KR20120110153A - 하이브리드식 건설기계 - Google Patents

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KR20120110153A
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고지 가와시마
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스미토모 겐키 가부시키가이샤
스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

하이브리드식 건설기계는, 가변용량식 유압펌프를 구동하는 엔진과, 가변용량식 유압펌프로부터의 유압에 의하여 구동되는 복수의 유압액추에이터와, 축전기로부터의 전력에 의하여 구동되고, 엔진을 보조하는 전동발전기를 포함한다. 가변용량식 유압펌프의 최대출력은 엔진의 최대출력 이상이다. 가변용량식 유압펌프의 출력을 엔진의 최대출력보다 크게 설정하여 운전할 때에, 전동발전기로 엔진을 보조한다.

Description

하이브리드식 건설기계{Hybrid construction machine}
본 발명은 건설기계에 관한 것으로서, 특히 유압펌프를 구동하는 엔진을 전동모터로 어시스트하는 하이브리드식 건설기계에 관한 것이다.
내연기관의 동력과 전동기의 동력을 병용하여 효율적으로 동작하는 하이브리드식 건설기계가 개발되어 이용되도록 되고 있다. 하이브리드식 건설기계로서, 소위 패럴렐 방식의 구동형태를 취하는 것이 알려져 있다.
패럴렐 방식의 구동형태에서는, 유압펌프와, 발전기기능과 전동기기능을 가지는 동력기가, 공통의 동력원으로서의 내연기관(엔진)에 패럴렐로 접속된다. 유압펌프에 의하여 유압액추에이터가 구동됨과 함께, 동력기의 발전기기능에 의하여 축전장치에 충전이 행하여진다. 이 축전장치로부터의 전력에 의하여 동력기를 전동기로서 동작시켜 엔진을 어시스트한다. 다만, 동력기로서는, 1대로 발전기기능과 전동기기능의 쌍방을 가지는 겸용기(발전기 겸 전동기)를 이용하는 경우와, 각각의 발전기와 전동기를 병용하는 경우가 있다.
상술한 하이브리드식 건설기계에 있어서, 유압펌프는 예컨대 디젤엔진이나 가솔린엔진 등의 내연기관(엔진)에 의하여 구동된다. 내연기관의 최대출력은 그때의 내연기관의 회전수에 의하여 결정되기 때문에, 내연기관의 출력에는 회전수에 따른 상한치가 설정된다. 따라서, 유압펌프가 엔진에 요구하는 동력(유압 작동부분이 필요로 하는 유압을 발생시키기 위한 출력)이, 그때의 내연기관의 회전수에 의하여 결정되는 상한치를 넘는 경우에는, 요구한 만큼의 동력을 출력할 수는 없다.
그래서, 하이브리드식 건설기계에서는, 유압펌프가 엔진에 요구하는 동력이 상한치를 넘는 경우에, 동력기를 전동기로서 이용하여 엔진을 어시스트하여, 상한치를 넘는 부분의 출력을 동력기에 의하여 보충하는 것이 행하여진다. 이와 같이, 하이브리드식 건설기계에서는, 전동기에 의한 어시스트가 있기 때문에, 엔진의 정격출력을 작게 할 수 있다는 이점이 있다.
예컨대, 엔진의 정격출력을 작게 해 두고, 큰 유압출력이 필요한 경우에 전동기에 의하여 엔진을 어시스트하여 필요한 유압출력을 얻는 것이 제안되어 있다(예컨대, 일본국 특허공개 2004-11502호 공보 참조).
그런데, 전동기에서의 엔진의 어시스트가 연속하여 행하여지면, 혹은 빈번하게 행하여지면, 전동기를 구동하기 위한 배터리의 축전율을 유지할 수 없게 된다. 그래서, 유압펌프의 마력을 엔진의 정격출력 이하로 설정함으로써, 가능한 한 엔진을 유효하게 사용하고 배터리의 전력을 과하게 사용하지 않도록 제어한다. 혹은, 배터리의 축전율에 따라서 유압펌프의 출력을 억제하도록 제어함으로써, 전동기의 어시스트를 억제한다.
상술한 바와 같이, 유압펌프의 출력을 작은 것으로 하거나, 유압펌프의 출력을 억제한 경우, 유압펌프로부터 유압액추에이터에 공급하는 유압출력이 감소하여, 작업이 늦어지거나, 힘이 손상된다는 문제가 있다. 또한, 작업자에게 있어서, 배터리의 충전율이 저하되어 언제 유압출력이 감소하는지를 알 수 없기 때문에, 갑자기 유압출력이 감소하여 원하던 작업을 행할 수 없게 될 우려가 있다.
본 발명은 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 일시적으로 유압펌프의 출력을 증대하여 유압에 의한 작업을 큰 출력으로 행할 수 있는 하이브리드식 건설기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, 가변용량식 유압펌프를 구동하는 엔진과, 상기 가변용량식 유압펌프로부터의 유압에 의하여 구동되는 복수의 유압액추에이터와, 축전기로부터의 전력에 의하여 구동되고, 상기 엔진을 보조하는 전동발전기를 가지는 하이브리드식 건설기계로서, 상기 가변용량식 유압펌프의 최대출력은 상기 엔진의 최대출력 이상이고, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력을 상기 엔진의 최대출력보다 크게 설정하여 운전할 때에, 상기 전동발전기에서 상기 엔진을 보조하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계가 제공된다.
상술한 하이브리드식 건설기계에 있어서, 구동하는 유압액추에이터가 연속동작 가능한 유압액추에이터인 경우, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력을 상기 엔진의 최대출력 이하인 제1 출력으로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 구동하는 유압액추에이터가 유압실린더인 경우, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력을 상기 엔진의 최대출력보다 큰 제2 출력으로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력은, 상기 유압액추에이터의 각각의 조작의 유무에 근거하여 설정되는 것으로 하여도 좋다. 상기 가변용량식 유압펌프의 출력은, 상기 유압액추에이터 중 어느 하나만이 동작하고 있는 경우에, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력을 상기 엔진의 최대출력보다 큰 제2 출력으로 설정되는 것으로 하여도 좋다. 상기 가변용량식 유압펌프의 출력은, 상기 유압액추에이터의 각각의 구동방향에 근거하여 설정되는 것으로 하여도 좋다.
또한, 상술한 하이브리드식 건설기계는 상기 유압액추에이터에 의하여 구동되는 붐 및 아암을 가지고, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력은, 상기 붐 및 상기 아암의 구동방향에 근거하여 설정되는 것으로 하여도 좋다. 또한, 상기 유압액추에이터를 구동하지 않는 경우, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력은 상기 엔진의 최대출력보다 작은 값으로 설정되는 것으로 하여도 좋다. 또한, 상기 유압액추에이터의 종류 및 운전상황은, 조작자의 레버조작에 근거하여 판정되는 것으로 하여도 좋다.
상술한 발명에 의하면, 구동하는 유압액추에이터가 유압실린더만인 경우에, 일시적으로 유압펌프의 출력을 증대하여 유압에 의한 작업을 큰 출력으로 행할 수 있다. 이로 인하여, 유압실린더에 의하여 구동되는 작업부분을 힘있게 작동시킬 수 있어서, 하이브리드식 건설기계의 작업부분의 일부를 유압전용 건설기계와 동등한 힘으로 구동할 수 있다.
본 출원의 다른 목적, 특징 및 이점은, 첨부의 도면을 참조하면서 이하의 상세한 설명을 읽음으로써, 한층 명료하게 될 것이다.
[도 1] 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다.
[도 2] 도 1에 나타내는 쇼벨구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
[도 3] 축전계의 블록도이다.
[도 4] 본 발명의 제1 실시형태에 의한 유압펌프출력제어처리의 플로차트이다.
[도 5] 컨트롤러에 있어서 유압펌프의 출력제어를 행하는 부분의 기능블록도이다.
[도 6] 유압펌프의 출력특성을 나타내는 그래프이다.
[도 7] 유압펌프의 출력을 엔진의 출력에 동일한 제1 출력(저출력)으로 설정한 경우의, 엔진, 어시스트모터, 및 유압펌프의 출력을 나타내는 그래프이다.
[도 8] 유압펌프의 출력을 엔진의 출력보다 큰 제2 출력(고출력)으로 설정한 경우의, 엔진, 어시스트모터, 및 유압펌프의 출력을 나타내는 그래프이다.
[도 9] 선회용 전동기에서 상부선회체를 선회시킨 경우의 쇼벨구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
[도 10] 쇼벨이 행하는 굴삭·짐 싣기 동작을 설명하기 위한 도면이다.
[도 11] 본 발명의 제2 실시형태에 의한 유압펌프출력제어처리의 플로차트이다.
다음으로, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
먼저, 본 발명이 적용되는 하이브리드식 건설기계의 일례로서 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 아암(5)이 접속된다. 또한, 아암(5)의 선단에 버킷(bucket)(6)이 접속된다. 붐(4), 아암(5) 및 버킷(6)은, 붐실린더(7), 아암실린더(8), 및 버킷실린더(9)에 의하여 각각 유압구동된다. 또한, 상부선회체(3)에는, 캐빈(10) 및 동력원(미도시)이 탑재된다.
도 2는, 도 1에 나타내는 쇼벨구동계의 구성을 나타내는 블록도이다.
기계식 구동부로서의 엔진(11)과, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)(어시스트모터(12)라고도 칭함)는, 함께 증력기(增力機)로서의 변속기(13)(스플리터로서도 기능함)에 접속되어 있다. 변속기(13)의 출력축에는, 용량가변식 유압펌프(14)가 접속되어 있다. 유압발생기인 용량가변식 유압펌프(14)에는, 유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다. 이하, 용량가변식 유압펌프(14)를, 단순히 유압펌프(14)라 칭하는 경우도 있다.
컨트롤밸브(17)는, 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 컨트롤밸브(17)에는, 하부주행체(1)용 유압모터 1A(오른쪽용) 및 1B (왼쪽용), 붐실린더(7), 아암실린더(8), 및 버킷실린더(9)가 고압 유압라인을 통하여 접속된다. 또한, 컨트롤밸브(17)에는, 상부선회체를 선회구동하는 선회기구(2)의 선회유압모터(2A)가 접속되어 있다.
전동발전기(12)에는, 인버터(18A)를 통하여 축전계(100)가 접속되어 있다. 도 3은 축전계(100)의 블록도이다. 축전계(100)의 배터리(19)는 전력라인(27)에 의하여 전동발전기(12)에 접속되어 있고, 전동발전기(12)로부터의 전력에 의하여 배터리(19)를 충전할 수 있음과 함께, 배터리(19)로부터의 전력으로 전동발전기(12)를 구동할 수도 있다.
축전계(100)는, 일정전압 축전부로서의 DC버스(110), 축전제어부로서의 승강압 컨버터(18B), 및 변동전압 축전부로서의 배터리(19)에 의하여 구성된다.
승강압 컨버터(18B)는, 일측(一側)이 DC버스(110)를 통하여 전동발전기(12)에 접속됨과 함께, 타측(他側)이 배터리(19)에 접속되어 있고, DC버스 전압값이 일정한 범위 내에 들도록 승압(昇壓) 또는 강압(降壓)을 전환하는 제어를 행한다. 전동발전기(12)가 전동(어시스트)운전을 행하는 경우에는, 인버터(18A)를 통하여 전동발전기(12)에 전력을 공급할 필요가 있기 때문에, DC버스 전압값을 승압할 필요가 있다. 한편, 전동발전기(12)가 발전(發電)운전을 행하는 경우에는, 발전된 전력을 인버터(18A)를 통하여 배터리(19)에 충전할 필요가 있기 때문에, DC버스 전압값을 강압할 필요가 있다. 전동발전기(12)는 엔진(11)의 부하상태에 따라서 운전상태가 전환된다.
DC버스(110)는, 인버터(18A)와 승강압 컨버터(18B) 사이에 설치되어 있고, 배터리(19)와 전동발전기(12) 사이에서 전력의 수수(授受: 주고받음)가 가능하게 구성되어 있다.
DC버스 전압검출부(111)는, DC버스 전압값을 검출하기 위한 전압검출부이다. 검출되는 DC버스 전압값은 컨트롤러(30)에 입력되고, 이 DC버스 전압값을 일정한 범위 내에 들게 하기 위한 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하기 위하여 이용된다.
배터리 전압검출부(112)는, 배터리(19)의 전압값을 검출하기 위한 전압검출부이고, 배터리의 충전상태를 검출하기 위하여 이용된다. 검출되는 배터리 전압값은, 컨트롤러(30)에 입력되고, 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하기 위하여 이용된다.
배터리 전류검출부(113)는, 배터리(19)의 전류값을 검출하기 위한 전류검출부이다. 배터리 전류값은, 배터리(19)로부터 승강압 컨버터(100)에 흐르는 전류를 플러스값으로서 검출된다. 검출되는 배터리 전류값은, 컨트롤러(30)에 입력되고, 승강압 컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하기 위하여 이용된다.
이상의 구성을 가지는 쇼벨은, 엔진(11) 및 전동발전기(12)를 동력원으로 하는 하이브리드식 건설기계이다. 이들의 동력원은, 도 1에 나타내는 상부선회체(3)에 탑재된다. 이하, 각 부에 대하여 설명한다.
엔진(11)은, 예컨대, 디젤엔진으로 구성되는 내연기관이고, 그 출력축은 변속기(13)의 일방의 입력축에 접속된다. 엔진(11)은, 건설기계의 운전 중에는 상시 운전된다.
전동발전기(12)는, 전동(어시스트)운전 및 발전운전의 쌍방이 가능한 전동기이면 된다. 여기서는, 전동발전기(12)로서, 인버터(18A)에 의하여 교류구동되는 전동발전기를 나타낸다. 이 전동발전기(12)는, 예컨대, 자석이 로터 내부에 매립된 IPM(Interior Permanent Magnet)모터로 구성할 수 있다. 전동발전기(12)의 회전축은 변속기(13)의 타방의 입력축에 접속된다.
변속기(13)는, 2개의 입력축과 1개의 출력축을 가진다. 2개의 입력축에는, 엔진(11)의 구동축과 전동발전기(12)의 구동축이 각각 접속된다. 또한, 출력축에는 용량가변식 유압펌프(14)의 구동축이 접속된다. 엔진(11)의 부하가 큰 경우에는, 전동발전기(12)가 전동(어시스트)운전을 행하고, 전동발전기(12)의 구동력이 변속기(13)의 출력축을 거쳐서 유압펌프(14)에 전달된다. 이로써 엔진(11)의 구동이 어시스트된다. 한편, 엔진(11)의 부하가 작은 경우는, 엔진(11)의 구동력이 변속기(13)를 거쳐서 전동발전기(12)에 전달됨으로써, 전동발전기(12)가 발전운전에 의한 발전을 행한다. 전동발전기(12)의 전동(어시스트)운전과 발전운전의 전환은, 컨트롤러(30)에 의하여, 엔진(11)의 부하 등에 따라서 행하여진다.
유압펌프(14)는, 컨트롤밸브(17)에 공급하기 위한 유압을 발생시키는 유압펌프이다. 유압펌프(14)에서 발생한 유압은, 컨트롤밸브(17)를 통하여 유압부하인 유압모터(1A, 1B), 붐실린더(7), 아암실린더(8), 버킷실린더(9), 및 선회유압모터(2A)의 각각을 구동하기 위하여 공급된다.
컨트롤밸브(17)는, 고압 유압라인을 통하여 접속되는 하부주행체(1)용 유압모터(1A, 1B), 붐실린더(7), 아암실린더(8), 버킷실린더(9), 및 선회유압모터(2A)의 각각에 공급하는 유압을 운전자의 조작입력에 따라서 제어함으로써, 이들을 유압구동제어하는 유압제어장치이다.
인버터(18A)는, 상술한 바와 같이 전동발전기(12)와 배터리(19) 사이에 설치되고, 컨트롤러(30)로부터의 지령에 근거하여, 전동발전기(12)의 운전제어를 행한다. 이로써, 인버터(18A)가 전동발전기(12)의 전동(어시스트)을 운전제어하고 있을 때에는, 필요한 전력을 배터리(19)로부터 전동발전기(12)에 공급한다. 또한, 전동발전기(12)의 발전을 운전제어하고 있을 때에는, 전동발전기(12)에 의하여 발전된 전력을 배터리(19)에 충전한다. 다만, 배터리(19)의 충방전제어는, 배터리(19)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(전동(어시스트)운전 또는 발전운전)에 근거하여, 컨트롤러(30)에 의하여 행하여진다.
컨트롤러(30)는, 쇼벨의 구동제어를 행하는 제어장치이고, CPU(Central Processing Unit) 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성된다. 엔진속도제어, 유압모터 출력제어, 배터리 충방전제어 등은, 컨트롤러(30)의 CPU가 내부메모리에 저장된 구동제어용 프로그램을 실행함으로써 실현된다.
컨트롤러(30)에는, 하이브리드식 건설기계의 운전실에 있는 조작부(32)를 조작자가 조작하여 생성된 입력신호가 공급된다. 조작부(32)에는, 붐(4)을 조작하기 위한 붐 조작레버, 아암(5)을 조작하기 위한 아암 조작레버, 버킷(6)을 조작하기 위한 버킷 조작레버, 주행을 조작하기 위한 주행 조작레버, 및 선회를 조작하기 위한 선회 조작레버가 설치되어 있다. 조작자가 이들의 조작레버를 움직임으로써, 조작레버의 조작량에 따른 입력신호가 컨트롤러(30)에 공급된다.
다음으로, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 유압펌프의 출력제어에 관하여 설명한다. 제1 실시형태에서는, 유압부하에 유압을 공급하기 위한 유압펌프로서 상술한 용량가변식 유압펌프(14)가 이용된다. 용량가변식 유압펌프(14)는, 외부로부터의 입력신호(전류신호)에 의하여 최대출력(마력)을 조정할 수 있는 유압펌프이다.
본 실시형태에서는, 용량가변식 유압펌프(14)의 최대출력은, 엔진(11)의 최대출력보다 크다. 즉, 용량가변식 유압펌프(14)로서, 엔진(11)의 최대출력보다 큰 출력을 낼 수 있는 용량가변식 유압펌프가 이용된다.
도 4는 유압펌프의 출력제어의 플로차트이다. 도 5는 컨트롤러(30)에 있어서 유압펌프의 출력제어를 행하는 부분의 기능블록도이다.
유압펌프의 출력제어가 개시되면, 먼저, 스텝 S1에 있어서 쇼벨이 주행 중인지의 여부가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 주행 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41A)에서 판정함으로써 행하여진다. 주행 조작레버 신호는, 조작부(32)의 주행 조작레버가 조작되고 있을 때에 생성되는 전기신호이고, 주행 조작레버 신호가 ON일 때는 조작자가 주행 조작레버를 조작하여 쇼벨이 주행하고 있는 것을 나타낸다. ON/OFF 판정부(41A)에서의 판정결과는 동작판정부(42)에 공급된다.
동작판정부(42)는, 컨트롤러(30)에 의하여 실현되는 기능부이고, 도 4에 나타내는 출력제어를 행하는 부분에 상당한다. 동작판정부(42)는 후술하는 바와 같이 유압부하의 작동을 판정한 결과에 근거하여, 유압펌프(14)의 출력을 설정하기 위한 유압펌프출력설정지령을 출력한다. 이 유압펌프출력설정지령에 의하여, 유압펌프(14)의 출력이, 제1 출력(저출력) 또는 제2 출력(고출력)으로 설정된다.
스텝 S1에 있어서 쇼벨이 주행 중이라고 판정되면(스텝 S1의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행한다. 스텝 S2에서는, 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다. 이 제1 출력(저출력)은, 엔진(11)의 최대출력 이하의 출력이다. 스텝 S2의 용량가변식 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리는, 용량가변식 유압펌프(14)에 출력조정신호를 입력함으로써 행하여진다. 출력조정신호는 예컨대 전류신호이고, 전류의 크기에 따라서 유압펌프의 출력을 조정·제어할 수 있다.
한편, 스텝 S1에 있어서 쇼벨이 주행 중이 아니라고 판정되면(스텝 S1의 NO),처리는 스텝 S3로 진행한다. 스텝 S3에서는, 쇼벨의 상부선회체(3)가 선회 중인지의 여부가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 선회 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41B)에서 판정함으로써 행하여진다. 선회 조작레버 신호는, 조작부(32)의 선회 조작레버가 조작되고 있을 때에 생성되는 전기신호이고, 선회 조작레버 신호가 ON일 때는 조작자가 선회 조작레버를 조작하여 쇼벨의 상부선회체(3)가 선회하고 있는 것을 나타낸다. ON/OFF 판정부(41B)에서의 판정결과는 단독체(單體)인 동작판정부(42)에 공급된다.
스텝 S3에 있어서 상부선회체(3)가 선회 중이라고 판정되면(스텝 S3의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행한다. 스텝 S2에서는, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
한편, 스텝 S3에 있어서 상부선회체(3)가 선회 중이 아니라고 판정되면(스텝 S3의 NO), 처리는 스텝 S4로 진행한다. 스텝 S4에서는, 쇼벨의 붐(4)이 작동 중인지의 여부가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 붐 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41C)에서 판정함으로써 행하여진다. 붐 조작레버 신호는, 조작부(32)의 붐 조작레버가 조작되고 있을 때에 생성되는 전기신호이고, 붐 조작레버 신호가 ON일 때는 조작자가 붐 조작레버를 조작하여 붐(4)이 작동하고 있는 것을 나타낸다. ON/OFF 판정부(41C)에서의 판정결과는 단독체인 동작판정부(42)에 공급된다.
스텝 S4에 있어서 붐(4)이 작동 중이라고 판정되면(스텝 S4의 YES), 처리는 스텝 S5로 진행한다. 스텝 S5에서는, 쇼벨의 아암(5)이 작동 중인지의 여부가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 아암 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41D)에서 판정함으로써 행하여진다. 아암 조작레버 신호는, 조작부(32)의 아암 조작레버가 조작되고 있을 때에 생성되는 전기신호이고, 아암 조작레버 신호가 ON일 때는 조작자가 아암 조작레버를 조작하여 아암(5)이 작동하고 있는 것을 나타낸다. ON/OFF 판정부(41D)에서의 판정결과는 단독체인 동작판정부(42)에 공급된다.
스텝 S5에 있어서 아암(5)이 작동 중이라고 판정되면(스텝 S5의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행하여, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
한편, 스텝 S5에 있어서 아암(5)이 작동 중이 아니라고 판정되면(스텝 S5의 NO), 처리는 스텝 S6로 진행한다. 스텝 S6에서는, 쇼벨의 버킷(6)이 작동 중인지의 여부가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 버킷 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41E)에서 판정함으로써 행하여진다. 버킷 조작레버 신호는, 조작부(32)의 버킷 조작레버가 조작되고 있을 때에 생성되는 전기신호이고, 버킷 조작레버 신호가 ON일 때는 조작자가 버킷 조작레버를 조작하여 버킷(6)이 작동하고 있는 것을 나타낸다. ON/OFF 판정부(41E)에서의 판정결과는 단독체인 동작판정부(42)에 공급된다.
스텝 S6에 있어서 버킷(6)이 작동 중이라고 판정되면(스텝 S6의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행하여, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
한편, 스텝 S6에 있어서 버킷(6)이 작동 중이 아니라고 판정되면(스텝 S6의 NO), 처리는 스텝 S7으로 진행한다. 스텝 S7에서는, 유압펌프(14)의 최대출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다. 이 제2 출력(고출력)은, 엔진(11)의 최대출력보다 큰 출력이다. 스텝 S7의 용량가변식 유압펌프(14)의 최대출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 처리는, 용량가변식 유압펌프(14)에 상술한 출력조정신호를 입력함으로써 행하여진다.
출력조정신호가 전류신호인 경우, 스텝 S2에서 제1 출력(저출력)으로 설정하는 경우의 전류값을 설정하고, 스텝 S7에 있어서 제2 출력(고출력)으로 설정하는 경우의 전류값을 설정한다.
상술한 스텝 S4에 있어서, 붐(4)이 작동 중이 아니라고 판정되면(스텝 S4의 NO), 처리는 스텝 S8으로 진행한다. 스텝 S8에서는, 스텝 S5와 마찬가지로, 쇼벨의 아암(5)이 작동 중인지의 여부가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 아암 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41D)에서 판정함으로써 행하여진다.
스텝 S8에 있어서 아암(5)이 작동 중이라고 판정되면(스텝 S8의 YES), 처리는 스텝 S9으로 진행한다. 스텝 S9에서는, 스텝 S6과 마찬가지로, 쇼벨의 버킷(6)이 작동 중인지의 여부가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 버킷 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41E)에서 판정함으로써 행하여진다.
스텝 S9에 있어서 버킷(6)이 작동 중이라고 판정되면(스텝 S9의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행하여, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
한편, 스텝 S9에 있어서 버킷(6)이 작동 중이 아니라고 판정되면(스텝 S9의 NO), 처리는 스텝 S7로 진행하여, 유압펌프(14)의 최대출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
또한, 스텝 S8에 있어서 아암(4)이 작동 중이 아니라고 판정되면(스텝 S8의 NO), 처리는 스텝 S10으로 진행한다. 스텝 S10에서는, 스텝 S6, S9와 마찬가지로, 쇼벨의 버킷(6)이 작동 중인지의 여부가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 버킷 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41E)에서 판정함으로써 행하여진다.
스텝 S10에 있어서 버킷(6)이 작동 중이라고 판정되면(스텝 S10의 YES), 처리는 스텝 S7로 진행하고, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
한편, 스텝 S10에 있어서 버킷(6)이 작동 중이 아니라고 판정되면(스텝 S10의 NO), 처리는 스텝 S2로 진행하고, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
스텝 S2 또는 스텝 S7에 있어서 유압펌프(14)의 최대출력이, 제1 출력(저출력) 또는 제2 출력(고출력)으로 설정되면, 펌프의 출력제어처리는 종료된다.
이상의 유압펌프의 출력제어에 의하면, 쇼벨이 주행 중 또는 상부선회체(3)가 선회 중이면(스텝 S1의 YES 및 스텝 S2의 YES), 유압펌프(14)의 출력은 제1 출력(저출력)으로 설정된다. 제1 출력은, 엔진(11)의 최대출력 이하의 출력이기 때문에, 유압펌프(14)를 엔진(11)의 출력만으로 연속하여 구동할 수 있다. 즉, 쇼벨의 주행 또는 상부선회체(3)의 선회는, 엔진(11)의 출력만으로 행하여진다.
쇼벨의 주행은, 주행용 유압모터(1A, 1B)에 유압을 공급함으로써 행하여지는 것이고, 어느 정도 장시간 연속하여 유압모터(1A, 1B)에 유압을 공급하는 일이 많다. 또한, 상부선회체(3)의 선회도, 선회유압모터(2A)에 유압을 공급함으로써 행하여지는 것이고, 어느 정도 장시간 연속하여 유압모터(1A, 1B)에 유압을 공급하는 일이 많다. 즉, 유압모터에는 장시간 연속하여 유압을 공급하는 일이 많기 때문에, 연속하여 공급할 수 있는 엔진(11)의 출력만으로 유압펌프(14)를 구동한다.
쇼벨이 주행 중이 아니고, 상부선회체(3)가 선회 중이 아닐 때는(스텝 S1의 NO 및 스텝 S2의 NO), 붐(4), 아암(5), 및 버킷(6)이 작동 중인지의 여부가 판정된다(스텝 S4, S5, S6, S8, S9, S10의 처리). 이 처리는, 붐(4), 아암(5), 및 버킷(6) 중 어느 하나가 작동 중인 경우에만 유압펌프(14)의 출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 처리이다.
예컨대, 스텝 S4에 있어서 붐(4)이 작동 중이라고 판정된 경우, 스텝 S5에서 아암(5)이 작동 중이 아니라고 판정되고, 또한 스텝 S6에서 버킷(6)이 작동 중이 아니라고 판정된 경우에만(즉, 붐(4)만이 작동 중), 유압펌프(14)의 출력은 제2 출력(고출력)으로 설정된다. 또한, 예컨대, 스텝 S4에 있어서 붐(4)이 작동 중이 아니라고 판정된 경우로서, 스텝 S8에서 아암(5)이 작동 중이라고 판정되고, 또한 스텝 S9에 있어서 버킷(6)이 작동 중이 아니라고 판정된 경우에만(즉, 아암(5)만이 작동 중), 유압펌프(14)의 출력은 제2 출력(고출력)으로 설정된다. 또한, 예컨대, 스텝 S4에 있어서 붐(4)이 작동 중이 아니라고 판정된 경우로서, 스텝 S8에서 아암(5)이 작동 중이 아니라고 판정되고, 또한 스텝 S10에 있어서 버킷(6)이 작동 중이라고 판정된 경우에만(즉, 버킷(6)만이 작동 중), 유압펌프(14)의 출력은 제2 출력(고출력)으로 설정된다.
이상의 처리에서 알 수 있는 바와 같이, 붐(4), 아암(5), 및 버킷(6) 중 어느 하나만이 작동 중인 경우에, 유압펌프(14)의 출력은 제2 출력(고출력)으로 설정된다. 따라서, 유압실린더(7, 8, 9)에 공급하는 유압출력을 통상보다 크게 할 수 있으므로, 붐(4), 아암(5), 및 버킷(6)에 의하여 힘있게 작업을 행할 수 있다. 유압실린더는 한정된 스트로크 이내에서의 작동이고, 유압을 장시간 연속하여 공급하는 일은 거의 없다. 따라서, 유압펌프(14)의 출력은 제2 출력(고출력)으로 설정되는 시간은 짧고, 장시간 연속하여 제2 출력(고출력)으로 설정되지는 않는다.
여기서, 유압펌프(14)가 제2 출력(고출력)으로 설정되면, 제2 출력(고출력)은 엔진(11)의 최대출력보다 크기 때문에, 전동발전기(어시스트모터)(12)의, 전동(어시스트)운전에 의한 출력이 엔진(11)의 출력에 가하여진다. 즉, 유압펌프(14)가 제2 출력(고출력)으로 설정되면, 배터리(19)로부터의 전력으로 전동발전기(어시스트모터)(12)가 역행(力行)운전되게 되어, 배터리(19)가 방전하고 있는 상태가 된다. 만약, 제2 출력(고출력)으로의 설정이 연속하여 길게 계속되면, 배터리(19)의 방전량이 커지고, 축전율이 극단적으로 작아져 버릴 우려가 있다.
그래서, 본 실시형태에서는, 상술한 바와 같이, 동작시간이 짧은 유압실린더가 하나만 작동하는 경우에만, 유압펌프(14)의 출력을 제2 출력(고출력)으로 설정함으로써, 배터리(19) 축전율의 극단적인 감소를 방지하면서, 힘있는 작업을 행할 수 있도록 하고 있다.
도 6은 유압펌프(14)의 출력특성을 나타내는 그래프이다. 도 6에 있어서, 제1 출력(저출력)으로 설정된 경우의 펌프출력이 실선으로 나타나고, 제2 출력(고출력)으로 설정된 경우의 펌프출력이 점선으로 나타나 있다. 제1 출력(저출력)을 엔진(11)의 최대출력에 동일하게 설정한 경우, 실선으로 나타난 펌프출력(제2 출력)과 점선으로 나타난 펌프출력(제1 출력)의 차분(差分)을, 전동발전기(어시스트모터)(12)의, 전동(어시스트)운전에 의한 출력으로 보충하게 된다.
이상과 같은 구성으로 하면, 엔진(11)의 최대출력을 작게 하면서, 유압펌프(14)의 출력을 단시간만 엔진의 출력보다 크게 할 수 있어, 큰 유압을 유압부하(유압실린더)에 공급하여 힘있는 작업을 행할 수 있다. 더욱이, 전동발전기(어시스트모터)(12)의 어시스트는 단시간이기 때문에, 배터리(19)의 축전율을 극단적으로 저하시킬 우려는 없다.
도 7은 유압펌프(14)의 출력을 엔진(11)의 출력에 동일한 제1 출력(저출력)으로 설정한 경우의, 엔진(11), 어시스트모터(12), 및 유압펌프(14)의 출력을 나타내는 그래프이다. 도 7에 나타내는 예는, 예컨대, 주행용 유압모터(1A, 1B)에 유압펌프(14)로부터 유압을 공급하여 쇼벨이 주행하고 있는 상태이다. 엔진(11)의 출력은 주행을 개시하고 나서 약 2.5초에 최대출력에 도달한다. 엔진(11)의 출력이 최대에 도달할 때까지의 동안, 어시스트모터(12)가 역행(力行)운전된다. 이로써, 유압펌프(14)의 출력은, 엔진(11)의 출력과 어시스트모터(12)의 출력의 합이 되어, 유압모터(1A, 1B)에 신속하게 유압을 공급하여 주행을 개시할 수 있다. 주행 개시로부터 약 2.5초가 경과하면 엔진(11)의 출력은 최대출력이 되어, 유압펌프(14)의 출력과 동일하게 된다. 따라서, 어시스트모터(12)의 출력은 불필요하게 되고, 그 후는 엔진(11)의 출력만으로 유압펌프(14)가 구동된다.
도 8은 유압펌프(14)의 출력을 엔진(11)의 출력보다 큰 제2 출력(고출력)으로 설정한 경우의, 엔진(11), 어시스트모터(12), 및 유압펌프(14)의 출력을 나타내는 그래프이다. 도 8에 나타내는 예는, 예컨대, 버킷용 유압실린더인 버킷실린더(9)에 유압을 공급하여 버킷(6)만을 작동하고 있는 상태이다. 엔진(11)의 출력은 버킷(6)의 작업을 개시하고 나서 약 2.5초로 최대출력에 도달한다. 엔진(11)의 출력이 최대에 도달할 때까지의 동안, 어시스트모터(12)가 역행(力行)운전된다. 이로써, 유압펌프(14)의 출력은, 엔진(11)의 출력과 어시스트모터(12)의 출력의 합이 되어, 버킷실린더(9)에 신속하게 유압을 공급하여 작업을 개시할 수 있다. 버킷(9)에 의한 작업개시로부터 약 2.5초가 경과하면 엔진(11)의 출력은 최대출력이 된다. 여기서, 버킷(6)만의 작동이기 때문에, 유압펌프(14)의 출력은 엔진(11)의 최대출력보다 큰 제2 출력(고출력)으로 설정되어 있다. 따라서, 어시스트모터(12)는, 엔진(11)의 출력이 최대출력이 된 후도 계속하여 역행운전된다. 이로써, 유압펌프(14)에는 엔진(11)의 출력과 어시스트모터(12)의 출력의 합이 공급되고, 이것이 유압펌프(14)의 출력이 된다. 따라서, 버킷실린더(9)에는 통상의 유압펌프(14)의 유압출력보다 큰 유압출력이 공급되어, 버킷(6)에 의하여 힘있는 작업을 행할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의한 하이브리드식 쇼벨은, 가변용량식 유압펌프(14)를 구동하는 엔진(11)과, 가변용량식 유압펌프(14)로부터의 유압에 의하여 구동되는 복수의 유압액추에이터와, 배터리(19)로부터의 전력에 의하여 구동되고, 엔진(11)을 보조하는 어시스트모터를 가지고 있다. 그리고, 가변용량식 유압펌프(14)의 최대출력은 엔진(11)의 최대출력 이상이고, 가변용량식 유압펌프(14)의 출력을 엔진(11)의 최대출력보다 크게 설정하여 운전할 때에, 어시스트모터(12)로 엔진(11)을 어시스트한다. 이로써, 구동하는 유압액추에이터가 유압실린더만인 경우에, 일시적으로 가변용량식 유압펌프(14)의 출력을 증대시켜 유압에 의한 작업을 큰 출력으로 행할 수 있다. 이로 인하여, 유압실린더에 의하여 구동되는 작업부분을 힘있게 작동시킬 수 있어, 하이브리드 쇼벨의 작업부분의 일부를 종래의 유압전용 쇼벨과 동등한 힘으로 구동할 수 있다.
다만, 상술한 실시형태에서는, 유압실린더의 하나만을 작동할 때에 유압펌프(14)의 출력을 높게 설정하여 힘있는 작업을 행하는 것으로 하였지만, 배터리(19)의 축전율을 유지할 수 있는 것이라면, 복수의 유압실린더를 작동하는 경우이더라도, 유압펌프(14)의 출력을 높게 설정하여 힘있는 작업을 행하도록 하여도 좋다. 즉, 유압부하로서의 유압액추에이터 중, 유압모터를 구동하는 경우는, 유압펌프(14)의 출력을 제1 출력(저출력)인 채로 유지하고, 유압실린더만을 구동하는 경우는, 유압펌프(14)의 출력을 제2 출력(고출력)으로 설정한다. 그와 같은 제어는 도 4에 나타내는 출력제어에 근거하여 용이하게 달성할 수 있다.
또한, 유압액추에이터를 구동하지 않는 경우, 즉, 유압펌프(14)로부터의 유압출력이 필요없는 경우는, 유압펌프(14)의 출력을 엔진(11)의 최대출력보다 작은 값으로 설정하는 것으로 하여도 좋다. 본 실시형태에서는 유압펌프(14)로서 용량가변식 유압펌프를 이용하므로, 유압펌프(14)의 출력을 임의로 설정할 수 있다.
또한, 상술한 쇼벨에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이 상부선회체(3)가 유압모터(2A)에 의하여 구동되어 선회하는 구성으로 되어 있지만, 상부선회체(3)를 전동모터의 구동에 의하여 선회하도록 구성하여도 좋다. 이 경우, 도 9에 나타내는 바와 같이, 상부선회체(3)를 구동하는 유압모터(2A) 대신에, 전동모터로서 선회용 전동기(21)가 설치된다. 선회용 전동기(21)는 인버터(18C)를 통하여 축전계(100)에 접속된다. 인버터(18C)를 통하여 축전계(100)로부터 전동기(21)에 전력이 공급되고, 선회용 전동기(21)에 의하여 선회기구(2)가 구동되어, 상부선회체(3)를 선회시킨다. 또한, 선회용 전동기(21)가 감속할 때에는, 선회용 전동기(21)를 회생(回生)운전시키고, 그에 의하여 발생한 전력을 인버터를 통하여 축전계(100)에 축전하여도 좋다.
도 9에 나타내는 바와 같이 선회용 전동기(21)로 상부선회체(3)를 구동하는 경우는, 도 4에 나타내는 유압펌프의 출력제어처리에 있어서, 스텝 S3에 있어서의 쇼벨의 상부선회체(3)가 선회 중인지의 여부의 판정을 행할 필요는 없어서, 스텝 S3은 생략된다. 따라서, 도 5에 있어서의 선회 조작레버 조작의 ON, OFF 판정을 행하는 ON/OFF 판정부(41B)도 설치할 필요는 없다.
상술한 제1 실시형태에 있어서, 도 4에 나타내는 유압펌프의 출력제어처리에서는, 붐, 아암, 및 버킷 중 어느 하나만의 조작이 ON으로 되어 있는 경우에만, 유압펌프의 출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하고 있다. 즉, 복수의 유압액추에이터 중, 붐실린더(7), 아암실린더(8), 및 버킷실린더(9) 중 하나에만 유압을 공급하는 경우에만, 용량가변식 유압펌프(14)의 출력을 고출력으로 설정하고 있다. 이는, 유압실린더에의 유압의 공급은 연속하여 오래 계속되지는 않고, 유압실린더 하나의 구동용만이라면, 유압펌프(14)는 일시적으로 짧은 시간동안만 고출력으로 설정되기 때문에, 엔진(11)의 동력 및 전동발전기(12)의 출력(배터리(19)로부터의 전력)으로 조달할 수 있다는 생각에 근거하고 있다.
여기서, 유압펌프(14)를 일시적으로 짧은 시간만 고출력으로 설정할 수 있는 조건으로서, 단일의 유압실린더를 구동하는 경우뿐만 아니라, 복수의 유압실린더를 구동하는 경우이더라도 그와 같은 조건을 만족하는 경우가 있다. 이하에 설명하는 제2 실시형태에서는, 복수의 유압실린더를 구동하는 경우에도, 유압펌프(14)를 일시적으로 짧은 시간만 고출력으로 설정하고 있다.
먼저, 유압실린더를 포함하는 유압액추에이터의 구동에 대하여, 유압쇼벨의 기본적인 작업동작에 근거하여 설명한다. 유압쇼벨을 이용하여 행하는 동작의 대표적인 것으로서, 굴삭·짐 싣기 동작이 있다. 굴삭·짐 싣기 동작은, 굴삭동작과 짐 싣기 동작을 포함하는 일련의 동작으로서, 버킷으로 흙을 파내서 떠올리고, 덤프카 적재함 등의 소정의 장소에 배토(排土: 흙 배출)하는 작업이다. 굴삭·짐 싣기 동작에 대해서는, 사단법인 일본건설기계화협회 규격(JCMAS)에 있어서 상세히 규정되어 있다.
굴삭·짐 싣기 동작에 대하여, 도 10을 참조하면서 더욱 자세히 설명한다. 먼저, 도 10 (a)에 나타내는 바와 같이, 상부선회체(3)를 선회하여 버킷(6)이 굴삭위치의 상방에 위치하고 있는 상태에서, 또한, 아암(5)이 열리고 버킷(6)도 열린 상태에서, 오퍼레이터는 붐(4)을 내리고, 버킷(6)의 선단이 목표의 굴삭깊이(D)가 되도록 버킷(6)을 하강시킨다. 통상, 선회 및 붐 하강은, 오퍼레이터가 조작하고, 눈으로 보아 버킷(6)의 위치를 확인한다. 또한, 상부선회체(3)의 선회와, 붐(4)의 하강은 동시에 행하는 것이 일반적이다. 이상의 동작을 붐 하강 선회동작이라 칭하고, 이 동작구간을 붐 하강 선회동작구간이라 칭한다.
오퍼레이터가 버킷(6)의 선단이 목표의 굴삭깊이(D)에 도달하였다고 판단하면, 다음으로, 도 10 (b)에 나타내는 바와 같이 수평당김 동작으로 옮긴다. 수평당김 동작에서는, 버킷(6)의 선단이 거의 수평으로 이동하도록, 아암(5)이 지면에 대하여 수직이 될 때까지 아암(5)을 닫는다. 이 수평당김 동작에 의하여, 소정의 깊이의 흙이 굴삭되어 버킷(6)에 긁어 모아진다. 수평당김 동작이 완료되면, 다음으로, 도 10 (c)에 나타내는 바와 같이, 아암(5)에 대하여 90도가 될 때까지 버킷(6)을 닫는다. 즉, 버킷(6)의 상측 가장자리가 수평이 될 때까지 버킷(6)을 닫아, 긁어모은 흙을 버킷(6) 속에 수용한다. 이상의 동작을 굴삭동작이라 칭하고, 이 동작구간을 굴삭동작구간이라 칭한다.
오퍼레이터는, 버킷(6)이 90도가 될 때까지 닫았다고 판단하면, 다음으로, 도 10 (d)에서 나타내는 바와 같이, 버킷(6)을 닫은 채 버킷(6)의 바닥부가 소정의 높이(H)가 될 때까지 붐(4)을 올린다. 이에 이어서, 혹은 동시에, 상부선회체(3)를 선회하여 배토할 위치까지 버킷(6)을 선회 이동한다. 이상의 동작을 붐 상승 선회동작이라 칭하고, 이 동작구간을 붐 상승 선회동작구간이라 칭한다.
오퍼레이터는, 붐 상승 선회동작이 완료되었다고 판단하면, 다음으로, 도 10 (e)에 나타내는 바와 같이 아암(5) 및 버킷(6)을 열어, 버킷(6) 속의 흙을 배출한다. 이 동작을 덤프동작이라 칭하고, 이 동작구간을 덤프동작구간이라 칭한다. 덤프동작에서는, 버킷(6)만을 열어서 배토하여도 좋다.
오퍼레이터는, 덤프동작이 완료되었다고 판단하면, 다음으로, 도 10 (f)에 나타내는 바와 같이, 상부선회체(3)를 선회하여 버킷(6)을 굴삭위치의 바로 위로 이동시킨다. 이때, 선회와 동시에 붐(4)을 내려서 버킷(6)을 굴삭개시 위치까지 하강시킨다. 이 동작은 도 10 (a)에서 설명한 붐 하강 선회동작의 일부이다. 오퍼레이터는, 도 10 (a)에 나타내는 바와 같이 버킷(6)을 굴삭개시 위치로부터 목표의 굴삭깊이(D)까지 하강시키고, 다시 도 10 (b)에 나타내는 굴삭동작을 행한다.
이상의 「붐 하강 선회동작」, 「굴삭동작」, 「붐 상승 선회동작」, 「덤프동작」, 「붐 하강 선회동작」을 1 사이클로 하고 이 사이클을 반복하여 행하면서, 굴삭·짐 싣기를 진행해 간다.
이상과 같은 굴삭·짐 싣기 동작에 있어서, 예컨대, 도 10 (b), (c)에 나타내는 굴삭동작구간에서는, 붐(4)을 상승시키면서 아암(5)을 닫는다고 하는 유압실린더의 복합동작이 행하여진다. 따라서, 굴삭동작구간에서는, 복수의 유압실린더(붐실린더(7) 및 아암실린더(8))에 대하여 유압펌프(14)로부터 유압을 동시에 공급하는 것이 된다. 이 경우는 단일의 유압실린더의 구동이 아니기 때문에, 상술한 제1 실시형태에서는 유압펌프(14)의 출력은 저출력으로 설정되어, 굴삭력이 저하할 우려가 있다.
그런데, 상술한 복합동작이더라도, 붐실린더(7)나 아암실린더(8)와 같이 스트로크 한계가 있는 유압액추에이터의 경우에는, 구동시간이 단시간이기 때문에, 유압펌프(14)의 구동을 전동발전기(12)의 출력으로 어시스트하더라도, 배터리(19)의 충전율이 극단적으로 저하되지는 않는다. 따라서, 제2 실시형태에서는, 구동시간이 단시간이고 구동할 유압액추에이터가 스트로크 한계가 있는 유압실린더인 경우, 복수의 유압액추에이터를 동시에 구동하는 복합동작이더라도, 유압펌프(14)의 출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하고 있다. 또한, 특히, 굴삭동작구간에서는 고출력이 요구되는 경우가 많으므로, 굴삭동작구간에 있어서, 붐(4)과 아암(5)의 복합동작을 행하는 경우에, 유압펌프(14)의 출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
도 11은, 제2 실시형태에 의한 유압펌프출력제어처리의 플로차트이다. 스텝 S1∼S3까지의 처리는, 도 4에 나타내는 스텝 S1∼S3까지의 처리와 동일하여, 동일 스텝번호를 붙이고 그 설명은 생략한다.
스텝 S3에 있어서 상부선회체(3)가 선회 중이라고 판정되면(스텝 S3의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행한다. 스텝 S2에서는, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
한편, 스텝 S3에 있어서 상부선회체(3)가 선회 중이 아니라고 판정되면(스텝 S3의 NO), 처리는 스텝 S14로 진행한다. 스텝 S14에서는, 쇼벨의 붐(4)이 붐 상승동작 중인지, 또는 붐 하강동작 중 혹은 동작 중이 아닌지가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 붐 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41C)에서 판정함으로써 행하여진다. 붐 조작레버 신호는, 조작부(32)의 붐 조작레버가 조작되고 있을 때에 생성되는 전기신호이고, 붐 조작레버 신호가 ON일 때는 조작자가 붐 조작레버를 조작하여 붐(4)이 작동하고 있는 것을 나타낸다. 더하여, 본 실시형태에서는, 스텝 S14에 있어서 붐(4)이 동작 중이라고 판정된 경우에, 붐(4)의 동작이 붐 열림인지, 또는 붐 닫힘인지가 판정된다.
이 판정도, 붐 조작레버 신호에 근거하여 행하여진다. 예컨대, 붐 조작레버가 조작되고 있지 않을 때(붐 조작레버가 중립위치일 때)에 붐 조작레버 신호가 제로가 되고, 붐 조작레버가 앞쪽으로 쓰러져 있는 경우에 붐 조작레버 신호가 정(正)의(플러스의) 값이 되고, 붐 조작레버가 뒷쪽으로 쓰러져 있는 경우에 붐 조작레버 신호를 부(負)의 (마이너스의) 값이 되도록 설정해 두면, 붐 조작레버 신호에 근거하여, 붐(4)이 동작하고 있는지의 여부를 판정할 수 있고, 또한, 붐(4)이 동작 중인 경우에는 그 동작방향은 붐 닫힘인지, 붐 열림인지를 판정할 수 있다.
스텝 S14에 있어서, 붐(4)이 붐 상승동작 중이라고 판정되면(S14의 UP), 처리는 스텝 S15로 진행한다. 스텝 S15에서는, 쇼벨의 아암(5)이 아암 상승동작 중인지, 또는 아암 하강동작 중 혹은 동작 중이 아닌지가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 아암 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41D)에서 판정함으로써 행하여진다. 아암 조작레버 신호는, 조작부(32)의 아암 조작레버가 조작되고 있을 때에 생성되는 전기신호이고, 아암 조작레버 신호가 ON일 때는 조작자가 아암 조작레버를 조작하여 아암(5)이 작동하고 있는 것을 나타낸다. 더하여, 본 실시형태에서는, 스텝 S15에 있어서 아암(5)이 동작 중이라고 판정된 경우에, 아암(5)의 동작이 아암 열림인지, 또는 아암 닫힘인지가 판정된다.
이 판정도, 아암 조작레버 신호에 근거하여 행하여진다. 예컨대, 아암 조작레버가 조작되고 있지 않을 때(아암 조작레버가 중립위치일 때)에 아암 조작레버 신호가 제로가 되고, 아암 조작레버가 앞쪽으로 쓰러져 있는 경우에 아암 조작레버 신호가 정의(플러스의) 값이 되며, 아암 조작레버가 뒷쪽으로 쓰러져 있는 경우에 아암 조작레버 신호를 부의(마이너스의) 값이 되도록 설정해 두면, 아암 조작레버 신호에 근거하여, 아암이 동작하고 있지 않은지, 혹은 동작 중이고 그 방향은 아암 닫힘인지, 아암 열림인지를 판정할 수 있다.
스텝 S15에 있어서, 쇼벨의 아암(5)이 아암 열림동작 중이라고 판정되면(S15의 OPEN), 처리는 스텝 S2로 진행하고, 유압펌프(14)의 출력을 제1 출력(저출력)으로 설정한다. 스텝 S15에 있어서, 쇼벨의 아암(5)이 아암 닫힘동작 중이라고 판정되면(S15의 CLOSE), 처리는 스텝 S7로 진행하고, 유압펌프(14)의 출력을 제2 출력(고출력)으로 설정한다. 한편, 스텝 S15에 있어서, 쇼벨의 아암(5)이 동작 중이 아니라고 판정되면, 처리는 스텝 S16으로 진행한다.
스텝 S16에서는, 쇼벨의 버킷(6)이 동작 중인지의 여부가 판정된다. 이 판정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 버킷 조작레버 신호가 ON인지 OFF인지를 ON/OFF 판정부(41E)에서 판정함으로써 행하여진다. 버킷 조작레버 신호는, 조작부(32)의 버킷 조작레버가 조작되고 있을 때에 생성되는 전기신호이고, 버킷 조작레버 신호가 ON일 때는 조작자가 버킷 조작레버를 조작하여 버킷(6)이 작동하고 있는 것을 나타낸다. ON/OFF 판정부(41E)에서의 판정결과는 단독체인 동작판정부(42)에 공급된다.
스텝 S16에 있어서 버킷(6)이 작동 중이라고 판정되면(스텝 S16의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행하고, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
한편, 스텝 S16에 있어서 버킷(6)이 작동 중이 아니라고 판정되면(스텝 S16의 NO), 처리는 스텝 S7로 진행한다. 스텝 S7에서는, 유압펌프(14)의 최대출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다. 이 제2 출력(고출력)은, 엔진(11)의 최대출력보다 큰 출력이다. 스텝 S7의 용량가변식 유압펌프(14)의 최대출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 처리는, 용량가변식 유압펌프(14)에 상술한 출력조정신호를 입력함으로써 행하여진다.
출력조정신호가 전류신호인 경우, 스텝 S2에서 제1 출력(저출력)으로 설정하는 경우의 전류값을 설정하고, 스텝 S7에 있어서 제2 출력(고출력)으로 설정하는 경우의 전류값을 설정한다.
한편, 상술한 스텝 S14에 있어서 붐 하강동작 중, 또는 동작하고 있지 않다고 판정되면(S14의 DOWN or OFF), 처리는 스텝 S18로 진행한다. 스텝 S18에서는, 스텝 S15와 마찬가지로, 쇼벨의 아암(5)이 아암 상승동작 중인지, 또는 아암 하강동작 중 혹은 동작 중이 아닌지가 판정된다.
스텝 S18에 있어서, 쇼벨의 아암(5)이 아암 열림동작 중이라고 판정되면(S18의 OPEN), 처리는 스텝 S19로 진행한다. 스텝 S19에서는, 상술한 스텝 S16과 마찬가지로, 쇼벨의 버킷(6)이 동작 중인지의 여부가 판정된다. 스텝 S19에 있어서 버킷(6)이 작동 중이라고 판정되면(스텝 S19의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행하고, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다. 한편, 스텝 S19에 있어서 버킷(6)이 작동 중이 아니라고 판정되면(스텝 S19의 NO), 처리는 스텝 S7로 진행하고, 유압펌프(14)의 최대출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
스텝 S18에 있어서, 쇼벨의 아암(5)이 아암 닫힘동작 중이라고 판정되면(S18의 CLOSE), 처리는 스텝 S20으로 진행한다. 스텝 S20에서는, 상술한 스텝 S16과 마찬가지로, 쇼벨의 버킷(6)이 동작 중인지의 여부가 판정된다. 스텝 S20에 있어서 버킷(6)이 작동 중이라고 판정되면(스텝 S20의 YES), 처리는 스텝 S2로 진행하고, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다. 한편, 스텝 S20에 있어서 버킷(6)이 작동 중이 아니라고 판정되면(스텝 S20의 NO), 처리는 스텝 S7로 진행하고, 유압펌프(14)의 최대출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
한편, 스텝 S18에 있어서, 쇼벨의 아암(5)이 동작 중이 아니라고 판정되면(S18의 OFF), 처리는 스텝 S21로 진행한다. 스텝 S21에서는, 상술한 스텝 S16과 마찬가지로, 쇼벨의 버킷(6)이 동작 중인지의 여부가 판정된다. 스텝 S21에 있어서 버킷(6)이 작동 중이라고 판정되면(스텝 S21의 YES), 처리는 스텝 S7로 진행하고, 유압펌프(14)의 최대출력을 제2 출력(고출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다. 한편, 스텝 S21에 있어서 버킷(6)이 작동 중이 아니라고 판정되면(스텝 S21의 NO), 처리는 스텝 S2로 진행하고, 상술한 바와 같이 유압펌프(14)의 최대출력을 제1 출력(저출력)으로 설정하는 처리가 행하여진다.
여기서, 상술한 도 10에 나타내는 굴삭·짐 싣기 작업에 상술한 유압펌프출력제어처리를 적용한 경우에 대하여 설명한다. 도 10 (a)에 나타내는 붐 하강 선회동작에서는, 먼저 스텝 S1에 있어서 쇼벨은 주행 중이 아니라고 판정되어, 처리는 스텝 S3로 진행한다. 스텝 S3에 있어서, 상부선회체(3)는 선회 중이라고 판정되어, 처리는 스텝 S2로 진행하고, 유압펌프(14)의 출력은 저출력으로 설정된다. 붐 하강 선회동작에서는, 붐(4)은 하강동작을 행하고, 아암은 동작하지 않고 있으며, 버킷(6)도 동작하지 않고 있다. 이와 같이 붐 하강 선회동작에서는 복수의 유압실린더 중에서 붐실린더(7)만이 작동하는 조건이 되지만, 유압액추에이터 중의 선회유압모터(2A)가 작동하고 있으므로, 유압펌프(14)의 출력은 고출력으로 하지 않고, 저출력으로 설정된다. 또한, 붐 하강 선회동작에서는, 붐(4)을 중력에 따라서 내리는 동작을 행하는 것뿐이어서, 유압실린더에 의하여 큰 힘을 발생시킬 필요가 없기 때문에, 유압펌프(14)의 출력은 저출력으로 하여도 쇼벨의 운전에는 지장이 없다.
도 10 (b), (c)에 나타내는 굴삭동작에서는, 먼저 스텝 S1에 있어서 쇼벨은 주행 중이 아니라고 판정되어, 처리는 스텝 S3로 진행한다. 스텝 S3에 있어서, 상부선회체(3)는 선회 중이 아니라고 판정되어, 처리는 스텝 S14로 진행한다. 스텝 S14에서는, 붐(4)이 붐 상승동작을 행하고 있다고 판정되어, 처리는 스텝 S15로 진행한다. 스텝 S15에서는, 아암(5)이 아암 닫힘동작을 행하고 있다고 판정되어, 처리는 스텝 S7로 진행하고, 유압펌프(14)의 출력은 고출력으로 설정된다. 굴삭동작에서는, 붐(4)이 붐 상승동작을 행하고, 또한 아암(5)이 아암 열림동작을 행하기 때문에, 유압실린더 중, 붐실린더(7)와 아암실린더(8)를 구동할 필요가 있다. 여기서, 굴삭동작에서는 흙이나 중량물을 긁어모으는 작업이 되어, 큰 힘이 필요하게 되는 경우가 있다. 그래서, 굴삭동작에서는 유압모터(14)의 출력을 고출력으로 설정하고 있다. 또한, 굴삭동작의 다음에 행하여지는 동작인 붐 하강동작은, 후술하는 바와 같이 유압펌프(14)의 출력을 저출력으로 설정하는 동작이기 때문에, 굴삭동작에서 유압펌프(14)의 출력을 고출력으로 설정하였다 하더라도, 유압펌프(14)의 출력을 고출력으로 설정하고 있는 시간은 짧은 시간이어서(굴삭동작의 동안만), 엔진(11)에의 과부하나 배터리(19)의 방전에 의한 전동발전기(12)의 구동이 오래 계속되는 경우는 없다. 이 점에서 보아도, 굴삭동작에 있어서, 유압펌프(14)의 출력을 고출력으로 설정하였다 하더라도 쇼벨의 운전에 지장은 없다.
이어서, 도 10 (d)에 나타내는 붐 상승 선회동작에서는, 먼저 스텝 S1에 있어서 쇼벨은 주행 중이 아니라고 판정되어, 처리는 스텝 S3로 진행한다. 스텝 S3에 있어서, 상부선회체(3)는 선회 중이라고 판정되어, 처리는 스텝 S2로 진행하고, 유압펌프(14)의 출력은 저출력으로 설정된다. 붐 상승 선회동작에서는, 붐(4)은 상승동작을 행하고, 아암(5)은 동작하지 않고 있으며, 버킷(6)도 동작하지 않거나 혹은 닫힘동작을 행하고 있다. 이와 같이 붐 상승 선회동작에서는 복수의 유압실린더 중에서 붐실린더(7)만이 작동하는 조건이 되지만, 유압액추에이터 중의 선회유압모터(2A)가 작동하고 있으므로, 유압펌프(14)의 출력은 고출력으로 하지 않고, 저출력으로 설정된다. 또한, 붐 하강 선회동작에서는, 붐(4)을 중력에 거슬러 상승하는 동작을 행하는 것뿐이어서, 유압실린더에 의하여 특히 큰 힘을 발생시킬 필요가 없기 때문에, 유압펌프(14)의 출력은 저출력으로 하여도 쇼벨의 운전에는 지장이 없다.
다음으로, 도 10 (e)에 나타내는 덤프동작에서는, 먼저 스텝 S1에 있어서 쇼벨은 주행 중이 아니라고 판정되어, 처리는 스텝 S3로 진행한다. 스텝 S3에 있어서, 상부선회체(3)는 선회 중이 아니라고 판정되어, 처리는 스텝 S14로 진행한다. 스텝 S14에서는, 붐(4)은 동작하고 있지 않거나 붐 하강동작을 행하고 있다고 판정되어, 처리는 스텝 S18로 진행한다. 스텝 S18에서는, 아암(5)이 열림동작을 행하고 있다고 판정되어, 처리는 스텝 S19로 진행한다. 스텝 S19에서는, 버킷(6)은 버킷 열림동작을 행하고 있다고 판정되고, 처리는 스텝 S2로 진행하여 유압펌프의 출력은 저출력으로 설정된다. 덤프동작에서는, 버킷실린더(9)를 움직이게 할 뿐이어서, 유압실린더에 의하여 특히 큰 힘을 발생시킬 필요가 없기 때문에, 유압펌프(14)의 출력은 저출력으로 하여도 쇼벨의 운전에는 지장이 없다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 예컨대 스텝 S14나 스텝 S15 및 스텝 S18과 같이 유압액추에이터의 동작방향에 의하여 유압펌프(14)의 출력의 설정이 바뀌고 있으며, 각 동작조건에 따라서 적절한 출력설정을 행할 수 있다. 구체적으로는, 스텝 S14에서는 붐실린더(7)의 구동방향에 따라서 유압펌프(14)의 출력을 설정하고 있고, 스텝 S15 및 S18에서는, 아암실린더(8)의 구동방향에 따라서 유압펌프(14)의 출력을 설정하고 있다.
다만, 상술한 제2 실시형태에 있어서, 도 2에 나타내는 바와 같이 상부선회체(3)가 선회유압모터(2A)에 의하여 구동되어 선회하는 구성으로 되어 있지만, 상부선회체(3)를 전동모터의 구동에 의하여 선회하도록 구성하여도 좋다. 이 경우, 도 9에 나타내는 바와 같이, 상부선회체(3)를 구동하는 선회유압모터(2A) 대신에, 전동모터로서 선회용 전동기(21)가 설치된다. 선회용 전동기(21)는 인버터(18C)를 통하여 축전계(100)에 접속된다. 인버터(18C)를 통하여 축전계(100)로부터 전동기(21)에 전력이 공급되고, 선회용 전동기(21)에 의하여 선회기구(2)가 구동되어, 상부선회체(3)를 선회시킨다. 또한, 선회용 전동기(21)가 감속할 때에는, 선회용 전동기(21)를 회생운전시켜서, 그에 의하여 발생한 전력을 인버터를 통하여 축전계(100)에 축전하여도 좋다.
도 9에 나타내는 바와 같이 선회용 전동기(21)로 상부선회체(3)를 구동하는 경우는, 도 4에 나타내는 유압펌프의 출력제어처리에 있어서, 스텝 S3에 있어서의 쇼벨의 상부선회체(3)가 선회 중인지의 여부의 판정을 행할 필요는 없어서, 스텝 S3는 생략된다. 따라서, 도 5에 있어서의 선회 조작레버조작의 ON, OFF 판정을 행하는 ON/OFF 판정부(41B)도 설치할 필요는 없다.
본 발명은 상술한 구체적으로 개시된 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 다양한 변형예, 개량예가 행하여질 것이다.
본 출원은 2008년 8월 6일 출원의 일본 특허출원 2008-203518호에 근거하는 것이고, 그 전체 내용은 여기에 원용된다.
본 발명은, 유압펌프를 구동하는 엔진을 전동모터로 어시스트하는 하이브리드식 건설기계에 적용 가능하다.
1 하부주행체
1A, 1B 주행기구
2 선회기구
2A 선회유압모터
3 상부선회체
4 붐
5 아암
6 버킷
7 붐실린더
8 아암실린더
9 버킷실린더
10 캐빈
11 엔진
12 전동발전기
13 변속기(스플리터)
14 용량가변식 유압펌프
16 유압라인
17 컨트롤밸브
18A, 18C 인버터
18B 승강압 컨버터
19 배터리
21 선회용 전동기
27 전력라인
30 컨트롤러
41A, 41B, 41C, 41D, 41E ON/OFF 판정부
42 동작판정부
100 축전계
110 DC버스

Claims (9)

  1. 가변용량식 유압펌프를 구동하는 엔진과,
    상기 가변용량식 유압펌프로부터의 유압에 의하여 구동되는 복수의 유압액추에이터와,
    축전기로부터의 전력에 의하여 구동되며, 상기 엔진을 보조하는 전동발전기
    를 가지는 하이브리드식 건설기계로서,
    상기 가변용량식 유압펌프의 최대출력은 상기 엔진의 최대출력 이상이고,
    상기 가변용량식 유압펌프의 출력을 상기 엔진의 최대출력보다 크게 설정하여 운전할 때에, 상기 전동발전기에서 상기 엔진을 보조하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    구동할 유압액추에이터가 연속동작 가능한 유압액추에이터인 경우, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력은, 상기 엔진의 최대출력 이하인 제1 출력으로 설정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  3. 청구항 1에 있어서,
    구동할 유압액추에이터가 유압실린더인 경우, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력은, 상기 엔진의 최대출력보다 큰 제2 출력으로 설정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변용량식 유압펌프의 출력은, 상기 유압액추에이터의 각각의 조작의 유무에 근거하여 설정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변용량식 유압펌프의 출력은, 상기 유압액추에이터 중 어느 하나만이 동작하고 있는 경우에, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력을 상기 엔진의 최대출력보다 큰 제2 출력으로 설정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변용량식 유압펌프의 출력은, 상기 유압액추에이터의 각각의 구동방향에 근거하여 설정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압액추에이터에 의하여 구동되는 붐 및 아암을 가지고,
    상기 가변용량식 유압펌프의 출력은, 상기 붐 및 상기 아암의 구동방향에 근거하여 설정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압액추에이터를 구동하지 않는 경우, 상기 가변용량식 유압펌프의 출력은 상기 엔진의 최대출력보다 작은 값으로 설정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압액추에이터의 종류 및 운전상황은, 조작자의 레버조작에 근거하여 판정되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드식 건설기계.
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