 에 대응하는 것으로서, 오퍼레이터가 조작 A 를 실시하였을 때의 도 6 및 도 7 과 동일한 시간대의 시간 변화를 나타내고 있다. 곡선 L4 는, 항상 커패시터 (6) 의 동작 전압 범위 (Vcap1, Vcap2) 를 일탈하지 않고, 그 동작 전압 범위 내에서 변동하고 있다. 이 점에서도 분명한 바와 같이, 본 실시형태 1 에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법에 의하면, 커패시터 (6) 의 전압을 적정한 범위에서 유지할 수 있다.

또한 상기 단계 S17 에서 설명한 바와 같이, 컨트롤러 (10) 는, 커패시터 전압 (Vcap) 의 계측값을, 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 과의 전력차를 연산할 때에 순서대로 사용한다.

이상 설명한 본 발명의 실시형태 1 에 의하면, 선회 모터의 소비 전력에 대응하는 선회 파워 (선회 인버터 전력) 을 순서대로 산출하고, 이 산출한 선회 파워를 보다 작은 값으로 변환하고, 이 변환한 값을 이용함으로써 발전 전동기의 발전 지령을 순차 생성하고, 이 생성한 발전 지령을 발전 전동기용의 인버터에 출력하기 때문에, 발전 전동기는, 선회 모터로부터 회생시로 되돌아오는 만큼의 에너지를 고려한 발전을 실시할 수 있다. 따라서, 커패시터의 용량을 필요 이상으로 크게 하지 않고, 커패시터의 동작 전압 범위 내에서의 제어를 실현할 수 있게 되어, 커패시터가 동작 전압 범위를 일탈하거나 하는 이유에 의해 시스템이 동작하지 않게 되는 것을 확실하게 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 실시형태 1 에 의하면, 선회 모터의 소비 전력에 대응하는 선회 파워를 순차 산출하고, 이 산출한 선회 파워를 보다 작은 값으로 변환하고, 이 변환한 값을 이용함으로써 발전 전동기의 발전 지령을 순차 생성하고, 이 생성한 발전 지령을 발전 전동기용의 인버터에 출력하기 때문에, 발전 전동기는, 선회 모터로부터 회생시로 되돌아오는 만큼의 에너지를 고려한 발전을 실시할 수 있다. 따라서, 커패시터의 용량을 필요 이상으로 크게 하지 않고, 커패시터가 그 성능을 발휘할 수 있는 동작 전압 범위 내에서의 제어를 실현할 수 있게 되어, 그 동작 전압 범위를 일탈하거나 하는 이유에 의해 시스템이 동작 불능이 되는 것을 확실하게 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 실시형태 1 에 있어서는, 선회 파워로서 선회 인버터 전력을 이용하였으나, 그 대신에 선회 모터의 토크와 회전수를 이용해도 되고, 조작 입력부의 조작량 (레버 스트로크) 을 이용해도 된다.

(실시형태 2)

도 10 은 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법의 처리 개요를 나타내는 처리 플로우도이다. 본 실시형태 2 에 있어서는, 컨트롤러 (10) 가 선회 인버터 전력 (P) 에 소정의 계수 K2 를 곱하는 연산을 실시할 (단계 S13') 때, 선회 모터 (7) 의 회전수 (ω) 에 따라 계수 K2 의 값을 변화시킨다.

도 11 은 선회 모터 (7) 의 회전수 (ω) 와 계수 K2 의 관계를 나타내는 도면이다. 도 11 에 나타내는 직선 L5 는, 선회 모터 (7) 의 회전수 (ω) 가 커짐에 따라 계수 K2 가 작아지고 있다. 이와 같이 계수 K2 를 설정하는 것은, 선회 모터 회전수 (ω) 가 클수록 발전 전동기 (3) 에 의한 발전량이 적어도 되기 때문이다.

이상 설명한 점을 제외한 하이브리드 건설 기계의 구성 및 당해 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법의 처리는, 상기 서술한 실시형태 1 과 동일하다.

(그 밖의 실시형태)

이제까지, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 설명해 왔으나, 본 발명 은, 상기 서술한 두 가지 실시형태에 의해서만 한정되는 것은 아니다. 도 12 는 선회 인버터 출력 (선회 파워) 에 곱하는 계수 K2 의 다른 설정예를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 직선 L6 은, 계수 K2 를 선회 인버터 전력 (P) (＞ 0) 에 따라 변화시키는 경우를 나타내고 있다. 이 경우에는, 선회 인버터 전력 (P) 이 클수록 발전 전동기 (3) 의 발전량을 많게 할 필요가 있기 때문에, 선회 인버터 전력 (P) 이 증가함과 함께 계수 K2 의 값이 증가하도록 하고 있다.

도 13 은 선회 인버터 출력 (선회 파워) 에 곱하는 계수 K2 의 또 다른 설정예를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 직선 L7 은, 계수 K2 를 외기온 (T) (도 13 에서는 섭씨 온도를 상정) 에 따라 변화시키는 경우를 나타내고 있다. 건설 기계는, 섭씨 0 도 이하의 저온부터 고온까지 폭넓은 온도 대역 (Tmin ∼ Tmax) 에서의 사용이 상정된다. 일반적으로, 외기온 (T) 이 높으면 발전 전동기 (3) 의 효율도 상승하기 때문에, 외기온 (T) 이 높을수록 계수 K2 를 작게 할 수 있다. 또한, 외기온 (T) 를 이용하는 대신에, 커패시터의 내부 온도를 이용해도 된다.

그런데, 이상의 설명에 있어서는, 계수 K2 와 각종 조건의 관계가 선형으로 변화하는 경우만을 거론하였으나, 이 변화를 적당한 함수에 의해 설정해도 된다.

또한, 커패시터 목표 전압 (Vcap0) 과 커패시터 전압 (Vcap) 의 전압차에 곱하는 계수 K1 의 값을 가변으로 해도 된다. 예를 들어 도 5 의 단계 S19 에서 구한 합에 있어서, (Vcap0 - Vcap) × K1 의 기여가 소정의 기준값보다 큰 시간이 소정 시간 계속된 경우에는, 컨트롤러 (10) 가 계수 K1 의 값을 변화시키는 제어를 실시하도록 해도 된다. 또한 계수 K1 를 곱하는 대신에, 전압차 Vcap0 - Vcap 를 적당한 함수에 의해 변환하여 출력하도록 해도 된다.

이와 같이, 본 발명은, 여기서는 기재하지 않은 여러 가지 실시형태 등을 포함할 수 있는 것으로서, 특허 청구의 범위에 의해 특정되는 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 설계 변경 등을 실시할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은, 축전 장치로서 커패시터를 구비함과 함께 선회 모터를 구비한 하이브리드 건설 기계의 발전을 제어하는 데에 유용하다.

Claims

서로 연결된 엔진 및 발전 전동기와, 상기 발전 전동기에 접속되어, 상기 발전 전동기를 구동시키는 인버터와, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터와, 상기 선회 모터에 접속되어, 상기 선회 모터를 구동시키는 선회 인버터와, 상기 인버터 및 상기 선회 인버터에 병렬 접속되어, 상기 발전 전동기 및 상기 선회 모터가 발전시킨 전력을 축전하는 한편, 상기 발전 전동기 및 상기 선회 모터에 전력을 공급하는 커패시터를 구비한 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법으로서,

상기 선회 모터의 소비 전력에 대응하는 선회 파워를 순차 산출하는 선회 파워 산출 단계와,

상기 선회 파워 산출 단계에서 산출한 상기 선회 모터의 역행시의 선회 파워의 값을 보다 작은 값으로 변환하는 선회 파워 변환 단계와,

상기 선회 파워 변환 단계에서 변환한 값을 이용함으로써 상기 발전 전동기의 발전 지령을 순차 생성하는 발전 지령 생성 단계와,

상기 발전 지령 생성 단계에서 생성한 발전 지령을 상기 인버터에 출력하는 출력 단계를 갖고,

상기 선회 모터의 역행시의 선회 파워는, 상기 발전 전동기 및 상기 커패시터로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 선회 파워 변환 단계는,

상기 선회 모터의 회생시에 상기 커패시터의 전압이 변화하여도 그 전압이 소정의 범위에 포함되도록 상기 선회 파워의 값을 변환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 선회 파워 변환 단계는,

상기 선회 파워의 값에 1 보다 작은 계수를 곱하는 연산을 실시하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 선회 파워 변환 단계는,

상기 선회 파워의 값에 곱하는 계수를, 당해 하이브리드 건설 기계의 내부 또는 외부에서 계측되는 소정의 계측값에 따라 변경하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 선회 모터의 회전수에 따라 상기 커패시터의 목표 전압을 설정하는 목표 전압 설정 단계와,

상기 목표 전압 설정 단계에서 설정한 목표 전압과 상기 커패시터의 전압의 차이를 계산하는 전압차 계산 단계와,

상기 전압차 계산 단계에서 계산한 전압차를, 상기 선회 파워와 동일한 차원을 갖는 물리량으로 변환하는 전압차 변환 단계를 추가로 갖고,

상기 발전 지령 생성 단계는,

상기 전압차 변환 단계에서 변환한 값과 상기 선회 파워 변환 단계에서 변환한 값의 합을 계산하고, 이 계산한 합을 이용함으로써 상기 발전 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계의 발전 제어 방법.
서로 연결된 엔진 및 발전 전동기를 구동원으로서 구비함과 함께, 본체의 일부를 다른 부분에 대해 선회시키는 선회 모터를 구비한 하이브리드 건설 기계로서,

상기 발전 전동기에 접속되어, 상기 발전 전동기를 구동시키는 인버터와,

상기 선회 모터에 접속되어, 상기 선회 모터를 구동시키는 선회 인버터와,

상기 인버터 및 상기 선회 인버터에 병렬 접속되어, 상기 발전 전동기 및 상기 선회 모터가 발전시킨 전력을 축전하는 한편, 상기 발전 전동기 및 상기 선회 모터에 전력을 공급하는 커패시터와,

상기 선회 모터의 소비 전력에 대응하는 선회 파워를 순차 산출하고, 이 산출한 선회 파워의 값을 보다 작은 값으로 변환하고, 이 변환한 값을 이용함으로써 상기 발전 전동기의 발전 지령을 순차 생성하고, 이 생성한 발전 지령을 상기 인버터에 출력하는 제어 수단을 구비하고,

상기 발전 전동기 및 상기 커패시터는, 상기 선회 모터에 대해 역행시의 선회 파워를 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계.
제 6 항에 있어서,

상기 제어 수단은,

상기 선회 모터의 회전수에 따라 상기 커패시터의 목표 전압을 설정하고,

이 설정한 목표 전압과 상기 커패시터의 전압의 전압차를 계산하고,

이 계산한 전압차를, 상기 선회 파워와 동일한 차원을 갖는 물리량으로 변환하고,

상기 전압차를 변환한 값과 상기 선회 파워를 변환한 값의 합을 계산하고, 이 계산한 합을 이용함으로써 상기 발전 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 건설 기계.