KR20110002421A - 하이브리드형 작업기계 - Google Patents

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KR20110002421A
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고지 가와시마
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

엔진이 속도 제어되고 있는 경우, 고부하 또는 과부하 상태가 되면 토크 리미트 제어가 작용해, 적절한 속도 제어를 하는 것이 곤란해진다.
엔진이 토크를 발생시킨다. 전동 발전기가 발전 동작과 어시스트 동작을 선택적으로 행한다. 외부 부하가 엔진의 부하가 된다. 토크 전달기가 엔진의 토크, 전동 발전기의 토크 및 외부 부하에 인가되는 토크를 서로 주고 받는다. 속도센서가 엔진의 회전 속도를 측정한다. 제어장치가 엔진 및 전동 발전기를 제어한다. 제어장치는 엔진의 속도 제어의 목표치가 되는 속도 지령치를 기억하고, 외부 부하에 요구되는 동력에 근거하여 전동 발전기에 발생시키는 토크를 산출해 전동 발전기를 토크 제어하고, 속도 센서로 측정된 회전 속도와 속도 지령치의 차분에 근거하여, 전동 발전기를 속도 제어한다. 전동 발전기를 토크 제어하는 제어 상태와 속도 제어하는 제어 상태를 전환할 수 있다.

Description

하이브리드형 작업기계{Hybrid type work machine}
본 출원은 2009년 7월 1일에 출원된 일본 특허출원 제 2009-156516호에 기초한 우선권을 주장한다. 그 출원의 모든 내용은 이 명세서 중에 참조에 의해 원용되어 있다.
본 발명은 엔진을 전동 발전기로 어시스트하는 하이브리드형 작업기계에 관한 것이다.
최근, 건설 작업기계 등의 동력 발생 기계에, 지구 환경을 배려한 연비 절약, 저공해, 저소음 등의 성능이 요구되고 있다. 이러한 요청들을 만족시키기 위해서, 유압 펌프를 대신해, 또는 내연 기관 등의 엔진의 보조로서 전동기를 이용한 유압 쇼벨 등의 작업기계가 등장하고 있다. 전동기를 장착한 작업기계에 있어서는, 전동기로부터 발생하는 잉여의 운동 에너지가 전기 에너지로 변환되어 커패시터 등에 축적된다.
엔진 부하가 커져 회전수가 저하했을 때, 목표 회전수로부터의 실회전수의 편차에 따라, 전동 발전기를 전동기로서 작동시켜 토크 어시스트를 하는 것에 의해, 회전수를 목표 회전수에 접근시킬 수 있다(특허문헌 1).
일본 공개특허공보 2005-210870호
엔진이 속도 제어되고 있는 경우, 고부하 또는 과부하 상태가 되면 토크 리미트 제어가 작용해 적절한 속도 제어를 하는 것이 곤란해진다. 전동 발전기에도 속도 제어를 적용하면, 엔진의 회전수가 저하될 때마다 엔진의 출력에 여유가 있어도 전동 발전기가 역행(力行) 운전되어 버린다. 전동 발전기의 역행 운전시에 소비된 전력을 엔진으로부터 배터리(커패시터)에 회수하기 때문에, 전동 발전기의 효율에 기인하는 손실이 발생한다.
본 발명의 1 관점에 의하면,
연료의 연소에 의해 토크를 발생시키는 엔진과,
발전 동작과 어시스트 동작을 선택적으로 행할 수 있는 전동 발전기와,
상기 엔진의 부하가 되는 외부 부하와,
상기 엔진의 토크, 상기 전동 발전기의 토크 및 상기 외부 부하에 인가되는 토크를 서로 주고 받는 토크 전달기와,
상기 엔진의 회전 속도를 측정하는 속도 센서와,
상기 엔진 및 상기 전동 발전기를 제어하는 제어장치
를 가지고,
상기 제어장치는,
상기 엔진의 속도 제어의 목표치가 되는 속도 지령치를 기억하고,
상기 외부 부하에 요구되는 동력에 근거하여, 상기 전동 발전기에 발생시키는 토크를 산출하여, 그 전동 발전기를 토크 제어하고,
상기 속도 센서로 측정된 회전 속도와 상기 속도 지령치의 차분에 근거하여, 상기 전동 발전기를 속도 제어하고,
상기 전동 발전기를 토크 제어하는 제어 상태와 속도 제어하는 제어 상태를 전환할 수 있는 하이브리드형 작업기계가 제공된다.
토크 제어와 속도 제어를 전환하는 것에 의해, 운전 상황에 따라, 보다 적절하게 제어하는 것이 가능해진다.
도 1은 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계의 측면도이다.
도 2는 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계의 블록도이다.
도 3(A)는 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계의 동력 및 전력의 흐름을 나타낸 블록도이며, 도 3(B)는 제어장치의 기능을 나타내는 블록도이다.
도 4는 전기 부하 출력 지령치와 전기 부하 출력 요구치의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 유압 부하 출력 지령치와 유압 부하 출력 요구치의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6(A) 및 도 6(B)는 축전 회로 출력 지령치와 축전 회로 출력 목표치의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7(A) 및 도 7(B)는 전동 발전기 출력 지령치와, 축전 회로 출력 지령치와, 전기 부하 출력 지령치의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 엔진, 전동 발전기의 제어계의 기능 블록도이다.
도 9는 엔진의 실회전 속도 및 발생 토크의 시각력의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 10은 엔진의 실회전 속도 및 발생 토크의 시각력의 다른 일례를 나타내는 그래프이다.
도 11(A) 및 도 11(B)는 전체 제어 모듈과 서보 제어 모듈의 기능 분담을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1에 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계의 측면도를 나타낸다. 하부 주행체(기체)(1)에 선회 기구(2)를 개재하여 상부 선회체(3)가 탑재되어 있다. 선회 기구(2)는 전동기(모터)를 포함하며, 상부 선회체(3)를 시계방향 또는 반시계방향으로 선회시킨다. 상부 선회체(3)에 붐(4)이 장착되어 있다. 붐(4)은 유압 구동되는 붐 실린더(7)에 의해 상부 선회체(3)에 대해 상하 방향으로 요동한다. 붐(4)의 선단에 암(5)이 장착되어 있다. 암(5)은 유압 구동되는 암 실린더(8)에 의해 붐(4)에 대해 전후 방향으로 요동한다. 암(5)의 선단에 버킷(6)이 장착되어 있다. 버킷(6)은 유압 구동되는 버킷 실린더(9)에 의해 암(5)에 대해 상하 방향으로 요동한다. 상부 선회체(3)에는 또한 운전자를 수용하는 캐빈(10)이 탑재되어 있다.
도 2에 하이브리드형 작업기계의 블록도를 나타낸다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계를 이중선으로 나타내고, 고압 유압 라인을 굵은 실선으로 나타내고, 전기 계통을 가는 실선으로 나타내고, 파일럿 라인을 파선으로 나타낸다.
엔진(11)의 구동축이 토크 전달기(13)의 하나의 회전축에 연결되어 있다. 엔진(11)에는, 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 엔진, 예를 들면 디젤 엔진 등의 내연기관이 사용된다. 엔진(11)은, 작업기계의 운전 중에는 항상 구동되고 있다.
전동 발전기(12)의 구동축이 토크 전달기(13)의 다른 회전축에 연결되어 있다. 전동발전기(12)는 역행(어시스트) 운전과 회생(발전) 운전의 양쪽 운전 동작을 행할 수 있다. 전동 발전기(12)에는, 예를 들면 자석이 로터 내부에 매립된 내부 자석 매립형(IPM) 모터가 사용된다.
토크 전달기(13)의 또 하나의 회전축에, 메인 펌프(14)의 구동축이 연결되어 있다. 메인 펌프(14)가 엔진(11)의 외부 부하가 된다.
엔진(11)에 가해지는 부하가 큰 경우에는, 전동 발전기(12)가 어시스트 운전을 행하고, 전동 발전기(12)의 구동력이 토크 전달기(13)를 통하여 메인 펌프(14)에 전달된다. 이것에 의해, 엔진(11)에 가해지는 부하가 경감된다. 한편, 엔진(11)에 가해지는 부하가 작은 경우에는, 엔진(11)의 구동력이 토크 전달기(13)를 통하여 전동 발전기(12)에 전달되는 것에 의해, 전동 발전기(12)가 발전 운전된다. 전동 발전기(12)의 어시스트 운전과 발전 운전의 전환은 전동 발전기(12)에 접속된 인버터(18)에 의해 행해진다. 인버터(18)는 제어장치(30)에 의해 제어된다.
제어장치(30)는 표시장치(35)에 각종 장치의 열화 상태 등을 표시하는 것에 의해 운전자의 주의를 환기한다.
메인 펌프(14)는 고압 유압 라인(16)을 통하여 컨트롤 밸브(17)에 유압을 공급한다. 컨트롤 밸브(17)는 운전자로부터의 지령에 의해 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)에 유압을 분배한다. 유압 모터(1A 및 1B)는 각각 도 1에 나타낸 하부 주행체(1)에 구비된 좌우 2개의 크롤러를 구동한다.
전동 발전기(12)의 전기 계통의 입출력 단자가 인버터(18)를 통하여 축전 회로(90)에 접속되어 있다. 축전 회로(90)에는 또 다른 인버터(20)를 통하여 선회용 전동기(부하 전동기)(21)가 접속되어 있다. 축전 회로(90)는 커패시터와 커패시터의 충방전을 제어하는 컨버터를 포함한다. 커패시터에는, 예를 들면 전기 이중층 커패시터가 사용된다. 축전 회로(90) 및 인버터(20)는 제어장치(30)에 의해 제어된다.
전동 발전기(12)가 어시스트 운전되고 있는 기간은, 필요한 전력이 축전 회로(90)로부터 전동 발전기(12)에 공급되고, 전동 발전기(12)가 기계적 파워(동력)를 출력한다. 전동 발전기(12)가 발전 운전되고 있는 기간은, 엔진(11)으로부터 필요한 동력이 공급되고, 전기적 파워(전력)를 출력한다. 전동 발전기(12)에 의해 발전된 전력이 축전 회로(90)에 공급된다. 인버터(18)가, 제어장치(30)로부터의 지령을 받아 지령된 동력 또는 전력을 출력하도록 전동 발전기(12)의 운전을 제어한다.
선회용 전동기(21)는 인버터(20)로부터의 펄스 폭 변조(PWM) 제어 신호에 의해 교류 구동되고, 동력을 발생시키는 역행 동작 및 전력을 발생시키는 회생 동작의 양쪽 운전을 행할 수 있다. 인버터(20)는 제어장치(30)로부터의 지령을 받아, 지령된 동력을 발생시키도록 선회용 전동기(21)의 운전 제어를 행한다. 선회용 전동기(21)에는, 예를 들면 IPM 모터가 이용된다. IPM 모터는 회생 시에 큰 유도 기전력을 발생시킨다.
선회용 전동기(21)의 역행 동작 중에는 축전 회로(90)로부터 선회용 전동기(21)에 전력이 공급된다. 선회용 전동기(21)의 동력(회전력)이 감속기(24)를 통하여, 도 1에 나타낸 선회 기구(2)에 전달된다. 이 때, 감속기(24)는 회전 속도를 늦춘다. 이것에 의해 선회용 전동기(21)에서 발생된 회전력이 증대되어, 선회 기구(2)에 전달된다. 또한 회생 동작 시에는, 상부 선회체(3)의 회전운동이 감속기(24)를 통하여 선회용 전동기(21)에 전달되는 것에 의해 선회용 전동기(21)가 회생 전력을 발생시킨다. 이 때, 감속기(24)는 역행 운전시와는 반대로 회전 속도를 빠르게 한다. 이것에 의해 선회용 전동기(21)의 회전수를 상승시킬 수 있다. 회생 전력은 축전 회로(90)에 공급된다.
리졸버(22)가 선회용 전동기(21)의 회전축의 회전 방향의 위치를 검출한다. 검출 결과는 제어장치(30)에 입력된다. 선회용 전동기(21)의 운전 전과 운전 후에 있어서의 회전축의 회전 방향의 위치를 검출하는 것에 의해 선회 각도 및 선회 방향이 도출된다.
메카니컬 브레이크(23)가 선회용 전동기(21)의 회전축에 연결되어 있고, 기계적인 제동력을 발생한다. 메카니컬 브레이크(23)의 제동 상태와 해제 상태는, 제어장치(30)로부터의 제어를 받는 전자적 스위치에 의해 전환된다.
파일럿 펌프(15)가 유압 조작계에 필요한 파일럿압을 발생시킨다. 발생된 파일럿압은 파일럿 라인(25)을 통하여 조작 장치(26)에 공급된다. 조작 장치(26)는 레버나 페달을 포함하며, 운전자에 의해 조작된다. 조작 장치(26)는 파일럿 라인(25)으로부터 공급되는 1차측 유압을 운전자의 조작에 따라, 2차측 유압으로 변환한다. 2차측 유압은 유압 라인(27)을 통하여 컨트롤 밸브(17)에 전달됨과 함께, 다른 유압 라인(28)을 통하여 압력 센서(29)에 전달된다.
압력 센서(29)에서 검출된 압력의 검출 결과가 제어장치(30)에 입력된다. 이것에 의해, 제어장치(30)는 하부 주행체(1), 선회 기구(2), 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)의 조작 상황을 검지할 수 있다. 특히, 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계에서는 선회용 전동기(21)가 선회 기구(2)를 구동하기 때문에, 선회 기구(2)를 제어하기 위한 레버의 조작량을 고정밀도로 검출하는 것이 요망된다. 제어장치(30)는 압력 센서(29)를 통하여 이 레버의 조작량을 고정밀도로 검출할 수가 있다.
도 3(A)에 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계의 블록도 및 동력과 전력의 흐름을 나타낸다. 엔진(11)으로부터의 출력(Pgo)이 메인 펌프(14) 및 전동 발전기(12)에 공급된다. 전동 발전기(12)가 어시스트 운전되고 있을 때는, 전동 발전기(12)에서 메인 펌프(14)에 전동 발전기의 출력(동력)(Pao)이 공급된다. 전동 발전기(12)가 발전 운전되고 있을 때는, 전동 발전기로 발전된 출력(전력)(-Pao)이 축전 회로(90)에 입력된다. 여기서, 전동 발전기(12)가 어시스트 운전하고 있을 때의 출력을 정, 발전 운전하고 있을 때의 출력을 부라고 정의했다.
축전 회로(90)로부터 출력되는 전력(Pbo)이 전동 발전기(12) 및 선회용 전동기(21)에 공급된다. 선회용 전동기(21)는 역행 운전 상태일 때 출력(동력)(Peo)을 출력한다. 회생 운전 상태일 때 출력(전력)(-Peo)을 출력하고, 축전 회로(90)에 공급한다. 여기서, 역행 운전 상태일 때의 출력을 정으로 하고, 회생 운전 상태일 때의 출력을 부라고 정의했다. 또한 축전 회로(90)로부터 출력되는 전력을 정으로 하고, 축전 회로(90)에 공급되는 전력을 부라고 정의했다.
도 3(B)에 제어장치(30)의 기능의 블록도를 나타낸다. 유압 부하 출력 요구치(Phr), 전기 부하 출력 요구치(Per), 엔진 회전수(Nact) 및 축전 회로(90)의 커패시터 전압(Vm)이 제어장치(30)에 입력된다.
유압 부하 출력 요구치(Phr)는 도 2에 나타낸 유압 모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8) 및 버킷 실린더(9) 등의 유압에 의해 구동되는 유압 기구에 필요하게 되는 동력의 합계이다. 예를 들면, 유압 부하 출력 요구치(Phr)는 조작자가 조작하는 조작 레버의 조작량으로부터 산출된다.
전기 부하 출력 요구치(Per)는 도 2에 나타낸 선회용 전동기(21)가 필요로 하는 전력에 상당한다. 예를 들면, 전기 부하 출력 요구치(Per)는 조작자가 조작하는 조작 레버의 조작량으로부터 산출된다.
엔진 회전수(Nact)는 도 2에 나타낸 엔진(11)의 실제 회전수에 상당한다. 엔진(11)은 작업기계의 운전시에는 항상 구동되고 있고, 그 회전수(Nact)가 검출된다. 커패시터 전압(Vm)은 도 2에 나타낸 축전 회로(90)의 커패시터의 단자간 전압에 상당한다.
엔진 회전수(Nact)가 엔진 출력 범위 결정 블록(32)에 입력된다. 엔진 출력 범위 결정 블록(32)에는 엔진 회전수(Nact)로부터 엔진 출력 상한치(Pgomax) 및 엔진 출력 하한치(Pgomin)를 구하기 위한 맵 또는 변환 테이블이 기억되어 있다. 엔진 출력 범위 결정 블록(32)은 입력된 엔진 회전수(Nact)로부터 엔진 출력 상한치(Pgomax) 및 엔진 출력 하한치(Pgomin)를 산출하고, 동력 분배 블록(35)에 준다.
커패시터 전압(Vm)이 SOC 산출 블록(33A)에 입력된다. SOC 산출 블록(33A)은 입력된 커패시터 전압(Vm)으로부터 커패시터의 충전율(SOC)을 산출한다. 산출된 충전율은 축전 회로 출력 범위 결정 블록(33B) 및 축전 회로 출력 목표치 결정 블록(33C)에 주어진다.
축전 회로 출력 범위 결정 블록(33B)에, 충전율로부터 축전 회로 출력 상한치(Pbomax) 및 축전 회로 출력 하한치(Pbomin)를 산출하기 위한 맵 또는 변환 테이블이 기억되어 있다. 축전 회로 출력 범위 결정 블록(33B)은, 충전율에 근거하여 축전 회로 출력 상한치(Pbomax) 및 축전 회로 출력 하한치(Pbomin)를 결정한다. 축전 회로 출력 상한치(Pbomax)는 축전 회로(90)로부터 출력되는 전력의 상한치에 상당한다. 축전 회로 출력 하한치(Pbomin)는 부이며, 그 절대치는 축전 회로(90)에 공급되는 전력 상한치에 상당한다. 축전 회로 출력 상한치(Pbomax)와 축전 회로 출력 하한치(Pbomin)에 의해 축전 회로(90)의 입출력 전력의 적정 범위가 정의된다. 결정된 축전 회로 출력 상한치(Pbomax) 및 축전 회로 출력 하한치(Pbomin)는 동력 분배 블록(35)에 입력된다.
이하, 축전 회로 출력 상한치(Pbomax) 및 축전 회로 출력 하한치(Pbomin)의 산출 방법의 일례에 대해 설명한다. 축전 회로(90)의 커패시터에 충방전 전류의 적정 범위 및 충전율의 적정 범위가 정해져 있다. 축전 회로 출력 상한치(Pbomax)는 커패시터의 방전 전류가 그 적정 범위의 상한치를 넘지 않고, 또한 커패시터의 충전율이 그 적정 범위 하한치를 밑돌지 않도록 설정된다. 축전 회로 출력 하한치(Pbomin)는 커패시터의 충전 전류가 그 적정 범위의 상한치를 넘지 않고, 또한 커패시터의 충전율이 그 적정 범위 상한치를 웃돌지 않도록 설정된다.
축전 회로 출력 목표치 결정 블록(33C)에, 충전율로부터 축전 회로 출력 목표치(Pbot)를 산출하기 위한 맵 또는 변환 테이블이 기억되어 있다. 축전 회로 출력 목표치 결정 블록(33C)은, 충전율에 근거하여 축전 회로 출력 목표치(Pbot)를 결정한다. 결정된 축전 회로 출력 목표치(Pbot)는 동력 분배 블록(35)에 입력된다.
이하, 축전 회로 출력 목표치(Pbot)의 산출 방법의 일례에 대해 설명한다. 축전 회로(90)의 커패시터에 충전율의 목표치가 정해져 있다. 축전 회로 출력 목표치(Pbot)는 실제 충전율이 충전율의 목표치에 가까워지도록 결정된다. 예를 들면, 실제 충전율이 충전율의 목표치보다 높은 경우에는 커패시터를 방전시키는 것이 바람직하기 때문에, 축전 회로 출력 목표치(Pbot)는 정이 된다. 반대로, 실제 충전율이 충전율의 목표치보다 낮은 경우에는 커패시터를 충전하는 것이 바람직하기 때문에, 축전 회로 출력 목표치(Pbot)는 부가 된다. 축전 회로 출력 목표치(Pbot)의 절대치는 충전율의 목표치를 기준으로 했을 때의 실제 충전율의 편차에 비례한다.
동력 분배 블록(35)은 전기 부하 출력 지령치(Peo), 유압 부하 출력 지령치(Pho), 축전 회로 출력 지령치(Pbo) 및 전동 발전기 출력 지령치(Pao)를 결정한다. 도 4~도 7을 참조하여 이 지령치들의 결정 방법에 대해 설명한다.
도 4는 전기 부하 출력 요구치(Per)와 전기 부하 출력 지령치(Peo)의 관계를 나타낸다. 전기 부하 출력 요구치(Per)가 엔진 출력 상한치(Pgomax)와 축전 회로 출력 상한치(Pbomax)의 합계치(Peomax)보다 큰 경우, 전기 부하 출력 지령치(Peo)를 이 합계치(Peomax)와 동일하게 한다. 즉,
Peo=Pgomax+Pbomax
로 한다. 이것은, 전기 부하 출력 지령치(Peo)가 엔진(11)과 축전 회로(90)로부터 끌어낼 수 있는 최대 파워를 넘지 않는 것을 의미한다.
전기 부하 출력 요구치(Per)가 엔진 출력 하한치(Pgomin)로부터 유압 부하 출력 요구치(Phr)와 축전 회로 출력 하한치(Pbomin)의 절대치를 뺀 값(Peomin)보다 작은 경우에는, 전기 부하 출력 지령치(Peo)를 이 값(Peomin)과 동일하게 한다. 즉,
Peo=Pgomin-Phr+Pbomin
으로 한다. Pbomin은 부의 값이기 때문에, 상기 식에 있어서 Pbomin에 붙은 연산자는 「+」(플러스)이다. 이 식은 엔진(11)으로부터 내는 동력이 가장 작아지도록 엔진(11)을 작동시킨 상태로, 선회용 전동기(21)의 발전 전력이 유압 부하 출력 요구치(Phr)와 축전 회로(90)에 공급할 수 있는 전력의 상한치의 합계치를 넘지 않는 것을 의미한다.
전기 부하 출력 요구치(Per)가 Peomax와 Peomin의 사이인 경우, 전기 부하 출력 지령치(Peo)를 전기 부하 출력 요구치(Per)와 동일하게 한다. 즉,
Peo=Per
로 한다. 이 식은, 전기 부하에 대해, 요구대로의 출력이 확보되는 것을 의미한다.
도 5는 유압 부하 출력 요구치(Phr)와 유압 부하 출력 지령치(Pho)의 관계를 나타낸다. 유압 부하 출력 요구치(Phr)가 엔진 출력 상한치(Pgomax)와 축전 회로 출력 상한치(Pbomax)의 합계치로부터 전기 부하 출력 지령치(Peo)를 뺀 값(Phomax)을 넘었을 경우, 유압 부하 출력 지령치(Pho)를 이 값(Phomax)과 동일하게 한다. 즉,
Pho=Pgomax+Pbomax-Peo
로 한다. 이것은, 유압 부하 출력 지령치(Pho)가 엔진(11)과 축전 회로(90)로부터 끌어낼 수 있는 최대 파워로부터 이미 결정된 전기 부하 출력 지령치(Peo) 만큼의 파워를 뺀 나머지 파워를 넘지 않는 것을 의미한다.
유압 부하 출력 요구치(Phr)가 Phomax 이하인 경우, 유압 부하 출력 지령치(Pho)를 유압 부하 출력 요구치(Phr)와 동일하게 한다. 즉,
Pho=Phr
로 한다. 이것은, 유압 부하에 대해, 요구대로의 출력이 확보되는 것을 의미한다.
도 6(A) 및 도 6(B)는 축전 회로 출력 목표치(Pbot)와 축전 회로 출력 지령치(Pbo)의 관계를 나타낸다. 도 4에 나타낸 그래프에 근거하여 결정된 전기 부하 출력 지령치(Peo)와 도 5에 나타낸 그래프에 근거하여 결정된 유압 부하 출력 지령치(Pho)의 합계치로부터 엔진 출력 하한치(Pgomin)를 뺀 값을 Pbomax1로 한다. 전기 부하 출력 지령치(Peo)와 유압 부하 출력 지령치(Pho)의 합계치로부터 엔진 출력 상한치(Pgomax)를 뺀 값을 Pbomin1로 한다.
도 6(A)는, Pbomax1이 도 3(B)의 축전 회로 출력 범위 결정 블록(33B)에서 결정된 축전 회로 출력 상한치(Pbomax)보다 작고, 또 Pbomin1이 축전 회로 출력 하한치(Pbomin)보다 큰 경우를 나타낸다. 축전 회로 출력 목표치(Pbot)가 Pbomax1을 넘었을 경우, 축전 회로 출력 지령치(Pbo)를 Pbomax1과 동일하게 한다. 이것은, 축전 회로(90)로부터 끌어낼 수 있는 전력이 충분히 크기 때문에, 엔진(11)을 그 출력 하한치(Pgomin)로 동작시켜 축전 회로(90)로부터 여분의 전력은 끌어내지 않는 것을 의미한다. 축전 회로 출력 목표치(Pbot)가 Pbomin1을 밑돌았을 경우, 축전 회로 출력 지령치(Pbo)를 Pbomax1과 동일하게 한다. 이것은, 축전 회로(90)의 충전율이 충분하지 않기 때문에, 엔진(11)을 그 출력 상한치(Pgomax)로 작동시켜 축전 회로(90)에 전력을 공급하는 것을 의미한다.
축전 회로 출력 목표치(Pbot)가 Pbomax1과 Pbomin1의 사이인 경우에는, 축전 회로 출력 지령치(Pbo)를 축전 회로 출력 목표치(Pbot)와 동일하게 한다. 이것에 의해 축전 회로(90)의 충전율을 충전율의 목표치에 접근시킬 수 있다.
도 6(B)는, Pbomax1이 도 3(B)의 축전 회로 출력 범위 결정 블록(33B)에서 결정된 축전 회로 출력 상한치(Pbomax)보다 크고, 또한 Pbomin1이 축전 회로 출력 하한치(Pbomin)보다 작은 경우를 나타낸다. 이 경우에는 축전 회로 출력 지령치(Pbo)가 도 3(B)에 나타낸 축전 회로 출력 범위 결정 블록(33B)에서 결정된 적정 범위에 들어가도록 축전 회로 출력 지령치(Pbo)의 상하한치가 제한된다.
이와 같이 축전 회로 출력 지령치(Pbo)의 상한은, Pbomax와 Pbomax1 중 작은 쪽의 값으로 제한되고, 하한은 Pbomin와 Pbomin1 중 큰 쪽의 값으로 제한된다.
도 7(A) 및 도 7(B)는 전동 발전기 출력 지령치(Pao)의 결정 방법을 나타내는 선도이다. 도 3(A)로부터,
Pbo=Pao+Peo
가 성립하는 것을 알 수 있다. 축전 회로 출력 지령치(Pbo) 및 전기 부하 출력 지령치(Peo)가 결정되면, 상기 식으로부터 전동 발전기(12)의 출력(Pao)이 산출된다.
도 7(A)에 나타낸 것 같이, 축전 회로 출력 지령치(Pbo)가 전기 부하 출력 지령치(Peo)보다 큰 경우, 잉여 전력으로 전동 발전기(12)를 어시스트 동작시켜 동력(Pao)을 출력한다. 도 7(B)에 나타낸 것 같이, 축전 회로 출력 지령치(Pbo)가 전기 부하 출력 지령치(Peo)보다 작은 경우, 부족 전력을 공급하기 위해서 전동 발전기(12)를 발전 동작시켜 전력(Pao)을 출력한다.
도 8에 엔진(11) 및 전동 발전기(12)의 제어계의 블록도를 나타낸다. 토크 전달기(13)가, 엔진(11)이 발생시키는 토크(Te)와 전동 발전기(12)가 발생시키는 토크(Ta)의 N배를 서로 더한다. 여기서 N은 토크 전달기(13)의 감속비이다. 엔진(11)이 발생시키는 토크(Te)와 전동 발전기(12)가 발생시키는 토크(Ta)의 합계 토크로 회전하는 회전축의 회전 속도를 속도 센서(40)가 측정한다. 도 8의 1/Js의 블록은 관성 모멘트 J의 관성체에 대해 토크를 더하고 발생된 가속도가 적분되어 속도로 변환되는 상태를 연속계의 물리 모델로서 표현하고 있다.
전동 발전기(12)에 장착된 속도 센서(41)도 합계 토크로 회전하는 회전축의 회전 속도를 측정한다. 단, 속도 센서(41)는 감속비(N) 배(倍)가 된 회전 속도를 측정하고 있다.
제어장치(30)에 엔진(11)에 대한 속도 지령치(Ri)가 기억되어 있다. 엔진 컨트롤러(45)의 속도 제어 블록(46)이 속도 지령치(Ri)를 기준으로 했을 때의, 엔진(11)의 회전 속도 실측치(Re)의 편차에 근거하여 필요한 토크를 산출한다. 필요한 토크의 산출에는 예를 들면 PID 제어가 이용된다. 분사량 산출 블록(47)이 필요한 토크에 근거하여 연료 분사량(Se)을 결정한다. 필요한 토크가 허용 상한치(토크 리미트)를 넘는 경우에는, 연료 분사량(Se)이 허용 상한치를 넘지 않도록 제한된다. 연료 분사량(Se)을 제한하는 제어를 「토크 리미트 제어」라고 한다. 결정된 연료 분사량(Se)에 근거하여 엔진(11)이 제어된다.
제어장치(30)의 동력 분배 블록(35)이 도 3(B)에 나타낸 것 같이 전동 발전기(12)의 출력 지령치(Pao)를 산출한다. 속도 센서(41)로 측정된 전동 발전기(12)의 회전 속도 실측치(Ra)와 출력 지령치(Pao)로부터 전동 발전기(12)의 토크 지령치(Tat0)가 산출된다. 통상의 상태에서는, 토크 지령치(Tat0)가 토크 제어 블록(52)에 입력된다. 토크 제어 블록(52)은 전동 발전기(12)가 발생시키는 토크가 토크 지령치(Tat0)가 되도록 전동 발전기(12)를 제어한다. 또한 도 8에서는 도 2에 나타낸 인버터(18)를 생략하고 있다.
제어 방법 판정 블록(51)에 속도 지령치(Ri), 엔진(11)의 회전 속도 실측치(Re) 및 연료 분사량(Se)이 입력된다. 제어 방법 판정 블록(51)은, 이러한 정보에 근거하여 전동 발전기(12)의 제어 방법을 토크 제어로 해야 할 것 인가, 속도 제어로 해야 할 것인가를 판정한다.
속도 제어 블록(50)이, 속도 지령치(Ri)의 감속비(N) 배를 기준으로 했을 때의, 전동 발전기(12)의 회전 속도 실측치(Ra)의 편차에 근거하여, 토크 지령치(Tat1)를 산출한다. 토크 지령치(Tat1)는 예를 들면, 이하의 식에 의해 산출된다.
Tat1=K×Ri×N-Ra)+T0
여기서 K는 비례상수이며, T0는 토크의 초기치이다. 회전 속도 실측치(Ra)가 속도 지령치(Ri)의 감속비(N) 배보다 작은 경우, 편차가 커짐에 따라, 토크 지령치(Tat1)가 커진다.
전환 블록(53)이 제어 방법 판정 블록(51)으로부터의 지령에 의해 토크 지령치(Tat0 및 Tat1) 중 한쪽을, 토크 제어 블록(52)에 입력한다.
제어 방법 판정 블록(51)은, 제어 방법을 토크 제어로 해야 한다고 판정했을 경우에는, 토크 지령치(Tat0)가 토크 제어 블록(52)에 주어지도록 전환 블록(53)을 제어한다. 이 때, 전동 발전기(12)는 토크 제어된다. 제어 방법을 속도 제어로 해야 한다고 판정했을 경우에는, 토크 지령치(Tat1)가 토크 제어 블록(52)에 주어지도록 전환 블록(53)을 제어한다. 이 때, 전동 발전기(12)는 속도 제어된다. 이와 같이 전동 발전기(12)의 제어 방법을 전환할 수 있다.
상기 식의 토크의 초기치(T0)로서, 예를 들면 제어 방법이 토크 제어에서 속도 제어로 전환된 시점에 있어서의 토크 지령치(Tat0)를 채용할 수 있다.
도 9에 엔진(11)의 회전 속도 실측치(Re)와 발생 토크(Te)의 시각력의 일례를 나타낸다. 시각(t1)까지 엔진(11)이 거의 무부하 상태로 운전되고 있다. 엔진(11)의 회전 속도 실측치(Re)는 속도 지령치(Ri)와 일치한다. 이 때, 전동 발전기(12)는 토크 제어되고 있다. 유압 부하가 커져 시각(t1)에 있어서 엔진(11)에 부하가 발생하면, 회전 속도 실측치(Re)가 저하한다. 동시에 엔진 컨트롤러(45)의 속도 제어 블록(46)의 제어에 의해 엔진(11)이 발생시키는 토크(Te)가 상승한다. 부하가 큰 경우에는, 시각(t2)에 있어서 토크 리미트 제어가 개시된다. 토크 리미트 제어가 개시된 시각(t2) 이후는 유압 부하의 상승에도 불구하고 엔진(11)의 토크(Te)는 거의 상승하지 않는다.
시각(t3)에 있어서, 회전 속도 실측치(Re)가, 속도 제어 개시 임계치(Re0)까지 저하한다. 제어 방법 판정 블록(51)이 회전 속도 실측치(Re)가 속도 제어 개시 임계치(Re0)까지 저하한 것을 검출하면, 제어 방법을 토크 제어로부터 속도 제어로 전환한다. 전동 발전기(12)가 속도 제어되는 것에 의해 회전 속도 실측치(Re)가 속도 지령치(Ri)를 향해 상승하기 시작한다.
엔진(11)에 요구되는 토크가 작아지면, 속도 제어 블록(46)에서 결정되는 필요 토크가 저하하여 토크 리미트 제어가 해제된다. 이하, 토크 리미트 제어가 해제되는 과정에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
엔진(11)의 부하 토크가 토크 리미트 제어 개시의 토크를 밑돌면, 속도 제어되고 있는 전동 발전기(12)가 발생시킨 토크는 엔진(11)의 부하 토크를 보조하기 위해서 사용되는 것이 아니라, 엔진(11)의 회전수를 속도 지령치(Ri)로 복귀시키기 위해서 사용되게 된다. 이 때문에, 엔진(11)의 회전 속도 실측치(Re)가 속도 지령치(Ri)에 접근한다. 이것에 의해 속도 제어 블록(46)에서 결정된 필요 토크가 저하하고, 토크 리미트 제어가 해제된다.
도 9에서는, 시각(t4)에 있어서 엔진(11)의 부하 토크가 저하하기 시작하는 것에 의해 엔진(11)이 발생시키는 토크(Te)가 저하하기 시작한다.
시각(t5)에 있어서, 엔진(11)이 발생시키는 토크(Te)가 속도 제어 해제 임계치(Te0)까지 저하한다. 제어 방법 판정 블록(51)은 토크(Te)가 속도 제어 해제 임계치(Te0)까지 저하한 것을 검출하면, 제어 방법을 속도 제어로부터 토크 제어로 되돌린다. 또한 제어 방법 판정 블록(51)은 연료 분사량(Se)으로부터 엔진(11)이 발생시키는 토크(Te)를 산출할 수 있다.
속도 제어 해제 임계치(Te0)로서, 예를 들면 엔진(11)의 정격 최대 토크보다 조금 작은 값, 예를 들면 정격 최대 토크보다 50Nm만큼 작은 값을 채용할 수 있다.
동력 분배 블록(35)은 엔진(11)의 속도 제어가 정상적으로 행해지고 있는 것을 전제로 하여, 전동 발전기(12)의 출력 지령치(Pao)를 산출한다. 이 출력 지령치(Pao)에 근거하여 결정된 토크 지령치(Tat0)도, 엔진(11)의 속도 제어가 정상적으로 행해지고 있는 것을 전제로 하고 있다. 따라서 토크 리미트 제어가 개시되고 있는 경우나 엔진(11)의 회전 속도 실측치(Re)가 과도적으로 속도 지령치(Ri)로부터 큰 폭으로 저하했을 경우에는, 토크 지령치(Tat0)가 엔진(11)의 회전 속도를 속도 지령치(Ri)로 유지하기 위한 적정한 값이라고는 할 수 없다.
실시예와 같이, 전동 발전기(12)의 제어 방법을 속도 제어로 전환하는 것에 의해 전동 발전기(12)의 발생 토크(Ta)를 크게 하여, 엔진 스톨하는 일 없이 엔진(11)의 회전 속도 실측치(Re)를 속도 지령치(Ri)의 근방까지 되돌릴 수 있다.
엔진(11)의 속도 제어가 적절히 행해지고 있는 경우에, 전동 발전기(12)를 속도 제어하면, 엔진(11)의 회전 속도 실측치(Re)가 저하할 때마다, 전동 발전기(12)가 어시스트 운전되게 된다. 어시스트 운전을 행하여 축전 회로(90)에 축적되어 있는 전기 에너지(커패시터의 충전율 SOC)가 저하하면, 도 3(B)에 나타낸 축전 회로 출력 목표치 결정 블록(33C)이 산출하는 축전 회로 출력 목표치(Pbot)가 부(충전의 지령)가 된다. 이것에 의해 전동 발전기(12)가 발전 운전되어 축전 회로(90)에 전력이 공급된다. 이와 같이, 필요 없는 어시스트 운전에 의해 축전 회로(90)로부터의 전력의 취출과 축전 회로(90)에 대한 전력의 공급이 반복되게 되어 효율이 저하한다.
이에 반해, 전동 발전기(12)를 토크 제어하면, 엔진(11)이 발생시키는 토크에 여유가 있을 때는 도 3(B)에 나타낸 제어 장치(30)의 기능에 의해 전동 발전기(12)가 발전 운전된다. 엔진(11)의 속도 제어가 적절히 행해지고 있는 경우에는 전동 발전기(12)를 토크 제어하는 것에 의해 축전 회로(90)로부터의 전력의 취출과, 축전 회로(90)에 대한 전력의 공급이 반복되는 것에 의한 손실의 발생을 방지할 수 있다.
도 10에, 엔진(11)의 회전 속도 실측치(Re)와 발생 토크(Te)의 시각력의 다른 일례를 나타낸다. 도 9에서는 제어 방법을 토크 제어에서 속도 제어로 전환하는 계기를 회전 속도 실측치(Re)의 변화로부터 검출했다. 도 10에 나타낸 예에서는, 엔진(11)의 토크 리미트 제어가 개시된 것을 계기로 하여 제어 방법을 토크 제어에서 속도 제어로 전환한다. 이 때문에, 토크 리미트 제어가 개시된 시각(t2)에서 속도 제어가 개시된다. 회전 속도 실측치(Re)는 시각(t2)에서 상승하기 시작한다.
시각(t4)에 있어서, 토크 리미트 제어가 해제되는 것을 계기로 하여, 제어 방법을 속도 제어로부터 토크 제어로 되돌린다.
도 10에 나타낸 예에서도, 시각(t2) 이후 제어 방법을 속도 제어로 전환하는 것에 의해, 엔진 스톨 하는 일 없이 엔진(11)의 회전 속도 실측치(Re)를 속도 지령치(Ri)의 근방까지 되돌릴 수 있다.
이어서, 도 11(A) 및 도 11(B)를 참조하여 제어장치(30)의 구체적인 구성예에 대해 설명한다. 제어장치(30)는 주로 동력 및 전력의 분배 비율을 산출하는 전체 제어 모듈(30A)과, 전동 발전기(12)의 제어를 하는 서보 제어 모듈(30B)로 구성된다. 또한 도 11(A) 및 도 11(B)에서는 도 2에 나타낸 인버터(18)를 생략하고 있다.
도 11(A)에 나타낸 예에서는, 속도 지령치(Ri)를 기준으로 했을 때의 회전 속도 실측치(Ra)의 편차의 산출 기능, 속도 제어 블록(50), 전환 블록(53) 및 토크 제어 블록(52)의 기능이 서보 제어 모듈(30B)에서 실현된다. 서보 제어 모듈(30B)의 연산 주기가 전체 제어 모듈(30A)의 연산 주기보다 충분히 짧은 경우, 이 구성이 유효하다. 서보 제어 모듈(30B)의 연산 주기가 짧기 때문에, 전동 발전기(12)의 회전 속도 실측치(Ra)의 변동에 즉시 추종하여 속도 제어를 행할 수 있다.
도 11B에 나타낸 예에서는, 속도 지령치(Ri)를 기준으로 했을 때의 회전 속도 실측치(Ra)의 편차의 산출 기능, 속도 제어 블록(50) 및 전환 블록(53)의 기능이 전체 제어 모듈(30A)에서 실현된다. 이 구성에서는, 전동 발전기(12)를 토크 제어하는 종래의 서보 제어 모듈(30B)을 그대로 이용할 수 있다.
이상 실시예에 따라 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이들에 제한되는 것이 아니다. 예를 들면, 여러 가지의 변경, 개량, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명할 것이다.
1: 하부 주행체 1A, 1B: 유압 모터
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: 토크 전달기
14: 메인 펌프(외부 부하) 15: 파일럿 펌프
16: 고압 유압 라인 17: 컨트롤 밸브
18: 인버터 19: 커패시터
21: 선회용 전동기 22: 리졸버
23: 메카니컬 브레이크 24: 감속기
25: 파일럿 라인 26: 조작 장치
27, 28: 유압 라인 29: 압력 센서
30: 제어장치 30A: 전체 제어 모듈
30B: 서보 제어 모듈 32: 엔진 출력 범위 결정 블록
33A: SOC 산출 블록 33B: 축전 회로 출력 범위 결정 블록
33C: 축전 회로 출력 목표치 결정 블록
35: 동력 분배 블록 40, 41: 속도 센서
45: 엔진 컨트롤러 46: 속도 제어 블록
47: 분사량 결정 블록 50: 속도 제어 블록
51: 제어 방법 판정 블록 52: 토크 제어 블록
53: 전환 블록 90: 축전 회로

Claims (4)

  1. 연료의 연소에 의해 토크를 발생시키는 엔진과,
    발전 동작과 어시스트 동작을 선택적으로 행할 수 있는 전동 발전기와,
    상기 엔진의 부하가 되는 외부 부하와,
    상기 엔진의 토크, 상기 전동 발전기의 토크 및 상기 외부 부하에 인가되는 토크를 서로 주고 받는 토크 전달기와,
    상기 엔진의 회전 속도를 측정하는 속도 센서와,
    상기 엔진 및 상기 전동 발전기를 제어하는 제어장치
    를 가지고,
    상기 제어장치는,
    상기 엔진의 속도 제어의 목표치가 되는 속도 지령치를 기억하고,
    상기 외부 부하에 요구되는 동력에 근거하여, 상기 전동 발전기에 발생시키는 토크를 산출하고, 상기 전동 발전기를 토크 제어하고,
    상기 속도 센서로 측정된 회전 속도와, 상기 속도 지령치의 차분에 근거하여, 상기 전동 발전기를 속도 제어하고,
    상기 전동 발전기를 토크 제어하는 제어 상태와 속도 제어하는 제어 상태를 전환할 수 있는 하이브리드형 작업기계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 전동 발전기의 회전 속도에 근거하여 상기 전동 발전기의 제어 상태를 전환하는 하이브리드형 작업기계.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진은, 발생시켜야 할 토크가 허용 제한치를 넘었을 때, 토크 리미트 제어되고,
    상기 제어장치는, 상기 엔진의 토크 리미트 제어가 개시된 것을 계기로 하여, 상기 전동 발전기의 제어 상태를 토크 제어에서 속도 제어로 전환하는 하이브리드형 작업기계.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 엔진의 토크 리미트 제어가 해제된 것을 계기로 하여 상기 전동 발전기의 제어 상태를 속도 제어에서 토크 제어로 전환하는 하이브리드형 작업기계.
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