KR20120137410A

KR20120137410A - 하이브리드 건설 기계

Info

Publication number: KR20120137410A
Application number: KR1020127026619A
Authority: KR
Inventors: 하루히코 가와사키; 마사히로 에가와
Original assignee: 카야바 고교 가부시기가이샤
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-12-20
Also published as: KR101362521B1; US20130035820A1; JP2011241539A; JP5355493B2; DE112011101655T5; CN102906345B; DE112011101655B4; US8942872B2; WO2011142187A1; CN102906345A

Abstract

본 발명은 전동·발전기에 접속한 배터리의 온도를 검출하는 온도 검출부와, 배터리의 온도가 저온 영역의 임계값보다도 작거나, 또는 고온 영역의 임계값보다도 큰가를 판정하는 판정부와, 배터리의 온도가 저온 영역의 임계값보다도 작거나, 또는 고온 영역의 임계값보다도 클 경우에, 엔진에 대한 전동·발전기의 출력 배분비를 제어하는 출력 제어 기구를 제어해서 전동·발전기의 출력 배분비를 작게 하고, 전동·발전기의 출력 배분비를 작게 한 만큼, 엔진의 출력 배분비를 크게 하는 배분비 설정부와, 배터리의 온도가 저온 영역의 임계값보다도 작거나, 또는 고온 영역 임계값보다도 클 경우에, 유압 모터에 대한 유압 회생량을 제어하는 입력 제어 기구를 제어해서 유압 모터에 대한 유압 회생량을 작게 하는 회생량 제어부를 구비한 하이브리드 건설 기계를 제공한다.

Description

하이브리드 건설 기계{HYBRID CONSTRUCTION MACHINE}

본 발명은 하이브리드 건설 기계에 관한 것이다.

하이브리드 건설 기계의 대부분은 리튬 이온 배터리 등의 화학 반응을 수반하는 타입의 배터리를 구비하고 있다. 화학 반응을 수반하는 타입의 배터리의 특성은 사용 온도 범위가 한정되어 있는 것이다. 예를 들어, 어떤 저온(T1) 이하 또는 고온(T4) 이상에서는 배터리를 사용할 수 없고, 그 온도 근방에서는 배터리의 사용 가능 동력에 제한이 있어, 적정 온도(T2 내지 T3)의 범위 내에서만 정상적으로 사용할 수 있다고 하는 한계가 있다.

그 때문에 종래 일본 특허 제3859982B호에서는, 화학 반응을 수반하는 타입의 배터리를 건설 기계에 탑재했을 경우에는 냉난방 기기가 구비되고, 냉난방 기기에 의해 배터리의 온도가 적정 온도(T2 내지 T3)로 유지되도록 하고 있었다.

그러나, 상기의 발명에서는, 외부의 온도가 높아졌을 경우, 즉 실제 케이스의 온도 또는 케이스 주위의 온도에 따라, 선팽창 계수의 차이에 의해 판의 형상이 변형했을 경우, 2장의 판 사이에 공간이 형성된다. 그로 인해, 2장의 판 사이에 외부로부터 판을 통해서 케이스 내부에 열전도되어, 케이스 내부의 온도가 상승한다고 하는 문제점이 있다.

또한, 종래는 냉난방 기기를 탑재하지 않으면 안되므로, 그 비용이 대폭으로 상승한다고 하는 문제가 있었다.

또한, 저온 지대에서, 특히 온도가 낮은 아침의 초기 시동시에는, 배터리를 난방 기기에서 장시간 따뜻하게 하지 않으면 사용할 수 없으므로, 작업성이 나쁠 뿐만 아니라, 난방에 의한 에너지 로스도 커진다고 하는 문제가 있었다.

또한, 고온시에서도 냉방 기기로 배터리를 냉각시키지 않으면 안되므로, 저온시와 마찬가지로 작업성이 나빠지고, 냉방에 의한 에너지 로스도 커진다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은, 화학 반응을 수반하는 배터리를 사용하면서, 저온 또는 고온시에서도 보통 작업을 가능하게 한 하이브리드 건설 기계를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 형태에 따르면, 메인 펌프와, 메인 펌프를 구동하는 엔진과, 합류 통로를 통해서 메인 펌프의 토출측에 접속한 어시스트 펌프와, 액추에이터로부터의 복귀 오일에서 회전하는 유압 모터와, 어시스트 펌프 및 유압 모터에 연계한 전동·발전기와, 엔진에 대한 전동·발전기의 출력 배분비를 제어하는 출력 제어 기구와, 유압 모터에 대한 유압 회생량을 제어하는 입력 제어 기구와, 전동·발전기에 접속한 화학 반응을 수반하는 배터리와, 배터리의 온도를 검출하는 온도 검출부와, 배터리의 온도가 저온 영역의 임계값보다도 작거나, 또는 고온 영역의 임계값보다도 큰가를 판정하는 판정부와, 배터리의 온도가 저온 영역의 임계값보다도 작거나, 또는 고온 영역의 임계값보다도 클 경우에, 출력 제어 기구를 제어해서 전동·발전기의 출력 배분비를 작게 하는 동시에, 전동·발전기의 출력 배분비를 작게 한 만큼, 엔진의 출력 배분비를 크게 하는 배분비 설정부와, 배터리의 온도가 저온 영역의 임계값보다도 작거나, 또는 고온 영역 임계값보다도 클 경우에, 입력 제어 기구를 제어해서 유압 모터에 대한 유압 회생량을 작게 하는 회생량 제어부를 구비한 하이브리드 건설 기계가 제공된다.

본 발명의 형태에 따르면, 배터리 온도가 적정 범위를 초과한 저온 또는 고온이여도, 작업성에 영향을 미치는 일이 없다. 따라서, 냉난방 기기를 탑재하지 않아도 좋고, 그만큼 비용을 삭감할 수 있다. 게다가, 냉난방에 의한 에너지 로스도 없어지므로, 에너지 절약에 도움이 되게 된다.

또한, 어느 정도의 시간, 엔진을 회전하고 있으면, 엔진이 따뜻해지므로, 그 열로 배터리를 따뜻하게 할 수 있다. 따라서, 저온시에 있어서, 난방 기기가 없어도 배터리의 유효 활용을 도모할 수 있다.

본 발명의 실시형태, 본 발명의 이점에 대해서는 첨부된 도면을 참조하면서 이하에 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시형태를 도시하는 도면이다.
도 2는 전동기의 출력 특성을 도시한 그래프이다.
도 3은 엔진의 출력 특성을 도시한 그래프이다.
도 4는 밸브를 사용한 유압 회생량 제한 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 유압 모터의 변위 용적에 의한 유압 회생량 제한 특성을 도시한 그래프이다.
도 6은 흐름도이다.

도 1은 하이브리드 건설 기계인 파워 셔블의 제어 시스템을 도시하는 도면이다. 파워 셔블의 제어 시스템은 가변 용량형의 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)를 구비한다. 제1 메인 펌프(MP1)에는 제1 회로 계통이 접속하고, 제2 메인 펌프(MP2)에는 제2 회로 계통이 접속하고 있다.

제1 회로 계통에는, 상류측으로부터 순서대로, 선회 모터(RM)를 제어하는 조작 밸브(1), 도시하지 않은 아암 실린더를 제어하는 아암 1속용의 조작 밸브(2), 붐 실린더(BC)를 제어하는 붐 2속용의 조작 밸브(3), 도시하지 않은 예비용 어태치먼트를 제어하는 조작 밸브(4) 및 도시하지 않은 좌측 주행용 모터를 제어하는 조작 밸브(5)가 접속하고 있다.

각 조작 밸브(1 내지 5)의 각각은 중립 유로(6) 및 패럴렐 통로(7)를 통해서 제1 메인 펌프(MP1)에 접속하고 있다.

중립 유로(6)에 있어서, 좌측 주행 모터용의 조작 밸브(5)의 하류측에는 파일럿압 생성 기구(8)가 설치되어 있다. 파일럿압 생성 기구(8)는 파일럿압 생성 기구(8)를 흐르는 유체의 유량이 많으면 높은 파일럿압을 생성하고, 파일럿압 생성 기구(8)를 흐르는 유체의 유량이 적으면 낮은 파일럿압을 생성한다.

중립 유로(6)는, 조작 밸브(1 내지 5)의 모두가 중립 위치 또는 중립 위치 근방에 있을 경우, 제1 메인 펌프(MP1)로부터 토출된 유체의 전부 또는 일부를 탱크(T)에 유도한다. 이 경우에는 파일럿압 생성 기구(8)를 통과하는 유체의 유량도 많아지므로, 높은 파일럿압이 생성된다.

조작 밸브(1 내지 5)가 풀 스트로크의 상태에서 전환되면, 중립 유로(6)가 폐쇄되어서 유체의 유통이 없어진다. 따라서, 이 경우에는, 파일럿압 생성 기구(8)를 흐르는 유체의 유량이 거의 없어져, 파일럿압은 제로로 유지된다.

단, 조작 밸브(1 내지 5)의 조작량에 따라서는, 펌프 토출량의 일부가 액추에이터에 유도되고, 펌프 토출량의 일부가 중립 유로(6)로부터 탱크(T)에 유도되므로, 파일럿압 생성 기구(8)는 중립 유로(6)로 흐르는 유량에 따른 파일럿압을 생성한다. 환언하면, 파일럿압 생성 기구(8)는 조작 밸브(1 내지 5)의 조작량에 따른 파일럿압을 생성한다.

파일럿압 생성 기구(8)에는 파일럿 유로(9)가 접속하고 있다. 파일럿 유로(9)는 제1 메인 펌프(MP1)의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터(10)에 접속하고 있다. 레귤레이터(10)는 파일럿압과 역비례해서 제1 메인 펌프(MP1)의 토출량을 제어한다. 따라서, 조작 밸브(1 내지 5)를 풀 스트로크해서 중립 유로(6)의 흐름이 제로로 되었을 경우에, 환언하면 파일럿압 생성 기구(8)가 발생하는 파일럿압이 제로가 되었을 경우에 제1 메인 펌프(MP1)의 토출량이 최대로 유지된다.

파일럿 유로(9)에는 제1 압력 센서(11)가 접속하고 있다. 제1 압력 센서(11)로 검출한 압력 신호는 컨트롤러(C)에 입력한다.

제2 회로 계통에는, 상류측으로부터 순서대로, 도시하지 않은 우측 주행용 모터를 제어하는 조작 밸브(12), 도시하지 않은 버킷 실린더를 제어하는 조작 밸브(13), 붐 실린더(BC)를 제어하는 붐 1속용의 조작 밸브(14) 및 아암 실린더를 제어하는 아암 2속용의 조작 밸브(15)가 접속되어 있다. 붐 1속용의 조작 밸브(14)에는, 조작 방향 및 조작량을 검출하는 센서(14a)가 설치되어 있다.

각 조작 밸브(12 내지 15)는 중립 유로(16)를 통해서 제2 메인 펌프(MP2)에 접속한다. 버킷용의 조작 밸브(13) 및 붐 1속용의 조작 밸브(14)는 패럴렐 통로(17)를 통해서 제2 메인 펌프(MP2)에 접속하고 있다.

중립 유로(16)에 있어서, 아암 2속용의 조작 밸브(15)의 하류측에는 파일럿압 생성 기구(18)가 설치되어 있다. 파일럿압 생성 기구(18)는, 먼저 설명한 파일럿압 생성 기구(8)와 마찬가지로 기능한다.

파일럿압 생성 기구(18)에는 파일럿 유로(19)가 접속하고 있다. 파일럿 유로(19)는 제2 메인 펌프(MP2)의 틸팅각을 제어하는 레귤레이터(20)에 접속하고 있다. 레귤레이터(20)는 파일럿압과 역비례해서 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량을 제어한다. 따라서, 조작 밸브(12 내지 15)를 풀 스트로크해서 중립 유로(16)의 흐름이 제로로 되었을 경우, 환언하면 파일럿압 생성 기구(18)가 발생하는 파일럿압에서 제로로 되었을 경우, 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량이 최대로 유지된다.

파일럿 유로(19)에는 제2 압력 센서(21)가 접속하고 있다. 제2 압력 센서(21)로 검출한 압력 신호는 컨트롤러(C)에 입력한다.

제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)는 하나의 엔진(E)의 구동력으로 동축 회전한다. 엔진(E)은 컨트롤러(C)에 전기적으로 접속한다. 컨트롤러(C)에 의해, 엔진(E)의 출력 동력이나 회전 속도 계수는 제어할 수 있다.

엔진(E)에는 제너레이터(22)가 설치된다. 제너레이터(22)는 엔진(E)의 잉여 출력에서 발전할 수 있다. 제너레이터(22)가 발전한 전력은 배터리 챠저(23)를 통해서, 화학 반응을 수반하는 리튬 이온 배터리(24)에 충전된다. 배터리 챠저(23)는 컨트롤러(C)에 접속한다. 컨트롤러(C)는 제너레이터(22)와 리튬 이온 배터리(24)의 전기적인 접속을 온오프할 수 있다.

배터리 챠저(23)는 통상의 가정용의 전원(25)에 접속했을 경우에, 리튬 이온 배터리(24)에 전력을 충전할 수 있다. 즉, 배터리 챠저(23)는 본 실시형태의 장치와는 다른 독립계 전원에도 접속 가능하다.

제1 회로 계통에 접속한 선회 모터(RM)용의 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트에는 선회 모터(RM)에 연통하는 통로(26, 27)가 접속하고 있다. 통로(26, 27)의 각각에는 브레이크 밸브(28, 29)가 접속된다. 선회 모터(RM)용의 조작 밸브(1)를 중립 위치로 유지하고 있을 경우에는, 액추에이터 포트를 폐쇄해서 선회 모터(RM)는 정지 상태를 유지한다.

상기의 상태로부터 선회 모터(RM)용의 조작 밸브(1)를 도 1의 우측 위치로 전환하면, 한쪽의 통로(26)가 제1 메인 펌프(MP1)에 접속하고, 다른쪽의 통로(27)가 탱크(T)에 연통한다. 따라서, 통로(26)로부터 압력 유체가 공급되어서 선회 모터(RM)가 회전한다. 또한, 선회 모터(RM)로부터의 복귀 유체가 통로(27)를 통해서 탱크(T)에 복귀된다.

선회 모터용의 조작 밸브(1)를 도 1의 좌측 위치로 전환하면, 통로(27)에 펌프 토출 유체가 공급되고, 통로(26)가 탱크(T)에 연통하고, 선회 모터(RM)는 역회전한다.

선회 모터(RM)가 구동하고 있을 경우에는, 브레이크 밸브(28) 또는 브레이크 밸브(29)가 릴리프 밸브의 기능을 발휘한다. 통로(26, 27)가 설정압 이상이 되었을 경우에는, 브레이크 밸브(28, 29)가 밸브 개방해서 고압측의 유체를 저압측으로 유도한다.

또한, 선회 모터(RM)가 회전하고 있는 상태에서, 선회 모터(RM)용의 조작 밸브(1)를 중립 위치로 복귀시키면, 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트는 폐쇄된다. 조작 밸브(1)의 액추에이터 포트가 폐쇄해도, 선회 모터(RM)는 관성 에너지로 계속해서 회전한다. 이에 의해, 선회 모터(RM)가 펌프로서 기능한다. 이 경우에는, 통로(26, 27), 선회 모터(RM), 브레이크 밸브(28) 또는 브레이크 밸브(29)로 폐쇄 회로가 구성되고, 브레이크 밸브(28) 또는 브레이크 밸브(29)에 의해, 관성 에너지가 열 에너지로 변환된다.

한편, 붐 1속용의 조작 밸브(14)를 중립 위치로부터 도 1의 우측 위치로 전환하면, 제2 메인 펌프(MP2)로부터 토출되는 압력 유체는 통로(30)를 경유해서 붐 실린더(BC)의 피스톤측 실(31)에 공급되는 동시에 붐 실린더(BC)의 로드측 실(32)로부터의 복귀 유체는 통로(33)를 경유해서 탱크(T)에 복귀되고, 붐 실린더(BC)는 신장한다.

반대로, 붐 1속용의 조작 밸브(14)를 도 1의 좌측 방향으로 전환하면, 제2 메인 펌프(MP2)로부터 토출되는 압력 유체는 통로(33)를 경유해서 붐 실린더(BC)의 로드측 실(32)에 공급되는 동시에, 붐 실린더(BC)의 피스톤측 실(31)로부터의 복귀 유체는 통로(30)를 경유해서 탱크(T)에 복귀되고, 붐 실린더(BC)는 수축한다. 붐 2속용의 조작 밸브(3)는 붐 1속용의 조작 밸브(14)와 연동해서 전환한다.

붐 실린더(BC)의 피스톤측 실(31)과 붐 1속용의 조작 밸브(14)를 연결하는 통로(30)에는, 컨트롤러(C)에서 개방도가 제어되는 비례 전자기 밸브(34)가 설치되어 있다. 비례 전자기 밸브(34)는 노멀 상태에서 완전 개방 위치를 유지한다.

다음에, 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 출력을 어시스트하는 가변 용량형의 어시스트 펌프(AP)에 대해서 설명한다.

가변 용량형의 어시스트 펌프(AP)는 발전기 겸용의 전동·발전기(MG)의 구동력으로 회전한다. 전동·발전기(MG)의 구동력에 의해, 가변 용량형의 유압 모터(AM)도 동축 회전한다. 그리고, 전동·발전기(MG)에는 인버터(I)가 접속하고 있다. 인버터(I)는 컨트롤러(C)에 접속하고, 컨트롤러(C)는 전동·발전기(MG)의 회전 속도 등을 제어한다.

또한, 어시스트 펌프(AP) 및 유압 모터(AM)의 틸팅각은 경각 제어기(35, 36)로 제어된다. 경각 제어기(35, 36)는 컨트롤러(C)의 출력 신호로 제어된다.

어시스트 펌프(AP)에는 토출 통로(37)가 접속하고 있다. 토출 통로(37)는 제1 메인 펌프(MP1)의 토출측에 합류하는 제1 합류 통로(38)와, 제2 메인 펌프(MP2)의 토출측에 합류하는 제2 합류 통로(39)로 분기한다. 제1, 제2 합류 통로(38, 39)의 각각에는, 컨트롤러(C)의 출력 신호로 개방도가 제어되는 제1, 제2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)가 설치되어 있다.

유압 모터(AM)에는 접속용 통로(42)가 접속하고 있다. 접속용 통로(42)는 합류 통로(43) 및 체크 밸브(44, 45)를 통해서, 선회 모터(RM)에 접속한 통로(26, 27)에 접속하고 있다. 합류 통로(43)에는 컨트롤러(C)에서 개폐 제어되는 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46)가 설치되어 있다. 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46)와 체크 밸브(44, 45) 사이에, 선회 모터(RM)의 선회시의 압력 또는 브레이크시의 압력을 검출하는 압력 센서(47)가 설치되어 있다. 압력 센서(47)의 압력 신호는 컨트롤러(C)에 입력된다.

합류 통로(43)에 있어서, 선회 모터(RM)로부터 접속용 통로(42)로의 흐름에 대하여, 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46)보다도 하류측이 되는 위치에는 안전 밸브(48)가 설치되어 있다. 안전 밸브(48)는, 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46) 등 접속용 통로(42, 43) 계통에 고장이 발생했을 경우에, 통로(26, 27)의 압력을 유지해서 선회 모터(RM)가 일주(逸走)하는 것을 방지한다.

또한, 붐 실린더(BC)와 비례 전자기 밸브(34) 사이에는, 접속용 통로(42)에 연통하는 통로(49)가 설치되어 있다. 통로(49)에는 컨트롤러(C)에서 제어되는 회생 유량 제어용 전자기 밸브(50)가 설치되어 있다.

이하에는 본 실시형태의 작용을 설명한다.

제1 회로 계통의 조작 밸브(1 내지 5)가 중립 위치에 유지되어 있으면, 제1 메인 펌프(MP1)로부터 토출하는 유체의 전량이 중립 유로(6) 및 파일럿압 생성 기구(8)를 경유해서 탱크(T)로 유도된다. 제1 메인 펌프(MP1)의 토출 전량이 파일럿압 생성 기구(8)를 흐를 경우에는, 파일럿압 생성 기구(8)에서 생성되는 파일럿압이 높아지고, 파일럿 유로(9)에도 상대적으로 높은 파일럿압이 유도된다. 그리고, 파일럿 유로(9)로 유도된 높은 파일럿압의 작용으로, 레귤레이터(10)가 동작하고, 제1 메인 펌프(MP1)의 토출량은 최소로 유지된다. 이때의 높은 파일럿압의 압력 신호는 제1 압력 센서(11)로부터 컨트롤러(C)에 입력된다.

또한, 제2 회로 계통의 조작 밸브(12 내지 15)가 중립 위치에 유지되어 있을 경우도, 제1 회로 계통의 경우와 마찬가지로 파일럿압 생성 기구(18)가 상대적으로 높은 파일럿압을 생성한다. 이 높은 압력이 레귤레이터(20)에 작용하고, 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량이 최소로 유지된다. 이때의 높은 파일럿압의 압력 신호는 제2 압력 센서(21)로부터 컨트롤러(C)에 입력된다.

제1, 제2 압력 센서(11, 21)로부터 컨트롤러(C)에 상대적으로 높은 압력 신호가 입력되면, 컨트롤러(C)는 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)가 최소 토출량을 유지하고 있다고 판정해서 경각 제어기(35, 36)를 제어하고, 어시스트 펌프(AP) 및 유압 모터(AM)의 틸팅각을 제로 또는 최소로 한다.

또한, 컨트롤러(C)가, 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 토출량이 최소인 취지의 신호를 수신할시에는, 컨트롤러(C)는 전동·발전기(MG)의 회전을 정지해도 좋고, 전동·발전기(MG)의 회전을 계속시켜도 좋다.

전동·발전기(MG)의 회전을 멈출 경우에는, 소비 전력을 절약할 수 있다고 하는 효과가 있다. 전동·발전기(MG)를 계속해서 회전했을 경우에는, 어시스트 펌프(AP) 및 유압 모터(AM)도 계속해서 회전하므로, 어시스트 펌프(AP) 및 유압 모터(AM)의 기동시의 쇼크를 적게 할 수 있다고 하는 효과가 있다. 전동·발전기(MG)를 멈출지 또는 계속해서 회전할지는 건설 기계의 용도나 사용 상황에 따라서 결정된다.

파일럿압 생성 기구(8 또는 18)에서 생성되는 파일럿압이 높은 상황에서 제1 회로 계통 또는 제2 회로 계통의 어느 하나의 조작 밸브를 전환하면, 조작 밸브의 조작량에 따라서 중립 유로(6 또는 16)를 흐르는 유량이 적어진다. 그에 따라 파일럿압 생성 기구(8 또는 18)에서 생성되는 파일럿압이 낮아진다. 파일럿압이 낮아지면, 그에 따라 제1 메인 펌프(MP1) 또는 제2 메인 펌프(MP2)는 틸팅각을 크게 해서 토출량을 증대시킨다.

제1 메인 펌프(MP1) 또는 제2 메인 펌프(MP2)의 토출량이 증대할 경우에는, 컨트롤러(C)는 전동·발전기(MG)를 항상 회전한 상태로 유지한다. 즉, 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)의 토출량이 최소일 때에 전동·발전기(MG)를 정지했을 경우에는, 컨트롤러(C)는 파일럿압이 낮아진 것을 검지하고, 전동·발전기(MG)를 재기동시킨다.

그리고, 컨트롤러(C)는, 제1, 제2 압력 센서(11, 21)의 압력 신호에 따라, 제1, 제2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)의 개방도를 제어하고, 어시스트 펌프(AP)의 토출량을 안분하여, 제1, 제2 회로 계통에 공급한다.

본 실시형태에 따르면, 2개의 제1, 제2 압력 센서(11, 21)의 압력 신호만으로, 컨트롤러(C)는 어시스트 펌프(AP)의 틸팅각 및 제1, 제2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)의 개방도를 제어할 수 있으므로, 압력 센서의 수를 적게 할 수 있다.

한편, 제1 회로 계통에 접속한 선회 모터(RM)를 구동하기 위해서, 선회 모터(RM)용의 조작 밸브(1)를 좌우 어느 하나, 예를 들어 도 1의 우측 위치로 전환하면, 통로(26)가 제1 메인 펌프(MP1)에 연통하고, 통로(27)가 탱크(T)에 연통하고, 선회 모터(RM)는 회전한다. 이때의 선회압은 브레이크 밸브(28)의 설정압으로 유지된다. 또한, 조작 밸브(1)를 도 1의 좌측 방향으로 전환하면, 통로(27)가 제1 메인 펌프(MP1)에 연통하고, 통로(26)가 탱크(T)에 연통하고, 선회 모터(RM)가 회전한다. 이때의 선회압도 브레이크 밸브(29)의 설정압으로 유지된다.

또한, 선회 모터(RM)가 선회하고 있는 중에 선회 모터(RM)용의 조작 밸브(1)를 중립 위치로 전환하면, 통로(26, 27) 사이에서 폐쇄 회로가 구성된다. 브레이크 밸브(28 또는 29)는 폐쇄 회로의 브레이크압을 유지하고, 관성 에너지를 열 에너지로 변환한다.

그리고, 압력 센서(47)는 선회압 또는 브레이크압을 검출하는 동시에, 그 압력 신호를 컨트롤러(C)에 입력한다. 컨트롤러(C)는, 선회 모터(RM)의 선회 또는 브레이크 동작에 영향을 미치지 않는 범위 내이며, 브레이크 밸브(28, 29)의 설정압보다도 낮은 압력을 검출했을 때에, 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46)를 전환한다. 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46)가 전환되면, 선회 모터(RM)에 유도된 압력 유체는 합류 통로(43)로 흘러, 안전 밸브(48) 및 접속용 통로(42)를 경유해서 유압 모터(AM)에 공급된다.

이 경우, 컨트롤러(C)는, 압력 센서(47)로부터의 압력 신호에 따라, 유압 모터(AM)의 틸팅각을 제어한다. 여기서 실행되는 제어는 다음과 같다.

통로(26 또는 27)의 압력은, 선회 동작 또는 브레이크 동작에 필요한 압력으로 유지되어 있지 않으면, 선회 모터(RM)를 선회시키거나, 또는 브레이크를 걸거나 할 수 없게 된다.

따라서, 통로(26 또는 27)의 압력을 선회압 또는 브레이크압으로 유지하기 위해서, 컨트롤러(C)는 유압 모터(AM)의 틸팅각을 제어하면서, 선회 모터(RM)의 부하를 제어한다. 즉, 컨트롤러(C)는, 압력 센서(47)로 검출되는 압력이 선회 모터(RM)의 선회압 또는 브레이크압과 거의 동등해지도록, 유압 모터(AM)의 틸팅각을 제어한다.

상기와 같이 해서 유압 모터(AM)가 회전력을 얻으면, 유압 모터(AM)의 회전력은 동축 회전하는 전동·발전기(MG)에 작용한다. 유압 모터(AM)의 회전력은 전동·발전기(MG)에 대한 어시스트력으로서 작용한다. 따라서, 유압 모터(AM)의 회전력의 분만큼, 전동·발전기(MG)의 소비 전력을 적게 할 수 있다.

또한, 유압 모터(AM)의 회전력에서 어시스트 펌프(AP)의 회전력을 어시스트할 수도 있다.

다음에, 붐 1속용의 조작 밸브(14) 및 조작 밸브(14)에 연동해서 제1 회로 계통의 붐 2속용의 조작 밸브(3)를 전환하고, 붐 실린더(BC)를 제어하는 경우에 대해서 설명한다.

붐 실린더(BC)를 작동시키기 위해서, 붐 1속용의 조작 밸브(14) 및 조작 밸브(14)에 연동하는 조작 밸브(3)가 전환되면, 센서(14a)에 의해 조작 밸브(14)의 조작 방향과 조작 밸브(14)의 조작량이 검출된다. 조작 밸브(14)의 조작 신호는 컨트롤러(C)에 입력된다.

센서(14a)의 조작 신호에 따라, 컨트롤러(C)는 오퍼레이터가 붐 실린더(BC)를 상승시키려고 하고 있는 것인지, 또는 하강시키려고 하고 있는 것인지를 판정한다.

붐 실린더(BC)를 상승시키기 위한 신호가 컨트롤러(C)에 입력되면, 컨트롤러(C)는 비례 전자기 밸브(34)를 노멀 상태로 유지한다. 환언하면, 비례 전자기 밸브(34)를 완전 개방 위치로 유지한다. 이 경우에는, 어시스트 펌프(AP)로부터 소정의 토출량이 확보되도록, 컨트롤러(C)는 회생 유량 제어용 전자기 밸브(50)를 폐쇄 위치로 유지하고, 전동·발전기(MG)의 회전 속도나 어시스트 펌프(AP)의 틸팅각을 제어한다.

한편, 붐 실린더(BC)를 하강시키는 신호가 센서(14a)로부터 컨트롤러(C)에 입력되면, 컨트롤러(C)는, 조작 밸브(14)의 조작량에 따라, 오퍼레이터가 구하고 있는 붐 실린더(BC)의 하강 속도를 연산하고, 비례 전자기 밸브(34)를 폐쇄하고, 회생 유량 제어용 전자기 밸브(50)를 개방 위치로 전환한다.

비례 전자기 밸브(34)를 폐쇄해서 회생 유량 제어용 전자기 밸브(50)를 개방 위치로 전환하면, 붐 실린더(BC)의 복귀 유체의 전량이 유압 모터(AM)에 공급된다. 그러나, 유압 모터(AM)에서 소비하는 유량이 오퍼레이터가 구한 하강 속도를 유지하기 위해서 필요한 유량보다도 적으면, 붐 실린더(BC)는 오퍼레이터가 구한 하강 속도를 유지할 수 없다. 이러한 경우에는, 컨트롤러(C)는 조작 밸브(14)의 조작량, 유압 모터(AM)의 틸팅각이나 전동·발전기(MG)의 회전 속도 등에 기초하여, 유압 모터(AM)가 소비하는 유량 이상의 유량을 탱크(T)에 복귀시키도록 비례 전자기 밸브(34)의 개방도를 제어하고, 오퍼레이터가 구하는 붐 실린더(BC)의 하강 속도를 유지한다.

유압 모터(AM)에 유체가 공급되면, 유압 모터(AM)가 회전하고, 유압 모터(AM)의 회전력은 동축 회전하는 전동·발전기(MG)에 작용한다. 유압 모터(AM)의 회전력은 전동·발전기(MG)에 대한 어시스트력으로서 작용한다. 따라서, 유압 모터(AM)의 회전력의 분만큼, 소비 전력을 적게 할 수 있다.

전동·발전기(MG)에 대하여 전력을 공급하지 않고, 유압 모터(AM)의 회전력만으로, 어시스트 펌프(AP)를 회전시킬 수도 있다. 이 경우에는, 유압 모터(AM) 및 어시스트 펌프(AP)가 상기한 것과 마찬가지로 해서 압력 변환 기능을 발휘한다.

유압 모터(AM)를 구동원으로 하고, 전동·발전기(MG)를 발전기로서 사용할 경우에는, 어시스트 펌프(AP)의 틸팅각을 제로로 해서 대략 무부하 상태로 하고, 유압 모터(AM)에는, 전동·발전기(MG)를 회전시키기 위해서 필요한 출력을 유지해 두면, 유압 모터(AM)의 출력을 이용하고, 전동·발전기(MG)에 발전 기능을 발휘시킬 수 있다.

또한, 도 1중의 도면부호(51, 52)는, 제1, 제2 비례 전자기 스로틀 밸브(40, 41)의 하류측에 설치한 체크 밸브로서, 어시스트 펌프(AP)로부터 제1, 제2 메인 펌프(MP1, MP2)측으로의 유통만을 허용한다.

본 실시형태에 있어서는, 엔진(E)과 전동·발전기(MG)와의 합계 출력을 1로 하고, 리튬 이온 배터리(24)가 정상 온도 범위에 있을 경우에는 엔진(E)의 출력 배분비를 0.8, 전동·발전기(MG)의 출력 배분비를 0.2로 하고 있다. 단, 정상 온도 범위에 있어서 출력 배분비는 목적에 따라서 자유롭게 설정할 수 있다.

컨트롤러(C)는 리튬 이온 배터리(24)의 온도를 감시하고, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 미리 설정한 저온 영역의 임계값을 하회했을 때, 또는 고온 영역의 임계값을 상회했을 경우에, 이하에 설명한 바와 같이, 정상 온도 범위에 있어서 출력 배분비를 조정한다.

컨트롤러(C)는 리튬 이온 배터리(24)의 적정 온도 범위에 있어서의 엔진(E)과 전동·발전기(MG)와의 출력 배분비를 미리 기억하고 있다. 예를 들어, 배터리 온도(Tb)가, 적정 온도 범위(T2 내지 T3)의 범위 내에 있을 경우에는, 도 2, 도 3에 도시한 바와 같이, 엔진(E)의 출력 배분비를 0.8, 전동·발전기(MG)의 출력 배분비를 0.2로 해서 미리 기억하고 있다.

컨트롤러(C)는, 배터리 온도(Tb)가 저온 영역에 있어서 임계값 온도(T2)를 하회했을 경우에는, 온도 변화에 따라서 엔진(E)의 출력 배분비를 크게 하고, 그만큼, 전동·발전기(MG)의 출력 배분비를 작게 한다. 또한, 최저 온도에 관한 임계값 온도(T1)를 또한 하회할시에는, 전동·발전기(MG)의 출력을 제로로 하는 동시에, 전동·발전기(MG)의 분담분을 모두 엔진(E)의 출력에서 조달한다. 즉, 컨트롤러(C)는, 전동·발전기(MG)의 출력을 출력 배분에 따라서 작게 하는 한편, 전동·발전기(MG)의 출력 배분을 작게 한 만큼, 엔진(E)의 회전 속도를 크게 하고, 엔진(E)과 전동·발전기(MG)와의 합계 출력이 1이 되도록 제어한다.

전동·발전기(MG)의 출력 배분을 제어하기 위해서는, 예를 들어 어시스트 펌프(AP)의 경각 제어기(35)를 제어하고, 어시스트 펌프(AP)의 틸팅각을 제어한다. 어시스트 펌프(AP)의 틸팅각을 작게 하면, 그만큼 전동·발전기(MG)의 부하를 작게 할 수 있으므로, 실질적으로 전동·발전기(MG)의 출력 배분을 작게 할 수 있다.

화학 반응이 수반되는 리튬 이온 배터리(24)의 경우에는, 충전할 경우에도 온도의 영향을 받는다.

따라서, 본 실시형태에서는, 컨트롤러(C)가 리튬 이온 배터리(24)의 온도를 감시하면서, 일정한 임계값을 기준으로 해서 유압 회생량을 제한한다.

도 4는 유압 모터(AM)에 유입하는 회생 유량을 제어하는 경우의 유압 회생량 계수 특성을 도시한 도면이다. 컨트롤러(C)는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 적정 온도 범위(T2 내지 T3)에 있을 경우에는 유압 회생량 계수를 1로 유지하고, 유압 회생량 계수 「1」을 곱한 출력에 기초하여 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46 또는 50)의 개방도를 제어한다.

컨트롤러(C)는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 저온 영역의 임계값(T2)을 하회했을 경우에는, 「1」보다도 작은 유압 회생량 계수를 곱한 출력에 기초하여 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46 또는 50)의 개방도를 제어한다. 따라서, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 저온 영역의 임계값(T2)을 하회했을 경우에는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 적정 온도 범위(T2 내지 T3)에 있을 경우보다도, 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46)의 개방도가 상대적으로 작아져, 유압 회생 유량이 제한된다.

컨트롤러(C)는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 고온 영역의 임계값(T3)을 초과한 경우에는, 「1」보다도 작은 유압 회생량 계수를 곱한 출력에 기초하여 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46 또는 50)의 개방도를 제어한다. 따라서, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 고온 영역의 임계값(T3)을 초과한 경우에는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 적정 온도 범위(T2 내지 T3)에 있을 경우보다도, 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46)의 개방도가 상대적으로 작아져, 유압 회생 유량이 제한된다.

리튬 이온 배터리(24)의 온도가 저온 영역의 최저 온도(T1)를 하회했을 경우, 또는 고온 영역의 최고 온도(T4)를 초과한 경우에는, 컨트롤러(C)는, 유압 회생량 계수를 제로로 하고, 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46 및 50)를 폐쇄한 상태로 유지한다. 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46 및 50)가 폐쇄한 상태로 유지되면, 유압 모터(AM)에는 회생 유량이 공급되지 않으므로, 유압 모터(AM)는 회전하지 않고, 전동·발전기(MG)의 발전 능력도 제로가 이루어진다.

유압 회생량을 제한하기 위해서는, 회생 유량 제어용 전자기 밸브(46, 50)를 제어하는 것과는 별도로, 유압 모터(AM)의 변위 용적을 제어함으로써도 달성할 수 있다. 변위 용적의 계수 특성을 도시한 도면이 도 5이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(C)는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 적정 온도 범위(T2 내지 T3)에 있을 경우에는 변위 용적 계수를 「1」로 유지하고, 변위 용적 계수 「1」을 곱한 출력에 기초하여 경각 제어기(36)를 제어하고, 유압 모터(AM)의 변위 용적을 제어한다.

컨트롤러(C)는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 저온 영역의 임계값(T2)을 하회했을 경우에는, 「1」보다도 작은 변위 용적 계수를 곱한 출력에 기초하여 경각 제어기(36)를 제어하고, 유압 모터(AM)의 변위 용적을 제어한다. 따라서, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 저온 영역의 임계값(T2)을 하회했을 경우에는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 적정 온도 범위(T2 내지 T3)에 있을 경우보다도, 유압 모터(AM)의 틸팅각이 상대적으로 작아져, 유압 회생 유량이 제한된다.

컨트롤러(C)는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 고온 영역의 임계값(T3)을 초과한 경우에는, 「1」보다도 작은 변위 용적 계수를 곱한 출력에 기초하여 경각 제어기(36)를 제어하고, 유압 모터(AM)의 변위 용적을 제어한다. 따라서, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 저온 영역의 임계값(T3)을 초과한 경우에는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도가 적정 온도 범위(T2 내지 T3)에 있을 경우보다도, 유압 모터(AM)의 틸팅각이 상대적으로 작아져, 유압 회생 유량이 제한된다.

리튬 이온 배터리(24)의 온도가 저온 영역의 최저 온도(T1)를 하회했을 경우, 또는 고온 영역의 최고 온도(T4)를 초과한 경우에는, 컨트롤러(C)는, 변위 용적 계수를 제로로 하고, 경각 제어기(36)의 출력을 제로로 하는 동시에 유압 모터(AM)의 변위 용적도 제로로 한다. 유압 모터(AM)의 변위 용적이 제로가 이루어지면, 유압 모터(AM)는 회전하지 않으므로 전동·발전기(MG)의 발전도 제로가 이루어진다.

상기한 컨트롤러(C)의 제어를 흐름도에서 도시한 도면이 도 6이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(C)는, 리튬 이온 배터리(24)의 온도(Tb)를 판독하고, 온도(Tb)가 최저 온도에 관한 임계값 온도(T1)를 하회하고 있는가 아닌가를 판정한다. 만일, 온도(Tb)가 임계값 온도(T1)를 하회하고 있으면, 엔진(E)만을 사용한 제어를 실행한다.

리튬 이온 배터리(24)의 온도(Tb)가 온도(T1) 이상이며, 온도(Tb)가, T1≤Tb<T2의 범위에 있는지의 여부를 판정한다. 그리고, 온도(Tb)가 T1≤Tb<T2의 범위 내에 있으면, 그 온도 범위에 따라서 엔진(E)의 출력 배분비를 크게 하고, 전동·발전기(MG)의 출력 배분비를 작게 하는 제어를 실행한다.

리튬 이온 배터리(24)의 온도(Tb)가 임계값(T2) 이상이며, T1≤Tb<T2의 범위에 들어가지 않은 경우에는, 온도(Tb)가 T2≤Tb≤T3의 범위에 있는지의 여부를 판정한다. 그리고, 온도(Tb)가 T2≤Tb≤T3의 범위 내이면 엔진(E) 및 전동·발전기(MG)의 출력을 미리 설정한 배분비로 제어한다.

리튬 이온 배터리(24)의 온도(Tb)가 임계값(T3)보다도 높고, T2≤Tb≤T3의 범위에 들어가지 않을 경우에는, 온도(Tb)가 T3 <Tb≤T4의 범위 내에 들어가 있는지 아닌가를 판정한다. 그리고, 온도(Tb)가 T3<Tb≤T4의 범위 내에 있으면, 그 온도 범위에 따라서 엔진(E)의 출력 배분비를 크게 하고, 전동·발전기(MG)의 출력 배분비를 작게 하는 제어를 실행한다.

또한, 온도(Tb)가 T3<Tb≤T4의 범위 내에는 없고, T4<Tb이면 엔진(E)만을 사용한 제어를 실행한다.

엔진(E)에 연결한 제너레이터(22)에는, 배터리 챠저(23)가 접속되어 있다. 배터리 챠저(23)에 대하여 컨트롤러(C)는, 배터리 온도(Tb)가 온도(T1)를 또한 하회했을 경우, 또는 온도(T4)를 또한 상회했을 경우에는, 배터리 챠저를 제로로 하는 제어를 실행한다.

또한, 컨트롤러(C)는, 배터리 온도(Tb)가 T1≤Tb<T2 및 T3<Tb≤T4의 범위에 있을 경우에는, 배터리 챠저(23)가 배터리 챠지량을 제한하는 제어를 실행한다.

또한, 컨트롤러(C)는, 배터리 온도(Tb)가, T2≤Tb≤T3의 범위에 있을 경우에는, 배터리 챠저(23)의 배터리 챠지량을 제한하지 않는 제어를 실행한다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만, 상기 실시형태는 본 발명의 적용예의 일부를 도시한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시형태의 구체적 구성에 한정하는 취지가 아니다.

본원은 2010년 5월 14일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2010-112077호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 내장된다.

파워 셔블 등의 하이브리드 건설 기계에 사용할 수 있다.

[산업상의 이용 가능성]

파워 셔블 등의 하이브리드 건설 기계에 이용할 수 있다.

Claims

메인 펌프와,
상기 메인 펌프를 구동하는 엔진과,
합류 통로를 통해서 상기 메인 펌프의 토출측에 접속한 어시스트 펌프와,
액추에이터로부터의 복귀 오일에서 회전하는 유압 모터와,
상기 어시스트 펌프 및 상기 유압 모터에 연계한 전동·발전기와,
상기 엔진에 대한 상기 전동·발전기의 출력 배분비를 제어하는 출력 제어 기구와,
상기 유압 모터에 대한 유압 회생량을 제어하는 입력 제어 기구와,
상기 전동·발전기에 접속한 화학 반응을 수반하는 배터리와,
상기 배터리의 온도를 검출하는 온도 검출부와,
상기 배터리의 온도가 저온 영역의 임계값보다도 작거나 또는 고온 영역의 임계값보다도 큰가를 판정하는 판정부와,
상기 배터리의 온도가 상기 저온 영역의 임계값보다도 작거나, 또는 상기 고온 영역의 임계값보다도 클 경우에, 상기 출력 제어 기구를 제어해서 상기 전동·발전기의 출력 배분비를 작게 하는 동시에, 상기 전동·발전기의 출력 배분비를 작게 한 만큼, 상기 엔진의 출력 배분비를 크게 하는 배분비 설정부와,
상기 배터리의 온도가 상기 저온 영역의 임계값보다도 작거나, 또는 상기 고온 영역 임계값보다도 클 경우에, 상기 입력 제어 기구를 제어해서 상기 유압 모터에 대한 상기 유압 회생량을 작게 하는 회생량 제어부를 포함하는, 하이브리드 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 입력 제어 기구는 상기 액추에이터와 상기 유압 모터를 접속하는 통로에 설치한 유량 제어용 전자기 밸브인, 하이브리드 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 유압 모터는 가변 용량형이며,
상기 입력 제어 기구는 상기 유압 모터의 틸팅각을 제어하는 경각 제어기인, 하이브리드 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 입력 제어 기구는 상기 액추에이터와 상기 유압 모터를 접속하는 통로에 설치한 유량 제어용 전자기 밸브 및 상기 유압 모터의 틸팅각을 제어하는 경각 제어기를 포함하는, 하이브리드 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 출력 제어 기구는 상기 전동·발전기의 회전 속도를 제어하는, 하이브리드 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 어시스트 펌프는 가변 용량형이며,
상기 출력 제어 기구는 상기 어시스트 펌프의 틸팅각을 제어하는 경각 제어기인, 하이브리드 건설 기계.
제1항에 있어서, 상기 배터리의 온도가 상기 저온 영역의 임계값보다도 작거나, 또는 상기 고온 영역 임계값보다도 클 경우에, 배터리 챠저를 제어하고, 배터리 챠지량을 제한 또는 제로로 하는 배터리 챠지 제어부를 더 포함하는, 하이브리드 건설 기계.