KR20120064620A - 하이브리드형 작업기계 - Google Patents

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Abstract

[과제] 구동부분이 적은 기구를 이용하여 축전기의 전압내리기를 단시간에 행할 수 있는 하이브리드형 작업기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[해결수단] 하이브리드형 작업기계는, 엔진(11)을 어시스트하는 어시스트모터(12)에 전력을 공급하는 축전장치(120)와, 축전장치의 축전기(19)의 전력에 의하여 역행(力行)운전되는 전압내리기용 전동기(300)와, 전압내리기용 전동기에 연결된 전압내리기용 유압모터(310)와, 전압내리기용 유압모터를 구동제어하는 유압회로를 가진다. 유압회로는, 전압내리기용 유압모터의 유압공급포트와 유압배출포트에 접속되는 순환회로를 포함하고, 또한, 전압내리기 처리를 행할 때에 전압내리기용 유압모터(310)가 순환회로에 접속되도록 전환하는 전환밸브(330)를 포함한다.

Description

하이브리드형 작업기계{Hybrid working machine}
본 발명은 2010년 12월 9일에 출원된 일본 특허출원 제2010-274861호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참조에 의하여 원용되어 있다.
본 발명은 하이브리드형 작업기계에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드형 쇼벨 등의 하이브리드형 작업기계는, 엔진을 어시스트하기 위한 전동발전기를 포함한다. 전동발전기는, 축전지 혹은 축전기를 포함하는 축전장치로부터의 전력에 의하여 구동된다. 또한, 회생기구에 의하여 얻어진 회생전력은 축전장치에 충전된다.
축전장치의 축전기로서 대용량의 커패시터를 이용하는 경우가 있다. 이러한 커패시터는, 충방전이 반복하여 행하여지면 열화가 촉진되어, 수명이 짧아지는 특성을 가지고 있다. 따라서, 커패시터의 수명을 늘리기 위하여 다양한 연구가 이루어지고 있다.
예컨대, 커패시터의 전압이 높을수록 열화의 정도가 큰 것을 감안하여, 작업기계의 운전 종료시에, 커패시터의 전압이 설정전압 이하가 되도록 커패시터를 방전시키는 것이 제안되어 있다. 커패시터로부터 방전된 전력은, 예컨대 보조배터리 등의 축전부에 축적된다.
또한, 보조배터리 등의 축전부를 설치하지 않고 커패시터를 방전시키기 위하여, 예컨대 커패시터로부터의 전력으로 수냉펌프(수냉펌프용 전동기)를 구동하여 전력을 소비하여 커패시터 전압을 낮추는 것이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조.).
국제공개 WO2009/125833호 공보
상술한 바와 같이 커패시터로부터의 전력으로 수냉펌프(수냉펌프용 전동기)를 구동하여 전력을 소비함으로써, 커패시터의 전압을 낮추는 경우(이를 전압내리기라 칭함), 수냉펌프는 일반적으로 용량이 작기 때문에, 수냉펌프가 소비하는 전력은 작아서, 전압내리기에 시간이 걸릴 우려가 있다. 전압내리기를 행하는 것은, 통상, 건설기계의 운전을 정지할 때이며, 전압내리기에 시간이 걸리면, 그만큼 건설기계의 운전을 완전히 정지할 때까지의 시간도 길어지는 문제가 있다. 또한, 한랭지 사양(仕樣)의 건설기계에는 수냉이 불필요하여 수냉펌프가 이용되고 있지 않는 경우도 있어서, 그러한 경우에는 전압내리기를 행할 수 없게 되어 버린다.
따라서, 전압내리기를 위하여 수냉펌프를 사용하는 대신에, 어시스트모터를 사용하는 것도 제안되고 있다. 이 경우, 어시스트모터를 구동하기 위해서는, 메인 유압펌프가 기계적으로 접속되어 있는 엔진을 구동해 놓을 필요가 있다. 따라서, 작동시킬 구동기구가 많으므로 구동기구가 고장난 경우에 전압내리기를 할 수 없다는 문제가 생길 우려가 있다. 또한, 전압내리기가 종료할 때까지 엔진을 구동해 놓기 때문에, 엔진에서 쓸데없는 에너지를 소비하게 된다.
따라서, 본 발명은, 구동부분이 적은 기구를 이용하여 커패시터의 전압내리기를 단시간에 행할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의하면, 엔진과, 상기 엔진을 어시스트하는 어시스트모터와, 상기 엔진에 의하여 구동되는 유압펌프와, 상기 어시스트모터에 전력을 공급하는 축전장치와, 상기 축전장치의 축전기의 전력에 의하여 역행(力行)운전되는 전압내리기용 전동기와, 상기 전압내리기용 전동기에 연결된 전압내리기용 유압모터와, 상기 전압내리기용 유압모터를 구동제어하는 유압회로를 가지는 하이브리드형 작업기계로서, 상기 유압회로는, 상기 전압내리기용 유압모터의 유압공급포트와 유압배출포트에 접속되는 순환회로를 포함하고, 또한, 전압내리기 처리를 행할 때에 상기 전압내리기용 유압모터가 상기 순환회로에 접속되도록 전환하는 전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계가 제공된다.
본 발명에 의하면, 전압내리기용 전동기를 구동함으로써 축전기의 전압내리기를 행하기 때문에, 구동하는 부분은 전압내리기용 전동기 및 전압내리기용 유압모터뿐이어서, 엔진이 정지하고 있는 상태에서도 전압내리기를 행할 수 있다. 또한, 전압내리기용 전동기를 비교적 큰 용량의 붐 회생용 전동발전기 또는 선회 회생용 전동발전기로 함으로써, 전압내리기를 위하여 축전기로부터 방출하는 전력을 단시간에 소비할 수 있다.
도 1은, 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다.
도 2는, 제1 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은, 축전계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는, 축전계의 회로도이다.
도 5는, 전압내리기 처리의 일례의 플로우차트이다.
도 6은, 전압내리기 처리의 다른 예의 플로우차트이다.
도 7은, 선회 유압모터에 의하여 선회기구를 구동하는 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8은, 제2 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9는, 시리즈형 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 하이브리드형 작업기계의 일례인 하이브리드식 쇼벨을 나타내는 측면도이다.
하이브리드식 쇼벨의 하부주행체(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부선회체(3)가 탑재되어 있다. 상부선회체(3)에는, 붐(4)이 장착되어 있다. 붐(4)의 선단에, 암(5)이 장착되고, 암(5)의 선단에 버킷(6)이 장착되어 있다. 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)은, 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)에 의하여 각각 유압구동된다. 상부선회체(3)에는, 캐빈(10)이 설치되며, 또한 엔진 등의 동력원이 탑재된다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2에 있어서, 기계적 동력계는 이중선, 고압 유압라인은 실선, 파일럿라인은 파선, 전기구동·제어계는 실선으로 각각 나타나 있다.
기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 변속기(13)의 2개의 입력축에 각각 접속되어 있다. 변속기(13)의 출력축에는, 유압펌프로서 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압 유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다.
컨트롤밸브(17)는, 하이브리드식 쇼벨에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 하부주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐 실린더(7), 암 실린더(8), 및 버킷 실린더(9)는, 고압 유압라인을 통하여 컨트롤밸브(17)에 접속된다.
전동발전기(12)에는, 인버터(18A)를 통하여, 축전기로서의 커패시터를 포함하는 축전계(120)가 접속된다. 축전계(120)에는, 인버터(20)를 통하여 전동 작업요소로서의 선회용 전동기(21)가 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메카니컬 브레이크(23), 및 선회변속기(24)가 접속된다. 또한, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 선회용 전동기(21)와, 인버터(20)와, 리졸버(22)와, 메카니컬 브레이크(23)와, 선회변속기(24)로 부하구동계가 구성된다.
조작장치(26)는, 레버(26A), 레버(26B), 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A), 레버(26B), 및 페달(26C)은, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 압력센서(29)에 각각 접속된다. 압력센서(29)는, 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 접속되어 있다.
본 실시형태에서는, 붐 회생전력을 얻기 위한 붐 회생용 모터(300)(전동발전기(300)라고도 칭함)가 인버터(18C)를 통하여 축전계(120)에 접속되어 있다. 전동발전기(300)는, 붐 실린더(7)로부터 토출되는 작동유에 의하여 구동되는 유압모터(310)에 의하여 구동된다. 전동발전기(300)는, 붐(4)이 중력에 따라 내려갈 때에 붐 실린더(7)로부터 토출되는 작동유의 압력을 이용하여, 붐(4)의 위치에너지를 전기에너지로 변환한다. 다만, 도 2에 있어서, 설명의 편의상, 유압모터(310)와 전동발전기(300)는 떨어진 위치에 표시되어 있지만, 실제로는, 전동발전기(300)의 회전축은 유압모터(310)의 회전축에 기계적으로 접속되어 있다.
즉, 유압모터(310)는, 붐(4)이 내려갈 때에 붐 실린더(7)로부터 토출되는 작동유에 의하여 회전되도록 구성되어 있고, 붐(4)이 중력에 따라 내려갈 때의 에너지를 회전력으로 변환하기 위하여 설치되어 있다. 유압모터(310)는, 컨트롤밸브(17)와 붐 실린더(7) 사이의 유압배관(7A)에 설치되어 있고, 상부선회체(3) 내의 적당한 장소에 장착할 수 있다.
전동발전기(300)에서 발전된 전력은, 회생전력으로서 인버터(18C)를 거쳐서 축전계(120)에 공급된다. 전동발전기(300)와 인버터(18C)로 부하구동계가 구성된다.
다만, 본 실시형태에서는, 붐(4)의 각도를 검출하기 위한 붐 각도센서(7B)가 붐(4)의 지지축에 장착되어 있다. 붐 각도센서(7B)는, 검출한 붐 각도(θB)를 컨트롤러(30)에 공급한다.
도 3은 축전계(120)의 구성을 나타내는 블록도이다. 축전계(120)는, 축전기로서의 커패시터(19)와, 승강압 컨버터(100)와 DC버스(110)를 포함한다. 제2 축전기로서의 DC버스(110)는, 제1 축전기로서의 커패시터(19), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21) 사이에서의 전력의 수수(授受)를 제어한다. 커패시터(19)에는, 커패시터 전압치를 검출하기 위한 커패시터 전압검출부(112)와, 커패시터 전류치를 검출하기 위한 커패시터 전류검출부(113)가 설치되어 있다. 커패시터 전압검출부(112)와 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치와 커패시터 전류치는, 컨트롤러(30)에 공급된다.
승강압 컨버터(100)는, 전동발전기(12), 전동발전기(300), 및 선회용 전동기(21)의 운전상태에 따라서, DC버스 전압치를 일정한 범위 내에 들도록 승압동작과 강압동작을 전환하는 제어를 행한다. DC버스(110)는, 인버터(18A, 18C, 및 20)와 승강압 컨버터(100) 사이에 배치되어 있고, 커패시터(19), 전동발전기(12), 전동발전기(300), 및 선회용 전동기(21) 사이에서의 전력의 수수를 행한다.
도 2로 되돌아와서, 컨트롤러(30)는, 하이브리드식 쇼벨의 구동제어를 행하는 주(主)제어부로서의 제어장치이다. 컨트롤러(30)는, CPU(Central Processing Unit) 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성되며, CPU가 내부메모리에 격납된 구동제어용의 프로그램을 실행함으로써 실현되는 장치이다.
컨트롤러(30)는, 압력센서(29)로부터 공급되는 신호를 속도지령으로 변환하여, 선회용 전동기(21)의 구동제어를 행한다. 압력센서(29)로부터 공급되는 신호는, 선회기구(2)를 선회시키기 위하여 조작장치(26)를 조작한 경우의 조작량을 나타내는 신호에 상당한다.
컨트롤러(30)는, 전동발전기(12)의 운전제어(전동(電動)(어시스트)운전 또는 발전(發電)운전의 전환)를 행함과 함께, 승강압 제어부로서의 승강압 컨버터(100)를 구동제어하는 것에 의한 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(전동(어시스트)운전 또는 발전운전), 및 선회용 전동기(21)의 운전상태(역행(力行)운전 또는 회생(回生)운전)에 근거하여, 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하고, 이로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다.
이 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스 전압검출부(111)에 의하여 검출되는 DC버스 전압치, 커패시터 전압검출부(112)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치, 및 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전류치에 근거하여 행하여진다.
이상과 같은 구성에 있어서, 어시스트모터인 전동발전기(12)가 발전한 전력은, 인버터(18A)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 선회용 전동기(21)가 회생운전하여 생성한 회생전력은, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 또한, 붐 회생용의 전동발전기(300)가 발전한 전력은, 인버터(18C)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압 컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다.
선회용 전동기(21)의 회전속도(각속도(ω))는 리졸버(22)에 의하여 검출된다. 또한, 붐(4)의 각도(붐 각도(θB))는 붐(4)의 지지축에 설치된 로터리 인코더 등의 붐 각도센서(7B)에 의하여 검출된다.
본 실시형태에서는, 커패시터(19)의 전압내리기가 필요한 때에, 커패시터(19)로부터 붐 회생용 모터(300)에 전력을 공급하여 유압모터(310)를 구동함으로써, 커패시터(19)로부터의 전력을 소비한다. 이로써, 커패시터(19)의 전압을 미리 정하여진 낮은 전압까지 낮춤으로써 전압내리기가 행하여진다.
도 4는 전압내리기를 행하기 위한 유압회로를 나타내는 도면이다. 전압내리기를 행할 때는, 먼저, 컨트롤러(30)로부터 인버터(18C)에 대하여, 전압내리기를 위하여 붐 회생용 모터(300)를 구동하기 위한 제어신호가 보내진다. 제어신호를 받으면, 인버터(18C)는, 축전계(120)로부터 공급되는 커패시터(19)의 전력을 붐 회생용 모터(300)에 공급한다. 이로써 붐 회생용 모터(300)는 구동되고, 구동력에 의하여 유압모터(310)가 회전한다.
여기서, 전압내리기를 행하는 경우는, 전동발전기(300)는 전동기로서 기능하고 있고, 붐 회생용 유압모터(310)는 전동발전기(300)에 의하여 구동되는 유압부하에 상당한다. 당연한 것이긴 하지만, 전압내리기를 행하는 경우는, 붐 회생용 유압모터(310)에 의한 회생은 행하여지지 않는다. 따라서, 전압내리기를 행할 때는, 컨트롤밸브(17)는 닫혀지고, 또한 회생밸브(320)도 닫힌 상태가 된다. 회생밸브(320)가 닫히면 작동유는 붐 회생용 유압모터(310)에 공급되지 않게 된다. 따라서, 전압내리기를 행할 때는, 컨트롤러(30)로부터 전환밸브(330)에 모드전환 신호를 보내서, 전환밸브(330)를 구동하여 유압회로를 전환한다. 즉, 전환밸브(330)를 구동하여, 붐 회생용 유압모터(310)의 유압공급포트와 유압배출포트를 폐루프 회로로 접속한다.
따라서, 전환밸브(330)가 전환되면, 붐 회생용 유압모터(310)의 유압공급포트에 공급된 작동유가 유압배출포트로부터 배출되고, 배출된 작동유가 다시 유압공급포트로 되돌아오게 되어, 붐 회생용 유압모터(310)는 공회전하는 상태가 된다. 공회전의 상태이더라도, 작동유를 흘리기 위한 동력이 필요하고, 이것이 전동발전기(300)의 구동력에 상당한다.
이상과 같이, 전동발전기(300)에 공급되는 커패시터(19)로부터의 전력에 의하여 붐 회생용 유압모터(310)가 공회전함으로써, 커패시터(19)로부터의 전력이 소비되어, 커패시터(19)의 전압이 낮춰진다. 커패시터(19)의 전압이 미리 설정된 전압이 되면, 전압내리기는 완료되어, 전동발전기(300)에의 전력공급은 정지되고, 붐 회생용 유압모터(310)의 공회전은 정지된다.
전동발전기(300) 및 붐 회생용 유압모터(310)는, 엔진(11)을 포함하는 구동계와는 분리된 구동계이어서, 엔진(11)이 운전되고 있지 않는(정지한) 상태에서도, 전동발전기(300) 및 붐 회생용 유압모터(310)를 구동할 수 있다. 따라서, 엔진(11)을 정지하고 나서 전압내리기를 행할 수 있고, 엔진(11)이 아이들링 상태이더라도, 전압내리기를 행할 수 있다.
여기서, 전압내리기 처리의 일례에 대하여, 도 5의 플로우차트를 참조하면서 설명한다. 전압내리기 처리가 개시되면, 먼저, 스텝 S1에 있어서, 엔진(11)이 정지하고 있는지 아닌지가 판정된다. 엔진(11)이 정지하고 있는 경우는, 처리는 스텝 S2로 진행된다. 스텝 S2에 있어서, 전압내리기 모드가 ON이 되고, 먼저, 전환밸브(330)에 모드전환 신호가 공급되어 전환밸브(330)가 전압내리기 모드로 전환된다. 이때, 붐 회생용 유압모터(310)는 유압회생을 행하고 있지 않기 때문에, 회생밸브(320)는 닫혀 있다. 전환밸브(330)가 전압내리기 모드로 전환된 후, 인버터(18C)에 제어신호가 공급된다. 이로써, 인버터(18C)는, 커패시터(19)로부터의 전력을 전동발전기(300)에 공급하여, 전동발전기(300)는 구동된다. 전동발전기(300)의 구동에 의하여 붐 회생용 유압모터(310)가 구동되고, 전동발전기(300)는 전력을 소비한다. 이 전력은 커패시터(19)로부터 공급되는 전력이며, 이 방전에 의하여 커패시터(19)의 전압은 강하한다.
다음으로, 스텝 S3에 있어서, 커패시터(19)의 전압(Vcap)이 미리 설정된 커패시터 목표전압(임계값)(Vth)보다 작은지 아닌지가 판정된다. 커패시터(19)의 전압(Vcap)이 커패시터 목표전압(임계값)(Vth) 이상인 경우는, 스텝 S3의 판정을 반복하여 행한다. 커패시터(19)의 전압(Vcap)이 커패시터 목표전압(임계값)(Vth)보다 작으면, 처리는 스텝 S4에 진행되고, 전압내리기 모드가 OFF가 된다. 이로써, 전동발전기(300)에의 전력공급은 정지되고, 붐 회생용 유압모터(310)는 정지하며, 전압내리기는 완료된다. 따라서, 스텝 S5에 있어서 건설기계의 전원(메인스위치)을 OFF로 하여 전압내리기 처리를 종료한다. 이와 같이, 전원을 OFF로 하면, 컨버터, 인버터에의 제어신호의 송신은 정지된다.
한편, 스텝 S1에 있어서, 엔진(11)이 정지하고 있지 않다고 판정되면, 처리는 스텝 S6으로 진행된다. 스텝 S6에서는, 엔진(11)이 아이들링 운전중인지 아닌지가 판정된다. 엔진(11)이 아이들링 운전중이 아니라고 판정되면, 처리는 스텝 S1로 되돌아오고, 전압내리기 처리가 최초부터 반복된다. 스텝 S6에 있어서 엔진(11)이 아이들링 운전중이라고 판정되면, 처리는 스텝 S7로 진행된다. 스텝 S7~스텝 S9까지의 처리는, 상술한 스텝 S2~스텝 S4까지의 처리와 동일하다.
여기서, 아이들링 운전이란, 메인펌프에의 부하가 가하여져 있지 않을 때의 엔진의 운전상태를 말한다. 또한, 아이들링 운전으로서, 메인펌프에의 부하가 가하여져 있지 않은 상태이고, 엔진회전수가 작업시 회전수보다 낮게 설정된 아이들링시 회전수로 회전하고 있을 때의 엔진의 운전상태로 하여도 된다.
즉, 스텝 S7에 있어서, 전압내리기 모드가 ON이 되고, 먼저, 전환밸브(330)에 모드전환 신호가 공급되어 전환밸브(330)가 전압내리기 모드로 전환된다. 이때, 붐 회생용 유압모터(310)는 유압회생을 행하고 있지 않기 때문에, 회생밸브(320)는 닫혀 있다. 전환밸브(330)가 전압내리기 모드로 전환된 후, 인버터(18C)에 제어신호가 공급된다. 이로써, 인버터(18C)는, 커패시터(19)로부터의 전력을 전동발전기(300)에 공급하여, 전동발전기(300)는 구동된다. 전동발전기(300)의 구동에 의하여 붐 회생용 유압모터(310)가 구동되고, 전동발전기(300)는 전력을 소비한다. 이 전력은 커패시터(19)로부터 공급되는 전력이고, 이 방전에 의하여 커패시터(19)의 전압은 강하한다.
다음으로, 스텝 S8에 있어서, 커패시터(19)의 전압(Vcap)이 미리 설정된 커패시터 목표전압(임계값)(Vth)보다 작은지 아닌지가 판정된다. 커패시터(19)의 전압(Vcap)이 커패시터 목표전압(임계값)(Vth) 이상인 경우는, 스텝 S8의 판정을 반복하여 행한다. 커패시터(19)의 전압(Vcap)이 커패시터 목표전압(임계값)(Vth)보다 작으면, 처리는 스텝 S9로 진행되고, 전압내리기 모드가 OFF가 된다. 이로써, 전동발전기(300)에의 전력공급은 정지되고, 붐 회생용 유압모터(310)는 정지하며, 전압내리기는 완료된다. 스텝 S9에 있어서 아이들링 운전중의 전압내리기 처리가 완료되면, 처리는 스텝 S1로 되돌아온다. 스텝 S1로 되돌아옴으로써, 아이들링 운전중이 아니게 되어 엔진(11)이 정지되었는지 아닌지가 판정되므로, 다음에 엔진(11)이 정지되었을 때의 전압내리기 처리를 행할 수 있다.
이상의 전압내리기 처리에서는 엔진(11)이 아이들링 운전중일 때도, 붐 회생용의 전동발전기(300)를 역행(力行)운전함으로써 전압내리기를 행하고 있지만, 엔진(11)이 아이들링 운전중일 때에는, 어시스트모터인 전동발전기(12)를 이용하여 전압내리기를 행할 수도 있다.
여기서, 전동발전기(12)를 이용하여 전압내리기를 행하는 처리에 대하여, 도 6을 참조하면서 설명한다. 도 6에 있어서, 도 5에 나타내는 스텝과 동등한 스텝에는 동일한 스텝 번호를 붙이고, 그 설명은 적절히 생략한다.
도 6에 나타내는 전압내리기 처리에서, 도 5에 나타내는 전압내리기 처리와 상이한 점은, 엔진(11)의 아이들링 운전중의 전압내리기가, 도 5에 나타내는 스텝 S7의 처리 대신에 도 6에 나타내는 스텝 S11의 처리로 되어 있는 점이다. 스텝 S7의 처리에서는, 붐 회생용 모터(300)를 구동함으로써 전압내리기를 행하고 있지만, 스텝 S11의 처리에서는, 엔진(11)에 직결되어 있는 어시스트모터인 전동발전기(12)를 구동함으로써 전압내리기를 행한다. 엔진(11)이 아이들링 운전하고 있을 때에는, 전동발전기(12)도 회전하고 있고, 전동발전기(12)를 역행(力行)운전하여 엔진(11)의 아이들링 운전을 어시스트함으로써, 전력을 소비할 수 있다.
따라서, 도 6에 나타내는 전압내리기 처리에서는, 스텝 S6에 있어서 엔진(11)이 아이들링 운전중이라고 판정되면, 처리는 스텝 S11로 진행된다. 스텝 S11에 있어서, 전압내리기 모드가 ON이 되고, 먼저, 인버터(18A)에 제어신호가 공급된다. 이로써, 인버터(18A)는, 커패시터(19)로부터의 전력을 전동발전기(12)에 공급하여, 전동발전기(12)는 구동되고, 전동발전기(12)의 구동에 의하여 엔진(11)의 아이들링 운전이 어시스트된다. 이 어시스트하는 만큼 전동발전기(12)는 커패시터(19)로부터 공급되는 전력을 소비하고, 이로써 커패시터(19)의 전압은 강하한다.
이와 같이, 전동발전기(12)를 이용하여 전압내리기를 행함으로써, 커패시터(19)로부터의 전력을 단순히 소비할 뿐만 아니라, 엔진(11)의 아이들링 운전을 어시스트하게 된다. 엔진(11)은 어시스트된 만큼 출력을 적게 할 수 있으므로, 아이들링 운전중의 연료소비량을 저감할 수 있다.
다음으로, 스텝 S8에 있어서, 커패시터(19)의 전압(Vcap)이 미리 설정된 커패시터 목표전압(임계값)(Vth)보다 작은지 아닌지가 판정된다. 커패시터(19)의 전압(Vcap)이 커패시터 목표전압(임계값)(Vth) 이상인 경우는, 스텝 S8의 판정을 반복하여 행한다. 커패시터(19)의 전압(Vcap)이 커패시터 목표전압(임계값)(Vth)보다 작으면, 처리는 스텝 S12로 진행되고, 전압내리기 모드가 OFF가 된다. 이로써, 전동발전기(12)에의 전력공급은 정지되고, 전동발전기(12)는 역행운전을 정지하며, 전압내리기는 완료된다. 스텝 S12에 있어서 아이들링 운전중의 전압내리기 처리가 완료되면, 처리는 스텝 S1로 되돌아온다.
상술한 실시형태에서는, 선회기구(2)를 구동하는 구동원으로서 선회용 전동기(21)를 이용하고 있지만, 도 7에 나타내는 바와 같이 선회 유압모터(40)에 의하여 선회기구(2)를 구동하는 것으로 하여도 된다. 즉, 도 7에 나타내는 구성에서는, 도 2에 나타내는 선회용 전동기(21)를 포함하는 부하구동계 대신에, 컨트롤밸브(17)에 접속된 선회 유압모터(40)가 설치되어 있어서, 모든 구동부가 유압에 의하여 작동하는 구성으로 되어 있고, 이러한 구성의 하이브리드식 쇼벨에도 본 발명을 적용할 수 있다. 도 7에 있어서, 도 2에 나타내는 구성부품과 동등한 부품에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
도 7에 나타내는 구성의 하이브리드식 쇼벨에서는, 엔진(11)의 잉여출력에 의하여 전동발전기(12)에서 발전된 발전전력, 및, 붐 회생용 모터(300)에 의하여 발전된 발전전력이, 축전계(120)에 축전된다. 축전계(120)에 축전된 축전전력은, 엔진(11)의 출력을 어시스트하기 위하여 이용된다.
또한, 선회 유압모터(40)의 감속시에 회생전력을 발생하는 선회 유압회생기구를 설치한 구성에도 본 발명을 적용할 수 있다. 도 8은 선회 유압회생기구가 설치된 제2 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 8에 있어서, 도 7에 나타내는 구성부품과 동등한 부품에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
선회 유압회생기구는, 선회 유압모터(40)로부터 배출되는 작동유로 구동 가능한 선회 회생용 유압모터(410)와, 선회 회생용 유압모터(410)에 의하여 구동되는 전동발전기(선회 회생용 모터)(400)를 포함한다. 전동발전기(400)는, 인버터(18B)를 통하여 축전계(120)에 접속되어 있다. 전동발전기(400)가 발전한 회생전력은 인버터(18B)로부터 축전계(120)에 공급된다. 또한, 전동발전기(400)는, 인버터(18B)로부터 공급되는 전력에 의하여 구동되는 전동기로서 기능한다. 전동발전기(400)가 역행(力行)운전하면, 선회 회생용 유압모터(410)가 구동된다. 선회 회생용 유압모터(410)의 유압회로에는, 상술한 전환밸브(330)와 마찬가지의 기능을 가지는 전환밸브가 설치되어 있어서, 전압내리기 모드로 설정되면 선회 회생용 유압모터(410)와 탱크를 비접속상태로 하여, 순환회로를 구성함으로써 선회 회생용 유압모터(410)를 공회전시킬 수 있다.
상술한 제1 실시형태에서의 전동발전기(300)와 마찬가지로, 본 실시형태에 있어서의 전동발전기(400)를 전압내리기에 이용할 수 있다. 즉, 전압내리기 모드 ON이 되면, 선회 회생용 유압모터(410)가 공회전 가능하게 되고, 커패시터(19)의 전력이 인버터(18B)를 통하여 전동발전기(400)에 공급된다. 이로써 전동발전기(400)가 역행(力行)운전하여 선회 회생용 유압모터(410)를 구동함으로써, 커패시터(19)의 전력이 소비되어, 커패시터(19)의 전압을 내릴 수 있다.
다만, 상술한 실시형태에서는, 엔진(11)과 전동발전기(12)를 유압펌프인 메인펌프(14)에 접속하여 메인펌프를 구동하는, 이른바 패럴렐형의 하이브리드식 쇼벨에 본 발명을 적용한 예에 대하여 설명하였다. 본 발명은, 도 9에 나타내는 바와 같이 엔진(11)으로 전동발전기(12)를 구동하고, 전동발전기(12)가 생성한 전력을 축전계(120)에 축적한 후 축적한 전력에 의해서만 펌프용 전동기(500)를 구동하여 메인펌프(14)를 구동하는, 이른바 시리즈형의 하이브리드식 쇼벨에도 적용할 수도 있다. 이 경우, 전동발전기(12)는, 본 실시형태에서는 엔진(11)에 의하여 구동시키는 것에 의한 발전(發電)운전만을 행하는 발전기로서의 기능을 구비하고 있다.
이상 설명한 실시형태에서는, 전압내리기에 이용하는 전동기로서, 붐 회생용 모터(전동발전기)(300) 또는 선회 회생용 모터(전동발전기)(400)를 이용하고 있다. 이는 기존의 전동발전기를 이용함으로써, 전압내리기용 전동기를 새로이 설치할 필요가 없어지기 때문이다. 단, 전압내리기용 전동기를 전용으로 새로이 설치하는 것으로 하여도 된다. 이 경우, 전압내리기용 유압모터를 유압회로에 접속하고, 이 전압내리기용 유압모터에 전압내리기용 전동기를 접속하게 된다. 전압내리기용 전동기를 전용으로 새로이 설치하기 때문에, 전압내리기용 전동기는 전동기로서의 기능을 가지고 있으면 되고, 전동발전기로 할 필요는 없다.
본 발명에 의한 작업기계는, 상기한 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 그 밖에 다양한 변형이 가능하다. 예컨대, 상기 실시형태에서는 작업기계로서 하이브리드형 쇼벨에 대하여 설명하였지만, 휠 로더, 불도저, 크레인 등의 다른 작업기계에도 본 발명을 적용할 수 있다.
1 하부주행체
1A, 1B 유압모터
2 선회기구
3 상부선회체
4 붐
5 암
6 버킷
7 붐 실린더
7A 유압배관
7B 붐 각도센서
8 암 실린더
9 버킷 실린더
10 캐빈
11 엔진
12 전동발전기
13 변속기
14 메인펌프
15 파일럿펌프
16 고압 유압라인
17 컨트롤밸브
18, 18A, 18B, 20 인버터
19 커패시터
21 선회용 전동기
22 리졸버
23 메카니컬 브레이크
24 선회변속기
25 파일럿라인
26 조작장치
26A, 26B 레버
26C 페달
26D 버튼 스위치
27 유압라인
28 유압라인
29 압력센서
30 컨트롤러
35 표시장치
40 선회 유압모터
100 승강압 컨버터
110 DC버스
111 DC버스 전압검출부
112 커패시터 전압검출부
113 커패시터 전류검출부
120 축전계
300 붐 회생용 모터(전동발전기)
310 붐 회생용 유압모터
320 회생밸브
330 전환밸브
400 선회 회생용 모터(전동발전기)
410 선회 회생용 유압모터
500 펌프용 전동기

Claims (7)

  1. 엔진과,
    상기 엔진을 어시스트하는 어시스트모터와,
    상기 엔진에 의하여 구동되는 유압펌프와,
    상기 어시스트모터에 전력을 공급하는 축전장치와,
    상기 축전장치의 축전기의 전력에 의하여 역행(力行)운전되는 전압내리기용 전동기와,
    상기 전압내리기용 전동기에 연결된 전압내리기용 유압모터와,
    상기 전압내리기용 유압모터를 구동제어하는 유압회로
    를 가지는 하이브리드형 작업기계로서,
    상기 유압회로는, 상기 전압내리기용 유압모터의 유압공급포트와 유압배출포트에 접속되는 순환회로를 포함하고, 또한, 전압내리기 처리를 행할 때에 상기 전압내리기용 유압모터가 상기 순환회로에 접속되도록 전환하는 전환밸브를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압내리기용 전동기는, 상기 전환밸브의 동작에 대응하여 역행(力行)운전하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전압내리기용 전동기는, 상기 하이브리드형 작업기계의 운전 종료시에 상기 역행(力行)운전을 행하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 엔진이 아이들링 운전중일 때는, 상기 어시스트모터를 역행(力行)운전하여 상기 축전장치로부터의 전력을 소비하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 엔진이 아이들링 운전중일 때는, 상기 전압내리기용 전동기를 역행(力行)운전하여 상기 축전장치의 축전기로부터의 전력을 소비하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압내리기용 유압모터는 붐 회생용 유압모터이고, 상기 전압내리기용 전동기는 상기 붐 회생용 유압모터에 기계적으로 접속된 붐 회생용 전동발전기인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압내리기용 유압모터는 선회 회생용 유압모터이고, 상기 전압내리기용 전동기는 상기 선회 회생용 유압모터에 기계적으로 접속된 선회 회생용 전동발전기인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 작업기계.
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