KR20110102396A - 하이브리드식 건설기계의 난기방법 및 하이브리드식 건설기계 - Google Patents

하이브리드식 건설기계의 난기방법 및 하이브리드식 건설기계 Download PDF

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Abstract

축전기를 가지는 하이브리드식 건설기계를 저온환경에서 시동할 때, 먼저 엔진의 이그니션 키를 온하여 엔진을 구동하고, 축전기의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 때에, 엔진의 구동에 의하여 축전기를 가열한다. 축전기의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 때에 엔진을 작동시켜서 난기(暖機; 웜업)운전을 행함과 함께, 전동발전기를 작동시켜서 축전기를 충방전시킴으로써, 축전기를 발열시킨다.

Description

하이브리드식 건설기계의 난기방법 및 하이브리드식 건설기계{Warm-up method for hybrid construction machine, and hybrid construction machine}
본 발명은 건설기계에 관한 것으로서, 특히 하이브리드식 건설기계의 난기(暖機; 웜업)방법에 관한 것이다.
건설기계는 유압구동인 것이 많다. 유압구동식 건설기계의 한 예로서, 예컨대 유압쇼벨이 있다. 유압쇼벨에서는, 일반적으로, 쇼벨의 구동, 상부선회체의 선회, 및 하부주행체의 주행을, 유압 액츄에이터(유압실린더, 유압모터)를 이용하여 행하고 있다. 유압 액츄에이터에 공급하는 유압은, 엔진을 구동원으로 하는 유압펌프에 의하여 발생되는 경우가 많다. 이 경우, 유압 액츄에이터의 출력은 엔진의 출력에 의하여 정하여진다.
유압쇼벨의 작업은, 엔진의 능력에 대하여 항상 100%의 능력을 필요로 하는 작업뿐만 아니라, 예컨대, 90%, 80%의 능력을 내면 되는 작업이 많다. 따라서, 유압쇼벨의 동작모드를 작업부하에 따라 바꿈으로써, 상이한 작업부하의 각각에 있어서 최적의 엔진출력제어를 행하여, 엔진을 효율적으로 구동시켜 연비를 향상시키는 것이 행하여지고 있다.
예컨대, 엔진의 최대출력에 상당하는 부하작업을 행하는 “고(高)부하 모드”와, 통상의 부하작업을 행하는 “통상부하 모드”와, 경(輕)부하작업을 행하는 “저(低)부하 모드”라는 식으로 상이한 작업모드를 설정 가능하게 한다. 그리고, 각 작업모드에 있어서, 유압 액츄에이터를 구동하기 위하여 유압펌프가 필요로 하는 구동토크가 엔진의 출력토크에 동일하여지도록 등(等)마력 제어를 행하여, 엔진의 출력을 유효하게 활용하여 연비의 향상을 도모한다.
일반적으로, 유압쇼벨에는, “고부하 모드”에 있어서의 출력과 동일한 최대출력을 가지는 엔진이 탑재된다. 그러나, “고부하 모드”에서의 운전은 “통상부하 모드”에서의 운전보다 훨씬 적다. 이로 인하여, 유압쇼벨을 “통상부하 모드”로 운전하고 있을 때에는, 엔진의 출력에는 여유가 있다. 바꾸어 말하면, “통상부하 모드”에서의 운전에 대하여 여분의 출력을 가지는 큰 엔진이 탑재되어 있는 것이 된다.
최근, 상기 서술한 유압쇼벨을 포함한 유압구동식 건설기계에 있어서 엔진을 소형화하여 연료소비량을 저감시키고자 하는 요망이 있다. 단순히 엔진을 소형화하면, “고부하 모드”에서의 운전시에 충분한 유압출력을 얻을 수 없다. 따라서, 엔진과, 엔진에 의하여 구동되는 발전기와, 발전기에 의하여 충전되는 배터리와, 배터리의 전력에 의하여 구동되는 전동기를 구비한 이른바 하이브리드식 건설기계가 개발되고 있다(예컨대, 일본 특허공개 평10-103112호 공보 참조.).
하이브리드식 건설기계가 행하는 작업은 주로 옥외에서 행하는 작업이며, 하이브리드식 건설기계는 다양한 환경하에서 운전된다. 예컨대, 한랭지에 있어서 하이브리드식 건설기계를 운전할 때에는, 시동시에 엔진이 차가워져 있으므로 엔진이 어느 정도 따뜻하여질 때까지 난기(暖機; 웜업)운전이 행하여진다.
하이브리드식 건설기계에서는, 작업용의 동력(즉 유압펌프를 구동하는 동력)을 엔진으로부터 얻을 뿐만 아니라, 예컨대 어시스트 모터(전동기 또는 전동발전기)로부터도 얻고 있는 경우도 있다. 어시스트 모터는 축전기(배터리)로부터의 전력으로 구동된다. 여기서, 엔진의 난기운전이 필요한 저온환경에 있어서는, 축전기의 내부저항이 커져서, 저온상태에서는 방전전류가 저하되어 축전기로부터 충분한 전력을 얻을 수 없을 우려가 있다.
또한, 저온환경에 있어서 축전기를 충전할 때, 축전기의 내부저항이 크기 때문에, 충분한 충전전류를 축전기에 공급하고자 하면 충전전압을 매우 높게 하여야 한다는 사태가 발생한다. 예컨대 축전기로서 커패시터를 이용한 경우, 충전전류를 작게 하여 손실을 적게 하기 위하여, 통상의 온도에 있어서 일반적으로 충전전압이 고(高)전압이 되도록 제어하고 있다. 그런데, 저온환경에 있어서 내부저항이 매우 커진 축전기에 충분한 충전전류를 공급하고자 하면, 내부저항이 크기 때문에 충전전압이 최대치를 넘어 과대가 되어, 제어 불가능하게 될 우려가 있다.
이상과 같은 문제가 생길 우려가 있기 때문에, 하이브리드식 건설기계를 저온환경에 있어서 운전하기 위하여 난기운전할 때에는, 엔진의 난기운전을 행할 뿐만 아니라 축전기도 따뜻하게 하여 내부저항을 낮춰 두는 것이 바람직하다. 즉, 엔진의 난기운전이 필요한 저온환경에 있어서 하이브리드식 건설기계를 운전할 때에는, 축전기의 난기운전도 행하여 축전기를 미리 따뜻하게 하여 두는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 서술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 효율적으로 또한 신속히 축전기를 따뜻하게 할 수 있는 하이브리드식 건설기계의 난기방법 및 하이브리드식 건설기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 엔진의 이그니션 키를 온하여 그 엔진을 구동하고, 축전기의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 때에, 상기 엔진의 구동에 의하여 상기 축전기를 가열하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 난기(暖機; 웜업)방법이 제공된다.
상기 서술한 하이브리드식 건설기계의 난기방법에 있어서, 축전기의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 때에 엔진을 작동시켜서 난기운전을 행함과 함께, 전동발전기를 작동시켜서 상기 축전기를 충방전시킴으로써, 그 축전기를 발열시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 서술한 하이브리드식 건설기계의 난기방법에 있어서, 그 축전기의 목표충전율을 변화시킴으로써, 그 충전기를 충방전시키는 것이 바람직하다. 그 축전기를 방전시킬 때에는 그 목표충전율을 낮게 설정하고, 그 축전기를 충전시킬 때에는 그 목표충전율을 높게 설정하는 것으로 하여도 좋다. 또한, 상기 서술한 하이브리드식 건설기계의 난기방법에 있어서, 전기부하가 요구하는 전력을 변화시킴으로써, 그 축전기를 충방전시키는 것으로 하여도 좋다. 또한, 그 축전기의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 때에 그 엔진을 작동시킴에 있어서, 그 엔진의 회전수를, 난기 후의 회전수보다 높게 설정하는 것으로 하여도 좋다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 서술한 하이브리드식 기계의 난기방법에 의하여 난기처리를 행하는 하이브리드식 건설기계로서, 전동발전기에 의하여 어시스트되는 엔진과, 그 전동발전기에 전력을 공급하는 축전기와, 전기부하인 전동기와, 그 엔진 및 그 전동기 중 적어도 일방과 그 축전기를 접속시키는 통로를 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계가 제공된다.
상기 서술한 하이브리드식 건설기계에 있어서, 그 축전기의 온도, 그 엔진의 배기온도, 및 그 전동기로부터 배출되는 공기의 온도에 근거하여, 그 차단기구의 개폐를 제어하는 제어부를 더욱 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 그 축전기 내의 공기를 외부에 배출하여 그 축전기를 냉각하는 냉각팬을 더욱 가지는 것이 바람직하다. 그 축전기의 온도, 그 엔진의 배기온도, 및 그 전동기로부터 배출되는 공기의 온도에 근거하여, 그 냉각팬의 작동을 제어하는 제어부를 더욱 가지는 것으로 하여도 좋다. 그 냉각팬은 셔터장착(셔터가 구비된) 팬인 것이 바람직하다. 또한, 그 통로를 개폐하는 차단기구를 더욱 구비하는 것으로 하여도 좋다.
본 발명에 의하면, 미리 축전기의 난기를 행함으로써, 내부저항이 큰 상태에서의 충방전 제어를 방지할 수 있으므로, 하이브리드식 건설기계의 안정된 운전을 행할 수 있다.
본 출원의 다른 목적, 특징 및 이점은, 첨부된 도면을 참조하면서 이하의 상세한 설명을 읽음으로써, 한층 명료하여질 것이다.
도 1은, 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은, 도 1에 나타내는 하이브리드식 쇼벨의 동력계를 모델화하여 나타내는 도면이다.
도 4는, 도 3에 나타내는 축전계의 블럭도이다.
도 5는, 배터리 난기처리의 플로우차트이다.
도 6은, 배터리 난기처리가 행하여지고 있을 때의 배터리의 충전율과 배터리에 흐르는 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 배터리 난기처리를 10분간 행하였을 때의 배터리의 충전율의 변화 및 온도변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 배터리 난기시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는, 엔진배기열을 이용한 배터리 난기처리의 플로우차트이다.
도 10은, 선회용 전동기의 발열을 이용한 배터리 난기처리의 플로우차트이다.
도 11은, 배터리 난기처리 중의 커패시터유닛 냉각용 팬의 제어처리 플로우차트이다.
본 발명에 의한 난기(暖機; 웜업)방법은, 하이브리드식 건설기계에 설치된 배터리 등의 축전기를 따뜻하게 하기 위하여 행하여진다. 하이브리드식 건설기계로서는, 배터리로부터의 전력에 의하여 구동되는 전동발전기(어시스트 모터)로 엔진을 어시스트하면서 유압펌프를 구동하고, 유압펌프에서 발생한 유압으로 작업을 행하는 하이브리드식 건설기계라면 어떠한 건설기계이더라도 좋다. 그러한 하이브리드식 건설기계로서, 예컨대, 파워쇼벨, 리프팅마그넷, 크레인, 휠 로더 등을 들 수 있다.
먼저, 본 발명이 적용되는 하이브리드식 건설기계의 한 예로서 하이브리드식 쇼벨에 대하여 설명한다.
도 1은 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다. 하이브리드식 쇼벨의 하부주행체(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부선회체(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 의하여 각각 유압구동된다. 또한, 상부선회체(3)에는, 캐빈(10) 및 동력원(도시하지 않음)이 탑재된다.
도 2는, 도 1에 나타내는 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계는 이중선, 고압 유압라인은 실선, 파일럿라인은 파선, 전기구동·제어계는 일점쇄선으로 각각 도시되어 있다.
기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 모두 증력기로서 기능하는 변속기(13)의 입력축에 접속되어 있다. 변속기(13)의 출력축에는, 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압 유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다. 여기서, 변속기(13)를 이용하지 않고, 엔진(11)과 전동발전기(12)를 직접 접속하도록 하여도 된다.
컨트롤밸브(17)는, 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 컨트롤밸브(17)에는, 하부주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)가 고압 유압라인을 통하여 접속된다.
전동발전기(12)에는, 인버터(18)를 통하여 축전기로서의 배터리(19)가 접속되어 있다. 배터리(19)에는, 인버터(20)를 통하여 선회용 전동기(21)가 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)는 하이브리드식 쇼벨에 있어서의 전기부하이다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메카니컬 브레이크(23), 및 선회 감속기(24)가 접속된다. 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 조작장치(26)에는, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 레버조작 검출부로서의 압력센서(29)가 각각 접속된다. 압력센서(29)는, 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 접속되어 있다.
이상의 구성을 가지는 하이브리드식 쇼벨은, 엔진(11), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21)를 동력원으로 하는 하이브리드식 건설기계이다. 이들 동력원은, 도 1에 나타내는 상부선회체(3)에 탑재된다. 이하, 각 부에 대하여 설명한다.
엔진(11)은, 예컨대, 디젤엔진으로 구성되는 내연기관으로서, 그 출력축은 변속기(13)의 일방의 입력축에 접속된다. 엔진(11)은, 건설기계의 운전 중에는 상시 운전된다.
전동발전기(12)는, 역행(力行)운전 및 발전(發電)운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 된다. 여기에서는, 전동발전기(12)로서, 인버터(18)에 의하여 구동되는 전동발전기를 나타낸다. 이 전동발전기(12)는, 예컨대, 자석이 로터 내부에 내장된 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터로 구성할 수 있다. 전동발전기(12)의 회전축은 변속기(13)의 타방의 입력축에 접속된다. 다만, 본 실시형태에서는 역행운전 및 발전운전의 쌍방이 가능한 전동발전기(12)를 이용하고 있지만, 역행운전을 행하는 전동기와 발전운전을 행하는 발전기를 변속기를 통하여 엔진(11)에 접속시키는 것으로 하여도 된다.
변속기(13)는, 2개의 입력축과 하나의 출력축을 가진다. 2개의 입력축에는, 엔진(11)의 구동축과 전동발전기(12)의 구동축이 각각 접속된다. 또한, 출력축에는 메인펌프(14)의 구동축이 접속된다. 전동발전기(12)의 역행운전과 발전운전의 전환은, 컨트롤러(30)에 의하여, 엔진(11)의 부하 등에 따라서 행하여진다.
메인펌프(14)는, 컨트롤밸브(17)에 공급하기 위한 유압을 발생시키는 유압펌프이다. 메인펌프(14)에서 발생한 유압은, 컨트롤밸브(17)를 통하여 유압부하인 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)의 각각을 구동하기 위하여 공급된다. 파일럿펌프(15)는, 유압조작계에 필요한 파일럿압을 발생시키는 펌프이다.
컨트롤밸브(17)는, 고압 유압라인을 통하여 접속되는 하부주행체(1)용의 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)의 각각에 공급하는 유압을 운전자의 조작입력에 따라서 제어함으로써, 이들을 유압구동제어하는 유압 제어장치이다.
인버터(18)는, 상기 서술한 바와 같이 전동발전기(12)와 축전계(120) 사이에 설치되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 전동발전기(12)의 운전제어를 행한다. 이로써, 인버터(18)가 전동발전기(12)의 역행(力行)을 운전제어하고 있을 때에는, 필요한 전력을 축전계(120)로부터 전동발전기(12)에 공급한다. 또한, 전동발전기(12)의 발전(發電)운전을 제어하고 있을 때에는, 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력을 축전계(120)에 충전한다.
축전기를 포함하는 축전계(120)는, 인버터(18)와 인버터(20) 사이에 배치되어 있다. 이로써, 전동발전기(12)와 선회용 전동기(21) 중 적어도 어느 일방이 역행운전을 행하고 있을 때에는, 역행운전에 필요한 전력을 공급하는 전원이다. 또한, 축전계(120)는, 전동발전기(12)와 선회용 전동기(21) 중 적어도 어느 일방이 발전운전 또는 회생운전을 행하고 있을 때에는, 발전운전 또는 회생운전에 의하여 발생한 전력을 전기에너지로서 축적한다. 본 실시형태에서는 축전계(120)의 축전기로서 커패시터(전기이중층 콘덴서)를 이용하는 것으로 하지만, 커패시터로 한정되지 않고, 반복 충방전 가능한 전지 또는 배터리라면 어떠한 전지이더라도 좋다.
인버터(20)는, 상기 서술한 바와 같이 선회용 전동기(21)와 축전계(120) 사이에 설치되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 선회용 전동기(21)에 대하여서 운전제어를 행한다. 이로써, 선회용 전동기(21)가 역행운전하고 있을 때에는, 필요한 전력이 배터리(19)로부터 선회용 전동기(21)에 공급된다. 또한, 선회용 전동기(21)가 회생운전을 하고 있을 때에는, 선회용 전동기(21)에 의하여 발전된 전력이 축전계(120)에 충전된다. 여기서, 도 2에서는 전동기를 선회용 전동기(21)로서 사용하고 있지만, 선회용 이외에도 사용하는 것이 가능하고, 또한, 축전계(120)에 복수의 전동기를 접속하여 제어하는 것도 가능하다.
선회용 전동기(21)는, 역행운전 및 회생운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 되고, 상부선회체(3)의 선회기구(2)를 구동하기 위하여 설치되어 있다. 역행운전시에는, 선회용 전동기(21)의 회전구동력의 회전력이 감속기(24)에서 증폭되고, 상부선회체(3)는 가감속 제어되면서 회전운동을 행한다. 또한, 상부선회체(3)의 관성회전에 의하여, 감속기(24)에서 회전수가 증대되어 선회용 전동기(21)에 전달되고, 회생전력을 발생시킬 수 있다. 여기에서는, 선회용 전동기(21)로서, PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라서 인버터(20)에 의하여 교류구동되는 전동기를 나타낸다. 이 선회용 전동기(21)는, 예컨대, 자석 내장형의 IPM 모터로 구성할 수 있다.
조작장치(26)는, 하이브리드식 쇼벨의 운전자가, 선회용 전동기(21), 하부주행체(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, 상부선회체(3)의 운전석 근방에 설치된다. 레버(26B)는, 붐(4) 및 버킷(6)을 조작하기 위한 레버이며, 운전석 근방에 설치된다. 또한, 페달(26C)은, 하부주행체(1)를 조작하기 위한 한 쌍의 페달이며, 운전석의 발 밑에 설치된다.
조작장치(26)는, 파일럿라인(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 통하여서 컨트롤밸브(17)에 공급됨과 함께, 압력센서(29)에 의하여 검출된다.
레버(26A 및 26B)와 페달(26C)의 각각이 조작되면, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 구동되고, 이로써, 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9) 내의 유압이 제어됨으로써, 하부주행체(1), 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)이 구동된다.
다만, 유압라인(27)은, 유압모터(1A 및 1B)를 조작하기 위하여 2개씩(즉 합계 4개), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)를 각각 조작하기 위하여 2개씩(즉 합계 6개) 설치되기 때문에, 실제로는 전부 8개 있지만, 설명의 편의상, 1개로 일괄하여 나타낸다.
레버조작 검출부로서의 압력센서(29)에서는, 레버(26A)의 선회조작에 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. 이로써, 레버(26A)의 선회조작량을 정확하게 파악할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 레버조작 검출부로서 압력센서를 이용하였지만, 레버(26A)의 선회조작량을 그대로 전기신호로 읽어들이는 센서를 이용하여도 된다.
컨트롤러(30)는, 하이브리드식 쇼벨의 구동제어를 행하는 제어장치이며, 엔진제어부(32), 및 구동제어장치(40)를 포함한다. 엔진제어부(32)는 엔진 운전시의 목표회전수의 설정이나, 회전수를 유지하기 위한 연료분사량의 제어를 행한다.
구동제어장치(40)는 압력센서(29), 인버터(18, 20) 및 리졸버(28) 등으로부터의 신호에 근거하여 선회용 전동기(21), 전동발전기(12) 및 메인펌프(14)의 출력제어를 행한다.
다음으로, 상기 서술한 하이브리드식 쇼벨의 구동제어에 대하여 설명한다.
도 3은 상기 서술한 하이브리드식 쇼벨의 동력계를 모델화하여 나타내는 도면이다. 도 3의 모델도에 있어서, 유압부하(54)는 유압에 의하여 구동되는 구성부품에 상당하고, 상기 서술한 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 패킷 실린더(9), 유압모터(1A, 1B)를 포함한다. 유압부하(54)에는, 유압펌프인 메인펌프(14)에서 발생한 유압이 공급된다. 엔진(11)은 유압펌프인 메인펌프(14)에 동력을 공급하여 구동한다. 즉, 엔진(11)이 발생한 동력은 메인펌프(14)에 의하여 유압으로 변환되어 유압부하(54)에 공급된다.
전기부하(56)는 전동모터나 전동 액츄에이터 등과 같이 전력으로 구동되는 구성부품에 상당하고, 상기 서술한 선회용 전동기(21)를 포함한다. 전기부하(56)에는 축전계(120)의 축전부로부터 컨버터를 통하여 전력이 공급되어 구동된다. 전기부하(56)가 구동되고 있는 경우를 역행운전이라고 한다. 전기부하(56)는, 예컨대 전동기겸 발전기와 같이 회생전력을 발생시킬 수 있기 때문에, 발생된 회생전력은 축전계(120)의 컨버터를 통하여 축전부에 공급되어 축적되거나, 혹은 컨버터를 통하여 전동발전기(12)에 공급되어 전동발전기(12)를 구동하는 전력이 된다.
축전계(120)는, 상기 서술한 바와 같이 전기부하(56)로부터의 회생전력에 의하여 충전된다. 또한, 전동발전기(12)가 엔진(11)으로부터의 동력을 받아 발전기로서 기능했을 경우, 전동발전기(12)가 발생시킨 전력을 축전계(120)에 공급하여 충전할 수도 있다. 본 실시형태에서는 축전계(120)의 축전부로서 커패시터(전기이중층 콘덴서)를 이용하는 것으로 한다.
도 4는, 축전계(120)의 내부의 상세도이다. 축전계(120)는, 일정전압 축전부로서의 DC버스(110), 축전 제어부로서의 승강압 컨버터(100)와 변동전압 축전부로서의 배터리(19)에 의하여 구성된다.
승강압 컨버터(100)는, 일측이 DC버스(110)를 통하여 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)에 접속됨과 함께, 타측이 배터리(19)에 접속되어 있고, DC버스전압치가 일정한 범위 내에 들도록 승압 또는 강압을 전환하는 제어를 행한다. 전동발전기(12)가 전동(어시스트) 운전을 행하는 경우에는, 인버터(18)를 통하여 전동발전기(12)에 전력을 공급할 필요가 있기 때문에, DC버스전압치를 승압할 필요가 있다. 한편, 전동발전기(12)가 발전운전을 행하는 경우에는, 발전된 전력을 인버터(18)를 통하여 축전계(120)의 배터리(19)에 충전할 필요가 있기 때문에, DC버스전압치를 강압할 필요가 있다. 이는, 선회용 전동기(21)의 역행운전과 회생운전에 있어서도 마찬가지이며, 또한, 전동발전기(12)는 엔진(11)의 부하상태에 따라서 운전상태가 전환되고, 선회용 전동기(21)는 상부선회체(3)의 선회동작에 따라서 운전상태가 전환되기 때문에, 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)에는, 어느 한 쪽이 전동(어시스트) 운전 또는 역행운전을 행하고, 어느 한 쪽이 발전운전 또는 회생운전을 행하는 상황이 생길 수 있다.
이로 인하여, 승강압 컨버터(100)는, 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)의 운전상태에 따라서, DC버스전압치를 일정한 범위 내에 들도록 승압동작과 강압동작을 전환하는 제어를 행한다.
DC버스(110)는, 인버터(18 및 20)와 승강압 컨버터(100) 사이에 배치되어 있고, 배터리(19), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21) 사이에서 전력의 수수(授受)가 가능하게 구성되어 있다.
DC버스전압검출부(111)는, DC버스전압치를 검출하기 위한 전압검출부이다. 검출되는 DC버스전압치는 컨트롤러(30)에 입력되고, 이 DC버스전압치를 일정한 범위 내에 들게 하기 위한 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하기 위하여 이용된다.
배터리전압검출부(112)는, 배터리(19)의 전압치를 검출하기 위한 전압검출부이며, 배터리의 충전상태를 검출하기 위하여 이용된다. 검출되는 배터리전압치는, 컨트롤러(30)에 입력되고, 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하기 위하여 이용된다.
배터리전류검출부(113)는, 배터리(19)의 전류치를 검출하기 위한 전류검출부이다. 배터리전류치는, 배터리(19)로부터 승강압 컨버터(100)에 흐르는 전류를 플러스의 값으로 하여 검출된다. 검출되는 배터리전류치는, 컨트롤러(30)에 입력되고, 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하기 위하여 이용된다.
이상과 같은 구성의 하이브리드식 쇼벨을, 한랭지에 있어서 예컨대 -30℃의 저온환경에서 운전할 때에는, 통상의 운전을 행하기 전에 난기(暖機; 웜업)운전을 행할 필요가 있다. 엔진(11)의 난기운전은, 엔진(11)을 무부하상태에서 소정 시간 운전하는 것이 일반적이다. 난기운전시에는, 빨리 따뜻하여지도록 엔진(11)의 회전수를 통상보다 높게 설정한다. 즉, 엔진(11)을 시동한 후 난기운전을 하고 있는 동안은, 난기 후의 통상의 회전수보다 높은 회전수로 엔진(11)을 운전하여, 엔진(11)의 온도가 통상운전의 온도로 신속히 상승하도록 제어한다.
엔진(11)의 난기운전이 종료되면, 엔진(11)에 의하여 메인펌프(14)를 구동하여 유압구동계의 난기운전이 행하여진다. 유압구동계의 난기운전이 종료되면, 통상의 작업모드로 이행할 수 있다. 그러나, 배터리(19)가 차가운 상태이면, 배터리(19)의 내부저항이 커지게 되어 있어, 충방전전류가 작아져 버린다. 이러한 상태로 통상의 작업을 행하면, 전동발전기(12)에 의한 어시스트가 불충분하게 되거나, 전기부하(56)로의 전력공급이 불충분하게 되어, 조작자가 의도한 작업을 행할 수 없게 될 우려가 있다. 또한, 배터리(19)를 충전할 때에, 배터리(19)의 내부저항이 높기 때문에 충전전압이 과도하게 커져서, 제어 불가능하게 될 우려도 있다.
따라서, 엔진(11)의 난기운전 및 유압구동계의 난기운전을 행함과 동시에, 배터리(19)의 난기도 행하는 것이 바람직하다. 이하에 설명하는 실시형태에서는, 배터리(19)의 내부발열을 이용함으로써 배터리(19)의 난기를 행한다. 즉, 배터리(19)의 온도가 낮을 때에, 배터리(19)를 강제적으로 충방전시킴으로써 내부발열시키고, 온도를 상승시켜 내부저항의 저감을 도모한다.
도 5는 본 실시형태에 의한 배터리 난기처리의 플로우차트이다. 도 5에 나타내는 배터리 난기처리는, 하이브리드식 유압쇼벨의 운전을 개시할 때에 실행된다.
먼저, 스텝 S1에 있어서, 배터리(19)를 구성하는 커패시터의 온도가 난기설정치(Tw) 이상인지, 난기설정치(Tw)보다 낮은지가 판정된다.
난기설정치(Tw)는, 커패시터의 내부저항에 근거하여 미리 설정되는 온도이며, 실용상 지장이 없는 충방전전류로 할 수 있는 온도이다. 배터리(19)를 구성하는 커패시터는, 난기 후의 통상의 운전에 있어서 충방전을 반복하면 온도상승하는 것이기 때문에, 배터리(19)의 난기운전이 종료된 시점에 있어서, 배터리(19)(커패시터)는 완전히 따뜻하여져 있을 필요는 없고, 실용상 지장이 없는 정도(운전조작에 지장을 초래하지 않는 정도)까지 따뜻하여져 있으면 된다.
다만, 상기 서술한 바와 같이, 배터리(19)를 구성하는 커패시터는, 난기 후의 통상의 운전에 있어서 충방전을 반복하면 온도상승하기 때문에, 통상의 운전시에는 온도상승을 억제하기 위하여 냉각할 필요가 있다. 배터리(19)의 냉각시스템이 설치되어 있는 경우는, 배터리(19)의 난기시에는 냉각시스템이 작동하지 않게 정지시켜 두는 것이 바람직하다.
스텝 S1에서 이용하는 배터리(19)의 온도로서는 실측치를 이용한다. 배터리(19)를 구성하는 커패시터는, 통상, 다수의 커패시터가 3차원 매트릭스 형상으로 정렬되어 배치된 커패시터유닛이다(이하, 배터리(19)를 커패시터유닛(19)이라고 부르는 경우도 있다). 따라서, 커패시터유닛(19)은 온도분포를 가지고 있기 때문에, 커패시터유닛(19) 중의 예컨대 4개의 커패시터에 서미스터 등의 온도센서를 장착하여 온도를 검출하고, 4개소의 온도의 평균을 구하여 커패시터유닛(19)의 온도로 한다. 커패시터유닛(19)의 내부(중앙 부분)에 위치하는 커패시터의 온도는, 커패시터유닛(19)의 외측 부분에 위치하는 커패시터의 온도보다 높아지므로, 이들의 평균온도를 얻을 수 있도록, 온도센서를 장착한 커패시터를 적당히 선정하면 된다. 혹은, 커패시터유닛(19)의 소정의 위치에 있어서의 온도와, 커패시터유닛(19)의 평균온도의 관계를 미리 조사하여 두고, 소정의 위치에 있어서의 온도를 검출하여 평균온도로 환산하여도 된다. 소정의 위치로서, 예컨대 커패시터유닛(19)의 외면의 중앙 부분이나, 커패시터유닛(19)의 전극단자 등을 선정하여도 좋다. 또한, 평균온도가 아니라, 가장 외측에 배치된 커패시터 온도의 실측치를 난기운전의 판단기준으로서 이용하여도 된다.
스텝 S1에 있어서, 배터리(19)의 온도가 난기설정치(Tw)보다 낮다고 판정되면, 처리는 스텝 S2로 진행된다. 스텝 S2에서는, 배터리(19)의 현재의 목표충전율(목표 SOC)이 고SOC로 설정되어 있는지, 저SOC로 설정되어 있는지가 판정된다.
고SOC란, 통상의 운전에 있어서 배터리(19)가 충분히 방전 가능하고 충전도 가능하도록 설정되는 목표충전율이다. 한편, 저SOC란, 통상의 운전에 있어서 설정되는 목표충전율(고SOC)보다 낮은 충전율이다.
스텝 S2에 있어서, 현재의 목표충전율이 고SOC로 설정되어 있다고 판정되면, 처리는 스텝 S3으로 진행된다. 스텝 S3에서는, 현재의 목표충전율을 저SOC로 설정한다. 즉, 스텝 S3에 있어서, 현재의 목표충전율을 고SOC로부터 저SOC로 전환한다.
한편, 스텝 S2에 있어서, 현재의 목표충전율이 저SOC로 설정되어 있다고 판정되면, 처리는 스텝 S4로 진행된다. 스텝 S4에서는, 현재의 목표충전율을 고SOC로 설정한다. 즉, 스텝 S4에 있어서, 현재의 목표충전율을 저SOC로부터 고SOC로 전환한다.
스텝 S3 또는 스텝 S4의 처리가 종료되면, 처리는 스텝 S5로 진행된다. 스텝 S5에 있어서, 미리 설정된 시간(예컨대 10초간)만큼 대기하고, 그 후 처리는 스텝 S1로 되돌아간다.
여기서, 스텝 S1~S5의 처리에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 스텝 S1에 있어서 배터리(19)의 온도가 난기설정치(Tw)보다 낮다고 판정되었을 때는, 배터리(19)의 온도가 낮아(저온에서의 시동시), 난기가 필요한 것을 의미한다. 그리고, 스텝 S2에 있어서 배터리(19)의 현재의 목표충전율(목표 SOC)이 고SOC로 설정되어 있다고 판정되었을 때는, 스텝 S3에 있어서 목표충전율이 고SOC로부터 저SOC로 변경된다. 배터리(19)의 현재의 충전율은 현재의 목표충전율(즉 고SOC)에 가까운 값이 되어 있을 것이기 때문에, 목표충전율이 저SOC로 변경되면, 현재의 충전율은 목표충전율(저SOC)보다 높아져, 배터리(19)가 방전하도록 제어가 행하여진다.
배터리(19)를 방전시키려면, 어시스트 모터(12)를 구동하거나, 전기부하(56)를 구동하면 된다. 본 실시형태에서는 배터리(19)로부터의 방전전류로 어시스트 모터(12)를 구동하는 것으로 한다. 이와 같이, 스텝 S1부터 스텝 S2를 거쳐 스텝 S3으로 진행되었을 경우, 배터리(19)로부터 방전하여 어시스트 모터(12)가 구동되고, 스텝 S5에 있어서 그 상태가 미리 설정된 시간 (예컨대, 10초간) 유지된다. 즉, 배터리(19)로부터의 방전이 10초간 행하여진다.
그 후, 처리는 스텝 S1로 되돌아가고, 또 스텝 S2로 진행되면, 이번에는, 배터리(19)의 현재의 목표충전율(목표 SOC)은 저SOC로 설정되어 있다고 판정된다. 따라서, 처리는 스텝 S4로 진행되고, 현재의 목표충전율이 저SOC로부터 고SOC로 변경된다. 배터리(19)의 현재의 충전율은 현재의 목표충전율(즉 저SOC)에 가까운 값이 되어 있을 것이기 때문에, 목표충전율이 고SOC로 변경되면, 현재의 충전율은 목표충전율(고SOC)보다 낮아져서, 배터리(19)를 충전하도록 제어가 행하여진다.
배터리(19)를 충전하려면, 어시스트 모터(12)를 엔진(11)의 구동에 의하여 발전시키거나, 전기부하(56)가 회생운전을 행하면 된다. 본 실시형태에서는 어시스트 모터(12)를 발전기로서 기능시켜서 발전함으로써 배터리(19)에 충전전류를 공급하는 것으로 한다. 이와 같이, 스텝 S1부터 스텝 S2를 거쳐 스텝 S4로 진행되었을 경우, 어시스트 모터(12)가 발전하여 배터리(19)가 충전되고, 스텝 S5에 있어서 그 상태가 미리 설정된 시간 (예컨대, 10초간) 유지된다. 즉, 배터리(19)로의 충전이 10초간 행하여진다.
이상의 처리를 반복함으로써, 배터리(19)의 방전과 충전이 10초간씩 반복된다. 도 6은 배터리 난기처리가 행하여지고 있을 때의 배터리(19)의 충전율과 배터리(19)에 흐르는 전류의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 6에 있어서, 목표충전율(실선으로 나타내는 목표 SOC)이 10초 마다 고SOC와 저SOC로 교대로 전환되고, 그에 따라 배터리(19)의 현재의 충전율(점선으로 나타내는 실(實) SOC)이 증감하는 것을 알 수 있다. 그리고, 배터리(19)에 흐르는 전류가 10초마다 충전전류와 방전전류가 되는 것을 알 수 있다.
도 7은 상기 서술한 스텝 S1~S5의 처리를 10분간 반복하였을 때의 충전율의 변화 및 배터리(19)의 온도변화를 나타내는 그래프이다. 실선으로 나타내는 목표충전율(목표 SOC)과 점선으로 나타내는 현재의 충전율(실 SOC)이 도 6에 나타낸 바와 같이 반복 변화하면, 배터리(19)의 온도는 서서히 상승하여 가는 것을 알 수 있다. 배터리(19)가 충방전을 반복함으로써 충방전전류가 커패시터(19)에 흘러 내부발열하고, 이로써 배터리(19)의 온도가 상승하는 것이다.
배터리(19)의 난기가 행하여질 때는, 엔진(11)도 차가워져 있으므로 난기운전된다. 엔진(11)의 난기운전시간은 통상 10분 정도이며, 이 동안에 배터리(19)의 온도도 충분히 상승하여 난기가 종료되고, 통상에 가까운 운전을 행할 수 있게 된다.
다만, 저온환경이 아닐 때는, 시동시에 배터리 난기제어가 개시되면, 스텝 S1에 있어서 배터리의 온도가 난기설정치(Tw) 이상이라고 판정되어, 처리는 스텝 S4로 진행된다. 이때, 목표충전율은 통상의 설정인 고SOC로 설정되어 있으므로, 스텝 S4에서는 통상의 설정인 고SOC의 설정이 유지된다. 즉, 저온환경에서의 시동이 아니라, 즉시 통상의 운전을 개시할 수 있는 경우는, 목표충전율을 저SOC로 변경하여 배터리(19)를 난기하는 처리는 행하여지지 않고, 처음부터 통상의 고SOC로 설정되어 운전이 행하여진다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의한 난기방법에서는, 배터리(19)의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 때에 엔진(11)을 작동시켜서 난기운전을 행함과 함께, 어시스트 모터(12)를 작동시켜서 배터리(19)를 충방전시킴으로써, 배터리(19)를 발열시켜서 난기한다. 따라서, 배터리(19)의 온도가 낮을 때에 배터리(19)를 강제적으로 충방전시킴으로써, 내부발열에 의하여 배터리(19)를 따뜻하게 할 수 있다. 이로 인하여, 히터 등의 가열장치를 이용하지 않고 효율적으로 또한 신속히 배터리(19)를 따뜻하게 하여 내부저항을 저감시켜, 통상의 운전을 할 수 있는 온도로 할 수 있다.
배터리(19)의 난기시에 방전시킬 때는, 방전으로 어시스트 모터(12)를 운전하여 동력을 엔진(11)으로 되돌리기 때문에, 방전에너지를 헛되이 소비하는 일은 없다. 또한, 배터리(19)의 내부발열을 이용하여 배터리(19)를 내부로부터 따뜻하게 하므로, 내부저항을 효율적으로 상승시킬 수 있는 효과도 있다.
본 실시형태에 의한 배터리 난기처리에서는, 목표충전율을 변화시킴으로써 배터리의 충방전을 반복하여 행하게 할 뿐이고, 난기 전용의 운전제어를 행하는 것은 아니기 때문에, 배터리 난기처리 중에 통상의 운전조작이 행하여진 경우에도, 그 운전조작에 근거한 운전을 즉시 행할 수 있다.
또한, 배터리 난기처리와 엔진 난기처리를 동시 행하는 경우, 난기처리에 있어서 엔진의 회전수를 높게 설정하므로, 배터리의 입출력도 크게 할 수 있다. 또한, 난기처리중에 엔진의 회전수를 높게 하므로 출력을 크게 할 수 있어, 난기처리중에 통상의 운전을 행한 경우에도, 조작의 위화감을 억제할 수 있다.
다만, 상기 서술한 실시형태에서는 패럴렐 방식의 하이브리드식 건설기계를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명에 의한 난기방법은 이른바 시리즈 방식의 하이브리드식 건설기계에 적용할 수도 있다. 여기서, 시리즈 방식에서는, 전동발전기(12)는 엔진의 구동에 의한 발전운전만을 행하는 발전기로서의 기능만을 구비하고 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시형태에 대하여 설명한다. 본 발명의 다른 실시형태에서는, 하이브리드식 쇼벨의 구동 부분에서의 발열이나 배열을 이용하여 배터리(19)를 따뜻하게 한다. 예컨대, 엔진(11)의 배기를 배터리(19)의 케이스체의 내부로 도입하여 배터리(19)를 따뜻하게 하거나, 선회용 전동기(21)의 구동시의 발열에 의하여 따뜻하여진 공기를 배터리(19)의 케이스체의 내부로 도입하여 배터리(19)를 따뜻하게 할 수 있다.
도 8은 본 실시형태에 의한 배터리 난기처리를 행하기 위한 배터리 난기시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태에서는, 배터리(19)를 따뜻하게 하기 위한 열원으로서, 엔진(11)의 배기열과, 선회용 전동기(21)의 발열을 이용한다. 또한, 본 실시형태에서는 배터리(19)는 커패시터유닛인 것으로 하고, 이후 커패시터유닛에는 배터리와 동일부호 19를 붙인다. 커패시터유닛(19)은, 다수의 커패시터를 케이스체 내에 3차원 매트릭스 형상으로 배열하여 구성된다. 본 실시형태에 의한 배터리 난기시스템은, 상기 서술한 커패시터유닛(19)을 난기하기 위한 시스템이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 커패시터유닛(19)에는, 배기통로(60)를 통하여 엔진(11)의 배기관이 접속되어 있다. 배기통로(60)에는 셔터장착 팬(62)이 설치되어 있고, 셔터장착 팬(62)을 온으로 하여 작동시킴으로써(즉, 셔터를 열고 팬을 구동함으로써), 엔진(11)으로부터의 배기를 커패시터유닛(19) 내에 도입할 수 있다. 엔진(11)의 배기관 혹은 그 근방에는, 배기온도를 검출하는 배기온도센서(63)가 설치되고, 배기온도의 검출치(이하, 엔진온도(Teng)라고 한다)를 온도관리 컨트롤러(70)에 공급한다.
또한, 커패시터유닛(19)에는, 배열(排熱)통로(64)를 통하여 선회용 전동기(21)가 접속되어 있다. 보다 구체적으로는, 배열통로(64)는 선회용 전동기(21)의 케이스체에 접속되어 있고, 선회용 전동기(21)가 작동하여 발생된 열을 흡수한 공기를 배열통로(64)로 도입할 수 있다. 배열통로(64)에는 셔터장착 팬(66)이 설치되어 있고, 셔터장착 팬(66)을 온으로 하여 작동시킴으로써(즉, 차단기구로서의 셔터를 열고 송풍기구로서의 팬을 구동함으로써), 선회용 전동기(21)의 열을 흡수한 공기를 커패시터유닛(19) 내에 도입할 수 있다. 선회용 전동기(21)의 공기배출부 부근에는 배출하는 공기의 온도를 검출하는 온도센서(67)가 설치되고, 선회 전동기(21)로부터 배출되는 공기온도의 검출치(이하, 선회부 온도(Tsw)라고 한다)를 온도관리 컨트롤러(70)에 공급한다.
커패시터유닛(19)의 케이스체에도 셔터장착 팬(68)이 설치되어 있다. 셔터장착 팬(68)은, 커패시터유닛(19)을 냉각하기 위한 냉각팬이며, 통상, 커패시터유닛(19) 내의 공기를 외부로 배출하도록 기능한다. 커패시터유닛(19)은 충방전할 때에 발열하기 때문에, 하이브리드식 쇼벨의 통상의 환경에서의 운전중에는 냉각할 필요가 있고, 셔터장착 팬(68)을 작동시켜 따뜻하여진 공기를 외부로 배출함으로써 냉각된다. 커패시터유닛(19)에는, 내부의 커패시터의 온도(이하, 커패시터 온도(Tcsap)라고 한다)를 검출하는 온도센서(69)가 설치되어, 커패시터의 온도의 검출치를 온도관리 컨트롤러에 공급한다.
이상과 같은 구성의 배터리 난기시스템에 있어서, 온도관리 컨트롤러(70)는, 배기온도센서(63)로부터의 엔진온도(Teng), 온도센서(67)로부터의 선회부 온도(Tsw), 및 온도센서(69)로부터의 커패시터 온도(Tcap)에 근거하여, 커패시터유닛(19)을 난기하기 위한 배터리 난기처리를 제어한다. 즉, 온도관리 컨트롤러(70)는, 커패시터 온도(Tcap)가 저온일 때, 엔진온도(Teng)나 선회부 온도(Tsw)와 비교하여 커패시터 온도(Tcap) 쪽이 낮은 경우에, 셔터장착 팬(62, 66, 68)의 작동을 제어하여 엔진(11)의 배기나 선회 전동기(21)로부터 배출되는 공기를 커패시터유닛(19)에 도입하여, 커패시터유닛(19)을 난기한다. 여기에서는, 차단기구와 송풍기구를 구비한 셔터장착 팬(62, 66, 68)을 예로 설명하였지만, 배기통로(60) 혹은 배열통로(64)가 커패시터유닛(19)에 연통되어 있으면 난기는 가능하기 때문에, 반드시 셔터장착 팬(62, 66, 68)을 설치할 필요는 없다.
여기서, 배터리 난기처리에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 9는 엔진배기열을 이용한 배터리 난기처리의 플로우차트이다. 먼저, 스텝 S1에 있어서, 커패시터 온도(Tcap)가 미리 정하여진 온도(A)(이하, 난기온도(Ta)라고 한다)보다 낮은지 아닌지, 및 커패시터 온도(Tcap)가 엔진온도(Teng)보다 낮은지 아닌지가 판정된다. 난기온도(Ta)는, 커패시터유닛(19)을 난기할 필요가 있는지 없는지를 결정하기 위한 임계온도이다. 즉, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Ta)보다 낮은 경우는, 난기처리를 행할 필요가 있다고 판정된다. 여기서, 난기온도(Ta)는, 커패시터의 내부저항에 근거하여 미리 설정되는 온도이며, 실용상 지장 없는 충방전전류로 할 수 있는 온도이다. 또한, 커패시터 온도(Tcap)와 엔진온도(Teng)를 비교함으로써 엔진(11)으로부터의 배기로 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 할 수 있는지 아닌지가 판정된다. 즉, 커패시터 온도(Tcap)가 엔진온도(Teng)보다 낮은 경우는, 엔진(11)으로부터의 배기를 커패시터유닛(19)에 도입함으로써 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 할 수 있다고 판정된다.
스텝 S1에 있어서, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Ta)보다 낮고(Tcap<Ta), 또한 커패시터 온도(Tcap)가 엔진온도(Teng)보다 낮다(Tcap<Teng)고 판정되면, 처리는 스텝 S2로 진행된다. 스텝 S2에서는, 배기통로(60)에 설치된 셔터장착 팬(62)(셔터장착 팬(A))을 온으로 하여 작동시킨다. 셔터장착 팬(62)을 온으로 하면, 배기통로(60)를 폐쇄하고 있던 셔터가 열리고, 또 팬이 회전한다. 이로써, 엔진(11)의 배기는 배기통로(60)를 통과하여 커패시터유닛(19) 내에 공급된다. 커패시터 온도(Tcap)는 엔진온도(Teng)보다 낮다(Tcap<Teng)고 판정되어 있기 때문에, 공급되는 배기의 온도는 커패시터유닛(19)의 온도보다 높게 되어 있어서, 커패시터유닛(19) 내의 커패시터는 엔진(11)으로부터의 배기에 의하여 따뜻하여진다. 이때, 커패시터유닛(19)에 설치되어 있는 셔터장착 팬(68)도 온이 되어, 커패시터를 따뜻하게 한 배기를 커패시터유닛(19)의 밖으로 배출한다.
한편, 스텝 S1에 있어서, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Ta)보다 낮고(Tcap<Ta), 또한 커패시터 온도(Tcap)가 엔진온도(Teng)보다 낮다(Tcap<Teng)는 조건이 성립하지 않는다고 판정되면, 처리는 스텝 S3으로 진행되고, 셔터장착 팬(62)을 오프로 하여 작동시키지 않다. 즉, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Ta) 이상(Tcap≥Ta)인 경우, 또는 커패시터 온도(Tcap)가 엔진온도(Teng) 이상(Tcap≥Teng)인 경우, 혹은 그 양방의 조건이 성립하는 경우에는, 셔터장착 팬(62)을 작동시키지 않고, 엔진(11)으로부터의 배기를 커패시터유닛(19)에 공급하지 않는다. 이는, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Ta) 이상(Tcap≥Ta)인 경우에는, 커패시터유닛(19)은 통상의 작동온도이며, 따뜻하게 할 필요는 없기 때문이다. 또한, 커패시터 온도(Tcap)가 엔진온도(Teng) 이상(Tcap≥Teng)인 경우에는, 엔진(11)으로부터의 배기를 공급하여도 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 할 수 없기 때문이다. 다만, 이때에도, 커패시터유닛(19)에 설치되어 있는 셔터장착 팬(68)은 온이 되어, 커패시터유닛(19) 내의 따뜻한 공기를 커패시터유닛(19)의 밖으로 배출하여 통상의 냉각이 행하여진다. 여기에서는, 차단기구와 송풍기구를 구비한 셔터장착 팬(68)을 예로 설명하였지만, 엔진의 배기가 원활하게 커패시터유닛(19)에 유입되는 경우에는, 송풍기구를 반드시 설치할 필요는 없다.
도 10은 선회용 전동기(21)의 발열을 이용한 배터리 난기처리의 플로우차트이다. 먼저, 스텝 S11에 있어서, 커패시터 온도(Tcap)가 미리 정하여진 온도(B)(이하, 난기온도(Tb)라고 한다)보다 낮은지 아닌지, 및 커패시터 온도(Tcap)가 선회부 온도(Tsw)보다 낮은지 아닌지가 판정된다. 난기온도(Tb)는, 커패시터유닛(19)을 난기할 필요가 있는지 없는지를 결정하기 위한 임계온도이다. 즉, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Tb)보다 낮은 경우는, 난기처리를 행할 필요가 있다고 판정된다. 여기서, 난기온도 Tb는 Ta와 마찬가지로, 커패시터의 내부저항에 근거하여 미리 설정되는 온도이며, 실용상 지장 없는 충방전전류로 할 수 있는 온도이다. 또한, 커패시터 온도(Tcap)와 선회부 온도(Tsw)를 비교함으로써 선회용 전동기(21)로부터의 공기로 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 할 수 있는지 아닌지가 판정된다. 즉, 커패시터 온도(Tcap)가 선회부 온도(Tsw)보다 낮은 경우는, 선회용 전동기(21)로부터의 공기를 커패시터유닛(19)에 도입함으로써 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 할 수 있다고 판정된다.
스텝 S11에 있어서, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Tb)보다 낮고(Tcap<Tb), 또한 커패시터 온도(Tcap)가 선회부 온도(Tsw)보다 낮다(Tcap<Tsw)고 판정되면, 처리는 스텝 S12로 진행된다. 스텝 S12에서는, 배열(排熱)통로(64)에 설치된 셔터장착 팬(66)(셔터장착 팬(B))을 온으로 하여 작동시킨다. 셔터장착 팬(66)을 온으로 하면, 배기통로(64)를 폐쇄하고 있던 셔터가 열리고, 또한 팬이 회전한다. 이로써, 선회용 전동기(21)로부터 배출된 공기는 배열통로(64)를 통과하여 커패시터유닛(19) 내에 공급된다. 커패시터 온도(Tcap)는 선회부 온도(Tsw)보다 낮다(Tcap<Teng)고 판정되어 있기 때문에, 공급되는 공기의 온도는 커패시터유닛(19)의 온도보다 높게 되어 있어서, 커패시터유닛(19) 내의 커패시터는 선회용 전동기(21)로부터의 공기에 의하여 따뜻하여진다. 이때, 커패시터유닛(19)에 설치되어 있는 셔터장착 팬(68)도 온이 되어, 커패시터를 따뜻하게 한 공기를 커패시터유닛(19)의 밖으로 배출한다.
한편, 스텝 S11에 있어서, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Tb)보다 낮고(Tcap<Tb), 또한 커패시터 온도(Tcap)가 선회부 온도(Tsw)보다 낮다(Tcap<Tsw)는 조건이 성립하지 않는다고 판정되면, 처리는 스텝 S13으로 진행되고, 셔터장착 팬(66)을 오프로 하여 작동시키지 않는다. 즉, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Tb) 이상(Tcap≥Tb)인 경우, 또는 커패시터 온도(Tcap)가 선회부 온도(Tsw) 이상(Tcap≥Tsw)인 경우, 혹은 그 양방의 조건이 성립하는 경우에는, 셔터장착 팬(66)을 작동시키지 않고, 선회용 전동기(21)로부터의 공기를 커패시터유닛(19)에 공급하지 않는다. 이는, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Tb) 이상(Tcap≥Tb)인 경우에는, 커패시터유닛(19)은 통상의 작동온도이며, 따뜻하게 할 필요는 없기 때문이다. 또한, 커패시터 온도(Tcap)가 선회부 온도(Tsw) 이상(Tcap≥Tsw)인 경우에는, 선회용 전동기(21)로부터의 배기를 공급하여도 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 할 수 없기 때문이다. 다만, 이때에도, 커패시터유닛(19)에 설치되어 있는 셔터장착 팬(68)은 온이 되어, 커패시터유닛(19) 내의 따뜻한 공기를 커패시터유닛(19)의 밖으로 배출하여 통상의 냉각이 행하여진다. 여기에서는, 차단기구와 송풍기구를 구비한 셔터장착 팬(68)을 예로 들어 설명하였지만, 선회용 전동기의 배열(排熱)이 원활하게 커패시터유닛(19)에 유입되는 경우에는, 반드시 송풍기구를 설치할 필요는 없다.
다음으로, 배터리 난기처리중의 셔터장착 팬(68)(커패시터유닛(19)의 냉각용 팬)의 제어에 대하여 설명한다. 도 11은 배터리 난기처리중의 커패시터유닛 냉각용 팬의 제어처리 플로우차트이다.
먼저, 스텝 S21에 있어서, 커패시터 온도(Tcap)가 미리 정하여진 온도(C)(이하, 난기온도(Tc)라고 한다)보다 낮은지 아닌지, 및 커패시터 온도(Tcap)가 외기온도(Tout)보다 낮은지 아닌지가 판정된다. 난기온도(Tc)는, 커패시터유닛(19)을 난기할 필요가 있는지 없는지를 결정하기 위한 임계온도이다. 여기서, 난기온도(Tc)는 Ta와 마찬가지로, 커패시터의 내부저항에 근거하여 미리 설정되는 온도이며, 실용상 지장 없는 충방전전류로 할 수 있는 온도이다. 즉, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Tc)보다 낮은 경우는, 난기처리를 행할 필요가 있다고 판정된다. 또한, 커패시터 온도(Tcap)와 외기온도(Tout)를 비교함으로써 외기로 커패시터유닛(19)을 냉각할 수 있는지 아닌지가 판정된다. 즉, 커패시터 온도(Tcap)가 외기온도(Tout)보다 높은 경우는, 외기를 커패시터유닛(19)에 공급함으로써 커패시터유닛(19)을 냉각할 수 있다고 판정된다.
스텝 S21에 있어서, 스텝 S21에 있어서, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Tc)보다 낮고(Tcap<Tc), 또한 커패시터 온도(Tcap)가 외기온도(Tout)보다 낮다(Tcap<Tout)는 조건이 성립하지 않는다고 판정되면, 처리는 스텝 S22로 진행된다. 스텝 S22에서는, 커패시터유닛(19)의 셔터장착 팬(68)(셔터장착 팬 C)을 온으로 하여 작동시킴과 동시에, 배기통로(60)에 설치된 셔터장착 팬(62)(셔터장착 팬(A))을 오프로 하고, 또한 배열통로(64)에 설치된 셔터장착 팬(66)(셔터장착 팬(B))을 오프로 한다. 이로써, 셔터장착 팬(68)을 온으로 함으로써 셔터가 열리고 또한 팬이 작동하여, 커패시터유닛(19) 내의 따뜻한 공기가 커패시터유닛(19)의 밖으로 배출되고, 커패시터유닛(19)의 공기취입구로부터 외기로 방출된다. 따라서, 커패시터유닛(19)은 외기에 의하여 냉각된다. 이 상태는 셔터장착 팬(68)에 의한 통상의 배터리 냉각이다.
한편, 스텝 S21에 있어서, 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Tc)보다 낮고(Tcap<Tc), 또한 커패시터 온도(Tcap)가 외기온도(Tout)보다 낮다(Tcap<Tout)고 판정되면, 처리는 스텝 S23으로 진행된다. 커패시터 온도(Tcap)가 난기온도(Tc)보다 낮고(Tcap<Tc), 또한 커패시터 온도(Tcap)가 외기온도(Tout)보다 낮다(Tcap<Tout)고 판정되는 경우는, 커패시터유닛(19)의 난기가 필요한 경우이다. 따라서, 스텝 S23에서는, 엔진온도(Teng)가 외기온도(Tout)보다 높은지 아닌지가 판정된다.
스텝 S23에 있어서, 엔진온도(Teng)가 외기온도(Tout)보다 높지 않다고 판정되면, 처리는 스텝 S24로 진행된다. 엔진온도(Teng)가 외기온도(Tout)보다 높지 않은, 즉 엔진온도(Teng)가 외기온도(Tout) 이하라고 판정된 경우, 엔진(11)의 배기로 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 스텝 S24에서는, 커패시터유닛(19)에 설치되어 있는 셔터장착 팬(68)의 셔터를 닫은 채로 팬을 역회전시킴과 동시에, 배기통로(60)에 설치된 셔터장착 팬(62)을 오프로 하고, 또한 배열통로(64)에 설치된 셔터장착 팬(66)을 오프로 한다. 셔터장착 팬(68)의 셔터를 닫은 채로 팬을 역회전시킴으로써, 셔터장착 팬(68)의 모터의 작동에 의하여 발생한 열이 커패시터유닛(19) 내에 공급된다. 즉, 셔터장착 팬(68)의 모터의 발열에 의하여 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 할 수 있다.
한편, 스텝 S23에 있어서, 엔진온도(Teng)가 외기온도(Tout)보다 높다고 판정되면, 처리는 스텝 S25로 진행된다. 엔진온도(Teng)가 외기온도(Tout)보다 높은 경우, 엔진(11)의 배기로 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 할 수 있다. 따라서, 스텝 S25에서는, 커패시터유닛(19)에 설치되어 있는 셔터장착 팬(68)을 온으로 하여 셔터를 열고 팬을 회전시킴과 동시에, 배기통로(60)에 설치된 셔터장착 팬(62)을 온으로 한다. 이로써, 엔진(11)으로부터의 배기가 배기통로(60)를 통하여 커패시터유닛(19)에 공급되고, 커패시터유닛(19)은 엔진(11)의 배기열로 따뜻하여진다.
계속하여, 처리는 스텝 S26으로 진행되고, 선회부 온도(Tsw)가 외기온도(Tout)보다 높은지 아닌지가 판정된다.
스텝 S26에 있어서, 선회부 온도(Tsw)가 외기온도(Tout)보다 높지 않다고 판정되면, 처리는 스텝 S27로 진행된다. 선회부 온도(Tsw)가 외기온도(Tout)보다 높지 않은, 즉 선회부 온도(Tsw)가 외기온도(Tout) 이하라고 판정된 경우, 선회용 전동기(21)로부터의 공기로 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 스텝 S27에서는, 커패시터유닛(19)에 설치되어 있는 셔터장착 팬(68)을 온으로 하고, 또한 배기통로(60)에 설치된 셔터장착 팬(62)을 온으로 한 채로, 배열통로(64)에 설치된 셔터장착 팬(66)을 오프로 한다. 이로써, 엔진(11)으로부터의 배기가 배기통로(60)를 통하여 커패시터유닛(19)에 공급되어, 커패시터유닛(19)은 엔진(11)의 배기열로 따뜻하여지지만, 선회용 전동기(21)로부터의 공기는 커패시터유닛(19)에 공급되지 않는다.
한편, 스텝 S26에 있어서, 선회부 온도(Tsw)가 외기온도(Tout)보다 높다고 판정되면, 처리는 스텝 S28로 진행된다. 선회부 온도(Tsw)가 외기온도(Tout)보다 높다고 판정된 경우, 선회용 전동기(21)로부터의 공기로 커패시터유닛(19)을 따뜻하게 할 수 있다. 따라서, 스텝 S28에서는, 커패시터유닛(19)에 설치되어 있는 셔터장착 팬(68)을 온으로 하고, 또 배기통로(60)에 설치된 셔터장착 팬(62)을 온으로 한 채로, 배열통로(64)에 설치된 셔터장착 팬(66)도 온으로 한다. 이로써, 엔진(11)으로부터의 배기가 배기통로(60)를 통하여 커패시터유닛(19)에 공급됨과 함께, 선회용 전동기(21)로부터의 공기가 배열통로(64)를 통하여 커패시터유닛(19)에 공급되어, 커패시터유닛(19)은 엔진(11)의 배기열 및 선회용 전동기의 발열로 따뜻하여진다.
이상 설명한 배터리 난기처리에 의하면, 배터리(커패시터유닛)(19)를 따뜻하게 하기 위한 가열장치를 별개로 설치하지 않아도, 엔진(11)의 배기열과 선회용 전동기(21)의 발열을 이용하여, 배터리(19)를 효율적으로 또한 신속히 따뜻하게 할 수 있다. 이 배터리 난기처리는, 저온환경에 있어서의 운전을 개시할 때에 행하여지지만, 운전환경에 따라서는 (예컨대, 극저온이어서 배터리의 내부발열로는 온도를 유지할 수 없는 경우) 운전중에 상시 행하는 것으로 하여도 좋다.
또한, 상기 서술한 실시형태에서는, 발열을 이용하는 전기부하로서, 선회용 전동기(21)를 이용하였지만, 이것으로 한정되지 않고, 작동시에 발열을 수반하는 전기부하라면, 선회용 전동기(21) 이외의 전기부하라도 이용할 수 있다.
다만, 상기 서술한 실시형태에 있어서, 셔터장착 팬(62, 66, 68)의 셔터가 차단기구를 구성하지만, 팬과 차단기구를 별개로 설치하여도 좋다. 또한, 배기통로(60) 및 배열통로(64)에 설치된 셔터장착 팬(62, 66)의 팬은 반드시 필요한 것이 아니고, 커패시터유닛(19)에 설치된 셔터장착 팬(68)의 팬의 작동에 의하여, 배기통로(60) 및 배열통로(64)로부터 엔진배기 또는 선회용 전동기의 공기를 커패시터유닛(19) 내로 끌어들이는 것으로 하여도 좋다. 즉, 본 실시형태에 의한 배터리 난기시스템에는, 배기통로(60) 및 배열통로(64)와, 이들 통로에 설치된 차단기구가 있으면 된다.
다만, 상기 서술한 실시형태에서는 패럴렐 방식의 하이브리드식 건설기계를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명에 의한 배터리 난기시스템은 이른바 시리즈 방식의 하이브리드식 건설기계에 적용할 수도 있다.
본 발명은 상기 서술한 구체적으로 개시된 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이 다양한 변형예, 개량예가 이루어질 것이다.
본 출원은 2009년 1월 7일에 출원된 우선권 주장 일본 특허출원 2009-001774호 및 2008년 12월 1일에 출원된 일본 특허출원 2008-306732호에 근거하는 것으로, 그 전체 내용은 여기에 원용된다.
본 발명은 하이브리드식 건설기계에 적용 가능하다.
1 하부주행체
1A, 1B 주행 기구
2 선회기구
3 상부선회체
4 붐
5 암
6 버킷
7 붐 실린더
8 암 실린더
9 버킷 실린더
10 캐빈
11 엔진
12 전동발전기
13 변속기
14 메인펌프
15 파일럿펌프
16 고압 유압라인
17 컨트롤밸브
18 인버터
19 배터리(커패시터유닛)
20 인버터
21 선회용 전동기
23 메카니컬 브레이크
24 선회 감속기
25 파일럿라인
26 조작장치
26A, 26B 레버
26C 페달
27 유압라인
28 유압라인
29 압력센서
30 컨트롤러
32 엔진제어부
40 구동제어장치
54 유압부하
56 전기부하
60 배기통로
62 셔터장착 팬(A)
63 배기온도센서
64 배열통로
66 셔터장착 팬(B)
67 온도센서
68 셔터장착 팬 C
69 온도센서
70 온도관리 컨트롤러
100 승강압 컨버터
111 DC버스전압검출부
112 배터리전압검출부
113 배터리전류검출부
110 DC버스
120 축전계

Claims (12)

  1. 하이브리드식 건설기계의 난기(暖機; 웜업)방법으로서,
    엔진의 이그니션 키를 온하여 해당 엔진을 구동하고,
    축전기의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 때에, 상기 엔진의 구동에 의하여 상기 축전기를 가열하는
    것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 난기방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 축전기의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 때에 상기 엔진을 작동시켜서 난기운전을 행함과 함께, 전동발전기를 작동시켜 상기 축전기를 충방전시킴으로써, 상기 축전기를 발열시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 난기방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 축전기의 목표충전율을 변화시킴으로써, 상기 축전기를 충방전시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 난기방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 축전기를 방전시킬 때에는 상기 목표충전율을 낮게 설정하고, 상기 축전기를 충전시킬 때에는 상기 목표충전율을 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 난기방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    전기부하가 요구하는 전력을 변화시킴으로써, 상기 축전기를 충방전시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 난기방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 축전기의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 때에 상기 엔진을 작동시킴에 있어서, 상기 엔진의 회전수를 난기 후의 회전수보다 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계의 난기방법.
  7. 청구항 1에 기재된 하이브리드식 건설기계의 난기방법에 의하여 난기처리를 행하는 하이브리드식 건설기계로서,
    전동발전기에 의하여 어시스트되는 상기 엔진과,
    상기 전동발전기에 전력을 공급하는 상기 축전기와,
    전기부하인 전동기와,
    상기 엔진 및 상기 전동기 중 적어도 일방과 상기 축전기를 접속시키는 통로
    를 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 통로를 개폐하는 차단기구를 더욱 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 축전기의 온도, 상기 엔진의 배기온도, 및 상기 전동기로부터 배출되는 공기의 온도에 근거하여, 상기 통로의 차단기구의 개폐를 제어하는 제어부를 더욱 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 축전기 내의 공기를 외부로 배출하여 상기 축전기를 냉각하는 냉각팬을 더욱 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 축전기의 온도, 상기 엔진의 배기온도, 및 상기 전동기로부터 배출되는 공기의 온도에 근거하여, 상기 냉각팬의 작동을 제어하는 제어부를 더욱 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 냉각팬은 셔터장착 팬인 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
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