KR20140009128A

KR20140009128A - 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20140009128A
Application number: KR1020137007795A
Authority: KR
Inventors: 야스노리 오타; 사토시 이와사키
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2014-01-22
Also published as: WO2012091067A1; CN103140634B; JP5527896B2; KR101845573B1; EP2660395A1; EP2660395B1; US8639422B2; CN103140634A; US20130275011A1; EP2660395A4; JP2012140771A

Abstract

저온 시에는, 저온 모드가 선택되고, PCU(25)의 히트 모드 기능(25a)이 작동한다. 즉, PCU(25)는, 캐패시터(23)의 에너지 회수 비율을, 통상 모드의 캐패시터(23)의 에너지 회수 비율의 최대값 이상[예를 들어, 어시스트 모터(22): 캐패시터(23)=2:8]으로 설정한다. 통상 모드에 비해, 캐패시터(23)에 충전하는 에너지가 증가하고, 캐패시터(23)가 발열함으로써, 냉각 매체의 액온이 상승한다. 이에 의해, 냉각 매체의 점성이 저하한다. 이에 의해, 하이브리드식 작업기에 탑재되는 냉각 시스템에 있어서, 간소한 구성으로, 저온 시의 에너지 효율 저하를 방지한다.

Description

하이브리드식 작업기의 냉각 시스템{COOLING SYSTEM FOR HYBRID WORK MACHINE}

본 발명은, 하이브리드식 작업기에 탑재되는 전동 기기의 냉각 시스템에 관한 것이다.

유압 작업기의 일례인 셔블은, 주행체와, 이 주행체에 선회 가능하게 설치한 선회체와, 이 선회체에 부앙 이동 가능하게 접속된 붐, 아암 및 버킷을 포함하는 다관절형의 작업 장치(프론트 장치)를 구비하고 있다. 이들 주행체, 선회체 및 작업 장치는, 이 셔블에 구비된 구동 장치의 피 구동 부재를 구성하고 있다.

이 구동 장치는, 원래, 엔진 등의 원동기와, 이 원동기에 의해 구동되는 적어도 1개의 유압 펌프와, 이 유압 펌프로부터 토출된 압유에 의해 구동되고, 붐, 아암, 버킷을 각각 구동하는 붐 유압 실린더, 아암 유압 실린더, 버킷 유압 실린더, 주행체를 주행시키는 주행 유압 모터 및 선회체를 주행체에 대하여 선회시키는 선회 유압 모터를 포함하는 복수의 유압 액추에이터를 갖는 유압 방식의 구동 장치로서 구성되어 있었다.

한편, 자동차의 분야에서는, 엔진으로 발전기를 구동하고, 그 발전 전력으로 전동 모터를 구동하는 동시에 나머지의 전력을 배터리에 축적하고, 엔진의 파워가 모자랄 때에 배터리의 전력에 의해 발전기를 전동 모터로서 구동하여 엔진을 어시스트하는, 소위 하이브리드식의 구동 장치가 제창되어 있다. 이 방식에 의해, 엔진은 항상 효율이 좋은 상태에서 작동하는 것이 가능해져, 에너지 절약화 및 저배기 가스화를 도모할 수 있게 되어 있다.

최근, 유압 셔블 등의 유압 작업기에 있어서도, 이 하이브리드식이 제안되고 있고, 예를 들어, 선회 전동 모터를 갖는 하이브리드식의 유압 작업기가 있다. 선회 전동 모터는 제동 시의 운동 에너지를 전기 에너지로서 회생할 수 있는(선회 유압 모터는 열로서 방출)점에서, 에너지 절약화를 도모할 수 있는 장점이 있다.

그런데, 선회 전동 모터나, 전기 에너지를 충방전하는 축전 장치나, 선회 전동 모터의 구동과 축전 장치의 충방전을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(PCU) 등의 전동 기기는, 발열을 수반한다. 그로 인해, 하이브리드식의 유압 작업기에는 이들 전동 기기를 냉각하는 냉각 시스템이 탑재되어 있다. 냉각 시스템은, 냉각 매체를 냉각하는 라디에이터와 냉각 매체를 순환시키는 펌프를 갖고, 라디에이터에 의해 냉각된 냉각 매체를 펌프로 순환시키고, 그 냉각 매체에 의해 전동 기기를 냉각한다.

냉각 매체로서 일반적으로 사용되는 LLC는 저온 시에 있어서 점성이 증가하여, 냉각 회로의 관로 저항이 증대한다. 이로 인해, 펌프 부하가 증대하여, 에너지 효율이 저하한다. 이와 같은 과제는, 하이브리드식 자동차의 냉각 시스템에 있어서도 발생한다.

이 과제에 대하여, 특허 문헌 1에 기재된 냉각 시스템이 제안되고 있다. 이 종래 기술의 냉각 시스템은, 계절에 관계없이 안정된 냉각이 가능한 전기 자동차의 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고, 라디에이터와 펌프를 갖는 냉각 회로와, 복수의 전환 밸브와, 히터를 갖는 히트 회로를 구비하고, 외기 온도에 기초하여 복수의 전환 밸브의 개폐를 제어한다. 저온 시에는, 상온 시에 냉각 회로를 형성하고 있었던 전환 밸브를 폐쇄하고, 상온 시에 폐쇄하고 있던 다른 전환 밸브를 개방하여, 히트 회로를 형성한다. 냉각 매체는 외부 열원인 히터에 의해 가온되어, 히트 회로를 순환시킨다. 이에 의해, 종래 기술의 냉각 시스템은, 저온 시의 냉각 매체의 점성 증가에 기인하는 에너지 효율 저하를 방지할 수 있다.

특허 제3497873호 공보

그러나, 상기 특허 문헌 1에 관한 종래 기술의 냉각 시스템은 하기와 같은 과제가 있었다. 종래 기술의 냉각 시스템은, 기본 구성인 냉각 회로에, 히터와, 복수의 전환 밸브와, 이들을 제어하는 제어 수단을 필수적인 구성으로서 부가하고 있어, 구성이 복잡하다. 복잡한 구성은, 제조 비용 증가나 고장의 원인이 된다. 또한, 이 히터는 외부 열원이며, 에너지 효율의 점에서 바람직하지 않다.

본 발명의 목적은, 간소한 구성으로, 저온 시의 에너지 효율 저하를 방지할 수 있는 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템을 제공하는 것에 있다.

(1) 본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해서, 엔진과, 엔진에 의해 구동하는 유압 펌프와, 유압 펌프로부터의 토출유에 의해 구동하는 유압 액추에이터와, 엔진에 의해 구동하는 제1 전동기와, 제1 전동기 및 제2 전동기에 의한 발전 전력을 충전하는 축전 장치와, 제1 전동기 및 축전 장치의 전력에 의해 구동하는 제2 전동기와, 제1 전동기 및 제2 전동기의 구동 및 축전 장치의 충방전을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(PCU)을 구비한 하이브리드식 작업기에 탑재되고, 냉각 매체를 냉각하는 라디에이터와 냉각 매체를 순환시키는 펌프를 갖고, 상기 라디에이터에 의해 냉각된 냉각 매체를 상기 펌프로 순환시키고, 그 냉각 매체에 의해 상기 축전 장치와 상기 PCU와 상기 제2 전동기의 각 전동 기기를 냉각하는 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템에 있어서, 또한, 상기 냉각 매체의 액온을 검출하는 액온 검출 센서를 구비하고, 상기 PCU는, 검출 액온이 제1 임계값 미만인 저온 모드인 경우에, 어느 하나의 전동 기기의 발열을 촉구하는 히트 모드 기능을 갖는 것으로 한다.

이와 같이 구성한 본 발명에 있어서는, 저온 시에는 히트 모드 기능이 전동 기기의 발열을 촉구하여, 냉각 매체의 액온이 상승하고, 냉각 매체의 점성이 저하한다. 특징적 구성인 히트 모드 기능은, PCU의 1기능이며, 냉각 회로(기본 구성)만의 간소한 구성으로, 저온 시의 냉각 매체의 점성 증가에 기인하는 에너지 효율 저하를 방지할 수 있다.

(2) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는, 상기 PCU는, 액온 검출 센서가 검출하는 액온에 기초하여, 상기 축전 장치의 충방전을 제어하고, 저온 모드 시에는, 상기 히트 모드 기능이 작동하는 것으로 한다.

(3) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는, 상기 PCU는, 검출 액온이 제1 임계값 이상이고 제2 임계값 미만인 통상 모드인 경우에, 상기 축전 장치와 상기 제1 전동기의 최적인 에너지 회수 비율을 설정하는 제어를 행하고, 상기 히트 모드 기능은, 저온 모드인 경우의 상기 축전 장치의 에너지 회수 비율을, 통상 모드의 상기 축전 장치의 에너지 회수 비율의 최대값 이상으로 하는 것으로 한다.

이에 의해, 저온 시에 히트 모드 기능이 작동하여, 축전 장치가 발열한다.

(4) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는, 상기 하이브리드식 작업기는, 작업기의 불조작 상태를 검출하는 불조작 상태 검출 수단을 구비하고, 상기 히트 모드 기능은, 저온 모드이며, 또한, 상기 불조작 상태 검출 수단이 작업기의 불조작 상태를 검출하면, 상기 축전 장치와 상기 제1 전동기 사이에서 충방전을 반복하는 제어를 행하는 것으로 한다.

(5) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는, 상기 하이브리드식 작업기는, 상기 제2 전동기의 구동을 제동하는 제동 장치를 구비하고, 상기 히트 모드 기능은, 저온 모드이며, 또한, 상기 제동 장치가 제2 전동기의 구동을 제지하면, 상기 제2 전동기를 구동하는 역행 제어를 행하는 것으로 한다.

이에 의해, 저온 시에 히트 모드 기능이 작동하여, 제2 전동기가 발열한다.

(6) 상기 (1)에 있어서, 상기 히트 모드 기능이 작동할 때는, 상기 펌프의 회전수를 저하시키는 것으로 한다.

이에 의해, 냉각 매체의 액온이 더욱 상승한다.

(7) 상기 (1)에 있어서, 상기 하이브리드식 작업기는, 표시 장치를 구비하고, 상기 표시 장치는, 히트 모드 기능이 작동하면, 히트 모드 기능이 작동하고 있는 취지를 표시하는 것으로 한다.

이에 의해, 오퍼레이터에게 주의를 촉구한다.

본 발명에 따르면, 하이브리드식 작업기에 탑재되는 냉각 시스템에 있어서, 간소한 구성으로, 저온 시의 에너지 효율 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 냉각 시스템을 탑재하는 유압 셔블의 외관을 도시하는 도면이다.
도 2는 하이브리드식 유압 셔블의 구동 시스템을 설명하는 도면이다.
도 3은 제1 실시 형태의 냉각 시스템을 설명하는 도면이다.
도 4는 컨트롤러의 상세를 도시하는 도면이다.
도 5는 컨트롤러에 의한 모드 판정 처리의 플로우이다.
도 6은 PCU의 에너지 매니지먼트·파워 플로우 제어의 개념도이다.
도 7은 하이브리드식 유압 셔블의 유압 시스템(특히 선회 구동)의 상세도이다.
도 8은 다른 구동 시스템의 일례를 나타내는 도면이다.

<제1 실시 형태>

이하, 본 발명의 제1 실시 형태를 도면을 사용해서 설명한다.

∼구성∼

도 1은, 본 실시 형태의 냉각 시스템을 탑재하는 유압 셔블의 외관을 도시하는 도면이다. 유압 셔블은 하부 주행체(100)와 상부 선회체(101)와 프론트 장치(102)를 구비하고 있다. 하부 주행체(100)는 좌우의 크롤러식 주행 장치(103a, 103b)를 갖고, 좌우의 주행 모터(104a, 104b)에 의해 구동된다. 상부 선회체(101)는 선회 모터(105)에 의해 하부 주행체(100) 상에 선회 가능하게 탑재되고, 프론트 장치(102)는 상부 선회체(101)의 전방부에 부앙 가능하게 설치되어 있다. 상부 선회체(101)에는 엔진 룸(106), 운전실(107)이 구비되고, 엔진 룸(106)에는 엔진(11)이 배치되어 있다. 프론트 장치(102)는 붐(111), 아암(112), 버킷(113)을 갖는 다관절 구조이며, 붐(111)은 붐 실린더(114)의 신축에 의해, 아암(112)은 아암 실린더(115)의 신축에 의해, 버킷(113)은 버킷 실린더(116)의 신축에 의해, 각각 회전한다.

선회 모터(105)는, 선회 유압 모터(16)(도 2 참조)와 선회 전동 모터(24)(도 2 참조)로 구성되어 있다. 즉, 본 실시 형태의 유압 셔블은 하이브리드식이다. 또한, 주행 모터(104a, 104b)가 주행 유압 모터와 주행 전동 모터로 구성되는 경우도 있다.

도 2는 하이브리드식 유압 셔블의 구동 시스템을 설명하는 도면이다. 구동 시스템은, 유압 시스템(10)과 전동 시스템(20)으로 구성된다.

유압 시스템(10)은, 원동기로서의 엔진(11)과, 엔진(11)에 의해 구동되는 유압 펌프(12)와, 유압 펌프(12)로부터의 토출유의 방향과 유량을 제어하는 방향 제어 밸브 유닛(13)과, 유압 펌프(12)로부터의 토출유에 의해 구동되는 복수의 유압 액추에이터(14)[아암 실린더(115) 등]와, 유압 액추에이터(14)에 의해 구동되어 원하는 동작을 행하는 복수의 피 구동 부재(15)[아암(112) 등]와, 유압 펌프(12)로부터의 토출유에 의해 구동되어 상부 선회체(101)를 선회시키는 선회 유압 모터(16)를 갖는다.

전동 시스템(20)은, 엔진(11)과, 엔진(11)에 의해 구동되어 발전하는 제1 전동기(22)(어시스트 모터)와, 어시스트 모터(22)에 의한 발전 전력을 충전하는 축전 장치(23)(캐패시터)와, 어시스트 모터(22) 및 축전 장치(23)의 전력에 의해 구동되는 제2 전동기(24)(선회 전동 모터)와, 어시스트 모터(22) 및 제2 전동기(24)의 구동과 캐패시터(23)의 충방전을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(PCU)(25)을 갖는다.

선회용 유압 모터(16)와 선회 전동 모터(24)는, 동일한 회전축을 갖고, 감속 기구를 통해서 상부 선회체(101)를 구동한다.

캐패시터(23)나 선회 전동 모터(24)나 PCU(25) 등의 전동 기기는 발열을 수반한다. 이로 인해, 하이브리드식 유압 셔블에는 이들의 전동 기기를 냉각하는 냉각 시스템이 탑재되어 있다.

컨트롤러(50)는, 엔진(11)의 회전수와 토크, 유압 펌프(12)의 토출압과 토출 유량, 방향 제어 밸브 유닛(13)의 스풀 변위량 및, PCU(25)의 에너지 매니지먼트·파워 플로우 제어(후술) 등의 제어를 행한다.

도 3은 본 실시 형태의 냉각 시스템을 설명하는 도면이다. 냉각 회로(30)는, 냉각 매체를 냉각하는 라디에이터(31)와, 냉각 매체를 순환시키는 펌프(32)를 갖고, 라디에이터(31)에 의해 냉각된 냉각 매체를 펌프(32)로 순환시키고, 이 냉각 매체에 의해 캐패시터(23)나 선회 전동 모터(24)나 컨트롤러(25) 등의 전동 기기를 냉각한다. 냉각 회로(30)는, 캐패시터(23), PCU(25), 선회 전동 모터(24)의 순서대로 냉각하도록 구성되고, 펌프(32)는, 라디에이터(31)의 하류에 배치된다.

온도 검출 센서(51)는, 펌프(32)의 하류에 설치되고, 펌프(32)에 의해 순환되는 냉각 매체의 액온 T1을 검출한다. 온도 검출 센서(52)는, 캐패시터(23)에 설치되고, 캐패시터(23)의 온도 T2를 검출한다. 온도 검출 센서(53)는 PCU(25)에 설치되고, PCU(25)의 온도 T3을 검출한다. 온도 검출 센서(54)는, 선회 전동 모터(24)에 설치되고, 선회 전동 모터(24)의 온도 T4를 검출한다. 온도 검출 센서(51 내지 54)의 검출 신호는, 컨트롤러(50)에 입력된다.

또한, 냉각 시스템은, 전동 기기를 냉각하는 냉각 회로(30)와 별도로, 엔진(11)을 냉각하는 엔진 냉각 회로(80)를 갖고 있다. 엔진 냉각 회로(80)는 냉각 매체를 냉각하는 라디에이터(81)와, 냉각 매체를 순환시키는 펌프(82)를 갖고 있다. 또한, 어시스트 모터(22)는, 엔진(11) 근방에 설치되고, 엔진(11)을 냉각하기 위한 냉각 팬에 의해 공냉된다.

∼제어∼

도 4는 컨트롤러(50)의 상세를 도시하는 도면이다. 본 실시 형태의 특징적인 입출력을 기재하고, 일반적인 입출력을 생략한다. 컨트롤러(50)는, 온도 검출 센서(51 내지 54)의 검출 신호, 게이트 로크 레버(61)(후술), 조작 레버(62)(후술)의 조작 신호를 입력하고, 소정의 연산을 하여, PCU(25), 펌프(32), 모니터(63)에 지령 신호를 출력한다.

도 5는, 컨트롤러(50)에 의한 모드 판정 처리의 플로우이다. 컨트롤러(50)는, 온도 검출 센서(51 내지 54)로부터 각 온도 T1 내지 T4를 입력한다(스텝 S100). 그리고, 캐패시터(23)의 온도 T2, PCU(25)의 온도 T3, 선회 전동 모터(24)의 온도 T4가 모두 기준 온도 Ts 이하인지를 판정한다(스텝 S110). 기준 온도 Ts는, 전동 기기가 정상으로 가동하고 있는지 판정하기 위한 임계값이다. 또한, 설명의 편의를 위하여, 각 전동 기기에 공통의 기준 온도 Ts를 설정했지만, 각 전동 기기마다 기준 온도를 설정해도 된다.

스텝 S110에 있어서, 컨트롤러(50)는 전동 기기 온도 T2 내지 T4의 어느 하나가 기준 온도 Ts 이하가 아니(NO)라고 판정하면, 전동 기기의 내부 온도 이상이라고 판정하고, 에러 모드를 선택한다(스텝 S120).

컨트롤러(50)는 전동 기기 온도 T2 내지 T4의 모두가 기준 온도 Ts 이하(YES)라고 판정하면, 냉각 매체 온도 T1가 기준 온도 T1H 이상인지 아니지를 판정한다(스텝 S130). 기준 온도 T1H(제2 임계값)는, 고온 모드인지 아닌지를 판정하기 위한 임계값이다. 냉각 매체 온도 T1이 기준 온도 T1H 이상(YES)이라고 판정하면, 고온 모드를 선택한다(스텝 S140).

스텝 S130에 있어서, 컨트롤러(50)는 냉각 매체 온도 T1가 기준 온도 T1H 이상이 아니(NO)라고 판정하면, 냉각 매체 온도 T1가 기준 온도 T1L 이상인지 아닌지를 판정한다(스텝 S150). 기준 온도 T1L(제1 임계값)은, 저온 모드인지 아닌지를 판정하기 위한 임계값이다. 냉각 매체 온도 T1가 기준 온도 T1L 이상(YES)이라고 판정하면, 통상 모드를 선택한다(스텝 S160). 냉각 매체 온도 T1가 기준 온도 T1L 이상이 아니(NO)라고 판정하면, 저온 모드를 선택한다(스텝 S170).

다음에, PCU(25)의 제어에 대해서 설명한다. 도 6은, PCU(25)의 에너지 매니지먼트·파워 플로우 제어의 개념도이다.

하이브리드식의 유압 작업기는, 선회 전동 모터의 제동 시의 운동 에너지를 전기 에너지로서 회생할 수 있다고 하는 특징을 갖는다. PCU(25)는, 통상 모드(스텝 S160)에 있어서, 이 회수한 에너지를, 어시스트 모터(22)를 구동하여 엔진(11)의 부하를 어시스트하기 위해서 사용할지, 캐패시터(23)에 충전할지의 비율, 바꾸어 말하면, 캐패시터(23)와 어시스트 모터(22)의 에너지 회수 비율을, 캐패시터(23)의 충전 상태, 회수 에너지량, 각 온도 검출 센서 정보, 엔진 부하 정보 등에 기초하여, 순차 가장 효율이 좋은 충방전 제어(에너지 매니지먼트·파워 플로우 제어)가 이루어지도록, 설정한다.

본 실시 형태에서는, PCU(25)는, 또한 특징적인 이하의 제어를 행한다.

고온 모드(스텝 S140)에 있어서, 캐패시터(23)의 에너지 회수 비율을, 통상 모드의 캐패시터(23)의 에너지 회수 비율의 최소값 이하로 한다. 이에 의해, 캐패시터(23)에 충전하는 에너지를 저감하고, 캐패시터(23)의 발열을 억제함으로써, 냉각 매체의 액온 상승을 억제한다.

저온 모드(스텝 S170)에 있어서, 캐패시터(23)의 에너지 회수 비율을, 통상 모드의 캐패시터(23)의 에너지 회수 비율의 최대값 이상으로 한다. 이에 의해, 캐패시터(23)에 충전하는 에너지를 증가시켜, 캐패시터(23)의 발열을 촉구함으로써, 냉각 매체의 액온 상승을 조장한다[히트 모드 기능(25a)].

에러 모드(스텝 S120)에 있어서, 고온 모드(스텝 S140)에 있어서의 제어와 동일한 제어를 행한다.

∼동작∼

본 실시 형태의 동작에 대해서 설명한다.

통상시에, 냉각 매체의 액온은 상온[기준 온도 T1L(제1 임계값) 이상, 기준 온도 T1H(제2 임계값) 미만]이며, 통상 모드가 선택되고(S100→S110→S130→S150→S160), PCU(25)는, 캐패시터(23)와 어시스트 모터(22)의 최적인 에너지 회수 비율을 설정한다. 한편, 캐패시터(23), 선회 전동 모터(24), PCU(25) 등의 전동 기기는 발열을 수반하기 때문에, 고장 방지의 점에서 냉각할 필요가 있다. 냉각 회로(30)는 라디에이터(31)에 의해 냉각된 냉각 매체를 펌프(32)로 순환시키고, 이 냉각 매체에 의해 캐패시터(23), PCU(25), 선회 전동 모터(24)의 순서대로 전동 기기를 냉각한다.

본 실시 형태가 특히 유효한 것은 한냉지 등에서의 작업 시이다.

한냉지 등 외기가 저온이면, 냉각 매체의 액온도 저온[기준 온도 T1L(제1 임계값) 미만]이 될 가능성도 있고, 냉각 매체의 점성이 증가하고, 펌프 부하가 증대되어, 에너지 효율이 저하된다. 따라서, 저온 시에는, 저온 모드가 선택되고(S100→S110→S130→S150→S170), PCU(25)의 히트 모드 기능(25a)이 작동한다. 즉, PCU(25)는, 캐패시터(23)의 에너지 회수 비율을, 통상 모드의 캐패시터(23)의 에너지 회수 비율의 최대값 이상[예를 들어, 어시스트 모터(22): 캐패시터(23)=2:8]으로 설정한다.

유압 셔블의 작업 시, 상부 선회체(101)는 선회 모터[105(16, 24)]에 의해 하부 주행체(100)에 대하여 선회한다. 선회 전동 모터(24)는 제동 시의 운동 에너지를 전기 에너지로서 회수한다. 이때, PCU(25)는, 이 회수한 에너지의 2할을, 어시스트 모터(22)를 구동하여 엔진(11)의 부하를 어시스트하기 위해서 사용하고, 나머지 8할을 캐패시터(23)에 충전한다. 통상 모드에 비해, 캐패시터(23)에 충전하는 에너지가 증가하고, 캐패시터(23)가 발열함으로써, 냉각 매체의 액온이 상승한다. 이에 의해, 냉각 매체의 점성이 저하한다.

또한, 컨트롤러(50)는, 히트 모드 기능 작동 시에, 펌프(32)의 회전수를 저하시키도록 제어를 행한다. 이에 의해, 단위량당의 냉각 매체는, 캐패시터(23) 발열로부터 보다 많은 에너지를 받게 되어, 냉각 매체의 액온은 보다 상승한다.

냉각 매체의 액온이 기준 온도 T1L 이상으로 되면 통상 모드가 선택되고, PCU(25)는, 히트 모드 기능(25a)을 정지하고, 통상의 에너지 매니지먼트·파워 플로우 제어를 행한다. 이에 의해, 저온 시의 냉각 매체의 점성 증가에 기인하는 에너지 효율 저하를 방지할 수 있다.

또한, 본 실시 형태는, 에러 모드(스텝 S120), 고온 모드(스텝 S140)가 선택되었을 경우에도, 유효하다.

상기에 한냉지의 작업 시의 예를 서술했지만, 일반적으로 전동 기기의 발열에 수반하여, 냉각 매체의 액온도 고온[기준 온도 T1H(제2 임계값) 이상]으로 되고, 전동 기기를 충분히 냉각할 수 없을 가능성도 있다. 고온 시에는, 고온 모드가 선택되고(S100→S110→S130→S140), PCU(25)는, 캐패시터(23)의 에너지 회수 비율을, 통상 모드의 캐패시터(23)의 에너지 회수 비율의 최소값 이하[예를 들어, 어시스트 모터(22): 캐패시터(23)=8:2]로 설정하고, 회수한 에너지의 8할을, 어시스트 모터(22)를 구동하여 엔진(11)의 부하를 어시스트하기 위해서 사용하고, 나머지 2할을 캐패시터(23)에 충전한다. 통상 모드에 비해, 캐패시터(23)에 충전하는 에너지가 감소하여, 캐패시터(23)의 발열을 억제함으로써, 냉각 매체의 액온 상승을 억제한다.

또한, 어시스트 모터(22)는, 엔진(11)을 냉각하기 위한 냉각 팬에 의해 공냉되기 때문에, 냉각 회로(30)에 미치는 영향은 없다.

냉각 매체의 액온이 기준 온도 T1H 미만으로 되면, 통상 모드가 선택되고, 통상의 에너지 매니지먼트·파워 플로우 제어를 행한다. 이에 의해, 냉각 회로(30)는, 캐패시터(23), PCU(25), 선회 전동 모터(24)의 전동 기기를 냉각할 수 있다. 또한, 어시스트 모터(22)를 구동하여 엔진(11)의 부하를 어시스트함으로써, 에너지 효율의 점에서도 바람직하다.

고장에 의해 전동 기기가 이상 발열하는 경우에는, 에러 모드가 선택되고(S100→S110→S120), PCU(25)는, 고온 모드에 있어서의 제어와 같은 제어를 행한다. 컨트롤러(50)는, 에러 모드인 취지를 모니터(63)에 표시한다.

∼효과∼

본 실시 형태의 효과에 대해서 설명한다.

종래 기술의 냉각 시스템은, 냉각 회로(기본 구성)와, 복수의 전환 밸브와 히터를 갖는 히트 회로를 부가 구성으로서 구비하고, 저온 시에 있어서, 전환 밸브를 제어하여 히트 회로를 형성하고, 외부 열원인 히터에 의해 냉각 매체를 가온함으로써, 저온 시의 냉각 매체의 점성 증가에 기인하는 에너지 효율 저하를 방지하고 있었다. 이러한 복잡한 구성은, 제조 비용 증가나 고장의 원인이 된다. 또한, 이 히터는 외부 열원이며, 에너지 효율의 점에서 바람직하지 않다.

본 실시 형태는, PCU(25)가 히트 모드 기능(25a)을 갖는 것이며(도 3 참조), 기본 구성[냉각 회로(30)]만의 간소한 구성으로, 저온 시의 냉각 매체의 점성 증가에 기인하는 에너지 효율 저하를 방지할 수 있다. 간소한 구성에 의해, 저온 시의 에너지 효율 저하를 방지할 수 있어, 제조 비용 삭감이나 신뢰성 향상이라고 하는 더 한층의 효과가 얻어진다. 또한, 선회 전동 모터(24)의 제동 시의 운동 에너지를 전기 에너지로서 사용하기 때문에, 외부 열원을 필요로 하지 않아, 에너지 효율의 점에서 바람직하다.

<제2 실시 형태>

∼구성∼

본 실시 형태에 있어서, 하이브리드식 유압 셔블의 구동 시스템 및 냉각 시스템은, 제1 실시 형태와 동일하여(도 2·3 참조), 상세를 생략한다.

도 7은, 하이브리드식 유압 셔블의 유압 시스템(10)(특히 선회 구동)의 상세도이다. 도 3과 동일한 구성에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 또한, 유압 시스템(10)은, 제1 실시 형태와 동일하지만, 편의상, 제1 실시 형태에서는 설명을 생략하고 있다.

방향 제어 밸브 유닛(13)은 액추에이터마다 스풀이라고 불리는 밸브 부품을 갖고, 조작 레버(62)로부터의 지령(파일럿 조작압)에 따라 대응하는 스풀이 변위 됨으로써 개구 면적이 변화되어, 각 유로를 통과하는 압유의 유량이 변화된다. 또한, 선회용 스풀(13)만을 도시한다.

유압 펌프(12)는 가변 용량 펌프이며, 레귤레이터(64)를 갖고, 레귤레이터(64)를 제어함으로써 유압 펌프(12)의 틸팅각이 바뀌어 유압 펌프(12)의 배출 용적이 바뀌고, 유압 펌프(12)의 토출 유량과 출력 토크가 바뀐다.

선회 전동 모터(24)와 선회 유압 모터(16)의 양쪽을 구동하여 선회체를 구동하는 유압 전동 복합 선회 시에는, 유압 시스템(10)은, 전동 시스템(20)의 선회 전동 모터(24)의 작동 토크의 분만큼, 선회 유압 모터(16)의 출력 토크가 감소하도록 가변 릴리프 밸브(70a, 70b)를 제어한다. 이에 의해, 선회 전동 모터(24)의 출력 토크와 선회 유압 모터(16)의 출력 토크의 합계가 항상 거의 일정하게 되어, 양호한 조작성을 확보하고 있다. 상세한 제어 및 관련되는 구성에 대해서는 설명을 생략한다.

조작 레버(62)는 파일럿 펌프(66)로부터의 압력을 레버 조작량에 따라서 감압하는 감압 밸브를 내장하고, 레버 조작량에 따른 압력(파일럿 조작압)을 선회용 스풀(13)의 좌우 어느 하나의 압력실에 가한다.

게이트 로크 레버(61)는 운전석의 입구를 제한하는 내림 위치(로크 해제 위치)와 운전석의 입구를 개방하는 올림 위치(로크 위치)로 선택적으로 조작된다. 파일럿압 차단 밸브(65)는, 파일럿 라인 상에 설치되고, 게이트 로크 레버(61)의 올림 위치, 내림 위치에 기초하여 ON/OFF 제어되어, 파일럿 1차압을 차단하고, 또 파일럿 조작압의 발생을 가능하게 한다.

∼제어∼

본 실시 형태에 있어서, 컨트롤러(50)는, 게이트 로크 레버(61)의 올림 위치(로크 위치)로의 조작 신호를 입력하면, 유압 셔블이 불조작 상태라고 판정한다. 또한, 조작 레버(62)로부터의 조작 신호를 소정 시간 계속하여 입력하지 않으면, 유압 셔블이 불조작 상태라고 판정한다(도 4 참조). 즉, 게이트 로크 레버(61)와 조작 레버(62)와 컨트롤러(50)는, 불조작 상태 검출 수단을 구성한다.

컨트롤러(50)에 의한 모드 판정 처리는, 제1 실시 형태와 동일하여(도 5 참조), 상세를 생략한다.

PCU(25)는, 통상 모드(스텝 S160)에 있어서, 에너지 매니지먼트·파워 플로우 제어를 행한다(도 6 참조).

본 실시 형태의 특징으로서, 저온 모드(스텝 S170)에 있어서, 컨트롤러(50)가 불조작 상태를 검출하면, PCU(25)는, 캐패시터(23)와 어시스트 모터(22) 사이에서 충방전을 반복하는 제어를 행한다. 이에 의해, 캐패시터(23)에 충방전하는 에너지를 증가시켜, 캐패시터(23)의 발열을 촉구함으로써, 냉각 매체의 액온 상승을 조장한다[히트 모드 기능(25b)](도 2 참조·도 3에 추기).

∼동작·효과∼

본 실시 형태가 특히 유효한 것은, 유압 셔블의 난기(暖機) 운전 시 등이다.

유압 셔블의 시동 시는 유압 셔블이 충분히 난기되어 있지 않아, 냉각 매체의 액온이 저온[기준 온도 T1L(제1 임계값) 미만]일 가능성도 있다. 또한, 유압 셔블의 아이들링 시간이 길어지면, 냉각 매체의 액온이 저온이 될 가능성도 있다.

한편, 유압 셔블의 시동 시나 아이들링 시는 난기 운전이 행해진다. 난기 운전 중은, 안전의 관점으로부터, 오퍼레이터는 게이트 로크 레버(61)를 올림 위치(로크 위치)로 조작한다. 또한, 오퍼레이터는 잠시 동안, 조작 레버(62)를 조작하는 일은 없다. 이에 의해, 컨트롤러(50)가 불조작 상태를 검출한다.

저온 시에는 저온 모드가 선택되고(S170), 컨트롤러(50)가 불조작 상태를 검출하면, 난기 운전의 하나로서, PCU(25)의 히트 모드 기능(25b)이 작동한다.

PCU(25)는, 캐패시터(23)와 어시스트 모터(22) 사이에서 충방전을 반복하는 제어를 행한다. 캐패시터(23)에 충방전하는 에너지가 증가하고, 캐패시터(23)가 발열함으로써, 냉각 매체의 액온이 상승한다. 이에 의해, 냉각 매체의 점성이 저하한다. 또한 냉각 매체의 액온이 상승하도록, 컨트롤러(50)는, 히트 모드 기능 작동 시에, 펌프(32)의 회전수를 저하시키는 제어를 행한다.

이때, 난기 운전 중인 취지를 모니터(63)에 표시하여, 오퍼레이터에게 주의를 촉구해도 된다.

냉각 매체의 액온이 기준 온도 T1L 이상이 되면 통상 모드가 선택된다. PCU(25)는, 히트 모드 기능(25b)을 정지한다.

본 실시 형태도, PCU(25)가 히트 모드 기능(25b)을 갖는 것으로, 기본 구성만의 간소한 구성이며, 저온 시의 냉각 매체의 점성 증가에 기인하는 에너지 효율 저하를 방지할 수 있다. 즉, 제1 실시 형태와 동일 효과를 얻는다.

<제3 실시 형태>

∼구성∼

편의상 설명을 생략하고 있지만, 제1 및 제2 실시 형태에 있어서도, 유압 셔블은 선회 파킹 브레이크를 구비하고 있다. 도 7에, 선회 파킹 브레이크(68)를 추기한다.

선회 파킹 브레이크(68)는, 실린더실과 브레이크 부재와 스프링 부재를 갖고 있다. 실린더실에 압유가 공급되어 있지 않으면, 스프링 부재의 가압력에 의해 브레이크 부재가 선회용 유압 모터(16)의 회전축(67)에 작용하여, 브레이크가 작동한다. 실린더실에 압유가 공급되면, 그 유압이 스프링 부재의 가압력에 대항함으로써 브레이크 부재가 선회용 유압 모터(16)의 회전축(67)으로부터 벗어나, 브레이크가 해제된다.

회전축(67)은 선회용 유압 모터(16)와 선회 전동 모터(24)의 공통의 회전축이며, 선회 파킹 브레이크(68)는 선회용 유압 모터(16)의 구동을 제지할 수 있는 동시에, 선회 전동 모터(24)의 구동도 제지할 수 있다.

선회 파킹 브레이크(68)의 실린더실에는, 게이트 로크 레버(61), 조작 레버(62)의 조작과 연동하여, 파일럿 펌프(66)로부터의 압유가 공급된다. 즉, 게이트 로크 레버(61)가 올림 위치(로크 위치)로 조작되거나, 또는, 조작 레버(62)가 조작되지 않으면, 선회 파킹 브레이크(68)는 선회용 유압 모터(16)·선회 전동 모터(24)의 구동을 제지하여(브레이크 작동), 게이트 로크 레버(61)가 내림 위치(로크 해제 위치)로 조작되고, 또한, 조작 레버(62)가 조작되면, 선회 파킹 브레이크(68)는 브레이크를 해제한다.

∼제어∼

컨트롤러(50)는, 게이트 로크 레버(61), 조작 레버(62)의 조작 신호를 입력하여, 선회 파킹 브레이크(68)의 작동·불작동을 검출한다(도4 참조).

본 실시 형태의 특징으로서, 저온 모드(스텝 S170)에 있어서, 컨트롤러(50)가 선회 파킹 브레이크(68)의 작동을 검출하면, PCU(25)는, 선회 전동 모터(24)를 구동하는 제어를 행한다. 이에 의해, 선회 전동 모터(24)의 발열을 촉구함으로써, 냉각 매체의 액온 상승을 조장한다[히트 모드 기능(25c)](도 2 참조·도 3에 추기).

∼동작·효과∼

본 실시 형태가 특히 유효한 것은, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 유압 셔블의 난기 운전 시 등이다.

유압 셔블의 시동 시는 유압 셔블이 충분히 난기되어 있지 않아, 냉각 매체의 액온이 저온[기준 온도 T1L(제1 임계값) 미만]일 가능성도 있다. 또한, 작업을 쉬거나 하는 것에 의해 유압 셔블의 아이들링 시간이 길어지면, 냉각 매체의 액온이 저온이 될 가능성도 있다.

한편, 난기 운전 중은, 안전의 관점으로부터, 오퍼레이터는 게이트 로크 레버(61)를 올림 위치(로크 위치)로 조작하고, 잠시 동안, 조작 레버(62)를 조작하는 일은 없다. 이에 의해, 선회 파킹 브레이크(68)는 선회용 유압 모터(16)·선회 전동 모터(24)의 구동을 제지하고, 컨트롤러(50)는 브레이크 작동을 검출한다.

저온 시에는 저온 모드가 선택되고(S170), 컨트롤러(50)가 브레이크 작동을 검출하면, 난기 운전의 하나로서, PCU(25)의 히트 모드 기능(25c)이 작동한다.

PCU(25)는, 선회 전동 모터(24)를 구동하는 역행 제어를 행한다. 한편, 선회 전동 모터(24)는 선회 파킹 브레이크(68)에 의해 제동되어 있고, 제지 상태를 유지한다. 선회 전동 모터(24)를 구동하려고 하는 전기 에너지의 대부분이 열에너지로 변한다. 선회 전동 모터(24)가 발열됨으로써, 냉각 매체의 액온이 상승한다. 이에 의해, 냉각 매체의 점성이 저하한다. 또한 냉각 매체의 액온이 상승하도록, 컨트롤러(50)는, 히트 모드 기능 작동 시에, 펌프(32)의 회전수를 저하시키는 제어를 행한다.

냉각 매체의 액온이 기준 온도 T1L 이상이 되면, 통상 모드가 선택된다. PCU(25)는, 히트 모드 기능(25c)을 정지한다.

본 실시 형태도, PCU(25)가 히트 모드 기능(25c)을 갖는 것이며, 기본 구성만의 간소한 구성으로, 저온 시의 냉각 매체의 점성 증가에 기인하는 에너지 효율 저하를 방지할 수 있다. 즉, 제1 실시 형태와, 동일 효과를 얻는다.

<그 밖의 실시 형태>

본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 그 취지 및 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위 내에 있어서, 다양한 변형이 가능하다. 본 발명의 본질은, PCU(25)가 히트 모드 기능(25a, 25b, 25c)을 갖는 것에 있다. 이하, 그 밖의 실시 형태를 설명한다.

1. 각 실시 형태에 있어서, 히트 모드 기능(25a, 25b, 25c)을 개별로 갖고 있었지만, 복수 또는 모두 갖고 있어도 된다. 히트 모드 기능(25a, 25b, 25c)은 서로 간섭할 일은 없으며, 복수로 가짐으로써, 더욱 냉각 매체의 액온이 상승한다.

2. 각 실시 형태에 있어서, 하이브리드식 유압 셔블의 구동 시스템의 일례를 도 2에 도시했지만, 본 발명의 냉각 시스템은, 다른 구동 시스템에도 적용할 수 있다. 도 8은, 다른 구동 시스템의 일례를 나타내는 도면이다. 어시스트 모터(22)는, 엔진(11)과 유압 펌프(12)의 사이에 연결되고, 엔진(11)이 유압 펌프(12)를 구동할 때의 잉여 토크에 의해 구동된다. PCU(25)는, 어시스트 모터(22)의 구동에 의해 발생한 전력을 캐패시터(23)에 축전하고, 또한, 캐패시터(23)로부터 전력의 공급을 받아, 선회 모터(24)를 구동한다. 한편, 엔진 부하가 커지면, PCU(25)는, 캐패시터(23)로부터 전력의 공급을 받고, 어시스트 모터(22)를 전동기로서 구동하여, 부족 토크 분, 엔진(11)을 어시스트한다. 또한, PCU(25)는, 선회 모터(24) 제동 시의 회수 에너지를, 어시스트 모터(22)를 구동하여 엔진(11)을 어시스트하기 위해서 사용할지, 캐패시터(23)에 축전 할지를 제어한다.

즉, 도 2에 도시하는 구동 시스템이 유압 전동 복합 선회식인 것에 대하여, 도 8에 도시하는 구동 시스템이 전동 단독 선회식인 점에서 상이하다. 그러나, PCU(25)가 히트 모드 기능(25a, 25b, 25c)을 가짐으로써, 상기 실시 형태와 동일한 효과를 얻는다.

10 : 유압 시스템
11 : 엔진
12 : 유압 펌프
13 : 방향 제어 밸브 유닛
14 : 유압 액추에이터
15 : 피 구동 부재
16 : 선회 유압 모터
20 : 전동 시스템
22 : 제1 전동기(어시스트 모터)
23 : 축전 장치(캐패시터)
24 : 제2 전동기(선회 전동 모터)
25 : PCU
25a, 25b, 25c : 히트 모드 기능
30 : 냉각 회로
31 : 라디에이터
32 : 펌프
50 : 컨트롤러
51 내지 54 : 온도 검출 센서
61 : 게이트 로크 레버
62 : 조작 레버
63 : 모니터
64 : 레귤레이터
65 : 파일럿압 차단 밸브
66 : 파일럿 펌프
67 : 회전축
68 : 선회 파킹 브레이크
80 : 엔진 냉각 회로
81 : 라디에이터
82 : 펌프
100 : 하부 주행체
101 : 상부 선회체
102 : 프론트 장치
103a, 103b : 크롤러식 주행 장치
104a, 104b : 주행 모터
105 : 선회 모터
106 : 엔진 룸
107 : 운전실
111 : 붐
112 : 아암
113 : 버킷
114 : 붐 실린더
115 : 아암 실린더
116 : 버킷 실린더

Claims

엔진(11)과, 상기 엔진에 의해 구동하는 유압 펌프(12)와, 상기 유압 펌프로부터의 토출유에 의해 구동하는 유압 액추에이터(14)와, 상기 엔진에 의해 구동하는 제1 전동기(22)와, 상기 제1 전동기 및 제2 전동기(24)에 의한 발전 전력을 충전하는 축전 장치(23)와, 상기 제1 전동기 및 상기 축전 장치의 전력에 의해 구동하는 상기 제2 전동기와, 상기 제1 전동기 및 상기 제2 전동기의 구동 및 상기 축전 장치의 충방전을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(PCU)(25)을 구비한 하이브리드식 작업기에 탑재되고,
냉각 매체를 냉각하는 라디에이터(31)와 상기 냉각 매체를 순환시키는 펌프(32)를 갖고, 상기 라디에이터에 의해 냉각된 냉각 매체를 상기 펌프로 순환시키고, 그 냉각 매체에 의해 상기 축전 장치와 상기 PCU와 상기 제2 전동기의 각 전동 기기를 냉각하는 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템에 있어서,
또한, 상기 냉각 매체의 액온을 검출하는 액온 검출 센서(51 내지 54))를 구비하고,
상기 PCU는, 상기 검출 액온이 제1 임계값 미만인 저온 모드인 경우에, 어느 하나의 전동 기기의 발열을 촉구하는 히트 모드 기능(25a, 25b, 25c)을 갖는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 PCU는, 상기 액온 검출 센서가 검출하는 액온에 기초하여, 상기 축전 장치의 충방전을 제어하고,
상기 저온 모드 시에는, 상기 히트 모드 기능이 작동하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 PCU는, 상기 검출 액온이 상기 제1 임계값 이상이고 제2 임계값 미만인 통상 모드인 경우에, 상기 축전 장치와 상기 제1 전동기의 최적인 에너지 회수 비율을 설정하는 제어를 행하고,
상기 히트 모드 기능은, 상기 저온 모드인 경우의 상기 축전 장치의 에너지 회수 비율을, 상기 통상 모드의 상기 축전 장치의 에너지 회수 비율의 최대값 이상으로 하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 하이브리드식 작업기는, 작업기의 불조작 상태를 검출하는 불조작 상태 검출 수단(50, 61, 62)을 구비하고,
상기 히트 모드 기능은, 상기 저온 모드이며, 또한, 상기 불조작 상태 검출 수단이 작업기의 불조작 상태를 검출하면, 상기 축전 장치와 상기 제1 전동기 사이에서 충방전을 반복하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 하이브리드식 작업기는, 상기 제2 전동기의 구동을 제동하는 제동 장치(68)를 구비하고,
상기 히트 모드 기능은, 상기 저온 모드이며, 또한, 상기 제동 장치가 제2 전동기의 구동을 제지하면, 상기 제2 전동기를 구동하는 역행 제어를 행하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 히트 모드 기능이 작동할 때는, 상기 펌프의 회전수를 저하시키는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 하이브리드식 작업기는, 표시 장치(63)를 구비하고,
상기 표시 장치는, 상기 히트 모드 기능이 작동하면, 히트 모드 기능이 작동하고 있는 취지를 표시하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드식 작업기의 냉각 시스템.