KR20120086252A - 하이브리드형 건설기계 - Google Patents

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Abstract

[과제] 축전기를 초기충전할 때에 과대한 충전전류가 흐르지 않도록 충전제어를 행하는 하이브리드형 건설기계를 제공하는 것을 과제로 한다.
[해결수단] 하이브리드형 건설기계는, 엔진(11)의 구동력으로 발전하는 발전기(12)를 가진다. 발전기(12)는 인버터(18A)에 의하여 제어된다. 발전기(12)가 발전한 전력은 축전기(19)에 축적된다. 컨버터(100)는, 발전기(12)와 축전기(19) 사이에 설치된 DC버스(110)의 전압을 제어한다. 축전기(19)를 초기충전할 때에, 발전기(12)의 인버터제어를 정지하고, 또한 DC버스(110)의 전압지령치를 발전기(12)의 유기전압보다 작은 값으로 설정한다.

Description

하이브리드형 건설기계{Hybrid construction machine}
본 출원은, 2011년 1월 25일에 출원된 일본 특허출원 제2011-013225호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참조에 의하여 원용되어 있다.
본 발명은 엔진을 어시스트하는 전동발전기를 구동하여 얻어진 전력을 축전장치에 공급하는 하이브리드형 건설기계에 관한 것이다.
엔진을 어시스트하는 전동발전기(어시스트모터)를 가지는 하이브리드형 건설기계에는, 전동발전기를 구동하여 얻어진 전력을 축전하기 위한 축전기 또는 축전지 등을 포함하는 축전장치가 설치된다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 어시스트모터는 축전장치로부터의 전력으로 구동되어 엔진을 어시스트한다. 또한, 어시스트모터는 엔진의 동력으로 구동되어 발전을 행하고, 발전한 전력은 축전장치의 축전기 또는 축전지에 축전된다.
일본 특허공개 2009-261096호 공보
상술한 바와 같은 축전장치를 가지는 하이브리드형 건설기계에 있어서, 축전장치를 최초로 장착할 때, 혹은 고장 등에 의하여 축전기 또는 축전지를 교환할 때에는, 축전기 또는 축전지는 충전되어 있지 않은 경우가 많다. 특히 커패시터 등의 축전기를 이용하고 있는 경우, 새로이 장착하는 축전기는 전혀 충전되어 있지 않아서, 축전기의 출력단자전압은 0V이다. 따라서, 축전장치를 최초로 장착할 때, 혹은 축전기를 교환하였을 때에는, 축전기를 초기충전할 필요가 있다.
본 발명에 의하면, 엔진의 구동력으로 발전(發電)하는 발전기와, 그 발전기를 제어하는 인버터와, 상기 발전기가 발전한 전력을 축적하는 축전기와, 상기 발전기와 상기 축전기 사이에 설치되는 DC버스와, 그 DC버스의 전압을 제어하는 컨버터를 가지는 하이브리드형 건설기계로서, 상기 축전기를 초기충전할 때에, 상기 발전기의 인버터제어를 정지하고, 또한 상기 DC버스의 전압지령치를 상기 발전기의 유기(誘起)전압보다 작은 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계가 제공된다.
상술한 하이브리드형 건설기계에 있어서, 상기 축전기의 전압의 상승에 대응하여 상기 DC버스의 상기 전압지령치를 높게 하는 것이 바람직하다. 상기 축전기의 전압이 미리 설정된 임계치 이상이 되면, 상기 DC버스의 상기 전압지령치를 상기 유기전압보다 높은 값으로 설정하는 것으로 하여도 된다. 상기 엔진의 회전수가 소정의 값에 도달하면, 상기 DC버스의 상기 전압지령치를 상기 유기전압보다 낮은 값으로 설정하는 것으로 하여도 된다. 상기 축전기의 전압이 미리 설정된 임계치 이상이 되면, 상기 발전기의 인버터제어를 개시하는 것으로 하여도 된다. 상기 축전기를 흐르는 전류가 소정치 이상이 되면, 상기 DC버스의 상기 전압지령치를 높게 하는 것으로 하여도 된다.
상술한 발명에 의하면, 축전기의 전압이 매우 낮은 상태에 있어서 충전을 개시할 때에, 과대한 충전전류가 흐르지 않도록 충전전류를 억제할 수 있다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 하이브리드형 작업기계의 일례인 하이브리드형 유압쇼벨의 측면도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은, 축전계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는, 축전계의 회로도이다.
도 5는, 커패시터를 초기충전할 때의, 엔진회전수, DC버스전압, 커패시터전압, 충전전류의 추이를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 커패시터전압이 임계치를 넘으면 신속히 커패시터를 충전하는 경우의, 엔진회전수, DC버스전압, 커패시터전압, 전동발전기의 발전전력의 추이를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 도 6에 나타내는 충전방법으로 커패시터의 충전을 행하는 처리의 플로우차트이다.
도 8은, DC버스전압지령치를 변경하여 충전전류를 저감할 때의, 엔진회전수, DC버스전압, 커패시터전압, 충전전류의 추이를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 선회기구를 선회 유압모터로 구동하는 구성의 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10은, 시리즈 방식의 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
다음으로, 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 하이브리드형 작업기계의 일례인 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다. 본 발명이 적용되는 하이브리드형 작업기계로서는, 하이브리드식 쇼벨로 한정되지 않고, 축전장치로부터 전기부하에 전력을 공급하는 것이라면, 다른 하이브리드형 작업기계에도 적용할 수 있다.
도 1에 나타내는 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 설치되고, 또한 엔진 등의 동력원이 탑재된다.
도 2는, 도 1에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨의 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. 유압펌프(14)는 가변용량식 유압펌프로서, 경사판의 각도(경전각(傾轉角))를 제어함으로써 피스톤의 스트로크 길이를 조정하여, 토출유량을 제어할 수 있다. 이하, 가변용량식 유압펌프(14)를 단순히 유압펌프(14)라고 칭하는 경우도 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. 또한, 선회기구(2)를 구동하기 위한 선회용 유압모터(2A)도 컨트롤밸브(17)에 접속된다.
전동발전기(12)에는, 인버터(18A)를 통하여, 축전기를 포함한 축전계(축전장치)(120)가 접속된다. 또한, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 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.
컨트롤러(30)는, 전동발전기(12)의 운전제어(전동(電動)(어시스트)운전 또는 발전(發電)운전의 전환)를 행함과 함께, 승강압제어부로서의 승강압컨버터를 구동제어하는 것에 의한 축전기(커패시터)의 충방전제어를 행한다. 컨트롤러(30)는, 축전기(커패시터)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(전동(어시스트)운전 또는 발전운전)에 근거하여, 승강압컨버터의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하고, 이로써 축전기(커패시터)의 충방전제어를 행한다.
이 승강압컨버터의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스에 설치된 DC버스전압검출부에 의하여 검출되는 DC버스전압치, 축전기전압검출부에 의하여 검출되는 축전기전압치, 및 축전기전류검출부에 의하여 검출되는 축전기전류치에 근거하여 행하여진다.
또한, 축전기전압검출부에 의하여 검출되는 축전기전압치에 근거하여, 축전기(커패시터)의 SOC가 산출된다.
도 2에 나타내는 하이브리드식 쇼벨은 선회기구를 전동으로 한 것으로서, 선회기구(2)를 구동하기 위하여 선회용 전동기(21)가 설치되어 있다. 전동작업요소로서의 선회용 전동기(21)는, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)에 접속되어 있다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메카니컬 브레이크(23), 및 선회변속기(24)가 접속된다. 선회용 전동기(21)와, 인버터(20)와, 리졸버(22)와, 메카니컬 브레이크(23)와, 선회변속기(24)로 부하구동계가 구성된다.
도 3은 축전계(120)의 구성을 나타내는 블록도이다. 축전계(120)는, 축전기로서의 커패시터(19)와, 승강압컨버터(100)와, DC버스(110)를 포함한다. DC버스(110)는, 커패시터(19), 전동발전기(12), 및 선회용 전동기(21) 사이에서의 전력의 수수(授受)를 제어한다. 커패시터(19)에는, 커패시터전압치를 검출하기 위한 커패시터전압검출부(112)와, 커패시터전류치를 검출하기 위한 커패시터전류검출부(113)가 설치되어 있다. 커패시터전압검출부(112)와 커패시터전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터전압치와 커패시터전류치는, 컨트롤러(30)에 공급된다.
승강압컨버터(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(18A, 20)와 승강압컨버터(100) 사이에 배치되어 있고, 커패시터(19), 전동발전기(12), 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(어시스트)운전 또는 발전운전의 전환)를 행함과 함께, 승강압제어부로서의 승강압컨버터(100)를 구동제어하는 것에 의한 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(전동(電動)(어시스트)운전 또는 발전(發電)운전), 및 선회용 전동기(21)의 운전상태(역행(力行)운전 또는 회생(回生)운전)에 근거하여, 승강압컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하고, 이로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다.
이 승강압컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스전압검출부(111)에 의하여 검출되는 DC버스전압치, 커패시터전압검출부(112)에 의하여 검출되는 커패시터전압치, 및 커패시터전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터전류치에 근거하여 행하여진다.
이상과 같은 구성에 있어서, 어시스트모터인 전동발전기(12)가 발전한 전력은, 인버터(18A)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압컨버터(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, 승강압컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다.
도 4는, 축전계(120)의 회로도이다. 승강압컨버터(100)는, 리액터(101), 승압용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(102A), 강압용 IGBT(102B), 커패시터(19)를 접속하기 위한 전원접속단자(104), 인버터(18A, 18C, 20)를 접속하기 위한 출력단자(106), 및, 한 쌍의 출력단자(106)에 병렬로 삽입되는 평활용 콘덴서(107)를 구비한다. 승강압컨버터(100)의 출력단자(106)와 인버터(18A, 20) 사이는, DC버스(110)에 의하여 접속된다.
리액터(101)의 일단은 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)의 중간점에 접속되고, 타단은 전원접속단자(104)에 접속된다. 리액터(101)는, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 따라서 발생하는 유도기전력을 DC버스(110)에 공급하기 위하여 설치되어 있다.
승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)을 게이트부에 장착한 바이폴러 트랜지스터로 구성되어, 대(大)전력의 고속스위칭이 가능한 반도체소자(스위칭소자)이다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)는, 컨트롤러(30)에 의하여, 게이트단자에 PWM 전압이 인가됨으로써 구동된다. 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)에는, 정류소자인 다이오드(102a 및 102b)가 병렬접속된다.
커패시터(19)는, 승강압컨버터(100)를 통하여 DC버스(110)와의 사이에서 전력의 수수가 행하여질 수 있도록, 충방전 가능한 축전기이면 된다. 다만, 도 4에는, 축전기로서 커패시터(19)를 나타내지만, 커패시터(19) 대신에, 리튬이온전지 등의 충방전 가능한 2차전지, 리튬이온 커패시터, 또는, 전력의 수수가 가능한 그 외의 형태의 전원을 이용하여도 된다.
전원접속단자(104) 및 출력단자(106)는, 커패시터(19) 및 인버터(18A, 18C, 20)가 접속 가능한 단자이면 된다. 한 쌍의 전원접속단자(104) 사이에는, 커패시터전압을 검출하는 커패시터전압검출부(112)가 접속된다. 한 쌍의 출력단자(106) 사이에는, DC버스전압을 검출하는 DC버스전압검출부(111)가 접속된다.
커패시터전압검출부(112)는, 커패시터(19)의 전압치(Vcap)를 검출한다. DC버스전압검출부(111)는, DC버스(110)의 전압치(Vdc)를 검출한다. 평활용 콘덴서(107)는, 출력단자(106)의 플러스극 단자와 마이너스극 단자 사이에 삽입되어, DC버스전압을 평활화하기 위한 축전소자이다.
커패시터전류검출부(113)는, 커패시터(19)의 플러스극 단자(P단자)측에 있어서 커패시터(19)에 흐르는 전류의 값을 검출하는 검출수단으로서, 전류검출용의 저항기를 포함한다. 즉, 커패시터전류검출부(113)는, 커패시터(19)의 플러스극 단자에 흐르는 전류치(I1)를 검출한다. 한편, 커패시터전류검출부(113)는, 커패시터의 마이너스극 단자(N단자)측에 있어서 커패시터(19)에 흐르는 전류의 값을 검출하는 검출수단으로서, 전류검출용의 저항기를 포함한다. 즉, 커패시터전류검출부(113)는, 커패시터(19)의 마이너스극 단자에 흐르는 전류치(I2)를 검출한다.
승강압컨버터(100)에 있어서, DC버스(110)를 승압할 때에는, 승압용 IGBT(102A)의 게이트단자에 PWM 전압이 인가되고, 강압용 IGBT(102B)에 병렬로 접속된 다이오드(102b)를 통하여, 승압용 IGBT(102A)의 온/오프에 따라서 리액터(101)에 발생하는 유도기전력이 DC버스(110)에 공급된다. 이로써, DC버스(110)가 승압된다.
DC버스(110)를 강압할 때에는, 강압용 IGBT(102B)의 게이트단자에 PWM 전압이 인가되고, 강압용 IGBT(102B), 인버터(18A, 18C, 20)를 통하여 공급되는 회생전력이 DC버스(110)로부터 커패시터(19)에 공급된다. 이로써, DC버스(110)에 축적된 전력이 커패시터(19)에 충전되어, DC버스(110)가 강압된다.
다만, 실제로는, 컨트롤러(30)와 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B) 사이에는, 승압용 IGBT(102A) 및 강압용 IGBT(102B)를 구동하는 PWM 신호를 생성하는 구동부가 존재하지만, 도 4에서는 생략한다. 이러한 구동부는, 전자회로 또는 연산처리장치 중 어느 것으로도 실현할 수 있다.
축전기의 초기충전은, 예컨대 어시스트모터를 발전운전하여 얻어진 전력을 축전장치에 공급함으로써 행하여진다. 축전장치에 있어서, 축전기는 컨버터를 통하여 DC버스에 접속되어 있고, 어시스트모터로부터 DC버스에 전력을 공급하여 DC버스전압을 높게 함으로써, 컨버터를 통하여 DC버스로부터 축전기로 전력이 공급된다.
상술한 바와 같이 축전기가 충전되어 있지 않은 상태(출력단자전압은 0V)로부터 초기충전을 행하는 경우, 축전기가 충전되어 있지 않은 상태에서는 축전기의 내부저항은 매우 작아서 거의 제로이기 때문에, DC버스에 공급되는 전력이 작더라도 (DC버스전압이 낮더라도) 큰 충전전류가 축전기에 흐른다.
일반적으로, 어시스트모터를 발전운전함으로써 얻어진 전력을 DC버스에 공급함으로써, 축전기의 초기충전을 행하고 있다. 즉, 어시스트모터가 소정의 전력을 발전하도록 발전지령을 내리고, 어시스트모터에서 얻어진 전력을 DC버스에 공급하여 DC버스전압을 상승시킴으로써, DC버스로부터 축전기에 충전전류를 흘려 보내도록 되어 있다. 초기충전시에 있어서의 어시스트모터의 발전지령은 통상의 축전장치의 제어하에 있어서의 제어이고, DC버스전압도 통상의 제어에 있어서의 목표전압이 되도록 제어된다.
여기서, 어시스트모터가 발전하는 전력은, 엔진의 회전수의 변동이나 발전지령치의 오차 등에 따라서 크게 변동하는 경우가 있다. 어시스트모터가 발전하는 전력이, 발전지령치보다 커졌을 경우, DC버스에 공급되는 전력이 커지므로, 축전기에 흐르는 충전전류도 전력에 비례하여 커진다. 축전기가 어느 정도 충전되어 축전기의 내부저항이 커져 있는 경우에는, DC버스에 공급되는 전력이 커지더라도, 충전전류는 크게 증대하는 일은 없어서, 충전전류는 허용치 이하로 억제된다. 그런데, 상술한 바와 같이 초기충전에 있어서 축전기의 내부저항이 매우 작은 경우, DC버스에 공급되는 전력이 커지면, 충전전류는 크게 증대되어, 충전전류가 허용치를 넘어 버릴 우려가 있다.
구체적으로 설명하면, 축전기가 어느 정도 충전되어 있고, 축전기의 단자전압이 예컨대 10V이었을 경우에, 100W의 전력이 DC버스에 공급되면, 100W÷10V=10A의 충전전류가 축전기에 흐른다. 이때, 가령 DC버스에 공급되는 전력이 200W로 증대하였다고 하면, 200W÷10V=20A의 충전전류가 축전기에 흐른다. 이때의 충전전류의 증대량은 10A이며, 축전기의 충전전류의 허용치를 150A라 하면, 허용범위 내이다. 한편, 초기충전시에 축전기의 단자전압이 예컨대 1V밖에 안되었던 경우, 100W의 전력이 DC버스에 공급되면, 100W÷1V=100A의 충전전류가 축전기에 흐른다. 이때, 가령 DC버스에 공급되는 전력이 200W로 증대하였다고 하면, 200W÷1V=200A의 충전전류가 축전기에 흐른다. 이때의 충전전류의 증대량은 100A이며, 충전전류는 허용치 150A를 훨씬 넘어 버린다.
축전기의 충전전류가 허용치를 넘어 버리면, 보호기능이 작동하여 축전장치의 작동이 정지하여 버릴 우려가 있고, 또한, 과전류에 의하여 축전기나 축전장치가 손상되어 버릴 우려가 있다.
축전장치를 초기충전할 때에 적절히 충전제어를 실현하는 것이 요구되고 있다.
본 실시형태에서는, 상술한 바와 같은 구성의 하이브리드식 쇼벨에 있어서, 커패시터(19)를 초기충전할 때에, 통상의 DC버스전압에 의한 충전이 아니라, 통상보다 낮은 DC버스전압으로 충전을 개시함으로써, 충전 개시시에 커패시터(19)에 과전류가 흐르는 것을 억제한다. 이하, 그러한 충전방법에 대하여 설명한다.
먼저, 본 실시형태에서는, 커패시터(19)를 초기충전할 때에, 전동발전기(12)의 발전제어를 행하지 않고(발전지령을 내리지 않고), 그 대신에 전동발전기(12)를 공회전시켜 얻어지는 유기(誘起)전압을 DC버스(110)에 유도함으로써, 커패시터(19)에 충전전류를 흘려서 충전한다. 이때, DC버스(110)의 전압지령치를 통상의 전압지령치로는 하지 않고, 유기전압보다 낮은 값으로 설정함으로써, DC버스(110)에 공급된 유기전압과 DC버스(110)의 전압지령치의 차에 상당하는 전력이 커패시터(19)에 공급되어, 커패시터(19)가 충전된다. 여기서, 초기충전이란, 커패시터(19)에 처음으로 충전하는 것으로 한정되지 않으며, 커패시터(19)의 전압이 매우 낮아서, 커패시터(19)가 비어 있거나 혹은 비어 있는 것에 가까운 상태로부터의 충전을 의미한다.
도 5는 본 실시형태에 있어서 커패시터(19)를 초기충전할 때의, 엔진회전수, DC버스(110)의 전압, 커패시터(19)의 전압, 커패시터(19)에 흐르는 충전전류의 추이를 나타내는 그래프이다.
커패시터(19)를 초기충전할 때에는, 전동발전기(12)의 인버터제어를 정지하고, 또한 컨버터(100)에 의한 DC버스(110)의 전압제어를 정지한 상태에서, 엔진(11)을 소정의 회전수로 구동한다. 도 5 (a)에 나타내는 바와 같이, 엔진(11)이 시동하면 엔진(11)의 회전수는 상승되고, 소정의 회전수에서 일정하게 된다. 엔진(11)의 회전에 따라서, 엔진(11)에 기계적으로 접속되어 있는 전동발전기(12)가 회전되고, 전동발전기(12)는 그 회전수에 따른 유기전압을 발생한다. DC버스(110)에는 전동발전기(12)가 발생하는 유기전압이 공급되므로, DC버스(110)의 전압(DC버스전압이라 함)은, 도 5 (b)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 엔진(11)의 회전수와 마찬가지로 상승되고, 전동발전기(12) 회전수가 일정하게 되면, 그 회전수에 따른 일정한 유기전압과 동일하여진다.
초기충전을 행할 때에는, DC버스(110)의 전압지령치는 통상제어에 있어서의 전압지령치로 설정되지 않고, 전동발전기(12)가 일정한 회전수가 되었을 때에 발생하는 유기전압보다 낮은 값으로 설정된다. 이로써, 도 5 (b)의 일점쇄선으로 나타내는 바와 같이, 엔진(11)이 시동되어 엔진회전수가 상승함에 따라서, DC버스전압은 DC버스전압지령치보다 높아지고, 그 후 일정한 값이 된다. 다만, 도 5 (b)에 있어서, 전동발전기(12)의 유기전압이 실선으로 표시되고, DC버스전압이 일점쇄선으로 표시되어 있다. 컨버터(100)의 전압제어(컨버터 전압제어)가 개시될 때까지는 DC버스전압은 유기전압과 동일하기 때문에, 실제는 중첩되어 버리지만, 도면표시의 편의상, 컨버터 전압제어가 개시될 때까지의 동안은 DC버스전압은 유기전압의 하측을 따른 일점쇄선으로 표시되어 있다.
DC버스전압이 DC버스전압지령치보다 높아져서 일정한 값이 되면, 컨버터(100)의 전압제어를 개시한다. 그러면, DC버스전압을 DC버스전압지령치와 동일하게 하기 위하여, 컨버터(100)는 DC버스(110)로부터 커패시터(19)에 전류를 흘린다. 이 전류가 도 5 (d)에 나타내는 바와 같이 커패시터(19)의 충전전류가 되어, 커패시터(19)가 충전된다. 커패시터(19)에 충전전류가 흐름으로써, 커패시터전압은 도 5 (c)에 나타내는 바와 같이 상승한다.
이상과 같이, 커패시터(19)의 충전전류는, 전동발전기(12)의 유기전압과 DC버스전압지령치의 전압차에 따른 전류치가 되기 때문에, 전동발전기(12)의 유기전압과 DC버스전압지령치의 전압차가 그다지 커지지 않도록 DC버스전압지령치를 설정함으로써, 커패시터(19)의 충전전류를 억제할 수 있다. 전동발전기(12)의 유기전압과 DC버스전압지령치의 차는, 예컨대 10V와 같은 작은 전압차로 한다. 따라서, DC버스전압지령치를 전동발전기(12)의 유기전압보다 낮은 적절한 값으로 설정함으로써, 커패시터(19)에의 충전전류가 과전류가 되지 않도록 억제할 수 있다. 다만, 전동발전기(12)의 유기전압은 그 회전수에 비례하기 때문에, DC버스전압지령치도 전동발전기(12)의 회전수에 비례한 값으로서 미리 테이블정보로서 설정하여 두면 된다. 테이블정보를 참조함으로써, 현재의 전동발전기(12)의 회전수일 때에 설정하여야 할 DC버스전압지령치를 구할 수 있다.
상술한 커패시터 충전방법에서는, 충전전류는 낮게 억제되고 있어서, 커패시터(19)를 사용 가능한 충전율(SOC)까지 충전하는 데에 시간이 걸려 버린다. 따라서, 커패시터(19)의 충전이 어느 정도 진행되어 커패시터전압이 높아지면, 통상의 DC버스전압제어로 되돌려서 전동발전기(12)를 발전시켜서, 신속히 커패시터(19)를 충전할 수도 있다.
도 6은 커패시터전압이 임계치를 넘으면, 전동발전기(12)를 발전시켜서 신속히 커패시터(19)를 충전하는 경우의, 엔진회전수, DC버스전압, 커패시터전압, 전동발전기(12)의 발전전력의 추이를 나타내는 그래프이다. 엔진(11)을 시동한 후, 유기전압과 DC버스전압지령치의 차에 상당하는 충전전류로 커패시터(19)를 충전하는 것까지는, 상술한 충전방법과 동일하다. 여기서, 본 충전방법에서는, 커패시터(19)의 충전을 개시한 후 커패시터전압을 감시하고 있어서, 커패시터전압이 전압임계치를 넘으면, 통상제어에 의한 충전으로 전환한다. 통상제어에 의한 충전이란, DC버스전압지령치를 낮은 전압지령치(Vdcref1)로부터 통상운용시의 높은 DC버스전압지령치(Vdcref2)로 변경하고, 또한 전동발전기(12)를 발전운전하여 전력을 DC버스(110)에 공급함으로써, 커패시터(19)를 충전하는 것이다.
구체적으로는, 도 6 (c)의 실선으로 나타내는 바와 같이 커패시터전압이 전압임계치를 넘으면, 도 6 (b)에 나타내는 바와 같이 DC버스전압지령치를 낮은 전압지령치(Vdcref1)로부터, 통상운용시의 높은 전압지령치(Vdcref2)로 전환한다. 이와 동시에, 정지하고 있던 전동발전기(12)의 인버터제어를 개시한다. 이로써, 도 6 (d)에 나타내는 바와 같이, 전동발전기(12)는, 실제의 DC버스전압이 통상운용시의 높은 전압지령치(Vdcref2)에 가까워지도록, 발전운전을 행하여 큰 전력을 DC버스(110)에 공급한다. 이로써, 커패시터(19)에의 충전전류는 커져서, 도 6 (c)의 일점쇄선으로 나타내는 바와 같이 커패시터(19)의 충전율(SOC)을 신속히 증대할 수 있다.
도 7은, 도 6에 나타내는 충전방법으로 커패시터(19)의 충전을 행하는 처리의 플로우차트이다.
먼저, 스텝 S1에 있어서 엔진(11)을 기동하여 엔진(11)의 운전을 개시한다. 다음으로, 스텝 S2에 있어서, 엔진회전수가 회전수 임계치보다 작은지 아닌지가 판정된다. 엔진회전수가 회전수 임계치 이하이면, 엔진회전수가 상승중이라고 판단하여, 다시 스텝 S2로 되돌아와서 스텝 S2의 판정을 반복하여 행함으로써, 엔진회전수가 안정될 때까지 기다린다. 다만, 스텝 S2에 있어서의 처리에 관한 부분은, 도 6 (a)에는 나타나 있지 않다.
스텝 S2에 있어서, 엔진회전수가 회전수 임계치보다 크다고 판정되면, 처리는 스텝 S3으로 진행되고, 커패시터전압이 전압임계치보다 작은지 아닌지가 판정된다. 커패시터전압이 전압임계치보다 작다고 판정되면, 커패시터의 충전율(SOC)이 제로(커패시터가 충전되어 있지 않음)이거나 그에 가까운 상태라고 판단하여, 처리는 스텝 S4로 진행된다. 스텝 S4에서는, 상술한 테이블정보를 참조하여, 현재의 전동발전기(12)의 회전수에서 발생하는 유기전압보다 소정의 전압만큼 낮은 전압을 DC버스전압지령치(Vdcref1)로서 설정한다.
계속하여, 처리는 스텝 S6으로 진행되고, 컨버터(100)에 의한 DC버스전압제어를 개시한다. DC버스전압지령치(Vdcref1)는, 현재 DC버스(110)에 공급되고 있는 유기전압보다 소정의 전압만큼 낮은 전압치로 설정하여 두므로, 유기전압과 DC버스전압지령치(Vdcref1)의 차에 상당하는 충전전류가 커패시터에 흐른다. 전동발전기(12)가 발생하는 유기전압은 엔진(11)의 회전수에 의존하고 있고, 엔진(11)은 일정 회전수가 되도록 제어되고 있으므로, 유기전압의 변동은 작다. 또한, 유기전압과 DC버스전압지령치(Vdcref1)의 차를 작은 전압으로 설정함으로써, 커패시터(19)의 전압이 제로나 혹은 제로에 가까운 값이더라도, 큰 충전전류가 되는 일 없어서, 최대허용 충전전류보다 작은 안정된 충전전류를 커패시터(19)에 흘릴 수 있다.
한편, 스텝 S3에 있어서 커패시터전압이 전압임계치 이상이라고 판정되면, 커패시터의 충전율(SOC)은 어느 정도 높은 상태이며, 통상의 충전제어에 의하여 충전전류를 흘려도 지장이 없다고 판단하여, 처리는 스텝 S5로 진행된다. 스텝 S5에서는, 통상의 충전제어에 있어서 이용되는 DC버스전압지령치(Vdcref2)를 DC버스전압지령치로서 설정한다. DC버스전압지령치(Vdcref2)는 DC버스전압지령치(Vdcref1)보다 높은 전압치이다. 바꾸어 말하면, 커패시터(19)의 전압이 낮을 때에 설정되는 DC버스전압지령치(Vdcref1)는, 통상의 충전제어에 있어서 이용되는 DC버스전압지령치(Vdcref2)보다 낮은 전압치이다(Vdcref1<Vdcref2).
다음으로, 처리는 스텝 S6으로 진행되고, 컨버터(100)에 의한 DC버스전압제어를 개시한다. 계속하여, 스텝 S7에 있어서, 커패시터전압이 상술한 전압임계치 이상이 되었는지 아닌지가 판정된다. 커패시터전압이 상술한 전압임계치 이상이면, 커패시터(19)가 어느 정도 충전되었기 때문에 통상의 충전제어로 되돌려도 된다고 판단하여, 처리는 스텝 S8로 진행된다. 스텝 S8에서는, 지금까지 설정되어 있던 DC버스전압지령치(Vdcref1) 대신에, 통상의 충전제어에 있어서 이용되는 DC버스전압지령치(Vdcref2)를 DC버스전압지령치로서 설정한다. 다만, 스텝 S5에 있어서 DC버스전압지령치(Vdcref2)가 설정되어 있는 경우는, 스텝 S8에서는 DC버스전압지령치(Vdcref2)가 그대로 유지된다. 그리고, 스텝 S9에 있어서, 인버터에 의한 전동발전기(12)의 발전제어(인버터제어)를 개시하고, 전동발전기(12)를 발전운전하여 얻어진 전력을 DC버스(110)에 공급한다. 따라서, 전동발전기(12)가 발전한 전력이 커패시터(19)에 충전되어, 커패시터(19)를 신속히 충전할 수 있게 된다.
여기서, 도 5에 나타내는 충전방법에 있어서, 커패시터에의 충전전류가 과전류가 될 우려가 있는 경우는, DC버스전압지령치(Vdcref1)를 충전전류에 근거하여 조절하는 것으로 하여도 된다. 구체적으로는, 도 8 (d)에 나타내는 바와 같이, 유기전압에 의한 커패시터(19)의 충전이 개시된 후, 충전전류가 상승하여 전류임계치를 넘었을 경우, 충전전류가 최대허용 충전전류를 넘을 우려가 있다고 판단하여, 도 8 (b)에 나타내는 바와 같이 DC버스전압지령치를 DC버스전압지령치(Vdcref1)로부터 DC버스전압지령치(Vdcref3)로 변경한다. 이로써, DC버스(110)에 공급되는 유기전압과 DC버스전압지령치의 차가 작아져서, 충전전류가 저감된다. DC버스전압지령치(Vdcref3)와 DC버스전압지령치(Vdcref1)의 차는, 예컨대 유기전압과 최초로 설정한 DC버스전압지령치(Vdcref1)의 차가 10V이라고 하면, 그보다 작은 값으로 하여 예컨대 5V가 되도록 미리 설정하여 두면 된다.
다만, 상술한 실시형태에서는 선회기구(2)가 전동식이었지만, 선회기구(2)가 전동이 아닌 유압구동인 경우가 있다. 도 9는 도 2에 나타내는 하이브리드식 쇼벨의 선회기구를 유압구동식으로 한 경우의 구동계의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 9에 나타내는 하이브리드형 유압쇼벨에서는, 선회용 전동기(21) 대신에, 선회 유압모터(2A)가 컨트롤밸브(17)에 접속되고, 선회기구(2)는 선회 유압모터(2A)에 의하여 구동된다. 이러한, 하이브리드식 쇼벨이더라도, 상술한 바와 같이 하여, 커패시터(19)의 초기충전시의 충전전류를 억제하여 과충전전류가 흐르지 않도록 할 수 있다.
또한, 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 10에 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(400)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 발전운전만을 행하는 발전기로서의 기능을 구비하고 있다.
다만, 도 10에 나타내는 하이브리드식 쇼벨에서는, 붐 실린더(7)로부터의 복귀유압을 이용하여 유압회생이 행하여지고 있다. 즉, 붐 실린더(7)로부터의 복귀유압용의 유압배관(7A)에 붐 회생 유압모터(310)가 설치되고, 붐 회생 유압모터에 의하여 발전기(300)를 구동하여 회생전력을 발생한다. 발전기(300)에 의하여 발생한 전력은 인버터(18C)를 통하여 축전계(120)에 공급된다.
1 하부주행체
1A, 1B 유압모터
2 선회기구
2A 선회 유압모터
3 상부선회체
4 붐
5 암
6 버킷
7 붐 실린더
7A 유압배관
8 암 실린더
9 버킷 실린더
10 캐빈
11 엔진
12 전동발전기
13 변속기
14 메인펌프
15 파일럿펌프
16 고압 유압라인
17 컨트롤밸브
18A, 18C, 20 인버터
19 커패시터
21 선회용 전동기
22 리졸버
23 메카니컬 브레이크
24 선회변속기
25 파일럿라인
26 조작장치
26A, 26B 레버
26C 페달
26D 버튼스위치
27 유압라인
28 유압라인
29 압력센서
30 컨트롤러
100 승강압컨버터
110 DC버스
111 DC버스전압검출부
112 커패시터전압검출부
113 커패시터전류검출부
120 축전계
300 발전기
310 유압모터
400 펌프용 전동기

Claims (6)

  1. 엔진의 구동력으로 발전(發電)하는 발전기와,
    상기 발전기를 제어하는 인버터와,
    상기 발전기가 발전한 전력을 축적하는 축전기와,
    상기 발전기와 상기 축전기 사이에 설치되는 DC버스와,
    상기 DC버스의 전압을 제어하는 컨버터
    를 가지는 하이브리드형 건설기계로서,
    상기 축전기를 초기충전할 때에, 상기 발전기의 인버터제어를 정지하고, 또한 상기 DC버스의 전압지령치를 상기 발전기의 유기전압보다 작은 값으로 설정하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 축전기의 전압의 상승에 대응하여 상기 DC버스의 상기 전압지령치를 높게 하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 축전기의 전압이 미리 설정된 임계치 이상이 되면, 상기 DC버스의 상기 전압지령치를 상기 유기전압보다 높은 값으로 설정하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 엔진의 회전수가 소정의 값에 도달하면, 상기 DC버스의 상기 전압지령치를 상기 유기전압보다 낮은 값으로 설정하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축전기의 전압이 미리 설정된 임계치 이상이 되면, 상기 발전기의 인버터제어를 개시하는 것
    을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축전기를 흐르는 전류가 소정치 이상이 되면, 상기 DC버스의 상기 전압지령치를 높게 하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드형 건설기계.
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