KR20110110255A

KR20110110255A - 하이브리드형 작업기계 및 축전제어장치

Info

Publication number: KR20110110255A
Application number: KR1020117017648A
Authority: KR
Inventors: 히데아키 간바야시; 데츠지 오노
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-10-06
Also published as: KR101307198B1; EP2383862A1; US20110273141A1; US9000716B2; EP2383862A4; WO2010087363A1; CN102301561A; CN102301561B

Abstract

하이브리드형 작업기계는, 전력의 공급에 의하여 구동되는 역행(力行)동작, 및 전력을 발생하는 회생(回生)동작을 행하는 제1 전동기와, 제1 전동기의 출력을 제어하는 제1 전기회로와, 제1 전동기에 전력을 공급하고, 및 제1 전동기로부터의 회생전력을 축전하는 배터리와, 배터리의 충방전전류를 제어하는 충방전회로와, 기기를 구동하기 위한 배터리의 충방전을 제어하는 제어장치를 포함한다. 제어장치는, 배터리의 출력에 관한 복수의 조건의 각각에 관하여 배터리의 출력을 제한하는 비율을 나타내는 레벨을 산출한다. 제어장치는, 산출한 각 레벨에 근거하여 배터리의 충방전전류를 제한한다.

Description

하이브리드형 작업기계 및 축전제어장치{Hybrid working machine and electricity storage control apparatus}

본 발명은 하이브리드형 작업기계 및 축전제어장치에 관한 것으로서, 특히 운동에너지나 위치에너지를 전기에너지로 변환하여 축전계에 축전하고, 축전된 전기에너지를 이용하여 구동계를 구동하는 하이브리드형 작업기계 및 그와 같은 작업기계의 축전을 제어하는 축전제어장치에 관한 것이다.

에너지 절약화나 환경문제에의 대응을 목적으로 하여, 자동차나 건설작업에 이용되는 작업기계에 있어서, 하이브리드화가 진행되고 있다. 하이브리드식 자동차에서는, 축전기로부터의 전력에 의하여 주행용 전동기를 구동하여, 엔진의 동력에 의하여 발전시켜 축전기를 충전한다. 하이브리드식 건설기계에서는, 축전기로부터의 전력에 의하여 전동발전기를 구동하여 엔진을 어시스트하고, 엔진의 동력에 의하여 전동발전기를 구동하여 발전시켜, 축전기를 충전한다.

축전기는 반복하여 충방전이 행하여지기 때문에, 사용시간이 길어질수록 열화(劣化)된다. 축전기로서 커패시터를 이용하였을 경우, 커패시터의 열화가 진행되면 내부저항이 커져 발열량도 증가하여 최악의 사태로서 전극이 단락될 우려가 있다. 커패시터의 내부전극이 단락되면, 용단(溶斷) 등을 일으켜, 사용할 수 없게 된다.

또한, 충방전을 반복하는 장기간의 사용에 의하여, 또는 과충전, 과방전이나 발열에 의하여, 커패시터는 열화된다. 커패시터의 내부저항을 측정함으로써, 커패시터의 열화상태를 판정할 수 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

일본 공개특허공보 2007－155586호 일본 공개특허공보 평7－326548호

커패시터의 열화에 의한 수명은, 예컨대 외기온도 등의 사용시간 이외의 다른 다양한 요인에 좌우되기 때문에, 사용시간에만 근거하는 판단으로는, 열화의 정도를 정확하게 판정할 수 없다. 열화정도의 판단이 정확하지 않으면, 커패시터의 열화가 상당히 진행되어 있음에도 불구하고, 통상상태와 마찬가지 조건으로 사용하여 버릴 우려가 있다. 그러한 경우, 커패시터에 무리한 부하가 걸리게 되고, 커패시터의 열화의 진행상태가 가속되어, 조기에 커패시터가 사용불가 상태가 되어 버린다.

또한, 커패시터가 과열한 상태에서 충방전을 행하면, 커패시터의 열화가 촉진된다. 커패시터의 내부저항은 저온상태에 있어서 높아지기 때문에, 저온상태에서 통상의 충방전을 행하는 것은 바람직하지 않다.

본 발명은 상기 서술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 축전기의 충방전전류를 제어하여 열화를 억제할 수 있는 하이브리드형 작업기계 및 축전제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 한 실시태양에 의하면, 전력의 공급에 의하여 구동되는 역행(力行)동작, 및 전력을 발생시키는 회생(回生)동작을 행하는 제1 전동기와, 그 제1 전동기의 출력을 제어하는 제1 전기회로와, 그 제1 전동기에 전력을 공급하고, 그리고 그 제1 전동기로부터의 회생전력을 축전하는 배터리와, 그 배터리의 충방전전류를 제어하는 충방전회로와, 기기를 구동하기 위한 배터리의 충방전을 제어하는 제어장치를 가지고, 그 제어장치는, 그 배터리의 출력에 관한 복수의 조건의 각각에 관하여 그 배터리의 출력을 제한하는 비율을 나타내는 레벨을 산출하고, 산출한 각 레벨에 근거하여 그 배터리의 충방전전류를 제한하는 하이브리드형 작업기계가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 실시태양에 의하면, 기기를 구동하기 위한 배터리의 충방전을 제어하는 축전제어장치로서, 그 배터리의 출력에 관한 복수의 조건의 각각에 관하여 그 배터리의 출력을 제한하는 비율을 나타내는 레벨을 산출하고, 산출한 각 레벨에 근거하여 그 배터리의 충방전전류를 제한하는 축전제어장치가 제공된다.

본 발명에 의하면, 축전기의 충방전전류를 제어하여 열화를 억제하고, 또한 안정되게 전력을 공급할 수 있는 하이브리드형 작업기계를 실현할 수 있다.

[도 1] 본 발명이 적용되는 하이브리드형 작업기계의 한 예인 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다.
[도 2] 본 발명의 제1 실시예에 의한 하이브리드식 쇼벨의 기능블록도이다.
[도 3] 축전계의 블록도이다.
[도 4] 본 발명의 제1 실시예에 의한 축전제어장치로서 기능하는 제어장치의 기능블록도이다.
[도 5] 외기온도범위에 대한 내부저항치 보정레벨을 나타내는 도면이다.
[도 6] 커패시터의 사용시간과 내부저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
[도 7] 고장내용에 대한 경고레벨을 나타내는 도면이다.
[도 8] 커패시터의 열화가 진행되고 있어도 초기상태시와 동일 크기의 최대 충방전전류로 하였을 경우의 커패시터 열화의 진행상태를 나타내는 그래프이다.
[도 9] 사용시간이 길어짐에 따라 최대 충방전전류를 제한하여 저감한 경우의 커패시터 열화의 진행상태를 나타내는 그래프이다.
[도 10] 사용연수가 경과하고 또한 외기온도가 낮은 경우에, 하이브리드식 유압쇼벨을 운전하였을 때의 출력제한 레벨의 추이를 나타내는 그래프이다.
[도 11] 도 10에 나타내는 운전조건에 있어서 가벼운 정도의 고장이 발생한 경우에, 하이브리드식 유압쇼벨을 운전하였을 때의 출력제한 레벨의 추이를 나타내는 그래프이다.
[도 12] 도 11에 나타내는 운전조건에 있어서 가벼운 정도의 고장이 발생한 후에 서비스맨이 보정레벨을 변경하여 내린 경우의 출력제한 레벨의 추이를 나타내는 그래프이다.
[도 13] 본 발명이 적용 가능한 작업기계의 한 예로서의 포크리프트의 측면도이다.
[도 14] 도 13에 나타내는 포크리프트의 구동계의 블록도이다.
[도 15] 컨버터의 등가회로도이다.
[도 16] 본 발명의 제2 실시예에 의한 하이브리드식 쇼벨의 운전상태의 추이를 나타내는 도면이다.
[도 17] 제1 고온이상상태가 되는 예를 나타내는 타임차트이다.
[도 18] 제2 고온이상상태가 되는 예를 나타내는 타임차트이다.
[도 19] 저온이상상태가 되는 예를 나타내는 타임차트이다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

먼저, 본 발명이 적용되는 하이브리드형 작업기계의 한 예로서 하이브리드식 쇼벨에 대하여 설명한다.

도 1은 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다. 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 기능블록도이다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계는 이중선으로 표시되고, 고압 유압라인은 굵은 실선으로 표시되며, 전기계통은 가는 실선으로 표시되고, 파일럿 라인은 파선으로 표시된다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 엔진(11)의 구동축은 변속기(13)의 입력축에 연결되어 있다. 엔진(11)으로서는, 연료의 연소에 의하여 구동력을 발생시키는 엔진, 예컨대, 디젤엔진 등의 내연기관이 이용된다. 엔진(11)은, 작업기계의 운전 중에는, 상시 구동되고 있다.

전동발전기(12)의 구동축이, 변속기(13)의 다른 입력축에 연결되어 있다. 전동발전기(12)는, 전동(電動)(어시스트)운전과, 발전(發電)운전의 쌍방의 운전동작을 행할 수 있다. 전동발전기(12)로서, 예컨대 자석이 로터 내부에 매입된 내부자석 매입형(IMP) 모터가 이용된다.

변속기(13)는, 2개의 입력축과 하나의 출력축을 가진다. 변속기(13)의 출력 축에는, 메인펌프(14)의 구동축이 연결되어 있다.

엔진(11)에 가하여지는 부하가 큰 경우에는, 전동발전기(12)가 어시스트 운전을 행하고, 전동발전기(12)의 구동력이 변속기(13)를 통하여 메인펌프(14)에 전달된다. 이로써, 엔진(11)에 가하여지는 부하가 경감된다. 한편, 엔진(11)에 가하여지는 부하가 작은 경우에는, 엔진(11)의 구동력이 변속기(13)를 통하여 전동발전기(12)에 전달된다. 이로써, 전동발전기(12)가 발전운전된다. 전동발전기(12)의 어시스트 운전과 발전운전의 전환은, 전동발전기(12)에 접속된 인버터(18)에 의하여 행하여진다. 인버터(18)는, 제어장치(30)에 의하여 제어된다.

제어장치(30)는, 중앙처리장치(CPU)(30A) 및 내부메모리(30B)를 포함한다. CPU(30A)는, 내부메모리(30B)에 격납되어 있는 구동제어용 프로그램을 실행한다. 제어장치(30)는, 표시장치(35)에 각종 장치의 열화상태 등을 표시함으로써, 운전자의 주의를 환기한다.

메인펌프(14)는, 고압 유압라인(16)을 통하여, 컨트롤밸브(17)에 유압을 공급한다. 컨트롤밸브(17)는, 운전자로부터의 지령에 근거하여, 유압모터(1A, 1B), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 패킷 실린더(9)에 유압을 분배한다. 유압모터(1A 및 1B)는, 각각 도 1에 나타낸 하부주행체(1)에 구비된 좌우의 2개의 크롤러를 구동한다.

전동발전기(12)의 전기계통의 입출력단자가, 인버터(18)를 통하여 축전계(90)에 접속되어 있다. 인버터(18)는, 제어장치(30)로부터의 지령에 근거하여, 전동발전기(12)의 운전제어를 행한다. 축전계(90)에는, 또한, 다른 인버터(20)를 통하여 선회용 전동기(21)가 접속되어 있다. 축전계(90) 및 인버터(20)는, 제어장치(30)에 의하여 제어된다.

전동발전기(12)가 어시스트 운전되고 있는 기간에는, 필요한 전력이, 축전계(90)로부터 전동발전기(12)에 공급된다. 전동발전기(12)가 발전운전되고 있는 기간에는, 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력이, 축전계(90)에 공급된다.

선회용 전동기(21)는, 인버터(20)로부터의 펄스폭변조(PWM) 제어신호에 의하여 교류구동되고, 역행동작 및 회생동작의 쌍방의 운전을 행할 수 있다. 선회용 전동기(21)에는, 예컨대 IMP 모터가 이용된다. IMP 모터는, 회생시에 큰 유도기전력을 발생한다.

선회용 전동기(21)의 역행동작 중에는, 선회용 전동기(21)의 회전력이 변속기(24)를 통하여, 도 1에 나타낸 선회기구(2)에 전달된다. 이때, 변속기(24)는, 회전속도를 늦춘다. 이로써, 선회용 전동기(21)에서 발생한 회전력이 증대하여, 선회기구(2)에 전달된다. 또한, 회생운전시에는, 상부선회체(3)의 회전운동이, 변속기(24)를 통하여 선회용 전동기(21)에 전달됨으로써, 선회용 전동기(21)가 회생전력을 발생한다. 이때, 변속기(24)는, 역행운전시와는 반대로, 회전속도를 빠르게 한다. 이로써, 선회용 전동기(21)의 회전수를 상승시킬 수 있다.

리졸버(22)가, 선회용 전동기(21)의 회전축의 회전방향의 위치를 검출한다. 검출결과는, 제어장치(30)에 입력된다. 선회용 전동기(21)의 운전 전과 운전 후에 있어서의 회전축의 회전방향의 위치를 검출함으로써, 선회각도 및 선회방향을 구할 수 있다.

매커니컬 브레이크(23)는 선회용 전동기(21)의 회전축에 연결되어 있고, 매커니컬 브레이크(23)는 기계적인 제동력을 발생한다. 매커니컬 브레이크(23)의 제동상태와 해제상태는, 제어장치(30)로부터의 제어를 받아, 전자(電磁)적 스위치에 의하여 전환된다.

파일럿 펌프(15)는, 유압조작계에 필요한 파일럿압을 발생한다. 파일럿 펌프(15)가 발생한 파일럿압은, 파일럿 라인(25)을 통하여 조작장치(26)에 공급된다. 조작장치(26)는, 레버나 페달을 포함하고, 운전자에 의하여 조작된다. 조작장치(26)는, 파일럿 라인(25)으로부터 공급되는 1차측의 유압을, 운전자의 조작에 따라, 2차측의 유압으로 변환한다. 2차측의 유압은, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)에 전달됨과 함께, 다른 유압라인(28)을 통하여 압력센서(29)에 전달된다.

압력센서(29)에서 검출된 압력의 검출결과가, 제어장치(30)에 입력된다. 이로써, 제어장치(30)는, 하부주행체(1), 선회기구(2), 붐(4), 암(5), 및 버킷(6)의 조작의 상황을 검지할 수 있다. 특히, 본 발명의 한 실시예에 의한 하이브리드형 작업기계에서는, 유압모터(1A, 1B)뿐만 아니라, 선회용 전동기(21)도 선회기구(2)를 구동한다. 이로 인하여, 선회기구(2)를 제어하기 위한 레버의 조작량을 높은 정밀도로 검출하는 것이 요망된다. 제어장치(30)는, 압력센서(29)를 통하여, 이 레버의 조작량을 높은 정밀도로 검출할 수 있다.

또한, 제어장치(30)는, 하부주행체(1), 선회기구(2), 붐(4), 암(5), 및 버킷(6) 중의 어느 것도 운전되지 않고, 축전계(90)에의 전력의 공급 및 축전계(90)로부터의 전력의 강제적인 인출 중의 어느 것도 행하여지지 않는 상태(비운전상태)를 검출할 수 있다.

도 3은 축전계(90)의 블록도이다. 축전계(90)는, 변동전압 축전부로서 배터리(커패시터)(19)를 가지고 있다. 본 실시예에서는 배터리로서 커패시터(전기이중층 콘덴서)를 이용하는 것으로 하지만, 커패시터에 한정되지 않고, 반복 충방전 가능한 전지라면 어떠한 전지이더라도 좋다. 커패시터(19)는, 승강압용 컨버터(100)를 통하여 일정전압 축전부인 DC버스(110)에 접속되어 있다. 인버터(18, 20)는 DC버스(110)에 접속된다.

도 2에 있어서, 제어장치(30)가 본 발명의 제1 실시예에 의한 축전제어장치로서 기능한다. 제어장치(30)는, 축전계(90)(승강압컨버터(100))에 접속되고, 커패시터(19)의 충방전전류를 제어하여, 커패시터(19)의 열화를 억제한다.

여기서, 상기 서술한 하이브리드식 쇼벨의 구동제어에 대하여 설명한다.

상기 서술한 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 버킷 실린더(9), 및 주행용 유압모터(1A, 1B)는, 메인펌프(14)로부터의 유압에 의하여 구동되는 유압부하에 상당한다. 엔진(11)은 유압펌프인 메인펌프(14)에 동력을 공급하여 구동하고, 엔진(11)이 발생한 동력은 메인펌프(14)에 의하여 유압으로 변환되어 유압부하에 공급된다.

전기부하는 전동모터나 전동 액츄에이터 등과 같이 전력으로 구동되는 구성부품에 상당하고, 상기 서술한 선회용 전동기(21)를 포함한다. 전기부하에는 배터리(19)로부터 컨버터(100)를 통하여 전력이 공급되어 구동된다. 전기부하가 구동되고 있는 경우를 역행운전이라고 칭한다. 전기부하는, 예컨대 전동기겸 발전기와 같이 회생전력을 발생할 수 있는 것으로서, 발생된 회생전력은 축전계(90)의 DC버스(110)에 공급되고, 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 축적되거나, 혹은 인버터(18)를 통하여 전동발전기(12)에 공급되어 전동발전기(12)를 구동하는 전력이 된다.

축전계(90)의 커패시터(19)는, 상기 서술한 바와 같이 전기부하로부터의 회생전력에 의하여 충전된다. 또한, 전동발전기(12)가 엔진(11)으로부터의 동력을 받아 발전기로서 기능한 경우, 전동발전기(12)가 발생한 전력을 축전계(90)의 커패시터(19)에 공급하여 충전할 수도 있다. 본 실시형태에서는 배터리의 한 예인 커패시터(19)로서 전기이중층 콘덴서를 이용하는 것으로 한다.

이상과 같은 구동제어가 행하여지는 하이브리드식 쇼벨에 있어서, 축전제어장치로서 기능하는 제어장치(30)는 커패시터(19)의 충방전전류를 제어함으로써, 축전계(90)에 있어서의 커패시터(19)의 열화의 진행을 억제한다. 구체적으로는, 축전제어장치로서 기능하는 제어장치(30)는 커패시터(19)의 출력에 관한 복수의 조건을 고려하여 충방전전류를 제한함으로써, 커패시터(19)가 충방전할 때에 커패시터(19)에 걸리는 부하를 저감하여 장치의 이상발생을 억제함과 함께, 커패시터(19)의 열화의 진행을 억제한다.

여기서, 고려하는 복수의 제어정보로서 이하의 4가지의 정보가 있다.

1) 내부저항

한랭지 등에서 하이브리드식 유압쇼벨을 운전하는 경우는, 커패시터(19)의 온도가 낮아져, 그에 따라 커패시터(19)의 내부저항이 커진다. 이러한 상태에서, 큰 전류를 커패시터(19)에 흘려 보내려고 하면 커패시터(19)의 손실이 커지고, 또한 SOC의 계측오차도 커져 버리므로, 커패시터(19)의 충방전전류를 제한하는 것이 바람직하다.

2) 운전조건의 설정

예컨대 서비스맨의 판단 혹은 사용자의 요망에 의하여, 커패시터(19)의 출력을 제한하도록 설정되는 경우가 있다.

3) 열화상태(열화지수)

적산 사용시간이 길어짐에 따라 커패시터(19)의 충방전 회수도 많아져, 커패시터(19)는 열화한다. 커패시터(19)가 열화하면 내부저항이 커져, 그만큼 커패시터(19)의 발열도 커진다. 커패시터(19)의 온도상승은 열화의 큰 요인 중 하나이며, 온도상승이 커짐으로써 더욱 열화가 진행된다. 이로써, 내부저항이 증가하고, 또 정전용량이 감소한다. 이러한 것을 고려하여 열화지수가 결정된다.

4) 고장상태

하이브리드식 쇼벨의 각 부에 고장이 발생한 경우에도, 고장의 종류나 정도에 따라서는, 하이브리드식 쇼벨의 운전을 계속할 수 있는 경우가 있다. 그러한 상태일 때에는, 커패시터(19)를 통상과 동일하게 충방전시키면 고장의 정도가 악화되거나, 커패시터(19)에 가하여지는 부하가 증대하여 열화의 진행이 빨라지는 경우가 있다.

본 실시예에서는, 제어장치(30)가 이상의 4가지의 조건을 고려하여 커패시터(19)의 출력을 제한함으로써, 커패시터(19)의 열화의 진행상태를 억제하고, 운전 상의 이상을 발생시키는 일 없이, 커패시터(19)의 수명이 가능한 한 길어지도록 하이브리드식 쇼벨의 운전을 제어한다.

도 4는 축전제어장치로서 기능하는 제어장치(30)의 기능블록도이다. 제어장치(30)에는, 상기 서술한 4가지의 조건에 관한 제어정보가 입력된다.

먼저, 1) 제어정보로서 커패시터(19)의 내부저항치가 제어장치(30)에 입력된다. 제어장치(30)의 개별레벨 산출부(40a)는, 커패시터(19)의 내부저항치로부터 내부저항 보정레벨을 산출하여, 산출한 내부저항 보정레벨을 최종레벨 산출부(40b)에 공급한다. 내부저항치는 실측한 것을 사용하는 것이 바람직하지만, 불가능할 때에는, 간이하게 외기온도로부터 추정하여 레벨을 결정하는 것이 가능하다.

내부저항 보정레벨은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 외기온도의 범위에 따라 레벨이 붙여진다. 예컨대, 외기온도가 0℃ 이상일 때는 레벨 0으로 설정되고, 외기온도가 -10℃ 이상 0℃ 미만일 때는 레벨 1로 설정되고, 외기온도가 -20℃ 이상 -10℃ 미만일 때는 레벨 2로 설정되고, 외기온도가 -30℃ 이상 -20℃ 미만일 때는 레벨 3으로 설정되고, 외기온도가 -40℃ 이상 -30℃ 미만일 때는 레벨 4로 설정되고, 외기온도가 -40℃ 미만일 때는 레벨 5로 설정된다. 다만, 외기온도의 범위 및 설정되는 레벨의 값은, 도 5에 나타난 것으로 한정되지 않고, 온도범위 및 대응하는 레벨의 값은 적절히 설정할 수 있다.

다음으로, 2) 운전조건의 설정을 나타내는 제어정보로서는, 설정 보정레벨이 축전제어장치(40)에 직접 입력되므로, 레벨을 산출할 필요는 없다. 운전조건의 설정을 나타내는 제어정보로서의 설정 보정레벨은, 최종레벨 산출부(40b)에 공급된다.

또한, 3) 커패시터 열화정보(열화지수)가 제어장치(30)에 입력된다. 제어장치(30)의 개별레벨 산출부(40a)는, 커패시터(19)의 열화정보로부터 커패시터 열화레벨을 산출하고, 산출한 열화레벨을 최종레벨 산출부(40b)에 공급한다.

커패시터 열화정보로서, 예컨대 커패시터의 내부저항치의 증가량을 계측하고, 증가량에 따라 열화레벨을 정의할 수 있다. 또한, 정전용량의 감소량도 계측하는 경우에는, 정전용량의 감소량을 고려하여도 좋다. 또한, 내부저항을 계측할 수 없는 경우에는, 사용연수에 따라 열화레벨을 추정할 수도 있다. 이 경우, 커패시터의 적산 사용시간(사용연수)과 그 내부저항은 도 6의 그래프에 나타내는 바와 같은 관계가 있는 것이 알려져 있고, 커패시터의 사용연수가 길수록 내부저항은 커진다. 따라서, 커패시터의 내부저항으로부터 열화의 정도를 추정할 수 있다. 또한, 열화상태는 정전용량의 계측치를 사용하여도 좋다.

본 실시예에서는, 도 6의 그래프에 나타내는 바와 같이, 커패시터의 내부저항이 저항값 1 미만일 때는 열화레벨 0으로 설정되고, 저항값 1 이상 2 미만까지는 열화레벨 1로 설정되고, 저항값 2 이상 3 미만까지는 열화레벨 2로 설정되고, 저항값 3 이상 4 미만까지는 열화레벨 3으로 설정되고, 저항값 4 이상일 때는 열화레벨 4로 설정된다. 저항값은 구체적인 수치이어도 좋고, 혹은, 초기의 저항값을 100%로 하고, 초기의 저항값에 대한 비율%로 나타내어도 좋다. 예컨대, 도 11에 있어서, 초기저항값 0을 100%로 하고, 저항값 1을 120%, 저항값 2를 135%, 저항값 3을 150%, 저항값 4를 160%, 저항값 5를 180%라는 식으로 설정하는 것으로 하여도 좋다. 다만, 내부저항의 범위 및 설정되는 레벨의 값은, 도 11에 나타난 것에 한정되지 않으며, 내부저항의 값의 범위 및 대응하는 열화레벨의 값은 적절히 설정할 수 있다.

또한, 4) 고장상태를 나타내는 제어정보로서 경고정보가 축전제어장치(40)에 입력된다. 제어장치(30)의 개별레벨 산출부(40a)는, 경고정보로부터 경고레벨을 산출하여, 산출한 경고레벨을 최종레벨 산출부(40b)에 공급한다.

고장상태를 나타내는 제어정보는, 하이브리드식 쇼벨의 운전을 제어하는 제어부로부터 입력되는 정보이며, 상기 서술한 바와 같이 하이브리드식 쇼벨을 계속하여 운전하여도 지장이 없는 가벼운 정도의 고장에 관한 정보이다. 이러한 가벼운 정도의 고장으로서, 도 7에 나타내는 바와 같은 고장이 있다. 가벼운 정도의 고장에 있어서도 중요도가 있어서, 각각의 고장에 경고레벨이 설정된다. 본 실시예에서는, 예컨대, 메인제어부의 데이터에 이상이 있다고 하는 고장에는 경고레벨 0이 설정되고, 하이브리드식 유압쇼벨의 각 부의 온도를 검출하는 서미스터가 단선되었다고 하는 고장에는 경고레벨 1이 설정되고, 커패시터 냉각용 팬의 동작불량이라고 하는 고장에는 경고레벨 2가 설정된다. 복수의 고장이 동시에 발생하고 있는 경우는, 각각의 고장내용에 대응하는 경고레벨 중 최대의 값이 선택된다. 다만, 고장의 내용과 경고레벨의 값은, 도 12에 나타내는 것에 한정되지 않고, 고장의 내용 및 그 고장에 따른 영향을 고려하여 경고레벨을 적절히 설정하면 된다.

제어장치(30)의 최종레벨 산출부(40b)는, 공급된 내부저항 보정레벨과 설정 보정레벨과 열화레벨과 경고레벨에 근거하여 배터리(19)의 출력제한 레벨을 산출한다. 본 실시예에서는, 내부저항 보정레벨과 설정 보정레벨과 열화레벨과 경고레벨을 합산한 값을 출력제한 레벨로 한다. 산출한 출력제한 레벨은 제어장치(30)의 제한비율 산출부(40c)에 공급된다.

제어장치(30)의 제한비율 산출부(40c)는, 최종레벨 산출부(40b)로부터 공급되는 출력제한 레벨의 값으로부터, 출력계수를 산출한다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 출력계수 테이블로부터 출력제한 레벨의 값에 대응하는 출력계수를 구하는 것으로 하여도 좋다. 제한비율 산출부(40c)는, 산출한 출력계수를 전류치 산출부(40d)에 공급한다.

제어장치(30)의 전류치 산출부(40d)는, 초기입력제한용 충전전류제한치에 출력계수를 곱하여 입력제한용 충전전류제한치를 산출하고, 축전계(90)의 승강압컨버터(100)에 출력한다. 초기입력제한용 충전전류제한치는 변수(파라미터)로 설정된 값이며, 커패시터(19)에의 충전전류의 최대치(즉, 제한치)를 나타내는 충전전류치이다. 승강압컨버터(100)는 커패시터(19)에의 충전전류가 전류 입력제한용 충전전류제한치 이하가 되도록 제어한다. 또한, 전류치 산출부(40d)는, 출력제한용 방전전류제한치에 출력계수를 곱하여 출력제한용 방전전류제한치를 산출하고, 축전계(90)의 승강압컨버터(100)에 출력한다. 출력제한용 방전전류제한치는, 커패시터(19)로부터의 방전전류의 최대치(즉, 제한치)를 나타내는 방전전류치이며, 승강압컨버터(100)는 커패시터(19)로부터의 방전전류가 출력제한용 방전전류제한치 이하가 되도록 제어한다.

이상과 같이, 본 실시예에서는, 1) 내부저항, 2) 운전조건의 설정, 3) 열화레벨, 4) 고장상태라는 4가지의 요인의 각각에 대하여 단독으로 전류제한 레벨을 결정하고, 4가지의 요인의 각각으로부터 얻어지는 전류제한 레벨을 합산하여 최종적인 전류제한 레벨을 결정한다. 이 최종적인 전류제한 레벨에 따라 충방전전류를 제한함으로써, 커패시터(19)에 가하여지는 부하를 저감하고, 커패시터(19)의 열화의 진행을 늦추어 수명을 연장할 수 있음과 함께 장치의 이상의 발생을 억제할 수 있다.

여기서, 커패시터(19)의 열화의 진행정도와 전류제한 레벨에 대하여, 3) 사용시간의 요인을 예로 들어 설명한다. 도 8에 나타내는 바와 같이 커패시터(19)의 열화가 진행되고 있는데도 커패시터가 초기상태일 때와 같은 크기의 최대 충방전전류로 설정하였을 경우(즉, 전류제한량을 일정하게 하였을 경우)와, 도 9에 나타내는 바와 같이 사용시간이 길어짐에 따라 최대 충방전전류를 제한하여 저감하였을 경우(즉, 전류제한량을 크게 하는 경우)에서는, 커패시터의 열화의 진행상태가 상이하다. 사용시간이 길어짐에 따라 전류제한량을 크게 하는 경우(즉, 전류제한을 행하는) 쪽이, 전류제한량을 일정하게 하는(즉, 전류제한을 하지 않는) 경우보다 열화의 진행상태가 느려져, 커패시터의 수명을 연장할 수 있다. 본 실시예에서는, 이상과 같은 커패시터의 전류치의 크기와 커패시터의 열화의 진행상태의 관계를 고려하여, 커패시터의 열화정도나 커패시터 상태에 따라 충방전전류치를 제한함으로써, 커패시터의 열화의 진행을 억제하는 것이다.

다음으로, 몇 가지 운전예에 있어서의 출력제한 레벨의 추이에 대하여 설명한다.

도 10은 사용연수가 경과하였을(커패시터가 어느 정도 열화된) 경우이고, 외기온도가 낮은 경우에 있어서, 상기 서술한 하이브리드식 유압쇼벨을 운전하였을 때의 출력제한 레벨의 추이를 나타내는 그래프이다. 도 10의 (A)는 커패시터의 열화의 진행상태를 나타내는 그래프이며, 사용일수가 증가함에 따라 열화레벨이 단계적으로 레벨 0에서부터 레벨 4까지 진행되는 것이 나타나 있다. 여기서, 이 운전예는, 커패시터의 사용일수가 약 1000일이 된 시점에서의 며칠간에 걸친 운전예로 한다.

도 10의 (B)는 그 며칠간의 운전에 있어서의 커패시터의 내부저항 보정레벨의 추이를 나타내는 그래프이다. 그래프 중에는, 외기온도의 변화가 나타나 있고, 또한, 내부저항 보정레벨의 전환온도로서 ＋0℃와 -10℃가 점선으로 나타나 있다. 외기온도가 전환온도 ＋0℃ 이상일 때는, 내부저항 보정레벨은 0이 되도록 설정된다. 또한, 외기온도가 전환온도 0℃보다 낮고, 전환온도 -10℃ 이상일 때는, 내부저항 보정레벨은 1이 되도록 설정된다. 또한, 외기온도가 전환온도 -10℃보다 낮을 때는, 내부저항 보정레벨은 2가 되도록 설정된다. 이와 같이, 외기온도가 낮을수록 내부저항은 커지므로, 내부저항 보정레벨도 높은 레벨로 설정된다.

도 10의 (C)는 도 10의 (B)에 나타내는 며칠간에 있어서의 출력제한 레벨의 추이를 나타내는 그래프이다. 이 며칠간에 있어서의 커패시터의 열화레벨은 도 10의 (A)에 나타내는 바와 같이 2이며, 또한 내부저항 보정레벨은 외기온도의 변화에 따라 0에서부터 2 사이에서 변화하고 있다. 따라서, 출력제한 레벨은 열화레벨과 내부저항 보정레벨을 합산한 값이 되고, 도 10의 (C)에 나타낸 바와 같이 2에서부터 4 사이에서 추이한다.

예컨대, 1000일째의 정오 경에는, 외기온도가 상승하여 0℃를 넘고 있으므로 내부저항 보정레벨은 0이다. 그래서, 출력제한 레벨은 내부저항 보정레벨 0과 열화레벨 2를 합산하여 레벨 2가 된다. 1000 일째의 밤이 되면 외기온도가 하강하여 0℃보다 낮아지므로 내부저항 보정레벨은 1이 된다. 따라서, 출력제한 레벨은 내부저항 보정레벨 1과 열화레벨 2를 합산하여 레벨 3이 된다. 또한, 1001일째의 아침이 되면, 외기온도가 더욱 하강하여 -10℃보다 낮아져 있으므로 내부저항 보정레벨은 2가 된다. 따라서, 출력제한 레벨은 내부저항 보정레벨 2와 열화레벨 2를 합산하여 레벨 4가 된다. 이와 같이, 단기간에서는 열화레벨은 일정하지만, 하루의 외기온도의 변화에 따라 내부저항 보정레벨이 변동하고, 그에 따라 출력제한 레벨도 변화한다.

도 11은, 도 10에 나타내는 운전조건에 있어서, 가벼운 정도의 고장이 발생하였을 경우에, 상기 서술한 하이브리드식 쇼벨을 운전하였을 때의 출력제한 레벨의 추이를 나타내는 그래프이다. 도 11의 (A)는 커패시터의 열화레벨을 나타내는 그래프이며, 도 11의 (A)에 나타낸 바와 같이 열화레벨은 2이다. 도 11의 (B)는 내부저항 보정레벨을 나타내는 그래프이며, 도 11의 (B)에 나타내는 그래프와 동일하다.

도 11의 (C)는 경고레벨을 나타내는 그래프이다. 1000일째의 아침에 고장이 발생하였기 때문에, 경고레벨이 0에서 1로 바뀐 것이 나타나 있다. 이 고장은 가벼운 정도이며, 하이브리드식 유압쇼벨을 계속하여 운전할 수 있는 고장이다.

도 11의 (D)는 출력제한 레벨의 추이를 나타내는 그래프이다. 이 며칠간에 있어서의 커패시터의 열화레벨은 도 11의 (A)에 나타낸 바와 같이 2이며, 또한 내부저항 보정레벨은 외기온도의 변화에 따라 0에서부터 2 사이에서 변화하고, 또한 경고레벨은 0부터 1로 변경되어 있다. 따라서, 출력제한 레벨은 열화레벨과 내부저항 보정레벨과 경고레벨을 합산한 값이 되고, 도 11의 (D)에 나타낸 바와 같이 2에서부터 5 사이에서 추이한다. 특히, 고장이 발생한 후에는, 경고레벨이 한 단계 높아졌으므로, 출력제한 레벨도 전체적으로 한 단계 올라 3에서부터 5 사이에서 추이하고 있다.

도 12는, 도 11에 나타내는 운전조건에 있어서, 가벼운 정도의 고장이 발생한 후에 서비스맨이 보정레벨을 변경하여 낮춘 경우의 출력제한 레벨의 추이를 나타내는 그래프이다. 도 12의 (A)는 커패시터의 열화레벨을 나타내는 그래프이며, 도 12의 (A)에 나타낸 바와 같이 열화레벨은 2이다. 도 12의 (B)는 내부저항 보정레벨을 나타내는 그래프이며, 도 11의 (B)에 나타내는 그래프와 동일하다. 도 12의 (C)는 경고레벨을 나타내는 그래프이며, 도 11의 (C)에 나타내는 그래프와 동일하다.

도 12의 (D)는 보정레벨을 나타내는 그래프이다. 고장이 발생한 후에 1001일째의 정오 경에 서비스맨이 점검하여, 서비스맨이 이 고장에 의한 영향이 없다고 판단하여 설정 보정레벨을 한 단계 낮춰, －1로 하고 있다. 즉, 이 고장이 있는 상태로 배터리를 통상적으로 사용하여도, 고장이 악화되는 일이 없고 또한 커패시터의 열화를 촉진하는 일도 없다는 판단 하에서, 고장이 발생하였기 때문에 경고레벨이 올려져 출력제한 레벨이 올려진 만큼을 상쇄하도록, 설정 보정레벨을 낮추고 있다.

도 12의 (E)는 출력제한 레벨의 추이를 나타내는 그래프이다. 이 며칠간에 있어서의 커패시터의 열화레벨은 도 12의 (A)에 나타낸 바와 같이 2이며, 또한 내부저항 보정레벨은 외기온도의 변화에 따라 0에서부터 2 사이에서 변화하고, 또한 경고레벨은 0에서 1로 변경되고, 그 후 보정레벨이 0에서 -1로 변경되고 있다. 따라서, 출력제한 레벨은 열화레벨과 내부저항 보정레벨과 경고레벨과 설정 보정레벨을 합산한 값이 되고, 도 12의 (E)에 나타낸 바와 같이 2에서부터 5 사이에서 추이한다. 특히, 고장이 발생한 후에는, 경고레벨이 한 단계 높아졌으므로, 출력제한 레벨도 전체적으로 한 단계 올라 3에서부터 5 사이에서 추이하고, 그 후 서비스맨이 설정 보정레벨을 한 단계 낮췄으므로, 출력제한 레벨도 전체적으로 한 단계 내려가 2에서부터 4 사이에서 추이하고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의한 축전제어장치는, 배터리(한 예로서 커패시터)의 출력에 관련되는 복수의 조건의 각각에 관하여 배터리의 출력을 제한하는 비율을 나타내는 레벨을 산출하고, 산출한 각 레벨에 근거하여 배터리의 충방전전류를 제한한다. 이로써, 배터리의 열화의 진행상태를 억제하고, 배터리의 수명이 가능한 한 길어지도록 하이브리드식 쇼벨의 운전을 제어한다.

상기 서술한 제1 실시예는, 하이브리드식 쇼벨을 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 다른 작업기계 혹은 작업기계 이외의 기기에도 적용할 수도 있다. 본 발명에 의한 축전제어장치가 실시하는 제어방법이 적용 가능한 다른 작업기계로서, 도 13에 나타내는 포크리프트를 들 수 있다.

도 13에 나타내는 포크리프트는, 운전자가 승차하여 착석하기 위한 운전석(50), 짐을 들어올리기 위한 포크(52), 주행하기 위한 전륜(54) 및 후륜(56) 등을 가진다. 포크(52)는 하역모터(도시하지 않음)로 구동되어 상하로 이동한다. 또한, 전륜(54)은 구동륜이며, 주행모터(도시하지 않음)에 의하여 구동된다. 하역모터 및 주행모터는 배터리로부터의 전력에 의하여 구동된다.

도 14는, 도 13에 나타내는 포크리프트의 구동계의 블록도이다. 하역모터(58)는 인버터(60)를 통하여 배터리(62)에 접속된다. 배터리(62)로부터의 전력이 인버터(60)를 통하여 하역모터(58)에 공급되어 하역모터(58)가 구동되고, 이로써 포크(52)가 구동된다. 또한, 주행모터(64)는 인버터(66)를 통하여 배터리(62)에 접속된다. 배터리(62)로부터의 전력이 인버터(66)를 통하여 주행모터(64)에 공급되어 주행모터(64)가 구동되고, 이로써 전륜(54)이 구동되어 포크리프트가 주행한다. 상기 서술한 축전제어장치를 포크리프트에 설치함으로써 배터리(62)의 충방전전류를 제한하고, 배터리(62)의 열화의 진행을 억제할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 대하여 설명한다. 제2 실시예에서는, 상기 서술한 제1 실시예에 있어서의 출력제한 레벨로서, 외기온도 등의 영향에 의한 커패시터 내부저항치의 변화에 기인한 내부저항 보정레벨에 주목하여 충방전 제어를 행한다.

먼저, 제2 실시예에 이용되는 축전계(90)에 관하여 상세하게 설명한다. 도 15는, 축전계(90)의 등가회로도이다. 축전계(90)는, 커패시터(19), 컨버터(200), 및 DC버스(110)를 포함한다. 승강압컨버터(100)(이하, 간단히 컨버터(110)로 칭한다)의 한 쌍의 전원접속단자(103A, 103B)에 커패시터(19)가 접속되어 있고, 한 쌍의 출력단자(104A, 104B)에 DC버스(110)가 접속되어 있다. 전원접속단자(103B), 및 출력단자(104B)는 접지되어 있다.

DC버스(110)는, 인버터(18, 20)를 통하여, 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)에 접속되어 있다. DC버스(110)에 발생되어 있는 전압이, 전압계(111)에 의하여 측정되고, 측정결과가 제어장치(30)에 입력된다.

승압용의 절연게이트 바이폴러 트랜지스터(IGBT, 102A)의 컬렉터와, 강압용의 IGBT(102B)의 이미터가 서로 접속된 직렬회로가, 출력단자(104A와 104B) 사이에 접속되어 있다. 승압용 IGBT(102A)의 이미터가 접지되고, 강압용 IGBT(102B)의 컬렉터가, 고압측의 출력단자(104A)에 접속되어 있다. 승압용 IGBT(102A)와 강압용 IGBT(102B)의 상호 접속점이, 리액터(101)를 통하여, 고압측의 전원접속단자(103A)에 접속되어 있다.

승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)에, 각각 다이오드(102a, 102b)가, 이미터로부터 컬렉터를 향하는 방향이 순방향이 되는 방향으로 병렬접속되어 있다. 출력단자(104A와 104B) 사이에, 평활용의 콘덴서(105)가 삽입되어 있다.

전원접속단자(103A와 103B) 사이에 접속된 전압계(106)가, 커패시터(19)의 단자간 전압을 측정한다. 리액터(101)에 직렬로 삽입된 전류계(107)가, 커패시터(19)의 충방전전류를 측정한다. 전압 및 전류의 측정결과는, 제어장치(30)에 입력된다.

온도검출기(36)가, 커패시터(19)의 온도를 검출한다. 검출된 온도데이터는, 제어장치(30)에 입력된다. 커패시터(19)는, 예컨대 직렬접속된 144개의 전기이중층 콘덴서를 포함한다. 온도검출기(36)는, 예컨대 144개의 전기이중층 콘덴서로부터 선택된 4개의 콘덴서에 대응하여 설치된 4개의 온도계를 포함한다. 제어장치(30)는, 예컨대, 4개의 온도계에서 취득된 4개의 온도의 평균을 산출하고, 평균치를 커패시터(19)의 온도로 한다. 다만, 커패시터의 과열상태를 판정할 때에는, 4개의 온도가 나타내는 온도 중 가장 높은 온도를, 커패시터의 온도로서 채용하여도 된다. 반대로, 커패시터의 온도가 과하게 저하된 상태의 판정에는, 4개의 온도가 나타내는 온도 중 가장 낮은 온도를, 커패시터의 온도로서 채용하여도 된다.

제어장치(30)는, 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 게이트전극에, 제어용의 펄스폭변조(PWM) 전압을 인가한다.

제어장치(30)는, 내부메모리(30B)를 포함한다. 내부메모리(30B)는, 충방전전류제한치 기억부(31) 및 선회 출력제한치 기억부(32)를 포함하고 있다. 충방전전류제한치 기억부(31)및 선회 출력제한치 기억부(32)의 역할에 대해서는, 도 16~도 19를 참조하면서 후술한다.

이하, 승압동작(방전동작)에 대하여 설명한다. 승압용 IGBT(102A)의 게이트전극에 PWM 전압을 인가한다. 승압용 IGBT(102A)의 오프시에, 리액터(101)에, 고압측의 전원접속단자(103A)로부터 승압용 IGBT(102A)의 컬렉터를 향하여 전류를 흘려보내는 방향의 유도기전력이 발생한다. 이 기전력이, 다이오드(102b)를 통하여 DC버스(110)에 인가된다. 이로써, DC버스(110)가 승압된다.

다음으로, 강압동작(충전동작)에 대하여 설명한다. 강압용 IGBT(102B)의 게이트전극에, PWM 전압을 인가한다. 강압용 IGBT(102B)의 오프시에, 리액터(101)에, 강압용 IGBT(102B)의 이미터로부터 고압측의 전원접속단자(103A)를 향하여 전류를 흘려보내는 방향의 유도기전력이 발생한다. 이 유도기전력에 의하여, 커패시터(19)가 충전된다. 여기서, 커패시터(19)를 방전하는 방향의 전류를 플러스로 하고, 충전하는 방향의 전류를 마이너스로 한다.

도 16은, 제어장치(30)에 의하여 제어되는 운전상태의 전이의 한 예를 나타내는 도면이다. 운전상태는, 통상, 저온이상, 제1 고온이상, 제2 고온이상, 및 고온이상 회복대기 등의 복수조건을 포함한다. 통상상태로 운전 중에, 커패시터온도가 제1 기준온도(T1) 이상이 되면, 운전상태는 제1 고온이상상태(레벨 1)로 전이된다. 제1 고온이상상태로 운전 중에, 커패시터온도가 제1 기준온도(T1)보다 낮은 고온이상 회복온도(THR)까지 저하되면, 운전상태는 통상상태로 되돌아온다.

제1 고온이상상태로 운전 중에, 커패시터온도가, 제1 기준온도(T1)보다 높은 제2 기준온도(T2) 이상이 되면, 운전상태는 제2 고온이상상태(레벨 2)로 전이된다. 제2 고온이상상태로 운전 중에, 커패시터온도가 제2 기준온도(T2)까지 저하하면, 운전상태는 고온이상 회복대기 상태로 전이된다. 고온이상 회복대기 상태로 운전 중에, 작업자가 회복지시의 조작을 실시하면, 현시점의 커패시터온도와 제1 기준온도(T1)의 대소가 비교된다. 커패시터온도가 제1 기준온도(T1) 이상의 경우에는, 운전상태는 제1 고온이상상태로 전이된다. 커패시터온도가 제1 기준온도(T1) 미만인 경우에는, 운전상태는 통상상태로 되돌아온다. 회복지시의 조작은, 도 2에 나타낸 조작장치(26)에 의하여 행하여진다.

고온이상 회복대기 상태시에, 커패시터온도가 다시 제2 기준온도(T2) 이상이 되면, 운전상태는 제2 고온이상상태로 되돌아온다.

통상상태로 운전 중에, 커패시터온도가, 제1 기준온도(T1) 보다 낮은 제3 기준온도(T3) 이하가 되면, 운전상태는 저온이상상태로 전이된다. 저온이상상태로 운전 중에, 커패시터온도가 저온이상 회복온도(TLR) 이상이 되면, 운전상태는 통상상태로 복귀한다.

도 17은, 운전상태가 통상상태로부터 제1 고온이상상태가 된 후, 통상상태로 돌아오는 경우에 있어서의, 운전상태의 전이를 나타내는 타임차트이다.

도 17의 (A)는, 온도검출기(19)로 검출된 커패시터(19)의 온도를 나타내는 그래프이다. 시간경과와 함께 커패시터(19)의 온도가 상승하고, 시각 t1에, 제1 기준온도(T1)을 넘는다. 커패시터온도가 제1 기준온도(T1)을 넘으면, 도 16에 나타낸 바와 같이, 운전상태는 통상상태로부터 제1 고온이상상태로 전이된다.

커패시터온도는, 제2 기준온도(T2)에 도달하지 않고, 시각 t2에 있어서, 고온이상 회복온도(THR)까지 저하한다. 시각 t2에 있어서, 운전상태는 제1 고온이상상태로부터 통상상태로 되돌아온다. 고온이상 회복온도(THR)를, 제1 기준온도(T1)보다 낮게 설정하여 둠으로써, 제1 고온이상상태와 통상상태 사이에서의, 짧은 주기의 전이의 반복을 방지할 수 있다. 이와 같이, 배터리의 출력에 관한 복수의 조건의 각각에 관하여 상기 배터리의 출력을 제한하는 비율을 나타내는 레벨을 산출하고, 산출한 각 레벨에 근거하여 상기 배터리의 충방전전류를 제한함으로써, 축전기의 충방전전류를 제어하여 열화를 억제하고, 또한 안정되게 전력을 공급할 수 있다.

도 17의 (B)는, 컨버터(100)의 운전지령 상태를 나타내는 그래프이다. “ON”은, 컨버터(100)가 운전상태인 것을 나타내고, “OFF”는, 컨버터(100)가 정지상태인 것을 나타낸다. 운전상태에 있어서는, 도 15에 나타낸 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 게이트전극에, 소정의 PWM 전압이 인가된다. 정지상태에 있어서는, 도 15에 나타낸 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)가 상시 비도통으로 되어 있다.

도 17의 (C)는, 도 15에 나타낸 전류계(107)에서 계측되는 충방전전류를 나타내는 그래프이다. 세로축의 IDF 및 ICF는, 각각 이상시의 방전전류 및 충전전류의 제한치를 나타내고, IDN 및 ICN는, 각각 통상시의 방전전류 및 충전전류의 제한치를 나타낸다. 이러한 제한치는, 도 15에 나타낸 충방전전류제한치 기억부(31)에 격납된다. 충전전류의 방향을 마이너스라고 정의하였지만, 이러한 충전전류의 제한치 ICN, ICF는, 전류의 크기를 나타내기 때문에, 도 17의 (C)에 나타낸 그래프에서는, 충전전류의 제한치 ICN, ICF에 마이너스 부호를 붙이고 있다. 이상시의 충전전류의 제한치 ICF는, 통상시의 충전전류의 제한치 ICN보다 작다. 이상시의 방전전류의 제한치 IDF는, 통상시의 방전전류의 제한치 IDN보다 작다.

제어장치(30)는, 충방전전류가, 현재 유효한 제한치를 넘지 않게, 컨버터(100)를 제어한다.

운전상태가 통상상태일 때, 즉, 시각 0에서부터 t1 사이, 및 시각 t2 이후에서는, 커패시터(19)의 방전전류의 제한치로서 통상시의 제한치 IDN이 유효하게 되고, 충전전류의 제한치로서, 통상시의 제한치 ICN이 유효하게 된다. 어느 제한치를 유효하게 할지는, 제어장치(30)에 의하여 결정된다. 운전상태가 제1 고온이상상태시, 즉, 시각 t1에서부터 t2까지의 기간은, 커패시터(19)의 방전전류의 제한치로서, 고온이상시 제한치 IDF가 유효하게 되고, 충전전류의 제한치로서, 고온이상시 제한치 ICF가 유효하게 된다.

충방전전류는, 실제로는 도 3에 나타낸 리액터(101)에서 발생하는 유도기전력에 의하여, 펄스적으로 흐른다. “충방전전류의 크기”는, 엄밀하게는 펄스적으로 흐르는 전류의 시간평균치를 의미한다. 충방전전류의 크기는, 실제로는, 도 15에 나타낸 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 게이트전극에 인가하는 PWM 전압의 주파수를 변화시킴으로써 제어된다.

제1 고온이상상태시에 충방전전류의 제한치로서, 보다 작은 제한치를 유효하게 함으로써, 커패시터(19)로부터의 발열을 억제할 수 있다. 이로써, 커패시터(19)의 가일층의 온도상승이 억제된다.

도 17의 (D)는, 엔진(11)의 출력의 변화를 나타내는 그래프이다. 통상시 및 제1 고온이상시의 엔진(11)의 제한치 PE는 동일하다. 제어장치(30)는, 엔진(11)의 출력이 제한치 PE를 넘지 않게 엔진(11)을 제어한다.

도 17의 (E)는, 선회용 전동기(21)의 출력의 변화를 나타내는 그래프이다. 세로축의 PCN 및 PCF는, 각각 통상시 제한치 및 고온이상시 제한치를 나타낸다. 고온이상시 제한치 PCF는, 통상시 제한치 PCN보다 작다.

제어장치(30)는, 선회용 전동기(21)의 출력이, 현시점의 유효한 제한치를 넘지 않도록, 인버터(20)를 제어한다. 운전상태가 통상상태일 때, 통상제한치 PCN를 유효하게 하고, 운전상태가 제1 고온이상상태일 때, 고온이상시 제한치 PCF를 유효하게 한다.

선회용 전동기(21)는, 전동발전기(12)에서 발생한 전력, 및 커패시터(19)로부터 방전되는 전력에 의하여 구동된다. 제1 고온이상상태 일 때 커패시터(19)의 방전전류의 제한치가 작아져 있는 것에 대응하여, 선회용 전동기(21)의 출력의 제한치가 낮게 되어 있다. 이로써, 전동발전기(12)의 발전동작시에, 과잉된 전기적 부하가 가해지는 것이 방지된다.

도 17의 (F)는, 유압출력의 변화를 나타내는 그래프이다. 유압출력의 제한치(PP)는, 통상상태 및 제1 고온이상상태에 관계없이 일정하다. 제1 고온이상상태인 기간에는, 커패시터(19)로부터의 방전에 의한 어시스트 동작의 출력이 제약되지만, 엔진(11)의 출력을 높임으로써, 필요한 유압출력을 얻을 수 있다. 이로 인하여, 제1 고온이상상태일 때에도, 유압출력의 제한치(PP)를 작게 할 필요는 없다.

도 17의 (G)는, 표시장치(35)의 표시상태를 나타내는 그래프이다. 통상상태시에는, “통상”을 표시하고, 제1 고온이상상태시에는, “이상1”을 표시한다. 작업자는, 이 표시를 눈으로 인식함으로써, 현재의 운전상태를 인식할 수 있다.

도 18은, 운전상태가 제2 고온이상상태까지 도달하는 경우에 있어서의, 운전상태의 전이를 나타내는 타임차트이다. 도 18의 (A)~(G)는, 도 17과 마찬가지로, 각각 커패시터온도, 컨버터 운전지령, 충방전전류, 엔진출력, 선회용 전동기 출력, 유압출력, 및 표시장치의 출력의 그래프이다. 시각 t1에 있어서, 커패시터온도가 제1 기준온도(T1)를 넘어, 운전상태는 제1 고온이상상태로 전이하고 있다. 그 후, 시각 t3에 있어서, 커패시터온도가 제2 기준치(T2)를 넘어, 운전상태는 제2 고온이상상태로 전이된다.

운전상태가 제2 고온이상상태가 되면, 컨버터 운전지령이 “OFF”가 된다. 즉, 도 15에 나타내는 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)이 상시 비도통이 된다. 이로 인하여, 리액터(101)의 유도기전력에 근거하는 강제적인 충전 및 방전은 행하여지지 않게 된다. 다만, 출력단자(104A, 104B) 사이의 전압이, 커패시터(19)의 단자간 전압보다 낮아지면, 다이오드 (102b)를 통하여 커패시터(19)의 방전전류가 흐른다.

충방전전류의 제한치로서, 제1 고온이상상태시의 유효한 제한치 IDF 및 ICF가 유지된다. 단, 컨버터 운전지령이 “OFF”이기 때문에, 충방전전류는 거의 흐르지 않는다.

엔진출력 및 유압출력의 제한치 (PE 및 PP)는, 통상상태시의 제한치와 동일하다. 선회용 전동기의 출력의 제한치로서, 제1 고온이상상태시의 제한치 PCF가 유지된다. 커패시터(19)로부터의 강제적인 방전이 행하여지지 않기 때문에, 선회용 전동기(21)는, 전동발전기(12)의 발전동작에 의하여 발생된 전력으로 구동된다. 또한, 전동발전기(12)의 어시스트 동작은 행하여지지 않는다.

제2 고온이상상태가 되면, 표시장치에 “이상2”가 표시된다. 제2 고온이상상태에서는, 커패시터(19)의 충방전이 거의 행하여지지 않기 때문에, 커패시터(19)의 온도의 상승이 억제되고, 나아가 커패시터(19)의 온도는 저하하기 시작한다.

시각 t4에 있어서, 커패시터(19)의 온도가 제2 기준온도(T2) 이하가 되면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 운전상태는 고온이상 회복대기 상태로 전이한다. 이때, 표시장치에는, “회복대기”가 표시된다.

시각 t5에 있어서, 작업자가 회복지시의 조작을 행하면, 컨버터 운전지령이 “ON”이 됨과 함께, 운전상태가 전이된다. 도 6에서는, 회복지시의 조작시의 커패시터온도가 제1 기준온도(T1) 이상이기 때문에, 운전상태가 제1 고온이상상태로 전이된다. 다만, 회복지시의 조작시의 커패시터온도가 제1 기준온도(T1) 미만인 경우에는, 도 16에 나타낸 바와 같이 운전상태는 통상상태로 전이된다. 시각 t6에 있어서, 커패시터온도가 고온이상 회복온도(THR) 이하가 되면, 운전상태는 통상상태로 복귀한다.

제2 고온이상상태시에, 커패시터(19)의 강제적인 충방전을 행하지 않기 때문에, 커패시터(19)의 가일층의 온도상승을 억제할 수 있다. 이로써, 커패시터(19)의 열화를 억제할 수 있다.

도 19는, 운전상태가 저온이상상태에 이르는 경우의 운전상태의 전이를 나타내는 타임차트이다. 도 19의 (A)~(H)는, 각각, 커패시터온도, 컨버터 운전지령, 충방전전류, 엔진출력, 선회용 전동기 출력, 유압출력, 전동발전기 출력, 및 표시장치의 출력의 그래프를 나타낸다.

운전 개시시의 커패시터온도는, 제3의 기준온도(T3) 이하인 것으로 한다. 이 때, 운전상태는, 저온이상상태이다. 컨버터 운전지령은 “ON”이다. 충방전전류의 그래프의 세로축의 ICFL 및 IDFL은, 각각 저온시의 충전전류제한치 및 저온시의 방전전류제한치를 나타낸다. 저온시의 충전전류제한치 ICFL은, 통상시의 충전전류의 제한치 ICN보다 작고, 저온시의 방전전류제한치 IDFL은, 통상시의 방전전류의 제한치 IDN보다 작다. 저온이상상태시에는, 저온이상시의 제한치 ICFL, 및 IDFL을 유효하게 한다.

선회용 전동기 출력의 차트의 세로축의 PCFL는, 저온이상상태에 있어서의 출력제한치를 나타낸다. 저온이상상태시에는, 저온시의 출력제한치 PCFL를 유효하게 한다. 표시장치에는, “저온이상”이 표시된다.

전동발전기 출력을 나타내는 차트의 세로축의 PAF 및 PGF는, 각각 저온이상상태에 있어서의 어시스트 동작 출력제한치 및 발전동작 출력제한치를 나타낸다. 세로축의 PAN 및 PGN은, 각각 통상상태에 있어서의 어시스트 동작 출력제한치 및 발전동작 출력제한치를 나타낸다. 제어장치(30)는, 현재 유효한 제한치를 넘지 않는 범위에서 어시스트 동작 및 발전동작이 행하여지도록, 인버터(18)를 제어한다.

저온이상상태이고, 또한 선회용 전동기(21)가 구동되고 있지 않을 때에는, 저온이상시 제한치 PAF 및 PGF를 유효하게 하여, 어시스트 동작과 발전동작이 교대로 반복되도록, 제어장치(30)가 인버터(18)를 제어한다. 선회용 전동기(21)에의 전력의 공급, 및 선회용 전동기(21)로부터의 회생전력의 인출이 없기 때문에, 전동발전기(12)의 어시스트 동작시에 커패시터(19)에 방전전류가 흐르고, 발전동작시에 충전전류가 흐른다. 이 충전전류 및 방전전류에 의하여, 커패시터(19)에서 발열이 생긴다. 이로써, 커패시터(19)의 온도를 상승시킬 수 있다.

시각 t10에 있어서, 커패시터온도가, 제3의 기준온도보다 높은 저온이상 회복온도(TLR) 이상이 되면, 운전상태가 통상상태로 전이된다. 충방전전류의 제한치로서, 통상시의 제한치 IDN, ICN을 유효하게 하고, 선회용 전동기 출력의 제한치로서, 통상시의 제한치 PCN을 유효하게 하고, 전동발전기 출력의 어시스트 동작 출력 및 발전동작 출력의 제한치로서, 각각 통상시의 제한치 PAN 및 PGN를 유효하게 한다. 전동발전기(12)의 동작도, 통상상태의 동작으로 되돌아온다. 즉, 부하에 따라, 어시스트 동작 또는 발전동작이 전환된다.

어떠한 원인으로, 시각 t12에 있어서 커패시터온도가 제3의 기준온도(T3) 이하가 되면, 운전상태는 저온이상상태로 전이된다. 각 제한치로서, 저온이상시의 제한치를 유효하게 한다. 선회용 전동기(21)의 동작, 및 커패시터(19)의 충방전동작에 따라, 전동발전기(12)의 어시스트 동작과 발전동작이 전환된다. 충방전전류의 제한치를 작게 함으로써, 커패시터(19)의 내부저항이 높은 상태에서, 큰 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.

시각 t12에 있어서, 커패시터온도가 저온이상 회복온도(TLR) 이상이 되면, 운전상태는 통상상태로 복귀한다.

본 실시예에서는, 통상상태시에 컨버터(100)의 운전지령이 “ON”인 경우에 대하여 설명하였지만, 컨버터(100)의 운전지령이 “OFF”로 되어 있을 경우도 있다. 이 경우도, 각 제한치는, 상기 실시예와 마찬가지로, 운전상태에 따라 유효하게 된다.

컨버터(100)의 운전지령이 “OFF”일 때에는, 도 15에 나타내는 다이오드(102b)를 경유하여 커패시터(19)로부터 방전전류가 흐르는 경우가 있다. 이 방전전류의 크기를 제한하는 제어는, 도 2에 나타내는 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)의 출력의 합계치를 제한함으로써 행하여진다. 구체적으로는, 컨버터(100)를 통하여 흐르는 방전전류의 크기가, 현시점에서 유효하게 되어 있는 제한치의 범위 내에 들도록, 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)의 합계의 출력의 상한치를 계산에 의하여 구한다. 전동발전기(12) 및 선회용 전동기(21)의 합계의 출력이, 이 상한치를 넘지 않도록, 인버터(18 및 20)가 제어된다.

상기 실시예에서는, 하이브리드형 작업기계로서, 선회용 전동기(21)를 회생동작시키는 쇼벨에 대하여 설명하였다. 상기 실시예에서 설명한 축전계(90)의 제어방법은, 권상용 구동장치를 갖춘 크레인에 적용하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 감아올리는 대칭물의 위치에너지가 전기에너지로 변환된다. 발생한 전기에너지는 커패시터(19)에 축전된다. 감아올림 동작시에는, 커패시터(19)로부터의 방전전류, 및 전동발전기(12)로부터의 발전전력에 의하여, 권상용 전동기가 구동된다.

또한, 상기 실시예에서 설명한 축전계(90)의 제어방법은, 리프팅마그넷형 작업기계에 적용할 수도 있다. 이 경우, 커패시터(19)로부터의 방전전류에 의하여, 리프팅마그넷의 흡착동작이 행하여진다.

본 발명은 상기 서술한 구체적으로 개시된 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 범위를 일탈하는 일 없이 다양한 변형예, 개량예가 이루어질 것이다.

본 출원은 2009년 1월28일 출원된 우선권주장 일본특허출원 2009－016133호, 및 2009년 2월18일 출원된 우선권주장 일본특허출원 2009－035779호에 근거하는 것이며, 그 모든 내용은 여기에 원용된다.

본 발명은 하이브리드형 작업기계에 적용 가능하다.

1　하부주행체(기체(基體))
1A, 1B　유압모터
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(제2 전동기)
13　변속기
14　메인펌프
15　파일럿 펌프
16　고압 유압라인
17　컨트롤밸브
18　인버터(제2 전기회로)
19　커패시터(배터리)
20　인버터(제1 전기회로)
21　선회용 전동기(제1 전동기)
22　리졸버
23　매커니컬 브레이크
24　변속기
25　파일럿 라인
26　조작장치
27,28 유압라인
29　압력센서
30　제어장치
35　표시장치
36　온도검출기
40a　개별레벨 산출부
40b　최종레벨 산출부
40c　제한비율 산출부
40d　전류산출부
50　운전석
52　포크
54　전륜
56　후륜
58　하역모터
60, 66 인버터
62　배터리
64　주행모터
100　승강압컨버터(커패시터 충방전회로)
101　리액터
102A　승압용 IGBT
102B　강압용 IGBT
102a, 102b　다이오드
103A, 103B　전원접속단자
104A, 104B　출력단자
105　평활용 콘덴서
106　전압계
107　전류계
110　DC버스
111　전압계

Claims

전력의 공급에 의하여 구동되는 역행(力行)동작, 및 전력을 발생하는 회생(回生)동작을 행하는 제1 전동기와,
상기 제1 전동기의 출력을 제어하는 제1 전기회로와,
상기 제1 전동기에 전력을 공급하고, 또한 상기 제1 전동기로부터의 회생전력을 축전하는 배터리와,
상기 배터리의 충방전전류를 제어하는 충방전회로와,
기기를 구동하기 위한 배터리의 충방전을 제어하는 제어장치
를 가지고,
상기 제어장치는, 상기 배터리의 출력에 관련된 복수의 조건의 각각에 관하여 상기 배터리의 출력을 제한하는 비율을 나타내는 레벨을 산출하고, 산출한 각 레벨에 근거하여 상기 배터리의 충방전전류를 제한하는 하이브리드형 작업기계.
제1항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 레벨을 상기 복수의 조건의 각각에 관하여 독립적으로 산출하고, 산출한 상기 레벨을 합산하여 구한 출력제한 레벨에 근거하여 상기 배터리의 충방전전류를 제한하는 하이브리드형 작업기계.
제2항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 출력제한 레벨에 대응하는 출력계수를 초기설정된 최대 충방전전류에 곱하여 산출한 제한치에 의하여, 현재의 배터리의 충방전전류를 제한하는 하이브리드형 작업기계.
제1항에 있어서,
상기 복수의 조건에 관한 제어정보는, 외기온도를 나타내는 정보, 상기 기기의 운전조건의 설정을 나타내는 정보, 상기 배터리의 열화를 나타내는 정보, 및 상기 기기의 고장상태를 나타내는 정보를 포함하는 하이브리드형 작업기계.
제4항에 있어서,
상기 제어장치는,
상기 레벨을 상기 복수의 조건의 각각에 관하여 독립적으로 산출하는 개별레벨 산출부와,
산출한 상기 레벨을 합산하여 출력제한 레벨을 구하는 최종레벨 산출부와,
상기 출력제한 레벨에 대응하는 출력계수를 산출하는 제한비율 산출부와,
미리 설정된 초기출력제한용 방전전류에 상기 출력계수를 곱하여 출력제한용 방전전류를 산출하고, 또한 미리 설정된 초기입력제한용 충전전류에 상기 출력계수를 곱하여 입력제한용 충전전류를 산출하는 전류산출부
를 가지는 하이브리드형 작업기계.
제1항에 있어서,
상기 배터리의 온도를 검출하는 온도검출기를 더욱 가지고,
상기 제어장치는, 상기 온도검출기에서 검출된 온도데이터가 입력되고, 상기 온도검출기에서 검출된 온도가 제1 기준온도 이상이 되었을 때, 상기 배터리의 충전전류 및 방전전류가, 통상시의 제한치인 제1 제한치보다 작은 제2 제한치를 넘지 않도록, 상기 커패시터 충방전회로를 제어하는 하이브리드형 작업기계.
제6항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 온도검출기에서 검출된 온도가 제1 기준온도 이상이 되었을 때, 상기 제1 전동기의 출력이, 통상시의 제한치인 제3 제한치보다 작은 제4 제한치를 넘지 않도록 상기 제1 전기회로를 제어하는 하이브리드형 작업기계.
제6항에 있어서,
작업기계 본체에 대하여 선회 가능하게 장착된 선회체를 더욱 가지고,
상기 제1 전동기는, 상기 선회체를 선회시키는 회전구동력을 발생시키는 하이브리드형 작업기계.
제6항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 온도검출기에서 검출된 온도가, 상기 제1 기준온도보다 낮은 제1 회복온도 이하가 되었을 때, 상기 커패시터의 충전전류 및 방전전류의 제한치를 통상시의 값으로 되돌려서, 상기 커패시터 충방전회로를 제어하는 하이브리드형 작업기계.
제6항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 온도검출기에서 검출된 온도가, 상기 제1 기준온도보다 높은 제2 기준온도 이상이 되었을 때, 상기 커패시터에의 충전 및 상기 커패시터로부터의 강제적인 방전을 정지시키도록 상기 커패시터 충방전회로를 제어하는 하이브리드형 작업기계.
제6항에 있어서,
상기 제어장치는, 상기 온도검출기에서 검출된 온도가, 상기 제1 기준온도보다 낮은 제3의 기준온도 이하가 된 것을 검출하면, 상기 커패시터의 충전전류 및 방전전류가, 통상시의 제한치인 제5 제한치보다 작은 제6 제한치를 넘지 않도록, 상기 커패시터 충방전회로를 제어하고, 또한 상기 제1 전동기의 출력이, 통상시의 제한치인 제7 제한치보다 작은 제8 제한치를 넘지 않도록, 상기 제1 전기회로를 제어하는 하이브리드형 작업기계.
제11항에 있어서,
전기 이외의 연료에 의하여 구동력을 발생하는 엔진과,
상기 엔진의 구동축에 기계적으로 접속되고, 또한 상기 커패시터에 전기적으로 접속되고, 상기 엔진에 의하여 구동되어 발전을 행하는 발전동작, 및, 상기 커패시터로부터 전력을 공급받음으로써 기계적 구동력을 발생하여 상기 엔진의 구동력을 보조하는 어시스트 동작을 행하는 제2 전동기와,
상기 제2 전동기에 전력을 공급하는 상태와, 상기 제2 전동기로부터 발전전력을 인출하는 상태를 전환하는 제2 전기회로
를 더욱 가지고,
상기 제어장치는, 상기 온도검출기에서 검출된 온도가 상기 제3 기준온도 이하가 되었을 때에, 상기 제2 전동기가 발전동작과 어시스트 동작을 교대로 반복하도록 상기 제2 전기회로를 제어하는 하이브리드형 작업기계.
기기를 구동하기 위한 배터리의 충방전을 제어하는 축전제어장치로서,
상기 배터리의 출력에 관련된 복수의 조건의 각각에 관하여 상기 배터리의 출력을 제한하는 비율을 나타내는 레벨을 산출하고, 산출한 각 레벨에 근거하여 상기 배터리의 충방전전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 축전제어장치.
제13항에 있어서,
상기 레벨을 상기 복수의 조건의 각각에 관하여 독립적으로 산출하고, 산출한 상기 레벨을 합산하여 구한 출력제한 레벨에 근거하여 상기 배터리의 충방전전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 축전제어장치.
제14항에 있어서,
상기 출력제한 레벨에 대응하는 출력계수를 초기 설정된 최대 충방전전류에 곱하여 산출한 제한치에 의하여, 현재의 배터리의 충방전전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 축전제어장치.