KR20140009129A - 건설 기계 - Google Patents

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KR20140009129A
KR20140009129A KR1020137007950A KR20137007950A KR20140009129A KR 20140009129 A KR20140009129 A KR 20140009129A KR 1020137007950 A KR1020137007950 A KR 1020137007950A KR 20137007950 A KR20137007950 A KR 20137007950A KR 20140009129 A KR20140009129 A KR 20140009129A
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시호 이즈미
세이지 이시다
유스케 가지타
다카코 사타케
마나부 에다무라
가즈오 후지시마
마사타카 사사키
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히다찌 겐끼 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 선회부나 유압 작업 장치의 구동을 고려하여, 캐패시터에 전력을 유효하게 충전할 수 있는 건설 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그 때문에, 건설 기계(2)의 상태를 미리 파악하여 에너지를 산출하여, 다음 동작을 예측하고, 캐패시터(13)에 충전하는 에너지양을 결정하고, 그에 따른 DC/DC 컨버터(15)를 제어하는 것으로 하였다. 이에 의해, 종래의 배터리(납축전지)에 있어서의 회생 시의 손실을 저감시키는 것이 가능해져서, 효율이 향상된다.

Description

건설 기계{CONSTRUCTION MACHINE}
본 발명은 엔진과 전원 시스템을 구비한 건설 기계에 관한 것이다.
종래, 유압 셔블 등의 건설 기계는, 유압 펌프를 엔진의 출력 토크에 의해 구동하고, 유압 작업 장치(버킷 실린더, 아암 실린더, 붐 실린더)를 구동하고 있었다.
그리고, 최근 들어, 연비의 향상, 배기 가스의 억제, 소음의 저감을 목적으로 하여, 엔진, 발전기(모터 제너레이터), 전동기(교류 모터), 축전 장치(배터리) 등을 구비한 하이브리드 건설 기계가 제안되고 있다.
예를 들어, 경부하 시에 발전기에서 발전한 전력이나 제동 시에 얻어지는 회생 전력을 배터리에 충전하고, 중부하 시에 충전된 전력을 배터리로부터 방전하여 사용한다.
특히, 배터리로 납 배터리를 사용하는 하이브리드 건설 기계에서는, 납 배터리의 회생 효율이 나쁘기 때문에, 제동 시에 얻어지는 회생 전력을 납 배터리에 충전하는 것이, 효율적으로 행해지지 않는다.
예를 들어, 일본 특허 공개 평09-224302호 공보에는, 하이브리드 자동차에 관한 것이기는 하지만, 납 배터리와 캐패시터를 조합하여 전원 시스템을 구성하고, 에너지를 캐패시터에 축적하고, 축적한 에너지를 부하에 공급함으로써 회생 효율의 향상을 도모하고 있는 것이 기재되어 있다. 그리고, 일본 특허 공개 평09-224302호 공보에는, 캐패시터의 목표 전압을, 저속 시에는 크게 하도록, 또한 고속 시에는 작게 하도록 제어하기 위해서, 차속을 검출하고, 차속에 따라서 캐패시터의 목표 축전율을 변경하는 것이 기재되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 평11-164402호 공보에는, 하이브리드 차량의 속도가 낮을 때에는, 축전부의 충전 상태가 높게 설정되고, 하이브리드 차량의 속도가 높을 때에는, 축전부의 충전 상태가 낮게 설정되는 것이 기재되어 있다.
나아가, 일본 특허 공개 제2002-359935 공보에는, 하이브리드 작업 기계에 있어서, 운동 에너지 및 위치 에너지가 클 때에는 축전부의 충방전 임계값을 작게 설정하고, 운동 에너지 및 위치 에너지가 작을 때에는 축전부의 충방전 임계값을 크게 설정하는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 평09-224302호 공보 일본 특허 공개 평11-164402호 공보 일본 특허 공개 제2002-359935 공보
일반적으로, 자동차를 전동화하는 경우에는, 그 전동화의 대상은 주행부이다.
그러나, 건설 기계의 전동화는, 선회부나 유압 작업 장치를, 유압을 사용하여 구동하는 경우와 배터리나 캐패시터에 축전되어 있는 전력을 사용하여 구동하는 경우를 병용하는 시스템이며, 주행부에 그치지 않는다.
즉, 건설 기계의 전동화는, 선회체를 구동하기 위해 사용하는 교류 모터를 사용하여 전동화하고, 유압 작업 장치를 구동하는 유압 펌프의 구동을 어시스트하기 위해 사용하는 모터 제너레이터를 사용하여 전동화하는 것이다.
이와 같이, 건설 기계를 전동화하는 경우에는, 그 전동화의 대상이, 단순히 주행부에 그치는 것이 아니고, 배터리나 캐패시터에 대한 충방전 제어도 단일적이 아니고, 선회부나 유압 작업 장치의 구동도 고려할 필요가 있다.
또한, 캐패시터와 배터리를 병용하는 시스템에 있어서는, 캐패시터에 전력을 유효하게 충전할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 선회부나 유압 작업 장치의 구동을 고려하여, 캐패시터에 전력을 유효하게 충전할 수 있는 건설 기계를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 형태인 건설 기계는, 엔진과, 엔진에 의해 구동하는 유압 펌프와, 엔진과 유압 펌프에 연결하는 발전 가능한 모터 제너레이터와, 유압 펌프로부터 토출하는 오일에 의해 구동하는 유압 작업 장치, 예를 들어 버킷 실린더, 아암 실린더, 붐 실린더와, 유압 작업 장치가 설치되는 선회체와, 선회체를 구동하는 교류 모터와, 모터 제너레이터 및/또는 교류 모터(바람직하게는 교류 모터)에 전력을 공급, 및 모터 제너레이터 및/또는 교류 모터(바람직하게는 교류 모터)로부터 회생되는 전력을 충전하는 캐패시터 및 배터리(배터리로서는, 납축전지나 리튬 이온 전지가 사용 가능한데, 특히 납축전지가 바람직하다)를 갖는 전원 시스템과, 전원 시스템을 제어하는 컨트롤러를 갖는 것이다.
그리고, 컨트롤러는 오퍼레이터의 현 조작이나 측정되는 하중 등에 기초하여, 유압 작업 장치 및/또는 선회체의 다음 동작(특히, 선회체의 다음 조작이 바람직하다)을 추정하는 동작 추정부와, 추정된 다음 동작에 기초하여, 모터 제너레이터 및/또는 교류 모터(바람직하게는 교류 모터)로부터 회생되는 전력량을 산출하는 에너지 산출부와, 산출된 전력량에 기초하여, 캐패시터의 목표 전압을 설정하는 캐패시터 제어부를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 컨트롤러는 오퍼레이터의 현 조작에 따라, 유압 작업 장치 및/또는 선회체(바람직하게는 선회체)로 요구되는 전력량을 산출하는 차체 제어부를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 캐패시터 제어부는, 캐패시터의 현전압을 검출하는 캐패시터 상태 검출부와, 산출된 전력량과 검출된 현전압에 기초하여, 캐패시터에 대한 충방전 명령을 산출하는 캐패시터 충방전 명령 산출부와, 작성된 충방전 명령에 기초하여, 캐패시터의 목표 전압을 설정하는 캐패시터 목표 전압 설정부를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 캐패시터 제어부는, 엔진의 회전수, 교류 모터의 토크 명령, 및/또는, 모터 제너레이터의 토크 명령에 기초하여, 캐패시터의 목표 전압을 보정할 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태인 건설 기계는, 엔진과 유압 펌프에 연결하는 발전 가능한 모터 제너레이터 및/또는 유압 펌프로부터 토출하는 오일에 의해 구동하는 유압 실린더가 설치되는 선회체를 구동하는 교류 모터에 전력을 공급하거나, 및 모터 제너레이터 및/또는 교류 모터로부터 회생되는 전력을 충전하는 캐패시터와 배터리를 갖는 전원 시스템과, 전원 시스템을 제어하는 컨트롤러를 갖는 것이다.
또한, 배터리로서는, 납 배터리나 리튬 전지가 사용 가능한데, 특히 납 배터리가 바람직하다.
또한, 모터 제너레이터 및/또는 교류 모터에 전력을 공급하는 경우나 모터 제너레이터 및/또는 교류 모터로부터 회생되는 전력을 충전하는 경우에 있어서는, 모두, 교류 모터에 대하여 전력을 공급하고, 교류 모터로부터 회생되는 전력을 충전하는 것이 바람직하다.
그리고, 컨트롤러는 오퍼레이터의 현 조작이나 측정되는 하중 등에 기초하여, 유압 제어 장치 및/또는 선회체의 다음 동작을 추정하고, 추정된 다음 동작에 기초하여, 모터 제너레이터 및/또는 교류 모터(바람직하게는 교류 모터)로부터 회생되는 전력량을 산출하고, 산출된 전력량에 기초하여, 캐패시터의 목표 전압을 설정하는 것이 바람직하다.
그리고, 컨트롤러는 산출된 전력량에 기초하여, 캐패시터에 대한 충방전 명령을 작성하고, 작성된 충방전 명령에 기초하여, 캐패시터의 목표 전압을 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 컨트롤러는 교류 모터의 회전 속도, 즉 오퍼레이터의 현 조작이나 측정되는 하중 등에 기초하여 변화하는 물리량에 기초하여, 전력량을 산출하는 것이다.
또한, 전력량은 에너지양을 사용하여 산출하는 것도 가능하다.
또한, 컨트롤러는 캐패시터의 현전압과 캐패시터의 목표 전압을 비교하여, 캐패시터의 현전압이 캐패시터의 목표 전압보다 큰 경우에는, 미리, 캐패시터에 충전되어 있는 전력을 공급(방전)하는 것이, 특히 바람직하다.
그리고, 방전하는 대상으로서는, 모터 제너레이터나 교류 모터인데, 특히 교류 모터가 바람직하다.
또한, 컨트롤러가, 오퍼레이터의 현 조작이나 측정되는 하중 등에 기초하여, 유압 작업 장치나 선회체의 다음 동작을 추정하는 경우에 대해서, 이하에 설명한다.
예를 들어, 오퍼레이터의 레버 조작에 기초하여, 유압 작업 장치나 선회체가 구동한다. 즉, 오퍼레이터의 레버 조작량(레버 조작 신호)을 검출함으로써, 유압 작업 장치나 선회체의 구동량을 추정할 수 있다.
그리고, 건설 기계의 경우에는 그 움직임(구동)이 건설 작업을 위한 구동에 거의 한정되기 때문에, 이 추정된 유압 작업 장치나 선회체의 구동(구동량)에 기초하여, 유압 작업 장치나 선회체의 다음 동작을 추정할 수 있다. 이 유압 작업 장치나 선회체의 다음 동작에 기초하여, 모터 제너레이터나 교류 모터로부터 회생되는 전력량이 추정된다.
이와 같이, 필요한 전력을 배터리 및 캐패시터에 있어서 효율적으로 충방전하기 위해서는, 미리 축전율을 제어해 둘 필요가 있다.
따라서, 본 발명에서는, 건설 기계의 현 동작으로부터 다음 동작을 예측함과 함께, 다음 동작에 있어서 교류 모터나 모터 제너레이터에 있어서 발전 시나 구동 시에 있어서의 전력을, 현재의 차체의 정보를 사용하여 산출하고, 또한 이 산출 전력을 사용하여, 배터리 및 캐패시터의 충전 목표 전압의 산출을 행하고, 그 목표 전압이 되도록 미리 충방전을 행한다.
현 동작으로부터 다음 동작을 예측하는 것은, 건설 기계의 특유의 성질이라고 할 수 있다. 즉, 주행부뿐만 아니라, 선회부나 유압 작업 장치의 구동에 대해서도 고려할 필요가 있기 때문이다.
예를 들어, 현 동작이 선회 역행 동작인 경우에는, 다음 동작이 선회 회생 동작인 것이 예측된다. 한편, 현 동작으로서 엔진의 회전수가 작을 때에는, 아이들링 상태이거나, 프론트 작업이 경부하 상태인 것을 예측할 수 있기 때문에, 다음 동작은 역행 동작인 것을 예측할 수 있다.
즉, 본 발명은 현 동작으로부터 다음 동작에 있어서의 교류 모터나 모터 제너레이터에 있어서의 발전 시나 구동 시에 있어서의 전력을 산출한다. 이에 의해, 캐패시터나 배터리가 미리 충방전해야 할 전력량을 산출할 수 있다.
이러한 본 발명에 의해, 이러한 선회부나 유압 작업 장치의 구동을 고려하여, 캐패시터에 전력을 유효하게, 그리고 에너지 효율적으로 충전 가능한 건설 기계를 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태를 적용한 유압 셔블의 구성을 도시하는 도면.
도 2는 유압 셔블의 시스템 구성을 도시하는 도면.
도 3은 컨트롤러의 제어 로직의 개요를 도시하는 도면.
도 4는 캐패시터 제어부의 제어 로직을 도시하는 도면.
도 5는 선회 레버 파일럿압, 선회체 속도, 에너지 E 및 캐패시터 전압과 시간의 관계를 도시하는 도면.
도 6은 선회부의 역행 동작에 있어서의 파워 플로우의 일례를 도시하는 도면.
도 7은 선회부의 회생 동작에 있어서의 파워 플로우의 일례를 도시하는 도면.
이하, 도 1 내지 도 7을 사용하여, 본 발명의 하나의 실시 형태를 설명한다.
도 1은 본 실시 형태를 적용한 유압 셔블(건설 기계의 대표예)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 1에 있어서, 유압 셔블(2)은 주행체(401), 선회체(402)를 갖는다.
주행체(401)는 주행용 유압 모터(33)에 의해 구동된다.
선회체(402)는 교류 모터(35)에 의해 구동되고, 주행체(401)에 대하여 선회 가능하게 형성된다.
또한, 선회체(402)의 전방부 한쪽의 편측(예를 들어 전방을 향해 좌측)에는 운전석(403)이 설치되고, 선회체(402)의 전방부 다른 쪽의 편측(예를 들어 전방을 향해 우측)에는 붐(405), 아암(406), 버킷(407)을 갖는 다관절 구조의 작업부(400)가 설치되어 있다.
붐(405), 아암(406), 버킷(407)은, 각각 붐 실린더(32a), 아암 실린더(32b), 버킷 실린더(32c)에 의해 각각 구동한다.
도 2는 유압 셔블의 시스템 구성을 도시하는 도면이다.
도 2에 있어서, 유압 셔블의 시스템은, 엔진 컨트롤러(ECU)(11)에 의해 제어되는 엔진(10)과, 엔진(10)과 유압 펌프(31)에 연결하는 발전 가능한 모터 제너레이터(M/G)(8)와, 모터 제너레이터(M/G)(8)에서 발생하는 동력을 제어하기 위해 모터 제너레이터(M/G)(8)에 접속되어 있는 제1 인버터(INV)(9)를 갖고 있다.
여기서, 모터 제너레이터(M/G)(8)는 역행 시에는 엔진(10)을 어시스트하고, 엔진(10)에 접속된 유압 펌프(31)나 에어컨 등의 보조 기계 부하(16)를 구동하고, 회생 시에는 발전을 행한다.
발전된 전력(에너지)은 제1 인버터(9)에 의해 직류로 변환되고, 전원 시스템(1)에 공급한다. 또한, 발전된 전력을 선회체(402)로 소비하는 것도 가능한데, 전원 시스템(1)의 캐패시터(13)에 충전하는 것이 바람직하다.
또한, 제1 인버터(9)는, 직류 전력을 교류 전력으로, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것이다.
또한, 유압 셔블의 시스템은, 유압 펌프(31)와, 유압 펌프(31)로부터 공급되는 오일의 흐름을 제어함으로써 프론트 작업 장치(32) 및 주행용 유압 모터(33)를 구동하는 컨트롤 밸브(36)를 구비하고 있다.
컨트롤 밸브(36)는 유압 펌프(31)로부터 공급되는 오일의 흐름을 제어하고, 붐 실린더(32a), 아암 실린더(32b), 버킷 실린더(32c), 주행용 유압 모터(33)에 작동유를 공급한다.
여기서, 프론트 작업 장치(유압 작업 장치)(32)는, 붐 실린더(32a), 아암 실린더(32b) 및 버킷 실린더(32c)로 이루어지고, 선회체(402)에 설치되어 있다.
선회체(402)에는 교류 모터(35)가 접속되고, 교류 모터(35)는 선회체(402)를 구동한다.
또한, 교류 모터(35)에는, 교류 모터(35)를 구동하기 위한 제2 인버터(INV)(34)가 접속되어 있다.
선회체(402)는 감속기를 갖고 있고, 교류 모터(35)의 축 출력을 증속하여 선회체(402)를 구동한다. 교류 모터(35)는, 모터 제너레이터이며, 역행 시에는 모터(전동기)로서 동작하여 구동력을 발생하고, 선회체(402)에 있어서의 제동 시에는 제네레이터(발전기)로서 동작하여 전력을 회생한다.
또한, 제2 인버터(34)는 직류 전력을 교류 전력으로, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것이다.
또한, 유압 셔블의 시스템은, 전원 시스템(1)을 갖는다.
전원 시스템(1)은, 배터리(12), 캐패시터(13), 배터리(12)에 접속된 제1 DC/DC 컨버터(15) 및 캐패시터(13)에 접속된 제2 DC/DC 컨버터(14)를 갖는다. 또한, 배터리(12)나 캐패시터(13)는, 전기 에너지를 축적하는 축전 장치이다.
배터리(12)에는, 전압이 170V ~ 360V의 납축전지를 사용한다. 또한, 납축전지 대신에 리튬 이온 전지에서도 사용 가능하다.
캐패시터(13)에는, 전기 이중층 콘덴서를 사용하고, 전압이 400V 정도, 용량이 1000F 정도인 것을 상정하고 있다. 또한, 캐패시터(13)는, 배터리(12)로서 240V의 납축전지를 사용하는 경우, 건설 기계의 작업량 및 1일 작업 시간에도 좌우되지만, 120Ah 정도의 용량이 필요하다.
제1 DC/DC 컨버터(15) 및 제2 DC/DC 컨버터(14)는, 승강압 초퍼이고, 전원 시스템(1)으로부터 입출력하는 전력량(에너지양)에 따라, 각각 배터리(12)와 캐패시터(13)의 전압을 직류 버스 전압이 되도록 출력을 제어하고, 인버터와 축전 장치 사이의 전력 변환을 행하는 직류 전력 변환기이다.
또한, 제1 DC/DC 컨버터(15)는 캐패시터(13)와 제1 인버터(9) 및 제2 인버터(34) 사이의 전력 변환을, 제2 DC/DC 컨버터(14)는, 배터리(12)와 제1 인버터(9) 및 제2 인버터(34) 사이의 전력 변환을 행한다.
즉, 전원 시스템(1)은 축전 장치[캐패시터(13), 배터리(12)]와, 직류와 교류 사이의 전력 변환을 행하는 전력 변환기[제1 DC/DC 컨버터(15), 제2 DC/DC 컨버터(14)]를 갖는 것이다.
그리고, 컨트롤러(17)는 축전 장치[캐패시터(13), 배터리(12)]로부터의 방전 또는 충전하는 전류를 산출하고, 그에 따른 전력 변환기[제1 DC/DC 컨버터(15), 제2 DC/DC 컨버터(14)]를 제어한다.
또한, 컨트롤러(17)에는, 오퍼레이터 현 조작, 차체 정보 및 하중이 입력된다.
오퍼레이터 현 조작으로서는, 운전석(403)에 있어서의 레버, 액셀러레이터, 브레이크 조작량이 입력된다. 또한, 차체 정보로서는, 주행부(401)에 있어서의 속도나 가속도, 선회체(402)에 있어서의 정보로서 선회 속도나 선회하고 있을 때의 작업부(400)의 자세 정보가 있다.
작업부(400)의 자세 정보는, 드라이버의 레버 조작량에 의해 얻을 수 있으며, 붐, 아암, 버킷에 대한 조작량으로부터, 선회체(402)의 관성 모멘트로서 정의할 수 있다.
또한, 하중으로서는, 측정된 부하 하중이 입력된다.
컨트롤러(17)는, 도시하지 않은 엔진 컨트롤러, 모터 컨트롤러 및 배터리 컨트롤러와, 통신 수단을 통해 접속되어 있고, 오퍼레이터의 조작량, 전원 시스템(1)의 축전 상태나 차체 정보 등, 각 파라미터에 따라, 에너지의 흐름을 결정하고, 엔진(10), 모터 제너레이터(M/G)(8), 교류 모터(35)나 전원 시스템(1)을 제어한다.
이와 같이 본 실시예는, 유압 셔블을 건설 기계의 대표예로서 설명했지만, 내연 기관(엔진)과 전원 시스템을 구비한 산업 차량이나 건설 기계에도 적용 가능하다. 예를 들어, 유압 셔블 외에, 휠 로더, 포크리프트 등에도 적용 가능하다.
또한, 본 실시예에 있어서, 배터리(납축전지)와 캐패시터를 포함하는 전원 시스템을 사용하는데, 납축전지는 충전 시에 있어서의 손실이 크기 때문에, 회생 에너지를 효율적으로 납축전지에 회수할 수 없어, 납축전지에의 충방전을 대전류로 반복하면, 열화를 진행시켜 버려 수명이 짧아지는 경향이 있었다.
이로 인해, 회생 에너지를 전원 시스템(1)에 충전하는 경우에는, 가능한 한 캐패시터(13)에 충전하는 것이 바람직하다. 이에 의해 충전에 의한 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따르면, 유압 셔블(2)이 선회 동작을 반복하거나, 프론트 작업에 의한 작업부(400)의 승강을 반복하거나 하는 것 같은 신에 있어서, 캐패시터(13)의 입출력이 최적으로 되도록 관리한다.
이로 인해, 미리, 유압 셔블의 상태를 파악하여, 에너지양을 산출하고, 다음 동작을 예측하여, 캐패시터(13)에 충전하는 에너지양을 결정하고, 그에 따른 DC/DC 컨버터를 제어한다.
이에 의해, 납축전지에 있어서의 회생 시의 손실을 저감시키는 것이 가능해져서, 에너지 효율이 향상된다.
또한, 유압 셔블(2)의 선회 동작에 대해서 설명했지만, 주행 동작이나 굴삭 동작, 다른 건설 기계나 산업 차량에 있어서도 마찬가지로 적용할 수 있다.
예를 들어, 휠 로더에 있어서의 전진과 후퇴, 토사의 적재, 싣고 내림 동작 또는 포크리프트에 있어서의 주행, 리프트 동작 등에도 적용할 수 있다.
건설 기계에서는 자동차와 달리, 그 동작이 정해져 있기 때문에, 미리 다음 동작을 파악하여 적절하게 에너지 수지를 관리할 수 있다.
도 3은 컨트롤러(17)의 제어 로직의 개요를 도시하는 도면이다.
컨트롤러(17)에는, 레버, 액셀러레이터, 브레이크 조작량, 차체 정보, 자세 정보 및 하중이 입력 정보로서 입력된다.
레버, 액셀러레이터, 브레이크 조작량은, 운전석(403)에 있어서의 오퍼레이터의 현 조작에 의해 결정하는 것이다. 또한, 차체 정보는, 주행체(401)에 있어서의 속도나 가속도, 또한 선회체(402)에 관한 정보로서는 선회 속도나 선회하고 있을 때의 작업부(400)의 자세 정보가 있다.
작업부(400)의 자세 정보는, 오퍼레이터의 레버 조작량에 의해 얻을 수 있으며, 붐, 아암, 버킷에 대한 조작량으로부터, 선회체(402)의 관성 모멘트로서 정의할 수 있다.
또한, 하중으로서는 측정된 부하 하중이 입력된다.
이들 입력 정보는, 차체 제어부(20)에 있어서, 유압 펌프(31), 엔진(10), 교류 모터(35) 및 모터 제너레이터(26)에서 필요로 하는 출력을 산출하기 위해 사용된다. 이 필요로 하는 출력은, 각각 유압 펌프 제어부(21), 엔진 제어부(22), 교류 모터 제어부(23) 및 M/G(모터 제너레이터) 제어부(26)에 의해 사용되고, 그 각 부에서의 필요 출력에 따라, 엔진 제어부(22), 선회 제어부(23) 및 M/G 제어부(26)에 있어서, 각각 엔진 목표 회전수 We*, 교류 모터 토크 명령 Tm* 및 모터 토크 명령 Tm2*를 설정하여, 각 부를 구동한다.
에너지 산출부(24)에서는, 모터 제너레이터(M/G)(8) 및 교류 모터(35)로부터 회생되는 전력량(회생 에너지)을 산출한다.
여기서, 회생 에너지의 구하는 방법을, 선회체(402)에 대해서 설명한다.
에너지 산출부(24)에서는, 유압 셔블(2)이 갖는 위치 에너지 Ep와 운동 에너지 Ev와의 합을, 회생 에너지로서 산출한다.
위치 에너지 Ep와 운동 에너지 Ev는, 컨트롤러(17)에 입력되는 오퍼레이터의 현 조작, 차체 정보 및 하중을 사용한다.
선회체(402)에 있어서의 운동 에너지 Ev1은, 선회 속도 ωm[rad/s]로부터, 하기의 수학식 1에서 산출 가능하다.
Figure pct00001
여기서, I1은 관성 모멘트를 나타내고 있고, 선회할 때에 있어서의 유압 셔블의 프론트부의 자세에 의해, 관성 모멘트는 다르기 때문에, 붐(405), 아암(406), 버킷(407)에 대하여 각각 레버 조작량, 또는 파일럿압에 따른 관성 모멘트를 미리 정의해 둔다.
마찬가지로, 엔진 회전수 ωe[rad/s]를 사용하여, 엔진(10)의 회전에 의한 운동 에너지도 다음 식에서 산출할 수 있다.
Figure pct00002
여기서, I2는 엔진의 관성 모멘트를 나타내고 있다. K2는 미리 설정한 상수를 나타내고 있으며, 예를 들어 엔진(10)의 Δt [s] 전에 있어서의 회전수나, 부스트압에 따라서 정하는 것이다.
이상에 의해, 운동 에너지 Ev는, Ev1과 Ev2의 합(Ev=Ev1+Ev2)으로 산출된다.
또한, 위치 에너지 Ep는,
Figure pct00003
에 의해 산출할 수 있다.
여기서, St는 프론트부에서 회생을 행하는 경우의 붐, 아암의 스트로크[m]을 나타내고, K3는 미리 설정되어 있는 상수이다.
이와 같이 하여 산출한 위치 에너지 Ep와 운동 에너지 Ev와 (Ev=Ev1+Ev2)의 합을, 에너지 E로서 산출한다. 이 에너지 E를, 회생되는 전력량으로 한다.
또한, 실제는, 회생되는 전력량으로서는, 교류 모터(35)에 의한 에너지가 대부분을 차지한다.
이상과 같이, 차체 제어부(20)에 있어서 설정된 각 회전수 및 명령값과, 각 부에서 요구되는 전력량의 정보 및 에너지 산출부(24)에 있어서 산출된 회생되는 에너지는, 동작 추정부(25)에 입력된다.
동작 추정부(25)는 이들 정보를 바탕으로, 유압 셔블의 주행부(401), 프론트 작업 장치(32) 및 선회체(402)의 다음 동작을 추정한다.
일반적으로, 유압 셔블(2)과 같은 건설 기계는, 작업 패턴이 거의 정해져 있다. 그로 인해, 현 동작을 바탕으로 다음 동작을 추정하기 쉽다. 예를 들어, 주행체(401)에서는, 차속이 가속하도록 오퍼레이터가 조작하면, 다음은 감속한다고 추정된다. 작업부(400)에 있어서는, 버킷(407)의 위치가 높아지도록 조작하면, 다음 동작에서는 버킷(407)의 위치는 내려간다고 추정된다. 또한, 선회체(402)가 선회하여 역행할 때에는, 다음 동작은 선회가 감속한다고 추정할 수 있다. 본 실시예에서는, 특히 선회체(402)의 다음 조작을 추정하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예에 있어서는, 선회체(402)를 전동화한 경우에 대해서 설명했지만, 주행부(401)나 프론트 작업 장치(32)에 대해서도 적용할 수 있다.
예를 들어, 주행부(401)에 있어서는, 속도 v[m/s]로부터, 주행에 의한 운동 에너지 Ev=1/2·m·v2로서 산출할 수 있다. 또한, 프론트 작업 장치(32)에 있어서, 예를 들어 붐을 전동화한 경우에는, 버킷에 쌓은 토사 등의 중량 m[g]나, 작업부(400)부의 자세 정보로부터 얻어지는 높이 h[m] 등에 의해, 위치 에너지를 산출함으로써, 회생되는 전력량을 구할 수 있다.
이상과 같이, 산출된 회생되는 전력량은, 동작 추정부(25)에 입력되어, 오퍼레이터의 현 조작과 함께 다음 동작을 추정한다. 과충전하지 않고 캐패시터(13)에 충전하는 캐패시터 제어부(27)에 있어서 캐패시터의 목표 전압을 설정한다.
여기서, 캐패시터 목표 전압을 설정하는 방법에 대해서, 도 4를 사용하여 설명한다.
도 4는 캐패시터 제어부의 제어 로직을 도시하는 도면이다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 캐패시터 제어부(27)는, 캐패시터 충방전 명령부(40), 캐패시터 상태 검출부(41) 및 캐패시터 목표 전압 설정부(42)로 구성되어 있다.
캐패시터 상태 검출부(41)에서는, 현재의 캐패시터 전압인 캐패시터의 현전압 V0을 검출한다.
캐패시터 방전 명령 산출부(40)에서는, 캐패시터 상태 검출부(41)에 있어서 검출된 현전압 V0와, 에너지 산출부(24)에서 산출된 회생 에너지가 입력되고, 캐패시터에 대한 방전 명령을 산출한다.
캐패시터 목표 전압 설정부(42)에서는, 이와 같이 작성된 방전 명령에 기초하여, 캐패시터 목표 전압 Vc*를 결정한다.
여기서, 캐패시터 방전 명령 산출부(40)에서 산출하는 캐패시터에 대한 방전 명령은, 에너지 산출부(24)에서 산출한 전력량의 크기에 의존한다.
예를 들어, 전력량이 큰 경우에는, 충전 명령값을 작게 하거나 또는 방전 명령값을 크게 한다. 이것은 회생하는 전력량이 효율적으로 캐패시터에 충전되기 위해서는, 미리 캐패시터로부터 방전시켜서 충전 가능한 용량을 크게 해 둘 필요가 있기 때문이다.
즉, 미리 캐패시터의 방전을 행하도록 방전 명령값을 크게 설정하면 된다. 예를 들어, 역행 시에 있어서 엔진 회전수 ωe가 높은 경우에는, 중부하 작업 중이라고 예측할 수 있으며, 캐패시터(13)에 충전하는 것은 불가능한 상황이기 때문에, 충전 명령값은 작게 한다. 또한, 터보 엔진을 사용하고 있을 때에는, 부스트압도 파라미터로서 고려하여 부하의 상태를 예측할 수 있다.
반대로, 전력량이 작은 경우에는, 충전 명령값을 크게 하거나, 또는 방전 명령값을 작게 해서, 캐패시터 충방전 명령을 출력한다. 회생하는 전력량이 작은 경우에는, 캐패시터의 충전 가능한 용량을 크게 할 필요는 없기 때문에, 방전 명령값을 작게 설정하면 된다. 예를 들어, 엔진 회전수에 대해서, 엔진 회전수 ωe가 낮은 경우, 즉 산출된 전력량이 작은 경우에는, 회생 전력량이 작기 때문에 방전 명령값은 작게 설정하면 된다.
이와 같이 캐패시터 충방전 명령 산출부(40)에서 설정된 방전 명령에 따라서 방전을 행하도록, 캐패시터 목표 전압 산출부(42)에 있어서, 캐패시터 목표 전압 Vc*를 산출한다. 캐패시터 목표 전압 Vc*는, 캐패시터 상태 검출부(41)에서 검출한 캐패시터의 현전압 V0과, 에너지 산출부(24)에서 산출된 회생 에너지를 구성하고 있는 운동 에너지 Ev 및 위치 에너지 Ep를 사용하여 다음 식에 의해 산출된다.
Figure pct00004
Figure pct00005
여기서, Kp, Kv는 미리 설정한 상수를 나타내고 있다.
수학식 4에서 자명한 바와 같이, 에너지 산출부에 있어서 산출된 전력량이 클수록, 다음 동작에 대비하여 캐패시터 목표 전압 Vc*를 낮게 하고, 에너지가 작을수록 캐패시터 목표 전압 Vc*를 높게 제어하면 된다.
또한, 이 캐패시터 제어부(27)는 엔진 목표 회전수 We*, 교류 모터 토크 명령 Tm* 및 모터 토크 명령 Tm2*에 기초하여, 캐패시터 목표 전압 Vc*를 보정하는 것도 생각된다.
도 5는 선회 레버 파일럿압, 선회체 속도, 에너지 E 및 캐패시터 전압과 시간의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 캐패시터 목표 전압을 제어했을 때의, 선회 레버 파일럿압, 선회체 속도, 에너지 E 및 캐패시터 전압과 시간과의 관계이다.
도 5에 있어서, 선회 레버를 조작하지 않는 동안에, 선회체의 속도가 제로로 되어 있기 때문에, 이때의 운동 에너지는 제로이다. 따라서, 수학식 4에서 산출하는 목표 전압 Vc*를 높게 설정한다. 이어서, 선회 레버 파일럿압이 최대가 되도록, 선회 레버를 조작했을 때에는, 그에 따른 선회체의 속도가 상승한다. 따라서, 이때의 운동 에너지는 커지고, 목표 전압 Vc*가 작아진다. 이 목표 전압값은, 실제 셔블의 사양에 맞추어, 선회체의 최고 회전수나 출력할 수 있는 최대 토크에 기초하여, 미리, 수학식 5의 상수 Kv를 설정해 두면 된다.
이어서, 선회체 속도가 최고 속도로 선회하고 있는 중에, 레버를 중립으로 되돌리면, 선회체는 감속한다. 감속함과 함께, 운동 에너지에 따라, 캐패시터의 목표 전압값 Vc*를 높이도록 출력한다.
이상은, 선회 속도가 최고속에 달하는 것 같은 레버 조작을 행한 경우의 설명인데, 선회 속도가 작은 경우도 마찬가지이다. 선회 속도가 작은 경우에는, 운동 에너지도 작아지기 때문에, 수학식 4에 있어서 산출되는 캐패시터 목표 전압값 Vc*의 수치는, 그에 따라 변화한다. 역행 동작의 경우에는, 목표 전압값 Vc*를 높게 하는데, 도 5에 있어서의 1회째의 선회 동작보다도 작은 값으로 설정된다. 선회 중인 속도도 2회째는 작기 때문에, 레버를 중립으로 되돌려서 회생 동작할 때에는, 회생할 수 있는 에너지양도 작아진다.
그런데, 도 3에 도시되어 있는 배터리 제어부(28)는, 건설 기계의 작업 시간 종료 시에 배터리의 SOC가 0에 가까워지도록, 미리 배터리 목표 전압 Vb*가 설정되어 있다. 따라서 배터리(12)는 에너지 산출부에서 산출된 회생되는 전력량에 따르지 않고, 설정되어 있는 배터리 목표 전압 Vb*에 따라, 방전만을 행함으로써, 배터리 목표 전압 Vb*를 제어한다.
한편, 전술한 바와 같이, 캐패시터(13)가 설정한 캐패시터 목표 전압 Vc*에 제어되기 때문에, 본 발명에서는 캐패시터(13)의 방전을 미리 행한다. 이 제어에 의해 캐패시터 전압을 제어하고 있으며, 도 3을 참조하면서 설명한다.
동작 추정부(25)는 캐패시터가 캐패시터 목표 전압 설정부(42)에서 설정된 캐패시터 목표 전압 Vc*를 만족하도록 방전하는 전력량을, 우선적으로 교류 모터(35)에 방전되도록 제어한다. 이때, 차체 제어부(20)에서 산출된 각 부의 요구 출력을 만족하도록 방전이 행해지고 있고, 동작 추정부(25)는 각 부에의 공급 전력량의 흐름(파워 플로우)을 결정하는 역할을 다한다.
도 6은 선회체(402), 교류 모터(35) 및 제2 인버터(34)로 이루어지는 선회부가 역행 동작 시, 동작 추정부(25)에 의해 결정된 파워 플로우에 기초하여, 캐패시터에 충전되어 있는 전력이, 우선적으로 교류 모터(35)에 방전되는 것을 나타낸 것이다.
캐패시터(13)로부터의 방전 전력량이, 선회부에서 필요로 하는 요구 파워 Ps를 모두 캐패시터(13)으로부터 모두 조달할 수 있는 경우에는, (1)로 나타내는 바와 같은 파워 플로우에 기초하여, 각 부를 제어한다.
또한, 캐패시터(13)의 전압이 낮은 상태인 것 등, 캐패시터(13)에서 전체 에너지를 조달할 수 없는 경우에는, (1) 및 (2)로 나타내는 바와 같은 파워 플로우로서, 모터 제너레이터(M/G)(8)에서 발전한 파워도 사용하는 것이 가능하다.
또한, 전술한 배터리 제어부(28)에 있어서, 배터리의 상태가 고SOC이거나, 엔진 출력이 부족한 경우에는, (3)으로 나타내는 바와 같은 파워 플로우로 하고, 배터리 전력을 사용하여 교류 모터(35)를 구동하도록 제어해도 된다.
이들 파워 플로우는, 모두 캐패시터(13)와 배터리(12)의 상태에 기초하는 것으로, 전술한 바와 같이, 캐패시터 제어부(27)나 배터리 제어부(28)에 있어서 산출한 충방전 명령값을 만족하도록 결정한다.
이와 같이 결정한 파워 플로우에 기초하여, 각 부로 전력은 제어되고, 그에 따른 모터 제너레이터(M/G)(8)로의 토크 명령과, 교류 모터(35)에의 토크 명령이 행해진다.
이상과 같이, 미리 캐패시터(13)의 방전이 행해진 후, 선회부나 모터 제너레이터로부터의 회생 전력이 캐패시터에 충전될 때의 파워 플로우의 일례에 대해서, 도 7을 사용하여 설명한다.
캐패시터(13)에의 충전이 가능한 경우에는, (1)과 같은 파워 플로우에 따르도록, 각 부를 제어한다. 단, 선회 역행 시에는, 선회 동작과 함께 복합 동작으로서, 프론트 작업을 행할 가능성도 있다. 그 경우, 선회에 의한 회생되는 전력량이 캐패시터로의 충전 명령에 대해 크면, (1) 및 (2)의 파워 플로우로 하고, 선회 모터에서 회생한 에너지로 모터 제너레이터(M/G)(8)를 구동하여 엔진을 어시스트하여 펌프(31)의 출력에 사용하는 것도 가능하다.
또한, 캐패시터(13)의 축전 상태가 낮아져, 충전 명령이 출력된 경우에는, (1) 및 (3)으로 나타내는 바와 같은 파워 플로우로 하여, 모터 제너레이터(M/G)(8)에서 발전한 파워도 사용하는 것이 가능하다. 모두 캐패시터의 캐패시터 목표 전압 Vc*를 만족하도록 파워 플로우를 결정하는 것이다.
이상의 설명에서는, 선회체의 역행 및 회생 동작예를 나타냈지만, 그 다른 부분, 예를 들어 주행 동작이나 프론트부의 붐 동작이 전동화된 경우에 대해서도 본 실시예에 있어서의 전원 시스템(1)의 제어 방법에 대해서는 적용 가능하다.
본 발명은 엔진과 전원 시스템을 구비한 건설 기계에 관한 것으로서, 유압 셔블, 휠 로더, 포크리프트 등으로 이용 가능하다.
1 : 전원 시스템
8 : 모터 제너레이터(M/G)
9 : 제1 인버터
10 : 엔진
12 : 배터리
13 : 캐패시터
14 : 제2 DC/DC 컨버터
15 : 제1 DC/DC 컨버터
17 : 컨트롤러
32 : 프론트 작업 장치
33 : 주행용 유압 모터
34 : 제2 인버터
35 : 교류 모터
36 : 컨트롤 밸브
400 : 작업부
402 : 선회체

Claims (8)

  1. 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동하는 유압 펌프와, 상기 엔진과 상기 유압 펌프에 연결하는 발전 가능한 모터 제너레이터와, 상기 유압 펌프로부터 토출하는 오일에 의해 구동하는 유압 작업 장치와, 상기 유압 작업 장치가 설치되는 선회체와, 상기 선회체를 구동하는 교류 모터와, 상기 모터 제너레이터 및/또는 상기 교류 모터에 전력을 공급, 및 상기 모터 제너레이터 및/또는 상기 교류 모터로부터 회생되는 전력을 충전하는 캐패시터를 갖는 전원 시스템과, 상기 전원 시스템을 제어하는 컨트롤러를 갖는 건설 기계에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 오퍼레이터의 현 조작에 기초하여, 상기 유압 작업 장치 및/또는 상기 선회체의 다음 동작을 추정하는 동작 추정부와, 추정된 다음 동작에 기초하여, 상기 모터 제너레이터 및/또는 상기 교류 모터로부터 회생되는 전력량을 산출하는 에너지 산출부와, 산출된 전력량과 상기 캐패시터의 현전압의 차에 기초하여, 상기 캐패시터의 목표 전압을 설정하는 캐패시터 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐패시터 제어부는, 상기 캐패시터의 현전압을 검출하는 캐패시터 상태 검출부와, 산출된 전력량과 검출된 현전압과의 차에 기초하여, 상기 캐패시터에 대한 충방전 명령을 산출하는 캐패시터 충방전 명령 산출부와, 작성된 충방전 명령에 기초하여, 상기 캐패시터의 목표 전압을 설정하는 캐패시터 목표 전압 설정부를 갖는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐패시터 제어부는, 상기 엔진의 회전수, 상기 교류 모터의 토크 명령, 및/또는, 상기 모터 제너레이터의 토크 명령에 기초하여, 상기 캐패시터의 목표 전압을 보정하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 오퍼레이터의 현 조작에 따라서 상기 선회체로 요구되는 전력량을 산출하는 차체 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  5. 엔진과 유압 펌프에 연결하는 발전 가능한 모터 제너레이터 및/또는 상기 유압 펌프로부터 토출하는 오일에 의해 구동하는 유압 작업 장치가 설치되는 선회체를 구동하는 교류 모터에 전력을 공급하거나, 및 상기 모터 제너레이터 및/또는 상기 교류 모터로부터 회생되는 전력을 충전하는 캐패시터를 갖는 전원 시스템과, 상기 전원 시스템을 제어하는 컨트롤러를 갖는 건설 기계에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 오퍼레이터의 현 조작에 기초하여, 상기 유압 작업 장치 및/또는 상기 선회체의 다음 동작을 추정하고, 추정된 다음 동작에 기초하여, 상기 모터 제너레이터 및/또는 상기 교류 모터로부터 회생되는 전력량을 산출하고, 산출된 전력량과 상기 캐패시터의 현전압의 차에 기초하여, 상기 캐패시터의 목표 전압을 설정하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 산출된 전력량에 기초하여, 상기 캐패시터에 대한 충방전 명령을 작성하고, 작성된 충방전 명령에 기초하여, 상기 캐패시터의 목표 전압을 설정하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 교류 모터의 회전 속도에 기초하여, 전력량을 산출하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 캐패시터의 현전압과 상기 캐패시터의 목표 전압을 비교하여, 상기 캐패시터의 현전압이 상기 캐패시터의 목표 전압보다 큰 경우에는, 상기 선회체를 구동하는 교류 모터에, 미리, 상기 캐패시터에 충전되어 있는 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계.
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