KR20100099214A - 하이브리드식 건설기계 - Google Patents

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스미토모 겐키 가부시키가이샤
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Abstract

하이브리드식 건설기계에 있어서, 제어부(60)는 동력 분배부(60-8)와 출력조건 산출부(60-9)를 가진다. 출력조건 산출부(60-9)는 축전기(58)의 충전율에 근거하여 결정되는 축전기 출력 설정치와, 엔진(50)의 회전수에 근거하여 결정되는 엔진 출력 설정치와, 유압 발생기가 요구하는 동력을 나타내는 유압부하 요구치와, 전기 구동부가 요구하는 전력을 나타내는 전기부하 요구치를 포함하는 출력조건을 산출한다. 동력 분배부(60-8)는 산출된 출력조건에 근거하여 전기 구동부와 유압 구동부의 출력치를 결정한다.

Description

하이브리드식 건설기계{Hybrid construction machine}
본 발명은 건설기계에 관한 것으로, 특히 2개의 동력원을 병용하여 효율적으로 작업하는 하이브리드식 건설기계에 관한 것이다.
내연기관의 동력과 전동기의 동력을 병용하여 효율적으로 동작하는 하이브리드식 작업기계가 개발되어 이용되게 되었다. 하이브리드식 작업기계로서 이른바 패럴렐 방식의 구동 형태를 취하는 것이 알려져 있다.
패럴렐 방식의 구동 형태에서는 유압펌프와, 발전기 작용과 전동기 작용을 하는 동력기가 공통의 동력원으로서의 내연기관(엔진)에 패럴렐로 접속된다. 유압 펌프에 의해 유압 엑추에이터가 구동됨과 함께 동력기의 발전기 작용에 의해 축전장치에 충전이 실시된다. 이 축전장치로부터의 전력에 의해 동력기를 전동기로서 동작시켜 엔진을 어시스트한다. 또한 동력기로서는 1대로 발전기 작용과 전동기 작용의 쌍방을 실시하는 겸용기(발전기겸 전동기)를 이용하는 경우와, 각각의 발전기와 전동기를 병용하는 경우가 있다.
이러한 하이브리드식 작업기계에 의하면, 엔진의 부하를 경감시키고 엔진을 고효율 범위에서 운전하는 것에 의해 에너지 절약을 실현할 수 있다. 그러나 종래의 하이브리드식 작업기계는 이하와 같은 문제를 가지고 있다.
리튬이온 축전기 등의 배터리(2차 전지)나 커패시터(전기 이중층 콘덴서) 등의 축전장치의 충방전 특성은 그 충전량에 의존하고 있고, 충전량이 낮아질수록 최대 충전 전력은 크고 최대 방전 전력은 작아진다. 그래서 이러한 축전장치의 충전량에 관계없이 엔진과 축전장치의 파워 배분을 결정하고 있기 때문에, 부하 상황에 따라서는 축전장치의 충전량이 너무 적거나 너무 많은 상태가 된다. 이 결과, 축전장치의 능력을 유효하게 이용할 수 없음과 함께 축전장치의 열화를 초래하는 경우가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 축전장치의 충전량에 따라 엔진과 동력기의 파워 배분을 결정하고, 축전장치의 충전량을 적정 범위로 유지할 수 있는 작업기계의 동력원 장치가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이 동력원 장치에서는 유압펌프와 발전기겸 전동기를 공통의 동력원으로서의 엔진에 패럴렐로 접속하고, 발전기겸 전동기의 발전기 작용에 의해 축전장치로서의 배터리를 충전한다. 또 배터리의 방전력에 의해 발전기겸 전동기를 구동하여 전동기 작용을 한다. 그리고 엑추에이터 요구 파워와, 배터리 충전량이 일정 범위 내로 유지되도록 배터리 충전량에 따라 설정되는 배터리의 충전 파워 및 방전 파워와, 설정된 엔진 파워에 근거하여, 엔진과 발전기겸 전동기의 파워 배분을 결정한다.
특허문헌 1：일본 공개특허공보 2005-237178호
상기 서술한 특허문헌 1에 개시된 기술에서는 건설기계의 구성부품이 요구되는 전기부하가 고려되어 있지 않기 때문에, 전기부하로 발생시킬 수 있는 회생전력을 유효하게 발생시킬 수 없다. 또 구동기구의 일부를 전동화하여 배터리로부터의 전력에 의해 구동했을 경우, 전동기의 출력이 고려되어 있지 않기 때문에 배터리의 충전율(SOC:State of Charge)을 적정한 범위로 유지할 수 없게 될 우려가 있다. 또한 엔진의 출력 제한이 마련되어 있지 않기 때문에 엔진의 부하를 적정하게 제어할 수 없어, 엔진이 과부하가 되어 엔진고장을 일으켜 연속 운전을 할 수 없게 될 우려가 있다.
본 발명은 상기 서술한 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 동력원인 엔진과 배터리를 적정한 출력 범위에서 사용할 수 있는 하이브리드식 건설기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의하면, 엔진의 출력을 유압으로 변환하여 유압 구동부에 공급하는 유압 발생기와, 그 엔진에 접속되고, 전동기 및 발전기의 양쪽으로서 기능하는 전동 발전기와, 그 전동 발전기에 전력을 공급하여 전동기로서 기능시키는 축전기와, 그 축전기로부터의 전력에 의해 구동되고, 또한 회생전력을 발생하여 그 축전기에 공급하는 전기 구동부와, 그 전동 발전기의 동작을 제어하는 제어부를 가지는 하이브리드식 건설기계로서, 그 제어부는 그 엔진과 그 축전기의 출력조건을 산출하는 출력조건 산출부와, 그 출력조건 산출부에서 산출된 출력조건에 근거하여 그 전기 구동부와 그 유압 구동부의 출력치를 결정하는 동력 분배부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계가 제공된다.
본 발명에 의한 하이브리드식 건설기계에 있어서, 그 동력 분배부는 그 축전기의 충전율에 근거하여 결정되는 축전기 출력 설정치와, 그 엔진의 회전수에 근거하여 결정되는 엔진 출력 설정치와, 그 유압 발생기가 요구하는 동력을 나타내는 유압부하 요구치와, 그 전기 구동부가 요구하는 전력을 나타내는 전기부하 요구치에 근거하여 그 전동 발전기의 동작 및 출력을 제어하기 위한 출력지령을 생성하여 출력하는 것으로 해도 된다. 또 그 동력 분배부는 그 전기 구동부를 역행(力行)운전하는 전력 및 상기 전기 구동부의 회생운전에 의해 발생하는 회생전력을 그 엔진 및 그 축전기의 출력 한계치에 근거하여 결정하는 것으로 해도 된다. 또한 그 동력 분배부는 그 유압 구동부에 공급하는 출력을 그 엔진 및 그 축전기의 출력 한계치에 근거하여 결정하는 것으로 해도 된다. 또 그 축전기의 출력지령은 그 엔진, 그 전기 구동부 및 그 축전기의 각각의 출력에 근거하여 산출된 배터리 요구 한계치와 배터리 목표 출력을 비교하여 결정되는 것으로 해도 된다. 또 그 전동 발전기의 출력은 그 축전기의 출력지령과 그 전기 구동부에 공급하는 전력 또는 그 전기 구동부로부터 출력되는 전력을 비교하여 결정되는 것으로 해도 된다.
본 발명에 의하면, 출력조건에 근거하여 전동 발전기의 동작 및 출력을 제어할 수 있기 때문에, 동력원인 엔진과 축전기를 적정한 출력 범위에서 사용할 수 있다.
도 1은 하이브리드식 파워쇼벨의 측면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 파워쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 파워쇼벨의 동력계를 모델화하여 나타내는 도이다.
도 4는 전력(동력)의 이동의 방향성을 출력극성으로서 채택한 극성을 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 의한 제어를 실시하기 위한 컨트롤러에 포함되는 제어부의 기능 블록도이다.
도 6은 도 5에 나타내는 구동 제어부에 있어서 실시되는 처리의 플로우차트이다.
도 7은 도 6에 나타내는 스텝 S4에 있어서의 처리의 플로우차트이다.
도 8은 전기부하 출력 상한치(Pelcmax)의 산출 모델을 나타내는 도이다.
도 9는 전기부하 출력 하한치(Pelcmine)의 산출 모델을 나타내는 도이다.
도 10은 도 6에 나타내는 스텝 S5의 처리의 플로우차트이다.
도 11은 유압부하 출력 상한치(Phydmax)의 산출 모델을 나타내는 도이다.
도 12는 도 6에 나타내는 스텝 S6의 처리의 플로우차트이다.
도 13은 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)의 산출 모델을 나타내는 도이다.
도 14는 배터리 출력(Pbatout)의 값을, 배터리 충전율(SOC)과 배터리 출력의 관계를 나타내는 그래프 중에 나타내는 도이다.
도 15는 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)의 산출 모델을 나타내는 도이다.
도 16은 배터리 출력(Pbatout)의 값을, 배터리 충전율(SOC)과 배터리 출력의 관계를 나타내는 그래프 중에 나타내는 도이다.
도 17은 배터리 출력(Pbatout)의 값을, 배터리 충전율(SOC)과 배터리 출력의 관계를 나타내는 그래프 중에 나타내는 도이다.
도 18은 도 6에 나타내는 스텝 S7의 처리의 플로우차트이다.
도 19는 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)의 산출 모델을 나타내는 도이다.
다음에, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
먼저, 본 발명이 적용되는 하이브리드식 건설기계의 일례로서 하이브리드식 파워쇼벨에 대하여 설명한다.
도 1은 하이브리드식 파워쇼벨의 측면도이다. 파워쇼벨의 하부 주행체(1)에는 선회기구(2)를 개재하여 상부 선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부 선회체(3)로부터 붐(4)이 뻗어 있고 붐(4)의 선단에 암(5)이 접속된다. 또한 암(5)의 선단에 버킷(6)이 접속된다. 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)은 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)에 의해 각각 유압 구동된다. 또 상부 선회체(3)에는 캐빈(10) 및 동력원(도시하지 않음)이 탑재된다.
도 2는 도 1에 나타내는 파워쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 있어서 기계적 동력계는 이중선, 고압 유압라인은 실선, 파일럿 라인은 파선, 전기 구동·제어계는 일점 쇄선으로 각각 나타내고 있다.
기계식 구동부로서의 엔진(11)과 어시스트 구동부로서의 전동 발전기(12)는 모두 증력기로서의 감속기(13)의 입력축에 접속되어 있다. 감속기(13)의 출력축에는 메인 펌프(14) 및 파일럿 펌프(15)가 접속되어 있다. 메인 펌프(14)에는 고압 유압라인(16)을 개재하여 컨트롤 밸브(17)가 접속되어 있다.
컨트롤 밸브(17)는 유압계를 제어하는 제어장치이다. 컨트롤 밸브(17)에는 하부 주행체(1)용 유압 모터(1A)(우측용) 및 유압 모터(1B)(좌측용), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)가 고압 유압라인을 개재하여 접속된다.
전동 발전기(12)에는 인버터(18)를 개재하여 축전기로서의 배터리(19)가 접속되어 있다. 배터리(19)에는 인버터(20)를 개재하여 선회용 전동기(21)가 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)는 파워쇼벨에서의 전기부하이다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는 리졸버(22), 메카니컬 브레이크(23) 및 선회 감속기(24)가 접속된다. 파일럿 펌프(15)에는 파일럿 라인(25)을 개재하여 조작장치(26)가 접속된다. 조작장치(26)에는 유압라인(27 및 28)을 개재하여 컨트롤 밸브(17) 및 레버 조작 검출부로서의 압력센서(29)가 각각 접속된다. 압력센서(29)에는 전기계의 구동 제어를 실시하는 컨트롤러(30)가 접속되어 있다.
이상의 구성을 가지는 파워쇼벨은 엔진(11), 전동 발전기(12) 및 선회용 전동기(21)를 동력원으로 하는 하이브리드형 건설기계이다. 이들 동력원은 도 1에 나타내는 상부 선회체(3)에 탑재된다. 이하 각 부에 대하여 설명한다.
엔진(11)은 예를 들면, 디젤엔진으로 구성되는 내연기관이며, 그 출력축은 감속기(13)의 일방의 입력축에 접속된다. 엔진(11)은 건설기계의 운전 중에는 항상 운전된다.
전동 발전기(12)는 역행운전 및 회생운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 된다. 여기에서는 전동 발전기(12)로서 인버터(20)에 의해 교류 구동되는 전동 발전기를 나타낸다. 이 전동 발전기(12)는 예를 들면, 자석이 로터 내부에 매립된 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터로 구성할 수 있다. 전동 발전기(12)의 회전축은 감속기(13)의 타방의 입력축에 접속된다.
감속기(13)는 2개의 입력축과 1개의 출력축을 가진다. 2개의 입력축에는 엔진(11)의 구동축과 전동 발전기(12)의 구동축이 각각 접속된다. 또 출력축에는 메인 펌프(14)의 구동축이 접속된다. 엔진(11)의 부하가 큰 경우에는 전동 발전기(12)가 역행운전을 하고, 전동 발전기(12)의 구동력이 감속기(13)의 출력축을 거쳐 메인 펌프(14)에 전달된다. 이것에 의해 엔진(11)의 구동이 어시스트된다. 한편, 엔진(11)의 부하가 작은 경우는 엔진(11)의 구동력이 감속기(13)를 거쳐 전동 발전기(12)에 전달되는 것에 의해 전동 발전기(12)가 회생운전에 의한 발전을 실시한다. 전동 발전기(12)의 역행운전과 회생운전의 전환은 컨트롤러(30)에 의해 엔진(11)의 부하 등에 따라 실시된다.
메인 펌프(14)는 컨트롤 밸브(17)에 공급하기 위한 유압을 발생시키는 유압펌프이다. 메인펌프(14)에서 발생된 유압은 컨트롤 밸브(17)를 개재하여 유압부하인 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)의 각각을 구동하기 위해 공급된다. 파일럿 펌프(15)는 유압 조작계에 필요한 파일럿 압력을 발생시키는 펌프이다.
컨트롤 밸브(17)는 고압 유압라인을 개재하여 접속되는 하부 주행체(1)용 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)의 각각에 공급하는 유압을 운전자의 조작입력에 따라 제어하는 것에 의해 이들을 유압 구동제어하는 유압 제어장치이다.
인버터(18)는 상술한 바와 같이 전동 발전기(12)와 배터리(19) 사이에 설치되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여 전동 발전기(12)의 운전 제어를 한다. 이것에 의해 인버터(18)가 전동 발전기(12)의 역행을 운전 제어하고 있을 때에는 필요한 전력을 배터리(19)로부터 전동 발전기(12)에 공급한다. 또 전동 발전기(12)의 회생을 운전 제어하고 있을 때에는 전동 발전기(12)에 의해 발전된 전력을 배터리(19)에 충전한다.
축전기인 배터리(19)는 인버터(18)와 인버터(20) 사이에 배치되어 있다. 이것에 의해 전동 발전기(12)와 선회용 전동기(21) 중 적어도 어느 일방이 역행운전을 하고 있을 때에는 역행운전에 필요한 전력을 공급함과 함께, 또 적어도 어느 일방이 회생운전을 하고 있을 때에는 회생운전에 의해 발생된 회생전력을 전기 에너지로서 축적하기 위한 전원이다.
인버터(20)는 상술한 바와 같이 선회용 전동기(21)와 배터리(19) 사이에 설치되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여 선회용 전동기(21)에 대하여 운전 제어를 실시한다. 이것에 의해 선회용 전동기(21)가 역행운전하고 있을 때에는 필요한 전력이 배터리(19)로부터 선회용 전동기(21)에 공급된다. 또 선회용 전동기(21)가 회생운전을 하고 있을 때에는 선회용 전동기(21)에 의해 발전된 전력이 배터리(19)에 충전된다.
선회용 전동기(21)는 역행운전 및 회생운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 되고, 상부 선회체(3)의 선회기구(2)를 구동하기 위해 설치되어 있다. 역행운전할 때에는 선회용 전동기(21)의 회전 구동력의 회전력이 감속기(24)에서 증폭되고, 상부 선회체(3)는 가감속 제어되면서 회전운동을 한다. 또 상부 선회체(3)의 관성 회전에 의해 감속기(24)에서 회전수가 증대되어 선회용 전동기(21)에 전달되어 회생전력을 발생시킬 수 있다. 여기에서는, 선회용 전동기(21)로서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호에 의해 인버터(20)에 의해 교류 구동되는 전동기를 나타낸다. 이 선회용 전동기(21)는 예를 들면, 자석 매립형의 IPM 모터로 구성할 수 있다. 이것에 의해 보다 큰 유도기전력을 발생시킬 수 있으므로, 회생 시에 선회용 전동기(21)로 발전되는 전력을 증대시킬 수 있다.
또한 배터리(19)의 충방전 제어는 배터리(19)의 충전상태, 전동 발전기(12)의 운전상태(역행운전 또는 회생운전), 선회용 전동기(21)의 운전상태(역행운전 또는 회생운전)에 근거하여 컨트롤러(30)에 의해 실시된다.
리졸버(22)는 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전 위치 및 회전각도를 검출하는 센서이다. 리졸버(22)는 선회용 전동기(21)와 기계적으로 연결함으로써 선회용 전동기(21)의 회전 전의 회전축(21A)의 회전위치와, 좌회전 또는 우회전한 후의 회전위치의 차를 검출하는 것에 의해 회전축(21A)의 회전각도 및 회전방향을 검출한다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전각도를 검출하는 것에 의해 선회기구(2)의 회전각도 및 회전방향이 도출된다.
메카니컬 브레이크(23)는 기계적인 제동력을 발생시키는 제동 장치이며, 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)을 기계적으로 정지시킨다. 이 메카니컬 브레이크(23)는 전자식 스위치에 의해 제동/해제가 전환된다. 이 전환은 컨트롤러(30)에 의해 실시된다.
선회 감속기(24)는 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)의 회전속도를 감속하여 선회기구(2)에 기계적으로 전달하는 감속기이다. 이것에 의해 역행운전 시에는, 선회용 전동기(21)의 회전력을 증력시켜, 보다 큰 회전력으로서 선회체에 전달할 수 있다. 이와는 반대로, 회생운전 시에는 선회체에서 발생된 회전수를 증가시켜, 보다 많은 회전 동작을 선회용 전동기(21)에 발생시킬 수 있다.
선회기구(2)는 선회용 전동기(21)의 메카니컬 브레이크(23)가 해제된 상태로 선회 가능해지고, 이것에 의해 상부 선회체(3)가 좌방향 또는 우방향으로 선회된다.
조작장치(26)는 파워쇼벨의 운전자가 선회용 전동기(21), 하부 주행체(1), 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)을 조작하기 위한 입력장치이며, 레버(26A 및 26B)와 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A)는 선회용 전동기(21) 및 암(5)을 조작하기 위한 레버이며, 상부 선회체(3)의 운전석 근방에 설치된다. 레버(26B)는 붐(4) 및 버킷(6)을 조작하기 위한 레버이며, 운전석 근방에 설치된다. 또 페달(26C)은 하부 주행체(1)를 조작하기 위한 한 쌍의 페달이며, 운전석의 발 밑에 설치된다.
조작장치(26)는 파일럿 라인(25)을 통하여 공급되는 유압(1차측의 유압)을 운전자의 조작량에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작장치(26)로부터 출력되는 2차측의 유압은 유압라인(27)을 통하여 컨트롤 밸브(17)에 공급됨과 함께 압력센서(29)에 의해 검출된다.
레버(26A 및 26B)와 페달(26C)의 각각이 조작되면, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤 밸브(17)가 구동되고, 이것에 의해 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9) 내의 유압이 제어되는 것에 의해 하부 주행체(1), 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)이 구동된다.
또한 유압라인(27)은 유압 모터(1A 및 1B)를 조작하기 위해 1개씩(즉 합계 2개), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9)를 각각 조작하기 위해 2개씩 (즉 합계 6개) 형성되기 때문에 실제로는 전부 8개 있지만, 설명의 편의상 1개로 정리하여 나타낸다.
레버 조작 검출부로서의 압력센서(29)에서는 레버(26A)의 조작에 의한, 유압라인(28) 내의 유압의 변화가 압력센서(29)로 검출된다. 압력센서(29)는 유압라인(28) 내의 유압을 나타내는 전기신호를 출력한다. 이 전기신호는 컨트롤러(30)에 입력된다. 이것에 의해 레버(26A)의 조작량을 정확하게 파악할 수 있다. 또 본 실시의 형태에서는 레버조작 검출부로서 압력센서를 이용했지만, 레버(26A)의 조작량을 그대로 전기신호로 읽어내는 센서를 이용해도 된다.
컨트롤러(30)는 파워쇼벨의 구동 제어를 하는 제어장치이며, 속도지령 변환부(31), 구동 제어장치(32) 및 선회 구동 제어장치(40)를 포함한다. 컨트롤러(30)는 CPU(Central Processing Unit) 및 내부 메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성된다. 속도지령 변환부(31), 구동 제어장치(32) 및 선회 구동 제어장치(40)는 컨트롤러(30)의 CPU가 내부 메모리에 격납된 구동 제어용 프로그램을 실행하는 것에 의해 실현된다.
속도지령 변환부(31)는 압력센서(29)로부터 입력되는 신호를 속도지령으로 변환하는 연산 처리부이다. 이것에 의해 레버(26A)의 조작량은 선회용 전동기(21)를 회전 구동시키기 위한 속도지령(rad/s)으로 변환된다. 이 속도지령은 구동 제어장치(32) 및 선회 구동 제어장치(40)에 입력된다.
다음에 본 발명의 일 실시형태에 의한 하이브리드식 건설기계의 구동 제어에 대하여 상기 서술한 파워쇼벨의 구동 제어를 예로 하여 설명한다.
도 3은 상기 서술한 파워쇼벨의 동력계를 모델화하여 나타내는 도이다. 도 3의 모델도에 있어서 엔진(50)은 상기 서술한 엔진(11)에 상당하고, 어시스트 모터(52)는 전동기 및 발전기의 양쪽의 기능을 가지는 전동 발전기(12)에 상당한다. 유압부하(54)는 유압에 의해 구동되는 구성부품에 상당하고, 상기 서술한 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 버킷 실린더(9), 유압 모터(1A, 1B)를 포함한다. 단, 유압을 발생시키기 위한 부하로서 생각했을 경우, 유압부하(54)는 유압을 발생시키는 유압펌프로서의 메인 펌프(14)에 상당한다. 전기부하(56)는 전동 모터나 전동 엑추에이터 등과 같이 전력으로 구동되는 구성부품에 상당하고, 상기 서술한 선회용 전동기(21)를 포함한다. 배터리(58)는 축전기이며, 상기 서술한 배터리(19)에 상당한다. 본 실시형태에서는 배터리(58)로서 커패시터(전기 이중층 콘덴서)를 이용하는 것으로 한다.
유압부하(54)에는 유압을 발생시키는 유압펌프(상기 서술한 메인 펌프(14))에서 발생된 유압이 공급된다. 엔진(50)은 이 유압펌프에 동력을 공급하여 구동한다. 즉, 엔진(50)이 발생시킨 동력은 유압펌프에 의해 유압으로 변환되어 유압부하(54)에 공급된다.
한편, 유압펌프에는 어시스트 모터(52)도 접속되어 있고, 어시스트 모터(52)로 발생된 동력을 유압펌프에 공급하여 구동할 수 있다. 즉, 어시스트 모터(52)에 공급된 전력은 어시스트 모터(52)에 의해 동력으로 변환되고, 그 동력이 유압 모터에 의해 유압으로 변환되어 유압부하(54)에 공급된다. 이 때, 어시스트 모터는 전동기로서 동작한다.
전기부하(56)에는 배터리(58)로부터 전력이 공급되고 구동된다. 전기부하(56)가 구동되고 있는 경우를 역행운전이라고 칭한다. 전기부하(56)는 예를 들면 전동기겸 발전기와 같이 회생전력을 발생시킬 수 있는 것으로서, 발생된 회생전력은 배터리(58)에 공급되어 축적되거나 혹은 어시스트 모터(52)에 공급되어 어시스트 모터(52)를 구동하는 전력이 된다.
배터리(58)는 상기 서술한 바와 같이 전기부하(56)로부터의 회생전력에 의해 충전된다. 또 어시스트 모터(52)가 엔진(50)으로부터의 동력을 받아 발전기로서 기능했을 경우, 어시스트 모터(52)가 발생시킨 전력을 배터리(58)에 공급하여 충전할 수도 있다. 어시스트 모터(52)가 발생시킨 전력은 전기부하(56)에 직접 공급되어 전기부하(56)를 구동할 수도 있다.
이상과 같은 구성에 있어서 전력에 관련된 부분을 보면, 전력(동력)의 이동에 방향성이 있는 것을 알 수 있다. 이 방향성을 출력극성으로 파악하면, 도 4에 나타내는 것과 같은 극성이 된다.
어시스트 모터(52)에 관하여 보면, 엔진(50)을 어시스트하여 유압을 발생시켜 동력을 유압부하(54)에 공급하는 경우는, 전력을 동력으로서 출력하게 된다. 이때의 어시스트 모터(52)의 출력극성을 (+)로 한다. 한편, 엔진(50)의 구동력으로 어시스트 모터(52)를 구동하여 발전하는 경우는, 어시스트 모터(52)에 동력이 입력되게 된다. 따라서 이 때의 어시스트 모터(52)의 출력극성은 (-)가 된다.
배터리(58)에 관하여 보면, 방전하여 전기부하(56) 또는 어시스트 모터(52)를 구동하는 경우는, 출력극성을 (+)로 한다. 한편, 전기부하(56)로부터 회생전력 혹은 어시스트 모터(52)의 발전에 의한 전력이 공급되어 충전되는 경우가 있다. 이때의 배터리(58)의 출력극성은 (-)가 된다.
전기부하(56)에 관하여 보면, 전력이 공급되어 구동되고 있는 경우, 즉 역행운전하고 있는 경우의 출력극성을 (+)로 하면, 회생전력을 발생시키고 있을 때의 출력극성은 (-)가 된다.
이상과 같이, 하이브리드식 파워쇼벨에 있어서는 전력에 관련되는 구성부품인, 어시스트 모터(52) 및 전기부하(56)의 운전상태 및 배터리(58)의 충전상태를 고려하여 그들의 출력극성을 적당히 조정함으로써 운전 조건을 결정할 필요가 있다. 특히, 배터리(58)가 항상 적당히 충전되는 것 같은 상태가 되도록 어시스트 모터(52)의 출력극성을 조정하면서 유압부하(54)로의 출력과 전기부하(56)로의 출력의 배분을 제어하는 것이 중요하다.
여기서, 제어에 관한 입력은 이하의 4개의 변수가 된다.
1) 엔진 실회전수(Nact)
엔진 실회전수(Nact)는 엔진(50)의 실제의 회전수를 나타내는 변수이다. 엔진(50)은 파워쇼벨의 운전시에는 항상 구동되고 있고, 엔진 실회전수(Nact)가 검출되고 있다.
2) 유압부하 요구 출력(Phydreq)
유압부하 요구 출력(Phydreq)은 유압부하(54)가 필요로 하는 동력을 나타내는 변수이며, 예를 들면 파워쇼벨을 운전자가 조작할 때의 조작 레버의 조작량에 상당한다.
3) 전기부하 요구 출력(Pelcreq)
전기부하 요구 출력(Pelcreq)은 전기부하(56)가 필요로 하는 전력을 나타내는 변수이며, 예를 들면 파워쇼벨을 운전자가 조작할 때의 조작 레버의 조작량에 상당한다.
4) 배터리 전압(Vact)
배터리 전압(Vact)은 배터리(58)의 출력전압을 나타내는 변수이다. 본 실시형태에서는 배터리로서 커패시터 축전기를 이용하고 있다. 커패시터의 충전량은 커패시터의 단자간 전압의 제곱에 비례하기 때문에 출력전압을 검출함으로써 배터리(58)의 충전상태(즉, 충전율(SOC))를 알 수 있다.
이상의 4개의 변수에 근거하여 이하의 출력을 제어하여 최적인 운전 조건을 달성한다.
1) 유압부하 실출력(Phydout)
유압부하 요구 출력(Phydreq)에 대하여 실제로 유압부하(54)에 공급하는 동력이다. 유압부하 요구 출력(Phydreq)에 대하여 항상 요구된 동력을 공급하면, 동시에 구동되고 있는 전기부하(56)의 요구를 만족할 수 없게 되거나, 배터리(58)의 충전율(SOC)을 적당한 범위 내로 유지할 수 없게 되어 버린다. 이 때문에 실제로 유압부하(54)에 공급하는 동력을 어느 정도 제한해야만 하는 경우가 있다.
2) 전기부하 실출력(Pelcout)
전기부하 요구 출력(Pelcreq)에 대하여 실제로 전기부하(54)에 공급하는 전력이다. 전기부하 요구 출력(Pelcreq)에 대하여 항상 요구된 전력을 공급하면, 동시에 구동되고 있는 유압부하(54)의 요구를 만족할 수 없게 되거나, 배터리(58)의 충전율(SOC)을 적당한 범위 내로 유지할 수 없게 되어 버린다. 이 때문에 실제로 전기부하(56)에 공급하는 전력을 어느 정도 제한해야만 하는 경우가 있다.
3) 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)
어시스트 모터(52)의 출력을 지시하는 값이다. 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)에 의해 어시스트 모터(52)가 전동기로서 기능하여 엔진(50)을 어시스트하여 유압부하(54)에 동력을 공급할 것인지 어시스트 모터(52)가 발전기로서 기능하여 전기부하(56)에 전력을 공급할 것인지 배터리(58)를 충전할 것인지 지시된다.
그래서 본 실시형태에서는 컨트롤러(30)에 포함되는 구동 제어장치(32)가 엔진 실회전수(Nact), 유압부 요구 출력(Phydreq), 전기부하 요구 출력(Pelcreq) 및 배터리 전압(Vact)에 근거하여 유압부하 실출력(Phydout), 전기부하 실출력(Pelcout) 및 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)을 제어한다. 이하, 설명의 편의상, 구동 제어 장치(32)를 제어부(60)라고 칭한다.
도 5는 상기 서술한 제어를 실시하기 위한 컨트롤러(30)에 포함되는 제어부(60)의 기능 블록도이다. 제어부(60)의 제어 기능의 개요에 대해 도 5를 참조하면서 설명한다.
제어부(60)는 출력조건 산출부(60-9)와 동력 분배부(60-8)를 갖추고 있다. 출력조건 산출부(60-9)는 블록(60-1~60-7)으로 구성되고, 엔진(50)과 배터리(58)의 출력조건인 상하한치를 산출한다.
우선, 제어부(60)의 출력조건 산출부(60-9)에 입력된 엔진 실회전수(Nact)는 블록(60-1)에 입력된다. 블록(60-1)은 입력된 엔진 실회전수(Nact)에 있어서의 출력의 상한치(Pengmax)와 하한치(Pengmin)를 결정하고, 동력 분배부인 블록(60-8)에 입력한다. 블록(60-1)은 도 5에 나타내는 바와 같이, 엔진(50)의 회전수와 출력의 관계에 있어서 상한치와 하한치를 나타내는 맵 혹은 변환 테이블을 가지고 있고, 이 맵 혹은 변환 테이블을 참조하면서 입력된 엔진 실회전수(Nact)에 있어서의 출력의 상한치(Pengmax)와 하한치(Pengmin)를 결정한다. 맵 혹은 변환 테이블은 미리 작성되어 컨트롤러(30)의 메모리에 격납되어 있다. 또한 맵 혹은 변환 테이블을 이용하는 일 없이, 상한치와 하한치를 나타내는 식에 엔진 실회전수(Nact)를 대입하여 상한치(Pengmax)와 하한치(Pengmin)를 구해도 된다.
제어부(60)에 입력된 유압부하 요구 출력(Phydreq) 및 전기부하 요구 출력(Pelcreq)은 동력 분배부인 블록(60-8)에 입력된다.
제어부(60)의 출력조건 산출부(60-9)에 입력된 배터리 전압(Vact)은 블록(60-2)에 입력된다. 블록(60-2)에서는 입력된 배터리 전압(Vact)으로부터 배터리(58)의 현재의 충전율(SOCact)을 구한다. 구한 현재의 충전율(SOCact)은 블록(60-3, 60-4 및 60-7)에 출력된다. 본 실시형태에서는 배터리(58)로서 커패시터를 이용하므로, 계측한 배터리 전압(커패시터의 단자간 전압)으로부터 연산에 의해 용이하게 충전율(SOC)을 구할 수 있다.
블록(60-3)은 입력된 현재의 충전율(SOCact)과 소정의 최대 충방전 전류(일정한 전류)로부터 현재 방전할 수 있는 방전 전력의 최대치(배터리 출력 상한치(Pbatmax11) 및 현재 충전할 수 있는 충전 전력의 최대치(배터리 출력 하한치(Pbatmin11))를 구한다. 블록(60-3)에는 도 5에 나타내는 바와 같이, 충전율(SOC)에 대하여 그 충전율에 있어서 일정한 전류 하에서 충방전 가능한 최대 충전 전력[kW] 및 최대 방전 전력[kW]을 나타내는 맵 또는 변환 테이블이 격납되어 있다.
즉, 블록(60-3)에 나타내는 맵은 어느 충전율(SOC)에 있어서 컨버터나 커패시터의 능력으로 제한되는 충방전 최대 전류를 흘려보낼 때에 정해지는 전력(충방전 최대 전류×커패시터 전압)을 나타내고 있다. 충전율(SOC)은 충방전 전압(커패시터 전압)의 제곱에 비례하기 때문에 블록(60-3) 내에 나타내는 최대 충전 전력 및 최대 방전 전력은 포물선을 그리게 된다.
이와 같이, 블록(60-3)은 이 맵 또는 변환 테이블을 참조하여 현재의 충전율(SOCact)에 있어서 일정한 전류 하에서 허용되는 최대 충전 전력(배터리 출력 상한치(Pbatmax11)) 및 최대 방전 전력(배터리 출력 하한치(Pbatmin11))을 구한다. 구한 최대 방전 전력(배터리 출력 상한치(Pbatmax11))은 블록(60-5)에 출력되고, 구한 최대 충전 전력(배터리 출력 하한치(Pbatmin11))은 블록(60-6)에 출력된다.
블록(60-4)은 입력된 현재의 충전율(SOCact)과 소정의 SOC 하한치 및 SOC 상한치로부터 현재 방전할 수 있는 방전 전력의 최대치(배터리 출력 상한치(Pbatmax12)) 및 현재 충전할 수 있는 충전 전력의 최대치(배터리 출력 하한치(Pbatmin12))를 구한다. 블록(60-4)에는 도 5에 나타내는 바와 같이, 충전율(SOC)에 대하여 SOC 하한치 이하가 되지 않고, SOC 상한치 이상이 되지 않기 위한 최대 방전 전력［kW] 및 최대 충전 전력[kW]를 나타내는 맵 또는 변환 테이블이 격납되어 있다.
즉, 블록(60-4)에 나타내는 맵은 어느 충전율(SOC)에 있어서의 적절한 충방전 전력을 나타내고 있다. 블록(60-4)에 나타내는 맵 중 하한치는 충전율이 제로가 되지 않도록 여유를 갖게 하기 위해 설정된 충전율(SOC)이다. 충전율(SOC)이 제로 또는 제로에 가까운 값이 될 때까지 줄여 버리면, 방전 요구가 있었을 경우 곧바로 방전할 수 없게 되어 버리기 때문에 어느 정도 충전된 상태로 유지해 두는 것이 바람직하다. 그 때문에, 충전율(SOC)에 하한치(예를 들면 30%)를 마련하여 하한치 이하의 충전율(SOC)일 때에는 방전할 수 없도록 제어한다. 따라서, 최대 방전 전력(방전 가능한 최대 전력)은 충전율(SOC)의 하한치에 있어서 제로(즉 방전시키지 않는다)이며, 충전율(SCO)이 커짐에 따라 방전 가능한 전력에 여유가 생기므로, 최대 방전 전력을 크게 하고 있다. 블록(60-4)에 나타내는 맵에서는 충전율(SOC)의 상한치로부터 최대 방전 전력이 직선적으로 증가하고 있지만, 직선적인 증가에 한정하는 일 없이 포물선을 그려 증가시켜도 되고 임의의 패턴으로 증가하도록 설정해도 된다.
한편, 충전율(SOC)이 100%일 때, 예를 들면 전기부하로부터 회생전력이 발생했을 경우, 회생전력을 축전기로 즉시 흡수할 수 없게 되므로, 충전율(SOC)이 100%가 되지 않게 상한치(예를 들면 90%)를 마련하여 상한치 이상의 충전율(SOC)일 때에는 충전할 수 없도록 제어한다. 따라서 최대 충전 전력(충전 가능한 최대 전력)은 충전율(SOC)의 상한치에 있어서 제로(즉 충전시키지 않는다)이며, 충전율(SCO)이 작아짐에 따라 충전 가능한 전력에 여유가 생기므로 최대 충전 전력을 크게 한다. 블록(60-4)에 나타내는 맵에서는 최대 충전 전력이 충전율(SOC)의 상한치로부터 직선적으로 증가하고 있지만, 직선적인 증가에 한정하는 일 없이 포물선을 그려 증가시켜도 되고 임의의 패턴으로 증가하도록 설정해도 된다.
이와 같이, 블록(60-4)은 이 맵 또는 변환 테이블을 참조하여 현재의 충전율(SOCact)에 있어서 허용되는 최대 방전 전력(배터리 출력 상한치(Pbatmax12)) 및 최대 충전 전력(배터리 출력 하한치(Pbatmin12)을 구한다. 구한 최대 방전 전력(배터리 출력 상한치(Pbatmax12))은 블록(60-5)에 출력되고, 구한 최대 충전 전력(배터리 출력 하한치(Pbatmin12))은 블록(60-6)에 출력된다.
블록(60-5)은 블록(60-3)으로부터 공급된 배터리 출력 상한치(Pbatmax11)와 블록(60-4)으로부터 공급된 배터리 출력 상한치(Pbatmax12) 중 작은 쪽을 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)로 하여 동력 분배부인 블록(60-8)에 출력한다. 여기서, 블록(60-5)은 최소치 선택기의 기능을 한다.
한편, 블록(60-6)은 블록(60-3)으로부터 공급된 배터리 출력 하한치(Pbatmin11)와 블록(60-4)으로부터 공급된 배터리 출력 하한치(Pbatmin12) 중 큰 쪽을 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)로 하여 동력 분배부인 블록(6O-8)에 출력한다. 여기서, 배터리 출력치가 마이너스인 경우가 충전을 나타내기 때문에 배터리 출력 하한치가 큰 쪽이란, 마이너스의 값이 작은 쪽, 즉 제로에 가까운 쪽의 값을 의미한다. 이것에 의해 배터리(19)의 출력 능력을 넘은 과도한 충방전으로부터 확실히 보호할 수 있다. 여기서, 블록(60-6)은 최대치 선택기의 기능을 한다.
이와 같이 하여 현재의 배터리(58)의 충전상태에 따른 충방전 가능한 최대 전력을 구한다.
블록(60-7)은 입력된 현재의 충전율(SOCact)과 소정의 SOC 목표치로부터 충전율(SOC)을 목표치에 가깝게 하기 위한 배터리 출력 목표치(Pbattgt)를 구한다. 블록(60-7)에는 도 5에 나타내는 바와 같이 충전율에 대하여 그 충전율에 있어서 SOC 목표치에 가까워지는 배터리 출력 목표치(Pbattgt)를 나타내는 맵 또는 변환 테이블이 격납되어 있다. 블록(60-7)은 이 맵 혹은 변환 테이블을 참조함으로써 충전율(SOC)을 최적인 목표치로 하기 위해 어느 정도 충전을 해야할지를 나타내는 충전 전력 또는 어느 정도 방전을 해야할지를 나타내는 방전 전력을 구할 수 있다.
블록(60-7)이 참조하는 맵에 있어서의 세로축의 출력은 충전도 방전도 하고 있지 않을 때를 제로로 하고, 충전측이 마이너스이고 방전측이 플러스이다. 도 5에 나타내는 예에서는, 현재의 충전율(SOCact)이 목표치보다 작은 상태이고, 배터리(58)를 충전해야 하며, 충전 전력의 목표치, 즉 배터리 출력 목표치(Pbattgt)가 나타나 있다. 배터리 출력 목표치(Pbattgt)가 플러스의 값인 경우는 목표 방전 전력을 나타내고, 마이너스의 값인 경우는 목표 충전 전력을 나타낸다. 블록(60-7)에서 구해진 배터리 출력 목표치(Pbattgt)는 동력 분배부인 블록(60-8)에 출력된다.
이상과 같이, 동력 분배부인 블록(60-8)에는 엔진 출력 한계치로서의 엔진 출력 상한치(Pengmax), 엔진 출력 하한치(Pengmin), 배터리 출력 상한치(Pbatmax1) , 배터리 출력 한계치로서의 배터리 출력 하한치(Pbatmin1) 및 배터리 출력 목표치(Pbattgt)가 입력된다. 블록(60-8)은 이들 입력된 값에 근거하여 유압부하 실출력(Phydout), 전기부하 실출력(Pelcout) 및 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)을 결정하고 컨트롤러(30)의 각 부에 출력한다.
그래서 컨트롤러(30)는 유압부하 실출력(Phydout)에 근거하여 유압부하(54)에 공급하는 유압을 제어하고, 전기부하 실출력(Pelcout)에 근거하여 전기부하(56)에 공급하는 전력을 제어하며, 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)에 근거하여 어시스트 모터(52)에 의한 엔진(50)의 어시스트량 또는 어시스트 모터(52)에 의한 발전량을 제어한다.
여기서, 제어부(60)에 있어서 유압부하 실출력(Phydout), 전기부하 실출력(Pelcout) 및 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)을 결정하는 처리에 대하여 설명한다. 도 6은 제어부(60)에 있어서 실시되는 처리의 플로우차트이다.
스텝 S1에 있어서 맵 또는 변환 테이블을 이용하여 엔진(50)의 현재의 회전수를 나타내는 엔진 실회전수(Nact)로부터 현재의 엔진(50)의 엔진 출력 상한치(Pengmax) 및 엔진 출력 상한치(Pengmin)가 결정된다. 이 처리는 블록(60-1)에 의해 실시된다. 이 때, 엔진 출력 상한치(Pengmax) 및 엔진 출력 상한치(Pengmin)를 맵 또는 변환 테이블에 있어서 엔진(50)의 연비효율이 좋은 범위로 설정해 두면, 엔진(50)의 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다.
다음에, 스텝 S2에 있어서 현재의 배터리 전압(Vact)으로부터 배터리 출력 상한치 (Pbatmax1) 및 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)가 결정된다. 이 처리는 블록(60-2~60-6)에 의해 실시된다.
우선, 블록(60-2)은 현재의 배터리 전압(Vact)으로부터 연산에 의해 현재의 충전율(SOCact)을 구한다. 다음에, 블록(60-3)은 맵 혹은 변환 테이블을 이용하여 현재의 충전율(SOCact)로부터 충전 전류 및 방전 전류를 최대치로서 일정하게 했을 때의 배터리 출력 상한치(Pbatmax11) 및 배터리 출력 하한치(Pbatmin11)를 결정한다. 동시에 블록(60-4)은 맵 혹은 변환 테이블을 이용하여 현재의 충전율(SOCact)로부터, SOC 하한치 이하가 되지 않고 SOC 상한치 이상이 되지 않는 배터리 출력 상한치(Pbatmax12) 및 배터리 출력 하한치(Pbatmin12)를 결정한다. 계속하여, 블록(60-5)은 배터리 출력 상한치(Pbatmax11)와 배터리 출력 상한치(Pbatmax12) 중 값이 작은 쪽을 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)로서 결정한다. 여기서, 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)는 최대 방전 전력을 나타내고, 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)는 최대 충전 전력을 나타낸다. 또, 블록(60-6)은 배터리 출력 하한치(Pbatmin11)와 배터리 출력 하한치(Pbatmin12) 중 큰 쪽을 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)로서 결정한다.
이상과 같이, 스텝 S2에서 배터리 출력 상한치(Pbatmax1) 및 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)가 결정되면, 계속하여 스텝 S3에 있어서 현재의 충전율(SOCact)로부터 배터리 출력 목표치(Pbattgt)가 결정된다. 이 처리는 블록(60-7)에 의해 실시된다.
다음에, 스텝 S4에 있어서 전기부하 실출력(Pelcout)이 엔진(50) 및 배터리(58)의 요구 출력의 한계치에 근거하여 결정된다. 스텝 S4에 있어서의 처리는 동력 분배부인 블록(60-8)에서 실시된다. 이 처리에 대해서는 후술한다. 계속하여, 스텝 S5에 있어서 유압부하 실출력(Phydout)이 엔진(50) 및 배터리(58)의 요구 출력의 한계치에 근거하여 결정된다. 스텝 S5에 있어서의 처리는 동력 분배부인 블록(60-8)에서 실시된다. 이 처리에 대해서는 후술한다.
다음에, 스텝 S6에 있어서 배터리 출력(Pbatout)이 엔진(50), 전기부하(56) 및 배터리(58)의 산출된 출력에 근거하여 결정된다. 배터리 출력(Pbatout)은 배터리(58)로의 충방전 전력이다. 스텝 S6에 있어서의 처리는 동력 분배부인 블록(60-8)에서 행해진다. 이 처리에 대해서는 후술한다.
계속하여 스텝 S7에 있어서 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)이 전기부하 실출력(Pelcout)과 배터리 출력(Pbatout)의 비교에 근거하여 결정된다. 스텝 S6에 있어서의 처리는 동력 분배부인 블록(60-8)에서 실시된다. 이 처리에 대해서는 후술한다.
스텝 S7의 처리가 종료되면 제어부(60)에서의 처리는 종료된다. 이상의 제어부(60)에서의 처리에 의해 유압부하 실출력(Phydout), 전기부하 실출력(Pelcout) 및 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)이 결정된다.
여기서, 상기 서술한 스텝 S4에 있어서의 처리에 대해 상세하게 설명한다.
도 7은 스텝 S4에 있어서의 처리의 플로우차트이다.
우선, 스텝 S4-1에 있어서 전기부하(56)에 공급 가능한 최대 전력인 전기부하 출력 상한치(Pelcmax)를 산출한다. 즉, 전기부하 출력 상한치(Pelcmax)는 전기부하(56)의 역행운전 시에 공급할 수 있는 최대 전력이며, 역행운전 시의 전력이 플러스의 값으로 설정된다. 여기서, 유압부하(54)는 전기부하(56)에 대한 구동력원으로서는 기능하지 않기 때문에 유압부하 출력 요구(Phydreq)는 고려되지 않고 O이 되므로 전기부하 출력 상한치(Pelcmax)는 엔진 출력 상한치(Pengmax)와 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)의 합이다. 즉, 전기부하(56)에 공급 가능한 최대의 전력은 엔진(50)의 최대출력으로 얻을 수 있는 어시스트 모터(52)에 의한 발전량과 배터리의 최대 방전 전력의 합이다. 도 8은 상기 서술한 전기부하 출력 상한치(Pelcmax)의 산출 모델을 나타내는 도이다.
다음에, 스텝 S4-2에 있어서 전기부하 요구 출력(Pelcreq)과 전기부하 출력 상한치(Pelcmax)를 비교하여 전기부하 요구 출력(Pelcreq)이 전기부하 출력 상한치(Pelcmax) 이하인지 아닌지를 판정한다.
스텝 S4-2에 있어서 전기부하 요구 출력(Pelcreq)이 전기부하 출력 상한치(Pelcmax)보다 크다고 판정된 경우(스텝 S4-2의 No), 처리는 스텝 S4-3으로 진행된다. 스텝 S4-3에서는 전기부하 실출력(Pelcout)의 값을 전기부하 출력 상한치(Pelcmax)의 값과 동일하게 하고 그 후 처리를 종료한다. 즉, 전기부하(56)가 요구하는 전력이 어시스트 모터(52)와 배터리(58)로 공급할 수 있는 전력의 최대치보다 큰 경우는, 어시스트 모터(52)와 배터리(58)로 공급할 수 있는 최대 전력 밖에 전기부하(56)에 공급하지 않는 것으로 하고 전기부하에 공급하는 전력에 상한을 마련하고 있다.
한편, 스텝 S4-2에 있어서 전기부하 요구 출력(Pelcreq)이 전기부하 출력 상한치(Pelcmax) 이하로 판정되었을 경우(스텝 S4-2의 Yes), 처리는 스텝 S4-4로 진행된다. 스텝 S4-4에서는 전기부하(56)의 회생운전 시의 최대 전력이 산출된다. 여기서, 전기부하(56)는 회생운전 시의 전력을 마이너스의 값으로 하고 있기 때문에 회생운전 시의 최대 전력은 전기부하 출력 하한치(Pelcmin)로서 산출된다. 전기부하 출력 하한치(Pelcmin)는 엔진 출력 하한치(Pengmin)로부터 유압부하 출력 요구(Phydreq)를 감산하고 또한 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)를 가산하여 구할 수 있다. 도 9는 상기 서술한 전기부하 출력 하한치(Pelcmin)의 산출 모델을 나타내는 도이다.
다음에, 스텝 S4-5에 있어서 전기부하 요구 출력(Pelcreq)과 전부하 출력 하한치(Pelcmin)를 비교하여 전기부하 요구 출력(Pelcreq)이 전부하 출력 하한치(Pelcmin) 이상인지 아닌지를 판정한다.
스텝 S4-5에 있어서 전기부하 요구 출력(Pelcreq)이 전부하 출력 하한치(Pelcmin)보다 작다고 판정되었을 경우(스텝 S4-5의 No), 처리는 스텝 S4-6으로 진행된다. 스텝 S4-6에서는 전기부하 실출력(Pelcout)의 값을 전기부하 출력 하한치(Pelcmin)의 값과 동일하게 하고 그 후 처리를 종료한다. 즉, 전기부하(56)가 회생하는 전력이 어시스트 모터(52)로 소비할 수 있는 최대 전력과 배터리(58)에 축적할 수 있는 최대 전력의 합보다 큰 경우는, 전기부하(56)가 회생하는 전력이 어시스트 모터(52)로 소비할 수 있는 최대 전력과 배터리(58)에 축적할 수 있는 최대 전력의 합보다 커지지 않도록 상한을 마련하고 있다.
한편, 스텝 S4-5에 있어서 전기부하 요구 출력(Pelcreq)이 전부하 출력 하한치(Pelcmin) 이상이라고 판정되었을 경우(스텝 S4-5의 Yes), 처리는 스텝 S4-7로 진행된다. 스텝 S4-7에서는 전기부하 실출력(Pelcout)의 값을 전기부하 요구(Pelcreq)의 값과 동일하게 하고, 그 후 처리를 종료한다. 즉, 전기부하(56)가 회생하는 전력이 어시스트 모터(52)로 소비할 수 있는 최대 전력과 배터리(58)에 축적할 수 있는 최대 전력의 합 이하인 경우는, 전기부하(56)가 회생하는 전력을 그대로 출력하도록 설정되어 있다. 이와 같이, 전기부하 실출력(Pelcout)의 값의 산출에 엔진 출력 상하한치(Pengmax, Pengmin) 및 배터리 출력 상하한치(Pbatmax, Pbatmin)를 고려함으로써 전기부하(56)를 안정적으로 제어할 수 있다.
다음에, 상기 서술한 스텝 S5의 처리에 대해 상세하게 설명한다. 도 10은 스텝 S5의 처리의 플로우차트이다.
우선, 스텝 S5-1에 있어서 유압부하(54)에 공급 가능한 최대 동력인 유압부하 출력 상한치(Phydmax)를 산출한다. 유압부하 출력 상한치(Phydmax)는 엔진 출력 상한치(Pengmax)에 배터리 출력 상한치(Pbatmax)를 가산하고 또한 전기부하 실출력(Pelcout)을 감산하여 산출된다. 또한 도 11은 유압부하 출력 상한치(Phydmax)의 산출 모델을 나타내는 도이다. 여기서, 전기부하 실출력(Pelcout)에는 극성이 있으며, 전기부하 출력 상하한치(Pelecmax, Pelecmin)와 마찬가지로 플러스와 마이너스의 값을 취한다. 전기부하 실출력(Pelcout)이 플러스의 값일 때에는 전기부하(56)의 역행운전 시에 전력을 공급하는 것을 의미하고, 유압부하(54)에 공급 가능한 동력은 전기부하(56)에 공급하는 전력을 감산한 것이 된다. 한편, 전기부하 실출력(Pelcout)이 마이너스의 값일 때에는 전기부하(56)의 회생운전 시에 회생전력을 공급하는 것을 의미하며, 유압부하(54)에 공급 가능한 동력은 전기부하(56)로부터의 회생전력을 가산한 것이 된다. 전기부하 실출력(Pelcout)의 마이너스의 값이 감산되기 때문에 자동적으로 마이너스와 마이너스로 플러스가 되어 회생전력은 가산되게 된다.
다음에, 스텝 S5-2에 있어서 유압부하 요구 출력(Phydreq)과 유압부하 출력 상한치(Phydmax)를 비교하여 유압부하 요구 출력(Phydreq)이 유압부하 출력 상한치(Phydmax) 이하인지 아닌지 판정된다.
스텝 S5-2에 있어서 유압부하 요구 출력(Phydreq)이 유압부하 출력 상한치(Phydmax) 이하가 아니라고, 즉 유압부하 요구 출력(Phydreq)이 유압부하 출력 상한치(Phydmax)보다 크다고 판정되었을 경우(스텝 S5-2의 No), 처리는 스텝 S5-3으로 진행된다. 스텝 S5-3에서는 유압부하 실출력(Phydout)의 값을 유압부하 출력 상한치(Phydmax)와 동일하게 하고 그 후 처리를 종료한다. 즉, 유압부하(54)가 요구하는 동력이 엔진(50)으로부터 출력할 수 있는 최대 동력과 어시스트 모터(52)로부터 출력할 수 있는 최대 동력의 합보다 큰 경우는, 유압부하(54)에 공급하는 동력을 엔진(50)으로부터 출력할 수 있는 최대 동력과 어시스트 모터(52)로부터 출력할 수 있는 최대 동력의 합까지로 하여 상한을 마련하고 있다.
한편, 스텝 S5-2에 있어서 유압부하 요구 출력(Phydreq)이 유압부하 출력 상한치(Phydmax) 이하라고 판정되었을 경우(스텝 S5-2의 Yes), 처리는 스텝 S5-4로 진행된다. 스텝 S5-4에서는 유압부하 출력(Phydout)의 값을 유압부하 요구 출력(Phydreq)의 값과 동일하게 하고 그 후 처리를 종료한다. 즉, 유압부하(54)가 요구하는 동력이 엔진(50)으로부터 출력할 수 있는 최대 동력과 어시스트 모터(52)로부터 출력할 수 있는 최대 동력의 합 이하인 경우는, 유압부하(54)가 요구하는 동력을 그대로 공급하도록 설정하고 있다. 이와 같이, 유압부하 실출력(Phydout)의 값의 산출에, 엔진 출력 상한치(Pengmax) 및 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)를 고려함으로써 유압부하(54)를 안정하게 제어할 수 있다.
다음에, 상기 서술한 스텝 S6의 처리에 대하여 상세하게 설명한다. 도 12는 스텝 S6의 처리의 플로우차트이다. 여기서 배터리 출력 상한치(Pbatmax2)는 최대 방전 전력을 나타내고 배터리 출력 하한치(Pbatmin2)는 최대 충전 전력을 나타낸다.
우선, 스텝 S6-1에 있어서 위에서 설명한 바와 같이 결정된 전기부하(56)로의 출력과 유압부하(54)로의 출력 상태에 대하여 배터리(58)가 방전 가능한 전력인 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)를 산출한다. 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)는 전기부하 실출력(Pelcout)과 유압부하 출력(Phydout)의 합으로부터 엔진 출력 하한치(Pengmin)를 감산하여 산출된다. 도 13은 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)의 산출 모델을 나타내는 도이다. 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)는 전기부하(56)에서 소비할 수 있는 전력과 어시스트 모터(52)에서 유압계를 어시스트하여 소비할 수 있는 전력의 합이 된다.
다음에, 스텝 S6-2에 있어서 스텝 S2에서 결정한 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)와 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)를 비교하여 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)가 배터리 출력 상한치(Pbatmax1) 이상인지 아닌지를 판정한다.
스텝 S6-2에 있어서 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)가 배터리 출력 상한치(Pbatmax1) 이상이라고 판정되었을 경우(스텝 S6-2의 Yes), 처리는 스텝 S6-3으로 진행된다. 스텝 S6-3에서는 배터리 출력 상한치(Pbatmax)의 값을 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)의 값과 동일하게 한다. 그 후, 처리는 스텝 S6-5로 진행된다.
한편, 스텝 S6-2에 있어서 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)가 배터리 출력 상한치(Pbatmax1) 이상이 아니라고, 즉 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)가 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)보다 작다고 판정되었을 경우(스텝 S6-2의 No), 처리는 스텝 S6-4로 진행된다. 스텝 S6-4에서는 배터리 출력 상한치(Pbatmax)의 값을 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)의 값과 동일하게 한다. 그 후, 처리는 스텝 S6-5로 진행된다.
스텝 S6-5에서는 배터리 목표 출력(Pbattgt)과 배터리 출력 상한치(Pbatmax)를 비교하여 배터리 목표 출력(Pbattgt)이 배터리 출력 상한치(Pbatmax) 이하인지 아닌지를 판정한다.
스텝 S6-5에 있어서 배터리 목표 출력(Pbattgt)이 배터리 출력 상한치(Pbatmax) 이하가 아니라고, 즉 배터리 목표 출력(Pbattgt)이 배터리 출력 상한치(Pbatmax)보다 크다고 판정되었을 경우(스텝 S6-5의 No), 처리는 스텝 S6-6으로 진행된다. 스텝 S6-6에서는 배터리 출력(Pbatout)의 값을 배터리 출력 상한치(Pbatmax)의 값과 동일하게 하고 그 후 처리를 종료한다.
이와 같이, 전기부하 실출력(Pelcout)과 유압부하 실출력(Phydout)을 기초로, 배터리 출력 상하한치(Pbatmax2, Pbatmin2)를 구한다. 이것에 의해 실제의 부하 요구에 따른 배터리(58)의 출력(충방전 전력)의 최대치를 구할 수 있으므로 실제의 작업 상황에 대응하여 배터리(58)의 충방전을 실시할 수 있다.
또 전기부하 실출력(Pelcout)과 유압부하 실출력(Phydout)을 기초로 구해진 배터리 출력 상하한치와 현재의 배터리(58)의 충전상태에 따른 충방전 가능한 최대 전력을 대비하여 배터리 요구 한계치를 구한다. 이것에 의해 배터리(58)에 과대한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
그리고 배터리(58)의 배터리 출력(Pbatout)이 배터리 요구 한계치의 범위 내에 들어가도록 배터리 요구 한계치와 배터리 목표 출력을 대비하여, 배터리 목표 출력이 배터리 요구 한계치의 범위 외인 경우에는 배터리 목표 출력의 보정을 실시한다. 이것에 의해 보다 확실하게 배터리(58)에 과대한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
도 14는 스텝 S6-6의 처리에 의해 결정되는 배터리 출력(Pbatout)의 값을, 배터리 충전율(SOC)과 배터리 출력의 관계를 나타내는 그래프 중에 나타내는 도이다. 도 14의 그래프에는 도 5에 나타내는 블록(60-5)에서 결정되는 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)가 나타나 있다. 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)는 배터리 출력 상한치(Pbatmax11)와 배터리 출력 상한치(Pbatmax12)의 값 중 작은 쪽의 값이며, 도면 중, 2점쇄선이 그어져 있는 부분에 상당한다. 또 도 14의 그래프에는 도 5에 나타내는 블록(60-6)에서 결정되는 Pbatmin1도 나타나 있다. 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)는 배터리 출력 하한치(Pbatmin11)와 배터리 출력 하한치(Pbatmin12)의 값 중 큰 쪽의 값(제로에 가까운 쪽)이며, 도면 중, 2점쇄선이 그어져 있는 부분에 상당한다.
실제의 배터리 출력(Pbatout)은 방전을 나타내는 플러스측에서는, 2점쇄선으로 나타내는 Pbatmax1보다 하측의 영역에 들어가도록 결정된다. 한편, 실제의 배터리 출력(Pbatout)은 충전을 나타내는 마이너스측에서는, 2점쇄선으로 나타내는 Pbatmin1보다 상측의 영역에 들어가도록 결정된다.
또 도 14에 나타내는 그래프에는, 블록(60-7)에서 참조되는 배터리 출력 목표치(Pbattgt)도 나타나 있다. 본 실시형태에서는 배터리(58)의 방전 가능한 최대치로서 설정하는 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)와 배터리(58)의 충전 가능한 최대치로서 설정하는 배터리 하한치(Pbatmin1)에 더하여 배터리(58)의 현재의 충전율(SOCact)도 고려하여 배터리(58)의 실제의 방전 전력 또는 충전 전력을 배터리 출력(Pbatout)으로서 결정한다.
스텝 S6-6의 처리에서는 도 14에 나타내는 바와 같이, 배터리(58)의 현재의 충전율(SOCact)에 있어서의 배터리 목표 출력(Pbattgt)이 배터리 출력 제어 상한치(Pbatmax)를 넘고 있으므로 목표 방전 전력이 방전 전력의 상한치를 넘고 있다. 이 경우, 배터리 목표 출력(Pbattgt)을 배터리 출력(Pbatout)으로서 설정해서는 안된다. 따라서 실제의 배터리 출력(Pbatout)은 배터리 출력 제어 상한치(Pbatmax)로 설정된다. 여기서, 상기 서술한 스텝 S6-2 및 스텝 S6-4에 있어서 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)가 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)보다 작기 때문에, 배터리 출력 상한치(Pbatmax)의 값은 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)의 값과 동일하게 설정되어 있다. 따라서 도 14에 나타내는 예의 경우, 최종적으로 배터리 출력 상한치(Pbatmax)의 값, 즉 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2)의 값이 실제의 배터리 출력(Pbatout)으로서 설정된다. 즉 배터리 요구 한계치는 엔진(50), 전기부하(56) 및 배터리(58)의 각각의 출력에 근거하여 산출된다. 그리고 배터리 목표 출력(Pbattgt)은 산출된 배터리 요구 한계치와 비교되고, 도 14에 나타내는 경우는 배터리 공급 한계치로 치환된다. 그 때 배터리(58)의 출력 능력을 넘지 않도록, SOC와 대응한 배터리(58)의 한계치와 비교함으로써 배터리(58)의 능력을 넘은 목표치가 산출되는 것을 방지할 수 있다.
한편 스텝 S6-5에 있어서 배터리 목표 출력(Pbattgt)이 배터리 출력 상한치(Pbatmax) 이하로 판정되었을 경우(스텝 S6-5의 Yes), 처리는 스텝 S6-7로 진행된다. 스텝 S6-7에서는 위에서 설명한 바와 같이 결정된 전기부하(56)로의 출력과 유압부하(54)로의 출력 상태에 있어서, 배터리(58)가 충전 가능한 전력인 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)를 산출한다. 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)는 전기부하 실출력(Pelcout)과 유압부하 출력(Phydout)의 합으로부터 엔진 출력 상한치(Pengmax)를 감산하여 산출된다. 도 15는 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)의 산출 모델을 나타내는 도이다. 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)는 전기부하(56)의 회생전력과 어시스트 모터(52)로 발전시키는 전력의 합이 된다.
계속하여, 스텝 S6-8에 있어서 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)와 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)를 비교하여 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)가 배터리 출력 하한치(Pbatmin1) 이하인지 아닌지를 판정한다.
스텝 S6-8에 있어서 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)가 배터리 출력 하한치(Pbatmin1) 이하라고 판정되었을 경우(스텝 S6-8의 Yes), 처리는 스텝 S6-9로 진행된다. 스텝 S6-9에서는 배터리 출력 하한치(Pbatmin)의 값을 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)의 값과 동일하게 한다. 그 후, 처리는 스텝 S6-11로 진행된다.
한편, 스텝 S6-8에 있어서 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)가 배터리 출력 하한치(Pbatmin1) 이하가 아니라고, 즉 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)가 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)보다 크다고 판정되었을 경우(스텝 S6-8의 No), 처리는 스텝 S6-10으로 진행된다. 스텝 S6-10에서는 배터리 출력 하한치(Pbatmin)의 값을 배터리 제어 출력 하한치(Pbatamin2)의 값과 동일하게 한다. 그 후, 처리는 스텝 S6-11로 진행된다.
다음에, 스텝 S6-11에서는 배터리 목표 출력(Pbattgt)과 배터리 출력 하한치(Pbatmin)를 비교하여 배터리 목표 출력(Pbattgt)이 배터리 출력 하한치(Pbatmin) 이상인지 아닌지를 판정한다.
스텝 S6-11에 있어서 배터리 목표 출력(Pbattgt)이 배터리 출력 하한치(Pbatmin) 이상으로 판정되었을 경우(스텝 S6-11의 Yes), 처리는 스텝 S6-12로 진행된다. 스텝 S6-12에서는 배터리 출력(Pbatout)의 값을 배터리 목표 출력(Pbattgt)의 값과 동일하게 하고 그 후 처리를 종료한다. 도 16은 스텝 S6-12의 처리에 의해 결정되는 배터리 출력(Pbatout)의 값을, 배터리 충전율(SOC)과 배터리 출력의 관계를 나타내는 그래프 중에 나타내는 도이다.
도 16에 나타내는 예의 경우, 우선 배터리 출력 상한치(Pbatmax1)가 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax2) 이하이기 때문에 스텝 S6-2 및 스텝 S6-3의 처리에 의해 배터리 제어 출력 상한치(Pbatmax1)의 값이 배터리 출력 상한치(Pbatmax)로서 설정된다. 또 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)가 배터리 출력 하한치(Pbatmin1) 이하이므로 스텝 S6-8 및 스텝 S6-9의 처리에 의해, 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)의 값이 배터리 출력 하한치(Pbatmin)로서 설정된다. 여기서, 배터리(58)의 현재의 충전율(SOCact)에 있어서의 배터리 목표 출력(Pbattgt)은 배터리 출력 하한(Pbatmin) 이상이고 또한 배터리 출력 상한치(Pbatmax) 이하이므로, 배터리 목표 출력(Pbattgt)을 실제의 배터리 출력(Pbatout)으로서 설정 가능하다. 따라서, 스텝 S6-12의 처리에 의해 배터리 목표 출력(Pbattgt)의 값이 배터리 출력(Pbatout)으로서 설정된다.
한편, 스텝 S6-11에 있어서 배터리 목표 출력(Pbattgt)이 배터리 출력 하한치(Pbatmin) 이상이 아니라고, 즉 배터리 목표 출력(Pbattgt)이 배터리 출력 하한치(Pbatmin)보다 작다고 판정되었을 경우(스텝 S6-11의 No), 처리는 스텝 S6-13으로 진행된다. 스텝 S6-13에서는 배터리 출력(Pbatout)의 값을 배터리 출력 하한치(Pbatmin)의 값과 동일하게 하고 그 후 처리를 종료한다. 도 17은 스텝 S6-12의 처리에 의해 결정되는 배터리 출력(Pbatout)의 값을, 배터리 충전율(SOC)과 배터리 출력의 관계를 나타내는 그래프 중에 나타내는 도이다.
도 17에 나타내는 예의 경우, 배터리 제어 출력 하한치(Pbatmin2)가 배터리 출력 하한치(Pbatmin1) 이하이므로, 스텝 S6-8 및 스텝 S6-9의 처리에 의해 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)의 값이 배터리 출력 하한치(Pbatmin)로서 설정된다. 여기서, 배터리(58)의 현재의 충전율(SOCact)에 있어서의 배터리 목표 출력(Pbattgt)은 배터리 출력 하한(Pbatmin) 미만이므로, 목표 충전 전력이 배터리의 최대 충전 전력을 넘고 있어, 배터리 목표 출력(Pbattgt)을 실제의 배터리 출력(Pbatout)으로서 설정해서는 안된다. 따라서, 스텝 S6-13의 처리에 의해 배터리 출력 하한치(Pbatmin)의 값, 즉 배터리 출력 하한치(Pbatmin1)의 값이 배터리 출력(Pbatout)으로서 설정된다.
이와 같이, 전기부하 실출력(Pelcout)과 유압부하 실출력(Phydout)을 기초로, 배터리 출력 상하한치(Pbatmax2, Pbatmin2)를 구한다. 이것에 의해 실제의 부하 요구에 따른 배터리(58)의 출력(충방전 전력)의 최대치를 구할 수 있으므로, 실제의 작업 상황에 대응하여 배터리(58)의 충방전을 실시할 수 있다.
또 전기부하 실출력(Pelcout)과 유압부하 실출력(Phydout)을 기초로 구해진 배터리 출력 상하한치와, 현재의 배터리(58)의 충전상태에 따른 충방전 가능한 최대 전력을 대비하여 배터리 요구 한계치를 구한다. 이것에 의해 배터리(58)에 과대한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
그리고 배터리(58)의 배터리 출력(Pbatout)이 배터리 요구 한계치의 범위 내에 들어가도록 배터리 요구 한계치와 배터리 목표 출력을 대비하고, 배터리 목표 출력이 배터리 요구 한계치의 범위 외인 경우에는 배터리 목표 출력을 보정한다. 이것에 의해 보다 확실하게 배터리(58)에 과대한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
다음에, 상기 서술한 스텝 S7의 처리에 대하여 상세하게 설명한다. 도 18은 스텝 S7의 처리의 플로우차트이다.
처리가 개시되면 스텝 S7-1에 있어서 어시스트 모터(52)의 운전을 지시하는 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)을 산출하고 그 후 처리를 종료한다. 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)은 배터리 출력(Pbatout)으로부터 전기부하 실출력(Pelcout)을 감산하여 산출된다. 이와 같이 배터리 출력과 전기부하 실출력을 대비하여 어시스트 모터 출력지령을 구함으로써 하이브리드식 건설기계의 운전상태나 배터리(58)의 충전상태에 따른, 어시스트 모터(52)의 전동 발전기 운전의 제어를 할 수 있다. 그 결과, 하이브리드식 건설기계를 안정적으로 연속 운전할 수 있다.
도 19는 어시스트 모터 출력지령(Pasmref)의 산출 모델을 나타내는 도이다. 어시스트 모터(52)의 출력은 배터리(58)로부터 방전하는 전력으로부터 전기부하(56)에서 소비되는 전력을 감산하여 얻어지는 전력에 상당한다.
여기서 전기부하(56)의 출력은 극성을 가지고 있고, 전기부하(56)가 실제로 전력을 소비하는 경우는 극성은 플러스이다. 이 경우, 배터리(58)가 방전하는 전력으로부터 전기부하(56)에서 소비되는 전력인 전기부하 출력을 감산한 값이 플러스이면, 전력이 어시스트 모터(52)에 공급되고, 어시스트 모터(52)는 전동기로서 기능한다. 한편, 배터리(58)가 방전하는 전력으로부터 전기부하(56)에서 소비되는 전력인 전기부하 출력을 감산한 값이 마이너스이면, 엔진(50)으로부터의 동력이 어시스트 모터(52)에 공급되고, 어시스트 모터(52)는 발전기로서 기능한다. 이것에 의해 어시스트 모터(52)는 마이너스가 된 만큼의 전력을 발전시켜 그 전력이 전기부하(56)에 공급된다.
또 전기부하(56)가 회생전력을 발생시키는 경우는, 전기부하(56)의 출력극성은 마이너스이다. 이 경우, 마이너스의 값을 빼게 되기 때문에 배터리(58)가 방전하는 전력에 전기부하(56)에서 회생하는 전력이 가산되게 된다. 따라서 배터리(58)가 방전하는 전력과 전기부하(56)에서 회생하는 전력의 합이 어시스트 모터(52)에 공급되고, 어시스트 모터(52)는 전동기로서 기능하여 엔진(50)을 어시스트하게 된다. 즉, 전기 구동부의 출력 설정치인 전기부하 실출력(Pelcout)과 축전기 출력 설정치인 배터리 출력(Pbatout)의 전기적인 비교에 근거하여 어시스트 모터(52)의 제어가 실시된다.
이상 설명한 바와 같이 본 실시형태가 적용되는 하이브리드식 건설기계의 일례인 하이브리드식 파워쇼벨은 유압 발생기, 전동 발전기, 축전기, 전기 구동부 및 제어부를 가진다. 유압 발생기는 유압 모터인 메인 펌프(14)에 상당하고, 엔진(50)의 출력을 유압으로 변환하여 유압 구동부에 공급한다. 전동 발전기(12)는 어시스트 모터(52)에 상당하고, 엔진(50)에 접속되어 전동기 및 발전기의 양쪽으로서 기능한다. 축전기는 배터리(19)(또는 배터리(58))에 상당하고, 전동 발전기(12)에 전력을 공급하여 전동기로서 기능시킨다. 전기 구동부는 축전기 및 전동 발전기로부터의 전력에 의해 구동되고, 또한 회생전력을 발생시켜 축전기 및 전동 발전기의 적어도 일방에 공급한다. 제어부(60)는 전동 발전기(12)의 동작을 제어한다. 이상과 같은 구성의 하이브리드식 건설기계에 있어서 제어부(60)는 전동 발전기(12)의 동작 및 출력을 제어하기 위한 동력 분배부(60-8)를 가진다. 동력 분배부(60-8)는 축전기의 충전율(SOC)에 근거하여 결정되는 축전기 출력 설정치(배터리 출력 상한치(Pbatmax1) 및 배터리 출력 하한치(Pbatmin1))와, 엔진의 회전수에 근거하여 결정되는 엔진 출력 설정치(엔진 출력 상한치(Pengmax) 및 엔진 출력 하한치(Pengmin))와, 유압 발생기가 요구하는 동력을 나타내는 유압부하 요구치(유압부하 요구 출력(Phydreq))와 전기 구동부가 요구하는 전력을 나타내는 전기부하 요구치(전기부하 요구 출력(Pelcreq))에 근거하여 전동 발전기(12)의 동작 및 출력을 제어하기 위한 출력지령(어시스트 모터 출력지령(Pasmref))을 생성하여 출력한다.
동력 분배부(60-8)는 전기 구동부에 공급하는 전력을 결정하고, 전기부하 실출력치(전기부하 실출력(Pelcout))로서 출력한다. 또 동력 분배부(60-8)는 유압 구동부에 공급하는 출력을 결정하고, 유압부하 실출력치(유압부하 실출력(Phydout))로서 출력한다. 또한 동력 분배부(60-8)는 축전기의 축전율(SOC)에 근거하여 출력지령(어시스트 모터 출력지령(Pasmref))을 결정한다.
본 실시형태에 의하면 축전기 출력 설정치, 전기부하 요구치, 엔진 출력 설정치 및 유압부하 요구치를 고려하여 전동 발전기의 동작 및 출력을 제어할 수 있기 때문에, 동력원인 엔진과 축전기를 적정한 출력 범위에서 사용할 수 있다. 또 본 실시형태에 의하면, 전기부하로부터의 회생전력을 효율적으로 이용할 수 있고, 또 축전기의 충전율(SOC)을 효율적으로 목표치 부근에 유지할 수 있다. 또한 본원발명에서는 하이브리드식 건설기계의 일례로서 하이브리드식 쇼벨을 예로 설명했는데 트럭이나 휠로더 등의 건설기계에도 적용할 수 있다.
본 발명은 구체적으로 개시된 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이 여러 가지 변형예 및 개량예가 이루어질 수 있을 것이다.
본 출원은 2007년 12월 28일 출원의 우선권 주장 일본특허출원 2007-340836호에 근거하는 것이며 그 모든 내용은 여기에 원용된다.
1 하부 주행체 1A, 1B 주행 기구
2 선회 기구 3 상부 선회체
4 붐 5 암
6 버킷 7 붐 실린더
8 암 실린더 9 버킷 실린더
10 캐빈 11 엔진
12 전동 발전기 13 감속기
14 메인 펌프 15 파일럿 펌프
16 고압 유압라인 17 컨트롤 밸브
18 인버터 19 배터리
20 인버터 21 선회용 전동기
23 메카니컬 브레이크 24 선회 감속기
25 파일럿 라인 26 조작장치
26A, 26B 레버 26C 페달
27 유압라인 28 유압라인
29 압력센서 30 컨트롤러
31 속도지령 변환부 32 구동 제어장치
40 선회 구동 제어장치 50 엔진
52 어시스트 모터 54 유압부하
56 전기부하 58 배터리
60 제어부 60-1~60-7 블록
60-8 블록(동력 분배부) 60-9 출력조건 산출부

Claims (6)

  1. 엔진의 출력을 유압으로 변환하여 유압 구동부에 공급하는 유압 발생기와,
    상기 엔진에 접속되어 전동기 및 발전기로서 모두 기능하는 전동 발전기와,
    상기 전동 발전기에 전력을 공급하여 전동기로서 기능시키는 축전기와,
    상기 축전기로부터의 전력에 의해 구동되고 또한 회생전력을 발생시켜 상기
    축전기에 공급하는 전기 구동부와,
    상기 전동 발전기의 동작을 제어하는 제어부
    를 가지는 하이브리드식 건설기계로서,
    상기 제어부는 상기 엔진과 상기 축전기의 출력조건을 산출하는 출력조건 산출부와, 상기 출력조건 산출부에서 산출된 출력조건에 근거하여 상기 전기 구동부와 상기 유압 구동부의 출력치를 결정하는 동력 분배부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 동력 분배부는 상기 축전기의 충전율에 근거하여 결정되는 축전기 출력 설정치와, 상기 엔진의 회전수에 근거하여 결정되는 엔진 출력 설정치와, 상기 유압 발생기가 요구하는 동력을 나타내는 유압부하 요구치와, 상기 전기 구동부가 요구하는 전력을 나타내는 전기부하 요구치에 근거하여 상기 전동 발전기의 동작 및 출력을 제어하기 위한 출력지령을 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 동력 분배부는 상기 전기 구동부를 역행운전하는 전력 및 상기 전기 구동부의 회생운전에 의해 발생되는 회생전력을 상기 엔진 및 상기 축전기의 출력 한계치에 근거하여 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동력 분배부는 상기 유압 구동부에 공급하는 출력을 상기 엔진 및 상기 축전기의 출력 한계치에 근거하여 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축전기의 출력지령은 상기 엔진, 상기 전기 구동부 및 상기 축전기의 각각의 출력에 근거하여 산출된 배터리 요구 한계치와 배터리 목표 출력을 비교하여 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전동 발전기의 출력은 상기 축전기의 출력지령과 상기 전기 구동부에 공급하는 전력 또는 상기 전기 구동부로부터 출력되는 전력을 비교하여 결정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
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